JPH0548961B2 - - Google Patents

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JPH0548961B2
JPH0548961B2 JP26416385A JP26416385A JPH0548961B2 JP H0548961 B2 JPH0548961 B2 JP H0548961B2 JP 26416385 A JP26416385 A JP 26416385A JP 26416385 A JP26416385 A JP 26416385A JP H0548961 B2 JPH0548961 B2 JP H0548961B2
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JP
Japan
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saw
delay line
piezoelectric substrate
heating resistor
oscillator
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Yoshifumi Takahashi
Koichiro Myagi
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Anritsu Corp
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Anritsu Corp
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  • Oscillators With Electromechanical Resonators (AREA)
  • Surface Acoustic Wave Elements And Circuit Networks Thereof (AREA)
  • Transmission And Conversion Of Sensor Element Output (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は応力・圧力・歪み・変位などの力学
的な物理量を測定したり、検出したりするために
使用するフオースセンサに係り、特に固体物質の
表面を伝搬する表面弾性波(SAW:Surface
Acoustic Wave)を利用したSAW遅延線の感圧
機能を応用したSAWフオースセンサに関する。
〔従来の技術〕
応力・変位・歪み・圧力等の力学的な物理量を
測定するセンサにおいては、外部から加えられた
力により抵抗値が変化する歪みゲージが広く使用
されている。この歪みゲージは通常の場合、ばね
材に貼りつけられて使用されている。そして、力
学的な物理量を検出するには、歪みゲージと抵抗
器とでホイートストンブリツジを構成し、歪みゲ
ージの抵抗値の変化を電圧変化に変換して出力す
るという方法が採られている。
また、この他に、半導体の基板上に形成された
拡散抵抗が外部から加えられた応力によつて抵抗
値の変化をすることを利用したものもある。この
タイプのセンサも前記した歪みゲードと同様にホ
イートストンブリツジを構成し、抵抗値変化を電
圧として出力する方法が採られている。この種の
センサの大きな特徴は、シリコン基板を用いるた
め、同一基板上に感圧部と信号検出用の電気回路
を集積化でき、また、温度補償も半導体の感温機
能を利用して同一基板上で行つていることであ
る。このように半導体の拡散抵抗を利用したタイ
プのセンサは、より実用的なセンサであり、ま
た、最も小形化、量産化が進んでいるセンサでも
ある。
さらに、この他にフオースセンサに属する技術
として、SAW遅延線の感圧機能を利用したもの
がある。この場合、SAW遅延線に用いる圧電性
基板は、そのSAWの伝搬する部分に応力を加え
ると、該SAWの伝搬速度が該応力の大きさにほ
ぼ比例して変化し、その結果としてSAW遅延線
の遅延時間が変化するという性質を持つている。
したがつて、この特性を有するSAW遅延線を用
いて発振器を構成すると、外部から加えられた力
に比例した周波数変化量を出力するSAWフオー
スセンサを実現できる。このSAWフオースセン
サは、分解能が良好であり、かつ、従来の抵抗値
変化を利用した各種フオースセンサに比べ精度の
高いセンサとすることができる。また、センサを
構成するSAW発振器は、センサ部を兼ねている
SAW遅延線と増幅器とにより簡単に構成できる
という大きな特徴も備えている。
〔発明が解決しようとする問題点〕
本発明によるSAWフオースセンサは、従来の
SAWセンサと同様に、増幅器とSAW遅延線とを
用いてSAW発振器を構成し、SAW遅延線上の
SAW伝搬路に外部から力を加えることにより
SAW遅延線の遅延時間を変化させ、SAW発振器
の発振周波数を変えることを基本原理としてい
る。この原理によるSAWフオースセンサは、
SAW遅延線を構成する圧電性基板の有する直線
性の良好な感圧特性を用いているため、安定性、
精度共に満足のいくものである。特にセンサの動
作の再現性は良好で、ヒステリシスはほとんど認
められない。これは、外部から加えた力のエネル
ギーが蓄積されにくいLiTaO3,LiNbO3等の結
晶を圧電性材料として用いているためである。
このように、本発明によるSAWフオースセン
サは、良好な特性を有しており、かつ、一方にお
いて圧電性基板に、その材料としてLiTaO3
LiNbO3等を用いているため、動作が安定してお
り、直線性の良好なSAW伝搬速度の温度係数を
備えている。この特性を有するSAW遅延線を用
いてSAW発振器を構成した場合、SAW遅延線の
圧電性基板の温度変化に対し、直線性が良く発振
中心周波数を変化させることができる。このよう
な、本来、圧電性基板に備わつている良好な
SAW伝搬速度の温度特性は、従来のSAWフオー
スセンサを含むSAWセンサにおいて十分利用さ
れてはいなかつた。
〔問題を解決するための手段〕
この発明では、直線性の良好な感圧特性及び感
温特性を示す圧電性基板を用い、この基板上に
SAWを送信及び受信するための送信用と受信用
の電極(交差指形電極ともIDTともいう。IDTは
Interdigital Transducerの略)を設け、さらに、
例えば、該送信用と受信用の電極間に外部電源か
ら供給する電力により発熱する発熱抵抗体を設
け、SAW遅延線を構成する。該発熱抵抗体を設
ける場所は、圧電性基板のどこでも良いが、良好
な応答特性を得るためには送信用電極と受信用電
極の間のSAWが伝搬する部分が最良である。こ
の場合、該SAW遅延線は、フオースセンサとし
て機能させるため基板固定部材にその一方を固定
する片持ばりとして形成する。
このように構成されたSAW遅延線の送信用電
極と受信用電極を増幅器を介して接続し、正帰還
回路によるSAW発振器を構成する。このSAW発
振器は、SAW遅延線に外力を加え、圧電性基板
のSAW伝搬路に歪みを生じさせると、その結果
として、発振周波数が該加えた外力にほぼ比例し
て変化する。この発振周波数の変化量つまり、該
SAW遅延線に外力が作用する前と作用した後に
おける該発振器の発振周波数の差を検出すること
によりSAWフオースセンサとすることができる。
さらに、このSAWフオースセンサにおいては
SAW遅延線を構成する圧電性基板の、例えば、
表面に発熱抵抗体が設けてある。この発熱抵抗体
に外部より電力を供給すると、その電力に応じて
発熱抵抗体は熱せられ、それに基づいて圧電性基
板の基板温度が変化し、その変化に応じたSAW
伝搬速度とすることができるため、力を加えてい
ない状態のSAW発振器の中心周波数を任意の値
に制御することができる。この機能によりフオー
スセンサの出力信号を検出する周波数検出器、例
えば、周波数カウンタの特性に合せた最適な測定
周波数にセンサの発振周波数を設定することがで
きる。
〔作用〕
以上、述べたように、圧電性基板の表面に、
SAWを発射するための送信用電極と該SAWを受
信するための受信用電極並びに該送信用電極と受
信用電極との間に該圧電性基板に熱を加えるため
の発熱抵抗体を設けてSAW遅延線を構成し、さ
らに、該SAW遅延線と、増幅器を組合せてSAW
発振器を構成し、SAW発振器の発振周波数を計
数する手段、例えば周波数カウンタなどを用いて
発振周波数の変化量を検出することにより、
SAW遅延線に測定すべき力として加えられた外
力の大きさを測定することができるSAWフオー
スセンサを実現できる。また、この構成による
SAWフオースセンサにおいては、さらにSAW遅
延線上に設けてある発熱抵抗体に外部より電力を
供給して該発熱抵抗体を発熱させ、SAW遅延線
を構成する圧電性基板のSAW伝搬路の温度をコ
ントロールすることにより、SAWフオースセン
サの発振中心周波数をコントロールすることもで
きる。この発振中心周波数のコントロールは、圧
電性基板の良好な温度特性を利用しているため、
外部から電力を供給することにより精度良く行な
うことができるものである。
〔実施例〕
第1図は、本発明に使用するSAW遅延線の一
実施例を示す。圧電性基板1の表面に、SAWを
発射するための送信用電極2と、該送信用電極2
より発射された該SAWを受信するための受信用
電極3を設けSAW遅延線4を形成する。そして、
SAW遅延線4を構成する該圧電性基板のSAWの
伝搬する部分に、外部から供給した電力に応じ発
熱する発熱抵抗体5を設ける。この発熱抵抗体5
は、圧電性基板1のどこに設けてもよいが、
SAW速度をコントロールする場合は該圧電性基
板の表面のSAW伝搬路に設けることが最良の方
法である。しかしながら、SAWの伝搬する部分
に発熱抵抗体を設けると、SAWが発熱抵抗体で
反射し、SAW遅延線とした場合に周波数通過帯
域でリツプルを生じ、その結果、SAWフオース
センサの直線性が損なわれることがある。したが
つて、直線性を重視する場合には、発熱抵抗体5
は圧電性基板1の裏面、あるいは表面であつても
SAWの伝搬しない領域に設けた方が良い。また、
この場合、発熱抵抗体5を広い面積に渡つて設け
ることにより発熱による温度勾配を小さくするこ
とができる。このように構成されたSAW遅延線
4を基板固定部材6に固定する。この場合、送信
用電極2と、受信用電極3のそれぞれ一方の電極
は増幅器7に接続し、SAW発振器8を形成する。
そして、送信用電極2と受信用電極3のそれぞれ
他方の電極は接地電位に接続する。また、発熱抵
抗体5の一端は電力供給端子9に接続し、他端は
接地電位に接続する。このような構成を持つ
SAW遅延線4の圧電性基板1には測定すべき力
を作用させる手段10で加圧をする。
第2図は、本発明のSAWフオースセンサの一
実施例を示す。この実施例では、圧電性基板1上
に、送信用電極2と受信用電極3及び発熱抵抗体
5を形成し、SAW遅延線を構成している。この
場合、発熱抵抗体5は、圧電性基板の裏面に設け
てもよい。そして、送信用電極2及び受信用電極
3のそれぞれ一方の電極は接地電位に接続し、ま
たそれぞれ他方の電極は増幅器7に接続しSAW
発振器8を構成する。この発振器8を構成する
SAW遅延線に測定すべき力を作用させる手段1
0で加圧する。発熱抵抗体5の一端は接地電位に
接続し、他端は電力供給端子9を介して周波数コ
ントロール電源11に接続し、発熱抵抗体5に電
力を供給し、圧電性基板1の温度をコントロール
する。SAW発振器8の発振信号は出力バツフア
12を介して外部に出力し、出力された信号は発
振周波数を計測する手段13、例えば市販の周波
数カウンタに入力する。。以上のような構成にす
ることによりSAW遅延線4に加えられた外力を
検出するSAWフオースセンサを実現することが
できる。このSAWフオースセンサは、SAW発振
器8を構成するSAW遅延線4に発熱抵抗体5が
設けており、周波数コントロール電源11からこ
の発熱抵抗体5に電力供給端子9を介して電力を
供給することによりSAW速度をコントロールす
ることができるので、その結果SAW発振器8の
発振中心周波数をコントロールすることができ
る。
〔発明の効果〕
以上、述べたように、本発明によるSAWフオ
ースセンサは、表面弾性波遅延線を構成する発熱
抵抗体に供給する電力を制御することにより発振
器の発振中心周波数を外部より精度良く制御でき
るので、被側定量を直線性良く安定に検出できる
性能をもつ実用的なセンサである。この性能によ
り、センサの出力する周波数信号の発振中心周波
数は、該周波数を検出する周波数カウンタ等の周
波数測定手段の性能に合せ最適な値とすることが
でき、センサの本来備えている感圧特性を有効に
利用することができる。
センサ部であるSAW遅延線は、ホトリソグラ
フイ技術を用い製作するため安価で性能の揃つた
ものが得られる。また、本センサはSAW遅延線
と1個の増幅器で簡単に構成できる大きな特徴を
持つている。さらにまた、出力信号はデジタル信
号処理に適した周波数信号であるため、マイクロ
コンピユータを使用した制御及び計測に最適なセ
ンサである。
このように本発明によるSAWフオースセンサ
は産業上利用価値の高いセンサである。
【図面の簡単な説明】
第1図は、本発明のSAWフオースセンサを構
成するSAW遅延線の一実施例を示す。第2図は、
本発明のSAWフオースセンサの一実施例を示す。 図において、1は圧電性基板、2は送信用電
極、3は受信用電極、4は表面弾性波(SAW)
遅延線、5は発熱抵抗体、6は基板固定部材、7
は増幅器、8は表面弾性波(SAW)発振器、9
は電力供給端子、10は測定すべき力を作用させ
る手段、11は電力供給手段(周波数コントロー
ル電源)、12は出力バツフア、13は発振周波
数を計測する手段(周波数カウンタ)をそれぞれ
示す。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1 圧電性基板1と、該圧電性基板の表面に設け
    られ表面弾性波を発射する送信用電極2と、前記
    圧電性基板の表面に設けられ前記表面弾性波を受
    信する受信用電極3と、前記圧電性基板に設けら
    れ電力を吸収して発熱する発熱抵抗体5とを備え
    た表面弾性波遅延線4と; 前記発熱抵抗体に供給する電力を制御する電力
    供給手段11と; 前記表面弾性波遅延線と共働し、前記表面弾性
    波遅延線の固有振動数で発振する発振器8と; 該発振器の発振周波数を計測する手段13と; 前記表面弾性波遅延線に測定すべき力を作用さ
    せる手段10とを具備し、該測定すべき力を作用
    させる前に、前記電力供給手段で前記発熱抵抗体
    に供給する電力を制御して、前記発振器の発振周
    波数を所定の値とした後、前記測定すべき力を前
    記表面弾性波遅延線に作用させて、前記発振器の
    発振周波数の変化を計数し、前記表面弾性波遅延
    線に加えられる外力を検出するSAWフオースセ
    ンサ。 2 前記発熱抵抗体5が前記圧電性基板1の裏面
    に設けられたことを特徴とする特許請求の範囲第
    1項記載のSAWフオースセンサ。 3 前記発熱抵抗体5が前記圧電性基板1の表面
    に設けられたことを特徴とする特許請求の範囲第
    1項記載のSAWフオースセンサ。
JP26416385A 1985-11-25 1985-11-25 Sawフオ−スセンサ Granted JPS62123807A (ja)

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JP5104198B2 (ja) * 2007-10-22 2012-12-19 セイコーエプソン株式会社 弾性表面波デバイス

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JPS62123807A (ja) 1987-06-05

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