JP2012057999A - Strain sensor - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、特に荷重を付加することによって発生する歪を検出する歪センサに関するものである。 The present invention particularly relates to a strain sensor that detects strain generated by applying a load.
従来のこの種の歪センサは、図7に示すような構成を有していた。 This type of conventional strain sensor has a configuration as shown in FIG.
図7は従来の歪センサの上面図である。 FIG. 7 is a top view of a conventional strain sensor.
図7において、1は第1の振動子で、この第1の振動子1は一対の音叉2を向かいあうように構成されている。3は第2の振動子で、この第2の振動子3は一対の音叉4を向かいあうように構成されている。5は応力伝達部材で、この応力伝達部材5は、前記第1の振動子1と第2の振動子3との間を接続しており、第2の振動子3から第1の振動子1に向かって応力を伝達している。6は支持部材で、この支持部材6は前記第1の振動子1における一端と接続されている。7は押圧部材で、この押圧部材7は前記第2の振動子3における一端と接続されている。
In FIG. 7, reference numeral 1 denotes a first vibrator, and the first vibrator 1 is configured to face a pair of tuning forks 2. Reference numeral 3 denotes a second vibrator, and the second vibrator 3 is configured to face a pair of
以上のように構成された従来の歪センサについて、次にその動作を説明する。 Next, the operation of the conventional strain sensor configured as described above will be described.
押圧部材7にY軸方向の押圧力が作用すると、第1の振動子1および第2の振動子3に圧縮力が加わる。そして、第1の振動子1および第2の振動子3の固有振動数faは減少する。したがって、第1の振動子1および第2の振動子3の固有振動数faを測定することにより、押圧部材7に加わる押圧力を検出することができるものであった。 When a pressing force in the Y-axis direction acts on the pressing member 7, a compressive force is applied to the first vibrator 1 and the second vibrator 3. Then, the natural frequency fa of the first vibrator 1 and the second vibrator 3 decreases. Therefore, the pressing force applied to the pressing member 7 can be detected by measuring the natural frequency fa of the first vibrator 1 and the second vibrator 3.
なお、この出願の発明に関する先行技術文献情報としては、例えば、特許文献1が知られている。 As prior art document information relating to the invention of this application, for example, Patent Document 1 is known.
しかしながら、上記従来の構成においては、押圧部材7からの押圧力が第2の振動子3および第1の振動子1に直接に作用しているため、過大な押圧力が第1の振動子1および第2の振動子3に加わると、第1の振動子1および第2の振動子3に残留応力が発生することとなり、これにより、無負荷状態での第1の振動子1および第2の振動子3の固有振動数が変動するため、押圧力を精度良く測定できなくなってしまうという課題を有していた。 However, in the above-described conventional configuration, since the pressing force from the pressing member 7 directly acts on the second vibrator 3 and the first vibrator 1, the excessive pressing force is applied to the first vibrator 1. When applied to the second vibrator 3, residual stress is generated in the first vibrator 1 and the second vibrator 3, thereby causing the first vibrator 1 and the second vibrator in the no-load state. Since the natural frequency of the vibrator 3 fluctuates, the pressing force cannot be measured with high accuracy.
本発明は上記従来の課題を解決するもので、押圧部材に過大な押圧力が加わっても、無負荷状態での振動子の固有振動数が変動してしまうということのない、測定精度の向上した歪センサを提供することを目的とするものである。 The present invention solves the above-described conventional problem, and even if an excessive pressing force is applied to the pressing member, the natural frequency of the vibrator in the no-load state does not fluctuate and the measurement accuracy is improved. An object of the present invention is to provide a strain sensor.
上記目的を達成するために、本発明は以下の構成を有するものである。 In order to achieve the above object, the present invention has the following configuration.
本発明の請求項1に記載の発明は、駆動部と検出部とを有する振動子を設けた両持梁と、一端が前記両持梁の両端と接続された円筒形状の応力伝達部材と、この応力伝達部材の他端と接続された押圧部材とを備え、前記振動子における駆動部に電圧を印加して振動子を振動駆動させるとともに、荷重による振動子の固有振動数の変動を検出部から出力信号として検出することにより、応力伝達部材を介して両持梁に作用する応力を測定するようにしたもので、この構成によれば、応力伝達部材を介して両持梁に作用する応力を測定するようにしたため、押圧部材からの押圧力が振動子に直接に作用することがなくなり、これにより、振動子に残留応力が発生しないから、無負荷状態での振動子の固有振動数が変動しないこととなり、その結果、押圧力を精度良く測定できるという作用効果を有するものである。 The invention according to claim 1 of the present invention includes a both-end support beam provided with a vibrator having a drive unit and a detection unit, a cylindrical stress transmission member having one end connected to both ends of the both-end support beam, A pressing member connected to the other end of the stress transmission member, and applying a voltage to the driving unit in the vibrator to drive the vibrator to vibrate, and to detect fluctuations in the natural frequency of the vibrator due to the load By detecting this as an output signal, the stress acting on the both-end beam is measured via the stress transmission member. According to this configuration, the stress acting on the both-end support beam via the stress transmission member Since the pressing force from the pressing member does not directly act on the vibrator, and no residual stress is generated in the vibrator, the natural frequency of the vibrator in the no-load state is reduced. As a result, it will not fluctuate And it has a effect that the pressing force can be accurately measured.
本発明の請求項2に記載の発明は、特に、駆動部および検出部を、下部電極、圧電層および上部電極の積層構造としたもので、この構成によれば、駆動部および検出部を、下部電極、圧電層および上部電極の積層構造としたため、小さなスペースで、駆動部および検出部を形成できるという作用効果を有するものである。 The invention according to claim 2 of the present invention is such that, in particular, the drive unit and the detection unit have a laminated structure of a lower electrode, a piezoelectric layer, and an upper electrode. According to this configuration, the drive unit and the detection unit are Since the lower electrode, the piezoelectric layer, and the upper electrode are stacked, the drive unit and the detection unit can be formed in a small space.
本発明の請求項3に記載の発明は、押圧部材に外方に突出するように鍔部を設けるとともに、この鍔部の下側を支持する支持部材を設けたもので、この構成によれば、押圧部材に外方に突出するように鍔部を設けるとともに、この鍔部の下側を支持する支持部材を設けたため、押圧部材に加わる押圧力を、鍔部を介して支持部材が吸収することとなり、その結果、押圧部材からの押圧力が振動子に直接に作用しないから、無負荷状態での振動子の固有振動数が変動しなくなり、さらに、押圧力を精度良く測定できるという作用効果を有するものである。 According to the third aspect of the present invention, the pressing member is provided with the flange portion so as to protrude outward, and the support member for supporting the lower side of the flange portion is provided. The pressing member is provided with the flange so as to protrude outward, and the support member for supporting the lower side of the flange is provided, so that the supporting member absorbs the pressing force applied to the pressing member via the flange. As a result, since the pressing force from the pressing member does not directly act on the vibrator, the natural frequency of the vibrator in the no-load state does not fluctuate, and the pressing force can be accurately measured. It is what has.
本発明の歪センサは、駆動部と検出部とを有する振動子を設けた両持梁と、一端が前記両持梁の両端と接続された円筒形状の応力伝達部材と、この応力伝達部材の他端と接続された押圧部材とを備え、前記振動子における駆動部に電圧を印加して振動子を振動駆動させるとともに、荷重による振動子の固有振動数の変動を検出部から出力信号として検出することにより、応力伝達部材を介して両持梁に作用する応力を測定するようにしたもので、この構成によれば、応力伝達部材を介して両持梁に作用する応力を測定するようにしたため、押圧部材からの押圧力が振動子に直接に作用することがなくなり、これにより、振動子に残留応力が発生しないから、無負荷状態での振動子の固有振動数が変動しないこととなり、その結果、押圧力を精度良く測定できる歪センサを提供することができるという効果を有するものである。 A strain sensor according to the present invention includes a both-end support beam provided with a vibrator having a drive unit and a detection unit, a cylindrical stress transmission member having one end connected to both ends of the both-end support beam, A pressing member connected to the other end, and applying a voltage to the drive unit of the vibrator to drive the vibrator to vibrate, and detecting fluctuations in the natural frequency of the vibrator due to a load as an output signal from the detection unit By doing so, the stress acting on the both-end beam is measured via the stress transmission member. According to this configuration, the stress acting on the both-end beam is measured via the stress transmission member. Therefore, the pressing force from the pressing member does not directly act on the vibrator, and no residual stress is generated in the vibrator, so that the natural frequency of the vibrator in the no-load state does not fluctuate. As a result, the pressing force is precisely adjusted. Those having an effect that it is possible to provide a strain sensor which can be measured.
以下、本発明の一実施の形態における歪センサについて、図面を参照しながら説明する。 Hereinafter, a strain sensor according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
図1は本発明の一実施の形態における歪センサの分解斜視図、図2は同歪センサの側断面図、図3は同歪センサの上断面図、図4は同歪センサの両持梁における機能部の平面図である。 1 is an exploded perspective view of a strain sensor according to an embodiment of the present invention, FIG. 2 is a side sectional view of the strain sensor, FIG. 3 is a top sectional view of the strain sensor, and FIG. It is a top view of the functional part in.
図1〜図4において、21は歪検出素子で、この歪検出素子21は両持梁22と、この両持梁22の両端を接続する輪状の接続部23とにより構成されている。また歪検出素子21における両持梁22の上面には、機能部24を設けており、この機能部24には、第1の振動子25およびこの第1の振動子25と直行するように設けられた第2の振動子26とを設けている。そして、前記歪検出素子21における第1の振動子25および第2の振動子26の各々には、両端側に、Ptからなる下部電極(図示せず)、PZTからなる圧電層(図示せず)およびAuからなる上部電極(図示せず)を積層して構成された、一対の駆動部27を設けている。そしてまた、前記一対の駆動部27の間には、Ptからなる下部電極(図示せず)、PZTからなる圧電層(図示せず)およびAuからなる上部電極(図示せず)を積層して構成された検出部28を設けている。なお、駆動部27および検出部28はそれぞれPtからなる下部電極(図示せず)、PZTからなる圧電層(図示せず)およびAuからなる上部電極(図示せず)を積層して構成されている。
1 to 4,
そして、駆動部27および検出部28を、下部電極(図示せず)、圧電層(図示せず)および上部電極(図示せず)の積層構造としたため、小さなスペースで、駆動部27および検出部28を形成できるという作用効果を有するものである。
Since the
29は駆動電極で、この駆動電極29は配線パターン30を介して、前記第1の振動子25および第2の振動子26における駆動部27の上部電極(図示せず)と電気的に接続されている。31はGND表出電極で、このGND表出電極31は前記第1の振動子25および第2の振動子26における駆動部27の下部電極(図示せず)および検出部28の下部電極(図示せず)と一体に構成されており、機能部24の全体にわたって設けられている。そして、前述のGND表出電極31は、機能部24の全体にわたって設けられた絶縁層32の一部を切り欠いて構成されている。33は検出電極で、この検出電極33は前記第1の振動子25および第2の振動子26における検出部28の上部電極(図示せず)と電気的に接続されている。34は円筒形状の例えばSUS430からなる応力伝達部材で、この応力伝達部材34は、下端を前記歪検出素子21における接続部23および両持梁22における両端と固着されている。35は例えばSUS430からなる押圧部材で、この押圧部材35は、外方へ突出するように設けた円形薄板形状の鍔部36と、円柱形状の押圧部37とを設けており、鍔部36の下面を前記応力伝達部材34における上端に固着している。38は例えばSUS430からなる支持部材で、この支持部材38は前記鍔部36の下面外端と上面が固着されている円筒形状の支持部39と、この支持部39を上面に設けた板状の取付部40とを設けており、この取付部40の外端に一対の取付孔41を設けている。
以上のように構成された本発明の実施の形態1における歪センサについて、次にその組立方法について説明する。 Next, the assembly method of the strain sensor according to the first embodiment of the present invention configured as described above will be described.
まず、SOI基板(図示せず)の上面に、順番にPtからなる下部電極(図示せず)、PZT薄膜(図示せず)、Auからなる上部電極(図示せず)を形成する。 First, a lower electrode (not shown) made of Pt, a PZT thin film (not shown), and an upper electrode (not shown) made of Au are sequentially formed on the upper surface of an SOI substrate (not shown).
次に、上部電極(図示せず)をエッチングして、機能部24の上面に、駆動部27、検出部28、配線パターン30、駆動電極29、検出電極33を形成する。
Next, the upper electrode (not shown) is etched to form the
次に、PZT薄膜(図示せず)をエッチングして、下部電極(図示せず)の一部を露出させ、機能部24を形成する。
Next, the PZT thin film (not shown) is etched to expose a part of the lower electrode (not shown) to form the
次に、円板形状の歪検出素子21から半円形状の部材を打ち抜くことにより歪検出素子21の中央に両持梁22を形成した後、この両持梁22に機能部24を貼付する。
Next, a semi-circular member is punched from the disc-shaped
次に、押圧部材35に例えば、ヘッダー加工等の深絞り加工をすることにより、円筒形状の応力伝達部材34および薄板円盤形状の鍔部36を形成する。
Next, a cylindrical
次に、前記押圧部材35における応力伝達部材34の下面に、歪検出素子21における接続部23を固着する。
Next, the
次に、板状の支持部材38をプレス加工することにより、一対の取付孔41を形成した後、深絞り加工することにより、支持部材38に支持部39を形成する。
Next, after pressing the plate-
最後に、前記支持部材38における支持部39の上面に、押圧部材35における鍔部36の外周側下面を固着する。
Finally, the outer peripheral side lower surface of the
以上のようにして構成され、かつ組み立てられた本発明の一実施の形態における歪センサについて、次に、その動作を説明する。 Next, the operation of the strain sensor according to the embodiment of the present invention constructed and assembled as described above will be described.
まず、支持部材38における取付孔41にボルト(図示せず)を挿通した後、ナット(図示せず)をボルト(図示せず)に螺合することにより、歪センサを被検出体(図示せず)に取着する。
First, after inserting a bolt (not shown) into the mounting
そして、第1の振動子25における駆動部27に、第1の振動子25の固有振動数faと略同一の周波数の交流電圧を印加するとともに、第2の振動子26における駆動部27に、第2の振動子26の固有振動数fbと略同一の周波数の交流電圧を印加する。そうすると、第1の振動子25は固有振動数faで弦振動し、一方、第2の振動子26は固有振動数fbで弦振動する。この状態において、第1の振動子25における検出部28からの出力信号を処理すると、振動数faが検出され、同様に、第2の振動子26における検出部28からは振動数fbが検出される。そして、図5に示すように、押圧部材35における押圧部37に上方より、押圧力が作用すると、押圧部材35における鍔部36と、支持部材38における支持部39との接合箇所が接点となり、鍔部36が撓んで、歪検出素子21における両持梁22に引張力が加わる。そして、図6に示すように、機能部24における第1の振動子25の固有振動数faは減少し、一方、第2の振動子26の固有振動数fbは増加する。したがって、第1の振動子25および第2の振動子26の双方の検出部28からの出力信号を処理することにより、周波数の変化量として、押圧部材35における押圧部37に加わる押圧力を検出することができるものである。
And while applying the alternating voltage of the frequency substantially the same as the natural frequency fa of the
また、同様に、押圧部材35における押圧部37に上方に引張力が作用すると、押圧部材35における鍔部36と、支持部材38における支持部39との接合箇所が接点となり、鍔部36が撓んで、歪検出素子21における両持梁22に引張力が加わる。そして、機能部24における第1の振動子25の固有振動数faは増加し、一方、第2の振動子26の固有振動数fbは減少する。したがって、第1の振動子25および第2の振動子26の双方の検出部28からの出力信号を処理することにより、周波数の変化量として、押圧部材35における押圧部37に加わる引張力を検出することができるものである。
Similarly, when a tensile force is applied upward to the
ここで、押圧部材35に過大な引張力が加わる場合を考えると、本発明の一実施の形態における歪センサにおいては、応力伝達部材34を介して両持梁22に作用する応力を測定するようにしたため、押圧部材35からの押圧力が第1の振動子25および第2の振動子26に直接に作用することがなくなり、これにより、第1の振動子25および第2の振動子26に残留応力が発生しないから、無負荷状態での第1の振動子25および第2の振動子26の固有振動数が変動しないこととなり、その結果、押圧力を精度良く測定できるという作用効果を有するものである。
Here, considering the case where an excessive tensile force is applied to the pressing
本発明にかかる歪センサは、押圧部材に過大な押圧力が加わっても、無負荷状態での振動子の固有振動数が変動してしまうということのない、信頼性の向上した歪センサを提供することができるという効果を有し、自動車等のシート重量を検出する用途に適用できるものである。 The strain sensor according to the present invention provides a strain sensor with improved reliability in which the natural frequency of the vibrator in an unloaded state does not fluctuate even when an excessive pressing force is applied to the pressing member. The present invention can be applied to applications that detect the weight of a seat such as an automobile.
22 両持梁
25 第1の振動子
26 第2の振動子
27 駆動部
28 検出部
34 応力伝達部材
35 押圧部材
36 鍔部
38 支持部材
DESCRIPTION OF
Claims (3)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2010199606A JP2012057999A (en) | 2010-09-07 | 2010-09-07 | Strain sensor |
Applications Claiming Priority (1)
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JP2010199606A JP2012057999A (en) | 2010-09-07 | 2010-09-07 | Strain sensor |
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JP2012057999A true JP2012057999A (en) | 2012-03-22 |
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JP (1) | JP2012057999A (en) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2015033522A1 (en) * | 2013-09-06 | 2015-03-12 | パナソニックIpマネジメント株式会社 | Strain sensor |
-
2010
- 2010-09-07 JP JP2010199606A patent/JP2012057999A/en active Pending
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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WO2015033522A1 (en) * | 2013-09-06 | 2015-03-12 | パナソニックIpマネジメント株式会社 | Strain sensor |
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