JP2015166679A - External force detection apparatus - Google Patents

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和博 廣田
Kazuhiro Hirota
和博 廣田
光明 小山
Mitsuaki Koyama
光明 小山
武藤 猛
Takeshi Muto
猛 武藤
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To accurately and easily detect an external force applied to a piezoelectric piece and to suppress influences of electrostatic charge charged in the piezoelectric piece.SOLUTION: A crystal piece 2 being a piezoelectric piece is cantilevered in the inside of a container 1. A tip end part of the underside of the crystal piece 2 is provided with a movable electrode 21, and a fixed electrode 22 is provided at a position facing the movable electrode 21. The movable electrode 21 and the fixed electrode 22 are connected to an oscillation circuit 41, and detects as a change in a frequency, a change in capacitance between the movable electrode 21 and the fixed electrode 22 due to warp caused by external force given to the crystal piece 2. Each of the container 1 and the crystal piece 2 is composed of a crystal having a volume resistivity lower than that of an ordinary crystal, and the movement of the electric charge is made easy. The container 1 is connected to the earth, and discharges an electrostatic charge accumulated in the crystal piece 2 by the influences of an electrostatic field and the like to the outside of a detector.

Description

本発明は、水晶片を用い、水晶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、例えば加速度、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外力検出装置に関する。   The present invention uses a quartz piece and detects the external force such as acceleration, pressure, fluid flow velocity, magnetic force or electrostatic force by detecting the magnitude of the external force acting on the quartz piece based on the oscillation frequency. Relates to the device.

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への要請がある。例えば自動車を開発する段階においては、自動車が物体に衝突したときに座席における衝撃力の測定が行われ、地震発生時においては、振動エネルギーや振幅を調査するためにできるだけ精密に揺れの加速度等を計測する必要がある。   The external force acting on the system includes force acting on an object based on acceleration, pressure, flow velocity, magnetic force, electrostatic force, etc., and there is a demand for accurately measuring these external forces. For example, at the stage of developing a car, the impact force at the seat is measured when the car collides with an object, and in the event of an earthquake, the acceleration of the shake is as precise as possible to investigate vibration energy and amplitude. It is necessary to measure.

そこで本発明者は、水晶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外力検出装置について検討している。具体的には容器内において、水晶片を片持ちで支持するときに水晶片の撓み量を水晶片の先端側の電極と容器側の電極との間の容量の変化を介して発振回路の周波数の変化として捉え、この周波数の変化を計測する装置である。当該装置によれば、周波数の変化を高精度で計測することが可能である。   In view of this, the present inventor is examining an external force detection device that measures an external force with high accuracy by using a change in capacitance based on the bending when an external force is applied to the crystal piece. Specifically, when the quartz crystal piece is cantilevered in the container, the amount of bending of the quartz crystal piece is determined by changing the capacitance between the tip side electrode and the container side electrode of the quartz crystal piece. This is a device that measures this frequency change. According to the apparatus, it is possible to measure a change in frequency with high accuracy.

しかしながら、開発過程において、例えば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、容器に発生する静電力に水晶片が引き寄せられて貼り付いてしまうことがある。特に水晶片を用いた外力検出装置においては、容器と水晶片の双方において鏡面加工した場合には、後から除電しても両者が離れない場合が多い。更にまた水晶片が容器に貼り付かない場合においても静電力によって水晶片が撓むことにより測定誤差となる。本発明者は上述の原理を用いた外力検出装置として水晶片を両持ちで支持するタイプについても検討しているが、この場合には水晶片が静電力により撓むおそれがある。   However, in the development process, for example, in an environment where static electricity is likely to occur, such as during winter drying, the crystal piece may be attracted and stuck to the electrostatic force generated in the container. In particular, in an external force detection device using a crystal piece, when both the container and the crystal piece are mirror-finished, they often do not separate even if the charge is removed later. Furthermore, even when the crystal piece is not attached to the container, a measurement error occurs due to the crystal piece being bent by the electrostatic force. The present inventor has also studied a type in which a crystal piece is supported by both ends as an external force detection device using the above-described principle. In this case, the crystal piece may be bent by an electrostatic force.

特許文献1においては、水晶片に除電路を接続し、外力検出装置の本体のスイッチと当該除電路のスイッチとを連動させることにより水晶片上の不要な電荷を除電路を経由して放出する外力検出装置が開示されている。しかし本発明とは原理が全く異なる。   In Patent Document 1, an external force that discharges unnecessary charges on a crystal piece via the static elimination path by connecting the static elimination path to the crystal piece and interlocking the switch of the main body of the external force detection device with the switch of the static elimination path. A detection device is disclosed. However, the principle is completely different from the present invention.

特開2013−124928号JP2013-124928A

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、容器内に支持された水晶片が外力により変形することを利用し、前記変形を周波数信号の変化として検出して外力を検出する外力検出装置において、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。   The present invention has been made under such a background, and an object of the present invention is to utilize the fact that a crystal piece supported in a container is deformed by an external force, and to detect the deformation as a change in a frequency signal and to detect the external force. An external force detection device for detecting the external force detection device that can eliminate the adverse effects of static electricity.

本発明の外力検出装置は、
容器内に支持された水晶片が外力により変形することを利用し、前記変形を周波数信号の変化として検出して外力を検出する外力検出装置であって、
前記水晶片及び容器のうち少なくとも一方を、体積抵抗率が10〜1013Ωcmの不純物入り水晶により構成したことを特徴とする。
The external force detection device of the present invention is
An external force detection device that detects the external force by detecting the deformation as a change in the frequency signal, utilizing the fact that the crystal piece supported in the container is deformed by an external force,
At least one of the crystal piece and the container is made of an impurity-containing crystal having a volume resistivity of 10 9 to 10 13 Ωcm.

本発明は、容器内に支持された水晶片が外力により変形することを利用し、前記変形を周波数信号の変化として検出して外力を検出する外力検出装置において、水晶片及び容器のうち少なくとも一方を不純物入りの水晶として構成して程よく導電性を持たせたため、発振ロスの低下を抑えながら、静電気による悪影響を排除することができる。   The present invention utilizes the fact that a crystal piece supported in a container is deformed by an external force, and detects an external force by detecting the deformation as a change in a frequency signal, and at least one of the crystal piece and the container. As a crystal containing impurities, the conductivity is moderately high, so that adverse effects due to static electricity can be eliminated while suppressing a decrease in oscillation loss.

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。It is a vertical side view which shows the principal part of 1st Embodiment which applied the external force detection apparatus which concerns on this invention as an acceleration detection apparatus. 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。It is a block diagram which shows the circuit structure of the said acceleration detection apparatus. 前記加速度検出装置の等価回路図である。It is an equivalent circuit diagram of the acceleration detection device. 前記加速度検出装置の水晶片の撓む様子を示した概略図である。It is the schematic which showed a mode that the crystal piece of the said acceleration detection apparatus bent. 第2の実施形態に係る加速度検出装置の要部を示す縦断側面図である。It is a vertical side view which shows the principal part of the acceleration detection apparatus which concerns on 2nd Embodiment. 第3の実施形態に係る加速度検出装置の要部を示す縦断側面図である。It is a vertical side view which shows the principal part of the acceleration detection apparatus which concerns on 3rd Embodiment. 第4の実施形態に係る音叉型ジャイロセンサの斜視図及び横断面図である。It is the perspective view and transverse cross section of the tuning fork type gyro sensor which concern on 4th Embodiment. 本発明の実施形態に係る外力検出装置について行った実験結果を示した表である。It is the table | surface which showed the experimental result performed about the external force detection apparatus which concerns on embodiment of this invention.

[第1の実施形態]
本発明の外力検出装置を加速度検出装置に適用した第1の実施形態について、図1及び図2を用いて説明する。図1中、1は直方体形状の密閉型の絶縁材例えば水晶からなる容器であり、内部に不活性ガスである例えば窒素ガスが封入されている。容器1は、底部の外部の四隅に夫々ターミナルランド13を配置した状態で配線基板9上に設けられる。容器1は水晶片2を支持する支持部18を有する本体部12、及び本体部12に周縁部にて接合されている蓋体11からなる。
[First Embodiment]
A first embodiment in which an external force detection device of the present invention is applied to an acceleration detection device will be described with reference to FIGS. 1 and 2. In FIG. 1, reference numeral 1 denotes a rectangular parallelepiped sealed insulating material, for example, a container made of quartz, and an inert gas such as nitrogen gas is enclosed therein. The container 1 is provided on the wiring board 9 in a state where the terminal lands 13 are arranged at the four corners outside the bottom. The container 1 includes a main body portion 12 having a support portion 18 that supports the crystal piece 2, and a lid body 11 joined to the main body portion 12 at a peripheral edge portion.

容器1内部の支持部18には、導電性接着剤23により水晶片2の一端が片持ち支持されている。水晶片2の他端の下面側には可動電極21が形成されており、可動電極21からは引き出し電極24が水晶片2の他端部を回りこみ水晶片2の上面側へと引き出され、導電性接着剤23による接着部位まで延伸されている。導電性接着剤23による接着部位からは導電路16が支持部18内部及びターミナルランド13の一つを貫通し、配線基板9内を介して、水晶発振子3と発振回路41とからなる発振部5の入力端まで延伸されている。   One end of the crystal piece 2 is cantilevered by the conductive adhesive 23 on the support portion 18 inside the container 1. A movable electrode 21 is formed on the lower surface side of the other end of the crystal piece 2, and an extraction electrode 24 extends around the other end portion of the crystal piece 2 from the movable electrode 21 and is extracted to the upper surface side of the crystal piece 2. It is extended to the adhesion site by the conductive adhesive 23. The conductive path 16 passes through the inside of the support portion 18 and one of the terminal lands 13 from the portion bonded by the conductive adhesive 23, and the oscillation portion including the crystal oscillator 3 and the oscillation circuit 41 through the wiring substrate 9. 5 is extended to the input end.

容器1内部の可動電極21に対向する部位には固定電極22が設けられている。固定電極22からは導電路15が本体部12及びターミナルランド13の別の一つを貫通し、配線基板9内を介して発振部5の入力端まで延伸されている。発振部5の後段は周波数測定部101へと接続され、周波数測定部101の後段はデータ処理部102へと接続されている。
ターミナルランド13の更に別の一つには、容器1を接地するための導電路17の一端が接続され、他端はアースに接続されている。
A fixed electrode 22 is provided at a portion facing the movable electrode 21 inside the container 1. From the fixed electrode 22, the conductive path 15 passes through another one of the main body 12 and the terminal land 13 and extends to the input end of the oscillating unit 5 through the wiring substrate 9. The subsequent stage of the oscillating unit 5 is connected to the frequency measuring unit 101, and the subsequent stage of the frequency measuring unit 101 is connected to the data processing unit 102.
One further end of the conductive path 17 for grounding the container 1 is connected to another one of the terminal lands 13 and the other end is connected to the ground.

水晶片2としてATカットの水晶片を用いる場合、寸法としては例えばX軸方向の長さ寸法が20mm、Z軸方向の長さ寸法(幅寸法)が2mm、厚みが0.021mmであり、固有周波数としては例えば1MHz以上、一例としては78MHzである。これらの寸法等は所望の感度によって適宜選定される。   When an AT-cut crystal piece is used as the crystal piece 2, for example, the length dimension in the X-axis direction is 20 mm, the length dimension (width dimension) in the Z-axis direction is 2 mm, and the thickness is 0.021 mm. The frequency is, for example, 1 MHz or more, and an example is 78 MHz. These dimensions and the like are appropriately selected depending on the desired sensitivity.

天然水晶、人工水晶は、体積抵抗率が1019Ωcmであるが、この例における容器1及び水晶片2を構成する水晶は、通常の外力検出装置に用いられる水晶より体積抵抗率を減少させた組成を有する。本実施形態において容器1及び水晶片2について、好ましい体積抵抗率は10〜1013Ωcmの範囲である。体積抵抗率が10以下であると、水晶片2の弾性的な性質が損なわれるおそれがあり、体積抵抗率が1013以上であると、容器1及び水晶片2が焦電性を帯びるおそれがあるからである。 Natural quartz and artificial quartz have a volume resistivity of 10 19 Ωcm, but the quartz constituting the container 1 and the quartz piece 2 in this example has a reduced volume resistivity compared to the quartz used in a normal external force detection device. Having a composition. In the present embodiment, the container 1 and the crystal piece 2 have a preferable volume resistivity in the range of 10 9 to 10 13 Ωcm. If the volume resistivity is 10 9 or less, the elastic properties of the crystal piece 2 may be impaired, and if the volume resistivity is 10 13 or more, the container 1 and the crystal piece 2 may be pyroelectric. Because there is.

また、高周波電流の発振ロスを好ましくは低減させる観点、及び静電荷を短時間(例えば0.1秒以内、好ましくは1ミリ秒以内)にアースへと移動させる観点を考慮に入れると、容器1及び水晶片2の体積抵抗率は1011〜1013Ωcmの範囲内であることがより好ましい。 Further, considering the viewpoint of preferably reducing the oscillation loss of the high-frequency current and the viewpoint of moving the electrostatic charge to the ground in a short time (for example, within 0.1 seconds, preferably within 1 millisecond), the container 1 The volume resistivity of the crystal piece 2 is more preferably in the range of 10 11 to 10 13 Ωcm.

このように体積抵抗率が低い水晶は、導電性材料を不純物として添加することにより得られる。具体的な製造法としては、例えばオートクレーブ内の溶融した水晶の溶液中に金属、例えば鉄を添加し、当該金属を含んだ人工水晶を育成する方法がある。また、水晶片に対しイオン注入装置により金属等のイオンをドープしてもよい。これらの場合において、水晶内に取り込む物質としては、水晶中に自由電子あるいはホール(正孔)を発生させる物質が選択される。また、水晶ウエハに対して還元処理を行って酸素原子を除去してもよい。   Thus, a crystal having a low volume resistivity can be obtained by adding a conductive material as an impurity. As a specific manufacturing method, for example, there is a method in which a metal such as iron is added to a molten crystal solution in an autoclave to grow an artificial crystal containing the metal. Moreover, you may dope metal ions etc. with respect to a crystal piece with an ion implantation apparatus. In these cases, a substance that generates free electrons or holes in the quartz is selected as the substance to be taken into the quartz. Further, a reduction treatment may be performed on the quartz wafer to remove oxygen atoms.

図3に当該加速度検出装置の等価回路図を示す。図2及び図3において、Cvは可動電極21と固定電極22との間に形成される可変容量であり、C0は電極間容量を含む実効並列容量、C1は直列容量、L1は水晶振動子3の質量に対応する直列インダクタンス、R1は直列抵抗、CLは発振回路41の負荷容量を示している。   FIG. 3 shows an equivalent circuit diagram of the acceleration detection device. 2 and 3, Cv is a variable capacitance formed between the movable electrode 21 and the fixed electrode 22, C0 is an effective parallel capacitance including the capacitance between electrodes, C1 is a series capacitance, and L1 is a crystal resonator 3. , R1 is a series resistance, and CL is a load capacity of the oscillation circuit 41.

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)式にて表される。
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。
本実施形態においては、図3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の代替として(2)式にて表されるyが代入される。
y=1/(1/Cv+1/CL) ……(2)
Here, according to the international standard IEC 60122-1, the general formula of the crystal oscillation circuit is expressed by the following formula (1).
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.
In the present embodiment, as shown in FIG. 3, the load capacity of the crystal piece 2 is obtained by adding Cv to CL. Therefore, y represented by equation (2) is substituted as an alternative to CL in equation (1).
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へと変化して、これにより可変容量CvがCv1からCv2へと変化したとすると、周波数の変化dFLは、次式(3)にて表される。
dFL=FL1−FL2=A×CL×(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。
Therefore, if the bending amount of the crystal piece 2 changes from the state 1 to the state 2 and thereby the variable capacitor Cv changes from Cv1 to Cv2, the frequency change dFL is expressed by the following equation (3). The
dFL = FL1-FL2 = A × CL 2 × (Cv2-Cv1) / (B × C) ... (3)
here,
A = C1 × Fr / 2
B = C0 × CL + (C0 + CL) × Cv1
C = C0 × CL + (C0 + CL) × Cv2
It is.

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の可動電極21と固定電極22との間の離間距離を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、次式(4)が成立する。
Cv1=S×ε/d1
Cv2=S×ε/d2 ……(4)
ここで、Sは可動電極21と固定電極22との対向領域の面積、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。
In addition, when the acceleration is not applied to the crystal piece 2, the distance between the movable electrode 21 and the fixed electrode 22 in the reference state is d 1, and the distance when the acceleration is applied to the crystal piece 2. Is d2, the following equation (4) is established.
Cv1 = S × ε / d1
Cv2 = S × ε / d2 (4)
Here, S is the area of the opposing region of the movable electrode 21 and the fixed electrode 22, and ε is the relative dielectric constant.
Since d1 is known, it can be seen that dFL and d2 are in a correspondence relationship.

次に上述実施例の作用について説明する。
加速度検出装置において、地震の発生、あるいは模擬的な振動等を加えると、水晶片2が図4の点線にて示すように撓む。既述のように水晶片2に外力が加わらない基準状態にあるときの可動電極21と固定電極22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が撓んだ状態においては両電極21、22間の距離が変化するので、容量がCv1から変化する。このため発振回路41から出力される発振周波数が変化する。
Next, the operation of the above embodiment will be described.
In the acceleration detection device, when an earthquake occurs or a simulated vibration is applied, the crystal piece 2 bends as shown by a dotted line in FIG. As described above, when the capacitance between the movable electrode 21 and the fixed electrode 22 in the reference state where no external force is applied to the crystal piece 2 is Cv1, the external force is applied to the crystal piece 2 and the crystal piece 2 Since the distance between the electrodes 21 and 22 changes in a state where the electrode is bent, the capacitance changes from Cv1. For this reason, the oscillation frequency output from the oscillation circuit 41 changes.

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測定部101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は上述の(3)式にて表される。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。ここで、FL1の値はある温度、例えば25℃を基準温度と定め、その基準温度における周波数の値である。   When the frequency detected by the frequency measuring unit 101, which is the frequency information detection unit, is FL1, and the frequency when vibration (acceleration) is applied is FL2, the frequency difference FL1-FL2 is the above-described (3). It is expressed by a formula. The present inventor calculates the frequency change rate when the state is changed from the state 1 to the state 2 from the frequency difference FL1-FL2, and examines the relationship between the frequency change rate {(FL1-FL2) / FL1} and the acceleration. To obtain a linear relationship. Therefore, it is possible to determine the acceleration by measuring the frequency difference. Here, the value of FL1 is a frequency value at a certain temperature, for example, 25 ° C. is defined as the reference temperature.

また、本実施形態の加速度検出装置においては、容器1及び水晶片2として通常の体積抵抗率を有した水晶を用いると、冬期乾燥時等の静電界の発生しやすい環境下において、容器1または水晶片2上に静電荷が蓄積される。静電荷が蓄積された状態下で測定を実行すると、測定結果の誤差の要因となる。特に容器1または水晶片2に蓄積された電荷の量が特に大きい場合においては、水晶片2と本体部12とが接触して短絡したり、あるいは反対に水晶片2が容器1の蓋体11に密着して短絡したりし、結果として測定が行えなくなる。   Further, in the acceleration detecting device of the present embodiment, when a quartz crystal having a normal volume resistivity is used as the container 1 and the crystal piece 2, the container 1 or the An electrostatic charge is accumulated on the crystal piece 2. If measurement is performed in a state where static charge is accumulated, it causes a measurement result error. In particular, when the amount of electric charge accumulated in the container 1 or the crystal piece 2 is particularly large, the crystal piece 2 and the main body 12 come into contact with each other to cause a short circuit, or conversely, the crystal piece 2 is the lid 11 of the container 1. As a result, the measurement cannot be performed.

そこで前述のように体積抵抗率を低下させた水晶を容器1及び水晶片2の材料として用いることにより、容器1及び水晶片2に対して、測定に影響を及ぼす静電荷を外力検出装置外に放出するために十分な導電性を与えることができる。そして、容器1を導電路17を介して接地しているので、外力検出装置周辺に静電界が発生し、外力検出装置内部に静電荷が蓄積した場合であっても、静電荷を外部に放出することにより、加速度等に基づいた外力の大きさを安定して検出することが可能となる。   Therefore, by using the crystal having a reduced volume resistivity as the material of the container 1 and the crystal piece 2 as described above, the electrostatic charge that affects the measurement to the container 1 and the crystal piece 2 is outside the external force detection device. Sufficient conductivity can be provided for release. Since the container 1 is grounded via the conductive path 17, even when an electrostatic field is generated around the external force detection device and the electrostatic charge is accumulated inside the external force detection device, the electrostatic charge is released to the outside. By doing so, it becomes possible to stably detect the magnitude of the external force based on the acceleration or the like.

ここで、上述の加速度検出装置は、メーカにより製造されてユーザに出荷され、加速度の測定場所に配置されるが、容器1及び水晶片2として、既述のように通常の水晶よりも体積抵抗率の小さい不純物入り水晶を用いているため、冬季乾燥時期などにおいても、静電荷の蓄積が抑えられる。このため例えば何らかの衝撃が装置に加わって水晶片2が振れたとしても、水晶片2が容器1の内壁に張り付くおそれはない。また加速度の測定中に水晶片2が静電力により撓む懸念もない。更に発振部5から可動電極21、固定電極22を介して高周波電流が流れるが、容器1及び水晶片2は、導電性があるとはいっても、程よく絶縁性を保っているため、高周波電流のロスが抑えられている。
以上のように上述実施の形態によれば、水晶片の撓みを周波数信号の変化として検出して加速度を検出するにあたり、発振ロスの低下を抑えながら、静電気による悪影響を排除することができる効果がある。
Here, the acceleration detection device described above is manufactured by a manufacturer, shipped to the user, and arranged at a place where acceleration is measured. As described above, the volume resistance of the container 1 and the crystal piece 2 is larger than that of a normal crystal. Since the crystal containing impurities with a low rate is used, the accumulation of static charge can be suppressed even in the winter dry season. Therefore, for example, even if some impact is applied to the apparatus and the crystal piece 2 is shaken, there is no possibility that the crystal piece 2 sticks to the inner wall of the container 1. Further, there is no concern that the crystal piece 2 is bent by an electrostatic force during measurement of acceleration. Further, a high-frequency current flows from the oscillating unit 5 through the movable electrode 21 and the fixed electrode 22. However, although the container 1 and the crystal piece 2 are electrically conductive, the high-frequency current is moderately maintained. Loss is suppressed.
As described above, according to the above-described embodiment, when detecting the bending of the crystal piece as a change in the frequency signal and detecting the acceleration, it is possible to eliminate an adverse effect due to static electricity while suppressing a decrease in oscillation loss. is there.

上述の実施形態においては、容器1及び水晶片2の両方について、体積抵抗率を低下させた水晶を用いることとしてきたが、本発明においては、容器1と水晶片2の少なくとも一方を体積抵抗率を低下させた水晶にて構成すればよい。
また、容器1が体積抵抗率を低下させた水晶にて構成されているとは、容器1全体が体積抵抗率を低下させた水晶にて構成される場合に限らず、水晶片2に静電力を及ぼす部位が体積抵抗率を低下させた水晶にて構成されていれば、本発明に相当する。
In the above-described embodiment, the crystal having a reduced volume resistivity is used for both the container 1 and the crystal piece 2. However, in the present invention, at least one of the container 1 and the crystal piece 2 is a volume resistivity. What is necessary is just to comprise with the crystal | crystallization which lowered | hung.
Further, the fact that the container 1 is made of a crystal having a reduced volume resistivity is not limited to the case where the container 1 is entirely made of a crystal having a reduced volume resistivity, but an electrostatic force is applied to the crystal piece 2. If the part which exerts is made of quartz having a reduced volume resistivity, it corresponds to the present invention.

[第2の実施形態]
第2の実施形態に係る加速度検出装置について図5を参照しながら第1の実施形態との差異を中心として説明する。第1の実施形態と同一の部位については、同一の符号を付し説明を省略する。
本実施形態においては、水晶片2の上面側の中央に励振電極31が設けられ、当該励振電極31からは引き出し電極33が導電性接着剤23による支持部18との接着部まで延伸されている。一方水晶片2の下面側の励振電極31と対向する位置には励振電極32が設けられ、当該励振電極32は可動電極21と引き出し電極34により電気的に接続されている。
[Second Embodiment]
The acceleration detection apparatus according to the second embodiment will be described with a focus on differences from the first embodiment with reference to FIG. About the same site | part as 1st Embodiment, the same code | symbol is attached | subjected and description is abbreviate | omitted.
In the present embodiment, an excitation electrode 31 is provided at the center on the upper surface side of the crystal piece 2, and the extraction electrode 33 extends from the excitation electrode 31 to a bonding portion with the support portion 18 by the conductive adhesive 23. . On the other hand, an excitation electrode 32 is provided at a position facing the excitation electrode 31 on the lower surface side of the crystal piece 2, and the excitation electrode 32 is electrically connected by the movable electrode 21 and the extraction electrode 34.

導電性接着剤23による接着部位からは導電路16が第1の実施形態と同様に延伸され、基板9上の発振回路41に接続される。一方、固定電極22からは導電路15が第1の実施形態と同様に延伸され、基板上の発振回路41に接続される。また、容器1は導電路17を介して接地される。本実施形態は、第1の実施形態における水晶振動子3を水晶片2上に設けた形態である。   The conductive path 16 is extended from the part bonded by the conductive adhesive 23 as in the first embodiment, and is connected to the oscillation circuit 41 on the substrate 9. On the other hand, the conductive path 15 extends from the fixed electrode 22 as in the first embodiment, and is connected to the oscillation circuit 41 on the substrate. Further, the container 1 is grounded via the conductive path 17. In the present embodiment, the crystal resonator 3 in the first embodiment is provided on a crystal piece 2.

[第3の実施形態]
第3の実施形態に係る加速度検出装置の要部について図6を参照しながら第2の実施形態との差異を中心として説明する。第1の実施形態と同一の部位については、同一の符号を付し説明を省略する。
第3の実施形態の加速度検出装置と第1の実施形態との間において相違する点は、水晶片2が支持部18a及び18bにおいて、夫々導電性接着剤23a、23bによって両持ちにて支持されている点である。また、可動電極21は水晶片2の上面の中央に設けられ、固定電極22は容器1内部の可動電極21と相対する部位に設けられる。
[Third Embodiment]
The main part of the acceleration detection apparatus according to the third embodiment will be described with a focus on differences from the second embodiment with reference to FIG. About the same site | part as 1st Embodiment, the same code | symbol is attached | subjected and description is abbreviate | omitted.
The difference between the acceleration detecting device of the third embodiment and the first embodiment is that the crystal piece 2 is supported in both ends by the conductive adhesives 23a and 23b in the support portions 18a and 18b, respectively. It is a point. The movable electrode 21 is provided at the center of the upper surface of the crystal piece 2, and the fixed electrode 22 is provided at a portion facing the movable electrode 21 inside the container 1.

本実施形態においても、装置に対して加速度が加わり可動電極21と固定電極22との間の距離が変化する。よって可動電極21と固定電極22との間の静電容量が変化し、装置の発振回路から出力される発振周波数の変化を測定することにより、装置に加わる圧力の変化を検出することができる。   Also in this embodiment, acceleration is applied to the apparatus, and the distance between the movable electrode 21 and the fixed electrode 22 changes. Therefore, the capacitance between the movable electrode 21 and the fixed electrode 22 changes, and the change in the pressure applied to the device can be detected by measuring the change in the oscillation frequency output from the oscillation circuit of the device.

また、上述してきた各実施形態においては、圧力の変化を装置の発振周波数の変化として検出するものとしてきたが、本発明はこれに限られず、加速度検出装置に対する振動の周期を検出する場合も含まれる。この場合は、加速度検出装置に対する振動によって水晶片2が振動し、当該水晶片2の振動により、加速度検出装置から出力される発振周波数が周期的に変化する。この周期を検出することにより、加速度検出装置に加わる振動の周期を検出する。
また、発振素子として水晶振動子を用いるものとしてきたが、これに限られず、インダクタとコンデンサとからなる共振回路を用いてもよい。
Further, in each of the embodiments described above, the change in pressure is detected as a change in the oscillation frequency of the device. However, the present invention is not limited to this, and includes a case where the period of vibration with respect to the acceleration detection device is detected. It is. In this case, the crystal piece 2 vibrates due to the vibration with respect to the acceleration detection device, and the oscillation frequency output from the acceleration detection device periodically changes due to the vibration of the crystal piece 2. By detecting this period, the period of vibration applied to the acceleration detection device is detected.
Further, although the crystal resonator is used as the oscillation element, the present invention is not limited to this, and a resonance circuit including an inductor and a capacitor may be used.

[第4の実施形態]
図7に本発明の低抵抗化させた水晶を、音叉型ジャイロセンサ6に応用した例を示す。図7において音叉型ジャイロセンサ6は本体が上述した低抵抗化された水晶からなり、本体部62及び本体部62から延伸される直方体状の振動腕61a及び61bを有する。各振動腕61a及び61bは、振動腕61a及び61bの振動を感知する圧電素子63を有し、また、圧電素子63と対向する面には電極65a、65bを備え、当該電極65a、65bは接地されている。さらに、各振動腕61a及び61bにおいて、圧電素子63及び電極65a、65bを有する面と直交する面には、励振電極64aの組及び64bの組が設けられている。
[Fourth Embodiment]
FIG. 7 shows an example in which the low resistance crystal of the present invention is applied to the tuning fork type gyro sensor 6. In FIG. 7, the tuning fork type gyro sensor 6 has a main body made of the above-described low-resistance crystal, and includes a main body 62 and rectangular parallelepiped vibrating arms 61 a and 61 b extending from the main body 62. Each of the vibrating arms 61a and 61b has a piezoelectric element 63 that senses the vibration of the vibrating arms 61a and 61b, and includes electrodes 65a and 65b on a surface facing the piezoelectric element 63, and the electrodes 65a and 65b are grounded. Has been. Further, in each of the vibrating arms 61a and 61b, a set of excitation electrodes 64a and a set of 64b are provided on a plane orthogonal to the plane having the piezoelectric element 63 and the electrodes 65a and 65b.

圧電素子63は振動検出器(図示せず)に接続され、振動検出器は検出装置に接続されている。また、励振電極64a及び64bは発振回路(図示せず)に接続されており、互いに逆属性となるように構成されている。   The piezoelectric element 63 is connected to a vibration detector (not shown), and the vibration detector is connected to a detection device. The excitation electrodes 64a and 64b are connected to an oscillation circuit (not shown) and are configured to have opposite attributes.

当該音叉型ジャイロセンサ6の作用について簡単に説明する。発振回路から励振電極64a、64bに逆極性の電圧が交互に印加され、振動腕61a、61bが図6のX軸方向(励振電極64a、64bが相対する方向)に屈曲振動する。この振動している振動腕61a、61bに対してY軸方向に回転が加わると、屈曲振動に直交する方向にコリオリの力が働き、振動腕61a、61bがZ軸方向に、互いに逆の方向に振動する。当該振動を圧電素子63にて検出し、圧電素子63からの検出信号は振動検出器を介して検出装置に送信される。この検出信号を処理することにより、音叉型ジャイロセンサ6に対する回転の角速度を得ることができる。   The operation of the tuning fork type gyro sensor 6 will be briefly described. A reverse polarity voltage is alternately applied from the oscillation circuit to the excitation electrodes 64a and 64b, and the vibrating arms 61a and 61b bend and vibrate in the X-axis direction of FIG. 6 (the direction in which the excitation electrodes 64a and 64b face each other). When rotation is applied to the vibrating arms 61a and 61b in the Y-axis direction, Coriolis force acts in a direction orthogonal to the bending vibration, and the vibrating arms 61a and 61b are in directions opposite to each other in the Z-axis direction. Vibrate. The vibration is detected by the piezoelectric element 63, and a detection signal from the piezoelectric element 63 is transmitted to the detection device via the vibration detector. By processing this detection signal, the angular velocity of rotation with respect to the tuning fork type gyro sensor 6 can be obtained.

本実施形態においても、低抵抗化した水晶をジャイロセンサ6の本体として用いることにより、静電界によりジャイロセンサ6本体に蓄積される静電荷をジャイロセンサ6外部へと放出することができ、角速度の測定を精密に行うことができる。   Also in this embodiment, by using a crystal having a low resistance as the main body of the gyro sensor 6, the electrostatic charge accumulated in the main body of the gyro sensor 6 can be discharged to the outside of the gyro sensor 6 by an electrostatic field, and the angular velocity The measurement can be performed precisely.

上述してきた実施形態において、容器1、水晶片2、及びジャイロセンサ6の材質として、低抵抗化させた水晶を用いているが、不純物を含有させるなどして、上述の体積抵抗率の範囲内であるように体積抵抗率を調整することができれば、これらの材質は水晶に限られない。例としては、セラミックス、ガラス、シリコン等が挙げられる。   In the embodiment described above, the crystal having reduced resistance is used as the material of the container 1, the crystal piece 2, and the gyro sensor 6, but it is within the above-mentioned volume resistivity range by containing impurities. As long as the volume resistivity can be adjusted as described above, these materials are not limited to quartz. Examples include ceramics, glass, silicon and the like.

第1の実施形態と同様の構造を有する4種類の外力検出装置について、実験を行った。先ず容器についての体積抵抗率が異なる4種類の容器及び水晶片からなる外力検出装置を用意した。ここで、4種類の外力検出装置は、同一の特性を有する水晶振動子を内蔵する発振回路に接続されている。また、水晶片の特性は同一であり、可動電極及び固定電極の面積は一定であり、静電容量Cvの初期値も同一である。   An experiment was performed on four types of external force detection devices having the same structure as that of the first embodiment. First, an external force detection device comprising four types of containers having different volume resistivity and a crystal piece was prepared. Here, the four types of external force detection devices are connected to an oscillation circuit containing a crystal resonator having the same characteristics. Further, the characteristics of the crystal pieces are the same, the areas of the movable electrode and the fixed electrode are constant, and the initial value of the capacitance Cv is also the same.

4種類の外力検出装置について、容器の体積抵抗率は以下の通りである。
A:1×1010Ωcm
B:1×1011Ωcm
C:1×1013Ωcm
D:1×1015Ωcm
また、発振回路に内蔵されている水晶振動子の公称周波数Fnは30MHz、共振周波数Fsは29.981743MHzである。
これらの外力検出装置について、先ず除電器により除電した後発振周波数FL1を測定し、続いて革布を用いて電荷を発生させた後、再び発振周波数FL2を測定した。周波数測定法にはIEC 60444−1にて定義されたπ回路法を用いた。
For the four types of external force detection devices, the volume resistivity of the container is as follows.
A: 1 × 10 10 Ωcm
B: 1 × 10 11 Ωcm
C: 1 × 10 13 Ωcm
D: 1 × 10 15 Ωcm
In addition, the nominal frequency Fn of the crystal resonator incorporated in the oscillation circuit is 30 MHz, and the resonance frequency Fs is 29.981743 MHz.
With respect to these external force detection devices, the oscillation frequency FL1 was first measured after neutralizing with a static eliminator, and then the oscillation frequency FL2 was measured again after generating a charge using a leather cloth. For the frequency measurement method, the π circuit method defined in IEC 60444-1 was used.

実験結果を図8に示す。π回路法においては、公称周波数に対する1ppm以下の誤差は保証できないため、外力検出装置A、B及びCの測定値の差分FL1−FL2については誤差内ということができる。一方、外力検出装置Dについては、FL2が水晶振動子の共振周波数Fsと同一であるため、内部で短絡が発生しているものと考えられる。よって外力検出装置について、容器の体積抵抗率を1×1013以下に低下させることにより、外力検出装置の内部における静電荷の蓄積を抑止し、測定を高精度に行えることが示された。 The experimental results are shown in FIG. In the π circuit method, an error of 1 ppm or less with respect to the nominal frequency cannot be guaranteed, so the difference FL1-FL2 of the measured values of the external force detection devices A, B, and C can be said to be within the error. On the other hand, regarding the external force detection device D, since FL2 is the same as the resonance frequency Fs of the crystal resonator, it is considered that a short circuit has occurred inside. Therefore, it was shown that by reducing the volume resistivity of the container to 1 × 10 13 or less for the external force detection device, accumulation of electrostatic charges inside the external force detection device is suppressed, and measurement can be performed with high accuracy.

1 容器
2 水晶片
21 可動電極
22 固定電極
3 水晶振動子
41 発振回路
5 水晶発振回路
9 配線基板
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Container 2 Crystal piece 21 Movable electrode 22 Fixed electrode 3 Crystal oscillator 41 Oscillation circuit 5 Crystal oscillation circuit 9 Wiring board

Claims (7)

容器内に支持された水晶片が外力により変形することを利用し、前記変形を周波数信号の変化として検出して外力を検出する外力検出装置において、
前記水晶片及び容器のうち少なくとも一方を、体積抵抗率が10〜1013Ωcmの不純物入り水晶により構成したことを特徴とする外力検出装置。
In the external force detection device that detects the external force by detecting the deformation as a change in the frequency signal using the fact that the crystal piece supported in the container is deformed by the external force,
At least one of the crystal piece and the container is constituted by an impurity-containing crystal having a volume resistivity of 10 9 to 10 13 Ωcm.
前記不純物入り水晶の体積抵抗率は、1011〜1013Ωcmであることを特徴とする請求項1記載の外力検出装置。 The external force detection device according to claim 1, wherein the volume resistivity of the crystal with impurities is 10 11 to 10 13 Ωcm. 前記不純物入り水晶は、前記水晶片に用いられ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。   The external force detection device according to claim 1, wherein the crystal containing impurities is used for the crystal piece. 前記不純物入り水晶の不純物は金属であることを特徴とする請求項1ないし3のいずれか一項に記載の外力検出装置。   The external force detection device according to any one of claims 1 to 3, wherein the impurity of the crystal containing impurities is a metal. 前記水晶片の一面側に第1の電極が設けられ、
前記第1の電極に対向するように前記容器側に設けられ、前記水晶片の撓みにより前記第1の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第2の電極と、
前記可変容量に接続された、発振素子部を含む発振回路と、を備え、
前記可変容量の変化に基づく発振回路の発振周波数の変化により外力を検出する請求項1ないし4のいずれか一項に記載の外力検出装置。
A first electrode is provided on one side of the crystal piece;
A second electrode which is provided on the container side so as to face the first electrode, and a capacitance between the first electrode is changed by bending of the crystal piece, thereby forming a variable capacitance;
An oscillation circuit including an oscillation element connected to the variable capacitor, and
The external force detection device according to claim 1, wherein an external force is detected by a change in an oscillation frequency of an oscillation circuit based on the change in the variable capacitance.
前記水晶片は前記容器に一端側が片持ちで支持され、
前記第1の電極は前記水晶片の他端側に設けられていることを特徴とする請求項5に記載の外力検出装置。
The crystal piece is supported by the container in a cantilevered one end side,
The external force detection device according to claim 5, wherein the first electrode is provided on the other end side of the crystal piece.
前記水晶片は、外力検出装置としてジャイロセンサに用いられる音叉型の水晶片であることを特徴とする請求項1ないし4のいずれか一項に記載の外力検出装置。   5. The external force detection device according to claim 1, wherein the crystal piece is a tuning-fork type crystal piece used for a gyro sensor as an external force detection device.
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