(57)【要約】【課題】加速度検出感度がよく、加速度方向が判別でき且つ他軸方向の加速度を相殺する加速度検知ユニット及び加速度センサ。【解決手段】加速度の印加によって変位しない第１及び第２の固定部材４、５と、各固定部材に第１及び第２の梁１５、１６にて夫々支持される第１及び第２の可動部材２０、２１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第１及び第２の応力感応素子３０、３１とを備え、各固定部材は対角位置関係で配置されると共に連結部１０によって一体化され、各可動部材は各固定部材によって形成される対角スペース内に配置され、第１応力感応素子は第１の固定部材と第２の可動部材によって両固定端を夫々支持されると共に、第２の応力感応素子は第２の固定部材と第１の可動部材によって両固定端を夫々支持されるよう構成する。【選択図】図１
2008224345.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
加速度の印加によって変位しない第１及び第２の固定部材と、前記第１及び第２の固定部材に第１及び第２の梁にて夫々支持される第１及び第２の可動部材と、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第１及び第２の応力感応素子と、を備え、
前記第１の固定部材と前記第２の固定部材とは、対角位置関係で配置されると共に連結部によって一体化され、
前記第１の可動部材と前記第２の可動部材とは、前記各固定部材によって形成される対角スペース内に配置され、
前記第１の固定部材は、前記第１の梁を介して前記第１の可動部材を支持し、
前記第２の固定部材は、前記第２の梁を介して前記第２の可動部材を支持し、
前記第１及び第２の梁は、前記第１及び第２の可動部材に加速度が印加されると前記各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、
前記第１の応力感応素子は、前記第１の固定部材と前記第２の可動部材によって両固定端を夫々支持され、前記第２の応力感応素子は、前記第２の固定部材と前記第１の可動部材によって両固定端を夫々支持されていることを特徴とする加速度検知ユニット。
【請求項２】
加速度の印加によって変位しない第１及び第２の固定部材と、前記第１及び第２の固定部材に第１及び第２の梁にて夫々支持される第１及び第２の可動部材と、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第１及び第２の応力感応素子と、を備え、
前記第１の固定部材と前記第２の固定部材とは、対角位置関係で配置されると共に連結部によって一体化され、
前記第１の可動部材と前記第２の可動部材とは、前記各固定部材によって形成される対角スペース内に配置され、
前記第１の固定部材は、前記第１の梁を介して前記第１の可動部材を支持し、
前記第２の固定部材は、前記第２の梁を介して前記第２の可動部材を支持し、
前記第１及び第２の梁は、前記第１及び第２の可動部材に加速度が印加されると前記各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、
前記第１の応力感応素子は、前記第１の固定部材と前記第１の可動部材によって両固定端を夫々支持され、前記第２の応力感応素子は、前記第２の固定部材と前記第２の可動部材によって両固定端を夫々支持されていることを特徴とする加速度検知ユニット。
【請求項３】
前記第１及び第２の梁の奥行き方向の寸法は、前記加速度検出軸方向の前記第１及び第２の梁の幅の寸法以上の長さを有することを特徴とする請求項１又は２に記載の加速度検知ユニット。
【請求項４】
前記第１及び第２の梁の形状は、前記加速度検出軸方向と直交する奥行き方向へ延びる面が双曲線状に凹んだ形状を備えていることを特徴とする請求項１又は２に記載の加速度検知ユニット。
【請求項５】
前記第１及び第２の応力感応素子は、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４の何れか一項に記載の加速度検知ユニット。
【請求項６】
前記第１及び第２の応力感応素子は、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４の何れか一項に記載の加速度検知ユニット。
【請求項７】
前記第１及び第２の応力感応素子の共振周波数を互いに異ならせた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ユニット。
【請求項８】
請求項１乃至７の何れか一項に記載された加速度検知ユニットと、該加速度検知ユニットを気密的に封止するハウジングと、前記第１及び第２の応力感応素子を構成する励振電極と夫々電気的に接続される２つの発振回路と、ミキサと、ローパスフィルタと、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、特に印加する応力が２つの応力感応素子に互いに逆に作用するように構成した加速度検知ユニットと、該加速度検知ユニットを用いた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、ロッケットから各種プラントの異常振動監視等まで、広く使用されている。特許文献１には、図５に示すような一体形プッシュプル力変換器が開示されている。この力変換器は、取付部材７２、７４と、力感知部材７６、７８と、から成る本体７０を有している。力感知部材７８は、取付部材７２に接続した第１の端部８２と、取付部材７４に接続した第２の端部８４と、第１及び第２の端部８２、８４の間に形成された一対の振動ビーム８６を有している。力感知部材７６の第１の端部９２は、変換器軸心８０と平行に取付部材７４から取付部材７２に向かって延びるアーム９８の端部に接続されている。力感知部材７６の第２の端部９４は、変換器軸心８０と平行に取付部材７２から取付部材７４に向かって延びるアーム１００の端部に接続されている。力感知部材７６、７８の力感知軸心は、変換器軸心８０と平行に形成した振動ビーム８６、９６と平行となるように構成されている。
【０００３】
取付部材７２、７４は構造部分１０２、１０４に取付けられていて、力変換器が構造部分１０２、１０４によって伝達される引張力又は圧縮力の測定を行う。取付部材７２に作用する力は、力感知部材７６の第２の端部９４と、力感知部材７８の第１の端部８２に伝達される。同様に、取付部材７４に作用する力は力感知部材７６の第１の端部９２と、力感知部材７８の第２の端部８４に伝達される。連結構造に形成されているため、力感知軸心８０に直交した取付部材７２、７４に作用する力は引張力であれ、圧縮力であれ、一方の感知部材には圧縮力が、他方の感知部材には引張力が作用すると開示されている。
【０００４】
なお、本体７０は一体構造をしており、例えば、水晶やシリコンウエファからなる基板をエッチングして形成することができる。また、力感知部材７６、７８は複振動ビーム型の例を示しているが、表面音響変換器、単振動ビーム変換器、ピエゾ抵抗歪み計のような他の変換器のものも使用できる。
【特許文献１】特表平３−５０１５３１号公報
【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に記載の一体形プッシュプル力変換器では、２つの力感知部材７６、７８と、取付部材７２、７４とを一体構造として形成しているため、２つの力感知部材間で振動エネルギの漏洩が起こり易く、互いに干渉が起こる虞があるという問題があった。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、加速度検知感度が高く、他軸の加速度成分を相殺し、且２つの応力感応素子間の干渉を大幅に低減した加速度検知ユニットと加速度センサを構成するため、加速度の印加によって変位しない第１及び第２の固定部材と、前記第１及び第２の固定部材に第１及び第２の梁にて夫々支持される第１及び第２の可動部材と、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第１及び第２の応力感応素子と、を備え、前記第１の固定部材と前記第２の固定部材とは、対角位置関係で配置されると共に連結部によって一体化され、前記第１の可動部材と前記第２の可動部材とは、前記各固定部材によって形成される対角スペース内に配置され、前記第１の固定部材は、前記第１の梁を介して前記第１の可動部材を支持し、前記第２の固定部材は、前記第２の梁を介して前記第２の可動部材を支持し、前記第１及び第２の梁は、前記第１及び第２の可動部材に加速度が印加されると前記各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、前記第１の応力感応素子は前記第１の固定部材と前記第２の可動部材によって両固定端を夫々支持されると共に、前記第２の応力感応素子は前記第２の固定部材と前記第１の可動部材によって両固定端を夫々支持した加速度検知ユニットを構成する。
このように加速度検知ユニットを構成し加速度を印加すると、第１の応力感応素子に加わる応力は、第２の応力感応素子に加わる応力と逆向きの応力、つまり第１の応力感応素子に圧縮応力が作用すると、第２の応力感応素子には伸張応力が作用し、各応力感応素子の共振周波数の差周波数を用いることにより、加速度検出感度を２倍にすることができるという効果がある。
【０００７】
また、本発明は、加速度の印加によって変位しない第１及び第２の固定部材と、前記第１及び第２の固定部材に第１及び第２の梁にて夫々支持される第１及び第２の可動部材と、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第１及び第２の応力感応素子と、を備え、前記第１の固定部材と前記第２の固定部材とは、対角位置関係で配置されると共に連結部によって一体化され、前記第１の可動部材と前記第２の可動部材とは、前記各固定部材によって形成される対角スペース内に配置され、前記第１の固定部材は、前記第１の梁を介して前記第１の可動部材を支持し、前記第２の固定部材は、前記第２の梁を介して前記第２の可動部材を支持し、前記第１及び第２の梁は、前記第１及び第２の可動部材に加速度が印加されると前記各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、前記第１の応力感応素子は前記第１の固定部材と前記第１の可動部材によって両固定端を夫々支持されると共に、前記第２の応力感応素子は前記第２の固定部材と前記第２の可動部材によって両固定端を夫々支持した加速度検知ユニットを構成する。
このように加速度検知ユニットを構成し加速度を印加すると、第１の応力感応素子に加わる応力は、第２の応力感応素子に加わる応力と逆向きの応力、つまり第１の応力感応素子に圧縮応力が作用すると、第２の応力感応素子には伸張応力が作用するようになり、各応力感応素子の共振周波数の差周波数を用いることにより、加速度検出感度を２倍にすることができるという効果がある。
【０００８】
また、前記第１及び第２の梁の奥行き方向の寸法は、前記加速度検出軸方向の前記第１及び第２の梁の幅の寸法以上の長さを有した加速度検知ユニットを構成する。
このように加速度検知ユニットを構成することにより、第１及び第２の可動部材の奥行き方向（Ｙ軸方向）への変位を阻止することが可能であり、奥行き方向の加速度の検出を大幅に低減することができる。
【０００９】
また、前記第１及び第２の梁の形状は、前記加速度検出軸方向と直交する奥行き方向の両面が双曲線状に凹んだ形状を備えた加速度検知ユニットを構成する。
このように加速度検知ユニットを構成することにより、第１及び第２の可動部材の加速度検出軸方向へ撓みが容易となり、小さな加速度の検出精度が向上すると共に、奥行き方向の加速度の検出を抑制するという効果がある。
【００１０】
また、前記第１及び第２の応力感応素子は、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ユニットを構成する。
このように圧電振動素子を用いて加速度検知ユニットを構成することにより、加速度検知ユニットの加速度検出精度が改善されると共に、リニアリティー、温度特性、再現性、エージング特性等が改善されるという効果がある。
【００１１】
また、前記第１及び第２の応力感応素子は、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ユニットを構成する。
このように双音叉型圧電振動素子を用いて加速度検知ユニットを構成することにより、加速度検知ユニットの広範囲の加速度検出精度が改善されると共に、一段とリニアリティー、温度特性、再現性、エージング特性等が改善されるという効果がある。
【００１２】
前記第１及び第２の応力感応素子の共振周波数を互いに異ならせた応力感応素子を用いて加速度検知ユニットを構成する。
このように加速度検知ユニットを構成することにより、第１及び第２の応力感応素子の共振周波数の差を用いることにより、加速度の大きさのみならず加速度の方向も検出することができる。
更に、第１及び第２の応力感応素子の共振周波数が異なることで、素子間の音響的干渉を防止することができる。
【００１３】
また、前記加速度検知ユニットと、該加速度検知ユニットを気密的に封止するハウジングと、前記第１及び第２の応力感応素子を構成する励振電極と夫々電気的に接続される２つの発振回路と、ミキサと、ローパスフィルタと、を備えた加速度センサを構成する。
このように加速度センサを構成することにより、加速度センサの検出感度の向上、広範囲の加速度検出精度の改善と共に、温度特性、再現性、エージング特性等が改善し、加速度の大きさのみならず方向も検出することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
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は本発明に係る加速度検知ユニット１の構成を示す斜視図である。加速度検知ユニット１は、加速度の印加によって変位しない直方体状の第１及び第２の固定部材４、５と、第１及び第２の固定部材４、５に第１及び第２の梁１５、１６にて夫々支持される直方体状の第１及び第２の可動部材２０、２１と、応力感応部３４、３７及び各応力感応部３４、３７の各両端部に夫々一体化された固定端３２、３３、及び３５、３６を有した第１及び第２の応力感応素子３０、３１と、を備えている。第１の固定部材４と第２の固定部材５とは、対角位置関係に配置されると共に、薄い直方体状の連結部１０によって一体化された構造となっている。そして、第１の可動部材２０と第２の可動部材２１とは、各固定部材４、５によって形成される対角スペースＳ内に配置される（第１の固定部材４と第２の固定部材５とを結ぶ線と、第１の可動部材２０と第２の可動部材２１とを結ぶ線とが交差するように第１の固定部材４と第２の固定部材５と第１の可動部材２０及び第２の可動部材２１とが配置されている）。
【００１５】
第１の固定部材４は、その下面中央部に一体化された第１の梁１５を介して第１の可動部材２０を支持し、第２の固定部材５は、その上面中央部に一体化された第２の梁１６を介して第２の可動部材２１を支持する構造になっている。第１及び第２の梁１５、１６は、第１及び第２の可動部材２０、２１に加速度が印加されると、各可動部材１５、１６を加速度検出軸方向（Ｘ軸方向）へ変位させるように変形可能な可撓性を有する構造を有している。第１の応力感応素子３０は、第１の固定部材４の上面と第２の可動部材２１の上面とによって両固定端３２、３３を夫々支持され、第２の応力感応素子３１は、第２の固定部材５の下面と第１の可動部材２０の下面とによって両固定端３５、３６を夫々支持されている。
【００１６】
直方体状の第１の固定部材４の上部隅には、第１の応力感応素子３０の一方の固定端３２を所定の位置に固定する素子支持部６が形成されている。素子支持部６は、固定端３２下面を支持する支持面６ａと、固定端３２の周縁を支持するL字突状のストッパ部６ｂとからなり、支持面６ａのＸ軸方向の寸法は、第１の応力感応素子３０の振動を妨げないように第１の応力感応素子３０の固定端３２の長さ（Ｘ軸方向）と同程度とする。また、直方体状の第２の可動部材２１の上部で奥行き方向（Ｙ軸方向）の端部には第１の応力感応素子３０の固定端３３を所定の位置で位置決めするためのストッパ２３が形成されている。さらに、第１の応力感応素子３０の振動を妨げないように、第１の感応素子３０の振動ビーム３４の下部に相当する第２の可動部材２１の上端を研削し、第１の応力感応素子３０の振動ビーム３４と第２の可動部材２１の上端との間に段差部２４を形成する。第１の固定部材４の上部隅に形成した支持面６ａと、第２の可動部材２１の上面とを結ぶ平面は、加速度検出軸方向（Ｘ軸方向）と平行になるように形成され、それらの面に第１の感応素子３０の両固定端３２、３３を接着固定する。
【００１７】
対角線に沿った位置関係に配置された第１及び第２の固定部材４、５を連結する連結部１０は、第１及び第２の固定部材４、５の対向する角部同士を一体化し、印加される加速度により変形しないような構造、強度とする。例えば第１及び第２の梁１５、１６の厚さに対して連結部１０の厚さが厚い構成であれば、加速度の印加に伴い、先に第１及び第２の梁１５、１６が撓むことで慣性力を吸収するので連結部１０が撓んでしまうことがない。なお、第１の応力感応素子３０の振動エネルギが第１の固定部材４と、連結部１０と、第２の固定部材５とを経て第２の応力感応素子３１まで伝達しないように、連結部１０の一部に破線で示した凹所１０ａを形成し、連結部１０における音響インピーダンスをミスマッチさせることにより、第１の応力感応素子３０と第２の応力感応素子３１との間での振動エネルギの漏洩に伴う音響結合を低減することができる。
【００１８】
第１の可動部材２０を第１の固定部材４に支持する第１の梁１５と、第２の可動部材２１を第２の固定部材５に支持する第２の梁１６は、加速度検出軸方向（Ｘ軸方向）と直交する奥行き方向（Ｙ方向）への第１及び第２の可動部材の変位を阻止するような構造にする。つまり、第１及び第２の梁１５、１６の奥行き方向の寸法は、加速度検出軸方向（Ｘ軸方向）への夫々の幅寸法（厚さ）以上の長さを有するように形成する。また、第１及び第２の梁１５、１６の形状は、加速度検出軸方向と直交する奥行き方向の両面が双曲線状に凹んだ形状に形成する。これは、加速度が印加された際に加速度検出軸方向に撓み易いようにするためである。
【００１９】
直方体状の第２の固定部材５の下部隅には、第２の応力感応素子３１の一方の固定端３５を所定の位置にて固定する素子支持部７が形成されている。素子支持部７は、固定端３５の一面を支持する支持面７ａと、固定端３５の周縁を支持する突状としてのストッパ部７ｂとからなり、支持面７ａのＸ軸方向の寸法は、第２の応力感応素子３１の振動を妨げないように第２の応力感応素子３１の固定端の長さ（Ｘ軸方向）と同程度とする。また、直方体状の第１の可動部材２０の下部で奥行き方向（Ｙ軸方向）の端部に第２の応力感応素子３１の他方の固定端３６を所定の位置で位置決めするためのストッパを形成すると共に、第２の応力感応素子３１の振動を妨げないように、第２の感応素子３１の振動ビーム３７の上部に当たる第１の可動部材２０の下端を研削し、第２の応力感応素子３１の振動ビーム３７と第１の可動部材２１の下端との間に段差部２２を形成する。第２の固定部材５の下部隅に形成した素子支持部７の支持面７ａと、第１の可動部材２０の上面とを結ぶ平面は、加速度検出軸方向（Ｘ軸方向）に平行になるように形成され、それらの面に第２の感応素子３１の両固定端３５、３６を接着固定する。
なお、図１の説明では第１及び第２の固定部材４、５と、第１及び第２の可動部材２０、２１との形状を直方体として説明したが、必ずしも直方体である必要はない。第１及び第２の応力感応素子３０、３１が、夫々第１及び第２の固定部材４、５と、第１及び第２の可動部材２１、２０とに固定され、且つ加速度検出軸方向に平行になるように形成された形状であればよい。
【００２０】
図１に示した第１の実施形態に係る加速度検知ユニット１では、第１（第２）の応力感応素子３０（３１）は、２つの固定端３２、３３（３５、３６）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３４（３７）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。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。
【００２１】
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。しかし、応力感応素子としては、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。
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。
【００２２】
図１に示す加速度検知ユニット１の第１及び第２の可動部材２０、２１の質量を共に同一に構成し、第１の固定部材４と第２の固定部材５とにＸ軸の−方向（Ｘ軸の矢印方向とは逆方向）の加速度（正の加速度）を印加すると、慣性の法則に基づき第１及び第２の可動部材２０、２１は、第１及び第２の梁１５、１６が撓むことによりＸ軸の＋方向（Ｘ軸の矢印方向）に僅かに動く。このとき、第１の応力感応素子３０には圧縮応力が、第２の応力感応素子３１には伸張応力が夫々作用する。つまり、第１の応力感応素子３０と、第２の応力感応素子３１には、大きさは同じで互いに逆の応力が作用することになる。従って、第１の応力感応素子３０の共振周波数は減少し、第２の応力感応素子３１の共振周波数は増加するように作用する。
【００２３】
例えば、第１及び第２の応力感応素子３０、３１の無負荷時の共振周波数Ｆ１、Ｆ２を共に４０ｋＨｚに設定する。−Ｘ軸方向（Ｘ軸の矢印方向とは逆方向）にある加速度（α）が印加され、共振周波数Ｆ１がｆ１＝３８ｋＨｚに、Ｆ２がｆ２＝４２ｋＨｚに変化したとする。差周波数の絶対値｜ｆ２−ｆ１｜は４ｋＨｚになる。反対に、＋Ｘ軸方向（Ｘ軸の矢印方向）に同じ大きさの加速度（α）が印加されると、共振周波数Ｆ１がｆ１＝４２ｋＨｚに、共振周波数Ｆ２がｆ２＝３８ｋＨｚに変化する。差周波数の絶対値｜ｆ２−ｆ１｜は４ｋＨｚになる。このように、２つの応力感応素子３０、３１を用いて差動構造の加速度検知ユニットを構成すると、応力感応素子が１つの場合の変化量２ｋＨｚに比べて、加速度検出感度は２倍となる。
【００２４】
加速度はベクトルであり、大きさと方向を有している。ベクトルの方向を検出するには、第１及び第２の応力感応素子３０、３１の無負荷時の共振周波数に差を予め設定しておけばよい。例えば、第１及び第２の応力感応素子３０、３１の無負荷時の共振周波数Ｆ１、Ｆ２を夫々４０ｋＨｚ、５０ｋＨｚとする。−Ｘ軸方向（Ｘ軸の矢印方向とは逆方向）にある加速度（α）が印加され、共振周波数Ｆ１がｆ１＝３８ｋＨｚに、Ｆ２がｆ２＝５２ｋＨｚに変化したとする。この場合、差周波数（ｆ２−ｆ１）は１４ｋＨｚになる。反対に、＋Ｘ軸方向（Ｘ軸の矢印方向）に同じ大きさの加速度（α）が印加されると、共振周波数Ｆ１がｆ１＝４２ｋＨｚに、Ｆ２がｆ２＝４８ｋＨｚに変化する。この場合、差周波数（ｆ２−ｆ１）は６ｋＨｚになる。このように、無負荷時の差周波数１０ｋＨｚを中心として、＋αの加速度が印加すると１４ｋＨｚ、−αの加速度が印加すると６ｋＨｚに変化するため、１０ｋＨｚを基準として加速度の方向を検知することが可能である。また、差周波数（ｆ２−ｆ１）を用いることにより、他軸方向に大きな力が加えられた場合でも、２つの応力感応素子の感度が同じであれば他軸出力や温度変化に影響した変動周波数を相殺することができるので、加速度を高精度に検出することができる。また、加速度検知ユニットの加速度検出感度を高めるには可動部材の質量を重くすればよい。
【００２５】
図２は、加速度センサの回路構成を示す図であり、加速度検知ユニット１の第１及び第２の応力感応素子３０、３１と、第１及び第２の発振回路ＯＳＣ１、ＯＳＣ２と、ミキサＭＩＸと、ローパスフィルタＬＰＦと、周波数−電圧変換器Ｆ／Ｖと、を備えている。いま、加速度が印加されたとき、第１及び第２の発振回路ＯＳＣ１、ＯＳＣ２の発振周波数をｆ１、ｆ２とする。この周波数ｆ１、ｆ２をミキサＭＩＸにて混合すると、（ｆ２−ｆ１）、（ｆ１＋ｆ２）等の周波数が得られ、ローパスフィルタＬＰＦを通すことにより差周波数（ｆ２−ｆ１）のみを取り出すことができる。該差周波数（ｆ２−ｆ１）を周波数−電圧変換器Ｆ／Ｖにより電圧に変換して出力ＯＵＴとし、この出力電圧を外部の装置により加速度に変換する。
【００２６】
加速度検知ユニット１の特徴の一つは、第１及び第２の応力感応素子３０、３１間の干渉を極めて小さくできることである。第１の応力感応素子３０により励振される振動エネルギの極一部は固定端から漏洩するが、振動が伝搬する第１の経路は、固定部材４、連結部１０、固定部材５、第２の応力感応素子３１と伝搬する経路であり、第１の固定部材４と第２の固定部材５とを対角位置関係にした長い伝搬路のため、且つ連結部１０での振動エネルギの伝搬経路の幅が狭く音響インピーダンスが異なるために漏洩した振動エネルギが大幅に減衰し、第１及び第２の応力感応素子３０、３１間の干渉を抑制することができる。第２の経路は、第２の可動部材２１、梁１６、第２の固定部材、第２の応力感応素子３１と伝搬する経路であり、この経路も第１の可動部材２０と第２の可動部材２１とを対角位置関係にした長い伝搬路のため、且つ第１の梁１５と第２の梁１６及び連結部１０での振動エネルギの伝搬経路の幅が狭く音響インピーダンスが大きく異なるため、漏洩した振動エネルギを大幅に減衰させ、第１及び第２の応力感応素子３０、３１間の干渉を抑制することができる。
【００２７】
２つ目の特徴は、可動部材２０、２１の質量を変化させることにより、加速度検知ユニット１の加速度検知ユニットの検出感度を調整できることである。例えば、感度を上げるには可動部材２０、２１の質量を大きくすればよい。
３つ目の特徴は、上記したように加速度の大きさと方向を測定できる点である。
４つ目の特徴は、従来例のシリコン製の応力感応素子は、数ミクロン撓んでから応力が検出される性能であるのに対し、本加速度検知ユニット１では小さな加速度による梁１５、１６の極微小な撓みも双音叉型水晶振動素子３０、３１により検出され、応答速度が速く、且つ精度、再現性がよいことである。
５つ目の特徴は、応力感応素子を２つ用いて差動型構造の加速度検知ユニット１を構成しているため、２つの応力感応素子に同一感度の素子を用いれば、他軸、例えばＹ軸方向の加速度に対しては、２つの応力感応素子の周波数変化は同じとなり、２つの周波数の差を用いれば相殺することができる点である。
【００２８】
図３（ａ）、（ｂ）は、図１に示す加速度検知ユニット１を横に倒して構成した加速度センサ４０の側面図と、平面図である。加速度センサ４０は、加速度検知ユニット１と、加速度検知ユニット１を気密的に封止するハウジング５０と、第１及び第２の応力感応素子３０、３１に形成した電極端子３８とハウジング５０の一部である電極形成部６０とを電気的に接続するためのボンディングワイヤ６５とを備えている。その他、加速度センサを構成する為の発振回路とミキサと、ローパスフィルタと、をハウジング５０の内部または外部に備えている。尚、２つの発振回路と、ミキサと、ローパスフィルタとをハウジング５０の内部に載置した場合は、ハウジング５０の内部配線及びワイヤ６５にて発振回路と加速度検知ユニット１とを電気的に接続する。そして周波数−電圧変換機Ｆ／Ｖの出力端子またはローパスフィルタの出力端子とハウジング５０の外部端子５２とをハウジング５０の内部配線を介して電気的に接続する。なお、加速度センサ４０のハウジング５０には蓋５１が取り付けられて内部が気密封止される。
【００２９】
図４は、本発明の第２の実施形態に係る加速度検知ユニット２の構造を示す斜視図である。図１と同一構造の部材には同じ符号を付して説明する。加速度検知ユニット２は、加速度の印加によって変位しない直方体状の第１及び第２の固定部材４、５と、第１及び第２の固定部材４、５に対して第１及び第２の梁１５、１６を介して夫々支持される直方体状の第１及び第２の可動部材２０、２１と、応力感応部３４、３７及び応力感応部の両端部に一体化された固定端３２、３３、３５、３６を夫々有した第１及び第２の応力感応素子３０、３１と、を備えている。第１の固定部材４と第２の固定部材５とは、対角位置関係に配置されると共に薄い直方体状の連結部１０によって一体化されている。第１の可動部材２０と、第２の可動部材２１とは、各固定部材４、５によって形成される対角スペースＳ内に配置されている第１の固定部材４と第２の固定部材５とを結ぶ線と、第１の可動部材２０と第２の可動部材２１とを結ぶ線とが交差するように第１の固定部材４と第２の固定部材５と第１の可動部材２０及び第２の可動部材２１とが配置されている）。
【００３０】
第１の固定部材４は、第１の梁１５を介して第１の可動部材２０を支持し、第２の固定部材５は、第２の梁１６を介して第２の可動部材２１を支持する。第１及び第２の梁１５、１６は、第１及び第２の可動部材２０、２１に加速度が印加されると各可動部材２０、２１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造に形成される。そして、第１の応力感応素子３０は、第１の固定部材４と、第１の可動部材２０とによって両固定端３２、３３を夫々支持されると共に、第２の応力感応素子３１は、第２の固定部材５と、第２の可動部材２１とによって両固定端３５、３６を夫々支持されている。
【００３１】
直方体状の第１の固定部材４の加速度検出軸方向（Ｘ軸）の右側面には、第１の応力感応素子３０の一方の固定端３２を所定の位置にて固定する素子支持部８が形成されている。素子支持部８は、平坦部な支持面８ａと一段低い段差部８ｂとからなり、段差部８ｂのＺ軸方向の寸法は、第１の応力感応素子３０の振動を妨げないように第１の応力感応素子３０の固定端３２の長さ（Ｚ軸方向）と同程度とする。また、第１の可動部材２０の右側面に、第１の応力感応素子３０を所定の位置に固定するための素子支持部２５が形成されている。さらに、第１の応力感応素子３０の振動を妨げないように、第１の感応素子３０の振動ビーム３４に相当する第１の可動部材２０の右側面を研削し、第１の応力感応素子３０の振動ビーム３４と第１の可動部材２０の右側面との間に間隙２５ａを形成する。第１の固定部材４の右側面に形成した平端部８ａの面と、第１の可動部材２０の右側面に形成した素子支持部２５の面とを結ぶ平面は、加速度検出軸方向（Ｘ軸方向）に直交するように形成され、それらの面に第１の感応素子３０の両固定端３２、３３を接着固定する。
なお、図示しないが、図１の実施形態におけるストッパ２３に相当する突起を設けるのが好ましい。
【００３２】
直方体状の第２の固定部材５の加速度検出軸方向（Ｘ軸）の左側面には、第２の応力感応素子３１の一方の固定端３５を所定の位置にて固定する素子支持部９が形成されている。素子支持部９は、平坦部９ａと段差部９ｂとからなり、段差部９ｂのＺ軸方向の寸法は、第２の応力感応素子３１の振動を妨げないように第２の応力感応素子３１の固定端３５の長さ（Ｚ軸方向）と同程度とする。また、第２の可動部材２１の左側面に、第２の応力感応素子３１を所定の位置に固定するための素子支持部２６が形成されている。さらに、第２の応力感応素子３１の振動を妨げないように、第２の感応素子３１の振動ビーム３７に相当する第２の可動部材２１の左側面を研削し、第２の応力感応素子３１の振動ビーム３７と第２の可動部材２１の左側面との間に間隙２６ａを形成する。第２の固定部材５の左側面に形成した平端部９ａの面と、第２の可動部材２１の左側面に形成した素子支持部２６の面とを結ぶ平面は、加速度検出軸方向（Ｘ軸方向）に直交するように形成され、それらの面に第２の感応素子３１の両固定端３５、３６を接着固定する。
【００３３】
図４に示した第２の実施例の加速度検知ユニット２から連結部１０を取り除いて、２つの別個の加速度検知ユニットとし、第１及び第２の固定部材４、５をそれぞれハウジングに固定して加速度センサを構成しても、差動型の加速度センサとして機能させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】本発明に係る加速度検知ユニットの構造を示した概略斜視図。
【図２】加速度センサの回路構成を示す回路図。
【図３】加速度センサの構成を示す側面図及び平面図。
【図４】第２の実施形態の加速度検知ユニットの構造を示した概略斜視図。
【図５】従来の一体形プッシュプル力変換器の構成図。
【符号の説明】
【００３５】
１、２  加速度検知ユニット、４、５  固定部材、６、７、８、９、２５、２６  素子支持部、６ａ  支持面  、６ｂ  ストッパ部、８ａ  平坦部、８ｂ  段差部、１０  連結部、１５、１６  梁、２０、２１  可動部材、２２、２４  段差部、２３  ストッパ、２５ａ、２６ａ  間隙、３０、３１  応力感応素子、３２、３３、３５、３６  固定端、３４、３７  応力感応部、３８  電極端子、４０  加速度センサ、５０  ハウジング、５１  蓋、５２  外部端子、６０  電極形成部、６５  ボンディングワイヤ、ＯＳＣ１、ＯＳＣ２  発振回路、ＭＩＸ  ミキサ、ＬＰＦ  ローパスフィルタ、Ｆ／Ｖ  周波数−電圧変換器
【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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