JP4420038B2 - 応力感応素子 - Google Patents

Description

本発明は、応力感応素子に関し、特に圧電振動子の共振周波数の変化を利用して加速度等の応力を検出するのに好適なものである。

加速度センサは従来から自動車、航空機、ロケットから各種プラントの異常振動監視等まで、広く使用されている。特許文献１に図６の斜視図に示すような加速度センサの梁構造が開示されている。図６において符号５０は２つの振動ビーム５１を有する水晶双音叉振動子、５２は水晶双音叉振動子５０の接着部、６０は水晶双音叉振動子５０と同一カットの水晶より構成した梁であって、水晶双音叉振動子５０の接着部５２と当接する部分の板厚のみを、他の部分の板厚より厚くした突起部７０を一体的に形成し、該突起部７０と双音叉振動子の接着部５２とは接着剤等により接着、固定される。そして、梁６０の自由端には重り８０を設け、該重り８０と対向する一端はベース９０に固定する。

図６のように構成した加速度センサのベース９０を被測定物に固定し、矢印方向に加速度を受けると重り８０は梁６０を撓ませ、梁６０に固定した水晶双音叉振動子５０は圧縮あるいは伸張応力を受け、周波数が変化する。つまり、周波数の変化量から加速度の大きさを測定するセンサである。梁６０上に突起部７０を形成することにより、無い場合に比べて水晶双音叉振動子５０に加わる応力の大きさが増加するため、梁６０の板厚を薄くすることなく、且つ重り８０の質量を増加することなく、高感度の加速度センサを構成することができると開示されている。
特開平２−２４８８６６号公報

しかしながら、特許文献１に記載の加速度センサは、同一カットの水晶より構成した梁６０に、水晶双音叉振動子５０を接着し、更に梁６０の自由端に重りを接着して加速度センサを構成するので、工数が増加し、製造コストが高くなるという問題点があった。
本発明は上記した問題点を解決するためになされたものであり、その目的は、低コストで、しかも安定した応力検知が可能な応力感応素子を提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明の応力感応素子は、応力を検出するための電極部を有する振動腕と、この振動腕の両端部に夫々可撓性を有する連結部を介して一体化された梁部と、を備え、前記振動腕及び前記梁部は検知すべき応力方向に対して直交するように配置され、前記梁の略中央部を固定部として載置し、前記検知すべき応力方向と直交する方向の応力に対して夫々の前記連結部が同一方向に撓む構成とした。このように構成すれば、例えばエッチング加工によって簡単に製造することが可能になるため、製造コストの低減することができる。

また本発明の応力感応素子は、梁部の略中央を固定部とした。このように構成すると、単一方向の応力を感度良く検知することができる。
また本発明の応力感応素子は、梁部における固定部を挟む位置にそれぞれ括れ部を設けるようにした。このように構成すると、括れ部により梁部をより撓み易くできるので、単一方向の応力を感度良く検知することができる。

また本発明の応力感応素子は、振動腕が双音叉型であることを特徴とする。
このように構成すると、応力−周波数変化特性を高めることができるため、応力検出感度が向上すると共に安定度が増すという効果がある。

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（ａ）は本発明に係る応力感応素子１の構成を示す斜視図である。
この図１に示す応力感応素子１は圧電材料である水晶によって構成され、振動腕２０と、振動腕２０の両端部に夫々一体化された梁部１０ｂと、を備える。即ち、連結部１０ａの一方の端部と梁部１０ｂの一方の端部とが接合され、梁部１０ｂの他方の端部と連結部１０ｃの一方の端部とが接合され、連結部１０ａの他方の端部と連結部１０ｃの他方の端部とに振動腕２０の両端部が接合されている。このような応力感応素子１は、周知のフォトリソグラフィ技法とエッチング手段を用いて水晶板をエッチング加工することにより一体的に形成することができる。

振動腕２０は、互いに隣接する第１、第２及び第３の電極部２２、２３、２４と、リード電極（図示しない）と、振動腕２０の端部に設けた端子電極２５、２６を備え、第１、第２及び第３の電極部２２、２３、２４は、それぞれ振動腕２０の両端を除く４つの面に電極を有すると共に、各電極部の対向する電極同士をリード電極で接続する。さらに、第１の電極部２２の上面電極（ＸＺ平面）と、第２の電極部２３の側面電極（ＸＹ平面）と、第３の電極部２４の上面電極（ＸＺ平面）とをリード電極にて振動腕２０の端部に形成した端子電極２５に接続し、第１の電極部２２の側面電極（ＸＹ平面）と、第２の電極部２３の上面電極（ＸＺ平面）と、第３の電極部２４の側面電極（ＸＹ平面）とをリード電極にて振動腕２０の端部に形成した端子電極２６に接続する。

図１（ｂ）は、第２電極部２３の電極２３ａ、２３ｂ、２３ｃ、２３ｄ上にある瞬間に発生する電荷と、電極２３ａ、２３ｂ、２３ｃ、２３ｄの接続を示した断面図である。
振動腕２０に第１、第２及び第３の電極部２２、２３、２４を形成し、端子電極２５、２６に高周波電圧を印加すると、振動腕２０は両端部を節とし、Ｘ−Ｚ面内で固有周波数の屈曲振動をする。そして、振動腕２０の固有周波数（共振周波数）は振動腕２０に加えられる応力（圧縮あるいは伸張）により変化する。

図１（ａ）に示すように振動腕２０に隣接する連結部１０ｃの中央部を固定（固定部Ｐ）し、振動腕２０の延長方向と直交する方向であるＺ軸方向を加速度検出軸方向とする。例えば、＋Ｚ軸（矢印方向）に加速度を加えると、応力感応素子１には−Ｚ軸方向に慣性力による応力が加わり、Ｐ点を固定しているため、その方向に梁部１０ｂが撓む（反る）ことになる。このとき連結部１０ａと連結部１０ｃとの間隔を狭めるような働きが発生するので振動腕２０には圧縮応力が加わり、共振周波数は低くなる方向へ変化する。逆に、−Ｚ軸方向（矢印と反対方向）に加速度が加わる場合は、応力感応素子１には＋Ｚ軸方向に慣性力による応力が加わり、その方向に応力感応素子１の梁部１０ｂは撓む（反る）ことになる。このとき、連結部１０ａと連結部１０ｃとの間隔を広げるような働きが発生するので振動腕２０には伸張応力が加わり、共振周波数は高くなる方向へ変化する。この周波数変化を検出することにより印加された応力を求めることができる。

また、本実施形態の応力感応素子１においては、平板状の水晶板をフォトリソグラフィ技法とエッチング手段を用いて、中央部分を広範囲にエッチングし、周縁部のみを残すように加工して口字形状の水晶構造体を形成し、この水晶構造体の一辺に蒸着等の手段を用いて、図１（ａ）に示すような第１、第２及び第３の電極部２２、２３、２４と、リード電極（図示しない）と、端子電極２５、２６とを形成するようにしている。
このように形成すれば、構造体の熱膨張係数は全て同一となり、温度変化の影響を最小限に抑えることができるという利点がある。さらに、フォトリソグラフィ技法とエッチング手段を用いて水晶板を加工することにより、少ない製造工数でありながら機能部材の形状はより自由となると共に、加工精度が向上し、小型化を図ることができるという利点もある。

図２は、第２の実施形態の応力感応素子２の構成を示す斜視図である。
図１（ａ）に示す応力感応素子１と異なる点は、振動腕２０と対向する辺の梁部１０ｂの中央部に丸みを帯びた括れ部１１を形成した点である。
図２に示すように梁部１０ｂに括れ部１１を形成すると、加速度検出軸方向（Ｚ軸方向）に加えられた応力に対して梁部１０ｂが撓みやすくなり、応力検出感度が向上するという利点がある。

図３は、第３の実施形態の応力感応素子３の構成を示す斜視図であり、図１（ａ）に示す応力感応素子１と異なる点は、応力感応素子３を固定する位置を振動腕２０に対向する辺の梁部１０ｂの略中央とした点である。図３に示すように梁部１０ｂの略中央部を固定すると、加速度検出軸方向（Ｚ軸方向）に応力が加えられると梁部１０ｂは中央部の固定部Ｐを頂点あるいは底として撓むことになる。
図４は、第４の実施形態の応力感応素子４の構成を示す斜視図であり、図１（ａ）に示す応力感応素子１と異なる点は、振動腕２０と対向する辺の梁部１０ｂの略中央部を固定部Ｐとしたうえで、その両側に括れ部１２、１３を設けた点である。図４に示すように構成すると、加速度検出軸方向（Ｚ軸方向）に加えられた応力に対し梁部１０ｂが撓みやすくなり、応力検出感度が向上するという利点がある。

図５は、第５の実施形態の応力感応素子６の構成を示す平面図であり、図１（ａ）に示す応力感応素子１と異なる点は振動腕として双音叉型水晶振動素子２７を用いた点である。双音叉型水晶振動素子２７の共振周波数の変化と印加される応力（圧縮あるいは伸張）との関係は周知のように略直線となる。
従って、双音叉型水晶振動素子２７に応力が加えられないときの双音叉型水晶振動素子２７の共振周波数をｆ０とし、双音叉型水晶振動素子２７に伸張応力が加わると共振周波数はｆ０より高くなり、圧縮応力が加わると共振周波数はｆ０より減少し、印加応力と共振周波数との関係は略直線となる。
図５に示す応力感応素子６の固定部Ｐは連結部１０ｃの略中央、梁部１０ｂの中央のいずれでもよい。また、図２、図４に示すように梁部１０ｂの略中央あるいは、中央を挟んだ両側に括れ部を設けてもよい。

なお、これまで説明した本実施の形態では、平板状の水晶をフォトリソグラフィ技法とエッチング手段を用いて加工して口字形状の水晶構造体を形成する場合を例に挙げて説明したが、例えば弾性を有する弾性部材を用いて構成した連結部１０ａ、１０ｃと梁部１０ｂとの端部を接合してコ字形状の機能部材を形成し、この機能部材に振動腕２０の両端部を接合して口字形状の応力感応素子を構成するようにしても良い。また一枚の平板状の弾性部材にエッチング加工を施し、コ字形状の機能部材を形成し、その開口部に振動腕２０の両端部を接合して口字形状の応力感応素子を構成するようにしても良い。このように構成すると、連結部１０ａ、１０ｃと梁部１０ｂとの端部を接合してコ字形状の機能部材を形成する場合より加工精度が向上し、低コスト化が図られる。さらに、エッチング加工により機能部材を形成する場合は、より自由な形状の機能部材が可能となる。例えばＵ字形状の機能部材をエッチングにより形成し、その開口部に振動腕を接合して応力感応素子を構成することができる。

また、図１に示す応力感応素子１では、連結部１０ｃの中央部Ｐを固定した構成であるので、例えばＸ軸方向（振動腕２０の延長方向）の加速に対して連結部１０ａに慣性力が発生し、振動腕２０を圧縮、伸張させる作用が発生しやすい場合がある。
これに対して例えば図３に示す応力感応素子３のように応力感応素子３を固定する位置が振動腕２０に対向する辺の梁部１０ｂの略中央であれば、連結部１０ａと連結部１０ｃとがＸ軸方向の加速に対して同一方向に撓むことがかのうなので連結部１０ａと連結部１０ｃとの間隔が加速前後で保たれ易く、振動腕２０を圧縮、伸張させる作用が発生し難いという利点がある。

（ａ）は本発明に係る応力感応素子の構成を示した概略斜視図、（ｂ）は電極とその接続を示す断面図。 第２の実施形態の応力感応素子の構成を示した斜視図。 第３の実施形態の応力感応素子の構成を示した斜視図。 第４の実施形態の応力感応素子の構成を示した斜視図。 第５の実施形態の応力感応素子の構成を示した平面図。 従来の加速度センサの構成を示す斜視図。

符号の説明

１、２、３、４、６…応力感応素子、１０ａ、１０ｃ…連結部、１０ｂ…梁部、１１、１２、１３…括れ部、２０…振動腕、２２…第１の電極部、２３…第２の電極部、２３ａ、２３ｂ、２３ｃ、２３ｄ…電極、２４…第３の電極部、２５、２６…端子電極、２７…双音叉型水晶振動素子、Ｐ…固定部

Claims (3)

1. 応力を検出するための電極部を有する振動腕と、該振動腕の両端部に夫々可撓性を有する連結部を介して一体化された梁部と、を備え、前記振動腕及び前記梁部は検知すべき応力方向に対して直交するように配置され、前記梁の略中央部を固定部として載置し、前記検知すべき応力方向と直交する方向の応力に対して夫々の前記連結部が同一方向に撓む構成としたことを特徴とする応力感応素子。
2. 前記梁部における前記固定部を挟む位置にそれぞれ括れ部を設けたことを特徴とする請求項１に記載の応力感応素子。
3. 前記振動腕が双音叉型であることを特徴とする請求項１に記載の応力感応素子。

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