JP2009229363A - 加速度検知ユニット、及び加速度センサ - Google Patents
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Abstract
【課題】温度の影響が除外可能な加速度検出ユニットを得る。
【解決手段】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、前記固定部材に梁にて支持される可動部材と、応力感応素子と、感温素子と、を備え、前記可動部材は、略コ字状の第1の可動部材と、第1の可動部材に固定された第2の可動部材と、を有し、前記第1の可動部材の略コ字状の内側が前記梁を介して前記固定部材に連結されたものであり、前記応力感応素子の両固定端が、夫々前記固定部材と前記第1の可動部材に支持されたものであり、前記感温素子は、前記固定部材に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ように構成されている。
【選択図】図1
【解決手段】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、前記固定部材に梁にて支持される可動部材と、応力感応素子と、感温素子と、を備え、前記可動部材は、略コ字状の第1の可動部材と、第1の可動部材に固定された第2の可動部材と、を有し、前記第1の可動部材の略コ字状の内側が前記梁を介して前記固定部材に連結されたものであり、前記応力感応素子の両固定端が、夫々前記固定部材と前記第1の可動部材に支持されたものであり、前記感温素子は、前記固定部材に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ように構成されている。
【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、特に感温素子を付加した加速度検知ユニットと、温度補償型加速度センサに関するものである。
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装置等まで、広く使用されている。特許文献1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において50はハウジング、60はハウジング50の対向する2つの壁部に夫々対向するように貫通形成された圧力導入口、70a、70bは各圧力導入口60と連通する内部空所を備えたベローズであって、ベローズ70a、70bの間には力伝達部材80の一端部が配置され、力伝達部材80の可撓部80aと固定部材110との間に感圧素子90が接着固定されている。図7に示す圧力センサの圧力導入口60よりベローズ70a、70b内部に圧力が加わると、ベローズの有効面積に応じた力が力伝達部材80の一端部の上下面にかかり、差圧に相当する力がピボット100を支点にして感圧素子90に圧縮力、あるいは引張り力として加わり、この力に応じて感圧素子90の共振周波数が変化し、これを検知することにより圧力を測定するものである。
ベローズ70a、70b、力伝達部材80、感圧素子90及びハウジング50は、それぞれ異なった材料により構成されているので、使用環境の温度変化等により熱歪みが発生し、圧力測定精度を劣化させることになる。そこで、感圧素子90の支持部を力伝達部材可撓部80aと、力伝達部材80と隔設し且つ圧力センサハウジング内に設けた感圧素子90の固定部材110との間に橋架固定することにより、周囲温度の変化に伴う熱歪みの影響を感圧素子90に加えることのないよう構成する。
そして、ベローズライン、力伝達部材、力伝達部材支柱と感圧素子固定部に分けて熱歪みの解析を行い、例えばハウジングにステンレス、ベローズにニッケル、力伝達部材に燐青銅、感圧素子に水晶を用い、それぞれの線膨張係数を適用し、各部材の寸法を設定し、感圧素子90の固定部材110の線膨張係数を設定すれば、その最適な長さを求めることができ、熱歪みの影響を受けることのない圧力センサを構成できると開示されている。
特開平2−228534号公報
そして、ベローズライン、力伝達部材、力伝達部材支柱と感圧素子固定部に分けて熱歪みの解析を行い、例えばハウジングにステンレス、ベローズにニッケル、力伝達部材に燐青銅、感圧素子に水晶を用い、それぞれの線膨張係数を適用し、各部材の寸法を設定し、感圧素子90の固定部材110の線膨張係数を設定すれば、その最適な長さを求めることができ、熱歪みの影響を受けることのない圧力センサを構成できると開示されている。
しかしながら、特許文献1に開示された圧力センサの測定精度を上げるため、外部に感温素子と演算装置を設けて温度補償しようとしても、ハウジングの熱容量が大きいため、内部の感圧素子と、外部の感温素子との間に温度差が生じ、圧力センサの測定精度を改善することが難しい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、応力感応素子の近傍に感温素子を設けることにより加速度の検知精度を改善した加速度検知ユニットと、加速度センサを提供することにある。
本発明は上記問題を解決するためになされたもので、応力感応素子の近傍に感温素子を設けることにより加速度の検知精度を改善した加速度検知ユニットと、加速度センサを提供することにある。
本発明は、上記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、以下の形態又は適用例として実現することが可能である。
[適用例1]本発明に係る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、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、固定端を有する感温素子と、を備え、前記可動部材は、第1及び第2の張出し部を有する略コ字状の第1の可動部材と、該第1の可動部材の第2の張出し部に固定された第2の可動部材と、を有し、前記固定部材と対向する前記第1の可動部材の面が前記梁を介して前記固定部材に連結されたものであり、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り、前記応力感応素子の一方の固定端が、前記固定部材の一方の端に支持されると共に、前記応力感応素子の他方の固定端が、前記第1の可動部材の第1の張出し部に支持されたものであり、前記感温素子の固定端は、前記固定部材の一方の端に支持されたものであることを特徴とする。
このように感温素子を備えた加速度検知ユニットは、加速度検知ユニットの周囲の温度が変化する場合でも、感温素子が温度変化を検出し、応力感応素子の温度特性を補償することが可能であり、加速度検出の精度を大幅に改善できるという効果がある。しかも感温素子は小型であるので、加速度検知ユニットの形状寸法はほぼ同じ形状のままとすることができる。
[適用例2]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、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、固定端を有する感温素子と、を備え、前記可動部材は、第1及び第2の張出し部を有する略コ字状の第1の可動部材と、該第1の可動部材の第2の張出し部に固定された第2の可動部材と、を有し、前記固定部材と対向する前記第1の可動部材の面が前記梁を介して前記固定部材に連結されたものであり、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り、前記応力感応素子の一方の固定端が、前記固定部材の一方の端面に支持されると共に、前記応力感応素子の他方の固定端が、前記第1の可動部材の第1の張出し部に支持され、前記感温素子は、前記固定部材、又は第1の可動部材の少なくとも一方に埋設されたものであることを特徴とする。
このように感温素子を備えた加速度検知ユニットは、形状寸法は変わらず、感温素子の検出する温度に基づき、応力感応素子の温度特性を補償することが可能であるという利点がある。
[適用例3]前記応力感応素子の一方の固定端を支持する前記固定部材の一方の面と、前記応力感応素子の他方の固定端を支持する前記第1の張出し部の端面とがそれぞれ同一平面上に位置していることを特徴とする適用例1又は2に記載の加速度検知ユニット。
このように加速度検知ユニットを構成すると、応力感応素子の温度補償が可能であると共に、応力感応素子の両端部を支持する、固定部材の上面と第1の張出し部の上面とが、同一平面上にあるので、応力感応素子を載置し固定するのが容易であるのみならず、余分な歪が応力感応素子に掛らないので、応力感応素子の感度劣化が防止できるという効果がある。
[適用例4]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適用例1乃至3の何れか1項に記載の加速度検知ユニット。
このように加速度検知ユニットを構成すると、応力感応素子の温度補償が可能であると共に、応力感応素子として双音叉型圧電振動素子を用いると、該双音叉型圧電振動素子は屈曲振動が伝搬しない2つの固定端を有するので、固定部材及び可動部材への応力感応素子の取り付けが容易になるという利点がある。その上、加速度の測定感度、測定精度が向上するという効果がある。
[適用例5]前記感温素子は、前記固定端、及び該固定端から並行に突出した2つの振動片と、該各振動片の振動領域上に形成した励振電極と、を備えた音叉型振動素子であることを特徴とする適用例4に記載の加速度検知ユニット。
このように加速度検知ユニットを構成すると、音叉型振動素子は双音叉型圧電振動素子と同じ工程で製作可能であり、且つ小型、低コストで製作できるので、加速度検知ユニットの形状増大及びコスト増加をきたすことなく製作できるという利点がある。
[適用例6]適用例1、又は適用例3乃至5の何れか1項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第1の発振回路と、前記感温素子の励振電極と電気的に接続される第2の発振回路と、基準発振器と、前記第1及び第2の発振器に接続する2つのカウンタと、前記基準発振器及び前記2つのカウンタに接続する中央処理装置と、を備えたことを特徴とする加速度センサ。
このように感温素子を備えた加速度検知ユニットを用いて加速度センサを構成すると、加速度センサの周囲温度が変化する場合でも、感温素子がこの温度変化を検出し、応力感応素子の温度特性を補償するので、応力感応素子は純粋に加速度のみを検出できるので、測定精度を大幅に改善できるという効果がある。
[適用例7]本発明に係る加速度センサは、適用例2乃至4の何れか1項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、基準発振器と、前記発振回路に接続するカウンタと、前記基準発振器、前記感温素子及び前記カウンタに接続する中央処理装置と、を備えたことを特徴とする。
このように感温素子を備えた加速度検知ユニットを用いて加速度センサを構成すると、加速度センサの形状寸法は大きくならず、少なくとも1つの感温素子が加速度検知ユニットの温度変化を検出し、応力感応素子の温度特性を補償するので、測定精度を大幅に改善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、本発明に係る第1の実施の形態の加速度検知ユニット1を示す概略斜視図である。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、該固定部材5に梁10にて支持される可動部材20と、応力感応部33とその両端部に夫々連結された固定端31、32とを有する応力感応素子30と、固定端41及び固定端から並行に延びる2つの振動片を有する感温素子40と、を備えている。
固定部材5は、加速度が印加されても変位しないように筐体等に固定された直方体状の金属ブロックで、応力感応素子30及び感温素子40の固定端31、32及び41が支持、固定される位置が、上面(端面)5a上に位置決めされている。また、固定端31、32及び固定端41の形状に合わせて上面5a上を浅く掘り込むことにより、上面5a上に固定端31、32及び固定端41が突出しないように構成してもよい。
可動部材20は、上部と下部に夫々第1及び第2の張出し部22、23を有する略コ字状の第1の可動部材21と、第1の可動部材21の第2の張出し部23の下部から下方に突出した第2の可動部材25と、を備えている。そして略コ字状の第1の可動部材21の内側中央部(固定部材5との対向面)が、梁10を介して固定部材5の下端部に連結されている。第1の可動部材21の第1の張出し部22の上面22aには、応力感応素子30の固定端32が支持、固定される位置が一方向に偏位して設定されている。また、固定端32の形状、厚さに合わせて第1の張出し部22の上面22aを浅く掘り込んでもよい。
なお、固定部材5、梁10、及び可動部材20は、例えば真鍮、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。
固定部材5は、加速度が印加されても変位しないように筐体等に固定された直方体状の金属ブロックで、応力感応素子30及び感温素子40の固定端31、32及び41が支持、固定される位置が、上面(端面)5a上に位置決めされている。また、固定端31、32及び固定端41の形状に合わせて上面5a上を浅く掘り込むことにより、上面5a上に固定端31、32及び固定端41が突出しないように構成してもよい。
可動部材20は、上部と下部に夫々第1及び第2の張出し部22、23を有する略コ字状の第1の可動部材21と、第1の可動部材21の第2の張出し部23の下部から下方に突出した第2の可動部材25と、を備えている。そして略コ字状の第1の可動部材21の内側中央部(固定部材5との対向面)が、梁10を介して固定部材5の下端部に連結されている。第1の可動部材21の第1の張出し部22の上面22aには、応力感応素子30の固定端32が支持、固定される位置が一方向に偏位して設定されている。また、固定端32の形状、厚さに合わせて第1の張出し部22の上面22aを浅く掘り込んでもよい。
なお、固定部材5、梁10、及び可動部材20は、例えば真鍮、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。
応力感応素子30の一方の固定端31を固定部材5の上面(端面)5aに接着剤等を用いて接着、固定すると共に、応力感応素子30の他方の固定端32を第1の張出し部22の上面22aに接着剤等を用いて接着、固定する。応力感応素子30の一方の固定端31が支持、固定される固定部材5の上面5aと、応力感応素子30の他方の固定端32が支持、固定される第1の張出し部の上面22aとは同一平面上に位置するように互いに平行に形成されている。
また、応力感応素子30を含めた周囲温度を検出する感温素子40は、固定端41と、固定端41から並行に突出した2つの振動片42と、各振動片42の振動領域上に形成した励振電極と、を備えた音叉型振動素子である。固定端41を固定部材5の上面5aであって、応力感応素子30と隣接するスペース上に固定されているが、互いの音響的影響を避けるように支持、固定されている。
可動部材20を固定部材5に連結する梁10には、図1の斜視図に示すように、梁10の中央部の上下両面に丸みを帯びた溝(くびれ部)12が対向するように設けられている。この溝12の形状は半円状以外に楔状、双曲線状等であってもよい。また、溝12は、梁の中央部の何れか一方に設けてもよい。
可動部材20に加速度α(図1の例ではX軸方向)が印加されると、可動部材20は梁10の溝12を支点として加速度検出軸方向へ変位する。つまり、可撓性を有するように形成された梁10は、溝12を中心に屈曲し、応力感応素子30には伸張(引張り)応力、あるいは圧縮応力(加速度α×質量m)が加わり、伸張応力、あるいは応力に応じて感応素子30の共振周波数が偏移し、加速度αの大きさを検知することができる。
また、応力感応素子30を含めた周囲温度を検出する感温素子40は、固定端41と、固定端41から並行に突出した2つの振動片42と、各振動片42の振動領域上に形成した励振電極と、を備えた音叉型振動素子である。固定端41を固定部材5の上面5aであって、応力感応素子30と隣接するスペース上に固定されているが、互いの音響的影響を避けるように支持、固定されている。
可動部材20を固定部材5に連結する梁10には、図1の斜視図に示すように、梁10の中央部の上下両面に丸みを帯びた溝(くびれ部)12が対向するように設けられている。この溝12の形状は半円状以外に楔状、双曲線状等であってもよい。また、溝12は、梁の中央部の何れか一方に設けてもよい。
可動部材20に加速度α(図1の例ではX軸方向)が印加されると、可動部材20は梁10の溝12を支点として加速度検出軸方向へ変位する。つまり、可撓性を有するように形成された梁10は、溝12を中心に屈曲し、応力感応素子30には伸張(引張り)応力、あるいは圧縮応力(加速度α×質量m)が加わり、伸張応力、あるいは応力に応じて感応素子30の共振周波数が偏移し、加速度αの大きさを検知することができる。
また、梁10の形状は、可動部材20が加速度検出軸方向(図1の例ではX軸方向)と直交する奥行き方向(図1の例ではY軸方向)へ変位するのを阻止するように、梁10の厚み(Z軸方向)の寸法に対し、奥行き方向(Y軸方向)の幅の寸法を大きくした形状にする。
応力感応素子30としては、両端部に位置する固定端、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、を備えた圧電振動素子を用いる。本例では、応力感応素子30として、図1のように両端部に位置する固定端31、32、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成る応力感応部33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を用いる。双音叉型圧電振動素子を用いると、固定部材5及び可動部材20に接着、固定する際に、双音叉型圧電振動素子の感度への影響が少なく、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。
応力感応素子30としては、両端部に位置する固定端、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、を備えた圧電振動素子を用いる。本例では、応力感応素子30として、図1のように両端部に位置する固定端31、32、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成る応力感応部33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を用いる。双音叉型圧電振動素子を用いると、固定部材5及び可動部材20に接着、固定する際に、双音叉型圧電振動素子の感度への影響が少なく、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。
本例では、応力感応素子30として2本の振動ビーム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。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fFは以下の如くである。
fF=f0(1−(KL2F)/(2EI))1/2 (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。
fF=f0(1−SFσ)1/2 (2)
但し、応力感度SFと、応力σとはそれぞれ次式で表される。
SF=12(K/E)(L/w)2 (3)
σ=F/(2A) (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fFの関係は、力Fが圧縮力で共振周波数fFが減少し、伸張(引張り)力では増加する。また応力感度SFは振動ビームのL/wの2乗に比例する。
しかし、応力感応素子30としては、双音叉型水晶振動素子に限らず、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。
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fFは以下の如くである。
fF=f0(1−(KL2F)/(2EI))1/2 (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。
fF=f0(1−SFσ)1/2 (2)
但し、応力感度SFと、応力σとはそれぞれ次式で表される。
SF=12(K/E)(L/w)2 (3)
σ=F/(2A) (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fFの関係は、力Fが圧縮力で共振周波数fFが減少し、伸張(引張り)力では増加する。また応力感度SFは振動ビームのL/wの2乗に比例する。
しかし、応力感応素子30としては、双音叉型水晶振動素子に限らず、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。
応力感応素子30である双音叉型圧電振動素子の周波数温度特性は、上に凸の二次曲線を呈する。そこで、温度変化に伴う双音叉型圧電振動素子の周波数変動をほぼゼロにするように二次曲線を温度補償する。温度補償を施すことにより温度変化による双音叉型圧電振動素子の周波数変動を取り除けるので、双音叉型圧電振動素子の周波数変化は、応力による周波数変動のみとなり、加速度の測定精度を一段と向上させることが可能となる。
応力感応素子30を含む周囲温度を検出する感温素子40として、双音叉型圧電振動素子と同様に屈曲振動をする音叉型圧電振動素子を用いる。音叉型圧電振動素子は、フォトリソグラフィ技術と、エッチング手法とを用いて形成する双音叉型圧電振動素子の製造工程が共用できるし、小型化、低コスト化が容易である。また音叉型圧電振動素子は屈曲振動が伝搬しない基部(固定部)を有するので、振動エネルギーの漏洩は極めて小さく、図1の実施例のように固定部材5の上面5aに支持、固定しても電気的特性への影響はほぼ無い。
感温素子40として、温度変化に対し周波数が一次関数で変化する圧電振動素子を用いてもよい。このような特殊なカットの圧電振動素子を用いると、双音叉型圧電振動素子の温度補償が容易になる利点がある。
本発明の特徴は以上のように温度補償用の感温素子40を設け、応力感応素子30の周波数温度特性を補償し、加速度の測定精度の改善を図ることである。
応力感応素子30を含む周囲温度を検出する感温素子40として、双音叉型圧電振動素子と同様に屈曲振動をする音叉型圧電振動素子を用いる。音叉型圧電振動素子は、フォトリソグラフィ技術と、エッチング手法とを用いて形成する双音叉型圧電振動素子の製造工程が共用できるし、小型化、低コスト化が容易である。また音叉型圧電振動素子は屈曲振動が伝搬しない基部(固定部)を有するので、振動エネルギーの漏洩は極めて小さく、図1の実施例のように固定部材5の上面5aに支持、固定しても電気的特性への影響はほぼ無い。
感温素子40として、温度変化に対し周波数が一次関数で変化する圧電振動素子を用いてもよい。このような特殊なカットの圧電振動素子を用いると、双音叉型圧電振動素子の温度補償が容易になる利点がある。
本発明の特徴は以上のように温度補償用の感温素子40を設け、応力感応素子30の周波数温度特性を補償し、加速度の測定精度の改善を図ることである。
図2は、第2の実施例の加速度検出ユニット2の構造を示す概略斜視図である。固定部材5の上面5aであって応力感応素子30の近傍位置に所要深さを有した穴47を穿ち、穴47内に感温素子として機能する電子部品45を埋設(収容)し、温度伝導度のよい樹脂で穴を充填する。図1に示した実施例1の加速度検知ユニット1では、感温素子40として圧電振動素子を用いたが、図2の実施例2では感温素子として電子部品45を用いた点が異なる。電子部品45としては、温度により電気的定数が変化する電子部品であればよく、例えば温度に対し抵抗が変化するサーミスタ(NTCサーミスタ、PTCサーミスタ)等を用いる。
第1の実施例の音叉型圧電振動素子に比べ、サーミスタ等の電子部品は取扱が容易であり、小型なものが入手できる利点がある。
第1の実施例の音叉型圧電振動素子に比べ、サーミスタ等の電子部品は取扱が容易であり、小型なものが入手できる利点がある。
図3は、第3の実施例の加速度検出ユニット3の構造を示す概略斜視図である。固定部材5の上面5aであって応力感応素子30の近傍位置に穴47を形成し、穴47内に感温素子として機能する電子部品45を埋設すると共に、第1の可動部材21の上面21aであって応力感応素子30の固定端32の近傍に穴48を穿ち、穴48に電子部品46を埋設し、両穴47、48に温度伝導度のよい樹脂で穴を充填する。図1に示した実施例1の加速度検知ユニット1では、感温素子40として音叉型圧電振動素子を用いたが、図3の実施例3では感温素子として2つの電子部品45、46を用いた点が異なる。電子部品45、46としては、例えば温度に対し抵抗が変化するサーミスタ(NTCサーミスタ、PTCサーミスタ)等を用いる。
2つの感温素子45、46を設けたのは固定部材5と可動部材20とが薄い梁10で結合され、なお溝12が形成されているので、固定部材5と可動部材20との熱的均衡がくずれる場合あるからである。このような場合に感温素子45、46による測定温度が所定の誤差内にあれば、測定された加速度値は精度が保障できるという効果がある。
2つの感温素子45、46を設けたのは固定部材5と可動部材20とが薄い梁10で結合され、なお溝12が形成されているので、固定部材5と可動部材20との熱的均衡がくずれる場合あるからである。このような場合に感温素子45、46による測定温度が所定の誤差内にあれば、測定された加速度値は精度が保障できるという効果がある。
図4は、温度補償型加速度センサ4の構成を示す側面図で、構成を明らかにするため筐体(ハウジング)本体の側板を除いた図である。温度補償型加速度センサ4は、図1に示した加速度検知ユニット1と、加速度検知ユニット1を内部に収容して気密的に封止する筐体(ハウジング)本体51aと、応力感応素子30を構成する励振電極と電気的に接続される第1の発振回路53aと、感温素子40の励振電極と電気的に接続される第2の発振回路53bと、基準発振器53cと、第1及び第2の発振器に接続する2つのカウンタ54a、54bと、基準発振器53c及び2つのカウンタ54a、54bに接続する演算装置55と、蓋部材51bと、を備えている。図4は、図1の加速度検知ユニット1を手前に90度回転し、筐体(ハウジング)本体51a底部の台座58に固定した場合を示している。図の矢印方向が加速度検出軸方向である。
図5は、感温素子40として音叉型圧電振動素子を備えた温度補償型加速度センサ4の加速度算出ブロック回路図である。双音叉型圧電振動素子30と音叉型圧電振動素子40とが、固定部材5又は固定部材5と可動部材20に固定された状態で、双音叉型圧電振動素子30と音叉型圧電振動素子40の周波数温度特性を測定し、その結果を温度t−周波数fの表として、中央処理装置55に格納する。中央処理装置55には基準発振器53cから周波数が供給される。
温度がT度のとき、温度補償型加速度センサ4に加速度αが印加されと、可動部材20は梁10の支点12を中心に変位が生じる。この変位により応力感応素子30に伸長、あるいは圧縮応力が加わり、応力感応素子30の共振周波数が変動し、発振回路53aの周波数f1が変動しfαになったとする。この周波数fαがカウンタ54aを介して中央処理装置55に入力される。一方、感温素子40の共振周波数は、周囲の温度tにより周波数が変化し、これに応じて発振器53bの周波数が変動しf2になる。この周波数f2がカウンタ54bを介して中央処理装置55に入力され、中央処理装置55は温度t−周波数f2表から周囲温度を推定し、温度Tを算出する。算出された周囲温度Tを基に、格納された応力感応素子30の温度t−周波数f1表より、温度Tにおける加速度が無印加の状態の周波数f1Tを算出して、応力感応素子30の温度変化による周波数変動分を取り除き、加速度αの印加による周波数変動分Δf=f1T−fαを算出し、このΔfから正確な加速度値が求めることができる。
温度がT度のとき、温度補償型加速度センサ4に加速度αが印加されと、可動部材20は梁10の支点12を中心に変位が生じる。この変位により応力感応素子30に伸長、あるいは圧縮応力が加わり、応力感応素子30の共振周波数が変動し、発振回路53aの周波数f1が変動しfαになったとする。この周波数fαがカウンタ54aを介して中央処理装置55に入力される。一方、感温素子40の共振周波数は、周囲の温度tにより周波数が変化し、これに応じて発振器53bの周波数が変動しf2になる。この周波数f2がカウンタ54bを介して中央処理装置55に入力され、中央処理装置55は温度t−周波数f2表から周囲温度を推定し、温度Tを算出する。算出された周囲温度Tを基に、格納された応力感応素子30の温度t−周波数f1表より、温度Tにおける加速度が無印加の状態の周波数f1Tを算出して、応力感応素子30の温度変化による周波数変動分を取り除き、加速度αの印加による周波数変動分Δf=f1T−fαを算出し、このΔfから正確な加速度値が求めることができる。
図6は、図2に示した第2の実施例の加速度検出ユニット2を用いた温度補償型加速度センサのブロック図であり、感温素子40として電子部品(サーミスタ等)45を用いた例である。図5の加速度算出ブロック回路図と異なる点は、発振回路53b、カウンタ54bに代えてサーミスタ45を用いたところである。サーミスタ45の温度t−抵抗R特性を予め測定し、中央処理装置55に格納する。サーミスタ45の抵抗Rの値を基に、格納された温度t−抵抗R特性表から周囲温度Tを求める。温度補償型加速度センサに加速度αが印加され、カウンタ54aの周波数fαが中央処理装置55入力される。以降のブロック図の動作は上述した通りである。
なお、図3に示した第3の実施例の加速度検出ユニット3のように、サーミスタ等の感温素子が2つある場合は、中央処理装置に2つのサーミスタを接続し、予め温度t−抵抗R1特性表、温度t−抵抗R2特性表を中央処理装置に格納しておけばよい。
第3の実施例の加速度検出ユニット3を用いた温度補償型加速度センサは、感温素子が1個の場合に比べ、加速度の測定精度が一段と改善される。
なお、図3に示した第3の実施例の加速度検出ユニット3のように、サーミスタ等の感温素子が2つある場合は、中央処理装置に2つのサーミスタを接続し、予め温度t−抵抗R1特性表、温度t−抵抗R2特性表を中央処理装置に格納しておけばよい。
第3の実施例の加速度検出ユニット3を用いた温度補償型加速度センサは、感温素子が1個の場合に比べ、加速度の測定精度が一段と改善される。
1、2、3加速度検知ユニット、4…温度補償型加速度センサ、5…固定部材、5a…上面、10…梁、12…溝、20…可動部材、21…第1の可動部材、22…第1の張出し部、22a…上面、23…第2の張出し部、25…第2の可動部材、30…応力感応素子、31、32…固定端、40…感温素子、41…固定端、45、46…電子部品(サーミスト)、47、48…穴、51a…筐体本体、51b…蓋部材、52外部端子、53a、53b…発振器、54a、54b…カウンタ、55中央処理装置、57…水晶振動子、48…台座
Claims (7)
- 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、固定端を有する感温素子と、を備え、
前記可動部材は、第1及び第2の張出し部を有する略コ字状の第1の可動部材と、該第1の可動部材の第2の張出し部に固定された第2の可動部材と、を有し、前記固定部材と対向する前記第1の可動部材の面が前記梁を介して前記固定部材に連結されたものであり、
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り、
前記応力感応素子の一方の固定端が、前記固定部材の一方の端に支持されると共に、前記応力感応素子の他方の固定端が、前記第1の可動部材の第1の張出し部に支持されたものであり、
前記感温素子の固定端は、前記固定部材の一方の端に支持されたものであることを特徴とする加速度検知ユニット。 - 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、固定端を有する感温素子と、を備え、
前記可動部材は、第1及び第2の張出し部を有する略コ字状の第1の可動部材と、該第1の可動部材の第2の張出し部に固定された第2の可動部材と、を有し、前記第1の可動部材の前記固定部材と対向する前記第1の可動部材の面が前記梁を介して前記固定部材に連結されたものであり、
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り、
前記応力感応素子の一方の固定端が、前記固定部材の一方の端面に支持されると共に、前記応力感応素子の他方の固定端が、前記第1の可動部材の第1の張出し部に支持され、
前記感温素子は、前記固定部材、又は第1の可動部材の少なくとも一方に埋設されたものであることを特徴とする加速度検知ユニット。 - 前記応力感応素子の一方の固定端を支持する前記固定部材の一方の面と、前記応力感応素子の他方の固定端を支持する前記第1の張出し部の端面とがそれぞれ同一平面上に位置していることを特徴とする請求項1又は2に記載の加速度検知ユニット。
- 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乃至3の何れか1項に記載の加速度検知ユニット。
- 前記感温素子は、前記固定端、及び該固定端から並行に突出した2つの振動片と、該各振動片の振動領域上に形成した励振電極と、を備えた音叉型振動素子であることを特徴とする請求項4に記載の加速度検知ユニット。
- 請求項1、又は請求項3乃至5の何れか1項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第1の発振回路と、前記感温素子の励振電極と電気的に接続される第2の発振回路と、基準発振器と、前記第1及び第2の発振器に接続する2つのカウンタと、前記基準発振器及び前記2つのカウンタに接続する中央処理装置と、を備えたことを特徴とする加速度センサ。
- 請求項2乃至4の何れか1項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、基準発振器と、前記発振回路に接続するカウンタと、前記基準発振器、前記感温素子及び前記カウンタに接続する中央処理装置と、を備えたことを特徴とする加速度センサ。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2008077411A JP2009229363A (ja) | 2008-03-25 | 2008-03-25 | 加速度検知ユニット、及び加速度センサ |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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JP2008077411A JP2009229363A (ja) | 2008-03-25 | 2008-03-25 | 加速度検知ユニット、及び加速度センサ |
Publications (1)
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JP2009229363A true JP2009229363A (ja) | 2009-10-08 |
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ID=41244922
Family Applications (1)
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JP2008077411A Withdrawn JP2009229363A (ja) | 2008-03-25 | 2008-03-25 | 加速度検知ユニット、及び加速度センサ |
Country Status (1)
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JP (1) | JP2009229363A (ja) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2011232144A (ja) * | 2010-04-27 | 2011-11-17 | Seiko Epson Corp | 物理量センサー |
-
2008
- 2008-03-25 JP JP2008077411A patent/JP2009229363A/ja not_active Withdrawn
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