JP2011085395A - Unit and device for detecting force - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、力検出ユニット及び力検出装置に関し、特に圧電性の梁を挟む二対の上下電
極により厚みすべり振動を励起し、二対の厚みすべり振動の位相を互いに180度異なら
せて励振した屈曲振動を利用した力検出ユニットと、これを用いて構成した力検出装置に
関するものである。
The present invention relates to a force detection unit and a force detection device, and in particular, excites thickness shear vibration by two pairs of upper and lower electrodes sandwiching a piezoelectric beam and excites two pairs of thickness shear vibrations with a phase difference of 180 degrees from each other. The present invention relates to a force detection unit using bending vibration and a force detection device configured using the force detection unit.
力検出ユニット及び力検出装置は、従来から自動車、航空機、ロケットから各種プラン
トの異常振動監視等まで、広く使用されている。特許文献1には、応力感応素子に双音叉
型圧電振動子を用いた加速度検知ユニットと、加速度センサーが開示されている。
図6は加速度検知ユニット71の構成を示す斜視図であり、Z軸方向が加速度検出軸方
向である。加速度検知ユニット71は、外枠部材75と、応力感応部と該応力感応部を挟
む2つの固定端部80a、80bとを有する双音叉型圧電振動素子80と、を備えている
。外枠部材75は、矩形状で細長い四角柱状の2個の部材75a、75bと、短い四角柱
状の2個の部材75c、75dと、の夫々の端を接合して構成されている。外枠部材75
と双音叉型圧電振動素子80の圧電基板とは、同一の圧電材料より一体的に形成される共
に、前記圧電基板は、外枠部材75の厚さより薄く、且つ外枠部材75の一方の面と平行
に形成されている。
外枠部材75の一方の対向する短辺部材75c、75dには、夫々双音叉型圧電振動素
子80の2つの固定端部80a、80bが接合され、外枠部材75の他方の対向する長辺
部材75a、75bには、夫々溝部77a、77bが形成されている。溝部77a、77
bより部材75d側を固定端とし、溝部77a、77bより部材75c側を自由端(可動
端)とする。固定端側を例えば、図示しない基台に図中の黒点部で固定し、自由端側にZ
軸方向(図中上下方向)の加速度Gを印加する場合に、溝部77a、77bのほぼ中央部
より可撓するように形成されている。
Conventionally, force detection units and force detection devices are widely used from automobiles, airplanes, rockets to monitoring abnormal vibrations of various plants. Patent Document 1 discloses an acceleration detection unit using a double tuning fork type piezoelectric vibrator as a stress sensitive element, and an acceleration sensor.
FIG. 6 is a perspective view showing the configuration of the acceleration detection unit 71, and the Z-axis direction is the acceleration detection axis direction. The acceleration detection unit 71 includes an
And the piezoelectric substrate of the double tuning fork type
Two
The
When an acceleration G in the axial direction (vertical direction in the figure) is applied, it is formed so as to be flexible from substantially the center part of the
図6に示すように自由端側にZ軸方向の加速度Gが加えられると、溝部77a、77b
がほぼ中央部を支点として撓み、その結果、部材75cに連結した双音叉型圧電振動素子
80に圧縮あるいは伸張の応力が作用する。双音叉型圧電振動素子80に応力が作用する
と、双音叉型圧電振動素子80の共振周波数が変化する。双音叉型圧電振動素子80の周
波数変化量は印加される応力に比例するので、周波数変化量から印加された応力(加速度
×質量)、つまり加速度が測定できると、開示されている。
As shown in FIG. 6, when the acceleration G in the Z-axis direction is applied to the free end side, the
However, as a result, a compression or expansion stress acts on the double tuning fork type
加速度センサー、力検出装置等に対しては、小型化への強い要請がある。しかしながら
、従来の加速度検知ユニット(力検出ユニット)、例えば特許文献1に開示された加速度
検知ユニットを小型化する場合には、音叉型圧電振動素子の小型化が必要となる。音叉型
圧電振動素子を小型化すると応力検出感度が低下するという問題があった。
音叉型圧電振動素子の応力感度は、その振動腕の幅の3乗に反比例し、長さの2乗に比
例する。つまり、振動腕の長さ短くすると感度が低下する。また、応力感度を増加すべく
振動腕の幅を狭くすると、励振電極、引出電極の形成が難しくなる。また、振動腕の幅を
細くすると熱弾性損失が増加し、音叉型圧電振動素子のQ値が劣化するという問題もあっ
た。
本発明は上記問題を解決するためになされたもので、力検出感度が良く、小型化に適し
た力検出ユニット及び力検出装置を提供することにある。
There is a strong demand for miniaturization of acceleration sensors, force detection devices, and the like. However, when a conventional acceleration detection unit (force detection unit), for example, the acceleration detection unit disclosed in Patent Document 1, is reduced in size, it is necessary to reduce the size of the tuning fork type piezoelectric vibration element. When the tuning fork type piezoelectric vibration element is downsized, there is a problem that the stress detection sensitivity is lowered.
The stress sensitivity of the tuning fork type piezoelectric vibration element is inversely proportional to the cube of the width of the vibrating arm and proportional to the square of the length. That is, if the length of the vibrating arm is shortened, the sensitivity decreases. Further, if the width of the vibrating arm is reduced to increase the stress sensitivity, it becomes difficult to form the excitation electrode and the extraction electrode. Further, when the width of the vibrating arm is reduced, the thermoelastic loss is increased, and there is a problem that the Q value of the tuning fork type piezoelectric vibrating element is deteriorated.
The present invention has been made to solve the above-described problems, and provides a force detection unit and a force detection device that have good force detection sensitivity and are suitable for downsizing.
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。
SUMMARY An advantage of some aspects of the invention is to solve at least a part of the problems described above, and the invention can be implemented as the following forms or application examples.
[適用例1]力検出感度が良く、小型化に適した力検出ユニットを実現するため、本発
明に係る力検出ユニットは、厚さ方向に可撓性を有する薄板状の第1及び第2枠体と、前
記第1及び第2枠体の夫々の対向する辺を連結し、厚さ方向の電界によりすべり歪みによ
る振動をする第1及び第2梁と、前記第1及び第2梁の中央領域を回避した、前記第1及
び第2梁の上面及び下面に形成された上部電極及び下部電極と、を備え、前記第1及び第
2梁の延長方向に沿う前記第1及び第2枠体の各一辺を結合し、前記第1及び第2梁は、
前記上部電極及び下部電極に駆動信号が印加されたときに生じるすべり歪みによる振動に
より、屈曲振動が励振されるように構成されたことを特徴とする。
Application Example 1 In order to realize a force detection unit with good force detection sensitivity and suitable for downsizing, the force detection unit according to the present invention is a thin plate-like first and second plate having flexibility in the thickness direction. A first frame and a second beam, which are coupled to the opposing sides of the first frame body and the first frame body, and vibrate due to slip strain due to an electric field in the thickness direction, and the first and second beams The upper and lower electrodes formed on the upper and lower surfaces of the first and second beams, avoiding the central region, and the first and second frames along the extending direction of the first and second beams Connecting each side of the body, the first and second beams are
The present invention is characterized in that bending vibration is excited by vibration due to slip distortion generated when a drive signal is applied to the upper electrode and the lower electrode.
前記第1及び第2梁夫々に励起する互いに位相の異なる2つの厚みすべり振動を利用し
て、前記第1及び第2梁夫々に屈曲振動を励振する。前記第1及び第2梁に加わる力によ
って梁の屈曲振動の共振周波数が変化するので、該周波数変化を力検出に用いる。従って
音叉型圧電振動素子に比較し、小型化しても電極形成が容易であり、検出感度が維持でき
るという効果がある。また、屈曲振動が励振される第1及び第2梁を差動的に動作させる
ことにより、力検出感度を倍増させることができるという効果がある。また、差動動作に
より、第1及び第2梁がピックアップする不要振動、例えば他軸方向の振動を低減するこ
とができるという効果がある。
Bending vibration is excited in each of the first and second beams by using two thickness shear vibrations having different phases that are excited in the first and second beams. Since the resonance frequency of the bending vibration of the beam is changed by the force applied to the first and second beams, the frequency change is used for force detection. Therefore, compared with the tuning fork type piezoelectric vibration element, there is an effect that the electrode can be easily formed even if the size is reduced, and the detection sensitivity can be maintained. Moreover, there is an effect that the force detection sensitivity can be doubled by differentially operating the first and second beams excited by bending vibration. Further, the differential operation has an effect of reducing unnecessary vibrations picked up by the first and second beams, for example, vibrations in the other axis direction.
[適用例2]また、力検出ユニットは、前記第1梁の底面が前記第1枠体の底面と同一
平面上にあり、前記第2梁の上面が前記第2枠体の上面と同一平面上にあることを特徴と
する適用例1に記載の力検出ユニットである。
Application Example 2 In the force detection unit, the bottom surface of the first beam is flush with the bottom surface of the first frame, and the top surface of the second beam is flush with the top surface of the second frame. The force detection unit according to Application Example 1, wherein the force detection unit is located above.
力検出ユニットは、前記第1枠体の厚さ方向の中心線より下部に前記第1梁を形成し、
前記第2枠体の厚さ方向の中心線より上部に前記第2梁を形成した構造であるので、力検
出ユニットに厚さ方向の力が加わった際に、前記第1梁と前記第2梁とに生じる応力は、
一方が伸長応力、他方が圧縮応力となる。つまり、前記第1梁と前記第2梁との共振周波
数は互いに逆に変化する。つまり、前記第1梁と前記第2梁とを差動動作させることがで
きるので、力の検出感度が倍増し、第1及び第2梁に生じる不要振動、例えば他軸方向の
振動を低減することができるという効果がある。
The force detection unit forms the first beam below the center line in the thickness direction of the first frame,
Since the second beam is formed above the center line in the thickness direction of the second frame, the first beam and the second beam are applied when a force in the thickness direction is applied to the force detection unit. The stress generated in the beam is
One is elongation stress and the other is compression stress. That is, the resonance frequencies of the first beam and the second beam change in opposite directions. That is, since the first beam and the second beam can be differentially operated, the force detection sensitivity is doubled, and unnecessary vibration generated in the first and second beams, for example, vibration in the other axis direction is reduced. There is an effect that can be.
[適用例3]また、力検出ユニットは、前記第1及び第2の枠体が、前記第1及び第2
梁と平行する部材の上下面の少なくとも一方に溝部を有することを特徴とする適用例1に
記載の力検出ユニットである。
Application Example 3 Further, in the force detection unit, the first and second frame bodies are the first and second frames.
The force detection unit according to the first application example, wherein a groove is provided on at least one of the upper and lower surfaces of the member parallel to the beam.
前記第1及び第2梁と平行する前記第1及び第2の枠体の部材に夫々溝部を形成するこ
とにより、前記第1及び第2の枠体が厚さ方向の力の印加により溝部より容易に撓むよう
に構成すること可能となり、小さな力も検出できるようになり、力の検出範囲が広がると
いう効果がある。
By forming groove portions in the members of the first and second frame members parallel to the first and second beams, the first and second frame members are applied from the groove portions by applying a force in the thickness direction. It becomes possible to be configured to bend easily, it becomes possible to detect a small force, and there is an effect that the detection range of the force is expanded.
[適用例4]また、力検出ユニットは、前記第1及び第2梁の夫々の両側で、前記第1
及び第2の枠体の前記対向する辺から夫々前記第1及び第2梁と平行で、前記第1及び第
2の枠体の夫々の中心部に向かって延在するカウンタービームを有し、前記カウンタービ
ームは、前記第1及び第2梁の前記屈曲振動による変位を相殺するように変位することを
特徴とする適用例1に記載の力検出ユニットである。
Application Example 4 In addition, the force detection unit includes the first and second beams on both sides of the first and second beams.
And a counter beam extending from the opposing sides of the second frame body in parallel with the first and second beams, respectively, and extending toward the center of each of the first and second frame bodies, The force detection unit according to Application Example 1, wherein the counter beam is displaced so as to cancel the displacement due to the bending vibration of the first and second beams.
前記第1及び第2梁夫々の両側に前記第1及び第2梁と平行に前記カウンタービームを
配置することにより、前記第1及び第2梁の前記屈曲振動による変位を相殺するように、
前記カウンタービームが変位するので、前記第1及び第2梁の振動漏れを低減するこがで
きる。その結果、第1及び第2梁のQ値を高めると共に、力検出ユニットの検出精度を高
めることができるという効果がある。
By disposing the counter beam parallel to the first and second beams on both sides of the first and second beams, respectively, the displacement of the first and second beams due to the bending vibration is canceled out.
Since the counter beam is displaced, vibration leakage of the first and second beams can be reduced. As a result, there is an effect that the Q value of the first and second beams can be increased and the detection accuracy of the force detection unit can be increased.
[適用例5]本発明の力検出装置は、適用例1乃至4の何れかに記載の力検出ユニット
と、前記第1及び第2梁の屈曲振動、又は厚みすべり振動の周波数変化を検出する検出部
と、を備えたことを特徴とする力検出装置である。
Application Example 5 A force detection device according to the present invention detects a frequency change of the bending vibration or thickness shear vibration of the force detection unit according to any one of Application Examples 1 to 4 and the first and second beams. And a detecting unit.
適用例1乃至4の何れかに記載の力検出ユニットを用いれば、前記第1及び第2梁の屈
曲振動を互いに差動動作させ、その周波数変化を前記検出部で検出することにより、検出
感度が倍増した力検出装置が構成できるという効果がある。また、前記第1及び第2梁の
屈曲振動の振動漏れを低減し、検出感度が優れ、他軸感度を抑圧し、検出範囲の広い力検
出装置が構成できるという効果がある。
If the force detection unit according to any one of the application examples 1 to 4 is used, the bending vibrations of the first and second beams are differentially operated, and the frequency change is detected by the detection unit, thereby detecting sensitivity. There is an effect that it is possible to construct a force detection device in which the power is doubled. In addition, it is possible to reduce the leakage of bending vibrations of the first and second beams, to have excellent detection sensitivity, to suppress other axis sensitivity, and to configure a force detection device with a wide detection range.
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
形態に係る力検出ユニット1の構成を示す概略図であり、同図(a)は平面図、同図(b
)はP−Pに於ける断面図である。図1(c)、(d)は圧電基板2の構造の理解をはか
るため2つに分けて、第1及び第2梁5、15と、カウンタービーム6、7及び16、1
7を省略して示した平面図で、夫々を枠体3、4と称す。但し、第1及び第2梁5、15
の取付位置を示すために破線5、15で示している。
力検出ユニット1は、厚さ方向、図1(a)ではY軸方向に可撓性を有する薄板状の第
1及び第2枠体3、4と、厚さ方向の電界によりすべり歪が発生することで例えば厚みす
べり振動をする第1及び第2梁5、15と、を備え、第1及び第2枠体3、4の構成要素
として後述する部材3bと部材3dとの間に第1梁5を連結し、部材4bと部材4dとの
間に第2梁15を連結した構成を備えている。更に、第1梁5の両側で、第1枠体3の対
向する部材3b、3dから第1梁5と平行に枠体3の中心領域に夫々延在するカウンター
ビーム6、7を備えている。同様に、第2梁15の両側で、第2枠体4の対向する部材4
b、4dから第2梁15と平行に枠体4の中心領域に夫々延在するカウンタービーム16
、17を備えている。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. FIG. 1 is a schematic diagram showing a configuration of a force detection unit 1 according to an embodiment of the present invention. FIG. 1 (a) is a plan view, and FIG.
) Is a cross-sectional view taken along the line PP. 1 (c) and 1 (d) are divided into two parts in order to understand the structure of the
In the plan view in which 7 is omitted, they are referred to as
The
In the force detection unit 1, slip distortion occurs due to the thin plate-like first and
counter beams 16 extending from b, 4d to the central region of the
, 17.
第1枠体3は、図1(c)に示す平面図のように、同じ厚さ(Y軸方向)の4個の部材
3a、3b、3c、3dより成り、部材3aの一方の端部と部材3bの一方の端部とを接
合し、部材3bの他方の端部と部材3cの一方の端部とを接合し、部材3cの他方の端部
と部材3dの一方の端部とを接合し、部材3dの他方の端部と部材3aの他方の端部とを
接合して、中空平板の枠体3が構成される。
同様に、図1(d)に示す平面図のように、第2枠体4は、同じ厚さ(Y軸方向)の4
個の部材4a、4b、4c、4dより成り、部材4aの一方の端部と部材4bの一方の端
部とを接合し、部材4bの他方の端部と部材4cの一方の端部とを接合し、部材4cの他
方の端部と部材4dの一方の端部とを接合し、部材4dの他方の端部と部材4aの他方の
端部とを接合して、中空平板の枠体4が構成される。
なお、第1及び第2枠体3、4の部材3a、3c及び部材4a、4cの中央部の上下面
の少なくとも一方には細い溝部30が形成され、厚さ方向(Y軸方向)に溝部30より撓
み易い構造となっている。
尚、第1枠体3、第2枠体4として、複数の部材を接合した構成としたが、複数の部材
同士が一体的に形成された構成であってもよい。
The
Similarly, as shown in the plan view of FIG. 1 (d), the
It consists of the
A
In addition, although it was set as the structure which joined several members as the
第1梁5とカウンタービーム6、7の厚さ(Y軸方向)は略同一であり、第1枠体3の
厚さより薄く形成される。第1梁5及びカウンタービーム6、7の底面と、第1枠体4の
底面とは同一平面上となるように構成される。
また、第2梁15とカウンタービーム16、17の厚さは略同一であり、第2枠体4の
厚さよりも薄く形成される。第2梁15及びカウンタービーム16、17の上面と、第1
枠体4の上面とは同一平面上となるように構成される。
第1枠体3の部材3cの外側側面と、第2枠体4の部材4aの外側側面とは結合され、
第1及び第2枠体3、4は共に一体化されて、圧電基板2が形成される。
つまり、第1梁5及びカウンタービーム6、7は、圧電基板2の厚さ方向(Y軸方向)
の中心線より下側に形成されており、第2梁15及びカウンタービーム16、17は、圧
電基板2の厚さ方向(Y軸方向)の中心線より上側に形成されている。
The
Further, the
The upper surface of the
The outer side surface of the member 3c of the
The first and
That is, the
The
図1(a)、図2(a)、(b)に示すように、第1及び第2梁5、15の中央領域を
避け、第1梁5の上面には上部電極10a、11aが、第2梁15の上面には上部電極2
0a、21bが形成されている。また第1梁5の下面には下部電極10b、11bが、第
2梁15の下面には下部電極20b、21bが形成されている。
更に、第1及び第2梁5、15の上部電極10a、11a及び20a、21aからは引
出電極10c、11c及び20c、21cが延在され、力検出ユニット1の端に形成され
たパッド電極(図示せず)と接続されている。同様に、下部電極10b、11b及び20
b、21bからは引出電極10d、11d及び20d、21dが延在され、力検出ユニッ
ト1の端に形成されたパッド電極(図示せず)と接続されている。
図1(a)に示した枠体3の引出電極10c、11c、10d、11dと、枠体4の引
出電極20c、21c、20d、21dと、は一例であり、種々の引出方法がある。要は
第1及び第2枠体3、4の部材3b、4b側(自由端側)をY軸方向に可撓させると、力
検出ユニット1の固定端側(部材3d、4d側)に引出電極のパッド電極を設けることが
望ましい。
As shown in FIG. 1A, FIG. 2A, and FIG. 2B, the
0a and 21b are formed.
Furthermore,
The
力検出ユニット1の圧電基板2は、第1枠体3と第2枠体4とが一体的に結合されたも
のと説明したが、実際は圧電基板をフォトリソグラフィ技法とエッチング手法を用いて材
料となる一つの圧電基板に第1枠体3と第2枠体4と形成するよう加工する方法が望まし
い。圧電基板としては、例えば水晶、タンタル酸リチウム、ニオブ酸リチウム、ランガサ
イト等がある。水晶基板を用いる場合、ATカット水晶基板(AT板)、BTカット水晶
基板(BT板)、Yカット水晶基板(Y板;水晶の結晶軸Yに垂直な基板)などがある。
AT板、BT板、Y板を用いれば、厚み方向に電圧を印加することにより、すべり歪が発
生し厚みすべり振動を容易に励振することができる。
The
If an AT plate, a BT plate, or a Y plate is used, slip distortion is generated by applying a voltage in the thickness direction, and thickness shear vibration can be easily excited.
図1、2に示した例は平板状の水晶基板2を加工した例で、水晶の結晶軸方向によりエ
ッチング速度が異なるため、図1(c)、(d)に示すように水晶基板2の基板面に垂直
ではなく、傾斜面3’a、3’b、3’c、3’d、4’a、4’b、4’c、4’dが
形成される。
第1梁5と、カウンタービーム6、7と、開口部8a、8bとは、圧電基板2の上面か
らエッチングを進めるので、第1梁5と、カウンタービーム6、7とは圧電基板2の底部
に形成される。
一方、第2梁15と、カウンタービーム16、17と、開口部18a、18bとは、圧
電基板2の下面からエッチングを進めるので、第2梁15と、カウンタービーム16、1
7とは圧電基板2の上面に形成される。
The example shown in FIGS. 1 and 2 is an example in which a
Since the
On the other hand, the
7 is formed on the upper surface of the
図3は、第1梁5の振動姿態を説明するための要部拡大断面図で、上部電極10aと下
部電極11bとを接続し、上部電極11aと下部電極10bとを接続するように引出電極
が結線されている。つまり、電極10aと10bに励振電圧を印加すると、第1梁5の図
中左方領域の電界と、図中右方の領域の電界とを互いに異ならせることができ、この電界
の位相が互いに180度異なることにより、互いに位相の異なるすべり歪によって厚みす
べり振動を励振させることができる。この厚みすべり振動により、ある瞬間には、第1梁
5内部には図3の波線で示すような変位が生じ、第1梁5の上部には中心方向に向かって
の変位が生じ、第1梁5の下部には両端部方向へ向かって変位が生じる。また、ある瞬間
には、第1梁5の上部には両端部方向へ向かっての変位が生じ、第1梁5の下部には中心
方向に向かって変位が生じる。
この変位により第1梁5には実線で示すY軸方向の屈曲振動が励振される。つまり、第
1梁5上に形成した上部電極10a、11a及び下部電極10b、11bへの電圧の印加
状態により、第1梁5に屈曲振動を駆動することが可能となる。
第2梁15についても同様であるので、説明を省略する。
第1及び第2梁5、15には、梁5、15の寸法(長さ、幅等)に依存する周波数の低
い屈曲振動と、梁5、15の厚さの逆数に比例する周波数の高い厚みすべり振動が同時に
励起される。屈曲振動と厚みすべり振動とは、周波数が大きく離れているので、駆動用の
発振器を互いに別に用意する。屈曲振動の周波数変化は力検出に用い、安定度の高い厚み
すべり振動の周波数は、その周波数温度特性を利用して、力検出ユニット1の温度検出に
用いて、屈曲振動の共振周波数の温度補正に用いることができる。
FIG. 3 is an enlarged cross-sectional view of a main part for explaining the vibration state of the
Due to this displacement, bending vibration in the Y-axis direction indicated by the solid line is excited in the
Since the same applies to the
The first and
本発明の力検出ユニット1を基台40に導電性接着35を介して接続、固定した場合の
動作について、図4を用いて説明する。図4(a)、(b)は、図1(a)のQ1−Q1
及びQ2−Q2に於ける断面図である。
−Y軸方向に力F、あるいは+Y軸方向に加速度αが力検出ユニット1に加わると、図
4(a)、(b)に示すように、第1及び第2梁5、15は溝部30より−Y軸方向に撓
むことになる。この際、圧電基板2の厚さ方向の中心線Lより下側に位置する第1梁5に
は圧縮応力が加わり、該第1梁5の屈曲振動の周波数は減少する。一方、圧電基板2の厚
さ方向の中心線Lより上側に位置する第2梁15には引張(伸長)応力が加わり該第2梁
15の屈曲振動の周波数は増加する。
また、+Y軸方向に力F、あるいは−Y軸方向に加速度αが力検出ユニット1に加わる
と、第1及び第2梁5、15は溝部30より+Y軸方向に撓むことになり、第1梁5には
引張(伸長)応力が加わり、該第1梁5の屈曲振動の周波数は増加し、第2梁15には圧
縮応力が加わり該第2梁15の屈曲振動の周波数は減少する。
The operation when the force detection unit 1 of the present invention is connected and fixed to the
And is a sectional view taken along line Q2-Q2.
When the force F is applied to the force detection unit 1 in the −Y-axis direction or the force Y in the + Y-axis direction, the first and
When the force F is applied to the force detection unit 1 in the + Y-axis direction or the acceleration α is applied to the -Y-axis direction, the first and
電極10a、10bと、電極11a、11bとに印加する電圧を互いに逆位相とするこ
とにより、第1及び第2梁5、15には、屈曲振動が励振される。屈曲振動をする梁に伸
長(引張)応力、或いは圧縮応力を加えると梁の共振周波数が変化し、伸長(引張)応力
では共振周波数は増加し、圧縮応力では減少する。梁の共振周波数の変化分と、印加する
応力とは略比例するが、力検出ユニット1の検出精度を期する場合には、梁に印加する力
と、梁の屈曲振動の周波数変化分との対応表を記憶装置に格納して用いればよい。
力検出軸方向のY軸方向に力F、あるいは加速度αを加えることにより、第1梁5の屈
曲振動の周波数変化と、第2梁15の屈曲振動の周波数変化とは互いに逆に変化する。つ
まり、第1及び第2梁5、15を差動動作させることができる。差動動作の利点は、周知
のように周波数感度、即ち力検出感度が2倍になることである。また、第1及び第2梁5
、15の共振周波数の差をとることにより、不要振動、例えば他軸方向の感度を低減する
こと等が可能である。
By making the voltages applied to the
By applying force F or acceleration α in the Y-axis direction of the force detection axis direction, the frequency change of the bending vibration of the
By taking the difference between the resonance frequencies of 15 and 15, it is possible to reduce unnecessary vibration, for example, the sensitivity in the direction of the other axis.
図1に示す力検出ユニット1では、第1梁5の両端部と枠体3との結合部の両側で、第
1梁5と同一平面上に枠体3の部材3b、3dより第1梁5に平行に中央部に延びるカウ
ンタービーム6、7を夫々形成する。同様に、第2梁15の両端部と枠体4との結合部の
両側で、第2梁15と同一平面上に枠体4の部材4b、4dより第2梁15に平行に中央
部に延びるカウンタービーム16、17を夫々形成する。
カウンタービーム6、7、16、17は夫々片持ち梁であり、第1及び第2梁5、15
の幅の中心線に対し、対称に形成されている。
カウンタービーム6、7、16、17の機能は、第1及び第2梁5、15がY軸方向に
変位する際に、この変位と逆方向に変位することで枠体への振動の伝播を抑え、第1及び
第2梁5、15の振動漏れを少なくするように働く。
In the force detection unit 1 shown in FIG. 1, the first beam is formed from the
The counter beams 6, 7, 16, and 17 are cantilever beams, and the first and
It is formed symmetrically with respect to the center line of the width.
The functions of the counter beams 6, 7, 16 and 17 are that when the first and
図1に示した第1及び第2梁5、15夫々に励起する互いに位相の異なる2つの厚みす
べり振動を利用して、第1及び第2梁5、15夫々に屈曲振動を励振する。第1及び第2
梁5、15に加わる力によって梁の屈曲振動の共振周波数が変化するので、該周波数変化
を力検出に用いる。従来の音叉型圧電振動素子に比較し、小型化しても電極形成が容易で
あり、検出感度が維持できるという効果がある。また、屈曲振動が励振される第1梁と第
2梁5、15とを差動的に動作させることにより、力検出感度を倍増させることができる
という効果がある。また、差動動作により、第1及び第2梁5、15がピックアップする
不要振動、例えば他軸方向の振動を低減することができるという効果がある。
また、力検出ユニット1は、第1枠体3の厚さ方向の中心線より下部に第1梁5を形成
し、第2枠体4の厚さ方向の中心線より上部に第2梁15を形成した構造であるので、力
検出ユニット1に厚さ方向の力が加わった際に、第1梁5と第2梁15とに生じる応力は
、一方が伸長応力、他方が圧縮応力となる。つまり、前記第1梁と前記第2梁との共振周
波数は互いに逆に変化する。つまり、第1梁5と第2梁15とを差動動作させることがで
きるので、力の検出感度が倍増し、第1及び第2梁5、15生じる不要振動、例えば他軸
方向の振動を低減することができるという効果がある。
Bending vibration is excited in each of the first and
Since the resonance frequency of the bending vibration of the beam is changed by the force applied to the
Further, the force detection unit 1 forms the
第1及び第2梁5、15と平行する第1及び第2の枠体3、4の部材に夫々溝部30を形
成することにより、第1及び第2の枠体3、4が厚さ方向の力の印加により溝部より容易
に撓むように構成すること可能となり、小さな力も検出できるようになり、力の検出範囲
が広がるという効果がある。
また、第1及び第2梁5、15の夫々の両側に第1及び第2梁5、15と平行にカウン
タービーム6、7及び16、17を配置することにより、第1及び第2梁5、15の屈曲
振動による変位を相殺するように、カウンタービーム6、7及び16、17が変位するの
で、第1及び第2梁5、15の振動漏れを低減するこができる。その結果、第1及び第2
梁5、15のQ値を高めると共に、力検出ユニットの検出精度を高めることができるとい
う効果がある。
By forming the
Further, by arranging the counter beams 6, 7, 16, and 17 in parallel with the first and
There is an effect that the Q value of the
図5は本発明の力検出装置50の断面図の一例である。力検出装置50は、図1に示し
た力検出ユニット1と、力検出ユニット1の第1及び第2梁5、15の屈曲振動、又は厚
みすべり振動の周波数変化を検出する検出部55と、力検出ユニット1と検出部55とを
収容するパッケージ51と、を備えている。
検出部55は、第1及び第2梁5、15を励振するための発振回路と、該発振回路の出
力周波数を演算処理する演算回路とを備えたIC等を含んでいる。パッケージ51は、パ
ッケージ本体51aと、蓋部材51bとからなり、パッケージ本体51aの外底部には外
部接続端子52が形成されている。パッケージ本体51aの内部には力検出ユニット1を
例えば、導電性接着材53を介して搭載するための台座53が設けられている。検出部5
5はパッケージパッケージ本体51aの内部に形成された内部電極に接続される。内部電
極と外部接続端子52とは導通されている。
適用例1乃至4の何れかに記載の力検出ユニット1を用いれば、前記第1及び第2梁の
屈曲振動を互いに差動動作させ、その周波数変化を前記検出部で検出することにより、検
出感度が倍増した力検出装置が構成できるという効果がある。
また、前記第1及び第2梁の屈曲振動の振動漏れを低減し、検出感度が優れ、他軸感度
を抑圧し、検出範囲の広い力検出装置が構成できるという効果がある。
FIG. 5 is an example of a cross-sectional view of the force detection device 50 of the present invention. The force detection device 50 includes a force detection unit 1 illustrated in FIG. 1, a detection unit 55 that detects a change in frequency of bending vibration or thickness shear vibration of the first and
The detection unit 55 includes an IC or the like that includes an oscillation circuit for exciting the first and
5 is connected to an internal electrode formed inside the
If the force detection unit 1 according to any one of the application examples 1 to 4 is used, the bending vibrations of the first and second beams are differentially operated, and the frequency change is detected by the detection unit. There is an effect that a force detection device with doubled sensitivity can be configured.
In addition, it is possible to reduce the leakage of bending vibrations of the first and second beams, to have excellent detection sensitivity, to suppress other axis sensitivity, and to configure a force detection device with a wide detection range.
1…力検出ユニット、2圧電基板、3…第1枠体、3a、3b、3c、3d…部材、3’
a、3’b、3’c、3’d、4’a、4’b、4’c、4’d…傾斜面、4…第2枠体
、4a、4b、4c、4d…部材、5…第1梁、6、7、16、17…カウンタービーム
、8a、8b、18a、18b開口部、10a、11a、20a、21b…上部電極、1
0b、11b、20b、21b…下部電極、10c、10d、11c、11d、20c、
20d、21c、21d…引出電極、15…第2梁、30…溝部、35…導電性接着剤、
40…基台、50…力検出装置、51…パッケージ、51a…パッケージ本体、51b…
蓋部材、52…外部接続端子、53…台座、55…検出部
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Force detection unit, 2 piezoelectric substrate, 3 ... 1st frame, 3a, 3b, 3c, 3d ... member, 3 '
a, 3'b, 3'c, 3'd, 4'a, 4'b, 4'c, 4'd ... inclined surface, 4 ... second frame, 4a, 4b, 4c, 4d ... member, 5 ... 1st beam, 6, 7, 16, 17 ... Counter beam, 8a, 8b, 18a, 18b opening, 10a, 11a, 20a, 21b ... Upper electrode, 1
0b, 11b, 20b, 21b ... lower electrode, 10c, 10d, 11c, 11d, 20c,
20d, 21c, 21d ... extraction electrode, 15 ... second beam, 30 ... groove, 35 ... conductive adhesive,
40 ... Base, 50 ... Force detection device, 51 ... Package, 51a ... Package body, 51b ...
Lid member, 52 ... external connection terminal, 53 ... pedestal, 55 ... detector
Claims (5)
前記第1及び第2枠体の夫々の対向する辺を連結し、厚さ方向の電界によりすべり歪み
による振動をする第1及び第2梁と、
前記第1及び第2梁の中央領域を回避した、前記第1及び第2梁の上面及び下面に形成
された上部電極及び下部電極と、
を備え、
前記第1及び第2梁の延長方向に沿う前記第1及び第2枠体の各一辺を結合し、
前記第1及び第2梁は、前記上部電極及び下部電極に駆動信号が印加されたときに生じ
るすべり歪による振動により、屈曲振動が励振されるように構成されたことを特徴とする
力検出ユニット。 Thin plate-like first and second frames having flexibility in the thickness direction;
First and second beams that connect opposite sides of the first and second frame bodies and vibrate due to slip strain by an electric field in the thickness direction;
An upper electrode and a lower electrode formed on the upper and lower surfaces of the first and second beams, avoiding a central region of the first and second beams;
With
Combining each side of the first and second frame bodies along the extending direction of the first and second beams;
The force detection unit characterized in that the first and second beams are configured to bend and vibrate due to vibration caused by slip strain generated when a drive signal is applied to the upper electrode and the lower electrode. .
前記第2梁の上面は前記第2枠体の上面と同一平面上にあることを特徴とする請求項1
に記載の力検出ユニット。 The bottom surface of the first beam is flush with the bottom surface of the first frame;
The upper surface of the second beam is flush with the upper surface of the second frame.
The force detection unit described in 1.
一方に溝部を有することを特徴とする請求項1に記載の力検出ユニット。 2. The force detection unit according to claim 1, wherein the first and second frame bodies have a groove on at least one of upper and lower surfaces of a member parallel to the first and second beams.
々前記第1及び第2梁と平行で、前記第1及び第2の枠体の夫々の中心部に向かって延在
するカウンタービームを有し、
前記カウンタービームは、前記第1及び第2梁の前記屈曲振動による変位を相殺するよ
うに変位することを特徴とする請求項1に記載の力検出ユニット。 On both sides of each of the first and second beams, each of the first and second frames is parallel to the first and second beams from the opposite sides of the first and second frames, respectively. Having a counter beam extending towards the center of each,
2. The force detection unit according to claim 1, wherein the counter beam is displaced so as to cancel the displacement caused by the bending vibration of the first and second beams.
前記第1及び第2梁の屈曲振動、又は厚みすべり振動の周波数変化を検出する検出部と
、
を備えたことを特徴とする力検出装置。 A force detection unit according to any one of claims 1 to 4,
A detection unit for detecting a change in frequency of bending vibration or thickness shear vibration of the first and second beams;
A force detection device comprising:
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