JP3503213B2 - 力センサー - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、物体に印加される加速
度、加重、圧力等の力学量を検出するセンサーに関する
ものである。

【０００２】

【従来の技術】近年、自動車事故での安全を守るエアバ
ックシステムや、道路案内を行うナビゲーションシステ
ムなどの開発が盛んであり、それに伴い加速度センサー
や振動ジャイロのようなセンサーが開発されている。

【０００３】従来力検出素子としては、例えば特公昭５
３−１３３０号公報に示されているように、図９あるい
は図１０の構造が知られている。図９において、それぞ
れ電極１が取り付けられている２枚の圧電振動板２、３
を一定の空隙を介在させて配置し、これら圧電振動板
２、３の各一端を基板４に固定すると共に同他端を間隔
板５により剛性的に結合してなるもので、圧電振動板
２、３の自由端に力Ｆが加えられた時に、このとき圧電
振動板２、３が受ける変位に基づくこれら圧電振動板
２、３の各固有振動数の変化を測定し、この結果に基づ
いて前記力Ｆを測定するようにしたものである。また図
１０はカンチレバー６の上下面に段部７、溝８を形成
し、溝８を架橋して電極９の取り付けられている２枚の
圧電振動板１０、１１を固定してなるもので、カンチレ
バー６の自由端に力Ｆが印加されたとき圧電振動板１
０、１１の各固有振動数の変化の差を検出して力Ｆを測
定するようにしたものである。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら上記の従
来の構成の圧電振動板２、３、１０、１１では、種々の
モードの固有振動が生じる。すなわち、縦方向、横方向
の振動モードおよびその高次共振、梁全体の固有振動モ
ード、捻れ振動などが存在し、それらを明確に区別分離
して、使用したい固有振動モードのみを他と区別して取
り出し安定して共振状態を保つことが困難であった。

【０００５】本発明は上記従来技術の課題を解決するも
ので、力の印加により、固有振動数の変化する振動体の
固有振動モードが、他の不要な共振モードと完全に分離
でき常に一定の共振状態を安定に保てる、力学量センサ
ーを提供することを目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】この目的を達成するため
に本発明は、第１に力学量の作用により移動可能な慣性
体と、慣性体を支持する支持梁と、前記支持梁上に設け
られて両端を前記支持梁に固定された振動体と、前記振
動体の一端部付近に接合されて前記振動体を励振する励
振用圧電素子と、前記振動体の他端部付近に接合されて
前記振動体の振動を受信する受信用圧電素子とを具備
し、前記振動体の全長ｌと、前記励振用圧電素子の長さ
ａ及び前記受信用圧電素子の長さｂとの間には、 ０．２ ≦ ａ／ｌ ＜ ０．５ 又は ０．２ ≦ ｂ／ｌ ＜ ０．５ の関係があることを特徴とするものである。また第２
に、力学量の作用により移動可能な慣性体と、慣性体を
支持する支持梁と、前記支持梁上に設けられて両端を前
記支持梁に固定された振動体とを具備し、前記振動体の
１次共振周波数が、前記慣性体と前記支持梁の１次共振
周波数の１０倍以上であることを特徴とするものであ
る。さらに第３に、力学量の作用により移動可能な慣性
体と、慣性体を支持する支持梁と、前記支持梁上に設け
られて両端を前記支持梁に固定された振動体と、前記振
動体上に接合された圧電素子と、前記圧電素子の表面上
に前記振動体の長手方向と交差する方向に分割された一
対の電極とを具備し、前記一対の電極の一方は振動体を
励振する励振用電極、他方は振動体の振動を受信する受
信用電極であることを特徴とするものである。

【０００７】

【作用】本発明は上記構成によって、第１に、高次モー
ドの共振のピークを低下あるいは消滅させ、振動体の低
次モードの共振周波数が明確にピークを示し、安定した
共振モードでの駆動が可能となる。また第２に、振動体
の１次共振周波数が、慣性体と支持梁の１次共振周波数
の１０倍以上としたものであり、梁全体の共振周波数の
影響を受けることなく、振動体を安定して共振させるこ
とができる。さらに第３に、振動体の１次共振周波数の
みを生じさせることができるので、常に同一モードの１
次共振における安定した駆動が可能であり、誤動作の少
ないセンサーが実現できる。

【０００８】

【実施例】

（実施例１）以下、本発明の第１の実施例について、図
面を参照しながら説明する。

【０００９】図１（ａ）、図１（ｂ）は本発明の一実施
例における力学量センサーの断面図および平面図であ
る。図１（ａ）において、１００は慣性体、１０１は支
持梁、１０２は振動体であり、前記振動体１０２は励振
部１０３、伝搬部１０４、受信部１０５より構成されて
いる。

【００１０】図１において、加速度が印加されると慣性
体１００が上下し、支持梁１０１がたわむと共に振動体
１０２は伸び縮みする。そのため、力が作用した際に
は、振動体の共振周波数が変化することになり、この周
波数変化を検出することにより加速度を測定することが
できる。例えば、振動体の振動が糸の振動と仮定できる
とすると、共振周波数ｆは（数１）で表される。

【００１１】

【数１】

【００１２】但しｌは糸の長さ、Ｓは糸の張力、ρは糸
の単位長さ当りの質量、ｎは振動の次数を示す。（数
１）によれば、共振周波数ｆは糸の張力の平方根に比例
して変化し、力が作用した際に、振動体の張力が変化す
る構造であれば加速度、圧力、力等の力学量が測定でき
ることが分かる。

【００１３】図２は図１の構成に於ける特性例である。
縦軸は振動体の共振周波数ｆであり、横軸は印加された
加速度を示す。これによると、加速度０のときの共振周
波数は２２ｋＨｚであるが、１２０Ｇの加速度が印加さ
れた場合には２７ｋＨｚに上昇する。１Ｇあたり約４０
Ｈｚの変化があり、変化率で言うと０．２％／Ｇで且つ
図にみられるように非常に大きな加速度まで測定でき、
ダイナミックレンジの広い加速度センサーが実現でき
た。なお、図１の構造では、慣性体の質量と支持梁部の
質量の比により感度が異なるが、図２のデータの場合慣
性体が支持梁部の７倍の構造のものであり、比較的微小
な支持梁のたわみが、振動体への大きな張力となって作
用し、大きな感度を出力することができたと考えられ
る。

【００１４】本実施例の構造的な特徴の１つは、振動体
の構造であり、励振部、伝搬部、受信部により構成され
ている点である。一般に、圧電セラミックを共振させた
場合、圧電セラミック自体の厚み振動等の場合には、圧
電セラミック自体のインピーダンス変化を検出して共振
点を知る方法がある。しかしながら、本発明のように、
振動体が圧電セラミックと他の構造部材との接合体の場
合には、接合体の共振周波数において、必ずしも大きな
インピーダンス変化があるとは限らず、感度良く共振点
を検出できない場合が多い。それに比較して、本発明で
は前記接合体である振動体の振動を直接受信部で検出し
ているため、振動体の持つあらゆる振動を正確に検出す
ることが可能となり、適切な振動体構造の設計におい
て、寸法的な自由度が非常に大きなものとなる。

【００１５】図３は、図１の振動体１０２の振動状態を
説明するためのものである。図３（ａ）、（ｂ）は振動
体１０２の部分を拡大図示した平面図および断面図であ
る。振動体１０２は両端に圧電素子が設けられており、
左端に励振部１０３、右端に受信部１０５が構成されて
いる。このような振動体は一般に、図３（ｃ）〜（ｈ）
に示されているように種々の振動モードで共振し、各々
１次〜６次共振モードと呼ばれている。これらの共振モ
ードが生じる、振動周波数は、振動体の厚みと長さそし
て振動体を構成する材質のヤング率などによって一義的
に決定され振動体の幅ｈには依存しない。

【００１６】上記のような、共振モードの起き易さは、
励振部１０３の長さａと密接な関係がある、振動体は励
振部１０３の圧電素子の伸縮振動によって振動を起こ
し、励振の周波数が共振モードの生じる周波数と一致し
たとき、共振モードでの振動が生じることになる。ここ
で、励振部の長さａと生じ易い振動モードの関係を考え
るため、例として図３（ｆ）の４次共振モードでの節と
節間の長さをｘとする。励振部は圧電素子の伸縮により
変形するので励振部の自然な変形状態は励振部１０３の
両端を節とする弓状と考えられる。従ってａとｘがほぼ
等しい状態となるような共振モードは生じ易いと考えら
れ、例えばｘがａの半分程度になると、励振部の圧電素
子は伸びる部分と縮む部分の両方が生じることになり、
このような振動モードを強制振動により生じさせるのは
非常に困難なものとなる。

【００１７】同様に、受信部１０５の長さｂと図３
（ｆ）における長さｙについても、同様なことが言え、
ｂ≒ｙのときには受信部１０４の圧電素子が全面で同一
方向の歪を受けるため充分な出力信号が得られるが、ｙ
がｂに比較して小さくなると受信部１０４の圧電素子に
は逆の歪が生じる部分ができるようになり、ある部分で
は正の電荷がまた他の部分では負の電荷が生じる状態と
なり、出力信号が低下することになる。

【００１８】図４は、励振部１０３、受信部１０５の寸
法を変化させたときの、受信部１０５から出力される出
力信号の周波数特性を示す実験結果である。横軸は励振
部１０３の圧電素子に印加される正弦波形の入力信号の
周波数を示しており、縦軸はそのときの受信部の圧電素
子からの出力電圧を示している。例えば、励振部１０３
に数Ｖの信号電圧を印加すると、受信部からは数ｍＶか
ら数百ｍＶの出力電圧が得られるが、その値は、共振周
波数で急激に大きくなるため、図４のように横軸に周波
数をとると共振周波数でピークを有する曲線が得られ
る。ここで、振動体１０２は４−２アロイに圧電素子
（住友金属性Ｈ５Ｄ）を接着させて作製し、４−２アロ
イ及び圧電素子の厚みは８０μｍとした。図３におい
て、ｈ＝２ｍｍ、ｌ＝１０ｍｍとし、励振部１０３およ
び受信部１０５の寸法ａ、ｂは等しい値として、ａ、ｂ
を変化させた。

【００１９】図４、（ａ）はａ、ｂが比較的大きく、ａ
／ｌ＝０．４５のときの周波数特性を示すが、１次、２
次、３次の共振モードでのピークがみられ、それ以上の
４次、５次共振のピークはみられない。これらの高次の
共振モードは、ａ、ｂが小さくなるにしたがって現れ、
例えば図４（ｂ）のようにａ／ｌ＝０．２では、６次共
振モードまで生じてくる。さらに、図４（ｃ）はａ／ｌ
＝０．１５とａ、ｂをさらに小さくした場合であるが、
あまりａ、ｂが小さすぎると、１次、２次、３次の低次
の共振モードが消え、高次の共振モードのみ現れること
が分かった。

【００２０】一般に、高次の共振モードより低次の共振
モードの方が安定であると言われている。これは、図３
のような形状の振動体の場合に、図３（ｃ）〜（ｈ）で
示された振動モードの他に、幅方向（ｈ）の共振や捻れ
振動の共振モードがあり、これらは、高次共振モードの
周波数近辺に現れ易く、周波数特性でいうと、高次共振
モードのピークの近傍に、他のモードのピークが生じ、
回路上、高次共振モードのピーク点の周波数で常時駆動
させる方法が難しくなるというようなことが理由であ
る。従って、本発明の構成に於いても、低次の共振モー
ドを使用するのが良く、１次、２次、３次共振モードの
うちのいづれかを選択するのが安全である。このうち３
次共振モードは、振動体１０２の伝搬部１０４のみに注
目した場合、この３次共振モードが伝搬部１０４の１次
共振モードに相当するので、安定な基本モードの１つと
考えることができる。１次、２次、３次のいづれかの共
振モードを使用する場合には、図４の結果から、０．２
≦ａ／ｌ＜０．５あるいは０．２≦ｂ／ｌ＜０．５を満
たす構造が良いことが分かる。

【００２１】次に本実施例と比較するために他の構造の
力センサーについて説明する。図５（ａ）は、振動体の
他の構造を示す。図３との相違点は、圧電素子が振動体
全面に接合されており、圧電素子５１上の電極が、励振
電極５２と受信電極５３に分割されており、励振電極５
２を励振用に、受信電極５３を受信用に使用するもので
ある。すなわち、振動体の伝搬部５４が圧電素子５１と
平板の接合体で構成されており、励振部５５や受信部５
６と厚みの差がない構造である。この構造において、出
力信号の周波数特性を測定したところ、図５（ｂ）のよ
うになり、図３と比較してピーク値が低く、小さなピー
クがたくさん現れ、明快な基本モードと思える共振モー
ドを生じさせにくいことが分かった。これは、図３で示
される本実施例は励振部１０３及び受信部１０５と伝搬
部１０４の厚みが異なることによって、励振部１０３と
伝搬部１０４あるいは受信部１０５と伝搬部１０４の境
界付近に振動の節が生じ易くなり、例えば３次共振等の
ピークが大きく現れるためと想定される。

【００２２】なお、励振電極と受信電極を入れ替え、１
０３を受信部、１０５を励振部としても当然同様な効果
が得られる。

【００２３】（実施例２）以下、本発明の第２の実施例
について、図面を参照しながら説明する。

【００２４】図１（ａ）、図１（ｂ）は本発明の一実施
例における力学量センサーの断面図および平面図であ
る。図１の説明は実施例１と同様なので省略する。

【００２５】図１において、振動体１０２は、慣性体１
００の移動にともなってたわむ支持梁１０１に設置され
ているが、慣性体１００と支持梁１０１よりなる梁全体
についても、共振モードが存在する。この共振モードは
概略片持梁の振動と同様と考えて良いが、小さな力で慣
性体がよく動き、支持梁１０１のたわみが大きい方が、
センサーとしての感度は高くなるが、それだけ、梁全体
の共振周波数は低下する。この梁全体の共振周波数は、
測定したい印加される力の周波数範囲と関連する。すな
わち、例えば、自動車用の加速度センサーの場合には、
０〜５００Ｈｚの範囲の加速度を正確に測定する必要が
あるが、この範囲に梁全体の共振周波数が存在すると、
この共振周波数近傍の加速度を正確に測定することが困
難になる。したがって、梁全体の共振周波数は、低いほ
ど検出感度が高くなるけれども、測定したい周波数範囲
以上、例えば、５００Ｈｚ以上、理想的には１ｋＨｚと
なるよう、設計されることが望ましい。

【００２６】また、梁全体の共振周波数と、振動体１０
２の共振周波数は互いに独立しており、互いに影響して
はならない。このことを説明するために、図６の実験結
果を示す。横軸は振動体１０２の励振部１０３の圧電素
子に印加される信号の周波数を、縦軸は受信部１０５か
らの出力信号電圧を示している。図６のデータは、図１
において、ｔ１＝０．４ｍｍ、ｔ２＝０．８ｍｍ、Ｌ１
＝Ｌ２＝Ｈ＝５ｍｍ、図３においてｌ＝５ｍｍ、ａ＝ｂ
＝１．５ｍｍ、ｈ＝１ｍｍの時のものである。図６の曲
線に於いて、ｆｃ０，ｆｃ１，ｆｃ２は梁全体の共振周
波数のピークであり、各々１次、２次、３次共振周波数
に相当する。また、ｆｓ０、ｆｓ１、ｆｓ２は、振動体
１０２の共振周波数であり、図３の（ｃ）、（ｄ）、
（ｅ）に示された、１次、２次、３次共振モードに相当
する。図６において、ｆｃ０、ｆｃ１、ｆｃ２はｆｓ０
と充分離れた位置にある。すなわち、梁全体の共振周波
数は振動体１０２の共振周波数と離れた位置にあり、互
いに影響し合うことないので非常に良好な結果が得られ
る構造であると言える。しかし、ｆｃ０、と ｆｓ０が
比較的近い周波数であった場合には、梁全体に高次の共
振周波数（例えばｆｃ４等）がｆｓ０と重なる場合が生
じ、振動体１０２の共振周波数を正確に検出することが
できなくなる。梁全体の共振には、高次の共振モードが
含まれることを考えると、使用する振動体１０２の共振
周波数と、梁全体の１次共振周波数は一桁以上離れてい
るのが安全で良好なセンサーを実現できる。

【００２７】なお、励振電極と受信電極を入れ替え、１
０３を受信部、１０５を励振部としても当然同様な効果
が得られる。

【００２８】（実施例３）以下、本発明の第３の実施例
について、図面を参照しながら説明する。

【００２９】図７、図８は、第３の実施例の振動体の構
造を示す。図３に示された振動体の構造は３次共振など
の高次共振が比較的生じ易い構造であったが、でき得れ
ば、単純な１次共振周波数のみが生じるような構造が望
まれる。図７、図８はそのような要求を満たす振動体構
造を示している。図７において、慣性体１００および支
持梁１０１は図１と同様に構成され、支持梁１０１の上
面に両端固定の状態で短冊上の平板１０６が設置され、
その上部に圧電素子１０７が接合されている。平板１０
６が絶縁体の場合は圧電素子１０７と平板１０６の間に
電極を設け、平板１０６が導電体の場合は平板１０６を
電極として、圧電素子の下面に一定電位が印加できるよ
うになっている。一方、圧電素子の上面は平板１０６の
両端を結ぶ線に対して左右に分割された、励振電極１０
８と受信電極１０９が設けられている。

【００３０】図８は、図７の振動体部分を拡大図示した
ものである。このような構造では、振動体の固定端から
固定端まで、励振電極１０８が連続しており、励振電極
に励振電圧を印加した際、振動体全体の伸び縮みによる
図８（Ｃ）に示した１次共振モードが一番生じ易く、２
次、３次共振のような振動体のある部分では伸び、ある
部分では縮む形態の共振モードは、強制振動によって生
じなくなる。すなわち、図７のセンサーについて、図６
と同様なデータをとると、共振周波数ｆｓ０のみが明確
にピークを示し、ｆｓ１，ｆｓ２のピークが消滅する。

【００３１】図８（ｃ）は両端固定梁の１次共振モード
を示している。これによると、両端が固定されているた
め、中央部のたわむ方向と端部に近い部分のたわむ方向
が逆方向になっていることがわかる。したがって、１次
共振モードの振動を使用した場合、受信電極１０９が梁
のどの部分でも同様な面積を有していた場合には、中央
部で発生する電荷と端部で発生する電荷が異符号である
ため、それらが相殺しあって、結果として出力電圧が低
下するという欠点が生じる。そこで本発明では、図８
（ａ）に示すように励振電極１０８を中央部で広く、端
部で狭くし、受信電極１０９はその逆で端部で広く、中
央部で狭く構成している。このように構成することによ
って受信電極に発生する電荷の異符号成分が減少し、受
信感度が上昇し、１次共振周波数でのピークを鋭く、高
いものとすることができる。

【００３２】なお、励振電極と受信電極を入れ替え、１
０８を受信電極、１０９を励振電極としても当然同様な
効果が得られる。

【００３３】

【発明の効果】以上のように本発明は、第１に、振動体
の全長ｌと、前記励振用圧電素子の長さａ及び前記受信
用圧電素子の長さｂとの間に、 ０．２ ≦ ａ／ｌ ＜ ０．５ 又は ０．２ ≦ ｂ／ｌ ＜ ０．５ の関係を有する構成にすることにより、高次モードの共
振のピークを低下あるいは消滅させ、振動体の低次モー
ドの共振周波数が明確にピークを示し、安定した共振モ
ードでの駆動が可能となる優れた力センサーを実現でき
るものである。

【００３４】また第２に、振動体の１次共振周波数が、
慣性体と支持梁の１次共振周波数の１０倍以上とした構
成により、梁全体の共振周波数の影響を受けることな
く、振動体を安定して共振させることができる優れた力
センサーを実現できるものである。

【００３５】さらに第３に、圧電素子の表面上に振動体
の長手方向と交差する方向で分割された一対の電極を設
けた構成により、振動体の１次共振周波数のみを生じさ
せることができるので、常に同一モードの１次共振にお
ける安定した駆動が可能であり、誤動作の少ない優れた
力センサーを実現できるものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例における力センサーの断
面図及び平面図

【図２】本発明の第１の実施例における加速度の測定例
を示す、加速度−周波数特性図

【図３】本発明の第１の実施例における振動体部の拡大
図と種々の振動モードを示す概略図

【図４】本発明の第１の実施例における周波数特性を示
すグラフ

【図５】本発明の第１の実施例に対する比較のための他
の構成の力センサーの構成図

【図６】本発明の第２の実施例における、周波数特性図

【図７】本発明の第３の実施例における、力センサーの
断面図及び平面図

【図８】本発明の第３の実施例における、振動体部拡大
図、及び振動モードの概略図

【図９】従来の力センサーの斜視図

【図１０】従来の力センサーの斜視図

【符号の説明】

１００ 慣性体 １０１ 支持梁 １０２ 振動体 １０３ 励振部 １０４ 伝搬部 １０５ 受信部 １０７ 圧電素子 １０８、１０９ 電極

フロントページの続き (72)発明者 青木 新一郎 神奈川県川崎市多摩区東三田３丁目10番 １号 松下技研株式会社内 (72)発明者 佐藤 健夫 神奈川県川崎市多摩区東三田３丁目10番 １号 松下技研株式会社内 (56)参考文献 特開 平３−103735（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−178667（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G01L 1/10 G01L 1/16 G01P 15/09 - 15/10 G01C 19/56 G01P 9/04

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 力学量の作用により移動可能な慣性体
   と、慣性体を支持する支持梁と、前記支持梁上に設けら
   れて両端を前記支持梁に固定された振動体と、前記振動
   体上に接合された圧電素子と、前記圧電素子の表面上に
   前記振動体の長手方向と交差する方向に分割された一対
   の電極とを具備し、前記一対の電極の一方は振動体を励
   振する励振用電極、他方は振動体の振動を受信する受信
   用電極であることを特徴とする力センサー。
2. 【請求項２】 圧電素子上に分割して設けられた一対の
   電極が、一方は振動体の中央部で広く固定端近傍で狭い
   形状であり、他方は振動体の中央部で狭く固定端近傍で
   広い形状であることを特徴とする請求項１記載の力セン
   サー。