CN103162872A - 外力检测装置 - Google Patents

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武藤猛
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Abstract

本发明提出一种外力检测装置，其目的在于高精度且容易地检测压电片所受的外力，以及抑制压电片中带电的静电荷的影响。在容器(1)内悬臂支撑晶体片(2)。在晶体片(2)的上表面及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设置连接于激励电极(41)的活动电极(5)，在容器1的底部设置固定电极(6)。形成经由激励电极(31、41)、活动电极(5)及固定电极(6)返回至振荡电路的振荡环路，将晶体片(2)受到外力而挠曲所造成的电极(5、6)间的电容变化以频率进行检测。而且，设置开关(21)以开闭将晶体片(2)中产生的静电荷释放至地线的除静电路径。

Description

外力检测装置
技术领域
本发明涉及一种使用压电片例如晶体片，根据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，尤其涉及一种外力检测装置。
背景技术
作为作用于系统的外力，存在有基于加速度作用于物体的力、压力、流速、磁力、静电力等，但多数情况下需要准确地测定这些外力。例如，在开发汽车的阶段中，当汽车撞击物体时测定座位上的冲击力。而且，为了分析地震时的振动能或振幅，而要求尽可能精密地分析摇晃的加速度等。
进而，在准确地分析液体或气体的流速，使其检测值反映到控制系统中的情况、或者测定磁铁的性能的情况时等，也可以作为外力的测定例而列举。当进行如此的测定时，要求尽可能简单的构造且高精度地测定。
因此，本发明者对利用基于压电片受到外力时的挠曲的电容变化来高精度地测定外力的方法进行研究。然而，在开发过程中，存在如下问题：在例如冬季干燥时等容易产生静电的环境下，因静电而产生在压电片上的静电荷有时成为测定值误差的主要原因。
在专利文献1中，记载着如下情况：悬臂支撑压电薄膜，压电薄膜会因周围的磁力变化而变形，使得流入压电薄膜中的电流发生变化。而且，于专利文献2中记载着如下情况：设置电容耦合型的压力传感器、与配置在相对该压力传感器的配置区域隔开的空间中的晶体振荡器，将这些压力传感器的可变电容与晶体振荡器并联连接，通过因压力传感器中的电容发生变化，而晶体振荡器的反共振点改变的情况，检测压力。这些专利文献1、2的原理与本发明完全不同。
背景技术文献
专利文献
专利文献1：日本专利特开2006-138852(段落0021、段落0028)
专利文献2：日本专利特开2008-39626(图1及图3)
发明内容
本发明是在如此的背景下研制而成，目的在于提供一种可高精度且容易地检测压电片所受的外力，而且可将静电造成的不良影响消除的外力检测装置。
本发明是一种检测作用于压电片的外力的外力检测装置，包含：悬臂的压电片，一端侧由支撑部支撑；一个激励电极及另一个激励电极，分别设置在该压电片的一面侧及另一面侧，以使该压电片振动；振荡电路，电性连接于所述一个激励电极；可变电容形成用的活动电极，设置在所述压电片中与所述一端侧分离的部位，且电性连接于所述另一个激励电极；固定电极，以与所述压电片隔离且与所述活动电极对向的方式设置，并且连接于所述振荡电路，且与所述活动电极之间的电容因压电片挠曲而变化，由此，形成可变电容；频率信息检测部，用以检测作为与所述振荡电路的振荡频率相对应的频率信息的信号；及除静电路径，用以将所述压电片中带电的静电荷释放至地线，且用来连接压电片和地线之间；其中，形成从所述振荡电路经由所述一个激励电极、所述另一个激励电极、活动电极及固定电极而返回至振荡电路的振荡环路，且由所述频率信息检测部所检测的频率信息用来评估作用于压电片的力。
作为本发明的具体性方式的一例，可列举如下构成：在所述振荡环路内的导电路径上设置第1开关，通过将第1开关接通而使所述压电片与所述固定电极之间的电位差为0。另外，在该构成中，在所述振荡电路与电源部之间，设置以在第1开关使用中时防止所述振荡电路与所述电源部短路的方式运作的第2开关。
此外，作为本发明的另一方式，可列举如下构成：作为由压电片、激励电极、活动电极及固定电极所成为的组，设置第1组及第2组，且分别对应着第1组及第2组而设置振荡电路，所述频率信息检测部具有求出与对应于所述第1组的振荡频率及对应于所述第2组的振荡频率的差值相应的信号的功能。
本发明是当压电片受到外力而挠曲或挠曲程度改变时，压电片侧的活动电极与和该活动电极对向的固定电极之间的距离改变，因此，两电极间的电容改变，捕捉该电容变化作为压电片的振荡频率的变化。因此，压电片的轻微变形也能够以振荡频率的变化检测出来，所以，可高精度地测定压电片所受的外力。进而，由于设置着将压电片与地线连接的除静电路径，所以，可将蓄积在压电片中的静电荷去除，从而消除静电力对测定结果的影响。
附图说明
图1是表示将本发明的外力检测装置作为加速度检测装置应用的第1实施方式的主要部分的纵断侧视图。
图2(a)、图2(b)是表示第1实施方式中使用的晶体片的上表面及下表面的平面图。
图3是表示加速度检测装置的电路构成的框图。
图4是所述加速度检测装置的具体的电路图。
图5(a)、图5(b)是表示本发明中使用的开关构成的一例的电路图。
图6是第2实施方式的加速度检测装置中表示晶体片的上表面的平面图。
图7是第2实施方式的加速度检测装置中表示容器的内底部的平面图。
图8是表示第2实施方式中使用的晶体片的背面侧的平面图。
图9是在第2实施方式中，表示晶体片因外力而挠曲的状况与各部分尺寸的纵断侧视图。
图10是表示第2实施方式的加速度检测装置的电路的电路框图。
图11是表示第2实施方式中使用的开关构成的一例的电路图。
图12是表示第3实施方式中使用的晶体片的上表面的平面图且表示与振荡电路的连接的电路框图。
附图标记：
1：容器
2、2A、2B：晶体片
5、5A、5B：活动电极
6：固定电极
7：突起部
8：底座部
10：导电性粘接剂
11：绝缘基板
12：导电路径
12a：除静电路径
16：导电路径
17、14A、14B：振荡电路
18：电源部
19：除静电专用的电极
21：第1开关
22：第2开关
21A、21B：开关
31、41：激励电极
32、42：引出电极
301：下部分
302：上部分
100：频率检测部
101：数据处理部
200：继电器线圈
201：操作部
202：电源
Cv：可变电容
d0：深度
d1、d2：隔离距离
SW：主开关
S：长度尺寸
具体实施方式
第1实施方式
对将本发明应用于加速度检测装置的第1实施方式进行说明。图1中，1是长方体形状的密闭型例如由晶体构成的容器，且在内部填充有惰性气体例如氮气。该容器1是由形成基台的下部分301、与通过周边部而和该下部分301接合的上部分302构成，且设置在绝缘基板11上。另外，作为容器1，并非必须限定于密闭型容器。在容器1内设置着底座部8，且在该底座部8的上表面利用导电性粘接剂10固定着作为压电片的晶体片2的一端侧。在该例中，底座部8相当于支撑晶体片2的支撑部。即，晶体片2由底座部8悬臂支撑。晶体片2是将例如为X切割的晶体形成为短条状，且厚度设定为例如数十μm级(order)、例如为0.03mm。所以，通过在与晶体片2交叉的方向上施加加速度，而将前端部挠曲。
如图2(a)所示，晶体片2是在上表面的中央部设置着一个激励电极31，而且，如图2(b)所示，在下表面中与所述激励电极31对向的部位设置着另一个激励电极41，从而构成晶体振荡器。在晶体片2的上表面侧的激励电极31连接有带状的引出电极32，且使该引出电极32在晶体片2的一端侧折返至下表面，固着于导电性粘接剂10。在底座部8的内部及绝缘基板11设置着由金属层构成的导电路径12，该导电路径12是一端与导电性粘接剂10接触，而另一端侧连接于绝缘基板11上的振荡电路17。而且，除静电路径12a是从该导电路径12的中途分支，且该除静电路径12a经由第1开关21连接于地线。
在晶体片2的下表面侧的激励电极41连接着带状的引出电极42，且将该引出电极42引出至晶体片2的另一端侧(前端侧)为止，并连接于可变电容形成用的活动电极5。另一方面，在容器1侧设置着可变电容形成用的固定电极6。在容器1的底部设置着由凸面状晶体构成的突起部7。该突起部7在平面图中观察时为四边形。由于本发明是经由基于晶体片2变形而产生的活动电极5与固定电极6之间的电容变化，来检测外力，所以，活动电极5也可以称为检测用电极。
固定电极6是在该突起部7中，以与活动电极5大致对向的方式设置。晶体片2若过于接触，而前端撞击容器1的底部，则存在因“解理(Cleavage)”现象而导致结晶块也容易缺损的性质。因此，以当晶体片2过于接触时，相较活动电极5，晶体片2的基端侧(一端侧)部位撞击突起部7的方式，决定突起部7的形状。图1等是与实际装置相比，略微改变地记载图像，但实际上，若使容器1较大地晃动，则晶体片2中相较前端靠近中央的部位撞击突起部7。
固定电极6是经由绝缘基板11连接于经配线的导电路径16的一端，且导电路径16的另一端连接于振荡电路17。振荡电路17是经由第2开关22而连接于电源部18。第1开关21及第2开关22可以配置在绝缘基板11上，但也可以设置在与绝缘基板11不同的部位，例如收纳图1所示的容器1及绝缘基板11的组装体的未图示的箱体内。
图3表示加速度传感器的配线的连接状态，图4表示具体的电路。上表面侧的激励电极31及下表面侧的激励电极41是连接于振荡电路17，但在下表面侧的激励电极41与振荡电路17之间可插入形成在所述活动电极5及固定电极6之间的可变电容Cv。
图3中，101是由例如个人电脑构成的数据处理部，该数据处理部101具有如下功能：根据从频率检测部100获得的频率信息例如频率，求出晶体片2未受到加速度时的频率f0与受到加速度时的频率f1的差，且参照数据表求出加速度，所述数据表是根据该频率差算出的频率的变化量与加速度所对应建立。作为频率信息，并不限定于频率差的变化量，也可以是频率差值本身。
此处，根据国际规格IEC60122-1，晶体振荡电路的通式如以下(1)式所示。
FL＝Fr×(1+x)
x＝(C1/2)×1/(C0+CL)......(1)
FL是晶体振荡器受到负载时的振荡频率，Fr是晶体振荡器本身的共振频率。
在本实施方式中，如图3及图4所示，晶体片2的负载电容是对CL串联连接Cv。因此，取代(1)式中的CL而代入(2)式所示的y。
y＝1/(1/Cv+1/CL)......(2)
因此，若假设晶体片2的挠曲量从状态1变为状态2，由此可变电容Cv从Cv1变为Cv2，则频率的变化dFL由(3)式所示。
dFL＝FL1-FL2＝A×CL2×(Cv2-Cv1)/(B×C)...(3)
此处，
A＝C1×Fr/2
B＝C0×CL+(C0+CL)×Cv1
C＝C0×CL+(C0+CL)×Cv2。
而且，若将晶体片2未受到加速度时所谓处于基准状态时的活动电极5及固定电极6之间的隔离距离设为d1，将晶体片2受到加速度时的所述隔离距离设为d2，则(4)式成立。
Cv1＝S×ε/d1
Cv2＝S×ε/d2......(4)
其中，S是活动电极5及固定电极6的对向区域的面积，ε是相对介电常数(relative permittivity)。
由于d1已知，所以可知dFL与d2处于对应关系。
接下来，对所述实施例的作用进行说明。晶体片2有时在冬季干燥时等容易产生静电的环境下，蓄积静电荷，且因其与容器1之间的静电力而使例如活动电极5朝向固定电极6侧挠曲。此时的晶体片2的挠曲量例如约为1度。
若在如此的状态下进行测定，则成为测定结果的误差的主要原因。在晶体片2的挠曲较大的情况下，会导致活动电极5与固定电极6接触而成为无法进行测定的状态。
因此，在将第2开关22接通之前(接通电源之前)，将第1开关21接通。由此，在晶体片2与地线(earth)之间形成除静电路径，从而将蓄积在晶体片2中的静电荷释放至地线。而且，由于晶体片2从静电荷的引力中解除而返回至特定的位置，所以成为可进行准确测定的状态。然后，第1开关21恢复到断开的状态，接着将第2开关22接通，准备进行加速度检测。
而且，当发生地震或施加模拟性振动时，晶体片2如图1的点划线所示或图3中的实线所示产生挠曲。当如上所述，在晶体片2未受到外力的基准状态下将活动电极5与固定电极6之间的电容设为Cv1时，若晶体片2受到外力，该晶体片2进行挠曲，则两电极5、6间的距离发生变化，因此电容从Cv1起进行变化。所以，从振荡电路14输出的振荡频率发生变化。
若在未受到振动的状态下，将由作为频率信息检测部的频率检测部100检测的频率设为FL1，将受到振动(加速度)时的频率设为FL2，则频率的差值FL1-FL2由(3)式所示。本发明者根据频率的差值FL1-FL2算出从状态1变为状态2时的频率的变化率，且分析频率的变化率{(FL1-FL2)/FL1}与加速度的关系，从而获得线性关系(linear relationship)。因此，证实了通过测定所述频率的差值而求出加速度。另外，FL1的值是将某温度定为基准温度，所述基准温度例如25℃时的频率值。
接下来，将第1开关21及第2开关22的一例示于图5(a)。该例是第1开关21、第2开关22分别作为通电时开启的开关、且通电时闭合的开关组装于继电器电路中，且在主开关SW断开的状态下未对继电器线圈200通电，所以，第1开关21接通且第2开关22断开。若将主开关SW接通，则对线圈200通电，第1开关21断开，第2开关22接通。因此，根据该例，当未对振荡电路17接通电源时，可确实地进行除静电。
而且，第1开关21、第2开关22如图5(b)所示构成为联动开关，也可以通过操作部201的操作而获得第1开关21、第2开关22为“接通、断开”的状态与“断开、接通”的状态。
此处，对验证晶体片2带电的一例进行了记载。使用图1所示的装置，在使振荡电路17运作之前，对晶体片2提供2kV的直流电压10秒钟后，晶体振荡器的并联电容C0为2.15pF。然后，经过5分钟之后，使振荡电路17的电源的第2开关22接通30秒钟(此时第1开关21断开)，接着使第2开关22、第1开关21断开、接通后，晶体振荡器的并联电容C0为2.26pF。可以推测该变化是晶体片2因静电而挠曲的结果。另外，晶体振荡器的Fr为73.832294MHz，Rr为6.9Ω，CL为9.665F。
第2实施方式
接下来，参照图6～图11，对本发明应用于加速度传感器的第2实施方式进行说明。该第2实施方式与第1实施方式不同的地方在于设置着2组所述的晶体片2、激励电极31、41、活动电极5、固定电极6及振荡电路17。关于晶体片2及振荡电路17，对一组构件添加符号“A”，对另一组构件添加符号“B”。当平面地观察压力传感器的内部时，如图6所示，第1个晶体片2A与第2个晶体片2B为横向平行配置。
由于这些晶体片2A、2B为同一构造，所以对一个晶体片2A进行说明。在晶体片2A的一面侧(上表面侧)上，宽度狭窄的引出电极32从一端侧朝向另一端侧延伸，且在该引出电极32的前端部一个激励电极31形成为方形形状。而且，在晶体片2A的另一面侧(下表面侧)，如图8所示，与一个激励电极31对向地形成另一个激励电极41，且宽度狭窄的引出电极42朝向该激励电极41中晶体片2的前端侧延伸。进而，在该引出电极42的所述前端侧形成有短条状的可变电容生成用的活动电极5A。这些电极等是由导电膜例如金属膜形成。
在容器1的底部，与图1同样地设置有由凸面状晶体构成的突起部7，且突起部7的横宽设定为与2块晶体片2A、2B的配置相应的大小。
关于晶体片2A、2B及其周边部位，参照图9对各部分尺寸的一例进行说明。晶体片2A、2B的长度尺寸S及宽度尺寸分别为18mm及3mm。晶体片2A、2B的厚度为例如数μm。若将晶体片2A、2B的一端侧的支撑面设定为与水平面平行，则在未受到加速度放置的状态下，成为因自身重量而挠曲的状态，且其挠曲量d1为例如150μm左右，容器1的下部分中的凹部空间的深度d0为例如175μm。而且，突起部7的高度尺寸为例如55～60μm左右。这些尺寸仅为一例。
图10表示第2实施方式的加速度检测装置的电路。与第1实施方式不同的地方在于：分别对应着第1个晶体片2A及第2个晶体片2B连接有第1个振荡电路14A及第2个振荡电路2B，且第1个晶体片2A及第2个晶体片2B各自中，形成有包含振荡电路14A(14B)、激励电极31、41、活动电极5A(5B)及固定电极6的振荡环路。来自这些振荡电路14A、14B的输出被传送至频率检测部100中，在这里检测来自各振荡电路14A、14B的振荡频率的差值或频率的变化率的差。
在图10中，分别对应着第1个晶体片2A及第2个晶体片2B设置有除静电用的开关21A及开关21B。而且，设置有共用的电源接通用的第2开关22，用以从共用的电源202对第1个振荡电路14A及第2个振荡电路14B供给电压。当不使用装置时，为了防止晶体片2A、2B带电而将开关21A、21B接通，而在使用装置时，将开关21A、21B断开，使电源接通用的第2开关22接通。这些开关21A、21B、22也可以构成为继电器电路，在此情况下，当主开关SW断开时，将开关21A、21B接通，且将第2开关22断开，当主开关SW接通时，开关21A、21B断开，且第2开关22接通。实现如此运作的电路图的一例示于图11。图11是图5的电路图中所示的电路的应用。
根据第2实施方式，由于将晶体片2A及晶体片2B配置在同一温度环境下，因此，即便晶体片2A及晶体片2B各自的频率因温度而变化，该变化量也会被消除，最终，可仅检测基于晶体片2A、2B的挠曲的频率的变化量，所以，存在检测精度高的效果。进而，该实施方式的装置是与第1实施例的装置同样地包含底下机构，即利用开关操作而容易地将蓄积在压电片中的静电荷去除，从而可防止因静电荷的引力导致测定结果出现误差的现象。
第3实施方式
第3实施方式是在晶体片2设置专用的除静电用的电极，且晶体片2一直连接于地线。该实施方式的一例示于图12。
在晶体片2上与激励电极31、41及活动电极5隔离的部分设置除静电专用的电极19，且除静电专用的电极19一直连接于地线。由于除静电专用的电极19并未自激励电极31、41及活动电极5电性连接，所以，即便在装置运行的状态下，也仅将晶体片2上的静电荷本身释放至地线，从而获得与第1实施方式及第2实施方式中使用所述第1开关21、第2开关22将晶体片2的静电荷释放至地线的方法相同的效果。而且，该实施方式也可以应用于第1实施方式的加速度检测装置及第2实施方式的加速度传感器。该实施方式的优点在于可不需要将开关接通及断开的机构也可以简单地将蓄积的静电荷释放，从而可进行准确的测定。
以上，本发明并不限定于测定加速度，也可以应用于磁力测定、被测定物倾斜程度的测定、流体流量测定、风速测定、重力测定等。

Claims (3)

1.一种外力检测装置，检测作用于压电片的外力，其特征在于包含：
悬臂的压电片，一端侧由支撑部支撑；
一个激励电极及另一个激励电极，分别设置在所述压电片的一面侧及另一面侧，以使所述压电片振动；
振荡电路，电性连接于所述一个激励电极；
可变电容形成用的活动电极，设置在所述压电片中与所述一端侧分离的部位，且电性连接于所述另一个激励电极；
固定电极，以与所述压电片隔离且与所述活动电极对向的方式设置，并且连接于所述振荡电路，且与所述活动电极之间的电容因所述压电片挠曲而变化，由此，形成可变电容；
频率信息检测部，检测作为与所述振荡电路的振荡频率相对应的频率信息的信号；及
除静电路径，将所述压电片连接于地线，将所述压电片中产生的静电荷释放至所述地线；
其中，形成从所述振荡电路经由所述一个激励电极、所述另一个激励电极、所述活动电极及所述固定电极而返回至所述振荡电路的振荡环路，且
由所述频率信息检测部所检测的所述频率信息用来评估作用于所述压电片的力。
2.根据权利要求1所述的外力检测装置，其特征在于：其包含用以开闭所述除静电路径的除静电用的开关。
3.根据权利要求2所述的外力检测装置，其特征在于：其包含用以将所述振荡电路连接于电源部的电源接通用的开关，且
所述除静电用的开关构成为在所述电源接通用的开关断开时接通，且在所述电源接通用的开关接通时断开。
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