JP2013007653A - 外力検出装置及び外力検出センサー - Google Patents

Abstract

【課題】圧電板に加わる外力を簡易な構造で高精度に検出することができる外力検出装置を提供すること。
【解決手段】水晶板２を容器１内に片持ちで支持する。水晶板２の上面及び下面に夫々励振電極３１、４１を形成する。水晶板２の下面側の先端部に下面側の励振電極４１に引き出し電極４２を介して接続される可動電極５を形成し、この可動電極５に対向して容器１の底部に固定電極６を設ける。上面側の励振電極３１と固定電極６とを発振回路１４に接続する。水晶板２に外力が加わって撓むと、可動電極５と固定電極６との間の容量が変わり、この容量変化を水晶板２の発振周波数の変化として捉える。更に水晶板２において、励振電極３１、４１に挟まれている電極形成部位２１の厚さよりも薄状部位２２の厚さを小さくすることにより、電極形成部位２１の撓みを抑えているため、水晶板２の撓みによる発振周波数の変化を抑えることができる。
【選択図】図１

Description

本発明は圧電板例えば水晶板を用い、圧電板に作用する外力の大きさを発振周波数に基づいて検出することにより、加速度、圧力、流体の流速、磁力あるいは静電気力などといった外力を検出する技術分野に関する。

系に作用する外力として、加速度に基づく物体に作用する力、圧力、流速、磁力、静電気力などがあるが、これらの外力を正確に測定することが必要な場合が多い。例えば自動車を開発する段階で自動車が物体に衝突したときに座席における衝撃力を測定することが行われている。また地震時の振動エネルギーや振幅を調べるためにできるだけ精密に揺れの加速度などを調べる要請がある。

更にまた液体や気体の流速を正確に調べてその検出値を制御系に反映させる場合や、磁石の性能を測定する場合なども外力の測定例として挙げることができる。
このような測定を行うにあたって、測定装置にはできるだけ簡素な構造でありかつ高精度に測定することが要求されている。

特許文献１には、圧電フィルムを片持ちで支持し、周囲の磁力の変化により圧電フィルムが変形し、圧電フィルムに流れる電流が変化することが記載されている。
また特許文献２には、容量結合型の圧力センサーと、この圧力センサーの配置領域に対して仕切られた空間に配置された水晶振動子とを設け、これら圧力センサーの可変容量と水晶振動子とを並列に接続し、圧力センサーにおける容量が変化することにより水晶振動子の反共振点が変わることで圧力を検出することが記載されている。
これら特許文献１及び特許文献２は、本発明とは原理が全く異なる。

特開２００６−１３８８５２号公報（段落００２１、段落００２８） 特開２００８−３９６２６号公報（図１及び図３）

本発明は、このような背景の下になされたものであり、圧電板に加わる外力を簡易な構造で高精度に検出することができる外力検出装置及び外力検出センサーを提供することにある。

本発明の外力検出装置は、
圧電板に作用する外力を検出する外力検出装置であって、
容器内の基台にその一端側が支持された片持ちの前記圧電板と、
この圧電板を振動させるために、当該圧電板の一面側及び他面側に夫々設けられた一方の励振電極及び他方の励振電極と、
一方の励振電極に電気的に接続された発振回路と、
前記圧電板の他端側に設けられ、前記他方の励振電極に電気的に接続された可変容量形成用の可動電極と、
前記圧電板とは離間して、前記可動電極に対向するように設けられると共に前記発振回路に接続され、圧電板の撓みにより前記可動電極との間の容量が変化してこれにより可変容量を形成する固定電極と、
前記発振回路の発振周波数に対応する周波数情報である信号を検出するための周波数情報検出部と、を備え、
前記圧電板は、前記励振電極に挟まれている部位の厚さよりも、当該部位と前記可動電極との間の部位の厚さが小さく、
前記発振回路から一方の励振電極、他方の励振電極、可動電極及び固定電極を経て発振回路に戻る発振ループが形成され、
前記周波数情報検出部にて検出された周波数情報は、圧電板に作用する外力を評価するためのものであることを特徴とする。
前記圧電板における前記可動電極が設けられている部位の厚さは、前記励振電極が設けられている部位の厚さよりも大きくてもよい。
前記圧電板は、前記励振電極に挟まれている部位と前記可動電極が形成されている部位とが互いに双晶となるように構成されていてもよい。

本発明の外力検出センサーは、
圧電板に作用する外力を圧電板の発振周波数に基づいて検出するための外力検出センサーであって、
容器内の基台にその一端側が支持された片持ちの前記圧電板と、
この圧電板を振動させるために、当該圧電板の一面側に設けられ、発振回路に電気的に接続される一方の励振電極と、
前記圧電板の他面側に設けられた他方の励振電極と、
前記圧電板の他端側に設けられ、前記他方の励振電極に電気的に接続された可変容量形成用の可動電極と、
前記圧電板とは離間して、前記可動電極に対向するように設けられると共に前記発振回路に接続され、圧電板の撓みにより前記可動電極との間の容量が変化してこれにより可変容量を形成する固定電極と、を備え、
前記圧電板は、前記励振電極に挟まれている部位の厚さよりも、当該部位と前記可動電極との間の部位の厚さが小さいことを特徴とする。

本発明は、圧電板に外力が加わって撓むとあるいは撓みの程度が変わると、圧電板側の可動電極とこの可動電極に対向する固定電極との間の距離が変わり、このため両電極間の容量が変わり、この容量変化と圧電板の撓みの度合とを圧電板の発振周波数の変化として捉えている。更に圧電板において、励振電極に挟まれている部位の厚さよりも、当該部位と可動電極との間の部位の厚さを小さくすることにより、励振電極に挟まれている部位の撓みを抑えているため、外力検出においてノイズとなる圧電板の撓みによる発振周波数の変化を抑えている。従って、圧電板の僅かな変形も発振周波数の変化として検出できるので、圧電板に加わる外力を高精度に測定することができ、しかも装置構成が簡素である。

本発明に係る外力検出装置を加速度検出装置として適用した第１の実施形態の要部を示す縦断側面図である。 第１の実施の形態に用いられる水晶振動子の上面を及び下面を示す平面図である。 加速度検出装置の回路構成を示すブロック図である。 前記加速度検出装置の等価回路を示す回路図である。 本発明に係る外力検出装置を加速度検出装置として適用した第２の実施形態を示す縦断側面図である。 図５におけるＡ−Ａ線に沿った横断平面図である。 前記第２の実施形態に用いられる水晶板の裏面側を示す平面図である。 図５におけるＢ−Ｂ線に沿った横断平面図である。 前記第２の実施形態において、水晶板が外力により撓む様子と各部の寸法とを示す縦断側面図である。 前記第２の実施形態に係る加速度検出装置の回路を示すブロック回路図である。 前記第２の実施形態に係る加速度検出装置の一部分の外観を示す外観図である。 本発明のその他の変形例を示す縦断側面図である。 第３の実施形態における加速度センサーを示す平面図である。 第３の実施形態における外力検出装置の回路構成を示すブロック図である。 水晶板が振動する様子を示す説明図である。 水晶板の振動により発振周波数が変化する様子を示す周波数特性図である。

［第１の実施形態］
本発明を加速度検出装置に適用した実施形態を説明する。図１は加速度検出装置のセンサー部分である外力検出センサーに相当する加速度センサーを示す図であり、図１中、１は直方体形状の密閉型の例えば水晶からなる容器であり、内部に不活性ガス例えば窒素ガスが封入されている。この容器は基台をなす下部分とこの下部分に周縁部にて接合される上部分とから構成されている。なお容器１としては必ずしも密閉型の容器に限定されるものではない。容器１内には、水晶からなる台座１１が設けられ、この台座１１の上面に導電性接着剤１０により圧電板である水晶板２の一端側が固定されている。即ち水晶板２は台座１１に片持ち支持されている。

水晶板２は、図１に示すように、その役割や形状などにより、一端側から他端側に向けて、電極形成部位２１、薄状部位２２、拡大部位２３の３つの部位に区分されている。先ず電極形成部位２１は、水晶板２の一端側に位置し、図２に示すようにその表面両側に励振電極３１、４１が設けられ、実質的には水晶振動子に相当する役割を担っている。薄状部位２２は、電極形成部位２１よりも厚みが薄く撓み易く形成されているおり、外力が加わったときには主にこの部位が撓むように設計されている。拡大部位２３は、電極形成部位２１及び薄状部位２２よりも厚みが大きく設定されており、下面に可動電極５が設けられている。また拡大部位２３は、厚みを大きくすることにより重量を稼ぎ、加速度が加わったときに撓み量が大きくなるようにすることで感度を向上させるための錘の役割も果たしている。なおこの拡大部位２３には別途錘を設けてもよい。この場合、可動電極５の厚さを大きくして錘を兼用してもよいし、水晶板２の下面側に可動電極５とは別個に錘を設けてもよいし、あるいは水晶板２の上面側に錘を設けても良い。

また、拡大部位２３は、電極形成部位２１及び薄状部位２２に対する双晶からなり、励振電極４１と可動電極５とが弾性結合することを抑制している。この双晶の形成方法は、例えばＡＴカットの水晶板２を用い、拡大部位２３にだけレーザーを照射することにより、拡大部位２３だけを加熱してアニールする。このレーザー加熱については、双晶を形成する部位を加熱できればよく、具体的には双晶を形成する部位以外の部位を例えばステンレスからなるマスクで覆い、その上から水晶板２の全体をレーザーにより照射してもよいし、双晶を形成する部位に金属膜を形成して、その金属膜を例えばレーザーで加熱することにより、間接的に双晶を形成する部位を加熱してもよい。このとき、拡大部位２３と薄状部位２２との間に双晶の境界が形成され、例えばＡＴカットの面とその双晶となる面とでは反射光が異なって見える。このようにＡＴカットの水晶板を加熱するとＤＴカットに近い水晶板に変わる。ＡＴカットの水晶板とＤＴカットの水晶板とは、Ｘ軸の伸びる方向は同じであるが、Ｘ軸の正負が互いに逆である。即ちＸ軸の正側が互いに１８０°逆向きとなっている。なお、本発明では、電極形成部位２１がＤＴカットに近い水晶板からなり、拡大部位２３がＡＴカットの水晶板からなるものであってもよい。双晶関係にあればよいため、拡大部位２３及び薄状部位２２が電極形成部位２１の双晶であってもよい。

水晶板２は、その一端側において導電性接着剤１０により固定され台座１１に支持されている。電極形成部位２１における上面側の励振電極３１には、帯状の引き出し電極３２が接続され、この引き出し電極３２は、水晶板２の一端側で下面に折り返されて、導電性接着剤１０と接触している。台座１１の上面には金属層からなる導電路１２が設けられ、この導電路１２は、容器１を支持している絶縁基板１３を介して、絶縁基板１３上の発振回路１４の一端に接続されている。

電極形成部位２１における下面側の励振電極４１には、帯状の引き出し電極４２が接続され、この引き出し電極４２は、薄状部位２２を介して、水晶板２の他端側（先端側）である拡大部位２３まで引き出され、その拡大部位２３の下面に設けられた可変容量形成用の可動電極５に接続されている。一方容器１側には、可変容量形成用の固定電極６が設けられている。

固定電極６は、絶縁基板１３を介して配線された導電路１５を介して発振回路１４の他端に接続されている。図３は加速度センサーの配線の接続状態を示し、図４は等価回路を示している。Ｌ１は水晶振動子の質量に対応する直列インダクタンス、Ｃ１は直列容量、Ｒ１は直列抵抗、Ｃ０は電極間容量を含む実効並列容量、ＣＬは発振回路１４の負荷容量である。上面側の励振電極３１及び下面側の励振電極４１は発振回路１４に接続されるが、下面側の励振電極４１と発振回路１４との間に、前記可動電極５及び固定電極６の間に形成される可変容量Ｃｖが介在することになる。

ここで国際規格ＩＥＣ ６０１２２−１によれば、水晶発振回路の一般式は次の（１）式のように表される。

ＦＬ＝Ｆｒ×（１＋ｘ）
ｘ＝（Ｃ１／２）×１／（Ｃ０＋ＣＬ） ……（１）
ＦＬは、水晶振動子に負荷が加わったときの発振周波数であり、Ｆｒは水晶振動子そのものの共振周波数である。

本実施形態では、図３及び図４に示されるように、水晶板２の負荷容量は、ＣＬにＣｖが加わったものである。従って（１）式におけるＣＬの代わりに（２）式で表されるｙが代入される。

ｙ＝１／（１／Ｃｖ＋１／ＣＬ） ……（２）
従って水晶板２の撓み量が状態１から状態２に変わり、これにより可変容量ＣｖがＣｖ１からＣｖ２に変わったとすると、周波数の変化ΔＦは、（３）式で表される。

ΔＦＬ＝ＦＬ１−ＦＬ２＝Ａ×ＣＬ^２×（Ｃｖ２−Ｃｖ１）／（Ｂ×Ｃ）…（３）
ここで、
Ａ＝Ｃ１×Ｆｒ／２
Ｂ＝Ｃ０×ＣＬ＋（Ｃ０＋ＣＬ）×Ｃｖ１
Ｃ＝Ｃ０×ＣＬ＋（Ｃ０＋ＣＬ）×Ｃｖ２
である。

また水晶板２に加速度が加わっていないときのいわば基準状態にあるときにおける可動電極５及び固定電極６の間の離間距離をｄ１とし、水晶板２に加速度が加わったときの前記離間距離をｄ２とすると、（４）式が成り立つ。

Ｃｖ１＝Ｓ×ε／ｄ１
Ｃｖ２＝Ｓ×ε／ｄ２ ……（４）
ただしＳは可動電極５及び固定電極６の対向領域の面積、εは比誘電率である。
ｄ１は既知であることから、ΔＦＬとｄ２とが対応関係にあることが分かる。

このような実施形態のセンサー部分である加速度センサーは、加速度に応じた外力が加わらない状態においても例えば水晶板２が若干撓んだ状態にある。なお水晶板２が撓んだ状態にあるか水平姿勢が保たれているかは、水晶板２の厚さなどに応じて決まってくる。
そしてこのような構成の加速度センサーを例えば横揺れ検出用の加速度センサーと縦揺れ検出用の加速度センサーとを用い、前者は水晶板２が垂直になるように設置され、後者は水晶板２が水平になるように設置される。

そして地震が発生してあるいは模擬的な振動が加わると、水晶板２が図１の鎖線で示すようにあるいは図３に実線で示すように撓む。このとき、可動電極５が形成されている拡大部位２３は水晶板２の撓みにより鉛直方向に振動するため、それに基づいて可変容量Ｃｖが変化して、発振周波数も変化する。また水晶板２の撓みのほとんどは厚みの少ない薄状部位２２にて起こり電極形成部位２１はほとんど撓まないため、電極形成部位２１における撓みによる発振周波数の変化は少ない。振動が加わらない状態において周波数情報検出部である周波数検出部１００により検出した周波数をＦＬ１、振動（加速度）が加わった場合の周波数をＦＬ２とすると、周波数の差分ＦＬ１−ＦＬ２は（３）式で表される。

図３中、１０１は例えばパーソナルコンピュータからなるデータ処理部であり、このデータ処理部１０１は、周波数検出部１００から得られた周波数情報例えば周波数に基づいて、水晶板２に加速度が加わらないときの周波数ｆ０と加速度が加わったときの周波数ｆ１との差を求め、この周波数差と加速度とを対応付けたデータテーブルを参照して加速度を求める機能を有する。周波数情報としては、周波数差に限らず、周波数の差分に対応する情報である周波数の変化率［（ｆ１−ｆ０）／ｆ０］であってもよい。

第１の実施形態によれば、水晶板２に外力が加わって撓むとあるいは撓みの程度が変わると、水晶板２側の可動電極５とこの可動電極５に対向する固定電極６との間の距離が変わり、両電極５、６間の容量が変わる。このため、この容量変化と水晶板２の変形とが水晶板２の発振周波数の変化として現れる。この結果、水晶板２の僅かな変形も発振周波数の変化として検出できるので、水晶板２に加わる外力を高精度に測定することができ、しかも装置構成が簡素である。

更に水晶板２において、励振電極３１、４１に挟まれている電極形成部位２１の厚さよりも薄状部位２２の厚さを小さくすることにより、電極形成部位２１の撓みを抑えているため、外力検出においてノイズとなる水晶板２の撓みによる発振周波数の変化を抑えている。また、電極形成部位２１と拡大部位２３とが互いに双晶となるように形成されているため、励振電極４１と可動電極５との弾性結合を抑制できる。このため、より安定した測定を行うことができる。なお「互いに双晶となる」とは、Ｘ軸の伸びる方向が同じでありかつＸ軸の正負が互いに逆向きの場合に限らず、Ｘ軸の伸びる方向が互いに異なる、つまりＸ軸同士が交差する関係（結晶軸同士が互いに交差する関係）であってもよい。

また拡大部位２３は、電極形成部位２１よりも厚みを大きくして重量を増やすことにより、薄状部位２２の撓み量即ち拡大部位２３の振動の振幅が大きくし、振動の加速度を検出し易くしている。電極形成部位２１の厚みを大きくすると発振周波数が低下し検出精度が落ちるため、電極形成部位２１の厚みを大きくするには限界がある。一方拡大部位２３において、その厚みを大きくするのではなく、そこに金属膜を形成することで重量を増やしてもよいが、それには手間がかかる。従って拡大部位２３は、電極形成部位２１よりも厚みを大きくすることが望ましい。ただし、本発明では拡大部位２３は、電極形成部位２１と同じ厚みであってもよいし、厚みが小さくてもよい。拡大部位２３の厚みが電極形成部位２１の厚みよりも小さい場合には、例えば厚い金属膜を付けるなどして撓み量と外力との関係を調整してもよい。

［第２の実施形態］
本発明の第２の実施形態における加速度センサーを図５に示す。この実施形態は、既述の水晶板２、励振電極３１、３４、可変電極５、固定電極６及び発振回路１４の組を２組設けた点が前述の第１の実施形態と異なる。３０１は容器１の下側を構成する、基台をなす下部分であり、３０２は容器１の上側をなす蓋体をなす上部分である。水晶板２及び発振回路１４について、一方の組の部品には符号「Ａ」を添え、他方の組の部品には符号「Ｂ」を添えている。図５では、一方側の水晶板２が示されており、側面から見た図としては図１と同じである。図５の圧力センサーの内部を平面的に見ると、図６に示すように第１の水晶板２Ａと第２の水晶板２Ｂとが横に平行に配置されている。

これら水晶板２Ａ、２Ｂは同一の構造であるため、一方の水晶板２Ａについて説明する。水晶板２Ａは、図５に示すように、一端側から他端側に向けて、表面両側に励振電極３１、４１が設けられ、水晶振動子の役割を果たす電極形成部位２１、電極形成部位２１よりも厚みが薄く撓み易く形成されている薄状部位２２、下面に可動電極が設けられ感度向上のための錘の役割も果たす拡大部位２３の３つの部位に区分されている。電極形成部位２１の一面側（上面側）において一端側から幅の狭い引き出し電極３２が他端側に向かって伸び、当該引き出し電極３２の先端部に一方の励振電極３１が角形形状に形成されている。そして電極形成部位２１の他面側（下面側）には、図６及び図７に示すように一方の励振電極３１に対向して他方の励振電極４１が形成され、当該励振電極４１における水晶板２Ａの先端側に向かって幅の狭い引き出し電極４２が伸びている。この引き出し電極４２は、薄状部位２２を介して拡大部位２３まで伸びており、その前記先端側には短冊状の可変容量形成用の可動電極５が形成されている。これら電極３１等は、導電膜例えば金属膜により形成されている。容器１の底部には、図８に示すように、水晶板２Ａの可動電極５及び水晶板２Ｂの可動電極５ごとに短冊状の固定電極６が設けられている。

水晶板２Ａ（２Ｂ）に関し、図９を参照しながら各部の寸法の一例について説明しておく。水晶板２Ａ（２Ｂ）の各部位２１、２２、２３の長さ寸法Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３及び幅寸法は、夫々５ｍｍ、１ｍｍ、７ｍｍ及び１．６ｍｍである。水晶板２Ａ（２Ｂ）の各部位２１、２２、２３の厚さは、夫々例えば２０μｍ、１０μｍ、９０μｍである。水晶板２Ａ（２Ｂ）の一端側における支持面を水平面に平行に設定したとすると、加速度が加わらず放置した状態では自重により撓んだ状態となり、その撓み量ｄ１は例えば０．０１μｍ程度である。これらの寸法は一例に過ぎない。

図１０には、この実施形態の加速度検出装置の回路が示されている。また図１１には、加速度検出装置の一部の外観が示されている。前述の第１の実施形態と異なる箇所は、第１の水晶板２Ａ及び第２の水晶板２Ｂに夫々対応して第１の発振回路１４Ａ及び第２の発振回路１４Ｂが接続されており、第１の水晶板２Ａ及び第２の水晶板２Ｂごとに、発振回路１４Ａ（１４Ｂ）、励振電極３１、４１、可動電極５及び固定電極６を含む発振ループが形成されている。これら発振回路１４Ａ、１４Ｂからの出力は周波数情報検出部１０２に送られ、ここで各発振回路１４Ａ、１４Ｂからの発振周波数の差分あるいは周波数の変化率の差が検出される。

周波数の変化率とは次の意味である。発振回路１４Ａにおいて、水晶板２Ａが自重で撓んでいる基準状態における周波数を基準周波数と呼ぶとすると、水晶板２Ａが加速度により更に撓んで周波数が変化したとき、周波数の変化分／基準周波数で表わされる値であり、例えばｐｐｂの単位で表わされる。同様に水晶板２Ｂについても周波数の変化率が演算され、これら変化率の差分が周波数に対応する情報としてデータ処理部１０１に出力される。データ処理部１０１では、例えば変化率の差分と加速度との大きさとを対応付けたデータをメモリに記憶しておき、このデータと変化率の差分とに基づいて加速度が検出できる。
水晶板２Ａ（２Ｂ）の撓み量（水晶板が一直線に伸びている状態と撓んでいるときとの先端部分の高さレベルの差分）と周波数の変化量との関係の一例を挙げておくと、例えば水晶板２Ａ（２Ｂ）の先端が１０^−５μｍオーダで変化すると、発振周波数が７０ＭＨｚの場合、周波数の変化分は０．６５ｐｐｂである。従って極めて小さな外力例えば加速度をも正確に検出できる。

上述の第２の実施形態によれば、第１の実施形態における効果に加えて、水晶板２Ａ及び水晶板２Ｂを同一の温度環境に配置しているため、水晶板２Ａ及び水晶板２の各々の周波数が温度により変化したとしても、この変化分がキャンセルされ、結果として水晶板２Ａ、２Ｂの撓みに基づく周波数の変化分だけを検出できるので、検出精度が高いという効果がある。

上述の第２の実施形態では、水晶板２Ａ、２Ｂの両方に対して、可動電極５及び固定電極６からなる可変容量Ｃｖが構成され夫々の発振ループに組み込まれていたが、片方の水晶板例えば水晶板２Ｂについては発振ループに可変容量を組み込まないで、これを参照用の水晶板として加速度検出を行ってもよい。この場合においても、水晶板２Ａ、２Ｂ夫々の発振周波数変化率を求め、それらの周波数変化率の差分値から加速度の大きさを求めることにより、環境温度の変化による加速度検出への影響を除外することができる。

図１２に本発明の変形例を記載しておく。
図１２に示す加速度センサーは、水晶板２を含む水晶振動子として第２の実施形態に用いた水晶板２Ａ（２Ｂ）の上面と下面とを反対にした構造を採用している。この場合には可動電極５と固定電極６との間に拡大部位２３が介在するが、この構造においても同様の作用、効果が得られる。

［第３の実施形態］
本発明の第３の実施形態における加速度センサーを図１３に示す。なお本実施形態では、第１の実施形態と同様の構造や役割の部材については、同一の符号を付し説明を省略する。この加速度センサーには、容器１内において長さの異なる３つの水晶板２Ｃ、２Ｄ、２Ｅが夫々片持ちで支持されている。これらの水晶板２Ｃ〜２Ｅは、薄状部位２２の厚さ、拡大部位２３の厚さ（重さ）及び可動電極５の面積などは全て同じで薄状部位２２の長さだけが異なる構成となっている。薄状部位２２の長さが異なるので、各水晶板２Ｃ〜２Ｅにおいて、ある大きさの力が加わったときに、薄状部位２２の撓み具合が異なってくることから、可変容量Ｃｖの変化量も異なってくる。このため、各水晶板２Ｃ〜２Ｅにより検出可能な外力の大きさの範囲は夫々異なることになる。即ち薄状部位２２の寸法が長い水晶板２Ｃ〜２Ｅほど、ある大きさが加わったときの撓み量（可動電極５の変位量）が大きくなるので、薄状部位２２の寸法が長いほど検出可能な外力の大きさの範囲は小さな値のほうにずれる。

また本実施形態における電気的な接続は、図１４に示すように、各水晶板２Ｃ〜２Ｅは、それらに対応する発振回路１４Ｃ〜１４Ｅと夫々接続され発振ループを構成している。そして発振回路１４Ｃ〜１４Ｅの出力端子は、スイッチ部１０３の選択端子に夫々接続されており、水晶板２Ｃ〜２Ｅの中から発振周波数を検出する水晶板を選択できるようになっている。このスイッチ部１０３の固定端子は、周波数検出部１００を介してデータ処理部１０１に接続されている。なお、図１４では、便宜上水晶板２Ｃ〜２Ｅにおける薄状部位２２を同じ長さで描いているが、実際は異なる。
このため、水晶板２Ｃ〜２Ｅの中から検出対象となる外力の大きさに適した検出範囲の水晶板をスイッチ部１０３により選択することにより、本外力検出装置はより広範囲な力の大きさの外力の検出に適用することができる。

本実施形態では３枚の水晶板２Ｃ〜２Ｅを設けていたが、水晶板の枚数は複数枚であればよい。
本実施形態は、各水晶板２Ｃ〜２Ｅについて、第２の実施形態のようにツインセンサーを適用してもよい。これにより、温度変化による発振周波数の誤差を相殺することができるため、より高精度な測定が可能となる。
また、本実施形態では、各水晶板２Ｃ〜２Ｅについて、薄状部位２２の長さのみ変えることにより検出可能な外力の大きさの範囲を変えているが、本実施形態はそれに限らず、薄状部位２２の厚みや拡大部位２３の重量などを変えて検出可能な外力の大きさの範囲を変更してもよい。

以上において本発明は、加速度を測定することに限らず、磁力の測定、被測定物の傾斜の度合いの測定、流体の流量の測定、風速の測定などにも適用することができる。
磁力を測定する場合の構成例について述べる。水晶板２における拡大部位２３に磁性体の膜を形成し、磁場に当該磁性体が位置すると水晶板２が撓むように構成する。
更にまた気体や液体などの流体中に水晶板２を晒し、水晶板の撓み量に応じて周波数情報を介して流速を検出することができる。この場合、水晶板２の厚さ、特に薄状部位２２の厚さは流速の測定範囲などにより決定される。更にまた本発明は重力を測定する場合にも適用できる。

本発明は、上述の実施形態のように外力値そのものを検出する場合の他に、外力に応じた振動（振動の周波数）を検出することができる。具体的には、地震等を対象とした振動検出装置などに適用できる。この場合、振動検出装置の構造は第２の実施形態における外力検出装置と同様なため、その説明は省略する。地震が発生してこの振動検出装置に振動が加わると、水晶板２が揺れて例えば図１５（ａ）に示す第１の状態と、図１５（ｂ）に示す第２の状態とが繰り返される。第１の状態及び第２の状態の可変容量Ｃｖの値を夫々Ｃｖ３及びＣｖ４とすると、夫々の発振周波数ＦＬ３及びＦＬ４は上述の式（１）及び式（２）より求まり、発振周波数はＦＬ３及びＦＬ４の間で図１６のように時間と共に変化する。従って周波数情報検出部１０２にて検出された周波数データをデータ処理部１０１により解析することにより、図１６に示される周波数変化の波の周期Ｔ（周波数に対応する）を求めることができる。この周波数変化の周期Ｔが震動の周期に対応し、発振周波数変化の振幅即ち発振周波数ＦＬ３及びＦＬ４の差分値が震動の振幅に対応することから、本発明により地震波を検出することができる。

地震波により振動検出装置が振動するときには、一方向及び反対方向に加速度が水晶板２に加わり、既述のように例えば図１６に示す周波数データが取得できることから、０．５Ｈｚ程度の低周波の振動であっても正確に検出することができる。

以上において本発明は、地震の震動に限らず模擬的に発生させた振動の周期を検出する場合にも適用することができる。また例えば洗濯機を運転しているときに洗濯物を含む回転水流などにより洗濯機本体に生じる振動の周期を検出する場合などに適用してもよい。

１ 容器
１１ 台座
１２ 導電路
１４ 発振回路
２ 水晶板
２１ 電極形成部位
２２ 薄状部位
２３ 拡大部位
３１、４１ 励振電極
５ 可動電極
６ 固定電極
１００ 周波数検出部
１０１ データ処理部
１０２ 周波数情報検出部

Claims (4)

1. 圧電板に作用する外力を検出する外力検出装置であって、
   容器内の基台にその一端側が支持された片持ちの前記圧電板と、
   この圧電板を振動させるために、当該圧電板の一面側及び他面側に夫々設けられた一方の励振電極及び他方の励振電極と、
   一方の励振電極に電気的に接続された発振回路と、
   前記圧電板の他端側に設けられ、前記他方の励振電極に電気的に接続された可変容量形成用の可動電極と、
   前記圧電板とは離間して、前記可動電極に対向するように設けられると共に前記発振回路に接続され、圧電板の撓みにより前記可動電極との間の容量が変化してこれにより可変容量を形成する固定電極と、
   前記発振回路の発振周波数に対応する周波数情報である信号を検出するための周波数情報検出部と、を備え、
   前記圧電板は、前記励振電極に挟まれている部位の厚さよりも、当該部位と前記可動電極との間の部位の厚さが小さく、
   前記発振回路から一方の励振電極、他方の励振電極、可動電極及び固定電極を経て発振回路に戻る発振ループが形成され、
   前記周波数情報検出部にて検出された周波数情報は、圧電板に作用する外力を評価するためのものであることを特徴とする外力検出装置。
2. 前記圧電板における前記可動電極が設けられている部位の厚さは、前記励振電極が設けられている部位の厚さよりも大きいことを特徴とする請求項１記載の外力検出装置。
3. 前記圧電板は、前記励振電極に挟まれている部位と前記可動電極が形成されている部位とが互いに双晶となるように構成されていることを特徴とする請求項１または２記載の外力検出装置。
4. 圧電板に作用する外力を圧電板の発振周波数に基づいて検出するための外力検出センサーであって、
   容器内の基台にその一端側が支持された片持ちの前記圧電板と、
   この圧電板を振動させるために、当該圧電板の一面側に設けられ、発振回路に電気的に接続される一方の励振電極と、
   前記圧電板の他面側に設けられた他方の励振電極と、
   前記圧電板の他端側に設けられ、前記他方の励振電極に電気的に接続された可変容量形成用の可動電極と、
   前記圧電板とは離間して、前記可動電極に対向するように設けられると共に前記発振回路に接続され、圧電板の撓みにより前記可動電極との間の容量が変化してこれにより可変容量を形成する固定電極と、を備え、
   前記圧電板は、前記励振電極に挟まれている部位の厚さよりも、当該部位と前記可動電極との間の部位の厚さが小さいことを特徴とする外力検出センサー。

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