(57)【要約】【課題】構造が簡単で、小形化が可能になることに加え、自励発振回路の構成が容易な触覚センサ用圧電振動子を提供する。【解決手段】円柱状圧電セラミックスの外周面に長さ方向と平行に形成した複数個の帯状電極により、少なくとも１個の加振電極対および少なくとも１個の検出電極対を構成し、前記加振電極対のそれぞれ同一極性を有する電極を電気的に接続して一方を駆動端子、他方をアース端子とするとともに、前記検出電極対のそれぞれ同一極性を有する電極を電気的に接続して一方を検出端子、他方をアース端子とし、前記円柱状圧電セラミックスに生ずる長さ方向縦振動モードの１／２波長共振時の節部近傍からこれら端子を引出すとともに、前記節部近傍において前記柱状圧電セラミックスを支持固定する。【選択図】　　　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
円柱状圧電セラミックスの外周面に長さ方向と平行に形成した複数個の帯状電極により、少なくとも１個の加振電極対および少なくとも１個の検出電極対を構成し、前記加振電極対のそれぞれ同一極性を有する電極を電気的に接続して一方を駆動端子、他方をアース端子とするとともに、前記検出電極対のそれぞれ同一極性を有する電極を電気的に接続して一方を検出端子、他方をアース端子とし、前記円柱状圧電セラミックスに生ずる長さ方向縦振動モードの１／２波長共振時の節部近傍からこれら端子を引出すとともに、前記節部近傍において前記柱状圧電セラミックスを支持固定したことを特徴とする触覚センサ用圧電振動子。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、物質の「硬さ」や「やわらかさ」、を計測するための触覚センサ、さらには、紙などのほぼ一定の硬さを有するシートの上で文字を書いたときの圧力（筆圧）の変化を検出する筆圧センサなどに用いられる圧電振動子に関し、特に構造が簡単で、小形化が可能であることに加え、自励発振回路の構成が容易な圧電振動子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
圧電振動子を用いた触覚センサは、圧電振動子の一部に物体を接触させ、印加する圧力による共振周波数の変化量からその物体の「硬さ」や「やわらかさ」を計測するセンサで、一般に、図５に示すように、物体に接触する接触子１０１を備え、駆動電極（入力端子）１０２、アース電極（アース端子）１０３、および検出電極（出力端子）１０４を有する圧電振動子を帰還回路に含み、増幅回路とフィルタにより自励発振回路として構成される。入力端子、出力端子、およびアース端子を有する圧電振動子は、３端子型圧電振動子と呼ばれ、その等価回路は図６のように示される。
【０００３】
図７は、触覚センサの動作原理を説明するための等価回路であり、Ｚｍは接触した物体により発生するインピーダンスである。一般に、硬い物体に接触させた場合には、Ｚｍがコンデンサとして作用し圧力を増加させると圧電振動子の共振周波数は高くなり、やわらかい物体に接触させた場合には、Ｚｍがインダクタンスとして作用し、圧力を増加させると共振周波数が低下する。
【０００４】
図８は、従来の触覚センサ用圧電振動子の構造図であり、触覚センサ用圧電振動子２０１は、表・裏両面のほぼ全面に電極が形成され、厚さ方向に分極された圧電セラミックス矩形板２０２のほぼ中央部に、やはり表・裏両面のほぼ全面に電極が形成され、圧電セラミックス矩形板２０２と同じ向きに分極された圧電セラミックス矩形板２０３が接着され、圧電セラミック板２０２の一方の端部には、接触子２０４が装着されている。圧電セラミックス矩形板２０２の両面からリード線２０５，２０６が引出されてそれぞれ入力端子、アース端子として使用され、圧電セラミックス矩形板２０３の表面からリード線２０７が引出されて出力端子として使用される。
図８に示した従来の触覚センサ用圧電振動子においては、２枚の圧電素子を接着しているために、屈曲振動モードが不要振動として発生しエネルギー損失を生ずるとともに、自励発振回路を構成する場合に異常発振を起こすなどの問題がある上に、接着工程に伴う圧電振動子特性のばらつきが大きいと言う欠点があつた。
これらの欠点を改良した触覚センサ用圧電振動子として、我々は不要振動のより少ない振動モードで振動させ、エネルギー損失を低減させた圧電振動子を特開平２００２−１６２２９９で提案している。
【０００５】
本発明は、特開平２００２−１６２２９９をさらに発展させ、より構造が簡単で、小形化が可能になることに加え、自励発振回路の構成が容易な圧電振動子を提供するものである。
図９（ａ）は、特開平２００２−１６２２９９に示した触覚センサ用圧電振動子の構造を示す斜視図であり、図９（ｂ）は、圧電振動子の断面図である。図９から分かるように、圧電セラミックス円柱１０の外周面の円周を８等分する位置に長さ方向と平行な８本の帯状電極が形成されている。帯状電極は曲面スクリーン印刷で直接形成するか、あるいはメッキ等で全面に形成された電極の不要部分をフォトエッチングにより不要部分を除去することにより容易に得られる。
図９（ｂ）は、互いに一つおきの帯状電極１２，１４，１６，１８及び１３，１５，１７，１９を電気的に接続して２端子として分極処理を施した時の圧電セラミックス円柱１０の断面方向の分極の向きを示す説明図であり、分極の向きは破線の矢印で示されている。
【０００６】
図１０は、図９に示した圧電振動子の動作原理の説明図である。図１０において、帯状電極１２と１３の間隙部をＧ１，帯状電極１２と１９の間隙部をＧ８とする。
図１０に示すように、帯状電極１３と１９を接続して共通アース端子とし、帯状電極１２に交流電圧を印加した場合を考える。印加電界の向きが分極の向きと等しい場合は間隙部Ｇ１及びＧ８に円周方向の伸び歪が発生し、印加電界の向きが分極の向きと逆向きの場合は円周方向の縮み歪が発生する。円周方向が伸びた場合には、ポアソン比にしたがって、その部分の円柱の長さが収縮し、円周方向が収縮した場合には、同様にポアソン比にしたがってその部分の円柱の長さが伸びるように変形する。従って、帯状電極１３，１５，１７，１９を接続して共通アース端子とし、円柱の中心軸に対して対称な位置にある帯状電極１２と１６を接続して駆動端子とし、共通アース端子と駆動端子間に圧電セラミックス円柱の長さ振動モードの共振周波数にほぼ等しい周波数の励振用の交流電圧を印加すると圧電セラミックス円柱は圧電横効果により圧電セラミックス円柱の長さが伸縮する長さ方向縦振動を生ずる。このとき、帯状電極１４と１８を接続して検出端子とすると、共通アース端子と検出端子の間に圧電セラミックス円柱１１の共振にともなう出力電圧が発生する。
帯状電極１３，１５，１７，１９を接続して共通アース端子とし、帯状電極１２と１６を接続して駆動端子、帯状電極１４と１８を接続して検出端子とした圧電振動子の電気的等価回路は、図６に示した３端子型圧電振動子の等価回路と全く同じになる。
以上に示した特開平２００２−１６２２９９で提案した従来の圧電振動子においては、
１）　振動モードを１／２波長モードとすると、電極の数を８本とする必要があり、特に径の細い小形の圧電振動子を製作する場合に、電極の形成精度を高く保つことが困難となる。
２）　振動モードを１／２波長モードとする方法として、入力端子と出力端子それぞれに並列にコンデンサを付加する方法があるが、自励発振回路の設計の自由度が狭くなる。
３）　電極の数を少なくして、３端子型圧電振動子を構成するために振動モードを１波長共振モードとする方法があるが、同じ長さの圧電振動子に対して、共振周波数が約２倍になり、自励発振回路を構成する場合に増幅器の選定範囲が狭くなることと、リード線の浮遊容量の影響を受けやすくなる。
４）　共振周波数を元と同じにすると圧電振動子の長さが約２倍になってしまう。
などの欠点があつた。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は以上に示した従来の触覚センサ用振動子の問題点を解決した振動子を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、円柱状圧電セラミックスの外周面に長さ方向と平行に形成した複数個の帯状電極により、少なくとも１個の加振電極対および少なくとも１個の検出電極対を構成し、前記加振電極対のそれぞれ同一極性を有する電極を電気的に接続して一方を駆動端子、他方をアース端子とするとともに、前記検出電極対のそれぞれ同一極性を有する電極を電気的に接続して一方を検出端子、他方をアース端子とし、前記円柱状圧電セラミックスに生ずる長さ方向縦振動モードの１／２波長共振時の節部近傍からこれら端子を引出すとともに、前記節部近傍において前記柱状圧電セラミックスを支持固定したことを特徴とする触覚センサ用圧電振動子が得られる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
本発明は、特開平２００２−１６２２９９の内容を実験を通してさらに改良を進めた結果、より簡単な構造で、小形化が可能な圧電振動子の構成を見出したものである。本発明に係る円柱状圧電振動子の基本的な構造と動作原理は、上述した通りであるので、ここでは省略する。
図１は、本発明の触覚センサ用圧電振動子の電極構成例を示す斜視図（ａ）および断面図（ｂ）である。また、図２は、本発明の触覚センサ用圧電振動子の他の電極構成例を示す斜視図（ａ）および断面図（ｂ）である。
図１は、円柱状圧電セラミックスの外周に長さ方向と平行な帯状電極をほぼ等間隔に６本形成した圧電振動子であり、図２は、同様に７本の帯状電極を形成した圧電振動子である。
【００１０】
図３は、図１の圧電振動子において、１つおきの帯状電極を電気的に接合してアース端子とし、残る３本の帯状電極▲１▼，▲２▼，▲３▼とアース電極間のインピーダンスの周波数特性例で、それぞれ、
（ａ）は、１本の電極（残りは開放）とアース端子との間のインピーダンス特性（ｂ）は、２本の電極を接続した（残りは開放）場合のアース端子との間のインピーダンス特性
（ｃ）は、３本の電極を接続した場合のアース端子との間のインピーダンス特性である。
【００１１】
図４は、図２の圧電振動子において、１つおきの３本の帯状電極を残し残りの４本の帯状電極を電気的に接合してアース端子とし、３本の帯状電極▲１▼，▲２▼，▲３▼とアース電極間のインピーダンスの周波数特性例で、それぞれ、
（ａ）は、１本の電極（残りは開放）とアース端子との間のインピーダンス特性（ｂ）は、２本の電極を接続した（残りは開放）場合のアース端子との間のインピーダンス特性
（ｃ）は、３本の電極を接続した場合のアース端子との間のインピーダンス特性である。
【００１２】
図３および図４において、それぞれ右側の大きなレスポンスが、必要とする縦振動の１／２波長モード共振のレスポンスであり、左側に小さく見えるレスポンスが屈曲振動のレスポンスである。
図３および図４からわかるように、いずれの場合も、１本の電極だけでの場合より、２本の電極を接続した方、屈曲振動のレスポンス、すなわち不要振動のレスポンスは小さくなり、それぞれ３本接続した場合には、屈曲振動のレスポンスは全く観測されない。つまり、それぞれ３本接続した場合は、特開平２００２−１６２２９９の内容に対応していることを示しているが、図３および図４、それぞれの（ａ）および（ｂ）の場合でも、図からわかるように、必要とする縦振動の１／２波長モード共振のレスポンスが大きく、屈曲振動のレスポンスに比較して実効的にほとんど無視出来ることを示している。もちろん、屈曲振動のレスポンスは小さいほうが望ましいので、それぞれ（ｂ）の方が望ましい。
電極の構成をそれぞれ図３および図４において、（ｂ）の測定を行った場合のように２本の電極を接続して入力端子（駆動端子）とし、残る電極を出力端子とすると、これらの圧電振動子は、３端子型圧電振動子となり、その等価回路は、第６図に示す等価回路と同じになる。
【００１３】
触覚センサ用圧電振動子に付加される接触子に要求される材料特性は、被測定物質によって異なるが、一般的には、被測定物体の音響インピーダンス（密度と音速の積）にほぼ等しい音響インピーダンスの材質で接触子を構成するのが望ましい。皮膚や筋肉などの場合は、一般的に密度が小さく、剛性が大きい材料が適している。具体的には、アルミやチタンなどの金属や硬質のプラスチックが望ましい。
接触子を用いる代わりに、円柱状圧電セラミックスの一方の端部を半球状に研磨加工した場合、音響インピーダンス的には特性が劣るが、接触子の接着にともなう特性のばらつきがなくなるため、触覚センサとしての特性変動をより少なくすることが出来る。
【００１４】
【発明の効果】
以上に説明したように、本発明によれば、従来の２枚の板状の圧電振動子を用いた触覚センサ用圧電振動子の欠点はもとより、特開平２００２−１６２２９９において欠点となっていた、
１）振動モードを１／２波長モードとすると、電極の数を８本とする必要があり、特に径の細い小形の圧電振動子を製作する場合に、電極の形成精度を高く保つことが困難となる。
２）もう一つ、振動モードを１／２波長モードとする方法として、入力端子と出力端子それぞれに並列にコンデンサを付加する方法があるが、自励発振回路の設計の自由度が狭くなる。
３）電極の数を少なくして、３端子型圧電振動子を構成するために、振動モードを１波長共振モードとする方法があるが、振動モードを１波長共振モードとすると、同じ長さの圧電振動子に対して、共振周波数が約２倍になり、自励発振回路を構成する場合に増幅器の選定範囲が狭くなることと、リード線の浮遊容量の影響を受けやすくなり、共振周波数を元と同じにすると圧電振動子の長さが約２倍になってしまう。
などの問題を解決することができ、構造が簡単で、小形化が可能であることに加え、自励発振回路の構成が容易になり、実用的に優れた効果を有する触角センサ用圧電振動子を得ることが出来る。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の触覚センサ用圧電振動子の電極構成例を示す斜視図（ａ）および断面図（ｂ）
【図２】本発明の触覚センサ用圧電振動子の他の電極構成例を示す斜視図（ａ）および断面図（ｂ）
【図３】図１の圧電振動子のインピーダンスの周波数特性例
【図４】図２の圧電振動子のインピーダンスの周波数特性例
【図５】圧電振動子を用いた触覚センサの構成図
【図６】３端子型圧電振動子の等価回路
【図７】触覚センサの原理説明のための圧電振動子の等価回路
【図８】従来の触覚センサ用圧電振動子の構造図
【図９】他の従来の触覚センサ用圧電振動子の構造図
【図１０】第９図の圧電振動子の動作原理の説明図
【符号の説明】
１０１：接触子
１０２：駆動電極（入力端子）
１０３：アース電極（アース端子）
１０４：検出電極（出力端子）
２０１：触覚センサ用圧電振動子
２０２，２０３：圧電セラミックス矩形板
２０４：　接触子
２０５：入力端子用リード線
２０６：アース端子用リード線
２０７：出力端子用リード
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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