JP2015169614A - 外力検出装置及び水晶片の傾き調整方法 - Google Patents

Abstract

【課題】外力の作用による水晶片の撓みにより、静電容量を変化させて外力の大きさや振動を検出する装置において、外力を高い精度で検出できる技術を提供すること。
【解決手段】容器１内に片持ちの水晶片２を設けて、外力による水晶片２の撓みにより、水晶片２の先端部の可動電極４と可動電極４に対向する固定電極５との間の静電容量が変わることを発振回路の発振周波数により測定し、この測定を介して外力を検出する。さらに容器１を配線基板１３に固定し、配線基板１３を下面の基準面を水平にした基体５０により支持し、配線基板１３の基体５０に対する傾斜角度をネジの締め量により調整し、水晶片２の傾き角が基準面に対して１度以内になるように設定している。従って水晶片２が実質水平姿勢に維持されている状態で外力の検出が行われるので、外力が加わった時の水晶片２の撓み量が多くなり、また外力と水晶片２の撓み量との対応性が高くなる。
【選択図】図５

Description

本発明は片持ちに支持された水晶片を用い、水晶片に作用する外力の大きさや振動に関する情報を静電容量に基づいて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となる場合が多い。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。
このような外力検出装置としては例えば特許文献１に記載されているような可変容量の容量変化を用いた手法が知られている。

この外力検出センサは、片持ちの短冊状の水晶片の両面に励振電極を設けて水晶振動子を構成すると共に、水晶片の下面側の先端部に可動電極を設け、可動電極に対向して固定電極を設けることにより構成される。水晶片に外力が加わって撓むと、可動電極と固定電極との間の容量(可変容量)が変わり、この容量変化が水晶片の発振周波数の変化として捉えられる。従って水晶片が振動すると、発振周波数が変化し、従って周波数のプロファイル（時系列データ）により、振動の周波数や振幅などが分かる。また発振周波数の変化量により外力の大きさそのものが検出できる。

ところで、外力を検出するにあたり、測定感度を大きくするためには、水晶片の長さ寸法を大きくすることが必要であるが、水晶片の長さ寸法が大きくなるほど、重力による撓みの程度が大きくなり、外力に対して水晶片の先端部の上下方向の変化量が小さくなってしまい、結局大きな感度が得られない。また振動を検出する場合においても、例えば上方向、下方向の加速度が同じであった場合でも水晶片の振れる量が上方向、下方向で異なることなどから、振幅を正確に検出することが難しい。

特開２０１２−１６８１６１号公報

本発明はこのような事情の下になされたものであり、その目的は、外力の作用による水晶片の撓みにより、静電容量を変化させて外力の大きさや振動を検出する装置において、外力を高い精度で検出できる技術を提供することにある。

本発明の外力検出装置は、水晶片に作用する外力を検出する外力検出装置であって、
容器内の支持部に一端側が支持された片持ちの水晶片と、
前記水晶片において他端側に設けられた可変容量形成用の可動電極と、
前記水晶片とは離間して、前記可動電極に対向するように前記容器内に設けられ、水晶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、
前記可変容量に接続された発振回路と、
前記容器を支持し、下面が基準面をなす基体と、
前記基準面に対して容器の傾きを調整するための傾き調整機構と、を備え、
前記基準面を水平にしたときの水晶片の傾き角が１度以内に設定されていることを特徴とする。

また本発明の外力検出装置は、前記容器が固定される配線基板を備え、
前記傾き調整機構は、配線基板の基体に対して固定される傾きを調整するネジであってもよく、さらに前記可動電極は水晶片の下面側に設けられ、前記固定電極は、容器の底面に設けられることを特徴としてもよい。

本発明の水晶片の傾き調整方法は、上述の外力検出装置の水晶片の傾き調整方法であって、
前記基体を下面が水平となるように設置して、発振周波数を求める工程と、
前記基体の基準面を水平に設定したときの発振回路の実発振周波数を取得する工程と、
前記基体の基準面が水平な状態において水晶片が水平であると仮定したときの可変容量の値から計算により求めた発振回路の発振周波数を設計発振周波数とすると、前記実発振周波数が設計発振周波数に揃うように容器の傾きを調整する工程と、を含むことを特徴とする水晶片の傾き調整方法。

本発明は、容器内に片持ちの水晶片を設けて、外力による水晶片の撓みにより、水晶片の先端部の電極とこの電極に対向する電極との間の静電容量が変わることを発振回路の発振周波数により測定し、この測定を介して外力を検出する装置において、容器を支持する基体の下面の基準面を水平にしたときに水晶片の傾き角が１度以内に設定されている。従って水晶片が実質水平姿勢に維持されている状態で外力の検出が行われるので、外力が加わった時の水晶片の撓み量が多くなり、また外力と水晶片の撓み量との対応性が高くなることから、精度よく外力を検出することができる。

本発明の実施の形態に係る外力検出装置を示す縦断側面図である。 本発明の実施の形態に係る外力検出装置を示す平面図である。 外力検出装置の回路構成を示すブロック図である。 外力検出装置の等価回路を示す回路図である。 外力検出装置の水晶片の傾き調整方法を説明する説明図である。 水晶片の傾き調整方法の検証方法を説明するための説明図である。 水晶片の傾き調整方法の検証方法を説明するための説明図である。 外力検出装置により、振動を検出した時の発振周波数の推移を示す特性図である。

本発明の実施の形態にかかる外力検出装置の構成について説明する。図１、図２に示すように、外力検出装置は直方体形状の密閉型の容器１を備え、内部は乾燥窒素ガスが封入されている。この容器１は上面が開口した容器本体１６と、この容器本体１６に周縁部にて接合される蓋部１７とから構成されており、例えば材質としてはガラスなどのセラミックや水晶が用いられる。容器１は例えばはんだにより配線基板１３に固定されている。なお容器１としては必ずしも密閉容器に限定されるものではない。容器１内には、水晶片２を支持する支持部となる水晶からなる台座１１が設けられ、この台座１１の上面に導電性接着剤９により水晶片２の基端側が固定されている。すなわち水晶片２は台座１１に片持ち支持されている。水晶片２は例えばＡＴ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に交差する方向に力が加わることにより、先端部が撓む。

水晶片２は先端側の下面に可動電極４が設けられており、水晶片２の基端側には、電極端子４１が設けられている。可動電極４には、水晶片２の先端側の側面を介して水晶片２の上面側へと引き回される引き出し電極４２の一端が接続されている。引き出し電極４２は水晶片２の上面を基端側まで引き回された後、基端側の側面を介して、水晶片２の下面側まで引き回されており、引き出し電極４２の他端側は電極端子４１に接続されている。

台座１１の上面には金属膜からなる導電路１２が形成され、この導電路１２は容器１を貫通しており、容器１を支持している配線基板１３に設けられた例えばコルピッツ回路により構成される水晶発振回路１４の一端と接続されている。導電路１２は導電性接着剤９により水晶片２の電極端子４１と電気的に接続されている。
また容器１の内側の底面における水晶片２に設けられた可動電極４と対向する位置に固定電極５が設けられている。固定電極５には、容器１を貫通し、配線基板１３に設けられた引き出し電極１５を介して水晶発振回路１４の他端側に接続されている。

図２を正面に見て、上側を奥側、下側を手前側とすると、図２に示すように例えば配線基板１３の手前側及び奥側の周縁部分を夫々等間隔に３箇所、前方側及び後方側の周縁部分を夫々等間隔に３箇所並ぶように設置された８本のネジＶ１〜Ｖ８により基体５０に固定する。ネジはこの例では傾き調整機構に相当する。また基体５０の下面は、平坦な基準面を形成している。

ネジＶ１〜Ｖ８は容器１の周囲を囲うように設けられている。例えばネジＶ１を締めた場合には、配線基板１３におけるネジＶ１の部位が基体５０に押し付けられる力が強くなる。配線基板１３の水平方向における基体に押し付けられる力の分布が変わるため、配線基板１３はネジＶ１の部位が低くなるように傾くことになる。このように各ネジＶ１〜Ｖ８の締める量を変えることにより配線基板１３の水平方向における基体５０に押し付けられる力の分布が変わり、基体５０に対する配線基板１３の傾きを調整することができる。配線基板１３の傾きを調整することによりことにより、配線基板１３に固定されている水晶片２の傾きも調整することができ、平坦な基準面に対する水晶片２の角度を調整することができる。

図３は、外力検出装置の構成を示すブロック図であり、図４は外力検出装置の等価回路を示す。この外力検出装置の可動電極４と固定電極５とにより構成される可変容量は水晶発振回路１４に設けられた水晶振動子に対して例えば直列に接続されている。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行並列容量、ＣＬは発振回路の負荷容量である。Ｃｖは可動電極４と固定電極５とにより形成される可変容量である。この外力検出装置の出力は、例えば周波数検出部２１に接続され、周波数検出部２１で検出された周波数情報がデータ処理部２２に入力される。

ここで国際規格ＩＥＣ ６０１２２−１によれば、水晶発振回路の一般式は次の（１）式のように表される。
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に下向きの加速度が加わると、撓み量が図３に示す状態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。
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４及び固定電極５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４及び固定電極５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外力検出装置は、水晶片２が可撓性の大きい材料であることから、外力が加わらない状態においても水晶片２が撓んだ状態にある。なお、図１においては、説明の便宜上、水晶片２は水平に伸びている状態として記載している。また水晶片２が短冊形状であっても撓まない程度の厚さに切り出した場合には、外力により全く撓まなくなるか、ほとんど撓まなくなり、外力検出装置としては適切なものではない。

そこでこの実施形態では、次のようにして水晶片２が水平姿勢となるように調整している。図５は、基体５０を水平面に置いた時の水晶片２の状態を示している。水晶片２は撓むことから実際には側面から見たときには直線ではなく、湾曲しているが、便宜上、直線として表示している。また水平面からの水晶片２の傾きについては、実際よりも誇張している。図５（ａ）に示すように基体５０を水平面に置くと、つまり基体５０の下面を水平にすると、水晶片２は傾き角θだけ水平面から傾いた状態になる。傾き角θとは、水晶片２の支持点Ｐと水晶片２の先端Ｑとを結ぶ直線と水平面とがなす角度である。水晶片２の支持点Ｐとは、水晶片２の下面が台座１１において支持されている領域のうち、水晶片２の先端に最も近い部位である。

この傾き角θを例えば１度以下にするために、傾き調整機構であるネジＶ１〜Ｖ８により容器１の角度を調整する。この角度の調整は次のようにして行われる。
まず水晶片２の基準面に対する傾きの角度を推定する。なお以下の説明では、水晶片２の角度θは、水平な姿勢よりも水晶片２の先端が下がる姿勢のときの角度を正の値とする。図３に示すように水晶片２の先端部が設計寸法Ｄに対してΔｄ撓んだ状態の外力検出装置を例に説明する。水晶発振回路１４を駆動して、例えば外力検出装置に外力を加えない状態における発振周波数を求める。この時の発振周波数の値と、例えば予め求めておいた水晶発振回路１４を可動電極４と固定電極５とに接続せずに発振させた時の発振周波数と比較する。

前述のように水晶発振回路１４から出力される周波数は、可動電極４と固定電極５との静電容量により変化するため、水晶発振回路１４に可動電極４と固定電極５とを接続した時と、可動電極４と固定電極５とを接続しない時の発振周波数の変化量により可動電極４と固定電極５との静電容量を算出することができる。

可動電極４と固定電極５との静電容量が求まると、可動電極４及び固定電極５の面積と誘電率から図４中の電極間距離ｄが求まる。このｄの値と、水晶片２が水平な姿勢となるときの設計寸法から求まる電極間距離Ｄと、の差分が、撓みによる距離の誤差Δｄとなる。水晶片２の片持ち部分となる長さＬは設計寸法であるため、Δｄが求まることにより、ｔａｎθ＝Δｄ／Ｌより水晶片２の傾き角θが求まる。
こうして水晶片２の傾き角θが求まると、図５（ｂ）に示すようにネジＶ１〜Ｖ８の締め量を調整することにより、配線基板１３を基体５０に対して角度θだけ傾け、水晶片２を水平姿勢にする。

配線基板１３の傾きの調整方法について説明すると、前述のように発振周波数と水晶片２の傾斜角度との関係から、例えば製造時の誤差の許容範囲となる角度を例えば水平な姿勢から±１度以内とすると、その水晶片２の傾斜角度θがその範囲となるときの水晶発振回路１４の発振周波数の目標の範囲を設定しておく。

例えば水晶片２の撓みが大きく傾き角θが１度を超える値の場合には、可動電極４と固定電極５との距離が短くなっている。そのため静電容量が大きくなるため、発振周波数が目標の範囲の周波数よりも低くなる。発振周波数が目標の範囲の周波数よりも低い場合には、まず奥側に並ぶネジの前方側に配置された２本のネジＶ１、Ｖ２を除いた６本のネジＶ３〜Ｖ８を接着剤により固定する。

続いて例えばネジＶ１をさらに締める。これによりネジＶ１の位置に置ける配線基板１３が基体５０に圧着される力が強くなる。配線基板１３は、後方側と手前側をネジＶ３〜Ｖ８により固定しているため、ネジＶ１を締めることにより、配線基板１３が前方側に傾斜して、水晶片２の先端側が起き上がることになる。その後、発振周波数を検出して、周波数が目標の範囲にないならば再びネジＶ１を調整する。これを繰り返して発振周波数が所定の範囲の値となるようにする。また検出された発振周波数が目標の範囲の周波数に近い値である場合には、ネジＶ２を締めて、配線基板１３を前方側に傾斜させる。

ネジＶ１とネジＶ２との違いについて述べると、上述の実施例では、ネジＶ１、Ｖ２を除いた６本のネジＶ３〜Ｖ８により、配線基板１３の後方側及び手前側が固定されている。ネジＶ１は、ネジＶ２よりも、容器１から離れた位置に設けられている。そのためネジＶ１及びネジＶ２を各々同じだけ回転させてネジを締めた場合に、ネジＶ１を締めた場合の方がネジＶ２を締めた場合よりも、配線基板１３は前方側に大きく傾斜することになる。ネジＶ１、Ｖ２の締めの調整により発振周波数が所定の周波数となったら、ネジＶ１、Ｖ２を接着剤により固定する。また例えば水晶片２の先端側を下げるように傾けたい場合には、例えばネジＶ１、Ｖ２ように水晶片２の基端方向に設けられたネジを緩めてもよく、ネジＶ６〜Ｖ８を締めるようにしてもよい。

ここで発振周波数の変化値から求めた角度θが正確な角度であるか検証方法について説明する。まず図６に示すように、発振周波数から水晶片２の撓み角度を推定した外力検出装置を傾斜器３０に設置する。次いで図７に示すように傾斜器３０の角度を変更して、外力検出装置を水晶片２の基端側が持ちあがるように傾斜させ、発振周波数の測定を行う。この時測定された発振周波数から傾斜後の外力検出装置の静電容量を求め、傾斜後の電極間距離ｄ´を求める。傾斜後の電極間距離ｄ´と、水晶片２が水平な姿勢となるときの設計寸法である電極間距離Ｄとの比較を行い、異なる値の場合には、傾斜器３０の角度を変えて、発振周波数の測定を行い、ｄ´とＤとが等しくなるときの傾斜器３０の角度θ´を求める。この傾斜器３０の角度θ´が発振周波数から求まった角度θと等しくなることから、発振周波数の変化値から求めた角度θが正確な角度であるとわかる。

次に上述実施の形態の作用について説明する。先ず外力検出装置の基体を水平面に設置し、発振回路の発振周波数を測定する。例えば加速度が作用して下向きあるいは上向きの外力が加わった時には、水晶片２がその外力に応じて撓み、可動電極と固定電極との可変容量が変化し、発振周波数が変化する。

そのため加速度が作用していない場合における電極間距離は、水晶片２の撓み角が大きい場合には、水晶片２の水平な姿勢である場合に比べて短くなり、下向きの外力が作用した時の電極間距離の変化量が小さくなってしまう。また可動電極と固定電極とが互いに平行に配置されないため、静電容量の誤差が大きくなる。本発明の実施の形態にかかる外力検出装置では、水晶片２の傾き角が１度以内となるようにしているため電極間距離の変化量が小さくならず、可動電極と固定電極とが互いに平行になるため静電容量の誤差も小さくなる。

また例えば振動の周期、振幅を検出する振動検出装置に用いた例について述べる。振動が加わらない状態において水晶片２が撓まず平坦であるとすると、例えば水晶板が水平になるように設置される。振動により下向きの加速度がかかった場合には、可変容量の静電容量が大きくなり、振動により上向きの加速度がかかった場合には、可変容量の静電容量が小さくなる。従って周波数検出部にて図８に示すように時間経過に従う発振周波数の周期的な変化が検出されることになり、この周波数データをデータ処理部にて解析することにより周波数変化の波の周期、振幅が求まる。

ここで水晶片２の先端の撓み量が大きい場合には、水晶片２は上方向には曲がりやすく下方向には曲がりにくくなる。そのため外力検出装置の上方向に加速度がかかった時の静電容量の変化量と、下方向に加速度がかかった時の静電容量の変化量が異なる。

発振周波数の変化量も上方向に加速度がかかった時の変化量が大きくなり、下方向に加速度がかかった時の静電容量の変化量が小さくなる。そのため上下に均等な加速度で振動した場合にも、周波数データにおける発振周波数の増加側の振幅と減少側の振幅との誤差が大きくなり、正確な振幅の検出が難しくなる。

上述の実施の形態では、基準面を水平にした時の水晶片２の傾き角θが１度以内になるように設定している。そのため上方向、下方向に同じ加速度がかかった時の、水晶片２の上方側へ振れる量と、下方向へ振れる量との誤差が少なくなる。従って上下に均等な加速度で振動した場合の周波数データにおける発振周波数の増加側の振幅と減少側の振幅との誤差が小さくなり、正確な振幅の検出ができる。

本発明の外力検出装置とは、水晶片２に対して下向きあるいは上向きに加わる外力そのものの大きさを検出することに限らず、振動の振幅の大きさや振動の周期を検出する場合も含まれる。即ち、本明細書に記載した「外力」とは、「振動」も含まれる。また水晶片２の両面に励振用の電極を設け、水晶振動子として用いてもよい

上述の実施の形態は、容器１内に片持ちの水晶片２を設けて、外力による水晶片２の撓みにより、水晶片２の先端部の可動電極４と可動電極４に対向する固定電極５との間の静電容量が変わることを発振回路の発振周波数により測定し、この測定を介して外力を検出する。さらに容器１を配線基板１３に固定し、配線基板１３を下面の基準面を水平にした基体５０により支持し、配線基板１３の基体５０に対する傾斜角度をネジの締め量により調整し、水晶片２の傾き角が基準面に対して１度以内になるように設定している。従って水晶片２が実質水平姿勢に維持されている状態で外力の検出が行われるので、外力が加わった時の水晶片２の撓み量が多くなり、また外力と水晶片２の撓み量との対応性が高くなることから、精度よく外力を検出することができる。

また本発明の外力検出装置は、水晶片２の上面側に可動電極を設け、可動電極と対向する容器の天井面に固定電極を設け、水晶片２の上面側に可変容量を構成してもよい。また水晶片２の両面に水晶片２を介して対向するように励振電極を設け、発振周波数を出力するための水晶振動子として構成し、発振回路に組み込むようにしてもよい。

１ 容器
２ 水晶片
４ 可動電極
５ 固定電極
１１ 台座部
１３ 配線基板
１４ 水晶発振回路
３０ 傾斜器
５０ 基体

Claims (4)

1. 水晶片に作用する外力を検出する外力検出装置であって、
   容器内の支持部に一端側が支持された片持ちの水晶片と、
   前記水晶片において他端側に設けられた可変容量形成用の可動電極と、
   前記水晶片とは離間して、前記可動電極に対向するように前記容器内に設けられ、水晶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、
   前記可変容量に接続された発振回路と、
   前記容器を支持し、下面が基準面をなす基体と、
   前記基準面に対して容器の傾きを調整するための傾き調整機構と、を備え、
   前記基準面を水平にしたときの水晶片の傾き角が１度以内に設定されていることを特徴とする外力検出装置。
2. 前記容器が固定される配線基板を備え、
   前記傾き調整機構は、配線基板の基体に対して固定される傾きを調整するネジであることを特徴とする請求項１記載の外力検出装置。
3. 前記可動電極は水晶片の下面側に設けられ、前記固定電極は、容器の底面に設けられ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。
4. 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の水晶片の傾き調整方法であって、
   前記基体を下面が水平となるように設置して、発振周波数を求める工程と、
   前記基体の基準面を水平に設定したときの発振回路の実発振周波数を取得する工程と、
   前記基体の基準面が水平な状態において水晶片が水平であると仮定したときの可変容量の値から計算により求めた発振回路の発振周波数を設計発振周波数とすると、前記実発振周波数が設計発振周波数に揃うように容器の傾きを調整する工程と、を含むことを特徴とする水晶片の傾き調整方法。

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