(57)【要約】【課題】従来の水晶振動子を用いた力センサは、その水晶振動子の支持方法から、小型・薄型化は困難であった。【解決手段】本発明は、水晶振動子１３、力変換機構およびセンサ外装１１を微細加工技術等により製作し、水晶振動子１３をばね要素（板ばね１２）によりセンサ設置面に対して水平もしくは任意の角度で保持し、ばね要素（板ばね１２）を介してセンサにかかる外力を設置面の水平方向もしくは任意の方向に付与させるセンサ機構を構築する。この機構により、水晶振動子１３を用いた力センサ１０の小型化および薄型化が可能になる。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
水晶振動子を用いた力センサであって、
ばね要素を用いて、設置面に対して垂直方向にかかる力を、前記設置面に沿った方向または任意の方向に変換して前記水晶振動子に付与する機構を有することを、
特徴とする力センサ。
【請求項２】
前記ばね要素は、放電加工、機械加工、インジェクションモールディング、曲げ加工、鍛造、メッキまたはエッチングにより製作されることを、特徴とする請求項１記載の力センサ。
【請求項３】
前記ばね要素は、応力集中を低減し剛性を高めるよう、形状の一部が曲線状に形成された板ばねから成ることを、特徴とする請求項１または２記載の力センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、医療分野、福祉・介護分野、スポーツ・健康機器、輸送機器、ロボット、アミューズメント機器などの各種工業分野、サービス分野、製造分野等における力計測、および初期荷重がかかった状態での力計測等に用いられる水晶振動子を用いた超小型力センサに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
初期荷重が印加された状態での生体信号を計測する際には、高感度とともに広計測範囲の力センサが必要になる。従来の医療用力センサには、ひずみゲージ式センサ、圧電振動形センサや、導電性ゴムを用いた感圧式等があるが、高感度、広計測範囲、高速度応答、小型および高耐久性等をすべて満たすセンサは存在しない。また、上記センサは、アナログ出力であるためにＡＤ変換器を要し、ノイズ対策などの信号処理が必要となる。水晶振動子は、外力によって共振周波数が変化するという特性を持ち、周波数出力を高速なデジタル信号として容易に処理でき、高分解能であり、温度安定性や周波数安定性にも優れている。
【０００３】
従来の水晶振動子を用いた力センサには、板状の水晶振動子をセンサの設置面に対して縦に保持するものがある(例えば、特許文献１または非特許文献１参照)。これは、センサにかかる外力の方向と水晶振動子にかかる力の方向とが同一であり、センサを設置した場合にセンサの厚さを薄くすることが困難であるという構造的な欠点を有している。
【０００４】
【特許文献１】特開２００２−２５７６４４号公報
【非特許文献１】Z. Wang, H. Zhu, Y. Dong, and G. Feng, “A thickness-shear quartz force sensor with dual-mode temperature compensation”, IEEE Sens. J., 2003年8月, Vol. 3, No. 4, p.490-497
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
水晶振動子は、引っ張り、曲げおよび衝撃に対して弱いため、力センサとして使用する際にはその保持に工夫を要する。特許文献１および非特許文献１に記載のような従来の水晶振動子を用いた力センサは、板状の水晶振動子をセンサの設置面に対して縦に保持しており、計測する力が水晶振動子の長手方向に加わるように設計されていることから、厚みが増えて構造が大きくなり、センサの小型化や薄型化が困難で、応用範囲が限られるという課題があった。
【０００６】
本発明は、このような課題に着目してなされたもので、小型化・薄型化が可能で、初期荷重がかかった状態での力計測が可能な水晶振動子を用いた力センサを提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するために、本発明に係る力センサは、水晶振動子を用いた力センサであって、ばね要素を用いて、設置面に対して垂直方向にかかる力を、前記設置面に沿った方向または任意の方向に変換して前記水晶振動子に付与する機構を有することを、特徴とする。
【０００８】
また、本発明に係る力センサで、前記ばね要素は、放電加工、機械加工、インジェクションモールディング、曲げ加工、鍛造、メッキまたはエッチングにより製作されることが好ましい。エッチングは、例えば、ドライエッチングやウェットエッチングである。
【０００９】
本発明に係る力センサで、前記ばね要素は、応力集中を低減し剛性を高めるよう、形状の一部が曲線状に形成された板ばねから成ることが好ましい。この場合、ばね要素の形状の一部を、例えば円弧や楕円形等の曲線にすることにより、応力集中を低減し剛性を高めることができる。
【００１０】
本発明に係る力センサは、水晶振動子を微細加工技術により小型化し、水晶振動子を固定するばね要素の形状に特色をもたせることで、水晶振動子をセンサの設置面に対して横向きに支持し、センサに加わる力をセンサの設置面方向もしくは任意の角度方向に変換して水晶振動子に付与することによって、水晶振動子を用いた力センサの小型化および薄型化を実現することができ、上記課題を解決するものである。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、小型化・薄型化が可能で、従来の力センサでは困難であった初期荷重がかかった状態での力計測が可能な水晶振動子を用いた力センサを提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、本発明の水晶振動子を用いた力センサの好ましい実施形態について、実施例に基づき添付の図面に基づいて詳細に説明する。各図の説明において、同一の符号は同じものを示す。以下、実施例に基づき本発明に用いる利用例を具体的に説明するが、本発明はこれら実施例に限定されるものではない。
【実施例１】
【００１３】
水晶基板を使用したフォトリソグラフィにより、水晶振動子の製作を行う。図１は、水晶基板１上に、フォトレジスト（例えばAZ-5214）によりパターニングされた複数の電極を示す図（片面）である。水晶基板１の上にフォトレジスト（例えばAZ-5214）を塗布し、フォトマスクを使用して、円形や四角形等の形状を成す複数の目標パターンを露光、現像することにより、図１に示すようなパターン２を水晶基板１に転写する。ポジ型のレジストであるAZ-5214は、画像反転ベイクを行うことで画像が反転するため、パターン２が逆テーパー型となる。
【００１４】
まず、パターン２を形成した水晶基板１の表面に金属膜をスパッタし（例えばCr-Au、Ti-Pt）、剥離液（例えばMS-2001）でフォトレジストを剥離することにより、図１に示すような複数の電極３を水晶基板１の表面に形成する。次に、裏面用に製作したフォトマスクを用い、水晶基板１の裏面にも同様の作業を行い、電極４を形成する。ここで、図２に示すように、電極３と電極４とが表裏で重なり合うよう、あらかじめ各フォトマスクにアライメントマークを描いておき、アライメントマークを用いて位置調整を行う。ダイシングソーによって個々の電極ごとに水晶基板１をカットすることで、一連のフォトリソグラフィにより、複数の図２に示すような水晶振動子５を製作する。各水晶振動子５の寸法を、例えば、長さ3mm、幅3mm、厚さ100μmとなるよう設計する。
【実施例２】
【００１５】
ワイヤー放電加工により、水晶振動子を用いた力センサの力変換機構およびセンサ外装を製作する。図３は、本力センサ１０の構成を示す外観図である。力センサ１０は、センサ外装１１と、力変換機構である板ばね１２と、水晶振動子１３とから構成される。センサ外装１１の材料には、例えばSUS304を使用し、板ばね１２の材料には、例えばリン青銅を用いる。各センサ要素を図３に示すように組み立て、水晶振動子１３を各種回路・電源等に接続することで、水晶振動子１３を用いた超小型力センサ１０が完成する。組み立て後の力センサ１０の寸法は、例えば、長さ約6mm、奥行き約5mm、高さ約4.4mmとなる。
【００１６】
本発明の実施の形態の水晶振動子１３を用いた超小型力センサ１０は、図３に示すように、２本の板ばね１２によって水晶振動子１３を保持している。上部からの垂直圧縮力は、２本の板ばね１２によって水平方向からの圧縮力に変換される。板ばね１２の構造を、図３のような上下二重構造にすることによって、曲げモーメントは相殺され，水晶振動子１３に付与する曲げ応力を低減することができる。さらに、板ばね１２の構造の一部を図３（ｂ）に示すような円弧にすることにより、応力集中を低減し剛性を高めることができる。
【産業上の利用可能性】
【００１７】
本発明によれば、従来、水晶振動子を用いた力計測では困難であった、例えばベッド、椅子、ソファー、座席シート、床等に加わる荷重分布、および、そこに座り初期荷重が印加した状態での力計測が可能となる。力計測の分解能が高いため、脈拍に起因する力変化を検出することが可能であり、生体信号計測や体重、その変動等を計測することが可能である。このため、医療、福祉・介護分野やその他さまざまな工業分野での応用が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の実施の形態の力センサで用いられる水晶振動子を製作するときの、水晶基板上の電極パターンを示す平面図である。
【図２】本発明の実施の形態の力センサで用いられる水晶振動子を示す平面図である。
【図３】本発明の実施の形態の力センサの（ａ）断面図、（ｂ）板ばねの変形例を示す断面図である。
【符号の説明】
【００１９】
１  水晶基板
２  パターン
３，４  電極
５  水晶振動子
１０  力センサ
１１  センサ外装
１２  板ばね
１３  水晶振動子
【図１】
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【図２】
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【図３】
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