JP6200172B2

JP6200172B2 - 外力検出装置

Info

Publication number: JP6200172B2
Application number: JP2013055105A
Authority: JP
Inventors: 光明小山; 武藤　猛; 猛武藤; 浩星上; 大西　直樹; 直樹大西
Original assignee: Nihon Dempa Kogyo Co Ltd
Current assignee: Nihon Dempa Kogyo Co Ltd
Priority date: 2013-03-18
Filing date: 2013-03-18
Publication date: 2017-09-20
Anticipated expiration: 2033-03-18
Also published as: JP2014181942A

Description

本発明は感知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、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、磁力などがあるが、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、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。また特許文献２には次の技術が記載されている。片持ちの水晶片により水晶振動子を構成すると共に、当該水晶片の先端に可動電極を、また当該可動電極と対向する部位に固定電極を夫々設ける。外力による水晶片の撓みに応じて前記電極間の容量が変化するので、この変化分を水晶振動子の発振周波数の変化として検出する。
これら特許文献１、２に記載された技術は、本発明とは原理が異なる。

特開２００８−３９６２６（図１及び図３）特開２０１３−３３０２０（請求項１）

本発明は、このような背景の下になされたものであり、感知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にある。

本発明の外力検出装置は、
支持部に支持された可撓性の感知片と、
前記感知片の一面側に形成された第１の可動電極と、
前記第１の可動電極に対向し、当該第１の可動電極との間に第１の可変容量を形成する第１の固定電極と、
前記感知片の他面側に形成された第２の可動電極と、
前記第２の可動電極に対向し、当該第２の可動電極との間に第２の可変容量を形成する第２の固定電極と、
前記第１の可動電極及び第１の固定電極の一方を、第１の充電用接点、第１の放電用接点及び第１の測定用接点のいずれかに選択的に切替え接続するための第１のスイッチ部と、
前記第２の可動電極及び第２の固定電極の一方を、第２の充電用接点、第２の放電用接点及び第２の測定用接点のいずれかに選択的に切替え接続するための第２のスイッチ部と、
測定すべき外力が前記感知片に加わる前に、前記第１の充電用接点及び第２の充電用接点に直流電圧を供給して第１の可変容量及び第２の可変容量を充電するための電圧供給部と、
前記第１の測定用接点及び第２の測定用接点の各々に接続され、前記第１の可変容量及び第２の可変容量の各充電電圧の差分を取り出す電圧差取り出し部と、
この電圧差取り出し部にて取り出された差分電圧が制御電圧として入力される電圧制御発振器と、
前記感知片に加わる外力の大きさ及び外力が加わる方向と、前記感知片に外力が加わっていない時に前記電圧制御発振器から出力される出力周波数ｆ０と前記感知片に外力が加わった時に前記電圧制御発振器から出力される出力周波数ｆ１との差分の絶対値及び当該差分の正負の符号と、の関係を示すデータを記憶する記憶部と、
測定すべき外力が前記感知片に加わっていないときに、前記第１のスイッチ部及び第２のスイッチ部を夫々第１の充電用接点及び第２の充電用接点に切り替えた状態で、前記第１の充電用接点及び第２の充電用接点に互に異なる直流電圧を供給して第１の可変容量及び第２の可変容量を充電し、前記電圧制御発振器の出力周波数ｆ０を取得すると共に、
測定すべき外力が前記感知片に加わっているときに、前記第１のスイッチ部及び第２のスイッチ部を夫々第１の測定用接点及び第２の測定用接点に切り替えた状態で、前記電圧制御発振器の出力周波数ｆ１を取得し、ｆ０とｆ１との差分の結果と、前記記憶部に記憶されているデータと、から外力を読み出して表示部に表示するデータ処理部と、を備え、
前記第１の可動電極及び第１の固定電極の他方、前記第２の可動電極及び第２の固定電極の他方、第１の放電用接点及び第２の放電用接点は、接地されていることを特徴とする。

本発明は、支持部に支持された可撓性の感知片の両面に電極を設けると共に各電極と対向する部位に固定電極を設け、これにより感知片の両面側に容量を形成している。そして事前に各容量を充電しておき、外力により感知片が撓んだときに各容量の電極間の電圧が変わることに着目し、感知片の両側の電圧の差分を電圧制御発振器を通して発振周波数として検出するようにしている。従って外力を発振周波数として検出できる。このため、感知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。

本発明の外力検出装置におけるセンサー部分の一例を示す縦断面図である。前記センサー部分に取り付けられる水晶片を示す平面図である。前記外力検出装置の全体を示す電気回路図である。前記外力検出装置の電気回路の等価回路図である。前記外力検出装置の制御部を示す概略図である。前記外力検出装置において外力に応じて得られる周波数特性を示す模式図である。前記制御部において行われる各モード及び各モードにて選択されるスイッチを示す概念図である、前記外力検出装置の作用を示す模式図である。前記外力検出装置の作用を示す模式図である。前記外力検出装置の作用を示す模式図である。前記外力検出装置の作用を示す模式図である。前記外力検出装置の作用を示す模式図である。前記外力検出装置の他の例を示す電気回路図である。前記センサー部分の他の例を示す縦断面図である。前記他の例のセンサー部分における水晶片を示す斜視図である。

本発明の外力検出装置の実施の形態の一例について、図１〜図５を参照して説明する。図１は、この外力検出装置における外力の検出部分（センサー部分）を示している。この検出部分は、概略箱型の容器１と、当該容器１内において片持ちの状態で支持された感知片をなす板状（短冊状）の水晶片２とを備えている。容器１は、例えば水晶などにより構成されており、上面側が開口する下側部分１ａと、この下側部分１ａにおける上面側開口部を気密に塞ぐ上側部分１ｂとを備えている。この容器１は、内部に例えば窒素（Ｎ2）ガスなどの不活性ガスが封入された状態で密閉されている。図１中３は容器１を支持する絶縁基板であり、４は後述のスイッチ部３７や電圧制御発振器３３などの部材である。

容器１の内部における一方側の端部には、例えば水晶などからなる台座５が支持部として設けられており、この台座５上には、導電性接着剤６が横並びに２箇所に形成されている。そして、既述の水晶片２は、他方側に向かって水平に伸び出すように、台座５上において導電性接着剤６、６によって片持ちで支持されている。この水晶片２は、可撓性を持つように、具体的には上下方向（水晶片２の厚み方向）に外力（加速度）が加わると先端部が撓むように、厚み寸法が数十μｍオーダーこの例では０．０３ｍｍに設定されている。

この水晶片２の先端部における上面側（一面側）及び下面側（他面側）には、概略矩形に形成された第１の可動電極１１及び第２の可動電極２１が夫々配置されている。従って、可動電極１１、２１は、水晶片２が撓む方向（上下方向）から水晶片２を挟むように配置されている。尚、図１は、水晶片２が自重により、あるいは先端部における可動電極１１、２１の重量によって下側に撓んだ様子を誇張して描画している。

水晶片２の上下両面には、可動電極１１、２１から夫々伸び出す引き出し電極７が形成されており、この引き出し電極７は、既述の導電性接着剤６と、容器１及び絶縁基板３の内部に形成された導電路８とを介して、当該容器１の外側における既述の部材４に接続されている。即ち、水晶片２の上面側における引き出し電極７は、図２（ａ）に示すように、一端側の端部が第１の可動電極１１に接続されており、他方側の端部が水晶片２の側面側を回り込み、水晶片２の下面側において既述の導電性接着剤６に接続されている（図２（ｂ））。水晶片２の下面側における引き出し電極７は、一端側の端部が第２の可動電極２１に接続され、他方側の端部が上面側の引き出し電極７とは別の導電性接着剤６に接続されている。尚、図１では引き出し電極７の描画を省略している。

既述の容器１の天井面及び床面には、第１の可動電極１１及び第２の可動電極２１との間で夫々容量が形成されるように、第１の固定電極１２及び第２の固定電極２２が夫々配置されている。即ち、容器１の天井面及び床面は、水晶片２の先端部と並行になるように、且つ水晶片２の先端部に近接するように、当該先端部に向かって突出している。そして、水晶片２の先端部に向かって突出している容器１の天井面及び床面に、第１の固定電極１２及び第２の固定電極２２が夫々形成されている。こうして第１の固定電極１２及び第２の固定電極２２は、水晶片２側の第１の可動電極１１及び第２の可動電極２１と夫々並行になり、また第１の可動電極１１及び第２の可動電極２１に近接して対向するように配置される。

ここで、電極１１、１２間の容量値Ｃ_１及び電極２１、２２間の容量値Ｃ_２は、対向する電極１１、１２（電極２１、２２）の表面積Ｓをこれら電極１１、１２（電極２１、２２）間の離間寸法ｄで除した値（Ｃ_１（Ｃ_２）＝ε×Ｓ／ｄ、ε：容器１内に満たされているガスの比誘電率）となる。従って、水晶片２が撓むと前記離間寸法ｄが変わることから、電極１１、１２からなる容量及び電極２１、２２からなる容量は、各々水晶片２に加わる外力に応じて変動する可変容量（以下、夫々「第１の可変容量１３」及び「第２の可変容量２３」と呼ぶ）となる。尚、水晶片２に外力が加わっていない時の前記離間寸法ｄは、例えば１μｍ〜１００μｍとなっている。即ち、鈍感用センサ（例えば小さな外力についてはあまり感知しないように構成する場合、あるいはそれ程測定精度が必要ない場合）については前記離間寸法ｄを１００μｍに設定する場合がある。

固定電極１２、２２は、容器１及び絶縁基板３の内部に形成された導電路８によって、既述の部材４に接続されており、固定電極１２（２２）と可動電極１１（２１）との間に任意の電圧を印加できるように構成されている。
従って、第１の固定電極１２と第１の可動電極１１との間に電圧Ｖ_１を印加すると、第１の可変容量１３には、当該第１の可変容量１３の容量値Ｃ_１に対応する電荷Ｑ_１（Ｑ_１＝Ｃ_１×Ｖ_１）が蓄積される。また、第２の固定電極２２と第２の可動電極２１との間に電圧Ｖ_２を印加すると、同様に第２の可変容量２３についても、当該第２の可変容量２３の容量値Ｃ_２に対応する電荷Ｑ_２（Ｑ_２＝Ｃ_２×Ｖ_２）が蓄積される。そして、本発明では、以下に説明するように、これら可変容量１３、２３に蓄積される電荷Ｑ_１、Ｑ_２を利用して、外力を測定できるように構成されている。初めに、このように外力を測定する装置構成に先立って、外力を測定する原理について説明する。

具体的には、水晶片２に外力が加わる前に、可変容量１３、２３の容量値が夫々「Ｃ_１０」及び「Ｃ_２０」となっているものとする。この状態において、可変容量１３、２３に電圧Ｖ_１０、Ｖ_２０を夫々印加すると、既に説明したように、当該可変容量１３、２３には電荷Ｑ_１０（Ｑ_１０＝Ｃ_１０×Ｖ_１０）、Ｑ_２０（Ｑ_２０＝Ｃ_２０×Ｖ_２０）が夫々充電される。次いで、既述のように水晶片２の先端部が外力によって上方側あるいは下方側に撓むと、これら可変容量１３、２３の容量値Ｃ_１０、Ｃ_２０は、電極１１、１２（２１、２２）間の離間寸法ｄの変動に伴って、例えば夫々容量値Ｃ_１１、Ｃ_２１に変化する。一方、電荷Ｑ_１０、Ｑ_２０については変動しないので、電極１１、１２間では、電圧がＶ_１０からＶ_１１（Ｖ_１１＝Ｑ_１０÷Ｃ_１１）に変化する。また、電極２１、２２間においても、電圧はＶ_２０からＶ_２１（Ｖ_２１＝Ｑ_２０÷Ｃ_２１）に変化する。

従って、水晶片２に加わった外力に応じて、電圧Ｖ_１０、Ｖ_２０から電圧Ｖ_１１、Ｖ_２１に夫々変動するので、これら電圧Ｖ_１０、Ｖ_１１、Ｖ_２０、Ｖ_２１を利用することで、水晶片２に加わった外力に対応する値が算出されることが分かる。具体的には、水晶片２に外力が加わる前における電圧Ｖ_１０、Ｖ_２０の差分ΔＶ_０（ΔＶ_０＝Ｖ_２０−Ｖ_１０）を予め求めておく。また、水晶片２に外力が加わっている状態において、電圧Ｖ_１１、Ｖ_２１の差分ΔＶ_１（ΔＶ_１＝Ｖ_２１−Ｖ_１１）を求める。そして、これら差分ΔＶ_０、ΔＶ_１の差は、外力に対応した値となる。

ここで、前記差分ΔＶ_０、ΔＶ_１について、例えば電圧計などを用いて直接測定しようとすると、即ちこれら差分ΔＶ_０、ΔＶ_１をそのまま数値として取り出そうとしても、電圧計を用いた測定方法はそれ程精度が高くない。一方、周波数の測定方法であれば、このような電圧計を用いた手法と比べて、３桁以上も測定精度が高い。そこで、本発明では、差分ΔＶ_０、ΔＶ_１を入力電圧として用いて夫々電圧制御発振器（ＶＣＸＯ）を発振させて、電圧制御発振器の発振周波数（発振周波数における中心周波数）ｆ_０、ｆ_１を測定している。そして、これら発振周波数ｆ_０、ｆ_１の差分Δｆ（Δｆ＝ｆ_０−ｆ_１）と水晶片２に加わる外力との相関関係を予め後述のメモリ５２に記憶しておき、この相関関係及び外力の測定時に得られた発振周波数ｆ_１に基づいて、前記外力を算出している。言い換えると、外力検出装置を組み立てた後、水晶片２に外力を加える前の発振周波数ｆ_０を求めると共に、水晶片２に任意の（既知の大きさの）外力を加えた時の発振周波数ｆ_１についても種々測定し、これら周波数ｆ_０、ｆ_１の差分Δｆと前記外力との相関関係を予め算出している。このように外力を計測するにあたり、電圧Ｖ_１０、Ｖ_１１、Ｖ_２０、Ｖ_２１そのものではなく、差分ΔＶ_０、ΔＶ_１を使用していることから、水晶片２が置かれる雰囲気の温度の影響を抑えながら、前記外力が算出される。

続いて、以上の手法によって外力を測定する外力検出装置の具体的な構成について、図３を参照して説明する。外力検出装置は、可変容量１３、２３に電圧を印加するための電圧供給部をなす直流電源部（Ｄ／Ａ変換部）３２と、これら可変容量１３、２３における電圧Ｖ_１、Ｖ_２の差分ΔＶ（ΔＶ＝Ｖ_２−Ｖ_１）を入力電圧（制御電圧）として発振する電圧制御発振器３３と、を備えている。可変容量１３、２３と電圧制御発振器３３との間には、前記差分ΔＶを計算するための電圧差取り出し部をなす差動アンプ３４が配置されており、電圧制御発振器３３の後段側には、電圧制御発振器３３の発振周波数を測定するための周波数測定部３５及び後述の制御部３６が設けられている。図３中Ｒ１、Ｒ２は差動アンプ３４側に設けられた抵抗であり、当該差動アンプ３４にて前記差分ΔＶに対応する電圧値Ｖ（Ｖ＝Ｒ２／Ｒ１×（Ｖ_２−Ｖ_１））が電圧制御発振器３３側に出力されるように構成されている。尚、図３では、水晶片２や容器１について簡略化して描画している。

水晶片２（可変容量１３、２３）と差動アンプ３４及び直流電源部３２との間には、複数のスイッチ１５、２５、４２が組み合わされたスイッチ部３７が設けられており、後述の動作モードを切り替えできるように構成されている。具体的には、水晶片２の上方側に対向する第１の固定電極１２には、差動アンプ３４側の接点Ｓ１ａと、アース（接地ポート１６）側の第１の放電用接点Ｓ１ｂとの間で切り替え自在に構成されたスイッチ１５ａが配置されている。この接点Ｓ１ａにはスイッチ１５ｂが接続されており、このスイッチ１５ｂは、差動アンプ３４側の第１の測定用接点Ｓ１ｃと、直流電源部３２側の第１の充電用接点Ｓ１ｄとの間で切り替え自在となっている。これらスイッチ１５ａ、１５ｂにより第１のスイッチ部１７が構成され、当該第１のスイッチ部１７によって第１の固定電極１２は、第１の放電用接点Ｓ１ｂ、第１の測定用接点Ｓ１ｃ及び第１の充電用接点Ｓ１ｄのいずれかに選択的に切り替え接続される。

水晶片２の下方側における第２の固定電極２２には、差動アンプ３４側の接点Ｓ２ａと、アース（接地ポート２６）側の第２の放電用接点Ｓ２ｂとの間で切り替え自在に構成されたスイッチ２５ａが接続されている。接点Ｓ２ａにはスイッチ２５ｂが接続されており、このスイッチ２５ｂは差動アンプ３４側の第２の測定用接点Ｓ２ｃと、直流電源部３２側の第２の充電用接点Ｓ２ｄとの間で切り替え自在になっている。これらスイッチ２５ａ、２５ｂによって第２のスイッチ部２７が構成され、第２の固定電極２２は、この第２のスイッチ部２７によって、第２の放電用接点Ｓ２ｂ、第２の測定用接点Ｓ２ｃ及び第２の充電用接点Ｓ２ｄのいずれかに選択的に切り替え接続される。

そして、以上説明した第１の充電用接点Ｓ１ｄ及び第２の充電用接点Ｓ２ｄと直流電源部３２との間には、スイッチ４２が接続されており、このスイッチ４２は、第１の固定電極１２側の接点Ｓ３ａと、第２の固定電極２２側の接点Ｓ３ｂとのいずれかに直流電源部３２を接続できるように構成されている。即ち、直流電源部３２は、可変容量１３、２３に対して互いに異なる電圧Ｖ_１、Ｖ_２を夫々個別に印加するために、スイッチ４２によって第１の可変容量１３側と第２の可変容量２３側とで切り替えられるように構成されている。水晶片２側の可動電極１１、２１は、この例では共通の接地ポート４１に接続されている。図４は、以上説明したスイッチ部３７、水晶片２（可変容量１３、２３）及び差動アンプ３４について纏めた等価回路を示しており、当該スイッチ部３７については後述の測定モードを実施するように接点Ｓ１ｃ、Ｓ２ｃが選択されている。

既述の制御部３６は、図５に示すように、ＣＰＵ５１、記憶部であるメモリ５２、表示部５３、入力操作部５４、シーケンスプログラム５５及び演算プログラム５６を備えている。メモリ５２には、既に詳述したように、外力が加わっていない時における電圧制御発振器３３の発振周波数ｆ_０と、水晶片２に外力が加わった時における当該電圧制御発振器３３の発振周波数ｆ_１との周波数差Δｆ（Δｆ＝ｆ_０−ｆ_１）と、水晶片２に加わる外力との相関関係を示すデータが記憶されている。図６は、このようなデータの一例を示しており、周波数差Δｆと外力とが例えば直線的に（比例関係に）なっている。水晶片２に加わる外力がゼロの時には、周波数差Δｆがゼロになっている。そして、後述するように、水晶片２に上向きの外力が加わると周波数差Δｆがマイナスとなり、一方水晶片２に下向きの外力が加わると、周波数差Δｆがプラスとなる。従って、外力の大きさと共に、外力が加わっている向きについても分かる。

表示部５３は、水晶片２に加わった外力の測定結果を表示するためのものである。入力操作部５４には、例えば作業者が水晶片２に加わる外力の測定を開始するボタン（図示せず）などが設けられている。

シーケンスプログラム５５は、既述の手法によって外力を測定するにあたって、各スイッチ１５ａ、１５ｂ、２５ａ、２５ｂ、４２を切り替えて、以下に詳述するように、各動作モードを順番に行うためのものである。演算プログラム５６は、シーケンスプログラム５５によって得られた周波数ｆ_０、ｆ_１に基づいて既述の差分Δｆを演算すると共に、メモリ５２における前記データからこの差分Δｆに対応する外力を読み出して、既述の表示部５３に表示するためのものである。

続いて、以上説明した外力検出装置を用いて外力を測定する方法について、以下に説明する。初めに、外力の測定に先だって、いわば水晶片２の初期校正を行う。即ち、図７及び図８に示すように、スイッチ部３７において、放電モードを行うために、接点Ｓ１ｂ、Ｓ２ｂを選択して、固定電極１２、２２を接地する。この放電モードでは、可変容量１３、２３に意図しない電荷Ｑ_１、Ｑ_２が蓄積されていたとしても、当該電荷Ｑ_１、Ｑ_２がリセットされ、こうして可変容量１３、２３における電荷Ｑ_１、Ｑ_２が各々ゼロになる。

次いで、図７及び図９に示すように、可変容量１３、２３に対して夫々電荷Ｑ_１０及びＱ_２０を充電する（充電モード）。具体的には、第１の可変容量１３側については、接点Ｓ１ａ、Ｓ１ｄ、Ｓ３ａを選択して、直流電源部３２から当該第１の可変容量１３に対して電圧Ｖ_１０を印加する。続いて、第２の可変容量２３側については、接点Ｓ２ａ、Ｓ２ｄ、Ｓ３ｂを選択して、即ちスイッチ４２については接点Ｓ３ａから接点Ｓ３ｂに切り替えて、直流電源部３２から第２の可変容量２３に対して電圧Ｖ_２０を印加する。

こうして可変容量１３、２３には、電圧Ｖ_１０、Ｖ_２０と、外力を測定する前における水晶片２の姿勢（高さ位置）に応じた容量値Ｃ_１０、Ｃ_２０とに基づいて、夫々電荷Ｑ_１０（Ｑ_１０＝Ｃ_１０×Ｖ_１０）、Ｑ_２０（Ｑ_２０＝Ｃ_２０×Ｖ_２０）が蓄積される。この充電モードでは、可変容量１３、２３に印加される電圧Ｖ_１０、Ｖ_２０は、入力電圧（差分ΔＶ）がある程度大きな値を取る（例えばゼロにならない）ように、即ち電圧制御発振器３３が良好に発振する電圧範囲に収まるように、互いに異なる値に設定される。以上説明した充電モードでは、可動電極１１（２１）と固定電極１２（２２）とは、既述の離間寸法ｄだけ離間しているものとする。

続いて、外力の測定を行う測定モードに切り替える。具体的には、第１の可変容量１３側については、図７及び既述の図４に示すように、接点Ｓ１ａ、Ｓ１ｃを選択する。また、第２の可変容量２３側については、接点Ｓ２ａ、Ｓ２ｃを選択する。こうして測定モードを選択すると、可変容量１３、２３には夫々既述の充電モードで充電した電荷Ｑ_１０、Ｑ_２０が残ったままになる。

差動アンプ３４では、可変容量１３、２３に夫々印加されている既述の電圧Ｖ_１０、Ｖ_２０が入力され、これら電圧Ｖ_１０、Ｖ_２０の差分ΔＶ_０（ΔＶ_０＝Ｖ_２０−Ｖ_１０）が後段の電圧制御発振器３３に入力電圧として出力される。電圧制御発振器３３では、この入力電圧（差分ΔＶ_０）に対応する発振周波数ｆ_０が出力され、この発振周波数ｆ_０が周波数測定部３５で測定される。こうして前記発振周波数ｆ_０が外力の測定開始前（水晶片２に外力が加わっていない時）の値として取得される。

そして、以上のように電圧制御発振器３３における発振及び発振周波数の測定を続けていく間に水晶片２に外力が加わって、図１０に示すように、当該水晶片２が例えば上方側に撓んだものとする。具体的には、第１の可動電極１１と第１の固定電極１２との間の離間寸法ｄが例えば寸法ｄ_１（ｄ_１＝ｄ−α）になり、一方第２の可動電極２１と第２の固定電極２２との間の離間寸法ｄが例えば寸法ｄ_２（ｄ_２＝ｄ＋α）に変化したと仮定する（α：正の常数）。尚、図１０は、水晶片２が撓んだ様子を模式的に誇張して示している。

そのため、図１１に示すように、可変容量１３、２３の容量値Ｃ_１０、Ｃ_２０は、夫々容量値Ｃ_１１（Ｃ_１１＝ε×Ｓ／ｄ_１、Ｃ_１１＞Ｃ_１０）、Ｃ_２１（Ｃ_２１＝ε×Ｓ／ｄ_２、Ｃ_２１＜Ｃ_２０）に変化する。一方、可変容量１３、２３の電荷Ｑ_１０、Ｑ_２０についてはそのまま維持されるので、電圧制御発振器３３に入力される入力電圧は、ΔＶ_１（ΔＶ_１＝Ｖ_２１−Ｖ_１１、Ｖ_１１＝Ｑ_１０÷Ｃ_１１、Ｖ_１１＜Ｖ_１０、Ｖ_２１＝Ｑ_２０÷Ｃ_２１、Ｖ_２１＞Ｖ_２０）に変化する。そのため、外力によって水晶片２が上側に撓む時には、電圧制御発振器３３に入力される入力電圧は、図１２に模式的に示すように、水晶片２に外力が加わっていない時と比べて大きくなる。従って、電圧制御発振器３３から出力される発振周波数ｆ_１についても、外力が水晶片２に加わる前より例えば高くなる。こうしてこれら周波数ｆ_０、ｆ_１の差分Δｆ（Δｆ＝ｆ_０−ｆ_１）について、水晶片２に外力が加わる前よりも小さくなり、この差分Δｆに対応した外力がメモリ５２から取り出されて表示部５３に表示される。尚、水晶片２に外力が加わっていない時の前記差分Δｆはゼロとなる。

上述の実施の形態によれば、可撓性の水晶片２の上下両面に夫々可動電極１１、２１を設けると共に、これら可動電極１１、２１に対向する部位に固定電極１２、２２を配置することにより、当該水晶片２の上下両面に可変容量１３、２３を形成している。そして、水晶片２の外力を測定する前に、可変容量１３、２３に夫々電荷Ｑ_１０、Ｑ_２０を充電しておき、外力によって水晶片２が撓んだ時に各可変容量１３、２３の電圧Ｖ_１１、Ｖ_２１が変わることに着目し、これら電圧Ｖ_１１、Ｖ_２１の差分ΔＶ_１を電圧制御発振器３３の入力電圧として入力して発振周波数を検出している。従って、外力を発振周波数ｆ_１として検出できる。そして、発振周波数ｆ_１の検出方法は電圧の測定方法よりも検出精度が高い。更に、電圧制御発振器３３に入力する入力電圧として、電圧Ｖ_１１、Ｖ_２１そのものではなく、差分ΔＶ_１を用いている。そのため、水晶片２が置かれる雰囲気における温度の影響を抑えることができることからも、水晶片２に加わる外力を高精度に且つ容易に検出できる。

以上の例では、測定モードにおいて、水晶片２に外力が加わらない時の発振周波数ｆ_０についても併せて測定したが、この発振周波数ｆ_０については、例えば外力検出装置を製造した時に予め測定しておき、当該測定モードでは水晶片２が撓んだ時の発振周波数ｆ_１だけを測定しても良い。この場合であっても、メモリ５２には、発振周波数ｆ_０、ｆ_１の差分Δｆと外力との相関関係のデータが記憶される。また、発振周波数ｆ_１の測定及び差分Δｆに基づく外力の演算を経時的に行い、水晶片２に加えられる外力を継続して取得しても良い。

また、可変容量１３、２３と直流電源部３２との間にスイッチ４２を配置して、可変容量１３、２３に対して個別に電圧Ｖ_１０、Ｖ_２０を印加したが、このスイッチ４２を設けずに、充電モードではこれら可変容量１３、２３に対して一括して電圧Ｖ_１０を印可して充電しても良い。図１３は、このように可変容量１３、２３に対して一括して充電する構成の一例を示しており、第１の充電用接点Ｓ１ｄ及び第２の充電用接点Ｓ２ｄは、スイッチ４２を介さずに直流電源部３２に直接接続されている。この場合であっても、各電極１１、１２、２１、２１の各々の表面積や電極１１、１２（２１、２２）間の離間寸法ｄは、可変容量１３、２３毎に僅かではあっても異なる。従って、容量値Ｃ_１０、Ｃ_２０（Ｃ_１１、Ｃ_２１）についても互いに異なる値を取るため、既述の例と同様に電圧制御発振器３３の発振を介して外力が測定される。

更に、既述の例では、可動電極１１、２１側を接地ポート４１に接続すると共に、固定電極１２、２２側を電圧制御発振器３３、接地ポート１６及び直流電源部３２の間で切り替えるように構成したが、固定電極１２、２２側を接地ポート４１に接続しても良い。この場合には、可動電極１１、２１側が電圧制御発振器３３、接地ポート１６及び直流電源部３２の間で切り替えられる。

更に、水晶片２としては、片持ちで支持することに代えて、複数箇所にて支持しても良い。図１４及び図１５は、このような水晶片２の一例を示している。水晶片２は、図１５に示すように、概略円板状に形成されると共に、当該水晶片２の外周面から前後方向及び左右方向に向かって各々水平に伸びる支持梁６１によって複数箇所この例では４箇所で支持されている。既述の台座５は、これら支持梁６１の下方側に各々設けられている。

水晶片２の上下両面における可動電極１１、２１は、当該水晶片２の中央部に各々円形状に形成されると共に、支持梁６１のうち一の支持梁６１を介して導電性接着剤６に接続されている。そして、容器１側の固定電極１２、２２については、前記可動電極１１、２１に対向する位置に配置されている。尚、図１４及び図１５では、既述の例と同じ構成については同じ符号を付して説明を省略している。
このような構成では、水晶片２に外力が加わると、当該水晶片２の中央部が上方側あるいは下方側に窪み、従って既述の各例と同様に外力が測定される。

１容器
２水晶片
１１第１の可動電極
１２第１の固定電極
２１第２の可動電極
２２第２の固定電極
３２電源部
３３電圧制御発振器
３４差動アンプ
３５周波数測定部

Claims

支持部に支持された可撓性の感知片と、
前記感知片の一面側に形成された第１の可動電極と、
前記第１の可動電極に対向し、当該第１の可動電極との間に第１の可変容量を形成する第１の固定電極と、
前記感知片の他面側に形成された第２の可動電極と、
前記第２の可動電極に対向し、当該第２の可動電極との間に第２の可変容量を形成する第２の固定電極と、
前記第１の可動電極及び第１の固定電極の一方を、第１の充電用接点、第１の放電用接点及び第１の測定用接点のいずれかに選択的に切替え接続するための第１のスイッチ部と、
前記第２の可動電極及び第２の固定電極の一方を、第２の充電用接点、第２の放電用接点及び第２の測定用接点のいずれかに選択的に切替え接続するための第２のスイッチ部と、
測定すべき外力が前記感知片に加わる前に、前記第１の充電用接点及び第２の充電用接点に直流電圧を供給して第１の可変容量及び第２の可変容量を充電するための電圧供給部と、
前記第１の測定用接点及び第２の測定用接点の各々に接続され、前記第１の可変容量及び第２の可変容量の各充電電圧の差分を取り出す電圧差取り出し部と、
この電圧差取り出し部にて取り出された差分電圧が制御電圧として入力される電圧制御発振器と、
前記感知片に加わる外力の大きさ及び外力が加わる方向と、前記感知片に外力が加わっていない時に前記電圧制御発振器から出力される出力周波数ｆ０と前記感知片に外力が加わった時に前記電圧制御発振器から出力される出力周波数ｆ１との差分の絶対値及び当該差分の正負の符号と、の関係を示すデータを記憶する記憶部と、
測定すべき外力が前記感知片に加わっていないときに、前記第１のスイッチ部及び第２のスイッチ部を夫々第１の充電用接点及び第２の充電用接点に切り替えた状態で、前記第１の充電用接点及び第２の充電用接点に互に異なる直流電圧を供給して第１の可変容量及び第２の可変容量を充電し、前記電圧制御発振器の出力周波数ｆ０を取得すると共に、
測定すべき外力が前記感知片に加わっているときに、前記第１のスイッチ部及び第２のスイッチ部を夫々第１の測定用接点及び第２の測定用接点に切り替えた状態で、前記電圧制御発振器の出力周波数ｆ１を取得し、ｆ０とｆ１との差分の結果と、前記記憶部に記憶されているデータと、から外力を読み出して表示部に表示するデータ処理部と、を備え、
前記第１の可動電極及び第１の固定電極の他方、前記第２の可動電極及び第２の固定電極の他方、第１の放電用接点及び第２の放電用接点は、接地されていることを特徴とする外力検出装置。