JPS60213835A - 水晶振動子を用いた荷重検出器 - 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】 （産業上の利用分野） 本発明は秤等として使用される荷重検出器、特に水晶振
動子を用いた荷重検出器に関する。

（従　来　技　術） 板状の水晶に板面に平行な力を加えると該水晶板の固有
振動数が印加された力に応じて変化することが知られて
いる。この特性を利用すれば、例えば第１図に示すよう
に板状の水晶振動子１の両面に電極２．２を設番プると
共に、両電極２．２ｍｌに励振回路３を接続して発振回
路４を構成した時に、該発振回路４の発振周波数が上記
水晶振動子１に印加される力Ｆに応じて変化することに
より、これを荷重検出器として使用することが可能とな
る。

このような荷重検出器としては、従来、多数の提案が行
われている所である。例えば特開昭４９−９３０６４号
公報によれば、第２図に示すようにいずれも結晶性水晶
でなる一端が開口した円筒状の基板１１と、該基板１１
の間口端に周辺部を固着された円板状の押板１２と、そ
の両者間に直角方向に装着され且つ両面に電極１３．１
３が設けられた共振器１４とで構成され、上記押板１２
に圧力Ｐが作用した時に該押板１２を介して共振器１４
に力が加えられることにより、該共振器１４の共振周波
数が変化するようにされた圧力変換器１０が示されてい
る。また、実開昭５２−２０８７７号公報によれば、第
３図に示すように両面に励振電極（図示せず）を設けた
水晶円板１６の周辺部を中空円筒状台座１７に固着し、
該円板１６に圧力Ｐを作用させた時に該円板１６に生じ
る歪に応じて共振周波数が変化するようにした圧力検出
１ｉ１１１５が示されている。これらは、いずれも圧力
Ｐをダイヤフラム（押板１２、円板１６）に作用させた
時の歪を共振周波数の変化に変換することにより上記圧
力Ｐを検出しようとするものである。しかし、この形式
のものにおいては、上記ダイヤフラムに作用する圧力Ｐ
と歪の方向が一致しないため荷重−歪特性に非直線性を
含むことになり、そのため圧力Ｐと共振周波数の変化量
とがリニアに対応しないという欠点がある。

また、特開昭５０−８４２８１公報及び実開昭５４−９
８２４７号公報によれば、夫々第４゜５図に示すような
感圧素子２０ないし荷重計２５が示されている。これら
は、荷重Ｗの作用時に一対の圧電振動板２１．２１又は
水晶振動子２６゜２６に夫々圧縮歪と引張歪とが生じる
ように構成したものであるが、この形式のものは垂直方
向の荷重Ｗが水平方向の力に変換された上で振動板２１
．２１又は振動子２６．２６に印加されるため、第２．
３図に示すものと同様に荷重−歪特性に非直線を含み、
また振動板２１．２１ないし振動子２６．２６に曲げ力
が作用するため感度或いは精度が劣ることになる。

更に特開昭５５−２０１７５号公報によれば、第６図に
示すような水晶振動子を用いたデジタル秤３０が示され
ている。これは、支点構体３１に転勤自在に支持された
竿体３２の一端に緩衝部材３３を介して受皿３４を設け
ると共に、該竿体３２の他端と支持構体３５との間に圧
力センサ（水晶振動子）３６を介在させた構成で、上記
受皿３４に負荷される荷重Ｗを竿体３２のレバニ比８／
Ａで増幅して圧力センサ３６に印加するようにしたもの
である。しかし、この構成においては上記竿体３２と支
点構体３１とのピボット支持部Ｃに所謂クーロン１１！
擦が生じ、これが精度低下の要因となる。

（発　明　の−目　的） 本発明は、水晶振動子を用いた荷重検出器に関する上記
のような実情に鑑みてなされたもので、水晶振動子に対
して荷重にリニアに対応し且つ曲げ成分を含まない力を
作用させると共に、クーロン摩擦を生じるピボット支持
部を有しない構成とすることにより、この種の荷重検出
器として高精度の荷重検出器を実現することを目的とす
る。

（発　明　の　構　成） ｉ　本発明に係る水晶振動子を用ル゛た荷重検出器番よ
・：　上記目的を達成すべく次のように構成される。

即ち、両端部が夫々固定部及び可動部とされ且つ該固定
部と可動部との間に上下平行にビームが架設されて、上
記可動部が荷重方向に平行に変位するように構成された
起歪体を用い、該起歪体の可動部により上記荷重方向の
力を水晶振動子に印加するように構成する。このような
構成によれば、荷重と水晶振動子に印加される力とがリ
ニアに対応すると共に、該水晶振動子に曲げ力等の余分
な力が作用せず、また荷重の負凋部と水晶振動子への入
力部との間にピボット支持部がないから、上記荷重が水
晶振動子に正確に伝達されて該振動子の共振周波数の変
化に精度良く変換されることになり、これにより高精度
の荷重検出器が実現されることになる。

ところで、上記水晶振動子に力を作用さゼる場合、その
作用方向を振動子の結晶軸方向に一致させ且つ該振動子
に設置ノられた電極の中心を通過させることが必要で、
力の作用方向や作用点がずれると感度が低下する。そこ
で、本発明の第１．第２実施例においては、水晶振動子
を所定の方向に対向Ｊる入力側及び支持側の一対のエツ
ジ部間に挟持するように構成し、該振動子に対づ゛る力
の作用方向及び作用点が変化しないように図られる。

また、水晶振動子は脆く且つ薄い板状に形成されるので
、過大な力や衝撃荷重等によって容易に破損する。そこ
で、本発明の第３．４実施例においては、水晶振動子の
支持部を力の作用方向に変位可能とし、該支持部の撓み
によって過大な力や衝撃を緩和、吸収するように図られ
る。

（実　施　例） 以下、本発明の実施例について説明する。

第７．８図は本発明の第１実施例に係る荷重検出器４０
を示すもので、この荷重検出器４０においては、一端が
固定剛体部４２、他端が可動剛体部４３とされ、且つ両
割体部４２．４３間に上部ビーム４４及び下部ビーム４
５を平行に架設してなる中空四角形状の起歪体４１が用
いられている。

この起歪体４１における上記両ビーム４４．４５には、
夫々２個所づつ半円状の切欠きによって肉厚を薄くした
可撓部４４．ａ　、　４４ｂ　、　４５ａ　、　４５ｂ
が設けられており、上記可動剛体部４３に下向きの荷重
が作用した時に、両ビーム４４．４５の固定剛体部４２
側の可撓部４４ａ　、４５ａが上に凸に、可動剛体部４
３側の可撓部４４ｂ、４５１が下に凸に夫々屈曲するこ
とにより、可動剛体部４３が鎖線で誇張して示すように
平行関係を保持しながら下方に変位するようになってい
る。

また、この起歪体４１の固定剛体部４２には、Ｌ形の固
定ブラケット４６の垂直部４６ａが固着されていると共
に、該ブラケット４６の水平部４６ｂは固定台４７に立
設された４木のポル］・４８・・・４８にナツト４９・
・・４９を用いて取付けられており、これにより起歪体
４１が片持ち状に支持されている。ここで、上記各ボル
ト４８・・・４８に螺合されたナツト４９・・・４９を
弛めれば、ブラケット４６ないし起歪体４１の固定台４
７に対する上下位置を調節し得るようになっている。

一方、該起歪体４１の可動剛体部４３には可動ブラケッ
ト５０が固着され、該ブラケット５０にショックアブゾ
ーバ５２を介して荷重受台５１が設けられている。上記
ショックアブゾーバ５２は、ブラケット５０に固定され
且つ上面がカバー５３によって封鎖されたシリンダケー
ス５４内に上記受台５１に結合されたピストン５５を嵌
合して、作動油が封入されたシリンダケース５４内を上
部室５４ａと下部室５４ｂとに仕切ると共に、該ピスト
ン５５をケース５４の内底面との闇に装着したバネ５６
・・・５６により弾力的に受支し、且つ上記両室５４ａ
　、５４ｂをピストン５５の周面とシリンダケース５４
の内面との間の間隙５７によって連通させた構成とされ
、上記受台５１に荷重を負荷した時の衝撃をバネ５６に
より吸収し、またこの衝撃に伴う振動を上記間隙５７を
下部室５４ｂから上部室５４ａに流れる作動油の粘性抵
抗によって抑制するようにしたものである。ここで、上
記ピストン５５には逆止弁５Ｂにより作動油を上部室５
４ａから下部室５４ｂ方向にのみ通過させるようにした
通路５５ａが設けられ、該ピストン５５を下方位置から
上方位置に速かに復帰させるようになっている。

然して、上記起歪体４１における可動剛体部４３の端面
には下端がシャープなエツジ部５９ａとされた入力部材
５９がボルト６０．６０を用いて固着されていると共に
、上記固定台４７の端部には上端がシャープなエツジ部
６１ａとされた支持部材６１がボルト６２．６２を用い
て固着され、両部材５９．６１のエツジ部５９ａ　、６
１ａが上下方向に対向されている。そして、両エツジ部
５９ａ、６１８間に矩形薄板状の水晶振動子６３が挟持
されている。この水晶振動子６３の両面には一対の電極
６３ａ　、６３ｂが設けられ、図示しない励振回路に接
続されて第１図に示すような発振回路が構成されている
。ここで、該水晶振動子６３は、上記エツジ部５９ａ　
、６１ａによる挾持点を結ぶ上下方向の直線が結晶軸方
向に一致し、且つ電極６３ａ　、６３ｂの中心を通過す
るようにセットされている。また、両エツジ部５９８．
６１ｂ間からの脱落を防止するため一定の挟持力が予め
加えられているが、この挾持力は起歪体４１の固定台４
７に対する上下位置を調整することにより適度に設定さ
れる。

次に上記実施例の作用を説明する。　。

受台５１に荷重Ｗを負荷すると、この荷重Ｗは負荷時の
衝撃及び振動をショックアプゾーバ５２によって緩和、
吸収された上で可動ブラケット５０を介して起歪体４１
の可動剛体部４３に作用し、該可動剛体部４３を下方に
変位させる。そのため、該可動剛体部４３に固着された
入力部材５９と固定台４７に固着された支持部材６１の
エツジ部５９８．６１８問に挟持された水晶振動子６３
には上記可動剛体部４３の変位、即ち受台５１に負荷さ
れた荷重Ｗに対応する力Ｆが印加されることになり、こ
れにより該水晶振動子６３を用いて構成した発振回路の
発振周波数が上記荷重Ｗに比例して変化することになる
。その場合に、水晶振動子６３には上記１重Ｗが力Ｆと
して方向を変換されることなくそのまま入力されると共
に、核力Ｆの作用方向は該水晶振動子６３の結晶軸方向
に一致し且つ電極６３ａ　、６３ｂの中心を通るから、
上記力Ｆないし荷重Ｗが最も高感度で発振周波数の変化
量に変換されることになる。しかも、該水晶振動子６３
は上下のシャープなエツジ部５９８゜６１ａ間に挟持さ
れているから、該振動子６３に対する上記力Ｆの作用方
向及び作用点が移動することがなく、従って常に感度が
最高の状態に保持される。

次に第９図に示す本発明の第２実施例について説明する
と、この実施例に示す荷重検出器７０は上記第１実施例
に示す荷重検出器４０の変形例であって、起歪体７１に
おける固定剛体部７２、可動剛体部７３及び両側体部７
２．７３間に架設された上下のビーム７４．７５によっ
て形成される中空部内に水晶振動子７６が備えられてい
る。即ち、固定剛体部７２及び可動剛体部７３の内側面
から夫々一体的に支持部７７及び入力部７８が平行且つ
段違い状に突設されていると共に、該支持部７７の先端
に設けられた上向きのエツジ部７７ａと入力部７８の先
端に設けられた下向きのエツジ部７８ａとが上下に対向
され、両エツジ部７７ａ、７８ａ間に水晶振動子７６が
所定の挟持力で挟持されている。尚、上記ビーム７４．
７５には夫々可撓部７４ａ　、７４ｂ及び７５ａ　、７
５ｂが設けられ、荷重Ｗの負荷時に可動剛体部７３が平
行関係を保持して下方に変位する点は前記実施例の荷重
検出器４０と同じである。

従って、この荷重検出器７０においても、起歪体７１に
おける可動剛体部７３が荷重Ｗに応じて下方に変位した
時に該剛体部７３に一体の入力部７８により上記荷重Ｗ
が力Ｆとして方向を変換されることなくそのまま水晶振
動子７６に印加されることになり、また該水晶振動子７
６は上記入力部７８のエツジ部７８ａと支持部７７のエ
ツジ部７７ａとの間に挟持されているから、上記力Ｆの
作用方向や作用点が移動することがなく、常に最も感度
の良い状態で作動することになる。

また、第１０．１１図に示す本発明の第３実施例につい
て説明すると、この実施例に示す荷重検出１）８０にお
いては、起歪体８１は、一端の固定剛体部８２と、該剛
体部８２の上、下部から夫々片持ち梁状に突設され且つ
夫々２１１所づつ可撓部８３ａ　、８３ｂ及び８４ａ　
、８４ｂを有する上下に平行なビーム８３．８４とによ
りコ状とされていると共に、両ビーム８３．８４の自由
端部８３ｃ、８４ｃが連結部材８５を介して連結され、
両自由端部８３０．８４ｃと咳連結部材８５とで可動部
８６が構成されている。また、該連結部材８５は、上記
両ビーム８３．８４の自由端部８３Ｃ９８４ｃに夫々螺
合され且つナツト８７．８８で固定されたロッド８９．
９０と、両ロッド８９，９０の対向端部に夫々固設され
た支持部材９１及び入力部材９２と、両部材９１．９２
に夫々形成されたスリット９１ａ、９２ａに上辺部及び
下辺部を差し込まれて接着された水晶振動子９３とで構
成されている。そして、下方のビーム８４の自由端部８
４ｃに荷重Ｗが負荷されるようになっている。

この荷重検出器８０においても、下方のビーム８４の自
由端部８４ｃに負荷される荷重Ｗによって、上、下のビ
ーム８３．８４の自由端部８３Ｃ１８４Ｃと両自由端部
８３ｃ、８４．ｃを連結する連結部材８５と゛で構成さ
れる可動部８６が上記荷重Ｗの大きさに応じて下方に変
位するが、その場合に荷重Ｗは２つの荷重Ｗ１．Ｗ２に
分配されて、一方の分配荷ｆｆ１Ｗ１が下方のビーム８
４に支えられ、他方の分配荷重Ｗ２が連結部材８５を介
して上方のビーム８３に支えられることになる。従って
、連結部材８５を構成する水晶振動子９３には上記分配
荷重Ｗ２に対応する引張方向の力Ｆのみが作用し、この
力Ｆに比例して発振回路の発振周波数が変化することに
なる。これにより、水晶振動子９３に過大な力が作用す
ることが防止される。

また、上記荷重Ｗの作用時に、下方のビーム８４の自由
端部８４ｃが下方に変位すると同時に水晶振動子９３を
支持する上方のビーム８３の自由端部８３ｃも同様に変
位するから、特に支持側の上方のビーム８３のバネ定数
を下方のビーム８４のバネ定数より小さく設定してお番
ノば、荷重Ｗの負荷時の衝撃が水晶振動子９３に作用す
ることが防止される。このようにして、この荷重検出器
８゜によれば、過大な力や衝撃から水晶振動子９３が保
護されることになる。尚、この荷重検出器においても、
水晶振動子９３には荷重方向に平行な力Ｆが作用するだ
けで荷重方向の変換がなく、また曲げ力が作用しないか
ら、力Ｆの作用方向に結晶軸方向を一致させておくこと
により、荷重（この場合は分配荷重Ｗ２）に精度良く対
応して発振周波数が変化することになる。

ここで、この荷重検出器８ｏにおいては、鎖線で示すよ
うに上方のビーム８３の自由端部８３０に荷ｆｉＷを負
荷するようにしてもよい。この場合は、下方のビーム８
４の自由端部８４ｃが水晶振動子９３の支持部となるが
、該自由端部８４ｃが荷ＭＷの負荷時に入力側となる上
方のビーム８３の自由端部８３ｃと共に変位するので、
上記の場合と同様に衝撃が緩和され、また水晶振動子９
３には分配荷重が作用することになる。

更に、第１２図に示す第４実施例は、上記第１゜第２実
施例におけるシャープなエツジ部による水晶振動子の支
持構造と、第３実施例における水晶振動子への過大な力
や衝撃の作用を防止する構造とを複合したものである。

即ち、該実施例における荷重検出器１００は、第１実施
例における起歪体４１と同様の起歪体１０１を用いると
共に、第１実施例における固定台４７に代えて、荷重方
向、即ち起歪体１０１における可動剛体部１０２の変位
方向と同方向に自由端部１０３ａが変位可能な支持ビー
ム１０３を用い、該ビーム１０３の自由端部１０３ａに
固着した支持部材１０４と、上記可動剛体部１０２に固
着した入力部材１０５とに夫々設けた上下に対向するエ
ツジ部１０４ａ、１０５ａ間に水晶振動子１０６を挟持
した構成とされている。

従って、この荷重検出器１００によれば、水晶振動子１
０６に対する力Ｆの作用方向及び作用点の移動がなく、
常に最高の感度が得られる。また、荷重Ｗが起歪体１０
１に支えられる分配荷ＩＷ１と支持ビーム１０３に支え
られる分配荷１ｉＷ２とに分配されることにより、水晶
振動子１０６に番よ分配荷ｍＷ２に対応する力Ｆのみが
作用することになって、該振動子１０６への過大な力の
作用が防止されると共に、荷重Ｗの負荷時における衝撃
が支持ビーム１０３にお【ノる自由端部１０３ａの下方
への変位によって緩和されることになる。

（発　明　の　効　果） 以上のように本発明によれば、水晶振動子を用いた荷重
検出器において、荷重−歪特性の非直線性や曲げ成分等
を含むことなく、またピボット支持に伴うクーロン＊＊
を生じることなく、荷ψが水晶振動子に正確に伝達され
ることになり、これにより秤用等に適し／ｊ高精度な荷
重検出器が実現されることになる。特に、本発明の実施
例で示した構成を用いれば、上記水晶振動子の感度が常
に最高の状態に保持され、また該水晶振動子が過大な荷
重や衝撃から保設されることになる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明で使用する水晶振動子を用い１＝発振回
路を示す回路図、第２〜６図は夫々従来例を示す図、第
７．８図は本発明の第１実施例を示す正面図及び側面図
、第９図は第２実施例を示す正面図、第１０．１１図は
第３実施例を示す正面図及び要部拡大斜視図、第１２図
は第４実施例を示す正面図である。 ４０．７０．８０．１００・・・荷重検出器、４１．７
１．８１，１０１・・・起歪体、４２．７２．８２・・
・固定部（固定剛体部）、４３．７３．８６．１０２・
・・可動部（可動剛体部）、 ５９ａ　、６１ａ　、７７ａ　、７８ａ　、１０４ａ　
。 １０５ａ・・・エツジ部、 ６３．７６．９３．１０６・・・水晶振動子。 出願人　株式会社石田衡器製作所 株式会社大和真空］二業所 第１図 第２図 第３図 １ら 第６図 第７図 ７ 第８図

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）　一端の固定部と他端の可動部との間に上下平行
   にビームを架設して上記可動部が負荷された荷重の方向
   に平行に変位するように構成された起歪体を用い、該起
   歪体の可動部により上記荷重方向の力を水晶振動子に印
   加するようにしたことを特徴とする水晶振動子を用いた
   荷重検出器。
2. （２）　水晶振動子は、起歪体の可動部に一体的に設け
   られた入力側のエツジ部と該エツジ部に荷重方向に沿っ
   て対向する支持側のエツジ部との間に挟持されているこ
   とを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の水晶振動子
   を用いた荷重検出器。
3. （３）水晶振動子は、荷重方向に変位可能な支持部に支
   持されていることを特徴とする特許請求の範囲第１項又
   は第２項記−の水晶振動子を用いた荷重検出器。