專利名稱：外力檢測裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種使用壓電片例如晶體片，根據振蕩頻率檢測作用于壓電片的外力的大小，由此檢測加速度、壓力、流體的流速、磁力或靜電力等外力的技術領域，尤其涉及一種外力檢測裝置。
背景技術：
作為作用于系統(tǒng)的外力，存在有基于加速度作用于物體的力、壓力、流速、磁力、靜電力等，但多數情況下需要準確地測定這些外力。例如，在開發(fā)汽車的階段中，當汽車撞擊物體時測定座位上的沖擊力。而且，為了分析地震時的振動能或振幅，而要求盡可能精密地分析搖晃的加速度等。
進而，在準確地分析液體或氣體的流速，使其檢測值反映到控制系統(tǒng)中的情況、或者測定磁鐵的性能的情況時等，也可以作為外力的測定例而列舉。當進行如此的測定時，要求盡可能簡單的構造且高精度地測定。
因此，本發(fā)明者對利用基于壓電片受到外力時的撓曲的電容變化來高精度地測定外力的方法進行研究。然而，在開發(fā)過程中，存在如下問題:在例如冬季干燥時等容易產生靜電的環(huán)境下，因靜電而產生在壓電片上的靜電荷有時成為測定值誤差的主要原因。
在專利文獻I中，記載著如下情況:懸臂支撐壓電薄膜，壓電薄膜會因周圍的磁力變化而變形，使得流入壓電薄膜中的電流發(fā)生變化。而且，于專利文獻2中記載著如下情況:設置電容耦合型的壓力傳感器、與配置在相對該壓力傳感器的配置區(qū)域隔開的空間中的晶體振蕩器，將這些壓力傳感器的可變電容與晶體振蕩器并聯(lián)連接，通過因壓力傳感器中的電容發(fā)生變化，而晶體振蕩器的反共振點改變的情況，檢測壓力。這些專利文獻1、2的原理與本發(fā)明完全不同。
技術背景文獻
專利文獻
專利文獻1:日本專利特開2006-138852(段落0021、段落0028)
專利文獻2:日本專利特開2008-39626(圖1及圖3)發(fā)明內容
本發(fā)明是在如此的背景下研制而成，目的在于提供一種可高精度且容易地檢測壓電片所受的外力，而且可將靜電造成的不良影響消除的外力檢測裝置。
本發(fā)明是一種檢測作用于壓電片的外力的外力檢測裝置，包含:懸臂的壓電片，一端側由支撐部支撐；一個激勵電極及另一個激勵電極，分別設置在該壓電片的一面?zhèn)燃傲硪幻鎮(zhèn)龋允乖搲弘娖駝?；振蕩電路，電性連接于所述一個激勵電極；可變電容形成用的活動電極，設置在所述壓電片中與所述一端側分離的部位，且電性連接于所述另一個激勵電極；固定電極，以與所述壓電片隔離且與所述活動電極對向的方式設置，并且連接于所述振蕩電路，且與所述活動電極之間的電容因壓電片撓曲而變化，由此，形成可變電容；頻率信息檢測部，用以檢測作為與所述振蕩電路的振蕩頻率相對應的頻率信息的信號；及除靜電路徑，用以將所述壓電片中帶電的靜電荷釋放至地線，且用來連接壓電片和地線之間；其中，形成從所述振蕩電路經由所述一個激勵電極、所述另一個激勵電極、活動電極及固定電極而返回至振蕩電路的振蕩環(huán)路，且由所述頻率信息檢測部所檢測的頻率信息用來評估作用于壓電片的力。
作為本發(fā)明的具體性方式的一例，可列舉如下構成:在所述振蕩環(huán)路內的導電路徑上設置第I開關，通過將第I開關接通而使所述壓電片與所述固定電極之間的電位差為O。另外，在該構成中，在所述振蕩電路與電源部之間，設置以在第I開關使用中時防止所述振蕩電路與所述電源部短路的方式運作的第2開關。
此外，作為本發(fā)明的另一方式，可列舉如下構成:作為由壓電片、激勵電極、活動電極及固定電極所成為的組，設置第I組及第2組，且分別對應著第I組及第2組而設置振蕩電路，所述頻率信息檢測部具有求出與對應于所述第I組的振蕩頻率及對應于所述第2組的振蕩頻率的差值相應的信號的功能。
本發(fā)明是當壓電片受到外力而撓曲或撓曲程度改變時，壓電片側的活動電極與和該活動電極對向的固定電極之間的距離改變，因此，兩電極間的電容改變，捕捉該電容變化作為壓電片的振蕩頻率的變化。因此，壓電片的輕微變形也能夠以振蕩頻率的變化檢測出來，所以，可高精度地測定壓電片所受的外力。進而，由于設置著將壓電片與地線連接的除靜電路徑，所以，可將蓄積在壓電片中的靜電荷去除，從而消除靜電力對測定結果的影響。


圖1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用的第I實施方式的主要部分的縱斷側視圖。
圖2(a)、圖2(b)是表不第I實施方式中使用的晶體片的上表面及下表面的平面圖。
圖3是表示加速度檢測裝置的電路構成的框圖。
圖4是所述加速度檢測裝置的具體的電路圖。
圖5(a)、圖5(b)是表不本發(fā)明中使用的開關構成的一例的電路圖。
圖6是第2實施方式的加速度檢測裝置中表示晶體片的上表面的平面圖。
圖7是第2實施方式的加速度檢測裝置中表示容器的內底部的平面圖。
圖8是表示第2實施方式中使用的晶體片的背面?zhèn)鹊钠矫鎴D。
圖9是在第2實施方式中，表示晶體片因外力而撓曲的狀況與各部分尺寸的縱斷側視圖。
圖10是表示第2實施方式的加速度檢測裝置的電路的電路框圖。
圖11是表示第2實施方式中使用的開關構成的一例的電路圖。
圖12是表示第3實施方式中使用的晶體片的上表面的平面圖且表示與振蕩電路的連接的電路框圖。
附圖標記:
1:容器
2、2A、2B:晶體片
5、5A、5B:活動電極
6:固定電極
7:突起部
8:底座部
10:導電性粘接劑
11:絕緣基板
12:導電路徑
12a:除靜電路徑
16:導電路徑
17U4AU4B:振蕩電路
18:電源部
19:除靜電專用的電極
21:第 I 開關
22:第 2 開關
21A、21B:開關
31,41:激勵電極
32、42:引出電極
301:下部分
302:上部分
100:頻率檢測部
101:數據處理部
200:繼電器線圈
201:操作部
202:電源
Cv:可變電容
d0:深度
dl、d2:隔離距離
Sff:主開關
S:長度尺寸具體實施方式
第I實施方式
對將本發(fā)明應用于加速度檢測裝置的第I實施方式進行說明。圖1中，I是長方體形狀的密閉型例如由晶體構成的容器，且在內部填充有惰性氣體例如氮氣。該容器I是由形成基臺的下部分301、與通過周邊部而和該下部分301接合的上部分302構成，且設置在絕緣基板11上。另外，作為容器1，并非必須限定于密閉型容器。在容器I內設置著底座部8，且在該底座部8的上表面利用導電性粘接劑10固定著作為壓電片的晶體片2的一端側。在該例中，底座部8相當于支撐晶體片2的支撐部。即，晶體片2由底座部8懸臂支撐。晶體片2是將例如為X切割的晶體形成為短條狀，且厚度設定為例如數十μπι級(order)、例如為0.03mm。所以，通過在與晶體片2交叉的方向上施加加速度，而將前端部撓曲。
如圖2(a)所示，晶體片2是在上表面的中央部設置著一個激勵電極31，而且，如圖2(b)所示，在下表面中與所述激勵電極31對向的部位設置著另一個激勵電極41，從而構成晶體振蕩器。在晶體片2的上表面?zhèn)鹊募铍姌O31連接有帶狀的引出電極32，且使該引出電極32在晶體片2的一端側折返至下表面，固著于導電性粘接劑10。在底座部8的內部及絕緣基板11設置著由金屬層構成的導電路徑12，該導電路徑12是一端與導電性粘接劑10接觸，而另一端側連接于絕緣基板11上的振蕩電路17。而且，除靜電路徑12a是從該導電路徑12的中途分支，且該除靜電路徑12a經由第I開關21連接于地線。
在晶體片2的下表面?zhèn)鹊募铍姌O41連接著帶狀的引出電極42，且將該引出電極42引出至晶體片2的另一端側(前端側)為止，并連接于可變電容形成用的活動電極5。另一方面，在容器I側設置著可變電容形成用的固定電極6。在容器I的底部設置著由凸面狀晶體構成的突起部7。該突起部7在平面圖中觀察時為四邊形。由于本發(fā)明是經由基于晶體片2變形而產生的活動電極5與固定電極6之間的電容變化，來檢測外力，所以，活動電極5也可以稱為檢測用電極。
固定電極6是在該突起部7中，以與活動電極5大致對向的方式設置。晶體片2若過于接觸，而前端撞擊容器I的底部，則存在因“解理(Cleavage)”現(xiàn)象而導致結晶塊也容易缺損的性質。因此，以當晶體片2過于接觸時，相較活動電極5，晶體片2的基端側(一端側)部位撞擊突起部7的方式，決定突起部7的形狀。圖1等是與實際裝置相比，略微改變地記載圖像，但實際上，若使容器I較大地晃動，則晶體片2中相較前端靠近中央的部位撞擊突起部7。
固定電極6是經由絕緣基板11連接于經配線的導電路徑16的一端，且導電路徑16的另一端連接于振蕩電路17。振蕩電路17是經由第2開關22而連接于電源部18。第I開關21及第2開關22可以配置在絕緣基板11上，但也可以設置在與絕緣基板11不同的部位，例如收納圖1所示的容器I及絕緣基板11的組裝體的未圖示的箱體內。
圖3表示加速度傳感器的配線的連接狀態(tài)，圖4表示具體的電路。上表面?zhèn)鹊募铍姌O31及下表面?zhèn)鹊募铍姌O41是連接于振蕩電路17，但在下表面?zhèn)鹊募铍姌O41與振蕩電路17之間可插入形成在所述活動電極5及固定電極6之間的可變電容Cv。
圖3中，101是由例如個人電腦構成的數據處理部，該數據處理部101具有如下功能:根據從頻率檢測部100獲得的頻率信息例如頻率，求出晶體片2未受到加速度時的頻率fo與受到加速度時的頻率Π的差，且參照數據表求出加速度，所述數據表是根據該頻率差算出的頻率的變化量與加速度所對應建立。作為頻率信息，并不限定于頻率差的變化量，也可以是頻率差值本身。
此處，根據國際規(guī)格IEC60122-1，晶體振蕩電路的通式如以下(I)式所示。
FL = FrX (1+x)
X= (Cl/2) X1/(C0+CL)......(I)
FL是晶體振蕩器受到負載時的振蕩頻率，F(xiàn)r是晶體振蕩器本身的共振頻率。
在本實施方式中，如圖3及圖4所示，晶體片2的負載電容是對CL串聯(lián)連接Cv。因此，取代⑴式中的CL而代入⑵式所示的y。
y = 1/(1/Cv+1/CL)......(2)
因此，若假設晶體片2的撓曲量從狀態(tài)I變?yōu)闋顟B(tài)2，由此可變電容Cv從Cvl變?yōu)镃v2，則頻率的變化dFL由(3)式所示。
dFL = FL1-FL2 = AXCL2X (Cv2_Cvl) / (BX C)...(3)
此處，
A = ClXFr/2
B = CO X CL+ (CO+CL) X Cvl
C = CO X CL+ (CO+CL) X Cv2。
而且，若將晶體片2未受到加速度時所謂處于基準狀態(tài)時的活動電極5及固定電極6之間的隔離距離設為dl，將晶體片2受到加速度時的所述隔離距離設為d2，則(4)式成立。
Cvl = SX ε /dl
Cv2 = SX ε /d2......(4)
其中，S是活動電極5及固定電極6的對向區(qū)域的面積，ε是相對介電常數(relative permittivity)。
由于dl已知，所以可知dFL與d2處于對應關系。
接下來，對所述實施例的作用進行說明。晶體片2有時在冬季干燥時等容易產生靜電的環(huán)境下，蓄積靜電荷，且因其與容器I之間的靜電力而使例如活動電極5朝向固定電極6側撓曲。此時的晶體片2的撓曲量例如約為I度。
若在如此的狀態(tài)下進行測定，則成為測定結果的誤差的主要原因。在晶體片2的撓曲較大的情況下，會導致活動電極5與固定電極6接觸而成為無法進行測定的狀態(tài)。
因此，在將第2開關22接通之前(接通電源之前)，將第I開關21接通。由此，在晶體片2與地線(earth)之間形成除靜電路徑，從而將蓄積在晶體片2中的靜電荷釋放至地線。而且，由于晶體片2從靜電荷的引力中解除而返回至特定的位置，所以成為可進行準確測定的狀態(tài)。然后，第I開關21恢復到斷開的狀態(tài)，接著將第2開關22接通，準備進行加速度檢測。
而且，當發(fā)生地震或施加模擬性振動時，晶體片2如圖1的點劃線所示或圖3中的實線所示產生撓曲。當如上所述，在晶體片2未受到外力的基準狀態(tài)下將活動電極5與固定電極6之間的電容設為Cvl時，若晶體片2受到外力，該晶體片2進行撓曲，則兩電極5、6間的距離發(fā)生變化,因此電容從Cvl起進行變化。所以,從振蕩電路14輸出的振蕩頻率發(fā)生變化。
若在未受到振動的狀態(tài)下，將由作為頻率信息檢測部的頻率檢測部100檢測的頻率設為FL1，將受到振動(加速度)時的頻率設為FL2，則頻率的差值FL1-FL2由(3)式所示。本發(fā)明者根據頻率的差值FL1-FL2算出從狀態(tài)I變?yōu)闋顟B(tài)2時的頻率的變化率，且分析頻率的變化率KFL1-FL2)/FL1}與加速度的關系，從而獲得線性關系(linearrelationship)。因此,證實了通過測定所述頻率的差值而求出加速度。另外，F(xiàn)Ll的值是將某溫度定為基準溫度，所述基準溫度例如25°C時的頻率值。
接下來，將第I開關21及第2開關22的一例示于圖5(a)。該例是第I開關21、第2開關22分別作為通電時開啟的開關、且通電時閉合的開關組裝于繼電器電路中，且在主開關SW斷開的狀態(tài)下未對繼電器線圈200通電，所以，第I開關21接通且第2開關22斷開。若將主開關SW接通，則對線圈200通電，第I開關21斷開，第2開關22接通。因此，根據該例，當未對振蕩電路17接通電源時，可確實地進行除靜電。
而且，第I開關21、第2開關22如圖5(b)所示構成為聯(lián)動開關，也可以通過操作部201的操作而獲得第I開關21、第2開關22為“接通、斷開”的狀態(tài)與“斷開、接通”的狀態(tài)。
此處，對驗證晶體片2帶電的一例進行了記載。使用圖1所示的裝置，在使振蕩電路17運作之前，對晶體片2提供2kV的直流電壓10秒鐘后，晶體振蕩器的并聯(lián)電容CO為2.15pF。然后，經過5分鐘之后，使振蕩電路17的電源的第2開關22接通30秒鐘(此時第I開關21斷開)，接著使第2開關22、第I開關21斷開、接通后，晶體振蕩器的并聯(lián)電容CO為2.26pF?？梢酝茰y該變化是晶體片2因靜電而撓曲的結果。另外，晶體振蕩器的Fr為 73.832294MHz, Rr 為 6.9 Ω，CL 為 9.665F。
第2實施方式
接下來，參照圖6 圖11，對本發(fā)明應用于加速度傳感器的第2實施方式進行說明。該第2實施方式與第I實施方式不同的地方在于設置著2組所述的晶體片2、激勵電極31、41、活動電極5、固定電極6及振蕩電路17。關于晶體片2及振蕩電路17，對一組構件添加符號“A”，對另一組構件添加符號“B”。當平面地觀察壓力傳感器的內部時，如圖6所示，第I個晶體片2A與第2個晶體片2B為橫向平行配置。
由于這些晶體片2A、2B為同一構造，所以對一個晶體片2A進行說明。在晶體片2A的一面?zhèn)?上表面?zhèn)?上，寬度狹窄的引出電極32從一端側朝向另一端側延伸，且在該引出電極32的前端部一個激勵電極31形成為方形形狀。而且，在晶體片2A的另一面?zhèn)?下表面?zhèn)?，如圖8所示，與一個激勵電極31對向地形成另一個激勵電極41，且寬度狹窄的引出電極42朝向該激勵電極41中晶體片2的前端側延伸。進而，在該引出電極42的所述前端側形成有短條狀的可變電容生成用的活動電極5A。這些電極等是由導電膜例如金屬膜形成。
在容器I的底部，與圖1同樣地設置有由凸面狀晶體構成的突起部7，且突起部7的橫寬設定為與2塊晶體片2A、2B的配置相應的大小。
關于晶體片2A、2B及其周邊部位，參照圖9對各部分尺寸的一例進行說明。晶體片2A、2B的長度尺寸S及寬度尺寸分別為18mm及3mm。晶體片2A、2B的厚度為例如數μ m。若將晶體片2A、2B的一端側的支撐面設定為與水平面平行，則在未受到加速度放置的狀態(tài)下，成為因自身重量而撓曲的狀態(tài)，且其撓曲量dl為例如150 μπι左右，容器I的下部分中的凹部空間的深度d0為例如175 μ m。而且，突起部7的高度尺寸為例如55 60 μ m左右。這些尺寸僅為一例。
圖10表示第2實施方式的加速度檢測裝置的電路。與第I實施方式不同的地方在于:分別對應著第I個晶體片2A及第2個晶體片2B連接有第I個振蕩電路14A及第2個振蕩電路2B，且第I個晶體片2A及第2個晶體片2B各自中，形成有包含振蕩電路14A (14B)、激勵電極31、41、活動電極5A(5B)及固定電極6的振蕩環(huán)路。來自這些振蕩電路14A、14B的輸出被傳送至頻率檢測部100中，在這里檢測來自各振蕩電路14A、14B的振蕩頻率的差值或頻率的變化率的差。
在圖10中，分別對應著第I個晶體片2A及第2個晶體片2B設置有除靜電用的開關21A及開關21B。而且，設置有共用的電源接通用的第2開關22，用以從共用的電源202對第I個振蕩電路14A及第2個振蕩電路14B供給電壓。當不使用裝置時，為了防止晶體片2A、2B帶電而將開關21A、21B接通，而在使用裝置時，將開關21A、21B斷開，使電源接通用的第2開關22接通。這些開關21A、21B、22也可以構成為繼電器電路，在此情況下，當主開關Sff斷開時，將開關21A、21B接通，且將第2開關22斷開，當主開關SW接通時，開關21A、21B斷開，且第2開關22接通。實現(xiàn)如此運作的電路圖的一例示于圖11。圖11是圖5的電路圖中所示的電路的應用。
根據第2實施方式，由于將晶體片2A及晶體片2B配置在同一溫度環(huán)境下，因此，即便晶體片2A及晶體片2B各自的頻率因溫度而變化，該變化量也會被消除，最終，可僅檢測基于晶體片2A、2B的撓曲的頻率的變化量，所以，存在檢測精度高的效果。進而，該實施方式的裝置是與第I實施例的裝置同樣地包含底下機構，即利用開關操作而容易地將蓄積在壓電片中的靜電荷去除，從而可防止因靜電荷的引力導致測定結果出現(xiàn)誤差的現(xiàn)象。
第3實施方式
第3實施方式是在晶體片2設置專用的除靜電用的電極，且晶體片2 —直連接于地線。該實施方式的一例示于圖12。
在晶體片2上與激勵電極31、41及活動電極5隔離的部分設置除靜電專用的電極19，且除靜電專用的電極19 一直連接于地線。由于除靜電專用的電極19并未自激勵電極31、41及活動電極5電性連接，所以，即便在裝置運行的狀態(tài)下，也僅將晶體片2上的靜電荷本身釋放至地線，從而獲得與第I實施方式及第2實施方式中使用所述第I開關21、第2開關22將晶體片2的靜電荷釋放至地線的方法相同的效果。而且，該實施方式也可以應用于第I實施方式的加速度檢測裝置及第2實施方式的加速度傳感器。該實施方式的優(yōu)點在于可不需要將開關接通及斷開的機構也可以簡單地將蓄積的靜電荷釋放，從而可進行準確的測定。
以上，本發(fā)明并不限定于測定加速度，也可以應用于磁力測定、被測定物傾斜程度的測定、流體流量測定、風速測定、重力測定等。
權利要求
1.一種外力檢測裝置，檢測作用于壓電片的外力，其特征在于包含: 懸臂的壓電片，一端側由支撐部支撐； 一個激勵電極及另一個激勵電極，分別設置在所述壓電片的一面?zhèn)燃傲硪幻鎮(zhèn)?，以使所述壓電片振動? 振蕩電路，電性連接于所述一個激勵電極； 可變電容形成用的活動電極，設置在所述壓電片中與所述一端側分離的部位，且電性連接于所述另一個激勵電極；固定電極，以與所述壓電片隔離且與所述活動電極對向的方式設置，并且連接于所述振蕩電路，且與所述活動電極之間的電容因所述壓電片撓曲而變化，由此，形成可變電容；頻率信息檢測部，檢測作為與所述振蕩電路的振蕩頻率相對應的頻率信息的信號；及除靜電路徑，將所述壓電片連接于地線，將所述壓電片中產生的靜電荷釋放至所述地線.其中，形成從所述振蕩電路經由所述一個激勵電極、所述另一個激勵電極、所述活動電極及所述固定電極而返回至所述振蕩電路的振蕩環(huán)路，且 由所述頻率信息檢測部所檢測的所述頻率信息用來評估作用于所述壓電片的力。
2.根據權利要求1所述的外力檢測裝置，其特征在于:其包含用以開閉所述除靜電路徑的除靜電用的開關。
3.根據權利要求2所述的外力檢測裝置，其特征在于:其包含用以將所述振蕩電路連接于電源部的電源接通用的開關，且 所述除靜電用的開關構成為在所述電源接通用的開關斷開時接通，且在所述電源接通用的開關接通時斷開。
全文摘要
本發(fā)明提出一種外力檢測裝置，其目的在于高精度且容易地檢測壓電片所受的外力，以及抑制壓電片中帶電的靜電荷的影響。在容器(1)內懸臂支撐晶體片(2)。在晶體片(2)的上表面及下表面分別形成激勵電極(31、41)，在晶體片(2)的下表面?zhèn)鹊那岸瞬吭O置連接于激勵電極(41)的活動電極(5)，在容器1的底部設置固定電極(6)。形成經由激勵電極(31、41)、活動電極(5)及固定電極(6)返回至振蕩電路的振蕩環(huán)路，將晶體片(2)受到外力而撓曲所造成的電極(5、6)間的電容變化以頻率進行檢測。而且，設置開關(21)以開閉將晶體片(2)中產生的靜電荷釋放至地線的除靜電路徑。
文檔編號G01L1/14GK103162872SQ20121053942
公開日2013年6月19日 申請日期2012年12月13日 優(yōu)先權日2011年12月14日
發(fā)明者小山光明, 武藤猛 申請人:日本電波工業(yè)株式會社