JPH0989746A - Sensor and monolithic piezoelectric vibrator - Google Patents

Sensor and monolithic piezoelectric vibrator

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JPH0989746A
JPH0989746A JP25114495A JP25114495A JPH0989746A JP H0989746 A JPH0989746 A JP H0989746A JP 25114495 A JP25114495 A JP 25114495A JP 25114495 A JP25114495 A JP 25114495A JP H0989746 A JPH0989746 A JP H0989746A
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piezoelectric vibrator
input
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resonance
signal
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日出夫 安達
Takuya Imahashi
拓也 今橋
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a sensor by which the resonance frequency and the resonance resistance of a piezoelectric vibrator can be found simultaneously so as to be separated. SOLUTION: A sensor is provided with an input terminal 95 to which input signals having different frequencies according to the passage of time are input, with a transistor 89 which amplifies an input signal to be input from the input terminal 95 and with a piezoelectric vibrator 88 which is connected in parallel with an emitter resistance 90 at the transistor 89 and which is resonated with reference to the specific frequency of the input signal. On the basis of the output of the transistor 89 at a time when the output signal from the input terminal 95 is input and the piezoelectric vibrator 88 is resonated, the resonance frequency and the resonance resistance of the piezoelectric vibrator 88 are detected simultaneously so as to be separated.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明はモノリシック圧電振
動子を用いたセンサに関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a sensor using a monolithic piezoelectric vibrator.

【0002】[0002]

【従来の技術】特開平2−290529号公報は圧電振
動子を用いたセンサの一例を示しており、図12はこの
ようなセンサの構成を示している。同図において、圧電
素子3と増幅器16とは自励発振回路8を構成してお
り、センサヘッド1、増幅器16、周波数カウンタ9
a、周波数−電圧コンバータ17、A/Dコンバータ1
8は自励発振周波数変化検知回路を構成している。この
ような構成において、センサヘッド1が物体と接触した
ときの発振周波数の変化は周波数カウンタ9aで検出さ
れ、周波数−電圧コンバータ17でレベル出力に変換さ
れ、さらにこのレベル出力はA−Dコンバータ18でA
−D変換されて硬さの値を示す情報として出力される。
2. Description of the Related Art Japanese Unexamined Patent Publication (Kokai) No. 2-290529 shows an example of a sensor using a piezoelectric vibrator, and FIG. 12 shows the structure of such a sensor. In the figure, the piezoelectric element 3 and the amplifier 16 constitute a self-excited oscillation circuit 8, and the sensor head 1, the amplifier 16, and the frequency counter 9 are included.
a, frequency-voltage converter 17, A / D converter 1
Reference numeral 8 constitutes a self-excited oscillation frequency change detection circuit. In such a configuration, a change in the oscillation frequency when the sensor head 1 comes into contact with an object is detected by the frequency counter 9a, converted into a level output by the frequency-voltage converter 17, and this level output is further converted by the AD converter 18. And then A
-D converted and output as information indicating the hardness value.

【0003】また、発振器12a、センサヘッド1、増
幅器16、整流回路14a、平滑回路14b、A−Dコ
ンバータ18はレベル変化検知回路を構成する。このよ
うな構成において、センサヘッド1が物体と接触する
と、発振器12aの印加による交流電圧で出力レベルに
変化を生じる。この出力レベルの変化は整流回路14a
で整流され、平滑回路14bで平滑され、A−Dコンバ
ータ18でA−D変換されて硬さの値を示す情報として
出力される。
Further, the oscillator 12a, the sensor head 1, the amplifier 16, the rectifying circuit 14a, the smoothing circuit 14b, and the A / D converter 18 constitute a level change detecting circuit. In such a configuration, when the sensor head 1 comes into contact with an object, the output level changes due to the AC voltage applied by the oscillator 12a. This change in output level is caused by the rectifier circuit 14a.
Is rectified, smoothed by the smoothing circuit 14b, A / D converted by the A / D converter 18, and output as information indicating the hardness value.

【0004】上記した2つの回路、すなわち自励発振周
波数変化検知回路と、出力レベル変化検知回路とはアナ
ログスイッチ回路19で連動操作される3種のスイッチ
SW1、SW2、SW3により切り換えられる。このア
ナログスイッチ回路19はタイマ20により所定時間毎
に切り換えられる。そして、演算回路21はタイマ20
を駆動制御する他に、上述の各回路から出力される2つ
の硬さの情報に基づいて硬さ情報を求めている。
The above-mentioned two circuits, that is, the self-excited oscillation frequency change detection circuit and the output level change detection circuit are switched by three kinds of switches SW1, SW2, SW3 operated in conjunction with each other by the analog switch circuit 19. The analog switch circuit 19 is switched by the timer 20 at predetermined time intervals. Then, the arithmetic circuit 21 uses the timer 20.
In addition to the drive control of, the hardness information is obtained based on the two hardness information output from each of the above circuits.

【0005】このように上記したセンサは、センサヘッ
ド1に物体が接触したときにおける自励発振周波数(共
振周波数)の変化と出力レベルの変化すなわち共振抵抗
の変化を3つのスイッチSW1、SW2、SW3を切り
換えることによって求めている。
As described above, the above-mentioned sensor has three switches SW1, SW2, and SW3 for changing the self-oscillation frequency (resonance frequency) and the output level, that is, the resonance resistance when an object contacts the sensor head 1. Is obtained by switching.

【0006】[0006]

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記し
たような構成のセンサでは、圧電振動子の共振周波数と
共振抵抗とを分離して同時に測定することができなかっ
た。本発明はこのような課題に着目してなされたもので
あり、その目的とするところは、圧電振動子の共振周波
数と共振抵抗とを分離して同時に検出して、負荷の弾性
特性と粘性特性とを求めるようにしたセンサを提供する
ことにある。また、本発明の他の目的は、小型で測定の
信頼性を向上したモノリッシック圧電振動子を提供する
ことにある。
However, in the sensor having the above-mentioned structure, the resonance frequency and the resonance resistance of the piezoelectric vibrator cannot be separately measured at the same time. The present invention has been made in view of such a problem, and an object thereof is to separately detect the resonance frequency and the resonance resistance of the piezoelectric vibrator at the same time to detect the elastic characteristics and the viscous characteristics of the load. The purpose is to provide a sensor that seeks the Another object of the present invention is to provide a monolithic piezoelectric vibrator having a small size and improved measurement reliability.

【0007】[0007]

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに、本発明のセンサは、時間の経過に応じて異なる周
波数をもつ入力信号を入力するための入力部と、この入
力部から入力される入力信号を増幅する増幅手段と、こ
の増幅手段に関して設けられ、前記入力信号の特定の周
波数に対して共振する圧電振動子と、前記入力部から入
力信号を入力し、前記圧電振動子が共振したときの前記
増幅手段の出力に基づいて、前記圧電振動子の共振周波
数と共振抵抗とを分離して同時に検出する信号処理手段
とを設けたことを特徴とするものである。
In order to achieve the above object, the sensor of the present invention has an input section for inputting input signals having different frequencies according to the passage of time, and an input section from this input section. An amplifying means for amplifying the input signal, a piezoelectric vibrator provided with respect to the amplifying means, and resonating with respect to a specific frequency of the input signal; Signal processing means for separating and simultaneously detecting the resonance frequency and the resonance resistance of the piezoelectric vibrator based on the output of the amplifying means when resonating is provided.

【0008】すなわち、本発明のセンサは、時間の経過
に応じて異なる周波数をもつ入力信号を入力部から入力
し、増幅手段によりこの入力信号を増幅する。そして、
前記入力信号の特定の周波数に対して共振する圧電振動
子が共振したときの前記増幅手段の出力に基づいて、前
記圧電振動子の共振周波数と共振抵抗とを分離して同時
に検出するものである。
That is, the sensor of the present invention inputs an input signal having a different frequency according to the passage of time from the input section, and amplifies the input signal by the amplifying means. And
The resonance frequency and the resonance resistance of the piezoelectric vibrator are separately detected at the same time based on the output of the amplifying unit when the piezoelectric vibrator resonating with respect to a specific frequency of the input signal resonates. .

【0009】また、本発明は、複数の圧電振動子を同一
の圧電板に形成したモノリシック圧電振動子において、
前記圧電振動子の第1の面には第1、第2の電極を並列
して配置するとともに、前記圧電振動子の第2の面には
第1、第2、第3の電極を並列して配置し、前記第1の
面に設けられた第1の電極と前記第2の面に設けられた
第1の電極とで、Sモードの圧電振動子を構成し、前記
第1の面に設けられた第2の電極と、前記第2の面に設
けられた第2及び第3の電極とでAモードの圧電振動子
を構成したものである。
Further, the present invention provides a monolithic piezoelectric vibrator in which a plurality of piezoelectric vibrators are formed on the same piezoelectric plate,
The first and second electrodes are arranged in parallel on the first surface of the piezoelectric vibrator, and the first, second, and third electrodes are arranged in parallel on the second surface of the piezoelectric vibrator. The first electrode provided on the first surface and the first electrode provided on the second surface constitute an S-mode piezoelectric vibrator, and the first electrode is provided on the first surface. An A-mode piezoelectric vibrator is configured by the provided second electrode and the second and third electrodes provided on the second surface.

【0010】すなわち、本発明のモノリシック圧電振動
子においては、前記複数の圧電振動子の第1の面には第
1、第2の電極を並列して配置するとともに、前記圧電
振動子の第2の面には第1、第2、第3の電極を並列し
て配置することにより、前記第1の面に設けられた第1
の電極と前記第2の面に設けられた第1の電極とで構成
されるSモードの圧電振動子と、前記第1の面に設けら
れた第2の電極と、前記第2の面に設けられた第2及び
第3の電極とで構成されるAモードの圧電振動子からな
る2つの検出モードを合わせもつものである。
That is, in the monolithic piezoelectric vibrator of the present invention, the first and second electrodes are arranged in parallel on the first surface of the plurality of piezoelectric vibrators, and the second electrode of the piezoelectric vibrator is arranged. By arranging the first, second, and third electrodes in parallel on the first surface, the first electrode provided on the first surface is provided.
S-mode piezoelectric vibrator composed of the first electrode provided on the second surface, the second electrode provided on the first surface, and the second electrode provided on the second surface. It has two detection modes, each of which is composed of an A-mode piezoelectric vibrator composed of the provided second and third electrodes.

【0011】[0011]

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明の実
施形態を詳細に説明する。本実施形態は、圧電振動子の
インピーダンスの変化を共振周波数の変化分と共振抵抗
の変化分とを分離して同時に検出し、この両検出量から
負荷となる粘弾性体対象物の弾性特性と粘性特性とを検
出することを特徴とする。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION Embodiments of the present invention will be described in detail below with reference to the drawings. In the present embodiment, the change in impedance of the piezoelectric vibrator is detected simultaneously by separating the change in resonance frequency and the change in resonance resistance. And a viscous characteristic.

【0012】図1は第1実施形態に係る触覚センサ回路
5及びその周辺の構成を示す図である。図1において、
88は触覚センサとしての圧電振動子でトランジスタ8
9のエミッタ抵抗90に並列に接続されている。トラン
ジスタ89のベース入力にはコンデンサ96と直流バイ
アス抵抗Rb1(92)とRb2(93)とによって直
流バイアス電圧を供給するための配線108が接続され
ている。トランジスタ89のコレクター部には負荷抵抗
RL91が接続され、これを介してコレクタ電圧が供給
される様になっている。コレクター出力はコンデンサ9
7を経て直流成分が遮断されさらにダイオード107を
通して直流パルス信号に変換され、端子98に出力され
る。そして端子98に接続された触覚センサ信号伝達線
3を経て後述する制御回路ブロック部に信号伝達され
る。95は高周波パルス信号を入力する入力端子で信号
伝達線2に接続され、直流電源電圧供給端子150は整
流回路109を経て信号伝達線2に接続されている。
FIG. 1 is a diagram showing the configuration of the tactile sensor circuit 5 and its periphery according to the first embodiment. In FIG.
Reference numeral 88 denotes a piezoelectric vibrator as a tactile sensor, and a transistor 8
9 is connected in parallel to the emitter resistor 90. A wiring 96 for supplying a DC bias voltage is connected to the base input of the transistor 89 by a capacitor 96 and DC bias resistors Rb1 (92) and Rb2 (93). A load resistance RL91 is connected to the collector portion of the transistor 89, and a collector voltage is supplied via the load resistance RL91. The collector output is the capacitor 9
The DC component is cut off via 7 and further converted into a DC pulse signal through the diode 107 and output to the terminal 98. Then, the signal is transmitted to the control circuit block section described later through the tactile sensor signal transmission line 3 connected to the terminal 98. Reference numeral 95 denotes an input terminal for inputting a high frequency pulse signal, which is connected to the signal transmission line 2, and a DC power supply voltage supply terminal 150 is connected to the signal transmission line 2 via the rectifier circuit 109.

【0013】図2は上記した触覚センサ回路5を制御す
る制御回路のブロック図である。図2において、110
は矩形波112を出力する矩形波発生器、111は矩形
波112に同期して間欠鋸波102を発生させる鋸波発
生器、114はバッファー回路である。115はバッフ
ァ回路114の出力電圧値に応じて特定の周波数fiを
中心に周波数を変化させるFM変調回路でその出力波形
は同じ周波数変化をする高周波パルスからなる高周波パ
ルス列信号となっている。
FIG. 2 is a block diagram of a control circuit for controlling the tactile sensor circuit 5 described above. In FIG. 2, 110
Is a rectangular wave generator that outputs a rectangular wave 112, 111 is a sawtooth wave generator that generates an intermittent sawtooth wave 102 in synchronization with the rectangular wave 112, and 114 is a buffer circuit. Reference numeral 115 denotes an FM modulation circuit that changes the frequency around a specific frequency fi according to the output voltage value of the buffer circuit 114, and its output waveform is a high frequency pulse train signal composed of high frequency pulses that change the same frequency.

【0014】図3はこのような高周波パルス列信号を発
生するFM変調回路の構成を示す図であり、圧電振動子
5001と可変容量ダイオード5002及びコンデンサ
5003、5004を構成要素とするコルピッツ発振回
路で構成されている。5005は電源端子、5006は
トランジスタ、5007はエミッタ抵抗、5008は直
流遮断コンデンサ、5009は出力端子、5010、5
011は直流バイアス抵抗、5012は入力端子、50
13は入力抵抗であり、高周波パルス列信号は、出力端
子5009から信号伝達線2を経て触覚センサ回路5の
端子95に入力されるように構成されている。
FIG. 3 is a diagram showing the structure of an FM modulation circuit for generating such a high-frequency pulse train signal, which is composed of a Colpitts oscillation circuit having a piezoelectric vibrator 5001, a variable capacitance diode 5002 and capacitors 5003 and 5004 as constituent elements. Has been done. 5005 is a power supply terminal, 5006 is a transistor, 5007 is an emitter resistance, 5008 is a DC blocking capacitor, 5009 is an output terminal, 5010, 5
011 is a DC bias resistor, 5012 is an input terminal, 50
Reference numeral 13 denotes an input resistance, and the high frequency pulse train signal is configured to be input from the output terminal 5009 to the terminal 95 of the tactile sensor circuit 5 via the signal transmission line 2.

【0015】さらに、図2の制御回路には触覚センサパ
ルス列信号Ssens(121)の信号処理部も含まれてい
る。この信号処理部は、触覚センサパルス列信号121
のパルスピーク値を検出するピークディテクタ131、
ピークディテクタ131の出力をディジタル信号に変換
するADコンバータ133、前記同じパルス波形を増幅
器119で増幅した矩形波の立ち上がり時刻T1からパ
ルス列信号のピーク時刻までの時間をカウントするカウ
ンター回路129、時間をカウントする為のクロック信
号発生器113、カウンター回路129のBCD出力を
演算回路134の入力信号に変換するデコーダ130、
これら2系統の出力を基に演算処理を施し呈示装置13
6への入力信号を出力する演算回路134の諸回路から
構成されている。
Further, the control circuit of FIG. 2 also includes a signal processing unit for the tactile sensor pulse train signal Ssens (121). This signal processing unit uses the tactile sensor pulse train signal 121.
A peak detector 131 for detecting the pulse peak value of
An AD converter 133 that converts the output of the peak detector 131 into a digital signal, a counter circuit 129 that counts the time from the rising time T1 of the rectangular wave obtained by amplifying the same pulse waveform by the amplifier 119 to the peak time of the pulse train signal, and counts the time A clock signal generator 113, a decoder 130 for converting the BCD output of the counter circuit 129 into an input signal of the arithmetic circuit 134,
The presenting device 13 performs arithmetic processing based on the outputs of these two systems.
6 is composed of various circuits of an arithmetic circuit 134 which outputs an input signal to the circuit 6.

【0016】図4(a)は触覚センサ回路5の入力端子
95に入力される高周波パルス信号の波形を示す図であ
る。同図に示すように、高周波パルスが立ち上がる時刻
T1(85)から立ち上がる時刻T2(86)にかけて
振幅が一定で、図4(b)に示すように、周波数がfi
−Δfiからfi+Δfiへ連続的に変化する信号と成
っている。
FIG. 4A is a diagram showing the waveform of a high frequency pulse signal input to the input terminal 95 of the tactile sensor circuit 5. As shown in the figure, the amplitude is constant from time T1 (85) when the high-frequency pulse rises to time T2 (86) when the high-frequency pulse rises, and as shown in FIG.
It is a signal that continuously changes from −Δfi to fi + Δfi.

【0017】以下に、上記した触覚センサ回路5の検出
原理を説明する。図5、図6において、圧電振動子88
は無負荷時(Aの状態)は99に示す様な共振抵抗ZrA
が小さく反共振抵抗ZaAが大きく共振周波数frA、反共
振周波数faAを持つQmの大きなインピーダンス特性
を示す。これに、図5における100、101、また
は、図6におけるB〜Eの状態で示されるような負荷が
加わると、負荷の内容によって共振抵抗ZrB、共振周波
数frBを有するB負荷時インピーダンス特性100や共
振抵抗ZrC、共振周波数frCを有するC負荷時インピー
ダンス特性101を示す様になる。他の負荷状態D,E
についても同様にZrD,ZaD,frD,faDやZrE,Za
E,frE,faEを持つインピーダンス特性を示す。
The detection principle of the tactile sensor circuit 5 described above will be described below. 5 and 6, the piezoelectric vibrator 88
Is the resonance resistance ZrA as shown in 99 when there is no load (state A).
Is small, the anti-resonance resistance ZaA is large, and a large impedance characteristic of Qm having the resonance frequency frA and the anti-resonance frequency faA is shown. When a load such as 100, 101 in FIG. 5 or B to E in FIG. 6 is applied to this, a resonance resistance ZrB and a B load impedance characteristic 100 having a resonance frequency frB depending on the content of the load, and The C load impedance characteristic 101 having the resonance resistance ZrC and the resonance frequency frC is exhibited. Other load states D, E
Similarly for ZrD, ZaD, frD, faD and ZrE, Za
An impedance characteristic having E, frE, and faE is shown.

【0018】この様な共振周波数の変化ΔfrB=frA−
frB,ΔfrC=frA−frC,…や反共振周波数の変化Δ
faB=faA−faB,ΔfaC=faA−faC,…、または共
振抵抗の変化ΔZrB=ZrA−ZrB,ΔZrC=ZrC−Zr
C,…、反共振抵抗の変化ΔZaB=ZaA−ZaB,ΔZaC
=ZaC−ZaC, …は負荷が粘弾性体対象物の場合、その
粘弾性体の機械的インピーダンスの実数部と虚数部に関
係し、さらに、これら両特性Δf,ΔZrから計算で粘
弾性体の弾性率と粘性率を分離して表現出来るようにな
る。これら両特性Δf,ΔZrの片方、又は両者の平方
和の平方根をとる等して1つの特性として表現すると圧
覚センサすなわちセンサが粘弾性対象物に接触した時の
押圧力を検出するセンサとして使用可能であることは容
易に推測出来ることである。
Such a change in resonance frequency ΔfrB = frA−
frB, ΔfrC = frA−frC, ... And change in antiresonance frequency Δ
faB = faA−faB, ΔfaC = faA−faC, ..., Or change in resonance resistance ΔZrB = ZrA−ZrB, ΔZrC = ZrC−Zr
C, ..., Change in anti-resonance resistance ΔZaB = ZaA−ZaB, ΔZaC
= ZaC-ZaC, ... is related to the real part and the imaginary part of the mechanical impedance of the viscoelastic body when the load is a viscoelastic body object, and further calculated from these two characteristics Δf and ΔZr. It becomes possible to express elastic modulus and viscosity separately. When expressed as one characteristic by taking one of these two characteristics Δf and ΔZr, or taking the square root of the sum of the squares of both, it can be used as a pressure sensor, that is, a sensor that detects the pressing force when the sensor contacts a viscoelastic object. Can be easily guessed.

【0019】以上のインピーダンス特性から、周波数と
振幅が一定の高周波信号に対して圧電振動子88のイン
ピーダンスは負荷を加えることによって変化するが、こ
の変化量は、前記した説明で分かる通り、共振周波数の
変化による分と、共振抵抗の変化による分の両方の効果
によることが分かる。この両方の効果によるインピーダ
ンスの変化が負荷の印加によって起こると、図1に示す
回路の端子95に図4(a)に示すような振幅Vin,周
波数finを有した高周波パルス信号を入力することによ
って、コンデンサCc2(97)の出力端子97には振幅
Vout =Vin×RL/(RE‖Z)、周波数fout =f
inの高周波増幅出力が得られる。
From the above impedance characteristics, the impedance of the piezoelectric vibrator 88 changes when a load is applied to a high frequency signal having a constant frequency and amplitude, but this change amount is, as can be seen from the above description, the resonance frequency. It can be seen that it is due to the effect of both the change due to the change in the resonance resistance and the change due to the change in the resonance resistance. When a change in impedance due to both of these effects occurs due to the application of a load, a high frequency pulse signal having an amplitude Vin and a frequency fin as shown in FIG. 4A is input to the terminal 95 of the circuit shown in FIG. , The output terminal 97 of the capacitor Cc2 (97) has an amplitude Vout = Vin × RL / (RE | Z) and a frequency fout = f.
A high frequency amplified output of in is obtained.

【0020】負荷を印加しない時に比べ負荷を印加した
時のVout は負荷印加による圧電振動子88のインピー
ダンスの増加に対応して前記式に従って小さくなるの
で、このVout の変化を検出することによって圧電振動
子88のインピーダンスZの変化が分かり、このインピ
ーダンスZの変化から負荷の印加の状態が判断出来るこ
とになる。
Since Vout when a load is applied is smaller than that when no load is applied according to the above equation in response to an increase in the impedance of the piezoelectric vibrator 88 due to application of a load, the piezoelectric vibration is detected by detecting this change in Vout. The change in the impedance Z of the child 88 is known, and the state of load application can be determined from the change in the impedance Z.

【0021】ここで、振幅は一定で、前記入力周波数f
inを、図7の103に示した直線の様に時刻T1からT
2にかけてfi−Δfiからfi+Δfiまで単調に増
加させると、圧電振動子88が無負荷状態なら図5の様
に共振抵抗がZrで共振周波数frのインピーダンス特
性99を示すことに対応して、finがfrに等しくなる
時刻T0 で最大振幅の高周波パルス信号を出力し、コン
デンサ97とダイオード107を経たあとの端子98に
出力される信号は図7の104に示したピーク値Vを示
す直流パルス信号となる。
Here, the amplitude is constant and the input frequency f
in is represented by the straight line indicated by 103 in FIG. 7 from time T1 to T
When it is monotonically increased from fi-Δfi to fi + Δfi over 2, if the piezoelectric vibrator 88 is in an unloaded state, the fin is corresponding to the resonance resistance Zr and the impedance characteristic 99 of the resonance frequency fr as shown in FIG. At time T0 when it becomes equal to fr, a high-frequency pulse signal of maximum amplitude is output, and the signal output to the terminal 98 after passing through the capacitor 97 and the diode 107 is the DC pulse signal having the peak value V shown at 104 in FIG. Become.

【0022】また、圧電振動子88に例えば図5に於け
るA負荷が加わって、共振抵抗がZr’,共振周波数が
fr’のインピーダンス特性100を示す様になると、
これに対応して端子98の出力のピーク電圧は共振抵抗
が増加してZr’になったことに対応して小さくなり、
ピーク電圧を示す時刻も印加周波数finがfr’に成る
時刻T’にシフトする。圧電振動子88に図5に於ける
B負荷が加わり101なるインピーダンス特性に変化し
た時も同様に印加周波数finがfr”に成る時刻T”に
シフトする。
Further, when the A load shown in FIG. 5 is applied to the piezoelectric vibrator 88, and the impedance characteristic 100 of the resonance resistance Zr 'and the resonance frequency fr' is exhibited,
Corresponding to this, the peak voltage of the output of the terminal 98 becomes smaller corresponding to the resonance resistance increasing to Zr ',
The time at which the peak voltage is indicated is also shifted to time T'when the applied frequency fin becomes fr '. Similarly, when the B load in FIG. 5 is applied to the piezoelectric vibrator 88 and the impedance characteristic 101 changes, the applied frequency fin shifts to the time T ″ when the applied frequency fin becomes fr ″.

【0023】次にこのシフト量とピーク値を検出する方
法について図2を用いて説明する。まず、矩形波発生器
110によって得られる矩形波112を鋸波発生器11
1に入力し、間欠鋸波102に変換する。この間欠鋸波
102をバッファー回路114に入力し、その出力信号
をFM変調器115に入力する。すると、このFM変調
器からの出力は時刻T1から時刻T2にかけて周波数f
iを中心にfi−Δfiからfi+Δfiに変化し、図
4(a)、(b)の様な信号からなるパルス列信号が得
られる。前記高周波パルス信号がある瞬間、fi−Δf
iからfi+Δfiに変化する高周波パルスが図1の触
覚センサ回路5に入力されると、fiを共振周波数とす
る圧電振動子88を含んだ触覚センサ回路5の出力端子
98に直流パルス信号を出力する。他の瞬間において負
荷の状態が変化すると触覚センサ回路5からそれぞれの
タイミングに対応した直流パルス信号が出力されるので
全ての瞬間を統合すると、図2に示した様な触覚センサ
パルス列信号121となる。
Next, a method of detecting the shift amount and the peak value will be described with reference to FIG. First, the rectangular wave 112 obtained by the rectangular wave generator 110 is converted into the sawtooth wave generator 11
It is input to 1 and converted into an intermittent sawtooth wave 102. The intermittent sawtooth wave 102 is input to the buffer circuit 114, and its output signal is input to the FM modulator 115. Then, the output from this FM modulator is frequency f from time T1 to time T2.
A pulse train signal composed of signals as shown in FIGS. 4A and 4B is obtained by changing from fi-Δfi to fi + Δfi around i. At the moment when the high frequency pulse signal is present, fi-Δf
When a high frequency pulse changing from i to fi + Δfi is input to the tactile sensor circuit 5 of FIG. 1, a DC pulse signal is output to the output terminal 98 of the tactile sensor circuit 5 including the piezoelectric vibrator 88 having a resonance frequency of fi. . When the load state changes at other moments, the tactile sensor circuit 5 outputs DC pulse signals corresponding to the respective timings, so integrating all the moments results in a tactile sensor pulse train signal 121 as shown in FIG. .

【0024】この信号が分岐された後、その一方は図2
に示した制御回路ブロックの増幅器(コンパレータ)1
19に入力される。前記直流パルス信号は前記コンパレ
ータ119によって矩形パルス波信号に変換され、時刻
T1からこの矩形波の立ち上がりまたは立ち下がり時刻
までの時間をカウンター回路129で計数する。負荷の
印加によるこの計算値の変化即ち共振周波数の変化はク
ロック信号発生器113からのクロック信号のカウント
数から算出される。
After this signal is branched, one of them is shown in FIG.
Amplifier (comparator) of the control circuit block shown in
19 is input. The DC pulse signal is converted into a rectangular pulse wave signal by the comparator 119, and the counter circuit 129 counts the time from the time T1 to the rising or falling time of this rectangular wave. The change in the calculated value due to the application of the load, that is, the change in the resonance frequency is calculated from the count number of the clock signal from the clock signal generator 113.

【0025】他の一方は図2に示した制御回路ブロック
のピークディテクタ131に入力され、ピーク値が検出
される。そして、その検出信号をAD変換器133によ
ってディジタル信号に変換され、演算回路134で前記
計数値とともに処理され呈示装置136を駆動する。
The other one is input to the peak detector 131 of the control circuit block shown in FIG. 2 and the peak value is detected. Then, the detection signal is converted into a digital signal by the AD converter 133, processed by the arithmetic circuit 134 together with the count value, and drives the presentation device 136.

【0026】上記した第1実施形態によれば、粘弾性体
対象物の弾性率、粘性率を分離して同時に検出できるよ
うになる。以下に本発明の第2実施形態を説明する。コ
ルピッツ回路を用いた触覚センサは、コルピッツ回路の
圧電振動子の共振抵抗が大きいと発振しにくくなりセン
サとしてのダイナミックレンジが極めて悪くなる。一
方、圧電振動子の電極は配線の容易さや小型化の必要性
を考慮すると電気配線端子が同一面側にあることが好ま
しい。この様な駆動による振動はAモード厚み縦振動と
呼ばれ良好なインピーダンス特性を示すが、共振抵抗が
高いためコルピッツ発振器の安定な発振出力を得ること
が困難であった。第2実施形態はこの様な課題を解決す
るものである。
According to the above-described first embodiment, the elastic modulus and the viscosity coefficient of the viscoelastic object can be separated and simultaneously detected. The second embodiment of the present invention will be described below. In the tactile sensor using the Colpitts circuit, if the resonance resistance of the piezoelectric vibrator of the Colpitts circuit is large, it is difficult to oscillate and the dynamic range of the sensor becomes extremely poor. On the other hand, it is preferable that the electrodes of the piezoelectric vibrator have the electric wiring terminals on the same surface side in consideration of the ease of wiring and the necessity of downsizing. Vibration due to such driving is called A-mode thickness longitudinal vibration and exhibits good impedance characteristics, but it is difficult to obtain a stable oscillation output of the Colpitts oscillator because of high resonance resistance. The second embodiment solves such a problem.

【0027】第2実施形態の構成が第1実施形態と異な
る点は図1に示した触覚センサ回路の構成に於いて圧電
振動子88の構造とエミッタ抵抗90、負荷抵抗(コレ
クター抵抗)91の値である。
The structure of the second embodiment differs from that of the first embodiment in that the structure of the piezoelectric vibrator 88, the emitter resistance 90, and the load resistance (collector resistance) 91 in the structure of the tactile sensor circuit shown in FIG. It is a value.

【0028】以下、本実施形態の構成について図8
(a)、(b)、(c)を用いて説明する。第1実施形
態において使用した圧電振動子(図8(a))はエミッ
タ抵抗90に並列に接続されておりSモード圧電振動子
と呼ばれる。これに対して図8(b)に示すように、圧
電振動子138の電極は対象物に接触する側に共通電極
141が設けられ、その反対側の面には2つに分割した
電極139,140が設けられている。このような圧電
振動子はAモード圧電振動子と呼ばれる。共通電極14
1は分割電極139の面積と分割電極140の面積との
和程度の面積を有し、配線等一切必要としない。従っ
て、共通電極141側の面には凹凸が一切無く、更にこ
の上に弾性部材や、対象物との良好な接触状態を実現す
るための突起物等を形成しやすくなる。
The configuration of this embodiment will be described below with reference to FIG.
A description will be given using (a), (b), and (c). The piezoelectric vibrator (FIG. 8A) used in the first embodiment is connected in parallel to the emitter resistor 90 and is called an S-mode piezoelectric vibrator. On the other hand, as shown in FIG. 8B, the electrode of the piezoelectric vibrator 138 is provided with the common electrode 141 on the side in contact with the object, and the electrode 139, which is divided into two, on the opposite surface. 140 is provided. Such a piezoelectric vibrator is called an A-mode piezoelectric vibrator. Common electrode 14
1 has an area about the sum of the area of the divided electrode 139 and the area of the divided electrode 140, and does not require any wiring. Therefore, the surface on the common electrode 141 side has no unevenness, and it becomes easier to form an elastic member, a protrusion for realizing a good contact state with an object, or the like on the surface.

【0029】図8(c)に示すようにこの様な構成のA
モード厚み縦圧電振動子のインピーダンス特性は一般に
Sモード厚み縦圧電振動子のインピーダンス特性144
にくらべ共振抵抗が大きなインピーダンス特性143を
示す。
As shown in FIG. 8 (c), A having such a structure is used.
The impedance characteristic of the mode-thickness longitudinal piezoelectric vibrator is generally the impedance characteristic 144 of the S-mode thickness-longitudinal piezoelectric vibrator.
An impedance characteristic 143 having a larger resonance resistance than that of the above is shown.

【0030】従って、先の実施例と同程度のセンサ感度
を得る為にはこのインピーダンス値に対応させてエミッ
タ抵抗142と図1に示す負荷抵抗(コレクタ抵抗9
1)を増加させる必要がある。また同時に図8(c)に
示すように、Aモード厚み縦圧電振動子のインピーダン
ス143は共振周波数も高周波側にずれるので高周波パ
ルス列信号の中心周波数をfraに等しくなるように設定
する。他の構成や波形は第1実施形態と全く同じである
ので省略する。
Therefore, in order to obtain the same sensor sensitivity as that of the previous embodiment, the emitter resistance 142 and the load resistance (collector resistance 9) shown in FIG.
1) needs to be increased. At the same time, as shown in FIG. 8C, the impedance 143 of the A-mode thickness longitudinal piezoelectric vibrator has a resonance frequency also shifted to the high frequency side, so that the center frequency of the high frequency pulse train signal is set to be equal to fr. The other configurations and waveforms are exactly the same as those in the first embodiment, and will be omitted.

【0031】上記した第2実施形態によれば、圧電振動
子の片面が凹凸の全くない構造となるので、共通電極側
の面には凹凸が一切無く、更にこの上に弾性部材や、対
象物との良好な接触状態を実現するための突起物等を形
成しやすくなる。
According to the second embodiment described above, since the one surface of the piezoelectric vibrator has no unevenness at all, the surface on the common electrode side has no unevenness, and the elastic member and the object It becomes easy to form a protrusion or the like for achieving a good contact state with.

【0032】以下に本発明の第3実施形態を説明する。
以上の様に、粘弾性対象物を負荷とした時、複数の圧電
振動子の共振周波数frと共振抵抗Zrの変化を検出
し、その結果を用いて粘性係数、弾性係数を導き出す具
体的な構成について記述してきた。しかしながら粘弾性
対象物を負荷とした時に変化するのは実際には図6に示
した様に、前記共振周波数frと共振抵抗Zrのみでな
く、反共振周波数faと反共振抵抗Zaも変化する。本
実施形態はこれら反共振周波数faと反共振抵抗Zaの
変化も用いて、更に感度の向上をはかることが目的であ
る。
The third embodiment of the present invention will be described below.
As described above, when a viscoelastic object is used as a load, changes in the resonance frequency fr and the resonance resistance Zr of a plurality of piezoelectric vibrators are detected, and the results are used to derive a viscosity coefficient and an elastic coefficient. Has been described. However, when the viscoelastic object is used as a load, it actually changes not only the resonance frequency fr and the resonance resistance Zr but also the anti-resonance frequency fa and the anti-resonance resistance Za as shown in FIG. The purpose of this embodiment is to further improve the sensitivity by using these changes in the anti-resonance frequency fa and the anti-resonance resistance Za.

【0033】図9は第3実施形態の構成を示す図であ
る。2001は触覚センサとなるモノリシック圧電振動
子で、トランジスタ2006のエミッタ抵抗2007に
並列に接続されるAモード圧電振動子2002とその一
端がトランジスタ2006のベースに接続される2つの
コンデンサ2004,2005及びSモード圧電振動子
2003がT字型に接続された回路素子から構成されて
いる。図では上記2つのモードの圧電振動子2002、
2003は一体になっているが、別体に構成するように
してもよい。
FIG. 9 is a diagram showing the configuration of the third embodiment. Reference numeral 2001 denotes a monolithic piezoelectric vibrator that serves as a tactile sensor, and includes an A-mode piezoelectric vibrator 2002 connected in parallel to an emitter resistor 2007 of a transistor 2006 and two capacitors 2004, 2005 and S whose one end is connected to the base of the transistor 2006. The mode piezoelectric vibrator 2003 is composed of circuit elements connected in a T shape. In the figure, the piezoelectric vibrator 2002 of the above two modes,
Although the 2003 is integrated, it may be configured as a separate body.

【0034】該トランジスタ2006のベースには、更
に直流バイアス抵抗Rb1 2011とRb2 201
2とが接続され該トランジスタ2006の直流動作点が
決定される。該トランジスタ2006のコレクター部に
は負荷抵抗2008が接続され、更に、端子2015は
整流回路2030を介し信号線2に接続されている。コ
レクター部には直流遮断用コンデンサ2009と、直流
パルス信号に変換する為のダイオード2010と、その
出力をセンサ信号伝達線3に伝達する為の端子2014
が設けられている。
The base of the transistor 2006 is further provided with DC bias resistors Rb1 2011 and Rb2 201.
2 is connected to determine the DC operating point of the transistor 2006. A load resistor 2008 is connected to the collector of the transistor 2006, and the terminal 2015 is connected to the signal line 2 via the rectifier circuit 2030. A DC blocking capacitor 2009, a diode 2010 for converting to a DC pulse signal, and a terminal 2014 for transmitting the output to the sensor signal transmission line 3 are provided in the collector section.
Is provided.

【0035】又、前記T字型回路素子の他の一端には端
子2013が設けられていて、信号線2に接続され、高
周波パルス信号を入力出来るようになっている。前記T
字型回路素子の最後の一端は前記Aモード圧電振動子2
002の片側の端子(B)に共々接地されている(20
16)。先記した整流回路2030は図1に示したのと
同等の整流回路を用いてアドレス信号線2に接続されて
いる。
A terminal 2013 is provided at the other end of the T-shaped circuit element and is connected to the signal line 2 so that a high frequency pulse signal can be input. The T
The last end of the V-shaped circuit element is the A-mode piezoelectric vibrator 2
Both terminals (B) of 002 are grounded together (20
16). The rectifier circuit 2030 described above is connected to the address signal line 2 by using a rectifier circuit equivalent to that shown in FIG.

【0036】尚、前記Aモード圧電振動子2002の共
振周波数frAと前記Sモード圧電振動子2003の反共
振周波数fasとは電極寸法や配置などの設計でほぼ一致
するように作製されている。
The resonance frequency frA of the A-mode piezoelectric vibrator 2002 and the anti-resonance frequency fas of the S-mode piezoelectric vibrator 2003 are made to be substantially the same in design such as electrode size and arrangement.

【0037】図10は触覚センサ素子である上記した2
種類の圧電振動子と2つのコンデンサを一体化したモノ
リシック圧電振動子2001の断面図を示している。以
下にこのようなモノリシック圧電振動子2001の製造
方法を説明する。まず、PZT薄片を後で除去出来る予
備電極(図示していない)を用いて領域2018を分極
し、領域2019は未分極の状態にしておく。
FIG. 10 shows the above-mentioned 2 which is a tactile sensor element.
A cross-sectional view of a monolithic piezoelectric vibrator 2001 in which a type of piezoelectric vibrator and two capacitors are integrated is shown. A method of manufacturing such a monolithic piezoelectric vibrator 2001 will be described below. First, the region 2018 is polarized by using a preliminary electrode (not shown) capable of removing the PZT thin piece later, and the region 2019 is left unpolarized.

【0038】分極後予備電極を除去し、正式な電極A,
B,C,D,E,Fを真空蒸着やスパッタ等の手段で形
成し、パターン成膜する。尚、基板上にPZT厚膜等の
圧電厚膜を形成した圧電振動子を利用する時は予備電極
の手段は用いることが出来ない。そこで、基板表面に予
め電極A,B,C,Dを形成しておき、PZT厚膜を本
発明者らが既に開示しているジェットプリンティングシ
ステム法(JPS法)で成膜し、熱処理後、上部電極
E,Fを通常の方法で形成し、その後、電極E,Fを導
通接続させ一方の分極用端子とし、また下部電極のうち
A,Bを導通接続してもう一方の分極用端子とする。こ
れら両分極用端子間に直流電圧を印加し、分極する。
After polarization, the preliminary electrode is removed and the formal electrode A,
B, C, D, E, and F are formed by means of vacuum evaporation, sputtering, or the like, and pattern formation is performed. Incidentally, when utilizing a piezoelectric vibrator in which a piezoelectric thick film such as a PZT thick film is formed on a substrate, the means of the spare electrode cannot be used. Therefore, electrodes A, B, C, and D are formed in advance on the surface of the substrate, a PZT thick film is formed by the jet printing system method (JPS method) already disclosed by the present inventors, and after heat treatment, The upper electrodes E and F are formed by a normal method, and then the electrodes E and F are conductively connected to be one polarization terminal, and the lower electrodes A and B are conductively connected to the other polarization terminal. To do. A DC voltage is applied between these two polarization terminals to polarize them.

【0039】しかる後、前記導通接続状態を解除させ
る。尚、前記基板はシリコン単結晶基板であり、表面酸
化処理をし、且つ前記トランジスタ2006や他の抵抗
素子2007,2008,2011,2012とこれら
を図9の回路になるようにする配線が内部形成されてい
る。そして、このトランジスタ2006のベース部、エ
ミッター部、及びアース部が表面酸化膜に設けたヴィア
ホールを介してそれぞれ対応するパッド電極に導通され
ている。また、上部電極E、Fの表面には絶縁皮膜がコ
ーテイングされており、対象物との接触側を構成してい
る。
After that, the conductive connection state is released. The substrate is a silicon single crystal substrate, and is surface-oxidized, and the transistor 2006 and other resistive elements 2007, 2008, 2011, and 2012 and wiring for making them into the circuit of FIG. 9 are internally formed. Has been done. The base portion, the emitter portion, and the ground portion of the transistor 2006 are electrically connected to the corresponding pad electrodes through the via holes provided in the surface oxide film. An insulating film is coated on the surfaces of the upper electrodes E and F to form the contact side with the object.

【0040】以下に上記した構成の作用を説明する。信
号線2を経て端子2013に入力された高周波パルス信
号はコンデンサ2004とSモード圧電振動子2003
のインピーダンス比で分圧される結合コンデンサ200
5を経てトランジスタ2006のベースに入力される。
この分圧信号は圧電振動子のインピーダンスが大きい程
大きな値をとる。従って、反共振周波数faに相当する
周波数を有した高周波パルス信号が入力された時に最大
の電圧を示し、負荷が加わった状態では次第に反共振抵
抗の低下とともに該分圧電圧は低下する。
The operation of the above configuration will be described below. The high frequency pulse signal input to the terminal 2013 via the signal line 2 is transmitted to the capacitor 2004 and the S-mode piezoelectric vibrator 2003.
Coupling capacitor 200 divided by impedance ratio
The signal is input to the base of the transistor 2006 via 5.
This divided voltage signal has a larger value as the impedance of the piezoelectric vibrator increases. Therefore, when a high frequency pulse signal having a frequency corresponding to the anti-resonance frequency fa is input, the maximum voltage is exhibited, and when the load is applied, the anti-resonance resistance is gradually reduced and the divided voltage is gradually reduced.

【0041】一方、Sモード圧電振動子2003の反共
振周波数faはAモード圧電振動子2002の共振周波
数frに相当するので、最低のインピーダンス値Zrを
示す。従ってエミッター抵抗2007との合成抵抗も最
低になり、負荷抵抗2008と前記合成抵抗の比で表さ
れる電圧増幅度が最大になる。また負荷が加わるとAモ
ード圧電振動子2002の共振抵抗Zrが増加するので
増幅度が低下する。
On the other hand, since the anti-resonance frequency fa of the S-mode piezoelectric vibrator 2003 corresponds to the resonance frequency fr of the A-mode piezoelectric vibrator 2002, it exhibits the lowest impedance value Zr. Therefore, the combined resistance with the emitter resistance 2007 becomes the minimum, and the voltage amplification degree represented by the ratio of the load resistance 2008 and the combined resistance becomes the maximum. Further, when a load is applied, the resonance resistance Zr of the A-mode piezoelectric vibrator 2002 increases, so that the amplification degree decreases.

【0042】この様にSモード圧電振動子2003の反
共振周波数fa、即ちAモード圧電振動子2002の共
振周波数frにも等しい周波数の高周波パルス信号が入
力すると、端子2014に出力される直流パルス信号の
ピーク電圧は最大になり、負荷を加えると、Aモード圧
電振動子2002の共振抵抗Zrの増加とSモード圧電
振動子2003の反共振抵抗Zrの減少が相乗的に作用
し、大きな出力変化が得られるようになる。
As described above, when a high-frequency pulse signal having the same frequency as the anti-resonance frequency fa of the S-mode piezoelectric vibrator 2003, that is, the resonance frequency fr of the A-mode piezoelectric vibrator 2002 is input, a DC pulse signal output to the terminal 2014. When the load is applied, the increase of the resonance resistance Zr of the A-mode piezoelectric vibrator 2002 and the decrease of the anti-resonance resistance Zr of the S-mode piezoelectric vibrator 2003 act synergistically to cause a large output change. You will get it.

【0043】以上のように図9,図10に示した触覚セ
ンサ回路の構成にすることにより、大きな感度が得られ
るようになり、かつモノリシック圧電振動子の採用と、
図9に示した、モノリシック圧電振動子以外の回路要素
を全てシリコン基板に埋め込むことによって大幅な小型
化がはかれ、医療用マイクロ触覚センシング等の分野に
利用し易いセンサ装置を提供出来るようになる。
With the structure of the tactile sensor circuit shown in FIGS. 9 and 10 as described above, a large sensitivity can be obtained, and a monolithic piezoelectric vibrator is used.
By embedding all the circuit elements other than the monolithic piezoelectric vibrator shown in FIG. 9 in a silicon substrate, it is possible to greatly reduce the size and to provide a sensor device that can be easily used in the fields of micro tactile sensing for medical use and the like. .

【0044】なお、図11に示すように、Sモード圧電
振動子2003のみを用いた場合でも反共振周波数fa
と反共振抵抗Zrとを求めることができる。上記した圧
電振動子の構成によれば、負荷の受ける面は端子構造が
一切無いので負荷を安定に再現性良く受けることができ
る。また、裏面の端子を接続する面も同一面内にあるの
で、シリコン基板上に配設した電極パッドに接合しやす
くなる。圧電振動子を膜形成するとき、あらかじめ基板
上に配設した電極パッド上にそのまま成膜し、その後、
上部電極を形成するだけで配線は一切不要となり、構造
的な信頼性向上につながる。
Incidentally, as shown in FIG. 11, even when only the S-mode piezoelectric vibrator 2003 is used, the anti-resonance frequency fa
And the anti-resonance resistance Zr can be obtained. According to the above-described structure of the piezoelectric vibrator, since the load receiving surface has no terminal structure, the load can be stably received with good reproducibility. Further, since the surface of the back surface for connecting the terminals is also in the same surface, it becomes easy to bond to the electrode pad arranged on the silicon substrate. When forming a film of the piezoelectric vibrator, the film is directly formed on the electrode pad arranged on the substrate in advance, and then,
No wiring is required just by forming the upper electrode, which leads to structural reliability improvement.

【0045】「上記実施形態では、増幅素子としてトラ
ンジスタを用いているが、トランジスタに代えてFET
や、オペアンプを用いてもよい。なお、FETを用いる
場合は、上記実施形態とほぼ同様の回路構成となるが、
オペアンプを用いる場合には、図12に示すような回路
構成となる。
[In the above embodiment, a transistor is used as the amplifying element, but a FET is used instead of the transistor.
Alternatively, an operational amplifier may be used. When the FET is used, the circuit configuration is almost the same as the above embodiment,
When an operational amplifier is used, the circuit configuration is as shown in FIG.

【0046】また、SモードとAモードの振動子を対で
用いたが、Sモード同士で一対の組み合わせでも、一方
の反共振周波数が他方の共振周波数に一致していればよ
い。この場合、圧電振動子は、途中で厚さが変化するも
のを用いる。
Although the S-mode and A-mode oscillators are used as a pair, a combination of S-modes may be used as long as one anti-resonance frequency matches the other resonance frequency. In this case, the piezoelectric vibrator whose thickness changes midway is used.

【0047】以上、本発明を、実施の形態に基づいて説
明したが、本発明からは、以下のような構成の技術的思
想が導き出される。 (1).時間の経過に応じて異なる周波数をもつ入力信
号を入力するための入力部と、この入力部から入力され
る入力信号を増幅する増幅手段と、この増幅手段に関し
て設けられ、前記入力信号の特定の周波数に対して共振
する圧電振動子とを具備し、前記入力部から入力信号を
入力し、前記圧電振動子が共振したときの前記増幅手段
の出力に基づいて、前記圧電振動子の共振周波数と共振
抵抗とを分離して同時に検出する信号処理手段を設けた
ことを特徴とするセンサ。 (2).構成(1)において、前記圧電振動子は、その
第1の面に第1、第2の電極を並列して配置し、第2の
面には第1、第2、第3の電極を並列して配置して、前
記第1の面に設けられた第1の電極と前記第2の面に設
けられた第1の電極とからなるSモード検出用の第1の
圧電振動子と、前記第1の面に設けられた第2の電極と
前記第2の面に設けられた第2及び第3の電極とからな
るAモード検出用の第2の圧電振動子という異なる2つ
の検出モードを有する複数の圧電振動子を同一の圧電板
に形成したモノリシック圧電振動子であることを特徴と
するセンサ。 (3).構成(1)において、前記増幅手段がトランジ
スタまたはFET(電界効果形トランジスタ)であり、
前記圧電振動子はこのトランジスタのエミッタ抵抗また
はFETのソース抵抗に並列に接続されていることを特
徴とするセンサ。 (4).構成(1)において、前記増幅手段がトランジ
スタまたはFET(電界効果形トランジスタ)であり、
前記圧電振動子はこのトランジスタのベースまたはFE
Tのゲートに接続されていることを特徴とするセンサ。 (5).構成(2)において、前記増幅手段がトランジ
スタまたはFET(電界効果形トランジスタ)であり、
前記第1の圧電振動子はこのトランジスタのエミッタ抵
抗またはFETのソース抵抗に並列に接続され、前記第
2の圧電振動子はトランジスタのベースまたはFETの
ゲートに接続されたものであることを特徴とするセン
サ。 (6).構成(2)において、前記増幅手段がオペアン
プであり、前記第1の圧電振動子は前記オペアンプの帰
還部分に接続され、前記第2の圧電振動子はこのオペア
ンプの非反転入力端子に接続されていることを特徴とす
るセンサ。 (7).複数の圧電振動子を同一の圧電板に形成したモ
ノリシック圧電振動子において、該圧電振動子の第1の
面には第1、第2の電極を並列して配置するとともに、
前記圧電振動子の第2の面には第1、第2、第3の電極
を並列して配置し、前記第1の面に設けられた第1の電
極と前記第2の面に設けられた第1の電極とで、Sモー
ドの圧電振動子を構成し、前記第1の面に設けられた第
2の電極と、前記第2の面に設けられた第2及び第3の
電極とでAモードの圧電振動子を構成したことを特徴と
するモノリシック圧電振動子。 (8).構成(7)において、前記第1の面の第1、第
2の電極は、端子を接続しない電極であり、前記第2の
面の第1、第2、第3の電極を端子接続電極としたこと
を特徴とする請求項5記載のモノリシック圧電振動子。
Although the present invention has been described above based on the embodiments, the technical idea of the following constitution is derived from the present invention. (1). An input section for inputting an input signal having a different frequency according to the passage of time, an amplifying means for amplifying an input signal inputted from the input section, and an amplifying means provided for the amplifying means are provided for identifying the input signal. A resonance frequency of the piezoelectric vibrator based on an output of the amplifying means when the piezoelectric vibrator resonates, the input signal being input from the input unit. A sensor provided with signal processing means for separating and detecting a resonance resistance at the same time. (2). In configuration (1), the piezoelectric vibrator has first and second electrodes arranged in parallel on a first surface thereof, and first, second, and third electrodes arranged in parallel on a second surface thereof. A first piezoelectric vibrator for S-mode detection, which is composed of a first electrode provided on the first surface and a first electrode provided on the second surface, and Two different detection modes, that is, a second piezoelectric vibrator for A-mode detection, which includes a second electrode provided on the first surface and second and third electrodes provided on the second surface, are provided. A sensor, which is a monolithic piezoelectric vibrator in which a plurality of piezoelectric vibrators are formed on the same piezoelectric plate. (3). In the configuration (1), the amplification means is a transistor or a FET (field effect transistor),
The sensor, wherein the piezoelectric vibrator is connected in parallel to the emitter resistance of the transistor or the source resistance of the FET. (4). In the configuration (1), the amplification means is a transistor or a FET (field effect transistor),
The piezoelectric vibrator is the base or FE of this transistor.
A sensor characterized in that it is connected to the gate of T. (5). In the configuration (2), the amplifying means is a transistor or a FET (field effect transistor),
The first piezoelectric vibrator is connected in parallel to the emitter resistance of the transistor or the source resistance of the FET, and the second piezoelectric vibrator is connected to the base of the transistor or the gate of the FET. Sensor to do. (6). In the configuration (2), the amplifying means is an operational amplifier, the first piezoelectric vibrator is connected to a feedback portion of the operational amplifier, and the second piezoelectric vibrator is connected to a non-inverting input terminal of the operational amplifier. A sensor characterized by being present. (7). In a monolithic piezoelectric vibrator in which a plurality of piezoelectric vibrators are formed on the same piezoelectric plate, first and second electrodes are arranged in parallel on a first surface of the piezoelectric vibrator, and
First, second, and third electrodes are arranged in parallel on the second surface of the piezoelectric vibrator, and the first electrode provided on the first surface and the second electrode are provided on the second surface. The first electrode constitutes an S-mode piezoelectric vibrator, and the second electrode provided on the first surface and the second and third electrodes provided on the second surface. 1. A monolithic piezoelectric resonator characterized in that an A-mode piezoelectric resonator is constituted by. (8). In the configuration (7), the first and second electrodes on the first surface are electrodes not connected to terminals, and the first, second, and third electrodes on the second surface are terminal connection electrodes. The monolithic piezoelectric vibrator according to claim 5, wherein

【0048】上記構成(1)〜(6)における作用効果
は以下の通りである。 (作用)圧電振動子のインピーダンスの変化を、共振周
波数の変化分と、共振抵抗の変化分とに分離して同時に
検出される。 (効果)共振周波数の変化分と共振抵抗の変化分の両検
出量から、負荷となる粘弾性体対象物の弾性特性と粘性
特性とを求めることが可能なセンサを提供することがで
きる。
The functions and effects of the above configurations (1) to (6) are as follows. (Operation) A change in impedance of the piezoelectric vibrator is separated into a change in resonance frequency and a change in resonance resistance and detected simultaneously. (Effect) It is possible to provide a sensor that can obtain the elastic characteristic and the viscous characteristic of a viscoelastic object that is a load from both the detected amounts of the change of the resonance frequency and the change of the resonance resistance.

【0049】上記構成(7)〜(8)における作用効果
は以下の通りである。 (作用)圧電振動子の第1の面には第1、第2の電極を
並列して配置するとともに、前記圧電振動子の第2の面
には第1、第2、第3の電極を並列して配置することに
より、前記第1の面に設けられた第1の電極と前記第2
の面に設けられた第1の電極とで構成されるSモードの
圧電振動子と、前記第1の面に設けられた第2の電極
と、前記第2の面に設けられた第2及び第3の電極とで
Aモードの圧電振動子からなる2つの検出モードを合わ
せもつ圧電振動子がモノリシックに形成される。 (効果)小型で測定の信頼性が向上したモノリシック圧
電振動子を提供することができる。」
The functions and effects of the above configurations (7) to (8) are as follows. (Function) First and second electrodes are arranged in parallel on the first surface of the piezoelectric vibrator, and first, second and third electrodes are arranged on the second surface of the piezoelectric vibrator. By arranging in parallel, the first electrode and the second electrode provided on the first surface are arranged.
S-mode piezoelectric vibrator including a first electrode provided on the surface of the second electrode, a second electrode provided on the first surface, and a second electrode provided on the second surface. A piezoelectric vibrator having two detection modes, which is an A-mode piezoelectric vibrator, is formed monolithically with the third electrode. (Effect) It is possible to provide a monolithic piezoelectric vibrator that is small and has improved measurement reliability. "

【0050】[0050]

【発明の効果】本発明によれば、圧電振動子の共振周波
数と共振抵抗とを分離して同時に求めることができるよ
うになる。また、小型で測定の信頼性を向上したモノリ
ッシック圧電振動子が得られる。
According to the present invention, the resonance frequency and the resonance resistance of the piezoelectric vibrator can be separately obtained at the same time. In addition, a monolithic piezoelectric vibrator having a small size and improved measurement reliability can be obtained.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】本発明の第1実施形態に係る触覚センサ回路の
構成を示す図である。
FIG. 1 is a diagram showing a configuration of a tactile sensor circuit according to a first embodiment of the present invention.

【図2】触覚センサ回路の制御ブロック図である。FIG. 2 is a control block diagram of a tactile sensor circuit.

【図3】図2のFM変調器の構成を示す図である。FIG. 3 is a diagram showing a configuration of the FM modulator of FIG.

【図4】(a)は触覚センサ用高周波パルス信号波形を
示す図であり、(b)は(a)の高周波パルス信号の周
波数が時間と共にどのように変化するかを示す図であ
る。
FIG. 4A is a diagram showing a high-frequency pulse signal waveform for a tactile sensor, and FIG. 4B is a diagram showing how the frequency of the high-frequency pulse signal in FIG. 4A changes with time.

【図5】負荷の有無による圧電振動子のインピーダンス
特性の差を示す図である。
FIG. 5 is a diagram showing a difference in impedance characteristic of the piezoelectric vibrator depending on presence / absence of a load.

【図6】圧電振動子のインピーダンス特性と触覚センサ
回路の出力との関係を示す図である。
FIG. 6 is a diagram showing a relationship between impedance characteristics of a piezoelectric vibrator and an output of a tactile sensor circuit.

【図7】各部の信号波形を示す図である。FIG. 7 is a diagram showing a signal waveform of each part.

【図8】本発明の第2実施形態を説明するための図であ
る。
FIG. 8 is a diagram for explaining a second embodiment of the present invention.

【図9】本発明の第3実施形態の構成を示す図である。FIG. 9 is a diagram showing a configuration of a third exemplary embodiment of the present invention.

【図10】モノリシック圧電振動子の断面図である。FIG. 10 is a cross-sectional view of a monolithic piezoelectric vibrator.

【図11】本発明の第3実施形態の変形例を示す図であ
る。
FIG. 11 is a diagram showing a modification of the third embodiment of the present invention.

【図12】オペアンプを用いた実施形態の回路構成を示
す図である。
FIG. 12 is a diagram showing a circuit configuration of an embodiment using an operational amplifier.

【図13】従来のセンサの構成を示す図である。FIG. 13 is a diagram showing a configuration of a conventional sensor.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

88…圧力電気振動子、89…トランジスタ、90…エ
ミッター抵抗、91…コレクター抵抗、92,93…直
流バイアス抵抗、94…電源電圧供給端子、95…高周
波パルス信号入力端子,96,97…コンデンサ、98
…出力端子。
88 ... Pressure electric vibrator, 89 ... Transistor, 90 ... Emitter resistance, 91 ... Collector resistance, 92, 93 ... DC bias resistance, 94 ... Power supply voltage supply terminal, 95 ... High frequency pulse signal input terminal, 96, 97 ... Capacitor, 98
... Output terminal.

Claims (2)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 時間の経過に応じて異なる周波数をもつ
入力信号を入力するための入力部と、 この入力部から入力される入力信号を増幅する増幅手段
と、 この増幅手段に関して設けられ、前記入力信号の特定の
周波数に対して共振する圧電振動子と、 前記入力部から入力信号を入力し、前記圧電振動子が共
振したときの前記増幅手段の出力に基づいて、前記圧電
振動子の共振周波数と共振抵抗とを分離して同時に検出
する信号処理手段と、 を設けたことを特徴とするセンサ。
1. An input unit for inputting an input signal having a different frequency according to the passage of time, an amplifying unit for amplifying an input signal inputted from the input unit, and the amplifying unit. A piezoelectric vibrator that resonates with respect to a specific frequency of an input signal, and a resonance of the piezoelectric vibrator based on an output of the amplifying unit when the input signal is input from the input unit and the piezoelectric vibrator resonates. A signal processing unit that separates and simultaneously detects a frequency and a resonance resistance, and a sensor.
【請求項2】 複数の圧電振動子を同一の圧電板に形成
したモノリシック圧電振動子において、 前記圧電振動子の第1の面には第1、第2の電極を並列
して配置するとともに、前記圧電振動子の第2の面には
第1、第2、第3の電極を並列して配置し、 前記第1の面に設けられた第1の電極と前記第2の面に
設けられた第1の電極とで、Sモードの圧電振動子を構
成し、 前記第1の面に設けられた第2の電極と、前記第2の面
に設けられた第2及び第3の電極とでAモードの圧電振
動子を構成したことを特徴とするモノリシック圧電振動
子。
2. A monolithic piezoelectric vibrator in which a plurality of piezoelectric vibrators are formed on the same piezoelectric plate, wherein first and second electrodes are arranged in parallel on a first surface of the piezoelectric vibrator. First, second, and third electrodes are arranged in parallel on the second surface of the piezoelectric vibrator, and the first electrode provided on the first surface and the second electrode are provided on the second surface. An S-mode piezoelectric vibrator with the first electrode, and a second electrode provided on the first surface, and second and third electrodes provided on the second surface. 1. A monolithic piezoelectric resonator characterized in that an A-mode piezoelectric resonator is constituted by.
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