(57)【要約】【課題】加速度の測定精度、感度に優れ、過度の応力にも破損しない加速度検知ユニットを得る。【解決手段】加速度印加によって変位しない固定部材５、応力感応部を挟むよう応力感応部と連結された２つの固定端部とを有する双音叉型圧電振動素子１０、重り部材１５、緩衝部材２２を備える。固定部材５は段差部５ｂと凹陥部５ａとを有している。重り部材１５は、双音叉型圧電振動素子１０の一方の固定端部１０ａに重り部材１５が固定され、他方の固定端部１０ｂは固定部材５の段差部５ｂに接着剤２０を用いて接着固定されている。そして、双音叉型圧電振動素子１０の一方の固定端部１０ａに固定された重り部材１５を、緩衝部材２２を介して固定部材５の凹陥部５ａの底面に支持するようにした。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
段差部と該段差部より張り出した凹陥部とを有し、加速度印加によって変位しない固定部材と、
応力感応部と該応力感応部を挟むよう該応力感応部と連結された２つの固定端部とを有する双音叉型圧電振動素子と、
前記双音叉型圧電振動素子の一方の固定端部に固定された重り部材と、
前記双音叉型圧電振動素子の他方の固定端部を前記固定部材の段差部に固定した状態で前記重り部材と前記凹陥部との間に設けられる緩衝部材と、
を備えたことを特徴とする加速度検知ユニット。
【請求項２】
請求項１に記載の加速度検知ユニットを備えたことを特徴とする加速度センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、加速度検知ユニット及び加速度センサに関し、特に応力感応素子として双音叉型圧電振動素子を用い、該双音叉型圧電振動素子に加わる過度の応力に耐えられるように改善された加速度検知ユニット、及び加速度センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
加速度センサは、従来から自動車、航空機、ロケットから各種プラントの異常振動監視等にまで、広く使用されている。特許文献１には、加速度あるいは回転速度を測定することができる運動量センサが開示されている。図４は１次元の加速度を検出する加速度センサの平面図であり、印加された加速度を振動体の固有振動数の変化として検出するセンサである。センサ全体は金属あるいは圧電材料の板材を図示形状に打ち抜いて形成される。枠型振動体４０の図中左端は固定部材４５と一体であり、その最左端は基台に固定されている。右端は連結部５３を介して付加質量４７に固着され、図示した矢印Ｇ方向の加速度成分を検出する。両端を連結された振動脚５１、５２よりなる枠型の振動体４０は、両者のバネ軸は平行であるが、図中破線で示したように、枠の長手方向の中心軸の両側に対称的に振動する屈曲振動を励振される。
この自由振動状態の枠の長手方向の両端に引っ張り力、あるいは圧縮力を印加すると、力に応じて振動数が変化し、その変化量から力の大きさを測定する。固定部材４５の周囲は外枠状をしており、付加質量を支えると共に、その左右方向への直線運動のガイド部材を兼用している。
【０００３】
図５は２次元の加速度センサを示す平面図であり、図４に示した枠型の振動体４０と同様な４個の枠型の振動体４１〜４４を備えている。これらはほぼ同一形状を有し、１枚の板状素材から一体形成される。６１〜６８は夫々振動脚、５３、７３、７４、７５は連結部、４７は付加質量で、４個の枠型振動体４１〜４４はその連結部が中心の付加質量４７に連結されて、その周囲に９０°間隔で放射状に配置され、それらの外端は固定部材４６と一体となっている。
４個の枠型振動体４１〜４４は、図示しない電気−機械変換器と発振回路とによって自励振動している。図５の上下方向の加速度成分については、付加質量４７の慣性力による枠型振動体４１、４３の周波数変化量を、水平方向の加速度成分は枠型振動体４２、４４の周波数変化量を測定することにより求めることができる。また、両成分の大きさと符号の比較により、センサ面内の任意の方向の加速度Ｇθを求めることができると記述されている。
【特許文献１】特開２０００−２０６１４１公報
【特許文献２】特開昭６０−３９９１１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、特許文献１に記載の加速度センサでは、枠型振動体に対して垂直方向に過度の加速度が加わった場合、枠型振動体の変位に対して保護装置がなく、破損する虞があるという問題があった。また、垂直方向の加速度に対して全ての枠型振動体の周波数が変化し、測定誤差を引き起こすという問題もあった。
本発明は上記問題を解決するためになされたもので、過度の力、加速度が加わった場合に対応した加速度検知ユニット及び加速度センサを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記目的を達成するため、本発明の加速度センサは、段差部と該段差部より張り出した凹陥部とを有し、加速度印加によって変位しない固定部材と、応力感応部と該応力感応部を挟むよう該応力感応部と連結された２つの固定端部とを有する双音叉型圧電振動素子と、双音叉型圧電振動素子の一方の固定端部に固定された重り部材と、双音叉型圧電振動素子の他方の固定端部を固定部材の段差部に固定した状態で重り部材と凹陥部との間に設けられる緩衝部材と、を備えたことを特徴とする。
また本発明の加速度センサは、重り部材を重心が固定端部の厚さの中心となるように固定する。また本発明の加速度センサは、重り部材を固定端部の一方の面に固定する。
以上のように加速度検知ユニットを構成すると、検出軸方向の加速度が印加された場合には、緩衝部材は容易に変形するので、加速度の測定精度、感度に影響を及ぼすことはない。過度の応力、加速度が加わった場合には、緩衝部材がその力を吸収するので、応力感応素子としての双音叉型圧電素子が破損することはないという効果がある。
また本発明の加速度センサは、本発明の加速度検知ユニットを備えたことを特徴とする。本発明のように加速度センサを構成すると、加速度の測定精度、感度が良好で、過度の応力、加速度に耐える加速度センサが得られるという効果がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００６】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。
図１は、第１の実施の形態の加速度検知ユニット１を示す図であり、同図（ａ）は平面図、同図（ｂ）はＱ−Ｑにおける断面図である。加速度検知ユニット１は、加速度印加によって変位しない固定部材５と、応力感応部を挟むよう応力感応部と連結された２つの固定端部とを有する双音叉型圧電振動素子１０と、重り部材１５と、緩衝部材２２と、を備えている。固定部材５は段差部５ｂとこの段差部５ｂより張り出した凹陥部５ａとを有している。重り部材１５は、双音叉型圧電振動素子１０の一方の固定端部１０ａに、重り部材１５の重心が固定端部１０ａの厚さの中心にあるように固定され、双音叉型圧電振動素子１０の他方の固定端部１０ｂは、固定部材５の段差部５ｂに接着剤２０を用いて接着固定されている。そして、双音叉型圧電振動素子１０の一方の固定端部１０ａに固定された重り部材１５は、緩衝部材２２を介して固定部材５の凹陥部５ａの底面に支持されている。
【０００７】
本発明の理解を得るため、双音叉型圧電振動素子について若干説明する。特許文献２には双音叉型圧電振動素子の電極構造が開示されている。図６（ａ）は双音叉型圧電振動素子の平面図であり、各振動腕部８１ａ、８１ｂには３分割した励振電極を形成する。励振電極は振動の節となる線に沿って分割され、分割線の相隣り合う励振電極には逆極性の電圧を印加するように電極を接続する。励振電極の分割線は、振動腕部８１ａ（８１ｂ）の長さをＬとすると、両固定端部８０ａ、８０ｂの中央寄りの端から夫々０．２５５Ｌの所である。また、図６（ｂ）は同図（ａ）のＡ−Ａにおける断面図であり、励振電極の接続方法を示した図である。つまり、各振動腕部８１ａ、８１ｂの表裏面に第１、第２及び第３の励振電極を形成すると共に、夫々の両側面に第４、第５及び第６の励振電極を形成する。図６（ｂ）に示すように各振動腕部８１ａ、８１ｂの表裏面及び両側面の対向する励振電極同士を接続し、各振動腕部８１ａ、８１ｂの対応する励振電極に逆極成の高周波電圧が印加されるようにして、双音叉型圧電振動素子の中心軸の両側に対称な屈曲振動を励振するようにする。
【０００８】
特に水晶材料を用いて双音叉型圧電振動素子を構成すると、周波数の温度特性、周波数安定性、応力感度が優れた加速度検知ユニットが構成できる。本実施形態例では、応力感応素子として２本の振動腕部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。
双音叉型水晶振動素子の２本の振動腕に外力Ｆを加えたときの共振周波数ｆFは以下の如くである。
ｆF＝ｆ0（１−（ＫＬ2Ｆ）／（２ＥＩ））1/2    （１）
ここで、ｆ0は外力がないときの双音叉型水晶振動素子の共振周波数、Ｋは基本波モードによる定数（＝０．０４５８）、ｌは振動ビームの長さ、Ｅは縦弾性定数、Ｉは断面２次モーメントである。断面２次モーメントＩはI＝ｄｗ3／１２より、式（１）は次式のように変形することができる。ここで、ｄは振動ビームの厚さ、ｗは幅である。
ｆF＝ｆ0（１−ＳFσ）1/2                  （２）
但し、応力感度ＳFと、応力σとはそれぞれ次式で表される。
ＳF＝１２（Ｋ／Ｅ）（Ｌ／ｗ）2              （３）
σ＝Ｆ／（２Ａ）                            （４）
【０００９】
以上から双音叉型振動素子に作用する力Ｆを圧縮方向のとき負、伸張方向（引張り方向）を正としたとき、力Ｆと共振周波数ｆFの関係は、力Ｆが圧縮で共振周波数ｆFが減少し、伸張（引張り）では増加する。また応力感度ＳFは振動ビームのｌ／ｗの２乗に比例する。しかし、圧電振動素子としては、双音叉型水晶振動素子に限らず、伸張・圧縮応力によって周波数が変化する圧電振動素子であればどのようなものを用いても良い。
【００１０】
図１に示した加速度検知ユニット１の特徴は、双音叉型圧電振動素子１０の一方の固定端部１０ａに固定された重り部材１５と、固定部材５の凹陥部５ａの底面との間に緩衝部材２２として、例えばシリコン接着剤を挟んだことである。加速度検知ユニット１の加速度検出軸は、図１（ｂ）の矢印Ｇ方向である。矢印方向に加速度が印加された場合は、緩衝部材２２は十分に柔らかいので加速度αに応じてα×ｍ（ｍは重り部材を含めた質量）の力Ｆが、双音叉型圧電振動素子１０に加わり、この応力Ｆに応じて双音叉型圧電振動素子１０の周波数が変化する。双音叉型圧電振動素子１０の端子電極は発振器に接続されており、自励発振の状態で加速度ユニットを用いる。
従来の加速度検知ユニットでは、双音叉型圧電振動素子１０に対し垂直方向に過度の力、加速度が加えられた場合には、双音叉型圧電振動素子１０の弾性限界を超え、破損する虞が多々あった。これに対し、本発明の加速度検知ユニット１では、重り部材１５と固定部材５との間に弾力性のある緩衝部材２２を挟んで構成されているので、過度の力、加速度に対しても緩衝部材２２がその力を吸収するので、応力感応素子としての双音叉型圧電素子は破損しないという効果がある。
【００１１】
図２は、加速度検知ユニットの第２の実施の形態の構成を示す断面図である。加速度印加によって変位しない固定部材５と、応力感応部と応力感応部を挟むよう応力感応部と連結した２つの固定端部とを有する双音叉型圧電振動素子１０と、を備えている。重り部材１５は双音叉型圧電振動素子１０の一方の固定端部１０ａの一方の面（下側）に固定され、双音叉型圧電振動素子１０の他方の固定端部１０ｂは固定部材５の段差部５ｂに接着剤を用いて接着固定されている。そして、双音叉型圧電振動素子１０の一方の固定端部に固定された前記重り部材１５は緩衝部材２２を介して固定部材５の凹陥部５ａに支持されている。
この場合も図１（ｂ）に示した第１の実施の形態と同様に、加速度検知ユニット１の加速度検出軸は、図２の矢印Ｇ方向である。矢印方向に加速度が印加されると、緩衝部材２２は弾性を有するので、加速度αによる力Ｆが双音叉型圧電振動素子１０に加わる。この応力Ｆに応じて双音叉型圧電振動素子１０の周波数が変化する。双音叉型圧電振動素子１０に垂直方向から過大な力が加わると、双音叉型圧電振動素子１０もその方向に若干変形するが、緩衝部材２２がその応力を吸収するので、応力感応素子としての双音叉型圧電素子は破損しないという効果がある。
【００１２】
図３は、本実施の形態の加速度センサの構成を示す断面図である。加速度センサは、上記の加速度検知ユニット１と、発振回路３０と、データ処理部３２と、これらを収容するハウジング３５と、このハウジング３５を密封するための蓋部材３６から構成される。
本発明の加速度センサは加速度の感度、精度が優れているのみならず、過度の応力が加わった場合でも応力感応部の双音叉型圧電振動素子が破損しないという特徴を有す。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】第１の実施の形態の加速度検知ユニットの構成を示した図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は断面図である。
【図２】第２の実施の形態の加速度検知ユニットの構成を示す断面図である。
【図３】本実施の形態の加速度検センサの構成を示す断面図である。
【図４】従来の１次元加速度センサの構成を示す平面図である。
【図５】従来の２次元加速度センサの構成を示す平面図である。
【図６】従来の双音叉型圧電振動素子の構成を示す図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は断面図である。
【符号の説明】
【００１４】
１、２…加速度検知ユニット、５…固定部材、５ａ…凹陥部、５ｂ…段差部、１０…双音叉型圧電振動素子、１０ａ…双音叉型圧電振動素子の一方の端部、１０ｂ…双音叉型圧電振動素子の一方の端部、１５重り部材、２０…接着剤、２２…緩衝部材、３０…発振回路、３２…データ処理、３５…ハウジング、３６…蓋部材
【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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