JPH0989746A - センサ及びモノリシック圧電振動子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】圧電振動子の共振周波数と共振抵抗とを分離し
て同時に求めることができるセンサを提供すること。 【解決手段】時間の経過に応じて異なる周波数をもつ入
力信号を入力するための入力端子９５と、この入力端子
９５から入力される入力信号を増幅するトランジスタ８
９と、このトランジスタ８９のエミッタ抵抗９０に並列
に接続され、前記入力信号の特定の周波数に対して共振
する圧電振動子８８とを具備し、入力端子９５から入力
信号を入力し、圧電振動子８８が共振したときのトラン
ジスタ８９の出力に基づいて圧電振動子８８の共振周波
数と共振抵抗を分離して同時に検出する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明はモノリシック圧電振
動子を用いたセンサに関する。

【０００２】

【従来の技術】特開平２−２９０５２９号公報は圧電振
動子を用いたセンサの一例を示しており、図１２はこの
ようなセンサの構成を示している。同図において、圧電
素子３と増幅器１６とは自励発振回路８を構成してお
り、センサヘッド１、増幅器１６、周波数カウンタ９
ａ、周波数−電圧コンバータ１７、Ａ／Ｄコンバータ１
８は自励発振周波数変化検知回路を構成している。この
ような構成において、センサヘッド１が物体と接触した
ときの発振周波数の変化は周波数カウンタ９ａで検出さ
れ、周波数−電圧コンバータ１７でレベル出力に変換さ
れ、さらにこのレベル出力はＡ−Ｄコンバータ１８でＡ
−Ｄ変換されて硬さの値を示す情報として出力される。

【０００３】また、発振器１２ａ、センサヘッド１、増
幅器１６、整流回路１４ａ、平滑回路１４ｂ、Ａ−Ｄコ
ンバータ１８はレベル変化検知回路を構成する。このよ
うな構成において、センサヘッド１が物体と接触する
と、発振器１２ａの印加による交流電圧で出力レベルに
変化を生じる。この出力レベルの変化は整流回路１４ａ
で整流され、平滑回路１４ｂで平滑され、Ａ−Ｄコンバ
ータ１８でＡ−Ｄ変換されて硬さの値を示す情報として
出力される。

【０００４】上記した２つの回路、すなわち自励発振周
波数変化検知回路と、出力レベル変化検知回路とはアナ
ログスイッチ回路１９で連動操作される３種のスイッチ
ＳＷ１、ＳＷ２、ＳＷ３により切り換えられる。このア
ナログスイッチ回路１９はタイマ２０により所定時間毎
に切り換えられる。そして、演算回路２１はタイマ２０
を駆動制御する他に、上述の各回路から出力される２つ
の硬さの情報に基づいて硬さ情報を求めている。

【０００５】このように上記したセンサは、センサヘッ
ド１に物体が接触したときにおける自励発振周波数（共
振周波数）の変化と出力レベルの変化すなわち共振抵抗
の変化を３つのスイッチＳＷ１、ＳＷ２、ＳＷ３を切り
換えることによって求めている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記し
たような構成のセンサでは、圧電振動子の共振周波数と
共振抵抗とを分離して同時に測定することができなかっ
た。本発明はこのような課題に着目してなされたもので
あり、その目的とするところは、圧電振動子の共振周波
数と共振抵抗とを分離して同時に検出して、負荷の弾性
特性と粘性特性とを求めるようにしたセンサを提供する
ことにある。また、本発明の他の目的は、小型で測定の
信頼性を向上したモノリッシック圧電振動子を提供する
ことにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに、本発明のセンサは、時間の経過に応じて異なる周
波数をもつ入力信号を入力するための入力部と、この入
力部から入力される入力信号を増幅する増幅手段と、こ
の増幅手段に関して設けられ、前記入力信号の特定の周
波数に対して共振する圧電振動子と、前記入力部から入
力信号を入力し、前記圧電振動子が共振したときの前記
増幅手段の出力に基づいて、前記圧電振動子の共振周波
数と共振抵抗とを分離して同時に検出する信号処理手段
とを設けたことを特徴とするものである。

【０００８】すなわち、本発明のセンサは、時間の経過
に応じて異なる周波数をもつ入力信号を入力部から入力
し、増幅手段によりこの入力信号を増幅する。そして、
前記入力信号の特定の周波数に対して共振する圧電振動
子が共振したときの前記増幅手段の出力に基づいて、前
記圧電振動子の共振周波数と共振抵抗とを分離して同時
に検出するものである。

【０００９】また、本発明は、複数の圧電振動子を同一
の圧電板に形成したモノリシック圧電振動子において、
前記圧電振動子の第１の面には第１、第２の電極を並列
して配置するとともに、前記圧電振動子の第２の面には
第１、第２、第３の電極を並列して配置し、前記第１の
面に設けられた第１の電極と前記第２の面に設けられた
第１の電極とで、Ｓモードの圧電振動子を構成し、前記
第１の面に設けられた第２の電極と、前記第２の面に設
けられた第２及び第３の電極とでＡモードの圧電振動子
を構成したものである。

【００１０】すなわち、本発明のモノリシック圧電振動
子においては、前記複数の圧電振動子の第１の面には第
１、第２の電極を並列して配置するとともに、前記圧電
振動子の第２の面には第１、第２、第３の電極を並列し
て配置することにより、前記第１の面に設けられた第１
の電極と前記第２の面に設けられた第１の電極とで構成
されるＳモードの圧電振動子と、前記第１の面に設けら
れた第２の電極と、前記第２の面に設けられた第２及び
第３の電極とで構成されるＡモードの圧電振動子からな
る２つの検出モードを合わせもつものである。

【００１１】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明の実
施形態を詳細に説明する。本実施形態は、圧電振動子の
インピーダンスの変化を共振周波数の変化分と共振抵抗
の変化分とを分離して同時に検出し、この両検出量から
負荷となる粘弾性体対象物の弾性特性と粘性特性とを検
出することを特徴とする。

【００１２】図１は第１実施形態に係る触覚センサ回路
５及びその周辺の構成を示す図である。図１において、
８８は触覚センサとしての圧電振動子でトランジスタ８
９のエミッタ抵抗９０に並列に接続されている。トラン
ジスタ８９のベース入力にはコンデンサ９６と直流バイ
アス抵抗Ｒｂ１（９２）とＲｂ２（９３）とによって直
流バイアス電圧を供給するための配線１０８が接続され
ている。トランジスタ８９のコレクター部には負荷抵抗
ＲＬ９１が接続され、これを介してコレクタ電圧が供給
される様になっている。コレクター出力はコンデンサ９
７を経て直流成分が遮断されさらにダイオード１０７を
通して直流パルス信号に変換され、端子９８に出力され
る。そして端子９８に接続された触覚センサ信号伝達線
３を経て後述する制御回路ブロック部に信号伝達され
る。９５は高周波パルス信号を入力する入力端子で信号
伝達線２に接続され、直流電源電圧供給端子１５０は整
流回路１０９を経て信号伝達線２に接続されている。

【００１３】図２は上記した触覚センサ回路５を制御す
る制御回路のブロック図である。図２において、１１０
は矩形波１１２を出力する矩形波発生器、１１１は矩形
波１１２に同期して間欠鋸波１０２を発生させる鋸波発
生器、１１４はバッファー回路である。１１５はバッフ
ァ回路１１４の出力電圧値に応じて特定の周波数ｆｉを
中心に周波数を変化させるＦＭ変調回路でその出力波形
は同じ周波数変化をする高周波パルスからなる高周波パ
ルス列信号となっている。

【００１４】図３はこのような高周波パルス列信号を発
生するＦＭ変調回路の構成を示す図であり、圧電振動子
５００１と可変容量ダイオード５００２及びコンデンサ
５００３、５００４を構成要素とするコルピッツ発振回
路で構成されている。５００５は電源端子、５００６は
トランジスタ、５００７はエミッタ抵抗、５００８は直
流遮断コンデンサ、５００９は出力端子、５０１０、５
０１１は直流バイアス抵抗、５０１２は入力端子、５０
１３は入力抵抗であり、高周波パルス列信号は、出力端
子５００９から信号伝達線２を経て触覚センサ回路５の
端子９５に入力されるように構成されている。

【００１５】さらに、図２の制御回路には触覚センサパ
ルス列信号Ｓsens（１２１）の信号処理部も含まれてい
る。この信号処理部は、触覚センサパルス列信号１２１
のパルスピーク値を検出するピークディテクタ１３１、
ピークディテクタ１３１の出力をディジタル信号に変換
するＡＤコンバータ１３３、前記同じパルス波形を増幅
器１１９で増幅した矩形波の立ち上がり時刻Ｔ１からパ
ルス列信号のピーク時刻までの時間をカウントするカウ
ンター回路１２９、時間をカウントする為のクロック信
号発生器１１３、カウンター回路１２９のＢＣＤ出力を
演算回路１３４の入力信号に変換するデコーダ１３０、
これら２系統の出力を基に演算処理を施し呈示装置１３
６への入力信号を出力する演算回路１３４の諸回路から
構成されている。

【００１６】図４（ａ）は触覚センサ回路５の入力端子
９５に入力される高周波パルス信号の波形を示す図であ
る。同図に示すように、高周波パルスが立ち上がる時刻
Ｔ１（８５）から立ち上がる時刻Ｔ２（８６）にかけて
振幅が一定で、図４（ｂ）に示すように、周波数がｆｉ
−Δｆｉからｆｉ＋Δｆｉへ連続的に変化する信号と成
っている。

【００１７】以下に、上記した触覚センサ回路５の検出
原理を説明する。図５、図６において、圧電振動子８８
は無負荷時（Ａの状態）は９９に示す様な共振抵抗ＺrA
が小さく反共振抵抗ＺaAが大きく共振周波数ｆrA、反共
振周波数ｆａＡを持つＱｍの大きなインピーダンス特性
を示す。これに、図５における１００、１０１、また
は、図６におけるＢ〜Ｅの状態で示されるような負荷が
加わると、負荷の内容によって共振抵抗ＺrB、共振周波
数ｆrBを有するＢ負荷時インピーダンス特性１００や共
振抵抗ＺrC、共振周波数ｆrCを有するＣ負荷時インピー
ダンス特性１０１を示す様になる。他の負荷状態Ｄ，Ｅ
についても同様にＺrD，ＺaD，ｆrD，ｆaDやＺrE，Ｚa
E，ｆrE，ｆaEを持つインピーダンス特性を示す。

【００１８】この様な共振周波数の変化ΔｆrB＝ｆrA−
ｆrB，ΔｆrC＝ｆrA−ｆrC，…や反共振周波数の変化Δ
ｆaB＝ｆaA−ｆaB，ΔｆaC＝ｆaA−ｆaC，…、または共
振抵抗の変化ΔＺrB＝ＺrA−ＺrB，ΔＺrC＝ＺrC−Ｚr
C，…、反共振抵抗の変化ΔＺaB＝ＺaA−ＺaB，ΔＺaC
＝ＺaC−ＺaC, …は負荷が粘弾性体対象物の場合、その
粘弾性体の機械的インピーダンスの実数部と虚数部に関
係し、さらに、これら両特性Δｆ，ΔＺｒから計算で粘
弾性体の弾性率と粘性率を分離して表現出来るようにな
る。これら両特性Δｆ，ΔＺｒの片方、又は両者の平方
和の平方根をとる等して１つの特性として表現すると圧
覚センサすなわちセンサが粘弾性対象物に接触した時の
押圧力を検出するセンサとして使用可能であることは容
易に推測出来ることである。

【００１９】以上のインピーダンス特性から、周波数と
振幅が一定の高周波信号に対して圧電振動子８８のイン
ピーダンスは負荷を加えることによって変化するが、こ
の変化量は、前記した説明で分かる通り、共振周波数の
変化による分と、共振抵抗の変化による分の両方の効果
によることが分かる。この両方の効果によるインピーダ
ンスの変化が負荷の印加によって起こると、図１に示す
回路の端子９５に図４（ａ）に示すような振幅Ｖin，周
波数ｆinを有した高周波パルス信号を入力することによ
って、コンデンサＣc2（９７）の出力端子９７には振幅
Ｖout ＝Ｖin×ＲＬ／（ＲＥ‖Ｚ）、周波数ｆout ＝ｆ
inの高周波増幅出力が得られる。

【００２０】負荷を印加しない時に比べ負荷を印加した
時のＶout は負荷印加による圧電振動子８８のインピー
ダンスの増加に対応して前記式に従って小さくなるの
で、このＶout の変化を検出することによって圧電振動
子８８のインピーダンスＺの変化が分かり、このインピ
ーダンスＺの変化から負荷の印加の状態が判断出来るこ
とになる。

【００２１】ここで、振幅は一定で、前記入力周波数ｆ
inを、図７の１０３に示した直線の様に時刻Ｔ１からＴ
２にかけてｆｉ−Δｆｉからｆｉ＋Δｆｉまで単調に増
加させると、圧電振動子８８が無負荷状態なら図５の様
に共振抵抗がＺｒで共振周波数ｆｒのインピーダンス特
性９９を示すことに対応して、ｆinがｆｒに等しくなる
時刻Ｔ0 で最大振幅の高周波パルス信号を出力し、コン
デンサ９７とダイオード１０７を経たあとの端子９８に
出力される信号は図７の１０４に示したピーク値Ｖを示
す直流パルス信号となる。

【００２２】また、圧電振動子８８に例えば図５に於け
るＡ負荷が加わって、共振抵抗がＺｒ’，共振周波数が
ｆｒ’のインピーダンス特性１００を示す様になると、
これに対応して端子９８の出力のピーク電圧は共振抵抗
が増加してＺｒ’になったことに対応して小さくなり、
ピーク電圧を示す時刻も印加周波数ｆinがｆｒ’に成る
時刻Ｔ’にシフトする。圧電振動子８８に図５に於ける
Ｂ負荷が加わり１０１なるインピーダンス特性に変化し
た時も同様に印加周波数ｆinがｆｒ”に成る時刻Ｔ”に
シフトする。

【００２３】次にこのシフト量とピーク値を検出する方
法について図２を用いて説明する。まず、矩形波発生器
１１０によって得られる矩形波１１２を鋸波発生器１１
１に入力し、間欠鋸波１０２に変換する。この間欠鋸波
１０２をバッファー回路１１４に入力し、その出力信号
をＦＭ変調器１１５に入力する。すると、このＦＭ変調
器からの出力は時刻Ｔ１から時刻Ｔ２にかけて周波数ｆ
ｉを中心にｆｉ−Δｆｉからｆｉ＋Δｆｉに変化し、図
４（ａ）、（ｂ）の様な信号からなるパルス列信号が得
られる。前記高周波パルス信号がある瞬間、ｆｉ−Δｆ
ｉからｆｉ＋Δｆｉに変化する高周波パルスが図１の触
覚センサ回路５に入力されると、ｆｉを共振周波数とす
る圧電振動子８８を含んだ触覚センサ回路５の出力端子
９８に直流パルス信号を出力する。他の瞬間において負
荷の状態が変化すると触覚センサ回路５からそれぞれの
タイミングに対応した直流パルス信号が出力されるので
全ての瞬間を統合すると、図２に示した様な触覚センサ
パルス列信号１２１となる。

【００２４】この信号が分岐された後、その一方は図２
に示した制御回路ブロックの増幅器（コンパレータ）１
１９に入力される。前記直流パルス信号は前記コンパレ
ータ１１９によって矩形パルス波信号に変換され、時刻
Ｔ１からこの矩形波の立ち上がりまたは立ち下がり時刻
までの時間をカウンター回路１２９で計数する。負荷の
印加によるこの計算値の変化即ち共振周波数の変化はク
ロック信号発生器１１３からのクロック信号のカウント
数から算出される。

【００２５】他の一方は図２に示した制御回路ブロック
のピークディテクタ１３１に入力され、ピーク値が検出
される。そして、その検出信号をＡＤ変換器１３３によ
ってディジタル信号に変換され、演算回路１３４で前記
計数値とともに処理され呈示装置１３６を駆動する。

【００２６】上記した第１実施形態によれば、粘弾性体
対象物の弾性率、粘性率を分離して同時に検出できるよ
うになる。以下に本発明の第２実施形態を説明する。コ
ルピッツ回路を用いた触覚センサは、コルピッツ回路の
圧電振動子の共振抵抗が大きいと発振しにくくなりセン
サとしてのダイナミックレンジが極めて悪くなる。一
方、圧電振動子の電極は配線の容易さや小型化の必要性
を考慮すると電気配線端子が同一面側にあることが好ま
しい。この様な駆動による振動はＡモード厚み縦振動と
呼ばれ良好なインピーダンス特性を示すが、共振抵抗が
高いためコルピッツ発振器の安定な発振出力を得ること
が困難であった。第２実施形態はこの様な課題を解決す
るものである。

【００２７】第２実施形態の構成が第１実施形態と異な
る点は図１に示した触覚センサ回路の構成に於いて圧電
振動子８８の構造とエミッタ抵抗９０、負荷抵抗（コレ
クター抵抗）９１の値である。

【００２８】以下、本実施形態の構成について図８
（ａ）、（ｂ）、（ｃ）を用いて説明する。第１実施形
態において使用した圧電振動子（図８（ａ））はエミッ
タ抵抗９０に並列に接続されておりＳモード圧電振動子
と呼ばれる。これに対して図８（ｂ）に示すように、圧
電振動子１３８の電極は対象物に接触する側に共通電極
１４１が設けられ、その反対側の面には２つに分割した
電極１３９，１４０が設けられている。このような圧電
振動子はＡモード圧電振動子と呼ばれる。共通電極１４
１は分割電極１３９の面積と分割電極１４０の面積との
和程度の面積を有し、配線等一切必要としない。従っ
て、共通電極１４１側の面には凹凸が一切無く、更にこ
の上に弾性部材や、対象物との良好な接触状態を実現す
るための突起物等を形成しやすくなる。

【００２９】図８（ｃ）に示すようにこの様な構成のＡ
モード厚み縦圧電振動子のインピーダンス特性は一般に
Ｓモード厚み縦圧電振動子のインピーダンス特性１４４
にくらべ共振抵抗が大きなインピーダンス特性１４３を
示す。

【００３０】従って、先の実施例と同程度のセンサ感度
を得る為にはこのインピーダンス値に対応させてエミッ
タ抵抗１４２と図１に示す負荷抵抗（コレクタ抵抗９
１）を増加させる必要がある。また同時に図８（ｃ）に
示すように、Ａモード厚み縦圧電振動子のインピーダン
ス１４３は共振周波数も高周波側にずれるので高周波パ
ルス列信号の中心周波数をｆraに等しくなるように設定
する。他の構成や波形は第１実施形態と全く同じである
ので省略する。

【００３１】上記した第２実施形態によれば、圧電振動
子の片面が凹凸の全くない構造となるので、共通電極側
の面には凹凸が一切無く、更にこの上に弾性部材や、対
象物との良好な接触状態を実現するための突起物等を形
成しやすくなる。

【００３２】以下に本発明の第３実施形態を説明する。
以上の様に、粘弾性対象物を負荷とした時、複数の圧電
振動子の共振周波数ｆｒと共振抵抗Ｚｒの変化を検出
し、その結果を用いて粘性係数、弾性係数を導き出す具
体的な構成について記述してきた。しかしながら粘弾性
対象物を負荷とした時に変化するのは実際には図６に示
した様に、前記共振周波数ｆｒと共振抵抗Ｚｒのみでな
く、反共振周波数ｆａと反共振抵抗Ｚａも変化する。本
実施形態はこれら反共振周波数ｆａと反共振抵抗Ｚａの
変化も用いて、更に感度の向上をはかることが目的であ
る。

【００３３】図９は第３実施形態の構成を示す図であ
る。２００１は触覚センサとなるモノリシック圧電振動
子で、トランジスタ２００６のエミッタ抵抗２００７に
並列に接続されるＡモード圧電振動子２００２とその一
端がトランジスタ２００６のベースに接続される２つの
コンデンサ２００４，２００５及びＳモード圧電振動子
２００３がＴ字型に接続された回路素子から構成されて
いる。図では上記２つのモードの圧電振動子２００２、
２００３は一体になっているが、別体に構成するように
してもよい。

【００３４】該トランジスタ２００６のベースには、更
に直流バイアス抵抗Ｒｂ１ ２０１１とＲｂ２ ２０１
２とが接続され該トランジスタ２００６の直流動作点が
決定される。該トランジスタ２００６のコレクター部に
は負荷抵抗２００８が接続され、更に、端子２０１５は
整流回路２０３０を介し信号線２に接続されている。コ
レクター部には直流遮断用コンデンサ２００９と、直流
パルス信号に変換する為のダイオード２０１０と、その
出力をセンサ信号伝達線３に伝達する為の端子２０１４
が設けられている。

【００３５】又、前記Ｔ字型回路素子の他の一端には端
子２０１３が設けられていて、信号線２に接続され、高
周波パルス信号を入力出来るようになっている。前記Ｔ
字型回路素子の最後の一端は前記Ａモード圧電振動子２
００２の片側の端子（Ｂ）に共々接地されている（２０
１６）。先記した整流回路２０３０は図１に示したのと
同等の整流回路を用いてアドレス信号線２に接続されて
いる。

【００３６】尚、前記Ａモード圧電振動子２００２の共
振周波数ｆrAと前記Ｓモード圧電振動子２００３の反共
振周波数ｆasとは電極寸法や配置などの設計でほぼ一致
するように作製されている。

【００３７】図１０は触覚センサ素子である上記した２
種類の圧電振動子と２つのコンデンサを一体化したモノ
リシック圧電振動子２００１の断面図を示している。以
下にこのようなモノリシック圧電振動子２００１の製造
方法を説明する。まず、ＰＺＴ薄片を後で除去出来る予
備電極（図示していない）を用いて領域２０１８を分極
し、領域２０１９は未分極の状態にしておく。

【００３８】分極後予備電極を除去し、正式な電極Ａ，
Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｅ，Ｆを真空蒸着やスパッタ等の手段で形
成し、パターン成膜する。尚、基板上にＰＺＴ厚膜等の
圧電厚膜を形成した圧電振動子を利用する時は予備電極
の手段は用いることが出来ない。そこで、基板表面に予
め電極Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄを形成しておき、ＰＺＴ厚膜を本
発明者らが既に開示しているジェットプリンティングシ
ステム法（ＪＰＳ法）で成膜し、熱処理後、上部電極
Ｅ，Ｆを通常の方法で形成し、その後、電極Ｅ，Ｆを導
通接続させ一方の分極用端子とし、また下部電極のうち
Ａ，Ｂを導通接続してもう一方の分極用端子とする。こ
れら両分極用端子間に直流電圧を印加し、分極する。

【００３９】しかる後、前記導通接続状態を解除させ
る。尚、前記基板はシリコン単結晶基板であり、表面酸
化処理をし、且つ前記トランジスタ２００６や他の抵抗
素子２００７，２００８，２０１１，２０１２とこれら
を図９の回路になるようにする配線が内部形成されてい
る。そして、このトランジスタ２００６のベース部、エ
ミッター部、及びアース部が表面酸化膜に設けたヴィア
ホールを介してそれぞれ対応するパッド電極に導通され
ている。また、上部電極Ｅ、Ｆの表面には絶縁皮膜がコ
ーテイングされており、対象物との接触側を構成してい
る。

【００４０】以下に上記した構成の作用を説明する。信
号線２を経て端子２０１３に入力された高周波パルス信
号はコンデンサ２００４とＳモード圧電振動子２００３
のインピーダンス比で分圧される結合コンデンサ２００
５を経てトランジスタ２００６のベースに入力される。
この分圧信号は圧電振動子のインピーダンスが大きい程
大きな値をとる。従って、反共振周波数ｆａに相当する
周波数を有した高周波パルス信号が入力された時に最大
の電圧を示し、負荷が加わった状態では次第に反共振抵
抗の低下とともに該分圧電圧は低下する。

【００４１】一方、Ｓモード圧電振動子２００３の反共
振周波数ｆａはＡモード圧電振動子２００２の共振周波
数ｆｒに相当するので、最低のインピーダンス値Ｚｒを
示す。従ってエミッター抵抗２００７との合成抵抗も最
低になり、負荷抵抗２００８と前記合成抵抗の比で表さ
れる電圧増幅度が最大になる。また負荷が加わるとＡモ
ード圧電振動子２００２の共振抵抗Ｚｒが増加するので
増幅度が低下する。

【００４２】この様にＳモード圧電振動子２００３の反
共振周波数ｆａ、即ちＡモード圧電振動子２００２の共
振周波数ｆｒにも等しい周波数の高周波パルス信号が入
力すると、端子２０１４に出力される直流パルス信号の
ピーク電圧は最大になり、負荷を加えると、Ａモード圧
電振動子２００２の共振抵抗Ｚｒの増加とＳモード圧電
振動子２００３の反共振抵抗Ｚｒの減少が相乗的に作用
し、大きな出力変化が得られるようになる。

【００４３】以上のように図９，図１０に示した触覚セ
ンサ回路の構成にすることにより、大きな感度が得られ
るようになり、かつモノリシック圧電振動子の採用と、
図９に示した、モノリシック圧電振動子以外の回路要素
を全てシリコン基板に埋め込むことによって大幅な小型
化がはかれ、医療用マイクロ触覚センシング等の分野に
利用し易いセンサ装置を提供出来るようになる。

【００４４】なお、図１１に示すように、Ｓモード圧電
振動子２００３のみを用いた場合でも反共振周波数ｆａ
と反共振抵抗Ｚｒとを求めることができる。上記した圧
電振動子の構成によれば、負荷の受ける面は端子構造が
一切無いので負荷を安定に再現性良く受けることができ
る。また、裏面の端子を接続する面も同一面内にあるの
で、シリコン基板上に配設した電極パッドに接合しやす
くなる。圧電振動子を膜形成するとき、あらかじめ基板
上に配設した電極パッド上にそのまま成膜し、その後、
上部電極を形成するだけで配線は一切不要となり、構造
的な信頼性向上につながる。

【００４５】「上記実施形態では、増幅素子としてトラ
ンジスタを用いているが、トランジスタに代えてＦＥＴ
や、オペアンプを用いてもよい。なお、ＦＥＴを用いる
場合は、上記実施形態とほぼ同様の回路構成となるが、
オペアンプを用いる場合には、図１２に示すような回路
構成となる。

【００４６】また、ＳモードとＡモードの振動子を対で
用いたが、Ｓモード同士で一対の組み合わせでも、一方
の反共振周波数が他方の共振周波数に一致していればよ
い。この場合、圧電振動子は、途中で厚さが変化するも
のを用いる。

【００４７】以上、本発明を、実施の形態に基づいて説
明したが、本発明からは、以下のような構成の技術的思
想が導き出される。 （１）．時間の経過に応じて異なる周波数をもつ入力信
号を入力するための入力部と、この入力部から入力され
る入力信号を増幅する増幅手段と、この増幅手段に関し
て設けられ、前記入力信号の特定の周波数に対して共振
する圧電振動子とを具備し、前記入力部から入力信号を
入力し、前記圧電振動子が共振したときの前記増幅手段
の出力に基づいて、前記圧電振動子の共振周波数と共振
抵抗とを分離して同時に検出する信号処理手段を設けた
ことを特徴とするセンサ。 （２）．構成（１）において、前記圧電振動子は、その
第１の面に第１、第２の電極を並列して配置し、第２の
面には第１、第２、第３の電極を並列して配置して、前
記第１の面に設けられた第１の電極と前記第２の面に設
けられた第１の電極とからなるＳモード検出用の第１の
圧電振動子と、前記第１の面に設けられた第２の電極と
前記第２の面に設けられた第２及び第３の電極とからな
るＡモード検出用の第２の圧電振動子という異なる２つ
の検出モードを有する複数の圧電振動子を同一の圧電板
に形成したモノリシック圧電振動子であることを特徴と
するセンサ。 （３）．構成（１）において、前記増幅手段がトランジ
スタまたはＦＥＴ（電界効果形トランジスタ）であり、
前記圧電振動子はこのトランジスタのエミッタ抵抗また
はＦＥＴのソース抵抗に並列に接続されていることを特
徴とするセンサ。 （４）．構成（１）において、前記増幅手段がトランジ
スタまたはＦＥＴ（電界効果形トランジスタ）であり、
前記圧電振動子はこのトランジスタのベースまたはＦＥ
Ｔのゲートに接続されていることを特徴とするセンサ。 （５）．構成（２）において、前記増幅手段がトランジ
スタまたはＦＥＴ（電界効果形トランジスタ）であり、
前記第１の圧電振動子はこのトランジスタのエミッタ抵
抗またはＦＥＴのソース抵抗に並列に接続され、前記第
２の圧電振動子はトランジスタのベースまたはＦＥＴの
ゲートに接続されたものであることを特徴とするセン
サ。 （６）．構成（２）において、前記増幅手段がオペアン
プであり、前記第１の圧電振動子は前記オペアンプの帰
還部分に接続され、前記第２の圧電振動子はこのオペア
ンプの非反転入力端子に接続されていることを特徴とす
るセンサ。 （７）．複数の圧電振動子を同一の圧電板に形成したモ
ノリシック圧電振動子において、該圧電振動子の第１の
面には第１、第２の電極を並列して配置するとともに、
前記圧電振動子の第２の面には第１、第２、第３の電極
を並列して配置し、前記第１の面に設けられた第１の電
極と前記第２の面に設けられた第１の電極とで、Ｓモー
ドの圧電振動子を構成し、前記第１の面に設けられた第
２の電極と、前記第２の面に設けられた第２及び第３の
電極とでＡモードの圧電振動子を構成したことを特徴と
するモノリシック圧電振動子。 （８）．構成（７）において、前記第１の面の第１、第
２の電極は、端子を接続しない電極であり、前記第２の
面の第１、第２、第３の電極を端子接続電極としたこと
を特徴とする請求項５記載のモノリシック圧電振動子。

【００４８】上記構成（１）〜（６）における作用効果
は以下の通りである。 （作用）圧電振動子のインピーダンスの変化を、共振周
波数の変化分と、共振抵抗の変化分とに分離して同時に
検出される。 （効果）共振周波数の変化分と共振抵抗の変化分の両検
出量から、負荷となる粘弾性体対象物の弾性特性と粘性
特性とを求めることが可能なセンサを提供することがで
きる。

【００４９】上記構成（７）〜（８）における作用効果
は以下の通りである。 （作用）圧電振動子の第１の面には第１、第２の電極を
並列して配置するとともに、前記圧電振動子の第２の面
には第１、第２、第３の電極を並列して配置することに
より、前記第１の面に設けられた第１の電極と前記第２
の面に設けられた第１の電極とで構成されるＳモードの
圧電振動子と、前記第１の面に設けられた第２の電極
と、前記第２の面に設けられた第２及び第３の電極とで
Ａモードの圧電振動子からなる２つの検出モードを合わ
せもつ圧電振動子がモノリシックに形成される。 （効果）小型で測定の信頼性が向上したモノリシック圧
電振動子を提供することができる。」

【００５０】

【発明の効果】本発明によれば、圧電振動子の共振周波
数と共振抵抗とを分離して同時に求めることができるよ
うになる。また、小型で測定の信頼性を向上したモノリ
ッシック圧電振動子が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施形態に係る触覚センサ回路の
構成を示す図である。

【図２】触覚センサ回路の制御ブロック図である。

【図３】図２のＦＭ変調器の構成を示す図である。

【図４】（ａ）は触覚センサ用高周波パルス信号波形を
示す図であり、（ｂ）は（ａ）の高周波パルス信号の周
波数が時間と共にどのように変化するかを示す図であ
る。

【図５】負荷の有無による圧電振動子のインピーダンス
特性の差を示す図である。

【図６】圧電振動子のインピーダンス特性と触覚センサ
回路の出力との関係を示す図である。

【図７】各部の信号波形を示す図である。

【図８】本発明の第２実施形態を説明するための図であ
る。

【図９】本発明の第３実施形態の構成を示す図である。

【図１０】モノリシック圧電振動子の断面図である。

【図１１】本発明の第３実施形態の変形例を示す図であ
る。

【図１２】オペアンプを用いた実施形態の回路構成を示
す図である。

【図１３】従来のセンサの構成を示す図である。

【符号の説明】

８８…圧力電気振動子、８９…トランジスタ、９０…エ
ミッター抵抗、９１…コレクター抵抗、９２，９３…直
流バイアス抵抗、９４…電源電圧供給端子、９５…高周
波パルス信号入力端子，９６，９７…コンデンサ、９８
…出力端子。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 時間の経過に応じて異なる周波数をもつ
   入力信号を入力するための入力部と、 この入力部から入力される入力信号を増幅する増幅手段
   と、 この増幅手段に関して設けられ、前記入力信号の特定の
   周波数に対して共振する圧電振動子と、 前記入力部から入力信号を入力し、前記圧電振動子が共
   振したときの前記増幅手段の出力に基づいて、前記圧電
   振動子の共振周波数と共振抵抗とを分離して同時に検出
   する信号処理手段と、 を設けたことを特徴とするセンサ。
2. 【請求項２】 複数の圧電振動子を同一の圧電板に形成
   したモノリシック圧電振動子において、 前記圧電振動子の第１の面には第１、第２の電極を並列
   して配置するとともに、前記圧電振動子の第２の面には
   第１、第２、第３の電極を並列して配置し、 前記第１の面に設けられた第１の電極と前記第２の面に
   設けられた第１の電極とで、Ｓモードの圧電振動子を構
   成し、 前記第１の面に設けられた第２の電極と、前記第２の面
   に設けられた第２及び第３の電極とでＡモードの圧電振
   動子を構成したことを特徴とするモノリシック圧電振動
   子。