JP2005331522A

JP2005331522A - 加速度センサ

Info

Publication number: JP2005331522A
Application number: JP2005201790A
Authority: JP
Inventors: Hiroshi Ishikawa; 寛石川; Atsushi Machida; 敦司町田
Original assignee: Fujitsu Ltd; Fujitsu Media Devices Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd; Fujitsu Media Devices Ltd
Priority date: 2001-01-24
Filing date: 2005-07-11
Publication date: 2005-12-02

Abstract

【課題】検出感度のばらつきを低減し、使用周波数帯域での検出感度の平坦性を向上できる加速度センサを提供する。
【解決手段】錘部２の一端部に、第１接着層４を介して振動子１が接着されている。振動子１の基板３に対向する端部は、２分割されていて電極５が形成されている。これらの電極５と基板３の表面に形成された電極６とは第２接着層７を介して接着されている。電極６の形成パターンは基板３の長辺に平行な軸Ｘ−Ｘについて対称であり、電極６夫々の厚さは同一である。基板３の機械共振周波数を加速度センサ１０の使用周波数帯域外に設定する。
【選択図】図１

Description

本発明は、加速度を検出する加速度センサに関し、特に、加速度が加わった場合に生じる滑り振動により加速度を検出する加速度センサに関する。

加速度センサは、機器に取り付けられ、その機器の加速度，振動を検出して機器の異常を監視している。例えば、ハードディスクドライブの振動，衝撃等によるデータの読み出し／書き込みエラーの防止、ビデオカメラにおける手振れの防止、車両のエアバッグの作動等を図るために、加速度センサが利用されている。

加速度センサが設置される機器の小型化及び高性能化に伴って、小型で機器の表面への実装が可能となる高性能の加速度センサの開発が要求されている。このような小型の加速度センサとして、圧電素子を使用したものが従来から実用化されている。例えば、圧電単結晶の撓みを利用して加速度を検出する加速度センサ（特許文献１等）、圧電セラミックの撓みを利用して加速度を検出する加速度センサ（特許文献２等）が開示されている。また、加速度センサをコンパクトに収納可能にしたパッケージング手法も提案されている（特許文献３等）。
特開平１１−２１１７４８号公報特開平６−２７３４３９号公報特開平９−３１８６５０号公報

上述したような圧電単結晶の撓み，圧電セラミックの撓みを利用する加速度センサでは、撓みを大きくして応力を大きくすることによって、その検出感度の向上を実現できる。従って、高性能化を図るべく検出感度を向上させるためには、撓みが大きくなるように、その質量を大きくする必要があり、重量化，大型化を招いてしまうという問題がある。一方、圧電素子を厚くした場合には、撓みにくくなって、検出感度が低下するという問題がある。そこで、検出感度を向上させるために、圧電素子を薄くしたり、極薄の圧電素子を２枚張り合わせたりするような工夫が提案されているが、その製作工程が複雑であり、コストも高くなるという問題がある。

そこで、小型の構成にて感度良く加速度を検出できる加速度センサが、本発明と同一の出願人によって提案されている（特開２０００−９７７０７号公報，特開２００１−３４９９００号公報）。この加速度センサは、振動子と、それに連なっており、振動子に自身を加えたものの重心位置と異なる位置で支持されている錘部とを備え、加速度が加えられた場合に錘部に発生する回転モーメントに応じた振動子の特徴量（滑り振動）を検出することによって、加えられた加速度の大きさを求めるものである。

図１５は、この加速度センサの検出原理を示す説明図であり、加速度センサは、振動子１００とこれに連なる錘部２００と検知部３００とを有する。錘部２００は支持点Ｓで支持されており、この支持点Ｓの位置は、振動子１００及び錘部２００の重心Ｇの位置と異なっている。このような加速度センサが一方向の加速度（図１５白抜矢符方向）を受けた場合、支持点Ｓを中心とした回転モーメント（図１５矢符Ａ，大きさＭＬａ（但し、Ｍ：錘部２００の質量，Ｌ：支持点Ｓから錘部２００の重心までの距離，ａ：加えられた加速度））が生じる。この回転モーメントによって振動子１００に滑り振動（図１５矢符Ｂ）が発生する。検知部３００はこのような回転モーメントに応じた滑り振動に伴う信号を検知する。回転モーメントの大きさは、検出対象の加速度の大きさに比例するので、この信号を検知することによって、加速度を検出できる。

また、図１６は、このような加速度センサの一例の構成を示す斜視図である。加速度センサ５０は、単結晶圧電体からなる直方体状の振動子５１と、長尺直方体状の錘部５２と、偏平直方体状の基板５３とを有する。なお、ここでは振動子５１を単結晶圧電体としたが、圧電セラミックス等、他の圧電体でもなんら問題が無いのは言うまでもない。以下、同様である。錘部５２の一端部に、接着層５４を介して振動子５１が接着されている。振動子５１の基板５３に対向する端部は、その長手方向に略２分割されており、夫々の表面には電極５５が形成されている。また、基板５３の表面（振動子５１に対向する面）には、電極５６がパターン形成されており、これらの電極５５と電極５６とは接着層５７を介して接着されている。

このような構成の加速度センサ１０を被検体に接着させた場合に、一方向（その幅方向）の加速度（図１６白抜矢符方向）を受けると、錘部５２の重心と支持点との位置ずれによって支持点を中心とした回転モーメントが錘部５２に生じ、振動子５１の両分割領域に幅方向での異なる向きの滑り振動が発生する。そして、この滑り振動に伴う電圧を電極５５から基板５３の電極５６を介して取り出し、その電圧信号を増幅検知することにより、加速度を検出する。

なお、振動子５１の分割面を、上述したように基板５３側でなく錘部５２側にした構成の加速度センサも本発明と同一の出願人によって提案されている。

本発明者等は、撓み振動ではなく滑り振動を検出するので高性能化のために振動子自身を大きくする必要がなく、小型の構成であってしかも検出感度が高いこのような加速度センサの開発，改善を進めている。

このような加速度センサにあっては、図１６に示す構成での基板５３の電極５６の形成パターンが非対称であったり、または、それらの電極５６夫々において厚さが異なっている場合には、振動子５１が傾き、検出感度のばらつきが生じるという問題がある。

また、振動子５１自身の共振周波数を加速度センサ５０の使用周波数帯域外に設定しておいた場合でも、基板５３の共振周波数がその使用周波数帯域に含まれるときには、基板５３の共振周波数の信号を受信してしまうことになって、使用周波数帯域において平坦な検出感度特性が得られないという問題がある。

本発明は斯かる事情に鑑みてなされたものであって、特開２０００−９７７０７号公報，特開２００１−３４９９００号公報に提案した加速度センサを改良したものであり、検出感度のばらつきを低減し、使用周波数帯域での検出感度の平坦性を向上できる加速度センサを提供することを目的とする。

請求項１に係る加速度センサは、滑り振動が生じる振動子と、該振動子に連なっており、前記振動子にそれ自身を加えたものの重心位置と異なる位置で支持されている錘部とを備え、加速度が加わった場合に前記錘部に発生する支持点を中心とした回転モーメントを滑り振動として前記振動子で検出する加速度センサにおいて、前記振動子での検出結果を外部に取り出すための基板を備えており、該基板の機械共振周波数が、その使用周波数帯域外であることを特徴とする。

請求項１の加速度センサにあっては、基板の機械共振周波数を、加速度センサの使用周波数帯域外に設定している。よって、その使用周波数帯域において平坦な感度特性が得られる。

請求項２に係る加速度センサは、滑り振動が生じる振動子と、該振動子に連なっており、前記振動子にそれ自身を加えたものの重心位置と異なる位置で支持されている錘部とを備え、加速度が加わった場合に前記錘部に発生する支持点を中心とした回転モーメントを滑り振動として前記振動子で検出する加速度センサにおいて、前記振動子での検出結果を外部に取り出すための基板を備えており、前記振動子，錘部及び基板を一体構造とした場合の機械共振周波数が、その使用周波数帯域外であることを特徴とする。

請求項２の加速度センサにあっては、振動子，錘部及び基板を一体構造とした場合の機械共振周波数を、加速度センサの使用周波数帯域外に設定している。よって、その使用周波数帯域において平坦な感度特性が得られる。

請求項３に係る加速度センサは、滑り振動が生じる振動子と、該振動子に連なっており、前記振動子にそれ自身を加えたものの重心位置と異なる位置で支持されている錘部とを備え、加速度が加わった場合に前記錘部に発生する支持点を中心とした回転モーメントを滑り振動として前記振動子で検出する加速度センサにおいて、前記振動子での検出結果を外部に取り出すための基板と、前記振動子及び錘部を被うキャップ部とを備えており、前記振動子，錘部，基板及びキャップ部を一体構造とした場合の機械共振周波数が、その使用周波数帯域外であることを特徴とする。

請求項３の加速度センサにあっては、振動子，錘部，基板及びキャップ部を一体構造とした場合の機械共振周波数を、加速度センサの使用周波数帯域外に設定している。よって、その使用周波数帯域において平坦な感度特性が得られる。

以上のように、本発明の加速度センサでは、基板の機械共振周波数を、加速度センサの使用周波数帯域外に設定するようにしたので、その使用周波数帯域において平坦な検出感度特性を得ることができる。

本発明の加速度センサでは、振動子，錘部及び基板を一体構造とした場合の機械共振周波数を、加速度センサの使用周波数帯域外に設定するようにしたので、その使用周波数帯域において平坦な検出感度特性を得ることができる。

本発明の加速度センサでは、振動子，錘部，基板及びキャップ部をまとめた場合の機械共振周波数を、加速度センサの使用周波数帯域外に設定するようにしたので、その使用周波数帯域において平坦な検出感度特性を得ることができる。

以下、本発明をその実施の形態を示す図面を参照して具体的に説明する。
（第１実施の形態）
図１（ａ）は本発明の第１実施の形態による加速度センサ１０の構成を示す断面図，図１（ｂ）はその基板３の平面図である。加速度センサ１０は、例えば１６５°Ｙ，θ＝３９°のＬｉＮｂＯ₃（リチウムナイオベイト）製の単結晶圧電体からなる直方体状の振動子１（例えば長さ：１．３ｍｍ，幅：２．５ｍｍ，厚さ：０．５ｍｍ）と、アルミナセラミック製の長尺直方体状の錘部２（長さ：５．８ｍｍ，幅：２．５ｍｍ，厚さ：０．５ｍｍ）と、アルミナセラミック製の偏平直方体状の基板３とを有する。

錘部２の一端部に、第１接着層４を介して振動子１が接着されている。振動子１の基板３に対向する端部は、その長手方向に略２分割されており、夫々の表面には電極５が形成されている。また、基板３の表面（振動子１に対向する面）には、電極６がパターン形成されている。これらの電極５と電極６とは第２接着層７を介して接着されている。

図１（ｂ）に示すように、基板３の表面に形成されている電極６のパターンは、基板３の長辺方向（Ｘ軸方向）に平行な軸Ｘ−Ｘについて対称となっている。また、それらの複数の電極６夫々の厚さｔは同一である。電極６がこのような構成をなしているので、これに接着される振動子１が傾くことはなく、検出感度のばらつきは発生しない。なお、図１（ｂ）における破線は、振動子１の設置位置を表している。

このような構成の加速度センサ１０を被検体に接着させた場合に、一方向（その幅方向：Ｚ軸方向）の加速度（図１（ａ）表裏方向，図１（ｂ）矢符方向）を受けると、錘部２の重心と支持点との位置ずれによって支持点を中心とした回転モーメントが錘部２に生じ、振動子１の両分割領域に幅方向での異なる向きの滑り振動が発生する。そして、この滑り振動に伴う電圧を電極５から基板３の電極６を介して取り出し、その電圧信号を増幅検知することにより、加速度を検出する。

このような第１実施の形態における加速度センサ１０の検出感度を測定したところ、何れのサンプルも１００ｍＶ／Ｇと良好であった。比較のために、図２に示すような一部の電極６が欠損していてその形成パターンが非対称である加速度センサを作製して、検出感度を測定した。その測定結果は、２つのサンプルにおいて夫々１０ｍＶ／Ｇ，１５ｍＶ／Ｇであった。また、図３に示すような電極６の厚さが均一でない加速度センサを作製して、検出感度を測定した。その測定結果は４ｍＶ／Ｇであった。これらの比較例の検出感度劣化は、振動子１が傾斜したことに起因している。なお、図２，図３にあっては錘部２の図示を省略している。

（第２実施の形態）
図４は本発明の第２実施の形態による加速度センサ１０の基板３の平面図である。基板３の表面（振動子１側の面）に形成されていて振動子１の電極５と接着する電極６の厚さは均一である。この例では、基板３の長辺方向（Ｘ軸方向）に平行な軸Ｘ−Ｘだけでなく、基板３の短辺方向（Ｚ軸方向）に平行な軸Ｚ−Ｚについても対称に、電極６がパターン形成されている。

（第３実施の形態）
図５（ａ），（ｂ）は本発明の第３実施の形態による加速度センサ１０の基板３の平面図であり、図５（ａ）はその表側（振動子１側）の面、図５（ｂ）はその裏側（振動子１と反対側）の面を表している。基板３の表面に形成されていて振動子１の電極５と接着する電極６の厚さは均一である。基板３には、その表面の電極６とその裏面の電極１１とを電気的に導通するためのスルーホール１２が形成されている。この例では、全体としての電極６の形成パターンは、スルーホール１２を形成したために非対称になっているが、振動子１が設置される位置（破線で示す）内においては電極６の形成パターンが軸Ｘ−Ｘに対して対称になっているので、第１実施の形態と同様に、検出感度のばらつきは生じない。

（第４実施の形態）
図６（ａ）は本発明の第４実施の形態による加速度センサ１０の構成を示す断面図，図６（ｂ）はその錘部２の平面図である。本例の加速度センサ１０も、第１実施の形態と同様に、振動子１と錘部２と基板３とを有する。

本例では、振動子１の錘部２に対向する端部が、その長手方向に略２分割されており、夫々の表面には電極２１が形成されている。錘部２の表面（振動子１に対向する面）には、電極２２がパターン形成されている。これらの電極２１と電極２２とは第３接着層２３を介して接着されている。電極２２からワイヤ配線２４が引き出されており、ワイヤ配線２４は導電ペースト２５を介して基板３に接続されている。あるいは、錘部２もプリント基板とみなして、電極パターンを形成し、導電ペースト２５を介して基板３に接続することも可能である。また、基板３の一端部に、第４接着層２６を介して振動子１が接着されている。

図６（ｂ）に示すように、錘部２の表面に形成されている電極２２のパターンは、錘部２の長辺方向（Ｘ軸方向）に平行な軸Ｌ−Ｌ，短辺方向（Ｚ軸方向）に平行な軸Ｍ−Ｍ夫々に対して対称となっている。また、それらの複数の電極２２夫々の厚さは同一である。電極２２がこのような構成をなしているので、これに接着される振動子１が傾くことはなく、検出感度のばらつきは発生しない。

このような構成の加速度センサ１０を被検体に接着させた場合にも、第１実施の形態と同様、加速度に応じた滑り振動が振動子１の両分割領域に発生する。そして、この滑り振動に伴う電圧を電極２１から電極２２，ワイヤ配線２４を介して基板３に取り出し、その電圧信号を増幅検知することにより、加速度を検出する。

（第５実施の形態）
ここで、振動子１の傾き角度と検出感度との関係について考察する。図７は、第５実施の形態による加速度センサの構成を示す断面図である。検出対象の加速度の印加方向が加速度センサ１０の幅方向（Ｚ軸方向）である場合、加速度センサ１０の長手方向（Ｘ軸方向）に関して傾くときには検出感度に関する影響はない。しかしながら、図７に示すように、基板２に形成される電極６の高さのばらつきによって、Ｘ軸を中心にＹ−Ｚ平面が角度θだけ回転して、振動子１が基板３に対して角度θだけ傾いた場合、検出感度は傾いていない場合のｃｏｓθ倍になる。

図８は、この傾き角度θと検出感度変化率の関係を示すグラフである。図８のグラフから、傾き角度θが−４０°〜４０°，−３４°〜３４°，−２４°〜２４°である場合に、夫々、検出感度のばらつきが３０％以下，２０％以下，１０％以下になることが分かる。よって、検出感度のばらつきの上限を３０％とした場合には、振動子１の基板３に対する傾き角度θを−４０°〜４０°にすれば良い。また、検出感度のばらつきをより低減して２０％以下にする場合には、その傾き角度θを−３４°〜３４°にすることが好ましく、検出感度のばらつきをより更に低減して１０％以下にする場合には、その傾き角度θを−２４°〜２４°にすることが更に好ましい。

（第６実施の形態）
図９は、第６実施の形態による加速度センサの構成を示す平面図である。上記第５実施の形態では、Ｙ−Ｚ平面がＸ軸を中心にして角度θだけ回転する場合について説明したが、図９に示すように、Ｘ−Ｚ平面がＹ軸を中心にして角度θだけ回転する場合においても、同様のことが言える。従って、この場合にも、傾き角度θは、−４０°〜４０°が好ましく、−３４°〜３４°がより好ましく、−２４°〜２４°がより更に好ましい。

（第７実施の形態）
加速度センサ１０について要求される検出感度特性は、図１０に示すような使用周波数帯域内（ｆ_L〜ｆ_H，ｆ_L：最低使用周波数，ｆ_H：最高使用周波数）における平坦な特性（変動範囲が３ｄＢ以内）である。従って、振動子１単体の共振周波数を通常ｆ_Hよりも十分に高い領域に設定して、振動子１の共振が加速度検出処理に影響を及ぼさないようにしている。しかしながら、振動子１自身の共振周波数をｆ_Hよりも十分に高い領域に設定しておいても（図１１（ａ））、基板３が振動子１に接着されるので、基板３の機械共振周波数が使用周波数帯域内に存在する場合には（図１１（ｂ））、使用周波数帯域で検出感度の平坦性が損なわれる（図１１（ｃ））ことになる。

このような観点に鑑み、第７実施の形態では、基板３の共振点を使用周波数帯域外に置いて、その機械共振周波数を使用周波数帯域外に設定する。この結果、第７実施の形態では、加速度センサ１０の使用周波数帯域において図１０に示すような平坦な検出感度特性を実現することができる。

基板３のサイズに関して、その厚さを厚くする、または、各辺の長さを短くすることにより、基板３の機械共振周波数を高くすることが可能である。具体的には、基板３の材料によっても異なるが、例えば使用周波数帯域での最高使用周波数ｆ_Hが１０ｋＨｚである場合、材料としてアルミナセラミックを使用したときに２．５×８ｍｍ程度の面積、厚さ０．３５ｍｍのサイズとすることにより、このｆ_Hより十分に高い領域に基板３の機械共振周波数を設定することができる。また、基板３がガラスエポキシ単板である場合、アルミナセラミックよりも軟らかいので、基板本体を厚くする、または、形成する電極の幅，厚さを大きくする等、基板３の剛性を実質的に高めるような工夫を行えば、高い共振周波数は容易に実現可能である。

（第８実施の形態）
振動子１と基板３とは接着されるので、振動子１及び基板３の一体構造としての機械共振周波数が加速度センサ１０の検出感度に影響を与えると考えられる。そこで、第８実施の形態では、振動子１及び基板３の一体構造としての機械共振周波数を加速度センサ１０の使用周波数帯域外に設定する。このようにすることにより、第７実施の形態と同様、加速度センサ１０の使用周波数帯域において図１０に示すような平坦な検出感度特性を実現することが可能である。

（第９実施の形態）
図１２は本発明の第９実施の形態による加速度センサ１０の構成を示す断面図であり、図１（ａ）と同一部分には同一番号を付してそれらの説明は省略する。本例では、振動子１及び錘部２を内部に収納するように、断面視コ字状のキャップ部３１が基板３の周縁部に取り付け固定されている。そして、このような例では、これらの振動子１，錘部２，基板３及びキャップ部３１を一体とみなした構造体の機械共振周波数が検出感度の特性に関与する。そこで、第９実施の形態では、この構造体全体としての機械共振周波数を加速度センサ１０の使用周波数帯域外に設定する。

キャップ部３１を設けない構成にあっては、図１３（ａ）の如く、全体の機械共振周波数が使用周波数帯域内に存在するような場合でも、第９実施の形態のようにキャップ部３１を設ける構成として、図１３（ｂ）の如く全体の機械共振周波数を使用周波数帯域外に設定することにより、加速度センサ１０の使用周波数帯域において図１０に示すような平坦な検出感度特性を実現できることになる。

上述した第７〜第９実施の形態の変形例を図１４（ａ）〜（ｃ）に示す。加速度センサ１０が実際に利用される形態として、基板３上に設けられた振動子１及び錘部２が測定系基板４１に直接搭載される形態（図１４（ａ））、第９実施の形態のようにキャップ部３１が取り付けられた状態で測定系基板４１に搭載される形態（図１４（ｂ））、振動子１及び錘部２に加えて処理回路４２（増幅回路，温度補償回路等）を基板３上に設けてそれらをキャップ部３１で被った状態で測定系基板４１に搭載される形態（図１４（ｃ））等が考えられる。何れの場合にも測定用基板４１を加えた（（ｃ）の形態では処理回路４２も加えた）全体構造としての機械共振周波数を使用周波数帯域外に設定することにより、加速度センサ１０の使用周波数帯域において図１０に示すような平坦な検出感度特性を実現できることは勿論である。

なお、上述した第７〜第９実施の形態における機械共振周波数の設定手法は、第１実施の形態のように振動子１の基板３側の端部が分割されているタイプ、第４実施の形態のように振動子１の錘部２側の端部が分割されているタイプの何れにも適用できることは言うまでもない。

第１実施の形態による加速度センサの構成を示す断面図及び基板の平面図である。第１実施の形態の比較例としての加速度センサの構成を示す平面図及び断面図である。第１実施の形態の比較例としての加速度センサの構成を示す平面図及び断面図である。第２実施の形態による加速度センサの基板の平面図である。第３実施の形態による加速度センサの基板の平面図である。第４実施の形態による加速度センサの構成を示す断面図及び錘部の平面図である。第５実施の形態による加速度センサの構成を示す断面図である。傾き角度θと検出感度変化率との関係を示すグラフである。第６実施の形態による加速度センサの構成を示す平面図である。加速度センサについて要求される検出感度特性を示すグラフである。従来例の問題点を説明するための周波数特性を示すグラフである。第９実施の形態による加速度センサの構成を示す断面図である。第９実施の形態による加速度センサを説明するための周波数特性を示すグラフである。第７〜第９実施の形態の変形例による加速度センサの構成を示す断面図である。加速度センサの検出原理を示す説明図である。従来の加速度センサの一例の構成を示す斜視図である。

符号の説明

１振動子
２錘部
３基板
５電極
６電極
１０加速度センサ
２１電極
２２電極
３１キャップ部

Claims

滑り振動が生じる振動子と、該振動子に連なっており、前記振動子にそれ自身を加えたものの重心位置と異なる位置で支持されている錘部とを備え、加速度が加わった場合に前記錘部に発生する支持点を中心とした回転モーメントを滑り振動として前記振動子で検出する加速度センサにおいて、前記振動子での検出結果を外部に取り出すための基板を備えており、該基板の機械共振周波数が、その使用周波数帯域外であることを特徴とする加速度センサ。
滑り振動が生じる振動子と、該振動子に連なっており、前記振動子にそれ自身を加えたものの重心位置と異なる位置で支持されている錘部とを備え、加速度が加わった場合に前記錘部に発生する支持点を中心とした回転モーメントを滑り振動として前記振動子で検出する加速度センサにおいて、前記振動子での検出結果を外部に取り出すための基板を備えており、前記振動子，錘部及び基板を一体構造とした場合の機械共振周波数が、その使用周波数帯域外であることを特徴とする加速度センサ。
滑り振動が生じる振動子と、該振動子に連なっており、前記振動子にそれ自身を加えたものの重心位置と異なる位置で支持されている錘部とを備え、加速度が加わった場合に前記錘部に発生する支持点を中心とした回転モーメントを滑り振動として前記振動子で検出する加速度センサにおいて、前記振動子での検出結果を外部に取り出すための基板と、前記振動子及び錘部を被うキャップ部とを備えており、前記振動子，錘部，基板及びキャップ部を一体構造とした場合の機械共振周波数が、その使用周波数帯域外であることを特徴とする加速度センサ。