TWI480529B - 外力檢測方法及外力檢測裝置 - Google Patents

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TWI480529B
TWI480529B TW100148350A TW100148350A TWI480529B TW I480529 B TWI480529 B TW I480529B TW 100148350 A TW100148350 A TW 100148350A TW 100148350 A TW100148350 A TW 100148350A TW I480529 B TWI480529 B TW I480529B
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Mitsuaki Koyama
Takeru Mutoh
Hiroki Iwai
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Nihon Dempa Kogyo Co
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Description

外力檢測方法及外力檢測裝置 技術領域
本發明係有關於使用壓電板諸如石英板，並基於振盪頻率而檢測對壓電板作用之外力大小，以檢測加速度、壓力、流體之流速、磁力或靜電力等外力之技術範疇。
 背景技術
對纖維作用之外力包含基於加速度而對物體作用之力、壓力、流速、磁力、靜電力等，但經常需要正確測定該等外力。舉例言之，在汽車之開發階段須進行汽車撞擊物體時之座椅衝擊力之測定。且，為調查地震時之振動能量及振幅而需要儘可能精密地調查搖晃之加速度等。
甚至，亦可舉出正確調查液體或氣體之流速以對控制系統反應其檢測值及測定磁石之功能等情形作為外力之測定例。
進行上述測定則需要儘可能簡化之構造且以高精度進行測定。
專利文獻1中已揭露一種可藉單側固定而支持壓電膜，並藉周圍磁力之變化而使壓電膜變形，以使壓電膜中流動之電流改變之技術。
且，專利文獻2中揭露有一種設有電容耦合型之壓力感測器與配置於相對於該壓力感測器之配置領域而區隔出之空間內之石英振盪器，而並聯連接該等壓力感測器之可變電容與石英振盪器，以藉壓力感測器之電容變化而改變石英振盪器之***振點而檢測壓力之技術。
該等專利文獻1、2之原理與本發明完全不同。
專利文獻3則揭露一種將已單側固定而受支持於裝置內部之壓電振動元件固定成略微降低自由端側至其自由端不致接觸內部底面之程度之狀態之發明，但其目的在有效運用裝置之內部空間而如此設計，與本發明之目的不同。
【先行技術文獻】 【專利文獻】
【專利文獻1】特開2006-138852號公報(段落編號0021、0028)
【專利文獻2】特開2008-39626號公報(第1及3圖)
【專利文獻3】特開2002-171152號公報
本發明係在上述背景下而設計者，目的在提供一種可以高精度且輕易地檢測壓電板所承受之外力之技術。
本發明之外力檢測方法宜使用感測器，前述感測器包含：懸臂之壓電板，一端側為基台所支持；一方之激發電極及另一方之激發電極，為了使該壓電板振動，而分別設於前述壓電板之一面側及另一面側上；振盪電路，與前述一方之激發電極電性連接；可變電容形成用之可動電極，設於前述壓電板上遠離前述一端側之部位上，並與前述另一方之激發電極電性連接；及，固定電極，與前述壓電板分離，設成與前述可動電極對向，並連接前述振盪電路，而可藉由前述壓電板之撓曲而改變與前述可動電極之間之電容，藉此形成可變電容；本方法包含以下步驟：設定步驟，設定前述感測器，以使與作為目標之測定對象之外力方向垂直之面和前述可動電極之前述壓電板之長度方向所形成之角度為30°~60°；檢測步驟，藉由頻率資訊檢測部檢測作為對應於前述振盪電路之振盪頻率之頻率資訊的訊號；及，評價步驟，基於前述頻率資訊檢測部所測得之頻率資訊，而評價作用於前述壓電板之外力。
本發明之外力檢測裝置可檢測作用於壓電板之外力，包含有：懸臂之前述壓電板，一端側為基台所支持；一方之激發電極及另一方之激發電極，為了使該壓電板振動，而分別設於前述壓電板之一面側及另一面側上；振盪電路，與前述一方之激發電極電性連接；可變電容形成用之可動電極，設於前述壓電板之另一端側，並與前述另一方之激發電極電性連接；固定電極，與前述壓電板分離，設成與前述可動電極對向，並連接前述振盪電路，而可藉由壓電板之撓曲而改變與前述可動電極之間之電容，藉此形成可變電容；頻率資訊檢測部，用於檢測作為對應於前述振盪電路之振盪頻率之頻率資訊的訊號；及，方向顯示部，顯示有作為目標之測定對象之外力的方向；又，與前述作為目標之測定對象之外力方向垂直之面，和前述可動電極之前述壓電板之長度方向所形成之角度係設定為30°~60°，自前述振盪電路經由前述一方之激發電極、前述另一方之激發電極、前述可動電極及前述固定電極再返回前述振盪電路而形成振盪迴路，前述頻率資訊檢測部所測得之頻率資訊係用於評價作用於前述壓電板之外力者。
又，本發明之方法或裝置可構成於前述基台上設有用以支持前述壓電板之下面側中之激發電極與可動電極間之部位的支持部，以避免對前述壓電板施加外力時，設有激發電極之部位產生撓曲。此時，前述支持部之前端與壓電板係藉諸如固設材料而彼此相互固定。
進而，亦可構成於前述容器內之設有固定電極側之內壁部上設有突起部，以於前述壓電板過度撓曲時接觸較接近前述壓電板之一端側而非另一端之部位以限制前述部位之撓曲，藉此而避免壓電板之另一端碰撞容器之內壁部。此時，可構成使前述突起部之與前述壓電板對向之面上之壓電板之長度方向之縱剖面之形狀為山形。
前述用於形成可變電容之可動電極亦可設於壓電板之一面側及另一面側之任一側上，或設於其等雙方上。
本發明之一較佳態樣則可舉出構成具有以下功能者，即，設置由前述壓電板、激發電極、可動電極及固定電極構成為一組之第1組及第2組，並分別對應第1組及第2組而設置振盪電路，再由前述頻率資訊檢測部求出按照對應於前述第1組之振盪頻率及對應於前述第2組之振盪頻率之差分的訊號。上述構造中，亦可對第1組及第2組共通設置振盪電路，此時，可於振盪電路與迴路之間設置轉換開關部，以交替形成第1組之振盪迴路與第2組之振盪迴路。
且，與前述作為目標之測定對象之外力方向垂直之面和前述可動電極之前述壓電板之長度方向所形成之角度宜為40°~50°。
本發明在對壓電板施加外力而撓曲或撓曲之程度改變時，將改變壓電板側之可動電極及與該可動電極對向之固定電極之間之距離，因此兩電極間之電容將改變，而將前述電容變化與壓電板之撓曲程度視為壓電板之振盪頻率之變化。進而，朝與作為目標之測定對象之外力方向垂直之方向傾斜壓電板而進行測定，則可提昇測定感度。亦可將壓電板之略微變形測為振盪頻率之變化，故可以高精度測定對壓電板施加之外力，並簡化裝置構造。
圖式簡單說明
第1圖係顯示應用本發明之外力檢測裝置作為加速度檢測裝置之基本構造之重要部分之縱剖側面圖。
第2(a)~2(b)圖係顯示前述基本構造所使用之石英振盪器之上面及下面之平面圖。
第3圖係顯示加速度檢測裝置之電路構造之功能區圖。
第4圖係顯示前述加速度檢測裝置之等效電路之電路圖。
第5圖係顯示使用前述加速度檢測裝置而取得之加速度與頻率差之關係之特性圖。
第6圖係顯示本發明之實施形態之縱剖側面圖。
第7圖係使用第6圖所示之加速度檢測裝置而顯示角度θ與感度之關係之特性圖。
第8圖係顯示前述實施形態之變形例之縱剖側面圖。
第9圖係顯示前述加速度檢測裝置之使用方法之一例之說明圖。
第10圖係顯示第9圖所示之加速度檢測裝置之內部之縱剖側面圖。
第11圖係顯示本發明之實施形態之變形例之縱剖側面圖。
第12圖係顯示應用本發明之外力檢測裝置作為加速度檢測裝置之實施形態之縱剖側面圖。
第13圖係沿行第12圖中A-A線之橫剖平面圖。
第14圖係顯示前述實施形態所使用之石英板之背面側之平面圖。
第15圖係沿行第12圖中B-B線之橫剖平面圖。
第16圖係顯示前述實施形態中石英板因外力而撓曲之狀態與各部分之尺寸之縱剖側面圖。
第17圖係顯示前述實施形態之加速度檢測裝置之電路之功能區電路圖。
第18圖係顯示前述實施形態之加速度檢測裝置之局部之外觀之外觀圖。
第19圖係顯示本發明之其它變形例之縱剖側面圖。
第20圖係顯示本發明之其它變形例之縱剖側面圖。
第21圖係顯示本發明之其它變形例之縱剖側面圖。
第22圖係顯示第21圖所示之加速度檢測裝置所使用之石英板之立體圖。
第23圖係說明本發明之方向顯示部之模式圖。
第24圖係說明本發明之方向顯示部之模式圖。
第25圖係顯示本發明其它實施形態之重要部分之縱剖側面圖。
第26圖係沿行第25圖中C-C線之橫剖平面圖。
第27圖係顯示本發明另一實施形態之重要部分之平面圖。
 用以實施發明之形態 [發明之基本構造]
在說明就加速度檢測裝置應用本發明之實施形態之前，將先說明作為其前提之基本構造。第1圖係顯示相當於加速度檢測裝置之感測器部分之外力檢測感測器之加速度感測器者，第1圖中，1乃直方體形狀之密閉型之諸如由石英所構成之容器，內部則封入有惰性氣體諸如氮氣。上述容器由構成基台之下部分及與該下部分於周緣部接合之上部分所構成。另，容器1並不限為密閉型之容器。容器1內設有石英所構成之台座11，該台座11上面則藉導電性黏著劑10而固定有作為壓電板之石英板2之一端側。即，石英板2係單側固定而受支持於台座11上。石英板2係諸如將X截割之石英形成長方形而成者，厚度為諸如數十μm級，而設為諸如0.03mm。因此，朝與石英板2相交之方向施加加速度，即可使前端部撓曲。
石英板2一如第2(a)圖所示，於上面之中央部設有一方之激發電極31，並如第2(b)圖所示，於下面之與前述激發電極31對向之部位設有另一方之激發電極41。上面側之激發電極31連接有帶狀之萃取電極32，該萃取電極32則於石英板2之一端側朝下面折回，而接觸導電性黏著劑10。台座11之上面設有金屬層所構成之導電道12，該導電道12則經支持容器1之絕緣基板13而連接絕緣基板13上之振盪電路14之一端。
下面側之激發電極41與帶狀之萃取電極42連接，該萃取電極42則伸長至石英板2之另一端側(前端側)，而連接用以形成可變電容之可動電極5。另，容器1側則設有用以形成可變電容之固定電極6。容器1之底部上設有凸狀之石英所構成之突起部7。該突起部7在平面圖上呈四角形。
固定電極6於突起部上設成大致與可動電極5對向。石英板2具有一旦受過度接觸而前端碰撞容器1之底部，則容易因「解理」之現象而使結晶塊破裂之性質。因此，已決定突起部之形狀以在石英板2搖動過度時使石英板2之基端側(一端側)之部位碰撞突起部7而非可動電極5。第1圖等中雖圖示成與實際之裝置略有不同，但實際上若大幅搖動容器1，則偏中央之部位將碰撞突起部7而非石英板2之前端。
固定電極6係經通過突起部7表面及絕緣基板13而配線之導電道15而連接振盪電路14之另一端。第3圖係顯示加速度感測器之配線之連接狀態者，第4圖則顯示等效電路。L1係對應石英振盪器之質量之串聯電感，C1係串聯電容，R1係串聯電阻，C0係包含極際電容之有效分流電容，CL係振盪電路14之負載電容。上面側之激發電極31及下面側之激發電極41雖連接振盪電路14，但下面側之激發電極41與振盪電路14之間居中設有前述可動電極5及固定電極6之間所形成之可變電容Cv。
石英板2之前端部亦可設置重錘，而於承受加速度時增大撓曲量。此時，亦可增大可動電極5之厚度而加以兼用為重錘，或於石英板2之下面側與可動電極5分離而另設重錘，或者於石英板2之上面側設置重錘。
在此，依據國際規格IEC 60122-1，則石英振盪電路之一般式可由以下之(1)式代表之。
FL=Fr×(1+x)
x=(C1/2)×1/(C0+CL)......(1)
FL係石英振盪器承受負載時之振盪頻率，Fr係石英振盪器本身之共振頻率。
本實施形態中，一如第3及4圖所示，石英板2之負載電容係對CL加Cv而成者。因此可代入(2)式所代表之y而取代(1)式之CL。
y=1/(1/Cv+1/CL)......(2)
故而，石英板2之撓曲量將自狀態1改為狀態2，藉此而將可變電容Cv由Cv1改為Cv2，則頻率變化ΔFL可以(3)式代表之。
dFL=FL1-FL2=A×Cl2 ×(Cv2-Cv1)/(B×C)...(3)
其中，
A=Cl×Fr/2
B=C0×CL+(C0+CL)×Cv1
C=C0×CL+(C0+CL)×Cv2
又，將石英板2未承受加速度時之所謂基準狀態時之可動電極5及固定電極6之間之分隔距離設為d1，而石英板2承受加速度時之前述分隔距離設為d2，則成立(4)式。
Cv1=S×ε/d1
Cv2=S×ε/d2...(4)
但，S係可動電極5及固定電極6之對向領域之面積，ε係相對電容率。
由於d1為已知，故可知dFL與d2成對應關係。
上述實施形態之感測器部分之加速度感測器即便在未承受對應加速度之外力之狀態下，石英板2仍呈略微撓曲之狀態。另，石英板2是否在撓曲狀態下或保持水平狀態，則視石英板2之厚度等而定。
其次，上述構造之加速度感測器可作為諸如用以檢測橫搖之加速度感測器與用以檢測縱搖之加速度感測器而使用，前者設成使石英板2呈垂直狀態，後者則設成使石英板2呈水平狀態。
其次，若發生地震或模擬發生振動，則石英板2將如第1圖之虛線所示或如第3圖中實線所示而撓曲。將無振動之狀態下作為頻率資訊檢測部之頻率檢測部100所測得之頻率設為FL1，並將振動(加速度)發生時之頻率設為FL2，則頻率之差分FL1-FL2可以(3)式代表之。本發明人已調查(FL1-FL2)/FL1與加速度之關係，而得出第5圖所示之關係。因此，已證實測定前述頻率之差分即可求出加速度。
第3圖中，101係諸如個人電腦所構成之資料處理部，該資料處理部101則具備可基於自頻率檢測部100取得之頻率資訊諸如頻率，而求出石英板2未承受加速度時之頻率f0與承受加速度時之頻率f1之差，並參照上述頻差與加速度已成對應關係之資料表而求出加速度之功能。頻率資訊則不限於頻差，亦可為對應頻率之差分資訊之頻率之變化率[(f1-f0)/f0]。
依據第1圖所示之構造，一旦石英板2受外力而撓曲或撓曲之程度改變，則石英板2側之可動電極5及與該可動電極5對向之固定電極6之間之距離亦將改變，而改變兩電極5、6間之電容。因此，該電容變化與石英板2之變形將表現為石英板2之振盪頻率之改變。其結果，亦可將石英板2之略微變形測為振盪頻率之改變，故可以高精度測定石英板2所承受之外力，並簡化裝置構造。
[發明之實施形態]
本發明之實施形態一如第6圖所示，沿行承受外力前之石英板2之長向之可動電極5對與作為測定對象之預定之(作為目標之)外力之施加方向垂直之面P所形成之方向(面P與可動電極5所成之角度θ)宜為30°~60°，而以40°~50°為更佳。
第7圖係將角度θ自15°改為75°，而對石英板2朝與前述面P垂直之方向施加相同之加速度時之振盪頻率之值。橫軸之0°乃θ=45°。由第7圖之結果可知，由該等各描點可推測振盪頻率與角度θ之關係形成拋物線，故而角度θ若為30°~60°(橫軸之值則為-15°~+15°)則感度較大，角度θ為40°~50°(橫軸之值則為-5°~+5°)則感度更大。
得出上述結果之理由則推測如下。一旦傾斜加速度感測器200，則傾斜角度θ愈大，外力中可使石英板2撓曲之分力(石英板2之厚度方向之分力)愈減少，而外力中之石英板2之長向之分力將增加。因此，若於0°~90°之間改變角度θ而測得相同大小之外力，則角度θ愈大，可變電容Cv之變化量愈小，故增大角度θ乃使振盪頻率之變化量減小之重要因素。然而，另一方面，角度θ愈大，石英板2之長向之應力亦將增加，故增大角度θ亦為使振盪頻率增大之重要因素。角度θ在0°~45°之範圍內時，外力中之長向之分力之重要因素對所測得之振盪頻率之影響大於厚度方向之分力之重要因素，角度θ為45°~90°時則相反，故角度θ與振盪頻率變化量之關係可推測為在角度θ為45°時，將形成振盪頻率之變化量極大之拋物線狀。
調查水平方向之加速度時，可將第6圖之加速度感測器旋轉90度而加以安裝。又，亦可如第8圖所示而使石英板2朝上並傾斜，此時，亦使石英板2對前述面P形成之角度θ為諸如30°~60°，而以40°~50°為更佳。
又，如第9圖所示，亦可使第1圖所示之石英板2對容器1之底部安裝面設成水平而成之加速度感測器200，經安裝構件80而傾斜固定於支持構件8上，以對前述面P形成傾斜狀態。本例中，如第10圖所示，於對前述面P傾斜角度θ之安裝構件80之感測器安裝面上固定加速度感測器200，即可對前述面P形成角度θ。此時，石英板2與面P(第9圖中箭號所示之作為測定對象之對施力方向垂直之面)所形成之角度θ亦宜設在前述之角度範圍內，如此而可獲致較高之感度。
面P係在諸如測定垂直方向之加速度時為水平面。且，安裝構件80一如第9圖所示而顯示有箭號84，該箭號84之顯示係為界定作為測定對象之外力之方向。舉例言之，該箭號84所示之方向與可動電極5之方向形成45°，並設有支持構件8以使該箭號84所示之方向與外力之方向一致。
如第11圖所示，亦可經旋動構件81而將加速度感測器200固定於支持構件8上，以形成角度θ。此時，可配合外力之施加方向而簡單調整角度θ。
第12圖係顯示加速度感測器之其他例者。該第12圖所示之加速度感測器200一如前述第9及10圖所示，搭載於安裝構件80上，並對面P傾斜角度θ而安裝於支持構件8上。本實施形態與前述之基本構造之不同在於設有2組之前述石英板2、激發電極31、34、可動電極5、固定電極6及振盪電路14之組合。301係構成容器1之下側之基台之下部分，302係構成容器1之上側之蓋體之上部分。石英板2及振盪電路14則就一組之零件附以標號「A」，並就另一組之零件附以標號「B」。第12圖中，顯示有一側之石英板2，由側面觀之則與第1圖相同。平面觀察第12圖之壓力感測器之內部，則如第13圖所示，朝橫向平行配置有第1石英板2A與第2石英板2B。
該等石英板2A、2B為同一構造，故就一方之石英板2A加以說明，則石英板2A之一面側(上面側)上自一端側朝另一端側延伸有窄幅之萃取電極32，該萃取電極32之前端部上呈矩形形狀而形成有一方之激發電極31。其次，石英板2A之另一面側(下面側)上則如第13及14圖所示，與一方之激發電極31對向而形成有另一方之激發電極41，窄幅之萃取電極42則朝該激發電極41之石英板2A之前端側延伸。進而，該萃取電極42之前述前端側形成有長方形之用以形成可變電容之可動電極5。該等電極31等係由導電膜諸如金屬膜所形成。
容器1之底部上與第1圖相同而設有凸狀之石英所構成之突起部7，但突起部7之橫寬設為對應2片石英板2A、2B之配置之大小。即，突起部7設為包含2片石英板2A、2B之投影領域之大小。其次，如第13及15圖所示，突起部7上就石英板2A之可動電極5及石英板2B之可動電極5分別設有長方形之固定電極6。另，第12圖等中係以易於理解構造為優先，故並未正確揭露石英板2A(2B)之撓曲形狀，但依據後述之尺寸加以製成後，若石英板2A(2B)搖動過度，則偏中央部將碰撞突起部7而非石英板2A(2B)之前端。
關於石英板2A(2B)及其周邊部位，則參照第16圖先說明各部位之尺寸之一例。石英板2A(2B)之長度尺寸S及寬度尺寸分別為20mm及1.6mm。石英板2A(2B)之厚度為諸如30μm。石英板2A(2B)之一端側之支持面設成與水平面平行，則在未承受加速度而閒置之狀態下，係呈因靜重而撓曲之狀態，其撓曲量d1為諸如151μm程度，容器1之下部分之凹部空間之深度d0則為諸如156μm。又，突起部7之高度尺寸係諸如105μm程度。上述尺寸純屬例示。
第17圖係顯示本實施形態之加速度檢測裝置之電路者。且，第18圖係顯示加速度檢測裝置之局部外觀者。與前述基本構造不同之處在於，分別對應第1石英板2A及第2石英板2B而連接有第1振盪電路14A及第2振盪電路14B，並就第1石英板2A及第2石英板2B個別形成有包含振盪電路14A(14B)、激發電極31、41、可動電極5及固定電極6之振盪迴路。來自該等振盪電路14A、14B之輸出將傳送至頻率資訊檢測部102，而在此檢測來自各振盪電路14A、14B之振盪頻率之差分或頻率之變化率之差。
頻率之變化率之意義如下。即，係於振盪電路14A中，將石英板2A因靜重而撓曲之基準狀態下之頻率稱為基準頻率，則石英板2A因加速度而更加撓曲而改變頻率時之頻率之變化量/基準頻率之值，以諸如ppb單位代表之。同樣地，就石英板2B亦演算頻率之變化率，並以該等變化率之差分作為對應頻率之資訊而朝資料處理部101加以輸出。資料處理部101可將諸如變化率之差分與加速度之大小已成對應關係之資料先記憶於記憶體中，並基於上述資料與變化率之差分而檢測加速度。
若先就石英板2A(2B)之撓曲量(石英板延伸為一直線之狀態與撓曲時之前端部分之高度程度之差分)與頻率之變化量之關係舉出一例，則諸如石英板2A(2B)之前端改為10-5 μm級時，若振盪頻率為70MHz，頻率之變化量即為0.65ppb。因此，亦可正確檢測極小之外力諸如加速度。
依據上述之實施形態，除前述基本構造之效果以外，由於石英板2A及石英板2B配置於同一溫度環境中，故即便石英板2A及石英板2B個別之頻率因溫度而改變，亦可抵銷其變化量，結果則可僅檢測以石英板2A、2B之撓曲為依據之頻率之變化量，故有檢測精度較高之效果。
第13圖之例中，雖分別對應石英板2A及石英板2B而設有固定電極6，但亦可構成不對一方之石英板2B設置可動電極5及固定電極6。此時，可就一方之石英板2B不經可變電容Cv而對第2振盪電路14B連接激發電極41。如上所述，亦可在設有2組激發電極31、41之組合之構造(設有2個石英振盪器之構造)中，將各組設於共用之石英板上，而不就各組均使用石英板。
[本發明之變形例及應用例]
第19~22圖係揭露本發明之其它變形例者。
第19圖所示之加速度感測器係將石英板2之激發電極31、41形成於石英板2之前端側，並將下面側之激發電極41兼用為可動電極5。
第20圖所示之加速度感測器採用已令上述實施形態所使用之石英板2A(2B)之上面與下面相反之構造，作為包含石英板2之石英振盪器。此時，可動電極5與固定電極6之間居中設有石英板2，但本構造亦可獲致相同之作用、效果。
第21圖所示之加速度感測器係在上述之實施形態所使用之石英板2A(2B)中，一如第22圖所示，構成使下面側之可動電極5繞至上面側，並於容器1之內部空間之內壁上面側設有固定電極6而使其與前述可動電極5對向。此時亦可獲致相同之作用、效果。
第25及26圖係顯示本發明之其它實施形態者。本實施形態係以設在相當於基台之容器1之下部分之支持部支持石英板2中作為石英振盪器使用之部位與藉外力發生撓曲之部位之間之例。即，石英板2中為上述支持部所支持之部位係設有激發電極31、41之部位與設有可動電極5之部位之間。其次，為增大石英板2承受外力時之石英板2之撓曲程度，亦即，為獲致較高之感度，宜確保較大之前述支持部位至石英板2之前端之距離。
第25及26圖所示之加速度感測器於容器1之底部設有矩形之支持部8，而藉該支持部8之上面支持諸如較石英板2之下面之激發電極41更接近石英板2之前端側而僅差0.1mm~數mm之部位。支持部8之橫寬雖宜與石英板2之寬度尺寸相同或更大，但在可發揮充分避免配置有激發電極31、41之部位之撓曲之功能時，亦可小於石英板2之寬度尺寸。支持部8之高度尺寸則設為在諸如石英板2自台座11上面水平伸出之狀態下可與石英板2之下面接觸之尺寸。
第25圖已誇大容器內之構造而加以揭露，故外觀與實際之外力感測器之一例之構造略有不同。支持部8之尺寸之一例中，高度為諸如0.5mm~1mm，厚度為0.3mm，橫寬與石英板2之寬度同為1.6mm。上述尺寸僅屬一例，將對應容器1之構造及石英板2之設置位置等而決定。
支持部8與石英板2之下面(與固定電極6對向之側之面)係藉諸如導電性黏著劑或低介電玻璃等固設材料而相互固定。另，亦可構成支持部8與石英板2之下面並未相互固定。
設置支持部8之方法雖可舉出在諸如製造容器1之下部分301時藉蝕刻而加以形成之方法，但亦可分別製造支持部8與下部分301，並藉黏著劑加以黏合。
又，使用支持部8之構造亦可應用於例示設有2組石英振盪器而求出該等石英振盪器之振盪頻率之差分之第13~17圖所示之實施例等。此時，則構成就各組之石英板2A、2B藉支持部8而如第25、26圖所示般支持激發電極31、41與可動電極5之間之部位。支持部8亦可就石英板2A、2B個別獨立設置，或藉由石英板2A之左緣橫跨至石英板2B之右緣而延伸之共用之支持部8而支持石英板2A、2B。第27圖係顯示將2組石英振盪器形成於共用之石英板2上之構造亦使用支持部8之構造者。
在此，就第25圖所示之構造，作成了對直接振盪電路連接激發電極41之樣本，並測定了複數次載置於水平面上時之振盪頻率f0，以及載置於自水平面僅傾斜10度而降低石英板2之前端側之面上時之振盪頻率f10。頻率之變化率之(f0-f10)/f0之值則為0.1ppb~5ppb。
相對於此，就前述樣本中未設有支持部8之樣本進行相同之測試後，頻率之變化率之(f0-f10)/f0之值則為8ppb~45ppb。由該結果可知，石英板2受外力而撓曲時，振盪頻率之變化量中，石英板2之振動部位(設有激發電極31、41之部位)之撓曲所致頻率之變化量所占之比例在設有支持部8之構造中較小。該結果則可謂為基於石英板2中支持部8之前端側即便撓曲，振動部位亦將因支持部8之存在而幾不撓曲之現象之結果。
振動部位之頻率之變化不具重現性，故如上所述，構成設有支持部8，即可更正確地測得對應石英板2之撓曲之頻率變化。
以上，本發明不受限於加速度之測定，而亦可應用於磁力之測定、受測物之傾斜程度之測定、流體流量之測定、風速之測定等。
以下說明測定磁力時之構造例。其係構成於石英板2之可動電極5與激發電極41之間之部位形成磁性體膜，當前述磁性體位在磁場內時使石英板2發生撓曲。
又，受測物之傾斜程度之測定則可先使支持石英板2或2A、2B之基台以各種角度傾斜，而先就各傾斜角度取得頻率資訊，再由前述基台設於受測面上時之頻率資訊測出傾斜角度。
進而，可將石英板2置於氣體或液體等流體中，並對應石英板之撓曲量而藉頻率資訊測出流速。此時，石英板2之厚度係依流速之測定範圍等而決定。甚且，本發明亦可應用於重力之測定。
本發明包含可顯示安裝方向之方向顯示部，以傾斜前述角度θ而安裝外力檢測裝置。上述方向顯示部之具體例顯示於第23及24圖。第23圖中，於搭載有加速度感測器200之外力檢測裝置之機殼82上設有作為安裝面之基準面83，於該基準面83上與測定對象物接觸而進行安裝，即可傾斜前述之角度θ。舉例言之，測定垂直方向之加速度時，可將該基準面83設在水平面上。又，測定流體之流速時，則可將機殼82設成使基準面83與流體之流動方向垂直。本例中，基準面83相當於方向顯示部。第24圖中，於前述機殼82外壁上畫有作為使測定對象之外力方向一致之基準之箭號83，該箭號83則相當於方向顯示部。
1．．．容器
2．．．石英板
2A．．．第1石英板
2B．．．第2石英板
5．．．可動電極
6．．．固定電極
7．．．突起部
8．．．支持構件、支持部
10．．．導電性黏著劑
11．．．台座
12．．．導電道
13．．．絕緣基板
14．．．振盪電路
14A．．．第1振盪電路
14B．．．第2振盪電路
15．．．導電道
31、41．．．激發電極
32、42．．．萃取電極
73．．．基準面
80．．．安裝構件
81．．．旋動構件
82．．．機殼
83．．．基準面、箭號
84．．．箭號
100．．．頻率檢測部
101．．．資料處理部
102．．．頻率資訊檢測部
200．．．加速度感測器
301．．．下部分
302．．．上部分
C0．．．有效分流電容
C1．．．串聯電容
CL．．．負載電容
Cv．．．可變電容
d0．．．深度
d1．．．分隔距離、撓曲量
d2．．．分隔距離
f0、f10、FL．．．振盪頻率
fl、FL1、FL2．．．頻率
Fr．．．共振頻率
L1．．．串聯電感
P．．．面
R1．．．串聯電阻
S．．．面積、長度尺寸
ε．．．相對電容率
θ．．．角度
ΔFL．．．頻率變化
第1圖係顯示應用本發明之外力檢測裝置作為加速度檢測裝置之基本構造之重要部分之縱剖側面圖。
第2(a)~2(b)圖係顯示前述基本構造所使用之石英振盪器之上面及下面之平面圖。
第3圖係顯示加速度檢測裝置之電路構造之功能區圖。
第4圖係顯示前述加速度檢測裝置之等效電路之電路圖。
第5圖係顯示使用前述加速度檢測裝置而取得之加速度與頻率差之關係之特性圖。
第6圖係顯示本發明之實施形態之縱剖側面圖。
第7圖係使用第6圖所示之加速度檢測裝置而顯示角度θ與感度之關係之特性圖。
第8圖係顯示前述實施形態之變形例之縱剖側面圖。
第9圖係顯示前述加速度檢測裝置之使用方法之一例之說明圖。
第10圖係顯示第9圖所示之加速度檢測裝置之內部之縱剖側面圖。
第11圖係顯示本發明之實施形態之變形例之縱剖側面圖。
第12圖係顯示應用本發明之外力檢測裝置作為加速度檢測裝置之實施形態之縱剖側面圖。
第13圖係沿行第12圖中A-A線之橫剖平面圖。
第14圖係顯示前述實施形態所使用之石英板之背面側之平面圖。
第15圖係沿行第12圖中B-B線之橫剖平面圖。
第16圖係顯示前述實施形態中石英板因外力而撓曲之狀態與各部分之尺寸之縱剖側面圖。
第17圖係顯示前述實施形態之加速度檢測裝置之電路之功能區電路圖。
第18圖係顯示前述實施形態之加速度檢測裝置之局部之外觀之外觀圖。
第19圖係顯示本發明之其它變形例之縱剖側面圖。
第20圖係顯示本發明之其它變形例之縱剖側面圖。
第21圖係顯示本發明之其它變形例之縱剖側面圖。
第22圖係顯示第21圖所示之加速度檢測裝置所使用之石英板之立體圖。
第23圖係說明本發明之方向顯示部之模式圖。
第24圖係說明本發明之方向顯示部之模式圖。
第25圖係顯示本發明其它實施形態之重要部分之縱剖側面圖。
第26圖係沿行第25圖中C-C線之橫剖平面圖。
第27圖係顯示本發明另一實施形態之重要部分之平面圖。
1．．．容器
2．．．石英板
5．．．可動電極
6．．．固定電極
7．．．突起部
10．．．導電性黏著劑
11．．．台座
12．．．導電道
13．．．絕緣基板
14．．．振盪電路
15．．．導電道
31、41．．．激發電極
32、42．．．萃取電極

Claims (13)

  1. 一種外力檢測方法，其特徵在於使用如下述之感測器，前述感測器包含：懸臂之壓電板，一端側為基台所支持；一方之激發電極及另一方之激發電極，為了使該壓電板振動，而分別設於前述壓電板之一面側之一部分及與前述一面側之一部分對向的前述壓電板的另一面側上之部位；振盪電路，與前述一方之激發電極電性連接；用於形成可變電容之可動電極，設於前述壓電板上遠離前述一端側之部位上，並與前述另一方之激發電極電性連接；及固定電極，與前述壓電板分離，設成與前述可動電極對向，並連接前述振盪電路，而可藉由前述壓電板之撓曲而改變與前述可動電極之間之電容，藉此形成可變電容；其中，前述可動電極比一方之激發電極及另一方之激發電極更加遠離地設置在前述壓電板之另一端側；又，本方法包含以下步驟：設定步驟，設定前述感測器，以使與作為目標之測定對象之外力方向垂直之面和前述可動電極之前述壓電板之長度方向所形成之角度為30°~60°；檢測步驟，藉由頻率資訊檢測部檢測作為對應於前述振盪電路之振盪頻率之頻率資訊的訊號；及 評價步驟，基於前述頻率資訊檢測部所測得之頻率資訊，而評價作用於前述壓電板之外力。
  2. 如申請專利範圍第1項之外力檢測方法，其中與作為目標之測定對象之外力方向垂直之面與前述可動電極之前述壓電板之長度方向所形成之角度為40°~50°。
  3. 如申請專利範圍第1項之外力檢測方法，其中於前述基台上設有用以支持前述壓電板之下面側中之激發電極與可動電極間之部位的支持部，以避免對前述壓電板施加外力時，設有激發電極之部位產生撓曲。
  4. 如申請專利範圍第3項之外力檢測方法，其中前述支持部之前端與壓電板彼此相互固定。
  5. 如申請專利範圍第1項之外力檢測方法，其中在前述容器內之設有固定電極側之內壁部上設有突起部，該突起部係用以於前述壓電板過度撓曲時接觸比起該壓電板之另一端較靠一端側之部位，以限制前述部位之撓曲，藉此避免壓電板之另一端碰撞容器之內壁部。
  6. 如申請專利範圍第1項之外力檢測方法，其中在前述容器內之設有固定電極側之內壁部上設有突起部，在前述突起部中之與前述壓電板對向之面，壓電板之長度方向之縱剖面之形狀為山形。
  7. 一種外力檢測裝置，可檢測作用於壓電板之外力，其特徵在於包含有：懸臂之前述壓電板，一端側為基台所支持；一方之激發電極及另一方之激發電極，為了使該壓 電板振動，而分別設於前述壓電板之一面側之一部分及與前述一面側之一部分對向的前述壓電板的另一面側上之部位；振盪電路，與前述一方之激發電極電性連接；用於形成可變電容之可動電極，設於前述壓電板之另一端側，並與前述另一方之激發電極電性連接；固定電極，與前述壓電板分離，設成與前述可動電極對向，並連接前述振盪電路，而可藉由壓電板之撓曲而改變與前述可動電極之間之電容，藉此形成可變電容；頻率資訊檢測部，用於檢測作為對應於前述振盪電路之振盪頻率之頻率資訊的訊號；及方向顯示部，顯示有作為目標之測定對象之外力的方向；其中，前述可動電極比一方之激發電極及另一方之激發電極更加遠離地設置在前述壓電板之另一端側；又，與前述作為目標之測定對象之外力方向垂直之面，和前述可動電極之前述壓電板之長度方向所形成之角度係設定為30°~60°，自前述振盪電路經由前述一方之激發電極、前述另一方之激發電極、前述可動電極及前述固定電極再返回前述振盪電路而形成振盪迴路，前述頻率資訊檢測部所測得之頻率資訊係用於評價作用於壓電板之外力者。
  8. 如申請專利範圍第7項之外力檢測裝置，設置由前述壓電板、激發電極、可動電極及固定電極構成為一組之第1組及第2組，分別對應第1組及第2組而設置振盪電路，前述頻率資訊檢測部係求出按照對應於前述第1組之振盪頻率及對應於前述第2組之振盪頻率之差分的訊號者。
  9. 如申請專利範圍第7項之外力檢測裝置，其中與前述作為目標之測定對象之外力方向垂直之面，和前述可動電極之前述壓電板之長度方向所形成之角度為40°~50°。
  10. 如申請專利範圍第7項之外力檢測裝置，其中於前述基台上設有用以支持前述壓電板之下面側中之激發電極與可動電極間之部位的支持部，以避免對前述壓電板施加外力時，設有激發電極之部位產生撓曲。
  11. 如申請專利範圍第10項之外力檢測裝置，其中前述支持部之前端與壓電板彼此相互固定。
  12. 如申請專利範圍第7項之外力檢測裝置，其中在前述容器內之設有固定電極側之內壁部上設有突起部，該突起部係用以於前述壓電板過度撓曲時接觸比起該壓電板之另一端較靠一端側之部位，以限制前述部位之撓曲，藉此避免壓電板之另一端碰撞容器之內壁部。
  13. 如申請專利範圍第7項之外力檢測裝置，其中在前述容器內之設有固定電極側之內壁部上設有突起部，在前述突起部中之與前述壓電板對向之面，壓電板之長度方向 之縱剖面之形狀為山形。
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