JPS6069528A - 振動ビーム式力感知器のビーム構造体 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は力感知器（フォース　センサー）に関するもの
であり、特に、ビーム（梁）が張力下に置かれた時のた
わみビームの自然共振振動数の変化を用いて上記張力の
量を表示するようなセンサーに関するものである。

振動ビームの力感知器は極めて周知であり、その基本的
アイデアは、２０年以上も前に記載されており、／２６
０年初期からこれらの装置（基本的には両端で取付けら
れている圧電材料のビームあるいは帯体を応力下におい
て圧電的にたわみ振動させ、その振動数の変化で応力の
変化を表示する）は広範囲にわたって用いられてきた。

しかし、残念ながら、最も単純な構造の装置である両端
を取付けた一本の帯状ビームはＱ（振動を維持するため
に供給しなければならないエネルギー量に対する振動す
る構造物中に閉じ込められたエネルギーの量を示すのに
用いられる係数）がかなり小さく、エネルギーは両端の
取付は具に大部分が伝達されて失われてしまう。人力エ
ネルギーの大部分が取付は具に伝わって吸収されてしま
うという上記のＱの低さの問題を解決するビーム状借造
物を作ろうとする努力が多数なされてきたが、その努力
の大部分はある種の重さのバランスを取った振動要素を
設けて、この要素とビームとの振動を取付は具の所で互
いに効果的に相殺し、取付は具にエネルギーが伝わらな
くして、構造体全体のＱを大きくしようとする着想に集
中されてきた０ この重さのバランスを取った、すなわち補償をした構造
物は希望通りＱが大きくはなるが、構造が極めて複雑に
なり、製作が難しく、コストもかかる。／り６０年初期
に開発されたこの種構造物の一つは２つのビームの両端
を共通取付は具に互いに上下に且つ間を離して取付けた
音叉原理（２つの類似部材が互いに逆位相で振動する）
を利用している。音叉のアームと同様に、一つのビーム
は共通面内で、すなわち互いに接近、離反してたわみ振
動する。λつのビームは逆位相（／ざ０℃の位相ずれ）
であるので、一方のビームにより各取付は具に送られる
振動は他方のビームにより送られる振動と全く同じであ
るが逆位相であり、従って両振動は相殺し合い、取付は
具にエネルギーｔ；伝達されることはない。７７７０年
代初期に提案された他の構造物はビームの縦軸に直角な
ねじれ部材を介して各取付は具にビームを固着し、各ｔ
コじれ部材の先に釣合い重りのビーム部分を設番するこ
とによって前記低Ｑの問題を解決しようとしている。さ
らに、／り７０年代に提案された他０構造物は後者の変
形例であり、ビームの面の上下で離間された２つの「絶
縁／ぐネ」を介してビームの各端を取付け、こ−からビ
ームの中心にのびる２つの釣合い重りを設けている。こ
の様な構造物番マ圧電材料の素材から作り出すのが困難
かつ製作コストが高くなるだけでなく、ある場合には必
要な電極（それによってビームを駆動しかつその振動の
実際の振動数を測定できる）をそれの上に置くことが、
内在する複雑な形状のために特にわずられしくなること
がある。

これまで提案された高いＱを有する構造物をｉ全てバラ
ンス用ビームすなわち「主」ビームの振動面内に存在し
てこの面内でたわむ釣合い重りを含んでいる。その結果
、これらの構造物は全て不必要に複雑にならざるを得な
かった。本発明の目的は釣合い重りを取るビームを主ビ
ームの上と下ではなくその両側に配置することによって
機槽的に簡単で、コストが安く、十分な効果のあるビー
ム構造物を提供することにある。

従って一つの観点からすれば、本発明の提供するビーム
構造物は両端で取付けられた圧電材料のビームまたは帯
体が応力下で圧電的にたわみ振動され、その振動数の変
化が応力の変化を示すような型式の振動ビーム力感知器
において、互いに離れて並べられた少なくとも３つの同
一平面のビームを有し、これらのビームはビームの共通
面に直角な面内でたわみ！Ｍ動するように両端における
共通取付は具のｍＫ支持されている。

当技術分野で一般的であるように、各ビームは帯状特性
（長さと、巾を、深さく厚さ）とを有する測長器に類似
）を有し、長さは巾より大きく、巾は厚さより大きい。

従って、ビームの面は長さと巾寸法がある面として大ま
かに限定することができ、本発明のビーム構造物では全
てのビームの面が一つの共通面内にある。さらに、同じ
く当技術分野で一般的であるように、各ビームはその深
さ方向すなわち上記の面に直角な方向にたわむ（ＦＡ動
する）。本発明では各ビームは上記共通面に直角にたわ
むようにしている。しかし、外側の２つのビーム（平衡
ビーム）は作動時に中心ビーム（主ビーム）に逆位相で
たわむようにしてあり、それによって主ビームを介して
その取付は具に伝えられるエネルギーが一つの平衡ビー
ムを介して同じ取付は具に送られる工；？・ルギーと等
しくなる（ただし逆位相）、すなわぢ両方のエネルギー
が相殺される。

使用時には、上記ビーム構造物はそれを作動させるに必
要な各種電極と組合される。これら電極の特性と位置決
めは極めて普通のものであり、後でさらに説明する。

本発明のビーム構造物は当技術分野で使用されているか
、示唆されている任意の圧電材料で作ることができ、本
発明の一つの大きな利点はそれら材料を少且しか用いず
に安く作れるという点にある。本発明で用いることがで
きる典型的な圧電体は単結晶石英、リテクムニオペイト
、リチウムタンタレイト、アルミニウムオルン７オス７
エイトである。

本発明のビーム構造物は互いに並んで隔てられた３つの
同一平面のビームを有している。もちろん、このビーム
の数は任意（ただし、少なくとも３つ）であり、例えば
≠つ（２つの内側主ビームと２つの外側平衡ビーム）、
ｊつ（一つの中心主ビーム、２つの内側平衡ビーム、た
ぶん中心の主ビームと同一位相の２つの外側平衡ビーム
）にすることもできるが、３つで十分であると思われる
。

既に述べたように、３つのビームは同一平面内にあり且
つ離れて並べられている。この意味は（特に）ビームに
取付は具を加えた長さと、構造物の３つのビームを組合
せた巾とを有する圧電体の帯状素材を用意し、この素材
の縦軸に平行に走る２つの並列スロットを形成するよう
に素材を除去して（好ましくはＭ＠線の両側を除去して
）構造物全体を簡単に作ることができる。上記の２つの
スロットにより３つの平行ビームが作られる。このよう
など−ム楢造物の作り方は以下でさらに詳細に説明する
。

上記３つのビームは各端の共通取付は具の同に支持され
る。これらの取付は具は実際にはこれらビーム自体と一
体な圧電材料の一部にするのが便利であり、これら取付
は具は力感知器の動的措成要素の役目をするデバイス中
または上に構造物自体を取付けるだめの手段になる。取
付は具にはそれがビーム構造物と結合する所とそれ自体
が前記デバイス中または上に取付けられる所との間に収
縮部すなわち池の部分より巾の狭い軸方向の部分を設け
るのが好ましいであろう。

３つのビームは共通の数句は具の間に支持されるので長
さは同一である（所望の基本的たわみ振動数に対し適当
であればどんな長さでもよいが一２３０ミル（乙、３３
ｍ＋ｎ）　が７ｉも好ましいように思われる）。３つの
ビームの巾は同一でないのが好ましく、２つの平衡ビー
ムエネルギーに主ビームのエネルギーを一致させるとい
う問題を容易にするためには、一つの平衡ビームの各々
の質量すなわち巾を主ビームの巾の半分にするのが好ま
しい。長さ乙、　３　ｊ　ｍｍ　ｓ厚さ０．　／　２　
ｊ　ｍｍ　のビームの場合、主ビームの巾は≠ｏミル（
／ｍｒｒＬ）、平衡ビームの巾は２０ミル（０，ｊ　ｍ
ｍ　）で十分である。

長さ対中の比を大きくした構造物はＱ値が大きくなる傾
向がある。

本発明のビーム構造物は種々の゛方法で作ることができ
る。その一つとして用いることができる空気研摩法では
、圧電材料の素材を裏打ち板とスロット付き−スフとの
間に保持し、研摩粒子のジェットをマスクのスロットを
通して吹き付けて不用部分の材料を除去する。空気研摩
法は材料の表面を損傷させて振動ビームの機械的動力ロ
スを大巾に増大し到達できるＱ係数を減少してしまう可
能性がある。このロスは後の化学研摩法を用いることに
よって大巾に減らすことができる。

池の製造法では写真平版法が用いられる。この方法では
圧電材料の素材上に適当なマスクを置き、適当なエツチ
ング液で非保護部の材料を溶解する。

石英の圧電材料の場合、−厚さを増加させ且つビンホー
ルを通ってエツチング液が庚４人しないようにするため
に全メッキしたニッケル上蓋着金の層のマスクが適して
おり、満足なエツチング液は含水アンモニウムバイフル
オライドテアル。

本発明のビーム構造物を用いる力感知器では、ビーム構
造物が力感知器に加えられるカがビームに伝達されて測
定されるように（その両端で）取付けられる。この力感
知器のデバイスの一例では、ビーム構造物が片持ちビー
ムの表面上の浅いスロットを横切って取付けられる。こ
の片打ちビームの自由端に力が加わるとビーム描〕告物
中にひずのが生じ、このひずみはデバイスの幾何学的Ｊ
ど状に従い正確に計算できる。上記片持ちビームの材ネ
）はビーム構造物のひずみ方向のｇ膨張係数とはｃｉ一
致した線膨張係数を有するものであって、振動数の熱係
数を最少にし且つ枚限泪度での圧電材料の亀裂の危険を
防ぐようにしなければならない。

もちろん片持ちビームの材料と結晶配向方向をビーム構
造物と同じにすることができ、その場合には温度変化に
より生じる応力はゼロにできる。しかし、その場合でも
温度により振動数が変るので〜理想的には実際の膨張差
により生じる応力によりひずみを受けないデバイスの温
度係数を有効に相殺する振動数シフトを生じるような熱
膨張係数を有する材料で片持ちビームを作る。

全く別の取付は法では、ビーム構造物が互いに枢着され
た２つの剛体レバーの自由端の間に掛けわたされて固着
され、測定すべき力がこれらレバーに加わると自由端が
互いに離れる（従って、ビーム構造物にひずみが生じる
）ようになっている。

圧力測定に特に適したこれと類似あ取付は法では・ビー
ム構造物がビーム構造物の各端の短い柱を介してダイヤ
プラムに取付けられる。測定すべき圧力はこのダイヤフ
ラムに加えられて、ダイヤプラムにそれらを取付けた点
の囲って柱を回転させ、それによってビーム構造物中に
びずみが生じる。

以上３つのル句は法は添付図面を参照して以下で説明す
る。

本発明ビーム構造物は圧電材料で作られ、この構造物に
取付けたＴＬ極に送られる電気信号によってたわみが与
えられる。たわみ振動が生じる機ｄ４は現在では周知で
ある。しかし、簡単に説明すると、片面の電極と他面の
７ツチング電極との間でビームの深さ方向に電楊が生じ
、両電極間で圧電材料の容積が剪断力で横にゆがみ、こ
のゆがみにより生じた力によってビーノ・が全体的に上
（または下）へ動かされる。従ってビームが力１］えら
れた信号の周波数でひずみ、このひずみはその信号周波
数がビームの共振振動数になった時に最大振幅となる。

通常は一対の駆動電極をビーム中心の近傍ｆＬつその片
側に取付け、一対のビ・、・クアッｆ宛極をビーム中心
の反対側の対応位置に数句け１　ピックアップ電極の所
で得られるイＣ＠をフィードバラクルージで用いて駆動
信号の１ζ波数を所定ビーム共振振動数にして、そγ１
を維持する。ビームに加わつた力によりこの共振振動数
は変化し、これを用いて上記の力を測定することができ
る。本発明のビーム構造物では、３つ（またはそれ以上
の）の各ビームに各々駆動体とピックアップの対を設け
ることもできるのは当然であり、これらは通常の任意の
方法で所定位置に形成でき、信号回路（その−例は添付
図面を参照して以下で説明する）により主ビーム信号に
逆位相の平衡ビーム信号を与えるようにする。さらにす
べての電極はビーム構造物の片面上で共通電極（好まし
くはアース電位に維持する）にまとめることが可能であ
り、そうするのが好ましい。さらに、３つ全部のビーム
を駆動せずに単に主ビームまたは平衡ビームのみを駆動
することが可能である。これは最初は驚くべきことに思
われた。これらの一つをたわませるのに供給されたエネ
ルギーは端部取付は具を通って他に横方向に伝達される
。この駆動振動数を正確に選択するならば、この伝達エ
ネルギー自体によって他は逆位相でたわむ。この一つの
興味ある確証は一つを主ビーム上にまた池を平衡ビーム
の一つに取付けて駆動電極をピックアップ電極との組合
せから外すことができるということである。

今日当分野で用いられているものに比べた本発明のビー
ム構造物の利点は以下のように要約できる： ／）ビーム構造物の寸法が小さくなるため、原料料費を
安くできる。小型のデバイスが少量の石英で作れ、各素
材から複数のデバイスを作ることができ、７個当りのデ
バイスの加ニーコストを下げることができる。

、２）ビーム構造物の機構が簡単になるので、写真平版
法を用いて作ることができ、電極パターンを極めて単純
に配置できる。

３）ビーム構造体が本来薄いので、それを安く組立てる
ことができる。

本発明はさらに以上の説明および特許請求の範囲記載の
ビーム構造体を用いた力感知器にも及ぶものである。

以下、添付図面を参照して例示としての各種実施例を説
明する。

本発明のビーム構造物の２つの形状が第１Ａ図と第１Ｂ
図に示されている。第１八図のものは圧電材料の帯体１
０であり、この帯体にはその長手方向軸線の両側に互い
に平行且つ離反して切り取られた２つの中心部にある狭
いスロツ）ＩＩＴ。

１１Ｂが設けられている。各スロットの間および外側の
帯体材料がビームすなわち中心の主ビーム１２と両側の
２つの平衡ビーム１３Ｔ、１３Ｂである。これら３つの
ビームはその各端に帯体の端部１５Ｌ、１５Ｒと連続し
た共通取付は具１４Ｌ。

１４Ｒを有し、帯体は上記端部１５Ｌ、１５Ｒを介して
それが用いられるデバイスの中または上に取付けられる
。

第１Ｂ図の帯体は各ビーム取付は具１４Ｌ。

１４Ｒを対応する帯体の端部１５Ｌ、１５Ｒから分離し
ている材料のクビ部１６Ｌ、１６Ｒを加えた第１Ａ図の
帯体の巾広で長い変形例である。

第、２Ａ、、２Ｂ、２Ｃ図（各々側面、部分断面および
部分平面図）は片持ちレバーのスロット中に取付けられ
た第１Ａ図と同様なビーム構造物を示している。この片
持ちレバー２１は一端で支持体２２に団体取付けされ、
力Ｆの影Ｕで（図の）上下に＃動する。片持ちレバーの
表面にはスロットすなわち切欠き２３が切られ、このス
ロットを模切って本発明のビーム構造物２４が橋渡され
（且つ両側で片持ちレバーの表面部に回定されているふ
その詳細は第２Ｂ、、２Ｃ図（前者はビーム構造物２４
がたわみ自在であることを示している）により明瞭に示
しである。

他の取付は法はＫＥＡ図に示すような可撓性フレームを
用いたものである。このフレーム３１の両端に加わる力
はいずれにせよ直接ビーム構造物３２に与えられるが、
侃躍差に−よっては大きな力は生じない。この種の薄い
構造物はフレームの一端が剛性取付は部３３に、また池
端が圧力ダイヤフラム３４に取付けられた大気圧変換器
に最も適しているであろう。この圧力ダイヤプラムによ
り生じる力はレバー腕３５．３６の相対長ざにＪ：り与
えられる拡大倍率によりビーム構造物に与えられ、独断
部材３７が相対的に薄ければ、熱膨張によりビーム構造
物中に大きな力は生じない。

圧力測定に適した簡単な構造は第３Ｂ図に示しである。

ビーム構造物３２（第１Ａ、１８図と同様。側面図）は
柱３８を介して支持体３９上に取付ケタダイヤ７：）ム
３４に取付けられている。柱３８はダイヤフラムおよび
／またはビーム構造物と一体形成するのが好ましい。力
Ｐが加わると柱が回動し、従ってビームａつ遺物が伸び
る。

第≠Ａ　、４ｔＢ図はビーム描遺物用＠極のλつの配置
を示している。第１／ＬＡ図では各ビームが駆動され且
つ一つのピックアップ電極を有している。

主ビーム２はその中心縁のすぐ左側（図で）に駆′ｒＪ
ｈ電極４１を、またその右側にピックアップ電極４２を
有している。各平衡ビーム１３Ｔ、１３Ｂもそれ用の駆
動電極４３Ｔ、４３Ｂとピックアップ電極４４Ｔ、４４
Ｂを有している。各駆動電極とピックアップ電極は薄い
導体路４５を介してパッド４６に結合され、使用時には
このｉｆラッドは必要な回路への′Ｉｒ１ｍが取付けら
れる。

第４’Ｂ図の電極配置は主ビーム駆動用の単一駆動電極
４１と右上側（図で）の平衡ビーム上の単一ピックアッ
プ電極４４Ｔを有している。主ビーム用の駆動周波数を
正しく選択することにより、外側の一つのビームは自動
的に逆位相でたわむ。

その一方のビツクアツｆ１ＪＬ極は駆動電極から電気的
に切らｎでいる。

第４１−Ａ、≠Ｂ図の両方において、ビーム（１１造物
の側部（図示せず）には全表面にわたってのびた単一の
共通′電極が取付けられる。

力感知器デバイスにおいて使用する場合には、加えられ
たひずみにより生じる振動ビームの共振振動数の変化を
追うトラッキング発振器回路を用いて上記ビーム構造物
の振動が維持され、従って駆動振動数は常に機械的共振
振動故に等しくなる。

そのために用いられる簡単な回路が第５図に概念的に示
しＣある。この回路は電荷増幅器５１とそれに続く増１
Ｉｌｒ！器５２で構成され、この増１娼器５２は運転レ
ンジ外の周波数を拒絶するように選択されたバンドパス
特性と駆動期−ロツクドループ集積回路テン！（５４２
図示した例ではＣＤ弘０≠６）を作動させるのに十分な
ゲインを有している。上記増幅器５２のバンド／ヤス特
性は構造全体の高同調時またはある共振振動数時にデバ
イスが振動しないようにするのに必要である。

位相−ロノクドルーノの′過圧制御された発振器は運転
振動微レンジの中間で合い、前記増幅器の出力信号によ
りビームの機械的共振振動数にロックされる。この発振
器からの矩形波出力はフィルター５５を通って同調波が
除去され、ビーム構造物の駆動電極に再び加えられる。

この回路のルーツ位相ソフトは発振器の周波数がビーム
構造物の共振振動数にセントされ且つ加わったひずみに
より生じる共振振動数の変化を追うように作られている
。この発振器の出力がひずみＶＣ応じたセンサー出力を
与える。

【図面の簡単な説明】

第１Ａ、１８図は本発明の一つの異なるビーム構造体の
平面図。 ｔｊＱ２．Ａ、、、２Ｂ、２ｃ図は片持ちビームに取付
けられた第１八図と類似のビーム構造物の各種の図。 第３Ａ、３Ｂ図は（ダイヤフラム上に異る方法で）取付
けられた第１八図と同様なビーム構造物の側面図。 第≠Ａ、≠Ｂ図は各々第ンＡ図と同様なビーム構造物の
２つの電極配置図。 第５図は本発明のビーム構造物と一緒に用いる回路のブ
ロック縮図。 １０：帯体、１１ニスロツト、１２：主ビーム。 １３：平衡ビーム、１４：共通取付は具。 １６：クビ部、２１：片持ちビーム。 ４１．４２，４３８，４３Ｔ：駆動電極。 ４４Ｂ、４４Ｔ：ピックアップ電極。 Ｆ／６．２Ｂ。 ＦｔＧ、２Ｃ。 ／’７ｃ、ＪＢ。 手続補正書（方式） ３．補正をする者 事件との関係　出願人 ４、代理人

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 ／）両端が取付けられている圧電材料で作られたビーム
   または帯体が応力下にある時に圧電現象でたわみ振動さ
   れ、この振動の振動数変什が応力の変イヒを表わすよう
   な型式の振動ビームの力感知器用ビーム構造物であって
   、このビーム構造物は互いに離れて並べられた少なくと
   も３つの同一平面を有するビームを有し、これらビーム
   はこれらビームの共通平面に直角な面内でのたわみ振動
   のための、各端の共通取付は部の間に支持されているよ
   うなビーム構造物。 ２）単結晶石英から作られている特許請求の範囲第１項
   記載のビーム構造物。 ３）３つの同下平面のみであるビームを有する特許請求
   の範囲第１項または第２項記載のビーム構造物。 ｌＡ）　各端の上記共通取付は部が前記ビームと一体な
   圧電材料の一部であり、この共通取付は部が力感知器の
   動的構成要素の作用をするデバイス内または上に上記ビ
   ーム構造物を取付ける手段となっている特許請求の範囲
   第１〜３項いずれか一項に記載のビーム構造物。 ｊ）上記３つのビームは一般的に長さは同一であるが外
   側のλつの各ビームの巾は内側のビームの巾の半分であ
   るこのような特許請求の範囲第１−を項いずれか一項に
   記載のビーム構造物。 ６）少なくとも一つのビームがビーム中心の近傍且つそ
   の一方の側に一対の駆動電極を保持し、少なくとも一つ
   のビームがビーム中心の近傍且つその一方の側の対等位
   置に一対のピックアップ電極を保持しているような特許
   請求の範囲第１−５項いずれか一項に記載のビーム構造
   物。 ７）ビーム構造物の片面上の全ての’ｉ、伊が一つの共
   通電極に結合されているような特許請求の範囲第６項記
   載のビーム構造物。 ざ）単に一つのビームのみが駆動され、前記ピックアッ
   プ電極が別のビーム」二にあるような特許請求の範囲第
   ６，７項いずれか一項に記載のビ−ム措造物。 り）以下で実質的に説明するような特許請求の範囲第１
   〜ｇ項いずれか一項に記載のビーム構造物。 ＩＯ）特許請求の範囲第１〜り項いずれか一項記載のビ
   ーム構造物を用いた力感知器。