JPH08327653A

JPH08327653A - 加速度センサ

Info

Publication number: JPH08327653A
Application number: JP15544095A
Authority: JP
Inventors: Tasuku Masuo; 尾翼増
Original assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Priority date: 1995-05-29
Filing date: 1995-05-29
Publication date: 1996-12-13

Abstract

(57)【要約】【目的】２軸を中心として回転する２方向の加速度を
検出することができる、加速度センサを提供する。【構成】加速度センサ１０は振動子１２を含み、振動
子１２はその中央に正方形板状の重り１４を有する。重
り１４の４辺の各中央部分は、細長い４つの結合部１６
ａ〜１６ｄを介して、枠体１８の４つの振動板２０ａ〜
２０ｄの各中央部分に結合される。枠体１８の４隅の４
つの支持部２２ａ〜２２ｄは、基板２４に挿通され、基
板２４の主面の電極にはんだ付けされる。枠体１８の４
つの振動板２０ａ〜２０ｄには、１６個の圧電素子２６
ａ１〜２６ａ４，２６ｂ１〜２６ｂ４，２６ｃ１〜２６
ｃ４，２６ｄ１〜２６ｄ４が接着される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は加速度センサに関し、
特にたとえば、外的振動によって生じる加速度を検出
し、適切な制振を行うビデオカメラの手ぶれ防止装置な
どの除振システムに応用できる加速度センサに関する。

【０００２】

【従来の技術】加速度センサは種々の方式のものが実用
化されているが、その中でも金属からなる振動板にセラ
ミックからなる圧電素子が接着された振動子を有する振
動型の加速度センサは、高感度で０Ｈｚに近い低周波か
ら加速度の測定が可能であるとともに構造が簡単である
などの特徴を有しているため、広く使われている。

【０００３】従来の振動型の加速度センサには、振動子
が片持ち梁構造で振動子の先端に重りが付けられたもの
や振動子の両端が固定され振動子の中央に重りが付けら
れたものがある。これらの加速度センサでは、それに加
速度が加わると、圧電素子を含む振動子が湾曲し、その
加速度に対応した信号が振動子の圧電素子から得られ
る。そのため、圧電素子から得られた信号を測定するこ
とによって、加速度が検出される。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ところが、従来の振動
型の加速度センサでは、構造上、振動子が振動板の主面
に直交する方向にしか湾曲しないので、１方向の加速度
しか検出することができない。

【０００５】一方、たとえばビデオカメラの手ぶれ防止
装置などにおいては、水平軸を中心として回転する加速
度とそれに直交する垂直軸を中心として回転する加速度
との２軸を中心として回転する２方向の加速度を検出す
る必要がある。

【０００６】そのため、従来技術では、ビデオカメラの
手ぶれ防止装置などにおいて、２個の加速度センサを２
方向に配置して使用する必要があり、配置空間の増大や
部品点数の増大などの問題がある。

【０００７】それゆえに、この発明の主たる目的は、２
軸を中心として回転する２方向の加速度を検出すること
ができる、加速度センサを提供することである。

【０００８】

【課題を解決するための手段】この発明は、重りと、第
１の軸上に設けられる２つの第１の結合部および第１の
軸に直交する第２の軸上に設けられる２つの第２の結合
部を介して重りに結合され、重りの周囲に配置される枠
体と、枠体において第２の結合部の近傍に設けられる第
１の圧電素子と、枠体において第１の結合部の近傍に設
けられる第２の圧電素子とを含む、加速度センサであ
る。

【０００９】なお、この発明にかかる加速度センサおい
て、第１の軸を中心として回転する加速度に対応した信
号を検出するための第１の検出手段が第１の圧電素子に
接続され、第２の軸を中心として回転する加速度に対応
した信号を検出するための第２の検出手段が第２の圧電
素子に接続されてもよい。

【００１０】

【作用】この発明にかかる加速度センサに第１の軸を中
心として回転する加速度が加わった場合、重りが２つの
第１の結合部を中心軸として回転する。そのため、枠体
において第２の結合部の近傍が、第１の圧電素子ととも
に変形する。したがって、第１の圧電素子には、第１の
軸を中心として回転する加速度に対応した信号が発生す
る。なお、第１の軸を中心として回転する加速度に対応
した信号は、たとえば上述の第１の検出手段によって検
出される。

【００１１】また、この発明にかかる加速度センサに第
２の軸を中心として回転する加速度が加わった場合、重
りが２つの第２の結合部を中心軸として回転する。その
ため、枠体において第１の結合部の近傍が、第２の圧電
素子とともに変形する。したがって、第２の圧電素子に
は、第２の軸を中心として回転する加速度に対応した信
号が発生する。なお、第２の軸を中心として回転する加
速度に対応した信号は、たとえば上述の第２の検出手段
によって検出される。

【００１２】

【発明の効果】この発明によれば、第１の軸および第２
の軸を中心として回転する２方向の加速度を検出するこ
とができる、加速度センサが得られる。そのため、この
発明にかかる加速度センサでは、２個の加速度センサを
使用することなく、たとえばビデオカメラの手ぶれ防止
装置などを構成することができる。

【００１３】この発明の上述の目的、その他の目的、特
徴および利点は、図面を参照して行う以下の実施例の詳
細な説明から一層明らかとなろう。

【００１４】

【実施例】図１はこの発明の一実施例を示す斜視図であ
り、図２は図１に示す実施例に用いられる発振回路、第
１の検出回路および第２の検出回路を示すブロック図で
ある。加速度センサ１０は振動子１２を含み、振動子１
２はその中央に重り１４を有する。重り１４は、たとえ
ば縦５ｍｍ、横５ｍｍ、厚さ０．２ｍｍの正方形板状に
形成される。

【００１５】重り１４の４辺の各中央部分は、４つの結
合部１６ａ〜１６ｄを介して、たとえば４角形状の枠体
１８の４つの振動板２０ａ〜２０ｄの各中央部分に結合
される。この場合、２つの結合部１６ｂおよび１６ｄ
は、第１の結合部として、重り１４の中心を通る第１の
軸（水平軸Ｘ）上に配置される。また、２つの結合部１
６ａおよび１６ｃは、第２の結合部として、重り１４の
中心を通り第１の軸（水平軸）に直交する第２の軸（垂
直軸Ｙ）上に配置される。それによって、重り１４は、
枠体１８の内側に配置される。なお、結合部１６ａ〜１
６ｄは、それぞれ、たとえば長さ１ｍｍ、幅０．２ｍ
ｍ、厚さ０．２ｍｍに細長く形成される。また、枠体１
８は、たとえば、内側が１辺が７ｍｍの正方形状に形成
され、外側が１辺が９ｍｍの正方形状に形成され、厚さ
が０．２ｍｍに形成される。

【００１６】枠体１８の４隅には、４つの支持部２２ａ
〜２２ｄが、振動板２０ａ〜２０ｄの主面に直交する方
向に延びるように形成される。なお、支持部２２ａ〜２
２ｄは、それぞれ、たとえば長さ４ｍｍ、幅０．５ｍ
ｍ、厚さ０．２ｍｍに形成される。これらの支持部２２
ａ〜２２ｄは、たとえばガラス−エポキシ系のプリント
基板などの基板２４に挿通され、基板２４の主面の電極
にはんだ付けされる。それによって、枠体１８などが基
板２４に取り付けられる。

【００１７】なお、重り１４、結合部１６ａ〜１６ｄ、
枠体１８（振動板２０ａ〜２０ｄ）および支持部２２ａ
〜２２ｄは、たとえば、Ｆｅ−Ｎｉ合金（４２Ｎｉ）か
らなる厚さ０．２ｍｍの板材をホトリソグラフィによる
エッチングおよび曲げ加工によって一体的に形成され
る。このエッチングには、たとえば、ポリビニルアルコ
ール系のレジストや塩化第２鉄からなるエッチング液が
用いられる。

【００１８】枠体１８の１つの振動板２０ａには、その
一方主面に２つの圧電素子２６ａ１および２６ａ２が長
手方向に間隔を隔ててたとえばエポキシ樹脂などの接着
剤で接着され、その他方主面に２つの圧電素子２６ａ３
および２６ａ４が長手方向に間隔を隔ててたとえばエポ
キシ樹脂などの接着剤で接着される。同様に、振動板２
０ｂの両主面には４つの圧電素子２６ｂ１〜２６ｂ４が
接着され、振動板２０ｃの両主面には４つの圧電素子２
６ｃ１〜２６ｃ４が接着され、振動板２０ｄの両主面に
は４つの圧電素子２６ｄ１〜２６ｄ４が接着される。な
お、各圧電素子は、たとえば、チタン酸ジルコン酸鉛を
主成分とするセラミックからなる圧電体層を含み、圧電
体層の両面にたとえばＡｇを焼結して電極がそれぞれ形
成され、長さ２ｍｍ、幅１ｍｍ、厚さ０．２ｍｍに形成
される。また、振動板２０ａ〜２０ｄの一方主面に接着
される圧電素子２６ａ１，２６ａ２，２６ｂ１，２６ｂ
２，２６ｃ１，２６ｃ２，２６ｄ１，２６ｄ２の圧電体
層は、外側から内側（振動板側）に向かって分極され
る。さらに、振動板２０ａ〜２０ｄの他方主面に接着さ
れる圧電素子２６ａ３，２６ａ４，２６ｂ３，２６ｂ
４，２６ｃ３，２６ｃ４，２６ｄ３，２６ｄ４の圧電体
層は、内側（振動板側）から外側（基板側）に向かって
分極される。

【００１９】１６個の圧電素子２６ａ１〜２６ａ４，２
６ｂ１〜２６ｂ４，２６ｃ１〜２６ｃ４，２６ｄ１〜２
６ｄ４の外側の電極には、１６個の抵抗２８ａ１〜２８
ａ４，２８ｂ１〜２８ｂ４，２８ｃ１〜２８ｃ４，２８
ｄ１〜２８ｄ４の一端がそれぞれ接続される。１６個の
抵抗の他端と枠体１８（１６個の圧電素子の内側の電
極）との間には、駆動手段としての発振回路３０が接続
される。発振回路３０は、枠体１８を振動するための駆
動信号を発生するためのものであって、たとえば直列接
続される増幅回路３２と位相補正回路３４とで構成され
る。増幅回路３２は、１６個の圧電素子の内側の電極か
ら得られる信号を増幅するためのものである。また、位
相補正回路３４は、増幅回路３２から得られる駆動信号
の位相を補正し、その位相を補正した駆動信号を１６個
の圧電素子の外側の電極に与えるためのものである。

【００２０】また、第１の圧電素子として用いられる圧
電素子２６ａ１および２６ｃ２の外側の電極には、第１
の検出手段としての第１の検出回路４０が接続される。
第１の検出回路４０は、第１の圧電素子から第１の軸
（水平軸Ｘ）を中心として回転する加速度に対応した信
号を検出するためのものであって、たとえば第１の差動
回路４２および第１の同期検波回路４４で構成される。
第１の差動回路４２の２つの入力端には、圧電素子２６
ａ１および２６ｃ２の外側の電極がそれぞれ接続され
る。第１の差動回路４２の出力端は、第１の同期検波回
路４４の入力端に接続される。第１の同期検波回路４４
の別の入力端には、増幅回路３２の出力端が接続され
る。第１の同期検波回路４４は、第１の差動回路４２か
ら得られる信号を、発振回路３０の増幅回路３２から出
力される駆動信号に同期して検波するためのものであ
る。

【００２１】さらに、第２の圧電素子として用いられる
圧電素子２６ｂ１および２６ｄ２の外側の電極には、第
２の検出手段としての第２の検出回路５０が接続され
る。第２の検出回路５０は、第２の圧電素子から第２の
軸（垂直軸Ｙ）を中心として回転する加速度に対応した
信号を検出するためのものであって、たとえば第２の差
動回路５２および第２の同期検波回路５４で構成され
る。第２の差動回路５２の２つの入力端には、圧電素子
２６ｂ１および２６ｄ２の外側の電極がそれぞれ接続さ
れる。第２の差動回路５２の出力端は、第２の同期検波
回路５４の入力端に接続される。第２の同期検波回路５
４の別の入力端には、増幅回路３２の出力端が接続され
る。第２の同期検波回路５４は、第２の差動回路５２か
ら得られる信号を、発振回路３０の増幅回路３２から出
力される駆動信号に同期して検波するためのものであ
る。

【００２２】この実施例では、発振回路３０の出力信号
が、１６個の抵抗２８ａ１〜２８ａ４，２８ｂ１〜２８
ｂ４，２８ｃ１〜２８ｃ４，２８ｄ１〜２８ｄ４を介し
て、１６個の圧電素子２６ａ１〜２６ａ４，２６ｂ１〜
２６ｂ４，２６ｃ１〜２６ｃ４，２６ｄ１〜２６ｄ４の
外側の電極に与えられる。そして、１６個の圧電素子の
内側の電極から得られる信号が、枠体１８を介して発振
回路３０にフィードバックされる。それによって、振動
子１２は自励振駆動により振動する。この場合、振動板
２０ａ〜２０ｄの一方主面側の８個の圧電素子２６ａ
１，２６ａ２，２６ｂ１，２６ｂ２，２６ｃ１，２６ｃ
２，２６ｄ１，２６ｄ２が伸びている場合には、振動板
２０ａ〜２０ｄの他方主面側の８個の圧電素子２６ａ
３，２６ａ４，２６ｂ３，２６ｂ４，２６ｃ３，２６ｃ
４，２６ｄ３，２６ｄ４が縮み、図３に示すように、振
動板２０ａ〜２０ｄの各中央部分が外側に変形するとと
もに重り１４の中央部分が内側に変形する。逆に、振動
板２０ａ〜２０ｄの一方主面側の８個の圧電素子２６ａ
１，２６ａ２，２６ｂ１，２６ｂ２，２６ｃ１，２６ｃ
２，２６ｄ１，２６ｄ２が縮んでいる場合には、振動板
２０ａ〜２０ｄの他方主面側の８個の圧電素子２６ａ
３，２６ａ４，２６ｂ３，２６ｂ４，２６ｃ３，２６ｃ
４，２６ｄ３，２６ｄ４が伸び、振動板２０ａ〜２０ｄ
の各中央部分が内側に変形するとともに重り１４の中央
部分が外側に変形する。このような振動によって、枠体
１８に慣性が与えられる。

【００２３】また、この実施例では、第１の軸（水平軸
Ｘ）を中心として回転する加速度が加わった場合、重り
１４が２つの結合部１６ｂおよび１６ｄを中心軸として
回転し、たとえば図４に示すように、振動板２０ａの中
央部分および振動板２０ｃの中央部分が内側および外側
に互いに逆に変形する。そのため、圧電素子２６ａ１お
よび２６ｃ２が互いに逆に変形し、圧電素子２６ａ１お
よび２６ｃ２には、加速度の大きさに応じた互いに逆相
の信号が発生する。

【００２４】そして、この実施例では、第１の差動回路
４０によって圧電素子２６ａ１および２６ｃ２に発生す
る信号の差が検出される。また、第１の差動回路４０の
出力信号は、第１の同期検波回路４２によって、駆動信
号に同期して検波される。そのため、第１の同期検波回
路４２からは、第１の軸（水平軸Ｘ）を中心として回転
する加速度に対応した信号が得られる。

【００２５】なお、圧電素子２６ａ１および２６ｃ２に
与えられる駆動信号は同じであるため、駆動信号成分は
第１の差動回路４０で相殺される。したがって、駆動信
号成分は、第１の差動回路４０および第１の同期検波回
路４２から出力されない。

【００２６】また、この実施例では、第２の軸（垂直軸
Ｙ）を中心として回転する加速度が加わった場合、重り
１４が２つの結合部１６ａおよび１６ｃを中心軸として
回転し、たとえば図５に示すように、振動板２０ｂの中
央部分および振動板２０ｄの中央部分が外側および内側
に互いに逆に変形する。そのため、圧電素子２６ｂ１お
よび２６ｄ２が互いに逆に変形し、圧電素子２６ｂ１お
よび２６ｄ２には、加速度の大きさに応じた互いに逆相
の信号が発生する。

【００２７】そして、この実施例では、第２の差動回路
５０によって圧電素子２６ｂ１および２６ｄ２に発生す
る信号の差が検出される。また、第２の差動回路５０の
出力信号は、第２の同期検波回路５２によって、駆動信
号に同期して検波される。そのため、第２の同期検波回
路５２からは、第２の軸（垂直軸Ｙ）を中心として回転
する加速度に対応した信号が得られる。

【００２８】なお、圧電素子２６ｂ１および２６ｄ２に
与えられる駆動信号は同じであるため、駆動信号成分は
第２の差動回路５０で相殺される。したがって、駆動信
号成分は、第２の差動回路５０および第２の同期検波回
路５２から出力されない。

【００２９】また、この実施例では、厚み方向（軸Ｚの
方向）に加速度が加わった場合、たとえば図６に示すよ
うに、重り１４が外側に突き出し、振動板２０ａ〜２０
ｄの各中央部分が外側に同相に変形する。そのため、圧
電素子２６ａ１，２６ｂ２，２６ｃ１，２６ｄ２が同相
に変形し、圧電素子２６ａ１，２６ｂ２，２６ｃ１，２
６ｄ２には、同相の信号が発生する。したがって、圧電
素子２６ａ１，２６ｂ２，２６ｃ１，２６ｄ２に発生し
た信号は、第１の差動回路４０および第２の差動回路５
０で相殺され、第１の差動回路４０および第２の差動回
路５０から出力されない。

【００３０】したがって、この実施例では、第１の軸
（水平軸Ｘ）を中心として回転する加速度と第２の軸
（垂直軸Ｙ）を中心として回転する加速度との２軸を中
心として回転する２方向の加速度を検出することができ
る。

【００３１】また、この実施例では、重り１４、結合部
１６ａ〜１６ｄおよび枠体１８が平板から形成されるた
め、全体の厚みが薄い。

【００３２】さらに、この実施例では、重り１４、結合
部１６ａ〜１６ｄおよび枠体１８をエッチングによって
高精度に形成できるため、量産性がよい。

【００３３】また、この実施例では、振動子１２のノー
ド点が枠体１８の４隅にくるため、振動子１２の振動を
ほとんど抑制することなく振動子１２を支持しやすい。

【００３４】なお、上述の実施例では、重り１４および
枠体１８などの材料としてＦｅ−Ｎｉ合金が用いられて
いるが、恒弾性鋼やインバーなどの他の材料が用いられ
てもよい。

【００３５】重り１４は、その役割からたとえば枠体１
８などの他の部材より厚く形成されてもよい。また、重
り１４は、正方形板状に限らず、長方形板状、円板状、
ブロック状、球状などの他の形状に形成されてもよい。

【００３６】枠体１８は、感度を考慮すれば薄く形成さ
れるほうがよく、強度を考慮すれば厚く形成されるほう
がよく、感度および強度の両者を考慮すればたとえば
０．１ｍｍ〜１ｍｍの厚さに形成されるのが望ましい。
また、枠体１８は、縮退の影響を避けるなどの事情から
４角形状に限らずたとえば円形状や８角形状などの他の
形状に形成されてもよい。さらに、枠体１８は、第１の
軸（水平軸Ｘ）の方向の加速度や第２の軸（垂直軸Ｙ）
の方向の加速度による影響を避けるために、その幅（各
振動板２０ａ〜２０ｄの幅）をその厚さより十分に広く
することが望ましい。

【００３７】枠体１８を基板２４に取り付けるために
は、支持部２２ａ〜２２ｄを用いる代わりに、たとえば
合成樹脂やゴムなどの緩衝材が枠体１８と基板２４との
間に介在され、枠体１８と緩衝材と基板２４とがたとえ
ばねじ止め、はんだ接合、銀ろう付け、接着剤、両面接
着性テープなどで接続されてもよい。

【００３８】基板２４としては、ガラス−エポキシ系の
プリント基板以外に、アルミナなどからなるセラミック
基板やガラス基板なども使用できる。

【００３９】なお、基板２４を他の部材に接合するため
には、たとえば合成樹脂やゴムなどの緩衝材が基板２４
と他の部材との間に介在され、基板２４と緩衝材と他の
部材とがたとえばねじ止め、はんだ接合、銀ろう付け、
接着剤、両面接着性テープなどで接合されてもよい。

【００４０】また、上述の実施例では振動板２０ａ〜２
０ｄが屈曲振動するが、この発明では、振動板２０ａ〜
２０ｄを他のモードで振動させてもよく、あるいは、発
振回路およびそれに関連する抵抗や圧電素子を除去する
ことによって振動板２０ａ〜２０ｄを振動させなくても
よい。

【００４１】さらに、圧電素子の圧電体層の分極方向
は、駆動手段、第１の検出手段および第２の検出手段の
位相に対応して変更されてもよい。たとえば、すべての
圧電素子の圧電板層の分極方向が、上述の実施例の逆に
されてもよい。

【００４２】また、第１の軸（水平軸Ｘ）を中心として
回転する加速度に対応した信号を得るためには、上述の
実施例では２つの圧電素子２６ａ１および２６ｃ２に発
生する信号の差が検出されているが、たとえば２つの圧
電素子２６ａ１および２６ｃ４に発生する信号の和が検
出されてもよい。同様に、第２の軸（垂直軸Ｙ）を中心
として回転する加速度に対応した信号を得るためには、
上述の実施例では２つの圧電素子２６ｂ１および２６ｄ
２に発生する信号の差が検出されているが、たとえば２
つの圧電素子２６ｂ１および２６ｄ４に発生する信号の
和が検出されてもよい。

【００４３】さらに、上述の実施例では枠体１８の各振
動板２０ａ〜２０ｄに４つずつの圧電素子が形成されて
いるが、振動板２０ａ〜２０ｄの各中央部分に１つずつ
の圧電素子が形成されてもよい。このように、枠体１８
に形成される圧電素子の数や位置は、任意に変更されて
もよい。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の一実施例を示す斜視図である。

【図２】図１に示す実施例に用いられる発振回路、第１
の検出回路および第２の検出回路を示すブロック図であ
る。

【図３】図１に示す実施例の振動子の振動状態を示す図
解図である。

【図４】図１に示す実施例において、第１の軸（水平軸
Ｘ）を中心として回転する加速度が加わったときの振動
子の変形状態を示す図解図である。

【図５】図１に示す実施例において、第２の軸（垂直軸
Ｙ）を中心として回転する加速度が加わったときの振動
子の変形状態を示す図解図である。

【図６】図１に示す実施例において、厚み方向（軸Ｚの
方向）に加速度が加わったときの変形状態を示す図解図
である。

【符号の説明】

１０加速度センサ１２振動子１４重り１６ａ〜１６ｄ結合部１８枠体２０ａ〜２０ｄ振動板２２ａ〜２２ｄ支持部２４基板２６ａ１〜２６ａ４圧電素子２６ｂ１〜２６ｂ４圧電素子２６ｃ１〜２６ｃ４圧電素子２６ｄ１〜２６ｄ４圧電素子２８ａ１〜２８ａ４抵抗２８ｂ１〜２８ｂ４抵抗２８ｃ１〜２８ｃ４抵抗２８ｄ１〜２８ｄ４抵抗３０発振回路３２増幅回路３４位相補正回路４０第１の検出回路４２第１の差動回路４４第１の同期検波回路５０第２の検出回路５２第２の差動回路５４第２の同期検波回路

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】重りと、第１の軸上に設けられる２つの第１の結合部および前記
第１の軸に直交する第２の軸上に設けられる２つの第２
の結合部を介して前記重りに結合され、前記重りの周囲
に配置される枠体と、前記枠体において前記第２の結合部の近傍に設けられる
第１の圧電素子と、前記枠体において前記第１の結合部の近傍に設けられる
第２の圧電素子とを含む、加速度センサ。
【請求項２】前記第１の圧電素子に接続され、前記第
１の軸を中心として回転する加速度に対応した信号を検
出するための第１の検出手段と、前記第２の圧電素子に接続され、前記第２の軸を中心と
して回転する加速度に対応した信号を検出するための第
２の検出手段とを含む、請求項１に記載の加速度セン
サ。