JP2002107373A - 加速度センサ - Google Patents
加速度センサInfo
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Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01P—MEASURING LINEAR OR ANGULAR SPEED, ACCELERATION, DECELERATION, OR SHOCK; INDICATING PRESENCE, ABSENCE, OR DIRECTION, OF MOVEMENT
- G01P15/00—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration
- G01P15/02—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses
- G01P15/08—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses with conversion into electric or magnetic values
- G01P15/097—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses with conversion into electric or magnetic values by vibratory elements
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Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
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Abstract
(57)【要約】
【課題】小型で表面実装型に構成でき、ＤＣや低周波の
加速度でも検出可能で、しかも温度変化などの加速度以
外の要因による影響を排除しうる加速度センサを提供す
る。 【解決手段】両主面に電極が形成された圧電体よりなる
第１と第２の共振子３，４を中間層５を介して接合して
バイモルフ型加速度検出素子２を構成し、この加速度検
出素子２を、加速度Ｇの印加に伴って第１と第２の共振
子３，４が一体的に撓むように、長手方向の一端部また
は両端部を固定支持する。中間層５は、一方の共振子の
曲げ応力が他方の共振子に伝わるだけの硬さを有し、か
つ一方の共振子の振動が他方の共振子に減衰されて伝播
しうるものである。加速度検出素子２の撓みによって生
じる第１と第２の共振子３，４の周波数変化またはイン
ピーダンス変化を差動的に検出することにより、加速度
を検出可能とした。
加速度でも検出可能で、しかも温度変化などの加速度以
外の要因による影響を排除しうる加速度センサを提供す
る。 【解決手段】両主面に電極が形成された圧電体よりなる
第１と第２の共振子３，４を中間層５を介して接合して
バイモルフ型加速度検出素子２を構成し、この加速度検
出素子２を、加速度Ｇの印加に伴って第１と第２の共振
子３，４が一体的に撓むように、長手方向の一端部また
は両端部を固定支持する。中間層５は、一方の共振子の
曲げ応力が他方の共振子に伝わるだけの硬さを有し、か
つ一方の共振子の振動が他方の共振子に減衰されて伝播
しうるものである。加速度検出素子２の撓みによって生
じる第１と第２の共振子３，４の周波数変化またはイン
ピーダンス変化を差動的に検出することにより、加速度
を検出可能とした。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は加速度センサに関す
るものである。
るものである。
【０００２】
【従来の技術】従来、圧電セラミックスを利用した加速
度センサとして、例えば特許第２７８０５９４号公報に
記載のものが知られている。この加速度センサは、一対
の圧電セラミックスよりなる圧電素子を対面接合して一
体化したバイモルフ型検出素子を備え、この素子をケー
ス内に両持ち梁構造で収納支持してある。この加速度セ
ンサに加速度が加わると、検出素子が撓むことによって
圧電素子に応力が発生し、圧電効果によって発生した電
荷または電圧を検知して、加速度を知ることができる。
この加速度センサの場合には、小型で、表面実装型部品
（チップ部品）に容易に構成できるという利点がある。
度センサとして、例えば特許第２７８０５９４号公報に
記載のものが知られている。この加速度センサは、一対
の圧電セラミックスよりなる圧電素子を対面接合して一
体化したバイモルフ型検出素子を備え、この素子をケー
ス内に両持ち梁構造で収納支持してある。この加速度セ
ンサに加速度が加わると、検出素子が撓むことによって
圧電素子に応力が発生し、圧電効果によって発生した電
荷または電圧を検知して、加速度を知ることができる。
この加速度センサの場合には、小型で、表面実装型部品
（チップ部品）に容易に構成できるという利点がある。
【０００３】この原理の加速度センサの場合には、回路
を構成する際、回路から流れ込むバイアス電流が圧電体
の容量Ｃにチャージされ、回路が飽和してしまうので、
バイアス電流をリークさせるための抵抗Ｒが必要とな
る。ところが、抵抗Ｒと容量Ｃとによってハイパスフィ
ルタが構成され、カットオフ以下の周波数であるＤＣや
低周波の加速度を検出できない。
を構成する際、回路から流れ込むバイアス電流が圧電体
の容量Ｃにチャージされ、回路が飽和してしまうので、
バイアス電流をリークさせるための抵抗Ｒが必要とな
る。ところが、抵抗Ｒと容量Ｃとによってハイパスフィ
ルタが構成され、カットオフ以下の周波数であるＤＣや
低周波の加速度を検出できない。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】一方、座屈音叉構造の
支持体に２個の振動子を取り付け、加速度が印加される
と、中央にある慣性部（重り）により２つの音叉構造部
分に取り付けられた振動子は引張と圧縮の応力を受け、
２つの振動子に生じる周波数差によって加速度を検出す
る加速度センサも知られている（例えば特開平４−３６
１１６５号公報）。この場合には、ＤＣや低周波の加速
度でも検出可能である。
支持体に２個の振動子を取り付け、加速度が印加される
と、中央にある慣性部（重り）により２つの音叉構造部
分に取り付けられた振動子は引張と圧縮の応力を受け、
２つの振動子に生じる周波数差によって加速度を検出す
る加速度センサも知られている（例えば特開平４−３６
１１６５号公報）。この場合には、ＤＣや低周波の加速
度でも検出可能である。
【０００５】しかしながら、この構造の加速度センサで
は、支持体が音叉構造を有するため、構造が複雑で大型
であり、各振動子からの電極の引出も煩雑である。その
ため、回路基板などに直接実装できる小型の表面実装型
部品（チップ部品）に構成することが難しいという問題
があった。また、振動子をねじれ振動モードと屈曲振動
モードとが結合した振動モードで振動する双音叉型振動
子として構成することにより、バイアス周波数の温度依
存性を低減しているが、温度依存性を完全には解消でき
ない。
は、支持体が音叉構造を有するため、構造が複雑で大型
であり、各振動子からの電極の引出も煩雑である。その
ため、回路基板などに直接実装できる小型の表面実装型
部品（チップ部品）に構成することが難しいという問題
があった。また、振動子をねじれ振動モードと屈曲振動
モードとが結合した振動モードで振動する双音叉型振動
子として構成することにより、バイアス周波数の温度依
存性を低減しているが、温度依存性を完全には解消でき
ない。
【０００６】そこで、本発明の目的は、小型で表面実装
型に構成でき、しかも温度変化などの加速度以外の要因
による影響を排除しうる、高感度の加速度センサを提供
することにある。
型に構成でき、しかも温度変化などの加速度以外の要因
による影響を排除しうる、高感度の加速度センサを提供
することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】上記目的は、請求項１に
記載の発明によって達成される。すなわち、請求項１に
係る発明は、両主面に電極が形成された圧電体よりなる
第１と第２の共振子を中間層を介して接合してバイモル
フ型加速度検出素子を構成し、上記中間層は、一方の共
振子の曲げ応力が他方の共振子に伝わるだけの硬さを有
し、かつ一方の共振子の振動が他方の共振子に減衰され
て伝播しうるものであり、上記加速度検出素子を、加速
度の印加に伴って第１と第２の共振子が同一方向に撓む
ように、長手方向の一端部または両端部を固定支持し、
上記加速度検出素子の撓みによって生じる第１と第２の
共振子の周波数変化またはインピーダンス変化を差動的
に検出することにより、加速度を検出可能としたことを
特徴とする加速度センサを提供する。
記載の発明によって達成される。すなわち、請求項１に
係る発明は、両主面に電極が形成された圧電体よりなる
第１と第２の共振子を中間層を介して接合してバイモル
フ型加速度検出素子を構成し、上記中間層は、一方の共
振子の曲げ応力が他方の共振子に伝わるだけの硬さを有
し、かつ一方の共振子の振動が他方の共振子に減衰され
て伝播しうるものであり、上記加速度検出素子を、加速
度の印加に伴って第１と第２の共振子が同一方向に撓む
ように、長手方向の一端部または両端部を固定支持し、
上記加速度検出素子の撓みによって生じる第１と第２の
共振子の周波数変化またはインピーダンス変化を差動的
に検出することにより、加速度を検出可能としたことを
特徴とする加速度センサを提供する。
【０００８】本発明では、加速度検出素子を２枚の共振
子を中間層を介して接合したバイモルフ構造としてあ
る。中間層は、一方の共振子の曲げ応力が他方の共振子
に伝わるだけの硬さを有するので、加速度が加わった際
に生じる加速度検出素子の撓み変形から、一方の共振子
に引張応力が作用すれば、他方の共振子には圧縮応力が
作用することになる。また、中間層は、両方の共振子を
振動的に緩やかに結合する機能を有する。つまり、一方
の共振子の振動が他方の共振子に減衰されて伝播しうる
性質を有するので、各共振子はそれぞれの固有振動数で
振動することができる。そのため、引張側の共振子の周
波数は低くなり、圧縮側の共振子の周波数は高くなる。
そこで、両共振子の周波数変化またはインピーダンス変
化を差動的に取り出せば、加速度を検出することができ
る。特に、２つの共振子の周波数変化またはインピーダ
ンス変化を個別に取り出すのではなく、その周波数差ま
たはインピーダンス差を差動的に検出するので、２つの
共振子に共通に加わる応力（例えば温度変化による応
力）は相殺され、温度変化などの影響を受けない高感度
の加速度センサを得ることができる。
子を中間層を介して接合したバイモルフ構造としてあ
る。中間層は、一方の共振子の曲げ応力が他方の共振子
に伝わるだけの硬さを有するので、加速度が加わった際
に生じる加速度検出素子の撓み変形から、一方の共振子
に引張応力が作用すれば、他方の共振子には圧縮応力が
作用することになる。また、中間層は、両方の共振子を
振動的に緩やかに結合する機能を有する。つまり、一方
の共振子の振動が他方の共振子に減衰されて伝播しうる
性質を有するので、各共振子はそれぞれの固有振動数で
振動することができる。そのため、引張側の共振子の周
波数は低くなり、圧縮側の共振子の周波数は高くなる。
そこで、両共振子の周波数変化またはインピーダンス変
化を差動的に取り出せば、加速度を検出することができ
る。特に、２つの共振子の周波数変化またはインピーダ
ンス変化を個別に取り出すのではなく、その周波数差ま
たはインピーダンス差を差動的に検出するので、２つの
共振子に共通に加わる応力（例えば温度変化による応
力）は相殺され、温度変化などの影響を受けない高感度
の加速度センサを得ることができる。
【０００９】請求項２のように、中間層を弾性接着剤層
で構成するのがよい。中間層は、曲げ応力を伝達し、共
振子の振動伝播を減衰させる機能を有するが、弾性接着
剤を使用することにより、この機能を簡単に実現でき
る。弾性接着剤層としては、例えばエポキシ系接着剤、
エポキシ−アクリル系接着剤、シリコーン系接着剤など
を使用できる。エポキシ系接着剤、エポキシ−アクリル
系接着剤の場合には、数μｍ〜１０数μｍ程度の厚みと
すればよい。また、シリコーン系接着剤の場合には、弾
性係数が小さいので、数μｍ程度の厚みとするのがよ
い。
で構成するのがよい。中間層は、曲げ応力を伝達し、共
振子の振動伝播を減衰させる機能を有するが、弾性接着
剤を使用することにより、この機能を簡単に実現でき
る。弾性接着剤層としては、例えばエポキシ系接着剤、
エポキシ−アクリル系接着剤、シリコーン系接着剤など
を使用できる。エポキシ系接着剤、エポキシ−アクリル
系接着剤の場合には、数μｍ〜１０数μｍ程度の厚みと
すればよい。また、シリコーン系接着剤の場合には、弾
性係数が小さいので、数μｍ程度の厚みとするのがよ
い。
【００１０】請求項３のように、第１，第２の共振子
を、その長さ方向中央部にエネルギーが閉じ込められる
振動モード素子とし、中間層の長さ方向中央部に、共振
子の閉じ込め振動の範囲より広くかつ加速度によって撓
む範囲より小さい空隙を形成するのがよい。共振子同士
を中間層を介して全面で対面接合してもよいが、この場
合には共振子の振動が中間層によって減衰するので、共
振子としての性能（ＱおよびＫ）が低下する。そこで、
中間層の長さ方向中央部に、共振子の閉じ込め振動の範
囲より広くかつ加速度によって撓む範囲より小さい空隙
を形成すれば、中間層として非弾性材料を使用しても、
振動の伝播を抑制することができ、しかも両方の共振子
の曲げ応力を伝わりやすくすることができる。
を、その長さ方向中央部にエネルギーが閉じ込められる
振動モード素子とし、中間層の長さ方向中央部に、共振
子の閉じ込め振動の範囲より広くかつ加速度によって撓
む範囲より小さい空隙を形成するのがよい。共振子同士
を中間層を介して全面で対面接合してもよいが、この場
合には共振子の振動が中間層によって減衰するので、共
振子としての性能（ＱおよびＫ）が低下する。そこで、
中間層の長さ方向中央部に、共振子の閉じ込め振動の範
囲より広くかつ加速度によって撓む範囲より小さい空隙
を形成すれば、中間層として非弾性材料を使用しても、
振動の伝播を抑制することができ、しかも両方の共振子
の曲げ応力を伝わりやすくすることができる。
【００１１】請求項４のように、加速度検出素子の長手
方向両端部をスペーサ層を介して対面接合し、第１と第
２のユニモルフ型加速度検出素子の加速度印加方向の外
側面をケース部材によって覆い、第１と第２のユニモル
フ型加速度検出素子とケース部材とで形成される開放面
をカバー部材によって覆い、第１と第２の共振子に形成
された電極を、ケース部材の表面に形成された内部電極
を介してカバー部材の表面に形成された外部電極に接続
するのが望ましい。この場合には、加速度検出素子の周
囲をケース部材およびカバー部材によって完全に包囲で
き、表面実装型部品を容易に構成できる利点がある。
方向両端部をスペーサ層を介して対面接合し、第１と第
２のユニモルフ型加速度検出素子の加速度印加方向の外
側面をケース部材によって覆い、第１と第２のユニモル
フ型加速度検出素子とケース部材とで形成される開放面
をカバー部材によって覆い、第１と第２の共振子に形成
された電極を、ケース部材の表面に形成された内部電極
を介してカバー部材の表面に形成された外部電極に接続
するのが望ましい。この場合には、加速度検出素子の周
囲をケース部材およびカバー部材によって完全に包囲で
き、表面実装型部品を容易に構成できる利点がある。
【００１２】第１の共振子と第２の共振子とから得られ
る信号を差動的に取り出し、加速度検出素子に作用する
加速度に比例した信号を得る方法としては、請求項５の
ように、第１と第２の共振子をそれぞれの周波数で発振
させ、各発振周波数差を検出し、この周波数差から加速
度に比例した信号を得る方法と、請求項６のように、第
１と第２の共振子を同一周波数で発振させ、各共振子の
電気的インピーダンスの違いから位相差または振幅差を
検知し、これら位相差または振幅差から加速度に比例し
た信号を得る方法とがある。いずれの方法を用いても、
加速度を高精度に検出することができる。
る信号を差動的に取り出し、加速度検出素子に作用する
加速度に比例した信号を得る方法としては、請求項５の
ように、第１と第２の共振子をそれぞれの周波数で発振
させ、各発振周波数差を検出し、この周波数差から加速
度に比例した信号を得る方法と、請求項６のように、第
１と第２の共振子を同一周波数で発振させ、各共振子の
電気的インピーダンスの違いから位相差または振幅差を
検知し、これら位相差または振幅差から加速度に比例し
た信号を得る方法とがある。いずれの方法を用いても、
加速度を高精度に検出することができる。
【００１３】
【発明の実施の形態】図１〜図５は本発明にかかる加速
度センサの第１実施例を示す。この加速度センサ１Ａ
は、バイモルフ型加速度検出素子２を絶縁性セラミック
等からなる絶縁ケース６，７内に両持ち梁構造で収納支
持したものである。この実施例の加速度検出素子２は、
短冊形状の圧電セラミック板の表裏両主面に電極３ａ，
３ｂおよび４ａ，４ｂを形成した共振子３，４を、中間
層５を間にして接合一体化したものである。この実施例
の共振子３，４は、共にエネルギー閉じ込め型厚みすべ
り振動モードの共振子であり、共振子３，４の長さ方向
に分極されている。表裏面の電極３ａ，３ｂおよび４
ａ，４ｂは、一端部が共振子３，４の中央部で対向し、
他端部が共振子３，４の異なる端部へ引き出されてい
る。
度センサの第１実施例を示す。この加速度センサ１Ａ
は、バイモルフ型加速度検出素子２を絶縁性セラミック
等からなる絶縁ケース６，７内に両持ち梁構造で収納支
持したものである。この実施例の加速度検出素子２は、
短冊形状の圧電セラミック板の表裏両主面に電極３ａ，
３ｂおよび４ａ，４ｂを形成した共振子３，４を、中間
層５を間にして接合一体化したものである。この実施例
の共振子３，４は、共にエネルギー閉じ込め型厚みすべ
り振動モードの共振子であり、共振子３，４の長さ方向
に分極されている。表裏面の電極３ａ，３ｂおよび４
ａ，４ｂは、一端部が共振子３，４の中央部で対向し、
他端部が共振子３，４の異なる端部へ引き出されてい
る。
【００１４】中間層５は、例えば弾性接着剤層で構成さ
れており、２つの共振子３，４を全面で対面接着してい
る。この中間層５は、一方の共振子の曲げ応力が他方の
共振子に伝わるだけの硬さを有し、かつ一方の共振子の
振動が他方の共振子に減衰されて伝播しうる弾性を有し
ている。この実施例では、共振子３，４は同一形状の圧
電セラミック板よりなるので、加速度検出素子２の加速
度Ｇの印加に伴う曲げ中性面（図５に破線Ｎで示す）が
中間層５に位置するように設定されている。
れており、２つの共振子３，４を全面で対面接着してい
る。この中間層５は、一方の共振子の曲げ応力が他方の
共振子に伝わるだけの硬さを有し、かつ一方の共振子の
振動が他方の共振子に減衰されて伝播しうる弾性を有し
ている。この実施例では、共振子３，４は同一形状の圧
電セラミック板よりなるので、加速度検出素子２の加速
度Ｇの印加に伴う曲げ中性面（図５に破線Ｎで示す）が
中間層５に位置するように設定されている。
【００１５】加速度検出素子２の加速度Ｇの印加方向の
外側面は、左右一対のケース部材６６によって覆われて
いる。ケース部材６はコ字形断面形状に形成されてお
り、その両端突出部６ａが加速度検出素子２の両端部外
側面（共振子３，４の外側面）に接着固定されている。
そのため、ケース部材６と加速度検出素子２との間に
は、ケース部材６の凹部６ｂによって、加速度Ｇに伴い
加速度検出素子２が撓み得る空間が形成されている。ま
た、加速度検出素子２とケース部材６とで形成される上
下の開放面が上下一対のカバー部材７，７によって覆わ
れている。カバー部材７の内面には、加速度検出素子２
との接触を防止するための空洞形成用凹部７ａが形成さ
れ、その外周部が開放面に接着固定されている。そのた
め、加速度検出素子２の加速度Ｇによる変位部分は、ケ
ース部材６およびカバー部材７によって完全に密閉され
ている。上記ケース部材６およびカバー部材７は共に絶
縁材料で形成されている。具体的には、セラミック板や
樹脂板を用いることができる。
外側面は、左右一対のケース部材６６によって覆われて
いる。ケース部材６はコ字形断面形状に形成されてお
り、その両端突出部６ａが加速度検出素子２の両端部外
側面（共振子３，４の外側面）に接着固定されている。
そのため、ケース部材６と加速度検出素子２との間に
は、ケース部材６の凹部６ｂによって、加速度Ｇに伴い
加速度検出素子２が撓み得る空間が形成されている。ま
た、加速度検出素子２とケース部材６とで形成される上
下の開放面が上下一対のカバー部材７，７によって覆わ
れている。カバー部材７の内面には、加速度検出素子２
との接触を防止するための空洞形成用凹部７ａが形成さ
れ、その外周部が開放面に接着固定されている。そのた
め、加速度検出素子２の加速度Ｇによる変位部分は、ケ
ース部材６およびカバー部材７によって完全に密閉され
ている。上記ケース部材６およびカバー部材７は共に絶
縁材料で形成されている。具体的には、セラミック板や
樹脂板を用いることができる。
【００１６】この実施例では、ケース部材６として断面
コ字形の部材を用いたが、ケース６と加速度検出素子２
との間に設けられる接着剤層の厚みによって撓み空間を
形成すれば、ケース部材６として平板状の部材を用いる
ことも可能である。特に、加速度Ｇによる検出素子２の
撓み量は微少であるから、接着剤層の厚みでも十分な空
間を形成できる。同様に、カバー部材７の内面に枠形に
設けられる接着剤層の厚みによって空洞を形成できるの
で、カバー部材７の内面の空洞形成用凹部７ａも省略可
能である。
コ字形の部材を用いたが、ケース６と加速度検出素子２
との間に設けられる接着剤層の厚みによって撓み空間を
形成すれば、ケース部材６として平板状の部材を用いる
ことも可能である。特に、加速度Ｇによる検出素子２の
撓み量は微少であるから、接着剤層の厚みでも十分な空
間を形成できる。同様に、カバー部材７の内面に枠形に
設けられる接着剤層の厚みによって空洞を形成できるの
で、カバー部材７の内面の空洞形成用凹部７ａも省略可
能である。
【００１７】共振子３，４に形成された電極３ａ，３ｂ
および４ａ，４ｂのうち、対向する電極３ａ，４ｂは、
加速度検出素子２とケース部材６とで形成される開放面
に設けられた帯状の内部電極６１によって互いに導通
し、かつケース部材６の外側面まで引き出されている。
また、電極３ｂは上側の開放面に形成された内部電極６
２によってケース部材６の外側面まで引き出され、電極
４ａは下側の開放面に形成された内部電極６３によって
ケース部材６の異なる外側面まで引き出されている。
および４ａ，４ｂのうち、対向する電極３ａ，４ｂは、
加速度検出素子２とケース部材６とで形成される開放面
に設けられた帯状の内部電極６１によって互いに導通
し、かつケース部材６の外側面まで引き出されている。
また、電極３ｂは上側の開放面に形成された内部電極６
２によってケース部材６の外側面まで引き出され、電極
４ａは下側の開放面に形成された内部電極６３によって
ケース部材６の異なる外側面まで引き出されている。
【００１８】ケース部材６およびカバー部材７の外表面
には、図１に示すように、外部電極７１，７２，７３が
形成されており、上記内部電極６１，６２，６３は、そ
れぞれ外部電極７１，７２，７３に接続されている。こ
れによって、表面実装型のチップ型加速度センサを得る
ことができる。
には、図１に示すように、外部電極７１，７２，７３が
形成されており、上記内部電極６１，６２，６３は、そ
れぞれ外部電極７１，７２，７３に接続されている。こ
れによって、表面実装型のチップ型加速度センサを得る
ことができる。
【００１９】なお、この実施例では、共振子３の一方の
電極３ａと共振子４の一方の電極４ｂとを内部電極６１
によって相互に接続し、共通電極としたが、４個の電極
３ａ３ｂおよび４ａ，４ｂをそれぞれ独立して外部電極
に引き出してもよい。この場合には、内部電極および外
部電極もそれぞれ４個設けられる。図４はこの加速度セ
ンサ１Ａを回路基板ＰＣＢの回路パターンＰａに実装し
た状態を示す。
電極３ａと共振子４の一方の電極４ｂとを内部電極６１
によって相互に接続し、共通電極としたが、４個の電極
３ａ３ｂおよび４ａ，４ｂをそれぞれ独立して外部電極
に引き出してもよい。この場合には、内部電極および外
部電極もそれぞれ４個設けられる。図４はこの加速度セ
ンサ１Ａを回路基板ＰＣＢの回路パターンＰａに実装し
た状態を示す。
【００２０】上記構成よりなる加速度センサ１Ａの製造
方法を図６に示す。まず、表裏面に電極３ａ，３ｂおよ
び４ａ，４ｂとなる電極パターンが形成された共振子
３，４用の２枚のセラミック親基板３Ｍ，４Ｍと、内面
側の所定位置ごとに所定幅の凹溝６ｂが形成されたケー
ス部材６用の一対の親ケース部材６Ｍとを準備し、上記
親基板３Ｍ，４Ｍ，６Ｍを接着剤などを介して一体に接
合する。こうして接合した接合体を上下方向に複数枚積
層してブロックＢ１（図６の（ａ）参照）を得る。この
ブロックＢ１を図６の（ａ）の切断線Ｓでカットし、複
数の個別ブロックＢ２を得る（図６の（ｂ）参照）。
方法を図６に示す。まず、表裏面に電極３ａ，３ｂおよ
び４ａ，４ｂとなる電極パターンが形成された共振子
３，４用の２枚のセラミック親基板３Ｍ，４Ｍと、内面
側の所定位置ごとに所定幅の凹溝６ｂが形成されたケー
ス部材６用の一対の親ケース部材６Ｍとを準備し、上記
親基板３Ｍ，４Ｍ，６Ｍを接着剤などを介して一体に接
合する。こうして接合した接合体を上下方向に複数枚積
層してブロックＢ１（図６の（ａ）参照）を得る。この
ブロックＢ１を図６の（ａ）の切断線Ｓでカットし、複
数の個別ブロックＢ２を得る（図６の（ｂ）参照）。
【００２１】カットされた個別ブロックＢ２を横倒しに
し、その上下面に、図６の（ｃ）のように、内面側に多
数の空洞形成用凹部７ａを有する親カバー部材７Ｍを接
合してブロックを得る。なお、親カバー部材７Ｍの外面
には、予め外部電極となる電極パターンが形成されてい
る。このブロックを縦横にカットしてセンサ素子を構成
し、カットされたセンサ素子に対して、側面および端面
の電極をスパッタなどによって形成することで、図１に
示す加速度センサ１Ａを得る。上記のように夫々の部材
を親基板で準備し、親基板の状態で積層接着することが
できるので、量産性が高く、均質で、安価な加速度セン
サ１Ａを得ることができる。
し、その上下面に、図６の（ｃ）のように、内面側に多
数の空洞形成用凹部７ａを有する親カバー部材７Ｍを接
合してブロックを得る。なお、親カバー部材７Ｍの外面
には、予め外部電極となる電極パターンが形成されてい
る。このブロックを縦横にカットしてセンサ素子を構成
し、カットされたセンサ素子に対して、側面および端面
の電極をスパッタなどによって形成することで、図１に
示す加速度センサ１Ａを得る。上記のように夫々の部材
を親基板で準備し、親基板の状態で積層接着することが
できるので、量産性が高く、均質で、安価な加速度セン
サ１Ａを得ることができる。
【００２２】図７は加速度センサの第２実施例を示す。
この加速度センサ１Ｂは、中間層を２個の部分５ａ，５
ｂに分割し、その間に共振子３，４の閉じ込め振動の範
囲より広くかつ加速度Ｇによって撓む範囲より小さい空
隙５ｃを形成したものである。
この加速度センサ１Ｂは、中間層を２個の部分５ａ，５
ｂに分割し、その間に共振子３，４の閉じ込め振動の範
囲より広くかつ加速度Ｇによって撓む範囲より小さい空
隙５ｃを形成したものである。
【００２３】第１実施例では、共振子３，４を中間層５
を介して全面で対面接着したので、共振子３，４の振動
がダンピングされやすく、共振子としての性能（Ｑ，
Ｋ）が低下しやすい。そのため、中間層５として適切な
硬度と適切な弾性とを有する材料を選択する必要があ
り、選択範囲が制限されていた。これに対し、第２実施
例では、振動空間５ｃが２個の中間層５ａ，５ｂの間に
形成されるので、中間層５として接着強度の高い接着剤
（例えばエポキシ系接着剤）を使用しても、共振子３，
４間の振動の伝播を抑制することができる。また、共振
子３，４がエネルギー閉じ込め型の厚みすべり振動を利
用しているので、振動空間５ｃを狭い範囲に限定するこ
とができ、加速度Ｇの印加に伴って２枚の共振子３，４
を一体に撓めることができる。つまり、一方の共振子を
引張側、他方の共振子を圧縮側にすることができる。な
お、共振子３，４およびケース部材６の上下の開放面に
は、図２と同様なカバー部材７（図示せず）が接着され
る。
を介して全面で対面接着したので、共振子３，４の振動
がダンピングされやすく、共振子としての性能（Ｑ，
Ｋ）が低下しやすい。そのため、中間層５として適切な
硬度と適切な弾性とを有する材料を選択する必要があ
り、選択範囲が制限されていた。これに対し、第２実施
例では、振動空間５ｃが２個の中間層５ａ，５ｂの間に
形成されるので、中間層５として接着強度の高い接着剤
（例えばエポキシ系接着剤）を使用しても、共振子３，
４間の振動の伝播を抑制することができる。また、共振
子３，４がエネルギー閉じ込め型の厚みすべり振動を利
用しているので、振動空間５ｃを狭い範囲に限定するこ
とができ、加速度Ｇの印加に伴って２枚の共振子３，４
を一体に撓めることができる。つまり、一方の共振子を
引張側、他方の共振子を圧縮側にすることができる。な
お、共振子３，４およびケース部材６の上下の開放面に
は、図２と同様なカバー部材７（図示せず）が接着され
る。
【００２４】図８は上記加速度センサ１Ａを用いた加速
度検出装置の一例を示す。この検出装置は共振子３，４
の独立発振を利用したものであり、加速度センサ１Ａの
外部電極７２と７１が発振回路８ａに接続され、外部電
極７３と７１が発振回路８ｂに接続されている。発振回
路８ａ，８ｂとしては、例えば公知のコルピッツ型発振
回路などを使用できる。共振子３，４を発振回路８ａ，
８ｂによってそれぞれ独自に発振させ、その発振周波数
ｆ1 ，ｆ2 が周波数差カウンタ８ｃに入力され、その周
波数差に比例した信号Ｖ0 を出力する。
度検出装置の一例を示す。この検出装置は共振子３，４
の独立発振を利用したものであり、加速度センサ１Ａの
外部電極７２と７１が発振回路８ａに接続され、外部電
極７３と７１が発振回路８ｂに接続されている。発振回
路８ａ，８ｂとしては、例えば公知のコルピッツ型発振
回路などを使用できる。共振子３，４を発振回路８ａ，
８ｂによってそれぞれ独自に発振させ、その発振周波数
ｆ1 ，ｆ2 が周波数差カウンタ８ｃに入力され、その周
波数差に比例した信号Ｖ0 を出力する。
【００２５】加速度センサ１Ａに加速度Ｇが印加されて
いない状態では、２個の共振子３，４は独立した共振子
として一定の周波数で発振している。これら共振子３，
４が全く同一構造であれば、同じ周波数で発振するの
で、周波数差カウンタ８ｃの出力信号Ｖ0 は零である。
一方、加速度センサ１Ａに加速度Ｇが加わると、検出素
子２には加速度の印加方向と逆方向の慣性力が作用し、
検出素子２の中央部分が加速度Ｇの印加方向と逆方向に
撓む。検出素子２の撓みに伴って発生する応力によっ
て、図５の例では、一方の共振子３には引張応力が作用
し、他方の共振子４には圧縮応力が作用する。厚みすべ
り振動モードを利用した共振子の場合、引張応力の共振
子３の発振周波数は低くなり、圧縮応力の共振子４の発
振周波数は高くなる。その周波数差を電極３ａ，３ｂお
よび４ａ，４ｂから内部電極６１，６２，６３を介して
外部電極７１，７２，７３へと取り出すことによって、
加速度Ｇに比例した信号Ｖ0 を得ることができる。な
お、信号Ｖ0 によって、加速度Ｇの大きさだけでなく、
加速度Ｇの方向も検出することができる。
いない状態では、２個の共振子３，４は独立した共振子
として一定の周波数で発振している。これら共振子３，
４が全く同一構造であれば、同じ周波数で発振するの
で、周波数差カウンタ８ｃの出力信号Ｖ0 は零である。
一方、加速度センサ１Ａに加速度Ｇが加わると、検出素
子２には加速度の印加方向と逆方向の慣性力が作用し、
検出素子２の中央部分が加速度Ｇの印加方向と逆方向に
撓む。検出素子２の撓みに伴って発生する応力によっ
て、図５の例では、一方の共振子３には引張応力が作用
し、他方の共振子４には圧縮応力が作用する。厚みすべ
り振動モードを利用した共振子の場合、引張応力の共振
子３の発振周波数は低くなり、圧縮応力の共振子４の発
振周波数は高くなる。その周波数差を電極３ａ，３ｂお
よび４ａ，４ｂから内部電極６１，６２，６３を介して
外部電極７１，７２，７３へと取り出すことによって、
加速度Ｇに比例した信号Ｖ0 を得ることができる。な
お、信号Ｖ0 によって、加速度Ｇの大きさだけでなく、
加速度Ｇの方向も検出することができる。
【００２６】加速度センサ１Ａを温度変化がある環境で
使用すると、共振子３，４、ケース部材６、カバー部材
７が熱膨張を起こす。共振子３，４とケース部材６、カ
バー部材７との熱膨張係数が異なる場合には、温度変化
によって共振子３，４に応力が発生する。その結果、加
速度以外の要因で周波数差に変化が生じることになる。
しかしながら、共振子３，４が互いに同一材料，同一形
状に形成されておれば、温度変化に伴う応力も同一に現
れる。そのため、周波数差カウンタ８ｃで２個の共振子
３，４の出力を差動的に取り出すことにより、各共振子
３，４が同一に受ける温度変化などによる出力信号の変
化を相殺することができる。したがって、加速度Ｇに対
してのみ感度を持つ加速度検出装置を得ることができ
る。
使用すると、共振子３，４、ケース部材６、カバー部材
７が熱膨張を起こす。共振子３，４とケース部材６、カ
バー部材７との熱膨張係数が異なる場合には、温度変化
によって共振子３，４に応力が発生する。その結果、加
速度以外の要因で周波数差に変化が生じることになる。
しかしながら、共振子３，４が互いに同一材料，同一形
状に形成されておれば、温度変化に伴う応力も同一に現
れる。そのため、周波数差カウンタ８ｃで２個の共振子
３，４の出力を差動的に取り出すことにより、各共振子
３，４が同一に受ける温度変化などによる出力信号の変
化を相殺することができる。したがって、加速度Ｇに対
してのみ感度を持つ加速度検出装置を得ることができ
る。
【００２７】図９は上記加速度センサ１Ａを用いた加速
度検出装置の他の例を示す。この検出装置は加速度検出
素子２の単一発振を利用したものである。加速度センサ
１Ａの外部電極７２と７３はインピーダンス差動検出回
路９ａに接続され、共通電極である外部電極７１は発振
回路９ｂに接続されている。なお、９ｃ，９ｄはマッチ
ング用抵抗である。この場合には、両方の共振子３，４
を発振回路９ｂによって同一の周波数で発振させ、それ
ぞれの共振子３，４の電気的インピーダンスの違いか
ら、位相差または振幅差を検知し、加速度Ｇに比例した
出力Ｖ0 をインピーダンス差動検出回路９ａから取り出
すものである。同一周波数で発振させるには、どちらか
一方の共振子の出力、または両方の共振子の合算された
出力をフィードバックして発振回路９ｂを構成すればよ
い。この場合も、図８の例と同様に、加速度Ｇに比例し
た信号を取り出すことができるとともに、温度変化等に
よる出力変化を相殺できるので、加速度Ｇに対してのみ
感度を持つ加速度検出装置を得ることができる。
度検出装置の他の例を示す。この検出装置は加速度検出
素子２の単一発振を利用したものである。加速度センサ
１Ａの外部電極７２と７３はインピーダンス差動検出回
路９ａに接続され、共通電極である外部電極７１は発振
回路９ｂに接続されている。なお、９ｃ，９ｄはマッチ
ング用抵抗である。この場合には、両方の共振子３，４
を発振回路９ｂによって同一の周波数で発振させ、それ
ぞれの共振子３，４の電気的インピーダンスの違いか
ら、位相差または振幅差を検知し、加速度Ｇに比例した
出力Ｖ0 をインピーダンス差動検出回路９ａから取り出
すものである。同一周波数で発振させるには、どちらか
一方の共振子の出力、または両方の共振子の合算された
出力をフィードバックして発振回路９ｂを構成すればよ
い。この場合も、図８の例と同様に、加速度Ｇに比例し
た信号を取り出すことができるとともに、温度変化等に
よる出力変化を相殺できるので、加速度Ｇに対してのみ
感度を持つ加速度検出装置を得ることができる。
【００２８】図８および図９の加速度検出装置では、加
速度センサとして第１実施例の加速度センサ１Ａを用い
たが、図７に示す加速度センサ１Ｂでも同様に使用でき
る。上記実施例の加速度センサ１Ａ，１Ｂは、いずれも
検出素子の両端部がケース部材によって固定支持された
両持ち梁構造のものを示したが、一端部のみがケース部
材によって固定支持されたもの、つまり片持ち梁構造と
してもよい。この場合には、加速度の印加に伴う自由端
の変位量が大きいので、大きな周波数変化またはインピ
ーダンス変化を得ることが可能である。また、第１，第
２実施例の加速度センサ１Ａ，１Ｂでは、共振子３，４
として厚みすべり振動モードの共振子を用いたが、これ
に限るものではなく、他の振動モード（例えば厚み縦振
動モード、長さ振動モード、面積屈曲モードなど）の共
振子でも使用可能である。
速度センサとして第１実施例の加速度センサ１Ａを用い
たが、図７に示す加速度センサ１Ｂでも同様に使用でき
る。上記実施例の加速度センサ１Ａ，１Ｂは、いずれも
検出素子の両端部がケース部材によって固定支持された
両持ち梁構造のものを示したが、一端部のみがケース部
材によって固定支持されたもの、つまり片持ち梁構造と
してもよい。この場合には、加速度の印加に伴う自由端
の変位量が大きいので、大きな周波数変化またはインピ
ーダンス変化を得ることが可能である。また、第１，第
２実施例の加速度センサ１Ａ，１Ｂでは、共振子３，４
として厚みすべり振動モードの共振子を用いたが、これ
に限るものではなく、他の振動モード（例えば厚み縦振
動モード、長さ振動モード、面積屈曲モードなど）の共
振子でも使用可能である。
【００２９】
【発明の効果】以上の説明で明らかなように、請求項１
に記載の発明によれば、２個の共振子を中間層を間にし
て接合したバイモルフ構造の加速度検出素子を用いたの
で、加速度が加わった際に生じる加速度検出素子の撓み
変形から、一方の共振子に圧縮応力を、他方の共振子に
引張応力を効率的に発生させることができる。したがっ
て、両方の共振子の周波数変化またはインピーダンス変
化を差動的に取り出すことによって、加速度に比例した
信号を得ることができ、検出感度のよい加速度センサを
実現できる。また、周波数変化またはインピーダンス変
化を用いて加速度を検出するので、ＤＣや低周波の加速
度でも検出可能である。さらに、温度変化などによる応
力は両方の共振子に共通に加わるので、両方の共振子の
出力を差動的に取り出すことにより、加速度以外の要因
による応力を相殺でき、加速度にのみ感度を持つ加速度
センサを得ることができる。また、加速度検出素子が簡
単な構造であり、電極の引出も容易であるため、小型に
構成できるとともに、表面実装型部品（チップ部品）に
も容易に構成できる。
に記載の発明によれば、２個の共振子を中間層を間にし
て接合したバイモルフ構造の加速度検出素子を用いたの
で、加速度が加わった際に生じる加速度検出素子の撓み
変形から、一方の共振子に圧縮応力を、他方の共振子に
引張応力を効率的に発生させることができる。したがっ
て、両方の共振子の周波数変化またはインピーダンス変
化を差動的に取り出すことによって、加速度に比例した
信号を得ることができ、検出感度のよい加速度センサを
実現できる。また、周波数変化またはインピーダンス変
化を用いて加速度を検出するので、ＤＣや低周波の加速
度でも検出可能である。さらに、温度変化などによる応
力は両方の共振子に共通に加わるので、両方の共振子の
出力を差動的に取り出すことにより、加速度以外の要因
による応力を相殺でき、加速度にのみ感度を持つ加速度
センサを得ることができる。また、加速度検出素子が簡
単な構造であり、電極の引出も容易であるため、小型に
構成できるとともに、表面実装型部品（チップ部品）に
も容易に構成できる。
【図１】本発明にかかる加速度センサの第１実施例の全
体斜視図である。
体斜視図である。
【図２】図１に示した加速度センサの分解斜視図であ
る。
る。
【図３】図１に示した加速度センサのカバー部材を除い
た分解斜視図である。
た分解斜視図である。
【図４】図１に示した加速度センサを回路基板に実装し
た状態の側面図である。
た状態の側面図である。
【図５】図４のＶ−Ｖ線断面図である。
【図６】図１に示した加速度センサの製造方法の一例の
工程図である。
工程図である。
【図７】本発明にかかる加速度センサの第２実施例のＶ
−Ｖ線断面図である。
−Ｖ線断面図である。
【図８】本発明にかかる加速度センサを用いた加速度検
出装置の一例の回路図である。
出装置の一例の回路図である。
【図９】本発明にかかる加速度センサを用いた加速度検
出装置の他の例の回路図である。
出装置の他の例の回路図である。
１Ａ，１Ｂ 加速度センサ ２ 加速度検出素子 ３，４ 共振子 ３ａ，３ｂ，４ａ，４ｂ 電極 ５ 中間層 ６ ケース部材 ７ カバー部材 ６１〜６３ 内部電極 ７１〜７３ 外部電極
Claims (6)
- 【請求項１】両主面に電極が形成された圧電体よりなる
第１と第２の共振子を中間層を介して接合してバイモル
フ型加速度検出素子を構成し、上記中間層は、一方の共
振子の曲げ応力が他方の共振子に伝わるだけの硬さを有
し、かつ一方の共振子の振動が他方の共振子に減衰され
て伝播しうるものであり、上記加速度検出素子を、加速
度の印加に伴って第１と第２の共振子が同一方向に撓む
ように、長手方向の一端部または両端部を固定支持し、
上記加速度検出素子の撓みによって生じる第１と第２の
共振子の周波数変化またはインピーダンス変化を差動的
に検出することにより、加速度を検出可能としたことを
特徴とする加速度センサ。 - 【請求項２】上記中間層は、弾性接着剤層で構成されて
いることを特徴とする請求項１に記載の加速度センサ。 - 【請求項３】上記第１，第２の共振子は、その長さ方向
中央部にエネルギーが閉じ込められる振動モード素子で
あり、上記中間層の長さ方向中央部には、共振子の閉じ
込め振動の範囲より広くかつ加速度によって撓む範囲よ
り小さい空隙が形成されていることを特徴とする請求項
１または２に記載の加速度センサ。 - 【請求項４】上記加速度検出素子の加速度印加方向の外
側面が、ケース部材によって覆われ、かつ上記加速度検
出素子とケース部材とで形成される開放面がカバー部材
によって覆われ、第１と第２の共振子に形成された電極
は、ケース部材の表面に形成された内部電極を介してカ
バー部材の表面に形成された外部電極に接続されている
ことを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の
加速度センサ。 - 【請求項５】上記第１と第２の共振子をそれぞれの周波
数で発振させ、各発振周波数差を検出し、この周波数差
から加速度に比例した信号を得ることを特徴とする請求
項１ないし４のいずれかに記載の加速度センサ。 - 【請求項６】上記第１と第２の共振子を同一周波数で発
振させ、各共振子の電気的インピーダンスの違いから位
相差または振幅差を検知し、これら位相差または振幅差
から加速度に比例した信号を得ることを特徴とする請求
項１ないし４のいずれかに記載の加速度センサ。
Priority Applications (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2000298008A JP4020578B2 (ja) | 2000-09-29 | 2000-09-29 | 加速度センサ |
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2000298008A JP4020578B2 (ja) | 2000-09-29 | 2000-09-29 | 加速度センサ |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
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| JP4020578B2 JP4020578B2 (ja) | 2007-12-12 |
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| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
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| DE (1) | DE10147997B4 (ja) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
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