JPH0643928B2

JPH0643928B2 - 応力センサ

Info

Publication number: JPH0643928B2
Application number: JP60075451A
Authority: JP
Inventors: 幸一郎宮城
Original assignee: Anritsu Corp
Current assignee: Anritsu Corp
Priority date: 1985-04-11
Filing date: 1985-04-11
Publication date: 1994-06-08
Anticipated expiration: 2009-06-08
Also published as: JPS61234324A

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕この発明は、主に曲げの応力測定に使用するための力学
的センサに係り、特に固体物質の表面を伝搬する表面弾
性波（ＳＡＷ；Surface Acoustic Wave）を利用したＳ
ＡＷデバイスの感圧機能を用いた応力センサに関する。

〔従来の技術〕

ＳＡＷデバイスを用いたＳＡＷ発振回路において、ＳＡ
Ｗ伝搬路の状態を力学的に歪ませ、ＳＡＷの伝搬速度、
もしくは伝搬経路長の変化を生じさせることにより、発
振回路固有の発振周波数を変化させ、この周波数の変化
量からＳＡＷデバイスの受けた力や圧力を検出するＳＡ
Ｗ圧力センサがある。このＳＡＷセンサは小形軽量、高
精度であり、また、センサ部の製作が容易で再現性が高
いといった特徴を有しており、特に、圧力や応力、及び
加速度等の力学的センサとして実用的価値が高い。

さらに、このＳＡＷセンサは力学的センサに限らず、そ
の大多数がＳＡＷ発振回路を構成し、この発振回路の固
有発振周波数の変化によって測定量を表示する方式であ
る。これは、ＳＡＷデバイス自体が受動的なデバイスで
あり、自発的にエネルギーを放出したり、被測定物の放
出エネルギーを他の形に変換して出力したりするタイプ
のデバイスではないからである。このため、ＳＡＷデバ
イスをセンサに用いる場合には、まず、ＳＡＷデバイス
が安定に動作する状態、すなわち、ＳＡＷデバイスを含
む閉回路が固有振動数で定常発振する状態を作る必要が
ある。また、このようなＳＡＷ発振回路は外部の温度変
化に敏感であるため、定温状態で使用する以外は、適当
な温度補償をする必要があり、その対策として例えば、
２個のＳＡＷ発振回路の出力信号の差周波数を検出し
て、温度変化による発振周波数の変移をキャンセルさせ
る方法などが広く用いられている。

一方、力学的なＳＡＷセンサでは、僅かな外力を検出す
る高感度な性能と同時に、ＳＡＷデバイス自体が使用中
に損傷を受けないように構造上の堅牢性も必要である。
この２つの性質は相反するものであり、加えて実用的な
センサを実現するためには構造の単純化と小形化も併せ
て必要である。現在、力学的なＳＡＷセンサの構造とし
ては、金属板上にＳＡＷデバイスのチップを１個、ある
いは、金属板の表裏面に各１個づつ貼り付けたものや、
１個あるいは裏面同士を貼り合わせた２個１組のチップ
を、片持ち梁式に保持した構造のものなどがある。

〔発明が解決しようとする問題点〕

以上に述べたように、力学的なＳＡＷセンサ、すなわち
応力センサでは、電気回路の動作を補償することと、構
造的にＳＡＷデバイスが保護され、かつ、高感度である
ことが要求される。

そこで、本発明は、このような要求を満たすためになさ
れたもので、簡単な構造にもかかわらず、ＳＡＷデバイ
スの保護と高感度化を両立させ、かつ、差動検出によっ
て回路の温度補償も可能にさせることを目的としたもの
である。

とくに、近年、リチウムナイオベート、リチウムタンタ
レートなどの良質な圧電材が実用化され、また、半導体
集積回路が進歩している点を考慮し、応力センサ素子と
して、これまで存在していないような小形で単純な一体
構造をもち、取扱が簡単な構成のものを実現する。

〔問題点を解決するための手段〕

この発明では、差動用の２つの信号を得るために、ほぼ
同等に作成した２個のＳＡＷデバイスを使用し、また、
各デバイスの表面に配置されているＳＡＷの送信用及び
受信用の交差指形電極ＩＤＴ（Inter Digital Transduc
er）と、この２つの電極間のＳＡＷ伝搬路とを外部環境
より保護するために、前記２個のＳＡＷデバイスの電極
面が互いに向き合うように組合せ、かつ、これらの電極
が互いに接触しないように、デバイスの間に座部材を介
してエアーギャップを形成する構造、すなわち二層の梁
を構成するものとした。

さらに、受信用交差指形電極ＩＤＴと送信用交差指形電
極ＩＤＴとの間に増幅器を置いて発振回路を構成し、二
層の梁の二つの発振回路間の周波数差をビート周波数と
して検出する比較回路を備え、二層の梁と、発振回路用
増幅器と、比較回路とを集積し、絶縁性をもちかつ弾性
をもつ被覆部材で全体を覆った一体構造とした。被覆部
材は、二層の梁の中央部すなわちＳＡＷの伝搬部分に対
向する中央部分で肉の薄いものとし、検知すべき応力の
作用が、ＳＡＷの伝搬に及ぼす効果を高めるようにし
た。

〔作用〕

以上のような構成により、本発明によれば２個のＳＡＷ
デバイスの簡単な組合せ構造によって、各電極及びＳＡ
Ｗ伝搬路面の保護と、電気回路の温度補償などに用いる
２つの信号を得ることが可能となる。また、この構造の
応力センサを曲げの応力測定に使用すれば、２個のＳＡ
Ｗデバイスの電極面には各々伸張と圧縮による互いに逆
向きの力が加わるため、この２つの応力によって前記２
個のＳＡＷデバイスを含む発振回路のそれぞれの発振周
波数は互いに異なる方向に変移する。この結果、前記発
振周波数の差を検出すれば、１個のＳＡＷデバイスを使
用した場合に比べ、約２倍の周波数変化量を得ることが
でき、また、２つのＳＡＷデバイス及び発振回路内で生
ずる温度特性や経時変化などによる周波数ドリフトも、
大半のものは両回路共通に発生するものであるから、こ
の差動検出によって除去することが可能である。

とくに、この発明では、応力を検知する部分の二層の梁
と、電気信号発生部である発振回路に用いられる増幅器
と、二つの発振回路の周波数を比較する比較回路とを一
体的に集積し、全体を絶縁性の弾性部材で被覆するよう
にした。被覆部材は、中央で肉の薄い構造とし、応力に
対する感度を損なわずに、しかも、外力要因（温度、
風、損傷など）に耐えられる構造とし、実用性を高める
ようにした。

〔実施例〕

第１図は、本発明の一実施例における構成図を示してい
る。第１及び第２の圧電材基板1a,1bの各々の表面に、
ＳＡＷを発射させるための送信用交差指形電極ＩＤＴ2
a,2bと、ＳＡＷを受信するための受信用交差指形電極Ｉ
ＤＴ3a,3bを設けてＳＡＷデバイスを構成している。各
ＩＤＴの片側の電極は全て接地されており、また、送信
用ＩＤＴの接地されていない側の信号入力用電極と、受
信用ＩＤＴの同じく接地されていない側の信号出力用電
極との間には、各デバイスごとにＳＡＷ発振回路を構成
するための増幅器4a,4bが接続されている。この増幅器
と前記ＳＡＷデバイスとによって電気的閉ループ回路が
構成され、ＳＡＷデバイスの電極構造によって生ずる周
波数選択特性と電気回路の位相遅延特性による固有振動
数で自励発振が行われる。この自励発振中に前記送信用
交差指形電極ＩＤＴによって励起されたＳＡＷは、第１
図において点線で示しているように、第１及び第２の圧
電材基板上を進行する。このＳＡＷは、一定温度におい
て物理定数とも言える圧電材基板の材質で定められた一
定の音速で、送信用交差指形電極ＩＤＴから受信用交差
指形電極ＩＤＴへと伝搬する。また、このＳＡＷの伝搬
によって生ずる信号の遅延時間は、前記ＳＡＷ発振回路
の発振回路の発振周波数に顕著な影響を与え、通常、伝
搬路長が短くなり、遅延時間が小さくなるに従って、発
振周波数は低い方向に変移する。ゆえに、外力によって
前記第１及び第２の圧電材基板のＳＡＷ伝搬面にＳＡＷ
伝搬方向に対して伸張もしくは圧縮を生じさせれば、各
々の前記ＳＡＷ発振回路の発振周波数はこの外力に応じ
た変化を生ずる。本発明では後述する二層の梁の構造に
よって、一方向に加えられた外力により、２つのＳＡＷ
発振回路が互いに逆向きに周波数変移するようにしてあ
るため、２つの発振回路の出力信号を受領してその周波
数差を検出する比較回路５を用いて、外力に対応する周
波数の変化量を検出している。

第２図はＳＡＷセンサ部の構造例を示した図である。２
枚の圧電材基板1a,1bは、電極が設置されている面が向
い合うように組合され、かつ、２枚の基板の間にエアー
ギャップを生ずるように基板の端面に座部材6a,6bを介
してある。本図の例は、片持ちはり（梁）式の応力セン
サの構造を示しており、センサの一方の端部は、支持部
材７で固定されており、もう一方の端面には矢印で示し
たように外力が加えられる。この結果、この二層の梁で
は、圧電材基板1aの電極面には圧縮の力が加わり、反対
に、圧電材基板1bの電極面には伸張の力が加わる。これ
らの力によってＳＡＷ伝搬路の長さが変化し、最終的に
は、ＳＡＷ発振回路の発振周波数が変移することは前述
した通りである。前記座部材6a,6bは、本図例のような
片持ち梁式の場合、固定端に設置するものは固くて変形
しにくい材質のものを用い、力を加えるべき端面の部材
には、圧電材基板の曲げによって生ずる上下基板面のズ
レを吸収するような、いくらか弾力性をもたせたものが
望ましい。また、この座部材の表裏面、及び側面を利用
して、圧電材基板上の電極のリード線を引き出す（実際
は、座部材に導電ペースト等でプリント配線を施す）こ
とも考えられ、この場合には絶縁体を使用する必要があ
る。

次に、ＳＡＷセンサ部の両端部と中央部とに反対方向の
力を加えて使用する場合を考える。この場合は、両端部
を固定して中央部に加圧する場合と、これとは逆に、中
央部を固定して両端部に加圧する場合が考えられる。さ
らに、中央部及び両端部共に固定せず、３点に加圧する
場合もあり得る。この状態を第３図に示した。また、さ
らに、両端部をくわえて曲げる状態においても、変形と
しては第３図に示したような加圧状態となる。この場合
には、ＳＡＷセンサ部全体を保持するような支持部材が
必要であり、例えば、第４図に示すような外形となる。
第４図の例では、弾性を有する絶縁材料、例えば合成樹
脂等からなる被覆部８を用いて、二層の梁９（ＳＡＷデ
バイス）、増幅器4a,4b及び比較回路５を保持被覆し、
一体構造としている。被覆部８は、ＳＡＷセンサ部の中
央部が曲がり易くなるように被覆の肉厚が薄くなってお
り、また、比較回路５の出力を外部に引き出すための取
り出し口８ａを備えている。なお、この取り出し口８ａ
を用いて、増幅器等の電源も供給される。したがって、
第４図の応力センサでは、ＳＡＷセンサ部の感度を損な
うことが少なく、しかも、外的な要因である温度、風、
損傷などの影響が受けにくく、加えて、一体的な構造を
実現している。この構造の応力センサは、従来から使わ
れている歪みゲージと同様に使用すること、すなわち、
変形を測定する場所に貼り付けて使用することができ
る。

〔発明の効果〕

以上、説明したように、本発明の応力センサでは、２枚
１組のＳＡＷデバイスを、電極面を向い合せて組合せ、
その間にエアギャップを形成する二層の梁を採用するこ
とによって、各電極及びＳＡＷ伝搬路面の保護と、電気
回路の温度補償などに用いる２つの出力信号を得ること
が可能となった。また、向い合せに組合せたＳＡＷデバ
イスは外力によって互いに逆方向の伸縮力を与えられる
ため、前記２つの出力信号の周波数変移が逆方向とな
り、これら周波数の差を測定して加えられた力を検出す
る場合には、１枚のＳＡＷデバイスを使用する場合に較
べ、約２倍の検出感度が得られるようになった。さらに
また、２枚のＳＡＷデバイスを向い合せに組合せる構造
は、小形化に適しており、また、組合せ後のＳＡＷセン
サ部の外面に感圧機能を有する部分が露出しないので、
被覆部材を容易に施すことができる。しかも、被覆部材
を電気的な絶縁材で、かつ弾性を有するものとし、ＳＡ
Ｗセンサ部である中央部分の肉厚を小さくしたので、応
力に対する感度を損なうことが少なく、外的要因の影響
の受けにくい実用性な応力センサを実現できた。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の応力センサの電気回路構成を示す
図。第２図は、ＳＡＷセンサ部と支持部、加圧点及び加圧状
態を示す図。第３図は、ＳＡＷセンサ部の加圧点を示す図。第４図は、前記第３図のＳＡＷセンサ部と発振回路部及
び検出回路部を被覆した応力センサの全体図を示す。図中、1a,1bは第１，第２の圧電材基板、2a,2bは送信用
交差指形電極ＩＤＴ、3a,3bは受信用交差指形電極ＩＤ
Ｔ、4a,4bは増幅器、５は比較回路、6a,6bは座部材、７
は支持部材、８は被覆部、８ａは取り出し口、９は二層
の梁を示す。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】それぞれ一方の表面に表面弾性波を励起す
るための送信用交差指形電極ＩＤＴと表面弾性波を電気
信号に変換する受信用交差指形電極ＩＤＴとを備えた長
方形の第１及び第２の圧電材基板並びに一対の座部材と
から成り、該座部材を該長方形の圧電材基板の両端に長
手方向にそれぞれ隔置し、該第１及び第２の圧電材基板
の該一方の表面を互いに向かい合わせて重ねた構成の二
層の梁と；該第１及び第２の圧電材基板の受信用交差指形電極ＩＤ
Ｔの出力を入力とし、送信用交差指形電極ＩＤＴに出力
を供給してそれぞれ発振回路を構成する第１及び第２の
発振回路用増幅器と；該第１及び第２の発振回路の出力を入力とし、両発振回
路の出力の周波数差をビート周波数として検出する比較
回路と；該二層の梁と、該第１及び第２の発振回路用増幅器と、
該比較回路とを集積して覆い、前記表面弾性波の伝搬部
分に対向する中央部分が薄肉構造を有し、かつ、該比較
回路の出力を外部へ引き出す取り出し口を有する弾性絶
縁部材で成る被覆部とを備えた応力センサ。