(57)【要約】【課題】圧電片に加わる外力を高精度かつ容易に検出すると共に、圧電片に帯電する静電荷の影響を抑えること。【解決手段】圧電片である水晶片２を容器１内部に片持ちにて支持する。水晶片２の下面側の先端部に可動電極２１を設け、容器１の底部の可動電極２１と相対する位置に固定電極２２を設ける。可動電極２１及び固定電極２２は発振回路４１に接続され、水晶片２に外力が加わって撓むことによる可動電極２１と固定電極２２との間の容量の変化を周波数の変化として検出する。また、容器１及び水晶片２は通常の水晶と比して体積抵抗率の低い水晶にて構成されており、電荷の移動が容易になっている。容器１はアースへと接続されており、静電界の影響等により水晶片２に蓄積された静電荷を検出器外へと放出する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
容器内に支持された水晶片が外力により変形することを利用し、前記変形を周波数信号の変化として検出して外力を検出する外力検出装置において、
前記水晶片及び容器のうち少なくとも一方を、体積抵抗率が１０９〜１０１３Ωｃｍの不純物入り水晶により構成したことを特徴とする外力検出装置。
【請求項２】
前記不純物入り水晶の体積抵抗率は、１０１１〜１０１３Ωｃｍであることを特徴とする請求項１記載の外力検出装置。
【請求項３】
前記不純物入り水晶は、前記水晶片に用いられることを特徴とする請求項１または２記載の外力検出装置。
【請求項４】
前記不純物入り水晶の不純物は金属である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外力検出装置。
【請求項５】
前記水晶片の一面側に第１の電極が設けられ、
前記第１の電極に対向するように前記容器側に設けられ、前記水晶片の撓みにより前記第１の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第２の電極と、
前記可変容量に接続された、発振素子部を含む発振回路と、を備え、
前記可変容量の変化に基づく発振回路の発振周波数の変化により外力を検出する請求項１ないし４のいずれか一項に記載の外力検出装置。
【請求項６】
前記水晶片は前記容器に一端側が片持ちで支持され、
前記第１の電極は前記水晶片の他端側に設けられていることを特徴とする請求項５に記載の外力検出装置。
【請求項７】
前記水晶片は、外力検出装置としてジャイロセンサに用いられる音叉型の水晶片であることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか一項に記載の外力検出装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水晶片を用い、水晶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、例えば加速度、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外力検出装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
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、流速、磁力、静電気力などがあるが、これらの外力を正確に測定することへの要請がある。例えば自動車を開発する段階においては、自動車が物体に衝突したときに座席における衝撃力の測定が行われ、地震発生時においては、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等を計測する必要がある。
【０００３】
そこで本発明者は、水晶片に外力が加わったときの撓みに基づく容量変化を利用して外力を高精度に測定する外力検出装置について検討している。具体的には容器内において、水晶片を片持ちで支持するときに水晶片の撓み量を水晶片の先端側の電極と容器側の電極との間の容量の変化を介して発振回路の周波数の変化として捉え、この周波数の変化を計測する装置である。当該装置によれば、周波数の変化を高精度で計測することが可能である。
【０００４】
しかしながら、開発過程において、例えば冬期乾燥時などの静電気の発生しやすい環境下において、容器に発生する静電力に水晶片が引き寄せられて貼り付いてしまうことがある。特に水晶片を用いた外力検出装置においては、容器と水晶片の双方において鏡面加工した場合には、後から除電しても両者が離れない場合が多い。更にまた水晶片が容器に貼り付かない場合においても静電力によって水晶片が撓むことにより測定誤差となる。本発明者は上述の原理を用いた外力検出装置として水晶片を両持ちで支持するタイプについても検討しているが、この場合には水晶片が静電力により撓むおそれがある。
【０００５】
特許文献１においては、水晶片に除電路を接続し、外力検出装置の本体のスイッチと当該除電路のスイッチとを連動させることにより水晶片上の不要な電荷を除電路を経由して放出する外力検出装置が開示されている。しかし本発明とは原理が全く異なる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１３−１２４９２８号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明はこのような背景の下になされたものであり、その目的は、容器内に支持された水晶片が外力により変形することを利用し、前記変形を周波数信号の変化として検出して外力を検出する外力検出装置において、静電気による悪影響を排除することができる外力検出装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の外力検出装置は、
容器内に支持された水晶片が外力により変形することを利用し、前記変形を周波数信号の変化として検出して外力を検出する外力検出装置であって、
前記水晶片及び容器のうち少なくとも一方を、体積抵抗率が１０９〜１０１３Ωｃｍの不純物入り水晶により構成したことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明は、容器内に支持された水晶片が外力により変形することを利用し、前記変形を周波数信号の変化として検出して外力を検出する外力検出装置において、水晶片及び容器のうち少なくとも一方を不純物入りの水晶として構成して程よく導電性を持たせたため、発振ロスの低下を抑えながら、静電気による悪影響を排除することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明に係る外力検出装置を加速度検出装置として適用した第１の実施形態の要部を示す縦断側面図である。
【図２】前記加速度検出装置の回路構成を示すブロック図である。
【図３】前記加速度検出装置の等価回路図である。
【図４】前記加速度検出装置の水晶片の撓む様子を示した概略図である。
【図５】第２の実施形態に係る加速度検出装置の要部を示す縦断側面図である。
【図６】第３の実施形態に係る加速度検出装置の要部を示す縦断側面図である。
【図７】第４の実施形態に係る音叉型ジャイロセンサの斜視図及び横断面図である。
【図８】本発明の実施形態に係る外力検出装置について行った実験結果を示した表である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
［第１の実施形態］
本発明の外力検出装置を加速度検出装置に適用した第１の実施形態について、図１及び図２を用いて説明する。図１中、１は直方体形状の密閉型の絶縁材例えば水晶からなる容器であり、内部に不活性ガスである例えば窒素ガスが封入されている。容器１は、底部の外部の四隅に夫々ターミナルランド１３を配置した状態で配線基板９上に設けられる。容器１は水晶片２を支持する支持部１８を有する本体部１２、及び本体部１２に周縁部にて接合されている蓋体１１からなる。
【００１２】
容器１内部の支持部１８には、導電性接着剤２３により水晶片２の一端が片持ち支持されている。水晶片２の他端の下面側には可動電極２１が形成されており、可動電極２１からは引き出し電極２４が水晶片２の他端部を回りこみ水晶片２の上面側へと引き出され、導電性接着剤２３による接着部位まで延伸されている。導電性接着剤２３による接着部位からは導電路１６が支持部１８内部及びターミナルランド１３の一つを貫通し、配線基板９内を介して、水晶発振子３と発振回路４１とからなる発振部５の入力端まで延伸されている。
【００１３】
容器１内部の可動電極２１に対向する部位には固定電極２２が設けられている。固定電極２２からは導電路１５が本体部１２及びターミナルランド１３の別の一つを貫通し、配線基板９内を介して発振部５の入力端まで延伸されている。発振部５の後段は周波数測定部１０１へと接続され、周波数測定部１０１の後段はデータ処理部１０２へと接続されている。
ターミナルランド１３の更に別の一つには、容器１を接地するための導電路１７の一端が接続され、他端はアースに接続されている。
【００１４】
水晶片２としてＡＴカットの水晶片を用いる場合、寸法としては例えばＸ軸方向の長さ寸法が２０ｍｍ、Ｚ軸方向の長さ寸法（幅寸法）が２ｍｍ、厚みが０．０２１ｍｍであり、固有周波数としては例えば１ＭＨｚ以上、一例としては７８ＭＨｚである。これらの寸法等は所望の感度によって適宜選定される。
【００１５】
天然水晶、人工水晶は、体積抵抗率が１０１９Ωｃｍであるが、この例における容器１及び水晶片２を構成する水晶は、通常の外力検出装置に用いられる水晶より体積抵抗率を減少させた組成を有する。本実施形態において容器１及び水晶片２について、好ましい体積抵抗率は１０９〜１０１３Ωｃｍの範囲である。体積抵抗率が１０９以下であると、水晶片２の弾性的な性質が損なわれるおそれがあり、体積抵抗率が１０１３以上であると、容器１及び水晶片２が焦電性を帯びるおそれがあるからである。
【００１６】
また、高周波電流の発振ロスを好ましくは低減させる観点、及び静電荷を短時間（例えば０．１秒以内、好ましくは１ミリ秒以内）にアースへと移動させる観点を考慮に入れると、容器１及び水晶片２の体積抵抗率は１０１１〜１０１３Ωｃｍの範囲内であることがより好ましい。
【００１７】
このように体積抵抗率が低い水晶は、導電性材料を不純物として添加することにより得られる。具体的な製造法としては、例えばオートクレーブ内の溶融した水晶の溶液中に金属、例えば鉄を添加し、当該金属を含んだ人工水晶を育成する方法がある。また、水晶片に対しイオン注入装置により金属等のイオンをドープしてもよい。これらの場合において、水晶内に取り込む物質としては、水晶中に自由電子あるいはホール（正孔）を発生させる物質が選択される。また、水晶ウエハに対して還元処理を行って酸素原子を除去してもよい。
【００１８】
図３に当該加速度検出装置の等価回路図を示す。図２及び図３において、Ｃｖは可動電極２１と固定電極２２との間に形成される可変容量であり、Ｃ０は電極間容量を含む実効並列容量、Ｃ１は直列容量、Ｌ１は水晶振動子３の質量に対応する直列インダクタンス、Ｒ１は直列抵抗、ＣＬは発振回路４１の負荷容量を示している。
【００１９】
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）式にて表される。
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３に示すように、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の代替として（２）式にて表されるｙが代入される。
ｙ＝１／（１／Ｃｖ＋１／ＣＬ）      ……（２）
【００２０】
従って水晶片２の撓み量が状態１から状態２へと変化して、これにより可変容量ＣｖがＣｖ１からＣｖ２へと変化したとすると、周波数の変化ｄＦＬは、次式（３）にて表される。
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。
【００２１】
また、水晶片２に加速度が加わっていないときのいわば基準状態にあるときの可動電極２１と固定電極２２との間の離間距離をｄ１とし、水晶片２に加速度が加わったときの前記離間距離をｄ２とすると、次式（４）が成立する。
Ｃｖ１＝Ｓ×ε／ｄ１  
Ｃｖ２＝Ｓ×ε／ｄ２  ……（４）  
ここで、Ｓは可動電極２１と固定電極２２との対向領域の面積、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分かる。
【００２２】
次に上述実施例の作用について説明する。
加速度検出装置において、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４の点線にて示すように撓む。既述のように水晶片２に外力が加わらない基準状態にあるときの可動電極２１と固定電極２２との間の容量をＣｖ１とおくと、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２１、２２間の距離が変化するので、容量がＣｖ１から変化する。このため発振回路４１から出力される発振周波数が変化する。
【００２３】
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、振動（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は上述の（３）式にて表される。本発明者は状態１から状態２に変わったとき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、加速度との関係を調べて、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加速度を求めることが可能である。ここで、ＦＬ１の値はある温度、例えば２５℃を基準温度と定め、その基準温度における周波数の値である。
【００２４】
また、本実施形態の加速度検出装置においては、容器１及び水晶片２として通常の体積抵抗率を有した水晶を用いると、冬期乾燥時等の静電界の発生しやすい環境下において、容器１または水晶片２上に静電荷が蓄積される。静電荷が蓄積された状態下で測定を実行すると、測定結果の誤差の要因となる。特に容器１または水晶片２に蓄積された電荷の量が特に大きい場合においては、水晶片２と本体部１２とが接触して短絡したり、あるいは反対に水晶片２が容器１の蓋体１１に密着して短絡したりし、結果として測定が行えなくなる。
【００２５】
そこで前述のように体積抵抗率を低下させた水晶を容器１及び水晶片２の材料として用いることにより、容器１及び水晶片２に対して、測定に影響を及ぼす静電荷を外力検出装置外に放出するために十分な導電性を与えることができる。そして、容器１を導電路１７を介して接地しているので、外力検出装置周辺に静電界が発生し、外力検出装置内部に静電荷が蓄積した場合であっても、静電荷を外部に放出することにより、加速度等に基づいた外力の大きさを安定して検出することが可能となる。
【００２６】
ここで、上述の加速度検出装置は、メーカにより製造されてユーザに出荷され、加速度の測定場所に配置されるが、容器１及び水晶片２として、既述のように通常の水晶よりも体積抵抗率の小さい不純物入り水晶を用いているため、冬季乾燥時期などにおいても、静電荷の蓄積が抑えられる。このため例えば何らかの衝撃が装置に加わって水晶片２が振れたとしても、水晶片２が容器１の内壁に張り付くおそれはない。また加速度の測定中に水晶片２が静電力により撓む懸念もない。更に発振部５から可動電極２１、固定電極２２を介して高周波電流が流れるが、容器１及び水晶片２は、導電性があるとはいっても、程よく絶縁性を保っているため、高周波電流のロスが抑えられている。
以上のように上述実施の形態によれば、水晶片の撓みを周波数信号の変化として検出して加速度を検出するにあたり、発振ロスの低下を抑えながら、静電気による悪影響を排除することができる効果がある。
【００２７】
上述の実施形態においては、容器１及び水晶片２の両方について、体積抵抗率を低下させた水晶を用いることとしてきたが、本発明においては、容器１と水晶片２の少なくとも一方を体積抵抗率を低下させた水晶にて構成すればよい。
また、容器１が体積抵抗率を低下させた水晶にて構成されているとは、容器１全体が体積抵抗率を低下させた水晶にて構成される場合に限らず、水晶片２に静電力を及ぼす部位が体積抵抗率を低下させた水晶にて構成されていれば、本発明に相当する。
【００２８】
［第２の実施形態］
第２の実施形態に係る加速度検出装置について図５を参照しながら第１の実施形態との差異を中心として説明する。第１の実施形態と同一の部位については、同一の符号を付し説明を省略する。
本実施形態においては、水晶片２の上面側の中央に励振電極３１が設けられ、当該励振電極３１からは引き出し電極３３が導電性接着剤２３による支持部１８との接着部まで延伸されている。一方水晶片２の下面側の励振電極３１と対向する位置には励振電極３２が設けられ、当該励振電極３２は可動電極２１と引き出し電極３４により電気的に接続されている。
【００２９】
導電性接着剤２３による接着部位からは導電路１６が第１の実施形態と同様に延伸され、基板９上の発振回路４１に接続される。一方、固定電極２２からは導電路１５が第１の実施形態と同様に延伸され、基板上の発振回路４１に接続される。また、容器１は導電路１７を介して接地される。本実施形態は、第１の実施形態における水晶振動子３を水晶片２上に設けた形態である。
【００３０】
［第３の実施形態］
第３の実施形態に係る加速度検出装置の要部について図６を参照しながら第２の実施形態との差異を中心として説明する。第１の実施形態と同一の部位については、同一の符号を付し説明を省略する。
第３の実施形態の加速度検出装置と第１の実施形態との間において相違する点は、水晶片２が支持部１８ａ及び１８ｂにおいて、夫々導電性接着剤２３ａ、２３ｂによって両持ちにて支持されている点である。また、可動電極２１は水晶片２の上面の中央に設けられ、固定電極２２は容器１内部の可動電極２１と相対する部位に設けられる。
【００３１】
本実施形態においても、装置に対して加速度が加わり可動電極２１と固定電極２２との間の距離が変化する。よって可動電極２１と固定電極２２との間の静電容量が変化し、装置の発振回路から出力される発振周波数の変化を測定することにより、装置に加わる圧力の変化を検出することができる。
【００３２】
また、上述してきた各実施形態においては、圧力の変化を装置の発振周波数の変化として検出するものとしてきたが、本発明はこれに限られず、加速度検出装置に対する振動の周期を検出する場合も含まれる。この場合は、加速度検出装置に対する振動によって水晶片２が振動し、当該水晶片２の振動により、加速度検出装置から出力される発振周波数が周期的に変化する。この周期を検出することにより、加速度検出装置に加わる振動の周期を検出する。
また、発振素子として水晶振動子を用いるものとしてきたが、これに限られず、インダクタとコンデンサとからなる共振回路を用いてもよい。
【００３３】
［第４の実施形態］
図７に本発明の低抵抗化させた水晶を、音叉型ジャイロセンサ６に応用した例を示す。図７において音叉型ジャイロセンサ６は本体が上述した低抵抗化された水晶からなり、本体部６２及び本体部６２から延伸される直方体状の振動腕６１ａ及び６１ｂを有する。各振動腕６１ａ及び６１ｂは、振動腕６１ａ及び６１ｂの振動を感知する圧電素子６３を有し、また、圧電素子６３と対向する面には電極６５ａ、６５ｂを備え、当該電極６５ａ、６５ｂは接地されている。さらに、各振動腕６１ａ及び６１ｂにおいて、圧電素子６３及び電極６５ａ、６５ｂを有する面と直交する面には、励振電極６４ａの組及び６４ｂの組が設けられている。
【００３４】
圧電素子６３は振動検出器（図示せず）に接続され、振動検出器は検出装置に接続されている。また、励振電極６４ａ及び６４ｂは発振回路（図示せず）に接続されており、互いに逆属性となるように構成されている。
【００３５】
当該音叉型ジャイロセンサ６の作用について簡単に説明する。発振回路から励振電極６４ａ、６４ｂに逆極性の電圧が交互に印加され、振動腕６１ａ、６１ｂが図６のＸ軸方向（励振電極６４ａ、６４ｂが相対する方向）に屈曲振動する。この振動している振動腕６１ａ、６１ｂに対してＹ軸方向に回転が加わると、屈曲振動に直交する方向にコリオリの力が働き、振動腕６１ａ、６１ｂがＺ軸方向に、互いに逆の方向に振動する。当該振動を圧電素子６３にて検出し、圧電素子６３からの検出信号は振動検出器を介して検出装置に送信される。この検出信号を処理することにより、音叉型ジャイロセンサ６に対する回転の角速度を得ることができる。
【００３６】
本実施形態においても、低抵抗化した水晶をジャイロセンサ６の本体として用いることにより、静電界によりジャイロセンサ６本体に蓄積される静電荷をジャイロセンサ６外部へと放出することができ、角速度の測定を精密に行うことができる。
【００３７】
上述してきた実施形態において、容器１、水晶片２、及びジャイロセンサ６の材質として、低抵抗化させた水晶を用いているが、不純物を含有させるなどして、上述の体積抵抗率の範囲内であるように体積抵抗率を調整することができれば、これらの材質は水晶に限られない。例としては、セラミックス、ガラス、シリコン等が挙げられる。
【実施例】
【００３８】
第１の実施形態と同様の構造を有する４種類の外力検出装置について、実験を行った。先ず容器についての体積抵抗率が異なる４種類の容器及び水晶片からなる外力検出装置を用意した。ここで、４種類の外力検出装置は、同一の特性を有する水晶振動子を内蔵する発振回路に接続されている。また、水晶片の特性は同一であり、可動電極及び固定電極の面積は一定であり、静電容量Ｃｖの初期値も同一である。
【００３９】
４種類の外力検出装置について、容器の体積抵抗率は以下の通りである。
Ａ：１×１０１０Ωｃｍ
Ｂ：１×１０１１Ωｃｍ
Ｃ：１×１０１３Ωｃｍ
Ｄ：１×１０１５Ωｃｍ
また、発振回路に内蔵されている水晶振動子の公称周波数Ｆｎは３０ＭＨｚ、共振周波数Ｆｓは２９．９８１７４３ＭＨｚである。
これらの外力検出装置について、先ず除電器により除電した後発振周波数ＦＬ１を測定し、続いて革布を用いて電荷を発生させた後、再び発振周波数ＦＬ２を測定した。周波数測定法にはＩＥＣ  ６０４４４−１にて定義されたπ回路法を用いた。
【００４０】
実験結果を図８に示す。π回路法においては、公称周波数に対する１ｐｐｍ以下の誤差は保証できないため、外力検出装置Ａ、Ｂ及びＣの測定値の差分ＦＬ１−ＦＬ２については誤差内ということができる。一方、外力検出装置Ｄについては、ＦＬ２が水晶振動子の共振周波数Ｆｓと同一であるため、内部で短絡が発生しているものと考えられる。よって外力検出装置について、容器の体積抵抗率を１×１０１３以下に低下させることにより、外力検出装置の内部における静電荷の蓄積を抑止し、測定を高精度に行えることが示された。
【符号の説明】
【００４１】
１              容器
２              水晶片
２１            可動電極
２２            固定電極
３              水晶振動子
４１            発振回路
５              水晶発振回路
９              配線基板
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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