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水晶振動子を用いた荷重センサ

国内特許コード	P150012465
掲載日	2015年10月21日
出願番号	特願2013-241319
公開番号	特開2015-025796
登録番号	特許第6188020号
出願日	平成25年11月21日(2013.11.21)
公開日	平成27年2月5日(2015.2.5)
登録日	平成29年8月10日(2017.8.10)
優先権データ	特願2013-130208 (2013.6.21) JP
発明者	新井史人市川明彦室崎裕一
出願人	国立大学法人名古屋大学
発明の名称	水晶振動子を用いた荷重センサ
発明の概要	【課題】比較的小型であって、高い感度と広い計測範囲が得られるだけでなく、高い応答性および測定精度が得られる、水晶振動子を用いた荷重センサを提供する。【解決手段】荷重Ｆを受けて水晶振動子１４の一端部に伝達する荷重受部材１２ｆ、５４ｆは、一対の側柱部１２ｄ、１２ｅ、５４ｄ、５４ｅの先端部とその荷重受部材１２ｆ、５４ｆとの間を連結する板ばね状の弾性ヒンジ部材１２ｃ、５４ｃの弾性変形により、荷重受部材１２ｆ、５４ｃの基底部１２ｂ、５４ｂへ向かう方向の微小変位が許容されるので、荷重Ｆの変化に応答して微小変位するときに摺動摩擦が発生しない。このため、測定の応答性が十分に得られて、測定された生体情報などの波形がなまることがなく、しかも、摺動摩擦に起因するヒステリシスがなく、測定荷重にヒステリシスが含まれることがないので、荷重波形や荷重の絶対値について、十分な精度が得られる。【選択図】図４
従来技術、競合技術の概要	近年、ロボット、医療及び介護などの分野で優れた荷重センサが必要とされている。例えば、ベッド等に加わる分布荷重と、呼吸や心拍数などの生体信号との同時計測や、ロボットが重い対象物の保持や脆弱物を対象とした繊細な作業までを人間の手と同様に行うことが出来るようにする為には、高感度と共にワイドレンジ計測が可能な荷重センサが必要となる。半導体歪ゲージを備える荷重センサが提案されている。これによれば、高い感度が得られるが荷重測定レンジがせまい。これに対して、高感度・ワイドレンジ計測が可能な荷重センサとしては、水晶を用いたセンサが挙げられる。水晶を用いたセンサとして、特許文献１に記載されたような水晶振動子を用いた荷重センサが提案されている。この荷重センサは、容器とその開口内に嵌合された上蓋とから成る外装と、容器と蓋との間に加えられた荷重をその向きを横方向に変換して板状の水晶振動子の両端に作用させる一対の板ばねとを備え、その水晶振動子の共振周波数の変化に基づいて荷重を検出するようになっている。これによれば、高い安定性を持った発振を行い、外力に対して正確に比例した周波数の変化により、比較的小型であって、高い感度と広い計測範囲が得られるといった優れた特徴を有する荷重センサが得られる。
産業上の利用分野	本発明は、水晶振動子を用いた荷重センサに係り、特に、その荷重センサのパッケージング技術に関するものである。
特許請求の範囲	【請求項1】薄板形状の水晶振動子の一端部および他端部を保持する保持器を備え、該水晶振動子の一端部に他端部に向かう方向の外部荷重を受けることで該外部荷重を検出する、水晶振動子を用いた荷重センサであって、前記保持器は、所定寸法を隔てた一対の側柱部および該一対の側柱部の基端を連結する基底部を有し、該一対の側柱部の間に位置する前記水晶振動子の他端部が該基底部に固定された保持部材と、前記一対の側柱部の一端部よりも前記基底部とは反対側へ突設され、前記外部荷重を受けて前記水晶振動子の一端部に伝達する荷重受部材と、該荷重受部材の前記基底部へ向かう方向の変位を許容しつつ前記一対の側柱部の先端部と該荷重受部材との間を連結する板ばね状の一対の弾性ヒンジ部材とを、含み、前記保持部材と前記荷重受部材と前記弾性ヒンジ部材とは、共通の板材から一体に形成されたものであることを特徴とする水晶振動子用いた荷重センサ。【請求項2】一端に開口が形成されて前記保持器を収容し、該開口側の内周面に雌ネジ山が形成された円筒形状のケースと、前記ケース内に収容された前記保持器を介して前記水晶振動子に対して前記外部荷重と同じ方向に力を印加した状態で前記ネジ山に締められ、前記ケースと共に筐体を形成するネジ部材と、前記ネジ部材と前記ケースの他方端の面との間に配設されて、前記ネジ部材によるねじ締め時のねじり方向の力が前記保持部材へ作用することを抑制すると共に前記外部荷重と同じ方向の力が前記保持部材へ伝達されることを許容するスラスト軸受とを、さらに備えることを特徴とする請求項１の水晶振動子を用いた荷重センサ。【請求項3】前記保持器は、前記一対の側柱部および基底部を含む保持部材と前記荷重受部材と前記一対の弾性ヒンジ部材とから、前記水晶振動子の一端部および他端部を狭持する略長四角枠形状をしており、前記一対の弾性ヒンジ部材は、それぞれ１枚又は複数枚の板ばねから形成されていることを特徴とする請求項２に記載の水晶振動子を用いた荷重センサ。【請求項4】前記荷重受部材は、前記ケースの他方端の面に形成された貫通孔を通って前記筐体外に一部が突出させられているか、或いは前記ネジ部材に形成された前記外部荷重と同じ方向に貫通する貫通孔を通って前記筐体外に一部が突出させられていることを特徴とする請求項２又は３に記載の水晶振動子を用いた荷重センサ。【請求項5】前記ネジ部材は、相対回転不能に前記保持部材の一部を受け入れる溝が形成されており、該溝に該保持部材を収容した状態で前記ネジ山に締められるものであり、前記スラスト軸受は、前記保持部材と前記ケースの他方端の面との間に配設されていることを特徴とする請求項２乃至４の何れか１に記載の水晶振動子を用いた荷重センサ。【請求項6】前記水晶振動子の両平面上に設けられた、厚み方向に対向する一対の電極と、前記電極の各々と直接的或いは間接的に連結された電線とを有し、前記電線は、前記ネジ部材に形成された前記外部荷重と同じ方向に連通する連通溝或いは連通孔を介して前記筐体外に導出されていることを特徴とする請求項２乃至５の何れか１に記載の水晶振動子を用いた荷重センサ。【請求項7】前記薄板形状の水晶振動子は、一端部から他端部に向かって切り込まれ且つ厚み方向に連通する一対の線状切込溝を有し、前記保持器は、前記水晶振動子の周辺部に固着されて該水晶振動子を挟む１対の保持板から構成され、一対の保持板には、前記水晶振動子の前記一対の線状切込溝の間との間に隙間を形成する凹面と、該水晶振動子の該一対の線状切込溝の外側に密着する一対の側柱部と、該水晶振動子の他端部に密着する基底部と、該水晶振動子の一端部に密着する荷重受部材と、該荷重受部材の前記基底部へ向かう方向の変位を許容しつつ前記一対の側柱部の先端部と該荷重受部材との間を連結する板ばね状の一対の弾性ヒンジ部材とが、それぞれ形成されていることを特徴とする請求項１の水晶振動子を用いた荷重センサ。【請求項8】前記保持板は、前記凹面および前記弾性ヒンジ部材を形成するホトエッチングがシリコン基板に施されることにより複数個が同時に製造され、且つ該シリコン基板から分割されたものであることを特徴とする請求項７の水晶振動子を用いた荷重センサ。【請求項9】前記水晶振動子は、電極を形成するスパッタおよび前記線状切込溝を形成するサンドブラストが水晶基板に施されることにより複数個が同時に製造され、且つ該水晶基板から分割されたものであることを特徴とする請求項７または８の水晶振動子を用いた荷重センサ。【請求項10】薄板形状の水晶振動子の一端部および他端部を保持する保持器を備え、該水晶振動子の一端部に他端部に向かう方向の外部荷重を受けることで該外部荷重を検出する、水晶振動子を用いた荷重センサであって、前記保持器は、所定寸法を隔てた一対の側柱部および該一対の側柱部の基端を連結する基底部を有し、該一対の側柱部の間に位置する前記水晶振動子の他端部が該基底部に固定された保持部材と、前記一対の側柱部の一端部よりも前記基底部とは反対側へ突設され、前記外部荷重を受けて前記水晶振動子の一端部に伝達する荷重受部材と、該荷重受部材の前記基底部へ向かう方向の変位を許容しつつ前記一対の側柱部の先端部と該荷重受部材との間を連結する板ばね状の一対の弾性ヒンジ部材とを、含み、前記薄板形状の水晶振動子は、一端部から他端部に向かって切り込まれ且つ厚み方向に連通する一対の線状切込溝を有し、前記保持器は、前記水晶振動子の周辺部に固着されて該水晶振動子を挟む１対の保持板から構成され、一対の保持板には、前記水晶振動子の前記一対の線状切込溝の間との間に隙間を形成する凹面と、該水晶振動子の該一対の線状切込溝の外側に密着する一対の側柱部と、該水晶振動子の他端部に密着する基底部と、該水晶振動子の一端部に密着する荷重受部材と、該荷重受部材の前記基底部へ向かう方向の変位を許容しつつ前記一対の側柱部の先端部と該荷重受部材との間を連結する板ばね状の一対の弾性ヒンジ部材とが、それぞれ形成されていることを特徴とする水晶振動子を用いた荷重センサ。
国際特許分類(IPC)	G01L 1/10 応力を加えた振動素子，例．張線，の周波数変化の測定によるもの
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出願権利状態	登録

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発明の名称	LOAD SENSOR WITH QUARTZ CRYSTAL RESONATOR
発明の概要	PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a load sensor with a quartz crystal resonator, which offers not only relative compactness, high sensitivity, and a wide measurement range but also high responsiveness and measurement accuracy. SOLUTION: Load receiving members 12f and 54f, which receive a load F and transmit it to one end part of a quartz crystal resonator 14, are allowed to be moved by a minute displacement in a direction toward base portions 12b and 54b of the load receiving members 12f and 54f because of elastic deformation of leaf spring-like elastic hinge members 12c and 54c joining top ends of a pair of side poll portions 12d and 12e, and 54d and 54e with the load receiving members 12f and 54f, which prevents generation of sliding friction when the minute displacement is made in response to a change in the load F. This leads to sufficient measurement responsiveness, a waveform of measured biological information or the like with no deformation, and no hysteresis in measured loads due to hysteresis caused by the sliding friction, which in turn leads to sufficient accuracy of the waveform and absolute values of the load.

発明の名称

LOAD SENSOR WITH QUARTZ CRYSTAL RESONATOR コモンズ

発明の概要

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a load sensor with a quartz crystal resonator, which offers not only relative compactness, high sensitivity, and a wide measurement range but also high responsiveness and measurement accuracy.
SOLUTION: Load receiving members 12f and 54f, which receive a load F and transmit it to one end part of a quartz crystal resonator 14, are allowed to be moved by a minute displacement in a direction toward base portions 12b and 54b of the load receiving members 12f and 54f because of elastic deformation of leaf spring-like elastic hinge members 12c and 54c joining top ends of a pair of side poll portions 12d and 12e, and 54d and 54e with the load receiving members 12f and 54f, which prevents generation of sliding friction when the minute displacement is made in response to a change in the load F. This leads to sufficient measurement responsiveness, a waveform of measured biological information or the like with no deformation, and no hysteresis in measured loads due to hysteresis caused by the sliding friction, which in turn leads to sufficient accuracy of the waveform and absolute values of the load.

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