WO2003071287A1

WO2003071287A1 - Capteur d'acceleration

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Publication number: WO2003071287A1
Application number: PCT/JP2003/001164
Authority: WO
Inventors: Hiroshi Tanaka; Masanori Yachi; Takashi Kato; Hiroshi Ishikawa
Original assignee: Fujitsu Media Devices Limited
Priority date: 2002-02-25
Filing date: 2003-02-05
Publication date: 2003-08-28
Also published as: TW200303988A; US7299695B2; KR100637301B1; EP1480044A1; EP1480044A4; TWI251674B; KR20040086435A; JP2003248015A; CN1639576A; US20050066725A1

Description

明細書加速度センサ技術分野

本発明は、物体に加わる衝撃およ Ό¾Π速度を検出するために用いられる圧電型の加速度センサに関する。特に、本発明は加速度により生ずる慣性力により発生する特徴量を検出する加速度センサに関する。

近年ハードディスクドライブ（HDD) の高記録密度化が進み、それに伴う読み込み'書き込み動作を行うヘッドの位置決めの精密制御が求められている。えばパーソナノレコンピュータ内の他の電子 (DVD, CD— ROM等）からの外部振動により HDD筐体自身が回転振動をした時において、その位置決め制御を維持するため、回転振動を検知して所定の処理を行う必要がある。その回転振動の検知に対して加速度センサが使用されており、二個の加速度センサを使用し互いの出力差により回転振動を検知している。

カロ速度センサが搭載される βの小型化 ·高性能化に伴ってセンサの小型化 · 高性能化が要求される。背景技術

従来、圧電型の加速度センサとしては、特開平 6— 2 7 3 4 3 9号公報に見られる圧電セラミックスのたわみを利用し加速度を検出するもの等提案されている。また、特開平 7— 1 4 0 1 6 4には、 2枚の圧電単結晶のたわみを利用し並進加速度と角力口速度を同時に検出するものが提案されている。また、特開 2 0 0 0 - 1 7 1 4 8 0号公報には圧電単結晶のたわみと出力の符号の差異により並進加速度と角加速度を分離して検出するものが提案されてレヽる。

し力しながら、従来の圧電セラミックスを利用するカロ速度センサでは二つのセンサを使用することから、各々の感度ばらつきにカ卩ぇ二つのセンサの搭載基板への実装精度が、位置決め制御を劣化させる要因になっている。また、圧電単結晶を利用したセンサは角加速度と並進加速度を分離できないことに加え、 2枚の圧電素子を利用することから小型化が難しい。圧電単結晶のたわみと出力の符号の差異を利用するものは、二枚の圧電体を張り合わせ、カゝつ、圧電体を支持体に張り合わせることカら、工程が鶴になり低コスト化が難しい。

本発明は、これらの問題を解決し、簡単な構成で角加速度や並進加速度などの異なるカロ速度を容易に検知できるセンサを^することを目的とする。発明の開示

上記 i¾ を達成するために、本発明の加速度センサは、錘と、その重心位置で該錘を支持するように設けられた振動子とを有することを糊敷とする加速度センサである。錘が加速度を受けると、加速度に対応した応力が振動子に発生する。振動子は錘の重 'i 立置を支持するように設けられているので、角力口速度や並進加速度などの加速度と発生する電荷の大きさや極性には特有の関係力 s成立する。この関係を利用して、異なる加速度を容易に検知することができる。図面の簡単な説明

図 1 A、 I Bはそれぞれ本発明の第一実施形態による加速度センサを示す図であって、図 1 Aは加速度センサの,図、図 1 Bは加速度センサに用いられている振動子の斜視図である。

図 2 A、 2 Bはそれぞれ図 I Bの I I一 I I線断面図であって、図 2 Aは振動子の一構成例を示し、図 2 Bは別の構成例を示す。

図 3は圧電セラミックスの定数例を示す図である。

図 4 A、 4 Bはそれぞれ圧電セラミックスの定数例を示す図であって、図 4 A は図 2 Aの構成における定数例を示し、図 4 Bは図 2 Bの構成における定数例を示す。

図 5 A、 5 Bはそれぞれ本発明の第一実施形態によるカロ速度検出原理（その 1 ) を示す図である。

図 6 A、 6 B、 6 Cはそれぞれ本発明の第一実施形態によるカロ速度検出原理（その 2 ) を示す図である。

図 7 A、 7 B、 7 Cはそれぞれ本発明の各実施形態で使用可能な検出回路の構成例を示す図である。

図 8 A、 8 Bはそれぞれ本発明の第一実施形態における検出回路と検出加速度との関係を示す図であって、図 8 Aは回転中心に加速度センサを配置した^を示し、図 8 Bは回転中心以外に加速度センサを配置したを示す。

図 9 A、 9 Bはそれぞれ本発明の第二実施形態による加速度センサを示す図であって、図 9 Aは加速度センサの斜視図、図 9 Bは加速度センサに用いられている振動子の斜視図である。

図 10A、 1 OBはそれぞれ本発明の第二実施形態によるカロ速度検出原理（その 1) を示す図である。

図 11A、 11B、 11 Cはそれぞれ本発明の第二実施形態によるカロ速度検出原理（その 2) を示す図である。

図 12 A、 12Bはそれぞれ本発明の第二実施形態における検出回路と検出カロ速度との関係を示す図であつて、図 12 Aは回転中心に加速度センサを配置したを示し、図 12 Bは回転中心以外に加速度センサを配置したを示す。図 13 A、 13 Bはそれぞれ本発明の第三実施形態による加速度センサを示す図であって、図 13 Aは力 Π速度センサの斜視図、図 13 Bは加速度センサに用いられている振動子の # 見図である。

図 14は本発明の第三実施形態で用いられる圧電単結晶の例を示す図である。

図 15A、 15 Bはそれぞれ本発明の第三実施形態による加速度検出原理（その 1) を示す図である。

図 16A、 16B、 16 Cはそれぞれ本発明の第三実施形態によるカロ速度検出原理（その 2) を示す図である。

図 17A、 17 Bはそれぞれ本発明の第三実施形態における検出回路と検出加速度との関係を示す図であって、 17 Aは回転中心に加速度センサを配置した場合を示し、 17 Bは回転中心以外に加速度センサを配置した:^を示す。

図 18 A、 18 Bはそれぞれ本発明の第四実施形態による加速度センサを示す図であって、 18Att¾D速度センサの斜視図、 18Βί¾¾速度センサに用いられている振動子の斜提図である。図 1 9は本発明の第四実施形態で用いられる圧電単結晶の定数例を示す図である。

図 2 0 A、 2 0 Bはそれぞれ本発明の第四実施形態によるカロ速度検出原理（その 1 ) を示す図である。

図2 1 、 2 1 8、 2 1 Cはそれぞれ本発明の第四実施形態による加速度検出原理（その 2 ) を示す図である。

図 2 2 A、 2 2 Bはそれぞれ本発明の第四実施形態における検出回路と検出カロ速度との関係を示す図であって、図 2 2 Aは回転中心に加速度センサを配置した場合を示し、図 2 2 Bは回転中心以外に加速度センサを配置した場合を示す。図 2 3 A、 2 3 Bはそれぞれ本発明の第五実施形態で用いられる位置決め機構を具備した錘の構成例を示す ?見図である。

図 2 4 A、 2 4 Bはそれぞれ本発明の第五実施形態で用いられる位置決め機構を具備した基板の構成例を示す »図である。発明を実施するための最良の形態

(第一実施形態）

本発明の第一実施形態を図 1A、 1 Bに示す。図 1Aは、本発明の第一実施形態による加速度センサの構造を表す斜視図である。加速度センサは、振動子 1 0 と錘 1 2とを有する。図 1 Aおいて、錘 1 2の厚み方向を X軸、長手方向を Y軸、幅方向を Z軸と定義する。また、振動子 1 0につレ、て言えば、振動子 1 0の厚み方向が X軸、長さ（又は幅）方向が Y軸、幅（又は長さ）方向が Z軸である。錘 1 2は矩形の板状部材で形成されている。錘 1 2は例えば、比較的密度が高レ、金属やアルミナ^ |&ガラスなどの絶縁材料で形成される。単一の物質で形成されてもよく、また複数の異なる物質で形成されてもよい。後者のには、例えば複数の異なる物質カ積層された構成である。

錘 1 2の重ィ立置に振動子 1 0が配置されている。錘 1 2は均一の密度を持つている場合、重心位置は錘 1 2の中心である。この中心に振動子 1 0の中心が一るように振動子 1 0が配置されている。また、錘 1 2の長手方向の中心線 (Y 軸方向に錘 1 2を二分割する位置）に、振動子 1 0の中心線が一致しているとも言える。振動子 1 0から見れば、振動子 1 0は錘 1 2の重' i 立置で錘 1 2を支持している。振動子 1 0は圧電セラミックスである。図 1 Bに示すように、振動子 1 0は Z軸方向に分極されている。本実施形態においては、 Z軸方向を圧電セラミックス結晶板の切り出し角（カット角） 0がゼロ度（θ = 0 ° ) と定義する。振動子 1 0は例えば、電纖械結合係数の比較的高レヽ Ρ Ζ Τ系圧電セラミックスで形成されてレ、る。圧電セラミックスの分極は、圧電セラミックス結晶板の両端面間に高を印加することで与えられる。図 1 Αの例では、錘 1 2の Z軸方向の長さと振動子 1 0の Z軸方向の長さとは略一致している力異なっていても良い。例えば、振動子 1 0の Z軸方向の長さは、錘 1 2の Z軸方向の長さよりも短レヽ。なお、本実施形態の 0 = 0° については後で詳しく説明する。

また、振動子 1 0は滑り振動子であって、 Y軸方向に二分割されている。振動子 1 0が Y軸方向に二分割されている例を図 2 Aと図 2 Bに示す。図 2 A、 2 B はそれぞれ、図 1 Bの I I一 I I線縦断面図である。図 2 Aに示すように、直方体状の振動子 1 0の一面に電極 1 4と 1 6が形成されている。電極 1 4と 1 6は、振動子 1 0の一面に設けられ、この面を Y軸方向に等しく二分割するように配置されている。電極 1 4と 1 6は同じ大きさで、分割溝 2 2を挟んで Y軸方向に隣接している。分割溝 2 2は、 Z軸方向に延びている。電極 1 4と 1 6は検出電極として作用する。振動子 1 0の対向する面には電極 2 0が形成されている。電極 2 0はダランド電極として作用する。検出電極 1 4とグランド電極 2 0との間、及び検出電極 1 6とグランド電極 2 0との間に加速度に応じたが発生する。このように、図 2 Aの構成では、検出 «t亟 1 4と 1 6を Y軸方向に二分割することで、振動子 1 0を Y軸方向に二分割している。分極方向との関係で言えば、振動子 1 0は分極方向に TOな方向に二分割されている。また、錘 1 2との関係で言えば、振動子 1 0は錘 1 2の長手方向に二分割されているとも言える。

図 2 Bの振動子は、検出電極 1 4と 1 6を二分割する溝に連続する分割溝 2 4 が振動子 1 0の表面に形成されている。振動子 1 0の分割溝 2 4は Z軸方向に延ぴており、加速度に対する感度を向上させる作用を持つ。分割溝 2 4の幅や深さを変えることで感度が変化する。

なお、検出電極 1 4と 1 6は例えば、異なる金属の多層構成である。一例として、 2層構成の電; ¾ϋは N iや N i C rを下地層とし、その上に A uを形成したものである。これらの電; fUfは、スパッタ、焼き付け、蒸着、 ^^メツキ、無電解メツキなどの公知の方法で形成できる。電極層を形成した後、エッチングゃレ一ザトリミングなどで電極層をパターニングして検出電極 1 4、 1 6を形成する。このときに前述した分割溝 2 2が形成される。そして、ダイシングにより振動子 1 0として、セラミックス結晶片に分離される。

上記構成の振動子 1 0は例えば、エポキシ系の樹脂接着剤を用いて錘 1 2の重 ¾置に取り付けられる。この^^、検出電極 1 4、 1 6が錘 1 2に接するように取り付けてもよく、逆にグランド電極 2 0が錘 1 2に接するように取り付けても良レ、。検出電極 1 4、 1 6及びダランド電極 2 0の引き出し電極は、公知の方法を用いて形成できる。例えば、錘 1 2が絶縁物質で形成されている場合には、錘 1 2の表面に導電パターンを設け、これに検出電極 1 4、 1 6又はダランド電極 2 0が接続される。この、接着剤は異方性導 m¾着剤を用いる。錘 1 2力 S 金属のには、等方性の導電性接着剤を用いてグランド電極 2 0を錘 1 2に取り付ける。また、フレキシブルプリント酉 5镍£¾を用いることもできる。例えば、検出電極 1 4と 1 6が錘 1 2に対向するように振動子 1 0を取り付ける ^には、対応する酉 Β/線パターンを有する酉 3 /線基板を振動子 1 0と錘 1 2との間に介在させ、異方性導電接着剤で接続する。

上記第一実施形態の加速度センサは、構造が簡単であるにもかかわらず、一つのセンサで角加速度 (回^]口速度）と並進加速度の両方を検出することができる。ここで、圧電セラミックスの圧電定数のいくつかを図 3、図 4 A及び図 4 Bに示す。図 3、図 4 A及び図 4 Bに図示されている圧電定数は d 1 1、 d 1 5及ぴ d 1 6である。図 4 Aに示す振動子は前述した図 2 Aの構成を持つ振動子 1 0に相当し、図 4 Bに示す振動子は前述した図 2 Bの構成を持つ振動子 1 0に相当する。

本発明の第一実施形態では、圧電セラミッタスの力ット角 0は 0° ( 0 = 0° ) である。 0 = 0° の時、 Y軸方向、つまり錘 1 2の長手方向の定数 d 1 6はゼロである。且つ、 X軸方向、つまり錘 1 2の厚み方向の定数 d 1 1はゼロである。このように、 0 = 0° に選択することで、以下の特性を持つ加速度センサが実現できる。

面内の回転振動力幼口速度センサに印カ卩され、つ、カ卩速度センサの回転中心に加速度センサを配置した、図 5 Aに示すように、二分割構成の振動子 1 0に矢印で示す応力が発生し、この結果振動子 1 0には（具体的には、振動子 1 0の二分割された部分にはそれぞれ）振幅の値が同一で逆位相の電位（電荷）が発生する。

面内振動の回転振動力幼口速度センサに印カロされ、力、回転中心以外に加速度センサを配置した場合、図 5 Bに示すように、二分割構成の振動子 1 0に矢印で示す応力が発生し、この結果振動子 1 0には振幅の値が異なる同位相の電位が発生する。

面垂直方向の回転振動が加わった場合、図 6 Aに示すように、振動子 1 0の厚み方向（X軸方向）の圧電定数 d 1 1がゼロなので（図 3参照)、二分割構成の振動子 1 0には電位力 S発生しなレ、。

Z軸方向へ並進加速度が印加された齢、図 6 Bに示すように、二分割構成の振動子 1 0に矢印で示す応力が発生し、この結果振動子 1 0には振幅の値が同一の同位相の電位が発生する。

X軸、 Y軸方向の並進加速度が印カロされた:^、図 6 Cに示すように、分極軸と直交する成分 d 1 6と厚み方向の成分 d 1 1はゼロなので（図 3参照）、二分割構成の振動子 1 0には電位が発生しなレ、。

上記構成の加速度センサは、図 7 A、 7 B及び 7 Cにそれぞれ示す検出回路に' 接続される（以下、単に回路 Aという）。図 7 Aに示す回路 Aは、振動子 1 0に発生する二つの電位を差動回路（減算回路） 2 6で差動検出する。差動出力信号が出力端子 2 7を介して出力される。図 7 Bに示す回路 Bは、振動子 1 0に発生する二つの電位を加算回路 2 8で加算検出する。加算出力信号が出力端子 2 9を介して出力される。図 7 Cに示す回路 Cは、回路 Aと Bの組み合わせである。参照番号 3 0と 3 2は増幅器である。これらの増幅器を差動回路 2 6や加算回路 2 8 の後段に設けてもよい。

第一実施形態の加速度センサを、図 5 Aに示すように回転中心に配置した場合の加速度検出について述べる。この ^の検出可能な加速度と回路 A〜Cとの関係を図 8 Aに示す。回路 Aを使用した場合、面内の角加速度（X軸まわり）に対しては二つの電位が逆位相であるので、面内角加速度を検出可能である。 Z軸方向への並進加速度に対しては二つの電位が同一振幅で同位相であるので、差動検出で相殺してゼ口となる。他の軸の加速度に対しては d定数がゼロである。また、回路 Bを使用した:^、面内の角加速度（X軸まわり）に対しては二つの電荷（又は電位）が同一振幅で逆位相であるため、加算検出で相殺してゼロになる。 Z軸方向への並進加速度に対しては二つの電位が同一振幅で同位相であるので、加算検出で Z軸の並進加速度を検出可能である。他の軸の加速度に対しては d定数がゼロである。また、回路 Cの構成は振動子 1◦の一面を錘の長手方向に二分割した各領域で発生した出力を処理して、角加速度と並進加速度にそれぞれ対応した複数の検出信号を出力する回路である。回路 Cにより、面内角加速度（X軸まわり）と Z軸方向への並進加速度を分離して両方を検出することができる。以上より、回転中心にセンサを配置した、回路 A〜Cの構成により、面内角加速度のみを検出、もしくは Z軸方向の並進加速度のみを検出、又は角加速度（X軸まわり）と Z軸方向の並進加速度を同時に分離して検出する加速度センサを実現でさる。

第一実施形態の加速度センサを、図 5 Bに示すように回転中心以外に配置したについて述べる。この: ^の検出可能な加速度と回路 A〜Cとの関係を図 8 Bに示す。回路 Aを使用した場合、面内の角加速度（X軸まわり）に対しては二つの電位の振幅が異なり同位相であるので、面内角力 [I速度を検出可能である。 Z 軸方向への並進加速度に対しては二つの電位が同一振幅で同位相であるので、差動検出で相殺してゼロとなる。他の軸の加速度に対しては d定数がゼロである。また、回路 Bを使用した場合、面内の角加速度（X軸まわり）に対しては異なる振幅で同位相であるため、加算検出で検出可能である。 Z軸方向への並進加速度に対しては二つの電位が同一振幅で同位相であるので、力 Π算検出で Z軸の並進加速度を検出可能である。他の軸の加速度に対しては d定数がゼロである。また、回路 Cの構成では面内角加速度（X軸まわり）と Z軸方向への並進加速度を同時に検出可能となる。以上より、回転中心以外にセンサを配置した場合、回路 A〜 Cの構成により、面内角加速度のみを検出、もしくは面内角加速度と Z軸方向の並進加速度を同時に検出するカロ速度センサを実現できる。

以上説明したように、第一実施形態による加速度センサによれば、角加速度と回車口速度を分離して検出、もしくは同時に検出することが可能となる。

なお、検出電極を二分割して振動子 1 0に発生した二つの電荷（分割溝 2 2 ( 2 4 ) の両側にそれぞれ発生する電荷）を検出するものであるが、二つの電荷を検出できる電極構成であれば、電極の分割数やパターン形状などは任意である。例えば、振動子 1 0の一面を 4分割し、分極方向に隣り合う電極同士を接続して実質的に二つの検出電極を形成した:^も、上記と同様の作用及び効果を奏する。この点は、以下の各実施形態にっレ、ても同様である。

なお、 0 = 0° の条件は厳密にカット角 0がゼロであることを要求しているのではなく、カロ速度センサの製造時の誤差などで 0 = 0 ° とならなレ、# ^も含むものである。更に言えば、このカット角は図 8 A、 8 Bの動作が得られる範囲内であって、かつ、所望の加速度検出精度を満足する範囲内おいて、 0° 近傍の値であってもよい。

(第二実施形態）

本発明の第二実施形態による加速度センサを図 9 A、 9 Bに示す。なお、図中、前述した構成要素と同一のものには同一の参照番号を付してある。 X軸、 Y軸及び Z軸は図 1 Aと同様である。第二実施形態の振動子 4 0は前述した振動子 1 0 と異なり、図 9 Bの矢印で示すように Y軸方向に分極されている。言い換えると、振動子 4 0の分極方向は錘 1 2の長手方向に一致する。振動子 4 0は錘 1 2の重立置に配置され、図示すように二分割されている。振動子 4 0を形成する圧電セラミックスのカット角 Θは 9 0° である（0 = 9 0° )。図 3から分かるように、 0 = 9 0° の時、 Z軸方向、つまり錘 1 2の長手方向に垂直な方向（短手方向）の定数 d 1 5はゼロである。

圧電セラミックスのカット角を 0 = 9 0° に選択することで、以下の特性を持つ加速度センサが実現できる。

面内の回転振動力 S加速度センサに印加され、つ、回転中心に加速度センサを配置した、図 1 0 Aに示すように、二分割構成の振動子 4 0には振幅の値が同一の逆位相の電位が発生する。面内振動の回転振動力 S加速度センサに印加され、つ、回転中心以外に加速度センサを配置した、図 1 0 Bに示すように、振動子 4 0には振幅の値が異なる同位ネ目の電位が発生する。

,面垂直方向の回転振動力 S加わった^ 8\ 図 1 1 Aに示すように、厚み方向の圧電定数 d 1 1がゼ口なので、振動子 4 0には電位が発生しなレ、。

Y軸方向へ並進加速度が印加された:^、図 1 1 Bに示すように、振動子 4 0 には振幅の値が同一の同位相の電位が発生する。

X軸、 Z軸方向の並進加速度が印加された:^、図 1 1 Cに示すように、分極軸と直交する成分 d 1 5と厚み方向の成分 d 1 1はゼロなので、振動子 4 0には電位が発生しなレ、。

上記構成の加速度センサは図 7 A、 7 B及び 7 Cの検出回路に接続される。第二実施形態による力 13速度センサを回転中心に配置したについて述べる。この場合の検出可能な加速度と回路 A〜Cとの関係を図 1 2 Aに示す。図 7 A回路 Aを使用した場合、面内の角加速度（X軸まわり）に対しては二つの電位が逆位相であるので、面内角加速度を検出可能である。 Y軸方向への並進加速度に対しては二つの電位が同一振幅で同位相であるので、差動検出で相殺してゼ口となる。他の軸の加速度に対しては d定数がゼロである。また、回路 Bを使用した場合、面内の角加速度（X軸まわり）に対しては二つの電荷（又は電位）が同一振幅で逆位相であるため、加算検出で相殺してゼロになる。 Y軸方向への並進加速度に対しては二つの電位が同一振幅で同位相であるので、加算検出で Y軸の並進カロ速度を検出可能である。他の軸の加速度に対しては d定数がゼ口である。また、回路 Cの構成では面内角加速度（X軸まわり）と Y軸方向への並進加速度を分離して両方検出可能となる。以上より、回転中心に加速度センサを配置した、回路 A〜Cの構成により、面内角加速度のみを検出、もしくは Y軸方向の並進加速度のみを検出、又は角加速度（X軸まわり）と Y軸方向の並進加速度を同時に分離して検出する加速度センサを実現できる。

次に、第二実施形態による力 Π速度センサを回転中心以外に配置した場合について述べる。このの検出可能な加速度と回路 A〜Cとの関係を図 1 2 Bに示す。回路 Aを使用した場合、面内の角加速度（X軸まわり）に対しては二つの電位の振幅が異なり同位相であるので、面内角加速を検出可能である。 Y軸方向への並進加速度に対しては二つの電位が同一振幅で同位相であるので、差動検出で相殺してゼロとなる。他の軸の加速度に対しては d定数がゼロである。また、回路 B を使用した場合、面内の角加速度（X軸まわり）に対しては異なる振幅で同位相であるため、加算検出で検出可能である。 Y軸方向への並進加速度に対しては二つの電位が同一振幅で同位相であるので、力 Π算検出で Y軸の並進加速度を検出可能である。他の軸の加速度に対しては d定数がゼロである。また、回路 Cの構成では面内角カロ速度（X軸まわり）と Y軸方向への並進加速度を同時に検出可能となる。以上より、回転中心以外に加速度センサを配置した齢、回路 A〜Cの構成により、面内角加速度のみを検出、もしくは面内角加速度と Y軸方向の並進加速度を同時に検出する加速度センサを実現できる。

以上説明したように、本発明の第二実施形態による加速度センサによれば、角加速度と並進加速度を分離して検出もしくは同時に検出することが可能となる。なお、 0 = 9 0 ° の条件は厳密にカット角 6が 9 0° であることを要求しているのではなく、カロ速度センサの製造時の誤差などで 0 = 9 0 ° とならなレヽ^も含むものである。更に言えば、このカツト角は図 1 2 A、 1 2 Bの動作が得られる範囲内であって、力、つ、所望の加速度検出精度を満足する範囲内において、 9 0° 近傍の値であってもよい。

(第三実施形態）

本発明の第三実施形態による加速度センサを図 1 3 A、 1 3 Bに示す。なお、図中、前述した構成要素と同一のものには同一の参照番号を付してある。 X軸、 Y軸及び Z軸は図 1 Aと同様である。第三実施形態の振動子 5 0は圧電単結晶で形成されている。そして、振動子 5 0の分極軸が Θ = 3 1 ° ( θ = 0° は Ζ軸方向）である。 0 = 3 1 ° のとき、定数 d 1 6はゼロであり、 d l 6 / d l 5もゼ口となる。振動子 5 0は錘 1 2の重' ί 立置に配置され、図示すように二分割されている。

図 1 4は、ニオブ酸リチウム（L i N b 0₃ :以下、 L Nと略記する）の圧電定数の一例を示す。振動子 5 0を錘 1 2の重' Ϊ 立置に配置するとともに二分割構成とし、力つ分極軸を 0 = 3 1 ° 又はこの近傍の方向とすることにより、一つのカロ速度センサで角加速度（回事口速度）と並進加速度を検出する加 3¾センサを実現できる。以下、加速度の検出原理について説明する。

面内の回転振動力 S加速度センサに印加され、かつ、回転中心に加速度センサを配置した場合、図 1 5 Aに示すように、振動子 5 0には振幅の値が同一の逆位相の電位が発生する。

面内振動の回転振動力幼口速度センサに印加され、つ、回転中心以外に加速度センサを配置した、図 1 5 Bに示すように、振動子 5 0には振幅の値が異なる同位相の電位が発生する。

面垂直方向の回転振動が加わった場合、図 1 6 Aに示すように、厚み方向の圧電定数 d 1 1がゼロであるので、振動子 5 0には電位が発生しなヽ。

Z軸方向へ並進加速度が印加された^、図 1 6 Bに示すように、振動子 5 0 には振幅の値が同一の同位相の電位が発生する。

X軸、 Y軸方向の並進加速度が印加された、図 1 6 Cに示すように、分極軸と直交する成分 d 1 6と厚み方向の成分 d 1 1はゼロであるので、振動子 5 0 には電位が発生しなレ、。

このような加速度センサは、前述した図 7 A、 7 B及ぴ 7 Cに示す検出回路に接続される。

第三実施形態による加速度センサを回転中心に配置した場合にっレヽて述べる。このの検出可能な加速度と回路 A〜 Cとの関係を図 1 7 Aに示す。図 7 Aに示す回路 Aを使用した場合、面内の角加速度（X軸まわり）に対しては二つの電位が逆位相であるので、面内角加速度を検出可能である。 Z軸方向への並進加速度に対しては二つの電位が同一振幅で同位相であるので、差動検出で相殺してゼ口となる。他の軸の加速度に対しては d がゼロである。また、回路 Bを使用した場合、面内の角加速度（X軸まわり）に対しては二つの電荷（又は電位）が同一振幅で逆位相であるため、加算検出で相殺してゼロになる。 Z軸方向への並進加速度に対しては二つの電位が同一振幅で同位相であるので、加算検出で Z軸の並進加速度を検出可能である。他の軸の加速度に対しては d定数がゼ口である。また、回路 Cの構成では面内角加速度（X軸まわり）と Z軸方向への並進加速度を分離して両方検出可能となる。以上より、回転中心に加速度センサを配置した場合、回路 A〜Cの構成により、面内角加速度のみを検出、もしくは Z軸方向の並進加速度のみを検出、又は角力口速度（X軸まわり）と Z軸方向の並進加速度を同時に分離して検出する加速度センサを実現できる。

次に、第三実施形態による加速度センサを回転中心以外に配置した^^について述べる。このの検出可能な加速度と回路 A〜Cとの関係を図 1 7 Bに示す。回路 Aを使用した場合、面内の角加速度（X軸まわり）に対しては二つの電位の振幅が異なり同位相であるので、面内角加速を検出可能である。 Z軸方向への並進加速度に対しては二つの電位が同一振幅で同位相であるので、差動検出で相殺してゼロとなる。他の軸の加速度に対しては d定数がゼロである。また、回路 B を使用した場合、面内の角加速度（X軸まわり）に対しては異なる振幅で同位相であるため、力 Π算検出で検出可能である。 z軸方向への並進加速度に対しては二つの電位が同一振幅で同位相であるので、加算検出で z軸の並進加速度を検出可能である。他の軸の加速度に対しては d定数がゼロである。また、回路 Cの構成では面内角加速度（X軸まわり）と Z軸方向への並進加速度を同時に検出可能となる。以上より、回転中心以外に加艇センサを配置した^ \ 回路 A〜Cの構成により、面内角加速度のみを検出、もしくは面内角カロ速度と Z軸方向の並進加速度を同時に検出する加速度センサを実現できる。

なお、振動子 5 0は L N以外の圧電単結晶、例えば KN b 0 ₃や L i T a 0₃を用いてもよい。

以上説明したように、本発明の第三実施形態による加速度センサによれば、角カロ速度と並進加速度を分離して検出もしくは同時に検出することが可能となる。なお、 Θ = 3 の条件は厳密に力ット角 Θが 3 1 ° であることを要求して!/ヽるのではなく、加速度センサの製造時の誤差などで 0 = 3 1 ° とならなレヽ：^も含むものである。更に言えば、このカツト角は図 1 7 A、 1 7 Bの動作が得られる範囲内であって、かつ、所望の加速度検出精度を満足する範囲内において、 3 1 ° 近傍の値であってもよい。

(第四実施形態）

本発明の第四実施形態による加速度センサを図 1 8 A、 1 8 Bに示す。なお、図中、前述した構成要素と同一のものには同一の参照番号を付してある。 X軸、 Y軸及ぴ Z軸は図 1 Aと同様である。第三実施形態の振動子 6 0は圧電単結晶で形成されている。そして、振動子 6 0の分極軸が 0 = 1 2 1 ° ( 0 = 0° は軸方向）又はこの付近の角度を持つ。 0 = 1 2 1 ° のとき、定数 d 1 5はゼロである。振動子 6 0は錘 1 2の重心位置に配置され、図示すように二分割されている。図 1 9は、 L i N b 0₃ ( L N) の圧電定数の一例を示す（グラフそのものは図 1 4と同じ)。振動子 6 0を錘の重' W立置に配置するとともに二分割し、力ゝっ分極軸を 0 = 1 2 1 ° 又はこの近傍の値とすることにより、一つのセンサで角加速度（回享ロ速度）と並進加速度を検出するカロ速度センサを実現できる。以下、加速度の検出原理にっレ、て説明する。

面内の回転振動力幼口速度センサに印カ卩され、つ、回転中心に加速度センサを配置した、図 2 0 Aに示すように、振動子 6 0には振幅の値が同一の逆位相の電位が発生する。

面内振動の回転振動力 S加速度センサに印加され、つ、回転中心以外に加速度センサを配置した場合、図 2 0 Bに示すように、振動子 6 0には振幅の値が異なる同位相の電位が発生する。

面垂直方向の回転振動が加わった場合、図 2 1 Aに示すように、厚み方向の圧電定数 d 1 1がゼロであるので、振動子 6 0には電位が発生しない。

Y軸方向へ並進加速度が印カ卩された、図 2 1 Bに示すように、振動子 6 0 には振幅の値が同一の同位相の電位力 S発生する。

X軸、 Z軸方向の並進加速度が印加された、図 2 1 Cに示すように、分極軸と直交する成分 d 1 5と厚み方向の成分 d 1 1はゼロなので、振動子 6 0には電位が発生しない。

第四実施形態による力 B速度センサを回転中心に配置した ^について述べる。この^^の検出可能な加速度と回路 A〜Cとの関係を図 2 2 Aに示す。回路 Aを使用した場合、面内の角加速度（X軸まわり）に対しては二つの電位が逆位相であるので、面内角加速を検出可能である。 Y軸方向への並進加速度に対しては二つの電位が同一振幅で同位相であるので、差動検出で相殺してゼロとなる。他の軸の加速度に対しては d定数がゼロである。また、回路 Bを使用した場合、面內の角加速度（X軸まわり）に対しては二つの電荷（又は電位）が同一振幅で逆位相であるため、加算検出で相殺してゼロになる。 Y軸方向への並進加速度に対しては二つの電位が同一振幅で同位相であるので、加算検出で Y軸の並進加速度を検出可能である。他の軸の加速度に対しては d定数がゼロである。また、回路 C の構成では面内角カロ速度（X軸まわり）と Y軸方向への並進加速度を分離して両方検出可能となる。以上より、回転中心にセンサを酉己置した:^、回路 A〜Cの構成により、面内角カロ速度のみを検出、もしくは Y軸方向の並進加速度のみを検出、又は角加速度（X軸まわり）と Y軸方向の並進加速度を同時に分離して検出する加速度センサを実現できる。

次に、第四実施形態による加速度センサを回転中心以外に配置したにつレヽて述べる。この ^の検出可能な加速度と回路 A〜Cとの関係を図 2 2 Bに示す。回路 Aを使用した場合、面内の角加速度（X軸まわり）に対しては二つの電位の振幅が異なり同位相であるので、面内角加速を検出可能である。 Y軸方向への並進加速度に対しては二つの電位が同一振幅で同位相であるので、差動検出で相殺してゼロとなる。他の軸の加速度に対しては d定数がゼロである。また、回路 B を使用した:^、面内の角加速度（X軸まわり）に対しては異なる振幅で同位相であるため、加算検出で検出可能である。 Y軸方向への並進加速度に対しては二つの電位が同一振幅で同位相であるので、加算検出で Y軸の並進加速度を検出可能である。他の軸の加速度に対しては d定数がゼロである。また、回路 Cの構成では面内角カロ速度（X軸まわり）と Y軸方向への並進加速度を同時に検出可能となる。以上より、回転中心以外にセンサを配置した場合、回路 A〜Cの構成により、面内角加速度のみを検出、もしくは面内角加速度と Y軸方向の並進加速度を同時に検出する加速度センサを実現できる。

なお、振動子 6 0は L N以外の圧電単結晶、例えば KN b〇₃や L i T a〇₃を用いてもよい。

以上説明したように、本発明の第四実施形態による加速度センサによれば、角カロ速度と回^口速度を分離して検出もしくは同時に検出することが可能となる。なお、 0 = 1 2 1 ° の条件は厳密に力ット角 0が 1 2 1 ° であることを要求しているのではなく、加速度センサの製造時の誤差などで 0 = 1 2 1 ° とならない場合も含むものである。更に言えば、このカット角は図 2 2 A、 2 2 Bの動作が得られる範囲内であって、かつ、所望の加速度検出精度を満足する範囲内において、 1 2 1 ° 近傍の値であってもよい。

(第五実施形態）

本発明の第五実施形態を図 2 3 A、 2 3 B及び図 2 4 A、 2 4 Bに示す。図 2 3 A、 2 3 Bは、錘 1 2に振動子 1 0を搭載する位置決め機構を示す。図 2 4 A、 2 4 Bは、カロ速度センサが取り付けられる基板に振動子 1 0を搭載する位置決め機構を示す。

図 2 3 Aに示す位置決め機構は、錘 1 2に 4つの L字状プロック 7 2 a、 7 2 b、 7 2 c及び 7 2 dを有する。これらのブロックは、振動子 1 0を収容する空間 7 6を形成する。空間 7 6の縦、横の長さは振動子 1 0の縦、横長さに等しレヽ力若干大きい。図 2 3 Bに示す位置決め機構は、錘 1 2に 4つの直方体プロック 7 4 a、 7 4 b、 7 4 c及ぴ 7 4 dを有する。これらのプロックは、振動子 1 0 を収容する空間 7 8を形成する。空間 7 8の縦、横の長さは振動子 1 0の縦、横長さに等しいか若干大きレ、。このような位置決め機構による簡易な実装により、感度ばらつきを抑えることができる。

図 2 4 Aに示す位置決め機構は、基板 8 0に 4つの L字状ブロック 8 2 a、 8 2 b、 8 2 c及ぴ 8 4 dを有する。これらのブロックは、振動子 1 0を収容する空間 8 6を形成する。空間 8 6の縦、横の長さは振動子 1 0の縦、横長さに等しいか若干大きい。図 2 4 Bに示す位置決め機構は、基板 8 0に 4つの直方体ブロック 8 4 a、 8 4 b、 8 4 c及び 8 4 dを有する。これらのブロックは、振動子 1 0を収容する空間 8 8を形成する。空間 8 8の縦、横の長さは振動子 1 0の縦、横長さに等しレ、か若干大きレ、。このような位置決め機構による簡易な実装により、感度ばらつきを抑えることができる。錘 1 2を支持する振動子 1 0が基板 8 0に取り付けられた構成は、本発明の加速度センサの一態様である。

なお、図示を省略してあるが、基板 8 0上には検出電極 1 4と 1 6又はグランド電極 2 0の引き出し慰亟パターンを形成してもよい。同様に、錘 1 2にも引き出し電極パタンを形成してもよい。振動子 1 0以外の他の振動子も同様に、上記位置決め機構を用ヽて容易に位置決めすることができる。

以上、本発明の実施形態を説明した、各実施形態とも、振動子の構造と錘の搭載位置と検出方法による簡便な方法で一つのセンサで角加速度と並進加速度を検知するカロ速度センサを実現している。

以上説明したように、本発明によれば、簡単な構成で角力口速度や並進加速度などの異なる加速度を容易に検知できる加速度センサを提供することができる。

Claims

請求の範囲

1 . 錘と、その重' Lィ立置で該錘を支持するように設けられた振動子とを有することを特徴とする加速度センサ。

2. 前言 ¾)P速度センサは、前記振動子の一面に設けられ、該一面を二分割するように配置された二つの検出電極を含むことを糊敷とする請求項 1記載の加速度センサ。

3. 前記加速度センサは、前記振動子の一面に設けられ、該一面を前記錘の長手方向に二分割するように配置された二つの検出電極を含むことを糊敷とする請求項 1記載の加速度センサ。

4. 前言 B¾口速度センサは、前記振動子の一面に設けられ、該一面を膽己錘の長手方向に二分割するように配置された二つの検出電極を有し、前記振動子は該二つの検出電極の間に形成された溝を有することを特徴とする請求項 1記載の加速度センサ。

5. 前記振動子は、 flit己錘の長手方向に直交する方向に分極軸を有することを特徴とする請求項 1力ら 4のレ、ずれ力一項記載のカロ速度センサ。

6. 前記振動子は、 fflf己錘の長手方向に分極軸を有することを糊敷とする請求項 1力ら 4のいずれ力一項記載の加速度センサ。

7. 前記振動子は圧電セラミックスで形成され、該圧電セラミックスは前記錘の長手方向の圧電定数がゼロとなり且つ厚み方向の圧電がゼロとなるカット角を有することを樹敫とする請求項 1記載の加速度センサ。

8. 編己振動子は圧電セラミックスで形成され、該圧電セラミックスは前記錘の長手方向に直交する方向の圧電定数がゼロとなり且つ厚み方向の圧電定数がゼロとなるカット角を有することを特徴とする請求項 1記載の加速度センサ。

9. 前記振動子は圧電単結晶で形成され、該圧電単結晶は tUIB錘の長手方向の圧電定数がゼロとなり且つ厚み方向の圧電定数がゼロとなるカツト角を有することを樹敫とする請求項 1記載の加速度センサ。

1 0. 編己振動子は圧電単結晶で形成され、該圧電単結晶は Ιίίϊ己錘の長手方向に直交する方向の圧電定数がゼロとなり且つ厚み方向の圧電定数がゼロとなる力ット角を有することを糊とする請求項 1記載の加速度センサ。

1 1 . 前言卩速度センサは更に、前記振動子の一面を錘の長手方向に二分割した各領域で発生した出力を加算する回路を有することを特徴とする請求項 1記載の加速度センサ。

1 2. 前 t3¾卩速度センサは更に、前記振動子の一面を錘の長手方向に二分割した各領域で発生した出力の差分を出力する回路を有することを特徴とする請求項 1 記載の加速度センサ。

1 3. ΙϋΙΒΛ卩速度センサは更に、嫌己振動子の一面を錘の長手方向に二分割した各領域で発生した出力を加算する第一の回路と、該出力の差分を出力する第二の回路とを有することを特徴とする請求項 1記載の加速度センサ。

1 4 · 前曾3¾卩速度センサは更に、前記振動子の一面を錘の長手方向に二分割した各領域で発生した出力を処理して角加速度と並進加速度にそれぞれ対応した複数の検出信号を出力する回路を有することを糊敷とする請求項 1記載の加速度センサ。

1 5 · 編口速度センサは更に、 Ιίίΐ己錘に設けられた位置決め機構を有し、該位置決め機構は謙己振動子を収容する空間を形成することを糊敷とする請求項 1から 1 4のいずれ力一項記載の加速度センサ。

1 6. ΙίίΐΕΛ口速度センサは更に、 it己振動子を支持する基板を有することを糊敷とする請求項 1から 1 5のレ、ずれ力一項記載の加速度センサ。

1 7. 嫌己振動子は滑り振動子であることを特徴とする請求項 1から 1 6のいずれか一項記載の加速度センサ。