JPH0641886B2 - Sawフオ−スセンサ - Google Patents

Sawフオ−スセンサ

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JPH0641886B2
JPH0641886B2 JP22320785A JP22320785A JPH0641886B2 JP H0641886 B2 JPH0641886 B2 JP H0641886B2 JP 22320785 A JP22320785 A JP 22320785A JP 22320785 A JP22320785 A JP 22320785A JP H0641886 B2 JPH0641886 B2 JP H0641886B2
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JP
Japan
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delay line
acoustic wave
saw
surface acoustic
oscillator
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JP22320785A
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良文 高橋
幸一郎 宮城
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Anritsu Corp
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Anritsu Corp
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  • 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ォー
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S
AW遅延線の感圧機能を応用したSAWフォースセンサ
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、抵抗値が加えた歪みにより変化する
歪みゲージが広く使用されている。この歪みゲージは一
般には、ばね材料に貼りつけて使用されている。力学的
な物理量を検出するには、歪みゲージと抵抗器でホイー
トストンブリッジを構成し、歪みゲージの抵抗値変化を
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、半導体に形成された拡散抵抗の応力に
よる抵抗値変化を利用したものもある。このタイプのセ
ンサは歪みゲージと同様にホイートストンブリッジを構
成し、抵抗値変化を電圧変化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
路を集積化できる点にある。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っている。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、また小形化、量産化の進んだセン
サである。
また、その他にフォースセンサに属する技術としては、
SAW遅延線の感圧機能を利用したものがある。SAW
遅延線に用いる圧電性基板は、表面波の伝搬する部分に
応力を加えると、SAWの伝搬速度が力の大きさに比例
して変化し、その結果SAW遅延線の遅延時間が変化す
るという性質を持っている。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、加えた力に比例し
た周波数変化量を出力するSAWフォースセンサが実現
できる。このSAWフォースセンサは分解能が良好であ
り、従来の抵抗値変化を利用した各種フォースセンサに
比べ精度の高いセンサにすることができる。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S
AW遅延線と増振器とにより簡単に構成できるという大
きな特徴がある。
〔発明が解決しようとする問題点〕
SAWセンサは、フォースセンサに限らず、その大多数
がSAW発振回路を構成し、この発振回路の固有発振周
波数の変化によって測定量を表示する方式である。これ
は、SAW遅延線自体が受動的なデバイスであり、自発
的にエネルギーを放出したり、被測定物の放出エネルギ
ーを他の形に変換して出力するタイプのデバイスではな
いためである。このため、SAW遅延線をセンサに用い
る場合には、まず、SAW遅延線が安定に動作する状
態、すなわち、SAW遅延線と共働し、該SAW遅延線
を発振素子として、その固有振動数で定常発振する状態
を作る必要がある。
しかしながら、SAW遅延線に用いる圧電性基板はSA
W速度の温度係数を持っているため、周囲温度に敏感に
反応し、発振器を構成した場合には固有発振周波数が変
動するという問題が生じる。この問題を解決するため、
周囲温度検出用のSAW発振器と固有発振周波数の変化
検出用SAW発振器とを同一形状のSAW遅延線で構成
し、これら2つの発振器より出力される発振信号のうな
りを取り出して測定信号とし、温度特性の補償を行なっ
ている。このように2つの信号のうなりを取り出すこと
により温度補償は可能となるが、従来のSAWフォース
センサはうなりを取り出す方式の利点を十分に生かした
構造のものではなかった。
〔問題を解決するための手段〕
本発明は、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電極
(交差指形電極ともIDTともいう。IDTはInterdig
ital Transducerの略)を設け、構造的には実質的に同
一もしくは対称(合同)な2つのSAW遅延線を形成す
る。この2つのSAW遅延線のどちらか一方のSAWの
伝搬する部分には、外部より加えられた電力で発熱する
発熱抵抗体を設ける。これら2つのSAW遅延線を用い
2つのSAW発振器を形成し、一方を温度補償用、ま
た、他方を信号検出用の発振器とする。この2つの発振
器より出力される信号は混合器に入力され、うなりの信
号として出力されることにより温度補償された信号を得
ることができる。ここでSAW遅延線の一方に設けられ
た発熱抵抗体に外部より電力を供給すると、このSAW
遅延線を含むSAW発振器の発振周波数が変化し、混合
器より出力されるうなり信号の中心周波数が変化する。
こうして発熱抵抗体に加える電力をコントロールするこ
とにより、うなり信号の中心周波数を任意の周波数に変
えることができる。
〔作 用〕
以上に述べたような構成、すなわちどちらか一方のSA
W遅延線上に発熱抵抗体を設けて構成される信号検出用
のSAW発振器及び温度補償用のSAW発振器の発振周
波数のうなりを取ることにより、温度補償は可能にな
り、しかも外部より電力を加えることにより、うなりの
中心周波数は任意にコントロールできる。この周波数制
御機能により、例えば微小の力を検出する場合は、2つ
の発振器の発振周波数を近づけ、また一方大きな力を測
定する場合は2つの発振器の発振周波数を離すことによ
り適切な分解能を得ることが可能となる。また周波数カ
ウンタの性能に見合った最適な発振周波数を決めること
も可能になり、より実用性の高いSAWフォースセンサ
を提供することができる。
〔実施例〕 第1図に本発明に使用するSAW遅延線の一実施例を示
す。圧電性基板1a及び1b上に、SAWを発射するための
送信用IDT電極2a,2bとそれぞれの送信用IDT電極
より発射されたSAWを受信するための受信用IDT電
極3a,3bを設ける。送信用IDT電極2aと受信用IDT
電極3a間のSAWを伝搬する部分には入力された電力に
応じ発熱する発熱抵抗体4を設ける以上のように2つの
SAW遅延線5a,5bを形成する。ここで2つのSAW遅
延線は構造的には実質的に同一、もしくは対称(合同)
の形状とする。送信用IDT電極2a及び受信用IDT電
極3aより形成されるSAW遅延線は温度補償機能を含
み、自由に温度を設定できるものとし(以下、温度補償
用と呼ぶ)、一方、送信用IDT電極2b,及び受信用I
DT電極3bより形成されるSAW遅延線は力を検出する
検出用SAW遅延線とする。送信用IDT電極2a,2b、
受信用IDT電極3a,3b及び発熱抵抗体4のそれぞれ一
方の側は接地電位に接続してある。また、送信用IDT
電極2a及び受信用IDT電極3aのそれぞれもう一方の側
は増幅器6aに接続し、温度補償も含めて温度を自由に可
変設定できるような発振器7aを形成する。この回路を以
下温度補償用発振器と呼ぶ。一方、送信用IDT電極2b
及び受信用IDT電極3bのそれぞれもう一方の側は増幅
器6bに接続し、検出用発振器7bを形成する。発熱抵抗体
4のもう一方の側は周波数コントロール端子8に接続さ
れている。また圧電性基板1a,1bは基板固定部材9に固
定されている。
第2図に本発明によるSAWフォースセンサの一実施例
を示す。圧電性基板1a上に送信用IDT電極2aと受信用
IDT電極3a及び発熱抵抗体4を設け温度補償用のSA
W遅延線5aを形成する。それぞれのIDT電極2a,3a及
び発熱抵抗体4の一方の側は接地電位に接続し、それぞ
れのIDT電極2a,3aのもう一方の側は増幅器6aに接続
し、温度補償用の発振器7aを形成する。この発振器7aの
信号は出力バッファ10aを介して出力する。次に、圧電
性基板1b上に送信用IDT電極2b及び受信用IDT電極
3bを配し、力の検出用SAW遅延線5bを形成する。それ
ぞれのIDT電極2b,3bの一方の側は接地電位に接続
し、もう一方の側はそれぞれ増幅器6bに接続し、検出用
の発振器7bを形成する。この発振器7bの信号は出力バッ
ファ10bを介して出力する。こうして得られる2つの発
振器7a,7bの出力信号は混合器11に入力し、うなり信号
を得る。うなり信号はローパスフィルタ12を通過させ正
弦波として出力する。この信号は出力端子13で外部に取
り出す。このような構成で得られる信号は温度変動によ
るセンサのゆらぎを補償した信号である。また、温度補
償用のSAW遅延線上に設けられた発熱抵抗体4のもう
一方の側は周波数コントロール端子8に接続されてお
り、外部より電力を供給することによりうなりの中心周
波数を自由に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フォースセンサ
は、測定対象に合せ任意に中心周波数を決めることがで
きる。例えば微小な力の測定には温度補償用信号の発振
周波数と検出用発振信号の発振周波数を接近させること
により、より高精度のセンサとすることができる。この
発振周波数コントロールは圧電性基板の有する精度と直
線性の良好な温度特性を利用するため、センサの力に対
する感度を損なわずに行なえる。また、このSAWフォ
ースセンサは検出した力を周波数信号として出力するた
め周波数カウンタを必要とする。この周波数カウンタの
性能に合せ、本発明によるSAWフォースセンサでは中
心周波数を変え、最適な周波数の信号を出力させること
もできる。
また一方このセンサは出力信号でデジタル信号処理に適
した周波数信号であるため、マイクロコンピュータを用
いる信号処理に適合したタイプのセンサである。
このように本発明によるSAWフォースセンサは産業上
利用価値の高いものである。
【図面の簡単な説明】
第1図は、本発明のSAWフォースセンサを構成するS
AW遅延線の一実施例を示す図である。 第2図は、本発明のSAWフォースセンサの一実施例を
示す図である。 図において、1a,1bは圧電性基板、2a,2bは送信用ID
T電極、3a,3bは受信用IDT電極、4は発熱抵抗体、
5a,5bはSAW遅延線、6a,6bは増幅器、7a,7bはSA
W発振器、8は周波数コントロール端子、9は基板固定
部材、10a,10bは出力バッファ、11は混合器、12はロー
パスフィルタ、13は出力端子をそれぞれ示す。

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】外部からの電力を吸収して発熱する発熱抵
    抗体(4)を表面に有し、該発熱抵抗体で熱せられる第1
    の圧電性基板(1a)と,この第1の圧電性基板(1a)の上に
    設けられた第1の表面弾性波を発射する第1の送信用電
    極(2a)と,該発射された第1の表面弾性波を受信する第
    1の受信用電極(3a)とを備えた第1の表面弾性波遅延線
    (5a)と; この第1の表面弾性波遅延線(5a)と共働し、該第1の表
    面弾性波遅延線(5a)の固有振動数で発振する第1の発振
    器(7a)と; 第2の圧電性基板(1b)と; この第2の圧電性基板(1b)の表面に設けられた第2の表
    面弾性波を発射する第2の送信用電極(2b)と,該発射さ
    れた第2の表面弾性波を受信する第2の受信用電極(3b)
    とを備え、該第1の表面弾性波遅延線とは隣接して置か
    れ、かつ実質的に合同の形状をした第2の表面弾性波遅
    延線(5b)と; この第2の表面弾性波遅延線(5b)と共働し、該第2の表
    面弾性波遅延線(5b)の固有振動数で発振する第2の発振
    器(7b)と; 前記第1の発振器の出力信号と,前記第2の発振器の出
    力信号とを混合し、第1の表面弾性波遅延線または第2
    の表面弾性波遅延線に外部から加えられた力に対応した
    周波数のうなりを出力する混合器(11)とから成るSAW
    フォースセンサ。
  2. 【請求項2】前記第1の圧電性基板と前記第2の圧電性
    基板が同一の圧電性基板であることを特徴とする特許請
    求の範囲第1項記載のSAWフォースセンサ。
JP22320785A 1985-10-07 1985-10-07 Sawフオ−スセンサ Expired - Lifetime JPH0641886B2 (ja)

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JPS6282335A JPS6282335A (ja) 1987-04-15
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JP5018227B2 (ja) * 2007-05-15 2012-09-05 セイコーエプソン株式会社 力検知ユニット

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