JP2015025796A - Load sensor with quartz crystal resonator - Google Patents

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Abstract

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.

Description

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。   The present invention relates to a load sensor using a crystal resonator, and more particularly to a packaging technique for the load sensor.

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。   In recent years, excellent load sensors are required in fields such as robots, medical care, and nursing care. For example, simultaneous measurement of distributed load applied to a bed, etc. and biological signals such as breathing and heart rate, and robots hold heavy objects and perform delicate work on vulnerable objects in the same way as human hands In order to be able to do so, a load sensor capable of wide range measurement with high sensitivity is required.

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。   A load sensor including a semiconductor strain gauge has been proposed. According to this, high sensitivity is obtained, but the load measurement range is small. On the other hand, as a load sensor capable of high sensitivity and wide range measurement, there is a sensor using a crystal. As a sensor using a crystal, a load sensor using a crystal resonator as described in Patent Document 1 has been proposed. This load sensor converts the direction of a load applied between a container and a lid fitted in the opening of the container and the container and the cover into a horizontal direction, A pair of leaf springs acting on both ends are provided, and a load is detected based on a change in the resonance frequency of the crystal resonator. According to this, it has excellent characteristics such as oscillation with high stability, relatively small size, high sensitivity and wide measurement range due to frequency change exactly proportional to external force. A load sensor is obtained.

特開2008−281387号公報JP 2008-281387 A

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。   However, in the above conventional load sensor, there is sliding friction between the container and the upper lid fitted in the opening thereof, and sufficient response of measurement cannot be obtained, and waveforms such as biological information are distorted, Since hysteresis occurs in the measured load due to the sliding friction, there is a drawback that sufficient accuracy cannot be obtained with respect to the load waveform and the absolute value of the load.

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。   The present invention has been made against the background of the above circumstances, and the object of the present invention is relatively small, not only providing high sensitivity and a wide measurement range, but also high responsiveness and measurement accuracy. Is to provide a load sensor using a crystal resonator.

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。   To achieve the above object, the gist of the present invention is: (a) a holder for holding one end and the other end of a thin plate-shaped crystal resonator, and the other end at one end of the crystal resonator. A load sensor using a crystal resonator that detects the external load by receiving an external load in a direction toward the portion, wherein (b) the cage is a pair of (b-1) separated by a predetermined dimension A holding part that has a base part that connects the side pillar part and the base ends of the pair of side pillar parts, and the other end part of the crystal unit located between the pair of side pillar parts is fixed to the base part A member, and (b-2) a load receiving member that protrudes from the one end of the pair of side pillars to the opposite side of the base and receives the external load and transmits it to one end of the crystal resonator And (b-3) a plate that connects the tip of the pair of side column portions and the load receiving portion while allowing displacement of the load receiving portion in the direction toward the base portion. A root-like pair of elastic hinge members is to contain.

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。   In this way, in the load sensor, the retainer that holds the one end and the other end of the thin plate-shaped crystal resonator includes (b-1) a pair of side column portions and a pair of sides separated by a predetermined dimension. A holding member that has a base portion that connects the base ends of the column portions, and the other end portion of the crystal unit located between the pair of side column portions is fixed to the base portion; (b-2) A load receiving member that protrudes from the one end portion of the pair of side column portions to the opposite side of the base portion and receives the external load and transmits the external load to one end portion of the crystal resonator; (b-3) Including a pair of leaf spring-like elastic hinge members that connect the distal ends of the pair of side column portions and the load receiving portion while allowing displacement of the load receiving portion in the direction toward the base portion. The load receiving member that receives the load and transmits the load to the one end of the crystal resonator is a leaf spring-like connection that connects the tip of the pair of side column portions and the load receiving portion. By the elastic deformation of the sexual hinge member, the displacement in the direction toward the base of the 該荷 heavy receiving is allowed, there is no sliding friction when the micro-displacement in response to changes in load. For this reason, sufficient response of the measurement is obtained, the waveform of the measured biological information is not distorted, there is no hysteresis due to sliding friction, and no hysteresis is included in the measurement load. Therefore, sufficient accuracy can be obtained for the load waveform and the absolute value of the load.

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。   Here, preferably, the holding member including the side column portion and the base portion, the load receiving member, and the pair of elastic hinge members are integrally formed from a common plate material. For this reason, for example, a minute processing can be performed by the MEMS technology, and the load sensor including a small cage is further reduced in size.

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。   Preferably, an opening is formed at one end to accommodate the retainer, a cylindrical case having an internal thread on the inner peripheral surface on the opening side, and the holding housed in the case A screw member that is tightened to the screw thread in a state in which a force is applied to the crystal resonator in the same direction as the external load via a container, and forms a casing together with the case, and the screw member and the case It is arrange | positioned between the surfaces of the other end, and it suppresses that the force of the twist direction at the time of the screw fastening by the said screw member acts on the said holding member, and the said force of the longitudinal direction is transmitted to the said holding member. And a thrust bearing that permits this. For this reason, in a load sensor using a crystal unit, the crystal unit is held by a cage, an external load is applied to the crystal unit as a simple compression load, and a holding member is enclosed in a case by a screw member and held. A preload is applied to the member, and the torsion acting on the holding member when the preload is applied is suppressed or not generated by the thrust bearing. In this way, by adding a mechanism for applying a preload in the case formation of a load sensor using a crystal resonator, the assembly of the case is completed together with the application of the preload. Therefore, a preload application step is included in the housing assembly process, and for example, the three steps of sensor wiring, housing assembly, and preload application are simplified to two steps of sensor wiring and housing assembly. In addition, the preload can be applied by the holding member or the housing without providing a dedicated component for applying the preload, and the number of components of the load sensor using the crystal resonator is reduced. Therefore, a load sensor using a crystal resonator that can simplify the process for applying the preload and suppress the increase in the number of parts for applying the preload is provided.

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。   Preferably, the retainer has a substantially rectangular frame shape that sandwiches one end portion and the other end portion of the crystal resonator from the holding member, the load receiving member, and the elastic hinge member. The elastic hinge members are each formed of one or a plurality of leaf springs. For this reason, in the load sensor using a crystal resonator, the retainer substantially holds one end and the other end of the crystal resonator from the holding member, the load receiving member, and the elastic hinge member. Because it has a long square frame shape, the crystal unit is stably held by the holding member, and external load is efficiently applied to the crystal unit as a simple compressive load along one axis from one end to the other. The In addition, the assembly can be simplified by the integrated cage. Further, the external load other than the longitudinal direction is reduced by the pair of elastic hinge members, and generation of sliding resistance is prevented. Further, the preload applied to the holding member by the screw member is appropriately transmitted to the crystal resonator through the holding member. At this time, since the pair of side column portions function as a stopper in the longitudinal direction by tightening the screw member, it is possible to apply a substantially constant preload without requiring any special adjustment for applying the preload. Is possible.

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。   Preferably, the load receiving member is partially protruded out of the housing through a through hole formed in the other end surface of the case, or the screw member is formed on the screw member. A part is projected outside the housing through a through-hole penetrating in the longitudinal direction. For this reason, an external load is efficiently applied as a simple compression load to the crystal resonator by the holding member.

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。   Preferably, the screw member is formed with a groove for receiving a part of the cage in a relatively non-rotatable manner, and is fastened to the screw thread in a state where the holding member is accommodated in the groove. The thrust bearing is disposed between the cage and the surface of the other end of the case. For this reason, the holding member is enclosed in a state appropriately fixed in the case by the screw member, and the torsion acting on the holding member when a preload is applied is appropriately suppressed or not caused by the thrust bearing.

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。   Preferably, the apparatus includes a pair of electrodes opposed to each other in a thickness direction provided on both planes of the crystal resonator, and an electric wire directly or indirectly connected to each of the electrodes, The electric wire is led out of the housing through a communication groove or a communication hole communicating with the longitudinal direction formed in the screw member. For this reason, a load sensor using a crystal resonator is appropriately configured.

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。   Preferably, the thin plate-shaped quartz crystal resonator has a pair of linear cut grooves formed on one side thereof and cut in the thickness direction from one end portion to the other end portion. Is composed of a pair of holding plates fixed to the periphery of the crystal unit and sandwiching the crystal unit, and the pair of holding plates includes a space between the pair of linear cut grooves of the crystal unit. A concave surface that forms a gap therebetween, a pair of side column portions that are in close contact with the outside of the pair of linear cut grooves of the crystal resonator, a base portion that is in close contact with the other end portion of the crystal resonator, A load receiving portion that is in close contact with one end of the crystal resonator, and a connection between the tip end portion of the pair of side column portions and the load receiving portion while allowing displacement of the load receiving portion in a direction toward the base portion. A pair of leaf spring-like elastic hinge members are formed. For this reason, the load receiving portion that is not constrained by the pair of linear cut grooves of the crystal resonator and is in close contact with one end portion of the crystal resonator is the tip of the pair of side column portions and the load receiving portion. A pair of leaf spring-like elastic hinge members that connect between the two portions allow displacement in the direction toward the base portion, so that there is no sliding friction when a minute displacement occurs in response to a change in load. . For this reason, sufficient response of the measurement is obtained, the waveform of the measured biological information is not distorted, there is no hysteresis due to sliding friction, and no hysteresis is included in the measurement load. Therefore, a load sensor having sufficient accuracy with respect to the load waveform and the absolute value of the load can be obtained.

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。   Preferably, a plurality of the holding plates are manufactured simultaneously by being subjected to photo etching for forming the concave surface and the elastic hinge member on the silicon substrate, and are divided from the silicon substrate. . In this way, the productivity of the load sensor is increased and the assembly becomes easy, so that an inexpensive load sensor can be obtained.

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。   Preferably, a plurality of the quartz resonators are manufactured simultaneously by applying sputtering to form electrodes and sandblasting to form the linear cut grooves to the quartz substrate, and the quartz resonator is divided from the quartz substrate. It has been done. In this way, the productivity of the load sensor is increased and the assembly is facilitated, so that a more inexpensive load sensor can be obtained.

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。It is a perspective view which illustrates the load sensor of Example 1 to which the present invention is applied. 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。It is a perspective view which shows typically the structure inside the load sensor of FIG. 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。It is a perspective view which shows the holding member accommodated in the inside of the load sensor of FIG. 1 with a crystal oscillator. 図3に示す保持部材及び水晶振動子の正面図である。FIG. 4 is a front view of the holding member and the crystal resonator shown in FIG. 3. 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。It is a figure explaining an example of the composition of the whole system containing a load sensor. 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。It is a figure which shows an example of the characteristic of the crystal oscillator with respect to a load load, Comprising: It is a result of the load load experiment in the state which mounted only the holding member. 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。It is a figure which shows an example of the characteristic of the crystal oscillator with respect to a load load, Comprising: It is a result of the load load experiment in the load sensor which loaded the preload. 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。It is a figure which shows the characteristic of a load sensor when a micro load is added at the time of a high load. 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。It is a schematic diagram which shows the other example of the load sensor to which this invention is applied. 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。It is a schematic diagram which shows the other example of the holding member to which this invention is applied. 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。It is a perspective view which illustrates the load sensor of Example 2 to which the present invention is applied. 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。It is the perspective view which cut | disconnected the load sensor of the Example of FIG. 11 to the vertical direction in the center of the width direction. 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。It is a perspective view which shows the state before the assembly of the load sensor of the Example of FIG. 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。It is a figure which shows the frequency characteristic with respect to the load load in the load sensor shown by FIG. 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。It is process drawing explaining the manufacturing process of the load sensor shown by FIG. 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。FIG. 12 is a cross-sectional view illustrating a processing state during a manufacturing process of a crystal resonator included in the load sensor illustrated in FIG. 11. 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。It is sectional drawing which each shows the processing state in the manufacturing process of the holding plate contained in the load sensor shown by FIG. 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。It is sectional drawing which shows the assembly state of the load sensor shown by FIG.

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。   Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. In the following embodiments, the drawings are appropriately simplified or modified, and the dimensional ratios, shapes, and the like of the respective parts are not necessarily drawn accurately.

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。   FIG. 1 is a perspective view showing a load sensor 10 to which the present invention is applied. FIG. 2 is a perspective view schematically showing an internal configuration of the load sensor 10 of FIG. FIG. 3 is a perspective view showing the holder 12 housed in the load sensor 10 of FIG. FIG. 4 is a front view showing the retainer 12 and the crystal resonator 14 shown in FIG. 1 to 4, the load sensor 10 includes a cage 12, a crystal resonator 14, a case 16, a screw member 18, a thrust bearing 20, an electric wire 22, an electric wire 24, and the like. The load sensor 10 uses a crystal resonator 14 that detects an external load F by applying a force to the crystal resonator 14 in a longitudinal direction L perpendicular to the thickness direction D along the center line C of the cross section. It is a load sensor. The crystal unit 14 has a thickness that is ten parts thinner than the cage 12.

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。   The case 16 has a cylindrical container shape with one end opened, and a female thread 16a is provided on the inner surface on the opening side. The case 16 has a through-hole 16c formed on the other end surface 16b. The case 16 forms a casing 26 together with the screw member 18 by fastening the screw member 18 to the screw thread 16a. That is, the casing 26 of the load sensor 10 has a cylindrical shape as a whole, and the cage 12, the crystal resonator 14, the thrust bearing 20, and the like are enclosed in the casing 26 by the screw member 18. The material of the housing 26 is stainless steel (SUS302) having high rigidity, for example. The casing 26 is formed by machining a lathe or the like.

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。   The retainer 12 holds the crystal resonator 14 by holding one end portion and the other end portion in the longitudinal direction L with respect to the crystal resonator 14 so that the external load F can be transmitted to the thin plate-shaped crystal resonator 14. The cage 12 is accommodated in the case 16 so that the external load F can be transmitted to the crystal resonator 14. Specifically, the retainer 12 stably holds the crystal unit 14 and efficiently loads the external load F on the crystal unit 14 as a simple compressive load in the direction of the cross-sectional center line C. The configuration described is adopted. That is, the cage 12 has a pair of side column portions 12d and 12e that are parallel to each other with a predetermined dimension and a base portion 12b that connects the base ends of the pair of side column portions 12d and 12e. The holding member 12a in which the other end portion of the crystal resonator 14 located between 12d and 12e is fixed to the base portion 12b and the one end portion of the pair of side column portions 12d and 12e to the side opposite to the base portion 12b. A load receiving member 12f that protrudes and receives an external load F and transmits it to one end of the crystal resonator, and a displacement of the pair of side column portions 12d and 12e while allowing displacement in the direction toward the base portion 12b of the load receiving member 12f. A pair of leaf spring-like elastic hinge members 12c that connect between the distal end portion and the load receiving member 12f are provided to form a substantially frame shape. The load receiving member 12f of the present embodiment includes a contact portion 12g that protrudes toward the base portion 12b and holds the crystal resonator 14 between the base portion 12b. The length of the contact portion 12g in the width direction W is equal to or greater than the length of the crystal resonator 14 in the width direction W.

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。   The cage 12 configured as described above has an integral structure in order to simplify assembly. Specifically, the material of the cage 12 is formed, for example, from a phosphor bronze (C5210) plate material that is strong against repeated stress and has high rigidity and excellent properties as a leaf spring, by processing by an end mill or wire discharge. . The thickness of the cage 12 is set to be thicker than that of the crystal resonator 14.

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。   For the crystal resonator 14, for example, an AT cut crystal having excellent temperature stability is used. The AT-cut quartz resonator generates thickness shear vibration in the electrode portion by an externally applied voltage, and can obtain an output as an electrical periodic signal at a resonance frequency that is accurately proportional to the external force. In order to increase the load stress on the crystal with respect to the load load by reducing the cross section in the longitudinal direction L, that is, the load loading direction, for example, the quartz resonator 14 has a long length in the longitudinal direction L. The direction L is longer than the length in the width direction W perpendicular to the direction L. A pair of electrodes 28 facing each other in the thickness direction D are provided in a substantially circular shape at a substantially central portion on the plane of the crystal unit 14. Each pattern extends to the vicinity of the end of the electrode 28 so as to contradict the diagonal direction on the plane of the crystal unit 14. The electric wire 22 is connected at the pattern near the end. In this embodiment, the Q value is improved by taking the distance from the substantially circular electrode 28 serving as the oscillation source to the electric wire 22 and the cage 12.

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。   The crystal resonator 14 configured as described above is formed, for example, by forming electrodes on both surfaces of a thin plate-shaped AT-cut crystal wafer using a lift-off process and performing division by dicing. Specifically, a sacrificial layer is first patterned on an AT-cut quartz wafer, and then an electrode is formed by sputtering Cr and Au, and then the sacrificial layer is removed. This series of processes is performed on both sides to pattern the electrodes, and after completion of the electrodes, a plurality of crystal resonators 14 are formed by cutting with a dicing saw.

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。   The screw member 18 encloses the cage 12 in the case 16 and applies a preload (preload) Fpre to the cage 12 to vibrate the quartz crystal through the cage 12 accommodated in the case 16. It is fastened to the thread 16a of the case 16 in a state where a force is applied to the child 14 in the longitudinal direction L. Specifically, the screw member 18 is formed with a groove 18a for receiving a part of the holding member 12a in a relatively non-rotatable manner so as to enclose the cage 12 in a state of being appropriately fixed in the case 16. Then, the screw member 18 is fastened to the screw thread 16a in a state in which the cage 12 is accommodated in the groove 18a (for example, in a fixed state), and forms the casing 26 together with the case 16. Further, the screw member 18 is formed with a communication groove 18b by notching a part of the outer periphery to cause a loss. The communication groove 18b may be a communication groove that communicates in the longitudinal direction L so as to communicate the inside and outside of the housing 26, and various modes such as a substantially semi-cylindrical shape and a substantially rectangular shape may be employed.

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。   The electric wire 22 is a copper wire for wiring that is connected to and electrically connected to each of the electrodes 28 on the pattern of the electrode 28 extending to the vicinity of the end on the plane of the crystal resonator 14. The electric wire 24 is a copper wire for wiring having a diameter larger than that of the electric wire 22, and (or directly) the electric wire 22 via a relay substrate 30 fixed on the inner surface 18 c of the screw member 18. And are electrically connected. The electric wires 24 indirectly connected to each of the electrodes 28 through the electric wires 22 and the like are led out of the housing 26 through the communication grooves 18b. Note that the electric wire 22 directly connected to each of the electrodes 28 may be led out of the housing 26 through the communication groove 18b as it is.

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。   The thrust bearing 20 is disposed between the screw member 18 and the surface 16b at the other end of the case 16 so as to suppress or prevent torsion acting on the cage 12 when the preload Fpre is applied. For example, a known ball bearing that suppresses the force in the torsional direction S from acting on the cage 12 during the screw tightening by the member 18 and allows the force in the longitudinal direction L to be transmitted to the cage 12. Specifically, the thrust bearing 20 is disposed between the cage 12 and the surface 16 b at the other end of the case 16. The thrust bearing 20 is formed with a groove 20a for receiving a part of the cage 12 so as not to be relatively rotatable.

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。   In the load sensor 10 including the case 16, the thrust bearing 20, the cage 12, and the screw member 18, a preload Fpre is applied to the cage 12 by the screw member 18, and the preload Fpre is transmitted via the cage 12. It is appropriately transmitted to the crystal unit 14. At this time, the pair of side column portions 12 d and 12 e of the cage 12 functions as a stopper with respect to the longitudinal direction L due to tightening of the screw member 18. Therefore, it is possible to apply a substantially constant front load Fpre without special adjustment regarding the application of the preload Fpre due to the tightening of the screw member 18. In addition, by applying the preload Fpre, the gap between the cage 12 and the crystal unit 14 generated when the load sensor 10 is assembled can be filled, and the load sensor 10 can be raised.

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。   FIG. 5 is a diagram illustrating the configuration of the entire system including the load sensor 10. The elements constituting the system of the load sensor 10 include the load sensor 10, an oscillation circuit 32 for continuously oscillating the crystal resonator 14 that is a main part of the load sensor 10, and a period output from the oscillation circuit 32. A frequency counter 34 for reading the signal frequency, a power supply circuit 36 for supplying power to the oscillation circuit 32, and the like. The oscillation circuit 32 uses a CMOS gate type that has few circuit components and can be easily reduced in size, and is provided with a bypass capacitor or the like for noise removal.

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]
Below, the dimension of the main site | part in an example of the load sensor 10 made as an experiment is shown. As shown in this, the load sensor 10 of the present embodiment is configured to be sufficiently small.
・ Case 26: φ6 [mm], height (longitudinal direction L) 8 [mm]
・ Crystal resonator 14: Longitudinal direction L3.5 [mm], width direction W2.0 [mm], thickness direction D0.1 [mm]
-Cage 12: Longitudinal direction L7 [mm], width direction W4.2 [mm]
Contact part 12g: Longitudinal direction L1.0 [mm]
-Hinge member 12c: longitudinal direction L0.1 [mm]
-Electrode 28 (central part): φ1 [mm], thickness direction D250 [nm]
・ Wire 22: φ0.05 [mm]

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。   Below, the analysis result in the load sensor 10 made as an experiment as described above will be described. In the state where only the cage 12 sandwiching the crystal unit 14 is mounted (see FIGS. 3 and 4), the load applied to the crystal unit 14 when the external load F of 10 [N] from the longitudinal direction L is applied is 8.6. [N] (calculated from the stress 43 [MPa] at the center of the crystal unit 14 and the crystal cross section 2.0 [mm] × 0.1 [mm]). Here, if the “load applied to the crystal resonator 14 with respect to a given external force” is defined as “force conversion rate”, the force conversion rate of the load sensor 10 of this embodiment is 86 (= ( 8.6 / 10) x 100) [%], and the sensitivity was improved. The allowable load load of the crystal resonator 14 calculated by analysis was 36 [N].

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。   6 and 7 are diagrams illustrating characteristics of the crystal resonator 14 with respect to a load applied to the crystal resonator 14. FIG. 6 shows the result of a load test in a state where only the cage 12 sandwiching the crystal unit 14 is mounted (see FIGS. 3 and 4). FIG. 7 shows the result of a load load experiment in the load sensor 10 (see FIG. 1) in which the preload Fpre is applied by 10 [N] by tightening with the screw member 18. In this load load experiment, only the cage 12 or the load sensor 10 is arranged on the experimental apparatus table vertically so as to match the longitudinal direction L, and a load is applied. The applied load is measured by the load cell, and at the same time, the output from the crystal resonator 14 connected to the oscillation circuit 32 is measured by the frequency counter 34, thereby measuring the change in frequency with respect to the load applied to the crystal resonator 14. did.

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。   In FIG. 6, the resonance frequency of the crystal resonator 14 was not changed until a load of approximately 5 [N] was applied. Further, the resonance frequency of the crystal resonator 14 was changed with a high linearity after a load of about 10 [N] was applied. Therefore, in the load sensor 10 of the present embodiment, it is understood that when a preload Fpre of approximately 10 [N] is applied, it is possible to configure a load sensor that can rise well and obtain a value that is accurately proportional to the external force. The analysis result shown in FIG. 7 is an experimental result in the load sensor 10 reflecting the experimental result of FIG.

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R=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)
In FIG. 7, an approximate straight line A indicating the relationship between the external load F and the resonance frequency of the crystal resonator 14 is expressed by the following equation (1) (x: external load F [N], Y: resonance frequency [MHz]. ]). The correlation coefficient in the approximate straight line A is R 2 = 0.9972, and good linearity is obtained. The sensor sensitivity was 896 [Hz / N], and the sensitivity was improved.
Y = 896x × 10 −6 +16.491 (1)

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。   FIG. 8 is a diagram illustrating the characteristics of the load sensor 10 when a minute load is applied during a high load. In this experiment, a weight of 2.0 [kg] was suspended from the prototype load sensor 10 and then a weight of 1.0 [g] was placed thereon, and the change in the output of the load sensor 10 (that is, the change in frequency) was measured. In this experiment, after suspending the weight, enough time was taken until the fluctuation of the output due to the shaking of the weight was settled, and then a weight of 1.0 [g] was placed. In FIG. 8, there was no damage of the load sensor 10 with respect to the weight of 2.0 [kg], and the output of the load sensor 10 showed a fluctuation of about 19,200 [Hz]. In addition, the output of the load sensor 10 varied about 10 [Hz] with respect to a weight of 1.0 [g]. Thereby, it turns out that the load sensor 10 can measure a micro force at a high load. That is, it can be seen that the load sensor 10 is a wide range and high sensitivity load sensor.

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。   As described above, according to the load sensor 10 using the crystal resonator 14 of the present embodiment, the holder 12 that holds one end and the other end of the thin plate-shaped crystal resonator 14 is (b-1) A pair of side column portions 12d and 12e spaced apart from each other by a predetermined dimension and a base portion 12b connecting the base ends of the pair of side column portions 12d and 12e, and between the pair of side column portions 12d and 12e. A holding member 12a in which the other end portion of the quartz crystal resonator 14 located at the base is fixed to the base portion 12b; and (b-2) a side opposite to the base portion 12b from one end portions of the pair of side column portions 12d and 12e. And a load receiving member 12f that receives the external load F and transmits it to one end of the crystal resonator 14, and (b-3) while allowing displacement in the direction toward the base portion 12b of the load receiving member 12f. The tip of the pair of side column portions 12d and 12e and the load receiving member 12f are connected to each other. Shaped two leaf springs and a pair of elastic hinge members 12c, including. As a result, the load receiving member 12f that receives the load F and transmits it to one end of the crystal resonator 14 is a leaf spring that connects the tip of the pair of side column portions 12d and 12e and the load receiving member 12f. Due to the elastic deformation of the elastic hinge member 12c, a minute displacement in the direction toward the base portion 12b of the load receiving member 12f is allowed, so that sliding friction does not occur when the displacement is caused in response to a change in the load F. For this reason, sufficient response of the measurement is obtained, the waveform of the measured biological information is not distorted, there is no hysteresis due to sliding friction, and no hysteresis is included in the measurement load. Therefore, sufficient accuracy can be obtained for the load waveform and the absolute value of the load.

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。   Further, according to the load sensor 10 using the crystal resonator 14 of the present embodiment, the holding member 12a including the pair of side column portions 12d and 12e and the base portion 12b, the load receiving member 12f, and the pair of elastic hinge members 12c Is formed integrally from a phosphor bronze plate, which is a common plate material, and therefore, microfabrication can be performed by, for example, MEMS technology, and the load sensor 10 including the small cage 12 is further downsized.

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。   Further, according to the load sensor 10 using the crystal resonator 14 of the present embodiment, the cage 12, the case 16, the screw member 18, and the thrust bearing 20 are provided. The external load F is efficiently applied as a simple compressive load to the crystal unit 14 and is held in a state in which the holder 12 is appropriately fixed in the case 16 by the screw member 18 and is attached to the holder 12. The preload Fpre is applied, and the torsion acting on the cage 12 when the preload Fpre is applied is appropriately suppressed or not generated by the thrust bearing 20. As described above, by adding a mechanism for applying the preload Fpre in the formation of the casing 26 of the load sensor 10, the assembly of the casing 26 is completed together with the application of the preload Fpre. Therefore, the process of assembling the casing 26 includes a process of applying the preload Fpre, and for example, the three processes of sensor wiring, casing assembly, and application of the preload are simplified to two processes of sensor wiring and casing assembly. In addition, the preload Fpre can be applied by the cage 12 and the casing 26 without providing a dedicated component for applying the preload Fpre, and the number of components of the load sensor 10 is reduced. Therefore, the load sensor 10 using the crystal resonator 14 that can simplify the process for applying the preload Fpre and suppress the increase in the number of parts for applying the preload Fpre is provided.

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。   Further, according to the present embodiment, the assembly can be simplified by the retainer 12 having an integral structure. Further, the external load other than the longitudinal direction L is further reduced by the hinge member 12c. Further, the preload Fpre applied to the cage 12 by the screw member 18 is appropriately transmitted to the crystal unit 14 via the cage 12. At this time, the side column portions 12d and 12e of the holding member 12a function as a stopper with respect to the longitudinal direction L due to tightening of the screw member 18, so that the application of the preload Fpre does not require special adjustment and is substantially constant. It is possible to apply a preload Fpre.

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。   Further, according to the present embodiment, the load receiving portion 12f of the cage 12 is partly projected out of the housing 26 through the through hole 16c of the case 16, so that the external load F is efficiently crystallized. The vibrator 14 is loaded as a simple compression load.

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。   Further, according to the present embodiment, since the electric wire 22 or the electric wire 24 is led out of the housing 26 through the communication groove 18b of the screw member 18, the load sensor 10 using the crystal resonator 14 is appropriately set. Composed.

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。   Next, a load sensor 50 according to another embodiment of the present invention will be described. In the following description, parts common to those in the above-described embodiment are denoted by the same reference numerals and description thereof is omitted.

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。   FIG. 11 is a perspective view showing the load sensor 50, FIG. 12 is a perspective view of the load sensor 50 cut in the longitudinal direction at the center in the width direction, and FIG. 13 is an assembly before explaining the three-layer structure of the load sensor 50 FIG.

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。   The load sensor 50 includes a holder 52 that holds one end and the other end of the thin plate-shaped crystal resonator 14, and an axis C passing through the one end of the crystal resonator 14 in the direction toward the other end, that is, the center of the cross section. The external load F is detected by receiving the external load F in the direction of. The holder 52 is composed of two holding plates 54 that are in close contact with the bottom and sides of the crystal unit 14 by adhesion or bonding and sandwich the sandwiched plate. The two holding plates 54 are similarly configured in an integrated manner, for example, from a Si substrate by deep photoetching used in MEMS technology.

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。   The two holding plates 54 constituting the holder 52 have a pair of side column portions 54d and 54e spaced apart from each other by a predetermined dimension and a base portion 54b that connects the base ends of the pair of side column portions 54d and 54e. A holding member 54a in which the other end portion of the crystal unit 14 positioned between the pair of side column portions 54d and 54e is fixed to the base portion 54b, and a base portion rather than one end portion of the pair of side column portions 54d and 54e. A pair of a load receiving member 54f that protrudes to the opposite side of 54b and receives the external load F and transmits it to one end of the crystal resonator 14 and a pair of displacements in a direction toward the base portion 54b of the load receiving member 54f. A pair of leaf spring-like elastic hinge members 54c for connecting between the front end portions of the side column portions 54d and 54e and the load receiving member 54f are provided.

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。   The crystal unit 14 includes a pair of parallel cut grooves 14a that are cut from one end portion toward the other end portion to reach the base portion 54b and communicate with each other in the thickness direction. The crystal resonator 14 is not in contact with the pair of linear cut grooves 14a, and is located below the pair of linear cut grooves 14a and below the pair of linear cut grooves 14a. It is clamped by the cage 52 with the portion located on the side.

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。   The pair of holding plates 54 includes a rectangular concave surface D that forms a gap S between a surface between the pair of linear cut grooves 14a of the crystal unit 14, a load receiving member 54f, and a pair of elastic hinges. A hat-shaped slot 56 penetrating in the thickness direction to separate the member 54c and a lead wire hole 60 through which a lead wire 58 having one end connected to the electrode 28 of the crystal resonator 14 are formed. Has been.

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。   As a result, the pair of holding plates 54 are positioned outside the concave surface D and are closely connected to the outside of the pair of linear cut grooves 14a of the crystal unit 14 and the concave surface D. Located on the lower side of the crystal unit 14, the base portion 54 b in close contact with the other end of the crystal unit 14, and on the upper side of the concave surface D, that is, on one end side of the crystal unit 14. Thus, the load receiving member 54f that is in close contact with one end of the crystal resonator 14 and the displacement in the direction toward the base portion 54b of the load receiving member 54f are positioned on the upper side of the concave surface D, that is, on one end of the crystal resonator 14. A pair of leaf spring-like elastic hinge members 54c that connect between the tip ends of the pair of side column portions 54d and 54e and the load receiving member 54f while being allowed are formed.

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。   The load sensor 50 configured as described above has a height of about 5.5 mm, for example, when the crystal resonator 14 has a height of about 3.5 mm, a width of about 2.0 mm, and a thickness of about 0.1 mm. It has a width of about 4.2 mm and a thickness of about 0.8 mm, and is sufficiently small.

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R=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)
14 shows a power supply for the load sensor 50 to the oscillation circuit 32, the frequency counter 34 for reading the frequency of the periodic signal output from the oscillation circuit 32, the oscillation circuit 32, and the like, similar to those shown in FIG. The output characteristic measured using the power supply circuit 36 for supplying the power is shown. In FIG. 14, an approximate straight line B indicating the relationship between the external load F and the resonance frequency of the crystal resonator 14 is expressed by the following equation (2) (x: external load F [N], Y: resonance frequency [MHz]. ]). The approximate straight line B indicates that the resonance frequency of the crystal resonator 14 has high linearity with respect to the load F. The correlation coefficient is R 2 = 0.993297, and good linearity is obtained. The sensor sensitivity was 1191 [Hz / N], and the sensitivity was improved.
Y = 0.001191x + 15.910815 (2)

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。   15 is a process diagram for explaining the manufacturing process of the load sensor 50. FIG. 16 shows an intermediate shape of the crystal unit 14 in each of the manufacturing processes P1 to P4 of the load sensor 50. FIG. The intermediate shape of the holding plate 54 in the manufacturing processes P5 to P8 is shown, and FIG. 18 shows the assembled state of the crystal resonator 14 and the holding plate 54 before separation into individual load sensors 50.

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。   In FIG. 15, in the electrode forming process P <b> 1, the material Cr / Au of the electrode 28 is sputtered from a photoresist (not shown) fixed on both surfaces of the quartz substrate CP and from which a pattern having a shape corresponding to the plurality of electrodes 28 is removed. Then, the photoresist is lifted off, and a plurality of Cr / Au electrodes 28 of the pattern shown in FIG. 13 are fixed to both surfaces of the quartz substrate CP using a sputtering apparatus. FIG. 16A shows this state. The quartz crystal substrate CP has a thickness that is sufficiently thinner than the silicon substrate Si.

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。   Next, in the photoresist lamination step P2, a positive photoresist film PPR for etching is laminated (dry film lamination) on one surface of the quartz crystal substrate CP. FIG. 16B shows this state.

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。   In the subsequent patterning step P3, of the positive resist film PPR laminated on one surface of the quartz substrate CP, the slit-like portions corresponding to the outer shapes of the pair of linear cut grooves 14a and the load receiving member 54f are locally exposed by exposure. Removed. FIG. 16 (c) shows this state.

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。   In the hole punching step P4, a pair of linear cut grooves 14a and the like are formed by sandblasting or etching the quartz substrate CP through the patterned positive resist film PRF, and then a positive electrode is formed by a stripping solution. The mold resist film PPR is removed. FIG. 16 (c) shows this state. As a result, a large number of crystal resonators 14 with electrodes that are integrally connected to each other in the crystal substrate CP are manufactured simultaneously (at once).

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。   In the first resist patterning step P5 of FIG. 15, a negative photoresist NPR is applied to one surface of the silicon substrate Si with a predetermined thickness, and then exposed to a shape corresponding to the concave surface D of the silicon substrate Si in the photoresist NPR. The pattern is exposed. FIG. 17A shows this state. Next, in the first etching step P6, deep etching used in the MEMS technology is performed on one surface of the silicon substrate Si through the photoresist NPR, and a plurality of concave surfaces D are formed on one surface of the silicon substrate Si. As a result, the photoresist NPR is removed. FIG. 17B shows this state.

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。   Next, in the second resist patterning step P7, a negative photoresist NPR is applied to one surface of the silicon substrate Si on which the concave surface D is formed with a predetermined thickness, and then exposed to a hat of the silicon substrate Si in the photoresist NPR ( The pattern of the shape corresponding to the slot 56 and the lead wire hole 60 of the hooked cap) shape is exposed. FIG. 17 (c) shows this state. Next, in the second etching step P8, deep etching used in the MEMS technology is performed on one surface of the silicon substrate Si through the photoresist NPR, and after the slot 56 and the lead wire hole 60 penetrating the silicon substrate Si are formed, The photoresist NPR is removed by the stripping solution. As a result, a large number of holding plates 54 constituting a large number of retainers 52 integrally connected to each other in the silicon substrate Si are manufactured simultaneously (at once).

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。   In the assembling process P9 of FIG. 15, a pair of silicon substrates Si on which a large number of holding plates 54 are formed are bonded or bonded to each other with a crystal substrate CP on which a large number of crystal resonators 14 with electrodes are formed. A large number of load sensors 50 are assembled by fixing them. The lead wire 58 may be bonded to the electrode 28 before assembling, or may be bonded to the electrode 28 after assembling. After assembling in this manner, the load sensor 50 shown in FIGS. 11 to 13 is obtained by separation using, for example, laser light at the position indicated by the one-dot chain line in FIG.

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。   As described above, according to the load sensor 50 using the crystal resonator 14 of the present embodiment, the retainer 52 that holds one end and the other end of the thin plate-shaped crystal resonator 14 is (b-1) A pair of side column portions 54d and 54e spaced apart from each other by a predetermined dimension and a base portion 54b connecting the base ends of the pair of side column portions 54d and 54e, and between the pair of side column portions 54d and 54e. A holding member 54a in which the other end portion of the quartz crystal resonator 14 located at the base is fixed to the base portion 54b; And a load receiving member 54f that receives the external load F and transmits it to one end of the crystal resonator 14, and (b-3) while allowing displacement in the direction toward the base 54b of the load receiving member 54f. The tip of the pair of side column portions 54d and 54e and the load receiving member 54f are connected to each other. Shaped single leaf spring and a pair of elastic hinge members 54c, including. As a result, the load receiving member 54f that receives the load F and transmits it to one end of the crystal resonator 14 is a leaf spring that connects the tip of the pair of side column portions 54d and 54e and the load receiving member 54f. Due to the elastic deformation of the elastic hinge member 54c, a minute displacement in the direction toward the base portion 54b of the load receiving member 54f is allowed, so that a sliding friction does not occur when the displacement is caused in response to a change in the load F. For this reason, sufficient response of the measurement is obtained, the waveform of the measured biological information is not distorted, there is no hysteresis due to sliding friction, and no hysteresis is included in the measurement load. Therefore, sufficient accuracy can be obtained for the load waveform and the absolute value of the load.

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。   Further, according to the load sensor 50 using the crystal resonator 14 of the present embodiment, the holding member 54a including the pair of side column portions 54d and 54e and the base portion 54b, the load receiving member 54f, and the pair of elastic hinge members 54c Is integrally formed from a silicon substrate Si, which is a common plate material, so that microfabrication can be performed by, for example, MEMS technology, and the load sensor 50 including the small cage 52 is further reduced in size.

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。   Further, according to the load sensor 50 of the present embodiment, a plurality of holding plates 54 are simultaneously manufactured by photoetching the silicon substrate Si to form the concave surface D and the elastic hinge member 54c. The substrate is divided from the substrate Si. For this reason, the productivity of the load sensor 50 is increased and the assembly is facilitated, so that an inexpensive load sensor can be obtained.

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。   Further, according to the quartz crystal resonator 14 of the present embodiment, a plurality of quartz crystal resonators 14 are formed by applying sputtering for forming the electrodes 28 and sandblasting for forming the linear cut grooves 14a to the quartz crystal substrate CP. It is manufactured at the same time and divided from the crystal substrate CP. For this reason, the productivity of the load sensor 50 is increased and the assembly is facilitated, so that a more inexpensive load sensor 50 can be obtained.

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。   As mentioned above, although the Example of this invention was described in detail based on drawing, this invention is applied also in another aspect.

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。   For example, in the above-described embodiment, the screw member 18 has the groove 18a formed therein and is fastened to the case 16 in a state where the holding member 12a is accommodated in the groove 18a. For example, as shown in FIG. 9A, the screw member 18 may be fastened to the case 16 in a state where the groove 18a is not formed and the holding member 12a is in contact with the surface 18c. Moreover, although the electric wire 24 (or electric wire 22) was derived | led-out outside the housing | casing 26 via the communication groove 18b of the screw member 18, it is not restricted to this aspect. For example, with respect to leading the electric wire 24 out of the casing 26, any configuration may be used as long as the inner and outer sides of the casing 26 communicate with each other. As shown in FIG. 9A, the longitudinal direction L formed in the screw member 18 is sufficient. An aspect such as a communication hole 18d that communicates with each other can also be adopted. Even in this case, the load sensor 10 using the crystal resonator 14 is appropriately configured.

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。   In the above-described embodiment, the load receiving portion 12f of the holding member 12a is partially protruded out of the housing 26 through the through hole 16c of the case 16, but this is not restrictive. For example, as shown in FIG. 9B, even if a part of the load receiving portion 12f protrudes outside the housing 26 through a through hole 18e that penetrates in the longitudinal direction L formed in the screw member 18, good. Even in this case, the external load F is efficiently applied to the crystal unit 14 as a simple compression load.

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。   In the above-described embodiment, the thrust bearing 20 is disposed between the holding member 12a and the surface 16b of the case 16, but this is not restrictive. For example, when the screw member 18 is tightened to the case 16 with the holding member 12a in contact with the surface 18c of the screw member 18 (see FIG. 9A), the thrust bearing 20 is 18 and the surface 16b of the case 16 may be disposed, and may be disposed between the screw member 18 and the holding member 12a as shown in FIG. 9C. Even if it does in this way, the torsion which acts on the holding member 12a at the time of the load of the preload Fpre is suppressed by the thrust bearing 20, or is not produced. Even in the case where the load receiving portion 12f is partially protruded outside the housing 26 through the through hole 18e formed in the screw member 18 (see FIG. 9B), this concept can be applied. Needless to say.

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。   In the above-described embodiment, the load sensor 10 and the circuit such as the oscillation circuit 32 are separate bodies, but the present invention is not limited to this mode. For example, the load sensor 10 and the oscillation circuit 32 may be integrated. By miniaturizing the entire system and integrating it to shorten the wiring distance, it is possible to suppress the influence of noise in the connection between devices. FIG. 9D shows an example in which the substrate of the oscillation circuit 32 is downsized and the load sensor 10 and the oscillation circuit 32 are integrated. In FIG. 9D, the influence of the disturbance can be suppressed by arranging the oscillation circuit 32 around the load sensor 10 and performing shielding with the metal case 38. In the embodiment shown in FIG. 9D, the size can be reduced to φ12 [mm] × height (longitudinal direction L) 11 [mm].

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。   In the above-described embodiment, the holding member 12a has the two-stage hinge member 12c. However, the present invention is not limited to this mode. For example, the hinge member 12c may have three or more stages, or may have one stage as shown in FIG. Even in this case, the external load F other than the longitudinal direction L is reduced by the hinge member 12c.

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。   In the above-described embodiment, the contact portion 12g is integrally formed on the load receiving member 12f of the retainer 12, but this is not a limitation. For example, as shown in FIG. 10B, the load receiving member 12f may be in direct contact with the crystal resonator 14.

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。   In the second embodiment, a large number of crystal resonators 14 are simultaneously formed on the crystal substrate CP and divided therefrom, and a plurality of holding plates 54 are simultaneously formed on the silicon substrate Si and then divided. However, one of the crystal unit 14 and the holding plate 54 may be manufactured by such a manufacturing method.

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。   The above description is only an embodiment, and the present invention can be implemented in variously modified and improved forms based on the knowledge of those skilled in the art.

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。   The present invention can be used in fields such as robots, medical care, welfare, nursing care, moving objects, health equipment, fine work, and biological signal detection. Specifically, since the load sensor using the crystal resonator of the present invention can measure a micro force at a high load, a large load such as a distributed load applied to a bed, a weight, a grip force (grip force), etc. It can be used for simultaneous measurement of force and biological signals such as respiration and heart rate (pulse). Further, it can be used when a robot performs a range of tasks from holding a heavy object to delicate work on a fragile object.

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)
10, 50: Load sensor (load sensor using crystal resonator)
12, 52: Cage 12a, 54a: Holding member 12b, 54b: Base part 12c, 54c: Hinge members 12d, 12e, 54d, 54e: Side column parts 12f, 54f: Load receiving part (load receiving member)
14: Crystal resonator 14a: Linear cut groove 16: Case 16a: Thread 16b: Surface 16c: Through hole 18: Screw member 18a: Groove 18b: Communication groove 18d: Communication hole 18e: Through hole 20: Thrust bearing 22 24: Electric wire 26: Housing 28: Electrode 54: Holding plate 56: Hat-shaped slot 58: Lead wire 60: Lead wire hole D: Concave surface Si: Silicon substrate (plate material)
CP: Crystal plate (plate material)

Claims (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。
A crystal having a holder for holding one end and the other end of a thin plate-shaped crystal resonator, and detecting the external load by receiving an external load in a direction toward the other end at one end of the crystal resonator A load sensor using a vibrator, wherein the cage is
A pair of side pillars spaced apart from each other by a predetermined dimension, and a base part that connects the base ends of the pair of side pillars, and the other end of the crystal unit located between the pair of side pillars is A holding member fixed to the base,
A load receiving member that protrudes from the one end of the pair of side pillars to the opposite side of the base, and that receives the external load and transmits it to one end of the crystal unit;
A pair of leaf spring-like elastic hinge members that connect between the tip of the pair of side column portions and the load receiving portion while allowing displacement of the load receiving portion in the direction toward the base portion. A load sensor using a crystal resonator.
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。
The load sensor using a crystal resonator according to claim 1, wherein the holding member, the load receiving member, and the elastic hinge member are integrally formed from a common plate material.
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。
A cylindrical case in which an opening is formed at one end to accommodate the retainer, and an internal thread is formed on the inner peripheral surface of the opening;
A screw member that is tightened to the screw thread in a state in which a force is applied to the crystal resonator in the same direction as the external load via the cage accommodated in the case, and forms a casing together with the case When,
It is arrange | positioned between the said screw member and the surface of the other end of the said case, and it suppresses that the force of the twist direction at the time of the screw fastening by the said screw member acts on the said holding member, and the said force of the said longitudinal direction is A thrust bearing that allows transmission to the holding member;
The load sensor using the crystal resonator according to claim 1 or 2, further comprising:
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。
The retainer includes a holding member including the pair of side column portions and a base portion, the load receiving member, and the pair of elastic hinge members. It has a square frame shape,
The load sensor using a crystal resonator according to claim 3, wherein each of the pair of elastic hinge members is formed of one or a plurality of leaf springs.
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。
The load receiving member is partially protruded out of the housing through a through hole formed in the other end surface of the case, or penetrated in the longitudinal direction formed in the screw member. 5. The load sensor using a crystal resonator according to claim 3, wherein a part of the load protrudes outside the housing through a hole.
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。
The screw member is formed with a groove for receiving a part of the holding member so as not to be relatively rotatable, and is fastened to the screw thread in a state in which the holding member is accommodated in the groove.
The load sensor using the crystal resonator according to any one of claims 3 to 5, wherein the thrust bearing is disposed between the holding member and a surface of the other end of the case. .
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。
A pair of electrodes provided on both planes of the crystal resonator and facing in the thickness direction;
An electric wire directly or indirectly connected to each of the electrodes;
The said electric wire is derived | led-out outside the said housing | casing through the communicating groove | channel or communicating hole which is connected to the said longitudinal direction formed in the said screw member, The any one of Claim 3 thru | or 6 characterized by the above-mentioned. A load sensor using a crystal unit.
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。
The thin plate-shaped crystal resonator has a pair of linear cut grooves that are cut from one end to the other end and communicate in the thickness direction.
The holder is composed of a pair of holding plates that are fixed to the periphery of the crystal unit and sandwich the crystal unit,
The pair of holding plates are in close contact with a concave surface that forms a gap between the pair of linear cut grooves of the crystal resonator and the outside of the pair of linear cut grooves of the crystal resonator. A pair of side pillars, a base portion in close contact with the other end portion of the crystal resonator, a load receiving portion in close contact with one end portion of the crystal resonator, and a direction of the load receiving portion toward the base portion The pair of leaf spring-like elastic hinge members that connect between the tip end portions of the pair of side column portions and the load receiving portion while allowing displacement are formed respectively. Or a load sensor using a crystal resonator of 2.
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。
A plurality of the holding plates are manufactured at the same time by being subjected to photo etching that forms the concave surface and the elastic hinge member on the silicon substrate, and are divided from the silicon substrate. A load sensor using the crystal resonator according to Item 8.
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。
A plurality of the quartz resonators are manufactured simultaneously by being sputtered to form electrodes and sandblasting to form the linear cut grooves on the quartz substrate, and are divided from the quartz substrate. A load sensor using the crystal unit according to claim 8 or 9.
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