【発明の詳細な説明】〔発明の利用分野〕本発明は圧電体を用いた力の検出方法および装置に係り
、特に圧電体を用いた力の検出が困難であった静的な力
を検出することができる力の検出方法および装置に関す
るものである。[Detailed Description of the Invention] [Field of Application of the Invention] The present invention relates to a method and device for detecting force using a piezoelectric body, and in particular to detecting static force, which is difficult to detect using a piezoelectric body. The present invention relates to a force detection method and device capable of detecting force.
圧電体は、印加した外力に比例して電圧を発生する材料
としてよく知られており、変動力の検出や振動計の検出
器として利用されている。しかし、静的な力に対しては
発生した電圧が時間と共に減少してしまうため、その検
出は難しいものであった。しかし、近年では圧電体を用
いて静的な力を検出する方策が種々提案されている。そ
の−例として、特公昭５７−５１６１１号、特公昭５７
−５１６１２号および特公昭５ｇ −７１７６号公報な
どに記載されたものがある。これらの方策においては、
圧電体に作用する外力が大きくなると、その検出感度が
変化し、力の検出を正確にできないという憾みがある。Piezoelectric materials are well known as materials that generate voltage in proportion to applied external force, and are used to detect fluctuating forces and as detectors for vibration meters. However, it has been difficult to detect static forces because the generated voltage decreases over time. However, in recent years, various methods have been proposed for detecting static force using piezoelectric bodies. For example, Special Publication No. 57-51611, Special Publication No. 57
There are those described in Japanese Patent Publication No. 51612 and Japanese Patent Publication No. 5g-7176. In these measures,
As the external force acting on the piezoelectric body increases, its detection sensitivity changes, making it impossible to accurately detect the force.
本発明の目的は、静的な力から動的な力を、感度の高い
状態で検出する方法および装置を提供することにある。An object of the present invention is to provide a method and apparatus for detecting dynamic force from static force with high sensitivity.
本発明は圧電体を用いて静的な力を検出するために、外
力を作用させると、圧電体のインピーダンスが共振点と
反共振点の間で大きく変化することに注目してなされた
もので、その一つの特徴とするところは、圧電体を用い
てこれに作用する力を検出する方法において、可変周波
数発振器からの周波数電圧が印加される圧電体をこれに
直列に接続した電気的受動素子と、これらに直列接続し
たコンデンサとこれに直列に接続した電気的受動素子と
を備え、圧電体に外力を加えたときの圧電体とコンデン
サとのインピーダンス変化を外力に対応する周波数の変
化として検出することを特徴とする力の検出方法にある
。The present invention was developed in order to detect static force using a piezoelectric material, focusing on the fact that when an external force is applied, the impedance of the piezoelectric material changes significantly between the resonance point and the anti-resonance point. , one of its features is that in the method of detecting the force acting on a piezoelectric body, an electrical passive element is connected in series with a piezoelectric body to which a frequency voltage from a variable frequency oscillator is applied. , a capacitor connected in series with these, and an electrical passive element connected in series with this, and when an external force is applied to the piezoelectric body, the impedance change between the piezoelectric body and the capacitor is detected as a change in frequency corresponding to the external force. A force detection method is characterized in that:
またもう一つの特徴とするところは圧電体を用いてこれ
に作用する力を検出する装置において圧電体に電気的受
動素子と可変周波数発振器とを直列に接続し、圧電体の
静電容量とほぼ等しい静電容量を有するコンデンサとこ
れに直列接続した電気的受動素子とを前記圧電体と電気
的受動素子とに対して並列に接続し、前記２個の電気的
受動素子の端子電圧をめ、この差が零になるように可変
周波数発振器の周波数を制御する差動増幅回路を備えた
ことを特徴とする力の検出装置にある。Another feature is that in a device that uses a piezoelectric material to detect the force acting on it, an electrical passive element and a variable frequency oscillator are connected in series to the piezoelectric material. A capacitor having an equal capacitance and an electrically passive element connected in series thereto are connected in parallel to the piezoelectric body and the electrically passive element, and the terminal voltages of the two electrically passive elements are determined, The force detection device is characterized by comprising a differential amplifier circuit that controls the frequency of a variable frequency oscillator so that this difference becomes zero.
以下本発明の実施例を図面を参照して説明する。Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
第１図は本発明の装置の一実施例を示すもので、この図
におい゛て、１は外力の作用を受ける圧電体である。こ
の圧電体１にはこれに電圧印加する可変周波数発振器３
と抵抗等の電気的受動素子５とが直列に接続されている
。この直列回路には圧電体１と電気的受動素子５に対し
て直列接続したコンデンサ４と電気的受動素子５′とが
並列に接続されている。コンデンサ４は圧電体１が機械
的に振動していないときの静電容量に等しい静電容量を
有している。また電気的受動素子５′は電気的受動素子
５と同じインピーダンスに設定されている。電気的受動
素子５，５′の端子にはそれぞれこの端子電圧を直流電
圧に変換する整流回路６゜６′が接続している。この整
流回路６，６′は差動増幅回路７に接続する。この差動
増幅回路７は整流回路６，６′の出力電圧の差を出力す
る。この出力電圧の差は増幅回路８により増幅される。FIG. 1 shows an embodiment of the apparatus of the present invention, and in this figure, 1 is a piezoelectric body that is subjected to the action of an external force. A variable frequency oscillator 3 applies voltage to the piezoelectric body 1.
and an electrically passive element 5 such as a resistor are connected in series. In this series circuit, a capacitor 4 and an electrically passive element 5', which are connected in series with the piezoelectric body 1 and the electrically passive element 5, are connected in parallel. The capacitor 4 has a capacitance equal to the capacitance when the piezoelectric body 1 is not mechanically vibrating. Further, the electrically passive element 5' is set to have the same impedance as the electrically passive element 5. Connected to the terminals of the electrically passive elements 5, 5' are rectifier circuits 6.6' which convert the terminal voltages into DC voltages. The rectifier circuits 6, 6' are connected to a differential amplifier circuit 7. This differential amplifier circuit 7 outputs the difference between the output voltages of the rectifier circuits 6 and 6'. This difference in output voltage is amplified by the amplifier circuit 8.
その増幅出力の一部は整流回路６，６′の出力電圧が略
々等しくなるように可変周波数発振器３の周波数を制御
する。A part of the amplified output controls the frequency of the variable frequency oscillator 3 so that the output voltages of the rectifier circuits 6 and 6' are approximately equal.
次に上述した本発明の装置の一実施例による力の方法を
説明するに先立って、圧電体１の周波数特性を第２図に
ついて説明する。この第２図において横軸は周波数Ｆを
、縦軸は圧電体１のインピーダンスＺを示す。この図中
曲線Ｘは圧電体１に外力が作用しない時の特性であり、
また曲線Ｙは圧電体ｌに外力が作用した時の特性である
。また直線Ｘ′は圧電体１が機械的に振動していないと
きの圧電体１が持つ静電容量の周波数特性を示したもの
で、角周波数ω、コンデンサ４の容量Ｃとおけば、その
周波数特性は１／ωＣで表わせる。Next, before explaining the method of applying force according to an embodiment of the apparatus of the present invention described above, the frequency characteristics of the piezoelectric body 1 will be explained with reference to FIG. In FIG. 2, the horizontal axis represents the frequency F, and the vertical axis represents the impedance Z of the piezoelectric body 1. Curve X in this figure is the characteristic when no external force acts on the piezoelectric body 1,
Further, the curve Y is the characteristic when an external force is applied to the piezoelectric body l. In addition, the straight line X' shows the frequency characteristic of the capacitance of the piezoelectric body 1 when it is not mechanically vibrating.If the angular frequency ω is the capacitance C of the capacitor 4, then the frequency The characteristic can be expressed as 1/ωC.
したがって、圧電体１の等価容量をあらかじめ知ってお
き、この値となるようにコンデンサ４の容量Ｃを選べば
、Ａｘで示される点でインピーダンス２は一致すること
になる。この時のインピーダンスＺの値をＺＡＸで表わ
し、ｆＡはその時の周波数を示したものである。そして
、周波数ｆ＾の状態で圧電体１に外力を加えると、圧電
体１のインピーダンス２は曲線Ｙ上のＡｙの値に変化す
ることになる。すなわち、インピーダンスＺはＺＡＸか
らＺＡアに低くなる。そのため、コンデンサ４の等価容
量Ｃで設定したインピーダンスと等しくなるように圧電
体１に印加する電圧の周波数Ｆを変化させると、その周
波数Ｆがｆｎになった時、両者のインピーダンス２は８
７点で一致する。すなわちＡｘ点は見掛上曲線Ｘ′上を
８７点まで変化したことになる。この時の周波数Ｆの変
化量Δ−ｆを加えた外力に対比させると、周波数変化を
知ることによって外力を知ることができる。Therefore, if the equivalent capacitance of the piezoelectric body 1 is known in advance and the capacitance C of the capacitor 4 is selected so as to have this value, the impedances 2 will match at the point indicated by Ax. The value of impedance Z at this time is expressed by ZAX, and fA indicates the frequency at that time. Then, when an external force is applied to the piezoelectric body 1 at the frequency f^, the impedance 2 of the piezoelectric body 1 changes to the value Ay on the curve Y. That is, the impedance Z decreases from ZAX to ZAA. Therefore, if the frequency F of the voltage applied to the piezoelectric body 1 is changed so that it becomes equal to the impedance set by the equivalent capacitance C of the capacitor 4, when the frequency F becomes fn, the impedance 2 of both becomes 8.
Match with 7 points. That is, the Ax point has changed to 87 points on the apparent curve X'. When compared with the external force to which the amount of change Δ-f of the frequency F is added at this time, the external force can be known by knowing the frequency change.
また、外力が作用しインピーダンスＺがＢＹ点で一致し
ている状態で外力が除かれた場合は、上記の逆の動作で
ＡＹ点まで移動する。すなわち、周波数ｆＢの電圧が印
加した状態で作用している外力が除かれると、ＢＹ点は
ＢＸ点まで移動し、インピーダンスＺも増加する。その
ため、インピーダンスＺの変化量をなくするように周波
数Ｆを変化させればＢｘ点はＡｘ点で一致する。If an external force is applied and the impedance Z is matched at point BY and the external force is removed, the movement is reversed to the point AY. That is, when the external force acting while the voltage of frequency fB is applied is removed, the BY point moves to the BX point and the impedance Z also increases. Therefore, if the frequency F is changed so as to eliminate the amount of change in the impedance Z, the Bx point will match the Ax point.
このように、圧電体１のインピーダンスＺと等価のイン
ピーダンスを一致させる方式であると、外力が増す時は
インピーダンスＺが減少する方向に変化し、外力が減少
するときはインピーダンスＺが増加するように変化する
ため、両者を一致さ場るために周波数を変化させる時の
調整動作を容易に行うことができる。また、作用する外
力がさらに大きくなって機械的振動が制限されるまで上
記の方式で検出でき、圧電体１のインピーダンス２の周
波数特性には影響されない。In this way, if the impedance Z of the piezoelectric body 1 is made to match the equivalent impedance, when the external force increases, the impedance Z decreases, and when the external force decreases, the impedance Z increases. Since the frequency changes, it is possible to easily perform an adjustment operation when changing the frequency in order to match the two. In addition, the above-mentioned method can be used to detect the mechanical vibration until the applied external force becomes larger and the mechanical vibration is limited, and is not affected by the frequency characteristics of the impedance 2 of the piezoelectric body 1.
次に上述した本発明の装置の一実施例による力の検出方
法を説明する。Next, a method of detecting force using an embodiment of the apparatus of the present invention described above will be explained.
圧電体ｌおよび電気的受動素子５に可変周波数発振器３
を用いて電圧を印加する。また、圧電体１の機械的振動
してないときの静電容量に等しい静電容量をもつコンデ
ンサ４と、これに直列接続され、かつ電気的受動素子５
と同じインピーダンスを持った電気的受動素子５′に可
変周波数発振器３の出力電圧を印加する。この電気的受
動素子５．５′の端子電圧は整流回路６，６′によって
直流電圧に変換される。A variable frequency oscillator 3 is connected to the piezoelectric body 1 and the electrically passive element 5.
Apply voltage using Furthermore, a capacitor 4 having a capacitance equal to the capacitance when the piezoelectric body 1 is not mechanically vibrated, and an electrically passive element 5 connected in series with the capacitor 4
The output voltage of the variable frequency oscillator 3 is applied to an electrically passive element 5' having the same impedance as . The terminal voltage of this electrically passive element 5.5' is converted into a DC voltage by a rectifier circuit 6, 6'.
圧電体１に外力が作用していない場合は、整流回路６，
６′の出力電圧は等しくなる。舛力が作用すると、圧電
体１のインピーダンスが変化するため、整流回路６，６
′の出力電圧に差が生じ、差動増幅回路７の出力は変化
する。ここで増幅回路８の増幅度が十分大きければ、可
変周波数発振器３からの発振周波数は整流回路６，６′
の出力電圧が略々等しくなる周波数ｆａ （第２図参照
）になる。このときの増幅回路８の出力電圧と外力が作
用しない時の出力電圧を比較すれば、その差電圧は作用
した外力に比例しているので、外力を知ることができる
。When no external force is acting on the piezoelectric body 1, the rectifier circuit 6,
The output voltages of 6' become equal. When the force acts, the impedance of the piezoelectric body 1 changes, so the rectifier circuits 6, 6
A difference occurs in the output voltages of ', and the output of the differential amplifier circuit 7 changes. Here, if the amplification degree of the amplifier circuit 8 is sufficiently large, the oscillation frequency from the variable frequency oscillator 3 will change to the rectifier circuits 6, 6'.
The frequency fa (see FIG. 2) becomes such that the output voltages of the two are approximately equal. By comparing the output voltage of the amplifier circuit 8 at this time with the output voltage when no external force is applied, the external force can be determined because the difference voltage is proportional to the applied external force.
以上述べた本発明の実施例によれＩＪ゛、静的な力を検
出することができる。また圧電体の共振点から反共振点
へのインピーダンスの急峻な変化の範囲を使用するので
感度が高く、検出できる力の範囲も広い。さらに圧電体
と等価容量に接続された電気的受動素子の端子電圧が等
しくなるように調整するので制御回路が簡便となるもの
である。According to the embodiments of the present invention described above, static force can be detected. Furthermore, since it uses the range of steep impedance changes from the resonance point to the anti-resonance point of the piezoelectric body, the sensitivity is high and the range of force that can be detected is wide. Furthermore, since the terminal voltages of the electrically passive elements connected to the piezoelectric body and the equivalent capacitance are adjusted to be equal, the control circuit becomes simple.
以上述べたように、本発明によれば、圧電体に作用する
静的な力を高感度でしかも高範囲にわたって検出するこ
とができる。As described above, according to the present invention, static force acting on a piezoelectric body can be detected with high sensitivity and over a wide range.
第１図は本発明の装置の一実施例を示す回路構成図、第
２図は本発明による力検出の原理を説明する特性図であ
る。１・・・圧電体、２・・・インピーダンス、３・・・可
変周波数発振器、４・・・コンデンサ、５，５′・・・
電気的受動素子、６，６′・・・整流回路、７・・・差
動増幅回路、８・・・増幅回路。茅１０４ＡｔＢ 、 ＦFIG. 1 is a circuit configuration diagram showing an embodiment of the device of the present invention, and FIG. 2 is a characteristic diagram illustrating the principle of force detection according to the present invention. 1... Piezoelectric body, 2... Impedance, 3... Variable frequency oscillator, 4... Capacitor, 5, 5'...
Electrical passive element, 6, 6'... Rectifier circuit, 7... Differential amplifier circuit, 8... Amplifier circuit. Kaya 10 4AtB, F
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP7840284AJPS60222733A (en) | 1984-04-20 | 1984-04-20 | Method and apparatus for detecting force |
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP7840284AJPS60222733A (en) | 1984-04-20 | 1984-04-20 | Method and apparatus for detecting force |
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS60222733Atrue JPS60222733A (en) | 1985-11-07 |
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP7840284APendingJPS60222733A (en) | 1984-04-20 | 1984-04-20 | Method and apparatus for detecting force |
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPS60222733A (en) |
| Publication | Publication Date | Title |
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