JP2015099039A - Piezoelectric acceleration sensor - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a piezoelectric acceleration sensor capable of detecting acceleration applied in a Z-axis direction and achieving downsizing.SOLUTION: There is provided a piezoelectric acceleration sensor 1 that detects acceleration using a variation in resonance frequency when the acceleration is applied. In the piezoelectric acceleration sensor, a recess 2a is provided in a substrate 2 and a piezoelectric vibration element 3 having a piezoelectric film 5 is disposed at a gap formed by the recess 2a. The piezoelectric vibration element 3 is fixed to a support surface of the substrate 2. The piezoelectric vibration element 3 has the piezoelectric film, and first and second electrodes 6 and 7 provided to be in contact with the piezoelectric film. Furthermore, a neutral plane of stress caused by the acceleration applied to the piezoelectric vibration element 3 is positioned within the gap.

Description

本発明は、加速度の検出に用いられる圧電型加速度センサに関し、より詳細には、共振周波数変化型の圧電型加速度センサに関する。   The present invention relates to a piezoelectric acceleration sensor used for detection of acceleration, and more particularly to a resonance frequency change type piezoelectric acceleration sensor.

従来、ハードディスクドライブなどの電子機器や、車両のエアバック装置などに、加速度センサが用いられている。加速度を高精度に検出するセンサとして、共振周波数変化型の圧電型加速度センサが種々提案されている。下記の特許文献1には、双音叉型水晶振動素子を有する圧電型加速度センサが開示されている。特許文献1では、双音叉型水晶振動素子が、接着剤により支持基板に接合されている。双音叉型水晶振動素子は、内部が真空の密封容器に収納されている。   Conventionally, acceleration sensors have been used in electronic devices such as hard disk drives and vehicle airbag devices. As a sensor for detecting acceleration with high accuracy, various types of piezoelectric acceleration sensors of a resonance frequency change type have been proposed. Patent Document 1 below discloses a piezoelectric acceleration sensor having a double tuning fork type crystal vibrating element. In Patent Document 1, a double tuning fork type crystal vibrating element is bonded to a support substrate with an adhesive. The double tuning fork type crystal resonator element is housed in a vacuum sealed container.

特許文献1では、厚み方向をZ軸方向としたときに、双音叉型水晶振動素子がZ軸方向に加わる力をX軸方向及びY軸方向の力に変換することにより、X軸方向の加速度を検出することができるとされている。   In Patent Document 1, when the thickness direction is the Z-axis direction, the force applied by the double tuning fork type crystal resonator element in the Z-axis direction is converted into the forces in the X-axis direction and the Y-axis direction, whereby the acceleration in the X-axis direction Can be detected.

他方、下記の非特許文献1には、AlN圧電薄膜を用いた双音叉型圧電振動素子を有する共振周波数変化型の圧電型加速度センサが開示されている。   On the other hand, Non-Patent Document 1 below discloses a resonance frequency change type piezoelectric acceleration sensor having a double tuning fork type piezoelectric vibration element using an AlN piezoelectric thin film.

特開2012−242343号公報JP 2012-242343 A

Journal of Microeletromechanical Systems, Vol.18, No3, June 2009Journal of Microeletromechanical Systems, Vol.18, No3, June 2009

特許文献1に記載の加速度センサでは、接着剤により支持基板に双音叉型水晶振動素子が接合されていたが、高精度に接合することが困難であった。そのため、接合ずれによる感度の低下が生じるおそれがあった。また、水晶を用いているため、小型化が困難であった。さらに、双音叉型水晶振動素子の周囲が真空であるため、構造自体の共振のQが極めて大きくなっていた。そのため、破壊しやすいという問題があった。   In the acceleration sensor described in Patent Document 1, the double tuning fork type crystal vibrating element is bonded to the support substrate with an adhesive, but it is difficult to bond with high accuracy. For this reason, there is a concern that the sensitivity may be lowered due to the misalignment. In addition, since quartz is used, it is difficult to reduce the size. Furthermore, since the surroundings of the double tuning fork type quartz vibrating element are in a vacuum, the resonance Q of the structure itself is extremely large. Therefore, there was a problem that it was easy to break.

他方、非特許文献1に記載の圧電型加速度センサでは、検出する加速度の方向と、圧電振動素子の振動方向が同じであった。そのため、圧電振動素子の厚み方向すなわちZ軸方向に加わる加速度を検出することができなかった。さらに、内部が真空の密閉容器に収納されており、製造コストが高いという問題があった。   On the other hand, in the piezoelectric acceleration sensor described in Non-Patent Document 1, the direction of acceleration to be detected is the same as the vibration direction of the piezoelectric vibration element. Therefore, the acceleration applied in the thickness direction of the piezoelectric vibration element, that is, the Z-axis direction cannot be detected. Furthermore, the inside is housed in a vacuum sealed container, and there is a problem that the manufacturing cost is high.

本発明の目的は、Z軸方向に加わる加速度の検出ができ、かつ小型化を進め得る圧電型加速度センサを提供することにある。   An object of the present invention is to provide a piezoelectric acceleration sensor that can detect acceleration applied in the Z-axis direction and can be miniaturized.

本発明に係る圧電型加速度センサは、加速度が加わった際の共振周波数の変化により加速度を検出する圧電型加速度センサである。本発明に係る圧電型加速度センサは、凹部が設けられている支持面を有する支持体と、上記支持体の支持面に固定されており、上記凹部の底面に対して上記凹部により形成されるギャップを隔てて配置されている圧電振動素子とを備え、上記圧電振動素子が、スリットを有する圧電膜と、上記圧電膜に接するように設けられた第1,第2の電極とを備え、上記圧電振動素子に加わった加速度による応力の中立面が上記ギャップ内または支持体の内部に位置している。   The piezoelectric acceleration sensor according to the present invention is a piezoelectric acceleration sensor that detects acceleration based on a change in resonance frequency when acceleration is applied. The piezoelectric acceleration sensor according to the present invention includes a support having a support surface provided with a recess, and a gap formed by the recess with respect to the bottom surface of the recess. The support is fixed to the support surface of the support. A piezoelectric vibration element disposed with a gap therebetween, wherein the piezoelectric vibration element includes a piezoelectric film having a slit, and first and second electrodes provided so as to be in contact with the piezoelectric film. A neutral surface of stress caused by acceleration applied to the vibration element is located in the gap or the inside of the support.

本発明に係る圧電型加速度センサのある特定の局面では、上記圧電振動素子が、振動子本体部と、振動子本体部に連ねられた連結部とを備え、上記連結部が、上記支持体の上記支持面に固定されている。   In a specific aspect of the piezoelectric acceleration sensor according to the present invention, the piezoelectric vibration element includes a vibrator main body portion and a connecting portion connected to the vibrator main body portion, and the connecting portion is provided on the support body. It is fixed to the support surface.

本発明に係る圧電型加速度センサの他の特定の局面では、上記連結部が、上記振動子本体部の長さ方向一端及び他端にそれぞれ連結されている。   In another specific aspect of the piezoelectric acceleration sensor according to the present invention, the connecting portion is connected to one end and the other end of the vibrator main body in the length direction.

本発明に係る圧電型加速度センサのさらに他の特定の局面では、上記振動子本体部が、輪郭振動モードで振動する振動子本体部である。   In still another specific aspect of the piezoelectric acceleration sensor according to the present invention, the vibrator body is a vibrator body that vibrates in a contour vibration mode.

本発明に係る圧電型加速度センサのさらに別の特定の局面では、上記振動子本体部が、長さ方向を有する矩形の平面形状を有し、上記スリットが、上記長さ方向に延びるように設けられている。   In still another specific aspect of the piezoelectric acceleration sensor according to the present invention, the vibrator main body has a rectangular planar shape having a length direction, and the slit is provided to extend in the length direction. It has been.

本発明に係る圧電型加速度センサのさらに他の特定の局面では、一方の連結部に、質量を付加する質量付加部が連結されている。   In still another specific aspect of the piezoelectric acceleration sensor according to the present invention, a mass adding portion for adding mass is connected to one of the connecting portions.

本発明に係る圧電型加速度センサのさらに他の特定の局面では、上記質量付加部が上記支持体と一体に構成されている。   In still another specific aspect of the piezoelectric acceleration sensor according to the present invention, the mass adding portion is configured integrally with the support.

本発明に係る圧電型加速度センサのさらに他の特定の局面では、上記圧電振動素子において、上記第1の電極と上記第2の電極とが、上記圧電薄膜の少なくとも一部の層を介して重なり合うように配置されている。   In still another specific aspect of the piezoelectric acceleration sensor according to the present invention, in the piezoelectric vibration element, the first electrode and the second electrode overlap with each other through at least a part of the layer of the piezoelectric thin film. Are arranged as follows.

本発明に係る圧電型加速度センサのさらに別の特定の局面では、上記圧電振動素子が、双音叉型圧電振動素子である。   In still another specific aspect of the piezoelectric acceleration sensor according to the present invention, the piezoelectric vibration element is a double tuning fork type piezoelectric vibration element.

本発明に係る圧電型加速度センサのさらに別の特定の局面では、上記第1,第2の電極が、互いに間挿し合う複数本の電極指を有し、インターデジタル電極が構成されている。   In still another specific aspect of the piezoelectric acceleration sensor according to the present invention, the first and second electrodes have a plurality of electrode fingers that are interleaved with each other to form an interdigital electrode.

本発明に係る圧電型加速度センサによれば、支持体の凹部により形成されるギャップを隔てて圧電振動素子が凹部の底面に対して隔てられて配置されており、圧電振動素子に加わった加速度による応力の中立面がギャップ内または支持体の内部に位置しているため、Z軸方向すなわち圧電振動素子の厚み方向に加わる加速度を検出することができる。また、小型化が可能である。   According to the piezoelectric acceleration sensor according to the present invention, the piezoelectric vibration element is disposed so as to be separated from the bottom surface of the concave portion with a gap formed by the concave portion of the support, and the acceleration is applied to the piezoelectric vibration element. Since the neutral plane of the stress is located in the gap or in the support, the acceleration applied in the Z-axis direction, that is, the thickness direction of the piezoelectric vibration element can be detected. Further, the size can be reduced.

本発明の第1の実施形態に係る圧電型加速度センサの斜視図である。1 is a perspective view of a piezoelectric acceleration sensor according to a first embodiment of the present invention. (a)は、本発明の第1の実施形態の圧電型加速度センサの平面図であり、(b)は(a)中のA−A線に沿う断面図であり、(c)は(a)中のB−B線に沿う断面図である。(A) is a top view of the piezoelectric acceleration sensor of the 1st Embodiment of this invention, (b) is sectional drawing in alignment with the AA in (a), (c) is (a) It is sectional drawing which follows the BB line in the inside. 本発明の第1の実施形態の圧電型加速度センサの各部分の寸法を説明するための平面図である。It is a top view for demonstrating the dimension of each part of the piezoelectric type acceleration sensor of the 1st Embodiment of this invention. 本発明の第1の実施形態の圧電型加速度センサのインピーダンス特性を示す図である。It is a figure which shows the impedance characteristic of the piezoelectric acceleration sensor of the 1st Embodiment of this invention. 本発明の第1の実施形態の圧電型加速度センサの実施例と、比較例の圧電型加速度センサの加速度と周波数シフト量とを示す図である。It is a figure which shows the Example of the piezoelectric acceleration sensor of the 1st Embodiment of this invention, and the acceleration and frequency shift amount of the piezoelectric acceleration sensor of a comparative example. 本発明の第2の実施形態に係る圧電型加速度センサの平面図である。It is a top view of the piezoelectric acceleration sensor which concerns on the 2nd Embodiment of this invention. 本発明の第3の実施形態に係る圧電型加速度センサの平面図である。It is a top view of the piezoelectric acceleration sensor which concerns on the 3rd Embodiment of this invention. 本発明の第4の実施形態に係る圧電型加速度センサの斜視図である。It is a perspective view of the piezoelectric acceleration sensor which concerns on the 4th Embodiment of this invention. 本発明の第5の実施形態に係る圧電型加速度センサの斜視図である。It is a perspective view of the piezoelectric acceleration sensor which concerns on the 5th Embodiment of this invention.

以下、図面を参照しつつ、本発明の具体的な実施形態を説明することにより、本発明を明らかにする。   Hereinafter, the present invention will be clarified by describing specific embodiments of the present invention with reference to the drawings.

図1は、本発明の第1の実施形態に係る圧電型加速度センサの斜視図であり、図2(a)は該圧電型加速度センサの平面図である。図2(b)及び(c)は、図2(a)中のA−A線及びB−B線に沿う断面図である。   FIG. 1 is a perspective view of a piezoelectric acceleration sensor according to the first embodiment of the present invention, and FIG. 2A is a plan view of the piezoelectric acceleration sensor. 2 (b) and 2 (c) are cross-sectional views along the lines AA and BB in FIG. 2 (a).

圧電型加速度センサ1は、加速度が加わった際の共振周波数の変化により、加速度を検出する圧電型加速度センサである。   The piezoelectric acceleration sensor 1 is a piezoelectric acceleration sensor that detects acceleration based on a change in resonance frequency when acceleration is applied.

圧電型加速度センサ1において、図2(a)に示すように、長さ方向をX軸方向とし、X軸方向における一方の方向を方向X1、他方の方向を方向X2とする。また、幅方向をY軸方向とし、Y軸方向における一方の方向を方向Y1、他方の方向を方向Y2とする。そして、図2(b)に示すように、厚み方向をZ軸方向とする。   In the piezoelectric acceleration sensor 1, as shown in FIG. 2A, the length direction is the X-axis direction, one direction in the X-axis direction is the direction X1, and the other direction is the direction X2. The width direction is defined as the Y-axis direction, one direction in the Y-axis direction is defined as direction Y1, and the other direction is defined as direction Y2. And as shown in FIG.2 (b), let the thickness direction be a Z-axis direction.

本実施形態の圧電型加速度センサ1は、支持体2を有する。支持体2は、平面形状が矩形の形状を有する。支持体2は、本実施形態ではシリコンからなる。もっとも、支持体2は、Si基板と、Si基板上に設けられたSiO膜等の絶縁膜とからなる構造であってもよい。 The piezoelectric acceleration sensor 1 of the present embodiment has a support 2. The support 2 has a rectangular shape in plan view. The support 2 is made of silicon in the present embodiment. However, the support 2 may have a structure including a Si substrate and an insulating film such as a SiO 2 film provided on the Si substrate.

また、支持体2は、本体部2bを有する。本体部2bは、平面形状が矩形であり、上面2cを有する。支持体2の上面2cには、上方に開いた凹部2aが形成されている。   Moreover, the support body 2 has the main-body part 2b. The main body 2b has a rectangular planar shape and has an upper surface 2c. On the upper surface 2 c of the support 2, a concave portion 2 a opened upward is formed.

図2(c)に示すように、支持体2の本体部2bの上記方向X2側の端部において、本体部2bの下面に支持梁2dが設けられている。支持梁2dは、圧電型加速度センサ1を外部から支持するために用いられる。   As shown in FIG.2 (c), the support beam 2d is provided in the lower surface of the main-body part 2b in the edge part by the side of the said direction X2 of the main-body part 2b of the support body 2. As shown in FIG. The support beam 2d is used to support the piezoelectric acceleration sensor 1 from the outside.

もっとも、支持梁2dは設けられずともよい。すなわち、支持体2の上記方向側の端部のいずれの部分において外部から支持してもよい。圧電型加速度センサ1は、X2方向側の端部において、外部に固定され、片持ち梁で支持される。   However, the support beam 2d may not be provided. That is, you may support from the exterior in any part of the edge part of the said direction side of the support body 2. As shown in FIG. The piezoelectric acceleration sensor 1 is fixed to the outside at the end on the X2 direction side and is supported by a cantilever beam.

なお、本体部2bのX1方向側の端部においては、本体部2bの下面に質量付加部2eが設けられている。質量付加部2eは、支持体2のX1方向側の端部を下方に付勢する錘として機能する。   At the end of the main body 2b on the X1 direction side, a mass adding portion 2e is provided on the lower surface of the main body 2b. The mass addition part 2e functions as a weight that urges the end of the support 2 on the X1 direction side downward.

本実施形態では、質量付加部2eは、本体部2bと同一材料で一体に構成されている。もっとも、質量付加部2eは別の材料で構成されていてもよい。その場合には、質量付加部2eを支持体2の本体部2bの下面に接合すればよい。   In this embodiment, the mass addition part 2e is integrally comprised with the same material as the main-body part 2b. But the mass addition part 2e may be comprised with another material. In that case, what is necessary is just to join the mass addition part 2e to the lower surface of the main-body part 2b of the support body 2. FIG.

上記本体部2bは、前述したように矩形の平面形状を有するが、上面2cには前述した凹部2aが形成されている。凹部2aは、特に限定されるわけではないが、矩形の平面形状を有し、図2(a)及び(b)に示すように、Y1方向及びY2方向において両端に至っている。すなわち、圧電型加速度センサ1の支持体2の幅方向両端に至るように凹部2aが形成されている。   Although the main body 2b has a rectangular planar shape as described above, the above-described recess 2a is formed on the upper surface 2c. The recess 2a is not particularly limited, but has a rectangular planar shape and reaches both ends in the Y1 direction and the Y2 direction as shown in FIGS. 2 (a) and 2 (b). That is, the recesses 2 a are formed so as to reach both ends of the support 2 of the piezoelectric acceleration sensor 1 in the width direction.

上記支持体2の上面2cに、加速度検出素子として、圧電振動素子3が固定されている。圧電振動素子3は、振動子本体3Xを有する。振動子本体3Xは、X軸方向を長さ方向とする矩形の平面形状を有する。振動子本体3Xには、第1のスリット8aと、第2のスリット8bが形成されている。第1のスリット8a及び第2のスリット8bは、X軸方向が長さ方向である細長い矩形の平面形状を有する。   A piezoelectric vibration element 3 is fixed to the upper surface 2c of the support 2 as an acceleration detection element. The piezoelectric vibration element 3 has a vibrator body 3X. The vibrator main body 3X has a rectangular planar shape whose length direction is the X-axis direction. The vibrator body 3X is formed with a first slit 8a and a second slit 8b. The first slit 8a and the second slit 8b have an elongated rectangular planar shape whose length direction is the X-axis direction.

第1のスリット8aの外側には、第1の駆動部3aが第1のスリット8aと平行に延びるように設けられている。また、第2のスリット8bの外側が、第2の駆動部3bである。第2の駆動部3bも第2のスリット8bと平行に延びている。   Outside the first slit 8a, a first drive unit 3a is provided so as to extend in parallel with the first slit 8a. The outside of the second slit 8b is the second drive unit 3b. The second driving unit 3b also extends in parallel with the second slit 8b.

上記第1の駆動部3a及び第2の駆動部3bの長さは、第1,第2のスリット8a,8bと等しい。すなわち、第1の駆動部3a及び第2の駆動部3bの長さ方向両端は、第1,第2のスリット8a,8bの長さ方向両端と等しくされている。そして、第1の駆動部3aと第2の駆動部3bの長さ方向両端に繋がるように、接続部3d,3eが設けられている。接続部3d,3eは、圧電型加速度センサ1の幅方向の両端に至るように設けられている。   The lengths of the first drive unit 3a and the second drive unit 3b are equal to the first and second slits 8a and 8b. That is, both ends in the length direction of the first drive unit 3a and the second drive unit 3b are equal to both ends in the length direction of the first and second slits 8a and 8b. And the connection parts 3d and 3e are provided so that it may connect with the length direction both ends of the 1st drive part 3a and the 2nd drive part 3b. The connecting portions 3d and 3e are provided so as to reach both ends of the piezoelectric acceleration sensor 1 in the width direction.

上記接続部3d,3eは、上記幅方向に延びる矩形の形状を有している。また、第1,第2の駆動部3a,3bと平行に、幅方向中央において長さ方向に延びる振動子中央部3cが設けられている。   The connecting portions 3d and 3e have a rectangular shape extending in the width direction. A vibrator central portion 3c extending in the length direction at the center in the width direction is provided in parallel with the first and second drive portions 3a and 3b.

上記第1,第2の駆動部3a,3b及び振動子中央部3cの長さ方向、つまりX軸方向における一端同士を接続するように、第1の接続部3dが設けられている。他方、第1の駆動部3a、第2の駆動部3b及び振動子中央部3cの長さ方向、つまりX軸方向における他端同士を結ぶように、第2の接続部3eが設けられている。   A first connecting portion 3d is provided so as to connect one end in the length direction of the first and second driving portions 3a, 3b and the vibrator central portion 3c, that is, the X-axis direction. On the other hand, the second connecting portion 3e is provided so as to connect the other ends in the length direction of the first driving portion 3a, the second driving portion 3b, and the vibrator central portion 3c, that is, the X-axis direction. .

第1,第2の接続部3d,3eは、圧電型加速度センサ1の幅方向両端に至るように設けられている。   The first and second connection portions 3 d and 3 e are provided so as to reach both ends in the width direction of the piezoelectric acceleration sensor 1.

本実施形態では、上記第1,第2の駆動部3a,3b及び振動子中央部3cと、上記接続部3d,3eとにより振動子本体3Xが構成されている。この振動子本体3Xは、その外形が矩形の形状を有する。   In the present embodiment, the vibrator main body 3X is constituted by the first and second drive parts 3a and 3b, the vibrator center part 3c, and the connection parts 3d and 3e. The vibrator body 3X has a rectangular outer shape.

他方、上記第1,第2の接続部3d,3eの外側端縁中央にそれぞれ、第1,第2の連結部3f,3gが設けられている。ここで、外側とは振動子本体3Xの中心から遠ざかる側をいうものとする。第1の連結部3fの外側端が、第1の支持部3hに接続されている。第1の支持部3hは幅方向両端に至るように設けられている。同様に、第2の連結部3gの外側端が、第2の支持部3iに連ねられている。第1の支持部3h及び第2の支持部3iは、前述した支持体2の上面2cに接合されている部分である。   On the other hand, first and second connecting portions 3f and 3g are provided at the centers of the outer edges of the first and second connecting portions 3d and 3e, respectively. Here, the outside means the side away from the center of the vibrator body 3X. The outer end of the first connecting portion 3f is connected to the first support portion 3h. The first support portion 3h is provided so as to reach both ends in the width direction. Similarly, the outer end of the second connecting portion 3g is connected to the second support portion 3i. The 1st support part 3h and the 2nd support part 3i are parts joined to the upper surface 2c of the support body 2 mentioned above.

ところで、上記振動子本体3Xと第1,第2の連結部3f,3g及び第1,第2の支持部3h,3iは、圧電薄膜を用いて一体的に構成されている。より具体的には、本実施形態では、保持膜としての第1のAlN膜4と、圧電効果を利用する膜としての第2のAlN膜5とが積層されている。第1のAlN膜4と第2のAlN膜5との間には、第1の電極6が積層されている。この第1の電極6は、前述した振動子本体3X、第1,第2の連結部3f,3g及び第1,第2の支持部3h,3iの全領域に至るように設けられている。   By the way, the vibrator main body 3X, the first and second connecting portions 3f and 3g, and the first and second support portions 3h and 3i are integrally configured using a piezoelectric thin film. More specifically, in the present embodiment, a first AlN film 4 as a holding film and a second AlN film 5 as a film using a piezoelectric effect are stacked. A first electrode 6 is laminated between the first AlN film 4 and the second AlN film 5. The first electrode 6 is provided so as to reach the entire region of the vibrator main body 3X, the first and second connection portions 3f and 3g, and the first and second support portions 3h and 3i.

他方、駆動部3a,3bにおいては、第2のAlN膜5の上面に、第2の電極7が積層されている。第2のAlN膜5は、C軸に配向しており、厚み方向に分極されている。   On the other hand, in the drive units 3 a and 3 b, the second electrode 7 is laminated on the upper surface of the second AlN film 5. The second AlN film 5 is oriented in the C axis and is polarized in the thickness direction.

本実施形態の圧電型加速度センサ1の動作を説明する。   The operation of the piezoelectric acceleration sensor 1 of this embodiment will be described.

駆動に際しては、第1の電極6と第2の電極7との間に交番電界を印加する。それによって、上記圧電振動素子3の振動子本体3Xが輪郭モードで振動し、共振特性が得られる。   In driving, an alternating electric field is applied between the first electrode 6 and the second electrode 7. Accordingly, the vibrator main body 3X of the piezoelectric vibration element 3 vibrates in the contour mode, and resonance characteristics are obtained.

第1の実施形態では、上記輪郭振動に類似したモードで駆動することができるため、1MHz以上の周波数で駆動することができる。また電気機械結合係数が良好である。従って、大気中において容易に振動させることができる。   In the first embodiment, since it can be driven in a mode similar to the contour vibration, it can be driven at a frequency of 1 MHz or more. Also, the electromechanical coupling coefficient is good. Therefore, it can be easily vibrated in the atmosphere.

他方、上記圧電型加速度センサ1に加速度による力が作用すると、上記共振特性が変化する。この共振特性の変化により加速度を検出することができる。   On the other hand, when a force due to acceleration acts on the piezoelectric acceleration sensor 1, the resonance characteristic changes. The acceleration can be detected by the change in the resonance characteristics.

なお、共振特性の変化とは、特に限定されないが、共振周波数におけるインピーダンスの値の変化、共振周波数の周波数位置の変化、反共振周波数におけるインピーダンスの変化、または反共振周波数の位置の変化などの適宜のファクターの変化を利用することができる。   The change in the resonance characteristics is not particularly limited, but may be an appropriate change such as a change in the impedance value at the resonance frequency, a change in the frequency position of the resonance frequency, a change in the impedance at the antiresonance frequency, or a change in the position of the antiresonance frequency. Changes in factors can be used.

加速度がZ軸方向、すなわち圧電振動素子3の厚み方向に加速度が作用した場合、圧電振動素子3において伸縮が生じる。すなわち、本実施形態によれば、凹部2aに基づくギャップを隔てて、支持体2に対して上記のようにして圧電振動素子3が固定されている。さらに、上記凹部2aに基づくギャップを隔てて圧電振動素子3が配置されており、さらに該圧電型加速度センサ1に加わったZ軸方向の加速度による応力の中立面がギャップ内に位置している。従って、圧電振動子3には圧縮応力または引張応力が加わることになり、圧電振動素子3において伸縮が生じ、Z軸方向の加速度を検出することができる。   When the acceleration acts in the Z-axis direction, that is, in the thickness direction of the piezoelectric vibration element 3, the piezoelectric vibration element 3 expands and contracts. That is, according to the present embodiment, the piezoelectric vibration element 3 is fixed to the support 2 with the gap based on the recess 2 a as described above. Further, the piezoelectric vibration element 3 is arranged with a gap based on the concave portion 2a, and a neutral plane of stress due to acceleration in the Z-axis direction applied to the piezoelectric acceleration sensor 1 is located in the gap. . Therefore, compressive stress or tensile stress is applied to the piezoelectric vibrator 3, and expansion and contraction occurs in the piezoelectric vibration element 3, and acceleration in the Z-axis direction can be detected.

なお、圧電型加速度センサ1に加わったZ軸方向の加速度による応力の中立面は、ギャップ内ではなく、支持体2の本体部2b、すなわち支持体2の内部に位置していてもよい。この場合においても、圧電振動子3には圧縮応力または引張応力が加わることになり、圧電振動素子3において伸縮が生じ、Z軸方向の加速度を検出することができる。   Note that the neutral surface of the stress due to the acceleration in the Z-axis direction applied to the piezoelectric acceleration sensor 1 may be located not in the gap but in the main body 2 b of the support 2, that is, in the support 2. Even in this case, compressive stress or tensile stress is applied to the piezoelectric vibrator 3, and the piezoelectric vibration element 3 expands and contracts, and acceleration in the Z-axis direction can be detected.

また、本実施形態では、圧電型加速度センサ1は、輪郭振動などの面内振動モードで振動する。従って、上記凹部2aに起因するギャップの隙間が小さい場合であっても、圧電振動素子3が支持体2の本体部2bに接触しがたい。よって、いわゆるMEMS構造を利用して、Z軸方向の加速度をも検出し得る圧電型加速度センサ1を構成することができる。   In the present embodiment, the piezoelectric acceleration sensor 1 vibrates in an in-plane vibration mode such as contour vibration. Therefore, even when the gap due to the recess 2 a is small, the piezoelectric vibration element 3 is difficult to contact the main body 2 b of the support 2. Therefore, it is possible to configure the piezoelectric acceleration sensor 1 that can detect the acceleration in the Z-axis direction by using a so-called MEMS structure.

さらに、上記輪郭振動を利用する場合、真空パッケージを要することなく、大気中において圧電振動素子3を振動させることができる。例えば、共振周波数が1MHz以上の輪郭振動を利用した場合においても、大気中において容易に振動させることができる。従って、圧電振動素子3を真空パッケージに収納する必要がない。よって、製造コストを低くすることができる。加えて、小型化が可能である。   Furthermore, when the contour vibration is used, the piezoelectric vibration element 3 can be vibrated in the atmosphere without requiring a vacuum package. For example, even when contour vibration having a resonance frequency of 1 MHz or more is used, it can be easily vibrated in the atmosphere. Therefore, it is not necessary to store the piezoelectric vibration element 3 in the vacuum package. Therefore, the manufacturing cost can be reduced. In addition, downsizing is possible.

なお、本実施形態では、上記質量付加部2eが設けられているため、測定感度をより一層効果的に高めることができる。もっとも、質量付加部2eは必ずしも設けられずともよい。   In addition, in this embodiment, since the said mass addition part 2e is provided, a measurement sensitivity can be improved much more effectively. But the mass addition part 2e does not necessarily need to be provided.

なお、本実施形態では第1のAlN膜4を保持膜として用いている。もっとも、この保持膜はAlNなどの圧電材料により形成される必要は必ずしもない。すなわち、圧電作用を積極的に利用するのは、第1の電極6と第2の電極7との間に挟まれている第2のAlN膜5である。従って、第1の電極6の下方に位置している第1のAlN膜4は、SiO膜の他の誘電体材料や他の圧電材料などの適宜の材料で形成することができる。 In the present embodiment, the first AlN film 4 is used as a holding film. However, the holding film is not necessarily formed of a piezoelectric material such as AlN. That is, it is the second AlN film 5 sandwiched between the first electrode 6 and the second electrode 7 that actively uses the piezoelectric action. Therefore, the first AlN film 4 positioned below the first electrode 6 can be formed of an appropriate material such as another dielectric material of SiO 2 film or another piezoelectric material.

次に、具体的なシミュレーション例としての上記実施形態の実施例と、比較例との加速度検出試験につき説明する。図3は、実施例として用意した上記実施形態に係る圧電型加速度センサ1に係る各部分の寸法を示し、これらの寸法を下記の表1に示すように設定した。   Next, an acceleration detection test between the example of the above embodiment as a specific simulation example and a comparative example will be described. FIG. 3 shows the dimensions of each part related to the piezoelectric acceleration sensor 1 according to the embodiment prepared as an example, and these dimensions are set as shown in Table 1 below.

Figure 2015099039
Figure 2015099039

図4は、本実施形態の圧電型加速度センサ1において加速度が作用していないときの共振特性を示す図である。図4より、共振周波数は17.4MHzであり、電気機械結合係数は6.5%程度であることがわかる。従って、良好な共振特性を示していることがわかる。   FIG. 4 is a diagram illustrating resonance characteristics when no acceleration is applied in the piezoelectric acceleration sensor 1 of the present embodiment. FIG. 4 shows that the resonance frequency is 17.4 MHz and the electromechanical coupling coefficient is about 6.5%. Therefore, it can be seen that the resonance characteristics are good.

図5は、上記実施例の圧電型加速度センサにおいて、Z軸方向に加速度を加えた場合の加速度と、共振周波数の周波数シフト量Δf(Hz)との関係を示す。   FIG. 5 shows the relationship between the acceleration when the acceleration is applied in the Z-axis direction and the frequency shift amount Δf (Hz) of the resonance frequency in the piezoelectric acceleration sensor of the above embodiment.

また、比較例として、上記Siからなる支持体2が用いられていない上記圧電振動素子3のみを用いた比較例を用意した。この比較例における加速度と周波数シフト量も図5に併せて示す。   As a comparative example, a comparative example using only the piezoelectric vibration element 3 in which the support 2 made of Si was not used was prepared. The acceleration and frequency shift amount in this comparative example are also shown in FIG.

図5から明らかなように、上記支持体2が設けられていない場合には、重力加速度に対し、周波数シフト量が2次関数的に変化している。これに対して、実施例によれば、作用する加速度の大きさに対し、周波数シフト量が線形に変化している。従って、実施例によれば、作用しているZ軸方向の加速度を高精度に検出し得ることがわかる。   As is apparent from FIG. 5, when the support 2 is not provided, the frequency shift amount changes in a quadratic function with respect to the gravitational acceleration. On the other hand, according to the embodiment, the frequency shift amount changes linearly with respect to the magnitude of the acting acceleration. Therefore, according to the embodiment, it can be understood that the acting acceleration in the Z-axis direction can be detected with high accuracy.

なお、上記実施形態では圧電膜としてAlN膜を用いたが、PZT膜のような様々な他の圧電膜を用いることができる。また、第1,第2の電極6,7間に挟まれる圧電膜の厚みは、上記実験例に限らず、100nm〜3μm程度の薄膜であれば適宜の膜厚とすることができる。   In the above embodiment, an AlN film is used as the piezoelectric film, but various other piezoelectric films such as a PZT film can be used. The thickness of the piezoelectric film sandwiched between the first and second electrodes 6 and 7 is not limited to the above experimental example, and can be set to an appropriate thickness as long as it is a thin film of about 100 nm to 3 μm.

また、第1,第2の電極6,7は、モリブデンにより形成されていたが、タングステンや銅、アルミニウム、ルテニウムなどの様々な金属もしくはこれらの合金により形成することができる。   Further, although the first and second electrodes 6 and 7 are made of molybdenum, they can be made of various metals such as tungsten, copper, aluminum, ruthenium, or alloys thereof.

支持体2についても前述したようにSiに限らず、様々な誘電体または絶縁体により形成することができる。   As described above, the support 2 is not limited to Si, and can be formed of various dielectrics or insulators.

図6は、本発明の第2の実施形態の圧電型加速度センサ21の模式的平面図である。本実施形態では振動子本体23が、くし歯状の第1の電極25と、くし歯状の第2の電極26とを有する。第1の電極25の複数本の電極指と、第2の電極26の複数本の電極指が互いに間挿し合っている。すなわち、インターデジタル電極が構成されている。このように、圧電膜24に接するように設けられている第1,第2の電極25,26は、インターデジタル電極を構成していてもよい。この場合においても、第1の電極25と第2の電極26との間に交番電界を印加することにより、共振特性を得ることができる。そして、加速度が作用した場合に上記共振特性が変化するため、第1の実施形態と同様に、加速度を検出することができる。   FIG. 6 is a schematic plan view of the piezoelectric acceleration sensor 21 according to the second embodiment of the present invention. In the present embodiment, the vibrator main body 23 includes a comb-shaped first electrode 25 and a comb-shaped second electrode 26. The plurality of electrode fingers of the first electrode 25 and the plurality of electrode fingers of the second electrode 26 are interleaved with each other. That is, an interdigital electrode is configured. As described above, the first and second electrodes 25 and 26 provided so as to be in contact with the piezoelectric film 24 may constitute interdigital electrodes. Even in this case, the resonance characteristic can be obtained by applying an alternating electric field between the first electrode 25 and the second electrode 26. Since the resonance characteristics change when acceleration is applied, the acceleration can be detected as in the first embodiment.

なお、第2の実施形態においては、上記振動子本体23が第1の実施形態の圧電振動素子3と異なることを除いてはほぼ同様に構成されている。従って、同一の部分については同一の参照番号を付することにより他の説明は省略することとする。   In the second embodiment, the vibrator body 23 is configured in substantially the same manner except that the vibrator body 23 is different from the piezoelectric vibration element 3 of the first embodiment. Accordingly, the same parts are denoted by the same reference numerals, and other descriptions are omitted.

第2の実施形態においても、上記振動子本体23は、図示しないギャップを隔てて支持体2から浮かされている。そして、振動子本体23に加わった加速度による応力の中立面は、ギャップ内に位置している。よって、第1の実施形態と同様に、第2の実施形態においても、Z軸方向に作用する加速度を検出することができる。加えて、本実施形態においてもMEMS構造を採用しているため、製造が容易であり、小型化が可能である。   Also in the second embodiment, the vibrator main body 23 is floated from the support 2 with a gap (not shown). The neutral plane of the stress caused by the acceleration applied to the vibrator body 23 is located in the gap. Therefore, similarly to the first embodiment, the acceleration acting in the Z-axis direction can be detected also in the second embodiment. In addition, since the MEMS structure is also adopted in this embodiment, manufacturing is easy and miniaturization is possible.

第2の実施形態においても、圧電型加速度センサ21に加わったZ軸方向の加速度による応力の中立面は、ギャップ内ではなく、支持体2の本体部2b、すなわち支持体2の内部に位置していてもよい。この場合においても、圧電振動子3には圧縮応力または引張応力が加わることになり、圧電振動素子3において伸縮が生じ、Z軸方向の加速度を検出することができる。   Also in the second embodiment, the neutral surface of the stress due to the acceleration in the Z-axis direction applied to the piezoelectric acceleration sensor 21 is not located in the gap but in the main body 2b of the support 2, that is, inside the support 2. You may do it. Even in this case, compressive stress or tensile stress is applied to the piezoelectric vibrator 3, and the piezoelectric vibration element 3 expands and contracts, and acceleration in the Z-axis direction can be detected.

なお、第2の実施形態では、上記IDT電極が構成されているため、ラム波モードで振動させることができる。よって、数100MHz〜数MHzの高周波数域で振動させることができる。   In the second embodiment, since the IDT electrode is configured, it can be vibrated in the Lamb wave mode. Therefore, it can be vibrated in a high frequency range of several hundred MHz to several MHz.

図7は、第3の実施形態の圧電型加速度センサ31の平面図である。本実施形態では、振動子本体において、幅方向中央において長さ方向に延びる一本のスリット38が設けられている。このスリット38の両側に、それぞれ駆動部39a,39bが設けられている。その他の構造は、第1の実施形態と同様であるため、同一部分については同一の参照番号を付することにより、詳細な説明は省略する。   FIG. 7 is a plan view of the piezoelectric acceleration sensor 31 of the third embodiment. In the present embodiment, the vibrator main body is provided with one slit 38 extending in the length direction at the center in the width direction. Drive units 39a and 39b are provided on both sides of the slit 38, respectively. Since other structures are the same as those of the first embodiment, the same parts are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof is omitted.

もっとも、図7に示した圧電振動素子33を用いる場合には、真空パッケージが必要となる。もっとも、この場合においても、ギャップを隔てて振動子本体が構成されているため、また応力の中立面がギャップ内に位置しているため、Z軸方向に作用する加速度を検出することができる。さらに、MEMSプロセスを用いて加工できるため、小型化及び高精度の加工が可能である。   However, when the piezoelectric vibration element 33 shown in FIG. 7 is used, a vacuum package is required. However, even in this case, since the vibrator body is formed with a gap therebetween, and the neutral surface of the stress is located in the gap, acceleration acting in the Z-axis direction can be detected. . Furthermore, since it can process using a MEMS process, size reduction and highly accurate processing are possible.

図8は、本発明の第4の実施形態に係る圧電型加速度センサ41の斜視図である。本実施形態では、第1の実施形態の質量付加部2eに代えて、質量付加部42eが用いられている。質量付加部42eは、本体部42e1を有する。本体部42e1は、支持体2の長さ方向一端に連結されている。そして、本体部42e1は、支持体2の幅方向全長を超えて幅方向両外側に延ばされている。   FIG. 8 is a perspective view of a piezoelectric acceleration sensor 41 according to the fourth embodiment of the present invention. In the present embodiment, a mass adding unit 42e is used instead of the mass adding unit 2e of the first embodiment. The mass addition part 42e has a main body part 42e1. The main body 42 e 1 is connected to one end in the length direction of the support 2. And the main-body part 42e1 is extended to the width direction both outer side exceeding the width direction full length of the support body 2. As shown in FIG.

さらに、上記本体部42e1の両端から、支持体2の長さ方向と平行に延びる突出部42e2,42e3が連ねられている。このように、第1の実施形態の質量付加部2eよりも大きい質量付加部42eを設けてもよい。その場合において質量付加部42eによる質量付加作用が大きいため、測定感度をより一層高めることができる。   Further, projecting portions 42e2 and 42e3 extending in parallel with the length direction of the support 2 are connected from both ends of the main body portion 42e1. Thus, you may provide the mass addition part 42e larger than the mass addition part 2e of 1st Embodiment. In that case, since the mass addition action by the mass addition part 42e is large, the measurement sensitivity can be further enhanced.

また、図9に示す圧電型加速度センサ51のように、2個の圧電型加速度センサ1,1を長さ方向一端同士を突き合わせて質量付加部52eにより連結してもよい。この場合には、各圧電型加速度センサ1,1の質量付加部52eとは連結されていない側の端部で各圧電型加速度センサ1,1を支持すればよい。   Further, like the piezoelectric acceleration sensor 51 shown in FIG. 9, two piezoelectric acceleration sensors 1 and 1 may be connected to each other by a mass adding portion 52e with their lengthwise ends being brought into contact with each other. In this case, each piezoelectric acceleration sensor 1, 1 may be supported by the end of the piezoelectric acceleration sensor 1, 1 that is not connected to the mass adding portion 52e.

さらに、第1の実施形態と同様にスリットが設けられているため、振動の長さが変化し易くなり、周波数変化量を大きくすることができる。   Furthermore, since the slit is provided as in the first embodiment, the length of vibration is easily changed, and the frequency change amount can be increased.

1…圧電型加速度センサ
2…支持体
2a…凹部
2b…本体部
2c…上面
2d…支持梁
2e…質量付加部
3…圧電振動素子
3a,3b…第1,第2の駆動部
3c…振動子中央部
3d,3e…第1,第2の接続部
3f,3g…第1,第2の連結部
3h,3i…第1,第2の支持部
3X…振動子本体
4…第1のAlN膜
5…第2のAlN膜
6,7…第1,第2の電極
8a,8b…第1,第2のスリット
21…圧電型加速度センサ
23…振動子本体
24…圧電膜
25,26…第1,第2の電極
31…圧電型加速度センサ
33…圧電振動素子
38…スリット
39a,39b…駆動部
41…圧電型加速度センサ
42e…質量付加部
42e1…本体部
42e2,42e3…突出部
52e…質量付加部
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Piezoelectric acceleration sensor 2 ... Support body 2a ... Concave part 2b ... Main-body part 2c ... Upper surface 2d ... Support beam 2e ... Mass addition part 3 ... Piezoelectric vibration element 3a, 3b ... 1st, 2nd drive part 3c ... Vibrator Central part 3d, 3e ... 1st, 2nd connection part 3f, 3g ... 1st, 2nd connection part 3h, 3i ... 1st, 2nd support part 3X ... Vibrator body 4 ... 1st AlN film 5 ... 2nd AlN films 6, 7 ... 1st, 2nd electrode 8a, 8b ... 1st, 2nd slit 21 ... Piezoelectric acceleration sensor 23 ... Vibrator body 24 ... Piezoelectric film 25, 26 ... 1st , Second electrode 31 ... piezoelectric acceleration sensor 33 ... piezoelectric vibration element 38 ... slits 39a, 39b ... driving part 41 ... piezoelectric acceleration sensor 42e ... mass addition part 42e1 ... main body parts 42e2, 42e3 ... projection part 52e ... mass addition Part

Claims (10)

加速度が加わった際の共振周波数の変化により加速度を検出する圧電型加速度センサであって、
凹部が設けられている支持面を有する支持体と、
前記支持体の支持面に固定されており、前記凹部の底面に対して前記凹部により形成されるギャップを隔てて配置されている圧電振動素子とを備え、
前記圧電振動素子が、スリットを有する圧電膜と、前記圧電膜に接するように設けられた第1,第2の電極とを備え、
前記圧電振動素子に加わった加速度による応力の中立面が前記ギャップ内または前記支持体の内部に位置している、圧電型加速度センサ。
A piezoelectric acceleration sensor that detects acceleration by a change in resonance frequency when acceleration is applied,
A support having a support surface provided with a recess;
A piezoelectric vibration element that is fixed to a support surface of the support and is disposed with a gap formed by the recess with respect to a bottom surface of the recess;
The piezoelectric vibration element includes a piezoelectric film having a slit, and first and second electrodes provided in contact with the piezoelectric film,
A piezoelectric acceleration sensor, wherein a neutral plane of stress due to acceleration applied to the piezoelectric vibration element is located in the gap or in the support.
前記圧電振動素子が、振動子本体部と、振動子本体部に連ねられた連結部とを備え、前記連結部が、前記支持体の前記支持面に固定されている、請求項1に記載の圧電型加速度センサ。   2. The piezoelectric vibration element according to claim 1, comprising: a vibrator main body portion; and a connecting portion connected to the vibrator main body portion, wherein the connecting portion is fixed to the support surface of the support body. Piezoelectric acceleration sensor. 前記連結部が、前記振動子本体部の長さ方向一端及び他端にそれぞれ連結されている、請求項1または2に記載の圧電型加速度センサ。   3. The piezoelectric acceleration sensor according to claim 1, wherein the connecting portion is connected to one end and the other end of the vibrator main body in the length direction. 前記振動子本体部が、輪郭振動モードで振動する振動子本体部である、請求項1〜3のいずれか1項に記載の圧電型加速度センサ。   The piezoelectric acceleration sensor according to claim 1, wherein the vibrator main body is a vibrator main body that vibrates in a contour vibration mode. 前記振動子本体部が、長さ方向を有する矩形の平面形状を有し、前記スリットが、前記長さ方向に延びるように設けられている、請求項1〜4のいずれか1項に記載の圧電型加速度センサ。   The said vibrator main-body part has a rectangular planar shape which has a length direction, and the said slit is provided so that it may extend in the said length direction. Piezoelectric acceleration sensor. 一方の連結部に、質量を付加する質量付加部が連結されている、請求項3に記載の圧電型加速度センサ。   The piezoelectric acceleration sensor according to claim 3, wherein a mass adding portion that adds mass is connected to one of the connecting portions. 前記質量付加部が前記支持体と一体に構成されている、請求項6に記載の圧電型加速度センサ。   The piezoelectric acceleration sensor according to claim 6, wherein the mass adding portion is configured integrally with the support body. 前記圧電振動素子において、前記第1の電極と前記第2の電極とが、前記圧電薄膜の少なくとも一部の層を介して重なり合うように配置されている、請求項1〜7のいずれか1項に記載の圧電型加速度センサ。   In the said piezoelectric vibration element, the said 1st electrode and the said 2nd electrode are arrange | positioned so that it may overlap through at least one part layer of the said piezoelectric thin film. A piezoelectric acceleration sensor according to 1. 前記圧電振動素子が、双音叉型圧電振動素子である、請求項8に記載の圧電型加速度センサ。   The piezoelectric acceleration sensor according to claim 8, wherein the piezoelectric vibration element is a double tuning fork type piezoelectric vibration element. 前記第1,第2の電極が、互いに間挿し合う複数本の電極指を有し、インターデジタル電極が構成されている、請求項1〜4,6,7のいずれか1項に記載の圧電型加速度センサ。   8. The piezoelectric device according to claim 1, wherein the first and second electrodes have a plurality of electrode fingers that are interleaved with each other to form an interdigital electrode. 10. Type acceleration sensor.
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