JP2008170166A - 加速度検知ユニット、及び加速度センサ - Google Patents

Abstract

【課題】応答速度が速く、高感度、高安定性で、しかも温度特性のよい加速度検知ユニット及び加速度センサを得る。
【解決手段】加速度印加によって変位しない固定部材と、該固定部材によって加速度印加方向へ可動な状態で支持される可動部材と、該固定部材と該可動部材とを連結する可撓性を有した梁と、前記固定部材と前記可動部材とによって両端部を支持された応力感応素子と、を備え、前記梁は、前記可動部材に加速度が印加され、前記応力感応素子に伸張・圧縮応力が加わる場合に前記可動部材を加速度印加方向へ変位させるように加速度検知ユニットを構成する。
【選択図】図１

Description

本発明は、加速度センサに関し、特に圧電振動子の共振周波数変化から加速度を検出する種類の加速度検知ユニット、及び加速度センサに関する。

加速度センサは従来から自動車、航空機、ロッケットから各種プラントの異常振動監視等まで、広く使用されている。特許文献１に図５の斜視図に示すような力感知装置１００が開示されている。固定部材１１０と、該固定部材１１０の先に取り付けられた可撓蝶番（ピポット）１２０と、該可撓蝶番１２０に直交して取り付けられた力伝達部材１３０と、を一体的に形成した機能部材を構成する。固定部材１１０の基底の端部１１１と、力伝達部材１３０の一方の端部１３１との間に双音叉型圧電振動子１４０を差し渡して接着固定している。力伝達部材１３０の他方の端部に力Ｆが印加されると、可撓蝶番（ピポット）１２０の中心を支点とするモーメントが生じ、双音叉型圧電振動子１４０に伸張あるいは圧縮応力が加わる。双音叉型圧電振動子１４０に応力が印加されるとその応力に応じて双音叉型圧電振動子１４０の共振周波数が変化し、該周波数の変化から応力の大きさを検知する。

また、特許文献２には図６の斜視図に示すような半導体加速度センサが開示されている。図６に示す半導体加速度センサは、方形状に形成されたシリコン単結晶基板（以下、Ｓｉ基板という）１５０の面内に周縁部に沿った略Ｃ字状スリット状に空隙部１５１を貫通形成し、空隙部１５１の内側部を重り部１６０、その外側部をＳｉ基板枠部１５２とし、重り部１６０とＳｉ基板枠部１５２とは片持梁部１６１で連結されている。片持梁部１６１の２箇所にボロン等の３族元素を熱拡散あるいはイオン注入してゲージ抵抗１７０、１７１を形成すると共に、片持梁部１６１の近傍のＳｉ基板枠部１５２にも同様にゲージ抵抗１７２、１７３を形成する。４つのゲージ抵抗１７０〜１７３をゲージ抵抗１７０と１７１とが対辺となるようにブリッジ接続回路を構成する。

図６に示すように矢印方向から加速度αが印加されると、印加された方向に重り部１６０が偏位し、片持梁部１６１は撓む。片持梁部１６１に設けたゲージ抵抗１７０、１７１は各々引っ張り応力を受け、この応力に応じて抵抗値が変化し、ブリッジ回路の出力端から加わった加速度の大きさに応じた出力電圧が得られると開示されている。

特許文献１以外に圧電振動子（例えば、水晶振動子）に応力を加えることによって共振周波数が変化する性質を利用した加速度センサが各種実用化され、公開特許公報、文献等に数多く公開されている。例えば、非特許文献１には双音叉水晶振動子の構造、外力が無いときの共振周波数式、外力が印加されたときの共振周波数式、印加された力と共振周波数の関係、水晶圧力センサ用発振回路、双音叉水晶振動子を用いた圧力センサ等が詳しく開示されている。

特許文献３には図７に示すような圧力センサが開示されている。図７（ａ）は圧力センサ１８０の概略平面透視図、同図（ｂ）はＱ−Ｑにおける概略断面図である。圧力センサ１８０は上部のダイヤフラム１９０と、該ダイヤフラム１９０と対向する下部のダイヤフラム２００と、双音叉圧電振動子２１０とを備えている。上部ダイヤフラム１９０は円形であり、中央部の下面に円形の凹陥部１９１が形成されている。下部ダイヤフラム２００も円形であり中央部の上面に力伝達用の２つの支柱２０２と、該力伝達用の２つの支柱２０２の近傍に２つの載置部２０３、２０４とを設け、これらの周囲に円形の凹陥部２０１が形成されている。凹陥部１９１、２０１同士は上下対向するように形成されている。双音叉圧電振動子２１０には応力感度のよい双音叉水晶振動子を用い、双音叉水晶振動子２１０の両基端部が載置部２０３、２０４に搭載され、接着剤で固定される。

支柱２０２を介して双音叉水晶振動子２１０に応力が加えられた場合の応力と周波数変化との関係は、図８に示すように略直線となる。双音叉水晶振動子に応力が加えられないときの双音叉水晶振動子の共振周波数をｆ０とし、双音叉水晶振動子に伸張応力が加わると共振周波数はｆ０より高くなり、圧縮応力が加わると共振周波数はｆ０より減少し、印加応力と共振周波数との関係は略直線となると開示されている。
特開昭５７−１１３３３５号公報 特開平１−２５９２６４号公報 特開２００４−１３２９１３公報 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

しかしながら、特許文献１に記載されているように、可撓蝶番に直交して取り付けられた力伝達部材の構造では、力Ｆに対し可撓蝶番が撓みにくく、微細な力の検出が難しいという問題があった。また、特許文献２に記載の半導体加速度センサでは、梁が数ミクロン撓んでから加速度が検出されるので、梁が大きく撓むまでの時間を必要とする分、検出までに時間がかかるという問題と、加速度αが瞬間的に変化するような場合では梁が加速度αの変化に追従するよう大きく撓むことができないので高い周波数の応答（高感度検知）が難しいという問題があった。さらに、半導体にボロン等の３族元素を熱拡散あるいはイオン注入して形成するゲージ抵抗のピエゾ抵抗は温度特性が悪く、また抵抗値の変化量が小さいので、加速度の精密な測定ができないという問題があった。
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、微細な加速度も検出できる高感度、高安定性で、しかも温度特性のよい加速度検知ユニット、及び加速度センサを提供することにある。

本発明は、高応答速度、高感度、高再現性で、しかも温度特性のよい加速度検知ユニットと加速度センサを得るため、加速度の印加によって変位しない固定部材と、前記固定部材に梁にて支持される可動部材と、応力感応部と該応力感応部を挟むように該応力感応部と連結した２つの固定端とを有する応力感応素子と、を備え、前記応力感応素子が、前記固定部材に一方の固定端を支持されると共に、前記可動部材に他方の固定端を支持されたものであり、前記梁は、前記可動部材に加速度が印加されると前記可動部材を加速度検出軸方向へ変位させるように屈曲可能な可撓性を有する加速度検知ユニットを構成する。
このように加速度検知ユニットを構成することにより、重量のある可動部材が梁により容易に撓み、変換された応力（加速度×質量）を応力感応素子に印加できるので、高応答速度で、感度の良好な加速度検知ユニットを構成することができる。

前記固定部材は前記応力感応素子の一端を支持する素子支持部と、該素子支持部から前記応力感応素子の張出し方向と平行する側方へ張出し形成され上面に前記梁を備えた張出し部と、を備え、前記梁は、前記可動部材を支持するように構成する。
このように機能部材を構成することにより、可動部材が梁により容易に撓み、加速度をすばやく応力に容易に変換することが可能となる。

前記梁は、前記可動部材の重心線上の位置を支持するよう加速度検知ユニットを構成する。
このように機能部材を構成することにより、可動部材がある方向に撓んだ場合に他の方向に撓みの影響が生ずることが無く、精度のよい加速度検出が可能となる。

前記梁は、前記加速度検出軸方向と直交する奥行き方向への前記可動部材の変位を阻止する形状を有するように構成する。
このように梁の形状を構成することにより、梁と直交する方向には撓むが、梁方向に撓むことは無く、所定方向の加速度を精度よく測定できるという効果がある。

前記梁の奥行き方向の寸法は、前記加速度検出軸方向の前記梁の幅の寸法以上の長さを有するように構成する。
このように梁を構成することにより、測定すべき加速度の範囲に応じて最適な梁の奥行き寸法を設定することが可能となる。

前記応力感応素子は、２つの前記固定端、及び各固定端間を連設する振動領域を備えた圧電基板からなる応力感応部と、該圧電基板の振動領域上に形成した励振電極と、を備えた圧電振動素子を用いて加速度検知ユニットを構成する。
このように応力感応素子に圧電振動素子を用いることにより、応答速度、応力感度、再現性等が向上すると共に、温度特性が改善されるという効果がある。

前記応力感応素子は、２つの前記固定端、及び各固定端間を連設する２つの振動ビームを備えた圧電基板からなる応力感応部と、該圧電基板の振動領域上に形成した励振電極と、を備えた双音叉型圧電振動素子を用いて加速度検知ユニットを構成する。
このように応力感応素子に双音叉型圧電振動素子を用いることにより、双音叉型圧電振動素子を接着、固定する際の感度への影響が減少し、応答速度、応力感度、再現性等が大幅に向上すると共に、温度特性が改善されるという効果がある。

請求項１乃至７に記載された加速度検知ユニットと、該加速度検知ユニットを内部に収容して気密的に封止するハウジングと、前記応力感応素子を構成する励振電極と電気的に接続される発振回路と、を備えた加速度センサを構成する。
このように加速度センサを構成することにより、周囲の環境条件に対応でき、応答速度、応力感度、再現性等が大幅に向上すると共に、温度特性が改善されるという効果がある。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。図１は本発明に係る加速度検知ユニット１の構成を示す斜視図であって、加速度の印加によって変位しない固定部材２と、該固定部材２によって加速度印加方向（加速度検出軸方向）へ可動な状態で支持される可動部材１０と、固定部材２と可動部材１０とを連結する可撓性を有した梁２０と、固定部材２と可動部材１０とによって両端の固定端を夫々支持された応力感応素子３０と、を備えている。梁２０は、加速度検知ユニット１に加速度検出軸方向であるＸ軸方向（図１の左下端に示す）の加速度が印加された場合、可動部材１０を介して応力感応素子３０に伸張・圧縮応力（加速度×質量）が加わるよう、可動部材１０を加速度印加方向（Ｘ軸）へ変位させるように屈曲可能に構成される。なお、固定部材２、可動部材１０、梁２０は真鍮、アルミニウム、リン青銅等の金属材料を機械加工して一体的に構成されている。

直方体状の固定部材２は応力感応素子３０の一端を支持する素子支持部３と、該素子支持部３から応力感応素子３０の張出し方向と平行する側方へ（Ｘ軸方向）張出し形成され上面に梁２０を備えた張出し部４と、を備え、梁２０は可動部材１０の底部を支持するように構成される。そして、素子支持部３の図中上端隅には応力感応素子３０を素子支持部３に固定する際に所定の位置に固定できるように、応力感応素子３０の幅（Ｙ軸）及び厚さ（Ｚ軸）寸法と同程度の段差部５を形成する。該段差部５のＸ軸方向の寸法は、応力感応素子３０の振動を妨げないように応力感応素子３０の固定端の長さ（Ｘ軸方向）と同程度とする。

固定部材２の張出し部４と可動部材１０とを連結する梁２０は、加速度が印加されない時には張出し部４の上面に対して直交した姿勢を維持し、Ｘ軸方向への加速度が印加された時には梁２０の中央部に在る支点（くびれ部）２１を中心として横方向（Ｘ軸方向）へ撓み、加速度印加方向（Ｘ軸）と直交する奥行き方向（Ｙ軸）への可動部材１０の変位を阻止する形状とする。図１では端面の形状がなだらかな双曲線状の梁２０を図示しているが、端面の形状が機械加工に適した２つの半円状を背中合わせした凹状の円弧形状であってもよい。また、図２の側面図に示すように可動部材１０の底部と、張出し部４の上部の何れか一方をテイパー状に加工し、梁２０は薄い直方体であってもよい。要は可動部材１０が常に一定の支点で撓むような形状であればよい。
また、梁２０の奥行き方向（Ｙ軸方向）寸法は、可動部材１０が加速度印加方向と直交する方向に変形することがないように構成すればよく、梁の奥行き方向（Ｙ軸方向）の寸法を梁の幅方向（Ｘ軸方向）の寸法よりも長くした構成を有していれば例えば可動部材１０の奥行き方向（Ｙ軸方向）全長と同等か、該奥行き方向全長よりも短いか、或いは該奥行き方向よりも長い場合のいずれでもよい。

直方体状の可動部材１０の上部で奥行き方向（Ｙ軸方向）の一端部に応力感応素子３０を所定の位置で位置決めするためのストッパ１１を形成すると共に、応力感応素子３０の振動を妨げないように、応力感応素子３０の振動ビーム３２の下部に当たる可動部材１０の上端を研削し、応力感応素子３０の振動ビーム３２と可動部材１０の上端との間に段差部１２を形成する。
また、可動部材１０は、張出し部４の奥行き方向（Ｙ軸）の一端寄りに偏位した領域を占め、可動部材１０の奥行き方向（Ｙ軸）の一側面と張出し部４の奥行き方向の一端縁との間には空隙を設けるように構成する。これは加速度検知ユニット１をハウジングの内壁に取り付け、加速度センサを構成し、該加速度センサを横置きして用いる際にハウジング内壁と可動部材１０とが干渉しないようにするための空隙である。

応力感応素子３０は、固定部材２の素子支持部３上面に形成された段差部５と、可動部材１０の上面及びストッパ１１との間に差し渡して配置されている。応力感応素子３０としては、両端部に位置する固定端３１、及び各固定端間を連設する２つの振動ビーム３２を備えた圧電基板と、該圧電基板の振動領域上に形成した励振電極と、を備えた双音叉型圧電振動素子を用いると応力感度が優れ、検出の応答速度が速いという特徴を有する。特に水晶材料を用いて双音叉型圧電振動素子（双音叉型水晶振動素子）構成すると、周波数の温度特性、周波数安定性、応力感度が優れた加速度検知ユニットが構成できる。

本実施形態では、応力感応素子として２つの固定端３１の間に固定端３１と連結するよう応力感応部である２本の振動ビーム３２を備えた双音叉型水晶振動素子を用いている。双音叉型水晶振動素子は伸張・圧縮応力に対する感度が良好であり、高度計用、或いは深度計用の応力感応素子として使用した場合には分解能力が優れるために僅かな気圧差から高度差、深度差を知ることができる。
双音叉型水晶振動素子の２本の振動ビームに外力Ｆを加えたときの共振周波数ｆ_Fは以下の如くである。

ここで、ｆ₀は外力がないときの双音叉型水晶振動素子の共振周波数、Ｋは基本波モードによる定数（＝0.0458）、ｌは振動ビームの長さ、Ｅは縦弾性定数、Ｉは断面２次モーメントである。断面２次モーメントＩはI＝ｄｗ³／１２より、式（１）は次式のように変形することができる。ここで、ｄは振動ビームの厚さ、ｗは幅である。

但し、応力感度Ｓ_Fと、応力σとはそれぞれ次式で表される。

以上から双音叉型振動子に作用する力Ｆを圧縮方向のとき負、伸張方向（引張り方向）を正としたとき、力Ｆと共振周波数ｆ_Fの関係は、力Ｆが圧縮で共振周波数ｆ_Fが減少し、伸張（引張り）では増加する。また応力感度Ｓ_Fは振動ビームのｌ／ｗの２乗に比例する。しかし、圧電振動素子としては、双音叉型水晶振動子に限らず、伸張・圧縮応力によって周波数が変化する圧電振動素子であればどのようなものを用いても良い。

図３は加速度センサ４０の側面図であり、図１に示したような加速度検知ユニット１をＸ軸の回りで９０°回転させ、ハウジング５０の内部に収容して構成した加速度センサである。図１に示した部位と同じ部位には同符号を用いて表す。加速度検知ユニット１をハウジング５０の内壁に固定したうえ、双音叉型水晶振動素子３０の固定端３１に設けたパッド電極３３と、発振回路を形成した基板６０の端子電極とをボンディングワイヤ６５にて接続し、金属蓋５１をハウジング５０に被せてハウジング５０を気密的に封止する。発振回路の基板６０とハウジング５０の端子電極５２とは電気的に導通している。なお、基板６０を固定部材２寄りに設けると、固定部材２側の固定端３１に双音叉型水晶振動素子３０のパット電極３３を配置し、基板６０の端子電極とパッド電極３３とをボンディングワイヤ６５にて接続できる。
これにより固定部材３が加速度の印加に対して変位しないことからボンディングワイヤ６５が屈曲することが無いのでボンディングワイヤ６５の断線を防止することができる。

図４は、図１に示したような加速度検知ユニット１から応力感応素子３０を取り除いた状態を示す斜視図であり、金属ブロックから機械加工により一体的に形成した機能ブロックの斜視図である。加速度印加によって変位しない固定部材２と、該固定部材２によって加速度印加方向へ可動な状態で支持される可動部材１０と、固定部材２と可動部材１０とを連結する可撓性を有した梁２０と、を備えている。可動部材１０が直方体であればその重心Ｇは、可動部材１０のＸ、Ｙ、Ｚそれぞれの面の中心を結ぶ位置になるが、可動部材１０にストッパ１１や、段差部１２を形成することにより、重心Ｇは元に位置からシフトする。そこで、図４に示す形状の可動部材１０の重心Ｇを計算し、該重心Ｇより張出し部４に垂線を下ろし、該垂線と張出し部４との交点に沿って梁２０を設けるようにする。このように重心Ｇの真下（重心線上の位置）に梁２０を設けることにより、可動部材１０にＸ軸方向の加速度が加わり、可動部材１０が梁２０の支点を中心として撓んでもＹ方向、Ｚ方向に不要な撓みが生じることは無い。尚、重心Ｇより張出し部４に下ろした垂線（重心線）と加速度印加方向とは直交する関係である。

本発明に係る加速度検知ユニットの構造を示した概略斜視図。 加速度検知ユニットの可動部材と梁の側面図。 加速度センサの概略側面図。 固定部材と可動部材と梁２０とを備えた機能部材の斜視図。 従来の力感知装置の斜視図。 従来の半導体加速度センサの構成を示す斜視図。 圧力センサの平面図及び断面図。 応力と周波数変化の関係を示す図。

符号の説明

１ 加速度検知ユニット、２ 固定部材、３ 素子支持部、４、４ａ 張出し部、５、１２ 段差部、１０ 可動部材、１１ ストッパ、２０、２０ａ 梁、２１ 支点、３０ 応力感応素子、３１ 固定端、３２ 振動ビーム、４０ 加速度センサ、５０ ハウジング、５１ 金属蓋、５２ 端子電極、６０ 基板、６５ ボンディングワイヤ、Ｇ 重心

Claims (8)

1. 加速度の印加によって変位しない固定部材と、前記固定部材に梁にて支持される可動部材と、応力感応部と該応力感応部を挟むよう該応力感応部と連結した２つの固定端とを有する応力感応素子と、を備え、前記応力感応素子が、前記固定部材に一方の固定端を支持されると共に前記可動部材に他方の固定端を支持されたものであり、
   前記梁は、前記可動部材に加速度が印加されると前記可動部材を加速度検出軸方向へ変位させるよう屈曲可能な可撓性を有する構成であることを特徴とする加速度検知ユニット。
2. 前記固定部材は前記応力感応素子の一方の固定端を支持する素子支持部と、該素子支持部から前記応力感応素子の張出し方向と平行する側方へ張出し形成され上面に前記梁を備えた張出し部と、を備え、
   前記梁は、前記可動部材を支持していることを特徴とする請求項１に係る加速度検知ユニット。
3. 前記梁は、前記可動部材の重心線上の位置を支持していることを特徴とする請求項１に係る加速度検知ユニット。
4. 前記梁は、前記加速度検出軸方向と直交する奥行き方向への前記可動部材の変位を阻止する形状を有していることを特徴とする請求項１に係る加速度検知ユニット。
5. 前記梁の奥行き方向の寸法は、前記加速度検出軸方向の前記梁の幅の寸法以上の長さを有することを特徴とする請求項１に係る加速度検知ユニット。
6. 前記応力感応素子は、２つの前記固定端、及び各固定端間を連設する振動領域を備えた圧電基板からなる応力感応部と、該圧電基板の振動領域上に形成した励振電極と、を備えた圧電振動素子であることを特徴とする請求項１に係る加速度検知ユニット。
7. 前記応力感応素子は、２つの前記固定端、及び各固定端間を連設する２つの振動ビームを備えた圧電基板からなる応力感応部と、該圧電基板の振動領域上に形成した励振電極と、を備えた双音叉型圧電振動素子であることを特徴とする請求項１に係る加速度検知ユニット。
8. 請求項１乃至７に記載された加速度検知ユニットと、該加速度検知ユニットを内部に収容して気密的に封止するハウジングと、前記応力感応素子を構成する励振電極と電気的に接続される発振回路と、を備えたことを特徴とする加速度センサ。

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