JP2008309731A - 加速度検知ユニット及び加速度センサ - Google Patents

Abstract

【課題】構造が簡単で、低コストが可能な低背化加速度検知ユニットを得る。
【解決手段】外枠部材５と、応力感応部とこの応力感応部を挟む２つの固定端部１０ａ、１０ｂとを有する双音叉型圧電振動素子１０と、を備えた加速度検知ユニットである。外枠部材５は矩形状をしており、細長い四角柱形状の２個の部材５ａ、５ｂと、短い四角柱形状の２個の部材５ｃ、５ｄとの夫々の端を接合して構成されている。外枠部材５と双音叉型圧電振動素子１０の圧電基板とは、同一の圧電材料より一体的に形成される共に、前記圧電基板の厚さは、外枠部材５の厚さより薄く、且つ外枠部材５の一方の面に平行に形成されている。
【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、特に圧電性平板に応力感応素子とその支持部材、及び重り部材とを一体的に形成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から自動車、航空機、ロケットから各種プラントの異常振動監視等まで、広く使用されている。特許文献１には、共平面プッシュプル力変換器を有する加速度計が開示されている。図６は、特許文献１の第３の実施形態に開示された加速度計の斜視図である。第３の実施形態は、上面１０２及び下面１０４を有するシリコンウェハ１００と、撓み部１１０、１１２により支持体１０８に連結されたプルーフマス１０６と、プルーフマス１０６と支持体１０８との間に設けられた力変換器１２０、１２２と、アーム１３０、１３２と、を備え、エッチングで一体的に加工されている。撓み部１１０、１１２は円弧形であり、プルーフマス１０６が上面１０２と下面１０４との間のほぼ中央に配置されたヒンジ軸線ＨＡを中心として、支持体１０８に対して回動するようにしている。

力変換器１２０、１２２は共にシリコンウェハ１００の上面１０２側に形成され、力変換器１２０は支持体１０８とプルーフマス１０６との間に連結され、ヒンジ線ＨＡを横切っている。また、力変換器１２２はプルーフマス１０６から延びるアーム１３０と、支持体１０８から延びるアーム１３２との間に連結され、ヒンジ線ＨＡを横切っている。このため、力変換器１２０、１２２は、支持体１０８との連結点からプルーフマス１０６の連結点へと、相反する方向に延び、プッシュプル構造を形成している。力変換器１２０、１２２は撓み部１１０、１１２間の中間に置かれ、力変換器１２０、１２２の間を通るアーム１３０は、音響的及び電気的な隔壁を形成している。
特公平８−３０７１７号公報

しかしながら、特許文献１に開示された加速度計は、双音叉型振動子の力変換器１２０、１２２が、支持体１０８との連結点からプルーフマス１０６の連結点へと、相反する方向に延び、プッシュプル構造を形成しており、加速度計の構造としては優れているものの、その構造が複雑で製造が難しく、歩留まりに難点があ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、エッチング加工により容易に形成できる簡単な構造としたので、歩留まりのよい、低コストの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、エッチング加工により簡単な構造で、歩留まりのよい、低コストの加速度検知ユニットを得るため、本発明の加速度検知ユニットは、外枠部材と、応力感応部と該応力感応部を挟む２つの固定端部を有する双音叉型圧電振動素子と、を備え、前記外枠部材と前記双音叉型圧電振動素子の圧電基板とは同一の圧電材料により一体的に且つ前記圧電基板の厚さが前記外枠部材より薄く形成し、前記外枠部材の一方の対向する辺に夫々前記双音叉型圧電振動素子の固定端部を連結すると共に、前記外枠部材の他方の対向する辺に夫々溝部を形成し、前記外枠部材の一部が前記溝部より可撓するように形成したことを特徴とする。
上記のように加速度検知ユニットを構成すると、Ｚ軸方向の低背化が図られる効果と、双音叉型圧電振動素子と、固定端及び重り部の自由端である外枠部材とを同一の圧電材料から形成するので、周囲温度変化による加速度検知ユニットの精度誤差を最小限にできる効果がある。また、加速度検出軸方向（Ｚ軸方向）と直交するＹ軸方向の加速度感度を低く抑える利点もある。

また本発明の加速度検知ユニットは、溝部が双音叉型圧電振動素子の面と平行する外枠部材の略中央部で、外枠部材の両面又は一方の面に形成するようにした。
このように加速度検知ユニットを構成すると、Ｚ軸方向の低背化が図られる効果と、双音叉型圧電振動素子と、外枠部材とを同一の圧電材料から形成するので、周囲温度変化による加速度検知ユニットの精度誤差を最小限にできる効果がある。
また本発明の加速度検知ユニットは、溝部が双音叉型圧電振動素子の面と平行する外枠部材の端部側で、外枠部材の両面又は一方の面に形成するようにした。
このように加速度検知ユニットを構成すると、Ｚ軸方向の低背化が図られる効果と、加速度検出感度を高める効果がある。

また本発明の加速度検知ユニットは、溝部が、双音叉型圧電振動素子の面と平行する外枠部材の対向する夫々の辺の中央を挟んで両側に２つずつ形成するようにした。
このように加速度検知ユニットを構成すると、Ｚ軸方向の低背化が図られる効果と、双音叉型圧電振動素子と、固定端及び重り部の自由端である外枠部材とを同一の圧電材料から形成するので、周囲温度変化による加速度検知ユニットの精度誤差を最小限にできる効果と、加速度検出軸方向（Ｚ軸方向）と直交するＹ軸方向の加速度感度を低く抑える利点もある。
また本発明の加速度検知ユニットは、溝部の形状がスリット状、又は円弧状であることを特徴とする。このように加速度検知ユニットを構成すると、Ｚ軸方向の低背化が図られる効果と、加速度検出感度を高める効果がある。
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。このように加速度センサを構成すると、センサの低背化を実現することができる。また加速度検知ユニットの部材が同一の圧電材料から形成するので、周囲温度変化による加速度検知ユニットの精度誤差を最小限にすることができる利点がある。さらに、Ｙ軸方向の他軸加速度に対して、検知感度を抑制できる効果がある。

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は加速度検知ユニットに係る第１の実施形態の構成を示す斜視図である。図示のＺ軸方向が加速度検出軸方向である加速度検知ユニット１は、外枠部材５と、Ｙ軸方向に伸びる２本の振動腕から成る応力感応部と該応力感応部をＹ軸方向から挟む２つの固定端部１０ａ、１０ｂとを有する双音叉型圧電振動素子１０と、を備えたものである。外枠部材５は矩形状をしており、Ｙ軸方向に伸びる例えば細長い四角柱形状の２個の部材５ａ、５ｂと、Ｘ軸方向に伸びる例えば四角柱形状の２個の部材５ｃ、５ｄとの夫々の端を連結して構成されている。外枠部材５と双音叉型圧電振動素子１０の圧電基板とは、同一の圧電材料として例えば水晶材料により一体的に形成される共に、前記圧電基板の厚さは、外枠部材５の厚さより薄い。そして、双音叉型圧電振動子１０の２本の振動腕の並び方向は外枠部材５の一方の面（図１の例では、図中上面）に平行である（部材５ａと部材５ｂの並び方向と一致する）。

外枠部材５の一方の対向する部材５ｃ、５ｄには、そのＹ軸方向に伸びる中心線と双音叉型圧電振動素子１０の中心線とが一致するよう夫々２つの固定端部１０ａ、１０ｂが連結され、外枠部材５の他方の対向する部材５ａ、５ｂにはその略中央部に夫々Ｘ軸方向に貫通した溝部７ａ、７ｂが形成されている。そして、部材５ａ及び５ｂの夫々の溝部７ａ、７ｂより部材５ｄ側と部材５ｄとを固定端とし、部材５ａ及び５ｂの夫々の溝部７ａ、７ｂより部材５ｃの側と部材５ｃとを自由端（可動端）とする。即ち、加速度検知ユニット１を図示しない基台に固定する場合は、例えば、図中の黒点で示した位置と基台とを接着剤等の固定部材を使って固定し、自由端側と基台との間には隙間をあける。なお、双音叉型圧電振動素子１０の夫々の応力感応部には励振電極が成膜され、該励振電極から固定端部まで引き出し電極（リード電極）が形成されている。また、溝部７ａ、７ｂの形状としては、スリット形状、円弧形状、尖った形状等でよい。

図１に示すように自由端側にＺ軸方向の加速度Ｇが加えられると、溝部７ａ、７ｂがほぼ中央部が支点、部材５ｃを含む自由端側が力点となるが、作用点となる部材５ｄが固定されている結果、溝部７ａ、７ｂの中央部が撓むので部材５ａ、５ｂが折れ曲る。この折れ曲りに伴い部材５ｃと部材５ｄとの間の直線距離が縮まるので部材５ｃに連結した双音叉型圧電振動素子１０の固定端部１０ａに力が働き、双音叉型圧電振動素子１０に圧縮の応力が作用する。双音叉型圧電振動素子１０に応力が作用すると、双音叉型圧電振動素子１０の共振周波数が変化する。周波数の変化量は双音叉型圧電振動素子１０に印加される慣性力（加速度×質量）に比例するので、周波数変化量から印加された加速度を測定することができる。部材５ｃを含む自由端側は重りとして機能する。
図１に示す加速度検知ユニット１の振動モードを解析するために、有限要素法を用いてシミュレーションを行った。加速度検知ユニット１の自由端側に加速度Ｇを加えると、溝部７ａ、７ｂに歪みが生じ、該溝部７ａ、７ｂより自由端側が図中上下に動くことがシミュレーションにより示された。その際、双音叉型圧電振動素子１０の応力感応部と、固定端部１０ａ、１０ｂとを連結する括れた部分の歪みが特に大きくなり、応力感応部に圧縮と、伸張の応力が作用することも分かった。また、加速度検出軸方向と直交するＹ軸方向に加速度を加えると、双音叉型圧電振動素子１０には多少の伸張応力が作用することも判明した。
尚、部材５ｃ、５ｄのＹ軸方向に伸びる中心線と双音叉型圧電振動素子１０の中心線とが一致するよう夫々２つの固定端部１０ａ、１０ｂを部材５ｃ、５ｄに連結した構造により、加速度Ｇの印加に対して外枠部材５及び双音叉型圧電振動子１０が縒れることなく撓むことができるので加速度を正確に検知することができる。

図１に示す第１の実施形態の加速度検知ユニット１は、Ｚ軸方向の低背化が図られる点と、双音叉型圧電振動素子１０と、固定端及び重り部材を兼ねる自由端からなる外枠部材５と、を水晶材料から一体形成するため、周囲温度変化による加速度検知ユニットの精度誤差を最小限にすることが可能である。
さらに、図１に示す加速度検知ユニット１を２個平行に並べ、固定端と自由端とを互いに逆に配置すれば、Ｙ軸方向の検出不要な加速度成分を打ち消すことができる。

図２は、第２の実施形態に係る加速度検知ユニットの構成を示す部分斜視図である。図１に示す第１の実施形態の加速度検知ユニット１と異なる点は、外枠部材５の部材５ａ、５ｂに形成される溝部８ａ（図示せず）、８ｂの形状である。図１に示す第１の実施形態の加速度検知ユニットでは、溝部７ａ、７ｂは部材５ａ、５ｂの上下面に形成されているが、図２に示す第２の実施形態の加速度検知ユニットでは、溝部８ａ、８ｂは部材５ａ、５ｂの上面のみに形成されている。
このように構成される第２の実施形態の加速度検知ユニットは、溝部８ａ、８ｂの中央部の支点が、双音叉型圧電振動素子１０の厚さの中心より離れているため、同じ加速度Ｇに対し双音叉型圧電振動素子１０の撓みが大きくなり、加速度検知ユニットの感度が大きくなるという利点がある。

図３は、第３の実施形態に係る加速度検知ユニットの構成を示す部分斜視図である。図１に示す第１の実施形態の加速度検知ユニット１と異なる点は、外枠部材５の部材５ａ、５ｂに形成される溝部９ａ（図示せず）、９ｂの位置である。第３の実施形態の加速度検知ユニットでは、溝部９ａ、９ｂは部材５ａ、５ｂの固定端側に寄って形成されている。このように構成される第３の実施形態の加速度検知ユニットは、自由端側の質量が大きくなることに加え、溝部９ａ、９ｂの中央の支点から自由端側が長いため、同じ加速度Ｇに対し双音叉型圧電振動素子１０の撓みが大きくなり、加速度検知ユニットの感度が大きくなるという利点がある。

図４は、第４の実施形態に係る加速度検知ユニットの構成を示す斜視図である。この図に示す加速度検知ユニット２は、外枠部材５と、応力感応部とこの応力感応部を挟む２つの固定端部１０ａ、１０ｂを有する双音叉型圧電振動素子１０と、を備えた加速度検知ユニットである。外枠部材５は矩形状をしており、細長い四角柱状の２個の部材５ａ、５ｂと、短い四角柱状の２個の部材５ｃ、５ｄとの夫々の端を接合して構成されている。外枠部材５と双音叉型圧電振動素子１０の圧電基板とは同じ圧電材料より形成され、前記圧電基板の厚さは外枠部材５の厚さより薄く、且つ外枠部材５の一方の面に平行に形成されている。

外枠部材５の一方の対向する部材５ｃ、５ｄには、夫々双音叉型圧電振動素子１０の２つの固定端部１０ａ、１０ｂが接合され、他方の対向する部材５ａ、５ｂには、夫々中央を挟んで両側に２個ずつの溝部７ａ１、７ａ２、７ｂ１、７ｂ２が形成されている。そして、部材５ｃと部材５ａ及び５ｂの溝部７ａ１、７ｂ１より部材５ｃの側を自由端１とし、部材５ｄと部材５ａ及び５ｂの夫々の溝部７ａ２、７ｂ２より部材５ｄ側を自由端２とし、溝部７ａ１、７ａ２間と、溝部７ｂ１、７ｂ２間とを固定端とする。図４の黒点で示す所を図示しない基台に固定し、自由端１、２側にＺ軸方向（図中上下方向）の加速度Ｇを印加する場合に、溝部７ａ１、７ｂ１及び溝部７ａ２、７ｂ２のほぼ中央部を支点として可撓するように形成されている。

図４に示す加速度検知ユニット２の振動モードを解析すべく、図１の加速度検知ユニット１と同様に、有限要素法を用いてシミュレーションを行った。加速度検知ユニット２の自由端１、２に加速度Ｇを加えると、溝部７ａ１、７ｂ１、７ａ２、７ｂ２より、自由端１、２側が図中上下に共に対称に撓むことが示された。その際、固定端部１０ａ、１０ｂを介して双音叉型圧電振動素子１０の応力感応部に圧縮と、伸張の応力が作用することも分かった。また、溝部７ａ１、７ｂ１、７ａ２、７ｂ２の中央が支点となると想定されたが、シミュレーションの結果より固定端と溝部との接合部であることが分かった。双音叉型圧電振動素子１０も加速度Ｇの印加により図中、多少上下方向に動くことも示された。
また、加速度検出軸方向と直交するＹ軸方向に加速度を加えると、溝部７ａ１、７ｂ１と溝部７ａ２、７ｂ２とには逆の歪みが加わり、他軸方向（Ｙ軸方向）による加速度測定への影響は小さくなることが判明した

図４に示す第４の実施形態の加速度検知ユニット２は、Ｚ軸方向の低背化が図られる点と、双音叉型圧電振動素子１０と、固定端及び重り部の自由端である外枠部材５とを同一の水晶材料から形成するので、周囲温度変化による加速度検知ユニットの精度誤差を最小限にすることが可能である。さらに、Ｙ軸方向、つまり双音叉型圧電振動素子１０の長手方向の加速度に対しては、自由端１の質量と、自由端２の質量に掛かる加速度による応力は互いに逆に作用することになる。そのため、Ｙ軸方向の他軸加速度に対して、検知感度を抑制することが可能となる。

図５は本実施形態の加速度センサの構成を示す斜視図である。加速度センサ３は、上記加速度検知ユニットと、発振回路３０及びデータ処理回路３２と、これらを収容するハウジング２０と、を備えた加速度センサである。加速度検知ユニットはハウジング２０の基台２２に載置、固定され、ハウジング２０の上部には蓋部材（図示せず）が固定され、内部を気密に保たれている。
このように構成される加速度センサ３は、Ｚ軸方向の低背化が図られる点と、加速度検知ユニットの部材が同一の圧電材料から形成するので、周囲温度変化による加速度検知ユニットの精度誤差を最小限にすることができる。さらに、第４の実施形態の加速度検知ユニット２を用いれば、Ｙ軸方向の他軸加速度に対して、検知感度を抑制することが可能となる。

本発明の第１の実施形態の加速度検知ユニットの構成を示した斜視図。 第２の実施形態の加速度検知ユニットの構成を示した部分斜視図。 第３の実施形態の加速度検知ユニットの構成を示した部分斜視図。 第４の実施形態の加速度検知ユニットの構成を示した斜視図。 本実施形態の加速度センサの構成を示す斜視図。 従来のプッシュプル型加速度計の構成を示す斜視図。

符号の説明

１、２ 加速度検知ユニット、３ 加速度センサ、５ 外枠部材、５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄ 部材、７ａ、７ｂ、７ａ１、７ａ２、７ｂ１、７ｂ２、８ａ、８ｂ、９ａ、９ｂ 溝部、１０ 双音叉型圧電振動素子、１０ａ、１０ｂ 固定端部、２０ ハウジング、２２ 基台、３０ 発振回路、３２ データ処理回路

Claims (6)

1. 外枠部材と、応力感応部と該応力感応部を挟む２つの固定端部を有する双音叉型圧電振動素子と、を備え、
   前記外枠部材と前記双音叉型圧電振動素子の圧電基板とは同一の圧電材料により一体的に且つ前記圧電基板の厚さが前記外枠部材より薄く形成し、
   前記外枠部材の一方の対向する辺に夫々前記双音叉型圧電振動素子の固定端部を連結すると共に、前記外枠部材の他方の対向する辺に夫々溝部を形成し、
   前記外枠部材の一部が前記溝部より可撓するように形成したことを特徴とする加速度検知ユニット。
2. 前記溝部は、前記双音叉型圧電振動素子の面と平行する外枠部材の略中央部で、前記外枠部材の両面又は一方の面に形成したことを特徴とする請求項１に記載の加速度検知ユニット。
3. 前記溝部は、前記双音叉型圧電振動素子の面と平行する外枠部材の端部側で、前記外枠部材の両面又は一方の面に形成したことを特徴とする請求項１に記載の加速度検知ユニット。
4. 前記溝部は、前記双音叉型圧電振動素子の面と平行する外枠部材の対向する夫々の辺の中央を挟んで両側に２つずつ形成したことを特徴とする加速度検知ユニット。
5. 前記溝部の形状がスリット状、又は円弧状であることを特徴とする請求項１乃至４の何れかに記載の加速度検知ユニット。
6. 請求項１乃至５の何れか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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