JP2008306621A - 双音叉型圧電振動素子及び加速度検知ユニット - Google Patents

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Abstract

【課題】励振効率の優れた双音叉型圧電振動素子を得る。
【解決手段】振動腕部7、8は、空隙9挟んで双音叉型圧電振動素子の中心軸に対し対称に形成され、夫々第1の振動部7a、8a、第2の振動部7b、8b、第3の振動部7c、8cから構成される。第1の振動部7a、8aと、第3の振動部7c、8cとはほぼ同じ長さであり、第2の振動部7b、8bは第1の振動部7a、8aより長く形成される。そして、振動腕部7の第1、第2及び第3の振動部7a、7b、7cの表裏面の少なくとも一方の面には、夫々第1、第2及び第3の溝部11a、11b、11cが、橋絡部13a、13bを挟んで形成されている。同様に、振動腕部8の第1、第2及び第3の振動部8a、8b、8cの表裏面の少なくとも一方の面には、夫々第1、第2及び第3の溝部12a、12b、12cが、橋絡部14a、14bを挟んで形成されている。
【選択図】図1

Description

本発明は、双音叉型圧電振動素子及び加速度検知ユニットに関し、特に振動腕部に溝を形成して感度を向上させた双音叉型圧電振動素子と、それを用いた加速度検知ユニットに関する。
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。中でも双音叉型圧電振動素子を用いた圧力センサ、加速度センサは、印加された応力の大きさに比例して双音叉型圧電振動素子の周波数が変化し、データ処理が容易であると共に測定精度、測定感度、再現性、温度特性等が優れている。双音叉型圧電振動素子の電極構造に関しては、特許文献1に開示されている。図5(a)は、双音叉型圧電振動素子50、つまり2個の音叉型圧電振動素子の自由端同士を互いに接続した形状を有する圧電屈曲振動子の斜視図である。双音叉型圧電振動素子50は、基部52と2つの振動腕部53a、53bとを備えた圧電基板51と、各振動腕部53a、53bの4面に形成された励振電極55と、引き出し電極(リード電極)57と、から構成されている。
図5(b)は双音叉型圧電振動素子50の平面図であり、各振動腕部53a、53bには夫々3分割した励振電極55を形成する。励振電極55は振動の節を境に分割され、分割された相隣り合う励振電極55には逆極性の電圧を印加するように励振電極55を接続する。励振電極55の分割は、図5(b)に示すように振動腕部53a(53b)の長さをLとすると、両基部52の中央寄りの端から夫々0.255Lの点である。また、図5(c)は、同図(b)のA−Aにおける断面図であり、振動腕部53a、53bの表裏面、両側面に成膜した励振電極55の接続方法を示した図である。振動腕部53a、53b夫々の対向する励振電極55同士を接続し、同極性の電極同士を接続して2端子とする。このように励振電極55を接続すると、振動腕部53a、53bの夫々の対応する励振電極55には逆極性の電圧が印加され、双音叉型圧電振動素子50の長手方向の中心軸に対し、両側に対称な屈曲振動を励振することができる。
また、近年、両振動腕の表裏面に溝を設けた音叉型圧電振動子が実用化されている。
特開昭60−39911号公報
しかしながら、特許文献1は双音叉型圧電振動素子の電極構造を開示しているに過ぎない。双音叉型圧電振動素子を小型化すると、励振効率が悪化し、該振動子の実効抵抗、即ちCI値が増大し、加速度検知ユニットに使用する際に発振回路の設計が極めて難しくなるという問題があった。
本発明は上記問題を解決するためになされたもので、励振効率の優れた双音叉型圧電振動素子とそれを用いた加速度検知ユニットを提供することにある。
上記目的を達成するため、本発明の双音叉型水晶振動素子は、四角柱形状で平行な一対の振動腕部の夫々一方の端部が一方の基部に接合され、夫々他方の端部が他方の基部に接合された圧電基板と、夫々の振動腕部に形成された励振電極と、を備えた双音叉型圧電振動素子であって、夫々の振動腕部は、長手方向において複数の振動部に分割され、夫々の振動腕部の各振動部の表裏面の少なくとも一方の面に夫々溝部を形成し、溝部に励振電極を形成したことを特徴とする。
上記のように双音叉型圧電振動素子を構成すると、励振効率のよい、つまり双音叉型圧電振動素子の実効抵抗が低減され、例えば加速度検知ユニットに用いれば発振回路の構成が容易であり、加速度の精度、感度の優れた加速度検知ユニットが構成できるという利点がある。
また本発明の双音叉型水晶振動素子は、夫々の振動腕部は、第1、第2及び第3の振動部に分割され、第1、第2及び第3の溝部に夫々第1、第2及び第3の励振電極を形成すると共に、夫々の第1、第2及び第3の振動部の夫々の両側面に第4、第5及び第6の励振電極を形成し、夫々の振動腕部の表裏面及び両側面の対向する励振電極同士を接続し、夫々の振動腕部の第1の励振電極と第5の励振電極と第3の励振電極とを接続すると共に、第4の励振電極と第2の励振電極と第6の励振電極とを接続し、一方の振動腕部の第1の励振電極と、他方の振動腕部の第4の励振電極と、を接続し、一方の振動腕部の第4の励振電極と他方の振動腕部の第1の励振電極とを接続した。
上記のように双音叉型圧電振動素子を構成すると、励振効率のよい、つまり双音叉型圧電振動素子の実効抵抗が低減され、例えば加速度検知ユニットに用いれば発振回路の構成が容易であり、加速度の精度、感度の優れた加速度検知ユニットが構成できるという利点がある。
また本発明の双音叉型水晶振動素子は、四角柱形状で平行な一対の振動腕部の夫々一方の端部が一方の基部に接合され、夫々他方の端部が他方の基部に接合された圧電基板と、夫々の振動腕部に形成された励振電極と、を備えた双音叉型圧電振動素子であって、夫々の振動腕部は、長手方向において複数の振動部に分割され、夫々の振動腕部の表裏面の少なくとも一方の面に溝部を形成し、溝部に励振電極を形成したことを特徴とする。
上記のように双音叉型圧電振動素子を構成すると、励振効率のよい、つまり双音叉型圧電振動素子の実効抵抗が低減され、例えば加速度検知ユニットに用いれば発振回路の構成が容易であり、加速度の精度、感度の優れた加速度検知ユニットが構成できるという利点がある。
また本発明の双音叉型水晶振動素子は、夫々の振動腕部は第1、第2及び第3の振動部に分割され、夫々の振動腕部の第1、第2及び第3の振動部の表裏面に夫々第1、第2及び第3の励振電極を形成すると共に、第1、第2及び第3の振動部の夫々の両側面に第4、第5及び第6の励振電極を形成し、夫々の振動腕部の表裏面及び両側面の対向する励振電極同士を接続し、夫々の振動腕部の第1の励振電極と第5の励振電極と第3の励振電極とを接続すると共に、第4の励振電極と第2の励振電極と第6の励振電極とを接続し、一方の振動腕部の第1の励振電極と、他方の振動腕部の第4の励振電極とを接続し、一方の振動腕部の第4の励振電極と他方の振動腕部の第1の励振電極とを接続したことを特徴とする。
上記のように双音叉型圧電振動素子を構成すると、励振効率のよい、つまり双音叉型圧電振動素子の実効抵抗が低減され、例えば加速度検知ユニットに用いれば発振回路の構成が容易であり、加速度の精度、感度の優れた加速度検知ユニットが構成できるという利点がある。
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、固定部材と可動部材とによって両端部を支持された本発明の双音叉型圧電振動素子と、を備え、梁は、可動部材に加速度が印加され、双音叉型圧電振動素子に伸張・圧縮応力が加わる場合に可動部材を加速度印加方向へ変位させるように構成された加速度検知ユニットである。
上記のように加速度検知ユニットを構成すると、発振回路の構成が容易であり、加速度の精度、感度の優れた加速度検知ユニットが構成でき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、本発明の第1の実施の形態に係る双音叉型水晶振動素子1の構成を示す斜視図である。双音叉型水晶振動素子1は、四角柱形状の細長い平行な一対の振動腕部7、8の夫々一方の端部が一方の基部6aに接合され、夫々の他方の端部が他方の基部6bに接合された圧電基板5と、前記夫々の振動腕部7、8の四面に形成された励振電極と、を備えた双音叉型圧電振動素子である。
振動腕部7、8は、空隙9挟んで双音叉型圧電振動素子の中心軸に対し対称に形成され、夫々第1の振動部7a、8a、第2の振動部7b、8b、第3の振動部7c、8cから構成される。第1の振動部7a、8aと、第3の振動部7c、8cとはほぼ同じ長さであり、第2の振動部7b、8bは第1の振動部7a、8aより長く形成される。
振動腕部7の第1、第2及び第3の振動部7a、7b、7cの表裏面の少なくとも一方の面には、夫々第1、第2及び第3の溝部11a、11b、11cが、橋絡部13a、13bを挟んで形成されている。同様に、振動腕部8の第1、第2及び第3の振動部8a、8b、8cの表裏面の少なくとも一方の面には、夫々第1、第2及び第3の溝部12a、12b、12cが、橋絡部14a、14bを挟んで形成されている。
図1に示した第1の実施の形態では、振動腕部7、8の各表裏面に溝を形成した例を示している。例えば、振動腕部7の第1の振動部7aの表裏面に形成した第1の溝部は、共に11aと表示する。振動腕部7、8の第1、第2及び第3の溝部11a、11b、11c、12a、12b、12cに、真空蒸着、あるいはスパッタ等の手段により、夫々第1、第2及び第3の励振電極20a、20b、20c、22a、22b、22cを形成する。励振電極の場合も表裏の電極に同じ符号を付して表示する。
振動腕部7の第1、第2及び第3の振動部7a、7b、7cの両側面には、真空蒸着、あるいはスパッタ等の手段により、夫々第4、第5及び第6の励振電極21a、21b、21cを成膜する。第4、第5及び第6の励振電極21a、21b、21cは夫々無電極部により絶縁されている。同様に、振動腕部8の第1、第2及び第3の振動部8a、8b、8cの両側面には、夫々第4、第5及び第6の励振電極23a、23b、23cを形成する。
図2は各振動腕部7、8に形成された励振電極を説明するための図で、振動腕部7の第1、第2及び第3の振動部7a、7b、7cと、振動腕部8の第1、第2及び第3の振動部8a、8b、8cと、に成膜した励振電極を示す断面図である。各励振電極の極性を示すために、斜線とドットを用いて表示している。
図2の左側には、振動腕部7の表裏面の第1、第2及び第3の溝部11a、11b、11cに成膜した第1、第2及び第3の励振電極20a、20b、20cと、第1、第2及び第3の振動部7a、7b、7cの両側面に形成した第4、第5及び第6の励振電極21a、21b、21cを示している。励振電極の場合も溝部と同様に対向する表裏面、または両側面に同じ符号を付している。
また、図2の右側には振動腕部8の表裏の溝部12a、12b、12cに成膜した第1、第2及び第3励振電極22a、22b、22cと、振動部8a、8b、8cの両側面に成膜した第4、第5及び第6の励振電極23a、23b、23cを示している。
図2には振動腕部7、8の各振動部7a、7b、7c、8a、8b、8cの励振電極の構成を示すと共に、一方の励振電極から他方の励振電極に向かう電気力線も示している。電気力線は、図5(c)に示した従来の電気力線より強まり、X軸方向の電界強度が増して、振動効率が高まる。各励振電極の接続は、各振動腕部7、8上に蒸着等の手段で形成した図示しない引き出し電極(リード電極)を用いて行う。各振動腕部7、8の表裏面の励振電極20a〜20c、22a〜22c及び両側面の励振電極21a〜21c、23a〜23cの夫々対向する励振電極同士を接続する。次に、振動腕部7の表裏面の第1の励振電極20aと、両側面の第5の励振電極21bと、表裏面の第3の励振電極20cと、を振動腕部7上に形成したリード電極(図示せず)にて接続する。そして、振動腕部7の両側面の第4の励振電極21aと、表裏面の第2の励振電極20bと、両側面の第6の励振電極21cと、をリード電極にて接続する。
同様に、振動腕部8の表裏面の第1の励振電極22aと、両側面の第5の励振電極23bと、表裏面の第3の励振電極22cと、を振動腕部8上に形成したリード電極(図示せず)にて接続する。そして、振動腕部8の両側面の第4の励振電極23aと、表裏面の第2の励振電極22bと、両側面の第6の励振電極23cと、リード電極にて接続する。振動腕部7の表裏面の第1の励振電極20aと、振動腕部8の両側面の第4の励振電極23aとをリード電極にて接続し、振動腕部7の両側面の第4の励振電極21aと、振動腕部8の表裏面の第1の励振電極22aとをリード電極にて接続して、2端子の双音叉型圧電振動素子を構成する。
図1、図2に示したように各振動腕部7、8に3分割した電極を形成し、図示しないリード電極にて上記のように接続すると、双音叉型水晶振動素子1の長手方向の中心軸の両側に、対称な屈曲振動が励振される。
第1の実施の形態の双音叉型水晶振動素子の特徴は、双音叉型水晶振動素子の各振動腕部の表裏面に夫々3個の溝部を形成し、この溝部に励振電極を成膜することにより、X軸方向の電界が強化され、その結果、屈曲振動が効果的に励振されて、双音叉型水晶振動素子の実効抵抗が小さくなる。このような小型化された双音叉型水晶振動素子を力検知ユニット、あるいは加速度検知ユニットに用いれば、ユニットの小型化が可能であり、発振回路の設計も容易で、検知感度の高いユニットが構成できるという効果がある。
図3は第2の実施の形態に係る双音叉型水晶振動素子の構成を示す斜視図である。
上記第1の実施の形態の双音叉型水晶振動素子は、各振動腕部の表裏面に夫々3個の溝部を形成し、この溝部に励振電極を成膜したのに対して、第2の実施の形態の双音叉型水晶振動素子は、各振動腕の表裏面に夫々1本の溝部を形成した点に特徴がある。
即ち、双音叉型水晶振動素子2は、細い角柱形状の平行な2個の振動腕部7、8の夫々一方の端部が一方の基部6aに接合され、振動腕部7、8の夫々他方の端部が他方の基部6bに接合された圧電基板5と、夫々の振動腕部7、8の四面に形成された励振電極と、を備えた双音叉型圧電振動素子である。
振動腕部7、8は、空隙9挟んで対称に形成され、夫々第1の振動部7a、8a、第2の振動部7b、8b、第3の振動部7c、8cから構成されている。第1の振動部7a、8aと、第3の振動部7c、8cとの長さはほぼ等しく、第2の振動部7b、8b長さは、第1の振動部7a、8aよりも長く形成されている。
各振動腕部7、8の表裏面の少なくとも一方の面に夫々溝部11、12を形成する。振動腕部7の第1、第2及び第3の振動部7a、7b、7cの表裏面に第1、第2及び第3の励振電極20a、20b、20cを成膜すると共に、前記振動部7a、7b、7cの夫々の両側面に第4、第5及び第6の励振電極21a、21b、21cを成膜する。同様に、振動腕部8の第1、第2及び第3の振動部8a、8b、8cの表裏面に第1、第2及び第3の励振電極22a、22b、22cを成膜すると共に、前記振動部8a、8b、8cの夫々の両側面に第4、第5及び第6の励振電極23a、23b、23cを成膜する。図3の例では、各振動腕部7、8の表裏面に夫々溝部11、12を形成した例を図示している。裏面の溝部11、12(図示せず)も表面と同じ符号を付し、励振電極の場合も表裏、両側面とも同符号を付して表示する。
振動腕部7、8の夫々の第1、第2及び第3の振動部7a、7b、7c、8a、8b、8cにおける溝部11、12に成膜した励振電極、両側面の励振電極の構成は、図2に示した通りである。各振動腕部7、8の表裏面の第1、第2及び第3の励振電極20a〜20c、22a〜22c、及び両側面の第4、第5及び第6の励振電極21a〜21c、23a〜23cの中、対向する励振電極同士を、各振動腕部7、8に形成した図示しない引き出し電極(リード電極)にて接続する。
次に、振動腕部7の表裏面の第1の励振電極20aと、両側面の第5の励振電極21bと、表裏面の第3の励振電極20cと、を振動腕部7上に形成したリード電極(図示せず)にて接続する。そして、振動腕部7の両側面の第4の励振電極21aと、表裏面の第2の励振電極20bと、両側面の第6の励振電極21cと、リード電極にて接続する。
同様に、振動腕部8の表裏面の第1の励振電極22aと、両側面の第5の励振電極23bと、表裏面の第3の励振電極22cと、を振動腕部8上に形成したリード電極(図示せず)にて接続する。そして、振動腕部8の両側面の第4の励振電極23aと、表裏面の第2の励振電極22bと、両側面の第6の励振電極23cと、リード電極にて接続する。次に、振動腕部7の表裏面の第1の励振電極20aと、振動腕部8の両側面の第4の励振電極23aとをリード電極にて接続し、振動腕部7の両側面の第4の励振電極21aと、振動腕部8の表裏面の第1の励振電極22aとをリード電極にて接続して、2端子の双音叉型圧電振動素子を構成する。
このように第2の実施の形態の双音叉型水晶振動素子では、双音叉型水晶振動素子の各振動腕の表裏面に夫々1本の溝部を形成し、溝部に励振電極を成膜したことにより、X軸方向の電界が強化される。その結果、屈曲振動が効果的に励振され、双音叉型水晶振動素子の実効抵抗が小さくなる。第1の実施例と同様に力検知ユニット、あるいは加速度検知ユニットに用いれば、発振回路が容易になると共に検知感度の高いユニットが構成できるという効果がある。
図4は、本実施形態の加速度検知ユニットの構成を示す斜視図であり、加速度印加によって変位しない固定部材30と、固定部材30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35と、固定部材30と可動部材35とを連結する可撓性を有した梁40と、固定部材30と可動部材35とによって両端の固定端を夫々支持された前記の双音叉型振動素子1と、を備えている。梁40は、加速度検知ユニット3に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35を介して双音叉型振動素子1に伸張・圧縮応力(加速度×質量)が加わるよう、可動部材35を加速度印加方向(X軸)へ変位させるように構成される。なお、固定部材30、可動部材35、梁40は真鍮、アルミニウム、燐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。
第1及び第2の実施の形態の双音叉型水晶振動素子を加速度検知ユニット3に用いれば、検知感度の高いユニットが構成できるという効果がある。
第1の実施の形態の双音叉型圧電振動素子の構成を示した斜視図である。 各振動腕部における各振動部の電極構成を示す断面図である。 第2の実施の形態の双音叉型圧電振動素子の構成を示した斜視図である。 加速度検知ユニットの構成を示す斜視図である。 従来の双音叉型圧電振動素子の説明図であり、(a)は斜視図、(b)は電極配置を示す平面図、(c)は電極の配置を示す断面図である。
符号の説明
1、2 双音叉型圧電振動素子、3 加速度検知ユニット、5 圧電基板、6a、6b 基部、7、8 振動腕部、7a、7b、7c、8a、8b、8c 振動部、9 空隙部、11、11a、11b、11c、12、12a、12b、12c 溝部、13a、13b、14a、14b 橋絡部、20a、20b、20c、21a、21b、21c、22a、22b、22c、23a、23b、23c 励振電極、30 固定部材、35 可動部材、40 梁

Claims (5)

  1. 四角柱形状で平行な一対の振動腕部の夫々一方の端部が一方の基部に接合され、夫々他方の端部が他方の基部に接合された圧電基板と、前記夫々の振動腕部に形成された励振電極と、を備えた双音叉型圧電振動素子であって、
    前記夫々の振動腕部は、長手方向において複数の振動部に分割され、前記夫々の振動腕部の各振動部の表裏面の少なくとも一方の面に夫々溝部を形成し、該溝部に前記励振電極を形成したことを特徴とする双音叉型圧電振動素子。
  2. 前記夫々の振動腕部は、第1、第2及び第3の振動部に分割され、前記第1、第2及び第3の溝部に夫々第1、第2及び第3の励振電極を形成すると共に、前記夫々の第1、第2及び第3の振動部の夫々の両側面に第4、第5及び第6の励振電極を形成し、
    前記夫々の振動腕部の表裏面及び両側面の対向する励振電極同士を接続し、
    前記夫々の振動腕部の第1の励振電極と第5の励振電極と第3の励振電極とを接続すると共に、第4の励振電極と第2の励振電極と第6の励振電極とを接続し、
    前記一方の振動腕部の第1の励振電極と、他方の振動腕部の第4の励振電極とを接続し、前記一方の振動腕部の第4の励振電極と他方の振動腕部の第1の励振電極とを接続したことを特徴とする請求項1に記載の双音叉型圧電振動素子。
  3. 四角柱形状で平行な一対の振動腕部の夫々一方の端部が一方の基部に接合され、夫々他方の端部が他方の基部に接合された圧電基板と、前記夫々の振動腕部に形成された励振電極と、を備えた双音叉型圧電振動素子であって、
    前記夫々の振動腕部は、長手方向において複数の振動部に分割され、前記夫々の振動腕部の表裏面の少なくとも一方の面に溝部を形成し、該溝部に前記励振電極を形成したことを特徴とする双音叉型圧電振動素子。
  4. 前記夫々の振動腕部は第1、第2及び第3の振動部に分割され、前記夫々の振動腕部の第1、第2及び第3の振動部の表裏面に夫々第1、第2及び第3の励振電極を形成すると共に、前記第1、第2及び第3の振動部の夫々の両側面に第4、第5及び第6の励振電極を形成し、
    前記夫々の振動腕部の表裏面及び両側面の対向する励振電極同士を接続し、
    前記夫々の振動腕部の第1の励振電極と第5の励振電極と第3の励振電極とを接続すると共に、第4の励振電極と第2の励振電極と第6の励振電極とを接続し、
    前記一方の振動腕部の第1の励振電極と、他方の振動腕部の第4の励振電極とを接続し、前記一方の振動腕部の第4の励振電極と他方の振動腕部の第1の励振電極とを接続したことを特徴とする請求項3に記載の双音叉型圧電振動素子。
  5. 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請求項1乃至4の何れかに記載の双音叉型圧電振動素子と、を備え、
    前記梁は、前記可動部材に加速度が印加され、前記双音叉型圧電振動素子に伸張・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構成されていることを特徴とする加速度検知ユニット。
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