JPS596371B2 - 力変換器 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は力を周波数に変換する装置に関するものである
。

第１図は、従来より一般に用いられている力を周波数に
変換する装置の一実施例の原理的構成説明図である。

図において、１は両端を固定された断面一様な棒、２は
、たとえば筐体等のベースである。

今、棒１の両固定端にそれぞれ軸力Ｓが加わるものとす
ると、軸力Ｓと棒の横方向の振動周波数ｆとの間にはＩ
Ｋ２”Ｓの場合（１）式に示すＥ■ ような関係がある。

ｔ：棒１の長さ Ｅ：棒１の縦弾性係数 ■：振動方向に直角な主軸に関する断面２次モーメント ｇ：重力加速度 ρ：棒１の密度 Ａ：棒１の断面積 Ｓ：軸力（圧縮力を正とする） Ｋ１．に２：棒１の支持条件と振動モードにより決る定
数 共振周波数ωは２πｆで表わされるので、棒１の共振周
波数ωを測定すれば、対応する軸力Ｓを測定することが
できる。

このようなトランスデユーサにおいて、高精度の測定を
実現するための条件としては以下の条件が満足されなけ
ればならない。

（ｉ） 周波数ｆの安定性が良い。

つまり、振動子（＝棒１）のＱが高い。

（ｉｉ） 単位応力当りの周波数変化率△ｆ／σが太
きい。

即ち、このようなトランスデユーサの良好塵Ｇは次のよ
うな式で表わすことができる。

而して、第１図の構成のものにおいて、棒１を共振させ
、その共振周波数ωを測定すれば、加えられた軸力Ｓを
知ることができるが、第２図に示す如く、棒が振動して
いる場合に、ベース２との固定端部には反力Ｒが発生し
、この力はベース部が理想的な固定端でない場合損失と
なり消費され、棒１のＱの低下の原因となる。

本発明は上記の問題点を解決したものである。

本発明の目的は簡単な構成により、振動エネルギー損失
が少なく、効率のよい力凌換器を提供するにある。

また、本発明の他の目的は、対称モードと非対称モード
の共振周波数を異ならせて、対称モードで安定に発振さ
せることにある。

第３図は、本発明の一実施例を示す構成説明図であって
、３Ａ、３Ｂは中心軸に対して対称になるように平行に
配置された２本の振動体、４Ａ、４Ｂはこれら振動体３
Ａ 、３ Ｂの端部間をそれぞれ結合する結合体、５
は振動体３Ａ、３Ｂの任意の位置間を連結する連結体で
あって、これらは振動子本体■を構成している。

６Ａ、６Ｂは振動子本体Ｖの結合体４Ａ、４Ｂをそれぞ
れベース２に固定支持するための支持体である。

ＥＸは励振器、ＤＴは検出器、ＡＭＰは増幅器であり、
励振器ＥＸは振動体３Ａに取り付けられていて増幅器Ａ
ＭＰの出力により駆動され、検出器ＤＴは振動体３Ｂに
取り付けられていてその出力は増幅器ＡＭＰに加えられ
ている。

すなわち、振動子本体■、励振器ＥＸ、検出器ＤＴおよ
び増幅器ＡＭＰにより発振回路が構成されている。

なお、励振器ＥＸ１検出器ＤＴとしては、たとえば圧電
素子を用いることができる。

このような構成において、被測定軸力Ｓが矢印方向に加
えられてその軸力Ｓが変化すると、前述（１）式に示す
如く振動子本体■の共振周波数は変化し、発振回路の発
振周波数も変化することになる。

ここで、振動子本体■の発振モードを中心軸に対して対
称に振動する対称モードとすることにより、第４図に示
すように、振動体３Ａ、３Ｂと結合体４Ａおよび連結体
５との結合部において発生する反力ＲとモーメントＭと
が互いに逆方向で大きさが等しくなって打ち消し合うこ
とになり、振動子本体■のエネルギーが外部で消費され
ることはない。

この結果、Ｑの高い、良好塵Ｇの値が大きな振動子本体
を得ることができる。

ところで、このような振動子本体■の発振モードには第
５図に示すような非対称モードも存在する。

しかし、本発明に係る振動子本体■によれば、第４図の
ような対称モード発振の場合には振動体の長さｔ２が支
配的に関与するが第５図のような非対称モード発振の場
合には長さｔｌが支配的に関与することになり、対称モ
ードと非対称モードの共振周波数は異なることになる。

したがって、第３図のような構成によれば、振動子本体
■を対称モードで安定に発振させることができる。

第６図は、本発明の具体的な実施例の要部を示す構成説
明図であって、ａは正面図、ｂは側面図であり、第３図
と同等部分には同一符号を付している。

第６図において、振動子本体Ｖおよび支持体６Ａ、６Ｂ
は、共通の部材で一体化されている。

すなわち、本実施例では、１個の角柱体から直交する中
心軸に対してそれぞれ対称形となるように所定の形状に
削り出した例を示している。

振動体３Ａ、３Ｂは、長軸方向にそって設けられた切削
孔ＨＣにより形成されている。

結合体４Ａ、４Ｂは、切削孔ＨＣの両端の残部により形
成されている。

連結体５Ａ、５Ｂは、切削孔ＨＯと結合体４Ａ、４Ｂに
それぞれ設けられた切削孔ＨＡ 、 ＨＢとの間の残部
により形成されている。

また、支持体６Ａ、６Ｂは、互いに直角をなす板状のフ
レクシャＰＡ１〜ＦＡ３．ＦＢ１〜ＦＢ３等で形成され
ている。

これにより、端部の取付けによる曲げ等の応力が除去さ
れるとともに振動子本体Ｖはベース等から振動的に絶縁
されることになる。

このように一体成形することにより、特性の均一なもの
を得ることができる。

また、本実施例において、励振器ＥＸおよび検出器ＤＴ
は、連結体６Ｂの近傍の側面に配置されている。

これは、発振モードが対称モードの場合、連結体５に応
力が作用することに着目したものである。

さらに、対称モードで発振している場合、連結体５も振
動体の一部を構成するように作用するので、良好なＱ特
性を示す励振器ＥＸおよび検出器ＤＴの取付範囲が、連
結体５のない場合に比べて広くなるという効果もある。

なお、励振器ＥＸ、検出器ＤＴを、蒸着やスパッタリン
グ等により、薄膜形圧電素子として振動子本体■の所定
部分に直接形成することもできる。

これによれば、より高いＱを得ることができるとともに
、生産性を高めることもできる。

また、振動子本体■を磁性材で構成し、励振および振動
検出をコイルで非接触に行なうようにしてもよい。

また、水晶等の圧電材を用いて、振動子本体、励磁手段
および検出手段を一体化することもできる。

たとえば、振動子本体■を水晶で構成した後、振動子本
体Ｖに蒸着等により電極を被着すればよい。

これによれば、比較的簡単な構成で、出力インピーダン
スが低く、特性の良好なものが得られる。

なお、この場合、水晶のカットおよび電極の配置は、振
動体３Ａ、３Ｂが屈曲振動するように選択すればよい。

また、上記実施例では、振動体が板ビーム状の例につい
て説明したが、これに限るものではなく、棒状であって
もよい。

さらに、上記実施例では、角柱体から所定の形状の振動
子本体を削り出して一体成形した例について説明したが
、個々に構成された部品を組み合わせるようにしてもよ
い。

以上説明したように、本発明によれば、振動エネルギー
の損失が小さくて変換効率が高く、非対称モードと対称
モードとの共振周波数の異なった力変換器が実現でき、
圧力（差圧）や密度、歪、重量等の物理量の測定器の信
号変換要素として好適である。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の装置の原理的構成説明図、第２図は第１
図の動作説明図、第３図は本発明に係る装置の原理的構
成説明図、第４図、第５図は第３図の動作説明図、第６
図は本発明の具体的な実施例の要部を示す構成説明図で
ある。 ２・・・・・・ベース、３・・・・・・振動体、４・・
・・・・結合体、５・・・・・・連結体、６・・・・・
・支持体、■・・・・・・振動子本体、ＥＸ・・・・・
・励振器、ＤＴ・・・・・・検出器、ＡＭＰ・・・・・
・増幅器。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 中心軸に対して対称となるように平行に配置された
   ２本の振動体、これら振動体の端部間をそれぞれ結合す
   る結合体およびこれら振動体の任意の位置間を連結する
   連結体とを含む振動子本体と、振動子本体を共振させる
   励振手段と、振動子本体の振動を検出する検出手段とを
   具備し、前記振動体に作用する軸力に応じて変化する振
   動体の対称モード発振と反対称モード発振の固有振動周
   波数を異ならせるようにした力変換器。 ２ 振動子本体を、共通の部材で一体化したことを特徴
   とする特許請求の範囲第１項記載の力変換器。 ３ 励振手段および検出手段を振動体と連結体との連結
   部に設けたことを特徴とする特許請求の範囲第１項記載
   の力変換器。 ４ 励振手段および検出手段として圧電素子を用いるこ
   とを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の力変換器。 ５ 圧電素子として薄膜蒸着圧電素子を用いることを特
   徴とする特許請求の範囲第４項記載の力変換器。 ６ 振動子本体を磁性材で構成し、励振手段および検出
   手段としてコイルを用いることを特徴とする特許請求の
   範囲第１項記載の力変換器。 ７ 振動子本体、励振手段および検出手段を圧電材を用
   いて一体化したことを特徴とする特許請求の範囲第１項
   記載の力変換器。