JP2020176985A - 外力検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】解像度や測定範囲を変更することが可能な外力検出装置を提供する。【解決手段】外力検出装置１において、カンチレバー２は、弾性材料により構成され、上部側が支持された状態で、容器１０内を下方側へ伸びるように配置され、その下部側には可動電極４１が設けられる。固定電極４２は、可動電極４１に対向する位置に設けられ、カンチレバー２の撓みに応じて容量が変化し、発振部６０から出力される周波数信号の周波数を変化させる可変容量形成Ｃｖを形成する。容器保持部５は、カンチレバー２に作用する重力の方向を変化させることにより、その支持位置から見た可動電極４１と固定電極４２とのなす基準角度を変化させるために、容器１０を保持する角度を変化させる。【選択図】図１

Description

本発明は、カンチレバーに作用する外力の変化を検出する技術に関する。

加速度、圧力、重力などの外力を検出する外力検出装置として、容器内に固定配置された固定電極と、この容器内部に片持ち支持され、固定電極との対向面に可動電極が設けられた水晶片（カンチレバー）とを有するものが知られている（特許文献１参照）。水晶片を振動させた状態で外力検出装置に外力が作用すると、水晶片が撓んで可動電極の位置変化が生じ、固定電極と可動電極との間の静電容量が変化する。上記した外力検出装置では、このような外力に起因する静電容量の変化を周波数の変化として検出している。

一方、外力検出装置においては、検出する外力の種類や検出対象などに応じて、その分解能（単位周波数変化あたりに測定可能な外力の大きさ）や測定範囲について異なる仕様が要求される。この点、上述の外力検出装置は、予め設定された基準位置からの可動電極の位置の変化を周波数変化として検出する構成となっているため、このような仕様の違いに応じて基準位置における固定−可動電極間の距離（電極間隔）や水晶片の撓み特性の異なる外力検出装置を作り分ける必要がある。
特に、分解能を高くするためには、微小な外力変化でも撓みやすく、且つ、電極間隔を小さくする必要があり、わずかな外力で固定電極と可動電極とが接触してしまうなど、製造や輸送が難しい場合があった。

特開２０１５−１６９６１４号公報

本発明はこのような事情の下になされたものであり、解像度や測定範囲を変更することが可能な外力検出装置を提供する。

本発明に係る外力検出装置は、外力を検出する外力検出装置であって、
弾性材料により構成され、上部側が支持された状態で、容器内を下方側へ伸びるように配置されたカンチレバーと、
前記カンチレバーの一面側に設けられた可動電極と、
前記容器内の前記可動電極に対向する位置に設けられ、前記カンチレバーの撓みに応じて前記可動電極との間の容量が変化する可変容量を形成するための固定電極と、
前記可変容量に接続され、当該可変容量に対応した周波数信号を出力する発振部と、
前記容器を保持すると共に、前記カンチレバーに作用する重力の方向を変化させることにより、前記外力を検出する際の基準となる、前記カンチレバーの支持位置から見た、前記可動電極と前記固定電極とのなす基準角度を変化させるために、前記容器を保持する角度を変化させる角度調節部が設けられた容器保持部と、を備えたことを特徴とする。

上述の外力検出装置は、以下の構成を備えていてもよい。
（ａ）前記角度調節部により前記基準角度を大きくするに連れて、前記外力の単位変化量当たりの前記発振部から出力される周波数信号の周波数変化量が小さくなること。
（ｂ）前記容器内に設けられ、前記固定電極が下方側となるように前記容器を横倒しにしたとき、前記カンチレバーを下面側から保持するカンチレバー保持部を備えること。前記固定電極は前記カンチレバー保持部に設けられていること。前記カンチレバー及び前記カンチレバー保持部は、水晶により構成されていること。

本発明によれば、容器内を上部側から下方側へ伸びるように配置されたカンチレバーの支持位置から見た、可動電極と固定電極とのなす角度を変えることができるので、要求仕様に応じて解像度や測定範囲を変更することができる。

実施の形態に係る外力検出装置の構成図である。 前記外力検出装置に設けられるカンチレバーの平面図である。 前記カンチレバーを保持するカンチレバー保持部の平面図である。 前記外力検出装置の電気的構成を示す等価回路図である。 前記外力検出装置の作用図である。 前記カンチレバーが成す角度と、周波数変化量との関係を示す説明図である。 他の形態に係る外力検出装置の構成図である。

本発明の実施の形態にかかる外力検出装置１の構成について説明する。図１に示すように、外力検出装置１は直方体形状の密閉型の容器１０を備え、内部には乾燥窒素ガスが封入されている。容器１０は例えばはんだにより後述の容器保持部５に固定されている。なお容器１０としては必ずしも密閉容器に限定されるものではない。

容器１０内には、例えば当該容器１０の内側壁面に沿って、カンチレバー保持部３とカンチレバー２とが重ねて設けられている。なお図１においては、カンチレバー保持部３及びカンチレバー２について、高さ方向に対する厚さ方向の寸法比を厚さ方向に誇張して、実際よりも厚く記載してある。
図３に示すように、例えばカンチレバー保持部３は、水晶からなる上下方向に細長い板状の部材であり、容器１０の内側壁面に固定されている。

カンチレバー保持部３において、カンチレバー２に対向する面の下部領域側には、細長い帯状の固定電極４２が設けられている。固定電極４２は、例えばカンチレバー保持部３の下端側まで引き伸ばされ、カンチレバー２との対向面から外れた領域に形成された引き出し電極４２１を介して、後述する発振部６０の一端側に接続されている。
また、固定電極４２の形成領域の上方側には、カンチレバー２との接触面積を小さくしてカンチレバー保持部３とカンチレバー２の固着を防止するための凹部３１が形成されている。凹部３１はエッチングにより形成することができる。

図２（ａ）、（ｂ）に示すように、本例のカンチレバー２は、細長い短冊状の水晶により構成されている。水晶は弾性材料であり、曲げ方向に応力を加えると、カンチレバー２を撓んだ状態とすることができる。
本例のカンチレバー２は、水晶板をエッチングして、カンチレバー２となる領域の周囲をコの字状に除去して形成され、当該除去領域の外方には、細長い矩形状の枠体部２３が残されている。また、カンチレバー２の基端側は枠体部２３に接続された状態となっており、カンチレバー２は、当該基端側を上部側として、下方側へ向けて伸びるように配置される。

図１、図２（ｂ）に示すように、上記カンチレバー２において、カンチレバー保持部３に対向する面の下部領域側には、細長い帯状の可動電極４１が設けられている。可動電極４１は、引き出し電極４１１に接続されている。本例の引き出し電極４１１は、例えばカンチレバー２の側面を介してカンチレバー２の他面側へ引き出され、さらにカンチレバー２の上部側領域（後述の薄板部２１）を通って枠体部２３の上端側の辺に至るように設けられている（図２（ａ））。引き出し電極４１１は後述する発振部６０の他端側に接続されている。
さらに図２（ｂ）に示すように、カンチレバー２における、カンチレバー保持部３に対向する面の上部領域側には、水晶同士が接触して固着することを防止するための金属膜である保護膜２２が形成されている。

また、図１、図２（ａ）に示すように、本例のカンチレバー２には、可動電極４１が形成されている下部領域側の厚さ寸法よりも、上部領域側の厚さ寸法の方が薄い薄板部２１が形成されている。薄板部２１は、カンチレバー２の感度（カンチレバー２を単位量だけ撓ませるために必要な外力）を調節するために設けられ、引き出し電極４１１の形成面側からカンチレバー２をエッチングすることにより形成される。

以上に説明した構成を備えるカンチレバー保持部３及びカンチレバー２は、アルゴンイオンなどを用いて活性化させた水晶面同士を真空雰囲気下で張り合わせる、公知の常温接合法により接合される。より詳細には、固定電極４２が形成されたカンチレバー保持部３の一面と、カンチレバー２における可動電極４１の形成面に対応する、枠体部２３側の一面とが接合される。

発振部６０は、水晶振動子６１と、例えばコルピッツ回路により構成される発振回路６１とを備える。なお、水晶などの圧電体によりカンチレバー２を構成する場合には、カンチレバー２の両面に励振電極を設け、当該励振電極に挟まれた領域を水晶振動子６１として利用してもよい。一方で、カンチレバー２を水晶（圧電体）により構成することは必須ではなく、圧電特性を備えない樹脂製のカンチレバー２を用いてもよい。

図４は外力検出装置１の等価回路を示す。既述の可動電極４１と固定電極４２とにより構成される可変容量Ｃｖは発振回路６１に設けられた水晶振動子６１に対して例えば直列に接続されている。Ｌ１は水晶振動子６１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は発振回路の負荷容量である。この発振部６０から出力される周波数信号（周波数）は、例えば周波数検出部６３に接続され、周波数検出部６３で検出された周波数情報がデータ処理部６４に入力される。

上述のカンチレバー２に外力が働いて撓み、可変容量Ｃｖが変化すると、当該可変容量の変化は発振回路６２から出力される周波数の変化として取得される。そして、当該周波数の変化量と可動電極４１の位置の変化量との対応関係に基づき、カンチレバー２を撓ませる力の変化を検出することができる。

一方で図１に示すように、カンチレバー２を支持する枠体部２３はカンチレバー保持部３に接合され、当該カンチレバー保持部３は容器１０の内側壁面に沿って固定されている。また、カンチレバー２は上記枠体部２３に上部側を支持され、下方側へ伸びるように配置されるので、容器１０の内壁面が垂直方向を向いている状態では、固定電極４２と可動電極４１とが接触してしまい、可変容量Ｃｖを構成することができない。

そこで容器１０を保持する容器保持部５は、容器１０の傾きを変化させることが可能なように構成され、これにより固定電極４２と可動電極４１との間に隙間を形成して可変容量Ｃｖを形成する。
図１に示す例において、容器保持部５は容器１０を下面側から支持する保持台５２と、保持台５２を下方側から支持する基体５１と、これら保持台５２と基体５１と間に隙間を形成する角度調節ネジ５３ａ、５３ｂとを備え、前記隙間の高さを調節することにより、容器１０を保持する傾きを変化させる。保持台５２、基体５１、角度調節ネジ５３ａ、５３ｂは、本例の角度調節部に相当する。

容器１０の傾きを調節する手法の一例を挙げると、初めに平板からなる基体５１を重力方向に対して水平配置する。しかる後、図１に向かって左側の角度調節ネジ５３ａにより形成される隙間の高さの寸法に対して、右側の角度調節ネジ５３ｂにより形成される隙間の高さの寸法が相対的に短くなるように、各角度調節ネジ５３ａ、５３ｂを回す。この調節により、図５に示すように容器１０の側壁面の配置方向（同図中に破線で示すＺ軸方向）が、カンチレバー２側へ向けて角度θ’だけ傾けられる。なお、図５中に実線で示すＺ軸方向は、重力の作用方向に沿った垂直方向（矢印側が上）を示している。

一方、枠体部２３によって上部側が片持ち支持されたカンチレバー２には、下端部が垂直方向を向くように重力が作用する。この結果、カンチレバー２が重力方向を向くように撓み、固定電極４２から可動電極４１が離間して可変容量Ｃｖが形成される。このとき、カンチレバー２と枠体部２３との接続位置（カンチレバー２の支持位置）から見て、可動電極４１と固定電極４２との間には角度θが形成される。容器１０を傾ける角度θ’と、可動電極４１と固定電極４２とが成す角度θとの関係は、事前の予備実験などにより求めておけばよい。

上述のように容器保持部５は、容器１０の傾きを調節することにより、カンチレバー２の撓み量を変化させ、カンチレバー２の支持位置から見た可動電極４１と固定電極４２とのなす角度θを変化させることができる。一方で、弾性材料である水晶からなるカンチレバー２は、その撓み量が大きくなるほど、さらに撓みを大きくするために必要な力が増大する。
この性質を利用すると、前記角度θを調節することにより、例えば使用目的に応じて外力検出装置１の感度を変化させることができる。

図６は、上述したカンチレバー２の撓み量と、その撓み量をさらに大きくするために必要な力との関係に対応して決定される、角度θと発振回路６２から出力される周波数変化量との対応関係を示している。
当該図によると、角度θを大きくするに連れて、カンチレバー２に働く外力の単位変化量（カンチレバー２の撓み量の単位変化）当たりの発振部６０からの周波数変化量が小さくなっている。言い替えると、角度θが小さい領域では角度θの単位変化量あたりの周波数変化量が大きく、感度が高い。一方、角度θが大きい領域では角度θの単位変化あたりの周波数変化量が小さく、感度は低くなる。

そこで、例えば火山の山体膨張などの微小な外力の変化（重力が作用する方向の変化）を検出する場合には、角度θを小さく設定し、外力変化の測定を開始する。外力測定を開始する際の基準となる角度θは、本例の「基準角度」に相当する。
基準角度θの値を小さく設定することにより、外力検出装置１の感度を高くすることができる。一方、可動電極４１、固定電極４２は近接した位置に配置されるので測定範囲は狭くなるが、上述の例のような微小な外力変化の測定では、それほど幅広い測定範囲を必要としない場合もある。

これに対して、高層ビルに吹き付ける風の影響による揺れなど、上述の例と比較して大きな外力の変化を検出する場合には、基準角度θを大きく設定して外力変化の測定を開始する。
基準角度θの値を大きくすると、可動電極４１と固定電極４２とがより離れた状態となるので、幅広い測定範囲で測定を行うことができる。一方、外力検出装置の感度は低くなるが、上述の例のような測定では、過剰に微小な外力変化を検出しない方が好ましい場合もある。

本実施の形態に係る外力検出装置１によれば以下の効果がある。容器１０内を上部側から下方側へ伸びるように配置されたカンチレバー２の支持位置から見た、可動電極４１と固定電極４２とのなす角度θを変えることができるので、要求仕様に応じて解像度や測定範囲を変更することができる。

また、カンチレバー２とカンチレバー保持部３との間に隙間が形成されている場合には、搬送時の揺れなどの影響を受けてカンチレバー２が繰り返し撓み、カンチレバー保持部３と何度も衝突してしまうことにより、「劈開（へきかい）」と呼ばれる水晶の割れが発生する場合もある。
この点、図１に示す構成の外力検出装置１は、非使用時にはカンチレバー保持部３が下方側となるように横倒しにすれば、カンチレバー２とカンチレバー保持部３とが上下に重ねられ、カンチレバー２を安定した状態で保持することができる。この結果、カンチレバー保持部３との衝突などに起因する外力検出装置１の破損を防止することができる。

ここで容器保持部５を利用して基準角度θを調節する技術は、図１に示した構成の外力検出装置１に適用する場合に限定されるものではない。
図７に示すように、固定電極４２とカンチレバー２ａ（可動電極４１）とを別々の固定電極保持部４２２、カンチレバー保持部３ａにて保持してもよい。また、基準角度θが０°の状態で可動電極４１と固定電極４２とが接触している必要はない。既述の輸送時の破損の問題が小さい弾性材料を用いる場合などは、カンチレバー保持部３とカンチレバー２とを重ねあわせて設ける場合に替えて、これらの電極４１、４２の間に隙間が形成されていてもよい（図７）。

１ 外力検出装置
１０ 容器
２ カンチレバー
３ カンチレバー保持部
４１ 可動電極
４２ 固定電極
５ 容器保持部
６０ 発振部

Claims (5)

1. 外力を検出する外力検出装置であって、
   弾性材料により構成され、上部側が支持された状態で、容器内を下方側へ伸びるように配置されたカンチレバーと、
   前記カンチレバーの一面側に設けられた可動電極と、
   前記容器内の前記可動電極に対向する位置に設けられ、前記カンチレバーの撓みに応じて前記可動電極との間の容量が変化する可変容量を形成するための固定電極と、
   前記可変容量に接続され、当該可変容量に対応した周波数信号を出力する発振部と、
   前記容器を保持すると共に、前記カンチレバーに作用する重力の方向を変化させることにより、前記外力を検出する際の基準となる、前記カンチレバーの支持位置から見た、前記可動電極と前記固定電極とのなす基準角度を変化させるために、前記容器を保持する角度を変化させる角度調節部が設けられた容器保持部と、を備えたことを特徴とする外力検出装置。
2. 前記角度調節部により前記基準角度を大きくするに連れて、前記外力の単位変化量当たりの前記発振部から出力される周波数信号の周波数変化量が小さくなることを特徴とする請求項１に記載の外力検出装置。
3. 前記容器内に設けられ、前記固定電極が下方側となるように前記容器を横倒しにしたとき、前記カンチレバーを下面側から保持するカンチレバー保持部を備えることを特徴とする請求項１または２に記載の外力検出装置。
4. 前記固定電極は前記カンチレバー保持部に設けられていることを特徴とする請求項３に記載の外力検出装置。
5. 前記カンチレバー及び前記カンチレバー保持部は、水晶により構成されていることを特徴とする請求項３または４に記載の外力検出装置。

Images