(57)【要約】【課題】２軸に跨った方向から加速度が印加された場合でも、加速度の印加方向や大きさを正確に検知することができる加速度検知ユニット及び加速度検知装置を提供する。【解決手段】加速度検知ユニット１は、加速度の印加がされた場合でも変位しない固定端となるベース部材２と、加速度が印加された場合に自由端となる錘部材３と、一端がベース部材２に固定され他端が錘部材３に固定された支柱４と、それぞれ異なる検出軸方向の加速度を検出する加速度検知部として４枚の応力感応素子１１、１２、１３、１４を備えている。ベース部材２は、その形状が直方体であり、各面２ａ〜２ｅがＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸のいずれかの軸方向と平行になるように配置されている。また錘部材３もまたベース部材２と同様、その形状が直方体であり、各面３ａ〜３ｅがＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸のいずれかの軸方向と平行になるように配置されている。【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、該固定部材に一端が固定された支柱と、該支柱の他端に固定された可動部材と、それぞれ異なる検出軸方向の加速度を検出する複数の加速度検知部と、を備え、
前記加速度検知部が応力感応部及び該応力感応部の両端に結合部を有し、前記固定部材と前記可動部材とにより前記結合部が固定された一対の応力感応素子により構成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】
前記支柱は、断面形状が円柱であり、かつ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】
前記応力感応素子は、２つの前記結合部及び各結合部間を連設する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又は２に記載の加速度検知装置。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれか１項に記載の加速度検知ユニットと、前記一対の応力感応素子から出力される検知信号の信号差を演算する複数の減算回路と、前記複数の減算回路の出力から加速度値と、加速度の印加方向を演算する演算回路と、を備えたことを特徴とする加速度検知装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、加速度の絶対と加速度の印加方向を検知するのに好適な加速度検知ユニット、及び加速度検知装置に関するものである。
【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６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６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。
【特許文献１】特開昭６１−１７８６６７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
ところで、上記特許文献１に記載された振動式加速度計は、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、夫々の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がある。
このため、特許文献１では、例えばＸ軸とＺ軸２軸に跨った方向から加速度が印加された場合は、加速度の印加方向や、加速度の大きさを正確に検知することができない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、２軸に跨った方向から加速度が印加された場合でも、加速度の印加方向や大きさを正確に検知することができる加速度検知ユニット及び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】
【０００４】
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、固定部材に一端が固定された支柱と、支柱の他端に固定された可動部材と、それぞれ異なる検出軸方向の加速度を検出する複数の加速度検知部と、を備え、加速度検知部が応力感応部及び応力感応部の両端に結合部を有し、固定部材と可動部材とにより結合部が固定された一対の応力感応素子により構成されていることを特徴とする。
このような本発明によれば、応力感応素子の共振周波数の変化により異なる複数の軸方向、例えばＸ軸とＹ軸方向の加速度を検知することができる。また、本発明では、複数の応力感応素子に曲げ応力が加わることにより加速度を検知するようにしているため、加速度の検知感度が等しくなるという利点がある。
【０００５】
本発明の加速度検知ユニットは、支柱は、断面形状が円柱であり、かつ前記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変形可能な可撓性を有することを特徴とする。このような本発明によれば、複数の異なる軸方向に配置した応力感応素子の加速度感度が等しくなるため、加速度の検知精度を高めることができる。
また本発明の加速度検知ユニットは、応力感応素子は、２つの結合部及び各結合部間を連設する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とを特徴とする。
このような本発明によれば、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。
【０００６】
また本発明の加速度検知装置は、本発明の加速度検知ユニットと、一対の応力感応素子から出力される検知信号の信号差を演算する複数の減算回路と、複数の減算回路の出力から加速度値と、加速度の印加方向を演算する演算回路と、を備えたことを特徴とする。
このような本発明によれば、本発明の加速度検知ユニットの応力感応素子により検知された検知信号に基づいて加速度の絶対値信号と角度信号を算出することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
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の実施形態に係る加速度検知ユニットの構成を示した図であり、（ａ）は加速度検知ユニットの全体斜視図、（ｂ）は加速度検知ユニットをＺ軸方向から見た側面図、（ｃ）は加速度検知ユニットの支柱構造を説明するための斜視図である。
この図１に示す加速度検知ユニット１は、加速度の印加がされた場合でも変位しない固定端となるベース部材（固定部材）２と、加速度が印加された場合に自由端となる錘部材（可動部材）３と、一端がベース部材２に固定され他端が錘部材３に固定された支柱４と、それぞれ異なる検出軸方向の加速度を検出する加速度検知部として４枚の応力感応素子１１、１２、１３、１４を備えている。
ベース部材２は、その形状が直方体であり、各面２ａ〜２ｅがＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸のいずれかの軸方向と平行になるように配置されている。また錘部材３もまたベース部材２と同様、その形状が直方体であり、各面３ａ〜３ｅがＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸のいずれかの軸方向と平行になるように配置されている。
【０００８】
支柱４は、例えば円柱型の金属等からなり、図１（ｃ）に示すように、その一端がベース部材２の面２ａに固定され、他端が錘部材３の面３ａに固定されている。
また、支柱４は、加速度が印加されたときに錘部材３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金属等の材料により構成されていると共に、検出感度を高めるために中央部５の厚みが薄く形成されている。中央部５の断面形状（Ｘ−Ｙ断面）は、円形状とされ、加速度が印加されたときのＸ−Ｙ平面における支柱４の変位に誤差が生じないようにしている。
なお、本実施形態では、加速度の検出感度を高めるために支柱４の中央部５の厚みを薄く構成する場合を例に挙げて説明したが、支柱４全体の厚みを薄くしてもよい。また、その場合は支柱４を円柱状の可撓性を有する金属等の材料により形成すればよい。
【０００９】
ベース部材２と錘部材３との間には、加速度検知部として、Ｘ軸方向の加速度を検知する一対の応力感応素子１１、１２が配置され、Ｙ軸方向の加速度を検知する一対の応力感応素子１３、１４が配置されている。
応力感応素子１１〜１４は、双音叉型水晶振動素子によって構成される。
即ち、応力感応素子１１は、応力感応部１１ａとして、並列に配置された２本の振動腕と、この２本の振動腕の延長方向の両端を夫々結合した結合部１１ｂ、１１ｃとから成り、結合部１１ｂがベース部材２の面２ｂに、結合部１１ｃが錘部材３の面３ｂにそれぞれ接着剤により接着固定されている。
応力感応素子１２は、上記応力感応素子１１と同様、応力感応部と、その両端に一体化された結合部とからなり、一方の結合部がベース部材２の面２ｂに対向する面２ｃに、他方の結合部が錘部材３の面３ｂに対向する面３ｃにそれぞれ接着剤により接着固定されている。
【００１０】
一方、応力感応素子１３は、応力感応部１３ａと、この応力感応部１３ａの両端に一体化された結合部１３ｂ、１３ｃとからなり、結合部１３ｂがベース部材２の面２ｄに、結合部１３ｃが錘部材３の面３ｄにそれぞれ接着剤により接着固定されている。
応力感応素子１４は、上記応力感応素子１３と同様、応力感応部と、その両端に一体化された結合部とからなり、一方の結合部がベース部材２の面２ｄに対向する面２ｅに、他方の結合部が錘部材３の面３ｄに対向する面３ｅにそれぞれ接着剤により接着固定されている。
【００１１】
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。
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。
なお、本実施形態では応力感応素子として双音叉振動素子を例に挙げて説明したが、これはあくまでも一例であり、伸張・圧縮応力によって共振周波数が変化する素子であれば、所謂ＡＴカットの水晶振動子やレゾネータといった各種圧電振動素子を応力感応素子として適用することも可能である。
【００１２】
上記した加速度検知ユニット１では、Ｘ軸方向で、Ｘ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）、錘部材３は支柱４の中央部５が撓むことにより、Ｘ軸の＋方向に変位する。これは、錘部材３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。その結果、応力感応素子１１には圧縮応力が加わり、応力感応素子１１の共振周波数は低くなる一方、応力感応素子１２には伸張応力が加わり、応力感応素子１２の共振周波数は高くなる。
逆に、Ｘ軸の矢印の方向（＋方向）の加速度が印加されると、錘部材３は支柱４の中央部５が撓むことにより、Ｘ軸の−方向に変位する。その結果、応力感応素子１１には伸張応力が加わり、応力感応素子１１の共振周波数は高くなる一方、応力感応素子１２には圧縮応力が加わり、応力感応素子１２の共振周波数は低くなる。
従って、加速度検知ユニット１では、応力感応素子１１、１２の共振周波数の変化によりＸ軸方向の加速度を検知することができる。
【００１３】
また、加速度検知ユニット１は、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、錘部材３は支柱４の中央部５が撓むことにより、Ｙ軸の＋方向に変位する。その結果、応力感応素子１３には圧縮応力が加わり、応力感応素子１３の共振周波数は低くなる一方、応力感応素子１４には伸張応力が加わり、応力感応素子１４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、錘部材３は支柱４の中央部５が撓むことにより、Ｙ軸の−方向に変位する。その結果、応力感応素子１３には伸張応力が加わり、応力感応素子１３の共振周波数は高くなる一方、応力感応素子１４には圧縮応力が加わり、応力感応素子１４の共振周波数は低くなる。
従って、加速度検知ユニット１では、応力感応素子１３、１４の共振周波数の変化によりＹ軸方向の加速度を検知することができる。
【００１４】
また、本実施形態の加速度検知ユニット１は、Ｘ軸方向と、Ｙ軸方向とでは、加速度の検知を行うために、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ため、Ｘ軸方向の加速度の検出感度とＹ軸方向の加速度の検出感度が等しくなる。更に、ベース部材２と錘部材３との間の支柱４の中央部５が円形状であるため、Ｘ軸とＹ軸の加速度に対する応力感応素子１１〜１４の周波数変化率、即ち加速度感度も等しくなる。よって、Ｘ軸とＹ軸の２軸に跨る加速度を精度良く検知することが可能になる。
【００１５】
次に、上記した本実施形態の加速度検知ユニット１を用いた加速度検知装置について説明する。
図２は、第１の実施形態の加速度検知装置の構成を示したブロック図である。
加速度検知装置２０は、図１に示した加速度検知ユニット１と、２つの減算回路２１、２２と、演算器２３とにより構成される。
減算回路２１は、例えばマイクロコンピュータ等により構成され、加速度検知ユニット１の応力感応素子（ＯＳＣ）１１の検知信号（周波数信号）Ｆ１から応力感応素子（ＯＳＣ）１２の検知信号Ｆ２を減算し（Ｆ１−Ｆ２）、その減算結果をＸ軸成分の加速度信号ＤＦｘを出力する。
減算回路２２もまた例えばマイクロコンピュータ等により構成され、応力感応素子（ＯＳＣ）１３の検知信号Ｆ３から応力感応素子（ＯＳＣ）１４の検知信号Ｆ４を減算し（Ｆ３−Ｆ４）、その減算結果をＹ軸成分の加速度信号ＤＦｙを出力する。
演算器２３もまた例えばマイクロコンピュータ等により構成され、減算回路２１から出力されるＸ軸成分の加速度信号ＤＦｘと、減算回路２２から出力されるＹ軸成分の加速度信号ＤＦｙとに基づいて、Ｘ−Ｙ面における加速度の大きさの絶対値を示す絶対値信号Ｓαと、加速度の印加方向を示す角度信号Ｓθを算出して出力する。
【００１６】
ここで、加速度の絶対値信号Ｓαは、
Ｓα＝√ＤＦｘ２＋ＤＦｙ２により求めることができる。
また、加速度の角度信号Ｓθは、
Ｘ軸成分の加速度信号ＤＦｘ、Ｙ軸成分の加速度信号ＤＦｙが、ＤＦｘ＞０、ＤＦｙ＞０のとき、つまり、加速度の印加方向が図３に示す領域Ａの方向である場合は、角度信号Ｓθ＝ｔａｎ-1（ＤＦｙ／ＤＦｘ）となる。
また加速度信号ＤＦｘ、ＤＦｙが、ＤＦｘ＜０、ＤＦｙ＞０のとき、つまり加速度の印加方向が図３に示す領域Ｂの方向である場合、角度信号Ｓθ＝ｔａｎ-1（ＤＦｙ／ＤＦｘ）となる。
また加速度信号ＤＦｘ、ＤＦｙが、ＤＦｘ＜０、Ｄｆｙ＜０のとき、つまり加速度の印加方向が図３に示す領域Ｃの方向である場合、角度信号Ｓθ＝ｔａｎ-1（ＤＦｙ／ＤＦｘ）＋πとなる。
また加速度信号ＤＦｘ、ＤＦｙが、ＤＦｘ＞０、Ｄｆｙ＜０のとき、つまり加速度の印加方向が図３に示す領域Ｄの方向である場合、角度信号Ｓθ＝ｔａｎ-1（ＤＦｙ／ＤＦｘ）＋２πとなる。
このように加速度検知装置２０を構成すれば、図１に示した加速度検知ユニット１の応力感応素子１１〜１４により、検知された検知信号Ｆ１〜Ｆ４に基づいて加速度の絶対値信号Ｓαと角度信号Ｓθを算出することができる。
【００１７】
次に、本発明の第２の実施形態に係る加速度検知ユニットと加速度検知装置について説明する。
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の構成を示した図であり、（ａ）は加速度検知ユニットの全体斜視図、（ｂ）は加速度検知ユニットをＺ軸方向から見た側面図、（ｃ）は加速度検知ユニットの支柱構造を説明するための斜視図である。なお、図１に示した加速度検知ユニットと同一部位には同一符号を付して説明は省略する。
この図４に示す加速度検知ユニット３１は、加速度が印加された場合でも変位しない固定端となるベース部材３２と、加速度が印加された場合に自由端となる錘部材３３の形状が八角柱体により構成され、支柱４の一端がベース部材３２の面３２ａに固定され、支柱４の他端が錘部材３３の面３３ａに固定されている。そして、このベース部材３２と錘部材３３との間に、加速度検知部として４つの対をなす応力感応素子１１、１２、応力感応素子１３、１４、応力感応素子１５、１６、応力感応素子１７、１８を配置するようにした点が図１に示した加速度検知ユニット１とは異なる。
【００１８】
この場合も、ベース部材３２の面３２ｂと錘部材３３の面３３ｂとの間に応力感応素子１１が固定され、対向するベース部材３２の面３２ｃと錘部材３３の面３３ｃとの間に応力感応素子１２が固定されている。
同様にベース部材３２の面３２ｄと錘部材３３の面３３ｄとの間には応力感応素子１３が固定され、対向するベース部材３２の面３２ｅと錘部材３３の面３３ｅとの間には応力感応素子１４が固定されている。
更に、ベース部材３２の面３２ｆと錘部材３３の面３３ｆとの間には応力感応素子１５が、対向するベース部材３２の面３２ｇと錘部材３３の面３３ｇとの間には応力感応素子１６が、ベース部材３２の面３２ｈと錘部材３３の面３３ｈとの間には応力感応素子１７が、対向するベース部材３２の面３２ｉと錘部材３３の面３３ｉとの間には応力感応素子１８がそれぞれ固定されている。
【００１９】
このように加速度検知ユニット３１を構成した場合は、応力感応素子１１、１２によりＸ軸方向の加速度を検知することができ、応力感応素子１３、１４によりＹ軸方向の加速度を検知することができる。また応力感応素子１５、１６によりＸ±４５°方向の加速度を検知することができ、応力感応素子１７、１８によりＹ±４５°方向の加速度を検知することができる。
またこの場合も、加速度の検知は応力感応素子に曲げ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ため、応力感応素子１１〜１８の加速度の検出感度は等しくなる。更に、ベース部材３２と錘部材３３との間の支柱４の中央部５が円形状であるため、Ｘ軸とＹ軸の２軸の加速度に対する応力感応素子１１〜１８の周波数変化率、即ち加速度感度も等しくなる。よって、Ｘ軸とＹ軸の２軸に跨る加速度を精度良く検知することが可能になる。
【００２０】
次に、上記した加速度検知ユニット３１を用いた加速度検知装置について説明する。
図５は第２の実施形態の加速度検知装置の構成を示したブロック図である。
加速度検知装置４０は、図４に示した加速度検知ユニット３１と、４つの減算回路４１、４２、４３、４４と、演算器４５とにより構成される。
減算回路４１は加速度検知ユニット３１の応力感応素子１１の検知信号Ｆ１から応力感応素子１２の検知信号Ｆ２を減算し（Ｆ１−Ｆ２）、その減算結果を加速度信号ＤＦ１として出力する。減算回路４２は加速度検知ユニット３１の応力感応素子１３の検知信号Ｆ３から応力感応素子１４の検知信号Ｆ４を減算し（Ｆ３−Ｆ４）、その減算結果を加速度信号ＤＦ２として出力する。減算回路４３は加速度検知ユニット３１の応力感応素子１５の検知信号Ｆ５から応力感応素子１６の検知信号Ｆ６を減算し（Ｆ５−Ｆ６）、その減算結果を加速度信号ＤＦ３として出力する。減算回路４４は加速度検知ユニット３１の応力感応素子１７の検知信号Ｆ７から応力感応素子１８の検知信号Ｆ８を減算し（Ｆ７−Ｆ８）、その減算結果を加速度信号ＤＦ４として出力する。
【００２１】
演算器４５は、減算回路４１〜４４からの加速度信号ＤＦ１〜ＤＦ４から加速度の大きさの絶対値を示す絶対値信号Ｓαと、角度信号Ｓθを算出する。
このように構成すれば、加速度検知ユニット３１の応力感応素子４Ｔ〜４８の検知信号Ｆ１〜Ｆ８から加速度の絶対値信号Ｓａと、ＸＹ平面における加速度の角度信号Ｓθを求めることができる。このように加速度検知装置４０を構成すれば、図４に示した加速度検知ユニット３１の応力感応素子１１〜１８により検知された検知信号Ｆ１〜Ｆ８に基づいて加速度の絶対値信号Ｓαと角度信号Ｓθを算出することができる。
【００２２】
なお、本実施形態においては、加速度検知部として、二対或いは四対の応力感応素子を配置した場合を例に挙げて説明したが、これはあくまでも一例であり、加速度検知部の応力感応素子の対数は複数対であれば本発明の加速度検知ユニットを実現可能である。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【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成を示した図である。
【図２】第１の実施形態の加速度検知装置の構成を示したブロック図である。
【図３】加速度信号ＤＦｘ、ＤＦｙと加速度の印加角度θとの関係を示した図である。
【図４】第２の実施形態に係る加速度検知ユニットの構成を示した図である。
【図５】第２の実施形態の加速度検知装置の構成を示したブロック図である。
【図６】従来の振動式加速度計の構成を示す斜視図。
【符号の説明】
【００２４】
１、３１  加速度検知ユニット、２、３２  ベース部材、３、３３  錘部材、４  支柱、５  中央部、１１〜１８  応力感応素子、２０、４０  加速度検知装置、２１、２２、４１、４２、４３、４４  減算回路、２３、４５  演算器
【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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【図６】
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