TWI484149B - 外力檢測裝置及外力檢測感測器 - Google Patents

外力檢測裝置及外力檢測感測器 Download PDF

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TWI484149B
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Hiroki Iwai
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Nihon Dempa Kogyo Co
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Description

外力檢測裝置及外力檢測感測器 發明領域
本發明係有關於一種使用壓電片、例如水晶片，依據振盪頻率，檢測作用於壓電片之外力之大小，藉此，檢測加速度、壓力、流體之流速、磁力或靜電力等之外力的技術領域。
 發明背景
作用於系統之外力有作用於依據加速度之物體之力、壓力、流速、磁力、靜電力等，大多需正確地測量該等外力。舉例言之，在開發汽車之階段，於汽車撞擊物體時，進行測定在座椅之撞擊力。又，為調查地震時之振動能量或振幅，有儘量精密地調查搖晃之加速度等之要求。
再者，亦可舉正確地調查液體或氣體之流速，使其檢測值反映於控制系統之情形或測定磁鐵之性能之情形等作為外力之測定例。
在進行此種測定時，要求儘量簡單之構造且以高精確度測定。
於專利文獻1記載有以懸臂支撐壓電薄膜，壓電薄膜因周圍之磁力之變化而變形，流至壓電薄膜之電流變化。
又，於專利文獻2記載有設電容耦合型壓力感測器及配置於對此壓力感測器之配置區域分隔之空間的晶體振盪器，將該等壓力感測器之可變電容與晶體振盪器並聯，因壓力感測器之電容變化，晶體振盪器之反共振點改變，而檢測壓力。
該等專利文獻1、2與本發明原理完全不同。
先行技術文獻 專利文獻
專利文獻1　日本專利公開公報2006-138852(段落0021、段落0028)
專利文獻2　日本專利公開公報2008-39626(第1圖及第3圖)
本發明係在此種背景下發明者，其在於提供可以高精確度且輕易地檢測對壓電片施加之外力的外力檢測裝置及外力檢測感測器。
本發明係檢測作用於壓電片之外力的外力檢測裝置，其特徵在於包含有懸臂壓電片、一方之激發電極及另一方之激發電極、振盪電路、可變電容形成用可動電極、固定電極及頻率資訊檢測部，該懸臂壓電片係一端側支撐於基台者；該一方之激發電極及另一方之激發電極係為了使該壓電片振動，而分別設於該壓電片之一面側及另一面側者；該振盪電路係電性連接於一方之激發電極者；該可變電容形成用可動電極係設在前述壓電片，遠離前述一端側之部位，且電性連接於前述另一方之激發電極者；該固定電極係設成與前述壓電片拉開距離，且與前述可動電極對向，並且連接於前述振盪電路，藉由壓電片之撓曲，使與前述可動電極間之電容變化，藉此，形成可變電容者；該頻率資訊檢測部係用以檢測為對應於前述振盪電路之振盪頻率之頻率資訊的信號者；又，該外力檢測裝置形成從前述振盪電路經由一方之激發電極、另一方之激發電極、可動電極及固定電極，返回振盪電路之振盪迴路，以前述頻率資訊檢測部所檢測出之頻率資訊係用以評價作用於壓電片之力者。
前述可變電容形成用可動電極設於前述壓電片之另一端側。前述可動電極可設於壓電片之一面側及另一面側任一者，亦可設於兩者。
列舉本發明之具體之態樣之例。
可舉下述結構為例，前述結構係設置由壓電片、激發電極、可動電極及固定電極構成為一組之第1組及第2組，分別對應於第1組及第2組設振盪電路，前述頻率資訊檢測部係具有求出按照對應於前述第1組之振盪頻率及對應於前述第2組之振盪頻率之差分的信號之功能者。在此結構中，亦可對第1組及第2組，將振盪電路共通化，此時，可於振盪電路與迴路間設切換開關部，俾交互形成第1組之振盪迴路與第2組之振盪迴路。
又，可舉下述結構為例，前述結構係當將前述壓電片稱為檢測用壓電片時，於共通之容器內設置檢測用壓電片及參照用壓電片，於前述參照用壓電片之兩面分別設置一方之激發電極及另一方之激發電極，並且，為了使該參照用壓電片振盪，而將一方之激發電極及另一方之激發電極連接於振盪電路，前述頻率資訊檢測部係求出按照對應於檢測用壓電片之振盪頻率與對應於參照用壓電片之振盪頻率之差分的信號者。此時，檢測用壓電片與參照用壓電片亦可共通化。
亦可為前述壓電片係水晶片，設有激發電極之部位之晶軸與設有可動電極之部位之晶軸互異之結構。
晶軸互異可舉X軸延伸之方向相同，但X軸之正負相反之情形為例，例如AT切割之水晶與DT切割之水晶接合之情形等。又，X軸延伸之方向亦可互異。
本發明為了在對前述壓電片施加外力時，防止設有激發電極之部位撓曲，亦可於前述基台設置支撐前述水晶片之下面側之激發電極與可動電極間之部位的支撐部。
又，亦可為於前述容器內之設有固定電極之側的內壁部具有突起部之結構，該突起部係用以在前述壓電片過度撓曲時，接觸比起該壓電片之另一端較靠一端側之部位，限制該部位之撓曲，藉此，避免壓電片之另一端撞擊容器之內壁部者。
另一發明係用以依據壓電片之振盪頻率，檢測作用於壓電片之外力的外力檢測感測器，其特徵在於包含有懸臂壓電片、一方之激發電極、另一方之激發電極、可變電容形成用可動電極及固定電極，該懸臂壓電片係一端側支撐於基台者；該一方之激發電極係為了使該壓電片振動，而設於該壓電片之一面側，且電性連接於振盪電路者；該另一方之激發電極係設於前述壓電片之另一面側者；該可變電容形成用可動電極係設在前述壓電片，遠離前述一端側之部位，且電性連接於前述另一方之激發電極者；該固定電極係設成與前述壓電片拉開距離，且與前述可動電極對向，並且藉由壓電片之撓曲，使與前述可動電極間之電容變化，藉此，形成可變電容，且連接於前述振盪電路者。
本發明係當對壓電片施加外力而撓曲時或撓曲之程度改變時，壓電片側之可動電極及與此可動電極對向之固定電極間之距離改變，因此，兩電極間之電容改變，而可捕捉此電容變化作為壓電片之振盪頻率之變化。由於亦可檢測壓電片之稍微之變形作為振盪頻率之變化，故可以高精確度測量對壓電片施加之外力，且裝置結構簡單。
圖式簡單說明
第1圖係顯示將本發明外力檢測裝置應用作為加速度檢測裝置之第1實施形態之主要部份的縱斷側視圖。
第2(a)圖、第2(b)圖係顯示用於第1實施形態之晶體振盪器之上面及下面的平面圖。
第3圖係顯示加速度檢測裝置之電路結構之方塊圖。
第4圖係顯示前述加速度檢測裝置之等效電路之電路圖。
第5圖係顯示使用前述加速度檢測裝置而取得之加速度與頻率差之關係的特性圖。
第6圖係顯示第1實施形態之變形例之縱斷側視圖。
第7圖係顯示第1實施形態之變形例之縱斷側視圖。
第8圖係顯示將本發明外力檢測裝置應用作為加速度檢測裝置之第2實施形態之縱斷側視圖。
第9圖係沿著第8圖之A-A線之橫斷平面圖。
第10圖係沿著第8圖之B-B線之橫斷平面圖。
第11圖係顯示用於第2實施形態之晶體振盪器之背面側的平面圖。
第12圖係顯示在第2實施形態，水晶片2因外力而撓曲之狀態與各部之尺寸的縱斷側視圖。
第13圖係顯示第2實施形態之加速度檢測裝置之電路之電路方塊圖。
第14圖係顯示第2實施形態之加速度檢測裝置之一部份之外觀的外觀圖。
第15圖係顯示本發明其他變形例之縱斷側視圖。
第16圖係顯示本發明其他變形例之縱斷側視圖。
第17圖係顯示本發明其他變形例之縱斷側視圖。
第18圖係顯示用於第17圖所示之加速度檢測裝置之水晶片的立體圖。
第19圖係顯示第3實施形態之晶體振盪器之構造及電路方塊的結構圖。
第20圖係顯示第2實施形態及第3實施形態之變形例之方塊圖。
第21圖係顯示用於本發明之水晶片之支撐構造之另一例的立體圖。
第22圖係顯示用於本發明之水晶片之支撐構造之另一例的立體圖。
第23圖係顯示第4實施形態之主要部份之縱斷側視圖。
第24圖係顯示用於第4實施形態之晶體振盪器之平面圖。
第25圖係顯示用於第4實施形態之晶體振盪器之另一例的側視圖。
第26圖係顯示用於第4實施形態之晶體振盪器之另一例的立體圖。
第27圖係顯示用於第5實施形態之晶體振盪器之平面圖。
第28圖係顯示從下側觀看第27圖所示之水晶板之狀態的平面圖。
第29圖係顯示用於第5實施形態之晶體振盪器之另一例的平面圖。
第30圖係顯示第6實施形態之主要部份之縱斷側視圖。
第31圖係沿著第30圖之C-C線之橫斷平面圖。
第32圖係顯示第6實施形態之另一例的平面圖。
 用以實施發明之形態 第1實施形態
就將本發明應用於加速度檢測裝置之第1實施形態作說明。第1圖係顯示相當於為加速度檢測裝置之感測器部份之外力檢測感測器之加速度感測器的圖，第1圖中，1係長方體形狀之密閉式，由水晶構成之容器，且於內部封入有諸如氮氣之惰性氣體。此容器由形成基台之下部份及以周緣部接合於此下部份之上部份構成。此外，容器1未必限於密閉式容器。於容器1內設由水晶構成之台座11，於此台座11之上面以導電性接著劑10固定有為壓電片之水晶片2的一端側。即，水晶片2懸吊支撐於台座11。水晶片2係將X切割之水晶形成薄長方形者，厚度設定為數十μm級，例設定為0.03mm。因而，藉於交叉於水晶片2之方向施加加速度，前端部撓曲。
水晶片2如第2(a)圖所示，於水晶片2之上面之中央部設一方之激發電極31，又，如第2(b)圖所示，於水晶片2之下面之與前述激發電極31對向之部位設有另一方之激發電極41而構成晶體振盪器。於上面側之激發電極31連接帶狀之拉出電極32，此拉出電極32在水晶片2之一端側折返至下面，而與導電性接著劑10接觸。於台座11之上面設由金屬層構成之導電路12，此導電路12藉由支撐容器1之絕緣基板13，連接於絕緣基板13上之振盪電路14之一端。
於下面側之激發電極41連接帶狀萃取電極，此拉出電極42被拉出至水晶片2之另一端側(前端側)，而連接於可變電容形成用可動電極5。於一容器1側設有可變電容形成用固定電極6。於容器1之底部設有由凸狀水晶構成之突起部7。此突起部7在平面圖觀看時，為四角形。因本發明係藉由依據水晶片2之變形而產生之可動電極5與固定電極6間之電容變化，檢測外力者，故亦可將可動電極稱為檢測用電極。
固定電極6在此突起部7，設成與可動電極5大致對向。當水晶片2接觸過大，前端撞擊容器1之底部時，有因稱為「解理」之現象，而易在結晶塊裂開之性質。因此，決定突起部7之形狀，俾於水晶片2搖晃過大時，比可動電極5靠水晶片2之基端側(一端側)之部位撞擊突起部7。在第1圖中等，實際裝置係稍微改變影像而記載，當實際使容器1大幅振動時，比起水晶片2之前端，靠中央之部位撞擊突起部7。
即，前述突起部7具有下述作用，前述作用係水晶片2撓曲過多時，接觸比起該水晶片2，較靠一端側之部，藉此，限制水晶片2之該部位之撓曲，而避免水晶片2之前端部撞擊容器1之內壁部。
固定電極6藉由藉突起部7之表面及絕緣基板13而配線之導電路15，連接於振盪電路14之另一端。第3圖顯示加速度感測器之配線之連接狀態。第3圖中，101係由個人電腦構成之資料處理部，此資料處理部101具有下述功能，前述功能係依據從頻率檢測部100所得之諸如頻率之頻率資訊，求出未對水晶片2施加加速度時之頻率f0與施加加速度時之頻率f1之差，參照使從此頻率差算出之頻率之變化量與加速度對應之資料表，而求出加速度。頻率資訊不限於頻率差之變化量，亦可為頻率之差分。
第4圖顯示等效電路。在第4圖中，L1係對應於晶體振盪器之質量之串聯電感，C1係串聯電容，R1係串聯電阻，C0係包含電極間電容之有效並聯電容。上面側之激發電極31及下面側之激發電極41連接於振盪電路14，而形成於前述可動電極5及固定電極6間之可變電容Cv介在下面側之激發電極與振盪電路14間。
亦可於水晶片2之前端部設秤錘，而於施加加速度時，撓曲量增大。此時，可增大可動電極5之厚度，兼用秤錘，亦可於水晶片2之下面側與可動電極5分開地設秤錘，或者亦可於水晶片2之上面側設秤錘。
在此，根據國際規格IEC 60122-1，水晶振盪電路之一般式如以下之(1)式表示。
FL=Fr×(1+x)
x=(C1/2)×1/(C0+CL)　……(1)
FL係對晶體振盪器施加負載時之振盪頻率，Fr係晶體振盪器之共振頻率。
在本實施形態中，如第3圖及第4圖所示，水晶片2之負載電容係於CL加上Cv者。因而，代入在(2)式表示之y取代(1)式之CL。
y=1/(1/Cv+1/CL)　……(2)
因而，水晶片2之撓曲量從狀態1轉換為狀態2，藉此，當可變電容Cv從Cv1轉換為Cv2時，頻率之變化dFL可以(3)式表示。
dFL=FL1-FL2=A×CL2 ×(Cv2-Cv1)/(B×C)…(3)
在此，
A=C1×Fr/2
B=C0×CL+(C0+CL)×Cv1
C=C0×CL+(C0+CL)×Cv2
又，當令在未對水晶片2施加加速度時之可謂在基準狀態時之可動電極5及固定電極6間的拉開距離為d1，令對水晶片2施加加速度時之前述拉開距離為d2時，(4)式成立。
Cv1=S×ε/d1
Cv2=S×ε/d2　……(4)
惟，S係可動電極5及固定電極6之對向區域之面積，ε係比電容量。
因d1為已知，而可知dFL與d2為對應關係。
為此種實施形態之感測器部份之加速度感測器時，即使在不施加按照加速度之外力之狀態，水晶片2仍呈稍微撓曲之狀態。此外，水晶片2呈撓曲之狀態或保持水平姿勢係按照水晶片2之厚度等訂定。
又，此種結構之加速度感測器係橫向搖動檢測用加速度感測器與縱向搖動檢測用加速度感測器，前者設置成水晶片2垂直，後者設置成水晶片2為水平。
當地震發生或施加模擬之振動時，水晶片2便如第1圖之鏈線所示或如第3圖之實線所示撓曲。如前所述，當在不對水晶片2施加外力之基準之狀態，令可動電極5與固定電極6間之電容為Cv1時，由於對水晶片2施加外力，該水晶片2撓曲時，兩電極5、6間之距離改變，故電容從Cv1變化。因此，從振盪電路14輸出之振盪頻率變化。
在未施加振動之狀態下，令以為頻率資訊檢測部之頻率檢測部100檢測出之頻率為FL1，令施加振動(加速度)時之頻率為FL2時，頻率之差分FL1-FL2以(3)式表示。本案發明人從頻率之差分FL1-FL2算出從狀態1轉換為狀態2時之頻率的變化率，調查頻率之變化率{(FL1-FL2)/FL1}與加速度之關係，而獲得第5圖所示之關係。因而，證實了藉測定前述頻率之差分，可求出加速度。此外，FL1之值係將某溫度訂定為基準溫度，在該基準溫度例、例如25℃之頻率的值。
根據上述實施形態，捕捉對水晶片2施加之外力作為依據因水晶片2之撓曲引起之可動電極5與固定電極6間的電容變化之振盪頻率的變化。因而，由於亦可檢測水晶片2之些微之變形作為振盪頻率之變化，故可以高精確度測定對水晶片2施加之外力，而且裝置結構簡單。
為防止水晶片2之前端撞擊容器1側，亦可為第6圖所示之構造。在此例中，設有上面曲面形狀之突起部7，俾當於比起水晶片2之可動電極5，較靠基端部側之位置以平面觀看時，呈與水晶片2相同之寬度之四角形，而在側面觀看時，對應於對水晶片2施力時之撓曲形狀。又，固定電極6設於與突起部7分離之台座61。
又，在本發明中，以設突起部7者為佳，亦可如第7圖所示，為不設突起部7之結構。此外，在第6圖、第7圖中，省略激發電極等。
第2實施形態
接著，就將本發明應用於加速度感測器之第2實施形態，一面參照第8圖～第14圖，一面說明。此第2實施形態與第1實施形態不同之點係設有2組前述之水晶片2、激發電極31、41、可動電極5、固定電極6及振盪電路14之組。301係形成構成容器1之下側之基台的下部份，302係形成構成容器1之上側之蓋體的上部份。關於水晶片2及振盪電路14，於其中一組零件附加標號「A」，於另一組零件附加標號「B」。在第8圖中，顯示其中一側之水晶片2，從側面觀看之圖與第1圖相同。以平面觀看第8圖之壓力感測之內部時，如第9圖所示，第1水晶片2A與第2水晶片2B於橫向平行配置。
由於該等水晶片2A、2B為同一構造，故就其中一水晶片2A作說明，在水晶片2A之一面側(上面側)，寬度窄之拉出電極32從一端側朝另一端側延伸，於該拉出電極32之前端部一方之激發電極31形成角形。又，如第9圖及第11圖所示，於水晶片2A之另一面側(下面側)，另一方之激發電極41與一方之激發電極31對向而形成，寬度窄之拉出電極42朝該激發電極41之水晶片2之前端側延伸。再者，於此拉出電極42之前述前端側形成有薄長方形可變電容形成用可動電極5。該等電極31等以導電膜、例如金屬膜形成。
於容器1之底部與第1圖同樣地，設有由凸狀水晶構成之突起部7，突起部7之寬度設定為對應於2片水晶片2A、2B之配置之大小。即，突起部7設定為包含2片水晶片2A、2B之投影區域之大小。又，如第9圖及第10圖所示，於突起部7按水晶片2A之可動電極5及水晶片2B之可動電極5，設有薄長方形固定電極6。此外，在第8圖等中，為使構造之理解之容易度優先，未正確地記載水晶片2之撓曲形狀，以後述之尺寸作成時，當水晶片2搖動過大時，比起水晶片2之前端，較靠中央處撞擊突起部7。
關於水晶片2及其周邊部位，一面參照第12圖，一面就各部之尺寸之一例作說明。水晶片2之長度尺寸S及寬度尺寸分別為18mm及3mm。水晶片2之厚度為數μm。當將水晶片2之一端側之支撐面設定為平行於水平面時，在不施加加速度而放置之狀態下，形成為因自身重量而撓曲之狀態，其撓曲量d1為150μm左右，容器1之下部份之凹部空間之深度d0為175μm。又，突起部7之高度尺寸為55～60μm左右。該等尺寸僅為一例。
當顯示水晶片2之較佳之尺寸的一例時，長度尺寸為15mm～25mm，寬度尺寸為1.5mm～3.0mm，厚度為20μm～25μm。此種尺寸較佳之理由如下述。即，水晶片2之長度尺寸越大，前端部之尺寸變化便越大，靜電容之變化增大，而形成高靈敏度，當長度尺寸過大時，產生撓曲增大，可變電極5與固定電極6接觸之虞。
於第13圖顯示第2實施形態之加速度檢測裝置之電路。又，於第14圖顯示加速度檢測裝置之一部份之外觀。與第1實施形態不同之處係分別對應於第1水晶片2A及第2水晶片2B，連接有第1振盪電路14A及第2振盪電路14B，按第1水晶片2A及第2水晶片2B形成有包含振盪電路14A(14B)、激發電極31、41、可動電極5及固定電極6之振盪迴路。該等振盪電路14A、14B之輸出送至頻率資訊檢測部102，在此，檢測各振盪電路14A、14B之振盪頻率之差分或頻率之變化率之差。
頻率之變化率係具有下述之涵義。在振盪電路14A中，將水晶片2A因自身重量而撓曲之基準狀態之頻率稱為基準頻率時，水晶片2A因加速度進一步撓曲，頻率變化時，為以頻率之變化量/基準頻率表示之值，例如以ppb之單位表示。同樣地，關於水晶片2B，亦運算頻率之變化率，將之作為該等變化率之差分對應於頻率之資訊，輸出至資料處理部101。在資料處理部101，將使變化率之差分與加速度之大小對應之資料預先記憶於記憶體，而可依據此資料與變化率之差分，檢測加速度。
舉水晶片2A(2B)之撓曲量(水晶片延伸成一直線之狀態與撓曲時之前端部份之高度標準的差分)與頻率之變化量之關係的一例，舉例言之，當水晶片2之前端以10-5 μm級變化時，若振盪頻率為70MHz時，頻率之變化量為0.65ppb。因而，亦可正確地檢測諸如加速度之極小之外力。
根據第2實施形態，由於將水晶片2A及水晶片2B配置於同一溫度環境，故即使水晶片2A及水晶片2B各自之頻率因溫度變化，仍可刪除此變化量，結果可僅檢測依據水晶片2A、2B之撓曲之頻率的變化量，而具有檢測精確度高之效果。
第1實施形態或第2實施形態之變形例
於第15圖～第18圖記載本發明之變形例。
第15圖所示之加速度感測器係將水晶片2之激發電極31、41形成於水晶片2之前端側，下面側之激發電極41兼用可動電極5。
第16圖所示之加速度感測器係採用令用於第2實施形態之水晶片2A(2B)之上面及下面相反之構造作為包含有水晶片2之晶體振盪器。此時，水晶片2介在可動電極5與固定電極6間，在此構造，亦可獲得同樣之作用、效果。
如第17圖所示之加速度感測器之結構係在用於第2實施形態之水晶片2A(2B)中，使下面側之可動電極5繞進上面側，並且於容器1之內部空間之內壁上面側將固定電極6設成與該可動電極5對向。第18圖顯示第17圖所示之加速度感測器之晶體振盪器。此時，亦可獲得相同之作用、效果。
記載於第15圖～第18圖之變形例亦可應用作為對後述第3實施形態之後之結構的變形例是無須贅言的。
第3實施形態
本發明第3實施形態在使用2個晶體振盪器之點與第2實施形態相同，關於其中一晶體振盪器，構造成不藉由可變電容而在水晶片2之兩面之激發電極31、41與振盪電路間形成振盪迴路。即，為於用於第2實施形(參照第9圖)之水晶片2B之下方側不設固定電極6的結構，並且，將拉出電極從水晶片2B之另一電極41拉出繞至水晶片2B之一端側(基端側)，並將第2振盪電路14B電性連接於此拉出電極的結構。
第19圖係顯示包含第3實施形態之電路方塊及水晶片2B之晶體振盪器的構造之結構圖。第2水晶片2B之下面側之拉出電極被拉出繞至支撐部11，於該支撐部11藉由導電性接著劑與配線於容器1內之導電路連接，在第19圖，為避免繁雜而省略。
以與第2實施形態之比較來說明時，亦可在保留相當於可動電極5之金屬膜之狀態下，直接將該金屬膜作為秤錘來使用。
根據第3實施形態，由於水晶片(檢測用水晶片)2A及水晶片(檢測用水晶片)2B配置於共通之容器1內，故可配置於同一溫度環境。在此，藉對水晶片2A施加加速度，該水晶片2A撓曲，電極5、6間之電容(可變電容)變化，包含水晶片2A之晶體振盪器之振盪頻率(第1振盪電路14A之振盪頻率)的頻率從f1變化為f2。f1係在基準溫度之基準狀態之頻率。此時之頻率之變化率為(f2-f1)/f1，此變化率之值亦包含溫度變化量。
另一方面，當環境溫度從基準溫度偏離時，包含參照用水晶片2B之晶體振盪器之振盪頻率(第2振盪電路14B之振盪頻率)的頻率從f1' 變化為f2' 。f1、f1' 係在基準溫度(例如25℃)之基準狀態之頻率。此時之頻率之變化率為(f2' -f1' )/f1' ，此變化率之值亦包含溫度變化量。
因而，兩者之變化率之差分{(f2-f1)/f1}-{(f2' -f1' )/f1' }之值便可刪除因環境溫度之變化引起之晶體振盪器之變化量。因此，預先求出此變化率之差分值與加速度之值之關係，以頻率檢測部102求出變化率之差分值，以資料處理部101，從變化率之差分值求出加速度之大小，藉此，可以更高之精確度測定加速度。
第2實施形態及第3實施形態之變形例
在使用包含第1水晶片2A之晶體振盪器及包含第2水晶片2之晶體振盪器的實施形態中，如第20圖所示，亦可對該等晶體振盪器將振盪電路14共通化，將一晶體振盪器及另一晶體振盪器以開關部15交互地連接於振盪電路14，而形成振盪迴路。此時，第1水晶片2A之振盪頻率與第2水晶片2B之振盪頻率以時分取入至頻率檢測部102。關於開關部15之切換之時間，可設定成每隔100ms，便切換振盪迴路。切換時之初期之時間由於振盪不穩定，故設定參數，俾以頻率檢測部102檢測穩定後之頻率。
又，如第21圖所示，亦可蝕刻角型水晶片20，作成框部21、從框部21之一邊平行地延伸而出之第1水晶片20A及第2水晶片2B一體化之構造體(水晶板20)，如第22圖所示，於材質為水晶之容器之下部份301及上部分302間夾入前述水晶板20，而形成3片重疊之形狀，而形成貼合有該等3片之構造。第21圖中，22顯示被切開而形成之空間。又，可動電極5從下面側繞進上面側，亦具有秤錘之作用。框部21之配線構造可為對在框部21，配線拉出電極32之部份，形成電極32之膜厚相當量之深度的溝，將拉出電極32拉出繞至此溝內。且可為形成從溝之底部貫穿框部21及容器之下部份301之貫穿孔，經由此貫穿孔內，將配線拉出繞至外面之構造。
如此說來，作成附有框架之水晶片2A、2B時，僅重疊該等3片，即使不特別加壓，諸水晶亦可密合，但亦可加壓。此時，僅對其中一水晶片2A，於前端部之下方側設固定電極6，關於電配線，可如第19圖所示構成。
根據以上之結構，相較於第1實施形態之結構，具有以下之優點。在第1圖之結構中，由於可動電極5與固定電極6之拉開尺寸因導電性接著劑之量而不同，故前述拉開尺寸之設定作業難，根據第22圖之結構，藉調整水晶板20之厚度，訂定水晶片2A、2B之撓曲之程度，藉此，訂定前述拉開尺寸，上述設定作業容易。
第4實施形態
第4實施形態係構造成在水晶片2，設激發電極31、41之部位與設可動電極5之部位之晶軸不同，且令水晶片2為雙晶者。此種結構之一例可舉下述例，前述例係以AT切割之水晶片構成設激發電極31、41之部位，以DT切割之水晶片構成設可動電極5之部位。AT切割之水晶與DT切割之水晶無視正負時，X軸延伸之方向相同，X軸之正負為180度相反。亦即，X軸之正之方向相互形成反向。此外，DT切割之水晶係指X軸延伸之方向在性質上不與DT切割之情形相同，亦包含近似於DT切割之方向之情形的涵義，而使用了此用語。
第23圖顯示此實施形態之感測器部份，在水晶片2，激發電極31之前端側與可動電極5(為水晶片2側之電極，與固定電極6對向之部份)之水晶片2之基端側間有AT切割部份與DT切割部份之交界部份。即，比該交界部份靠水晶片2之基端側為AT切割之水晶，比該交界部份靠水晶片2之前端側為DT切割之水晶。在第23圖中，為區分兩部份，而使水晶片2之剖面線方向互異。
第24圖係從上觀看包含第23圖所示之水晶片2之晶體振盪器的圖，以S1顯示第1水晶部份(例如AT切割部份)，以S2顯示第2水晶部份(例如DT切割部份)。S1、S2晶軸互異。如此，於水晶片2形成雙晶之理由係為消除下述擔憂之故，前述擔憂係在設有激發電極31、41之水晶部份與設有為檢測用電極之可動電極5之水晶部份間引起彈性結合。又，避免前述彈性之結合更有效之手法可舉於兩者之水晶部份間設彈性之交界部位為例，該部位之構造可舉凹部、孔部、段差之形成為例。
該等構造中，考慮水晶片2之強度時，段差可謂適當之構造。因此，如第25圖及第26圖所示，令第2水晶部份S2之水晶片2之厚度大於第1水晶部份S1為有效。而AT切割之水晶之頻率常數為1670kHz‧mm，DT切割之水晶之頻率常數為2600kHz‧mm。因而，若兩者之厚度一定時，DT切割之水晶之共振頻率fT大於AT切割之水晶之共振頻率fS。因此，當令第2水晶部份S2之厚度大於第1水晶部份S1之厚度時，由於第2水晶部份S2之共振頻率小，故存在兩者之共振頻率極為近似(fS≒fT)之厚度。由於DT切割之水晶之頻率溫度特性為一次式，故當兩者之頻率近似時，有彈性結合之擔憂，故避免此種厚度之關係者為佳。
令水晶片2之前端部之厚度大之構造可為對該厚度大之部份發揮秤錘之作用有利的構造，又，藉於水晶片2之途中設段差，在避免前述之彈性結合之點亦有效。又，如前述，將水晶片2分為第1水晶部份S1與第2水晶部份S2之構造亦為更有效之手法。然而，採用此種構造、例如第25圖及第26圖所示之構造時，將厚度尺寸設定成第1水晶部份S1之共振頻率大於第2水晶部份S2之共振頻率(fS＞fT)較佳。
在此，製造具有雙晶(具有互異之晶軸之水晶)之水晶片2的方法可舉下述手法為例，前述手法係將雷射光局部地照射於AT切割之水晶片2，加熱至530℃左右而施行局部之退火。更具體言之，可舉下述手法為例，前述手法係在水晶片2於欲從AT切割變化為DT切割之區域，掃瞄預定點徑之碳酸氣體雷射。當雷射光透過，加熱不足時，亦可於水晶片2之一面側形成金屬膜，從另一面側照射雷射，藉由金屬膜，將水晶片2加熱。亦可使用雷射光之照射區域大之裝置取代使用預定點徑之雷射光，此時，對欲變化為DT切割之區域以外，在從水晶片稍微浮起之狀態下，配置以不鏽鋼構成之遮罩。
水晶片2如前述形成第1水晶部份S1與第2水晶部份S2之優點可舉下述為例，前述係即使設有激發電極31、41之部位與設有可動電極5之部位為相同之厚度，產生彈性結合之擔憂仍小。因而，雖然對水晶片2需要用以獲得雙晶之熱處理步驟，但可不進行使厚度不同之機械加工作業，因此，製造步驟簡略化。另一方面，如第25圖，因令第2水晶部份S2之厚度大於第1水晶部份S1之厚度亦為有效之手法，故只要根據使用之頻率、作為測量對象之外力之大小等，判斷任一結構有利來設計即可。不論如何，形成第1水晶部份S1及第2水晶部份S2較僅為單晶區域之構造有利，設計之自由度大，構造之選擇亦廣泛。此外，亦可令設有激發電極31、41之部位為DT切割之水晶，令設有可動電極5之部位為AT切割之水晶。在水晶片2構造成設激發電極31、41之部位與設可動電極5之部位之晶軸不同的例為X軸延伸之方向互異，亦即，X軸交叉之關係亦可。
於水晶片2形成雙晶之第4實施形態之構造在其他實施形態亦適用，舉例言之，亦可對在第2實施形態使用之第1水晶片2A及第2水晶片2B應用。
第5實施形態
第5實施形態可謂作為第2實施形態及第3實施形態之變形例而顯示於第21圖之構造之進一步的變形例。第27圖(俯視圖)及第28圖(仰視圖)所示之構造體顯示用於第5實施形態之水晶片2。在此構造體與第21圖所示之水晶板20不同之點可謂將第1水晶片2A及第2水晶片2B共通化之構造，換言之，為於1片水晶片2設有包含激發電極31A及可動電極5A之第1組及包含激發電極31B及可動電極5B之組的構造。在第27圖中，可動電極5A、5B形成於水晶片2之下面側，為易理解圖，顯示亦於上面側形成可動電極5A、5B，使之具有作為秤錘之作用的構造。在第27圖中，因水晶片2為1片，為區別振盪迴路之組，而附加A、B之標號。
於一可動電極5A之下方側設固定電極6，於另一可動電極5B之下方側未設固定電極6。設另一可動電極5B之理由係為了下述之故，前述係藉將可動電極5A、5B配置成對水晶片2之寬度方向中心對稱，而使水晶片2之寬度方向之平衡佳，而無撓曲時之姿勢之扭曲(起波浪之姿勢)，對水晶片2之撓曲量，使靜電容之變化穩定者。因而，另一可動電極5B可謂平衡用之虛設之膜。為避免用語之混亂，而以「可動電極」之用語予以統一。
又，從第27圖及第28圖可知，與激發電極31A對向之激發電極41A藉由拉出電極42A連接於可動電極5A，而與激發電極31B對向之激發電極41B則未連接於可動電極5B。此時之配線如第19圖所示，關於第1組，形成振盪電路14A、激發電極31A、激發電極41A、可動電極5A、固定電極6、振盪電路14A之振盪迴路，關於第2組，形成振盪電路14B、激發電極31B、激發電極41B、振盪電路14B之振盪迴路。此時，亦可獲得與第3實施形態所述者同樣之效果。再者，在水晶片2之寬度方向觀看時，第1組之激發電極31A與第2組之激發電極31B配置成非對稱。即，兩激發電極31A、31B之位置於水晶片2之長度方向相互變位。因此，可確實避免第1組之振動與第2組之振動彈性結合。
第6實施形態
第29圖係顯示用於第6實施形態之水晶板20之構造。在此例中，在第27圖所示之水晶板20，取消為第2組之虛設電極之可動電極B，且使第1組之可動電極5A位於水晶片2之寬度方向之中央部。在水晶片2之寬度方向之中心線觀看時，配置成可動電極5A形成為左右(令寬度方向為左右方向)等分之布置，因而，水晶片2之左右平衡佳，水晶片2撓曲時，無姿勢之扭曲，可變電容對撓曲量之變化量穩定。
在第5實施形態及第6實施形態，亦可適用第4實施形態之構造。舉例言之，亦可為下述構造，前述構造係使形成於水晶片2之前端側之DT切割的水晶部份(或AT切割之水晶部份)與形成於水晶片2之基端側之AT切割的水晶部份(或DT切割之水晶部份)之交界區域位於激發電極31A與可動電極5間。
在第2實施形態～第6實施形態中，關於相當於形成於水晶片2之第1組之檢測用晶體振盪器的振盪頻率(水晶片2A之激發電極31、41間之振盪頻率或激發電極31A、41A間之振盪頻率)f1與相當於第2組之參照用晶體振盪器之振盪頻率(水晶片2B之激發電極31、41間之振盪頻率或激發電極31B、41B間之振盪頻率)f2的頻率差，以f1為基準之兩頻率差之比率，即，(f2-f1)/f1之絕對值宜大於100ppm。使用第1組之晶體振盪器與第2組之晶體振盪器，刪除對應於溫度變化之頻率變化之手法中，兩者之頻率溫度特性越近似，亦即兩者之頻率差越小，效果越大，當頻率過於接近時，兩者便彈性結合，頻率從原本之頻率變化。另一方面，當兩者之頻率差大時，數位電路之設計困難，故頻率差之比率宜為3%以下。
第7實施形態
此實施形態係在水晶片2，以設於相當於基台之容器1之下部份之為支撐部的支撐構件支撐具有作為晶體振盪器之作用之部位與以外力使撓曲產生之部位間的例。即，在水晶片2之以此支撐部所支撐之支撐部位係設有激發電極31、41之部位與設有可動電極5之部位間。又，為於外力施加於水晶片2時，水晶片2之撓曲之程度大，亦即，可獲得高靈敏度，宜將從前述支撐部位至水晶片2之前端的距離確保為大。
於第30圖及第31圖顯示此種例。在此例中，於容器之底部設角型支撐部8，以此支撐部8之上面支撐比水晶片2之下面之激發電極41靠水晶片2之前端側0.1mm～數mm的部位。支撐部8之寬度宜與水晶片2之寬度尺寸相同或較其大，而於可發揮可充分防止配置有激發電極31、41之部位之撓曲的功能時，亦可小於水晶片2之寬度尺寸。支撐部8之高度尺寸設定為在水晶片2從台座11之上面水平延伸而出之狀態下，接觸水晶片2之下面之尺寸。
在第30圖中，由於誇大記載容器內之構造，故影像與實際之外力感測器之一例之構造稍微不同。支撐部8之尺寸之一例係高度為0.5mm～1mm，厚度為0.3mm，寬度與水晶片2之寬度相同，為1.6mm。此尺寸為一例，按容器1之構造或水晶片2之設置位置等訂定。
支撐部8與水晶片2之下面(與固定電極6對向之側之面)藉導電性接著劑或低介電玻璃等固緊材料相互固定。此外，亦可為支撐部8與水晶片2之下面未相互固定之構造。
設支撐部8之手法可舉於製造容器1之下部份301時，以蝕刻形成之手法為例，亦可將支撐部8與下部份301分開製造，以接著劑接著。
又，使用支撐部8之構造亦可應用於設2組晶體振盪器，求出該等晶體振盪器之振盪頻率之差分之例的第2實施形態或第3實施形態等。此時，可形成為按各組水晶片2A、2B(例如參照第9圖)，如第30圖、第31圖所示，以支撐部8支撐激發電極31、41與可變電極5間之部位的構造。支撐部8可按水晶片2A、2B獨立而設，亦可以從水晶片2A之左緣延橫亙至水晶片2B之右緣而延伸之共通支撐部8支撐水晶片2A、2B。將對使用2組晶體振盪器之例之第27圖的構造，使用支撐部8之結構顯示於第32圖。
在此，在第30圖所示之構造中，作成將激發電極41直接連接於振盪電路之樣本，測定載置於水平面時之振盪頻率f0及載置於從水平面傾斜10度而使水晶片2之前端側降低之面時的振盪頻率f10複數次。為頻率之變化率之(f0-f10)/f0之值為0.1ppb～5ppb。
對此，就未在前述樣本設支撐部8時之樣本，進行同樣之測試，結果，為頻率之變化率之(f0-f10)/f0之值為8ppb～45ppb。從此結果可知，水晶片2因外力而撓曲時，在振盪頻率之變化量中，水晶片2之振動部位(設有激發電極31、41之部位)之撓曲之頻率之變化量所佔的比例，設支撐部8之構造者較小。此結果可謂依據即使水晶片2之支撐部8之前端側撓曲，振動部位因支撐部8之存在而幾乎不撓曲之結果。
因振動部位之頻率之變化欠缺再現性，故藉為如上述設支撐部8之構造，可獲得更正確地對應於水晶片2之撓曲之頻率變化。
在以上，本發明不限於測定加速度，亦可應用於磁力之測定、被測定物之傾斜之程度的測定、流體之流量之測定、風速之測定等。
就測定磁力時之結構例作敘述。構造成於水晶片2之可動電極5與激發電極41間之部位形成磁性體之膜，當該磁性體位於磁場時，水晶片2便撓曲。
又，關於被測定物之傾斜之程度的測定，將支撐水晶片2、2A或2B之基台預先傾斜成各種角度，按各傾斜角度取得頻率資訊，而可從將該基台設於被測定面時之頻率資訊，檢測傾斜角度。
又，將水晶片2曝露於氣體或液體等流體中，可按水晶片之撓曲量，藉由頻率資訊，檢測流速。此時，水晶片2之厚度可根據流速之測定範圍等決定。再者，本發明亦可應用於測定重力時。
1．．．容器
2．．．水晶片
2A．．．第1水晶片
2B．．．第2水晶片
5，5A，5B．．．可動電極
6．．．固定電極
7．．．突起部
8．．．支撐部
10．．．導電性接著劑
11．．．台座
12，15．．．導電路
13．．．絕緣基板
14．．．振盪電路
14A．．．第1振盪電路
14B．．．第2振盪電路
15．．．開關部
20．．．水晶板
21．．．框部
22．．．空間
31，31A，31B．．．激發電極
41，41A，41B．．．激發電極
32，42，42A．．．拉出電極
61．．．台座
100．．．頻率檢測部
101．．．資料處理部
102．．．頻率資訊檢測部
301．．．下部份
302．．．上部份
C0．．．有效並聯電容
C1．．．串聯電容
Cv．．．可變電容
L1．．．串聯電感
R1．．．串聯電阻
S1．．．第1水晶部份
S2．．．第2水晶部份
第1圖係顯示將本發明外力檢測裝置應用作為加速度檢測裝置之第1實施形態之主要部份的縱斷側視圖。
第2(a)圖、第2(b)圖係顯示用於第1實施形態之晶體振盪器之上面及下面的平面圖。
第3圖係顯示加速度檢測裝置之電路結構之方塊圖。
第4圖係顯示前述加速度檢測裝置之等效電路之電路圖。
第5圖係顯示使用前述加速度檢測裝置而取得之加速度與頻率差之關係的特性圖。
第6圖係顯示第1實施形態之變形例之縱斷側視圖。
第7圖係顯示第1實施形態之變形例之縱斷側視圖。
第8圖係顯示將本發明外力檢測裝置應用作為加速度檢測裝置之第2實施形態之縱斷側視圖。
第9圖係沿著第8圖之A-A線之橫斷平面圖。
第10圖係沿著第8圖之B-B線之橫斷平面圖。
第11圖係顯示用於第2實施形態之晶體振盪器之背面側的平面圖。
第12圖係顯示在第2實施形態，水晶片2因外力而撓曲之狀態與各部之尺寸的縱斷側視圖。
第13圖係顯示第2實施形態之加速度檢測裝置之電路之電路方塊圖。
第14圖係顯示第2實施形態之加速度檢測裝置之一部份之外觀的外觀圖。
第15圖係顯示本發明其他變形例之縱斷側視圖。
第16圖係顯示本發明其他變形例之縱斷側視圖。
第17圖係顯示本發明其他變形例之縱斷側視圖。
第18圖係顯示用於第17圖所示之加速度檢測裝置之水晶片的立體圖。
第19圖係顯示第3實施形態之晶體振盪器之構造及電路方塊的結構圖。
第20圖係顯示第2實施形態及第3實施形態之變形例之方塊圖。
第21圖係顯示用於本發明之水晶片之支撐構造之另一例的立體圖。
第22圖係顯示用於本發明之水晶片之支撐構造之另一例的立體圖。
第23圖係顯示第4實施形態之主要部份之縱斷側視圖。
第24圖係顯示用於第4實施形態之晶體振盪器之平面圖。
第25圖係顯示用於第4實施形態之晶體振盪器之另一例的側視圖。
第26圖係顯示用於第4實施形態之晶體振盪器之另一例的立體圖。
第27圖係顯示用於第5實施形態之晶體振盪器之平面圖。
第28圖係顯示從下側觀看第27圖所示之水晶板之狀態的平面圖。
第29圖係顯示用於第5實施形態之晶體振盪器之另一例的平面圖。
第30圖係顯示第6實施形態之主要部份之縱斷側視圖。
第31圖係沿著第30圖之C-C線之橫斷平面圖。
第32圖係顯示第6實施形態之另一例的平面圖。
1．．．容器
2．．．水晶片
5．．．可動電極
6．．．固定電極
7．．．突起部
10．．．導電性接著劑
11．．．台座
12，15．．．導電路
13．．．絕緣基板
14．．．振盪電路
31．．．激發電極
41．．．激發電極
32，42．．．拉出電極

Claims (11)

  1. 一種外力檢測裝置，係檢測作用於壓電片之外力者，其特徵在於包含有：懸臂壓電片，其一端側係支撐於基台者；一方之激發電極及另一方之激發電極，係為了使該壓電片振動，而分別設於該壓電片之一面側之一部分以及與前述一面側之一部分相對向之另一面側之部位；振盪電路，係電性連接於一方之激發電極者；可變電容形成用可動電極，係設在前述壓電片之遠離前述一端側之部位，且電性連接於前述另一方之激發電極者；固定電極，係設成與前述壓電片拉開距離，且與前述可動電極對向，並且連接於前述振盪電路，其與前述可動電極間之電容由於壓電片之撓曲而變化，藉此，形成可變電容者；及頻率資訊檢測部，係用以檢測對應於前述振盪電路之振盪頻率之頻率資訊的信號者；前述可動電極較一方之激發電極及另一方之激發電極更遠離地設置於前述壓電片的另一端側，又，該外力檢測裝置形成從前述振盪電路經由一方之激發電極、另一方之激發電極、可動電極及固定電極，返回振盪電路之振盪迴路，以前述頻率資訊檢測部所檢測出之頻率資訊係用以評價作用於壓電片之力者。
  2. 如申請專利範圍第1項之外力檢測裝置，其中前述可變電容形成用可動電極設於前述壓電片之另一端側。
  3. 如申請專利範圍第1項之外力檢測裝置，設置由前述壓電片、激發電極、可動電極及固定電極構成為一組之第1組及第2組，前述頻率資訊檢測部係求出按照對應於前述第1組之振盪頻率及對應於前述第2組之振盪頻率之差分的信號者。
  4. 如申請專利範圍第1項之外力檢測裝置，其中當將前述壓電片稱為檢測用壓電片時，於共通之容器內設置檢測用壓電片及參照用壓電片，於前述參照用壓電片之兩面分別設置一方之激發電極及另一方之激發電極，並且，為了使該參照用壓電片振盪，而將一方之激發電極及另一方之激發電極連接於振盪電路，前述頻率資訊檢測部係求出按照對應於檢測用壓電片之振盪頻率與對應於參照用壓電片之振盪頻率之差分的信號者。
  5. 如申請專利範圍第4項之外力檢測裝置，其中前述檢測用壓電片及參照用壓電片是被共通化。
  6. 如申請專利範圍第1項之外力檢測裝置，其中前述壓電片係水晶片，設有激發電極之部位之晶軸與設有可動電極之部位之晶軸互異。
  7. 如申請專利範圍第1項之外力檢測裝置，其中為了在對 前述壓電片施加外力時，防止設有激發電極之部位撓曲，而於前述基台設置有支撐部，其用以支撐位在前述壓電片之下面側的激發電極與可動電極間之部位。
  8. 如申請專利範圍第7項之外力檢測裝置，其中前述支撐部之前端與壓電片相互固定。
  9. 如申請專利範圍第1項之外力檢測裝置，其中於前述容器內之設有固定電極之側的內壁部具有突起部，該突起部係用以在前述壓電片過度撓曲時，使其與比起該壓電片之另一端較靠一端側之部位接觸而限制該部位之撓曲，藉此，避免壓電片之另一端撞擊容器之內壁部。
  10. 如申請專利範圍第1項之外力檢測裝置，其中於前述容器內之設有固定電極之側的內壁部設有突起部，在前述突起部之與前述壓電片對向之面，壓電片之長度方向之縱截面的形狀為山形。
  11. 一種外力檢測感測器，係用以依據壓電片之振盪頻率，檢測作用於壓電片之外力者，其特徵在於包含有：懸臂壓電片，其一端側係支撐於基台者；一方之激發電極，係為了使該壓電片振動，而設於該壓電片之一面側之一部份，且電性連接於振盪電路者；另一方之激發電極，係設於與前述一面側之一部分相對向的前述壓電片之另一面側之部位者；可變電容形成用可動電極，係設在前述壓電片之遠離前述一端側之部位，且電性連接於前述另一方之激發 電極者；及固定電極，係設成與前述壓電片拉開距離，且與前述可動電極對向，且其與前述可動電極間之電容由於壓電片之撓曲而變化，藉此，形成可變電容，且連接於前述振盪電路者，前述可動電極較一方之激發電極及另一方之激發電極更遠離地設置於前述壓電片的另一端側。
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