JP2014032128A - 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が出来、かつ励振電極の質量に由来する応力による悪影響を排除することが出来る外力検出装置を提供すること。
【解決手段】容器１の内部に設けられた基台８に、導電性接着剤７で水晶片２の一端を接着する。基台８には導電性接着剤７に接触しないように励振電極４が備えられ、導電路１４を介して水晶片２の上面の引き出し電極５１へと接続され、引き出し電極５１は水晶片２の他端下部の可動電極５へと引き回される。一方容器１の内部上面かつ励振電極４の鉛直上方には励振電極３が設けられており、また容器１の内部下面かつ可動電極５の直下には固定電極６が備え付けられており、夫々発振回路１７へと接続されている。よって水晶片２上に電極は可動電極５及び引き出し電極５１のみが存在しており、励振電極は空間電極となっている。
【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でき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。具体的には、圧電片を片持ちで支持し、当該圧電片の撓み量を周波数の変化に変換し、この周波数の変化を計測する方法である。当該方法によれば、周波数の変化を高精度で計測することが可能である。

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と、この圧力センサ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、これら圧力センサの可変容量と水晶振動子とを並列に接続し、圧力センサ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。

また圧電振動子が片持ち支持された装置において、特許文献３には圧電振動子の撓み方向においてそれと対向する装置の内壁に段差を設けることにより先端部の内壁への衝突を回避する技術が記載されており、特許文献４には圧電振動子の撓み方向に対向するように枕部材を設けることにより先端部の振動を規制する技術が記載されている。
これら特許文献１〜４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） 特開２００３−１３３８８３号公報 特開平１１−１１２２６９号公報

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、
一端側が支持部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対向する部材に設けられた第１の励振電極及び第２の励振電極と、
前記第１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、前記第２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、を備え、
前記発振回路から第１の励振電極、第２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ることを利用している。そして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、この変化に基づいて外力を評価している。このため外力（外力の大きさや振動の周期等）を高精度に簡易な方法で検出できる。また励振電極を圧電板と対向する部位に設け、圧電板の撓みに伴って励振電極が撓むことに基づく周波数誤差のおそれもないため、高精度に周波数の変化を捉えることができる。

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の実施形態に用いられる水晶片の下面を示す平面図である。 前記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。 第１の実施形態において、水晶片が外力によって撓む様子を図示した説明図である。 第１の実施形態における発明の効果を図示したグラフである。 第１の実施形態における加速度検出装置の変形例を示す縦断側面図である。 第２の実施形態における加速度検出装置の要部を示す縦断側面図である。 第２の実施形態の変形例における加速度検出装置の要部を示す縦断側面図である。 本発明における水晶片の形状の例を図示した図である。 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、例えば内部に不活性ガスである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３２とこの下部分３２に周辺部にて接合される上部分３１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１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７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おり、台座部８は水晶片２の一端を支持する支持部に相当する。

図１に示す加速度検出装置について、向かって左を後方、右を前方とすると、台座部８は容器１の後端に設けられている。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。従って水晶片の面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。そして水晶片２は台座部８の上面に、水晶片２の長さ方向に沿って、接着部同士が互いに離間するように導電性接着剤７により例えば２箇所接着されている。

水晶片２は、図２に示すように、前端部の下面に可動電極５が設けられ、可動電極５からは引き出し電極５１が水晶片２の基端部（台座部８）側へと引き出され、導電性接着剤７による接着部まで延伸される（図２以外では引き出し電極５１は図示せず）。

水晶片２に対して、図１で示すように、台座部８の上面には導電性接着剤７による前後の接着部位の間に、水晶片２を励振させるための励振電極４が設けられており、水晶片２の上面と対向する容器１の上部分３１の内面には励振電極３が設けられている。励振電極３および４は、水晶片２を挟んで互いに対向する位置に配置される。これらの励振電極３及び４は、いわば水晶片２に対して空間電極として存在している。

一方の励振電極３は導電路１３を介して発振回路１７に接続され、他方の励振電極４は、上述したとおり導電路１４及び引き出し電極５１を介して先端部の可動電極５と電気的に接続される。

一方容器１の底面には、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９が設けられている。この突起部９は平面図でみると四角形である。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から、可動電極５は検出用電極ということもできる。

固定電極６はこの突起部９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９に衝突するように突起部９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９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１２の一端に接続され、導電路１２の他端は発振回路１７に接続されている。発振回路１７は導電路１６を介して電源部１８に接続されている。

図３に加速度センサの配線の接続状態を示し、図４に具体的な回路を示す。図４において、Ｄ１は可変容量ダイオード、Ｃ１〜Ｃ４はコンデンサ、Ｌ１はインダクタ、Ｒ１〜Ｒ３は抵抗、ＴＲ１はトランジスタである。図３及び図４において、前記可動電極５と固定電極６との間に介在する可変容量をＣｖとする。

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に示すように、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）
ここで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。

次に上述実施形態の作用について説明する。
加速度測定装置について、地震の発生、あるいは模擬的な振動などを加えると、水晶片２が図５の点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とおくと、水晶片２に外力が加わって、当該水晶片２が撓んだ状態では両電極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１７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、直線関係を得ている。従って前記周波数の差分を測定することにより加速度を求めることが可能である。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。

ここで、励振電極が水晶片上にある加速度センサを比較例とし、本実施形態の加速度センサについて、ともに経時的に観測を続け、時間の経過により検出周波数が発振周波数の理想値とどの程度のずれを生じるか測定した結果を図６に示す。

図６において直線が本実施形態、点線が比較例のグラフであり、横軸は時間、縦軸は発振周波数の理想値に対する検出周波数の偏差である。このグラフから、双方の例ともに時間と共に発振周波数の理想値に対する検出周波数の偏差が増大していくが、本実施形態では、発振周波数の理想値に対する検出周波数の偏差が増大していく様子が、比較例に比して緩やかであることが認められる。この測定の結果から、励振電極部を水晶片２と対向する位置に設けることにより、比較例の水晶振動子において、水晶片２の撓みに伴って励振電極が撓むことに基づいて生じていた測定誤差が、抑えられたものと推測できる。

ここで、水晶振動子のＦｒは８０．００００２９Ｈｚ、Ｃ１は０．００１７ｐＦ、Ｃ０は３．４ｐＦ、Ｒ１は８．２Ωであった。

なお、励振電極３、４と水晶片２との間の距離は、例えば１０μｍ程度に調整することにより、水晶振動子の発振が容易になる。しかし、距離を近づけすぎると静電気が発生し、可動電極５が固定電極６などの容器内壁に接触するおそれがある。このため、励振電極３、４と水晶片２との間は適度な距離を置くことが求められる。

また、第１の実施形態の変形例として、図７に示したように、容器１の上面全体を導電体で形成し、この導電体を励振電極３として用いることもできる。あるいは図１において、容器１の上半分３１を導電体で形成してもよい。

［第２の実施形態］
次に第２の実施形態について図８を参照しながら説明する。この第２の実施形態は、第１の実施形態の基台８にあたる部分について、上面には、内部すなわち図右側へと下る段が付いており、上方の段に励振電極４が埋め込まれると共に、水晶片２が上段側に片持ち支持される。基台８の下段において、水晶片２の下面側は基台８に接着剤７１により接着されている。よって、水晶片２は接着剤７１により接着された部分を基点に撓む。また、励振電極４及び可動電極５は引き出し電極５１により電気的に接続されている。容器１の上部分３１の内面には励振電極３が設けられ、励振電極３および４は、水晶片２を挟んで互いに対向する位置に設けられる。

第２の実施形態によれば、接着剤７１により基台８に接着された基点を境に、水晶片２が、励振電極３、４により励振される部分と、水晶片２に外力が加わり撓む部分とに完全に分離される。よって励振電極３、４が水晶片２に及ぼす外力は、水晶片２の撓みの大きさに影響を与えず、結果として周波数の検出精度が上昇する。

なお、当該実施形態の変形例として、図９に示すように、水晶片２の上面と、容器１の内部上面を接着剤７１で接着する形態が挙げられる。この変形例においても、接着剤７１により容器１に接着された基点を境に、水晶片２が、励振電極３及び４に励振される部分と、外力が加わり撓む部分とに完全に分離されるので、励振電極３、４が水晶片２に及ぼす外力は、水晶片２の撓みの大きさに影響を与えず、結果として周波数の検出精度が上昇する。

これらの実施形態の応用として、ある程度の厚みを有した、例えばガラスやセラミックス製の容器１内に、一端に可動電極５を有した水晶片２を他端で支持し、励振電極３及び４、並びに固定電極６を容器１外壁に設ける形態を挙げることができる。このように各電極を設けることで、さらに水晶片２に対する外力の影響が低減されるものと考えられる。

図１０において、（ａ）〜（ｄ）は短冊状の水晶片の両面側をエッチング加工して形成した水晶片２の形状の例、（ｅ）〜（ｇ）は短冊状の水晶片の片面側をエッチング加工して形成した水晶片２の形状の例である。図１０は、理解のために寸法等を実際の比から変化させて描いたものである。いずれの例も、励振電極側と稼働電極側の中間部分が細くなっている。これは、水晶片２の感度を増大させるためである。

また、上述してきた実施形態において、可動電極５が固定電極６などの容器内壁に接触することを防止するため、可動電極５に電荷を与えるための電極を可動電極５近傍に設けてもよい。この電極から可動電極５に電荷を与えることにより、測定前に水晶片２が撓んでいた場合、この水晶片２の変形を調整することも可能である。

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１の実施形態における外力検出装置と同様なため、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、水晶片２が揺れて例えば図１１（ａ）に示す第１の状態と、図１１（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、発振周波数を夫々ＦＬ３及びＦＬ４とすると、発振周波数は図１３のようにＦＬ３とＦＬ４の間で時間と共に変化する。従って周波数検出部１００にて検出された周波数データを解析することにより、図１２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が振動の周期に対応し、発振周波数変化の振幅即ち発振周波数ＦＬ３及びＦＬ４の差分値が振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。

以上において本発明は、加速度検出器への適用及び地震波の検出のほか、磁力の測定、被測定物の傾斜の度合いの測定、液体の流量の測定、風力の測定、重力の測定などにも適用することができる。

１ 容器
２ 水晶片
３ 励振電極
４ 励振電極
５ 可動電極
６ 固定電極
７ 導電性接着剤
８ 基台
１７ 発振回路
１８ 電源部

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、
   一端側が支持部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対向する部材に設けられた第１の励振電極及び第２の励振電極と、
   前記第１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、前記第２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、を備え、
   前記発振回路から第１の励振電極、第２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. 基台が内部に設けられ、圧電片を収納するための容器を備え、
   前記第１の励振電極及び第２の励振電極のうちの一方及び他方は、夫々基台及び前記容器の内面部に設けられていることを特徴とする請求項１に記載の外力検出装置。
3. 前記圧電片の一端側は、前記支持部に接着剤により固定され、
   前記第１の励振電極及び第２の励振電極は、前記圧電片における前記接着剤よりも一端寄りの部位を介して対向していることを特徴とする請求項１または２のいずれか一項に記載の外力検出装置。

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