JP5341807B2 - 加速度センサ - Google Patents
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Description
前記第1および第2の圧電屈曲共振子は、積層された前記第1の電極、前記第lの圧電膜、および前記第2の電極を有する互いに長さの異なる複数の振動梁を持ち、前記複数の振動梁は同一の共振周波数で前記第1の圧電膜面と垂直方向に屈曲共振運動を行い、前記複数の振動梁のうちl本の振動梁の屈曲共振運動は他の振動梁に対して逆相の位相を持つことを特徴とする。
をさらに有し、前記フィードバック回路は、前記第1および第2の圧電屈曲共振子の共振周波数の差を測定し、前記共振周波数の差が一定になるように電圧を前記重錘駆動機構に印加し、且つ、前記第1および第2の圧電屈曲共振子の共振周波数の平均と前記第3の圧電屈曲共振子の共振周波数の差を測定し、前記共振周波数の差が一定になるように電圧を前記重錘駆動機構に印加することを特徴とする。
まず、本発明にかかる加速度センサが有する圧電屈曲共振子についてはじめに説明する。図1は、本発明の第1の実施例に係る加速度センサ10(図4に示す)を構成する圧電屈曲共振子11の上面図、図2はそのA-A側断面図、図3はその屈曲変形を模式的に示す側断面図である。なお、圧電屈曲共振子11の延伸方向をX方向、圧電屈曲振動子が設けられた基板面内でX方向と垂直な方向をY方向、基板面に垂直な方向をZ方向とする。
本発明の第1の実施例に係る加速度を検出する加速度センサ10を構成する圧電屈曲共振子11、12は、圧電膜面(以下、膜面と称する)と垂直方向に屈曲振動が可能な1脚の振動梁を持つ圧電屈曲共振子である。これに対して第1の実施例の第1の変形例においては、膜面と垂直方向に屈曲振動が可能な2脚の振動梁を持つ圧電屈曲共振子を使用した。圧電屈曲共振子以外の加速度センサ全体の構成は、第1の実施例と同様であるので、全体の詳細は省略する。なお、前述したように、この様な形式の屈曲共振子は、双音叉ないしはDETFと呼ばれることがある。
本発明の第1の実施例に係る加速度を検出する加速度センサ10を構成する圧電屈曲共振子11は、膜面と垂直方向に屈曲振動が可能な1脚の振動梁を持つ圧電屈曲共振子である。これに対して第1の実施例の第2の変形例においては、膜と垂直方向に屈曲振動が可能な3脚の振動梁を持つ圧電屈曲共振子を使用した。圧電屈曲共振子以外の加速度センサ全体の構成は、第1の実施例と同様であるので、全体の詳細は省略する。
本発明の第1の実施例に係る加速度を検出する加速度センサ10を構成する圧電屈曲共振子201を構成する上部、中間、下部電極2、4、6は、図1に示したように、振動梁201Aの第1の部分201’および第3の部分201’’’において全面に形成されている。第2の部分201’’においては、第1の部分201’と第3の部分201’’’の電極を連絡する配線として細く形成されている。これに対して第1の実施例の第3の変形例においては、上部、中間、下部電極2、4、6が、第2の部分201’’において全面に形成されている。圧電屈曲共振子以外の加速度センサ全体の構成は、第1の実施例と同様であるので、全体の詳細は省略する。
本発明の第1の実施例に係る加速度を検出する加速度センサ10を構成する圧電屈曲共振子211を構成する上部、中部、下部電極2、4、6は、図1に示したように、振動梁211Aの第1の部分211’および第3の部分211’’’において全面に形成されている。第2の部分211’’においては、第1の部分211’と第3の部分211’’’の電極を連絡する配線として細く形成されている。これに対して第1の実施例の第4の変形例においては、上部、中部、下部電極2、4、6が、第1ないし第3の部分211’、 211’’、 211’’’においてほぼ全面に形成されており、第1と第3の部分211’、 211’’’と、第2の部分211’’は上部、中部、下部電極2、4、6は電圧が逆相に接続されている。圧電屈曲共振子以外の加速度センサ全体の構成は、第1の実施例と同様であるので、全体の詳細は省略する。
第1の部分211’と第3の部分211’’’において、上部電極2、下部電極6と中間電極4の間に正の電圧が印加され、第2の部分201’’において、上部電極2、下部電極6と中間電極4の間に負の電圧が印加されたとき、図43の変形図の実線で示すように、振動梁211Aは、第1の部分211’と第3の部分211’’’において下(−Z方向)に凸に、第2の部分201’’において上(+Z方向)に凸に変形し、全体として+Z方向に屈曲する。したがって、上部電極2、下部電極6と中間電極4の間に交番電圧が印加されれば振動を生じる。
本発明の第1の実施例に係る加速度を検出する加速度センサ10においては、2個の圧電屈曲共振子11および12は、支持梁9と平行に、かつ支持梁9の中心軸に対して軸対称に設置されている。これに対して第1の実施例の第5の変形例においては、2個の圧電屈曲共振子は、支持梁9と垂直に、かつ支持梁9の中心軸に対して軸対称に設置されている。圧電屈曲共振子の構造は第1の実施例と同様であるので、詳細は省略する。
本発明の第1の実施例に係る加速度を検出する加速度センサ10においては、2個の圧電屈曲共振子11および12は、支持梁9と平行に、かつ支持梁9の中心軸に対して軸対称に設置されている。また、第1の実施例の第5の変形例においては、2個の圧電屈曲共振子は、支持梁9と垂直に、かつ支持梁9の中心軸に対して軸対称に設置されている。
第1の実施例においては、圧電屈曲共振子の延伸方向(X方向)に対して、加速度の検出方向は膜面内で圧電屈曲共振子の延伸方向に垂直な方向(Y方向)である加速度センサであった。本実施例においては、圧電膜面内で圧電屈曲共振子の延伸方向に垂直な方向(Y方向)と圧電膜面と垂直な方向(Z方向)の2軸の加速度を検出する加速度センサである。
本発明の第2の実施例においては、圧電屈曲共振子の延伸方向(X方向)に対して、膜面と垂直な方向(Z方向)および膜面内で圧電屈曲共振子の延伸方向に垂直な方向(Y方向)の2軸の加速度の検出方向を持つ加速度センサであった。本発明の第3の実施例に係る加速度センサは、X、Y、Zの3軸すべての加速度を検出する加速度センサである。
本発明の第3の実施例においては、X、Y、Zの3軸すべての加速度を検出する加速度センサであった。本発明の第4の実施例に係る加速度センサは、X、Y、Zの3軸の加速度を検出に加え、X、Y、Zの3軸回りの角加速度(回転加速度)を検出する加速度センサである。
本発明の第5の実施例に係る加速度を検出する加速度センサは、加速度を検出する加速度センサ本体は第2の実施例と全く同様であるが、加速度を検出する加速度センサ本体の周囲がストッパにより囲まれ、加速度を検出する加速度センサ本体の上部に上部間隙を介してリッドが形成され、加速度を検出する加速度センサ本体が封止されているところが異なる。
第1ないし第5の実施例における加速度センサに使用した圧電屈曲共振子は、例えば図2に示したように、上部電極2、上部圧電膜3、中間電極4、下部圧電膜5、下部電極6の5層からなる、いわゆる対称バイモルフ構造を持つ。対称バイモルフ構造の共振子においては、例えば上部圧電膜3が縮小して下部圧電膜5が伸張することにより屈曲が生じるので、もっとも能率が良い屈曲共振構造である。
一般に両端を支持された圧電屈曲共振子の共振周波数は、ハードスプリング効果により、振幅が増大すると共振周波数もわずかに上昇する。したがって、ごく精密に共振周波数を測定する際には、振幅を一定に制御する必要がある。
第7の実施例では、振動梁の第1の部分に励振機構を備え、第3の部分に振幅モニタ機構を備えることを特徴とする、一定振幅圧電屈曲共振子について説明した。
第7の実施例および第7の実施例の第1の変形例においては、1本のみの振動梁を持つ圧電屈曲共振子についても適用可能な、一定振幅圧電屈曲共振子について説明した。
第1ないし第7の実施例で説明した加速度センサにおいては、重錘に加わる慣性力を、圧電屈曲共振子の共振周波数の変化として測定するものであった。
第8の実施例で示した力フィードバック方式の加速度センサにおいては、支持梁および圧電屈曲共振子の外側に、重錘駆動機構を付加した加速度センサである。本実施例においては、測定用の圧電屈曲共振子の一部に重錘駆動機構を組み込んだことを特徴とする。
第8および第9の実施例においては、1軸検出用の力フィードバック方式加速度センサの例を示した。第10の実施例においては、第2の実施例で述べた、2軸検出用の加速度センサ40に力フィードバック方式を適用した例について説明する。
第10の実施例で示した力フィードバック方式の2軸加速度センサにおいては、支持梁および圧電屈曲共振子の外側に、重錘駆動機構を付加した加速度センサである。本実施例においては、測定用の圧電屈曲共振子の一部に重錘駆動機構を組み込んだことを特徴とする。
3・・・上部圧電膜
4・・・中間電極
5・・・下部圧電膜
6・・・下部電極
7・・・保持部
8・・・重錘
9・・・支持梁
10・40・・・加速度センサ
11・21・31・41・・・第1の圧電屈曲共振子
11A、21A、31A・・・振動梁
11D・21D、31D・・・第1の支持端
11E・21E、31E・・・第2の支持端
12・42・・・第2の圧電屈曲共振子
15・・・接続部
16・・・第1の犠牲層
17・・・第2の犠牲層
21A・31A・・・第1の振動梁
21B・31B・・・第2の振動梁
31C・・・第3の振動梁
43・・・参照用圧電屈曲共振子
11’ ・21’ 、31’・・・第1の部分
11’ ’ ・21’ 、31’・・・第2の部分
11’ ’ ’ ・21’ ’ ’、31’ ’ ’・・・第3の部分
201・・・発信回路
301・・・周波数カウンタ
302・・・比較手段
303・・・算出手段
Claims (9)
- 基板と、
前記基板上に形成された保持部と、
一端を前記保持部に接続され、前記基板と空間を隔てて延在する支持梁と、
前記支持梁の他端に接続され、前記基板と空間を隔てて保持される重錘と、
一端を前記保持部に接続され、他端を前記重錘又は前記支持梁に接続され、積層された第lの電極、第1の圧電膜、および第2の電極を有し、前記支持梁の両側に延在し、前記圧電膜と垂直方向に屈曲共振運動を行う、第1および第2の圧電屈曲共振子と、
前記第lおよび第2の圧電屈曲共振子の共振周波数の差を測定する比較手段と、前記共振周波数の差から前記基板面内の前記支持梁の延在方向と垂直な方向の加速度を算出する算出手段とを備える加速度センサであって、
前記第1および第2の圧電屈曲共振子は、積層された前記第1の電極、前記第lの圧電膜、および前記第2の電極を有する互いに長さの異なる複数の振動梁を持ち、前記複数の振動梁は同一の共振周波数で前記第1の圧電膜面と垂直方向に屈曲共振運動を行い、前記複数の振動梁のうちl本の振動梁の屈曲共振運動は他の振動梁に対して逆相の位相を持つことを特徴とする加速度センサ。 - 積層された第3の電極、第2の圧電膜、および第4の電極を有し、前記第2の圧電膜と垂直方向に屈曲共振運動を行う、第3の圧電屈曲共振子と、前記第lおよび第2の圧電屈曲共振子の共振周波数の平均と、前記第3の圧電屈曲共振子の共振周波数の差を測定する比較手段と、
前記共振周波数の差から前記基板面と垂直な方向の加速度を算出する算出手段と、をさらに有し、
前記第1および第2の圧電屈曲共振子の前記基板と垂直方向の厚さの中心線と前記基板との距離は、前記支持梁の厚さ方向の中心線と前記基板との距離と異なることを特徴とする、請求項lに記載の加速度センサ。 - 前記第3の圧電屈曲共振子は、積層された第3の電極、前記第2の圧電膜、および前記第4の電極を有する複数の振動梁を持ち、前記複数の振動梁は同一の共振周波数で前記第2の圧電膜面と垂直方向に屈曲共振運動を行い、前記複数の振動梁のうちl本の振動梁の屈曲共振運動は隣りの振動梁に対して逆相の位相を持つことを特徴とする、請求項2に記載の加速度センサ。
- 前記保持部と、前記支持梁と、前記重錘と、前記第lおよび第2の圧電屈曲共振子と、を2組有し、2つの前記支持梁は直交するように配置されたことを特徴とする請求項2に記載の加速度センサ。
- 前記保持部と、前記支持梁と、前記重錘と、前記第lおよび第2の圧電屈曲共振子と、を4組有し、4つの前記支持梁の向きは互いに直交する2方向に沿った互いに異なる向きで配置されたことを特徴とする請求項2に記載の加速度センサ。
- 一端を前記保持部に接続され、他端を前記重錘ないしは前記支持梁に接続され、第5の電極、第3の圧電膜、および第6の電極が順に積層された構造を持ち、前記支持梁の両側に延在し、前記第1および第2の電極間に電圧を印加することで延在方向に伸縮力を発生させる、重錘駆動機構と、
前記第1および第2の圧電屈曲共振子の共振周波数の差を測定し、前記共振周波数の差が一定になるように電圧を重錘駆動機構に印加する力フイードバック回路と、をさらに有することを特徴とする、請求項lに記載の加速度センサ。 - 前記第1及び第2の圧電屈曲共振子は、前記第lの電極、前記第lの圧電膜、前記第2の電極に加えて更に積層された第4の圧電膜、第7の電極を有し、前記第lの電極と前記第2の電極が励振用電極として、前記第2の電極と前記第7の電極を重錘駆動用の電極として使用される、重錘駆動機構を有することを特徴とする、請求項6に記載の加速度センサ。
- 一端を前記保持部に接続され、他端を前記重錘ないしは前記支持梁に接続され、第5の電極、第3の圧電膜、および第6の電極が順に積層された構造を持ち、前記支持梁の両側に延在し、前記第lおよび第2の電極聞に電圧を印加することで延在方向に伸縮力を発生させる、重錘駆動機構と、前記フィードバック回路は、前記第lおよび第2の圧電屈曲共振子の共振周波数の差を測定し、前記共振周波数の差が一定になるように電圧を前記重錘駆動機構に印加し、且つ、前記第lおよび第2の圧電屈曲共振子の共振周波数の平均と前記第3の圧電屈曲共振子の共振周波数の差を測定し、前記共振周波数の差が一定になるように電圧を前記重錘駆動機構に印加する力フィードバック回路と、をさらに有することを特徴とする請求項2に記載の加速度センサ。
- 前記第3の圧電屈曲共振子は、前記第3の電極、前記第2の圧電膜、前記第4の電極に加えてさらに積層された第5の圧電膜、第8の電極を有し、前記第3の電極と前記第4の電極が励振用電極として、前記第4の電極と前記第8の電極が重錘駆動用の電極として使用される、重錘駆動機構を有すること特徴とする、請求項8に記載の加速度センサ。
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