JP2003248015A - 加速度センサ - Google Patents

加速度センサ

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JP2003248015A
JP2003248015A JP2002048677A JP2002048677A JP2003248015A JP 2003248015 A JP2003248015 A JP 2003248015A JP 2002048677 A JP2002048677 A JP 2002048677A JP 2002048677 A JP2002048677 A JP 2002048677A JP 2003248015 A JP2003248015 A JP 2003248015A
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acceleration
acceleration sensor
vibrator
weight
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Hiroshi Tanaka
浩 田中
Masaki Yanai
雅紀 谷内
Takashi Kato
隆志 加藤
Hiroshi Ishikawa
寛 石川
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Fujitsu Media Devices Ltd
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    • G01PMEASURING LINEAR OR ANGULAR SPEED, ACCELERATION, DECELERATION, OR SHOCK; INDICATING PRESENCE, ABSENCE, OR DIRECTION, OF MOVEMENT
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 簡単な構成で角加速度や並進加速度などの異
なる加速度を容易に検知できるセンサを提供する。 【解決手段】 加速度センサは錘(12)と、その重心
位置で該錘を支持するように設けられた振動子(10)
とを有する。錘が加速度を受けると、加速度に対応した
応力が振動子に発生する。振動子は錘の重心位置を支持
するように設けられているので、角加速度や並進加速度
などの加速度と発生する電荷の大きさや極性には特有の
関係が成立する。この関係を利用して、異なる加速度を
容易に検知することができる。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、物体に加わる衝撃
および加速度を検出するために用いられる圧電型の加速
度センサに関する。特に、本発明は加速度により生ずる
慣性力により発生する特徴量を検出する加速度センサに
関する。
【0002】近年ハードディスクドライブ(HDD)の
高記録密度化が進み、それに伴う読み込み・書き込み動
作を行うヘッドの位置決めの精密制御が求められてい
る。例えばパーソナルコンピュータ内の他の電子機器
(DVD、CD−ROM等)からの外部振動によりHD
D筐体自身が回転振動をした時において、その位置決め
制御を維持するため、回転振動を検知して所定の処理を
行う必要がある。その回転振動の検知に対して加速度セ
ンサが使用されており、二個の加速度センサを使用し互
いの出力差により回転振動を検知している。
【0003】加速度センサが搭載される機器の小型化・
高性能化に伴ってセンサの小型化・高性能化が要求され
る。
【0004】
【従来の技術】従来、圧電型の加速度センサとしては、
特開平6−273439号公報に見られる圧電セラミッ
クスのたわみを利用し加速度を検出するもの等提案され
ている。また、特開平7−140164には、2枚の圧
電単結晶のたわみを利用し並進加速度と角加速度を同時
に検出するものが提案されている。また、特開2000
−171480号公報には圧電単結晶のたわみと出力の
符号の差異により並進加速度と角加速度を分離して検出
するものが提案されている。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
圧電セラミックスを利用する加速度センサでは二つのセ
ンサを使用することから、各々の感度ばらつきに加え二
つのセンサの搭載基板への実装精度が、位置決め制御を
劣化させる要因になっている。また、圧電単結晶を利用
したセンサは角加速度と並進加速度を分離できないこと
に加え、2枚の圧電素子を利用することから小型化が難
しい。圧電単結晶のたわみと出力の符号の差異を利用す
るものは、二枚の圧電体を張り合わせ、かつ、圧電体を
支持体に張り合わせることから、工程が複雑になり低コ
スト化が難しい。
【0006】本発明は、これらの問題を解決し、簡単な
構成で角加速度や並進加速度などの異なる加速度を容易
に検知できるセンサを提供することを目的とする。
【0007】
【課題を解決するための手段】上記課題を解決する本発
明は、請求項1に記載のように、錘と、その重心位置で
該錘を支持するように設けられた振動子とを有すること
を特徴とする加速度センサである。錘が加速度を受ける
と、加速度に対応した応力が振動子に発生する。振動子
は錘の重心位置を支持するように設けられているので、
角加速度や並進加速度などの加速度と発生する電荷の大
きさや極性には特有の関係が成立する。この関係を利用
して、異なる加速度を容易に検知することができる。
【0008】請求項1に記載の前記加速度センサにおい
て、例えば請求項2に記載のように、前記振動子の一面
に設けられ、該一面を二分割するように配置された二つ
の検出電極を含む。振動子を二分割する構成の一例であ
って、加速度を受けて振動子に発生した電荷を上記構成
の二つの検出電極で取り出すことで、角加速度と並進加
速度を検出することができる。
【0009】請求項1に記載の前記加速度センサにおい
て、例えば請求項3に記載のように、前記振動子の一面
に設けられ、該一面を前記錘の長手方向に二分割するよ
うに配置された二つの検出電極を含む。振動子を二分割
する構成の一例であって、加速度を受けて振動子に発生
した電荷を上記構成の二つの検出電極で取り出すこと
で、角加速度と並進加速度を検出することができる。
【0010】請求項1に記載の前記加速度センサにおい
て、例えば請求項4に記載のように、前記振動子の一面
に設けられ、該一面を前記錘の長手方向に二分割するよ
うに配置された二つの検出電極を有し、前記振動子は該
二つの検出電極の間に形成された溝を有する。振動子を
二分割する構成の一例であって、加速度を受けて振動子
に発生した電荷を上記構成の二つの検出電極で取り出す
ことで、角加速度と並進加速度を検出することができ
る。
【0011】請求項1から4のいずれか一項記載の加速
度センサにおいて、例えば請求項5に記載のように、前
記振動子は、前記錘の長手方向に直交する方向に分極軸
を有する。また、請求項1から4のいずれか一項記載の
加速度センサにおいて、例えば請求項6に記載のよう
に、前記振動子は前記錘の長手方向に分極軸を有する。
分極軸の方向をこのように設定することによって、加速
度とこれに対応して発生する電荷(電位)との関係を特
定する。
【0012】請求項1に記載の加速度センサにおいて、
例えば請求項7に記載のように、前記振動子は圧電セラ
ミックスで形成され、該圧電セラミックスは前記錘の長
手方向の圧電定数がゼロとなり且つ厚み方向の圧電定数
がゼロとなるカット角を有する。この圧電定数の一例は
後述する長手方向d16,厚み方向d11である。これ
によって、加速度とこれに対応して発生する電荷(電
位)とが特有の関係を持つことになり(例えば、後述す
る図5や図6に示す関係)、検出すべき方向や検出すべ
き加速度の種類を特定できるようになる。
【0013】請求項1に記載の加速度センサにおいて、
例えば請求項8に記載のように、前記振動子は圧電セラ
ミックスで形成され、該圧電セラミックスは前記錘の長
手方向に直交する方向の圧電定数がゼロとなり且つ厚み
方向の圧電定数がゼロとなるカット角を有する。この定
数の一例は後述する長手方向d15,厚み方向d11で
ある。これによって、加速度とこれに対応して発生する
電荷(電位)とが特有の関係を持つことになり(例え
ば、後述する図10や図11に示す関係)、検出すべき
方向や検出すべき加速度の種類を特定できるようにな
る。
【0014】請求項1に記載の加速度センサにおいて、
例えば請求項9に記載のように、前記振動子は圧電単結
晶で形成され、該圧電単結晶は前記錘の長手方向の圧電
定数がゼロとなり且つ厚み方向の圧電定数がゼロとなる
カット角を有する。この定数の一例は後述する長手方向
d16,厚み方向d11である。これによって、加速度
とこれに対応して発生する電荷(電位)とが特有の関係
を持つことになり(例えば、後述する図15や図16に
示す関係)、検出すべき方向や検出すべき加速度の種類
を特定できるようになる。
【0015】請求項1に記載の加速度センサにおいて、
例えば請求項10に記載のように、前記振動子は圧電単
結晶で形成され、該圧電単結晶は前記錘の長手方向に直
交する方向の圧電定数がゼロとなり且つ厚み方向の圧電
定数がゼロとなるカット角を有する。この定数の一例は
後述する長手方向d15,厚み方向d11である。これ
によって、加速度とこれに対応して発生する電荷(電
位)とが特有の関係を持つことになり(例えば、後述す
る図15や図16に示す関係)、検出すべき方向や検出
すべき加速度の種類を特定できるようになる。
【0016】請求項1に記載の加速度センサにおいて、
例えば請求項11に記載のように、更に、前記振動子の
一面を錘の長手方向に二分割した各領域で発生した出力
を加算する回路を有する。この加算処理により、特定の
軸に関し、特定の加速度を検出することができる。
【0017】請求項1に記載の加速度センサにおいて、
例えば請求項12に記載のように、更に前記振動子の一
面を錘の長手方向に二分割した各領域で発生した出力の
差分を出力する回路を有する。この差分処理により、特
定の軸に関し、特定の加速度を検出することができる。
【0018】請求項1に記載の加速度センサにおいて、
例えば請求項13に記載のように、更に前記振動子の一
面を錘の長手方向に二分割した各領域で発生した出力を
加算する第一の回路と、該出力の差分を出力する第二の
回路とを有する。これにより、特定の軸に関し、複数の
異なる加速度を同時に検出できる。
【0019】請求項1記載の加速度センサにおいて、例
えば請求項14に記載のように、更に前記振動子の一面
を錘の長手方向に二分割した各領域で発生した出力を処
理して角加速度と並進加速度にそれぞれ対応した複数の
検出信号を出力する回路を有する。これにより、特定の
軸に関し、角加速度及び並進加速度を同時に検出するこ
とができる。
【0020】請求項1から14のいずれか一項記載の加
速度センサにおいて、例えば請求項15に記載のよう
に、更に前記錘に設けられた位置決め機構を有し、該位
置決め機構は前記振動子を収容する空間を形成する。こ
れにより、位置決めが容易になり、感度のばらつきを抑
えることができる。
【0021】請求項1から15のいずれか一項記載の加
速度センサにおいて、例えば請求項16に記載のよう
に、更に前記振動子を支持する基板を有する。本請求項
の加速度センサは基板を具備する構成である。
【0022】
【発明の実施の形態】(第一実施形態)本発明の第一実
施形態を図1に示す。図1(A)は、本発明の第一実施形
態による加速度センサの構造を表す斜視図である。加速
度センサは、振動子10と錘12とを有する。図1にお
いて、錘12の厚み方向をX軸、長手方向をY軸、幅方
向をZ軸と定義する。また、振動子10について言え
ば、振動子10の厚み方向がX軸、長さ(又は幅)方向
がY軸、幅(又は長さ)方向がZ軸である。
【0023】錘12は矩形の板状部材で形成されてい
る。錘12は例えば、比較的密度が高い金属やアルミナ
や鉛ガラスなどの絶縁材料で形成される。単一の物質で
形成されてもよく、また複数の異なる物質で形成されて
もよい。後者の場合には、例えば複数の異なる物質が積
層された構成である。
【0024】錘12の重心位置に振動子10が配置され
ている。錘12は均一の密度を持っている場合、重心位
置は錘12の中心である。この中心に振動子10の中心
が一致するように振動子10が配置されている。また、
錘12の長手方向の中心線(Y軸方向に錘12を二分割
する位置)に、振動子10の中心線が一致しているとも
言える。振動子10から見れば、振動子10は錘12の
重心位置で錘12を支持している。振動子10は圧電セ
ラミックスである。図1(b)に示すように、振動子1
0はZ軸方向に分極されている。本実施形態において
は、Z軸方向を圧電セラミックス結晶板の切り出し角
(カット角)θがゼロ度(θ=0°)と定義する。振動
子10は例えば、電気機械結合係数の比較的高いPZT
系圧電セラミックスで形成されている。圧電セラミック
スの分極は、圧電セラミックス結晶板の両端面間に高電
圧を印加することで与えられる。図1(A)の例では、
錘12のZ軸方向の長さと振動子10のZ軸方向の長さ
とは略一致しているが、異なっていても良い。例えば、
振動子10のZ軸方向の長さは、錘12のZ軸方向の長
さよりも短い。なお、本実施形態のθ=0°については
後で詳しく説明する。
【0025】また、振動子10は滑り振動子であって、
Y軸方向に二分割されている。振動子10がY軸方向に
二分割されている例を図2(A)と(B)に示す。図2
(A)、(B)はそれぞれ、図1のII−II線縦断面
図である。図2(A)に示すように、直方体状の振動子
10の一面に電極14と16が形成されている。電極1
4と16は、振動子10の一面に設けられ、この面をY
軸方向に等しく二分割するように配置されている。電極
14と16は同じ大きさで、分割溝22を挟んでY軸方
向に隣接している。分割溝22は、Z軸方向に延びてい
る。電極14と16は検出電極として作用する。振動子
10の対向する面には電極20が形成されている。電極
20はグランド電極として作用する。検出電極14とグ
ランド電極20との間、及び検出電極16とグランド電
極20との間に加速度に応じた電圧が発生する。このよ
うに、図2(A)の構成では、検出電極14と16をY
軸方向に二分割することで、振動子10をY軸方向に二
分割している。分極方向との関係で言えば、振動子10
は分極方向に平行な方向に二分割されている。また、錘
12との関係で言えば、振動子10は錘12の長手方向
に二分割されているとも言える。
【0026】図2(B)の振動子は、検出電極14と1
6を二分割する溝に連続する分割溝24が振動子10の
表面に形成されている。振動子10の分割溝24はZ軸
方向に延びており、加速度に対する感度を向上させる作
用を持つ。分割溝24の幅や深さを変えることで感度が
変化する。
【0027】なお、検出電極14と16は例えば、異な
る金属の多層構成である。一例として、2層構成の電極
層はNiやNiCrを下地層とし、その上にAuを形成
したものである。これらの電極層は、スパッタ、焼き付
け、蒸着、電解メッキ、無電解メッキなどの公知の方法
で形成できる。電極層を形成した後、エッチングやレー
ザトリミングなどで電極層をパターニングして検出電極
14、16を形成する。このときに前述した分割溝22
が形成される。そして、ダイシングにより振動子10と
して、セラミックス結晶片に分離される。
【0028】上記構成の振動子10は例えば、エポキシ
系の樹脂接着剤を用いて錘12の重心位置に取り付けら
れる。この場合、検出電極14、16が錘12に接する
ように取り付けてもよく、逆にグランド電極20が錘1
2に接するように取り付けても良い。検出電極14、1
6及びグランド電極20の引き出し電極は、公知の方法
を用いて形成できる。例えば、錘12が絶縁物質で形成
されている場合には、錘12の表面に導電パターンを設
け、これに検出電極14、16又はグランド電極20が
接続される。この場合、接着剤は異方性導電接着剤を用
いる。錘12が金属の場合には、等方性の導電性接着剤
を用いてグランド電極20を錘12に取り付ける。ま
た、フレキシブルプリント配線基板を用いることもでき
る。例えば、検出電極14と16が錘12に対向するよ
うに振動子10を取り付ける場合には、対応する配線パ
ターンを有する配線基板を振動子10と錘12との間に
介在させ、異方性導電接着剤で接続する。
【0029】上記第一実施形態の加速度センサは、構造
が簡単であるにもかかわらず、一つのセンサで角加速度
(回転加速度)と並進加速度の両方を検出することがで
きる。
【0030】ここで、圧電セラミックスの圧電定数のい
くつかを図3及び図4に示す。図3及び図4に図示され
ている圧電定数はd11、d15及びd16である。図
4(A)に示す振動子は前述した図2(A)の構成を持
つ振動子10に相当し、図4(B)に示す振動子は前述
した図2(B)の構成を持つ振動子10に相当する。
【0031】本発明の第一実施形態では、圧電セラミッ
クスのカット角θは0°(θ=0°)である。θ=0°
の時、Y軸方向、つまり錘12の長手方向の定数d16
はゼロである。且つ、X軸方向、つまり錘12の厚み方
向の定数d11はゼロである。このように、θ=0°に
選択することで、以下の特性を持つ加速度センサが実現
できる。
【0032】面内の回転振動が加速度センサに印加さ
れ、かつ、加速度センサの回転中心に加速度センサを配
置した場合、図5(A)に示すように、二分割構成の振
動子10に矢印で示す応力が発生し、この結果振動子1
0には(具体的には、振動子10の二分割された部分に
はそれぞれ)振幅の値が同一で逆位相の電位(電荷)が
発生する。
【0033】面内振動の回転振動が加速度センサに印加
され、かつ、回転中心以外に加速度センサを配置した場
合、図5(B)に示すように、二分割構成の振動子10
に矢印で示す応力が発生し、この結果振動子10には振
幅の値が異なる同位相の電位が発生する。
【0034】面垂直方向の回転振動が加わった場合、図
6(A)に示すように、振動子10の厚み方向(X軸方
向)の圧電定数d11がゼロなので(図3参照)、二分
割構成の振動子10には電位が発生しない。
【0035】Z軸方向へ並進加速度が印加された場合、
図6(B)に示すように、二分割構成の振動子10に矢
印で示す応力が発生し、この結果振動子10には振幅の
値が同一の同位相の電位が発生する。
【0036】X軸、Y軸方向の並進加速度が印加された
場合、図6(C)に示すように、分極軸と直交する成分
d16と厚み方向の成分d11はゼロなので(図3参
照)、二分割構成の振動子10には電位が発生しない。
【0037】上記構成の加速度センサは、図7(A)、
(B)及び(C)にそれぞれ示す検出回路に接続される
(以下、単に回路Aという)。図7(A)に示す回路A
は、振動子10に発生する二つの電位を差動回路(減算
回路)26で差動検出する。差動出力信号が出力端子2
7を介して出力される。図7(B)に示す回路Bは、振
動子10に発生する二つの電位を加算回路28で加算検
出する。加算出力信号が出力端子29を介して出力され
る。図7(C)に示す回路Cは、回路AとBの組み合わ
せである。参照番号30と32は増幅器である。これら
の増幅器を差動回路26や加算回路28の後段に設けて
もよい。
【0038】第一実施形態の加速度センサを、図5
(A)に示すように回転中心に配置した場合の加速度検
出について述べる。この場合の検出可能な加速度と回路
A〜Cとの関係を図8(A)に示す。回路Aを使用した
場合、面内の角加速度(X軸まわり)に対しては二つの
電位が逆位相であるので、面内角加速度を検出可能であ
る。Z軸方向への並進加速度に対しては二つの電位が同
一振幅で同位相であるので、差動検出で相殺してゼロと
なる。他の軸の加速度に対してはd定数がゼロである。
また、回路Bを使用した場合、面内の角加速度(X軸ま
わり)に対しては二つの電荷(又は電位)が同一振幅で
逆位相であるため、加算検出で相殺してゼロになる。Z
軸方向への並進加速度に対しては二つの電位が同一振幅
で同位相であるので、加算検出でZ軸の並進加速度を検
出可能である。他の軸の加速度に対してはd定数がゼロ
である。また、回路Cの構成は振動子10の一面を錘の
長手方向に二分割した各領域で発生した出力を処理し
て、角加速度と並進加速度にそれぞれ対応した複数の検
出信号を出力する回路である。回路Cにより、面内角加
速度(X軸まわり)とZ軸方向への並進加速度を分離し
て両方を検出することができる。以上より、回転中心に
センサを配置した場合、回路A〜Cの構成により、面内
角加速度のみを検出、もしくはZ軸方向の並進加速度の
みを検出、又は角加速度(X軸まわり)とZ軸方向の並
進加速度を同時に分離して検出する加速度センサを実現
できる。
【0039】第一実施形態の加速度センサを、図5
(B)に示すように回転中心以外に配置した場合につい
て述べる。この場合の検出可能な加速度と回路A〜Cと
の関係を図8(B)に示す。回路Aを使用した場合、面
内の角加速度(X軸まわり)に対しては二つの電位の振
幅が異なり同位相であるので、面内角加速度を検出可能
である。Z軸方向への並進加速度に対しては二つの電位
が同一振幅で同位相であるので、差動検出で相殺してゼ
ロとなる。他の軸の加速度に対してはd定数がゼロであ
る。また、回路Bを使用した場合、面内の角加速度(X
軸まわり)に対しては異なる振幅で同位相であるため、
加算検出で検出可能である。Z軸方向への並進加速度に
対しては二つの電位が同一振幅で同位相であるので、加
算検出でZ軸の並進加速度を検出可能である。他の軸の
加速度に対してはd定数がゼロである。また、回路Cの
構成では面内角加速度(X軸まわり)とZ軸方向への並
進加速度を同時に検出可能となる。以上より、回転中心
以外にセンサを配置した場合、回路A〜Cの構成によ
り、面内角加速度のみを検出、もしくは面内角加速度と
Z軸方向の並進加速度を同時に検出する加速度センサを
実現できる。
【0040】以上説明したように、第一実施形態による
加速度センサによれば、角加速度と回転加速度を分離し
て検出、もしくは同時に検出することが可能となる。
【0041】なお、検出電極を二分割して振動子10に
発生した二つの電荷(分割溝22(24)の両側にそれ
ぞれ発生する電荷)を検出するものであるが、二つの電
荷を検出できる電極構成であれば、電極の分割数やパタ
ーン形状などは任意である。例えば、振動子10の一面
を4分割し、分極方向に隣り合う電極同士を接続して実
質的に二つの検出電極を形成した場合も、上記と同様の
作用及び効果を奏する。この点は、以下の各実施形態に
ついても同様である。
【0042】なお、θ=0°の条件は厳密にカット角θ
がゼロであることを要求しているのではなく、加速度セ
ンサの製造時の誤差などでθ=0°とならない場合も含
むものである。更に言えば、このカット角は図8の動作
が得られる範囲内であって、かつ、所望の加速度検出精
度を満足する範囲内おいて、0°近傍の値であってもよ
い。
【0043】(第二実施形態)本発明の第二実施形態に
よる加速度センサを図9に示す。なお、図中、前述した
構成要素と同一のものには同一の参照番号を付してあ
る。X軸、Y軸及びZ軸は図1と同様である。第二実施
形態の振動子40は前述した振動子10と異なり、図9
(B)の矢印で示すようにY軸方向に分極されている。
言い換えると、振動子40の分極方向は錘12の長手方
向に一致する。振動子40は錘12の重心位置に配置さ
れ、図2(A)、(B)に示すように二分割されてい
る。振動子40を形成する圧電セラミックスのカット角
θは90°である(θ=90°)。図3から分かるよう
に、θ=90°の時、Z軸方向、つまり錘12の長手方
向に垂直な方向(短手方向)の定数d15はゼロであ
る。
【0044】圧電セラミックスのカット角をθ=90°
に選択することで、以下の特性を持つ加速度センサが実
現できる。
【0045】面内の回転振動が加速度センサに印加さ
れ、かつ、回転中心に加速度センサを配置した場合、図
10(A)に示すように、二分割構成の振動子40には
振幅の値が同一の逆位相の電位が発生する。
【0046】面内振動の回転振動が加速度センサに印加
され、かつ、回転中心以外に加速度センサを配置した場
合、図10(B)に示すように、振動子40には振幅の
値が異なる同位相の電位が発生する。
【0047】面垂直方向の回転振動が加わった場合、図
11(A)に示すように、厚み方向の圧電定数d11が
ゼロなので、振動子40には電位が発生しない。
【0048】Y軸方向へ並進加速度が印加された場合、
図11(B)に示すように、振動子40には振幅の値が
同一の同位相の電位が発生する。
【0049】X軸、Z軸方向の並進加速度が印加された
場合、図11(C)に示すように、分極軸と直交する成
分d15と厚み方向の成分d11はゼロなので、振動子
40には電位が発生しない。
【0050】上記構成の加速度センサは図7(A)、
(B)及び(C)の検出回路に接続される。
【0051】第二実施形態による加速度センサを回転中
心に配置した場合について述べる。この場合の検出可能
な加速度と回路A〜Cとの関係を図12(A)に示す。
図7(A)回路Aを使用した場合、面内の角加速度(X
軸まわり)に対しては二つの電位が逆位相であるので、
面内角加速度を検出可能である。Y軸方向への並進加速
度に対しては二つの電位が同一振幅で同位相であるの
で、差動検出で相殺してゼロとなる。他の軸の加速度に
対してはd定数がゼロである。また、回路Bを使用した
場合、面内の角加速度(X軸まわり)に対しては二つの
電荷(又は電位)が同一振幅で逆位相であるため、加算
検出で相殺してゼロになる。Y軸方向への並進加速度に
対しては二つの電位が同一振幅で同位相であるので、加
算検出でY軸の並進加速度を検出可能である。他の軸の
加速度に対してはd定数がゼロである。また、回路Cの
構成では面内角加速度(X軸まわり)とY軸方向への並
進加速度を分離して両方検出可能となる。以上より、回
転中心に加速度センサを配置した場合、回路A〜Cの構
成により、面内角加速度のみを検出、もしくはY軸方向
の並進加速度のみを検出、又は角加速度(X軸まわり)
とY軸方向の並進加速度を同時に分離して検出する加速
度センサを実現できる。
【0052】次に、第二実施形態による加速度センサを
回転中心以外に配置した場合について述べる。この場合
の検出可能な加速度と回路A〜Cとの関係を図12
(B)に示す。回路Aを使用した場合、面内の角加速度
(X軸まわり)に対しては二つの電位の振幅が異なり同
位相であるので、面内角加速を検出可能である。Y軸方
向への並進加速度に対しては二つの電位が同一振幅で同
位相であるので、差動検出で相殺してゼロとなる。他の
軸の加速度に対してはd定数がゼロである。また、回路
Bを使用した場合、面内の角加速度(X軸まわり)に対
しては異なる振幅で同位相であるため、加算検出で検出
可能である。Y軸方向への並進加速度に対しては二つの
電位が同一振幅で同位相であるので、加算検出でY軸の
並進加速度を検出可能である。他の軸の加速度に対して
はd定数がゼロである。また、回路Cの構成では面内角
加速度(X軸まわり)とY軸方向への並進加速度を同時
に検出可能となる。以上より、回転中心以外に加速度セ
ンサを配置した場合、回路A〜Cの構成により、面内角
加速度のみを検出、もしくは面内角加速度とY軸方向の
並進加速度を同時に検出する加速度センサを実現でき
る。
【0053】以上説明したように、本発明の第二実施形
態による加速度センサによれば、角加速度と並進加速度
を分離して検出もしくは同時に検出することが可能とな
る。
【0054】なお、θ=90°の条件は厳密にカット角
θが90°であることを要求しているのではなく、加速
度センサの製造時の誤差などでθ=90°とならない場
合も含むものである。更に言えば、このカット角は図1
2の動作が得られる範囲内であって、かつ、所望の加速
度検出精度を満足する範囲内において、90°近傍の値
であってもよい。
【0055】(第三実施形態)本発明の第三実施形態に
よる加速度センサを図13に示す。なお、図中、前述し
た構成要素と同一のものには同一の参照番号を付してあ
る。X軸、Y軸及びZ軸は図1と同様である。第三実施
形態の振動子50は圧電単結晶で形成されている。そし
て、振動子50の分極軸がθ=31°(θ=0°はZ軸
方向)である。θ=31°のとき、定数d16はゼロで
あり、d16/d15もゼロとなる。振動子50は錘1
2の重心位置に配置され、図2(A)、(B)に示すよ
うに二分割されている。
【0056】図14は、ニオブ酸リチウム(LiNbO
:以下、LNと略記する)の圧電定数の一例を示す。
振動子50を錘12の重心位置に配置するとともに二分
割構成とし、かつ分極軸をθ=31°又はこの近傍の方
向とすることにより、一つの加速度センサで角加速度
(回転加速度)と並進加速度を検出する加速度センサを
実現できる。以下、加速度の検出原理について説明す
る。
【0057】面内の回転振動が加速度センサに印加さ
れ、かつ、回転中心に加速度センサを配置した場合、図
15(A)に示すように、振動子50には振幅の値が同
一の逆位相の電位が発生する。
【0058】面内振動の回転振動が加速度センサに印加
され、かつ、回転中心以外に加速度センサを配置した場
合、図15(B)に示すように、振動子50には振幅の
値が異なる同位相の電位が発生する。
【0059】面垂直方向の回転振動が加わった場合、図
16(A)に示すように、厚み方向の圧電定数d11が
ゼロであるので、振動子50には電位が発生しない。
【0060】Z軸方向へ並進加速度が印加された場合、
図16(B)に示すように、振動子50には振幅の値が
同一の同位相の電位が発生する。
【0061】X軸、Y軸方向の並進加速度が印加された
場合、図16(C)に示すように、分極軸と直交する成
分d16と厚み方向の成分d11はゼロであるので、振
動子50には電位が発生しない。
【0062】このような加速度センサは、前述した図7
(A)、(B)及び(C)に示す検出回路に接続され
る。
【0063】第三実施形態による加速度センサを回転中
心に配置した場合について述べる。この場合の検出可能
な加速度と回路A〜Cとの関係を図17(A)に示す。
図7(A)に示す回路Aを使用した場合、面内の角加速
度(X軸まわり)に対しては二つの電位が逆位相である
ので、面内角加速度を検出可能である。Z軸方向への並
進加速度に対しては二つの電位が同一振幅で同位相であ
るので、差動検出で相殺してゼロとなる。他の軸の加速
度に対してはd定数がゼロである。また、回路Bを使用
した場合、面内の角加速度(X軸まわり)に対しては二
つの電荷(又は電位)が同一振幅で逆位相であるため、
加算検出で相殺してゼロになる。Z軸方向への並進加速
度に対しては二つの電位が同一振幅で同位相であるの
で、加算検出でZ軸の並進加速度を検出可能である。他
の軸の加速度に対してはd定数がゼロである。また、回
路Cの構成では面内角加速度(X軸まわり)とZ軸方向
への並進加速度を分離して両方検出可能となる。以上よ
り、回転中心に加速度センサを配置した場合、回路A〜
Cの構成により、面内角加速度のみを検出、もしくはZ
軸方向の並進加速度のみを検出、又は角加速度(X軸ま
わり)とZ軸方向の並進加速度を同時に分離して検出す
る加速度センサを実現できる。
【0064】次に、第三実施形態による加速度センサを
回転中心以外に配置した場合について述べる。この場合
の検出可能な加速度と回路A〜Cとの関係を図17
(B)に示す。回路Aを使用した場合、面内の角加速度
(X軸まわり)に対しては二つの電位の振幅が異なり同
位相であるので、面内角加速を検出可能である。Z軸方
向への並進加速度に対しては二つの電位が同一振幅で同
位相であるので、差動検出で相殺してゼロとなる。他の
軸の加速度に対してはd定数がゼロである。また、回路
Bを使用した場合、面内の角加速度(X軸まわり)に対
しては異なる振幅で同位相であるため、加算検出で検出
可能である。Z軸方向への並進加速度に対しては二つの
電位が同一振幅で同位相であるので、加算検出でZ軸の
並進加速度を検出可能である。他の軸の加速度に対して
はd定数がゼロである。また、回路Cの構成では面内角
加速度(X軸まわり)とZ軸方向への並進加速度を同時
に検出可能となる。以上より、回転中心以外に加速度セ
ンサを配置した場合、回路A〜Cの構成により、面内角
加速度のみを検出、もしくは面内角加速度とZ軸方向の
並進加速度を同時に検出する加速度センサを実現でき
る。
【0065】なお、振動子50はLN以外の圧電単結
晶、例えばKNbOやLiTaOを用いてもよい。
【0066】以上説明したように、本発明の第三実施形
態による加速度センサによれば、角加速度と並進加速度
を分離して検出もしくは同時に検出することが可能とな
る。
【0067】なお、θ=31°の条件は厳密にカット角
θが31°であることを要求しているのではなく、加速
度センサの製造時の誤差などでθ=31°とならない場
合も含むものである。更に言えば、このカット角は図1
7の動作が得られる範囲内であって、かつ、所望の加速
度検出精度を満足する範囲内において、31°近傍の値
であってもよい。
【0068】(第四実施形態)本発明の第四実施形態に
よる加速度センサを図18に示す。なお、図中、前述し
た構成要素と同一のものには同一の参照番号を付してあ
る。X軸、Y軸及びZ軸は図1と同様である。第三実施
形態の振動子60は圧電単結晶で形成されている。そし
て、振動子60の分極軸がθ=121°(θ=0°はZ
軸方向)又はこの付近の角度を持つ。θ=121°のと
き、定数d15はゼロである。振動子60は錘12の重
心位置に配置され、図2(A)、(B)に示すように二
分割されている。
【0069】図19は、LiNbO(LN)の圧電定
数の一例を示す(グラフそのものは図14と同じ)。振
動子60を錘の重心位置に配置するとともに二分割し、
かつ分極軸をθ=121°又はこの近傍の値とすること
により、一つのセンサで角加速度(回転加速度)と並進
加速度を検出する加速度センサを実現できる。以下、加
速度の検出原理について説明する。
【0070】面内の回転振動が加速度センサに印加さ
れ、かつ、回転中心に加速度センサを配置した場合、図
20(A)に示すように、振動子60には振幅の値が同
一の逆位相の電位が発生する。
【0071】面内振動の回転振動が加速度センサに印加
され、かつ、回転中心以外に加速度センサを配置した場
合、図20(B)に示すように、振動子60には振幅の
値が異なる同位相の電位が発生する。
【0072】面垂直方向の回転振動が加わった場合、図
21(A)に示すように、厚み方向の圧電定数d11が
ゼロであるので、振動子60には電位が発生しない。
【0073】Y軸方向へ並進加速度が印加された場合、
図21(B)に示すように、振動子60には振幅の値が
同一の同位相の電位が発生する。
【0074】X軸、Z軸方向の並進加速度が印加された
場合、図21(C)に示すように、分極軸と直交する成
分d15と厚み方向の成分d11はゼロなので、振動子
60には電位が発生しない。
【0075】このような加速度センサは、前述した図7
(A)、(B)及び(C)に示す検出回路に接続され
る。
【0076】第四実施形態による加速度センサを回転中
心に配置した場合について述べる。この場合の検出可能
な加速度と回路A〜Cとの関係を図22(A)に示す。
回路Aを使用した場合、面内の角加速度(X軸まわり)
に対しては二つの電位が逆位相であるので、面内角加速
を検出可能である。Y軸方向への並進加速度に対しては
二つの電位が同一振幅で同位相であるので、差動検出で
相殺してゼロとなる。他の軸の加速度に対してはd定数
がゼロである。また、回路Bを使用した場合、面内の角
加速度(X軸まわり)に対しては二つの電荷(又は電
位)が同一振幅で逆位相であるため、加算検出で相殺し
てゼロになる。Y軸方向への並進加速度に対しては二つ
の電位が同一振幅で同位相であるので、加算検出でY軸
の並進加速度を検出可能である。他の軸の加速度に対し
てはd定数がゼロである。また、回路Cの構成では面内
角加速度(X軸まわり)とY軸方向への並進加速度を分
離して両方検出可能となる。以上より、回転中心にセン
サを配置した場合、回路A〜Cの構成により、面内角加
速度のみを検出、もしくはY軸方向の並進加速度のみを
検出、又は角加速度(X軸まわり)とY軸方向の並進加
速度を同時に分離して検出する加速度センサを実現でき
る。
【0077】次に、第四実施形態による加速度センサを
回転中心以外に配置した場合について述べる。この場合
の検出可能な加速度と回路A〜Cとの関係を図22
(B)に示す。回路Aを使用した場合、面内の角加速度
(X軸まわり)に対しては二つの電位の振幅が異なり同
位相であるので、面内角加速を検出可能である。Y軸方
向への並進加速度に対しては二つの電位が同一振幅で同
位相であるので、差動検出で相殺してゼロとなる。他の
軸の加速度に対してはd定数がゼロである。また、回路
Bを使用した場合、面内の角加速度(X軸まわり)に対
しては異なる振幅で同位相であるため、加算検出で検出
可能である。Y軸方向への並進加速度に対しては二つの
電位が同一振幅で同位相であるので、加算検出でY軸の
並進加速度を検出可能である。他の軸の加速度に対して
はd定数がゼロである。また、回路Cの構成では面内角
加速度(X軸まわり)とY軸方向への並進加速度を同時
に検出可能となる。以上より、回転中心以外にセンサを
配置した場合、回路A〜Cの構成により、面内角加速度
のみを検出、もしくは面内角加速度とY軸方向の並進加
速度を同時に検出する加速度センサを実現できる。
【0078】なお、振動子60はLN以外の圧電単結
晶、例えばKNbOやLiTaOを用いてもよい。
【0079】以上説明したように、本発明の第四実施形
態による加速度センサによれば、角加速度と回転加速度
を分離して検出もしくは同時に検出することが可能とな
る。なお、θ=121°の条件は厳密にカット角θが1
21°であることを要求しているのではなく、加速度セ
ンサの製造時の誤差などでθ=121°とならない場合
も含むものである。更に言えば、このカット角は図22
の動作が得られる範囲内であって、かつ、所望の加速度
検出精度を満足する範囲内において、121°近傍の値
であってもよい。
【0080】(第五実施形態)本発明の第五実施形態を
図23及び図24に示す。図23は、錘12に振動子1
0を搭載する位置決め機構を示す。図24は、加速度セ
ンサが取り付けられる基板に振動子10を搭載する位置
決め機構を示す。
【0081】図23(A)に示す位置決め機構は、錘1
2に4つのL字状ブロック72a、72b、72c及び
72dを有する。これらのブロックは、振動子10を収
容する空間76を形成する。空間76の縦、横の長さは
振動子10の縦、横長さに等しいか若干大きい。図23
(B)に示す位置決め機構は、錘12に4つの直方体ブ
ロック74a、74b、74c及び74dを有する。こ
れらのブロックは、振動子10を収容する空間78を形
成する。空間78の縦、横の長さは振動子10の縦、横
長さに等しいか若干大きい。このような位置決め機構に
よる簡易な実装により、感度ばらつきを抑えることがで
きる。
【0082】図24(A)に示す位置決め機構は、基板
80に4つのL字状ブロック82a、82b、82c及
び84dを有する。これらのブロックは、振動子10を
収容する空間86を形成する。空間86の縦、横の長さ
は振動子10の縦、横長さに等しいか若干大きい。図2
4(B)に示す位置決め機構は、基板80に4つの直方
体ブロック84a、84b、84c及び84dを有す
る。これらのブロックは、振動子10を収容する空間8
8を形成する。空間88の縦、横の長さは振動子10の
縦、横長さに等しいか若干大きい。このような位置決め
機構による簡易な実装により、感度ばらつきを抑えるこ
とができる。錘12を支持する振動子10が基板80に
取り付けられた構成は、本発明の加速度センサの一態様
である。
【0083】なお、図示を省略してあるが、基板80上
には検出電極14と16又はグランド電極20の引き出
し電極パターンを形成してもよい。同様に、錘12にも
引き出し電極パターンを形成してもよい。振動子10以
外の他の振動子も同様に、上記位置決め機構を用いて容
易に位置決めすることができる。
【0084】以上、本発明の実施形態を説明した、各実
施形態とも、振動子の構造と錘の搭載位置と検出方法に
よる簡便な方法で一つのセンサで角加速度と並進加速度
を検知する加速度センサを実現している。
【0085】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
簡単な構成で角加速度や並進加速度などの異なる加速度
を容易に検知できる加速度センサを提供することができ
る。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第一実施形態による加速度センサを示
す図であって、(A)は加速度センサの斜視図、(B)
は加速度センサに用いられている振動子の斜視図であ
る。
【図2】図1(B)のII−II線断面図であって、
(A)は振動子の一構成例を示し、(B)は別の構成例
を示す。
【図3】圧電セラミックスの定数例を示す図である。
【図4】圧電セラミックスの定数例を示す図であって、
(A)は図2(A)の構成における定数例を示し、
(B)は図2(B)の構成における定数例を示す。
【図5】本発明の第一実施形態による加速度検出原理
(その1)を示す図である。
【図6】本発明の第一実施形態による加速度検出原理
(その2)を示す図である。
【図7】本発明の各実施形態で使用可能な検出回路の構
成例を示す図である。
【図8】本発明の第一実施形態における検出回路と検出
加速度との関係を示す図であって、(A)は回転中心に
加速度センサを配置した場合を示し、(B)は回転中心
以外に加速度センサを配置した場合を示す。
【図9】本発明の第二実施形態による加速度センサを示
す図であって、(A)は加速度センサの斜視図、(B)
は加速度センサに用いられている振動子の斜視図であ
る。
【図10】本発明の第二実施形態による加速度検出原理
(その1)を示す図である。
【図11】本発明の第二実施形態による加速度検出原理
(その2)を示す図である。
【図12】本発明の第二実施形態における検出回路と検
出加速度との関係を示す図であって、(A)は回転中心
に加速度センサを配置した場合を示し、(B)は回転中
心以外に加速度センサを配置した場合を示す。
【図13】本発明の第三実施形態による加速度センサを
示す図であって、(A)は加速度センサの斜視図、
(B)は加速度センサに用いられている振動子の斜視図
である。
【図14】本発明の第三実施形態で用いられる圧電単結
晶の定数例を示す図である。
【図15】本発明の第三実施形態による加速度検出原理
(その1)を示す図である。
【図16】本発明の第三実施形態による加速度検出原理
(その2)を示す図である。
【図17】本発明の第三実施形態における検出回路と検
出加速度との関係を示す図であって、(A)は回転中心
に加速度センサを配置した場合を示し、(B)は回転中
心以外に加速度センサを配置した場合を示す。
【図18】本発明の第四実施形態による加速度センサを
示す図であって、(A)は加速度センサの斜視図、
(B)は加速度センサに用いられている振動子の斜視図
である。
【図19】本発明の第四実施形態で用いられる圧電単結
晶の定数例を示す図である。
【図20】本発明の第四実施形態による加速度検出原理
(その1)を示す図である。
【図21】本発明の第四実施形態による加速度検出原理
(その2)を示す図である。
【図22】本発明の第四実施形態における検出回路と検
出加速度との関係を示す図であって、(A)は回転中心
に加速度センサを配置した場合を示し、(B)は回転中
心以外に加速度センサを配置した場合を示す。
【図23】本発明の第五実施形態で用いられる位置決め
機構を具備した錘の構成例を示す斜視図である。
【図24】本発明の第五実施形態で用いられる位置決め
機構を具備した基板の構成例を示す斜視図である。
【符号の説明】
10 振動子 12 錘 14,16 検出電極 18 分割溝 20 グランド電極 22、24 分割溝 26 差動回路 28 加算回路 30、32 増幅器 40、50、60 振動子 72a、72b、72c、72d L字状ブロック 74a、74b、74c、74d 直方体ブロック 76、78 空間 80 基板 82a、82b、82c、82d L字状ブロック 84a、84b、84c、84d 直方体ブロック 86 空間
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 加藤 隆志 長野県須坂市大字小山460番地 富士通メ ディアデバイス株式会社内 (72)発明者 石川 寛 神奈川県川崎市中原区上小田中4丁目1番 1号 富士通株式会社内

Claims (17)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 錘と、その重心位置で該錘を支持するよ
    うに設けられた振動子とを有することを特徴とする加速
    度センサ。
  2. 【請求項2】 前記加速度センサは、前記振動子の一面
    に設けられ、該一面を二分割するように配置された二つ
    の検出電極を含むことを特徴とする請求項1記載の加速
    度センサ。
  3. 【請求項3】 前記加速度センサは、前記振動子の一面
    に設けられ、該一面を前記錘の長手方向に二分割するよ
    うに配置された二つの検出電極を含むことを特徴とする
    請求項1記載の加速度センサ。
  4. 【請求項4】 前記加速度センサは、前記振動子の一面
    に設けられ、該一面を前記錘の長手方向に二分割するよ
    うに配置された二つの検出電極を有し、前記振動子は該
    二つの検出電極の間に形成された溝を有することを特徴
    とする請求項1記載の加速度センサ。
  5. 【請求項5】 前記振動子は、前記錘の長手方向に直交
    する方向に分極軸を有することを特徴とする請求項1か
    ら4のいずれか一項記載の加速度センサ。
  6. 【請求項6】 前記振動子は、前記錘の長手方向に分極
    軸を有することを特徴とする請求項1から4のいずれか
    一項記載の加速度センサ。
  7. 【請求項7】 前記振動子は圧電セラミックスで形成さ
    れ、該圧電セラミックスは前記錘の長手方向の圧電定数
    がゼロとなり且つ厚み方向の圧電定数がゼロとなるカッ
    ト角を有することを特徴とする請求項1記載の加速度セ
    ンサ。
  8. 【請求項8】 前記振動子は圧電セラミックスで形成さ
    れ、該圧電セラミックスは前記錘の長手方向に直交する
    方向の圧電定数がゼロとなり且つ厚み方向の圧電定数が
    ゼロとなるカット角を有することを特徴とする請求項1
    記載の加速度センサ。
  9. 【請求項9】 前記振動子は圧電単結晶で形成され、該
    圧電単結晶は前記錘の長手方向の圧電定数がゼロとなり
    且つ厚み方向の圧電定数がゼロとなるカット角を有する
    ことを特徴とする請求項1記載の加速度センサ。
  10. 【請求項10】 前記振動子は圧電単結晶で形成され、
    該圧電単結晶は前記錘の長手方向に直交する方向の圧電
    定数がゼロとなり且つ厚み方向の圧電定数がゼロとなる
    カット角を有することを特徴とする請求項1記載の加速
    度センサ。
  11. 【請求項11】 前記加速度センサは更に、前記振動子
    の一面を錘の長手方向に二分割した各領域で発生した出
    力を加算する回路を有することを特徴とする請求項1記
    載の加速度センサ。
  12. 【請求項12】 前記加速度センサは更に、前記振動子
    の一面を錘の長手方向に二分割した各領域で発生した出
    力の差分を出力する回路を有することを特徴とする請求
    項1記載の加速度センサ。
  13. 【請求項13】 前記加速度センサは更に、前記振動子
    の一面を錘の長手方向に二分割した各領域で発生した出
    力を加算する第一の回路と、該出力の差分を出力する第
    二の回路とを有することを特徴とする請求項1記載の加
    速度センサ。
  14. 【請求項14】 前記加速度センサは更に、前記振動子
    の一面を錘の長手方向に二分割した各領域で発生した出
    力を処理して角加速度と並進加速度にそれぞれ対応した
    複数の検出信号を出力する回路を有することを特徴とす
    る請求項1記載の加速度センサ。
  15. 【請求項15】 前記加速度センサは更に、前記錘に設
    けられた位置決め機構を有し、該位置決め機構は前記振
    動子を収容する空間を形成することを特徴とする請求項
    1から14のいずれか一項記載の加速度センサ。
  16. 【請求項16】 前記加速度センサは更に、前記振動子
    を支持する基板を有することを特徴とする請求項1から
    15のいずれか一項記載の加速度センサ。
  17. 【請求項17】 前記振動子は滑り振動子であることを
    特徴とする請求項1から16のいずれか一項記載の加速
    度センサ。
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