JPS62127628A - Ｓａｗフオ−スセンサ - 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】 〔産業上の利用分野〕 この発明は応力・圧力・歪み・変位などの力学的な物理
量を測定したシ、検出したシするために使用するフォー
スセンサに係シ、特に固体物質の表面を伝搬する表面弾
性波（Ｓ　ＡＷ　：　５ｕｒｆａｃｅＡｃｏｕｓｔｉｃ
　Ｗａｖｅ　）を利用したＳＡＷ遅延線の感圧特性・感
温特性を応用したＳＡＷフォースセンサに関する。

〔従来の技術〕

応力・変位・歪み・圧力等の力学的な物理量を測定する
センサにおいては、抵抗値が加えた歪みによシ変化する
歪みゲージが広く使用されている。

この歪みゲージは一般には、ばね材料に貼シつけて使用
されている。従来、力学的な物理量を検出するには、該
歪みゲージと抵抗器でホイートストンブリッジを構成し
、歪みゲージの抵抗値変化を電圧変化に変換して出力す
るという方法が採られている。

また、この他に、半導体に形成された拡散抵抗の抵抗値
が応力によって変化することに鑑み、かかる抵抗値の変
化を利用したものもある。このタイプのセンサは、前記
歪みゲージと同様にホイートストンブリッジを構成し、
抵抗値の変化を電圧として出力する方法が採られている
。このタイプのセンサの大きな特徴は、シリコン基板を
用いているため同一基板上に感圧部と信号検出用の電気
回路を集積化でき、また、温度変化に対する温度補償も
半導体の感温機能を利用して同一基板上で行っているこ
とである。このように半導体の拡散抵抗を利用したタイ
プのセンサは、よシ実用的なセンサであシ、また、小形
化・量産化の進んだセンサである。

さらに、その他にフォースセンサに属する技術としては
、ＳＡＷ遅延線の感圧機能を利用したものがある。この
場合、ＳＡＷ遅延線には、表面弾性波の伝搬する部分に
力を加えると、５ＡＷＯ伝搬速伝搬力の大きさに比例し
て変化し、その結果ＳＡＷ遅延線の遅延時間が変化する
という特性を所持した圧電性基板が用いられている。こ
の特性を有するＳＡＷ遅延線を用いて発振器を構成する
と、加えた力に比例した周波数変化量を出力するＳＡＷ
フォースセンサを実現できる。このようにして実現され
たＳＡＷフォースセンサは、分解能が良好であシ、かつ
、従来の抵抗値変化を利用した各種フォースセンサに比
べ精度の高いセ／すにすることができる。また、センナ
を構成するＳＡＷ発振器は、センサ部を兼ねているＳＡ
Ｗ遅延線と増幅器とによシ簡単に構成できるという大き
な特徴がある。

〔発明が解決しようとする問題点〕

ＳＡＷフォースセンサは、その大多数がＳＡＷ発振回路
を構成し、該発振回路の固有発振周波数の変化によって
測定量を表示する方式である。

このように周波数の変化量を表示する方式としているの
は、該ＳＡＷ発振回路を構成しているＳＡＷ遅延線自体
が受動的なデバイスであシ、自発的にエネルギーを放出
したシ、あるいは、被測定物の放出エネルギーを他の形
に変換して出力したシするタイプのデバイスではないた
めである。

したがって、ＳＡＷフォースセンサに限らず、ＳＡＷ遅
延線をセンサに用いる場合には、ＳＡＷ遅延線が安定に
動作する状態、すなわち、該ＳＡＷ遅延線と共働し、該
ＳＡＷ遅延線の固有振動数で定常発振するＳＡＷ発振器
を構成する必要がある。

しかし、ＳＡＷ遅延線に用いる圧電性基板は、ＳＡＷ速
度の温度係数を持っているため、周囲温度に敏感に反応
する性質を有し、発振器を構成した場合には固有の発振
周波数が変動するという問題がある。よって、よシ高感
度のセンサにするには、該周囲温度による周波数の変動
を補償する方法が必要となる。

また、ＳＡＷ遅延線の経時変化による発振周波数の変動
も同時に補償することが必要になる。

したがって、温度や経時変化による変動を補償する必要
から、ＳＡＷ発振器をＳＡＷ遅延線と増幅器で構成し、
良好な発振安定度が得られるようにしている。

すなわち、この良好な発振安定度が得られるＳＡＷ発振
器は、発振回路を構成するＳＡＷ遅延線のＳＡＷ伝搬速
度を熱・力・、電界等で積極的に変化させ、その変化に
伴うＳＡＷ発振器の発振周波数を検出して表示するセン
サである。

したがって、この５ＡＷ７オースセンサは、ＳＡＷ遅延
線に外部から加えた力に応じ、ＳＡＷ伝搬速度が変化し
、その結果としてＳＡＷ発振器の発振周波数が変化する
ものであるから直線性の良好な感圧特性を示すと云える
。

しかしながら、この５ＡＷ７オースセンサは、その構成
上の制約から発振周波数の周波数の変化量を出力信号と
して用いなければならないが、最近、従来の多くのフォ
ースセンサと同様に、測定量を電圧もしくは電流値とし
て出力するアナログ信号出力タイプのＳＡＷフォースセ
ンサも切望されている。

〔問題を解決するだめの手段〕

この発明では、加えた熱、及び、力によＪＳＡＷ速度が
それぞれ直線性良く変化する圧電性基板を用い、この基
板上にＳＡＷを送信及び受信するための電極（交差指形
電極ともＩＤＴともいう。

ＩＤＴはＩｎｔｅｒｄｌｇｌｔａｌ　Ｔｒａｎｓｄｕｃ
ｅｒの略）を設けるとともに、ＳＡＷが伝搬する２つの
電極、つまり、該送信用電極と受信用電極との間に、外
部から供給された電力を吸収して発熱する発熱抵抗体を
設け、ＳＡＷ遅延線を構成する。該発熱抵抗体を設ける
場所は、該圧電性基板のＳＡＷの伝搬する部分のみには
限定されず、圧電性基板の表面及び裏面のどこに設けて
もよい。しかし、センサの応答速度を考えると、ＳＡＷ
が伝搬する部分に設置するのが最良である。さらにＳＡ
Ｗ遅延線はフル オースセンサとして感圧機能よくするため、基板固定部
材に固定し、片持ばりを形成する。

そして、該ＳＡＷ遅延線の送信用電極と受信用電極を増
幅器を介して接続し、正帰還回路によるＳＡＷ発振器を
構成する。このように構成されたＳＡＷ発振器はＳＡＷ
遅延線を形成している圧電性基板に、外部から力を加え
ると、ＳＡＷ伝搬速度が変化し、その結果、発振周波数
が変化する。

また、該ＳＡＷ遅延線を形成する圧電性基板に設けた発
熱抵抗体に外部から電力を供給すると、該発熱抵抗体の
発する熱により、該圧電性基板の基板温度が変化し、該
ＳＡＷ遅延線のＳＡＷ伝搬速度が変化する。この結果、
前述した圧電性基板に外部から力を加える場合と同じ（
ＳＡＷ発振器の発振周波数が変化する。

そこで、該ＳＡＷ発振器と、常に一定の発振周波数で発
振する基準信号発振器と、該ＳＡＷ発振器の出力発振周
波数と該基準信号発振器の出力発振周波数とを比較し、
その比較出力である誤差周波数、すなわち、ビート信号
を出力する位相比較器と、この位相比較器の出力をロー
パスフィルタを介して該ＳＡＷ遅延線上の表面に設けら
れた発熱抵抗体に帰還するフィードバック回路とでＰＬ
Ｌ（フェーズロックループ）回路構成にすることにより
、該ＳＡＷ発振器の発振周波数を一定にすることができ
るようにした。

すなわち、該ＰＬＬ回路構成において、該ＳＡＷ発振器
を構成するＳＡＷ遅延線に測定すべき力が加わると、Ｓ
ＡＷ発振器の発振周波数が変化する。そして、この変化
した発振周波数は、該基準信号発振器の発振周波数と位
相比較器で比較され、その比較出力、つマシ、両者の周
波数の違いは誤差周波数として出力される。この誤差周
波数信号の振幅値をＳＡＷ遅延線上の発熱抵抗体にフィ
ードバック信号として流すと、該発熱抵抗体は発熱し、
その発熱によって圧電性基板の基板温度が変化し、それ
に伴ないＳＡＷ発振器の発振周波数は測定すべき力が圧
電性基板に加わる前の発振周波数に引戻される。よって
、この時、該発熱抵抗体に流れた電流値を検知すること
により外部から加わった力を検出することができる。

〔作　用〕

以上、述べたように、感圧特性・感温特性を持　９　一 つ圧電性基板を使用し、この基板上に外部から供給した
電力で発熱する発熱抵抗体を設けてＳＡＷ遅延線を形成
し、さらに、このＳＡＷ遅延線を固定して片持ばり構造
とする。このような構造を持つＳＡＷ遅延線を用いて発
振器を構成することにより、ＳＡＷ遅延線を構成する圧
電性基板の表面に設けられた発熱抵抗体への電力供給、
あるいは、外部から該圧電性基板に外力を加えることに
よシそれぞれ独立にＳＡＷ発振器の発振周波数を変化さ
せることができる。したがって、該感圧特性・感温特性
を持つＳＡＷ発振器と、基準信号発振器と、該ＳＡＷ発
振器の出力信号（発振周波数）と該基準信号発振器の出
力信号（発振周波数）とを比較し、その比較結果である
ビート信号（誤差周波数）を出力する位相比較器と、該
位相比較器の出力信号をローパスフィルタを介してＳＡ
Ｗ遅延線の表面に設けられた発熱抵抗体に帰還するフィ
ードバック回路とで該ＳＡＷ発振器の発振周波数を一定
にする機能を有するＰＬＬ回路構成とし、この回路構成
によシアナログ信号を出力するＳＡＷフォースセンサと
して機能することができる。

このＰＬＬ回路構成において、該ＳＡＷ発振器を構成す
るＳＡＷ遅延線に外部から力が加わると、該ＳＡＷ発振
器の発振周波数が変化する。この変化量は、位相比較器
において検出され、誤差周波数つまシ、ビート信号とし
て出力変換される。該ビート信号は、ＳＡＷ遅延線の表
面に設けられた発熱抵抗体に加えられ、該ＳＡＷ発振器
の発振周波数を測定すべき外力が加えられる前の値に戻
すフィードバック信号として作用し、この信号の振幅値
は該測定すべき外力に応じた値となる。よって、この信
号によりＳＡＷ発振器の発振周波数は一定に保たれる。

また、このフィードバック信号はアナログ信号であり、
この信号を検出することによりアナログ信号を出力する
ＳＡＷフォースセンサが実現できる。

〔実施例〕

第１図は、本発明に使用するＳＡＷ遅延線の一実施例を
示す図である。圧電性基板１の表面に、ＳＡＷを発射す
るための送信用電極２と、該送信用電極２から発射され
た該ＳＡＷを受信するための受信用電極３とを設けてＳ
ＡＷ遅延線４を形成する。そして、該ＳＡＷ遅延線４０
表面のＳＡＷを伝搬する部分に発熱抵抗体５を設ける。

この発熱抵抗体５は圧電性基板１の表面においてＳＡＷ
の伝搬しない領域、あるいは圧電性基板１の裏面に設け
てもよい。このＳＡＷ遅延線４を形成した圧電性基板１
は基板固定部材６に固定し、片持ばシを形成する。そし
て、該ＳＡＷ遅延線４の送信用電極２の一方と、該受信
用電極３の一方とを増幅器７を介して接続し、正帰還美
゛フィードバックする手段）によるＳＡＷ発振器８を形
成する。ここで、ＳＡＷ遅延線４上に設けられた発熱抵
抗体５の一端は周波数コントロール端子９に、また、該
送信用電極と受信用電極の他方並びに該発熱抵抗体の他
端は接地電位に接続する。以上のように構成されるＳＡ
Ｗ遅延線に、測定すべき力を作用させる手段１０を用い
外力を加えることによシ、ＳＡＷ発振器８の発振周波数
は変化する。この発振周波数の変化量を外部から加えた
力に対応させることで基本的なＳＡＷフォースセンサを
構成できる。このＳＡＷ発振器８には周波数コントロー
ル機能が備わっており、電力供給端子９に外部から電力
を供給して、ＳＡＷ遅延線４の表面に設けた発熱抵抗体
の発熱量をコントロールしている。

第２図に本発明による５ＡＷ７オースセンサの一実施例
を示す。圧電性基板１の表面に送信用電極２、受信用電
極３を設けＳＡＷ遅延線４を形成する。このＳＡＷ遅延
線４の表面のＳＡＷを伝搬する部分に、外部から供給し
た電力によシ発熱する発熱抵抗体５を設ける。送信用電
極２と受信用電極３のそれぞれ一方の電極は増幅器７を
介して接続し、他方のそれぞれの電極は接地電位に接続
しＳＡＷ発振器８を構成する。この構成によるＳＡＷ発
振器８の発振信号は、出力バッ７ア１１を介して外部に
出力する。基準信号発振器１２と出力バッファ１１を介
して出力されるＳＡＷ発振器８からの２つの出力信号は
それぞれ位相比較器１３に入力し、位相及び周波数を比
較する。該位相比較器１３から出力される誤差周波数信
号は、ＳＡＷ遅延線４上に設けられた発熱抵抗体５に入
力される。なお、この誤差周波数信号は、ローパスフィ
ルタ１４を通過させ低周波周波数成分だけを取シ出し、
発熱抵抗体５に加えてもよい。以上のようなフィードバ
ック機能を持つＰＬＬ回路１５を構成し、位相比較器１
３の出力を出力端子１６を介して出力し、この信号を検
出することによりアナログ信号を出力するＳＡＷフォー
スセンサが実現可能となる。

〔発明の効果〕

以上述べたように、本発明によるＳＡＷフォースセンサ
は、ＳＡＷ遅延線による発振器を用いたＰＬＬ回路構成
であフ、従来のＳＡＷフォースセンサには、Ｄ／Ａコン
バータを用いる方法でしか実現できなかったアナログ信
号を出力する新しいタイプのＳＡＷセンサである。出力
されたアナログ信号は、ＳＡＷ遅延線に本来、備わって
いる直線性良好な感圧特性と感温特性をセンナの原理と
して利用しているため、本発明によるＳＡＷフォースセ
ンサは従来のフォースセンサにはない高精度のセンサと
することができる。

またアナログ信号を出力するタイプのフォースセンサで
あるため、従来、蓄積されてきた多くのアナログ信号処
理技術がそのまま使用できることも大きな特長である。

特に、ＰＬＬ回路構成であるため、フィードバックを用
いた制御系のセンサとしては最適である。

Ｐ　Ｌ　Ｔ、回路は現在多くのＩＣが市販されており、
これらの素子を利用することにより、高精度でしかも安
価々アナログ出力タイプのセンサが実現できる。

以上のように、不発明によるＳＡＷフォースセンサは産
業上オリ用価値の高いセンサである。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明のＳＡＷフォースセンサを構成するＳ
ＡＷ遅延線の−・実施例を示す。 第２図は、本発明のＳＡＷフォースセンサの一実施例を
示す。 図において、１は圧電性基板、２は送信用電極、３は受
信用電極、４は表面弾性波遅延線、５は発熱抵抗体、６
は基板固定部材、７は増幅器、８は表面弾性波遅延線、
９は電力供給端子、１０は測定すべき力を作用させる手
段、１１は出力バッファ、１２は基準周波数発振器、１
３は位相比較器、１４はローパスフィルタ、１５はＰＬ
Ｌ回路構成、１６は出力端子をそれぞれ示す。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 発熱抵抗体を表面に有する圧電性基板と、該圧電性基板
   の表面に設けられ表面弾性波を発射する送信用電極と、
   該圧電性基板の表面に設けられ該表面弾性波を受信する
   受信用電極とからなる表面弾性波遅延線と； 該表面弾性波遅延線と共働し、該表面弾性波遅延線の固
   有振動数で発振する表面弾性波発振器と；基準周波数発
   振器と； 該基準周波数発振器の出力信号と、該表面弾性波発振器
   の出力信号とを比較し、その差に比例した位相差信号を
   出力する位相比較器と、該位相比較器の出力を該発熱抵
   抗体に帰還する手段とからなり、該表面弾性波発振器の
   発振周波数を該基準周波数発振器の周波数に一致するよ
   うにしたフェーズロックループ回路と； 該位相差信号を出力する出力端子と； 該圧電性基板に測定すべき力を作用させる手段とを具備
   し、前記位相比較器の出力を検知することにより該圧電
   性基板に加えられた力を検出するＳＡＷフォースセンサ
   。