JP5849265B2 - 弾性表面波型加速度センサおよびセンサ素子基体 - Google Patents
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Description
(2) 多軸加速度を検出する弾性表面波型加速度センサであり、三の剛体と、該剛体間を連結する梁とを有し、該剛体は加速度を受けて変位する錘部と変位しない支持部とであって、該錘部と該支持部とは交互に配置され、少なくとも各梁の表面にそれぞれ1以上の弾性表面波共振器を備えており、該支持部を中心として該錘部がその両側に配置されてなることを特徴とする、弾性表面波型加速度センサ。
(3) 前記梁の弾性表面波共振器は、本弾性表面波型加速度センサにおける前記剛体配置方向長さに直交する中心線(以下、「長さ方向の中心線」という。)に対して線対称に配置されていることを特徴とする、(1)または(2)に記載の弾性表面波型加速度センサ。
(5) 前記四個の弾性表面波共振器は、幅方向の中心線上から外れた端部寄りに配置されていることを特徴とする、(4)に記載の弾性表面波型加速度センサ。
(7) (1)ないし(6)のいずれかに記載の弾性表面波型加速度センサを構成する、少なくとも梁は弾性表面波を発生させるための圧電基板を用いて形成されていることを特徴とする、弾性表面波型加速度センサ用センサ素子基体。
(8) 前記支持部、錘部および梁が一体に形成されていることを特徴とする、(7)に記載の弾性表面波型加速度センサ用センサ素子基体。
図1は、本発明の弾性表面波型加速度センサの基本構成例を示す斜視図である。なお、弾性表面波共振器(以下、単に「共振器」ともいう。)は図示しておらず、したがって図1は、本発明の弾性表面波型加速度センサ素子の基体の基本構成例でもある。図示するように多軸加速度を検出するための本弾性表面波型加速度センサ10は、三の剛体11、12、13と、各剛体間を連結する梁24、25とを有し、三の剛体のうち両端側の剛体11と剛体13はそれぞれ加速度を受けて振動する錘部3A、錘部3Bであり、中央の剛体12は加速度を受けても振動しない支持部4Cであり、少なくとも各梁24、25の表面にはそれぞれ、1以上の弾性表面波共振器(図示せず)が備えられていることを、主たる構成とする。共振器は、梁24等上だけではなく、剛体のうち中央に配置される剛体12(図では支持部4C)にも設ける構成とすることができる。
図2−1−aは、本発明加速度センサにおいてX軸に加速度が加わった場合の斜視説明図、また、図2−1−bは図2−1−aに係る断面説明図である。図示するようにX軸に加速度が加わった場合、対向する錘部3A、3Bの慣性力に比例した撓み変位が発生し、対向する梁24、25には+位相と−位相の逆位相の歪が発生する。歪発生部分に歪の方向と弾性表面波の伝搬方向を一致させるように弾性表面波共振器を配置することで、伝搬路長の変化により周波数が変化する。撓み振動による周波数の変化を検知することで、X軸加速度を検知可能となる。なお、実施例にてさらに説明する。
(I)長さ方向の中心線に対して線対称に、つまり左右対称に配置する。
(II)四個の共振器を、長さ方向の中心線および幅方向の中心線双方に対して線対称に配置、つまり左右対称前後対称で、四箇所に配置する。
(II−2)四個の共振器をさらに、幅方向の中心線上から外れた端部寄りに配置する。
(III)二個の共振器を、中央に配置される剛体上の共振器に対して点対称に配置する。
(III−2)二個の共振器をさらに、幅方向の中心線上に配置、つまり線対称配置する。
<実施例1>
実施例1は、支持部および梁の弾性表面波共振器を4箇所に有する加速度センサにおいて、3軸加速度検出の構成を実現する例である。
図3は本発明弾性表面波型加速度センサ実施例1の斜視図および横断面図であり、図4は、実施例1においてX軸、Y軸、Z軸加速度が加わった場合の歪分布のFEM(Finite Element Method)解析結果を示す説明図である。
表1に、以下の説明における用語とその定義を示す。各共振器A〜Dの基準周波数をFとすると、各共振器の周波数(以下、SAW_A〜D)はF+ΔFと表すことができる。支持部上に設ける基準弾性表面波共振器(以下、「支持部共振器」という。)の周波数とSAW_A〜Dの差分を周波数感度α、β、γとした場合、加速度に対する各出力変化ΔFは、表2に示すとおり、X,Y,Z軸方向成分を含んだ合成出力となる。
実施例2は、支持部に1箇所、梁に2箇所の弾性表面波共振器を備えた加速度センサによって、2軸加速度検出の構成を実現する例である。
図5は本発明弾性表面波型加速度センサ実施例2の斜視図および横断面図であり、図6は、実施例2においてX軸、Y軸、Z軸加速度が加わった場合の歪分布のFEM解析結果を示す説明図である。
各共振器の基準周波数をFとすると、各共振器の周波数(以下、SAW_A、B)はF+ΔFと表すことができる。支持部共振器の周波数とSAW_A、Bの差分を周波数感度α、γとした場合、加速度に対する各出力変化ΔFは表5に示すとおりとなり、X,Y,Z軸方向成分を含んだ合成出力となる。さらに、表6に示す演算式により、SAW_A、Bの各出力から2軸加速度成分の合成和を分離できることがわかる。このことから、かかる所定の演算式を用いることによって、2軸加速度を独立して検出することが可能となる。
実施例3は、弾性表面波共振器を梁上の4箇所に有する加速度センサにより、3軸加速度検出の構成を実現する例である。
図7は本発明弾性表面波型加速度センサ実施例3の斜視図および横断面図であり、図8は、実施例3においてX軸、Y軸、Z軸加速度が加わった場合の歪分布のFEM解析結果を示す説明図である。
各共振器の基準周波数をFとすると、各共振器の周波数(以下、SAW_A〜D)はF+ΔFと表すことができる。外部からの基準信号とSAW_A〜Dの差分を周波数感度α、β、γとした場合、加速度に対する各出力変化ΔFは表7に示すとおりとなり、X,Y,Z軸方向成分を含んだ合成出力となる。さらに、表8、9に示した演算式により、SAW_A〜Dの各出力から3軸加速度成分の合成和を分離できることがわかる。このことから、かかる所定の演算式を用いることによって、3軸加速度を独立して検出することが可能となる。なお本例では、加速度の影響を受けない共振器の代わりに外部からの基準信号を用いるが、これはたとえば、外付けの発振子からの周波数信号などである。
実施例4は、実施例1の加速度センサにおける支持部と錘部の配置を逆にした構造、すなわち中央に錘部、その両側に支持部を備えた構造によって、3軸加速度検出する加速度センサの構成を実現する例である。
図9は本発明弾性表面波型加速度センサ実施例4の斜視図および横断面図であり、図10は、実施例4においてX軸、Y軸、Z軸加速度が加わった場合の歪分布のFEM解析結果を示す説明図である。
11、12、13…剛体
24、25…梁
3A、3B…錘部
4C…支持部
Claims (8)
- 多軸加速度を検出する弾性表面波型加速度センサであり、三の剛体と、該剛体間を連結する梁とを有し、該剛体は加速度を受けて変位する錘部と変位しない支持部とであって、該錘部と該支持部とは交互に配置され、少なくとも各梁の表面にそれぞれ1以上の弾性表面波共振器を備えており、該剛体のうち中央に配置される剛体には弾性表面波共振器を設けず、加速度検出のための演算処理には本センサ外部からの基準信号が用いられることを特徴とする、弾性表面波型加速度センサ。
- 多軸加速度を検出する弾性表面波型加速度センサであり、三の剛体と、該剛体間を連結する梁とを有し、該剛体は加速度を受けて変位する錘部と変位しない支持部とであって、該錘部と該支持部とは交互に配置され、少なくとも各梁の表面にそれぞれ1以上の弾性表面波共振器を備えており、該支持部を中心として該錘部がその両側に配置されてなることを特徴とする、弾性表面波型加速度センサ。
- 前記梁の弾性表面波共振器は、本弾性表面波型加速度センサにおける前記剛体配置方向長さに直交する中心線(以下、「長さ方向の中心線」という。)に対して線対称に配置されていることを特徴とする、請求項1または2に記載の弾性表面波型加速度センサ。
- 前記梁の弾性表面波共振器は四個設けられ、これらは、本弾性表面波型加速度センサにおける前記剛体配置方向長さに直交する中心線(以下、「長さ方向の中心線」という。)、および該長さ方向の中心線に直交する中心線(以下、「幅方向の中心線」という。)の双方に対して線対称に配置されていることを特徴とする、請求項1または2に記載の弾性表面波型加速度センサ。
- 前記四個の弾性表面波共振器は、幅方向の中心線上から外れた端部寄りに配置されていることを特徴とする、請求項4に記載の弾性表面波型加速度センサ。
- 前記錘部を中心として前記支持部がその両側に配置されてなることを特徴とする、請求項1ないし5のいずれかに記載の弾性表面波型加速度センサ。
- 請求項1ないし6のいずれかに記載の弾性表面波型加速度センサを構成する、少なくとも梁は弾性表面波を発生させるための圧電基板を用いて形成されていることを特徴とする、弾性表面波型加速度センサ用センサ素子基体。
- 前記支持部、錘部および梁が一体に形成されていることを特徴とする、請求項7に記載の弾性表面波型加速度センサ用センサ素子基体。
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