JPH04168341A - 硬さ検出器 - 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】 ［産業上の利用分野コ 本発明は、圧電素子の自励発振を利用した硬さ検出器に
関し、物体表面の硬さを検出するためのものである。

［背景技術］ 圧電素子の自励発振を利用した硬さセンサの従来例を第
８図に示す。この硬さセンサ１は、発振子２と振動検出
子３とからなっている。発振子２は、圧電セラミックス
等からなる圧電基板４の両主面に上面電極５と下面電極
６を形成された厚み長さ振動モード（振動による変位方
向を両矢印で示す。）の圧電素子７の先端面に略三角形
板状をしたベークライトや樹脂、金属製などの振動板８
の後端面を接着剤によって接着したものである。

一方、振動検出子３は、厚み長さ振動モード（振動によ
る変位方向を両矢印で示す。）を有する圧電セラミック
ス等の圧電基板９の両主面にそれぞれ上面電極１０と下
面電極１１を形成したものである。この振動検出子３は
、発振子２と変位方向（あるいは各圧電基板４，９の分
極方向）を一致させるようにして発振子２の上面に載置
され、下面電極１１を発振子２の上面電極５と電気的に
導通させるようにして発振子２の上面に接着剤等で固定
されている。

次に、この硬さセンサ１を動作させるための処理回路１
９のブロック図を第９図に示す。発振子２の上面電極５
（及び振動検出子３の下面電極１１）は接地されており
、振動検出子３の上面電極１０はケーブル２０によって
増幅器１２の入力端子１３に接続され、増幅器１２の出
力端子１４はケーブル２１によって発振子２の下面電極
６に接続されており、発振子２と振動検出子３と増幅器
１２とによって自励発振回路が構成されている。

従って、発振子２の上面及び下面電極５，６を介して圧
電素子７にトリガー電圧のようなスタート信号を印加す
ると、圧電素子７は逆圧電効果によって微少変位する。

この微少変位によって圧電素子７の上面に固着されてい
る振動検出子３も変位を起こし、振動検出子３の圧電効
果によってその上面及び下面電極１０．１１間に電圧が
誘起される。この誘起電圧は増幅器１２で増幅された後
、再び発振子２に同相でフィードバックされ、これによ
って発振子２が持続的に振動を始め、自励発振が成立す
る。

このようにして自励発振している発振子２の振動板８の
先端を硬さを検出しようとする被検出物体１５に接触さ
せると、被検出物体１５の硬さに応じてその発振周波数
が変化する。この発振周波数の変化を検出するため、増
幅器１２の出力端子１４には、周波数カウント回路１Ｇ
、周波数差−電圧変換回路１７及び表示器１８が接続さ
れている。しかして、上記のように被検出物体１５に接
触することによって発振周波数が変化した自励発振は、
振動検出子３で検出され、増幅器１２で増幅された後、
周波数カウント回路１６によってその発振周波数をカウ
ントされる。ついで、周波数差−電圧変換回路１７は、
被検出物体１５に接触していない時の発振周波数のカウ
ント値と被検出物体１５に接触した時の発振周波数のカ
ウント値との差を電圧出力に変換して計量化し、これを
硬度値として表示器１８へ出力し、表示器１８に表示さ
せている。

［発明が解決しようとする課題］ しかしながら上記のような硬さ検出器においては、発振
子の自励発振の周波数が、発振子と処理回路を結ぶケー
ブルや振動検出子と処理回路を結ぶケーブルのインピー
ダンスや浮遊容量によって変化し、正確な硬さ検出を行
なえないという問題がありた。

本発明は、叙上の従来例の欠点に鑑みてなされたもので
あり、その目的とするところは、ケーブルのインピーダ
ンスや浮遊容量の影響を小さくし、発振子の自励発振を
安定させることにある。

［課題を解決するための手段］ 本発明に係る第一の硬さ検出器は、圧電素子を有する発
振子な自励発振させ、該発振子を被検出物体に接触させ
たときに物体の硬さに応じて変化する発振周波数を振動
検出子によって検出させることにより当該物体の硬さを
検出する硬さ検出器において、前記振動検出子からの出
力信号をインピーダンス変換して処理回路に入力させる
ためのインピーダンス変換手段を備えたことを特徴とし
ている。

また、本発明に係る第二の硬さ検出器は、圧電素子を有
する発振子を自励発振させ、該発振子を被検出物体に接
触させたとぎに物体の硬さに応じて変化する発振周波数
を振動検出子によって検出させることにより当該物体の
硬さを検出する硬さ検出器において、処理回路からの信
号をインピーダンス変換して前記発振子に入力させるた
めのインピーダンス変換手段を備えたことを特徴として
いる。

さらに、本発明に係る第三の硬さ検出器は、圧電素子を
有する発振子を自励発振させ、該発振子を被検出物体に
接触させたときに物体の硬さに応じて変化する発振周波
数を振動検出子によって検出させることにより当該物体
の硬さを検出する硬さ検出器において、前記振動検出子
からの出力信号をインピーダンス変換して処理回路に入
力させるためのインピーダンス変換手段と、処理回路か
らの信号をインピーダンス変換して前記発振子に入力さ
せるためのインピーダンス変換手段とを備えたことを特
徴としている。

また、本発明の硬さ検出器においては、各インピーダン
ス変換手段を発振子と一体に構成してもよい。

［作用］ 本発明にあっては、振動検出子からの出力信号をインピ
ーダンス変換手段を介して処理回路へ入力させ、あるい
は処理回路からの信号をインピーダンス変換手段を介し
て発振子へ入力させているので、振動検出子と処理回路
を結ぶケーブルや処理回路と発振子を結ぶケーブル等の
インピーダンスや浮遊容量の影響を低減させることがで
きる。

この結果、発振子の自励発振周波数を安定させることが
でき、硬さ検出信号の再現性を良好にすることができる
。

また、このインピーダンス変換回路を発振子と一体に構
成することにより、インピーダンス変換回路と発振子と
を結ぶケーブルを短くでき、−層自励発振周波数を安定
させることができる。

［実施例］ 以下、本発明の実施例を添付図に基づいて詳述する。

第１図に本発明の第一のタイプの硬さ検出器３１を示す
。３２は硬さセンサであって、従来例で説明した硬さセ
ンサ１と同様な構造を有している（従来の硬さセンサ１
の構成部分と同等な構成部分には、同一の符号を付して
詳しい説明は省略する。以下、同じ）。さらに、この硬
さセンサ３２も、増幅器１２を用いて自励発振させられ
、第９図に示したような処理回路１９によって被検出物
体１５の硬さを表示器１８へ出力する。すなわち、この
硬さセンサ３２では、第１図に示すように、発振子２を
構成する圧電素子７の上面電極５（及び振動検出子３の
下面電極１１）を接地させておき、振動検出子３の上面
電極１０をインピーダンス変換回路３３を介してケーブ
ル２０によって増幅器１２の入力端子１３に接続され、
圧電素子７の下面電極６をインピーダンス変換回路３４
を介してケーブル２１によって増幅器１２の出力端子１
４に接続され、発振子２、振動検出子３及び増幅器１２
によって自励発振回路が構成されている。

しかして、発振子２にトリガー電圧等のスタート信号を
印加すると、圧電素子７に変位が生じ、この変位は振動
検出子３によって検出され、振動検出子３から出力され
た検出信号はインピーンス変換回路３３でインピーダン
ス変換された後増幅器１２に入力され、増幅器１２で増
幅された信号はインピーダンス変換回路３４でインピー
ダンス変換されて再び発振子２にフィードバックされ、
発振子２が自励発振する。

この自励発振の発振周波数は、既に述べたように、振動
板８を被検出物体１５に接触させた時に物体の硬さに応
じて変化するので、処理回路１９において増幅器１２の
出力を周波数カウント回路１６及び周波数差−電圧変換
回路１７で処理した後、硬度値として表示器１８に表示
される。しかも、振動検出子３からの出力信号をインピ
ーダンス変換回路３３を介して増幅器１２へ入力させ、
増幅器１２からの信号をインピーダンス変換回路３４を
介して発振子２へ入力させているので、各ケーブル２０
．２１のインピーダンスや浮遊容量の影響を排除するこ
とができ、発振子２の自励発振周波数を安定させること
ができる。

なお、インピーダンス変換回路３３．３４としては、例
えば第４図に示すようなＦＢＴ３７と抵抗Ｒ＋、Ｒｇと
からなるものを用いることができる。

第２図に本発明の第二のタイプの硬さ検出器３５を示す
。この硬さ検出器３５では、振動検出子３から出力され
る検出信号をインピーダンス変換回路３３を介してケー
ブル２０によって増幅器１２に入力させ、増幅器１２の
出力端子１４をケーブル２１によって直接発振子２に接
続している。

このタイプの硬さ検出器３５にあっても、ケーブル２０
のインピーダンスや浮遊容量の影響を排除することがで
き、発振子２の自励発振周波数を安定させることができ
る。

第３図に本発明の第三のタイプの硬さ検出器３６を示す
。この硬さ検出器３６では、振動検出子３をケーブル２
０によって直接増幅器１２の入力端子１３に接続させ、
増幅器１２の出力端子１４から出力される信号をインピ
ーダンス変換回路３４を介してケーブル２１によって発
振子２に入力させている。このタイプの硬さ検出器３６
にあっても、ケーブル２１のインピーダンスや浮遊容量
の影響を排除することができ、発振子２の自励発振周波
数を安定させることができる。

つぎに、本発明の硬さ検出器の具体的構造を説明するが
、下記の各硬さ検出器は、上記のいずれのタイプの硬さ
検出器であっても差し支えない。

まず、第５図に示す硬さ検出器４１は、硬さセンサ３２
とインピーダンス変換回路を実装されたインピーダンス
変換回路基板４２とを別々に構成し、硬さセンサ３２と
インピーダンス変換回路基板４２とをケース４３内にま
とめたものである。

すなわち、硬さセンサ３２は略円筒状をしたケース４３
内に自励発振を抑制しないようにして保持されており、
振動板８の先端がケース４３の開口４４から突出させら
れている。一方、インピーダンス変換回路基板４２はケ
ース４３の後部に固定されており、硬さセンサ３２とイ
ンピーダンス変換回路基板４２とはケース４３内におい
てケーブル４５によって結線されている。さらに、イン
ピーダンス変換回路基板４２がら引き出されているケー
ブル４６は、増幅器１２やアースに接続されている。

このように硬さセンサ３２とインピーダンス変換回路基
板４２とをケース４３で一体化すれば、硬さセンサ３２
とインピーダンス変換回路基板４２の間のケーブル４５
を短くできるので、ケーブル４５のインピーダンスや浮
遊容量の影響を一層小さくできる。さらに、インピーダ
ンス変換回路基板４２をケース４３に固定しているので
、ケーブル４６を引っ張ったり、曲げたりしても硬さセ
ンサ３２に影響を与えず、例えばケーブル４５が硬さセ
ンサ３２から外れる恐れがない。

また、第６図（ａ）　（ｂ）に示すものは、インピーダ
ンス変換回路基板４２を硬さセンサ３２の下面に接着剤
等によって一体に接合させた硬さ検出器４７である。す
なわち、発振子２の上面に振動検出子３を接合させてあ
り、下面にインピーダンス変換回路基板４２を接合させ
てあり、これによってケーブルのインピーダンスや浮遊
容量をより一層小さくできる。

さらに、第７図（ａ）　（ｂ）　（ｃ）に別な構造の硬
さ検出器４８を示す。この硬さ検出器４８の圧電素子４
９にあっては、第７図（Ｃ）に示すように、圧電基板５
０の下主面のほぼ全体に共通電極５１が設けられており
、第７図（ｂ）に示すように、圧電基板５０の上止面の
中央部に振動検出用電極５２が設けられ、該上止面の振
動検出用電極５２の周囲に振動検出用電極５２と分離さ
せて励振用電極５３が設けられている。しかして、この
硬さ検出器４８は、励振用電極５３と共通電極５１間の
部分に発振子５４が形成されており、振動検出用電極５
２と共通電極５１間の部分に振動検出子５５が形成され
ており、発振子５４と振動検出子５５とが一枚の圧電基
板５ｏに一体に構成されている。

また、共通電極５１の上には、インピーダンス変換回路
基板４２が接着剤等によって固着させられている。

従って、第７図（ａ）　（ｂ）　（ｃ）のような構成の
硬さ検出器では、よりコンパクトな構造を実現すること
ができる。

さらに、第７図（ａ）　（ｂ）　（ｃ）のように発振子
と振動検出子とを一枚の圧電基板に構成した硬さ検出器
において、インピーダンス変換回路基板を用いることな
く、共通電極もしくは励振用電極を部分的に除去して圧
電基板を露出させ、この圧電基板の露出している電極除
去部に配線用導体を設け、配線用導体の上に直接インピ
ーダンス変換回路を構成するためのＦＥＴ等の部品を実
装してもよい（図示せず）。

［発明の効果］ 本発明にあっては、振動検出子からの出力信号をインピ
ーダンス変換回路を介して処理回路へ入力させ、あるい
は処理回路からの信号をインピーダンス変換回路を介し
て発振子へ入力させているので、振動検出子と処理回路
を結ぶケーブルや処理回路と発振子を結ぶケーブル等の
インピーダンスや浮遊容量の影響を低減させることかで
きる。

この結果、発振子の自励発振周波数を安定させることが
でき、硬さ検出信号の再現性を良好にすることができる
。

また、このインピーダンス変換回路を発振子と一体に構
成することにより硬さ検出器をコンパクトに構成するこ
とかできる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第一のタイプの実施例を示す概略図、
第２図は本発明の第二のタイプの実施例を示す概略図、
第３図は本発明の第三のタイプの実力叡例を示す概略図
、第４図はインピーダンス変換回路の具体回路図、第５
図は本発明の具体的構造を示す実施例の一部破断した斜
視図、第６図（ａ）（ｂ）は本発明の具体的構造を示す
別な実施例の斜視図及び側面図、第７図（ａ）　（ｂ）
　（ｃ）は本発明の具体的構造を示すさらに別な実施例
の側面図、上面図及び下面図、第８図は従来例の硬さセ
ンサを示す斜視図、第９図は硬さセンサの回路ブロック
図である。 ２・・・発振子 ３・・・振動検出子 ７・・・圧電素子 ８・・・振動板 １５・・・被検出物体 ２０．２１・・・ケーブル

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）圧電素子を有する発振子を自励発振させ、該発振
   子を被検出物体に接触させたときに物体の硬さに応じて
   変化する発振周波数を振動検出子によって検出させるこ
   とにより当該物体の硬さを検出する硬さ検出器において
   、 前記振動検出子からの出力信号をインピーダンス変換し
   て処理回路に入力させるためのインピーダンス変換手段
   を備えた硬さ検出器。
2. （２）圧電素子を有する発振子を自励発振させ、該発振
   子を被検出物体に接触させたときに物体の硬さに応じて
   変化する発振周波数を振動検出子によって検出させるこ
   とにより当該物体の硬さを検出する硬さ検出器において
   、 処理回路からの信号をインピーダンス変換して前記発振
   子に入力させるためのインピーダンス変換手段を備えた
   硬さ検出器。
3. （３）圧電素子を有する発振子を自励発振させ、該発振
   子を被検出物体に接触させたときに物体の硬さに応じて
   変化する発振周波数を振動検出子によって検出させるこ
   とにより当該物体の硬さを検出する硬さ検出器において
   、 前記振動検出子からの出力信号をインピーダンス変換し
   て処理回路に入力させるためのインピーダンス変換手段
   と、 処理回路からの信号をインピーダンス変換して前記発振
   子に入力させるためのインピーダンス変換手段とを備え
   た硬さ検出器。
4. （４）前記インピーダンス変換手段を前記発振子と一体
   に構成したことを特徴とする請求項１、２又は３に記載
   の硬さ検出器。