JP2014238373A - External force detection device - Google Patents
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Abstract
【課題】圧電板に加わる外力を簡易な構造で高精度に検出できかつ耐衝撃性を有する外力検出装置を提供すること。【解決手段】水晶片2を容器1内に片持ちで支持する。水晶片2の例えば中央部にて上面及び下面に夫々励振電極31、33を形成する。水晶片2の先端部にて下面及び上面に夫々可動電極41及び姿勢調整用電極43を形成する。容器1内部の底部と天井部に夫々可動電極41及び姿勢調整用電極43に対向して固定電極51及び姿勢調整用電極52を設ける。上面側の励振電極31及び固定電極51を発振回路16に接続する。水晶片2に外力が加わって撓むと、可動電極41と固定電極51との間の容量が変化し、この容量変化を水晶片2の発振周波数の変化として捉える。また固定電極51あるいは姿勢調整用電極52へ電圧を印加し、可動電極41または姿勢調整用電極43に電荷を与えることで水晶片2の撓みを調整し、水晶片2の先端部の破損を抑える。【選択図】図1An external force detection device capable of detecting an external force applied to a piezoelectric plate with a simple structure with high accuracy and having impact resistance. A crystal piece 2 is supported in a cantilever in a container 1. Excitation electrodes 31 and 33 are formed on the upper and lower surfaces, for example, at the center of the crystal piece 2. A movable electrode 41 and a posture adjusting electrode 43 are formed on the lower surface and the upper surface, respectively, at the tip of the crystal piece 2. A fixed electrode 51 and a posture adjusting electrode 52 are provided on the bottom and the ceiling inside the container 1 so as to face the movable electrode 41 and the posture adjusting electrode 43, respectively. The excitation electrode 31 and the fixed electrode 51 on the upper surface side are connected to the oscillation circuit 16. When an external force is applied to the crystal piece 2 to bend, the capacitance between the movable electrode 41 and the fixed electrode 51 changes, and this capacitance change is regarded as a change in the oscillation frequency of the crystal piece 2. Further, a voltage is applied to the fixed electrode 51 or the posture adjusting electrode 52 to apply electric charges to the movable electrode 41 or the posture adjusting electrode 43 to adjust the bending of the crystal piece 2 and suppress the breakage of the tip portion of the crystal piece 2. . [Selection] Figure 1
Description
本発明は、圧電板例えば水晶片を用い、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。 The present invention detects an external force such as acceleration, pressure, fluid flow velocity, magnetic force or electrostatic force by detecting the magnitude of an external force acting on the piezoelectric plate based on the oscillation frequency using a piezoelectric plate such as a quartz piece. Technical field.
系に作用する外力として、物体に作用する加速度に基づく力、圧力、流速、静電気力、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において自動車の衝突時における座席への衝撃力を測定することが行われている。また地震における振動エネルギーや振幅を調査するためにできるだけ精密に揺れの加速度を調査する要請がある。 As external forces acting on the system, there are forces based on acceleration acting on an object, pressure, flow velocity, electrostatic force, magnetic force, etc., but it is often necessary to accurately measure these external forces. For example, in the stage of developing a car, the impact force on a seat at the time of a car collision is measured. In addition, there is a request to investigate the acceleration of shaking as precisely as possible in order to investigate the vibration energy and amplitude in an earthquake.
更にまた、液体や流体の流速を正確に測定し、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。このような測定を実施するにあたり、測定装置にはできるだけ簡素な構造でありかつ高精度に測定できることが要求されている。 Furthermore, a case where the flow rate of a liquid or fluid is accurately measured and the detected value is reflected in a control system or the performance of a magnet is measured can be cited as an example of measuring external force. In carrying out such a measurement, the measuring apparatus is required to have a structure as simple as possible and to be able to measure with high accuracy.
そこで本発明者らは、例えば特許文献1のように、水晶板上に励振電極と共に可動電極を設け、併せてこの可動電極に対向するように容器に固定電極を設けることにより外力を検出する技術を提案している。具体的には、水晶板を片持ちで支持し、他端に可動電極を設けることにより、外力により水晶板が撓むと可動電極と固定電極間の静電容量が変化する。この容量変化を周波数の変化に変換し、当該周波数の変化を計測する。当該技術によれば、簡素な構造で高精度の外力測定を行うことができる。
Therefore, the present inventors, for example, as disclosed in
ところで上述した外力測定装置に衝撃が加わったときに水晶板が大きく振れて容器の内壁に衝突して破損するおそれがあり、このため、外力検出装置における耐衝撃性を強化する対策が要請されている。特許文献1においても、外力検出装置内において水晶板の中央部に対応する部分に突起部を設け、衝撃時には突起部が水晶板を受け止め先端部の衝突を防ぐことにより耐衝撃性を強化する技術が開示されているが、耐衝撃性を強化する更なる対策が求められている。
By the way, when an impact is applied to the external force measuring device described above, there is a risk that the quartz plate will shake greatly and collide with the inner wall of the container and be damaged. Therefore, a countermeasure for enhancing the impact resistance of the external force detecting device is required. Yes. Also in
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、圧電板に加わる外力と圧電板の撓み量との関係を調整することができ、また圧電板の衝突による損傷を抑えることができる外力検出装置を提供することにある。 The present invention has been made under such circumstances, and its purpose is to adjust the relationship between the external force applied to the piezoelectric plate and the amount of bending of the piezoelectric plate, and to suppress damage due to the collision of the piezoelectric plate. An object of the present invention is to provide an external force detection device capable of performing the above.
本発明は、
外力を検出する外力検出装置において、
容器内の支持部にその一端側が支持された片持ちの圧電板と、
前記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、
前記圧電板の他端側に設けられ、前記他方の励振電極と電気的に接続された可変容量形成用の可動電極と、
前記一方の励振電極に電気的に接続された発振回路と、
前記可動電極に対向するように前記容器に設けられ、当該可動電極との間に可変容量を形成するための固定電極と、
前記圧電板の他端側及び前記容器に互いに対向するように各々設けられ、その間の容量の電荷量により当該圧電板の撓みの程度を調整するための一方の姿勢調整用電極及び他方の姿勢調整用電極と、
これら姿勢調整用電極の間に直流電極を印加する直流電源部と、
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、
発振回路の発振ループは前記可変容量、一方の励振電極及び他方の励振電極を含み、
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。
The present invention
In the external force detection device that detects external force,
A cantilever piezoelectric plate whose one end is supported by a support in the container;
One excitation electrode and the other excitation electrode provided respectively on one side and the other side of the piezoelectric plate;
A movable electrode for variable capacitance formation provided on the other end of the piezoelectric plate and electrically connected to the other excitation electrode;
An oscillation circuit electrically connected to the one excitation electrode;
A fixed electrode provided in the container so as to face the movable electrode, and for forming a variable capacitance with the movable electrode;
The other end of the piezoelectric plate and the container are provided so as to face each other, and one posture adjustment electrode and the other posture adjustment for adjusting the degree of bending of the piezoelectric plate according to the amount of electric charge of the capacitance therebetween Electrodes for
A DC power supply unit for applying a DC electrode between the posture adjusting electrodes;
A frequency information detection unit for detecting a signal that is frequency information corresponding to the oscillation frequency of the oscillation circuit;
The oscillation loop of the oscillation circuit includes the variable capacitor, one excitation electrode and the other excitation electrode,
The frequency information detected by the frequency information detector is for evaluating an external force acting on the piezoelectric plate.
本発明は、片持ちの圧電板の撓むことによる可変容量の変化を周波数の変化として捉えることにより外力を検出する装置において、圧電板の先端部(他端部)と容器に互いに対向するように各々姿勢調整用電極を設け、姿勢調整用電極の間に直流電圧を印加して両電極間の距離を調整して圧電板の姿勢を調整するようにしている。これにより可変電極と固定電極との間の距離が調整できるので、外力と周波数の変化量との関係を調整することができ、また圧電板の姿勢の直線性を高くすることができるので、圧電板が容器に衝突して損傷することを抑えることができる。 According to the present invention, in a device that detects an external force by capturing a change in variable capacitance caused by bending of a cantilever piezoelectric plate as a change in frequency, the tip (other end) of the piezoelectric plate and the container are opposed to each other. Each is provided with a posture adjusting electrode, and a DC voltage is applied between the posture adjusting electrodes to adjust the distance between the two electrodes to adjust the posture of the piezoelectric plate. As a result, the distance between the variable electrode and the fixed electrode can be adjusted, so the relationship between the external force and the amount of change in frequency can be adjusted, and the linearity of the orientation of the piezoelectric plate can be increased. It can suppress that a board collides with a container and is damaged.
[第1の実施形態]
本発明に係る外力検出装置の第1の実施形態について、外力として加速度を検出する場合を例にとって、図1から図6を参照して説明する。
図1中、1は直方体形状を持つ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1は基台を成す下部分12とこの下部分12に周辺部にて接合される上部分13とから構成され、絶縁基板11上に設けられている。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内には基台7が設けられており、この基台7の上面に導電性接着剤6により圧電板である水晶片2の基端部(一端部)が固定されている。即ち水晶片2は基台7により片持ち支持されており、基台7は水晶片2の一端部を支持する支持部に相当する。
[First Embodiment]
A first embodiment of an external force detection device according to the present invention will be described with reference to FIGS. 1 to 6 by taking as an example a case where acceleration is detected as an external force.
In FIG. 1,
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、厚さが数十μmオーダ、例えば0.03mmに設定されている。従って水晶片2の面に交差する方向に加速度を加えることにより、水晶片2の先端部が撓む。
The
水晶片2は、図2(a)に示すように、水晶片2の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、水晶片2の下面の中央部でありかつ励振電極31と対応する部位に他方の励振電極33が設けられ、圧電振動部をなす水晶振動子20を形成している。励振電極31からは、引き出し電極32が水晶片2の長辺方向中央に沿って基端部側へ引き出され、導電性接着剤6による接着部まで延伸される。また励振電極33からは、引き出し電極34が、水晶片2の長辺の片側に沿って引き出され、導電性接着剤6による接着部まで延伸される。なお、図1では引き出し電極32及び34は図示していない。
As shown in FIG. 2A, the
水晶片2の先端部の下面には、図2(b)に示すように、前記他方の励振電極33に金属膜からなる引き出し電極42を介して電気的に接続された可動電極41が設けられ、容器1の内壁には前記可動電極41に対向するように固定電極51が設けられている。
As shown in FIG. 2B, a
本発明は、水晶片2の先端部と容器1とに、各々水晶片2の姿勢を調整するための姿勢調整用電極を設けることを要件としているが、この実施形態では、水晶片2の上面側及び下面側に姿勢調整用電極を設け、下面側の姿勢調整用電極は、前記可動電極41及び固定電極51により兼用されている。図2(a)に示すように水晶片2の上面側の姿勢調整用電極43は、水晶片2の縁部に沿って形成された引き出し電極44により水晶片2の基端部側まで引き出されている。図4中52は、水晶片2の上面側の姿勢調整用電極43と対をなす、容器1側に設けられた姿勢調整用電極である。なお、図1では引き出し電極42及び44は図示していない。
The present invention requires that the tip of the
一方の励振電極31は、引き出し電極32及び導電路15を介して発振回路16へ接続され、他方の励振電極33は、上述したとおり引き出し電極42により可動電極41と電気的に接続される。
One
本発明は水晶片2の変形に基づいて起こる可動電極41と固定電極51との間の容量変化を介して外力を検出するものであるから、可動電極41は検出用電極ということもできる。
Since the present invention detects an external force through a change in capacitance between the
固定電極51は、絶縁基板11を介して配線された導電路14の一端側に接続され、導電路14の他端側は分枝し、発振回路16及び電源部17に接続される。また電源部17からは別の導電路15が延伸され、分枝して一方は発振回路16に、他方は導電性接着剤6による接着部に接続される。また、姿勢調整用電極52は、電源部17および姿勢調整用電極43に電気的に接続されている。
The fixed
図3に外力検出装置の一部の外観、図4に外力検出装置の配線の接続状態、及び図5に水晶振動子20を含む回路の等価回路の回路図を示す。図5において、C0は電極間容量を含む実効並列容量、C1は直列容量、CLは発振回路16の負荷容量、L1は水晶振動子の質量に対応する直列インダクタンス、R1は直列抵抗を示している。また図4及び図5において、前記可動電極41と固定電極51との間に介在する可変容量をCvとする。
FIG. 3 shows a partial appearance of the external force detection device, FIG. 4 shows a connection state of wiring of the external force detection device, and FIG. 5 shows a circuit diagram of an equivalent circuit of the circuit including the
ここで国際規格IEC60122−1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。
本実施形態においては、図4及び図5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)式によって表されるyが代入される。
y=1/(1/Cv+1/CL) ……(2)
従って水晶片2の撓み量が状態1から状態2に変化し、これにより可変容量CvがCv1からCv2に変化したとすると、周波数の変化dFLは(3)式によって表される。
dFL=FL1−FL2=A×CL2×(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。
Here, according to the international standard IEC 60122-1, the general formula of the crystal oscillation circuit is expressed as the following formula (1).
FL = Fr × (1 + x)
x = (C1 / 2) × 1 / (C0 + CL) (1)
FL is an oscillation frequency when a load is applied to the crystal resonator, and Fr is a resonance frequency of the crystal resonator itself.
In the present embodiment, as shown in FIGS. 4 and 5, the load capacity of the
y = 1 / (1 / Cv + 1 / CL) (2)
Therefore, assuming that the amount of bending of the
dFL = FL1-FL2 = A ×
here,
A = C1 × Fr / 2
B = C0 × CL + (C0 + CL) × Cv1
C = C0 × CL + (C0 + CL) × Cv2
It is.
また水晶片2に外力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41及び固定電極51の間の離間距離をd1とし、水晶片2に外力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41と固定電極51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わかる。
In addition, when the external force is not applied to the
Cv1 = S × ε / d1
Cv2 = S × ε / d2 (4)
However, S is the area of the opposing area | region of the
水晶片2及びその周辺部位に関し、図6を参照しながら各部の寸法の一例について説明しておく。水晶片2の長さ寸法L1及び幅寸法は、夫々20mm及び1.6mmである。水晶片2の厚さは、例えば30μmである。水晶片2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、外力が加わらない状態においては後述するように、固定電極51あるいは姿勢調整用電極52からの電圧印加により水晶片2は水平である。
An example of the dimensions of each part will be described with reference to FIG. The length dimension L1 and the width dimension of the
次に上述実施形態の作用について説明する。
外力検出装置について、水晶片2が過大に触れて先端が容器1の天井部または底部に衝突すると、「劈開(へきかい)」という現象により水晶の塊でも欠けやすいという性質がある。また、この水晶片2に対し重力以外の外力や電荷を与えていないときは、水晶片2は各電極の自重により撓む。このため固定電極51または姿勢調整用電極52に、重力以外の外力が加わらないときに水晶片2を水平に保つ程度の電圧を常に印加する。例えば姿勢調整用電極52へ0.3V程度の電圧を印加することにより、姿勢調整用電極43へ電荷を与える。
Next, the operation of the above embodiment will be described.
As for the external force detection device, when the
この外力検出装置に対し、地震の発生あるいは模擬的な振動等を加えると、水晶片2が図6の点線により示すように撓む。既述のように、姿勢調整用電極52に電荷を加えることにより水晶片2が平行であるときの状態を基準状態とおいて、このときの可動電極41と固定電極51との間の容量をCv1とおく。水晶片2に外力が加わって、当該水晶片2が撓んだ状態においては両電極41、51間の距離が変化することにより、容量がCv1から変化する。このため発振回路16から出力される発振周波数が変化する。
When an earthquake or simulated vibration is applied to the external force detection device, the
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測定部101により検出した周波数をFL1、外力(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。本発明者は基準状態から外力が加わった状態の周波数の変化率を周波数の差分FL1−FL2から算出し、周波数の変化率{(FL1−FL2)/FL1}と外力との関係を調査し、直線関係を得ている。従って前記周波数の差分を測定することにより外力を求めることが可能である。なお、FL1の値はある温度を基準温度と決定し、その基準温度例えば25℃における周波数の値である。
When the frequency detected by the
続いて上述実施形態の効果について説明する。
姿勢調整用電極52に電圧を印加することにより、姿勢調整用電極43に電荷を与え、図1においては水晶片2先端に上方への引力が働く。また、固定電極51に電圧を印加することにより、可動電極41に電荷を与え、図1においては水晶片2先端に下方への引力が働く。この二つの効果を組み合わせることにより、水晶片2の姿勢を水平に保つことができ、従って水晶片2が容器1へ衝突しにくくなる。また、固定電極51または姿勢調整用電極52に電圧を印加することにより水晶片2の姿勢を調整できるので、外力と固定電極との間の対応関係を変更することができる。即ち、測定可能な外力の範囲を変更することが可能である。
Next, the effect of the above embodiment will be described.
By applying a voltage to the
なお、当該実施形態においては、水晶片2の姿勢を調整するための電極の組について、可動電極41及び固定電極51の組並びに姿勢調整用電極43及び52の組の2組があることとしてきた。しかし姿勢調整用電極43及び52の組一組のみでも、比誘電率εに由来する力を考慮しつつ、水晶片2が水平になるよう姿勢調整用電極52に電圧を印加することによって、同様の耐衝撃効果を得られることは明らかである。
In the embodiment, there are two sets of electrodes for adjusting the attitude of the
また、例えば可動電極41と固定電極51とを水晶片2の上面側に設け、この可動電極41及び固定電極51の組に姿勢調整用電極の役割を兼用させる構成であってもよい。この場合、固定電極51に電圧を印加することにより、可動電極41に電荷が与えられ、水晶片2の姿勢が調整される。
Further, for example, the
[第2の実施形態]
図7に外力測定装置の他の例を示す。この実施形態は、既述の水晶片2、励振電極31、33、可動電極41、固定電極51、姿勢調整用電極43、52及び発振回路16の組を2組設けた点が前述の第1の実施形態と異なる。水晶片2及び発振回路16については一方の組の部品には符号「A」、他方の組の部品には符号「B」を添えている。外力測定装置の内部を平面的に見ると、図7により示すように第1の水晶片2Aと第2の水晶片2Bとが横に平行に配置されている。これらの水晶片2A及び2Bにおける構造は第1の実施形態の外力測定装置における水晶片2と略同一である。
[Second Embodiment]
FIG. 7 shows another example of the external force measuring device. This embodiment is characterized in that two sets of the
図8に、この実施形態における外力測定装置の回路図を示す。前述の第1の実施形態と異なる箇所は、第1の水晶片2A及び第2の水晶片2Bに夫々対応して第1の発振回路16A及び第2の発振回路16Bが接続されており、第1の水晶片2A及び第2の水晶片2Bごとに、発振回路16A(16B)、励振電極31、33、可動電極41、固定電極51、姿勢調整用電極43及び52を含む発振ループが形成されていることである。これら発振回路16A、16Bからの出力は周波数測定部102に送られ、ここで各発振回路16A、16B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。
FIG. 8 shows a circuit diagram of the external force measuring device in this embodiment. The difference from the first embodiment is that the
周波数の変化率とは次の意味である。即ち、発振回路16Aにおいて、水晶片2Aが平行である基準状態における周波数を基準周波数と呼ぶこととすると、水晶片2Aが外力により撓んで周波数が変化したとき、周波数の変化分/基準周波数により表される値であり、例えばppbの単位により表される。同様に水晶片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102に出力される。データ処理部102においては、例えば周波数の差分と加速度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に基づいて加速度が検出できる。
The frequency change rate has the following meaning. That is, in the
水晶片2A(2B)の撓み量(水晶片2Aが水平に伸びている状態と撓んだ状態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、水晶片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。
An example of the relationship between the amount of deflection of the
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、水晶片2A及び2Bを同一の温度環境に配置しているため、水晶片2A及び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、結果として水晶片2A及び2Bの撓みに基づく周波数の変化分のみを検出できるため、検出精度が高いという効果がある。
According to the second embodiment described above, since the
[第3の実施形態]
次に第3の実施形態に係る装置について図9を参照しながら説明する。なお、容器1以外の部分、例えば絶縁基板11、導電路14等については図示を省略している。
この第3の実施形態は、水晶片2が第1の実施形態の基台7の上面において2カ所接着されている。接着部の一方は水晶片2の基端部であり導電性接着剤6により接着されており、接着部の他方は基台7上面の他端(先端)側であり接着剤9により接着され、互いに離間している。
[Third Embodiment]
Next, an apparatus according to a third embodiment will be described with reference to FIG. In addition, illustration is abbreviate | omitted about parts other than the
In the third embodiment, the
水晶片2に対して、図9により示すように、基台7の上面には上記導電性接着剤6による接着部位と接着剤9による接着部位との間に、水晶片2を励振させるための励振電極33aが設けられており、水晶片2の上面と対向する容器1の上部分13の内面には励振電極31aが設けられている。励振電極31a及び33aは、水晶片2を挟んで互いに対向する位置に配置される。これらの励振電極31a及び33aは、いわば水晶片2に対して空間電極として存在している。一方の励振電極31aは導電路を介して発振回路16(図示せず)に接続され、他方の励振電極33aは導電路及び引き出し電極(図示せず)を介して水晶片2先端部の可動電極4と電気的に接続される。
For the
一方容器1の底面には、可変容量形成用の固定電極5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8が設けられている。この突起部8は平面図で見ると四角形である。固定電極5はこの突起部8において、可動電極4と概ね対向するように設けられている。この突起部8により、例えば容器1に衝撃が与えられた場合、水晶片2を突起部8により受け止め、水晶片2の先端部が容器1内に衝突することを抑止することが可能である。
On the other hand, a fixed
また、固定電極5には可動電極4が容器1内、例えば固定電極5に接触することを防止するために、電圧が印加される。これにより可動電極4に電荷が与えられ、従って測定前に水晶片2が撓んでいるような場合、この水晶片2の変形を調整することが可能である。
In addition, a voltage is applied to the fixed
[従来の外力測定装置との比較]
本発明の実施形態による外力測定装置について、以下の条件において試験を行った。
実施例として、上述した第1の実施形態と同一の外力検出装置について、衝撃試験を実施した。具体的には以下の条件である。
水晶片:公称周波数:73MHz
切断方位:ATカット
振動モード:基本振動モード
容器1外形寸法:27.0mm×12.0mm×1.0mm
上記の外力検出装置100個について、JIS C 6701に基づき、5000Gの半波正弦波を6方向から与える試験を各100回行った。結果、いずれの個体にも異常は認められなかった。また、水晶振動子20の当該衝撃試験前後における経時的な周波数変化を個体毎に測定した結果を図10に白の棒グラフにて示す。周波数変化の平均値は−0.02ppm、標準偏差は0.15ppmであった。なおこの測定値はπ回路法(IEC60444−1)に基づいたものであり、この結果はπ回路法においては測定誤差内である。
[Comparison with conventional external force measuring device]
The external force measuring device according to the embodiment of the present invention was tested under the following conditions.
As an example, an impact test was performed on the same external force detection device as that of the first embodiment described above. Specifically, the conditions are as follows.
Crystal piece: Nominal frequency: 73 MHz
Cutting orientation: AT cut
Vibration mode: Basic
About 100 said external force detection apparatuses, based on JISC6701, the test which gives a half-wave sine wave of 5000G from 6 directions was each performed 100 times. As a result, no abnormality was observed in any of the individuals. Moreover, the result of having measured the frequency change with time before and after the impact test of the
一方比較例として、従来の外力測定装置、即ち本発明の手法による水晶片2の撓み調整を行わない外力検出装置について同様の試験を行った。また、水晶振動子20の当該衝撃試験前後における経時的な周波数変化を個体毎に測定した結果を図10に灰色の棒グラフにて示す。測定には上述の実験例と同様にπ回路法を用いた。水晶振動子の周波数変化の平均値は−0.05ppm、標準偏差は0.32ppmであった。この結果はπ回路法においては測定誤差の範囲を超えている。
On the other hand, as a comparative example, a similar test was performed on a conventional external force measuring device, that is, an external force detecting device that does not adjust the deflection of the
上述の実験は、本来別の効果測定の目的で行ったものであるが、これらの実験結果より、本発明の外力検出装置は従来の外力測定装置と比して、耐衝撃効果に優れていることが明らかになった。即ち、少なくとも本発明により、水晶片2の姿勢が変更されていることを裏付けている。
The above experiments were originally conducted for the purpose of measuring different effects. From these experimental results, the external force detection device of the present invention is superior in impact resistance effect compared to conventional external force measurement devices. It became clear. That is, at least according to the present invention, it is confirmed that the posture of the
上述してきた実施形態及び実施例においては、水晶片2の素材としてATカットの水晶片を用いているが、SCカットやBTカットなど、厚みすべり振動を利用できる水晶片であればどのような切断方位の水晶片であってもよい。
In the embodiments and examples described above, an AT-cut crystal piece is used as the material of the
以上において本発明は、加速度を検出することに限らず、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と、水晶片2における可動電極41と励振電極33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片2が撓むように構成する。
As described above, the present invention is not limited to detecting acceleration, but can also be applied to measurement of magnetic force, measurement of the degree of inclination of the object to be measured, measurement of fluid flow rate, measurement of wind speed, and the like.
A configuration example in the case of measuring the magnetic force will be described. A magnetic film is formed in a portion of the
更にまた気体や液体などの流体中に水晶片2を曝し、水晶片2の撓み量に応じた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、水晶片2の厚さは流速の測定範囲などに応じて決定される。更にまた本発明は重力を測定する場合にも適用できる。
Furthermore, the
本発明は、上述の実施形態のように外力値そのものを検出する場合の他に、外力に応じた振動(振動の周波数)を検出することができる。具体時には、地震等を対象とした振動検出装置などに適用できる。 The present invention can detect vibration (frequency of vibration) according to the external force in addition to the case where the external force value itself is detected as in the above-described embodiment. Specifically, the present invention can be applied to a vibration detection device for earthquakes and the like.
1 容器
2 水晶片
16 発振回路
17 電源部
31、33 励振電極
41 可動電極
43 姿勢調整用電極
51 固定電極
52 姿勢調整用電極
7 基台
100 制御部
101 データ処理部
102 周波数情報検出部
DESCRIPTION OF
Claims (3)
容器内の支持部にその一端側が支持された片持ちの圧電板と、
前記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、
前記圧電板の他端側に設けられ、前記他方の励振電極と電気的に接続された可変容量形成用の可動電極と、
前記一方の励振電極に電気的に接続された発振回路と、
前記可動電極に対向するように前記容器に設けられ、当該可動電極との間に可変容量を形成するための固定電極と、
前記圧電板の他端側及び前記容器に互いに対向するように各々設けられ、その間の容量の電荷量により当該圧電板の撓みの程度を調整するための一方の姿勢調整用電極及び他方の姿勢調整用電極と、
これら姿勢調整用電極の間に直流電極を印加する直流電源部と、
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、
発振回路の発振ループは前記可変容量、一方の励振電極及び他方の励振電極を含み、
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。 In the external force detection device that detects external force,
A cantilever piezoelectric plate whose one end is supported by a support in the container;
One excitation electrode and the other excitation electrode provided respectively on one side and the other side of the piezoelectric plate;
A movable electrode for variable capacitance formation provided on the other end of the piezoelectric plate and electrically connected to the other excitation electrode;
An oscillation circuit electrically connected to the one excitation electrode;
A fixed electrode provided in the container so as to face the movable electrode, and for forming a variable capacitance with the movable electrode;
The other end of the piezoelectric plate and the container are provided so as to face each other, and one posture adjustment electrode and the other posture adjustment for adjusting the degree of bending of the piezoelectric plate according to the amount of electric charge of the capacitance therebetween Electrodes for
A DC power supply unit for applying a DC electrode between the posture adjusting electrodes;
A frequency information detection unit for detecting a signal that is frequency information corresponding to the oscillation frequency of the oscillation circuit;
The oscillation loop of the oscillation circuit includes the variable capacitor, one excitation electrode and the other excitation electrode,
The frequency information detected by the frequency information detector is for evaluating an external force acting on the piezoelectric plate.
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN113295303A (en) * | 2021-04-29 | 2021-08-24 | 北京遥测技术研究所 | Aluminum nitride piezoelectric MEMS resonant pressure sensor |
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-
2013
- 2013-06-10 JP JP2013122051A patent/JP2014238373A/en active Pending
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