JPH0641887B2 - Ｓａｗフオ−スセンサ - Google Patents

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 Acousic 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。従来、
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、該歪みゲージの抵抗
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たものもある。このタ
イプのセンサは前記歪みゲージと同じくホイートストン
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、同一基板上に感圧部と信号検
出用の電気回路を集積化している点にある。また、温度
変化に対する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。

物体の応力と歪みの関係は、一義的に定まるので、応力
と歪みを特に区別しないで同義的に用いることがある。
例えば、応力センサと歪みセンサとが同じであるような
例を挙げることができる。そこで、この発明では、フォ
ースセンサという語を用いることとする。

また、その他にフォースセンサに属する技術としてＳＡ
Ｗ遅延線の感圧機能を利用したものがある。このＳＡＷ
遅延線には、表面弾性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
質を所持した圧電性基板が用いられている。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
センサを実現できる。このようにして実現された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のフォースセンサに比べ精度が高い
センサにすることができる。また、センサを構成するＳ
ＡＷ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。このよ
うに、周波数の変化量を表示する方式としているのは、
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、あるいは、被測定物の放出エ
ネルギーを他の形に変換して出力したりするタイプのデ
バイスではないためである。したがって、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遅延線を発振素子と
し、つまり、該ＳＡＷ遅延線と共働し、該ＳＡＷ遅延線
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、ＳＡＷ遅延線に用いる圧電性基板は、ＳＡＷ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
する性質を有し、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ある。よって、より高感度
のセンサにするには、この周囲温度による周波数の変動
を補償する方法が必要となる。また、ＳＡＷ遅延線の経
時変化による発振周波数の変動も同時に補償することが
必要になる。

したがって、温度や経時変化による変動を補償する必要
性から従来のＳＡＷフォースセンサにおいては、２つの
発振器を、実質的に同一もしくは対称（合同）の形状を
した２つのＳＡＷ遅延線を用いて構成し、一方を温度や
経時変化の補償用、他方を力の検出用として用い、それ
ぞれの発振回路のうなり信号を取り出す方法で行なわれ
ている。しかしながら、この方法では、より高精度を有
するセンサとして機能を果たすことができないため、他
の方法が必要になってきた。

〔問題を解決するための手段〕

そこで、この発明では、加えた力によりＳＡＷ速度が変
化する特性を有する圧電性基板を用い、この基板上にＳ
ＡＷ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。ＴＤＴはInterdigital Transducerの
略）を設けるとともに、例えば、この２つの電極、つま
り送信用電極と受信用電極との間に、入力した電力に応
じて発熱する発熱抵抗体を設け、構造的には実質的に同
一か、または対称（合同）な２つのＳＡＷ遅延線で２つ
の発振器を構成するようにし、一方の発振器は温度及び
経時変化の補償用として、他方の発振器は力の検出用と
して使用することとした。なお、発熱抵抗体は圧電性基
板上の送信用電極と受信用電極の間のＳＡＷが伝搬する
面に熱が伝われば良いので、圧電性基板のどこに設けて
も良いが、前述のように、送信用電極と受信用電極の間
に設けるのが応答速度の面からは良い。また、２つの発
熱抵抗体は同一の抵抗値をもつものとする。

さらに、このように構成された温度及び経時変化の補償
用として発振器と、基準周波数発振器、位相比較器、ロ
ーパスフィルタによりフェーズロックループ回路（ＰＬ
Ｌ：Phase−Locked Loop回路）を構成した。

このＰＬＬ回路においては、基準周波数発振器の発振周
波数に補償用ＳＡＷ発振器の発振周波数が追随するよう
にしてあり、該追随したとき、補償用のＳＡＷ遅延線上
にある発熱抵抗体に電流が流れる。この電流は、温度、
経時変化によるＳＡＷ発振器の発振周波数のゆらぎを補
償するためのもので、これはＳＡＷ発振器の感温機能に
基づき、発熱抵抗体によるＳＡＷ遅延線の温度変化を利
用している。このＳＡＷ発振器は、通常ＰＬＬ回路を構
成する電圧制御発振器（ＶＣＯ：Voltage Controlled O
scillator）に相当する。

以上のような構成で得られる制御用の電流を、前記他方
の力の検出用としてのＳＡＷ発振器の構成要素の１つで
ある発熱抵抗体に流すことにより、温度及び経時変化を
補償したより高感度のＳＡＷフォースセンサとして提供
することができる。

〔作 用〕

すなわち、温度及び経時変化の補償用としてのＳＡＷ発
振器・基準周波数発振器・位相検出器・ローパスフィル
タで構成されるＰＬＬ回路と、力の検出用としてのＳＡ
Ｗ発振器によりセンサを構成することで高精度のＳＡＷ
フォースセンサを実現することができる。

今、２つのＳＡＷ遅延線の表面温度が変化すると、それ
ぞれのＳＡＷ発振器は同量の周波数変化量を示す。これ
は、２つのＳＡＷ遅延線が互いに接近して設けられてい
るからである。この際、温度及び経時変化の補償用のＳ
ＡＷ発振器は、前記構成のＰＬＬ回路によって、基準周
波数発振器の発振信号と同一の発振周波数に引き戻され
る様に動作する。かかる動作をなさしめるため、本発明
では、補償用のＳＡＷ遅延線上に設けられた発熱抵抗体
に発熱に必要な電流を流しておき、この電流の値を前記
ＰＬＬ回路の出力信号によって制御する方法を採ってい
る。かかる制御に基づき、この電流は、温度変動に応じ
た量となり、補償用のＳＡＷ発振器と同様な構成を採っ
ている力の検出用のＳＡＷ発振器を構成するＳＡＷ遅延
線上の発熱抵抗体にも同時に流され、検出用発振器とし
ての温度補償が可能となる。また、経時変化による２つ
のＳＡＷ発振器の周波数変化も同一構成であるため同等
に起こると考えられる。ここで、補償用の発振器で検出
した電流を検出用ＳＡＷ遅延線上の発熱抵抗体に流すこ
とにより温度と同様なメカニズムで補償が可能となる。

〔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。第１及び第２の圧電性基板1a，1b（別体でも同一
の基板でもよい）上に、それぞれＳＡＷを発射するため
の第１及び第２の送信用電極2a，2b，と、この第１及び
第２の送信用電極2a，2bからそれぞれ発射されたＳＡＷ
を受信するための第１及び第２の受信用電極3a，3bを設
け、構造的に、かつ、実質的に同一か、あるいは、対称
（合同）である第１及び第２のＳＡＷ遅延線4a，4bを形
成する。また、第１及び第２の遅延線4a，4b上には、Ｓ
ＡＷを伝搬する部分に外部からの電力を吸収して発熱す
る第１及び第２の発熱抵抗体5a，5bを設ける。第１及び
第２の圧電性基板1a，1bは基板固定部材６に固定する。
第１の送信用電極2aと第１の受信用電極3aは第１の増幅
器（発振器）7aに、また、第２の送信用電極2bと第２の
受信用電極3bは第２の増幅器（発振器）7bにそれぞれ接
続され、第１及び第２のＳＡＷ発振器8a，8bを形成す
る。そして、第１の送信用電極2a、第１の受信用電極3
a、第１の増幅器（発振器）7aで構成される第１のＳＡ
Ｗ発振器8aを温度及び経時変化の補償用として、また、
第２の送信用電極2b、第２の受信用電極3b、第２の増幅
器（発振器）7bで構成される第２のＳＡＷ発振器8bを力
の検出用として使用する。全ての電極のそれぞれ一方は
接地電位に接続されている。また、第１と第２の発熱抵
抗体5a，5b直列に接続され、該第１の発熱抵抗体5aの他
方は周波数コントロール端子９に、第２の発熱抵抗体5b
の他方は接地電位に接続されている。以上のような構成
による第２のＳＡＷ遅延線に測定すべき力を作用させる
手段10を用いて力を加える。

第２図は、本発明のＳＡＷフォースセンサの一実施例を
示す。第１の圧電性基板1aの上に、第１の送信用電極2a
と第１の受信用電極3a及び第１の発熱抵抗体5aを形成
し、温度及び経時変化の補償用の第１のＳＡＷ遅延線4a
とする。該第１の送信用と受信用の電極2a，3aのそれぞ
れの一方は接地電位に、また、他方はそれぞれ第１の増
幅器（発振器）7aに接続され、補償用の第１のＳＡＷ発
振器8aを構成する。この第１のＳＡＷ発振器8aの出力
は、第１の出力バッファ11aを介して外部に取り出され
る。第１の出力バッファ11aを介して出力される信号
は、基準周波数数発振器12の出力信号と位相比較器13に
より位相と周波数が比較され、その比較結果は電圧とし
て出力される。そして、位相比較器13より出力される誤
差電圧は、フィードバックする手段14内にあるローパス
フィルタに入力され、低周波成分だけが抽出され出力さ
れる。この出力信号を補償用の第１のＳＡＷ発振器8aの
第１の発熱抵抗体5aにフィードバックすると、該補償用
の第１のＳＡＷ発振器8aの発振信号は、前記基準周波数
発振器12の発振周波数と一致した周波数及び位相とな
る。このようにして、フェーズロックループ（ＰＬＬ）
回路(15)を構成する。ここで、第１の発熱抵抗体5aに
は、前もって一定の発熱用電流を流しておき、該ＰＬＬ
回路から出力された信号でこれを増減して温度補償を実
現する。次に圧電性基板1b、第２の送信用電極2b、第２
の受信用電極3b及び第２の発熱抵抗体5bで力の検出用の
第２のＳＡＷ遅延線4bを構成する。これらの電極のそれ
ぞれ一方は接地電位に接続され、他方はそれぞれ第２の
増幅器（発振器）7bに接続され、検出用の第２のＳＡＷ
発振器8bを構成しているのである。この第２のＳＡＷ発
振器8bを構成する第２のＳＡＷ遅延線4bに測定すべき力
を作用させる手段10を用いて力を加えると、該第２のＳ
ＡＷ発振器8bは力に応じた周波数変化を示す。この第２
のＳＡＷ発振器8bの出力信号は、第２の出力バッファ11
bを介し発振周波数を計測する手段、例えば、市販の周
波数カウンタ16に入力する。検出用の第２のＳＡＷ遅延
線4b上に設けた第２の発熱抵抗体5bに、ＰＬＬ回路で得
られた補償用の制御電流を流すことにより、温度及び経
時変化を補償した高感度のＳＡＷフォースセンサが構成
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、補償用のＳＡＷ発振器を用いてＰＬＬ回路を構成
し、温度及び経時変化に伴うセンサの特性を電流値で検
出して、該電流を検出用の発振器にフィードバックする
ため高性能なセンサとすることができる。これらセンサ
の補償は圧電性基板の有する精度を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、フィードバックする手段内のローパスフィルタか
ら出力される電流値は主に温度変化に基づく出力値であ
るため、センサの温度検出用の信号としても利用でき
る。

さらに、本発明のＳＡＷフォースセンサは、デジタル信
号処理に適した周波数値を測定値として出力するためマ
イクロコンピュータを用いた計測及び制御に直接利用で
きる。さらにまた、本発明によるＳＡＷフォースセンサ
は、圧電性基板の良好な感圧特性を利用しているため、
高感度を有するセンサとすることができる。

したがって、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。 第２図は、本発明のＳＡＷフォースセンサの一実施例を
示す。 図において、1a，1bは第１及び第２の圧電性基板、2a，
2bは第１及び第２の送信用電極、3a，3bは第１及び第２
の受信用電極、4a，4bは第１及び第２のＳＡＷ遅延線、
5a，5bは第１及び第２の発熱抵抗体、６は基板固定部
材、7a，7bは第１及び第２の増幅器（発振器）、8a，8b
は第１及び第２のＳＡＷ発振器、９は周波数コントロー
ル端子、10は測定すべき力を作用させる手段、11a，11b
は第１及び第２の出力バッファ、12は基準周波数発振
器、13は位相比較器、14はフィードバックする手段、15
はフェーズロックループ回路、16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 (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第１の
   発熱抵抗体(5a)を有する第１の圧電性基板(1a)と、該第
   １の圧電性基板の上に設けられ第１の表面弾性波の発射
   する第１の送信用電極(2a)と、前記第１の圧電性基板の
   上に設けられ前記第１の表面弾性波を受信する第１の受
   信用電極(3a)とからなる第１の表面弾性波遅延線(4a)
   と； 該第１の表面弾性波遅延線と共働し、該第１の表面弾性
   波遅延線の固有振動数で発振する第１の発振器(8a)と； 前記第１の発熱抵抗体に直列に接続された第２の発熱抵
   抗体(5b)を有する第２の圧電性基板(1b)と、該第２の圧
   電性基板の上に設けられ第２の表面弾性波を発射する第
   ２の送信用電極(2b)と、前記第２の圧電性基板の上に設
   けられ前記第２の表面弾性波を受信する第２の受信用電
   極(3b)とからなり、前記第１の表面弾性波遅延線に隣接
   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(4b)と； 該第２の表面弾性波遅延線と共働し、該第２の表面弾性
   波遅延線の固有振動数で発振する第２の発振器(8b)と； 基準周波数発振器(12)と； 該基準周波数発振器の出力信号の位相と、前記第１の発
   振器の発振信号の位相とを比較し、その差に比例した誤
   差電圧を出力する位相比較器(13)と、該位相比較器の出
   力を前記第１及び第２の発熱抵抗体にフィードバックす
   る手段(14)とからなり、前記第１の発振器の発振周波数
   を前記基準周波数発振器の周波数に一致するようにされ
   たフェーズロックループ回路(15)と； 前記第２の圧電性基板に測定すべき力を作用させる手段
   (10)と； 前記第２の発振器の発振周波数を計測する手段(16)とを
   具備し、前記第２の表面弾性波遅延線に加えられた外力
   を検出するＳＡＷフォースセンサ。
2. 【請求項２】前記第１の圧電性基板(1a)と前記第２の圧
   電性基板(1b)が一枚の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。