JP5912510B2 - 外力検出方法及び外力検出装置 - Google Patents

Description

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。

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。
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。

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***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。
特許文献３には、装置内部にて片持ち支持された圧電振動素子を、その自由端が内部底面に触れない程度に自由端側をやや下げた状態で固定する発明が記載されているが、これは装置の内部空間を有効活用するための工夫と考えられ、本発明とは目的が異なる。

特開２００６−１３８８５２号公報（段落００２１、段落００２８） 特開２００８−３９６２６号公報（図１及び図３） 特開２００２−１７１１５２号公報

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高精度にかつ容易に検出することができる技術を提供することにある。

本発明の外力検出方法は、
一端側が基台に支持された片持ちの圧電板と、
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、
前記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、前記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、を備えたセンサーを用い、
目的とする測定対象である外力の方向と直交する面と、前記可動電極における前記圧電板の長さ方向とのなす角度が３０°〜６０°となるように前記センサーを設定する工程と、
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周波数情報検出部により検出する工程と、
前記周波数情報検出部にて検出された周波数情報に基づき、前記圧電板に作用する外力を評価する工程と、を含むことを特徴とする。
上述した目的とする測定対象である外力の方向と直交する面と、前記可動電極における前記圧電板の長さ方向とのなす角度は、４０°〜５０°であると望ましい。

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、
一端側が基台に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、
前記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、
目的とする測定対象である外力の方向を表示した方向表示部と、を備え、
前記目的とする測定対象である外力の方向と直交する面と、前記可動電極における前記圧電板の長さ方向とのなす角度が３０°〜６０°に設定され、
前記発振回路から前記一方の励振電極、前記他方の励振電極、前記可動電極及び前記固定電極を経て前記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。

また本発明の方法あるいは装置において、前記圧電板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、前記圧電板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る構成とすることができる。この場合、前記支持部の先端と圧電板とは例えば固着材により互いに固定されている
更に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、前記圧電板が過剰に撓んだときに当該圧電板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、これにより圧電板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。この場合、前記突起部における前記圧電板に対向する面について、圧電板の長さ方向の縦断面の形状が山形である構成とすることができる。

前記可変容量形成用の可動電極は、圧電板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。
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。
また前記目的とする測定対象である外力の方向と直交する面と、前記可動電極における前記圧電板の長さ方向とのなす角度は、４０°〜５０°であることが望ましい。

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、目的とする測定対象の外力の方向と直交する方向に対して圧電板を傾けて測定することにより、測定感度を向上させている。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。

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基本構成の要部を示す縦断側面図である。 前記基本構成に用いられる水晶振動子の上面及び下面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。 前記加速度検出装置の等価回路を示す回路図である。 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。 本発明に係わる実施形態を示す縦断側面図である。 図６に示す加速度検出装置を用い、角度θと感度との関係を示す特性図である。 前記実施形態の変形例を示す縦断側面図である。 前記加速度検出装置の使用方法の一例を示す説明図である。 図９に示す加速度検出装置の内部を示す縦断側面図である。 本発明に係わる実施形態の変形例を示す縦断側面図である。 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１２におけるＡ−Ａ線に沿った横断平面図である。 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１２におけるＢ−Ｂ線に沿った横断平面図である。 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。 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。 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。 本発明のその他の変形例を示す縦断側面図である。 本発明のその他の変形例を示す縦断側面図である。 本発明のその他の変形例を示す縦断側面図である。 図２１に示す加速度検出装置に用いられる水晶板を示す斜視図である。 本発明における方向表示部を説明する模式図である。 本発明における方向表示部を説明する模式図である。 本発明の他の実施形態に係る要部を示す縦断側面図である。 図２５におけるＣ−Ｃ線に沿った横断平面図である。 本発明のさらに他の実施形態の要部を示す平面図である。

［発明の基本構成］
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前に、その前提となる基本構成について述べておく。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。

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。

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る。

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。

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。

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。

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。

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ΔＦＬ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。

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。

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。

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。

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。

図１に示す構成によれば、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。
［発明の実施形態］
本発明の実施形態では、図６に示すように、測定対象となる、予定している（目的としている）外力の加わる方向と直交する面Ｐに対して、外力が加わる前における水晶板２の長さ方向に沿った可動電極５の向き（面Ｐと可動電極５とのなす角度θ）が３０°〜６０°であることが望ましく、４０°〜５０°であることがより一層望ましい。

図７は、角度θを１５°から７５°まで変えて、前記面Ｐに直交する方向に同じ加速度を水晶板２に対して加えたときの発振周波数の値である。横軸の０°はθ＝４５°である。図７の結果から分かるように、これら各プロットから発振周波数と角度θとの関係は、放物線を描いていることが推測され、従って角度θが３０°〜６０°（横軸の値としては、−１５°〜＋１５°）であれば感度が大きく、角度θが４０°〜５０°（横軸の値としては、−５°〜＋５°）であればより一層感度が大きいことが分かる。

このような結果が出た理由は、以下のように推測される。加速度センサー２００を傾けると、傾斜角度θが大きくなるにつれて、外力における水晶板２を撓ませる力成分（水晶板２の厚み方向の力成分）は減少し、外力における水晶板２の長手方向の力成分は増加する。このため、角度θを０°〜９０°の間で変えて同じ大きさの外力を検出すると、角度θが大きくなるにつれて可変容量Ｃｖの変化量が小さくなるため、角度θを大きくすることは発振周波数の変化量が小さくなる要因となる。しかしその一方で、角度θが大きくなるにつれて水晶板２の長手方向の応力が増加するため、角度θを大きくすることは発振周波数が大きくなる要因ともなる。角度θが０°〜４５°の範囲では、外力における長手方向の力成分による要因のほうが厚み方向の力成分による要因よりも検出される発振周波数に対する影響が大きく、角度θが４５°〜９０°ではその逆となるため、角度θと発振周波数変化量の関係は、角度θが４５°のときに発振周波数の変化量が極大となる放物線状になるものと考えられる。

水平方向の加速度を調べる場合には、図６の加速度センサーを９０度回転させた状態で取り付ければよい。また図８に示すように水晶板２を上向きに傾けてもよく、この場合にも前記面Ｐに対して水晶板２がなす角θは、例えば３０°〜６０°、より好ましくは４０°〜５０°に設定される。

また図９に示すように、図１に示すような水晶板２が容器１の底部取り付け面に対して水平に設けられた加速度センサー２００を取り付け部材８０を介して支持部材８に傾斜して固定することにより、前記面Ｐに対して傾斜をつけてもよい。この例では、図１０に示すように、前記面Ｐに対して角度θ傾斜している取り付け部材８０のセンサー取り付け面に、加速度センサー２００を固定することにより、前記面Ｐに対して角度θをつけている。この場合においても水晶板２と面Ｐ（図９中矢印で示している測定対象となる力の加わる方向に対して垂直な面）とのなす角度θが既述の角度範囲であることが望ましく、こうすることで高い感度が得られる。

面Ｐとは、例えば垂直方向の加速度を測定しようとする場合には、水平面となる。また取り付け部材８０には図９に示すように矢印８４が表示されており、この矢印８４の表示は測定対象となる外力の方向を特定するためのものである。例えば、この矢印８４に表示された方向と可動電極５の方向とが４５°をなしており、この矢印８４に表示された方向を外力の方向に合わせるように支持部材８を設置する。

図１１に示すように、加速度センサー２００を回動部材８１を介して支持部材８に固定することにより、角度θをつけてもよい。この場合、外力の加わる方向に合わせて簡単に角度θを調整することができる。

図１２に加速度センサーの他の例を示す。この図１２に示す加速度センサー２００は、既述の図９及び図１０に示すように、取り付け部材８０の上に搭載され、面Ｐに対して角度θ傾斜して支持部材８に取り付けられる。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基本構成と異なる。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１２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１２の圧力センサーの内部を平面的に見ると、図１３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。

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１３及び図１４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。

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１３及び図１５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１２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。

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。

図１７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１８には、加速度検出装置の一部の外観が示されている。前述の基本構成と異なる箇所は、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。

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。

上述の実施形態によれば、前述の基本構成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２Ｂ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。

図１３の例では、水晶板２Ａ及び水晶板２Ｂに夫々対応して固定電極６を設けているが、一方の水晶板２Ｂについては可動電極５及び固定電極６を設けない構成としてもよい。この場合、一方の水晶板２Ｂについては、励振電極４１が可変容量ＣＶを介さずに第２の発振回路１４Ｂに接続される。このように励振電極３１、４１の組を２組設ける構成(水晶振動子を２つ設ける構成)においては、各組ごとに水晶板を用いる代わりに、各組を共通の水晶板に設けるようにしてもよい。
［本発明の変形例及び適用例］
図１９〜図２２に本発明の更なる変形例を記載しておく。
図１９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。

図２０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上述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。

図２１に示す加速度センサーは、上述の実施形態に用いられている水晶板２Ａ（２Ｂ）において、図２２に示すように、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５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。

図２５及び図２６は、本発明の他の実施形態を示す。この実施の形態は、水晶板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により支持する例である。即ち、水晶板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。そして外力が水晶板２に加わったときに水晶板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板２の先端までの距離を大きく確保することが好ましい。

図２５及び図２６に示す加速度センサーは、容器１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、水晶板２の下面における励振電極４１よりも例えば０．１ｍｍ〜数ｍｍだけ水晶板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、水晶板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、水晶板２の幅寸法より小さくてもよい。支持部８の高さ寸法は、例えば水晶板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板２の下面に接触する寸法に設定される。

図２５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、横幅は水晶板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の構造や水晶板２の設置位置などに応じて決まってくる。

支持部８と水晶板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と水晶板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。

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。

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図１３〜図１７に示す例などに適用してもよい。この場合各組の水晶板２Ａ、２Ｂごとに、支持部８により図２５、図２６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、水晶板２Ａ、２Ｂごとに独立して設けてもよいし、水晶板２Ａの左縁から水晶板２Ｂの右縁に亘って延びる共通の支持部８により水晶板２Ａ、２Ｂを支持してもよい。図２７は、２組の水晶振動子を共通の水晶板２に形成した構造に対して、支持部８を用いた構成を示している。

ここで図２５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度だけ水晶板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。

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、水晶板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、水晶板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。この結果は水晶板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板２の撓みに対応する周波数変化を得ることができる。

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。

また被測定物の傾斜の度合いの測定については、水晶板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。

本発明は、外力検出装置が前述の角度θの傾斜をつけて取り付けられるように、取り付け方向を表示する方向表示部を備えている。この方向表示部の具体例を図２３及び図２４に示す。図２３では、加速度センサー２００を搭載した外力検出装置の筐体８２に取り付け面である基準面８３が設定されており、この基準面８３において測定対象物と接するように取り付けることにより前述の角度θの傾斜がつくようになっている。例えば鉛直方向の加速度を測定する場合には、この基準面８３を水平面に設置するようにすればよい。また流体の流速を測定する場合には、基準面８３が流体の流れる方向と直交するように筐体８２を設置すればよい。この例では基準面８３が方向表示部に相当する。図２４では、測定対象である外力の方向を合わせるための基準となる矢印８３が前記筐体８２の外壁に描かれており、この矢印８３が方向表示部に相当する。

１ 容器
１１ 台座
１２ 導電路
１４ 発振回路
２ 水晶板
３１、４１ 励振電極
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

Claims (9)

1. 一端側が基台に支持された片持ちの圧電板と、
   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、
   前記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、前記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、を備えたセンサーを用い、
   目的とする測定対象である外力の方向と直交する面と、前記可動電極における前記圧電板の長さ方向とのなす角度が３０°〜６０°となるように前記センサーを設定する工程と、
   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周波数情報検出部により検出する工程と、
   前記周波数情報検出部にて検出された周波数情報に基づき、前記圧電板に作用する外力を評価する工程と、を含むことを特徴とする外力検出方法。
2. 目的とする測定対象である外力の方向と直交する面と、前記可動電極における前記圧電板の長さ方向とのなす角度が、４０°〜５０°であることを特徴とする請求項１に記載の外力検出方法。
3. 前記圧電板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、前記圧電板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に記載の外力検出方法。
4. 前記支持部の先端と圧電板とは互いに固定されていることを特徴とする請求項３に記載の外力検出方法。
5. 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、
   一端側が基台に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、
   前記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、
   目的とする測定対象である外力の方向を表示した方向表示部と、を備え、
   前記目的とする測定対象である外力の方向と直交する面と、前記可動電極における前記圧電板の長さ方向とのなす角度が３０°〜６０°に設定され、
   前記発振回路から前記一方の励振電極、前記他方の励振電極、前記可動電極及び前記固定電極を経て前記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。
6. 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５記載の外力検出装置。
7. 前記目的とする測定対象である外力の方向と直交する面と、前記可動電極における前記圧電板の長さ方向とのなす角度が、４０°〜５０°であることを特徴とする請求項５または６に記載の外力検出装置。
8. 前記圧電板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、前記圧電板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５ないし７のいずれか一項に記載の外力検出装置。
9. 前記支持部の先端と圧電板とは互いに固定されていることを特徴とする請求項８に記載の外力検出装置。

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