CN102589758A - 外力检测装置和外力检测传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种能够高精度且容易地检测施加于压电片的外力的外力检测装置。在容器(1)内用悬臂支承晶体片(2)。在晶体片(2)的例如中央部，在上表面和下表面分别形成激励电极(31、41)。在晶体片(2)的下表面侧的前端部形成经由引出电极(42)与下表面侧的激励电极(41)连接的可动电极(5)，在容器(1)的底部与该可动电极(5)相对地设置有固定电极(6)。将上表面侧的激励电极(31)和固定电极(6)与振荡电路(14)连接。当对晶体片(2)施加外力而弯曲时，可动电极(5)与固定电极(6)之间的电容发生变化，将该电容变化作为晶体片的振荡频率的变化而掌握。

Description

外力检测装置和外力检测传感器
技术领域
本发明涉及通过使用压电片例如晶体片，基于振荡频率检测作用于压电片的外力的大小，由此检测加速度、压力、流体的流速、磁力或静电力等外力的技术领域。
背景技术
作为作用于线的外力，有基于加速度的作用于物体的力、压力、流速、磁力、静电力等，大多情况需要正确地测定这些外力。例如，在开发汽车的阶段测定汽车撞击物体时对座位的冲击力。另外，为了调查地震时的振动能量和振幅，要求尽可能精密地调查摇晃的加速度等。
另外，在进一步正确调查液体和气体的流速，使控制系统反映其检测值的情况和测定磁铁的性能的情况等也可以作为外力的测定例列举。
在进行这种测定时，要求是尽可能简单的结构且进行高精度的测定。
在专利文献1中记载有：用悬臂支承压电膜，因周围的磁力的变化而使压电膜变形，压电膜上流动的电流发生变化。
另外，在专利文献2中记载有：设置有电容结合型的压力传感器和配置于与该压力传感器的配置领域对应地间隔开的空间的晶体振子，将这些压力传感器的可变电容和晶体振子并联连接，因压力传感器的电容变化，晶体振子的反谐振点变化，由此来检测压力。
这些专利文献1、2与本发明原理完全不同。
先行技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2006-138852(段落0021、段落0028)
专利文献2：日本特开2008-39626(图1和图3)
发明内容
发明要解决的课题
本发明是在这种背景下开发的，其目的在于提供一种能够高精度且容易地检测施加于压电片的外力的外力检测装置和外力检测传感器。
本发明是一种外力检测装置，其检测作用于压电片的外力，该外力检测装置的特征在于，包括：
悬臂式的压电片，其一端侧被支承于基座；
为了使该压电片振动而分别设置于该压电片的一面侧和另一面侧的一个激励电极和另一个激励电极；
与一个激励电极电连接的振荡电路；
可变电容形成用的可动电极，其在上述压电片中设置于从上述一端侧离开的部位，与上述另一个激励电极电连接；
固定电极，其与上述压电片隔开间隔，设置成与上述可动电极相对并且与上述振荡电路连接，因压电片弯曲而使与上述可动电极之间的电容发生变化，由此形成可变电容；和
频率信息检测部，其用于检测作为与上述振荡电路的振荡频率对应的频率信息的信号，其中
形成从上述振荡电路经由一个激励电极、另一个激励电极、可动电极和固定电极返回振荡电路的振荡环，
由上述频率信息检测部检测出的频率信息，是用于评价作用于压电片的力的信息。
所述可变电容形成用的可动电极，设置于例如所述压电片的另一端侧。所述可动电极既可以设置于压电片的一面侧也可以设置于另一面侧，也可以设置于两面侧。
列举本发明的具体的方式的例子。
能够列举如下结构：作为由上述压电片、激励电极、可动电极和固定电极构成的组，设置有第一组和第二组，
上述频率信息检测部，是具有求出按照对应于上述第一组的振荡频率和对应于上述第二组的振荡频率的差的信号的装置。在该结构中，对于第一组和第二组能够共用振荡电路，在这种情况下，只要以交替形成第一组振荡环和第二组的振荡环的方式在振荡电路与环之间设置切换开关即可。
另外，能够列举如下结构：当将上述压电片称为检测用压电片时，在共用的容器内设置检测用压电片和参照用压电片，
在上述参照用压电片的两面分别设置一个激励电极和另一个激励电极，并且为了使该参照用压电片振荡，将一个激励电极和另一个激励电极与振荡电路连接，
上述频率信息检测部，是求出与对应于检测用压电片的振荡频率和对应于参照用压电片的振荡频率的差对应的信号的装置。在这种情况下，也可以检测用压电片和参照用压电片共用。
也可以是上述压电片为晶体片，设置有激励电极的部位的晶轴与设置有可动电极的部位的晶轴相互不同的结构。
所谓晶轴相互不同，能够举出：例如X轴延伸的方向相同，但X轴的正负相反的情况，例如AT剪切的晶体和DT剪切的晶体接合的情况等。另外，也可以X轴延伸的方向相互不同。
本发明为了防止在晶体片上施加了外力时设置有激励电极的部位弯曲，在上述基座设置有支承部，该支承部支承上述晶体片的下表面侧的激励电极与可动电极之间的部位。
另外也可以是如下结构：在上述容器内的设置有固定电极的一侧的内壁部具有突起部，该突起部用于在上述压电片过度弯曲时，与该压电片的一端和另一端之间更靠一端侧的部位接触来限制该部位的弯曲，由此避免压电片的另一端与容器的内壁部碰撞到。
另一发明提供一种外力检测传感器，其用于基于压电片的振荡频率检测作用于压电片的外力，该外力检测传感器的特征在于，包括：
悬臂式的压电片，其一端侧被支承于基座；
一个激励电极，其为了使该压电片振荡而设置于该压电片的一面侧，与振荡电路电连接；
另一个激励电极，其设置于上述压电片的另一面侧；
可变电容形成用的可动电极，其在上述压电片中设置于从上述一端侧离开的部位，与上述另一侧的激励电极电连接；和
固定电极，其与上述压电片隔开间隔，设置成与上述可动电极相对，并且因压电片的弯曲而使与上述可动电极之间的电容发生变化，由此形成可变电容，该固定电极与上述振荡电路连接。
发明效果
本发明在施加外力于压电片而弯曲或变为弯曲程度时，压电片侧的可动电极和与该可动电极相对的固定电极之间的距离发生变化，因此，两电极间的电容发生变化，以该电容变化作为压电片的振荡频率的变化来掌握。由于压电片微小的变形也能够作为振荡频率的变化检测，所以能够高精度地测定施加于压电片的外力，而且装置结构简单。
附图说明
图1是表示应用本发明的外力检测装置作为加速度检测装置的第一实施方式的主要部分的纵截侧面图。
图2是表示在第一实施方式中使用的晶体振子的俯视和仰视的平面图。
图3是表示加速度检测装置的电路结构的方框图。
图4是表示上述加速度检测装置的等效电路的电路图。
图5是表示使用上述加速度检测装置取得的加速度与频率差的关系的特性图。
图6是表示第一实施方式的变形例的纵截侧面图。
图7是表示第一实施方式的变形例的纵截侧面图。
图8是应用本发明的外力检测装置作为加速度检测装置的第二实施方式的纵截侧面图。
图9是沿图8的A-A线的横截俯视图。
图10是沿图8的B-B线的横截俯视图。
图11是表示在第二实施方式中使用的晶体振子的背面侧的俯视图。
图12是表示在第二实施方式中晶体片2因外力而弯曲的样子和各部的尺寸的纵截侧面图。
图13是表示第二实施方式的加速度检测装置的电路的方框电路图。
图14是表示第二实施方式的加速度检测装置的一部分的外观的外观图。
图15是表示本发明的其它变形例的纵截侧面图。
图16是表示本发明的其它变形例的纵截侧面图。
图17是表示本发明的其它变形例的纵截侧面图。
图18是表示在图17所示的加速度检测装置中使用的晶体片的立体图。
图19是表示第三实施方式的晶体振子的结构和方框电路的结构图。
图20是表示第二实施方式和第三实施方式的变形例的方框图。
图21是表示在本发明中使用的晶体片的支承结构的其它的例子的立体图。
图22是表示在本发明中使用的晶体片的支承结构的其它的例子的立体图。
图23是表示第四实施方式的主要部位的纵截侧面图。
图24是表示在第四实施方式中使用的晶体振子的俯视图。
图25是表示在第四实施方式中使用的晶体振子的其它的例子的侧面图。
图26是表示在第四实施方式中使用的晶体振子的其它的例子的立体图。
图27是表示在第五实施方式中使用的晶体振子的俯视图。
图28是表示从下侧观察图27所示的晶体板的状态的俯视图。
图29是表示在第五实施方式中使用的晶体振子的其它的例子的俯视图。
图30是表示第六实施方式的主要部分的纵截侧面图。
图31是沿图30的C-C线的横截俯视图。
图32是表示第六实施方式的其它的例子的俯视图。
符号说明
1     容器
11    底座
12    导电路
14、14A、14B    振荡电路
15    开关部
2     晶体片
20    晶体板
21    空间
22    框部
31、31A、31B    激励电极
41、41A.41B     激励电极
5、5A、5B       可动电极
6    固定电极
7    突起部
100    频率检测部
101    数据处理部
具体实施方式
(第一实施方式)
对在加速度检测装置中应用本发明的第一实施方式进行说明。图1是表示相当于作为加速度检测装置的传感器部分的外力检测传感器的加速度传感器的图，图1中，1是由长方体形状的密闭型的例如晶体构成的容器，在内部封入惰性气体例如氮气。该容器由形成基座的下部分和用周缘部与该下部分接合的上部分构成。另外，容器1并不一定限定于密闭型的容器。在容器1内设置有由晶体构成的底座11，在该底座11的上表面通过导电性粘接剂10固定作为压电片的晶体片2的一端侧。即，晶体片2被悬臂支承于底座11。晶体片2是例如将X剪切的晶体形成长条状的晶体片，厚度例如设定为数十μm数量级、例如0.03mm。因此，通过在与晶体片2交叉的方向上施加加速度，前端部弯曲。
晶体片2如图2(a)所示，在晶体片2的上表面的中央部设置有一个激励电极31，另外，如图2(b)所示，在晶体片2的下表面的与上述激励电极31相对的部位设置有另一个激励电极41，构成晶体振子。带状的引出电极32与上表面侧的激励电极31连接，该引出电极32在晶体片2的一端侧向下表面折回，与导电性粘接剂10接触。在底座11的上表面设置有由金属层构成的导电路12，该导电路12经由支承容器1的绝缘基板13，与绝缘基板13上的振荡电路14的一端连接。
带状的引出电极42与下表面侧的激励电极41连接，该引出电极42引出到晶体片2的另一端侧(前端侧)，与可变电容形成用的可动电极5连接。在一个容器1侧设置有可变电容形成用的固定电极6。在容器1的底部设置有由凸出(convex)状的晶体构成的突起部7。该突起部7在俯视图上看时为四边形。本发明通过基于晶体片2的变形发生的可动电极5与固定电极6之间的电容变化检测外力，所以能够将可动电极5称为检测用电极。
固定电极6在该突起部7以与可动电极5大体相对的方式设置。晶体片2具有当过大接触而使前端与容器1的底部碰撞到时，因“裂开”的现象而使结晶块容易出现缺口的性质。因此，晶体片2过大摇摆时，以比可动电极5更靠晶体片2的基端侧(一端侧)的部位与突起部7碰撞到的方式决定突起部7的形状。图1等中与实际的装置相比稍微改变样子地记载，而实际上较大地使容器1振动时，比晶体片2的前端更靠中央附近的部位与突起部7碰撞到。
即，上述突起部7在晶体片2过度弯曲时，比该晶体片2更靠一端侧的部分接触，由此，通过限制晶体片2的该部位的弯曲，具有避免晶体片2的前端部与容器1的内壁部碰撞到的作用。
固定电极6经由导电路15与振荡电路14的另一端连接，该振荡电路14经由突起部7的表面和绝缘基板13布线。图3表示加速度传感器的配线的连接状态。图3中，101为由例如由个人计算机构成的数据处理部，该数据处理部101具有如下功能：基于从频率检测部100得到的频率信息例如频率，求出未对晶体片2施加加速度时的频率f0与施加加速度时的频率f1之差，参照与根据该频率差算出的频率的变化量和加速度对应的数据表，求出加速度。频率信息不限于频率差的变化量，也可以是频率的差。
图4表示等效电路。图4中，L1为与晶体振子的质量对应的串联电感，C1为串联电容，R1为串联电阻，C0为包含电极间电容的有效并联电容。上表面侧的激励电极31和下表面侧的激励电极41与振荡电路14连接，而形成于上述可动电极5与固定电极6之间的可变电容Cv介于下表面侧的激励电极与振荡电路14之间。
也可以在晶体片2的前端部设置有砝码，在施加加速度时使弯曲量变大。在这种情况下，既可以增大可动电极5的厚度兼用作砝码，也可以在晶体片2的下表面侧与可动电极5不同单独设置砝码，或者也可以在晶体片2的上表面侧设置砝码。
在此，根据国际标准IEC 60122-1，晶体振荡电路的一般式如下面的(1)式所示。
FL＝Fr×(1+x)
x＝(C1/2)×1/(C0+CL)……(1)
FL为施加负载于晶体振子时的振荡频率，Fr为晶体振子自身的谐振频率。
在本实施方式中，如图3和图4所示，晶体片2的负载电容为CL加上Cv的值，因此，代替(1)式的CL，代入用(2)式表示的y。
y＝1/(1/Cv+1/CL)……(2)
因此，晶体片2的弯曲量从状态1变为状态2，由此当可变电容Cv从Cv1变为Cv2时，频率的变化dFL可以用(3)式表示。
dFL＝FL1-FL2＝A×CL2×(Cv2-Cv1)/(B×C)…(3)
在此，
A＝C1×Fr/2
B＝C0×CL+(C0+CL)×Cv1
C＝C0×CL+(C0+C1)×Cv2
另外，将未对晶体片2施加加速度时的所谓处于基准状态时的可动电极5与固定电极6之间的间隔距离设为d1，将对晶体片2施加加速度时的上述间隔距离设为d2时，(4)式成立。
Cv1＝S×ε/d1
Cv2＝S×ε/d2……(4)
其中，S为可动电极5和固定电极6的相对区域的面积，ε为相对介电常数。
由于d1为已知，所以可知dFL和d2存在对应关系。
这种实施方式的作为传感器部分的加速度传感器，即使在未施加与加速度对应的外力的状态下，晶体片2也处于少许弯曲的状态。另外，晶体片2是处于弯曲状态或保持水平姿势，根据晶体片2的厚度来确定。
而且，这种结构的加速度传感器例如使用横摆检测用的加速度传感器和纵摆检测用的加速度传感器，前者设置成晶体片2为垂直，后者设置成晶体片2为水平。
而且，当发生地震时或施加模拟振动时，晶体片2如图1点划线所示或图3实线所示地弯曲。如上所述，将未对晶体片2施加外力的基准状态下可动电极5与固定电极6之间的电容设为Cv1时，对晶体片2施加外力而使该晶体片2弯曲时，两电极5、6之间的距离变化，所以电容从Cv1开始变化。因此，从振荡电路14输出的振荡频率发生变化。
在未施加振动的状态下，将利用作为频率信息检测部的频率检测部100检测出的频率设为FL1，将施加了振动(加速度)的情况下的频率设为FL2时，频率的差FL1-FL2可以用(3)表示。本发明者根据频率的差FL1-FL2算出从状态1变化为状态2时的频率的变化率，调查频率的变化率{(FL1-FL2)/FL1}与加速度的关系，得到图5所示的关系。因此，能够证明通过测定上述频率的差，求出加速度。另外，FL1的值是以某温度为基准温度，该基准温度例如25℃的频率的值。
根据上述实施方式，将施加于晶体片2的外力作为基于晶体片2的弯曲造成的可动电极5与固定电极6之间的电容变化的振荡频率的变化而掌握。因此，晶体片2微小的变形也能够作为振荡频率的变化检测，所以能够高精度地测定施加于晶体片2的外力，而且装置结构简单。
为了防止晶体片2的前端与容器1侧碰撞到，也可以是图6所示的结构。在该例子中，在晶体片2的比可动电极5更靠基端部侧的位置形成为俯视时与晶体片2相同宽度的四边形，但从侧面看时，以与对晶体片2施加力时的弯曲形状对应的方式设置有上表面曲面形状的突起部7。另外，固定电极6设置于与突起部7分离的底座61。
另外，在本发明中，优选设置有突起部7，但也可以是如图7所示未设置突起部7的结构。另外，图6、图7中省略激励电极等。
(第二实施方式)
下面，参照图8～图14对于在加速度传感器中应用本发明的第二实施方式进行说明。该第二实施方式在设置两组已述的晶体片2、激励电极31、41、可动电极5、固定电极6和振荡电路14的组这一点上与第一实施方式不同。301为构成容器1的下侧的形成基座的下部分，302为形成容器1的上侧的形成盖体的上部分。对于晶体片2和振荡电路14，在一组的部件上添加符号“A”，在另一组的部件上添加符号“B”。图8表示一侧的晶体片2，从侧面看的图与图1相同。俯视图8的压力传感器的内部时，如图9所示，第一晶体片2A和第二晶体片2B横向平行地配置。
由于这些晶体片2A、2B为相同结构，所以对一侧晶体片2A进行说明时，在晶体片2A的一面侧(上表面侧)宽度窄的引出电极32从一端侧向另一端侧延伸，在该引出电极32的前端部一个激励电极31形成为方形形状。并且，如图9和图11所示，在晶体片2A的另一面侧(下表面侧)与一个激励电极31相对地形成有另一个激励电极41，宽度窄的引出电极42向该激励电极41的晶体片2的前端侧延伸。另外，在该引出电极42的上述前端侧形成有长条状的可变电容形成用的可动电极5。这些电极31等由导电膜例如金属膜形成。
在容器1的底部与图1同样地设置有由凸出状的晶体构成的突起部7，突起部7的横宽设定成与2片晶体片2A、2B的配置对应的大小。即，突起部7设定成包含2片晶体片2A、2B的投影区域的大小。而且，如图9和图10所示，在突起部7上按每个晶体片2A的可动电极5和晶体片2B的可动电极5设置有长条状的固定电极6。另外，在图8等中因优先考虑结构的理解的容易度，所以未正确地记载晶体片2弯曲形状，但在根据后述尺寸制作的情况下，当晶体片2过度摆动时，比晶体片2的前端更靠中央附近与突起部7碰撞到。
关于晶体片2及其周边部位，参照图12对各部的尺寸的一例进行说明。晶体片2的长度尺寸S和宽度尺寸分别为18mm和3mm。晶体片2的厚度例如为数μm。与水平面平行地设定晶体片2的一端侧的支承面时，在未施加加速放置的状态下，因自重而成为弯曲的状态，其弯曲量d1例如为150μm左右，容器1的下部分的凹部空间的深度d0例如为175μm。另外，突起部7的高度尺寸例如为55～60μm程度。这些尺寸只不过是一个例子。
表示晶体片2的优选尺寸的一例时，长度尺寸为15mm～25mm，宽度尺寸为1.5mm～3.0mm，厚度为20μm～25μm。优选这样的尺寸的理由如下。晶体片2的长度尺寸越大，前端部的尺寸变化越大，静电电容的变化增大，成为高灵敏度，但大幅增加长度尺寸时，挠度增加，可变电极5和固定电极6可能会接触。
图13表示第二实施方式的加速度检测装置的电路。另外，图14表示加速度检测装置的一部分外观。与第一实施方式不同的部位，分别与第一晶体片2A和第二晶体片2B对应地连接第一振荡电路14A和第二振荡电路14B，按每个第一晶体片2A和第二晶体片2B，形成包含振荡电路14A(14B)、激励电极31、41、可动电极5和固定电极6的振荡环。来自这些振荡电路14A、14B的输出被输送到频率信息检测部102，在此检测出来自各振荡电路14A、14B的振荡频率的差或频率的变化率之差。
所谓频率的变化率，是如下的意思。其是将在振荡电路14A中晶体片2A因自重而弯曲的基准状态的频率称为基准频率时，晶体片2A因加速度而进一步弯曲频率发生变化时，用频率的变化量/基准频率表示的值，例如用ppb的单位表示。同样，对于晶体片2B，也计算频率的变化率，这些变化率的差作为与频率对应的信息向数据处理部101输出。在数据处理部101中将例如与变化率的差和加速度的大小对应的数据存储于存储器中，能够基于该数据与变化率的差检测加速度。
列举晶体片2A(2B)弯曲量(晶体片一直线延伸的状态与弯曲时的前端部分的高度等级的差)与频率的变化量之间的关系的一例时，例如，晶体片2的前端以10-5μm数量级变化时，在振荡频率为70MHz的情况下，频率的变化量为0.65ppb。因此，也能够正确地检测极小的外力例如加速度。
根据第二实施方式，因为在相同的温度环境配置晶体片2A和晶体片2B，所以即使晶体片2A和晶体片2B各自的频率因温度发生变化，也可以消除该变化量，作为结果能够只检测基于晶体片2A、2B的弯曲的频率的变化量，所以具有检测精度高的效果。
(第一实施方式或第二实施方式的变形例)
图15～图18记载本发明的变形例。
图15所示的加速度传感器在晶体片2的前端侧形成晶体片2的激励极31、41，下表面侧的激励电极41兼用可动电极5。
图16所示的加速度传感器采用作为包含晶体片2的晶体振子使在第二实施方式中使用的晶体片2A(2B)的上表面和下表面相反的结构。在这种情况下，晶体片2介于可动电极5与固定电极6之间，但这种结构也可以得到同样的作用、效果。
图17所示的加速度传感器，在第二实施方式中使用的晶体片2A(2B)中使下表面侧的可动电极5绕入上表面侧，并且以与该可动电极5相对的方式在容器1的内部空间的内壁上表面侧设置固定电极6。图18表示图17所示的加速度传感器的晶体振子。在这种情况下也能得到同样的作用、效果。
图15～图18记载的变形例不用说，也可以作为与后述的第三实施方式以后的结构对应的变形例应用。
(第三实施方式)
本发明的第三实施方式在使用两个晶体振子这一点上与第二实施方式相同，但一个晶体振子以未经由可变电容而在晶体片2的两面的激励电极31、41与振荡电路之间形成振荡环的方式构成。即，是未在第二实施方式(参照图9)中使用的晶体片2B的下方侧设置固定电极6的结构，并且是将引出电极从晶体片2B的另一个激励电极41绕入晶体片2B的一端侧(基端侧)，将第二振荡电路14B与该引出电极电连接的结构。
图19是表示包含第三实施方式的方框电路和晶体片2B的晶体振子的结构的结构图。第二晶体片2B的下表面侧的引出电极，绕入到支承部11，在该支承部11经由导电性粘接剂与在容器1内布线的导电路连接，而图19中为了避免复杂化而省略。
在用与第二实施方式的比较进行说明时，也可以以保留相当于可动电极5的金属膜的状态将该金属膜作为砝码使用。
根据第三实施方式，由于将晶体片(检测用晶体片)2A和晶体片(检测用晶体片)2B配置于共用的容器1内，所以配置于相同的温度环境。在此，通过对晶体片2A施加加速度而使该晶体片2A弯曲，电极5、6之间的电容(可变电容)发生变化，包含晶体片2A的晶体振子的振荡频率(第一振荡电路14A的振荡频率)的频率从f1变为f2。f1为基准温度下的基准状态的频率。这时的频率的变化率为(f2-f1)/f1，该变化率的值中也包含温度变化成分。
另一方面，当环境温度从基准温度偏离时，包含参照用晶体片2B的晶体振子的振荡频率(第二振荡电路14B的振荡频率)的频率从f1′变为f2′。f1、f1′为基准温度(例如25℃)的基准状态的频率。这时的频率的变化率为(f2′-f1′)/f1′，但在该变化率的值中也包含温度变化量。
因此，作为两者的变化率的差的{(f2-f1)/f1}-{(f2′-f1′)/f1′}的值，消除环境温度的变化造成的晶体振子的变化量。因此，预先求出该变化率的差值与加速度的值的关系，利用频率检测部102求出变化率的差值，在数据处理部101中根据变化率的差值求出加速度的大小，由此能够高精度地测定加速度。
(第二实施方式和第三实施方式的变形例)
在使用包含第一晶体片2A的晶体振子和包含第二晶体片2B的晶体振子的实施方式中，如图20所示，也可以对于这些晶体振子将振荡电路14共用，利用开关部15将一个晶体振子和另一个晶体振子与振荡电路14交替连接，形成振荡环。在这种情况下，第一晶体片2A的振荡频率和第二晶体片2B的振荡频率分时地被频率检测部102获得。开关部15切换的时刻例如能够设定成按每100ms切换振荡环。切换时的初始时间因振动而不稳定，所以将参数设定成利用频率检测部102检测稳定后的频率。
另外，如图21所示，例如对方型的晶体板20进行蚀刻，制作框部21和从框部21的一边平行地延伸的第一晶体片2A和第二晶体片2B一体化的结构体(晶体板20)，也可以如图22所示，是在材质为晶体的容器的下部分301与上部分302之间夹着晶体板20成为3片重叠的形态，并将该3片贴合的结构。图21中，22表示切口而形成的空间。另外，可动电极5从下表面侧绕入上表面侧，也具有砝码的作用。框部21的配线结构为：在框部21中引出电极32布线的部分形成相当于电极32的膜厚的量的深度的槽，在该槽内围上引出电极32。并且可以形成从槽的底部贯通框部21和容器的下部分301的贯通孔，成为经由该贯通孔内向外绕上配线的结构。
像这样，在制作所谓的带框的晶体片2A、2B的情况下，例如只重叠这样3片，特别是即使未加压也能够使晶体彼此贴紧，但也可以加压。在这种情况下，也能够采用例如仅对一个晶体片2A在前端部的下方侧设置固定电极6，电配线如图19所示的结构。
根据以上的结构，与第一实施方式的结构相比，具有如下的优点。在图1的结构中可动电极5与固定电极6的间隔尺寸因导电性粘接剂10的量而有所不同，所以难以进行上述间隔尺寸的设定作业，但根据图22的结构，通过调节晶体板20的厚度，确定晶体片2A、2B的弯曲程度，由此确定上述间隔尺寸，所以容易进行上述的设定作业。
(第四实施方式)
第四实施方式是在晶体片2中设置有激励电极31、41的部位与设置有可动电极5的部位的晶轴不同的结构，晶体片2为双晶。这种结构的一例能够举出下例：由AT剪切的晶体片构成设置有激励电极31、41的部位，由DT剪切的晶体片构成设置有可动电极5的部位。所谓AT剪切的晶体和DT剪切的晶体，在忽略正负的情况下，虽然X轴延伸方向相同，但X轴的正负为180度相反。即，X轴的正方向相互反向。另外，所谓DT剪切的晶体，X轴延伸的方向性质上与DT剪切的晶体情况不同，也包括近似DT剪切的方向的情况，作为这种意思使用该用语。
图23表示该实施方式的传感器部分，在晶体片2中激励电极31的前端侧和可动电极5(是晶体片2侧的电极，与固定电极6相对的部位)的晶体片2的基端侧之间存在AT剪切部分和DT剪切部分的边界部分。即，比该边界部分更靠晶体片2的基端侧例如为AT剪切的晶体，比该边界更靠晶体片2的前端侧为DT剪切的晶体。图23中为了区域两部分，使晶体片2阴影的方向相互不同。
图24是从上看包含图23所示的晶体片2的晶体振子的图，分别用S1表示第一晶体部分(例如AT剪切部分)，用S2表示第二晶体部分(例如DT剪切部分)。S1、S2的晶轴相互不同。像这样，晶体片2上形成双晶的理由是为了消除，在设置有激励电极31、41的晶体部分与设置有作为检测用电极的可动电极5的晶体部分之间发生弹性结合的可能。而且，作为避免上述弹性结合的更有效的方法，可以举出在双方晶体部分之间设置弹性的边界部位，该部位的结构能够举出形成凹部、孔部、阶梯。
这些结构中，在考虑晶体片2的强度的情况下，能够称为阶梯适合的结构。因此，如图25和图26所示，使第二晶体部分S2的晶体片2的厚度比第一晶体部分S1的晶体片2的厚度大是有效的。然而，AT剪切的晶体的频率常数为1670kHz·mm，DT剪切的晶体的频率常数为2600kHz·mm。因此，只要两者的厚度一定，则DT剪切的晶体的谐振频率fT方比AT剪切的晶体的谐振频率fS大。因此，使第二晶体部分S2的厚度比第一晶体部分S1的厚度大时，第二晶体部分S2的谐振频率变小，所以存在两者的谐振频率极为近似的
Figure BDA0000131523800000151
厚度。因DT剪切的晶体的频率温度特性为一次式，所以当两者的频率近似时有弹性的结合的可能，所以优选避免这种厚度关系。
增大晶体片2的前端部的厚度的结构，能够说对该厚度大的部分起到砝码的作用是有利的结构，另外，通过在晶体片2的中间设置阶梯来避免上述的弹性的结合这点也是有效的。而且，如上所述，将晶体片2分成第一晶体部分S1和第二晶体部分S2的结构也是更有效的方法。但是在采用这种结构例如图25和图26所示的结构的情况下，优选将厚度尺寸设定成：第一晶体部分S1的谐振频率比第二晶体部分S2的谐振频率大(fS＞fT)。
在此，制造具有双晶(具有相互不同的晶轴的晶体)的晶体片2的方法能够举出如下方法：例如对AT剪切的晶体片2局部地照射激光，加热至530℃程度，实施局部的退火。更具体地说，能够举出如下方法：在晶体片2中要从AT剪切的晶体变化到DT剪切的晶体的区域扫描固定的点径例如碳酸气体激光。在激光透过而加热不充分的情况下，也可以在晶体片2的一面侧形成金属膜，从另一面侧照射激光，经由金属膜加热晶体片2。另外，也可以代替使用规定的点径的激光，使用激光的照射区域宽的装置，在这种情况下，例如，对要变化到DT剪切的区域以外的区域，也可以例如以晶体片稍微浮起的状态配置不锈钢制的掩膜。
如上所述，作为在晶体片2形成第一晶体部分S1和第二晶体部分S2的优点，能够举出：即使设置有激励电极31、41的部位与设置有可动电极5的部位为相同的厚度，产生弹性结合的可能也小。因此，对于晶体片2需要用于得到双晶的热处理工序，但不需要进行使厚度不同的机械加工作业，所以制造工序简单。另一方面，如图25所示，由于使第二晶体部分S2厚度比第一晶体部分S1的厚度大也是有效的方法，所以只要根据使用的频率、作为测定对象的外力的大小等判断哪种结构有利来设计即可。在任一情况下，与只形成单晶区域的结构相比，形成第一晶体部分S1和第二晶体部分S2是有利的，能够使设计的自由度变大，结构的选择变宽泛。另外，也可以以设置有激励电极31、41的部位为DT剪切的晶体，以设置有可动电极5的部位为AT剪切的晶体。作为在晶体片2中设置有激励电极31、41的部位和设置有可动电极5的部位的晶轴不同的结构的例子，可以是X轴的延伸的方向相互不同，即X轴交叉的关系。
在晶体片2形成双晶的第四实施方式的结构也能够应用于其它实施方式，例如，也能够应用于在第二实施方式中使用的第一晶体片2A和第二晶体片2B。
(第五实施方式)
第五实施方式，作为第二实施方式和第三实施方式的变形例，能够说是图21所示的结构的更进一步的变形例。图27(上表面图)和图28(下表面图)所示的结构体，表示在第五实施方式使用的晶体片2。在该结构体中与图21所示的晶体板20不同的点，能够说是共用第一晶体片2A和第二晶体片2B的结构，换言之，是在1片晶体片2中设置有包含激励电极31A和可动电极5A的第一组，以及包含激励电极31B和可动电极5B的组的结构。图27中可动电极5A、5B形成于晶体片2的下表面侧，但为了容易地理解图，作为在上表面侧也形成可动电极5A、5B具有作为砝码的作用的结构来表示。图27中由于晶体片2为1片，所以为了区别振荡环组而附加A、B符号。
在一个可动电极5A的下方侧设置有固定电极6，而在另一个可动电极5B的下方侧未设置固定电极6。设置另一个可动电极5B的理由是因为，通过与晶体片2的宽度方向中心对称地配置可动电极5A、5B，较好地维持晶体片2的宽度方向的平衡，消除弯曲时的姿势的扭曲(起伏的姿势)，使静电电容的变化相对于晶体片2的弯曲量稳定。因此，另一个可动电极5B能够说是平衡用的虚设膜，为了避免用语上的混乱而统一用“可动电极”这个用语。
另外，从图27和图28可知，与激励电极31A相对的激励电极41A经由引出电极42A与可动电极5A连接，而与激励电极31B相对的激励电极41B未与可动电极5B连接。这种情况的配线如图19所示，第一组形成有振荡电路14A、激励电极31A、激励电极41A、可动电极5A、固定电极6、振荡电路14A的振荡环，第二组形成有振荡电路14B、激励电极31B、激励电极41B、振荡电路14B的振荡环。在这种情况下，也可以得到与第三实施方式所述的同样的效果。另外，就晶体片2的宽度方向观察时，第一组的激励电极31A与第二组的激励电极31B非对称配置。即，两激励电极31A、31B的位置在晶体片2的长度方向相互位移。因此，能够确实地避免第一组的振动与第二组的振动弹性结合。
(第六实施方式)
图29表示在第六实施方式中使用的晶体板20的结构。在该例中，图27所示的晶体板20中没有作为第二组的虚设电极的可动电极5B，使第一组的可动电极5A位于晶体片2的宽度方向的中央部。就晶体片2的宽度方向的中心线观察时，可动电极5A配置成在左右(以宽度方向为左右方向)等分布线，因此晶体片2的左右平衡好，在晶体片2弯曲时没有姿势扭曲，可变电容相对弯曲量对应的变化量稳定。
在第五实施方式和第六实施方式中也能够应用第四实施方式的结构。例如，能够采用如下结构：使形成于晶体片2的前端侧的DT剪切的晶体部分(或AT剪切的晶体部分)与形成于晶体片2的基端侧的AT剪切的晶体部分(或DT剪切的晶体部分)的边界区域，位于激励电极31A与可动电极5之间。
在第二实施方式～第六实施方式中，与形成于晶体片2的第一组相当的检测用的晶体振子的振荡频率(晶体片2A的激励电极31、41间的振荡频率或激励电极31A、41A间的振荡频率)f1，和与第二组相当的参照用的晶体振子的振荡频率(晶体片2B的激励电极31、41间的振荡频率或激励电极31B、41B间的振荡频率)f2的频率差，优选比以f1为基准的两频率差的比率、即(f2-f1)/f1的绝对值100ppm大。在使用第一组的晶体振子和第二组晶体振子消除与温度变化对应的频率变化的方法中，两者的频率温度特性越近似，即两者的频率差越小，效果越大，但当频率过于接近时，两者弹性结合，频率会从固有频率开始变化。另一方面，当两者的频率差大时，难以进行数字电路的设计，所以优选例如频率差的比率为3％以下。
(第七实施方式)
本实施方式是在晶体片2中由作为设置于相当于基座的容器1的下部分的支承部的支承部件支承具有作为晶体振子作用的部位与因外力产生弯曲的部位之间的例子。即，晶体片2的该支承部的支承部位是设置有激励电极31、41的部位与设置有可动电极5的部位之间。并且，施加外力于晶体片2时使晶体片2的弯曲程度变大，即为了得到高的灵敏度，优选最大程度确保从上述支承部位至晶体片2的前端的距离。
图30和图31表示这种例子。在该例中，在容器的底部设置方型的支承部8，利用该支承部8的上表面，支承比晶体片2的下表面的激励电极41更靠晶体片2的前端侧例如0.1mm～数mm的部位。支承部8的横宽优选与晶体片2的宽度尺寸相同或比其大，但在能够发挥能够充分防止配置有激励电极31、41的部位的弯曲的功能的情况下，也可以比晶体片2的宽度尺寸小。支承部8的高度尺寸，例如在晶体片2从底座11的上表面水平延伸的状态下，设定为与晶体片2的下表面接触的尺寸。
图30中放大记载了容器内的结构，所以实际的外力传感器的一例的结构与图形有少许不同。作为支承部8的尺寸的一例，高度为例如0.5mm～1mm、厚度为0.3mm，横宽与晶体片2的宽度相同为1.6mm。该尺寸是一个例子，根据容器1的结构和晶体片2的设置位置等确定。
支承部8与晶体片2的下表面(与固定电极6相对的侧面)通过例如导电性粘接剂或低介电玻璃等固接材料相互固定。另外，也可以是支承部8与晶体片2的下表面未相互固定的结构。
作为设置支承部8的方法，能够举出例如在制造容器1的下部分301时通过蚀刻形成的方法，但也可以与下部分301不同另外制造支承部8，利用粘接剂粘接。
另外，使用支承部8的结构也可以应用于设置两组的晶体振子求出这些晶体振子的振荡频率的差的例子即第二实施方式或第三实施方式等。在这种情况下，是对各组晶体片2A、2B(参照例如图9)，利用支承部8如图30、图31所示，支承激励电极31、41与可变电极5之间的部位的结构。支承部8也可以按每个晶体片2A、2B独立设置，也可以利用从晶体片2A的左缘至晶体片2B的右缘延伸的共用的支承部8支承晶体片2A、2B。对于使用两组晶体振子的例子即图27的结构，用图32表示使用支承部8的结构。
在此，在图30所示的结构中制作将激励电极41与振荡电路直接连接的样品，多次测定载置于水平的面时的振荡频率f0和载置于从水平面以晶体片2的前端侧低的方式倾斜10度的面时的振荡频率f10。频率的变化率即(f0-f10)/f0的值为0.1ppb～5ppb。
与之相对，在上述样品中，对于未设置支承部8的情况的样品，进行同样试验，频率的变化率即(f0-f10)/f0的值为8ppb～45ppb。根据该结果可知，晶体片2因外力而弯曲时，在振荡频率的变化量中，晶体片2的振动部位(设置有激励电极31、41的部位)的弯曲造成的频率的变化量所占的比率，设置有支承部8的结构较小。该结果可以说是基于如下情况的结果：即使晶体片2的支承部8的前端侧弯曲，振动部位因支承部8的存在而几乎没有弯曲。
振动部位的频率的变化因再现性欠缺，所以如上所述，通过采用设置支承部8的结构，能够更准确地得到与晶体片2弯曲对应的频率变化。
如上所述，本发明不限于测定加速度，也能够应用于磁力测定、被测定物的倾斜程度的测定、流体的流量的测定、风速的测定等。
对测定磁力的情况的结构例进行说明。在晶体片2的可动电极5与激励电极41之间的部位形成磁性体的膜，当该磁性体位于磁场时，晶体片2弯曲。
另外，关于被测定物倾斜的程度的测定，使支承晶体片2或2A、2B的基座预先倾斜各种角度，针对各倾斜角度得到频率信息，能够根据将该基座设置于被测定面时的频率信息检测倾斜角度。
另外，将晶体片2暴露在气体和液体等流体中，能够根据晶体片的弯曲量，通过频率信息检测流速。在这种情况下，晶体片2的厚度由流速的测定范围等确定。另外，本发明也能够应用于测定重力的情况。

Claims (11)

1.一种外力检测装置，其检测作用于压电片的外力，该外力检测装置的特征在于，包括：
悬臂式的压电片，其一端侧被支承于基座；
为了使该压电片振动而分别设置于该压电片的一面侧和另一面侧的一个激励电极和另一个激励电极；
与一个激励电极电连接的振荡电路；
可变电容形成用的可动电极，其在所述压电片中设置于从所述一端侧离开的部位，与所述另一个激励电极电连接；
固定电极，其与所述压电片隔开间隔，设置成与所述可动电极相对并且与所述振荡电路连接，因压电片弯曲而使与所述可动电极之间的电容发生变化，由此形成可变电容；和
频率信息检测部，其用于检测作为与所述振荡电路的振荡频率对应的频率信息的信号，其中
形成从所述振荡电路经由一个激励电极、另一个激励电极、可动电极和固定电极返回振荡电路的振荡环，
由所述频率信息检测部检测出的频率信息，是用于评价作用于压电片的力的信息。
2.如权利要求1所述的外力检测装置，其特征在于：
所述可变电容形成用的可动电极，设置于所述压电片的另一端侧。
3.如权利要求1所述的外力检测装置，其特征在于：
作为由所述压电片、激励电极、可动电极和固定电极构成的组，设置有第一组和第二组，
所述频率信息检测部，是求出按照对应于所述第一组的振荡频率和对应于所述第二组的振荡频率的差的信号的装置。
4.如权利要求1所述的外力检测装置，其特征在于：
当将所述压电片称为检测用压电片时，在共用的容器内设置检测用压电片和参照用压电片，
在所述参照用压电片的两面分别设置一个激励电极和另一个激励电极，并且为了使该参照用压电片振荡，将一个激励电极和另一个激励电极与振荡电路连接，
所述频率信息检测部，是求出与对应于检测用压电片的振荡频率和对应于参照用压电片的振荡频率的差对应的信号的装置。
5.如权利要求4所述的外力检测装置，其特征在于：
所述检测用压电片和参照用压电片共用。
6.如权利要求1所述的外力检测装置，其特征在于：
所述压电片为晶体片，设置有激励电极的部位的晶轴与设置有可动电极的部位的晶轴相互不同。
7.如权利要求1所述的外力检测装置，其特征在于：
为了防止在压电片上施加了外力时设置有激励电极的部位弯曲，在所述基座设置有支承部，该支承部支承所述压电片的下表面侧的激励电极与可动电极之间的部位。
8.如权利要求7所述的外力检测装置，其特征在于：
所述支承部的前端与压电片相互固定。
9.如权利要求1所述的外力检测装置，其特征在于：
在所述容器内的设置有固定电极的一侧的内壁部具有突起部，该突起部用于在所述压电片过度弯曲时，与该压电片的一端和另一端之间更靠一端侧的部位接触来限制该部位的弯曲，由此避免压电片的另一端与容器的内壁部碰撞到。
10.如权利要求9所述的外力检测装置，其特征在于：
所述突起部的与所述压电片相对的面，压电片的长度方向的纵截面的形状为山形。
11.一种外力检测传感器，其用于基于压电片的振荡频率检测作用于压电片的外力，该外力检测传感器的特征在于，包括：
悬臂式的压电片，其一端侧被支承于基座；
一个激励电极，其为了使该压电片振荡而设置于该压电片的一面侧，与振荡电路电连接；
另一个激励电极，其设置于所述压电片的另一面侧；
可变电容形成用的可动电极，其在所述压电片中设置于从所述一端侧离开的部位，与所述另一侧的激励电极电连接；和
固定电极，其与所述压电片隔开间隔，设置成与所述可动电极相对，并且因压电片的弯曲而使与所述可动电极之间的电容发生变化，由此形成可变电容，该固定电极与所述振荡电路连接。
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