(57)【要約】  荷重センサは、振動子と、振動子に設けられた駆動電極と、振動子を振動させる駆動電圧を駆動電極に供給する駆動回路と、振動子の振動に応じた電流を出力する検出電極と、検出電極から出力される電流を電圧に変換するＩＶ変換器とを備える。駆動回路は、駆動電圧を出力するオペアンプと、そのオペアンプに接続された抵抗とを有して小さい内部抵抗を有する。ＩＶ変換器は、電流が入力されてかつ仮想接地された反転入力端子を有して負帰還回路を構成する。この荷重センサでは、周囲の温度が変動しても出力信号の精度が安定している。
2013132842.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
振動子と、
前記振動子に設けられた駆動電極と、
前記振動子を振動させる駆動電圧を前記駆動電極に供給する駆動回路と、
前記振動子の振動に応じた電流を出力する検出電極と、
前記検出電極から出力される前記電流を電圧に変換して出力信号を出力するＩＶ変換器と、
を備え、
前記駆動回路は前記駆動電圧を出力するオペアンプを有し、
前記駆動回路は前記出力信号に基づいて前記駆動電圧を生成し、
前記オペアンプの内部抵抗Ｒ１（Ω）と、前記駆動電圧の角周波数ω（ｒａｄ／ｓｅｃ）と、許容される位相差φ（度）と、前記駆動電極の容量Ｃ（Ｆ）とは以下の式：
Ｒ１≦−（１／ωＣ）×ｔａｎ（φ×（π／１８０））
を満たす、荷重センサ。
【請求項２】
前記ＩＶ変換器は、前記電流が入力されてかつ仮想接地された反転入力端子を有して負帰還回路を構成する、請求項１に記載の荷重センサ。
【請求項３】
前記出力信号の位相を調整して信号を出力する位相調整器をさらに備え、
前記駆動回路は前記位相調整器から出力される前記信号に基づいて前記駆動電圧を生成する、請求項１または２に記載の荷重センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、印加された荷重を検出する荷重センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
図１３は周囲の気圧を測定する従来のセンサ５０１の斜視図である。センサ５０１は、水晶からなる振動子１と、振動子１を収納する容器２と、容器２の内側に設けられた電極パターン３と、振動子１と電気的に接続されて外部に発振出力信号を出力するリード５とを備える。電極パターン３は導電ペースト４で振動子１と電気的に接続されている。【０００３】
図１４はセンサ５０１の回路ブロック図であり、振動子１から発振出力信号を取り出す回路を示す。センサ５０１は、発振回路６と、発振回路６に接続されたゲート１２と、ゲート１２に接続されたカウンタ１３とを備える。図１３に示すリード５が発振回路６に電気的に接続されることで、振動子１は発振回路６に電気的に接続されている。【０００４】
図１５は発振回路６の回路図である。振動子１は一対のコンデンサ７を介してグランド８に電気的に接続されて接地されている。抵抗９とコルピッツ発振インバータ１０とは振動子１と並列に接続されており、共に一対のコンデンサ７を介してグランド８に接続されて接地されている。波形整形用インバータ１１は、コルピッツ発振インバータ１０から出力される出力信号を波形整形して出力する。【０００５】
従来のセンサ５０１について、次にその動作を説明する。図１６は振動子１の振動周波数を示す。図１６において、縦軸は振動子１の周囲の気圧を示し、縦軸は振動周波数の変動を示す。気圧が変化すると、図１６に示すように、振動子１の振動周波数が変化する。そうすると、発振回路６がその振動周波数にて発振し、波形整形用インバータ１１から、図１４に示すゲート１２に発振信号が出力される。ゲート１２は閉じた状態から所定の時間だけ開いて発振信号を通過させる。通過した発振信号のピークの数をカウンタ１３によりカウントし、振動子１の振動周波数を検知することにより、センサ５０１の周囲の気圧を測定する。【０００６】
なお、センサ５０１に類似する従来のセンサは、例えば、特許文献１に記載されている。【０００７】
従来のセンサ５０１においては、周囲の温度が変化すると振動子１の容量が変動すると、センサ５０１からの出力信号の精度が劣化する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開昭５７−１３６１３０号公報
【発明の概要】
【０００９】
荷重センサは、振動子と、振動子に設けられた駆動電極と、振動子を振動させる駆動電圧を駆動電極に供給する駆動回路と、振動子の振動に応じた電流を出力する検出電極と、検出電極から出力される電流を電圧に変換するＩＶ変換器とを備える。駆動回路は、駆動電圧を出力するオペアンプと、そのオペアンプに接続された抵抗とを有して小さい内部抵抗を有する。ＩＶ変換器は、電流が入力されてかつ仮想接地された反転入力端子を有して負帰還回路を構成する。
【００１０】
この荷重センサでは、周囲の温度が変動しても出力信号の精度が安定している。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】図１は実施の形態における荷重センサの側断面図である。
【図２Ａ】図２Ａは実施の形態における荷重センサにおける歪検出部材の上面図である。
【図２Ｂ】図２Ｂは図２Ａに示す歪検出部材の線２Ｂ−２Ｂにおける断面図である。
【図３】図３は実施の形態における荷重センサにおける処理回路の一部の回路図である。
【図４】図４は実施の形態における荷重センサの処理回路におけるオペアンプの内部抵抗と位相の変動量との関係を示す図である。
【図５】図５は実施の形態における荷重センサの信号の波形を示す図である。
【図６】図６は実施の形態における荷重センサを自転車に取り付けた状態を示す模式図である。
【図７】図７は図６に示す荷重センサの拡大図である。
【図８】図８は実施の形態における荷重センサにおける振動子の周波数を示す図である。
【図９】図９は実施の形態における荷重センサにおける処理回路の回路図である。
【図１０】図１０は比較例のセンサの振動周波数の変動を示す図である。
【図１１】図１１は実施の形態における荷重センサの振動子の容量変動に伴う出力信号の振動周波数の変動を示す図である。
【図１２】図１２は実施の形態における荷重センサにおける他の処理回路の回路図である。
【図１３】図１３は従来のセンサの斜視図である。
【図１４】図１４は従来のセンサの回路ブロック図である。
【図１５】図１５は従来のセンサの発振回路の回路図である。
【図１６】図１６は従来のセンサの振動子の振動周波数を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
図１は実施の形態における荷重センサ１００１の側断面図である。転がり軸受２１は回転軸２１ａを中心に回転する軸を回転可能に支持し、回転軸２１ａを中心とする円筒形状を有する。円筒形状を有する応力伝達部材２２の内側には転がり軸受２１が取付けられる。応力伝達部材２２は転がり軸受２１の全周にわたって回転軸２１ａを中心とするラジアル方向に配設されている。応力伝達部材２２の内側には３つの支持部２２ａが設けられている。３つの支持部２２ａは転がり軸受２１を応力伝達部材２２の内側で支持する。また、応力伝達部材２２の外周側には、段差形状の２つの当接部２３が設けられている。応力伝達部材２２の外側面には直線状の変形部２４が設けられている。歪検出部材２５は応力伝達部材２２における変形部２４に貼着されている。
【００１３】
図２Ａは歪検出部材２５の上面図である。歪検出部材２５は、図１に示す回転軸２１ａと直角の長手方向Ｄ２５に延びる。歪検出部材２５は、両持梁からなる振動子２６、２７と処理回路２８とにより構成されている。処理回路２８は集積回路（ＩＣ）で構成されている。振動子２６は長手方向Ｄ２５に延びる両持梁の形状を有する。振動子２７は、長手方向Ｄ２５と直角の方向Ｄ２６に延びる両持梁形状を有する。処理回路２８は振動子２６、２７の双方を振動駆動させるとともに出力信号を処理する。振動子２６、２７の双方には、駆動電極２９および検出電極３０が設けられている。振動子２６の駆動電極２９、検出電極３０と、振動子２７における駆動電極２９、検出電極３０と、処理回路２８とはＡｕからなる配線パターンにより、電気的に接続されている。
【００１４】
図２Ｂは図２Ａに示す歪検出部材２５の線２Ｂ−２Ｂにおける断面図である。駆動電極２９は、振動子２６（２７）上に設けられた導電材料よりなる下部電極層１２９と、下部電極層１２９上に設けられた圧電材料よりなる圧電層２２９と、圧電層２２９上に設けられた導電材料よりなる上部電極層３２９よりなる。同様に、検出電極３０は、振動子２６（２７）上に設けられた導電材料よりなる下部電極層１３０と、下部電極層１３０上に設けられた圧電材料よりなる圧電層２３０と、圧電層２３０上に設けられた導電材料よりなる上部電極層３３０よりなる。実施の形態では、下部電極層１３０はＰｔよりなり、圧電層２３０はＰＺＴよりなり、上部電極層３３０はＡｕよりなる。駆動電極２９および検出電極３０は、下部電極層１３０と上部電極層３３０との間に形成される静電容量を有する。
【００１５】
図３は荷重センサ１００１の処理回路２８の一部の回路図である。処理回路２８は、ＩＶ変換器３１と、増幅器３３、３６と、駆動源切替器３４と、発振回路３５と、コンパレータ３７と、駆動回路３８とを有する。ＩＶ変換器３１は検出電極３０から出力される電荷よりなる電流を電圧に変換する。ＩＶ変換器３１は、反転入力端子３２と、非反転入力端子３２ａと、出力端子３２ｃとを有するオペアンプを有する。ＩＶ変換器３１の非反転入力端子３２ａは基準電位に接続されて接地されており、これにより反転入力端子３２は仮想接地されている。増幅器３３はＩＶ変換器３１から出力される出力信号を増幅している。発振回路３５は２００ｋＨｚの周波数の信号を出力し、実施の形態ではＣＲ発振回路よりなる。駆動源切替器３４は増幅器３３からの出力信号が入力される。駆動源切替器３４は、増幅器３３からの出力信号の周波数が２００ｋＨｚ未満の場合には発振回路３５から出力信号を増幅器３６に入力する。一方、増幅器３３からの出力信号の周波数が２００ｋＨｚ以上の場合には増幅器３３からの出力信号を増幅器３６に入力する。これにより、振動子２６、２７がそれらの固有周波数で振動するまでの間にコンパレータ３７の出力から後段の回路を動作させることができ、荷重センサ１００１の起動時間を短くすることができる。増幅器３６は入力された信号を増幅して出力信号として出力する。増幅器３６からの出力信号はコンパレータ３７に出力される。コンパレータ３７は、増幅器３６からの出力信号を予め決められた閾値と比較し、増幅器３６からの出力信号を矩形波形に成形して出力する。増幅器３６からの出力信号は駆動回路３８に入力されている。駆動回路３８は、振動子２６、２７を振動させる駆動電圧を駆動電極２９に供給する。駆動回路３８は検出電極３０から出力される出力信号に基づいて駆動電圧を生成する。駆動回路３８はオペアンプ３９と抵抗４０とで構成されている。オペアンプ３９の内部抵抗Ｒ１は、駆動信号（駆動電圧）の角周波数ω（ｒａｄ／ｓｅｃ）と、許容される位相差φ（度）と振動子２６または振動子２７の駆動電極２９の容量Ｃ（Ｆ）とにより式１を満たす。
Ｒ１≦−（１／ωＣ）×ｔａｎ（φ×（π／１８０））  …（式１）
図４は荷重センサ１００１のオペアンプ３９の内部抵抗Ｒ１と位相の変動量との関係を示す。実施の形態における荷重センサ１００１においては、振動子２６、振動子２７の駆動電極２９の容量が４００ｐＦであり、駆動周波数が２００ｋＨｚとしたときの検出する周波数の許容位相差φを１．３５度としたときの、オペアンプ３９の内部抵抗Ｒ１は、図４に示すように、４７Ω以下と小さい値に設定する。
【００１６】
許容される位相差φの算出法を以下に説明する。振動子２６（２７）の共振周波数ｆｒが２００ｋＨｚであり、共振尖鋭度Ｑが６００であり、フルスケール歪印加時での周波数変動量ｄｆが１０００Ｈｚであるとする。さらに、使用用途からの要求される所定の許容誤差率Ｅｒが０．５％とする。
【００１７】
上記の条件に基づき、振動子２６（２７）の振動の振幅の共振特性において半値幅ｈｆは以下の式で求められる。
Ｑ＝ｆｒ／ｈｆ
ｈｆ＝ｆｒ／Ｑ＝２００×１０３／６００＝３３３（Ｈｚ）
半値幅ｈｆにて位相は４５度から−４５度まで９０度変化するので、共振周波数ｆｒ付近での位相傾きｄｐは以下に式で求められる。
ｄｐ＝ｈｆ／９０＝３３３／９０＝３．７（Ｈｚ／度）
図２Ａに示す実施の形態における歪検出部材２５では、外力の印加時は振動子２６の共振周波数である固有周波数ｆａの変動が支配的で振動子２７の共振周波数である固有周波数ｆｂはほぼ変動しない。したがって、以降、固有周波数ｆａの変動量のみで説明する。
【００１８】
許容誤差率Ｅｒから算出される許容周波数誤差Ｅｆは以下の式で求められる。
Ｅｒ＝Ｅｆ／ｄｆ
０．５（％）＝Ｅｆ／１０００
Ｅｆ＝１０００×０．５％＝５（Ｈｚ）
許容される位相差φは以下の式で求められる。
φ＝Ｅｆ／ｄｐ
＝５（Ｈｚ）／３．７（Ｈｚ／度）≒１．３５（度）
駆動回路３８からの出力信号は振動子２６、２７に設けられた駆動電極２９に入力され、振動子２６、２７を振動駆動させる。支持部材４２は応力伝達部材２２の外周側に設けられるとともに、内側に突出する突部４４を有する。突部４４は応力伝達部材２２における当接部２３と当接する。
【００１９】
実施の形態における荷重センサ１００１について、次にその製造方法を説明する。
【００２０】
まず、Ｓｉからなる半導体基板をエッチングすることにより振動子２６、２７を形成する。
【００２１】
次に、半導体基板の上面に、Ａｕからなる配線パターンを蒸着した後、振動子２６、２７の駆動電極２９および検出電極３０を設ける箇所にＰｔを蒸着して下部電極層１２９、１３０を形成する。
【００２２】
次に、下部電極層１２９、１３０の上面にＰＺＴを蒸着して圧電層２２９、２３０を形成する。その後、圧電層２２９、２３０の上面にＡｕを蒸着して上部電極層３２９、３３０を形成し、振動子２６、２７の上面に駆動電極２９および検出電極３０を形成する。
【００２３】
次に、処理回路２８を載置して、処理回路２８を、振動子２６、２７の双方の駆動電極２９および検出電極３０と電気的に接続し、歪検出部材２５を形成する。
【００２４】
次に、歪検出部材２５を応力伝達部材２２における変形部２４に貼着した後、応力伝達部材２２における支持部２２ａと転がり軸受２１の外周側が当接するように、応力伝達部材２２の内側に転がり軸受２１を嵌合させる。
【００２５】
最後に、応力伝達部材２２における当接部２３と、支持部材４２における突部４４が互いに当接するように、支持部材４２の内側に応力伝達部材２２を収納する。
【００２６】
実施の形態における荷重センサ１００１について、次にその動作を説明する。図５は荷重センサ１００１の各部の信号の波形を示す。図６は荷重センサ１００１を電動モータ付き自転車１００２に取り付けた状態を示す模式図である。図７は図６に示す荷重センサ１００１の拡大図である。自転車１００２では、人力による駆動系と電動モータによる駆動系とを並列に設けられている。電動モータの駆動力が人力による駆動力の変化に対応して制御される。
【００２７】
発振回路３５は２００ｋＨｚの周波数の正弦波形の信号Ｓ３５を駆動源切替器３４に出力する。駆動源切替器３４の切り替えにより、信号Ｓ３５が駆動源切替器３４から出力信号Ｓ３４として出力される。そして、この出力信号はコンパレータからなる増幅器３６により増幅されるとともに、予め定められた閾値と比較されて矩形波の出力信号Ｓ３６に変換される。そして、増幅器３６からの出力信号Ｓ３６は、オペアンプ３９により、振幅が制限され、矩形波である駆動信号（駆動電圧）Ｓ３９が振動子２６、振動子２７における駆動電極２９に入力される。そうすると、振動子２６は固有周波数ｆａで弦振動し、一方、振動子２７は固有周波数ｆｂで弦振動する。この状態において、振動子２６における検出電極３０からの出力信号Ｓ３０を処理回路２８により、処理すると、周波数ｆａが検出され、同様に、第２の振動子２７における検出電極３０からは周波数ｆｂが検出される。
【００２８】
図６に示すように、人が自転車のペダルを踏み込むと、この踏み込みにより、チェーン４６に張力が発生した状態で、図７に示すように、回転軸４５が回転する。この回転により、回転軸４５から転がり軸受２１に、転がり軸受２１が後輪側に向かって移動する力が作用する。その力は、支持部２２ａを介して転がり軸受２１から応力伝達部材２２に作用し、応力伝達部材２２を後輪側に向かって付勢する。そして、支持部材４２の突部４４から応力伝達部材２２の当接部２３に反力が作用し、この反力が応力伝達部材２２における変形部２４に伝達されて、変形部２４に長手方向Ｄ２５の圧縮荷重が作用する。
【００２９】
図８は振動子２６、２７の固有周波数ｆａ、ｆｂを示す。図８に示すように、長手方向Ｄ２５の圧縮荷重が歪検出部材２５に印加されると、歪検出部材２５は方向Ｄ２６の引張荷重を生じる。すなわち、長手方向Ｄ２５の圧縮荷重が歪検出部材２５に作用すると、振動子２６の固有周波数ｆａは減少し、一方、振動子２７の固有周波数ｆｂは増加する。振動子２６、２７の双方の検出電極３０からの出力信号が処理回路２８におけるＩＶ変換器３１の反転入力端子３２に入力される。ＩＶ変換器３１における反転入力端子３２は仮想接地されているので、反転入力端子３２の電位Ｖ３２は図５に示すように一定である。そして、ＩＶ変換器３１からは図５に示すように、振動子２６、２７の双方の検出電極３０からの出力される電荷による電流を電圧に変換し、振動子２６、２７の周波数に応じた出力信号Ｓ３１が出力される。増幅器３３はＩＶ変換器３１からの出力信号Ｓ３１を反転させながら増幅して、図５に示すように出力信号Ｓ３３を出力する。増幅器３３からの出力信号Ｓ３３の周波数が２００ｋＨｚ以上の場合には、増幅器３３からの出力信号Ｓ３３は増幅器３６によりさらに増幅された後、コンパレータ３７により、図５に示す矩形波に変換されて出力信号Ｓ３７として出力される。すなわち、矩形波からなる出力信号Ｓ３７を周波数の変化量として得て、踏力を検出することができる。
【００３０】
図３に示す処理回路２８は振動子２６、２７のうちの一方の駆動電極２９と検出電極３０に接続されているが、荷重センサ１００１では、振動子２６、２７の双方の駆動電極２９と検出電極３０に接続されている。以下に処理回路２８を詳述する。
【００３１】
図９は荷重センサ１００１における処理回路２８の回路図である。図９において図３に示す処理回路２８と同じ部分には同じ参照番号を付す。処理回路２８では、オペアンプ３９とＩＶ変換器３１は振動子２６の駆動電極２９と検出電極３０にそれぞれ接続されている。図９に示す処理回路２８は、図３に示す駆動回路３８とＩＶ変換器３１と駆動源切替器３４と発振回路３５と増幅器３３、３６とコンパレータ３７とそれぞれ同様に動作する駆動回路１３８とＩＶ変換器１３１と駆動源切替器１３４と発振回路１３５と増幅器１３３、１３６とコンパレータ１３７とをさらに備える。駆動回路１３８は、駆動回路３８のオペアンプ３９と抵抗４０と同様に動作するオペアンプ１３９と抵抗１４０とを有する。オペアンプ１３９はオペアンプ３９の内部抵抗Ｒ１と同様の内部抵抗Ｒ１０１を有する。駆動回路１３８とＩＶ変換器１３１は振動子２７の駆動電極２９と検出電極３０にそれぞれ接続されている。図９に示す処理回路２８は周波数カウンタ５１、１５１と乗算器５２、１５２、１５３と減算器５３とをさらに備える。
【００３２】
図９に示す処理回路２８を有する荷重センサ１００１の動作を説明する。振動子２６、２７はそれらの振動の干渉を防ぐために、互いに異なる固有周波数を有する。図８に示すように、振動子２６、２７に歪が印加されるとそれらの固有周波数ｆａ、ｆｂが変化し、この周波数ｆａ、ｆｂの変化を測定することにより歪を検出する。
【００３３】
振動子２６、２７の機械的な振動を図２Ｂに示す検出電極３０の圧電層２３０が電荷に変換して電流として出力する。処理回路２８はその電流を検知し、主に、その電荷による電流を電圧に変換するＩＶ変換を行う機能と、振動子２６、２７の発振条件を満たすための増幅の機能と、振動子２６、２７が許容振幅内で駆動するために駆動電圧を制限する機能とを有する。
【００３４】
圧電層２２９、２３０を構成する圧電材料は誘電体でもあるので、駆動電極２９の下部電極層１２９と上部電極層３２９との間に容量が生成され、検出電極３０の下部電極層１３０と上部電極層３３０との間に容量が生成される。これらの容量により駆動周波数に以下に説明する誤差が発生する。誘電体は温度によりその誘電率が変化する温度特性を有するので、温度により容量が変化し駆動周波数も容量の変化に伴い変化して誤差となる。
【００３５】
荷重センサ１００１では、振動子２６（２７）に設けられた検出電極３０の上部電極層３３０がＩＶ変換器３１（１３１）の反転入力端子３２（１３２）に接続され、下部電極層１３０が基準電位Ｖｒｅｆに接続されている。オペアンプであるＩＶ変換器３１（１３１）の非反転入力端子３２ａ（１３２ａ）は基準電位Ｖｒｅｆに接続されており、したがって、ＩＶ変換器３１（１３１）の反転入力端子３２（１３２）は基準電位Ｖｒｅｆに仮想接地されている。これにより、振動子２６、２７の検出電極３０の下部電極層１３０と上部電極層３３０との間の電位差をゼロにすることができ、圧電層２３０で形成される容量への電流の流入を抑制し、歪に起因して発生する電荷による電流が検出電極３０から流出する時の容量に起因による駆動周波数の変動を抑制することができる。
【００３６】
さらに、駆動回路３８、１３８を構成するオペアンプ３９、１３９の内部抵抗Ｒ１、Ｒ１０１すなわち出力インピーダンスと、振動子２６、２７に設けられた駆動電極２９の容量とはローパスフィルタを構成する。オペアンプ３９、１３９の内部抵抗Ｒ１、Ｒ１０１すなわち出力インピーダンスを下げることにより、駆動電極２９の容量と駆動回路３８、１３８の出力インピーダンスとで生成されるローパスフィルタによる位相が振動子２６、２７の固有周波数の付近で変動しないようにすることができる。これにより、駆動電圧を印加した時の容量に起因する駆動周波数の変動を抑制できる。
【００３７】
処理回路２８では、コンパレータ３７、１３７から振動子２６、２７の振動と同じ周波数を有する矩形波が出力される。周波数カウンタ５１、１５１はコンパレータ３７、１３７から出力された矩形波の周波数すなわち振動子２６、２７の振動の周波数ｆａ、ｆｂを計測してデジタルデータとして出力する。振動子２６、２７に印加された歪は周波数ｆａ、ｆｂの自乗に比例する。振動子２６、２７の固有周波数は異なっているので、振動子２６，２７の感度すなわち歪の単位大きさあたりの固有周波数ｆａ、ｆｂの自乗の値は互いに異なる。振動子２６、２７の感度の比Ｋを用いて、乗算器５２、１５２、１５３と減算器５３は以下の式２で示す差分Ｉｄを算出する。
Ｉｄ＝ｆａ２−Ｋ×ｆｂ２  …（式２）
式２に示す差分Ｉｄは、振動子２６、２７に同一量の歪が発生する熱膨張などの要因に対しては理想的には変動しない。検出すべき外力に起因する歪に対しては振動子２６、２７の周波数変動量の極性が反対になるような箇所に振動子２６、２７が設置される。したがって、上記のようなキャンセル効果は発生せず。歪を検出することができる。
【００３８】
図１３から図１５に示す比較例としての従来のセンサ５０１においては、発振回路６がコルピッツ発振からなる電圧検知方式により構成されているため、センサ５０１の周囲の温度が変化すると振動子１の容量が変動する。図１０は比較例のセンサ５０１の振動子１の容量の変動に対する振動周波数の変動を示す。図１０に示すように、振動子１の容量が変動すると振動周波数が変動するため、センサ５０１からの出力信号の精度が劣化する。
【００３９】
図１１は実施の形態における荷重センサ１００１の振動子２６、２７の容量変動に伴う出力信号の振動周波数の変動を示す。実施の形態における荷重センサ１００１においては、駆動回路３８の内部抵抗Ｒ１を小さくしたので、周囲の温度の変化により駆動電極２９の容量が変動しても、内部抵抗Ｒ１（Ｒ１０１）と駆動電極２９の容量による駆動電圧とＩＶ変換器３１（１３１）からの電流との位相差を小さくすることができる。さらに、ＩＶ変換器３１（１３１）の反転入力端子３２（１３２）が仮想接地されているので、ＩＶ変換器３１（１３１）からの電流が振動子２６、２７に設けられた検出電極３０の容量成分に流れる電流に影響を及ぼさなくなる。これにより、図１１に示すように、振動子２６、２７の駆動電極２９や検出電極３０の容量が、振動子２６、２７の固有周波数に影響を及ぼさない。したがって、周囲の温度が変動することにより振動子２６、２７の駆動電極２９や検出電極３０の容量が変化しても、出力信号の周波数は変動せず、精度が安定している。
【００４０】
図１２は荷重センサ１００１における他の処理回路２８ａの回路図である。図１２において図９に示す処理回路２８と同じ部分には同じ参照番号を付す。処理回路２８ａは、増幅器３３、１３３の出力する信号の位相を調整する位相調整器８０、１８０をさらに有する。駆動電極２９、１２９と検出電極３０、１３０は前述のように容量を有する。これらの容量により、検出電極３０、１３０から出力される信号に基づいて生成された駆動信号は振動子２６、２７の機械的な振動に対してそれぞれ位相差が発生する。図３や図９に示す処理回路２８では、これらの位相差により振動子２６、２７を効率的に振動させることが困難になる場合がある。
【００４１】
図１２は処理回路２８ａでは、位相調整器８０、１８０が増幅器３３、１３３の出力する出力信号を移相してそれらの信号の位相を調整して出力する。駆動回路３８、１３８は位相調整器８０、１８０が出力する出力信号に基づいて駆動信号を生成し、振動子２６、２７の駆動電極２９にそれぞれ供給する。これにより、振動子２６．２７を効率よく振動させることができる。
【産業上の利用可能性】
【００４２】
本発明の荷重センサは、周囲の温度が変動しても、出力信号の精度が劣化するということのない特性の向上した荷重センサを提供できるという効果を有するものであり、特に、電動モータ付き自転車に使用される荷重センサにおいて有用である。
【符号の説明】
【００４３】
２６    振動子
２７    振動子
２９    駆動電極
３０    検出電極
３１    ＩＶ変換器
３２    反転入力端子
３８    駆動回路
３９    オペアンプ
４０    抵抗
Ｒ１    内部抵抗
【図１】
2013132842.tif 000003
【図２Ａ】
2013132842.tif 000004
【図２Ｂ】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
2013132842.tif 000009
【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
2013132842.tif 000015
【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【手続補正書】
【提出日】平成26年8月6日(2014.8.6)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００５】
従来のセンサ５０１について、次にその動作を説明する。図１６は振動子１の振動周波数を示す。図１６において、横軸は振動子１の周囲の気圧を示し、縦軸は振動周波数の変動を示す。気圧が変化すると、図１６に示すように、振動子１の振動周波数が変化する。そうすると、発振回路６がその振動周波数にて発振し、波形整形用インバータ１１から、図１４に示すゲート１２に発振信号が出力される。ゲート１２は閉じた状態から所定の時間だけ開いて発振信号を通過させる。通過した発振信号のピークの数をカウンタ１３によりカウントし、振動子１の振動周波数を検知することにより、センサ５０１の周囲の気圧を測定する。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１５】
図３は荷重センサ１００１の処理回路２８の一部の回路図である。処理回路２８は、ＩＶ変換器３１と、増幅器３３、３６と、駆動源切替器３４と、発振回路３５と、コンパレータ３７と、駆動回路３８とを有する。ＩＶ変換器３１は検出電極３０から出力される電荷よりなる電流を電圧に変換する。ＩＶ変換器３１は、反転入力端子３２と、非反転入力端子３２ａと、出力端子３２ｂとを有するオペアンプを有する。ＩＶ変換器３１の非反転入力端子３２ａは基準電位に接続されて接地されており、これにより反転入力端子３２は仮想接地されている。増幅器３３はＩＶ変換器３１から出力される出力信号を増幅している。発振回路３５は２００ｋＨｚの周波数の信号を出力し、実施の形態ではＣＲ発振回路よりなる。駆動源切替器３４は増幅器３３からの出力信号が入力される。駆動源切替器３４は、増幅器３３からの出力信号の周波数が２００ｋＨｚ未満の場合には発振回路３５から出力信号を増幅器３６に入力する。一方、増幅器３３からの出力信号の周波数が２００ｋＨｚ以上の場合には増幅器３３からの出力信号を増幅器３６に入力する。これにより、振動子２６、２７がそれらの固有周波数で振動するまでの間にコンパレータ３７の出力から後段の回路を動作させることができ、荷重センサ１００１の起動時間を短くすることができる。増幅器３６は入力された信号を増幅して出力信号として出力する。増幅器３６からの出力信号はコンパレータ３７に出力される。コンパレータ３７は、増幅器３６からの出力信号を予め決められた閾値と比較し、増幅器３６からの出力信号を矩形波形に成形して出力する。増幅器３６からの出力信号は駆動回路３８に入力されている。駆動回路３８は、振動子２６、２７を振動させる駆動電圧を駆動電極２９に供給する。駆動回路３８は検出電極３０から出力される出力信号に基づいて駆動電圧を生成する。駆動回路３８はオペアンプ３９と抵抗４０とで構成されている。オペアンプ３９の内部抵抗Ｒ１は、駆動信号（駆動電圧）の角周波数ω（ｒａｄ／ｓｅｃ）と、許容される位相差φ（度）と振動子２６または振動子２７の駆動電極２９の容量Ｃ（Ｆ）とにより式１を満たす。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２７】
発振回路３５は２００ｋＨｚの周波数の正弦波形の信号Ｓ３５を駆動源切替器３４に出力する。駆動源切替器３４の切り替えにより、信号Ｓ３５が駆動源切替器３４から出力信号Ｓ３４として出力される。そして、この出力信号はコンパレータからなる増幅器３６により増幅されるとともに、予め定められた閾値と比較されて矩形波の出力信号Ｓ３６に変換される。そして、増幅器３６からの出力信号Ｓ３６は、オペアンプ３９により、振幅が制限され、矩形波である駆動信号（駆動電圧）Ｓ３９が振動子２６、振動子２７における駆動電極２９に入力される。そうすると、振動子２６は固有周波数ｆａで弦振動し、一方、振動子２７は固有周波数ｆｂで弦振動する。この状態において、振動子２６における検出電極３０からの出力信号Ｓ３０を処理回路２８により、処理すると、周波数ｆａが検出され、同様に、振動子２７における検出電極３０からは周波数ｆｂが検出される。
【国際調査報告】
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