JPWO2017213059A1 - 水晶振動子を用いたワイドレンジ荷重センサ - Google Patents

Abstract

分解能を保ちつつ検出レンジを広くすることのできる、水晶振動子を用いた荷重センサを提供する。荷重センサ１０は、薄板形状の水晶振動子１６と、水晶振動子１６の板厚方向に相対する一対の面に一対の電極部１８とを備えた水晶振動子層１２と、水晶振動子層１２に外部荷重が印加された際に水晶振動子層１２と略同量の変位を生ずる少なくとも１つの保持層１４と、を含むので、薄板形状の水晶振動子１６の薄板形状と平行な方向に外部荷重が印加される場合において、保持層１４により水晶振動子１６の曲げ方向の変形が抑制される、水晶振動子１６の座屈を防止される。そのため、薄板形状の水晶振動子１６の薄さをより薄くすることができ、計測レンジを広げることが可能となる。

Description

本発明は、水晶振動子を用いた荷重センサに係るものであり、特に、荷重センサの計測レンジを広げる技術に関するものである。

水晶振動子（ＱＣＲ；Ｑｕａｒｔｚ Ｃｒｙｓｔａｌ Ｒｅｓｏｎａｔｏｒ）を用いた荷重センサが知られている。例えば特許文献１に記載された荷重センサがそれである。かかる水晶振動子を用いた荷重センサにおいては、薄板状とされた水晶振動子において荷重を加えた場合に、その発振周波数が加えた荷重に正確に比例して変化することに基づいて、高感度、高精度、長期安定性計測が可能な荷重センサを実現し得ることが記載されている。

ところで、前記水晶振動子を用いた荷重センサにおいては、薄板状、かつ、長手形状とされた板状の水晶振動子に対し、その長手状に荷重を加えるものとされている。特許文献１においては、水晶振動子とその水晶振動子を保持しつつ荷重を加えることのできる保持器とを備えた荷重センサが提案されている。かかる保持器においては、水晶振動子の長手方向の両端を保持しつつ、その一端から荷重を入力する一方、他端を固定することで、水晶振動子に荷重を印加させるものとされている。

特開２０１５−０２５７９６号公報

しかしながら、薄板状かつ長手形状とされた板状の水晶振動子は、その形状に起因して、曲げ応力に弱いという特徴があり、水晶振動子を荷重センサして用いる場合には、その水晶振動子を安定して保持するための技術が求められる。特許文献１に記載の技術においては、印加する荷重が大きい場合には水晶振動子が座屈してしまうことを避けるため、例えば一つの荷重センサに印加される荷重を分散させるなどの構成を必要としていた。また、かかる場合においては、荷重センサの検出レンジを広くすることができる一方、その分解能が低くなるという課題が生じていた。

本発明は、以上の事情を背景としてなされたものであり、その目的とするところは、水晶振動子の座屈を防止することにより、分解能を保ちつつ検出レンジを広くすることのでき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。

前記目的を達成するため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該薄板形状と平行な方向に印加される外部荷重の大きさを検出する荷重センサであって、（ｂ）該荷重センサは、薄板形状の水晶振動子と、該水晶振動子の板厚方向に相対する一対の面に一対の電極部とを備えた水晶振動子層と、（ｃ）前記水晶振動子層の前記薄板形状の両側を挟むように設けられ、該水晶振動子層に前記外部荷重が印加された際に該水晶振動子層と略同量の変位を生ずる１対の保持層と、を含むことを特徴とする。

このようにすれば、前記薄板形状の水晶振動子の該薄板形状の面方向と平行な方向に外部荷重が印加される場合において、水晶振動子に曲げ応力が生じる場合であっても、前記１対の保持層により水晶振動子層の薄板形状の両側への変形が抑制されるので、水晶振動子層の座屈を抑制することができる。そのため、薄板形状の水晶振動子の薄さをより薄くすることができ、計測レンジを広げることが可能となる。

また好適には、前記保持層は、接着層を介して前記水晶振動子層に接着させられている。このようにすれば、水晶振動子層と保持層とが接着層により接着されるので、水晶振動子層の座屈を抑制することができる。

また好適には、前記接着層は、前記外部荷重の印加方向に延びる長手形状を少なくとも有するものである。このようにすれば、外部荷重が印加された際に生じやすい水晶振動子層の曲げ方向の変形を好適に防止することができ、座屈を抑制することができる。

また好適には、前記接着層は、原子拡散接合により前記保持層と前記水晶振動子層とを接着するものである。このようにすれば、前記保持層および前記水晶振動子層にそれぞれ設けられた接着層が原子拡散接合されることにより好適に前記保持層と前記水晶振動子層とが接着される。

また好適には、前記保持層は水晶からなり、該保持層と前記水晶振動子層とは直接接合により結合されていること、を特徴とする。このようにすれば、前記保持層と前記水晶振動子層とは直接接合により接着されて一体の結晶のように振る舞うことができ、水晶振動子層の座屈を抑制することができる。

また好適には、前記保持層および水晶振動子層は単一の水晶からなり、前記保持層は外部と連通する空洞を有することを特徴とする。このようにすれば、前記荷重センサを構成する保持層および水晶振動子層を単一の結晶から作成することができ、特に保持層を外部からくり抜いた空洞により構成することができる。

また好適には、前記保持層および水晶振動子層は、略同等の熱膨張率を有する材料により構成されていることを特徴とする。このようにすれば、荷重センサの置かれる環境温度によらず、保持層および水晶振動子層が共通した熱膨張特性を有するので、両者の膨張量の差を環境温度に応じて計測結果において考慮する必要がない。

本発明が適用される荷重センサの一例を説明する図であって、（ａ）は斜視図、（ｂ）は個々の構成部材を説明する図、（ｃ）は（ａ）における断面図である。 本実施例の荷重センサの作成における工程を説明する図である。 図２の工程によって生成される水晶ウエハおよび水晶基盤の断面の変化を説明する図である。 本実施例の荷重センサの外観を説明する図である。 水晶振動子の試験片に対して行なった破壊試験の結果を説明する図である。 本実施例の荷重センサにおける応力の解析結果を説明する図である。 本実施例の荷重センサを含む荷重計測システム全体の構成を説明する図である。 本実施例の荷重センサに対する荷重負荷実験の結果を説明する図である。 本実施例の荷重センサの出力の安定性についての実験結果を説明する図である。 本実施例の荷重センサと従来の荷重センサとをその特性を比較する図表である。 本実施例の荷重センサ１０を用いて体重と脈波の同時計測を行なうための計測装置６０を説明する図である。 図１１の計測装置における出力信号の例を説明する図であって、（ａ）は出力信号そのまま、（ｂ）はバンドパスフィルタを通した信号を示す。 本発明の別の実施例における荷重センサの構成を説明する図であって、（ａ）は斜視図、（ｂ）は（ａ）におけるＸＩＩＩＢ−ＸＩＩＩＢ断面図である。 本発明のさらに別の実施例における荷重センサの構成を説明する図であって、（ａ）は斜視図、（ｂ）は（ａ）におけるＸＩＶＢ−ＸＩＶＢ断面図である。 図１の荷重センサの別の態様を説明する図であって、接着層の別の形状を説明する図である。

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。

図１は、本発明の一実施例である荷重センサ１０の構成の概要を説明する図である。図１（ａ）は荷重センサ１０の斜視図である。荷重センサ１０は、略薄板形状の水晶振動子層１２と、その略薄板形状の水晶振動子層１２を板厚方向に挟むように設けられた一対の保持層１４ａおよび１４ｂとを含んで構成されている。なお、以下の説明において保持層１４ａおよび１４ｂを区別しない場合、総称して単に保持層１４と呼ぶ。図１（ａ）に示すように、本実施例においては、水晶振動子層１２、および、保持層１４はともに縦２［ｍｍ］、横２［ｍｍ］の略正方形形状を有している。また、水晶振動子層１２の厚さは４１．７［μｍ］、保持層１４の厚さは５００［μｍ］とされている。

図１（ｂ）は、図１（ａ）に示す荷重センサ１０を構成する水晶振動子層１２および一対の保持層１４の、重ね合わせる前の構成を説明する図である。まず、水晶振動子層１２は、薄板形状の水晶振動子１６と、その水晶振動子１６の板厚方向に相対する一対の面に設けられた一対の電極１８ａ、１８ｂとを含んで構成されている。なお、以下の説明において電極１８ａおよび１８ｂを区別しない場合、総称して単に電極１８と呼ぶ。また、電極１８ａおよび１８ｂには、それら電極１８ａ、１８ｂをそれぞれ後述する発振回路５０を接続するための電線２０ａおよび２０ｂが設けられている。

水晶振動子１６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１６の平面上の略中央部分には、厚さ方向Ｄに対向する一対の電極１８ａ、１８ｂが略円形形状にそれぞれ設けられている。電極１８ａ、１８ｂは後述するようにスパッタリングによって設けられる。電極１８ａ、１８ｂからは、水晶振動子１６の平面上を対角方向に相反するように各々電線２０ａ、２０ｂが水晶振動子１６の端部近くまで伸びている。電線２０ａ、２０ｂは例えばパターン配線である。電線２０ａ、２０ｂはこの水晶振動子１６の端部において荷重センサ１０の外部に設けられた電線２２ａ、２２ｂに電気的に接続される。なお、以下の説明において電線２２ａおよび２２ｂを区別しない場合、総称して単に電線２２と呼ぶ。

このように構成される水晶振動子１６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１８の完成後、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１６を形成する。

なお、厚みの薄い水晶振動子１６を得るのに際しては、水晶のエッチングを行なうことが考えられるが、エッチングにより表面荒さが生じ、平面度が低下することで水晶振動子１６の発振特性に影響を及ぼすことがないようにするのが望ましい。具体的には例えば、本実施例においては水晶振動子１６の両面を鏡面研磨したうえで用いている。

また、水晶振動子１６の厚みと電極１８の大きさとの関係については、水晶振動子１６の厚さＤに対してその１５乃至２０倍程度の電極１８の径が最適であるとされている。また、水晶の外形、すなわち、面方向の大きさは電極１８の径に対して十分に大きくする必要があるものとされている。従って、水晶振動子１６の厚さを４１．７［μｍ］とする一方、縦および横の大きさを２［ｍｍ］としている。

電線２０は、水晶振動子１６の平面上にて端部近くまで伸びた電極１８のパターン上にて、電極１８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２２は、電線２０と後述する発信回路５０とを直接的もしくは中継基板などを介して接続するためのものである。電線２２は、電線２０よりも大径の配線用の銅線であり、例えば後述する保持層１４に設けられた溝部２６に沿うように配線される。

保持層１４は、本実施例においてはバルク（塊状）の水晶によって構成されている。すなわち、保持層１４と水晶振動子層１２とは、略同等の熱膨張率を有する材料によって構成されている。これにより、両者の熱膨張係数の違いに起因した熱応力による出力変動が低減されるので、荷重センサ１０が用いられる環境温度ごとに前記熱応力が測定結果に与える影響を考慮する必要がなくなる。

また、保持層１４は、水晶振動子層１２に比べて十分な厚さを有している。具体的には本実施例においては前述の通り、水晶振動子層１２の厚さ４１．７［μｍ］に対し、保持層１４の厚さは５００［μｍ］である。また、保持層１４において、前述した水晶振動子層１２と接合された場合に外周面となる面においては、水晶振動子層１２の電極１８から引き出された電線２０に対応する位置に厚さ方向に延びる凹溝２６が設けられており、保持層１４と水晶振動子層１２とを重ね合わせた場合に、電線２０の端部が露出するようになっている。この露出した電線２０の端部に電線２２が接続される。また、溝２６は断面が円弧形状の溝とされているが、これは水晶振動子１２に荷重が印可された場合に溝２６の特定の箇所に応力集中が生じにくくするためである。

また、図１（ｃ）に示すように、保持層１４における水晶振動子層１２と重ね合わされる面においては、水晶振動子層１２と重ね合わされた際に電極１８と対応する部分に段差２８が設けられている。図１（ｃ）は、図１（ａ）におけるＩＣ−ＩＣ断面を示す断面図である。この段差２８は断面が円状の穴として設けられており、保持層１４が水晶振動子層１２と重ね合わされた際に、電極１８が保持層１４と接触することがないよう、具体的には例えば、段差２８として設けられた穴と電極１８との間に１０μｍ程度のクリアランスＣＬが設けられるように、段差２８の大きさや深さが設定される。段差２８が設けられることにより、保持層１４における水晶振動子層１２と重ね合わせた際に、両者が接触することにより水晶振動子１６の発振を妨げることがない。言い換えれば、水晶振動子１２のうち段差２８に対向する部分が、好適な振動を生じる振動部として確保される。なお、段差２８の形状は前述のような断面が円形の穴に限られず、電極１８と保持層１４とが接触しない形状であればよい。

また、保持層１４および水晶振動子層１２のそれぞれにおいて、両者が重ね合わされる面においては、接着層３２が設けられている。接着層は本実施例においては、スパッタリングにより成膜された金属薄膜であり、具体的には本実施例においては、クロム（Ｃｒ）を成膜した後に金（Ａｕ）を成膜して得られる薄膜である。また、接着層３２は、図１（ｂ）に示すように、水晶振動子層１２において、水晶振動子１６の面においてその外周側を囲むように設けられている。ここで接着層３２は、水晶振動子層１２に設けられた電極１８および電線２０と接触することがないように、それら電極１８および電線２０と重なることがなく、かつ、所定の間隔以上を隔てて設けられている。また、接着層３２は、水晶振動子層１２の両面、および、一対の保持層１４の水晶振動子層１２と重ね合わされる面にそれぞれ設けられており、保持層１４に設けられる接着層３２の形状は、水晶振動子層１２と重ね合わされた際に、その重ね合わされた水晶振動子層１２に設けられた接着層３２と同形状となるようにされている。なお、電線２０との絶縁が確保されることを前提として、図１（ｂ）に示すように、保持層１４の接着層３２は面の外周側において全周に渡って設けられてもよい。

また、接着層３２は、たとえば、保持層１４および水晶振動子層１２がそれら接着層３２により接着された場合において、前述の保持層１４における水晶振動子層１２との接触面のうち、段差２８以外の部分に設けられるものであって、その段差２８以外の部分の全部であってもよいし、一部であってもよい。水晶振動子層１２に荷重計測方向に荷重が加えられた場合に水晶振動子層１２が座屈しないために、接着層３２の位置、大きさなどが決定される。これにより、水晶振動子層１２の座屈を抑制することができる。

図２は、本実施例の荷重センサ１０の製造工程を説明する工程図であり、図３は荷重センサ１０の各工程における保持層１４または水晶振動子層１２の中間形状を示す図である。なお、図３においては水晶ウエハ３４および水晶基盤４０にそれぞれ３つの保持層１４および水晶振動子層１２が作成されているが、これは一例であって、その個数は限定されない。

図２において、工程Ｐ１乃至Ｐ５は保持層１４に対する工程であり、Ｐ６は水晶振動子層１２に対する工程である。また、Ｐ７乃至Ｐ８は水晶振動子層１２と保持層１４との両方に対する工程である。

このうち、第１パターニング工程Ｐ１においては、５００［μｍ］の水晶ウエハ３４の水晶振動子層１２と接合される面において、金属薄膜によるパターンマスク３５が形成される。この金属薄膜はたとえばＣｒ／Ａｇ薄膜、すなわち、水晶ウエハ３４上にＣｒ薄膜が成膜された後に重ねてＡｇ薄膜が成膜されて形成される金属薄膜であるが、これに限定されるものではない。この第１パターニング工程Ｐ１において形成されるパターンマスク３５は、後述するエッチング工程Ｐ４において実行されるエッチングで用いられるものであり、具体的には段差２８を形成するためのマスクである。図３（ａ）はこの第１パターニング工程Ｐ１が実行された状態の水晶ウエハ３４を示す図である。なお、この水晶ウエハ３４が保持層１４として用いられるものである。

第２パターニング工程Ｐ２においては、第１パターニング工程Ｐ１により形成されたパターンマスク３５上に、フォトレジストを用いてパターンマスク３６が形成される。具体的には、フォトレジスト（たとえば、ＳＵ−８）が塗布された後、所定のパターンで露光、及び局所的に除去、すなわちパターニングされ、パターンマスク３６が形成される。図３（ｂ）は、この第２パターニング工程Ｐ２が実行されてフォトレジストによるパターンマスク３６が形成された状態の水晶ウエハ３４を示す図である。

サンドブラスト工程Ｐ３においては、前記第２パターニング工程Ｐ２において形成されたパターンマスク３６を用いて水晶ウエハ３４の表面のサンドブラスト加工が行なわれる。サンドブラスト加工によって、水晶ウエハ３４に貫通した切り込み３８が設けられる。この切り込み３８は、溝２６などに相当する。さらにサンドブラスト加工の完了後、パターンマスク３６が除去される。図３（ｃ）は、このサンドブラスト工程Ｐ３によってサンドブラスト加工が完了して切れ込み３８が設けられるとともにパターンマスク（シートレジスト）３６が除去された状態の水晶ウエハ３４を示している。

エッチング工程Ｐ４においては、前記第１パターニング工程Ｐ１において形成されたパターンマスク３５を用いて、ウエットエッチング処理が行なわれる。具体的にはパターンマスク３５がされた状態において露出された部分のみがウエットエッチング処理により１０［μｍ］だけ掘り下げられる。言い換えれば、１０［μｍ］だけ掘り下げることができるようエッチング液や溶液温度、実行時間などのエッチングにおける実行条件が定められる。具体的には本実施例においては、パターンマスク３５から露出する部分は段差２８に相当する部分であり、この部分が掘り下げられることで所定形状の前記段差２８が形成される。すなわち、保持層１４における水晶振動子層１２と重ね合わされる面のうち、水晶振動子層１６と重ね合わされた際に水晶振動子１２の振動部に対向する部分がエッチングの対象となるようにされる。そして、エッチング処理の完了後、パターンマスク３５は除去される。図３（ｄ）は、このエッチング工程Ｐ４が行なわれて段差２８が形成され、パターンマスク３５が除去された状態の水晶ウエハ３４を示している。

接着層形成工程Ｐ５では、水晶ウエハ３４の表面において固着され、且つ複数個の接着層３２に対応する形状のパターンが抜かれた図示しないフォトレジストの上から接着層３２の材料であるＣｒおよびＡｕを順次スパッタ装置を用いて成膜し、次いでそのフォトレジストをリフトオフすることで、図３に示すパターンの複数個分のＣｒ／Ａｕ薄膜製の接着層３２がスパッタ装置を用いて水晶ウエハ３４の両面にそれぞれ固着される。図３の（ｅ）はこの接着層形成工程Ｐ５が実施された状態の水晶ウエハ３４を示している。

第一面接着層及び電極形成工程Ｐ６では、前述のように所定の厚み（本実施例においては水晶振動子１６の厚みである４１．７［μｍ］）とされ、鏡面仕上げされた水晶基板４０の一方の面において、電極１８と接着層３２とが設けられる。水晶基板４０は水晶振動子部１２となるものである。具体的な手順は、水晶ウエハ３４に接着層３２を設けた接着層形成工程Ｐ５と同様であるので説明を省略する。また、併せて、電極１８と発振回路５０とを接続するためのパターン電線２０についても設けられる。図３の（ｆ）は、この接着層および電極形成工程Ｐ６が行なわれて水晶基板４０の片面に電極１８および接着層３２が設けられた状態の水晶基盤４０を示している。

第一面接合工程Ｐ７においては、接着層形成工程Ｐ４および第一面接着層及び電極形成工程Ｐ５において接着層３２がそれぞれ設けられた水晶ウエハ３４および水晶基板４０が、その接着層３２どうしが対向するように重ね合わされると共に、原子拡散接合により両者が接着される。これにより、水晶ウエハ３４および水晶基板４０、言い換えれば保持層１４と水晶振動子層１２とが接着される。図３（ｇ）は、接着層形成工程Ｐ５において接着層３２が設けられた水晶ウエハ３４の一つと、接着層及び電極形成工程Ｐ６において一方の面に電極１８および接着層３２が設けられ水晶基板４０とが、接合工程Ｐ７において原子拡散接合により接着された例を示す図である。

続いて、第二面接着層及び電極形成工程Ｐ８が実行される。この第二面接着層及び電極形成工程Ｐ８においては、水晶基板４０の他方の面において、電極１８と接着層３２とが設けられる。その手順は第一面接着層及び電極形成工程Ｐ６と略同様であるので説明を省略する。

さらに、第二面接合工程Ｐ９においては、前記接着層形成工程Ｐ４接着層３２が設けられた別の水晶ウエハ３４と、第二面接着層及び電極形成工程Ｐ８において他方の面に接着層３２および電極１８が設けられた水晶基板４０が、その接着層３２どうしが対向するように重ね合わされると共に、原子拡散接合により両者が接着される。この手順は前記第一面接合工程Ｐ７におけるものと略同様であるので説明を省略する。この第二面接合工程Ｐ９により、２枚の水晶ウエハ３４および水晶基板４０、言い換えれば２つの保持層１４と水晶振動子層１２とが接着される。図３（ｈ）は、この第二面接合工程Ｐ９により、前記第一面接合工程Ｐ７により一の水晶ウエハ３４の一つと接合されていた水晶基盤４０に対し、その水晶基盤の第二面において別の水晶ウエハ３４が接合された状態を説明する図である。なお、水晶基板４０の両側に設けられる電極１８を設ける際には、水晶基板４０を挟んだ一対の電極１８の位置が重なるようにされる。

切り分け工程Ｐ１０においては、接着された一対の水晶ウエハ３４および水晶基板４０から、個々の荷重センサ１０が切りわけられる。具体的には例えば貫通加工工程Ｐ２において設けられた切れ込み３８に沿ってダイシングソーにより切り分けることにより、一つ一つの荷重センサ１０を取り出すことができる。

図４は本発明の発明者が実際に上記手順にて作成した荷重センサ１０の外観を示す写真である。縦２［ｍｍ］、横２［ｍｍ］、厚さ１．０４［ｍｍ］の大きさの荷重センサ１０が作成されていることがわかる。なお、かかる荷重センサの発振特性を評価するため、インピーダンスアナライザ（ＺＡ５４０５、ＮＦ回路ブロック）を用いてインピーダンス特性を計測した。計測したインピーダンス特性から推定される水晶振動子１６の等価回路における回路定数はＲ_１＝３２．６［Ω］、Ｌ_１＝９．５５［ｍＨ］、Ｃ_１＝１．８４［ｆＦ］、Ｃ_０＝０．６４［ｆＦ］であり、また、共振周波数は３７．８８１［ＭＨｚ］、Ｑ値は６．９×１０^４となった。良好なＱ値が得られたことがわかる。なお、荷重センサ１０における荷重を加える方向、すなわち荷重センサ１０が荷重を検出可能な方向は図１（ａ）および（ｃ）における矢印Ｆ方向である。

ここで、水晶振動子を用いた荷重センサの計測レンジについて、水晶振動子の厚さとの関係を検討する。本実施例における水晶振動子１６として用いられるＡＴカット水晶振動子、すなわち、人工水晶のｚ軸からは３５°１５’の角度で切り出した振動子は、厚みすべり振動を発生させ、発振回路を取り付けることで、安定した周波数信号を得ることができる。また、水晶振動子１６に外力Ｐ［Ｎ］が加えられた場合、その外力の大きさに比例して周波数が変動する。その周波数の変動量Δｆ［Ｈｚ］は、

のような比例関係を有している。ここで、Ｓ_Ｓはセンサ感度であり、次式のように表される。

ここで、βは水晶への応力の方向によって定まる感度係数であり、ηは荷重伝達効率であり、ｗおよびは水晶振動子１６の幅および厚さである。上記（２）式より、水晶振動子１６の厚さｔを小さくすることで、センサ感度Ｓ_Ｓを効果的に向上できることが分かる。荷重伝達効率ηは荷重センサ１０に加えられた力と水晶振動子層１４に実際に加えられた力との比で定義される。

荷重センサ１０の実分解能Ｐ_ｒｅｓは、前記センサ感度Ｓ_Ｓを用いて、次式（３）により表される。

ここで、ｆ_Ｆはセンサ出力の周波数の変動幅であり、発振周波数の安定性を表す。一方、理論的なセンサの許容荷重は、次式（４）によって示される。

ここで、σ_ｍａｘはセンサの最大許容応力を示す。上記（４）式において、荷重伝達効率ηを小さくすることで、最大許容荷重Ｐ_ｍａｘを大きくすることができることがわかる。

荷重センサ１０の計測レンジρは、最大許容荷重Ｐ_ｍａｘと実分解能Ｐ_ｒｅｓの比で表されるため、理論的な計測レンジρは上記式（３）および（４）より、次式（５）で表される。

この（５）式より、荷重センサ１０をワイドレンジ化するためには、（ｉ）水晶振動子１６の厚さｔを小さくする、（ｉｉ）センサ出力の安定性を向上する、すなわち、周波数変動幅ｆ_Ｆを小さくする、（ｉｉｉ）最大許容荷重Ｐ_ｍａｘを大きくする、などの方法によればよいことがわかる。本発明は、このうち水晶振動子１６の厚さを小さくすることによりその水晶振動子１６を用いた荷重センサ１０の計測レンジを広げることを目的とするものであり、水晶振動子１６を薄くすることに伴って生ずる課題である水晶振動子１６の曲げや座屈の発生を抑制することを目的としたものである。

水晶は結晶材料であり、結晶欠陥が少ないことから、転位を起こしにくく機械的に優れた特性を有している。このため、圧縮応力に対して高い強度を示す。一方で脆性材料であることから、引張りや曲げ応力に弱く、特に水晶振動子１６が薄型の構造を有することから、水晶振動子を用いた荷重センサの最大許容荷重は座屈荷重に起因すると考えられる。これに関して、発明者らが長さの異なる水晶片に対して破壊試験を行ない、その長さと破壊に至った際の圧縮荷重との関係を調べた結果を以下に示す。実験においては、厚さ１００［μｍ］、幅２［ｍｍ］、長さＬを１［ｍｍ］から４［ｍｍ］まで０．５［ｍｍ］刻みで異ならせた試験片を、荷重センサ上に配置し、試験片を破壊に至るまで荷重を加え圧縮した。荷重を印可する方向は、図５中に図示した通り、平板形状の水晶片における面方向である。この荷重印可方向が、水晶からなる試験片を本実施例の水晶振動子１２に用いた場合の荷重印可方向、すなわち、荷重検出方向に対応する。破壊時の荷重をロードセル（Ｋｉｓｔｌｅｒ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ製９０３１Ａ）を用いて計測した。この結果を図５にプロットして示す。なお、図５における横軸は試験片の長さＬを、縦軸は破壊に至った際の圧縮荷重を応力［ＭＰａ］に換算した値をそれぞれ示している。また、計測結果の標準偏差をエラーバーにより表している。

図５においてはさらに、座屈荷重の理論値を表す曲線が示されている。この曲線は両端回転自由の固定端における座屈応力を表す次式（６）に対応するものである。

この（６）式はオイラーの式より得られるものである。また、Ｅは試験片のヤング率、Ｉは断面二次モーメント、ｌは試験片の長さを示す。

図５に示すように、水晶が破壊に至る応力は、試験片の長さが短くなるほど高くなっており、座屈応力に従い、破壊に至っていると考えられる。また、１［ｍｍ］の試験片においては９００［ＭＰａ］程度の破壊応力を示しているが、かかる試験片の引っ張りにおける破断応力は１５０［ＭＰａ］程度であることから、これに比べて大きいことがわかる。水晶振動子を用いた荷重センサにおいて、座屈を防ぐ構造により、引っ張りにおける破断応力と比較してより高い許容応力が得られることを示唆している。

続いて、本発明の荷重センサ１０の構造の有効性を確認するため、ＳｏｌｉｄＷｏｒｋｓ Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ（２０１４ ＳＰ５．０， ＳｏｌｉｄＷｏｒｋｓ社）を用いて座屈荷重の解析を行なった。解析結果より水晶振動子１６の振動部の座屈荷重は９９６［Ｎ］であり、水晶振動子１６における応力は５７３［ＭＰａ］であった。一方、縦２［ｍｍ］×横２［ｍｍ］×厚さ４１．７［μｍ］の本実施例における水晶振動子１６と同形状の試験片の座屈荷重は、オイラーの式より４．５［Ｎ］であり、応力に換算すると５４［ＭＰａ］であるので、座屈応力が約１０倍向上していることがわかる。座屈応力の向上により最大許容荷重Ｐ_ｍａｘが大きくなり、前記（５）式より、計測レンジρの拡大が見込めることがわかる。

さらに、荷重伝達効率ηを求めるため、下端を固定した荷重センサ１０に対して上端から鉛直方向に１０［Ｎ］の荷重を印加した際の、水晶振動子１６におけるフォンミーゼス応力の解析を行なった結果を図６に示す。応力の解析には前述のＳｏｌｉｄＷｏｒｋｓ Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎを用いた。解析結果より、図６に示すように、荷重センサ１０の上端部分に応力の強い部分が、また、下端部分に弱い部分がそれぞれ生じていることがわかる。また解析結果より、１０［Ｎ］の負荷を加えた際に水晶振動子１６に加わる荷重は０．４８［Ｎ］となった。これは、水晶振動子１６の中心部の応力が５．８［ＭＰａ］であり、その断面が２．０［ｍｍ］×４１．７［μｍ］であることから算出される。従って、理論的な荷重伝達効率ηは４．８％となった。荷重伝達効率ηを低くすることで、上記（４）式より、薄型な水晶振動子１６を用いつつも最大許容荷重Ｐ_ｍａｘを大きくなしうることがわかる。

続いて、本実施例の荷重センサ１０について、その荷重特性を調べるために実際に荷重を負荷して行なった実験結果を示す。図７は、本実施例の荷重センサ１０を含む荷重計測システム全体の構成を説明する図である。システムは、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５０、発振回路５０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５２、及び発振回路５０等へ電源を供給する為の電源回路５４などを含んで構成される。発振回路５０は、水晶振動子１６の発振回路として一般的なコルピッツ型発振回路を用いた。また、周波数カウンタとしては、たとえば、Ａｇｉｌｅｎｔ社製５３２３０Ａなどが用いられる。

このように構成されるシステムにおいて、荷重負荷実験を行った。実験においては、ｚステージ上に設置したロードセル（９０３１Ａ，Ｋｉｓｔｌｅｒ社）の鉛直上に荷重センサ１０を図１（ａ）に示す姿勢で配置した。荷重センサ１０の上方には、ステージ外に位置が固定されて設けられた枠板が設けられており、ステージを上昇させることで、荷重センサ１０の上面が該枠板に当接し、さらにステージを上昇させることで荷重センサ１０の上方から下向きに加重センサ１０に荷重が与えられる。荷重センサ１０の耐荷重を確認するため、加重センサ１０が破壊に至るまで荷重を加えていき、荷重特性を計測した。与えた荷重をロードセルにより、また、センサの出力を周波数カウンタ５２によりそれぞれ計測することで、荷重センサ１０の負荷荷重Ｐに対する出力周波数の変化Δｆを計測した。

図８はこの計測結果を説明する図である。図８にプロットされた実験結果を線型近似すると、荷重センサ１０における外部荷重Ｐ（＝ｘ）［Ｎ］と水晶振動子１６の共振周波数Ｙ［Ｈｚ］との関係は、次の式（７）で線型近似される。
Ｙ＝３８２ｘ＋３８１２３８０８ （７）
このとき、相関係数は、Ｒ^２＝０．９９７であった。近似直線の傾きから、センサ感度Ｓ_Ｓは３８２［Ｈｚ／Ｎ］となる。

前記荷重負荷実験により、本実施例の荷重センサ１０は６００［Ｎ］の耐荷重を有することが確認できた。破壊時の水晶振動子１６における応力は、荷重伝達効率ηを用いて理論的に３４５［ＭＰａ］となる。これは、一般的な水晶の破壊応力とされる１５０［ＭＰａ］を超える値であり、本実施例の荷重センサ１０は、座屈を抑える構造によって最大許容荷重Ｐ_ｍａｘを向上できたことがわかる。一方で、前述の解析結果によれば、座屈時の水晶振動子１６の応力は５７３［ＭＰａ］とされていたのに対しては実際の実験結果ではそれよりも低い値となっている。荷重負荷実験においては、荷重センサ１０の破壊は保持層１４と水晶振動子層１２との接合面（接着層３２の部分）における亀裂から生じており、接合面をより強固に接合するなどの改善を行なうことにより、解析時の値により近づける、すなわち、より高い許容応力とすることができることが考えられる。

続いて、本実施例の荷重センサ１０の出力安定性、すなわちセンサ出力の時間安定性についての評価を行なうために行なった実験結果を示す。実験においては、荷重センサ１０を２５℃の恒温下におき十分な時間が経過した後、定常状態となってからセンサ出力の時間変動を計測した。すなわち、荷重センサ１０に加えられる荷重が変化しない状況下で、荷重センサ１０の出力、すなわち、水晶振動子１６の発信周波数ｆの変動Δｆ［Ｈｚ］を計測した。

図９はこの実験結果を示す図である。サンプリング周波数１００［Ｈｚ］で３分間の計測を行なった。この結果、周波数変動Δｆは０．１５［Ｈｚ］以内であり、荷重センサ１０の感度から換算して３分間の計測において０．４［ｍＮ］の実分解能を有することが確認できた。

図１０は、本実施例の荷重センサ１０の特性を、従来のセンサである歪ゲージを用いた荷重センサ（比較例１）、静電容量型の荷重センサ（比較例２）、水晶振動子を用いた他の構成による荷重センサ（比較例３乃至５）と比較する図である。比較例１はＫｙｏｗａ社製ＬＭＡ−Ａ−５００Ｎ、比較例２はＷａｃｏｈ−ｔｅｃｈ社製ＷＥＦ−６Ａ５００を一般的な例として用いた。また、比較例３は、Z. Wang et al., "A thickness-shear quartzforce sensor with dual-mode temperature and pressure", IEEE Sens. J., Vol. 3, No. 4, pp.490-497, Aug. 2003に記載されたものであり、比較例４は、K. Narumi et al ., "Miniaturization and resolution improvement of load sensor using AT-cut quartz crystal resonator", Proc. of IEEE/SICE International Symposium on System Integration 2009, pp. 13-18, Jan. 2009に記載されたものであり、また、比較例５は、Y. Murozaki et al., "Wide range load sensor using Quartz Crystal Resonator for dection of biological signals", Sensors J., Vol. 15, pp. 1913-1919, 2015に記載されたものである。

本実施例の荷重センサ１０と比較例１乃至５とを比較すると、本実施例の荷重センサは広い計測レンジρを有していることがわかる。さらに従来の水晶振動子を用いた荷重センサである比較例３乃至５との比較でも、本実施例の荷重センサ１０は、その最大許容荷重Ｐ_ｍａｘに対して高いセンサ感度を有していることがわかる。特に、４．０×１０^−４［Ｎ］から６００［Ｎ］までの計測レンジ、すなわち１０^６のオーダーの計測レンジを実現していることがわかる。

さらに、本実施例の荷重センサ１０の応用例について説明する。本実施例の荷重センサ１０は、前述の通り広い計測レンジを有することから、たとえば以下に説明する応用が可能である。

図１１は、本実施例の荷重センサ１０を用いて体重と脈波の同時計測を行なうための計測装置６０を説明する図である。計測装置６０においてはたとえば長方形状とされた剛性のある板６２が、その板６２の四隅に位置させられた４つの荷重センサ１０の上になるように設けられている。荷重センサ１０のそれぞれは、その底面が固定されており、４つの荷重センサ１０により板６２上にかかるすべての荷重を分担するものとされている。

体重６２［ｋｇ］の被験者が板６２上に乗った場合の４つの荷重センサ１０の出力の合計、すなわち、４つの荷重センサ１０の合力を図１２（ａ）に示す。被験者がボードに乗ることで６１０［Ｎ］程度の荷重変化を検出した。これは、被験者の体重を正しく検出したものと考えられる。さらに、得られた計測結果に０．６［Ｈｚ］から１０［Ｈｚ］の通過帯域を持つバンドパスフィルタを通した信号のうち、図１２（ａ）の横軸（時間軸）の２０秒から２５秒までの信号を図１２（ｂ）に示す。この図１２（ｂ）に示す信号は、被験者の指に取り付けた脈波センサ（小池メディカル社製サーフィンＰＯ）が示した６５［ｂｐｍ］と略同周期で振動している。このことは、計測装置６０によって被験者の体重と脈波とを同時に計測可能であることを示すものであり、これは本実施例の荷重センサ１０が広い計測レンジを有することによるものである。

前述の実施例によれば、薄板形状の水晶振動子１６の該薄板形状と平行な方向に印加される外部荷重の大きさを検出する荷重センサ１０であって、荷重センサ１０は、薄板形状の水晶振動子１６と、水晶振動子１６の板厚方向に相対する一対の面に一対の電極部１８とを備えた水晶振動子層１２と、水晶振動子層１２に外部荷重が印加された際に水晶振動子層１２と略同量の変位を生ずる少なくとも１つの保持層１４と、を含むので、薄板形状の水晶振動子１６の薄板形状と平行な方向に外部荷重が印加される場合において、水晶振動子１６に曲げ応力が生じる場合であっても、少なくとも１つの保持層１４により水晶振動子１６の曲げ方向の変形が抑制されるので、水晶振動子１６の座屈を防止することができる。また、水晶振動子１６に外部荷重が印加された際に、水晶振動子層１２と保持層１４とは略同量の変位を生ずるものとされているので、両者の変位の差によって曲げ方向の力が生ずることも防止される。そのため、薄板形状の水晶振動子１６の薄さをより薄くすることができ、計測レンジを広げることが可能となる。

また、前述の実施例によれば、保持層１４は、水晶振動子層１２の薄板形状の両側を挟むように設けられ、水晶振動子層１２に外部荷重が印加された際に水晶振動子層１２と略同量の変位を生ずる１対の保持層であるので、水晶振動子層１２の薄板形状の両側への変形が抑制され、より一層水晶振動子層１２の座屈を抑制することができる。

また、前述の実施例によれば、保持層１４は、接着層３２を介して水晶振動子層１２に接着させられているので、水晶振動子層１２と保持層１４とが接着層３２により接着され、水晶振動子層１２の座屈を抑制することができる。

また、前述の実施例によれば、保持層１４は水晶からなり、保持層１４と水晶振動子層１２とはそれぞれに設けられた接着層３２の原子拡散接合により結合されているので、保持層１４と水晶振動子層１２とは一体の結晶のように振る舞うことができ、水晶振動子層１２の座屈を抑制することができる。

また、前述の実施例によれば、保持層１４および水晶振動子層１２は、略同等の熱膨張率を有する材料により構成されているので、荷重センサ１０の置かれる環境温度によらず、保持層１４および水晶振動子層１２が共通した熱膨張特性を有するので、両者の膨張量の差を環境温度に応じて計測結果において考慮する必要がない。

続いて、本発明の他の実施例を説明する。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。

図１３は、本発明の別の実施例による荷重センサ１００を説明する図である。図１３（ａ）は荷重センサ１００の斜視図であり、図１３（ｂ）は図１３（ａ）におけるＸＩＩＩＢ−ＸＩＩＩＢ断面図である。

本実施例の荷重センサ１００は、たとえば直方体形状を有する１個の塊状の水晶１０２において、対向する一対の面から空洞１１６をそれぞれ内側に堀り進める（くり抜く）ことによって得られる。そして図１３（ｂ）において左右から中央に向かってそれぞれ空洞１１６を堀り、中央部分に所定の厚みＤの壁状に水晶が残るようにされる。この厚みＤの壁状の水晶が荷重センサ１００における水晶振動子層１１２であり、前述の実施例の荷重センサ１０における水晶振動子層１２に対応する。また、水晶１０２のうち水晶振動子層１１２以外の部分、すなわち、空洞１１６の設けられた一対の筒状の部分が、荷重センサ１００における保持層１１４であり、前述の実施例の荷重センサ１０における保持層１４に対応する。

水晶振動子層１１２においては、その面形状の両側において前述の実施例と同様の電極１８が設けられるとともに、電極と発振回路５０とを接続するための電線２０、２２とが設けられる。なお、前述の実施例と異なり、保持部１１４は外部と連通された空洞１１６を有していることから、電線２２はその空隙１１６を通って荷重センサ１００の外部に引き出されればよい。なお、図１３（ａ）においては、電極１８などの図示を省略している。

本実施例の荷重センサ１００によれば、保持層１１４と水晶振動子層１１２とは、もともと一個の塊状の水晶１０２であったことから、両者は分離しておらず、従って、前述の実施例のように、両者を接着するための接着層３２を必要としない。そして、水晶振動子層１１２はその面形状の両側を保持層１１４にはさまれており、それら水晶振動子層１１２および保持層１１４は単一の結晶１０２からなり一体のものであることから、水晶振動子層１１２にその厚さ方向と垂直な方向に荷重が加えられた場合において、水晶振動子層１１２が座屈するのを抑制することができる。

図１４は、本発明のさらに別の実施例による荷重センサ２００を説明する図である。図１４（ａ）は荷重センサ２００の斜視図であり、図１４（ｂ）は図１４（ａ）におけるＸＩＶＢ−ＸＩＶＢ断面図である。

荷重センサ２００は、それぞれ水晶からなる水晶振動子層１２および一対の保持層１４を含んで構成される点において、前述の実施例における荷重センサ１０と共通する。また、水晶振動子層１２において電極１８、電線２０、２２などが設けられる点や、保持層１４において段差２８が設けられる点も共通する。一方、水晶振動子層１２および一対の保持層１４を接着するための接着層３２が設けられない点において異なる。なお、図１４（ａ）においては、電極１８などの図示を省略している。

本実施例においては、ともに水晶からなる水晶振動子層１２および一対の保持層１４は、その接合面２０２において両者が直接接合を行なうよう反応させられる。その結果、別個に準備された水晶振動子層１２および一対の保持層１４を構成する水晶は接合面２０２で直接接合され、すなわち、それぞれは分子結合されて、１つの水晶であるかのような構成とされる。

本実施例の荷重センサ２００によれば、水晶振動子層１２および一対の保持層１４は、その接合面２０２において両者が分子結合させられるので、接着層３２を設けることなく水晶振動子層１２および一対の保持層１４を接着することができ、両者は一体の結晶であるかのように振る舞うことから、水晶振動子層１２にその厚さ方向と垂直な方向に荷重が加えられた場合において、水晶振動子層１２が座屈するのを抑制することができる。

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。

たとえば、前述の実施例においては、薄板形状の水晶振動子層１２、１１２を両側から挟み込むように一対の保持層１４、１１４が設けられたが、かかる構成に限られない。すなわち、保持層１４、１１４が薄板形状の水晶振動子層１２、１１２の少なくとも一方の面に設けられれば、一定の効果を生ずる。

また、前述の実施例においては、水晶振動子１６は縦および横方向の大きさが２ｍｍの正方形形状を有していたが、このような態様に限られない。例えば、水晶振動子１６は、例えば荷重負荷方向に見た場合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、荷重負荷方向の長さが、荷重付加方向に垂直な方向の長さよりも長くされてもよい。

また、前述の実施例においては、電極１８がスパッタリングにより、電線２０はパターン配線としてそれぞれ設けられるとしたが、このような態様に限定されない。たとえば、電極１８、電線２０がいずれもスパッタリングによって水晶振動子１６上に設けられてもよく、この場合、言い換えれば電極１８と電線２０とが区別せずに設けられてもよい。あるいは、電線２２が設けられず、電線２０の各々がそのまま荷重センサ１０の外部に引き出されてもよい。

また、前述の実施例においては、電極１８の形状は円形状とされたが、これに限られず、他の形状であってもよい。

また、前述の実施例においては、エッチング工程Ｐ４においてはウエットエッチングが、また、サンドブラスト工程Ｐ３においてはサンドブラストが行なわれるとしたが、これに限られず、エッチングに代えてサンドブラストが、あるいはその逆が行なわれてもよい。また、エッチングの方法として、反応性イオンエッチング（Ｒｅａｃｔｉｖｅ Ｉｏｎ Ｅｔｃｈｉｎｇ；ＲＩＥ）やウェットエッチングが代わりに用いられてもよい。

また、前述の実施例においては、第一面接着層および電極生成工程Ｐ６において水晶基盤４０の第一面に接着層３２および電極１８を設け、第一面接合工程Ｐ７を実行して水晶基盤４０の第一面と水晶ウエハ３４とを接合した後、第二面接着層および電極精製工程Ｐ８により水晶基盤４０の第二面に接着層３２および電極１８を設け、第二面接合工程Ｐ９を実行して水晶基盤４０の第二面と水晶ウエハ３４とを接合したが、かかる態様に限定されない。すなわち、第一面接着層および電極生成工程Ｐ６において水晶基盤４０の第一面に接着層３２および電極１８を設け、次いで第二面接着層および電極精製工程Ｐ８により水晶基盤４０の第二面に接着層３２および電極１８を設けた後に、第一面接合工程Ｐ７を実行して水晶基盤４０の第一面と水晶ウエハ３４とを接合し、さらに第二面接合工程Ｐ９を実行して水晶基盤４０の第二面と水晶ウエハ３４とを接合してもよい。

また、前述の実施例において切り分け工程Ｐ７においてはダイシングソーが用いられたが、これに限定されず、たとえば、レーザ光を用いたカッターが用いられてもよい。

また、前述の実施例においては、接着層３２としてＣｒ／Ａｇ薄膜が水素振動子層１２および保持層１４にそれぞれ設けられ、これらが原子拡散結合されることで接着されたが、これに限られず、接着剤であってもよい。この場合、接着剤が絶縁性を有するのであれば、前述の実施例のように、接着層３２が電線２０とその一定の近傍を除いて設けられたが、そのようにする必要がない。例えば、接着層３２が電線２０を覆うように電極１８以外の全面に設けられてもよい。また、前述の実施例３のように、水素振動子層１２および保持層１４が直接接合される場合には接着層３２は必要とされない。

また、前述の実施例において、接着層３２は水晶振動子１６の面においてその外周側を囲む形状とされたが、これに限られない。例えば、段差２８の外縁に沿った円環状とされてもよいし、図１５（ａ）に示すように、水晶振動子層１２の面における電極１８、電線２０およびそれらと一定の距離の部分を除く全面としてもよいし、あるいは、図１５（ｂ）に示すように、荷重印加方向、すなわち同図における上下方向に延びる長手形状のものであってもよい。なお、図１５（ａ）および（ｂ）における一部切り欠いた円３２８は、水晶振動子層１２と貼り合わせられる保持層１４において設けられる段差２８の大きさおよび位置を説明する線である。少なくとも荷重印加方向に延びる長手形状を接着層３２が含むことにより、水晶振動子層１２に荷重が印加された場合に、座屈を抑制する効果を生ずることができる。

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。

本発明の荷重センサは広い計測レンジと高い分解能とを兼ね備えるものであるから、計測のためにセンサデバイスを特別に装着する必要がなく、部屋、持ち物、衣服など環境に設置された計測デバイスによって生態情報をさりげなく経時的にとらえる「カジュアルセンシング」の実現に利用しうるものである。

１０、１００、２００：荷重センサ １２、１１２：水晶振動子層 １４、１１４：保持層 １６：水晶振動子 １８：電極 ２０：電線 ２８：段差 ３２：接着層 １０２：水晶 １１６：空洞 ２０２：接合面

【０００２】
られる。特許文献１に記載の技術においては、印加する荷重が大きい場合には水晶振動子が座屈してしまうことを避けるため、例えば一つの荷重センサに印加される荷重を分散させるなどの構成を必要としていた。また、かかる場合においては、荷重センサの検出レンジを広くすることができる一方、その分解能が低くなるという課題が生じていた。
［０００６］
本発明は、以上の事情を背景としてなされたものであり、その目的とするところは、水晶振動子の座屈を防止することにより、分解能を保ちつつ検出レンジを広くすることのでき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。
課題を解決するための手段
［０００７］
前記目的を達成するため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該薄板形状と平行な方向に印加される外部荷重の大きさを検出する荷重センサであって、（ｂ）該荷重センサは、薄板形状の水晶振動子と、該水晶振動子の板厚方向に相対する一対の面に一対の電極部とを備えた水晶振動子層と、（ｃ）前記水晶振動子層の前記薄板形状の両側を挟むように設けられ、該水晶振動子層に前記外部荷重が印加された際に該水晶振動子層と略同量の変位を生ずる一対の保持層と、を含み、（ｄ）前記保持層および水晶振動子層は、略同等の熱膨張率を有する材料により構成されていることを特徴とする。
発明の効果
［０００８］
このようにすれば、前記薄板形状の水晶振動子の該薄板形状の面方向と平行な方向に外部荷重が印加される場合において、水晶振動子に曲げ応力が生じる場合であっても、前記一対の保持層により水晶振動子層の薄板形状の両側への変形が抑制されるので、水晶振動子層の座屈を抑制することができる。そのため、薄板形状の水晶振動子の薄さをより薄くすることができ、計測レンジを広げることが可能となる。また、荷重センサの置かれる環境温度によらず、保持層および水晶振動子層が共通した熱膨張特性を有するので、両者の膨張量の差を環境温度に応じて計測結果において考慮する必要がない。
［０００９］
また好適には、前記保持層は、接着層を介して前記水晶振動子層に接着させられている。このようにすれば、水晶振動子層と保持層とが接着層により接着されるので、水晶振動子層の座屈を抑制することができる。
［００１０］
また好適には、前記接着層は、前記外部荷重の印加方向に延びる長手形状

【０００３】
を少なくとも有するものである。このようにすれば、外部荷重が印加された際に生じやすい水晶振動子層の曲げ方向の変形を好適に防止することができ、座屈を抑制することができる。
［００１１］
また好適には、前記接着層は、原子拡散接合により前記保持層と前記水晶振動子層とを接着するものである。このようにすれば、前記保持層および前記水晶振動子層にそれぞれ設けられた接着層が原子拡散接合されることにより好適に前記保持層と前記水晶振動子層とが接着される。
［００１２］
また好適には、前記保持層は水晶からなり、該保持層と前記水晶振動子層とは直接接合により結合されていること、を特徴とする。このようにすれば、前記保持層と前記水晶振動子層とは直接接合により接着されて一体の結晶のように振る舞うことができ、水晶振動子層の座屈を抑制することができる。
［００１３］
［００１４］
図面の簡単な説明
［００１５］
［図１］本発明が適用される荷重センサの一例を説明する図であって、（ａ）は斜視図、（ｂ）は個々の構成部材を説明する図、（ｃ）は（ａ）における断面図である。
［図２］本実施例の荷重センサの作成における工程を説明する図である。
［図３］図２の工程によって生成される水晶ウエハおよび水晶基盤の断面の変化

【００２０】
れた計測結果に０．６［Ｈｚ］から１０［Ｈｚ］の通過帯域を持つバンドパスフィルタを通した信号のうち、図１２（ａ）の横軸（時間軸）の２０秒から２５秒までの信号を図１２（ｂ）に示す。この図１２（ｂ）に示す信号は、被験者の指に取り付けた脈波センサ（小池メディカル社製サーフィンＰＯ）が示した６５［ｂｐｍ］と略同周期で振動している。このことは、計測装置６０によって被験者の体重と脈波とを同時に計測可能であることを示すものであり、これは本実施例の荷重センサ１０が広い計測レンジを有することによるものである。
［００６１］
前述の実施例によれば、薄板形状の水晶振動子１６の該薄板形状と平行な方向に印加される外部荷重の大きさを検出する荷重センサ１０であって、荷重センサ１０は、薄板形状の水晶振動子１６と、水晶振動子１６の板厚方向に相対する一対の面に一対の電極部１８とを備えた水晶振動子層１２と、水晶振動子層１２に外部荷重が印加された際に水晶振動子層１２と略同量の変位を生ずる少なくとも１つの保持層１４と、を含むので、薄板形状の水晶振動子１６の薄板形状と平行な方向に外部荷重が印加される場合において、水晶振動子１６に曲げ応力が生じる場合であっても、少なくとも１つの保持層１４により水晶振動子１６の曲げ方向の変形が抑制されるので、水晶振動子１６の座屈を防止することができる。また、水晶振動子１６に外部荷重が印加された際に、水晶振動子層１２と保持層１４とは略同量の変位を生ずるものとされているので、両者の変位の差によって曲げ方向の力が生ずることも防止される。そのため、薄板形状の水晶振動子１６の薄さをより薄くすることができ、計測レンジを広げることが可能となる。
［００６２］
また、前述の実施例によれば、保持層１４は、水晶振動子層１２の薄板形状の両側を挟むように設けられ、水晶振動子層１２に外部荷重が印加された際に水晶振動子層１２と略同量の変位を生ずる一対の保持層であるので、水晶振動子層１２の薄板形状の両側への変形が抑制され、より一層水晶振動子層１２の座屈を抑制することができる。
［００６３］
また、前述の実施例によれば、保持層１４は、接着層３２を介して水晶振

ところで、前記水晶振動子を用いた荷重センサにおいては、薄板状、かつ、長手形状とされた板状の水晶振動子に対し、その長手方向に荷重を加えるものとされている。特許文献１においては、水晶振動子とその水晶振動子を保持しつつ荷重を加えることのできる保持器とを備えた荷重センサが提案されている。かかる保持器においては、水晶振動子の長手方向の両端を保持しつつ、その一端から荷重を入力する一方、他端を固定することで、水晶振動子に荷重を印加させるものとされている。

本発明が適用される荷重センサの一例を説明する図であって、（ａ）は斜視図、（ｂ）は個々の構成部材を説明する図、（ｃ）は（ａ）における断面図である。 本実施例の荷重センサの作成における工程を説明する図である。 図２の工程によって生成される水晶ウエハおよび水晶基盤の断面の変化を説明する図である。 本実施例の荷重センサの外観を説明する図である。 水晶振動子の試験片に対して行なった破壊試験の結果を説明する図である。 本実施例の荷重センサにおける応力の解析結果を説明する図である。 本実施例の荷重センサを含む荷重計測システム全体の構成を説明する図である。 本実施例の荷重センサに対する荷重負荷実験の結果を説明する図である。 本実施例の荷重センサの出力の安定性についての実験結果を説明する図である。 本実施例の荷重センサと従来の荷重センサとをその特性を比較する図表である。 本実施例の荷重センサを用いて体重と脈波の同時計測を行なうための計測装置を説明する図である。 図１１の計測装置における出力信号の例を説明する図であって、（ａ）は出力信号そのまま、（ｂ）はバンドパスフィルタを通した信号を示す。 本発明の別の実施例における荷重センサの構成を説明する図であって、（ａ）は斜視図、（ｂ）は（ａ）におけるＸＩＩＩＢ−ＸＩＩＩＢ断面図である。 本発明のさらに別の実施例における荷重センサの構成を説明する図であって、（ａ）は斜視図、（ｂ）は（ａ）におけるＸＩＶＢ−ＸＩＶＢ断面図である。 図１の荷重センサの別の態様を説明する図であって、接着層の別の形状を説明する図である。

図１（ｂ）は、図１（ａ）に示す荷重センサ１０を構成する水晶振動子層１２および一対の保持層１４の、重ね合わせる前の構成を説明する図である。まず、水晶振動子層１２は、薄板形状の水晶振動子１６と、その水晶振動子１６の板厚方向に相対する一対の面に設けられた一対の電極１８ａ、１８ｂとを含んで構成されている。なお、以下の説明において電極１８ａおよび１８ｂを区別しない場合、総称して単に電極１８と呼ぶ。また、電極１８ａおよび１８ｂには、それら電極１８ａ、１８ｂをそれぞれ後述する発振回路５０に接続するための電線２０ａおよび２０ｂが設けられている。

電線２０は、水晶振動子１６の平面上にて端部近くまで伸びた電極１８のパターン上にて、電極１８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２２は、電線２０と後述する発振回路５０とを直接的もしくは中継基板などを介して接続するためのものである。電線２２は、電線２０よりも大径の配線用の銅線であり、例えば後述する保持層１４に設けられた溝部２６に沿うように配線される。

また、保持層１４は、水晶振動子層１２に比べて十分な厚さを有している。具体的には本実施例においては前述の通り、水晶振動子層１２の厚さ４１．７［μｍ］に対し、保持層１４の厚さは５００［μｍ］である。また、保持層１４において、前述した水晶振動子層１２と接合された場合に外周面となる面においては、水晶振動子層１２の電極１８から引き出された電線２０に対応する位置に厚さ方向に延びる凹溝２６が設けられており、保持層１４と水晶振動子層１２とを重ね合わせた場合に、電線２０の端部が露出するようになっている。この露出した電線２０の端部に電線２２が接続される。また、溝２６は断面が円弧形状の溝とされているが、これは水晶振動子層１２に荷重が印可された場合に溝２６の特定の箇所に応力集中が生じにくくするためである。

また、図１（ｃ）に示すように、保持層１４における水晶振動子層１２と重ね合わされる面においては、水晶振動子層１２と重ね合わされた際に電極１８と対応する部分に段差２８が設けられている。図１（ｃ）は、図１（ａ）におけるＩＣ−ＩＣ断面を示す断面図である。この段差２８は断面が円状の穴として設けられており、保持層１４が水晶振動子層１２と重ね合わされた際に、電極１８が保持層１４と接触することがないよう、具体的には例えば、段差２８として設けられた穴と電極１８との間に１０μｍ程度のクリアランスＣＬが設けられるように、段差２８の大きさや深さが設定される。段差２８が設けられることにより、保持層１４における水晶振動子層１２と重ね合わせた際に、両者が接触することにより水晶振動子１６の発振を妨げることがない。言い換えれば、水晶振動子層１２のうち段差２８に対向する部分が、好適な振動を生じる振動部として確保される。なお、段差２８の形状は前述のような断面が円形の穴に限られず、電極１８と保持層１４とが接触しない形状であればよい。

第一面接着層及び電極形成工程Ｐ６では、前述のように所定の厚み（本実施例においては水晶振動子１６の厚みである４１．７［μｍ］）とされ、鏡面仕上げされた水晶基盤４０の一方の面において、電極１８と接着層３２とが設けられる。水晶基盤４０は水晶振動子層１２となるものである。具体的な手順は、水晶ウエハ３４に接着層３２を設けた接着層形成工程Ｐ５と同様であるので説明を省略する。また、併せて、電極１８と発振回路５０とを接続するためのパターン電線２０についても設けられる。図３の（ｆ）は、この第一面接着層および電極形成工程Ｐ６が行なわれて水晶基盤４０の片面に電極１８および接着層３２が設けられた状態の水晶基盤４０を示している。

第一面接合工程Ｐ７においては、接着層形成工程Ｐ５および第一面接着層及び電極形成工程Ｐ６において接着層３２がそれぞれ設けられた水晶ウエハ３４および水晶基盤４０が、その接着層３２どうしが対向するように重ね合わされると共に、原子拡散接合により両者が接着される。これにより、水晶ウエハ３４および水晶基盤４０、言い換えれば保持層１４と水晶振動子層１２とが接着される。図３（ｇ）は、接着層形成工程Ｐ５において接着層３２が設けられた水晶ウエハ３４の一つと、第一面接着層及び電極形成工程Ｐ６において一方の面に電極１８および接着層３２が設けられた水晶基盤４０とが、接合工程Ｐ７において原子拡散接合により接着された例を示す図である。

続いて、第二面接着層及び電極形成工程Ｐ８が実行される。この第二面接着層及び電極形成工程Ｐ８においては、水晶基盤４０の他方の面において、電極１８と接着層３２とが設けられる。その手順は第一面接着層及び電極形成工程Ｐ６と略同様であるので説明を省略する。

さらに、第二面接合工程Ｐ９においては、前記接着層形成工程Ｐ５において接着層３２が設けられた別の水晶ウエハ３４と、第二面接着層及び電極形成工程Ｐ８において他方の面に接着層３２および電極１８が設けられた水晶基盤４０が、その接着層３２どうしが対向するように重ね合わされると共に、原子拡散接合により両者が接着される。この手順は前記第一面接合工程Ｐ７におけるものと略同様であるので説明を省略する。この第二面接合工程Ｐ９により、２枚の水晶ウエハ３４および水晶基盤４０、言い換えれば２つの保持層１４と水晶振動子層１２とが接着される。図３（ｈ）は、この第二面接合工程Ｐ９により、前記第一面接合工程Ｐ７により一の水晶ウエハ３４と接合されていた水晶基盤４０に対し、その水晶基盤４０の他方の面において別の水晶ウエハ３４が接合された状態を説明する図である。なお、水晶基盤４０の両側に設けられる電極１８を設ける際には、水晶基盤４０を挟んだ一対の電極１８の位置が重なるようにされる。

切り分け工程Ｐ１０においては、接着された一対の水晶ウエハ３４および水晶基盤４０から、個々の荷重センサ１０が切りわけられる。具体的には例えばサンドブラスト工程Ｐ３において設けられた切れ込みに沿ってダイシングソーにより切り分けることにより、一つ一つの荷重センサ１０を取り出すことができる。

ここで、水晶振動子を用いた荷重センサの計測レンジについて、水晶振動子の厚さとの関係を検討する。本実施例における水晶振動子１６として用いられるＡＴカット水晶振動子、すなわち、人工水晶のｚ軸からは３５°１５’の角度で切り出した振動子は、厚みすべり振動を発生させ、発振回路を取り付けることで、安定した周波数信号を得ることができる。また、水晶振動子１６に外力Ｐ［Ｎ］が加えられた場合、その外力の大きさに比例して周波数が変動する。その周波数の変動量Δｆ［Ｈｚ］は、

のような比例関係を有している。ここで、ＳＳはセンサ感度であり、次式のように表される。

ここで、βは水晶への応力の方向によって定まる感度係数であり、ηは荷重伝達効率であり、ｗおよびｔは水晶振動子１６の幅および厚さである。上記（２）式より、水晶振動子１６の厚さｔを小さくすることで、センサ感度ＳＳを効果的に向上できることが分かる。荷重伝達効率ηは荷重センサ１０に加えられた力と水晶振動子層１２に実際に加えられた力との比で定義される。

水晶は結晶材料であり、結晶欠陥が少ないことから、転位を起こしにくく機械的に優れた特性を有している。このため、圧縮応力に対して高い強度を示す。一方で脆性材料であることから、引張りや曲げ応力に弱く、特に水晶振動子１６が薄型の構造を有することから、水晶振動子を用いた荷重センサの最大許容荷重は座屈荷重に起因すると考えられる。これに関して、発明者らが長さの異なる水晶片に対して破壊試験を行ない、その長さと破壊に至った際の圧縮荷重との関係を調べた結果を以下に示す。実験においては、厚さ１００［μｍ］、幅２［ｍｍ］、長さＬを１［ｍｍ］から４［ｍｍ］まで０．５［ｍｍ］刻みで異ならせた試験片を、荷重センサ上に配置し、試験片を破壊に至るまで荷重を加え圧縮した。荷重を印可する方向は、図５中に図示した通り、平板形状の水晶片における面方向である。この荷重印可方向が、水晶からなる試験片を本実施例の水晶振動子層１２に用いた場合の荷重印可方向、すなわち、荷重検出方向に対応する。破壊時の荷重をロードセル（Ｋｉｓｔｌｅｒ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ製９０３１Ａ）を用いて計測した。この結果を図５にプロットして示す。なお、図５における横軸は試験片の長さＬを、縦軸は破壊に至った際の圧縮荷重を応力［ＭＰａ］に換算した値をそれぞれ示している。また、計測結果の標準偏差をエラーバーにより表している。

続いて、本実施例の荷重センサ１０について、その荷重特性を調べるために実際に荷重を負荷して行なった実験結果を示す。図７は、本実施例の荷重センサ１０を含む荷重計測システム全体の構成を説明する図である。システムは、荷重センサ１０、荷重センサ１０の主要部である水晶振動子１６の発振を持続して行わせる為の発振回路５０、発振回路５０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５２、及び発振回路５０等へ電源を供給する為の電源回路５４などを含んで構成される。発振回路５０は、水晶振動子１６の発振回路として一般的なコルピッツ型発振回路を用いた。また、周波数カウンタ５２としては、たとえば、Ａｇｉｌｅｎｔ社製５３２３０Ａなどが用いられる。

このように構成されるシステムにおいて、荷重負荷実験を行った。実験においては、ｚステージ上に設置したロードセル（９０３１Ａ，Ｋｉｓｔｌｅｒ社）の鉛直上に荷重センサ１０を図１（ａ）に示す姿勢で配置した。荷重センサ１０の上方には、ステージ外に位置が固定されて設けられた枠板が設けられており、ステージを上昇させることで、荷重センサ１０の上面が該枠板に当接し、さらにステージを上昇させることで荷重センサ１０の上方から下向きに荷重センサ１０に荷重が与えられる。荷重センサ１０の耐荷重を確認するため、荷重センサ１０が破壊に至るまで荷重を加えていき、荷重特性を計測した。与えた荷重をロードセルにより、また、センサの出力を周波数カウンタ５２によりそれぞれ計測することで、荷重センサ１０の負荷荷重Ｐに対する出力周波数の変化Δｆを計測した。

前記荷重負荷実験により、本実施例の荷重センサ１０は６００［Ｎ］の耐荷重を有することが確認できた。破壊時の水晶振動子１６における応力は、荷重伝達効率ηを用いて理論的に３４５［ＭＰａ］となる。これは、一般的な水晶の破壊応力とされる１５０［ＭＰａ］を超える値であり、本実施例の荷重センサ１０は、座屈を抑える構造によって最大許容荷重Ｐ_ｍａｘを向上できたことがわかる。一方で、前述の解析結果によれば、座屈時の水晶振動子１６の応力は５７３［ＭＰａ］とされていたのに対して実際の実験結果ではそれよりも低い値となっている。荷重負荷実験においては、荷重センサ１０の破壊は保持層１４と水晶振動子層１２との接合面（接着層３２の部分）における亀裂から生じており、接合面をより強固に接合するなどの改善を行なうことにより、解析時の値により近づける、すなわち、より高い許容応力とすることができることが考えられる。

続いて、本実施例の荷重センサ１０の出力安定性、すなわちセンサ出力の時間安定性についての評価を行なうために行なった実験結果を示す。実験においては、荷重センサ１０を２５℃の恒温下におき十分な時間が経過した後、定常状態となってからセンサ出力の時間変動を計測した。すなわち、荷重センサ１０に加えられる荷重が変化しない状況下で、荷重センサ１０の出力、すなわち、水晶振動子１６の発振周波数ｆの変動Δｆ［Ｈｚ］を計測した。

本実施例の荷重センサ１０と比較例１乃至５とを比較すると、本実施例の荷重センサ１０は広い計測レンジρを有していることがわかる。さらに従来の水晶振動子を用いた荷重センサである比較例３乃至５との比較でも、本実施例の荷重センサ１０は、その最大許容荷重Ｐｍａｘに対して高いセンサ感度を有していることがわかる。特に、４．０×１０^−４［Ｎ］から６００［Ｎ］までの計測レンジ、すなわち１０６のオーダーの計測レンジを実現していることがわかる。

体重６２［ｋｇ］の被験者が板６２上に乗った場合の４つの荷重センサ１０の出力の合計、すなわち、４つの荷重センサ１０の合力を図１２（ａ）に示す。被験者が板６２に乗ることで６１０［Ｎ］程度の荷重変化を検出した。これは、被験者の体重を正しく検出したものと考えられる。さらに、得られた計測結果に０．６［Ｈｚ］から１０［Ｈｚ］の通過帯域を持つバンドパスフィルタを通した信号のうち、図１２（ａ）の横軸（時間軸）の２０秒から２５秒までの信号を図１２（ｂ）に示す。この図１２（ｂ）に示す信号は、被験者の指に取り付けた脈波センサ（小池メディカル社製サーフィンＰＯ）が示した６５［ｂｐｍ］と略同周期で振動している。このことは、計測装置６０によって被験者の体重と脈波とを同時に計測可能であることを示すものであり、これは本実施例の荷重センサ１０が広い計測レンジを有することによるものである。

水晶振動子層１１２においては、その壁状面の両側において前述の実施例と同様の電極１８が設けられるとともに、電極１８と発振回路５０とを接続するための電線２０、２２とが設けられる。なお、前述の実施例と異なり、保持部１１４は外部と連通された空洞１１６を有していることから、電線２２はその空洞１１６を通って荷重センサ１００の外部に引き出されればよい。なお、図１３（ａ）においては、電極１８などの図示を省略している。

また、前述の実施例において切り分け工程Ｐ１０においてはダイシングソーが用いられたが、これに限定されず、たとえば、レーザ光を用いたカッターが用いられてもよい。

Claims (7)

1. 薄板形状の水晶振動子の該薄板形状と平行な方向に印加される外部荷重の大きさを検出する荷重センサであって、
   該荷重センサは、
   薄板形状の水晶振動子と、該水晶振動子の板厚方向に相対する一対の面に一対の電極部とを備えた水晶振動子層と、
   前記水晶振動子層の前記薄板形状の両側を挟むように設けられ、該水晶振動子層に前記外部荷重が印加された際に該水晶振動子層と略同量の変位を生ずる１対の保持層と、を含むことを特徴とする荷重センサ。
2. 前記保持層は、接着層を介して前記水晶振動子層に接着させられていること、を特徴とする請求項１に記載の荷重センサ。
3. 前記接着層は、前記外部荷重の印加方向に延びる長手形状を少なくとも有すること、を特徴とする請求項２に記載の荷重センサ。
4. 前記接着層は原子拡散接合により前記保持層と前記水晶振動子層とを接着するものであること、を特徴とする請求項２または３に記載の荷重センサ。
5. 前記保持層は水晶からなり、該保持層と前記水晶振動子層とは直接接合により結合されていること、を特徴とする請求項１に記載の荷重センサ。
6. 前記保持層および水晶振動子層は単一の水晶からなり、
   前記保持層は外部と連通する空洞を有すること、を特徴とする請求項１乃至５のいずれか１に記載の荷重センサ。
7. 前記保持層および水晶振動子層は、略同等の熱膨張率を有する材料により構成されていること、を特徴とする請求項１乃至６のいずれか１に記載の荷重センサ。

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