JP2009080069A - 加速度センサ、荷重センサ - Google Patents

Abstract

【課題】検出感度が高い加速度センサを提供する。
【解決手段】加速度センサ１０は、固定端としての支持部２０と、支持部２０とヒンジ継手４０により結合される可動質量部３０と、可動質量部３０の側面両側に沿って支持部２０と可動質量部３０との間に延在される振動体５０，６０と、を有している。振動体５０は、支持部基部２５と質量部基部３５との間に延在される主振動腕５１と、支持部基部２５及び質量部基部３５のそれぞれから主振動腕５１に沿って延在される副振動腕５２，５３を有する。振動体６０は、支持部基部２６と質量部基部３６との間に延在される主振動腕６１と、支持部基部２５及び質量部基部３５のそれぞれから主振動腕６１に沿って延在される副振動腕６２，６３とを有する。主振動腕５１，６１と副振動腕５２，５３，６２，６３との共振周波数が一致し、加速度を加えることによって振動体５０，６０の共振周波数が変化することを検出する。
【選択図】図２

Description

本発明は、加速度または荷重が加えられたときに、振動体の共振周波数が変化することを検出する加速度センサ及び荷重センサに関する。

一つまたは二つの梁状の振動腕を有する振動体に振動腕に沿った荷重を加えたときに、振動体の共振周波数が変化することを利用し、振動体の基準共振周波数と共振周波数変化量とを比較して加えられた荷重の大きさを測定するという荷重センサが提言されている。

このような荷重センサを加速度センサに応用したものとして、支持部にヒンジ継手によって接続されると共に、ヒンジ継手接続方向と直交する感知方向に回動可能な回動質量部と、回動質量部と支持部の間に介在されるそれぞれ二つの振動腕からなる振動体（双音叉振動体と呼称されることがある）を有する加速度センサがある。これらの振動体（振動腕）は、回動質量部の両側にヒンジ継手接続方向に平行であって、加速度を加えたときに可動質量部がヒンジ継手を回動中心として回動する。この可動質量部の回動に伴い一方の振動体が収縮し、他方の振動体は伸張する。この振動体が収縮、伸張することにより、振動体の共振周波数が変化することを検出する（例えば、特許文献１参照）。

また、荷重センサの具体例としては、支持部と、支持部の端部に突出部と、突出部を支点として、前記突出部に連続し両端に力点と重点を有するてこ部と、力点と支持部との間に連結部を介して延在される二つの振動腕からなる振動体（双音叉と呼称されることがある）、重点に引張片を介して設けられる荷重受部と、を備え、この荷重受部に加えられた荷重が、てこ部を介して前記振動体に拡大または縮小され伝達されることにより、振動体の共振周波数が変化することを検出し、加えられた荷重の大きさを測定する荷重センサというものがある（例えば、特許文献２参照）。

特開平１−３０２１６６号公報（第２，３頁、図６） 特開昭６０−１０１２２号公報（第２，３頁、図１）

このような特許文献１による加速度センサは、振動体が双音叉型の形態であり、振動腕が４本存在している。従って、可動質量部に加えられる加速度は、４本の振動腕で受けることになるため、加速度による変位量が小さく、振動腕一本当りの発生応力が小さいことから共振周波数の変化量が少なく検出感度が不十分である。

また、詳しくは後述する実施の形態で説明するが、振動体に働く軸力は、ヒンジ継手から可動質量部の重心までの距離をＬ、質量をｍ、ヒンジ継手の中心軸から振動体の中心軸までの距離をｈとしたとき、加速度ｇが加えられたときに振動体に働く軸力Ｆは、Ｆ＝（Ｌ／２ｈ）ｍｇで表すことができる。ここで、（Ｌ／２ｈ）の利得を持つ増幅が可能であると考えられる。特許文献１の構造では、振動体は２本の振動腕から構成されているので、距離ｈは２本の振動腕の中心軸までの距離となるため距離ｈが大きくなり、増幅利得（Ｌ／２ｈ）も小さくなるので検出感度が不十分である。

また、このような従来技術の構成は、発明者らの検討では十分な検出感度が得られず、これは、加速度が加えられたときの２対の振動腕のひずみが一様でないこと、振動漏れの発生、可動質量部の共振周波数が振動体の共振周波数に影響している、等が原因と考えられる。

また、特許文献２による荷重センサにおいても特許文献１と同様に、荷重受部に加えられる測定荷重は、２本の振動腕で受けることになるため、測定荷重による変位量が小さく、振動腕一本当りの発生応力が小さいことから共振周波数の変化量が少ない。さらに、振動腕までの距離ｈを小さくできないことから、てこ部による測定荷重の拡大率に限界があることから、検出感度が不十分であるというような課題がある。

本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態または適用例として実現することが可能である。

［適用例１］本適用例に係る加速度センサは、平面内に展開され、加速度を加えることによって振動体の共振周波数が変化することを検出する加速度センサであって、固定端としての支持部と、前記支持部に併設される可動質量部と、前記可動質量部の長手方向側面に沿って延在され、且つ前記支持部と前記可動質量部との間に延在される振動体と、を有し、前記振動体が、前記支持部に連続する支持部基部と前記可動質量部に連続する質量部基部との間に延在される１本の主振動腕と、前記支持部基部及び前記質量部基部のそれぞれから前記主振動腕に沿って延在される副振動腕と、少なくとも前記主振動腕に設けられる励振手段と、を備え、前記主振動腕と前記副振動腕の共振周波数が一致していることを特徴とする加速度センサ。

このような構成によれば、一つの振動体は１本の主振動腕で構成されるために、可動質量部に加えられる加速度により主振動腕に発生する歪及び応力が大きくなるため、同じ大きさの加速度に対する共振周波数の変化量が大きくなることから、加速度の検出感度を高めることができる。

また、主振動腕と同じ共振周波数を有する副振動腕を備え、副振動腕の振動を主振動腕の振動と逆位相にすることにより一種の音叉型振動体とすることで、主振動腕と副振動腕の連結部の振動エネルギが打ち消され、基部または付加質量部への振動漏れの発生を抑制できる。そのことにより、共振周波数の安定性（Ｑ値で表される）が向上する。Ｑ値が増加すれば共振周波数のふらつきが小さくなることから、加速度の検出精度を向上させることができるという効果がある。

なお、励振手段は、主振動腕にのみ設け、副振動腕は主振動腕の振動に共振させる構造としてもよく、副振動腕にも励振手段を設け、共振周波数を合わせる構造としてもよい。

［適用例２］上記適用例に係る加速度センサは、前記振動体が、前記可動質量部を挟んで両側に設けられ、それぞれの振動体の共振周波数変化の差分を加速度の検出値とする加速度センサ。

このような構成によれば、加速度が加えられ可動質量部が変位したときに、一方の主振動腕は圧縮力を受け、他方の主振動腕は引張力を受ける。このため、どちらか一方の振動体の共振周波数を基準周波数とし、その差分をとることで約２倍の周波数変化量（以降、周波数偏差と表すことがある）が得られるという効果がある。
また、感知方向以外の加速度が加えられたときに、差分をとることで感知方向以外の検出感度（他軸感度）を極めて小さくすることができる。

また、上記適用例の加速度センサは、同一材料による一体形成が可能であり、熱膨張による応力変化等を抑制することができる。さらに差分をとることで、主振動腕に周波数温度特性（温度による主振動腕の周波数変化）の影響を極めて小さくすることができる。

［適用例３］適用例１に係る加速度センサは、前記振動体が、前記可動質量部の一方の側面に沿って設けられている加速度センサ。

このような構成によれば、加速度が加えられていないときの主振動腕の共振周波数を基準周波数とし、加速度が加えられたときの共振周波数との差を加速度の検出値とすることができる。また、振動体を一つにすることで加速度センサを小型化することができる。

［適用例４］適用例１ないし適用例３のいずれかに係る加速度センサは、前記主振動腕が、前記可動質量部と前記副振動腕の間に配設されている加速度センサ。

このような構成によれば、主振動腕は副振動腕よりも可動質量部の近くに配設される。従って、前述した距離ｈは、可動質量部の重心を通る軸から主振動腕の振動軸までの距離と考えられるため、特許文献１の構成による距離ｈよりも小さくすることができ、増幅利得（Ｌ／２ｈ）を大きくできるため検出感度を高めることができる。

［適用例５］適用例１ないし適用例４のいずれかに係る加速度センサは、前記支持部基部と前記支持部の間、前記質量部基部と前記可動質量部の間のそれぞれに、くびれ部を設けている加速度センサ。

このように、振動体が支持部及び可動質量部に接続する部分にくびれ部を設けることにより、主振動腕及び副振動腕の振動漏れをより一層抑制することができる。

［適用例６］適用例１ないし適用例５のいずれかに係る加速度センサは、前記支持部基部及び前記質量部基部の一部が平面方向に入り込む切欠き部が、前記可動質量部に備えられている加速度センサ。

このような構成にすれば、主振動腕を可動質量部側に近づけることができることから、距離ｈを小さくし、増幅利得を向上させることができると共に、加速度センサをより一層小型化できる。

［適用例７］適用例１ないし適用例６のいずれかに係る加速度センサは、前記支持部と前記可動質量部とが、前記支持部と前記可動質量部とが対向する面においてヒンジ継手で結合されている加速度センサ。

このような構成によれば、ヒンジ継手から可動質量部の重心までの距離が一定となり、加速度の感知方向が規制され、振動体に働く軸力Ｆが安定して得られると共に、感知方向を規制し、他軸感度を抑制することができる。

［適用例８］適用例７に係る加速度センサは、前記ヒンジ継手を振動支点とする前記可動質量部の共振周波数が、前記主振動腕の共振周波数に影響を与えない程度の差を有している加速度センサ。

前述した特許文献１の構成では、検出感度が不十分な原因として、可動質量部の振動が振動体の共振周波数に影響していることが考えられる。そこで、可動質量部の共振周波数を主振動腕の共振周波数よりも十分小さくしておくことで、その影響を抑制し検出感度を高めることができる。

［適用例９］適用例１または適用例２に係る加速度センサは、前記支持部が、前記可動質量部を挟んで二つ設けられ、一方の前記振動体が前記可動質量部と一方の前記支持部の間に延在され、他方の前記振動体が前記可動質量部と他方の前記支持部の間に延在されている加速度センサ。

このような構成によれば、支持部が可動質量部の両側に配設されることから、可動質量部が擬似両端固定構造となり安定した支持構造を実現できる。さらに、加速度による力が各振動腕の断面に均一に加わることから加速度の検出感度が高くなるという効果がある。

［適用例１０］適用例９に係る加速度センサは、少なくとも前記振動体が単結晶圧電材料からなる加速度センサ。

このようにすれば、加速度センサをフォトリソグラフィ技術等により容易に、高精度で一体成形を実現でき、製造しやすく低コストな加速度センサを提供できる。特に、単結晶圧電材料として水晶を用いた場合は、良好な周波数温度特性、高いＱ値が得られ、高精度な振動特性を有する加速度センサを実現できる。

［適用例１１］適用例１ないし適用例９のいずれかに係る加速度センサは、少なくとも前記振動体が恒弾性材料からなる加速度センサ。

このようにすれば、恒弾性材料は構造的強度が高く、強い加速度領域の測定に対応できるという効果がある。
なお、恒弾性材料を用いる場合には、主振動腕の振動方向側面に励振手段として圧電素子が形成される。

［適用例１２］本適用例に係る荷重センサは、平面内に展開され、荷重を加えることによって振動体の共振周波数が変化することを検出する荷重センサであって、可動質量部と、前記可動質量部を挟んで設けられる二つの支持部と、前記可動質量部の長手方向側面の両側に沿って延在され、且つ前記支持部と前記可動質量部との間に延在される二つの振動体と、を備え、一方の前記振動体が前記可動質量部と一方の前記支持部の間に延在され、他方の前記振動体が前記可動質量部と他方の前記支持部の間に延在され、前記二つの振動体それぞれが、前記支持部に連続する支持部基部と前記可動質量部に連続する質量部基部との間に延在される主振動腕と、前記支持部基部及び前記質量部基部のそれぞれから前記主振動腕に沿って延在される副振動腕と、少なくとも前記主振動腕に設けられる励振手段と、が備えられている荷重センサ。

このような構成によれば、可動質量部に荷重を加えることにより、主振動腕に引張力または圧縮力が働き共振周波数が変化する。この共振周波数の変化を検出し、加えられる荷重の大きさを測定することができる。
なお、本適用例による荷重センサには、力センサ、圧力センサが含まれる。

［適用例１３］本適用例に係る荷重センサは、荷重を加えることによって振動体の共振周波数が変化することを検出する荷重センサであって、基台に固定する支持部と、前記支持部の端部に設けられる突出部と、前記突出部を支点として、前記突出部に連続し両端に力点と重点を有するてこ部と、前記力点と前記支持部との間に連結片を介して延在される前記振動体と、前記重点に引張片を介して設けられる荷重受部と、が備えられ、前記振動体が、前記支持部に連続する支持部基部と前記力点に連続する力点基部との間に延在される主振動腕と、前記支持部基部及び前記力点基部のそれぞれから前記主振動腕に沿って延在される副振動腕と、少なくとも前記主振動腕に設けられる励振手段と、を有し、前記荷重受部に加えられた荷重が、前記てこ部を介して前記振動体に拡大または縮小され伝達される荷重センサ。

このような構成によれば、振動体を１本の主振動腕と、副振動腕で構成することで、主振動腕に生じる応力を高め、前述した特許文献２による振動腕が２本で構成され構造に比べ、検出感度を約２倍に高めることができる。

また、主振動腕を副振動腕に対して支持部側に配設すれば、支点と力点との距離を近づけることができ、荷重受部（重点）に加えられる荷重を拡大（増幅）することから増幅利得が増加する。また、主振動腕と副振動腕とを備えて同じ共振周波数とすることで、振動漏れを抑制する。従って、検出感度を高め、微小な荷重（力）を高精度に検出することができる。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
図１は実施形態１、図２は実施形態２、図３は実施形態３、図４は実施形態４、図５は実施形態５に係る加速度センサを示し、図６は荷重センサの１例を示している。なお、図５は荷重センサの他の１例を示す参照図として兼用する。
なお、以下の説明で参照する図は、図示の便宜上、部材ないし部分の縦横の縮尺は実際のものとは異なる模式図である。
（実施形態１）

図１は、実施形態１に係る加速度センサを示す平面図である。図１において、加速度センサ１０は、単結晶圧電材料としての一枚の水晶からなる基板のＸＹ平面内に展開形成されており、図示しない基台等に固定される固定端としての支持部２０と、支持部２０に併設される可動質量部３０と、可動質量部３０の長手方向側面の一方に沿って延在される振動体５０と、可動質量部３０の対向する長手方向側面の他方に沿って延在される振動体６０とを有して構成されている。

支持部２０と可動質量部３０とは、それぞれの対向する面においてヒンジ継手４０によって一体に結合されている。ヒンジ継手４０は、可動質量部３０の重心４２をとおり、長手方向側面に沿った中心軸Ｐ上に設けられる。つまり、本実施形態の加速度センサ１０は、中心軸Ｐに対して対称形である。

振動体５０は、支持部２０に連続する支持部基部２５と可動質量部３０に連続する質量部基部３５との間に延在される主振動腕５１と、支持部基部２５から主振動腕５１に沿って平行に延在される副振動腕５３と、質量部基部３５から主振動腕５１に沿って平行に延在される副振動腕５２とから構成されている。

また、振動体６０は、支持部２０に連続する支持部基部２６と可動質量部３０に連続する質量部基部３６との間に延在される主振動腕６１と、支持部基部２６から主振動腕６１に沿って平行に延在される副振動腕６３と、質量部基部３６から主振動腕６１に沿って平行に延在される副振動腕６２とから構成されている。そして、主振動腕５１，６１はそれぞれ、副振動腕５２，５３、副振動腕６２，６３よりも可動質量部３０に対して外側に配設されている。

支持部基部２５，２６は、それぞれ連結部２１，２３を介して支持部２０に連続し、連結部２１にはくびれ部２２、連結部２３にはくびれ部２４が設けられ、互いに支持部基部２５，２６よりも幅が狭められている。

また、質量部基部３５，３６は、それぞれ連結部３１，３３を介して可動質量部３０に連続し、連結部３１にはくびれ部３２、連結部３３にはくびれ部３４が設けられ、互いに質量部基部３５，３６よりも幅が狭められている。これらくびれ部２２，２４，３２，３４は、振動体５０，６０の振動が支持部２０及び可動質量部３０への漏洩することを抑制するために設けられている。

主振動腕５１，６１は、両端支持構造の梁状の振動腕であって、それぞれの表面には励振手段としての図示しない励振電極が設けられている。励振電極は検出電極を兼用し、支持部２０の表面または裏面の接続電極に接続され、発信回路、検出回路（共に図示せず）に接続されている。

なお、主振動腕５１は、支持部基部２５及び質量部基部３５を振動の節とし、主振動腕５１の長手方向中央部を振動の腹とする二次の屈曲振動、副振動腕５２，５３は、それぞれ質量部基部３５、支持部基部２５を振動の節とする主振動腕５１の振動とは逆位相の一次の屈曲振動をする。

振動体５０においては、副振動腕５２，５３のそれぞれは、質量部基部３５と支持部基部２５において主振動腕５１と振動の節を略一致させると共に、共振周波数を一致させている。従って、主振動腕５１を励振させることにより、副振動腕５２，５３が共振するため、副振動腕５２，５３には必ずしも励振電極はなくてもよい。なお、振動体６０においても中心軸Ｐに対して振動体５０と対称形としているので、振動体５０と同じ共振振動を行う。

具体的な実施例をあげ説明する。主振動腕５１の腕長さを７０００μｍ、腕幅を２００μｍとすると、共振周波数は２２ｋＨｚとなる。ここで、副振動腕５２，５３の共振周波数を２２ｋＨｚとするためには、副振動腕５２，５３それぞれの腕幅を２００μｍとすれば、腕長さを２７００μｍに調整すればよい。なお、腕長さを一定にして腕幅で調整してもよい。

また、副振動腕５２，５３にも励振電極を設ける構造とすることが可能であるが、この際、主振動腕５１とは、逆位相の振動になるように励振電極を構成する。

続いて、加速度センサ１０の検出方法について説明する。加速度センサ１０に＋Ｘ方向の加速度ｇが加えられると、支持部２０は固定されていることから、慣性効果により可動質量部３０にヒンジ継手４０の中心４１を回転軸として−Ｘ方向にモーメントが生じる。従って、主振動腕５１は伸張され引張応力が生じる。一方、主振動腕６１は収縮され圧縮応力が生じる。この際、主振動腕５１の共振周波数は低下し、主振動腕６１の共振周波数は増加する。そして、主振動腕５１，６１それぞれの共振周波数の変化量の差分と、加速度が加えられていない基準共振周波数の比較により加速度の大きさを検出することができる。なお、＋Ｘ方向及び−Ｘ方向の加速度の印加方向は、振動体５０，６０それぞれの共振周波数の増減によって、認識することが可能である。

次に増幅利得について説明する。加速度センサ１０に＋Ｘ方向の加速度ｇが加えられると、慣性効果により可動質量部３０にヒンジ継手４０の中心４１を回転軸として−Ｘ方向にモーメントＭ₁が生じる。ヒンジ継手４０の中心４１から可動質量部３０の重心４２までの距離Ｌ₁、可動質量部３０の質量ｍ、中心４１を回転軸としたときに、重心４２に働く軸力Ｆ₁との関係は、Ｍ₁＝Ｆ₁Ｌ₁＝ｍｇＬ₁で表される。

この際、モーメントＭ₁は、主振動腕５１，６１により可動質量部３０を平衡状態に維持するように現れるモーメントＭ₂とつりあうところまで変位する。このモーメントのつりあい（Ｍ₁＝Ｍ₂）から、主振動腕５１，６１に働く軸力Ｆ₂は、中心軸Ｐから主振動腕５１，６１それぞれの振動の中心線までの距離をｈ₁とすると、２Ｆ₂ｈ₁＝ｍｇＬ₁の関係が成り立つ。ここから、主振動腕５１，６１に働く軸力Ｆ₂は、Ｆ₂＝（Ｌ１／２ｈ₁）ｍｇで表される。つまり、（Ｌ１／２ｈ₁）の利得を持つ増幅が可能であることを意味している。従って、この利得を増幅利得と呼び、利得が大きいほど増幅率が高く、検出感度が高いといえる。

また、本実施形態では、ヒンジ継手４０を振動支点とする可動質量部３０の共振周波数が、主振動腕５１，６１の共振周波数に影響を与えない程度の差を有するように形状及び大きさが設定されている。具体的には、主振動腕５１，６１の共振周波数を２２ｋＨｚとしたときに可動質量部３０の共振周波数を６ｋＨｚとなるように設定すれば、可動質量部３０の共振振動が主振動腕５１，６１の共振振動に影響をほとんど与えないことが確認されている。

従って、実施形態１によれば、振動体５０，６０それぞれは１本の主振動腕５１，６１で構成されるために、可動質量部３０に加えられる加速度により主振動腕５１，６１に発生する歪及び応力が大きくなるため、同じ大きさの加速度に対する共振周波数の変化が大きくなることから、加速度の検出感度を高めることができる。

また、主振動腕５１，６１と、それぞれ同じ共振周波数を有する副振動腕５２，５３，６２，６３とが備えられ、副振動腕の振動を主振動腕の振動と逆位相にすることにより一種の音叉型振動体とすることで、主振動腕と副振動腕の連結部の振動エネルギが打ち消され、支持部基部２５，２６及び質量部基部３５，３６への振動漏れを抑制できる。そのことにより、共振周波数の安定性（Ｑ値で表される）が向上する。Ｑ値が増加すれば共振周波数のふらつきが小さくなることから、検出感度の精度を向上させることができるという効果がある。

また、振動体５０，６０が、可動質量部３０を挟んで両側に設けられている。このような構成によれば、加速度が加えられ可動質量部３０が変位したときに、主振動腕５１，６１のうちの一方は圧縮力を受け、他方は引張力を受ける。このため、どちらか一方の振動体の共振周波数を基準周波数とし、その差分をとることで約２倍の周波数偏差が得られ、検出感度を高めることができる。
また、感知方向以外の加速度が加えられたときに、上述のように周波数変化の差分をとることで感知方向以外の検出感度（他軸感度）を極めて小さくすることができる。

また、支持部基部２５，２６との間の連結部２１，２３、質量部基部３５，３６との間の連結部３１，３３のそれぞれに、くびれ部２２，２４，３２，３４を設けることにより、主振動腕５１，６１及び副振動腕５２，５３，６２，６３の振動漏れを一層抑制することができる。

また、支持部２０と可動質量部３０とが、支持部２０と可動質量部３０とが対向する面においてヒンジ継手４０で結合されていることから、ヒンジ継手４０の中心４１から可動質量部３０の重心４２までの距離Ｌ₁が一定となり、振動体５０，６０に働く軸力Ｆ₁が安定して得られると共に、感知方向を規制し、他軸感度を抑制することができる。

また、本実施形態では、ヒンジ継手４０を振動支点とする可動質量部３０の共振周波数が、主振動腕５１，６１の共振周波数に影響を与えない程度の差を有するような形状，大きさとしている。前述した特許文献１の構成では、検出感度が不十分な原因として、可動質量部の振動が振動体の共振周波数に影響していることが考えられる。そこで、可動質量部３０の共振周波数を主振動腕５１，６１の共振周波数よりも十分小さくしておくことで、その影響を抑制し検出感度を高めることができる。

さらに、本実施形態では、加速度センサ１０は、水晶基板から構成されている。このようにすれば、加速度センサ１０をフォトリソグラフィ技術等により容易に高精度で一体成形を実現し、製造しやすく低コストな加速度センサを提供できる。また、水晶は良好な周波数温度特性、高いＱ値を得られることから、高精度な振動特性を有する加速度センサを実現でき、また、他の材料との組み合わせ構造において発生しやすい熱膨張による応力変化等を抑制することができる。

なお、図１に示した加速度センサ１０は、主振動腕５１，６１が中心軸Ｐに対して対称形であり、平行に延在した形状を例示しているが、必ずしも対称形でなくても、平行でなくてもよい。従って、主振動腕５１，６１の共振周波数は、副振動腕５２，５３，６２，６３との共振周波数を合わせれば互いに異なる値に設定してもよい。
（恒弾性材料を用いた加速度センサの実施例）

また、前述した実施形態１による加速度センサは、水晶からなる構成について説明したが、本発明は、加速度センサを恒弾性材料からなる構成とすることができる。加速度センサの形状は振動体、支持部、可動質量部共に、図１に示す構成と同じにすることができるので、図１を参照して説明する。

本実施例による加速度センサ１０は、ニッケル、鉄、クロム、チタン、あるいはそれらの合金であるエリンバ、鉄−ニッケル合金などからなる恒弾性材料から構成され、所望の共振周波数、サイズに対応して選択される。そして、主振動腕５１，６１の屈強振動方向の側面に励振手段としての圧電素子（図示は省略する）が設けられる。圧電素子の表裏両面には励振電極が形成される。圧電素子は、主振動腕５１，６１の側面両側に設けても、片側に設けてもよい。なお、主振動腕５１，６１の側面の表面と、圧電素子の裏面側励振電極の間には絶縁膜が形成される。

圧電素子の表裏両面の励振電極それぞれに逆電位の励振信号が入力されることにより、主振動腕５１，６１は二次の屈曲振動をし、所定の共振周波数で安定した振動を継続する。
また、主振動腕５１，６１と共に、副振動腕５２，５３，６２，６３のそれぞれの屈曲振動方向側面にも圧電素子を設ける構成としてもよい。

このようにすれば、恒弾性材料は構造的強度が高く、強い加速度領域の測定に対応できるという効果がある。

また、加速度センサ１０が恒弾性材料と圧電素子とから構成される構造であっても、前述した実施形態１と同様に、振動体５０，６０それぞれは１本の主振動腕５１，６１で構成されていること、主振動腕５１，６１と副振動腕５２，５３，６２，６３とから構成される一種の音叉型振動体とすること、可動質量部３０に対して両側に振動体５０，６０を備えていること、から実施形態１と同様な効果を奏する。

また、本実施例においても、ヒンジ継手４０を振動支点とする可動質量部３０の共振周波数が、主振動腕５１，６１の共振周波数に影響を与えない程度の差を有するような形状及び大きさにすることにより、可動質量部３０の共振周波数が主振動腕５１，６１の共振周波数への影響を抑制し検出感度を高めることができる。
（実施形態２）

続いて、実施形態２に係る加速度センサについて図面を参照して説明する。実施形態２は、前述した実施形態１（図１、参照）に対して、主振動腕と副振動腕の配設が異なることを特徴としている。他の構造は実施形態１と同じであるため説明を省略し、同じ機能部位には同じ記号を付して説明する。
図２は、実施形態２に係る加速度センサを示す平面図である。図２において、加速度センサ１０は、主振動腕５１，６１それぞれが、可動質量部３０と副振動腕５２，５３と副振動腕６２，６３の間に配設されている。つまり、可動質量部３０に対して主振動腕５１が副振動腕５２，５３より内側に、また、主振動腕６１が副振動腕６２，６３より内側に配設されている。

この際、主振動腕５１，６１に働く軸力Ｆ₂は、中心軸Ｐから主振動腕５１，６１それぞれの振動の中心線までの距離ｈ₂となり、２Ｆ₂ｈ₂＝ｍｇＬ₁の関係が成り立つ。ここから、主振動腕５１，６１に働く軸力Ｆ₂は、Ｆ₂＝（Ｌ₁／２ｈ₂）ｍｇで表される。

ここで、前述した実施形態１における中心軸Ｐから主振動腕５１，６１それぞれの振動の中心線までの距離ｈ₁は、実施形態２における副振動腕６２，６３の中心軸との距離に相当する。従って、ｈ₂とｈ₁を比較するとｈ₂＜ｈ₁となり、増幅利得は、（Ｌ₁／２ｈ₁）＞（Ｌ₁／２ｈ₂）となる。

従って、このような構成によれば、実施形態１に比べ、増幅利得を大きくできることから検出感度をさらに高めることができる。
なお、加速度センサが恒弾性材料を用いる構成においても、同様な効果が得られる。
（実施形態３）

続いて、実施形態３に係る加速度センサについて図面を参照して説明する。実施形態３は、前述した実施形態２に対してさらに増幅利得を大きくするために、振動体の配設位置が異なることに特徴を有している。他の構造は実施形態１と同じであるため、異なる部分を中心に、同じ機能部位には同じ符号を付して説明する。
図３は、実施形態３に係る加速度センサを示す平面図である。図３において、可動質量部３０には、支持部基部２５，２６、質量部基部３５，３６の一部が可動質量部３０の平面方向に入り込む切欠き部３７ａ〜３７ｄが設けられている。

切欠き部３７ａ〜３７ｄそれぞれは、可動質量部３０の４隅に設けられる。切欠き部３７ａには支持部基部２５、切欠き部３７ｂには支持部基部２６、切欠き部３７ｃには質量部基部３５、切欠き部３７ｄには質量部基部３６のそれぞれの一部が入り込んでいる。振動体５０，６０は前述した実施形態２（図２、参照）と同じであるため、中心軸Ｐから主振動腕５１，６１それぞれの中心線までの距離ｈ₃は、ヒンジ継手４０の中心４１から可動質量部３０の重心４２までの距離Ｌ₂とすると、実施形態２の距離ｈ₂に対してｈ₃＜ｈ₂となるため、増幅利得は、（Ｌ₂／２ｈ₃）＞（Ｌ₂／２ｈ₂）となる。

ここで、距離Ｌ₂は、切欠き部３７ａ，３７ｂの大きさと切欠き部３７ｃ，３７ｄの大きさ（特に長辺）をＬ₂≧Ｌ₁となるように設定すれば、中心軸Ｐから主振動腕５１，６１それぞれの振動の中心線までの距離ｈ₃を小さくすることとあわせて、より一層増幅利得を大きくすることができる。なお、可動質量部３０の質量ｍは、切欠き部３７ａ〜３７ｄより減少した分を可動質量部３０を支持部２０の反対側端面を僅かに延長するだけで減少させない設定が可能である。

このような構成にすれば、主振動腕５１，６１を可動質量部３０側に一層近づけることができることから、中心軸Ｐから主振動腕５１，６１それぞれの距離ｈ₃を小さくし、増幅利得を向上させることができると共に、加速度センサ１０を幅方向においてより一層小型化できる。

なお、このような実施形態３の構成においても、加速度センサ１０を恒弾性材料と圧電素子で構成する構造にすることができ、同様な効果が得られる。
（実施形態４）

次に、実施形態４に係る加速度センサについて図面を参照して説明する。実施形態４は、前述した実施形態１〜実施形態３に対して振動体を一つにしたことを特徴とする。本実施形態は、前述した実施形態１〜実施形態３の技術思想にも適合可能であるが、実施形態２に係る振動体を例示して異なる部分を中心に、共通符号を付して説明する。
図４は、実施形態４に係る加速度センサを示す平面図である。図４において、加速度センサ１０は、一つの振動体５０が、可動質量部３０の長手方向の一方の側面に沿って設けられて構成されている。

支持部２０と可動質量部３０とは、それぞれの対向する面においてヒンジ継手４０によって一体に結合されている。ヒンジ継手４０は、可動質量部３０の重心４２をとおり、長手方向側面に沿った中心軸Ｐ上にある。

振動体５０は、支持部２０に連続する支持部基部２５と可動質量部３０に連続する質量部基部３５との間に延在される主振動腕５１と、支持部基部２５から主振動腕５１に沿って平行に延在される副振動腕５３と、質量部基部３５から主振動腕５１に沿って平行に延在される副振動腕５２とから構成されている。
支持部基部２５は、連結部２１を介して支持部２０に連続し、連結部２１にはくびれ部２２が設けられ、支持部基部２５よりも幅が狭められている。

また、質量部基部３５は、連結部３１を介して可動質量部３０に連続し、連結部３１にはくびれ部３２が設けられ、質量部基部３５よりも幅が狭められている。

つまり、本実施形態の加速度センサ１０は、実施形態２（図２、参照）に示した振動体６０を削除した形態をなしている。また、可動質量部３０に切欠き部３７ａ，３７ｃを設ける実施形態３の構成にも適合できる。

本実施形態による構成では、加速度が加えられていないときの主振動腕５１の共振周波数を基準周波数とし、加速度が加えられたときの共振周波数との差を加速度の検出値とすることで加速度の大きさを測定することができる。

このようにすれば、二つの振動体の共振周波数の変化の差分をとる実施形態に対して検出感度が若干劣るものの、振動体を一つ（主振動腕が１本）にすることで、可動質量部３０に加えられる加速度により主振動腕５１に発生する歪及び応力が大きくなるため、同じ大きさの加速度に対する共振周波数の変化が大きくなることから、加速度の検出感度を高めることができる。また、加速度センサを小型化することができる。
（実施形態５）

次に、実施形態５に係る加速度センサについて図面を参照して説明する。実施形態５は、支持部が可動質量部を挟んで二つ設けられていることに特徴を有している。本実施実施形態は、前述した実施形態１〜実施形態３の技術思想を適合できるが、実施形態２の形態を基本構造とした応用展開を例示して説明する。共通部分には同じ符号を付している。
図５は、実施形態５に係る加速度センサを示す平面図である。図５において、加速度センサ１０は、可動質量部３０と、可動質量部３０を挟んで対向するように併設される固定端としての支持部７１，７２と、可動質量部３０と支持部７１との間に延在される振動体６０と、可動質量部３０と支持部７２との間に延在される振動体５０と、から構成されている。なお、振動体５０，６０は、前述した実施形態２（図２、参照）と同じ構成である。

このような構成では、可動質量部３０に＋Ｙ方向の加速度が加えられるときには、慣性効果により可動質量部３０は、−Ｙ方向に変位する。この際、主振動腕５１は伸張され引張応力が生じる。一方、主振動腕６１は収縮され圧縮応力が生じる。この際、主振動腕５１の共振周波数は低下し、主振動腕６１の共振周波数は増加する。そして、主振動腕５１，６１それぞれの共振周波数の変化量の差分と、加速度が加えられていない基準共振周波数の比較により加速度の大きさを検出することができる。−Ｙ方向の加速度が加えられたときには、上述した主振動腕５１，６１と逆の挙動を示す。
なお、＋Ｙ方向及び−Ｙ方向の加速度の印加方向は、振動体５０，６０それぞれの共振周波数の増減によって、加速度の方向を認識することが可能である。

このような構成によれば、支持部７１，７２が可動質量部３０の両側に配設されることから、可動質量部３０が擬似両端固定構造となり安定した支持構造を実現できる。

なお、前述した実施形態４、実施形態５の構成においても、振動体５０，６０を恒弾性材料と圧電素子で構成する構造にすることができ、同様な効果が得られる。
（実施形態６）

続いて、前述した加速度センサにおける、主振動腕及び副振動腕を有する振動体、振動体のうちの主振動腕を１本構成にするという技術思想を応用した荷重センサを実施形態６として説明する。荷重センサとしては、力センサ及び圧力センサが含まれる。なお、本実施形態の荷重センサは、実施形態５に示す加速度センサと同形状であるため、図５を参照図として各構成の詳しい説明を省略する。また、加速度センサを荷重センサに置き換えて説明する。

図５を参照して荷重センサの作用について説明する。可動質量部３０に＋Ｙ方向の荷重が加えられると、主振動腕５１が収縮して圧縮応力が発生し、主振動腕６１は伸張し引張応力が発生する。この際、主振動腕５１の共振周波数は増加し、主振動腕６１の共振周波数は低下する。そして、主振動腕５１，６１それぞれの共振周波数の変化量の差分と、荷重が加えられていない基準共振周波数の比較により荷重の大きさを検出することができる。−Ｙ方向の荷重が加えられたときには、上述した主振動腕５１，６１と逆の挙動を示す。
なお、＋Ｙ方向及び−Ｙ方向の荷重の印加方向は、振動体５０，６０それぞれの共振周波数の増減によって、加速度の方向を認識することが可能である。

また、本実施形態の変形例として、支持部７１，７２のうちの一方を固定端とし、他方を可動支持部として、可動支持部に荷重をかける構造も可能である。具体的には、固定端を支持部７２とし、可動支持部を支持部７１とした場合、支持部７１に＋Ｙ軸方向の荷重を加えた場合、主振動腕５１が伸張し引張応力が発生し、主振動腕６１は収縮して圧縮応力が発生する。この際、主振動腕５１の共振周波数は低下し、主振動腕６１の共振周波数は増加する。そして、主振動腕５１，６１それぞれの共振周波数の変化量の差分と、荷重が加えられていない基準共振周波数の比較により荷重の大きさを検出することができる。また、−Ｙ方向の荷重が加えられたときには、上述した主振動腕５１，６１と逆の挙動を示す。

従って、可動質量部または可動支持部に荷重を加えることにより、主振動腕５１，６１に引張力または圧縮力が働き共振周波数が変化する。この共振周波数の変化を検出し加えられる荷重の大きさを測定することができる。
このような構成の荷重センサは、精密天秤、微小な力を検出する力センサ、微小な圧力を測定する圧力センサ等に採用できる。
（実施形態７）

続いて、実施形態７に係る荷重センサについて図面を参照して説明する。
図６は、実施形態７に係る荷重センサを示す斜視図である。図６において、荷重センサ１００は、恒弾性材料により一体で構成され、基台（図示せず）に取付孔１１７，１１８に螺子等の固定手段を用いて固定される支持部１１１と、支持部１１１の端部に設けられる突出部と、この突出部を支点１１３として、突出部（支点１１３）に連続し両端に力点１１２と重点１１４を有するてこ部１１０と、支持部１１１の一方の側面側において、力点１１２と支持部１１１との間に支持部基部１２５、力点基部１３５を介して延在される振動体１５０と、重点１１４に引張片１１５を介して支持部１１１の他方の側面側に設けられる荷重受部１１６と、から構成されている。

振動体１５０は、支持部１１１に連結片１４０を介して連続する支持部基部１２５と、力点１１２に連結片１３０を介して連続する力点基部１３５との間に延在される主振動腕１５１と、支持部基部１２５及び力点基部１３５のそれぞれから主振動腕１５１に沿って延在される片持ち梁状の副振動腕１５２，１５３と、少なくとも主振動腕１５１に設けられる励振手段としての圧電素子１６０と、から構成されている。

主振動腕１５１は、両端支持構造の梁状の振動腕であって、支持部基部１２５、力点基部１３５を振動の節とし、主振動腕１５１の長手方向中央部を振動の腹とする二次の屈曲振動、副振動腕１５２，１５３はそれぞれ、力点基部１３５、支持部基部１２５を振動の節とする主振動腕１５１の共振振動とは逆位相の一次の屈曲振動をする。

副振動腕１５２，１５３のそれぞれは、力点基部１３５、支持部基部１２５において主振動腕１５１と振動の節を略一致させると共に、共振周波数を一致させている。従って、主振動腕１５１を励振させることにより、副振動腕１５２，１５３が共振振動するため、副振動腕１５２，１５３には必ずしも圧電素子はなくてもよい。

次に、荷重測定の作用について説明する。荷重受部１１６に懸架されるフック１１９に測定用荷重を加えると、引張片１１５を介して重点１１４に荷重Ｆが加わる。てこ部１１０により、支点１１３を介して力点１１２に測定荷重とは逆方向の力が作用し、主振動腕１５１を伸張する。主振動腕１５１には引張応力が発生し、共振周波数は低下する。この際、荷重受部１１６に加えられた荷重が、てこ部１１０を介して振動体１５０に拡大または縮小され伝達される。

具体的には、支点１１３から重点１１４までの距離を距離ｂとし、支点１１３から力点１１２までの距離を距離ａ、そして測定荷重Ｆとすれば、主振動腕１５１に加わる力は、ａ＜ｂのとき、Ｆ（ｂ／ａ）で増幅されて主振動腕１５１に加わる。（ｂ／ａ）が拡大率（または縮小率）である。なお、本実施形態の距離ａは、支点１１３から主振動腕１５１の中心軸までの距離である。従って、ａ＜ｂであれば、主振動腕１５１に加わる荷重は、測定荷重が（ｂ／ａ）に拡大されて伝達される。本実施形態では（ｂ／ａ）が増幅利得と考えられる。

なお、振動体が２本の振動腕からなる従来構造では、力点が２本の振動腕の中央に位置することから、支点１１３から力点１１２までの距離は距離ａ´で表され、１本の主振動腕１５１からなる本実施形態の距離ａとの関係は、ａ＜ａ´となる。従って増幅利得は、（ｂ／ａ）＞（ｂ／ａ´）となり、前述した加速度センサと同様に、増幅利得が大きくなり、検出感度を高めることができる。

また、主振動腕１５１を１本にすることにより、主振動腕１５１に生じる応力を高め、振動腕が２本の場合に比べ、検出感度を約２倍に向上させることができる。また、検出感度を向上させることにより、微小な荷重（力）を高精度に検出できる。

実施形態１に係る加速度センサを示す平面図。 実施形態２に係る加速度センサを示す平面図。 実施形態３に係る加速度センサを示す平面図。 実施形態４に係る加速度センサを示す平面図。 実施形態５に係る加速度センサ、及び実施形態６に係る荷重センサを示す平面図。 実施形態７に係る荷重センサを示す斜視図。

符号の説明

１０…加速度センサ、２０…支持部、２５，２６…支持部基部、３５，３６…質量部基部、３０…可動質量部、４０…ヒンジ継手、５０，６０…振動体、５１，６１…主振動腕、５２，５３，６２，６３…副振動腕。

Claims (13)

1. 平面内に展開され、加速度を加えることによって振動体の共振周波数が変化することを検出する加速度センサであって、
   固定端としての支持部と、前記支持部に併設される可動質量部と、
   前記可動質量部の長手方向側面に沿って延在され、且つ前記支持部と前記可動質量部との間に延在される振動体と、を有し、
   前記振動体が、前記支持部に連続する支持部基部と前記可動質量部に連続する質量部基部との間に延在される１本の主振動腕と、前記支持部基部及び前記質量部基部のそれぞれから前記主振動腕に沿って延在される副振動腕と、
   少なくとも前記主振動腕に設けられる励振手段と、を備え、
   前記主振動腕と前記副振動腕の共振周波数が一致していることを特徴とする加速度センサ。
2. 請求項１に記載の加速度センサにおいて、
   前記振動体が、前記可動質量部を挟んで両側に設けられ、それぞれの振動体の共振周波数変化の差分を加速度の検出値とすることを特徴とする加速度センサ。
3. 請求項１に記載の加速度センサにおいて、
   前記振動体が、前記可動質量部の一方の側面に沿って設けられていることを特徴とする加速度センサ。
4. 請求項１ないし請求項３のいずれか一項に記載の加速度センサにおいて、
   前記主振動腕が、前記可動質量部と前記副振動腕の間に配設されていることを特徴とする加速度センサ。
5. 請求項１ないし請求項４のいずれか一項に記載の加速度センサにおいて、
   前記支持部基部と前記支持部の間、前記質量部基部と前記可動質量部の間のそれぞれに、くびれ部を設けていることを特徴とする加速度センサ。
6. 請求項１ないし請求項５のいずれか一項に記載の加速度センサにおいて、
   前記支持部基部及び前記質量部基部の一部が平面方向に入り込む切欠き部が、前記可動質量部に備えられていることを特徴とする加速度センサ。
7. 請求項１ないし請求項６のいずれか一項に記載の加速度センサにおいて、
   前記支持部と前記可動質量部とが、前記支持部と前記可動質量部とが対向する面においてヒンジ継手で結合されていることを特徴とする加速度センサ。
8. 請求項７に記載の加速度センサにおいて、
   前記ヒンジ継手を振動支点とする前記可動質量部の共振周波数が、前記主振動腕の共振周波数に影響を与えない程度の差を有していることを特徴とする加速度センサ。
9. 請求項１または請求項２に記載の加速度センサにおいて、
   前記支持部が前記可動質量部を挟んで二つ設けられ、
   一方の前記振動体が前記可動質量部と一方の前記支持部の間に延在され、
   他方の前記振動体が前記可動質量部と他方の前記支持部の間に延在されていることを特徴とする加速度センサ。
10. 請求項１ないし請求項９のいずれか一項に記載の加速度センサにおいて、
    少なくとも前記振動体が単結晶圧電材料からなることを特徴とする加速度センサ。
11. 請求項１ないし請求項９のいずれか一項に記載の加速度センサにおいて、
    少なくとも前記振動体が恒弾性材料からなることを特徴とする加速度センサ。
12. 平面内に展開され、荷重を加えることによって振動体の共振周波数が変化することを検出する荷重センサであって、
    可動質量部と、前記可動質量部を挟んで設けられる二つの支持部と、
    前記可動質量部の長手方向側面の両側に沿って延在され、且つ前記支持部と前記可動質量部との間に延在される二つの振動体と、を備え、
    一方の前記振動体が前記可動質量部と一方の前記支持部の間に延在され、
    他方の前記振動体が前記可動質量部と他方の前記支持部の間に延在され、
    前記二つの振動体それぞれが、前記支持部に連続する支持部基部と前記可動質量部に連続する質量部基部との間に延在される主振動腕と、前記支持部基部及び前記質量部基部のそれぞれから前記主振動腕に沿って延在される副振動腕と、
    少なくとも前記主振動腕に設けられる励振手段と、
    が備えられていることを特徴とする荷重センサ。
13. 荷重を加えることによって振動体の共振周波数が変化することを検出する荷重センサであって、
    基台に固定する支持部と、前記支持部の端部に設けられる突出部と、
    前記突出部を支点として、前記突出部に連続し両端に力点と重点を有するてこ部と、
    前記力点と前記支持部との間に連結片を介して延在される前記振動体と、
    前記重点に引張片を介して設けられる荷重受部と、が備えられ、
    前記振動体が、前記支持部に連続する支持部基部と前記力点に連続する力点基部との間に延在される主振動腕と、前記支持部基部及び前記力点基部のそれぞれから前記主振動腕に沿って延在される副振動腕と、
    少なくとも前記主振動腕に設けられる励振手段と、を有し、
    前記荷重受部に加えられた荷重が、前記てこ部を介して前記振動体に拡大または縮小され伝達されることを特徴とする荷重センサ。

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