JPS5856406B2 - 水晶トランスデュサ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は歪あるいは密度等を周波数に変換する水晶トラ
ンスデュサに関するものである。

第１図は、水晶を用いて歪を周波数に変換する水晶スト
レインゲージとして使用せる場合の原理説明図で、Ａは
正面図、Ｂは側面図、Ｃは平面図である。

図において、１は両端を固定された長板状の水晶の振動
子、２は、たとえば、筐体等のベースである。

今、振動子１に、矢印Ｘの方向に歪εが生ずるとし、水
晶のばね定数がベース２０それに比較して弱いとすれば
、振動子１には（１）式に示すような応力が発生する。

σ−ε・Ｅ（１） Ｅ：水晶の振動子１の等価ヤング率 このような状態で、振動子１が矢印Ｙ方向、あるいは、
Ｚ方向の振動モード（水晶力カット方向、電極の構成、
配列を選ぶことにより実現できる。

）で振動しているとすれば、その振動周波数ｆは（２）
式に示すように歪εに対応して変化する。

共振周波数ωは２πｆで表わせるので、振動子１の共振
周波数ωを測定すれば、対応する歪を測定することがで
きる。

このようなトランスデユーサにおいて、高精度の測定を
実現するための条件としては以下０条件が満足されなげ
ればならない。

（１）周波数ｆの安定性が良い。

つまり、振動子１のＱが高い。

（ｉｉ） 単位歪当りの周波数変化率△ｆ／εが大き
い。

即ち、このようなトランスデユーサの良好塵Ｇは次のよ
うな式で表わすことができる。

而して、第１図の構成のものにおいて、振動子１を共振
させ、その共振周波数εを測定すれば、加えられた歪ε
を知ることができる。

しかしながら、たとえば、Ｙ方向の振動モードの場合、
第２図に示す如く、棒が振動している場合に、ベース２
との固定端部には反力Ｒが発生し、この力はベース部が
理想的な固定端でない場合、損失となり消費され、振動
子１のＱの低下の原因となる。

本発明は上記の如き問題点を解決したものである。

本発明の目的は簡単な構成により、振動エネルギー損失
の少く、効率のよい水晶トランスデュサを提供するにあ
る。

第３図は本発明の一実施例の構成説明図で、Ａは正面図
、Ｂは側面図である。

図において、１は平板状の振動子本体で、振動部１１．
結合部１２よりなる。

振動部１１は中心軸０−０′に対称に平行して設けられ
、２個の板ビーム状をなしている。

結合部１２はその両端が振動部１１のそれぞれの一端と
結合しているもので、振動部１１と結合部１２とにより
口の字形に構成されている。

３，４は振動子本体１に、それぞれ設けられた電極で、
外部に設けられた増幅器５に接続されている。

而して、振動子本体１と増幅器５とにより、第４図に示
すように、発振回路Ａが構成されている。

６は周波数測定器である。以上の構成において、第３図
に示す如く、歪εが矢印Ｘ方向に振動子本体１に生じた
場合に、歪εが変化すると、前述（２）式に示す如く振
動子本体１の共振周波数は変化し、これに対応して、発
振回路Ａの発振周波数も変化する。

したがって、発振回路Ａの発振周波数を周波数測定器６
により測定すれば振動子本体１に生じた歪εの値を知る
ことができる。

この場合、第５図に示す如く、２個の振動部１１が中心
軸０−０′に対称に振動する振動モードの場合、振動子
本体１０ベース２への固定端部には振動部１１と結合部
１２との接続点において発生する反力Ｒ、モーメン）Ｍ
が互に逆方向で大きさが等しいため結合部１２において
互に打ち消し合い、全く力が発生せず、支持が理想的な
状態でない場合でも、振動子本体１から外部にエネルギ
ーが消費されることがない。

この結果、Ｑの高い（良好塵Ｇの値の大きい）振動子本
体を得ることができる。

また、水晶ストレインゲージは抵抗形ストレインゲージ
に比して、ゲージファクターが大きく又その値を任意に
設計することが可能で、安定性がよい。

更に、歪を周波数信号として取り出せるので、Ａ／Ｄ変
換なしに、コンピュータ等との接続が可能である。

マタ、本発明のものはフォトエツチング技術等を用いて
、容易に大量生産することができる。

第６図は本発明の他の実施例の構成説明図である。

本実施例においては、振動子本体１に脚部１３を設けた
もので、このようにすれば、ベース２に凹部を設げる必
要がない歪ゲージが得られる。

第７図は張力Ｔを受ける金属板Ｐに本発明の水晶ストレ
インゲージを使用せる具体例を示したものである。

第７図において、金属板Ｐ上に１ａは張力Ｔと平行方向
に、１ｂは張力Ｔと直交する方向に、それぞれ取付けら
れた水晶ストレインゲージを示す。

Ｏ２０は発振器、Ｑは水晶ストレインゲージｌａ。

１ｂにより検出された周波数ｆ１．ｆ２を演算する演算
回路である。

ここにおいて、張力Ｔ二〇のとき、周波数ｆ１−ｆ２と
すれば、（２）式より金属の歪あるいは応力を測定する
ことができる。

（３）式は歪、応力の演算例を示したものである。

なお、ここでは、水晶ストレインゲージ２個を使用した
ものについて示したが、水晶ス、トレインゲージを１個
あるいは２個以上用いても同様の歪測定が実現できるこ
とは勿論である。

第８図は片持梁Ｒに、第９図はねじり力Ｓの加わる丸棒
Ｗに、水晶ストレインゲージを使用せる具体例を示す。

次に、第１図例において、振動子１が被測定流体中に置
かれると、被測定流体の密度ρ０と振動子の横方向の振
動周波数ｆ′との間には（３）式に示すような関係があ
る。

共振周波数は２πｆで表わせるので、振動子１の共振周
波数ωを測定すれば、被測定流体の密度ρ０を測定する
ことができる。

したがって、第３図構成の装置によれば、前述の水晶ス
トレインゲージとして用いられた場合と同様に、振動エ
ネルギー損失の少く、効率のよい密度変換トランスデュ
サを得ることができる。

以上説明したように、本発明によれば、簡単な構成によ
り、振動エネルギー損失の少く、効率のよい水晶トラン
スデュサを実現することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の原理的構成説明図で、Ａは正面図、Ｂ
は側面図、第２図は第１図の動作説明図、第３図は本発
明の一実施例の構成説明図で、Ａは正面図、Ｂは側面図
、第４図は発振回路の構成説明図、第５図は第４図の動
作説明図、第６図は本発明の他の実施例の構成説明図、
第７〜９図は本発明装置を水晶ストレインゲージとして
使用せる具体例の説明図である。 １・・・振動子本体、１１・・・振動部、１２・・・結
合部、２・・・ベース、３，４・・・電極、５・・・増
幅器、６・・・周波数測定器、Ａ・・・発振回路。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 中心軸に対称に同一平面をなし平行して設けられほ
   ぼ長板状の振動部と該振動部のそれぞれの一端を結合す
   る結合部とよりなる平板状の水晶の振動子、該振動子を
   共振させる励振手段および前記振動子の振動を検出する
   検出手段を具備してなる水晶トランスデュサ。