(57)【要約】【課題】過度の加速度が印加された場合でも応力感応素子が破損しない加速度検知ユニット及び加速度センサを得る。【解決手段】加速度の印加によって変位しない固定部材３と、加速度の印加によって変位する可動部材２１と、固定部材３に可動部材２１を支持する梁１０と、応力感応素子３０と、加速度検出方向に変位する錘部材２２と、可動部材２１に錘部材２２を連結する梁１１と、を設ける。応力感応素子３０は、一方の固定端が固定部材３に支持されると共に、他方の固定端が可動部材２１に支持されたものであり、梁１０は、可動部材２１に加速度が印加されると可動部材２１を加速度検出軸方向へ変位させるよう屈曲可能な可撓性を有する。【選択図】図１
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【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固定部材と、加速度の印加によって変位する可動部材と、前記固定部材に前記可動部材を支持する第１の梁と、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した２つの固定端とを有する応力感応素子と、前記加速度検出方向に変位する錘部材と、前記可動部材に前記錘部材を連結する第２の梁と、を備え、
前記応力感応素子は、一方の固定端が前記固定部材に支持されると共に、他方の固定端が前記可動部材に支持されたものであり、
前記第１の梁は、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屈曲可能な可撓性を有することを特徴とする加速度検知ユニット。
【請求項２】
前記固定部材は、前記応力感応素子の一方の固定端を支持する素子支持部と、該素子支持部から前記応力感応素子の張出し方向と平行な側方へ張出し形成され先端部に前記第１の梁を備えた張出し部と、を備え、
前記第１の梁は、前記第２の梁と直交して支持され前記可動部材の上面と前記素子支持部の上面とは平行であり、且つ、前記加速度検出軸方向と平行であることを特徴とする請求項１に記載の加速度検知ユニット。
【請求項３】
前記固定部材は、前記応力感応素子の一方の固定端を支持する素子支持部と、該素子支持部から前記応力感応素子の張出し方向と平行な側方へ張出し形成され上面部に前記第１の梁を備えた張出し部と、を備え、
前記第１の梁は、前記可動部材に支持され、前記可動部材の上面と前記素子支持部の上面とは平行であり、且つ、前記加速度検出軸方向に直交していることを特徴とする請求項１に記載の加速度検知ユニット。
【請求項４】
前記第１の梁は、前記加速度検出軸方向と直交する奥行き方向への前記可動部材の変位を阻止する形状を有していることを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項に記載の加速度検知ユニット。
【請求項５】
前記第１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乃至４の何れか１項に記載の加速度検知ユニット。
【請求項６】
前記第２の梁は、奥行き方向の両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乃至５の何れか１項に記載の加速度検知ユニット。
【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１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１項に記載された加速度検知ユニットと、前記錘部材の加速度検出軸方向の変位を制限する制限部材を有し前記加速度検知ユニットを内部に収容して気密的に封止するハウジングと、前記応力感応素子を構成する励振電極と電気的に接続される発振回路と、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、特に応力感応素子の破損を防止するのに好適なものである。
【背景技術】
【０００２】
加速度センサは、従来より自動車、航空機、ロケットから各種プラントの異常振動監視装置等において広く使用されている。特許文献１には図３に示すような圧力センサが開示されている。図３において５０はハウジング、６０は圧力導入口、７０ａ、７０ｂはベローズである。ベローズ７０ａ、７０ｂには力伝達部材８０が連結され、力伝達部材８０の可撓部８０ａと固定部８０ｂとの間に感圧素子９０が接着固定されている。図３に示す圧力センサの圧力導入口よりベローズ７０ａ、７０ｂ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８０の上下にかかり、差圧に相当する力がピボット１００を支点にして感圧素子９０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９０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。
【０００３】
ベローズ７０ａ、７０ｂ、力伝達部材８０、感圧素子９０及びハウジング５０は、それぞれ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９０の支持部を力伝達部材可撓部８０ａと、力伝達部材と隔設し且つ圧力センサハウジング内に設けた感圧素子９０の固定部材１１０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９０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、それぞれの線膨張係数を適用し、各部材の寸法を設定し、感圧素子９０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】特開平２−２２８５３４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に示すような圧力センサ、あるいは従来の加速度センサには、測定時に強い圧力、あるいは大きな加速度が加えられた場合に保護装置がないか、あるいは不十分であるために、感圧素子あるいは応力感応素子が破損する虞があるという問題点があった。
本発明は上記問題点を解決するためになされたもので、大きな加速度が加速度センサに加えられた場合にも、応力感応素子が破損することがない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、本発明の加速度検知ユニットは、加速度の印加によって変位しない固定部材と、加速度の印加によって変位する可動部材と、固定部材に可動部材を支持する第１の梁と、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した２つの固定端とを有する応力感応素子と、加速度検出方向に変位する錘部材と、可動部材に錘部材を連結する第２の梁と、を備え、応力感応素子は、一方の固定端が固定部材に支持されると共に、他方の固定端が可動部材に支持されたものであり、第１の梁は、可動部材に加速度が印加されると可動部材を加速度検出軸方向へ変位させるよう屈曲可能な可撓性を有する。このような本発明によれば、過度の加速度が印加されたときに錘部材の変位量が制限部材により制限され、それ以上第１の梁が撓まないので、過度の歪みが応力感応素子に加わらず破損を起こさないという効果がある。
【０００６】
また本発明の加速度検知ユニットは、固定部材は、応力感応素子の一方の固定端を支持する素子支持部と、該素子支持部から応力感応素子の張出し方向と平行な側方へ張出し形成され、先端部に第１の梁を備えた張出し部と、を備え、第１の梁は、第２の梁と直交して支持され可動部材の上面と素子支持部の上面とは平行であり、且つ、加速度検出軸方向と平行である。このような本発明によれば、応力感応素子は加速度検出軸方向に固定されるため、印加される加速度を精度よく測定できるという効果がある。
【０００７】
また本発明の加速度検知ユニットは、固定部材は、応力感応素子の一方の固定端を支持する素子支持部と、該素子支持部から応力感応素子の張出し方向と平行な側方へ張出し形成され上面部に第１の梁を備えた張出し部と、を備え、第１の梁は、可動部材に支持され、可動部材の上面と素子支持部の上面とは平行であり、且つ、加速度検出軸方向に直交している。このような本発明によれば、応力感応素子は加速度検出軸方向に固定されるため、印加される加速度を精度よく測定できるという効果がある。
【０００８】
また本発明の加速度検知ユニットは、第１の梁が加速度検出軸方向と直交する奥行き方向への可動部材の変位を阻止する形状を有している。このような本発明によれば、可動部材は加速度検出軸方向にのみ変位するので、加速度検出軸方向以外の加速度成分は除かれるという効果がある。
【０００９】
また本発明の加速度検知ユニットは、第１の梁の奥行き方向の寸法は、加速度検出軸方向の第１の梁の幅の寸法以上の長さを有する。このような本発明によれば、可動部材は加速度検出軸方向にのみ変位するので、加速度検出軸方向以外の加速度成分は除かれるという効果がある。
【００１０】
また本発明の加速度検知ユニットは、第２の梁は、奥行き方向の両面が双曲線状に凹んだ形状のネック部を備えている。このような本発明によれば、第２の梁は加速度検出軸方向に撓みやすくなり、過度の加速度が加わった場合には錘部材が、例えばハウジング（筐体）内部に設けた制限部材に当接して、それ以上第１の梁が撓まないので、過度の歪みが応力感応素子に加わらず破損を起こさないという効果がある。
【００１１】
また本発明の加速度検知ユニットは、応力感応素子は、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、を備えた双音叉型圧電振動素子である。このような本発明によれば、加速度検知ユニットの加速度測定精度が向上し、温度特性、再現性が良くなるという効果がある。
【００１２】
また本発明の加速度検知センサは、本発明の加速度検知ユニットと、錘部材の加速度検出軸方向の変位を制限する制限部材を有し加速度検知ユニットを内部に収容して気密的に封止するハウジングと、応力感応素子を構成する励振電極と電気的に接続される発振回路と、を備えるようにした。このような本発明によれば、過度の加速度が印加された場合に、錘部材が、ハウジング（筐体）内部に設けた制限部材に当接して、それ以上第１の梁が撓まないので、過度の歪みが応力感応素子に加わらず破損を起こさないという効果がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
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固定部材３と、可動部材２１と、固定部材３に可動部材２１を支持する梁（第１の梁）１０と、応力感応部３１を挟むように連結された２つの固定端３２、３３を有する応力感応素子３０と、加速度検出方向に可動する錘部材２２と、可動部材２１に錘部材２２を連結する第２の梁１１とを備える。尚、固定部材３は図示しないハウジング（筐体）に固定されている。応力感応素子３０は、一方の固定端３２が固定部材３に支持されると共に、他方の固定端３３が可動部材２１に支持されている。梁１１は固定部材３と一体になった梁１０に対して直交するように配置されている。更に、梁１０は、可動部材２１に加速度が印加されると可動部材２１を加速度検出軸方向（Ｘ軸方向）へ変位させるよう屈曲可能な可撓性を有している。
錘部材２２は、加速度検出軸方向（Ｘ軸方向）の両側に夫々突起物２３が設けられている。
【００１４】
固定部材３は、応力感応素子３０の一方の固定端３２を支持する素子支持部４と、この素子支持部４から応力感応素子３０の張出し方向と平行する側方へ張出し形成され、先端部に梁１０を備えた張出し部５と、を備えている。そして、張出し部５の先端に形成された梁１０が錘部材２２を支持する可動部材２１の梁１１に直交するように固定されている。素子支持部４の上面と、可動部材２１の上面とは、加速度検出軸（Ｘ軸）と平行になるように構成されている。そして、応力感応素子３０の一方の固定端３２は、素子支持部４の上面に固定され、他方の固定端３３は可動部材２１の上面に固定される。
梁１０は、加速度検出軸方向（Ｘ軸方向）と直交する奥行き方向への可動部材２１の変位を阻止するような形状をしており、梁１０の奥行き方向の寸法は、加速度検出軸方向（Ｘ軸方向）の梁１０の幅の寸法以上の長さとなるように形成されている。これは加速度検出軸方向以外の他軸方向に可動部材２１が変位しないようにし、加速度検出軸方向のみの加速度を検出するようにしたためである。
【００１５】
梁１１と錘部材２２との間の形状は、加速度検出軸方向（Ｘ軸方向）と直交する奥行き方向の両面が双曲線状形状の凹み１２となるように形成されている。これは加速度が印加された際に凹み１２の中央部分で梁１１が撓み、梁１０の撓みを抑えることで応力感応素子３０に過度の力が加わらないようにした構造である。なお、双曲線状形状の凹み１２以外に奥行き方向の両面に円形の孔を設けてもよい。要するに、錘部材２２の上部の梁１１が撓むように構成されたものであればよい。
応力感応素子３０は、２つの固定端３２、３３、及び各固定端３２、３３間を連設する２つの振動ビーム３１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圧電振動素子である。図１に示す加速度検知ユニット１では、双音叉型水晶振動素子を用いた例を示している。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。
【００１６】
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。
［数１］
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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。
［数２］
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但し、応力感度ＳFと、応力σとはそれぞれ次式で表される。
［数３］
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［数４］
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【００１７】
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。
【００１８】
図１に示す加速度検知ユニット１は、加速度が印加されると可動部材２１に応力（加速度×質量）が加わり、梁１０が加速度検出軸と直交する方向（Ｚ軸方向）に撓む。梁１０が撓むことにより、梁１０を支点とした応力が応力感応素子３０に加わり、応力感応素子３０の共振周波数が応力に応じて変化する。この共振周波数の変化から加速度の大きさを求める。しかし、応力感応素子３０は、例えば水晶等の材料を用いて構成されているので、弾性限界を超えた応力に対しては破損するおそれがある。
【００１９】
図１に示す加速度検知ユニット１の特徴は、可動部材２１と錘部材２２を連結する梁１１の奥行き方向（Ｙ軸方向）の両面に双曲線形状の凹み１２を形成し、該凹み１２の中央部分でＸ軸方向に撓むように形成した点と、錘部材２２に過度の加速度が加わった場合に錘部材２２の変位を制限する制限部材として、錘部材の加速度検出軸（Ｘ軸）の両面に突起物２３を設けると共に、図示しないハウジング（筐体）の内側に突起物２３を挟んで僅かの隙間を介してストッパ４０、４１と対向配置した点にある。この結果、過度の加速度が可動部材２１に印加された場合、応力（加速度×質量）により梁１０が加速度検出軸方向（Ｚ軸方向）の撓み、この撓みにより梁１１の凹み１２が加速度検出軸方向（Ｘ軸）に撓むと、錘部材２２がＸ軸方向に僅かに変位する。この変位により錘部材２２に設けた突起物２３がストッパ４０、４１に当接することで、梁１０の設定以上の撓みを抑制し、応力感応素子３０の破損を防止するように作用する。なお、制限部材であるストッパ４０、４１はハウジングではなく固定部材３に連結して設けてもよい。また、錘部材２３の両側に突起物２３を設ける必要はない。
【００２０】
図２は第２の実施形態の加速度検知ユニット２の構成を示す斜視図である。図１の加速度検知ユニット１と同じ部材には同じ符号を付して詳細な説明は省略する。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固定部材３と、この固定部材３に梁（第１の梁）１３にて支持される可動部材２１と、応力感応素子３０と、を備えている。応力感応素子３０は、固定部材３に一方の固定端３２を支持されると共に可動部材２１に他方の固定端３３を支持される。そして、梁１３は、可動部材２１に加速度が印加されると可動部材２１を加速度検出軸方向（Ｘ軸方向）へ変位させるよう屈曲可能な可撓性を有している。
固定部材３は、応力感応素子３０の一方の固定端３２を支持する素子支持部４と、この素子支持部４から応力感応素子３０の張出し方向と平行する側方へ張出し形成され、先端部に梁１０を備えた張出し部５と、を備えている。そして、張出し部５の先端に形成された梁１０が錘部材２２を支持する可動部材２１の梁１１に直交するように固定されている。素子支持部４の上面と、可動部材２１の上面とは、加速度検出軸（Ｘ軸）と平行になるように構成されている。そして、応力感応素子３０の一方の固定端３２は、素子支持部４の上面に固定され、他方の固定端３３は可動部材２１の上面に固定される。更に、可動部材２１には錘部材２２が梁１１により連結された構造であり、錘部材２２の加速度検出軸方向（Ｘ軸）の両側に夫々突起物２３を備えた構成である。
【００２１】
固定部材３は、応力感応素子３０の一方の固定端３２を支持する素子支持部４と、素子支持部４から応力感応素子３０の張出し方向と平行する側方へ張出し形成され、その上面に梁１３を備えた張出し部５と、を備えている。梁１３は可動部材２１の下面２１ｂを支持している。
また、可動部材２１の上面２１ａと、素子支持部上面４とは平行であり、且つ、加速度検出軸方向（Ｘ軸方向）に直交している。また、梁１３の奥行き方向の寸法は、加速度検出軸方向と直交する方向の梁１３の幅の寸法以上の長さとなるように形成する。
【００２２】
図２に示した加速度検知ユニット２が、図１に示した加速度検知ユニット１と異なる点は、固定部材３の張出し部５の上面と、第１の可動部材の下面２１ｂとを連結するように梁１３を設けた点にある。
図２に示した第２の実施形態の加速度検知ユニット２は、加速度が印加されると可動部材２１に応力（加速度×質量）が作用して梁１３が撓む。梁１３が撓むことにより、梁１３を支点とした応力が応力感応素子３０に作用し、応力感応素子３０の共振周波数が応力に応じて変化する。また、応力感応素子３０の破損防止作用は図１に説明した通りである。
また本実施形態の加速度検知ユニットを用いて加速度センサを構成する場合は、図１又は図２示した加速度検知ユニット１、２と、錘部材２２の加速度検出軸方向の変位を制限する制限部材として、突起物２３及びストッパ４０、４１備え、加速度検知ユニット１、２を内部に収容して気密的に封止するハウジングと、応力感応素子３０を構成する励振電極と電気的に接続される発振回路と、を備えるようにする。この場合、突起物２３とストッパ４０、４１との間隙は応力感応素子３０の歪みの応力限界内に設定する必要がある。
【００２３】
このように加速度センサを構成することにより、加速度センサに過度の加速度が印加された場合でも、応力感応素子３０が破損するのを防止できる。
なお、加速度検知ユニット１、２の応力感応素子を除く固定部材や可動部材、第１及び第２の梁部分の材料としては、隣青銅や真鍮、銅等が適用可能である。
双曲線形状の凹１２を有するネック部を供えた加速度検知ユニットを例にあげて本発明を説明したが、本発明はこれに限定されるものではない。
例えば、梁１１の奥行き（Ｙ軸方向）方向の中間部分に貫通穴または凹みを設けたネック部であってもよくまたは、梁１１の一方面のみに凹１２を形成したものであってもよい。
尚、ネック部が双曲線形状または貫通穴である場合は、梁１１の中心線上とネック部の中心線とが一致するので錘部材２２と可動部材２１との間の重心バランスの設定、更には、これらと固定部材３とを釣り合わせるためのバランスの設定が行いやすい。
ただし、加工に対しては梁１１の一方面のみに凹１２を設けた場合の方が容易である。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明の第１の実施形態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】第２の実施形態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３】従来の圧力センサの構成を示す断面図。
【符号の説明】
【００２５】
１、２  加速度検知ユニット、３  固定部材、４  素子支持部、５  張出し部、１０、１１、１３  梁、１２  凹み、２１  可動部材、２２  錘部材、２１ａ  可動部材上面、２１ｂ  可動部材下面、２３  突起部、３０  応力感応素子、３１  応力感応部、３２、３３  固定端、４０、４１  ストッパ
【図１】
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【図２】
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【図３】
2008197032.tif 000009