JP4905925B2 - 加速度センサ - Google Patents

Description

本発明は、加速度センサに関するものである。

従来より、圧電材料の変位等を利用して加速度を検出する加速度センサが提案されている（例えば特許文献１参照）。図９（Ａ）は特許文献１に開示された加速度センサの構成を示す斜視図、図９（Ｂ）は図９（Ａ）の加速度センサのＩ−Ｉ線断面図である。加速度センサ１０００は、水晶等の圧電材料により形成された四角柱状の検出体１００１を備えており、検出体１００１の一端（図９（Ａ）では下端）が固定されている。図９（Ｂ）に示すように、検出体１００１の各外面には、それぞれ検出電極１００２〜１００５が形成されており、検出電極１００２と１００４とを接続し、また検出電極１００３と１００５とを接続して、検出端子１００６と１００７の電位差を取り出すようにしている。

図９（Ａ）、図９（Ｂ）に示した加速度センサ１０００に対して、図１０（Ａ）に示すように例えばＧの方向に加速度が加わると、この加速度と逆方向にＦ＝ｍａ（ｍは検出体１００１の質量、ａは加速度）の力が加わり、検出体１００１は図１０（Ａ）のように変形する。この検出体１００１の変形により、図１０（Ａ）のＩ−Ｉ線断面図である図１０（Ｂ）に示すように、検出体１００１の外面の各電極１００２〜１００５間には、矢印で示すような電界が圧電効果によって生じる。この電界は、検出端子１００６と１００７間の電位差として取り出すことができ、これにより加速度を検出することができる。

特開２００４−０８５２３７号公報

特許文献１に開示された従来の加速度センサでは、検出体１００１に加わる力Ｆは前述のとおりＦ＝ｍａで表されるが、水晶等の圧電材料の場合、質量ｍが小さく、また電気機械結合係数が小さいために、十分な検出感度が得られないという問題点があった。
また、従来の加速度センサでは、一定の加速度ａが継続して加わる状況の場合、検出体１００１に同一の力Ｆが継続して加わり、電荷の発生がなくなってしまうため、継続して加わる加速度ａを検出するためには積分回路等が必要になるという問題点があった。

本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、継続して加わる加速度も検出することができる高感度な加速度センサを提供することを目的とする。

本発明の加速度センサは、板状の基部と、この基部から第１の方向に延びるように形成された第１、第２の脚部と、前記基部から前記第１の方向と反対方向に延びるように形成された第３、第４の脚部と、前記第１の方向と直交する第２の方向の前記基部の両端部を固定する第１、第２の固定部と、前記第１、第２の脚部の間及び前記第３、第４の脚部の間の中間線を通り前記第１の方向と平行かつ前記第２の方向に対して垂直な平面に対して、前記第１、第２の脚部を対称に励振振動させると同時に前記第３、第４の脚部を対称に励振振動させ、さらに前記第１、第２の脚部と前記第３、第４の脚部とを逆位相で励振振動させる励振手段と、前記第１、第２の方向と直交する第３の方向に沿った前記第１、第２、第３、第４の脚部の屈曲振動による電圧信号を取り出して、前記第３の方向から加わった加速度を前記電圧信号に基づいて検出する検出手段とを有し、前記励振手段は、前記第１、第２の脚部の間及び前記第３、第４の脚部の間の前記基部を前記第３の方向に沿って貫通するように形成されたスリットと、前記第１、第２の脚部の間及び前記第３、第４の脚部の間の前記基部の側面に形成された第１、第２の励振電極と、前記スリットによってできた前記基部の内壁に形成された第３の励振電極と、前記第１、第２、第３の励振電極に電圧を印加し、前記第１、第３の励振電極に挟まれた方の前記基部のうち、前記中間線から前記第１の脚部側にある第１の箇所と前記中間線から前記第２の脚部側にある第２の箇所とを、前記中間線を通る平面に対して対称に屈曲振動させると同時に、前記第２、第３の励振電極に挟まれた方の前記基部のうち、前記中間線から前記第３の脚部側にある第３の箇所と前記中間線から前記第４の脚部側にある第４の箇所とを、前記中間線を通る平面に対して対称に屈曲振動させ、さらに前記第１、第２の箇所と前記第３、第４の箇所とを逆位相で屈曲振動させる励振回路とからなり、前記検出手段は、前記第１、第２、第３、第４の脚部に形成され、前記第３の方向に沿った前記第１、第２、第３、第４の脚部の屈曲振動による電圧信号を取り出す第１、第２、第３、第４の検出電極と、前記励振手段による前記第１、第２、第３、第４の脚部の励振振動と前記加速度による力とに応じて発生した前記第１、第２、第３、第４の脚部の屈曲振動による前記電圧信号を前記第１、第２、第３、第４の検出電極から受けて、この電圧信号を基に前記加速度を検出する検出回路とからなるものである。
また、本発明の加速度センサの１構成例は、前記基部と反対側の前記第１、第２、第３、第４の脚部の端部にそれぞれ重りを設けたことを特徴とするものである。

本発明によれば、基部から第１の方向に延びるように形成された第１、第２の脚部と、基部から第１の方向と反対方向に延びるように形成された第３、第４の脚部とを設け、励振手段により第１、第２の脚部の間及び第３、第４の脚部の間の中間線を通り第１の方向と平行かつ第２の方向に対して垂直な平面に対して、第１、第２の脚部を対称に励振振動させると同時に第３、第４の脚部を対称に励振振動させ、さらに第１、第２の脚部と第３、第４の脚部とを逆位相で励振振動させて、検出手段が第１、第２の方向と直交する第３の方向に沿った第１、第２、第３、第４の脚部の屈曲振動による電圧信号を取り出すことにより、第３の方向から加わった加速度を検出することができる。本発明では、第１、第２、第３、第４の脚部の励振振動と加速度に応じた第３の方向の振動とを結合させることにより、従来の加速度センサに比べて高い検出感度を実現することができる。また、本発明では、加速度が第３の方向に沿って継続して加わる場合、第１、第２、第３、第４の脚部の第３の方向の振動が継続して発生するため、加速度に応じた電圧信号を取り出すことができ、継続して加わる加速度を検出することができる。

また、本発明では、基部と反対側の第１、第２、第３、第４の脚部の端部にそれぞれ重りを設けることにより、第１、第２、第３、第４の脚部の励振振動の振幅を増大させることができ、また第１、第２、第３、第４の脚部の質量が増加するので、加速度の検出感度を更に向上させることができる。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。図１は本発明の実施の形態に係る加速度センサの構成を示す平面図、図２は図１の加速度センサの斜視図、図３（Ａ）は図１の加速度センサのＡ−Ａ線断面図、図３（Ｂ）は図１の加速度センサのＢ−Ｂ線断面図、図３（Ｃ）は図１の加速度センサのＣ−Ｃ線断面図である。

加速度センサ１は、板状の基部２と、基部２から互いに平行に第１の方向（図１では上方向）に延びるように形成された第１、第２の脚部３，４と、基部２から互いに平行に前記第１の方向と反対方向（図１では下方向）に延びるように形成された第３、第４の脚部５，６と、脚部３と４の間及び脚部５と６の間の基部２を貫通するように形成されたスリット７と、前記第１の方向と直交する第２の方向（図１では左右方向）の基部２の両端部を固定する第１、第２の固定部８，９と、脚部３，４，５，６の各々の先端に設けられた重り１０，１１，１２，１３とを備えている。なお、図１〜図３では、前記第２の方向と平行な方向をＸ軸方向、前記第１の方向と平行な方向をＹ軸方向、ＸＹ平面と直交する第３の方向をＺ軸方向としている。

基部２と脚部３〜６と固定部８，９と重り１０〜１３とは、例えば厚さ数ｍｍ程度の水晶等の圧電材料により一体成形されている。このような加速度センサ１を製造するには、水晶板を例えばエッチングなどにより加工すればよい。各脚部３〜６の幅（Ｘ軸方向の寸法）と長さ（Ｙ軸方向の寸法）は、それぞれ数ｍｍ程度に形成されていればよい。脚部３及び重り１０の質量と脚部４及び重り１１の質量とは等しいことが好ましく、同様に脚部５及び重り１２の質量と脚部６及び重り１３の質量とは等しいことが好ましい。
固定部８，９は、例えば図示しない基台上に搭載される。これにより、基部２と脚部３〜６と重り１０〜１３とが基台から浮くようにして加速度センサ１が基台に固定される。

図３（Ａ）に示すように、基部２の側面には前記第２の方向に沿って励振電極１０１，１０２が形成され、さらにスリット７によってできた基部２の内側の壁面には励振電極１０３が形成されている。また、図３（Ｂ）に示すように、脚部３の側面には前記第１の方向に沿って検出電極１０４，１０５が形成され、脚部４の側面には前記第１の方向に沿って検出電極１０６，１０７が形成されている。また、図３（Ｃ）に示すように、脚部５の側面には前記第１の方向に沿って検出電極１０８，１０９が形成され、脚部６の側面には前記第１の方向に沿って検出電極１１０，１１１が形成されている。

図４は加速度センサ１の各電極の接続関係を示す回路図である。基部２の励振電極１０３は励振回路２００の第１の出力端子Ｄ１に接続されている。また、基部２の励振電極１０１と１０２とが接続され、これらの励振電極１０１，１０２が励振回路２００の第２の出力端子Ｄ２に接続されている。脚部３の検出電極１０４と脚部４の検出電極１０６と脚部５の検出電極１０８と脚部６の検出電極１１０とが接続され、これらの検出電極１０４，１０６，１０８，１１０が検出回路２０１の第１の入力端子Ｐ１に接続されている。また、脚部３の検出電極１０５と脚部４の検出電極１０７と脚部５の検出電極１０９と脚部６の検出電極１１１とが接続され、これらの検出電極１０５，１０７，１０９，１１１が検出回路２０１の第２の入力端子Ｐ２に接続されている。

次に、本実施の形態の加速度センサ１の動作を説明する。励振回路２００は、出力端子Ｄ１とＤ２の間に例えば正弦波状の交流電圧（励振信号）を印加する。このため、あるときは基部２に図５の矢印で示すような電界が発生し、次には図５の矢印と逆方向の電界が発生する。これにより、基部２は、Ｘ軸方向に沿って屈曲変位を繰り返す屈曲振動を行う。

図６（Ａ）は基部２の屈曲振動とこの屈曲振動による脚部３〜６及び重り１０〜１３の励振振動を模式的に示す平面図、図６（Ｂ）は図６（Ａ）の基部２を拡大した図である。図６（Ａ）、図６（Ｂ）に示すように、励振電極１０１と１０３に挟まれた方の基部２のうち、脚部３と４の間及び脚部５と６の間の中間線Ｌから脚部３側にある第１の箇所２ａと中間線Ｌから脚部４側にある第２の箇所２ｂとが、中間線Ｌを通り前記第１の方向と平行かつ前記第２の方向に対して垂直なＹＺ平面に対して対称に屈曲振動すると同時に、励振電極１０３と１０２に挟まれた方の基部２のうち、中間線Ｌから脚部５側にある第３の箇所２ｃと中間線Ｌから脚部６側にある第４の箇所２ｄとが、中間線Ｌを通るＹＺ平面に対して対称に屈曲振動する。さらに、箇所２ａ，２ｂと箇所２ｃ，２ｄとは、逆位相で屈曲振動する。

すなわち、第１の箇所２ａが左方向に伸びて第２の箇所２ｂが右方向に伸びると同時に、第３の箇所２ｃが右方向に縮んで第４の箇所２ｄが左方向に縮み、次には第１の箇所２ａが右方向に戻って第２の箇所２ｂが左方向に戻ると同時に、第３の箇所２ｃが左方向に戻って第４の箇所２ｄが右方向に戻るという動作を繰り返す。

このような基部２の屈曲振動により、脚部３〜６及び重り１０〜１３は、図６（Ａ）の破線で示すようにＸ軸方向に沿って励振振動する。このとき、脚部３及び重り１０と、脚部４及び重り１１とは、中間線Ｌを通るＹＺ平面に対して対称に振動すると同時に、脚部５及び重り１２と、脚部６及び重り１３とは、中間線Ｌを通るＹＺ平面に対して対称に振動する。さらに、脚部３，４と脚部５，６とは、逆位相で振動する。すなわち、脚部３及び重り１０が左方向に動いて脚部４及び重り１１が右方向に動くと同時に、脚部５及び重り１２が右方向に動いて脚部６及び重り１３が左方向に動き、次には脚部３及び重り１０が右方向に戻って脚部４及び重り１１が左方向に戻ると同時に、脚部５及び重り１２が左方向に戻って脚部６及び重り１３が右方向に戻るという動作を繰り返す。

このように、脚部３〜６が励振振動している状態で、加速度センサ１の厚み方向に沿って加速度が加わると、加速度センサ１には加速度と反対方向に慣性による力Ｆ＝ｍａ（ｍは加速度センサ１の質量、ａは加速度）が加わる。図７（Ａ）は加速度センサ１に加速度Ｇが加わったときの脚部３〜６と重り１０〜１３の動きを模式的に示す斜視図、図７（Ｂ）は図７（Ａ）の加速度センサ１をＰ側から見た側面図、図７（Ｃ）は図７（Ａ）の加速度センサ１をＱ側から見た側面図である。

図７（Ａ）〜図７（Ｃ）の例では、Ｚ軸方向に沿って上向きに加速度Ｇが加わった場合を示している。この場合、前述のとおり加速度Ｇと反対方向、すなわちＺ軸方向に沿って下向きの力Ｆが加速度センサ１に加わる。脚部３〜６及び重り１０〜１３はＸ軸方向に沿って励振振動しており、脚部３〜６及び重り１０〜１３の重心はＸ軸方向に沿って変位している。このため、脚部３〜６及び重り１０〜１３には、この重心の変位と慣性による力Ｆにより、図７（Ｂ）、図７（Ｃ）に示すようにねじれ現象が生じ、励振によるＸ軸方向成分に加えて、ねじれ現象によるＺ軸方向成分を持った屈曲振動が発生する。

このＺ軸方向成分を持った屈曲振動により、脚部３の検出電極１０４と１０５間、脚部４の検出電極１０６と１０７間、脚部５の検出電極１０８と１０９間、及び脚部６の検出電極１１０と１１１間には、図８の矢印で示すような電界または図８の矢印と逆方向の電界が圧電効果によって生じる。この電界は、検出回路２０１の入力端子Ｐ１とＰ２間の電圧信号として取り出すことができる。この電圧信号は加速度Ｇに応じた大きさを持つ。よって、検出回路２０１は、電圧信号の大きさによってＺ軸方向へ作用する加速度Ｇの大きさを検出することができる。また、検出回路２０１は、電圧信号の位相と励振回路２００が出力する励振信号の位相とを比較することにより、加速度Ｇの方向を検出することができる。

以上のように、本実施の形態では、脚部３〜６及び重り１０〜１３のＸ軸方向の励振振動と加速度に応じたＺ軸方向の振動とを結合させることにより、特許文献１に開示された従来の加速度センサに比べて高い検出感度を実現することができる。本実施の形態の加速度センサ１を設計する際に、Ｘ軸方向の励振振動の周波数と加速度に応じたＺ軸方向の振動の周波数との比である離調度を例えば１〜３％程度に設計すれば、励振振動と加速度に応じた振動とを容易に結合させることができ、高い検出感度を得ることができる。

また、本実施の形態では、加速度がＺ軸方向に沿って継続して加わる場合、脚部３〜６及び重り１０〜１３のＺ軸方向の振動が継続して発生するため、加速度に応じた電圧信号を検出電極１０４〜１１１から取り出すことができ、継続して加わる加速度を検出することができる。

なお、本実施の形態では、脚部３〜６の先端に重り１０〜１３を設けている。重り１０〜１３を設けることで、脚部３〜６の励振振動の振幅を増大させることができ、また脚部３〜６の質量が増加するので、加速度の検出感度を向上させることができるが、重り１０〜１３は本発明の必須要件ではない。
また、本実施の形態では、加速度センサの圧電材料として水晶を例に挙げて説明したが、これに限るものではなく、圧電セラミックスなどの他の圧電材料を用いるようにしてもよい。

本発明は、加速度センサに適用することができる。

本発明の実施の形態に係る加速度センサの構成を示す平面図である。 本発明の実施の形態に係る加速度センサの構成を示す斜視図である。 本発明の実施の形態に係る加速度センサの構成を示す断面図である。 本発明の実施の形態に係る加速度センサの各電極の接続関係を示す回路図である。 本発明の実施の形態において励振回路からの電圧印加により基部に生じる電界を示す断面図である。 本発明の実施の形態において基部の屈曲振動とこの屈曲振動による脚部及び重りの励振振動を模式的に示す平面図及び拡大図である。 本発明の実施の形態において加速度が加わったときの脚部と重りの動きを模式的に示す斜視図及び側面図である。 本発明の実施の形態において加速度が加わったときに脚部に生じる電界を示す断面図である。 従来の加速度センサの構成を示す斜視図及び断面図である。 図９の加速度センサに加速度が加わったときの動作を説明するための図である。

符号の説明

１…加速度センサ、２…基部、３〜６…脚部、７…スリット、８，９…固定部、１０〜１３…重り、１０１〜１０３…励振電極、１０４〜１１１…検出電極、２００…励振回路、２０１…検出回路。

Claims (2)

1. 板状の基部と、
   この基部から第１の方向に延びるように形成された第１、第２の脚部と、
   前記基部から前記第１の方向と反対方向に延びるように形成された第３、第４の脚部と、
   前記第１の方向と直交する第２の方向の前記基部の両端部を固定する第１、第２の固定部と、
   前記第１、第２の脚部の間及び前記第３、第４の脚部の間の中間線を通り前記第１の方向と平行かつ前記第２の方向に対して垂直な平面に対して、前記第１、第２の脚部を対称に励振振動させると同時に前記第３、第４の脚部を対称に励振振動させ、さらに前記第１、第２の脚部と前記第３、第４の脚部とを逆位相で励振振動させる励振手段と、
   前記第１、第２の方向と直交する第３の方向に沿った前記第１、第２、第３、第４の脚部の屈曲振動による電圧信号を取り出して、前記第３の方向から加わった加速度を前記電圧信号に基づいて検出する検出手段とを有し、
   前記励振手段は、
   前記第１、第２の脚部の間及び前記第３、第４の脚部の間の前記基部を前記第３の方向に沿って貫通するように形成されたスリットと、
   前記第１、第２の脚部の間及び前記第３、第４の脚部の間の前記基部の側面に形成された第１、第２の励振電極と、
   前記スリットによってできた前記基部の内壁に形成された第３の励振電極と、
   前記第１、第２、第３の励振電極に電圧を印加し、前記第１、第３の励振電極に挟まれた方の前記基部のうち、前記中間線から前記第１の脚部側にある第１の箇所と前記中間線から前記第２の脚部側にある第２の箇所とを、前記中間線を通る平面に対して対称に屈曲振動させると同時に、前記第２、第３の励振電極に挟まれた方の前記基部のうち、前記中間線から前記第３の脚部側にある第３の箇所と前記中間線から前記第４の脚部側にある第４の箇所とを、前記中間線を通る平面に対して対称に屈曲振動させ、さらに前記第１、第２の箇所と前記第３、第４の箇所とを逆位相で屈曲振動させる励振回路とからなり、
   前記検出手段は、
   前記第１、第２、第３、第４の脚部に形成され、前記第３の方向に沿った前記第１、第２、第３、第４の脚部の屈曲振動による電圧信号を取り出す第１、第２、第３、第４の検出電極と、
   前記励振手段による前記第１、第２、第３、第４の脚部の励振振動と前記加速度による力とに応じて発生した前記第１、第２、第３、第４の脚部の屈曲振動による前記電圧信号を前記第１、第２、第３、第４の検出電極から受けて、この電圧信号を基に前記加速度を検出する検出回路とからなることを特徴とする加速度センサ。
2. 請求項１記載の加速度センサにおいて、
   前記基部と反対側の前記第１、第２、第３、第４の脚部の端部にそれぞれ重りを設けたことを特徴とする加速度センサ。

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