JP2007271498A - 加速度センサ - Google Patents

Abstract

【課題】継続して加わる加速度も検出することができる高感度な加速度センサを提供する。
【解決手段】加速度センサは、励振脚部３〜６と、検出脚部７，８と、固定部９，１０と、検出脚部７，８の中心線を通るＹＺ平面に対して励振脚部３，４を対称に屈曲振動させると同時に励振脚部５，６を対称に屈曲振動させる励振手段と、Ｚ軸方向に沿った検出脚部７，８の屈曲振動による電圧信号を取り出して、Ｚ軸方向から加わった加速度を電圧信号に基づいて検出する検出手段とを有する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、加速度センサに関するものである。

従来より、圧電材料の変位等を利用して加速度を検出する加速度センサが提案されている（例えば特許文献１参照）。図２２（Ａ）は特許文献１に開示された加速度センサの構成を示す斜視図、図２２（Ｂ）は図２２（Ａ）の加速度センサのＩ−Ｉ線断面図である。加速度センサ１０００は、水晶等の圧電材料により形成された四角柱状の検出体１００１を備えており、検出体１００１の一端（図２２（Ａ）では下端）が固定されている。図２２（Ｂ）に示すように、検出体１００１の各外面には、それぞれ検出電極１００２〜１００５が形成されており、検出電極１００２と１００４とを接続し、また検出電極１００３と１００５とを接続して、検出端子１００６と１００７の電位差を取り出すようにしている。

図２２（Ａ）、図２２（Ｂ）に示した加速度センサ１０００に対して、図２３（Ａ）に示すように例えばＧの方向に加速度が加わると、この加速度と逆方向にＦ＝ｍａ（ｍは検出体１００１の質量、ａは加速度）の力が加わり、検出体１００１は図２３（Ａ）のように変形する。この検出体１００１の変形により、図２３（Ａ）のＩ−Ｉ線断面図である図２３（Ｂ）に示すように、検出体１００１の外面の各電極１００２〜１００５間には、矢印で示すような電界が圧電効果によって生じる。この電界は、検出端子１００６と１００７間の電位差として取り出すことができ、これにより加速度を検出することができる。

特開２００４−０８５２３７号公報

特許文献１に開示された従来の加速度センサでは、検出体１００１に加わる力Ｆは前述のとおりＦ＝ｍａで表されるが、水晶等の圧電材料の場合、質量ｍが小さく、また電気機械結合係数が小さいために、十分な検出感度が得られないという問題点があった。
また、従来の加速度センサでは、一定の加速度ａが継続して加わる状況の場合、検出体１００１に同一の力Ｆが継続して加わり、電荷の発生がなくなってしまうため、継続して加わる加速度ａを検出するためには積分回路等が必要になるという問題点があった。

本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、継続して加わる加速度も検出することができる高感度な加速度センサを提供することを目的とする。

本発明の加速度センサは、板状の基部と、この基部から第１の方向に延びるように形成された第１、第２の励振脚部と、前記基部から前記第１の方向と反対方向に延びるように形成された第３、第４の励振脚部と、前記第１、第２の励振脚部の真中に配置され、前記基部から前記第１の方向に延びるように形成された第１の検出脚部と、前記第３、第４の励振脚部の真中に配置され、前記基部から前記第１の方向と反対方向に延びるように形成された第２の検出脚部と、前記第１の方向と直交する第２の方向の前記基部の両端部を固定する第１、第２の固定部と、前記第１、第２の検出脚部の中心線を通り前記第１の方向と平行かつ前記第２の方向に対して垂直な平面に対して、前記第１、第２の励振脚部を対称に屈曲振動させると同時に前記第３、第４の励振脚部を対称に屈曲振動させる励振手段と、前記第１、第２の方向と直交する第３の方向に沿った前記第１、第２の検出脚部の屈曲振動による電圧信号を取り出して、前記第３の方向から加わった加速度を前記電圧信号に基づいて検出する検出手段とを有するものである。
また、本発明の加速度センサの１構成例において、前記励振手段は、前記第１、第２、第３、第４の励振脚部に形成された第１、第２、第３、第４の励振電極と、この第１、第２、第３、第４の励振電極に電圧を印加し、前記平面に対して前記第１、第２の励振脚部を対称に屈曲振動させると同時に前記第３、第４の励振脚部を対称に屈曲振動させる励振回路とからなり、前記検出手段は、前記第１の検出脚部に形成され、前記第３の方向に沿った前記第１の検出脚部の屈曲振動による電圧信号を取り出す第１の検出電極と、前記第２の検出脚部に形成され、前記第３の方向に沿った前記第２の検出脚部の屈曲振動による電圧信号を取り出す第２の検出電極と、前記第１、第２、第３、第４の励振脚部の屈曲振動と前記加速度による力とに応じて発生した前記第１、第２の検出脚部の屈曲振動による前記電圧信号を前記第１、第２の検出電極から受けて、この電圧信号を基に前記加速度を検出する検出回路とからなるものである。

また、本発明の加速度センサの１構成例は、前記第１、第２の固定部の代わりに、前記基部と反対側の前記第１の検出脚部の端部を固定する第３の固定部と、前記基部と反対側の前記第２の検出脚部の端部を固定する第４の固定部とを有するものである。
また、本発明の加速度センサの１構成例は、さらに、前記基部と反対側の前記第１の検出脚部の端部を固定する第３の固定部を有するものである。
また、本発明の加速度センサの１構成例は、さらに、前記基部と反対側の前記第１の検出脚部の端部を固定する第３の固定部と、前記基部と反対側の前記第２の検出脚部の端部を固定する第４の固定部とを有するものである。
また、本発明の加速度センサの１構成例は、前記基部と反対側の前記第１、第２、第３、第４の励振脚部の端部にそれぞれ重りを設けたことを特徴とするものである。

また、本発明の加速度センサは、板状の基部と、この基部から第１の方向に延びるように形成された第１、第２の励振脚部と、この第１、第２の励振脚部の真中に配置され、前記基部から前記第１の方向に延びるように形成された第１の検出脚部と、前記第１の方向と直交する第２の方向の前記基部の両端部を固定する第１、第２の固定部と、前記基部と反対側の前記第１の検出脚部の端部を固定する第３の固定部と、前記第１の検出脚部の中心線を通り前記第１の方向と平行かつ前記第２の方向に対して垂直な平面に対して、前記第１、第２の励振脚部を対称に屈曲振動させる励振手段と、前記第１、第２の方向と直交する第３の方向に沿った前記第１の検出脚部の屈曲振動による電圧信号を取り出して、前記第３の方向から加わった加速度を前記電圧信号に基づいて検出する検出手段とを有するものである。
また、本発明の加速度センサの１構成例において、前記励振手段は、前記第１、第２の励振脚部に形成された第１、第２の励振電極と、この第１、第２の励振電極に電圧を印加し、前記平面に対して前記第１、第２の励振脚部を対称に屈曲振動させる励振回路とからなり、前記検出手段は、前記第１の検出脚部に形成され、前記第３の方向に沿った前記第１の検出脚部の屈曲振動による電圧信号を取り出す第１の検出電極と、前記第１、第２の励振脚部の屈曲振動と前記加速度による力とに応じて発生した前記第１の検出脚部の屈曲振動による前記電圧信号を前記第１の検出電極から受けて、この電圧信号を基に前記加速度を検出する検出回路とからなるものである。
また、本発明の加速度センサの１構成例は、前記第１、第２の固定部の代わりに、前記基部から前記第１の方向と反対方向に延びるように形成された支持用脚部と、前記基部と反対側の前記支持用脚部の端部を固定する第５の固定部とを有するものである。
また、本発明の加速度センサの１構成例は、前記基部と反対側の前記第１、第２の励振脚部の端部にそれぞれ重りを設けたことを特徴とするものである。

本発明によれば、基部から第１の方向に延びるように形成された第１、第２の励振脚部と、基部から第１の方向と反対方向に延びるように形成された第３、第４の励振脚部と、第１、第２の励振脚部の真中に配置され、基部から第１の方向に延びるように形成された第１の検出脚部と、第３、第４の励振脚部の真中に配置され、基部から第１の方向と反対方向に延びるように形成された第２の検出脚部とを設け、励振手段により第１、第２の検出脚部の中心線を通り第１の方向と平行かつ第２の方向に対して垂直な平面に対して、第１、第２の励振脚部を対称に屈曲振動させると同時に第３、第４の励振脚部を対称に屈曲振動させて、検出手段が第１、第２の方向と直交する第３の方向に沿った第１、第２の検出脚部の屈曲振動による電圧信号を取り出すことにより、第３の方向から加わった加速度を検出することができる。本発明では、第２の方向に沿った第１、第２、第３、第４の励振脚部の励振振動と加速度に応じた第３の方向の振動とを結合させることにより、従来の加速度センサに比べて高い検出感度を実現することができる。また、本発明では、加速度が第３の方向に沿って継続して加わる場合、第１、第２、第３、第４の励振脚部の第３の方向の振動と第１、第２の検出脚部の第３の方向の振動とが継続して発生するため、加速度に応じた電圧信号を取り出すことができ、継続して加わる加速度を検出することができる。

また、本発明では、基部と反対側の第１、第２、第３、第４の励振脚部の端部にそれぞれ重りを設けることにより、第１、第２、第３、第４の励振脚部の励振振動の振幅を増大させることができ、また第１、第２、第３、第４の励振脚部の質量が増加するので、加速度の検出感度を更に向上させることができる。

また、本発明では、基部から第１の方向に延びるように形成された第１、第２の励振脚部と、第１、第２の励振脚部の真中に配置され、基部から第１の方向に延びるように形成された第１の検出脚部とを設け、励振手段により第１の検出脚部の中心線を通り第１の方向と平行かつ第２の方向に対して垂直な平面に対して、第１、第２の励振脚部を対称に屈曲振動させて、検出手段が第１、第２の方向と直交する第３の方向に沿った第１の検出脚部の屈曲振動による電圧信号を取り出すことにより、第３の方向から加わった加速度を検出することができる。本発明では、第２の方向に沿った第１、第２の励振脚部の励振振動と加速度に応じた第３の方向の振動とを結合させることにより、従来の加速度センサに比べて高い検出感度を実現することができる。また、本発明では、加速度が第３の方向に沿って継続して加わる場合、第１、第２の励振脚部の第３の方向の振動と第１の検出脚部の第３の方向の振動とが継続して発生するため、加速度に応じた電圧信号を取り出すことができ、継続して加わる加速度を検出することができる。

また、本発明では、基部と反対側の第１、第２の励振脚部の端部にそれぞれ重りを設けることにより、第１、第２の励振脚部の励振振動の振幅を増大させることができ、また第１、第２の励振脚部の質量が増加するので、加速度の検出感度を更に向上させることができる。

［第１の実施の形態］
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。図１は本発明の第１の実施の形態に係る加速度センサの構成を示す平面図、図２は図１の加速度センサの斜視図、図３（Ａ）は図１の加速度センサのＡ−Ａ線断面図、図３（Ｂ）は図１の加速度センサのＢ−Ｂ線断面図である。

加速度センサ１は、基部２と、基部２から互いに平行に第１の方向（図１では上方向）に延びるように形成された第１、第２の励振脚部３，４と、基部２から互いに平行に前記第１の方向と反対の方向（図１では下方向）に延びるように形成された第３、第４の励振脚部５，６と、励振脚部３と４の真中に配置され、基部２から前記第１の方向に延びるように形成された第１の検出脚部７と、励振脚部５と６の真中に配置され、基部２から前記第１の方向と反対の方向に延びるように形成された第２の検出脚部８と、前記第１の方向と直交する第２の方向（図１では左右方向）の基部２の両端部を固定する第１、第２の固定部９，１０と、励振脚部３，４，５，６の各々の先端に設けられた重り１１，１２，１３，１４とを備えている。なお、図１〜図３では、前記第２の方向と平行な方向をＸ軸方向、前記第１の方向と平行な方向をＹ軸方向、ＸＹ平面と直交する方向をＺ軸方向としている。

基部２と励振脚部３〜６と検出脚部７，８と固定部９，１０と重り１１〜１４とは、例えば厚さ０．１〜０．３ｍｍ程度の水晶等の圧電材料により一体成形されている。このような加速度センサ１を製造するには、水晶板を例えばエッチングなどにより加工すればよい。各脚部３〜８の幅（Ｘ軸方向の寸法）は０．０５〜０．３ｍｍ程度、長さ（Ｙ軸方向の寸法）は１．０〜５．０ｍｍ程度に形成されていればよい。励振脚部３及び重り１１の質量と励振脚部４及び重り１２の質量とは等しいことが好ましく、同様に励振脚部５及び重り１３の質量と励振脚部６及び重り１４の質量とは等しいことが好ましい。

固定部９，１０は、例えば図示しない基台上に搭載される。これにより、基部２と励振脚部３〜６と検出脚部７，８と重り１１〜１４とが基台から浮くようにして加速度センサ１が基台に固定される。

図３（Ａ）に示すように、励振脚部３の４面にはそれぞれ励振電極１０１〜１０４が形成され、励振脚部４の４面にはそれぞれ励振電極１０９〜１１２が形成され、検出脚部７の４面にはそれぞれ検出電極１０５〜１０８が形成されている。また、図３（Ｂ）に示すように、励振脚部５の４面にはそれぞれ励振電極１１３〜１１６が形成され、励振脚部６の４面にはそれぞれ励振電極１２１〜１２４が形成され、検出脚部８の４面にはそれぞれ検出電極１１７〜１２０が形成されている。

図４は加速度センサ１の各電極の接続関係を示す回路図である。励振脚部３の励振電極１０１と１０３とが接続され、励振脚部４の励振電極１１０と１１２とが接続され、励振脚部５の励振電極１１３と１１５とが接続され、励振脚部６の励振電極１２２と１２４とが接続され、さらにこれらの励振電極１０１，１０３，１１０，１１２，１１３，１１５，１２２，１２４は励振回路２００の第１の出力端子Ｄ１に接続されている。また、励振脚部３の励振電極１０２と１０４とが接続され、励振脚部４の励振電極１０９と１１１とが接続され、励振脚部５の励振電極１１４と１１６とが接続され、励振脚部６の励振電極１２１と１２３とが接続され、さらにこれらの励振電極１０２，１０４，１０９，１１１，１１４，１１６，１２１，１２３が励振回路２００の第２の出力端子Ｄ２に接続されている。

検出脚部７の検出電極１０６と１０８とが接続され、検出脚部８の検出電極１１８と１２０とが接続され、さらにこれらの検出電極１０６，１０８，１１８，１２０が検出回路２０１の第１の入力端子Ｐ１に接続されている。また、検出脚部７の検出電極１０５と１０７とが接続され、検出脚部８の検出電極１１７と１１９とが接続され、さらにこれらの検出電極１０５，１０７，１１７，１１９が検出回路２０１の第２の入力端子Ｐ２に接続されている。

次に、本実施の形態の加速度センサ１の動作を説明する。励振回路２００は、出力端子Ｄ１とＤ２の間に例えば正弦波状の交流電圧（励振信号）を印加する。このため、あるときは励振脚部３〜６にそれぞれ図５の矢印で示すような電界が発生し、次には図５の矢印と逆方向の電界が発生する。これにより、励振脚部３〜６とその先端に設けられた重り１１〜１４とは、Ｘ軸方向に沿って屈曲変位を繰り返す屈曲振動を行う。

図６は励振脚部３〜６及び重り１１〜１４の屈曲振動を模式的に示す平面図である。励振脚部３〜６及び重り１１〜１４は、図６の破線で示すように屈曲振動する。このとき、励振脚部３及び重り１１と、励振脚部４及び重り１２とは、励振脚部７，８の中心線Ｌを通り前記第１の方向と平行かつ前記第２の方向に対して垂直なＹＺ平面に対して、面対称に屈曲振動する。すなわち、励振脚部３及び重り１１が左方向に広がると同時に励振脚部４及び重り１２が右方向に広がり、続いて励振脚部３及び重り１１が右方向に戻ると同時に励振脚部４及び重り１２が左方向に戻るという動作を繰り返す。同様に、励振脚部５及び重り１３と、励振脚部６及び重り１４とは、中心線Ｌを通るＹＺ平面に対して面対称に屈曲振動する。すなわち、励振脚部５及び重り１３が左方向に広がると同時に励振脚部６及び重り１４が右方向に広がり、続いて励振脚部５及び重り１３が右方向に戻ると同時に励振脚部６及び重り１４が左方向に戻るという動作を繰り返す。

このように、励振脚部３〜６が屈曲振動している状態で、加速度センサ１の厚み方向に沿って加速度が加わると、加速度センサ１には加速度と反対方向に慣性による力Ｆ＝ｍａ（ｍは加速度センサ１の質量、ａは加速度）が加わる。図７（Ａ）は加速度センサ１に加速度Ｇが加わったときの励振脚部３〜６と検出脚部７，８と重り１１〜１４の動きを模式的に示す斜視図、図７（Ｂ）は図７（Ａ）の加速度センサ１をＰ側から見た側面図、図７（Ｃ）は図７（Ａ）の加速度センサ１をＱ側から見た側面図である。

図７（Ａ）〜図７（Ｃ）の例では、Ｚ軸方向に沿って下向きに加速度Ｇが加わった場合を示している。この場合、前述のとおり加速度Ｇと反対方向、すなわちＺ軸方向に沿って上向きの力Ｆが加速度センサ１に加わる。励振脚部３〜６及び重り１１〜１４はＸ軸方向に沿って屈曲振動しており、励振脚部３〜６及び重り１１〜１４の重心はＸ軸方向に沿って変位している。このため、励振脚部３〜６及び重り１１〜１４には、この重心の変位と慣性による力Ｆにより、図７（Ｂ）、図７（Ｃ）に示すようにねじれが生じ、励振によるＸ軸方向成分に加えて、ねじれによるＺ軸方向成分を持った屈曲振動が発生する。

一方、検出脚部７，８には、励振脚部３〜６及び重り１１〜１４のＺ軸方向成分を持った屈曲振動により、図７（Ｂ）、図７（Ｃ）に示すようにＺ軸方向に沿った屈曲振動が発生する。この検出脚部７，８の変形により、検出脚部７の外面の検出電極１０５〜１０８間、及び検出脚部８の外面の検出電極１１７〜１２０間には、図８の矢印で示すような電界が圧電効果によって生じる。この電界は、検出回路２０１の入力端子Ｐ１とＰ２間の電圧信号として取り出すことができる。この電圧信号は加速度Ｇに応じた大きさを持つ。よって、検出回路２０１は、電圧信号の大きさによってＺ軸方向へ作用する加速度Ｇの大きさを検出することができる。また、検出回路２０１は、電圧信号の位相と励振回路２００が出力する励振信号の位相とを比較することにより、加速度Ｇの方向を検出することができる。

以上のように、本実施の形態では、励振脚部３〜６及び重り１１〜１４のＸ軸方向の励振振動と加速度に応じたＺ軸方向の振動とを結合させることにより、特許文献１に開示された従来の加速度センサに比べて高い検出感度を実現することができる。本実施の形態の加速度センサ１を設計する際に、Ｘ軸方向の励振振動の周波数Ｆｓｄと加速度に応じたＺ軸方向の検出振動の周波数Ｆｓｐとの比である離調度を例えば１〜３％程度に設計すれば、励振振動と加速度に応じた検出振動とを容易に結合させることができ、高い検出感度を得ることができる。励振振動の周波数Ｆｓｄは励振脚部３〜６の幅と長さに依存し、検出振動の周波数Ｆｓｐは励振脚部３〜６及び検出脚部７，８の厚みと長さに依存するので、周波数ＦｓｄとＦｓｐが略同一となるようにそれぞれの寸法を適宜決定すればよい。

また、本実施の形態では、加速度がＺ軸方向に沿って継続して加わる場合、励振脚部３〜６及び重り１１〜１４のＺ軸方向の振動と検出脚部７，８のＺ軸方向の振動とが継続して発生するため、加速度に応じた電圧信号を検出電極１０５〜１０８，１１７〜１２０から取り出すことができ、継続して加わる加速度を検出することができる。

なお、本実施の形態では、励振脚部３〜６の先端に重り１１〜１４を設けている。重り１１〜１４を設けることで、励振脚部３〜６の励振振動の振幅を増大させることができ、また励振脚部３〜６の質量が増加するので、加速度の検出感度を向上させることができるが、重り１１〜１４は本発明の必須要件ではない。

［第２の実施の形態］
次に、本発明の第２の実施の形態について説明する。図９は本発明の第２の実施の形態に係る加速度センサの構成を示す平面図、図１０は図９の加速度センサの斜視図であり、図１〜図３と同様の構成には同一の符号を付してある。
本実施の形態の加速度センサ１ａは、基部２と、第１、第２の励振脚部３，４と、第３、第４の励振脚部５，６と、第１、第２の検出脚部７，８と、重り１１〜１４と、基部２と反対側の検出脚部７，８の端部を固定する第３、第４の固定部１５，１６とを備えている。

第１の実施の形態と同様に、基部２と励振脚部３〜６と検出脚部７，８と重り１１〜１４と固定部１５，１６とは、水晶等の圧電材料により一体成形されている。
本実施の形態は第１の実施の形態の固定部９，１０の代わりに固定部１５，１６を設けて、検出脚部７，８の端部を固定するようにしたものである。固定部１５，１６は、図示しない基台上に搭載される。これにより、基部２と励振脚部３〜６と検出脚部７，８と重り１１〜１４とが基台から浮くようにして加速度センサ１ａが基台に固定される。

図９の加速度センサ１ａのＡ−Ａ線断面は図３（Ａ）に示したとおりであり、加速度センサ１ａのＢ−Ｂ線断面は図３（Ｂ）に示したとおりである。また、加速度センサ１ａの各電極の接続関係は図４に示したとおりである。

次に、加速度センサ１ａの動作を説明する。本実施の形態においても、励振脚部３〜６及び重り１１〜１４は、第１の実施の形態と同様に屈曲振動する。
図１１（Ａ）は加速度センサ１ａに加速度Ｇが加わったときの励振脚部３〜６と検出脚部７，８と重り１１〜１４の動きを模式的に示す斜視図、図１１（Ｂ）は図１１（Ａ）の加速度センサ１ａをＰ側から見た側面図、図１１（Ｃ）は図１１（Ａ）の加速度センサ１ａをＱ側から見た側面図、図１１（Ｄ）は図１１（Ａ）の加速度センサ１ａをＲ側から見た側面図である。

図１１（Ａ）〜図１１（Ｄ）の例では、Ｚ軸方向に沿って下向きに加速度Ｇが加わった場合を示している。この場合、第１の実施の形態と同様にＺ軸方向に沿って上向きの力Ｆが加速度センサ１に加わる。第１の実施の形態で説明した重心の変位と慣性による力Ｆにより、励振脚部３〜６及び重り１１〜１４には、図１１（Ｂ）、図１１（Ｃ）に示すように励振によるＸ軸方向成分に加えて、ねじれによるＺ軸方向成分を持った屈曲振動が発生する。

一方、基部２と検出脚部７，８には、励振脚部３〜６及び重り１１〜１４のＺ軸方向成分を持った屈曲振動と力Ｆにより、図１１（Ｂ）〜図１１（Ｄ）に示すようにＺ軸方向に沿った屈曲振動が発生する。検出脚部７，８の変形により、検出脚部７の検出電極１０５〜１０８，１１７〜１２０には、図８の矢印で示したような電界が生じる。検出回路２０１の動作は第１の実施の形態で説明したとおりである。
以上により、本実施の形態においても、第１の実施の形態と同様の効果を得ることができる。

［第３の実施の形態］
次に、本発明の第３の実施の形態について説明する。図１２は本発明の第３の実施の形態に係る加速度センサの構成を示す平面図、図１３は図１２の加速度センサの斜視図であり、図１〜図３、図９、図１０と同様の構成には同一の符号を付してある。
本実施の形態の加速度センサ１ｂは、基部２と、第１、第２の励振脚部３，４と、第３、第４の励振脚部５，６と、第１、第２の検出脚部７，８と、第１、第２の固定部９，１０と、重り１１〜１４と、基部２と反対側の検出脚部７の端部を固定する第３の固定部１５とを備えている。

固定部９，１０，１５は、図示しない基台上に搭載される。これにより、基部２と励振脚部３〜６と検出脚部７，８と重り１１〜１４とが基台から浮くようにして加速度センサ１ｂが基台に固定される。
図１２の加速度センサ１ｂのＡ−Ａ線断面は図３（Ａ）に示したとおりであり、加速度センサ１ｂのＢ−Ｂ線断面は図３（Ｂ）に示したとおりである。また、加速度センサ１ｂの各電極の接続関係は図４に示したとおりである。

次に、加速度センサ１ｂの動作を説明する。本実施の形態においても、励振脚部３〜６及び重り１１〜１４は、第１の実施の形態と同様に屈曲振動する。
図１４（Ａ）は加速度センサ１ｂに加速度Ｇが加わったときの励振脚部３〜６と検出脚部７，８と重り１１〜１４の動きを模式的に示す斜視図、図１４（Ｂ）は図１４（Ａ）の加速度センサ１ｂをＰ側から見た側面図、図１４（Ｃ）は図１４（Ａ）の加速度センサ１ｂをＱ側から見た側面図、図１４（Ｄ）は図１４（Ａ）の加速度センサ１ｂをＲ側から見た側面図である。

図１４（Ａ）〜図１４（Ｄ）の例では、Ｚ軸方向に沿って下向きに加速度Ｇが加わった場合を示している。この場合、第１の実施の形態と同様にＺ軸方向に沿って上向きの力Ｆが加速度センサ１に加わる。第１の実施の形態で説明した重心の変位と慣性による力Ｆにより、励振脚部３〜６及び重り１１〜１４には、図１４（Ｂ）、図１４（Ｃ）に示すように励振によるＸ軸方向成分に加えて、ねじれによるＺ軸方向成分を持った屈曲振動が発生する。

一方、基部２と検出脚部７，８には、励振脚部３〜６及び重り１１〜１４のＺ軸方向成分を持った屈曲振動と力Ｆにより、図１４（Ｂ）〜図１４（Ｄ）に示すようにＺ軸方向に沿った屈曲振動が発生する。検出脚部７，８の変形により、検出脚部７の検出電極１０５〜１０８，１１７〜１２０には、図８の矢印で示したような電界が生じる。検出回路２０１の動作は第１の実施の形態で説明したとおりである。

以上により、本実施の形態においても、第１の実施の形態と同様の効果を得ることができる。なお、本実施の形態では、検出脚部７の端部を固定する第３の固定部１５を設けたが、固定部１５の代わりに検出脚部８の端部を固定する第４の固定部１６を設けてもよいことは言うまでもない。

［第４の実施の形態］
次に、本発明の第４の実施の形態について説明する。図１５は本発明の第４の実施の形態に係る加速度センサの構成を示す平面図であり、図１〜図３、図９、図１０、図１２、図１３と同様の構成には同一の符号を付してある。
本実施の形態の加速度センサ１ｃは、基部２と、第１、第２の励振脚部３，４と、第３、第４の励振脚部５，６と、第１、第２の検出脚部７，８と、基部２の両端部を固定する第１、第２の固定部９，１０と、重り１１〜１４と、基部２と反対側の検出脚部７，８の端部を固定する第３、第４の固定部１５，１６とを備えている。

図１５の加速度センサ１ｃのＡ−Ａ線断面は図３（Ａ）に示したとおりであり、加速度センサ１ｃのＢ−Ｂ線断面は図３（Ｂ）に示したとおりである。また、加速度センサ１ｃの各電極の接続関係は図４に示したとおりである。

次に、加速度センサ１ｃの動作を説明する。本実施の形態においても、励振脚部３〜６及び重り１１〜１４は、第１の実施の形態と同様に屈曲振動する。
図１６（Ａ）は加速度センサ１ｃに加速度Ｇが加わったときの励振脚部３〜６と検出脚部７，８と重り１１〜１４の動きを模式的に示す斜視図、図１６（Ｂ）は図１６（Ａ）の加速度センサ１ｃをＰ側から見た側面図、図１６（Ｃ）は図１６（Ａ）の加速度センサ１ｃをＱ側から見た側面図、図１６（Ｄ）は図１６（Ａ）の加速度センサ１ｃをＲ側から見た側面図である。

図１６（Ａ）〜図１６（Ｄ）の例では、Ｚ軸方向に沿って下向きに加速度Ｇが加わった場合を示している。この場合、第１の実施の形態と同様にＺ軸方向に沿って上向きの力Ｆが加速度センサ１に加わる。第１の実施の形態で説明した重心の変位と慣性による力Ｆにより、励振脚部３〜６及び重り１１〜１４には、図１６（Ｂ）、図１６（Ｃ）に示すように励振によるＸ軸方向成分に加えて、ねじれによるＺ軸方向成分を持った屈曲振動が発生する。

一方、基部２と検出脚部７，８には、励振脚部３〜６及び重り１１〜１４のＺ軸方向成分を持った屈曲振動と力Ｆにより、図１６（Ｂ）〜図１６（Ｄ）に示すようにＺ軸方向に沿った屈曲振動が発生する。検出脚部７，８の変形により、検出脚部７の外面の検出電極１０５〜１０８，１１７〜１２０間には、図８の矢印で示したような電界が生じる。検出回路２０１の動作は第１の実施の形態で説明したとおりである。
以上により、本実施の形態においても、第１の実施の形態と同様の効果を得ることができる。

［第５の実施の形態］
次に、本発明の第５の実施の形態について説明する。図１７は本発明の第５の実施の形態に係る加速度センサの構成を示す平面図であり、図１〜図３、図９、図１０、図１２、図１３、図１５と同様の構成には同一の符号を付してある。
本実施の形態の加速度センサ１ｄは、基部２と、第１、第２の励振脚部３，４と、第１の検出脚部７と、第１、第２の固定部９，１０と、重り１１，１２と、基部２と反対側の検出脚部７の端部を固定する第３の固定部１５とを備えており、第３の実施の形態の加速度センサ１ｂから第３、第４の励振脚部５，６と第２の検出脚部８と重り１３，１４とを取り除いたものに相当する。

図１７の加速度センサ１ｄのＡ−Ａ線断面は図３（Ａ）に示したとおりである。図１８は加速度センサ１ｄの各電極の接続関係を示す回路図である。加速度センサ１ｄの各電極の接続関係は、図４から第３、第４の励振脚部５，６と第２の検出脚部８と重り１３，１４とを取り除いたものに相当する。

次に、加速度センサ１ｄの動作を説明する。本実施の形態においても、励振脚部３，４及び重り１１，１２は、第１の実施の形態と同様に屈曲振動する。
図１９（Ａ）は加速度センサ１ｄに加速度Ｇが加わったときの励振脚部３，４と検出脚部７と重り１１，１２の動きを模式的に示す斜視図、図１９（Ｂ）は図１９（Ａ）の加速度センサ１ｄをＰ側から見た側面図、図１９（Ｃ）は図１９（Ａ）の加速度センサ１ｄをＲ側から見た側面図である。

図１９（Ａ）〜図１９（Ｃ）の例では、Ｚ軸方向に沿って下向きに加速度Ｇが加わった場合を示している。この場合の基部２と励振脚部３，４と検出脚部７と重り１１，１２の動きは、図１４で説明した第３の実施の形態の場合と同様であるので、詳細な説明は省略する。

検出脚部７の変形により、検出脚部７の検出電極１０５〜１０８間には、図２０の矢印で示したような電界が生じる。この電界は、検出回路２０１の入力端子Ｐ１とＰ２間の電圧信号として取り出すことができる。検出回路２０１は、電圧信号の大きさによってＺ軸方向へ作用する加速度Ｇの大きさを検出することができる。また、検出回路２０１は、電圧信号の位相と励振回路２００が出力する励振信号の位相とを比較することにより、加速度Ｇの方向を検出することができる。
以上により、本実施の形態においても、第１の実施の形態と同様の効果を得ることができる。

［第６の実施の形態］
次に、本発明の第６の実施の形態について説明する。図２１は本発明の第６の実施の形態に係る加速度センサの構成を示す平面図であり、図１〜図３、図９、図１０、図１２、図１３、図１５、図１７と同様の構成には同一の符号を付してある。
本実施の形態の加速度センサ１ｅは、基部２と、第１、第２の励振脚部３，４と、第１の検出脚部７と、重り１１，１２と、基部２と反対側の検出脚部７の端部を固定する第３の固定部１５と、基部２から前記第１の方向と反対の方向（図２１では下方向）に延びるように形成された支持用脚部１７と、基部２と反対側の支持用脚部１７の端部を固定する第５の固定部１８とを備えており、第２の実施の形態の加速度センサ１ａから第３、第４の励振脚部５，６と第２の検出脚部８と重り１３，１４と第４の固定部１６とを取り除いて、支持用脚部１７と固定部１８とを追加したものに相当する。

図２１の加速度センサ１ｅのＡ−Ａ線断面は図３（Ａ）に示したとおりであり、加速度センサ１ｅの各電極の接続関係は図１８に示したとおりである。
本実施の形態においても、励振脚部３，４及び重り１１，１２は、第１の実施の形態と同様に屈曲振動する。加速度センサ１ｅに加速度Ｇが加わったときの基部２と励振脚部３，４と検出脚部７と重り１１，１２と支持用脚部１７の動きは、図１１で説明した第２の実施の形態の場合と同様であるので、詳細な説明は省略する。支持用脚部１７の動きは検出脚部８と同様の動きとなる。

検出脚部７の変形により、検出脚部７の検出電極１０５〜１０８間には、図２０の矢印で示したような電界が生じる。検出回路２０１の動作は第５の実施の形態で説明したとおりである。
以上により、本実施の形態においても、第１の実施の形態と同様の効果を得ることができる。

なお、第１〜第６の実施の形態では、加速度センサの圧電材料として水晶を例に挙げて説明したが、これに限るものではなく、圧電セラミックスなどの他の圧電材料を用いるようにしてもよい。

本発明は、加速度センサに適用することができる。

本発明の第１の実施の形態に係る加速度センサの構成を示す平面図である。 本発明の第１の実施の形態に係る加速度センサの構成を示す斜視図である。 本発明の第１の実施の形態に係る加速度センサの構成を示す断面図である。 本発明の第１の実施の形態に係る加速度センサの各電極の接続関係を示す回路図である。 本発明の第１の実施の形態において励振回路からの電圧印加により励振脚部に生じる電界を示す断面図である。 本発明の第１の実施の形態において励振脚部及び重りの屈曲振動を模式的に示す平面図である。 本発明の第１の実施の形態において加速度が加わったときの励振脚部と検出脚部と重りの動きを模式的に示す斜視図及び側面図である。 本発明の第１の実施の形態において加速度が加わったときに検出脚部に生じる電界を示す断面図である。 本発明の第２の実施の形態に係る加速度センサの構成を示す平面図である。 本発明の第２の実施の形態に係る加速度センサの構成を示す斜視図である。 本発明の第２の実施の形態において加速度が加わったときの励振脚部と検出脚部と重りの動きを模式的に示す斜視図及び側面図である。 本発明の第３の実施の形態に係る加速度センサの構成を示す平面図である。 本発明の第３の実施の形態に係る加速度センサの構成を示す斜視図である。 本発明の第３の実施の形態において加速度が加わったときの励振脚部と検出脚部と重りの動きを模式的に示す斜視図及び側面図である。 本発明の第４の実施の形態に係る加速度センサの構成を示す平面図である。 本発明の第４の実施の形態において加速度が加わったときの励振脚部と検出脚部と重りの動きを模式的に示す斜視図及び側面図である。 本発明の第５の実施の形態に係る加速度センサの構成を示す平面図である。 本発明の第５の実施の形態に係る加速度センサの各電極の接続関係を示す回路図である。 本発明の第５の実施の形態において加速度が加わったときの励振脚部と検出脚部と重りの動きを模式的に示す斜視図及び側面図である。 本発明の第５の実施の形態において加速度が加わったときに検出脚部に生じる電界を示す断面図である。 本発明の第６の実施の形態に係る加速度センサの構成を示す平面図である。 従来の加速度センサの構成を示す斜視図及び断面図である。 図２２の加速度センサに加速度が加わったときの動作を説明するための図である。

符号の説明

１，１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄ，１ｅ…加速度センサ、２…基部、３〜６…励振脚部、７，８…検出脚部、９，１０，１５，１６，１８…固定部、１１〜１４…重り、１７…支持用脚部、１０１〜１０４，１０９〜１１６，１２１〜１２４…励振電極、１０５〜１０８，１１７〜１２０…検出電極、２００…励振回路、２０１…検出回路。

Claims (10)

1. 板状の基部と、
   この基部から第１の方向に延びるように形成された第１、第２の励振脚部と、
   前記基部から前記第１の方向と反対方向に延びるように形成された第３、第４の励振脚部と、
   前記第１、第２の励振脚部の真中に配置され、前記基部から前記第１の方向に延びるように形成された第１の検出脚部と、
   前記第３、第４の励振脚部の真中に配置され、前記基部から前記第１の方向と反対方向に延びるように形成された第２の検出脚部と、
   前記第１の方向と直交する第２の方向の前記基部の両端部を固定する第１、第２の固定部と、
   前記第１、第２の検出脚部の中心線を通り前記第１の方向と平行かつ前記第２の方向に対して垂直な平面に対して、前記第１、第２の励振脚部を対称に屈曲振動させると同時に前記第３、第４の励振脚部を対称に屈曲振動させる励振手段と、
   前記第１、第２の方向と直交する第３の方向に沿った前記第１、第２の検出脚部の屈曲振動による電圧信号を取り出して、前記第３の方向から加わった加速度を前記電圧信号に基づいて検出する検出手段とを有することを特徴とする加速度センサ。
2. 請求項１記載の加速度センサにおいて、
   前記励振手段は、
   前記第１、第２、第３、第４の励振脚部に形成された第１、第２、第３、第４の励振電極と、
   この第１、第２、第３、第４の励振電極に電圧を印加し、前記平面に対して前記第１、第２の励振脚部を対称に屈曲振動させると同時に前記第３、第４の励振脚部を対称に屈曲振動させる励振回路とからなり、
   前記検出手段は、
   前記第１の検出脚部に形成され、前記第３の方向に沿った前記第１の検出脚部の屈曲振動による電圧信号を取り出す第１の検出電極と、
   前記第２の検出脚部に形成され、前記第３の方向に沿った前記第２の検出脚部の屈曲振動による電圧信号を取り出す第２の検出電極と、
   前記第１、第２、第３、第４の励振脚部の屈曲振動と前記加速度による力とに応じて発生した前記第１、第２の検出脚部の屈曲振動による前記電圧信号を前記第１、第２の検出電極から受けて、この電圧信号を基に前記加速度を検出する検出回路とからなることを特徴とする加速度センサ。
3. 請求項１又は２記載の加速度センサにおいて、
   前記第１、第２の固定部の代わりに、
   前記基部と反対側の前記第１の検出脚部の端部を固定する第３の固定部と、
   前記基部と反対側の前記第２の検出脚部の端部を固定する第４の固定部とを有することを特徴とする加速度センサ。
4. 請求項１又は２記載の加速度センサにおいて、
   さらに、前記基部と反対側の前記第１の検出脚部の端部を固定する第３の固定部を有することを特徴とする加速度センサ。
5. 請求項１又は２記載の加速度センサにおいて、
   さらに、前記基部と反対側の前記第１の検出脚部の端部を固定する第３の固定部と、
   前記基部と反対側の前記第２の検出脚部の端部を固定する第４の固定部とを有することを特徴とする加速度センサ。
6. 請求項１乃至５のいずれか１項に記載の加速度センサにおいて、
   前記基部と反対側の前記第１、第２、第３、第４の励振脚部の端部にそれぞれ重りを設けたことを特徴とする加速度センサ。
7. 板状の基部と、
   この基部から第１の方向に延びるように形成された第１、第２の励振脚部と、
   この第１、第２の励振脚部の真中に配置され、前記基部から前記第１の方向に延びるように形成された第１の検出脚部と、
   前記第１の方向と直交する第２の方向の前記基部の両端部を固定する第１、第２の固定部と、
   前記基部と反対側の前記第１の検出脚部の端部を固定する第３の固定部と、
   前記第１の検出脚部の中心線を通り前記第１の方向と平行かつ前記第２の方向に対して垂直な平面に対して、前記第１、第２の励振脚部を対称に屈曲振動させる励振手段と、
   前記第１、第２の方向と直交する第３の方向に沿った前記第１の検出脚部の屈曲振動による電圧信号を取り出して、前記第３の方向から加わった加速度を前記電圧信号に基づいて検出する検出手段とを有することを特徴とする加速度センサ。
8. 請求項７記載の加速度センサにおいて、
   前記励振手段は、
   前記第１、第２の励振脚部に形成された第１、第２の励振電極と、
   この第１、第２の励振電極に電圧を印加し、前記平面に対して前記第１、第２の励振脚部を対称に屈曲振動させる励振回路とからなり、
   前記検出手段は、
   前記第１の検出脚部に形成され、前記第３の方向に沿った前記第１の検出脚部の屈曲振動による電圧信号を取り出す第１の検出電極と、
   前記第１、第２の励振脚部の屈曲振動と前記加速度による力とに応じて発生した前記第１の検出脚部の屈曲振動による前記電圧信号を前記第１の検出電極から受けて、この電圧信号を基に前記加速度を検出する検出回路とからなることを特徴とする加速度センサ。
9. 請求項７又は８記載の加速度センサにおいて、
   前記第１、第２の固定部の代わりに、
   前記基部から前記第１の方向と反対方向に延びるように形成された支持用脚部と、
   前記基部と反対側の前記支持用脚部の端部を固定する第５の固定部とを有することを特徴とする加速度センサ。
10. 請求項７乃至９のいずれか１項に記載の加速度センサにおいて、
    前記基部と反対側の前記第１、第２の励振脚部の端部にそれぞれ重りを設けたことを特徴とする加速度センサ。
    

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