JP2011153887A - Acceleration sensor and accelerometer - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、加速度センサー及び加速度計に関し、特に力センサーにシングルビーム振動
素子を用いた加速度センサーと加速度計に関するものである。
The present invention relates to an acceleration sensor and an accelerometer, and more particularly to an acceleration sensor and an accelerometer that use a single beam vibrating element as a force sensor.
従来から、圧電振動素子を使用した加速度センサーが知られている。圧電振動素子を用
いた加速度センサーは、圧電振動素子に検出軸方向の力が作用すると、圧電振動素子の共
振周波数が変化し、当該共振周波数の変化から加速度センサーに印加される加速度を検出
するように構成されている。
特許文献１には、振動ビーム変換器の駆動方式が開示されている。図７は力検出センサ
ーの概略図であり、同図（ａ）は平面図、同図（ｂ）はＱ−Ｑにおける断面図である。力
検出センサー１１０は、支持基板１３５と、双音叉型振動素子１１２と、図８に示す双音
叉型振動素子を駆動する励振回路１４０と、を備えている。支持基板１３５は、錘として
機能する可動部１３７と、固定部１３６と可動部１３７との対向する側端縁間を連結して
可動部１３７を厚さ方向へ揺動させる蝶番部１３８と、を備えている。双音叉型振動素子
１１２は、一対の基部１２０、１２２と、この基部１２０、１２２間を連設する一対の振
動腕１１６、１１８とを備えた圧電基板からなる応力感応部と、この圧電基板の振動領域
上に形成した励振電極と、を備えている。
Conventionally, an acceleration sensor using a piezoelectric vibration element is known. An acceleration sensor using a piezoelectric vibration element detects the acceleration applied to the acceleration sensor from the change in the resonance frequency when the force in the detection axis direction acts on the piezoelectric vibration element and the resonance frequency of the piezoelectric vibration element changes. It is configured.
Patent Document 1 discloses a driving method of a vibration beam converter. 7A and 7B are schematic views of the force detection sensor. FIG. 7A is a plan view and FIG. 7B is a cross-sectional view taken along the line Q-Q. The
図８は、双音叉型振動素子１１２の励振回路１４０であり、主振動腕１１６を含む発振
回路１４２と、副振動腕１１８の励振回路１５６と、を備えている。発振回路１４２は、
主振動腕１１６と、２つの反転演算増幅器１４４、１４６と、が発振ループを形成し、反
転演算増幅器１４６の入出力間には出力レベルを制御する抵抗１５０と容量１５２とが接
続されている。励振回路１５６は、非反転演算増幅器１５８の逆相入力と接地間には抵抗
１６０が、逆相入力と出力間には抵抗１６２が接続され、正相入力には発振回路１４２の
出力が供給される。励振回路１５６の出力は副振動腕１１８の一方の端子に接続され、他
方の端子は接地されている。
図８の励振回路１４０を用いることにより、主振動腕１１６と副振動腕１１８とは、同
一の周波数、且つ同相の同一振幅で振動する。このことにより、支持系への流出エネルギ
ーが最小になり、双音叉型振動素子１１２のＱ値が最大となる。その結果、双音叉型振動
素子１１２による力検出の精度が改善されると開示されている。
FIG. 8 shows an
The main vibrating
By using the
特許文献２には、３軸加速度センサーが開示され、その中に図９に示すような一対の基
部と、この基部間に連接された振動腕からなるシングルビーム力センサーと、双音叉型振
動素子力センサーとが斜視図で示されている。双音叉型振動素子の電極構成についは各種
の文献に開示されているが、シングルビーム振動素子の電極構成については、詳細な図面
等の開示がなされていない。
Patent Document 2 discloses a three-axis acceleration sensor, in which a single beam force sensor comprising a pair of bases as shown in FIG. 9, a vibrating arm connected between the bases, and a double tuning fork type vibration element A force sensor is shown in perspective view. The electrode configuration of the double tuning fork type vibration element is disclosed in various documents, but the electrode configuration of the single beam vibration element is not disclosed in detail drawings or the like.
しかしながら、特許文献１の励振回路１４０は、双音叉型圧電振動素子の各振動腕に別
個の駆動回路を設ける駆動方式であり、駆動回路が複雑になると共にその調整に工数を要
し、コスト上昇を招くという問題があった。また、特許文献２にはシングルビーム振動素
子が開示されているものの、励振する手段が開示されておらず、励振電極によるものか、
圧電振動素子を貼り付けて駆動するものか不明であるという問題があった。
本発明は上記問題を解決するためになされたもので、シングルビーム振動素子を駆動す
る励振電極及び回路を示し、シングルビーム振動素子を力センサー素子とした加速度セン
サーと、加速度計とを提供することにある。
However, the
There is a problem that it is unclear whether the piezoelectric vibration element is attached and driven.
The present invention has been made to solve the above problem, and shows an excitation electrode and a circuit for driving a single beam vibrating element, and provides an acceleration sensor using the single beam vibrating element as a force sensor element and an accelerometer. It is in.
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センサーは、圧電センサーと、該圧電センサーを支持
する第１支持面及び第２支持面を有した支持基板と、を備え、前記圧電センサーは、検知
軸方向へ加わる力に応じた電気信号を生成する圧電センサー要素と、前記圧電センサー要
素を前記支持基板上に支持するために前記第１及び第２支持面に夫々固定される第１被固
定部及び第２被固定部と、を備え、前記支持基板は、前記第１被固定部を固定する固定側
の第１基板片と、該第１支持面の面方向に並置され且前記第２支持面を備えた可動側の第
２基板片と、前記第１基板片と前記第２基板片の対向する側端縁間を連結して該第２基板
片を厚さ方向へ揺動させる蝶番部と、前記圧電センサーに形成した励振電極を導通するた
めの導体配線と、を備え、前記圧電センサーの前記第１被固定部及び第２被固定部上に形
成したパッド電極を支持基板に設けた前記導体配線を介して接続したことを特徴とする加
速度センサーである。
Application Example 1 An acceleration sensor according to the present invention includes a piezoelectric sensor and a support substrate having a first support surface and a second support surface that support the piezoelectric sensor, and the piezoelectric sensor has a detection axis direction. A piezoelectric sensor element that generates an electrical signal in accordance with a force applied to the substrate, a first fixed portion fixed to the first and second support surfaces for supporting the piezoelectric sensor element on the support substrate, and a first fixed portion; 2 fixed parts, and the support substrate is juxtaposed in the surface direction of the first support surface and the first substrate piece on the fixed side for fixing the first fixed part, and the second support surface is A movable-side second substrate piece, and a hinge portion for connecting between the opposing side edges of the first substrate piece and the second substrate piece to swing the second substrate piece in the thickness direction; A conductor wiring for conducting the excitation electrode formed on the piezoelectric sensor, and An acceleration sensor, characterized in that connected through the conductor wire provided with the first pad electrode formed on a fixed portion and a second fixed portion on the electrostatic sensor support substrate.
圧電センサーの圧電センサー要素に２次屈曲振動モードのシングルビーム振動素子を用
いる場合は、シングルビーム振動素子の励振電極は、長手方向に対し３つの部分に分割さ
れ、且つ各部分の表面の各励振電極から延びる引出電極を、シングルビーム振動素子の一
方の端部、又は両端に引き出すことは不可能であった。
そこで、水晶からなる支持基板の上下両面に導体配線を設け、導体配線を介してシング
ルビーム振動素子の励振電極の導通接続を図るようにした。支持基板上に対向する導体配
線を設けることにより、支持基板の不要振動を励起することなく、２次屈曲振動モードの
シングルビーム振動素子を励振できるようになり、小型で感度のよい加速度センサーが実
現できるようになるという効果がある。
In the case where a single-beam vibration element in a secondary bending vibration mode is used as the piezoelectric sensor element of the piezoelectric sensor, the excitation electrode of the single-beam vibration element is divided into three parts with respect to the longitudinal direction, and each excitation on the surface of each part. It has been impossible to extract the extraction electrode extending from the electrode to one end or both ends of the single beam vibrating element.
Therefore, conductor wiring is provided on the upper and lower surfaces of the support substrate made of quartz, and conduction connection of the excitation electrode of the single beam vibrating element is achieved through the conductor wiring. By providing the opposing conductor wiring on the support substrate, it becomes possible to excite the single-beam vibration element in the secondary bending vibration mode without exciting unnecessary vibration of the support substrate, realizing a compact and highly sensitive acceleration sensor There is an effect that it becomes possible.
［適用例２］また、加速度センサーは、前記支持基板に設けた前記導体配線が、前記第
１及び第２支持面上に形成された表面側電極と、前記第１及び第２支持面と対向する裏面
上に形成された裏面側電極と、を備え、前記表面側電極は、前記第１基板片側に第１電極
、並びに該第１電極と非導通状態に構成された第２電極を有すると共に、前記第２基板片
側に第３電極、並びに該第３電極と非導通に構成された第４電極を有し、前記第１電極と
前記第３電極とを導通する表面側導体配線とを備えた構成であり、前記裏面側電極は、前
記第２電極と前記第４電極とを導通し、前記表面側導体配線と少なくとも一部で重なり合
うように形成された裏面側導体配線とを備えた構成であることを特徴とする適用例１に記
載の加速度センサーである。
Application Example 2 In the acceleration sensor, the conductor wiring provided on the support substrate is opposed to the surface-side electrode formed on the first and second support surfaces, and the first and second support surfaces. A back-side electrode formed on the back surface, the front-side electrode having a first electrode on one side of the first substrate and a second electrode configured to be non-conductive with the first electrode. A third electrode on one side of the second substrate, and a fourth electrode configured to be non-conductive with the third electrode, and a surface-side conductor wiring that conducts the first electrode and the third electrode. The back surface side electrode includes a back surface side conductor wiring that is electrically connected to the second electrode and the fourth electrode and is formed so as to overlap at least partly with the front surface side conductor wiring. The acceleration sensor according to application example 1 is characterized in that:
支持基板の第１基板片側に第１電極及び第２電極を、第２基板片側に第３電極及び第４
電極を設け、第１電極と第３電極とを導通接続する表面側電極と、第２電極と第４電極と
を導通接続する裏面側電極とを形成する。この支持基板にシングルビーム振動素子を重ね
合わせ、上記各電極とシングルビーム振動素子に形成したパッド電極とを導通させること
により、シングルビーム振動素子を２次屈曲振動モードで励振させることが可能となり、
加速度センサーの圧電センサー要素として利用できるようになるという効果がある。
The first electrode and the second electrode on one side of the first substrate of the support substrate, and the third electrode and the fourth electrode on the second substrate side.
An electrode is provided, and a front surface side electrode for conductively connecting the first electrode and the third electrode and a back surface side electrode for conductively connecting the second electrode and the fourth electrode are formed. By superimposing a single beam vibration element on the support substrate and conducting the electrodes and the pad electrode formed on the single beam vibration element, it becomes possible to excite the single beam vibration element in the secondary bending vibration mode.
There is an effect that it can be used as a piezoelectric sensor element of an acceleration sensor.
［適用例３］また、加速度センサーは、前記圧電センサー要素が、前記第１被固定部と
前記第２被固定部との間に配置され、且つ前記第１被固定部と前記第２被固定部とに連結
された構成であると共に、その表面に実質的に直流回路として非導通に構成された第１検
出用電極と第２検出用電極を備え、前記第１検出用電極の一端と前記第１電極とが接続し
、前記第１検出用電極の他端と前記第３電極とが接続し、前記第２検出用電極の一端と前
記第２電極とが接続し、前記第２検出用電極の他端と前記第４電極とが接続し、前記第１
検出用電極の一端と他端とは前記支持基板に設けた前記表面側電極で導通をとり、前記第
２検出用電極の一端と他端とは前記支持基板に設けた前記裏面側電極で導通をとることを
特徴とする適用例１又は２に記載の加速度センサーである。
Application Example 3 In the acceleration sensor, the piezoelectric sensor element is disposed between the first fixed portion and the second fixed portion, and the first fixed portion and the second fixed portion are arranged. A first detection electrode and a second detection electrode configured to be substantially non-conductive as a DC circuit on the surface thereof, and having one end of the first detection electrode and the The first electrode is connected, the other end of the first detection electrode is connected to the third electrode, the one end of the second detection electrode is connected to the second electrode, and the second detection electrode is connected. The other end of the electrode and the fourth electrode are connected, and the first
One end and the other end of the detection electrode are connected by the surface side electrode provided on the support substrate, and one end and the other end of the second detection electrode are connected by the back side electrode provided on the support substrate. The acceleration sensor according to Application Example 1 or 2, wherein
圧電センサー要素の表面に実質的に直流回路として非導通に構成された第１検出用電極
と第２検出用電極を備え、支持基板の第１基板片に設けた第１電極と第１検出用電極の一
端とを接続し、第２基板片に設けた第３電極と第１検出用電極の他端とを接続する。そし
て、支持基板の第１基板片に設けた第２電極と第２検出用電極の一端とを接続し、第２基
板片に設けた第４電極と第２検出用電極の他端とを接続することにより、シングルビーム
振動素子を２次屈曲振動モードで励振することが可能となり、加速度センサーの圧電セン
サー要素としてシングルビーム振動素子を利用できるようになったという効果がある。
A first detection electrode and a second detection electrode, which are substantially non-conductive as a DC circuit, are provided on the surface of the piezoelectric sensor element, and the first electrode and the first detection electrode provided on the first substrate piece of the support substrate One end of the electrode is connected, and the third electrode provided on the second substrate piece is connected to the other end of the first detection electrode. Then, the second electrode provided on the first substrate piece of the support substrate is connected to one end of the second detection electrode, and the fourth electrode provided on the second substrate piece is connected to the other end of the second detection electrode. By doing so, it is possible to excite the single beam vibration element in the secondary bending vibration mode, and there is an effect that the single beam vibration element can be used as the piezoelectric sensor element of the acceleration sensor.
［適用例４］また、加速度センサーは、前記圧電センサー要素がシングルビーム振動素
子であることを特徴とする適用例１乃至３の何れかに記載の加速度センサーである。
Application Example 4 Further, the acceleration sensor is the acceleration sensor according to any one of Application Examples 1 to 3, wherein the piezoelectric sensor element is a single beam vibration element.
圧電センサー要素をシングルビーム振動素子とすることにより、小型で感度の優れた加
速度センサーを構成することが可能になるという効果がある。
By using a single-beam vibrating element as the piezoelectric sensor element, there is an effect that it is possible to configure a small and highly sensitive acceleration sensor.
［適用例５］また、加速度センサーは、前記支持基板が、前記第１及び第２支持面と直
交する方向に光学軸が設定された水晶結晶体であることを特徴とする適用例１乃至４の何
れかに記載の加速度センサーである。
Application Example 5 Further, in the acceleration sensor, the support substrate is a crystal crystal body in which an optical axis is set in a direction orthogonal to the first and second support surfaces. The acceleration sensor according to any one of the above.
Ｚカット水晶基板を用いて支持基板を構成することにより第１及び第２支持面と直交す
る方向が光学軸（Ｚ軸）となり、第１及び第２支持面に対向する導通電極を配しても支持
基板に不要振動モードを励起させることがないという効果がある。
By configuring the support substrate using a Z-cut quartz substrate, the direction orthogonal to the first and second support surfaces becomes the optical axis (Z-axis), and conductive electrodes facing the first and second support surfaces are arranged. This also has the effect that the unnecessary vibration mode is not excited in the support substrate.
［適用例６］本発明の加速度計は、適用例１乃至５の何れかに記載の加速度センーと、
前記加速度センサーの圧電センサー要素を励振する発振回路と前記発振回路の出力周波数
をカウントするカウンターと前記カウンターの信号を処理する演算回路を有するＩＣと、
を備えたことを特徴とする加速度計である。
Application Example 6 An accelerometer according to the present invention includes the acceleration sensor according to any one of Application Examples 1 to 5,
An IC having an oscillation circuit for exciting the piezoelectric sensor element of the acceleration sensor, a counter for counting the output frequency of the oscillation circuit, and an arithmetic circuit for processing the signal of the counter;
An accelerometer characterized by comprising:
支持基板４及び圧電センサー２０を、水晶基板を用いて形成し、且つ圧電センサー要素
２１をシングルビーム振動素子として加速度センサー１を構成する。加速度センサー１と
、発振回路とカウンターと演算回路とを備えたＩＣと、で加速度計を構成すると、加速度
検出感度が大幅に改善され、検出精度、再現性、温度特性、エージング等の優れた加速度
計が実現できるという効果がある。
The acceleration sensor 1 is configured by forming the support substrate 4 and the
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、本発明の一実施
形態に係る加速度センサー１の構成を示す概略図であり、同図（ａ）は平面図、同図（ｂ
）はＱ−Ｑにおける断面図である。
加速度センサー１は、圧電センサー２０と、圧電センサー２０を支持する第１支持面５
ａ、及び第２支持面７ａを有した支持基板４と、を備えている。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. FIG. 1 is a schematic view showing a configuration of an acceleration sensor 1 according to an embodiment of the present invention. FIG. 1 (a) is a plan view, and FIG.
) Is a cross-sectional view taken along the line Q-Q.
The acceleration sensor 1 includes a
a and a support substrate 4 having a
図２は支持基板４の構成を示す斜視図である。Ｚカット水晶基板を用いて支持基板４を
形成した例について説明する。
支持基板４は、第１支持面５ａ、及び第２支持面７ａと直交する方向に光学軸（Ｚ軸）
が設定された水晶結晶体であり、圧電センサー２０の第１被固定部２２ａを固定する固定
側の第１基板片５と、第１支持面５ａの面方向に並置され、且つ第２被固定部２２ｂを固
定する第２支持面７ａを備えた可動側の第２基板片７と、第１基板片５と第２基板片７の
対向する側端縁間を連結し、第２基板片７を厚さ方向へ揺動させる蝶番部８と、圧電セン
サー２０の励振電極を接続するための導体配線１０と、を備えている。
蝶番部８は、第１基板片５及び第２基板片７の厚さより薄く形成され、蝶番部８より可
撓するように構成されている。蝶番部８の長手方向と直交する方向の断面形状は矩形状、
台形状、円弧状等であり、厚さ方向の少なくとも一方に形成されている。
第１基板片５及び第２基板片７と蝶番部８とは、一体的に形成され、且つ第１基板片５
の第１支持面５ａと、第２基板片７の第２支持面７ａとは、同一平面上にある。
FIG. 2 is a perspective view showing the configuration of the support substrate 4. An example in which the support substrate 4 is formed using a Z-cut quartz substrate will be described.
The support substrate 4 has an optical axis (Z axis) in a direction orthogonal to the
Is set, and is arranged in parallel with the
The hinge portion 8 is formed thinner than the thickness of the
It has a trapezoidal shape, an arc shape, etc., and is formed in at least one of the thickness directions.
The
The
導体配線１０は、第１基板片５の一方の端部寄りの上下面及び側面に形成した第１電極
１１ａと、他方の端部寄りの上下面及び側面に形成し第１電極１１ａと実質的に直流回路
として非導通状態に構成された第２電極１１ｂと、第２基板片７の一方の端部寄りの上下
面及び側面に形成した第３電極１２ａと、他方の端部寄りの上下面及び側面に形成し第３
電極１２ａと実質的に直流回路として非導通状態に構成された第４電極１２ｂと、を備え
ている。更に導体配線１０は、第１電極１１ａ及び第３電極１２ａ間を導通する表面導通
電極１３と、表面導通電極１３と実質的に直流回路として非導通状態に構成され、第２電
極１１ｂ及び第４電極１２ｂ間を導通する裏面導通電極１５と、を備えている。
そして、表面導通電極１３と裏面導通電極１５とは、支持基板４上の少なくとも一部で
、光学軸（Ｚ軸）方向において重なり合うように形成されている。
三方晶系クラス３２のＺカット水晶基板を用いて支持基板４を構成し、第１基板片５及
び第２基板片７の夫々の主面（Ｚ面）の両面に、表面導通電極１３及び裏面導通電極１５
を対向して形成しても、表面導通電極１３及び裏面導通電極１５によるＺ軸方向の電界Ｅ
ｚに対する圧電定数ｅｉｊが零であるので、支持基板４には共振モードは励起されない。
水晶基板に限らず電界Ｅｚに対する圧電定数ｅｉｊが零である圧電材料ならば、同様に用
いることができる。
The
And a
And the
The support substrate 4 is formed using a Z-cut crystal substrate of a trigonal class 32, and the surface
Are formed so as to face each other, the electric field E in the Z-axis direction by the
Since the piezoelectric constant eij with respect to z is zero, the resonance mode is not excited in the support substrate 4.
Any piezoelectric material can be used in the same way as long as the piezoelectric constant eij with respect to the electric field Ez is not limited to the quartz substrate.
図３は圧電センサー２０の構成を示す斜視図である。図４（ａ）は圧電センサー２０の
電極構成を示す平面図であり、同図（ｂ）は側面図、同図（ｃ）はＡ部分における断面図
と結線図である。圧電センサー２０は、例えばＺカット水晶基板を用いて構成し、加速度
センサー１の検知軸方向９と直交する方向へ延びる細長棒状の構成であり、長手方向と直
交する断面が矩形状をしている。
圧電センサー２０は、図１（ｂ）の検知軸９方向へ加わる力に応じた電気信号を生成す
る圧電センサー要素２１と、圧電センサー要素２１を支持基板４上に支持するために、第
１支持面５ａ及び第２支持面７ａに夫々固定される第１被固定部２２ａ及び第２被固定部
２２ｂと、を備えている。つまり、圧電センサー要素２１は、第１被固定部２２ａと第２
被固定部２２ｂとの間に配置され、且つ第１被固定部２２ａと第２被固定部２２ｂとに連
結された構成である。
圧電センサー２０は、第１被固定部２２ａの一方の端部寄りの上下面及び側面に形成し
たパッド電極２３ａと、他方の端部寄りの上下面及び側面に形成しパッド電極２３ａと実
質的に直流回路として非導通状態に構成されたパッド電極２３ｂと、を備えている。更に
、第２被固定部２２ｂの一方の端部寄りの上下面及び側面に形成したパッド電極２４ａと
、他方の端部寄りの上下面及び側面に形成しパッド電極２４ａと実質的に直流回路として
非導通状態に構成されたパッド電極２４ｂと、を備えている。
FIG. 3 is a perspective view showing the configuration of the
The
It is the structure arrange | positioned between the to-
The
圧電センサー要素２１は、図３及び図４（ａ）に示すように、励振電極の配置により、
Ａ領域、Ｂ領域、Ｃ領域に分けられる。Ａ領域の４つの面、即ち上下面、両側面の励振電
極を夫々２５ａ、２５ｂ、２５ｃ、２５ｄとする。同様に、Ｂ領域及びＣ領域の励振電極
を夫々２６ａ〜２６ｄ及び２７ａ〜２７ｄとする。
第１被固定部２２ａの一方の端部寄りに形成したパッド電極２３ａと、領域Ａの両側面
の励振電極２５ｃ、２５ｄとが接続され、且つ領域Ｂの上下面の励振電極２６ａ、２６ｂ
とに接続されている。第１被固定部２２ａの他方の端部寄りに形成したパッド電極２３ｂ
と、領域Ａの上下面の励振電極２５ａ、２５ｂとが接続されている。
第２被固定部２２ｂの一方の端部寄りに形成したパッド電極２４ａと、領域Ｃの両側面
の励振電極２７ｃ、２７ｄとが接続されている。第２被固定部２２ｂの他方の端部寄りに
形成したパッド電極２４ｂと、領域Ｃの上下面の励振電極２７ａ、２７ｂとが接続され、
且つ領域Ｂの両側面の励振電極２６ｃ、２６ｄとに接続されている。
加速度センサー１は、支持基板４の第１支持面５ａ及び第２支持面７ａに導電性接着剤
３０を塗布し、その上に圧電センサー２０を載置し、第１支持面５ａ及び第２支持面７ａ
と、第１被固定部２２ａ及び第２被固定部２２ｂとが夫々重なり合うように、導電性接着
剤３０で接着・固定されている。これにより、第１電極１１ａとパッド電極２３ａ、第２
電極１１ｂとパッド電極２３ｂ、第３電極１２ａとパッド電極２４ａ、第４電極１２ｂと
パッド電極２４ｂとが夫々導通接続される。
As shown in FIG. 3 and FIG. 4A, the
It is divided into A area, B area, and C area. Excitation electrodes on the four surfaces of the A region, that is, the upper and lower surfaces and both side surfaces are 25a, 25b, 25c, and 25d, respectively. Similarly, the excitation electrodes in the B region and the C region are 26a to 26d and 27a to 27d, respectively.
The
And connected to.
Are connected to the
The
And it is connected to the
In the acceleration sensor 1, the
The first fixed
The electrode 11b and the
領域Ａの両側面の励振電極２５ｃ、２５ｄ、及び領域Ｂの上下面の励振電極２６ａ、２
６ｂを第１検出用電極２８ａとし、領域Ａの上下面の励振電極２５ａ、２５ｂを第２検出
用電極２８ｂとする。更に、領域Ｃの両側面の励振電極２７ｃ、２７ｄも第１検出用電極
２８ａとし、領域Ｂの両側面の励振電極２６ｃ、２６ｄと領域Ｃの上下面の励振電極２７
ａ、２７ｂとを第２検出電極２８ｂとする。
第１検出用電極２８ａの一端と第１電極１１ａとが接続され、第２検出用電極２８ｂの
一端と第２電極１１ｂとが接続されている。そして第１検出用電極２８ａの他端と第３電
極１２ａとが接続され、第２検出用電極２８ｄの他端と第４電極１２ｂとが夫々接続され
ている。
つまり、励振電極２５ｃ、２５ｄ、及び励振電極２６ａ、２６ｂとからなる第１検出用
電極２８ａと、励振電極２７ｃ、２７ｄからなる第１検出用電極２８ａは電気的に導通し
ていない。同様に、励振電極２５ａ、２５ｂからなる第２検出用電極２８ｂと、励振電極
２６ｃ、２６ｄ及び励振電極２７ａ、２７ｂとからなる第２検出用電極２８ｂとは電気的
に導通していない。
そこで、支持基板４上に形成した導体配線１０を用いて、２つに分かれた第１検出用電
極２８ａ同志、第２検出用電極２８ｂ同志夫々を導通させる。つまり、第１電極１１ａと
第３電極１２ａとを接続する表面導通電極１３により、励振電極２５ｃ、２５ｄと、励振
電極２６ａ、２６ｂと、励振電極２７ｃ、２７ｄとの電気的導通が図られる。同様に、第
２電極１１ｂと第４電極１２ｂとを接続する裏面導通電極１５により、励振電極２５ａ、
２５ｂと、励振電極２６ｃ、２６ｄと、励振電極２７ａ、２７ｂとの電気的導通が図られ
る。
6b is a first detection electrode 28a, and
a and 27b are the second detection electrodes 28b.
One end of the first detection electrode 28a and the first electrode 11a are connected, and one end of the second detection electrode 28b and the second electrode 11b are connected. The other end of the first detection electrode 28a is connected to the third electrode 12a, and the other end of the second detection electrode 28d is connected to the
That is, the first detection electrode 28a including the
Therefore, using the
25b, the
圧電センサー要素２１は、いわゆるシングルビーム振動素子であり、第１電極１１ａと
第２電極１１ｂとの間に交流電圧を印加することにより、領域Ａ、Ｂ間、及び領域Ｂ、Ｃ
間を夫々節点とする二次屈曲振動が励振される。しかし、第１検出用電極２８ａを圧電セ
ンサー要素２１上で導通させることは不可能であり、また、第２検出用電極２８ｂを圧電
センサー要素２１上で導通させることは不可能である。そこで、図２の斜視図に示すよう
に、支持基板４の上下面及び側面に導体配線１０を形成し、支持基板４と圧電センサー２
０とを貼り合わせることにより、第１検出用電極２８ａの導通と第２検出用電極２８ｂの
導通を図り、シングルビーム振動素子（圧電センサー要素）２１を２端子とから励振でき
るようにした。
図３、４に示すシングルビーム振動素子２０の両端を自由端とした場合、節点は図５に
示すＰ１、Ｐ２であり、その振動姿態は図５に示すような二次屈曲振動となる。しかし、
加速度センサー１の圧電センサー２０として用いる場合にはシングルビーム振動素子２０
の両端を固定端として用いるので振動姿態も変形する。
The
Second-order bending vibration is excited with each node in between. However, it is impossible to conduct the first detection electrode 28 a on the
By bonding 0, the first detection electrode 28a and the second detection electrode 28b are made conductive so that the single beam vibrating element (piezoelectric sensor element) 21 can be excited from two terminals.
When the both ends of the single
When used as the
Since both ends of the are used as fixed ends, the vibration state is also deformed.
本発明の加速度センサー１の動作について説明する。加速度センサー１に検出軸９（＋
Ｚ軸方向）方向の加速度α（＋Ｚ軸）が印加されると、支持基板４の第２支持片７には力
Ｆ（＝ｍ×α、ｍは付加の錘を含めた第２支持片７の質量）が働き、この力Ｆにより第２
支持片７は蝶番部８から−Ｚ軸方向に撓むことになる。第２支持片７が−Ｚ軸方向に撓む
ことにより、シングルビーム振動素子（圧電センサー要素）２１の第１被固定部２２ａと
第２被固定部２２ｂとの間には伸長力（引張力）が働き、シングルビーム振動素子２１の
内部に伸長応力が作用して、シングルビーム振動素子２１の共振周波数が増加する。
逆に、加速度センサー１に検出軸９（−Ｚ軸方向）方向の加速度αが印加されると、第
２支持片７は蝶番部８から＋Ｚ軸方向に撓む。第２支持片７が＋Ｚ軸方向に撓むことによ
り、シングルビーム振動素子（圧電センサー要素）２１の第１被固定部２２ａと第２被固
定部２２ｂとの間には圧縮力が働き、シングルビーム振動素子２１の内部に圧縮応力が作
用して、シングルビーム振動素子２１の共振周波数が減少する。
圧電センサー２０の周波数の増減により加速度αの方向が検出でき、周波数の変化量か
ら加速度αの大きさが検出できる。
The operation of the acceleration sensor 1 of the present invention will be described. The acceleration sensor 1 has a detection axis 9 (+
When an acceleration α in the (Z-axis direction) direction (+ Z axis) is applied, a force F (= m × α, m is the second support piece 7 including an additional weight is applied to the second support piece 7 of the support substrate 4. Mass), and this force F
The support piece 7 bends in the −Z-axis direction from the hinge portion 8. When the second support piece 7 bends in the −Z-axis direction, an extension force (tensile force) is generated between the first fixed
On the contrary, when the acceleration α in the direction of the detection axis 9 (−Z axis direction) is applied to the acceleration sensor 1, the second support piece 7 bends from the hinge portion 8 in the + Z axis direction. When the second support piece 7 bends in the + Z-axis direction, a compressive force acts between the first fixed
The direction of the acceleration α can be detected by increasing or decreasing the frequency of the
加速度センサー１の感度を上げる場合には、図１（ｂ）に示す第２基板片７の圧電セン
サー２０を載置する面と対向する主面に錘部材を接着・固定し、第２基板片７の質量を増
すようにする。又は、支持基板４を形成する際に、第２基板片７の第２支持面７ａと対向
する面を第１基板片５より厚くして、第２基板片７の質量を増すようにしてもよい。
センサー感度は圧電センサー要素２１のビームの本数に反比例するので、圧電センサー
要素２１をシングルビーム振動素子とすることにより、双音叉型振動素子に比べ感度を２
倍にすることができる。また、双音叉型振動素子の一対の振動腕の両端部に設ける振動漏
洩防止部である基部を省略でき、圧電センサー要素２１を小型にすることが可能である。
また、真空中で用いることによりシングルビーム振動素子のＱ値は双音叉型圧電振動素子
と同程度であり、周波数温度特性も同程度である。
また、支持基板４上に導体配線１０を形成し、シングルビーム振動素子２１の励振電極
の導通を図るようにしたので、電極アライメントがシングルビーム振動素子２１の長手方
向と平行にずれても、励振電極の導通が保たれるという効果がある。
以上の説明ではシングルビーム振動素子２１の長手方向と直交する断面を矩形状として
説明したが、励振電極の効果を上げるためには、音叉振動子と同様にＨ型としてもよい。
When increasing the sensitivity of the acceleration sensor 1, a weight member is bonded and fixed to the main surface of the second substrate piece 7 shown in FIG. The mass of 7 is increased. Alternatively, when the support substrate 4 is formed, the surface of the second substrate piece 7 that faces the
Since the sensitivity of the sensor is inversely proportional to the number of beams of the
Can be doubled. Moreover, the base part which is the vibration leakage prevention part provided in the both ends of a pair of vibration arm of a double tuning fork type vibration element can be omitted, and the
Further, when used in a vacuum, the Q value of the single beam vibrating element is approximately the same as that of a double tuning fork type piezoelectric vibrating element, and the frequency temperature characteristics are also approximately the same.
In addition, since the
In the above description, the cross section orthogonal to the longitudinal direction of the single
支持基板４、及び圧電センサー２０の製造法の一例は、平板状のＺカット水晶基板にフ
ォトリソグラフィ技法とエッチング手段を適用して製造する方法である。更に圧電センサ
ー２０の場合は蒸着法を用いて励振電極、パッド電極を形成する。
フォトリソグラフィ技法とエッチング手法の水晶基板への適用は、長年の実績があり、
寸法精度のよい支持基板４と圧電センサー２０との量産化が容易である。
なお、支持基板４と圧電センサー２０とに同一の材料を用いることにより、圧電センサ
ー１の周囲の温度変化による支持基板４及び圧電センサー２０の膨張、収縮をほぼ同じに
することが可能となるので、圧電センサーの検出精度、温度特性、エージング等が改善さ
れる。
以上では、支持基板４、及び圧電センサー２０に水晶を用いた例を説明したが、必ずし
も水晶に限定するものではなく、圧電セラミック、タンタル酸リチウム、ニオブ酸リチウ
ム、ランガサイト等を用いることが可能である。
An example of a method of manufacturing the support substrate 4 and the
The application of photolithography and etching techniques to quartz substrates has a long track record,
Mass production of the support substrate 4 and the
By using the same material for the support substrate 4 and the
In the above, an example in which quartz is used for the support substrate 4 and the
図６は本発明の加速度計５０の構成を示すブロック図である。加速度計５０は、上記の
加速度センサー１と、加速度センサー１の圧電センサー２０を励振する発振回路５２と発
振回路５２の出力周波数をカウントするカウンター５３とカウンター５３の信号を処理す
る演算回路５５を有するＩＣ５１と、表示部５６と、を備えた加速度計である。
支持基板４、及び圧電センサー２０を、水晶基板を用いて形成し、且つ圧電センサー２
０をシングルビーム動素子として加速度センサー１を構成する。加速度センサー１と、前
述の各機能を備えたＩＣ５１とで加速度計５０を構成すると、加速度検出感度が大幅に改
善され、検出精度、再現性、温度特性、エージング等の優れた加速度計が実現できるとい
う効果がある。
FIG. 6 is a block diagram showing the configuration of the
The support substrate 4 and the
The acceleration sensor 1 is configured with 0 as a single beam moving element. When the
１…加速度センサー、４…支持基板、５…第１基板片、５ａ…第１支持面、７…第２基板
片、７ａ…第２支持面、８…蝶番部、９…検知軸、１０…導体配線、１１ａ…第１電極、
１１ｂ…第２電極、１２ａ…第３電極、１２ｂ…第４電極、１３…表面導通電極、１６…
裏面導通電極、２０…圧電センサー、２１…圧電センサー要素、２２ａ…第１被固定部、
２２ｂ…第２被固定部、２３ａ、２３ｂ、２４ａ、２４ｂ…パッド電極、２５ａ、２５ｂ
、２５ｃ、２５ｄ、２６ａ、２６ｂ、２６ｃ、２６ｄ、２７ａ、２７ｂ、２７ｃ、２７ｄ
…励振電極、２８ａ…第１検出用電極、２８ｂ…第２検出用電極、３０…接着剤、５０…
加速度計、５１…ＩＣ、５２…発振回路、５３…カウンター、５５…演算回路、５６…表
示部
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Acceleration sensor, 4 ... Support substrate, 5 ... 1st substrate piece, 5a ... 1st support surface, 7 ... 2nd substrate piece, 7a ... 2nd support surface, 8 ... Hinge part, 9 ... Detection axis, 10 ... Conductor wiring, 11a ... first electrode,
11b ... 2nd electrode, 12a ... 3rd electrode, 12b ... 4th electrode, 13 ... Surface conduction electrode, 16 ...
Back surface conductive electrode, 20 ... piezoelectric sensor, 21 ... piezoelectric sensor element, 22a ... first fixed portion,
22b: second fixed portion, 23a, 23b, 24a, 24b ... pad electrodes, 25a, 25b
25c, 25d, 26a, 26b, 26c, 26d, 27a, 27b, 27c, 27d
... excitation electrode, 28a ... first detection electrode, 28b ... second detection electrode, 30 ... adhesive, 50 ...
Accelerometer, 51 ... IC, 52 ... Oscillator circuit, 53 ... Counter, 55 ... Calculation circuit, 56 ... Display unit
Claims (6)
板と、を備え、
前記圧電センサーは、検知軸方向へ加わる力に応じた電気信号を生成する圧電センサー
要素と、前記圧電センサー要素を前記支持基板上に支持するために前記第１及び第２支持
面に夫々固定される第１被固定部及び第２被固定部と、励振電極と、前記第１被固定部及
び第２被固定部上に夫々形成したパッド電極と、を備え、
前記支持基板は、前記第１被固定部を固定する固定側の第１基板片と、該第１支持面の
面方向に並置され且つ前記第２支持面を備えた可動側の第２基板片と、前記第１基板片と
前記第２基板片の対向する側端縁間を連結して該第２基板片を厚さ方向へ揺動させる蝶番
部と、前記励振電極を導通するための導体配線と、を備え、
前記各パッド電極間を前記導体配線を介して接続したことを特徴とする加速度センサー
。 A piezoelectric sensor; and a support substrate having a first support surface and a second support surface that support the piezoelectric sensor,
The piezoelectric sensor is fixed to the first and second support surfaces in order to support the piezoelectric sensor element on the support substrate and a piezoelectric sensor element that generates an electric signal according to a force applied in the detection axis direction. A first fixed portion and a second fixed portion, an excitation electrode, and a pad electrode formed on the first fixed portion and the second fixed portion, respectively.
The support substrate includes a fixed first substrate piece for fixing the first fixed portion, and a movable second substrate piece juxtaposed in the surface direction of the first support surface and provided with the second support surface. A hinge for connecting the opposing side edges of the first substrate piece and the second substrate piece to swing the second substrate piece in the thickness direction, and a conductor for conducting the excitation electrode And wiring,
An acceleration sensor, wherein the pad electrodes are connected via the conductor wiring.
面側電極と、前記第１及び第２支持面と対向する裏面上に形成された裏面側電極と、を備
え、
前記表面側電極は、前記第１基板片側に第１電極、並びに該第１電極と非導通状態に構
成された第２電極を有すると共に、前記第２基板片側に第３電極、並びに該第３電極と非
導通に構成された第４電極を有し、前記第１電極と前記第３電極とを導通する表面側導体
配線を備えた構成であり、
前記裏面側電極は、前記第２電極と前記第４電極とを導通し、前記表面側導体配線と少
なくとも一部で重なり合うように形成された裏面側導体配線とを備えた構成であることを
特徴とする請求項１に記載の加速度センサー。 The conductor wiring provided on the support substrate includes a front-side electrode formed on the first and second support surfaces, and a back-side electrode formed on the back surface facing the first and second support surfaces, respectively. And comprising
The surface-side electrode includes a first electrode on one side of the first substrate and a second electrode configured to be in a non-conductive state with the first electrode, and a third electrode and the third electrode on the second substrate side. It has a fourth electrode configured to be non-conductive with an electrode, and includes a surface-side conductor wiring that conducts between the first electrode and the third electrode,
The back surface side electrode is configured to include a back surface side conductor wiring formed so as to conduct the second electrode and the fourth electrode and to overlap at least partly with the front surface side conductor wiring. The acceleration sensor according to claim 1.
つ前記第１被固定部と前記第２被固定部とに連結された構成であると共に、その表面に実
質的に直流回路として非導通に構成された第１検出用電極と第２検出用電極を備え、
前記第１検出用電極の一端と前記第１電極とが接続し、
前記第１検出用電極の他端と前記第３電極とが接続し、
前記第２検出用電極の一端と前記第２電極とが接続し、
前記第２検出用電極の他端と前記第４電極とが接続し、
前記第１検出用電極の一端と他端とは前記支持基板に設けた前記表面側電極で導通をと
り、
前記第２検出用電極の一端と他端とは前記支持基板に設けた前記裏面側電極で導通をと
ることを特徴とする請求項１又は２に記載の加速度センサー。 The piezoelectric sensor element is disposed between the first fixed portion and the second fixed portion, and is connected to the first fixed portion and the second fixed portion, and A first detection electrode and a second detection electrode configured substantially non-conductive as a DC circuit on the surface;
One end of the first detection electrode and the first electrode are connected,
The other end of the first detection electrode and the third electrode are connected,
One end of the second detection electrode and the second electrode are connected,
The other end of the second detection electrode and the fourth electrode are connected;
One end and the other end of the first detection electrode are electrically connected by the surface side electrode provided on the support substrate,
The acceleration sensor according to claim 1, wherein one end and the other end of the second detection electrode are electrically connected by the back surface side electrode provided on the support substrate.
３の何れかに記載の加速度センサー。 4. The acceleration sensor according to claim 1, wherein the piezoelectric sensor element is a single beam vibration element.
晶体であることを特徴とする請求項１乃至４の何れかに記載の加速度センサー。 5. The acceleration sensor according to claim 1, wherein the support substrate is a quartz crystal body having an optical axis set in a direction orthogonal to the first and second support surfaces.
前記加速度センサーの圧電センサー要素を励振する発振回路と前記発振回路の出力周波
数をカウントするカウンターと前記カウンターの信号を処理する演算回路を有するＩＣと
、
を備えたことを特徴とする加速度計。 The acceleration sensor according to any one of claims 1 to 5,
An IC having an oscillation circuit for exciting the piezoelectric sensor element of the acceleration sensor, a counter for counting the output frequency of the oscillation circuit, and an arithmetic circuit for processing the signal of the counter;
An accelerometer characterized by comprising:
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2010015110A JP2011153887A (en) | 2010-01-27 | 2010-01-27 | Acceleration sensor and accelerometer |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2010015110A JP2011153887A (en) | 2010-01-27 | 2010-01-27 | Acceleration sensor and accelerometer |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2011153887A true JP2011153887A (en) | 2011-08-11 |
Family
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Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2010015110A Withdrawn JP2011153887A (en) | 2010-01-27 | 2010-01-27 | Acceleration sensor and accelerometer |
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2010
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