(57)【要約】【課題】小型に構成でき、比較的簡単な構成で、感度の良好な加速度センサを提供すること。【解決手段】圧電材料で形成した基部５１と、この基部と一体に形成され、かつ前記基部から平行に延びる少なくとも一対の振動腕３４，３５とを備える音叉型圧電振動片３２と、該圧電振動片を発振させる発振手段１１とを有し、前記各振動腕の延びる方向が、検出すべき加速度が作用する方向Ｇと一致するように前記圧電振動片３２を配置し、前記加速度が作用した際に、前記圧電振動片の周波数変化を検出する構成。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧電材料で形成した基部と、この基部と一体に形成され、かつ前記基部から平行に延びる少なくとも一対の振動腕とを備える圧電振動片と、
該圧電振動片を発振させる発振手段と、
加速度が作用した際に、前記発振手段の発振周波数の変化を検出する検出手段と
を有し、
前記各振動腕の延びる方向が、検出すべき加速度が作用する方向と一致するように前記圧電振動片が配置されている構成とした
ことを特徴とする加速度センサ。
【請求項２】
前記圧電振動片が音叉型圧電振動片であることを特徴とする請求項１に記載の加速度センサ。
【請求項３】
前記圧電振動片をパッケージに収容し、蓋体により気密に封止したことを特徴とする請求項１および２のいずれかに記載の加速度センサ。
【請求項４】
前記圧電振動片の前記各振動腕の先端部の外形を大きく形成したことを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の加速度センサ。
【請求項５】
前記圧電振動片の前記各振動腕の先端部に重りを配置したことを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載の加速度センサ。
【請求項６】
前記圧電振動片の前記各振動腕の先端部を除く腕本体部の厚みを薄く形成したことを特徴とする請求項１ないし５のいずれかに記載の加速度センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、移動体などに作用する加速度を計測する加速度センサに係り、特に比較的簡単な構成で、きわめてコンパクトに形成することができる加速度センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の加速度センサは、所定の質量を有するマス部と、これを支持する梁部などのバネ要素で形成されたものが知られている。
一般に、マス部に加速度がマス部に作用すると、該マス部は慣性により変位する。この場合、バネ要素がこのマス部を支えているから、該バネ要素に生じた応力がマス部の慣性力とつりあうまで、該マス部が変位する。このとき、バネ要素に生じた応力が加速度に対応するので、この応力を検出することにより、加速度を知るようにしている。
このような方式の加速度センサでは、応力検出に半導体センサなどの特別な検出手段を用いる必要があることや、応力−電圧変換効率の問題などが指摘されている。
【０００３】
そこで、支持基台に平行ビーム振動体を接続して支持し、該平行ビーム振動体をマス部材に接続するとともに、平行ビーム振動体を励振する手段、および平行ビーム振動体の振動数を検出する手段を設けた構成の加速度センサも提案されている（特許文献１、図１、図２参照）。
【０００４】
このような構成の加速度センサによれば、加速度により生じるマス部の慣性力によって平行ビーム振動体のビームが撓む。これにより平行ビーム振動体は形状剛性が変化し、その共振振動数が変化する。この振動数変化を検出することで、加速度を検出しようとするものである。このため、平行ビーム振動体の周波数を周波数カウンタなどの検出手段で検出するため、従来のような半導体センサなどの特別な手段が不要であり、変換効率の問題もない。
【特許文献１】特開平９−２５７８３０
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１の加速度センサでは、比較的大きな形状と質量をもつマス部を必要とし、その分小型化が困難である。
また、加速度に対応した応力感度が最適な振動モードが選択されていないなどの問題がある。
【０００６】
この発明は、小型に構成でき、比較的簡単な構成で、感度の良好な加速度センサを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的は、第１の発明にあっては、圧電材料で形成した基部と、この基部と一体に形成され、かつ前記基部から平行に延びる少なくとも一対の振動腕とを備える圧電振動片と、該圧電振動片を発振させる発振手段と、加速度が作用した際に、前記発振手段の発振周波数の変化を検出する検出手段とを有し、前記各振動腕の延びる方向が、検出すべき加速度が作用する方向と一致するように前記圧電振動片が配置されている構成とした加速度センサにより、達成される。
【０００８】
第１の発明の構成によれば、前記基部は屈曲振動に関与しない箇所であり、前記各振動腕の基端を形成し、圧電振動片の接合支持に用いることができる。前記振動腕は、安定した屈曲振動をするためには対となる構成が必要で、少なくとも一対形成される。発振手段は、前記圧電振動片に対して、特定のモードの振動を励起させるためのものである。
各振動腕の延びる方向が、検出すべき加速度が作用する方向と一致するように前記圧電振動片を配置されることで、加速度が作用した場合には、該振動腕の長さ方向の寸法が極僅かに変化する。その周波数変化を検出することにより、該加速度を検出することができるものである。
したがって、比較的大きなマス部分を必要としないので、全体を小型に構成でき、応力を検出するための半導体センサなども不要であることから、比較的簡単な構成であり、振動腕の形状変化による周波数変化を検出しているので、きわめて感度の良好な加速度センサを得ることができる。
【０００９】
第２の発明は、第１の発明の構成において、前記圧電振動片が音叉型圧電振動片であることを特徴とする。
第２の発明の構成によれば、圧電振動片として音叉型圧電振動片を用いることにより、応力−周波数感度がきわめて高い圧電振動片を用いるので、高精度、高分解能で加速度を検出することができる。
しかもこの発明の構成の音叉型圧電振動片は時計用発振器などで用いられている音叉型圧電振動片とほぼ同じ製造プロセスを利用して製造することができる。したがって、製造コストの点できわめて有利である。
なお、従来、音叉型圧電振動片を利用して加速度や角速度を検出するセンサを構成する例はあるが、加速度による振動腕の形状変化により屈曲振動の周波数が変化することを用いて該加速度を検出するものはない。
【００１０】
第３の発明は、第１および２のいずれかの発明の構成において、前記圧電振動片をパッケージに収容し、蓋体により気密に封止したことを特徴とする。
第３の発明の構成によれば、加速度を検出する上で、前記圧電振動片を気密に封止することで、その振動腕の屈曲抵抗をなくし、安定した振動とすることができ、安定した加速度検出を行うことができる。
【００１１】
第４の発明は、第１ないし３のいずれかの発明の構成において、前記圧電振動片の前記各振動腕の先端部の外形を大きく形成したことを特徴とする。
第４の発明の構成によれば、屈曲振動を行う振動腕の先端部を大きくすることで、他の箇所よりも質量を増すことができ、加速度の影響を受けやすくすると好ましい。
【００１２】
第５の発明は、第１ないし４のいずれかの発明の構成において、前記圧電振動片の前記各振動腕の先端部に重りを配置したことを特徴とする。
第５の発明の構成によれば、屈曲振動を行う振動腕の先端部を重くすることで、他の箇所よりも質量を増すことができ、加速度の影響を受けやすくすると好ましい。
【００１３】
第６の発明は、第１ないし５のいずれかの発明の構成において、前記圧電振動片の前記各振動腕の先端部を除く腕本体部の厚みを薄く形成したことを特徴とする。
第６の発明の構成によれば、振動腕の剛性を低下させることで、より加速度に対する感度を向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
図１は、本発明の加速度センサの第１の実施の形態を示している。
図において、加速度センサ１０は、圧電振動片３２を有している。圧電振動片３２は、圧電材料により形成した例えば矩形もしくは正方形の基部５１と、この基部を基端として、同じ方向に延びる一対の振動腕３４，３５とを有している。
【００１５】
ここで、圧電振動片３２は、例えば、圧電材料のうち、圧電基板として、例えば、圧電振動片３２を複数もしくは多数分離することができる大きさの水晶ウエハを用いて形成されている。この場合、水晶の単結晶から切り出す際、Ｘ軸が電気軸、Ｙ軸が機械軸及びＺ軸が光学軸となるように、このＸ軸、Ｙ軸及びＺ軸からなる直交座標系において、Ｚ軸を中心に時計回りに０度ないし５度の範囲で回転して切り出した水晶Ｚ板を所定の厚みに切断研磨して得られるものを用いる。
【００１６】
このような水晶ウエハをエッチングすることにより、図１の圧電振動片３２の外形を形成している。
このような圧電振動片３２の各振動腕３４，３５の例えば主面、すなわち、上面と下面に電極を形成し、これらの電極を基部５１の引き出し電極５２，５３に引き回す。
この引き出し電極５２，５３に駆動電圧を印加すると、各振動腕３４，３５の先端部を互いに接近・離間させるようにして水平な屈曲運動を生じる。この屈曲運動による各振動腕３４，３５の変形により圧電作用として生じる交流電流の周波数は、腕幅をＷとし、腕長さをｌとしたとき、
（周波数）ｆ＝Ｗ／ｌ２となる（式１）。
【００１７】
そこで、本実施形態では、圧電振動片３２を検出しようとする加速度Ｇの作用する方向に、各振動腕３４，３５が延びる方向を一致させて配置するようにし、例えば、後述する方法で、基部５１を固定する。
そして、基部５１の各引き出し電極５２，５３に発振手段１１が接続されている。発振手段１１は、例えば発振器であり、所定の周波数の駆動電圧を圧電振動片３２に与え、圧電振動片３２を特定の振動モードで屈曲振動させるためのものである。
【００１８】
この振動による周波数は、発振手段１１を介して、該発振手段１１に接続された検出手段１２により検出されるようになっている。
検出手段１２は、たとえば周波数カウンタであって、圧電振動片３２の屈曲振動による周波数を検出することができるものを使用することができる。
【００１９】
かくして、図１の加速度センサ１０によれば、圧電振動片３２に加速度Ｇが作用することにより、その応力によって、各振動腕３４，３５がともにごく僅かに変形する。この変形は、各振動腕３４，３５の長さｌがきわめて小さい寸法で伸縮する。
この伸縮により、圧電振動片３２の屈曲振動による周波数は、上記式１に基づいて変化する。
すなわち、図１において加速度がＧ１方向に作用した場合には、各振動腕３４，３５はごく僅かに伸張する。このため、屈曲振動による周波数は低く変化する。
加速度がＧ２方向に作用した場合には、各振動腕３４，３５はごく僅かに短縮され、このため、屈曲振動による周波数は高く変化する。
【００２０】
したがって、検出手段１２としての周波数カウンタには、圧電振動片３２が発振手段１１により駆動されている状態において、加速度Ｇの作用する方向が、Ｇ１方向であるか、Ｇ２方向であるかにより、検出している周波数の「低い」方への変化、もしくは「高い」方への変化として検出される。
あるいは検出手段として、単なる周波数カウンタではなく、たとえばパソコンなどを利用した演算手段と所定の記憶手段および表示手段を具備したものを使用してもよい。
これにより、例えば加速度Ｇの作用の程度に応じた、周波数変化の程度を対応させて、たとえばテーブル値として予め記憶させておき、検出された周波数変化に応じて、ただちに、該周波数変化に基づく加速度の大きさを表示できるようにしてもよい。
【００２１】
図２は、圧電振動片１３の詳しく説明するための概略斜視図である。
本実施形態の場合、圧電振動片３２は、小型に形成して、必要な性能を得るために、特に図示のような形状および構造とされている。
すなわち、圧電振動片３２は、固定用の基部５１と、この基部５１を基端として、図において斜め上方に向けて、二股に別れて平行に延びる一対の振動腕３４，３５を備えており、全体が音叉のような形状とされた、所謂、音叉型圧電振動片が利用されている。
この圧電振動片３２は、全体として、きわめて小型に形成されていて、図２において、例えば、全長が、１３００μｍ程度、振動腕の長さが１０４０μｍ程度、腕幅が４０μｍないし５５μｍ程度とされたきわめて小型の圧電振動片である。
【００２２】
図３は図２のＡ−Ａ線切断端面図である。図２および図３に示されているように、圧電振動片３２の各振動腕３４，３５には、それぞれ長さ方向に延びる長い有底の長溝５６，５７が形成されている。この各長溝５６，５７は、図３に示されているように、各振動腕３４，３５の表裏両面に形成されている。
さらに、図３において、圧電振動片３２の基部５１の端部（図２では下端部）の幅方向両端付近には、引き出し電極５２，５３が形成されている。各引き出し電極５２，５３は、圧電振動片３２の基部５１の図示しない裏面にも同様に形成されている。
【００２３】
これらの各引き出し電極５２，５３は、後述するパッケージ側の電極部３１，３１と導電性接着剤４３，４３により接続される部分である。そして、各引き出し電極５２，５３は、図２および図３に示されているように、各振動腕３４，３５の長溝５６，５７内に設けた励振電極５４，５５とそれぞれ一体に接続されている。また、各励振電極５４，５５は、図３に示されているように各振動腕３４，３５の両側面にも形成されており、例えば、振動腕３４に関しては、長溝５６内の励振電極５４と、その側面部の励振電極５５とは互いに異極となるようにされている。また、振動腕３５に関しては、長溝５７内の励振電極５５と、その側面部の励振電極５４とは互いに異極となるようにされている。
【００２４】
図５および図６は第２の実施形態を示している。
第２の実施形態は、第１の実施形態の加速度センサに用いる圧電振動片３２を収容容器としての例えばパッケージに収容した構成を備えており、以下の説明では、第１の実施形態と共通する構成には同一の符合を付して重複する説明を省略し、相違点を中心に説明する。図６は図５のＢ−Ｂ線切断端面図である。
【００２５】
加速度センサ１０−２は、圧電振動片３２をパッケージ３６に収容した構成である。
パッケージ３６は、例えば、絶縁材料として、酸化アルミニウム質のセラミックグリーンシートを成形して形成される複数の基板を積層した後、焼結して形成されている。複数の各基板は、その内側に所定の孔を形成することで、積層した場合に内側に所定の内部空間Ｓ２を形成するようにされている。この内部空間Ｓ２が圧電振動片３２を収容するための収容空間である。
【００２６】
このパッケージ３６の内部に圧電振動片３２をマウントし、蓋体３９で気密に封止するようにされている。ここで、蓋体３９は、セラミック、金属、ガラスなどの材質を選択して形成されている。好ましくは、パッケージ３６内を真空状態として、気密に封止される。
蓋体３９が、例えば、金属の場合には、一般に他の材料よりも強度が高いという利点がある。蓋体３９の材料としては、パッケージ３６と熱膨張率が近似したものが適しており、例えば、コバールなどを使用することができる。
また、蓋封止後の周波数調整を可能にするために、蓋体３９は、例えばガラスなどの光透過材料で形成される。例えば、硼珪酸ガラスなどの板体を使用することができる。
【００２７】
パッケージ３６の内部空間Ｓ２内の図において左端部付近において、内部空間Ｓ２に露出して内側底部を構成する積層基板には、例えば、タングステンメタライズ上にニッケルメッキ及び金メッキで形成した電極部３１，３１が設けられている。この電極部３１，３１は、外部と接続されて、駆動電圧を供給するものである。
電極部３１，３１は、パッケージ３６の底面に形成した実装端子４５，４６と導電パターンなどにより電気的に接続されている。
【００２８】
また、各電極部３１，３１の上に導電性接着剤４３，４３が塗布され、この導電性接着剤４３，４３の上に圧電振動片３２の基部５１が載置されて、導電性接着剤４３，４３が硬化されるようになっている。尚、導電性接着剤４３，４３としては、接合力を発揮する接着剤成分としての合成樹脂剤に、銀製の細粒等の導電性の粒子を含有させたものが使用でき、シリコーン系、エポキシ系またはポリイミド系導電性接着剤等を利用することができる。
また、実装端子４５，４６には、発振手段１１が接続され、発振手段１１には検出手段１２が接続されている。
【００２９】
ここで、図２で詳しく示す基部５１は、図５に示すようにパッケージ３６の内部に接合しようとする場合、全体の小型化を妨げない程度に該基部５１の面積を大きくし、導電性接着剤４３の塗布量を多くする程、強固に接続される。これにより、加速度Ｇによる応力が逃げることなく圧電振動片３２に適切に作用する。
そして、このようにするためには、接着剤として上記したもののうち、たとえば、エポキシ系やポリイミド系のものを用いるとリジットに固定できて好ましい。
【００３０】
第２の実施形態の構成によれば、パッケージに収容された状態で圧電振動片３２の振動腕３４，３５の長さ方向を図５のＧの方向にそろえて固定するだけで、第１の実施形態同様に適切に加速度が検出できる。
また、パッケージ３６内に図示しない集積回路を圧電振動片３２とともに収容し、この集積回路に発振手段１１と検出手段１２の機能をもたせれば、実装端子４５，４６からただちに加速度データを得ることができる。
【００３１】
図６は圧電振動片３２の変形例１の概略斜視図である。
図６の圧電振動片３２−１において、図２の圧電振動片３２と同一の符合を付した箇所は共通する構成であるから重複する説明は省略し、以下相違点を中心に説明する。
この圧電振動片３２−１では、各振動腕３４，３５の先端部に、それぞれ重り部５８，５９を形成している。
具体的には、圧電振動片３２−１では、各振動腕３４，３５の先端部の外形を大きく形成して、重り部５８，５９としている。
【００３２】
これにより、屈曲振動を行う振動腕３４，３５の先端部を大きくすることで、他の箇所よりも質量を増すことができ、加速度の影響を受けやすくすると好ましい。しかも、重り部５８，５９は圧電振動片３２−１から独立したマス部として形成されているわけではなく、振動腕の先端に一体に形成されているので、部品点数が増えることもなく、形状が極端に大きくなるわけでもない。
【００３３】
図７は図６の圧電振動片について、特にその振動腕３５の重り部５９（振動腕３４の重り部５８も同一構造）の部分縦断面図であり、圧電振動片の変形例２の要部を示す図である。
図示されているように、振動腕の先端部５９−１を除く腕本体部の厚みに関して、通常の場合、鎖線で示す厚みであるところ、図示のように特に薄くなるように、エッチングなどにより加工した構成を示している。
これにより、振動腕３５−１の剛性を低下させることで、より加速度に対する感度を向上させることができる。
【００３４】
なお、図８は第１の実施形態の図１の加速度センサ１０に対し、Ｇ２方向に加速度Ｇが作用した場合に、検出される周波数変化を示すものである。
図８に示されているように、加速度Ｇに対する周波数偏差の変化の特性は一次関数に近い特性であるため、複雑な周辺回路を必要とせず、簡易な回路で、正確な加速度を求めることができるものである。
【００３５】
本発明は上述の実施形態に限定されない。各実施形態の各構成はこれらを適宜組み合わせたり、省略し、図示しない他の構成と組み合わせることができる。
また、この発明は、圧電振動片を利用したものであれば、収容容器がなくても適用できるし、また、上述の実施形態では、圧電振動片の収容容器であるパッケージにセラミックを使用した箱状のものを利用しているが、このような形態に限らず、金属製のシリンダー状のケース等のパッケージと同等の収容容器に圧電振動片を収容してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る加速度センサの概略構成図。
【図２】図１の加速度センサに用いる圧電振動片の概略斜視図。
【図３】図２の圧電振動片のＡ−Ａ線における切断端面図。
【図４】本発明の第２の実施形態に係る加速度センサの概略構成図。
【図５】図４の加速度センサのＢ−Ｂ線における切断端面図。
【図６】本発明に使用される圧電振動片の変形例１の概略斜視図。
【図７】本発明に使用される圧電振動片の変形例２の部分断面図。
【図８】図１の加速度センサにおいて、加速度が作用した場合の周波数変化を示すグラフ。
【符号の説明】
【００３７】
１０・・・加速度センサ、３０・・・圧電デバイス、３６・・・パッケージ、３２・・・圧電振動片、３４，３５・・・振動腕、５１・・・基部、５４，５５・・・励振電極、５６，５７・・・長溝
【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】
2008014744.tif 000009
【図８】
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