JP2015042995A - Oscillation detection apparatus - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、水晶振動子を用いて振動周期を検出する技術分野に関する。 The present invention relates to a technical field of detecting a vibration period using a crystal resonator.
物体に加わる振動の周期(周波数)を検出することが必要な場合がある。例えば地震発生時には速やかに警報を発することが必要である。地震の規模が大きい場合にはその振動周波数は0.5Hzから3Hz程度であり、生活振動により発生している振動よりは低いことから、振動周波数を検出できれば生活振動と区別できる。しかしながらこのような低周波を検出することは難しい。
特許文献1における静電容量の形成は水晶振動子の発振周波数を安定化させることが目的であり、本発明とは異なる。
It may be necessary to detect the period (frequency) of vibration applied to the object. For example, it is necessary to issue a warning promptly when an earthquake occurs. When the magnitude of the earthquake is large, the vibration frequency is about 0.5 Hz to 3 Hz, which is lower than the vibration generated by the life vibration, so that it can be distinguished from the life vibration if the vibration frequency can be detected. However, it is difficult to detect such a low frequency.
The formation of the capacitance in Patent Document 1 is intended to stabilize the oscillation frequency of the crystal resonator, and is different from the present invention.
本発明は、このような事情に基づいてなされたものであり、振動周期(振動周波数)を簡易に正確に検出することができる装置を提供することにある。 The present invention has been made based on such circumstances, and it is an object of the present invention to provide an apparatus capable of easily and accurately detecting a vibration cycle (vibration frequency).
本発明は、物体及び外力の振動の周期を検出する装置において、
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第1の励振電極及び第2の励振電極と、
第1の励振電極に電気的に接続された発振回路と、
容器内に設けられ、一端側が片持ち支持された板状部材と、
前記板状部材の他端側に設けられ、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、
前記容器内に、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、板状部材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、
発振回路から第1の励振電極、第2の励振電極、可動電極、固定電極を経て発振回路に戻る発振ループが形成され、
容器が振動することにより、板状部材が固定電極側に撓んで固定電極に接近した第1の状態と、板状部材が第1の状態よりも固定電極から離れた第2の状態と、が発生し、前記周波数情報は、第1の状態に対応する発振周波数と第2の状態に対応する発振周波数とが交互に現れることを利用して前記振動の周期を求めるために使用されることを特徴とする。
この発明の一態様としては、前記板状部材が、前記圧電板を兼ねている構成を挙げることができる。
The present invention relates to an apparatus for detecting the period of vibration of an object and an external force.
A piezoelectric plate;
In order to vibrate this piezoelectric plate, a first excitation electrode and a second excitation electrode respectively provided on one side and the other side of the piezoelectric plate;
An oscillation circuit electrically connected to the first excitation electrode;
A plate-like member provided in the container and cantilevered at one end;
A variable electrode forming movable electrode provided on the other end of the plate-like member and electrically connected to the second excitation electrode;
A fixed electrode provided in the container so as to face the movable electrode and connected to the oscillation circuit, and a capacitance between the movable electrode and the movable electrode is changed by bending of a plate-like member, thereby forming a variable capacitance. When,
A frequency information detection unit for detecting a signal that is frequency information corresponding to the oscillation frequency of the oscillation circuit;
An oscillation loop that returns from the oscillation circuit to the oscillation circuit through the first excitation electrode, the second excitation electrode, the movable electrode, and the fixed electrode is formed,
Due to the vibration of the container, the first state in which the plate-like member is bent toward the fixed electrode and approaches the fixed electrode, and the second state in which the plate-like member is further away from the fixed electrode than in the first state And the frequency information is used to determine the period of the vibration using the fact that the oscillation frequency corresponding to the first state and the oscillation frequency corresponding to the second state appear alternately. Features.
As one aspect of the present invention, a configuration in which the plate-like member also serves as the piezoelectric plate can be exemplified.
また他の態様としては、前記板状部材における前記可動電極が設けられている部位の厚さは、前記第1の励振電極と前記第2の励振電極とにより挟まれている部位の厚さよりも大きい構成、あるいは、
前記板状部材は、前記第1の励振電極と前記第2の励振電極とにより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構成を挙げることができる。
As another aspect, the thickness of the portion of the plate-like member where the movable electrode is provided is greater than the thickness of the portion sandwiched between the first excitation electrode and the second excitation electrode. Large configuration or
The plate-like member has a configuration in which the thickness of the portion between the part and the movable electrode is smaller than the thickness of the part sandwiched between the first excitation electrode and the second excitation electrode. be able to.
本発明は、容器が振動することにより、水晶板が固定電極側に撓んで固定電極に接近した第1の状態と、水晶板が第1の状態よりも固定電極から離れた第2の状態と、が発生し、第1の状態に対応する発振周波数と第2の状態に対応する発振周波数とが交互に現れる。このためこれら発振周波数の変化に基づいて振動の周期(周波数)を求めることができる。 The present invention includes a first state in which the quartz plate is bent toward the fixed electrode due to the vibration of the container and approaches the fixed electrode, and a second state in which the quartz plate is farther from the fixed electrode than in the first state. , And the oscillation frequency corresponding to the first state and the oscillation frequency corresponding to the second state appear alternately. For this reason, the period (frequency) of vibration can be obtained based on the change in the oscillation frequency.
〔第1の実施形態〕
本発明における第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容器であり、水晶からなる。容器1内である密閉空間には、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により水晶板2の一端側が固定されている。水晶板2は、AT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。従って水晶板2に交差する方向に力を加えることにより、先端部が撓む。水晶板2は、図2(a)に示すように上面の中央部に励振電極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と対向する部位に励振電極41が設けられている。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。
[First Embodiment]
A first embodiment of the present invention will be described. In FIG. 1, reference numeral 1 denotes a rectangular parallelepiped sealed container made of quartz. A
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22は、水晶板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の底部にコンベックス状の水晶からなる突起物7(平面図で見ると円形状である)が設けられ、固定電極6はこの突起物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。水晶板2は過大に触れて先端が容器1の底部に衝突すると、「へきかい」という現象により結晶の塊で欠けやすいという性質がある。このため水晶板2が過大に触れたときに可動電極5よりも水晶板2の基端側(一端側)の部位が突起物7に衝突するように突起物の形状が決定されている。
A strip-
Is provided. A projection 7 (convex in a plan view) made of a convex quartz crystal is provided at the bottom of the container 1, and the
固定電極6は、突起物7の表面及び絶縁基板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は振動検出装置の配線の接続状態を示し、図4は等価回路を示している。即ち、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。図4においてC0は水晶振動子の並列容量、C1はは水晶振動子の直列容量である。
The
水晶板2の先端部には錘を設けて、加速度が加わったときに撓み量が大きくなるようにしてもよい。この場合、可変電極5の厚さを大きくして錘を兼用してもよいし、水晶板2の下面側に可変電極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。
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。
A weight may be provided at the tip of the
Here, according to the international standard IEC 60122-1, the general formula of the crystal oscillation circuit is expressed as the following formula (1).
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。
FL = Fr × (1 + x)
x = (C1 / 2) × 1 / (C0 + CL) (1)
FL is an oscillation frequency when a load is applied to the crystal resonator, and Fr is a resonance frequency of the crystal resonator itself.
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。
In this embodiment, as shown in FIGS. 3 and 4, the load capacity of the
y=1/(1/Cv+1/CL) ……(2)
従ってCvがCv1のときの発振周波数をFL1、CvがCv2のときの発振周波数をFL2とすると、(3)、(4)式が成り立つ。
y = 1 / (1 / Cv + 1 / CL) (2)
Therefore, assuming that the oscillation frequency when Cv is Cv1 is FL1, and the oscillation frequency when Cv is Cv2 is FL2, equations (3) and (4) are established.
FL1=Fr×[1+{(C1/2)×1/(C0+y1)}] ……(3)
ただしy1=1/(1/Cv1+1/CL)である。
FL1 = Fr × [1 + {(C1 / 2) × 1 / (C0 + y1)}] (3)
However, y1 = 1 / (1 / Cv1 + 1 / CL).
FL2=Fr×[1+{(C1/2)×1/(C0+y2)}] ……(4)
ただしy2=1/(1/Cv2+1/CL)である。
FL2 = Fr × [1 + {(C1 / 2) × 1 / (C0 + y2)}] (4)
However, y2 = 1 / (1 / Cv2 + 1 / CL).
このような実施形態の振動検出装置は、振動が加わらない状態において水晶板2が撓まずに平坦であるとすると例えば水晶板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5(a)に示す第1の状態と、図5(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Cvの値を夫々Cv1及びCv2とすると、夫々の発振周波数FL1及びFL2は(3)、(4)式で表わされる値となるから、発振周波数はFL1及びFL2の間で図6のように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データ処理部101により解析することにより、図6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。
The vibration detection device of such an embodiment is installed so that the
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6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。
When the vibration detecting device vibrates due to the seismic wave, acceleration is applied to the
上述の第1の実施形態によれば、容器1に振動が加わると、その容器1に片持ち支持されている水晶板2が振動の慣性力により撓み、水晶板2が固定電極6側に撓んで固定電極6に接近した第1の状態と、水晶板2が第1の状態よりも固定電極6から離れた第2の状態と、が振動と同じ周期で交互に発生する。これら第1の状態と第2の状態との変化は可変容量の変化として捉えることができ、その可変容量の変化を水晶振動子の発振周波数の変化として検出することにより、その発振周波数の変化に基づいて振動の周期(周波数)を求めることができる。
According to the first embodiment described above, when vibration is applied to the container 1, the
〔第2の実施形態〕
第2の実施形態について図7を用いて説明する。なお本実施形態において、第1の実施形態と同様な構造については、同じ符号を付しその説明を省略する。第2の実施形態は、水晶板2の構造が第1の実施形態と異なる。水晶板2は、図7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21A、薄状部位22A、拡大部位23Aの3つの部位に区分されている。先ず電極形成部位21Aは、水晶板2の一端側に位置し、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22Aは、電極形成部位21Aよりも厚みが薄く撓み易く形成されており、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23Aは、電極形成部位21A及び薄状部位22A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23A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、錘の役割を果たしている。なおこの拡大部位23A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。
[Second Embodiment]
A second embodiment will be described with reference to FIG. In the present embodiment, the same structure as that of the first embodiment is denoted by the same reference numeral, and the description thereof is omitted. The second embodiment is different from the first embodiment in the structure of the
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2において、励振電極31、41に挟まれている電極形成部位21Aの厚さよりも薄状部位22Aの厚さを小さくすることにより、電極形成部位21A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。
According to the second embodiment described above, in addition to the effects of the first embodiment, in the
また拡大部位23Aは、電極形成部位21A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22Aの撓み量即ち拡大部位23Aの振動の振幅を大きくし、振動の加速度を検出し易くしている。電極形成部位21A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21Aの厚みを大きくするには限界がある。一方拡大部位23A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23Aは、電極形成部位21A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23Aは、電極形成部位21A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23Aの厚みが電極形成部位21A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。
Further, the
薄状部位22Aの厚さが電極形成部位21Aの厚さと同じであっても、拡大部位23Aの厚さが電極形成部位21Aの厚さよりも大きければ、拡大部位23Aにかかる振動の慣性力が増加するのに伴い、水晶板2の撓み量が増加するため、上述したように感度向上の効果を得ることができる。
Even if the thickness of the
〔第3の実施形態〕
本発明の第3の実施形態について図8を用いて説明する。第1の実施形態では水晶板2が可変容量を形成する感知レバーの役割と水晶振動子の役割とを兼ねていたが、本実施形態ではそれらの役割を別々の部材に分担している点が第1の実施形態と異なる。なお本実施形態において、第1の実施形態と同様な構造については、同じ符号を付しその説明を省略する。
[Third Embodiment]
A third embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. In the first embodiment, the
本実施形態における振動検出装置は、図8に示すように、絶縁基板13上に、内部に水晶振動子を備えた容器1B、内部に可変容量Cvが形成された容器1C、発振回路14が設けられている。
As shown in FIG. 8, the vibration detection apparatus in the present embodiment is provided with a container 1B having a crystal resonator inside, a container 1C having a variable capacitor Cv formed therein, and an
容器1B内には、その底部に固定された台座11Bを介して、水晶板2Bがその周縁部分において支持されている。この水晶板2Bの中央部の上面及び下面には夫々励振電極31、41が水晶板2Bを挟み込むように対向して設けられており、水晶振動子を形成している。励振電極31は、水晶板2Bの上面に設けられた引き出し電極32と台座11B及び絶縁基板13を介して配線された導電路とからなる導電路12Bを介して発振回路14の一端に接続されている。
In the container 1B, the
容器1C内には、その底部に固定された台座11Cを介して板状部材2Cがその基端部(一端部)において片持ち支持されており、その先端部(他端部)の下面側には可動電極5が設けられている。この可動電極5は、板状部材2Cの表面及び水晶板2Bの下面に夫々設けられた引き出し電極42、42と台座11C、絶縁基板13、台座11Bを介して配線された導電路とからなる導電路12Cを介して、容器1B内の励振電極41に接続されている。容器1Cの底部には、可動電極5に対向するように固定電極6が設けられており、可変容量Cvが形成されている。この固定電極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の一端に接続されている。このように本実施形態の振動検出装置には、水晶板2B、励振電極31、41により構成される水晶振動子、可動電極5及び固定電極6により形成された可変容量Cv、発振回路14、導電路12B、12C、15により、発振ループが形成されている。
In the container 1C, a plate-like member 2C is cantilevered at its base end (one end) via a
この振動検出装置に振動が加わると、板状部材2Cが撓むことにより可変容量Cvがその振動の周期に合わせて変動する。この可変容量Cvの変動を水晶振動子の発振周波数の変化として検出することで、振動の周期を測定することができる。 When vibration is applied to the vibration detector, the plate-like member 2C is bent, so that the variable capacitor Cv varies in accordance with the vibration cycle. By detecting the fluctuation of the variable capacitor Cv as a change in the oscillation frequency of the crystal resonator, the period of vibration can be measured.
本実施形態によれば、可動電極5と励振電極41との弾性的な結合を回避することができると共に、板状部材2Cとして圧電体以外のものを用いることができるため設計上の選択範囲が広がるという利点がある。
According to the present embodiment, it is possible to avoid elastic coupling between the
図9及び図10に本発明の変形例を記載しておく。
図9に示す振動センサーは、水晶板2の励振電極31、41を水晶板2の先端側に形成し、下面側の励振電極41と可動電極5とを兼用している。
図10に示す振動センサーは、水晶板2を含む水晶振動子として水晶板2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との間に水晶板2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。
図10に示す振動センサーは、水晶板2の下面側の可動電極5を上面側に回り込ませると共に、当該可動電極5に対向するように容器1の内部空間の内壁上面側に固定電極6を設けた構成としている。この場合においても同様の作用、効果が得られる。
9 and 10 show a modification of the present invention.
In the vibration sensor shown in FIG. 9, the
The vibration sensor shown in FIG. 10 employs a structure in which the upper surface and the lower surface of the
In the vibration sensor shown in FIG. 10, the
水晶板2の先端が容器1側に衝突するのを防止するためには、図11に示す構造であってもよい。この例では、水晶板2の可動電極5よりも基端部側に寄った位置に、平面的に見ると水晶板2と同じ幅の四角形をしているが、側面で見ると水晶板2に力が加わったときの撓み形状に対応するように上面曲面形状の突起物7が設けられている。また固定電極6は、突起物7とは分離された台座61に設けられている。
また本発明では、突起物6を設けた方が好ましいが、図12に示すように突起物7を設けない構成であってもよい。なお、図11、図12では励振電極などは省略している。
以上において本発明は、地震の振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。
In order to prevent the tip of the
Further, in the present invention, it is preferable to provide the
In the above, the present invention can be applied not only to the earthquake vibration but also to the case of detecting the period of vibration generated in a simulated manner. Further, for example, the present invention may be applied to a case where the period of vibration generated in the washing machine main body due to a rotating water flow including laundry when the washing machine is operated is detected.
1 容器
11 台座
14 発振回路
31、41 励振電極
2 水晶板
5 可動電極
6 固定電極
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1
Claims (2)
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第1の励振電極及び第2の励振電極と、
前記励振電極に電気的に接続された発振回路と、
前記圧電板とは別個に容器内に設けられ、一端側が片持ち支持された板状部材と、
前記板状部材の他端側に設けられた可変容量形成用の可動電極と、
前記容器内に、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、板状部材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、
発振回路、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含む発振ループが形成され、
前記板状部材に外力が加わることにより、板状部材が撓んで一の状態から他の状態に変化し、
前記可変容量は、この状態の変化を前記発振周波数の変化に変換するためのものであることを特徴とする外力検出装置。 A piezoelectric plate ;
In order to vibrate this piezoelectric plate, a first excitation electrode and a second excitation electrode respectively provided on one side and the other side of the piezoelectric plate;
An oscillation circuit that is electrically connected to the excitation electrode,
A plate-like member provided in the container separately from the piezoelectric plate and cantilevered at one end side;
And the movable electrode of the variable capacitance form provided et the other end side of the plate-like member,
A fixed electrode provided in the container so as to face the movable electrode and connected to the oscillation circuit, and a capacitance between the movable electrode and the movable electrode is changed by bending of a plate-like member, thereby forming a variable capacitance. When,
A frequency information detection unit for detecting a signal that is frequency information corresponding to the oscillation frequency of the oscillation circuit;
Oscillating circuit, the first excitation electrode, the second excitation electrode, the oscillation loop including the movable electrode and the fixed electrode is formed,
When an external force is applied to the plate-like member, the plate-like member bends and changes from one state to another state,
The variable capacitance is an external force detection device for converting a change in this state into a change in the oscillation frequency.
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Legal Events
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A02 | Decision of refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A02 Effective date: 20160308 |