JPH04337430A - 力変換器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は力を電気信号に変換する
ための力変換器に関する。

【０００２】電子はかり等においては従来からロバーバ
ル機構と称する力／ひずみ変換機構を用いるのが一般的
であった。ロバーバル機構とは、例えば図９に示す如く
平行四辺形の枠体であって、向かい合った２辺１、２の
両端にそれぞれ薄肉部３、４と５、６を有し、前記薄肉
部を介して他の２辺７、８と一体結合したものである。 更に、前記薄肉部の少なくとも１ケ所（この例では２ケ
所３、４）にひずみ検出素子例えばひずみゲージ９、１
０を固定することによってロバーバル機構に加わった力
を電気信号に変換する力変換器を構成することができる
。前記力変換器は例えば図１０に示す如く前記辺７を基
台に固定し、前記辺８に図中矢印方向の力Ｆを加えると
前記薄肉部３乃至６が力の大きさに応じて変形するのに
伴い前記ひずみゲージ９、１０にひずみが発生し、その
抵抗値の変化で加わった力を感知するものである。

【０００３】しかしながら、前記ロバーバル機構は一般
にエリンバーの如き温度変化に対して弾性係数がほとん
ど変化しないような金属によって構成し、前記ひずみ検
出素子としてはニクロム系合金や銅・ニッケル合金ある
いは半導体を材料としたものを用いるのが一般的である
ため、前記ロバーバル機構と前記ひずみ検出素子との間
の熱膨張差によって熱歪が生じ温度変化であたかも力が
加わった如く出力が変動するといった欠陥があった。こ
れを解決する手段として、前記ロバーバル機構の線膨張
係数と極力近いそれを有する材料のひずみ検出素子を用
いたり、温度補償用の抵抗ブリッジ回路を構成するとい
った工夫が行われているが、前者は線膨張係数の差を完
全に一致させることは極めて難しく、後者は部品点数及
び調整工数が増大するといった問題があった。更に、ロ
バーバル機構への前記ひずみ検出素子の固定位置によっ
て発生するひずみの大きさが異なるため、検出素子の固
定位置のバラツキが感度のバラツキとなるといった欠陥
があった。

【０００４】

【発明の目的】本発明は上述した如き従来のロバーバル
機構を用いた力変換器が有する欠陥を除去するためにな
されたものであって、ひずみ検出素子とロバーバル機構
との間で熱歪が発生しない、また量産の際に前記ひずみ
検出素子の固定位置による感度のバラツキのない力変換
器を提供することを目的とする。

【０００５】

【発明の概要】上述の目的を達成するため本発明に係る
力変換器は、ロバーバル機構を圧電材料例えば水晶結晶
で構成し、これと同じ圧電材料で構成した振動子を両者
の結晶軸方向が一致するようにロバーバル機構の薄肉部
に該部の変形面と平行に固定したものである。

【０００６】

【発明の実施例】以下、本発明を実施例を示す図面によ
って詳細に説明する。図１（ａ）及び（ｂ）はそれぞれ
本発明の一実施例を示す平面図と側面図であり、互いに
向かい合った２辺１、２のそれぞれの両端に薄肉部３、
４と５、６とを形成し、前記２辺をその薄肉部を介して
他の２辺７、８と結合した平行四辺形の枠体を水晶結晶
で一体形成したロバーバル機構に於いて、前記薄肉部３
、４のひずみを生ずる面と平行にそれぞれ細長い棒状の
振動部を有する水晶振動子９、１０を互いの結晶軸方向
が一致するように固定したものである。ここで、ロバー
バル機構に固定する前記水晶振動子９、１０について少
しく説明する。図２（ａ）及び（ｂ）はそれぞれ前記水
晶振動子の一実施例を示す平面図と側面図であり、長手
方向を結晶軸のＹ軸と一致させた細長い棒状の振動ビー
ム１１とその両端に固定部１２、１３を水晶結晶で一体
形成し、前記振動ビーム１１の４つの側面にそれぞれ独
立した電極１４を付着したシングルビーム型の水晶振動
子であり、前記電極１４を隣り合った面の極性が異なる
ように互いに対向する面同志を接続しそれぞれを前記固
定部１２、１３の面上に付着させたパッド１５、１６に
接続したもので、このパッド間に電位差を与えると図２
（ｃ）の矢印の如く電界を生ずるものである。これを適
当な発振回路で励振すると屈曲振動モードで振動する。

【０００７】図３（ａ）及び（ｂ）は最低次の屈曲振動
モードの変位分布を示す模式図であり、（ａ）の実線状
態から点線の状態を経て（ｂ）の実線の状態へという弦
の振動と同様の変位をもち、前記振動ビームの長手方向
に生じるひずみに応じてその振動周波数を引っ張りで正
、圧縮で負に変化する特徴を持つ。

【０００８】上述のように構成した図１の力変換器は、
図４に示すように動作する。例えば同図に示す如く前記
ロバーバル機構の１辺７を基台に固定し、これと相対面
する他の１辺８に図中矢印方向の力Ｆを加えると前記薄
肉部３乃至６が加えた力の大きさに応じて変形し、これ
に伴い前記水晶振動子９、１０にひずみが発生しその振
動周波数が変化するものである。尚、図５に示す如くロ
バーバル機構の枠の内側に水晶振動子９、１０を固定し
た場合にも同様の機能が得られることは自明である。

【０００９】以上、ロバーバル機構にシングルビーム水
晶振動子を固定した実施例について説明したが本発明は
これのみに限定される必要はなく、前記水晶振動子を他
の例えば図６（ａ）に示す如きダブルチューニングフォ
ーク型の水晶振動子に置き換えても同様な機能が得られ
る。ダブルチューニングフォーク型の水晶振動子とは、
２本の振動ビーム１７、１８を平行に配置し、これらと
その両端を互いに結合する固定部１９、２０とを水晶結
晶で一体形成し、図６（ｂ）に示す如く前記振動ビーム
１７、１８のそれぞれに上述のシングルビーム水晶振動
子と同様に電極１４を４面に付着し、前記電極１４を互
いに向かい合った面同志で接続し、同図（ｃ）に示す如
く前記振動ビーム１７、１８に互いに逆の電界が生ずる
ように接続し、前記固定部１９、２０の面上に付着させ
たパッド１５、１６にそれぞれを接続したものであり、
同図（ｄ）、（ｅ）に示す如く前記２本の振動ビーム１
７、１８は互いに対称な変位分布を示し図中矢印で示す
如く発生するモーメントを互いに打ち消し合うようにし
たＱ値の高い振動子である。

【００１０】尚、前記ロバーバル機構と前記水晶振動子
とは、水晶と線膨張係数が近似する低融点ガラス等を用
いて接着することが望ましい。このようにすることによ
って、前記ロバーバル機構と前記水晶振動子との線膨張
係数をほぼ一致させることが可能となり温度変化による
熱歪を極限した力変換器を得ることができる。

【００１１】しかしながら、前記接着剤の線膨張係数を
水晶結晶のそれと完全に一致させることは不可能である
という欠点がある。従って上述の欠点を解決し、より高
精度の力変換器を得るためには図７に示すような構成を
とればよい。即ち、同図に示す如くロバーバル機構２１
と水晶振動子９、１０とを単一の水晶結晶で一体形成す
るものであるから全体の線膨張係数が一致した力変換器
が得られる。

【００１２】このような構造物は水晶結晶の板（以下水
晶素板）をワイヤーソー等で切削加工してもよいが、エ
ッチング加工で製造することもできる。エッチング加工
は周知の如く厚み方向を結晶軸のＺ軸と一致させた水晶
素板の面上に図７に示す力変換器の水晶振動子の長手方
向が結晶軸Ｙ軸と一致するようにホトリソグラフィ技術
によって同図の形状の保護膜を形成し、前記保護膜のな
い部分をエッチングし穿孔するものであるから、各構成
部品の位置関係を常に一定とすることができ、更に、Ｉ
Ｃチップを製造するのと同様に単一の水晶素板上で複数
のユニットを同時に形成する所謂バッチ処理が可能とな
り製造効率を向上することができる。尚、図８に示す如
く水晶振動子がダブルチューニングフォーク型の水晶振
動子のように複雑な形状であってもその製造に格別の困
難はない。

【００１３】以上、水晶結晶を用いた力変換器を実施例
として本発明を説明したが水晶結晶以外の圧電材料例え
ば圧電セラミックを用いても同様の機能を有する力変換
器を製造し得ることは自明であり、ロバーバル機構と圧
電振動子を一体成型する際には素材を型を用いて焼結す
ればよい。

【００１４】

【発明の効果】本発明は以上説明した如く構成するもの
であるから、ロバーバル機構を用いた力変換器の温度変
化による熱歪に起因する出力変動と量産した力変換器の
ユニット間の特性のばらつきを極限する上で著しい効果
を発揮する。

【００１５】

【図面の簡単な説明】

【図１】（ａ）、（ｂ）　　それぞれ本発明に係る力変
換器の一実施例を示す平面図と側面図。

【図２】（ａ）、（ｂ）及び（ｃ）　　それぞれシング
ルビーム型の水晶振動子の平面図、側面図及びＡ−Ａ断
面図。

【図３】（ａ）、（ｂ）　　屈曲モードの最低次の変位
分布を示した模式図。

【図４】　　図１の実施例の動作を示す図。

【図５】　　図１の実施例の変形の構造図。

【図６】（ａ）、（ｂ）、（ｃ）及び（ｄ）、（ｅ）　
　それぞれダブルチューニングフォーク型の水晶振動子
の構造図、電極構成図、Ｂ−Ｂ断面図及び振動の変位分
布を示す図。

【図７】　　本発明に係る力変換器の他の実施例を示す
構成図。

【図８】　　図８の実施例の変形を示す部分拡大図。

【図９】（ａ）、（ｂ）　　それぞれ従来の力変換器の
平面図と側面図。

【図１０】　　図９の従来の力変換器の動作を示す図。

【符号の説明】

１、２、７及び８　　辺 ３乃至６　　薄肉部 ９及び１０　　圧電振動子 １１　　振動ビーム

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　互いに向かい合った２辺のそれぞれの
   両端に薄肉部を有し、前記２辺をその薄肉部を介して他
   の２辺と結合した平行四辺形の圧電材料の枠体の前記薄
   肉部の少なくとも１ケ所に前記薄肉部の変形面と平行に
   、ひずみに応じその振動周波数が変化する前記枠体と同
   一の圧電材料で構成した圧電振動子を固定したことを特
   徴とする力変換器。
2. 【請求項２】　　前記圧電材料として水晶結晶を用いた
   ことを特徴とする請求項１記載の力変換器。
3. 【請求項３】　　前記圧電振動子を細長い棒状に形成し
   たことを特徴とする請求項２記載の力変換器。
4. 【請求項４】　　前記圧電振動子をダブルチューニング
   フォーク型に形成したことを特徴とする請求項２記載の
   力変換器。
5. 【請求項５】　　前記枠体と前記圧電振動子を一体形成
   したことを特徴とする請求項１乃至４記載の力変換器。