外力検出装置及び外力検出センサー
【課題】圧電片に加わる外力を高精度にかつ容易に検出することができる外力検出装置を提供すること。
【解決手段】水晶片２を容器１内に片持ちで支持する。水晶片２の例えば中央部にて上面及び下面に夫々励振電極３１、４１を形成する。水晶片２の下面側の先端部に、下面側の励振電極４１に引き出し電極４２を介して接続される可動電極５を形成し、この可動電極５に対向して容器１の底部に固定電極６を設ける。上面側の励振電極３１と固定電極６とを発振回路１４に接続する。水晶片２に外力が加わって撓むと、可動電極５と固定電極６との間の容量が変わり、この容量変化を水晶片の発振周波数の変化として捉える。
【解決手段】水晶片２を容器１内に片持ちで支持する。水晶片２の例えば中央部にて上面及び下面に夫々励振電極３１、４１を形成する。水晶片２の下面側の先端部に、下面側の励振電極４１に引き出し電極４２を介して接続される可動電極５を形成し、この可動電極５に対向して容器１の底部に固定電極６を設ける。上面側の励振電極３１と固定電極６とを発振回路１４に接続する。水晶片２に外力が加わって撓むと、可動電極５と固定電極６との間の容量が変わり、この容量変化を水晶片の発振周波数の変化として捉える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は圧電片例えば水晶片を用い、圧電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、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技術分野に関する。
【背景技術】
【０００２】
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が必要な場合が多い。例えば自動車を開発する段階で自動車が物体に衝突したときに座席における衝撃力を測定することが行われている。また地震時の振動エネルギーや振幅を調べるためにできるだけ精密に揺れの加速度などを調べる要請がある。
【０００３】
更にまた液体や気体の流速を正確に調べてその検出値を制御系に反映させる場合や、磁石の性能を測定する場合なども外力の測定例として挙げることができる。
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。
【０００４】
特許文献１には、圧電フィルムを片持ちで支持し、周囲の磁力の変化により圧電フィルムが変形し、圧電フィルムに流れる電流が変化することが記載されている。
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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００６−１３８８５２（段落００２１、段落００２８）
【特許文献２】特開２００８−３９６２６（図１及び図３）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、このような背景の下になされたものであり、圧電片に加わる外力を高精度にかつ容易に検出することができる外力検出装置及び外力検出センサーを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、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。
【０００８】
前記可変容量形成用の可動電極は、例えば前記圧電片の他端側に設けられる。前記可動電極は、圧電片の一面側及び他面側のいずれに設けてもよいし、両方に設けてもよい。
【０００９】
本発明の具体的態様の例を列挙する。
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。
【００１０】
また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。
【００１１】
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構成であってもよい。
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。
【００１２】
本発明は、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の部位であって、前記圧電片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るようにしてもよい。
【００１３】
また前記容器内における固定電極が設けられている側の内壁部に、前記圧電片が過剰に撓んだときに当該圧電片の他端よりも一端側に寄った部位を接触させて当該部位の撓みを規制し、これにより圧電片の他端が容器の内壁部に衝突することを避けるための突起部を備えた構成としてもよい。
【００１４】
他の発明は、圧電片に作用する外力を圧電基板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。
【発明の効果】
【００１５】
本発明は、圧電片に外力が加わって撓むとあるいは撓みの程度が変わると、圧電片側の可動電極とこの可動電極に対向する固定電極との間の距離が変わり、このため両電極間の容量が変わり、この容量変化を圧電片の発振周波数の変化として捉えている。圧電片の僅かな変形も発振周波数の変化として検出できるので、圧電片に加わる外力を高精度に測定することができ、しかも装置構成が簡素である。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】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。
【図２】第１の実施の形態に用いられる水晶振動子の上面を及び下面を示す平面図である。
【図３】加速度検出装置の回路構成を示すブロック図である。
【図４】前記加速度検出装置の等価回路を示す回路図である。
【図５】前記加速度検出装置を用いて取得した加速度と周波数差との関係を示す特性図である。
【図６】第１の実施形態の変形例を示す縦断側面図である。
【図７】第１の実施形態の変形例を示す縦断側面図である。
【図８】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２の実施形態を示す縦断側面図である。
【図９】図８におけるＡ−Ａ線に沿った横断平面図である。
【図１０】図８におけるＢ−Ｂ線に沿った横断平面図である。
【図１１】第２の実施形態に用いられる水晶振動子の裏面側を示す平面図である。
【図１２】第２の実施形態において、水晶片２が外力により撓む様子と各部の寸法とを示す縦断側面図である。
【図１３】第２の実施形態に係る加速度検出装置の回路を示すブロック回路図である。
【図１４】第２の実施形態に係る加速度検出装置の一部分の外観を示す外観図である。
【図１５】本発明のその他の変形例を示す縦断側面図である。
【図１６】本発明のその他の変形例を示す縦断側面図である。
【図１７】本発明のその他の変形例を示す縦断側面図である。
【図１８】図１７に示す加速度検出装置に用いられる水晶片を示す斜視図である。
【図１９】第３の実施形態に係る水晶振動子の構造及びブロック回路を示す構成図である。
【図２０】第２の実施形態及び第３の実施形態の変形例を示すブロック図である。
【図２１】本発明に用いる水晶片の支持構造の他の例を示す斜視図である。
【図２２】本発明に用いる水晶片の支持構造の他の例を示す斜視図である。
【図２３】第４の実施形態に係る要部を示す縦断側面図である。
【図２４】第４の実施形態に用いられる水晶振動子を示す平面図である。
【図２５】第４の実施形態に用いられる水晶振動子の他の例を示す側面図である。
【図２６】第４の実施形態に用いられる水晶振動子を他の例を示す斜視図である。
【図２７】第５の実施形態に用いられる水晶振動子を示す平面図である。
【図２８】図２７に示す水晶板を下側から見た状態を示す平面図である。
【図２９】第５の実施形態に用いられる水晶振動子の他の例を示す平面図である。
【図３０】第６の実施形態に係る要部を示す縦断側面図である。
【図３１】図３０におけるＣ−Ｃ線に沿った横断平面図である。
【図３２】第６の実施形態の他の例を示す平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
［第１の実施形態］
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。
【００１８】
水晶片２は、図２（ａ）に示すように水晶片２の上面の中央部に一方の励振電極３１が設けられ、また図２（ｂ）に示すように水晶片２の下面における、前記励振電極３１と対向する部位に他方の励振電極４１が設けられて水晶振動子を構成している。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、水晶片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１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。
【００１９】
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、水晶片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の底部にはコンベックス状の水晶からなる突起部７が設けられている。この突起部７は平面図で見ると四角形である。本発明は水晶片２の変形に基づいて起こる可動電極５と固定電極６との間の容量変化を介して外力を検出するものであることから、可動電極５は検出用電極と言うこともできる。
【００２０】
固定電極６はこの突起部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。水晶片２は過大に触れて先端が容器１の底部に衝突すると、「劈開」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。このため水晶片２が過大に触れたときに可動電極５よりも水晶片２の基端側（一端側）の部位が突起部７に衝突するように突起部７の形状が決定されている。図１等では実際の装置とは少しイメージを変えて記載してあるが、実際に大きく容器１を振ると、水晶片２の先端よりも中央寄りの部位が突起部７に衝突する。
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。
【００２１】
固定電極６は、突起部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は加速度センサーの配線の接続状態を示している。図３中、１０１は例えばパーソナルコンピュータからなるデータ処理部であり、このデータ処理部１０１は、周波数検出部１００から得られた周波数情報例えば周波数に基づいて、水晶片２に加速度が加わらないときの周波数ｆ0と加速度が加わったときの周波数ｆ1との差を求め、この周波数差から算出した周波数の変化分と加速度とを対応付けたデータテーブルを参照して加速度を求める機能を有する。周波数情報としては、周波数差の変化分に限らず、周波数の差分そのものであってもよい。
【００２２】
図４は等価回路を示している。図４中、Ｌ１は水晶振動子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である。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。
【００２３】
水晶片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、水晶片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、あるいは水晶片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。
【００２４】
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。
【００２５】
ｄＦＬ＝ＦＬ１−ＦＬ２＝Ａ×ＣＬ２×（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。
【００２６】
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における可動電極５及び固定電極６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、（４）式が成り立つ。
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。
【００２７】
このような実施形態のセンサー部分である加速度センサーは、加速度に応じた外力が加わらない状態においても水晶片２が若干撓んだ状態にある。なお水晶片２が撓んだ状態にあるか水平姿勢が保たれているかは、水晶片２の厚さなどに応じて決まってくる。
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。
【００２８】
そして地震が発生してあるいは模擬的な振動が加わると、水晶片２が図１の鎖線で示すようにあるいは図３に実線で示すように撓む。既述のように水晶片２に外力が加わらない基準の状態において可動電極５と固定電極６との間の容量をＣｖ１とすると、水晶片２に外力が加わって当該水晶片２が撓むと両電極５、６間の距離が変わるので容量がＣｖ１から変化する。このため発振回路１４から出力される発振周波数が変化する。
【００２９】
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検出部１００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（３）式で表される。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、図５に示す関係を得ている。従って前記周波数の差分を測定することにより加速度が求まることが裏付けられている。なお、ＦＬ１の値はある温度を基準温度と決めて、その基準温度例えば２５℃における周波数の値である。
【００３０】
上述実施の形態によれば、水晶片２に加わる外力を、水晶片２の撓みによる可動電極５と固定電極６との間の容量変化に基づく発振周波数の変化として捉えている。従って水晶片２の僅かな変形も発振周波数の変化として検出できるので、水晶片２に加わる外力を高精度に測定することができ、しかも装置構成が簡素である。
【００３１】
水晶片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６に示す構造であってもよい。この例では、水晶片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片２と同じ幅の四角形をしているが、側面で見ると水晶片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部７が設けられている。また固定電極６は、突起部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。
【００３２】
これら水晶片２Ａ、２Ｂは同一の構造であるため、一方の水晶片２Ａについて説明すると、水晶片２Ａの一面側（上面側）において一端側から幅の狭い引き出し電極３２が他端側に向かって伸び、当該引き出し電極３２の先端部に一方の励振電極３１が角形形状に形成されている。そして水晶片２Ａの他面側（下面側）には、図９及び図１１に示すように一方の励振電極３１に対向して他方の励振電極４１が形成され、当該励振電極４１における水晶片２の先端側に向かって幅の狭い引き出し電極４２が伸びている。更にこの引き出し電極４２の前記先端側には短冊状の可変容量形成用の可動電極５が形成されている。これら電極３１等は、導電膜例えば金属膜により形成されている。
【００３３】
容器１の底部には、図１と同様にコンベックス状の水晶からなる突起部７が設けられているが、突起部７の横幅は、２枚の水晶片２Ａ、２Ｂの配置に対応した大きさに設定されている。即ち、突起部７は２枚の水晶片２Ａ、２Ｂの投影領域を含む大きさに設定されている。そして図９及び図１０に示すように突起部７に、水晶片２Ａの可動電極５及び水晶片２Ｂの可動電極５ごとに短冊状の固定電極６が設けられている。なお、図８等では、構造の理解の容易さを優先しているため、水晶片２の撓み形状が正確に記載されていないが、後述の寸法により作成した場合には、水晶片２が過大に触れると、水晶片２の先端よりも中央寄りが突起部７に衝突する。
【００３４】
水晶片２及びその周辺部位に関し、図１２を参照しながら各部の寸法の一例について説明しておく。水晶片２の長さ寸法Ｓ及び幅寸法は、夫々１８ｍｍ及び３ｍｍである。水晶片２の厚さは、例えば数μｍである。水晶片２の一端側における支持面を水平面に平行に設定したとすると、加速度が加わらず放置した状態では自重により撓んだ状態となり、その撓み量ｄ１は例えば１５０μｍ程度であり、容器１の下部分における凹部空間の深さｄ0は、例えば１７５μｍである。また突起部７の高さ寸法は例えば５５〜６０μｍ程度である。これらの寸法は一例に過ぎない。
【００３５】
水晶片２の好ましい寸法の一例を示しておくと、長さ寸法が１５ｍｍ〜２５ｍｍ、幅寸法が１．５ｍｍ〜３．０ｍｍ、厚さが２０μｍ〜２５μｍである。このような寸法が好ましい理由は、次の通りである。水晶片２の長さ寸法は大きいほど先端部の寸法変化が大きくなり、静電容量の変化が大きくなり、高感度になるが、あまり長さ寸法を大きくすると、撓みが大きくなって可変電極５と固定電極６とが接触するおそれが生じてくることにある。
【００３６】
図１３には、第２の実施形態の加速度検出装置の回路が示されている。また図１４には、加速度検出装置の一部の外観が示されている。第１の実施の形態と異なる箇所は、第１の水晶片２Ａ及び第２の水晶片２Ｂに夫々対応して第１の発振回路１４Ａ及び第２の発振回路１４Ｂが接続されており、第１の水晶片２Ａ及び第２の水晶片２Ｂごとに、発振回路１４Ａ（１４Ｂ）、励振電極３１、４１、可動電極５及び固定電極６を含む発振ループが形成されている。これら発振回路１４Ａ、１４Ｂからの出力は周波数情報検出部１０２に送られ、ここで各発振回路１４Ａ、１４Ｂからの発振周波数の差分あるいは周波数の変化率の差が検出される。
【００３７】
周波数の変化率とは次の意味である。発振回路１４Ａにおいて、水晶片２Ａが自重で撓んでいる基準状態における周波数を基準周波数と呼ぶとすると、水晶片２Ａが加速度により更に撓んで周波数が変化したとき、周波数の変化分／基準周波数で表わされる値であり、例えばｐｐｂの単位で表わされる。同様に水晶片２Ｂについても周波数の変化率が演算され、これら変化率の差分が周波数に対応する情報としてデータ処理部１０１に出力される。データ処理部１０１では、例えば変化率の差分と加速度との大きさとを対応付けたデータをメモリに記憶しておき、このデータと変化率の差分とに基づいて加速度が検出できる。
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。
【００３８】
第２の実施形態によれば、水晶片２Ａ及び水晶片２Ｂを同一の温度環境に配置しているため、水晶片２Ａ及び水晶片２の各々の周波数が温度により変化したとしても、この変化分がキャンセルされ、結果として水晶片２Ａ、２Ｂの撓みに基づく周波数の変化分だけを検出できるので、検出精度が高いという効果がある。
【００３９】
［第１の実施の形態あるいは第２の実施の形態の変形例］
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。
【００４０】
図１７に示す加速度センサーは、第２の実施形態に用いられている水晶片２Ａ（２Ｂ）において、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６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。図１８は図１７に示す加速度センサーの水晶振動子を示している。この場合においても同様の作用、効果が得られる。
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。
【００４１】
［第３の実施形態］
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。
【００４２】
図１９は、第３の実施形態におけるブロック回路と水晶片２Ｂを含む水晶振動子の構造とを示す構成図である。第２の水晶片２Ｂにおける下面側の引き出し電極は、支持部１１まで引き回されて当該支持部１１にて導電性接着剤を介して容器１内に配線された導電路と接続されているが、図１９では煩雑化を避けるために省略している。
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。
【００４３】
第３の実施の形態によれば、水晶片（検出用水晶片）２Ａ及び水晶片（検出用水晶片）２Ｂが共通の容器１内に配置されているので、同一の温度環境に配置されていることになる。ここで水晶片２Ａに加速度が加わることにより当該水晶片２Ａが撓み、電極５、６間の容量（可変容量）が変化して水晶片２Ａを含む水晶振動子の発振周波数（第１の発振回路１４Ａの発振周波数）の周波数がｆ１からｆ２に変化したとする。ｆ１は基準温度における基準状態の周波数である。このときの周波数の変化率は（ｆ２−ｆ１）／ｆ１であるが、この変化率の値には温度変化分も含まれている。
【００４４】
一方、環境温度が基準温度からずれているとすると、参照用水晶片２Ｂを含む水晶振動子の発振周波数（第２の発振回路１４Ｂの発振周波数）の周波数がｆ１´からｆ２´に変化する。ｆ１、ｆ１´は、基準温度（例えば２５℃）における基準状態の周波数である。このときの周波数の変化率は（ｆ２´−ｆ１´）／ｆ１´であるが、この変化率の値には温度変化分も含まれている。
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。
【００４５】
［第２の実施形態及び第３の実施形態の変形例］
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。
【００４６】
また図２１に示すように、例えば角型の水晶板２０をエッチングして、枠部２１と、枠部２１の一辺から平行に伸び出す第１の水晶片２Ａ及び第２の水晶片２Ｂとが一体化された構造体（水晶板２０）を作成し、図２２に示すように材質が水晶である容器の下部分３０１及び上部分３０２の間に前記水晶板２０を挟みこんで３枚重ねの形態とし、これら３枚を貼り合わせた構造としてもよい。図２１中、２２は切り欠かれて形成された空間を示している。また可動電極５は下面側から上面側に回り込ませて錘の役割も持たせている。枠部２１における配線構造としては、枠部２１において引き出し電極３２が配線される部分について電極３２の膜厚相当分の深さの溝を形成し、この溝内に引き出し電極３２を引き回す。そして溝の底部から枠部２１及び容器の下部分３０１を貫通する貫通孔を形成し、この貫通孔内を介して配線を外に引き回す構造とすることができる。
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。
【００４７】
以上の構成によれば、第１の実施の形態の構成に比べて次のような利点がある。図１の構成では、可動電極５と固定電極６との離間寸法が導電性接着剤１０の量により異なってくるため、前記離間寸法の設定作業が難しいが、図２２の構成によれば、水晶板２０の厚さを調整することで水晶片２Ａ、２Ｂの撓みの程度が決まり、これにより前記離間寸法が決まってくることから、上記の設定作業が容易である。
【００４８】
［第４の実施形態］
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。
【００４９】
図２３は、この実施形態におけるセンサー部分を示しており、水晶片２において励振電極３１の先端側と可動電極５（水晶片２側の電極であって、固定電極６と対向している部位）における水晶片２の基端側との間にＡＴカット部分とＤＴカット部分との境界部分がある。即ち当該境界部分よりも水晶片２の基端側が例えばＡＴカットの水晶であり、当該境界分よりも水晶片２の先端側がＤＴカットの水晶である。図２３では、両部分を区分けするために水晶片２のハッチングの向きを互いに異ならせている。
【００５０】
図２４は図２３に示す水晶片２を含む水晶振動子を上から見た図であり、第１の水晶部分（例えばＡＴカット部分）をＳ１、第２の水晶部分（例えばＤＴカット部分）をＳ２で夫々表示している。Ｓ１、Ｓ２は互に結晶軸が異なる。このように水晶片２に双晶を形成する理由は、励振電極３１、４１が設けられている水晶部分と検出用電極である可動電極５が設けられている水晶部分との間で弾性的な結合が起こる懸念を払拭するためである。そして前記弾性的な結合を避ける更なる有効な手法として、双方の水晶部分の間に弾性的な境界部位を設けることが挙げられ、その部位の構造としては凹部、孔部、段差の形成を挙げることができる。
【００５１】
これらの構造のうち、水晶片２の強度を考慮した場合には、段差が適切な構造ということができる。このため図２５及び図２６に示すように、第１の水晶部分Ｓ１よりも第２の水晶部分Ｓ２における水晶片２の厚さを大きくすることが有効である。ところでＡＴカットの水晶の周波数定数は１６７０ｋＨｚ・ｍｍであり、ＤＴカットの水晶の周波数定数は２６００ｋＨｚ・ｍｍである。従って両者の厚さが一定であれば、ＤＴカットの水晶の共振周波数ｆＴの方がＡＴカットの水晶の共振周波数ｆＳよりも大きい。このため第２の水晶部分Ｓ２の厚さを第１の水晶部分Ｓ１の厚さよりも大きくしていくと、第２の水晶部分Ｓ２の共振周波数が小さくなっていくので、両者の共振周波数が極めて近似する（ｆＳ≒ｆＴ）厚さが存在する。ＤＴカットの水晶の周波数温度特性は一次式となるため、両者の周波数が近似すると弾性的な結合が懸念されるため、このような厚さの関係は避けた方が好ましい。
【００５２】
水晶片２の先端部の厚さを大きくするという構造は、当該厚さの大きい部分が錘の役割を果たすために有利な構造ということができ、また水晶片２の途中に段差を設けることで既述の弾性的結合を避けるという点でも有効である。そして既述のように水晶片２を第１の水晶部分Ｓ１と第２の水晶部分Ｓ２とに分けるという構造も更なる有効な手法である。しかしこのような構造、例えば図２５及び図２６に示す構造を採用する場合には、第２の水晶部分Ｓ２の共振周波数よりも第１の水晶部分Ｓ１の共振周波数の方が大きくなる（ｆＳ＞ｆＴ）ように厚さ寸法を設定することがより好ましい。
【００５３】
ここで双晶（互に異なる結晶軸を有する水晶）を備えた水晶片２を製造する方法としては、例えばレーザ光をＡＴカットの水晶片２に局所的に照射して５３０℃程度まで加熱し、局所的なアニールを施す手法を挙げることができる。より具体的には、水晶片２においてＡＴカットからＤＴカットに変化させたい領域に所定のスポット径の例えば炭酸ガスレーザを走査する手法を挙げることができる。レーザ光が透過して加熱が不十分になる場合には、水晶片２の一面側に金属膜を形成し、他面側からレーザを照射して金属膜を介して水晶片２を加熱するようにしてもよい。また所定のスポット径のレーザ光を用いる代わりに、レーザ光の照射領域が広い装置を使用してもよく、この場合には例えばＤＴカットに変化させたい領域以外について例えば水晶片から少し浮かした状態でステンレスによるマスクを配置するようにしてもよい。
【００５４】
水晶片２に既述のように第１の水晶部分Ｓ１と第２の水晶部分Ｓ２とを形成することの利点として、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が同じ厚さであっても弾性的な結合が生じる懸念が小さいことが挙げられる。従って水晶片２に対して双晶を得るための熱処理工程は必要であるが、厚さを異ならせるといった機械加工作業を行わなくて済み、このため製造工程が簡略化する。一方、図２５のように第２の水晶部分Ｓ２の厚さを第１の水晶部分Ｓ１の厚さよりも大きくすることも有効な手法であることから、使用する周波数、測定対象となる外力の大きさなどによりいずれの構成が有利化を判断して設計すればよい。いずれにしても第１の水晶部分Ｓ１及び第２の水晶部分Ｓ２を形成することは、単晶領域のみとする構造に比べて有利であり、設計の自由度が大きく、構造の選択も広いということができる。なお励振電極３１、４１が設けられている部位をＤＴカットの水晶とし、可動電極５が設けられている部位をＡＴカットの水晶としてもよい。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する例としては、Ｘ軸の伸びる方向が互に異なる、つまりＸ軸が交差する関係であってもよい。
【００５５】
水晶片２に双晶を形成した第４の実施形態の構造は、他の実施の形態においても適用でき、例えば第２の実施の形態で用いた第１の水晶片２Ａ及び第２の水晶片２Ｂに対しても適用できる。
【００５６】
［第５の実施形態］
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。
【００５７】
一方の可動電極５Ａの下方側には固定電極６が設けられるが、他方の可動電極５Ｂの下方側には固定電極６が設けられていない。他方の可動電極５Ｂを設けた理由は、水晶片２の幅方向中心に対して対称に可動電極５Ａ、５Ｂを配置することにより、水晶片２の幅方向のバランスを良くして撓むときの姿勢の捩れ（波を打つ姿勢）が無いようにし、水晶片２の撓み量に対して静電容量の変化を安定化させるためである。従って他方の可動電極５Ｂは、バランス用のダミーの膜と言うことができるが、用語の混乱を避けるために「可動電極」という用語で統一している。
【００５８】
また図２７及び図２８から分かるように、励振電極３１Ａに対向する励振電極４１Ａは可動電極５Ａに引き出し電極４２Ａを介して接続されているが、励振電極３１Ｂに対向する励振電極４１Ｂは可動電極５Ｂに接続されていない。この場合の配線は、図１９に示すように第１の組については、発振回路１４Ａ、励振電極３１Ａ、励振電極４１Ａ、可動電極５Ａ、固定電極６、発振回路１４Ａの発振ループが形成されるが、第２の組については、発振回路１４Ｂ、励振電極３１Ｂ、励振電極４１Ｂ、発振回路１４Ｂの発振ループが形成されることになる。この場合においても第３の実施形態にて述べたと同様な効果が得られる。更にまた水晶片２の幅方向についてみると、第１の組の励振電極３１Ａと第２の組の励振電極３１Ｂとが非対称に配置されている。即ち、両励振電極３１Ａ、３１Ｂの位置が水晶片２の長さ方向に互いに変位している。このため第１の組の振動と第２の組の振動とが弾性的に結合することが確実に避けられる。
【００５９】
［第６の実施形態］
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。
【００６０】
第５の実施形態及び第６の実施形態においても、第４の実施形態の構造を適用することができる。例えば励振電極３１Ａと可動電極５との間に、水晶片２の先端側に形成したＤＴカットの水晶部分（あるいはＡＴカットの水晶部分）と水晶片２の基端側に形成したＡＴカットの水晶部分（あるいはＤＴカットの水晶部分）との境界領域を位置させる構造とすることができる。
【００６１】
第２の実施形態〜第６の実施形態において、水晶片２に形成した第１の組に相当する検出用の水晶振動子の発振周波数（水晶片２Ａにおける励振電極３１、４１間の発振周波数あるいは励振電極３１Ａ、４１Ａ間の発振周波数）ｆ１と、第２の組に相当する参照用の水晶振動子の発振周波数（水晶片２Ｂにおける励振電極３１、４１間の発振周波数あるいは励振電極３１Ｂ、４１Ｂ間の発振周波数）ｆ２との周波数差については、ｆ１を基準にした両周波数差の比率、すなわち（ｆ２−ｆ１）／ｆ１の絶対値が１００ｐｐｍよりも大きいことが好ましい。第１の組に係る水晶振動子と第２の組に係る水晶振動子を用いて温度変化に対応する周波数変化をキャンセルする手法においては、両者の周波数温度特性が近似しているほど、つまり両者の周波数差が小さいほど、効果が大きいが、周波数があまりにも接近していると両者が弾性結合し、周波数が本来の周波数から変化してしまう。一方両者の周波数差が大きいとディジタル回路の設計が難しくなることから、例えば周波数差の比率は３％以下であることが好ましい。
【００６２】
［第７の実施形態］
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。
【００６３】
このような例を図３０及び図３１に示す。この例では容器の底部に、角型の支持部８を設け、この支持部８の上面により、水晶片２の下面における励振電極４１よりも例えば０．１ｍｍ〜数ｍｍだけ水晶片２の先端側に寄った部位を支持している。支持部８の横幅は、水晶片２の幅寸法と同じかあるいはそれよりも大きいことが好ましいが、励振電極３１、４１が配置されている部位の撓みを十分に防止できる機能を発揮できる場合には、水晶片２の幅寸法より小さくてもよい。支持部８の高さ寸法は、例えば水晶片２が台座１１の上面から水平に伸び出した状態において水晶片２の下面に接触する寸法に設定される。
【００６４】
図３０では、容器内の構造を誇張して記載しているため、実際の外力センサーの一例の構造とはイメージが少し異なる。支持部８の寸法の一例としては、高さが例えば０・５ｍｍ〜１ｍｍ、厚さは０．３ｍｍであり、横幅は水晶片２の幅と同じ１．６ｍｍである。この寸法は一例であって、容器１の構造や水晶片２の設置位置などに応じて決まってくる。
【００６５】
支持部８と水晶片２の下面（固定電極６と対向する側の面）とは、例えば導電性接着剤あるいは低誘電ガラスなどの固着材料により互いに固定されている。なお支持部８と水晶片２の下面とは互いに固定されていない構造としてもよい。
【００６６】
支持部８を設ける手法としては、例えば容器１の下部分３０１を製造するときにエッチングにより形成する手法を挙げることができるが、支持部８を下部分３０１とは別個に製造し、接着剤により接着するようにしてもよい。
【００６７】
また支持部８を用いる構造は、２組の水晶振動子を設けてこれら水晶振動子の発振周波数の差分を求める例である第２の実施形態あるいは第３の実施形態などに適用してもよい。この場合各組の水晶片２Ａ、２Ｂ（例えば図９を参照）ごとに、支持部８により図３０、図３１に示したように励振電極３１、４１と可変電極５との間の部位を支持する構造となる。支持部８としては、水晶片２Ａ、２Ｂごとに独立して設けてもよいし、水晶片２Ａの左縁から水晶片２Ｂの右縁に亘って延びる共通の支持部８により水晶片２Ａ、２Ｂを支持してもよい。２組の水晶振動子を用いた例である図２７の構造に対して支持部８を用いた構成を図３２に示しておく。
【００６８】
ここで図３０に示す構造において、励振電極４１を直接発振回路に接続したサンプルを作成し、水平な面に載置したときの発振周波数ｆ０と、水平面から１０度だけ水晶片２の先端側が低くなるように傾斜した面に載置したときの発振周波数ｆ１０とを複数回測定した。周波数の変化率である（ｆ０−ｆ１０）／ｆ０の値は、０．１ｐｐｂ〜５ｐｐｂであった。
【００６９】
これに対して前記サンプルにおいて支持部８を設けない場合のサンプルについて、同様の試験を行ったところ、周波数の変化率である（ｆ０−ｆ１０）／ｆ０の値は、８ｐｐｂ〜４５ｐｐｂであった。この結果から、水晶片２が外力により撓んだときに、発振周波数の変化分の中で、水晶片２の振動部位（励振電極３１，４１が設けられている部位）の撓みによる周波数の変化分の占める割合について、支持部８を設ける構造の方が小さいことが分かる。この結果は水晶片２における支持部８の先端側が撓んでも、振動部位は、支持部８の存在によりほとんど撓まないことに基づいた結果であるといえる。
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。
【００７０】
以上において本発明は、加速度を測定することに限らず、磁力の測定、被測定物の傾斜の度合いの測定、流体の流量の測定、風速の測定などにも適用することができる。
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。
【符号の説明】
【００７１】
１ 容器
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
【技術分野】
【０００１】
本発明は圧電片例えば水晶片を用い、圧電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、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技術分野に関する。
【背景技術】
【０００２】
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が必要な場合が多い。例えば自動車を開発する段階で自動車が物体に衝突したときに座席における衝撃力を測定することが行われている。また地震時の振動エネルギーや振幅を調べるためにできるだけ精密に揺れの加速度などを調べる要請がある。
【０００３】
更にまた液体や気体の流速を正確に調べてその検出値を制御系に反映させる場合や、磁石の性能を測定する場合なども外力の測定例として挙げることができる。
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。
【０００４】
特許文献１には、圧電フィルムを片持ちで支持し、周囲の磁力の変化により圧電フィルムが変形し、圧電フィルムに流れる電流が変化することが記載されている。
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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００６−１３８８５２（段落００２１、段落００２８）
【特許文献２】特開２００８−３９６２６（図１及び図３）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、このような背景の下になされたものであり、圧電片に加わる外力を高精度にかつ容易に検出することができる外力検出装置及び外力検出センサーを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、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。
【０００８】
前記可変容量形成用の可動電極は、例えば前記圧電片の他端側に設けられる。前記可動電極は、圧電片の一面側及び他面側のいずれに設けてもよいし、両方に設けてもよい。
【０００９】
本発明の具体的態様の例を列挙する。
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。
【００１０】
また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。
【００１１】
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構成であってもよい。
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。
【００１２】
本発明は、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の部位であって、前記圧電片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るようにしてもよい。
【００１３】
また前記容器内における固定電極が設けられている側の内壁部に、前記圧電片が過剰に撓んだときに当該圧電片の他端よりも一端側に寄った部位を接触させて当該部位の撓みを規制し、これにより圧電片の他端が容器の内壁部に衝突することを避けるための突起部を備えた構成としてもよい。
【００１４】
他の発明は、圧電片に作用する外力を圧電基板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。
【発明の効果】
【００１５】
本発明は、圧電片に外力が加わって撓むとあるいは撓みの程度が変わると、圧電片側の可動電極とこの可動電極に対向する固定電極との間の距離が変わり、このため両電極間の容量が変わり、この容量変化を圧電片の発振周波数の変化として捉えている。圧電片の僅かな変形も発振周波数の変化として検出できるので、圧電片に加わる外力を高精度に測定することができ、しかも装置構成が簡素である。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】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。
【図２】第１の実施の形態に用いられる水晶振動子の上面を及び下面を示す平面図である。
【図３】加速度検出装置の回路構成を示すブロック図である。
【図４】前記加速度検出装置の等価回路を示す回路図である。
【図５】前記加速度検出装置を用いて取得した加速度と周波数差との関係を示す特性図である。
【図６】第１の実施形態の変形例を示す縦断側面図である。
【図７】第１の実施形態の変形例を示す縦断側面図である。
【図８】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２の実施形態を示す縦断側面図である。
【図９】図８におけるＡ−Ａ線に沿った横断平面図である。
【図１０】図８におけるＢ−Ｂ線に沿った横断平面図である。
【図１１】第２の実施形態に用いられる水晶振動子の裏面側を示す平面図である。
【図１２】第２の実施形態において、水晶片２が外力により撓む様子と各部の寸法とを示す縦断側面図である。
【図１３】第２の実施形態に係る加速度検出装置の回路を示すブロック回路図である。
【図１４】第２の実施形態に係る加速度検出装置の一部分の外観を示す外観図である。
【図１５】本発明のその他の変形例を示す縦断側面図である。
【図１６】本発明のその他の変形例を示す縦断側面図である。
【図１７】本発明のその他の変形例を示す縦断側面図である。
【図１８】図１７に示す加速度検出装置に用いられる水晶片を示す斜視図である。
【図１９】第３の実施形態に係る水晶振動子の構造及びブロック回路を示す構成図である。
【図２０】第２の実施形態及び第３の実施形態の変形例を示すブロック図である。
【図２１】本発明に用いる水晶片の支持構造の他の例を示す斜視図である。
【図２２】本発明に用いる水晶片の支持構造の他の例を示す斜視図である。
【図２３】第４の実施形態に係る要部を示す縦断側面図である。
【図２４】第４の実施形態に用いられる水晶振動子を示す平面図である。
【図２５】第４の実施形態に用いられる水晶振動子の他の例を示す側面図である。
【図２６】第４の実施形態に用いられる水晶振動子を他の例を示す斜視図である。
【図２７】第５の実施形態に用いられる水晶振動子を示す平面図である。
【図２８】図２７に示す水晶板を下側から見た状態を示す平面図である。
【図２９】第５の実施形態に用いられる水晶振動子の他の例を示す平面図である。
【図３０】第６の実施形態に係る要部を示す縦断側面図である。
【図３１】図３０におけるＣ−Ｃ線に沿った横断平面図である。
【図３２】第６の実施形態の他の例を示す平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
［第１の実施形態］
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。
【００１８】
水晶片２は、図２（ａ）に示すように水晶片２の上面の中央部に一方の励振電極３１が設けられ、また図２（ｂ）に示すように水晶片２の下面における、前記励振電極３１と対向する部位に他方の励振電極４１が設けられて水晶振動子を構成している。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、水晶片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１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。
【００１９】
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、水晶片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の底部にはコンベックス状の水晶からなる突起部７が設けられている。この突起部７は平面図で見ると四角形である。本発明は水晶片２の変形に基づいて起こる可動電極５と固定電極６との間の容量変化を介して外力を検出するものであることから、可動電極５は検出用電極と言うこともできる。
【００２０】
固定電極６はこの突起部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。水晶片２は過大に触れて先端が容器１の底部に衝突すると、「劈開」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。このため水晶片２が過大に触れたときに可動電極５よりも水晶片２の基端側（一端側）の部位が突起部７に衝突するように突起部７の形状が決定されている。図１等では実際の装置とは少しイメージを変えて記載してあるが、実際に大きく容器１を振ると、水晶片２の先端よりも中央寄りの部位が突起部７に衝突する。
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。
【００２１】
固定電極６は、突起部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は加速度センサーの配線の接続状態を示している。図３中、１０１は例えばパーソナルコンピュータからなるデータ処理部であり、このデータ処理部１０１は、周波数検出部１００から得られた周波数情報例えば周波数に基づいて、水晶片２に加速度が加わらないときの周波数ｆ0と加速度が加わったときの周波数ｆ1との差を求め、この周波数差から算出した周波数の変化分と加速度とを対応付けたデータテーブルを参照して加速度を求める機能を有する。周波数情報としては、周波数差の変化分に限らず、周波数の差分そのものであってもよい。
【００２２】
図４は等価回路を示している。図４中、Ｌ１は水晶振動子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である。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。
【００２３】
水晶片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、水晶片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、あるいは水晶片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。
【００２４】
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。
【００２５】
ｄＦＬ＝ＦＬ１−ＦＬ２＝Ａ×ＣＬ２×（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。
【００２６】
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における可動電極５及び固定電極６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、（４）式が成り立つ。
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。
【００２７】
このような実施形態のセンサー部分である加速度センサーは、加速度に応じた外力が加わらない状態においても水晶片２が若干撓んだ状態にある。なお水晶片２が撓んだ状態にあるか水平姿勢が保たれているかは、水晶片２の厚さなどに応じて決まってくる。
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。
【００２８】
そして地震が発生してあるいは模擬的な振動が加わると、水晶片２が図１の鎖線で示すようにあるいは図３に実線で示すように撓む。既述のように水晶片２に外力が加わらない基準の状態において可動電極５と固定電極６との間の容量をＣｖ１とすると、水晶片２に外力が加わって当該水晶片２が撓むと両電極５、６間の距離が変わるので容量がＣｖ１から変化する。このため発振回路１４から出力される発振周波数が変化する。
【００２９】
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検出部１００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（３）式で表される。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、図５に示す関係を得ている。従って前記周波数の差分を測定することにより加速度が求まることが裏付けられている。なお、ＦＬ１の値はある温度を基準温度と決めて、その基準温度例えば２５℃における周波数の値である。
【００３０】
上述実施の形態によれば、水晶片２に加わる外力を、水晶片２の撓みによる可動電極５と固定電極６との間の容量変化に基づく発振周波数の変化として捉えている。従って水晶片２の僅かな変形も発振周波数の変化として検出できるので、水晶片２に加わる外力を高精度に測定することができ、しかも装置構成が簡素である。
【００３１】
水晶片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６に示す構造であってもよい。この例では、水晶片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片２と同じ幅の四角形をしているが、側面で見ると水晶片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部７が設けられている。また固定電極６は、突起部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。
【００３２】
これら水晶片２Ａ、２Ｂは同一の構造であるため、一方の水晶片２Ａについて説明すると、水晶片２Ａの一面側（上面側）において一端側から幅の狭い引き出し電極３２が他端側に向かって伸び、当該引き出し電極３２の先端部に一方の励振電極３１が角形形状に形成されている。そして水晶片２Ａの他面側（下面側）には、図９及び図１１に示すように一方の励振電極３１に対向して他方の励振電極４１が形成され、当該励振電極４１における水晶片２の先端側に向かって幅の狭い引き出し電極４２が伸びている。更にこの引き出し電極４２の前記先端側には短冊状の可変容量形成用の可動電極５が形成されている。これら電極３１等は、導電膜例えば金属膜により形成されている。
【００３３】
容器１の底部には、図１と同様にコンベックス状の水晶からなる突起部７が設けられているが、突起部７の横幅は、２枚の水晶片２Ａ、２Ｂの配置に対応した大きさに設定されている。即ち、突起部７は２枚の水晶片２Ａ、２Ｂの投影領域を含む大きさに設定されている。そして図９及び図１０に示すように突起部７に、水晶片２Ａの可動電極５及び水晶片２Ｂの可動電極５ごとに短冊状の固定電極６が設けられている。なお、図８等では、構造の理解の容易さを優先しているため、水晶片２の撓み形状が正確に記載されていないが、後述の寸法により作成した場合には、水晶片２が過大に触れると、水晶片２の先端よりも中央寄りが突起部７に衝突する。
【００３４】
水晶片２及びその周辺部位に関し、図１２を参照しながら各部の寸法の一例について説明しておく。水晶片２の長さ寸法Ｓ及び幅寸法は、夫々１８ｍｍ及び３ｍｍである。水晶片２の厚さは、例えば数μｍである。水晶片２の一端側における支持面を水平面に平行に設定したとすると、加速度が加わらず放置した状態では自重により撓んだ状態となり、その撓み量ｄ１は例えば１５０μｍ程度であり、容器１の下部分における凹部空間の深さｄ0は、例えば１７５μｍである。また突起部７の高さ寸法は例えば５５〜６０μｍ程度である。これらの寸法は一例に過ぎない。
【００３５】
水晶片２の好ましい寸法の一例を示しておくと、長さ寸法が１５ｍｍ〜２５ｍｍ、幅寸法が１．５ｍｍ〜３．０ｍｍ、厚さが２０μｍ〜２５μｍである。このような寸法が好ましい理由は、次の通りである。水晶片２の長さ寸法は大きいほど先端部の寸法変化が大きくなり、静電容量の変化が大きくなり、高感度になるが、あまり長さ寸法を大きくすると、撓みが大きくなって可変電極５と固定電極６とが接触するおそれが生じてくることにある。
【００３６】
図１３には、第２の実施形態の加速度検出装置の回路が示されている。また図１４には、加速度検出装置の一部の外観が示されている。第１の実施の形態と異なる箇所は、第１の水晶片２Ａ及び第２の水晶片２Ｂに夫々対応して第１の発振回路１４Ａ及び第２の発振回路１４Ｂが接続されており、第１の水晶片２Ａ及び第２の水晶片２Ｂごとに、発振回路１４Ａ（１４Ｂ）、励振電極３１、４１、可動電極５及び固定電極６を含む発振ループが形成されている。これら発振回路１４Ａ、１４Ｂからの出力は周波数情報検出部１０２に送られ、ここで各発振回路１４Ａ、１４Ｂからの発振周波数の差分あるいは周波数の変化率の差が検出される。
【００３７】
周波数の変化率とは次の意味である。発振回路１４Ａにおいて、水晶片２Ａが自重で撓んでいる基準状態における周波数を基準周波数と呼ぶとすると、水晶片２Ａが加速度により更に撓んで周波数が変化したとき、周波数の変化分／基準周波数で表わされる値であり、例えばｐｐｂの単位で表わされる。同様に水晶片２Ｂについても周波数の変化率が演算され、これら変化率の差分が周波数に対応する情報としてデータ処理部１０１に出力される。データ処理部１０１では、例えば変化率の差分と加速度との大きさとを対応付けたデータをメモリに記憶しておき、このデータと変化率の差分とに基づいて加速度が検出できる。
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。
【００３８】
第２の実施形態によれば、水晶片２Ａ及び水晶片２Ｂを同一の温度環境に配置しているため、水晶片２Ａ及び水晶片２の各々の周波数が温度により変化したとしても、この変化分がキャンセルされ、結果として水晶片２Ａ、２Ｂの撓みに基づく周波数の変化分だけを検出できるので、検出精度が高いという効果がある。
【００３９】
［第１の実施の形態あるいは第２の実施の形態の変形例］
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。
【００４０】
図１７に示す加速度センサーは、第２の実施形態に用いられている水晶片２Ａ（２Ｂ）において、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６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。図１８は図１７に示す加速度センサーの水晶振動子を示している。この場合においても同様の作用、効果が得られる。
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。
【００４１】
［第３の実施形態］
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。
【００４２】
図１９は、第３の実施形態におけるブロック回路と水晶片２Ｂを含む水晶振動子の構造とを示す構成図である。第２の水晶片２Ｂにおける下面側の引き出し電極は、支持部１１まで引き回されて当該支持部１１にて導電性接着剤を介して容器１内に配線された導電路と接続されているが、図１９では煩雑化を避けるために省略している。
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。
【００４３】
第３の実施の形態によれば、水晶片（検出用水晶片）２Ａ及び水晶片（検出用水晶片）２Ｂが共通の容器１内に配置されているので、同一の温度環境に配置されていることになる。ここで水晶片２Ａに加速度が加わることにより当該水晶片２Ａが撓み、電極５、６間の容量（可変容量）が変化して水晶片２Ａを含む水晶振動子の発振周波数（第１の発振回路１４Ａの発振周波数）の周波数がｆ１からｆ２に変化したとする。ｆ１は基準温度における基準状態の周波数である。このときの周波数の変化率は（ｆ２−ｆ１）／ｆ１であるが、この変化率の値には温度変化分も含まれている。
【００４４】
一方、環境温度が基準温度からずれているとすると、参照用水晶片２Ｂを含む水晶振動子の発振周波数（第２の発振回路１４Ｂの発振周波数）の周波数がｆ１´からｆ２´に変化する。ｆ１、ｆ１´は、基準温度（例えば２５℃）における基準状態の周波数である。このときの周波数の変化率は（ｆ２´−ｆ１´）／ｆ１´であるが、この変化率の値には温度変化分も含まれている。
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。
【００４５】
［第２の実施形態及び第３の実施形態の変形例］
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。
【００４６】
また図２１に示すように、例えば角型の水晶板２０をエッチングして、枠部２１と、枠部２１の一辺から平行に伸び出す第１の水晶片２Ａ及び第２の水晶片２Ｂとが一体化された構造体（水晶板２０）を作成し、図２２に示すように材質が水晶である容器の下部分３０１及び上部分３０２の間に前記水晶板２０を挟みこんで３枚重ねの形態とし、これら３枚を貼り合わせた構造としてもよい。図２１中、２２は切り欠かれて形成された空間を示している。また可動電極５は下面側から上面側に回り込ませて錘の役割も持たせている。枠部２１における配線構造としては、枠部２１において引き出し電極３２が配線される部分について電極３２の膜厚相当分の深さの溝を形成し、この溝内に引き出し電極３２を引き回す。そして溝の底部から枠部２１及び容器の下部分３０１を貫通する貫通孔を形成し、この貫通孔内を介して配線を外に引き回す構造とすることができる。
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。
【００４７】
以上の構成によれば、第１の実施の形態の構成に比べて次のような利点がある。図１の構成では、可動電極５と固定電極６との離間寸法が導電性接着剤１０の量により異なってくるため、前記離間寸法の設定作業が難しいが、図２２の構成によれば、水晶板２０の厚さを調整することで水晶片２Ａ、２Ｂの撓みの程度が決まり、これにより前記離間寸法が決まってくることから、上記の設定作業が容易である。
【００４８】
［第４の実施形態］
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。
【００４９】
図２３は、この実施形態におけるセンサー部分を示しており、水晶片２において励振電極３１の先端側と可動電極５（水晶片２側の電極であって、固定電極６と対向している部位）における水晶片２の基端側との間にＡＴカット部分とＤＴカット部分との境界部分がある。即ち当該境界部分よりも水晶片２の基端側が例えばＡＴカットの水晶であり、当該境界分よりも水晶片２の先端側がＤＴカットの水晶である。図２３では、両部分を区分けするために水晶片２のハッチングの向きを互いに異ならせている。
【００５０】
図２４は図２３に示す水晶片２を含む水晶振動子を上から見た図であり、第１の水晶部分（例えばＡＴカット部分）をＳ１、第２の水晶部分（例えばＤＴカット部分）をＳ２で夫々表示している。Ｓ１、Ｓ２は互に結晶軸が異なる。このように水晶片２に双晶を形成する理由は、励振電極３１、４１が設けられている水晶部分と検出用電極である可動電極５が設けられている水晶部分との間で弾性的な結合が起こる懸念を払拭するためである。そして前記弾性的な結合を避ける更なる有効な手法として、双方の水晶部分の間に弾性的な境界部位を設けることが挙げられ、その部位の構造としては凹部、孔部、段差の形成を挙げることができる。
【００５１】
これらの構造のうち、水晶片２の強度を考慮した場合には、段差が適切な構造ということができる。このため図２５及び図２６に示すように、第１の水晶部分Ｓ１よりも第２の水晶部分Ｓ２における水晶片２の厚さを大きくすることが有効である。ところでＡＴカットの水晶の周波数定数は１６７０ｋＨｚ・ｍｍであり、ＤＴカットの水晶の周波数定数は２６００ｋＨｚ・ｍｍである。従って両者の厚さが一定であれば、ＤＴカットの水晶の共振周波数ｆＴの方がＡＴカットの水晶の共振周波数ｆＳよりも大きい。このため第２の水晶部分Ｓ２の厚さを第１の水晶部分Ｓ１の厚さよりも大きくしていくと、第２の水晶部分Ｓ２の共振周波数が小さくなっていくので、両者の共振周波数が極めて近似する（ｆＳ≒ｆＴ）厚さが存在する。ＤＴカットの水晶の周波数温度特性は一次式となるため、両者の周波数が近似すると弾性的な結合が懸念されるため、このような厚さの関係は避けた方が好ましい。
【００５２】
水晶片２の先端部の厚さを大きくするという構造は、当該厚さの大きい部分が錘の役割を果たすために有利な構造ということができ、また水晶片２の途中に段差を設けることで既述の弾性的結合を避けるという点でも有効である。そして既述のように水晶片２を第１の水晶部分Ｓ１と第２の水晶部分Ｓ２とに分けるという構造も更なる有効な手法である。しかしこのような構造、例えば図２５及び図２６に示す構造を採用する場合には、第２の水晶部分Ｓ２の共振周波数よりも第１の水晶部分Ｓ１の共振周波数の方が大きくなる（ｆＳ＞ｆＴ）ように厚さ寸法を設定することがより好ましい。
【００５３】
ここで双晶（互に異なる結晶軸を有する水晶）を備えた水晶片２を製造する方法としては、例えばレーザ光をＡＴカットの水晶片２に局所的に照射して５３０℃程度まで加熱し、局所的なアニールを施す手法を挙げることができる。より具体的には、水晶片２においてＡＴカットからＤＴカットに変化させたい領域に所定のスポット径の例えば炭酸ガスレーザを走査する手法を挙げることができる。レーザ光が透過して加熱が不十分になる場合には、水晶片２の一面側に金属膜を形成し、他面側からレーザを照射して金属膜を介して水晶片２を加熱するようにしてもよい。また所定のスポット径のレーザ光を用いる代わりに、レーザ光の照射領域が広い装置を使用してもよく、この場合には例えばＤＴカットに変化させたい領域以外について例えば水晶片から少し浮かした状態でステンレスによるマスクを配置するようにしてもよい。
【００５４】
水晶片２に既述のように第１の水晶部分Ｓ１と第２の水晶部分Ｓ２とを形成することの利点として、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が同じ厚さであっても弾性的な結合が生じる懸念が小さいことが挙げられる。従って水晶片２に対して双晶を得るための熱処理工程は必要であるが、厚さを異ならせるといった機械加工作業を行わなくて済み、このため製造工程が簡略化する。一方、図２５のように第２の水晶部分Ｓ２の厚さを第１の水晶部分Ｓ１の厚さよりも大きくすることも有効な手法であることから、使用する周波数、測定対象となる外力の大きさなどによりいずれの構成が有利化を判断して設計すればよい。いずれにしても第１の水晶部分Ｓ１及び第２の水晶部分Ｓ２を形成することは、単晶領域のみとする構造に比べて有利であり、設計の自由度が大きく、構造の選択も広いということができる。なお励振電極３１、４１が設けられている部位をＤＴカットの水晶とし、可動電極５が設けられている部位をＡＴカットの水晶としてもよい。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する例としては、Ｘ軸の伸びる方向が互に異なる、つまりＸ軸が交差する関係であってもよい。
【００５５】
水晶片２に双晶を形成した第４の実施形態の構造は、他の実施の形態においても適用でき、例えば第２の実施の形態で用いた第１の水晶片２Ａ及び第２の水晶片２Ｂに対しても適用できる。
【００５６】
［第５の実施形態］
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。
【００５７】
一方の可動電極５Ａの下方側には固定電極６が設けられるが、他方の可動電極５Ｂの下方側には固定電極６が設けられていない。他方の可動電極５Ｂを設けた理由は、水晶片２の幅方向中心に対して対称に可動電極５Ａ、５Ｂを配置することにより、水晶片２の幅方向のバランスを良くして撓むときの姿勢の捩れ（波を打つ姿勢）が無いようにし、水晶片２の撓み量に対して静電容量の変化を安定化させるためである。従って他方の可動電極５Ｂは、バランス用のダミーの膜と言うことができるが、用語の混乱を避けるために「可動電極」という用語で統一している。
【００５８】
また図２７及び図２８から分かるように、励振電極３１Ａに対向する励振電極４１Ａは可動電極５Ａに引き出し電極４２Ａを介して接続されているが、励振電極３１Ｂに対向する励振電極４１Ｂは可動電極５Ｂに接続されていない。この場合の配線は、図１９に示すように第１の組については、発振回路１４Ａ、励振電極３１Ａ、励振電極４１Ａ、可動電極５Ａ、固定電極６、発振回路１４Ａの発振ループが形成されるが、第２の組については、発振回路１４Ｂ、励振電極３１Ｂ、励振電極４１Ｂ、発振回路１４Ｂの発振ループが形成されることになる。この場合においても第３の実施形態にて述べたと同様な効果が得られる。更にまた水晶片２の幅方向についてみると、第１の組の励振電極３１Ａと第２の組の励振電極３１Ｂとが非対称に配置されている。即ち、両励振電極３１Ａ、３１Ｂの位置が水晶片２の長さ方向に互いに変位している。このため第１の組の振動と第２の組の振動とが弾性的に結合することが確実に避けられる。
【００５９】
［第６の実施形態］
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。
【００６０】
第５の実施形態及び第６の実施形態においても、第４の実施形態の構造を適用することができる。例えば励振電極３１Ａと可動電極５との間に、水晶片２の先端側に形成したＤＴカットの水晶部分（あるいはＡＴカットの水晶部分）と水晶片２の基端側に形成したＡＴカットの水晶部分（あるいはＤＴカットの水晶部分）との境界領域を位置させる構造とすることができる。
【００６１】
第２の実施形態〜第６の実施形態において、水晶片２に形成した第１の組に相当する検出用の水晶振動子の発振周波数（水晶片２Ａにおける励振電極３１、４１間の発振周波数あるいは励振電極３１Ａ、４１Ａ間の発振周波数）ｆ１と、第２の組に相当する参照用の水晶振動子の発振周波数（水晶片２Ｂにおける励振電極３１、４１間の発振周波数あるいは励振電極３１Ｂ、４１Ｂ間の発振周波数）ｆ２との周波数差については、ｆ１を基準にした両周波数差の比率、すなわち（ｆ２−ｆ１）／ｆ１の絶対値が１００ｐｐｍよりも大きいことが好ましい。第１の組に係る水晶振動子と第２の組に係る水晶振動子を用いて温度変化に対応する周波数変化をキャンセルする手法においては、両者の周波数温度特性が近似しているほど、つまり両者の周波数差が小さいほど、効果が大きいが、周波数があまりにも接近していると両者が弾性結合し、周波数が本来の周波数から変化してしまう。一方両者の周波数差が大きいとディジタル回路の設計が難しくなることから、例えば周波数差の比率は３％以下であることが好ましい。
【００６２】
［第７の実施形態］
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。
【００６３】
このような例を図３０及び図３１に示す。この例では容器の底部に、角型の支持部８を設け、この支持部８の上面により、水晶片２の下面における励振電極４１よりも例えば０．１ｍｍ〜数ｍｍだけ水晶片２の先端側に寄った部位を支持している。支持部８の横幅は、水晶片２の幅寸法と同じかあるいはそれよりも大きいことが好ましいが、励振電極３１、４１が配置されている部位の撓みを十分に防止できる機能を発揮できる場合には、水晶片２の幅寸法より小さくてもよい。支持部８の高さ寸法は、例えば水晶片２が台座１１の上面から水平に伸び出した状態において水晶片２の下面に接触する寸法に設定される。
【００６４】
図３０では、容器内の構造を誇張して記載しているため、実際の外力センサーの一例の構造とはイメージが少し異なる。支持部８の寸法の一例としては、高さが例えば０・５ｍｍ〜１ｍｍ、厚さは０．３ｍｍであり、横幅は水晶片２の幅と同じ１．６ｍｍである。この寸法は一例であって、容器１の構造や水晶片２の設置位置などに応じて決まってくる。
【００６５】
支持部８と水晶片２の下面（固定電極６と対向する側の面）とは、例えば導電性接着剤あるいは低誘電ガラスなどの固着材料により互いに固定されている。なお支持部８と水晶片２の下面とは互いに固定されていない構造としてもよい。
【００６６】
支持部８を設ける手法としては、例えば容器１の下部分３０１を製造するときにエッチングにより形成する手法を挙げることができるが、支持部８を下部分３０１とは別個に製造し、接着剤により接着するようにしてもよい。
【００６７】
また支持部８を用いる構造は、２組の水晶振動子を設けてこれら水晶振動子の発振周波数の差分を求める例である第２の実施形態あるいは第３の実施形態などに適用してもよい。この場合各組の水晶片２Ａ、２Ｂ（例えば図９を参照）ごとに、支持部８により図３０、図３１に示したように励振電極３１、４１と可変電極５との間の部位を支持する構造となる。支持部８としては、水晶片２Ａ、２Ｂごとに独立して設けてもよいし、水晶片２Ａの左縁から水晶片２Ｂの右縁に亘って延びる共通の支持部８により水晶片２Ａ、２Ｂを支持してもよい。２組の水晶振動子を用いた例である図２７の構造に対して支持部８を用いた構成を図３２に示しておく。
【００６８】
ここで図３０に示す構造において、励振電極４１を直接発振回路に接続したサンプルを作成し、水平な面に載置したときの発振周波数ｆ０と、水平面から１０度だけ水晶片２の先端側が低くなるように傾斜した面に載置したときの発振周波数ｆ１０とを複数回測定した。周波数の変化率である（ｆ０−ｆ１０）／ｆ０の値は、０．１ｐｐｂ〜５ｐｐｂであった。
【００６９】
これに対して前記サンプルにおいて支持部８を設けない場合のサンプルについて、同様の試験を行ったところ、周波数の変化率である（ｆ０−ｆ１０）／ｆ０の値は、８ｐｐｂ〜４５ｐｐｂであった。この結果から、水晶片２が外力により撓んだときに、発振周波数の変化分の中で、水晶片２の振動部位（励振電極３１，４１が設けられている部位）の撓みによる周波数の変化分の占める割合について、支持部８を設ける構造の方が小さいことが分かる。この結果は水晶片２における支持部８の先端側が撓んでも、振動部位は、支持部８の存在によりほとんど撓まないことに基づいた結果であるといえる。
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。
【００７０】
以上において本発明は、加速度を測定することに限らず、磁力の測定、被測定物の傾斜の度合いの測定、流体の流量の測定、風速の測定などにも適用することができる。
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。
【符号の説明】
【００７１】
１ 容器
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
【特許請求の範囲】
【請求項１】
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。
【請求項２】
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。
【請求項３】
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。
【請求項４】
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。
【請求項５】
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。
【請求項６】
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。
【請求項７】
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。
【請求項８】
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。
【請求項９】
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。
【請求項１】
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。
【請求項２】
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。
【請求項３】
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。
【請求項４】
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。
【請求項５】
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。
【請求項６】
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。
【請求項７】
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。
【請求項８】
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。
【請求項９】
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。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【図２４】
【図２５】
【図２６】
【図２７】
【図２８】
【図２９】
【図３０】
【図３１】
【図３２】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
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【図１１】
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【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【図２４】
【図２５】
【図２６】
【図２７】
【図２８】
【図２９】
【図３０】
【図３１】
【図３２】
【公開番号】特開２０１３−３３０２０（Ｐ２０１３−３３０２０Ａ）
【公開日】平成２５年２月１４日（２０１３．２．１４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２８０００３（Ｐ２０１１−２８０００３）
【出願日】平成２３年１２月２１日（２０１１．１２．２１）
【出願人】（０００２３２４８３）日本電波工業株式会社 (1,148)
【公開日】平成２５年２月１４日（２０１３．２．１４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１２月２１日（２０１１．１２．２１）
【出願人】（０００２３２４８３）日本電波工業株式会社 (1,148)
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