JPH053536B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は力感知器（フオース 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、1960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
範囲にわたつて用いられてきた。

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け具に大
部分が伝達されて失われてしまう。入力エネルギ
ーの大部分が取付け具に伝わつて吸収されてしま
うという上記のＱの低さの問題を解決するビーム
状構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
を取つた振動要素を設けて、この要素とビームと
の振動を取付け具の所で互いに効果的に相殺し、
取付け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。

この重さのバランスを取つた、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。1960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け具に互いに
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、２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。２つのビームは逆位相（180℃の位相
ずれ）であるので、一方のビームにより各取付け
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、従つて両
振動は相殺し合い、取付け具にエネルギーが伝達
されることはない。1970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
して各取付け具にビームを固着し、各ねじれ部材
の先に釣合い重りのビーム部分を設けることによ
つて前記低Ｑの問題を解決しようとしている。さ
らに、1970年代に提案された他の構造物は後者の
変形例であり、ビームの面の上下で離間された２
つの「絶縁バネ」を介してビームの各端を取付
け、こゝ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。この様な構造物は圧電材料の
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
によつ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わしくなる
ことがある。

これまで提案された高いＱを有する構造物は全
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つた。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つて機構的に
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。

従つ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
角な面内でたわみ振動するように両端における共
通取付け具の間に支持されている。

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、巾と、深さ（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。従つて、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、
（振動する）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、
それによつて主ビームを介してその取付け具に伝
えられるエネルギーが２つの平衡ビームを介して
同じ取付け具に送られるエネルギーと等しくなる
（ただし逆位相）、すなわち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
材料を少量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、リチウムニオベイト、リチウムタ
ンタレイト、アルミニウムオルソフオスフエイト
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４つ（２つの内側主ビーム
と２つの外側平衡ビーム）、５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）ビームに取付け具を加えた長さと、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つの並列スロツトを形成するように素材を除
去して（好ましくは縦軸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
のスロツトにより３つの平行ビームが作られる。
このようなビーム構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け具の間に
支持される。これらの取付け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、これら取付け具は力感知器の動的構成
要素の役目をするデバイス中または上に構造物自
体を取付けるための手段になる。取付け具にはそ
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
縮部すなわち他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取付け具の間に支持され
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−
250ミル（6.35mm）が最も好ましいように思われ
る）。３つのビームの巾は同一ではない。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簡単に解決するには、２
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。長さ6.35ミリ、厚さ
0.125ミリのビームの場合、主ビームの巾は１ミ
リ、平衡ビームの巾は0.5ミリである。これによ
り取付け部へ振動体から送られる正味のエネルギ
ーを零にできビーム構造体のＱ値は大きくなる。

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
ツト付きマスクとの間に保持し、研摩粒子のジエ
ツトをマスクのスロツ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
とによつて大巾に減らすことができる。

他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
つピンホールを通つてエツチング液が侵入しない
ようにするために全メツキしたニツケル上蒸着金
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である。

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力がビーム
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
スロツトを横切つて取付けられる。この片持ちビ
ームの自由端に力が加わるとビーム構造物中にひ
ずみが生じ、このひずみはデバイスの幾何学的形
状に従い正確に計算できる。上記片持ちビームの
材料はビーム構造物のひずみ方向の線膨張係数と
ほぼ一致した線膨張係数を有するものであつて、
振動数の熱係数を最少にし且つ極限温度での圧電
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。

全く別の取付け法では、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（従つて、ビ
ーム構造物にひずみが生じる）ようになつてい
る。圧力測定に特に適したこれと類似の取付け法
では、ビーム構造物がビーム構造物の各端の短い
柱を介してダイヤフラムに取付けられる。測定す
べき圧力はダイヤフラムに加えられて、ダイヤフ
ラムにそれらを取付けた点の囲りで柱を回転さ
せ、それによつてビーム構造物中にひずみが生じ
る。

以上３つの取付け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
構造物に取付けた電極に送られる電気信号によつ
てたわみが与えられる。たわみ振動が生じる機構
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マツチング電極との間で
ビームの深さ方向に電場が生じ、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
より生じた力によつてビームが全体的に上（また
は下）へ動かされる。従つてビームが加えられた
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つた時に最大振幅
となる。

通常は一対の駆動電極をビーム中心の近傍且つ
その片側に取付け、一対のピツクアツプ電極をビ
ーム中心の反対側の対応位置に取付け、ピツクア
ツプ電極の所で得られる信号をフイードバツクル
ープで用いて駆動信号の周波数を所定ビーム共振
振動数にして、それを維持する。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ツクアツプの対を設ける
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
一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け具を通つて他
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つ
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他を平衡ビームの一つ
に取付けて駆動電極をピツクアツプ電極との組合
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： (1) 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、１個当りのデバイスの加工コストを
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１Ａ図のものは圧
電材料の帯体１０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ト１１Ｔ，
１１Ｂが設けられている。各スロツトの間および
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け具１４
Ｌ，１４Ｒを有し、帯体は上記端部１５Ｌ，１５
Ｒ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け具１４Ｌ，１
４Ｒ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ツト中に
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に剛体取付けされ、力Ｆの影響で（図の）上
下に移動する。片持ちレバーの表面にはスロツト
すなわち切欠き２３が切られ、このスロツトを横
切つ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固定されてい
る）。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）により明瞭に示してある。

他の取付け法は第３Ａ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、熱膨張差によつては大きな
力は生じない。この種の薄い構造物はフレームの
一端が剛性取付け部３３に、また他端が圧力ダイ
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。この圧力ダイヤフラムによ
り生じる力はレバー腕３５，３６の相対長さによ
り与えられる拡大倍率によりビーム構造物に与え
られ、横断部材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
てある。ビーム構造物３２（第１Ａ，１Ｂ図と同
様。側面図）は柱３８を介して支持体３９上に取
付けたダイヤフラム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、従つてビーム構造物が伸びる。

第４Ａ，４Ｂ図はビーム構造物用電極の２つの
配置を示している。第４Ａ図では各ビームが駆動
され且つ一つのピツクアツプ電極を有している。
主ビーム２はその中心線のすぐ左側（図で）に駆
動電極４１を、またその右側にピツクアツプ電極
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とピツクアツ
プ電極４４Ｔ，４４Ｂを有している。各駆動電極
とピツクアツプ電極は薄い導体路４５を介してパ
ツド４６に結合され、使用時にはこのパツドには
必要な回路への電線が取付けられる。

第４Ｂ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
一ピツクアツプ電極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２つのビームは自動的に逆位相でたわむ。
その一方のピツクアツプ電極は駆動電極から電気
的に切られている。

第４Ａ，４Ｂ図の両方において、見えない側の
ビーム構造体の表面にはその全面にわたつてのび
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ツ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、従つて
駆動振動数は常に機械的共振振動数に等しくな
る。そのために用いられる簡単な回路が第５図に
概念的に示してある。この回路は電荷増幅器５１
とそれに続く増幅器５２で構成され、この増幅器
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
プ集積回路チツプ（５４、図示した例では
CD4046）を作動させるのに十分分なゲインを有
している。上記増幅器５２のバンドパス特性は構
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−ロツクドループの電圧制御された発振器
は運転振動数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ツ
クされる。この発振器からの矩形波出力はフイル
ター５５を通つ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。

この回路のループ位相シ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ツトされ且つ加
わつ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
みに応じたセンサー出力を与える。

【図面の簡単な説明】

第１Ａ，１Ｂ図は本発明の２つの異なるビーム
構造体の平面図。第２Ａ，２Ｂ，２Ｃ図は片持ち
ビームに取付けられた第１Ａ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１Ａ図と同様
なビーム構造物の側面図。第４Ａ，４Ｂ図は各々
第１Ａ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
る回路のブロツク線図。 １０：帯体、１１：スロツト、１２：主ビー
ム、１３：平衡ビーム、１４：共通取付け具、１
６：クビ部、２１：片持ちビーム、４１，４２，
４３Ｂ，４３Ｔ：駆動電極、４４Ｂ，４４Ｔ：ピ
ツクアツプ電極。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 両端で取り付けられた圧電材料のビームもし
   くは帯体がストレスのかかつた状態で圧電駆動さ
   れてたわみ振動し、その振動数の変化が応力の変
   化を表すようにした振動ビーム式力感知器のビー
   ム構造体において、この構造体は同じ面内に隣合
   つて配置され、その共通面に垂直な面内でたわみ
   振動するように両端で共通取付部に取り付けられ
   ている少なくとも３つのビームを有し、これら３
   つのビームは同じ厚みと長さであり、そして２つ
   の外側のビームの各々の巾は内側のビームの巾の
   半分であることを特徴とした振動ビーム式力感知
   器のビーム構造体。 ２ 単一の石英からつくられた請求項１に記載の
   振動ビーム式力感知器のビーム構造体。 ３ 共通取付部は圧電材料のビームの部分であ
   り、そしてその部分によつて構造体はそれが力感
   知器の活性要素として作用するよう取り付けられ
   る請求項１もしくは２に記載の振動ビーム式力感
   知器のビーム構造体。 ４ 少なくとも一つのビームはそのビームの中心
   近くでその一側に一つの駆動電極を支持し、そし
   て少なくとも一つのビームはそのビームの中心近
   くで前記の一側とは反対の側に一つのピツクアツ
   プ電極を支持している請求項１、２もしくは３に
   記載の振動ビーム式力感知器のビーム構造体。 ５ ビーム構造体の一面の総ての電極は他面の一
   つの共通電極と組み合わされている請求項４に記
   載の振動ビーム式力感知器のビーム構造体。