JP2010071714A - 振動型センサ - Google Patents

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Abstract

【課題】センサに加わる衝撃などによって振動片に生じる応力集中を防止することによって、振動片の破損を防止し、耐衝撃性の優れた振動型センサを提供する。
【解決手段】所定の共振周波数にて平面方向に屈曲振動する梁状の振動腕15,16と、振動腕15,16の一方の端部から順に、第1基部12、第1くびれ部8、第1支持部17が形成され、他方の端部から順に、第2基部13、第2くびれ部9、第2支持部18が形成された振動片11と振動片11を支持する基台23と、を有し、振動片11は、第1支持部17および第2支持部18の一主面31が基台23と接続されている。
【選択図】図1

Description

本発明は、加速度などの影響に伴う力が加わることによる圧電振動片の共振周波数の変化を検出する振動型センサに関する。
加えられた加速度などの影響に伴う力を測定する力センサとして、振動型センサが知られている。この振動型センサは、加速度などの影響に伴う力が加わることによって生じる圧電振動片の共振周波数の変化を検出することで力の大きさを検出する(例えば、非特許文献1、特許文献1参照)。
以下に、振動型センサの一例として加速度センサを用い構成を説明する。図6は、従来の加速度センサの概略を示す斜視図である。図6に示すように、加速度センサ500は、基台101に形成された2つの接続台102,103と、接続台102,103に接続された振動片100を有している。振動片100は、水晶などの圧電材料を用いて形成されており、貫通孔104によって分割された振動腕105,106と、振動腕105,106の両端部から延設された第1基部107、第2基部108の2つの基部とが形成されている。
ここで、加速度センサ500に振動片100の厚さ方向(P方向)の加速度が加わる例を用い、加速度の検出動作を簡単に説明する。加速度センサ500に加速度が加わると、基台101は、第2基部108側の第2基台部101aが基台101に形成されたヒンジ109を支点として回転方向に移動するので撓む。加速度センサ500は、この撓みによって生じる振動腕105,106の変形による共振周波数の変化を検出することで加えられた加速度の大きさを検出する。このときの検出感度は、式(1)で表されるとおりであり、振動腕の長さl(エル)が長いほど良くなることがわかる。
Figure 2010071714
a1:支持などにより決定される定数、m:質量、a:加速度、E:弾性定数、l:振動腕の腕長、t:振動片の厚さ、w:振動腕の腕幅。
また、第1基部107、第2基部108には、振動腕105,106からの洩れ振動が伝播される。この洩れ振動があると、振動片100のQ値が低くなることから共振周波数がばらつき、加速度の検出を高精度に行うことが困難になる。この振動洩れの抑制のため、図7に示すような加速度センサが提案されている(例えば、特許文献2参照)。図7は、加速度センサに用いられる従来の振動片を示す平面図である。
図7に示すように、振動片200は、1対の振動腕205,206と、第1基部207、第2基部208の2つの基部と、第1くびれ部209、第2くびれ部210と、支持部211,212と、とが一体的に形成されている。振動腕205,206は、貫通孔204によって分割された2つの梁形状であり、その延伸方向(長手方向)の両端が第1基部207および第2基部208に延設されている。第1基部207および第2基部208は、振動腕205,206の延伸方向に延設されている。第1基部207には、第1基部207の一部が平面的に幅が狭くなるように両端から溝が切り込まれた第1くびれ部209が形成されている。同様に、第2基部208には、第2基部208の一部が平面的に幅が狭くなるように両端から溝が切り込まれた第2くびれ部210が形成されている。なお、振動腕205,206の延伸方向と直交する方向を幅方向とし、この方向の寸法を幅と称しているさらに、第1基部207の一方には、支持部211形成され、第2基部208の一方には支持部212が形成されている。この第1くびれ部209および第2くびれ部210が形成されることにより、振動腕205,206の振動が、支持部211,212に洩れる振動を抑制することが可能となる。
特表平4−505509号公報(図1) 特開昭63−284440号公報(図4) W. C. Albert, "Force sensing using quartz crystal flexure resonators", 38th Annual Frequency Control Symposium 1984, pp233-239
しかしながら、上述した振動片200を用いた加速度センサでは、第1くびれ部209および第2くびれ部210の長さLが短く形成されている。これにより、加速度センサに加わる衝撃などによる応力が第1くびれ部209および第2くびれ部210に集中し、この部分から振動片200が破損してしまうことがあり、加速度の検出が不能となるという課題を有していた。特に、図6に示す加速度センサ500において振動片100の代わりに図7に示すような振動片200を適用した場合では、第1基部207および第2基部208にはP方向への曲げの力が加わる。そしてこの曲げ力によって発生した応力は例えば第1基部207よりも剛性が低いくびれ部209(2つのくびれ部209に挟まれた首の部分)に集中しやすい。従って、くびれ部209の長さLが短い場合は、応力が狭い範囲に局地的に集中するので首には大きな折り曲げ力が発生し、更にくびれ部209が切口として機能しやすくなることもあり振動片100が破損してしまう虞がある。
本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するように、以下の形態または適用例として実現される。
[適用例1]本適用例の振動型センサは、表裏に主面を有する第1基部および第2基部と、前記第1基部と前記第2基部との間に梁状に延設され、所定の共振周波数にて振動する振動腕と、前記振動腕の延設方向に直交する方向の幅が前記第1基部より狭く形成され、前記第1基部から延設された第1くびれ部と、前記振動腕の延設方向に直交する方向の幅が前記第2基部より狭く形成され、前記第2基部から延設された第2くびれ部と、前記第1基部と反対方向に前記第1くびれ部から延設された第1支持部と、前記第2基部と反対方向に前記第2くびれ部から延設された第2支持部とを含み、前記第1くびれ部と前記第1基部との前記振動腕の延設方向の寸法比、および前記第2くびれ部と前記第2基部との前記振動腕の延設方向の寸法比が、50%以上200%以下である振動片と、前記振動片を支持する基台と、を有し、前記振動片は、前記第1支持部および前記第2支持部の一主面と前記基台とが接続されていることを特徴とする。
本適用例によれば、第1くびれ部と第1基部との振動腕の延設方向の寸法比、および第2くびれ部と第2基部との振動腕の延設方向の寸法比が、50%以上200%以下である。即ち、第1くびれ部および第2くびれ部の長さが大きく形成されている。これにより、第1くびれ部および第2くびれ部に衝撃などによる応力が集中することを防止することができるため、振動型センサに衝撃などが加わっても振動片の破損を生じ難くすることが可能となる。従って、耐衝撃性の優れた振動型センサを提供することが可能となる。
[適用例2]上記適用例に記載の振動型センサであって、前記振動腕は、表裏を貫通する貫通孔によって少なくとも2つの梁に分割されていることを特徴とする。
本適用例によれば、少なくとも2つの振動腕が形成されていることから、それぞれの振動腕の共振作用などにより振動腕の振動効率が向上する。これにより、より安定した振動を得ることが可能な振動型センサを提供することが可能となる。
[適用例3]上記適用例に記載の振動型センサであって、前記第1くびれ部と前記第1基部および前記第1支持部との接続と、前記第2くびれ部と前記第2基部および前記第2支持部との接続とが、平面的に曲線形状で行われていることを特徴とする。
本適用例によれば、第1くびれ部および第2くびれ部が他と平面的に曲線形状で接続されていることにより、さらに応力集中を防止することが可能となる。これによって、さらに耐衝撃性を向上させた振動型センサを提供することが可能となる。
[適用例4]上記適用例に記載の振動型センサであって、前記第1支持部および前記第2支持部は、前記振動腕の延設方向と交差する方向に延設された延長部と、前記延長部から前記振動腕に並行するように延設されて開放端を有する固定部とを有しており、前記振動片は、前記固定部を含む前記第1支持部および前記第2支持部の一主面が前記基台に接続されていることを特徴とする。
本適用例によれば、基台と振動片との接続が振動腕からさらに離れた固定部を含む箇所にて行われるため、洩れ振動の小さい箇所で接続することができる。これにより、第1くびれ部および第2くびれ部の効果と合わせてさらに洩れ振動の影響を抑えるとともに耐衝撃性を向上させた信頼性の高い振動型センサを提供することが可能となる。
[適用例5]上記適用例に記載の振動型センサであって、前記基台は、溝状に薄肉となるように形成されたヒンジ部を有しており、前記ヒンジ部を基準として一方側の第1基台に前記第1支持部が接続され、他方側の第2基台に前記第2支持部が接続されていることを特徴とする。
本適用例によれば、溝状のヒンジ部が形成されていることにより、振動片に垂直方向に加わる力のみに撓みを生じさせることができる。これにより、水平方向の力の影響を受け難くさせることができ、必要とする検出軸以外の感度、すなわち他軸感度を小さくすることができる。よって、高精度の振動型センサを提供することが可能となる。
[適用例6]上記適用例に記載の振動型センサであって、前記基台は、第1基台と可撓性を有する接続部によって接続された第2基台と、前記第2基台と可撓性を有する接続部によって接続された第3基台とを有しており、前記第1基台に前記第1支持部が接続され、前記第2基台に前記第2支持部が接続されていることを特徴とする。
本適用例によれば、振動腕の延伸方向の加速度を的確に検出可能な振動型センサを提供することができる。
以下、本発明の実施形態を図面を参照しながら説明する。なお、以下で参照する図は、図示の便宜上、部材あるいは縦横の縮尺については実際のものとは異なる模式図である。
(第1実施形態)
第1実施形態として、振動型センサの一例としての加速度センサを図1に示し説明する。図1は、第1実施形態としての加速度センサの概略を示し、(a)は平面図、(b)は正断面図である。
図1に示すように、加速度センサ10は、基台23と、基台23に支持された振動片11とを有している。
振動片11は、圧電性材料により形成されている。圧電性材料としては、チタン酸鉛(PbTiO3)、チタン酸ジルコン酸鉛(PZT)、酸化亜鉛(ZnO)、水晶等を使用することができる。本第1実施形態では、周波数温度特性が優れ、高いQ値を有する水晶を使用した場合を例示して説明する。
振動片11(水晶振動片)は、貫通孔14で分割され、所定の共振周波数にて平面方向に屈曲振動する梁状の振動腕15,16を有している。さらに、振動片11には、振動腕15,16の一方の端部から順に、第1基部12、第1くびれ部8、第1支持部17が形成され、振動腕15,16の他方の端部から順に、第2基部13、第2くびれ部9、第2支持部18が形成されている。
第1くびれ部8および第2くびれ部9は、振動腕15,16の延設方向(図で示すY方向で、以下「Y方向」と略す。)に直交する方向(図で示すX方向で、以下「X方向」と略す。)の幅が第1基部12および第2基部13より狭く形成されている。換言すれば、第1くびれ部8および第2くびれ部9は、第1基部12および第2基部13の、Y方向に沿った2つの辺から中央に向かって凹んだ形状である。そして、第1くびれ部8および第2くびれ部9の振動腕15,16の延設方向の長さ(以下、「くびれ部長さ」と略す。)は、第1基部12および第2基部13の振動腕15,16の延設方向の長さ(以下、「基部長さ」と略す。)と相関を持って決定される。詳述すれば、くびれ部長さと基部長さの寸法比は、50%以上200%以下となるように決定される。
くびれ部長さと基部長さとを、このような寸法比で形成することで、振動腕15,16の振動が第1支持部17、第2支持部18に洩れることを防止するとともに、第1くびれ部8および第2くびれ部9に衝撃の応力が集中することを防止して振動片11の破損を防止することが可能となる。
図2に、くびれ長さと基部長さとの寸法比と、くびれ部にかかる応力の大きさとの相関を表すグラフを示し説明する。図2では、横軸にくびれ長さ/基部長さ(%)を示し、縦軸にくびれ部に発生する応力(MPa)を示している。
図2に示すように、寸法比が小さい範囲では大きな応力が発生しているが、寸法比が大きくなるにつれて急激(2次曲線的に)に応力が減少し、寸法比が50%程度以上では応力の大きさに変化を生じない。しかしながら、寸法比が大きくなるにつれて基部長さが大きくなることから極端に大きな寸法比を適用することは振動片の小型化を阻害する。そこで求められる小型の加速度センサに用いるためには、寸法比を200%以下に抑えることが必要となる。
なお、振動片11をさらに小型化するためには、くびれ部長さと基部長さの寸法比を小さくすることが望ましく、50%〜100%とすることがより好ましい。本例においては、第1くびれ部8のくびれ長さL1は、第1基部12の基部長さB1との寸法比で80%程度となるように形成されている。同様に、第2くびれ部9のくびれ長さL2は、第2基部13の基部長さB2との寸法比で80%程度となるように形成されている。
基台23は、本例では表裏面の双方に幅方向の一端面25から他端面26にかけて溝部が形成されたヒンジ部24が設けられている。そして、基台23は、ヒンジ部24を基準として2つの領域を有しており、一方の領域である第1基部12側の領域に設けられた第1基台27と、他方の領域である第2基部13側の領域に設けられた第2基台28とを有している。そして、第1基台27が固定台となり、第2基台28が可動台(カンチレバー部と呼ぶこともある)となる。なお、ヒンジ部24は、振動腕15,16の延設方向の中心より第1基部12側に片寄った位置に形成されている。また、本例のヒンジ部24は、表裏面の双方に溝部が形成されているが、いずれか一方の面に溝部が形成されている構成でもよい。
振動片11は、第1支持部17の一主面(裏面)31が第1基台27に支持され、第2支持部18の一主面(裏面)31が第2基台28に支持されるとともに基台23に接着剤42,43などを用いて固定されている。これにより、基台23に振動片11が固定される。なお、図示しない励振電極との接続をとる場合などには導電性の接着剤を用いることも可能である。
ここで、加速度センサ10における加速度の検出動作について概略を説明する。加速度センサ10の振動腕15,16は、所定の共振周波数で図に示すX軸方向(振動片11の幅方向)に屈曲振動を行っている。この加速度センサ10に、図に示すZ方向の加速度が加わると、第1基台27が固定台として固定されているため質量の大きな第2基台28は、慣性力によりヒンジ部24を支点として加速度の方向と逆方向(−Z方向)に向かって移動する。これにより基台23は撓みを生じる。この撓みにより、第1基台27と第2基台28とに固定されている振動片11(振動腕15,16)には、図に示すY軸方向に引っ張り応力が加わる。
振動している振動腕15,16は、引っ張り応力が発生すると共振周波数は高くなる方向に変化し、圧縮応力が発生すると共振周波数は低くなる方向に変化するため、前述の例では、振動腕15,16の共振周波数が高くなる。なお、前述と逆方向の加速度が加わった場合は、第2基台28も逆方向に向かって移動し(基台23も逆方向に向かって撓み)振動腕15,16の共振周波数が低くなる。この共振周波数の変化量を、検出回路(図示せず)によって検出し、検出された共振周波数を変換回路(図示せず)で電圧に変換して加速度として検出する。このようにして、加速度センサ10に加えられた加速度を検出することが可能となる。
本実施形態の加速度センサによれば、くびれ部長さと基部長さの寸法比が50%以上200%以下の範囲、より好ましくは50%以上100%以下で形成された振動片11を用いている。これにより、振動腕15,16の振動が第1支持部17、第2支持部18に洩れることを防止するとともに、第1くびれ部8および第2くびれ部9に衝撃の応力が集中することを防止して振動片11の破損を防止することが可能となる。従って、特性の安定性が高く、且つ耐衝撃性の優れた加速度センサ10を提供することが可能となる。
(第2実施形態)
第2実施形態として、振動型センサの一例としての加速度センサを図3に示し説明する。図3は、第2実施形態としての加速度センサの概略を示し、(a)は平面図、(b)は正断面図である。なお、第2実施形態は、前述した第1実施形態の振動片の構成が異なったものであり、基台については第1実施形態と同じであるため同符号をつけて説明を省略する。
図3に示すように、加速度センサ10は、基台23と、基台23に支持された振動片11とを有している。
振動片11は、前述の第1実施形態と同様な圧電性材料により形成されている。圧電性材料の説明は省略するが、本第2実施形態においても、周波数温度特性が優れ、高いQ値を有する水晶を使用している。
振動片11(水晶振動片)は、所定の共振周波数にて平面方向に屈曲振動する梁状の振動腕15,16を有している。さらに、振動片11には、振動腕15,16の一方の端部から順に、第1基部12、第1くびれ部8、第1支持部17が形成され、他方の端部から順に、第2基部13、第2くびれ部9、第2支持部18が形成されている。加えて、第1支持部17から図に示すX方向の両側に延設された延長部47と、延長部47から振動腕15,16に並行するように延設されて開放端19a,20aを有する固定部19,20とが形成されている。また、第2支持部18から図中X方向の両側に延設された延長部48と当該延長部48から振動腕15,16に並行するように延設されて開放端21a,22aを有する固定部21,22とが形成されている。
第1くびれ部8および第2くびれ部9は、前述した第1実施形態と同様な態様であるので説明を省略する。
くびれ部長さと基部長さとを、このような構成とすることで、第1実施形態と同様に振動腕15,16の振動が第1支持部17、第2支持部18に洩れることを防止するとともに、第1くびれ部8および第2くびれ部9に衝撃の応力が集中することを防止して振動片11の破損を防止することが可能となる。
振動片11は、固定部19,20の一主面(裏面)31が接続領域32,34で第1基台27に支持され、固定部21,22の一主面(裏面)31が接続領域33,35で第2基台28に支持され、接着剤42,43などを用いて固定されている。これにより、基台23に振動片11が固定される。なお、図示しない励振電極との接続をとる場合などには導電性の接着剤を用いることも可能である。
ここで、図3(a)において斜線で示す接続領域32,33,34,35について説明する。接続領域32,34には、延長部47と固定部19,20とが交差する領域が含まれている。また、接続領域33,35には、延長部48と固定部21,22とが交差する領域が含まれている。
そして、接続領域32,33,34,35のそれぞれは、一端が固定部19,20,21,22の長手方向の中央部にあり、他端が振動腕15,16の延設方向に形成されているそれぞれの延長部47,48の端部29,30まで達している。なお、端部29,30は、振動片11の長手方向における両方の端部でもある。
前述のような接続領域32,33,34,35によって振動片11が基台23に固定されることにより、接続箇所が振動腕15,16から離れるため洩れ振動の影響を、第1くびれ部8および第2くびれ部9の効果と併せ、さらに受けにくくすることができる。
また、接続領域32,33,34,35に、延長部47と固定部19,20とが交差する領域と延長部48と固定部21,22とが交差する領域と延長部47,48の端部29,30が含まれていることにより、固定の確実性がさらに向上する。さらに、延長部47、48においても第1くびれ部8、第2くびれ部9と同様に衝撃等による応力を緩和する効果があることから、さらに耐衝撃性を向上させた加速度センサ10を提供することが可能となる。
(第3実施形態)
第3実施形態として、振動型センサの一例としての加速度センサを図4に示し説明する。図4は、第3実施形態としての加速度センサの概略を示す平面図である。なお、第3実施形態に用いている振動片は、前述した第1実施形態と同じであるため同符号をつけて説明を省略する。
図4に示すように、加速度センサ10は、基台23と、基台23に支持された振動片11とを有している。
基台23は、第1基台27aと第2基台28aと第3基台27bと可撓性を有する接続部としての板ばね40,41とを有している。そして、第1基台27aと第2基台28aとは、矩形状に折り曲げられて伸縮可能な板ばね40を介して接続され、第2基台28aと第3基台27bとは、矩形状に折り曲げられて伸縮可能な板ばね41を介して接続されている。なお、本例では、それぞれの基台の接続を伸縮可能な板ばね40,41を構成例として説明したが、例えばコイルばね、樹脂などの可撓性を有するもので行うことができる。
振動片11は、第1支持部17の図示しない一主面(裏面)が第1基台27aに支持され、第2支持部18の図示しない一主面(裏面)が第2基台28aに支持されるとともに接着剤などを用いて固定されている。これにより、基台23に振動片11が固定される。
このような構成の加速度センサ10の第1基台27aと第3基台27bとをベース材(図示せず)に固定することにより、第2基台28aは、板ばね40,41の伸縮で振動腕15,16の延伸方向に自在に移動することができる。これにより、振動腕15,16の延伸方向の加速度を的確に検出可能な加速度センサを提供することが可能となる。
なお、前述の実施形態で説明した第1くびれ部8、第2くびれ部9は、図5の第1くびれ部の拡大平面図に示すように、第1基部12の外周線12aおよび第1支持部17の外周線17aとの交差部8aが平面的に曲線形状をなして接続されていることが好ましい。なお、本例では円弧状を示して説明したが、交差角が形成されなければよく、曲線の形状は問わない。また、図では、第1くびれ部8を説明したが、第2くびれ部9においても同様な構成が望ましい。
このように、交差部8aが平面的に曲線形状をなして接続されていることにより、交差角の部分に集中する応力を防止することができるため、さらに応力集中を防止することが可能となる。これによって、さらに耐衝撃性を向上させた加速度センサ10を提供することが可能となる。
また、前述では、第1くびれ部8および第2くびれ部9は、第1支持部17および第2支持部18に接続する部分に設けられた例で説明したがこれに限らない。例えば、両側を第1基部12および第2基部13に挟まれた部分、すなわち、第1基部12および第2基部13の中間位置に設けられていてもよい。
また、前述では、振動型センサとして加速度センサを一例として説明したが、例えば、力(ちから)センサ、圧力センサなどに適用することも可能である。
第1実施形態としての加速度センサの概略を示し、(a)は平面図、(b)は正断面図。 くびれ長さと基部長さとの寸法比とくびれ部にかかる応力の大きさとの相関を表すグラフ。 第2実施形態としての加速度センサの概略を示し、(a)は平面図、(b)は正断面図。 第3実施形態としての加速度センサの概略を示す平面図。 第1くびれ部の拡大平面図。 従来の加速度センサの概略を示す斜視図。 従来の加速度センサの振動片を示す平面図。
符号の説明
10…振動型センサとしての加速度センサ、11…振動片、12…第1基部、13…第2基部、14…貫通孔、15,16…振動腕、17…第1支持部、18…第2支持部、23…基台、24…ヒンジ部、27…第1基台、28…第2基台、31…一主面(裏面)、42,43…接着剤。

Claims (6)

  1. 表裏に主面を有する第1基部および第2基部と、前記第1基部と前記第2基部との間に梁状に延設され、所定の共振周波数にて振動する振動腕と、前記振動腕の延設方向に直交する方向の幅が前記第1基部より狭く形成され、前記第1基部から延設された第1くびれ部と、前記振動腕の延設方向に直交する方向の幅が前記第2基部より狭く形成され、前記第2基部から延設された第2くびれ部と、前記第1基部と反対方向に前記第1くびれ部から延設された第1支持部と、前記第2基部と反対方向に前記第2くびれ部から延設された第2支持部とを含み、
    前記第1くびれ部と前記第1基部との前記振動腕の延設方向の寸法比、および前記第2くびれ部と前記第2基部との前記振動腕の延設方向の寸法比が、50%以上200%以下である振動片と、
    前記振動片を支持する基台と、を有し、
    前記振動片は、前記第1支持部および前記第2支持部の一主面が前記基台に接続されていることを特徴とする振動型センサ。
  2. 請求項1に記載の振動型センサにおいて、
    前記振動腕は、表裏を貫通する貫通孔によって少なくとも2つの梁に分割されていることを特徴とする振動型センサ。
  3. 請求項1または請求項2に記載の振動型センサにおいて、
    前記第1くびれ部と前記第1基部および前記第1支持部との接続と、前記第2くびれ部と前記第2基部および前記第2支持部との接続とが、平面的に曲線形状で行われていることを特徴とする振動型センサ。
  4. 請求項1ないし請求項3のいずれか一項に記載の振動型センサにおいて、
    前記第1支持部および前記第2支持部は、前記振動腕の延設方向と交差する方向に延設された延長部と、前記延長部から前記振動腕に並行するように延設されて開放端を有する固定部とを有しており、
    前記振動片は、前記固定部を含む前記第1支持部および前記第2支持部の一主面が前記基台に接続されていることを特徴とする振動型センサ。
  5. 請求項1ないし請求項4のいずれか一項に記載の振動型センサにおいて、
    前記基台は、溝状に薄肉となるように形成されたヒンジ部を有しており、前記ヒンジ部を基準として一方側の第1基台に前記第1支持部が接続され、他方側の第2基台に前記第2支持部が接続されていることを特徴とする振動型センサ。
  6. 請求項1ないし請求項4のいずれか一項に記載の振動型センサにおいて、
    前記基台は、第1基台と可撓性を有する接続部によって接続された第2基台と、前記第2基台と可撓性を有する接続部によって接続された第3基台とを有しており、
    前記第1基台に前記第1支持部が接続され、前記第2基台に前記第2支持部が接続されていることを特徴とする振動型センサ。
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