JPH05322670A - 荷重検出器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 水分やほこりが弾性表面波共振器に付着しに
くく、かつ、温度補償性や製造性が良く、特に検出精度
に優れた荷重検出器を提供する。 【構成】 起歪体５の可動剛体部５２に荷重Ｆを受けて
曲げ変形を生じた際に、上面と下面の両面に引張歪およ
び圧縮歪を生じる弾性体２を、固定剛体部５１および可
動剛体部５２から突設した支持部５６に固定して、上記
弾性体２を起歪体５の貫通孔５４内に収納する。上記弾
性体２における引張歪または圧縮歪を生じる可撓部２
ｂ，２ｃには、それぞれ、弾性表面波共振器１を設け、
この弾性表面波共振器１の共振周波数の変化に基づい
て、荷重信号生成手段４が荷重信号ｂを出力する。上記
貫通孔５４は、一対のカバー６により閉封されている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、弾性表面波を利用し
て荷重を検出する荷重検出器に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来より、この種の荷重検出器は、荷重
に比例した歪量を生じる起歪体に外力を受けて、その歪
量から荷重を検出する（たとえば、特開昭６３−１４５
９３１号公報参照）。この種の荷重検出器の一例を図４
に示す。

【０００３】図４において、起歪体５Ａは、一端の固定
剛体部５１と他端の可動剛体部５２との間に、ビーム部
５３を上下に２本設けて、中央に貫通孔５４を形成して
いる。上記ビーム部５３の両端は薄肉になっており、２
箇所の可撓部５３ａを形成している。これらの可撓部５
３ａにおける起歪体５Ａの表面には、弾性表面波共振器
１が設けられている。弾性表面波共振器１は、一対のく
し型電極１ａ，１ａを互い違いに配設してなるもので、
起歪体５Ａの可動剛体部５２に荷重Ｆが加わると、くし
型電極１ａ，１ａ間の電極間隔が変化することで、電極
間隔の変化に応じた共振周波数の変化により、荷重Ｆの
大きさを検出すものである。この荷重検出器は、弾性表
面波共振器１を遅延線形ではなく、共振器形としている
ことにより、外界の影響を受けにくいという利点があ
る。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかし、上記先行技術
では、弾性表面波共振器１を起歪体５Ａの表面に形成し
ているので、弾性表面波共振器１に水分やほこりなどが
付着し易く、そのため、出力（周波数）が不安定になり
易い。また、一対の弾性表面波共振器１は、ビーム部５
３の離れた可撓部５３ａに設けられていることから、温
度差が生じ易く、そのため、検出値に誤差が生じ易い。
さらに、大きな起歪体５Ａの表面に弾性表面波共振器１
を形成しているので、エッチング加工を施して弾性表面
波共振器１を形成するコストが高くなる。

【０００５】一方、従来より、図５に示すように、起歪
体５Ａの貫通孔５４にせん断変形部５５を固着し、この
せん断変形部５５に弾性表面波発振器１Ａを設けた荷重
検出器が知られている（特開昭６０−１３３３２０号公
報参照）。この先行技術は上記貫通孔５４の両側を図示
しないカバーで閉封することで、弾性表面波発振器１Ａ
の表面に水分やほこりなどが付着するのを防止してい
る。また、せん断変形部５５の中央に一対の弾性表面波
発振器１Ａを互いに近接して設けることができるので、
温度補償性が向上する。さらに、せん断変形部５５に弾
性表面波発振器１Ａを形成した後に、せん断変形部５５
を起歪体５Ａの内部に固着することができるので、小さ
なせん断変形部５５にエッチング加工を施せばよいか
ら、製造性に優れており、そのため、コストダウンを図
り得る。

【０００６】しかし、この先行技術では、せん断力によ
り生じた圧縮歪および引張歪から荷重Ｆ（図４）の大き
さを検出するので、歪量が極めて小さいから、検出精度
が著しく低下する。

【０００７】この発明は、上記従来の問題に鑑みてなさ
れたもので、水分やほこりが弾性表面波共振器に付着し
にくく、かつ、温度補償性や製造性が良く、特に検出精
度に優れた荷重検出器を提供することを目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、この発明は、まず、起歪体の可動剛体部に荷重を受
けて曲げ変形を生じた際に、上面と下面の両面の可撓部
に引張歪および圧縮歪を生じる弾性体を、固定剛体部お
よび可動剛体部に設けた支持部に固定して、上記弾性体
を起歪体の貫通孔内に収納している。上記弾性体におけ
る引張歪または圧縮歪を生じる可撓部にはそれぞれ弾性
表面波共振器を設け、この弾性表面波共振器の共振周波
数の差に基づいて、荷重信号生成手段が荷重信号を生成
する。上記貫通孔は、一対のカバーにより閉封されてい
る。

【０００９】

【作用】この発明によれば、起歪体の貫通孔に設けた弾
性体が曲げ変形を受けて引張歪および圧縮歪を生じるの
で、せん断力により生じる歪みよりも大きな引張歪およ
び圧縮歪を生じる。そのため、検出精度が向上する。

【００１０】

【実施例】以下、この発明の一実施例を図面にしたがっ
て説明する。図１において、起歪体５の固定剛体部５１
および可動剛体部５２には、それぞれ、貫通孔５４に臨
む支持部５６が突出して設けられている。これらの支持
部５６には、二点鎖線で示す弾性体２が溶着されて架設
されており、この弾性体２は、貫通孔５４内に収納され
ている。

【００１１】上記弾性体２は、たとえばステンレス板か
らなり、４つの切欠部２ａを形成していることで、可撓
部２ｂ，２ｃを有している。この弾性体２は、その横断
面が荷重Ｆの方向に対して偏平な形状を有し、起歪体５
の可動剛体部５２に荷重Ｆを受けて図２のように変形
し、この曲げ変形を生じた際に、２つの可撓部２ｂおよ
び２ｃにおける上面に、それぞれ、引張歪および圧縮歪
を生じる。なお、弾性体２の下面には、上面と逆の歪が
生じる。

【００１２】図１の弾性体２の表面には、たとえばＡｌ
Ｎ（窒化アルミニウム）からなる圧電性薄膜が形成され
ており、この圧電性薄膜の上にアルミのような金属によ
り、一対のくし型電極１ａ，１ａが形成されている。一
対のくし型電極１ａ，１ａは弾性表面波共振器１を構成
しており、上記切欠部２ａ，２ａを形成した上記可撓部
２ｂ，２ｃの表面に設けられている。

【００１３】上記一対の弾性表面波共振器１は、共振回
路３Ａ，３Ｂに接続されている。各共振回路３Ａ，３Ｂ
は、周知のようにトランジスタ、抵抗およびコンデンサ
を有しており、それぞれ、アナログ周波数信号ｆを混合
器４１に出力する。上記混合器４１は、２つの周波数信
号ｆ，ｆの周波数の差に応じた周波数を持つ差信号ａを
カウンタ４２に出力する。カウンタ４２は、上記差信号
ａの周波数からデジタル化した荷重信号ｂを生成して出
力する。上記混合器４１およびカウンタ４２により、こ
の発明の荷重信号生成手段４が構成されている。

【００１４】上記起歪体５には、一点鎖線で示すカバー
６が一対設けられており、これらのカバー６は、シリコ
ンゴムのような弾性係数の小さい材料でなる板材が起歪
体５に貼着されてなるもので、貫通孔５４を閉封する。
上記カバー６には、共振回路３Ａ，３Ｂと弾性表面波共
振器１とを接続するリード線３ａのコネクタ８が設けら
れている。なお、その他の構成は、図４の従来例と同様
であり、同一部分または相当部分に同一符号を付して、
その詳しい説明を省略する。

【００１５】上記のような構成の荷重検出器９は、図３
に示すように、たとえば電子秤１０として用いられる。
この図において、起歪体５の固定剛体部５１は、ブラケ
ット１１を介して、秤ケース１２に固定される。一方、
可動剛体部５２は、ブラケット１３を介して、計量皿１
４に固定される。

【００１６】つぎに、図１の弾性表面波共振器１の製造
方法について説明する。まず、大きなステンレス基板の
表面に圧電性薄膜を直接形成するか、あるいは、絶縁膜
を形成した上に圧電性薄膜を形成する。この後、リソグ
ラフィーにより、アルミのような金属からなるくし型電
極１ａ，１ａを多数形成する。この形成後、ステンレス
基板を小さく切断する。この切断後、４ヵ所の切欠部２
ａを設けて、弾性体２上に弾性表面波共振器１を有する
歪センサを得る。

【００１７】つぎに、上記構成の動作について説明す
る。図３の電子秤１０上に荷重Ｆが加わると、ブラケッ
ト１３を介して、荷重Ｆが図１の起歪体５の可動剛体部
５２に加わる。この荷重Ｆにより、起歪体５は、２つの
可撓部５３ａで大きく歪み、これに伴い、図２のよう
に、弾性体２はその可撓部２ｂ，２ｃで大きく歪む。こ
の際、左側の可撓部２ｂの上面には引張歪が生じ、一
方、右側の可撓部２ｃの上面には圧縮歪が生じる。これ
らの歪により、図１のくし型電極１ａ，１ａ間の距離
が、左側の可撓部２ｂでは伸び、一方、右側の可撓部２
ｃでは縮むので、２つの共振回路３Ａ，３Ｂは、それぞ
れ、ｆ₀ ─Δｆ，ｆ₀ ＋Δｆの周波数の周波数信号ｆを
混合器４１に出力する。混合器４１は、２つの周波数信
号ｆの周波数の差２Δｆの周波数の差信号ａをカウンタ
４２に出力する。カウンタ４２は、差信号ａの周波数を
デジタル化した荷重信号ｂを出力する。これにより、荷
重Ｆの大きさが計量される。このように、周波数の差の
変化をデジタル化した荷重信号ｂを出力するので、電子
秤１０（図３）には、別途、Ａ／Ｄ変換器を設ける必要
がない。

【００１８】ここで、この荷重検出器９は、起歪体５に
固定した弾性体２が曲げ変形を受けて、図２のように、
２つの可撓部２ｂおよび２ｃに、それぞれ、引張歪およ
び圧縮歪を生じるので、図５の従来例のせん断力により
生じる歪よりも大きな歪を生じる。したがって、図１の
共振回路３Ａ，３Ｂの周波数の変化Δｆが大きくなるの
で、計量の精度が向上する。

【００１９】また、この実施例では、２つの弾性表面波
共振器１に接続した共振回路３Ａ，３Ｂの周波数の差２
Δｆを荷重信号ｂに置換しているので、周波数の変化が
２倍になるから、より正確な計量を行うことができる。
特に、この実施例では、弾性体２に切欠部２ａを設けて
可撓部２ｂ，２ｃを形成しているので、可撓部２ｂ，２
ｃに歪が集中して、可撓部２ｂ，２ｃにおける歪が大き
くなるから、計量精度がより一層向上する。

【００２０】また、この荷重検出器９は、弾性表面波共
振器１を設けた弾性体２を、起歪体５の貫通孔５４内に
収納し、かつ、この貫通孔５４を一対のカバー５１によ
り閉封しているので、弾性表面波共振器１の表面など
に、水分やほこりの付着するおそれがない。したがっ
て、共振回路３Ａ，３Ｂの出力（周波数）が不安定にな
るおそれがない。

【００２１】また、小さな弾性体２の表面に一対の弾性
表面波共振器１を設けているので、一対の弾性表面波共
振器１を互いに近接して設けることができる。したがっ
て、２つの弾性表面波共振器１間に温度差が生じにくい
ので、温度補償性に優れている。また、圧電性薄膜の膜
質のばらつきについて影響が小さいので、このことも優
れた温度補償性をもたらす。

【００２２】また、小さな弾性体２の表面に弾性表面波
共振器１を形成しているので、大きな起歪体５に弾性表
面波共振器１を直接形成するよりも、エッチング加工が
容易になるから、製造性も優れている。したがって、コ
ストダウンを図ることができる。

【００２３】ところで、上記実施例の起歪体５は、切削
等の加工により作製された一体の構造体として説明して
いるが、荷重Ｆにより平行四辺形状にたわみ、弾性体２
に荷重Ｆに比例した歪を与える機能を有していればよ
く、複数の構造部品を組立・結合することによって起歪
体５を構成してもよい。また、上記実施例は、起歪体５
の両剛体部５１，５２から支持部５６を突出させて、弾
性体２を取り付け易くしたが、この発明では、上記支持
部５６を必ずしも突出させて設ける必要はない。たとえ
ば、両剛体部５１，５２を若干削って、支持部５６を凹
所で形成してもよい。

【００２４】また、上記実施例では、弾性体２に４つの
切欠部２ａを設けて、可撓部２ｂ，２ｃを形成したが、
この発明では、必ずしも弾性体２に切欠部２ａを形成す
る必要はない。たとえば、弾性体２は、切欠部２ａを設
けなくても、支持部５６の先端部の近傍において、最も
大きく歪むので、この部分を可撓部２ｂ，２ｃとして、
弾性表面波共振器１を形成してもよい。

【００２５】さらに、この実施例では弾性体２をステン
レス板で形成したが、この発明では、弾性体２は曲げ変
形を受けて永久歪を生じない材料で構成すればよい。

【００２６】

【発明の効果】以上説明したように、この発明によれ
ば、荷重による周波数の変化が大きく、かつ、弾性表面
波共振器の表面にほこりや水分が付着しにくく、かつ、
一対の弾性表面波共振器の間の温度差が小さいので、計
量精度が向上する。また、小さな弾性体に弾性表面波共
振器を形成するので、製造性に優れているから、コスト
ダウンを図ることもできる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の一実施例を示す荷重検出器の概略構
成図である。

【図２】弾性体の変形状態を示す正面図である。

【図３】荷重検出器を利用した電子秤の概略断面図であ
る。

【図４】従来の荷重検出器の一例を示す斜視図である。

【図５】従来の荷重検出器の他の例を示す斜視図であ
る。

【符号の説明】

１…弾性表面波共振器、２…弾性体、２ｂ，２ｃ…可撓
部、４…荷重信号生成手段、５…起歪体、６…カバー、
５１…固定剛体部、５２…可動剛体部、５３…ビーム
部、５３ａ…可撓部、５４…貫通孔、５６…支持部、Ｆ
…荷重。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ２箇所の可撓部が形成されたビーム部を
   一端の固定剛体部と他端の可動剛体部との間に、上下に
   ２本設けて、中央に貫通孔を形成した起歪体と、 この起歪体の上記固定剛体部および可動剛体部に設けら
   れて上記貫通孔に臨む支持部と、 上記貫通孔内に収納され、かつ、上記支持部に固定され
   て上記可動剛体部に荷重を受けて曲げ変形を生じた際
   に、上面と下面の両面の可撓部に引張歪および圧縮歪を
   生じる弾性体と、 この弾性体における上記引張歪または圧縮歪を生じる可
   撓部の表面にそれぞれ設けられた弾性表面波共振器と、 これらの弾性表面波共振器の共振周波数の差に基づいて
   荷重信号を生成する荷重信号生成手段と、 上記貫通孔を閉封する一対のカバーとを備えた荷重検出
   器。