JP2008107316A - 加速度センサ - Google Patents
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Abstract
【課題】感度を向上できるようにする。
【解決手段】加速度センサ１０は、屈曲振動する第１圧電振動片１６を備えた発振部１２と、前記発振部の出力信号の位相を９０°変化させて出力する９０°移相部２０と、前記９０°移相部２０の出力側に設けられ、前記第１圧電振動片１６と同じ共振周波数を有して屈曲振動する第２圧電振動片２４を備え、前記第２圧電振動片２４の共振周波数を中心に点対称の移相特性を有する移相回路部２２と、前記移相回路部２２の出力信号と前記発振部１２の出力信号とに基づいて、両者の位相差に応じた信号を出力する移相変化出力部４５とを有し、前記第１圧電振動片１６と前記第２圧電振動片２４とは、振動腕の軸線方向が互いに逆向きになるように配置されている。
【選択図】図１
【解決手段】加速度センサ１０は、屈曲振動する第１圧電振動片１６を備えた発振部１２と、前記発振部の出力信号の位相を９０°変化させて出力する９０°移相部２０と、前記９０°移相部２０の出力側に設けられ、前記第１圧電振動片１６と同じ共振周波数を有して屈曲振動する第２圧電振動片２４を備え、前記第２圧電振動片２４の共振周波数を中心に点対称の移相特性を有する移相回路部２２と、前記移相回路部２２の出力信号と前記発振部１２の出力信号とに基づいて、両者の位相差に応じた信号を出力する移相変化出力部４５とを有し、前記第１圧電振動片１６と前記第２圧電振動片２４とは、振動腕の軸線方向が互いに逆向きになるように配置されている。
【選択図】図１
Description
本発明は、加速度センサに係り、特に加速度による振動数の変化を利用して加速度の大きさを検出する振動式加速度センサに関する。
加速度センサには、振動体の共振現象を利用した振動式のものがある。この振動式の加速度センサは、振動体の共振周波数を検出することで加速度が得られるため、検出回路のデジタル化、小型化を容易に図ることができる。そして、特許文献１には、支持体とマス部との間に細い接続部を介して振動体を配置した振動式の加速度センサが提案されている。この特許文献１に記載の加速度センサは、シリコン基板を用いてマイクロマシニング技術を利用して製造することができる。
特開平９−２５７８３０号公報
しかし、特許文献１に記載の加速度センサは、半導体を用いているので、振動体を励振するために特別な外力を必要とする。また、特許文献１に記載の加速度センサは、半導体で形成しているために周波数温度特性が悪く、別途温度補償をする回路等が必要になる。さらに、特許文献１に記載の加速度センサは、ある程度強い加速度に基づいた応力が作用しないと、加速度を検出することができず、高感度のセンサとすることが困難である。
本発明は、従来技術の欠点を解消するためになされたもので、感度を向上できるようにすることを目的としている。
また、本発明は、温度特性を改善することを目的としている。
また、本発明は、温度特性を改善することを目的としている。
発明者らは、感度の優れた加速度センサを得るために鋭意研究し、実験を行なった。そして、水晶からなる音叉型振動片の長手方向（振動腕の軸方向）に加速度を印加すると、図６に示したように、音叉型振動片の共振周波数が印加された加速度に比例して変化することを見出した。図６は、横軸が重力加速度Ｇ（＝９．８０６６５ｍ／ｓ２）を単位とした加速度であり、縦軸が音叉振動片の軸方向に加速度が印加されたときの共振周波数の、加速度が印加されていないときの共振周波数に対する周波数偏差をｐｐｍで示している。なお、加速度が印加されていないときの音叉型振動片の共振周波数は、４０ｋＨｚである。そして、プラス（＋）の加速度とは、音叉型振動片の振動腕の基端側から先端側に向けて加速度が作用している状態であり、マイナス（−）の加速度とは振動腕の先端側から基端側に向けて加速度が作用している状態を示す。
本発明は、上記の知見に基づいてなされたものである。すなわち、本発明に係る加速度センサは、屈曲振動する振動腕が形成された第１圧電振動片と、前記第１圧電振動片を発振させる発振回路とを備え、前記発振回路の発振信号を出力する発振部と、前記発振部の出力信号の位相を所与の角度変化させて出力する移相部と、前記移相部の出力側に設けられ、屈曲振動する振動腕が形成された第２圧電振動片を備えた移相回路部と、前記移相回路部の出力信号と前記発振部の出力信号とを乗算する乗算器と、前記乗算器の出力が入力され、前記移相回路の入出力信号の移相角度の変化に対応した値を出力する移相変化出力部と、を有し、加速度が印加されていない状態において、前記第２圧電振動片の共振周波数は、前記発振部の前記出力信号の周波数と等しいことを特徴とする。
上記のようになっている本発明は、加速度が印加されていない状態での移相回路部を構成している第２圧電振動片の共振周波数が、加速度が印加されていない状態での発振部の出力信号の周波数と同じにしてある。このため、加速度が作用していない場合、発振部の出力信号と移相回路部の出力信号との位相差は移相部の移相量と等しい。しかし、加速度が作用すると、前記したように、圧電振動片の共振周波数が変化し、発振部の出力信号の発振周波数が第２圧電振動片の共振周波数と異なってくる。このため、発振部の出力信号と移相回路部の出力信号との位相差が位相部の位相量からずれる。したがって、この位相部の位相量からのずれを検出することにより作用する加速度の大きさを知ることができる。また、振動体として圧電振動片を用いているため、励振が容易であり、わずかな加速度による応力の変化によって圧電振動片の共振周波数が変化するため、感度を向上することができる。さらに、圧電振動片を構成する圧電体は、一般に半導体に比較して周波数温度特性が優れており、温度特性を改善することができる。しかも、発振部の出力信号と移相回路部の出力信号との位相差を検出するようにしているため、検出回路の簡素化、小型化を図ることができる。
第１圧電振動片の振動腕の軸線方向と、第２圧電振動片の振動腕の軸線方向とが互いに逆になるように、第１圧電振動片と第２圧電振動片とが配置されていてもよい。これにより、移相回路部における位相変化を、発振部の出力信号のみによる位相の変化の約２倍にすることができる。
移相回路部の周波数対移相特性は、加速度が印加されていないときの第２圧電振動片の共振周波数を中心に点対称であってもよい。これにより、印加される加速度に対する移相回路部の移相量の特性が、加速度０（ｍ／ｓ２）を中心として点対称の特性となる。よって、簡易な回路構成で加速度を検出できる。
第１圧電振動片と第２圧電振動片とは、圧電体からなる音叉型振動片であってよい。音叉型振動片は、時計用などに広く用いられており、安価に製造することができる。また、第１圧電振動片と第２圧電振動片とは、圧電体からなる双音叉振動片を用いることができる。圧電振動片を双音叉振動片にすると、より高感度、高性能な加速度センサを得ることができる。
上記構成において、前記発振回路を構成する第１の音叉型圧電振動片及び集積回路と、前記フィルタ回路を備える前記第２の音叉型圧電振動片とを収容するパッケージと、該パッケージを気密に封止する蓋体とを有する構成とすることができる。
斯かる発明の構成によれば、加速度を検出する上で、前記圧電振動片を気密に封止することにより、音叉型圧電振動片の動作環境を安定させることができ、安定した振動とすることができ、安定した加速度検出を行うことができる。
更に、前記パッケージが、個々に配線基板を有する２つのキャビティを上下に重ねて形成したものであり、一方のキャビティに前記第１および第２の音叉型圧電振動片を収容し、他方のキャビティに前記集積回路を収容したことを特徴とする。
この発明の構成によれば、キャビティを２つ設けて、電子部品を縦２段に収容することで、実装スペースを小さくすることができる。
また、前記パッケージが、共通の配線基板を挟んで、上下に２つのキャビティを形成した所謂Ｈ型のパッケージであり、一方のキャビティに前記第１および第２の音叉型圧電振動片を収容し、他方のキャビティに前記集積回路を収容する構成とすることができる。
この発明の構成によれば、２つのキャビティに収容される各電子部品に関して、共通の配線基板を設けることで、高さ寸法を低減し、低背化を図ることができる。
本発明に係る加速度センサの好ましい実施の形態を、添付図面に従って詳細に説明する。
（センサ素子）
図４に示すように、第２圧電振動片２４は、第１圧電振動片１６とともに、加速度センサ素子３０を構成している。この加速度センサ素子３０は、第１圧電振動片１６と第２圧電振動片２４とが同一のパッケージ３２内に並列に実装してある。パッケージ３２は、パッケージ本体がセラミックなどから箱型に形成され、上面に図示しない蓋体が接合してあって、パッケージ本体に収容した第１圧電振動片１６と第２圧電振動片２４とを気密に封止している。
（センサ素子）
図４に示すように、第２圧電振動片２４は、第１圧電振動片１６とともに、加速度センサ素子３０を構成している。この加速度センサ素子３０は、第１圧電振動片１６と第２圧電振動片２４とが同一のパッケージ３２内に並列に実装してある。パッケージ３２は、パッケージ本体がセラミックなどから箱型に形成され、上面に図示しない蓋体が接合してあって、パッケージ本体に収容した第１圧電振動片１６と第２圧電振動片２４とを気密に封止している。
第１圧電振動片１６は、屈曲振動する振動腕３６ａおよび３６ｂを備えている。振動腕３６ａおよび３６ｂは、基端部３４から互いに平行に延出されている。振動腕３６ａおよび３６ｂは、発振回路１４と電気的に接続された図示しない励振電極を備える。そして、第２圧電振動片２４は、屈曲振動する振動腕４０ａおよび４０ｂを備えている。振動腕４０ａおよび４０ｂは、基端部３８から互いに平行に延出されている。振動腕４０ａおよび４０ｂは、移相回路部（フィルタ回路部）２２の入力端子または出力端子と電気的に接続された図示しない励振電極を備える。第１圧電振動片１６と第２圧電振動片２４とは、例えばパッケージ３２の底面などの同一平面に実装してある。そして、第１圧電振動片１６と第２圧電振動片２４とは、実施形態の場合、逆向きに実装してある。すなわち、第１圧電振動片１６は、固着部となる基端部３４が図４において振動腕３６ａおよび振動腕３６ｂの左側に配置されている。これに対して、第２圧電振動片２４は、固着部となる基端部３８が振動腕４０ａおよび振動腕４０ｂの右側となっている。振動腕３６ａおよび３６ｂの軸線方向３７ａおよび３７ｂが、振動腕４０ａおよび振動腕４０ｂの軸線方向４１ａ、４１ｂと逆向きになっている。なお、振動腕の軸線方向とは、基端部から振動腕が延出する方向である。また、第１圧電振動片１６と第２圧電振動片２４とは、基端部３４、３８に形成した一対の接続端子部（図示せず）が導電性接着剤４２を介して、パッケージ３２に設けた図示しない実装端子に固着してある。
このようになっている加速度センサ素子３０は、例えば図４の矢印４４のように加速度が図４の右方向から左方向に向けて作用した場合、すなわち印加される加速度の方向が第１圧電振動片１６の振動腕の軸線方向３７ａおよび３７ｂと逆方向であって第２圧電振動片２４の振動腕の軸線方向４１ａおよび４１ｂと同じ方向である場合、第１圧電振動片１６は、加速度が振動腕３６の基端側から先端側に向けて作用し、振動腕３６に引っ張り応力が作用する。このため、第１圧電振動片１６の共振周波数は、加速度が作用していないときの共振周波数ｆ０に対して高周波数側に偏倚し、共振周波数がｆ０＋Δｆになる。これに対して、第２圧電振動片２４は、振動腕４０の先端側から基端側に向けて加速度が作用し、振動腕４０に圧縮の応力が作用して、共振周波数が加速度の作用していないときの共振周波数ｆ０に対して低周波数側に偏倚し、共振周波数がｆ０−Δｆになる。すなわち、Δｆは加速度に対応した値となる。
なお、引っ張り応力および圧縮応力によって、見かけ上の弾性定数ｃが変化し、数式１のとおり、共振周波数ｆが変化することが知られている。
ここに、Ｗは圧電振動片の腕幅、ｌは振動片の腕長さ、ρは密度、ｃは見かけ上の弾性定数、Ｋ０は定数である。
図１は、本発明の実施の形態に係る加速度センサの説明図である。図１において、加速度センサ１０は、発振部１２を備えている。発振部１２は、発振回路１４と第１圧電振動片１６とから構成してある。発振回路１４は、第１圧電振動片１６を駆動し、第１圧電振動片１６の共振周波数の周波数を有する発振信号を出力する。そして、第１圧電振動片１６は、実施形態の場合、圧電材料である水晶板によって音叉型に形成してある。もちろん、圧電材料は、水晶以外のタンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ３）やニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３）、四ケイ酸リチウム（Ｌｉ２Ｂ４Ｏ７）などであってもよい。
発振部１２の出力信号は、波形整形部１８と９０°移相部２０とに入力する。波形整形部１８は、発振部１２の出力信号を矩形波に波形整形して出力する。一方、９０°移相部２０は、発振部１２の出力した信号の一部が入力し、この信号の位相を９０°変えて（回転させて）出力する。
９０°移相部２０の出力側には、移相回路部２２が設けてある。この移相回路部２２は、実施形態の場合、一対の抵抗Ｒ１、Ｒ２と第２圧電振動片２４とによってπ型に形成してある。すなわち、第２圧電振動片２４の入力側の端子は、９０°移相部２０の出力端子に接続してあるとともに、抵抗Ｒ１を介して接地してある。また、第２圧電振動片２４の出力端子は、抵抗Ｒ２を介して接地してあるとともに、移相回路部２２の出力側に設けた波形整形部２８に接続してある。
（一定の加速度状態における移相回路部の移相角度）
第２圧電振動片２４は、水晶板からなる音叉型振動片であって、加速度が印加されない状態での共振周波数ｆ０が発振部１２の加速度が印加されない状態での発振周波数と同じにしてある。なお、実施形態の場合、第２圧電振動片２４の加速度が印加されない状態での共振周波数ｆ０は、第１圧電振動片１６の共振周波数と同じにしてある。そして、共振周波数および入力信号の周波数が安定した状態における移相回路部２２の入力信号の周波数に対する移相特性、すなわち周波数対移相特性を、図２に示す。図２の横軸は移相回路部２２に入力する信号の周波数ｆであり、縦軸が入力した信号に対する出力信号の移相角度（位相変化）を度（°）で表している。
第２圧電振動片２４は、水晶板からなる音叉型振動片であって、加速度が印加されない状態での共振周波数ｆ０が発振部１２の加速度が印加されない状態での発振周波数と同じにしてある。なお、実施形態の場合、第２圧電振動片２４の加速度が印加されない状態での共振周波数ｆ０は、第１圧電振動片１６の共振周波数と同じにしてある。そして、共振周波数および入力信号の周波数が安定した状態における移相回路部２２の入力信号の周波数に対する移相特性、すなわち周波数対移相特性を、図２に示す。図２の横軸は移相回路部２２に入力する信号の周波数ｆであり、縦軸が入力した信号に対する出力信号の移相角度（位相変化）を度（°）で表している。
上記第２圧電振動片２４は、実施形態の場合、第１圧電振動片１６と同様に圧電材料である水晶板によって音叉型に形成してあるが、圧電材料は、水晶以外のタンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ３）やニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３）、四ケイ酸リチウム（Ｌｉ２Ｂ４Ｏ７）などであってもよい。この場合、望ましくは第１圧電振動片１６と第２圧電振動片２４とは同質材料で作製することが望ましい。温度特性を併せるためである。
加速度が印加されていない場合、移相回路部２２は（イ）の特性を示す。すなわち、移相回路部２２の周波数対移相特性は、加速度が印加されていない状態の第２圧電振動片２４の共振周波数ｆ０を中心に点対称になっている。ここで、周波数がｆ０の信号が移相回路部２２に入力された場合、移相角度は０°となり、出力信号と入力信号の位相が一致する。
加速度が図４の矢印４７の方向に作用した場合、移相回路部２２は（ハ）の特性を示す。すなわち、（イ）の特性を＋Δｆシフトさせた特性になっている。ここで、加速度が図４の矢印４７の方向に作用することによって、発振部１２の第１圧電振動片１６の共振周波数は低周波数側に偏倚し、発振部１２の出力信号の周波数はｆ０−Δｆになる。よって、移相回路部２２にｆ０−Δｆの信号が入力され、移相角度はαとなり、出力信号が入力信号より位相が進む。なお、加速度が印加されても移相回路部２２の周波数対移相特性が変化しない場合に比べて、約２倍の移相角度となる。
加速度が図４の矢印４４の方向に作用した場合、移相回路部２２は、（ロ）の特性を示す。すなわち、（イ）の特性を−Δｆシフトさせた特性になっている。ここで、加速度が図４の矢印４４の方向に作用することによって、発振部１２の第１圧電振動片１６の共振周波数は高周波数側に偏倚し、発振部１２の出力信号の周波数はｆ０＋Δｆになる。よって、移相回路部２２にｆ０＋Δｆの信号が入力され、移相角度は−αとなり、出力信号が入力信号より位相が遅れる。なお、加速度が印加されても移相回路部２２の周波数対移相特性が変化しない場合に比べて、約２倍の移相角度となる。
安定状態においては、移相角度αに対応する共振周波数の変化Δｆを求め、共振周波数の変化Δｆに対応する加速度を求めることができる。しかし、加速度が変化してから移相角度がαに達して安定状態になるまでは、加速度が求まらず、応答性が悪い。また、移相角度が安定するまで加速度が変化した場合は、加速度が求められない。
（加速度が変化した場合の圧電振動片の移相角度）
初期状態において、第２圧電振動片２４の共振周波数および移相回路部２２の入力周波数がともにｆ０であった状態から、第２圧電振動片２４の共振周波数がｆ０−Δｆに変化し、入力信号の周波数がｆ０＋Δｆに変化した場合、移相角度は、図３の（ニ）のように推移する。すなわち、移相角度は、０°から減少し、−αで飽和する。
初期状態において、第２圧電振動片２４の共振周波数および移相回路部２２の入力周波数がともにｆ０であった状態から、第２圧電振動片２４の共振周波数がｆ０−Δｆに変化し、入力信号の周波数がｆ０＋Δｆに変化した場合、移相角度は、図３の（ニ）のように推移する。すなわち、移相角度は、０°から減少し、−αで飽和する。
初期状態において、第２圧電振動片２４の共振周波数および移相回路部２２の入力周波数がともにｆ０であった状態から、第２圧電振動片２４の共振周波数がｆ０＋Δｆに変化し、入力信号の周波数がｆ０−Δｆに変化した場合、移相角度は、図３の（ホ）のように推移する。すなわち、移相角度は、０°から増加し、αで飽和する。
加速度が加わり移相角度が変化しはじめにおいては、移相角度は時間に比例して変化する。したがって、移相角度が変化しはじめにおいて、移相角度を時間で微分した値ｄθ／ｄｔは、共振周波数の変化および入力信号の周波数の変化Δｆに対応した値となる。また、上述のとおり、周波数の変化Δｆは加速度に対応した値であるから、移相角度を時間で微分した値ｄθ／ｄｔは、加速度に対応した値となる。したがって、移相角度Δθは、加速度を時間で積分した値に対応する。
移相角度を時間で微分した値ｄθ／ｄｔにより加速度を求めることで、移相角度が飽和する前の加速度を求めることができる。
移相角度を時間で微分した値ｄθ／ｄｔにより加速度を求めることで、移相角度が飽和する前の加速度を求めることができる。
移相回路部２２の出力側に設けた波形整形部２８は、移相回路部２２の出力信号を波形整形し、矩形波を出力する。波形整形部２８の出力した矩形波は、波形整形部１８の出力した矩形波とともに乗算器４６に入力する。乗算器４６は、実施形態の場合、排他的論理和回路すなわちＥｘ．ＯＲ（エクスクルーシブ・オア）ゲートから構成してある。したがって、乗算器４６は、波形整形部１８、２８の出力信号がいずれか一方が「１」であって、いずれか他方が「０」のときに「１」を出力する。この乗算器４６の出力側に設けた移相変化出力部４５は、ローパスフィルタ（積分回路）４８と微分回路４９とを有する。ローパスフィルタ４８は、乗算器４６の出力信号の平均値を出力する。微分回路４９は、ローパスフィルタ４８の出力が入力され微分値を出力することで、ローパスフィルタ４８が出力する値の変化を出力する。なお、ローパスフィルタ４８と微分回路４９との接続順を入れ替え、乗算器４６の出力を微分回路に入力し、微分回路の出力をローパスフィルタに入力する構成としてもよい。
上記のごとくなっている実施形態に係る加速度センサ１０の作用は、次のとおりである。加速度センサ素子３０に加速度が作用していない（印加されていない）状態で安定している場合、発振部１２の第１圧電振動片１６は、発振回路１４によって共振周波数ｆ０で励振されている。したがって、発振部１２は、図５（Ａ）に示した周波数ｆ０の信号を出力する。この発振部１２の出力信号は、波形整形部１８に入力し、波形整形部１８によって図５の（Ｂ）に示した矩形波にされ、乗算器４６に入力される。
発振部１２の出力信号の一部は、分割されて９０°移相部２０に入力する。９０°移相部２０は、図５（Ｃ）に示したように、例えば発振部１２の出力信号の位相を９０°遅らせて移相回路部２２に出力する。
加速度センサ素子３０に加速度が作用していない状態で安定しているため、移相回路部２２の第２圧電振動片２４の共振周波数は、発振部１２の第１圧電振動片１６の共振周波数ｆ０と同じである。このため、移相回路部２２の周波数対移相特性は図２の（イ）で示したようになっている。したがって、移相回路部２２は、９０°移相部２０の出力信号の周波数がｆ０であるため、図５（Ｄ）に示したように、入力した信号の位相を変えることなくそのまま出力する。移相回路部２２の出力信号は、波形整形部２８に入力する。波形整形部２８は、移相回路部２２の出力信号を波形整形して図５（Ｅ）の実線に示した矩形波を乗算器４６に入力する。
乗算器４６は、前記したようにＥｘ．ＯＲによって構成してあり、波形整形部１８の出力した矩形波と、波形整形部２８の出力した矩形波との排他的論理和を求めて出力する。すなわち、乗算器４６は、図５（Ｂ）の矩形波と、図５（Ｅ）の実線の矩形波との排他的論理和である図５（Ｆ）の実線の信号を出力する。この図５（Ｆ）の実線の矩形波信号は、ローパスフィルタ４８に入力する。ローパスフィルタ４８は、入力した矩形波信号の時間についての積分値を求めて出力する。加速度センサ素子３０に加速度が作用していない場合、乗算器４６が出力する矩形波信号（矩形波パルス）のデューティ比が５０％であるので、ローパスフィルタ４８は、図５（Ｆ）の実線の矩形波信号についての平均値を出力する。例えば、図５（Ｆ）に示した乗算器４６の出力パルスにおいて、「０」のときの電圧が０Ｖであり、「１」のときの電圧が５Ｖであるとすると、ローパスフィルタ４８は、加速度が作用していない場合に、平均電圧ｖ０＝２．５Ｖを出力する。
次に、加速度センサ素子３０に図４の矢印４４の方向に加速度が作用したとする。このため、発振部１２の第１圧電振動片１６の振動腕３６ａおよび３６ｂには、引張応力が作用し、共振周波数がｆ０からｆ０＋Δｆに変化する。一方、移相回路部２２の第２圧電振動片２４の振動腕４０には、加速度による圧縮応力が作用し、共振周波数がｆ０からｆ０−Δｆに変化する。このため、移相回路部２２の周波数対移相特性が図２の（ロ）に示したようになる。したがって、移相回路部２２は、９０°移相部２０からｆ０＋Δｆの信号が入力した場合、出力信号が入力信号に比べて位相が遅れ、移相角度が図３の−αに達したところで安定する。したがって、移相回路部２２の出力信号を波形整形する波形整形部２８は、図５（Ｅ）の破線βに示した矩形波を出力する。このため、波形整形部１８、２８の出力する矩形波が入力する乗算器４６は、図５（Ｆ）の破線に示したデューティ比が５０％より大きな矩形信号（矩形パルス）γをローパスフィルタ４８に入力する。ローパスフィルタ４８は、入力する矩形波信号γの平均値を求め、ｖ０より大きな電圧信号を出力する。すなわち、ローパスフィルタ４８は、発振部１２が出力した信号と、移相回路部２２が出力した信号との位相差の９０°からのずれ量に応じた信号を出力する。なお、加速度センサ素子３０に作用する加速度が図４の矢印４４と反対方向の矢印４７の方向である場合、乗算器４６は、デューティ比が５０％より小さな矩形パルスを出力する。したがって、ローパスフィルタ４８は、ｖ０より小さな電圧信号を出力する。
微分回路４９は、ローパスフィルタ４８が出力する電圧が入力され、時間で微分した値が出力される。すなわち、移相回路部２２が出力した信号との位相差の９０°からのずれ量に応じた値の変化を出力する。また、ずれ量の変化は、移相角度が変化しはじめにおいて、加速度に対応するため、微分回路４９の出力によって加速度を求めることができる。
なお、前記の実施形態は、本発明の一態様であって、前記実施形態に限定されない。例えば、前記実施形態においては、第１圧電振動片１６と第２圧電振動片２４が音叉型圧電振動片である場合について説明したが、これらの圧電振動片は、双音叉圧電振動片であってもよい。双音叉圧電振動片を用いることによって、より高感度、高精度の加速度センサを得ることができる。また、前記実施形態においては、第１圧電振動片１６と第２圧電振動片２４とを同一のパッケージ３２に収容した場合について説明したが、これらを別々のパッケージに収容してもよい。さらに、前記実施形態においては、第１圧電振動片１６と、第２圧電振動片２４とをパッケージ３２の同一平面内に配置した場合について説明したが、これらを上下に配置してもよい。また、パッケージ３２内に検出回路を圧電振動片１６、２４とともに収容して加速度センサとしてもよい。
ところで、上記実施の形態に係る加速度センサ１０において、加速度が印加されていない状態において、前記第２圧電振動片２４の共振周波数は、前記発振部の前記第１圧電振動片出力信号の周波数と等しく設定している。すなわち、第２圧電振動片２４の加速度が印加されない状態での共振周波数ｆ０は、第１圧電振動片１６の共振周波数と同じにしてある。この結果、環境温度の変化によって、例えば、発振回路１４が備える第１の音叉型圧電振動片１６の周波数が増加、すなわち周波数が高くなり、発振回路１４から出力される信号の周波数も増加する。
他方で、環境温度の変化により、移相回路部２２においては、減衰量（入出力比）−周波数特性が、そのグラフ形状を保ったまま、減衰量が小さくなる方向にシフトする。この点は、図７に、シフト前の特性を実線で示し、シフト後の特性を破線で示した。
したがって、図７に示すように、発振回路１４からｆ２の周波数の信号が、図７中の破線で示される減衰量−周波数特性を有する移相回路部２２に入力されるため、減衰量はＡ１のまま変化せず、温度変化による移相回路部２２における減衰量の変化は打ち消され、移相回路部２２から出力される信号の振幅は変化しない。
よって、第１の実施の形態に係る加速度センサ１０によれば、同一の共振周波数を持つ圧電振動片１６，２４を用いて同一温度環境で使用されるので、周波数温度特性も同じく変化し、加速度が作用していないのに温度の変化によって正確な加速度信号と異なる値が検出されてしまうことを防止できる。
次に、図１の加速度センサ１０に関して、発振回路を構成する第１の音叉型圧電振動片及び集積回路と、移相回路部（フィルタ回路）の備える第２の音叉型圧電振動片とを収容するパッケージと、該パッケージを気密に封止する蓋体とを有する実施例について、以下、具体的に説明する。
（実施例１）
実施例１は、パッケージが、表裏に導電パターンを形成した共通の配線基板３３０を挟んで、２つのキャビティを上下に重ねて形成したものであり、一方のキャビティに第１および第２の音叉型圧電振動片を収容し、他方のキャビティに前記集積回路を収容した構成に関するものである。
実施例１は、パッケージが、表裏に導電パターンを形成した共通の配線基板３３０を挟んで、２つのキャビティを上下に重ねて形成したものであり、一方のキャビティに第１および第２の音叉型圧電振動片を収容し、他方のキャビティに前記集積回路を収容した構成に関するものである。
具体的には、図８〜図１０の圧電デバイス３００は加速度センサを構成するものである。該圧電デバイス３００は、発振回路１４の第１の音叉型圧電振動片１６と、移相回路部２２の第２の音叉型圧電振動片２４とを１つのパッケージに収容している。
図８は、圧電デバイス３００の平面図、図９は、図８におけるＡ−Ａ概略断面図、図１０は、図８におけるＢ−Ｂ概略断面図である。
図８〜図１０において、Ｈ型のパッケージ３０１の一方のキャビティ３０２に、第１の音叉型圧電振動片１６と第２の音叉型圧電振動片２４とをマウントし、蓋体３０４で気密に封止するようにされている。なお、図８の平面図では、説明の便宜のため、蓋体３０４を図示していない。Ｈ型のパッケージ３０１の他方のキャビティ３０３には、ＩＣチップ３０５を取り付けている。
図８〜図１０において、Ｈ型のパッケージ３０１の一方のキャビティ３０２に、第１の音叉型圧電振動片１６と第２の音叉型圧電振動片２４とをマウントし、蓋体３０４で気密に封止するようにされている。なお、図８の平面図では、説明の便宜のため、蓋体３０４を図示していない。Ｈ型のパッケージ３０１の他方のキャビティ３０３には、ＩＣチップ３０５を取り付けている。
ここで、パッケージ３０１は、例えば、絶縁材料として、酸化アルミニウム質のセラミックグリーンシートを成形して形成される複数の基板を積層した後、焼結して形成されている。また、蓋体３０４は、セラミック、金属、ガラスなどの材質を選択して形成されている。蓋体３０４が、例えば、金属の場合には、一般に他の材料よりも強度が高いという利点がある。蓋体３０４の材料としては、パッケージ３０１と熱膨張率が近似したものが適しており、例えば、コバールなどを使用することができる。また、蓋封止後の周波数調整を可能にするために、蓋体３０４は、例えばガラスなどの光透過材料で形成される。例えば、硼珪酸ガラスなどの板体を使用することができる。
パッケージ３０１の一方のキャビティ３０２の一端には、例えば、タングステンメタライズ上にニッケルメッキ及び金メッキで形成した電極部３０６、３０７、３０８、３０９が設けられている。電極部３０６、３０７、３０８、３０９は、例えば、配線基板３３０を貫通してパッケージ３０１の他方のキャビティ３０３に形成した電極３１０、３１１、３１２、３１３にそれぞれ接続されており、電極３１０、３１１、３１２、３１３は、ＩＣチップ３０５の端子にワイヤボンディングで接続されている。ＩＣチップ３０５は、パッケージ３０１内に設けられたスルーホール３１４、３１５を介して、実装端子３１６、３１７に接続されている。
パッケージ３０１の一方のキャビティ３０２の電極部３０６、３０７、３０８、３０９の上には、導電性接着剤が塗布され、この導電性接着剤の上に、第１の音叉型圧電振動片１６の基端部３４と第２の音叉型圧電振動片２４の基端部３８とが載置されて、導電性接着剤が硬化されるようになっている。尚、導電性接着剤としては、接合力を発揮する接着剤成分としての合成樹脂剤に、銀製の細粒等の導電性の粒子を含有させたものが使用でき、シリコーン系や、エポキシ系またはポリイミド系導電性接着剤等を利用することができる。各音叉型圧電振動片の基部をよりリジットに接合固定するためには、エポキシ系導電性接着剤が適している。
ここで、第１の音叉型圧電振動片１６と、第２の音叉型圧電振動片２４は、図１において発振回路と移相回路部（フィルタ回路）に用いた構成と対応させるためである。
すなわち、第１の音叉型圧電振動片１６と第２の音叉型圧電振動片２４は、圧電材料により形成した例えば矩形もしくは正方形の基端部３４、３８と、この基端部３４，３８から延びる一対の振動腕３６（３６ａ、３６ｂ）、４０（４０ａ、４０ｂ）とを有している。
このような第１の音叉型圧電振動片１６と第２の音叉型圧電振動片２４は各振動腕３６，４０の例えば主面、すなわち、上面と下面に電極を形成し、これらの電極を基端部３４，３８の引出し電極に引き回す。
この引出し電極に駆動電圧を印加すると、各振動腕３６，４０の先端部を互いに接近・離間させるようにして水平な屈曲運動を生じる。
この引出し電極に駆動電圧を印加すると、各振動腕３６，４０の先端部を互いに接近・離間させるようにして水平な屈曲運動を生じる。
既に説明したように、第１の音叉型圧電振動片１６と第２の音叉型圧電振動片２４を、検出しようとする加速度Ｇの作用する方向に対して各振動３６，４０が平行となるように配置されている。
以上説明した実施例１の圧電デバイス３００によれば、発振回路１４の第１の音叉型圧電振動片１６と、移相回路部（フィルタ回路）２２の第２の音叉型圧電振動片２４とを１つのパッケージに収容することが可能となり、加速度センサの小型化を図ることができる。
しかも、２つのキャビティ３０２，３０３に収容される各電子部品に関して、共通の配線基板３３０を設けることで、装置全体の高さ寸法を低減し、低背化を図ることができる。
（実施例２）
実施例２は、個々に配線基板４３１，４３２を有する２つのキャビティを上下に重ねて形成したものであり、一方のキャビティに第１および第２の音叉型圧電振動片を収容し、他方のキャビティに集積回路を収容した構成に関するものである。
実施例２は、個々に配線基板４３１，４３２を有する２つのキャビティを上下に重ねて形成したものであり、一方のキャビティに第１および第２の音叉型圧電振動片を収容し、他方のキャビティに集積回路を収容した構成に関するものである。
具体的には、図１１〜図１３に示すように、圧電デバイス４００も加速度センサを構成するものであり、該圧電デバイス４００は、発振回路１４の第１の音叉型圧電振動片１６と、移相回路部（フィルタ回路）２２の第２の音叉型圧電振動片２４とを１つのパッケージに収容している。
図１１は、圧電デバイス４００の平面図、図１２は、図１１におけるＣ−Ｃ概略断面図、図１３は、図１１におけるＤ−Ｄ概略断面図である。
図１１〜図１３に示す例では、パッケージ４０１の上段のキャビティ４０２に、第１の音叉型圧電振動片１６と第２の音叉型圧電振動片２４とをマウントし、蓋体４０４で気密に封止するようにされている。なお、図１１の平面図では、説明の便宜のため、蓋体４０４を図示していない。パッケージ４０１の下段のキャビティ４０３には、ＩＣチップ４０５を取り付けている。
図１１〜図１３に示す例では、パッケージ４０１の上段のキャビティ４０２に、第１の音叉型圧電振動片１６と第２の音叉型圧電振動片２４とをマウントし、蓋体４０４で気密に封止するようにされている。なお、図１１の平面図では、説明の便宜のため、蓋体４０４を図示していない。パッケージ４０１の下段のキャビティ４０３には、ＩＣチップ４０５を取り付けている。
パッケージ４０１は、２つの配線基板４３１，４３２を使用して、２つのキャビティ４０２，４０３を構成している点が、実施例１と相違するだけで、その材質や形成方法は実施例１と同じであるから重複する説明は省略する。
パッケージ４０１の上段のキャビティ４０２を構成するための配線基板４３２の一端には、例えば、タングステンメタライズ上にニッケルメッキ及び金メッキで形成した電極部４０６、４０７、４０８、４０９が設けられている。
電極部４０６、４０７、４０８、４０９は、パッケージ４０１の下段のキャビティ４０３を構成するための配線基板４３１に形成した電極４１０、４１１、４１２、４１３にそれぞれ接続されており、電極４１０、４１１、４１２、４１３は、スルーホール４１４、４１５、４１６、４１７を介して、電極４１８、４１９、４２０、４２１に接続されている。電極４１８、４１９、４２０、４２１は、ＩＣチップ４０５にワイヤボンディングで接続されている。電極４１８、４１９、４２０、４２１は、実装端子４２２、４２３に図示しない導電スルーホールなどにより接続されている。
パッケージ４０１の上段４０２の電極部４０６、４０７、４０８、４０９の上には、導電性接着剤が塗布され、この導電性接着剤の上に、第１の音叉型圧電振動片１６の基部と第２の音叉型圧電振動片２４の基部とが載置されて、導電性接着剤が硬化されるようになっている。
その他の構成は実施例１と同じである。
その他の構成は実施例１と同じである。
以上説明した実施例２の圧電デバイス４００によれば、発振回路１４の第１の音叉型圧電振動片１６と、移相回路部（フィルタ回路）２２の第２の音叉型圧電振動片２４とを１つのパッケージに収容することが可能となり、加速度センサの小型化を図ることができる。
本発明は上述の実施形態に限定されない。各実施形態や各実施例の各構成はこれらを適宜組み合わせたり、省略し、図示しない他の構成と組み合わせることができる。
また、この発明は、音叉型圧電振動片を利用したものであれば、パッケージがなくても適用できるし、また、上述の実施形態では、音叉型圧電振動片のパッケージにセラミックを使用した箱状のものを利用しているが、このような形態に限らず、平板な基板に音叉型圧電振動片を接合し、キャップ状の蓋体で封止する形式の収容容器を用いてもよい。
１０………加速度センサ、１２………発振部、１６………第１圧電振動片、１８、２８………波形整形部、２０………９０°移相部、２２………移相回路部、２４………第２圧電振動片、３０………加速度センサ素子、３４、３８………基端部、３６ａ、３６ｂ、４０ａ、４０ｂ………振動腕、４５………位相変化出力部、４６………乗算器、４８………ローパスフィルタ。
Claims (8)
- 屈曲振動する振動腕が形成された第１圧電振動片と、前記第１圧電振動片を発振させる発振回路とを備え、前記発振回路の発振信号を出力する発振部と、
前記発振部の出力信号の位相を所与の角度変化させて出力する移相部と、
前記移相部の出力側に設けられ、屈曲振動する振動腕が形成された第２圧電振動片を備えた移相回路部と、
前記移相回路部の出力信号と前記発振部の出力信号とを乗算する乗算器と、
前記乗算器の出力が入力され、前記移相回路の入出力信号の移相角度の変化に対応した値を出力する移相変化出力部と、を有し、
加速度が印加されていない状態において、前記第２圧電振動片の共振周波数は、前記発振部の前記出力信号の周波数と等しいことを特徴とする加速度センサ。 - 請求項１に記載の加速度センサにおいて、
前記第１圧電振動片の前記振動腕の軸線方向と、前記第２圧電振動片の前記振動腕の軸線方向とが互いに逆になるように、前記第１圧電振動片と前記第２圧電振動片とが配置されていることを特徴とする加速度センサ。 - 請求項１または２に記載の加速度センサにおいて、
前記移相回路部の周波数対移相特性は、加速度が印加されていないときの前記第２圧電振動片の共振周波数を中心に点対称であることを特徴とする加速度センサ。 - 請求項１ないし３のいずれかに記載の加速度センサにおいて、
前記第１圧電振動片と前記第２圧電振動片とは、圧電体からなる音叉型振動片であることを特徴とする加速度センサ。 - 請求項１ないし４のいずれかに記載の加速度センサにおいて、
前記第１圧電振動片と前記第２圧電振動片とは、圧電体からなる双音叉振動片であることを特徴とする加速度センサ。 - 前記発振回路を構成する第１の音叉型圧電振動片及び集積回路と、前記移相回路部を備える前記第２の音叉型圧電振動片とを収容するパッケージと、該パッケージを気密に封止する蓋体とを有することを特徴とする請求項１ないし５のいずれかに記載の加速度センサ。
- 前記パッケージが、個々に配線基板を有する２つのキャビティを上下に重ねて形成したものであり、一方のキャビティに前記第１および第２の音叉型圧電振動片を収容し、他方のキャビティに前記集積回路を収容したことを特徴とする請求項６に記載の加速度センサ。
- 前記パッケージが、共通の配線基板を挟んで、上下に２つのキャビティを形成したパッケージであり、一方のキャビティに前記第１および第２の音叉型圧電振動片を収容し、他方のキャビティに前記集積回路を収容したことを特徴とする請求項６に記載の加速度センサ。
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