JP3433015B2 - 圧電発振素子 - Google Patents
圧電発振素子Info
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- piezoelectric vibrator
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- G01—MEASURING; TESTING
- G01P—MEASURING LINEAR OR ANGULAR SPEED, ACCELERATION, DECELERATION, OR SHOCK; INDICATING PRESENCE, ABSENCE, OR DIRECTION, OF MOVEMENT
- G01P15/00—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration
- G01P15/02—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses
- G01P15/08—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses with conversion into electric or magnetic values
- G01P2015/0805—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses with conversion into electric or magnetic values being provided with a particular type of spring-mass-system for defining the displacement of a seismic mass due to an external acceleration
- G01P2015/0822—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses with conversion into electric or magnetic values being provided with a particular type of spring-mass-system for defining the displacement of a seismic mass due to an external acceleration for defining out-of-plane movement of the mass
- G01P2015/084—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses with conversion into electric or magnetic values being provided with a particular type of spring-mass-system for defining the displacement of a seismic mass due to an external acceleration for defining out-of-plane movement of the mass the mass being suspended at more than one of its sides, e.g. membrane-type suspension, so as to permit multi-axis movement of the mass
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- Piezo-Electric Or Mechanical Vibrators, Or Delay Or Filter Circuits (AREA)
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】圧電発振素子を応用した加速度検
出器に関する。
出器に関する。
【０００２】
【従来の技術】従来の技術では、図７の静電容量式の加
速度検出器の断面図に示すような構造で分かるように、
対面する２面間の電極１０の隙間でのギャップの変化量
で発生する静電容量の変化を直読して物体に加わった水
平方向の任意の２方向の加速度（Ｘ軸、Ｙ軸）を検出し
ている。
速度検出器の断面図に示すような構造で分かるように、
対面する２面間の電極１０の隙間でのギャップの変化量
で発生する静電容量の変化を直読して物体に加わった水
平方向の任意の２方向の加速度（Ｘ軸、Ｙ軸）を検出し
ている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】しかし、極小の隙間に
おけるギャップの変化量で発生する静電容量の変化量を
検出するのでは、そこに得られる容量の変化量を定量的
に測定するのが難しく、正確な容量変化を検知するのは
難しい。従って、容量の変化で得られた加速度の検知量
の信頼性も薄い。更に容量の直読方式では、検出器全体
が温度により膨張したり、収縮することによって加速度
の検出部である極小の隙間におけるギャップが変化する
のを補償することが困難で、正確な加速度を検出しにく
い。
おけるギャップの変化量で発生する静電容量の変化量を
検出するのでは、そこに得られる容量の変化量を定量的
に測定するのが難しく、正確な容量変化を検知するのは
難しい。従って、容量の変化で得られた加速度の検知量
の信頼性も薄い。更に容量の直読方式では、検出器全体
が温度により膨張したり、収縮することによって加速度
の検出部である極小の隙間におけるギャップが変化する
のを補償することが困難で、正確な加速度を検出しにく
い。
【０００４】
【課題を解決するための手段】昨今の電子装置、セット
部品は高信頼性、高精度化、更に小型軽量化、低価格化
の傾向にある。従って、これらに使用される電子部品に
も同様なことが要求されている。また最近では機械分野
と電子・電気分野が統合した、いわゆるメカトロニクス
への応用が日常生活に不可欠とも言える自家用車の分野
にも積極的に導入され、ＴＲＣ、ＡＢＳやエアバッグシ
ステムなど電気的にセンシングされた情報をコンピュー
タが判断し、その結果アクチュエータである機械システ
ムが働き、安全性を確保する方法の一手段として利用さ
れている。そしてＴＲＣやエアバッグシステムを作動さ
せるセンサーとして圧力センサーが利用されており、通
常走行中の加速度（Ｇ）から衝突時に加わる加速度
（Ｇ）（せいぜい０．２〜５．０Ｇの範囲）を正確に計
測し判断するシステムが作られてきている。
部品は高信頼性、高精度化、更に小型軽量化、低価格化
の傾向にある。従って、これらに使用される電子部品に
も同様なことが要求されている。また最近では機械分野
と電子・電気分野が統合した、いわゆるメカトロニクス
への応用が日常生活に不可欠とも言える自家用車の分野
にも積極的に導入され、ＴＲＣ、ＡＢＳやエアバッグシ
ステムなど電気的にセンシングされた情報をコンピュー
タが判断し、その結果アクチュエータである機械システ
ムが働き、安全性を確保する方法の一手段として利用さ
れている。そしてＴＲＣやエアバッグシステムを作動さ
せるセンサーとして圧力センサーが利用されており、通
常走行中の加速度（Ｇ）から衝突時に加わる加速度
（Ｇ）（せいぜい０．２〜５．０Ｇの範囲）を正確に計
測し判断するシステムが作られてきている。
【０００５】本発明では、従来ある静電容量式の加速度
検知器に圧電振動子を用い、容量変化を周波数変化に置
き換えることにより、現象変化（加速度の検出部である
極小の隙間におけるギャップ）を増幅して検出すること
ができるため、高安定、高精度、高信頼性のものが提供
できる。その主な原理としては、図５に示すように圧電
振動子とそれに直列に接続した容量（負荷容量）の変化
により周波数が変化する特性、すなわち負荷容量特性を
利用することであり、発振器として構成した場合も同様
な傾向の特性が得られる。負荷容量特性は圧電振動子に
直列に接続された容量の変化で、共振周波数は非直線的
に変化するのが特徴である。
検知器に圧電振動子を用い、容量変化を周波数変化に置
き換えることにより、現象変化（加速度の検出部である
極小の隙間におけるギャップ）を増幅して検出すること
ができるため、高安定、高精度、高信頼性のものが提供
できる。その主な原理としては、図５に示すように圧電
振動子とそれに直列に接続した容量（負荷容量）の変化
により周波数が変化する特性、すなわち負荷容量特性を
利用することであり、発振器として構成した場合も同様
な傾向の特性が得られる。負荷容量特性は圧電振動子に
直列に接続された容量の変化で、共振周波数は非直線的
に変化するのが特徴である。
【０００６】従来の加速度検出器は、加速度変化による
容量変化を直接計測する方法がとられているが、本発明
では圧電振動子を構成する電極の少なくとも一方の電極
と、微少間隔を保って配置された対向電極により形成さ
れる容量（これは圧電振動子に直列に接続されることに
なり負荷容量として使用される）とが発振回路に接続さ
れたものが複数個、同一基板上に対角線状に配置されて
おり、圧電振動子素子が加速度変化の大きさと方向に応
じて変形する。
容量変化を直接計測する方法がとられているが、本発明
では圧電振動子を構成する電極の少なくとも一方の電極
と、微少間隔を保って配置された対向電極により形成さ
れる容量（これは圧電振動子に直列に接続されることに
なり負荷容量として使用される）とが発振回路に接続さ
れたものが複数個、同一基板上に対角線状に配置されて
おり、圧電振動子素子が加速度変化の大きさと方向に応
じて変形する。
【０００７】その結果、複数個の容量値がそれぞれ変動
し加速度変化量と方向に応じて個々の発振周波数変化が
計測され、これを演算回路で処理することにより加速度
の大きさと方向を発振周波数で検出するものである。な
お、図５からも分かるように容量変化と周波数変化の関
係は、直線的でないので、分解能を良くする場合は、Ｃ
Ｌを小さく設定し、比較的ラフにしたい場合はＣＬを大
きく（あるいは外付けでＣＬを付加）するなどの感度調
整も可能となる。
し加速度変化量と方向に応じて個々の発振周波数変化が
計測され、これを演算回路で処理することにより加速度
の大きさと方向を発振周波数で検出するものである。な
お、図５からも分かるように容量変化と周波数変化の関
係は、直線的でないので、分解能を良くする場合は、Ｃ
Ｌを小さく設定し、比較的ラフにしたい場合はＣＬを大
きく（あるいは外付けでＣＬを付加）するなどの感度調
整も可能となる。
【０００８】一方圧電振動子の加工にはエッチング技術
を用いることにより小型化、軽量化が行えることや、一
度の製造工程で複数の圧電振動子の加工が同時に行える
ためコストの低減ができる。また加速度検出器としての
安定度は、従来の静電容量式に比べ元来温度特性が安定
している圧電振動子を用いることに加え、圧電発振器に
培われた温度補償回路を用いることで温度管理も容易に
制御できることから、周囲温度変化にも対応し動作温度
全域にわたり安定した周波数が得られることで安定した
加速度の検出も実現できる。
を用いることにより小型化、軽量化が行えることや、一
度の製造工程で複数の圧電振動子の加工が同時に行える
ためコストの低減ができる。また加速度検出器としての
安定度は、従来の静電容量式に比べ元来温度特性が安定
している圧電振動子を用いることに加え、圧電発振器に
培われた温度補償回路を用いることで温度管理も容易に
制御できることから、周囲温度変化にも対応し動作温度
全域にわたり安定した周波数が得られることで安定した
加速度の検出も実現できる。
【０００９】
【実施例】以下、添付図面に従ってこの発明の実施例を
説明する。なお、各図において同一の符号は同様の対象
を示すものとする。図１に本発明の圧電発振素子４の斜
視図を示す。一例としてエッチング加工により製造され
た圧電振動子１を用い、圧電振動子１の同一平面の一部
を抜き加工でスリット部９を形成して４つに分割した構
造で、同一圧電振動子１の平面を両側から挟み込む格好
（図３）で例えばガラス材質から成る容器５と容器６と
で被う形状をした圧電発振素子４が構成される。圧電振
動子１と容器５、容器６との接合（挟み込み）には、圧
電振動子１端から出る４カ所の脚７とで行われる。
説明する。なお、各図において同一の符号は同様の対象
を示すものとする。図１に本発明の圧電発振素子４の斜
視図を示す。一例としてエッチング加工により製造され
た圧電振動子１を用い、圧電振動子１の同一平面の一部
を抜き加工でスリット部９を形成して４つに分割した構
造で、同一圧電振動子１の平面を両側から挟み込む格好
（図３）で例えばガラス材質から成る容器５と容器６と
で被う形状をした圧電発振素子４が構成される。圧電振
動子１と容器５、容器６との接合（挟み込み）には、圧
電振動子１端から出る４カ所の脚７とで行われる。
【００１０】圧電振動子１端から出る４カ所の脚７は、
圧電振動子１の片面の中心部に具備する錘８により圧電
振動子１が自由に撓めるような構造となっている。図１
に示す圧電発振動子１における４カ所の脚７は、圧電振
動子１よりオーバハングした形状となっているが、圧電
振動子１の中心部分に脚７を配置するなど構造の制約は
なく、容器に用いる材質についてもガラス材質以外のセ
ラミックなどでも構わない。また後述するＸ方向、Ｙ方
向については、図１中にその方向を記載する。なお、錘
８は容器６とはいかなる状態においても接触することは
ない。
圧電振動子１の片面の中心部に具備する錘８により圧電
振動子１が自由に撓めるような構造となっている。図１
に示す圧電発振動子１における４カ所の脚７は、圧電振
動子１よりオーバハングした形状となっているが、圧電
振動子１の中心部分に脚７を配置するなど構造の制約は
なく、容器に用いる材質についてもガラス材質以外のセ
ラミックなどでも構わない。また後述するＸ方向、Ｙ方
向については、図１中にその方向を記載する。なお、錘
８は容器６とはいかなる状態においても接触することは
ない。
【００１１】図２に示す圧電振動子１の平面図のよう
に、本発明で用いる圧電振動子１は１枚の圧電素板を４
分割し、その各々分割した部分の両面に電極２が有り、
圧電振動子１の背面中心部分に錘８が構成され、同一圧
電素板内にスリット部９による分割で４つの圧電振動子
１が独立して形成されている。
に、本発明で用いる圧電振動子１は１枚の圧電素板を４
分割し、その各々分割した部分の両面に電極２が有り、
圧電振動子１の背面中心部分に錘８が構成され、同一圧
電素板内にスリット部９による分割で４つの圧電振動子
１が独立して形成されている。
【００１２】この４つの圧電振動子１をそれぞれ１Ａ、
１Ｂ、１Ｃ、１Ｄとして説明する。図中には電極２、対
向電極３からの引き回し（電極）は省略している。な
お、圧電振動子１の厚みは３０μｍ、電極２と対向電極
３間の間隔は３〜５μｍ、電極２と対向電極３の厚みは
それぞれ１５００オングストローム程度である。
１Ｂ、１Ｃ、１Ｄとして説明する。図中には電極２、対
向電極３からの引き回し（電極）は省略している。な
お、圧電振動子１の厚みは３０μｍ、電極２と対向電極
３間の間隔は３〜５μｍ、電極２と対向電極３の厚みは
それぞれ１５００オングストローム程度である。
【００１３】圧電振動子１（１Ａ、１Ｂ、１Ｃ、１Ｄ）
に被せる容器５には、圧電振動子１に対向する配置で対
向電極３が配置されている。仮に圧電振動子１の電極２
を圧電振動子１Ａ、圧電振動子１Ｂ、圧電振動子１Ｃ、
圧電振動子１Ｄに対応してそれぞれ電極２Ａ、２Ｂ、２
Ｃ、２Ｄとした場合、圧電振動子１を容器５で被ったと
きの対向電極３は、それぞれ３Ａ、３Ｂ、３Ｃ、３Ｄと
なる。
に被せる容器５には、圧電振動子１に対向する配置で対
向電極３が配置されている。仮に圧電振動子１の電極２
を圧電振動子１Ａ、圧電振動子１Ｂ、圧電振動子１Ｃ、
圧電振動子１Ｄに対応してそれぞれ電極２Ａ、２Ｂ、２
Ｃ、２Ｄとした場合、圧電振動子１を容器５で被ったと
きの対向電極３は、それぞれ３Ａ、３Ｂ、３Ｃ、３Ｄと
なる。
【００１４】圧電振動子１の電極２や対向電極３からの
電極引き回しは図示していないが、この圧電振動子１の
電極２と容器５の対向電極３との間に発生する容量を、
図６に示す本発明の圧電発振素子４を用いて加速度を検
出する回路例により回路を構成したときに、圧電振動子
１の電極２と容器５の対向電極３との容量の変化量から
それぞれの周波数が変化し、これらを演算回路で周波数
値を比較することにより、ＸＹ平面に平行な任意の加速
度の大きさと方向を検知するものである。
電極引き回しは図示していないが、この圧電振動子１の
電極２と容器５の対向電極３との間に発生する容量を、
図６に示す本発明の圧電発振素子４を用いて加速度を検
出する回路例により回路を構成したときに、圧電振動子
１の電極２と容器５の対向電極３との容量の変化量から
それぞれの周波数が変化し、これらを演算回路で周波数
値を比較することにより、ＸＹ平面に平行な任意の加速
度の大きさと方向を検知するものである。
【００１５】図５の負荷容量特性図に示すように、圧電
振動子１に直列に接続された容量の変化で発振周波数が
変化する特性を応用するもので、発振周波数は圧電振動
子１に直列に容量が接続されている場合、容量が増える
と周波数が下がり、しかも直線的でない特性を持ってい
る。
振動子１に直列に接続された容量の変化で発振周波数が
変化する特性を応用するもので、発振周波数は圧電振動
子１に直列に容量が接続されている場合、容量が増える
と周波数が下がり、しかも直線的でない特性を持ってい
る。
【００１６】図４に示す、本発明の圧電振動子１を用い
て加速度を検出する様子を示す概念図で説明する。図４
のように紙面の左から右へ加速度が発生すると、圧電振
動子１は錘８の持つ慣性により「く」の字形になる。そ
のため、容量ＣＡ、ＣＢ、ＣＣ、ＣＤが変化するが、Ｃ
Ａ、ＣＣは同じ方向へ変化し、ＣＢ、ＣＤは逆方向に変
化することにより、ＣＡ、ＣＣの容量変化による発振周
波数差は零となりＣＢ、ＣＤの容量変化による発振周波
数のみがΔＦとして検出される。
て加速度を検出する様子を示す概念図で説明する。図４
のように紙面の左から右へ加速度が発生すると、圧電振
動子１は錘８の持つ慣性により「く」の字形になる。そ
のため、容量ＣＡ、ＣＢ、ＣＣ、ＣＤが変化するが、Ｃ
Ａ、ＣＣは同じ方向へ変化し、ＣＢ、ＣＤは逆方向に変
化することにより、ＣＡ、ＣＣの容量変化による発振周
波数差は零となりＣＢ、ＣＤの容量変化による発振周波
数のみがΔＦとして検出される。
【００１７】同様に、紙面に垂直に加速度が発生する
と、やはり容量ＣＡ、ＣＢ、ＣＣ、ＣＤが変化するが、
ＤＢ、ＣＤは同じ方向に変化し、ＣＡ、ＣＣは逆方向に
変化するので、ＣＢ、ＣＤ変化による発振周波数は零と
なりＣＡ、ＣＣの容量の変化による発振周波数差のみが
ΔＦとして検出される。このようにＸ方向、Ｙ方向のこ
れらの発振周波数差を更に演算回路で処理することによ
り、ＸＹ平面に平行な任意の方向の加速度の方向と大き
さを検出することが可能となる。
と、やはり容量ＣＡ、ＣＢ、ＣＣ、ＣＤが変化するが、
ＤＢ、ＣＤは同じ方向に変化し、ＣＡ、ＣＣは逆方向に
変化するので、ＣＢ、ＣＤ変化による発振周波数は零と
なりＣＡ、ＣＣの容量の変化による発振周波数差のみが
ΔＦとして検出される。このようにＸ方向、Ｙ方向のこ
れらの発振周波数差を更に演算回路で処理することによ
り、ＸＹ平面に平行な任意の方向の加速度の方向と大き
さを検出することが可能となる。
【００１８】なお、本実施例には圧電振動子１の電極２
と対向する対向電極３は、容器５に構成した内容で記述
してあるが、容器６に対向電極３を構成しても、容器
５、容器６の両方に対向電極３を構成しても構わない。
と対向する対向電極３は、容器５に構成した内容で記述
してあるが、容器６に対向電極３を構成しても、容器
５、容器６の両方に対向電極３を構成しても構わない。
【００１９】
【発明の効果】本発明による圧電発振素子を加速度検出
器として応用することにより小型、高精度で、かつ安価
に加速度を検出することができる。また、圧電振動子の
周波数変化量を加速度の変化分として検出することで、
動作環境温度の変化に対しては、圧電振動子の温度補償
回路を採用することで高性能な検出も得られる。以上の
ように、小型で安価、高品質の加速度検出器が提供でき
ることにより、手軽に精度の良い加速度検出が行えるよ
うになった。
器として応用することにより小型、高精度で、かつ安価
に加速度を検出することができる。また、圧電振動子の
周波数変化量を加速度の変化分として検出することで、
動作環境温度の変化に対しては、圧電振動子の温度補償
回路を採用することで高性能な検出も得られる。以上の
ように、小型で安価、高品質の加速度検出器が提供でき
ることにより、手軽に精度の良い加速度検出が行えるよ
うになった。
【図１】本発明の圧電発振素子の全体を示す斜視図であ
る。
る。
【図２】本発明の圧電発振素子の圧電振動子の平面図で
ある。
ある。
【図３】本発明の圧電発振素子構造を示す側面図であ
る。
る。
【図４】本発明の圧電発振素子を用いて加速度を検出す
る様子を示す概念図である。
る様子を示す概念図である。
【図５】一般的な容量の変化伴う周波数変化を示す負荷
容量特性図である。
容量特性図である。
【図６】本発明の圧電発振素子で加速度を検出する回路
例である。
例である。
【図７】従来の静電容量式の加速度検出器の断面図であ
る。
る。
１ 圧電振動子
２ 電極
３ 対向電極
４ 圧電発振素子
８ 錘
Claims (2)
- 【請求項１】 圧電振動子の電極と、その電極と対向す
る面に設けた対向電極間とで容量を持たせる構造を有す
る圧電発振素子において、 該圧電振動子の電極と、該圧電振動子の電極に対向する
少なくとも一面に設けられた対向電極との間に発生する
容量変化により、該圧電振動子の発振周波数変化を検出
することを特徴とする圧電発振素子。 - 【請求項２】 同一圧電素板の両面に電極を有する圧電
振動子と、該圧電振動子の電極と対向する面に設けた対
向電極間とで容量を持たせる構造を有する圧電発振素子
において、 該圧電素板の片面の中心部に該圧電素板と一体の錘を具
備し、該圧電素板の平面を４分割した両面に電極を有す
る圧電振動子と、該圧電振動子の電極と対向する少なく
とも一面の各々の対向面に構成された対向電極との容量
変化により、該圧電振動子の発振周波数の変化量で、加
速度を検知することを特徴とする圧電発振素子。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP21532296A JP3433015B2 (ja) | 1996-07-26 | 1996-07-26 | 圧電発振素子 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP21532296A JP3433015B2 (ja) | 1996-07-26 | 1996-07-26 | 圧電発振素子 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH1038913A JPH1038913A (ja) | 1998-02-13 |
| JP3433015B2 true JP3433015B2 (ja) | 2003-08-04 |
Family
ID=16670394
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP21532296A Expired - Fee Related JP3433015B2 (ja) | 1996-07-26 | 1996-07-26 | 圧電発振素子 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3433015B2 (ja) |
Families Citing this family (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE10060091B4 (de) * | 2000-12-02 | 2004-02-05 | Eads Deutschland Gmbh | Mikromechanischer Inertialsensor |
| JP4437699B2 (ja) * | 2004-05-14 | 2010-03-24 | 富士通マイクロエレクトロニクス株式会社 | センサ |
| JP5912510B2 (ja) * | 2011-01-17 | 2016-04-27 | 日本電波工業株式会社 | 外力検出方法及び外力検出装置 |
| TWI484149B (zh) * | 2011-01-17 | 2015-05-11 | Nihon Dempa Kogyo Co | 外力檢測裝置及外力檢測感測器 |
| JP2012255669A (ja) * | 2011-06-07 | 2012-12-27 | Nippon Dempa Kogyo Co Ltd | 加速度計測装置 |
| JP2014052263A (ja) * | 2012-09-06 | 2014-03-20 | Nippon Dempa Kogyo Co Ltd | 外力検出装置及び外力検出センサー |
-
1996
- 1996-07-26 JP JP21532296A patent/JP3433015B2/ja not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH1038913A (ja) | 1998-02-13 |
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