专利名称：振动型力检测传感器以及振动型力检测装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及力检测传感器，尤其涉及构造简单、响应速度快的振动型力检测传感器以及振动型力检测装置。
背景技术：
一直以来，公知有使用压电振动元件的加速度传感器。采用了压电振动元件的加速度传感器构成为，当检测轴方向的力作用于压电振动元件时，压电振动元件的谐振频率发生变化，根据该谐振频率的变化，检测施加给加速度传感器的加速度。在专利文献1中公开了加速度检测单元。如图11所示，加速度检测单元101具备矩形状的构造体105和应力感应元件107。矩形状的构造体105具备长方体状的固定部件110 ；长方体状的可动部件111 ；两根平行的长梁112、113，其两端部由固定部件110和可动部件111支承；以及短梁114，其两端部由该长梁112、113的中间部固定、且沿着与各长梁112、113垂直的方向延伸。固定部件110以及可动部件111各自的一个上表面构成在同一平面上。在两根长梁112、113的端缘、即与固定部件110靠近的上下表面的相对位置上分别具备缩细部llfe、115b。当从加速度检测轴方向对构造体105施加加速度α时，长梁 112,113以缩细部115aU15b为支点发生挠曲。应力感应元件107具备应力感应部120a、120b和2个固定端121、122，该固定端 121、122以夹着应力感应部120a、120b的方式与应力感应部120a、120b连结。当对加速度检测单元101施加加速度检测轴方向的加速度α时，由于惯性力，可动部件111在-Z轴方向上受力，以矩形状的构造体105的长梁112、113的缩细部life、115b 为支点发生挠曲(弯曲)。由于长梁112、113发生挠曲，从而经由与可动部件111接合的应力感应元件107的固定端122，对应力感应部120a、120b施加拉伸应力，应力感应元件107 的谐振频率变化。可根据应力感应元件107的频率变化来求出所施加的加速度的大小和方向。另外，在专利文献2中公开了电容式加速度传感器以及其制造方法。电容式加速度传感器具备固定电极、作为可动电极的质量体和外框部分。质量体是如下加速度传感器在受到加速度时进行位移，质量体与固定电极之间的空隙发生变化、将该变化检测为静电电容的变化。电容式加速度传感器是采用光刻技术和刻蚀技术等对硅基板等实施精密加工并使用真空蒸镀等方法而形成的。专利文献1日本特开2009-271029公报专利文献2日本特开2010_32538公报专利文献3日本特开2010-2430公报但是，专利文献1所公开的加速度检测单元是频率变化型的传感器，由于使数字输出，因此具有噪声较少的优点，但需要在闸门时间(gate time)的幅度内对频率进行计数，从而具有响应时间慢、消耗电流变大的问题。另外，为了对频率进行计数而需要主时钟， 从而还具有加速度检测装置变大的缺点。
另外，因为双音叉型石英振动元件的灵敏度依存于其振动臂的宽度，所以具有在小型化时难以形成电极的问题。另外，专利文献2所公开的电容式加速度传感器是采用光刻技术和刻蚀技术等的精密加工，具有成品率的问题和容易受电场及静电影响的问题。
发明内容
本发明是为了解决上述问题而完成的，其提供构造简单、力检测的响应时间(测定时间)短、低功耗且低成本的振动型力检测传感器以及振动型力检测装置。本发明是为了解决上述课题的至少一部分而完成的，其可作为以下方式或应用例来实现。[应用例1]本发明的振动型力检测传感器的特征在于，该振动型力检测传感器具有压电振动元件和基台，所述压电振动元件具有在压电基板的至少一个主面上形成有电极膜的振动部；以及与该振动部的一端连接的支承部，所述基台与所述支承部连接，并具有配置所述压电振动元件的一个主面，其中，所述压电振动元件处于如下状态所述振动部的另一端侧能够摆动，使得在作用了与所述基台的一个主面垂直的方向上的力时，所述振动部与所述一个主面之间的间隙的大小发生变化，并且，所述压电振动元件被支承为与所述基台的一个主面并排，使得所述振动部的等效电阻随着所述间隙的大小的变化而变化。因为振动型力检测传感器是具备基台、压电振动元件和安装在压电振动元件的自由端部的质量部的力检测传感器，所以具有构造简单、低成本的优点。其动作是通过对压电振动元件施加的力，压电振动元件与基台之间的间隙变窄，气体的阻力增加，因此压电振动元件的电气等效电阻CI值发生变化。由于是根据CI值的变化来求出所施加的力，所以具有与数字方式的加速度传感器相比响应时间(测定时间)快的效果。此外，还不需要对频率进行测定的计数器、且测定可以是间歇测定，所以具有消耗电流小且可实现小型化的效果。另外，因为压电振动元件的固定可以是单侧固定，所以周围温度变化所引起的热膨胀的影响变少，因此具有检测精度高的优点。[应用例2]另外，振动型力检测传感器的特征在于，该振动型力检测传感器具有多个所述压电振动元件，在所述基台的所述一个主面和位于所述一个主面的背侧的另一主面上分别具有所述压电振动元件。由于是将2个压电振动元件与基台的两主面平行地粘接/固定来构成振动型力检测传感器，因此当施加与基台垂直的力时，基台与各个压电振动元件之间的间隙互不相同地发生变化。即，以如下方式发生变化当与一个压电振动元件与基台指间的间隙变窄时， 另一压电振动元件与基台之间的间隙变宽。从而可构成差动动作的振动型力检测传感器。 因此，力的检测灵敏度为2倍，具有可抵消因温度特性或老化引起的劣化的效果。[应用例3]另外，应用例1或2所述的振动型力检测传感器的特征在于，所述压电振动元件是双音叉型压电振动元件，并以如下方式而得到作为所述振动部的一对并排的振动臂的一端被固定在所述支承部上，所述一对振动臂的另一端被固定在另一支承部上， 在所述另一支承部上配置有质量部。通过采用双音叉型压电振动元件作为压电振动元件，可应用采用了光刻技术和刻蚀方法的现有生产线。因此，可应用当前生产的压电振动元件，从而具有可实现低成本化的优点。另外，弯曲振动容易受到气体粘性的影响，所以CI值的变化较大，具有力的检测灵敏度良好的效果。[应用例4]另外，应用例1或2所述的振动型力检测传感器的特征在于，所述压电振动元件是厚度振动元件。通过采用厚度振动元件作为压电振动元件，具有可构成小型且温度特性、老化特性良好的振动型力检测传感器的效果。[应用例5]另外，应用例1或2所述的振动型力检测传感器的特征在于，所述压电振动元件是弹性表面波谐振元件。通过采用弹性表面波谐振元件作为压电振动元件，具有容易支承压电振动元件且能够将质量部安装在CI变化大的任意位置的效果。[应用例6]另外，应用例1或2所述的振动型力检测传感器的特征在于，所述压电振动元件是具有驱动用振动臂和科里奥利力检测用的检测用振动臂的陀螺元件，所述振动部是所述驱动用振动臂。通过采用振动陀螺仪元件作为压电振动元件，具有可构成复合传感器的效果，该复合传感器利用驱动用振动臂来检测力，并利用检测用振动臂来检测与基台平行的面的旋转角速度。[应用例7]振动型力检测装置的特征在于，该振动型力检测装置具有权利要求 1或2所述的振动型力检测传感器；振荡电路，其用于使所述振动型力检测传感器的压电振动元件进行振动；滤波电路，其从所述振荡电路的振荡信号中去除直流成分的信号；整流电路，其对来自所述滤波电路的输出信号进行整流；以及积分电路，其对来自所述整流电路的输出信号进行积分。通过构成具有振动型力检测传感器、振荡电路、滤波电路、整流电路和积分电路的振动型力检测装置，具有可制造低成本、响应时间(测定时间)快、消耗电流小且小型的装置的效果。另外，因为周围温度变化引起的热膨胀的影响小，所以具有能够制造检测精度高的装置的优点。
图1(a)是示出本发明的振动型力检测传感器的结构的平面图，(b)是其剖面图。图2是说明双音叉型压电振动元件的图，(a)是振动模式的说明图，(b)是示出电极和在电极上产生的电荷的标号的图，(c)是电极的接线图。图3(a)、(b)均是压电振动元件的电气等效电路图。图4是示出振动型力检测传感器的间隙g与CI值之间的关系的图。图5是说明本发明的原理的图。图6(a)是示出厚度振动元件的结构的立体图，(b)是示出弹性表面波谐振器的结构的平面图。图7是示出振动陀螺仪的结构的平面图。图8(a)是示出第2实施例的振动型力检测传感器的结构的平面图，(b)是其剖面图。图9是示出振动型力检测装置的结构的框图。
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图10(a)、(b)、(c)、(d)、(e)是示出图9的框图所示的各部波形的图。图11是示出现有的加速度检测单元的结构的立体图。标号说明1、2振动型力检测传感器；3振动型力检测装置；5基台；5a、5b主面；10、10a、10b 压电振动元件；12a、12b、12c、12d支承部；14a、14b、14c、14d振动部；20,20a,20b质量部； 25、25a、25b粘接剂；30压电基板；32a、32b激励电极；35弹性表面波基板；36IDT电极； 37a、37b栅状反射器；40基部；41a、41b检测用振动臂；42a、42b、43a、43b连结臂；44a、44b、 45a、45b驱动用振动臂；50a、50b梁；51a、51b梁；52a、52b支承部；60振荡电路；62滤波电路；63整流电路；64积分电路；65直流放大电路；65a运算放大器；71、72、73反相器；g、gl、 g2 间隙；j 振动陀螺仪；Rll、RA、RB、RC、R3、R4、R5、R6、R7 电阻；Cll、C22、C3、C4 电容。
具体实施例方式以下，根据附图，对本发明的实施方式进行详细说明。图1(a)是示出本发明一个实施方式的振动型力检测传感器1的结构的概要平面图，该图(b)是Q-Q处的剖面图。振动型力检测传感器1具有例如由石英基板等构成的压电基板以及在该压电基板的至少一个主面上形成有金属制电极膜的压电振动元件10 ；基台5，其以单臂的方式支承压电振动元件10，并在施加力时不移动；和质量部20，其安装在压电振动元件10的自由端部。基台5是采用玻璃、石英等形成的矩形状基板，其两个主面相互平行。压电基板在图1实施方式的情况下具备进行弯曲振动的振动部14a、14b、以及分别支承振动部14a、14b的两端部的支承部12a、12b。质量部20通过粘接剂等进行粘接固定而安装在压电基板的一个自由端部即支承部12b的一面上。质量部20用于在检测加速度等的情况下提高检测灵敏度，优选如下材质 该材质具有质量且其质量不会因老化而变化。在图1所示的振动型力检测传感器1中，基台5的一个主面5a与Y轴方向平行地配置，该Y轴方向与所施加的Z轴方向的力垂直，压电振动元件10也与Y轴方向并排地配置。优选的是，压电振动元件10配置在与施加力的方向垂直的方向上。压电振动元件10经由具有粘性的粘接剂25而以与基台5的一个主面5a并排的方式被单臂支承，使得当与基台5的一个主面5a垂直的Z轴方向的力(F)作用时，振动部 14a、14b的背面与基台5的一个主面5a之间的间隙g发生变化，从而压电振动元件10的电气等效电阻发生变化。图1所示的压电振动元件10的一例是在石英基板(Z板)上采用光刻技术和刻蚀手法来形成的双音叉型石英振动元件。如图1(a)所示，双音叉型石英振动元件10具备由压电基板构成的振动部，其具有一对支承部12a、12b以及在支承部12a、12b之间连接设置的2个振动臂14a、14b ；和激励电极，其形成在压电基板的振动区域上。图2(a)是示出双音叉型石英振动元件10的振动姿态的平面图。以如下方式配置激励电极使双音叉型石英振动元件10的振动模式以关于长边(振动臂)方向的中心轴对称的模式进行振动。图2(b)是示出形成在双音叉型石英振动元件10上的激励电极和在某瞬间被激励的激励电极上的电荷标号的平面图。图4(c)是示出激励电极的接线的示意剖面图。
包含双音叉型石英振动元件在内，一般的压电振动元件10的电气等效电路如图 3(a)所示，由以下这样的电路表示该电路由静电电容器CO与动态电感器Li、动态电容器Cl和表示振动损耗的电阻Rl的串联连接电路并联连接而成。另外，如该图(b)所示， 图3(a)的电路等效地由电抗iX和电阻Rx的串联连接电路表示，一般情况下，将电抗部分 X为零的频率称作谐振频率，将此时的电阻Rx称作电气等效电阻。另外，还将电阻Rx称作 CI (晶体阻抗，crystal impedance)，Rl与Rx大致相等。图4是在大气中设置振动型力检测传感器1、将双音叉型石英振动元件10与基台 5之间的相对面的间隙g设为横轴、将双音叉型石英振动元件10的电气等效电阻Rx(CI)设为纵轴的情况下实际测量使间隙g变化时的CI值的变化并对其进行描绘而成的曲线。黑菱形 的曲线是采用双音叉型石英振动元件10的长边方向的长度为2mm (谐振频率为220kH) 的双音叉型石英振动元件时的间隙g与电气等效电阻Rx(CI)之间的关系的曲线，白菱形 的曲线是采用长边方向的长度为20mm(谐振频率为40kH)的双音叉型石英振动元件时的间隙g与电气等效电阻Rx(CI)之间的关系的曲线。由此可知，当间隙g较大时，例如在300 μ m以上时，双音叉型石英振动元件10的 CI值呈现通常使用的振动元件的CI值，但随着间隙g成为200 μ m以下，CI值变大，在50 μ m 以下急剧变大。在长度2mm的双音叉型石英振动元件的情况下，当间隙g为70 μ m以下时， 间隙g与CI值近似为比例关系。另外，在长度20mm的双音叉型石英振动元件的情况下，当间隙g为200 μ m以下时间隙g与CI值为双曲线状的关系。图5是说明振动型力检测传感器1的原理的图，是图1所示的振动型力检测传感器1的X轴方向的剖面图。将压电振动元件(双音叉型压电振动元件)10的振动臂14a、 14b与基台5之间的间隙设为g，在基台5的上表面取座标轴X、Y、Z。假定在压电振动元件 10与基台5的空间内充满气体例如大气，振动臂14a、14b以速度U进行振动。在间隙g大的情况下，与基台5接触的气体要保持其位置，所以其速度为零。基台5与振动臂14a、14b 之间的气体的剪切变形速度u用下式表示u = UXz/g(1)(ζ是Z轴上的位置)。即，与基台5之间的距离为ζ的位置处的气体以与ζ成比例的速度在与基台5平行的面内运动。抵抗振动臂14a、14b的振动的力与要保留在基台5的表面上的力相等，且都与速度U成比例，与间隙g成反比。关于与气体接触的每单位面积的力^，可对式(1)进行微分并乘以气体的粘性系数μ来用下式表示τ0 = μ XU/g(2)SP，与间隙g成反比例。一般地，在采用音叉型压电振动元件、双音叉型压电振动元件等轮廓型振动元件时，为了防止振动能量泄漏到气体中，大多在真空中使用。本发明利用向气体中放出振动能量所引起的压电振动元件10的CI变化，构成了振动型力检测传感器。关于图4所示的间隙g与电气等效电阻CI之间的关系的曲线，虽然是在大气中对压电振动元件10的电气等效电阻(Cl)的变化进行了测定，但也可以是在具有粘性的气体例如N2气体中进行测定。另外，在间隙g与CI之间的关系的曲线为直线的情况下，更容易进行用于求出力F 的数据处理，但是，即使是曲线，只要间隙g与CI之间的关系的曲线的再现性良好，就不会有问题。可利用多项式来对间隙g与CI之间的关系的曲线进行近似，将多项式的各个系数存储在存储器中，根据需要由运算电路参照这些系数求出所施加的力F。对振动型力检测传感器1的动作进行说明。预先按照压电振动元件10的每个形状，测定间隙g与CI值之间的关系、力F与间隙g之间的关系，进行数据化。接着，作为一例，对测定加速度的情况进行说明。当对图1的振动型力检测传感器1施加+Z轴方向的加速度α时，力F( = mX α，质量m是压电振动元件10与质量部20之和)作用于-Z轴方向。通过该力F，压电振动元件10的背面与基台5的上表面5a之间的间隙g变窄。设不施加力F时的压电振动元件10的CI值为CI0、间隙g为g0。施加了力F时的压电振动元件 10的CI值为CI1。根据预先测定的间隙g与CI值之间的关系的曲线，求出与CIl相当的间隙gl，根据力F与间隙g之间的关系的曲线，求出与间隙gl相当的力F1。由该力Fl求出加速度α 1。当施加+Z轴方向的力F使间隙g变宽时，压电振动元件10的CI值变小。为了求出+Z轴方向、-ζ轴方向这两个方向的力F的大小，需要预先将间隙g设定为图4所示的间隙g与CI之间关系的曲线的适当位置。振动型力检测传感器1是具备基台5、压电振动元件10和安装在压电振动元件10 的自由端部上的质量部20的力检测传感器，所以具有构造简单且可实现低成本的优点。其动作是通过对压电振动元件施加的力，压电振动元件10与基台5之间的间隙变窄，气体的阻力增加，因此压电振动元件10的电气等效电阻CI值发生变化。由于是根据CI值的变化来求出所施加的力，所以具有响应时间(测定时间)快的效果。此外，还不需要计数器、且测定可以是间歇动作，所以具有消耗电流小且可实现小型化的效果。另外，因为压电振动元件的固定可以是单侧固定，所以周围温度变化所引起的热膨胀的影响变少，因此具有检测精度高的优点。以上，示出了使用双音叉型石英振动元件作为压电振动元件10的例子，压电振动元件10可以是具有振动部和支承部(基部)的轮廓型的振动元件，例如弯曲振动元件。另外，也可以采用进行厚度振动的振动元件，例如，如图6(a)所示，在压电基板30例如AT切基板上的两面形成有激励电极32a、32b的AT切石英振动元件。另外，如图6(b)所示，也可以采用如下的弹性表面波元件(SAW元件)在弹性表面振动基板35的表面上沿着弹性表面波的行进方向形成有IDT电极(叉指换能器， Interdigital transducer)和在其两侧的栅状反射器37a、37b。不过，因为弹性表面波元件的振动在基板内部衰减、振动能量在背面为零，所以需要使形成有IDT电极的面与基台5 的面相对。通过采用双音叉型压电振动元件作为压电振动元件10，可应用采用了光刻技术和刻蚀方法的现有生产线。因此，具有可实现压电振动元件的低成本化的优点。另外，弯曲振动容易受到气体粘性的影响，所以CI值的变化较大，具有力的检测灵敏度良好的效果。通过采用厚度振动元件作为压电振动元件10，具有可构成小型且温度特性、老化特性良好的振动型力检测传感器的效果。通过采用弹性表面波谐振元件作为压电振动元件10，具有容易支承压电振动元件且能够将质量部20安装在CI变化大的任意位置的效果。另外，也可以采用图7所示的振动陀螺仪元件J来作为压电振动元件10。专利文献3公开了振动陀螺仪元件。图7是振动陀螺仪元件的一例，其作为如下的压电振动元件 10发挥功能，其具有1对检测用振动臂41a、41b，其从位于中央的基部40向图中上下两侧呈直线状延伸；1对连结臂43a、43b，其从基部40朝着与检测用振动臂41a、41b垂直的方向、向图中左右两侧延伸；以及左右各1对驱动用振动臂44a、44b、45a、45b，其从各连结臂 43a、4!3b的前端部(附近位置)与检测用振动臂41a、41b平行地向图中上下两侧延伸，4个驱动用振动臂中的至少一个用于检测加速度。另外，在检测用振动臂41a、41b表面上形成有检测电极(未图示)，在驱动用振动臂44a、44b、45a、^b表面上形成有驱动电极(未图示)。这样，利用检测用振动臂41a、41b构成检测角速度的检测振动系统，利用连结臂43a、 43b和驱动用振动臂44a、44b、45a、^b构成对振动陀螺仪元件进行驱动的驱动振动系统。此外，还形成有曲轴状(曲折状)的1对梁50a、50b，梁50a、50b从基部40上侧的2个角部朝着与检测用振动臂41a垂直的方向、向图中左右两侧分别延伸，在中途与检测用振动臂41a平行地延伸，梁50a、50b的前端均与支承部5 连结。同样，还形成有曲轴状 (曲折状)的1对梁51a、51b，梁51a、51b从基部40的其他2个角部朝着与检测用振动臂 41b垂直的方向、向图中左右两侧延伸，在中途与检测用振动臂41b平行地延伸，梁51a、51b 的前端均与支承部52b连结。与图1的情况相同，通过在基台5的一面上以2单臂支承的方式支承1个支承部 52a来安装振动陀螺仪元件J，并通过与振荡电路、滤波电路、整流电路、积分电路等所需电路进行组合来构建振动型力检测装置。在采用图7的振动陀螺仪元件J作为图1所示的振动型力检测传感器1的压电振动元件10的情况下，具有可构成复合型振动型检测传感器的效果，该复合型振动型检测传感器可利用驱动用振动臂44a、44b、45a、45b，检测在基台5的垂直方向上施加的力，通过检测用振动臂41a、41b来检测在与基台5的平面平行的方向上旋转的角速度。图8是示出第2实施方式的振动型力检测传感器2的结构的图，该图(a)是平面图，该图(b)是Q-Q处的剖面图。振动型力检测传感器2具备压电基板以及在该压电基板的至少一个主面上形成有金属制电极膜的压电振动元件IOa(IOb)；基台5，其以单臂支承的方式支承压电振动元件IOa(IOb)，并在施加力时不移动；和质量部20a (20b)，其分别安装在压电振动元件IOa(IOb)的自由端部。压电基板具有振动部14a、14b (14c、14d)；和支承部1加、12b (12c、12d)，其分别支承振动部14a、14b (14c、14d)的两端部。并且，质量部20a (20b)分别通过粘接剂等粘接固定而安装在压电基板的一个支承部12b (12d)上。2个压电振动元件IOa(IOb)经由具有粘性的粘接剂而以与基台5的两个主面 5a (5b)并排的方式被单臂支承，使得当与基台5的两个主面fejb垂直的方向的力作用时， 振动部14a、14b (14c、14d)的背面与主面之间的间隙gl(g2)发生变化，从而振动部 14a、14b (14c、14d)各自的等效电阻发生变化。两压电振动元件10a、10b采用同一材料例如石英基板而形成为同一形状，两质量部20a、20b也采用同一材料例如密度大的玻璃材料而形成为同一形状。图8的振动型力检测传感器2的动作是当从基台5的上方朝下方施加与基台5 的主面垂直的力F时，压电振动元件10a、IOb均向下方挠曲。因此，压电振动元件 IOa与基台5的上表面fe之间的间隙gl变窄，压电振动元件IOb与基台5的下表面恥之间的间隙g2变宽。即，间隙gl与g2互逆地发生变化。关于根据间隙gl、g2的变化求出力的方法，在上文已说明。由于是将2个压电振动元件10a、IOb与基台5的两主面平行地粘接/固定来构成振动型力检测传感器2，因此当施加与基台5垂直的力时，基台5与各个压电振动元件10a、 IOb之间的间隙互不相同地发生变化。S卩，以如下方式发生变化当与一个压电振动元件与基台指间的间隙变窄时，另一压电振动元件与基台之间的间隙变宽。从而可构成差动动作的振动型力检测传感器。因此，力的检测灵敏度为2倍，具有可抵消因温度特性或老化引起的劣化的效果。图9是示出振动型力检测装置3的结构的框图。振动型力检测装置3具备上述振动型力检测传感器1( (J)、振荡电路60、滤波电路62、整流电路63、积分电路64和直流放大电路65。图10是示出各电路中的信号的示意图，横轴表示时间(T)，纵轴表示电压(V)。振荡电路60具有使压电振动元件10振动的放大器的反相器71、72、73 ；由电阻 Ra、I b、RC串联连接的电路构成的电阻Rll ；和电容器C11、C22。反相器71、72、73的串联连接电路与振动型力检测传感器的压电振动元件10的两端子间串联连接。第1级的反相器71的输入与压电振动元件10的一个端子连接，输出端子与第2 级的反相器72的输入端子连接。第2级的反相器72的输出端子与第3级的反相器73的输入端子连接。第3级的反相器73的输出端子与压电振动元件10的另一端子连接。电阻Rll与压电振动元件10的两端子间连接。并且，电阻Rll的端子即电阻RA 的端子与反相器71的输入端子连接。电阻Rll的另一端子即电阻RC的端子与反相器73 的输出端子连接。电阻RA和电阻RB的连接中点与反相器71的输出端子连接。电阻RB和电阻RC的连接中点与反相器72的输出端子连接。此外，相位控制用的电阻RD连接在电阻 Rll的另一端子即电阻RC的端子与压电振动元件10的另一端子之间。电容器Cll连接在反相器71的输入端子和接地之间。电容器C22连接在反相器 73的输出端子与接地之间。由此，振荡电路60将使压电振动元件10振动的振荡信号OUT 从反相器73的输出端子输出。滤波电路62具有电容器C3和电阻R3。电容器C3的一个端子与反相器71的输入端子以及压电振动元件10的一个端子连接，另一端子与整流电路63的输入端子连接。电阻R3连接在电容器C3的另一端子与接地之间。如图10(a)所示，滤波电路62将信号a作为输入信号输入，该信号a是振动器电流的一部分，该振动元件电流是从压电振动元件10的端子中的、与反相器71的输入端子侧连接的端子输出的电流。这里，信号(a)是叠加有直流成分的正弦波交流信号。信号a的振幅(电压)Vppl 与CI值的大小成反比例变化，如果CI值小，则输出较大的振幅Vppljn CI值大，则输出较小的振幅Vppl。并且，如图10(b)所示，滤波电路62去除该信号a的直流成分，将其作为信号b输
出ο整流电路63具有二极管D1。二极管Dl的一个端子与滤波电路62的电容器C3的另一端子连接，二极管Dl的另一端子与积分电路64的电阻R4的一个端子连接。整流电路 63输入滤波电路62所输出的信号b，如图10(c)所示，输出对信号b进行半波整流后的信号Co积分电路64具有电阻R4和电容器C4。电阻R4的一个端子与整流电路63的二极管Dl的输出端子连接，电阻R4的另一端子与直流放大电路65的运算放大器65a的同相输入端子侧连接。电容器C4连接在电阻R4的另一端子与接地之间。积分电路输入整流电路 63所输出的信号c，如图10(d)所示，输出对信号c进行积分后的信号d。直流放大电路65具有运算放大器65a和电阻R5、R6、R7。电阻R5的一个端子与积分电路64的电阻R4的另一端子连接，电阻R5的另一端子与运算放大器65a的同相输入端子连接。电阻R6的一个端子接地，电阻R6的另一端子与运算放大器65a的反相输入端子连接。电阻R7的一个端子与运算放大器65a的反相输入端子连接，电阻R7的另一端子与运算放大器65a的输出端子连接。直流放大电路65输入积分电路64所输出的信号d，如图10(e)所示，对信号d的电位进行放大，输出信号e (Vout)。振动型力检测装置3利用上述电路结构，根据间隙g的变化来检测基于压电振动元件10的CI值变化的信号e的电位，由此可检测对振动型力检测装置3施加的力。此外， 信号e的电位的检测能够在几ms的时间内进行。此外，图9所示的振动型力检测装置3的框图仅为一例，振荡电路60的放大器采用3级的例子进行了说明，但也可以是1级，级数只要根据振荡电路60的设计条件进行适当设定即可。另外，未必需要直流放大电路65。通过构成具备振动型力检测传感器1 (2)、振荡电路60、滤波电路62、整流电路63 和积分电路64的振动型力检测装置3，具有能够制造低成本、响应时间(测定时间)快、消耗电流小且小型化的装置的效果。另外，因为周围温度变化所引起的热膨胀的影响较小，所以具有能够制造检测精度高的装置的优点。
权利要求
1.一种振动型力检测传感器，其特征在于，该振动型力检测传感器具有压电振动元件和基台，所述压电振动元件具有在压电基板的至少一个主面上形成有电极膜的振动部；以及与该振动部的一端连接的支承部，所述基台与所述支承部连接，并具有配置所述压电振动元件的一个主面， 其中，所述压电振动元件处于如下状态所述振动部的另一端侧能够摆动，使得在作用了与所述基台的一个主面垂直的方向上的力时，所述振动部与所述一个主面之间的间隙的大小发生变化，并且，所述压电振动元件被支承为与所述基台的一个主面并排，使得所述振动部的等效电阻随着所述间隙的大小的变化而变化。
2.根据权利要求1所述的振动型力检测传感器，其特征在于， 该振动型力检测传感器具有多个所述压电振动元件，在所述基台的所述一个主面和位于所述一个主面的背侧的另一主面上分别具有所述压电振动元件。
3.根据权利要求1或2所述的振动型力检测传感器，其特征在于，所述压电振动元件是双音叉型压电振动元件，并以如下方式而得到作为所述振动部的一对并排的振动臂的一端被固定在所述支承部上，所述一对振动臂的另一端被固定在另一支承部上，在所述另一支承部上配置有质量部。
4.根据权利要求1或2所述的振动型力检测传感器，其特征在于， 所述压电振动元件是厚度振动元件。
5.根据权利要求1或2所述的振动型力检测传感器，其特征在于， 所述压电振动元件是弹性表面波谐振元件。
6.根据权利要求1或2所述的振动型力检测传感器，其特征在于，所述压电振动元件是具有驱动用振动臂和科里奥利力检测用的检测用振动臂的振动陀螺元件，所述振动部是所述驱动用振动臂。
7.一种振动型力检测装置，其特征在于，该振动型力检测装置具有 权利要求1或2所述的振动型力检测传感器；振荡电路，其用于使所述振动型力检测传感器的压电振动元件进行振动； 滤波电路，其从所述振荡电路的振荡信号中去除直流成分的信号； 整流电路，其对来自所述滤波电路的输出信号进行整流；以及积分电路，其对来自所述整流电路的输出信号进行积分。
全文摘要
本发明提供振动型力检测传感器和振动型力检测装置。构造简单、低功耗、低成本且响应速度快。振动型力检测传感器的特征是具有压电基板以及在该压电基板的至少一个主面上形成有电极膜的压电振动元件、以单臂支承的方式支承压电振动元的基台、和安装在压电振动元件的自由端部上的质量部。压电基板具备振动部和分别支承该振动部的两端部的支承部，质量部被安装在一个上述支承部上。压电振动元件经由具有粘性的粘接剂而以与基台的一个主面并排的方式被单臂支承，使得当与基台的一个主面垂直的方向的力作用时，振动部与上述主面之间的间隙发生变化，从而振动部的等效电阻发生变化。
文档编号G01C19/56GK102243077SQ20111010085
公开日2011年11月16日 申请日期2011年4月21日 优先权日2010年4月21日
发明者佐藤健太 申请人:精工爱普生株式会社