CN101918804B - 压电振动型力传感器 - Google Patents

Abstract

在根据本发明的压电振动型力传感器中，通过压电体和限制部件之间的摩擦力来限制振动，由此，与直接从与振动方向相同的方向限制振动的情况相比，能够扩大感测力的范围。直接焊接引线以使压电体与外部控制电路电连接的常规结构由于附于压电体的焊料导致对振动的限制，从而致使感测范围变窄。使用该压电振动型力传感器，能够通过实现压电体和限制部件的导电部分不被固定而是相互接触以保持导电性的状态，扩大感测力的范围。

Description

压电振动型力传感器

技术领域

本发明涉及使用压电体来感测力的力传感器，特别是涉及利用压电体的共振现象来感测静力的压电振动型力传感器。

背景技术

作为常规的力传感器，开发了应变计、电容式力传感器、导电橡胶等。使用这些的力传感器中的每一个都利用部件的变形，因此，必须确保足够的变形量，以实现测量的高灵敏度和较宽动态范围。因此，如果传感器被小型化，则不能获得足够的变形量。结果，出现输出信号被噪声掩盖从而使精度劣化的问题。

作为针对该问题的对策，如日本专利申请公开No.S52-078483中描述的那样，提供利用压电体的共振现象的传感器。压电体具有当施加在时间上变化的电压(例如，交流电压)时根据该电压的振幅的时间变动在特定方向上振动的性能。

根据日本专利申请公开No.S52-078483中描述的技术，首先，阻抗6与压电体串联连接，并且，从电源7施加具有不比压电体1的共振频率高的固定频率的电压，由此，压电体振动。如果在这种状态中对压电体施加力，那么压电体的阻抗增大，使得压电体的共振频率向高频率侧偏移。在偏移的状态中，施加给压电体1的电压的值从施加力之前的值变化。根据电压值的这种变化，能够定量计算对压电体施加的力的大小(参见图8)。

日本专利申请公开No.S52-078483中描述的压电振动型力传感器具有如下优点：由于电压振幅的变动大，因此在低负载的情况下其灵敏度高。但是，随着对传感器施加的外力增大，电压振幅的变动减小。因此，其感测范围窄。

作为针对这种问题的对策，在日本专利申请公开No.S60-187834和日本专利申请公开No.S60-222734中提出用于扩大感测范围的方法。

首先，日本专利申请公开No.S60-187834的特征在于，使用两个压电体相互接合的结构，即所谓的双压电晶片型(bimorph type)压电体。将该双压电晶片压电体的一端固定而使另一端为自由端，由此对压电体施加力。另外，给压电体施加比压电体的共振点高的频率信号。该传感器具有两个压电体相互接合的结构，由此，能够使得其振幅较大，结果是能够扩大感测力的范围。

然后，关于日本专利申请公开No.S60-222734，由外力导致的施加给压电体的电压和压电体的端子电压之间的相位角度差被感测以控制频率，使得该相位角度差变为设定值。利用这种频率变动来感测力。因此，灵敏度能够是均匀的，并且能够使得感测范围较宽。

但是，日本专利申请公开No.S60-187834的发明使用双压电晶片压电体。双压电晶片压电体具有两个压电元件相互接合的结构，由此不利于成本降低和小型化。

另外，日本专利申请公开No.S60-187834的发明感测由外力导致的施加给压电体的电压和压电体的端子电压之间的相位角度差，由此控制频率，使得该相位角度差变为设定值。但是，附加的相位角度感测电路和附加的相位角度设定电路是必需的，导致电路的复杂化。因此，也不利于成本降低和小型化。

发明内容

为了解决上述问题，作出本发明，并且，其目的是，提供能够用简单结构在较宽范围中感测静力的压电振动型力传感器。

为了实现上述目的，提供一种感测力的方法，包括：

给压电体施加在时间上改变的电压以使所述压电体在特定方向上振动；

使得限制部件以能滑动的方式抵接(abut against)要被振动的所述压电体，所述限制部件当从外部接收力时被弹性变形以向所述压电体传送所述力；以及

从所述压电体的阻抗感测施加的力，所述压电体的阻抗根据通过对所述限制部件施加的所述力在所述压电体和所述限制部件之间产生的摩擦力而改变。

并且，为了实现上述目的，提供一种压电振动型力传感器，包括：

当被施加在时间上改变的电压时在特定方向上振动的压电体；

被设置在所述压电体的表面上的一对驱动电极；和

当从外部接收力时被弹性变形以向所述压电体传送所述力的限制部件，

其中，所述限制部件相对于其上设置所述一对驱动电极的所述压电体以能滑动的方式被保持，并且，在施加所述电压以使所述压电体振动的状态中，通过感测根据经由所述限制部件对所述压电体施加的所述力所产生的摩擦力而改变的所述压电体的阻抗，感测施加的力。

根据上述结构，与直接从与振动方向相同的方向限制振动的常规结构相比，由于振动被压电体和限制部件之间的摩擦限制，因此，本发明能够扩大感测力的范围。

另外，如果减小压电体的厚度使得彼此相对的一对驱动电极的表面之间的距离更加减小以使传感器减薄和小型化，那么振动的一次(primary)模式变为横向效果。因此，极化(polarization)方向和振动方向变得相互垂直。换句话说，限制部件被设置在相对于压电体的振动方向处于扭转(twisted)位置中的表面上，由此，设置的位置可抵抗振动的干涉。因此，与常规传感器相比，该结构在安装方面也是合适的。

如上所述，根据本发明，可以提供能够用简单结构在较宽范围中感测静力的压电振动型力传感器。

从参照附图对示例性实施例的以下描述，本发明的进一步的特征将变得明显。

附图说明

图1是示出根据本发明的压电振动型力传感器的结构的示图。

图2是用于示出本发明的测量原理的示图。

图3是示出根据本发明的压电振动型力传感器的另一结构的示图。

图4是表示力和输出电压之间的关系的曲线图。

图5是表示在振动方向的平行方向上及其垂直方向上施加力的结果的曲线图。

图6是示出压电体的振动方向和力的施加方向之间的关系的示图。

图7是表示相对于压电体振动方向的力施加方向的影响的曲线图。

图8是示出常规的压电振动型力传感器的示图。

具体实施方式

图1是作为压电振动型力传感器的截面以最佳方式示出本发明特征的示图，该压电振动型力传感器包含压电体1、被施加力的限制部件2、用于从驱动电极提取信号的电极3和用于给要被振动的压电体施加电压的驱动电极4。在安装表面11上支承具有上述结构的压电振动型力传感器。图1是用于示出用于感测力的本发明传感器的原理的示图，该传感器包含压电体1、限制部件2和驱动电极3。在图1中没有示出除安装表面11以外的其它固定部件。除了安装表面以外，能够采用用于固定传感器的各种形式。例如，传感器的外缘可被具有基本上不阻止压电体振动的这样的弹性性能的部件围绕。另外，可以采用已知的固定方法。并且，如图3所示，当使用诸如导电橡胶的导电部件作为限制部件时，电极3能够被去除。

压电体1可以是由水晶(crystal)、钛酸钡或聚偏氟乙烯(polyvinylidene fluoride)制成的压电元件。限制部件2可由像有机硅(silicone)或聚氨酯(polyurethane)的能够弹性变形的材料制成。这是由于，如果硬的部件(具有明显大的弹性常数)直接抵接压电体，那么振动迅速减小，结果是感测操作变得困难。

压电体1具有彼此相对的一对驱动电极4，并且，给驱动电极施加在时间上变化的电压，由此，压电体能够振动。关于振动方向，压电体的切出(cut-out)形状确定主要振动方向，由此，能够确定一次模式中的振动方向。

关于被设置在压电体1上的驱动电极4，引导电极(lead electrode)3以片(sheet)的形式附于限制部件2，并且，使得引导电极3和驱动电极4能滑动地相互接触。

采用这种结构，能够通过在与压电体和限制部件接触的表面上产生的摩擦力来限制振动。如图1所示，本发明的特征是，通过相对于压电体的振动方向利用摩擦来限制振动。出于这种目的，必需采用限制部件抵接被设置在不与振动方向垂直(或从振动方向扭转)的位置处的压电体表面的结构。在这种情况下，如果限制部件基本上与振动方向平行以不与振动方向相交，那么，由于限制部件不直接干涉压电体的振动表面，因此，对于安装限制部件是有利的。

在常规的压电振动型力传感器中，限制部件通过外力F抵接振动表面以直接限制振动。相比之下，当动摩擦系数由μ表达时，本发明通过摩擦力μF限制振动。因此，在理论上，如果μ为0.5，那么，与像常规传感器那样直接限制振动的情况相比，可以感测约两倍的程度的力。如果μ为0.1，那么可以感测约十倍的程度的力。换句话说，在压电振动型力传感器中，通过利用用于限制振动的摩擦力，可以在宽的范围中感测静力。

如图2所示，可变频率振荡器7经由由电阻器等制成的阻抗6给力传感器5的压电体1施加具有压电体的共振频率附近的频率的电压，由此压电体振动。在这种状态中，如果对限制部件2施加力，那么压电体1的振动被限制部件2限制。因此，压电体的阻抗增大，由此，阻抗6的两端的电压振幅变动。结果，获得如图4所示的力和输出电压之间的关系。从这种变动的阻抗，力被感测。

(实验例1)

图5示出使用直径为5.0mm且厚度为9.8mm的圆柱压电体直接限制振动方向的情况(常规技术)和利用摩擦在与振动方向垂直的方向上施加力的情况(本发明)之间的比较结果。这里，压电体具有被设置在限制位置处的驱动电极，并被施加有交流电压。一次共振频率变为145kHz，并且，振动模式变为垂直效果。另外，使用厚度为1mm的聚氨酯橡胶作为限制部件。

即使进一步对限制部件施加力输出电压振幅也不改变的点被视为力感测极限。当在平行方向上施加力时(在直接限制压电体的振动的情况下)，力感测极限约为300gf。相比之下，当在垂直方向上施加力时(在通过利用摩擦力限制压电体的振动的情况下)，力感测极限约为400gf。

因此，可以理解，如果在与振动方向垂直的方向上施加力，那么力感测极限变得较大。换句话说，通过摩擦来限制压电体的振动的方法对于扩大感测力的范围是有效的。

关于上述的实验结果，振动方向和力的施加方向相互垂直(θ＝90度)(参见图6)。因此，基于在垂直方向上施加力时的实验结果，研究了对压电体施加的力与振动方向和力的施加方向间的角度θ之间的关系。在图7中示出其结果。在力F为400gf的条件下，角度θ改变。因此，在此时的实验模型中，例如，在平行方向上的力感测极限为300gf。因此，在关于力的施加方向对于振动方向的50度≤θ≤130度的范围中，常规感测方法在感测极限之外。因此，使用本发明的方法，感测力的范围能够被扩大，以消除不能感测力的范围。在限制部件的接收力的表面上不设置有滑移(slip)的理想状态中，只要角度θ比零大，就能够感测力。可以采用如下结构：其中，适当地确定限制部件的弹性特性、限制部件的诸如表面粗糙度的表面特性、与压电体接触的方法等，使得能够以希望的角度来感测力。

(实验例2)

表1示出用于使压电体与外部控制电路电连接的电极的影响的研究结果。作为压电体，使用盘状元件(具有2mm的直径和0.5mm的厚度)和环状元件(具有2mm的外径、1mm的内径和0.5mm的厚度)。在表1中示出施加20gf的负载时的输出电压。关于“有焊接”，引线通过焊接与压电体直接连接。相反，关于“没有焊接”，在限制部件的表面上设置铝箔以通过接触来保持导电性。

表1

从实验结果确认：在环状元件的情况下以及在盘状元件的情况下，“没有焊接”均能够获得“有焊接”的约两倍大的输出电压。因此，能够通过实现压电体和限制部件的导电部分不被固定而是相互接触以保持导电性的状态，扩大感测力的范围。

直接焊接引线以使压电体与外部控制电路电连接的常规结构由于附于压电体的焊料而导致对振动的限制，从而致使感测范围变窄。使用本发明，能够通过实现压电体和限制部件的导电部分不被固定而是相互接触以保持导电性(被摩擦限制)的状态，扩大感测力的范围。

另外，本发明还能解决由于焊接导致的各种问题，所述问题包括由于焊接状态导致的振荡器的振动特性的变动和由于焊接故障导致的引线的脱落。

虽然已参照示例性实施例描述了本发明，但应理解，本发明不限于公开的示例性实施例。以下的权利要求的范围应被赋予最宽的解释，以包含所有这样的修改以及等同的结构和功能。

本申请要求2008年1月22日提交的日本专利申请No.2008-011626和2009年1月16日提交的日本专利申请No.2009-007768的权益，在此通过引用而并入它们的全部内容。

Claims (5)

1.一种感测力的方法，包括：

给压电体施加在时间上改变的电压以使所述压电体在特定方向上振动；

使得限制部件以能滑动的方式抵接要被振动的所述压电体，所述限制部件当从外部接收力时被弹性变形以向所述压电体传送所述力；以及

从所述压电体的阻抗感测施加的力，所述压电体的阻抗根据通过对所述限制部件施加的所述力在所述压电体和所述限制部件之间产生的摩擦力而改变。

2.根据权利要求1的感测力的方法，其中，所述限制部件基本上与所述压电体的振动方向平行。

3.一种压电振动型力传感器，包括：

当被施加在时间上改变的电压时在特定方向上振动的压电体；

被设置在所述压电体的表面上的一对驱动电极；和

当从外部接收力时被弹性变形以向所述压电体传送所述力的限制部件，

其中，所述限制部件相对于其上设置所述一对驱动电极的所述压电体以能滑动的方式被保持，并且，在施加所述电压以使所述压电体振动的状态中，所述力传感器通过感测根据经由所述限制部件对所述压电体施加的所述力所产生的摩擦力而改变的所述压电体的阻抗来感测施加的力。

4.根据权利要求3的压电振动型力传感器，其中，所述限制部件基本上与其上设置所述一对驱动电极的所述压电体的振动方向平行。

5.根据权利要求3的压电振动型力传感器，其中，引导电极以片的形式附于所述限制部件，并且，使得所述引导电极和驱动电极能滑动地相互接触。

Images