JPH04152242A - 硬さセンサ - 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】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、圧電素子の自励発振を利用した硬さセンサに
関し、物体表面の硬さを検出するためのものである。

［背景技術］ 圧電素子の自励発振を利用した硬さセンサの従来例を第
７図に示す。この硬さセンサ１は、発振子２と振動検出
子３とからなっている。発振子２は、圧電セラミックス
等からなる圧電基板４の両主面に上面電極５と下面電極
６を形成された厚み長さ振動モード（振動による変位方
向を両矢印で示す。）の圧電素子７の先端面に略三角形
板状をしたベークライトや樹脂、金属製などの振動板８
の後端面を接着剤によって接着したものである。

一方、振動検出子３は、厚み長さ振動モード（振動によ
る変位方向を両矢印で示す。）を有する圧電セラミック
ス等の圧電基板９の両主面にそれぞれ上面電極１０と下
面電極１１を形成したものである。この振動検出子３は
、発振子２と変位方向（あるいは各圧電基板４，９の分
極方向）を一致させるようにして発振子２の上面に載置
され、下面電極１１を発振子２の上面電極５と電気的に
導通させるようにして発振子２の上面に接着剤等で固定
されている。

次に、この硬さセンサ１を動作させるための回路ブロッ
ク図を第８図に示す。発振子２の上面電極５（及び振動
検出子３の下面電極１１）は接地されており、振動検出
子３の上面電極１０は増幅器１２の入力端子１３に接続
され、増幅器１２の出力端子１４は発振子２の下面電極
６に接続されており、発振子２と振動検出子３と増幅器
１２とによって自励発振回路が構成されている。従って
、発振子２の上面及び下面電極５，６な介して圧電素子
７にトリガー電圧のようなスタート信号を印加すると、
圧電素子７は逆圧電効果によって微少変位する。この微
少変位によって圧電素子７の上面に固着されている振動
検出子３も変位を起こし、振動検出子３の圧電効果によ
ってその上面及び下面電極１０．１１間に電圧が誘起さ
れる。この誘起電圧は増幅器１２で増幅された後、再び
発振子２に同相でフィードバックされ、これによって発
振子２が持続的に振動を始め、自励発振が成立する。

このようにして自励発振している発振子２の振動板８の
先端を硬さを検出しようとする被検出物体１５に接触さ
せると、被検出物体１５の硬さに応じてその発振周波数
が変化する。この発振周波数の変化を検出するため、増
幅器１２の出力端子１４には、周波数カウント回路１θ
、周波数差−電圧変換回路１７及び表示器１８が接続さ
れている。しかして、上記のように被検出物体１５に接
触することによって発振周波数が変化した自励発振は、
振動検出子３で検出され、増幅器１２で増幅された後、
周波数カウント回路１６によってその発振周波数をカウ
ントされる。ついで、周波数差−電圧変換回路１７は、
被検出物体１５に接触していない時の発振周波数のカウ
ント値と被検出物体１５に接触した時の発振周波数のカ
ウント値との差を電圧出力に変換して計量化し、これを
硬度値として表示器１８へ出力し、表示器１８に表示さ
せている。

［発明が解決しようとする課題］ 圧電素子を利用した硬さセンサは、上記のようにして圧
電素子で発生した振動を振動板に伝達させ、振動板の先
端を被検出物体に接触させているので、発振子の圧電素
子と振動板との間には大きな応力が発生する。特に、振
動板を所定以上の力で物体に接触させた場合には、振動
板と圧電素子との接着面には大きな応力が発生する。こ
うして、振動板と圧電素子の接、１１面にに大きな応力
（特に、せん断応力や曲げ応力）が発生すると、振動板
が圧電素子から脱落するという問題があった。また、落
下等により発振子に強い衝撃を与えた場合にも、振動板
が圧電素子から外れ易かった。

本発明は、斜上の従来例の欠点に鑑みてなされたもので
あり、その目的とするところは、強い衝撃を与えたり、
振動板を強く物体に押し付は過ぎたりした場合にも、振
動板が圧電素子から脱落しない硬さセンサを提供するこ
とにある。

［課題を解決するための手段］ 本発明に係る第一の硬さセンサは、圧電素子を有する発
振子を自動発振させ、該発振子を被検出物体に接触させ
たときに物体の硬さに応じて変化する発振周波数を検出
することにより当該物体の硬さを検出するセンサにおい
て、被検出物体に直接接触させるための振動板の基端部
に突起を設け。

この突起間に前記圧電素子を嵌め込んで圧電素子に振動
板を固着させることにより前記発振子を構成したことを
特徴としている。

また、本発明に係る第二の硬さセンサは、圧電素子を有
する発振子を自励発振させ、該発振子を被検出物体に接
触させたときに物体の硬さに応じて変化する発振周波数
を検出することにより当該物体の硬さを検出するセンサ
において、被検出物体に直接接触させるための振動板の
基端部に凹部を設け、この凹部に前記圧電素子を嵌め込
んで圧電素子に振動板を固着させることにより前記発振
子を構成したことな特徴としている。

また、本発明に係る第三の硬さセンサは、圧電素子を有
する発振子を自励発振させ、該発振子を被検出物体に接
触させたとぎに物体の硬さに応じて変化する発振周波数
を検出することにより当該物体の硬さを検出するセンサ
において、被検出物体に直＃ｉ接触させるための振動板
を前記圧電素子の主面上に重ねるようにして固着させる
ことにより前記発振子を構成したことを特徴としている
。

また、本発明に係る第四の硬さセンサは、圧電素子を有
する発振子を自励発振させ、該発振子を被検出物体に接
触させたときに物体の硬さに応じて変化する発振周波数
を検出することにより当該物体の硬さを検出するセンサ
において、前記圧電素子の端部を先端側で次第に幅狭と
なるように形成し、圧電素子の該先端部を被検出物体に
接触させて被接触物体の硬さを検出させるようにしたこ
とを特徴としている。

さらに、第四の硬さセンサにおいては、圧電素子の前記
先端部表面にコーティングを施してもよい。

［作用］ 本発明の第−及び第二の硬さセンサにあっては、振動板
の基部に突起もしくは凹部を殺け、圧電素子を振動板の
突起間や凹部内に嵌合させることにより振動板の圧電素
子への接合強度を高めている。

したがって、振動板を被検出物体の表面に強く接触させ
たり、落下等によって振動板に衝撃な与えたりしても振
動板が圧電素子から脱落しにくくなる。

また、第三の硬さセンサでは、振動板を圧電素子の主面
に重ねるようにして固着させているので、振動板と圧電
素子との固着面積を大きくでき、振動板が圧電素子から
脱落しにくくなる。

また、第四の硬さセンサでは、圧電基板自体に被検出物
体に接触させるための部分を設けているので、圧電素子
に振動板を接着させる必要がなく、従って振動板が脱落
することもない。

したがって、本発明の各硬さセンサによれば、発振子の
振動板が圧電素子から脱落する恐れがなく、硬さセンサ
の耐久性及び耐衝撃性が向上する。

さらに、本発明の第四の硬さセンサでは、圧電素子自体
を被検出物体に接触させるので、圧電素子が摩耗する恐
れがあるが、圧電素子の被検出物体に接触させる部分を
コーティングすれば、圧電素子の摩耗を軽減させること
ができ、該硬さセンサの寿命が向上する。

［実施例］ 以下、本発明の実施例を添付図に基づいて詳述する。な
お、従来例と同一の部分については、同一の符号を施し
、詳しい説明を省略する。

第１図及び第２図（ａ）　（ｂ）に示すものは、本発明
の第一実施例の硬さセンサ２１であって、先端が鋭角状
をした略三角形板状のベークライト、合成樹脂もしくは
金属製の振動板２２の後端部上面及び下面からそれぞれ
後方へ向けてプレート状をした突起２３．２４を突出さ
せである。そして、圧電基板４の主面に上面及び下面電
極５，６を形成された圧電素子７の端部を上下の突起２
３．２４間に嵌合させ、圧電素子７の端部を振動板２２
の後端面及び突起２３．２４の内面に接着剤で接着させ
、発振子２５が構成されている。さらに、圧電素子７の
上面には振動検出子３が接着されており、圧電素子７の
上面型ｇＡ５と振動検出子３の下面電極１１とが電気的
に導通させられている。

この硬さセンサ２１も、従来例の硬さセンサと同様、第
８図のような駆動及び測定回路を接続して用いられるも
のである。

ここで、この硬さセンサ２工では、圧電素子７の端部が
振動板２２の突起２３．２４間に挟持されているので、
圧電素子７と振動板２２の間に振動板２２を脱落させる
原因となるせん断路力や曲げ応力が発生しても、そのせ
ん断路力や曲げ応力は突起２３．２４によって保持され
る。また、突起２３．２４を設けたことによって圧電素
子７と振動板２２との接着面積も増大する。この結果、
振動板２２の圧電素子７への取付は強度が増大し、振動
板２２の先端を被検出物体１５に強く押し付けたり、振
動板２２に衝撃が加わったりしても、振動板２２が圧電
素子７から脱落しにくくなる。

欧に、第３図（ａ）　（ｂ）に示すものは本発明の第二
実施例の硬さセンサ２６の一部破断した平面図及びその
振動板２７の背面図である。この実施例にあっては、略
三角板状をした振動板２７の後端面に、圧電素子７の断
面とほぼ等しい寸法の凹部２８が凹設されている。圧電
素子７の端部は、この凹部２８内に嵌入され、接着剤に
よって圧電素子７の端部と凹部２８内面とが接着させら
れて発振子２９が構成されている。

この実施例にあっても、圧電素子７と振動板２７とは単
に接着されているだけでなく、圧電素子７の端部が凹部
２８内に保持されているので、圧電素子７と゛振動板２
７の間にせん断路力や曲げ応力が発生しても、凹部２８
によって圧電素子７が保持され、振動板２７と圧電素子
７との接着面が分離しにくくなる。また、凹部２８によ
って接着面積も増大する。したがって、振動板２７と圧
電素子７との接合強度が大きくなり、衝撃等によっても
振動板２７が脱落しにくくなる。

第４図（ａ）　（ｂ）に示すものは、本発明の第三実施
例の硬さセンサ３０であって、振動板３１は、圧電素子
７の主面とほぼ同じ面積の部分３１ａを持ち、さらに圧
電素子７の一端から鋭角状に突出する部分３１ｂを有し
ている。この振動板３１の圧電素子７とほぼ同一面積の
部分３１ａを圧電素子７の下主面に接着剤で接着して発
振子３２が構成されており、鋭角状の部分３１ｂが圧電
素子７の一端下面から突出している。しかして、振動板
３１の鋭角状の部分３１ｂの先端を被検出物に接触させ
ると、圧電素子７で発生した自励振動は圧電素子７の下
面から振動板３１に伝わり、さらに振動板３１の先端か
ら被検出物体１５に伝達される。

この実施例では、圧電素子７と振動板３１の接着面積を
非常に大きくできるので、振動板３１の接合強度が極め
て大きくなり、振動板３１に衝撃が加わったり、振動板
３１を被検出物体１５に押し付ける力が強過ぎたりして
も、振動板３１が圧電素子７から脱落しにくい。

第５図に示すものは、本発明の第四実施例の硬さセンサ
３３であって、圧電基板３４の一方端部のコーナ部をカ
ットして鋭角状に形成し、この圧電基板３４の上面及び
下面に各々上面電極３５及び下面電極３６を設けて圧電
素子３７だげで発振子３８を構成している。すなわち、
圧電素子３７の一部が振動エネルギーを１点に集中させ
るための振動板の機能を兼ねている。しかして、この圧
電素子３７の先端部３Ｂを被検出物体１５に直接接触さ
せてその物体の硬さが測定される。

この実施例では、圧電素子３７と別部材となった振動板
を用いていないので、振動板が圧電素子３７から脱落す
ることがない。さらに、この実施例では、圧電素子３７
に振動板を接合させず、圧電素子３７から直接被検圧物
体１５へ振動を伝達させているので、振動の減衰が小さ
く、振動検出子３におけるＳ／Ｎ比が向上する。また、
発振子３８の構造も簡単になる。

第６図（ａ）　（ｂ）に示すものは、本発明の第五実施
例の硬さセンサ４ｏである。これは、第四実施例の硬さ
センサ３３において、さらに圧電素子３７の先端部３９
の表面に樹脂（特に、耐摩耗性樹脂）等のコーティング
４１を施したものである。第四実施例の硬さセンサ３３
では、圧電素子３７を直接被検出物体１５に接触させる
ようにしたので、圧電素子３７の先端部３９が摩耗し易
くなる恐れがある。そこで、この実施例のように、圧電
素子３７の先端部３９に耐摩耗性樹脂等のコーティング
４１を施しておけば、圧電素子３７の摩耗が防止され、
硬さセンサの耐久性が向上する。

［発明の効果］ 本発明の第一ないし第三の硬さセンサにあっては、振動
板の圧電素子への接合強度を高めることができる。した
がって、振動板を被検出物体の表面に接触させる力が強
過ぎたり、振動板等に衝撃を与えたりしても振動板が圧
電素子から脱落しにくくなり、硬さセンサの耐衝撃性及
び耐久性が向上する。

また、第四の硬さセンサにあっては、圧電素子自体を被
検出物体に接触させるようにしたので、振動板が必要な
くなり、振動板が脱落するということがなくなった。し
たがって、この硬さセンサにあっても、硬さセンサの耐
久性及び第衝撃性が向上させられる。

加えて、第五の硬さセンサでは、第四の硬さセンサの効
果に加え、被検出物体に直接接触する圧電素子の摩耗を
防止することができ、硬さセンサの寿命をより向上させ
ることができるという利点がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示す側面図、第２図（ａ）
　（ｂ）は同上の実施例の振動板を示す平面図及び側面
図、第３図（ａ）　（ｂ）は本発明の別な実施例を示す
一部破断した平面図及びその振動板の背面図、第４図（
ａ）（ｂ）は本発明のさらに別な実施例な示す平面図及
び側面図、第５図（ａ）　（ｂ）は本発明のさらに別な
実施例を示す平面図及び側面図、第６図（ａ）（ｂ）は
本発明のさらに別な実施例を示す平面図及び側面図、第
７図は従来例の硬さセンサを示す斜視図、第８図は硬さ
センサの回路ブロック図である。 ３・・・振動検出子 ７．３７・・・圧電素子 １５・・・被検出物体 ２２．２７．３１・・・振動板 ２５．２９，３２．３８・・・発振子 ２３．２４・・・突起 ２８・・・凹部 ４０・・・コーティング

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. （１）圧電素子を有する発振子を自励発振させ、該発振
   子を被検出物体に接触させたときに物体の硬さに応じて
   変化する発振周波数を検出することにより当該物体の硬
   さを検出するセンサにおいて、被検出物体に直接接触さ
   せるための振動板の基端部に突起を設け、この突起間に
   前記圧電素子を嵌め込んで圧電素子に振動板を固着させ
   ることにより前記発振子を構成したことを特徴とする硬
   さセンサ。
2. （２）圧電素子を有する発振子を自励発振させ、該発振
   子を被検出物体に接触させたときに物体の硬さに応じて
   変化する発振周波数を検出することにより当該物体の硬
   さを検出するセンサにおいて、被検出物体に直接接触さ
   せるための振動板の基端部に凹部を設け、この凹部に前
   記圧電素子を嵌め込んで圧電素子に振動板を固着させる
   ことにより前記発振子を構成したことを特徴とする硬さ
   センサ。
3. （３）圧電素子を有する発振子を自励発振させ、該発振
   子を被検出物体に接触させたときに物体の硬さに応じて
   変化する発振周波数を検出することにより当該物体の硬
   さを検出するセンサにおいて、被検出物体に直接接触さ
   せるための振動板を前記圧電素子の主面上に重ねるよう
   にして固着させることにより前記発振子を構成したこと
   を特徴とする硬さセンサ。
4. （４）圧電素子を有する発振子を自励発振させ、該発振
   子を被検出物体に接触させたときに物体の硬さに応じて
   変化する発振周波数を検出することにより当該物体の硬
   さを検出するセンサにおいて、前記圧電素子の端部を先
   端側で次第に幅狭となるように形成し、圧電素子の該先
   端部を被検出物体に接触させて被接触物体の硬さを検出
   させるようにしたことを特徴とする硬さセンサ。
5. （５）前記圧電素子の前記先端部表面にコーティングを
   施したことを特徴とする請求項４に記載の硬さセンサ。