JPH10170537A - 加速度センサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 簡単な構造を有し、外的加速度が無いときに
発生する不規則な振動を抑制することができる、加速度
センサを提供する。 【解決手段】 加速度センサ１０は、長さ方向に広がり
振動する振動子１２，１４を含む。振動子１２，１４
は、それらの主面が間隔を隔てて平行に対向するように
配置される。振動子１２，１４は、金属からなる矩形板
状の振動体１６ａ，１６ｂを含み、振動体１６ａ，１６
ｂの外側の主面には、圧電素子３４ａ，３４ｂが形成さ
れる。振動子１２，１４間には、その長さ方向の一端間
に基板１８が形成され、その長さ方向の他端間に重り２
０が形成される。振動子１２と振動子１４との間には、
振動子１２，１４の長さ方向の中間部に、２つのスペー
サ３０，３２が間隔を隔てて取り付けられる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は加速度センサに関
し、特にたとえば、移動体の受ける外的加速度を検知す
るもので、加速度から移動速度を計算して、移動体の軌
跡を地図上に表示するナビゲーションなどの運転支援シ
ステムに応用できる、加速度センサに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、加速度センサは、種々の方式が実
用化されてきたが、たとえばその先端に質量を負荷した
片持ち梁からなる振動型加速度センサは、高感度で０Ｈ
ｚ付近の低周波から高周波にわたっての広範囲の加速度
の測定が可能であり、また、構造の簡単なことなどの特
徴を有することから広く使われている。一般的に、加速
度センサにおいては、必要な外的加速度に対しては感度
を高くし、不要な内的な歪み等に基づく見かけ上の加速
度に対してはこれを相殺して感応しないようにする必要
がある。

【０００３】こういった内的歪みを相殺するために、例
えば図４に示す構造の加速度センサが提案されている。
図４に示す加速度センサ１は、矩形状の２つの水晶振動
子２ａ，２ｂを含む。２つの水晶振動子２ａ，２ｂは、
所定の間隔を隔てて、並列に配設される。２つの水晶振
動子２ａ，２ｂは、その長さ方向の両端が支持部材３，
４によって固定される。この加速度センサ１では、２つ
の水晶振動子２ａ，２ｂを間隔を隔てて並列に配置し
て、２つの水晶振動子２ａ，２ｂの両端を固定すること
により、内的歪みを相殺している。

【０００４】さらに、内的歪みを相殺するために、例え
ば図５に示す構造の加速度センサが提案されている。図
５に示す加速度センサ５は、矩形状の２つの水晶振動子
６ａ，６ｂを含み、２つの水晶振動子６ａ，６ｂは、上
下に間隔を隔てて、並列に配置される。２つの水晶振動
子６ａ，６ｂの長さ方向の一端には、基板７が形成され
る。基板７は、所定の取り付け部８に固着される。ま
た、２つの水晶振動子６ａ，６ｂの長さ方向の他端に
は、重り９が形成される。この加速度センサ４において
も、２つの振動子６ａ，６ｂを間隔を隔てて並列に配置
し、２つの振動子６ａ，６ｂの両端を固定することによ
り、内的歪みを相殺している。

【０００５】図４，図５に示す加速度センサ１，５は、
２つの水晶振動子の長さ方向の両端が固定されているタ
イプなので、非加速度状態では、共に、例えば図６に示
すように、水晶振動子の長さ方向の両端をノード点
（節）として屈曲振動する。また、図４，図５に示す加
速度センサ１，５は、２つの水晶振動子の振動数の差、
言い換えると、２つの水晶振動子の周波数の差を検出す
ることによって加速度を測定する、デジタルタイプの加
速度センサである。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、図４お
よび図５に示す加速度センサ１，５では、共に、振動の
ノード点（節）に、直接、支持部材３，４ないし基板
７，重り９を接続しているため、振動が漏洩しやすい。
例えば、図５に示す加速度センサ５では、水晶振動子６
ａ，６ｂの振動が基板７に漏洩したり、重り９の振動と
結合する恐れがある。そのため、温度変化などにより基
板７等に熱歪みが発生し、不規則な振動による、所謂、
温度ドリフトが発生しやすいものとなる。したがって、
図４および図５に示すような従来の加速度センサを例え
ば移動体の速度検出に用いた場合、ドリフト電圧が発生
し、誤差が蓄積されることになるので、このような従来
の加速度センサでは、温度補正回路などで補正する必要
があり、構造が複雑となる。

【０００７】それゆえに、この発明の主たる目的は、簡
単な構造を有し、外的加速度が無いときに発生する不規
則な振動を抑制することができる、加速度センサを提供
することである。

【０００８】

【課題を解決するための手段】この発明は、それらの主
面が対向するように間隔を隔てて配置される２つの矩形
状の振動子と、２つの振動子間に形成され、２つの振動
子の振動時におけるノード点に対応する位置で、２つの
振動子を間隔を隔てて支持する２つのスペーサと、２つ
の振動子の一端間に形成され、２つの振動子の一端を支
持・固定する支持部材と、２つの振動子の他端間に形成
され、２つの振動子の他端を固定する重りとを含む、加
速度センサである。２つの振動子は、それぞれ、矩形板
状の振動体と、振動体の外側の主面に形成される圧電素
子とを含むとよい。スペーサの配置された箇所をノード
点とする振動モードで共振する周波数で２つの振動子を
励振しこれを帰還して自励振駆動させる発振回路と、２
つの振動子から出力される出力電圧の位相差を検出する
検出手段とを含むとよい。

【０００９】支持部材は、２つの振動子の長さ方向の一
端間を接続すると共に、２つの長さ方向の一端側を固定
している。また、重りは、２つの振動子の長さ方向の他
端間を接続すると共に、２つの長さ方向の他端側を固定
している。２つのスペーサは、２つの振動子間におい
て、２つの振動子の長さ方向の振動子の振動時のノード
点に対応する位置に間隔をもって支持している。

【００１０】外的加速度が無い状態では、２つの振動子
のそれぞれに電圧を印加して自励振駆動させると、２つ
の振動子は、それぞれの振動モードに共振し、２つのス
ペーサをノードとして屈曲振動をする。この場合、２つ
のスペーサは、２つの振動子をそれぞれ独立して支持し
ているので、屈曲振動が２つのスペーサ間に閉じ込めら
れ、２つの振動子の振動が結合されない。このことは、
２つの振動子において、振動子の長さ方向の一端がスペ
ーサと支持部材との間の領域を介して支持部材に接続さ
れ、さらに、振動子の長さ方向の他端がスペーサと重り
との間の領域を介して重りに接続されることに起因する
ものである。

【００１１】外的加速度が２つの振動子に加わった状態
では、一方の振動子が引っ張り応力を受けると、他方の
振動子が圧縮応力を受ける。一方の振動子の位相が励振
周波数に比べて、加速度の応力により正側にシフトする
と、他方の振動子の位相が負側にシフトする。すなわ
ち、外的加速度が加わることにより、２つの振動子の圧
電素子の歪みにより発生する出力電圧に位相差が生じ
る。この位相差を測定することによって、加速度が検出
される。

【００１２】

【発明の効果】この発明によれば、簡単な構造を有し、
外的加速度が無いときに発生する不規則な振動に基づく
ドリフト電圧を低減させることができる。そのため、振
動子の振動が安定し、例えば衝撃などの外力に対して感
応しない信頼性の高い加速度センサが得られる。

【００１３】この発明の上述の目的，その他の目的，特
徴および利点は、図面を参照して行う以下の発明の実施
の形態の詳細な説明から一層明らかとなろう。

【００１４】

【発明の実施の形態】

【実施例】図１はこの発明の一実施例を示す図解図であ
る。加速度センサ１０は、２つの振動子１２および１４
を含む。振動子１２および１４は、それぞれ、矩形状の
振動体１６ａおよび１６ｂを含む。これらの振動体１６
ａおよび１６ｂは、それらの主面が間隔を隔てて対向し
かつ平行するように配置される。この実施例では、振動
体１６ａ，１６ｂが金属製の板材をホトリソグラフィに
よるエッチングによって形成され、板材の材質として
は、Ｆｅ−Ｎｉ合金（４２Ｎｉ）などが用いられる。そ
して、振動体１６ａ，１６ｂは、長さ２０ｍｍ、幅３ｍ
ｍ、厚み０．２ｍｍに形成される。

【００１５】これらの振動体１６ａ，１６ｂの長さ方向
の一端には、振動体１６ａ，１６ｂの一端を固定すると
共に支持するための支持部材として基板１８が形成され
る。また、振動体１６ａ，１６ｂの長さ方向の他端に
は、振動体１６ａ，１６ｂの他端を固定すると共に、振
動体１６ａ，１６ｂに加速度が加わったときに振動体１
６ａ，１６ｂの変形を大きくするための、つまり、有効
な慣性モーメントを２つの振動体１６ａ，１６ｂに供給
するための重り２０が形成される。

【００１６】支持部材としての基板１８は、第１の接続
部２２を含む。第１の接続部２２は、２つの振動体１６
ａ，１６ｂの長さ方向の一端部を接続して固定する機能
を有する。第１の接続部２２の端部には、２つの振動体
１６ａ，１６ｂの長さ方向の一端部を取り付けて支持す
るための取り付け支持部２４が形成される。第１の接続
部２２と取り付け支持部２４とは、Ｆｅ−Ｎｉ合金（４
２Ｎｉ）などの金属材料で略Ｔ字形に一体成形される。

【００１７】重り２０は、ブロック状の重り部本体２６
と、重り部本体２６の端部から延びて形成され、２つの
振動体１６ａ，１６ｂの長さ方向の一端部を接続して固
定する第２の接続部２８とで形成される。重り部本体２
６と第２の接続部２８とは、たとえば金，鉛，鉄，銅等
の比重の大きい材料で略Ｔ字形に一体成形される。

【００１８】さらに、２つの振動体１６ａ，１６ｂの長
さ方向の中間部には、振動体１６ａと振動体１６ｂとの
間に、２つのスペーサ３０および３２が配設される。２
つのスペーサ３０および３２は、２つの振動体１６ａ，
１６ｂの長さ方向に所定の間隔を隔てて配設される。

【００１９】この実施例では、２つのスペーサ３０およ
び３２は、２つの振動体１６ａ，１６ｂの長さ方向の一
端および他端から、それぞれ、５．０ｍｍ隔てた位置に
形成され、２つのスペーサ３０および３２は、例えば厚
み０．５ｍｍ、幅０．２ｍｍの金属ブロック等で別途成
形され、上述の位置に取り付けられる。この２つのスペ
ーサ３０および３２の形成される位置は、後述する振動
子１２，１４の振動時におけるノード点に対応してい
る。

【００２０】ところで、振動体１６ａおよび１６ｂの外
側の２つの主面には、振動体１６ａ，１６ｂの熱膨張係
数と異なった熱膨張係数を有する同様の圧電素子３４
ａ，３４ｂが、それぞれ、圧電素子３４ａは一方の振動
体１６ａの外側の主面に形成され、圧電素子３４ｂは他
方の振動体１６ｂの外側の主面に形成される。圧電素子
３４ａおよび３４ｂは、圧電セラミックなどで形成され
る１枚の圧電板（図示せず）の両面に電極（図示せず）
を形成した構造を有する。そして、圧電素子３４ａの内
側の電極（図示せず）が一方の振動体１６ａに、圧電素
子３４ｂの内側の電極（図示せず）が他方の振動体１６
ｂに、接着剤などの固着手段で接着される。

【００２１】一方の圧電素子３４ａの外側の電極（図示
せず）には、抵抗３６ａの一端が接続され、他方の圧電
素子３４ｂの外側の電極（図示せず）には、抵抗３６ｂ
の一端が接続される。抵抗３６ａおよび３６ｂの他端
と、２つの振動体１６ａ，１６ｂの長さ方向の一端部を
接続固定する基板１８との間には、この２つの振動体１
６ａ，１６ｂを駆動させる駆動手段として、発振回路３
８が接続される。発振回路３８は、２つの振動子１２，
１４がスペーサ３０，３２の位置をノード点とする振動
モードで共振する周波数で励振し、これを帰還して自励
振駆動させるものである。発振回路３８は、直列接続さ
れる増幅回路４０と位相補正回路４２とで構成される。
増幅回路４０は、圧電素子３４ａ，３４ｂの内側の電極
（図示せず）から得られる出力信号を増幅するためのも
のである。また、位相補正回路４２は、増幅回路４０か
ら得られる駆動信号の位相を補正し、その位相を補正し
た駆動信号を圧電素子３４ａ，３４ｂの外側の電極（図
示せず）に与えるためのものである。

【００２２】圧電素子３４ａおよび３４ｂの外側の電極
（図示せず）は、検出手段としての差動回路４４の２つ
の入力端にそれぞれ接続される。差動回路４４は、圧電
素子３４ａおよび３４ｂの外側の電極（図示せず）に発
生する出力信号（出力電圧）の位相差を検出するための
ものである。差動回路４４の出力端は、同期検波回路４
６の入力端に接続される。同期検波回路４６の別の入力
端には、増幅回路４０の出力端が接続される。同期検波
回路４６は、差動回路４４から得られる信号を、発振回
路３８の増幅回路４０から出力される駆動信号に同期し
て検波するためのものである。同期検波回路４６の出力
端は、平滑回路４８の入力端に接続される。平滑回路４
８では、同期検波回路４６からの出力信号の交流分が除
去され平滑にされる。

【００２３】すなわち、２つの圧電素子３４ａ，３４ｂ
からの出力信号（出力電圧）の差には、加速度に比例し
た位相シフトがあるため、同期検波回路４６でその出力
信号の差を同期検波し、さらに、平滑回路４８でその出
力信号の交流分を除去することによって、加速度に比例
した出力信号（直流電圧）が得られる。さらに、平滑回
路４８の出力端は、直流増幅回路５０の入力端に接続さ
れる。直流増幅回路５０では、平滑回路４８からの出力
信号（直流電圧）が適当なレベルに増幅される。そし
て、増幅された電気信号（直流電圧）が出力端子から出
力される。

【００２４】この実施例では、発振回路３８の出力信号
が、抵抗３６ａ，３６ｂを介して、圧電素子３４ａ，３
４ｂの外側の電極（図示せず）に与えられる。そして、
圧電素子３４ａ，３４ｂの内側の電極（図示せず）から
得られる信号が、基板１８を介して発振回路３８にフィ
ードバックされる。それによって、２つの振動子１２，
１４は自励振駆動により長さ方向に広がり振動する。

【００２５】ここで、２つの振動子１２，１４の振動モ
ードに共振する駆動信号を発振回路３８から抵抗３６
ａ，３６ｂを介して圧電素子３４ａ，３４ｂに印加する
と、２つの振動子１２，１４は、図２に示すように、２
つのスペーサ３０，３２の取り付け部位をノード点
（節）として、屈曲振動する。このような振動により、
振動体１６ａおよび１６ｂに慣性が与えられる。この場
合、２つのスペーサ３０，３２の作用により、振動子１
２，１４の振動が結合することがない。つまり、２つの
振動子１２，１４の長さ方向の一端がスペーサ３０と基
板１８との間の領域を介して基板１８に接続され、２つ
の振動子１２，１４の長さ方向の他端がスペーサ３２と
重り２０との間の領域を介して重り２０に接続されるた
め、２つの振動子１２，１４の振動が結合することはな
い。振動子１２，１４の屈曲振動は、２つのスペーサ３
０および３２間に閉じ込められる。そのため、振動子１
２，１４の振動が安定することとなり、衝撃などの外力
に対して感応せず、信頼性の高いものとなる。

【００２６】また、２つのスペーサ３０，３２の働きで
一方の振動子１２と他方の振動子１４の振動を分離さ
せ、それぞれ、独立させることができるため、加速度が
加わらない状態で、一方の振動子１２と他方の振動子１
４のそれぞれの固有振動モードの変化に基づく出力電圧
を差し引くことによって、振動子１２，１４の温度ドリ
フトを最小にすることができる。

【００２７】また、圧電素子３４ａ，３４ｂの圧電板が
圧電セラミックスで形成されているため、振動体１６
ａ，１６ｂを形成する金属板よりも、熱膨張係数が大き
く形成される。そのため、例えば雰囲気温度が上昇した
場合、振動体１６ａ，１６ｂは、それぞれ、外側（圧電
素子３４ａ，３４ｂ側）に反り、圧電素子３４ａ，３４
ｂには、圧縮応力が働く。この場合、一方の圧電素子３
４ａおよび他方の圧電素子３４ｂの出力電圧の差をとる
ことによって、非加速度状態での振動体１６ａ，１６ｂ
の熱変形を実質上除去することができる。なお、温度ド
リフトを小さくするためには、２つの振動子１２，１４
が熱的に整合していることが望ましく、予め、温度特性
を測定して、互いに相殺するように組み合わせることに
よって、さらに温度ドリフトを小さくすることができ
る。

【００２８】この実施例では、たとえば図３に示すよう
に、振動子１２，１４の長軸、つまり、振動子１２，１
４の長さ方向に延びる中心軸に対して垂直に加速度が加
わったとき、振動体１６ａ，１６ｂが変形する。すなわ
ち、一方の振動子１２が引っ張り応力を受けると、他方
の振動子１４が圧縮応力を受ける。一方の振動子１２の
位相が励振周波数に比べて加速度の応力で正側にシフト
すると、他方の振動子１４の位相が負側にシフトする。
この場合、加速度が加わることにより、２つの振動子１
２，１４の圧電素子３４ａ，３４ｂの歪みにより発生す
る出力電圧に位相差が生じる。この出力電圧を上述の差
動回路４４、同期検波回路４６、平滑回路４８および直
流増幅回路５０などの信号処理回路で加速度に比例した
直流電圧とすることによって、加速度に対応した信号
（出力電圧）が得られる。

【００２９】なお、圧電素子３４ａおよび３４ｂに与え
られる駆動信号は同じであるため、駆動信号成分は差動
回路４４で相殺される。したがって、加速度の有無や雰
囲気温度の変化にかかわらず、駆動信号成分は、差動回
路４４および同期検波回路４６から出力されない。

【００３０】また、この実施例では、振動体１６ａおよ
び１６ｂの長さ方向の一端間に重り２０が形成されてい
るので、加速度によって振動体１６ａ，１６ｂおよび圧
電素子３４ａ，３４ｂに与えられる力が大きく、加速度
による振動体１６ａ，１６ｂ，圧電素子３４ａおよび３
４ｂの変形が大きい。そのため、加速度によって圧電素
子３４ａおよび３４ｂに発生する信号の差が大きく、加
速度を検出する感度がよい。なお、上記の実施例では、
振動子として金属板に圧電素子を貼り付けたものを示し
たが、振動体を圧電セラミックスで形成し、その表面に
電極を形成した振動子でもよく、また、振動体として、
水晶やＬｉＮｂＯ₃ ，ＬｉＴａＯ₃ などの単結晶で形成
してもよい。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の一実施例を示す図解図である。

【図２】図１に示す加速度センサの振動子の駆動振動モ
ードにおける振動子の変形状態を有限要素法により解析
して視覚的にわかりやすくした図解図である。

【図３】図１に示す加速度センサに加速度が加わったと
きの振動子の変形状態を示す図解図である。

【図４】この発明の背景となる従来の加速度センサの一
例を示す斜視図である。

【図５】この発明の背景となる従来の加速度センサの他
の例を示す側面図である。

【図６】図４および図５に示すような振動子の両端を固
定した従来の加速度センサの駆動振動モードにおける振
動子の変形状態を有限要素法により解析して視覚的にわ
かりやすくした図解図である。

【符号の説明】

１０ 加速度センサ １２，１４ 振動子 １６ａ，１６ｂ 振動体 １８ 基板 ２０ 重り ２２ 第１の接続部 ２４ 取り付け支持部 ２６ 重り部本体 ２８ 第２の接続部 ３０，３２ スペーサ ３４ａ，３４ｂ 圧電素子 ３６ａ，３６ｂ 抵抗 ３８ 発振回路 ４０ 増幅回路 ４２ 位相補正回路 ４４ 差動回路 ４６ 同期検波回路 ４８ 平滑回路 ５０ 直流増幅回路

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 それらの主面が対向するように間隔を隔
   てて配置される２つの矩形状の振動子、 前記２つの振動子間に形成され、前記２つの振動子の振
   動時におけるノード点に対応する位置で、前記２つの振
   動子を間隔を隔てて支持する２つのスペーサ、前記２つ
   の振動子の一端間に形成され、前記２つの振動子の一端
   を支持・固定する支持部材、および前記２つの振動子の
   他端間に形成され、前記２つの振動子の他端を固定する
   重りを含む、加速度センサ。
2. 【請求項２】 前記２つの振動子は、それぞれ、矩形板
   状の振動体と、前記振動体の外側の主面に形成される圧
   電素子とを含む、請求項１に記載の加速度センサ。
3. 【請求項３】 前記スペーサの配置された箇所をノード
   点とする振動モードで共振する周波数で前記２つの振動
   子を励振しこれを帰還して自励振駆動させる発振回路、
   および前記２つの振動子から出力される出力電圧の位相
   差を検出する検出手段を含む、請求項１または請求項２
   に記載の加速度センサ。