JPH08105806A - 圧電センサシステム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 比較的小さな力を正確に測定することがで
き、且つ悪環境下でも使用することができるような新規
な構成の圧電センサシステムを提供することにある。 【構成】 本発明による圧電センサシステムは、駆動電
圧に応答して変位する圧電素子と、この圧電素子の変位
に基づいて開成叉は閉成される接点（２３、２４）とを
有し、且つ、測定すべき力（Ｌ）を前記変位に抗して受
ける圧電リレー（２０）を用いる。この圧電リレーには
駆動回路（６０）から、変化する電圧が前記駆動電圧と
して供給される。力（Ｌ）と接点（２３、２４）を開成
叉は閉成するに要する駆動電圧との関係は予めメモリ
（７０）に記憶されており、演算処理器（５０）は、上
記接点が開成叉は閉成された時点の駆動電圧の値とメモ
リ（７０）に記憶されている上記関係とから力（Ｌ）の
値を求める。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、物体にかかる力の大
きさを測定する圧電センサシステムに関する。

【０００２】

【従来の技術】力の大きさ叉は圧力等を測定するセンサ
装置として、従来、種々のものが提案されている。この
ようなセンサ装置の一例は、素子上にかかる力を電圧等
の信号に変換する圧電変換器である。しかしながら、こ
のような圧電変換器は比較的大きな力のみに応答するも
のであって、比較的小さな力、例えば０〜２５Ｎのよう
な小さな力を測定するには適していない。従来のセンサ
装置の他の例としては、集積回路上に形成された半導体
型の圧力センサがある。しかしながら、このような半導
体型の圧力センサは周囲温度等の環境により悪影響をう
ける傾向があり、従って、高温の叉は腐食ガス等が存在
するような環境では使用することができない。

【０００３】

【発明の目的及び概要】従って、本発明の目的は比較的
小さな力でも正確に測定することができるような新規な
構成の圧電センサシステムを提供することにある。

【０００４】また、本発明の他の目的は温度が広範囲で
変化するような悪環境下でも使用することができるよう
な圧電センサシステムを提供することにある。

【０００５】上記目的を達成するため、本発明による圧
電センサシステムは、駆動電圧に応答して変位する圧電
素子と、該素子の変位に基づいて開成叉は閉成される接
点とを有し、且つ、測定すべき力を前記変位に抗して受
ける圧電リレーと、前記圧電素子に対して、変化する電
圧を前記駆動電圧として供給する駆動回路と、前記接点
の開成叉は閉成に応答し、これら接点の開成叉は閉成の
時点の前記駆動電圧の値に基づいて力の大きさを測定す
る測定回路と、を有して構成されることを特徴とする。

【０００６】上記構成の圧電センサシステムにおいて
は、接点を開成叉は閉成するに要する駆動電圧の値が、
圧電素子に加えられる測定すべき力の大きさと一定の関
係を有することになる。従って、接点が開成叉は閉成さ
れる時点の駆動電圧の値を測定し、この測定値と上記一
定の関係とから、測定すべき力の値を求めることができ
る。この場合、直接測定する駆動電圧は比較的大きな値
であり、駆動電圧と力との関係は接点の開閉に基づいて
明確に検知することができるから微少な力の領域を測定
範囲として使用することができ、従って比較的小さな力
を正確に測定することが可能となる。また、センサ部と
なる圧電リレーは、主に圧電セラミック材料等から形成
され、且つ、当該システムの他の部分から分離して設け
ることが可能であるから、悪環境下での力の測定が可能
となる。

【０００７】また、本発明による圧電センサシステムの
他の特徴によれば、前記測定回路を、前記駆動電圧をデ
ィジタル値に変換するアナログ・ディジタル変換器と、
前記接点の開成叉は閉成の時点の駆動電圧の値を前記力
の大きさの関数として予め記憶しているメモリと、前記
接点が開成叉は閉成した時点に前記アナログ・ディジタ
ル変換器から前記駆動電圧のディジタル値を読み込み、
このディジタル値と前記メモリに記憶されているデータ
とに基づいて前記力の値を決定する演算処理手段と、を
有して構成してもよい。

【０００８】上記構成によれば、当該システムの主要部
を集積回路により構成することが可能となる。

【０００９】また、本発明による圧電センサシステムの
更に他の特徴によれば、前記圧電素子を４つの角部で対
向するように相互に結合された一対の概ね方形の板状圧
電素子を用いて構成し、これら板状圧電素子には対向す
る各面上に当該素子が駆動された場合には開成し駆動さ
れていない場合には閉成するように前記接点を各々設け
るようにする。この場合、前記一対の板状圧電素子のう
ちの一方の素子のみが前記駆動電圧により駆動されるよ
うにしてもよい。

【００１０】また、本発明による圧電センサシステムに
使用して好適な圧力センサユニットの一実施例は、圧力
を測定すべき流体が供給される第１室と、該第１室とは
単位面積を持つダイヤフラムにより気密的に分離され且
つ外界と連通した第２室とを有し、前記第２室に前記圧
電リレーが収容されている容器と、前記第２室内に前記
ダイヤフラムにかかる圧力を前記圧電リレーに伝達する
ように支持された圧力伝達部材と、を有することを特徴
としている。

【００１１】このような構成の圧力センサユニットを用
いれば、ガス等の流体の圧力を容易に且つ正確に測定す
ることが可能となる。

【００１２】

【実施例】本発明の実施例を説明するに先立ち、本発明
による圧電センサシステムに使用される圧電リレーの一
例を図１ないし図８を参照して説明する。

【００１３】図１ないし図４に示すように、この圧電リ
レー２０は、対向して配置された一対の正方形の板状圧
電素子２１及び２２と、これら圧電素子の対向する面２
１ａ及び２２ａ上に各々形成された一対の接点２３及び
２４とを主要部として構成されている。上記２枚の圧電
素子２１及び２２は各素子の４つの角部でハンダ、エポ
キシ樹脂叉はその他の接着剤等の結合手段２６ないし２
９を用いて相互に結合されている。前記面２１ａの中央
部に位置する接点２３は同面２１ａ上に形成された帯状
導体２３ａを介して当該素子２１の一側面上に形成され
た端子２３ｂに電気的に接続されている。同様に、他方
の接点２４は面２２ａ上に形成された他の帯状導体２４
ａを介して当該圧電素子２２の一側面上に形成された端
子２４ｂに電気的に接続されている。このように、上記
２つの接点２３及び２４用の各端子２３ｂ及び２４ｂ
は、当該圧電リレー２０の両側面に位置することにな
る。

【００１４】図４に示すように、圧電素子２１は上下に
横たわる２つの層領域２１ｂ及び２１ｃを有している。
前記面２１ａ側の能動層領域として作用する層領域２１
ｂは各層の間に挟まれた多数の電極３１（図では４つの
電極のみを示す）を備える多層構造を有し、各層は圧電
セラミック材料からなっている。この場合、電極３１の
うちの奇数番目のものは圧電素子２１の一方の側面に設
けられた端子３２ａ（図２参照）に接続され、偶数番目
の電極３１は当該素子２１の他方の側面に設けられた端
子３３ａに接続されている。また、層領域２１ｃも圧電
セラミック材料からなり、多層構造を有するが電極は有
していない。このように、この層領域２１ｃは非能動層
領域として作用する。上記と同様に、圧電素子２２も前
記面２２ａ側に能動層領域を有し、他方の面側に非能動
層領域を有する。圧電素子２２の能動層領域内の各電極
は、圧電素子２１に関して前述したのと同様の態様で端
子３２ｂ及び３３ｂに接続されている。

【００１５】上記の構成において、圧電リレー２０に駆
動電圧が印加されていない場合は各圧電素子２１及び２
２は平らとなっており、従って接点２３及び２４は閉成
されている（図１参照）。一方、端子３２ａ、３２ｂと
端子３３ａ、３３ｂとの間に駆動電圧が印加されると、
圧電素子２１及び２２の各能動層領域は放射方向に収縮
するが、各非能動層領域はそのままである。結果とし
て、圧電リレー２０の各圧電素子２１、２２は図５に示
すように部分球状に各々変形し、従って各圧電素子２１
及び２２の中央部分は互いに離れるように移動するから
接点２３と２４は開く。

【００１６】図６は、圧電素子２１及び２２の各中心の
相対変位量（中心間の距離）Ｄを当該圧電リレー２０に
印加される駆動電圧Ｖ_Aの関数として示している。駆動
電圧Ｖ_Aが零から増加すると、実線Ａで示すように変位
量Ｄは略リニアに増加する。変位量Ｄが、ある最少のレ
ベルＤ_Lを超えると接点２３と２４は開く。一方、駆動
電圧Ｖ_Aが減少した場合は、変位量Ｄは圧電素子２１及
び２２の圧電材料のヒステリシス特性により曲線Ｂに沿
って減少する。そして、変位量Ｄが値Ｖ_ONに等しい駆動
電圧Ｖ_Aにおいて値Ｄ_Lに到達すると接点２３と２４は閉
じる。なお、駆動電圧Ｖ_Aが再び零に戻っても、上記ヒ
ステリシス特性により、ある量の変位Ｄ_Hが依然として
残存する。また、駆動電圧Ｖ_Aが再び増加されると、変
位量Ｄは別の曲線Ｃに沿って増加し、駆動電圧Ｖ_Aが値
Ｖ_OFFに到達すると接点は開く。

【００１７】押圧する力、即ち負荷が２つの圧電素子２
１及び２２の中心間に印加されると、変位量Ｄは、駆動
電圧Ｖ_Aにより発生する力に抗して、負荷の大きさに応
じた量だけ減少する。図７は駆動電圧Ｖ_Aを一定にした
場合の上記変位量Ｄの変化の一例を負荷Ｌの関数として
示している。図７の特性から、圧電リレー２０に負荷が
印加された場合は接点２３と２４を開成（叉は閉成）す
るに要する駆動電圧Ｖ_A（即ち、電圧Ｖ_ON叉はＶ_OFF）は
負荷Ｌの大きさに依存して決まるということが判る。図
８は、上記のような電圧Ｖ_ON及びＶ_OFFを負荷Ｌの関数
としてプロットしたものである。

【００１８】上述したことから、電圧Ｖ_ON叉は電圧Ｖ
_OFF叉はこれら両電圧を測定することにより、負荷Ｌの
値を知ることができることが理解される。

【００１９】次に、本発明による圧電センサシステムの
一実施例を図９を参照して説明する。

【００２０】この圧電センサシステム１０は、図１ない
し図８を参照して上述したような形式の圧電リレー２０
を有している。この圧電リレーの接点２３及び２４はア
ナログ・ディジタル（ＡＤ）変換器４０の制御入力端子
４０ａ及び４０ｂに各々接続され、このＡＤ変換器の入
力端子４０ｃ及び４０ｄは圧電リレー２０の駆動端子３
２及び３３に各々接続されている。上記ＡＤ変換器４０
は制御入力端子４０ａと４０ｂとが電気的に接続された
時点に（叉はこれら端子が電気的に開放された時点に）
入力端子４０ｃと４０ｄとの間の電圧をディジタル値に
変換する形式のものである。この様な形式のＡＤ変換器
は、例えば市販されているＡＤ変換器を用いて、叉は市
販のＡＤ変換器とアナログ叉はディジタルのサンプル・
ホールド回路との組み合わせを用いて容易に構成するこ
とができる。このＡＤ変換器４０において得られたディ
ジタル値は、例えばマイクロプロセッサ等からなる演算
処理器５０に供給される。

【００２１】演算処理器５０は前記圧電リレー２０用の
駆動回路６０にも接続されている。この駆動回路は、例
えば（単発の叉は連続した）三角波の電圧信号を発生す
る波形発生器と電力増幅器とにより構成されるものであ
る。増幅された電圧信号は前記駆動電圧Ｖ_Aとして圧電
リレー２０の端子３２と３３との間に印加される。この
駆動電圧Ｖ_Aは前記ＡＤ変換器４０の入力端子間にも供
給される。

【００２２】演算処理器５０は、更に、メモリ７０にも
接続されている。このメモリは、好ましくは、圧電リレ
ー２０の前記電圧Ｖ_ON（叉はＶ_OFF叉はＶ_ONとＶ_OFFとの
両方）を表す値が負荷Ｌの関数としてデータテーブルの
形で予め記憶されているようなＲＯＭにより構成され
る。

【００２３】次に、図９に示した上記システムの動作を
説明する。先ず、演算処理器５０はトリガ信号を駆動回
路６０に供給する。駆動回路６０はこのトリガ信号に応
答して三角波の駆動電圧Ｖ_Aを発生するから、圧電リレ
ー２０は最初は増加する駆動電圧Ｖ_Aにより駆動される
ことになる。駆動電圧Ｖ_Aが負荷Ｌに対応する所定の値
に到達すると、接点２３と２４は開成し、これに応答し
てＡＤ変換器４０はその時点の駆動電圧Ｖ_Aの値をディ
ジタル値に変換する。このディジタル値は演算処理器５
０により入力される。該処理器５０はメモリ７０内の前
記データテーブルを参照し、該テーブルから上記の入力
されたディジタル値に対応する負荷Ｌの値を読み出す。
このようにして得られた負荷Ｌの値は例えば表示器等の
外部の装置に供給することができる。

【００２４】図１０は、気体等の流体の圧力を測定する
のに適するように特別に設計された本圧電センサシステ
ム用のセンサユニットを示している。符号１００で示す
この圧力センサユニットは、例えば金属等からなる瓶状
の容器１０１を有し、該容器の底上には図１ないし図４
に示したリレー２０と同様の構成の圧電リレー１０２が
配設されている。上記容器１０１は第１室１０３及び第
２室１０４を有し、これら両室は単位面積を有するダイ
ヤフラム１０５により気密的に分離されている。第１室
１０３は測定すべき圧力を供給するための室で、この目
的のため容器１０１の首部１０６は配管用にネジ切りさ
れた外周を有している。第２室１０４は周囲環境と連通
状態で、前述したように圧電リレー１０２を収容する一
方、ベアリング１０８により支持されてダイヤフラム１
０５にかかる圧力を圧電リレー１０２に伝達するための
ロッド１０７を収容している。圧電リレー１０２の各信
号線１０９は容器１０１の壁に形成された開口を介して
当該容器外に導出されるようになっている。

【００２５】上記センサユニット１００が配管等により
測定すべき圧力部に接続されると、該圧力部からの圧力
はダイヤフラム１０５の変形及びロッド１０７の移動を
介して圧電リレー１０２に伝達される。このようにして
圧電リレー１０２に印加された圧力は、図９に示した回
路と同様な回路（図１０には図示せず）により測定され
る。

【００２６】尚、上述した各実施例においては、圧電リ
レー２０が、共に駆動される一対の圧電素子２１及び２
２を有するものとして説明した。しかしながら、この圧
電リレーは２つの圧電素子のうちの一方のみが駆動され
るような構成に変形してもよい。その場合、非駆動側の
素子は前記接点のうちの一方に加えて他の回路素子が装
着された平坦な基板に置き換えることができる。また、
使用される圧電素子は前述したような正方形状のものに
限らず、円盤状叉は長方形状のものであってもよい。長
方形状の圧電素子を使用する場合は、基板上に一方の端
部を固定し他方の端部に一方の接点を設けるようにする
とよい。この場合、他方の接点を上記基板上に設ける一
方、当該圧電素子を、駆動された際に前記他方の端部が
基板から離れるように変位するような構成にするとよ
い。また、圧電素子は多層構造として形成するのみなら
ず、他の既知の構造として形成してもよい。即ち、本発
明においては、圧電素子により開成叉は閉成される少な
くとも一対の接点を有するものであれば如何なる形式の
圧電リレーを使用することもできる。

【００２７】図９に示した圧電センサシステムの構成に
よれば、圧電リレー２０を適切に設計することにより５
〜１０ボルトの範囲の駆動電圧Ｖ_Aを用いて０〜１０Ｎ
の範囲の力を測定することが可能である。そして、この
場合には図９における全ての回路部分４０、５０、６０
及び７０を単一の集積回路チップ上に形成することが可
能になる。

【００２８】また、力を測定するために圧電リレー２０
に印加すべき変化する駆動電圧Ｖ_Aは好ましくは三角波
形状とするが、この駆動電圧Ｖ_Aは鋸歯状波のような他
の形状の波形を持つようにしてもよい。また、駆動電圧
Ｖ_Aは好ましくは圧電リレー２０に繰り返して供給され
るようにする。このようにすれば、繰り返しサイクル中
に得られる複数の値を平均することにより一層正確に力
を測定することができる。

【００２９】また、図９を参照して説明した実施例にお
いては、演算処理器５０は負荷Ｌの値をメモリ７０に記
憶されたデータテーブルを参照して求めるようにしてい
るが、演算処理器５０は適切にプログラムされた数式に
基づく計算を用いて負荷Ｌの値を求めるようにしてもよ
い。

【図面の簡単な説明】

【図１】 図１は、本発明による圧電センサシステムに
使用される圧電リレーの一例の側面図、

【図２】 図２は、図１に示す圧電リレーのII−II線に
沿う断面図、

【図３】 図３は、図１に示す圧電リレーのIII−III線
に沿う断面図、

【図４】 図４は、図２に示す圧電リレーの一部のIV−
IV線に沿う断面図、

【図５】 図５は、図１の圧電リレーを駆動状態で示す
斜視図、

【図６】 図６は、図１の圧電リレーの駆動電圧と変位
量との関係を示すグラフ、

【図７】 図７は、図１の圧電リレーの変位量と負荷と
の関係を示すグラフ、

【図８】 図８は、図１の圧電リレーの接点が開成及び
閉成する時点の駆動電圧と負荷との関係を示すグラフ、

【図９】 図９は、図１の圧電リレーが使用された本発
明による圧電センサシステムの一実施例のブロック図、

【図１０】 図１０は、本発明による圧電センサシステ
ムに使用される圧力センサユニットの一実施例の断面図
である。

【符号の説明】

１０…圧電センサシステム、 ２０…圧電リレ
ー、２１、２２…圧電素子、 ２３、２４
…接点、４０…アナログ・ディジタル変換器、５０…演
算処理器、 ６０…駆動回路、７０…
メモリ。

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 物体にかかる力の大きさを測定する圧電
   センサシステムにおいて、 駆動電圧に応答して変位する圧電素子と、該素子の変位
   に基づいて開成叉は閉成される接点とを有し、且つ、測
   定すべき力を前記変位に抗して受ける圧電リレーと、 前記圧電素子に対して、変化する電圧を前記駆動電圧と
   して供給する駆動回路と、 前記接点の開成叉は閉成に応答し、前記接点の前記開成
   叉は前記閉成の時点の前記駆動電圧の値に基づいて前記
   力の大きさを測定する測定回路と、を有してなることを
   特徴とする圧力センサシステム。
2. 【請求項２】 前記測定回路が、 前記駆動電圧をディジタル値に変換するアナログ・ディ
   ジタル変換器と、 前記接点の開成叉は閉成の時点の前記駆動電圧の値を前
   記力の大きさの関数として予め記憶しているメモリと、 前記接点が開成叉は閉成した時点に前記アナログ・ディ
   ジタル変換器から前記駆動電圧のディジタル値を読み込
   み、このディジタル値と前記メモリに記憶されているデ
   ータとに基づいて前記力の値を決定する演算処理手段
   と、を有していることを特徴とする請求項１に記載の圧
   電センサシステム。
3. 【請求項３】 前記圧電素子が４つの角部で対向するよ
   うに相互に結合された一対の概ね方形の板状圧電素子を
   有し、これら板状圧電素子には対向する各面上に当該素
   子が駆動された場合には開成し駆動されていない場合に
   は閉成するように前記接点が各々設けられていることを
   特徴とする請求項１叉は請求項２に記載の圧電センサシ
   ステム。
4. 【請求項４】 前記一対の板状圧電素子のうちの一方の
   素子のみが前記駆動電圧により駆動されることを特徴と
   する請求項３に記載の圧電センサシステム。
5. 【請求項５】 請求項１ないし請求項４の何れか一項に
   記載の圧電センサシステムに使用される圧力センサユニ
   ットにおいて、 圧力を測定すべき流体が供給される第１室と、該第１室
   とは単位面積を持つダイヤフラムにより気密的に分離さ
   れ且つ外界と連通した第２室とを有し、前記第２室に前
   記圧電リレーが収容されている容器と、 前記第２室内に前記ダイヤフラムにかかる圧力を前記圧
   電リレーに伝達するように支持された圧力伝達部材と、
   を有することを特徴とする圧力センサユニット。