JP2007187463A - 加速度センサ - Google Patents

Abstract

【課題】３軸方向または少なくとも２軸方向の加速度を測定する高精度、高分解能の加速度センサを提供する。
【解決手段】加速度センサ１は、直交する３つの振動片取付面２１〜２３を有するベース２と、互いに直交する３つの振動片接合面３１〜３３を有する所定質量の立方体からなりウエイト３と、３つの双音叉水晶振動片４〜６とを有する。各双音叉水晶振動片は、それぞれ一方の基端部４１ａ，５１ａ，６１ａ，をベースの振動片取付面に結合しかつ他方の基端部４１ｂ，５１ｂ，６１ｂを対応するウエイトの振動片接合面に結合し、それぞれ別個の発振回路により励振する。
【選択図】図１

Description

本発明は、圧電振動片を用いて複数の軸方向に即ち２次元または３次元で加速度を検出するための加速度センサに関する。

従来から、対象物の移動や振動、姿勢の変化などを測定しまたは検出するために、加速度センサが広く使用されている。例えば、マス部と静電力の印加により共振振動する平行ビーム振動体とを支持基台に支持した振動型加速度センサが知られている（例えば、特許文献１を参照）。この加速度センサは、マス部に作用する加速度を、それによる平行ビーム振動体のビーム間隔の変化に基づく平行ビーム振動体の共振振動数の変化として直接検出することにより、伝達によるロスの発生を防止して、加速度を高精度かつ信頼性よく検出する。また、平行ビーム振動体と支持基台とを実質的に点接続することにより、熱応力の影響を回避して良好な温度特性を実現している。

また、２層の圧電体の各表面と中間部とに電極を有する梁の基端部をベース部材に固定して片持ち梁とし、かつ先端部に錘を固定した加速度センサが知られている（例えば、特許文献２を参照）。この梁の各電極に交流電圧を印加して横振動を発生させた状態で、梁の軸方向に加速度が加わると、錘の貫性力によって梁に作用する軸力Ｐが変化するので、梁の共振周波数から軸力が分かり、加速度の大きさを検出することができる。

加速度を２軸方向に検出するために、フレームに直線上に対向配置された１組の振動板を支持体に保持し、かつこの支持体を直線方向に摺動自在に保持し、この１組の振動板と直交するように別の１組の振動板を直線上に対向配置した圧電加速度センサが知られている（例えば、特許文献３を参照）。加速度が、つづら折り状に形成された保持部を介して支持体に伝搬されると、振動板が自在に伸縮してその固有振動周波数が変化するので、その共振周波数の変化率から、温度変化の影響を受けずに加速度を高精度で検出することができる。

他方、２個の音叉型振動片をその振動腕を突き合わせる向きに接続するように、平行な２本の振動ビームとそれらの両端を結合する基端部とからなる構造の双音叉振動子を用いたセンサが知られている（例えば、特許文献４を参照）。この双音叉振動子は、その両端から圧縮方向又は引張方向の力を作用させると、その周波数は増加または減少するように変化する。

更に、双音叉振動子は、高いＱ値及び良好な直線性の周波数特性を有し、しかも印加される力に対する周波数の変化率が大きく、再現性及びヒステリシスに優れ、速い十分な応答速度をもつことが報告されている（例えば、非特許文献１を参照）。特に、双音叉圧電振動子を励振するための駆動電極は、振動ビームの長辺に対する変位の２次微係数が零となる点を境に電極を分割付着し、該分割点において相隣り合う電極に印加する電位が互いに逆になるようにしたものが知られている（例えば、特許文献５を参照）。この駆動電極は、振動ビームへの駆動力の向きと変位の向きとが一致するので、振動ビームの励振が容易になりかつ振動子のＱ値がより高くなり、感度が向上する。

栗原正雄、外３名，「双音叉振動子を用いた水晶圧力センサ」，東洋通信機技報，東洋通信機株式会社，１９９０年，Ｎｏ．４６，ｐ．１−８ 特開平９−２５７８３０号公報 特開２００１−１３３４７６号公報 特開２００５−２４９４４６号公報 特開２０００−７４６７３号公報 特開昭６０−３９９１１号公報

しかしながら、上述した従来の加速度センサは、次のような問題点を有する。上記特許文献１に記載の加速度センサは、シリコン材料で形成されているため、平行ビームを振動させるために、その表面に圧電材料や電気回路からなる別個の励振手段必要がある。しかも、一般にシリコン材料は周波数温度特性が悪く、別個の回路手段などで温度補償しなければならない。また、この加速度センサは加速度を１軸方向しか検出することができず、複数の軸方向例えば３軸方向に検出するためには３個必要であり、装置全体が大型化すると共に、その組み付け構造が複雑になる。

上記特許文献２に記載の加速度センサは、圧電体からなる梁を電気信号で励振させる点において、上記非特許文献１に記載のものより優れているが、同様に加速度を１軸方向しか検出することができない。そのため、複数の軸方向に加速度を検出するためには、振動梁を複数組設ける必要があり、装置全体が大型化すると共に、その組み付け構造が複雑になるという問題がある。

また、上記特許文献３に記載の圧電加速度センサは、１枚のフレームにそれぞれ２個の振動板を直線状に対向配置したものを２組形成し、かつこれらを互いに直交させて配置するので、センサ素子の占有面積が非常に大きく、装置全体を大型化させるという問題がある。また、加速度を３次元で測定するためには、少なくとも２個のセンサ素子が必要であり、センサ全体が極めて大型化する。更に、センサ素子は、複雑な形状の振動板や保持部を含む全ての構成要素が１枚の基板にパターン加工されているので、その製造及び取扱いが難しく、製造コストが増大する。

他方、双音叉圧電振動子は、上述したようにその両端に作用する荷重に対する周波数の変化が良好な直線性を示すので高い分解能が得られ、センサとして使用するのに適している。しかしながら、双音叉圧電振動片を用いて複数の軸方向に加速度を測定できるセンサは、少なくとも本願発明者が知る限り、未だ提案されいていない。

そこで本発明は、上述した従来の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、複数の軸方向、好ましくは直交する３軸方向の加速度を測定し、それにより少なくとも２次元、好ましくは３次元における加速度の測定を可能にする高精度かつ高分解能の加速度センサを提供することにある。

本発明によれば、上記目的を達成するために、平行に延長する１対の振動ビーム、該振動ビームの両端にそれぞれ結合する基端部、及び振動ビームの表面に形成された駆動電極からなる複数の双音叉圧電振動片と、これら複数の双音叉圧電振動片に対応する複数の互いに異なる向きの振動片接合面を有する所定質量のウエイトと、同じく複数の双音叉圧電振動片に対応する複数の、ウエイトの各振動片接合面にそれぞれ対応しかつ互いに異なる向きの振動片取付面を有するベースとを備え、各双音叉圧電振動片が、それぞれ一方の基端部をベースの振動片取付面に結合しかつ他方の基端部をウエイトの対応する振動片接合面に結合した加速度センサが提供される。

各双音叉圧電振動片にはそれぞれ別個の発振回路が設けられ、それぞれ別個に所定の周波数で発振させる。この状態でウエイトに加速度が作用すると、各双音叉圧電振動片にはその長手方向に荷重が作用し、その周波数を圧縮方向の力の場合には減少し、引張方向の力の場合には増加するように変化させる。これらの周波数変化量を検出して、各双音叉圧の長手方向にそれぞれに作用する荷重を算出し、かつそれらを綜合することによって、ウエイトに作用した加速度の大きさ及び向きを多次元に決定することができる。双音叉水晶振動片は優れた圧縮−周波数特性を有するので、本発明の加速度センサは、高精度かつ高分解能で加速度を検出することができる。

或る実施例では、３つの双音叉圧電振動片を有し、ウエイトが互いに直交する３つの振動片接合面を有する立方体からなり、かつベースが各振動片接合面にそれぞれ対応する３つの振動片取付面を有することにより、直交する３方向に作用する荷重を各双音叉圧電振動片からそれぞれ検出し、それらを綜合して加速度の大きさ及び向きを３次元で測定することができる。更に、ウエイトを直交する３方向からバランス良く支持するので、ウエイトに比較的大きな加速度が作用しても、各双音叉圧電振動片が撓んだり容易に壊れたりすることがない十分な機械的強度が得られる。また、各双音叉圧電振動片に撓みが生じないので、その周囲に余分なスペースを設ける必要が無く、センサ全体をコンパクトに構成でき、装置の小型化を図ることができる。

また、双音叉圧電振動片が温度周波数特性に優れた水晶振動片からなることにより、優れた温度特性の加速度センサが得られ、様々な使用条件に対して信頼性が向上し、より広範な用途に適用することができる。また、温度補償のために別個の回路手段などを設ける必要が無いから、センサ全体の構成を簡単にしかつ安価に製造することができる。

以下に、本発明の好適な実施例について、添付図面を用いて詳細に説明する。
図１は、本発明を適用した加速度センサの実施例の基本的構成を概略的に示している。加速度センサ１は、ベース２とウエイト３と３つの双音叉水晶振動片４〜６とを有する。ベース２は、立方形を作るように３つの正方形の壁部を互いに直交させて形成され、ＸＹＺ方向に互いに直交する３つの取付面２１〜２３を有する。ウエイト３は、所定の質量を有する立方体からなり、互いに直交する３つの接合面３１〜３３を有する。ベース２及びウエイト３は、例えばアルミニウム合金などの適当な材料を用いて形成される。

双音叉水晶振動片４〜６は、それぞれ長手方向の両端に設けられる基端部４１ａ，４１ｂ，５１ａ，５１ｂ，６１ａ，６１ｂと、それらの間を平行に延長する１対の振動ビーム４２，５２，６２とを有する。前記各双音叉水晶振動片は、それぞれ別個の発振回路（図示せず）に接続されている。

各双音叉水晶振動片４〜６は、一方の基端部４１ａ，５１ａ，６１ａをそれぞれベース２の振動片取付面２１〜２３に接着剤で結合して、該ベースの前記各壁部に垂直に支持されている。前記各双音叉水晶振動片の他方の基端部４１ｂ，５１ｂ，６１ｂは、それぞれ前記各振動片取付面に対応するウエイト３の振動片接合面３１〜３３に接着剤で結合されている。これにより、ウエイト３が、直交するＸＹＺ３方向から双音叉水晶振動片４〜６によって浮遊した状態に支持される。

このような加速度センサ１の構造は、前記双音叉水晶振動片がその長手方向には高い強度を有しかつ直交する３方向からバランス良く支持するので、十分な機械的強度を発揮する。従って、ウエイト３に比較的大きな加速度が作用しても、各双音叉水晶振動片が撓んだり容易に壊れることはない。また、各双音叉水晶振動片に撓みが生じないことから、その周囲に余分なスペースを設ける必要が無く、全体をコンパクトに構成でき、装置の小型化を図ることができる。

各双音叉水晶振動片４〜６の振動ビーム４２，５２，６２には、その上下主面及び両側面に駆動電極が、従来の音叉型振動片と同様に電極膜を被着しかつエッチングすることによりパターニングされている。双音叉水晶振動片４〜６の駆動電極は、同一のパターンを有するので、図２（Ａ）〜（Ｄ）を用いて双音叉水晶振動片４についてのみ説明する。

本実施例の駆動電極は、各基端部４１ａ，４１ｂ側部分とそれらの間の中央部分とに分割して設けられる。振動ビーム４２ａ，４２ｂの一方の基端部４１ａ側には、図２（Ｂ）に示すように、その上下主面に第１主面電極４３ａ，４３ｂが、両側面に第１側面電極４４ａ，４４ｂがそれぞれ形成されている。振動ビーム４２ａ，４２ｂの他方の基端部４１ｂ側には、図２（Ｃ）に示すように、その上下主面に第２主面電極４５ａ，４５ｂが、両側面に第２側面電極４６ａ，４６ｂがそれぞれ形成されている。振動ビーム４２ａ，４２ｂの中央部分には、図２（Ｄ）に示すように、その上下主面に第３主面電極４７ａ，４７ｂが、両側面に第３側面電極４８ａ，４８ｂがそれぞれ形成されている。

一方の振動ビーム４２ａにおいて、上下各第１主面電極４３ａは、それぞれ異なる一方の第３側面電極４８ａに電気的に接続され、更に連続してそれぞれ異なる一方の第２主面電極４５ａに電気的に接続されている。各第１側面電極４４ａは、それぞれ異なる一方の第３主面電極４７ａに電気的に接続され、更に連続してそれぞれ異なる一方の第２側面電極４６ａに電気的に接続されている。他方の振動ビーム４２ｂにおいて、上下各第１主面電極４３ｂは、それぞれ異なる一方の第３側面電極４８ｂに電気的に接続され、更に連続してそれぞれ異なる一方の第２主面電極４５ｂに電気的に接続されている。各第１側面電極４４ｂは、それぞれ異なる一方の第３主面電極４７ｂに電気的に接続され、更に連続してそれぞれ異なる一方の第２側面電極４６ｂに電気的に接続されている。

一方の基端部４１ａの上面には、長手方向の端縁側に左右１対の引出電極４９ａ，４９ｂが形成されている。一方の引出電極４９ｂは、振動ビーム４２ａの上側の第１主面電極４３ａと振動ビーム４２ｂの一方の第１側面電極４４ｂとに接続されている。他方の引出電極４９ａは、振動ビーム４２ｂの上側の第１主面電極４４ｂと振動ビーム４２ａの一方の第１側面電極４４ａとに接続されている。

他方の基端部４１ｂでは、その上面において振動ビーム４２ａの一方の第２側面電極４６ａと振動ビーム４２ｂの上側の第２主面電極４５ｂとが互いに電気的に接続されている。基端部４１ｂの下面では、図示していないが、振動ビーム４２ｂの下側の第２主面電極４５ｂと振動ビーム４２ａの他方の第２側面電極４４ａとが互いに電気的に接続されている。

このようにして、引出電極４９ｂから上側の第１主面電極４３ａ、一方の第３側面電極４８ａ、下側の第２主面電極４５ａに至り、一方の第２側面電極４６ｂから上側の第３主面電極４７ｂ、一方の第１側面電極４４ｂに至り、下側の第１主面電極４３ａから他方の第３側面電極４８ａ、上側の第２主面電極４５ａに至り、更に他方の第２側面電極４６ｂから下側の第３主面電極４７ｂ、他方の第１側面電極４４ｂを経て引出電極４９ｂに戻る第１駆動電極と、引出電極４９ａから一方の第１側面電極４４ａ、上側の第３主面電極４７ａから一方の第２側面電極４６ａに至り、下側の第２主面電極４５ｂから一方の第３側面電極４８ｂ、上側の第１主面電極４３ｂに至り、他方の第１側面電極４４ａから下側の第３主面電極４７ａ、他方の第２側面電極４６ａに至り、更に上側の第２主面電極４５ｂから他方の第３側面電極４８ｂ、下側の第１主面電極４４ｂを経て引出電極４９ａに戻る第２駆動電極とからなる前記駆動電極が形成される。引出電極４９ａ，４９ｂ間に所定の交流電圧を印加すると、隣接する前記第１駆動電極と第２駆動電極間で電界が交互に発生し、両振動ビーム４２ａ，４２ｂは互いに逆向きに即ち近接または離反する向きに所定の周波数で屈曲振動する。

各双音叉水晶振動片４〜６を前記発振回路により個別に所定の周波数で振動させた状態で、加速度センサ１に外力が作用してウエイト３に加速度が加わると、その大きさ及び向きに対応して、前記各双音叉水晶振動片には、その長手方向に圧縮方向または引張方向の力が作用する。双音叉水晶振動片４〜６の周波数は、圧縮方向の力が作用すると減少し、引張方向の力が作用すると増加するように変化する。従って、各双音叉水晶振動片４〜６における周波数の変化量を検出して、ＸＹＺ方向それぞれに作用する荷重を算出し、それらを綜合してウエイト３に作用した加速度の大きさ及び向きを３次元で決定することができる。

上述したように、双音叉水晶振動片４〜６は優れた圧縮−周波数特性を有するので、本発明の加速度センサ１は、高精度かつ高分解能で加速度を検出することが可能である。しかも、水晶振動片は優れた温度周波数特性を有するので、温度補償のために別個の回路手段などを設ける必要が無く、構成を簡単にしかつ安価に製造することができる。また、精密な測定が可能なため、例えば３次元水準器など広範な用途に適用することができる。

本発明の加速度センサは、２次元即ち平面内の加速度を高精度に検出するために用いることができる。図３及び図４は、そのような本発明の変形例の要部を平面示したものである。図３の変形例は、図１の実施例と同様に立方体のウエイト１０を有する。ウエイト１０は、その上下面中央に設けられた支柱１１により上下方向から支持されている。前記ウエイトの直交する２側面には、これらを振動片接合面１０ａ，１０ｂとして、それぞれ双音叉水晶振動片１２，１３がその一方の基端部を接着剤で固定することにより結合されている。双音叉水晶振動片１２，１３の他方の基端部は、例えば図１の実施例と同様の構造を有するベースに固定されている。

ウエイト１０にＸＹ方向の加速度が作用すると、双音叉水晶振動片１２，１３の周波数が増加または減少するように変化する。各双音叉水晶振動片１２，１３における周波数の変化量から、ＸＹ方向それぞれに作用する荷重を算出し、それらを綜合してウエイト１０に作用した加速度の大きさ及び向きを２次元で決定することができる。

図４の変形例は、互いに１２０°の角度をもって向きが異なる３つの振動片接合面１４ａ，１４ｂ，１４ｃを有するウエイト１４を使用する。ウエイト１４は、その上下面中央に設けられた支柱１５により上下方向から支持されている。各振動片接合面１４ａ，１４ｂ，１４ｃには、それぞれ双音叉水晶振動片１６〜１８がその一方の基端部を接着剤で固定することにより結合されている。双音叉水晶振動片１６〜１８の他方の基端部は、振動片接合面１４ａ，１４ｂ，１４ｃに対応する向きの振動片取付面を有する適当なベースに固定されている。

同様に、ウエイト１４にＸＹ平面内の加速度が作用すると、双音叉水晶振動片１６〜１８の周波数が増加または減少するように変化する。各双音叉水晶振動片１６〜１８における周波数の変化量からＸＹ平面内で３方向それぞれに作用する荷重を算出し、それらを綜合してウエイト１４に作用した加速度の大きさ及び向きを２次元で決定することができる。この変形例では、平面内の３方向から加速度を検出するので、図３の変形例よりも精密な測定が可能である。

図３及び図４の実施例では、ウエイト１０，１４を上下方向の支柱１１，１５によりＸＹ平面内に支持し、ウエイト１０，１４への加速度が各双音叉水晶振動片１２，１３，１６〜１８にその長手方向以外の方向から作用しないようにした。しかしながら、加速度センサに加わる外力及び加速度がそれほど大きくない場合には、上側の支柱１１，１５を省略しても良い。

以上、本発明の好適な実施例について詳細に説明したが、本発明は上記実施例に限定されるものでなく、その技術的範囲において様々に変形・変更を加えて実施することができる。例えば、双音叉水晶振動片６に代えて、水晶以外の従来から公知の様々な圧電材料からなる双音叉振動片を使用することができる。また、上記各実施例では、ウエイトの外面に各双音叉振動片の基端部を貼り付けたが、ウエイトの外面に複数のスリットを形成し、その中に各双音叉振動片の基端部を差し込みかつ接着剤で固定することもできる。

本発明による加速度センサの基本的構成を示す斜視図。 （Ａ）図は図１の双音叉水晶振動片を示す斜視図、（Ｂ）〜（Ｄ）図はそれぞれそのIIB−IIB線、IIC−IIC線、IID−IID線における断面図。 本発明による加速度センサの変形例の要部を示す部分断面平面部。 本発明による加速度センサの別の変形例の要部を示す部分断面平面部。

符号の説明

１…加速度センサ、２…ベース、３，１０，１４…ウエイト、４〜６，１２，１３，１６〜１８…双音叉水晶振動片、１１，１５…支柱、１０ａ，１０ｂ，１４ａ〜１４ｃ，３１〜３３…振動片接合面、２１〜２３…振動片取付面、４１ａ，４１ｂ，５１ａ，５１ｂ，６１ａ，６１ｂ…基端部、４２，４２ａ，４２ｂ，５２，６２…振動ビーム、４３ａ，４３ｂ，４５ａ，４５ｂ，４７ａ，４７ｂ…第１〜第３主面電極、４４ａ，４４ｂ，４６ａ，４６ｂ，４８ａ，４８ｂ…第１〜第３側面電極、４９ａ，４９ｂ…引出電極。

Claims (4)

1. 平行に延長する１対の振動ビーム、前記振動ビームの両端にそれぞれ結合する基端部、及び前記振動ビームの表面に形成された駆動電極からなる複数の双音叉圧電振動片と、
   前記複数の双音叉圧電振動片に対応する複数の互いに異なる向きの振動片接合面を有する所定質量のウエイトと、
   前記複数の双音叉圧電振動片に対応する複数の、前記ウエイトの各振動片接合面にそれぞれ対応しかつ互いに異なる向きの振動片取付面を有するベースとを備え、
   前記各双音叉圧電振動片が、それぞれ一方の前記基端部を前記ベースの前記振動片取付面に結合しかつ他方の前記基端部を対応する前記ウエイトの前記振動片接合面に結合したことを特徴とする加速度センサ。
2. ３つの前記双音叉圧電振動片を有し、前記ウエイトが互いに直交する３つの前記振動片接合面を有する立方体からなり、かつ前記ベースが前記各振動片接合面にそれぞれ対応する３つの前記振動片取付面を有することを特徴とする請求項１に記載の加速度センサ。
3. 前記複数の双音叉圧電振動片をそれぞれ別個に励振する複数の発振回路を更に備え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。
4. 前記双音叉圧電振動片が水晶からなることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の加速度センサ。

Images