JP2009250784A - Acceleration detector - Google Patents

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an acceleration detector capable of detecting an acceleration with high sensitivity and having a reduced size and height. <P>SOLUTION: The acceleration detector comprises: a fixed side supporting piece; a movable side supporting piece; two parallel driving arms each having both ends supported by the fixed side supporting piece and the movable side supporting piece; and a short sensing arm disposed parallel between the two driving arms and having a base end cantilevered by the fixed side supporting piece. The acceleration detector is provided with a contour vibrator having narrowed sections at opposed positions on both end edges of the fixed side supporting piece and the movable side supporting piece. The two driving arms have excitation electrodes for exciting a both-ends fixed flexural vibration. The sensing arm has electrodes for picking up electric charge generated by the one-end fixed flexural vibration of the sensing arm. <P>COPYRIGHT: (C)2010,JPO&INPIT

Description

本発明は、加速度検知装置に関し、特に、小型、低背化に適した加速度検知装置に関す
るものである。 The present invention relates to an acceleration detection device, and more particularly to an acceleration detection device suitable for downsizing and low profile.

加速度センサは、従来から自動車、航空機、ロッケット、更には各種プラントの異常振
動監視装置等まで広い用途に用いられている。民生機器用加速度センサとしては、加速度
検知機構を半導体プロセス技術により作製したＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Sys
tems）センサが良く知られている。
特許文献１には、加速度検出素子が開示されている。図７（ａ）は、従来の加速度検出
素子８１の平面図であり、この加速度検出素子８１は、基部８２、基部８２の一端縁から
並行して突出する一対の駆動振動部８３、８４、および検出振動部８５を備えている。駆
動振動部８３、８４、検出振動部８５は共に細長い屈曲振動アームである。一方の駆動振
動部８３の上下面には、一対の溝８６ａ、８６ｂ（図示せず）が形成されており、溝８６
ａ、８６ｂの内壁には、駆動振動部８３を、図７（ｂ）の矢印Ａのように励振するための
電極８８が設けられている。また一方の駆動振動部８３は帯状の本体の先端側に幅広部９
６が設けられている。 Conventionally, acceleration sensors have been used in a wide range of applications including automobiles, aircraft, rockets, and abnormal vibration monitoring devices for various plants. As an acceleration sensor for consumer equipment, MEMS (Micro Electro Mechanical Sys- tem), which has an acceleration detection mechanism fabricated using semiconductor process technology, is used.
tems) sensors are well known.
Patent Document 1 discloses an acceleration detection element. FIG. 7A is a plan view of a conventional acceleration detection element 81. The acceleration detection element 81 includes a base portion 82, a pair of drive vibration portions 83 and 84 protruding in parallel from one end edge of the base portion 82, and A detection vibration unit 85 is provided. Both the drive vibration units 83 and 84 and the detection vibration unit 85 are elongated bending vibration arms. A pair of grooves 86 a and 86 b (not shown) are formed on the upper and lower surfaces of one drive vibration portion 83.
On the inner walls of a and 86b, an electrode 88 for exciting the drive vibration portion 83 as indicated by an arrow A in FIG. 7B is provided. One drive vibration part 83 has a wide part 9 on the front end side of the belt-like body.
6 is provided.

他方の駆動振動部８４は帯状且つ平板状を呈している。駆動振動部８４の表面には、駆
動振動部８４を図７（ｂ）の矢印Ａのように励振するための電極８７が設けられている。
また、帯状且つ平板状の検出振動部８５の上下面には夫々一対の溝８９ａ、８９ｂ（図示
せず）が形成されており、溝８９ａ、８９ｂの内部および側壁面上には、検出振動部８５
の矢印Ｃ方向への振動を検出可能な電極９０が設けられている。
加速度検出素子８１は、図７（ｂ）に示すように、各駆動振動部８３と８４とが矢印Ａ
のように屈曲振動するが、互いに逆相になるように設定されている。そして、各駆動振動
部８３、８４の自励振時の周波数を共に等しくする。このため中央の検出振動部５の振幅
が、加速度非印加時にはゼロとなる。
加速度検出素子１に、図７（ｂ）に示すように矢印Ｂ方向への加速度が印加されると、
各駆動振動部８３、８４にはＸ軸方向へ力が加わるので、Ｘ軸方向へと向かって延び、各
駆動振動部８３、８４の振動周波数がいずれも上昇する。駆動振動部８３の先端には、質
量の大きい幅広部９６が設けられているので、駆動振動部８３の周波数変化（増分）は、
駆動振動部８４の周波数変化（増分）より大きくなる。この結果、各駆動振動部における
各モーメントｍα（ｍ；質量、α；加速度）が互いに異なってくるので、検出振動部８５
には、図７（ｂ）に矢印Ｃで示すように、Ｙ軸方向への屈曲振動が発生する。この屈曲振
動Ｃの振幅は、加速度Ｂの大きさに対して単調増加し、振幅は検出振動部５の検出電極か
らの出力にほぼ比例するので、加速度Ｂを求めることができると開示されている。
特開２００６−６４３９７公報 The other drive vibration part 84 has a strip shape and a flat plate shape. On the surface of the drive vibration unit 84, an electrode 87 for exciting the drive vibration unit 84 as indicated by an arrow A in FIG. 7B is provided.
In addition, a pair of grooves 89a and 89b (not shown) are formed on the upper and lower surfaces of the band-like and flat detection vibration part 85, respectively, and the detection vibration part is formed inside and on the side walls of the grooves 89a and 89b. 85
An electrode 90 capable of detecting vibration in the direction of arrow C is provided.
As shown in FIG. 7B, the acceleration detecting element 81 has the driving vibration portions 83 and 84 each having an arrow A.
Are set to be in opposite phases to each other. And the frequency at the time of self-excitation of each drive vibration part 83 and 84 is made equal. For this reason, the amplitude of the center detection vibration part 5 becomes zero when no acceleration is applied.
When acceleration in the direction of arrow B is applied to the acceleration detection element 1 as shown in FIG.
Since a force is applied to each drive vibration unit 83, 84 in the X-axis direction, the drive vibration unit 83, 84 extends in the X-axis direction, and the vibration frequency of each drive vibration unit 83, 84 increases. Since the wide portion 96 having a large mass is provided at the tip of the drive vibration unit 83, the frequency change (increment) of the drive vibration unit 83 is as follows.
It becomes larger than the frequency change (increment) of the drive vibration unit 84. As a result, the moments mα (m; mass, α: acceleration) in the drive vibration units are different from each other, so that the detection vibration unit 85
As shown by an arrow C in FIG. 7B, bending vibration in the Y-axis direction occurs. It is disclosed that the amplitude of the bending vibration C monotonously increases with respect to the magnitude of the acceleration B, and the amplitude is substantially proportional to the output from the detection electrode of the detection vibration unit 5, so that the acceleration B can be obtained. .
JP 2006-64397 A

しかしながら、特許文献１に開示の加速度検出素子は、振動系のバランスを崩す手段と
して、一方の駆動振動部の質量を大きくすることに依存しているので、形状的に小型化と
感度改善とを両立させることが難しいという問題があった。
また、特許文献１に開示の加速度検出素子は、振動系のバランスを崩す加速度軸は１軸
方向（図７のＸ軸方向）だけではなく、例えば駆動振動部と直交する方向への加速度を印
加しても、その加速度を検出してしまうという他軸感度の問題があった。
本発明は、上記の問題を解決するためになされたもので、高感度であり、小型、低背化
した加速度検知装置を提供することにある。 However, since the acceleration detection element disclosed in Patent Document 1 relies on increasing the mass of one drive vibration unit as a means for breaking the balance of the vibration system, it can be reduced in size and improved in sensitivity. There was a problem that it was difficult to achieve both.
In addition, the acceleration detection element disclosed in Patent Document 1 applies acceleration in a direction orthogonal to the drive vibration unit, for example, in addition to the single axis direction (X-axis direction in FIG. 7) as the acceleration axis that breaks the balance of the vibration system. However, there was a problem of other-axis sensitivity that the acceleration was detected.
The present invention has been made to solve the above problems, and it is an object of the present invention to provide an acceleration detection device that is highly sensitive, small in size, and low in profile.

本発明は、上記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
形態又は適用例として実現することが可能である。 SUMMARY An advantage of some aspects of the invention is to solve at least a part of the problems described above, and the invention can be implemented as the following forms or application examples.

［適用例１］本発明に係る加速度検知装置は、固定側支持片、可動側支持片、前記固定
側支持片と前記可動側支持片とによって両端部を夫々支持された二本の平行な駆動腕、及
び前記二本の駆動腕の間に平行に配置され且つ前記固定側支持片により基端部を片持ち支
持された短尺な検出腕と、を備え、前記固定側支持片及び前記可動側支持片の夫々の両側
端縁の対向する位置に夫々くびれ部を備えた輪郭振動体と、前記二本の駆動腕に形成され
た励振電極と、前記検出腕に形成されて該検出腕に発生した電荷をピックアップする電極
と、を備えていることを特徴とする。 Application Example 1 An acceleration detection device according to the present invention includes a fixed support piece, a movable support piece, and two parallel drives each supported at both ends by the fixed support piece and the movable support piece. And a short detection arm disposed in parallel between the two drive arms and cantilevered at the base end by the fixed-side support piece, the fixed-side support piece and the movable side Contour vibrators having constricted portions at opposite positions of both side edges of the support pieces, excitation electrodes formed on the two drive arms, and formed on the detection arms and generated on the detection arms And an electrode for picking up the charged electric charge.

以上のように加速度検知装置を構成すると、構造が単純であるのでフォトリソグラフィ
技術とエッチング手法を用いることにより容易に製作でき、しかも極めて小型、低背化し
た加速度検知装置を作れるという利点がある。また、２つの駆動腕を互いに逆相で振動さ
せるので、検出感度が向上するという効果と、加速度検出軸以外の他軸の加速度が印加さ
れる場合には、２つの駆動腕の周波数変化は同じ方向の変化量であり、振動系の釣り合い
（バランス）が崩されにくいので、他軸感度を抑えやすいという効果もある。 The configuration of the acceleration detection device as described above has an advantage that it can be easily manufactured by using a photolithography technique and an etching technique because the structure is simple, and an extremely small and low-profile acceleration detection device can be manufactured. In addition, since the two driving arms are vibrated in opposite phases, the effect of improving detection sensitivity and the frequency change of the two driving arms are the same when acceleration of an axis other than the acceleration detection axis is applied. This is the amount of change in direction, and since the balance (balance) of the vibration system is not easily lost, there is also an effect that it is easy to suppress the sensitivity of other axes.

［適用例２］また加速度検知装置は、適用例１において、対向する前記くびれ部間に相
当する前記固定側支持片の部位に貫通穴を形成したことを特徴とする。 Application Example 2 In addition, the acceleration detection device according to Application Example 1 is characterized in that a through hole is formed in a portion of the fixed-side support piece corresponding to the constricted portion facing each other.

以上のように加速度検知装置を構成すると、貫通穴を設けることで振動系の釣り合い（
バランス）が崩れ易くなり、加速度に対する感度が高くなるという効果がある。 When the acceleration detection device is configured as described above, the vibration system is balanced by providing a through hole (
(Balancing) is easily lost and sensitivity to acceleration is increased.

［適用例３］また加速度検知装置は、適用例１、又は２において、前記貫通穴が固定側
支持片側を底辺とし、前記検出腕側の基部側を頂部とする二等辺三角形であることを特徴
とする。 Application Example 3 In the application example 1 or 2, the acceleration detection device is an isosceles triangle in which the through hole is an isosceles triangle having a fixed support piece side as a base and a base side on the detection arm side as a top. And

以上のように加速度検知装置を構成すると、二等辺三角形状の貫通穴を設けることで、
振動系の釣り合い（バランス）は二等辺三角形状の頂部近傍で取れているが、２つの駆動
腕の共振周波数が少しでも異なると歪が検出腕に伝わるので、加速度感度が高くなるとい
う効果がある。 By configuring the acceleration detection device as described above, by providing a through hole having an isosceles triangle shape,
The balance (balance) of the vibration system is obtained near the top of the isosceles triangle. However, if the resonance frequencies of the two drive arms are slightly different, distortion is transmitted to the detection arm, which has the effect of increasing the acceleration sensitivity. .

［適用例４］また加速度検知装置は、適用例１、又は２において、前記貫通穴が矩形、
楕円形、或いは長円形であることを特徴とする。 [Application Example 4] In addition, in the application example 1 or 2, the acceleration detection device has a rectangular through hole.
It is oval or oval.

以上のように加速度検知装置を構成すると、貫通穴を設けることで加速度感度は高くな
るが、形状によって耐衝撃性、加速度感度が異なるので、測定すべき加速度により形状を
適宜選択できる利点がある。 When the acceleration detection device is configured as described above, the acceleration sensitivity is increased by providing the through hole. However, since the impact resistance and acceleration sensitivity differ depending on the shape, there is an advantage that the shape can be appropriately selected depending on the acceleration to be measured.

［請求項５］また、加速度検知装置は、適用例１において、前記二本の平行な振動腕が
音叉型振動子を構成し、該音叉型振動子の共振周波数と前記検出腕の共振周波数とが異な
ることを特徴とする。 [Claim 5] In the acceleration detecting apparatus according to Application Example 1, the two parallel vibrating arms constitute a tuning fork vibrator, and the resonance frequency of the tuning fork vibrator and the resonance frequency of the detection arm Are different.

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は本発明に係る第１
の実施の形態の加速度検知装置１の構成を示す概略図であり、（ａ）は、平面図、（ｂ）
は側面図である。加速度検知装置１は、圧電基板としての輪郭振動体１ａと、輪郭振動体
１ａ上に形成した電極１ｂと、を備えている。
輪郭振動体１ａは、固定側支持片１０と、固定側支持片１０と離間配置された可動側支
持片１５と、固定側支持片１０と可動側支持片１５との間に配置された第１及び第２の駆
動腕２０、２１と、検出腕２５と、を備えている。
固定側支持片１０は、固定部１１と、基部１２とを備えており、基部１２はその両端縁
に対向配置されたくびれ部１３ａ、１３ｂを備えている。
可動側支持片１５は、可動部１６と、基部１７とを備えており、基部１７はその両端縁
に対向配置されたくびれ部１８ａ、１８ｂを備えている。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. FIG. 1 shows a first embodiment according to the present invention.
It is the schematic which shows the structure of the acceleration detection apparatus 1 of embodiment of this, (a) is a top view, (b)
Is a side view. The acceleration detecting device 1 includes a contour vibrating body 1a as a piezoelectric substrate and an electrode 1b formed on the contour vibrating body 1a.
The contour vibrating body 1 a includes a fixed support piece 10, a movable support piece 15 that is spaced from the fixed support piece 10, and a first piece that is arranged between the fixed support piece 10 and the movable support piece 15. And second drive arms 20 and 21 and a detection arm 25.
The fixed-side support piece 10 includes a fixed portion 11 and a base portion 12, and the base portion 12 includes constricted portions 13 a and 13 b disposed so as to face both end edges.
The movable side support piece 15 includes a movable portion 16 and a base portion 17, and the base portion 17 includes constricted portions 18 a and 18 b that are arranged to face both end edges.

第１及び第２の駆動腕２０、２１は、夫々の両端部を固定側支持片１０の基部１２と、
可動側支持片１５の基部１７とにより支持されると共に、同一平面上に互いに平行に保持
された構成であり、これにより音叉型振動子を構成している。
検出腕２５は、該検出腕２５の一端（基端部）を固定側支持片１０の基部１２であって
、第１及び第２の駆動腕２０、２１間の中央位置にこれらと平行に片持ち支持され、第１
及び第２の駆動腕２０、２１より短尺である。
固定側支持片１０と、第１及び第２の駆動腕２０、２１と、検出腕２５と、可動側支持
片１５と、からなる輪郭振動体１ａは、例えば薄い平板上の水晶基板にフォトリソグラフ
ィ技術とエッチング手法とを用いて、所望の形状を形成することで得られる。
なお、くびれ部１８ａ、１８ｂの形状としては、第１及び第２の駆動腕２０、２１によ
る振動漏れを防ぐ形状であればよく、図１では半円形としている。 The first and second drive arms 20 and 21 have both ends at the base 12 of the fixed-side support piece 10,
The structure is supported by the base portion 17 of the movable support piece 15 and held parallel to each other on the same plane, thereby constituting a tuning fork vibrator.
The detection arm 25 has one end (base end portion) of the detection arm 25 as the base portion 12 of the fixed-side support piece 10, and a piece parallel to these at the center position between the first and second drive arms 20 and 21. First supported
And shorter than the second drive arms 20 and 21.
The contour vibrating body 1a including the fixed-side support piece 10, the first and second drive arms 20 and 21, the detection arm 25, and the movable-side support piece 15 is photolithography on a quartz substrate on a thin flat plate, for example. It can be obtained by forming a desired shape using a technique and an etching technique.
The shape of the constricted portions 18a and 18b may be any shape that prevents vibration leakage by the first and second drive arms 20 and 21, and is a semicircular shape in FIG.

図２（ａ）は、輪郭振動体１ａに形成した電極１ｂの平面図、（ｂ）は夫々の部位にお
ける電極断面図であり、ある瞬間に発生する各電極の電荷の符号を示している。
輪郭振動体１ａの第１及び第２の駆動腕２０、２１上には、夫々図２に示すような励振
電極３０（３０ａ〜３０ｄ）〜３２（３２ａ〜３２ｄ）、及び励振電極３４（３４ａ〜３
４ｄ）〜３６（３６ａ〜３６ｄ）が、輪郭振動体１ａの長手方向に沿って配設され、第１
及び第２の駆動腕２０、２１に、両端固定の屈曲振動が励振されるように構成されている
。また、検出腕２５には検出腕２５に一端固定の屈曲振動が生じたときに、該屈曲振動に
より励起される電荷をピックアップする電極３８（３８ａ〜３８ｄ）が配設されている。 FIG. 2A is a plan view of the electrode 1b formed on the contour vibrating body 1a, and FIG. 2B is an electrode cross-sectional view at each portion, showing the sign of the charge of each electrode generated at a certain moment.
Excitation electrodes 30 (30a to 30d) to 32 (32a to 32d) and excitation electrodes 34 (34a to 34d) as shown in FIG. 2 are respectively provided on the first and second drive arms 20 and 21 of the contour vibrating body 1a. 3
4d) to 36 (36a to 36d) are arranged along the longitudinal direction of the contour vibrating body 1a, and the first
The second driving arms 20 and 21 are configured to be excited by bending vibrations fixed at both ends. Further, the detection arm 25 is provided with electrodes 38 (38a to 38d) for picking up electric charges excited by the bending vibration when one end-fixed bending vibration is generated in the detection arm 25.

第１の駆動腕２０上には、一方の基部１２の端辺より他方の基部１７の端辺に向かって
、励振電極３０（３０ａ〜０ｄ）、３１（３１ａ〜３１ｄ）、３２（３２ａ〜３２ｄ）が
配設され、各電極３０ａ〜３２ｄは、駆動腕２０上に設けたリード電極（配線電極）によ
り接続されている。リード電極による接続方法は、図２（ｂ）の第１の駆動腕２０に示す
電荷の符号を基に、正（＋）符号同士、負（−）同士を接続するようにして、２端子構成
とする。この２端子に交流電圧を印加すると両端固定の屈曲振動が励振される。
第２の駆動腕２１上には、励振電極３４（３４ａ〜３４ｄ）、３５（３５ａ〜３５ｄ）
、３６（３６ａ〜３６ｄ）が配設され、各電極３４ａ〜３６ｄは駆動腕２１上に設けたリ
ード電極により接続されている。リード電極による接続方法は、図２（ｂ）の第２の駆動
腕２１に示す電荷の符号を基に、正（＋）符号同士、負（−）同士を接続するようにして
、２端子構成とする。この２端子に交流電圧を印加すると一端固定の屈曲振動が励振され
る。
なお、第１及び第２の駆動腕２０、２１から伸びるリード電極は、正（＋）符号同士、
負（−）同士を接続して、固定部１１上に設けた端子電極３９ａ、３９ｂに接続される。
また、検出腕２５上には電極３８（３８ａ〜３８ｄ）が配設され、各電極３８ａ〜３８
ｄは検出腕２５上に設けたリード電極により接続されている。リード電極による接続方法
は、図２（ｂ）の検出腕２５に示す電荷の符号により、正（＋）符号同士、負（−）同士
を接続し、固定部１１に設けた端子電極（図示せず）に接続し、２端子構成とする。検出
腕１２に一端固定の屈曲振動が励起され、該屈曲振動により励起される電荷をピックアッ
プするように、電極３８ａ〜３８ｄを配設する。 On the first drive arm 20, excitation electrodes 30 (30 a to 0 d), 31 (31 a to 31 d), 32 (32 a to 32 d) from the end side of one base 12 toward the end side of the other base 17. The electrodes 30 a to 32 d are connected by lead electrodes (wiring electrodes) provided on the drive arm 20. The connection method using the lead electrode is a two-terminal configuration in which the positive (+) sign and the negative (-) are connected based on the sign of the charge shown in the first drive arm 20 in FIG. And When an AC voltage is applied to these two terminals, bending vibration fixed at both ends is excited.
On the second drive arm 21, excitation electrodes 34 (34a to 34d), 35 (35a to 35d)
, 36 (36a to 36d), and the electrodes 34a to 36d are connected to each other by lead electrodes provided on the drive arm 21. The connection method using the lead electrode is a two-terminal configuration in which the positive (+) sign and the negative (-) are connected based on the sign of the charge shown in the second drive arm 21 of FIG. And When an AC voltage is applied to these two terminals, one end-fixed bending vibration is excited.
The lead electrodes extending from the first and second drive arms 20 and 21 are positive (+) signs,
The negative (−) terminals are connected to each other and connected to terminal electrodes 39 a and 39 b provided on the fixed portion 11.
Further, electrodes 38 (38a to 38d) are disposed on the detection arm 25, and the electrodes 38a to 38 are provided.
d is connected by a lead electrode provided on the detection arm 25. The lead electrode is connected by connecting positive (+) signs and negative (-) signs according to the sign of the charge shown in the detection arm 25 in FIG. 2). Electrodes 38a to 38d are arranged so that the detection arm 12 is excited with bending vibration fixed at one end, and picks up electric charges excited by the bending vibration.

次に、加速度検知装置１に対して図１に示ように幅方向（Ｙ軸方向）への加速度αが印
加される場合を考える。加速度αが印加される前は、第１及び第２の駆動腕２０、２１の
励振電極から伸びるリード電極は、図示しない発振回路に夫々接続され、共に同じ周波数
ｆ０で発振（自励振）している。第１の駆動腕２０の電極３０ａ〜３２ｄと、第２の駆動
腕２１の電極３４ａ〜３６ｄとは、夫々の対応する電極に異符号の電圧が加わるように配
線されているので、第１の駆動腕２０の屈曲振動と、第２の駆動腕２１の屈曲振動とは逆
相となる。つまり、第１の駆動腕２０がその中央部を最大変位として−Ｙ軸方向に振れる
とき、第２の駆動腕２１はその中央部を最大変位として＋Ｙ軸方向に振れるように構成さ
れている。
このように同じ周波数で、且つ互いに逆相で振動することで、基部１２に広がる振動に
よる歪は、検出腕２５の幅中央から長手方向に伸びる中心線に対して対称に分布し、振動
系、つまり第１及び第２の駆動腕２０、２１、検出腕２５、基部１２を含む領域は、振動
の釣り合い（バランス）がとれるので、検出腕２５に振動が励起されない。 Next, consider a case where an acceleration α in the width direction (Y-axis direction) is applied to the acceleration detection device 1 as shown in FIG. Before the acceleration α is applied, the lead electrodes extending from the excitation electrodes of the first and second drive arms 20 and 21 are respectively connected to an oscillation circuit (not shown), and both oscillate (self-excited) at the same frequency f0. Yes. Since the electrodes 30a to 32d of the first drive arm 20 and the electrodes 34a to 36d of the second drive arm 21 are wired so that voltages with different signs are applied to the corresponding electrodes, the first The bending vibration of the driving arm 20 and the bending vibration of the second driving arm 21 are in opposite phases. That is, when the first drive arm 20 swings in the −Y axis direction with the central portion as the maximum displacement, the second drive arm 21 is configured to swing in the + Y axis direction with the center portion as the maximum displacement.
Thus, by vibrating at the same frequency and in mutually opposite phases, distortion due to vibration spreading in the base 12 is distributed symmetrically with respect to the center line extending in the longitudinal direction from the center of the width of the detection arm 25, and the vibration system, That is, since the region including the first and second drive arms 20 and 21, the detection arm 25, and the base 12 is balanced (balanced), vibration is not excited in the detection arm 25.

加速度αが加速度検出軸方向（図１では＋Ｙ軸方向）に印加されると、該加速度αによ
り−Ｚ軸方向に慣性力が働く。この慣性力により加速度検知装置１の可動部１６を重り部
とし、第１及び第２の駆動腕２０、２１は、夫々基部１２寄りの端部を支点として−Ｙ軸
方向に撓む（屈曲する）。つまり、第１の駆動腕２０には圧縮応力が作用し、第１の駆動
腕２０の共振周波数は減少する。一方、第２の駆動腕２１には伸長応力（引張り応力）が
作用し、第２の駆動腕２１の共振周波数は増加する。
逆に加速度αが−Ｙ軸方向に印加されると、該加速度αにより＋Ｙ軸方向に慣性力が働
く。この慣性力により第１の駆動腕２０には伸長応力（引張り応力）が作用し、第１の駆
動腕２０の共振周波数は増加する。一方、第２の駆動腕２１には圧縮応力が作用し、第２
の駆動腕２１の共振周波数は減少する。
第１及び第２の駆動腕２０、２１の共振周波数が互いに異なる結果、基部１２において
第１の駆動腕２０の振動による歪分布と、第２の駆動腕２１の振動による歪分布とは、検
出腕２５の中心線に対して対称性が崩れることになる。つまり、振動系の歪の釣り合い（
バランス）が崩れるので、この歪が基部１２を介して検出腕１２にも広がり、一端固定の
屈曲振動が励起されることになる。この一端固定の屈曲振動の振幅は、印加される加速度
の大きさに対して単調増加し、検出腕２５に励起される電荷は屈曲振動の振幅に比例する
。従って、電極にピックアップされる電荷量により印加された加速度の大きさを求めるこ
とができる。 When the acceleration α is applied in the acceleration detection axis direction (+ Y axis direction in FIG. 1), an inertial force acts in the −Z axis direction by the acceleration α. Due to this inertial force, the movable portion 16 of the acceleration detecting device 1 is used as a weight portion, and the first and second drive arms 20 and 21 are bent (bent) in the −Y-axis direction with the end portions close to the base portion 12 as fulcrums. ). That is, compressive stress acts on the first drive arm 20 and the resonance frequency of the first drive arm 20 decreases. On the other hand, extension stress (tensile stress) acts on the second drive arm 21, and the resonance frequency of the second drive arm 21 increases.
Conversely, when acceleration α is applied in the −Y axis direction, an inertial force acts in the + Y axis direction due to the acceleration α. Due to this inertial force, an extensional stress (tensile stress) acts on the first drive arm 20 and the resonance frequency of the first drive arm 20 increases. On the other hand, a compressive stress acts on the second drive arm 21, and the second drive arm 21
The resonance frequency of the drive arm 21 decreases.
As a result of the resonance frequencies of the first and second drive arms 20 and 21 being different from each other, the strain distribution caused by the vibration of the first drive arm 20 and the strain distribution caused by the vibration of the second drive arm 21 in the base 12 are detected. The symmetry with respect to the center line of the arm 25 is broken. In other words, the strain balance of the vibration system (
Since the balance is lost, this distortion also spreads to the detection arm 12 via the base 12 and the one-end fixed bending vibration is excited. The amplitude of the one-end fixed bending vibration monotonously increases with respect to the magnitude of the applied acceleration, and the electric charge excited by the detection arm 25 is proportional to the bending vibration amplitude. Therefore, the magnitude of the applied acceleration can be determined by the amount of charge picked up by the electrode.

加速度αの印加により第１及び第２の駆動腕２０、２１に加わる応力は、互いに逆の応
力、つまり、一方の駆動腕に圧縮応力が加わると、他方の駆動腕には伸長応力が加わる。
その結果、第１及び第２の駆動腕２０、２１の共振周波数は、互いに逆の変化、つまり、
一方の駆動腕の共振周波数が減少し、他方の駆動腕の共振周波数は増加する。
加速度αが印加される前の共振周波数ｆ０に対し、加速度αが＋Ｙ軸向に印加されると
、第１の駆動腕２０の共振周波数はｆ０−Δｆ、第２の駆動腕２１の共振周波数はｆ０＋
Δｆとなる。加速度αが−Ｙ軸向に印加されると、第１の駆動腕２０の共振周波数はｆ０
＋Δｆ、第２の駆動腕２１の共振周波数はｆ０−Δｆとなる。
加速度αの印加により駆動腕２０、２１の共振周波数が以上のように変化する結果、基
部１２に広がる振動による歪は、検出腕２５の幅中央から長手方向に伸びる中心線に対し
て対称性が崩れる。この崩れた歪が基部１２を介して検出腕１２に広がり、一端固定の屈
曲振動が励起されることになる。 The stress applied to the first and second drive arms 20 and 21 by the application of the acceleration α is opposite to each other, that is, when compressive stress is applied to one drive arm, extension stress is applied to the other drive arm.
As a result, the resonance frequencies of the first and second drive arms 20 and 21 change opposite to each other, that is,
The resonance frequency of one drive arm decreases and the resonance frequency of the other drive arm increases.
When the acceleration α is applied in the + Y-axis direction with respect to the resonance frequency f0 before the acceleration α is applied, the resonance frequency of the first drive arm 20 is f0−Δf, and the resonance frequency of the second drive arm 21 is f0 +
Δf. When the acceleration α is applied in the −Y axis direction, the resonance frequency of the first drive arm 20 is f0.
+ Δf, the resonance frequency of the second drive arm 21 is f0−Δf.
As a result of the resonance frequency of the drive arms 20 and 21 changing as described above by applying the acceleration α, the distortion due to vibration spreading in the base 12 is symmetrical with respect to the center line extending in the longitudinal direction from the center of the width of the detection arm 25. Collapse. This collapsed strain spreads to the detection arm 12 via the base 12 and the one-end fixed bending vibration is excited.

試作した加速度検知装置の第１及び第２の駆動腕２０、２１を自励振させ、該駆動腕に
幅方向の加速度αを印加すると、検出腕２５に一端固定の屈曲振動が励起されることが、
オシロスコープを用いて確認することができた。しかも、検出腕２５に励起される一端固
定の屈曲振動の位相は、第１の駆動腕２０（又は、第２の駆動腕２１）の位相に対し、加
速度αの方向により９０°進む場合と、９０°遅れる場合とに分かれることが確認できた
。
検出腕２５に励起される一端固定の屈曲振動の振幅は、印加される加速度の大きさに対
して単調増加し、検出腕２５に励起される電荷は屈曲振動の振幅に比例するので、電荷量
により印加された加速度の大きさが分かる。その上、検出腕２５に励起される屈曲振動の
位相を測定することにより、加速度の印加方向が判別される。
以上のように加速度検知装置を構成すると、構造が単純であるのでフォトリソグラフィ
技術とエッチング手法を用いることにより容易に製作でき、しかも極めて小型、低背化し
た加速度検知装置を作れるという利点がある。また、２つの駆動腕を互いに逆相で振動さ
せるので、検出感度が向上するという効果と、加速度検出軸以外の他軸の加速度が印加さ
れる場合には、２つの駆動腕の周波数変化は同じ方向の変化量であり、振動系の釣り合い
（バランス）が崩されにくいので、他軸感度を抑えやすいという効果もある。 When the first and second drive arms 20 and 21 of the prototype acceleration detection device are self-excited and an acceleration α in the width direction is applied to the drive arm, a bending vibration fixed at one end is excited on the detection arm 25. ,
It was confirmed using an oscilloscope. Moreover, the phase of the one-end fixed bending vibration excited by the detection arm 25 advances by 90 ° in the direction of the acceleration α with respect to the phase of the first drive arm 20 (or the second drive arm 21). It was confirmed that it was divided into the case of 90 ° delay.
The amplitude of the one-end fixed bending vibration excited by the detection arm 25 increases monotonously with the magnitude of the applied acceleration, and the charge excited by the detection arm 25 is proportional to the amplitude of the bending vibration. The magnitude of the applied acceleration can be known. In addition, by measuring the phase of the bending vibration excited by the detection arm 25, the application direction of the acceleration is determined.
The configuration of the acceleration detection device as described above has an advantage that it can be easily manufactured by using a photolithography technique and an etching technique because the structure is simple, and an extremely small and low-profile acceleration detection device can be manufactured. In addition, since the two driving arms are vibrated in opposite phases, the effect of improving detection sensitivity and the frequency change of the two driving arms are the same when acceleration of an axis other than the acceleration detection axis is applied. This is the amount of change in direction, and since the balance (balance) of the vibration system is not easily lost, there is also an effect that it is easy to suppress the sensitivity of other axes.

図３は、第２の実施例の加速度検知装置２の構成を示す概略平面図である。図１に示す
第１の実施例の加速度検知装置１と同一の部材には同じ符号を付して説明する。第１の実
施例の加速度検知装置１と異なる点は、加速度検知装置１の２箇所のくびれ部１３ａ、１
３ｂ間に位置する固定側支持片の部位に貫通穴１４を形成し、該貫通穴１４が固定側支持
片側を底辺とし、検出腕２５の基端部側を頂部とする二等辺三角形の形状をしているとこ
ろである。加速度検知装置２ではくびれ部は少し変形して、切り出しナイフの刃先のよう
なくびれ部１３’ａ、１３’ｂとなる。
第１及び第２の駆動腕２０、２１には、第１の実施例の加速度検知装置１に設けた励振
電極３０（３０ａ〜３０ｄ）〜３２（３２ａ〜３２ｄ）及び励振電極３４（３４ａ〜３４
ｄ）〜３６（３６ａ〜３６ｄ）と同様な電極が配設され、各電極３０ａ〜３６ｄは、駆動
腕２０、２１上に設けたリード電極（配線電極）により接続されている。リード電極によ
る接続方法は、図２（ｂ）と同様であり、２端子に交流電圧を印加すると、第１及び第２
の駆動腕２０、２１には両端固定の互いに逆相の屈曲振動が励振される。 FIG. 3 is a schematic plan view showing the configuration of the acceleration detection device 2 of the second embodiment. The same members as those in the acceleration detecting apparatus 1 of the first embodiment shown in FIG. The difference from the acceleration detection device 1 of the first embodiment is that the two constricted portions 13a and 1 of the acceleration detection device 1 are the same.
A through-hole 14 is formed in a portion of the fixed-side support piece located between 3b, and the through-hole 14 has an isosceles triangle shape with the fixed-side support piece side as the base and the base end side of the detection arm 25 as the top. I am doing it. In the acceleration detecting device 2, the constricted portion is slightly deformed to become constricted portions 13′a and 13′b like the cutting edge of a cutting knife.
The first and second drive arms 20 and 21 are provided with excitation electrodes 30 (30a to 30d) to 32 (32a to 32d) and excitation electrodes 34 (34a to 34) provided in the acceleration detection device 1 of the first embodiment.
Electrodes similar to d) to 36 (36a to 36d) are disposed, and the electrodes 30a to 36d are connected by lead electrodes (wiring electrodes) provided on the drive arms 20 and 21. The connection method using the lead electrode is the same as that in FIG. 2B. When an AC voltage is applied to the two terminals, the first and second electrodes are connected.
The drive arms 20 and 21 are excited by bending vibrations of opposite phases fixed at both ends.

また、加速度検知装置２の検出腕２５には、第１の実施例の加速度検知装置１に設けた
電極３８（３８ａ〜３８ｄ）と同様な電極が配設され、各電極３８ａ〜３８ｄは検出腕２
５上に設けたリード電極により接続され、その接続方法も加速度検知装置１と同様である
。検出腕１２に一端固定の屈曲振動が励起され、該屈曲振動により励起される電荷をピッ
クアップするように電極３８ａ〜３８ｄを配設し、接続してある。
第２の実施例の加速度検知装置２に加速度検出軸方向（図３ではＹ軸方向）の加速度を
印加すると、互いに逆相で振動（自励振）している第１及び第２の駆動腕２０、２１に、
互いに逆の応力が加わるために、振動系のバランスが崩れ、検出腕２５に一端固定の屈曲
振動が励起され、加速度の大きさ、と方向とを測定することができるのは、第１の実施例
で説明した通りである。
第２の加速度検知装置２の特徴は、固定側支持片１０の基部１２に三角形状の貫通孔１
４を形成したので、加速度検出感度が高められた点である。 In addition, the detection arm 25 of the acceleration detection device 2 is provided with electrodes similar to the electrodes 38 (38a to 38d) provided in the acceleration detection device 1 of the first embodiment, and the electrodes 38a to 38d are detection arms. 2
5 is connected by a lead electrode provided on 5, and the connection method is the same as that of the acceleration detector 1. Electrodes 38a to 38d are disposed and connected to the detection arm 12 so as to excite the bending vibration fixed at one end and pick up the electric charge excited by the bending vibration.
When acceleration in the acceleration detection axis direction (Y-axis direction in FIG. 3) is applied to the acceleration detection apparatus 2 of the second embodiment, the first and second drive arms 20 that vibrate in opposite phases (self-excited). , 21
The first embodiment is that the vibration system is unbalanced because the stresses opposite to each other are applied, the bending vibration fixed at one end is excited on the detection arm 25, and the magnitude and direction of acceleration can be measured. As described in the example.
A feature of the second acceleration detection device 2 is that the through-hole 1 having a triangular shape is formed in the base portion 12 of the fixed-side support piece 10.
4 is formed, the acceleration detection sensitivity is improved.

図４は、第３の実施例の加速度検知装置３の構成を示す概略平面図である。第１の実施
例の加速度検知装置１と異なる点は、固定側支持片１０の基部１２に貫通穴１４’を形成
し、該貫通穴１４’は、矩形、楕円形、或いは長円形（図４は長円形の貫通穴）である点
である。
第１及び第２の駆動腕２０、２１、検出腕２５に形成する電極は、加速度検知装置１の
第１及び第２の駆動腕２０、２１、検出腕２５に形成した電極と同様であり、第１及び第
２の駆動腕２０、２１に励振される振動姿態も両端固定の屈曲振動で、且つ逆相で振動す
る。検出腕２５に励起される振動モードは、一端固定の屈曲振動であり、加速度検知装置
１の検出腕と同様である。
第３の加速度検知装置３の特徴は、固定側支持片１０の基部１２に長円形状の貫通孔１
４を形成したので、加速度検出感度が高められた点である。
図５は、第４の実施例の加速度検知装置４の構成を示す概略平面図である。第２の実施
例の加速度検知装置２と異なる点は、検出腕２５の端部を貫通穴１４の底辺まで延在して
基部１２と一体化したところである。その結果、貫通穴１４は直角三角形の２つの貫通穴
１４ａ、１４ｂとなっている。 FIG. 4 is a schematic plan view showing the configuration of the acceleration detection device 3 of the third embodiment. The difference from the acceleration detection device 1 of the first embodiment is that a through hole 14 ′ is formed in the base 12 of the fixed side support piece 10, and the through hole 14 ′ is rectangular, elliptical, or oval (FIG. 4). Is an oval through-hole).
The electrodes formed on the first and second drive arms 20 and 21 and the detection arm 25 are the same as the electrodes formed on the first and second drive arms 20 and 21 and the detection arm 25 of the acceleration detection device 1, The vibration state excited by the first and second drive arms 20 and 21 is also a flexural vibration with both ends fixed, and vibrates in opposite phases. The vibration mode excited by the detection arm 25 is a flexural vibration with one end fixed, which is the same as the detection arm of the acceleration detection device 1.
A feature of the third acceleration detection device 3 is that an oval through-hole 1 is formed in the base 12 of the fixed-side support piece 10.
4 is formed, the acceleration detection sensitivity is improved.
FIG. 5 is a schematic plan view showing the configuration of the acceleration detection device 4 of the fourth embodiment. The difference from the acceleration detection device 2 of the second embodiment is that the end of the detection arm 25 extends to the bottom of the through hole 14 and is integrated with the base 12. As a result, the through hole 14 has two through holes 14a and 14b having a right triangle.

図６は、第５の実施例の加速度検知装置５の構成を示す概略平面図である。図４に示し
た第３の実施例の加速度検知装置３と異なる点は、検出腕２５の端部を貫通穴１４’の底
辺まで延在して基部１２と一体化したところである。その結果、貫通穴１４’は長方形状
の２つの貫通穴１４’ａ、１４’ｂとなる。
以上のように加速度検知装置を構成すると、貫通穴を設けることで振動系の釣り合い（
バランス）が崩れ易くなり、加速度に対する感度が高くなるという効果がある。
しかも、貫通穴を二等辺三角形状とすることで、振動系の釣り合い（バランス）は二等
辺三角形状の頂部近傍で取れているが、２つの駆動腕の共振周波数が少しでも異なると歪
が検出腕に伝わるので、加速度感度が高くなるという効果がある。
また、矩形、楕円形、或いは長円形の貫通穴を設けることで、加速度感度は高くなるが
、形状によって耐衝撃性、加速度感度が異なるので、測定すべき加速度により形状を適宜
選択できる利点がある。
水晶基板を用いて加速度検知装置の構成を説明してきたが、水晶結晶以外に圧電材料と
してはランガサイト、タンタル酸リチーム、ニオブ酸リチーム、四硼酸リチーム等ある。
また、第１、第２及び第３の駆動腕の断面形状は矩形状のみではなく、励振効率を上げ
るために、音叉振動子で用いられているＨ字形状としてもよい。
また、輪郭振動体を金属材料、ガラス材等で形成し、圧電セラミック材を貼り付けて、
加速度検知装置を形成してもよい。 FIG. 6 is a schematic plan view showing the configuration of the acceleration detection device 5 of the fifth embodiment. The difference from the acceleration detection device 3 of the third embodiment shown in FIG. 4 is that the end of the detection arm 25 extends to the bottom of the through hole 14 ′ and is integrated with the base 12. As a result, the through hole 14 'becomes two rectangular through holes 14'a and 14'b.
When the acceleration detection device is configured as described above, the vibration system is balanced by providing a through hole (
(Balancing) is easily lost and sensitivity to acceleration is increased.
In addition, by making the through-hole an isosceles triangle, the balance of the vibration system can be obtained near the top of the isosceles triangle, but distortion is detected if the resonance frequencies of the two drive arms differ slightly. Since it is transmitted to the arm, the acceleration sensitivity is enhanced.
In addition, by providing a rectangular, elliptical, or oval through-hole, the acceleration sensitivity increases, but the impact resistance and acceleration sensitivity differ depending on the shape, so there is an advantage that the shape can be selected appropriately depending on the acceleration to be measured. .
The configuration of the acceleration detection device has been described using a quartz substrate. In addition to quartz crystals, piezoelectric materials include langasite, tantalate liteam, niobate liteam, tetraborate liteam, and the like.
In addition, the cross-sectional shape of the first, second, and third drive arms is not limited to a rectangular shape, and may be an H-shape that is used in a tuning fork vibrator to increase excitation efficiency.
Moreover, the contour vibrator is formed of a metal material, a glass material, etc., and a piezoelectric ceramic material is pasted.
An acceleration detection device may be formed.

（ａ）は第１実施例の加速度検知装置の構成を示す概略平面図、（ｂ）は側面図。(A) is a schematic plan view which shows the structure of the acceleration detection apparatus of 1st Example, (b) is a side view. （ａ）は第１実施例の加速度検知装置に施した電極の平面図、（ｂ）は各部位の電極断面図。(A) is a top view of the electrode given to the acceleration detection apparatus of 1st Example, (b) is an electrode sectional drawing of each site | part. 第２実施例の加速度検知装置の構成を示す概略平面図。The schematic plan view which shows the structure of the acceleration detection apparatus of 2nd Example. 第３実施例の加速度検知装置の構成を示す概略平面図。The schematic plan view which shows the structure of the acceleration detection apparatus of 3rd Example. 第４実施例の加速度検知装置の構成を示す概略平面図。The schematic plan view which shows the structure of the acceleration detection apparatus of 4th Example. 第５実施例の加速度検知装置の構成を示す概略平面図。The schematic plan view which shows the structure of the acceleration detection apparatus of 5th Example. （ａ）は従来の加速度検出素子の構成を示す平面図、（ｂ）は加速度を印加したときの振動姿態。(A) is a top view which shows the structure of the conventional acceleration detection element, (b) is a vibration state when an acceleration is applied.

符号の説明Explanation of symbols

１、２、３、４、５…加速度検知装置、１ａ、２ａ、３ａ、４ａ、５ａ…輪郭振動体、
１ｂ、２ｂ、３ｂ、４ｂ、５ｂ…電極、１０…固定側支持片、１１…固定部、１２、１７
…基部、１３ａ、１３ｂ、１３’ａ、１３’ｂ、１８ａ、１８ｂ…くびれ部、１４、１４
’、１４ａ、１４ｂ、１４ｃ、１４ｄ…貫通穴、１５…可動側支持片、１６…可動部、２
０…第１の駆動腕、２１…第２の駆動腕、２５…検出腕、３０ａ〜３２ｄ、３４ａ〜３６
ｄ、３８ａ〜３８ｄ…電極、３９ａ、３９ｂ…端子電極 1, 2, 3, 4, 5 ... acceleration detecting device, 1a, 2a, 3a, 4a, 5a ... contour vibrating body,
1b, 2b, 3b, 4b, 5b ... electrode, 10 ... fixed side support piece, 11 ... fixed portion, 12, 17
... Base, 13a, 13b, 13'a, 13'b, 18a, 18b ... Constriction, 14, 14
', 14a, 14b, 14c, 14d ... through hole, 15 ... movable side support piece, 16 ... movable part, 2
DESCRIPTION OF SYMBOLS 0 ... 1st drive arm, 21 ... 2nd drive arm, 25 ... Detection arm, 30a-32d, 34a-36
d, 38a-38d ... electrode, 39a, 39b ... terminal electrode

Claims (5)

固定側支持片、可動側支持片、前記固定側支持片と前記可動側支持片とによって両端部
を夫々支持された二本の平行な駆動腕、及び前記二本の駆動腕の間に平行に配置され且つ
前記固定側支持片により基端部を片持ち支持された短尺な検出腕と、を備え、前記固定側
支持片及び前記可動側支持片の夫々の両側端縁の対向する位置に夫々くびれ部を備えた輪
郭振動体と、
前記二本の駆動腕に形成された励振電極と、
前記検出腕に形成されて該検出腕に発生した電荷をピックアップする電極と、
を備えていることを特徴とする加速度検知装置。 Fixed side support piece, movable side support piece, two parallel drive arms supported at both ends by the fixed side support piece and the movable side support piece, and parallel between the two drive arms And a short detection arm whose base end portion is cantilevered and supported by the fixed side support piece, respectively, at opposite positions of both side edges of the fixed side support piece and the movable side support piece, respectively. A contour vibrating body with a constricted portion;
An excitation electrode formed on the two drive arms;
An electrode that is formed on the detection arm and picks up the electric charge generated in the detection arm;
An acceleration detection device comprising: 対向する前記くびれ部間に相当する前記固定側支持片の部位に貫通穴を形成したことを
特徴とする請求項１に記載の加速度検知装置。 The acceleration detecting device according to claim 1, wherein a through hole is formed in a portion of the fixed-side support piece corresponding to between the constricted portions facing each other. 前記貫通穴は、固定側支持片側を底辺とし、前記検出腕の基部側を頂部とする二等辺三
角形であることを特徴とする請求項１、又は２に記載の加速度検知装置。 The acceleration detection device according to claim 1, wherein the through hole is an isosceles triangle having a fixed side support piece side as a base and a base side of the detection arm as a top. 前記貫通穴は、矩形、楕円形、或いは長円形であることを特徴とする請求項１、又は２
に記載の加速度検知装置。 The said through hole is a rectangle, an ellipse, or an ellipse, The Claim 1 or 2 characterized by the above-mentioned.
The acceleration detection device according to 1. 前記二本の平行な振動腕が音叉型振動子を構成し、該音叉型振動子の共振周波数と前記
検出腕野狂信周波数とが異なることを特徴とする請求項１に記載の加速度検出装置。 2. The acceleration detecting apparatus according to claim 1, wherein the two parallel vibrating arms constitute a tuning fork type vibrator, and a resonance frequency of the tuning fork type vibrator is different from the detection arm field fanatic frequency.

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