JP2013213731A - 外力検出センサ及び外力検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】製造が容易であり、圧電片に加わる外力を高精度に検出することができる外力検出センサ及び外力検出装置を提供すること。
【解決手段】結晶体２のＲ面２１〜２３に、夫々水晶片３０Ａ〜３０Ｃを片持ちで支持させ、水晶片３０（３０Ａ〜３０Ｃ）の上面及び下面に夫々励振電極３１，３２を形成する。水晶片３０の下面側の先端部に、励振電極３２に電気的に接続される可動電極５１を設け、この可動電極５１に対向して固定電極５２を設けると共に、励振電極３１と固定電極５２とを発振回路４に接続する。水晶片３０に外力が加わると、可動電極５１と固定電極５２との間の容量が変わり、水晶片の発振周波数が変化する。結晶体２のＲ面２１〜２３に水晶片３０を取り付けているので、測定対象に対するこれら水晶片３０の相対的角度が自動的に決まる。このため製造が容易であり、また精度の高い測定を行うことができる。
【選択図】図１

Description

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。

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。さらにロボットの手の動きの振動や、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は、外力の方向と大きさを高精度に測定することが要求されているが、この際、装置構成が簡素であり、製造が容易であることが望ましい。

特許文献１には、圧電振動子の軸方向と、圧電振動子の台座基準面との間に、３０度〜７５度の角度をつけた圧電振動ジャイロが提案されているが、この特許文献１は、圧電振動ジャイロの小型化を図るものであり、この構成によっても、本発明の課題を解決することはできない。

特開平９−３１８３６４（図２、段落００１０、段落００１６）

本発明は、このような背景の下になされたものであり、製造が容易であり、圧電片に加わる外力を高精度に検出することができる外力検出センサ及び外力検出装置を提供することにある。

本発明の外力検出センサは、圧電片に作用する外力を検出する外力検出センサであって、
結晶面に形成された台座に一端側が支持された圧電片と、
前記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、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の組は前記結晶体の第１の結晶面に第１の圧電片を設けることにより第１のセンサ部を構成し、前記第２の組は結晶体の第１の結晶面とは対向せず、かつ第１の結晶面に対して相対的位置が把握された第２の結晶面に第２の圧電片を設けることにより第２のセンサ部を構成することを特徴とする。

また、本発明の外力検出装置は、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、
既述の外力検出センサと、
前記第１の発振回路及び第２の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夫々検出するための周波数情報検出部と、を備え、
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。

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る。
この際、結晶体の第１の結晶面に第１の圧電片を設けると共に、結晶体の第１の結晶面とは互いに対向せず、第１の結晶面に対して相対的角度が把握された第２の結晶面に第２の圧電片を設けて外力検出センサを構成している。このため、外力検出センサを測定対象に取り付ければ、測定対象に対するこれら第１の圧電片及び第２の圧電片の相対的角度が自動的に決まってくるので、これら第１及び第２の圧電片の測定対象に対する角度決めが不要となり、製造が容易である。また、第１及び第２の結晶面に夫々第１及び第２の圧電片を直接取り付けているので、取り付け時の角度誤差が発生しにくく、精度の高い測定を行うことができる。こうして、第１の結晶面に加わる外力と第２の結晶面に加わる外力とを第１の圧電片と第２の圧電片の周波数情報として夫々取得できるので、外力を高精度に測定することができる。

本発明に係る外力検出センサを加速度検出センサとして適用した第１の実施形態を概略的に示す斜視図である。 加速度検出センサを概略的に示す平面図である 加速度検出センサを概略的に示す側面図である。 水晶の結晶体を示す斜視図である。 加速度検出センサの要部を示す縦断側面図である。 加速度検出センサの水晶振動子を示す平面図と底面図である。 加速度検出センサを示す平面図である。 加速度検出装置の回路構成を示すブロック図である。 加速度検出装置の等価回路を示す回路図である。 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。 加速度検出センサの他の例を示す概略斜視図である。 加速度検出センサのさらに他の例を示す縦断側面図である。 加速度検出センサの姿勢の評価手法を示す側面図である。 加速度検出センサの姿勢の評価手法を示す側面図である。 加速度検出センサの姿勢の評価手法を示す側面図である。 加速度検出センサの特性を示す特性図である。 加速度検出センサの特性を示す特性図である。 加速度検出センサの姿勢の評価手法を示す側面図である。 加速度検出センサの姿勢の評価手法を示す側面図である。 加速度検出センサの特性を示す特性図である。 加速度検出センサの特性を示す特性図である。 加速度検出センサの姿勢評価に用いられる治具を示す側面図である。 加速度検出センサの特性を示す特性図である。 加速度検出センサの特性を示す特性図である。

本発明の外力検出装置を加速度検出装置に適用した実施形態について、図面を参照して説明する。図１は加速度検出装置の加速度検出センサの概略斜視図、図２及び図３は、夫々前記加速度検出センサの概略平面図及び概略側面図である。この加速度検出センサ１１は、図１〜図３に示すように、結晶体２に水晶振動子３を取り付けることにより構成されている。この加速度検出センサ１１は、加速度検出装置のセンサ部分である外力検出センサに相当するものである。

前記結晶体２としては、例えば天然水晶２０が用いられる。この天然水晶２０は、図４にイメージ図を示すように、Ｚ軸方向に伸びる正六角柱状であり、その長さ方向の両端部は正六角錐状に構成されている（図４では一端側のみ示している）。そして、前記結晶体２は、図４中点線にて切断部位を示すように、天然水晶２０をＺ軸に垂直なＸＹ面で切断することにより構成されている。これにより、結晶体２は、図２に示すように、平面的に見たときに正六角形状に構成されている。

こうして、結晶体２には六角錐状部分により６個の傾斜面が形成され、この傾斜面は一つ置きにＲ面２１〜２３となっている。つまり、結晶体２は第１のＲ面２１、第２のＲ面２２及び第３のＲ面２３の３つのＲ面を備えており、第１のＲ面２１は第１の結晶面、第２のＲ面２２は第２の結晶面、第３のＲ面２３が第３の結晶面に夫々相当する。これら第１〜第３のＲ面２１〜２３は、図２に示すように、互いのなす角θ１が夫々６０度であり、図３に示すように、側方側から見たときに、底面（切断面）２８に対する傾き角度θ２が夫々１２０度に構成されている。このように第１〜第３のＲ面２１〜２３は、互いに相対的角度が把握されている。

そして、前記第１のＲ面２１、第２のＲ面及び第３のＲ面２１〜２３には、図１〜図３に概略的に示すように、夫々圧電片である第１の水晶片３０Ａ、第２の水晶片３０Ｂ及び第３の水晶片３０Ｃが夫々設けられている。これら第１〜第３の水晶片３０Ａ〜３０Ｃ及びこれら水晶片３０Ａ〜３０Ｃが取り付けられた結晶面２１〜２３は同じように構成されているので、第１の水晶片３０Ａを例にして、図５を参照しながら説明する。図５は、結晶体２の結晶面２１近傍の縦断側面図である。

前記結晶体２には、水晶片３０Ａの取り付け領域に、水晶片３０Ａの振動領域を確保するための凹部２４が形成され、この凹部２４の一端側が台座２５として形成されている。この台座２５の上面には導電性接着剤２６により水晶片３０Ａの一端側が固定され、こうして水晶片３０Ａは台座２５に片持ち支持されている。前記凹部２４は平面的に見ると、四角形状に構成されている。水晶片３０Ａ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３０Ａ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。

水晶片３０Ａは、図６（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６（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３２が設けられて水晶振動子３Ａ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３３が接続され、この引き出し電極３３は水晶片３０Ａの一端側で下面に折り返されて、導電性接着剤２６と接触している。台座２５の上面には金属層からなる導電路４１が設けられ、この導電路４１は、結晶体２を介して第１の発振回路４Ａの一端に接続されている。

下面側の励振電極３２には帯状の引き出し電極３４が接続され、この引き出し電極３４は、水晶片３０Ａ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５１に接続されている。一方、結晶体２側には可変容量形成用の固定電極５２が設けられている。また、凹部２４にはコンベックス状の突起部２７が設けられている。この突起部２７は平面図で見ると四角形である。本発明は水晶片３０Ａの変形に基づいて起こる可動電極５１と固定電極５２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５１は検出用電極と言うこともできる。

固定電極５２はこの突起部２７において、可動電極５１と概ね対向するように設けられている。水晶片３０Ａは過大に触れて先端が凹部２４に衝突すると、「へきかい」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３０Ａが過大に触れたときに可動電極５１よりも水晶片３０の基端側（一端側）の部位が突起部２７に衝突するように突起部２７の形状が決定されている。図５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、実際には、水晶片３０Ａの先端よりも中央寄りの部位が突起部２７に衝突するように構成されている。

固定電極５１は、突起部２７の表面及び結晶体２の表面を介して配線された導電路４２を介して第１の発振回路４Ａの他端に接続されている。図７は加速度検出センサ１１の配線の接続状態を概略的に示し、図９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である。上面側の励振電極３１及び下面側の励振電極３２は第１の発振回路４Ａに接続されるが、下面側の励振電極３２と発振回路４Ａとの間に、前記可動電極５１及び固定電極５２の間に形成される可変容量Ｃｖが介在することになる。

水晶片３０Ａ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５１の厚さを大きくして錘を兼用してもよいし、水晶片３０Ａの下面側に可動電極５１とは別個に錘を設けてもよいし、あるいは水晶片３０Ａ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。
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。

本実施の形態では、図８及び図９に示されるように、水晶片３０Ａ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３０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。 ｄＦＬ＝ＦＬ１−ＦＬ２＝Ａ×ＣＬ^２×（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。
また水晶片３０Ａ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５１及び固定電極５２の間の離間距離をｄ１とし、水晶片３０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５１及び固定電極５２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。

このような実施形態のセンサ部分である加速度検出センサは、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３０Ａが若干撓んだ状態にあってもよい。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３０Ａの厚さなどに応じて決まってくる。

そして振動が加わると、水晶片３０Ａが図８に示すように撓む。既述のように水晶片３０Ａに外力が加わらない基準の状態において可動電極５１と固定電極５２との間の容量をＣｖ１とすると、水晶片３０Ａに外力が加わって当該水晶片３０Ａが撓むと両電極５１、５２間の距離が変わるので容量がＣｖ１から変化する。このため第１の発振回路４Ａから出力される発振周波数が変化する。

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１０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ＦＬＡの値である。

第２の水晶片３０Ｂ及び第３の水晶片３０Ｃは、第１の水晶片３０Ａと同様に構成され、夫々結晶体２の第２のＲ面２２及び第３のＲ面２３に取り付けられている。こうして、結晶体２には第１〜第３の水晶振動子３Ａが取り付けられ、第１〜第３の水晶振動子３Ａ〜３Ｃに夫々対応して第１〜第３の発振回路４Ａ〜４Ｃが設けられる。このように、第１の水晶片３０Ａ、励振電極３１，３２、可動電極５１及び固定電極５２からなる第１の組より第１のセンサ部が構成され、第２の水晶片３０Ｂ、励振電極３１，３２、可動電極５１及び固定電極５２からなる第２の組より第２のセンサ部が構成され、第３の水晶片３０Ｃ、励振電極３１，３２、可動電極５１及び固定電極５２からなる第３の組より第３のセンサ部が構成される。

前記第１〜第３の発振回路４Ａ〜４Ｃは周波数検出部１００に接続され、当該周波数検出部１００において、第１〜第３の水晶振動子３Ａ〜３Ｃの周波数情報が取得される。そして、例えばパーソナルコンピュータからなるデータ処理部１０１は、前記周波数情報例えば周波数に基づいて、例えば行列式を用いて振動の方向と加速度を演算する演算部と、演算結果を表示する表示部とを備えている。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。

このような構成の加速度検出センサ１１は、例えば図７に示すように、結晶体２の底面（切断面）２８が水平に、かつ結晶体２の水晶片３０Ａ〜３０Ｃが取り付けられた結晶面（Ｒ面）２１〜２２の位置（座標）が特定されるように、測定対象に取り付けられる。例えば直交座標系を用いて説明すると、結晶体２の頂点ＯがＸ軸とＹ軸の交点に位置し、平面的に見たときに、結晶体２の輪郭の一辺例えば第１の水晶片３０Ａが設けられたＲ面２１の底辺２１ＡがＹ軸に平行となるように、結晶体２が測定対象に取り付けられる。この取り付けは、例えばビスを用いるが、この際ビスの締め付け状態で微小の角度変化を与えることができる。 そして地震が発生してあるいは模擬的な振動が加速度検出センサ１１に加わった場合、振動はＸ軸方向の振幅、Ｙ軸方向の振幅、Ｚ軸方向の振幅の３軸方向の振幅の合成であるため、振動を高精度に測定するためには、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向、Ｚ軸方向の振幅を測定する必要がある。

この加速度検出センサ１１は、結晶体２の３つのＲ面２１〜２３に夫々水晶振動子３Ａ〜３Ｃが設けられており、これら３つの水晶振動子３Ａ〜３Ｃにより３方向の振幅（振動の大きさ）を測定することができる。例えばＺ軸方向（上下方向）の振動である場合には、第１〜第３の水晶振動子３Ａ〜３Ｃの全てが同じように撓むので、発振周波数の変化量が揃う状態になる。また、Ｘ軸回りの回転振動である場合には、第１の水晶振動子３Ａは撓まず、第２の水晶振動子３Ｂ及び第３の水晶振動子３Ｃが撓むので、第２の水晶振動子３Ｂ及び第３の水晶振動子３Ｃの発振周波数のみが変化する。そして、Ｙ軸回りの回転振動である場合には、第１〜第３の水晶振動子３Ａ〜３Ｃは夫々撓むが、第１の水晶振動子３Ａのみが撓み方が異なり、第２の水晶振動子３Ｂ及び第３の水晶振動子３Ｃが同じように撓むので、第２及び第３の水晶振動子３Ｃの発振周波数の変化量が揃い、第１の水晶振動子３Ａの発振周波数の変化量のみが異なってくる。

この際、前記Ｒ面２１〜２３については、相対的角度が決まっており、Ｘ軸、Ｙ軸及びＺ軸に対する位置（座標）が把握できるため、第１〜第３の水晶振動子３Ａ〜３Ｃの発振周波数の変化量を測定することにより、例えば行列式を用いてＸ軸方向、Ｙ軸方向、Ｚ軸方向の振幅を演算により求めることができる。

既述のようにデータ処理部１０１では、この行列式を用いて、第１〜第３の水晶振動子３Ａ〜３Ｃにおける、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に基づいて、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向及びＺ軸方向の振幅を演算し、演算結果を表示部に表示する。こうして、第１〜第３の水晶振動子３Ａ〜３Ｃの発振周波数の変化分を取得することにより、振動の方向と振動の大きさ（加速度）とを正確に把握することができる。

この実施の形態によれば、結晶体２の第１の結晶面（第１のＲ面２１）に第１の水晶片３０Ａを貼着すると共に、第２の結晶面（第２のＲ面２２）に第２の水晶片３０Ｂを貼着して加速度検出センサ１１を構成している。第１の結晶面２１と第２の結晶面２２とは互いに対向せず、互いの相対的角度が予め把握されている。従って、加速度検出センサ１１を測定対象に取り付ければ、測定対象に対するこれら第１の水晶片３０Ａ及び第２の水晶片３０Ｂの相対的角度が自動的に決まってくる。

つまり、第１の結晶面２１は、既述のように、結晶体２の底面（切断面）２８に対する傾き角度が１２０度であり、結晶体２の底面２８を測定対象に水平に取り付けることにより、水平面に対する第１の水晶片３０Ａの傾き角度が１２０度に決まってくる。この際、第２の結晶面２２と第３の結晶面２３も結晶体２の底面（切断面）２８に対する傾き角度が１２０度であるので、結晶体２を水平に取り付けることによって、水平面に対する第２及び第３の水晶片３０Ｂ，３０Ｃの傾き角度も自動的に決まってくる。また、第１〜第３の結晶面２１〜２３は、互いのなす角が６０度であることから、既述のように、例えば第１の結晶面２１の底辺２１ＡがＹ軸に平行となるように、結晶体２を測定対象に取り付けることにより、第１〜第３の水晶片３０Ａ〜３０Ｃの相対的角度が決定されることになる。

このように、加速度検出センサ１１を測定対象に取り付ければ、測定対象に対するこれら第１〜第３の水晶片３０Ａ〜３０Ｃの相対的角度が自動的に決まってくるため、これら第１〜第３の水晶片３０Ａ〜３０Ｃの測定対象に対する角度決めが不要となり、製造が容易である。この際、水晶片３０Ａ〜３０Ｃを直接結晶体２に取り付けているので、水晶片３０Ａ〜３０Ｃを固定するときの誤差の発生が最小限に抑えられ、水晶片３０Ａ〜３０Ｃを固定するときの角度誤差が発生しにくく、精度の高い測定を行うことができる。また、第１の結晶面２１〜第３の結晶面２３に加わる外力を、第１の水晶片３０Ａ〜第３の水晶片３０Ｃの周波数情報として夫々取得することにより、外力を３つの方向で測定でき、結果として当該外力を高精度に測定することができる。

この際、結晶体２として水晶の結晶体を用いるときには、水晶の結晶体は端部が正六角錐状の正六角柱であるため、長さ方向に直交する面にて切断するといった非常に簡易な手法により、一定形状の結晶体２を安定して形成することができる。つまり、前記切断作業を行うことにより、常に水晶片３０Ａ〜３０Ｃが設けられる結晶面（Ｒ面）２１〜２３同士のなす角θ１が６０度で互いに等しく、かつ側方からみたときの結晶面（Ｒ面）と水平面とのなす角（傾き角度）θ２が１２０度の結晶体２を確実に形成することができる。

従って、結晶面２１〜２３同士の相対的位置が予め決定されているので、測定対象に加速度検出センサ１１を取り付けるときに、座標軸との関係を把握すれば、高精度な外力の測定を容易に行うことができる。また、前記切断作業を行うときに、結晶体２の底面２８の水平性の精度が出れば、当該加速度検出センサ１１を測定対象に取り付けるときには、較正作業が容易となる。一方、結晶体２の底面の水平性の精度が低い場合には、較正作業が必要となる。
さらに、水晶片３０Ａ〜３０Ｃを水晶の結晶体２のＲ面２１〜２３に固定しているので、耐衝撃性能が大きくなる。つまり、上述の加速度検出センサ１１では、水平面に対する水晶片３０（３０Ａ〜３０Ｃ）の傾き角度はθ２であり、水晶片３０に加速度Ｇを与えたときの、水晶片３０の先端部へ印加する重力加速度Ｇａは、次式にて算出される。

Ｇａ＝９．８（ｍ／ｓｅｃ^２）×ｃｏｓθ２
従って、既述のように傾き角度が３０度であるときには、Ｇａ＝０．８６６Ｇとなる。一方、水晶片が水平面に対して平行に配置されたときには、なす角θ２は０度となり、重力加速度Ｇａは、Ｇａ＝１Ｇとなる。このように、水平面に対して傾斜する結晶面に水晶片３０を固定することにより、耐衝撃性能が大きくなり、水晶片３０の破損や破壊を抑えることができる。

以上において、上述の実施の形態では、水晶の結晶体を用いたので、第１の結晶面と第２の結晶面との相対的角度と、第２の結晶面と第３の結晶面との相対的角度と、第３の結晶面と第１の結晶面との相対的角度が互に揃っているが、これら水晶片を固定する結晶面同士の相対的角度が互に異なる場合であってもよく、結晶面同士の相対的角度が把握（結晶面の座標が把握）されていれば、演算により、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向及びＺ軸方向の振幅を求めることができる。

さらに、例えば図１１に示すように、立方体又は直方体形状の結晶体６を用い、水平面（ＸＹ面）に平行な第１の結晶面６１に第１の水晶片６０Ａ、ＸＺ面に平行な第２の結晶面６２に第２の水晶片６０Ｂ、ＹＺ面に平行な第３の結晶面６３に第３の水晶片６０Ｃを固定して、加速度検出センサを構成するようにしてもよい。第１の水晶片６０Ａ〜第３の水晶片６０Ｃは、上述の実施の形態と同様に、励振電極、可動電極及び固定電極からなる第１〜第３の組として、第１〜第３のセンサ部を夫々構成している。

さらにまた、加速度検出センサは、必ずしも３つのセンサ部を設ける必要はなく、結晶体の第１の結晶面に第１の水晶片を設けて構成された第１のセンサ部と、第１の結晶面とは対向せず、かつ第１の結晶面に対して相対的位置が把握された第２の結晶面に第２の水晶片を設けて構成された第２のセンサ部とにより構成してもよい。２方向のベクトルがわかれば、３つ目のベクトルも演算により求めることができるからである。この際、２つのベクトルのなす角が６０度以下になると、演算により求めた値と実測値との誤差が大きくなるおそれがあるため、第１のセンサ部と第２のセンサ部とを、互いのなす角が６０度以上になるように配置することが好ましい。

続いて、パッケージにしたセンサユニット７を結晶体２に取り付けた構成について図１２を参照しながら説明する。この例では、水晶の結晶体２の３つのＲ面２１〜２３に、センサユニット７（７Ａ〜７Ｃ：７Ｂ，７Ｃは図示せず）が夫々設けられている。図１２を用いてＲ面２１に設けられたセンサユニット７Ａについて、説明する。図１２中、７１は直方体形状の密閉型の容器であり、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７１は、一端側が台座７２として構成されると共に、台座７２に連続して凹部７３とコンベックス状の突状部７４とが形成されたベース体７５と、このベース体７５を上側から囲むように設けられたケース体７６とにより構成されている。ベース体７５及びケース体７６は例えば水晶からなり、ベース体７５及びケース体７６の底面は水平面として構成されている。前記台座７２には、第１の水晶片３０Ａが導電性接着剤２６により固定されている。

第１の水晶片３０Ａは上述の実施の形態と同様に構成されて第１の水晶振動子３Ａを成しており、その先端には可変電極５１が設けられている。また、ベース体７５の可変電極５１と対向する領域には固定電極５２が形成されている。第１の水晶片３０Ａの上面側の励振電極３１は引き出し電極３３、導電性接着剤２６、金属層からなる導電路４１を介して第１の発振回路４Ａの一端に接続されている。また、固定電極５２は、金属層からなる導電路４２を介して第１の発振回路４Ａと接続されている。このようなセンサユニット７Ａは、ベース体７５及びケース体７６の下面が結晶体２の結晶面（Ｒ面）２１〜２３に例えば接着剤により固定されている。

第２の水晶片３０Ｂを備えたセンサユニット７Ｂ及び第３の水晶片３０Ｃを備えたセンサユニット７Ｃは、第１の水晶片３０Ａを備えたセンサユニット７Ａと同様に構成され、夫々結晶体２の第２のＲ面２２及び第３のＲ面２３に取り付けられている。こうして、結晶体２には第１〜第３の水晶振動子３Ａ〜３Ｃが取り付けられ、第１〜第３の水晶振動子３Ａ〜３Ｃに夫々対応して第１〜第３の発振回路４Ａ〜４Ｃが設けられる。
この例においても、結晶体２の３つの結晶面（Ｒ面２１〜２３）に夫々水晶片３０を備えたセンサユニット７を設けているので、外力を３つの方向で測定でき、結果として当該外力を高精度に測定することができる。

続いて、加速度検出センサの水晶片の先端が水平になっているか否かを確認する手法について図１３〜図２１を用いて説明する。この動作は、例えば結晶体２に水晶片を取り付けるとき等に実施する。この例では、模式的に加速度検出センサ８を示し、８０が水晶片、８１が可動電極、８２が固定電極である。

先ず、図１３に示すように、概ね水平となっている位置Ａに加速度検出センサ８を配置し、そのときの周波数ｆを取得する（工程１）。次に、図１４に示すように、加速度検出センサ８を左側に所定角度傾斜させ、この左傾斜位置Ｂにて周波数ｆ（Ｌ）を取得する（工程２）。続いて、加速度検出センサを元の位置Ａ（図１３の位置）に戻し、そのときの周波数を取得する（工程３）。

さらに、図１５に示すように、加速度検出センサ８を右側に所定角度傾斜させ、この右傾斜位置Ｃにて周波数ｆ（Ｒ）を取得した後（工程４）、加速度検出センサ８を元の位置Ａに戻し、そのときの周波数を取得する（工程５）。こうして、加速度検出センサ８の位置に対応する周波数変化を取得し、例えば図１６又は図１７に示すようなデータとして、例えば表示部に表示する。
図１６又は図１７中縦軸は周波数であり、横軸は周波数測定のタイミングである。加速度検出センサ８の水晶片８０の先端が水平になっているときには、図１６に示すように、左傾斜位置Ｂ（工程２）と右傾斜位置Ｃ（工程４）における周波数は揃ってくる。

つまり、図１８に示すように、水晶片８０の先端が水平であれば、左傾斜位置では水平位置よりも−Δθ分水晶片８０が傾き、右傾斜位置では水平位置よりも＋Δθ分水晶片８０が傾く。ここで、水晶片８０の初期位置に対して±Δθ傾斜させたときの変化加速度ΔＧは次式により表わされ、初期位置（初期角度θ）に対する変化角度（Δθ）と変化加速度ΔＧとの間には、図２０に示す関係がある。

ΔＧ＝１−ｃｏｓ（±Δθ） 従って、初期角度θが０ｄｅｇである場合、つまり水晶片８０の先端が水平な場合には、±Δθ傾斜させたときの変化加速度ΔＧは同じとなる。ここで図１６のように、左傾斜位置Ｂ（工程２）と右傾斜位置Ｃ（工程４）における周波数が揃っている場合には、水晶片８０の先端が水平であると判断できる。

一方、加速度検出センサの水晶片８０の先端が水平ではないときには、図１７に示すように、左傾斜位置Ｂ（工程２）と右傾斜位置Ｃ（工程４）における周波数が異なってくる。つまり、図１９に示すように、水晶片８０の先端が水平でなければ、初期角度θが０ｄｅｇではないため、左傾斜位置ではθ−Δθ分水晶振動子が傾き、右傾斜位置ではθ＋Δθ分水晶振動子が傾く。このため、左傾斜位置での変化加速度ΔＧ１と、右傾斜位置での変化加速度ΔＧ２とは、夫々次式で表わされ、夫々異なった値となり、初期位置（初期角度θ）に対する変化角度（Δθ）と変化加速度ΔＧ１、ΔＧ２との間には、図２１に示す関係がある。

ΔＧ１＝ｃｏｓθ−ｃｏｓ（θ−Δθ）
ΔＧ２＝ｃｏｓθ−ｃｏｓ（θ＋Δθ）
このように、以上の工程１〜工程５の動作を行うことにより、水晶片８０の先端が水平であるか否かについて評価できる。

ここで、例えば上述の図１に示す加速度検出センサ１１において、水晶片３０Ａ〜３０Ｃの先端が水平であるか否かを評価する際には、図２２に示すように、結晶面（Ｒ面）２１〜２３が水平となるように、結晶体２を保持する治具８３を用意し、評価対象となる水晶片が水平になるように結晶体２を載置して、上述の評価工程を実施する。図２２中点線は水平ラインを示しており、工程２及び工程４を実施するときには、治具を左及び右に夫々傾斜させる。

続いて、初期角度の補正を行う手法について説明する。先ず、初期角度θが未既知の状態で、加速度検出センサを既述のように左傾斜位置（θ−Δθ）と、右傾斜位置（θ＋Δθ）に位置させてセンサ出力を計測し、このときのデータから初期傾斜角度θを算出する。このセンサ出力とは物理量例えば静電容量であり、発振周波数に基づく値である。

具体的には、上述のΔＧ１及びΔＧ２を求める式と、式（１１）、式（１２）により、初期傾斜角度θは式（１３）により表わされる。この際、ΔＧ１、ΔＧ２はセンサへ約１Ｇ印加した時のセンサ出力から正規化した加速度とする。なお、センサ出力とは、周波数情報例えば発振周波数に対応する値である。
ｃｏｓ（θ−Δθ）＝ｃｏｓθ・ｃｏｓΔθ−ｓｉｎθ・ｓｉｎΔθ (11)
ｃｏｓ（θ＋Δθ）＝ｃｏｓθ・ｃｏｓΔθ＋ｓｉｎθ・ｓｉｎΔθ (12)
θ＝ｓｉｎ^-１{(ΔＧ１−ΔＧ２)／（２・ｓｉｎΔθ）} (13)
こうして初期傾斜角度を演算するが、初期傾斜角度が０ｄｅｇのときには水晶片８０が水平であることが意味している。そして、初期傾斜角度が０ｄｅｇではない場合には、演算された初期傾斜角度に基づいて、初期傾斜角度が０ｄｅｇとなるように初期位置を補正することにより、加速度検出センサの水晶片８０の先端を水平に補正することができる。

実際に、加速度検出センサに変化加速度を５０μＧを印加して、初期傾斜角度が未既知の状態で、右に０．５７３ｄｅｇ傾斜させ、次いで左に０．５７３ｄｅｇ傾斜させたときの、センサ出力を図２３に示す。図中縦軸がセンサ出力、横軸は時間である。この状態では、水晶片の先端が水平ではなく、右に傾斜していることが認められる。

次いで、既述の手法にて初期傾斜角度を算出したところ、０．５６ｄｅｇであり、水晶片の初期位置を０．５６ｄｅｇ分左に傾斜させて、同様にセンサ出力を取得した。この結果を図２４に示すが、これにより、右傾斜位置と左傾斜位置におけるセンサ出力がほぼ同じとなり、初期位置の水晶片が水平な状態に補正されたことが理解される。

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。例えば磁力を測定する場合には、水晶片における可動電極と励振電極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、水晶片を支持している台座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、当該台座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。

以上において、結晶体への水晶片の取り付けは、既述のように、低融点ガラス等の接着剤を用いて行うようにしてもよいし、水晶よりなる結晶体及び水晶片において、互に接触させる面同士が平滑に形成されている場合には、結晶体に水晶片を接触させて押圧することにより、両者を固定するようにしてもよい。また、共晶結合させることにより、結晶体と水晶片とを結晶学的に結合させるようにしてもよい。さらに、本発明の結晶体は、水晶に限らず、ジルコン、セラミックス、シリコン等であってもよい。また、圧電片は、ＬｉＴａＯ_３やＬｉＮｂＯ_３、ＬｉＮｂＯ_２等であってもよい。

１１ 加速度検出センサ
２ 結晶体
２１〜２３ Ｒ面（結晶面）
２５ 台座
３０Ａ〜３０Ｃ 水晶片
３Ａ〜３Ｃ 水晶振動子
３１，３２ 励振電極
４１，４２ 導電路
４Ａ〜４Ｃ 発振回路
３１ 励振電極
５１ 可動電極
５２ 固定電極
７ 突起部
１００ 周波数検出部
１０１ データ処理部

Claims (6)

1. 圧電片に作用する外力を検出する外力検出センサであって、
   結晶面に形成された台座に一端側が支持された圧電片と、
   前記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、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の組は前記結晶体の第１の結晶面に第１の圧電片を設けることにより第１のセンサ部を構成し、前記第２の組は結晶体の第１の結晶面とは対向せず、かつ第１の結晶面に対して相対的位置が把握された第２の結晶面に第２の圧電片を設けることにより第２のセンサ部を構成することを特徴とする外力検出センサ。
2. 前記結晶体は水晶であることを特徴とする請求項１記載の外力検出センサ。
3. 前記第１の結晶面及び第２の結晶面は水晶のＲ面であることを特徴とする請求項１又は２記載の外力検出センサ。
4. 前記圧電片は水晶であることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか一つに記載の外力検出センサ。
5. 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、
   請求項１ないし４のいずれかに記載された外力検出センサと、
   前記第１の発振回路及び第２の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夫々検出するための周波数情報検出部と、を備え、
   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。
6. 前記周波数情報検出部により検出された、前記第１の発振回路及び第２の発振回路の発振周波数に対応する夫々の周波数情報と、第１の結晶面と第２の結晶面との相対的角度とに基づいて、圧電片に作用する力の方向と大きさを演算する演算部を備えることを特徴とする請求項５記載の外力検出装置。

Images