CN101676730B - 振动型传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种耐冲击性优秀的振动型传感器，其通过防止因施加于传感器的冲击等而产生于振动片的应力集中，来防止振动片的破损。上述振动型传感器具有：振动片(11)，其具有以预定的共振频率在平面方向弯曲振动的梁状的振动臂(15、16)，并且从振动臂(15、16)的一个端部起依次形成有第一基部(12)、第一收缩部(8)和第一支撑部(17)，而且从振动臂(15、16)的另一端部起依次形成有第二基部(13)、第二收缩部(9)和第二支撑部(18)；以及基座(23)，其用于支撑振动片(11)，振动片(11)的第一支撑部(17)和第二支撑部(18)的一个主面(31)与基座(23)连接。

Description

振动型传感器
技术领域
本发明涉及振动型传感器，该振动型传感器对因施加有与加速度等的影响相伴的力而产生的压电振动片的共振频率的变化进行检测。
背景技术
作为对所施加的与加速度等的影响相伴的力进行测量的力传感器，已知有振动型传感器。该振动型传感器通过对因施加有与加速度等的影响相伴的力而产生的压电振动片的共振频率的变化进行检测，来检测力的大小(例如，参照非专利文献1、专利文献1)。
下面，作为振动型传感器的一个示例，使用加速度传感器对其结构进行说明。图6是表示现有的加速度传感器的概略的立体图。如图6所示，加速度传感器500具有：形成于基座101的两个连接座102、103；以及与连接座102、103连接的振动片100。振动片100使用水晶等压电材料形成，该振动片100形成有：被贯通孔104分割开的振动臂105、106；以及从振动臂105、106的两端部延伸设置的第一基部107、第二基部108这两个基部。
在此，使用对加速度传感器500在振动片100的厚度方向(P方向)上施加加速度的例子，简单说明加速度的检测动作。当有加速度施加于加速度传感器500时，由于第二基部108侧的第二基座部101a以形成于基座101的节点109为支点向旋转方向移动，所以基座101挠曲。加速度传感器500通过对由于由该挠曲产生的振动臂105、106的变形而引起的共振频率的变化进行检测，来检测所施加的加速度的大小。此时的检测灵敏度如算式1所示，可知振动臂的长度l(L的小写)越长检测灵敏度越好。
算式1
Δf = a 1 mal 2 Etw 3 . . . ( 1 )
a1：由支撑等确定的常数；m：质量；a：加速度；E：弹性常数；l：振动臂的臂长；t：振动片的厚度；w：振动臂的臂宽。
此外，从振动臂105、106泄漏的振动传播至第一基部107、第二基部108。当存在该泄漏的振动时，振动片100的Q值会变低，因而共振频率发生波动，难以高精度地进行加速度的检测。为了抑制该振动的泄漏，提出了如图7所示的加速度传感器(例如，参照专利文献2)。图7是表示使用于加速度传感器的现有振动片的俯视图。
如图7所示，振动片200一体地形成有：一对振动臂205和206、第一基部207和第二基部208这两个基部、第一收缩部209和第二收缩部210、以及支撑部211和212。振动臂205、206形成为被贯通孔204分割开的两个梁状，其延伸方向(长度方向)的两端延伸设置到第一基部207和第二基部208。第一基部207和第二基部208在振动臂205、206的延伸方向上延伸设置。在第一基部207上形成有第一收缩部209，该第一收缩部209是以使第一基部207的一部分俯视时宽度变窄的方式从两端切出凹槽而形成的。同样地，在第二基部208上形成有第二收缩部210，该第二收缩部210是以使第二基部208的一部分俯视时宽度变窄的方式从两端切出凹槽而形成的。另外，将与振动臂205、206的延伸方向正交的方向作为宽度方向，将该方向上的尺寸称为宽度，另外，在第一基部207一方形成有支撑部211，在第二基部208一方形成有支撑部212。通过形成该第一收缩部209和第二收缩部210，能够抑制由振动臂205、206的振动泄漏到支撑部211、212而引起的振动。
专利文献1：日本特表平4-505509号公报(图1)
专利文献2：日本特开昭63-284440号公报(图4)
非专利文献1：W.C.Albert，“Force sensing using quartz crystal flexureresonators”，38th Annual Frequency Control Symposium 1984，pp233-239
但是，在使用了上述振动片200的加速度传感器中，第一收缩部209和第二收缩部210的长度L形成得较短。由此，因施加于加速度传感器的冲击等产生的应力会集中于第一收缩部209和第二收缩部210，从而振动片200有可能从该部分发生破损，存在无法对加速度进行检测的问题。特别是，当在图6所示的加速度传感器500中应用了图7所示的振动片200来代替振动片100的情况下，在第一基部207和第二基部208上施加有朝P方向的弯曲力。并且，由该弯曲力产生的应力容易集中在例如刚性比第一基部207低的收缩部209(夹在两个收缩部209之间的颈部部分)。因此，在收缩部209的长度L短的情况下，由于应力局部集中在狭小的范围内，所以在颈部会产生很大的弯折力，并且有时收缩部209还容易作为切口发挥作用，存在振动片100破损的可能。
发明内容
为了解决上述课题中的至少一部分，本发明以如下方式或应用例来实现。
【应用例1】本应用例的振动型传感器的特征在于，上述振动型传感器具有振动片和支撑上述振动片的基座，上述振动片包括：第一基部和第二基部，它们在表面和背面具有主面；振动臂，其呈梁状地延伸设置在上述第一基部和上述第二基部之间，并以预定的共振频率振动；第一收缩部，其从上述第一基部延伸设置，并且形成为在与上述振动臂的延伸设置方向正交的方向上的宽度比上述第一基部要窄；第二收缩部，其从上述第二基部延伸设置，并且形成为在与上述振动臂的延伸设置方向正交的方向上的宽度比上述第二基部要窄；第一支撑部，其从上述第一收缩部向与上述第一基部相反的方向延伸设置；以及第二支撑部，其从上述第二收缩部向与上述第二基部相反的方向延伸设置，上述第一收缩部与上述第一基部在上述振动臂的延伸方向上的尺寸比、以及上述第二收缩部与上述第二基部在上述振动臂的延伸方向上的尺寸比在50％以上且在200％以下，上述振动片的上述第一支撑部和上述第二支撑部的一个主面与上述基座连接。
根据本应用例，第一收缩部与第一基部在振动臂的延伸方向上的尺寸比、以及第二收缩部与第二基部在振动臂的延伸方向上的尺寸比在50％以上且在200％以下。即，第一收缩部和第二收缩部的长度形成得较大。由此，能够防止因冲击等而产生的应力集中于第一收缩部和第二收缩部，因而即使有冲击等施加于振动型传感器，也能够使振动片不易发生破损。因此，能够提供耐冲击性优秀的振动型传感器。
【应用例2】关于上述应用例所述的振动型传感器，其特征在于，上述振动臂被贯穿表面和背面的贯通孔分割成至少2个梁。
根据本应用例，由于形成有至少2个振动臂，所以通过各个振动臂的共振作用等提高了振动臂的振动效率。由此，能够提供可获得更稳定的振动的振动型传感器。
【应用例3】关于上述应用例所述的振动型传感器，其特征在于，俯视呈曲线形状地进行上述第一收缩部与上述第一基部之间的连接、以及上述第一收缩部与上述第一支撑部之间的连接，并且俯视呈曲线形状地进行上述第二收缩部与上述第二基部之间的连接、以及上述第二收缩部与上述第二支撑部之间的连接。
根据本应用例，通过将第一收缩部和第二收缩部俯视呈曲线形状地与其它部分连接，能够进一步防止应力集中。由此，能够提供进一步提高了耐冲击性的振动型传感器。
【应用例4】关于上述应用例所述的振动型传感器，其特征在于，上述第一支撑部和上述第二支撑部分别具有：延长部，其在与上述振动臂的延伸方向相交的方向上延伸设置；和固定部，其从上述延长部以与上述振动臂平行的方式延伸设置，并具有开放端，上述振动片的包含上述固定部的上述第一支撑部和上述第二支撑部的一个主面与上述基座连接。
根据本应用例，由于在进一步远离振动臂的包含固定部的部位进行基座与振动片的连接，所以能够在泄漏振动小的部位进行连接。由此，与第一收缩部和第二收缩部的效果相互配合，能够提供进一步抑制了泄漏振动的影响且提高了耐冲击性的、可靠性高的振动型传感器。
【应用例5】关于上述应用例所述的振动型传感器，其特征在于，上述基座具有呈槽状地形成为薄壁的节点部，以上述节点部为基准在一侧的第一基座上连接有上述第一支撑部，在另一侧的第二基座上连接有上述第二支撑部。
根据本应用例，通过形成槽状的节点部，能够使振动片仅在垂直方向上施加的力的作用下产生挠曲。由此，能够使振动片不易受到水平方向的力的影响，从而能够减小除必要的检测轴以外的灵敏度、即、其它轴的灵敏度。由此，能够提供高精度的振动型传感器。
【应用例6】关于上述应用例所述的振动型传感器，其特征在于，上述基座具有：第一基座；第二基座，其通过具有挠性的连接部与上述第一基座连接；以及第三基座，其通过具有挠性的连接部与上述第二基座连接，在上述第一基座上连接有上述第一支撑部，在上述第二基座上连接有上述第二支撑部。
根据本应用例，能够提供能可靠地对振动臂的延伸方向的加速度进行检测的振动型传感器。
附图说明
图1表示作为第一实施方式的加速度传感器的概略，其中，(a)是俯视图，(b)是主剖视图。
图2是表示收缩部长度与基部长度之比、和作用于收缩部的应力的大小之间的相互关系的图表。
图3表示作为第二实施方式的加速度传感器的概略，其中，(a)是俯视图，(b)是主剖视图。
图4是表示作为第三实施方式的加速度传感器的概略的俯视图。
图5是第一收缩部的放大俯视图。
图6是表示现有的加速度传感器的概略的立体图。
图7是表示现有的加速度传感器的振动片的俯视图。
标号说明
10：作为振动型传感器的加速度传感器；11：振动片；12：第一基部；13：第二基部；14：贯通孔；15、16：振动臂；17：第一支撑部；18：第二支撑部；23：基座；24：节点部；27：第一基座；28：第二基座；31：一个主面(背面)；42、43：粘接剂。
具体实施方式
下面，参照附图说明本发明的实施方式。另外，为了方便图示，以下所参照的附图是部件或纵横比例尺与实际不同的示意图。
(第一实施方式)
作为第一实施方式，在图1中示出作为振动型传感器的一个示例的加速度传感器进行说明。图1表示作为第一实施方式的加速度传感器的概略，其中，(a)是俯视图，(b)是主剖视图。
如图1所示，加速度传感器10具有基座23、和支撑于基座23的振动片11。
振动片11由压电性材料形成。作为压电性材料，可以使用钛酸铅(PbTiO3)、锆钛酸铅(PZT)、氧化锌(ZnO)、水晶等。在本第一实施方式中，例示使用频率温度特性优秀、具有高Q值的水晶的情况进行说明。
振动片11(水晶振动片)具有梁状的振动臂15、16，该梁状的振动臂15、16被贯通孔14分割开来，并以预定的共振频率在平面方向上弯曲振动。另外，在振动片11上，从振动臂15、16的一个端部起依次形成有第一基部12、第一收缩部8和第一支撑部17，从振动臂15、16的另一端部起依次形成有第二基部13、第二收缩部9和第二支撑部18。
第一收缩部8和第二收缩部9形成为在与振动臂15、16的延伸设置方向(图中所示的Y方向，以下简称“Y方向”)正交的方向(图中所示的X方向，以下简称“X方向”)上的宽度比第一基部12和第二基部13要窄。换言之，第一收缩部8和第二收缩部9是从第一基部12和第二基部13的沿着Y方向的两条边向中央凹陷的形状。另外，第一收缩部8和第二收缩部9在振动臂15、16的延伸设置方向上的长度(以下简称为“收缩部长度”)以与第一基部12和第二基部13在振动臂15、16的延伸设置方向上的长度(以下简称为“基部长度”)相互关联的方式被确定。具体来说，收缩部长度与基部长度的尺寸比被确定为在50％以上且在200％以下。
通过以这样的尺寸比形成收缩部长度和基部长度，能够防止振动臂15、16的振动泄漏到第一支撑部17和第二支撑部18，并且能够防止冲击的应力集中于第一收缩部8和第二收缩部9，从而防止振动片11的破损。
在图2中，示出了表示收缩部长度与基部的尺寸比、和作用于收缩部的应力大小之间的相互关系的图表来进行说明。在图2中，横轴表示收缩部长度/基部长度(％)，纵轴表示产生于收缩部的应力(MPa)。
如图2所示，在尺寸比较小的范围内有很大的应力产生，但是伴随着尺寸比的增大，应力急剧地(呈二次曲线地)减小，当尺寸比大约在50％以上时，应力大小不发生变化。但是，伴随着尺寸比的增大，基部长度增大，因而应用过大的尺寸比会阻碍振动片的小型化。因此，为了使用于所追求的小型加速度传感器中，需要将尺寸比抑制在200％以下。
另外，为了使振动片11进一步小型化，优选使收缩部长度与基部长度的尺寸比减小，更优选在50％～100％之间。在本示例中，第一收缩部8的收缩部长度L1形成为与第一基部12的基部长度B1的尺寸比为80％左右。同样地，第二收缩部9的收缩部长度L2形成为与第二基部13的基部长度B2的尺寸比为80％左右。
在本示例中，在基座23上设置有节点部24，该节点部24通过在基座23的表背面双方从宽度方向的一端面25到另一端面26形成有槽部而构成。另外，基座23以节点部24为基准具有两个区域，该基座23具有：第一基座27，其设置在作为一个区域的、靠第一基部12侧的区域；和第二基座28，其设置在作为另一区域的、靠第二基部13侧的区域。另外，第一基座27是固定座，第二基座28是可动座(有时也称为悬臂部)。另外，节点部24形成在比振动臂15、16的延伸设置方向的中心偏向第一基部12侧的位置。此外，本示例的节点部24是在表背面双方都形成有槽部的结构，但也可以是在表背面的其中一个面上形成有槽部的结构。
关于振动片11，其第一支撑部17的一个主面(背面)31支撑在第一基座27上，其第二支撑部18的一个主面(背面)31支撑在第二基座28上并且使用粘接剂42、43等固定在基座23上。由此，振动片11固定在基座23上。另外，在与未图示的激振电极连接等情况下，也可以使用导电性的粘接剂。
在此，对加速度传感器10的加速度检测动作的概略进行说明。加速度传感器10的振动臂15、16以预定的共振频率在图中所示的X轴方向(振动片11的宽度方向)上进行弯曲振动。在对该加速度传感器10施加图中所示的Z方向的加速度时，由于第一基座27作为固定座被固定起来，所以质量大的第二基座28借助惯性力以节点部24为支点向加速度方向的相反方向(-Z方向)移动。由此基座23产生挠曲。通过该挠曲，对固定于第一基座27和第二基座28上的振动片11(振动臂15、16)在图中所示的Y轴方向上施加拉伸应力。
关于振动的振动臂15、16，在产生拉伸应力时，共振频率向增高的方向变化，在产生压缩应力时，共振频率向降低的方向变化，因此在上述示例中，振动臂15、16的共振频率增高。另外，在施加了与上述方向相反的方向的加速度的情况下，第二基座28也向相反方向移动(基座23也向相反方向挠曲)，从而振动臂15、16的共振频率降低。利用检测电路(未图示)对该共振频率的变化量进行检测，然后利用变换电路(未图示)将检测出的共振频率变换成电压并作为加速度检测出来。这样，就能够检测出施加于加速度传感器10的加速度。
根据本实施方式的加速度传感器，使用形成为收缩部长度与基部长度的尺寸比在50％以上且在200％以下的范围内的振动片11，更优选使用形成为收缩部长度与基部长度的尺寸比在50％以上且在100％以下的振动片11。由此，能够防止振动臂15、16的振动泄漏到第一支撑部17和第二支撑部18，并且能够防止冲击的应力集中于第一收缩部8和第二收缩部9，从而防止振动片11的破损。因此，能够提供特性的稳定性高、且耐冲击性优秀的加速度传感器10。
(第二实施方式)
作为第二实施方式，在图3中示出作为振动型传感器的一个示例的加速度传感器进行说明。图3表示作为第二实施方式的加速度传感器的概略，其中，(a)是俯视图，(b)是主剖视图。另外，第二实施方式与上述第一实施方式相比振动片的结构不同，关于基座，由于与第一实施方式相同，所以标以相同标号并省略说明。
如图3所示，加速度传感器10具有基座23、和支撑于基座23的振动片11。
振动片11由与上述第一实施方式相同的压电性材料形成。虽然省略了压电性材料的说明，但是在本第二实施方式中，也使用频率温度特性优秀、具有高Q值的水晶。
振动片11(水晶振动片)具有梁状的振动臂15、16，该梁状的振动臂15、16以预定的共振频率在平面方向上弯曲振动。另外，在振动片11上，从振动臂15、16的一个端部起依次形成有第一基部12、第一收缩部8和第一支撑部17，从振动臂15、16的另一端部起依次形成有第二基部13、第二收缩部9和第二支撑部18。在此基础上，在振动片11上还形成有：延长部47，其从第一支撑部17向图中所示的X方向的两侧延伸设置；和固定部19、20，它们从延长部47以与振动臂15、16平行的方式延伸设置，并具有开放端19a、20a。此外，在振动片11上还形成有：延长部48，其从第二支撑部18向图中X方向的两侧延伸设置；和固定部21、22，它们从上述延长部48以与振动臂15、16平行的方式延伸设置，并具有开放端21a、22a。
由于第一收缩部8和第二收缩部9是与上述第一实施方式相同的形态，所以省略说明。
通过如上所述地构成收缩部长度和基部长度，与第一实施方式一样能够防止振动臂15、16的振动泄漏到第一支撑部17和第二支撑部18，并且能够防止冲击的应力集中于第一收缩部8和第二收缩部9，从而防止振动片11的破损。
关于振动片11，将固定部19、20的一个主面(背面)31在连接区域32、34内支撑于第一基座27上，将固定部21、22的一个主面(背面)31在连接区域33、35内支撑于第二基座28上，并使用粘接剂42、43等将进行固定。由此，振动片11固定在基座23上。另外，在与未图示的激振电极连接等情况下，也可以使用导电性的粘接剂。
在此，对在图3的(a)中以斜线表示的连接区域32、33、34、35进行说明。在连接区域32、34中，包含延长部47与固定部19、20相交的区域。此外，在连接区域33、35中，包含延长部48与固定部21、22相交的区域。
另外，各个连接区域32、33、34、35的一端位于固定部19、20、21、22的长度方向的中央部，另一端到达各个延长部47、48的形成于振动臂15、16的延伸设置方向的端部29、30。另外，端部29、30也是振动片11在长度方向上的两个端部。
通过利用如上所述的连接区域32、33、34、35将振动片11固定在基座23上，连接部位离开了振动臂15、16，因此与第一收缩部8和第二收缩部9的效果相互配合，能够进一步使连接部位不易受到泄漏振动的影响。此外，通过使延长部47与固定部19、20相交的区域、延长部48与固定部21、22相交的区域、以及延长部47、48的端部29、30包含在连接区域32、33、34、35内，进一步提高了固定的可靠性。另外，由于延长部47、48也与第一收缩部8和第二收缩部9一样具有使因冲击等而产生的应力缓和的效果，所以能够提供使耐冲击性进一步提高的加速度传感器10。
(第三实施方式)
作为第三实施方式，在图4中示出作为振动型传感器的一个示例的加速度传感器进行说明。图4是表示作为第三实施方式的加速度传感器的概略的俯视图。另外，由于使用于第三实施方式的振动片与上述第一实施方式相同，所以标以相同标号并省略说明。
如图4所示，加速度传感器10具有基座23、和支撑于基座23的振动片11。
基座23具有第一基座27a、第二基座28a、第三基座27b、以及具有挠性的作为连接部的板簧40、41。另外，第一基座27a和第二基座28a经弯折成矩形形状且能够伸缩的板簧40连接在一起，第二基座28a和第三基座27b经弯折成矩形形状且能够伸缩的板簧41连接在一起。另外，在本示例中，以能够伸缩的板簧40、41作为结构例进行了说明，但是也可以利用例如螺旋弹簧、树脂等具有挠性的结构来进行各个基座的连接。
关于振动片11，将第一支撑部17的未图示的一个主面(背面)支撑在第一基座27a上，将第二支撑部18的未图示的一个主面(背面)支撑在第二基座28a上，并且使用粘接剂等进行了固定。由此，振动片11固定在基座23上。
通过将这样的结构的加速度传感器10的第一基座27a和第三基座27b固定在基材(未图示)上，第二基座28a能够利用板簧40、41的伸缩在振动臂15、16的延伸方向上自由移动。由此，能够提供能可靠地对振动臂15、16的延伸方向上的加速度进行检测的加速度传感器。
另外，关于上述实施方式中说明的第一收缩部8和第二收缩部9，优选如图5的第一收缩部的放大俯视图所示，第一收缩部8与第一基部12的外周线12a之间的交叉部8a、以及第一收缩部8与第一支撑部17的外周线17a之间的交叉部8a俯视呈曲线形状地进行连接。另外，在本示例中示出圆弧状进行了说明，但是只要不形成为交叉角即可，不必在乎曲线的形状。此外，在图中，对第一收缩部8进行了说明，但在第二收缩部9中也优选采用同样的结构。
通过这样使交叉部8a俯视呈曲线形状地进行连接，能够防止集中于交叉角部分的应力，因而能够进一步防止应力集中。由此，能够提供进一步提高了耐冲击性的加速度传感器10。
此外，在上面的叙述中，以第一收缩部8和第二收缩部9设置在与第一支撑部17和第二支撑部18连接的部分的例子进行了说明，但并不限定于此。例如，也可以设置在两侧被第一基部12和第二基部13夹持的部分、即第一基部12和第二基部13的中间位置。
此外，在上面的叙述中，作为振动型传感器，以加速度传感器为一个示例进行了说明，但是例如也可以应用于力(力量)传感器、压力传感器等。

Claims (6)

1.一种振动型传感器，其特征在于，
上述振动型传感器具有振动片和支撑上述振动片的基座，
上述振动片包括：第一基部和第二基部，它们在表面和背面具有主面；振动臂，其呈梁状地延伸设置在上述第一基部和上述第二基部之间，并以预定的共振频率振动；第一收缩部，其从上述第一基部延伸设置，并且形成为在与上述振动臂的延伸设置方向正交的方向上的宽度比上述第一基部要窄；第二收缩部，其从上述第二基部延伸设置，并且形成为在与上述振动臂的延伸设置方向正交的方向上的宽度比上述第二基部要窄；第一支撑部，其从上述第一收缩部向与上述第一基部相反的方向延伸设置；以及第二支撑部，其从上述第二收缩部向与上述第二基部相反的方向延伸设置，
上述第一收缩部与上述第一基部在上述振动臂的延伸方向上的尺寸比、以及上述第二收缩部与上述第二基部在上述振动臂的延伸方向上的尺寸比在50％以上且在200％以下，
上述振动片的上述第一支撑部和上述第二支撑部的一个主面与上述基座连接。
2.根据权利要求1所述的振动型传感器，其特征在于，
上述振动臂被贯穿表面和背面的贯通孔分割成至少2个梁。
3.根据权利要求1或2所述的振动型传感器，其特征在于，
俯视呈曲线形状地进行上述第一收缩部与上述第一基部之间的连接、以及上述第一收缩部与上述第一支撑部之间的连接，并且俯视呈曲线形状地进行上述第二收缩部与上述第二基部之间的连接、以及上述第二收缩部与上述第二支撑部之间的连接。
4.根据权利要求1或2所述的振动型传感器，其特征在于，
上述第一支撑部和上述第二支撑部分别具有：延长部，其在与上述振动臂的延伸方向相交的方向上延伸设置；和固定部，其从上述延长部以与上述振动臂平行的方式延伸设置，并具有开放端，
上述振动片的包含上述固定部的上述第一支撑部和上述第二支撑部的一个主面与上述基座连接。
5.根据权利要求1或2所述的振动型传感器，其特征在于，
上述基座具有呈槽状地形成为薄壁的节点部，以上述节点部为基准在一侧的第一基座上连接有上述第一支撑部，在另一侧的第二基座上连接有上述第二支撑部。
6.根据权利要求1或2所述的振动型传感器，其特征在于，
上述基座具有：第一基座；第二基座，其通过具有挠性的连接部与上述第一基座连接；以及第三基座，其通过具有挠性的连接部与上述第二基座连接，
在上述第一基座上连接有上述第一支撑部，在上述第二基座上连接有上述第二支撑部。
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