(57)【要約】【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
2015025796.tif 000002
【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、含む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】
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
ことを特徴とする請求項１の水晶振動子を用いた荷重センサ。
【請求項３】
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長手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または2の水晶振動子を用いた荷重センサ。
【請求項４】
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長手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３又は４に記載の水晶振動子を用いた荷重センサ。
【請求項６】
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３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長手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３乃至６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８】
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け部と、該荷重受部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または２の水晶振動子を用いた荷重センサ。
【請求項９】
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８の水晶振動子を用いた荷重センサ。
【請求項１０】
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８または９の水晶振動子を用いた荷重センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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。
【背景技術】
【０００２】
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。
【０００３】
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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００８−２８１３８７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上記従来の荷重センサでは、容器とその開口に嵌め入れられた上蓋との間の摺動摩擦が存在し、測定の応答性が十分に得られず、生体情報などの波形がなまるとともに、その摺動摩擦によって測定荷重にヒステリシスが発生するので、荷重波形や荷重の絶対値について、十分な精度が得られないという欠点があった。
【０００６】
本発明は、以上の事情を背景として為されたものであり、その目的とするところは、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ことにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
前記目的を達成する為の本発明の要旨とするところは、(a) 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、(b) 前記保持器は、(b-1) 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、(b-2) 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、(b-3) 該荷重受部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、含むことにある。
【発明の効果】
【０００８】
このようにすれば、荷重センサにおいて、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は、(b-1) 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、(b-2) 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、(b-3) 該荷重受部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、含むことから、荷重を受けて水晶振動子の一端部に伝達する荷重受部材は、一対の側柱部の先端部と該荷重受部との間を連結する板ばね状の弾性ヒンジ部材の弾性変形により、該荷重受部の前記基底部へ向かう方向の変位が許容されるので、荷重の変化に応答して微小変位するときに摺動摩擦がない。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。
【０００９】
ここで、好適には、前記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は、共通の板材から一体に形成されたものである。このため、たとえばＭＥＭＳ技術によって微小な加工が可能となり、小さな保持器から構成される荷重センサが一層小型となる。
【００１０】
また、好適には、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長手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。このため、水晶振動子を用いた荷重センサにおいて、保持器により水晶振動子が保持されて外部荷重が水晶振動子に単純圧縮荷重として負荷され、ネジ部材により保持部材がケース内に封入されて保持部材に対して前荷重が負荷され、その前荷重の負荷時に保持部材へ作用するねじりがスラスト軸受により抑制されるか或いは生じさせられない。このように、水晶振動子を用いた荷重センサの筐体形成において前荷重印加の仕組みを加えることで、前荷重印加と共に筐体の組立てが完了させられる。従って、筐体組立ての工程に前荷重印加の工程が含められ、例えばセンサ配線、筐体組立て、前荷重印加の３工程が、センサ配線、筐体組立ての２工程に簡略化される。加えて、前荷重を印加する為の専用の部品を備えることなく、保持部材や筐体により前荷重を印加でき、水晶振動子を用いた荷重センサの部品点数が低減される。よって、前荷重を印加する為の工程を簡略化し、前荷重を印加する為の部品点数の増加を抑制することができる、水晶振動子を用いた荷重センサが提供される。
【００１１】
また、好適には、前記保持器は、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。このため、水晶振動子を用いた荷重センサにおいて、前記保持器は、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いるので、保持部材により水晶振動子が安定に保持されて外部荷重が効率良く水晶振動子にその一端部から他端部に向かう一軸線に沿う単純圧縮荷重として負荷される。又、一体構造とされた保持器により組立ての簡略化が図られる。又、一対の弾性ヒンジ部材により長手方向以外の外部荷重が低減されるとともに、摺動抵抗の発生が防止される。又、ネジ部材により保持部材に対して負荷された前荷重が保持部材を介して水晶振動子へ適切に伝達される。この際、一対の側柱部がネジ部材の締込みによる長手方向に対するストッパとして機能することから、前荷重の印加に特別な調整を必要とすることなく、略一定の前荷重を印加することが可能である。
【００１２】
また、好適には、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長手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。このため、保持部材により外部荷重が効率良く水晶振動子に単純圧縮荷重として負荷される。
【００１３】
また、好適には、前記ネジ部材は、相対回転不能に前記保持器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、前記保持器と前記ケースの他方端の面との間に配設されている。このため、ネジ部材により保持部材がケース内に適切に固定された状態で封入され、前荷重の負荷時に保持部材へ作用するねじりがスラスト軸受により適切に抑制されるか或いは生じさせられない。
【００１４】
また、好適には、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長手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。このため、水晶振動子を用いた荷重センサが適切に構成される。
【００１５】
また、好適には、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側部に有し、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一対の保持板から構成され、その一対の保持板には、前記水晶振動子の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と、該荷重受部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。このため、水晶振動子の一対の線状切込溝に挟まれる部分の拘束が無く且つ水晶振動子の一端部に密着する荷重受部は、前記一対の側柱部の先端部と該荷重受部との間を連結する板ばね状の一対の弾性ヒンジ部材により、それが前記基底部へ向かう方向の変位が許容されるので、荷重の変化に応答して微小変位するときに摺動摩擦がない。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を有する荷重センサが得られる。
【００１６】
また、好適には、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。このようにすれば、荷重センサの生産性が高められ且つ組立てが容易となるので、安価な荷重センサが得られる。
【００１７】
また、好適には、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。このようにすれば、荷重センサの生産性が高められ且つ組立てが容易となるので、一層安価な荷重センサが得られる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明が適用される実施例１の荷重センサを例示する斜視図である。
【図２】図１の荷重センサの内部の構成を模式的に示す斜視図である。
【図３】図１の荷重センサの内部に収容された保持部材を水晶振動子と共に示す斜視図である。
【図４】図３に示す保持部材及び水晶振動子の正面図である。
【図５】荷重センサを含むシステム全体の構成の一例を説明する図である。
【図６】負荷荷重に対する水晶振動子の特性の一例を示す図であって、保持部材のみを実装した状態における荷重負荷実験の結果である。
【図７】負荷荷重に対する水晶振動子の特性の一例を示す図であって、前荷重を負荷させた荷重センサにおける荷重負荷実験の結果である。
【図８】高負荷時に微小負荷を加えたときの荷重センサの特性を示す図である。
【図９】本発明が適用される荷重センサの他の例を示す模式図である。
【図１０】本発明が適用される保持部材の他の例を示す模式図である。
【図１１】本発明が適用される実施例２の荷重センサを例示する斜視図である。
【図１２】図１１の実施例の荷重センサを幅方向の中央で縦方向に切断した斜視図である。
【図１３】図１１の実施例の荷重センサの組み立て前の状態を示す斜視図である。
【図１４】図１１に示される荷重センサにおける負荷荷重に対する周波数特性を示す図である。
【図１５】図１１に示される荷重センサの製造工程を説明する工程図である。
【図１６】図１１に示される荷重センサに含まれる水晶振動子の製造工程中の加工状態をそれぞれ示す断面図である。
【図１７】図１１に示される荷重センサに含まれる保持板の製造工程中の加工状態をそれぞれ示す断面図である。
【図１８】図１１に示される荷重センサの組立て状態を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、本発明の一実施例を図面を参照して詳細に説明する。尚、以下の実施例において図は適宜簡略化或いは変形されており、各部の寸法比、形状等は必ずしも正確に描かれていない。
【実施例１】
【００２０】
図１は、本発明が適用される荷重センサ１０を示す斜視図である。図２は、図１の荷重センサ１０の内部の構成を模式的に示す斜視図である。図３は、図１の荷重センサ１０の内部に収容された保持器１２を水晶振動子１４と共に示す斜視図である。図４は、図３に示す保持器１２及び水晶振動子１４を示す正面図である。図１−図４において、荷重センサ１０は、保持器１２、水晶振動子１４、ケース１６、ネジ部材１８、スラスト軸受２０、電線２２、電線２４などを備えている。荷重センサ１０は、水晶振動子１４に対してその断面中心線Ｃに沿った厚み方向Ｄと垂直な長手方向Ｌに力を付与することで外部荷重Ｆを検出する、水晶振動子１４を用いた荷重センサである。水晶振動子１４は、保持器１２よりも十部に薄い厚みを有している。
【００２１】
ケース１６は、一方端が開口した円筒容器形状をしており、その開口側の内面に雌ネジ山１６ａが施されている。ケース１６は、他方端の面１６ｂに貫通孔１６ｃが形成されている。ケース１６は、ネジ山１６ａにネジ部材１８が締められることで、そのネジ部材１８と共に筐体２６を形成する。つまり、荷重センサ１０の筐体２６は全体として円筒形状をしており、ネジ部材１８によって保持器１２、水晶振動子１４、スラスト軸受２０などが筐体２６内に封入されている。筐体２６の材料は、例えば剛性が高いステンレス鋼(SUS302)である。筐体２６は、旋盤等の機械加工を行うことで形成される。
【００２２】
保持器１２は、外部荷重Ｆを薄板状の水晶振動子１４に伝達可能に水晶振動子１４に対して長手方向Ｌの一端部および他端部を挟持して水晶振動子１４を保持する。又、保持器１２は、外部荷重Ｆを水晶振動子１４に伝達可能にケース１６に収容されている。具体的には、保持器１２は、水晶振動子１４を安定に保持して、外部荷重Ｆを効率良く水晶振動子１４にその断面中心線Ｃ方向の単純圧縮荷重として負荷する為に、以下に説明する構成を採用している。すなわち、保持器１２は、所定寸法を隔てた互いに平行な一対の側柱部１２ｄ、１２ｅおよびそれら一対の側柱部１２ｄ、１２ｅの基端を連結する基底部１２ｂ有し、一対の側柱部１２ｄ、１２ｅの間に位置する水晶振動子１４の他端部が基底部１２ｂに固定された保持部材１２ａと、一対の側柱部１２ｄ、１２ｅの一端部よりも基底部１２ｂとは反対側へ突き出し、外部荷重Ｆを受けて水晶振動子の一端部に伝達する荷重受部材１２ｆと、その荷重受部材１２ｆの基底部１２ｂへ向かう方向の変位を許容しつつ一対の側柱部１２ｄ、１２ｅの先端部と荷重受部材１２ｆとの間を連結する２枚の板ばね状の一対の弾性ヒンジ部材１２ｃとを備えて、略枠形状を成している。本実施例の荷重受部材１２ｆは、基底部１２ｂ側へ突き出してその基底部１２ｂとの間で水晶振動子１４を狭持する当接部１２ｇを備えている。当接部１２ｇは、幅方向Ｗの長さが水晶振動子１４の幅方向Ｗの長さ以上とされている。
【００２３】
このように構成される保持器１２は、組立ての簡略化を図る為に、一体構造とされている。具体的には、保持器１２の材料は、例えば繰返し応力に強く高い剛性を有し、且つ板ばねとして優れた特性を持つリン青銅(C5210)の板材から、エンドミルまたはワイヤー放電による加工により形成する。この保持器１２の厚みは、水晶振動子１４よりも厚く設定されている。
【００２４】
水晶振動子１４には、例えば温度安定性に優れたＡＴカット水晶を用いている。ＡＴカット水晶振動子は、外部からの印加電圧により電極部に厚み滑り振動を生じ、外力に対して正確に比例した共振周波数での電気周期信号として出力を得ることができる。水晶振動子１４は、例えば長手方向Ｌすなわち荷重負荷方向の断面を小さくすることによって負荷荷重に対する水晶への負荷応力を増大させて感度の向上を図る為に、長手方向Ｌの長さが、長手方向Ｌとは垂直な幅方向Ｗの長さよりも長くされている。水晶振動子１４の平面上の略中央部分には、厚み方向Ｄに対向する一対の電極２８が略円形形状にそれぞれ設けられている。電極２８は、水晶振動子１４の平面上を対角方向に相反するように各々パターンが端部近くまで伸びている。この端部近くのパターンのところで電線２２が連結される。本実施例では、発振源となる略円形の電極２８から電線２２や保持器１２との距離をとることで、Ｑ値の向上を図っている。
【００２５】
このように構成される水晶振動子１４は、例えば薄板形状のＡＴカット水晶ウェハの両面にLift-offプロセスを用いて電極を成膜し、ダイシングによる分割を行うことで形成される。具体的には、ＡＴカット水晶ウェハ上に、先ず犠牲層をパターンニングし、次にＣｒ及びＡｕをスパッタして電極を形成した後、犠牲層を除去する。この一連のプロセスを両面に行って電極をパターンニングし、電極完成後、ダイシングソーによってカットして複数個の水晶振動子１４を形成する。
【００２６】
ネジ部材１８は、保持器１２をケース１６内に封入して保持器１２に対して前荷重(予荷重)Ｆpreを負荷する為に、ケース１６内に収容された保持器１２を介して水晶振動子１４に対して長手方向Ｌに力を印加した状態でケース１６のネジ山１６ａに締められる。具体的には、ネジ部材１８は、保持器１２をケース１６内に適切に固定された状態で封入する為に、相対回転不能に保持部材１２ａの一部を受け入れる溝１８ａが形成されている。そして、ネジ部材１８は、溝１８ａに保持器１２を収容した状態(例えば固定した状態で)でネジ山１６ａに締められ、ケース１６と共に筐体２６を形成する。又、ネジ部材１８は、外周の一部を切り欠いて欠損させることで連通溝１８ｂが形成されている。連通溝１８ｂは、筐体２６の内外を連通させるように長手方向Ｌに連通する連通溝であれば良く、略半円筒形状、略矩形形状など種々の態様が採用され得る。
【００２７】
電線２２は、水晶振動子１４の平面上にて端部近くまで伸びた電極２８のパターン上にて、電極２８の各々と連結されて電気的に接続されている配線用の銅線である。電線２４は、電線２２よりも大径の配線用の銅線であり、ネジ部材１８の筐体２６内側の面１８ｃ上に固設された中継基板３０を介して(或いは直接的に)電線２２と連結されて電気的に接続されている。電線２２等を介して電極２８の各々と間接的に連結された電線２４は、連通溝１８ｂを介して筐体２６外に導出されている。尚、電極２８の各々と直接的に連結された電線２２がそのまま、連通溝１８ｂを介して筐体２６外に導出されるような態様であっても良い。
【００２８】
スラスト軸受２０は、前荷重Ｆpreの負荷時に保持器１２へ作用するねじりを抑制するか或いは生じさせない為に、ネジ部材１８とケース１６の他方端の面１６ｂとの間に配設されて、ネジ部材１８によるねじ締め時のねじり方向Ｓの力が保持器１２へ作用することを抑制すると共に長手方向Ｌの力が保持器１２へ伝達されることを許容する、例えば公知のボールベアリングである。具体的には、スラスト軸受２０は、保持器１２とケース１６の他方端の面１６ｂとの間に配設されている。スラスト軸受２０は、相対回転不能に保持器１２の一部を受け入れる溝２０ａが形成されている。
【００２９】
ケース１６、スラスト軸受２０、保持器１２、及びネジ部材１８を備える荷重センサ１０では、ネジ部材１８により保持器１２に対して前荷重Ｆpreが負荷され、保持器１２を介してその前荷重Ｆpreが水晶振動子１４へ適切に伝達される。この際、保持器１２の一対の側柱部１２ｄ，１２ｅは、ネジ部材１８の締込みによる長手方向Ｌに対するストッパとして機能する。従って、ネジ部材１８の締込みによる前荷重Ｆpreの印加に関して特別な調整をすることなく、略一定の前荷重Ｆpreを印加することができる。又、前荷重Ｆpreを負荷することによって、荷重センサ１０の組立てに際して生じる保持器１２と水晶振動子１４との間の隙間を埋め、荷重センサ１０の立ち上がりを良くすることができる。
【００３０】
図５は、荷重センサ１０を含むシステム全体の構成を説明する図である。荷重センサ１０のシステムを構成する要素としては、荷重センサ１０、荷重センサ１０の主要部である水晶振動子１４の発振を持続して行わせる為の発振回路３２、発振回路３２から出力される周期信号の周波数を読み取る為の周波数カウンタ３４、及び発振回路３２等へ電源を供給する為の電源回路３６などである。発振回路３２は、回路構成要素が少なく、小型化が容易なＣＭＯＳゲート型を用いており、ノイズ除去の為に、バイパスコンデンサなどが取り付けられている。
【００３１】
以下に、試作した荷重センサ１０の一例における主な部位の寸法を示す。これに示されるように、本実施例の荷重センサ１０は、十分に小型に構成される。
・筐体２６：φ6[mm]、高さ(長手方向Ｌ)8[mm]
・水晶振動子１４：長手方向Ｌ3.5[mm]、幅方向Ｗ2.0[mm]、厚み方向Ｄ0.1[mm]
・保持器１２：長手方向Ｌ7[mm]、幅方向Ｗ4.2[mm]
・当接部１２ｇ：長手方向Ｌ1.0[mm]
・ヒンジ部材１２ｃ：長手方向Ｌ0.1[mm]
・電極２８(中心部)：φ1[mm]、厚み方向Ｄ250[nm]
・電線２２：φ0.05[mm]
【００３２】
以下に、上述したように試作した荷重センサ１０における解析結果を説明する。水晶振動子１４を挟む保持器１２のみを実装した状態(図３，４参照)において、長手方向Ｌから10[Ｎ]の外部荷重Ｆを負荷したときに水晶振動子１４に加わる負荷荷重は8.6[Ｎ]となった(水晶振動子１４の中心部の応力43[ＭＰa]、水晶断面2.0[mm]×0.1[mm]より算出)。ここで、「与えられた外力に対して水晶振動子１４に付与される荷重」を「力の変換率」と定義すると、本実施例の荷重センサ１０では、力の変換率が86(=(8.6/10)×100)[％]となり、感度の向上が図られた。解析によって算出された水晶振動子１４の許容負荷荷重は36[Ｎ]であった。
【００３３】
図６及び図７は、水晶振動子１４に加わる負荷荷重に対する水晶振動子１４の特性を示す図である。図６は、水晶振動子１４を挟む保持器１２のみを実装した状態(図３，４参照)における荷重負荷実験の結果である。又、図７は、ネジ部材１８による締め付けによって、前荷重Ｆpreを10[Ｎ]負荷させた荷重センサ１０(図１参照)における荷重負荷実験の結果である。この荷重負荷実験では、実験装置台鉛直上に、長手方向Ｌを合わせるように保持器１２のみ或いは荷重センサ１０を配置し、負荷荷重を与える。その与えた負荷荷重をロードセルにより計測し、同時に、発振回路３２に接続された水晶振動子１４による出力を周波数カウンタ３４により計測することで、水晶振動子１４への負荷荷重に対する周波数の変化を計測した。
【００３４】
図６において、水晶振動子１４の共振周波数は、略5[Ｎ]の負荷荷重が印加されるまでは周波数変化が得られなかった。又、水晶振動子１４の共振周波数は、略10[Ｎ]の負荷荷重が印加されて以降は高い線形性を有した周波数変化が見られた。従って、本実施例の荷重センサ１０では、略10[Ｎ]の前荷重Ｆpreを負荷させると、立ち上がりが良好で、外力に対して正確に比例した値が得られる荷重センサを構成できることが分かる。図７に示す解析結果は、図６の実験結果を反映させた荷重センサ１０における実験結果である。
【００３５】
図７において、外部荷重Ｆと水晶振動子１４の共振周波数との関係を示す近似直線Ａは、次式(１)で表される(ｘ：外部荷重Ｆ[Ｎ]、Ｙ：共振周波数[MHz])。近似直線Ａにおける相関係数はＲ２=0.9972であり、良好な線形性が得られている。又、センサ感度は、896[Hz/Ｎ]であり感度の向上が図られた。
Ｙ＝896ｘ×10−６＋16.491      ・・・(１)
【００３６】
図８は、高負荷時に微小負荷を加えたときの荷重センサ１０の特性を示す図である。この実験では、試作した荷重センサ１０に対して、2.0[kg]のおもりを吊した後に、1.0[g]のおもりを乗せ、荷重センサ１０の出力の変化(すなわち周波数の変化)を計測した。この実験に際しては、おもりを吊したのちにそのおもりの揺れによる出力の変動が収まるまで十分に時間を取り、その後に1.0[g]のおもりを乗せた。図８において、2.0[kg]のおもりに対して、荷重センサ１０の破損などはなく、荷重センサ１０の出力は19,200[Hz]程度の変動が見られた。又、1.0[g]のおもりに対して、荷重センサ１０の出力は10[Hz]程度の変動が見られた。これにより、荷重センサ１０は、高負荷時に微小力の計測が可能であることが分かる。つまり、荷重センサ１０は、ワイドレンジで高感度な荷重センサであることが分かる。
【００３７】
上述のように、本実施例の水晶振動子１４を用いた荷重センサ１０によれば、薄板形状の水晶振動子１４の一端部および他端部を保持する保持器１２は、(b-1) 所定寸法を隔てた一対の側柱部１２ｄ、１２ｅおよびそれらの一対の側柱部１２ｄ、１２ｅの基端を連結する基底部１２ｂを有し、それらの該一対の側柱部１２ｄ、１２ｅの間に位置する水晶振動子１４の他端部がその基底部１２ｂに固定された保持部材１２ａと、(b-2) 一対の側柱部１２ｄ、１２ｅの一端部よりも基底部１２ｂとは反対側へ突設され、外部荷重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と、(b-3) その荷重受部材１２ｆの基底部１２ｂへ向かう方向の変位を許容しつつ一対の側柱部１２ｄ、１２ｅの先端部とその荷重受部材１２ｆとの間を連結する２枚の板ばね状の一対の弾性ヒンジ部材１２ｃとを、含む。これにより、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は、一対の側柱部１２ｄ、１２ｅの先端部とその荷重受部材１２ｆとの間を連結する板ばね状の弾性ヒンジ部材１２ｃの弾性変形により、荷重受部材１２ｆの基底部１２ｂ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。
【００３８】
また、本実施例の水晶振動子１４を用いた荷重センサ１０によれば、一対の側柱部１２ｄ、１２ｅおよび基底部１２ｂを含む保持部材１２ａと荷重受部材１２ｆと一対の弾性ヒンジ部材１２ｃとは、共通の板材である燐青銅板から一体に形成されたものであるため、たとえばＭＥＭＳ技術によって微小な加工が可能となり、小さな保持器１２から構成される荷重センサ１０が一層小型となる。
【００３９】
また、本実施例の水晶振動子１４を用いた荷重センサ１０によれば、保持器１２とケース１６とネジ部材１８とスラスト軸受２０とを備えることから、保持器１２により水晶振動子１４が安定に保持されて外部荷重Ｆが効率良く水晶振動子１４に単純圧縮荷重として負荷され、ネジ部材１８により保持器１２がケース１６内に適切に固定された状態で封入されて保持器１２に対して前荷重Ｆpreが負荷され、前荷重Ｆpreの負荷時に保持器１２へ作用するねじりがスラスト軸受２０により適切に抑制されるか或いは生じさせられない。このように、荷重センサ１０の筐体２６の形成において前荷重Ｆpreを印加する仕組みを加えることで、前荷重Ｆpreの印加と共に筐体２６の組立てが完了させられる。従って、筐体２６の組立て工程に前荷重Ｆpreの印加工程が含められ、例えばセンサ配線、筐体組立て、前荷重印加の３工程が、センサ配線、筐体組立ての２工程に簡略化される。加えて、前荷重Ｆpreを印加する為の専用の部品を備えることなく、保持器１２や筐体２６により前荷重Ｆpreを印加でき、荷重センサ１０の部品点数が低減される。よって、前荷重Ｆpreを印加する為の工程を簡略化し、前荷重Ｆpreを印加する為の部品点数の増加を抑制することができる、水晶振動子１４を用いた荷重センサ１０が提供される。
【００４０】
また、本実施例によれば、一体構造とされた保持器１２により組立ての簡略化が図られる。又、ヒンジ部材１２ｃにより長手方向Ｌ以外の外部荷重が一層低減される。又、ネジ部材１８により保持器１２に対して負荷された前荷重Ｆpreが保持器１２を介して水晶振動子１４へ適切に伝達される。この際、保持部材１２ａの側柱部１２ｄ，１２ｅがネジ部材１８の締込みによる長手方向Ｌに対するストッパとして機能することから、前荷重Ｆpreの印加に特別な調整を必要とすることなく、略一定の前荷重Ｆpreを印加することが可能である。
【００４１】
また、本実施例によれば、保持器１２の荷重受付部１２ｆは、ケース１６の貫通孔１６ｃを通って筐体２６外に一部が突出させられているので、外部荷重Ｆが効率良く水晶振動子１４に単純圧縮荷重として負荷される。
【００４２】
また、本実施例によれば、電線２２或いは電線２４は、ネジ部材１８の連通溝１８ｂを介して筐体２６外に導出されているので、水晶振動子１４を用いた荷重センサ１０が適切に構成される。
【実施例２】
【００４３】
次に、本発明の他の実施例の荷重センサ５０を説明する。なお、以下の説明において前述の実施例と共通する部分には同一の符号を付して説明を省略する。
【００４４】
図１１は荷重センサ５０を示す斜視図であり、図１２は幅方向の中央において縦方向に切断した荷重センサ５０の斜視図、図１３は荷重センサ５０の３層構造を説明するための組み立て前の図である。
【００４５】
荷重センサ５０は、薄板形状の水晶振動子１４の一端部および他端部を保持する保持器５２を備え、その水晶振動子１４の一端部に他端部に向かう方向すなわち断面中心を通る軸線Ｃの方向の外部荷重Ｆを受けることでその外部荷重Ｆを検出する。保持器５２は、水晶振動子１４の底部および側部に接着或いは接合により密着してそれを挟む２枚の保持板５４から構成されている。２枚の保持板５４は、たとえばＳｉ基板から、ＭＥＭＳ技術で用いられる深堀りホトエッチングによってそれぞれ一体に、同様に構成される。
【００４６】
保持器５２を構成する２枚の保持板５４は、所定寸法を隔てた一対の側柱部５４ｄ、５４ｅおよびそれら一対の側柱部５４ｄ、５４ｅの基端を連結する基底部５４ｂを有し、一対の側柱部５４ｄ、５４ｅの間に位置する水晶振動子１４の他端部がその基底部５４ｂに固定された保持部材５４ａと、一対の側柱部５４ｄ、５４ｅの一端部よりも基底部５４ｂとは反対側へ突設され、外部荷重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５４ｆと、荷重受部材５４ｆの基底部５４ｂへ向かう方向の変位を許容しつつ一対の側柱部５４ｄ、５４ｅの先端部と荷重受部材５４ｆとの間を連結する一枚の板ばね状の一対の弾性ヒンジ部材５４ｃとを、それぞれ備えている。
【００４７】
水晶振動子１４は、一端部から他端部に向かって前記基底部５４ｂに至るまで切り込まれ且つ厚み方向に連通する互いに平行な一対の線状切込溝１４ａを備えている。水晶振動子１４は、それら一対の線状切込溝１４ａの間には接触しない状態で、それら一対の線状切込溝１４ａの外側に位置する部分と一対の線状切込溝１４ａの下側に位置する部分とにおいて保持器５２により挟持されている。
【００４８】
一対の保持板５４には、水晶振動子１４の一対の線状切込溝１４ａの間の面との間に隙間Ｓを形成する矩形状の凹面Ｄと、荷重受部材５４ｆおよび一対の弾性ヒンジ部材５４ｃを分離するために厚み方向に貫通するハット(鍔付帽子)形状のスロット５６と、水晶振動子１４の電極２８に一端が接続されたリード線５８を挿通させるリード線穴６０とが形成されている。
【００４９】
これにより、一対の保持板５４には、凹面Ｄの外側に位置して、水晶振動子１４の一対の線状切込溝１４ａの外側に密着する一対の側柱部５４ｄ、５４ｅと、凹面Ｄの下側すなわち水晶振動子１４の他端部側に位置して、水晶振動子１４の他端部に密着する基底部５４ｂと、凹面Ｄの上側すなわち水晶振動子１４の一端部側に位置して、水晶振動子１４の一端部に密着する荷重受部材５４ｆと、凹面Ｄの上側すなわち水晶振動子１４の一端部側に位置して、荷重受部材５４ｆの基底部５４ｂへ向かう方向の変位を許容しつつ一対の側柱部５４ｄ、５４ｅの先端部と荷重受部材５４ｆとの間を連結する板ばね状の一対の弾性ヒンジ部材５４ｃとが、それぞれ形成されている。
【００５０】
以上のように構成された荷重センサ５０は、たとえば水晶振動子１４が３．５ｍｍ程度の高さ、２．０ｍｍ程度の幅、０．１ｍｍ程度の厚みであるとすると、５．５ｍｍ程度の高さ、４．２ｍｍ程度の幅、０，８ｍｍ程度の厚み寸法であり、十分に小型に構成される。
【００５１】
図１４は、上記の荷重センサ５０を、図５に示すものと同様の、発振回路３２、発振回路３２から出力される周期信号の周波数を読み取る為の周波数カウンタ３４、及び発振回路３２等へ電源を供給する為の電源回路３６を用いて測定した出力特性を示している。図１４において、外部荷重Ｆと水晶振動子１４の共振周波数との関係を示す近似直線Ｂは、次式(２)で表される(ｘ：外部荷重Ｆ[Ｎ]、Ｙ：共振周波数[MHz])。近似直線Ｂは、水晶振動子１４の共振周波数が、荷重Ｆに対する高い線形性を有することを示している。相関係数はＲ２=0.993297であり、良好な線形性が得られている。又、センサ感度は、1191[Hz/Ｎ]であり感度の向上が図られた。
Y＝0.001191x＋15.910815      ・・・(２)
【００５２】
図１５は上記荷重センサ５０の製造工程を説明する工程図であり、図１６は荷重センサ５０の各製造工程Ｐ１〜Ｐ４における水晶振動子１４の中間形状を示し、図１７は保持器５２の各製造工程Ｐ５〜Ｐ８における保持板５４の中間形状を示し、図１８は個々の荷重センサ５０への分離前の水晶振動子１４と保持板５４との組立て状態を示している。
【００５３】
図１５において、電極形成工程Ｐ１では、水晶基板ＣＰの両面において固着され且つ複数個の電極２８に対応する形状のパターンが抜かれた図示しないホトレジストの上から電極２８の材料Ｃｒ／Ａｕをスパッタ装置を用いて成膜し、次いでそのホトレジストをリフトオフすることで、図１３に示すパターンの複数個分のＣｒ／Ａｕ製の電極２８がスパッタ装置を用いて水晶基板ＣＰの両面にそれぞれ固着される。図１６の(a)はこの状態を示している。水晶基板ＣＰは、シリコン基板Ｓｉよりも十分に薄い厚みを有している。
【００５４】
次いで、ホトレジスト積層工程Ｐ２では、エッチングのためのポジ型ホトレジストフィルムＰＰＲが上記水晶基板ＣＰの一面に積層(ドライフィルムラミネーティング)される。図１６の(b)はこの状態を示している。
【００５５】
続くパターンニング工程Ｐ３では、水晶基板ＣＰの一面に積層されたポジ型レジストフィルムＰＰＲのうち、一対の線状切込溝１４ａおよび荷重受部材５４ｆの外形状に対応するスリット状部分が露光によって局所的に除去される。図１６の(c) はこの状態を示している。
【００５６】
そして、穴抜き工程Ｐ４では、上記パターンニングされたポジ型レジストフィルムＰＲＦを通して水晶基板ＣＰにサンドブラスト或いはエッチングが施されることにより一対の線状切込溝１４ａなどが形成され、次いで剥離液によりポジ型レジストフィルムＰＰＲが除去される。図１６の(c) はこの状態を示している。これにより、水晶基板ＣＰ内に相互に一体に連結された多数個の電極付の水晶振動子１４が同時に(一挙に)製造される。
【００５７】
図１５の第１レジストパターンニング工程Ｐ５では、ネガ形のホトレジストＮＰＲがシリコン基板Ｓｉの一面に所定厚みで塗布された後、露光により、ホトレジストＮＰＲのうちシリコン基板Ｓｉの凹面Ｄに対応する形状のパターンが露出される。図１７の(a) はこの状態を示している。次に、第１エッチング工程Ｐ６では、ＭＥＭＳ技術で用いられる深彫りエッチングがホトレジストＮＰＲを通してシリコン基板Ｓｉの一面に施され、シリコン基板Ｓｉの一面に複数個の凹面Ｄが形成された後、剥離液によりホトレジストＮＰＲが除去される。図１７の(b) はこの状態を示している。
【００５８】
次いで、第２レジストパターンニング工程Ｐ７では、ネガ形のホトレジストＮＰＲが凹面Ｄが形成されたシリコン基板Ｓｉの一面に所定厚みで塗布された後、露光により、ホトレジストＮＰＲのうちシリコン基板Ｓｉのハット(鍔付帽子)形状のスロット５６およびリード線穴６０に対応する形状のパターンが露出される。図１７の(c) はこの状態を示している。次に、第２エッチング工程Ｐ８では、ＭＥＭＳ技術で用いられる深彫りエッチングがホトレジストＮＰＲを通してシリコン基板Ｓｉの一面に施され、シリコン基板Ｓｉを貫通するスロット５６およびリード線穴６０が形成された後、剥離液によりホトレジストＮＰＲが除去される。これにより、シリコン基板Ｓｉ内に相互に一体に連結された多数個の保持器５２を構成する多数個の保持板５４が同時に(一挙に)製造される。
【００５９】
そして、図１５の組立て工程Ｐ９では、多数個の電極付の水晶振動子１４が形成された水晶基板ＣＰを挟んで多数個の保持板５４が形成された一対のシリコン基板Ｓｉを接着或いは接合により固着させることで、多数個の荷重センサ５０が組み立てられる。なお、リード線５８は、組立て前に電極２８にボンディングされてもよいし、組立て後に電極２８にボンディングされてもよい。このようにして組み立てられた後で、図１８の１点鎖線に示す位置で、たとえばレーザ光を用いて分離され、図１１乃至図１３に示す荷重センサ５０が得られる。
【００６０】
上述のように、本実施例の水晶振動子１４を用いた荷重センサ５０によれば、薄板形状の水晶振動子１４の一端部および他端部を保持する保持器５２は、(b-1) 所定寸法を隔てた一対の側柱部５４ｄ、５４ｅおよびそれらの一対の側柱部５４ｄ、５４ｅの基端を連結する基底部５４ｂを有し、それらの該一対の側柱部５４ｄ、５４ｅの間に位置する水晶振動子１４の他端部がその基底部５４ｂに固定された保持部材５４ａと、(b-2) 一対の側柱部５４ｄ、５４ｅの一端部よりも基底部５４ｂとは反対側へ突設され、外部荷重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５４ｆと、(b-3) その荷重受部材５４ｆの基底部５４ｂへ向かう方向の変位を許容しつつ一対の側柱部５４ｄ、５４ｅの先端部とその荷重受部材５４ｆとの間を連結する１枚の板ばね状の一対の弾性ヒンジ部材５４ｃとを、含む。これにより、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５４ｆは、一対の側柱部５４ｄ、５４ｅの先端部とその荷重受部材５４ｆとの間を連結する板ばね状の弾性ヒンジ部材５４ｃの弾性変形により、荷重受部材５４ｆの基底部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。
【００６１】
また、本実施例の水晶振動子１４を用いた荷重センサ５０によれば、一対の側柱部５４ｄ、５４ｅおよび基底部５４ｂを含む保持部材５４ａと荷重受部材５４ｆと一対の弾性ヒンジ部材５４ｃとは、共通の板材であるシリコン基板Ｓｉから一体に形成されたものであるため、たとえばＭＥＭＳ技術によって微小な加工が可能となり、小さな保持器５２から構成される荷重センサ５０が一層小型となる。
【００６２】
また、本実施例の荷重センサ５０によれば、保持板５４は、凹面Ｄおよび弾性ヒンジ部材５４ｃを形成するホトエッチングがシリコン基板Ｓｉ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Ｓｉから分割されたものである。このため、荷重センサ５０の生産性が高められ且つ組立てが容易となるので、安価な荷重センサが得られる。
【００６３】
また、本実施例の水晶振動子１４によれば、水晶振動子１４は、電極２８を形成するスパッタおよび線状切込溝１４ａを形成するサンドブラストが水晶基板ＣＰに施されることにより複数個が同時に製造され、且つ水晶基板ＣＰから分割されたものである。このため、荷重センサ５０の生産性が高められ且つ組立てが容易となるので、一層安価な荷重センサ５０が得られる。
【００６４】
以上、本発明の実施例を図面に基づいて詳細に説明したが、本発明はその他の態様においても適用される。
【００６５】
例えば、前述の実施例では、ネジ部材１８は、溝１８ａが形成されて、その溝１８ａに保持部材１２ａを収容した状態でケース１６に締められるものであったが、この態様に限らない。例えば、図９(ａ)に示すように、ネジ部材１８は、溝１８ａが形成されず、面１８ｃに保持部材１２ａを当接した状態でケース１６に締められても良い。又、電線２４(或いは電線２２)は、ネジ部材１８の連通溝１８ｂを介して筐体２６外に導出されていたが、この態様に限らない。例えば、電線２４を筐体２６外に導出することに関しては、筐体２６の内外を連通させる構成であれば良く、図９(ａ)に示すように、ネジ部材１８に形成された長手方向Ｌに連通する連通孔１８ｄなどの態様も採用され得る。このようにしても、水晶振動子１４を用いた荷重センサ１０が適切に構成される。
【００６６】
また、前述の実施例では、保持部材１２ａの荷重受付部１２ｆは、ケース１６の貫通孔１６ｃを通って筐体２６外に一部が突出させられていたが、この態様に限らない。例えば、図９(ｂ)に示すように、荷重受付部１２ｆは、ネジ部材１８に形成された長手方向Ｌに貫通する貫通孔１８ｅを通って筐体２６外に一部が突出させられても良い。このようにしても、外部荷重Ｆが効率良く水晶振動子１４に単純圧縮荷重として負荷される。
【００６７】
また、前述の実施例では、スラスト軸受２０は、保持部材１２ａとケース１６の面１６ｂとの間に配設されていたが、この態様に限らない。例えば、ネジ部材１８の面１８ｃに保持部材１２ａを当接した状態でネジ部材１８がケース１６に締められるような態様(図９(ａ)参照)の場合には、スラスト軸受２０は、ネジ部材１８とケース１６の面１６ｂとの間に配設されておれば良く、図９(ｃ)に示すように、ネジ部材１８と保持部材１２ａとの間に配設されても良い。このようにしても、前荷重Ｆpreの負荷時に保持部材１２ａへ作用するねじりがスラスト軸受２０により抑制されるか或いは生じさせられない。荷重受付部１２ｆがネジ部材１８に形成された貫通孔１８ｅを通って筐体２６外に一部が突出させられるような態様(図９(ｂ)参照)の場合でも、この考え方が適用できることは言うまでもない。
【００６８】
また、前述の実施例では、荷重センサ１０と発振回路３２等の回路とは、別体であったが、この態様に限らない。例えば、荷重センサ１０と発振回路３２等とを一体化しても良い。システム全体を小型化し、一体化して配線距離を短くすることで、各機器間の接続におけるノイズの影響を抑えることができる。図９(ｄ)は、発振回路３２の基板の小型化を図り、荷重センサ１０と発振回路３２との一体化を実現したものである。図９(ｄ)において、発振回路３２を荷重センサ１０の回りに配置し、金属ケース３８によってシールドを行うことで外乱の影響を抑えることができる。図９(ｄ)に示す態様では、φ12[mm]×高さ(長手方向Ｌ)11[mm]に小型化できた。
【００６９】
また、前述の実施例では、保持部材１２ａは、２段のヒンジ部材１２ｃを有していたが、この態様に限らない。例えば、ヒンジ部材１２ｃは、３段以上であっても良いし、図１０(ａ)に示すように、１段であっても良い。このようにしても、ヒンジ部材１２ｃにより長手方向Ｌ以外の外部荷重Ｆが低減される。
【００７０】
また、前述の実施例では、保持器１２の荷重受部材１２ｆには、当接部１２ｇが一体的に形成されていたが、この態様に限らない。例えば、図１０(ｂ)に示すように、荷重受部材１２ｆが直接的に水晶振動子１４と当接する態様であっても良い。
【００７１】
前述の実施例２では、水晶振動子１４は水晶基板ＣＰに多数個同時に形成されてそれから分割されたものであり、保持板５４はシリコン基板Ｓｉに多数個同時に形成されてそれから分割されたものであったが、水晶振動子１４および保持板５４の一方がそのような製造方法で製造されたものであってもよい。
【００７２】
尚、上述したのはあくまでも一実施形態であり、本発明は当業者の知識に基づいて種々の変更、改良を加えた態様で実施することができる。
【産業上の利用可能性】
【００７３】
本発明は、例えばロボット、医療、福祉、介護、移動体、健康器具、微細作業、生体信号検知などの分野にて利用することができる。具体的には、本発明の水晶振動子を用いた荷重センサは、高負荷時に微小力の計測が可能であることから、ベッド等に加わる分布荷重や体重やグリップ力(把持力)などの大きな力と、呼吸や心拍数(脈)などの生体信号との同時計測を行うときなどに利用することができる。又、重い対象物の保持などから、脆弱物を対象とした繊細な作業などまでをロボットに行わせるときなどに利用することができる。
【符号の説明】
【００７４】
１０、５０：荷重センサ(水晶振動子を用いた荷重センサ)
１２、５２：保持器
１２ａ、５４ａ：保持部材
１２ｂ、５４ｂ：基底部
１２ｃ、５４ｃ：ヒンジ部材
１２ｄ，１２ｅ、５４ｄ、５４ｅ：側柱部
１２ｆ、５４ｆ：荷重受付部(荷重受部材)
１４：水晶振動子
１４ａ：線状切込溝
１６：ケース
１６ａ：ネジ山
１６ｂ：面
１６ｃ：貫通孔
１８：ネジ部材
１８ａ：溝
１８ｂ：連通溝
１８ｄ：連通孔
１８ｅ：貫通孔
２０：スラスト軸受
２２，２４：電線
２６：筐体
２８：電極
５４：保持板
５６：ハット形状のスロット
５８：リード線
６０：リード線穴
Ｄ：凹面
Ｓｉ：シリコン基板(板材)
ＣＰ：水晶板(板材)
【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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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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