JPS59211833A - 力トランスジユ−サ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 発明の分野 本発明はトランスジューサの分野に属し、詳しくいうと
、高Ｎ像力、高精度のカドランスジューサに関する。

力あるいは重さを感知する従来技術の一形式は固定の磁
界中に可動コイルを使用するフィードバック方法を利用
している。このコイルは感知軸線に沿って可動であり、
そしてこの感知ｔｖｌ線に沿う一定位置に保持するのに
十分な電流によって駆動される。この形態においては、
コイル駆動電流はこのコイルを変位するために供給され
る力の尺度を提供する。この方法は一般的に有効である
けれど、この力感知形態は比較的複重であり、対応的に
高価である。

従来技術の他の形式はひずみゲージ・ロードセルである
。しかしながら、この形式においては、ロードセルの精
度がひずみゲージのセンサ材料のヒステリシスおよびク
リープによって、ならびにセンサに対する結合材料のヒ
ステリシスおよびクリ１プによって、制限される。

さらに他の力感知方法は可変キャパシタンス形式のロー
ドセルを利用する。このロードセルにおいては、測定さ
れるべき力が一対の対向する実質的に平行な導電性板を
供給される力に比例する態様で分離させるようにこれら
導電性板が結合されている。この方法は原理的には満足
なものであるけれど、感知する導電性板をある範囲の力
にわたって平行に適切に保持する従来技術において既知
の単純な組立体がない。

発明の目的 従って、本発明の目的は改良された力センサを提供する
ことである。

他の目的は可変キャパシタンス力センサを提供すること
である。

発明の概要 簡単に説明すると、本発明によれば、カドランスシュ〜
すは中心軸線に沿っている一対の対向スる剛体の労合算
部材を含む。これら合算部材のそれぞれは中心軸線に沿
って他方の合洒部材の方へ延在するセンサ部材を含む。

これらセンサ部材は中心軸歌に直角な第１の基準軸線の
方向において相互にオフセットされている（心がずれて
いる）対向する感知部分を含む。一対のビーム部材が労
合算部材間に延在しかつこれら部材を結合しており、一
方のビーム部材はセンサ部材の一側にあり、また他方の
ビーム部材はセンサ部材の他側にある。

これらビーム部材は第２の基準軸線（第１の基準軸線お
よび中心軸線に対して直角をなす）に平行な軸線に関し
て可撓性であるが、他の点では実質的に剛性である。本
発明の好ましい形式においては、ビーム部材は長さにお
いて実質的に等しく、かつセンナ部材と結合する点間の
距離が実質的に等しく、従ってビーム部材はおおむね平
行である。

労合算部材の一方には、中心に加えられる力をセンサの
一端に伝達する堅い六入力部材が取付けられている。こ
の六入力部材は力がビーム部材の端部てはなくて中央に
加わるようＫし、これらビーム部材の直接の張力および
圧縮を最小にしている。−形式においては、この六入力
部材はおおむねＬ形状の構成部材（上記第２の基準軸線
に沿って見たときに）であるが、この部材の正確な形状
は臨界的なものではない。他方の労合算部材には、反力
をこの他方の労合算部材の反対端に伝達する堅い支持部
材が取付けられている。好ましい一形式においては、一
方の労合算部材および隣接する六入力部材は、他方の労
合葬部材およびその関連する支持部材と同様に、四じ単
一（モノリシック）構造体の一部分である。この構成は
、ビーム部材に溶着される、さもなくば接合される２つ
の単一体（モノリシック）の構成部片からトランスジュ
ーサが形成されることを可能にする。六入力部材および
支持部材の位置はこれら部材がこの接合点の領域上に延
在しないように選定されることが好ましく、製造工程の
この接合段階を妨害しないようにすることが好ましい。

本発明の一形式においては、対向するセンサ部分のそｎ
ぞれは、一対の対向する実質的に平行な導電性平面を提
供するように、導電性部材を支持する。これら導電性平
面は第１の基準＠線の方向においてオフセットされてお
り、かつ第２の基準軸線に対して平行である。本発明の
この形式においては、カドランスジューサは導電性部材
がセンサ部材の対向する部分に付着された薄い等電性フ
ィルムであるモノリシックｎｘ体構造であってもよい。

この形態においては、カドランスジューサは堅い支持部
材に加えられる第１の基準軸線に平行な力によって一方
の合算部材に支持することができる。測定されるべき力
は堅いカム力部材を介して第１の基準軸線に平行な他方
の合算部材に供給される。この力が合算部材に供給され
ると、ビーム部材は第２の基準軸線に平行な軸線に関す
るそれらの可撓性により変形する。ビーム部材が変形す
ると、センサ部材およびこれらセンサ部材によって支持
される導電性部材がそれらの平行な関係を維持しながら
第１の基準軸線の方向に互いに関して変位される。これ
ら導電性部材によって形成さし７：、有効平行板コンデ
ンサのキャパシタンスは通常のようにａｔ定できる。測
定されたキャパシタンス値は平行板の間隔、従って測定
されるべき力に反比例する。

本発明の他の形式においては、両刃合算部材を含むカド
ランスジューサの全体が単一部片の材料から形成される
。この実施例は上記した同じ形状および構成素子部分を
Ｍするセラミック材料から毛−ルドしてもよい。この単
一部片の実施例では、導電性面は、正確なコンデンサの
測定に必要な比１ｍ　釣手サナ空気間隙（約αｏ　０７
６２　ｃｍ　（１００３インチ）ないし約０．０１５２
４ｃｒＩＬ（０，００６インチ））が得られるように、
単一部片よりなるトランスジューサに接合される一対の
小さなセラミックのインサート上の４電性材料の被膜で
あることが好ましい。

本発明によるカドランスジューサの他の実施例は平行四
辺形のフレーム構造体を使用する。この駒合に、（１）
第１の基準軸線に沿う労合算部材の長さは中心軸線に沿
う可撓性ビーム部材の長さより太きいか、または小さく
、そして（２）センサ部材は可撓性ビーム部材に取付け
られかつおおむね第１の基準＝ｉの方向に互いに向って
突出し、それらの関連する感知部分がオーバーラツプし
てこれら感知部分に取付けられた導電性素子間に可変キ
ャパシタンスの間隙を提供している。この構造によれば
、労合算部材の長さが可撓性ビーム部材の長さを越える
ときには、一方の労合算部材の他方の労合算部材に関す
る偏向ｄが導気性素子間の間隙ｇＫｄより大きな変化を
生じさせる。この機械的運動の増幅は大きな力を測定す
るように設計された剛性トランスジューサにとって特に
有用である。

この実施例は２つの同一のセンサ部材と、労合算部材を
含む２つの他の同一の部材と、各労合算部材と一体に形
成された２つのビーム部分とにより形成されることが好
ましい。また、この実施例の好ましい形式においては、
センサ部材は対向するビーム部分の端面間に結果的に可
撓性のビームの変曲点の近傍で固定され、センサとビー
ムの接合部によって導入される誤差を最小にしている。

さらに他の形式、すなわち、多くの応用例にとって好ま
しい低価格の実施例においては、トランスジューサはサ
ンドインチ構造を有している。他の実施例の場合と同様
に、労合算部材は互いに対向するセンサ部材を支持する
。相違点は労合算部材を結合する可撓性ビーム部材の構
造、およびビーム部材が労合ｎ部材に取付けられる態様
にある。ビーム部材はそれぞれ、第２の基準軸線に平行
な軸線に関して可撓性である薄い中央部分を有すや一体
のモノリシック部材である。また、各ビーム部材は、ビ
ーム部材の主軸線に沿って、あるいは第１の基準軸線に
沿って、見たときに、薄い中央部分よりも非常に大きな
（少なくとも４倍大きいことが好ましい）横断面積を有
する一対の端部片を含む。

ビーム軸線に沿うこの横断面積の変化は薄い中央部分の
ビーム部材の撓曲から生じるたわみを端部片の近傍の点
に集中させる傾向がある。（中央部分は全体として、測
定されるべき力に応答して撓曲したときにＳ形状の変形
を受け、平行四辺形の動きを呈し、第１の基準軸線に沿
うセンサ部材の互いに関する平行移動を生じさせる。）
第２の軸線に沿う端部片の大きな＃ｉ、断面積は瞬接す
る労合算部材に結合する大きな面積を持つ面を提供す、
るために１喪である。その結果、この面とＶ＃接する労
合算部材の対向する面間の薄い層の結合剤がまた、ビー
ム部材の薄い中央部分の横断面積と比較して大きな面積
を有する。最大応力点の位置および薄い結合剤の層の面
積の両方が最小のヒステリシス損でこれら素子間の確実
な接合を可能にする。

結合剤はエポキシあるいは類似物でよいけれど、膨張係
数の開きが小さい（ビームおよび労合算部材の材料の膨
張係数に近い）かつ低融点のガラスが好ましい。

本発明のカドランスジューサは、例えば、カドランスジ
ューサが石英より形成されたモノリシック輸追体である
場合には、負荷のもとて比較的低ヒステリシスおよび非
常に低いクリープによって特徴付けることができる。こ
の形式においては、合算部材に供給される与えられた力
に対して熱によるキャパシタンスの変化が比較的少ない
。カドランスジューサは王として単一の感知（第１の基
準）軸線からの正味の力に応答し、そしてその他の面に
おける力およびモーメントに対しては比較的為い拒否比
率を有する。

本発明のカドランスジューサは力の直接Ｉｌｊｌ相定ロ
ードセルの形式の力センサとして使用することができる
。あるいは、このトランスジューサは慣性力（ある／Ｘ
量とともに使用されるとき）、あるいはダイヤスラムと
ともに使用されるときの圧力のような他の力を感知する
ために使用できる。

本発明の上述のおよび他の目的、種々の特徴、ならびに
本発明それ自体は添付図面を参照しての以下の好ましい
実施例についての記載から十分に理解されよう。

第１図は本発明によるトランスジューサ１ｏの好ましい
一形式を示す。このトランスジューサ１０は一対の長方
形横断面の細長い部材１２および１４を有し、これら部
材１２．１４は共通の中心軸線１６に沿って延在してい
る。一方の細長い部材１２は第２図にも図示されている
。部材１２および１４はそれらの隣接する端部に相補面
を含む。図示するように、部材１２．１４の端部全体が
相補面を形成しているが、他の実施例においては、相補
面が隣接する端部の一部だけであってもよい。

例示の実施例においては、部材１２．１４０面は中心軸
線１６に直角な第１の基準軸線３ｏの方向においてオフ
セットされて（心がずれて）いる平らな部分２０および
２２をそれぞれ含む。これら平らな部分２０．２２は軸
線１６および６０に直角な諮２の基準軸線２４に対して
平行である。

この好ましい実施例においては、平らな部分２０および
２２は中心軸線１６に対しても平行であるが、他の実施
例では平らな部分は中心軸線１６からある角度をもって
（角度方向Ｋ）オフセットされていてもよい。図示する
ように、平らな部分２０および２２の各側面は、軸線６
０に対して平行でかつ軸線１６に対して直角であるけれ
ど、これら側面の他の配向状態も使用できる。この実施
例においては、部材１２および１４は実質的に同一であ
る。これら部材は接合されてトランスジューサ１０を形
成する。

細長い部材１２および１４はそれぞれ軸１１５１１６お
よび２４に平行な平部にそれらの相補面から延在する２
つの平面状スロットをそれぞれ含む。

鋲１図および第２図に例示された実施例においては、部
材１２および１４のそれぞれにおける両スロットは同一
の深さを有する。しかしながら、他の実施例においては
、部材１２および１４のそれぞれにおいて、一方のスロ
ットが深さＡを有し、他方のスロットが深さＢを有して
もよい。この場合、ＡおよびＢの少なくとも一方は０で
はなく、かつＡとＢの和はあらかじめ定められた値に等
しい。さらに、部材１２０２つのスロットは軸線５０の
方向に離間されており、従って部材１２の上部ビーム部
分１２ａおよび下部ビーム部分１２ｂ（すなわち、部材
１２のスロットおよび外側表面によって限定されたビー
ム部分）は軸線２４に平行な軸線に関するモーメントに
応答して相対的にたわみやすくなる。

本実施例においては、部材１２および１４は実質的に同
一である。その結果、部材１４０２つのスロットは上部
ビーム部分１４ａおよび下部ビーム部分１４ｂを定める
ものとみなせる。

部材１２および１４の平らな部分２０および２２はそれ
ぞれ実質的に平面状の堺電性部材３４および３６を支持
する。

部材１２および１４の上部ビーム部分１２ａおまひ下部
ビーム部分１４ｂはそれぞれ部材４２によって接合され
、また部材１２および１４の下部ビーム部分１２ｂおよ
び上部ビーム部分１４ａはそれぞれ部材４４によって接
合される。その結果としての形態において、部材１２お
よび１４の相補面は軸線１６の方向において互いにオフ
セットされており、部材６４および３６０対向する導電
′性表面は軸＆！３０の方向において互いにオフセット
されている。好ましい形式においては、部材１２および
１４は石英であり、隣接する部材４２および４４もまた
、石英であり、従ってこれらすべての部材はモノリシッ
ク構造体を形成するように一緒に融合できる。他の実施
例においては、チタンのけい酸塩、セラミックあるいは
他の誘導体材料のような他の材料が使用できる。

第１図に示すように、トランスジューサ１０は部材１４
に強固に取付けられた堅い支持部材５０および部材１２
に強固に取付けられた堅いカム力部材５２を含む。これ
ら部材５０および５２は石英であってもよく、また部材
１２および１４にそれぞれ融着してもよい。支持部材５
０はトランスジューサ支持素体５６の上部平面に結合さ
れる。

第６図は、支持部材５０が均質の誘電体材料の単一部片
から部材１４と一体に形成され、また堅いカム力部材５
２が、同じく均質の誘電体材料の単一部片から部材１２
の一部分として一体に形成されている点を除き、第１図
の実施例と類似の他の実施例を示す。適当な材料は石英
およびセラミックである。この構成は異質の接合剤に関
連する問題を回避し、また接合がなされた後の動作上の
問題の可能性を回避する。かかる動作上の問題としては
、温度のような可変パラメータに対する材料の応答の相
違による、あるいは羊にある時間期間にわたる使用およ
びエーシングによる、この接合の破壊あるいは接合状態
の変化があげられる。

第４図は、堅い支持部材５０が部材１２に強固に取付け
られ、また堅いカム力部材５２が部材１４に強固に取付
けられている点を除き、第１図の実施例に類似の他の実
施例を示す。換言すると、これら部材５０および５２は
第１図の実施例の場合とは部材１２および１４０反対側
の端部に取付けられている。第３図の実施例とは対照的
に、部材５０．５２．１２および１４は２つの均質材料
の部片から形成されない。また、部材５２は、図示する
ように、部材１４の上部右側端部に取付けられているが
、部材５２はビーム部材１２ａおよび１４ｂの位置４２
での溶着または接合を妨害するほどは延在していない。

第５図の実施例は、竪い支持部材５０および部材１２が
同じ均質の誘電体材料の部片から一体に形成され、同様
に堅いカム力部材５２および部材１４が同じ均質の誘電
体材料の部片から一体に形成されている点を除き、第４
図の実施例と同じである。第５１！￥１の実施例の場合
のように、この構成はトランスジューサ１０が位置４２
および４４で一体的に溶着される、または接合される２
つの構成素子（それぞれが一端が開口した３つのスロッ
トを有する）を製造するだけで形成できるようにする。

これは第６図の実施例に関して上記した問題を回避する
。誘電体材料は石英あるいはセラミックでよい。

第６図は労合算部材１２および１４、ならびにカム力部
材５２および支持部材５０がすべて均質の誘電体材料の
単一部片から一体に形成されたさらに他の実施例を示す
。単一の石英ブロックから適当た開口を形成することが
できるけれど、この実施例はトランスジューサ１０がモ
ールドされたセラミックから形成される場合に特に有用
である。

導電性部材３４．３６は非常に接近した状態（代表的に
は両部材間の間隔は約ｏ、ｏ０７６２ｃｍないし約０．
０１５２４儂）に配置されなければならないから、十分
に狭いギャップを直接モールドすること、およびこのギ
ャップ内に４％性表面を正しく形成すること、または位
置付けることは困難なことである。この問題をさけるた
めに、対向する導電性表面の実際の間隔より広いように
この容量性ギャップをつくることが好ましい。そして、
一対のインサー１３４ａ、３６ａ（第６図）がギャップ
内の適所に接合される。これらインサートはトランスジ
ューサの・他の構成素子と同じ誘電体材料から形成され
ることが好ましい。各インサートは一方の面に導電性材
料の層３４ａ’　、３６ａ’を担持し、これら導電性層
は勿論、互いに対面する。インサート６４ａ、５６ｈの
厚さは導電性層間に正しい接近した間隔を生じさせるよ
うに選択され、この年一部片（ワンピース）のトランス
ジューサの製造を容易にしている。

本発明のトランスジューサ１０の動作は第１図を参照す
ることによって最良に理解できる。関係を維持したま＼
、トランスジューサ１０に供給される対の力の大きさに
関係した距離だけ離間するような態様で、変形する。詳
しくいうと、ビーム部材はＳ形状の曲線で偏向し、応力
は関連する労合舞１部材の近傍の各ビーム部材の端部に
集中する。

各ビーム部材の中心近傍に、実質的に曲げ応力を受けな
い変曲点がある。部材３４および３６によって形成され
る有効コンデンサのキャパシタンスの大きさは通常のよ
うに測定でき、部材５２に加えられる力の大きさをｎｔ
＋＋定できる。

第４図および第５図に示す実施例においては、測定され
るべき力はカス力部材５２を介して音す材１４の右側部
分（例示するように）に伝達される。

部材５２に供給された力に応答して、等しい反対の力（
矢印６２によって指示された）が素体５６の上部表面の
支持部材５０に供給される。この後者の力は部材１２の
左側部分（図において）に伝達される。トランスジュー
サ１０に供給される対の力に応答して、トランスジュー
サ１０の上部および下部ビーム部材は、導電性部材３４
および３６間のギャップがトランスジューサ１０に供給
される対の力の大きさに関係した距離だけ、これら部材
６４．３６の平行関係を維持したま＼、減ぜられるよう
な態様で変形する。Ｉｌ＋定されたキャパシタンス値は
部材３４と６６間のギャップに反比例する。

トランスジューサ１０は軸線６０に沿う以外の矢印６０
によって指示された測定されるべき力は軸線３０に沿っ
てカス力部材５２に供給される。

この力は部材１２の左側部分（図において）に伝達され
る。部材５２に供給される力に応答して、等しい反対の
力（矢印６２によって指示された）が素体５６の上部表
面の支持部材５０に供給される。この後者の力は部材１
４の右側部分（図において）に伝達される。部材５０お
よび５２は測定されるべき有効な力をトラシスジューサ
の端部ではなくて中心部に供給する。この構成の対称性
のために、２つのビーム部材に導入される直接の（非凸
け）張力および直接め圧縮は最小となる。

トランスジューサ１０に供給される対の力に応答して、
トランスジューサ１０の上部および下部ビーム部材は、
導電性部材５４および６６がそれらの平行方向における
モーメントおよび力には非常に抵抗するから、印加され
る対の力（矢印６０および６２によって表わされた）は
軸線３０に沿う必要がない。例えば、第１図の点線矢印
６０１および６２’の方向に力が加えられると、導電性
部材６４および３６間の分離は軸線３０の方向の印加さ
れた力の成分に反比例する。

上部および１部ビーム部材が変形すると、上記したよう
に、これら部材に応力が生じる。例示の災施例では、ス
ロットの深さＡおよびＢが等しく、かつブロック１２お
よび１４が実質的に同じであるという系の対称性のため
に、接合用部材４２および４４によって形成される接合
部は曲げ応力変曲点、すなわち曲はモーメントが０であ
る点に生じる。本発明の他の形式においては、例えばス
ロット深さＡおよびＢが同じでない場合、特にスロット
深さＡおよびＢの一方が０に等しい場合には、部材の接
合部はこれら応力変曲点に生じない。この状態のもとで
は、接合用部材４２および４４によって形成される接合
部は軽く応力が生じるだけであるから、比較的低品質の
、従って安価な接合が使用できる。

例えば、本発明が石英から構成される場合には、カドラ
ンスジューサ１０は負荷のもとて非常に低いヒステリシ
スおよび非常に低いクリープ、ならびに１０　ないし１
０８度の精度指数を有することになる。さらに、このト
ランスジューサは熱によるキャパシタンスの変化が比較
的小さいという特徴もある。

カドランスジューサ１０は一般に単一の軸線３０に沿う
正味の力にのみ応答し、そして他の面における力に対し
ては比較的高い拒否比率を維持する。本実施例の部材１
２および１４は１つの長方形状の細長い石英ブロックか
ら相補面を形成するように切断することによって容易に
構成できる。

これら相補面を有する２つのブロックは上部および下部
ビーム部分を形成するように切除された一対のスロット
を有するだけである。ビーム部分を形成するスロットは
図示するように感知部分の両側にあっても、あるいは同
じ側にあってもよい。

第６図および第５図の実施例においては、２つのブロッ
クはそれぞれ３つの端部の開口したスロットを有する。

これらブロックはトランスジューサを形成するためにビ
ーム部分を接合することによって、例えばしつかりした
モノリシック構造体を形成するために溶着によって接合
される。本発明の他の形式においては、金属を含む他の
材料が部材１２および１４として使用できる。ただし、
金属または導電性材料の場合には、部材６４および３６
の少なくとも一方が他方から絶縁されることになる。材
料５０および５２は金属であっても、あるいは他の材料
であってもよい。

第７図および第７Ａ図は、セ／す部材９０および９２が
一般的に堅い労合算部材ではなくて可撓性ビーム部材に
取付けられている点を特徴とする不発明のさらに他の実
施例を示す（同様の部品は同じ参照番号で指示されてい
る）。第７および７Ａ図に示す寸法関係によれは、この
実施例は測定されるべき力によってトランスジューサに
生じる変位の機械的増幅をもたらす。これらセンサ部材
は面２０および２２によってそれぞれ定められた感知部
分を含む。前記した実施例の場合のように、互いに平行
な平面をなし、かつ非常に接近していることが好ましい
が、平面でない形態も可能である。また、各面は導電性
部材３４または６６を支持することが好ましい。導電性
部分は面２０．２２上に直接取付けられた金属被膜、箔
あるいは類供物であっても、あるいは第６図を参照して
上記したようなインサートであってもよい。また、セン
サ部材は真心ぐで、はぼ基準軸線３ｏと整列しているよ
うに図示されているけれど、もっと複雑な形状を有して
いても、あるいはこの基準軸線に関して互いに傾斜して
いてもよい。より一般的な表現をすれは、センサ部材９
ｏ、９２はそれぞれ、一般的には第１の基準軸線に関し
て０′ないし９０°のある角度をなす方向に延在し得る
。好ましくは、図示するように、センサ部分、すなわち
而２０．２２ならびにこれら面上に支持される導電性部
材３４．３６をセンサ部材９０，９２の長さのかなりの
部分に対して互いにオーバーラツプさせ、測定されてい
るキャパシタンスの変化の絶対値を増大させるようにす
る。これは−測定されているキャパシタンスの変化が最
終の測定値に１１０倒な雑音あるいは誤差を導入し得る
リード線あるいは測定回路のキャパシタンスより大キく
ナルので、重要なことである。

センサ部材は可撓性部材とは異なる材料より形成できる
けれど、同じ材料より形成される、例えば石英に接合さ
れた石英、セラミックに接合されたセラミックより形成
されることが好ましく、あるいは可撓性部材および関連
するセンサ部材を形成するようにつくられた（モールド
することを含む）１つの均質の材料の部片の単一の一体
構成として形成されることが好ましい。第６図に示され
ているような単一部片の実施例においては、トランスジ
ューサ１０のすべての素子はモールドされたセラミック
より形成できる。この実施例におけるカム力部材５２お
よび支持部材５ｏは上記した態様で機能する。これら部
材もまた、上記した接合の問題を回避するために、モー
ルドされても、あるいはトランスジューサと一体に形成
されてもよい。第７および７Ａ図に示す好ましい形式に
おいては、部材５２および５ｏは石英からそれらの関連
する労合算部材と一体に形成されている。

第７図の実施例において、トランスジューサ１０のアス
ペクト比（縦横比）は第１図ないし第６図の実施例のア
スペクト比とは全く相違する。

特定すると、労合算部材はそれぞれ、基準軸線５０（力
人力６０と整列する）の方向に、中心軸線の方向に固定
された可撓性ビームの長さを越える比較的長い距離にわ
たり延在する。この形状寸法はかなりの距離にわたりオ
ーバーラツプするように細長いセンナの取付けによって
所望の運動増幅の効果をもたらす。（運動を減少させる
ためには、労合算部材の第１の基準軸線に沿う長さを中
心軸線に沿う可撓性ビームの長さより短かくするべきで
ある。）第７図は力６０が印加されていない状態に対応
する平衡した（リラックスした）、すなわち撓みのない
位置にあるトランスジューサを示す。導電性部材６４．
３６はギャップｇだけ互いに離間されている。第７Ａ図
は同じトランスジューサが力６０の印加に応答して撓ん
だときのトランスジューサを示す。第７Ａ図に示すよう
に１一方の堅い労合算部材の他方の労合舞０部材に関す
る下側への変位ｄはギャップの寸法を増大させて値ｇ１
にする。ここで、ｇ’−ｇ＞ｄである。それ故、この構
成は印加された力６０を機械的に増幅する効果を有する
。これは、印加された力が大きく、かつトランスジュー
サがこの大きな力に耐えるようにかなりの剛性を有さな
ければならない場合に、特に有益な動作上の特徴である
。

第７図に示す実施例においては、センサ部材は堅い労合
算部材１２および１４と一体に形成されたビーム部分１
２ａ、１２ｂ、１４ａおよび１４ｂ同の一端に取付けら
れているということをまた、注意すべきである。センサ
は前記したような材料でビーム部分の端面間に位置４２
．４４において接合される。勿論、他の構成も可能であ
る。例えば、ビーム部材はセンサ部材の一端に対するこ
れら部材の内面において接合剤と一体であってもよく、
あるいはビーム部材はセンサ部材と一体に形成されても
よい。

第７および７Ａ図に示す形式においては、トランスジュ
ーサ全体が一体のビーム部分を有する２つの同一の労合
舞部材と２つの同一のセンサ部材との４つの構成部品か
ら形成されており、これら構成部品が接合剤によって一
体的に固定されているということも重要なことである。

第５図の実施例の場合のように、この対称性は比較的安
価に製造できる利点がある。また、第７図の実施例にお
いては、センサ部材は関連する可読性部材の変曲点にま
たはその近傍に堆付けられることが好ましい。この位置
は可撓性部材とセンサ部材間の接合剤を最小のまたは比
較釣手さい応力の位置におく。

それ故、これら接合部から生じる４ｍ頼性および精度の
問題は最小になる。この目的のため、ビーム部分１２ａ
、１２ｂ、１４ａおよび１４ｂは実質的に等しい長さで
あることが好ましい。

第８図は本発明によるカドランスジューサ１０のさらに
他の実施例を示す。なお、同様の音島品は同じ診照釡号
によって指示する。この実施例のトランスジューサはサ
ンドインチ構成を利用し、良好な動作特性および低い製
造コストを提供する。

この実施例は非常に弱い力のセンサのような多くの応用
例に好適している。

この第８図の実施例において、労合算部材１２および１
４は石英のような適尚な訪電体側料より形成された一般
的に細長い素子である。各部材は共通の中心軸１ｌｊＡ
１６に沿って延在している。これら部材１２および１４
は長方形の横断面を有することが好ましい。第２図ない
し第６図の実施例の場合のように、センサ部分は部材１
２および１４のρ接する端部（センサ部分）に形成され
た互いに対向する相補面２０および２２に形成されてい
る。これら而２０および２２は基準軸線６ｏの方向に離
間されている。これら面は平面であることが好ましく、
そして４電性部材６４．３６を支持し、可変コンデンサ
を提供する。労合算部材の外側先端１２１および１４゛
はカム力部材５２および支持部材５０（必要な支持およ
びクリアランスを提供するように輪郭を描いた堅い支持
構造体の一部分として単に図示されている）を取付ける
ための場１５ｒを提供する。部材５２および５０は前記
中心１ｉｌｌＩ線および前記第１の基準軸線によって定
められた平面内におおむね存在する労合舞一部材の両側
に固定されている。

第８図の実施例においては、可欠性ビーム部材１６．１
６は労合算部材を接続している。各ビーム部材１３はお
おむね中心細粉１６に沿って延在するモノリシックの単
位部片の素子である。各ビーム部材の薄い可撓性の中央
部分１５ａが部材１２および１４を橋絡している。各ビ
ーム部材１３．１３はその両端部が実質的に堅い一体の
端部片１５ｂ、１３ｂで終端しでいる。これら端部片は
、共通軸線１６を横切る平面で測定しても、あるいは基
準軸線６０を横切る平面で測定しても、中心＋ｉ１１線
を横切る平面で測定した薄い可撓性部分１３ａよりも横
断面積が実質的に太きいということが重要なことである
。これら面積は少な′くとも４：１の比を鳴することが
好ましい。端部断面に大きな面積を有するこの構成は印
加される力によって生ずるモーメントを大＠す接合面積
へ分布させるように作用する。これは接合部における応
力を減少さぐる利点がある。

基準軸線６０の方向における＆％Ｓ片の大きな横断面積
はトランスジューサの構成部品を経済的でありかつ良好
に性能を与える態様で互いに固定する除に賞賛である。

詳しくいうと、このサンドイッチ構成の実施例において
は、セメントまたは接合剤１５の薄い層によって形成さ
れた接合部が存在する。他の実施例に関して上記したよ
うに、材料の種類は可撓性ビームおよび労合算部材を形
成する材料の種類ならびにトランスジューサに必要’＆
　２１度の程度に依存して変わる。

材料１５の選択に関係なく、重要な設計上の問題は材料
のヒステリシス損である。この設計の重要な面は、（１
）材料１５０層が薄く、かつ（２）この接合層１５０面
積（軸線６０に直角な平面で測定した）が可撓性ビーム
部分１！＋ａｆ）横断面積より実質的に大きい場合に接
合部によって生じるヒステリシス誤差が１０，０００：
１の比＃１ど減衰できる（ただし、上記したａ類の可撓
性ビーム１３が印加された力によって生じるモーメント
を大きな面積にわたって分布させるために使用される場
合）ということの発見である。限定するものではないが
、−例として、ビーム部材１３．１６は全体の長さが約
５．　（１８ｃｍ　（約２０インチ）、第２の基準軸線
の方向の１コが約２５４儒（ｔＯインチ）、薄い部分１
３　ａ　（７，）横断面積が約α３２ＣＩｒＬ２（α０
５平方インチ）、そして接着剤によって瞬接する堅い端
部片の面の横断面積が約１６１ＣＩＩＬ”　（０，２５
平方インチ）のものでよい。

この実施例の好ましい一形式においては、ビーム部材お
よび労合算部材は石英より形成され、接合剤１５は膨張
係数の小さなガラス（石英の係数のまたはその近傍の）
である。このガラスは融点も（ｆｉ−い。通常のエポキ
シ相料あるいは「イーストマン９１０」という１（社）
品名で販売されている接着剤も使用できるが、ヒステリ
シス損が若干増加する。カム力および支持部材５２およ
び５０をセンザ部羽の突出する端部１２”および１４“
に固定するのに同じ接合剤が使用できる。

この実施例が経済的に製造できるのは構成部品をつくる
のに必要な製造工程が単純であること、両刃合算部材お
よび両可撓性ビーム部材として同一の部品が使用できる
こと、適轟な治具を使用してこれら部品を単に一体的に
接着することによって、あるいは好ましい形式において
は組合せた部品を、ガラスの接合剤が石英の構成部品を
一体的に溶着する温度に、加熱することによって、厳密
な公差に組立てることができることになっている。

本発明はその精神あるいは本質的特徴から逸脱すること
なしに他の神々の特定の形式で実施できる。・従って、
上記実施例はすべての点において例示であって限定する
ものではなく、本発明の範囲　□は上記記載によってで
はなくて特許請求の範囲に゛よって指示さ気るものであ
る。それ故、特許請求の範囲と等価の意味および範囲内
に入るすべての変形、変更は本発明に包含されるもので
ある。

【図面の簡単な説明】

柚１図は本発明による代表的カドランスジューサの一実
施例を示す斜視図、第２図は第１図の実施例の労合算部
材およびビーム部分の一方を示す斜視図、第５図ないし
第６図は第１図のカドランスジューサの他の実施例をそ
れぞれ示す斜視図、第７図は感知部材が竪い労合算部材
ではなくて可撓性ｈβ材に取付けられ、印加された力に
よって生じる変位の増幅を行なう本発明のカドランスジ
ューサのさらに他の実施例を示す立面図、第７Ａ図は撓
曲した位置にある第７図の実施例を示す立面図、第８図
はサンドイッチわシ造を有する本発明のカドランスジュ
ーサのさらに他の実施例を示す立匍図である。 １０：力トランスジユーサ １２．１４：＋ｌ１ｌｌｌｌ長い労合算部材１６：共通
の中心軸線 １２ａ１１４ａ：上部ビーム部分 １２ｂ、１４ｂ：下部ビーム部分 ２０．２２：平らな部分 ２４：沈２の基準！ｉ１１線 ３０：第１の基準ｌｌ１１１！線 ３４、ろ６：平面状導電性部材 ４２．４４：接合用部材 ５０：支持部材 ５２：カム力部材 ５６：トランスジューサ支持素体 ７０．７２：ビーム部材 ＦＩＧ、４ ＦＩＣ，５ ＦＩＧ、θ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 （１）　　中心軸線に沿って配列された一対の対向する
   堅い労合や部材と、 互いの方向に延在し、かつ互いに対向する離間された感
   知部分を含む一対のセンサ部材と、おおむね前記中心軸
   線に沿って延在し、かつ前記労合算部材を結合する記１
   および第２のビーム部材 とを具備し、 前記第１および第２のビーム部材が前記中心軸線には角
   な第２の基準軸研に平行な軸線に関して比較的可読性を
   有するが、その他の点では実質的に鉤・」性を有し、 前記センサ部材がそれぞれ前記第１および第２のビーム
   部材の異なる１つに一端部が固定されており、かつそれ
   ぞれが前記中心軸線および前記第２０基準軸線に直角な
   第１の基準＠線に関して−０゜ないし９０°のある角度
   でおおむね延在し、前記感知部分の相対的動きを前記労
   合算部材に加えられる力に関係付けるようにしたことを
   ％徴とするカドランスジューサ。 （２）前記感知部分のそれぞれが導１．性部材を有し、
   該導電、性部材が対向する実質的に平行な表面を提供し
   、これら導電性部材に関連したキャパシタンスを前記労
   合算部材に加えられる力に関係付けるようにしてなる特
   許請求の範囲第１項記載のカドランスジューサ。 （３）　　前記第１および第２のビーム部材が、前記労
   合算部材の一方を他方の労合算部材に関して偏向する力
   の供給に応答しておおむねＳ形状の偏向を受け、前記セ
   ンサ部材に支持された前記導電性部材の間隔に対応する
   変化を生じさせる特許請求の範囲第１項または第２項記
   載のカドランスジューサ。 （４）前記労合算部材がおおむね前記第１の基準軸線の
   方向に、前記第１および第２のビーム部材がおおむね前
   記中心軸線に沿って延在する第２の距離とは相違する第
   １の距離延在し、前記印加される力の１つに応答しての
   前記合算部材の一方の他方の合算部材に関する偏向ｄが
   前記センサ部材の前記感知部分に支持された前記導電性
   部材間の相互の間隔にｇ’−ｇの変化を生じさせ、この
   変化ｇ’−ｇが、前記第１の距離が前記第２の距離より
   大きいときにｄより大きく、また前記第１の跪爵が前記
   第２の距離より小さいときにはｄより小さい特許請求の
   範囲第１項または笛３項記ｉＩ凶のカドランスジューサ
   。 （５）前記第１および第２のビーム部材が実質的に長さ
   が等しくかつそれぞれが前記労合興部材の１つと一体的
   にそれぞれ形成された２つのビーム部分から形成されて
   おり、前記ビーム部分をそれらの自由端部において接合
   して前記第１および第２のビーム部材を形成するだめの
   接合手段を有する特許請求の範囲第１項または第３項記
   載のカドランスジューサ。 （６）前記ビーム部分が前記中心軸線に沿って測定され
   たおおむね同じ長さを有し、前記接合手段が前記第１お
   よび第２のビーム部材の変曲点の近傍に位置付けされて
   いる特許請求の範囲第５項記載のカドランスジューサ。 （力　前記センサ部材のそれぞれが前記対のビーム’ｔ
   ｌＪ分の１つの対向する端面間に、これらビーム部分の
   かなりの部分にわたって存在する特許請求の範囲第１項
   記載のカドランスジューサ。 （８）前記センサ部材がそれぞれおおむね真直ぐであり
   、前記相互に対向する感知部分が前記センサ部材の長さ
   のかなりの部分にわたり前記センサ部材に沿って延在し
   て比較的大きな絶対キャノくシタンス値を提供する特許
   請求の範囲第１項、５項および７項のいずれかに記載の
   カドランスジューサ。 （９）　　前記労合算部材の一方に堅いカム力部材が固
   定され、前記労合算部材の他方に堅い支持部材が固定さ
   れ、該カム力および支持部材がそれぞれ前記第１および
   第２のビーム部材の中央部とおおむね整列されかつ離間
   された点まで延在する部分を有し、前記加えられた力お
   よびその反作用力が前記第１および第２のビーム部材に
   同等実質的な張力または圧縮を生じさせないようにした
   特許請求の範囲第１項、４項および８項のいずれかに記
   載のカドランスジューサ。 ００）前記カム力部材および前記支持部材がそれぞれ前
   記労合算部材の関連する１つと一体的に形成されている
   特許請求の範囲第９項記載のカドランスジューサ。 ０υ　前記一体のカム力部材および関連するビーム部分
   を有する前記労合算部材が前記一体の支持部材および前
   記関連するビーム部分を有する前記他方の刃台ク一部材
   と同一である特許請求の範囲第１０項記載のカドランス
   ジューサ。 ０り　一対の細長い労合算部材であって、各労合算。 部材か共通の中心軸線に沿って延在し、かつそれらの瞬
   接する端部において少なくとも一部分相袖面を有し、該
   相補面の少なくとも一方が前記中心軸線から９０°より
   小さい角度だけ角度方向にオフセットされた少なくとも
   １つの感知部分を有し、各労合算部材がその相補面から
   延在する一対の平面状のスロットを含み、第１のスロッ
   トは深さＡ　ヲ有Ｌ、第２のスロットは深さＢを有し、
   少なくともＡまたはＢが０では々く、前記第２のスロッ
   トが前記第１のスロットから第１の基準軸線の方向にお
   いて離間されており、該第１の基準軸線が前記中心軸線
   に直角であり、 前記労合算部材の上部および１部ビー・ム部分が第２の
   基準軸線に平行な軸線に関して比較的たわみやすく、該
   第２の基準軸線が前記中心軸線および前記第１の基準軸
   線に直角であり、前記上部ビーム部分が前記第１のスロ
   ットによって一側がかつ前記労合算部材の表面部分によ
   って他側がそれぞれ限定されており、前記下部ビーム部
   分が前記第２のスロットによって一側がかつ前記労合算
   部材の表面部分によって他側がそれぞれ限定されている
   一対の労合算部材と、 該一対の労合算部材のそれぞれの上部ビーム部分と他方
   の労合算部材の下部ビーム部分とを接合してモノリシッ
   ク構造体を形成し、前記相補面が前記第１の基準軸線の
   方向において互いにオフセツトされ、かつ前記第１の基
   準軸線に平行な方向に可動であるがその他の点では比較
   的動かないようにする接合手段と、 前記労合算部材の一方の一端に取付けられた堅い支持部
   材および前記労合算部材の他方の反対端に取付けられた
   堅いカム力部材であって、該支持部材および該カム力部
   材が前記感知部分の両側にあり、かつ直接の張力および
   直接の圧縮が前記ビーム部分の曲げによる以外によって
   生じる場合に前記上部および下部ビーム部分における該
   直接の張力および該直接の圧縮を最小にする態様で前記
   力およびその反作用力を供給するように適合されている
   支持部材およびカム力部材と、 前記一対のスロット間の前記相補面の前記感知部分上に
   位置付けされた平面状導電性部材とを具備し、 前記尋電性部材に関連したキャノくシタンスを前記一対
   の労合算部材に加えられる力に関係付けるようにしたこ
   とを特徴とする男トランスジューサ。 （］３１　　前記支持部材および前記カム力部材がそれ
   ぞれ、関連する部材の前記一端に取付けられた第１の部
   分および前記中心軸線の方向に前記接合手段に向ってお
   おむね延在する第２の部分を有する特許請求の範囲第１
   ２項記載のカドランスジューサ。 （１４１前記対の労合シ１部材が誘電体材料より形成さ
   れ、前記支持部材および“前記カム力部材が金属より形
   成される特許請求の範囲第１２項記載のカドランスジュ
   ーサ。 （１５）前記対の労合算部材が誘電体材料より形成され
   、前記支持部材および前記カム力部材も同じく誘電体材
   料より形成される特許請求の範囲第１２項記載のカドラ
   ンスジューサ。 αＧ）　　前記誘電体材料が石英である特許請求の範囲
   第１４項または第１５項記載のカドランスジューサ。 Ｑ７１　　前記誘電体材料がセラミックである特許請求
   の範囲第１４項または第１５項記載のカドランスジュー
   サ。 （１８）　　前記対の労合算部材、前記支持部材および
   前記カム力部材が前記誘電体材料の単一の均質な部片か
   ら一体的に形成される特許請求の範囲第１５項記載のカ
   ドランスジューサ。 （１，９＋　　前記Ｌ”ｙ電体利料がセラミックである
   特許請求の範囲第１８項記載のカドランスジユーザ。 （２０）　　前記支持部材が前記中心軸線の方向に、゛
   前記ビーム部分の隣接するものに対する前記接合手段上
   に達しない点まで延在する特許請求の範囲第１３項記＋
   ｉｇＯカドランスジューサ。 （２１，ｌ　　前記カム力部材が前記中心軸線の方向に
   、前記ビーム部分の隣接するものに対する前記接合手段
   上に達しない点まで延在する特許請求の範囲第１６項ま
   たは第２０項記載のカドランスジューサ。 （２２＋　　中心１淘、に沿って配列された一対の対向
   する堅い労合算部材と、 該労合算部材上に支持され、かつ互いの方向に延在し、
   そして前記中心・前線に直角な第１の基準４Ｉｉｉｉ線
   に沿って離間された互いに対向する感知部分を含む一対
   のセンサ部材と、 おおむね前記中心軸線に沿って延在し、かつ前に関して
   比較的可撓性を有するが、その他の点では実質的に剛性
   を有する第１および第２のビーム部材であって、該第１
   および第２のビーム部材がそれぞれ、前記中心部分と一
   体的に形成された実質的に堅い端部片を有し、該端部片
   が前記中心軸線および前記第１の基準＠線の両方を横切
   る平面内に、前記中心軸線を横切る平面で測定された前
   記中／６部分の横断面積より実質的に大きい横断面積を
   有する第１および第２のビーム部材と、前記□端部片間
   に位置付けされ、かつ前記端部片を前記センサ部材に接
   合する複数の接合剤の薄い層であって、前記第１の基準
   軸線を横切る平面で測定された、前記中心軸線を横切る
   平面で辿ｉ定された前記中心部分の横断面積より相当に
   大きい面積を壱する接合剤の薄い層 とを具備し、 前記感知部分の相対的動きを前記労合算部材に加えられ
   る力に関係付けるようにしたことを特徴とするカドラン
   スジューサ。 求の範囲第２２．！Ａ記載のカドランスジューサ。 （２４Ｊ　　前記センサ部材の前記突出部分の異なる１
   つに、かつ前記中心軸線および前記第１の基準軸線を含
   む平面において前記労合算部材の両側に固定された堅い
   先入力部材および堅い支持部材を有する特許請求の範囲
   第２３項記載のカドランスジューサ。 Ｑ９　　前記感知部分のそれぞれに導電性部材を有し、
   該導電性部材が対向する実質的に平行な表面を提供し、
   これら導電性部材に関連したキャパシタンスを前記労合
   算部材に加えられる力に関係付けるようにしてなる特許
   請求の範囲第２２項または第２４項記載のカドランスジ
   ューサ。 （Ｊｕｌ　　誘電体材料より形成された一対の対向する
   堅い労合算部材であって、各労合算部材が中心軸線の方
   向に他方の合算部材に向って延在するセンサ部材を含み
   、該センサ部材が前記中心軸線とは角な第１の基準１％
   Ｈｉ６１の方向に互いにオフセットされた対向する感知
   部分を含む一対の労合算部材と、誘電体材料より形成さ
   れ、前記労合算部材間に延在してこれら労合算部材を一
   体的に結合する第１のビーム部材であって、該第１のビ
   ーム部材が前記中心および第１の基準軸線に直角な第２
   の基準軸線に平行な軸線に関してその長さ方向に沿って
   比較的可撓性を有するが、その他の点では実質的に剛性
   を有する第１のビーム部材と、誘電体材料より形成され
   、前記労合算部材間に延在してこれら労合算部材を一体
   的に結合する第２のビーム部材であって、該第２のビー
   ム部材が前記第２の基準軸線に平行な軸線に関してその
   長さ方向に沿って比較的可撓性を有するが、その他の点
   では実質的に陣」性を有する第２のビーム部材と、前記
   感知部分のそれぞれ上にある４電性部材とを具備し、 前記第１および第２のビーム部材、ならびに前記労合算
   部材が一体の均質の年一部片の平行四辺形の構造体とし
   て形成され、該構造体が前記第１の基準軸線におおむね
   沿って加えられる前記力に応答して弾性的にたわみ、そ
   の間前記第１および第２のビーム部材と前記労合算部材
   間の前記結合の少なくとも一方が前記第１および第２の
   ビーム部材の少なくとも一方を外側から加えられる力に
   抵抗させるようにモーメントに抗するものであり、前記
   感知部分の相対的動きを前記労合ｔＳ材に加えられる力
   に関係付けており、 前記導電性部材の表面が前記第１の基準軸線の方向にお
   いてオフセットされており、前記導電性部材に関連した
   キャパシタンスを前記労合算部材に加えられる力に関係
   付けていることを特徴とするカドランスジューサ。 （２７］　　前記誘電体材料が石英である特許請求の範
   囲第２６項記載のカドランスジューサ。 シ８）前記誘電体材料がセラミックである特許請求の範
   囲第２６項記載のカドランスジューサ。 （Ｊ９ｉ　　前記労合算部材の一方の一端と一体的に形
   成された堅い支持部材および前記労合算部材の他方の反
   対端と一体的に形成された堅い先入力部材とを含み、該
   支持部Ｉおよび該先入力部材が前記感知部分の両側にあ
   り、前記対の刃金り部材、前記先入力部材、および前記
   支持部材が誘電体材料の単一の均質の部片より一体的に
   形成されている特許請求の範囲第２６項記載のカドラン
   スジューサ。 側　それぞれが前記導電性部材の一方を支持する一対の
   インサートを含み、該インサートが前記感知部分の関連
   する１つに固定され、前記感知部分間の小さなギャップ
   内の前記可変コンデンサの構成を容易にしている特許請
   求の範囲第２６項記載のカドランスジューサ。 （３］）　　前記インサートが前記感知部分とＩ司じ誘
   電体材料より形成されている特許請求の範囲第３０項記
   載のカドランスジューサ。