JP2000121659A

JP2000121659A - 加速度計

Info

Publication number: JP2000121659A
Application number: JP10291881A
Authority: JP
Inventors: Sadaomi Sakuma; 貞臣佐久間; Keisuke Fukatsu; 恵輔深津; Kazuteru Sato; 一輝佐藤; Hiroshi Okajima; 洋岡嶋
Original assignee: Tokimec Inc
Current assignee: Tokimec Inc
Priority date: 1998-10-14
Filing date: 1998-10-14
Publication date: 2000-04-28

Abstract

(57)【要約】【課題】スクィーズダンパの機能を確保しつつ、高感
度の共振型加速度計を提供することを目的とする。【解決手段】本発明によると、基台と、該基台に一端
が固定され他端に重りが装着された梁と、該梁の撓みを
検出するための撓み検出手段とを有する加速度計におい
て、梁は固定端側の薄板部と自由端側の厚板部とからな
り、薄板部に撓み検出手段が設けられている。薄板部に
は撓み検出手段を設けた位置に切り欠きが形成されてい
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は梁の変形を利用した
共振型の加速度計に関し、特に、表面弾性波（SURFACE
ACOUSTIC WAVE:ＳＡＷ）を利用した加速度計に関する。

【０００２】

【従来の技術】図６を参照して従来の表面弾性波（ＳＡ
Ｗ）を利用した加速度計の例を説明する。加速度計は、
片持ち支持された梁１１と梁１１の上面１１Ａ及び下面
１１Ｂに配置されたＳＡＷ共振系２０Ａ、２０Ｂとを有
する。

【０００３】梁１１は、水晶、ニオブ酸リチウム、タン
タル酸リチウム等の圧電材の単結晶によって製造され
る。梁１１の固定端には支持部材１３が装着され、支持
部材１３はケーシング等の固定壁１０に固定されてい
る。梁１１の自由端には重り１５が装着されている。

【０００４】上側及び下側の共振系２０Ａ、２０Ｂは、
共振器２１Ａ、２１Ｂ、電源端子２３Ａ、２３Ｂ及び増
幅器２５Ａ、２５Ｂとを有する。加速度計は更にバッフ
ァアンプ２７Ａ、２７Ｂ、ミキサ３１及びフィルタ３３
を有する。

【０００５】図７を参照して梁１１の上面１１Ａに形成
された共振器２１Ａの構成を説明する。梁１１の下面１
１Ｂに形成された共振器２１Ｂの構成は上面１１Ａに形
成された共振器２１Ａと同様な構成である。共振器２１
Ａは、櫛形の入力電極２１−１Ａ及び櫛形の出力電極２
１−２Ａと１対の櫛形の反射器２１−３Ａ、２１−４Ａ
とを含む。

【０００６】入力電極２１−１Ａ及び出力電極２１−２
Ａは支持部材１３になるべく近い位置に配置され、反射
器２１−３Ａ、２１−４Ａはその外側に、即ち、梁１１
の両端部側に配置されている。これらの電極２１−１
Ａ、２１−２Ａ及び反射器２１−３Ａ、２１−４Ａは互
いに平行な多数の細い帯状部分を含み、この帯状部分の
ピッチ、即ち、電極ピッチは、梁１１の材質等によって
決まる音速と所望の発振周波数とによって決定される。
これらの電極及び反射器はフォトリソグラフィ技術によ
って形成される。

【０００７】電源端子２３Ａを経由して電源が供給され
ると、入力電極２１−１Ａを経由して梁１１の上面１１
Ａに振動が付与される。それによって梁１１の上面１１
Ａに表面弾性波が生成される。この表面弾性波は出力電
極２１−２Ａによって検出され、増幅器２５Ａに供給さ
れる。増幅器２５Ａによって増幅された出力信号は入力
電極２１−１Ａにフィードバックされる。

【０００８】このフィードバックループの一巡位相が２
ｎπであり、且つそのゲインが１以上であれば、表面弾
性波とこの回路によって共振器が構成される。このとき
の表面弾性波の発振周波数は梁１１の材質及び電極ピッ
チ等によって決まり、例えば数１００ＭＨｚである。

【０００９】再び図６を参照する。各共振系２０Ａ、２
０Ｂの出力はバッファアンプ２７Ａ、２７Ｂを経由して
ミキサ３１に供給され、ミキサ３１によって発振周波数
ｆ₁、ｆ₂の和及び差が演算される。フィルタ３３は、
ミキサ３１より出力された２つの発振周波数ｆ₁、ｆ₂
の和及び差より差Δｆのみを取り出す。フィルタ３３の
出力は、次の式によって表される。

【００１０】

【数１】Δｆ＝ｆ₁−ｆ₂

【００１１】ここに、ｆ₁は上側のＳＡＷ共振系２０Ａ
によって生成された表面弾性波の発振周波数、ｆ₂は下
側のＳＡＷ共振系２０Ｂによって生成された表面弾性波
の発振周波数である。尚、上側の共振器２１Ａと下側の
共振器２１Ｂの材質、構成及び寸法が同一なら２つの発
振周波数ｆ₁、ｆ₂は同一（ｆ₁＝ｆ₂）となる。従っ
て、加速度Ａが作用しないとき発振周波数の差Δｆはゼ
ロである。

【００１２】図示のように加速度Ａが作用すると、重り
１５に作用する力によって梁１１に曲げモーメントが作
用し、梁１１は撓む。梁１１の上面１１Ａ及び下面１１
Ｂの歪みによって各共振系２０Ａ、２０Ｂの発振周波数
は変化する。梁１１の上面１１Ａ及び下面１１Ｂは互い
に異なる方向の歪を発生し、一方は引っ張りであり他方
は圧縮である。従って上側と下側の共振系２０Ａ、２０
Ｂの発振周波数の変化は互いに反対の極性である。

【００１３】しかしながら、一般には、加速度Ａが作用
しないときでも発振周波数の差Δｆがゼロとならないよ
うに設計される。例えば、上側の共振器２１Ａと下側の
共振器２１Ｂの構成及び寸法を互いに異なるようにす
る。加速度Ａが作用しないときのフィルタ３３の出力を
ΔｆB とすると、加速度計の出力は次のように表され
る。

【００１４】

【数２】Ａ＝Ｋ×（ΔｆB ±Δｆ）

【００１５】Ｋは定数、ΔｆB は加速度Ａが作用しない
ときの発振周波数の差であり、バイアス周波数と称す
る。発振周波数の差Δｆの符号±は加速度の方向によっ
て決まる。

【００１６】図８を参照して従来の表面弾性波（ＳＡ
Ｗ）を利用した加速度計の第２の例を説明する。この例
は本願出願人と同一の出願人によって平成６年１１月３
０日付けにて出願された特願平６−２９７２９５号（Ｔ
９４０００９８）に記載されたものであり、詳細につい
ては同出願を参照されたい。

【００１７】本例の加速度計は矩形の梁１１と梁１１を
囲むように延在するロの字形の支持部材１３とを有す
る。図示のように、梁１１はロの字形の支持部材１３の
一部、即ち、固定部１３Ａによって片持ち支持されてい
る。

【００１８】梁１１及び支持部材１３は１枚の板材より
形成される。即ち、１枚の板材に、図示のようにコの字
形のくり抜き部１７を形成することによって、梁１１及
び支持部材１３が形成される。

【００１９】梁１１及び支持部材１３の上面及び下面に
はそれぞれ共振器２１Ａ、２１Ｂ及び重り１５Ａ、１５
Ｂが配置されている。共振器２１Ａ、２１Ｂは図６及び
図７を参照して説明した表面弾性波（ＳＡＷ）型共振器
であり、ここでは詳細な説明は省略する。

【００２０】図８Ｂに示すように、梁１１及び支持部材
１３の上側及び下側にそれぞれ上蓋４１Ａ及び下蓋４１
Ｂが配置されている。上蓋４１Ａ及び下蓋４１Ｂと支持
部材１３の間にはそれぞれスペーサ１９Ａ、１９Ｂが配
置されている。スペーサ１９Ａ、１９Ｂは適当な板材又
は接着剤層によって形成されてよく、又はＳｉＯ₂等を
スパッタリングして形成してよい。

【００２１】スペーサ１９Ａ、１９Ｂによって、上蓋４
１Ａ及び下蓋４１Ｂと支持部材１３及び梁１１が互いに
隔置され接触しないように構成されている。即ち、梁１
１が変形しても、梁１１及び梁１１に装着された共振器
１２Ａ、１２Ｂ及び重り１５Ａ、１５Ｂが上蓋４１Ａ又
は下蓋４１Ｂに接触しないように、スペーサ１９Ａ、１
９Ｂの厚さは適当に設定される。尚、図８Ｂに示すよう
に、上蓋４１Ａ及び下蓋４１Ｂの内面に、重り１５Ａ、
１５Ｂの位置に対応して凹部４３Ａ、４３Ｂが設けられ
てよく、それによって重り１５Ａ、１５Ｂの厚さが大き
い場合であっても、重り１５Ａ、１５Ｂが上蓋４１Ａ又
は下蓋４１Ｂに接触しない。

【００２２】図８Ａに示すように、スペーサ１９Ａ、１
９Ｂは支持部材１３の周囲に沿って連続的に延在してい
る。こうして、図８Ｂに示すように、上蓋４１Ａ及び下
蓋４１Ｂの内面とスペーサ１９Ａ、１９Ｂと支持部材１
３とによって密閉した空間４５が形成される。

【００２３】また、上記の例では、支持部材１３と上蓋
４１Ａ及び下蓋４１Ｂの間に、それぞれスペーサ１９
Ａ、１９Ｂを設けたが、スペーサ１９Ａ、１９Ｂを使用
しないで、例えば、上蓋４１Ａ及び下蓋４１Ｂの内面を
エッチング等によってくり抜き、内面の内側部分の肉厚
を薄くして、梁１１との間に間隙４５を形成してもよ
い。あるいは、梁１１の両面をエッチング等によって削
り、梁１１の肉厚が薄くなるようにして、梁１１と上蓋
４１Ａ及び下蓋４１Ｂの間に間隙４５を形成してもよ
い。

【００２４】好ましくは、斯かる空間４５に乾燥した不
活性ガス、例えば乾燥窒素が封入される。空間４５に封
入された乾燥気体は、梁１１の振動又は変形に対する減
衰装置又はスクィーズダンパとして機能する。

【００２５】

【発明が解決しようとする課題】従来の共振型加速度計
の場合、加速度計の感度を上げるためには入力加速度に
対する梁１１の撓み量を大きくする必要がある。例え
ば、梁１１の厚さを小さくしたり、又は重り１５を大き
くして、梁を撓み易くすればよい。

【００２６】梁を撓み易くし、梁の撓みを大きくする
と、梁の自由端が周囲に衝突しないように梁を収容する
空間を大きくする必要がある。それによって加速度計の
全体の厚さが大きくなる。また、図８に示したような、
スクィーズダンパを用いる形式の加速度計の場合、梁１
１と上下の蓋４１Ａ、４１Ｂの間の空間４５を十分大き
くすると、スクィーズダンパの機能が低下する。

【００２７】加速度の感度を高くするために梁を撓み易
くし且つスクィーズダンパの機能を維持するために空間
４５を小さくすると、入力加速度の最大値を制限し、梁
の最大撓み量を制限しなければならない。それでは、加
速度計の測定範囲が小さくなりダイナミックレンジが小
さくなる。

【００２８】本発明は、このような点に鑑み、スクィー
ズダンパの機能を確保しつつ、高感度の共振型加速度計
を提供することを目的とする。

【００２９】更に、本発明は、このような点に鑑み、ス
クィーズダンパの機能を確保しつつ、広いダイナミック
レンジを有する共振型加速度計を提供することを目的と
する。

【００３０】

【課題を解決するための手段】本発明によると、基台
と、該基台に一端が固定された梁と、該梁の撓みを検出
するための撓み検出手段とを有する加速度計において、
上記梁は固定端側の薄板部と自由端側の厚板部とからな
り、上記薄板部に上記撓み検出手段が設けられている。
それによって、梁の自由端の変位を増加させることなく
薄板部の撓みを増加させることができ、撓み検出手段の
出力を増加させることができる。

【００３１】本発明の加速度計によると、上記薄板部の
上記撓み検出手段が設けられた位置に切り欠き部が形成
されている。この切り欠き部が形成された位置にて、応
力及び歪みが増加するから、撓み検出手段の出力が増加
し、感度が向上する。

【００３２】更に本発明によると、上記撓み検出手段は
上記梁に形成された表面弾性波共振器を含み、該表面弾
性波共振器の共振周波数の変化によって加速度を検出す
るように構成されている。また、上記梁の他端に重りが
設けられている。

【００３３】

【発明の実施の形態】図１を参照して本発明による加速
度計の例について説明する。本例の加速度計の梁１１
は、互いに厚さが異なる２つの部分、即ち、薄板部１１
−１と厚板部１１−２からなり、薄板部１１−１は梁１
１の固定端側にあり、厚板部１１−２は梁１１の自由端
側にある。厚板部１１−２の厚さは、薄板部１１−１の
厚さの数倍、例えば、２〜３倍である。

【００３４】梁１１の撓みを検出するための撓み検出手
段は、薄板部１１−１に設けられている。梁１１の薄板
部１１−１の上面及び下面には、図６及び図７に示した
如きＳＡＷ共振系２０Ａ、２０Ｂからなる撓み検出手段
が設けられ、更に、バッファアンプ２７Ａ、２７Ｂ、ミ
キサ３１及びフィルタ３３等が設けられている。

【００３５】尚、図示していないが、梁１１の固定端、
即ち、薄板部１１−１の端部には、図６に示した如き支
持部材１３が装着され、この支持部材１３が固定壁に固
定されている。また、梁１１の自由端、即ち、厚板部１
１−２の外端には、重り１５が装着されてよい。

【００３６】次に、本例の梁１１の撓み量について説明
する。梁１１を、厚さが異なる２つの部分１１−１、１
１−２より構成し、２つの部分１１−１、１１−２の厚
さを適当に選択することによって、梁１１の自由端、即
ち、厚板部１１−２の外端の撓み量を増加させることな
く薄板部１１−１の撓み量を増加させることができる。

【００３７】こうして、薄板部１１−１の撓み量が増加
するから、薄板部１１−１に設けられた撓み検出手段の
出力が増加し、感度が向上する。また、厚板部１１−２
の外端の撓み量は、少なくとも増加しないから、梁１１
を収容する空間４５がスクィーズダンパとして十分機能
する。

【００３８】更に、本例によると、梁１１の薄板部１１
−１に切り欠き部１１ａ、１１ｂが設けられている。こ
の切り欠き部１１ａ、１１ｂは、撓み検出手段が設けら
れた位置に、即ち、ＳＡＷ共振系２０Ａ、２０Ｂの入力
電極２１−１及び出力電極２１−２が配置された位置に
設けられる。

【００３９】切り欠き部１１ａ、１１ｂを設けることに
よって、この部分の梁の断面積が小さくなり、応力が増
加する。また、この部分に応力集中が発生し、切り欠き
部１１ａ、１１ｂの周囲の応力分布又は応力状態が変化
する。それによって、薄板部１１−１に設けられた撓み
検出手段の出力が増加し、感度が向上する。

【００４０】切り欠き部１１ａ、１１ｂは図示のよう
に、薄板部１１−１の両側の縁に形成されてよいが、縁
より内側の位置に設けられても良い。切り欠き部１１
ａ、１１ｂの形状は、矩形、三角形、半円形、円形、楕
円等、様々な形状が可能である。切り欠き部１１ａ、１
１ｂの位置、形状及び寸法を適当に選択することによっ
て、切り欠き部１１ａ、１１ｂの周囲の応力状態又は応
力分布を所望の態様に変化させることができる。

【００４１】図２を参照して説明する。図２Ａに示すよ
うに、梁１１を２つの厚さの異なる部分１１−１及び１
１―２より構成し、切り欠き部を設けなくてもよい。

【００４２】図２Ｂに示すように、梁１１を均一な厚さ
の１枚の板材より構成し、撓み検出手段が配置された位
置に切り欠き部１１ａ、１１ｂを形成してもよい。この
場合、梁１１の自由端の撓み量を抑制するために、梁の
厚さを大きくしても良い。

【００４３】図３、図４及び図５を参照して、図１に示
した本発明による加速度計の梁１１の変位及び応力の計
算例を説明する。図３Ａは従来の加速度計の梁１１の例
を示し、図３Ｂは本発明による加速度計の梁１１の例を
示す。図中、Ｌは梁の長さ方向、Ｂは幅方向、Ｈは厚さ
方向である。

【００４４】図３Ａの従来の加速度計の梁１１の寸法
は、１８．５ｍｍＬ×７．０ｍｍＢ×０．２ｍｍＨであ
る。図３Ｂの本発明による加速度計の梁１１の寸法は次
の通りである。薄板部１１−１の寸法は、７．０ｍｍＬ
₁×７．０ｍｍＢ×０．３ｍｍＨ₁、厚板部１１−２の
寸法は、１１．５ｍｍＬ₂×７．０ｍｍＢ×０．６ｍｍ
Ｈ₂である。又、切り欠き部１１ａ、１１ｂの寸法は、
１．０ｍｍＬ_B×１．７５ｍｍＢである。従って、切り
欠き部１１ａ、１１ｂが設けられた部分の梁１１の幅方
向の寸法はＢ₁＝３．５ｍｍである。尚、梁１１は水晶
によって形成した。

【００４５】図示のように、梁１１の長さ方向にＸ軸、
幅方向にＹ軸、厚さ方向にＺ軸をとる。Ｚ軸方向に加速
度１Ｇを印加したときの梁１１の変位及び応力を有限要
素法によって計算した。

【００４６】図４は梁１１の変位を示す変位曲線であ
り、縦軸は変位又は撓み量（μｍ）、横軸は梁１１の長
さ方向の距離（ｍｍ）である。変位は、本発明の加速度
計の梁の場合、薄板部１１−１にて、従来の加速計の梁
の場合より僅かであるが大きい。しかしながら、梁１１
の自由端の変位は、本発明の加速度計の梁の場合と従来
の加速計の梁の場合では等しい。

【００４７】図５は梁１１の応力を示す応力曲線であ
り、縦軸はＸ軸方向の応力（Ｐａ）、横軸は梁１１の長
さ方向の距離（ｍｍ）である。従来の加速度計の梁１１
の場合、応力曲線は漸近的に減少し、自由端にてゼロと
なる。しかしながら、本発明の加速度計の梁の場合、応
力曲線は、薄板部１１−１にて従来の加速度計の梁の場
合より大きく、厚板部１１−２にて従来の加速度計の梁
の場合より小さい。従って、本発明の加速度計の梁の応
力曲線は、薄板部１１−１と厚板部１１−２の境界部に
て、従来の加速度計の梁の応力曲線と交差する。

【００４８】本発明の加速度計の梁の応力曲線は、梁１
１の薄板部１１−１の切り欠き部１１ａ、１１ｂが設け
られた位置にて極大となる。こうして、本発明による
と、切り欠き部１１ａ、１１ｂを設けることによって、
応力及び歪みが増加し、ＳＡＷ共振型の撓み検出手段の
出力が増加する。

【００４９】こうして本例の加速度計によると、従来の
加速度計と比較して、梁１１の自由端の変位を増加させ
ることなく撓み検出手段が設けられた位置における梁１
１の撓み（図４）と応力及び歪み（図５）を増加させる
ことができる。それによって、撓み検出手段の出力Ｉが
増加し、入力加速度Ａに対する撓み検出手段の出力Ｉの
比Ｉ／Ａを増加させることができるから、加速時計の感
度が向上する。

【００５０】以上本発明の実施例について詳細に説明し
てきたが、本発明は上述の実施例に限ることなく本発明
の要旨を逸脱することなく他の種々の構成が採り得るこ
とは当業者にとって容易に理解されよう。

【００５１】以上は加速度計として表面弾性波（ＳＡ
Ｗ）型のスクィーズダンパを用いる形式の加速度計を例
として説明した。しかしながら、本発明は梁の形状又は
構造に特徴があり、加速度計としてＳＡＷ型である必要
はないし、スクィーズダンパを用いる形式である必要も
ない。本発明は、片持ち支持された梁１１の撓みを検出
し、それによって加速度を検出するように構成された加
速度計であればどのようなものにも適用が可能である。

【００５２】

【発明の効果】本発明の加速度計によると、簡単な構造
によって加速度計の感度を向上させることができる利点
がある。

【００５３】本発明の加速度計によると、梁の形状又は
構造を変化させるだけで、撓み検出手段の出力を増加さ
せ、加速度計の感度を増加させることができる利点があ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の加速度計の例を示す説明図である。

【図２】本発明の加速度計の他の例を示す説明図であ
る。

【図３】本発明の加速度計の梁の変位及び応力を有限要
素法によって計算した例を説明するための説明図であ
る。

【図４】本発明及び従来の加速度計の梁の変位曲線を示
す図である。

【図５】本発明及び従来の加速度計の梁の応力曲線を示
す図である。

【図６】従来の加速度計の例を説明するための説明図で
ある。

【図７】従来の加速度計の主要部を示す図である。

【図８】従来の加速度計の他の例を示す図である。

【符号の説明】

１０基台１１弾性体、梁１１−１薄板部１１−２厚板部１１Ａ上面１１Ｂ下面１１ａ、１１ｂ切り欠き部１３支持部材１３Ａ固定部１５、１５Ａ、１５Ｂ重り１７くり抜き部１９Ａ、１９Ｂスペーサ２０Ａ、２０ＢＳＡＷ共振系２１Ａ、２１Ｂ共振器２１−１Ａ、２１−１Ｂ入力電極２１−２Ａ、２１−２Ｂ出力電極２３Ａ、２３Ｂ電源端子２５Ａ、２５Ｂ増幅器２７Ａ、２７Ｂバッファアンプ３１ミキサ３３フィルタ４１Ａ上蓋４１Ｂ下蓋４５間隙

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者佐藤一輝東京都大田区南蒲田２丁目16番46号株式会社トキメック内 (72)発明者岡嶋洋東京都大田区南蒲田２丁目16番46号株式会社トキメック内Ｆターム(参考） 5J097 AA28 BB01 HB09 KK01

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】基台と、該基台に一端が固定された梁
と、該梁の撓みを検出するための撓み検出手段とを有す
る加速度計において、上記梁は固定端側の薄板部と自由端側の厚板部とからな
り、上記薄板部に上記撓み検出手段が設けられているこ
とを特徴とする加速度計。
【請求項２】請求項１記載の加速度計において、上記
薄板部の上記撓み検出手段が設けられた位置に切り欠き
部が形成されていることを特徴とする加速度計。
【請求項３】請求項１又は２記載の加速度計におい
て、上記撓み検出手段は上記梁に形成された表面弾性波
共振器を含み、該表面弾性波共振器の共振周波数の変化
によって加速度を検出するように構成されたことを特徴
とする加速度計。
【請求項４】請求項１、２又は３記載の加速度計にお
いて、上記梁の他端に重りが設けられていることを特徴
とする加速度計。