JPH0552730A

JPH0552730A - 硬さセンサ

Info

Publication number: JPH0552730A
Application number: JP23714891A
Authority: JP
Inventors: Hidenobu Umeda; 秀信梅田; Yoshiyuki Morita; 善之森田
Original assignee: Omron Corp; Omron Tateisi Electronics Co
Current assignee: Omron Corp
Priority date: 1991-08-23
Filing date: 1991-08-23
Publication date: 1993-03-02

Abstract

(57)【要約】【構成】振動子の振動板４が被測定物体９に接触した
とき、スイッチ２８はオフとなり、タイマ回路はワンシ
ョットパルスを出力する。このワンショットパルスの立
下がり時における、振動子の振動板４が被測定物体９に
接触したときの発振周波数を検出し、これを用いて硬さ
測定を行なう。【効果】振動子の発振周波数の変化を検出するタイミ
ングを一定とすることにより、硬さ測定の繰返し精度を
向上させることができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、硬さセンサに関し、特
に圧電素子を有する振動子を自励発振させ、振動子を被
測定物体に接触させたとき、被測定物体の硬さに応じて
変化する発振周波数を検出することにより被測定物体の
硬さを検出する硬さセンサに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、この種の硬さセンサとして図７〜
図１０に示すものが提案されている。なお、図７は従来
の提案に係わる硬さセンサの振動子の一例を示す斜視
図、図８は従来の提案に係わる硬さセンサの一例を示す
回路ブロック図、図９は従来の提案に係わる硬さセンサ
の検出部の一例を示す断面図、図１０は従来の提案に係
わる硬さセンサの一例を示す断面図である。

【０００３】図７において、硬さセンサの振動子１はそ
れぞれ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）を有する圧電素子２、３と圧電素子２の前面
側に接着剤などで固定された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４とから構成されて
いる。ここに圧電素子２、３には、上面電極２１、３
１、下面電極２２、３２が設けられている。圧電素子３
は、圧電素子２と変位方向を一致させるようにして圧電
素子２の上面に載置され、下面電極３２を圧電素子２の
上面電極２１と電気的に導通させるようにして圧電素子
２の上面に接着剤などで固定されている。

【０００４】図８において、圧電素子２の上面電極２１
および圧電素子３の下面電極３２は、接地されている。
圧電素子３の上面電極３１は増幅器５の入力端子に接続
され、かつ増幅器５の出力端子は圧電素子２の下面電極
２２に接続されており、圧電素子２、３と増幅器５とに
よって自励発振回路が構成されている。また周波数カウ
ント回路６は、入力端子が増幅器５の出力端子に接続さ
れており、増幅器５からの出力より発振周波数をカウン
トし、そのカウント値を周波数差ー電圧変換回路７へ出
力する。周波数差ー電圧変換回路７は振動子１の振動板
４が被測定物体９に接触していないときの発振周波数の
カウント値と振動子１の振動板４が被測定物体９に接触
したとき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８へ出力
し、表示器８に表示させるようになっている。

【０００５】以上のような構成のもとに、圧電素子２の
上面電極２１、下面電極２２を介して圧電素子２に増幅
器５から発生する電圧を印加すると、圧電素子２は逆圧
電効果により変位を起こす。この変位により圧電素子２
の上面に固着されている圧電素子３も変位を起こし、圧
電素子３の圧電効果により圧電素子３の上面電極３１、
下面電極３２間に電圧が発生する。この電圧が増幅器５
で増幅された後、再び圧電素子２にフィードバックされ
ることで自励発振が成立する。上述の如く、自励発振し
ている振動子１に振動板４の先端を硬度を検出する被測
定物体９に接触させると、被測定物体９の硬さに応じて
発振周波数が変化する。この発振周波数を周波数カウン
ト回路６でカウントし、このカウント値を周波数差ー電
圧変換回路７へ出力する。周波数差ー電圧変換回路７は
振動子１の振動板４が被測定物体９に接触していないと
きの発振周波数のカウント値と振動子１の振動板４が被
測定物体９に接触したとき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８へ出力し、表示器８に表示させている。ここ
で周波数差ー電圧変換回路７は、振動子１の振動板４が
被測定物体９に接触していないときの発振周波数のカウ
ント値を予め判かっているものとする。

【０００６】図９において、振動子１は内ケース１０の
中に収納されるとともに、内ケース１０内に充填された
シリコンなどの弾性材料１１により固定されている。こ
のようにして検出部１２が構成されている。なお、振動
板４の一部は内ケース１０の一端側に設けた孔１０ａよ
り突出するようになっている。

【０００７】図１０において、硬さセンサ１５は次のよ
うに構成されている。すなわち、図９に示す検出部１２
が外ケース１３の中にコイルスプリング１４を介して移
動可能なように収納されている。検出部１２の一端側１
２ａに突出している振動板４が外ケース１３の一端部
（底部）１３ａに穿設されたた孔１３ｂより外部に突出
されている。そして、検出部１２の一端側（底面）１２
ａは、外ケース１３の一端部１３ａの内壁１３ｃに、検
出部１２の他端側１２ｂと外ケース１３の他端部１３ｄ
の内壁１３ｅ間に設けたコイルスプリング１４によって
押え付けられるようになっている。また、図８に示すよ
うな振動子１の圧電素子２の上面電極２１を接地するた
めの接地線や振動子１の圧電素子３の上面電極３１から
増幅器５への入力線や増幅器５から振動子１の圧電素子
２の下面電極２２への出力線などが、ケーブル１６とし
て検出部１２の他端側１２ｂから取出され、外ケース１
３の他端部１３ｄより外部に取出されている。図８に示
す、増幅器５、周波数カウント回路６、周波数差ー電圧
変換回路７および表示器８は、外ケース１３の外部に設
けられている。なお、図９ではケーブル１６を構成する
振動子１の圧電素子２の上面電極２１を接地するための
接地線や、振動子１の圧電素子３の上面電極３１から増
幅器５への入力線や増幅器５から振動子１の圧電素子２
の下面電極２２への出力線は図示省略してある。

【０００８】以上のように構成された図１０の硬さセン
サ１５を、図１１に示すように被測定物体９に接触させ
ると、検出部１２は、振動子１の振動板４の外ケース１
３より突出した部分の長さ（図１０に示すストローク
Ｓ）だけ図示右方向に外ケース１３内を移動し、振動板
４はコイルスプリング１４によって一定の力で被測定物
体９に押付けられる。この時、振動子１の発振周波数は
変化する。この発振周波数は、図８の周波数カウント回
路６でカウントされる。被測定物体９の硬さを検出する
に当たってのその他の動作については、前述したと同様
である。

【０００９】

【発明が解決しょうとする課題】しかしながら、上述し
た従来の提案に係わる硬さセンサにおいては、被測定物
体９の硬さを検出するに当たって、まず振動子１が被測
定物体９に接触しているかどうかを検知する必要がある
が、振動子１が被測定物体９に接触しているかどうかを
検知する機能が付いていない。従って、測定者が振動子
１の振動板４が被測定物体９に接触しているかどうかを
目視により確認していた。そのため、測定毎に振動子１
の発振周波数を検出するタイミングがばらつくため、硬
さ測定の繰り返し精度が悪くなるという問題点がある。

【００１０】本発明の目的は、被測定物体の硬さを測定
（検出）するに当たって、振動子の発振周波数の変化を
検出するタイミングを一定として硬さ測定の繰り返し精
度を向上させるようにした硬さセンサを提供することに
ある。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明の硬さセンサは、
圧電素子を有する振動子を自励発振させ、振動子を被測
定物体に接触させたとき、被測定物体の硬さに応じて変
化する発振周波数を検出することにより被測定物体の硬
さを検出する硬さセンサにおいて、振動子が被測定物体
に接触したことを検出する検出手段、例えば振動子が被
測定物体に接触したことを検出するスイッチ回路、振動
子の移動にもとづき振動子が被測定物体に接触したこと
を検出する光センサを備えたことを特徴とする。

【００１２】

【作用】上記構成の硬さセンサにおいては、検出手段、
例えば振動子が被測定物体に接触したことを検出するス
イッチ回路、振動子の移動にもとづき振動子が被測定物
体に接触したことを検出する光センサによって、振動子
が被測定物体に接触したことが検出され、その検出信号
にもとづき振動子の発振周波数の変化を検出するタイミ
ングを一定として硬さ測定の繰返し精度を向上させるこ
とができる。

【００１３】

【実施例】次に本発明の実施例について図面を用いて説
明する。

【００１４】図１は、本発明による硬さセンサの第１の
実施例を示す要部構成図である。同図（Ａ）は硬さセン
サの要部断面図、同図（Ｂ）は同図（Ａ）の検出部（底
面）１２ａをみた図、同図（Ｃ）は同図（Ａ）の外ケー
ス１３の一端部１３の内壁（底面）１３ｃをみた図であ
る。

【００１５】図１において、検出部１２の一端側１２ａ
には電極２５、２６が対向して設けられ、外ケース１３
の一端部１３ａの内壁１３ｃにはリング状の電極２７が
設けられている。電極２５、２６とリング状電極２７は
スイッチ２８を構成する。なお、電極２７はリング状で
なくてもよく、要は検出部１２を外ケース１３の一端部
１３ａの内壁１３ｃに押付けたとき（図３参照）、電極
２５と電極２６を導通状態にさせることができる形状で
あればよい。また、外ケース１３の一端部１３ａの内壁
１３ｃにリング状の電極２７を設ける代わりに、図１
（Ｂ）に示すような電極２５、２６を設け、検出部１２
の一端側１２ａに電極２５、２６の代わりに図１（Ｃ）
に示すようなリング状電極２７を設けてもよい。

【００１６】図２は、図１の実施例の場合の要部回路構
成図である。図２において、図１と同一または相当部分
には同符号を用いている。図２において、スイッチ２８
の電極２６は接地され、かつスイッチ２８の電極２５は
抵抗２９を介して電源＋Ｖｃに接続されている。本発明
のスイッチ回路３３はスイッチ２８と抵抗２９などから
構成される。電極２５はタイマ回路３０に接続されてい
る。タイマ回路３０はワンショットマルチバイブレータ
で構成されている。タイマ回路３０の出力信号（図４
（Ｃ）のワンショットパルス）は図８の周波数カウント
回路６へ供給される。周波数カウント回路６は、一定の
タイミングで、すなわちタイマ回路３０から供給される
ワンショットパルス（パルス幅はＴｓである）の立下が
り時のタイミングで、振動子１が被測定物体９に接触し
たときの発振周波数をカウントする。

【００１７】以上は、本発明に係わる硬さセンサの第１
の実施例の要部について説明したが、その他の構成につ
いては前述した図７〜図１０と同様であるので説明を省
略する。

【００１８】次に動作について図３、図４を用いて説明
する。なお、図３は図１の動作説明図、図４は本発明の
第１の実施例の動作タイムチャートである。

【００１９】図３（Ａ）は、図１（Ａ）の硬さセンサ１
５´の振動板４が被測定物体９に接触していない状態を
示す。この場合、電極２５、２６とリング状電極２７は
接触しているので、電極２５と電極２６はリング状電極
２７を介して電気的に接続された状態にあり、スイッチ
２８はオンとなっている。図３（Ｂ）は図１（Ａ）の硬
さセンサ１５´の振動板４が被測定物体９に接触した状
態を示す。この場合、電極２５と電極２６はリング状電
極２７を介して電気的に接続されておらず、スイッチ２
８はオフとなっている。以上より、電極２５と電極２６
の電気的接続状態の有無、すなわちスイッチ２８のオ
ン、オフを検知すれば硬さセンサ１５´が被測定物体９
に接触しているか否かを検知できる。

【００２０】図４（Ａ）は振動子１の共振周波数（発振
周波数）を示し、図４（Ｂ）は図２のａ点での電圧、す
なわちタイマ回路３０の入力電圧を示し、図４（Ｃ）は
図２のｂ点での電圧（タイマ回路３０の出力電圧）を示
す。なお、図４の横軸には時間（ｔ）をとってある。

【００２１】硬さセンサ１５´の振動子１の振動板４
が、図３（Ａ）に示すように被測定物体９に接触してい
ないときには、図２のスイッチ２８はオン状態にあリ、
タイマ回路３０の入力端子は接地されている。従って、
タイマ回路３０の入力電圧は、図４（Ｂ）のように０Ｖ
である。このとき、タイマ回路３０はワンショットパル
スを発生せず、タイマ回路３０の出力電圧、すなわちｂ
点の電圧は図４（Ｃ）のように０Ｖである。周波数カウ
ント回路６は、増幅器５の出力の発振周波数をカウント
しない。ここでは、周波数差ー電圧変換回路７は通常時
の、すなわち振動子１の振動板４が被測定物体９に接触
していない状態での発振周波数Ｆｏを予め判かっている
ものとする。

【００２２】次に、硬さセンサ１５´の振動子１の振動
板４が図３（Ｂ）に示すように、ｔ１時点で被測定物体
９に接触したときには、図２のスイッチ２８がオフとな
り、ａ点の電圧、すなわちタイマ回路３０の入力電圧
は、図４（Ｂ）のように０ＶからＶ１に変わる。タイマ
回路３０は、この時の立ち上がりで、図４（Ｃ）のよう
にワンショットパルス（パルス幅Ｔｓ）を発生し、それ
を図２の周波数カウント回路６へ供給する。周波数カウ
ント回路６は、図４（Ｃ）の立下がり時点ｔ２におけ
る、図４（Ａ）のような振動子１の発振周波数（共振周
波数）Ｆｓを増幅器５の出力よりカウントする。そし
て、周波数カウント回路６は、そのカウント値を図２の
周波数差ー電圧変換回路７へ出力し、ここで発振周波数
Ｆｓと通常時の発振周波数Ｆｏとを比較し、その周波数
差を電圧変換して計量化し、これを被測定物体９の硬さ
を表わす硬度値として表示器８に表示させている。

【００２３】以上のようにすると、周波数カウント回路
６による振動子１の発振周波数の変化を検出するタイミ
ングが図４に示すように一定（ｔ１時点よりＴｓ時間経
過時ｔ２）となり、硬さ測定の繰返し精度が向上する。

【００２４】図５は、本発明による硬さセンサの第２の
実施例を示す要部断面図である。同図においては、図１
のスイッチ２８の代わりに検出部１２の一端側１２ａに
スイッチ４０を設けたものである。スイッチ４０は次の
ように構成される。すなわち、接点４１と接点４２は検
出部２の一端側１２ａに設けられ、しかも互いに電気的
に接続されている。接点４３、４４が接点４１、４２に
対向し、かつ離間して設けられ、検出部１２の一端側１
２ａに導電部材４５、４６で支持されている。振動子１
の振動板４が被測定物体９に接触していないときは、検
出部１２は外ケース１３の一端部１３ａの内壁１３ｃに
コイルスプリング１４によって押付けられている。この
とき、対向する接点４１と接点４３、接点４２と接点４
４はそれぞれ接触しており、スイッチ４０はオンとなっ
ている。また、振動子１の振動板４が被測定物体９に接
触したときは、検出部１２は図５に示すように図示しな
いコイルスプリング１４に抗して右方向に一端部１３ａ
の孔１３ｂより突出していた振動板４のストローク分の
長さだけ移動する。このとき、対向する接点４１と接点
４３、接点４２と接点４４は離間し、スイッチ４０はオ
フとなる。

【００２５】このようなスイッチ４０で図２のスイッチ
２８を代替することにより、第１の実施例の場合と同様
の動作、作用効果が得られる。

【００２６】図６（Ａ）および（Ｂ）は、本発明による
硬さセンサの第３の実施例を示す断面図である。同図
（Ａ）の硬さセンサ１５´は、図１０において、検出部
１２の他端部１２ｂよりコイルスプリング１４のある右
方向へ向けて外ケース１３を一部突出させてその内部に
光センサ５１を収納し、この光センサ５１にて、振動板
４が被測定物体９に図６（Ｂ）のように接触したときに
ストロークＳだけ移動した検出部１２の端部を検出する
ようにしたものである。、光センサ５１は、その検出信
号を図２のタイマ回路３０へ出力する。タイマ回路３０
は、光センサ５１からの検出信号にもとづき図４（Ｃ）
に示すようなワンショットパルスを周波数カウント回路
６へ出力する。周波数カウント回路６は、図４（Ｃ）に
示すワンショットパルスの立下がり時ｔ２における振動
子１の発振周波数Ｆｓをカウントする。その他の動作、
作用効果については、前述した第１の実施例の場合と同
様であるので、以下説明を省略する。

【００２７】本発明は、本実施例に限定されることな
く、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の応用および
変形が考えられる。

【００２８】

【発明の効果】上述したように本発明によれば、検出手
段、例えば振動子が被測定物体に接触したことを検出す
るスイッチ回路、振動子の移動にもとづき振動子が被測
定物体に接触したことを検出する光センサによって、振
動子が被測定物体に接触したことが検出され、その検出
信号にもとづき振動子の発振周波数の変化を検出するタ
イミングを一定とすることにより硬さ測定の繰返し精度
を向上させることができるなどの効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による硬さセンサの第１の実施例を示す
要部構成図である。

【図２】図１の実施例の場合の要部回路構成図である。

【図３】図１の動作説明図である。

【図４】本発明の第１の実施例の動作タイムチャートで
ある。

【図５】本発明による硬さセンサの第２の実施例を示す
要部断面図である。

【図６】本発明による硬さセンサの第３の実施例を示す
断面図である。

【図７】従来の提案に係わる硬さセンサの振動子の一例
を示す斜視図である。

【図８】従来の提案に係わる硬さセンサの一例を示す回
路ブロック図である。

【図９】従来の提案に係わる硬さセンサの検出部の一例
を示す断面図である。

【図１０】従来の提案に係わる硬さセンサの一例を示す
断面図である。

【図１１】図１０の硬さセンサと被測定物体との接触状
態を示す断面図である。

【符号の説明】

１振動子２、３圧電素子４振動板９被測定物体１２検出部１３外ケース１４コイルスプリング１５´ 硬さセンサ２８スイッチ３０タイマ回路３３スイッチ回路４０スイッチ５１光センサ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】圧電素子を有する振動子を自励発振さ
せ、前記振動子を被測定物体に接触させたとき、前記被
測定物体の硬さに応じて変化する発振周波数を検出する
ことにより前記被測定物体の硬さを検出する硬さセンサ
において、前記振動子が前記被測定物体に接触したことを検出する
検出手段を備えたことを特徴とする硬さセンサ。
【請求項２】前記検出手段として、前記振動子が前記
被測定物体に接触したことを検出するスイッチ回路を用
いたことを特徴とする請求項１に記載の硬さセンサ。
【請求項３】前記検出手段として、前記振動子の移動
にもとづき前記振動子が前記被測定物体に接触したこと
を検出する光センサを用いたことを特徴とする請求項１
に記載の硬さセンサ。