JP5285861B2 - 荷重変換用音叉振動装置 - Google Patents

Description

本発明は、安定度の高い測定値が得られる荷重変換用音叉振動装置に関するものである。

従来の荷重変換用音叉振動子は、振動体に２枚の圧電素子（ＰＺＴ）を貼り付け、１枚の圧電素子により駆動を行い、他方の圧電素子により振動を検出している。

図９は特許文献１による荷重変換器の一部を構成する従来の荷重変換用音叉振動子１の一例を示し、中心軸に対称かつ平行した２枚の振動片１ａ、１ｂの両端を、コ字形結合部２ａ、２ｂにより結合している。一方の結合部２ａの両側面に、第１、第２の圧電素子３ａ、３ｂをそれぞれ取り付け、第１の圧電素子３ａの出力を発振増幅器４に接続することにより、第１の圧電素子３ａの出力を検出信号とし、その一部を第２の圧電素子３ｂの励振用として使用する。

このような構成において、発振増幅器４の利得や周波数特性を適切に選択することにより、図１０に示すように振動片１ａ、１ｂは対称モードの基本振動数で発振し、図１１に示すような波形信号Ａが得られる。この状態において、音叉振動子１の取付部５ａ、５ｂを介して軸方向に測定すべき荷重Ｆが加えられると、その発振振動数が変化することから、この振動数を周波数カウンタ６で読み取って、加えられた荷重Ｆを知ることができる。

特開昭６０―８６４２７号公報

しかしながら、測定荷重Ｆ以外の振動的或いは衝撃的な加速度を伴う外力として、例えば軸に直角方向に力が加わると、振動数が突然大幅に変化するほか、正常な振動状態を維持できず、測定荷重Ｆと振動数との間の忠実な対応性が一時的に失われるというような現象が生ずる。

このような外部からの衝撃により、圧電素子３ａからは本来の荷重信号の他に、外乱による信号が重畳された出力が発生する。このため、信号波形Ａが乱れて周波数カウンタ６は誤計数し、得られた荷重信号は誤ったものとなってしまうことがある。

本発明の目的は、上述の課題を解決し、外力が衝撃的に加わっても、それを相殺して、正確な荷重を測定し得る荷重変換用音叉振動装置を提供することにある。

上述の目的を達成するための本発明に係る荷重変換用音叉振動装置の技術的特徴は、平行な２枚の振動片の両端をそれぞれ結合部により結合した音叉振動子において、一方の結合部の両側面に信号検出用の圧電素子をそれぞれ貼り付け、前記一方の結合部又は他端の結合部の側面に励振用の圧電素子を貼り付け、前記信号検出用の２つの圧電素子の出力を加算して検出信号とし、該検出信号の一部を前記励振用の圧電素子に加えることにある。

本発明に係る荷重変換用音叉振動装置によれば、音叉振動子を使用した荷重の測定において、外部からの衝撃が加わっても安定した測定を可能とする。

本発明を図１〜図８に図示の実施例に基づいて詳細に説明する。
図１に示すように、音叉振動子１０の平行な２枚の振動片１１ａ、１１ｂの両端は、コ字型に結合部１２ａ、１２ｂにより結合されている。結合部１２ａ、１２ｂはそれぞれ荷重測定端に接続され、音叉振動子１０はこれらの荷重測定端間に作用する荷重を測定するようにされている。

一方の結合部１２ａの両側面には、検出信号用の圧電素子１３ａ、１３ｂがそれぞれ貼り付けられ、他方の結合部１２ｂの一方の側面には励振用の圧電素子１３ｃが貼り付けられている。これらの圧電素子１３ａ〜１３ｃの貼付位置は、振動片１１ａ、１１ｂと結合部１２ａ、１２ｂのそれぞれの境界部付近とされ、振動片１１ａ、１１ｂの振動を効率良く検知でき、また効率良く励振できる個所とされている。

圧電素子１３ａ、１３ｂの出力は加算器１４に加えられて検出信号とされ、更にこの検出信号の一部は増幅器１５を経て他端の励振用の圧電素子１３ｃに帰還されている。

音叉振動子１０においては、背景技術で説明したように、荷重測定端間に荷重が作用すると、検出信号の発振振動数が変化するので、この振動数を計数することにより荷重測定が可能となる。

いま、音叉振動子１０に横方向から衝撃的な外力が加わり、音叉振動子１０が極端には図２又は図３に示すように変形し、圧電素子１３ａには例えば模式的に図４に示す波形信号Ｂが加わり、圧電素子１３ｂには図５に示すような、図４とは極性が反転した波形信号Ｃが加わる。

従って、圧電素子１３ａにおいては、図１１に示すような本来の波形信号Ａと図４に示す波形信号Ｂとを加えた図６に示す波形信号Ｄが得られる。また、圧電素子１３ｂにおいては、波形信号Ａと図５に示す波形信号Ｃとを加えた図７に示す波形信号Ｅが得られる。

これらの圧電素子１３ａ、１３ｂで得られた波形信号Ｄ、Ｅを加算器１４において加算すると、波形信号Ｂ、Ｃは極性が呈する対称的な信号であるので相殺され、図８に示す本来の荷重信号と同等の振動周波数を有する波形信号Ｆが得られる。この波形信号Ｆは図１１に示す波形信号Ａに対し、大きさは２倍となるが同じ周波数であり、衝撃による波形信号Ｂ、Ｃは極性が反転しているので相殺される。

通常の状態における測定においては、音叉振動子１０に加わる荷重が変化すると、図１１に示すような波形信号Ａが圧電素子１３ａ、１３ｂから同相で得られる。従って、これらの２つの波形信号Ａは加算器１４により加算され波形信号Ｆと同様の信号となって検出信号とされ、検出信号の一部は増幅器１５により増幅され圧電素子１３ｃに帰還されて励振用に使用される。

この場合に、励振用の圧電素子１３ｃに対しても、正常の周波数が帰還されるので測定は正しく行われることになり、外部からの衝撃があっても、検出信号を誤計数することがなくなり、安定した荷重測定が可能となる。

なお、励振用の圧電素子１３ｃは結合部１２ｂに貼り付けるのではなく、結合部１２ａにおいて、圧電素子１３ａ又は圧電素子１３ｂに並べて貼り付けてもよい。

音叉振動子１０に加わる外力は、横方向からの外力が問題となり、横方向からの外力は極性が異なる現象を発生するモードが問題となる。従って、この外力による悪影響を本発明により解消することができる。

実施例の構成図である。 衝撃により音叉振動子が変形した状態の説明図である。 衝撃により音叉振動子が変形した状態の説明図である。 外力が加わった状態の一方の圧電素子の模式的な信号波形図である。 外力が加わった状態の他方の圧電素子の模式的な信号波形図である。 基本信号波形に外力による信号波形を合成した状態の一方の圧電素子の模式的な信号波形図である。 基本信号波形に外力による信号波形を合成した状態の他方の圧電素子の模式的な信号波形図である。 ２つの圧電素子の出力を加算した状態の信号波形図である。 従来例の構成図である。 従来例の荷重による音叉振動子の発振モードの説明図である。 基本的な発振振動数の信号波形図である。

符号の説明

１０ 音叉振動子
１１ａ、１１ｂ 振動片
１２ａ、１２ｂ 結合部
１３ａ、１３ｂ、１３ｃ 圧電素子
１４ 加算器
１５ 増幅器

Claims (2)

1. 平行な２枚の振動片の両端をそれぞれ結合部により結合した音叉振動子において、一方の結合部の両側面に信号検出用の圧電素子をそれぞれ貼り付け、前記一方の結合部又は他端の結合部の側面に励振用の圧電素子を貼り付け、前記信号検出用の２つの圧電素子の出力を加算して検出信号とし、該検出信号の一部を前記励振用の圧電素子に加えることを特徴とする荷重変換用音叉振動装置。
2. 前記信号検出用の２枚の圧電素子による前記検出信号を増幅器で増幅してから前記励振用の圧電素子に加えることを特徴とする請求項１に記載の荷重変換用音叉振動装置。

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