CN102818915B - 加速度测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种能够高精度并且容易地检测加速度的加速度测量装置。上述加速度测量装置，检测可摇动地设置的振子部件（2）的位置位移，使用致动器（5）进行反馈控制以保持振子部件的静止状态，测量此时的致动器的输出，由此测定加速度，在上述加速度测量装置中，在振子部件上设置有可动电极（33（35）），电串联连接与该可动电极相对地设置的固定电极（36（38））、振荡电路（41）、晶体振子（4）和可动电极（33（35））形成环路。此时通过测量振荡电路（41）的振荡频率，来检测在可动电极（33（35））与固定电极（36（38））之间形成的可变电容（Cv1（Cv2））的大小的变化，由此检测振子部件的位置位移。

Description

加速度测量装置

技术领域

本发明涉及使用压电板例如晶体板并且基于振荡频率来检测加速度的技术。

背景技术

为了测量地震等，微弱且低频的加速度的检测是重要的课题，在进行这样的测定时，要求尽可能简单的结构且尽可能高精度地测定。作为检测这样的微弱且低频的加速度的传感器，经常使用伺服式的加速度测量装置。

一般而言，伺服式加速度测量装置包括：振子、振子位置检测器、对振子施加力的致动器、基于振子位置检测器的检测结果控制致动器的调整部。振子由锤和弹簧构成，弹簧的一端固定在加速度测量装置的容器上，对加速度测量装置施加加速度时锤的位置因惯性力的作用而相对于容器产生位移。振子的共振频率设定为非常低，微小的加速度也会使振子产生较大位移。振子相对于容器的位移，在低于振子的共振频率的频率区域内与施加的加速度成比例。振子位置检测器是检测振子相对于容器的位置位移的传感器。致动器由设置于振子的线圈和设置于容器上的磁回路构成，通过在线圈中流过电流产生的电磁力能够使振子的位置产生位移。调整部用于基于用振子位置检测器得到的振子的位置位移数据使致动器的线圈中流过电流。

对该加速度测量装置施加由外力引起的加速度时，振子的位置因惯性力而产生位移。此时，从调整部向致动器流过电流，使与惯性力相同大小相反方向的电磁力作用于振子，由此能够使振子保持为静止状态。因而，利用振子位置检测器检测振子的位置位移，以使其位置位移为零的方式使致动器动作，由此反馈控制振子的位置位移，通过测量此时的致动器的输出、例如线圈中流过的电流值，能够测定外力的加速度。该伺服式加速度测量装置，具有能够以高精度且高分辨率测定的频率为0～400Hz程度的特征。

作为伺服式加速度测量装置的伺服机构中的振子的位置检测方法，主要使用光学式和电容方式。其中，光学式振子位置检测器使用激光二极管、两元件分割型光电二极管、透镜，其检测方法采用一种差动法。但是，该光学式振子位置检测器，存在结构复杂、且光电二极管的寿命短的课题。电容方式的振子位置检测器，是以因振子的位置位移而变化的方式形成静电电容的结构，通过检测该静电电容的变化而检测振子位置，但不能够排除噪声的影响。因此，难以高精度地检测加速度。

专利文献1中，记载了使恒定电流对可动电极通电，检测与该可动电极相对的固定电极中产生的感应电流的脉冲数来检测加速度的加速度传感器，这与本发明不同。专利文献2中，记载了静电电容变化检测型的加速度传感器，在可动式的中央板与在其两侧设置的固定板之间形成2个可变电容，对这2个固定板分别施加反相的脉冲电压。因产生加速度而中央板的位置产生位移，由此两个可变电容变化，检测此时从两个固定板对中央板施加的电压的脉冲的相位偏移而检测加速度。但是，这与本发明不同。

现有技术文献

专利文献1：日本特开平7-167885号公报

专利文献2：日本特开2004-198310号公报

发明内容

发明要解决的课题

本发明是在这样的背景下而完成的，目的在于提供一种能够高精度且容易地检测加速度的加速度测量装置。

用于解决课题的方法

本发明的加速度测量装置，其特征在于：

检测因惯性力而有摇动趋势的振子（振动子）部件距离基准位置的位移量，基于其检测结果以使该振子部件在基准位置上静止的方式通过操作部对上述振子部件施加外力，基于此时的上述外力的大小，评价对上述振子部件作用的加速度，

上述加速度测量装置包括：

压电板；

为了使上述压电板振动而在该压电板的一面侧和另一面侧分别设置的一个激励电极和另一个激励电极；

与上述一个激励电极电连接的振荡电路；

设置于上述振子部件并且与上述另一个激励电极电连接的可变电容形成用的可动电极；

固定电极，与上述振子部件隔开距离，与上述可动电极相对地设置并与上述振荡电路连接，利用上述振子部件的摇动使上述固定电极与上述可动电极之间的电容变化，由此形成可变电容；和

频率信息检测部，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，

形成从上述振荡电路经过上述一个激励电极、上述另一个激励电极、上述可动电极和上述固定电极回到上述振荡电路的振荡环路，

用上述频率信息检测部检测出的频率信息，用于评价上述振子部件的位置的位移量。

此外，本发明的加速度测量装置，还可以：

夹着上述振子部件在上述惯性力作用的方向上相对地设置有第一可动电极和第二可动电极，作为上述可动电极，

以与第一可动电极和第二可动电极分别相对的方式，与上述振子部件隔开距离地设置有第一固定电极和第二固定电极，作为上述固定电极，

设置有切换部，使得上述振荡电路的电连接对象能够在上述第一可动电极和第一固定电极间的第一可变电容、与上述第二可动电极和第二固定电极间的第二可变电容之间切换，

上述频率信息检测部，求取与通过上述切换部而被时间划分的与上述第一可变电容对应的振荡频率和与上述第二可变电容对应的振荡频率的差相应的信息。

上述振子部件，也可以用支持部单臂支撑上述振子部件的一端侧。此外，上述振子部件是上述压电板，或者在上述振子部件的一部分包括上述压电板。

发明效果

本发明，在振子部件因加速度而摇动从基准位置产生位移时，对于其位移量，通过振子部件一侧的可动电极和与该可动电极相对的固定电极之间的电容变化，作为压电板的振荡频率的变化获取上述位移量。因此，能够高精度且容易地检测加速度。进而，通过对于振子的振动方向在两侧形成可变电容，在测量振荡频率的变化时能够应用差动法，所以能够抑制噪声和温度特性的影响，能够更进一步高精度地检测加速度。

附图说明

图1是示意性地表示本发明的实施方式的加速度测量装置的主要部分的纵截面图。

图2是表示上述加速度测量装置中使用的振子部件的一面和另一面的平面图。

图3是表示上述加速度测量装置的电路结构的框图。

图4是表示上述加速度测量装置中的振子位置检测器的等价电路的电路图。

图5是表示使用上述加速度测量装置取得的振子部件的位置位移与振荡频率的差的关系的特性图。

图6是表示本发明的其他实施方式的纵截面图。

图7是表示图6所示的加速度测量装置中使用的振子部件的一面和另一面的平面图。

图8是表示本发明的其他实施方式中的振子部件的立体图。

符号说明

Cv1    第一可变电容

Cv2    第二可变电容

1      容器

2      振子部件

33、35 可动电极

36、38 固定电极

4     晶体振子

41    振荡电路

42    切换部

5     致动器

51    线圈部

52    磁回路

6     振子位置检测部

61    调整部

62    数据处理部

具体实施方式

对本发明的实施方式的伺服式加速度测量装置进行说明。本实施方式的伺服式加速度测量装置主要包括：作为位置控制的对象的振子部件；振子位置检测部，基于振荡频率的变化检测振子的位置位移，输出其位置位移数据的电信号；调整部，基于从振子位置检测部接收的位置位移数据，控制致动器的输出使得振子保持静止状态；对振子施加力的致动器；和数据处理部，例如根据致动器的驱动电能算出惯性力的加速度。图1是表示本实施方式的伺服式加速度测量装置的图，图1中，1是长方体形状的密闭型的例如晶体构成的容器，在内部封有惰性气体例如氮气。其中，作为容器1并不限定于必须是密闭型的容器。该容器1被固定在绝缘基板13。

在容器1内，板状的振子部件2，在其一端侧的一面侧和另一面侧上，用导电性粘合剂10、11、12固定在相当于支撑部的容器1的内侧壁的上方部位。即，振子部件2在容器1内的上部，以支撑场所为上方在铅垂方向直立的状态下被单臂支撑。振子部件2沿着其长度方向（铅垂方向）从上方部分起能够区分为以下三部分：用导电性粘合剂10、11、12固定在容器1的被支撑部21；形成得比该被支撑部21厚度薄并且当对振子部件2施加惯性力时有弯曲趋势的弯曲部22；和锤部23，比弯曲部22厚度厚而确保质量，用于使施加的惯性力更大而易于检测振子部件2的位置位移。振子部件2以被支撑部21为支点在图1中的左右方向（X方向）振动。对于锤部23，还可以通过增大后述的第一可动电极33和第二可动电极35的厚度来兼用作锤。

在振子部件2的一面侧的被支撑部21的表面，如图2（a）所示，形成引出电极31。该引出电极31，通过形成于一面侧的表面上的导电通路32，与在振子部件2的锤部23的一面侧的表面设置的第一可动电极33电连接。进而，该第一可动电极33，通过形成为从锤部23的一面侧向另一面侧通过振子部件2的另一端折返的导电通路34，与在锤部23的另一面侧的表面设置的第二可动电极35电连接。本实施方式中的导电通路和各种电极，例如由溅射形成的金属薄膜形成。

在振子部件2的另一面侧的被支撑部21上，如图2（b）所示，在左右方向（Y方向）的两端部分别形成由金属薄膜构成的引出电极54、56。该引出电极54、56，分别通过导电通路53、55，与在振子部件2的另一面侧上的弯曲部22的表面设置的线圈部51内的线圈的两端分别电连接。

在容器1的内壁以与第一可动电极33和第二可动电极35分别相对的方式形成有第一固定电极36和第二固定电极38。第一可动电极33与第一固定电极36之间的缝隙形成第一可变电容Cv1，第二可动电极35与第二固定电极38之间的缝隙形成第二可变电容Cv2。

在容器1的内壁以与线圈部51相对的方式设置有例如具有永磁铁等的磁回路52。线圈部51的线圈，设定为对线圈通电时产生的磁通量的方向朝向该磁回路52，通过调整通电的电流的方向和大小，能够进行振子部件2的位置（振动位置）的调整。由线圈部51和磁回路52构成致动器5。

图3表示加速度传感器的配线的连接状态，图4表示等价电路。图4中，L1是与晶体振子的质量对应的串联电感，C1是串联电容，R1是串联电阻，C0是包括电极间电容的有效并联电容，C_OSC是振荡电路14的负荷电容。与可动电极33、35连接的引出电极31，如图1和图3所示，通过导电通路30与晶体振子4电连接，上述导电通路30通过导电性粘合剂10、容器1和绝缘基板13。然后，该晶体振子4与振荡电路41的一端电连接。另一个面，固定电极36、38分别通过导电通路37、39与切换部42的切换接点一侧连接。该切换部42的固定接点一侧与振荡电路41的另一端电连接，使振荡电路41能够在固定电极37、39之间交替切换。晶体振子4、振荡电路41和切换部42收纳在固定于绝缘基板13的容器3内。利用该切换部42进行的切换，例如构成为以10Hz的周期（连接时间为100ms）自动进行，由此在通过第一可变电容Cv1的环路中得到的振荡频率FLx1，和在通过第二可变电容Cv2的环路中得到的振荡频率FLx2，被时间划分导入振子位置检测部6。

此处，根据JIS C 6701“晶体振子通则”，晶体振荡电路的一般式用以下（1）式表示。

FL=Fr×（1+x）

x=（C1/2）×1/（C0+CL）……（1）

FL是对晶体振子施加了负荷时的振荡频率，Fr是晶体振子本身的共振频率。

本实施方式中，如图3和图4所示，负荷电容CL是C_OSC与可变电容Cv串联连接后的合成电容。因而，代替（1）式中的CL，（2）式表示的y被代入。

y=1/（1/Cv+1/C_OSC）……（2）

因而振子部件2的位置变化，由此可变电容Cv从Cv0变为Cvx时，频率的变化dFL用（3）式表示。

dFL=FL0-FLx=A×C_OSC ²×（Cvx-Cv0）/（B×C）……（3）

此处：

A=C1×Fr/2

B=C0×C_OSC+（C0+C_OSC）×Cv0

C=C0×C_OSC+（C0+C_OSC）×Cvx

此外，设对振子部件2没有施加加速度时的所谓基准状态（静止状态）时的可动电极和固定电极之间的间隔为d0，并且设对振子部件2施加了加速度时的上述间隔为dx时，（4）式成立。

Cv0=S×ε/d0

Cvx=S×ε/dx    ……（4）

但是，S是可动电极和固定电极的相对区域的面积，ε是介电常数。

因为d0为已知，所以可知dFL与dx（即振子部件2的位置位移Δd=d0-dx）有对应关系。

在振子位置检测部6中，对于与第一可变电容和第二可变电容分别对应的振荡频率FLx1、FLx2，分别算出与振子部件2位于静止位置时的振荡频率（以下称为基准频率）FL01、FL02的差ΔF1（=FL01-FLx1）、ΔF2（=FL02-FLx2），进而算出对上述差ΔF1、ΔF2分别除以与其对应的基准频率后的值即频率变化率ΔF1/FL01、ΔF2/FL02。然后算出上述频率变化率ΔF1/FL01、ΔF2/FL02的差ΔF。根据该变化率差ΔF能够算出振子部件2的位置位移Δd。此处所称的位置位移Δd，是当设振子部件2的静止位置上的第一可动电极与第一固定电极的间隔（第一间隔dx1）为d01、设第二可动电极与第二固定电极的间隔（第二间隔dx2）为d02时的Δd=d01-dx1=dx2-d02。

图5表示振子部件2的位置位移Δd与振荡频率的差ΔF1（ΔF2）的关系的实验数据。因为位置位移Δd与振荡频率的差ΔF1（ΔF2）存在这样一一对应的关系，所以能够通过测定振荡频率差ΔF1（ΔF2）而算出位置位移Δd。此外，求取振荡频率差ΔF1、ΔF2的变化率差ΔF，根据该变化率差ΔF算出位置位移Δd，由此能够抑制噪声和温度特性引起的不良影响。这样在振子位置检测部6中算出的与位置位移Δd相当的信号，被发送到调整部61。

调整部61基于接收的位置位移Δd的大小，例如利用晶闸管相位控制来调整致动器5的线圈部51的线圈中流过的电流的大小和方向，由此以使位置位移Δd为零的方式使致动器5动作，而进行控制使得控制振子部件2在基准位置上维持静止状态。此外，调整部61将与利用致动器5对振子部件2作用的电磁力的大小相当的信号、例如线圈部51的线圈的电流值等发送到数据处理部62。

该数据处理部62例如由个人计算机构成，具有以下功能，即，基于从调整部61得到的与致动器5的电磁力的大小相关的信息例如线圈51的线圈中流过的电流值，参照事先在存储器中存储的线圈部51的线圈的电流值和作用于振子部件2的加速度相关联的数据表，求出惯性力的加速度。只要能够维持振子部件2的静止状态，因为作为检测对象的惯性力和利用致动器5对振子部件2作用的电磁力的大小相平衡，所以能够根据线圈部51的线圈的电流值算出惯性力的加速度。

接着，说明本实施方式的作用。首先，将该加速度测量装置以容器1成为预先决定的姿势的方式固定在振动检测对象物上。该振动检测对象物振动并且产生该加速度测量装置的振动测量方向的振动成分时，惯性力对振子部件2的锤部23作用。然后，与该惯性力的大小相应地振子部件2的弯曲部22弯曲，所以一个间隔例如第一间隔略微变窄，反之，另一个间隔例如第二间隔略微变宽。因此，第一可变电容增大，第二可变电容减小。由此，与第一可变电容和第二可变电容分别对应的振荡频率变化。用振子位置检测部6检测此时的振荡频率与基准频率的差ΔF1、ΔF2，根据上述差ΔF1、ΔF2算出振子部件2的位置位移。该算出的位置位移的数据被随时发送到调整部61，在调整部61中，基于该位置位移数据，通过例如利用晶闸管相位控制调整致动器5的线圈部51的线圈中流过的电流的大小和方向，而进行控制使得位置位移成为零。通过这样做，实际上能够视为振子部件2在基准位置、本例中为以垂直姿势维持静止状态。然后，例如通过总监视线圈部51的线圈的电流值，能够测量检测对象的振动的加速度。准备3台该加速度传感器，通过设置为各振子的振动方向都不相同并且3台的振动方向不在同一平面，能够测定三维的振动。

根据上述实施方式，因加速度测量装置振动，该振动引起的惯性力作用于在上述加速度测量装置的容器1内部被单臂支撑的振子部件2，因此振子部件2弯曲。结果振子部件2从基准位置产生位移，在振子部件2的前端侧形成的可动电极33（35）和与其相对的固定电极36、38的间隔距离改变，所以可变电容Cv1（Cv2）的电容变化。因此，该电容变化表现为振荡频率的变化ΔF1（ΔF2）。因而，振子部件2的微小的位置位移Δd也能够检测为振荡频率的变化ΔF1（ΔF2），所以能够高精度地测定振子部件2的位置位移Δd，并且装置结构简单。

此外，相对于1个振子部件2形成两个可变电容Cv1、Cv2，配置在同一温度环境中，因此即使与可变电容Cv1、Cv2对应的各频率因温度而产生了变化，该变化量也会被抵消，结果能够检测基于振子部件2的位置位移Δd的频率变化率的变化量，所以具有检测精度高的效果。

接着，在本发明的其他实施方式中，用图6和图7进行说明。在该实施方式中，上述实施方式中的振子部件2的被支撑部21兼作晶体振子4这一点与上述实施方式不同。首先说明本实施方式中的加速度测量装置的结构。与上述实施方式结构相同的情况下，附加与上述实施方式相同的符号并省略说明。本实施方式中的振子部件2a由晶体构成。在该被支撑部21a的一面侧和另一面侧分别形成有激励电极24a、25a。一面侧的激励电极24a经由导电通路32与可动电极33电连接。另一面侧的激励电极25a经由导电通路26a、用于将振子部件2a固定在容器1的导电性粘合剂10a和未图示的导电通路与振荡电路41的一端连接。

根据该实施方式，除上述实施方式的效果外，因为不需要在与振子部件2不同的地方设置晶体振子4的设置空间，所以有助于加速度测量装置的小型化。

在本实施方式中，振子部件2整体由晶体构成，但只要被支撑部21a中的激励电极24a、25a夹着的部分是晶体即可。

图8表示其他实施方式的振子部件2b。在该实施方式中，振子部件2的形状不是如上述实施方式那样的板状，而是其水平面的截面为正方形的棒状的振子部件2，弯曲部22能够在水平方向的任意方向上弯曲。然后，在锤部23的4个侧面分别形成有可动电极33b、35b、70b、71b。在中间夹着锤部23并且相对的两组可动电极（33b与35b的组和70b与71b的组），分别与未图示的固定电极相对地形成于振子部件2b的锤部23b的表面。即，第一可变电容Cv1和第二可变电容Cv2的组在水平方向正交地设置两组。通过采用这样的结构，对于水平方向上的任意方向的振动，能够检测加速度。在图8中，为了使图易于观看，省略了导电通路和端子。该实施方式中，第一可变电容Cv1和第二可变电容Cv2的组在水平方向正交地设置两组，但即使不正交，只要2组不是平行地设置即可。

上述实施方式中，利用电磁力维持振子部件2的静止状态，但也可以使例如静电力等其他力作用而维持静止状态。此外，上述实施方式中，振子部件2是单臂支撑的板状部件或棒状部件，但本发明不限于此，例如也可以用弹性部件可摇动地支撑振子部件的两侧。

Claims (4)

1.一种加速度测量装置，其特征在于：

检测因惯性力而有摇动趋势的振子部件距离基准位置的位移量，基于其检测结果，通过致动器对所述振子部件施加外力，以使该振子部件在基准位置保持静止，并基于此时的所述外力的大小，评价对所述振子部件作用的加速度，

所述加速度测量装置包括：

压电板；

为了使所述压电板振动而在该压电板的一面侧和另一面侧分别设置的一个激励电极和另一个激励电极；

与所述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，其设置于所述振子部件并且与所述另一个激励电极电连接；

固定电极，与所述振子部件隔开距离，与所述可动电极相对地设置并与所述振荡电路连接，利用所述振子部件的摇动使所述固定电极与所述可动电极之间的电容变化，由此形成可变电容；和

振子位置检测部，用于检测作为与所述振荡电路的振荡频率对应频率信息的信号，

形成从所述振荡电路经过所述一个激励电极、所述另一个激励电极、所述可动电极和所述固定电极回到所述振荡电路的振荡环路，

用所述振子位置检测部检测出的频率信息，用于评价所述振子部件的位置的位移量。

2.如权利要求1所述的加速度测量装置，其特征在于：

夹着所述振子部件在所述惯性力作用的方向上相对地设置有第一可动电极和第二可动电极，作为所述可动电极，

以与第一可动电极和第二可动电极分别相对的方式，与所述振子部件隔开距离地设置有第一固定电极和第二固定电极，作为所述固定电极，

设置有切换部，使得所述振荡电路的电连接对象能够在所述第一可动电极和第一固定电极间的第一可变电容、与所述第二可动电极和第二固定电极间的第二可变电容之间切换，

所述振子位置检测部，求取与通过所述切换部而被时间划分的与所述第一可变电容对应的振荡频率和与所述第二可变电容对应的振荡频率的差相应的信息。

3.如权利要求1所述的加速度测量装置，其特征在于：

所述振子部件用支撑部单臂支撑所述振子部件的一端侧。

4.如权利要求3所述的加速度测量装置，其特征在于：

所述振子部件是所述压电板，或者在所述振子部件的一部分包括所述压电板。