(57)【要約】【課題】製造が容易で、高精度かつ高感度の加速度検出器を提供することを目的としている。【解決手段】本発明の加速度検出器１０は、主面に対し垂直に加速度が加わり変位する可動部２４と、可動部２４をくびれ部２６を介して指示する固定部２２を備えたベース２０と、加速度の方向に垂直な力であって、当該力の検出方向を検出軸とし、当該検出軸に沿って並ぶ一対の基部３４、３５に接続された感圧部３２を有する感圧素子３０と、を備え、一対の基部３４、３５がベース２０の可動部２４と固定部２２に固定され、くびれ部２６は、一対の基部３４、３５の間に挟まれる領域であって、可動部２４と固定部２２の間に前記検出軸の方向と交差する方向に形成され、感圧素子３０は、一対の基部３４、３５のいずれか一方から他方へ延出されてくびれ部２６を跨ぐように形成されると共に、端部が自由端である梁部３６を有することを特徴としている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
主面に対し垂直に加速度が加わり変位する可動部と、前記可動部をくびれ部を介して支持する固定部を備えたベースと、
前記加速度の方向に垂直な力であって、当該力の検出方向を検出軸とし、当該検出軸に沿って並ぶ一対の基部に接続された感圧部を有する感圧素子と、
を備え、
前記一対の基部が前記ベースの前記可動部と前記固定部に固定され、
前記くびれ部は、前記一対の基部の間に挟まれる領域であって、前記可動部と前記固定部の間に前記検出軸の方向と交差する方向に形成され、
前記感圧素子は、前記一対の基部のいずれか一方から他方へ延出されて前記くびれ部を跨ぐように形成されると共に、端部が自由端である梁部を有することを特徴とする加速度検出器。
【請求項２】
前記梁部は、
前記ベースの一方の主面の前記感圧素子の一対の基部のいずれか一方から他方へ延出されて前記くびれ部を跨ぐように形成されると共に、端部が自由端である第１の梁部と、
前記ベースの他方の主面に前記第１の梁部と対向し、一端を自由端とし、他端をベースの可動部又は固定部の何れか一方に固定される固定端とする第２の梁部と、
からなることを特徴とする請求項１に記載の加速度検出器。
【請求項３】
前記感圧素子は、
前記ベースの一方の主面に形成された第１の感圧素子と、
前記ベースの他方の主面に前記第１の感圧素子と対向するように形成された第２の感圧素子と、
からなることを特徴とする請求項１に記載の加速度検出器。
【請求項４】
前記梁部は、破壊限界に応じて前記固定端と前記自由端の間の長さを可変とすることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の加速度検出器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、錘部の大きさ・面積の設計自由度を広げた高精度・高感度な圧電振動子を用いた加速度検出器に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、圧電振動子を用いた感圧素子と錘部を備えた特許文献１から３のような加速度計が開示されている。
特許文献１の加速度センサーは、図７に示すように感圧素子１０１の一方の基部１０２にくびれ１０３を介して錘１０４が連結されている。錘１０４は（２）、（３）に示すようにくびれ１０３を基点として感圧素子１０１と反対側の位置に配置されている。このくびれ１０３は基板１０５の表裏にそれぞれ形成されている。
【０００３】
特許文献２の加速度計は、図８に示すようにＸ軸線方向に自由に回動するようにヒンジ結合２０１によりベース２０２と接続させた錘２０３と、錘２０３とベース２０２に接続して、検出軸をＸ軸方向と直交するＹ軸方向に形成した感圧素子２０４を備え、前記感圧素子２０４を錘２０３とベース２０２の表裏に形成している。
【０００４】
特許文献３ははり共振器力変換器を有する加速度計が開示されている。図９に示すようにはり共振器力変換機を有する加速度計３０１は、ヒンジ３０２により錘３０３と連結する基台３０４と、一端を錘３０３に連結させるとともに他端を基台３０４から伸びる片持ちはり３０５の自由端３０６に連結させた感圧素子３０７を備えている。そして錘３０３の自由端３０８側には破壊限度で錘３０３の変位を止める止め３０９が錘３０３と所定間隔を開けて形成されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】米国特許第５，１６５，２７９号明細書
【特許文献２】特開平１−３０２１６６号公報
【特許文献３】特開昭５９−１２６２６１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら特許文献１では、確保できる錘１０４のサイズが感圧素子１０１の感圧部の寸法によって規制されてしまうので、要求される加速度計の仕様によっては仕様を満たす感度が得られない問題があった。
【０００７】
また、基板１０５の表裏に夫々くびれ１０３が設けられているため、基板１０５の両主面に対して夫々フォトリソ・エッチング法で、くびれ１０３を形成しなければならない。従って作業に煩雑性が生じてコストアップとなってしまうという問題があった。
【０００８】
また特許文献２のようなカンチレバータイプの加速度センサーは、感度を高めることにより、破壊限界となる加速度が低下するため、感度には上限が決められていた。これにより特に低い加速度用のセンサーに関しては、十分な水晶の性能を発揮できなかった。これは加速度に対して、直線的に応力がかかってしまう構造が原因である。
【０００９】
また特許文献３には錘３０３のストッパーとなる止め３０９が設けられているが、基台３０４と錘３０３と止め３０９を一体形成することができない。また加工精度の問題により、ストッパー間の隙間に錘３０３を所定間隔を開けて位置決めする設定が難しい。
【００１０】
さらに特許文献３に示すような止め（ストッパー）を特許文献２に示すような加速度計に適用した場合、感圧素子とは別にストッパーを設ける構成となる。このストッパーは、ベースに設けた感圧素子と同様にストッパーの一端をベースに固定し、錘と接触する自由端を錘と所定間隔を設けるように片持ち支持する構成となる。従って、止めの自由端を錘と所定間隔を開けて設ける位置決めが難しいという問題があった。
【００１１】
一方、近年例えば１００Ｇまでの加速度を検出可能でありながら、低い加速度も検知することができる加速度検出器が望まれている。しかし、低い加速度を検出するため感度を高めた感圧素子は、高い加速度が作用すると破壊してしまうという問題があった。
上記従来技術の問題点を解決するため、本発明は、製造が容易で、高精度かつ高感度の加速度検出器を実現することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明は、上記の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態又は適用例として実現することが可能である。
［適用例１］主面に対し垂直に加速度が加わり変位する可動部と、前記可動部をくびれ部を介して支持する固定部を備えたベースと、前記加速度の方向に垂直な力であって、当該力の検出方向を検出軸とし、当該検出軸に沿って並ぶ一対の基部に接続された感圧部を有する感圧素子と、を備え、前記一対の基部が前記ベースの前記可動部と前記固定部に固定され、前記くびれ部は、前記一対の基部の間に挟まれる領域であって、前記可動部と前記固定部の間に前記検出軸の方向と交差する方向に形成され、前記感圧素子は、前記一対の基部のいずれか一方から他方へ延出されて前記くびれ部を跨ぐように形成されると共に、端部が自由端である梁部を有することを特徴とする加速度検出器。
【００１３】
これにより梁は感圧素子の一対の基部から他方の基部へ伸ばした構成であるため、感圧素子の形成と梁の形成を同時に行うことができ、かつ一体的に形成することができる。従って、従来感圧素子と梁を別体とし、梁と錘の隙間の調整が困難であった構成に比べて、本発明では梁と錘を容易に位置決めすることができる。
【００１４】
また低い加速度を検出する高感度の加速度検出器に、大きな加速度が印加されても破壊限界で梁部が可動部の変位を止めることができ、検出器が破壊されることを防止できる。
【００１５】
［適用例２］前記梁部は、前記ベースの一方の主面の前記感圧素子の一対の基部のいずれか一方から他方へ延出されて前記くびれ部を跨ぐように形成されると共に、端部が自由端である第１の梁部と、前記ベースの他方の主面に前記第１の梁部と対向し、一端を自由端とし、他端をベースの可動部又は固定部の何れか一方に固定される固定端とする第２の梁部と、からなることを特徴とする適用例１に記載の加速度検出器。
これにより、大きなマイナス加速度Ｇが印加された場合であっても、破壊限界で第２の梁部が可動部の変位を止めることができ、検出器が破壊されることを防止できる。
【００１６】
［適用例３］前記感圧素子は、前記ベースの一方の主面に形成された第１の感圧素子と、前記ベースの他方の主面に前記第１の感圧素子と対向するように形成された第２の感圧素子と、からなることを特徴とする適用例１に記載の加速度検出器。
これにより加速度を差動式で検出することができるため、より高感度の加速度検出が行える。
【００１７】
［適用例４］前記梁部は、破壊限界に応じて前記固定端と前記自由端の間の長さを可変とすることを特徴とする適用例１ないし適用例３のいずれか１に記載の加速度検出器。
これにより加速度検出器の破壊限界点を任意に設計変更することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】実施例１の加速度検出器の概略図である。
【図２】実施例１の加速度検出器の作用の説明図である。
【図３】実施例２の加速度検出器の概略図である。
【図４】実施例２の加速度検出器の作用の説明図である。
【図５】実施例３の加速度検出器の概略図である。
【図６】実施例３の加速度検出器の作用の説明図である。
【図７】従来の加速度センサーの説明図である。
【図８】従来の振子型加速度計の説明図である。
【図９】従来のはり共振器力変換器を有する加速度計の説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
本発明の加速度検出器の実施形態を添付の図面を参照しながら以下詳細に説明する。
図１は実施例１の加速度検出器の概略図であり、（１）はベースの一方の主面側から見た分解斜視図であり、（２）は側面図である。
【００２０】
図示のように実施例１の加速度検出器１０は、ベース２０と感圧素子３０を主な基本構成としている。
ベース２０は、主に固定部２２と、可動部（錘部）２４と、くびれ部２６とから構成されている。
【００２１】
固定部２２は、加速度Ｇの印加によって変位せず、図示しない基板にベース２０を固定する部材である。錘となる可動部２４は、固定部２２によって支持され、加速度Ｇが印加されると印加の方向（Ｚ軸方向）へ変位（可動）する。固定部２２及び可動部２４は、ベース２０の一方の主面２７側に後述する感圧素子３０を接着する際、感圧素子３０の一対の基部を支持する載置部２９ａ、２９ｂを備えている。
【００２２】
くびれ部２６は固定部２２と可動部２４の間であって、平面矩形のベース２０のＸ軸方向に端面形状が凹状となるように形成された薄肉部である。くびれ部２６は、可動部２４に加速度Ｇが印加され、感圧素子３０に伸縮・圧縮応力が加わる場合に可動部２４を加速度Ｇの印加方向と逆の方向（慣性力の方向）へ変位させるように構成されている。図１に示すくびれ部２６はベース２０の他方の主面２８を端面形状が凹状に切削加工して形成した溝である。
【００２３】
なお、くびれ部２６は、可撓性を備えるようにベース２０の一部を薄肉にした形状であれば、図示のようなベース２０の他方の主面２８に形成した凹状の溝以外にも、一方の主面２７側に凹状の溝を形成する構成とすることもでき、また例えばベース２０の表裏面を半円状に切削加工した形状に構成することができる。
【００２４】
また、ベース２０を構成する固定部２２、可動部２４、くびれ部２６は、平面視矩形の金属材料を用いて、薄肉となるくびれ部２６を切削加工して一体的に形成することができる。
【００２５】
感圧素子３０は、主に感圧部３２と、一対の基部３４、３５と、梁部３６とから構成されている。
感圧素子３０は両端部に一対の基部３４、３５を配置し、一対の基部３４、３５間に振動領域を備えた感圧部３２を連設して、振動領域上には図示しない励振電極を形成している。
【００２６】
本実施例の感圧部３２は一対の基部３４、３５の間に基部３４、３５と連結するように１本の振動腕を備えた構成である。また感圧部３２は、加えられた力に対して周波数の変化が大きく、圧力を感度良く検出できる双音叉振動片を用いることもできる。すなわち双音叉振動片は、屈曲振動モードを有する振動片であって、２つの音叉型振動片の自由端側の端面どうしを対向させて結合させた構造を有しており、互いに並行にＹ軸方向に長手方向が延びる２本の振動腕と、この振動腕の長手方向の両端に接続され、振動腕と一列に並んだ２つの基部とを有する構成としても良い。
【００２７】
振動腕はＹ軸方向に細長く、その表面に設けられた図示しない励振電極により駆動電圧を印加されて屈曲振動する部分であり、この部分にＹ軸方向に伸張及び／又は圧縮するようにストレス或いはテンションがかかると、周波数が変化する部分である。したがってその周波数変化を検知することで加速度を感知することができる。
【００２８】
感圧素子３０は、加速度の方向に垂直な力であって、当該力の検出方向を検出軸とするように一対の基部３４、３５をベース２０上の載置面２９ａ、２９ｂに固定している。すなわち感圧素子の検出軸はＹ軸方向となる。
【００２９】
また感圧素子３０に対し、ベース２０のくびれ部２６は、一対の基部３４、３５の間に挟まれる領域であって、可動部２４と固定部２２の間に検出軸の方向と交差する方向に配置される関係となる。
【００３０】
梁部３６は、前記一対の基部３４、３５のいずれか一方の基部に接続する固定端３７と、いずれか他方の基部へ伸びる自由端３８から構成されている。図１に示す梁部３６は、固定端３７を固定部２２側の基部３５に接続させている。
【００３１】
なお梁部３６の長さは、予め定めた加速度検出器１０の破壊限界に応じて固定端３７と自由端３８の間の長さを任意に設定変更する構成としている。加速度検出器１０の破壊限界は、例えばベース２０の可動部２４に過度の加速度が印加して変位量が大きくなり、ベース２０と接続した感圧素子３０に伸縮応力が作用して素子が破壊されることをいう。具体的には、梁部３６の長さを長くすると自由端３８が変位した可動部２４と接触し易くなり、可動部２４の変位量を小さく（可動部２４の変位範囲を狭く）することができる。一方、梁部３６の長さを短くすると自由端３８は可動部２４が大きく変位しなければ接触しないため、可動部２４の変位範囲の幅が広がることになる。
【００３２】
なお梁部３６は破壊限界の際に可動部２４と接触して、可動部２４の変位を止めるように構成できれば良く、図１に示す梁部３６は感圧部３２を挟むように２本（複数）形成した構成のほか、１本でもよい。
【００３３】
感圧素子３０は、圧電材料として例えば水晶をフォトリソグラフィ技術とエッチング技法によって基部３４、３５と感圧部３２と梁部３６を一体的に形成することができ、水晶以外にタンタル酸リチウムやニオブ酸リチウム等を用いることができる。
【００３４】
このように形成した感圧素子３０は、一対の基部３４をベース２０の一方の主面２７の載置部２９ａ、２９ｂにベース２０との間に所定間隔を開けて接着手段４０により接着して固定している。
【００３５】
感圧素子３０とベース２０の間の隙間となる所定間隔は、感圧部３２とベース２０が干渉しない距離に設定している。
上記構成による実施例１の加速度検出器は次のように作用する。図２は実施例１の加速度検出器の作用の説明図である。
【００３６】
（１）に示すように加速度検出器１０のベース２０にプラスの加速度Ｇが作用すると、加速度Ｇの方向に垂直な力であって、力の検出方向を検出軸とする感圧素子３０の感圧部３２に圧縮応力が加わる。感圧素子３０はこの圧縮応力によって周波数が変化して加速度Ｇを検出することができる。
【００３７】
そして実施例１の加速度検出器１０に破壊応力を超える過剰な加速度Ｇが印加すると、可動部２４の変位に応じて感圧素子３０の感圧部３２は圧縮応力が加わる。一方梁部３６は固定端３７を基部３５を解してベース２０の固定部２２に固定し、自由端３８は固定されていないため、可動部２４の圧縮応力の影響を受けることがない。従って変位した可動部２４に梁部３６の自由端３８が接触して、可動部２４の変位を止める働きをする。
【００３８】
なお感圧素子３０の梁部３６の固定端３７はいずれか一方の基部３４、３５と連結していればよく、（２）に示すように固定端３７を可動部２４側の基部３４に連結し、固定部２２側の基部３５に自由端３８が延びるように形成することもできる。この場合、破壊応力を超える過剰な加速度Ｇが印加すると、梁部３６は固定端３７を基部３４を解してベース２０の可動部２４に固定し、自由端３８は固定されていないため、可動部２４の伸縮応力の影響を受けることがない。従って固定部２２に梁部３６の自由端３８が接触して、（１）と同様に可動部２４の変位を止める働きをする。
【００３９】
このような実施例１の加速度検出器によれば、加速度検出器１０に破壊限界を超える加速度Ｇが作用しても、梁部３６が可動部２４のストッパーとなり、過剰な加速度Ｇにより破壊されることがなく、予め設定された測定範囲で加速度を検出することができる。
【００４０】
また本発明の特徴は、感圧素子３０を構成する感圧部３２、基部３４、３５、梁部３６はエッチング、フォトリソ加工により一体形成した構成であり、可動部２４と所定の距離を設けるように梁部３６を単独で設ける構成に比べて、梁部３６の位置決めを容易に行なうことができる。
【００４１】
次に実施例２の加速度検出器について以下説明する。
図３は実施例２の加速度検出器の概略図であり、（１）はベースの他方の主面側から見た分解斜視図であり、（２）は側面図である。
【００４２】
図示のように実施例２の加速度検出器１００は、基本構成となる実施例１の構成に、第２の梁部５０を設けた構成である。
第２の梁部５０は、一端をベース２０の他方の主面２８に接続する固定端５２とし、他端を固定端５２から延出する自由端５４としている。図３に示す第２の梁部５０は、実施例１の感圧素子３０から可動部２４側の基部３４と感圧部３２を除き、梁部３６と固定部２２側の基部３５のみの平面コ字型となる形状に形成し、固定端５２を固定部２２側の基部３５と対向する面に形成している。
【００４３】
そして第２の梁部５０は、ベース２０の他方の主面２８にベース２０を挟んで感圧素子３０と対向するように形成している。このとき第２の梁部５０の固定端５２と自由端５４は、一方の主面２７側の一対の基部３４、３５のいずれか一方から他方へ延出されると共に、くびれ部２６を跨ぐように形成される。
【００４４】
なお第２の梁部５０の長さは、予め定めた加速度検出器１００のマイナス加速度Ｇの破壊限界に応じて固定端５２と自由端５４の間の長さを任意に設定変更する構成としている。
【００４５】
なお第２の梁部５０は破壊限界の際に可動部２４と接触して、可動部２４の変位を止めるように構成できれば良く、図３に示すように自由端を２本（複数）形成した構成のほか、１本でもよい。
【００４６】
このように形成した第２の梁部５０は、固定端５２をベース２０の他方の主面２８の載置部２９ａとベース２０を挟んで対向する載置部２９ｃに所定間隔を開けて接着手段４０により接着して固定している。第２の梁部５０とベース２０の間の隙間となる所定間隔は、測定範囲の加速度が印加されたとき変位するベース２０と第２の梁部５０が干渉しない距離に設定している。
【００４７】
上記構成による実施例２の加速度検出器は次のように作用する。図４は実施例２の加速度検出器の作用の説明図である。
実施例２の加速度検出器１００に破壊応力を超える過剰なプラスの加速度Ｇが印加すると、可動部２４の変位に応じて感圧素子３０の感圧部３２は圧縮応力が加わる。一方梁部３６は固定端３７を基部３５を解してベース２０の固定部２２に固定し、自由端３８は固定されていないため、可動部２４の圧縮応力の影響を受けることがない。従って変位した可動部２４に梁部３６の自由端３８が接触して、可動部２４の変位を止める働きをする。
【００４８】
一方、実施例２の加速度検出器１００に破壊応力を超える過剰なマイナスの加速度Ｇが印加すると、可動部２４の変位に応じて感圧素子３０の感圧部３２は伸長応力が加わる。第２の梁部３６は固定端５２をベース２０の固定部２２に固定し、自由端５４は固定されていないため、可動部２４の伸縮応力の影響を受けることがない。従って変位した可動部２４に第２の梁部５０の自由端５４が接触して、可動部２４の変位を止める働きをする。
【００４９】
これにより、大きなマイナス加速度Ｇが印加された場合であっても、破壊限界で第２の梁部が可動部の変位を止めることができ、加速度検出器が破壊されることを防止できる。
なお第２の梁部５０の固定端５２はベース２０の固定部２２に形成した構成のほか、可動部２４の載置面２９ｂと対向する他方の主面２８側に形成する構成であっても同様の効果を奏する。
【００５０】
次に実施例３の加速度検出器について以下説明する。
図５は実施例３の加速度検出器の概略図であり、（１）はベースの一方の主面側から見た分解斜視図であり、（２）は側面図である。
【００５１】
図示のように実施例３の加速度検出器２００は、実施例２の第２の梁部５０に替えて第２の感圧素子６０を設けた構成である。第２の感圧素子６０は、実施例１の感圧素子３０と同一の形状及び材料で構成され、同一の作用を奏し、その詳細な説明を省略する。第２の感圧素子６０は、ベース２０の一方の主面２７の第１の感圧素子３０とベース２０を軸心として対称となるようにベース２０の他方の主面２８に設けている。
【００５２】
上記構成による実施例３の加速度検出器は次のように作用する。図６は実施例３の加速度検出器の作用の説明図である。
実施例３の加速度検出器２００は、ベースの一方及び他方の主面２７、２８にそれぞれ第１及び第２の感圧素子３０、６０を備えているため、例えばプラスの加速度Ｇが印加されると、第１の感圧素子３０は圧縮応力が加わり、第２の感圧素子６０は伸張応力が加わる。従って、正負が逆の検出信号となり、この差分を取ることにより、高感度の加速度検出が行える。
【００５３】
（１）に示すように実施例３の加速度検出器２００に破壊応力を超える過剰なプラスの加速度Ｇが印加すると、可動部２４の変位に応じて第１の感圧素子３０の感圧部３２は圧縮応力が加わる。一方第１の感圧素子３０の梁部３６は固定端３７を基部３５を解してベース２０の固定部２２に固定し、自由端３８は固定されていないため、可動部２４の伸縮応力の影響を受けることがない。従って変位した可動部２４に梁部３６の自由端３８が接触して、可動部２４の変位を止める働きをする。
【００５４】
一方、（２）に示すように実施例３の加速度検出器２００に破壊応力を超える過剰なマイナスの加速度Ｇが印加すると、可動部２４の変位に応じて第２の感圧素子６０の感圧部３２は圧縮応力が加わる。第２の感圧素子６０の梁部３６は固定端３７を基部３５を解してベース２０の固定部２２に固定し、自由端３８は固定されていないため、可動部２４の伸縮応力の影響を受けることがない。従って変位した可動部２４に梁部３６の自由端３８が接触して、可動部２４の変位を止める働きをする。
【００５５】
これにより加速度を差動式で検出することができるため、より高精度な加速度検出が行える。またプラスマイナスの過剰な加速度が加速度検出器に印加された場合であっても、破壊限界でベースの両主面に形成された梁部が可動部の変位を止めることができ、加速度検出器が破壊されることを防止できる。
【符号の説明】
【００５６】
１０、１００、２００………加速度検出器、２０………ベース、２２………固定部、２４………可動部、２６………くびれ部、２７………一方の主面、２８………他方の主面、２９………載置部、３０………感圧素子、３２………感圧部、３４、３５………基部、３６………梁、３７………固定端、３８………自由端、４０………接着手段、５０………第２の梁部、５２………固定端、５４………自由端、６０………第２の感圧素子、１０１………感圧素子、１０２………基部、１０３………くびれ、１０４………錘、１０５………基板、２０１………ヒンジ結合、２０２………ベース、２０３………錘、２０４………感圧素子、３０１………加速度計、３０２………ヒンジ、３０３………錘、３０４………基台、３０５………片持ちはり、３０６………自由端、３０７………感圧素子、３０８………自由端、３０９………止め。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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