JPS6150031A - センサ用圧電変換素子 - Google Patents

センサ用圧電変換素子

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Publication number
JPS6150031A
JPS6150031A JP17304184A JP17304184A JPS6150031A JP S6150031 A JPS6150031 A JP S6150031A JP 17304184 A JP17304184 A JP 17304184A JP 17304184 A JP17304184 A JP 17304184A JP S6150031 A JPS6150031 A JP S6150031A
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JP
Japan
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tuning fork
base
piezoelectric
external force
axis
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Pending
Application number
JP17304184A
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English (en)
Inventor
Masaki Okazaki
正喜 岡崎
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Nihon Dempa Kogyo Co Ltd
Original Assignee
Nihon Dempa Kogyo Co Ltd
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Publication date
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    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01LMEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L1/00Measuring force or stress, in general
    • G01L1/16Measuring force or stress, in general using properties of piezoelectric devices
    • G01L1/162Measuring force or stress, in general using properties of piezoelectric devices using piezoelectric resonators

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  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Measuring Fluid Pressure (AREA)
  • Piezo-Electric Or Mechanical Vibrators, Or Delay Or Filter Circuits (AREA)

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】 産業上の利用分野 本発明は、外部圧力を振動周数の変化量として検出する
センサ用の圧電変換素子に関し、特に圧電板の形状を音
叉状として圧力感度が良好で、温度変化による振動周波
数の変化を補償し、外部圧力にのみ感応する圧電変換素
子に係るもので、例えば刻時変化する外力を検出するに
適した圧力センサ利用されるものである。
(従来技術の技術の背景) IIr来より、圧力を加えると電荷が発生する圧電現象
を利用したものとして、例えは水晶振動子がよく知られ
ており、通信機器を主とした電子機器Oこ発振子やフィ
ルり素子として有用されてきた。
そして、一方では、各種測定器のデジタル表示化か進行
する中にあって、この圧電現象を利用した圧電セノ→力
が俄に注l」を浴びている。例えば被1Jjll定「1
辺の重量を、圧電板(こ発生した電荷により計測する試
みは11」来よりなされていたものである。しかし、こ
の試みは、被1Jijl定休により発生ずる電荷量が極
めて乏しく、その電荷が瞬時にして消失してしまうので
、現実にはこの方式の圧電センサは普及する(こ至って
いない。このため、例えば圧電板を発振子として使用し
、外力によりその共振周波数が変化することに着LI 
した圧電センサの開発研究がなされている。第2図は、
この圧電センサを使用した圧力センサンステムを示す簡
単なブロック図で、1は被測定体、2は圧力センサの発
振r−として使用される圧電板、3は発振回路、・[は
演算回路、5はデジタル表示器である。従って、この圧
力センサンステムによれは、図示しない(幾械伝達系(
こより、被測定体1の重量Pが圧電板2(こ外力による
ひずみを発生させて共振条件を変動させ、発振回路3の
予め設定された出力周波数fOがfOからflに変化す
ることを利用し、振動周波数差fl−fOを演算回路4
にて検出し重量値に換算して、表示器5に被測定体の重
量をデンタル値として表示するものである。
(従来技術の問題点) 上記圧力センサシステムに使用される圧力センサ用の圧
電板2としては、電気−機械結合係数が大きく、微圧に
感応して良好な圧力感度がイシJられるものとして、通
常多結晶体の圧電セラミックスが1吏几1されて(・る
。しかし、この圧電セラミックスは、’/11a度(こ
対して共振周波数が著しく変化し、[J11四温回り変
化により測定値が一定でなくなる問題がある。一方、温
度−周波数特性(以下、単に篩面特性と称する。)が圧
電セラミックス(こ化し、より優れた三次曲線を呈する
ATカットの水晶板を圧力センサ用として使用する場合
にはその電気−(代17+1S 4’、i合係数が小さ
く圧力感度が低下してしまう欠点かある。例えは温度に
よる共振周波数の変(ヒを防Iにするものとしては、特
開昭54−20780号に開;j<@れてし・るよう)
こ、同一411′1生の水晶板を2つ使用し一方を圧力
センサ用(二曲方をタミー用としてそれぞれ発振させ、
その出力周波数差を検出して温度1.1.性(こよる測
定誤差を防市するようQ二したものかある。しかし、こ
の圧電センサでは、水晶板を2枚要することをこ加え、
同公報中に記載されてし・る通り2つの水晶板を全く同
一の温度’F”にLとすることは困難である。更に、長
方形IJ(の水晶];−の長T’−/J向の1rIfj
端(をflfこ11にてし・るため、イjl定すべき外
力か長手力向中央部撮動部に到達しにくく圧力感度の」
−昇が望めない欠点がある。
(発明の目的) 本発明は、第1に、構造が簡単で外力(こよる内部ひず
みを発生し易く圧力感度が良好なセンサ用圧電変換素子
を提供し、第2(こ、外力により発生する内部ひずみを
効率良く検出でき圧力感度が優れたセンサ用圧電変換素
子を提供し、第3(こ、圧素子を提供することを・目1
:的とする。
(解決手段) 第1(こ、厚み系の振動が励起される圧電板を、基部と
基部から延出する2本の音叉アームとからなる音叉状に
形成し、前記基部の両主面に一対の電極を形成した点に
あり、第2に前記シ1(部の互いに反対方向のひずみが
発生ずる」二端分と下端部との両主面に一対つつの一組
の電Jilを形成した点Oこあり、第3&こ、前記基部
と少なくとも一方の音叉アーノ、との両生1niに一対
づつの一テ1[の電険を形成した点にある。
(実5+J亀1列 ) 以下、図により本発明の一実施例を説明する。
第1図は、本発明の圧電変換、1・;子に11&用され
る圧′IL板の図て、この圧電板は、A T力2・1−
で切断された水晶片13がノ、(部7と基部7より延出
した2本の音叉アーム8n、8bとがら・なる諜叉扶ζ
こ加工され、基部7の幅方向を厚みすべりの主振動が励
起されるX軸とし、音叉アーム8a 、8bの長手方向
を2′軸として、その厚みを振動周波数が概略決定され
るY′軸としたものである。
以下、この音叉状水晶片6を適用した圧電変換素子の作
用(こついて説明する。
今、例えは圧電変換素子となる音叉状水晶片6か中空状
に置かれたと仮定し、音叉アーム8a。
8bの両側面即ち、Y’−2面に矢印Q′て示ず外力か
加わったとすると、−組の音叉アーム8a、8bは、そ
の延出部を中心として内側くこ(幾械的に変位する。そ
して基部7の上端部くこは外力Qと同方向の]11hみ
力qlが作用し、基部7の低端部には外力Qとは反対方
向の伸張力q2が作用する。従って、j子又ア−ノ、8
a、8b+こは外力Q+こスJオるひずみが発生ぜず、
基部7の上!’1ii部と千9111部)こは411、
み力((1及び伸張力(12(こ対生ろ1.れ、力(こ
よりそ(tそれ反対方向のX1ll111方向にひずみ
を発生する。そして、この音叉基部7の−に苓)、′1
1;及び下pj、HH部(こ発生ずるひずみは、音叉ア
ーム8 a 、 8 bの磯(1り的変位に直接応動し
て発生するので、その量は太きいものとなる。従って、
この音叉基部7の−に端部文び下端部の少なくとも一方
、例えは」二端部の両本部に第3図(a)に示す一対の
電極9を形成し、この部を振動部(以下、第1の振動部
とする。)として、図示しない発振器を描成し、音叉ア
ーム8a、8bの少なくとも一方を自由端として外力を
υ11えれば、音叉基部には外力に直接応動したひずみ
が発生して発振周波数が大きく変動し、圧力(18度か
良好な圧電変換素子を提供できる。史※こ、第;う図(
1〕jに示したようQ二、音叉基部7の下端部の両本部
にも一対の電極LOを形成して第2の振動部とし、第1
の振動部とともにそれぞれ発振させてやれば、第1と第
2の振動部の発振周波数は互いに反対方向に変fヒする
。従って、両者の発振周波数の差を検出してやれは、外
力に対して略211“tの発振周波数の変化量を得るこ
とができるので、その感度はより浸れたものとなる。又
、更に、第3図(C)に示したように、音叉基部7の上
端部を下端部との間Qこ板面を貫通するスリット11を
設けてやれは、音叉アーム8a、8.bに加わる外力Q
によりスリット11の上側(基部7の」二端部)と下側
(基部7のに分i!’If:されるので、互いの振動Q
こ(jし:1°;8を文はさずぞ〕)圧力トム度を更に
良好(こすることがてぎる。
第・1図は、j′1:叉状の水晶片Gの音叉アーム8a
(こは外力Q(こよるひずみが発生しないことを利用し
た他の圧電変換素子を示す図て、音叉基部7の例えは」
二端部と少なくとも一方の音叉アーム8aのそれぞれ両
本部(ニ一対の電極つと12とを形成し、それぞれ第1
の振動部と第3の振動部どしたものである。従って、第
1と第:3との振動部をそれぞれ発振させれば、第1の
4反動部からは外力Q+こより変化した出力周波数f1
が発生し、第3の振動部からは外力Qに左右されない所
定の出力周波:ifOが発生することζこなる。
従って、出力周波数差fl−fOを検出すること)こよ
り、この出力周波数差fl−fOを外力Qのみによる変
化分とすることができる。即ち第1と第3との振動部が
同一水晶板に形成されであるため、第1と第3との振動
部の温度変化(こよる共振周波数の変化量△fは全く同
じなので、出力周波数差f1−fOの検出時にその変f
ヒ量△fをキャンセルすることができるためである。従
って、この圧電94 J2:3素子は、/11.11度
変化による振動周波数の変化(こ〕+−r1″されるこ
となく外力Q(このみ感ルis、した振動周肢シ゛に差
fl−fOのみを(炙出できる。第5図は、1王カセン
サの圧電変換素子として実際に適用される場合の音叉状
水晶片6の保持部を示ず図である。第5(/1(a)は
主部が形成されない他方のア−l、81)の先)11“
11部を固定端とし、第キ図(b)は他方のアーム8b
 j!−び基部7の側面を固定端として電極が形成され
iz’1えは第:うの振動部となる一ノjのi’l’ 
fアーム:”l a2自由端とし、一方のアーム8aの
側面に外力かυ[1わるようにしたものである。尚、図
中1.3は仁)シd用定11.11によるタトカな垂直
方向から水平方向に変換して、1・;1°又仄圧′IL
変換索子の自Ill Mii1旨二1J11える(夷(
成仏、吐糸であるci;Qoって、この圧カセノサは1
皮7則定体川の外力に応動して音叉基部7にひずみを発
生させることがてさる1、第1)図は音叉、仄の水晶片
6の外力か加えられる音叉アーム8の各点における圧力
感度の大きさを示す図で、圧力感度は音叉アーム8の先
端部程大きく1艮本部程小さくなるものである。又、こ
の圧力感度は、音叉全体の厚みt 1!11、ち共振周
波数を変えても、その感度は変化するものである。そし
て、これらの圧力感度を考慮し、1′1−叉状の圧電変
換素子のいずれを固定ZA’+とし、又白111端とす
るかは任意に選定でとるものである。
第7図は本発明の圧電変換素子を利用した圧力セ/サノ
ステムの一例で、15は披Ilt!l定体、16はこの
圧7し変換素子を使用した圧カセノサ、17は第1の振
動部と接続した発振回路、18は第3の振動部と接続し
た第3の発振回路、19はミキサ、20は演券:回路、
21はデジタル表示器である。従って、このセンザノス
テム(こよればミキサ1!1により被測定体の重量を第
1と第3との発振回路の出力周波数差として同一11、
冒こ検出できるので、/1′1.′L度変化による振動
周波数差に誤差がなく、演算回路2]こより適確な重量
値(こ接続して表示機21にてデンタル1直として表示
できる。
従って、この圧電変換素子は例えば、刻時その外力が変
化する加速度計等の測定器)こ最適なものとなる。
(発明の効果) 以上の構成により、本発明の圧電変換素子は、第1に構
造が簡単で外力による内部ひずみを発生し易く圧力感度
が良好な圧電変換素子を提供でき、第2に外力(こより
発生する内部ひずみを効率よく検出して、圧力感度に優
れた圧電変換素子を提供でき、第3に圧電板の温度特性
による振動周波数の変化分をキャンセルして外力にのみ
応答する圧電変換素子を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明の圧電変換素子に適用される音叉状水品
片の図、第2図は1王カセンサノステトの一例を示すブ
ロック図、第3図(a) (b) (c)は電極を形成
した本発明の圧電変換素子、第41Z目よ、本発明の池
の実施例図、第5図(a) (b)は本発明の圧電変換
クラフ図、第7図は本発明の圧電変換素子を利用した圧
カセンサノステムのブロック図である。 (3−、キ叉秋水晶片、7 音叉基部、8a 、8b・
・?’i’又アーム、9 、10 、12  電(1広
。 第1図 Y。 +      m2図 第3図(0)     第3図(c) 第4図 第6図

Claims (7)

    【特許請求の範囲】
  1. (1)厚み系の振動が励起される圧電板を基部と基部か
    ら延出する2本の音叉アームとからなる音叉状に形成し
    、前記基部の両主面に一対の電極を形成したことを特徴
    とするセンサ用圧電変換素子。
  2. (2)前記第1項記載の特許請求の範囲において、前記
    圧電片をATカットの水晶片として、音叉基部の幅方向
    をX軸とし、音叉アームの延出した長手方向をZ′軸と
    し、音叉板面の厚みをY′軸としたことを特徴とするセ
    ンサ用圧電変換素子。
  3. (3)厚み系の振動が励起される圧電板を基部と基部か
    ら延出する2本の音叉アームとからなる音叉状に形成し
    、互いに反対方向のひずみが発生する前記基部の上部と
    下部との両主面に一対づつの電極を形成したことを特徴
    とするセンサ用圧電変換素子。
  4. (4)前記第3項記載の特許請求の範囲において、前記
    圧電片をATカットの水晶片として、音叉基部の幅方向
    をX軸とし、音叉アームの延出した長手方向をZ′軸と
    し、音叉板面の厚みをY′軸としたことを特徴とするセ
    ンサ用圧電変換素子。
  5. (5)前記第3項記載の特許請求の範囲において、音叉
    基部の上部と下部との間にスリットを設けたことを特徴
    とするセンサ用圧電変換素子。
  6. (6)厚み系の振動が励起される圧電板を基部と基部か
    ら延出する2本の音叉アームとからなる音叉状に形成し
    、一方の音叉アームと前記基部との両主面に一対づつの
    対の電極を形成したことを特徴とするセンサ用圧電変換
    素子。
  7. (7)前記第6項記載の特許請求の範囲において、前記
    圧電片をATカットの水晶片として、音叉基部の幅方向
    をX軸とし、音叉アームの延出した長手方向をZ′軸と
    し、音叉板面の厚みをY′軸としたことを特徴とするセ
    ンサ用圧電変換素子。
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Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS491234A (ja) * 1972-04-15 1974-01-08
JPS5858431A (ja) * 1981-10-01 1983-04-07 Seiko Instr & Electronics Ltd 機械的圧力センサ−
JPS5935122A (ja) * 1982-08-23 1984-02-25 Toyo Commun Equip Co Ltd 気体の圧力センサ
JPS59131135A (ja) * 1982-08-05 1984-07-27 フロペトロル,サ−ビスイズ,インコ−ポレ−テツド 深い油井で使用するための圧電圧力トランスデュ−サ

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