JP2013124928A - 外力検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】圧電片に加わる外力を高精度にかつ容易に検出すること、及び圧電片に帯電する静電荷の影響を抑えること。
【解決手段】水晶片２を容器１内に片持ちで支持する。水晶片２の上面及び下面に夫々励振電極３１、４１を形成し、水晶片２の下面側の先端部に、励振電極４１に接続された可動電極５を設け、容器１の底部に固定電極６を設ける。励振電極３１、４１、可動電極５及び固定電極６を経て発振回路に戻る発振ループを形成し、水晶片２に外力が加わって撓むことによる電極５、６間の容量変化を周波数として検出する。また水晶片２に発生した静電荷をアースに放出する除電路を開閉するスイッチ２１を設ける。
【選択図】図１

Description

本発明は、圧電片例えば水晶片を用い、圧電片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、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。

そこで本発明者は、圧電片に外力が加わったときの撓みに基づく容量変化を利用して外力を高精度に測定する手法を検討している。しかしながら、開発過程で、例えば冬期乾燥時など、静電気の発生しやすい環境下において、静電気により圧電片上に発生する静電荷が、測定値の誤差の要因となる場合があるという問題があった。

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、２は本発明とは全く原理が異なる。

特開２００６−１３８８５２（段落００２１、段落００２８） 特開２００８−３９６２６（図１および図３）

本発明は、このような背景の下になされたものであり、その目的は圧電片に加わる外力を高精度にかつ容易に検出することができ、しかも静電気による悪影響を排除することができる外力検出装置を提供することにある。

本発明は、圧電片に作用する外力を検出する外力検出装置であって、
一端側が基台に支持された片持ちの圧電片と、
この圧電片を振動させるために、当該圧電片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、
前記圧電片において前記一端側から離れた部位に設けられ、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、
前記圧電片とは離間して、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、圧電片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、
前記圧電片に帯電した電荷をアースに放出するための圧電片とアースの間を接続するための除電路、とを備え、
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、圧電片に作用する力を評価するためのものであることを特徴とする。

本発明の具体的態様の一例として、前記発振ループ内の導電路上に第１のスイッチを設け、スイッチをオンにすることにより前記圧電片と前記固定電極との間の電位差を０にする構成を挙げることができる。なお、この構成においては、前記発振回路と前記電源部との間に、第１のスイッチ使用中に前記発振回路と前記電源部の短絡を防止するように作動する第２のスイッチを設ける。

さらに本発明の別の一態様として、圧電片、励振電極、可動電極及び固定電極からなる組として、第１の組及び第２の組を設け、
第１の組及び第２の組に夫々対応して発振回路を設け、
前記周波数情報検出部は、前記第１の組に対応する発振周波数及び前記第２の組に対応する発振周波数の差分に応じた信号を求める機能を有する構成が挙げられる。

本発明は、圧電片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、圧電片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、この容量変化を圧電片の発振周波数の変化として捉えている。従って、圧電片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、圧電片に加わる外力を高精度に測定することができる。さらに圧電片とアースとを接続する除電路を設けているため、圧電片に蓄積される静電荷を除去し、測定結果に対する静電気力の影響を排除することができる。

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片の上面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具体的な回路図である。 本発明に用いられるスイッチ構成の一例を示す回路図である。 第２の実施の形態の加速度検出装置において、水晶片の上面を示す平面図である。 第２の実施の形態の加速度検出装置において、容器の内底部を示す平面図である。 第２の実施形態に用いられる水晶片の裏面側を示す平面図である。 第２の実施形態において、水晶片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。 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。 第２の実施形態に用いられるスイッチ構成の一例を示す回路図である。 第３の実施形態に用いられる水晶片の上面を示す平面図かつ発振回路との接続を示すブロック回路図である。

［第１の実施形態］
本発明を加速度検出装置に適用した第１の実施形態について説明する。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３０１とこの下部分３０１に周辺部にて接合される上部分３０２とから構成され、絶縁基板１１上に設けられている。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３０１内には台座部８が設けられ、この台座部８の上面に導電性接着剤１０により圧電片である水晶片２の一端側が固定されている。即ち水晶片２は台座部８に片持ち支持されている。水晶片２は、例えばＸカットの水晶を短冊状に形成したものであり、厚さが例えば数十μｍオーダ、例えば０．０３ｍｍに設定されている。従って水晶片に交差する方向に加速度を加えることにより、先端部が撓む。

水晶片２は、図２（ａ）に示すように上面の中央部に一方の励振電極３１が設けられ、また図２（ｂ）に示すように下面における、前記励振電極３１と対向する部位に他方の励振電極４１が設けられて水晶振動子を構成している。水晶片２の上面側の励振電極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、水晶片２の一端側で下面に折り返されて、導電性接着剤１０に固着されている。台座８の内部及び絶縁基板１１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、一端が導電性接着剤１０と接触し、他端側が絶縁基板１１上の発振回路１７に接続されている。またこの導電路１２の途中から除電路１２ａが分岐され、この除電路１２ａは第１のスイッチ２１を介してアースに接続されている。

水晶片２の下面側の励振電極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、水晶片２の他端側（先端側）まで引き出され、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。容器１の底部にはコンベックス状の水晶からなる突起部７が設けられている。この突起部７は平面図で見ると四角形である。本発明は水晶片２の変形に基づいて起こる可動電極５と固定電極６との間の容量変化を介して外力を検出するものであることから、可動電極５は検出用電極と言うこともできる。

固定電極６はこの突起部７において、可動電極５と概ね対向するように設けられている。水晶片２は過大に触れて先端が容器１の底部に衝突すると、「劈開（へきかい：Ｃｌｅａｖａｇｅ）」という現象により結晶の塊でも欠け易いという性質がある。このため水晶片２が過大に触れたときに可動電極５よりも水晶片２の基端側（一端側）の部位が突起部７に衝突するように突起部７の形状が決定されている。図１等では実際の装置とは少しイメージを変えて記載してあるが、実際に大きく容器１を振ると、水晶片２の先端より中央寄りの部位が突起部７に衝突する。

固定電極６は、絶縁基板１１を介して配線された導電路１６の一端に接続され、導電路１６の他端は発振回路１７に接続されている。発振回路１７は第２のスイッチ２２を介して電源部１８に接続されている。第１のスイッチ２１及び第２のスイッチ２２は、絶縁基板１１上に配置してもよいが、絶縁基板１１とは別の場所、例えば図１に示した容器１及び絶縁基板１１の組立体を収納する図示しない筐体内に設けてもよい。

図３は加速度センサーの配線の接続状態を示し、図４は具体的な回路を示している。上面側の励振電極３１および下面側の励振電極４１は発振回路１７に接続されるが、下面側の励振電極と発振回路１７との間に、前記可動電極５および固定電極６との間に形成される可変容量Ｃｖが介在することになる。

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、水晶片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、この周波数差から算出した周波数の変化分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、周波数差の変化分に限らず、周波数の差分そのものであってもよい。

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、水晶片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）
従って水晶片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ｄＦＬは、（３）式で表される。
ｄＦＬ＝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。

また水晶片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、水晶片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、ｄＦＬとｄ２とが対応関係にあることが分かる。

次に上述実施例の作用について説明する。水晶片２は、冬期乾燥時などの静電気の発生しやすい環境下において、静電荷が蓄積され、容器１との間の静電力により例えば可動電極５が固定電極６側に撓む場合がある。このときの水晶片２の撓み量は、例えば約１度である。
このような状態で測定を行うと、測定結果の誤差の要因となる。水晶片２の撓みが大きい場合では、可動電極５と固定電極６とが接触してしまい、測定ができない状態になる。

そこで、第２のスイッチ２２をオンにする前（電源を投入する前）に、第１のスイッチ２１をオンにする。これにより水晶片２とアースとの間に除電路が形成され、水晶片２に蓄積された静電荷がアースに放出される。そして水晶片２が静電荷による引力から解放されて所定の位置へと戻るので、正確な測定が行える状態となる。その後、スイッチ２１はオフの状態に戻し、続いて第２のスイッチ２２をオンにし、加速度の検出に備えることになる。

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、水晶片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。既述のように水晶片２に外力が加わらない基準の状態において可動電極５と固定電極６との間の容量をＣｖ１とすると、水晶片２に外力が加わって当該水晶片２が撓むと両電極５、６間の距離が変わるので容量がＣｖ１から変化する。このため発振回路１４から出力される発振周波数が変化する。

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。本発明者は状態１から状態２に変わったときの周波数の変化率を周波数の差分ＦＬ１−ＦＬ２から算出し、周波数の変化率｛（ＦＬ１−ＦＬ２）／ＦＬ１｝と、加速度との関係を調べて、直線関係が得られている。従って前記周波数の差分を測定することにより加速度が求まることが裏付けられている。なお、ＦＬ１の値はある温度を基準温度と決めて、その基準温度例えば２５℃における周波数の値である。

続いてスイッチ２１および２２の一例を図５（ａ）に示す。この例は、スイッチ２１、２２が夫々通電時に開成するスイッチ、通電時に閉成するスイッチとしてリレー回路に組み込まれており、メインスイッチＳＷがオフの状態ではリレーコイル２００に通電されていないのでスイッチ２１はオン、スイッチ２２はオフである。スイッチＳＷをオンにすると、コイル２００に通電され、スイッチ２１はオフ、スイッチ２２はオンになる。従ってこの例によれば発振回路１７に対して電源を投入していないときは、確実に除電が行える。

またスイッチ２１、２２は図５（ｂ）に示すように連動スイッチとして構成し、操作部２０１の操作によりスイッチ２１、２２が（オン、オフ）の状態と、（オフ、オン）との状態とが得られるようにしてもよい。

ここで水晶片２の帯電について検証した一例について記載しておく。図１に示す装置を用い、発振器１７を動作させる前に水晶片２に２ｋＶの直流電圧を１０秒間与えたところ、水晶振動子の並列容量Ｃ０が２．１５ｐＦであった。その後５分経過した後、発振器１７の電源のスイッチ２２を３０秒間オン（このときスイッチ２１はオフである）にし、続いてスイッチ２２、２１をオフ、オンにしたところ、水晶振動子の並列容量Ｃ０が２．２６ｐＦであった。この変化は、水晶片２が静電気により撓んだ結果であると推測できる。なお、水晶振動子のＦｒは７３．８３２２９４ＭＨｚ、Ｒｒは６．９Ω、ＣＬは９．６６５Ｆであった。

［第２の実施形態］
次に本発明を加速度センサーに応用した第２の実施形態について図６〜図１１を参照しながら説明する。この第２の実施形態は、既述の水晶片２、励振電極３１、４１、可動電極５、固定電極６及び発振回路１７の組を２組設けた点が第１の実施の形態と異なる。水晶片２及び発振回路１７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。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の水晶片２Ａと第２の水晶片２Ｂとが横に平行に配置されている。

これら水晶片２Ａ、２Ｂは同一の構造であるため、一方の水晶片２Ａについて説明する。水晶片２Ａ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。そして水晶片２Ａの他面側（下面側）には、図６および図８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における水晶片２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。更にこの引き出し電極４２の前記先端側には短冊状の可変容量生成用の可動電極５Ａ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１と同様にコンベックス状の水晶からなる突起部７が設けられているが、突起部７の横幅は、２枚の水晶片２Ａ、２Ｂの配置に対応した大きさに設定されている。

水晶片２及びその周辺部位に関し、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。水晶片２の長さ寸法Ｓ及び幅寸法は、夫々１８ｍｍ及び３ｍｍである。水晶片２の厚さは、例えば数μｍである。水晶片２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１５０μｍ程度であり、容器１の下部分における凹部空間の深さｄ０は、例えば１７５μｍである。また突起部７の高さ寸法は例えば５５〜６０μｍ程度である。これらの寸法は一例に過ぎない。

図１０は第２の実施形態に係る加速度検出装置の回路を示している。第１の実施形態と異なる箇所は、第１の水晶片２Ａ及び第２の水晶片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２Ｂが接続されており、第１の水晶片２Ａ及び第２の水晶片２Ｂごとに、発振回路１４Ａ（１４Ｂ）、励振電極３１、４１、可動電極５Ａ（５Ｂ）および固定電極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１００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。

図１０では第１の水晶片２Ａ及び第２の水晶片２Ｂに夫々対応して、除電用のスイッチ２１Ａおよびスイッチ２１Ｂが設けられている。また第１の発振回路１４Ａ及び第２の発振回路１４Ｂに対して共通の電源２０２から電圧を供給するための共通の電源投入用のスイッチ２２が設けられている。装置の不使用時には、水晶片２Ａ、２Ｂの帯電を防ぐためにスイッチ２１Ａ、２１Ｂがオンとされ、装置を使用するときはスイッチ２１Ａ、２１Ｂをオフとし、電源投入用のスイッチ２２をオンにする。これらスイッチ２１Ａ、２１Ｂ、２２はリレー回路として構成してもよく、この場合には、メインスイッチＳＷがオフの時にはスイッチ２１Ａ、２１Ｂがオン、スイッチ２２がオフとされ、スイッチＳＷがオンの時にはスイッチ２１Ａ、２１Ｂがオフ、スイッチ２２がオンとなる。このような動作を実現した回路図の一例を図１１に示す。図１１は図５の回路図で示した回路の応用である。

第２の実施形態によれば、水晶片２Ａ及び水晶片２Ｂを同一の温度環境に配置しているため、水晶片２Ａ及び水晶片２Ｂ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、結果として水晶片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。更にこの実施形態による装置は、第１の実施例の装置と同様に圧電片に蓄積された静電荷をスイッチ操作で容易に除去する機構を備えており、静電荷による引力によって測定結果に誤差が出る現象を防止することができる。

［第３の実施形態］
第３の実施形態は、水晶片２に専用の除電用の電極を設け、常時水晶片２をアースに接続するものである。図１２に当該実施形態の一例を示す。

水晶片２上の、励振電極３１、４１及び可動電極５と離間した部分に除電専用の電極１９を設け、除電専用の電極１９は常時アースに接続しておく。除電専用の電極１９は励振電極３１、４１及び可動電極５から電気的に接続されていないので、装置が稼働している状態であっても、水晶片２上の静電荷そのもののみがアースへと放出されることになり、第１の実施形態および第２の実施形態で上述したスイッチ２１、２２を用いて水晶片２の静電荷をアースに放出する方法と同一の効果が得られる。また当該実施形態は、第１の実施形態の加速度検出装置及び第２の実施形態の加速度センサーにも応用可能である。この当該実施形態の利点は、スイッチをオンおよびオフする手段を必要とせずに簡便に蓄積された静電荷を放出でき、正確な測定を可能とすることにある。

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、重力の測定などにも適用することができる。

１ 容器
１１ 絶縁基板
２、２Ａ、２Ｂ 水晶片
１０ 導電性接着剤
１２〜１６ 導電路
１７ 発振回路
１８ 電源部
１９ 除電用電極
２１、２１Ａ、２１Ｂ スイッチ部
２２ スイッチ部
３１、３１Ａ、３１Ｂ 励振電極
４１、４１Ａ、４１Ｂ 励振電極
５、５Ａ、５Ｂ 可動電極
６ 固定電極
７ 突起部
１００ 周波数検出部
１０１ データ処理部

Claims (3)

1. 圧電片に作用する外力を検出する外力検出装置であって、
   一端側が基台に支持された片持ちの圧電片と、
   この圧電片を振動させるために、当該圧電片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、
   前記圧電片において前記一端側から離れた部位に設けられ、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、
   前記圧電片とは離間して、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、圧電片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、
   前記圧電片をアースに接続して、前記圧電片に発生した静電荷をアースに放出するための除電路、とを備え、
   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、圧電片に作用する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. 前記除電路を開閉するための除電用のスイッチを備えたことを特徴とする請求項１記載の外力検出装置。
3. 前記発振回路を電源部に接続するための電源投入用のスイッチを備え、
   前記除電用のスイッチは、前記電源投入用のスイッチがオフの時にオンとなり、オンの時にオフとなるように構成されていることを特徴とする請求項２記載の外力検出装置。

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