JP2010169550A - 応力検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】高精度で且つ低消費電力の応力検出装置を得る。
【解決手段】応力が変化したときに出力周波数が変化する応力センサ１０と、温度が変化
したときに出力周波数が変化する周波数変化型の温度センサ１１と、前記応力センサ１０
を動作させる第１の発振回路１２ａと、前記温度センサ１１を動作させる第２の発振回路
１２ｂと、を備えている。更に、前記第１の発振回路１２ａから出力される応力検出信号
の周波数をカウントする第１の周波数カウンタ１３ａと、前記第２の発振回路１２ｂから
出力される温度検出信号の周波数をカウントする第２の周波数カウンタ１３ｂと、前記第
２の周波数カウンタ１３ｂから出力される周波数カウント信号に基づいて、前記第１の周
波数カウンタ１３ａから出力される周波数カウント信号を補正する処理回路１４と、を備
えている。
【選択図】図１

Description

本発明は、応力検出装置に関し、特に温度による応力センサの検出誤差を補正した応力
検出装置に関するものである。

圧電振動子に加わる応力と共振周波数変化との関係を利用した圧力計が実用化されてい
る。圧電振動子に双音叉型圧電振動子を用いることにより、応力に対する感度が良好とな
り、僅かな圧力差から高度差、深度差を検知することができる。
特許文献１には感圧素子として圧電振動片を用いた圧力センサが開示されている。図６
（ａ）は圧力センサの側断面図、同図（ｂ）は、（ａ）のＱ−Ｑにおける断面図である。
圧力センサ４０は、ダイヤフラム５０と、該ダイヤフラム５０と対向して設けられる基台
７０と、感圧素子としての圧電振動片６０と、を備えた絶対圧計である。
ダイヤフラム５０は、図６（ａ）の上方からの圧力を受けて変形する薄肉部５２と、該
薄肉部５２の周縁に形成される枠部５８と、を備えている。ダイヤフラム５０は、薄肉部
５２の一方の面に、圧電振動片６０を固定するための一対の支持部５４を有し、圧電振動
片６０はその両固定端を支持部５４により支持されている。また、薄肉部５２の他方の面
には、圧電振動片６０の振動部６４に対応する部位に、突出部５６が設けられている。薄
肉部５２の一部を厚肉化して突出部５６とすることにより、当該部分の変形を防ぐことが
でき、圧力が印加された時に、薄肉部５２の中心が圧電振動片６０に接触するとことを防
止することができる。

圧電振動片６０には、いわゆる双音叉型振動素子を用いている。双音叉型振動素子は、
両端部に固定端６２を有し、この２つの固定端６２の間に２つの振動ビームが形成されて
いる。双音叉型振動素子に引張り応力（伸長応力）あるいは圧縮応力を印加すると、その
共振周波数が印加する応力にほぼ比例して変化するという特性がある。
図６に示す圧力センサ４０では、ダイヤフラム５０の薄肉部５２に形成された一対の支
持部５４の載置面５５に、双音叉型振動素子６０の両固定端６２が固定されている。ダイ
ヤフラム５０の上部に圧力が加わると、薄肉部５２に撓みが生じ、薄肉部５２は図６（ａ
）の下方へ変形する。支持部５４の載置面５５は薄肉部５２の変形状態に伴って傾き、支
持部５４の載置面５５は薄肉部５２の外側へ向けて傾く。このため、載置面５５間の間隔
は大きくなり、載置面５５に固定された双音叉型振動素子６０の振動部５４には伸長応力
が加わる。
振動部５４に伸長応力が加わると双音叉型振動素子６０は、その共振周波数が増加する
。そして、図示しない検出部ではこの周波数の変化を検出し、周波数の変化に基づく応力
の変化を導き出すことで、ダイヤフラム５０に加わる圧力を検出することが可能となる。

しかし、双音叉型振動素子６０の周波数温度特性は、上に凸の二次特性を有するので、
温度変化が大きい環境で使用する場合には検出精度が劣化するという問題があった。特許
文献２、３、４には、温度検出素子（感温素子）としてサーミスタ、又はトランジスタを
備え、その電気的特性の変化より温度を検出し、制御部にフィードバックする装置が開示
されている。
そこで、圧力センサ４０に感温素子としてサーミスタ、又はトランジスタを設けること
は容易に考えられる。例えば、図７に示す応力検出装置のブロック図のように、温度セン
サ８２の出力をＡ／Ｄコンバータ８５に接続し、該Ａ／Ｄコンバータ８５の出力を処理装
置８６の一方の入力に接続する。また、応力センサ（双音叉振動素子）８１を発振回路８
３に接続し、該発振回路８３の出力を周波数カウンタ８４を介して処理装置８６の他方の
入力に接続する。処理装置８６はＡ／Ｄコンバータ８５からの信号を演算して温度を求め
、この温度に基づいて応力センサ（双音叉振動素子）８１の周波数温度特性を補償し、応
力センサ８１に加わった応力を高精度に検出する。そして、ダイヤフラムの構造を加味し
てダイヤフラムに印加された圧力を算出する。
特開２００７−３２７９２２公報 特開２００６−２８４３０１公報 特開２００６−３２４６５２公報 特開２００８−１１１７６１公報 特許公報昭６１−２９６５２号公報

図７に示したような温度センサにアナログ方式、例えばサーミスタを用いた温度計の例
が、特許文献５に開示されている。図８に示すように、温度計９０は、抵抗Ｒ１、Ｒ２、
Ｒ３、Ｒ４でブリッジ回路を形成し、抵抗Ｒ１と抵抗Ｒ３との接続点と、抵抗Ｒ２と抵抗
Ｒ４との接点と、を演算増幅器（ＯＰアンプ）９２の２つの入力に接続し、その出力をＡ
／Ｄ変換器９３の入力に接続する。Ａ／Ｄ変換器９３の出力を処理回路９４で処理して温
度を求める装置である。ここで、抵抗Ｒ３は可変抵抗器Ｒｖ３２とサーミスタＴｈとの並
列回路に、可変抵抗器Ｒｖ３１を直列接続した回路である。
しかしながら、サーミスタの温度−抵抗特性は指数関数的である共に、温度計測時には
、例えば電流源９１から電流を流す必要である。また、Ａ／Ｄコンバータは大きな電流を
消費する。例えば、サーミスを用いた温度センサでは約２００μＡの電流が、１２ビット
のＡ／Ｄコンバータで約３００μＡの電流が消費される。更に、アナログ量をデジタル値
に変換する際に温度検出の精度が落ちる。このようにアナログ方式の温度検出法は精度の
問題と、大きな電流（約５００μＡ）を消費するという問題があった。
本発明は上記問題を解決するためになされたもので、温度の検出精度を向上させて双音
叉振動素子の温度特性を補正して、圧力センサの精度を改善し、且つ消費電流を大幅に低
減した応力検出装置を提供することにある。

本発明は、上記の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の
形態又は適用例として実現することが可能である。

［適用例１］応力が変化したときに出力周波数が変化する応力センサと、温度が変化し
たときに出力周波数が変化する周波数変化型の温度センサと、前記応力センサを動作させ
る第１の発振回路と、前記温度センサを動作させる第２の発振回路と、前記第１の発振回
路から出力される応力検出信号の周波数をカウントする第１の周波数カウンタと、前記第
２の発振回路から出力される温度検出信号の周波数をカウントする第２の周波数カウンタ
と、前記第２の周波数カウンタから出力される周波数カウント信号に基づいて、前記第１
の周波数カウンタから出力される周波数カウント信号を補正する処理回路と、を備えたこ
とを特徴とする応力検出装置である。

応力センサの周囲の温度を検出する周波数変化型の温度センサを設けて、応力センサか
らの出力信号を補正することにより、応力検出装置の精度が改善されると共に、温度検出
素子としてサーミスタ、トランジスタ等のアナログタイプの感温素子を用いる方式より、
応力検出装置の消費電流が大幅に低減できるという効果がある。

［適用例２］応力が変化したときに出力周波数が変化する応力センサと、温度が変化し
たときに出力周波数が変化する周波数変化型の温度センサと、前記応力センサを動作させ
る第１の発振回路と、前記温度センサを動作させる第２の発振回路と、前記第１及び第２
の発振回路を切り換える切換手段と、前記切換手段から出力される信号をカウントする周
波数カウンタと、前記周波数カウンタから出力される周波数カウント信号を処理する処理
回路と、備えたことを特徴とする応力検出装置である。

２つの発振回路を備えた応力検出装置を構成することにより、温度センサ用の音叉型圧
電振動子の共振周波数と、応力センサ用の双音叉型圧電振動素子の共振周波数とが大きく
異なる場合にも適用でき、しかも周波数カウンタを減らすことにより消費電流を低減でき
るという効果がある。

［適用例３］応力が変化したときに出力周波数が変化する応力センサと、温度が変化し
たときに出力周波数が変化する周波数変化型の温度センサと、前記応力センサ及び前記温
度センサを動作させる発振回路と、前記発振回路からの出力される信号をカウントする第
１及び第２の周波数カウンタと、前記応力センサ及び前記温度センサと前記発振回路との
間の接続を時分割的に切り換える切換手段と、前記第１及び第２の周波数カウンタからの
信号を処理する処理回路と、を備えたことを特徴とする応力検出装置である。

第１及び第２の周波数カウンタを備えた応力検出装置を構成することにより、温度セン
サ及び応力センサの信号の検出がそれぞれ異なる精度で要求される場合に適している。例
えば、温度センサの信号は１Ｈｚの精度でカウントし、応力センサの信号は０．１ｍＨｚ
の精度でカウントする必要がある場合に効果がある。このような場合には、互いに精度の
異なる周波数カウンタを設ける方が消費電流を減らせ、且つ発振回路を減らすことにより
消費電流を低減できるという効果がある。

［適用例４］応力が変化したときに出力周波数が変化する応力センサと、温度が変化し
たときに出力周波数が変化する周波数変化型の温度センサと、前記応力センサ及び前記温
度センサを動作させる発振回路と、前記発振回路から出力される発振周波数をカウントす
る周波数カウンタと、前記応力センサ及び前記温度センサと前記発振回路との間の接続を
時分割的に切り換える切換手段と、前記切換手段を制御する制御手段と、前記制御手段か
らの切り換え制御信号に基づいて、前記周波数カウンタから出力される周波数カウント信
号を補正する処理回路と、を備えたことを特徴とする応力検出装置である。

応力センサ及び温度センサの発振回路を時分割的に切り換える切換手段（切換器）を設
け、該切換手段（切換器）を制御回路で制御することにより、発振回路及び周波数カウン
タをそれぞれ１個に削減することが可能となり、応力検出装置の精度は維持されると共に
、応力検出装置の消費電流が大幅に低減できるという効果がある。

［適用例５］応力が変化したときに出力周波数が変化する応力センサと、温度が変化し
たときに出力周波数が変化する周波数変化型の温度センサと、前記応力センサ及び前記温
度センサを動作させる発振回路と、前記発振回路から出力される発振周波数をカウントす
る周波数カウンタと、前記応力センサ及び前記温度センサと前記発振回路との間の接続を
時分割的に切り換える切換手段と、前記周波数カウンタから出力される周波数カウント信
号を処理する処理回路と、を備えたことを特徴とする応力検出装置である。

切換手段を設け、発振回路及び周波数カウンタをそれぞれ１個とした応力検出装置を構
成することにより、応力検出装置の精度は維持されると共に、応力検出装置の消費電流が
大幅に低減できるという利点がある。この応力検出装置は、応力センサ用の双音叉型圧電
振動素子の共振周波数と、温度センサ用音叉型圧電振動子の共振周波数とが所定の範囲内
であり、同一の発振回路で駆動できる場合に効果がある。

［適用例６］前記温度センサが音叉型振動子であることを特徴とする適用例１乃至５の
何れかに記載の応力検出装置である。

温度センサとして音叉型振動子を用いることにより、応力センサ及び温度センサを１個
の発振回路で駆動できると共に、温度をデジタル量として検出することができるので、検
出精度の向上と、応力検出装置の消費電流を大幅に低減できるという効果がある。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係る応力検出装置１の構成を示すブロック図である。
応力検出装置１は、応力が変化したときに出力周波数が変化する応力センサ１０と、温
度が変化したときに出力周波数が変化する周波数変化型の温度センサ１１と、を備えてい
る。更に、応力センサ１０を動作させる第１の発振回路１２ａと、温度センサ１１を動作
させる第２の発振回路１２ｂと、第１の発振回路１２ａから出力される応力検出信号の周
波数をカウントする第１の周波数カウンタ１３ａと、第２の発振回路１２ｂから出力され
る温度検出信号の周波数をカウントする第２の周波数カウンタ１３ｂと、を備えている。
そして、第２の周波数カウンタ１３ｂから出力される周波数カウント信号を演算して温度
を検出し、該温度に基づいて、第１の周波数カウンタ１３ａから出力される周波数カウン
ト信号を補正し、補正した信号を演算して応力を求める処理回路１４と、を備えている。

応力センサ１０は、例えば応力感度がよく、温度特性の良好な双音叉型水晶振動素子を
用いる。双音叉型水晶振動素子は、２つの振動ビームに励振電極を形成した応力感応部と
、該応力感応部を挟むように該応力感応部と連結した２つの固定端と、を備えている。双
音叉型水晶振動素子には、前記２つの振動ビームが長手方向に対して対称な屈曲振動を行
うように、前記励振電極を配置する。
双音叉型水晶振動素子は伸張（引張り）・圧縮応力に対する感度が良好であり、高度計
用、或いは深度計用の応力感応素子として使用した場合には、分解能力が優れるために僅
かな気圧差から高度差、深度差を検出することができる。
双音叉型水晶振動素子が呈する周波数温度特性は、上に凸の二次特性であり、その頂点
温度が常温（２５℃）になるように双音叉型水晶振動素子の各パラメータを設計する。
双音叉型水晶振動子に作用する力Ｆを圧縮方向のとき負、伸張方向（引張り方向）を正
としたとき、力Ｆと共振周波数の関係は、力Ｆが圧縮力では共振周波数が減少し、伸張（
引張り）応力では増加する。

温度センサ１１には、例えば図９に示すように水晶Ｚカット板をＸ軸（水晶結晶の電気
軸）の回りにθ回転した音叉型水晶振動子を用いる。音叉型水晶振動子の周波数温度特性
は上に凸の二次特性であり、特許第３０１０９２２号によるとＸ軸の回りの回転角θと１
次係数αとの関係は、図１０のような関係があると開示されている。また、図１１は温度
検出用の音叉型圧電振動子の周波数温度特性であり、温度Ｔに対し周波数変化Δｆ／ｆが
ほぼ直線的に変化する。
第１及び第２の発振回路１２ａ、１２ｂは、トランジスタ又は、ＩＣを用いた周知の発
振回路を用いる。また、第１及び第２の周波数カウンタ１３ａ、１３ｂには、ＩＣからな
る一般的な周波数カウンタを用いる。処理回路１４は、例えばＣＰＵを用いた回路構成で
あり、入力したデジタルの信号の演算処理を行う。第１及び第２の周波数カウンタ１３ａ
、１３ｂからの信号を処理回路１４に取り入れ、第２の周波数カウンタ１３ｂの信号を演
算して温度を検出する。この温度に基づいて第１の周波数カウンタ１３ａからの信号を補
正して、補正した信号と、双音叉水晶振動素子の応力−周波数変化の特性と、から双音叉
水晶振動素子に加わった応力を算出して求める。

応力センサの周囲の温度を検出する周波数変化型の温度センサを設けて、応力センサか
らの出力信号を補正することにより、応力検出装置の精度が改善されると共に、温度検出
素子としてサーミスタ、トランジスタ等のアナログタイプの感温素子を用いる方式より、
応力検出装置の消費電流が大幅に低減できるという効果がある。例えば、図１の発振回路
の消費電流は２０μＡであり、非同期式、基準周波数２０ＭＨｚ、２４ビットの周波数カ
ウンタの消費電流は２０μＡで、合計４０μＡ程度であり、感温素子にサーミスタを用い
るアナログ方式に比べて１０分の１程度に低減できる。
また、温度センサに温度計測用に設計した音叉型水晶振動子を用いることにより、その
温度特性は図１１に示すように直線的であり、高精度で温度を検出することができるので
、応力センサ（双音叉型水晶振動素子）の周囲の温度を正確に検出し、応力センサに加わ
る応力を精度よく求めることができる。その上、温度センサをデジタル化したことにより
Ａ／Ｄコンバータが不要になり応力検出装置の消費電流を大幅に低減できるという効果が
ある。

図２は、第２の実施形態の応力検出装置２の構成を示すブロック図である。図１と同じ
機能の部品には同一の符号を付す。図１に示した応力検出装置１と異なる点は、切換器を
用いることにより周波数カウンタを１つ減らした点である。第１及び第２の発振回路１２
ａ、１２ｂの後に切り換え手段（以降、切換器と称す）１６を接続し、該切換器１６の後
に周波数カウンタを接続する。切換器１６は処理回路１４からの信号により制御されてい
る。第２の実施形態の応力検出装置２は、温度検出用の音叉型水晶振動子の共振周波数と
、応力検出用の双音叉型水晶振動素子の共振周波数とが大きく異なる場合に適しており、
しかも周波数カウンタを減らすことにより消費電流を低減できるという効果がある。例え
ば、温度検出用の音叉型水晶振動子の共振周波数が数十ｋＨｚ程度、応力検出用の双音叉
型水晶振動素子の共振周波数が数百ｋＨｚ程度と大きく異なる場合に適している。

図３は、第３の実施形態の応力検出装置３の構成を示すブロック図である。図１に示し
た応力検出装置１と異なる点は、切り換え手段（切換器）を用いることにより発振回路を
１つ減らした点である。応力センサ１０と温度センサ１１を切換器１６に接続し、該切換
器１６の出力を発振回路１２に接続する。発振回路１２には２つ出力を持たせ、それぞれ
の出力を第１及び第２の周波数カウンタ１３ａ、１３ｂに接続する。切換器１６は処理回
路１４からの信号により制御されている。
第３の実施形態の応力検出装置３の特徴は、温度センサ１１及び応力センサ１０の信号
の検出にそれぞれ異なる精度が要求される場合に適している。例えば、温度センサの信号
は１Ｈｚの精度でカウントし、応力センサの信号は０．１ｍＨｚの精度でカウントする必
要がる場合に効果がある。このような場合には、互いに精度の異なる周波数カウンタ設け
る方が消費電流を減らせ、且つ発振回路を減らすことにより消費電流を低減できるという
効果がある。

図４は、第４の実施形態の応力検出装置４の構成を示すブロック図である。応力検出装
置４は、応力が変化したときに出力周波数が変化する応力センサ１０と、 温度が変化し
たときに出力周波数が変化する周波数変化型の温度センサ１１と、を備えている。更に、
応力センサ１０及び温度センサ１１を動作させる発振回路１２と、該発振回路１２から出
力される発振周波数をカウントする周波数カウンタ１３と、を備えている。そして、応力
センサ１０及び温度センサ１１と発振回路１２との間の接続を時分割的に切り替える切換
手段（切換器）１６と、該切換手段１６を制御する制御手段（制御回路）１７と、該制御
手段１７からの切り替え制御信号に基づいて、周波数カウンタ１３から出力される周波数
カウント信号を処理する処理回路１４と、を備えている。
応力センサ１０には例えば双音叉型水晶振動素子を用い、温度センサ１１に音叉型水晶
振動素子を用いて、両者が同一の発振回路で発振させることが可能である場合に適してい
る。
以上のように応力センサ及び温度センサの発振を時分割的に切り替える切換器を設け、
発振回路及び周波数カウンタをそれぞれ１個に削減することにより、応力検出装置の精度
は維持されると共に、応力検出装置の消費電流が大幅に低減できるという効果がある。

図５は、第５の実施形態の応力検出装置５の構成を示すブロック図である。図２に示す
第４の実施形態の応力検出装置４と異なる点は、制御回路１７の機能を処理回路１４にも
たせ、制御回路１７を削減した点である。処理回路１４にはＣＰＵを内蔵させることによ
り、応力センサ１０及び温度センサ１１と発振回路１２との間の接続を時分割的に切り替
える信号を出力することは容易にできる。

本発明に係る応力検出装置の構成を示すブロック図である。 第２の実施形態の応力検出装置の構成を示すブロック図である。 第３の実施形態の応力検出装置の構成を示すブロック図である。 第４の実施形態の応力検出装置の構成を示すブロック図である。 第５の実施形態の応力検出装置の構成を示すブロック図である。 従来の圧力センサの構成を示す、（ａ）は側断面図、（ｂ）は（ａ）のＱ−Ｑおける断面図である。 温度センサにサーミスタ又は、トランジスタを用いた応力検出装置の構成を示すブロック図である。 従来のサーミスタを用いた温度計である。 Ｘ軸の回りにθ度回転した音叉型振動子である。 Ｘ軸の回りの回転角θと１次温度係数αとの関係を示す図である。 音叉型水晶振動子の温度Ｔと周波数変化Δｆ／ｆとの関係を示す図である。

１、２、３…応力検出装置、１０…応力センサ、１１…温度センサ、１２、１２ａ、１
２ｂ…発振回路、１３、１３ａ、１３ｂ…周波数カウンタ、１４…処理回路、１５…処理
回路の出力、１６…切換器、１７…制御回路

Claims (6)

1. 応力が変化したときに出力周波数が変化する応力センサと、
   温度が変化したときに出力周波数が変化する周波数変化型の温度センサと、
   前記応力センサを動作させる第１の発振回路と、
   前記温度センサを動作させる第２の発振回路と、
   前記第１の発振回路から出力される応力検出信号の周波数をカウントする第１の周波数
   カウンタと、
   前記第２の発振回路から出力される温度検出信号の周波数をカウントする第２の周波数
   カウンタと、
   前記第２の周波数カウンタから出力される周波数カウント信号に基づいて、前記第１の
   周波数カウンタから出力される周波数カウント信号を補正する処理回路と、
   を備えたことを特徴とする応力検出装置。
2. 応力が変化したときに出力周波数が変化する応力センサと、
   温度が変化したときに出力周波数が変化する周波数変化型の温度センサと、
   前記応力センサを動作させる第１の発振回路と、
   前記温度センサを動作させる第２の発振回路と、
   前記第１及び第２の発振回路を切り換える切換手段と、
   前記切換手段から出力される信号をカウントする周波数カウンタと、
   前記周波数カウンタから出力される周波数カウント信号を処理する処理回路と、
   を備えたことを特徴とする応力検出装置。
3. 応力が変化したときに出力周波数が変化する応力センサと、
   温度が変化したときに出力周波数が変化する周波数変化型の温度センサと、
   前記応力センサ及び前記温度センサを動作させる発振回路と、
   前記発振回路からの出力される信号をカウントする第１及び第２の周波数カウンタと、
   前記応力センサ及び前記温度センサと前記発振回路との間の接続を時分割的に切り換え
   る切換手段と、
   前記第１及び第２の周波数カウンタからの信号を処理する処理回路と、
   を備えたことを特徴とする応力検出装置。
4. 応力が変化したときに出力周波数が変化する応力センサと、
   温度が変化したときに出力周波数が変化する周波数変化型の温度センサと、
   前記応力センサ及び前記温度センサを動作させる発振回路と、
   前記発振回路から出力される発振周波数をカウントする周波数カウンタと、
   前記応力センサ及び前記温度センサと前記発振回路との間の接続を時分割的に切り換え
   る切換手段と、
   前記切換手段を制御する制御手段と、
   前記制御手段からの切り換え制御信号に基づいて、前記周波数カウンタから出力される
   周波数カウント信号を補正する処理回路と、
   を備えたことを特徴とする応力検出装置。
5. 応力が変化したときに出力周波数が変化する応力センサと、
   温度が変化したときに出力周波数が変化する周波数変化型の温度センサと、
   前記応力センサ及び前記温度センサを動作させる発振回路と、
   前記発振回路から出力される発振周波数をカウントする周波数カウンタと、
   前記応力センサ及び前記温度センサと前記発振回路との間の接続を時分割的に切り換え
   る切換手段と、
   前記周波数カウンタから出力される周波数カウント信号を処理する処理回路と、
   を備えたことを特徴とする応力検出装置。
6. 前記温度センサが音叉型振動子であることを特徴とする請求項１乃至５の何れかに記載
   の応力検出装置。

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