(57)【要約】【課題】測定精度、感度がよく、応力感応素子相互間の干渉が少ない、小型化した３次元加速度検知装置を得る。【解決手段】第１の加速度検出軸方向への加速度を検出する第１の加速度検出ユニット１ａと、第２の加速度検出軸方向への加速度を検出する第２の加速度検出ユニット１ｂと、第３の加速度検出軸方向への加速度を検出する第３の加速度検出ユニット１ｃと、を備え、各検出ユニットは、固定部材と、固定部材に梁にて支持される可動部材と、応力感応素子と、を備え、各梁は変形可能な可撓性を有する構成であり、応力感応素子は、固定部材と可動部材によって両固定端を夫々支持されており、各検出ユニットは、可動部材の変位によって応力感応素子を面方向へ伸縮変位させる構成を有し、第３の加速度検出ユニットは、可動部材の変位によって応力感応素子を面方向と直交する方向へ屈曲変位させる。【選択図】図１
2008224268.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の加速度検出軸方向への加速度を検出する第１の加速度検出ユニットと、第２の加速度検出軸方向への加速度を検出する第２の加速度検出ユニットと、第３の加速度検出軸方向への加速度を検出する第３の加速度検出ユニットと、を備えた加速度検知装置であって、
前記第１、第２及び第３の加速度検出ユニットは、夫々、加速度の印加によって変位しない固定部材と、前記固定部材に梁にて支持される可動部材と、応力感応部及び該応力感応部の両端部に一体化された固定端を有した応力感応素子と、を備え、前記梁は、前記可動部材に加速度が印加されると前記可動部材を加速度検出軸方向へ変位させるよう変形可能な可撓性を有する構成であり、前記応力感応素子は、前記固定部材と前記可動部材によって両固定端を夫々支持されており、
前記第１及び第２の加速度検出ユニットは、前記可動部材の変位によって前記応力感応素子を面方向へ伸縮変位させる構成を有し、
前記第３の加速度検出ユニットは、前記可動部材の変位によって前記応力感応素子を面方向と直交する方向へ屈曲変位させる構成を有していることを特徴とする加速度検知装置。
【請求項２】
前記第１及び第２の加速度検出ユニットの梁は、夫々両端部から中央部に向けて厚みが漸減し、中央部の厚みが最小となるように構成されていることを特徴とする請求項１に係る加速度検知装置。
【請求項３】
前記第３の加速度検出ユニットの梁は、両端部から中央部近傍まで一様の厚みであり、中央部において中央部の両端から中心に向けて厚みが漸減し、中心の厚みが最小となるように構成されていることを特徴とする請求項１に係る加速度検知装置。
【請求項４】
前記第１、第２及び第３の加速度検出ユニットを一体化したことを特徴とする請求項１に記載の加速度検知装置。
【請求項５】
前記固定部材の肉厚内部に空所を設けたことを特徴とする請求項４に記載の加速度検知装置。
【請求項６】
第１の加速度検出軸方向への加速度を検出する第１の加速度検出ユニットと、第２の加速度検出軸方向への加速度を検出する第２の加速度検出ユニットと、第３の加速度検出軸方向への加速度を検出する第３の加速度検出ユニットと、を備えた加速度検知装置であって、
前記第１、第２及び第３の加速度検出ユニットは、夫々、加速度の印加によって変位しない固定部材と、前記固定部材に梁にて支持される可動部材と、応力感応部及び該応力感応部の両端部に一体化された固定端を有した応力感応素子と、を備え、
前記梁は、前記可動部材に加速度が印加されると前記可動部材を加速度検出軸方向へ変位させるよう変形可能な可撓性を有する構成であり、前記応力感応素子は、前記固定部材と前記可動部材によって両固定端を夫々支持されており、
前記可動部材の変位によって前記応力感応素子を面方向と直交する方向へ屈曲変位させる構成を有していることを特徴とする加速度検知装置。
【請求項７】
前記応力感応素子は、２つの前記固定端、及び各固定端間を連設する振動領域を備えた圧電基板からなる応力感応部と、該圧電基板の振動領域上に形成した励振電極と、を備えた圧電振動素子であることを特徴とする請求項１乃至６の何れか一項に記載の加速度検知装置。
【請求項８】
前記応力感応素子は、２つの前記固定端、及び各固定端間を連設する２つの振動ビームを備えた圧電基板からなる応力感応部と、該圧電基板の振動領域上に形成した励振電極と、を備えた双音叉型圧電振動素子であることを特徴とする請求項１乃至６の何れか一項に記載の加速度検知装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、加速度検知装置に関し、特に３個の双音叉圧電振動子を用い夫々の周波数変化を利用して、三軸方向の加速度を検出する３次元加速度検知装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
加速度センサは、従来より自動車、航空機、ロッケットから各種プラントの異常振動監視装置等まで、広く使用されている。特許文献１には、図４の斜視図に示すような振動式加速度計が開示されている。図４において、５０はベースであり、ベース５０の中央には板状の支柱６０が垂直に固定され、支柱６０の自由端側には円筒状の重り７０が固定されている。ベース５０及び重り７０には支柱６０に対向して矩形状の切り込み８０、８１、９０、９１（図示せず）が設けられ、この切り込みに板状の振動梁１００、１０１が支柱６０と非接触の状態で、支柱６０を挟むように平行に、且つ対向して両端を固定されている。振動梁１００、１０１にはその中央部付近に長孔１０２、１０３が設けられ、複合音叉振動子を構成している。この長孔１０２、１０３の近傍には振動梁１００、１０１の励振用と、検出用の圧電振動子が貼付されている。
【０００３】
図５に示す振動式加速度計は、複合音叉振動子（１００、１０１）と、発振回路１１０、１１１と、加算器１２０と、減算器１３０とからなり、振動梁１００、１０１の周波数信号を演算して、夫々の軸方向の加速度を求めるように構成されている。図４の振動梁１００、１０１にＺ方向に加速度α１を加えると、支柱６０は重り７０からＭα１の力を受け、振動梁１００、１０１は圧縮または引張りの力を受けて、固有振動数はその加速度に応じて変化する。また、Ｘ軸方向に加速度α２が加わると、支柱６０は重り７０からＭα２の力を受けて撓み、振動梁１００、１０１の一方は圧縮、他方は引張りの力を受け、固有振動数は加速度の大きさに応じて変化する。
加速度に応じて変化した振動梁１００、１０１の夫々の周波数ｆ１、ｆ２は、加算器１２０及び減算器１３０に入力され、加算された（ｆ１＋ｆ２）の出力がＺ方向の、減算された（ｆ１−ｆ２）がＸ方向の加速度に関連した出力となると開示されている。
【０００４】
また、特許文献２には図６に示すような圧力センサが開示されている。図６において１５０はハウジング、１６０は圧力導入口、１７０ａ、１７０ｂはベローズであって、該ベローズ１７０ａ、１７０ｂには力伝達部材１８０が連結され、該力伝達部材１８０の可撓部１８０ａと固定部１８０ｂとの間に感圧素子１９０が接着固定されている。図６に示す圧力センサの圧力導入口１６０よりベローズ１７０ａ、１７０ｂに圧力が加わると、ベローズの有効面積に応じた力が、力伝達部材１８０の上下にかかり、差圧に相当する力がピボット２００を支点にして感圧素子１９０に圧縮力、あるいは引張り力として加わり、この力に応じて感圧素子１９０の共振周波数が変化し、これを検知することにより圧力を測定するものである。
【０００５】
ベローズ１７０ａ、１７０ｂ、力伝達部材１８０、感圧素子１９０及びハウジング１５０は、夫々異なった材料により構成されているので、使用環境の温度変化等により熱歪みが発生し、圧力測定精度を劣化させることになる。そこで、感圧素子１９０の支持部を力伝達部材可撓部１８０ａと、該力伝達部材と隔設し、且つ圧力センのサハウジング内に設けた感圧素子１９０の固定部材２１０との間に橋架固定することにより、周囲温度の変化に伴う熱歪みの影響を感圧素子１９０に加えることのないよう構成する。
そして、ベローズライン、力伝達部材、力伝達部材支柱と感圧素子固定部に分けて熱歪みの解析を行い、例えばハウジングにステンレス、ベローズにニッケル、力伝達部材に燐青銅、感圧素子に水晶を用い、夫々の線膨張係数を適用し、各部材の寸法を設定し、感圧素子１９０の固定部材の線膨張係数を設定すれば、その最適な長さを求めることができ、熱歪みの影響を受けることのない圧力センサを構成できると開示されている。
【特許文献１】特開昭６１−１７８６６７号公報
【特許文献２】特開平２−２２８５３４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１に記載された振動式加速度計を用いて、３軸方向の加速度を検知する場合には、２つの振動式加速度計が必要になる。しかしながら、この振動式加速度計は、Ｘ軸方向の加速度に対しては双音叉圧電振動子が屈曲することにより、Ｚ軸方向の加速度に対しては双音叉圧電振動子が伸張・圧縮することにより、夫々加速度を検知する形式の加速度計であり、加速度の方向により双音叉圧電振動子に加わる機械的動作が異なるため、加速度の感度が異なり、測定精度にバラツキ生じるという問題があった。
【０００７】
一方、特許文献２に記載の圧力センサを加速度センサに適用することは可能であるが、３軸方向の加速度を検知する場合には、この形式で作られた３個の加速度センサが必要となる。この場合、３つの加速度センサは、加速度検出方向に対し感圧素子が何れも伸張・圧縮して加速度を検知する形式となるため、軸方向による感度のバラツキは生じにくい。しかしながら、Ｘ軸、Ｙ軸方向の加速度を検出する場合には、力伝達部材、感圧素子を夫々の軸の方向に平行となるように配置しても加速度センサの高さは高くならないが、Ｚ軸方向の加速度を検出する場合には、力伝達部材、感圧素子ともＺ軸方向に平行に配置する必要があり、３軸加速度センサを構成すると、大型化が避けられないという問題があった。
本発明は上記問題を解決するためになされたもので、３軸方向の加速度感度が調整できる共に、小型化に適した３次元加速度検知装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するため、本発明は、３軸方向の加速度を検知する３次元加速度検知装置の小型化を図るため、第１の加速度検出軸方向への加速度を検出する第１の加速度検出ユニットと、第２の加速度検出軸方向への加速度を検出する第２の加速度検出ユニットと、第３の加速度検出軸方向への加速度を検出する第３の加速度検出ユニットと、を備えた加速度検知装置であって、前記第１、第２及び第３の加速度検出ユニットは、加速度の印加によって変位しない固定部材と、前記固定部材に梁にて支持される可動部材と、応力感応部及び該応力感応部の両端部に一体化された固定端を有した応力感応素子と、を備え、前記梁は、前記可動部材に加速度が印加されると前記可動部材を加速度検出軸方向へ変位させるよう変形可能な可撓性を有する構成であり、前記応力感応素子は、前記固定部材と前記可動部材によって両固定端を夫々支持されており、前記第１及び第２の加速度検出ユニットは、前記可動部材の変位によって前記応力感応素子を面方向へ伸縮変位させる構成を有し、前記第３の加速度検出ユニットは、前記可動部材の変位によって前記応力感応素子を面方向と直交する方向へ屈曲変位させる構造を有した加速度検知装置を構成する。
以上のように加速度検知装置を構成すると、３次元加速度検知装置の測定精度、感度、温度特性を保ちつつ、応力感応素子相互間の干渉を避け、小型化を図ることができるという効果がある。
【０００９】
前記第１及び第２の加速度検出ユニットの梁は、夫々両端部から中央部に向けて厚みが漸減し、中央部の厚みが最小となるような加速度検知装置を構成する。
このように加速度検知装置を構成すると、第１及び第２の加速度検出ユニットの加速度検出感度を高め、測定値の再現性が改善するという効果がある。
【００１０】
前記第３の加速度検出ユニットの梁は、両端部から中央部近傍まで一様の厚みであり、中央部において中央部の両端から中心に向けて厚みが漸減し、中心の厚みが最小となるような加速度検知装置を構成する。
このように加速度検知装置を構成すると、第３の加速度検出ユニットの加速度検出感度が高まり、再現性も向上するという効果がある。
【００１１】
前記第１、第２及び第３の加速度検出ユニットを一体化した加速度検知装置を構成する。
このように加速度検知装置を構成すると、３次元加速度検知装置の測定精度、感度、温度特性を保ちつつ、一層の小型化とコストの低減を図ることができるという利点がある。
【００１２】
前記第１、第２及び第３の加速度検出ユニットを一体化した加速度検知装置の固定部材の肉厚内部に空所を設けた加速度検知装置を構成する。
このように加速度検知装置を構成すると、３次元加速度検知装置に設けた３つの応力感応素子の固定端から漏洩する振動エネルギによる相互間の干渉を避けることができるという利点がある。
【００１３】
第１の加速度検出軸方向への加速度を検出する第１の加速度検出ユニットと、第２の加速度検出軸方向への加速度を検出する第２の加速度検出ユニットと、第３の加速度検出軸方向への加速度を検出する第３の加速度検出ユニットと、を備えた加速度検知装置であって、前記第１、第２、及び第３の加速度検出ユニットは、加速度の印加によって変位しない固定部材と、前記固定部材に梁にて支持される可動部材と、応力感応部及び該応力感応部の両端部に一体化された固定端を有した応力感応素子と、を備え、前記梁は、前記可動部材に加速度が印加されると前記可動部材を加速度検出軸方向へ変位させるよう変形可能な可撓性を有する構成であり、前記応力感応素子は、前記固定部材と前記可動部材によって両固定端を夫々支持されており、前記可動部材の変位によって前記応力感応素子を面方向と直交する方向へ屈曲変位させる構成を有した加速度検知装置を構成する。
このように加速度検知装置を構成すると、３次元加速度検知装置の第１、第２及び第３の加速度検出ユニットの加速度測定感度を同一とすることが可能であり、３軸方向の加速度測定値のバラツキを大幅に低減できるという効果がある。
【００１４】
前記応力感応素子は、２つの前記固定端、及び各固定端間を連設する振動領域を備えた圧電基板からなる応力感応部と、該圧電基板の振動領域上に形成した励振電極と、を備えた圧電振動素子を用いて加速度検知装置を構成する。
このように加速度検知装置を構成すると、加速度検知装置の加速度測定の感度、精度が向上し、再現性が良くなるという効果がある。
【００１５】
前記応力感応素子は、２つの前記固定端、及び各固定端間を連設する２つの振動ビームを備えた圧電基板からなる応力感応部と、該圧電基板の振動領域上に形成した励振電極と、を備えた双音叉型圧電振動素子を用いて加速度検知装置を構成する。
このように加速度検知装置を構成すると、加速度検知装置の加速度測定精度、感度が向上し、温度特性、再現性が改善さ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】
【００１６】
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（ａ）（ｂ）（ｃ）は第１、第２及び第３の加速度検出ユニット１ａ、１ｂ、１ｃを夫々個別に図示した斜視図である。
本発明に係る第１の実施の形態の加速度検知装置は、第１の加速度検出軸方向（Ｙ軸方向）への加速度を検出する第１の加速度検出ユニット１ａと、第２の加速度検出軸方向（Ｘ軸方向）への加速度を検出する第２の加速度検出ユニット１ｂと、第３の加速度検出軸方向（Ｚ軸方向）への加速度を検出する第３の加速度検出ユニット１ｃと、を備え、第１、第２及び第３の加速度検出ユニット１ａ、１ｂ、１ｃを夫々所定の方向に正確に向くようにハウジング（固定部材）に位置決め固定して構成される。
【００１７】
図１（ａ）に示す第１の加速度検出ユニット１ａは、加速度の印加によって変位しない第１の固定部材４と、固定部材４に第１の梁１０にて支持される第１の可動部材２０と、応力感応部３０ａ及び応力感応部３０ａの両端部に一体化された固定端３０ｂ、３０ｃを有した第１の応力感応素子３０と、を備えている。第１の固定部材４は、第１の応力感応素子３０の一端を支持する素子支持部４ａと、素子支持部４ａの左端から上方へＬ字状に張出し形成され側面に第１の梁１０を備えた張出し部４ｂと、を備えている。第１の梁１０は、第１の可動部材２０を第１の固定部材４に支持し、その形状は両端部から中央部に向けて厚みが漸減し、中央部の厚みが最小となるように構成されている。図１（ａ）に示した第１の梁１０は、その形状が双曲線状に形成された例を示している。また、半円状のものを背中合わせにした形状でもよく、両端部から階段状に漸減した形状の梁でもよい。
【００１８】
第１の可動部材２０は直方体状であり、可動部材２０の図中左側面と、固定部材４の張出し部４ｂとが、梁１０により連結されている。第１の可動部材２０の右側面の素子支持部２０ａと、第１の固定部材４の素子支持部４ａとは無段差状に平行に配置されており、両素子支持部が連なる平面は、第１の加速度検出軸方向（Ｙ軸方向）と平行になるように構成されている。そして、素子支持部４ａに応力感応素子３０の固定端３０ｂを、第１の可動部材２０の右側面の素子支持部２０ａに固定端３０ｃを、接着剤等を用いて接着固定する。つまり、応力感応部３０ａは加速度検出軸方向（Ｙ軸方向）に延びており、応力感応素子３０の面はＹＺ面に平行になる。
【００１９】
図１（ａ）に示す第１の加速度検出ユニット１ａに、第１の加速度検出軸方向（Ｙ軸方向）で、Ｙ軸の矢印と反対方向（−方向）の加速度が印加されると（例えば等加速度運動）、第１の可動部材２０は第１の梁１０が撓むことにより、Ｙ軸の＋方向に変位する。これは、第１の可動部材２０には慣性の法則に基づきその場に止まろうとする性質があるからである。そのため、応力感応素子３０には伸張応力が加わり、応力感応素子３０の共振周波数は高くなる。逆に、Ｙ軸の矢印の方向（＋方向）の加速度が印加されると、第１の可動部材２０は第１の梁１０が撓むことにより、Ｙ軸の−方向に変位する。そのため、応力感応素子３０には圧縮応力が加わり、応力感応素子３０の共振周波数は低くなる。応力感応素子３０の共振周波数の変化から加速度の大きさ、方向を検知することができる。
【００２０】
図１（ｂ）に示す第２の加速度検出ユニット１ｂは、第１の加速度検出ユニット１ａと同様な構成である。第２の加速度検出ユニット１ｂは、加速度の印加によって変位しない第２の固定部材５と、固定部材５に第２の梁１１にて支持される第２の可動部材２１と、応力感応部３１ａ及び応力感応部３１ａの両端部に一体化された固定端３１ｂ、３１ｃを有した第２の応力感応素子３１と、を備えている。第２の固定部材５は、第２の応力感応素子３１の一端を支持する素子支持部５ａと、素子支持部５ａの下部から左方へ張出し形成されその上面に第２の梁１１を備えた張出し部５ｂと、を備えている。第２の梁１１は、第２の可動部材２１を第２の固定部材５に支持し、第１の梁１０と同様に、その形状は両端部から中央部に向けて厚みが漸減し、中央部の厚みが最小となるように構成されている。
【００２１】
第２の可動部材２１は直方体状であり、可動部材２１の図中下側面の中央部と、固定部材５の張出し部５ｂの上面とが、第２の梁１１により連結されている。第２の可動部材２１の上面の素子支持部２１ａと、第２の固定部材５の素子支持部５ａとが連なる平面は、第２の加速度検出軸方向（Ｘ軸方向）に平行になるように構成されている。そして、素子支持部５ａに応力感応素子３１の固定端３１ｂを、第２の可動部材２１の上面２１ａに固定端３１ｃを、接着剤等を用いて接着固定する。つまり、応力感応部３１ａは加速度検出軸方向（Ｘ軸方向）に延びており、応力感応素子３１の平面はＸＺ面に平行になる。
【００２２】
図１（ｂ）に示す第２の加速度検出ユニット１ｂに、第２の加速度検出軸方向（Ｘ軸方向）に沿って、Ｘ軸の矢印と反対方向（−方向）の加速度が印加されると、第２の可動部材２１は第２の梁１１が撓むことにより、Ｘ軸の＋方向に変位する。そのため、応力感応素子３１には圧縮応力が加わり、応力感応素子３１の共振周波数は低くなる。逆に、Ｘ軸の矢印の方向（＋方向）の加速度が印加されると、第２の可動部材２１は第１の梁１１が撓むことにより、Ｘ軸の−方向に変位する。そのため、応力感応素子３１には伸張応力が加わり、応力感応素子３１の共振周波数は高くなる。
【００２３】
図１（ｃ）に示す第３の加速度検出ユニット１ｃは、第１の加速度検出ユニット１ａとは構造的に異なるように構成されている。第３の加速度検出ユニット１ｃは、加速度の印加によって変位しない直方体状の第３の固定部材６と、固定部材６に第３の梁１２にて支持される第３の可動部材２２と、応力感応部３２ａ及び応力感応部３２ａの両端部に一体化された固定端３２ｂ、３２ｃを有した第３の応力感応素子３２と、を備えている。第３の固定部材６は、その上面に第３の応力感応素子３２の一端を支持する素子支持部６ａを備えている。第３の梁１２は、第３の可動部材２２の図中右側面の中央部と、第３の固定部材６の図中左側面の中央部とを連結している。そして、第３の梁１２の形状は、その両端部から中央部近傍まで一様の厚みであり、中央部において中央部の両端から中心に向けて厚みが漸減し、中心の厚みが最小となるように構成されている。図１（ｃ）に示した梁１２の例は、中央部の形状が半円状のものを背中合わせにしたような形状をしている。
【００２４】
第３の可動部材２２は直方体状であり、第３の可動部材２２の図中右側側面の中央部に梁１２が形成され、梁１２により固定部材６と連結されている。第３の可動部材２２の上面の素子支持部２２ａと、第３の固定部材６の上面の素子支持部６ａとが連なる平面は、第３の加速度検出軸方向（Ｚ軸方向）と直交するように構成されている。そして、素子支持部６ａに応力感応素子３２の固定端３２ｂを、第３の可動部材２２の上面の素子支持部２２ａに固定端３２ｃを、接着剤等を用いて接着固定する。つまり、応力感応素子３２の平面は第３の加速度検出軸方向（Ｚ軸方向）と直交する。
【００２５】
図１（ｃ）に示す第３の加速度検出ユニット１ｃに、第３の加速度検出軸方向（Ｚ軸方向）で、Ｚ軸の矢印と反対方向（−方向）の加速度が印加されると、第３の可動部材２２は第３の梁１２が撓むことにより、Ｚ軸の＋方向に変位する。第３の可動部材２２の変位は、第３の梁１２の中心を支点として＋Ｚ方向に変位するので、応力感応素子３２には圧縮応力が加わり、応力感応素子３２の共振周波数は低くなる。逆に、Ｚ軸の矢印の方向（＋方向）の加速度が印加されると、第３の可動部材２２は、第３の梁１２の中心を支点として−Ｚ方向に変位する。そのため、応力感応素子３２には伸張応力が加わり、応力感応素子３２の共振周波数は高くなる。
【００２６】
図１（ｃ）に示す第３の加速度検出ユニット１ｃは、図１（ａ）（ｂ）に示す第１及び第２の加速度検出ユニット１ａ、１ｂと構造的に異なり、両者の加速度検出感度は異なる。第１及び第２の加速度検出ユニット１ａ、１ｂでは、加速度検出軸方向と、応力感応素子３０、３１の平面とが平行であり、伸張、圧縮応力が梁を軸とした可動部材の旋回運動によって応力感応素子３０、３１に加わる。しかるに、第３の加速度検出ユニット１ｃでは、加速度検出軸方向と、応力感応素子３２の平面とは直交するように構成されており、伸張、収縮応力が梁を軸として可動部材の旋回運動によって応力感応素子３２に加わる。第１と第２の加速度検出ユニット１ａと１ｂと、第３の加速度検出ユニット１ｃとでは応力感応素子以外の構造の違いによって加速度に対する可動部材の可動の変位量に違いは出やすい。しかし、第１及び第２の加速度検出ユニット１ａと１ｂと第３の加速度ユニット１ｃとでは加速度の検知を行う為の応力感応素子に曲げ応力（撓み応力）を加えるという原理的仕組みそのものは同じである。このため、第３の加速度検出ユニット１ｃの第３の梁１２の剛性、あるいは第３の可動部材２２の質量を調整するなどの単純な調整によって第１と第２の加速度検出ユニット１ａと１ｂと、第３の加速度検出ユニット１ｃとの加速度に対する可動部材の変位量を一致または調整すれば検知感度を容易に等しくすることが可能である。
【００２７】
図１（ａ）（ｂ）（ｃ）に示すように、応力感応素子３０、３１、３２は、２つの固定端、及び各固定端間を連設する２つの振動ビームを備えた圧電基板からなる応力感応部と、圧電基板の振動領域上に形成した励振電極と、を備えた双音叉型水晶振動素子である。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。また、双音叉型水晶振動素子が呈する周波数温度特性は、上に凸の二次曲線となり、その頂点温度が常温（２５℃）になるように各パラメータを設定する。
【００２８】
双音叉型水晶振動素子の２本の振動ビームに外力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とは夫々次式で表される。
ＳF＝１２（Ｋ／Ｅ）（Ｌ／ｗ）2              （３）
σ＝Ｆ／（２Ａ）                            （４）
ここで、Ａは振動ビームの断面積（＝ｗ・ｄ）である。以上から双音叉型振動子に作用する力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が圧縮力で共振周波数ｆFが減少し、伸張（引張り）力では増加する。また応力感度ＳFは振動ビームのＬ／ｗの２乗に比例する。また、応力と頂点温度との関係は、双音叉型水晶振動素子に伸張応力を付加すると頂点温度は低音側へシフトし、圧縮応力を加えると高温側へシフトする特性を有している。
しかし、圧電振動素子としては、双音叉型水晶振動子に限らず、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。
【００２９】
図１（ａ）（ｂ）（ｃ）に図示した第１、第２及び第３の加速度検出ユニット１ａ、１ｂ、１ｃをハウジングに収容し、第１及び第２の応力感応素子３０、３１の平面を夫々第１及び第２の加速度検出軸方向と平行になるように、第３の応力感応素子３２の平面を第３の加速度検出軸方向と直交するように、第１、第２及び第３の固定部材４、５、６をハウジングに正確に固定して、本発明の加速度検知装置を構成する。加速度検知装置は、第１、第２及び第３の加速度検出軸方向、３軸の加速度を検出することができる。
本発明に係る第１の実施の形態の特徴は、３軸方向の加速度を検知できる３次元加速度検知装置を小型化できる点である。
【００３０】
図２（ａ）（ｂ）は本発明に係る第２の実施の形態の加速度検知装置２を示す図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は正面図である。図２（ａ）（ｂ）に示すように、加速度検知装置２は、図１（ａ）（ｂ）（ｃ）に示した第１、第２、及び第３の加速度検出ユニットを一体化した構造を有している。なお、図１と同じ機能の部材には同一の符号を付して説明する。加速度検知装置２は、加速度の印加によって変位しない固定部材３と、固定部材３に第１、第２及び第３の梁１０、１１、１２にて支持される第１、第２及び第３の可動部材２０、２１、２２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つの固定端とを有する応力感応素子３０、３１、３２と、を備えている。
【００３１】
固定部材３と、第１、第２及び第３の可動部材２０、２１、２２と、第１、第２及び第３の可動部材２０、２１、２２を夫々固定部材３に連結する梁１０、１１、１２とは、金属ブロック等を加工して形成する。図２（ａ）の平面図に示すように、直方体状の金属ブロック等を図中右方の端の側面から切削を始め、逆Ｌ字状に切削して間隙４０を形成する。図中右上方の側面からＵ字状に切削し、間隙４１を形成し、第１の可動部材２０と、第１の梁１０を形成する。次に、図中上方の中央側面から切削を始め、逆Ｌ字状に切削して間隙４２を形成する。図中左方の側面から切削し、Ｕ字状の間隙４３を形成し、第２の可動部材２２と、第２の梁１１とを形成する。
【００３２】
図２（ａ）の図中左方の中央よりやや下の所からＸ軸に沿って金属ブロックの中ほどまで切り込み４４を入れる。次に、図中下方の中央よりやや左方の側面から、金属ブロックの中央部を残しつつ、図２（ｂ）に示すように、金属ブロックの上下の部分を切り込み４４まで切削し、第３の可動部材２２と第３の梁１２とを形成する。なお、固定部材３の重さ軽くするためと、応力感応素子相互間の干渉を低減するために、固定部材３の肉厚内部に空洞部（空所）４７ａ、４７ｂ、４７ｃを形成してもよい。なお、応力感応素子相互間の干渉とは、応力感応素子３０、３１、３２の固定端から漏洩する振動エネルギが、固定部材３を伝搬して他の応力感応素子３０、３１、３２に到達し、応力感応素子相互間で振動エネルギの結合（音響結合）を起こす現象である。
【００３３】
固定部材３の図中右側面の素子支持部３ａと、第１の可動部材２０の右側面の素子支持部２０ａとの連なる平面は、ＹＺ面と平行になるように構成する。そして、素子支持部３ａに第１の応力感応素子３０の固定端３０ｂを、素子支持部２０ａに第１の応力感応素子３０の固定端３０ｃを、接着剤を用いて接着・固定する。固定部材３の図中上側面の素子支持部３ｂと、第２の可動部材２１の図中上側面の素子支持部２１ａとの連なる平面は、ＸＺ面と平行になるように構成する。そして、素子支持部３ｂに第２の応力感応素子３１の固定端３１ｂを、素子支持部２１ａに第２の応力感応素子３１の固定端３１ｃを、接着剤を用いて接着・固定する。
固定部材３の上面の素子支持部３ｃと、第３の可動部材２２の上面の素子支持部２２ａとの連なる平面は、第３の加速度検出軸方向（Ｚ軸方向）と直交するように構成する。素子支持部３ｃに第３の応力感応素子３２の固定端３２ｂを、第３の可動部材２２の素子支持部２２ａに第３の応力感応素子３２の固定端３２ｃを、接着剤を用いて接着・固定して加速度検知装置２を構成する。
【００３４】
図２に示す加速度検知装置２に加速度が印加された場合の第１、第２及び第３の梁１０、１１、１２の撓みと、第１、第２及び第３の可動部材２０、２１、２２の変位と、応力感応素子３０、３１、３２に加わる応力とは、図１（ａ）（ｂ）（ｃ）の個別の加速度検知ユニットで説明した動作と同様であるので説明を省略する。１つの固定部材３に第１、第２及び第３の応力感応素子３０、３１、３２を取り付けてあるので、応力感応素子から漏洩する振動エネルギによる応力感応素子相互間の干渉は、応力感応素子同士が同一平面上に配置された構成の場合と比較して応力感応素子を互いに直交した配置としたことで振動エネルギの直接の伝達を抑えることができるので比較的小さい。そして更に固定部材３に空洞部（空所）４７ａ、４７ｂ、４７ｃを形成することにより振動エネルギの伝達経路の幅が狭まるので干渉を更に低減することが可能である。
【００３５】
第２の実施の形態の特徴は、３次元加速度検知装置を第１の実施の形態の加速度検知装置よりさらに小型化できる点である。即ち、第１の実施形態では複数の加速度検出ユニットが予測不可能な搭載ズレが発生しても衝突し合わないように加速度検出ユニット間にある程度の隙間を必要とする。
これに対して第２の実施の形態では複数の加速度検出ユニットが一体化したものであるから加速度検出ユニット間の隙間というものは必要が無いので小型化が可能である。
また、３つの応力感応素子３０、３１、３２の固定端から漏洩する振動エネルギの振動方向は互いに異なるので、相互間の干渉はそもそも起こりにくいが、固定部材３に空洞４７ａ、４７ｂ、４７ｃを設けることにより相互干渉を大幅に低減することができる。
【００３６】
第３の実施の形態の加速度検知装置は、図１（ｃ）に示したタイプの加速度検知ユニット１ｃを３個用い、ハウジングの中に収容して所定の軸方向に位置決めして固定して構成した装置である。図３（ａ）（ｂ）（ｃ）は、夫々座標と共に３つの加速度検知ユニット７ａ、７ｂ、７ｃを個別に図示したものである。第３の実施の形態の加速度検知装置は、第１の加速度検出軸方向（Ｙ軸方向）への加速度を検出する第１の加速度検出ユニット７ａと、第２の加速度検出軸方向（Ｘ軸方向）への加速度を検出する第２の加速度検出ユニット７ｂと、第３の加速度検出軸方向（Ｚ軸方向）への加速度を検出する第３の加速度検出ユニット７ｃと、を備えた加速度検知装置である。即ち、各加速度検知ユニットの夫々の応力感応素子３３、３４、３２を、Ｙ、Ｘ及びＺ軸方向と直交するように配置することにより、本加速度検知装置を構成する。なお、第３の加速度検出ユニット７ｃは、図１（ｃ）に示した符号を使って表示してある。
【００３７】
第１、第２及び第３の加速度検出ユニット７ａ、７ｂ、７ｃは、夫々加速度の印加によって変位しない固定部材８、９、６と、固定部材８、９、６に梁１３、１４、１２にて支持された可動部材２３、２４、２２と、応力感応部及び応力感応部の両端部に一体化された固定端を有した応力感応素子３３、３４、３２と、を備えている。梁１３、１４、１２は、可動部材２３、２４、２２に加速度が印加されると可動部材２３、２４、２２を加速度検出軸方向（Ｙ、Ｘ及びＺ軸方向）へ変位させるよう変形可能な可撓性を有するように構成されている。
【００３８】
各応力感応素子３３、３４、３２は、固定部材８、９、６と、可動部材３３、３４、３２とによって夫々の両固定端を支持された構造であり、可動部材２３、２４、２２の変位によって各応力感応素子３３、３４、３２をその面方向と直交する方向へ屈曲変位させる構成を有している。なお、本加速度検知装置を構成する第１、第２、及び第３の加速度検出ユニット７ａ、７ｂ、７ｃの構成、作用については、図１（ｃ）に示す第３の加速度検出ユニット１ｃで説明したので省略する。
第３の実施の形態の特徴は、３次元加速度検知装置を小型化できる点と、第１、第２、及び第３の加速度検出ユニット７ａ、７ｂ、７ｃの加速度検知形式が何れも応力感応素子に屈曲の応力を加えて検知する形式のため、加速度検知感度を同じにすることができる点である。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】（ａ）（ｂ）（ｃ）は本発明に係る第１の実施の形態の加速度検知装置を構成する第１、第２及び第３の加速度検出ユニットの斜視図。
【図２】（ａ）（ｂ）は第２の実施の形態の加速度検知装置の平面図と側面図。
【図３】（ａ）（ｂ）（ｃ）は第３の実施の形態の加速度検知装置を構成する第１、第２及び第３の加速度検出ユニットの斜視図。
【図４】従来の振動式加速度計の構成を示す斜視図。
【図５】発振回路と加算回路と減算回路との接続を示す回路図。
【図６】従来の圧力センサの構成を示す断面図。
【符号の説明】
【００４０】
１ａ、１ｂ、１ｃ、７ａ、７ｂ、７ｃ  加速度検出ユニット、２  加速度検知装置、３、４、５、６、８、９  固定部材、３ａ、３ｂ、３ｃ、４ａ、５ａ、６ａ、２０ａ、２１ａ、２２ａ  素子支持部、４ｂ、５ｂ  張り出し部、１０、１１、１２、１３、１４  梁、２０、２１、２２、２３、２４  可動部材、３０、３１、３２、３３、３４  応力感応素子、３０ａ、３１ａ、３２ａ  応力感応部、３０ｂ、３０ｃ、３１ｂ、３１ｃ、３２ｂ、３２ｃ、３３ｂ、３３ｃ、３４ｂ、３４ｃ  固定端、４０、４１、４２、４３、４４、４５、４６  切り込み、４７ａ、４７ｂ、４７ｃ  空洞
【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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