JPS596369B2 - 力変換機構 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は力を周波数に変換する機構に関するものである
。

第１図は、従来より一般に用いられている力を周波数に
変換する機構の一実施例の原理的構成説明図である。

図において、１は両面を固定された断面一様な棒、２は
、たとえば筐体等のベースである。

今、棒１の両固定端にそれぞれ軸力Ｓが加わるものとす
ると、軸力Ｓと棒の横方向の振動周波数ｆとの間には１
＞Ｋ２”Ｓの場合（１）式に示すＩ ような関係がある。

ｔ：棒１の長さ Ｅ：棒１の縦弾性係数 ■＝振動方向に直角な主軸に関する断面２次モーメント ｇ：重力加速度 ρ：棒１の密度 Ａ：棒１の断面積 Ｓ：軸力（圧縮力を正とする） Ｋ１． Ｋ２二棒１の支持条件と振動モードにより決る
定数 共振周波数ωは２πｆで表わされるので、棒１の共振周
波数ωを測定すれば、対応する軸力Ｓ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の条件が満足されなけ
ればならない。

（１）周波数ｆの安定性が良い。

つまり、振動子（−棒１）Ｑが高い。

（１１）単位応力当りの周波数変化率△ｆ／σが太きい
。

即ち、このようなトランスデユーサの良好度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、棒１を共振させ
、その共振周波数ωを測定すれば、加えられた軸力Ｓを
知ることができるが、棒１の端部をベース２に固定支持
する部分の長手方向のばね定数が大きい場合には棒１の
振動エネルギーが外部に流出することになり、棒１のＱ
の低下の原因となる。

本発明は、このような問題点を解決するために、長軸状
の振動体の端部をベースに固定支持する部分の少なくと
もいずれか一方の長手方向のばね定数を小さくしたもの
であって、以下、詳細に説明する。

第２図は、本発明の一実施例を示す原理的構成説明図で
あって、第１図と同等部分には同一符号を付している。

第２図において、３Ａ、３Ｂは振動体である棒１の端部
をそれぞれベース２に振動的に絶縁して固定支持する支
持体であり、その長手方向のばね定数が小さくなるよう
に形成されたものである。

なお、ここで、支持体３Ａ、３Ｂは、長軸方向にのみ変
位するように形成されているものとする。

ＥＸは励振器、ＤＴは検出器であり、それぞれ振動体１
に取り付けられている。

ＡＭＰは増幅器であり、励振器Ｅ′ＸＬま増幅器ＡＭＰ
の出力により駆動され、検出器ＤＴの出力は増幅器ＡＭ
Ｐに加えられている。

すなわち、振動体１、励振器ＥＸ、検出器ＤＴおよび増
幅器ＡＭＰにより発振回路が構成されている。

なお、励振器ＥＸ、検出器ＤＴとしては、たとえば圧電
素子を用いることができる。

このような構成において、被測定軸力Ｓが矢印方向に加
えられてその軸力Ｓが変化すると、前述（１）式に示す
如く振動体１の共振周波数は変化し、発振回路の発振周
波数も変化することになる。

そして、振動体１の振動による長軸方向の変位は支持体
３Ａ、３Ｂにより吸収されることになり、振動体１の振
動エネルギーが外部に流出することを防止することがで
きる。

したがって、振動エネルギーの損失が少なく、効率の良
い力変換機構が実現できる。

第３図は、本発明に係る力変換機構の要部の具体的な構
成の一例を示す構成説明図であって、ａは正面図、ｂは
側面図であり、第２図と同等部分には同一符号を付して
いる。

第３図において、■は振動体であり、支持体３Ａ、３Ｂ
と共通の部材により一体化されている。

すなわち、本実施例では、１個の角柱体から直交する中
心軸に対してそれぞれ対称形となるように所定の形状に
削り出した例を示している。

まず、振動体■は、長軸方向に沿って設けられた切削孔
ＨＣにより形成される中心軸に対して対称であり平行な
２本の振動片４Ａ、４Ｂ、切削孔ＨＯの両端の残部によ
り形成される結合片５Ａ、５Ｂ、切削孔ＨＯと結合片５
Ａ、５Ｂにそれぞれ設けられた切削孔ＨＡ 、 ＨＢと
の間の残部により形成された連結片６Ａ、６Ｂ等で構成
されている。

一方、支持体３Ａ、３Ｂは、互いに直角をなす板状のフ
レクシャＦＡ、１〜ＦＡ３ＦＢ１〜Ｆ Ｂ ’３、取付
片ＰＡ、ＰＢ等で構成されている。

なお、取付片ＰＡ、ＰＢには、取付片ＰＡ、ＰＢの長軸
方向のはね定数を小さくするための透孔ＨＤ、ＨＥが形
成されている。

このように構成された力変換機構の動作は次のとおりで
ある。

すなわち、振動体■の発振モードを中心軸に対して対称
に振動する対称モードとすることにより、振動片４Ａ、
４Ｂと連結片６Ａ、６Ｂとの結合部において発生する反
力とモーメントとが互いに逆方向で大きさが等しくなっ
て打ち消し合うことになる。

また、対称モード発振の場合には振動体の長さｔ２が支
配的に関与するが非対称モード発振の場合には長さｔｌ
が支配的に関与することになり、対称モードと非対称モ
ードの共振周波数は異なって振動体■を対称モードで安
定に発振させることができる。

さらに、支持体３Ａ、３Ｂにおいて、フレクシャＰＡ１
〜ＦＡ３．ＦＢ１〜ＦＢ３により端部の取付けによる曲
げ等の応力が除去できるとともに振動体■とベース等と
が振動的に絶縁されることになり、取付片ＰＡ、ＰＢの
透孔ＨＤ、ＨＥによりその長手方向のばね定数が小さく
なって振動体Ｖの振動エネルギーのベース等への流出が
防止されることになる。

また、第３図の構成によれば、対称モードで発振してい
る場合、連結片６Ａ、６Ｂも振動体■の一部として作用
するので、良好なＱ特性を示す励振器ＥＸおよび検出器
ＤＴの取付範囲が連結片６Ａ、６Ｂのない場合に比べて
広くなるという効果がある。

また、一体成形することにより、特性の均一なものが得
られるという利点もある。

なお、励振器ＥＸ、検出器ＤＴを、蒸着やスパッタリン
グ等により、薄膜形圧電素子として振動体Ｖの所定部分
に直接形成することもできる。

これによれば、より高いＱを得ることができるとともに
、生産性を高めることもできる。

また、振動体■を磁性材で構成し、励振および振動検出
をコイルで非接触に行なうようにしてもよい。

また、水晶等の圧電材を用いて、励動体、励磁手段およ
び検出手段を一体化することもできる。

たとえば、振動体■を水晶で構成した後、振動体Ｖに蒸
着等により電極を被着すればよい。

これによれば、比較的簡単な構成で、出力インピーダン
スが低く、特性の良好なものが得られる。

なお、この場合、水晶のカットおよび電極の配置は、振
動片４Ａ、４Ｂが屈曲振動するように選択すればよい。

また、上記実施例では、振動片が板ビーム状の例につい
て説明したが、これに限るものではなく、棒状であって
もよい。

さらに、上記実施例では、角柱体から所定の形状の振動
体および支持体を削り出して一体成形した例について説
明したが、個々に構成された部品を組み合わせるように
してもよい。

以上説明したように、本発明によれば、振動エネルギー
の損失が小さくて変換効率の高い力変換機構が実現でき
、圧力（差圧）や密度、重量、歪、液位等の物理量の測
定器の信号変換要素として好適である。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の装置の原理的構成説明図、第２図は本発
明の一実施例を示す原理的構成説明図、第３図は本発明
に係る力変換機構の要部の具体的な構成例を示す構成説
明図である。 １・・・・・・棒（振動体）、２・・・・・・ベース、
３・・・・・・支持体、ＥＸ・・・・・・励振器、ＤＴ
・・・・・・検出器、ＡＭＰ・・・・・・増幅器、■・
・・・・・振動体。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 変換すべき入力軸力が軸方向に実質的に加えられる
   長軸状の振動体と、振動体の端部をそれぞれベースに振
   動的に絶縁して固定支持する支持体と、振動体を共振さ
   せる励振手段と、振動体の振動を検出する検出手段とを
   具備した力変換機構であって、前記支持体の少なくとも
   いずれか一方の長手方向のはね定数が小さくなるように
   形成されたことを特徴とする力変換機構。 ２ 振動体として、中心軸に対して対称となるように平
   行に配置された２本の振動片、これら振動片の両端間を
   それぞれ結合する結合片を含むものを用いることを特徴
   とする特許請求の範囲第１項記載の力変換機構。 ３′捩振動として、中心軸に対して対称となるように平
   行に配置された２本の振動片、これら振動片の両端間を
   それぞれ結合する結合片、これら振動片の任意の位置間
   を連結する連結片を含むものを用いることを特徴とする
   特許請求の範囲第１項記載の力変換機構。 ４ 振動体および支持体を共通の部材で一体化したこと
   を特徴とする特許請求の範囲第１項記載の力変換機構。 ５ 励振手段および検出手段として圧電素子を用いるこ
   とを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の力変換機構
   。 ６ 圧電素子として薄膜蒸着圧電素子を用いることを特
   徴とする特許請求の範囲第５項記載の力変換機構。 ７ 振動体を磁性材で構成し、励振手段および検出手段
   としてコイルを用いることを特徴とする特許請求の範囲
   第１項記載の力変換機構。 ８ 振動体、励振手段および検出手段を圧電材を用いて
   一体化したことを特徴とする特許請求の範囲第１項記載
   の力変換機構。