JPS596371B2 - force transducer - Google Patents

force transducer

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JPS596371B2
JPS596371B2 JP54057669A JP5766979A JPS596371B2 JP S596371 B2 JPS596371 B2 JP S596371B2 JP 54057669 A JP54057669 A JP 54057669A JP 5766979 A JP5766979 A JP 5766979A JP S596371 B2 JPS596371 B2 JP S596371B2
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JP
Japan
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vibrator
force transducer
transducer according
vibrating
detection means
Prior art date
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JP54057669A
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Japanese (ja)
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JPS55149820A (en
Inventor
敏嗣 植田
扶佐夫 幸坂
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Yokogawa Electric Corp
Original Assignee
Yokogawa Hokushin Electric Corp
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Filing date
Publication date
Application filed by Yokogawa Hokushin Electric Corp filed Critical Yokogawa Hokushin Electric Corp
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  • Apparatuses For Generation Of Mechanical Vibrations (AREA)
  • Piezo-Electric Or Mechanical Vibrators, Or Delay Or Filter Circuits (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は力を周波数に変換する装置に関するものである
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION The present invention relates to an apparatus for converting force into frequency.

第1図は、従来より一般に用いられている力を周波数に
変換する装置の一実施例の原理的構成説明図である。
FIG. 1 is a diagram illustrating the basic configuration of an embodiment of a conventionally commonly used device for converting force into frequency.

図において、1は両端を固定された断面一様な棒、2は
、たとえば筐体等のベースである。
In the figure, 1 is a rod with a uniform cross section fixed at both ends, and 2 is a base of, for example, a casing.

今、棒1の両固定端にそれぞれ軸力Sが加わるものとす
ると、軸力Sと棒の横方向の振動周波数fとの間にはI
K2”Sの場合(1)式に示すE■ ような関係がある。
Now, assuming that an axial force S is applied to both fixed ends of the rod 1, there is a difference of I between the axial force S and the lateral vibration frequency f of the rod.
In the case of K2''S, there is a relationship as shown in equation (1).

t:棒1の長さ E:棒1の縦弾性係数 ■:振動方向に直角な主軸に関する断面2次モーメント g:重力加速度 ρ:棒1の密度 A:棒1の断面積 S:軸力(圧縮力を正とする) K1.に2:棒1の支持条件と振動モードにより決る定
数 共振周波数ωは2πfで表わされるので、棒1の共振周
波数ωを測定すれば、対応する軸力Sを測定することが
できる。
t: Length of rod 1 E: Longitudinal elastic modulus of rod 1 ■: Second moment of area about the principal axis perpendicular to the vibration direction g: Gravitational acceleration ρ: Density of rod 1 A: Cross-sectional area of rod 1 S: Axial force ( Compressive force is positive) K1. 2: The constant resonance frequency ω determined by the support conditions and vibration mode of the rod 1 is expressed as 2πf, so if the resonance frequency ω of the rod 1 is measured, the corresponding axial force S can be measured.

このようなトランスデユーサにおいて、高精度の測定を
実現するための条件としては以下の条件が満足されなけ
ればならない。
In such a transducer, the following conditions must be satisfied in order to achieve highly accurate measurement.

(i) 周波数fの安定性が良い。(i) Good stability of frequency f.

つまり、振動子(=棒1)のQが高い。In other words, the Q of the vibrator (= rod 1) is high.

(ii) 単位応力当りの周波数変化率△f/σが太
きい。
(ii) Frequency change rate Δf/σ per unit stress is large.

即ち、このようなトランスデユーサの良好塵Gは次のよ
うな式で表わすことができる。
That is, the good dust G of such a transducer can be expressed by the following equation.

而して、第1図の構成のものにおいて、棒1を共振させ
、その共振周波数ωを測定すれば、加えられた軸力Sを
知ることができるが、第2図に示す如く、棒が振動して
いる場合に、ベース2との固定端部には反力Rが発生し
、この力はベース部が理想的な固定端でない場合損失と
なり消費され、棒1のQの低下の原因となる。
In the structure shown in Fig. 1, the applied axial force S can be determined by making the rod 1 resonate and measuring its resonance frequency ω. When vibrating, a reaction force R is generated at the fixed end of the base 2, and this force is consumed as a loss if the base is not an ideal fixed end, which causes a decrease in the Q of the rod 1. Become.

本発明は上記の問題点を解決したものである。The present invention solves the above problems.

本発明の目的は簡単な構成により、振動エネルギー損失
が少なく、効率のよい力凌換器を提供するにある。
An object of the present invention is to provide a force exchanger that has a simple structure, reduces vibration energy loss, and is highly efficient.

また、本発明の他の目的は、対称モードと非対称モード
の共振周波数を異ならせて、対称モードで安定に発振さ
せることにある。
Another object of the present invention is to make the resonance frequencies of the symmetrical mode and the asymmetrical mode different, thereby stably oscillating the symmetrical mode.

第3図は、本発明の一実施例を示す構成説明図であって
、3A、3Bは中心軸に対して対称になるように平行に
配置された2本の振動体、4A、4Bはこれら振動体3
A 、3 Bの端部間をそれぞれ結合する結合体、5
は振動体3A、3Bの任意の位置間を連結する連結体で
あって、これらは振動子本体■を構成している。
FIG. 3 is a configuration explanatory diagram showing one embodiment of the present invention, in which 3A and 3B are two vibrating bodies arranged in parallel so as to be symmetrical with respect to the central axis, and 4A and 4B are these two vibrating bodies. Vibrating body 3
A bond that connects the ends of A and 3B, 5
is a connecting body that connects arbitrary positions of the vibrators 3A and 3B, and these constitute the vibrator main body (2).

6A、6Bは振動子本体Vの結合体4A、4Bをそれぞ
れベース2に固定支持するための支持体である。
6A and 6B are supports for fixing and supporting the combined bodies 4A and 4B of the vibrator main body V on the base 2, respectively.

EXは励振器、DTは検出器、AMPは増幅器であり、
励振器EXは振動体3Aに取り付けられていて増幅器A
MPの出力により駆動され、検出器DTは振動体3Bに
取り付けられていてその出力は増幅器AMPに加えられ
ている。
EX is an exciter, DT is a detector, AMP is an amplifier,
The exciter EX is attached to the vibrating body 3A and the amplifier A
The detector DT is driven by the output of MP and is attached to the vibrating body 3B, and its output is applied to the amplifier AMP.

すなわち、振動子本体■、励振器EX、検出器DTおよ
び増幅器AMPにより発振回路が構成されている。
That is, an oscillation circuit is constituted by the vibrator main body (2), the exciter EX, the detector DT, and the amplifier AMP.

なお、励振器EX1検出器DTとしては、たとえば圧電
素子を用いることができる。
Note that a piezoelectric element, for example, can be used as the exciter EX1 detector DT.

このような構成において、被測定軸力Sが矢印方向に加
えられてその軸力Sが変化すると、前述(1)式に示す
如く振動子本体■の共振周波数は変化し、発振回路の発
振周波数も変化することになる。
In such a configuration, when the axial force S to be measured is applied in the direction of the arrow and the axial force S changes, the resonant frequency of the vibrator main body ■ changes as shown in equation (1) above, and the oscillation frequency of the oscillation circuit changes. will also change.

ここで、振動子本体■の発振モードを中心軸に対して対
称に振動する対称モードとすることにより、第4図に示
すように、振動体3A、3Bと結合体4Aおよび連結体
5との結合部において発生する反力RとモーメントMと
が互いに逆方向で大きさが等しくなって打ち消し合うこ
とになり、振動子本体■のエネルギーが外部で消費され
ることはない。
Here, by setting the oscillation mode of the vibrator main body (■) to a symmetric mode that vibrates symmetrically with respect to the central axis, as shown in FIG. The reaction force R and the moment M generated at the coupling portion are equal in magnitude in opposite directions and cancel each other out, so that the energy of the vibrator main body (2) is not consumed externally.

この結果、Qの高い、良好塵Gの値が大きな振動子本体
を得ることができる。
As a result, a vibrator main body with a high Q value and a large value of good dust G can be obtained.

ところで、このような振動子本体■の発振モードには第
5図に示すような非対称モードも存在する。
Incidentally, the oscillation mode of the vibrator main body (2) also includes an asymmetric mode as shown in FIG.

しかし、本発明に係る振動子本体■によれば、第4図の
ような対称モード発振の場合には振動体の長さt2が支
配的に関与するが第5図のような非対称モード発振の場
合には長さtlが支配的に関与することになり、対称モ
ードと非対称モードの共振周波数は異なることになる。
However, according to the vibrator main body (■) according to the present invention, the length t2 of the vibrating body is dominantly involved in the case of symmetric mode oscillation as shown in FIG. 4, but in the case of asymmetric mode oscillation as shown in FIG. In this case, the length tl will be dominantly involved, and the resonance frequencies of the symmetric mode and the asymmetric mode will be different.

したがって、第3図のような構成によれば、振動子本体
■を対称モードで安定に発振させることができる。
Therefore, according to the configuration shown in FIG. 3, the vibrator main body (2) can be stably oscillated in a symmetrical mode.

第6図は、本発明の具体的な実施例の要部を示す構成説
明図であって、aは正面図、bは側面図であり、第3図
と同等部分には同一符号を付している。
FIG. 6 is a configuration explanatory diagram showing main parts of a specific embodiment of the present invention, in which a is a front view and b is a side view, and parts equivalent to those in FIG. 3 are given the same reference numerals. ing.

第6図において、振動子本体Vおよび支持体6A、6B
は、共通の部材で一体化されている。
In FIG. 6, the vibrator main body V and supports 6A, 6B
are integrated with a common member.

すなわち、本実施例では、1個の角柱体から直交する中
心軸に対してそれぞれ対称形となるように所定の形状に
削り出した例を示している。
That is, this embodiment shows an example in which a single prismatic body is cut into a predetermined shape so as to be symmetrical with respect to a central axis perpendicular to each other.

振動体3A、3Bは、長軸方向にそって設けられた切削
孔HCにより形成されている。
The vibrating bodies 3A and 3B are formed by cut holes HC provided along the longitudinal direction.

結合体4A、4Bは、切削孔HCの両端の残部により形
成されている。
The combined bodies 4A and 4B are formed by the remaining portions at both ends of the cut hole HC.

連結体5A、5Bは、切削孔HOと結合体4A、4Bに
それぞれ設けられた切削孔HA 、 HBとの間の残部
により形成されている。
The connecting bodies 5A and 5B are formed by the remaining portion between the cut hole HO and the cut holes HA and HB provided in the combined bodies 4A and 4B, respectively.

また、支持体6A、6Bは、互いに直角をなす板状のフ
レクシャPA1〜FA3.FB1〜FB3等で形成され
ている。
Further, the supports 6A and 6B are plate-shaped flexures PA1 to FA3. which are perpendicular to each other. It is formed of FB1 to FB3, etc.

これにより、端部の取付けによる曲げ等の応力が除去さ
れるとともに振動子本体Vはベース等から振動的に絶縁
されることになる。
As a result, stresses such as bending due to attachment of the end portions are removed, and the vibrator main body V is vibrationally insulated from the base and the like.

このように一体成形することにより、特性の均一なもの
を得ることができる。
By integrally molding in this way, it is possible to obtain a product with uniform characteristics.

また、本実施例において、励振器EXおよび検出器DT
は、連結体6Bの近傍の側面に配置されている。
In addition, in this embodiment, the exciter EX and the detector DT
is arranged on the side surface near the connecting body 6B.

これは、発振モードが対称モードの場合、連結体5に応
力が作用することに着目したものである。
This is based on the fact that stress acts on the coupling body 5 when the oscillation mode is a symmetric mode.

さらに、対称モードで発振している場合、連結体5も振
動体の一部を構成するように作用するので、良好なQ特
性を示す励振器EXおよび検出器DTの取付範囲が、連
結体5のない場合に比べて広くなるという効果もある。
Furthermore, when oscillating in a symmetrical mode, the coupling body 5 also acts as a part of the vibrating body, so the mounting range of the exciter EX and the detector DT, which exhibit good Q characteristics, is the coupling body 5. It also has the effect of being wider than it would be without it.

なお、励振器EX、検出器DTを、蒸着やスパッタリン
グ等により、薄膜形圧電素子として振動子本体■の所定
部分に直接形成することもできる。
Note that the exciter EX and the detector DT can also be directly formed as thin film piezoelectric elements on predetermined portions of the vibrator main body (2) by vapor deposition, sputtering, or the like.

これによれば、より高いQを得ることができるとともに
、生産性を高めることもできる。
According to this, a higher Q can be obtained and productivity can also be improved.

また、振動子本体■を磁性材で構成し、励振および振動
検出をコイルで非接触に行なうようにしてもよい。
Alternatively, the vibrator main body (2) may be made of a magnetic material, and excitation and vibration detection may be performed in a non-contact manner using a coil.

また、水晶等の圧電材を用いて、振動子本体、励磁手段
および検出手段を一体化することもできる。
Furthermore, the vibrator main body, the excitation means, and the detection means can be integrated using a piezoelectric material such as crystal.

たとえば、振動子本体■を水晶で構成した後、振動子本
体Vに蒸着等により電極を被着すればよい。
For example, after the vibrator body (2) is made of crystal, electrodes may be deposited on the vibrator body (V) by vapor deposition or the like.

これによれば、比較的簡単な構成で、出力インピーダン
スが低く、特性の良好なものが得られる。
According to this, a device with a relatively simple configuration, low output impedance, and good characteristics can be obtained.

なお、この場合、水晶のカットおよび電極の配置は、振
動体3A、3Bが屈曲振動するように選択すればよい。
In this case, the cut of the crystal and the arrangement of the electrodes may be selected so that the vibrating bodies 3A and 3B undergo bending vibration.

また、上記実施例では、振動体が板ビーム状の例につい
て説明したが、これに限るものではなく、棒状であって
もよい。
Further, in the above embodiment, an example in which the vibrating body is shaped like a plate beam has been described, but the vibrating body is not limited to this, and may be shaped like a rod.

さらに、上記実施例では、角柱体から所定の形状の振動
子本体を削り出して一体成形した例について説明したが
、個々に構成された部品を組み合わせるようにしてもよ
い。
Further, in the above embodiment, an example was described in which the vibrator main body of a predetermined shape was cut out from a prismatic body and integrally molded, but individually configured parts may be combined.

以上説明したように、本発明によれば、振動エネルギー
の損失が小さくて変換効率が高く、非対称モードと対称
モードとの共振周波数の異なった力変換器が実現でき、
圧力(差圧)や密度、歪、重量等の物理量の測定器の信
号変換要素として好適である。
As explained above, according to the present invention, it is possible to realize a force transducer with low loss of vibration energy, high conversion efficiency, and in which the asymmetric mode and the symmetric mode have different resonance frequencies.
It is suitable as a signal conversion element of a measuring device for physical quantities such as pressure (differential pressure), density, strain, and weight.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of the drawing]

第1図は従来の装置の原理的構成説明図、第2図は第1
図の動作説明図、第3図は本発明に係る装置の原理的構
成説明図、第4図、第5図は第3図の動作説明図、第6
図は本発明の具体的な実施例の要部を示す構成説明図で
ある。 2・・・・・・ベース、3・・・・・・振動体、4・・
・・・・結合体、5・・・・・・連結体、6・・・・・
・支持体、■・・・・・・振動子本体、EX・・・・・
・励振器、DT・・・・・・検出器、AMP・・・・・
・増幅器。
Figure 1 is an explanatory diagram of the basic configuration of the conventional device, and Figure 2 is the
3 is an explanatory diagram of the principle configuration of the device according to the present invention, FIGS. 4 and 5 are explanatory diagrams of the operation of FIG. 3, and FIG.
The figure is a configuration explanatory diagram showing main parts of a specific embodiment of the present invention. 2... Base, 3... Vibrating body, 4...
...combined body, 5...connected body, 6...
・Support, ■... Vibrator body, EX...
・Exciter, DT...Detector, AMP...
·amplifier.

Claims (1)

【特許請求の範囲】 1 中心軸に対して対称となるように平行に配置された
2本の振動体、これら振動体の端部間をそれぞれ結合す
る結合体およびこれら振動体の任意の位置間を連結する
連結体とを含む振動子本体と、振動子本体を共振させる
励振手段と、振動子本体の振動を検出する検出手段とを
具備し、前記振動体に作用する軸力に応じて変化する振
動体の対称モード発振と反対称モード発振の固有振動周
波数を異ならせるようにした力変換器。 2 振動子本体を、共通の部材で一体化したことを特徴
とする特許請求の範囲第1項記載の力変換器。 3 励振手段および検出手段を振動体と連結体との連結
部に設けたことを特徴とする特許請求の範囲第1項記載
の力変換器。 4 励振手段および検出手段として圧電素子を用いるこ
とを特徴とする特許請求の範囲第1項記載の力変換器。 5 圧電素子として薄膜蒸着圧電素子を用いることを特
徴とする特許請求の範囲第4項記載の力変換器。 6 振動子本体を磁性材で構成し、励振手段および検出
手段としてコイルを用いることを特徴とする特許請求の
範囲第1項記載の力変換器。 7 振動子本体、励振手段および検出手段を圧電材を用
いて一体化したことを特徴とする特許請求の範囲第1項
記載の力変換器。
[Claims] 1. Two vibrating bodies arranged in parallel so as to be symmetrical with respect to a central axis, a coupling body that connects the ends of these vibrating bodies, and an arbitrary position between these vibrating bodies. a vibrator body including a coupling body that connects the vibrator body, an excitation means for causing the vibrator body to resonate, and a detection means for detecting the vibration of the vibrator body, and the vibrator body changes in accordance with the axial force acting on the vibrator body. A force transducer that makes the natural vibration frequencies of symmetric mode oscillation and antisymmetric mode oscillation of a vibrating body different. 2. The force transducer according to claim 1, wherein the vibrator main body is integrated with a common member. 3. The force transducer according to claim 1, characterized in that the excitation means and the detection means are provided at a connecting portion between the vibrating body and the connecting body. 4. The force transducer according to claim 1, characterized in that a piezoelectric element is used as the excitation means and the detection means. 5. The force transducer according to claim 4, wherein a thin film vapor-deposited piezoelectric element is used as the piezoelectric element. 6. The force transducer according to claim 1, wherein the vibrator body is made of a magnetic material, and a coil is used as the excitation means and the detection means. 7. The force transducer according to claim 1, wherein the vibrator body, the excitation means, and the detection means are integrated using a piezoelectric material.
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