JP5003161B2 - 加速度検知ユニット - Google Patents
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図7に示すように矢印方向から加速度αが印加されると、印加された方向に重り部160が偏位し、片持梁部161は撓む。片持梁部161に設けたゲージ抵抗170、171は各々引っ張り応力を受け、この応力に応じて抵抗値が変化し、ブリッジ回路の出力端から加わった加速度の大きさに応じた出力電圧が得られると開示されている。
支柱202を介して双音叉水晶振動子210に応力が加えられた場合の応力と周波数変化との関係は、図9に示すように略直線となる。双音叉水晶振動子に応力が加えられないときの双音叉水晶振動子の共振周波数をf0とし、双音叉水晶振動子に伸張応力が加わると共振周波数はf0より高くなり、圧縮応力が加わると共振周波数はf0より減少し、印加応力と共振周波数との関係は略直線となると開示されている。
本発明は上述した従来の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、微細な加速度も検出できる高感度、高安定性で、しかも温度特性のよい加速度検知ユニットを提供することにある。
このように加速度検知ユニットを構成することにより、重量のある可動部材が梁により容易に撓み、変換された応力(加速度×質量)を応力感応素子に印加できるので、応答速度が速く、感度の良好な加速度検知ユニットを構成することができるという利点がある。
このように機能部材を構成することにより、第2の可動部材の重みで梁が容易に撓み、梃子の原理で増幅された力が応力感応素子に印加されるので、感度が向上するという利点がある。
このように機能部材を構成することにより、第2の可動部材の重みで梁が容易に撓み、梃子の原理で増幅された力が応力感応素子に印加されるので、感度が改善されるという利点がある。
このように第1の可動部材を構成することにより、第1可動部材の重心位置が梁の支点の位置にくるので、第2の可動部材に加わる力(X軸方向)を支点を中心としたモーメントに変換でき、感度を改善すると共に、梁の形状と相まって他軸(Y、Z)への影響を除くことができる。
このように機能部材を構成することにより、第1及び第2の可動部材の重心位置が梁の支点の垂直線上にくるので、第2の可動部材に加わる力(X軸方向)を支点を中心としたモーメントに変換でき、感度を改善すると共に、梁の形状と相まって他軸(Y、Z)への影響を除くことができる。
このように可動部材を構成することにより、支点を中心としたモーメント力を大きくすることが可能であり、感度が改善できるという利点がある。
このように第2の可動部材を構成することにより、第2の可動部材の重心位置が支点の垂直延長上に在るようにし、且つ可動部材の質量を適宜設定することができるという利点がある。
このように梁の形状を構成することにより、梁と直交する方向には撓むが、梁方向に撓むことは無く、所定方向の加速度を精度よく測定できるという効果がある。
このように応力感応素子に圧電振動素子を用いることにより、応答速度、応力感度、再現性等が向上すると共に、温度特性が改善されるという効果がある。
このように応力感応素子に双音叉型圧電振動素子を用いることにより、双音叉型圧電振動素子を接着、固定する際の感度への影響が減少し、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。
可動部材10は、梁20を介して固定部材2によって凹部内が支持される略コ字状(凹形状)の第1の可動部材11と、第1の可動部材11に固定された第2の可動部材12と、を備えている。
梁20は、可動部材10に加速度が印加され、応力感応素子30に伸張・圧縮応力(加速度×質量)が加わる場合に可動部材10を加速度の印加方向へ変位させるように構成されている。
なお、固定部材2、可動部材10、梁20は真鍮、アルミニウム、リン青銅等の金属材料を機械加工して構成されている。
その後、第2の可動部材12を第1の可動部材11の外側面(凹形状を形成する並行する張出し板のうち一方の板の外側面)に固定する。
応力感応素子30については第1の固定部材11と第2の固定部材12とを固定する工程の前または後に第1の可動部材11の他方の外側面に搭載する。
このように第1の可動部材11を平衡状態が保たれるように固定することで、加速度を検知する際に第1の可動部材11の存在を無視することが可能となるので加速度検知ユニット1の加速度検知感度能力等の特性を第2の可動部材12に依存させることができる。
従って、可動部材10を第1の可動部材11と第2の可動部材12との複数のユニットで構成したので加速度検知ユニット1の加速度検知感度能力等の特性を調整する場合は第2の可動部材12の質量、形状等の変更により容易に行える。
その為、加速度が変化しても第1の可動部材11の支点21を境にした平衡状態は崩れることなく保たれる。
従って、加速度変化に対して第1の可動部材11は大きな検知能力を発生させるものではないのでその存在を無視して扱うことができる。
即ち、第2の可動部材12の重心GがX軸方向の矢印方向側にずれている場合、第2の可動部材12はX軸方向により大型化した形状となってしまう。
また、第2の可動部材12の重心GがX軸方向の矢印方向側へずれており且つZ軸方向へもずれた位置に存在する場合(XZ面内)、支点21から重心G間での距離のZ軸ベクトル成分(加速度の方向と直交する部分)の長さは重心線がZ軸と平行した適正状態の支点21から重心G間での長さよりも短いので可動部10に発生するトルクは小さくなってしまう。
また、梁20の奥行き方向(Y軸方向)寸法は、可動部材10が加速度の印加方向と直交する方向に変形することがないように構成すればよく、梁20の奥行き方向(Y軸方向)の寸法を梁20の幅方向(Z軸方向)の寸法よりも長くした構成を有していれば例えば可動部材10の奥行き方向(Y軸方向)全長と同等か、該奥行き方向全長よりも短いか、或いは該奥行き方向よりも長い場合のいずれでもよい。
また、図1の実施例では第2の可動部材12の底面が平坦な場合を示したが、第2の可動部材12の横幅(X軸方向)が図中Z軸方向に対して漸増、或いは漸減する形状としてもよい。
図2に示す加速度検知ユニット1の要部の側面図を用いて、その利点を説明する。即ち、加速度検知ユニット1に加速度が加わり、第2の可動部材12に応力(=加速度×質量)が印加される場合、その重心Gに応力F1が作用すると考えてよい。梁20の撓む中心を支点21とし、支点21から重心Gまでの長さをL、支点21から応力感応素子30までの長さをMとする。可動部材12にF1の力が印加されると、応力感応素子30には(L/M)F1の力が作用することになり、その力は各腕の長さの比(L/M)だけ力が増幅されることになる。即ち、加速度により生じる応力F1を増幅して応力感応素子30に加え、応力感応素子30の感度を増すことが可能となる点である。
本実施形態では、応力感応素子として2つの固定端31の間に固定端31と連結するように応力感応部である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。
なお、このような連結片を用いて第1と第2の可動部材を連結する構成は、図3の実施形態にも適用することができる。
Claims (10)
- 加速度の印加によって変位しない固定部材と、可動部材と、該固定部材と該可動部材とを連結する梁と、応力感応部と該応力感応部を挟むように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、を備え、前記固定部材と前記可動部材とによって前記応力感応素子の両固定端を支持した構成を有し、
前記可動部材は、前記梁を介して該固定部材によって凹部内が支持される略コ字状の第1の可動部材と、前記第1の可動部材に固定された第2の可動部材と、を備え、
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に屈曲可能な可撓性を有する構成であることを特徴とする加速度検知ユニット。 - 前記固定部材は、前記応力感応素子の一方の固定端を支持する素子支持部と、該素子支持部から側方へ張出し形成され前記梁を備えた張出し部と、を備え、
前記梁は、前記第1の可動部材の開口内部に非接触嵌合された前記張出し部の先端と、前記第1の可動部材の縦片の内側面との間を連結した構成を特徴とする請求項1に記載の加速度検知ユニット。 - 前記固定部材は、前記応力感応素子の一方の固定端を支持する素子支持部と、該素子支持部から側方へ張出し形成され前記梁を備えた張出し部と、を備え、
前記梁は、前記第1の可動部材の開口内部に非接触嵌合された前記張出し部の上面と、前記第1の可動部材の上側片の内側面とを連結した構成を特徴とする請求項1に記載の加速度検知ユニット。 - 前記第1の可動部材の下側片の長さを上側片よりも長くし、且つ上側片を厚くすることによって下側片との重量バランスを確保した構成を特徴とする請求項3に係る加速度検知ユニット。
- 前記梁は、その変形部が前記第1の可動部材と前記第2の可動部材の重心を結ぶ線上に位置するように配置されていることを特徴とする請求項1乃至4の何れか一項に記載の加速度検知ユニット。
- 前記第2の可動部材と前記第1の可動部材とは細幅の連結片を介して連結されていることを特徴とする請求項1乃至5の何れか一項に記載の加速度検知ユニット。
- 前記第2の可動部材の底面は、平坦であるか、或いは加速度の印加方向略中央部から上方へ幅が漸増する形状か、或いは下方へ漸増する形状を有していることを特徴とする請求項1乃至6の何れか一項に記載の加速度検知ユニット。
- 前記梁は、前記加速度の印加方向と直交する奥行き方向への前記第1の可動部材の変位を阻止する形状を有していることを特徴とする請求項1乃至7の何れか一項に記載の加速度検知ユニット。
- 前記応力感応素子は、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、該圧電基板の振動領域上に形成した励振電極と、を備えていることを特徴とする請求項1乃至8の何れか一項に記載の加速度検知ユニット。
- 前記応力感応素子は、両端部に位置する固定端、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9の何れか一項に記載の加速度検知ユニット。
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