JP2006010521A - 水晶振動子、それを用いた荷重センサ及びその荷重センサを有する電子はかり - Google Patents

Abstract

【課題】 低い加工コストでありながら耐久性に優れた水晶振動子、それを用いた荷重センサ及びその荷重センサを有する電子はかりを提供する。
【解決手段】 板状の水晶片１と、水晶片１の一対の主面に平面視において重なり合うように形成された水晶片１の厚みすべり振動を励振するための一対の電極５と、水晶片１の厚みすべり振動方向の対向する両端部における少なくとも一方の主面に形成された接合部４ａと、接合部４ａを支持する支持部材６とを備え、支持部材６と水晶片１とが接合部４ａにおいて金属溶着される。
【選択図】 図１

Description

本発明は、水晶振動子、それを用いた荷重センサ及びその荷重センサを有する電子はかりに関し、特に、水晶片の支持構造及び配線の取り出し構造に関する。

従来の水晶振動子を用いた荷重センサとして、例えば以下のものがある（特許文献１参照）。

図７は、従来の水晶振動子を用いた荷重センサの構成の概容を示す平面図及び側面図である。図７において、水晶振動子１０７は、水晶片１０１、水晶片１０１の双方の主面に形成された電極１０５，１０５及び水晶片１０１をその長手方向にて挟持する支持部材１０６，１０６を有する。

水晶片１０１は長板状であり、長手方向に厚みすべり振動を起こし得るようにＡＴカットされたものである。水晶片１０１の双方の主面には、その中央部分に位置する励振電極部１０２と、励振電極部１０２から水晶片１０１の短手方向端面に向けて引き出された引出電極部１０３とからなる電極１０５が形成されている。なお、水晶片１０１の双方の主面では引出電極部１０３が逆方向、すなわち、相互に対向する端面方向に引き出されるように形成されている。

引出電極部１０３には、リード線などからなる配線１１９が貼設されている。配線１１９は、水晶片１０１の厚みすべり振動の振動周波数に応じて発振する発振回路２１と接続されている。

支持部材１０６は、水晶片１０１長手方向の両端部において、水晶片１０１を厚み方向に狭持するようにして、接合されている。接合位置が水晶片１０１の長手方向の端部であるのは、厚みすべり振動の変位が大きい励振電極部１０２と可能な限り離れている方が厚みすべり振動の拘束を軽減でき、計測精度への影響を軽減できるからである。また、計測機器に取り付けるための固定用の固定孔８が設けられている。

このような従来の水晶振動子を用いた荷重センサの動作について説明する。図７において、発振回路２１より励振電極部１０２，１０２間に電気信号が供給された場合、水晶片１０１の励振電極１０２，１０２間では、厚みすべり振動が発生する。そして、該厚みすべり振動は、電気信号として、励振電極１０２，引出電極部１０３、配線１９を経由して、発振回路２１にて検出される。ここで、支持部材１０６，１０６間を介して、水晶片１０１に長手方向の力（ここでは引っ張り力）Ｗが加えられる場合、この力Ｗに応じて水晶片１０１の厚みすべり振動の振動周波数は変化し、該振動周波数の変化に応じて発振回路２１の発振周波数も変化する。そして、この発振周波数の変化に基づいて力Ｗの測定を行う。
特開２００２−３６５１２３号公報

ところで、この従来の水晶振動子を用いた荷重センサにおける水晶片の支持構造は、接着剤によって、支持部材が接合されていた。また、嵌合構造によって接合することも提案されていた。

しかしながら、これらの従来の水晶片の支持構造では、エポキシ系などの接着剤は、高分子材料を主成分とし、接着効果の耐久性に懸念があった。特に、荷重センサにおいては、荷重計測の度に、水晶片に応力が繰り返しかかることから、荷重センサの供用期間における水晶片への応力伝達の再現性の維持、すなわち耐久性に懸念があった。

また、前述の嵌合構造とすることについては、水晶片の特殊な形状加工を要し、かなりの加工コストとなった。

こうしたことから、水晶振動子を用いた荷重センサにおいては、水晶片の支持構造を強い接合力と耐久性に優れる構造とし、しかもかかる支持構造を低コストで実現することが課題となっていた。

本発明は、このような課題を解決するためになされたもので、低い加工コストでありながら耐久性に優れた水晶振動子、それを用いた荷重センサ及びその荷重センサを有する電子はかりを提供することを目的としている。

上記課題を解決するために、本発明に係る水晶振動子は、板状の水晶片と、前記水晶片の一対の主面に平面視において重なり合うように形成された前記水晶片の厚みすべり振動を励振するための一対の電極と、前記水晶片の前記厚みすべり振動方向の対向する両端部における少なくとも一方の前記主面に形成された接合部と、前記接合部を支持する支持部材とを備え、前記支持部材と前記水晶片とが前記接合部において金属溶着されている（請求項１）。このような構成とすると、水晶片の特殊な形状加工を要しないので、水晶振動子の加工コストが低減するとともに、金属溶着は耐久性を有するので、水晶振動子の耐久性が向上する。

前記接合部は、前記水晶片の前記両端部における少なくとも一方の前記主面上に形成された金属蒸着層で構成されているとよい（請求項２）。

前記接合部は、前記金属蒸着層と該金属蒸着層の上に形成された無電解メッキ層とで構成されているとよい（請求項３）。このような構成とすると、水晶片と支持部材との接合強度が向上するので、更に耐久性に優れた水晶片の支持構造を実現することができる。

前記金属蒸着層及び前記無電解メッキ層全体の厚みが０を越えかつ３μｍ以下であるとよい（請求項４）。このような構成とすると、水晶片の表面形成にかかる時間とコストに配慮しながら、水晶片と支持部材との接合強度の向上を実現することができる。

前記金属蒸着層が前記少なくとも一方の主面上に形成された下地層と該下地層の上に形成された本体層とで構成されているとよい（請求項５）。

前記下地層がクロム蒸着層であるとよい（請求項６）。

前記本体層が金蒸着層であるとよい（請求項７）。

前記一対の電極が前記水晶片の前記両端部に形成された一対の前記接合部に電気的に接続され、前記一対の接合部に金属溶着された一対の前記支持部材が導電性材料で構成され、かつ、前記一対の支持部材に、前記励振用の電圧を供給するための配線が接続されているとよい（請求項８）。このような構成とすると、電極と水晶片の支持構造とを一体化させることができるので、水晶振動子の加工コストを更に低減させることができる。

本発明に係る荷重センサは、請求項１に記載の水晶振動子と、該水晶振動子の前記一対の電極に前記励振用の電圧を供給するとともに前記厚みすべり振動に応じた周波数で発振する発振回路と、該発振回路の発振周波数に基づいて荷重を出力する荷重出力手段とを備える（請求項９）。このような構成とすると、水晶振動子の加工コストが低減できるので、荷重センサの加工コストを低減させることができる。

本発明に係る電子はかりは、請求項９に記載の荷重センサを備える（請求項１０）。このような構成とすると、荷重センサの加工コストが低減できるので、電子はかりの加工コストを低減させることができる。

以上のように、本発明に係る水晶振動子、それを用いた荷重センサ及びその荷重センサを有する電子はかりは、上記のような構成を有し、水晶振動子を用いた荷重センサ等の低コスト化、耐久性向上を図ることができる。

以下、本発明を実施するための最良の形態について図面を参照しながら説明する。

（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１に係る水晶振動子を用いた荷重センサの構成を示す模式図である。

図１において、水晶振動子を用いた荷重センサは、水晶片１、水晶片１の双方の主面に形成された電極５，５及び水晶片１をその長手方向にて挟持する支持部材６，６を有する水晶振動子７と、配線１９と、発振回路２１と、カウンタ２２と、変換部２３と、出力部２４とを有する。

水晶片１は長板状であり、長手方向に厚みすべり振動を起こし得るようにＡＴカットされたものである。

電極５，５は、水晶片１の双方の主面に形成され、水晶片１の中央部に励振電極部２、励振電極部２から水晶片１の長手方向端部へと引き出される引出電極部３、及び長手方向端部に位置して引出電極部３が接合されている支持電極部４ａを有する。これら引出電極部３及び支持電極部４ａは表面と裏面とでは水晶片１の反対側の端部に引き出されるように配置されている。そして、水晶片１の双方の主面の支持電極部４ａに対向する部分には支持電極部背面部４ｂが配設されている。

支持部材６は、導電性を有する材料で構成され、支持電極部４ａ及び支持電極部背面部４ｂとは、金属溶着されており、電気的に導通している。このため、支持部材６は電気端子ともなり、リード線などの配線１９が取り付けられている。これにより、水晶片１の励振電極部２は、引出電極部３、支持電極部４ａ、支持部材６及び配線１９を経て、発振回路２１と電気的に接続されている。また、これにより、水晶片１表面へのリード線など電気配線の貼設が不要となる。このため、水晶片１の変動に応じて電気配線が変動し、かかる変動が計測荷重の分力となり、計測精度に影響を及ぼすという問題を解決することができる。

配線１９は、固定孔８近傍に取り付けられている。固定孔８近傍とすることでリード線など配線１９の変動を抑制し、計測精度への影響を極力軽減するためである。

なお、支持部材６が導電性に優れない材質である場合には、配線１９は支持部材６ではなく、支持電極部４ａにおいて、支持部材６とともに、金属溶着されてもよい。水晶片１表面上では励振電極部３からは最も離れた位置であるので、荷重時における配線１９の変動による荷重分力の発生と、それに伴う計測精度への影響を軽減することができる。

発振回路２１は、配線１９と接続され、厚みすべり振動の周波数を検出する。

カウンタ２２、変換部２３及び出力部２４は（これらが荷重出力手段を構成する）、発振回路２１と電気的に接続されている。カウンタ２２は、所定時間内における発振回路２１の発振周波数をカウントする。変換部２３は、カウンタ２２によるカウンタ値を重量データに変換する。出力部２４は、液晶ディスプレイ又はプリンタ等で構成されており、変換部２３によって出力された重量データの表示又は印刷を行う。

図２は、図１の水晶振動子の構成を示す平面図（ａ）及び側面図（ｂ）である。水晶振動子７は、双方の主面の表面に電極５，５及び支持電極部背面部４ｂ，４ｂを有する水晶片１と、一対の支持部材６，６とを有する。

支持部材６は、水晶片１の長手方向端部、具体的には支持電極部４ａ及び支持電極部背面部４ｂにおいて、外方から挟持するようにして接合されている。支持部材６の接合によって、水晶片中央部の励振電極２，２間において発生する厚みすべり振動が拘束される影響を受ける。このため、水晶片１の長手方向端部において支持部材６が接合されるようにすることで、支持部材６と水晶片１との接合場所を厚みすべり振動の発生地点より極力遠ざけ、計測精度への影響を極力軽減するものである。

図３は、図１の水晶片１の双方の主面の構成を示す平面図及び側面図である。

水晶片１は、長板状であるとともに、長手方向の両端部の角が落とされた六角形の形状となっている。これは、かかる形状とすることによって、水晶片１の長手方向端面部分の主面の面積が小さくなり、支持電極部４ａ以外の不要な部分をなくするとともに、支持部材６による水晶片１の厚みすべり振動の拘束を軽減でき、厚みすべり振動の振動エネルギーの損失量を小さくすることができるなど計測精度の向上に資するからである。つまり、水晶片１は、水晶片１の支持強度に支障が生じない程度にまで支持部材６との接合面積、すなわち、支持電極部４ａの面積が小さいことが好ましいことから、水晶片１の長手方向両端部を先細りの形状としている。したがって、水晶片１は、その主面が長手方向対向する両端部において先細りの形状となっていればよく、例えば、円弧状あるいは台形状であってもよい。

水晶片１の双方の主面の表面には、それぞれ中央部から長手方向端部にかけて、電極５が形成されている。

引出電極部３は、励振電極部２と支持電極部４ａとを電気的に接合するように形成されている。図３（ａ）及び図３（ｃ）に対比して示すように、引出電極部３の励振電極２からの延出方向は、水晶片１の双方の主面間では逆方向となっている。すなわち、支持電極部４ａは、水晶片１の長手方向の対向する両端部分において、互いに異なる主面に位置するようにして一対の電極を構成することになる。

また、支持電極部４ａは、支持部材６が必要な接合強度を達成できる面積に形成されている。他方で、かかる接合面積は、計測精度に影響することから、極力小さい面積の方が望ましく、計測する荷重範囲に応じて、具体的に設計することが望ましい。なお、接合強度については、水晶片１表面の金属蒸着層の厚さなど他の要因も影響することから、具体的に試作し、強度試験等により設計することが好ましい。

また、支持電極部背面部４ｂは、水晶片１の支持電極部４ａの背面において、支持電極部４ａに対応する位置及び広さに形成されている。支持部材６が水晶片１を表裏両面から挟持するようにするためである。

図４は、水晶片１と支持部材６との接合構造を示す断面図であって、（ａ）は接合前の水晶片１側の状態を示す図、（ｂ）は接合後の状態を示す図である。図４に示すように、電極５は、水晶片１表面に下地層としてのクロム蒸着層３１、本体層としての金蒸着層３２を順次積層するようにして形成されている。クロム蒸着層３１は水晶と強い付着強度を有するからであり、金蒸着層３２は導電性が良いからである。また、クロム蒸着層３１及び金蒸着層３２の形成は、水晶片１の表面を励振電極部２，２、引出電極部３，３、支持電極部４ａ，４ａ及び支持電極部背面部４ｂ，４ｂ以外の部分をマスクして行うことができる。これにより、電極５と支持電極部背面部４ｂとが一括して水晶片１表面に形成されることが可能となる。

水晶片１の表面にクロム蒸着層３１及び金蒸着層３２が順次積層されて支持電極部４ａ及び支持電極部背面部４ｂが形成され、この支持電極部４ａ及び支持電極部背面部４ｂの表面にさらに無電解メッキ層３３が形成されている。支持部材６が支持電極部４ａ及び支持電極部背面部４ｂにおいて金属溶着できるようにするためである。金属溶着は、例えば、ハンダ付け、ろう付けなどにより行われる。ここでは、図４（ｂ）に示すように、ハンダ付け（３５）されている。

なお、水晶片１と支持部材６との接合には強度を要することから、前記クロム蒸着層３１の厚さは厚い方が良い。他方、クロム蒸着層３１が厚くなるほど水晶片１の表面形成にかかる時間及びコストが上昇する。そこで、経験的には、クロム蒸着層３１は、経験上０．０２μｍの厚さにまで形成することが好ましい。また、金蒸着層３２についても、同様の理由により、経験上０．１μｍの厚さにまで形成することが好ましい。さらに、無電解メッキ層３３についても、同様の理由により、クロム蒸着層３１、金蒸着層３２及び無電解メッキ層３３全体での膜厚が、経験上３μｍにまで形成することが好ましい。

実施の形態１の水晶振動子を用いた荷重センサの動作について説明する。図１において、発振回路２１より励振電極部２，２間に電気信号が供給された場合、水晶片１の励振電極２，２間では、厚みすべり振動が発生する。そして、該厚みすべり振動は、電気信号として、励振電極２，引出電極部３、支持電極部４ａ、支持部材６及び配線１９を経由して、発振回路２１にて検出される。

ここで、支持部材６，６間を介して、水晶片１に長手方向の力（ここでは引っ張り力）Ｗが加えられる場合、この力Ｗに応じて水晶片１の厚みすべり振動の振動周波数は変化し、該振動周波数の変化に応じて発振回路２１の発振周波数も変化する。そして、この発振周波数の変化に基づいて、カウンタ２２，変換部２３及び出力部２３によって力Ｗの測定を行う。

［実施例］
水晶片１には、厚さ０．１７ｍｍにＡＴカットされたものを用いた。この水晶片１表面には、０．０２μｍ程度の厚さのクロム蒸着層３１を形成し、その後０．１μｍ程度の厚さの金蒸着層３２を形成した。そして、励振電極部分２及び引出電極部分３にマスクをしてから、水晶片１をメッキ漕に浸漬することによって無電解メッキを行った。これにより、支持電極部４ａ及び支持電極部背面部４ｂにのみ無電解メッキ層３３が形成された。膜厚は、クロム蒸着層３１及び金蒸着層３２を含め全体の膜厚が３μｍになるように制御した。

支持部材６の材料には、厚さ０．２ｍｍのベリリウム銅を使用し、水晶片１との金属溶着はハンダ付けによって行った。ハンダは、表面実装電子部品のハンダ付けに使用されるハンダペーストを用いた。

（変形例）
図６は、実施の形態１に係る水晶振動子７の支持構造の変形例を示す側面図である。実施の形態１では支持部材６が水晶片１を挟持するよう構成されていたが、本変形例では、支持部材６が水晶片１の一方の主面のみに接合するよう構成されている。

第１の変形では、図６（ａ）に示すように各支持部材６は水晶片１の各主面に形成された支持電極部４ａに接合されている。なお、平面視における構造は上記の実施の形態と同様である（平面図は省略する）。これにより、支持電極部背面部４ｂ（図２参照）を省略することができる。

また、第２の変形例では、図６（ｂ）に示すように、水晶片１の一方の端部には支持電極部４ａのみが形成され、この支持電極部４ａに一方の支持部材６が接合されている。そして、他方の端部には、支持電極部４ａと、支持電極部背面部４ｂと、支持電極部４ａと支持電極部背面部４ｂとを導通する支持電極部導通部４ｃとが形成されている。この支持電極部背面部４ｂに他方の支持部材６が接合されている。これにより、水晶片１の一方の主面のみに一対の支持部材６を接合することができる。

なお、本変形例において、支持電極部４ａ，支持電極部背面部４ｂ及び支持電極部導通部４ｃは実施の形態１と同様の手法によって形成される。

これにより、支持部材６の加工コスト及び水晶片１の電極形成のコストは低減し、水晶振動子を用いた荷重センサのコストの低減に資する。また、水晶片１を支持する面積の縮小にもつながることから、厚みすべり振動の拘束を軽減でき、計測精度の向上にも資する。

（実施の形態２）
本発明の実施の形態２は、実施の形態１の水晶振動子７を装着した電子はかりを例示する。

図５は、本発明の実施例に係る荷重センサを用いた電子はかりの構成を示す側面断面図及び水晶振動子７の固定孔８，８における前記電子はかりへの固定構造の詳細を示す拡大断面図である。

図５において、電子はかり１０は、荷重Ｙを加えるために用いられる受け皿１１をいわゆるロバーバル機構で支持するよう構成されている。このロバーバル機構は、基台Ｂに固定した固定柱１２と、受け皿１１を支持した可動柱１３と、これらの固定柱１２及び可動柱１３を連結し、互いに平行関係になるように配した上下２本の梁１４，１４とから構成されている。

固定柱１２の上部，可動柱１３の下部からはレバー１５，１５が内側に向けてそれぞれ突設され、これらのレバー１５，１５の先端部に水晶振動子７の支持部材６，６がそれぞれ取り付けられる。

また、梁１４，１４には、適宜の箇所で半円状の切欠き１４ａが上下にそれぞれ形成され、その箇所の肉厚は薄くなっている。これにより、荷重Ｙによって可動柱１３が下方へ変位する場合、その変位に応じて梁１４，１４が下方へ撓む。この撓み量を調整することによって、梁１４，１４の平行関係を保つことができる。

なお、水晶振動子７の電子はかり１０への固定は、図５に示すように、支持部材６の固定孔８に絶縁スペーサ１６，１７を介してビス１８を挿通し、このビス１８をレバー１５に形成されたネジ孔４１に螺止することにより行う。これにより、支持部材６，６とレバー１５との導通を回避することができる。

このように構成した電子はかり１０の動作について説明する。受け皿１１上に荷重Ｙを加えた場合、その荷重Ｙに応じて可動柱１３が下方へ変位する。この変位に応じて、可動柱１３側に設けたレバー１５も下方へ変位するが、固定柱１２側に設けたレバー１５は変位せずに静止したままとなる。これにより、支持部材６，６間には荷重Ｙに応じた引張応力が作用し、支持部材６，６間の引張応力が水晶片１に伝達される。

水晶片１の厚みすべり振動は、水晶片１に伝達された引張応力によって振動周波数が変化する。この変化した振動周波数は、励振電極部２，２から、引出電極部３，３、支持電極部４ａ，４ａ、支持部材６，６を経て、リード線などの配線１９から発振回路２１へと伝達される。この振動周波数の変化に応じて発振回路２１の発振周波数が変化する。そして、この発振周波数の変化に基づいて、カウンタ２２及び変換部２３において荷重Ｙが求められる。

本発明に係る水晶振動子を用いた荷重センサ等は、水晶振動子を用いた荷重センサ等の低加工コスト化、耐久性向上として有用である。

本発明の実施の形態１に係る水晶振動子を用いた荷重センサの構成を示す平面図である。 図１の水晶振動子の構成を示す平面図及び側面図である。 図１の水晶片の双方の主面の構成を示す平面図及び側面図である。 水晶片と支持部材との接合構造を示す断面図であって、（ａ）は接合前の水晶片側の状態を示す図、（ｂ）は接合後の状態を示す図である。 本発明の実施の形態２に係る電子はかりの構成を示す側面図及び水晶振動子の固定孔における電子はかりへの固定構造の詳細を示す拡大断面図である。 本発明の実施の形態１に係る水晶振動子の支持構造の変形例を示す側面図である。 従来の水晶振動子を用いた荷重センサの構成の概容を示す平面図及び側面図である。

符号の説明

１ 水晶片
２ 励振電極部
３ 引出電極部
４ａ 支持電極部
４ｂ 支持電極部背面部
４ｃ 支持電極部導通部
５ 電極
６ 支持部材
７ 水晶振動子
８ 固定孔
１０ 電子はかり
１１ 受け皿
１２ 固定柱
１３ 可動柱
１４ 梁
１４ａ 切欠き
１５ レバー
１６ 絶縁スペーサ
１７ 絶縁スペーサ
１８ ビス
１９ 配線
２１ 発振回路
２２ カウンタ
２３ 変換部
２４ 出力部
３１ クロム蒸着層
３２ 金蒸着層
３３ 無電解メッキ層
３５ 接合用ハンダ及び無電解メッキ層
４１ ネジ孔
１０１ 水晶片
１０２ 励振電極部
１０３ 引出電極部
１０５ 電極
１０６ 支持部材
１０７ 水晶振動子

Claims (11)

1. 板状の水晶片と、
   前記水晶片の一対の主面に平面視において重なり合うように形成された前記水晶片の厚みすべり振動を励振するための一対の電極と、
   前記水晶片の前記厚みすべり振動方向の対向する両端部における少なくとも一方の前記主面に形成された接合部と、
   前記接合部を支持する支持部材とを備え、
   前記支持部材と前記水晶片とが前記接合部において金属溶着されている水晶振動子。
2. 前記接合部は、前記水晶片の前記両端部における少なくとも一方の前記主面上に形成された金属蒸着層で構成されている、請求項１に記載の水晶振動子。
3. 前記接合部は、前記金属蒸着層と該金属蒸着層の上に形成された無電解メッキ層とで構成されている、請求項２に記載の水晶振動子。
4. 前記金属蒸着層及び前記無電解メッキ層全体の厚みが０を越えかつ３μｍ以下である、請求項３に記載の水晶振動子。
5. 前記金属蒸着層が前記少なくとも一方の主面上に形成された下地層と該下地層の上に形成された本体層とで構成されている、請求項２に記載の水晶振動子。
6. 前記下地層がクロム蒸着層である、請求項５に記載の水晶振動子。
7. 前記本体層が金蒸着層である、請求項６に記載の水晶振動子。
8. 前記一対の電極が前記一対の接合部に電気的に接続され、前記一対の支持部材が導電性材料で構成されている、請求項１に記載の水晶振動子。
9. 前記一対の支持部材に、前記励振用の電圧を供給するための配線が接続されている、請求項８に記載の水晶振動子。
10. 請求項１に記載の水晶振動子と、該水晶振動子の前記一対の電極に前記励振用の電圧を供給するとともに前記厚みすべり振動に応じた周波数で発振する発振回路と、該発振回路の発振周波数に基づいて荷重を出力する荷重出力手段とを備えた荷重センサ。
11. 請求項１０に記載の荷重センサを備えた電子はかり。
    

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