專利名稱：外力檢測方法和外力檢測裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種使用壓電板例如水晶板，并且通過基于振蕩頻率檢測出作用于壓電板上的外力的大小，來檢測出加速度、壓力、流體的流速、磁力或者靜電力等這些外力的技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
作為作用于線上的外力，有基于加速度的作用于物體上的力、壓力、流速、磁力、靜電力等，需要正確地測定這些外力的情況很多。例如在汽車的開發(fā)階段，進(jìn)行測定在汽車碰撞物體時座椅中的沖擊力。另外，為了調(diào)查地震時的振動能量和振幅，要求盡量精密地調(diào)查搖晃的加速度等。另外,在正確地調(diào)查液體和氣體的流速而使其檢測值反映在控制系統(tǒng)中的情況和測定磁鐵的性能的情況等，都能夠列舉作為外力的測定例子。在進(jìn)行這樣的測定時，要求盡量簡單的構(gòu)造，且要高精度地進(jìn)行測定。在專利文獻(xiàn)I中記載了以下內(nèi)容以懸臂支承壓電薄片(film)，通過周圍的磁力變化而壓電薄片變形，流經(jīng)壓電薄片的電流發(fā)生變化。另外，在專利文獻(xiàn)2中記載了以下內(nèi)容設(shè)置電容耦合型的壓力傳感器和配置于對該壓力傳感器的配置區(qū)域分隔出來的空間的水晶振子，并聯(lián)連接這些壓力傳感器的可變電容和水晶振子，通過根據(jù)壓力傳感器中的電容發(fā)生變化而水晶振子的反諧振點(diǎn)變化，來檢測出壓力。專利文獻(xiàn)1、2的原理與本發(fā)明完全不同。在專利文獻(xiàn)3中記載了對被懸臂支承在裝置內(nèi)部的壓電振動元件在將自由端一側(cè)略微降低以使其自由端不會觸碰內(nèi)部底面的狀態(tài)下進(jìn)行固定的發(fā)明，但是這可以認(rèn)為是為了有效利用裝置的內(nèi)部空間的設(shè)計(jì)，其目的與本發(fā)明不同?，F(xiàn)有技術(shù)文獻(xiàn)專利文獻(xiàn)I :日本特開2006-138852號公報(bào)(0021段落、0028段落)專利文獻(xiàn)2 :日本特開2008-39626號公報(bào)(圖I和圖3)專利文獻(xiàn)3 :日本特開2002-171152號公報(bào)

發(fā)明內(nèi)容
發(fā)明要解決的課題本發(fā)明是在這樣的背景下產(chǎn)生的，目的在于提供一種能夠高精度且容易地檢測出施加在壓電板上的外力的技術(shù)。用于解決課題的方法本發(fā)明的使用傳感器的外力檢測方法，其特征在于該傳感器包括一端被支承在基座上的懸臂式的壓電板；為了使該壓電板振動， 分別設(shè)置于該壓電板的一面?zhèn)群土硪幻鎮(zhèn)鹊囊粋€激勵電極和另一個激勵電極；與上述一個激勵電極電連接的振蕩電路；設(shè)置于上述壓電板中從上述一端離開的部位，且與上述另一個激勵電極電連接的可變電容形成用的可動電極；和固定電極，其與上述壓電板隔開間隔， 按照與上述可動電極相向的方式設(shè)置并且與上述振蕩電路連接，通過根據(jù)壓電板的彎曲而與上述可動電極之間的電容變化，來形成可變電容，上述外力檢測方法包括按照與作為目標(biāo)測定對象的外力的方向正交的面、和上述可動電極的上述壓電板的長度方向所成的角度為30° 60°的方式，來設(shè)定上述傳感器的工序；利用頻率信息檢測部檢測出作為與上述振蕩電路的振蕩頻率對應(yīng)的頻率信息的信號的工序；和根據(jù)在上述頻率信息檢測部中所檢測出的頻率信息，評價作用在上述壓電板的外力的工序。與作為上述目標(biāo)測定對象的外力的方向正交的面、和上述可動電極中的上述壓電板的長度方向所成角度優(yōu)選為40° 50°。本發(fā)明的外力檢測裝置，是一種檢測出作用在壓電板上的外力的外力檢測裝置， 其特征在于，包括一端被支承在基座上的懸臂式的上述壓電板；為了使該壓電板振動，分別設(shè)置于該壓電板的一面?zhèn)群土硪幻鎮(zhèn)鹊囊粋€激勵電極和另一個激勵電極；與上述一個激勵電極電連接的振蕩電路；設(shè)置于上述壓電板的另一端，且與上述另一個激勵電極電連接的可變電容形成用的可動電極；固定電極，其與上述壓電板隔開間隔，按照與上述可動電極相向的方式設(shè)置并且與上述振蕩電路連接，通過根據(jù)壓電板的彎曲而與上述可動電極之間的電容變化，來形成可變電容；用來檢測出作為與上述振蕩電路的振蕩頻率對應(yīng)的頻率信息的信號的頻率信息檢測部；和顯示作為目標(biāo)測定對象的外力的方向的方向顯示部，與上述作為目標(biāo)測定對象的外力的方向正交的面、和上述可動電極中的上述壓電板的長度方向所成的角度被設(shè)定為30° 60°，形成從上述振蕩電路經(jīng)過上述一個激勵電極、上述另一個激勵電極、上述可動電極和上述固定電極后返回上述振蕩電路的振蕩環(huán)，在上述頻率信息檢測部檢測出的頻率信息用來評價作用在壓電板上的外力。另外在本發(fā)明的方法或裝置中，能夠采用以下結(jié)構(gòu)為了防止在外力施加在上述壓電板上時設(shè)置有激勵電極的部位彎曲，在上述基座設(shè)置支承上述壓電板的下表面一側(cè)的激勵電極與可動電極之間的部位的支承部。在該情況下，上述支承部的前端部與壓電板例如通過粘著材料相互固定。此外也可以采用以下結(jié)構(gòu)在上述容器內(nèi)的設(shè)有固定電極一側(cè)的內(nèi)壁部配備突起部，該突起部在上述壓電板過度彎曲時與該壓電板的一端和另一端之間的靠一端側(cè)的部位接觸以限制該部位的彎曲，由此避免壓電板的另一端碰撞到容器的內(nèi)壁部。在此情況下，對于上述突起部中的與上述壓電板相對的面，壓電板的長度方向的縱斷面的形狀是山形。上述可變電容形成用的可動電極既可以設(shè)置于壓電板的一面?zhèn)群土硪幻鎮(zhèn)戎械囊粋€面上，也可以設(shè)置于兩者上。作為本發(fā)明的優(yōu)選的一個方式，能夠列舉以下的結(jié)構(gòu)作為由上述壓電板、激勵電極、可動電極和固定電極形成的組，設(shè)置第一組和第二組，分別與第一組和第二組對應(yīng)地設(shè)置振蕩電路，具有上述頻率信息檢測部求出按照與上述第一組對應(yīng)的振蕩頻率和與上述第二組對應(yīng)的振蕩頻率的差的信號的功能。在該結(jié)構(gòu)中，也能使振蕩電路在第一組和第二組中共用，在此情況下，可以在振蕩電路與回路之間設(shè)置切換開關(guān)部，使得交替地形成第一組的振蕩環(huán)與第二組的振蕩環(huán)。另外，與上述作為目標(biāo)測定對象的外力的方向正交的面、和上述可動電極中的上述壓電板的長度方向所成的角度優(yōu)選為40° 50°。發(fā)明效果本發(fā)明在于，在壓電板上施加外力而彎曲或者彎曲的程度變化時，壓電板一側(cè)的可動電極和與該可動電極相向的固定電極之間的距離會變化，因此兩個電極間的電容發(fā)生變化，將該電容變化與壓電板的彎曲程度作為壓電板的振蕩頻率的變化來掌握。另外，通過將壓電板向與目標(biāo)測定對象的外力方向正交的方向傾斜而進(jìn)行測定，來使測定靈敏度提高。由于也能檢測出壓電板的略微變形來作為振蕩頻率的變化，所以能夠高精度地測定施加在壓電板上的外力，而且能夠簡化裝置結(jié)構(gòu)。


圖I是表示將本發(fā)明的外力檢測裝置用作加速度檢測裝置的基本結(jié)構(gòu)的主要部分的縱斷面?zhèn)纫晥D。圖2是表示上述基本結(jié)構(gòu)中使用的水晶振子的上表面和下表面的平面圖。圖3是表示加速度檢測裝置的電路結(jié)構(gòu)的塊圖。圖4是表示上述加速度檢測裝置的等效電路的電路圖。圖5是表示使用上述加速度檢測裝置所取得的加速度與頻率差的關(guān)系的特性圖。圖6是表示本發(fā)明的實(shí)施方式的縱斷面?zhèn)纫晥D。圖7是表示使用圖6所示的加速度檢測裝置，角度Θ與靈敏度的關(guān)系的特性圖。圖8是表示上述實(shí)施方式的變形例的縱斷面?zhèn)纫晥D。圖9是表示上述加速度檢測裝置的使用方法的一個例子的說明圖。圖10是表示圖9所示的加速度檢測裝置的內(nèi)部的縱斷面?zhèn)纫晥D。圖11是表示本發(fā)明的實(shí)施方式的變形例的縱斷面?zhèn)纫晥D。圖12是表示將本發(fā)明的外力檢測裝置作為加速度檢測裝置應(yīng)用的實(shí)施方式的縱斷面?zhèn)纫晥D。圖13是沿著圖12中的A-A線的橫斷面平面圖。圖14是表示上述實(shí)施方式中使用的水晶板的背面一側(cè)的平面圖。圖15是沿著圖12中的B-B線的橫斷面平面圖。圖16是表示在上述實(shí)施方式中，水晶板因外力而彎曲的樣子和各個部分的尺寸的縱斷面?zhèn)纫晥D。圖17是表示上述實(shí)施方式的加速度檢測裝置的電路的塊回路圖。圖18是表示上述實(shí)施方式的加速度檢測裝置的一部分的外觀的外觀圖。
圖19是表示本發(fā)明的其他變形例的縱斷面?zhèn)纫晥D。圖20是表示本發(fā)明的其他變形例的縱斷面?zhèn)纫晥D。圖21是表示本發(fā)明的其他變形例的縱斷面?zhèn)纫晥D。圖22是表示圖21所示的加速度檢測裝置中使用的水晶板的立體圖。圖23是說明本發(fā)明中的方向顯示部的示意圖。圖24是說明本發(fā)明中的方向顯示部的示意圖。圖25是表示本發(fā)明的其他實(shí)施方式的主要部分的縱斷面?zhèn)纫晥D。圖26是沿著圖25中的C-C線的橫斷面平面圖。
圖27是表示本發(fā)明的另夕
符號說明
I容器
11底座
12導(dǎo)電路
14振蕩電路
2水晶板
31,41激勵電極
5可動電極
6固定電極
7突起部
100頻率檢測部
101數(shù)據(jù)處理部
102頻率信息檢測部
具體實(shí)施例方式發(fā)明的基本結(jié)構(gòu)在說明將本發(fā)明應(yīng)用于加速度檢測裝置中的實(shí)施方式之前，先對作為其前提的基本結(jié)構(gòu)進(jìn)行闡述。圖I是表示相當(dāng)于作為加速度檢測裝置的傳感器部分的外力檢測傳感器的加速度傳感器的圖，在圖I中，I是長方體形狀的密閉式的例如由水晶構(gòu)成的容器，在內(nèi)部封入惰性氣體例如氮?dú)?。該容器由?gòu)成基座的下部分和與該下部分在周緣部接合的上部分構(gòu)成。另外，作為容器I未必限定于密閉式的容器。在容器I內(nèi)設(shè)有由水晶構(gòu)成的底座11，作為壓電板的水晶板2的一端被導(dǎo)電性粘接劑10固定在該底座11的上表面(上表面)。S卩，水晶板2被懸臂支承在底座11上。水晶板2例如將X剪切(X cut)的水晶形成長方形，厚度例如設(shè)定為數(shù)十μ m級，例如O. 03mm。因此，通過在與水晶板2交叉的方向上施加外力，前端部(前端部)彎曲。如圖2(a)所示，水晶板2在上表面的中央部設(shè)有一個激勵電極31，另外如圖2(b) 所示，在下表面的與上述激勵電極31相向的部位還設(shè)有另一個激勵電極41。在上表面一側(cè)的激勵電極31連接有帶狀的引出電極32，該引出電極32在水晶板2的一端向下表面折疊， 與導(dǎo)電性粘接劑10接觸。在底座11的上表面設(shè)置由金屬層構(gòu)成的導(dǎo)電路12，該導(dǎo)電路12 借助支承容器I的絕緣基板13，與絕緣基板13上的振蕩電路14的一端連接。在下表面一側(cè)的激勵電極41上連接帶狀的引出電極42，該引出電極42被引出至水晶板2的另一端一側(cè)(前端部一側(cè))，與可變電容形成用的可動電極5連接。另一方面， 在容器I 一側(cè)設(shè)有可變電容形成用的固定電極6。在容器I的底部設(shè)置有由凸?fàn)?convex) 的水晶構(gòu)成的突起部7。該突起部7在平面圖中看是四邊形。固定電極6在該突起部7中按照大致與可動電極5相向的方式設(shè)置。水晶板2接觸過大而前端部對容器I的底部進(jìn)行碰撞時，因“解理(裂開)”現(xiàn)象而有在結(jié)晶塊中容易殘缺的性質(zhì)。因此，按照在水晶板2過度搖晃時與可動電極5相比水晶板2的基端一側(cè)(一端一側(cè))的部位碰撞突起部7的方式來決定突起部的形狀。在圖I等中記載了與實(shí)際的裝置形象略微改變的裝置形象，實(shí)際上大幅振動容器I時，與水晶板2的前端部相比靠近中央的部位碰撞到突起部7。固定電極6借助通過突起物7的表面和絕緣基板13而布線的導(dǎo)電路15與振蕩電路14的另一端連接。圖3表示加速度傳感器的布線的連接狀態(tài)，圖4表示等效電路。LI是與水晶振子的質(zhì)量對應(yīng)的串聯(lián)電感，Cl是串聯(lián)電容，Rl的串聯(lián)電阻，CO是包括電極間電容的有效并聯(lián)電容，CL是振蕩電路14的負(fù)載電容。上表面一側(cè)的激勵電極31和下表面一側(cè)的激勵電極41與振蕩電路14連接，形成于上述可動電極5和固定電極6之間的可變電容 Cv介于下表面一側(cè)的激勵電極41與振蕩電路14之間。也可以在水晶板2的前端部設(shè)置重錘，施加加速度時使彎曲量增大。在此情況下， 既可以增大可變電極5的厚度來兼用重錘，也可以在水晶板2的下表面一側(cè)單獨(dú)設(shè)置不同于可變電極5的重錘，或者也可以在水晶板2的上表面一側(cè)設(shè)置重錘。此處，根據(jù)國際規(guī)格IEC 60122-1，水晶振蕩電路的一般公式如下式(I)所示。FL = FrX (1+x)X = (Cl/2) X1/(C0+CL)......(I)FL是在水晶振子上施加負(fù)載時的振蕩頻率，F(xiàn)r是水晶振子本身的諧振頻率。在本實(shí)施方式中，如圖3和圖4所示，水晶板2的負(fù)載電容是在CL加上Cv。因此， 取代公式(I)中的CL，代入公式(2)中所表示的y。y = I/ (l/Cv+1/CL)......⑵因此，水晶板2的彎曲量從狀態(tài)I變?yōu)闋顟B(tài)2，由此可變電容Cv從Cvl變?yōu)镃v2 時，頻率的變化AFL用公式(3)表示。dFL = FL1-FL2 = AXCL2X (Cv2-Cvl)/(BXC) ......(3)此處A = ClXFr/2B = CO X CL+ (CO+CL) X Cv IC = CO X CL+ (CO+CL) X Cv2另外，設(shè)在水晶板2上未施加加速度時的所謂基準(zhǔn)狀態(tài)下的可動電極5和固定電極6之間的相距距離為dl，在水晶板2上施加加速度時的上述相距距離為d2時，則公式(4)成立。Cvl = SX ε /dlCv2 = SX ε /d2......(4)但是S是可動電極5和固定電極6的相向區(qū)域的面積，ε是介電常數(shù)。由于dl已知，因此可知dFL與d2存在對應(yīng)關(guān)系。作為這樣的實(shí)施方式的傳感器部分的加速度傳感器，在未根據(jù)加速度施加外力的狀態(tài)下水晶板2也處于略微彎曲的狀態(tài)。另外，水晶板2是處于彎曲狀態(tài)還是被保持在水平姿勢，根據(jù)水晶板2的厚度等來決定。而且，將這種結(jié)構(gòu)的加速度傳感器用作例如橫向搖動檢測用的加速度傳感器和縱向搖動檢測用的加速度傳感器，前者按照水晶板2為垂直的方式設(shè)置，后者按照水晶板2為水平的方式設(shè)置。而且發(fā)生地震或者施加模擬的振動時,水晶板2按照如圖I的點(diǎn)劃線所示或者如圖3中實(shí)線所示的方式彎曲。設(shè)在未施加振動的狀態(tài)下由作為頻率信息檢測部的頻率檢測部100檢測出的頻率為FL1，施加了振動(加速度)的情況下的頻率為FL2時，頻率的差 FL1-FL2如公式(3)表示。本發(fā)明人調(diào)查(FL1-FL2)/FL1與加速度的關(guān)系，得到圖5所示的關(guān)系。因此，證實(shí)了通過測定上述頻率的差來求出加速度。在圖3中101是例如由個人電腦構(gòu)成的數(shù)據(jù)處理部，該數(shù)據(jù)處理部101具有以下功能根據(jù)從頻率檢測部100得到的頻率信息例如頻率，求出未在水晶板2上施加加速度時的頻率fO和施加了加速度時的頻率Π之差，參照將該頻率差和加速度相關(guān)聯(lián)的數(shù)據(jù)表求出加速度。作為頻率信息并不限于頻率差，也可以是作為與頻率的差對應(yīng)的信息的頻率的變化率[(fl-f0)/f0]o根據(jù)圖I所示的結(jié)構(gòu)，在水晶板2上施加外力而彎曲或者彎曲的程度變化時，水晶板2 —側(cè)的可動電極和與該可動電極5相向的固定電極6之間的距離會變化，而且兩個電極5、6間的電容變化。因此，該電容變化和水晶板2的變形表現(xiàn)為水晶板2的振蕩頻率的變化。其結(jié)果是，由于水晶板2的細(xì)微變形也能作為振蕩頻率的變化而檢測出來，所以不僅能夠高精度地測定施加在水晶板2上的外力，而且能夠簡化裝置結(jié)構(gòu)。(發(fā)明的實(shí)施方式)在本發(fā)明的實(shí)施方式中，如圖6所示，相對與作為測定對象的、預(yù)定的(作為目標(biāo)) 外力的施加方向正交的面P，沿著外力施加前的水晶板2的長度方向的可動電極5的朝向 (面P與可動電極5所成的角度Θ)優(yōu)選為30° 60°，更優(yōu)選40° 50°。圖7是從15°至75°改變角度Θ，而在與上述面P正交的方向?qū)λО?施加了相同的加速度時的振蕩頻率的值。橫坐標(biāo)的0°是Θ = 45°。由圖7的結(jié)果可知，根據(jù)這些各個曲線能推測振蕩頻率與角度Θ的關(guān)系是拋物線，因此可知角度Θ是30° 60° (作為橫軸的值，-15° +15° )時靈敏度增大，角度Θ是40° 50° (作為橫軸的值，-5° +5° )時靈敏度進(jìn)一步增大。按照以下的方式能推測出現(xiàn)這樣的結(jié)果的原因。使加速度傳感器200傾斜時，隨著傾斜角度Θ增大，外力中的使水晶板2彎曲的力成分(水晶板2的厚度方向的力成分) 減少，外力中的水晶板2的長度方向的力成分增加。因此，在0° 90°之間改變角度Θ 而檢測出相同大小的外力時，隨著角度Θ增大可變電容Cv的變化量變小，因此增大角度Θ 是振蕩頻率的變化量變小的主要原因。但是另一方面，由于隨著角度Θ增大水晶板2的長度方向的應(yīng)力增加，因此增大角度Θ也是振蕩頻率增大的主要原因。角度Θ在0° 45° 的范圍時，根據(jù)外力中的長度方向的力成分的主要原因與根據(jù)厚度方向的力成分的主要原因相比，對檢測出的振蕩頻率的影響大，由于角度Θ在45° 90°時相反，因此角度Θ與振蕩頻率變化量的關(guān)系可以認(rèn)為當(dāng)角度Θ為45°時振蕩頻率的變化量變?yōu)闃O大的拋物線狀。在調(diào)查水平方向的加速度的情況下，只要在將圖6的加速度傳感器旋轉(zhuǎn)90度后的狀態(tài)下安裝即可。另外如圖8所示，也可以將水晶板2向上傾斜，在此情況下，水晶板2相對上述面P所成的角度Θ例如被設(shè)定為30° 60°，更優(yōu)選為40° 50°。另外如圖9所示，也可以安裝相對容器的底部安裝面水平地設(shè)置有圖I所示的水晶板2的加速度傳感器200，并隔著安裝部件80傾斜地固定在支承部件8上，由此相對上述面P傾斜。在本例中，如圖10所示，通過在相對上述面P傾斜角度Θ的安裝部件80的傳感器安裝面上固定加速度傳感器200，由此相對上述面P形成角度Θ。在此情況下，水晶板 2與面P (與在圖9中箭頭所示的成為測定對象的力的施加方向垂直的面)所成的角度Θ 優(yōu)選已經(jīng)闡述的角度范圍，這樣能獲得高的靈敏度。面P是例如在測定垂直方向的加速度的情況下的水平面。另外，如圖9所示在安裝部件80上表示有箭頭84，該箭頭84的表示是用來指定作為測定對象的外力的方向的。 例如，該箭頭84所表示的方向與可動電極5的方向成45°，且按照使該箭頭84所表示的方向與外力的方向一致的方式來設(shè)置支承部件8。如圖11所示，也可以借助旋轉(zhuǎn)部件81將加速度傳感器200固定在支承部件8上， 由此形成角度Θ。在此情況下，能夠配合外力的施加方向而容易地調(diào)整角度Θ。圖12表示加速度傳感器的其他例子。該圖12所示的加速度傳感器200，如已經(jīng)闡述的圖9和圖10所示，搭載于安裝部件80上，相對面P傾斜角度Θ地安裝在支承部件 8上。在本實(shí)施方式中，設(shè)有兩組已經(jīng)闡述的水晶板2、激勵電極31、34、可變電極5、固定電極6和振蕩電路14的組，這一點(diǎn)與上述的基本結(jié)構(gòu)不同。301是構(gòu)成容器I的下側(cè)的且形成基座的下部分，302是構(gòu)成容器I的上側(cè)的蓋體的上部分。對于水晶板2和振蕩電路14， 在其中一組的部件上添加符號“A”，在另一組的部件上添加符號“B”。在圖12中表示一個水晶板2，作為從側(cè)面看的圖與圖I相同。平面觀察圖12的壓力傳感器的內(nèi)部時，如圖13 所示第一水晶板2A和第二水晶板2B橫向平行地配置。由于這些水晶板2A、2B是相同的構(gòu)造，因此對一個水晶板2A進(jìn)行說明時，在水晶板2A的一面?zhèn)?上表面一側(cè))中窄幅的引出電極32從一端一側(cè)朝著另一端一側(cè)延伸,在該引出電極32的前端部成角形形成一個激勵電極31。而且在水晶板2A的另一面?zhèn)?下表面一側(cè))，如圖13和圖14所不,與一個激勵電極31相向地形成另一個激勵電極41,窄幅的引出電極42朝著該激勵電極41中的水晶板2A的前端部一側(cè)延伸。而且，在該引出電極 42的上述前端部一側(cè)還形成矩形的可變電容形成用的可動電極5。這些電極31等由導(dǎo)電膜例如金屬膜形成。在容器I的底部與圖I同樣地設(shè)置有凸?fàn)畹挠伤?gòu)成的突起部7，突起部7的橫寬被設(shè)定成與兩片水晶板2A、2B的配置對應(yīng)的大小。即，突起部7被設(shè)定成包括兩片水晶板2A、2B的投影區(qū)域的大小。而且如圖13和圖15所示，在突起部7上按水晶板2A的可動電極5和水晶板2B的可動電極5都設(shè)有矩形的固定電極6。此外，在圖12等中，為了優(yōu)先便于理解構(gòu)造，并未正確地記載水晶板2A(2B)的彎曲形狀，但是在根據(jù)后述的尺寸制作的情況下，水晶板2A(2B)振動過大時，比水晶板2A(2B)的前端部更靠近中央的部位碰撞突起部7。關(guān)于水晶板2A(2B)和其周邊部位，參照圖16對各個部分的尺寸的一個例子進(jìn)行說明。水晶板2A(2B)的長度尺寸S和寬度尺寸分別是20mm和I. 6mm。水晶板2A(2B)的厚度例如是30 μ m。與水平面平行地設(shè)定水晶板2A (2B)的一端的支承面時，在未施加加速度而放置的狀態(tài)下會成為因自重而彎曲的狀態(tài)，其彎曲量dl例如是151 μ m左右，容器I的下部分的凹部空間的深度d0例如是156 μ m。另外，突起部7的高度尺寸例如是105 μ m左右。這些尺寸僅是一個例子。在圖17中表示本實(shí)施方式的加速度檢測裝置的電路。另外，圖18中表示加速度檢測裝置的一部分的外觀。與上述的基本結(jié)構(gòu)不同的地方是，與第一水晶板2A和第二水晶板2B分別對應(yīng)地連接有第一振蕩電路14A和第二振蕩電路14B，在第一水晶板2A和第二水晶板2B上，均形成包括振蕩電路14A(14B)、激勵電極31、41、可動電極5和固定電極6的振蕩環(huán)。來自這些振蕩電路14A、14B的輸出被發(fā)送至頻率信息檢測部102，此處檢測出來自各個振蕩電路14A、14B的振蕩頻率的差或者頻率的變化率之差。頻率的變化率是以下的意思。在振蕩電路14A中，將水晶板2A因自重而彎曲的基準(zhǔn)狀態(tài)下的頻率稱作基準(zhǔn)頻率時，是水晶板2A因加速度進(jìn)一步彎曲而頻率發(fā)生變化時用頻率的變化部分/基準(zhǔn)頻率所表示的值，例如用PPb單位表示。同樣地對于水晶板2B也算出頻率的變化率，這些變化率的差作為與頻率對應(yīng)的信息對數(shù)據(jù)處理部101輸出。在數(shù)據(jù)處理部101中，例如將變化率的差和加速度的大小相關(guān)聯(lián)后的數(shù)據(jù)保存在存儲器中，根據(jù)該數(shù)據(jù)與變化率的差能夠檢測出加速度。列舉水晶板2A(2B)的彎曲量(水晶板成一直線延伸的狀態(tài)時與彎曲時的前端部分的高度等級的差)和頻率的變化量的關(guān)系的一個例子，例如水晶板2A(2B)的前端部以 10_5 μ m級進(jìn)行變化時，振蕩頻率為70MHz時，頻率的變化部分是O. 65ppb。因此，也能正確地檢測出極小的外力例如加速度。根據(jù)上述實(shí)施方式，除了上述的基本結(jié)構(gòu)的效果外，由于在相同的溫度環(huán)境配置水晶板2A和水晶板2B，因此即使水晶板2A和水晶板2B的各個頻率因溫度發(fā)生變化，該變化部分也被消除，結(jié)果是僅能夠檢測出基于水晶板2A、2B的彎曲的頻率的變化部分，所以具有檢測精度高這樣的效果。在圖13的例子中，分別與水晶板2A和水晶板2B對應(yīng)地設(shè)置有固定電極6，但是對于一個水晶板2B也可以米用不設(shè)置可動電極5和固定電極6的結(jié)構(gòu)。在此情況下,對于一個水晶板2B，激勵電極41并不借助可變電容CV地與第二振蕩電路14B連接。這樣，在設(shè)置兩組激勵電極31、41組的結(jié)構(gòu)(設(shè)置兩個水晶振子的結(jié)構(gòu))中，也可以取代在各組中使用水晶板的方式，在各組中設(shè)置共用的水晶板。本發(fā)明的變形例和應(yīng)用例圖19 圖22記載了本發(fā)明的其他的變形例。圖19所示的加速度傳感器，在水晶板2的前端部一側(cè)形成水晶板2的激勵電極 31、41，下表面一側(cè)的激勵電極41兼用可動電極5。圖20所示的加速度傳感器采用作為包括水晶板2的水晶振子使在上述實(shí)施方式中所使用的水晶板2A(2B)的上表面與下表面相反的構(gòu)造。在此情況下，水晶板2介于可動電極5與固定電極6之間，在該構(gòu)造中也能獲得同樣的作用、效果。圖21所示的加速度傳感器在上述實(shí)施方式中使用的水晶板2A(2B)中，如圖22所不使下表面一側(cè)的可動電極5轉(zhuǎn)向上表面一側(cè)，并且按照與該可動電極5相向的方式在容器I的內(nèi)部空間的內(nèi)壁上表面一側(cè)設(shè)置固定電極6。在此情況下也能獲得同樣的作用、效果O圖25和圖26表示本發(fā)明的其他實(shí)施方式。該實(shí)施方式在水晶板2中通過在相當(dāng)于基座的容器I的下部分設(shè)置的支承部件來支承具有作為水晶振子的作用的部位與因外力而發(fā)生彎曲的部位之間的例子。即，水晶板2中的被該支承部所支承的部位是在設(shè)置有激勵電極31、41的部位與設(shè)有可動電極5的部位之間。而且為了在外力施加在水晶板2上時使水晶板2的彎曲程度增大，也就是為了獲得高的靈敏度，優(yōu)選確保從上述支承部位至水晶板2的前端部的距離為較大。圖25和圖26所示的加速度傳感器,在容器I的底部設(shè)置角形的支承部8，利用該支承部8的上表面支承比水晶板2的下表面的激勵電極41靠近水晶板2的前端部一側(cè)例如O. Imm 數(shù)mm的部位。支承部8的橫寬優(yōu)選為與水晶板2的寬度尺寸相同或者比其大， 但在能夠發(fā)揮能充分防止設(shè)置有激勵電極31、41的部位的彎曲的功能的情況下，也可以比水晶板2的寬度尺寸小。支承部8的高度尺寸被設(shè)定為，在例如水晶板2從底座11的上表面水平地伸出的狀態(tài)下接觸水晶板2的下表面的尺寸。在圖25中，夸張地記載了容器內(nèi)的構(gòu)造，因此與實(shí)際的外力傳感器的一例構(gòu)造略有不同。作為支承部8的尺寸的一個例子，高度例如是O. 5mm 1mm，厚度是O. 3mm，橫寬是與水晶板2的寬度相同的I. 6_。該尺寸是一個例子，根據(jù)容器I的構(gòu)造和水晶板2的設(shè)置位置等來決定。支承部8與水晶板2的下表面(與固定電極6相向一側(cè)的面)，例如通過導(dǎo)電性粘接劑或者低感應(yīng)玻璃等粘著材料相互固定。此外，還可以采用支承部8與水晶板2的下表面不相互固定的結(jié)構(gòu)。作為設(shè)置支承部8的方法，例如可以列舉出在制造容器I的下部分301時通過蝕刻形成的方法，但是也可以與下部分301單獨(dú)地制造支承部8，利用粘接劑粘接。另外，使用支承部8的結(jié)構(gòu)也可以應(yīng)用于設(shè)置兩組水晶振子然后求出這些水晶振子的振蕩頻率的差的例子，即圖13 圖17所示的例子等。在此情況下，在各組水晶板2A、 2B中，如圖25、圖26所示采用利用支承部8來支承激勵電極31、41與可動電極5之間的部位的結(jié)構(gòu)。作為支承部8，既可以在各水晶板2A、2B中獨(dú)立地設(shè)置,也可以利用從水晶板2A 的左邊緣跨越延伸至水晶板2B的右邊緣的共用的支承部8來支承水晶板2A、2B。圖27表示相對在共用的水晶板2上形成了兩組水晶振子的結(jié)構(gòu)，而使用支承部8的結(jié)構(gòu)。此處，在圖25所示的構(gòu)造中，制作將激勵電極41與振蕩電路直接連接的樣品，多次測定載置于水平面上時的振蕩頻率f0、和載置于水晶板2的前端部一側(cè)從水平面僅低10 度而傾斜的面上時的振蕩頻率HO。作為頻率的變化率的( -Π0)/ 的值是O. Ippb 5ppb0對此，對于在上述樣品中未設(shè)置支承部8的情況下的樣品，進(jìn)行了同樣的試驗(yàn)時， 作為頻率的變化率的(f0-fl0)/f0的值是8ppb 45ppb。由該結(jié)果可知，當(dāng)水晶板2因外力而彎曲時，對于在振蕩頻率的變化部分中因水晶板2的振動部位(設(shè)置有激勵電極31、41 的部位)的彎曲而引起的頻率的變化部分所占的比例，設(shè)置支承部8的構(gòu)造小。即使水晶板2中的支承部8的前端一側(cè)彎曲，因支承部8的存在，振動部位也幾乎不會彎曲，該結(jié)果可以說是基于這一點(diǎn)的結(jié)果。振動部位的頻率的變化缺少再現(xiàn)性，因此如上述通過采用設(shè)置支承部8的構(gòu)造， 能夠更加準(zhǔn)確地得到與水晶板2的彎曲對應(yīng)的頻率變化。在以上說明中，本發(fā)明并不限定于測定加速度，也能應(yīng)用于磁力的測定、被測定物的傾斜程度的測定、流體的流量的測定、風(fēng)速的測定等。對測定磁力時的結(jié)構(gòu)例子進(jìn)行闡述。在水晶板2中的可動電極5與激勵電極41 之間的部位形成磁性體的膜，該磁性體位于磁場中時，水晶板2會彎曲。另外，對于被測定物的傾斜程度的測定，將支承水晶板2或2A、2B的基座預(yù)先傾斜成多種角度，得到各個傾斜角度時的頻率信息，根據(jù)將該基座設(shè)置于被測定面上時的頻率信息能夠檢測出傾斜角度。再者，將水晶板2暴露在氣體和液體等流體中，根據(jù)水晶板的彎曲量通過頻率信息能夠檢測出流速。在此情況下，水晶板2的厚度由流速的測定范圍等決定。另外，本發(fā)明也能應(yīng)用于測定重力的情況。為了按照上述的角度Θ的傾斜安裝外力檢測裝置，本發(fā)明配備顯示安裝方向的方向顯示部。圖23和圖24表示該方向顯示部的具體例子。在圖23中，在搭載了加速度傳感器200的外力檢測裝置的框體82上設(shè)定作為安裝面的基準(zhǔn)面83，在該基準(zhǔn)面83中按照與測定對象接觸的方式安裝，由此形成上述的角度Θ的傾斜。例如，在測定鉛直方向的加速度的情況下，只要將該基準(zhǔn)面83設(shè)置成水平面即可。另外，在測定流體的流速的情況下， 只要按照基準(zhǔn)面83與流體的流向正交的方式設(shè)置框體82即可。在本例中基準(zhǔn)面83相當(dāng)于方向顯示部。在圖24中，用于使作為測定對象的外力的方向一致的成為基準(zhǔn)的箭頭83 畫在上述框體82的外壁上，該箭頭83相當(dāng)于方向顯示部。
權(quán)利要求
1.一種使用傳感器的外力檢測方法，其特征在于所述傳感器包括一端被支承在基座上的懸臂式的壓電板；為了使該壓電板振動，分別設(shè)置于該壓電板的一面?zhèn)群土硪幻鎮(zhèn)鹊囊粋€激勵電極和另一個激勵電極；與所述一個激勵電極電連接的振蕩電路；設(shè)置于所述壓電板中從所述一端離開的部位，且與所述另一個激勵電極電連接的可變電容形成用的可動電極；和固定電極，其與所述壓電板隔開間隔，按照與所述可動電極相向的方式設(shè)置并且與所述振蕩電路連接，通過根據(jù)壓電板的彎曲而與所述可動電極之間的電容變化，來形成可變電容，所述外力檢測方法包括按照與作為目標(biāo)測定對象的外力的方向正交的面、和所述可動電極的所述壓電板的長度方向所成的角度為30° 60°的方式,來設(shè)定所述傳感器的工序；通過頻率信息檢測部檢測出作為與所述振蕩電路的振蕩頻率對應(yīng)的頻率信息的信號的工序；和根據(jù)在所述頻率信息檢測部檢測出的頻率信息，評價作用在所述壓電板上的外力的工序。
2.如權(quán)利要求I所述的外力檢測方法，其特征在于與作為目標(biāo)測定對象的外力的方向正交的面和所述可動電極的所述壓電板的長度方向所成角度是40° 50°。
3.如權(quán)利要求I所述的外力檢測方法，其特征在于為了防止外力施加在所述壓電板上時設(shè)置有激勵電極的部位彎曲，在所述基座上設(shè)置支承所述壓電板的下表面一側(cè)的激勵電極與可動電極之間的部位的支承部。
4.如權(quán)利要求3所述的外力檢測方法，其特征在于所述支承部的前端部與壓電板被相互固定。
5.如權(quán)利要求I所述的外力檢測方法，其特征在于在所述容器內(nèi)的設(shè)有固定電極的一側(cè)的內(nèi)壁部配備突起部，該突起部在所述壓電板過度彎曲時，與該壓電板的一端和另一端之間的靠一端側(cè)的部位接觸以限制該部位的彎曲， 由此避免壓電板的另一端碰撞到容器的內(nèi)壁部。
6.如權(quán)利要求5所述的外力檢測方法，其特征在于對于所述突起部中的與所述壓電板相對的面，壓電板的長度方向的縱斷面的形狀是山形。
7.一種外力檢測裝置，是檢測出作用在壓電板上的外力的外力檢測裝置，其特征在于， 包括一端被支承在基座上的懸臂式的所述壓電板；為了使該壓電板振動，分別設(shè)置于該壓電板的一面?zhèn)群土硪幻鎮(zhèn)鹊囊粋€激勵電極和另一個激勵電極；與所述一個激勵電極電連接的振蕩電路；設(shè)置于所述壓電板的另一端，且與所述另一個激勵電極電連接的可變電容形成用的可動電極；固定電極，其與所述壓電板隔開間隔，按照與所述可動電極相向的方式設(shè)置并且與所述振蕩電路連接，通過根據(jù)壓電板的彎曲而與所述可動電極之間的電容變化，來形成可變電容；用來檢測出作為與所述振蕩電路的振蕩頻率對應(yīng)的頻率信息的信號的頻率信息檢測部；和顯示作為目標(biāo)測定對象的外力的方向的方向顯示部，與所述作為目標(biāo)測定對象的外力的方向正交的面、和所述可動電極的所述壓電板的長度方向所成的角度被設(shè)定在30° 60°，形成從所述振蕩電路經(jīng)過所述一個激勵電極、所述另一個激勵電極、所述可動電極和所述固定電極后返回所述振蕩電路的振蕩環(huán)，在所述頻率信息檢測部檢測出的頻率信息用來評價作用在壓電板上的外力。
8.如權(quán)利要求7所述的外力檢測裝置，其特征在于作為由所述壓電板、激勵電極、可動電極和固定電極形成的組，設(shè)置第一組和第二組， 分別與第一組和第二組對應(yīng)地設(shè)置振蕩電路，所述頻率信息檢測部求出按照與所述第一組對應(yīng)的振蕩頻率和與所述第二組對應(yīng)的振蕩頻率的差的信號。
9.如權(quán)利要求7所述的外力檢測裝置，其特征在于與作為所述目標(biāo)測定對象的外力的方向正交的面、和所述可動電極的所述壓電板的長度方向所成的角度是40° 50°。
10.如權(quán)利要求7所述的外力檢測裝置，其特征在于為了防止外力施加在所述壓電板上時設(shè)置有激勵電極的部位彎曲，在所述基座上設(shè)置支承所述壓電板的下表面一側(cè)的激勵電極與可動電極之間的部位的支承部。
11.如權(quán)利要求10所述的外力檢測裝置，其特征在于所述支承部的前端部與壓電板被相互固定。
12.如權(quán)利要求7所述的外力檢測裝置，其特征在于在所述容器內(nèi)的設(shè)有固定電極的一側(cè)的內(nèi)壁部配備突起部，該突起部在所述壓電板過度彎曲時，與該壓電板的一端和另一端之間的靠一端側(cè)的部位接觸以限制該部位的彎曲， 由此避免壓電板的另一端碰撞到容器的內(nèi)壁部。
13.如權(quán)利要求12所述的外力檢測裝置，其特征在于對于所述突起部中的與所述壓電板相對的面，壓電板的長度方向的縱斷面的形狀是山形。
全文摘要
提供一種能夠高精度且容易地檢測出施加在壓電板上的外力的技術(shù)。在容器內(nèi)懸臂支承水晶板。在水晶板的例如中央部分別在上表面和下表面形成激勵電極。在水晶板的下表面一側(cè)的前端部，形成通過引出電極與下表面一側(cè)的激勵電極連接的可動電極，與該可動電極相向地在容器的底部設(shè)置固定電極。將上表面一側(cè)的激勵電極和固定電極連接振蕩電路。在水晶板上施加外力而彎曲時，可動電極與固定電極之間的電容變化，將該電容變化與水晶板的變形作為振蕩電路的振蕩頻率的變化來掌握。另外，將外力的施加方向和沿著施加外力之前的水晶板的長度方向的可動電極的朝向所成的角度θ設(shè)定為30°～60°，優(yōu)選40°～50°，然后進(jìn)行測定。
文檔編號H03H9/02GK102607746SQ20121001526
公開日2012年7月25日 申請日期2012年1月17日 優(yōu)先權(quán)日2011年1月17日
發(fā)明者小山光明, 巖井宏樹, 武藤猛 申請人:日本電波工業(yè)株式會社