JP2009063369A - 加速度センサ素子及び加速度センサ - Google Patents

Abstract

【課題】音叉型圧電振動子を利用した高精度の可変容量型の加速度センサを提供する。
【解決手段】加速度センサ素子１は、基部２から平行に延出する１対の振動アーム３，４と、その先方に位置する重り部１０から振動アームの両側及び間を平行に延長する３本の検出アーム５〜７と、両側の検出アームと基部とを結合する狭幅の連結部８，９とを有する。振動アーム側面の第２励振電極と隣接する検出アーム側面の検出電極とにより形成されるコンデンサＣ１〜Ｃ４がブリッジ回路を形成する。交流電圧を印加して振動アームを励振させた状態で、加速度により連結部が撓曲して重り部及び検出アームが一体に変位すると、各コンデンサの隙間が変動してその静電容量が変化するので、ブリッジ回路の出力を同期検波することにより、加速度の大きさ及び向きが検出される。
【選択図】図１

Description

本発明は、可変容量型の加速度センサに関し、特に音叉型圧電振動子の振動モードを利用して静電容量の変化を検出する加速度センサ素子及びそれを用いた加速度センサに関する。

従来、様々な可変容量型の加速度センサが提案されている。例えば、重りであるマス部を上側及び下側のカバー板間で揺動可能に支持し、マス部上面及び下面の導電部材と対向するカバー板の電極との間に形成される静電容量の変化を検出して加速度を得る静電容量型加速度センサが知られている（例えば、特許文献１を参照）。この加速度センサは、加速度を受けたマス部が傾いて電極間距離が変化し、それによる静電容量の変化を電極間の静電容量の差分により検出して、加速度を検出する。

また、音叉型水晶振動子の振動モードを利用した角速度／加速度センサが知られている（例えば、特許文献２，３を参照）。この角速度／加速度センサは、屈曲式音叉型振動をする２本のビームを設けた水晶薄板を上下両側から水晶板で挟み込み、各ビームの上下両面（及び側面）の変位検出電極とこれに対向する水晶板の電極との間に形成される静電容量により、ブリッジ回路を構成している。ビームが、角速度／加速度によるコリオリ力で上下方向にも単振動し又は自由端が才差運動すると、それによる静電容量の変化から角速度／加速度を検出することができる。

同様に音叉型振動子を用いた角速度センサとして、単結晶層の音叉型振動子を単結晶基板に一体化し、各振動子先端の歯形と単結晶基板の歯形との対向部に生じる静電容量のコンデンサと、各振動子先端と基板との間に生じる静電容量のコンデンサとを接続してブリッジ回路を構成したものが知られている（例えば、特許文献４を参照）。この場合も、振動子がコリオリ力を受けて変位すると、それによる静電容量の変化を検出して角速度を検出する。

特開平８−１６６４０４号公報 特開平７−１２８３５５号公報 特開平７−１２８３５６号公報 特開平８−３０４４４１号公報

しかしながら、上述した従来の静電容量型加速度センサは、揺動可能に支持されるマス部のはりを、上側及び下側のカバー板間に介在する２枚の支挿板で挟持するので、部品点数が多く、価格が高くかつ組立が面倒であり、しかも導電部材と電極間の距離にばらつきを生じ易く、常に安定して一定の静電容量に組み立てることが困難である。そのため、安定して高精度の加速度センサを得ることは難しいという問題がある。

また、音叉型振動子を用いた従来の角速度／加速度センサは、いずれも加速度又は角速度によるコリオリ力で振動子を上下方向に振動させ、電極間距離の変化による静電容量の変化を検出するために、電極を設けた別個の水晶板が必要である。そのため、部品点数が多く、価格が高くかつ組立が面倒であり、高さ方向に寸法が大きくなるので小型化が難しく、常に安定して一定の電極間距離を得ることが困難である。

そこで本発明は、上述した従来の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、安定して高い検出精度を得ることができ、部品点数を少なくして低価格化を図りかつ組立を簡単にし、小型化が可能な可変容量型の加速度センサ素子、及びそれを用いた高精度の加速度センサを提供することにある。

本発明によれば、上記目的を達成するために、圧電材料で形成した基部及び該基部から平行に延出する１対の振動アームと、該振動アームの先方に位置する重り部と、該重り部から振動アームの両側及び間をそれらと平行に延長する３本の検出アームとを有し、各振動アームが、その上下主面に形成された第１励振電極と両側面に形成された第２励振電極とを有し、各検出アームが、それに隣接する振動アームの側面に対向する側面に形成された検出電極を有し、各振動アームの第２励振電極とそれに隣接する検出アームの検出電極とにより形成される４つのコンデンサがブリッジ回路を形成するように、第２励振電極及び検出電極が配線され、重り部及び検出アームが加速度により一体に変位して、各振動アームの第２励振電極とそれに隣接する検出アームの検出電極との隙間を変化させ、各コンデンサの静電容量を変化させるようにした加速度センサ素子が提供される。

交流電圧を印加して振動アームを音叉屈曲振動モードで励振させた状態で加速度を受けると、加速度の大きさ及び向きに対応して重り部及び検出アームが連結部を撓曲させて一体に変位し、各コンデンサの隙間が変動してその静電容量が比例して変化するので、ブリッジ回路の出力を同期検波することにより、加速度の大きさ及び向きを検出することができる。このようにブリッジ回路の平衡状態を検出するための発振器として用いる振動アームの側面の第２励振電極を、各コンデンサの一方の端子として兼用することによって、簡単な構成及び配線の加速度センサ素子によって、高い検出精度が得られる。

従って、本発明の別の側面によれば、上記本発明の加速度センサ素子と、該加速度センサ素子の振動アームを励振させる駆動電圧とそのブリッジ回路の出力とを同期検波する回路とを備える加速度センサが提供される。このような回路構成は、従来から角速度センサの検出回路に使用されているものをそのまま転用できるので、低コストで開発製造することができる。

或る実施例では、振動アームの両側を延長する２本の検出アームが、基部から延出する連結部により該基部と結合され、該連結部が撓曲することにより、加速度を受けると重り部及び検出アームが一体に変位し、加速度の大きさに対応して振動アームと検出アーム間の各隙間の大きさが変化するので、安定して高い検出精度を得ることができる。

別の実施例では、基部及び振動アームと重り部と検出アームとを圧電材料で一体に形成することができる。それにより、部品点数を少なくして組立を簡単にしかつ低価格化を図り、小型化を図ることができる。

特に前記圧電材料が水晶である場合には、従来のフォトリソグラフィ及びエッチング技術を利用して、高い寸法精度で加速度センサ素子を製造することができ、感度のばらつきが少なく、高精度の加速度センサを低価格で実現することができる。しかも、音叉型水晶振動子は発振周波数が非常に安定しているので、これをブリッジ回路の平衡状態検出用の発振器に用いることによって、より正確で高精度な加速度の検出が可能である。

更に別の実施例では、検出アームの厚さを振動アームの厚さよりも薄くし、かつ検出アームの全厚さが振動アームの厚さの範囲内に位置するように構成することにより、検出アームがその平面に対して垂直方向に振れても、振動アームと検出アーム間に形成される各コンデンサの静電容量が一定に維持されるので、安定した検出精度を確保できる。

以下に、本発明の好適な実施例を、添付図面を参照しつつ詳細に説明する。
図１（Ａ）、（Ｂ）は、本発明による加速度センサ素子の実施例を示している。加速度センサ素子１は、基部２と、該基部から平行に延出する１対の振動アーム３，４とを備える。更に加速度センサ素子１は、前記振動アームの両側及びその間にそれらと平行に延長する３本の検出アーム５〜７を有する。

振動アーム３，４の両側に配置された２本の検出アーム５，６は、基部２側の端部が、該基部から前記振動アームと平行に延出する狭幅の連結部８，９に結合している。検出アーム５，６の反対側の端部は、前記振動アームの先方に配置された重り部１０に結合している。残りの１本の検出アーム７は、重り部１０から振動アーム３，４の間を基部２に向けて延出している。各検出アーム５〜７と隣接する振動アーム３，４との間に画定される４つの隙間は、少なくとも前記検出アームと振動アームとが重複する長さの範囲において一定でありかつ互いに同一の幅となるように設けられる。検出アーム５〜７及び重り部１０は、少なくとも平面内で互いに剛固に結合させて一体に形成されている。

振動アーム３，４の上下主面には、その長手方向に延長する第１励振電極１１ａ，１１ｂ，１２ａ，１２ｂがそれぞれ形成され、かつそれらの両側面には、同じく長手方向に延長する第２励振電極１３ａ，１３ｂ，１４ａ，１４ｂがそれぞれ形成されている。一方の振動アーム３（４）の第１励振電極は１１ａ，１１ｂ（１２ａ，１２ｂ）は、それぞれ基部２表面の配線を通して他方の振動アーム４（３）の第２励振電極１４ａ，１４ｂ（１３ａ，１３ｂ）に接続されている。

振動アーム３，４の両側に配置された各検出アーム５，６は、それぞれ隣接する前記振動アームの側面に対向する一方の側面に検出電極１５，１６が形成されている。検出電極１５，１６は、重り部１０上面の配線により互いに接続されている。中央の検出アーム７は、各振動アーム３，４の隣接する側面に対向する各側面にそれぞれ検出電極１７ａ，１７ｂが形成されている。検出電極１７ａ，１７ｂは、検出アーム７の下面で互いに接続されている。

基部２には、その端辺に沿って４つの接続電極１８〜２１が形成されている。中央側の２つの接続電極１９，２０は、前記各振動アームから引き出された配線を通してそれぞれ対応する前記第１励振電極及び第２励振電極と接続されている。このように励振電極を配線することにより、接続電極１９，２０に所定の交流電圧を印加すると、前記振動アームが、図１（Ａ）に実線及び破線の矢印で示すように、互いに接近又は離反する向きに音叉屈曲振動モードで振動する。

検出電極１５，１６は、重り部１０上面の配線により互いに接続され、かつ一方の連結部８の上面を通して基部２に引き出された配線により、対応する一方の接続電極１８と接続されている。検出電極１７ａ，１７ｂは、重り部１０、一方の例えば図中右側の検出アーム６及びそれに結合している連結部９の下面を通して基部２に引き出された配線により、対応する他方の接続電極１９と接続されている。

本実施例の加速度センサ素子１は、従来の水晶振動子と同様に、例えば水晶ウエハをエッチング加工することによって、上述した所望の外形に加工することができる。前記各電極及び配線も、同様に従来のフォトエッチング技術を用いてパターニングすることができる。また、別の実施例では、水晶以外の様々な公知の圧電材料を用いて形成することができる。

連結部８，９は、上述したように前記検出アームよりも狭幅に形成されているので、外力によって平面方向に、即ち基部２に関して幅方向に撓曲可能である。加速度センサ素子１は、従来の水晶振動子と同様に、基部２において導電性接着剤等により片持ちに支持固定される。加速度センサ素子１に平面方向の力が作用すると、検出アーム５〜７及び重り部１０は、上述したように剛固にかつ一体に形成されているで、連結部８，９を撓曲させて一体に変位する。

図２（Ａ）、（Ｂ）は、それぞれ加速度センサ素子１にその幅方向に異なる向きの加速度が作用した場合に生じる変形状態を示している。加速度ａが加速度センサ素子１の幅方向右向きに作用すると、図２（Ａ）に示すように、検出アーム５〜７及び重り部１０は、連結部８，９を撓曲させて左側へ一体に変位する。これにより、振動アーム３，４の左側側面と検出アーム５及び７の右側側面との前記隙間がそれぞれ広がり、それに対応して振動アーム３，４の右側側面と検出アーム６及び７の左側側面との前記隙間がそれぞれ狭くなる。逆に加速度ａが加速度センサ素子１の幅方向左向きに作用すると、図２（Ｂ）に示すように、検出アーム５〜７及び重り部１０は、連結部８，９を撓曲させて右側へ一体に変位する。これにより、振動アーム３，４の右側側面と検出アーム５及び７の左側側面との前記隙間がそれぞれ広がり、それに対応して振動アーム３，４の左側側面と検出アーム６及び７の右側側面との前記隙間がそれぞれ狭くなる。

本実施例の加速度センサ素子１は、振動アーム３の一方の第２励振電極１３ａとそれに隣接して対向する検出アーム５の検出電極１５とにより、コンデンサＣ１が形成される。コンデンサＣ１の静電容量は、第２励振電極１３ａと検出電極１５との前記隙間及びそれらが重複する電極面積によって決定される。更に振動アーム３の他方の第２励振電極１３ｂとそれに隣接して対向する検出アーム７の検出電極１７ａとにより、コンデンサＣ２が形成され、その静電容量がそれら電極の前記隙間及び重複する電極面積によって決定される。同様に、振動アーム４の一方の第２励振電極１４ａとそれに隣接して対向する検出アーム７の検出電極１７ｂとにより、コンデンサＣ３が形成され、その静電容量がそれら電極の前記隙間及び重複する電極面積によって決定される。振動アーム４の他方の第２励振電極１４ｂとそれに隣接して対向する検出アーム６の検出電極１６とにより、コンデンサＣ４が形成され、その静電容量がそれら電極の前記隙間及び重複する電極面積によって決定される。

本発明によれば、コンデンサＣ１〜Ｃ４の静電容量は、加速度センサ素子１に加速度が作用しない図１（Ａ）の状態において、等しくなるように設定する。しかしながら、各コンデンサＣ１〜Ｃ４は、それらを構成する前記電極間の隙間が、上述したように加速度センサ素子１に加速度が作用した場合に、その向きによって広く又は狭くなって静電容量が変化するから、可変容量コンデンサである。

図３は、加速度センサ素子１の等価回路を示している。同図において、符号２２は、基部２から延出する振動アーム３，４によって構成される音叉型水晶振動子である。コンデンサＣ１〜Ｃ４は、同図に示すように、入力端子Ｄ１，Ｄ２に印加される交流電圧Ｖ0 により励振される水晶振動子２２に接続されたブリッジ回路を構成する。出力端子Ｓ１，Ｓ２間には、各コンデンサＣ１〜Ｃ４の静電容量値に応じた出力電圧Ｖ_Ｓ１Ｓ２が発生する。

加速度センサ素子１に加速度が作用していないとき、前記ブリッジ回路はコンデンサＣ１〜Ｃ４の静電容量が等しい平衡状態にある。従って、出力電圧はＶ_Ｓ１Ｓ２＝０である。加速度センサ素子１に加速度が作用して、各振動アーム３，４と隣接する各検出アーム５〜７間の隙間が変動すると、それに比例して各コンデンサＣ１〜Ｃ４の静電容量が変化して前記平衡状態が崩れ、それに対応した電圧Ｖ_Ｓ１Ｓ２が出力される。

図２（Ａ）のように加速度Ｇが加速度センサ素子１の幅方向左向きに作用したとき、各コンデンサの静電容量は、Ｃ１＜Ｃ４かつＣ３＜Ｃ２となる。その結果、出力端子Ｓ１，Ｓ２間に正の電圧Ｖ_Ｓ１Ｓ２が出力される。逆に図２（Ｂ）のように加速度Ｇが加速度センサ素子１の幅方向右向きに作用すると、各コンデンサの静電容量は、Ｃ４＜Ｃ１かつＣ２＜Ｃ３となる。その結果、出力端子Ｓ１，Ｓ２間に負の電圧Ｖ_Ｓ１Ｓ２が出力される。

図４は、図１の加速度センサ素子１を試作し、一定の入力電圧に対して、各検出アーム５〜７の変位量に関する前記ブリッジ回路の出力電圧Ｖ_Ｓ１Ｓ２を測定した結果を示している。同図において、横軸は、加速度が全く作用しない場合に前記アームの位置を基準即ち０とし、前記アーム間の隙間が無くなった場合を±１として、その割合で前記アームの変位量を表している。同図に示すように、少なくとも変位量が±３０％程度の範囲では、十分に実用可能な直線性を得られることが分かる。

図５は、図１の加速度センサ素子１の変形例を示している。同図において、図１と類似の構成要素には同じ参照符号を付して表す。この変形例の加速度センサ素子１は、各振動アーム３，４の上下主面に、それぞれ長手方向に延長する直線状の溝２３，２４が凹設され、かつ前記各溝の内面に第１励振電極１１ａ，１１ｂ，１２ａ，１２ｂが形成されている。これにより、音叉型水晶振動子としてより低いＣＩ値を確保でき、安定性がより向上するので、加速度センサの検出精度が高くなる。

更に、検出アーム５〜７の厚さが各振動アーム３，４よりも薄い点で図１の実施例と異なる。本実施例では、その厚さを略全長に亘って一様に薄くするために、前記各検出アームと重り部１０との境界付近に段差５ａ〜７ａを設け、かつ検出アーム５，６については連結部８，９との間に段差５ｂ，６ｂを設けている。このような検出アーム５〜７は、例えば振動アーム３，４の溝２３，２４を水晶ウエハのハーフエッチングで加工する際に、それと同時に図１の検出アーム５〜７をハーフエッチングすることにより、容易に実現することができる。

加速度センサ素子１は、その平面に関して垂直方向の加速度成分が作用した場合、検出アーム５〜７及び／又は振動アーム３，４が平面方向だけでなく、垂直方向にも変位する可能性がある。その場合にも、本実施例では、前記各検出アームの全厚が前記振動アームの厚さの範囲内に維持されるから、それらの隣接する電極同士が重複する電極面積は変わらないので、垂直方向の加速度成分が各コンデンサＣ１〜Ｃ４に及ぼす影響を排除することができる。従って、加速度センサ素子１の出力がより安定し、検出精度が向上する利点が得られる。

別の実施例では、前記振動アームの厚さを前記検出アームの厚さよりも薄くすることができる。この場合にも、振動アームの全厚さは検出アームの厚さの範囲内に維持される。従って、検出アームがその平面に対して垂直方向に振れても、それらの隣接する電極同士が重複する電極面積が変わらないので、各コンデンサの静電容量が一定に維持され、安定した検出精度を確保することができる。

図６は、本実施例の加速度センサ素子１を用いた加速度センサ３０の回路構成を例示している。同図において、加速度センサ素子１の入力端子Ｄ１，Ｄ２には、水晶振動子２２を駆動するための水晶発振回路３１が接続され、その出力端子Ｓ１，Ｓ２は、ｑ−Ｖ変換器３２ａ，３２ｂを経て差動増幅器３３に接続されている。差動増幅器３３の出力は、水晶発振回路３１の出力と共に同期検波回路３４に接続され、同期検波される。同期検波回路３４の出力は、ローパスフィルタ３５により平滑化して、加速度の大きさ及び向きを表す電圧信号として出力される。

以上、本発明の詳細な実施例について詳細に説明したが、本発明はその技術的範囲において上記実施例に様々な変形・変更を加えて実施することができる。例えば、振動アームには、上記図１，図５以外の様々な公知の音叉型圧電振動子の構造を採用することができる。また、別の実施例では、振動アームと検出アームとの隙間が加速度の大きさに対応して変化するように構成される限り、検出アーム及び重り部を基部から切り離して別個の部品とすることができる。更に、図６の回路構成は単なる例示であり、本発明の加速度センサ素子を用いた加速度センサとして、他の様々な回路構成を考え得ることは当業者に明らかである。

（Ａ）図は本発明による加速度センサ素子の実施例を示す平面図、（Ｂ）図はそのＩ−Ｉ線における拡大断面図。 （Ａ）（Ｂ）図は、それぞれ異なる向きの加速度が図１の加速度センサ素子に作用した場合の変形状態を示す図。 図１の加速度センサ素子の等価回路図。 センサアームの変形量とセンサ出力との関係を示す線図。 （Ａ）図は図１の加速度センサ素子の変形例を示す平面図、（Ｂ）図はそのＶ−Ｖ線における拡大断面図。 図１の加速度センサ素子を用いた加速度センサの回路図。

符号の説明

１…加速度センサ素子、２…基部、３，４…振動アーム、５〜７…検出アーム、５ａ〜７ａ，５ｂ，６ｂ…段差、８，９…連結部、１０…重り部、１１ａ，１１ｂ，１２ａ，１２ｂ…第１励振電極、１３ａ，１３ｂ，１４ａ，１４ｂ…第２励振電極、１５，１６，１７ａ，１７ｂ…検出電極、１８〜２１…接続電極、２２…水晶振動子、２３，２４…溝、３０…加速度センサ、３１…水晶発振回路、３２ａ，３２ｂ…ｑ−Ｖ変換器、３３…差動増幅器、３４…同期検波回路、３５…ローパスフィルタ。

Claims (6)

1. 圧電材料で形成した基部及び前記基部から平行に延出する１対の振動アームと、前記振動アームの先方に位置する重り部と、前記重り部から前記振動アームの両側及び間をそれらと平行に延長する３本の検出アームとを有し、
   前記各振動アームが、その上下主面に形成された第１励振電極と両側面に形成された第２励振電極とを有し、
   前記各検出アームが、それに隣接する前記振動アームの側面に対向する側面に形成された検出電極を有し、
   前記各振動アームの前記第２励振電極とそれに隣接する前記検出アームの前記検出電極とにより形成される４つのコンデンサがブリッジ回路を形成するように、前記第２励振電極及び前記検出電極が配線され、
   前記重り部及び検出アームが加速度により一体に変位して、前記各振動アームの前記第２励振電極とそれに隣接する前記検出アームの前記検出電極との隙間を変化させ、前記各コンデンサの静電容量を変化させるようにしたことを特徴とする加速度センサ素子。
2. 前記振動アームの両側を延長する２本の前記検出アームが、前記基部から延出する連結部により前記基部と結合され、前記連結部が撓曲することにより、前記重り部及び検出アームが加速度により一体に変位することを特徴とする請求項１に記載の加速度センサ素子。
3. 前記基部及び前記振動アームと前記重り部と前記検出アームとが前記圧電材料で一体に形成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の加速度センサ素子。
4. 前記圧電材料が水晶であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の加速度センサ素子。
5. 前記検出アームの厚さを前記振動アームの厚さよりも薄くし、かつ前記検出アームの全厚さが前記振動アームの厚さの範囲内に位置するようにしたことを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の加速度センサ素子。
6. 請求項１乃至５のいずれかに記載の加速度センサ素子と、前記加速度センサ素子の前記振動アームを励振させる駆動電圧と前記加速度センサ素子の前記ブリッジ回路の出力とを同期検波する回路とを備えることを特徴とする加速度センサ。

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