JP5912511B2 - 外力検出装置及び外力検出センサー - Google Patents
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Description
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。
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は本発明とは原理が全く異なる。
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、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。
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を挙げることができる。この構成においては、第1の組及び第2の組に対して発振回路を共通化することもでき、この場合、第1の組の発振ループと第2の組の発振ループとが交互に形成されるように、発振回路とループとの間に切替えスイッチ部を設ければよい。
前記参照用圧電片の両面に一方の励振電極及び他方の励振電極を夫々設けると共に、この参照用圧電片を発振させるために一方の励振電極及び他方の励振電極を発振回路に接続し、
前記周波数情報検出部は、検出用圧電片に対応する発振周波数と参照用圧電片に対応する発振周波数との差分に応じた信号を求める構成を挙げることができる。この場合、検出用圧電片と参照用圧電片とは共通化されていてもよい。
結晶軸が互に異なるとは、例えばX軸の伸びる方向は同じであるが、X軸の正負が逆になる場合、例えばATカットの水晶とDTカットの水晶とが接合されている場合などを挙げることができる。またX軸の伸びる方向が互に異なっていてもよい。
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に設けられ、発振回路に電気的に接続される一方の励振電極と、
前記圧電片の他面側に設けられた他方の励振電極と、
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、を備えたことを特徴とする。
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は加速度検出装置のセンサー部分である外力検出センサーに相当する加速度センサーを示す図であり、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とこの下部分に周縁部にて接合される上部分とから構成されている。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、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11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2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。
即ち、前記突起部7は水晶片2が過剰に撓んだときに当該水晶片2よりも一端側に寄った部が接触し、これにより水晶片2の当該部位の撓みを規制することで、水晶片2の先端部が容器1の内壁部に衝突することを避ける役割を持っている。
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。
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。
ここで、
A=C1×Fr/2
B=C0×CL+(C0+CL)×Cv1
C=C0×CL+(C0+CL)×Cv2
である。
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。
そしてこのような構成の加速度センサーを例えば横揺れ検出用の加速度センサーと縦揺れ検出用の加速度センサーとを用い、前者は水晶片2が垂直になるように設置され、後者は水晶片2が水平になるように設置される。
また本発明では、突起部6を設けた方が好ましいが、図7に示すように突起部7を設けない構成であってもよい。なお、図6、図7では励振電極などは省略している。
[第2の実施形態]
次に本発明を加速度センサーに適用した第2の実施形態について図8〜図14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14の組を2組設けた点が第1の実施の形態と異なる。301は容器1の下側を構成する、基台をなす下部分であり、302は容器1の上側をなす蓋体をなす上部分である。水晶片2及び発振回路14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。図8では、一方側の水晶片2が示されており、側面から見た図としては図1と同じである。図8の圧力センサーの内部を平面的に見ると、図9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。
水晶片2A(2B)の撓み量(水晶片が一直線に伸びている状態と撓んでいるときとの先端部分の高さレベルの差分)と周波数の変化量との関係の一例を挙げておくと、例えば水晶片2の先端が10−5 μmオーダで変化すると、発振周波数が70MHzの場合、周波数の変化分は0.65ppbである。従って極めて小さな外力例えば加速度をも正確に検出できる。
図15〜図18に本発明の変形例を記載しておく。
図15に示す加速度センサーは、水晶片2の励振電極31、41を水晶片2の先端側に形成し、下面側の励振電極41が可動電極5を兼用している。
図16に示す加速度センサーは、水晶片2を含む水晶振動子として第2の実施形態に用いた水晶片2A(2B)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との間に水晶片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15〜図18に記載した変形例は、後述の第3の実施の形態以降の構成に対する変形例として適用してもよいことは勿論である。
本発明の第3の実施形態は、水晶振動子を2個用いるという点では第2の実施の形態と同じであるが、一方の水晶振動子については、可変容量を介さずに水晶片2の両面の励振電極31、41と発振回路との間で発振ループを形成するように構成している。即ち第2の実施の形態(図9参照)にて用いている水晶片2Bの下方側には、固定電極6を設けない構成にすると共に、水晶片2Bの他方の励振電極41から水晶片2Bの一端側(基端側)に引き出し電極を引き回し、この引き出し電極に第2の発振回路14Bを電気的に接続する構成とする。
第2の実施の形態との比較で説明すると、可動電極5に相当する金属膜を残したまま当該金属膜を錘として使用してもよい。
従って両者の変化率の差分である、
{(f2−f1)/f1}−{(f2´−f1´)/f1´}の値は、環境温度の変化による水晶振動子の変化分がキャンセルされることになる。このためこの変化率の差分値と加速度との値との関係を予め求めておき、周波数周波数検出部102により変化率の差分値を求め、データ処理部101にて変化率の差分値から加速度の大きさを求めることにより加速度を高い精度で測定できることになる。
第1の水晶片2Aを含む水晶振動子及び第2の水晶片2Bを含む水晶振動子を用いる実施形態においては、図20に示すようにこれら水晶振動子に対して発振回路14を共通化し、一方の水晶振動子と他方の水晶振動子とをスイッチ部15により発振回路14に交互に接続して発振ループを形成するようにしてもよい。この場合には、第1の水晶片2Aに係る発振周波数と第2の水晶片2Bに係る発振周波数とが時分割で周波数検出部102に取り込まれる。スイッチ部15の切り替えのタイミングについては例えば100msごとに発振ループを切り替えるように設定することができる。切り替えたときの初期の時間は発振が安定しないため、安定した後の周波数を周波数検出部102にて検出するようにパラメータを設定する。
このようにいわばフレーム付きの水晶片2A、2Bを作成した場合、例えばこれら3枚を重ねるだけで特に加圧しなくても水晶同士が密着するが、加圧してもよい。この場合、例えば一方の水晶片2Aのみについて先端部の下方側に固定電極6を設け、電気的配線については図19に示すように構成することができる。
第4の実施の形態は、水晶片2において励振電極31、41が設けられる部位と可動電極5が設けられる部位との結晶軸が異なるように構成し、水晶片2を双晶としたものである。このような構成の一例としては、励振電極31、41が設けられる部位をATカットの水晶片により構成し、可動電極5が設けられる部位をDTカットの水晶片により構成する例を挙げることができる。ATカットの水晶とDTカットの水晶とは、正負を無視した場合においてX軸の伸びる方向は同じであるが、X軸の正負が180度逆になっている。つまりX軸の正の方向が互に逆向きになっている。なお、DTカットの水晶とは、X軸の伸びる方向が性格にDTカットの場合と同じではなく、DTカットに近似した方向の場合も含む意味として、この用語を使用している。
第5の実施の形態は、第2の実施形態及び第3の実施形態の変形例として図21に示した構造の更なる変形例ということができる。図27(上面図)及び図28(下面図)に示す構造体は、第5の実施形態に用いられる水晶片2を示している。この構造体において図21に示した水晶板20と異なる点は、第1の水晶片2A及び第2の水晶片2Bを共通化した構造、言い換えると1枚の水晶片2に、励振電極31A及び可動電極5Aを含む第1の組と、励振電極31B及び可動電極5Bを含む組とを設けた構造ということができる。図27では、可動電極5A、5Bは水晶片2の下面側に形成されているが、図の理解を容易にするために可動電極5A、5Bを上面側にも形成して錘としての役割を持たせた構造として示している。図27においては、水晶片2が1枚であることから、発振ループの組を区別するためにA、Bの符号を付け足している。
図29は第6の実施形態に用いられる水晶板20の構造を示している。この例では、図27に示した水晶板20において、第2の組のダミー電極である可動電極5Bを無くし、第1の組の可動電極5Aを水晶片2の幅方向の中央部に位置させている。水晶片2の幅方向の中心線についてみると、可動電極5Aが左右(幅方向を左右方向としている)に等分されたレイアウトになるように配置されており、従って水晶片2の左右のバランスが良く、水晶片2が撓んだときに姿勢の捩れがなく、撓み量に対する可変容量の変化分が安定している。
この実施の形態は、水晶片2において、水晶振動子としての役割を持つ部位と外力により撓みを発生させる部位との間を、基台に相当する容器1の下部分に設けた支持部である支持部材により支持する例である。即ち、水晶片2におけるこの支持部による支持部位は、励振電極31、41が設けられている部位と可動電極5が設けられている部位との間である。そして外力が水晶片2に加わったときに水晶片2の撓みの程度が大きくなるように、つまり高い感度が得られるようにするために、前記支持部位から水晶片2の先端までの距離を大きく確保することが好ましい。
振動部位の周波数の変化は再現性に欠けることから、上述のように支持部8を設ける構造とすることにより、より一層正確に水晶片2の撓みに対応する周波数変化を得ることができる。
磁力を測定する場合の構成例について述べる。水晶片2における可動電極5と励振電極41との間の部位に磁性体の膜を形成し、磁場に当該磁性体が位置すると水晶片2が撓むように構成する。
また被測定物の傾斜の度合いの測定については、水晶片2あるいは2A、2Bを支持している基台を予め種々の角度に傾け、各傾斜角度ごとに周波数情報を得ておき、当該基台を被測定面に設置したときの周波数情報から傾斜角度を検出することができる。
更にまた気体や液体などの流体中に水晶片2を晒し、水晶片の撓み量に応じて周波数情報を介して流速を検出することができる。この場合、水晶片2の厚さは流速の測定範囲などにより決定される。更にまた本発明は重力を測定する場合にも適用できる。
11 台座
12 導電路
14、14A、14B 発振回路
15 スイッチ部
2 水晶片
20 水晶板
21 空間
22 枠部
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 (9)
- 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、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。 - 前記可変容量形成用の可動電極は、前記圧電片の他端側に設けられたことを特徴とする請求項1記載の外力検出装置。
- 前記圧電片、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、
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ものであ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。 - 前記圧電片を検出用圧電片と呼ぶとすると、共通の容器内に検出用圧電片と参照用圧電片とを設け、
前記参照用圧電片の両面に一方の励振電極及び他方の励振電極を夫々設けると共に、この参照用圧電片を発振させるために一方の励振電極及び他方の励振電極を発振回路に接続し、
前記周波数情報検出部は、検出用圧電片に対応する発振周波数と参照用圧電片に対応する発振周波数との差分に応じた信号を求めるものであ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。 - 前記検出用圧電片と参照用圧電片とは共通化されていることを特徴とする請求項4記載の外力検出装置。
- 前記圧電片は水晶片であり、励振電極が設けられている部位の結晶軸と可動電極が設けられている部位の結晶軸とが互に異なることをことを特徴とする請求項1ないし5のいずれか一項に記載の外力検出装置。
- 前記圧電片に外力が加わったときに励振電極が設けられている部位が撓むのを防止するために、前記圧電片の下面側における励振電極と可動電極との間の部位を支持する支持部を前記基台に設けたことを特徴とする請求項1ないし6のいずれか一項に記載の外力検出装置。
- 前記支持部の先端と圧電片とは互いに固定されていることを特徴とする請求項7に記載の外力検出装置。
- 圧電片に作用する外力を圧電片の発振周波数に基づいて検出するための外力検出センサーであって、
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に設けられ、発振回路に電気的に接続される一方の励振電極と、
前記圧電片の他面側に設けられた他方の励振電極と、
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し、前記発振回路に接続される固定電極と、を備えたことを特徴とする外力検出センサー。
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