(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
一端と他端との間に加えられる応力の変化に応じて屈曲振動の周波数が変化するものであり、前記一端側から前記他端側に向かって順に第１の振動部、第２の振動部、第３の振動部、前記第１の振動部の表裏面側にあり、かつ前記一端側から前記他端側に向かって延びている有底の第１の溝部、
第２の振動部の表裏面側にあって前記第１の溝部に隣在しており、かつ前記一端側から前記他端側に向かって延びている有底の第２の溝部、
および第３の振動部の表裏面側にあって前記第２の溝部に隣在しており、かつ前記一端側から前記他端側に向かって延びている第３の溝部、
更に、前記第１の溝部と前記第２の溝部との間および前記第２の溝部と前記第３の溝部との間が、前記屈曲振動の節となる所を含むと共に前記第１の溝部の底面ならびに前記第２の溝部の底面よりも突出している、
平行な第１の振動腕部ならびに第２の振動腕部と、
前記各振動腕部の長手方向に在る夫々の前記端部と一体に接合されている基部と、を備えており、
前記第１の溝部内、前記第２の振動部の両側面および前記第３の溝部内には互いに導通している第１の励振電極と、前記第１の振動部の両側面、前記第２に溝部内および前記第３の両側面には互いに導通している第２の励振電極と、を備え、かつ前記第１の振動腕部に備えている前記第１の励振電極と前記第２の振動腕部に備えている前記第２の励振電極とが導通し、前記第１の振動腕部に備えている前記第２の励振電極と前記第２の振動腕部に備えている前記第１の励振電極とが導通していることを特徴とする応力感応型センサ用の双音叉型振動素子。
【請求項２】
固定部材と、該固定部材に支持されている可動部材と、前記固定部材と前記可動部材とを連結しており、加速度の変化に伴い前記固定部材の位置を基準にして前記可動部材の位置が変位するように可撓性を有している梁と、前記固定部材の前記変位に伴い前記振動腕部に加わる前記応力が変化するように前記固定部材と前記可動部材とによって両端部を支持されている請求項１に記載の応力感応型センサ用の双音叉型振動素子と、を備えていることを特徴とする加速度検知ユニット。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、双音叉型圧電振動素子及び加速度検知ユニットに関し、特に振動腕部に溝を形成して感度を向上させた双音叉型圧電振動素子と、それを用いた加速度検知ユニットに関する。
【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。中でも双音叉型圧電振動素子を用いた圧力センサ、加速度センサは、印加された応力の大きさに比例して双音叉型圧電振動素子の周波数が変化し、データ処理が容易であると共に測定精度、測定感度、再現性、温度特性等が優れている。双音叉型圧電振動素子の電極構造に関しては、特許文献１に開示されている。図５（ａ）は、双音叉型圧電振動素子５０、つまり２個の音叉型圧電振動素子の自由端同士を互いに接続した形状を有する圧電屈曲振動子の斜視図である。双音叉型圧電振動素子５０は、基部５２と２つの振動腕部５３ａ、５３ｂとを備えた圧電基板５１と、各振動腕部５３ａ、５３ｂの４面に形成された励振電極５５と、引き出し電極（リード電極）５７と、から構成されている。
【０００３】
図５（ｂ）は双音叉型圧電振動素子５０の平面図であり、各振動腕部５３ａ、５３ｂには夫々３分割した励振電極５５を形成する。励振電極５５は振動の節を境に分割され、分割された相隣り合う励振電極５５には逆極性の電圧を印加するように励振電極５５を接続する。励振電極５５の分割は、図５（ｂ）に示すように振動腕部５３ａ（５３ｂ）の長さをＬとすると、両基部５２の中央寄りの端から夫々０．２５５Ｌの点である。また、図５（ｃ）は、同図（ｂ）のＡ−Ａにおける断面図であり、振動腕部５３ａ、５３ｂの表裏面、両側面に成膜した励振電極５５の接続方法を示した図である。振動腕部５３ａ、５３ｂ夫々の対向する励振電極５５同士を接続し、同極性の電極同士を接続して２端子とする。このように励振電極５５を接続すると、振動腕部５３ａ、５３ｂの夫々の対応する励振電極５５には逆極性の電圧が印加され、双音叉型圧電振動素子５０の長手方向の中心軸に対し、両側に対称な屈曲振動を励振することができる。
また、近年、両振動腕の表裏面に溝を設けた音叉型圧電振動子が実用化されている。
【特許文献１】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は双音叉型圧電振動素子の電極構造を開示しているに過ぎない。双音叉型圧電振動素子を小型化すると、励振効率が悪化し、該振動子の実効抵抗、即ちＣＩ値が増大し、加速度検知ユニットに使用する際に発振回路の設計が極めて難しくなる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、励振効率の優れた双音叉型圧電振動素子とそれを用いた加速度検知ユニット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、本発明の応力感応型センサ用の双音叉型振動素子は、両端部
間に加えられる応力の変化に応じて屈曲振動の周波数が変化する平行な一対の振動腕部、
前記各振動腕部の長手方向に在る夫々の前記端部と一体に接合されている基部、前記振動
腕部の表裏面の少なくとも一方の面に前記長手方向に沿って並んでいる複数の溝部、及び
前記複数の溝部の夫々に形成されている励振電極、を含むことを特徴とする。
上記のように双音叉型圧電振動素子を構成すると、励振効率のよい、つまり双音叉型圧
電振動素子の実効抵抗が低減され、例えば加速度検知ユニットに用いれば発振回路の構成
が容易であり、加速度の精度、感度の優れた加速度検知ユニットが構成できるという利点
がある。
【０００６】
また本発明の応力感応型センサ用の双音叉型振動素子は、隣り合う前記溝との間に前記
屈曲振動の節が在ることを特徴とする。
上記のように双音叉型圧電振動素子を構成すると、励振効率のよい、つまり双音叉型圧
電振動素子の実効抵抗が低減され、例えば加速度検知ユニットに用いれば発振回路の構成
が容易であり、加速度の精度、感度の優れた加速度検知ユニットが構成できるという利点
がある。
【０００８】
また本発明の応力感応型センサ用の双音叉型振動素子は、夫々の振動腕部を夫々一端か
ら他端に向かって順に第１、第２及び第３の振動部の領域に区切ったとき、前記第１の振
動部、前記第２の振動部および前記第３の振動部は、それぞれの表裏面に前記複数の溝部
と前記励振電極と、それぞれの両側面に他の励振電極と、を備え、前記第１の振動部の前
記表裏面の励振電極、前記第２の振動部の他の励振電極および前記第３の振動部の前記表
裏面の励振電極が導通しており、前記第１の振動部の前記他の励振電極、前記第２の振動
部の前記表裏面の励振電極および前記第３の振動部の他の励振電極が導通しており、一方
の前記振動腕部の前記第１の振動部の前記表裏面の励振電極と他方の前記振動腕部の前記
第１の振動部の前記他の励振電極とが導通しており、一方の前記振動腕部の前記第１の振
動部の前記他の励振電極と他方の前記振動部の前記第１の振動部の前記表裏面の励振電極
とが導通していることを特徴とする。
上記のように双音叉型圧電振動素子を構成すると、励振効率のよい、つまり双音叉型圧
電振動素子の実効抵抗が低減され、例えば加速度検知ユニットに用いれば発振回路の構成
が容易であり、加速度の精度、感度の優れた加速度検知ユニットが構成できるという利点
がある。
【０００９】
固定部材と、該固定部材に支持されている可動部材と、前記固定部材と前記可動部材と
を連結しており、加速度の変化に伴い前記固定部材の位置を基準にして前記可動部材の位
置が変位するように可撓性を有している梁と、前記固定部材の前記変位に伴い前記振動腕
部に加わる前記応力が変化するように固定部材と可動部材とによって両端部を支持されて
いる本発明の双音叉型振動素子と、を備えている加速度検知ユニットである。
上記のように加速度検知ユニットを構成すると、発振回路の構成が容易であり、加速度
の精度、感度の優れた加速度検知ユニットが構成できるという効果がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
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、本発明の第１の実施の形態に係る双音叉型水晶振動素子１の構成を示す斜視図である。双音叉型水晶振動素子１は、四角柱形状の細長い平行な一対の振動腕部７、８の夫々一方の端部が一方の基部６ａに接合され、夫々の他方の端部が他方の基部６ｂに接合された圧電基板５と、前記夫々の振動腕部７、８の四面に形成された励振電極と、を備えた双音叉型圧電振動素子である。
振動腕部７、８は、空隙９挟んで双音叉型圧電振動素子の中心軸に対し対称に形成され、夫々第１の振動部７ａ、８ａ、第２の振動部７ｂ、８ｂ、第３の振動部７ｃ、８ｃから構成される。第１の振動部７ａ、８ａと、第３の振動部７ｃ、８ｃとはほぼ同じ長さであり、第２の振動部７ｂ、８ｂは第１の振動部７ａ、８ａより長く形成される。
振動腕部７の第１、第２及び第３の振動部７ａ、７ｂ、７ｃの表裏面の少なくとも一方の面には、夫々第１、第２及び第３の溝部１１ａ、１１ｂ、１１ｃが、橋絡部１３ａ、１３ｂを挟んで形成されている。同様に、振動腕部８の第１、第２及び第３の振動部８ａ、８ｂ、８ｃの表裏面の少なくとも一方の面には、夫々第１、第２及び第３の溝部１２ａ、１２ｂ、１２ｃが、橋絡部１４ａ、１４ｂを挟んで形成されている。
【００１１】
図１に示した第１の実施の形態では、振動腕部７、８の各表裏面に溝を形成した例を示している。例えば、振動腕部７の第１の振動部７ａの表裏面に形成した第１の溝部は、共に１１ａと表示する。振動腕部７、８の第１、第２及び第３の溝部１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１２ａ、１２ｂ、１２ｃに、真空蒸着、あるいはスパッタ等の手段により、夫々第１、第２及び第３の励振電極２０ａ、２０ｂ、２０ｃ、２２ａ、２２ｂ、２２ｃを形成する。励振電極の場合も表裏の電極に同じ符号を付して表示する。
振動腕部７の第１、第２及び第３の振動部７ａ、７ｂ、７ｃの両側面には、真空蒸着、あるいはスパッタ等の手段により、夫々第４、第５及び第６の励振電極２１ａ、２１ｂ、２１ｃを成膜する。第４、第５及び第６の励振電極２１ａ、２１ｂ、２１ｃは夫々無電極部により絶縁されている。同様に、振動腕部８の第１、第２及び第３の振動部８ａ、８ｂ、８ｃの両側面には、夫々第４、第５及び第６の励振電極２３ａ、２３ｂ、２３ｃを形成する。
【００１２】
図２は各振動腕部７、８に形成された励振電極を説明するための図で、振動腕部７の第１、第２及び第３の振動部７ａ、７ｂ、７ｃと、振動腕部８の第１、第２及び第３の振動部８ａ、８ｂ、８ｃと、に成膜した励振電極を示す断面図である。各励振電極の極性を示すために、斜線とドットを用いて表示している。
図２の左側には、振動腕部７の表裏面の第１、第２及び第３の溝部１１ａ、１１ｂ、１１ｃに成膜した第１、第２及び第３の励振電極２０ａ、２０ｂ、２０ｃと、第１、第２及び第３の振動部７ａ、７ｂ、７ｃの両側面に形成した第４、第５及び第６の励振電極２１ａ、２１ｂ、２１ｃを示している。励振電極の場合も溝部と同様に対向する表裏面、または両側面に同じ符号を付している。
また、図２の右側には振動腕部８の表裏の溝部１２ａ、１２ｂ、１２ｃに成膜した第１、第２及び第３励振電極２２ａ、２２ｂ、２２ｃと、振動部８ａ、８ｂ、８ｃの両側面に成膜した第４、第５及び第６の励振電極２３ａ、２３ｂ、２３ｃを示している。
【００１３】
図２には振動腕部７、８の各振動部７ａ、７ｂ、７ｃ、８ａ、８ｂ、８ｃの励振電極の構成を示すと共に、一方の励振電極から他方の励振電極に向かう電気力線も示している。電気力線は、図５（ｃ）に示した従来の電気力線より強まり、Ｘ軸方向の電界強度が増して、振動効率が高まる。各励振電極の接続は、各振動腕部７、８上に蒸着等の手段で形成した図示しない引き出し電極（リード電極）を用いて行う。各振動腕部７、８の表裏面の励振電極２０ａ〜２０ｃ、２２ａ〜２２ｃ及び両側面の励振電極２１ａ〜２１ｃ、２３ａ〜２３ｃの夫々対向する励振電極同士を接続する。次に、振動腕部７の表裏面の第１の励振電極２０ａと、両側面の第５の励振電極２１ｂと、表裏面の第３の励振電極２０ｃと、を振動腕部７上に形成したリード電極（図示せず）にて接続する。そして、振動腕部７の両側面の第４の励振電極２１ａと、表裏面の第２の励振電極２０ｂと、両側面の第６の励振電極２１ｃと、をリード電極にて接続する。
同様に、振動腕部８の表裏面の第１の励振電極２２ａと、両側面の第５の励振電極２３ｂと、表裏面の第３の励振電極２２ｃと、を振動腕部８上に形成したリード電極（図示せず）にて接続する。そして、振動腕部８の両側面の第４の励振電極２３ａと、表裏面の第２の励振電極２２ｂと、両側面の第６の励振電極２３ｃと、リード電極にて接続する。振動腕部７の表裏面の第１の励振電極２０ａと、振動腕部８の両側面の第４の励振電極２３ａとをリード電極にて接続し、振動腕部７の両側面の第４の励振電極２１ａと、振動腕部８の表裏面の第１の励振電極２２ａとをリード電極にて接続して、２端子の双音叉型圧電振動素子を構成する。
【００１４】
図１、図２に示したように各振動腕部７、８に３分割した電極を形成し、図示しないリード電極にて上記のように接続すると、双音叉型水晶振動素子１の長手方向の中心軸の両側に、対称な屈曲振動が励振される。
第１の実施の形態の双音叉型水晶振動素子の特徴は、双音叉型水晶振動素子の各振動腕部の表裏面に夫々３個の溝部を形成し、この溝部に励振電極を成膜することにより、Ｘ軸方向の電界が強化され、その結果、屈曲振動が効果的に励振されて、双音叉型水晶振動素子の実効抵抗が小さくなる。このような小型化された双音叉型水晶振動素子を力検知ユニット、あるいは加速度検知ユニットに用いれば、ユニットの小型化が可能であり、発振回路の設計も容易で、検知感度の高いユニットが構成できるという効果がある。
【００１５】
図３は第２の実施の形態に係る双音叉型水晶振動素子の構成を示す斜視図である。
上記第１の実施の形態の双音叉型水晶振動素子は、各振動腕部の表裏面に夫々３個の溝部を形成し、この溝部に励振電極を成膜したのに対して、第２の実施の形態の双音叉型水晶振動素子は、各振動腕の表裏面に夫々１本の溝部を形成した点に特徴がある。
即ち、双音叉型水晶振動素子２は、細い角柱形状の平行な２個の振動腕部７、８の夫々一方の端部が一方の基部６ａに接合され、振動腕部７、８の夫々他方の端部が他方の基部６ｂに接合された圧電基板５と、夫々の振動腕部７、８の四面に形成された励振電極と、を備えた双音叉型圧電振動素子である。
振動腕部７、８は、空隙９挟んで対称に形成され、夫々第１の振動部７ａ、８ａ、第２の振動部７ｂ、８ｂ、第３の振動部７ｃ、８ｃから構成されている。第１の振動部７ａ、８ａと、第３の振動部７ｃ、８ｃとの長さはほぼ等しく、第２の振動部７ｂ、８ｂ長さは、第１の振動部７ａ、８ａよりも長く形成されている。
【００１６】
各振動腕部７、８の表裏面の少なくとも一方の面に夫々溝部１１、１２を形成する。振動腕部７の第１、第２及び第３の振動部７ａ、７ｂ、７ｃの表裏面に第１、第２及び第３の励振電極２０ａ、２０ｂ、２０ｃを成膜すると共に、前記振動部７ａ、７ｂ、７ｃの夫々の両側面に第４、第５及び第６の励振電極２１ａ、２１ｂ、２１ｃを成膜する。同様に、振動腕部８の第１、第２及び第３の振動部８ａ、８ｂ、８ｃの表裏面に第１、第２及び第３の励振電極２２ａ、２２ｂ、２２ｃを成膜すると共に、前記振動部８ａ、８ｂ、８ｃの夫々の両側面に第４、第５及び第６の励振電極２３ａ、２３ｂ、２３ｃを成膜する。図３の例では、各振動腕部７、８の表裏面に夫々溝部１１、１２を形成した例を図示している。裏面の溝部１１、１２（図示せず）も表面と同じ符号を付し、励振電極の場合も表裏、両側面とも同符号を付して表示する。
振動腕部７、８の夫々の第１、第２及び第３の振動部７ａ、７ｂ、７ｃ、８ａ、８ｂ、８ｃにおける溝部１１、１２に成膜した励振電極、両側面の励振電極の構成は、図２に示した通りである。各振動腕部７、８の表裏面の第１、第２及び第３の励振電極２０ａ〜２０ｃ、２２ａ〜２２ｃ、及び両側面の第４、第５及び第６の励振電極２１ａ〜２１ｃ、２３ａ〜２３ｃの中、対向する励振電極同士を、各振動腕部７、８に形成した図示しない引き出し電極（リード電極）にて接続する。
【００１７】
次に、振動腕部７の表裏面の第１の励振電極２０ａと、両側面の第５の励振電極２１ｂと、表裏面の第３の励振電極２０ｃと、を振動腕部７上に形成したリード電極（図示せず）にて接続する。そして、振動腕部７の両側面の第４の励振電極２１ａと、表裏面の第２の励振電極２０ｂと、両側面の第６の励振電極２１ｃと、リード電極にて接続する。
同様に、振動腕部８の表裏面の第１の励振電極２２ａと、両側面の第５の励振電極２３ｂと、表裏面の第３の励振電極２２ｃと、を振動腕部８上に形成したリード電極（図示せず）にて接続する。そして、振動腕部８の両側面の第４の励振電極２３ａと、表裏面の第２の励振電極２２ｂと、両側面の第６の励振電極２３ｃと、リード電極にて接続する。次に、振動腕部７の表裏面の第１の励振電極２０ａと、振動腕部８の両側面の第４の励振電極２３ａとをリード電極にて接続し、振動腕部７の両側面の第４の励振電極２１ａと、振動腕部８の表裏面の第１の励振電極２２ａとをリード電極にて接続して、２端子の双音叉型圧電振動素子を構成する。
このように第２の実施の形態の双音叉型水晶振動素子では、双音叉型水晶振動素子の各振動腕の表裏面に夫々１本の溝部を形成し、溝部に励振電極を成膜したことにより、Ｘ軸方向の電界が強化される。その結果、屈曲振動が効果的に励振され、双音叉型水晶振動素子の実効抵抗が小さくなる。第１の実施例と同様に力検知ユニット、あるいは加速度検知ユニットに用いれば、発振回路が容易になると共に検知感度の高いユニットが構成できるという効果がある。
【００１８】
図４は、本実施形態の加速度検知ユニットの構成を示す斜視図であり、加速度印加によって変位しない固定部材３０と、固定部材３０によって加速度印加方向へ可動な状態で支持される可動部材３５と、固定部材３０と可動部材３５とを連結する可撓性を有した梁４０と、固定部材３０と可動部材３５とによって両端の固定端を夫々支持された前記の双音叉型振動素子１と、を備えている。梁４０は、加速度検知ユニット３にＸ軸方向（図１の左下端に示す）の加速度が印加された場合、可動部材３５を介して双音叉型振動素子１に伸張・圧縮応力（加速度×質量）が加わるよう、可動部材３５を加速度印加方向（Ｘ軸）へ変位させるように構成される。なお、固定部材３０、可動部材３５、梁４０は真鍮、アルミニウム、燐青銅等の金属材料を機械加工して一体的に構成されている。
第１及び第２の実施の形態の双音叉型水晶振動素子を加速度検知ユニット３に用いれば、検知感度の高いユニットが構成できるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】第１の実施の形態の双音叉型圧電振動素子の構成を示した斜視図である。
【図２】各振動腕部における各振動部の電極構成を示す断面図である。
【図３】第２の実施の形態の双音叉型圧電振動素子の構成を示した斜視図である。
【図４】加速度検知ユニットの構成を示す斜視図である。
【図５】従来の双音叉型圧電振動素子の説明図であり、（ａ）は斜視図、（ｂ）は電極配置を示す平面図、（ｃ）は電極の配置を示す断面図である。
【符号の説明】
【００２０】
１、２  双音叉型圧電振動素子、３  加速度検知ユニット、５  圧電基板、６ａ、６ｂ  基部、７、８  振動腕部、７ａ、７ｂ、７ｃ、８ａ、８ｂ、８ｃ  振動部、９  空隙部、１１、１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１２、１２ａ、１２ｂ、１２ｃ  溝部、１３ａ、１３ｂ、１４ａ、１４ｂ  橋絡部、２０ａ、２０ｂ、２０ｃ、２１ａ、２１ｂ、２１ｃ、２２ａ、２２ｂ、２２ｃ、２３ａ、２３ｂ、２３ｃ  励振電極、３０  固定部材、３５  可動部材、４０  梁
【図１】
0005076657.tif 000002
【図２】
0005076657.tif 000003
【図３】
0005076657.tif 000004
【図４】
0005076657.tif 000005
【図５】
0005076657.tif 000006