JPS63238438A - Force sensor - Google Patents
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Abstract
Description
【発明の詳細な説明】
1栗よL皿里光■
この発明は、動的な力のみならず、静的な力をも検出す
ることができる、圧電素子を使用した力センサに関する
。DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION 1 Chestnut Yo L Sara Riko■ This invention relates to a force sensor using a piezoelectric element that can detect not only dynamic force but also static force.
従来の技術
静的な力を検出するためのセンサとしては、従来、ブル
ドン管、ベローズ、ダイヤフラム等が使用されているが
、これらはいずれも可動部分が多く、しかも大型になる
という問題がある。また、これらの力センサは、いずれ
も、応答速度が遅く、感度も低い。BACKGROUND ART Conventionally, Bourdon tubes, bellows, diaphragms, and the like have been used as sensors for detecting static forces, but all of these have the problem of having many moving parts and being large in size. Furthermore, all of these force sensors have slow response speed and low sensitivity.
また、近年、拡散型半導体を用いたものや、静電容湿式
、インダクタンス式などの力センサが提案されている。In addition, in recent years, force sensors using diffused semiconductors, capacitance type, inductance type, and the like have been proposed.
これらは、上述したものにくらべてコンパクトであるも
のの、やはり可動部分が多かったり1.応答速度が遅い
とか、感度が低いなどの問題があり、性能的には上述し
たものよりもむしろ劣っている。Although these are more compact than the ones mentioned above, they still have many moving parts and 1. There are problems such as slow response speed and low sensitivity, and the performance is rather inferior to those mentioned above.
一方、力センサ用素子として圧電体が知られている。し
かして、圧電体を使用するときは、その材料を選ぶこと
によって力センサをコンパクトにでき、また高速応答、
高感度を達成でき、しかも広い温度範囲での使用、ライ
フサイクルの延長等が可能であるという利点がある。し
かしながら、静的な力の検出には使用されていないのが
現状である。それは、次のような理由による。On the other hand, piezoelectric bodies are known as force sensor elements. Therefore, when using a piezoelectric material, the force sensor can be made compact by selecting the material, and it can also provide high-speed response and
It has the advantage of being able to achieve high sensitivity, use in a wide temperature range, and extend its life cycle. However, at present, it is not used for static force detection. This is due to the following reasons.
すなわち、圧電体を用いたカセン゛すは、水晶、ジルコ
ンチタン酸鉛磁器(PZT) 、ポリフッ化ビニリデン
(PVDF)などの圧電体を使用しており、これらの圧
電体は自発分極をもっていて、力が加わり、歪を発生す
ると、自発分極の大きさが変わる。したがって、この自
発分極の変化に対応して表面電極に誘起される電荷を外
部負荷抵抗に流し、その外部負荷抵抗で電圧に変換して
、力の大きさを電圧の大きさとして知ることができる。In other words, piezoelectric sensors use piezoelectric materials such as crystal, lead zirconate titanate porcelain (PZT), and polyvinylidene fluoride (PVDF). When added to generate strain, the magnitude of spontaneous polarization changes. Therefore, the electric charge induced in the surface electrode in response to this change in spontaneous polarization is passed through an external load resistor, which converts it into voltage, and the magnitude of the force can be known as the magnitude of the voltage. .
しかしながら、外部負荷抵抗で電荷を消費してしまうた
めに、静的な力に対しては電圧が次第に減少してくる。However, since charge is consumed by the external load resistance, the voltage gradually decreases in response to a static force.
これは、雑誌「センサ技術J 、Vol。This is from the magazine "Sensor Technology J, Vol.
3、No、10、第33〜40頁(1983)にも述べ
られているように、圧電体は、静圧を印加すると当初は
それに対応した電圧が得られるが、次第に下がってくる
、いわゆる微分型特性を有するからである。そのため、
圧電体をチャージアンプなどに接続して電荷の減衰量を
できるだけ小ざくするなどの工夫をしているが、それで
もなお不十分で、脈動圧力など、動的な力しか検出でき
ない。3, No. 10, pp. 33-40 (1983), when static pressure is applied to a piezoelectric material, a corresponding voltage is initially obtained, but the voltage gradually decreases; This is because it has type characteristics. Therefore,
Efforts have been made to connect the piezoelectric body to a charge amplifier to minimize the amount of charge attenuation, but this is still insufficient and only dynamic forces such as pulsating pressure can be detected.
これが、ピエゾ型、すなわち圧電型力センサの最大の問
題である。This is the biggest problem with piezoelectric force sensors.
第1図は、圧電体を使用した従来の力センサの一例を示
すもので、103は圧電体、101.102は圧電体1
03に設けた表面電極、104はインピーダンス変換用
電界効果トランジスタ(FET) 、105 (RQo
)は外部負荷抵抗である。FIG. 1 shows an example of a conventional force sensor using a piezoelectric material, where 103 is a piezoelectric material, and 101 and 102 are piezoelectric materials 1.
03 is a surface electrode provided, 104 is a field effect transistor (FET) for impedance conversion, 105 (RQo
) is the external load resistance.
しかして、この力センサは、外部負荷抵抗105が接地
されており、そのためインピーダンス変換用FETl0
4の漏れ電流の温度変動による電圧゛の影響はないもの
の、外部負荷抵抗105の値を相当大きく、たとえば5
0GΩとしても、いわゆる微分型である特性には変わり
がない。そして、検出される電圧は変動した力の変化分
に対応するものとなる。However, in this force sensor, the external load resistor 105 is grounded, and therefore the impedance conversion FET10
Although there is no effect on the voltage due to temperature fluctuations in the leakage current of 4, the value of the external load resistor 105 is increased considerably, for example, 5.
Even if it is 0 GΩ, there is no change in the so-called differential type characteristics. Then, the detected voltage corresponds to the amount of change in the fluctuating force.
上述した問題は、電荷を電流として消費する外部負荷抵
抗105があることに起因している。だから、第2図に
示すように、第1図に示す力センサにおける外部負荷抵
抗105をなくしてしまい、インピーダンス変換用FE
T104の高い入力抵抗を利用するも考えられる。そう
すれば、確かに、従来得られなかった静的な力を、速い
応答速度で、しかも高い感度で検出できる。しかしなが
ら、温度が変わると、インピーダンス変換用FET10
4の漏れ電流による出力の変動があり、ゲートの静電破
壊が起こりやすいという別の問題がある。The above-mentioned problem is caused by the presence of the external load resistor 105 that consumes charge as current. Therefore, as shown in Fig. 2, the external load resistance 105 in the force sensor shown in Fig. 1 is eliminated, and the FE for impedance conversion is
It is also possible to use the high input resistance of T104. By doing so, it is possible to detect static forces with a fast response speed and high sensitivity, which was previously impossible. However, when the temperature changes, the impedance conversion FET10
Another problem is that the output fluctuates due to the leakage current of No. 4, and electrostatic damage to the gate is likely to occur.
これを防止するために、ゲート、ソース間にダイオード
を挿入して静電破壊を防止するようにしたFETの採用
もがんかえられるが、現状では、小型で、しかも高周波
で使用し得る、ゲートの耐電圧が高いFETの入手が困
難であるため、結局、この従来の力センサは温度変化の
大きいところで使用すると出力が不安定になり、また、
長期にわたって使用する場合にはゲートの損傷によるF
ETの性能低下もあり、信頼性が低い。また、内部抵抗
の高い圧電体は使用しにくいといった、圧電体の種類が
限られるという問題もある。In order to prevent this, it is possible to use FETs that have a diode inserted between the gate and source to prevent electrostatic damage, but at present, FETs that are small and can be used at high frequencies are being used. Because it is difficult to obtain FETs with high withstand voltage, the output of this conventional force sensor becomes unstable when used in areas with large temperature changes, and
F due to damage to the gate if used for a long period of time.
There is also a decline in ET performance, resulting in low reliability. Another problem is that the types of piezoelectric materials are limited, such as the difficulty of using piezoelectric materials with high internal resistance.
発明が解決しようとする問題点
仁の発明の目的は、従来の力センサの上)ホした問題点
を解決し、動的な力はもちろん、静的な力でも検出する
ことができ、しかも高感度で応答性にも優れた力センサ
を提供するにある。Problems that the invention aims to solve The purpose of Jin's invention is to solve the problems of conventional force sensors, to be able to detect not only dynamic force but also static force, and to be able to detect high-speed force. The purpose of the present invention is to provide a force sensor with excellent sensitivity and responsiveness.
同 点を解決するための手段
上記目的を達成するために、この発明においては、圧電
体の両面に電極を形成してなる圧電素子と、前記圧電素
子に接続された電気的チョッパ回路とを有し、かつ前記
電気的チョッパ回路は、(イ) スイッチング用電界効
果トランジスタおよびインピーダンス変換用電界効果ト
ランジスタを備え、
(ロ) 前記スイッチング用電界効果トランジスタのド
レイン端子は前記圧電素子の一方の電極に接続され、
(ハ) 前記スイッチング用電界効果トランジスタのソ
ース端子は前記インピーダンス変換用電界効果トランジ
スタのゲート端子に接続され、
(ニ) 前記スイッチング用電界効果トランジスタのゲ
ート端子はパルス発生器に接続され、
(ホ) 前記スイッチング用電界効果トランジスタのソ
ース端子と前記圧電素子の他方の電極との間にはリーク
抵抗が接続され、(へ) 前記インピーダンス変換用電
界効果トランジスタのソース端子と前記圧電素子の他方
の電極との間には出力抵抗が接続されている、
ことを特徴とする力センサが提供される。Means for Solving the Same Point In order to achieve the above object, the present invention includes a piezoelectric element formed by forming electrodes on both sides of a piezoelectric body, and an electric chopper circuit connected to the piezoelectric element. And, the electric chopper circuit includes (a) a switching field effect transistor and an impedance conversion field effect transistor, and (b) a drain terminal of the switching field effect transistor is connected to one electrode of the piezoelectric element. (c) the source terminal of the switching field effect transistor is connected to the gate terminal of the impedance conversion field effect transistor; (d) the gate terminal of the switching field effect transistor is connected to a pulse generator; (e) A leak resistance is connected between the source terminal of the switching field effect transistor and the other electrode of the piezoelectric element; A force sensor is provided, characterized in that an output resistor is connected between the electrodes.
この発明において、圧電素子に使用する圧電体は、水晶
、ジルコンチタン酸鉛磁器(PZT)、ランタンジルコ
ンチタン酸鉛磁器(PLZT)、ZnO1L i Ta
O3、PbTi 03、LiNbO2、トリグリシン硫
tJ、(TGS> 、ポリフッ化ビニリデン(PVDF
) 、ポリフッ化ビニリデン・三フッ化エチレン共重合
体(PVDF−TrFE)や、あるい、は、たとえばP
VDF中に無機系圧電体の粉を混入してなる、いわゆる
複合圧電体などである。これらは、通常、厚みが5mm
以下で、面積が0.01m2以下のものを使用する。形
状は、用途によって異なるものの、短冊状、円盤状、あ
るいはリング状であるのが好ましい。なお、圧電体は通
常、適当なホルダで支持するようにする。In this invention, the piezoelectric body used in the piezoelectric element is crystal, lead zirconate titanate porcelain (PZT), lanthanum zirconate lead porcelain (PLZT), ZnO1L i Ta
O3, PbTi 03, LiNbO2, triglycine sulfate tJ, (TGS>, polyvinylidene fluoride (PVDF)
), polyvinylidene fluoride/trifluoroethylene copolymer (PVDF-TrFE), or, for example, P
This is a so-called composite piezoelectric material made by mixing inorganic piezoelectric material powder into VDF. These are usually 5mm thick
In the following, those with an area of 0.01 m2 or less will be used. Although the shape varies depending on the use, it is preferably rectangular, disc-shaped, or ring-shaped. Note that the piezoelectric body is usually supported by a suitable holder.
上述した圧電体の両面に形成する電極は、たとえば、気
体圧力を検出するものでは、金、アルミニウム、ニクロ
ム、ニッケル、ステンレスの蒸着、スパッタリング、メ
ッキ等によるものが好ましい。The electrodes formed on both sides of the piezoelectric body described above, for example, for detecting gas pressure, are preferably formed by vapor deposition, sputtering, plating, etc. of gold, aluminum, nichrome, nickel, or stainless steel.
まに1液体圧力を検出するものでは、金、ニッケル、ス
テンレスの蒸着、スパッタリング、メッキ等に′よるも
の、あるいはステンレス板が好ましい。For devices that detect liquid pressure every once in a while, it is preferable to use gold, nickel, or stainless steel plate by vapor deposition, sputtering, or plating, or a stainless steel plate.
ざらに、引張力や圧縮力の検出には燐青銅板、炭素鋼板
やステンレス板などが好ましい。いずれの場合も、腐蝕
性の雰囲気では対腐蝕性がある高分子薄膜やステンレス
薄膜による保護膜でカバーしておくのが好ましい。なお
、電気的チョッパ回路をシリコン基板上に直接形成する
ような場合には、それを電極の替わりとして使用するこ
とも可能である。In general, phosphor bronze plates, carbon steel plates, stainless steel plates, etc. are preferable for detecting tensile force or compressive force. In any case, in a corrosive atmosphere, it is preferable to cover with a protective film such as a corrosion-resistant polymer thin film or stainless steel thin film. In addition, when an electric chopper circuit is formed directly on a silicon substrate, it is also possible to use it in place of an electrode.
圧電素子の電極に誘起ぐれる電荷による電圧を断続的に
検出するための電気的チョッパ回路は、スイッチング用
およびインピーダンス変換用の2つのFETと、リーク
抵抗および出力抵抗の2つの抵抗とを備えている。しか
して、スイッチング用FETのトレイン端子は圧電素子
の一方の電極に接続され、またソース端子はインピーダ
ンス変換用FETのゲート端子に接続される。また、ス
イッチング用FETのゲート端子はパルス発生器に接続
される。ざらに、リーク抵抗は、スイッチング用FET
のソース端子と圧電素子の他方の電極との間に接続され
、出力抵抗は、インピーダンス変換用FETのソース端
子と圧電素子の他方の電極との間に接続される。なお、
FETをシリコン基板上に形成する場合には、FETの
各端子は、通常、アルミニウムでできていて、他の部品
との接続が難しいため、シリコン基板をプラスチックな
どの回路基板上に接着し、その回路基板上に中継のため
に銅プリントを設け、その銅プリントとFETの各端子
とをボンディングするようにする。An electrical chopper circuit for intermittently detecting voltage due to charges induced in the electrodes of a piezoelectric element includes two FETs for switching and impedance conversion, and two resistors, a leak resistance and an output resistance. . Thus, the train terminal of the switching FET is connected to one electrode of the piezoelectric element, and the source terminal is connected to the gate terminal of the impedance conversion FET. Further, the gate terminal of the switching FET is connected to a pulse generator. Roughly speaking, the leak resistance is the switching FET.
The output resistor is connected between the source terminal of the impedance conversion FET and the other electrode of the piezoelectric element. In addition,
When forming an FET on a silicon substrate, each terminal of the FET is usually made of aluminum, which makes it difficult to connect to other parts, so the silicon substrate is glued onto a circuit board made of plastic or other material. A copper print is provided on the circuit board for relaying, and the copper print and each terminal of the FET are bonded.
この場合は、この回路基板tリーク抵抗と出力抵抗とを
接続するとよい。In this case, it is preferable to connect this circuit board t leak resistance and the output resistance.
圧電素子と電気的チョッパ回路とは、通常、電気的良導
体であるアルミニウム、鉄、真鍮などの金属、導電性プ
ラスチック、あるいはプラスチックに導電性塗料を塗っ
たものからなるケースに収納し、そのケースを接地する
が、または電源のコモン線に接続して、外部からの電気
的なノイズを除去できるようにする。A piezoelectric element and an electric chopper circuit are usually housed in a case made of metal that is a good electrical conductor such as aluminum, iron, or brass, conductive plastic, or plastic coated with conductive paint. Ground it or connect it to the common line of the power supply to eliminate external electrical noise.
作用
圧電体に、そのいずれか一方の面から力を作用させると
、圧電体が変形して撓む。しかるに、圧電体は、それが
変形したとき、その変形量に応じて内部の自発分極の大
きざが変化する。このとき、圧電素子の電極では自発分
極とのバランスが保たれるように電荷量が変化する。そ
して、作用する力が一定であれば内部の自発分極も一定
になり、電荷の発生による電位差、つまり電圧は常に一
定となる。この電圧をスイッチング用FETを断続的に
導通させ、出力抵抗の両端の電圧として検出する。この
とき、リーク抵抗は、インピーダンス変換用FETのゲ
ート端子を静電破壊から防護する。スイッチング用FE
Tが導通すると、電荷の発生による電位差、つまり電圧
が出力抵抗の両端に現われるが、このときリーク抵抗が
あるので、電荷が漏洩して電圧が多少低下する。スイッ
チング用FETが非導通の状態になったときは、電荷の
漏洩がなくなり、圧電素子の電極の電圧は圧電体内部の
自発分極に対応した値に戻る。したがって、ここで検出
される電圧はパルス状になるが、サンプル&ホールド回
路によってスイッチング用FETを断続的に導通させた
信号で同期をとって電圧をデジタル的に取り出すか、あ
るいは−次遅れの伝達関数を持つ演算増幅器によってア
ナログ的に取りだすかして、力を検出する。When a force is applied to the acting piezoelectric body from either side, the piezoelectric body deforms and bends. However, when a piezoelectric material is deformed, the magnitude of its internal spontaneous polarization changes depending on the amount of deformation. At this time, the amount of charge changes in the electrode of the piezoelectric element so as to maintain a balance with the spontaneous polarization. If the acting force is constant, the internal spontaneous polarization will also be constant, and the potential difference due to the generation of charges, that is, the voltage, will always be constant. This voltage is intermittently made conductive through a switching FET and detected as a voltage across the output resistor. At this time, the leak resistance protects the gate terminal of the impedance conversion FET from electrostatic damage. FE for switching
When T becomes conductive, a potential difference, that is, a voltage, appears across the output resistor due to the generation of charges, but at this time, since there is a leak resistance, the charges leak and the voltage drops somewhat. When the switching FET becomes non-conductive, charge leakage disappears and the voltage at the electrode of the piezoelectric element returns to a value corresponding to the spontaneous polarization inside the piezoelectric body. Therefore, the voltage detected here is in the form of a pulse, but the voltage can be synchronized with a signal that intermittently turns on the switching FET using a sample-and-hold circuit, and the voltage can be extracted digitally, or the voltage can be extracted digitally, or - the next lag transmission The force is detected by extracting it analogously using an operational amplifier with a function.
出力の応答速度は、原理的には圧電体の内部分極の変化
速度に対応したピコ秒以下の速度と推定されるが、実際
にはスイッチング用FETの応答速度やインピーダンス
変換用FETの応答速度によって制限される。しかし、
それは10マイクロ秒以下でかなり早いものである。・
そして、圧電素子の表面の電荷による電圧を検出するた
め、従来の外部負荷抵抗による電荷の減少がほとんどな
く、高い感度の出力が1qられる。In principle, the response speed of the output is estimated to be less than a picosecond, which corresponds to the rate of change of the internal polarization of the piezoelectric body, but in reality it depends on the response speed of the switching FET and the response speed of the impedance conversion FET. limited. but,
It is quite fast, less than 10 microseconds. - Since the voltage due to the charge on the surface of the piezoelectric element is detected, there is almost no reduction in charge due to the conventional external load resistance, and a highly sensitive output of 1q is achieved.
大簾里罫
この発明の一実施態様を、気体圧力を測定する場合につ
いて説明する。Large blind screen An embodiment of the present invention will be described with reference to a case where gas pressure is measured.
第3〜5図において、力センサは、熱放散のよいアルミ
ニウムからなるベース1およびケース2に本体部分が収
納されている。ケース2には気体の導入口3が設けられ
、ベース1には、大気への連通口9と、外部との電気的
な接続をするための端子10.12〜16が設けられて
いる。端子10は、ベース1およびケース2と接続され
る、外部からの電気的ノイズを防ぐための、いわゆる°
アース端子である。In FIGS. 3 to 5, the main body of the force sensor is housed in a base 1 and a case 2 made of aluminum with good heat dissipation. The case 2 is provided with a gas inlet 3, and the base 1 is provided with a communication port 9 to the atmosphere and terminals 10, 12 to 16 for electrical connection with the outside. The terminal 10 is connected to the base 1 and the case 2, and is used to prevent electrical noise from the outside.
This is a ground terminal.
本体部分は、気体の導入口3との気密が保たれている、
圧電素子5の電極17の端子を兼ねた上部ホルダ4と、
圧電素子5と、圧電素子5を固定するための支え台7と
、圧電素子5の電極19の端子を兼ねた下部ホルダ6と
を有し、それに電気的チョッパ回路を配置している。電
気的チョッパ回路は、シリコン基板8と、そのシリコン
基板8が接合されたガラス繊維強化プラスチツク製回路
基板11上に形成されている。スイッチング用FET(
Trl)およびインピーダンス変換用FET (Tr2
>は、シリコン基板8上に形成されている。また、回路
基板11上には、300MΩのリーク抵抗RCIと、2
0にΩの出力抵抗Rsとが接続され、また、2つのFE
T、すなわちスイッチング用FET (Tri )とイ
ンピーダンス変換用FET (Tr2>のドレイン端子
、ゲート端子、ソース端子と、上部ホルダ4および下部
ホルダ6と、各端子10.12〜16との接続の中継の
ための銅プリントが施されている。しかして、この銅プ
リントと、各FETの端子と、端子10.12〜16と
を、第3図にしたがってポンディングにより接続してい
る。そして、上部ホルダ4および下部ホルダ6と回路基
板11上の銅プリントとの接続は、リード線をハンダ付
することによって行っている。The main body part is kept airtight with the gas inlet 3.
an upper holder 4 that also serves as a terminal for the electrode 17 of the piezoelectric element 5;
It has a piezoelectric element 5, a support base 7 for fixing the piezoelectric element 5, and a lower holder 6 which also serves as a terminal for an electrode 19 of the piezoelectric element 5, and an electric chopper circuit is arranged therein. The electric chopper circuit is formed on a silicon substrate 8 and a glass fiber reinforced plastic circuit board 11 to which the silicon substrate 8 is bonded. Switching FET (
Trl) and impedance conversion FET (Tr2
> is formed on the silicon substrate 8. Further, on the circuit board 11, a leak resistance RCI of 300 MΩ and a leak resistance RCI of 2
0 is connected to the output resistance Rs of Ω, and two FE
T, that is, the relay of the connection between the switching FET (Tri), the impedance conversion FET (Tr2>'s drain terminal, gate terminal, source terminal, upper holder 4 and lower holder 6, and each terminal 10.12 to 16). This copper print, the terminals of each FET, and terminals 10, 12 to 16 are connected by bonding according to Fig. 3.Then, the upper holder 4 and the lower holder 6 and the copper print on the circuit board 11 are connected by soldering lead wires.
導入口3および支え台7は、ポリアセタール製で、電気
的絶縁性と機械的強度をもっている。The inlet 3 and the support base 7 are made of polyacetal and have electrical insulation and mechanical strength.
上部ホルダ4、下部ホルダ6はリング状の真鍮製で、そ
の一端にはリード線が取り付けられている。The upper holder 4 and the lower holder 6 are made of ring-shaped brass, and a lead wire is attached to one end thereof.
圧電素子5は、圧電体18の両面に電極17.19を設
けてなり、それら電極17.19はアルミニラムの蒸着
膜からなっている。しかして、圧電索子5は上部ホルダ
4と下部ホルダ6に接着されている。導入口3から支え
台7までは、接着剤を用いて気体が漏れないようにして
いる。The piezoelectric element 5 includes electrodes 17 and 19 provided on both sides of a piezoelectric body 18, and these electrodes 17 and 19 are made of a vapor-deposited film of aluminum. Thus, the piezoelectric cord 5 is bonded to the upper holder 4 and the lower holder 6. An adhesive is used from the inlet 3 to the support base 7 to prevent gas from leaking.
次に、電気的チョッパ回路について説明する。Next, the electric chopper circuit will be explained.
第3〜5図において、圧電素子5の電極19に接触して
いる下部ホルダ6とスイッチング用FET(Trl>の
トレイン端子とを接続し、そのソース端子をインピーダ
ンス変換用FET (Tr2)のゲート端子とリーク抵
抗ROの一方と接続している。スイッチング用FET
(Trl )のゲート端子は、ベース1に設けられた端
子14と接続している。インピーダンス変換用FET
(Tr2>のトレイン端子は、端子12に接続し、ソー
ス嫡子は出力抵抗Rsの一方と端子13とに接続してい
る。また、圧電素子5の電極17に接触している上部ホ
ルダ4とリーク抵抗RCIの他方と出力抵抗R5の他方
とを接続し、さらに端子15と接続している。これらの
接続は回路基板11上の銅プリント上でハンダ付おるい
はボンディングにより上述したセンサの作用を説明する
に、導入口3から気体を入れ、その圧力を電極17に伝
える。3 to 5, the lower holder 6 in contact with the electrode 19 of the piezoelectric element 5 is connected to the train terminal of the switching FET (Trl), and the source terminal is connected to the gate terminal of the impedance conversion FET (Tr2). and one side of the leakage resistor RO.Switching FET
The gate terminal of (Trl) is connected to the terminal 14 provided on the base 1. FET for impedance conversion
(The train terminal of Tr2> is connected to the terminal 12, and the source heir is connected to one of the output resistors Rs and the terminal 13. Also, the upper holder 4 which is in contact with the electrode 17 of the piezoelectric element 5 The other resistor RCI is connected to the other output resistor R5, and is further connected to a terminal 15. These connections are made by soldering or bonding on a copper print on the circuit board 11 to achieve the above-described sensor action. To explain, gas is introduced through the inlet 3 and its pressure is transmitted to the electrode 17.
すると、電極17とともに圧電体1Bが歪み、その歪み
に応じた内部自発分極が起こり、それに伴って圧電素子
5の電極17.19に電荷が誘起される。この電荷によ
る電圧の検出は、スイッチング用FET (Tri >
のゲート端子に端子14を介して所定の周期の電圧パル
スを印加してスイッチング用FET (Trl >を断
続的に導通させ、出力抵抗R5の両端、すなわち端子上
3.15間において断続したパルス状の電圧として検出
する。Then, the piezoelectric body 1B is distorted together with the electrode 17, internal spontaneous polarization occurs in accordance with the distortion, and charges are induced in the electrodes 17 and 19 of the piezoelectric element 5 accordingly. Detection of voltage using this charge is performed using a switching FET (Tri >
A voltage pulse of a predetermined period is applied to the gate terminal of the switching FET (Trl) through the terminal 14 to make the switching FET (Trl> conductive intermittently. Detected as voltage.
検出された電圧は、気体圧力と対応しているから、検出
した電圧の大きざから加わった気体の圧力を知ることが
できる。なお、端子12には正の電圧を、また端子15
には負の電圧を、それぞれ印加する。Since the detected voltage corresponds to the gas pressure, the applied gas pressure can be determined from the magnitude of the detected voltage. Note that a positive voltage is applied to the terminal 12, and a positive voltage is applied to the terminal 15.
A negative voltage is applied to each.
R肌り四呈
この発明は、圧電素子の電極の表面に誘起される電荷に
よる電圧を断続的に検出するための、スイッチング用F
ETおよびインピーダンス変換用FETを備えた電気的
チョッパ回路を設けているから、圧電型力センサの最大
の欠点であった静圧をも、高感度で、しかも高速度で検
出することができる。そして、圧電体の素材を選択する
ことによって、小型軽量、広範な温度での使用、長いラ
イフサイクル等も可能になる。This invention relates to a switching F for intermittently detecting voltage due to charges induced on the surface of an electrode of a piezoelectric element.
Since an electric chopper circuit including an ET and an impedance conversion FET is provided, static pressure, which has been the biggest drawback of piezoelectric force sensors, can be detected with high sensitivity and at high speed. Furthermore, by selecting the material for the piezoelectric body, it becomes possible to make it small and lightweight, use it in a wide range of temperatures, and have a long life cycle.
そのため、従来は他の力センサが使用されていた水圧、
気圧、油圧の静圧から動圧までの測定に使用できるよう
になる。水圧では、上下水通の水圧計測や、水圧計測に
基く揚水ポンプの自動運転等、多くの用途がある。特に
、寒冷地における水圧計測では、ブルドン管式や温度特
性の悪い半導体式力センサにとって替わり得るものであ
る。Therefore, water pressure, where other force sensors were traditionally used,
It can now be used to measure atmospheric pressure and hydraulic pressure, from static pressure to dynamic pressure. There are many uses for water pressure, such as water pressure measurement in water and sewage systems and automatic operation of water pumps based on water pressure measurements. In particular, for water pressure measurement in cold regions, it can replace Bourdon tube type or semiconductor type force sensors with poor temperature characteristics.
気圧では、感度が他の力センサに比べて高いので、空気
圧送装置の圧力制御管理や、容器の漏れ試験、気体の背
圧を利用した液体のレベル計測、気体の背圧を利用した
液体の密度測定等に使用できるほか、絶対気圧の測定に
も使用できる。なかでも、差圧測定は一般に圧力差が非
常に小さいことが多いから、この発明の力センサの用途
として最適である。The sensitivity of atmospheric pressure is higher than that of other force sensors, so it can be used for pressure control management of pneumatic feeding equipment, leak testing of containers, liquid level measurement using gas back pressure, and liquid level measurement using gas back pressure. In addition to being used for density measurements, it can also be used to measure absolute atmospheric pressure. Among these, the force sensor of the present invention is most suitable for differential pressure measurement because the pressure difference is generally very small.
油圧では、最近のメカトロニクスでは盛んに使用されて
いる油圧tlJ御での油圧駆動回路の圧力測定等に利用
できる。In terms of hydraulic pressure, it can be used to measure pressure in hydraulic drive circuits under hydraulic tlJ control, which is widely used in recent mechatronics.
また、自動車の、サイドブレーキにかかる力をブレーキ
ワイヤから受ける鋼板の歪として検出したり、気圧の差
によって進行方向を検出、制御し、たり、噴射される燃
料ガスの量を測定したり、燃料と混合される空気量を測
定、制御したりするのに使用することができる。In addition, we can detect the force applied to a car's handbrake as strain on the steel plate from the brake wire, detect and control the direction of travel based on the difference in air pressure, measure the amount of fuel gas injected, and measure the amount of fuel gas injected. It can be used to measure and control the amount of air mixed with
第1図および第2図は、従来の力センサを示す回路図、
第3〜5図は、この発明の力センサの一実施態様を示す
概略図で、第3図は回路図、第4図は縦断面図、第5図
は底面図でおる。
1:ベース
2:ケース
3:導入口
4:上部ホルダ
5:圧電素子
6:下部ホルダ
7:支え台
8:シリコン基板
9:大気連通口
10:端子
11:回路基板
12:端子
13:端子
14:端子
15:端子
16:端子
17:電極
18:圧電体
19:電極
Trl ニスイツチング用電界効果トランジスタTr2
:インピーダンス変換用電界効果トランジスタ
Rg:リーク抵抗
R5:出力抵抗1 and 2 are circuit diagrams showing a conventional force sensor,
3 to 5 are schematic diagrams showing one embodiment of the force sensor of the present invention, with FIG. 3 being a circuit diagram, FIG. 4 being a longitudinal sectional view, and FIG. 5 being a bottom view. 1: Base 2: Case 3: Inlet 4: Upper holder 5: Piezoelectric element 6: Lower holder 7: Support base 8: Silicon substrate 9: Atmospheric communication port 10: Terminal 11: Circuit board 12: Terminal 13: Terminal 14: Terminal 15: Terminal 16: Terminal 17: Electrode 18: Piezoelectric body 19: Electrode Trl Niswitching field effect transistor Tr2
: Field effect transistor for impedance conversion Rg: Leak resistance R5: Output resistance
Claims (1)
電素子に接続された電気的チョッパ回路とを有し、かつ
前記電気的チョッパ回路は、 (イ)スイッチング用電界効果トランジスタおよびイン
ピーダンス変換用電界効果ト ランジスタを備え、 (ロ)前記スイッチング用電界効果トランジスタのドレ
イン端子は前記圧電素子の一 方の電極に接続され、 (ハ)前記スイッチング用電界効果トランジスタのソー
ス端子は前記インピーダンス 変換用電界効果トランジスタのゲート端 子に接続され、 (ニ)前記スイッチング用電界効果トランジスタのゲー
ト端子はパルス発生器に接続 され、 (ホ)前記スイッチング用電界効果トランジスタのソー
ス端子と前記圧電素子の他方 の電極との間にはリーク抵抗が接続され、 (ヘ)前記インピーダンス変換用電界効果トランジスタ
のソース端子と前記圧電素子 の他方の電極との間には出力抵抗が接続 されている、 ことを特徴とする力センサ。[Scope of Claims] A piezoelectric element having electrodes formed on both sides of a piezoelectric body, and an electric chopper circuit connected to the piezoelectric element, and the electric chopper circuit is (a) for switching. a field effect transistor and an impedance conversion field effect transistor; (b) a drain terminal of the switching field effect transistor is connected to one electrode of the piezoelectric element; (c) a source terminal of the switching field effect transistor is connected to one electrode of the piezoelectric element; (d) the gate terminal of the switching field effect transistor is connected to a pulse generator; (e) the source terminal of the switching field effect transistor and the piezoelectric element; A leak resistance is connected between the other electrode of the piezoelectric element, and (f) an output resistance is connected between the source terminal of the impedance conversion field effect transistor and the other electrode of the piezoelectric element. A force sensor featuring:
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP7229887A JPS63238438A (en) | 1987-03-26 | 1987-03-26 | Force sensor |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP7229887A JPS63238438A (en) | 1987-03-26 | 1987-03-26 | Force sensor |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPS63238438A true JPS63238438A (en) | 1988-10-04 |
Family
ID=13485216
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP7229887A Pending JPS63238438A (en) | 1987-03-26 | 1987-03-26 | Force sensor |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JPS63238438A (en) |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2005249785A (en) * | 2004-03-05 | 2005-09-15 | Agilent Technol Inc | Piezoelectric cantilever pressure sensor |
JP2018159708A (en) * | 2017-03-23 | 2018-10-11 | 積水化学工業株式会社 | Load detector |
-
1987
- 1987-03-26 JP JP7229887A patent/JPS63238438A/en active Pending
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2005249785A (en) * | 2004-03-05 | 2005-09-15 | Agilent Technol Inc | Piezoelectric cantilever pressure sensor |
JP2018159708A (en) * | 2017-03-23 | 2018-10-11 | 積水化学工業株式会社 | Load detector |
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