JP2003270219A - 圧電振動子を用いた弾性特性測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 小型、低価格で取扱いが容易な弾性測定装
置を提供する。 【解決手段】入力端子、出力端子、および共通アース端
子を有する３端子型圧電振動子８２、前記圧電振動子の
出力電流を検出する仮想接地型電流検出回路８３、フィ
ルタ機能を有する増幅回路８４、および前記圧電振動子
に印加される電圧を一定にするための定電圧駆動回路８
１をループ状に接続して帰還型自励発振回路を構成し、
前記圧電振動子の一部を物体に圧接したときの、前記自
励発振回路の発振周波数の変化分、および前記電流検出
回路出力の変化分から接触した物体の弾性特性を測定可
能にした。 また、前記定電圧駆動回路８１を、１個の
抵抗１０１と２個のダイオード１０２，１０３を互いに
逆向きに並列に接続した素子とが直列に接続された素子
と、前記並列に接続された２個のダイオードの端子電圧
を増幅するための増幅回路１０４で構成した。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、超音波振動子の一
部分に物体を押しつけると、その物体の密度や弾性的特
性に応じてその超音波振動子の共振周波数や共振抵抗な
どが変化する現象を利用して、その物体の弾性的な特性
を測定する装置に関し、超音波振動子として圧電振動子
を用い、簡単な回路で、共振周波数の変化分と等価抵抗
（共振抵抗）の変化分を測定することが可能で、皮膚や
ゴムなどの比較的やわらかい物体やプラスチックや金属
などの硬い物体など、広い範囲の物体の弾性的な特性を
測定することが可能な装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】超音波振動子の一部を物体に押しつけた
ときに、その超音波振動子の共振周波数ｆｏや共振尖鋭
度Ｑｍが大きく変化することが知られている。特公昭６
１−３３１３６には、図１に示すように、磁歪振動子１
１の一方の端部にホーン１２を接合したホーン付き超音
波振動子１０と、この超音波振動子１０の共振周波数ｆ
ｏを自動追尾する励振装置（自励発振回路）を用いて、
上記ホーン付き超音波振動子１０のホーン先端を被検出
物体に当接したときの共振周波数ｆｏと共振尖鋭度Ｑｍ
の変化分を測定し、この変化分から被検体の材質を識別
する方法が開示されている。

【０００３】図１において、超音波振動子１０の共振周
波数ｆｏにおいて、超音波振動子１０の制動インダクタ
ンスＬｏと共振するような容量値Ｃｏのコンデンサ１３
を超音波振動子１０と並列に接続するとともに、振動に
より発生するモーショナル電流（振動速度に比例する）
に比例した電圧ｅｏをトランス１４で検出している。一
方、励振周波数ｆにおいて、励振電圧Ｖｄとｅｏとの位
相差△θｏは、 △θｏ≒ａｒｃｔａｎ（Ｑｍ（ｆ／ｆｏ−ｆｏ／ｆ）） で表され、励振電圧の周波数ｆの値がｆｏの上下で、△
θｏの符号が反転する。したがって、励振電圧Ｖｄとト
ランス１４の出力電圧ｅｏを同期検波器１５へ入力し、
出力Ｖｄとトランス出力ｅｏの位相差△θｏに比例した
直流電圧ｅ１を電圧制御発振器（ＶＣＯ）１６の制御電
圧として与えることによりＶＣＯ１６の発振周波数を共
振周波数ｆｏに自動追尾させ、自励発振回路を構成して
いる。特に、ホーンの先端を物体に触れさせないとき
に、直流電圧ｅ１が０になるようにＶＣＯを調整してお
けば、直流電圧ｅ１は、発振周波数の変化、すなわち、
ｆｏの変化に比例することになる。また、励振電圧Ｖｄ
を一定に制御しておけば、共振周波数ｆｏでの振動速度
の大きさはＱｍに比例（共振抵抗に反比例）することに
なり、ｅｏの大きさからＱｍ（すなわち共振抵抗）を求
めることができる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】図１に示した従来の、
超音波振動子を用いた弾性特性測定装置においては、超
音波振動子１０として磁歪振動子を用いているため、振
動速度に比例するモーショナル電流の検出にトランス１
４を使用する必要がある。また、共振周波数ｆｏを自動
追尾する発振回路（自励発振回路）は、前項で説明した
ように、同期検波回路１５、および電圧制御発振器（Ｖ
ＣＯ）１６により構成されるため、装置が複雑で大型と
なり、その結果として高価になると言う欠点がある。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明の弾性特性測定装
置は、上記従来の超音波振動子を用いた弾性特性測定装
置の欠点を除去するものであり、入力端子、出力端子、
および共通アース端子を有する圧電振動子、前記圧電振
動子の出力電流を検出する仮想接地型電流検出回路、前
記圧電振動子に印加される電圧を一定にするための定電
圧回路、およびフィルタ機能を有する増幅回路をループ
状に接続して帰還型自励発振回路を構成し、前記圧電振
動子の一部を物体に圧接したときの、前記自励発振回路
の発振周波数の変化分、および前記電流検出回路出力の
変化分から接触した物体の弾性特性を測定することを特
徴としている。また、本発明の弾性特性測定装置におい
ては、前記定電圧駆動回路を、１個の抵抗と２個のダイ
オードを互いに逆向きに並列に接続した素子とが直列に
接続された素子と、この直列に接続された素子に電圧が
印加されたときに、前記並列に接続された２個のダイオ
ードの端子電圧を増幅するための増幅回路で構成したこ
とを特徴としている。

【０００６】「動作原理」圧電振動子の等価回路を用い
て、本発明の弾性特性測定装置の動作原理について説明
する。電圧を印加することによりその材料が変形する材
料は一般に圧電材料と呼ばれている。代表的な材料とし
ては、水晶やリチウムタンタレートなどの単結晶やチタ
ン酸バリウムやジルコン酸チタン酸鉛磁器（ＰＺＴ）な
どのセラミックス材料がある。板状や棒状に加工された
圧電材料に電極を形成し（必要に応じて分極処理を施
す）、電圧を印加すると、この板や棒は電圧の大きさと
極性に対応して変形し、印加電圧の周波数がこの板や棒
の自己共振周波数にほぼ等しい場合には、この板や棒は
大きく振動（共振）する。

【０００７】共振周波数付近の電気的な特性は、図２に
示すような電気的等価回路で表される。図２において、
Ｃｄ，Ｌ，Ｃ，Ｒはそれぞれ制動容量、等価インダクタ
ンス、等価容量、等価抵抗（共振抵抗）と呼ばれる。図
３に３端子型圧電振動子の電気的等価回路を示す。入力
端子３１、出力端子３２および共通アース端子３３を有
する圧電振動子は、特に３端子型圧電振動子と呼ばれ、
入力側と出力側の静電容量Ｃｄ１とＣｄ２は、それぞ
れ、１次側制動容量、２次側制動容量である。

【０００８】３端子型圧電振動子の一部に物体を圧接し
たときの等価回路は、図４のように表される。図４にお
いて、Ｚｍは、圧接した物体の影響を示しており、圧電
振動子の電気端子から見たときにインピーダンスＺｍが
付加されたと考えられることを示している。説明を簡単
にするために、Ｚｍが次の二つの形で表される場合につ
いて説明する。 １） ＺｍがインダクタンスＬｍと抵抗Ｒｍの直列回路
で表される場合（物体がやわらかい場合） 直列回路のインダクタンスＬ’は、 Ｌ’＝Ｌ＋Ｌｍ 直列回路の静電容量Ｃは変化せず 直列回路の抵抗Ｒ’は、Ｒ’＝Ｒ＋Ｒｍ となる。したがって、Ｚｍが付加されたときの共振周波
数ｆｏ’は、 ｆｏ’＝１／（２π√（（Ｌ＋Ｌｍ）・Ｃ）） （１） となり、合成のインダクタンスが大きくなるため、物体
が圧接されないときの共振周波数 ｆｏ＝１／（２π√（Ｌ・Ｃ）） （２） と比べて、共振周波数が低下する。

【０００９】２） Ｚｍが容量Ｃｍと抵抗Ｒｍの直列回
路で表される場合（物体が硬い場合） 直列回路のインダクタンスＬは変化せず 直列回路のキャパシタンスＣ’は、Ｃ’＝Ｃ・Ｃｍ／
（Ｃ＋Ｃｍ） 直列回路の抵抗Ｒ’は、Ｒ’＝Ｒ＋Ｒｍ となる。したがって、Ｚｍが付加されたときの共振周波
数ｆｏ’は、 ｆｏ’＝１／（２π√（Ｌ（（Ｃ・Ｃｍ）／（Ｃ＋Ｃｍ）））） （３） となり、合成の静電容量が小さくなるため、物体が圧接
されないときの共振周波数 ｆｏ＝１／（２π√（Ｌ・Ｃ）） （４） と比べて、共振周波数が高くなる。

【００１０】以上に示したように、本発明の弾性特性測
定装置の基本的な原理は、上記１）および２）に記載の
原理に基づき、圧電振動子に物体を圧接したときの、共
振周波数および等価抵抗（共振抵抗）の変化分から、Ｚ
ｍ（Ｌｍ，Ｃｍ，Ｒｍ）の値を求めることである。一般
に、Ｚｍには、圧接された物体の弾性的な特性（ヤング
率やＱｍ）の他に、その物体の密度や表面粗さなども複
雑に影響している。さらに、圧電振動子自身の等価回路
定数や接触部の形状などの影響が含まれている。しか
し、あらかじめ、特性のわかっている材料についてＺｍ
を計測して補正値を求めておくことや、被測定物体の密
度や表面粗さを知ることにより、圧接された物体の弾性
的な特性（ヤング率やＱｍ）を容易に求めることができ
る。

【００１１】

【００１２】図５は、３端子型圧電振動子の伝送特性の
測定回路を示しており、図６は、負荷抵抗ＲＬを変化さ
せた場合の伝送特性の測定例を示している。 図６の伝
送特性の測定例からわかるように、負荷抵抗ＲＬの大き
さに伝送特性は大きく変化し、ＲＬの値が小さいとき
は、出力電圧は（２）式で与えられる共振周波数ｆｏで
極大値を示し、その時の入力電圧と出力電圧の位相差は
０となる。一方、ＲＬの値が大きくなると、出力電圧が
極大値を示す周波数は、高い方に移動し、出力電圧の極
大値が大きくなり、入力電圧と出力電圧の位相差は９０
度に近づく。

【００１３】図７は、図３に示した、３端子型圧電振動
子を用いて構成した自励発振回路の構成ブロック図であ
り、励振増幅回路７１、３端子型圧電振動子７２、およ
びフィルタ増幅回路７３がループ状に構成されている。
励振増幅回路７１のゲインをμ、３端子型圧電振動子７
２とフィルタ増幅回路７３からなる帰還回路の電圧減衰
量をβとすると、励振増幅回路７１の出力電圧（３端子
型圧電振動子への入力電圧）とフィルタ増幅回路７３出
力電圧の位相差が０で、μ・β＝１となる条件で、図７
の回路は発振する。つまり、負荷抵抗ＲＬの値が小さい
場合、図７の回路の発振周波数は、ほぼ、（２）式で与
えられる周波数、すなわち、圧電振動子の共振周波数ｆ
ｏとなる。フィルタ増幅回路７３は、圧電振動子のスプ
リアス振動（不要振動）の影響を除去するために一般的
に使用され、バンドパスフィルタやローパスフィルタ機
能を有する増幅回路である。

【００１４】

【発明の実施の形態】図８は、本発明の圧電振動子を用
いた弾性特性測定装置のブロック図であり、前項の３端
子型圧電振動子を用いた自励発振回路を基本とし、フィ
ルタ増幅回路８１、３端子型圧電振動子８２、仮想接地
型電流検出回路８３、および定電圧回路８４がループ状
に構成されている。図８の回路によれば、物体を圧電振
動子に圧接したときの、共振周波数の変化分と等価抵抗
（共振抵抗）の変化分を容易に測定することができる。
まず、等価抵抗の変化分を求める方法について説明す
る。３端子型圧電振動子においては、図５および図６か
らわかるように、励振電圧Ｖｄを一定とすれば、共振時
に等価抵抗を流れる電流Ｉｒの値は、等価抵抗の値に反
比例する。したがって、Ｉｒの値および変化分を測定す
ることにより、等価抵抗の値と変化分を求めることがで
きる。このとき、３端子型圧電振動子の出力に、図９に
示す仮想接地型電流検出回路８３を接続すると、圧電振
動子の出力端は、短絡、すなわち負荷抵抗０の状態にな
り、Ｃｄ２に流れる電流を無視することができるため、
この出力端子から仮想接地型電流検出回路８３に流れ込
む電流Ｉｏは、等価抵抗Ｒを流れる電流Ｉｒと等しくな
る。

【００１５】図９に示す仮想接地型電流検出回路８３に
おいて、入力電流Ｉｏと出力電圧Ｖｏｕｔとの間には、
Ｖｏｕｔ＝Ｒｆ・Ｉｏの関係がある。したがって、物体
が接触していないときと物体が接触しているときの仮想
接地型電流検出回路の出力電圧をそれぞれ、Ｖｏｕｔ
１、Ｖｏｕｔ２とすると、そのときに等価抵抗を流れる
電流はそれぞれ、 Ｉｒ１＝Ｖｏｕｔ１／Ｒｆ Ｉｒ２＝Ｖｏｕｔ２／Ｒｆ となり、そのときの等価抵抗Ｚｒ１，Ｚｒ２は、それぞ
れ、次式から求めることができる。 Ｚｒ１＝Ｖｄ／Ｉｒ１＝Ｖｄ・Ｒｆ／Ｖｏｕｔ１ Ｚｒ２＝Ｖｄ／Ｉｒ２＝Ｖｄ・Ｒｆ／Ｖｏｕｔ２ つまり、物体が接触していないときと物体が接触してい
るときの等価抵抗の変化分△Ｚｒは、 △Ｚｒ＝Ｚｒ２−Ｚｒ１＝Ｖｄ・Ｒｆ・（Ｖｏｕｔ１−
Ｖｏｕｔ２）／（Ｖｏｕｔ１・Ｖｏｕｔ２） により求めることができる。

【００１６】次に、共振周波数の変化分を求める方法に
ついて説明する。段落番号０００７項で説明したよう
に、３端子型圧電振動子の伝送特性は、負荷抵抗ＲＬに
よって大きく変化する。本発明では、図８に示すよう
に、３端子型圧電振動子の出力端子に仮想接地型電流検
出回路８３を接続している。したがって、実質的に負荷
抵抗を０としたことになり、出力側制動容量Ｃｄ２の影
響を受けないため、（２）式で示される周波数で入出力
電圧の位相差が０となるため、物体が圧接された場合に
は、負荷抵抗や出力側制動容量Ｃｄ２の影響を受けるこ
となく、（１）式や（３）式で示されるように等価イン
ダクタンスＬや等価Ｃの変化に対応した共振周波数で自
励発振を生ずることになる。したがって、図８に示す本
発明の自励発振回路の発振周波数そのものの変化を計測
することにより、物体を圧接したときの共振周波数の変
化分を計測することができる。

【００１７】図１０は、圧電振動子に一定の電圧を印加
するための定電圧回路の実施例を示す回路図である。こ
の定電圧回路は、図１０に示すように、１個の抵抗１０
１と２個のダイオード１０２，１０３を互いに逆向きに
並列に接続した素子とが直列に接続された素子と、この
直列に接続された素子に電圧が印加されたときに、前記
並列に接続された２個のダイオードの端子電圧を増幅す
るための増幅回路１０４で構成されている。

【００１８】図１１にこの直列に接続された素子の入力
電圧Ｖ１と並列、逆向きに接続された２個のダイオード
の端子電圧Ｖ２の計算例を示す。計算例では、入力電圧
として４Ｖ（ｐ−ｐ）の正弦波電圧を印加しており、図
１１からわかるように、出力電圧Ｖ２が、ダイオードの
順方向電圧±０．６Ｖ付近でクリップされ、一定の電圧
になっていることがわかる。

【００１９】図１２および図１３に、本発明の弾性特性
測定装置を用いて、シリコンゴムサンプルに圧電振動子
を圧接した時の荷重に対する共振周波数の変化△ｆｒと
等価抵抗の変化△Ｚｒの測定結果を示す。図１２および
図１３の測定に使用した圧電振動子の電気的等価回路定
数を以下に示す。 等価インダクタンス Ｌ ２０９ （ｍＨ） 等価キャパシタンス Ｃ ４４．３（ｐＦ） 等価抵抗 Ｒ ６０ （Ω） １次側制動容量 Ｃｄ１ ９５６ （ｐＦ） ２次側制動容量 Ｃｄ２ ９５６（ｐＦ） 図１２および図１３より、インピーダンスアナライザ
（Ｉｍｐメータ）の計測値、電気的等価回路定数を用い
て行った計算値および、帰還型自励発振回路による計測
値がそれぞれほぼ一致していることがわかる。以上のこ
とから、本発明の弾性特性測定装置を用いて、インピー
ダンスアナライザを用いた場合とほぼ同じ測定値が得ら
れ、この値を用いて被測定物体の弾性特性を求めること
ができる。

【００２０】以上、説明した本発明の弾性特性測定装置
においては、図８に示すように、３端子圧電振動子をフ
ィルタ増幅回路出力により駆動している。このように、
フィルタとして、バンドパスフィルタやローパスフィル
タを用いることにより、フィルタ増幅回路の入力信号に
含まれる高周波成分が除去されるため、３端子型圧電振
動子の駆動電圧の波形が正弦波により近くなり、仮想接
地型電流検出回路出力電圧と３端子型振動子の等価抵抗
を流れる電流Ｉｒがより良い比例関係を示すことにな
る。しかし、定電圧回路８４、フィルタ増幅回路８１、
および３端子型圧電振動子８２＋仮想接地型電流検出回
路８３の位置は、必ずしも図８に限定するものではな
く、これら、帰還ループを構成する各部分の順番を変更
しても、本発明の基本的な効果は失われない。さらに、
本発明では、３端子型圧電振動子素子に印加される電圧
を一定にするために、図１０に示した、抵抗とダイオー
ドを組合せ、ダイオードの順方向電圧によるクリップ作
用を利用した回路について説明したが、この定電圧回路
の代わりに、ＡＭラジオなどで一般的に使用されている
オートゲインコントロール回路（ＡＧＣ回路）を用いて
も同様の効果が得られることは言うまでも無いことであ
る。

【００２１】

【発明の効果】以上に示したように、本発明による弾性
特性測定装置は、図１に示した従来の、超音波振動子を
用いた弾性特性測定装置と比較して、図８に示すよう
に、入力端子、出力端子、および共通アース端子を有す
る圧電振動子、前記圧電振動子の出力電流を検出する仮
想接地型電流検出回路、前記圧電振動子に印加される電
圧を一定にするための定電圧回路、およびフィルタ機能
を有する増幅回路をループ状に接続して帰還型自励発振
回路を構成しているため、先ず、前記圧電振動子の出力
電流を検出する仮想接地型電流検出回路を用いたことに
より、圧電振動子の出力電圧の位相が入力電圧の位相と
一致（あるいは１８０度ずれる）するため、フィルタ機
能を有する増幅回路などの設計が容易になり、さらに、
圧電振動子の出力端子から回路に接続するために用いる
ケーブルの浮遊容量の影響を受けにくくなり、特性が安
定すると言う利点がある。また、前記定電圧回路を、１
個の抵抗と２個のダイオードを互いに逆向きに並列に接
続した素子とが直列に接続された素子と、この直列に接
続された素子に電圧が印加されたときに、前記並列に接
続された２個のダイオードの端子電圧を増幅するための
増幅回路で構成しているため、装置の構成が簡単で、小
型で取り扱いやすくなるとともに、安価となると言う利
点がある。さらに、本発明の弾性特性測定装置は、弾性
特性の測定に不可欠な、共振周波数の変化量と共振抵抗
の変化量の両方を、簡単な回路で計測できると言う利点
がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】 従来の超音波振動子を用いた弾性特性測定装
置の構成を示すブロック図

【図２】 一般的な圧電振動子の電気的等価回路図

【図３】 ３端子型圧電振動子の電気的等価回路図

【図４】 ３端子型圧電振動子の一部に物体を圧接した
ときの電気的等価回路図

【図５】 ３端子型圧電振動子の伝送特性の測定回路図

【図６】 負荷抵抗ＲＬを変化させた場合の伝送特性の
計算例

【図７】 ３端子型圧電振動子を用いて構成した自励発
振回路の構成ブロック図

【図８】 本発明の圧電振動子を用いた弾性特性測定装
置の構成ブロック図

【図９】 本発明の弾性特性測定装置に用いる仮想接地
型電流検出回路の回路例

【図１０】 本発明の弾性特性測定装置に用いる定電圧
回路の回路例

【図１１】 本発明の、定電圧回路の動作原理を説明す
るための出力電圧の計算例

【図１２】 本発明の弾性特性測定装置を用いて行った
測定例

【図１３】 本発明の弾性特性測定装置を用いて行った
測定例

【符号の説明】

１０：ホーン付き超音波振動子 １１：磁歪振動子 １２：ホーン １３：コンデンサ １４：トランス １５：同期検波器 １６：電圧制御発振器（ＶＣＯ） ３１：入力端子 ３２：出力端子 ３３：共通アース端子 ７１：励振増幅回路 ７２：３端子型圧電振動子 ７３：フィルタ増幅回路 ８１：フィルタ増幅回路 ８２：３端子型圧電振動子 ８３：仮想接地型電流検出回路 ８４：定電圧回路 １０１：抵抗 １０２，１０３：ダイオード １０４：増幅回路

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 入力端子、出力端子、および共通アース
   端子を有する圧電振動子、前記圧電振動子の出力電流を
   検出する仮想接地型電流検出回路、前記圧電振動子に印
   加される電圧を一定にするための定電圧回路、およびフ
   ィルタ機能を有する増幅回路をループ状に接続して帰還
   型自励発振回路を構成し、前記圧電振動子の一部を物体
   に圧接したときの、前記自励発振回路の発振周波数の変
   化分、および前記電流検出回路出力の変化分から接触し
   た物体の弾性特性を測定することを特徴とする圧電振動
   子を用いた弾性特性測定装置
2. 【請求項２】 前記定電圧駆動回路を、１個の抵抗と２
   個のダイオードを互いに逆向きに並列に接続した素子と
   が直列に接続された素子と、この直列に接続された素子
   に電圧が印加されたときに、前記並列に接続された２個
   のダイオードの端子電圧を増幅するための増幅回路で構
   成したことを特徴とする請求項１に記載の圧電素子を用
   いた弾性特性測定装置