JP4677493B2 - 圧電振動型力センサ - Google Patents

Description

本発明は、圧電体を用いた力を検出する力センサ関し、特に、圧電体の共振現象を利用し静的な力を検出する圧電振動型力センサに関するものである。

従来の力センサとして、歪ゲージ、静電容量式、導電性ゴムなどが開発されている。これらを利用した力センサはいずれも部材の変形を利用しているため、測定の高感度化、高範囲化を実現するためには十分な変形量が必要となる。よって、小型化した際には、十分な変形量が得ることができないため出力信号がノイズに埋もれてしまい精度が悪化するという問題点があった。

それらに対して、特公昭５７−５１６１１号（特許文献１）に記載されているように圧電体の共振現象を利用したものがある。圧電体は時間的に変化する電圧（例えば交流電圧）を印加すれば、電圧の振幅の時間変動に伴って特定の方向に振動する性質を持つ。

特許文献１記載の技術によると、まず圧電体に直列にインピーダンス６を接続して、圧電体１の共振周波数を越えない固定した振動数の電圧を電源７から印加し、圧電体を振動させる。この状態で圧電体に力を加えると、圧電体のインピーダンスが増大し、そのことにより圧電体の共振周波数が高周波側にシフトする。シフトした状態では、圧電体１に加わる電圧の値は力が加わる前と比べて変化する。この電圧値の変化から、圧電体に加わった力の強弱を定量的に算出することができる（図９）。

特許文献１記載の圧電振動型力センサは、低荷重時では電圧振幅変化が大きいので、検出感度が高いという利点を有している。しかしながら、電圧振幅変化は作用する外力が大きくなるにしたがって小さくなり、検出範囲が狭いものであった。

これに対して、検出範囲を拡大させる手法として特開昭６０−１８７８３４号（特許文献２）、特開昭６０−２２２７３４号（特許文献３）が提案されている。

まず、特許文献２では、２枚の圧電体を貼り合わせた構造、いわゆるバイモルフ型を用いることを特徴としている。このバイモルフ圧電体の一端を固定し、他端を自由端として、圧電体に力を印加する。さらに、圧電体の共振点よりも高い周波数を印加する。２枚の圧電体を張り合わせた構造をしているため振幅が大きくなり、力検出範囲を広くすることができる。

次に、特許文献３では、外力によって生じる圧電体への印加電圧と圧電体の端子電圧との位相角の差を検出し、その位相角差が設定値になるように周波数を制御する。この周波数変化を力検出に用いる。これにより、感度が一様かつ検出範囲を広くできるとしている。
特公昭５７−５１６１１号公報 特開昭６０−１８７８３４号公報 特開昭６０−２２２７３４号公報

しかしながら、特許文献２の発明においては、バイモルフ型圧電体を用いている。バイモルフ圧電体は２枚の圧電素子を貼り合わせた構造であり、コスト、小型化に不利である。

また、特許文献３の発明においては、外力によって生じる圧電体への印加電圧と圧電体の端子電圧との位相角の差を検出し、その位相角差が設定値になるように周波数を制御している。しかしながら、別途に位相角検出回路、位相角設定回路が必要となり回路が複雑化してしまいコストの面や小型化にやはり不利である。

本発明は上述した課題を解決するためになされたものであって、その目的は、構成が簡単で、静的な力を広い範囲にわたって検出することができる圧電振動型力センサを提供することにある。

上記目的を達成するための方法は、時間的に変化する電圧を印加することで特定の方向に振動させた圧電体に対して、
外部から力を受けることで弾性変形して圧電体に力を伝える規制部材を、圧電体の振動に従って摺動するようにし、前記規制部材の圧電体に対向する面は、圧電体の振動方向に対して略平行であり、前記規制部材と圧電体との間に生じる摩擦力に応じて変化する前記圧電体のインピーダンスから、前記規制部材が外部から受けた力を検出することを特徴とする力検出方法である。

また上記目的を達成する圧電振動型力センサは、時間的に変化する電圧を印加することで特定の方向に振動する圧電体と、
前記圧電体の表面に設けられ、前記圧電体に前記電圧を印加する一対の駆動電極と、外部から力を受けることで弾性変形して圧電体に力を伝える規制部材と、
を有する圧電振動型力センサであって、
前記規制部材は、前記圧電体に対して、圧電体の振動に従って摺動するように保持されており、
前記規制部材は、前記駆動電極を介して圧電体と対向するように設けられており、前記規制部材の圧電体に対向する面は、圧電体の振動方向に対して略平行であり、
前記電圧を印加して圧電体を振動させた状態で、前記規制部材と圧電体との間に生じた摩擦力に応じて変化する圧電体のインピーダンスを検出することで、前記規制部材が外部から受けた力を検出することを特徴とする圧電振動型力センサである。

以上のような構成をとることによって、
本発明は圧電体と規制部材との摩擦によって振動を規制するため、従来のように振動方向と同じ方向から直接振動を規制した時に比べて、力の検出範囲を広げることができる。

また、センサの薄型化、小型化のために、対向する一対の駆動電極の面間隔をより短くするように圧電体の厚みを薄くした場合、振動の１次モードは横効果となるため分極方向と振動方向が直交することなる。つまり圧電体の振動方向に対してねじれの位置にある面に規制部材を配置することになり、配置位置が振動に干渉されにくいため、従来のセンサに比べて実装面でも適した構成である。

以上説明したように、本発明によれば、構成が簡単で、静的な力を広い範囲にわたって検出することができる圧電振動型力センサを提供することができる。

図１は本発明の特徴を最もよく表す図面であり、圧電振動型力センサの断面図になる。１は圧電体、２は力が印加される規制部材、３は駆動電極から信号を取り出すための電極、４は圧電体に電圧を印加し振動させる駆動電極である。以上の構成をもつ圧電振動型力センサが取り付け面に保持されている。図１は本発明の圧電体１、規制部材２、駆動電極３からなるセンサの力検出原理を説明するための図で、取り付け面以外の固定部材は不図示としている。センサの固定に取り付け面とは別に、様々な形態が考えられ、センサの周囲を、圧電体の振動を実質的に阻害しない程度の弾性を持つ部材で囲っても良い。その他、公知の固定方法を採用してよい。また、図３に示すように、規制部材に導電性ゴムといった電気的導通が可能なものを用いると電極３を除くことができる。

１の圧電体には、水晶、チタン酸バリウム、ポリフッ化ビニリデンなどの圧電素子を用いる。２の規制部材にはシリコン、ウレタンといった弾性変形する素材を用いることができる。これは、硬い（弾性定数の非常に大きい）部材を直接圧電体に当接させる構成にすると急激に振動が減衰し、検知困難となるためである。

圧電体１には、対向する一対の駆動電極４が設けられており、駆動電極に時間的に変化する電圧を印加することで、圧電体を振動させることができる。振動方向は圧電体の切り出し形状によって主要な振動方向が決まり、振動の１次モードの方向を決めることができる。

圧電体１上に設けられた駆動電極４に対して、規制部材２に引き出し電極３を面状に取り付け、引き出し電極４と駆動電極３との間を摺動可能にする。

このような構成をとることによって、圧電体が規制部材との接触面に生じる摩擦力によって振動を規制することができる。図１に示すように、圧電体の振動方向に対して摩擦を利用して振動を規制することが、本発明の特徴である。そのためには、振動方向と垂直ではない（またはねじれの）位置にある圧電体表面に規制部材を当接させるように構成するとよい。その際、振動方向と交差しないように振動方向に対して略平行に構成すれば、圧電体の振動面に直接干渉しないため実装時に有利である。

従来の圧電振動型力センサでは外力Ｆによって振動面に規制部材を当て振動を直接規制していたが、本発明は動摩擦係数をμとして摩擦力μＦの力で振動を規制する。したがって、理論的にはμ＝０．５であれば、従来のように振動を直接規制する場合に比べて、２倍程度の大きさの力まで検知することが可能で、μ＝０．１であれば１０倍程度の力の範囲まで検知することができる。即ち圧電振動型力センサにおいて、振動の規制に摩擦力を利用することで、静的な力を広い範囲にわたって検出することができる。

図２のように、圧電体１に抵抗器等からなるインピーダンス６を介して、可変周波数発信器７から圧電体の共振周波数近傍の周波数を持つ電圧を力センサ５に印加して圧電体を振動させる。その状態で、規制部材２に力が加わると、規制部材２によって圧電体１の振動が規制されることになる。これにより、圧電体のインピーダンスが大きくなるので、インピーダンス６の両端の電圧振幅が変化する。その結果、図４に示すような負荷された力と出力電圧の関係になる。この変化するインピーダンスから力を検知する。

（実験例１）
直径５．０ｍｍ、厚み９．８ｍｍの円柱型の圧電体を用いて、振動方向を直接規制する場合（従来技術）と、摩擦を利用して振動方向に対して垂直な方向から力を印加した場合（本発明）との比較結果を図５に示す。ここで、圧電体には規制する位置に駆動電極を設け、交流電圧を与えている。１次の共振周波数は１４５ｋＨｚとなり、振動モードは縦効果となった。また、規制部材には厚み１ｍｍのウレタンゴムを用いた。

力を規制部材にさらに加えても出力電圧振幅が変化しない点を力検出限界とする。力の印加方向が平行な場合（圧電体の振動を直接規制）は、力検出限界が３００ｇｆ程度であるのに対して、垂直な場合（圧電体の振動を摩擦力を利用して規制）は４００ｇｆ程度であった。

よって、振動方向に対して垂直方向から力を印加したほうで力検出限界が大きくなることがわかる。つまり、圧電体の振動を摩擦で規制する方法により、力の検出範囲を広げることに有効であることがわかる。

前記の実験結果は振動方向と力の印加方向が垂直θ＝９０°（図６参照）となっていた。そこで、垂直に加えた際の実験結果をもとに、振動方向と力の印加方向とのなす角度θと、圧電体に加わる力との関係を検討した結果を図７に示す。力Ｆ＝４００ｇｆとして、θを変化させた。これにより、例えば今回の実験モデルでは平行方向の力検出限界が３００ｇｆであったことから振動方向に対して力の印加方向が５０°≦θ≦１３０°の範囲では従来の検出方法では検出限界を超えている。したがって、本発明の方法を用いて力の検出範囲を広げることで力が検出できない範囲を無くすことができる。規制部材の力を受ける面にすべりが全く無いなどの理想的な状態ではθは０°より大きい範囲であれば検出は可能であるといえる。規制部材の弾性特性や表面粗さなどの表面特性、及び圧電体との接触方法などを適切に定め、所望の角度で力が検出できるように構成してよい。

（実験例２）
図８は圧電体から外部制御回路とを電気的に接続するための電極の影響を検討した結果である。圧電体には、円板素子（直径２ｍｍ、厚み０．５ｍｍ）、円環素子（直径２ｍｍ、内径１ｍｍ、厚み０．５ｍｍ）を用いた。荷重を２０ｇｆ印加したときの出力電圧を示している。半田ありは圧電体に直接リード線を半田付けして取り付け、半田なしは規制部材の表面にアルミ箔を設けて接触により電気的導通が保つ状態にした。

実験結果から、円環素子、円板素子どちらの場合でも、半田ありに比べ半田なしのほうが約２倍程度の出力電圧が得られていることが確認できる。よって、圧電体と規制部材の導通部は固定せず接触により電気的導通が保たれている状態にすることで力の検出範囲を広げることができる。

従来の圧電体と外部制御回路とを電気的に接続するために直接リード線を半田付けしたものでは、圧電体に付着した半田によって、振動を規制してしまい検出範囲を狭める結果となっていた。本発明を用いれば、圧電体と規制部材の導通部は固定せず（摩擦によって規制する）接触により電気的導通が保たれている状態にすることで力の検出範囲を広げることができる。

また、半田の付着状態によって生じる振動子の振動特性にバラツキや、半田付けの不具合によるリード線の脱落といった半田付けに起因する諸問題も本発明によって解消される。

本発明に係る圧電振動型力センサの構造を示す図である。 本発明の測定原理を示すための図である。 本発明に係る圧電振動型力センサの構造を示す図である。 力と出力電圧の関係を示す図である。 振動方向の平行方向および垂直方向に力を印加した結果を図である。 圧電体の振動方向と力の印加方向の関係を示す図である。 圧電体の振動方向に対する力の印加方向の影響をあらわす図である。 圧電体の半田電極の有無による出力電圧の影響をあらわす図である。 従来の圧電振動型力センサについて示す図である。

１ 圧電体
２ 規制部材
３ 信号取り出し電極
４ 駆動電極
５ 力センサ
６ インピーダンス
７ 可変周波数発信器

Claims (3)

1. 時間的に変化する電圧を印加することで特定の方向に振動させた圧電体に対して、
   外部から力を受けることで弾性変形して圧電体に力を伝える規制部材を、圧電体の振動に従って摺動するようにし、前記規制部材の圧電体に対向する面は、圧電体の振動方向に対して略平行であり、前記規制部材と圧電体との間に生じる摩擦力に応じて変化する前記圧電体のインピーダンスから、前記規制部材が外部から受けた力を検出することを特徴とする力検出方法。
2. 時間的に変化する電圧を印加することで特定の方向に振動する圧電体と、
   前記圧電体の表面に設けられ、前記圧電体に前記電圧を印加する一対の駆動電極と、外部から力を受けることで弾性変形して圧電体に力を伝える規制部材と、
   を有する圧電振動型力センサであって、
   前記規制部材は、前記圧電体に対して、圧電体の振動に従って摺動するように保持されており、
   前記規制部材は、前記駆動電極を介して圧電体と対向するように設けられており、前記規制部材の圧電体に対向する面は、圧電体の振動方向に対して略平行であり、
   前記電圧を印加して圧電体を振動させた状態で、前記規制部材と圧電体との間に生じた摩擦力に応じて変化する圧電体のインピーダンスを検出することで、前記規制部材が外部から受けた力を検出することを特徴とする圧電振動型力センサ。
3. 前記規制部材の圧電体に対向する面に、前記駆動電極と接触し、前記圧電体のインピーダンスを検出するための引き出し電極が設けられたことを特徴とする請求項２に記載の圧電振動型力センサ。