外力検出装置及び外力検出センサー
【課題】圧電板に加わる外力を簡易な構造で高精度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】水晶板２を容器１内に片持ちで支持する。水晶板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。水晶板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。水晶板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板の発振周波数の変化として捉える。また水晶板２の先端部の破損を抑えるために、水晶板２が過度に撓んだ際に水晶板２の先端部が容器１の内壁に衝突する前に水晶板２の胴体部にて接触するように突起部７を設ける。
【解決手段】水晶板２を容器１内に片持ちで支持する。水晶板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。水晶板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。水晶板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板の発振周波数の変化として捉える。また水晶板２の先端部の破損を抑えるために、水晶板２が過度に撓んだ際に水晶板２の先端部が容器１の内壁に衝突する前に水晶板２の胴体部にて接触するように突起部７を設ける。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は圧電板例えば水晶板を用い、圧電板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。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。
【０００３】
このような測定を行うにあたって、測定装置には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。このため本発明者は、水晶振動子を用いた測定について検討しているが、その場合水晶振動子の水晶板の破損についても考慮しておく必要がある。
【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。
また圧電振動子が片持ち支持された装置において、特許文献３には圧電振動子の撓み方向においてそれと対向する装置の内壁に段差を設けることにより先端部の内壁への衝突を回避する技術が記載されており、特許文献４には圧電振動子の撓み方向に対向するように枕部材を設けることにより先端部の振動を規制する技術が記載されている。
これら特許文献１〜４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号公報（段落００２１、段落００２８）
【特許文献２】特開２００８−３９６２６号公報（図１及び図３）
【特許文献３】特開２００３−１３３８８３号公報
【特許文献４】特開平１１−１１２２６９号公報
【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、圧電板に加わる外力を簡易な構造で高精度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】
本発明の外力検出装置は、
圧電板に作用する外力を検出する外力検出装置であって、
容器内の基台にその一端側が支持された片持ちの前記圧電板と、
この圧電板を振動させるために、当該圧電板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、
前記圧電板の他端側に設けられ、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、
前記圧電板とは離間して、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、圧電板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、
前記容器内における圧電板の可動電極と対向する側の内壁部に、前記圧電板が過剰に撓んだときに当該圧電板の胴部が接触することで前記圧電板の先端が当該内壁部に衝突しないようにするために、当該内壁部を圧電板側に突出させた突起部と、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、圧電板に作用する外力を評価するためのものであることを特徴とする。
前記突起部における前記圧電板に対向する面の長さ方向の切断面の形状は山形であってもよい。
【０００８】
また、本発明の好ましい一態様としては、前記圧電板、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。
【０００９】
本発明の外力検出センサーは、
圧電板に作用する外力を圧電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、
容器内の基台にその一端側が支持された片持ちの前記圧電板と、
この圧電板を振動させるために、当該圧電板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、
前記圧電板の他面側に設けられた他方の励振電極と、
前記圧電板の他端側に設けられ、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、
前記圧電板とは離間して、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、圧電板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、
前記容器内における圧電板の可動電極と対向する側の内壁部に、前記圧電板が過剰に撓んだときに当該圧電板の胴部が接触することで前記圧電板の先端が当該内壁部に衝突しないようにするために、当該内壁部を圧電板側に突出させた突起部と、を備えたことを特徴とする。
前記突起部における前記圧電板に対向する面の長さ方向の切断面の形状は山形であってもよい。
【００１０】
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。
【発明の効果】
【００１１】
本発明は、圧電板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、圧電板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、この容量変化と圧電板の撓みの度合とを圧電板の発振周波数の変化として捉えている。更に、圧電板の他端の振幅を規制するための突起部を設けることにより、圧電板の損傷リスクを低減できるため、より安定した測定を行うことができる。圧電板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、圧電板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】
【００１２】
【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】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実施形態を示す縦断側面図である。
【図８】図７におけるＡ−Ａ線に沿った横断平面図である。
【図９】図７におけるＢ−Ｂ線に沿った横断平面図である。
【図１０】前記実施形態に用いられる水晶板の裏面側を示す平面図である。
【図１１】前記実施形態において、水晶板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１２】前記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１３】前記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】本発明のその他の変形例を示す縦断側面図である。
【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】水晶板が振動する様子を示す説明図である。
【図１７】水晶板の振動により発振周波数が変化する様子を示す周波数特性図である。
【図１８】第３の実施形態に係る要部を示す縦断側面図である。
【図１９】図１８におけるＣ−Ｃ線に沿った横断平面図である。
【図２０】第３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】
【００１３】
［第１の実施形態］
本発明を加速度検出装置に適用した実施形態を説明する。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により圧電板である水晶板２の一端側が固定されている。即ち水晶板２は台座１１に片持ち支持されている。水晶板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。従って水晶板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。
【００１４】
水晶板２は、図２（ａ）に示すように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、水晶板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。
【００１５】
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、水晶板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り、水晶板２の長さ方向を前後方向とすると、左右方向から見た断面においては、上面が上に膨らんだ曲線となっている。即ち突起部７は、上面が水晶板２の長さ方向に沿って水晶板２側に突出した円弧状に曲がっており、水晶板２が突起部７側に過度に膨らんだときに先端部よりも基端側が突起部７に衝突するように構成されている。
【００１６】
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。水晶板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。このため水晶板２が過大に触れたときに可動電極５よりも水晶板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、水晶板２の先端よりも中央寄りの部位が突起部７に衝突する。
【００１７】
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、図４は等価回路を示している。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、ＣＬは発振回路１４の負荷容量である。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４１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。
【００１８】
水晶板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、可変電極５の厚さを大きくして錘を兼用してもよいし、水晶板２の下面側に可変電極５とは別個に錘を設けてもよいし、あるいは水晶板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。
【００１９】
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。
【００２０】
本実施形態では、図３及び図４に示されるように、水晶板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。
【００２１】
ｙ＝１／（１／Ｃｖ＋１／ＣＬ） ……（２）
従って水晶板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ΔＦは、（３）式で表される。
【００２２】
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。
【００２３】
また水晶板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、水晶板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。
【００２４】
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。
【００２５】
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板２が若干撓んだ状態にある。なお水晶板２が撓んだ状態にあるか水平姿勢が保たれているかは、水晶板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、前者は水晶板２が垂直になるように設置され、後者は水晶板２が水平になるように設置される。
【００２６】
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、水晶板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。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（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。
【００２７】
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、水晶板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、周波数差に限らず、周波数の差分に対応する情報である周波数の変化率［（ｆ１−ｆ０）／ｆ０］であってもよい。
【００２８】
第１の実施形態によれば、水晶板２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、水晶板２側の可動電極５とこの可動電極５に対向する固定電極６との間の距離が変わり、両電極５、６間の容量が変わる。このため、この容量変化と水晶板２の変形とが水晶板２の発振周波数の変化として現れる。この結果、水晶板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、水晶板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。更にまた、水晶板２の先端部は「へきかい」という現象により結晶の塊で欠け易いという性質があるが、本実施形態では水晶板２が過度に撓んだ場合にも水晶板２の先端部よりも先にその胴体部（先端部よりも基端側の部分）でぶつかるように突起部７が設けられているため、水晶板２の先端部が装置容器１の内壁に衝突しにくくなっておりその先端部の破損リスクを低減することができる。このとき水晶板２の胴体部は突起部７の曲面部と衝突するため、水晶板２はその胴体部においても破損しにくい。
【００２９】
また図６に示す変形例では、水晶板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板２と同じ幅の四角形をしているが、側面で見ると水晶板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。これにより、水晶板２の先端が容器１側に衝突するリスクを抑えている。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。なお、図６では励振電極などは省略している。
［第２の実施形態］
図７に加速度センサーの他の例を示す。この実施形態は、既述の水晶板２、励振電極３１、３４、可変電極５、固定電極６及び発振回路１４の組を２組設けた点が前述の第１の実施形態と異なる。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。水晶板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７では、一方側の水晶板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７の圧力センサーの内部を平面的に見ると、図８に示すように第１の水晶板２Ａと第２の水晶板２Ｂとが横に平行に配置されている。
【００３０】
これら水晶板２Ａ、２Ｂは同一の構造であるため、一方の水晶板２Ａについて説明すると、水晶板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。そして水晶板２Ａの他面側（下面側）には、図８及び図１０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における水晶板２Ａ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。
【００３１】
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枚の水晶板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枚の水晶板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８及び図９に示すように突起部７に、水晶板２Ａの可動電極５及び水晶板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７等では、構造の理解の容易さを優先しているため、水晶板２Ａ（２Ｂ）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、水晶板２Ａ（２Ｂ）が過大に振れると、水晶板２Ａ（２Ｂ）の先端よりも中央寄りが突起部７に衝突する。
【００３２】
水晶板２Ａ（２Ｂ）及びその周辺部位に関し、図１１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。水晶板２Ａ（２Ｂ）の長さ寸法Ｓ及び幅寸法は、夫々２０ｍｍ及び１．６ｍｍである。水晶板２Ａ（２Ｂ）の厚さは、例えば３０μｍである。水晶板２Ａ（２Ｂ）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１５１μｍ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１５６μｍである。また突起部７の高さ寸法は例えば１０５μｍ程度である。これらの寸法は一例に過ぎない。
【００３３】
図１２には、こ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１３には、加速度検出装置の一部の外観が示されている。前述の第１の実施形態と異なる箇所は、第１の水晶板２Ａ及び第２の水晶板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の水晶板２Ａ及び第２の水晶板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。
【００３４】
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、水晶板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、水晶板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。同様に水晶板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。
水晶板２Ａ（２Ｂ）の撓み量（水晶板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、例えば水晶板２Ａ（２Ｂ）の先端が１０−５μｍ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。
【００３５】
上述の第２の実施形態によれば、第１の実施形態における効果に加えて、水晶板２Ａ及び水晶板２Ｂを同一の温度環境に配置しているため、水晶板２Ａ及び水晶板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、結果として水晶板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。
また水晶板２Ａ、２Ｂが過大に振動した場合に、この水晶板２Ａ、２Ｂの他端（先端）よりも中央寄りが突起部７と衝突し他端が装置容器の内壁に衝突しないように、水晶板２Ａ、２Ｂの撓み形状と略同じ表面形状の突起部７を設けている。これにより、水晶板２Ａ、２Ｂの損傷リスクを低減できるため、より安定した測定を行うことができる。
［本発明の変形例及び適用例］
図１４及び図１５に本発明の更なる変形例を記載しておく。
図１４に示す加速度センサーは、水晶板２の励振電極３１、４１を水晶板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。
【００３６】
図１５に示す加速度センサーは、水晶板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板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との間に水晶板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。
【００３７】
図１５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板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。この場合においても同様の作用、効果が得られる。
【００３８】
［第３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。
【００３９】
このような例を図１８及び図１９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。
【００４０】
図１８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。
【００４１】
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。
【００４２】
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。
【００４３】
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１８、図２０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に対して支持部８を用いた構成を図２０に示しておく。
【００４４】
ここで図１８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。
【００４５】
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。
【００４６】
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。水晶板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板２が撓むように構成する。
更にまた気体や液体などの流体中に水晶板２を晒し、水晶板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、水晶板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。
【００４７】
本発明は、上述の実施形態のように外力値そのものを検出する場合の他に、外力に応じた振動（振動の周波数）を検出することができる。具体的には、地震等を対象とした振動検出装置などに適用できる。ここでは、それについて説明する。この実施形態における振動検出装置の構造は第２の実施形態における外力検出装置と同様なため、その説明は省略する。地震が発生してこの振動検出装置に振動が加わると、水晶板２が揺れて例えば図１６（ａ）に示す第１の状態と、図１６（ｂ）に示す第２の状態とが繰り返される。第１の状態及び第２の状態の可変容量Ｃｖの値を夫々Ｃｖ３及びＣｖ４とすると、夫々の発振周波数ＦＬ３及びＦＬ４は上述の式（１）及び式（２）より求まり、発振周波数はＦＬ３及びＦＬ４の間で図１７のように時間と共に変化する。従って周波数情報検出部１０２にて検出された周波数データをデータ処理部１０１により解析することにより、図１７に示される周波数変化の波の周期Ｔ（周波数に対応する）を求めることができる。
【００４８】
地震波により振動検出装置が振動するときには、一方向及び反対方向に加速度が水晶板２に加わり、既述のように例えば図１７に示す周波数データが取得できることから、０．５Ｈｚ程度の低周波の振動であっても性格に検出することができる。
【００４９】
以上において本発明は、地震の震動に限らず模擬的に発生させた振動の周期を検出する場合にも適用することができる。また例えば洗濯機を運転しているときに洗濯物を含む回転水流などにより洗濯機本体に生じる振動の周期を検出する場合などに適用してもよい。
【符号の説明】
【００５０】
１ 容器
１１ 台座
１２ 導電路
２ 水晶板
３１、４１ 励振電極
１４ 発振回路
５ 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
１０２ 周波数情報検出部
【技術分野】
【０００１】
本発明は圧電板例えば水晶板を用い、圧電板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。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。
【０００３】
このような測定を行うにあたって、測定装置には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。このため本発明者は、水晶振動子を用いた測定について検討しているが、その場合水晶振動子の水晶板の破損についても考慮しておく必要がある。
【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。
また圧電振動子が片持ち支持された装置において、特許文献３には圧電振動子の撓み方向においてそれと対向する装置の内壁に段差を設けることにより先端部の内壁への衝突を回避する技術が記載されており、特許文献４には圧電振動子の撓み方向に対向するように枕部材を設けることにより先端部の振動を規制する技術が記載されている。
これら特許文献１〜４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号公報（段落００２１、段落００２８）
【特許文献２】特開２００８−３９６２６号公報（図１及び図３）
【特許文献３】特開２００３−１３３８８３号公報
【特許文献４】特開平１１−１１２２６９号公報
【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、圧電板に加わる外力を簡易な構造で高精度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】
本発明の外力検出装置は、
圧電板に作用する外力を検出する外力検出装置であって、
容器内の基台にその一端側が支持された片持ちの前記圧電板と、
この圧電板を振動させるために、当該圧電板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、
前記圧電板の他端側に設けられ、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、
前記圧電板とは離間して、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、圧電板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、
前記容器内における圧電板の可動電極と対向する側の内壁部に、前記圧電板が過剰に撓んだときに当該圧電板の胴部が接触することで前記圧電板の先端が当該内壁部に衝突しないようにするために、当該内壁部を圧電板側に突出させた突起部と、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、圧電板に作用する外力を評価するためのものであることを特徴とする。
前記突起部における前記圧電板に対向する面の長さ方向の切断面の形状は山形であってもよい。
【０００８】
また、本発明の好ましい一態様としては、前記圧電板、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。
【０００９】
本発明の外力検出センサーは、
圧電板に作用する外力を圧電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、
容器内の基台にその一端側が支持された片持ちの前記圧電板と、
この圧電板を振動させるために、当該圧電板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、
前記圧電板の他面側に設けられた他方の励振電極と、
前記圧電板の他端側に設けられ、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、
前記圧電板とは離間して、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、圧電板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、
前記容器内における圧電板の可動電極と対向する側の内壁部に、前記圧電板が過剰に撓んだときに当該圧電板の胴部が接触することで前記圧電板の先端が当該内壁部に衝突しないようにするために、当該内壁部を圧電板側に突出させた突起部と、を備えたことを特徴とする。
前記突起部における前記圧電板に対向する面の長さ方向の切断面の形状は山形であってもよい。
【００１０】
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。
【発明の効果】
【００１１】
本発明は、圧電板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、圧電板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、この容量変化と圧電板の撓みの度合とを圧電板の発振周波数の変化として捉えている。更に、圧電板の他端の振幅を規制するための突起部を設けることにより、圧電板の損傷リスクを低減できるため、より安定した測定を行うことができる。圧電板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、圧電板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】
【００１２】
【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】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実施形態を示す縦断側面図である。
【図８】図７におけるＡ−Ａ線に沿った横断平面図である。
【図９】図７におけるＢ−Ｂ線に沿った横断平面図である。
【図１０】前記実施形態に用いられる水晶板の裏面側を示す平面図である。
【図１１】前記実施形態において、水晶板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１２】前記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１３】前記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】本発明のその他の変形例を示す縦断側面図である。
【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】水晶板が振動する様子を示す説明図である。
【図１７】水晶板の振動により発振周波数が変化する様子を示す周波数特性図である。
【図１８】第３の実施形態に係る要部を示す縦断側面図である。
【図１９】図１８におけるＣ−Ｃ線に沿った横断平面図である。
【図２０】第３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】
【００１３】
［第１の実施形態］
本発明を加速度検出装置に適用した実施形態を説明する。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により圧電板である水晶板２の一端側が固定されている。即ち水晶板２は台座１１に片持ち支持されている。水晶板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。従って水晶板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。
【００１４】
水晶板２は、図２（ａ）に示すように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、水晶板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。
【００１５】
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、水晶板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り、水晶板２の長さ方向を前後方向とすると、左右方向から見た断面においては、上面が上に膨らんだ曲線となっている。即ち突起部７は、上面が水晶板２の長さ方向に沿って水晶板２側に突出した円弧状に曲がっており、水晶板２が突起部７側に過度に膨らんだときに先端部よりも基端側が突起部７に衝突するように構成されている。
【００１６】
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。水晶板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。このため水晶板２が過大に触れたときに可動電極５よりも水晶板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、水晶板２の先端よりも中央寄りの部位が突起部７に衝突する。
【００１７】
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、図４は等価回路を示している。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、ＣＬは発振回路１４の負荷容量である。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４１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。
【００１８】
水晶板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、可変電極５の厚さを大きくして錘を兼用してもよいし、水晶板２の下面側に可変電極５とは別個に錘を設けてもよいし、あるいは水晶板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。
【００１９】
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。
【００２０】
本実施形態では、図３及び図４に示されるように、水晶板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。
【００２１】
ｙ＝１／（１／Ｃｖ＋１／ＣＬ） ……（２）
従って水晶板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ΔＦは、（３）式で表される。
【００２２】
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。
【００２３】
また水晶板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、水晶板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。
【００２４】
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。
【００２５】
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板２が若干撓んだ状態にある。なお水晶板２が撓んだ状態にあるか水平姿勢が保たれているかは、水晶板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、前者は水晶板２が垂直になるように設置され、後者は水晶板２が水平になるように設置される。
【００２６】
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、水晶板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。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（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。
【００２７】
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、水晶板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、周波数差に限らず、周波数の差分に対応する情報である周波数の変化率［（ｆ１−ｆ０）／ｆ０］であってもよい。
【００２８】
第１の実施形態によれば、水晶板２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、水晶板２側の可動電極５とこの可動電極５に対向する固定電極６との間の距離が変わり、両電極５、６間の容量が変わる。このため、この容量変化と水晶板２の変形とが水晶板２の発振周波数の変化として現れる。この結果、水晶板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、水晶板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。更にまた、水晶板２の先端部は「へきかい」という現象により結晶の塊で欠け易いという性質があるが、本実施形態では水晶板２が過度に撓んだ場合にも水晶板２の先端部よりも先にその胴体部（先端部よりも基端側の部分）でぶつかるように突起部７が設けられているため、水晶板２の先端部が装置容器１の内壁に衝突しにくくなっておりその先端部の破損リスクを低減することができる。このとき水晶板２の胴体部は突起部７の曲面部と衝突するため、水晶板２はその胴体部においても破損しにくい。
【００２９】
また図６に示す変形例では、水晶板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板２と同じ幅の四角形をしているが、側面で見ると水晶板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。これにより、水晶板２の先端が容器１側に衝突するリスクを抑えている。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。なお、図６では励振電極などは省略している。
［第２の実施形態］
図７に加速度センサーの他の例を示す。この実施形態は、既述の水晶板２、励振電極３１、３４、可変電極５、固定電極６及び発振回路１４の組を２組設けた点が前述の第１の実施形態と異なる。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。水晶板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７では、一方側の水晶板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７の圧力センサーの内部を平面的に見ると、図８に示すように第１の水晶板２Ａと第２の水晶板２Ｂとが横に平行に配置されている。
【００３０】
これら水晶板２Ａ、２Ｂは同一の構造であるため、一方の水晶板２Ａについて説明すると、水晶板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。そして水晶板２Ａの他面側（下面側）には、図８及び図１０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における水晶板２Ａ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。
【００３１】
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枚の水晶板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枚の水晶板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８及び図９に示すように突起部７に、水晶板２Ａの可動電極５及び水晶板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７等では、構造の理解の容易さを優先しているため、水晶板２Ａ（２Ｂ）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、水晶板２Ａ（２Ｂ）が過大に振れると、水晶板２Ａ（２Ｂ）の先端よりも中央寄りが突起部７に衝突する。
【００３２】
水晶板２Ａ（２Ｂ）及びその周辺部位に関し、図１１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。水晶板２Ａ（２Ｂ）の長さ寸法Ｓ及び幅寸法は、夫々２０ｍｍ及び１．６ｍｍである。水晶板２Ａ（２Ｂ）の厚さは、例えば３０μｍである。水晶板２Ａ（２Ｂ）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１５１μｍ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１５６μｍである。また突起部７の高さ寸法は例えば１０５μｍ程度である。これらの寸法は一例に過ぎない。
【００３３】
図１２には、こ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１３には、加速度検出装置の一部の外観が示されている。前述の第１の実施形態と異なる箇所は、第１の水晶板２Ａ及び第２の水晶板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の水晶板２Ａ及び第２の水晶板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。
【００３４】
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、水晶板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、水晶板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。同様に水晶板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。
水晶板２Ａ（２Ｂ）の撓み量（水晶板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、例えば水晶板２Ａ（２Ｂ）の先端が１０−５μｍ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。
【００３５】
上述の第２の実施形態によれば、第１の実施形態における効果に加えて、水晶板２Ａ及び水晶板２Ｂを同一の温度環境に配置しているため、水晶板２Ａ及び水晶板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、結果として水晶板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。
また水晶板２Ａ、２Ｂが過大に振動した場合に、この水晶板２Ａ、２Ｂの他端（先端）よりも中央寄りが突起部７と衝突し他端が装置容器の内壁に衝突しないように、水晶板２Ａ、２Ｂの撓み形状と略同じ表面形状の突起部７を設けている。これにより、水晶板２Ａ、２Ｂの損傷リスクを低減できるため、より安定した測定を行うことができる。
［本発明の変形例及び適用例］
図１４及び図１５に本発明の更なる変形例を記載しておく。
図１４に示す加速度センサーは、水晶板２の励振電極３１、４１を水晶板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。
【００３６】
図１５に示す加速度センサーは、水晶板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板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との間に水晶板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。
【００３７】
図１５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板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。この場合においても同様の作用、効果が得られる。
【００３８】
［第３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。
【００３９】
このような例を図１８及び図１９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。
【００４０】
図１８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。
【００４１】
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。
【００４２】
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。
【００４３】
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１８、図２０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に対して支持部８を用いた構成を図２０に示しておく。
【００４４】
ここで図１８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。
【００４５】
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。
【００４６】
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。水晶板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板２が撓むように構成する。
更にまた気体や液体などの流体中に水晶板２を晒し、水晶板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、水晶板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。
【００４７】
本発明は、上述の実施形態のように外力値そのものを検出する場合の他に、外力に応じた振動（振動の周波数）を検出することができる。具体的には、地震等を対象とした振動検出装置などに適用できる。ここでは、それについて説明する。この実施形態における振動検出装置の構造は第２の実施形態における外力検出装置と同様なため、その説明は省略する。地震が発生してこの振動検出装置に振動が加わると、水晶板２が揺れて例えば図１６（ａ）に示す第１の状態と、図１６（ｂ）に示す第２の状態とが繰り返される。第１の状態及び第２の状態の可変容量Ｃｖの値を夫々Ｃｖ３及びＣｖ４とすると、夫々の発振周波数ＦＬ３及びＦＬ４は上述の式（１）及び式（２）より求まり、発振周波数はＦＬ３及びＦＬ４の間で図１７のように時間と共に変化する。従って周波数情報検出部１０２にて検出された周波数データをデータ処理部１０１により解析することにより、図１７に示される周波数変化の波の周期Ｔ（周波数に対応する）を求めることができる。
【００４８】
地震波により振動検出装置が振動するときには、一方向及び反対方向に加速度が水晶板２に加わり、既述のように例えば図１７に示す周波数データが取得できることから、０．５Ｈｚ程度の低周波の振動であっても性格に検出することができる。
【００４９】
以上において本発明は、地震の震動に限らず模擬的に発生させた振動の周期を検出する場合にも適用することができる。また例えば洗濯機を運転しているときに洗濯物を含む回転水流などにより洗濯機本体に生じる振動の周期を検出する場合などに適用してもよい。
【符号の説明】
【００５０】
１ 容器
１１ 台座
１２ 導電路
２ 水晶板
３１、４１ 励振電極
１４ 発振回路
５ 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
１０２ 周波数情報検出部
【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧電板に作用する外力を検出する外力検出装置であって、
容器内の基台にその一端側が支持された片持ちの前記圧電板と、
この圧電板を振動させるために、当該圧電板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、
前記圧電板の他端側に設けられ、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、
前記圧電板とは離間して、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、圧電板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、
前記容器内における圧電板の可動電極と対向する側の内壁部に、前記圧電板が過剰に撓んだときに当該圧電板の胴部が接触することで前記圧電板の先端が当該内壁部に衝突しないようにするために、当該内壁部を圧電板側に突出させた突起部と、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、圧電板に作用する外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】
前記突起部における前記圧電板に対向する面の長さ方向の切断面の形状が山形である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】
前記圧電板、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３のいずれか一項に記載の外力検出装置。
【請求項５】
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４に記載の外力検出装置。
【請求項６】
圧電板に作用する外力を圧電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、
容器内の基台にその一端側が支持された片持ちの前記圧電板と、
この圧電板を振動させるために、当該圧電板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、
前記圧電板の他面側に設けられた他方の励振電極と、
前記圧電板の他端側に設けられ、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、
前記圧電板とは離間して、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、圧電板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、
前記容器内における圧電板の可動電極と対向する側の内壁部に、前記圧電板が過剰に撓んだときに当該圧電板の胴部が接触することで前記圧電板の先端が当該内壁部に衝突しないようにするために、当該内壁部を圧電板側に突出させた突起部と、を備えたことを特徴とする外力検出センサー。
【請求項７】
前記突起部における前記圧電板に対向する面の長さ方向の切断面の形状が山形であることを特徴とする請求項６記載の外力検出センサー。
【請求項１】
圧電板に作用する外力を検出する外力検出装置であって、
容器内の基台にその一端側が支持された片持ちの前記圧電板と、
この圧電板を振動させるために、当該圧電板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、
前記圧電板の他端側に設けられ、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、
前記圧電板とは離間して、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、圧電板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、
前記容器内における圧電板の可動電極と対向する側の内壁部に、前記圧電板が過剰に撓んだときに当該圧電板の胴部が接触することで前記圧電板の先端が当該内壁部に衝突しないようにするために、当該内壁部を圧電板側に突出させた突起部と、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、圧電板に作用する外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】
前記突起部における前記圧電板に対向する面の長さ方向の切断面の形状が山形である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】
前記圧電板、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３のいずれか一項に記載の外力検出装置。
【請求項５】
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４に記載の外力検出装置。
【請求項６】
圧電板に作用する外力を圧電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、
容器内の基台にその一端側が支持された片持ちの前記圧電板と、
この圧電板を振動させるために、当該圧電板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、
前記圧電板の他面側に設けられた他方の励振電極と、
前記圧電板の他端側に設けられ、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、
前記圧電板とは離間して、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、圧電板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、
前記容器内における圧電板の可動電極と対向する側の内壁部に、前記圧電板が過剰に撓んだときに当該圧電板の胴部が接触することで前記圧電板の先端が当該内壁部に衝突しないようにするために、当該内壁部を圧電板側に突出させた突起部と、を備えたことを特徴とする外力検出センサー。
【請求項７】
前記突起部における前記圧電板に対向する面の長さ方向の切断面の形状が山形であることを特徴とする請求項６記載の外力検出センサー。
【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】
【公開番号】特開２０１３−７７３４（Ｐ２０１３−７７３４Ａ）
【公開日】平成２５年１月１０日（２０１３．１．１０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２７９９６９（Ｐ２０１１−２７９９６９）
【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)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年１月１０日（２０１３．１．１０）
【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)
【Ｆターム（参考）】
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