JP4106207B2 - 力センサ - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、音響表面波用の少なくとも１つの走行区間が配置された担体を有する力センサであって、前記担体に対する力作用が、音響表面波が走行区間を通走するために必要とする時間を測定することにより検出可能である形式のものに関する。
【０００２】
【従来の技術】
担体の変形が音響表面波用の走行区間を用いて測定される力センサは既に公知である。担体に対する力作用においては、音響表面波が走行区間を通走するために必要とする時間が変化する。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の課題は、公知の欠点を回避することにある。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
この課題を解決するために本発明では、音響表面波用の第１及び第２の走行区間が設けられており、これらの第１及び第２の走行区間が互いにほぼ平行に配置されており、更に、前記走行区間の長さが互いに異なっており、担体が変形可能な媒体に埋め込まれているようにした。
【０００５】
【発明の効果】
請求項１の特徴部に記載の本発明による力センサは、担体に対する力作用が互いに垂直な２方向で検出可能であるという利点を有している。これにより、センサ素子において種々様々な力成分を測定することができる。
【０００６】
本発明の有利な構成は請求項２以下に記載されている。走行区間は、櫛形のキャパシタ構造体及びバリアから、特に簡単に実現される。この場合、特に簡単には圧電材料から成る担体が使用される。電気的な信号の入出力は、有利にはアンテナにより行われる。特に簡単には、担体は上面において第１及び第２の走行区間が実現されたプレートにより実現される。第３の方向で力成分を測定できるようにするためには、別の走行区間がプレート状の担体の下面に配置されていてよい。担体は、埋込みのために弾性材料内に設けられていてもよい。
【０００７】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の実施の形態を図面につき詳しく説明する。
【０００８】
図１〜３において、音響表面波用の走行区間が設けられた力センサの基本原理を説明する。図１には圧電材料から成る担体１００を上から見た図が示されている。この担体にはフィンガ状のキャパシタ構造体１０１が取り付けられており、このキャパシタ構造体１０１は例えば薄層金属被覆によって実現されている。この場合、複数の個別キャパシタフィンガが相互に係合している。個々のフィンガのジオメトリ間隔に基づき、電圧印加時に担体１００の圧電材料に変形が生じ、この変形により、担体１００に音響表面波が発生する。この場合、この音響表面波が問題になっている。なぜならば、音響表面波は音速で担体１００の材料内に広がり且つ担体１００の表面の変形によって現れるからである。キャパシタ構造体１０１の領域における変形は電圧の印加により生ぜしめられる。それというのも、電圧印加時には圧電材料の変形が生ぜしめられるからである。電圧をキャパシタ構造体１０１に印加するためには、やはり薄層金属被覆によって構成されたアンテナ装置１０２が設けられている。電気的な高周波信号の入力により、キャパシタ構造体１０１に相応に電圧が印加されるので、担体１００に音響表面波が生ぜしめられる。
【０００９】
既に説明したように、この音響表面波は担体１００上で音速で広がる。キャパシタ構造体から出発して音響表面波は担体１００の長手方向に沿って進み、表面の反射バリア１０３にぶつかる。この反射バリア１０３において音響表面波の一部が反射され、バリア１０３から再びキャパシタ構造体１０１に戻る。しかし、音響表面波の別の部分は更に広がって、第２のバリア１０４で改めて反射される。即ち、前記表面波は適当な時間のずれを伴ってバリア１０４から出発してキャパシタ構造体１０１へ戻る。バリア１０３，１０４から戻ってくる音響表面波は、キャパシタ構造体１０１の下位の圧電材料に相応の変形を生ぜしめ、これらの変形は、圧電効果に基づいてキャパシタ構造体１０１内の電圧により生ぜしめられる。次いでこれらの電圧はアンテナ１０２を介して高周波信号の形で再び外部に出力される。即ち、キャパシタ構造体１０１及びバリア１０３，１０４により、音響表面波用の走行区間が実現される。
【００１０】
図２には、時間ｔに対する高周波信号Ｉ（ｔ）の強度が描かれている。時点ｔ０において、励起信号を成す第１の強い高周波信号が入力される。この信号は外部から入力されて、キャパシタ構造体１０１において担体１００中に音響表面波を生ぜしめる。時点ｔ１ではアンテナ１０２から高周波信号が送出され、この高周波信号はバリア１０３において反射された表面波によってトリガされる。時点ｔ２ではアンテナ１０２から第２の高周波信号が送出され、この第２の高周波信号はバリア１０４において反射された表面波によってトリガされる。
【００１１】
時点ｔ０に対する時点ｔ１，ｔ２の信号間隔及び各時点相互の信号間隔に基づき、担体１００に関する情報が得られる。それというのも、これらの時間差は担体１００における音響表面波の走行時間に関連しているからである。担体１００における音響表面波の走行時間は、例えば担体１００の温度によって影響される。更に、前記走行時間は担体１００の機械的変形により影響される。これらの作用を互いに分離できるようにするためには、図１に示した担体１００は剛性の領域１１０と可撓性の領域１２０とを有している。剛性の領域１１０は、特にその厚さが可撓性の領域１２０よりも厚く構成されていてよい。これにより、担体１００に機械的な力が生じた場合、この担体１００の、キャパシタ構造体１０１とは反対の側の端部において、主として可撓性の領域１２０で担体１００が曲げられる。このことは、可撓性の領域１２０における音響表面波の走行時間に現れ、従って、時点ｔ２は時点ｔ０に対してずらされる。バリア１０３は機械的に安定した領域１１０に配置されているので、機械的な力がもたらされた場合でも、時点ｔ１は時点ｔ０に対してほとんどずれない。従って、表面波の走行時間は、前記領域１１０では温度にだけ関連している。こうして、時点ｔ０，ｔ１間の時間を測定することにより、担体１００の温度に関する情報が得られる。時点ｔ０，ｔ２間の時間差を測定することにより、担体１００に作用する力に関する情報が得られる。
【００１２】
従って、図１に示した装置は、担体１００に作用する力を検出することのできる力センサとして適している。バリア１０４によって反射される信号は時間的なずれに関して、もたらされる力によっても担体の温度によっても影響を及ぼされる。但し、前記信号に対する温度の影響は、バリア１０３によって反射された信号を考慮することによって算出され得る。
【００１３】
従って、フィンガ状のキャパシタ構造体１０１及びバリア１０３，１０４により、圧電担体１００における音響表面波用の走行区間が実現される。圧電担体１００上でこのような走行区間を実現する別の手段も可能である。例えば２つのキャパシタ構造体が担体に取り付けられていてよく、一方のキャパシタ構造体は音響表面波の励起用に設計されており、他方のキャパシタ構造体は音響表面波の受信のために設計されている。この場合、前記信号の走行時間も、担体における機械的応力によって影響される。担体１００の温度の別の温度測定手段が存在する限りは、例えば図１に示したバリア１０３を省くことができる。それというのも、このバリアは主として温度情報をもたらすからである。
【００１４】
しかし、図１に示したような素子は、担体上に垂直方向で位置する唯一の力成分しか測定できない。次の図面において、互いに垂直方向の複数の力成分を検出することのできる本発明による力センサを説明する。
【００１５】
図３には圧電担体１００が示されており、この担体１００には第１のフィンガ状のキャパシタ構造体１１及び第２のフィンガ状のキャパシタ構造体１２が配置されている。第１のフィンガ状のキャパシタ構造体１１はやはり担体１００に取り付けられたバリア１，３と一緒に音響表面波用の第１の走行区間を形成している。更に、第２のフィンガ状のキャパシタ構造体１２が担体１００に取り付けられており、この第２のキャパシタ構造体１２は担体１００上のバリア２，４と一緒に音響表面波用の第２の走行区間を形成している。担体１００は第１の剛性の領域１１０を有しており、この場合、この領域には第１のキャパシタ構造体１１、第２のキャパシタ構造体１２及びバリア１，２が配置されている。更に、担体１００は可撓性の領域１２０を有しており、この領域にはバリア３，４が配置されている。薄くされた前記領域１２０の下面には、更に力導入エレメント１３０が取り付けられている。担体１００及び力導入エレメント１３０は、例えば自動車タイヤのゴム等の弾性材料に埋め込まれている。担体１００が埋め込まれたこの弾性材料は、図３では図示していない。しかし判りやすくするために、この弾性材料の外側輪郭１４０を示す。この場合は特に自動車タイヤが想定される。つまり、前記外側輪郭１４０は、例えば自動車タイヤの成形部材から成っている。第１のキャパシタ構造体１１及び第２のキャパシタ構造体１２は、接続ウェブ１５０を介して電気的に互いに接続されている。更に、前記構造体は電気的にアンテナ素子１０２に接続されており、これらのアンテナ素子１０２によってやはり高周波信号が外部から入力されるか、若しくは電圧に関連してキャパシタ構造体１１，１２に相応の信号が送出されてよい。
【００１６】
図３では、埋め込む弾性材料に力が全く作用していないときの担体１００が示されている。この状態で高周波信号の入力時に発生する電気的な信号は、図６に示されている。
【００１７】
図６にはやはり、時間ｔに対する高周波信号Ｉ（ｔ）の強度が描かれている。時点ｔ０ではやはり、外部高周波パルスの入力による励起が行われる。これにより、第１のキャパシタ構造体１１も第２のキャパシタ構造体１２も、音響表面波が送出されるように励起される。時点ｔ１では、バリア１で反射された表面波が第１のキャパシタ構造体１１に到達して、相応の高周波信号がアンテナ１０２を介して送出される。時点ｔ２では、バリア２で反射された表面波が第２のキャパシタ構造体１２に到達して、やはり相応の信号が送出される。これらの２つのパルスが互いに簡単に分離され得るには、バリア１，２が各キャパシタ構造体に対する走行距離に関してずらされて取り付けられている。同様に、バリア構造体３，４も相互にずらされて配置されているので、時点ｔ３ではバリア３により反射された表面波が第１のキャパシタ構造体１１に到達し、時点ｔ４ではバリア４により反射された表面波が第２のキャパシタ構造体１２に到達する。
【００１８】
図４には、Ｙ方向（座標系は図３に示されている）の力が作用したときの力センサが示されている。符号により、図３に示したのと同じ構成部材を示す。Ｙ方向の力により、担体１００が埋め込まれた弾性媒体の変形が行われる。このことは、弾性質量の表面１００の相応の変位によって示されている。力入力エレメント１３０により、担体１００は適当に回動される。この回動は、主として担体１００の可撓性に形成された部分１２０に作用する。それというのも、この部分の厚さは減少されており、これにより比較的可撓性だからである。但し、担体１００の厚くされた剛性の領域１１０は僅かにしか変形されない。
【００１９】
図７では、Ｙ方向での力作用によって生じる、時間ｔに対する信号強度Ｉ（ｔ）の変化が描かれている。時点ｔ０，ｔ１，ｔ２における信号は、既に図６で示した信号に等しい。このことは、担体１００の領域１１０では変形が行われず、これにより、そこで発生した信号も変化されないということに基づいている。しかし、図７ではっきりと認識できるように、担体１００の領域１２０の回動は時点ｔ３，ｔ４の明らかな変位を生ぜしめる。つまり、反射された信号がバリア３，４から届く時点がずらされる。図７には、図６の時点ｔ３，ｔ４における信号が細い線でもう一度示されている一方で、ずらされた信号は太い線で示されている。図７で認識されるように、時点ｔ３は図６に比べてより早い時間へずらされているのに対して、時点ｔ４はより遅い時点へずらされている。このことは、図７に示した矢印によっても再度示される。従って、Ｙ方向の力は、キャパシタ構造体１１及びバリア３によって形成される第１の走行区間内の走行時間を短縮し、キャパシタ構造体１２及びバリア４によって形成される第２の走行区間内の走行時間を延長する。
【００２０】
図５には、Ｘ方向の力作用が示されている。図３及び図４と同じ構成部材にはやはり同一符号が付されている。図５で見られるように、Ｘ方向の力により、主として担体１００の変形可能な領域１２０が変形される。Ｘ方向の力により、可撓性の領域１２０が主として下方に向かって負のＺ方向へ曲げられるので、両走行区間内の信号走行時間に対する影響はほぼ同じである。このことは、図６及び図７に対応してＸ方向の力の導入時の信号を示した図８において認識される。時点ｔ０，ｔ１，ｔ２における信号はやはり、図６及び図７に示した信号に等しい。時点ｔ３，ｔ４における信号は太い線で示されており、図６に示した時点ｔ３，ｔ４における本来の信号は細い線で示されている。矢印も示しているように、両時点ｔ３，ｔ４は、図６の負荷されていない時点ｔ３，ｔ４に対して相対的に、より遅い時点へずらされている。
【００２１】
即ち、担体１００上に配置された両走行区間により、Ｘ方向及びＹ方向の力作用は明らかに相互に分離され得る。これにより、互いに平行に担体１００上に配置された両走行区間に基づいて、２つの力成分を同時に検出することができる。
【００２２】
図９には、本発明の別の実施例が示されている。図９には担体１００を下から見た図が示されている。この担体１００を上から見た図は図３〜図５と同じであり、つまり、この担体の上面には図３〜図５に示したように既に第１及び第２の走行区間が配置されている。担体の下面には２つの別の走行区間が配置されており、これらの走行区間は図９で、領域１１０，１２０の部分域を下から見た図で示される。領域１２０の下面には第３の櫛形のキャパシタ構造体１３及び第４の櫛形のキャパシタ構造体１４が設けられており、これらのキャパシタ構造体１３，１４はそれぞれ対応配置されたバリア５，６と一緒に２つの別の走行区間を形成している。櫛形の両キャパシタ構造体１３，１４もやはり、高周波信号の受信若しくは送信のためのアンテナ１０２と接続されている。
【００２３】
下面に取り付けられた走行区間の信号により、更に付加的にＺ方向の力が検出され得る。Ｘ方向の力作用におけるのと同様に、Ｚ方向の力は担体１００の曲げ可能な領域１２０の曲げを生ぜしめる。Ｘ方向の力が作用した場合、前記領域１２０が曲げられるだけでなく、更に、やはり担体１００における表面波の走行時間に影響を及ぼすＸ方向の力成分が直接に担体１００に作用する。しかし、Ｚ軸方向の力の場合は、領域１２０が曲げられるに過ぎない。従って、Ｚ方向の力作用は、担体１００の上面及び下面においてほとんど等しいが、正負は異なる。Ｘ方向の力が作用した場合も、担体１００に直接に入力されるＸ方向の力に基づき、上面及び下面における表面波の走行時間に対する作用の正負は異なるが、値は等しくない。従って、Ｘ方向の力作用とＺ方向の力作用とは異なっていてよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来技術に基づいた力センサを示した図である。
【図２】図１のセンサの信号を示した図である。
【図３】様々な方向からの力で負荷された本発明の第１実施例を示した図である。
【図４】様々な方向からの力で負荷された本発明の第１実施例を示した図である。
【図５】様々な方向からの力で負荷された本発明の第１実施例を示した図である。
【図６】図３のセンサの信号を示した図である。
【図７】図４のセンサの信号を示した図である。
【図８】図５のセンサの信号を示した図である。
【図９】本発明の別の実施例を示した図である。
【符号の説明】
１００ 担体、 １１，１２，１３，１４，１０１ キャパシタ構造体、 １０２ アンテナ装置、 １，２，３，４，１０３，１０４ 反射バリア、 １１０ 剛性の領域、 １２０ 可撓性の領域、 １３０ 力導入エレメント、 １４０ 外側輪郭、 １５０ 接続ウェブ

Claims (7)

1. 音響表面波用の少なくとも１つの走行区間が配置された担体（１００）を有する力センサであって、前記担体（１００）に対する力作用が、音響表面波が走行区間を通走するために必要とする時間を測定することにより検出可能である形式のものにおいて、
   音響表面波用の第１及び第２の走行区間（１１，１２，１，２，３，４）が設けられており、これらの第１及び第２の走行区間（１１，１２，１，２，３，４）が互いにほぼ平行に配置されており、更に、前記走行区間（１１，１２，１，２，３，４）の長さが互いに異なっており、担体が変形可能な媒体に埋め込まれていることを特徴とする力センサ。
2. 第１及び第２の走行区間（１１，１２，１，２，３，４）が、櫛形のキャパシタ構造体（１１，１２）を圧電材料に配置し且つ反射バリア（１，２，３，４）を担体（１００）に配置することにより実現されている、請求項１記載の力センサ。
3. 担体（１００）が圧電材料から成っており、キャパシタ構造体（１１，１２）が前記担体の表面に直接に取り付けられている、請求項２記載の力センサ。
4. キャパシタ構造体（１１，１２）がアンテナ素子（１０２）と接続されている、請求項２又は３記載の力センサ。
5. 担体（１００）がプレート状の担体（１００）として形成されており、第１及び第２の走行区間がプレート状の担体（１００）の上面に配置されている、請求項１から４までのいずれか１項記載の力センサ。
6. 少なくとも１つの別の走行区間（１３，１４，５，６）がプレート状の担体（１００）の下面に配置されている、請求項５記載の力センサ。
7. 担体が自動車タイヤの材料に埋め込まれている、請求項１から６までのいずれか１項記載の力センサ。

Images