JPS6367642B2 - - Google Patents

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JPS6367642B2
JPS6367642B2 JP55051570A JP5157080A JPS6367642B2 JP S6367642 B2 JPS6367642 B2 JP S6367642B2 JP 55051570 A JP55051570 A JP 55051570A JP 5157080 A JP5157080 A JP 5157080A JP S6367642 B2 JPS6367642 B2 JP S6367642B2
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JP
Japan
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crystal
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bar section
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JP55051570A
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English (en)
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JPS55142222A (en
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Pii Aanitsuse Erooru
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KARUTETSUKUSU Inc
Original Assignee
KARUTETSUKUSU Inc
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L1/00—Measuring force or stress, in general
    • G01L1/16—Measuring force or stress, in general using properties of piezoelectric devices
    • G01L1/162—Measuring force or stress, in general using properties of piezoelectric devices using piezoelectric resonators
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
    • Y10S—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10S73/00—Measuring and testing
    • Y10S73/04—Piezoelectric

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  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Piezo-Electric Or Mechanical Vibrators, Or Delay Or Filter Circuits (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は力変換器、特に水晶共振子力変換器に
関する。
高精度及びデイジタル出力を有する力測定は圧
力測定、さく井検層、電子式エンジン制御、海洋
学、傾斜感知器、貫入検出器、地震学、加速度
計、及び工業的プロセス制御のような極めて数多
くの分野における用途がある。
広く用いられている力測定の方法においては、
加えられた力に比例する振動周波数を有する振動
水晶共振子が用いられている。これら共振子は分
解能が高く、デイジタル出力を提供することがで
き、デイジタルマイクロプロセツサに対する用途
として魅力的なものである。しかし、現在ある水
晶共振子は複雑な形状の精密機械加工を必要と
し、そのために、製造費が極端に高くなり、又は
値段が高くてしかも信頼性に劣るものとなる。
振動水晶共振子力変換器の望ましい特性として
は高い機械的Ｑを有することである。Ｑは振動系
におけるサイクル当りの貯蔵エネルギー対エネル
ギー損失の比に比例する。Ｑが低いと、それに対
応して大きな外部エネルギー源を設けて発振を維
持しなければならず、また、この発振器の共振周
波数の安定性が低くなる。本発明の力変換器は現
在ある水晶共振子力変換器で得られるものよりも
高い機械的Ｑを有す。
水晶共振子力変換器の例としては、米国特許第
3399572号、第3470400号、第3479536号、第
3505866号、第4020448号、第4067241号、第
4091679号、第4104920号及び第4126801号に記載
されているものがある。これら特許から解るよう
に、これらの共振子は、複雑であつて従つて高価
な結晶形状を必要とするか、又は複雑であつて従
つて高価な金属部品を必要とする。
本発明は上述の困難性及び欠点に鑑みてなされ
たものであり、本発明の目的は新規な力変換器を
提供することにある。
本発明の他の目的は比較的簡単且つ安価な水晶
共振子力変換器を提供することにある。
本発明の更に他の目的は高い分解能及び精度を
有するデイジタル力変換器を提供することにあ
る。
本発明の更に他の目的は高いＱを有する圧電水
晶共振子力変換器を提供することにある。
本発明の力変換器は、薄い矩形の圧電水晶結晶
から成つており、この水晶結晶は狭いスロツトに
よつて２つの端部部分と２つの巾広のバー部分と
に分割されている。各バーはその上に取付けられ
た電気接点及び適当な発振回路によつて励振され
て振動する。この振動の周波数は上記端部部分か
ら上記バー部分へ伝達される力の大きさに応じて
定まる。
本発明の他の目的及び利点は図面を参照して行
なう以下の説明及び特許請求の範囲の記載から明
らかになる。図面においては、同じ参照番号は同
じ部品を示す。
まず第１図について説明すると、図は本発明の
水晶共振子力変換器１０の斜視図である。この変
換器は端部突き合わせに固定または接着された２
つの同調フオークに類似している。
この変換器は極めて小形である。すなわち、図
示の実施例はほぼ矩形であり、長さはほぼ10.2mm
（0.4インチ）、厚さはほぼ0.102mm（４ミル）（１
ミル＝0.001インチ）に過ぎない。この変換器は
薄い水晶板からホトリソグラフエツチング法によ
つて作られる。このエツチング法は本発明変換器
の量産に好適するものであり、最終的の見積り原
価は変換器１個当り１ドル以下である。この水晶
板は、大きな水晶結晶を、周波数の温度依存性を
最小にするような所望の結晶学的方位に、薄い層
に切断することによつて作られる。本発明におい
ては、約0.102mm（約４ミル）の厚さに、XY結晶
面から＋１−3/4度の方位にＸ軸中心に回転して
切断した水晶板が満足すべきものであつた。
実施例はその厚さに比べてかなり巾広である。
すなわち、巾Ｗは0.889mm（35ミル）であつて、
これは厚さＴの約10倍である。長さＬは約10.2mm
（約400ミル）であつて、これは厚さＴの約100倍
である。本明細書中で「約」というのでは、記載
の数値から±50％までの値を含むことを意味す
る。
狭いスロツト１６がホトリソグラフエツチング
法で変換器１０を貫通して形成されており、これ
により、該変換器を２つの非振動性の端部部分１
２と２つの振動性のバー部分１４とに分割してい
る。このスロツトは極めて狭くて巾が約0.0762mm
（約３ミル）であり、この巾Wsは厚さＴよりも小
さい。このスロツト、従つてまた各バー部分の長
さLsまたはLbは約6.1mm（約240ミル）、すなわち
全体の長さＬの約60％である。
従つて、各バー部分１４の巾Wbは約0.406mm
（約16ミル）であり、この巾は厚さＴの約４倍で
ある。他の実施例においては、この巾Wbは約
0.254mm（約10ミル）に、すなわち厚さＴの約2.5
倍に作られる。
各端部部分はスロツト１６の端から板の外端ま
での長さを有し、この長さは巾以上の大きさであ
り、好ましくは、約2.03mm（約80ミル）の長さ
Le、すなわち巾Ｗの約２倍の長さを有す。
各バー部分１４の頂面（及び／又は底面）に沿
つて、ホトリソグラフ法で金属電極１８が形成さ
れている。作動に際しては、この電極を発振回路
に接続する。この発振回路は所要のエネルギーを
供給して、この圧電水晶変換器のバー部分を特性
周波数で振動させる。
端部部分１２は、バー部分１４をこの変換器の
端部から効率的に分離しながら該バー部分の振動
を互いに結合する作用をなすので、この変換器は
真空中で測つて約100000のＱを有す。この変換器
の端部に力を加えると、各バー部分の振動は等し
い量だけ変化し、発振回路の周波数の変化として
検出される。上記スロツトは巾が狭いので、各バ
ー部分に加えられる力は互いに等しくなり、従つ
て、振動の変化は互いに等しい。従つて、各バー
の振動は相互の位相ずれがない。
また、上記スロツトの巾が狭いので、振動中に
高いＱが得られる。一つのバー部分が撓むと上記
端部部分が僅かに撓ませられ、この撓みは第２の
バー部分に効率的に伝達される。この作用によ
り、上記２つのバー部分の振動が効果的に結合さ
れ、異る周波数で振動しようとする傾向が補正さ
れる。
上記のようにして作つた水晶力変換器は１ダイ
ン（0.00003オンス）というような小さな力を、
及び1000000ダイン（２ポンド）というような大
きな力をも、1000000部当り１部の分解能で感知
することができる。かかる変換器は100000のＱを
有し、発振を維持するのに必要な電力は10ミリワ
ツトに過ぎない。１対の上記変換器を複カンチレ
バー配置（double―cantilever geometry）で用
いたところ、感度が40の率で更に増大することが
認められた。
従来の複端部同調フオーク水晶共振子力変換器
２０及び本発明の力変換器１０を比較のために第
２ａ図及び第２ｂ図にそれぞれ示す。第２ａ図の
力変換器は米国特許第3238789号、及び1967年第
43回AGARD会議会議録に所載のノーマン・アー
ル・セラの論文「水晶共振子デイジタル加速度計
に関する技術報告」（“Technical Report on the
Quartz Resonator Digital Accelerometer”、
Norman R.Serra、43rd AGARD Conterence
Proceedings 1967）記載されているものである。
この従来の変換器の実際の寸法は上記セラの論
文からとつたものであるが、上記特許の第２図及
び第６図からも解る。しかし、この論文には、本
発明者が見い出した寸法の格別の性質についての
教示はない。変換器２０は、おおよそ等寸法であ
るが、変換器１０の若干の格別の寸法を教示して
いない。例えば、この従来の変換器の中央の孔の
巾はほぼ1.52mm（60ミル）であり、これに対して
本発明変換器の狭いスロツトの巾は0.0762mm（３
ミル）という狭いものである。また、この従来の
変換器のアームの横断面は深さがほぼ1.02mm（40
ミル）で巾が0.254mm（10ミル）であり、これに
対して本発明変換器の横断面は深さが0.102mm
（４ミル）で巾がほぼ0.406mm（約16ミル）であ
る。
この従来の変換器について報告されているＱは
ほぼ32000であり、これに対して本発明変換器の
Ｑは100000である。本発明者が見い出した上記の
格別の特徴がこの著しい差異を産み出したのであ
る。
本発明の種々の特徴及び利点は上述から明らか
である。しかし、当業者は、上に格別記載してな
い種々の他の特徴及び利点を知ることができるも
のであり、本発明の範囲を逸脱することなしに
種々の変更及び変形が可能である。
【図面の簡単な説明】
第１図は本発明水晶共振子力変換器の斜視図、
第２ａ図及び第２ｂ図は比較のために従来の水晶
共振子力変換器及び本発明水晶共振子力変換器を
それぞれ示す斜視図である。 １０…力変換器、１２…非振動性端部部分、１
４…振動性バー部分、１６…スロツト、１８…電
極。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 １ 中間の連続振動性バー部分と、このバー部分
    に力を等分に伝達するためにこのバー部分の両端
    にこれと一体的に形成された２つの非振動性端部
    部分とを有する水晶結晶からなり、該振動性バー
    部分は該結晶を貫通しかつ該結晶の中央部に沿つ
    て伸びるスロツトによつて互いに間隔をもたせた
    ２つの部分に隔てられ、このスロツトの両端は該
    結晶の両端からそれぞれ等距離となるように位置
    せしめてなる力変換器において、前記水晶結晶は
    その厚さをＴとしたときに約100Tに相当する長
    さＬと約10Tに相当する巾Ｗとを有する薄い矩形
    の圧電水晶結晶であり、前記スロツトは約0.6Lに
    相当する長さLsとＴ以下の値の巾Wsとを有し、
    前記端部部分は約2Wに相当する長さLeを有し、
    前記各バー部分はLsとほぼ等しい長さLbと2.5T
    より大きい値の巾Wbとを有し、前記各バー部分
    は前記端部部分に加えられる力に比例する周波数
    で前記バー部分を共振させるための装置を各バー
    部分の全長に沿つて担持しており、前記端部部分
    は各バー部分の振動を互いに結合して約100000の
    機械的Ｑをもたらすようにしたことを特徴とする
    力変換器。 ２ 前記の厚さＴが約0.102mm（約４ミル）であ
    る特許請求の範囲第１項記載の力変換器。 ３ バー部分を共振させるための前記装置は、前
    記水晶結晶の上面または下面の少なくとも一方に
    配置された電極からなる特許請求の範囲第１項記
    載の力変換器。 ４ 前記結晶は、XY結晶平面から＋１−3/4度
    の方位にＸ軸中心に回転して切断された水晶であ
    り、約0.102mm（約４ミル）の厚さＴを有してい
    る特許請求の範囲第１項記載の力変換器。
JP5157080A 1979-04-20 1980-04-18 Force converter Granted JPS55142222A (en)

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JPS55142222A JPS55142222A (en) 1980-11-06
JPS6367642B2 true JPS6367642B2 (ja) 1988-12-27

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DE (1) DE3013185A1 (ja)
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GB (1) GB2050692B (ja)
IT (1) IT1141921B (ja)

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