JPH01109228A - 一体型振動子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は振動子に係り、より詳細には、応力変化によっ
て生じる圧電振動板の固有振動数の変化を検出すること
により、荷重や変位の検出用センサとして応用される振
動子に関する。

［従来の技術］ 従来から圧電振動板の固有振動数の変化を検出する振動
子としては種々のタイプのものが考案されているが（特
公昭４７−５０７５６．特開昭４８−６０８９０、実公
昭６１−８３４４．米国特許３６１７７８０号、特開昭
５６−２１０２９等）、その代表的なタイプとして第１
２図に示されるものがある。

この振動子はカンチレバー５１の上下面に段差部５２を
有する溝５３を形成しておき、これらの溝５３の各段差
部５２に励振用電極５４が取付けられている圧電振動板
５５の両端部５５ａを固定したものであり、カンチレバ
ー５１の自由端に荷重Ｆが作用したときに各圧電振動板
５５が伸張・圧縮応力を生じてその固有振動数が変化す
ることを利用し、その固有振動数の変化の差を検出して
荷重Ｆや自由端の変位を検出できるようにするものであ
る。

［発明が解決しようとする問題点］ ところて、前記のタイプの振動子に限らず、カンチレバ
ーに圧電振動板を取付けているものは、その接合部をエ
ポキシ系接着剤やシーリングガラス等を用いて接着して
いる。

しかしながら、例えば圧電振動板として水晶を、カンチ
レバーとしてスチールを用いている場合において、それ
らのヤング率はそれぞれ約８４ｘ１０’　［ｋｇ／ｃｒ
ｎ’］　、約２１０ＸｌＯ’［ｋｇ／ｃｒｎ’ｌである
のに対し、エポキシ系接着剤やシーリングガラスのヤン
グ率が約１０Ｘｌｏ’　［ｋｇ／ｃゴ］、約５０ｘｌＯ
’［ｋ　ｇ　／　ｃ　ｒｒｔ　］であり、荷重が作用し
たときに接着部の影響が生じる。

即ち、前記の例でみれば、第１３図に示すように、カン
チレバー５１の段差部５２と圧電振動板５５の間に介在
する接着剤５６か剪断方向への力を受け、振動子の感度
（周波数変化）か振動子にかかる荷重Ｆに比例していな
ければならないにもかかわらず、接着剤５６の変形によ
りその感度にノンリニアリティやヒステリシスを生じ、
また零戻り性が悪くなる。

この結果、感度の低下や計測誤差を生じて荷重や変位の
適正な計測ができなくなるという欠点かある。

一方、前記の例に掲げた振動子は２枚の圧電振動板５５
から差動的な検出データを取出して混合することにより
計測出力を得るものであるが、２枚の圧電振動板５５は
その周波数−温度特性が一致していなければならない。

一般に圧電素子の周波数−温度特性はカット方位によっ
て定まり、水晶であれば厚みすべり振動モードについて
はＡＴカット、ＢＴカット、Ｙカット等、音叉振動モー
ドについてはＸＹカット、ＮＴカット等のように１周波
数−温度特性における温度変化に対する周波数変化率が
Ｏとなる範囲を有するカット方位が定められている。

従って、２枚の圧電振動板５５が前記に定められている
同一のカット方位で截出されていなければ、周囲温度の
変化により各圧電振動板５５の周波数変化率が変動し、
正確な計測結果か得られなくなる。

この問題に対して、特開昭５６−２１０２６の発明は第
１４図に示すように定められたカット方位で截出された
圧電振動板５７から２枚の圧電振動板５５を分割手段（
Ｘ−Ｘ線で分割）により得る方法を採用しているが、圧
電素子板５７の截出工程、応力感度係数の温度依存性を
０とするための切除部５８等の加工工程、電極５４のパ
ターン作成工程、各圧電素子板５５への分割工程、カン
チレバー５１への接着工程が必要となり、製作工数が多
く煩雑になると共に、接着時における組立て誤差等によ
り正確な計測値が得られなくなる可能性がある。

ところで、最近では水晶をはじめ、圧電素子材の切削加
工技術の進歩により、相当複雑な形状を高精度で加工で
きるようになっている。

そこて１本発明は、圧電振動板のカット方位を設定して
おき、カンチレバーと圧電振動板を一体的に成形するこ
とにより、前記のように接着剤の影響がなく、且つ製造
工程の簡素化が図れ、周波数−温度特性にも極めて優れ
た振動子を提供することを目的として創作された。

［問題点を解決するための手段］ 本発明の基本的構成は第１図及び第２図に示される。

同図において、１はカンチレバー部、２は圧電振動部で
ある。

本発明の一体型振動子は、一の圧電素子材から、圧電振
動部２のカット方位を周波数−温度特性における温度変
化に対する周波数変化率がＯとなる範囲を有する方位に
設定して、圧電振動部２とカンチレバー部ｌが一体的に
成形されている点に特徴がある。

ここに、圧電振動部２の形状は、そのカット方位に対応
する振動モードによる振動を発生する形状に成形され、
また、カンチレバー部ｌの横断面形状は方形や円形等を
採用でき、図示されたものに限定されない。

尚、３は励振用電極であり、圧電振動部２の形状に対応
して、回部２を励振させ得る位置に設けられる。

［作用］ 本発明の振動子も通常の振動子と同様に一端が固定壁４
に固定されて固定端とされ、他端５は自由端とされる。

また、励振用電極３に対しては発振器６から所定の周波
数の電圧か印加されて圧電振動板２が励振される。

ここで自由端５に荷重Ｆが作用すると圧電素子材で形成
されているカンチレバー部１が撓み、それに応じて一体
で成形されている圧電振動部２には伸張・圧縮応力か発
生するか、これによって圧電振動部２の固有振動数か変
化するため、この変化を周波数変化検出部７で検出し、
その変化量を荷重または変位に対応したデータとして得
る。

ところで、本発明てはカンチレバー部ｌと圧電振動部２
とが一体で成形されており、接着手段によっていないた
め、当然に接着剤の影響がなく、感度のりニアリテイが
保証されると共に、ヒステリシスや零戻り性の悪化が生
じない。

また、一体で成形できることから製造工程は極めて簡素
化され、截出工程と励振用電極３のパターン作成工程だ
けで足りる。

更に、一体で切削成形することにより、圧電振動部２の
カット方位を正確且つ容易に設定できることになり、圧
電振動部２における周囲温度の変化に対する周波数変化
率を的確に０に設定することができる。

［実施例］ 実施例１ 本実施例はカンチレバー部の対側面に同一カット方位で
一対の圧電振動部を成形した振動子に係る。

第３図において、１１はカンチレバー部、１２ａ、１２
ｂは圧電振動板、１３ａ、１３ｂは励振用電極、１４は
固定壁であり、励振用電極１３ａ、１３ｂに対しては発
振器１５．１６から所定の周波数の電圧が印加され、圧
電振動板１２ａ、１２ｂが励振されている。

本実施例では、カンチレバー部１１と圧電振動板１２ａ
、１２ｂは水晶素子材から一体で截出されたものであり
、圧電振動板１２ａ、１２ｂの一面がカンチレバー部１
１の側端面と同一平面となるような位置に成形されてお
り、そのカット方位はＡＴカット方位である。

即ち、第４図に示すように水晶素子材における回転Ｙ板
のうち、Ｚ軸に対してθ＝３５°１５′となるカット方
位で各圧電振動板１２ａ。

１２ｂが成形されており、励振によって厚みすべり振動
モードで振動することになる。

また、圧電振動板１２ａ、１２ｂにおける励振用電極１
３ａ、１３ｂとカンチレバー部１１の間には第５図に示
すようにスリット１７ａ。

１７ｂを形成することにより応力感度を向上させており
、更にカンチレバー部１１と励振用電極１３ａ、１３ｂ
の間隔りは応力感度が温度の影響を受けない距離に選択
されている。

ここで、第３図に示すようにカンチレバー部１１の自由
端に荷重Ｆが作用すると、回部１１の撓みによって、圧
電振動板１２ａ、１２ｂにそれぞれ伸張または圧縮応力
が差動的に生じるが、圧電振動板１２ａ、１２ｂはＡＴ
カット方位で成形されているため伸張応力が生じている
方は固有振動数が減少し、逆に圧縮応力が生じている方
は固有振動数が増加する。

この各圧電振動板１２ａ、１２ｂについての固有振動数
の差動的変化は混合回路１８で差をとって混合され１周
波数変化検出部１９によりその変化が検出されて、演算
部２０でその変化に対応した荷重または変位データが求
められる。

ところで、このように各圧電振動板１２ａ。

１２ｂの差動的な固有振動数の変化を検出する場合には
、両圧電振動板１２ａ、１２ｂの特性を全く同一にする
必要がある。即ち、カンチレバー部１１の撓みによる両
圧電振動板１２ａ。

１２ｂの伸張・圧縮応力状態を完全に対称にし、且つ周
波数−温度特性も同一にする必要があり、この条件によ
り温度変化に対する差動出力周波数の変化が極小になる
と共に、温度ドリフトも極めて小さくなる。

本実施例では、カンチレバー部１１と両圧電振動板１２
ａ、１２ｂを一の水晶素子材から一体的に截出・成形し
ているため、接着手段を用いた場合と異なりノンリニア
リティ、ヒステリシスの発生や、零戻り性の悪化等に起
因した感度の低下やバラツキが生じないと共に、圧電振
動板１２ａ、１２ｂの応力状態を対称にすることができ
る。また、圧電振動板１２ａ、１２ｂをカンチレバー部
１１の側端面とその一方の板面が同一面となるような位
置に成形することとしたため、カット方位を同一に成形
することが容易になり１周波数−温度特性も完全に同一
にすることが可能になる。

１直皇ユ 本実施例は横断面が円形のカンチレバー部の周面にそれ
ぞれカット方位が異なる複数対の圧電振動部を成形した
ものに係る。

第６図及び第７図において、２１はカンチレバー部、２
２ａ　〜２２ｄは圧電振動板、２３ａ〜２３ｄはそれぞ
れ圧電振動板２２ａ〜２２ｄの両面に増付けられている
励振用電極、２４は固定壁であり、励振用電極２３ａ〜
２３ｄに対しては第８図に示す各発振器２５ａ〜２５ｄ
から所定の周波数の電圧が印加され、圧電振動板２２ａ
〜２２ｄが励振されている。

カンチレバー部２１と圧電振動板２２ａ〜２２ｄは水晶
素子材から一体で截出されたものであり、各圧電振動板
２２ａ〜２２ｄは第７図に示すように、圧電振動板２２
ａ、２２ｃについてはＡＴカット方位で、圧電振動板２
２ｂ、２２ｄについてはＢＴカット方位で成形されてい
る。即ち、圧電振動板２２ａ、２２ｃは水晶素子材のＺ
軸に対して＜７１＝３５＠１５’、圧電振動板２２ｂ、
２２ｄはＺ軸に対してθ２；−４９°をなしており、各
圧電振動板２２ａ〜２２ｄは励振によって厚みすべり振
動モートで振動することになる。

従って、カンチレバー部２１の自由端に第６図で示すＨ
−Ｖ座標平面内の荷重Ｆか作用した場合には、その荷重
の大きさ及び方向に対応して各圧電振動板２２ａ〜２２
ｄに伸張または圧縮応力が生じ、各圧電振動板２２ａ〜
２２ｄの固有振動数が変化する。この変化のうち、圧電
振動板２２ａ、２２ｃの固有振動数の差動的変化は混合
回路２６ａｃ、圧電振動板２２ｂ、２２ｄの差動的変化
は混合回路２６ｂｄで混合されてそれぞれカウンタ２７
ａｃ、２７ｂｄへ入力される。

カウンタ２フａｃ、２７ｂｄでカウントされた各データ
は第８図で示されるマイクロコンピュータ回路で演算さ
れて荷重Ｆまたは自由端の変位の大きさ及び方向が求め
られる。即ち、この回路はＣＰＯ２８の制御により入力
ボート２９へ入力されたディジタルデータを一旦ＲＡＭ
３０に蓄積し、ＲＯＭ３１に格納されている演算プログ
ラムに基づいてＣＰＵ２Ｂが入力データから荷重Ｆまた
は自由端の変位の大きさ及び方向を演算し、出力ボート
３２からその演算後のデータを表示装置や記録装置（図
示せず）へ出力する。

ところで、本実施例においてもカンチレバー部２１と圧
電振動板２２ａ〜２２ｄは水晶素子材から一体で截出さ
れており、接着剤を用いた場合と異なり感度の低下やバ
ラツキが生じないと共に、切削加工により丸棒であるカ
ンチレバー部２１から正確な中心角で圧電振動板２２ａ
〜２２ｄを立設せしめることは比較的容易であり、各圧
電振動板２２ａ〜２２ｄのカット方位を正確に設定でき
るため、周波数−温度特性の優れた２次元荷重または２
次元変位の検出用振動子を構成することができる。

更に、本実施例に係る振動子と前記実施例１の振動子を
組合せることにより、３次元荷重または３次元変位の検
出用振動子を構成することもできる。

この振動子及びその検出データの演算回路の構成は第９
図に示される。

同図において、３５は本実施例に係る振動子、３６は実
施例１に係る振動子、３７は固定壁である。尚、振動子
３５と振動子３６の接合部分は接着剤だけでなくスチー
ル製の接合板等を用いて剛性的連結が確保されている。

一方、発振器３８ａ、３８ｂは振動子３６の圧電振動板
の励振用、発振器３８ｃ〜３８ｆは振動子３５の圧電振
動板の励振用であり、それぞれの発振器３ｇａ、３８ｂ
、３８ｃ　〜３８ｆで検出される周波数変化はカウンタ
３９でカウントされ、マイクロコンピュータの入力ボー
ト４０へ入力される。

このマイクロコンピュータにおいては、入力されたディ
ジタルデータをＲＡＭ４１に蓄積し、ＣＰＵ４２がＲＯ
Ｍ４３の演算プログラムに基づいて演算し、その演算結
果である３次元荷重または３次元変位の大きさ及び方向
に係るデータを出力ボート４４を介して出力させる。

尚、この場合には混合回路を設けていないが、ＲＯＭ４
３の演算プログラムに混合処理手順が含まれており、入
力データに対して同手順を直に実行するようになってい
るからである。

従って、振動子３５の自由端へかかる３次元の荷重また
は変位の大きさ及び方向は出力ボート４４からの出力デ
ータとして直に求めることができる。

よ１２Ｌ及 本実施例は圧電振動部を音叉振動モードで振動させる場
合の振動子に係る。

実施例２の振動子のように、複数対の圧電振動部をカン
チレバー部と一体で成形する場合において、カット方位
をそれぞれ周波数−温度特性における温度変化に対する
周波数変化率が０となる範囲を含む方位に設定できても
、応力の生じる方向によっては所要の感度を得られない
ような場合も生じる。

本実施例はそのような場合にも圧電振動部で常に感度を
得られるようにするものである。

第１Ｏ図において、４５はカンチレバー部、４６ａ、４
６ｂは音叉型圧電振動部、４７は固定壁である。

この音叉型圧電振動部４６ａ、４６ｂの各振動部の対側
面には第１１図に示すように励振用電極４８ａ〜４８ｄ
が取付けられており、電極４８ａ、４８ｃ、及び電極４
８ｂ、４８ｄかそれぞれ一対とされて発振器により各振
動部が励振される。

このように、音叉型圧電振動部４６ａ、４６ｂを構成し
、音叉振動モードまたは屈曲振動モードでの周波数−温
度特性における温度変化に対する周波数変化率が０とな
るＸＹカット方位、ＮＴカット方位、または＋５°Ｘ力
ツト方位にカット方位を選択すると、応力の生じる方向
に関係なく常に一定の感度を得られるため、圧電素子材
からの截出態様に幅をもたせられるという利点がある。

また、本実施例においても音叉型圧電振動部４６ａ、４
６ｂはカンチレバー部４５と一体で成形されているため
、感度についても前記実施例と同様の長所を有している
。

［発明の効果］ 以上のように、本発明は、カンチレバー部と圧電振動部
を圧電素子材から一体的に成形しているため、カンチレ
バー部の撓みによる応力変化が直に圧電振動部の応力状
態の変化となり、ノンリニアリティが保証され、ヒステ
リシスや零戻り性の悪化が生じない高感度の振動子を実
現する。

また１本発明は、簡単な切削工程で振動子本体を製作す
ることができると共に、圧電振動部のカット方位を精度
よく設定することができるため、周波数−温度特性にお
ける温度変化に対する周波数変化率を正確に０に設定す
ることが可能となる。特に、対になった圧電振動部から
差動的に周波数変化を検出する差動型振動子においては
、双゛方の圧電振動部の特性を正確に合致させることが
容易となり、温度変化に対する差動出力周波数の変化と
温度ドリフトの極小化を図ることができるという利点を
有している。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の基本的構成を示す振動子の斜視図、第
２図は同振動子を自由端側からみた側面図、第３図は実
施例１に係る振動子の斜視図と電気回路ブロック図、第
４図は同振動子を自由端側からみた側面図、第５図は圧
電振動板部分の拡大図、第６図は実施例２に係る振動子
の斜視図、第７図は同振動子を自由端側からみた側面図
、第８図はシステム回路図、第９図は応用例に係る振動
子の正面図とシステム回路図、第１０図は実施例３に係
る振動子の斜視図、第１１図は振動部及び励振用電極の
拡大断面図、第１２図は従来のの振動子の斜視図、第１
３図は圧電振動板の取付は部の拡大図、第１４図は製作
途中の圧電振動板の平面図である。 ｌ・・・カンチレバー部　２・・・圧電振動部３・・・
励振用電極　４・・・固定壁　５・・・自由端（荷重・
変位出力）

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. （１）励振用電極を設けた圧電振動部をカンチレバーの
   側面に固設し、カンチレバーの変形による圧電振動部に
   おける固有振動数の変化を検出する振動子において、 一の圧電素子材から、圧電振動部のカット方位を周波数
   −温度特性における温度変化に対する周波数変化率が０
   となる範囲を有するカット方位に設定して、圧電振動部
   とカンチレバーとを一体的に成形したことを特徴とする
   一体型振動子。
2. （２）カンチレバー部の対側面に同一カット方位で一対
   の圧電振動部を成形した特許請求の範囲第（１）項記載
   の一体型振動子。
3. （３）横断面が円形のカンチレバー部の周面にそれぞれ
   カット方位の異なる複数対の圧電振動部を成形した特許
   請求の範囲第（２）項記載の一体型振動子。
4. （４）圧電素子材が水晶であり、１対の圧電振動部の各
   部がＡＴカット方位で成形した板体である特許請求の範
   囲第（２）項記載の一体型振動子。
5. （５）圧電素子材が水晶であり、２対の圧電振動部にお
   ける各部がＡＴカット方位、ＢＴカット方位、またはＹ
   カット方位から選択される２つのカット方位で成形した
   板体である特許請求の範囲第（３）項記載の一体型振動
   子。
6. （６）圧電振動部におけるカンチレバーとの連結部と電
   極の間に切込みまたはスリットを形成した特許請求の範
   囲第（１）項、第（２）項、第（３）項、第（４）項、
   または第（５）項記載の一体型振動子。
7. （７）圧電振動部を音叉型とし、各振動部における各対
   側面に２対の励振用電極を設けた特許請求の範囲第（１
   ）項、第（２）項または第（３）項記載の一体型振動子
   。