载荷传感器的制造方法
【专利摘要】载荷传感器具备振动器、设置于振动器的驱动电极、向驱动电极供给使振动器振动的驱动电压的驱动电路、输出与振动器的振动相应的电流的检测电极、及将从检测电极输出的电流变换为电压的IV变换器。驱动电路具有输出驱动电压的运算放大器、及与该运算放大器连接的电阻，具有小的内部电阻。IV变换器具有输入电流且被虚拟接地的反相输入端子，并构成负反馈电路。在该载荷传感器中，即便周围的温度变动，输出信号的精度也是稳定的。
【专利说明】载荷传感器
【技术领域】
[0001] 本发明涉及对被施加的载荷进行检测的载荷传感器（load sensor)。
【背景技术】
[0002] 图13是测量周围气压的现有的传感器501的立体图。传感器501具备水晶所构 成的振动器1、收纳振动器1的容器2、设置于容器2的内侧的电极图案3、与振动器1电连 接且向外部输出振荡输出信号的导线5。电极图案3通过导电膏4而与振动器1电连接。
[0003] 图14是传感器501的电路框图，表不从振动器1取出振荡输出信号的电路。传感 器501具备振荡电路6、与振荡电路6连接的门电路（gate) 12、及与门电路12连接的计数 器13。图13所示的导线5与振荡电路6电连接，由此振动器1与振荡电路6电连接。
[0004] 图15是振荡电路6的电路图。振动器1经由一对电容器7而与地面（ground) 8电 连接，由此被接地。电阻9及考毕兹振荡逆变器（Colpitts oscillation inverter) 10与 振动器1并联地连接，均经由一对电容器7而与地面8连接，由此被接地。波形整形用逆变 器11对从考毕兹振荡逆变器10输出的输出信号进行波形整形而输出。
[0005] 接着对现有的传感器501的动作进行说明。图16表示振动器1的振动频率。图 16中，纵轴表示振动器1周围的气压、纵轴表示振动频率的变动。若气压变化，则如图16所 示,振动器1的振动频率发生变化。如此一来，振荡电路6以该振动频率发生振荡，从波形 整形用逆变器11向图14所示的门电路12输出振荡信号。门电路12从关闭的状态起打开 给定时间而使振荡信号通过。由计数器13对已通过的振荡信号的波峰的数量进行计数，探 测振动器1的振动频率，由此测量传感器501周围的气压。
[0006] 另外，类似于传感器501的现有的传感器例如在专利文献1中有所记载。
[0007] 现有的传感器501中，若当周围的温度变化时振动器1的电容变动，则来自传感器 501的输出信号的精度劣化。
[0008] 在先技术文献
[0009] 专利文献
[0010] 专利文献1 JP特开昭57-136130号公报
【发明内容】
[0011] 载荷传感器具备振动器、设置于振动器的驱动电极、向驱动电极供给使振动器振 动的驱动电压的驱动电路、输出与振动器的振动相应的电流的检测电极、及将从检测电极 输出的电流变换为电压的IV变换器。驱动电路具有输出驱动电压的运算放大器、及与该运 算放大器连接的电阻，具有小的内部电阻。IV变换器具有输入电流且被虚拟接地的反相输 入端子，并构成负反馈电路。
[0012] 在该载荷传感器中，即便周围的温度变动，输出信号的精度也是稳定的。
【专利附图】
【附图说明】
[0013] 图1是实施方式中的载荷传感器的侧剖视图。
[0014] 图2A是实施方式中的载荷传感器中的变形检测部件的俯视图。
[0015] 图2B是图2A所示的变形检测部件的线2B-2B上的剖视图。
[0016] 图3是实施方式中的载荷传感器中的处理电路的一部分的电路图。
[0017] 图4是表示实施方式中的载荷传感器的处理电路中的运算放大器的内部电阻与 相位的变动量的关系的图。
[0018] 图5是表示实施方式中的载荷传感器的信号的波形的图。
[0019] 图6是表示将实施方式中的载荷传感器安装于自行车的状态的示意图。
[0020] 图7是图6所示的载荷传感器的放大图。
[0021] 图8是表示实施方式中的载荷传感器中的振动器的频率的图。
[0022] 图9是实施方式中的载荷传感器中的处理电路的电路图。
[0023] 图10是表示比较例的传感器的振动频率的变动的图。
[0024] 图11是表不实施方式中的输出信号的振动频率伴随于载荷传感器的振动器的电 容变动的变动的图。
[0025] 图12是实施方式中的载荷传感器中的其他处理电路的电路图。
[0026] 图13是现有的传感器的立体图。
[0027] 图14是现有的传感器的电路框图。
[0028] 图15是现有的传感器的振荡电路的电路图。
[0029] 图16是表示现有的传感器的振动器的振动频率的图。
【具体实施方式】
[0030] 图1是实施方式中的载荷传感器1001的侧剖视图。滚动轴承21能旋转地支撑以 旋转轴21a为中心进行旋转的轴，具有以旋转轴21a为中心的圆筒形状。在具有圆筒形状 的应力传递部件22的内侧安装滚动轴承21。遍及滚动轴承21的整周，在以旋转轴21a为 中心的径向方向配设应力传递部件22。应力传递部件22的内侧设置3个支撑部22a。3个 支撑部22a在应力传递部件22的内侧支撑滚动轴承21。再有，在应力传递部件22的外周 侧设置有阶差形状的2个抵接部23。在应力传递部件22的外侧面设置有直线状的变形部 24。变形检测部件（distortion detector) 25被粘贴于应力传递部件22中的变形部24。
[0031] 图2A是变形检测部件25的俯视图。变形检测部件25沿与图1所示的旋转轴21a 成直角的长边方向D25延伸。变形检测部件25由两端固支梁（fixed-fixed beam)所构成的 振动器26、27与处理电路28构成。处理电路28由集成电路（1C)构成。振动器26具有沿 着长边方向D25延伸的两端固支梁的形状。振动器27具有沿着与长边方向D25成直角的 方向D26延伸的两端固支梁形状。处理电路28使振动器26、27双方进行振动驱动并对输 出信号进行处理。在振动器26、27双方设置有驱动电极29及检测电极30。振动器26的驱 动电极29、检测电极30、振动器27中的驱动电极29、检测电极30和处理电路28通过由Au 构成的布线图案而被电连接。
[0032] 图2B是图2A所示的变形检测部件25的线2B-2B上的剖视图。驱动电极29由设 置于振动器26(27)上的导电材料所构成的下部电极层129、设置于下部电极层129上的压 电材料所构成的压电层229、和设置于压电层229上的导电材料所构成的上部电极层329而 构成。同样，检测电极30由设置于振动器26(27)上的导电材料所构成的下部电极层130、 设置在下部电极层130上的压电材料所构成的压电层230、及设置于压电层230上的导电材 料所构成的上部电极层330而构成。实施方式中，下部电极层130由Pt组成，压电层230 由PZT组成，上部电极层330由Au构成。驱动电极29及检测电极30具有形成于下部电极 层130与上部电极层330之间的静电电容。
[0033] 图3是载荷传感器1001的处理电路28的一部分的电路图。处理电路28具有IV 变换器31、放大器33、36、驱动源切换器34、振荡电路35、比较仪37和驱动电路38。IV变 换器31将从检测电极30输出的电荷所构成的电流变换为电压。IV变换器31具有运算放 大器，该运算放大器具有反相输入端子32、同相输入端子32a和输出端子32c。IV变换器 31的同相输入端子32a与基准电位连接而被接地，由此反相输入端子32被虚拟接地。放大 器33将从IV变换器31输出的输出信号放大。振荡电路35输出频率为200kHz的信号，在 实施方式中由CR振荡电路构成。来自放大器33的输出信号被输入驱动源切换器34。驱动 源切换器34在来自放大器33的输出信号的频率不足200kHz的情况下从振荡电路35将输 出信号输入放大器36中。另一方面，在来自放大器33的输出信号的频率为200kHz以上的 情况下将来自放大器33的输出信号输入放大器36。由此，在到振动器26、27以它们的固有 频率进行振动为止的期间内可以根据比较仪37的输出使后级的电路执行动作，可以缩短 载荷传感器1001的启动时间。放大器36将所输入的信号放大后作为输出信号输出。来自 放大器36的输出信号被输出至比较仪37。比较仪37将来自放大器36的输出信号和预先 确定的阈值进行比较，将来自放大器36的输出信号成形为矩形波形后进行输出。来自放大 器36的输出信号被输入至驱动电路38。驱动电路38将使振动器26、27振动的驱动电压向 驱动电极29供给。驱动电路38基于从检测电极30输出的输出信号来生成驱动电压。驱 动电路38由运算放大器39与电阻40构成。运算放大器39的内部电阻R1根据驱动信号 (驱动电压）的角频率ω (rad/sec)、所容许的相位差Φ (度）和振动器26或振动器27的 驱动电极29的电容C(F)而满足式1。
[0034] R1 彡-(1/ ω C) X tan ( Φ X ( π /180))...(式 1)
[0035] 图4表示载荷传感器1001的运算放大器39的内部电阻R1和相位的变动量的关 系。实施方式的载荷传感器1001中，在将振动器26、振动器27的驱动电极29的电容为 400pF且驱动频率为200kHz时所检测的频率的容许相位差Φ设为1. 35度时的、运算放大 器39的内部电阻R1，如图4所示设定为小至47 Ω以下的值。
[0036] 以下说明所容许的相位差Φ的计算方法。设振动器26(27)的谐振频率fr为 200kHz、谐振锐度Q为600、施加满量程变形时的频率变动量df为1000Hz。再有，设使用用 途所要求的给定容许误差率Er为0. 5 %。
[0037] 基于上述条件，在振动器26 (27)的振动的振幅的谐振特性中根据下式来求取半 幅值（half bandwidth) hf。
[0038] Q = fr/hf
[0039] hf = fr/Q = 200X10V600 = 333 (Hz)
[0040] 由于在半幅值hf中，相位从45度到-45度为止变化90度，故根据下式来求取谐 振频率fr附近的相位斜率dp。
[0041] dp = hf/90 = 333/90 = 3. 7 (Hz/ 度）
[0042] 图2A所示的实施方式中的变形检测部件25中，施加外力时作为振动器26的谐振 频率的固有频率fa的变动是支配性的，作为振动器27的谐振频率的固有频率fb几乎没有 变动。因而，以后仅以固有频率fa的变动量进行说明。
[0043] 根据下式求取基于容许误差率Er计算的容许频率误差Ef。
[0044] Er = Ef/df
[0045] 0. 5(% ) = Ef/1000
[0046] Ef = 1000X0. 5%= 5 (Hz)
[0047] 所容许的相位差Φ是根据下式来求取的。
[0048] Φ = Ef/dp
[0049] = 5 (Hz) /3. 7 (Hz/ 度）h 1. 35 (度）
[0050] 来自驱动电路38的输出信号被输入至设置于振动器26、27的驱动电极29,使振动 器26、27进行振动驱动。支撑部件42设置于应力传递部件22的外周侧、并且具有向内侧 突出的凸部44。凸部44和应力传递部件22中的抵接部23抵接。
[0051] 关于实施方式中的载荷传感器1001，接着对其制造方法进行说明。
[0052] 首先，通过对由Si构成的半导体基板进行蚀刻来形成振动器26、27。
[0053] 接着，在半导体基板的上表面蒸镀由Au构成的布线图案后，在振动器26、27的设 置驱动电极29及检测电极30的地方蒸镀Pt来形成下部电极层129、130。
[0054] 接着，在下部电极层129U30的上表面蒸镀PZT来形成压电层229、230。然后，在 压电层229、230的上表面蒸镀Au来形成上部电极层329、330,在振动器26、27的上表面形 成驱动电极29及检测电极30。
[0055] 接着，载置处理电路28,并将处理电路28与振动器26、27双方的驱动电极29及检 测电极30电连接，形成变形检测部件25。
[0056] 接着，将变形检测部件25粘贴至应力传递部件22中的变形部24后，使滚动轴承 21嵌合于应力传递部件22的内侧，以使应力传递部件22中的支撑部22a和滚动轴承21的 外周侧抵接、。
[0057] 最后，按照应力传递部件22中的抵接部23和支撑部件42中的凸部44相互抵接 的方式，将应力传递部件22收纳于支撑部件42的内侧。
[0058] 关于实施方式中的载荷传感器1001，接着对其动作进行说明。图5表示载荷传感 器1001各部的信号的波形。图6是表示将载荷传感器1001安装到带电动马达的自行车 1002的状态的示意图。图7是图6所示的载荷传感器1001的放大图。自行车1002中，并 列地设置有基于人力的驱动系统和基于电动马达的驱动系统。电动马达的驱动力与基于人 力的驱动力的变化对应地被控制。
[0059] 振荡电路35将频率200kHz的正弦波形的信号S35向驱动源切换器34输出。通 过驱动源切换器34的切换，信号S35作为输出信号S34而被从驱动源切换器34输出。而 且，该输出信号被由比较仪构成的放大器36放大，并且与预先确定的阈值进行比较后被变 换为矩形波的输出信号S36。而且，来自放大器36的输出信号S36被运算放大器39限制振 幅，作为矩形波的驱动信号（驱动电压）S39被输入至振动器26、振动器27中的驱动电极 29。如此一来，振动器26以固有频率fa进行弦振动而振动器27以固有频率fb进行弦振 动。该状态下，若通过处理电路28对来自振动器26中的检测电极30的输出信号S30进行 处理，则频率fa被检测，同样地从第2振动器27中的检测电极30检测频率fb。
[0060] 如图6所示，若人踩踏自行车的踏板，则在通过该踩踏而在链条46上产生了张力 的状态下，如图7所示旋转轴45旋转。通过该旋转，从旋转轴45向滚动轴承21作用滚动轴 承21朝向后轮侧移动的力。该力经由支撑部22a而从滚动轴承21向应力传递部件22作 用，施力使应力传递部件22朝向后轮侧。而且，反力从支撑部件42的凸部44向应力传递 部件22的抵接部23作用，该反力被传递至应力传递部件22中的变形部24,长边方向D25 的压缩载荷作用于变形部24。
[0061] 图8表示振动器26、27的固有频率fa、fb。如图8所示，若向变形检测部件25施加 长边方向D25的压缩载荷，则变形检测部件25产生方向D26的拉伸载荷（tensile load)。 艮P，若长边方向D25的压缩载荷作用于变形检测部件25,则振动器26的固有频率fa减少 而振动器27的固有频率fb增加。来自振动器26、27双方的检测电极30的输出信号被输 入至处理电路28中的IV变换器31的反相输入端子32。由于IV变换器31中的反相输入 端子32被虚拟接地，故反相输入端子32的电位V32如图5所示是恒定的。而且，如图5所 示，IV变换器31将从振动器26、27双方的检测电极30输出的电荷产生的电流变换为电压， 并输出与振动器26、27的频率相应的输出信号S31。放大器33使来自IV变换器31的输出 信号S31反相的同时进行放大，如图5所不将输出信号S33输出。在来自放大器33的输出 信号S33的频率为200kHz以上的情况下，来自放大器33的输出信号S33被放大器36进一 步放大后，由比较仪37变换为图5所示的矩形波后作为输出信号S37输出。即，能将由矩 形波构成的输出信号S37作为频率的变化量而得到，可以检测踏力。
[0062] 虽然图3所示的处理电路28与振动器26、27中的一个驱动电极29及检测电极30 连接，但在载荷传感器tool中与振动器26、27双方的驱动电极29及检测电极30连接。以 下详述处理电路28。
[0063] 图9是载荷传感器tOOl中的处理电路28的电路图。图9中，对与图3所示的处 理电路28相同的部分赋予相同的参照号码。处理电路28中，运算放大器39与IV变换器 31分别和振动器26的驱动电极29与检测电极30连接。图9所示的处理电路28还具备 与图3所示的驱动电路38、IV变换器31、驱动源切换器34、振荡电路35、放大器33、36及 比较仪37分别同样地执行动作的驱动电路138、IV变换器131、驱动源切换器134、振荡电 路135、放大器133U36及比较仪137。驱动电路138具有与驱动电路38的运算放大器39 及电阻40同样地执行动作的运算放大器139及电阻140。运算放大器139具有与运算放 大器39的内部电阻R1同样的内部电阻R101。驱动电路138与IV变换器131分别和振动 器27的驱动电极29与检测电极30连接。图9所示的处理电路28还具备频率计数器51、 151、乘法器52、152、153和减法器53。
[0064] 对具有图9所示的处理电路28的载荷传感器1001的动作进行说明。振动器26、 27为了防止这些振动的干扰而具有相互不同的固有频率。如图8所示，若向振动器26、27 施加变形，则它们的固有频率fa、fb发生变化，通过对该频率fa、fb的变化进行测量来检测 变形。
[0065] 图2B所示的检测电极30的压电层230将振动器26、27的机械振动变换成电荷后 作为电流输出。处理电路28探测该电流，主要具有进行将基于该电荷的电流变换为电压的 IV变换的功能、用于满足振动器26、27的振荡条件的放大的功能、和为了在容许振幅内驱 动振动器26、27而对驱动电压进行限制的功能。
[0066] 因为构成压电层229、230的压电材料也是电介质，所以在驱动电极29的下部电极 层129与上部电极层329之间生成电容、在检测电极30的下部电极层130与上部电极层 330之间生成电容。由于这些电容使得驱动频率产生以下所说明的误差。电介质具有其介 电常数根据温度而变化的温度特性，因此电容根据温度而变化，驱动频率也伴随于电容的 变化而变化，成为误差。
[0067] 载荷传感器1001中，设置于振动器26 (27)的检测电极30的上部电极层330和IV 变换器31 (131)的反相输入端子32 (132)连接，下部电极层130和基准电位Vref连接。作 为运算放大器的IV变换器31 (131)的同相输入端子32a(132a)和基准电位Vref连接，因 而IV变换器31(131)的反相输入端子32(132)被虚拟接地至基准电位Vref。由此，可以将 振动器26、27的检测电极30的下部电极层130与上部电极层330之间的电位差设为零，抑 制电流向压电层230所形成的电容的流入，可以抑制基于因变形而产生的电荷的电流从检 测电极30流出时的电容所引起的驱动频率的变动。
[0068] 再有，构成驱动电路38、138的运算放大器39、139的内部电阻Rl、R101即输出阻 抗、和设置于振动器26、27的驱动电极29的电容构成低通滤波器。通过降低运算放大器39、 139的内部电阻Rl、R101即输出阻抗，从而可以使得由驱动电极29的电容与驱动电路38、 138的输出阻抗生成的低通滤波器的相位在振动器26、27的固有频率附近不变动。由此，可 抑制施加了驱动电压时的电容引起的驱动频率的变动。
[0069] 处理电路28中，从比较仪37、137输出具有与振动器26、27的振动相同的频率的 矩形波。频率计数器51、151测量从比较仪37、137输出的矩形波的频率即振动器26、27的 振动的频率fa、fb，来作为数字数据输出。被施加给振动器26、27的变形与频率fa、fb的 平方成比例。振动器26、27的固有频率不同，因此振动器26、27的灵敏度即变形的每单位 大小的固有频率fa、fb的平方值相互不同。利用振动器26、27的灵敏度之比K，乘法器52、 152、153与减法器53计算下式2所示的差分Id。
[0070] Id = fa2_KX fb2...(式 2)
[0071] 式2所示的差分Id相对于振动器26、27产生相同量的变形的热膨胀等的要因而 言理想来说不发生变动。针对应检测的外力引起的变形，振动器26、27被设置在振动器26、 27的频率变动量的极性相反的地方。因而，不会产生上述的抵消效果，可以检测变形。
[0072] 在作为图13?图15所示的比较例的现有的传感器501中，通过考毕兹振荡所构 成的电压探测方式来构成振荡电路6,因此若传感器501周围的温度变化，则振动器1的电 容发生变动。图10表示比较例的传感器501的相对于振动器1的电容变动的振动频率变 动。如图10所示，若振动器1的电容变动，则振动频率变动，因此来自传感器501的输出信 号的精度劣化。
[0073] 图11表示实施方式中的载荷传感器1001的振动器26、27的电容变动所伴随的 输出信号的振动频率变动。实施方式的载荷传感器1001中，将驱动电路38的内部电阻R1 减�。虼思幢闱缂�29的电容因周围的温度的变化而变动，也可以减小基于内部电阻 R1(R101)与驱动电极29的电容的驱动电压和来自IV变换器31 (131)的电流的相位差。 进而，因为IV变换器31(131)的反相输入端子32(132)被虚拟接地，所以来自IV变换器 31 (131)的电流不会对流经设置于振动器26、27的检测电极30的电容分量的电流造成影 响。由此，如图11所示，振动器26、27的驱动电极29或检测电极30的电容不会对振动器 26、27的固有频率造成影响。因而，即便周围的温度发生变动而使振动器26、27的驱动电极 29或检测电极30的电容变化，输出信号的频率也不会变动，精度稳定。
[0074] 图12是载荷传感器1001中的其他处理电路28a的电路图。图12中对与图9所 示的处理电路28相同的部分赋予相同的参照号码。处理电路28a还具有对放大器33、133 输出的信号的相位进行调整的相位调整器80、180。驱动电极29、129与检测电极30、130如 前所述具有电容。通过这些电容，基于从检测电极30、130输出的信号而生成的驱动信号相 对于振动器26、27的机械振动分别产生相位差。在图3或图9所示的处理电路28中，由于 这些相位差使振动器26、27有效地振动有时变得困难。
[0075] 图12的处理电路28a中，相位调整器80、180使放大器33、133输出的输出信号移 相，对这些信号的相位进行调整后输出。驱动电路38、138基于相位调整器80、180输出的 输出信号来生成驱动信号，分别供给至振动器26、27的驱动电极29。由此，可以使振动器 26、27高效地振动。
[0076] -工业可用性-
[0077] 本发明的载荷传感器具有可提供即使周围的温度变动、输出信号的精度也不会劣 化的特性提高了的载荷传感器的效果，尤其是在带电动马达的自行车所使用的载荷传感器 中是有用的。
[0078] -符号说明-
[0079] 26 振动器
[0080] 27 振动器
[0081] 29 驱动电极
[0082] 30 检测电极
[0083] 31 IV 变换器
[0084] 32 反相输入端子
[0085] 38 驱动电路
[0086] 39 运算放大器
[0087] 40 电阻
[0088] R1 内部电阻
【权利要求】
1. 一种载荷传感器，具备： 振动器； 被设置于所述振动器的驱动电极； 向所述驱动电极供给使所述振动器振动的驱动电压的驱动电路； 输出与所述振动器的振动相应的电流的检测电极；以及 将从所述检测电极输出的所述电流变换为电压并将输出信号输出的IV变换器， 所述驱动电路具有输出所述驱动电压的运算放大器， 所述驱动电路基于所述输出信号来生成所述驱动电压， 所述运算放大器的内部电阻R1 ( Ω )、所述驱动电压的角频率ω (rad/sec)、所容许的 相位差Φ (度）和所述驱动电极的电容C (F)满足下式： R1 彡-(1/ ω C) X tan ( Φ X ( π /180))。
2. 根据权利要求1所述的载荷传感器，其中， 所述IV变换器具有输入所述电流且被虚拟接地的反相输入端子来构成负反馈电路。
3. 根据权利要求1或2所述的载荷传感器，其中， 还具备对所述输出信号的相位进行调整后将信号输出的相位调整器， 所述驱动电路基于从所述相位调整器输出的所述信号来生成所述驱动电压。
【文档编号】G01L5/00GK104160255SQ201380012747
【公开日】2014年11月19日 申请日期:2013年3月6日 优先权日:2012年3月7日
【发明者】藤田孔明 申请人:松下电器产业株式会社
专业数控铣床产品供应商
20年生产经验，实力工厂，精工品质，质量有保障
