加速度センサ
【課題】双音叉圧電振動片と片持ち梁とを一体に接合した加速度センサ本体を備え、片持ち梁の薄肉部及び双音叉圧電振動片の厚さを適当に選択して、加速度センサの検出感度を向上させる。
【解決手段】加速度センサ１０は、１対の振動ビーム１４ａ，１４ｂの両端に結合する基端部１５ａ，１５ｂ及び励振電極からなる双音叉圧電振動片１２と、固定端部２３ａと自由端部２３ｂ間に延在する梁部２４ａ，２４ｂに薄肉部２５ａ，２５ｂを設けた片持ち梁１３とを、振動ビームと梁部との間に隙間を画定しつつ、一方の基端部を固定端部にかつ他方の基端部を自由端部に固定して一体化した加速度センサ本体１１を備え、双音叉圧電振動片と片持ち梁の薄肉部との厚さ比ｂ／ｔを０．１≦ｂ／ｔ≦０．７とする。
【解決手段】加速度センサ１０は、１対の振動ビーム１４ａ，１４ｂの両端に結合する基端部１５ａ，１５ｂ及び励振電極からなる双音叉圧電振動片１２と、固定端部２３ａと自由端部２３ｂ間に延在する梁部２４ａ，２４ｂに薄肉部２５ａ，２５ｂを設けた片持ち梁１３とを、振動ビームと梁部との間に隙間を画定しつつ、一方の基端部を固定端部にかつ他方の基端部を自由端部に固定して一体化した加速度センサ本体１１を備え、双音叉圧電振動片と片持ち梁の薄肉部との厚さ比ｂ／ｔを０．１≦ｂ／ｔ≦０．７とする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、対象物の移動や振動、姿勢の変化などを測定しまたは検出するために、検出素子と片持ち梁とを一体化した加速度センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
加速度センサには、検出素子として様々な構造の圧電振動片が使用されている。特に、平行な２本の振動ビームとその両端を結合する基端部とからなる双音叉振動片は、高いＱ値及び良好な直線性の周波数特性を有し、しかも印加される力に対する周波数の変化率が大きく、再現性及びヒステリシスに優れ、速い十分な応答速度をもつことから、従来から加速度センサの検出素子に採用されている（例えば、特許文献１を参照）。双音叉振動片は、その両端から圧縮方向又は引張方向の力を作用させると、その共振周波数が増加または減少するように変化する。
【０００３】
双音叉振動片を用いた加速度センサは、様々な構造のものが提案されている。例えば、双音叉振動片の一方の基端部を固定しかつ自由端である他方の基端部に錘を設けた構成の加速度センサが知られている（例えば、特許文献２を参照）。この双音叉振動片は、印加される加速度により錘に発生する慣性力が、その両端に印加される引張応力または圧縮応力による周波数の変化として検出され、加速度を測定することができる。また、水晶基板の薄肉部に双音叉振動片を形成し、厚肉の自由端側を錘として他方の端部で片持ちに支持するように構成した加速度センサ素子が知られている（例えば、特許文献３を参照）。
【０００４】
これらのように双音叉振動片に錘を直接備えると、その強度に問題を生じる虞があることから、固定端と自由端との間にそれらよりも薄い梁部を形成した片持ち梁と、該梁部の撓みに伴って付加される応力を電気信号に変換して出力する双音叉型圧電振動片からなる検出素子とを有する加速度センサが提案されている（例えば、特許文献４を参照）。この加速度センサは、双音叉圧電振動片の両端部を片持ち梁の固定端と自由端とにそれぞれ固定し、片持ち梁の撓みを双音叉圧電振動片で検出する構成により、加速度に対する感度を片持ち梁の自由端側質量で、検出素子と梁部間の隙間を調整することで、自由に調整できる。その結果、加速度が付与されてから検出されるまでの反応性が良好で、その感度も従来に比べて高くできる、というものである。
【０００５】
また、それぞれに双音叉振動片とカンチレバーとを備え、双音叉振動片の各基部をカンチレバーの固定端部と自由端部とにそれぞれ固着した双音叉型振動子からなる２つの周波数信号発生源を備える速度センサが知られている（例えば、特許文献５を参照）。この速度センサは、一方の双音叉振動片の感度方向と他方の双音叉振動片の感度方向とを逆にして配設し、それら双音叉振動片から出力される周波数の変化に基づいて、より高い感度で加速度を得ることができる。
【０００６】
更に、加速度の印加によって変位しない固定部材と、該固定部材に錘としての第１及び第２の可動部材を支持しかつ可撓性を有する平板状の第１及び第２の梁とを備え、双音叉型圧電振動素子である第１及び第２の応力感応素子の一方の端部を固定部材に支持し、かつ他方の端部を第１及び第２の可動部材に支持した加速度検知ユニットからなる加速度センサが知られている（例えば、特許文献６を参照）。この加速度センサは、可動部材を２つに分離したことにより、双音叉型圧電振動素子の振動による機械的結合が生じて測定精度が低下するという問題が解消され、熱膨張の影響を低減でき、２つの双音叉型圧電振動素子の共振周波数の変化の差分を利用できるので、測定精度が高いという利点がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２０００−７４６７３号公報
【特許文献２】特開２０００−２０６１４１号公報
【特許文献３】特開２００７−１６３２４４号公報
【特許文献４】特開２００８−３９６６２号公報
【特許文献５】特開２００８−７６１６６号公報
【特許文献６】特開２００８−１９７０３１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
図６（Ａ）〜（Ｃ）は、上記特許文献４に記載される従来の加速度センサの典型例を概略的に示している。この加速度センサは、その基本構成として加速度センサ本体１を備える。加速度センサ本体１は、検出素子としての双音叉圧電振動片２と、弾性変形可能な部材からなる片持ち梁３とから構成される。双音叉圧電振動片２は、平行に延長する１対の振動ビーム４と、該振動ビームの両端にそれぞれ結合する基端部５ａ，５ｂと、前記振動ビームの表面に形成した励振電極（図示せず）とを有する。片持ち梁３は、固定端部６ａと自由端部６ｂと前記両端部間に延在する平板状の梁部７とを有する。前記双音叉圧電振動片は、各基端部５ａ，５ｂを固定端部６ａ及び自由端部６ｂにそれぞれ接合することによって、前記片持ち梁と一体に結合される。梁部７には、その幅方向に沿って両面に形成した溝８により薄肉部が設けられている。加速度センサ本体１は、片持ち梁３の固定端部６ａにおいてパッケージのマウント９に接着剤等により片持ちに固定支持される。
【０００９】
双音叉圧電振動片２は、前記励振電極に所定の交流電圧を印加すると、両振動ビーム４が互いに接近又は離反する向きに屈曲振動する。図中上向きに加速度が作用すると、片持ち梁３の自由端部５ｂが前記薄肉部を中心に下向きに撓み、双音叉圧電振動片２は、振動ビーム４が引っ張られるので共振周波数が高くなる。逆に、加速度が図中下向きに作用すると、片持ち梁３の自由端部５ｂが前記薄肉部を中心に上向きに撓み、双音叉圧電振動片２は、振動ビーム４が圧縮されることにより共振周波数が低くなる。
【００１０】
この加速度センサは、片持ち梁３が梁部７に設けた前記薄肉部によって撓み易いので、加速度の検出感度が向上する。片持ち梁３の可撓性は、図６（Ｃ）に示す前記薄肉部の厚さｂを薄くするほど増加するから、それに対応して加速度の検出感度も向上すると予想される。また、双音叉圧電振動片の共振周波数は、その厚さにより決定されるから、梁部７の厚さを適当に選択することによって加速度の検出感度が向上すれば好都合である。
【００１１】
そこで、本願発明者は、前記括れ部の厚さｂを薄くした場合に加速度の検出感度をどの程度向上させることができるかをシミュレーションにより検証した。このシミュレーション結果によれば、予想に反して、前記薄肉部の厚さｂが或る程度以上に薄くなると、却って加速度の検出感度が低下することが判明した。これは、加速度により自由端部を錘として撓曲振動する片持ち梁の曲げ剛性と、検出素子としての双音叉圧電振動片の曲げ剛性とが良好にマッチしていないためと推測される。
【００１２】
更に、本願発明者は、前記括れ部の厚さｂと双音叉圧電振動片の厚さとの関係が加速度の検出感度に及ぼす影響をシミュレーションにより検証した。その結果、加速度の検出感度が、前記薄肉部の厚さｂと双音叉圧電振動片の厚さとの関係に或る依存性を示すことを見出した。
【００１３】
本発明は、かかる知見に基づいてなされたものであり、その目的は、検出素子としての双音叉圧電振動片と、固定端部と自由端部間に延在する梁部にその全幅に亘る薄肉部を設けた片持ち梁とを一体に接合した加速度センサ本体を備える加速度センサにおいて、薄肉部の厚さと双音叉圧電振動片の厚さとの関係を適当に選択することによって、加速度の検出感度を向上させることにある。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明の加速度センサは、上記目的を達成するために、平行に延長する１対の振動ビーム、該振動ビームの両端にそれぞれ結合する基端部、及び振動ビームの表面に形成した励振電極からなる双音叉圧電振動片と、固定端部、自由端部、及びこれら両端部間に延在する梁部からなりかつ該梁部にその全幅に亘る薄肉部を設けた片持ち梁とを有し、双音叉圧電振動片と片持ち梁とを、振動ビームと梁部との間に隙間を画定しつつ、一方の基端部を固定端部にかつ他方の基端部を自由端部に固定することによって一体化した加速度センサ本体を備え、双音叉圧電振動片の厚さｔと片持ち梁の薄肉部の厚さｂとが、０．１≦ｂ／ｔ≦０．７を満足するように決定されることを特徴とする。
【００１５】
後述するように、片持ち梁の薄肉部と双音叉圧電振動片との厚さ比ｂ／ｔに対する加速度検出感度の依存性に基づいて、このようにｂ／ｔの範囲を設定することによって、片持ち梁の曲げ剛性と双音叉圧電振動片の曲げ剛性と良好にマッチさせ、加速度の検出感度を良好に向上させることができる。特に、双音叉圧電振動片はその厚さを変えても共振周波数が変化しないから、厚さｔを片持ち梁の薄肉部の厚さｂとの関係で最適に設定する本発明の加速度センサは、双音叉圧電振動片の共振周波数を様々に設計しても、常に加速度の検出感度を高くすることができるので、有利である。
【００１６】
或る実施例では、双音叉圧電振動片の厚さｔと片持ち梁の薄肉部の厚さｂとが、０．１≦ｂ／ｔ≦０．４を満足するように決定されることにより、加速度の検出感度をより一層向上させかつ安定させることができる。
【００１７】
別の実施例では、片持ち梁が双音叉圧電振動片とヤング率の同じ材料で形成されることにより、それらの曲げ剛性をより良好にマッチさせることができ、加速度の検出感度をより安定させることができる。ここで、ヤング率の同じ材料とは、ヤング率が全く同一な場合だけでなく、ヤング率が実質的に同じ、即ち両者の曲げ剛性が良好にマッチする程度に同レベルの場合を含む。
【００１８】
更に別の実施例によれば、双音叉圧電振動片と片持ち梁とが水晶材料からなることにより、ヤング率だけでなく、熱膨張率等の諸特性が同じになるので有利である。特に、水晶材料は、印加される応力によって変化する共振周波数のヒステリシスを小さくでき、印加される応力と共振周波数の変化との間に良好な線形性を有し、温度特性が良好であることから、加速度の印加に対する優れた応答特性、加速度の高い検出精度、温度環境に対する安定性が得られ、特に好都合である。
【００１９】
また、或る実施例では、２つの加速度センサ本体を、それぞれ中間支持板の各面に片持ち梁の固定端部において片持ちに一体に固定支持することができる。
【００２０】
この場合に、２つの加速度センサ本体が、互いに中間支持板を挟んで対向する位置にかつそれぞれ各片持ち梁の固定端部同士及び自由端部同士を同じ側に配置され、かつ各加速度センサ本体の双音叉圧電振動片がそれぞれ発振する周波数を差動的に検出する差動検出回路を更に備えると、各双音叉圧電振動片が受ける温度変化等による出力の好ましくない変動を相殺することができるので、より高精度な検出感度を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】（Ａ）図は本発明による加速度センサの第１実施例を示す平面図、（Ｂ）図はその縦断面図、（Ｃ）図はその要部を示す部分拡大側面図。
【図２】（Ａ）図は図１の双音叉圧電振動片の平面図、（Ｂ）図はその側面図。
【図３】（Ａ）図は図１の片持ち梁の平面図、（Ｂ）図はその側面図。
【図４】第１実施例の双音叉圧電振動片と片持ち梁の薄肉部との厚さ比に関する加速度センサの感度を示す線図。
【図５】（Ａ）図は本発明による加速度センサの第２実施例を示す平面図、（Ｂ）図はその縦断面図。
【図６】（Ａ）図は従来の加速度センサを示す平面図、（Ｂ）図はその縦断面図、（Ｃ）図はその片持ち梁の部分拡大側面図。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下に、添付図面を参照しつつ、本発明の好適な実施例を詳細に説明する。
図１（Ａ）〜（Ｃ）は、本発明による加速度センサの第１実施例の構成を概略的に示している。本実施例の加速度センサ１０は、その基本構成として加速度センサ本体１１を備える。加速度センサ本体１１は、検出素子としての双音叉圧電振動片１２と、該双音叉圧電振動片に一体に結合された弾性変形可能な片持ち梁１３とを有する。本実施例の双音叉圧電振動片１２及び片持ち梁１３は、従来の屈曲振動モードの圧電振動片と同様に、水晶板で形成されている。
【００２３】
図２（Ａ）（Ｂ）に示すように、双音叉圧電振動片１２は、平行に延長する１対の振動ビーム１４ａ，１４ｂと、両振動ビームの両端にそれぞれ結合する基端部１５ａ，１５ｂとを有する。振動ビーム１４ａ，１４ｂの上下主面及び両側面には、従来と同様に、励振電極が、一方の基端部１５ａ側部分と他方の基端部１５ｂ側部分とそれらの間の中央部分とに分けてパターニングされている。前記両振動ビームの一方の基端部１５ａ側には、その上下主面に第１主面電極１６ａ，１６ｂが、両側面に第１側面電極１７ａ，１７ｂがそれぞれ形成されている。前記両振動ビームの他方の基端部１５ｂ側には、その上下主面に第２主面電極１８ａ，１８ｂが、両側面に第２側面電極１９ａ，１９ｂがそれぞれ形成されている。前記両振動ビームの中央部分には、その上下主面に第３主面電極２０ａ，２０ｂが、両側面に第３側面電極２１ａ，２１ｂがそれぞれ形成されている。
【００２４】
各振動ビーム１４ａ，１４ｂにおいて、上下各主面の第１主面電極１６ａ，１６ｂは、それぞれ異なる一方の第３側面電極２１ａ，２１ｂに接続され、更にそれぞれ異なる一方の第２主面電極１８ａ，１８ｂに接続されている。各側面の第１側面電極１７ａ，１７ｂは、それぞれ異なる一方の第３主面電極２０ａ，２０ｂに接続され、更にそれぞれ異なる一方の第２側面電極１９ａ，１９ｂに接続されている。振動ビーム１４ａの一方の第２側面電極１９ａと振動ビーム１４ｂの上側の第２主面電極１８ｂとが、基端部１５ｂの上面で互いに接続され、振動ビーム１４ａの他方の第２側面電極１９ａと振動ビーム１４ｂの下側の第２主面電極１８ｂとが、基端部１５ｂの下面で互いに接続されている。
【００２５】
基端部１５ａの上面には、左右１対の引出電極２２ａ，２２ｂが形成されている。一方の引出電極２２ａは、振動ビーム４２ｂの上側の第１主面電極１６ｂと振動ビーム１４ａの一方の第１側面電極１７ａとに接続されている。他方の引出電極２２ｂは、振動ビーム１４ａの下側の第１主面電極１６ａと振動ビーム１４ｂの一方の第１側面電極１７ｂとに接続されている。両引出電極２２ａ，２２ｂ間に所定の交流電圧を印加すると、隣接する振動ビーム１４ａ前記各電極と振動ビーム１４ｂの前記各電極間で電界が交互に発生することにより、前記両振動ビームは互いに接近または離反する向きに所定の周波数で屈曲振動する。
【００２６】
図３（Ａ）（Ｂ）に示すように、片持ち梁１３は、固定端部２３ａと、自由端部２３ｂと、前記両端部間に延在する梁部とを有する。本実施例の前記梁部は、平行な２本の弾性ビーム２４ａ，２４ｂから構成される。前記各弾性ビームは、長手方向の同じ位置に配置された厚さ一定の薄肉部２５ａ，２５ｂをそれぞれ有する。前記各薄肉部は、弾性ビーム２４ａ，２４ｂの上下両面にその全幅に亘ってそれぞれ溝２６ａ，２６ｂ，２７ａ，２７ｂを形成することによって設けられる。片持ち梁１３は、矩形の水晶板をウエットエッチングすることによって、上述した所望の形状に加工することができる。その場合、前記各溝の底面には、水晶のエッチング異方性によって、図示するように傾斜した結晶面が現れることがある。
【００２７】
図１（Ｂ）に示すように、双音叉圧電振動片１２は、引出電極２３ａ，２３ｂを形成した基端部１５ａを固定端部１６ａに、もう一方の基端部１５ｂを自由端部１６ｂにそれぞれ接着剤２８ａ，２８ｂで接合することにより、片持ち梁１３と一体に結合されて加速度センサ本体１１を形成する。前記双音叉圧電振動片と片持ち梁との間には、それらが互いに接しないように僅かな隙間が画定される。本実施例では、図１（Ｃ）に示すように、双音叉圧電振動片１２の厚さをｔ、片持ち梁１３の薄肉部２５ａ，２５ｂの厚さをｂとしたとき、その厚さ比ｂ／ｔが０．１≦ｂ／ｔ≦０．７を満足するように設定する。
【００２８】
加速度センサ本体１１は、図１（Ａ）（Ｂ）に示すように、表面実装型のパッケージ２９の内部に実装される。パッケージ２９は、複数の絶縁材料薄板を積層した概ね矩形の箱型ベース３０と、平担な薄板状のリッド３１とを有する。加速度センサ本体１１は、片持ち梁１３を下側にしてベース３０の空所内部に、その底部のマウント３２に固定端部２３ａを接着剤３３で固定することにより、片持ちに支持される。リッド３１をベース３０の上端に接合してその上部開口を閉塞することにより、加速度センサ本体１１はパッケージ２９内部に気密に収容される。
【００２９】
加速度センサ１０に図中上向きの加速度が印加されると、加速度センサ本体１１は、錘である自由端部１６ｂに慣性力が作用して、薄肉部２５ａ，２５ｂを中心に片持ち梁１３を図中下向きに撓ませる。これにより、双音叉圧電振動片１２は、両基端部１５ａ，１５ｂが引っ張られて振動ビーム１４ａ，１４ｂに引張応力が作用するので、その共振周波数が高くなる。
【００３０】
逆に、加速度センサ１０に図中下向きの加速度が印加されると、加速度センサ本体１１は、同様に自由端部１６ｂに慣性力が作用して、薄肉部２５ａ，２５ｂを中心に片持ち梁１３を図中上向きに撓ませる。これにより、双音叉圧電振動片１２は、両基端部１５ａ，１５ｂが圧縮されて振動ビーム１４ａ，１４ｂに圧縮応力が作用するので、その共振周波数が低くなる。
【００３１】
また本実施例では、図１（Ｃ）に示すように、片持ち梁１３の厚さ方向の中心線３４よりも上方に即ち双音叉圧電振動片１２寄りに、薄肉部２５ａ，２５ｂが設けられている。これにより、片持ち梁１３の重心位置を中心線３４よりも双音叉圧電振動片１２寄りに配置されるので、加速度センサ本体１１全体の重心位置を、その幾何学的中心位置に近付けることができる。これにより、図中上向き又は下向きいずれの加速度に対しても、加速度センサ本体１１全体の撓みをより等しくさせることができる。その結果、加速度の向きによらず、常に良好な加速度感度が得られる。
【００３２】
この共振周波数の変化は、加速度センサ１０から電気信号として出力される。これを図示しない検出回路で検出することにより、印加された加速度の方向、大きさ、その変化等を良好な感度で測定することができる。
【００３３】
第１実施例の加速度センサ１０において、双音叉圧電振動片１２と片持ち梁１３の薄肉部２５ａ，２５ｂとの厚さ比ｂ／ｔに関する加速度の検出感度をシミュレーションして検証した。双音叉圧電振動片１２の厚さｔを１００μｍ、８０μｍ、５０μｍ、３０μｍに設定し、かつそれに対する薄肉部２５ａ，２５ｂとの厚さ比ｂ／ｔを０．１から１．０まで変化させた。図４は、そのシミュレーション結果として、厚さ比ｂ／ｔに関する加速度感度の変化量（ｐｐｍ）を示している。ここで、加速度感度とは、加速度が無い状態における双音叉圧電振動片１２の共振周波数に対する、重力加速度１ｇの印加によって生じる周波数変化の割合をいう。
【００３４】
同図から、加速度感度は、片持ち梁の薄肉部と双音叉圧電振動片との厚さ比ｂ／ｔに対して依存性を有することが確認された。厚さｔがいずれの値の場合でも、本実施例のように厚さ比ｂ／ｔが０．１≦ｂ／ｔ≦０．７の範囲において、良好な加速度感度を得ることができる。特に、０．１≦ｂ／ｔ≦０．４の範囲は、加速度感度がより高くかつ略一定で安定しており、より好都合である。
【００３５】
他方、厚さ比ｂ／ｔが０．７を超えた範囲では、加速度感度は大きく低下している。また、厚さ比ｂ／ｔが０．１より小さい範囲では、片持ち梁１３の前記薄肉部における断面係数が双音叉圧電振動片１２に対して小さくなり過ぎ、曲げ強度が低下するので好ましくない。
【００３６】
図５（Ａ）（Ｂ）は、本発明による加速度センサの第２実施例の構成を概略的に示している。本実施例の加速度センサ４０は、第１実施例の加速度センサ本体１１と同じ構成の２つの加速度センサ本体１１ａ，１１ｂからなるセンサ本体アセンブリ４１を備える。各加速度センサ本体１１ａ，１１ｂは、それぞれ双音叉圧電振動片１２ａ，１２ｂがそれらの基端部１５ａ，１５ｂにおいて固定端部２３ａ及び自由端部２３ｂに接合され、片持ち梁１３ａ，１３ｂと一体に結合されている。
【００３７】
センサ本体アセンブリ４１は、比較的高い剛性の中間支持板４２を更に有する。中間支持板４２の上下各面には、加速度センサ本体１１ａ，１１ｂがそれぞれ片持ち梁１３ａ，１３ｂを該中間支持板に対面させて、各固定端部２３ａにおいて片持ちに接着剤４３ａ，４３ｂで一体に固定支持されている。加速度センサ本体１１ａ，１１ｂは、互いに中間支持板４２を挟んで対向する位置に、かつ片持ち梁１３ａ，１３ｂの固定端部同士及び自由端部同士をそれぞれ同じ側に配置して、前記中間支持板に固定される。
【００３８】
加速度センサ４０は、表面実装型のパッケージ４４の内部に実装される。パッケージ４４は、複数の絶縁材料薄板を積層した概ね矩形の箱型ベース４５と、平担な薄板状のリッド４６とを有する。センサ本体アセンブリ４１は、ベース４５の空所内部に、その底部の段差４７上に中間支持板４２の端部を接着剤等で接着することにより固定される。更に、リッド４６をベース４５の上端に接合してその上部開口を閉塞することにより、センサ本体アセンブリ４１はパッケージ４４内部に気密に収容される。
【００３９】
各加速度センサ本体１１ａ，１１ｂには、それぞれ独立の発振回路４８ａ，４８ｂが接続されている。両発振回路４８ａ，４８ｂは、周波数カウンタ等からなる差動検出回路４９に接続されている。各加速度センサ本体１１ａ，１１ｂの双音叉圧電振動片がそれぞれ発振する周波数ｆ１，ｆ２は、各発振回路４８ａ，４８ｂから電気信号として差動検出回路４９に出力される。
【００４０】
加速度センサ４０に図中上向きの加速度が印加されると、上側の加速度センサ本体１１ａは、第１実施例の場合と同様に、片持ち梁１３ａが図中下向きに撓む。これにより、双音叉圧電振動片１２ａは、その両基端部１５ａ，１５ｂが引っ張られて振動ビームに引張応力が作用するので、共振周波数が高くなる。これに対し、下側の加速度センサ本体１１ｂは、片持ち梁１３ｂが図中下向きに撓むことにより、双音叉圧電振動片１２ｂは、その両基端部１５ａ，１５ｂが圧縮されて振動ビームに圧縮応力が作用するので、共振周波数は低くなる。
【００４１】
逆に、加速度センサ４０に図中下向きの加速度が印加されると、上側の加速度センサ本体１１ａは、第１実施例の場合と同様に、片持ち梁１３ａが図中上向きに撓む。これにより、双音叉圧電振動片１２ａは、その両基端部１５ａ，１５ｂが圧縮されて振動ビームに圧縮応力が作用するので、共振周波数が低くなる。これに対し、下側の加速度センサ本体１１ｂは、片持ち梁１３ｂが図中上向きに撓むことにより、双音叉圧電振動片１２ｂは、その両基端部１５ａ，１５ｂが引っ張られて振動ビームに引張応力が作用するので、共振周波数は高くなる。
【００４２】
このように変化する各加速度センサ本体１１ａ，１１ｂの共振周波数ｆ１，ｆ２は、発振回路４８ａ，４８ｂから差動検出回路４９に入力され、その周波数差が電気信号として出力端子５０から表示装置等に出力される。このように２つの加速度センサ本体１１ａ，１１ｂからの出力を差動的に取り出すことによって、それらが受ける温度変化等による出力の好ましくない変動を相殺することができる。従って、印加される加速度に対してより高精度な検出感度を得ることができる。
【００４３】
本発明は、上記実施例に限定されるものでなく、その技術的範囲内で様々な変形又は変更を加えて実施することができる。例えば、前記双音叉圧電振動片は、例えばタンタル酸リチウムやニオブ酸リチウム、圧電セラミックス等の水晶以外の圧電材料で形成することができる。双音叉圧電振動片と片持ち梁とは、それらの曲げ剛性が良好にマッチするように、ヤング率が実質的に同じ又は同レベルであれば、互いに異なる材質のものとすることができる。例えば、双音叉圧電振動片が水晶の場合、それと同程度のヤング率を有する黄銅、青銅等の銅合金や、銀、金等の金属材料で片持ち梁を形成すると、その形状及び寸法を高精度にかつより容易に加工することができる。
【符号の説明】
【００４４】
１，１１，１１ａ，１１ｂ…加速度センサ本体、２，１２，１２ａ，１２ｂ…双音叉圧電振動片、３，１３，１３ａ，１３ｂ…片持ち梁、４，１４ａ，１４ｂ…振動ビーム、５ａ，５ｂ，１５ａ，１５ｂ…基端部、６ａ，２３ａ…固定端部、６ｂ，２３ｂ…自由端部、７…梁部、８，２６ａ，２６ｂ，２７ａ，２７ｂ…溝、９…マウント、１０，４０…加速度センサ、１６ａ，１６ｂ，１８ａ，１８ｂ，２０ａ，２０ｂ…第１〜第３主面電極、１７ａ，１７ｂ，１９ａ，１９ｂ，２１ａ，２１ｂ…第１〜第３側面電極、２２ａ，２２ｂ…引出電極、２４ａ，２４ｂ…弾性ビーム、２５ａ，２５ｂ…薄肉部、２８ａ，２８ｂ，３３，４３ａ，４３ｂ…接着剤、２９，４４…パッケージ、３０，４５…ベース、３１，４６…リッド、４１…センサ本体アセンブリ、４２…中間支持板、４７…段差、４８ａ，４８ｂ…発振回路、４９…差動検出回路、５０…出力端子。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、対象物の移動や振動、姿勢の変化などを測定しまたは検出するために、検出素子と片持ち梁とを一体化した加速度センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
加速度センサには、検出素子として様々な構造の圧電振動片が使用されている。特に、平行な２本の振動ビームとその両端を結合する基端部とからなる双音叉振動片は、高いＱ値及び良好な直線性の周波数特性を有し、しかも印加される力に対する周波数の変化率が大きく、再現性及びヒステリシスに優れ、速い十分な応答速度をもつことから、従来から加速度センサの検出素子に採用されている（例えば、特許文献１を参照）。双音叉振動片は、その両端から圧縮方向又は引張方向の力を作用させると、その共振周波数が増加または減少するように変化する。
【０００３】
双音叉振動片を用いた加速度センサは、様々な構造のものが提案されている。例えば、双音叉振動片の一方の基端部を固定しかつ自由端である他方の基端部に錘を設けた構成の加速度センサが知られている（例えば、特許文献２を参照）。この双音叉振動片は、印加される加速度により錘に発生する慣性力が、その両端に印加される引張応力または圧縮応力による周波数の変化として検出され、加速度を測定することができる。また、水晶基板の薄肉部に双音叉振動片を形成し、厚肉の自由端側を錘として他方の端部で片持ちに支持するように構成した加速度センサ素子が知られている（例えば、特許文献３を参照）。
【０００４】
これらのように双音叉振動片に錘を直接備えると、その強度に問題を生じる虞があることから、固定端と自由端との間にそれらよりも薄い梁部を形成した片持ち梁と、該梁部の撓みに伴って付加される応力を電気信号に変換して出力する双音叉型圧電振動片からなる検出素子とを有する加速度センサが提案されている（例えば、特許文献４を参照）。この加速度センサは、双音叉圧電振動片の両端部を片持ち梁の固定端と自由端とにそれぞれ固定し、片持ち梁の撓みを双音叉圧電振動片で検出する構成により、加速度に対する感度を片持ち梁の自由端側質量で、検出素子と梁部間の隙間を調整することで、自由に調整できる。その結果、加速度が付与されてから検出されるまでの反応性が良好で、その感度も従来に比べて高くできる、というものである。
【０００５】
また、それぞれに双音叉振動片とカンチレバーとを備え、双音叉振動片の各基部をカンチレバーの固定端部と自由端部とにそれぞれ固着した双音叉型振動子からなる２つの周波数信号発生源を備える速度センサが知られている（例えば、特許文献５を参照）。この速度センサは、一方の双音叉振動片の感度方向と他方の双音叉振動片の感度方向とを逆にして配設し、それら双音叉振動片から出力される周波数の変化に基づいて、より高い感度で加速度を得ることができる。
【０００６】
更に、加速度の印加によって変位しない固定部材と、該固定部材に錘としての第１及び第２の可動部材を支持しかつ可撓性を有する平板状の第１及び第２の梁とを備え、双音叉型圧電振動素子である第１及び第２の応力感応素子の一方の端部を固定部材に支持し、かつ他方の端部を第１及び第２の可動部材に支持した加速度検知ユニットからなる加速度センサが知られている（例えば、特許文献６を参照）。この加速度センサは、可動部材を２つに分離したことにより、双音叉型圧電振動素子の振動による機械的結合が生じて測定精度が低下するという問題が解消され、熱膨張の影響を低減でき、２つの双音叉型圧電振動素子の共振周波数の変化の差分を利用できるので、測定精度が高いという利点がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２０００−７４６７３号公報
【特許文献２】特開２０００−２０６１４１号公報
【特許文献３】特開２００７−１６３２４４号公報
【特許文献４】特開２００８−３９６６２号公報
【特許文献５】特開２００８−７６１６６号公報
【特許文献６】特開２００８−１９７０３１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
図６（Ａ）〜（Ｃ）は、上記特許文献４に記載される従来の加速度センサの典型例を概略的に示している。この加速度センサは、その基本構成として加速度センサ本体１を備える。加速度センサ本体１は、検出素子としての双音叉圧電振動片２と、弾性変形可能な部材からなる片持ち梁３とから構成される。双音叉圧電振動片２は、平行に延長する１対の振動ビーム４と、該振動ビームの両端にそれぞれ結合する基端部５ａ，５ｂと、前記振動ビームの表面に形成した励振電極（図示せず）とを有する。片持ち梁３は、固定端部６ａと自由端部６ｂと前記両端部間に延在する平板状の梁部７とを有する。前記双音叉圧電振動片は、各基端部５ａ，５ｂを固定端部６ａ及び自由端部６ｂにそれぞれ接合することによって、前記片持ち梁と一体に結合される。梁部７には、その幅方向に沿って両面に形成した溝８により薄肉部が設けられている。加速度センサ本体１は、片持ち梁３の固定端部６ａにおいてパッケージのマウント９に接着剤等により片持ちに固定支持される。
【０００９】
双音叉圧電振動片２は、前記励振電極に所定の交流電圧を印加すると、両振動ビーム４が互いに接近又は離反する向きに屈曲振動する。図中上向きに加速度が作用すると、片持ち梁３の自由端部５ｂが前記薄肉部を中心に下向きに撓み、双音叉圧電振動片２は、振動ビーム４が引っ張られるので共振周波数が高くなる。逆に、加速度が図中下向きに作用すると、片持ち梁３の自由端部５ｂが前記薄肉部を中心に上向きに撓み、双音叉圧電振動片２は、振動ビーム４が圧縮されることにより共振周波数が低くなる。
【００１０】
この加速度センサは、片持ち梁３が梁部７に設けた前記薄肉部によって撓み易いので、加速度の検出感度が向上する。片持ち梁３の可撓性は、図６（Ｃ）に示す前記薄肉部の厚さｂを薄くするほど増加するから、それに対応して加速度の検出感度も向上すると予想される。また、双音叉圧電振動片の共振周波数は、その厚さにより決定されるから、梁部７の厚さを適当に選択することによって加速度の検出感度が向上すれば好都合である。
【００１１】
そこで、本願発明者は、前記括れ部の厚さｂを薄くした場合に加速度の検出感度をどの程度向上させることができるかをシミュレーションにより検証した。このシミュレーション結果によれば、予想に反して、前記薄肉部の厚さｂが或る程度以上に薄くなると、却って加速度の検出感度が低下することが判明した。これは、加速度により自由端部を錘として撓曲振動する片持ち梁の曲げ剛性と、検出素子としての双音叉圧電振動片の曲げ剛性とが良好にマッチしていないためと推測される。
【００１２】
更に、本願発明者は、前記括れ部の厚さｂと双音叉圧電振動片の厚さとの関係が加速度の検出感度に及ぼす影響をシミュレーションにより検証した。その結果、加速度の検出感度が、前記薄肉部の厚さｂと双音叉圧電振動片の厚さとの関係に或る依存性を示すことを見出した。
【００１３】
本発明は、かかる知見に基づいてなされたものであり、その目的は、検出素子としての双音叉圧電振動片と、固定端部と自由端部間に延在する梁部にその全幅に亘る薄肉部を設けた片持ち梁とを一体に接合した加速度センサ本体を備える加速度センサにおいて、薄肉部の厚さと双音叉圧電振動片の厚さとの関係を適当に選択することによって、加速度の検出感度を向上させることにある。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明の加速度センサは、上記目的を達成するために、平行に延長する１対の振動ビーム、該振動ビームの両端にそれぞれ結合する基端部、及び振動ビームの表面に形成した励振電極からなる双音叉圧電振動片と、固定端部、自由端部、及びこれら両端部間に延在する梁部からなりかつ該梁部にその全幅に亘る薄肉部を設けた片持ち梁とを有し、双音叉圧電振動片と片持ち梁とを、振動ビームと梁部との間に隙間を画定しつつ、一方の基端部を固定端部にかつ他方の基端部を自由端部に固定することによって一体化した加速度センサ本体を備え、双音叉圧電振動片の厚さｔと片持ち梁の薄肉部の厚さｂとが、０．１≦ｂ／ｔ≦０．７を満足するように決定されることを特徴とする。
【００１５】
後述するように、片持ち梁の薄肉部と双音叉圧電振動片との厚さ比ｂ／ｔに対する加速度検出感度の依存性に基づいて、このようにｂ／ｔの範囲を設定することによって、片持ち梁の曲げ剛性と双音叉圧電振動片の曲げ剛性と良好にマッチさせ、加速度の検出感度を良好に向上させることができる。特に、双音叉圧電振動片はその厚さを変えても共振周波数が変化しないから、厚さｔを片持ち梁の薄肉部の厚さｂとの関係で最適に設定する本発明の加速度センサは、双音叉圧電振動片の共振周波数を様々に設計しても、常に加速度の検出感度を高くすることができるので、有利である。
【００１６】
或る実施例では、双音叉圧電振動片の厚さｔと片持ち梁の薄肉部の厚さｂとが、０．１≦ｂ／ｔ≦０．４を満足するように決定されることにより、加速度の検出感度をより一層向上させかつ安定させることができる。
【００１７】
別の実施例では、片持ち梁が双音叉圧電振動片とヤング率の同じ材料で形成されることにより、それらの曲げ剛性をより良好にマッチさせることができ、加速度の検出感度をより安定させることができる。ここで、ヤング率の同じ材料とは、ヤング率が全く同一な場合だけでなく、ヤング率が実質的に同じ、即ち両者の曲げ剛性が良好にマッチする程度に同レベルの場合を含む。
【００１８】
更に別の実施例によれば、双音叉圧電振動片と片持ち梁とが水晶材料からなることにより、ヤング率だけでなく、熱膨張率等の諸特性が同じになるので有利である。特に、水晶材料は、印加される応力によって変化する共振周波数のヒステリシスを小さくでき、印加される応力と共振周波数の変化との間に良好な線形性を有し、温度特性が良好であることから、加速度の印加に対する優れた応答特性、加速度の高い検出精度、温度環境に対する安定性が得られ、特に好都合である。
【００１９】
また、或る実施例では、２つの加速度センサ本体を、それぞれ中間支持板の各面に片持ち梁の固定端部において片持ちに一体に固定支持することができる。
【００２０】
この場合に、２つの加速度センサ本体が、互いに中間支持板を挟んで対向する位置にかつそれぞれ各片持ち梁の固定端部同士及び自由端部同士を同じ側に配置され、かつ各加速度センサ本体の双音叉圧電振動片がそれぞれ発振する周波数を差動的に検出する差動検出回路を更に備えると、各双音叉圧電振動片が受ける温度変化等による出力の好ましくない変動を相殺することができるので、より高精度な検出感度を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】（Ａ）図は本発明による加速度センサの第１実施例を示す平面図、（Ｂ）図はその縦断面図、（Ｃ）図はその要部を示す部分拡大側面図。
【図２】（Ａ）図は図１の双音叉圧電振動片の平面図、（Ｂ）図はその側面図。
【図３】（Ａ）図は図１の片持ち梁の平面図、（Ｂ）図はその側面図。
【図４】第１実施例の双音叉圧電振動片と片持ち梁の薄肉部との厚さ比に関する加速度センサの感度を示す線図。
【図５】（Ａ）図は本発明による加速度センサの第２実施例を示す平面図、（Ｂ）図はその縦断面図。
【図６】（Ａ）図は従来の加速度センサを示す平面図、（Ｂ）図はその縦断面図、（Ｃ）図はその片持ち梁の部分拡大側面図。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下に、添付図面を参照しつつ、本発明の好適な実施例を詳細に説明する。
図１（Ａ）〜（Ｃ）は、本発明による加速度センサの第１実施例の構成を概略的に示している。本実施例の加速度センサ１０は、その基本構成として加速度センサ本体１１を備える。加速度センサ本体１１は、検出素子としての双音叉圧電振動片１２と、該双音叉圧電振動片に一体に結合された弾性変形可能な片持ち梁１３とを有する。本実施例の双音叉圧電振動片１２及び片持ち梁１３は、従来の屈曲振動モードの圧電振動片と同様に、水晶板で形成されている。
【００２３】
図２（Ａ）（Ｂ）に示すように、双音叉圧電振動片１２は、平行に延長する１対の振動ビーム１４ａ，１４ｂと、両振動ビームの両端にそれぞれ結合する基端部１５ａ，１５ｂとを有する。振動ビーム１４ａ，１４ｂの上下主面及び両側面には、従来と同様に、励振電極が、一方の基端部１５ａ側部分と他方の基端部１５ｂ側部分とそれらの間の中央部分とに分けてパターニングされている。前記両振動ビームの一方の基端部１５ａ側には、その上下主面に第１主面電極１６ａ，１６ｂが、両側面に第１側面電極１７ａ，１７ｂがそれぞれ形成されている。前記両振動ビームの他方の基端部１５ｂ側には、その上下主面に第２主面電極１８ａ，１８ｂが、両側面に第２側面電極１９ａ，１９ｂがそれぞれ形成されている。前記両振動ビームの中央部分には、その上下主面に第３主面電極２０ａ，２０ｂが、両側面に第３側面電極２１ａ，２１ｂがそれぞれ形成されている。
【００２４】
各振動ビーム１４ａ，１４ｂにおいて、上下各主面の第１主面電極１６ａ，１６ｂは、それぞれ異なる一方の第３側面電極２１ａ，２１ｂに接続され、更にそれぞれ異なる一方の第２主面電極１８ａ，１８ｂに接続されている。各側面の第１側面電極１７ａ，１７ｂは、それぞれ異なる一方の第３主面電極２０ａ，２０ｂに接続され、更にそれぞれ異なる一方の第２側面電極１９ａ，１９ｂに接続されている。振動ビーム１４ａの一方の第２側面電極１９ａと振動ビーム１４ｂの上側の第２主面電極１８ｂとが、基端部１５ｂの上面で互いに接続され、振動ビーム１４ａの他方の第２側面電極１９ａと振動ビーム１４ｂの下側の第２主面電極１８ｂとが、基端部１５ｂの下面で互いに接続されている。
【００２５】
基端部１５ａの上面には、左右１対の引出電極２２ａ，２２ｂが形成されている。一方の引出電極２２ａは、振動ビーム４２ｂの上側の第１主面電極１６ｂと振動ビーム１４ａの一方の第１側面電極１７ａとに接続されている。他方の引出電極２２ｂは、振動ビーム１４ａの下側の第１主面電極１６ａと振動ビーム１４ｂの一方の第１側面電極１７ｂとに接続されている。両引出電極２２ａ，２２ｂ間に所定の交流電圧を印加すると、隣接する振動ビーム１４ａ前記各電極と振動ビーム１４ｂの前記各電極間で電界が交互に発生することにより、前記両振動ビームは互いに接近または離反する向きに所定の周波数で屈曲振動する。
【００２６】
図３（Ａ）（Ｂ）に示すように、片持ち梁１３は、固定端部２３ａと、自由端部２３ｂと、前記両端部間に延在する梁部とを有する。本実施例の前記梁部は、平行な２本の弾性ビーム２４ａ，２４ｂから構成される。前記各弾性ビームは、長手方向の同じ位置に配置された厚さ一定の薄肉部２５ａ，２５ｂをそれぞれ有する。前記各薄肉部は、弾性ビーム２４ａ，２４ｂの上下両面にその全幅に亘ってそれぞれ溝２６ａ，２６ｂ，２７ａ，２７ｂを形成することによって設けられる。片持ち梁１３は、矩形の水晶板をウエットエッチングすることによって、上述した所望の形状に加工することができる。その場合、前記各溝の底面には、水晶のエッチング異方性によって、図示するように傾斜した結晶面が現れることがある。
【００２７】
図１（Ｂ）に示すように、双音叉圧電振動片１２は、引出電極２３ａ，２３ｂを形成した基端部１５ａを固定端部１６ａに、もう一方の基端部１５ｂを自由端部１６ｂにそれぞれ接着剤２８ａ，２８ｂで接合することにより、片持ち梁１３と一体に結合されて加速度センサ本体１１を形成する。前記双音叉圧電振動片と片持ち梁との間には、それらが互いに接しないように僅かな隙間が画定される。本実施例では、図１（Ｃ）に示すように、双音叉圧電振動片１２の厚さをｔ、片持ち梁１３の薄肉部２５ａ，２５ｂの厚さをｂとしたとき、その厚さ比ｂ／ｔが０．１≦ｂ／ｔ≦０．７を満足するように設定する。
【００２８】
加速度センサ本体１１は、図１（Ａ）（Ｂ）に示すように、表面実装型のパッケージ２９の内部に実装される。パッケージ２９は、複数の絶縁材料薄板を積層した概ね矩形の箱型ベース３０と、平担な薄板状のリッド３１とを有する。加速度センサ本体１１は、片持ち梁１３を下側にしてベース３０の空所内部に、その底部のマウント３２に固定端部２３ａを接着剤３３で固定することにより、片持ちに支持される。リッド３１をベース３０の上端に接合してその上部開口を閉塞することにより、加速度センサ本体１１はパッケージ２９内部に気密に収容される。
【００２９】
加速度センサ１０に図中上向きの加速度が印加されると、加速度センサ本体１１は、錘である自由端部１６ｂに慣性力が作用して、薄肉部２５ａ，２５ｂを中心に片持ち梁１３を図中下向きに撓ませる。これにより、双音叉圧電振動片１２は、両基端部１５ａ，１５ｂが引っ張られて振動ビーム１４ａ，１４ｂに引張応力が作用するので、その共振周波数が高くなる。
【００３０】
逆に、加速度センサ１０に図中下向きの加速度が印加されると、加速度センサ本体１１は、同様に自由端部１６ｂに慣性力が作用して、薄肉部２５ａ，２５ｂを中心に片持ち梁１３を図中上向きに撓ませる。これにより、双音叉圧電振動片１２は、両基端部１５ａ，１５ｂが圧縮されて振動ビーム１４ａ，１４ｂに圧縮応力が作用するので、その共振周波数が低くなる。
【００３１】
また本実施例では、図１（Ｃ）に示すように、片持ち梁１３の厚さ方向の中心線３４よりも上方に即ち双音叉圧電振動片１２寄りに、薄肉部２５ａ，２５ｂが設けられている。これにより、片持ち梁１３の重心位置を中心線３４よりも双音叉圧電振動片１２寄りに配置されるので、加速度センサ本体１１全体の重心位置を、その幾何学的中心位置に近付けることができる。これにより、図中上向き又は下向きいずれの加速度に対しても、加速度センサ本体１１全体の撓みをより等しくさせることができる。その結果、加速度の向きによらず、常に良好な加速度感度が得られる。
【００３２】
この共振周波数の変化は、加速度センサ１０から電気信号として出力される。これを図示しない検出回路で検出することにより、印加された加速度の方向、大きさ、その変化等を良好な感度で測定することができる。
【００３３】
第１実施例の加速度センサ１０において、双音叉圧電振動片１２と片持ち梁１３の薄肉部２５ａ，２５ｂとの厚さ比ｂ／ｔに関する加速度の検出感度をシミュレーションして検証した。双音叉圧電振動片１２の厚さｔを１００μｍ、８０μｍ、５０μｍ、３０μｍに設定し、かつそれに対する薄肉部２５ａ，２５ｂとの厚さ比ｂ／ｔを０．１から１．０まで変化させた。図４は、そのシミュレーション結果として、厚さ比ｂ／ｔに関する加速度感度の変化量（ｐｐｍ）を示している。ここで、加速度感度とは、加速度が無い状態における双音叉圧電振動片１２の共振周波数に対する、重力加速度１ｇの印加によって生じる周波数変化の割合をいう。
【００３４】
同図から、加速度感度は、片持ち梁の薄肉部と双音叉圧電振動片との厚さ比ｂ／ｔに対して依存性を有することが確認された。厚さｔがいずれの値の場合でも、本実施例のように厚さ比ｂ／ｔが０．１≦ｂ／ｔ≦０．７の範囲において、良好な加速度感度を得ることができる。特に、０．１≦ｂ／ｔ≦０．４の範囲は、加速度感度がより高くかつ略一定で安定しており、より好都合である。
【００３５】
他方、厚さ比ｂ／ｔが０．７を超えた範囲では、加速度感度は大きく低下している。また、厚さ比ｂ／ｔが０．１より小さい範囲では、片持ち梁１３の前記薄肉部における断面係数が双音叉圧電振動片１２に対して小さくなり過ぎ、曲げ強度が低下するので好ましくない。
【００３６】
図５（Ａ）（Ｂ）は、本発明による加速度センサの第２実施例の構成を概略的に示している。本実施例の加速度センサ４０は、第１実施例の加速度センサ本体１１と同じ構成の２つの加速度センサ本体１１ａ，１１ｂからなるセンサ本体アセンブリ４１を備える。各加速度センサ本体１１ａ，１１ｂは、それぞれ双音叉圧電振動片１２ａ，１２ｂがそれらの基端部１５ａ，１５ｂにおいて固定端部２３ａ及び自由端部２３ｂに接合され、片持ち梁１３ａ，１３ｂと一体に結合されている。
【００３７】
センサ本体アセンブリ４１は、比較的高い剛性の中間支持板４２を更に有する。中間支持板４２の上下各面には、加速度センサ本体１１ａ，１１ｂがそれぞれ片持ち梁１３ａ，１３ｂを該中間支持板に対面させて、各固定端部２３ａにおいて片持ちに接着剤４３ａ，４３ｂで一体に固定支持されている。加速度センサ本体１１ａ，１１ｂは、互いに中間支持板４２を挟んで対向する位置に、かつ片持ち梁１３ａ，１３ｂの固定端部同士及び自由端部同士をそれぞれ同じ側に配置して、前記中間支持板に固定される。
【００３８】
加速度センサ４０は、表面実装型のパッケージ４４の内部に実装される。パッケージ４４は、複数の絶縁材料薄板を積層した概ね矩形の箱型ベース４５と、平担な薄板状のリッド４６とを有する。センサ本体アセンブリ４１は、ベース４５の空所内部に、その底部の段差４７上に中間支持板４２の端部を接着剤等で接着することにより固定される。更に、リッド４６をベース４５の上端に接合してその上部開口を閉塞することにより、センサ本体アセンブリ４１はパッケージ４４内部に気密に収容される。
【００３９】
各加速度センサ本体１１ａ，１１ｂには、それぞれ独立の発振回路４８ａ，４８ｂが接続されている。両発振回路４８ａ，４８ｂは、周波数カウンタ等からなる差動検出回路４９に接続されている。各加速度センサ本体１１ａ，１１ｂの双音叉圧電振動片がそれぞれ発振する周波数ｆ１，ｆ２は、各発振回路４８ａ，４８ｂから電気信号として差動検出回路４９に出力される。
【００４０】
加速度センサ４０に図中上向きの加速度が印加されると、上側の加速度センサ本体１１ａは、第１実施例の場合と同様に、片持ち梁１３ａが図中下向きに撓む。これにより、双音叉圧電振動片１２ａは、その両基端部１５ａ，１５ｂが引っ張られて振動ビームに引張応力が作用するので、共振周波数が高くなる。これに対し、下側の加速度センサ本体１１ｂは、片持ち梁１３ｂが図中下向きに撓むことにより、双音叉圧電振動片１２ｂは、その両基端部１５ａ，１５ｂが圧縮されて振動ビームに圧縮応力が作用するので、共振周波数は低くなる。
【００４１】
逆に、加速度センサ４０に図中下向きの加速度が印加されると、上側の加速度センサ本体１１ａは、第１実施例の場合と同様に、片持ち梁１３ａが図中上向きに撓む。これにより、双音叉圧電振動片１２ａは、その両基端部１５ａ，１５ｂが圧縮されて振動ビームに圧縮応力が作用するので、共振周波数が低くなる。これに対し、下側の加速度センサ本体１１ｂは、片持ち梁１３ｂが図中上向きに撓むことにより、双音叉圧電振動片１２ｂは、その両基端部１５ａ，１５ｂが引っ張られて振動ビームに引張応力が作用するので、共振周波数は高くなる。
【００４２】
このように変化する各加速度センサ本体１１ａ，１１ｂの共振周波数ｆ１，ｆ２は、発振回路４８ａ，４８ｂから差動検出回路４９に入力され、その周波数差が電気信号として出力端子５０から表示装置等に出力される。このように２つの加速度センサ本体１１ａ，１１ｂからの出力を差動的に取り出すことによって、それらが受ける温度変化等による出力の好ましくない変動を相殺することができる。従って、印加される加速度に対してより高精度な検出感度を得ることができる。
【００４３】
本発明は、上記実施例に限定されるものでなく、その技術的範囲内で様々な変形又は変更を加えて実施することができる。例えば、前記双音叉圧電振動片は、例えばタンタル酸リチウムやニオブ酸リチウム、圧電セラミックス等の水晶以外の圧電材料で形成することができる。双音叉圧電振動片と片持ち梁とは、それらの曲げ剛性が良好にマッチするように、ヤング率が実質的に同じ又は同レベルであれば、互いに異なる材質のものとすることができる。例えば、双音叉圧電振動片が水晶の場合、それと同程度のヤング率を有する黄銅、青銅等の銅合金や、銀、金等の金属材料で片持ち梁を形成すると、その形状及び寸法を高精度にかつより容易に加工することができる。
【符号の説明】
【００４４】
１，１１，１１ａ，１１ｂ…加速度センサ本体、２，１２，１２ａ，１２ｂ…双音叉圧電振動片、３，１３，１３ａ，１３ｂ…片持ち梁、４，１４ａ，１４ｂ…振動ビーム、５ａ，５ｂ，１５ａ，１５ｂ…基端部、６ａ，２３ａ…固定端部、６ｂ，２３ｂ…自由端部、７…梁部、８，２６ａ，２６ｂ，２７ａ，２７ｂ…溝、９…マウント、１０，４０…加速度センサ、１６ａ，１６ｂ，１８ａ，１８ｂ，２０ａ，２０ｂ…第１〜第３主面電極、１７ａ，１７ｂ，１９ａ，１９ｂ，２１ａ，２１ｂ…第１〜第３側面電極、２２ａ，２２ｂ…引出電極、２４ａ，２４ｂ…弾性ビーム、２５ａ，２５ｂ…薄肉部、２８ａ，２８ｂ，３３，４３ａ，４３ｂ…接着剤、２９，４４…パッケージ、３０，４５…ベース、３１，４６…リッド、４１…センサ本体アセンブリ、４２…中間支持板、４７…段差、４８ａ，４８ｂ…発振回路、４９…差動検出回路、５０…出力端子。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
平行に延長する１対の振動ビーム、前記振動ビームの両端にそれぞれ結合する基端部、及び前記振動ビームの表面に形成した励振電極からなる双音叉圧電振動片と、固定端部、自由端部、前記固定両端部と前記自由端部間に延在する梁部、及び前記梁部にその全幅に亘って設けた薄肉部からなる片持ち梁とを有し、前記双音叉圧電振動片と前記片持ち梁とを、前記振動ビームと前記梁部との間に隙間を画定しつつ、一方の前記基端部を前記固定端部にかつ他方の前記基端部を前記自由端部に固定することによって一体化した加速度センサ本体を備え、
前記双音叉圧電振動片の厚さｔと前記片持ち梁の前記薄肉部の厚さｂとが、０．１≦ｂ／ｔ≦０．７を満足するように決定されることを特徴とする加速度センサ。
【請求項２】
前記双音叉圧電振動片の厚さｔと前記薄肉部の厚さｂとが、０．１≦ｂ／ｔ≦０．４を満足するように決定されることを特徴とする請求項１記載の加速度センサ。
【請求項３】
前記片持ち梁が前記双音叉圧電振動片とヤング率の同じ材料からなることを特徴とする請求項１または２に記載の加速度センサ。
【請求項４】
前記双音叉圧電振動片と前記片持ち梁とが水晶材料からなることを特徴とする請求項３記載の加速度センサ。
【請求項５】
２つの前記加速度センサ本体と、中間支持板とを備え、前記各加速度センサ本体が、それぞれ前記片持ち梁の前記固定端部において前記中間支持板の各面に一体に固定されていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか記載の加速度センサ。
【請求項６】
前記２つの加速度センサ本体が、互いに前記中間支持板を挟んで対向する位置にかつ前記各片持ち梁の前記固定端部及び自由端部をそれぞれ同じ側に配置して、前記中間支持板の各面に固定され、前記各加速度センサ本体の前記双音叉圧電振動片がそれぞれ発振する周波数を差動的に検出する差動検出回路を更に備えることを特徴とする請求項５に記載の加速度センサ。
【請求項１】
平行に延長する１対の振動ビーム、前記振動ビームの両端にそれぞれ結合する基端部、及び前記振動ビームの表面に形成した励振電極からなる双音叉圧電振動片と、固定端部、自由端部、前記固定両端部と前記自由端部間に延在する梁部、及び前記梁部にその全幅に亘って設けた薄肉部からなる片持ち梁とを有し、前記双音叉圧電振動片と前記片持ち梁とを、前記振動ビームと前記梁部との間に隙間を画定しつつ、一方の前記基端部を前記固定端部にかつ他方の前記基端部を前記自由端部に固定することによって一体化した加速度センサ本体を備え、
前記双音叉圧電振動片の厚さｔと前記片持ち梁の前記薄肉部の厚さｂとが、０．１≦ｂ／ｔ≦０．７を満足するように決定されることを特徴とする加速度センサ。
【請求項２】
前記双音叉圧電振動片の厚さｔと前記薄肉部の厚さｂとが、０．１≦ｂ／ｔ≦０．４を満足するように決定されることを特徴とする請求項１記載の加速度センサ。
【請求項３】
前記片持ち梁が前記双音叉圧電振動片とヤング率の同じ材料からなることを特徴とする請求項１または２に記載の加速度センサ。
【請求項４】
前記双音叉圧電振動片と前記片持ち梁とが水晶材料からなることを特徴とする請求項３記載の加速度センサ。
【請求項５】
２つの前記加速度センサ本体と、中間支持板とを備え、前記各加速度センサ本体が、それぞれ前記片持ち梁の前記固定端部において前記中間支持板の各面に一体に固定されていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか記載の加速度センサ。
【請求項６】
前記２つの加速度センサ本体が、互いに前記中間支持板を挟んで対向する位置にかつ前記各片持ち梁の前記固定端部及び自由端部をそれぞれ同じ側に配置して、前記中間支持板の各面に固定され、前記各加速度センサ本体の前記双音叉圧電振動片がそれぞれ発振する周波数を差動的に検出する差動検出回路を更に備えることを特徴とする請求項５に記載の加速度センサ。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２０１０−１８１２１０（Ｐ２０１０−１８１２１０Ａ）
【公開日】平成２２年８月１９日（２０１０．８．１９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−２３１４２（Ｐ２００９−２３１４２）
【出願日】平成２１年２月３日（２００９．２．３）
【出願人】（０００００３１０４）エプソントヨコム株式会社 (1,528)
【公開日】平成２２年８月１９日（２０１０．８．１９）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年２月３日（２００９．２．３）
【出願人】（０００００３１０４）エプソントヨコム株式会社 (1,528)
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