JP7721099B2 - Deformation detection device - Google Patents
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Description
特許法第30条第2項適用 (1)刊行物名 日本音響学会2022年春季研究発表会予稿集 公開日 令和4年2月23日 (2)集会名、開催場所 日本音響学会2022年春季研究発表会 WEB開催(http://www.mtg.acoustics.jp) 公開日 令和4年3月9日~3月11日Article 30, paragraph 2 of the Patent Act applies. (1) Publication name: Proceedings of the 2022 Spring Meeting of the Acoustical Society of Japan. Publication date: February 23, 2022. (2) Meeting name and venue: 2022 Spring Meeting of the Acoustical Society of Japan. Online (http://www.mtg.acoustics.jp). Publication date: March 9 to 11, 2022.
本発明は、変形量検知装置に関する。 The present invention relates to a deformation amount detection device.
特許文献1には、第1電極と、第2電極と、可撓性を有している伝達部と、を備えた変形量検知装置が開示されている。 Patent document 1 discloses a deformation detection device having a first electrode, a second electrode, and a flexible transmission part.
特許文献1の構成では、第1電極に入力信号を入力すると弾性波が発生する。伝達部は、当該弾性波を第2電極に伝達する。第2電極は、弾性波により出力信号を発生する。特許文献1の構成では、出力信号に基づいて伝達部の基準状態からの変形量を検知することができる。In the configuration of Patent Document 1, when an input signal is input to the first electrode, an elastic wave is generated. The transmission unit transmits the elastic wave to the second electrode. The second electrode generates an output signal from the elastic wave. In the configuration of Patent Document 1, the amount of deformation of the transmission unit from its reference state can be detected based on the output signal.
本発明の一実施形態の目的は、厚み方向の共振を利用して変形量を高感度に検知する変形量検知装置を提供することにある。 The object of one embodiment of the present invention is to provide a deformation detection device that detects deformation with high sensitivity by utilizing resonance in the thickness direction.
本発明の一実施形態に係る変形量検知装置は、第1方向に沿った両端である第1端および第2端を有し、該第1端側および該第2端側が固定された基板と、前記基板に平面視して重なり、前記第1端および前記第2端の間に配置された圧電体と、前記圧電体に平面視して重なり、前記圧電体に入力信号を入力する入力電極と、前記圧電体に平面視して重なり、前記圧電体から出力信号を出力する出力電極と、前記入力電極に入力信号を入力し、前記出力電極から前記出力信号を受信するコントローラと、を備えた変形量検知装置であって、前記基板は、前記第1端および前記第2端の間にスリットが設けられ、前記出力電極は、平面視して前記スリットに重なる位置に配置されていて、前記圧電体は、該圧電体の厚み方向に共振する。 A deformation detection device according to one embodiment of the present invention comprises: a substrate having a first end and a second end that are opposite ends along a first direction, the first end side and the second end side being fixed; a piezoelectric body that overlaps the substrate in a planar view and is arranged between the first end and the second end; an input electrode that overlaps the piezoelectric body in a planar view and inputs an input signal to the piezoelectric body; an output electrode that overlaps the piezoelectric body in a planar view and outputs an output signal from the piezoelectric body; and a controller that inputs the input signal to the input electrode and receives the output signal from the output electrode; the substrate has a slit between the first end and the second end, and the output electrode is arranged in a position that overlaps the slit in a planar view, and the piezoelectric body resonates in the thickness direction of the piezoelectric body.
基板および圧電体は、基板に設けられたスリットにより、厚み方向に振動し易くなる。出力電極は、平面視してスリットに重なる位置に配置されていているため、圧電体のうち最も変形量の大きい位置に配置される。したがって、変形量検出装置は、厚み方向の共振を利用して変形量を高感度に検知することができる。 The slits in the substrate make it easier for the substrate and piezoelectric element to vibrate in the thickness direction. The output electrode is positioned so that it overlaps the slits in a planar view, and is therefore positioned at the position on the piezoelectric element where the deformation is greatest. Therefore, the deformation detection device can detect the deformation amount with high sensitivity by utilizing resonance in the thickness direction.
本発明の一実施形態によれば、厚み方向の共振を利用して変形量を高感度に検知することができる。 According to one embodiment of the present invention, the amount of deformation can be detected with high sensitivity by utilizing resonance in the thickness direction.
図1は、変形量検知装置1の外観斜視図である。図2および図3は、図1に示すI-I線の断面図である。図4は、変形量検知装置1の平面図である。 Figure 1 is an external perspective view of the deformation amount detection device 1. Figures 2 and 3 are cross-sectional views taken along line II shown in Figure 1. Figure 4 is a plan view of the deformation amount detection device 1.
変形量検知装置1は、基板10、第1固定部15、第2固定部17、圧電体30、入力電極21、出力電極22、基準電極25、およびコントローラ90を有する。 The deformation amount detection device 1 has a substrate 10, a first fixed portion 15, a second fixed portion 17, a piezoelectric body 30, an input electrode 21, an output electrode 22, a reference electrode 25, and a controller 90.
基板10は、例えばPET、ポリカーボネート(PC)、アクリル(PMMA)、ステンレス、アルミ系合金、または銅系合金等からなる。基板10は、第1方向に沿った両端である第1端101および第2端102を有する。基板10の第1端101側の下面は第1固定部15で検知対象物70に固定される。基板10の第2端102側の下面は第2固定部17で検知対象物70に固定される。第1固定部15および第2固定部17は、例えば粘着テープである。 The substrate 10 is made of, for example, PET, polycarbonate (PC), acrylic (PMMA), stainless steel, an aluminum-based alloy, or a copper-based alloy. The substrate 10 has a first end 101 and a second end 102, which are opposite ends along a first direction. The underside of the substrate 10 on the side of the first end 101 is fixed to the detection object 70 by a first fixing portion 15. The underside of the substrate 10 on the side of the second end 102 is fixed to the detection object 70 by a second fixing portion 17. The first fixing portion 15 and the second fixing portion 17 are, for example, adhesive tape.
以下の説明では、基板10の長さ方向である第1方向をY方向と定義し、基板10の厚み方向をZ方向と定義し、平面視してY方向に直交する、基板10の幅方向をX方向と定義する。 In the following description, the first direction, which is the length direction of the substrate 10, is defined as the Y direction, the thickness direction of the substrate 10 is defined as the Z direction, and the width direction of the substrate 10, which is perpendicular to the Y direction when viewed in a plane, is defined as the X direction.
変形量検知装置1は、可撓性を有する基板10の基準状態からの変形量を検知する。本実施形態では、変形量検知装置1は、図3に示すように、基板10がY方向に沿って曲げられたときの角度θを検知する。The deformation amount detection device 1 detects the amount of deformation of the flexible substrate 10 from a reference state. In this embodiment, the deformation amount detection device 1 detects the angle θ when the substrate 10 is bent along the Y direction, as shown in Figure 3.
基板10の上面には、基準電極25が配置される。基準電極25は、平面視して基板10と重なる位置に配置されている。基準電極25は、平面視して基板10と同じ面積を有する。ただし、基準電極25は、平面視して入力電極21および出力電極22に重なる位置にのみ配置されていてもよい。基準電極25は、例えば、ITO(酸化インジウムスズ)、ZnO(酸化亜鉛)等の無機電極、PeDOTや導電ポリアニリン等の有機電極、蒸着、メッキによる金属皮膜、または銀ペーストによる印刷電極膜である。 A reference electrode 25 is disposed on the upper surface of the substrate 10. The reference electrode 25 is disposed at a position overlapping the substrate 10 in a planar view. The reference electrode 25 has the same area as the substrate 10 in a planar view. However, the reference electrode 25 may be disposed only at a position overlapping the input electrode 21 and the output electrode 22 in a planar view. The reference electrode 25 is, for example, an inorganic electrode such as ITO (indium tin oxide) or ZnO (zinc oxide), an organic electrode such as PeDOT or conductive polyaniline, a metal film formed by vapor deposition or plating, or a printed electrode film made of silver paste.
基準電極25の上面には圧電体30が配置される。圧電体30は、平面視して基板10と重なる位置に配置される。圧電体30は、平面視して基板10と同じ面積を有する。圧電体30は、基板10の変形に伴い変形する。 A piezoelectric body 30 is disposed on the upper surface of the reference electrode 25. The piezoelectric body 30 is disposed in a position that overlaps the substrate 10 in a planar view. The piezoelectric body 30 has the same area as the substrate 10 in a planar view. The piezoelectric body 30 deforms in accordance with the deformation of the substrate 10.
圧電体30の材料は、ポリフッ化ビニリデンあるいはキラル高分子である。キラル高分子とは、例えば、ポリ乳酸(PLA)である。ポリ乳酸は、L型ポリ乳酸(PLLA)またはD型ポリ乳酸(PDLA)である。キラル高分子からなるポリ乳酸は、主鎖が螺旋構造を有する。ポリ乳酸は、一軸延伸されて分子が配向する圧電性を有する。ポリ乳酸は、d14の圧電定数を有している。ポリ乳酸の一軸延伸方向は、平面視してY方向またはX方向と所定の角度(例えば45°±10°程度)を成すように設定されている。 The material of the piezoelectric element 30 is polyvinylidene fluoride or a chiral polymer. An example of a chiral polymer is polylactic acid (PLA). Polylactic acid is either L-type polylactic acid (PLLA) or D-type polylactic acid (PDLA). Polylactic acid, which is made of a chiral polymer, has a helical main chain structure. Polylactic acid exhibits piezoelectricity when uniaxially stretched, orienting the molecules. Polylactic acid has a piezoelectric constant of d14. The uniaxial stretching direction of polylactic acid is set to form a predetermined angle (for example, approximately 45°±10°) with the Y or X direction when viewed in a plane.
基板10は、スリット50が設けられている。スリット50は、平面視して第1端101および第2端102の間に設けられている。本実施形態では、スリット50は、基板10のY方向の中心(図3および図4に示す一点破線)に配置される。基板10のY方向の中心は、基板10の曲げの中心線と一致する。スリット50により、基板10および圧電体30は、厚み方向に振動し易くなる。なお、本実施形態では、スリット50は、平面視してY方向に長い長方形状であるが、スリット50を平面視した形状は特に限定されない。スリット50は、例えば正方形、ひし形、円形、楕円形等の形状であってもよい。 The substrate 10 has a slit 50. The slit 50 is located between the first end 101 and the second end 102 in a planar view. In this embodiment, the slit 50 is positioned at the center of the substrate 10 in the Y direction (the dashed-dotted line shown in Figures 3 and 4). The center of the substrate 10 in the Y direction coincides with the center line of the bending of the substrate 10. The slit 50 makes it easier for the substrate 10 and the piezoelectric element 30 to vibrate in the thickness direction. Note that in this embodiment, the slit 50 has a rectangular shape that is long in the Y direction in a planar view, but the shape of the slit 50 in a planar view is not particularly limited. The slit 50 may have a shape such as a square, diamond, circle, or ellipse.
圧電体30の上面には、入力電極21および出力電極22が配置される。入力電極21および出力電極22は、平面視して基板10と重なる位置に配置される。入力電極21および出力電極22は、平面視して第1固定部15および第2固定部17に重ならない位置に配置される。入力電極21は、基板10のY方向の中心(図3および図4に示す一点破線)よりも第1端101に近い側に配置される。出力電極22は、平面視してスリット50に重なる位置に配置されていている。本実施形態では、出力電極22は、基板10のY方向の中心(図3および図4に示す一点破線)に配置される。つまり、出力電極22は、圧電体30のうち最も変形量の大きい位置に配置される。 An input electrode 21 and an output electrode 22 are arranged on the upper surface of the piezoelectric body 30. The input electrode 21 and the output electrode 22 are arranged in positions that overlap with the substrate 10 in a planar view. The input electrode 21 and the output electrode 22 are arranged in positions that do not overlap with the first fixed portion 15 and the second fixed portion 17 in a planar view. The input electrode 21 is arranged closer to the first end 101 than the center of the Y direction of the substrate 10 (the dashed-dotted line shown in Figures 3 and 4). The output electrode 22 is arranged in a position that overlaps with the slit 50 in a planar view. In this embodiment, the output electrode 22 is arranged at the center of the Y direction of the substrate 10 (the dashed-dotted line shown in Figures 3 and 4). In other words, the output electrode 22 is arranged at the position of the piezoelectric body 30 that experiences the greatest deformation.
入力電極21および出力電極22は、例えば、ITO(酸化インジウムスズ)、ZnO(酸化亜鉛)等の無機電極、PeDOTや導電ポリアニリン等の有機電極、蒸着、メッキによる金属皮膜、または銀ペーストによる印刷電極膜である。 The input electrode 21 and the output electrode 22 are, for example, inorganic electrodes such as ITO (indium tin oxide) and ZnO (zinc oxide), organic electrodes such as PeDOT and conductive polyaniline, metal films formed by vapor deposition or plating, or printed electrode films made of silver paste.
入力電極21および出力電極22は、それぞれコントローラ90に接続される。コントローラ90は、入力電極21に入力信号を入力し、出力電極22から出力信号を受信する。入力電極21は、圧電体30に対して、周期的に電圧が変化する入力信号を入力する。圧電体30は、入力信号により振動する。出力電極22は、圧電体30の振動により生じる出力信号を出力する。 The input electrode 21 and the output electrode 22 are each connected to a controller 90. The controller 90 inputs an input signal to the input electrode 21 and receives an output signal from the output electrode 22. The input electrode 21 inputs an input signal whose voltage changes periodically to the piezoelectric body 30. The piezoelectric body 30 vibrates in response to the input signal. The output electrode 22 outputs an output signal generated by the vibration of the piezoelectric body 30.
図5(A)および図5(B)は、圧電体30の振動の様子を示す概略図である。図5(C)は、図5(B)中に示すII-II線の断面図である。圧電体30は、該圧電体30の厚み方向に共振する。具体的には、入力電極21から正弦波の入力信号を入力すると、圧電体30は、図5(A)に示す様なY方向に沿って定在する共振モードと、図5(B)および図5(C)に示す様なY方向の中心でX方向に沿って定在する共振モードと、を有する。以下の説明では、Y方向に沿って定在する共振モードを共振モードAと称し、X方向に沿って定在する共振モードを共振モードBと称する。 Figures 5(A) and 5(B) are schematic diagrams showing the vibration of the piezoelectric body 30. Figure 5(C) is a cross-sectional view taken along line II-II in Figure 5(B). The piezoelectric body 30 resonates in the thickness direction of the piezoelectric body 30. Specifically, when a sine wave input signal is input from the input electrode 21, the piezoelectric body 30 has a resonance mode that is stationary along the Y direction as shown in Figure 5(A), and a resonance mode that is stationary along the X direction at the center of the Y direction as shown in Figures 5(B) and 5(C). In the following description, the resonance mode that is stationary along the Y direction will be referred to as resonance mode A, and the resonance mode that is stationary along the X direction will be referred to as resonance mode B.
図6は、基板10の曲げ角度と圧電体30の共振周波数の関係を示すである。図6に示す横軸は基板10の曲げ角度(°)であり、縦軸は圧電体30の共振周波数(Hz)である。 Figure 6 shows the relationship between the bending angle of the substrate 10 and the resonant frequency of the piezoelectric body 30. The horizontal axis in Figure 6 represents the bending angle (°) of the substrate 10, and the vertical axis represents the resonant frequency (Hz) of the piezoelectric body 30.
図6に示す様に、圧電体30の共振は、複数の共振モードを有する。図6に示すA1は、共振モードAのうち1次共振モードを示す。A2は、共振モードAのうち2次共振モードを示す。A3は、共振モードAのうち3次共振モードを示す。B1は、共振モードBのうち1次共振モードを示す。B2は、共振モードBのうち2次共振モードを示す。 As shown in Figure 6, the resonance of the piezoelectric body 30 has multiple resonance modes. A1 in Figure 6 indicates the first resonance mode of resonance mode A. A2 indicates the second resonance mode of resonance mode A. A3 indicates the third resonance mode of resonance mode A. B1 indicates the first resonance mode of resonance mode B. B2 indicates the second resonance mode of resonance mode B.
コントローラ90は、一例として振幅5Vの正弦波の入力信号を、周波数をスイープさせて入力する。コントローラ90は、複数の共振モードのそれぞれの共振周波数を計測する。 For example, the controller 90 inputs a sine wave input signal with an amplitude of 5 V, sweeping the frequency. The controller 90 measures the resonant frequency of each of the multiple resonant modes.
圧電体30は、基準状態(曲げ角度0°)では、約70Hzおよび約330Hzに共振周波数が現れる。当該70Hzの共振周波数は、共振モードAのうち1次共振モードA1に対応する。330Hzの周波数は、共振モードAのうち2次共振モードA2に対応する。基板10の曲げ角度が大きくなると1次共振モードA1の共振周波数は、基板10の曲げ角度に応じて大きくなる。基板10の曲げ角度が2°になり共振周波数が約290Hzに達すると、1次共振モードA1の共振周波数は変化しなくなる。しかし、基板10の曲げ角度が2°以上になると2次共振モードA2の共振周波数は、基板10の曲げ角度に応じて大きくなる。基板10の曲げ角度が3°になり共振周波数が約570Hzに達すると、2次共振モードA2の共振周波数は変化しなくなる。しかし、基板10の曲げ角度が3°以上になると3次共振モードA3の共振周波数は、基板10の曲げ角度に応じて大きくなる。 In the reference state (bending angle 0°), the piezoelectric element 30 exhibits resonant frequencies of approximately 70 Hz and approximately 330 Hz. The 70 Hz resonant frequency corresponds to the primary resonant mode A1 of the resonant mode A. The 330 Hz frequency corresponds to the secondary resonant mode A2 of the resonant mode A. As the bending angle of the substrate 10 increases, the resonant frequency of the primary resonant mode A1 increases accordingly. When the bending angle of the substrate 10 reaches 2° and the resonant frequency reaches approximately 290 Hz, the resonant frequency of the primary resonant mode A1 no longer changes. However, when the bending angle of the substrate 10 is 2° or greater, the resonant frequency of the secondary resonant mode A2 increases accordingly. When the bending angle of the substrate 10 reaches 3° and the resonant frequency reaches approximately 570 Hz, the resonant frequency of the secondary resonant mode A2 no longer changes. However, when the bending angle of the substrate 10 is 3° or more, the resonant frequency of the third-order resonance mode A3 increases in proportion to the bending angle of the substrate 10.
図7は、出力信号の周波数特性を示す図である。図7に示す横軸は周波数(Hz)であり、縦軸は電圧(mV)である。図7の例は、コントローラ90が入力電極21に対して5Vの電圧の入力信号を入力し、基板10の曲げ角度を変化させたときに出力電極22から得られる出力信号の周波数特性を示したグラフである。 Figure 7 is a diagram showing the frequency characteristics of the output signal. The horizontal axis in Figure 7 is frequency (Hz) and the vertical axis is voltage (mV). The example in Figure 7 is a graph showing the frequency characteristics of the output signal obtained from the output electrode 22 when the controller 90 inputs an input signal with a voltage of 5 V to the input electrode 21 and the bending angle of the substrate 10 is changed.
図7の例では、基板10の曲げ角度を4.2°から5.0まで0.2°刻みで変化させた時の出力信号の周波数特性を示す。図7に示す様に、共振モードAに対応する共振周波数は、基板10の曲げ角度に応じて高周波側に変化することが分かる。また、共振モードBに対応する共振周波数も基板10の曲げ角度に応じて高周波側に変化することが分かる。 The example in Figure 7 shows the frequency characteristics of the output signal when the bending angle of the substrate 10 is changed in 0.2° increments from 4.2° to 5.0°. As shown in Figure 7, it can be seen that the resonant frequency corresponding to resonance mode A shifts toward higher frequencies depending on the bending angle of the substrate 10. It can also be seen that the resonant frequency corresponding to resonance mode B shifts toward higher frequencies depending on the bending angle of the substrate 10.
そこで、コントローラ90は、入力信号の周波数をスイープして、検知する共振周波数の値に応じて基板10の曲げ角度を検知する。例えば、コントローラ90は、150Hzの共振周波数を検知した時、基板10の曲げ角度を1°として検知する。 The controller 90 then sweeps the frequency of the input signal and detects the bending angle of the substrate 10 according to the value of the detected resonant frequency. For example, when the controller 90 detects a resonant frequency of 150 Hz, it detects the bending angle of the substrate 10 as 1°.
一方で、コントローラ90は、複数の共振モードのうち第1共振モードの第1共振周波数が所定値を超えた場合、第2共振モードの第2共振周波数の値に応じて曲げ角度を検知する。例えば、コントローラ90は、第1共振モードである1次共振モードA1の第1共振周波数が290Hzを超えた場合、第2共振モードである2次共振モードA2の第2共振周波数の値に応じて曲げ角度を検知する。あるいは、コントローラ90は、第2共振モードである2次共振モードA2の第2共振周波数が570Hzを超えた場合、第3共振モードである3次共振モードA3の第3共振周波数の値に応じて曲げ角度を検知する。あるいは、コントローラ90は、第1共振モードである1次共振モードB1の第1共振周波数が900Hzを超えた場合、第2共振モードである2次共振モードB2の第2共振周波数の値に応じて曲げ角度を検知する。On the other hand, when the first resonance frequency of a first resonance mode among the multiple resonance modes exceeds a predetermined value, the controller 90 detects the bending angle in accordance with the value of the second resonance frequency of the second resonance mode. For example, when the first resonance frequency of the first resonance mode A1 exceeds 290 Hz, the controller 90 detects the bending angle in accordance with the value of the second resonance frequency of the second resonance mode A2. Alternatively, when the second resonance frequency of the second resonance mode A2 exceeds 570 Hz, the controller 90 detects the bending angle in accordance with the value of the third resonance frequency of the third resonance mode A3. Alternatively, when the first resonance frequency of the first resonance mode B1 exceeds 900 Hz, the controller 90 detects the bending angle in accordance with the value of the second resonance frequency of the second resonance mode B2.
以上の様に、コントローラ90は、曲げ角度に対応付ける共振周波数の共振モードを変更することで、共振周波数の値に応じて正確に基板10の曲げ角度を検知することができる。 As described above, the controller 90 can accurately detect the bending angle of the substrate 10 according to the value of the resonant frequency by changing the resonant mode of the resonant frequency associated with the bending angle.
次に、図8は、基板10の曲げ角度と出力信号の関係を示すである。図8に示す横軸は基板10の曲げ角度(°)であり、縦軸は出力信号の電圧(mV)である。 Next, Figure 8 shows the relationship between the bending angle of the substrate 10 and the output signal. The horizontal axis in Figure 8 represents the bending angle (°) of the substrate 10, and the vertical axis represents the voltage (mV) of the output signal.
この例では、コントローラ90は、ある固定された周波数の正弦波の入力信号を入力電極21に印加する。コントローラ90は、出力電極22から出力信号を受信し、電圧を測定する。In this example, the controller 90 applies a sinusoidal input signal of a fixed frequency to the input electrode 21. The controller 90 receives an output signal from the output electrode 22 and measures the voltage.
図8に示す様に、例えば、第1の周波数53Hzの正弦波の入力信号を入力電極21に印加すると、基板10の基準状態(曲げ角度0°)では、約10mVの電圧が測定される。そして、図8の例では、基板10の曲げ角度を大きくすると、測定される電圧が急激に低下することが分かる。 As shown in Figure 8, for example, when a sine wave input signal with a first frequency of 53 Hz is applied to the input electrode 21, a voltage of approximately 10 mV is measured when the substrate 10 is in its reference state (bending angle 0°). Furthermore, in the example of Figure 8, it can be seen that the measured voltage drops sharply as the bending angle of the substrate 10 is increased.
また、図8に示す様に、例えば、第2の周波数430Hzの正弦波の入力信号を入力電極21に印加すると、基板10の曲げ角度2.2°で、約10mVの電圧が測定される。そして、図8の例では、基板10の曲げ角度を2.2°より小さくまたは大きくすると、測定される電圧が急激に低下することが分かる。 Furthermore, as shown in Figure 8, when a sine wave input signal with a second frequency of 430 Hz is applied to the input electrode 21, a voltage of approximately 10 mV is measured when the bending angle of the substrate 10 is 2.2°. In the example of Figure 8, it can be seen that the measured voltage drops sharply when the bending angle of the substrate 10 is made smaller or larger than 2.2°.
したがって、コントローラ90は、53Hzまたは430Hz等の一定の周波数の入力信号を入力した時の出力信号の大きさに応じて基板10の曲げ角度を検知する。これにより、コントローラ90は、微少な曲げ角度を高精度に検知することができる。Therefore, the controller 90 detects the bending angle of the substrate 10 according to the magnitude of the output signal when an input signal of a constant frequency, such as 53 Hz or 430 Hz, is input. This allows the controller 90 to detect even minute bending angles with high accuracy.
図9(A)および図9(B)は、検知対象物70に変形量検知装置1の基板10を貼り付けて固定した様子を表す概略図である。この例の検知対象物70はバッテリである。バッテリは、数か月から数年という長い時間をかけて微少に膨らみ、微少な変形を生じる場合がある。一般的なセンサは、このような長時間にわたって生じる微少な変形を検知することが難しい。 Figures 9(A) and 9(B) are schematic diagrams showing the substrate 10 of the deformation detection device 1 attached and fixed to the detection object 70. In this example, the detection object 70 is a battery. Batteries can swell slightly over a long period of time, from several months to several years, causing slight deformation. Conventional sensors have difficulty detecting such slight deformations that occur over such long periods of time.
一方、図9(B)に示す様に、本実施形態では、バッテリである検知対象物70が膨らむと、検知対象物70の変形に応じて変形量検知装置1の基板10が曲がる。検知対象物70の膨らみによる変形は非常に小さいため、基板10の曲げ角度も非常に小さくなる。しかし、図8に示した様に、コントローラ90は、例えば53Hzの正弦波の入力信号を入力電極21に印加し、出力信号の電圧を測定することで、基準状態からの非常に小さい曲げ角度を検知することができる。したがって、変形量検知装置1は、バッテリである検知対象物70の微少な膨らみを検知できる。 On the other hand, as shown in Figure 9 (B), in this embodiment, when the detection object 70, which is a battery, swells, the substrate 10 of the deformation detection device 1 bends in response to the deformation of the detection object 70. Because the deformation caused by the bulging of the detection object 70 is very small, the bending angle of the substrate 10 is also very small. However, as shown in Figure 8, the controller 90 can detect very small bending angles from the reference state by applying an input signal, for example a 53 Hz sine wave, to the input electrode 21 and measuring the voltage of the output signal. Therefore, the deformation detection device 1 can detect even slight bulges in the detection object 70, which is a battery.
次に、図10(A)および図10(B)は、検知対象物70に変形量検知装置1の基板10を貼り付けて固定した様子を表す概略図である。この例の検知対象物70もバッテリである。 Next, Figures 10(A) and 10(B) are schematic diagrams showing the state in which the substrate 10 of the deformation amount detection device 1 is attached and fixed to the detection object 70. The detection object 70 in this example is also a battery.
この例では、変形量検知装置1の基板10は、保持部材900を介して所定角度(例えば2.2°)曲げられた状態で検知対象物70に貼り付けられる。 In this example, the substrate 10 of the deformation amount detection device 1 is attached to the detection object 70 in a state bent at a predetermined angle (e.g., 2.2°) via the holding member 900.
図8に示した様に、コントローラ90は、例えば430Hzの正弦波の入力信号を入力電極21に印加し、出力信号の電圧を測定することで、非常に小さい曲げ角度を検知することができる。したがって、この場合も、変形量検知装置1は、バッテリである検知対象物70の微少な膨らみを検知できる。 As shown in Figure 8, the controller 90 can detect very small bending angles by applying an input signal, for example a 430 Hz sine wave, to the input electrode 21 and measuring the voltage of the output signal. Therefore, in this case too, the deformation amount detection device 1 can detect slight bulges in the detection object 70, which is a battery.
図11は、変形例1に係る圧電体30の振動態様を示す概略図である。図12は、変形例1に係る基板10の曲げ角度と圧電体30の共振周波数の関係を示すである。図13は、変形例1に係る基板10の曲げ角度と出力信号の関係を示すである。 Figure 11 is a schematic diagram showing the vibration mode of the piezoelectric body 30 according to Modification 1. Figure 12 shows the relationship between the bending angle of the substrate 10 according to Modification 1 and the resonant frequency of the piezoelectric body 30. Figure 13 shows the relationship between the bending angle of the substrate 10 according to Modification 1 and the output signal.
変形例1に係る変形量検知装置は、図1に示した構成と同じ構成を備える。ただし、圧電体30の材料は、ポリ乳酸である。ポリ乳酸の一軸延伸方向は、平面視してY方向またはX方向と同じ角度(例えば0°±10°程度)を成すように設定されている。The deformation amount detection device according to Variation 1 has the same configuration as that shown in Figure 1. However, the material of the piezoelectric element 30 is polylactic acid. The uniaxial stretching direction of the polylactic acid is set to form the same angle (e.g., approximately 0°±10°) with the Y direction or X direction when viewed in a plane.
図11では、変形量検知装置1の入力電極21に振幅5Vの正弦波を印加した時の振動態様を示す。図11に示す様に、ポリ乳酸の一軸延伸方向は、平面視してY方向またはX方向と同じ角度である場合、入力電極21に正弦波の入力信号を入力すると、圧電体30は、主に平面方向に振動する共振モードとなる。 Figure 11 shows the vibration behavior when a sine wave with an amplitude of 5 V is applied to the input electrode 21 of the deformation detection device 1. As shown in Figure 11, when the uniaxial stretching direction of polylactic acid is at the same angle as the Y direction or X direction when viewed in a plane, when a sine wave input signal is input to the input electrode 21, the piezoelectric element 30 enters a resonant mode in which it vibrates mainly in the planar direction.
当該共振モードでは、図12に示す様に、基板10の曲げ角度が大きくなるにつれて共振周波数が大きくなる。したがって、コントローラ90は、共振周波数を測定することにより、正確な曲げ角度を検知することができる。In this resonance mode, as shown in Figure 12, the resonance frequency increases as the bending angle of the substrate 10 increases. Therefore, the controller 90 can detect the exact bending angle by measuring the resonance frequency.
また、当該共振モードでは、図13に示す様に、基板10の曲げ角度が大きくなるにしたがって出力電圧が小さくなる。したがって、コントローラ90は、ある固定周波数の正弦波の入力に対して出力電圧を測定することにより、正確な曲げ角度を検知することができる。 Furthermore, in this resonant mode, as shown in Figure 13, the output voltage decreases as the bending angle of the substrate 10 increases. Therefore, the controller 90 can detect the exact bending angle by measuring the output voltage in response to an input of a sine wave at a fixed frequency.
本実施形態の説明は、すべての点で例示であって、制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上述の実施形態ではなく、特許請求の範囲によって示される。さらに、本発明の範囲は、特許請求の範囲と均等の範囲を含む。The description of this embodiment should be considered in all respects to be illustrative and not restrictive. The scope of the present invention is indicated by the claims, not by the above-described embodiments. Furthermore, the scope of the present invention includes the scope equivalent to the claims.
1 :変形量検知装置
10 :基板
15 :第1固定部
17 :第2固定部
21 :入力電極
22 :出力電極
25 :基準電極
30 :圧電体
50 :スリット
70 :検知対象物
90 :コントローラ
101 :第1端
102 :第2端
900 :保持部材
1: deformation amount detection device 10: substrate 15: first fixed portion 17: second fixed portion 21: input electrode 22: output electrode 25: reference electrode 30: piezoelectric body 50: slit 70: detection object 90: controller 101: first end 102: second end 900: holding member
Claims (2)
厚み方向において前記第1端および前記第2端と重なる固定部と、
前記基板に平面視して重なり、前記第1端および前記第2端の間に配置された圧電体と、
前記圧電体の第1面に配置され、平面視して前記圧電体に重なり、前記第1方向の中心を含む位置に配置され、前記圧電体から出力信号を出力する出力電極と、
前記圧電体の第1面に配置され、平面視して前記圧電体に重なり、前記出力電極と平面視して異なる位置に配置され、前記出力電極よりも前記第1端側または前記第2端側に配置され、前記圧電体に入力信号を入力する入力電極と、
前記入力電極および前記出力電極に平面視して重なり、前記圧電体の第2面に配置される基準電極と、
前記入力電極に前記入力信号を入力し、前記出力電極から前記出力信号を受信するコントローラと、
を備えた変形量検知装置であって、
前記基板は、前記第1端および前記第2端の間にスリットが設けられ、
前記出力電極は、平面視して前記スリットに重なり、前記第1方向の中心を含む位置に配置されていて、
前記圧電体は、該圧電体の厚み方向に共振し、
前記共振は、前記第1方向に沿って定在する共振モードAと、前記第1方向に直交する第2方向に沿って定在する共振モードBと、を有し、
前記コントローラは、前記共振モードAおよび前記共振モードBのそれぞれの共振周波数を計測し、
前記入力信号の周波数をスイープし、
前記共振モードAは、1次共振モードA1および2次共振モードA2を有し、
前記共振モードBは、1次共振モードB1および2次共振モードB2を有し、
前記1次共振モードA1の第1共振周波数が第1所定値を超えた場合、前記2次共振モードA2の第2共振周波数の値に応じて曲げ角度を検知し、
前記1次共振モードB1の第3共振周波数が第3所定値を超えた場合、前記2次共振モードB2の第4共振周波数の値に応じて曲げ角度を検知する、
変形量検知装置。 a substrate having a first end and a second end along a first direction;
a fixing portion overlapping the first end and the second end in the thickness direction;
a piezoelectric body that overlaps the substrate in a plan view and is disposed between the first end and the second end;
an output electrode that is disposed on a first surface of the piezoelectric body, overlaps the piezoelectric body in a plan view, and is disposed at a position including the center in the first direction, and outputs an output signal from the piezoelectric body;
an input electrode that is disposed on a first surface of the piezoelectric body, overlaps the piezoelectric body in a plan view, is disposed at a position different from that of the output electrode in a plan view, is disposed closer to the first end or the second end than the output electrode, and inputs an input signal to the piezoelectric body;
a reference electrode that overlaps the input electrode and the output electrode in a plan view and is disposed on a second surface of the piezoelectric body;
a controller that inputs the input signal to the input electrode and receives the output signal from the output electrode;
A deformation amount detection device comprising:
the substrate has a slit between the first end and the second end;
the output electrode is disposed at a position that overlaps the slit in a plan view and includes a center in the first direction ,
the piezoelectric body resonates in the thickness direction of the piezoelectric body ,
The resonance has a resonance mode A standing along the first direction and a resonance mode B standing along a second direction orthogonal to the first direction ,
the controller measures the resonant frequencies of the resonant mode A and the resonant mode B ,
sweeping the frequency of the input signal;
The resonance mode A has a first resonance mode A1 and a second resonance mode A2,
The resonance mode B has a first resonance mode B1 and a second resonance mode B2,
When the first resonance frequency of the first resonance mode A1 exceeds a first predetermined value, the bending angle is detected according to the value of the second resonance frequency of the second resonance mode A2;
When the third resonance frequency of the first resonance mode B1 exceeds a third predetermined value, the bending angle is detected according to the value of the fourth resonance frequency of the second resonance mode B2.
Deformation detection device.
請求項1に記載の変形量検知装置。 The substrate is attached to the object to be detected.
The deformation amount detection device according to claim 1 .
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|---|---|---|---|---|
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
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Non-Patent Citations (1)
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| 安藤 正道,新しいヒューマンマシンインターフェイスの創出を目指した圧電性L型ポリ乳酸の工業的利用に関する研究, 関,関西大学審査学位論文,2015年,https://kansai-u.repo.nii.ac.jp/records/140/files/KU-0010-20140331-24.pdf |
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