JP2009080069A - Acceleration sensor, and load sensor - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、加速度または荷重が加えられたときに、振動体の共振周波数が変化することを検出する加速度センサ及び荷重センサに関する。 The present invention relates to an acceleration sensor and a load sensor that detect changes in the resonance frequency of a vibrating body when acceleration or a load is applied.
一つまたは二つの梁状の振動腕を有する振動体に振動腕に沿った荷重を加えたときに、振動体の共振周波数が変化することを利用し、振動体の基準共振周波数と共振周波数変化量とを比較して加えられた荷重の大きさを測定するという荷重センサが提言されている。 Utilizing the fact that the resonant frequency of the vibrating body changes when a load along the vibrating arm is applied to a vibrating body having one or two beam-like vibrating arms, changes the reference resonant frequency and resonant frequency of the vibrating body. A load sensor that measures the magnitude of an applied load by comparing the amount is proposed.
このような荷重センサを加速度センサに応用したものとして、支持部にヒンジ継手によって接続されると共に、ヒンジ継手接続方向と直交する感知方向に回動可能な回動質量部と、回動質量部と支持部の間に介在されるそれぞれ二つの振動腕からなる振動体(双音叉振動体と呼称されることがある)を有する加速度センサがある。これらの振動体(振動腕)は、回動質量部の両側にヒンジ継手接続方向に平行であって、加速度を加えたときに可動質量部がヒンジ継手を回動中心として回動する。この可動質量部の回動に伴い一方の振動体が収縮し、他方の振動体は伸張する。この振動体が収縮、伸張することにより、振動体の共振周波数が変化することを検出する(例えば、特許文献1参照)。 As an application of such a load sensor to an acceleration sensor, a rotating mass unit that is connected to a support portion by a hinge joint and that is rotatable in a sensing direction orthogonal to the hinge joint connecting direction, There is an acceleration sensor having a vibrating body (sometimes referred to as a double tuning fork vibrating body) composed of two vibrating arms interposed between support parts. These vibrating bodies (vibrating arms) are parallel to the hinge joint connection direction on both sides of the rotating mass portion, and when the acceleration is applied, the movable mass portion rotates around the hinge joint as a rotation center. As the movable mass part rotates, one vibrating body contracts and the other vibrating body expands. It is detected that the resonance frequency of the vibrating body changes as the vibrating body contracts and expands (see, for example, Patent Document 1).
また、荷重センサの具体例としては、支持部と、支持部の端部に突出部と、突出部を支点として、前記突出部に連続し両端に力点と重点を有するてこ部と、力点と支持部との間に連結部を介して延在される二つの振動腕からなる振動体(双音叉と呼称されることがある)、重点に引張片を介して設けられる荷重受部と、を備え、この荷重受部に加えられた荷重が、てこ部を介して前記振動体に拡大または縮小され伝達されることにより、振動体の共振周波数が変化することを検出し、加えられた荷重の大きさを測定する荷重センサというものがある(例えば、特許文献2参照)。 Further, as specific examples of the load sensor, a supporting portion, a protruding portion at an end portion of the supporting portion, a lever portion that is continuous with the protruding portion and has a force point and an emphasis at both ends, a force point and a supporting point A vibrating body (sometimes referred to as a double tuning fork) that includes two vibrating arms that extend through a connecting portion between the load portion and a load receiving portion that is provided via a tension piece at the emphasis point. The load applied to the load receiving portion is detected as a change in the resonance frequency of the vibrating body by being expanded or reduced and transmitted to the vibrating body via the lever, and the magnitude of the applied load is detected. There is a load sensor that measures the thickness (see, for example, Patent Document 2).
このような特許文献1による加速度センサは、振動体が双音叉型の形態であり、振動腕が4本存在している。従って、可動質量部に加えられる加速度は、4本の振動腕で受けることになるため、加速度による変位量が小さく、振動腕一本当りの発生応力が小さいことから共振周波数の変化量が少なく検出感度が不十分である。 In such an acceleration sensor according to Patent Document 1, the vibrating body is in the form of a double tuning fork, and there are four vibrating arms. Therefore, since the acceleration applied to the movable mass is received by the four vibrating arms, the amount of displacement due to the acceleration is small and the generated stress per vibrating arm is small. Insufficient sensitivity.
また、詳しくは後述する実施の形態で説明するが、振動体に働く軸力は、ヒンジ継手から可動質量部の重心までの距離をL、質量をm、ヒンジ継手の中心軸から振動体の中心軸までの距離をhとしたとき、加速度gが加えられたときに振動体に働く軸力Fは、F=(L/2h)mgで表すことができる。ここで、(L/2h)の利得を持つ増幅が可能であると考えられる。特許文献1の構造では、振動体は2本の振動腕から構成されているので、距離hは2本の振動腕の中心軸までの距離となるため距離hが大きくなり、増幅利得(L/2h)も小さくなるので検出感度が不十分である。 In addition, as will be described in detail in the embodiments described later, the axial force acting on the vibrating body is such that the distance from the hinge joint to the center of gravity of the movable mass portion is L, the mass is m, and the center axis of the vibrating body from the center axis of the hinge joint When the distance to the axis is h, the axial force F acting on the vibrating body when the acceleration g is applied can be expressed as F = (L / 2h) mg. Here, it is considered that amplification having a gain of (L / 2h) is possible. In the structure of Patent Document 1, since the vibrating body is composed of two vibrating arms, the distance h is a distance to the central axis of the two vibrating arms, so that the distance h increases and the amplification gain (L / 2h) becomes smaller, so the detection sensitivity is insufficient.
また、このような従来技術の構成は、発明者らの検討では十分な検出感度が得られず、これは、加速度が加えられたときの2対の振動腕のひずみが一様でないこと、振動漏れの発生、可動質量部の共振周波数が振動体の共振周波数に影響している、等が原因と考えられる。 In addition, such a configuration of the prior art cannot obtain sufficient detection sensitivity by the inventors' investigation, and this is because the distortion of the two pairs of vibrating arms when acceleration is applied is not uniform. The cause is considered to be the occurrence of leakage, the resonance frequency of the movable mass portion affecting the resonance frequency of the vibrating body, and the like.
また、特許文献2による荷重センサにおいても特許文献1と同様に、荷重受部に加えられる測定荷重は、2本の振動腕で受けることになるため、測定荷重による変位量が小さく、振動腕一本当りの発生応力が小さいことから共振周波数の変化量が少ない。さらに、振動腕までの距離hを小さくできないことから、てこ部による測定荷重の拡大率に限界があることから、検出感度が不十分であるというような課題がある。 Also, in the load sensor according to Patent Document 2, as in Patent Document 1, the measurement load applied to the load receiving portion is received by the two vibrating arms. Since the generated stress per book is small, the amount of change in the resonance frequency is small. Furthermore, since the distance h to the vibrating arm cannot be reduced, there is a problem that detection sensitivity is insufficient because the magnification rate of the measurement load by the lever is limited.
本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態または適用例として実現することが可能である。 SUMMARY An advantage of some aspects of the invention is to solve at least a part of the problems described above, and the invention can be implemented as the following forms or application examples.
[適用例1]本適用例に係る加速度センサは、平面内に展開され、加速度を加えることによって振動体の共振周波数が変化することを検出する加速度センサであって、固定端としての支持部と、前記支持部に併設される可動質量部と、前記可動質量部の長手方向側面に沿って延在され、且つ前記支持部と前記可動質量部との間に延在される振動体と、を有し、前記振動体が、前記支持部に連続する支持部基部と前記可動質量部に連続する質量部基部との間に延在される1本の主振動腕と、前記支持部基部及び前記質量部基部のそれぞれから前記主振動腕に沿って延在される副振動腕と、少なくとも前記主振動腕に設けられる励振手段と、を備え、前記主振動腕と前記副振動腕の共振周波数が一致していることを特徴とする加速度センサ。 [Application Example 1] An acceleration sensor according to this application example is an acceleration sensor that is developed in a plane and detects that the resonance frequency of the vibrating body is changed by applying acceleration, and includes a support portion as a fixed end, and A movable mass portion provided alongside the support portion; and a vibrating body extending along a longitudinal side surface of the movable mass portion and extending between the support portion and the movable mass portion. The vibrating body includes one main vibrating arm extending between a support base that is continuous with the support and a mass base that is continuous with the movable mass; the support base; and A sub-vibration arm extending along the main vibration arm from each of the mass bases, and excitation means provided at least on the main vibration arm, and the resonance frequency of the main vibration arm and the sub-vibration arm is An acceleration sensor characterized by matching.
このような構成によれば、一つの振動体は1本の主振動腕で構成されるために、可動質量部に加えられる加速度により主振動腕に発生する歪及び応力が大きくなるため、同じ大きさの加速度に対する共振周波数の変化量が大きくなることから、加速度の検出感度を高めることができる。 According to such a configuration, since one vibrating body is composed of one main vibrating arm, strain and stress generated in the main vibrating arm due to acceleration applied to the movable mass portion are increased, and therefore, the same magnitude. Since the amount of change in the resonance frequency with respect to the acceleration increases, the acceleration detection sensitivity can be increased.
また、主振動腕と同じ共振周波数を有する副振動腕を備え、副振動腕の振動を主振動腕の振動と逆位相にすることにより一種の音叉型振動体とすることで、主振動腕と副振動腕の連結部の振動エネルギが打ち消され、基部または付加質量部への振動漏れの発生を抑制できる。そのことにより、共振周波数の安定性(Q値で表される)が向上する。Q値が増加すれば共振周波数のふらつきが小さくなることから、加速度の検出精度を向上させることができるという効果がある。 Also, a sub-vibration arm having the same resonance frequency as the main vibration arm is provided, and by making the vibration of the sub-vibration arm in reverse phase with the vibration of the main vibration arm, a kind of tuning-fork type vibrator is obtained. The vibration energy of the connecting part of the sub-vibration arm is canceled, and the occurrence of vibration leakage to the base part or the additional mass part can be suppressed. As a result, the stability (represented by the Q value) of the resonance frequency is improved. If the Q value increases, the fluctuation of the resonance frequency is reduced, and therefore the acceleration detection accuracy can be improved.
なお、励振手段は、主振動腕にのみ設け、副振動腕は主振動腕の振動に共振させる構造としてもよく、副振動腕にも励振手段を設け、共振周波数を合わせる構造としてもよい。 The excitation means may be provided only on the main vibration arm, and the sub-vibration arm may be configured to resonate with the vibration of the main vibration arm, or the sub-vibration arm may be provided with excitation means so as to match the resonance frequency.
[適用例2]上記適用例に係る加速度センサは、前記振動体が、前記可動質量部を挟んで両側に設けられ、それぞれの振動体の共振周波数変化の差分を加速度の検出値とする加速度センサ。 Application Example 2 In the acceleration sensor according to the application example described above, the vibration body is provided on both sides of the movable mass portion, and the difference between the resonance frequency changes of each vibration body is a detected acceleration value. .
このような構成によれば、加速度が加えられ可動質量部が変位したときに、一方の主振動腕は圧縮力を受け、他方の主振動腕は引張力を受ける。このため、どちらか一方の振動体の共振周波数を基準周波数とし、その差分をとることで約2倍の周波数変化量(以降、周波数偏差と表すことがある)が得られるという効果がある。
また、感知方向以外の加速度が加えられたときに、差分をとることで感知方向以外の検出感度(他軸感度)を極めて小さくすることができる。
According to such a configuration, when acceleration is applied and the movable mass portion is displaced, one main vibrating arm receives a compressive force and the other main vibrating arm receives a tensile force. For this reason, the resonance frequency of either one of the vibrators is set as a reference frequency, and by taking the difference between them, there is an effect that a frequency change amount approximately twice (hereinafter, sometimes referred to as a frequency deviation) can be obtained.
Further, when acceleration other than the sensing direction is applied, the detection sensitivity (other-axis sensitivity) other than the sensing direction can be made extremely small by taking the difference.
また、上記適用例の加速度センサは、同一材料による一体形成が可能であり、熱膨張による応力変化等を抑制することができる。さらに差分をとることで、主振動腕に周波数温度特性(温度による主振動腕の周波数変化)の影響を極めて小さくすることができる。 Moreover, the acceleration sensor of the said application example can be integrally formed with the same material, and can suppress the stress change by thermal expansion, etc. Further, by taking the difference, the influence of the frequency temperature characteristic (frequency change of the main vibrating arm due to temperature) on the main vibrating arm can be made extremely small.
[適用例3]適用例1に係る加速度センサは、前記振動体が、前記可動質量部の一方の側面に沿って設けられている加速度センサ。 Application Example 3 The acceleration sensor according to Application Example 1 is an acceleration sensor in which the vibrating body is provided along one side surface of the movable mass unit.
このような構成によれば、加速度が加えられていないときの主振動腕の共振周波数を基準周波数とし、加速度が加えられたときの共振周波数との差を加速度の検出値とすることができる。また、振動体を一つにすることで加速度センサを小型化することができる。 According to such a configuration, the resonance frequency of the main vibrating arm when no acceleration is applied can be used as a reference frequency, and the difference from the resonance frequency when acceleration is applied can be used as a detected acceleration value. Moreover, the acceleration sensor can be reduced in size by using one vibrating body.
[適用例4]適用例1ないし適用例3のいずれかに係る加速度センサは、前記主振動腕が、前記可動質量部と前記副振動腕の間に配設されている加速度センサ。 Application Example 4 The acceleration sensor according to any one of Application Examples 1 to 3 is an acceleration sensor in which the main vibration arm is disposed between the movable mass portion and the sub vibration arm.
このような構成によれば、主振動腕は副振動腕よりも可動質量部の近くに配設される。従って、前述した距離hは、可動質量部の重心を通る軸から主振動腕の振動軸までの距離と考えられるため、特許文献1の構成による距離hよりも小さくすることができ、増幅利得(L/2h)を大きくできるため検出感度を高めることができる。 According to such a configuration, the main vibrating arm is disposed closer to the movable mass portion than the sub vibrating arm. Therefore, the above-described distance h is considered to be a distance from the axis passing through the center of gravity of the movable mass portion to the vibration axis of the main vibrating arm, and therefore can be made smaller than the distance h according to the configuration of Patent Document 1, and the amplification gain ( L / 2h) can be increased, so that the detection sensitivity can be increased.
[適用例5]適用例1ないし適用例4のいずれかに係る加速度センサは、前記支持部基部と前記支持部の間、前記質量部基部と前記可動質量部の間のそれぞれに、くびれ部を設けている加速度センサ。 Application Example 5 In the acceleration sensor according to any one of Application Examples 1 to 4, a constriction portion is provided between the support portion base portion and the support portion, and between the mass portion base portion and the movable mass portion. Provided acceleration sensor.
このように、振動体が支持部及び可動質量部に接続する部分にくびれ部を設けることにより、主振動腕及び副振動腕の振動漏れをより一層抑制することができる。 As described above, by providing the constricted portion at the portion where the vibrating body connects to the support portion and the movable mass portion, it is possible to further suppress vibration leakage of the main vibrating arm and the sub vibrating arm.
[適用例6]適用例1ないし適用例5のいずれかに係る加速度センサは、前記支持部基部及び前記質量部基部の一部が平面方向に入り込む切欠き部が、前記可動質量部に備えられている加速度センサ。 [Application Example 6] In the acceleration sensor according to any one of Application Examples 1 to 5, the movable mass portion includes a notch portion in which a part of the support portion base portion and the mass portion base portion enter in a planar direction. Acceleration sensor.
このような構成にすれば、主振動腕を可動質量部側に近づけることができることから、距離hを小さくし、増幅利得を向上させることができると共に、加速度センサをより一層小型化できる。 With such a configuration, since the main vibrating arm can be brought closer to the movable mass portion side, the distance h can be reduced, the amplification gain can be improved, and the acceleration sensor can be further miniaturized.
[適用例7]適用例1ないし適用例6のいずれかに係る加速度センサは、前記支持部と前記可動質量部とが、前記支持部と前記可動質量部とが対向する面においてヒンジ継手で結合されている加速度センサ。 Application Example 7 In the acceleration sensor according to any one of Application Example 1 to Application Example 6, the support portion and the movable mass portion are coupled by a hinge joint on a surface where the support portion and the movable mass portion face each other. Acceleration sensor.
このような構成によれば、ヒンジ継手から可動質量部の重心までの距離が一定となり、加速度の感知方向が規制され、振動体に働く軸力Fが安定して得られると共に、感知方向を規制し、他軸感度を抑制することができる。 According to such a configuration, the distance from the hinge joint to the center of gravity of the movable mass portion is constant, the acceleration sensing direction is regulated, the axial force F acting on the vibrating body is stably obtained, and the sensing direction is regulated. In addition, the sensitivity of other axes can be suppressed.
[適用例8]適用例7に係る加速度センサは、前記ヒンジ継手を振動支点とする前記可動質量部の共振周波数が、前記主振動腕の共振周波数に影響を与えない程度の差を有している加速度センサ。 [Application Example 8] The acceleration sensor according to Application Example 7 has a difference that the resonance frequency of the movable mass portion having the hinge joint as a vibration fulcrum does not affect the resonance frequency of the main vibration arm. Acceleration sensor.
前述した特許文献1の構成では、検出感度が不十分な原因として、可動質量部の振動が振動体の共振周波数に影響していることが考えられる。そこで、可動質量部の共振周波数を主振動腕の共振周波数よりも十分小さくしておくことで、その影響を抑制し検出感度を高めることができる。 In the configuration of Patent Document 1 described above, it is conceivable that the vibration of the movable mass part affects the resonance frequency of the vibrating body as a cause of insufficient detection sensitivity. Therefore, by making the resonance frequency of the movable mass part sufficiently lower than the resonance frequency of the main vibrating arm, the influence can be suppressed and the detection sensitivity can be increased.
[適用例9]適用例1または適用例2に係る加速度センサは、前記支持部が、前記可動質量部を挟んで二つ設けられ、一方の前記振動体が前記可動質量部と一方の前記支持部の間に延在され、他方の前記振動体が前記可動質量部と他方の前記支持部の間に延在されている加速度センサ。 Application Example 9 In the acceleration sensor according to Application Example 1 or Application Example 2, two of the support portions are provided across the movable mass portion, and one of the vibrating bodies is the movable mass portion and one of the support portions. The acceleration sensor is extended between the first and second vibration bodies, and the other vibrating body is extended between the movable mass portion and the other support portion.
このような構成によれば、支持部が可動質量部の両側に配設されることから、可動質量部が擬似両端固定構造となり安定した支持構造を実現できる。さらに、加速度による力が各振動腕の断面に均一に加わることから加速度の検出感度が高くなるという効果がある。 According to such a configuration, since the support portions are disposed on both sides of the movable mass portion, the movable mass portion has a pseudo both-end fixed structure, and a stable support structure can be realized. Further, since the force due to the acceleration is uniformly applied to the cross section of each vibrating arm, there is an effect that the detection sensitivity of the acceleration is increased.
[適用例10]適用例9に係る加速度センサは、少なくとも前記振動体が単結晶圧電材料からなる加速度センサ。 Application Example 10 The acceleration sensor according to Application Example 9 is an acceleration sensor in which at least the vibrator is made of a single crystal piezoelectric material.
このようにすれば、加速度センサをフォトリソグラフィ技術等により容易に、高精度で一体成形を実現でき、製造しやすく低コストな加速度センサを提供できる。特に、単結晶圧電材料として水晶を用いた場合は、良好な周波数温度特性、高いQ値が得られ、高精度な振動特性を有する加速度センサを実現できる。 In this way, the acceleration sensor can be easily integrally formed with high accuracy by a photolithography technique or the like, and an acceleration sensor that is easy to manufacture and low cost can be provided. In particular, when quartz is used as the single crystal piezoelectric material, it is possible to obtain an acceleration sensor having good frequency temperature characteristics and a high Q value and having highly accurate vibration characteristics.
[適用例11]適用例1ないし適用例9のいずれかに係る加速度センサは、少なくとも前記振動体が恒弾性材料からなる加速度センサ。 Application Example 11 The acceleration sensor according to any one of Application Examples 1 to 9 is an acceleration sensor in which at least the vibrating body is made of a constant elastic material.
このようにすれば、恒弾性材料は構造的強度が高く、強い加速度領域の測定に対応できるという効果がある。
なお、恒弾性材料を用いる場合には、主振動腕の振動方向側面に励振手段として圧電素子が形成される。
In this way, the constant elastic material has an effect that it has a high structural strength and can cope with measurement in a strong acceleration region.
When a constant elastic material is used, a piezoelectric element is formed as an excitation means on the side surface in the vibration direction of the main vibrating arm.
[適用例12]本適用例に係る荷重センサは、平面内に展開され、荷重を加えることによって振動体の共振周波数が変化することを検出する荷重センサであって、可動質量部と、前記可動質量部を挟んで設けられる二つの支持部と、前記可動質量部の長手方向側面の両側に沿って延在され、且つ前記支持部と前記可動質量部との間に延在される二つの振動体と、を備え、一方の前記振動体が前記可動質量部と一方の前記支持部の間に延在され、他方の前記振動体が前記可動質量部と他方の前記支持部の間に延在され、前記二つの振動体それぞれが、前記支持部に連続する支持部基部と前記可動質量部に連続する質量部基部との間に延在される主振動腕と、前記支持部基部及び前記質量部基部のそれぞれから前記主振動腕に沿って延在される副振動腕と、少なくとも前記主振動腕に設けられる励振手段と、が備えられている荷重センサ。 Application Example 12 A load sensor according to this application example is a load sensor that is developed in a plane and detects that the resonance frequency of the vibrating body changes when a load is applied. Two support portions provided across the mass portion, and two vibrations extending along both sides of the longitudinal side surface of the movable mass portion and extending between the support portion and the movable mass portion And one of the vibrating bodies extends between the movable mass portion and the one supporting portion, and the other vibrating body extends between the movable mass portion and the other supporting portion. Each of the two vibrators extends between a support base that is continuous with the support and a mass base that is continuous with the movable mass, the support base, and the mass. A secondary extending along the main vibrating arm from each of the bases And Doude, load sensor has at least an excitation means provided on the main vibration arm, is provided.
このような構成によれば、可動質量部に荷重を加えることにより、主振動腕に引張力または圧縮力が働き共振周波数が変化する。この共振周波数の変化を検出し、加えられる荷重の大きさを測定することができる。
なお、本適用例による荷重センサには、力センサ、圧力センサが含まれる。
According to such a configuration, when a load is applied to the movable mass portion, a tensile force or a compressive force is applied to the main vibrating arm to change the resonance frequency. It is possible to detect the change in the resonance frequency and measure the magnitude of the applied load.
Note that the load sensor according to this application example includes a force sensor and a pressure sensor.
[適用例13]本適用例に係る荷重センサは、荷重を加えることによって振動体の共振周波数が変化することを検出する荷重センサであって、基台に固定する支持部と、前記支持部の端部に設けられる突出部と、前記突出部を支点として、前記突出部に連続し両端に力点と重点を有するてこ部と、前記力点と前記支持部との間に連結片を介して延在される前記振動体と、前記重点に引張片を介して設けられる荷重受部と、が備えられ、前記振動体が、前記支持部に連続する支持部基部と前記力点に連続する力点基部との間に延在される主振動腕と、前記支持部基部及び前記力点基部のそれぞれから前記主振動腕に沿って延在される副振動腕と、少なくとも前記主振動腕に設けられる励振手段と、を有し、前記荷重受部に加えられた荷重が、前記てこ部を介して前記振動体に拡大または縮小され伝達される荷重センサ。 Application Example 13 The load sensor according to this application example is a load sensor that detects a change in the resonance frequency of the vibrating body by applying a load, and includes a support unit fixed to a base, A projecting portion provided at an end, a lever that is continuous with the projecting portion with the projecting portion as a fulcrum, and has a force point and an emphasis at both ends, and extends between the force point and the support portion via a connecting piece The vibrating body and a load receiving portion provided via a tension piece at the point of tension, and the vibrating body includes a support base that is continuous with the support and a power point base that is continuous with the power point. A main vibrating arm extending between, a sub-vibrating arm extending along the main vibrating arm from each of the support base and the force point base, and excitation means provided at least on the main vibrating arm, The load applied to the load receiving portion is Load sensor is enlarged or is reduced transmitted to the vibrating body via the lever portion.
このような構成によれば、振動体を1本の主振動腕と、副振動腕で構成することで、主振動腕に生じる応力を高め、前述した特許文献2による振動腕が2本で構成され構造に比べ、検出感度を約2倍に高めることができる。 According to such a configuration, the vibration body is configured by one main vibration arm and a sub vibration arm, thereby increasing the stress generated in the main vibration arm, and the two vibration arms according to Patent Document 2 described above are configured. In comparison with the structure, the detection sensitivity can be increased about twice.
また、主振動腕を副振動腕に対して支持部側に配設すれば、支点と力点との距離を近づけることができ、荷重受部(重点)に加えられる荷重を拡大(増幅)することから増幅利得が増加する。また、主振動腕と副振動腕とを備えて同じ共振周波数とすることで、振動漏れを抑制する。従って、検出感度を高め、微小な荷重(力)を高精度に検出することができる。 Moreover, if the main vibrating arm is arranged on the support side with respect to the sub vibrating arm, the distance between the fulcrum and the force point can be reduced, and the load applied to the load receiving part (emphasis) can be expanded (amplified). As a result, the amplification gain increases. Moreover, vibration leakage is suppressed by providing the main vibration arm and the sub vibration arm to have the same resonance frequency. Therefore, the detection sensitivity can be increased and a minute load (force) can be detected with high accuracy.
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
図1は実施形態1、図2は実施形態2、図3は実施形態3、図4は実施形態4、図5は実施形態5に係る加速度センサを示し、図6は荷重センサの1例を示している。なお、図5は荷重センサの他の1例を示す参照図として兼用する。
なお、以下の説明で参照する図は、図示の便宜上、部材ないし部分の縦横の縮尺は実際のものとは異なる模式図である。
(実施形態1)
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 1 shows the first embodiment, FIG. 2 shows the second embodiment, FIG. 3 shows the third embodiment, FIG. 4 shows the fourth embodiment, FIG. 5 shows the acceleration sensor according to the fifth embodiment, and FIG. Show. FIG. 5 is also used as a reference diagram showing another example of the load sensor.
Note that the drawings referred to in the following description are schematic views in which the vertical and horizontal scales of members or portions are different from actual ones for convenience of illustration.
(Embodiment 1)
図1は、実施形態1に係る加速度センサを示す平面図である。図1において、加速度センサ10は、単結晶圧電材料としての一枚の水晶からなる基板のXY平面内に展開形成されており、図示しない基台等に固定される固定端としての支持部20と、支持部20に併設される可動質量部30と、可動質量部30の長手方向側面の一方に沿って延在される振動体50と、可動質量部30の対向する長手方向側面の他方に沿って延在される振動体60とを有して構成されている。
FIG. 1 is a plan view showing the acceleration sensor according to the first embodiment. In FIG. 1, an
支持部20と可動質量部30とは、それぞれの対向する面においてヒンジ継手40によって一体に結合されている。ヒンジ継手40は、可動質量部30の重心42をとおり、長手方向側面に沿った中心軸P上に設けられる。つまり、本実施形態の加速度センサ10は、中心軸Pに対して対称形である。
The
振動体50は、支持部20に連続する支持部基部25と可動質量部30に連続する質量部基部35との間に延在される主振動腕51と、支持部基部25から主振動腕51に沿って平行に延在される副振動腕53と、質量部基部35から主振動腕51に沿って平行に延在される副振動腕52とから構成されている。
The vibrating
また、振動体60は、支持部20に連続する支持部基部26と可動質量部30に連続する質量部基部36との間に延在される主振動腕61と、支持部基部26から主振動腕61に沿って平行に延在される副振動腕63と、質量部基部36から主振動腕61に沿って平行に延在される副振動腕62とから構成されている。そして、主振動腕51,61はそれぞれ、副振動腕52,53、副振動腕62,63よりも可動質量部30に対して外側に配設されている。
The vibrating
支持部基部25,26は、それぞれ連結部21,23を介して支持部20に連続し、連結部21にはくびれ部22、連結部23にはくびれ部24が設けられ、互いに支持部基部25,26よりも幅が狭められている。
The support bases 25 and 26 are connected to the
また、質量部基部35,36は、それぞれ連結部31,33を介して可動質量部30に連続し、連結部31にはくびれ部32、連結部33にはくびれ部34が設けられ、互いに質量部基部35,36よりも幅が狭められている。これらくびれ部22,24,32,34は、振動体50,60の振動が支持部20及び可動質量部30への漏洩することを抑制するために設けられている。
Further, the
主振動腕51,61は、両端支持構造の梁状の振動腕であって、それぞれの表面には励振手段としての図示しない励振電極が設けられている。励振電極は検出電極を兼用し、支持部20の表面または裏面の接続電極に接続され、発信回路、検出回路(共に図示せず)に接続されている。
The main vibrating
なお、主振動腕51は、支持部基部25及び質量部基部35を振動の節とし、主振動腕51の長手方向中央部を振動の腹とする二次の屈曲振動、副振動腕52,53は、それぞれ質量部基部35、支持部基部25を振動の節とする主振動腕51の振動とは逆位相の一次の屈曲振動をする。
The main vibrating
振動体50においては、副振動腕52,53のそれぞれは、質量部基部35と支持部基部25において主振動腕51と振動の節を略一致させると共に、共振周波数を一致させている。従って、主振動腕51を励振させることにより、副振動腕52,53が共振するため、副振動腕52,53には必ずしも励振電極はなくてもよい。なお、振動体60においても中心軸Pに対して振動体50と対称形としているので、振動体50と同じ共振振動を行う。
In the vibrating
具体的な実施例をあげ説明する。主振動腕51の腕長さを7000μm、腕幅を200μmとすると、共振周波数は22kHzとなる。ここで、副振動腕52,53の共振周波数を22kHzとするためには、副振動腕52,53それぞれの腕幅を200μmとすれば、腕長さを2700μmに調整すればよい。なお、腕長さを一定にして腕幅で調整してもよい。
A specific example will be described. When the arm length of the main vibrating
また、副振動腕52,53にも励振電極を設ける構造とすることが可能であるが、この際、主振動腕51とは、逆位相の振動になるように励振電極を構成する。
In addition, the auxiliary vibrating
続いて、加速度センサ10の検出方法について説明する。加速度センサ10に+X方向の加速度gが加えられると、支持部20は固定されていることから、慣性効果により可動質量部30にヒンジ継手40の中心41を回転軸として−X方向にモーメントが生じる。従って、主振動腕51は伸張され引張応力が生じる。一方、主振動腕61は収縮され圧縮応力が生じる。この際、主振動腕51の共振周波数は低下し、主振動腕61の共振周波数は増加する。そして、主振動腕51,61それぞれの共振周波数の変化量の差分と、加速度が加えられていない基準共振周波数の比較により加速度の大きさを検出することができる。なお、+X方向及び−X方向の加速度の印加方向は、振動体50,60それぞれの共振周波数の増減によって、認識することが可能である。
Subsequently, a detection method of the
次に増幅利得について説明する。加速度センサ10に+X方向の加速度gが加えられると、慣性効果により可動質量部30にヒンジ継手40の中心41を回転軸として−X方向にモーメントM1が生じる。ヒンジ継手40の中心41から可動質量部30の重心42までの距離L1、可動質量部30の質量m、中心41を回転軸としたときに、重心42に働く軸力F1との関係は、M1=F1L1=mgL1で表される。
Next, the amplification gain will be described. When acceleration g in the + X direction is applied to the
この際、モーメントM1は、主振動腕51,61により可動質量部30を平衡状態に維持するように現れるモーメントM2とつりあうところまで変位する。このモーメントのつりあい(M1=M2)から、主振動腕51,61に働く軸力F2は、中心軸Pから主振動腕51,61それぞれの振動の中心線までの距離をh1とすると、2F2h1=mgL1の関係が成り立つ。ここから、主振動腕51,61に働く軸力F2は、F2=(L1/2h1)mgで表される。つまり、(L1/2h1)の利得を持つ増幅が可能であることを意味している。従って、この利得を増幅利得と呼び、利得が大きいほど増幅率が高く、検出感度が高いといえる。
At this time, the moment M 1 is displaced to a place where it balances with the moment M 2 that appears so as to maintain the
また、本実施形態では、ヒンジ継手40を振動支点とする可動質量部30の共振周波数が、主振動腕51,61の共振周波数に影響を与えない程度の差を有するように形状及び大きさが設定されている。具体的には、主振動腕51,61の共振周波数を22kHzとしたときに可動質量部30の共振周波数を6kHzとなるように設定すれば、可動質量部30の共振振動が主振動腕51,61の共振振動に影響をほとんど与えないことが確認されている。
Further, in the present embodiment, the shape and size are such that the resonance frequency of the
従って、実施形態1によれば、振動体50,60それぞれは1本の主振動腕51,61で構成されるために、可動質量部30に加えられる加速度により主振動腕51,61に発生する歪及び応力が大きくなるため、同じ大きさの加速度に対する共振周波数の変化が大きくなることから、加速度の検出感度を高めることができる。
Therefore, according to the first embodiment, since each of the vibrating
また、主振動腕51,61と、それぞれ同じ共振周波数を有する副振動腕52,53,62,63とが備えられ、副振動腕の振動を主振動腕の振動と逆位相にすることにより一種の音叉型振動体とすることで、主振動腕と副振動腕の連結部の振動エネルギが打ち消され、支持部基部25,26及び質量部基部35,36への振動漏れを抑制できる。そのことにより、共振周波数の安定性(Q値で表される)が向上する。Q値が増加すれば共振周波数のふらつきが小さくなることから、検出感度の精度を向上させることができるという効果がある。
Further,
また、振動体50,60が、可動質量部30を挟んで両側に設けられている。このような構成によれば、加速度が加えられ可動質量部30が変位したときに、主振動腕51,61のうちの一方は圧縮力を受け、他方は引張力を受ける。このため、どちらか一方の振動体の共振周波数を基準周波数とし、その差分をとることで約2倍の周波数偏差が得られ、検出感度を高めることができる。
また、感知方向以外の加速度が加えられたときに、上述のように周波数変化の差分をとることで感知方向以外の検出感度(他軸感度)を極めて小さくすることができる。
Moreover, the vibrating
Further, when acceleration other than the sensing direction is applied, the detection sensitivity (other-axis sensitivity) other than the sensing direction can be made extremely small by taking the difference in frequency change as described above.
また、支持部基部25,26との間の連結部21,23、質量部基部35,36との間の連結部31,33のそれぞれに、くびれ部22,24,32,34を設けることにより、主振動腕51,61及び副振動腕52,53,62,63の振動漏れを一層抑制することができる。
Further, by providing the constricted
また、支持部20と可動質量部30とが、支持部20と可動質量部30とが対向する面においてヒンジ継手40で結合されていることから、ヒンジ継手40の中心41から可動質量部30の重心42までの距離L1が一定となり、振動体50,60に働く軸力F1が安定して得られると共に、感知方向を規制し、他軸感度を抑制することができる。
In addition, since the
また、本実施形態では、ヒンジ継手40を振動支点とする可動質量部30の共振周波数が、主振動腕51,61の共振周波数に影響を与えない程度の差を有するような形状,大きさとしている。前述した特許文献1の構成では、検出感度が不十分な原因として、可動質量部の振動が振動体の共振周波数に影響していることが考えられる。そこで、可動質量部30の共振周波数を主振動腕51,61の共振周波数よりも十分小さくしておくことで、その影響を抑制し検出感度を高めることができる。
In this embodiment, the shape and size are such that the resonance frequency of the
さらに、本実施形態では、加速度センサ10は、水晶基板から構成されている。このようにすれば、加速度センサ10をフォトリソグラフィ技術等により容易に高精度で一体成形を実現し、製造しやすく低コストな加速度センサを提供できる。また、水晶は良好な周波数温度特性、高いQ値を得られることから、高精度な振動特性を有する加速度センサを実現でき、また、他の材料との組み合わせ構造において発生しやすい熱膨張による応力変化等を抑制することができる。
Furthermore, in this embodiment, the
なお、図1に示した加速度センサ10は、主振動腕51,61が中心軸Pに対して対称形であり、平行に延在した形状を例示しているが、必ずしも対称形でなくても、平行でなくてもよい。従って、主振動腕51,61の共振周波数は、副振動腕52,53,62,63との共振周波数を合わせれば互いに異なる値に設定してもよい。
(恒弾性材料を用いた加速度センサの実施例)
In the
(Example of acceleration sensor using constant elastic material)
また、前述した実施形態1による加速度センサは、水晶からなる構成について説明したが、本発明は、加速度センサを恒弾性材料からなる構成とすることができる。加速度センサの形状は振動体、支持部、可動質量部共に、図1に示す構成と同じにすることができるので、図1を参照して説明する。 Moreover, although the acceleration sensor by Embodiment 1 mentioned above demonstrated the structure which consists of quartz, this invention can make an acceleration sensor the structure which consists of a constant elastic material. The shape of the acceleration sensor can be the same as that shown in FIG. 1 for the vibrating body, the support part, and the movable mass part, and will be described with reference to FIG.
本実施例による加速度センサ10は、ニッケル、鉄、クロム、チタン、あるいはそれらの合金であるエリンバ、鉄−ニッケル合金などからなる恒弾性材料から構成され、所望の共振周波数、サイズに対応して選択される。そして、主振動腕51,61の屈強振動方向の側面に励振手段としての圧電素子(図示は省略する)が設けられる。圧電素子の表裏両面には励振電極が形成される。圧電素子は、主振動腕51,61の側面両側に設けても、片側に設けてもよい。なお、主振動腕51,61の側面の表面と、圧電素子の裏面側励振電極の間には絶縁膜が形成される。
The
圧電素子の表裏両面の励振電極それぞれに逆電位の励振信号が入力されることにより、主振動腕51,61は二次の屈曲振動をし、所定の共振周波数で安定した振動を継続する。
また、主振動腕51,61と共に、副振動腕52,53,62,63のそれぞれの屈曲振動方向側面にも圧電素子を設ける構成としてもよい。
When excitation signals having opposite potentials are input to the excitation electrodes on both the front and back surfaces of the piezoelectric element, the main vibrating
Moreover, it is good also as a structure which provides a piezoelectric element also in each bending-vibration direction side surface of
このようにすれば、恒弾性材料は構造的強度が高く、強い加速度領域の測定に対応できるという効果がある。 In this way, the constant elastic material has an effect that it has a high structural strength and can cope with measurement in a strong acceleration region.
また、加速度センサ10が恒弾性材料と圧電素子とから構成される構造であっても、前述した実施形態1と同様に、振動体50,60それぞれは1本の主振動腕51,61で構成されていること、主振動腕51,61と副振動腕52,53,62,63とから構成される一種の音叉型振動体とすること、可動質量部30に対して両側に振動体50,60を備えていること、から実施形態1と同様な効果を奏する。
Even if the
また、本実施例においても、ヒンジ継手40を振動支点とする可動質量部30の共振周波数が、主振動腕51,61の共振周波数に影響を与えない程度の差を有するような形状及び大きさにすることにより、可動質量部30の共振周波数が主振動腕51,61の共振周波数への影響を抑制し検出感度を高めることができる。
(実施形態2)
Also in this embodiment, the shape and size are such that the resonance frequency of the
(Embodiment 2)
続いて、実施形態2に係る加速度センサについて図面を参照して説明する。実施形態2は、前述した実施形態1(図1、参照)に対して、主振動腕と副振動腕の配設が異なることを特徴としている。他の構造は実施形態1と同じであるため説明を省略し、同じ機能部位には同じ記号を付して説明する。
図2は、実施形態2に係る加速度センサを示す平面図である。図2において、加速度センサ10は、主振動腕51,61それぞれが、可動質量部30と副振動腕52,53と副振動腕62,63の間に配設されている。つまり、可動質量部30に対して主振動腕51が副振動腕52,53より内側に、また、主振動腕61が副振動腕62,63より内側に配設されている。
Next, the acceleration sensor according to the second embodiment will be described with reference to the drawings. The second embodiment is characterized in that the arrangement of the main vibrating arm and the sub vibrating arm is different from that of the first embodiment (see FIG. 1). Since other structures are the same as those of the first embodiment, the description thereof is omitted, and the same functional parts are denoted by the same symbols.
FIG. 2 is a plan view showing the acceleration sensor according to the second embodiment. In FIG. 2, in the
この際、主振動腕51,61に働く軸力F2は、中心軸Pから主振動腕51,61それぞれの振動の中心線までの距離h2となり、2F2h2=mgL1の関係が成り立つ。ここから、主振動腕51,61に働く軸力F2は、F2=(L1/2h2)mgで表される。
At this time, the axial force F 2 acting on the main vibrating
ここで、前述した実施形態1における中心軸Pから主振動腕51,61それぞれの振動の中心線までの距離h1は、実施形態2における副振動腕62,63の中心軸との距離に相当する。従って、h2とh1を比較するとh2<h1となり、増幅利得は、(L1/2h1)>(L1/2h2)となる。
Here, the distance h 1 from the central axis P in the first embodiment to the vibration center line of each of the main vibrating
従って、このような構成によれば、実施形態1に比べ、増幅利得を大きくできることから検出感度をさらに高めることができる。
なお、加速度センサが恒弾性材料を用いる構成においても、同様な効果が得られる。
(実施形態3)
Therefore, according to such a configuration, since the amplification gain can be increased as compared with the first embodiment, the detection sensitivity can be further increased.
The same effect can be obtained even in a configuration in which the acceleration sensor uses a constant elastic material.
(Embodiment 3)
続いて、実施形態3に係る加速度センサについて図面を参照して説明する。実施形態3は、前述した実施形態2に対してさらに増幅利得を大きくするために、振動体の配設位置が異なることに特徴を有している。他の構造は実施形態1と同じであるため、異なる部分を中心に、同じ機能部位には同じ符号を付して説明する。
図3は、実施形態3に係る加速度センサを示す平面図である。図3において、可動質量部30には、支持部基部25,26、質量部基部35,36の一部が可動質量部30の平面方向に入り込む切欠き部37a〜37dが設けられている。
Next, an acceleration sensor according to Embodiment 3 will be described with reference to the drawings. The third embodiment is characterized in that the arrangement position of the vibrating body is different from that of the second embodiment described above in order to further increase the amplification gain. Since other structures are the same as those of the first embodiment, the same functional parts are denoted by the same reference numerals and described with a focus on different parts.
FIG. 3 is a plan view showing the acceleration sensor according to the third embodiment. In FIG. 3, the
切欠き部37a〜37dそれぞれは、可動質量部30の4隅に設けられる。切欠き部37aには支持部基部25、切欠き部37bには支持部基部26、切欠き部37cには質量部基部35、切欠き部37dには質量部基部36のそれぞれの一部が入り込んでいる。振動体50,60は前述した実施形態2(図2、参照)と同じであるため、中心軸Pから主振動腕51,61それぞれの中心線までの距離h3は、ヒンジ継手40の中心41から可動質量部30の重心42までの距離L2とすると、実施形態2の距離h2に対してh3<h2となるため、増幅利得は、(L2/2h3)>(L2/2h2)となる。
Each of the
ここで、距離L2は、切欠き部37a,37bの大きさと切欠き部37c,37dの大きさ(特に長辺)をL2≧L1となるように設定すれば、中心軸Pから主振動腕51,61それぞれの振動の中心線までの距離h3を小さくすることとあわせて、より一層増幅利得を大きくすることができる。なお、可動質量部30の質量mは、切欠き部37a〜37dより減少した分を可動質量部30を支持部20の反対側端面を僅かに延長するだけで減少させない設定が可能である。
Here, the distance L 2 is determined from the central axis P if the size of the
このような構成にすれば、主振動腕51,61を可動質量部30側に一層近づけることができることから、中心軸Pから主振動腕51,61それぞれの距離h3を小さくし、増幅利得を向上させることができると共に、加速度センサ10を幅方向においてより一層小型化できる。
With such a configuration, the main vibrating
なお、このような実施形態3の構成においても、加速度センサ10を恒弾性材料と圧電素子で構成する構造にすることができ、同様な効果が得られる。
(実施形態4)
Even in the configuration of the third embodiment, the
(Embodiment 4)
次に、実施形態4に係る加速度センサについて図面を参照して説明する。実施形態4は、前述した実施形態1〜実施形態3に対して振動体を一つにしたことを特徴とする。本実施形態は、前述した実施形態1〜実施形態3の技術思想にも適合可能であるが、実施形態2に係る振動体を例示して異なる部分を中心に、共通符号を付して説明する。
図4は、実施形態4に係る加速度センサを示す平面図である。図4において、加速度センサ10は、一つの振動体50が、可動質量部30の長手方向の一方の側面に沿って設けられて構成されている。
Next, an acceleration sensor according to Embodiment 4 will be described with reference to the drawings. The fourth embodiment is characterized in that a single vibrating body is used as compared with the first to third embodiments described above. The present embodiment can be adapted to the technical ideas of the above-described first to third embodiments. However, the vibration body according to the second embodiment will be exemplified and different parts will be mainly described with common reference numerals. .
FIG. 4 is a plan view showing the acceleration sensor according to the fourth embodiment. In FIG. 4, the
支持部20と可動質量部30とは、それぞれの対向する面においてヒンジ継手40によって一体に結合されている。ヒンジ継手40は、可動質量部30の重心42をとおり、長手方向側面に沿った中心軸P上にある。
The
振動体50は、支持部20に連続する支持部基部25と可動質量部30に連続する質量部基部35との間に延在される主振動腕51と、支持部基部25から主振動腕51に沿って平行に延在される副振動腕53と、質量部基部35から主振動腕51に沿って平行に延在される副振動腕52とから構成されている。
支持部基部25は、連結部21を介して支持部20に連続し、連結部21にはくびれ部22が設けられ、支持部基部25よりも幅が狭められている。
The vibrating
The
また、質量部基部35は、連結部31を介して可動質量部30に連続し、連結部31にはくびれ部32が設けられ、質量部基部35よりも幅が狭められている。
The
つまり、本実施形態の加速度センサ10は、実施形態2(図2、参照)に示した振動体60を削除した形態をなしている。また、可動質量部30に切欠き部37a,37cを設ける実施形態3の構成にも適合できる。
That is, the
本実施形態による構成では、加速度が加えられていないときの主振動腕51の共振周波数を基準周波数とし、加速度が加えられたときの共振周波数との差を加速度の検出値とすることで加速度の大きさを測定することができる。
In the configuration according to the present embodiment, the resonance frequency of the main vibrating
このようにすれば、二つの振動体の共振周波数の変化の差分をとる実施形態に対して検出感度が若干劣るものの、振動体を一つ(主振動腕が1本)にすることで、可動質量部30に加えられる加速度により主振動腕51に発生する歪及び応力が大きくなるため、同じ大きさの加速度に対する共振周波数の変化が大きくなることから、加速度の検出感度を高めることができる。また、加速度センサを小型化することができる。
(実施形態5)
In this way, although the detection sensitivity is slightly inferior to the embodiment that takes the difference in the change in the resonance frequency of the two vibrating bodies, the movable body can be moved by using one vibrating body (one main vibrating arm). Since the strain and stress generated in the main vibrating
(Embodiment 5)
次に、実施形態5に係る加速度センサについて図面を参照して説明する。実施形態5は、支持部が可動質量部を挟んで二つ設けられていることに特徴を有している。本実施実施形態は、前述した実施形態1〜実施形態3の技術思想を適合できるが、実施形態2の形態を基本構造とした応用展開を例示して説明する。共通部分には同じ符号を付している。
図5は、実施形態5に係る加速度センサを示す平面図である。図5において、加速度センサ10は、可動質量部30と、可動質量部30を挟んで対向するように併設される固定端としての支持部71,72と、可動質量部30と支持部71との間に延在される振動体60と、可動質量部30と支持部72との間に延在される振動体50と、から構成されている。なお、振動体50,60は、前述した実施形態2(図2、参照)と同じ構成である。
Next, an acceleration sensor according to Embodiment 5 will be described with reference to the drawings. The fifth embodiment is characterized in that two support portions are provided with the movable mass portion interposed therebetween. The present embodiment can be adapted to the technical ideas of the first to third embodiments described above, but will be described by exemplifying an application development having the basic structure of the second embodiment. Common parts are given the same reference numerals.
FIG. 5 is a plan view showing an acceleration sensor according to the fifth embodiment. In FIG. 5, the
このような構成では、可動質量部30に+Y方向の加速度が加えられるときには、慣性効果により可動質量部30は、−Y方向に変位する。この際、主振動腕51は伸張され引張応力が生じる。一方、主振動腕61は収縮され圧縮応力が生じる。この際、主振動腕51の共振周波数は低下し、主振動腕61の共振周波数は増加する。そして、主振動腕51,61それぞれの共振周波数の変化量の差分と、加速度が加えられていない基準共振周波数の比較により加速度の大きさを検出することができる。−Y方向の加速度が加えられたときには、上述した主振動腕51,61と逆の挙動を示す。
なお、+Y方向及び−Y方向の加速度の印加方向は、振動体50,60それぞれの共振周波数の増減によって、加速度の方向を認識することが可能である。
In such a configuration, when acceleration in the + Y direction is applied to the
Note that the acceleration application directions in the + Y direction and the −Y direction can be recognized by increasing or decreasing the resonance frequency of each of the vibrating
このような構成によれば、支持部71,72が可動質量部30の両側に配設されることから、可動質量部30が擬似両端固定構造となり安定した支持構造を実現できる。
According to such a configuration, since the
なお、前述した実施形態4、実施形態5の構成においても、振動体50,60を恒弾性材料と圧電素子で構成する構造にすることができ、同様な効果が得られる。
(実施形態6)
In the configurations of the fourth and fifth embodiments described above, the vibrating
(Embodiment 6)
続いて、前述した加速度センサにおける、主振動腕及び副振動腕を有する振動体、振動体のうちの主振動腕を1本構成にするという技術思想を応用した荷重センサを実施形態6として説明する。荷重センサとしては、力センサ及び圧力センサが含まれる。なお、本実施形態の荷重センサは、実施形態5に示す加速度センサと同形状であるため、図5を参照図として各構成の詳しい説明を省略する。また、加速度センサを荷重センサに置き換えて説明する。 Next, a vibration sensor having the main vibration arm and the sub-vibration arm in the acceleration sensor described above, and a load sensor that applies the technical idea of configuring one main vibration arm among the vibration bodies will be described as a sixth embodiment. . The load sensor includes a force sensor and a pressure sensor. In addition, since the load sensor of this embodiment is the same shape as the acceleration sensor shown in Embodiment 5, detailed description of each structure is abbreviate | omitted with reference to FIG. Further, the description will be made by replacing the acceleration sensor with a load sensor.
図5を参照して荷重センサの作用について説明する。可動質量部30に+Y方向の荷重が加えられると、主振動腕51が収縮して圧縮応力が発生し、主振動腕61は伸張し引張応力が発生する。この際、主振動腕51の共振周波数は増加し、主振動腕61の共振周波数は低下する。そして、主振動腕51,61それぞれの共振周波数の変化量の差分と、荷重が加えられていない基準共振周波数の比較により荷重の大きさを検出することができる。−Y方向の荷重が加えられたときには、上述した主振動腕51,61と逆の挙動を示す。
なお、+Y方向及び−Y方向の荷重の印加方向は、振動体50,60それぞれの共振周波数の増減によって、加速度の方向を認識することが可能である。
The operation of the load sensor will be described with reference to FIG. When a load in the + Y direction is applied to the
In addition, as for the application direction of the load of + Y direction and -Y direction, it is possible to recognize the direction of acceleration by the increase / decrease in the resonant frequency of each of the vibrating
また、本実施形態の変形例として、支持部71,72のうちの一方を固定端とし、他方を可動支持部として、可動支持部に荷重をかける構造も可能である。具体的には、固定端を支持部72とし、可動支持部を支持部71とした場合、支持部71に+Y軸方向の荷重を加えた場合、主振動腕51が伸張し引張応力が発生し、主振動腕61は収縮して圧縮応力が発生する。この際、主振動腕51の共振周波数は低下し、主振動腕61の共振周波数は増加する。そして、主振動腕51,61それぞれの共振周波数の変化量の差分と、荷重が加えられていない基準共振周波数の比較により荷重の大きさを検出することができる。また、−Y方向の荷重が加えられたときには、上述した主振動腕51,61と逆の挙動を示す。
As a modification of the present embodiment, a structure in which one of the
従って、可動質量部または可動支持部に荷重を加えることにより、主振動腕51,61に引張力または圧縮力が働き共振周波数が変化する。この共振周波数の変化を検出し加えられる荷重の大きさを測定することができる。
このような構成の荷重センサは、精密天秤、微小な力を検出する力センサ、微小な圧力を測定する圧力センサ等に採用できる。
(実施形態7)
Therefore, when a load is applied to the movable mass portion or the movable support portion, a tensile force or a compressive force acts on the main vibrating
The load sensor having such a configuration can be employed in a precision balance, a force sensor that detects a minute force, a pressure sensor that measures a minute pressure, and the like.
(Embodiment 7)
続いて、実施形態7に係る荷重センサについて図面を参照して説明する。
図6は、実施形態7に係る荷重センサを示す斜視図である。図6において、荷重センサ100は、恒弾性材料により一体で構成され、基台(図示せず)に取付孔117,118に螺子等の固定手段を用いて固定される支持部111と、支持部111の端部に設けられる突出部と、この突出部を支点113として、突出部(支点113)に連続し両端に力点112と重点114を有するてこ部110と、支持部111の一方の側面側において、力点112と支持部111との間に支持部基部125、力点基部135を介して延在される振動体150と、重点114に引張片115を介して支持部111の他方の側面側に設けられる荷重受部116と、から構成されている。
Next, a load sensor according to the seventh embodiment will be described with reference to the drawings.
FIG. 6 is a perspective view showing a load sensor according to the seventh embodiment. In FIG. 6, a
振動体150は、支持部111に連結片140を介して連続する支持部基部125と、力点112に連結片130を介して連続する力点基部135との間に延在される主振動腕151と、支持部基部125及び力点基部135のそれぞれから主振動腕151に沿って延在される片持ち梁状の副振動腕152,153と、少なくとも主振動腕151に設けられる励振手段としての圧電素子160と、から構成されている。
The vibrating
主振動腕151は、両端支持構造の梁状の振動腕であって、支持部基部125、力点基部135を振動の節とし、主振動腕151の長手方向中央部を振動の腹とする二次の屈曲振動、副振動腕152,153はそれぞれ、力点基部135、支持部基部125を振動の節とする主振動腕151の共振振動とは逆位相の一次の屈曲振動をする。
The main vibrating
副振動腕152,153のそれぞれは、力点基部135、支持部基部125において主振動腕151と振動の節を略一致させると共に、共振周波数を一致させている。従って、主振動腕151を励振させることにより、副振動腕152,153が共振振動するため、副振動腕152,153には必ずしも圧電素子はなくてもよい。
Each of the
次に、荷重測定の作用について説明する。荷重受部116に懸架されるフック119に測定用荷重を加えると、引張片115を介して重点114に荷重Fが加わる。てこ部110により、支点113を介して力点112に測定荷重とは逆方向の力が作用し、主振動腕151を伸張する。主振動腕151には引張応力が発生し、共振周波数は低下する。この際、荷重受部116に加えられた荷重が、てこ部110を介して振動体150に拡大または縮小され伝達される。
Next, the operation of load measurement will be described. When a measurement load is applied to the
具体的には、支点113から重点114までの距離を距離bとし、支点113から力点112までの距離を距離a、そして測定荷重Fとすれば、主振動腕151に加わる力は、a<bのとき、F(b/a)で増幅されて主振動腕151に加わる。(b/a)が拡大率(または縮小率)である。なお、本実施形態の距離aは、支点113から主振動腕151の中心軸までの距離である。従って、a<bであれば、主振動腕151に加わる荷重は、測定荷重が(b/a)に拡大されて伝達される。本実施形態では(b/a)が増幅利得と考えられる。
Specifically, assuming that the distance from the
なお、振動体が2本の振動腕からなる従来構造では、力点が2本の振動腕の中央に位置することから、支点113から力点112までの距離は距離a´で表され、1本の主振動腕151からなる本実施形態の距離aとの関係は、a<a´となる。従って増幅利得は、(b/a)>(b/a´)となり、前述した加速度センサと同様に、増幅利得が大きくなり、検出感度を高めることができる。
In the conventional structure in which the vibrating body is composed of two vibrating arms, since the power point is located at the center of the two vibrating arms, the distance from the
また、主振動腕151を1本にすることにより、主振動腕151に生じる応力を高め、振動腕が2本の場合に比べ、検出感度を約2倍に向上させることができる。また、検出感度を向上させることにより、微小な荷重(力)を高精度に検出できる。
Further, by using one main vibrating
10…加速度センサ、20…支持部、25,26…支持部基部、35,36…質量部基部、30…可動質量部、40…ヒンジ継手、50,60…振動体、51,61…主振動腕、52,53,62,63…副振動腕。
DESCRIPTION OF
Claims (13)
固定端としての支持部と、前記支持部に併設される可動質量部と、
前記可動質量部の長手方向側面に沿って延在され、且つ前記支持部と前記可動質量部との間に延在される振動体と、を有し、
前記振動体が、前記支持部に連続する支持部基部と前記可動質量部に連続する質量部基部との間に延在される1本の主振動腕と、前記支持部基部及び前記質量部基部のそれぞれから前記主振動腕に沿って延在される副振動腕と、
少なくとも前記主振動腕に設けられる励振手段と、を備え、
前記主振動腕と前記副振動腕の共振周波数が一致していることを特徴とする加速度センサ。 An acceleration sensor that is developed in a plane and detects that the resonance frequency of the vibrating body changes by applying acceleration,
A support part as a fixed end, a movable mass part provided alongside the support part,
A vibrating body extending along a longitudinal side surface of the movable mass portion and extending between the support portion and the movable mass portion,
The vibrating body includes one main vibrating arm that extends between a support base that is continuous with the support and a mass base that is continuous with the movable mass, the support base, and the mass base. A sub-vibrating arm extending along the main vibrating arm from each of the
An excitation means provided at least on the main vibrating arm,
An acceleration sensor characterized in that resonance frequencies of the main vibration arm and the sub vibration arm coincide with each other.
前記振動体が、前記可動質量部を挟んで両側に設けられ、それぞれの振動体の共振周波数変化の差分を加速度の検出値とすることを特徴とする加速度センサ。 The acceleration sensor according to claim 1,
An acceleration sensor, wherein the vibrating body is provided on both sides of the movable mass portion, and a difference in resonance frequency change between the vibrating bodies is used as a detected acceleration value.
前記振動体が、前記可動質量部の一方の側面に沿って設けられていることを特徴とする加速度センサ。 The acceleration sensor according to claim 1,
The acceleration sensor, wherein the vibrating body is provided along one side surface of the movable mass portion.
前記主振動腕が、前記可動質量部と前記副振動腕の間に配設されていることを特徴とする加速度センサ。 The acceleration sensor according to any one of claims 1 to 3,
An acceleration sensor, wherein the main vibrating arm is disposed between the movable mass portion and the sub vibrating arm.
前記支持部基部と前記支持部の間、前記質量部基部と前記可動質量部の間のそれぞれに、くびれ部を設けていることを特徴とする加速度センサ。 The acceleration sensor according to any one of claims 1 to 4,
An acceleration sensor, wherein a constriction portion is provided between the support portion base portion and the support portion, and between the mass portion base portion and the movable mass portion.
前記支持部基部及び前記質量部基部の一部が平面方向に入り込む切欠き部が、前記可動質量部に備えられていることを特徴とする加速度センサ。 The acceleration sensor according to any one of claims 1 to 5,
The acceleration sensor, wherein the movable mass portion includes a notch portion in which a part of the support portion base portion and the mass portion base portion enter the planar direction.
前記支持部と前記可動質量部とが、前記支持部と前記可動質量部とが対向する面においてヒンジ継手で結合されていることを特徴とする加速度センサ。 The acceleration sensor according to any one of claims 1 to 6,
The acceleration sensor, wherein the support part and the movable mass part are coupled by a hinge joint on a surface where the support part and the movable mass part are opposed to each other.
前記ヒンジ継手を振動支点とする前記可動質量部の共振周波数が、前記主振動腕の共振周波数に影響を与えない程度の差を有していることを特徴とする加速度センサ。 The acceleration sensor according to claim 7, wherein
An acceleration sensor characterized in that a resonance frequency of the movable mass portion having the hinge joint as a vibration fulcrum has a difference that does not affect a resonance frequency of the main vibration arm.
前記支持部が前記可動質量部を挟んで二つ設けられ、
一方の前記振動体が前記可動質量部と一方の前記支持部の間に延在され、
他方の前記振動体が前記可動質量部と他方の前記支持部の間に延在されていることを特徴とする加速度センサ。 The acceleration sensor according to claim 1 or 2,
Two supporting parts are provided across the movable mass part,
One of the vibrating bodies extends between the movable mass portion and one of the support portions,
The acceleration sensor, wherein the other vibrating body extends between the movable mass portion and the other support portion.
少なくとも前記振動体が単結晶圧電材料からなることを特徴とする加速度センサ。 The acceleration sensor according to any one of claims 1 to 9,
An acceleration sensor, wherein at least the vibrator is made of a single crystal piezoelectric material.
少なくとも前記振動体が恒弾性材料からなることを特徴とする加速度センサ。 The acceleration sensor according to any one of claims 1 to 9,
An acceleration sensor, wherein at least the vibrator is made of a constant elastic material.
可動質量部と、前記可動質量部を挟んで設けられる二つの支持部と、
前記可動質量部の長手方向側面の両側に沿って延在され、且つ前記支持部と前記可動質量部との間に延在される二つの振動体と、を備え、
一方の前記振動体が前記可動質量部と一方の前記支持部の間に延在され、
他方の前記振動体が前記可動質量部と他方の前記支持部の間に延在され、
前記二つの振動体それぞれが、前記支持部に連続する支持部基部と前記可動質量部に連続する質量部基部との間に延在される主振動腕と、前記支持部基部及び前記質量部基部のそれぞれから前記主振動腕に沿って延在される副振動腕と、
少なくとも前記主振動腕に設けられる励振手段と、
が備えられていることを特徴とする荷重センサ。 A load sensor that is developed in a plane and detects that the resonance frequency of the vibrating body changes by applying a load,
A movable mass part, and two support parts provided across the movable mass part,
Two vibrating bodies extending along both sides of the longitudinal side surface of the movable mass portion and extending between the support portion and the movable mass portion,
One of the vibrating bodies extends between the movable mass portion and one of the support portions,
The other vibrating body extends between the movable mass portion and the other support portion;
Each of the two vibrating bodies includes a main vibrating arm extending between a support base that is continuous with the support and a mass base that is continuous with the movable mass, the support base, and the mass base. A sub-vibrating arm extending along the main vibrating arm from each of the
Excitation means provided at least on the main vibrating arm;
A load sensor comprising:
基台に固定する支持部と、前記支持部の端部に設けられる突出部と、
前記突出部を支点として、前記突出部に連続し両端に力点と重点を有するてこ部と、
前記力点と前記支持部との間に連結片を介して延在される前記振動体と、
前記重点に引張片を介して設けられる荷重受部と、が備えられ、
前記振動体が、前記支持部に連続する支持部基部と前記力点に連続する力点基部との間に延在される主振動腕と、前記支持部基部及び前記力点基部のそれぞれから前記主振動腕に沿って延在される副振動腕と、
少なくとも前記主振動腕に設けられる励振手段と、を有し、
前記荷重受部に加えられた荷重が、前記てこ部を介して前記振動体に拡大または縮小され伝達されることを特徴とする荷重センサ。 A load sensor that detects a change in the resonance frequency of a vibrating body by applying a load,
A support portion fixed to the base, a protrusion provided at an end of the support portion,
Using the protrusion as a fulcrum, a lever part continuous with the protrusion and having a force point and an emphasis at both ends;
The vibrator extending through a connecting piece between the force point and the support;
A load receiving portion provided via a tension piece at the emphasis, and
The vibrating body includes a main vibrating arm extending between a support base that is continuous with the support and a power point base that is continuous with the power point, and the main vibrating arm from each of the support base and the power point base. A sub-vibrating arm extending along the
Excitation means provided at least on the main vibrating arm,
A load sensor, wherein a load applied to the load receiving portion is enlarged or reduced and transmitted to the vibrating body through the lever portion.
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- 2007-09-27 JP JP2007250785A patent/JP2009080069A/en not_active Withdrawn
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