JPS62100613A - Ｓａｗフオ−スセンサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

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・迫み・変位などの力学的な物
理量全測定したρ、検出したりするために使用するフォ
ースセンサに係９、特に固体物質の表面を伝搬する表面
弾性波（Ｓ　Ａ　Ｗ　：　５ｕｒｆａｃｅＡｃｏｕｓｔ
ｉｃ　Ｗａｖｅ　）　ｆｊｃ利用したＳＡＷ遅延線の感
圧機能を応用した５ＡＷ７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＆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
歪みゲージか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２
、該歪みゲージの抵抗値変化全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。

この釉のセ／すの大きな特徴は、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５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／すでおシ、また、小形化・を量化
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１司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、５ＡＷＯ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５ＡＷ７オース
センサを実現できる。このようにして実現された５ＡＷ
７オースセン？は、分解能が良好でおシ、従来の抵抗値
変化を利用した各棟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発幾器は、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７オ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槍を表示する方式である。このよ
うに、周波数の変化ｔｈｔｔ［示する方式としているの
は、ＳＡＷ遅延遅延体自体動的なデバイスで６Ｄ、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すするタイプ
のデバイスではないためでおる。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。捷た、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７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りなυ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υ高精Ｖ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
　ＡＷｔ−送信及び受信するための電極（又差指形電極
ともＩＤＴともいう。ＩＤＴはＩｎｔｅｒｄｉｇｉｔａ
ｌ　Ｔｒａｎｓｄｕｃａｒの略）を設けるとともに、こ
の２つの電極、つまシ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
発振器は刀の検出用として使用することとした。ここで
２つのＳＡＷ遅延線上に設けられた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
用としての発振器と、基準周波数発振器、位相比較器、
ローパスフィルりにより７エーズロノクルー７”回路（
Ｐ　Ｌ　Ｌ　：　Ｐｈａｓｅ−Ｌｏｃｋｅｄ　Ｌｏｏｐ
回路）を構成した。

このＩ）　Ｌ　Ｌ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
るようにしており、核追随したとき、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ｔＪＬ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ＰＬ
Ｌ回路を構成する電圧制御発振器（Ｖ　ＣＯ：　Ｖｏｌ
ｔａｇｅＣｏｎｔｒｏｌｌｅｄ　０ｓｃｉｌｌａｔｏｒ
　）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、＠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５ＡＷａ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Ｐ　Ｌ　Ｌ回路によって、基
準周波数発振器の発振備考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。壕だ、経時に化による
２つのＳＡｖ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遅延脚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−実施例全
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Ｖこ、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２ｍ、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＄４ａ、４ｂを形成する。ま
た、第１及び第２の遅延線４＆、４ｂ上には、５ＡＷｉ
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５＆、５ｂを役ける。第１及び第
２の圧電性基板１ａ、ｌｂは基板固定部材６に固定する
。第１の送信用を極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２
ｂと第２０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＆、第１の増幅器（発振器）７＆
で構成される第１のＳＡＷ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ｃ＆Ｂｂｉ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Ｗ：
続されている。また、第１と第２の発熱抵抗体５ａ、５
ｂは直列に接続され、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ヲ用いて力を加える。

第２図は、本発明のＳＡＷフォースセンサの一夾施例を
示す。第１の圧電性基板１ａの上に、第】の送信用電極
２ａと第１の受信用１！極３ａ及び第１の発熱抵抗体５
ａｉ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Ｓ
ＡＷ発振器８＆の出力は、第１の出力バッファ１ｌａｉ
介して外部に取り出される。第１の出力バッファｌｌａ
を介して出力される信号は、基準周波数発振器１２の出
力信号と位相比較器１３によｐ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よシ出力される誤差電圧は、ローパスフィル
タ１４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、核補償
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（ＰＬ
Ｌ）回路＋＋５１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
補償を笑現する。次に、第２の圧電性基板１ｂ、第２の
送信用を極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の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８ｂｉ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遅廷解、１ｂに測定すべき刃金作用させる
手段１０全用いて力を加えると、該第２のＳＡＷ発缶器
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の出力バクファｌｌｂを
介し発会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Ｗ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発振発振器金工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２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’を性基板の有する精度と良好な温度時性
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、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、デジタル備
考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、ｌａ、ｌｂは第１及び第２の圧電性基板、
２　ａ、　、２　ｂは第１及び第２の送信用電極、３ａ
、３ｂ１−１：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は基板固定部劇、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、ｌｌａ、ｌｌ
ｂは第１及び第２の出カバソファ、１２は基準周波数発
振器、１３は位相比較器、１４はローパスフィルタ、１
５はフェーズロックループ回路、１６は発会周波数を計
測する手段（周波数カウンタ）全それぞれ示す。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）外部からの電力を吸収して発熱する第１の発熱抵抗
   体を表面に有する第１の圧電性基板と、該第１の圧電性
   基板の上に設けられ第１の表面弾性波を発射する第１の
   送信用電極と、該第１の圧電性基板の上に設けられ該第
   １の表面弾性波を受信する第１の受信用電極とからなる
   第１の表面弾性波遅延線と； 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
   抗体を表面に有する第２の圧電性基板と、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
   の送信用電極と、該第２の圧電性基板の上に設けられ該
   第２の表面弾性波を受信する第２の受信用電極とからな
   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
   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の発振器と； 基準周波数発振器と； 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
   段とからなり、前記第１の発振器の発振周波数を該基準
   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
   ロックループ回路と； 該第２の圧電性基板に測定すべき力を作用させる手段と
   ； 該第２の発振器の発振周波数を計測する手段とを具備し
   、前記第２の表面弾性板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）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。