JP2008197031A - 加速度検知ユニット及び加速度センサ - Google Patents

Abstract

【課題】２つの可動部材の機械的結合が生じない加速度検知ユニット及び加速度センサを提供する。
【解決手段】加速度の印加によって変位しない固定部材５と、第１及び第２の可動部材２０、２１と、第１及び第２の梁１０、１１と、第１及び第２の応力感応素子３０、４０と、を備え、第１の応力感応素子３０の一方の固定端３１は固定部材５の一方端に支持されると共に、他方の固定端３２は第１の可動部材２０に支持される。また第２の応力感応素子４０の一方の固定端は固定部材５の他方端に支持され、第２の応力感応素子４０の他方の固定端は第２の可動部材２１に支持される。第１及び第２の梁１０、１１は、第１及び第２の可動部材２０、２１に加速度が印加されると、第１及び第２の可動部材２０、２１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。
【選択図】図１

Description

本発明は、加速度検知ユニット及び加速度センサに関し、特に２つの応力感応素子を用い、２つの応力感応素子の周波数変化の差分を利用した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、従来より自動車、航空機、ロケットから各種プラントの異常振動監視装置等まで、広く使用されている。特許文献１には、図３の斜視図に示すような振動式加速度計が開示されている。図３において、１００はベースであり、このベース１００の中央には板状の支柱１１０が垂直に固定され、支柱１１０の自由端側には円筒状の重り１２０が固定されている。ベース１００及び重り１２０には支柱１１０に対向して矩形状の切り込み１３０、１３１及び１４０、１４１が設けられ、この切り込みに板状の振動梁１５０、１５１が支柱１１０と非接触の状態で、支柱１１０を挟むように平行に、且つ対向して両端を固定されている。振動梁１５０、１５１にはその中央部付近に長孔１５２、１５３が設けられ、複合音叉振動子を構成している。この長孔１５２、１５３の近傍には振動梁１５０、１５１の励振用と、検出用の圧電振動素子（図示しない）が貼付されている。

図４に示す振動式加速度計は、複合音叉振動子の振動梁１５０、１５１、発振回路１６０、１６１、加算器１７０、及び減算器１８０を備え、振動梁１５０、１５１の周波数信号を演算して、それぞれの軸方向の加速度を求めるように構成されている。図３に示す振動梁１５０、１５１にＺ方向に加速度α１を加えると、支柱１１０は重り１２０からＭα１の力を受け、振動梁１５０、１５１は圧縮または引張りの力を受けて、固有振動数はその加速度に応じて変化する。
またＸ軸方向に加速度α２が加わると、支柱１１０は重り１２０からＭα２の力を受けて撓み、振動梁１５０、１５１の一方は圧縮、他方は引張りの力を受け、固有振動数は加速度の大きさに応じて変化する。
加速度に応じて変化した振動梁１５０、１５１のそれぞれの周波数ｆ１、ｆ２は加算器１７０及び減算器１８０に入力され、加算された（ｆ１＋ｆ２）の出力がＺ方向の、減算された（ｆ１−ｆ２）がＸ方向の加速度に関連した出力となることが開示されている。
特開昭６１−１７８６６７号公報

しかしながら、特許文献１に記載の振動式加速度計は、振動梁１５０、１５１に起因する振動漏れにより、振動梁１５０、１５１間に機械的結合が生ずるという欠点があり、測定精度が低下するという問題点があった。さらに、支柱１１０、振動梁１５０、１５１で形成された空間が菱形に変形するので、振動梁１５０、１５１が加速度に対してほぼ同じように変形し、正確な加速度測定が不可能であり、加速度測定感度が低く、温度特性が歪むという問題点もあった。
本発明は上記問題を解決するためになされたもので、２つの可動部材の機械的結合が生じない加速度検知ユニット及び加速度センサを提供する。また温度特性が良好で測定精度の高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。

上記目的を達成するため、本発明の加速度検知ユニットは、加速度の印加によって変位しない固定部材と、第１及び第２の可動部材と、固定部材に第１及び第２の可動部材を夫々支持する第１及び第２の梁と、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された２つの固定端をそれぞれ有する第１及び第２の応力感応素子と、を備え、第１の応力感応素子は、一方の固定端が固定部材の一方の端に支持されると共に、他方の固定端が第１の可動部材に支持されたものであり、第２の応力感応素子は、一方の固定端が固定部材の他方の端部に支持されると共に、他方の固定端が第２の可動部材に支持されたものであり、第１及び第２の梁は、第１及び第２の可動部材に加速度が印加されると第１及び第２の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ようにした。このような本発明によれば、可動部材が２つに分離されているため、応力感応素子の振動による機械的結合が生じにくいという効果と、熱膨張による応力感応素子へ影響を低減できる効果と、２つの応力感応素子を用いるのでその共振周波数の変化の差分が利用できるという利点がある。

また本発明の加速度検知ユニットは、第１及び第２の梁には、少なくとも１つ括れ部が設けられている。このような本発明によれば、第１及び第２の梁は加速度検出軸方向の加速度に対して可撓性が増し、加速度検出感度の向上を図ることができる。
また本発明の加速度検知ユニットは、第１の応力感応素子は、一方の固定端を第１の可動部材の端部上面に、他方の固定端を固定部材の一方の端部の上面に固定され、第２の応力感応素子は、一方の固定端を第２の可動部材の端部下面に、他方の固定端を固定部材の他方の端部の下面に固定されている。このような本発明によれば、２つの応力感応素子が平行になるので、加速度に対する周波数の変化量の絶対値をほぼ等しくすることができる。
また本発明の加速度検知ユニットは、第１及び第２の梁は、加速度検出軸方向と直交する奥行き方向への第１及び第２の可動部材の変位を阻止する形状を有している。このような本発明によれば、加速度検出軸方向と直交する奥行き方向の加速度成分の検出を小さく抑えることができる。

また本発明の加速度検知ユニットは、第１及び第２の梁の奥行き方向の寸法は、加速度検出軸方向の第１及び第２の梁の幅の寸法以上の長さを有している。このような本発明によれば、加速度検出軸方向と直交する奥行き方向の加速度成分の検出を抑えることができる。
また本発明の加速度検知ユニットは、第１及び第２の応力感応素子は、２つの固定端、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、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。このような本発明によれば、応力−周波数変化特性が直線であるため、加速度検出感度が一段と良くなると共に、温度特性が二次曲線を呈するので改善され、その上再現性が良くなるという効果がある。
また本発明の加速度センサは、本発明の加速度検知ユニットを備えたことを特徴とする。このような本発明によれば、熱膨張による加速度測定精度への影響を少なくすることができると共に、可動部材、梁、固定部材間の音響結合を減少させることができるという効果と、応力感応素子に双音叉型水晶振動素子を用いるので、加速度測定感度、精度、再現性、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の構成を示す斜視図である。
この図１に示す加速度検知ユニット１は、加速度の印加によって変位しない固定部材５と、第１及び第２の可動部材２０、２１と、固定部材５に第１及び第２の可動部材２０、２１を夫々支持する第１及び第２の梁１０、１１と、応力感応部とこの応力感応部を挟むよう応力感応部と連結された２つの固定端をそれぞれ有する第１及び第２の応力感応素子３０、４０と、を備えている。
第１の応力感応素子３０の一方の固定端３１は、例えば柱状の固定部材５の一方端に支持されると共に、他方の固定端３２は、第１の可動部材２０に支持される。
また第２の応力感応素子４０の一方の固定端（図示しない）は固定部材５の他方端に支持され、第２の応力感応素子４０の他方の固定端（図示しない）は第２の可動部材２１に支持される。

第１及び第２の梁１０、１１は、第１及び第２の可動部材２０、２１に加速度が印加されると、第１及び第２の可動部材２０、２１を加速度検出軸方向（図１のＺ軸方向）へ変位させるよう屈曲可能な可撓性を有する板状のものである。
第１及び第２の梁１０、１１は、第１及び第２の可動部材２０、２１のそれぞれほぼ中央側面に固定される共に、第１の可動部材２０の端部上面２０ａが固定部材５の端部の上面５ａと、第２の可動部材２１の端部下面２１ａが固定部材５の端部の下面５ｂと、それぞれ平行となる固定部材５の側面の位置に固定される。つまり、第１及び第２の梁１０、１１は共に主面がＸＹ平面に平行に取り付けられている。
第１の応力感応素子３０の固定端３１は、固定部材５の一方の端部の上面５ａに固定され、他方の固定端３２は第１の可動部材２０の端部上面２０ａに固定される。さらに、第２の応力感応素子４０の一方の固定端（図示しない）は、固定部材５の他方の端部の下面５ｂに固定され、他方の固定端（図示しない）は、第２の可動部材２１の端部下面２１ａに固定される。つまり、第１及び第２の応力感応素子３０、４０は、互いに平行して両固定端が固定されている。

また第１及び第２の梁１０、１１には、それぞれの略中央部の面に梁１０、１１の幅広の方向（Ｙ軸方向）に沿って丸みを帯びた括れ部（溝）１２、１３が少なくとも１つ設けられ、第１及び第２の可動部材２０、２１に加速度検出軸方向（Ｚ軸方向）の加速度が加えられたときに、加速度検出軸方向へ容易に変位し、屈曲できるような可撓性を有する構成となっている。なお、図１に示した例では、第１及び第２の梁１０、１１のそれぞれの上下面にＹ軸方向に沿って丸みを帯びた括れ部１２、１３が互いに対向するように設けられている。
第１及び第２の梁１０、１１は、加速度検出軸方向（Ｚ軸方向）と直交する奥行き方向への第１及び第２の可動部材１０、１１の変位を阻止するように、第１及び第２の梁１０、１１のＹ軸方向の幅が幅広の形状に形成されている。
また第１及び第２の梁１０、１１の奥行き方向（Ｙ軸方向）の寸法は、加速度検出軸方向（Ｚ軸方向）の第１及び第２の梁１０、１１の幅の寸法以上の長さを有するように形成されている。
また第１及び第２の応力感応素子３０、４０は、それぞれ２つの固定端３１、３２及び４１、４２と、これら固定端３１、３２及び４１、４２間を連設するそれぞれ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、この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によって形成されている。

図１に示す加速度検知ユニット１では、加速度感応素子に双音叉型水晶振動素子を用いた例を示している。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。また、双音叉型水晶振動素子が呈する周波数温度特性は、上に凸の二次曲線となり、その頂点温度が常温（２５℃）になるように各パラメータを設定する。
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。
［数１］

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。
［数２］

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。
［数３］

［数４］

ここで、Ａは振動ビームの断面積（＝ｗ・ｄ）である。

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が圧縮力で共振周波数ｆ_Fが減少し（低くなり）、伸張（引張り）力では増加する（高くなる）。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。また応力と頂点温度との関係は、双音叉型水晶振動素子に伸張応力を付加すると頂点温度は低音側へシフトし、圧縮応力を加えると高温側へシフトする特性を有している。

次に、上記したような本実施形態の加速度検知ユニットを備えた加速度センサについて説明する。
加速度センサは、上記第１及び第２の応力感応素子（双音叉型水晶振動素子）を有する加速度検知ユニットと、この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、第１及び第２の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２つの発振回路と、減算回路と、を組み立て接続することにより構成することができる。

図２は、加速度センサの回路の構成を示した図であり、この図に示す加速度センサは、２つの発振回路５０、５１と、ミキサ６０とローパスフィルタ７０とからなる減算回路とを備えて構成される。図１に示した加速度検知ユニット１を用いて構成した加速度センサの特徴は、可動部材を第１及び第２の２つの部材に分離し、第１及び第２の応力感応素子（双音叉型水晶振動素子）を設けたことである。可動部材を２つに分離して構成すると、熱膨張による加速度測定精度への影響を少なくすることができると共に、可動部材、梁、固定部材間の音響結合を減少させることができるという効果がある。
例えば、加速度が図１のＺ軸（加速度検出軸方向）の矢印方向に加えられたとする。この場合、第１の応力感応素子３０には圧縮応力が、第２の応力感応素子４０には伸張応力が加わることになり、共振周波数がそれぞれｆ１、ｆ２からＦ１、Ｆ２に変化する。この周波数Ｆ１、Ｆ２をミキサ６０にて混合し、その出力を、ローパスフィルタを通して出力することにより、（Ｆ１−Ｆ２）の周波数を取り出すことができ、Ｘ軸、Ｙ軸方向の加速度成分を分離し、Ｚ軸方向の成分のみを測定することができる。

本発明の本実施形態の加速度検知ユニットの構造を示した斜視図。 加速度センサの構成を示した回路図。 従来の振動式加速度計の構成を示す斜視図。 発振回路と、加算回路と、減算回路との接続を示す回路図。

符号の説明

１ 加速度検知ユニット、５ 固定部材、５ａ 上面、５ｂ 下面、１０、１１ 梁、１２、１３ 溝、２０、２１ 可動部材、２０ａ 上面、２０ｂ 下面、３０、４０ 加速度感応素子、３１、３１ 固定端、５０、５１ 発振回路、６０ ミキサ、７０ ローパスフィルタ

Claims (7)

1. 加速度の印加によって変位しない固定部材と、第１及び第２の可動部材と、前記固定部材に前記第１及び第２の可動部材を夫々支持する第１及び第２の梁と、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された２つの固定端をそれぞれ有する第１及び第２の応力感応素子と、を備え、
   前記第１の応力感応素子は、一方の固定端が前記固定部材の一方の端部に支持されると共に、他方の固定端が前記第１の可動部材に支持されたものであり、
   前記第２の応力感応素子は、一方の固定端が前記固定部材の他方の端部に支持されると共に、他方の固定端が前記第２の可動部材に支持されたものであり、
   前記第１及び第２の梁は、前記第１及び第２の可動部材に加速度が印加されると前記第１及び第２の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ことを特徴とする加速度検知ユニット。
2. 前記第１及び第２の梁には、少なくとも１つ括れ部が設けられ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. 前記第１の応力感応素子は、一方の固定端を前記第１の可動部材の端部上面に、他方の固定端を前記固定部材の一方の端部の上面に固定され、
   前記第２の応力感応素子は、一方の固定端を前記第２の可動部材の端部下面に、他方の固定端を前記固定部材の他方の端部の下面に固定された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. 前記第１及び第２の梁は、前記加速度検出軸方向と直交する奥行き方向への前記第１及び第２の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. 前記第１及び第２の梁の奥行き方向の寸法は、前記加速度検出軸方向の前記第１及び第２の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. 前記第１及び第２の応力感応素子は、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乃至５の何れか１項に記載の加速度検知ユニット。
7. 請求項１乃至６の何れか１項に記載の加速度検知ユニットを備えたことを特徴とする加速度センサ。

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