JP2012168161A - 振動検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】、例えば地震時において、振動周期(振動周波数)を簡易に正確に検出することができる装置を提供すること。
【解決手段】水晶板に力が加わって撓むと、先端部に設けた可動電極とこの可動電極に対向する容器側の固定電極との間の容量が変わり、この容量に応じて水晶板の発振周波数が変わる。このため容器を振動させると、水晶板が固定電極側に撓んで固定電極に接近した第１の状態と、水晶板が元の状態あるいは逆側に撓む状態となって固定電極から離れた第２の状態とが現れる。このため第１の状態に対応する発振周波数と第２の状態に対応する発振周波数とが交互に現れるため、これら発振周波数が現れる周期（周波数）を求めれば振動の周期（周波数）を求めることができる。
【選択図】図５

Description

本発明は、水晶振動子を用いて振動周期を検出する技術分野に関する。

物体に加わる振動の周期（周波数）を検出することが必要な場合がある。例えば地震発生時には速やかに警報を発することが必要である。地震の規模が大きい場合にはその振動周波数は０．５Ｈｚから３Ｈｚ程度であり、生活振動により発生している振動よりは低いことから、振動周波数を検出できれば生活振動と区別できる。しかしながらこのような低周波を検出することは難しい。
特許文献１における静電容量の形成は水晶振動子の発振周波数を安定化させることが目的であり、本発明とは異なる。

特開平７−１３１２７９号公報

本発明は、このような事情に基づいてなされたものであり、振動周期(振動周波数)を簡易に正確に検出することができる装置を提供することにある。

本発明は、物体及び外力の振動の周期を検出する装置において、
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第１の励振電極及び第２の励振電極と、
第１の励振電極に電気的に接続された発振回路と、
容器内に設けられ、一端側が片持ち支持された板状部材と、
前記板状部材の他端側に設けられ、前記第２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、
前記容器内に、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、板状部材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、を備え、
発振回路から第１の励振電極、第２の励振電極、可動電極、固定電極を経て発振回路に戻る発振ループが形成され、
容器が振動することにより、板状部材が固定電極側に撓んで固定電極に接近した第１の状態と、板状部材が第１の状態よりも固定電極から離れた第２の状態と、が発生し、前記周波数情報は、第１の状態に対応する発振周波数と第２の状態に対応する発振周波数とが交互に現れることを利用して前記振動の周期を求めるために使用されることを特徴とする。
この発明の一態様としては、前記板状部材が、前記圧電板を兼ねている構成を挙げることができる。

また他の態様としては、前記板状部材における前記可動電極が設けられている部位の厚さは、前記第１の励振電極と前記第２の励振電極とにより挟まれている部位の厚さよりも大きい構成、あるいは、
前記板状部材は、前記第１の励振電極と前記第２の励振電極とにより挟まれている部位の厚さよりも、当該部位と前記可動電極との間の部位の厚さが小さい構成を挙げることができる。

本発明は、容器が振動することにより、水晶板が固定電極側に撓んで固定電極に接近した第１の状態と、水晶板が第１の状態よりも固定電極から離れた第２の状態と、が発生し、第１の状態に対応する発振周波数と第２の状態に対応する発振周波数とが交互に現れる。このためこれら発振周波数の変化に基づいて振動の周期（周波数）を求めることができる。

本発明の第１の実施形態に係る振動検出装置を示す縦断側面図である。 前記実施形態に係る水晶板の上面を及び下面を示す平面図である。 前記振動検出装置の回路構成を示すブロック図である。 前記振動検出装置の等価回路を示す回路図である。 水晶板が振動する様子を示す説明図である。 水晶板の振動により発振周波数が変化する様子を示す周波数特性図である。 本発明の第２の実施形態に係る振動検出装置を示す縦断側面図である。 本発明の第３の実施形態に係る振動検出装置を示す縦断側面図である。 本発明の変形例を示す縦断側面図である。 本発明の変形例を示す縦断側面図である。 本発明の変形例を示す縦断側面図である。 本発明の変形例を示す縦断側面図である。

〔第１の実施形態〕
本発明における第１の実施形態について説明する。図１中、１は直方体形状の密閉型の容器であり、水晶からなる。容器１内である密閉空間には、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により水晶板２の一端側が固定されている。水晶板２は、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に交差する方向に力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の底部にコンベックス状の水晶からなる突起物７（平面図で見ると円形状である）が設けられ、固定電極６はこの突起物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、「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）の部位が突起物７に衝突するように突起物の形状が決定されている。

固定電極６は、突起物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は振動検出装置の配線の接続状態を示し、図４は等価回路を示している。即ち、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。図４においてＣ０は水晶振動子の並列容量、Ｃ１はは水晶振動子の直列容量である。

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ＣｖがＣｖ１のときの発振周波数をＦＬ１、ＣｖがＣｖ２のときの発振周波数をＦＬ２とすると、（３）、（４）式が成り立つ。

ＦＬ１＝Ｆｒ×[１＋｛（Ｃ１／２）×１／（Ｃ０＋ｙ１）｝] ……（３）
ただしｙ１＝１／（１／Ｃｖ１＋１／ＣＬ）である。

ＦＬ２＝Ｆｒ×[１＋｛（Ｃ１／２）×１／（Ｃ０＋ｙ２）｝] ……（４）
ただしｙ２＝１／（１／Ｃｖ２＋１／ＣＬ）である。

このような実施形態の振動検出装置は、振動が加わらない状態において水晶板２が撓まずに平坦であるとすると例えば水晶板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振動検出装置に振動が加わると、水晶板２が揺れて例えば図５（ａ）に示す第１の状態と、図５（ｂ）に示す第２の状態とが繰り返される。第１の状態及び第２の状態のＣｖの値を夫々Ｃｖ１及びＣｖ２とすると、夫々の発振周波数ＦＬ１及びＦＬ２は（３）、（４）式で表わされる値となるから、発振周波数はＦＬ１及びＦＬ２の間で図６のように時間と共に変化する。従って周波数検出部１００にて検出された周波数データをデータ処理部１０１により解析することにより、図６に示される周波数変化の波の周期Ｔ(周波数に対応する)を求めることができる。

地震波により振動検出装置が振動するときには一方向及び反対方向に加速度が水晶板２に加わり、既述のように例えば図６に示す周波数データが取得できることから、０．５Ｈｚ程度の低周波の振動であっても正確に検出することができる。

上述の第１の実施形態によれば、容器１に振動が加わると、その容器１に片持ち支持されている水晶板２が振動の慣性力により撓み、水晶板２が固定電極６側に撓んで固定電極６に接近した第１の状態と、水晶板２が第１の状態よりも固定電極６から離れた第２の状態と、が振動と同じ周期で交互に発生する。これら第１の状態と第２の状態との変化は可変容量の変化として捉えることができ、その可変容量の変化を水晶振動子の発振周波数の変化として検出することにより、その発振周波数の変化に基づいて振動の周期（周波数）を求めることができる。

〔第２の実施形態〕
第２の実施形態について図７を用いて説明する。なお本実施形態において、第１の実施形態と同様な構造については、同じ符号を付しその説明を省略する。第２の実施形態は、水晶板２の構造が第１の実施形態と異なる。水晶板２は、図７に示すように、その役割や形状などにより、一端側から他端側に向けて、電極形成部位２１Ａ、薄状部位２２Ａ、拡大部位２３Ａの３つの部位に区分されている。先ず電極形成部位２１Ａは、水晶板２の一端側に位置し、その表面両側に励振電極３１、４１が設けられ、実質的には水晶振動子に相当する役割を担っている。薄状部位２２Ａは、電極形成部位２１Ａよりも厚みが薄く撓み易く形成されており、外力が加わったときには主にこの部位が撓むように設計されている。拡大部位２３Ａは、電極形成部位２１Ａ及び薄状部位２２Ａよりも厚みが大きく設定されており、下面に可動電極５が設けられている。また拡大部位２３Ａは、厚みを大きくすることにより重量を稼ぎ、加速度が加わったときに撓み量が大きくなるようにすることで感度を向上させるための、錘の役割を果たしている。なおこの拡大部位２３Ａには別途錘を設けてもよい。この場合、可動電極５の厚さを大きくして錘を兼用してもよいし、水晶板２の下面側に可動電極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。

上述の第２の実施形態によれば、第１の実施形態における効果に加えて、水晶板２において、励振電極３１、４１に挟まれている電極形成部位２１Ａの厚さよりも薄状部位２２Ａの厚さを小さくすることにより、電極形成部位２１Ａの撓みを抑えているため、外力検出においてノイズとなる水晶板２の撓みによる発振周波数の変化を抑えている。

また拡大部位２３Ａは、電極形成部位２１Ａよりも厚みを大きくして重量を増やすことにより、薄状部位２２Ａの撓み量即ち拡大部位２３Ａの振動の振幅を大きくし、振動の加速度を検出し易くしている。電極形成部位２１Ａの厚みを大きくすると発振周波数が低下し検出精度が落ちるため、電極形成部位２１Ａの厚みを大きくするには限界がある。一方拡大部位２３Ａにおいて、その厚みを大きくするのではなく、そこに金属膜を形成することで重量を増やしてもよいが、それには手間がかかる。従って拡大部位２３Ａは、電極形成部位２１Ａよりも厚みを大きくすることが望ましい。ただし、本発明では拡大部位２３Ａは、電極形成部位２１Ａと同じ厚みであってもよいし、厚みが小さくてもよい。拡大部位２３Ａの厚みが電極形成部位２１Ａの厚みよりも小さい場合には、例えば厚い金属膜を付けるなどして撓み量と外力との関係を調整してもよい。

薄状部位２２Ａの厚さが電極形成部位２１Ａの厚さと同じであっても、拡大部位２３Ａの厚さが電極形成部位２１Ａの厚さよりも大きければ、拡大部位２３Ａにかかる振動の慣性力が増加するのに伴い、水晶板２の撓み量が増加するため、上述したように感度向上の効果を得ることができる。

〔第３の実施形態〕
本発明の第３の実施形態について図８を用いて説明する。第１の実施形態では水晶板２が可変容量を形成する感知レバーの役割と水晶振動子の役割とを兼ねていたが、本実施形態ではそれらの役割を別々の部材に分担している点が第１の実施形態と異なる。なお本実施形態において、第１の実施形態と同様な構造については、同じ符号を付しその説明を省略する。

本実施形態における振動検出装置は、図８に示すように、絶縁基板１３上に、内部に水晶振動子を備えた容器１Ｂ、内部に可変容量Ｃｖが形成された容器１Ｃ、発振回路１４が設けられている。

容器１Ｂ内には、その底部に固定された台座１１Ｂを介して、水晶板２Ｂがその周縁部分において支持されている。この水晶板２Ｂの中央部の上面及び下面には夫々励振電極３１、４１が水晶板２Ｂを挟み込むように対向して設けられており、水晶振動子を形成している。励振電極３１は、水晶板２Ｂの上面に設けられた引き出し電極３２と台座１１Ｂ及び絶縁基板１３を介して配線された導電路とからなる導電路１２Ｂを介して発振回路１４の一端に接続されている。

容器１Ｃ内には、その底部に固定された台座１１Ｃを介して板状部材２Ｃがその基端部（一端部）において片持ち支持されており、その先端部（他端部）の下面側には可動電極５が設けられている。この可動電極５は、板状部材２Ｃの表面及び水晶板２Ｂの下面に夫々設けられた引き出し電極４２、４２と台座１１Ｃ、絶縁基板１３、台座１１Ｂを介して配線された導電路とからなる導電路１２Ｃを介して、容器１Ｂ内の励振電極４１に接続されている。容器１Ｃの底部には、可動電極５に対向するように固定電極６が設けられており、可変容量Ｃｖが形成されている。この固定電極６は、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の一端に接続されている。このように本実施形態の振動検出装置には、水晶板２Ｂ、励振電極３１、４１により構成される水晶振動子、可動電極５及び固定電極６により形成された可変容量Ｃｖ、発振回路１４、導電路１２Ｂ、１２Ｃ、１５により、発振ループが形成されている。

この振動検出装置に振動が加わると、板状部材２Ｃが撓むことにより可変容量Ｃｖがその振動の周期に合わせて変動する。この可変容量Ｃｖの変動を水晶振動子の発振周波数の変化として検出することで、振動の周期を測定することができる。

本実施形態によれば、可動電極５と励振電極４１との弾性的な結合を回避することができると共に、板状部材２Ｃとして圧電体以外のものを用いることができるため設計上の選択範囲が広がるという利点がある。

図９及び図１０に本発明の変形例を記載しておく。
図９に示す振動センサーは、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と可動電極５とを兼用している。
図１０に示す振動センサーは、水晶板２を含む水晶振動子として水晶板２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１０に示す振動センサーは、水晶板２の下面側の可動電極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。

水晶板２の先端が容器１側に衝突するのを防止するためには、図１１に示す構造であってもよい。この例では、水晶板２の可動電極５よりも基端部側に寄った位置に、平面的に見ると水晶板２と同じ幅の四角形をしているが、側面で見ると水晶板２に力が加わったときの撓み形状に対応するように上面曲面形状の突起物７が設けられている。また固定電極６は、突起物７とは分離された台座６１に設けられている。
また本発明では、突起物６を設けた方が好ましいが、図１２に示すように突起物７を設けない構成であってもよい。なお、図１１、図１２では励振電極などは省略している。
以上において本発明は、地震の振動に限らず模擬的に発生させた振動の周期を検出する場合にも適用することができる。また例えば洗濯機を運転しているときに洗濯物を含む回転水流などにより洗濯機本体に生じる振動の周期を検出する場合などに適用してもよい。

１ 容器
１１ 台座
１４ 発振回路
３１、４１ 励振電極
２ 水晶板
５ 可動電極
６ 固定電極

Claims (4)

1. 物体及び外力の振動の周期を検出する装置において、
   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第１の励振電極及び第２の励振電極と、
   第１の励振電極に電気的に接続された発振回路と、
   容器内に設けられ、一端側が片持ち支持された板状部材と、
   前記板状部材の他端側に設けられ、前記第２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、
   前記容器内に、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、板状部材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、を備え、
   発振回路から第１の励振電極、第２の励振電極、可動電極、固定電極を経て発振回路に戻る発振ループが形成され、
   容器が振動することにより、板状部材が固定電極側に撓んで固定電極に接近した第１の状態と、板状部材が第１の状態よりも固定電極から離れた第２の状態と、が発生し、前記周波数情報は、第１の状態に対応する発振周波数と第２の状態に対応する発振周波数とが交互に現れることを利用して前記振動の周期を求めるために使用されることを特徴とする振動検出装置。
2. 前記板状部材が、前記圧電板を兼ねていることを特徴とする請求項１記載の振動検出装置。
3. 前記板状部材における前記可動電極が設けられている部位の厚さは、前記第１の励振電極と前記第２の励振電極とにより挟まれている部位の厚さよりも大きいことを特徴とする請求項１または２に記載の振動検出装置。
4. 前記板状部材は、前記第１の励振電極と前記第２の励振電極とにより挟まれている部位の厚さよりも、当該部位と前記可動電極との間の部位の厚さが小さいことを特徴とする請求項１ないし３のいずれか一項に記載の振動検出装置。

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