JP2008014744A - Acceleration sensor - Google Patents

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潤 渡辺
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正幸 菊島
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  • Piezo-Electric Or Mechanical Vibrators, Or Delay Or Filter Circuits (AREA)

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an acceleration sensor which can be made compact and which is satisfactory in sensitivity with a comparatively simple configuration. <P>SOLUTION: The configuration comprises a base section 51 made of a piezo-electric material; a tuning fork type piezoelectric vibrating reed 32, which is formed integrally with the base section and includes at least a pair of vibrating arms 34, 35 extending in parallel from the base section; and an vibrating means 11 for vibrating the piezoelectric vibrating reed. The piezoelectric vibrating reed 32 is arranged, such that the direction in which each vibrating arm extends, coincides with the direction G in which an acceleration to be detected acts on. When the acceleration is applied on, variations in the frequency of the piezoelectric vibrating reed are detected. <P>COPYRIGHT: (C)2008,JPO&INPIT

Description

本発明は、移動体などに作用する加速度を計測する加速度センサに係り、特に比較的簡単な構成で、きわめてコンパクトに形成することができる加速度センサに関する。   The present invention relates to an acceleration sensor that measures acceleration acting on a moving body or the like, and more particularly, to an acceleration sensor that can be formed extremely compactly with a relatively simple configuration.

従来の加速度センサは、所定の質量を有するマス部と、これを支持する梁部などのバネ要素で形成されたものが知られている。
一般に、マス部に加速度がマス部に作用すると、該マス部は慣性により変位する。この場合、バネ要素がこのマス部を支えているから、該バネ要素に生じた応力がマス部の慣性力とつりあうまで、該マス部が変位する。このとき、バネ要素に生じた応力が加速度に対応するので、この応力を検出することにより、加速度を知るようにしている。
このような方式の加速度センサでは、応力検出に半導体センサなどの特別な検出手段を用いる必要があることや、応力−電圧変換効率の問題などが指摘されている。
A conventional acceleration sensor is known which is formed of a mass portion having a predetermined mass and a spring element such as a beam portion for supporting the mass portion.
Generally, when acceleration acts on a mass portion, the mass portion is displaced by inertia. In this case, since the spring element supports the mass portion, the mass portion is displaced until the stress generated in the spring element balances with the inertial force of the mass portion. At this time, since the stress generated in the spring element corresponds to the acceleration, the acceleration is known by detecting this stress.
In such an acceleration sensor, it has been pointed out that it is necessary to use a special detection means such as a semiconductor sensor for stress detection, and a problem of stress-voltage conversion efficiency.

そこで、支持基台に平行ビーム振動体を接続して支持し、該平行ビーム振動体をマス部材に接続するとともに、平行ビーム振動体を励振する手段、および平行ビーム振動体の振動数を検出する手段を設けた構成の加速度センサも提案されている(特許文献1、図1、図2参照)。   Therefore, the parallel beam vibrating body is connected to and supported by the support base, the parallel beam vibrating body is connected to the mass member, means for exciting the parallel beam vibrating body, and the frequency of the parallel beam vibrating body is detected. An acceleration sensor having a configuration provided with means is also proposed (see Patent Document 1, FIG. 1 and FIG. 2).

このような構成の加速度センサによれば、加速度により生じるマス部の慣性力によって平行ビーム振動体のビームが撓む。これにより平行ビーム振動体は形状剛性が変化し、その共振振動数が変化する。この振動数変化を検出することで、加速度を検出しようとするものである。このため、平行ビーム振動体の周波数を周波数カウンタなどの検出手段で検出するため、従来のような半導体センサなどの特別な手段が不要であり、変換効率の問題もない。
特開平9−257830
According to the acceleration sensor having such a configuration, the beam of the parallel beam vibrating body is bent by the inertial force of the mass portion generated by the acceleration. As a result, the shape rigidity of the parallel beam vibrator changes, and the resonance frequency thereof changes. By detecting this change in frequency, acceleration is to be detected. For this reason, since the frequency of the parallel beam vibrating body is detected by a detecting means such as a frequency counter, no special means such as a conventional semiconductor sensor is required, and there is no problem of conversion efficiency.
JP-A-9-257830

しかしながら、特許文献1の加速度センサでは、比較的大きな形状と質量をもつマス部を必要とし、その分小型化が困難である。
また、加速度に対応した応力感度が最適な振動モードが選択されていないなどの問題がある。
However, the acceleration sensor disclosed in Patent Document 1 requires a mass portion having a relatively large shape and mass, and it is difficult to reduce the size accordingly.
In addition, there is a problem that a vibration mode with optimal stress sensitivity corresponding to acceleration is not selected.

この発明は、小型に構成でき、比較的簡単な構成で、感度の良好な加速度センサを提供することを目的とする。   SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide an acceleration sensor that can be configured in a small size, has a relatively simple configuration, and good sensitivity.

上記目的は、第1の発明にあっては、圧電材料で形成した基部と、この基部と一体に形成され、かつ前記基部から平行に延びる少なくとも一対の振動腕とを備える圧電振動片と、該圧電振動片を発振させる発振手段と、加速度が作用した際に、前記発振手段の発振周波数の変化を検出する検出手段とを有し、前記各振動腕の延びる方向が、検出すべき加速度が作用する方向と一致するように前記圧電振動片が配置されている構成とした加速度センサにより、達成される。   According to the first aspect of the present invention, there is provided a piezoelectric vibrating piece including a base portion formed of a piezoelectric material, and at least a pair of vibrating arms formed integrally with the base portion and extending in parallel from the base portion, An oscillation unit that oscillates the piezoelectric vibrating piece; and a detection unit that detects a change in the oscillation frequency of the oscillation unit when acceleration is applied. The direction in which each vibrating arm extends is affected by the acceleration to be detected. This is achieved by an acceleration sensor in which the piezoelectric vibrating reed is arranged so as to coincide with the direction in which it moves.

第1の発明の構成によれば、前記基部は屈曲振動に関与しない箇所であり、前記各振動腕の基端を形成し、圧電振動片の接合支持に用いることができる。前記振動腕は、安定した屈曲振動をするためには対となる構成が必要で、少なくとも一対形成される。発振手段は、前記圧電振動片に対して、特定のモードの振動を励起させるためのものである。
各振動腕の延びる方向が、検出すべき加速度が作用する方向と一致するように前記圧電振動片を配置されることで、加速度が作用した場合には、該振動腕の長さ方向の寸法が極僅かに変化する。その周波数変化を検出することにより、該加速度を検出することができるものである。
したがって、比較的大きなマス部分を必要としないので、全体を小型に構成でき、応力を検出するための半導体センサなども不要であることから、比較的簡単な構成であり、振動腕の形状変化による周波数変化を検出しているので、きわめて感度の良好な加速度センサを得ることができる。
According to the configuration of the first aspect of the invention, the base portion is a portion that does not participate in bending vibration, forms the base end of each vibrating arm, and can be used for joining and supporting the piezoelectric vibrating piece. The vibrating arms need to have a paired configuration in order to perform stable flexural vibration, and at least a pair is formed. The oscillation means is for exciting a specific mode of vibration with respect to the piezoelectric vibrating piece.
When the piezoelectric vibrating reed is arranged so that the extending direction of each vibrating arm coincides with the direction in which the acceleration to be detected acts, when the acceleration acts, the dimension in the length direction of the vibrating arm is It changes very slightly. The acceleration can be detected by detecting the frequency change.
Therefore, since a relatively large mass portion is not required, the entire structure can be made compact, and a semiconductor sensor or the like for detecting stress is not required. Since the frequency change is detected, an acceleration sensor with extremely good sensitivity can be obtained.

第2の発明は、第1の発明の構成において、前記圧電振動片が音叉型圧電振動片であることを特徴とする。
第2の発明の構成によれば、圧電振動片として音叉型圧電振動片を用いることにより、応力−周波数感度がきわめて高い圧電振動片を用いるので、高精度、高分解能で加速度を検出することができる。
しかもこの発明の構成の音叉型圧電振動片は時計用発振器などで用いられている音叉型圧電振動片とほぼ同じ製造プロセスを利用して製造することができる。したがって、製造コストの点できわめて有利である。
なお、従来、音叉型圧電振動片を利用して加速度や角速度を検出するセンサを構成する例はあるが、加速度による振動腕の形状変化により屈曲振動の周波数が変化することを用いて該加速度を検出するものはない。
According to a second invention, in the configuration of the first invention, the piezoelectric vibrating piece is a tuning fork type piezoelectric vibrating piece.
According to the configuration of the second invention, the use of the tuning-fork type piezoelectric vibrating piece as the piezoelectric vibrating piece makes it possible to detect the acceleration with high accuracy and high resolution because the piezoelectric vibrating piece having extremely high stress-frequency sensitivity is used. it can.
Moreover, the tuning-fork type piezoelectric vibrating piece having the configuration of the present invention can be manufactured by using substantially the same manufacturing process as the tuning-fork type piezoelectric vibrating piece used in a clock oscillator or the like. Therefore, it is very advantageous in terms of manufacturing cost.
Conventionally, there is an example in which a sensor for detecting acceleration and angular velocity is configured using a tuning fork type piezoelectric vibrating piece. However, the acceleration is calculated using the fact that the frequency of flexural vibration changes due to the shape change of the vibrating arm due to acceleration. There is nothing to detect.

第3の発明は、第1および2のいずれかの発明の構成において、前記圧電振動片をパッケージに収容し、蓋体により気密に封止したことを特徴とする。
第3の発明の構成によれば、加速度を検出する上で、前記圧電振動片を気密に封止することで、その振動腕の屈曲抵抗をなくし、安定した振動とすることができ、安定した加速度検出を行うことができる。
According to a third invention, in the configuration of any one of the first and second inventions, the piezoelectric vibrating piece is housed in a package and hermetically sealed by a lid.
According to the configuration of the third invention, when detecting the acceleration, the piezoelectric vibrating piece is hermetically sealed, so that the bending resistance of the vibrating arm can be eliminated, and stable vibration can be obtained. Acceleration detection can be performed.

第4の発明は、第1ないし3のいずれかの発明の構成において、前記圧電振動片の前記各振動腕の先端部の外形を大きく形成したことを特徴とする。
第4の発明の構成によれば、屈曲振動を行う振動腕の先端部を大きくすることで、他の箇所よりも質量を増すことができ、加速度の影響を受けやすくすると好ましい。
A fourth invention is characterized in that, in the configuration of any one of the first to third inventions, the outer shape of the tip of each vibrating arm of the piezoelectric vibrating piece is formed large.
According to the configuration of the fourth aspect of the invention, it is preferable that the tip of the vibrating arm that performs flexural vibration can be enlarged so that the mass can be increased more than other portions and is easily affected by acceleration.

第5の発明は、第1ないし4のいずれかの発明の構成において、前記圧電振動片の前記各振動腕の先端部に重りを配置したことを特徴とする。
第5の発明の構成によれば、屈曲振動を行う振動腕の先端部を重くすることで、他の箇所よりも質量を増すことができ、加速度の影響を受けやすくすると好ましい。
A fifth invention is characterized in that, in the configuration of any one of the first to fourth inventions, a weight is arranged at the tip of each vibrating arm of the piezoelectric vibrating piece.
According to the configuration of the fifth aspect of the invention, it is preferable that the tip of the vibrating arm that performs flexural vibration is made heavier so that the mass can be increased than other portions and is easily affected by acceleration.

第6の発明は、第1ないし5のいずれかの発明の構成において、前記圧電振動片の前記各振動腕の先端部を除く腕本体部の厚みを薄く形成したことを特徴とする。
第6の発明の構成によれば、振動腕の剛性を低下させることで、より加速度に対する感度を向上させることができる。
A sixth invention is characterized in that, in the configuration of any one of the first to fifth inventions, the thickness of the arm main body excluding the tip of each vibrating arm of the piezoelectric vibrating piece is formed thin.
According to the configuration of the sixth invention, sensitivity to acceleration can be further improved by reducing the rigidity of the vibrating arm.

図1は、本発明の加速度センサの第1の実施の形態を示している。
図において、加速度センサ10は、圧電振動片32を有している。圧電振動片32は、圧電材料により形成した例えば矩形もしくは正方形の基部51と、この基部を基端として、同じ方向に延びる一対の振動腕34,35とを有している。
FIG. 1 shows a first embodiment of the acceleration sensor of the present invention.
In the figure, the acceleration sensor 10 has a piezoelectric vibrating piece 32. The piezoelectric vibrating piece 32 includes, for example, a rectangular or square base 51 formed of a piezoelectric material, and a pair of vibrating arms 34 and 35 extending in the same direction with the base as a base end.

ここで、圧電振動片32は、例えば、圧電材料のうち、圧電基板として、例えば、圧電振動片32を複数もしくは多数分離することができる大きさの水晶ウエハを用いて形成されている。この場合、水晶の単結晶から切り出す際、X軸が電気軸、Y軸が機械軸及びZ軸が光学軸となるように、このX軸、Y軸及びZ軸からなる直交座標系において、Z軸を中心に時計回りに0度ないし5度の範囲で回転して切り出した水晶Z板を所定の厚みに切断研磨して得られるものを用いる。   Here, the piezoelectric vibrating piece 32 is formed using, for example, a quartz wafer of a size capable of separating a plurality of or many piezoelectric vibrating pieces 32 as a piezoelectric substrate of the piezoelectric material. In this case, when cutting from a single crystal of crystal, in the orthogonal coordinate system consisting of the X, Y, and Z axes, the X axis is an electrical axis, the Y axis is a mechanical axis, and the Z axis is an optical axis. A crystal Z plate obtained by rotating and cutting in the clockwise direction around the axis in the range of 0 to 5 degrees to a predetermined thickness is used.

このような水晶ウエハをエッチングすることにより、図1の圧電振動片32の外形を形成している。
このような圧電振動片32の各振動腕34,35の例えば主面、すなわち、上面と下面に電極を形成し、これらの電極を基部51の引き出し電極52,53に引き回す。
この引き出し電極52,53に駆動電圧を印加すると、各振動腕34,35の先端部を互いに接近・離間させるようにして水平な屈曲運動を生じる。この屈曲運動による各振動腕34,35の変形により圧電作用として生じる交流電流の周波数は、腕幅をWとし、腕長さをlとしたとき、
(周波数)f=W/lとなる(式1)。
By etching such a quartz wafer, the outer shape of the piezoelectric vibrating piece 32 of FIG. 1 is formed.
Electrodes are formed on, for example, the main surfaces, that is, the upper surface and the lower surface of the vibrating arms 34 and 35 of the piezoelectric vibrating piece 32, and these electrodes are routed around the extraction electrodes 52 and 53 of the base 51.
When a drive voltage is applied to the extraction electrodes 52 and 53, a horizontal bending motion is generated so that the tip portions of the vibrating arms 34 and 35 are moved closer to and away from each other. The frequency of the alternating current generated as a piezoelectric action due to the deformation of the vibrating arms 34 and 35 due to the bending motion is as follows, where the arm width is W and the arm length is l:
(Frequency) f = W / l 2 (Formula 1).

そこで、本実施形態では、圧電振動片32を検出しようとする加速度Gの作用する方向に、各振動腕34,35が延びる方向を一致させて配置するようにし、例えば、後述する方法で、基部51を固定する。
そして、基部51の各引き出し電極52,53に発振手段11が接続されている。発振手段11は、例えば発振器であり、所定の周波数の駆動電圧を圧電振動片32に与え、圧電振動片32を特定の振動モードで屈曲振動させるためのものである。
Therefore, in the present embodiment, the direction in which the vibrating arms 34 and 35 extend is aligned with the direction in which the acceleration G for detecting the piezoelectric vibrating piece 32 acts, and for example, by the method described later, 51 is fixed.
The oscillation means 11 is connected to the extraction electrodes 52 and 53 of the base 51. The oscillating means 11 is, for example, an oscillator, and applies a driving voltage having a predetermined frequency to the piezoelectric vibrating piece 32 to bend and vibrate the piezoelectric vibrating piece 32 in a specific vibration mode.

この振動による周波数は、発振手段11を介して、該発振手段11に接続された検出手段12により検出されるようになっている。
検出手段12は、たとえば周波数カウンタであって、圧電振動片32の屈曲振動による周波数を検出することができるものを使用することができる。
The frequency due to this vibration is detected by the detecting means 12 connected to the oscillating means 11 via the oscillating means 11.
The detection means 12 may be, for example, a frequency counter that can detect the frequency due to the bending vibration of the piezoelectric vibrating piece 32.

かくして、図1の加速度センサ10によれば、圧電振動片32に加速度Gが作用することにより、その応力によって、各振動腕34,35がともにごく僅かに変形する。この変形は、各振動腕34,35の長さlがきわめて小さい寸法で伸縮する。
この伸縮により、圧電振動片32の屈曲振動による周波数は、上記式1に基づいて変化する。
すなわち、図1において加速度がG1方向に作用した場合には、各振動腕34,35はごく僅かに伸張する。このため、屈曲振動による周波数は低く変化する。
加速度がG2方向に作用した場合には、各振動腕34,35はごく僅かに短縮され、このため、屈曲振動による周波数は高く変化する。
Thus, according to the acceleration sensor 10 of FIG. 1, when the acceleration G acts on the piezoelectric vibrating piece 32, both the vibrating arms 34 and 35 are deformed very slightly by the stress. In this deformation, the length 1 of each vibrating arm 34, 35 expands and contracts with a very small dimension.
Due to this expansion and contraction, the frequency due to the flexural vibration of the piezoelectric vibrating piece 32 changes based on the above formula 1.
That is, in FIG. 1, when the acceleration acts in the G1 direction, the vibrating arms 34 and 35 extend slightly. For this reason, the frequency by bending vibration changes low.
When the acceleration acts in the G2 direction, the vibrating arms 34 and 35 are slightly shortened, and therefore the frequency due to the bending vibration changes to be high.

したがって、検出手段12としての周波数カウンタには、圧電振動片32が発振手段11により駆動されている状態において、加速度Gの作用する方向が、G1方向であるか、G2方向であるかにより、検出している周波数の「低い」方への変化、もしくは「高い」方への変化として検出される。
あるいは検出手段として、単なる周波数カウンタではなく、たとえばパソコンなどを利用した演算手段と所定の記憶手段および表示手段を具備したものを使用してもよい。
これにより、例えば加速度Gの作用の程度に応じた、周波数変化の程度を対応させて、たとえばテーブル値として予め記憶させておき、検出された周波数変化に応じて、ただちに、該周波数変化に基づく加速度の大きさを表示できるようにしてもよい。
Therefore, the frequency counter serving as the detection unit 12 detects whether the direction in which the acceleration G acts is the G1 direction or the G2 direction when the piezoelectric vibrating piece 32 is driven by the oscillation unit 11. The detected frequency is detected as a change to the “low” direction or a change to the “high” direction.
Alternatively, instead of a simple frequency counter, for example, a detection unit including a calculation unit using a personal computer, a predetermined storage unit, and a display unit may be used as the detection unit.
Accordingly, for example, the degree of frequency change corresponding to the degree of action of the acceleration G is stored in advance as, for example, a table value, and the acceleration based on the frequency change is immediately stored according to the detected frequency change. May be displayed.

図2は、圧電振動片13の詳しく説明するための概略斜視図である。
本実施形態の場合、圧電振動片32は、小型に形成して、必要な性能を得るために、特に図示のような形状および構造とされている。
すなわち、圧電振動片32は、固定用の基部51と、この基部51を基端として、図において斜め上方に向けて、二股に別れて平行に延びる一対の振動腕34,35を備えており、全体が音叉のような形状とされた、所謂、音叉型圧電振動片が利用されている。
この圧電振動片32は、全体として、きわめて小型に形成されていて、図2において、例えば、全長が、1300μm程度、振動腕の長さが1040μm程度、腕幅が40μmないし55μm程度とされたきわめて小型の圧電振動片である。
FIG. 2 is a schematic perspective view for explaining the piezoelectric vibrating piece 13 in detail.
In the case of the present embodiment, the piezoelectric vibrating piece 32 is particularly shaped and structured as illustrated in order to obtain a required performance by forming it in a small size.
That is, the piezoelectric vibrating piece 32 includes a fixing base 51 and a pair of vibrating arms 34 and 35 that extend in parallel to be divided into two forks obliquely upward in the drawing with the base 51 as a base end. A so-called tuning fork type piezoelectric vibrating piece, which is entirely shaped like a tuning fork, is used.
The piezoelectric vibrating piece 32 as a whole is extremely small. In FIG. 2, for example, the total length is about 1300 μm, the length of the vibrating arm is about 1040 μm, and the arm width is about 40 μm to 55 μm. It is a small piezoelectric vibrating piece.

図3は図2のA−A線切断端面図である。図2および図3に示されているように、圧電振動片32の各振動腕34,35には、それぞれ長さ方向に延びる長い有底の長溝56,57が形成されている。この各長溝56,57は、図3に示されているように、各振動腕34,35の表裏両面に形成されている。
さらに、図3において、圧電振動片32の基部51の端部(図2では下端部)の幅方向両端付近には、引き出し電極52,53が形成されている。各引き出し電極52,53は、圧電振動片32の基部51の図示しない裏面にも同様に形成されている。
FIG. 3 is an end view taken along line AA of FIG. As shown in FIGS. 2 and 3, long bottomed long grooves 56 and 57 extending in the length direction are formed in the respective vibrating arms 34 and 35 of the piezoelectric vibrating piece 32. As shown in FIG. 3, the long grooves 56 and 57 are formed on both the front and back surfaces of the vibrating arms 34 and 35.
Further, in FIG. 3, lead electrodes 52 and 53 are formed near both ends in the width direction of the end portion (lower end portion in FIG. 2) of the base portion 51 of the piezoelectric vibrating piece 32. The lead electrodes 52 and 53 are similarly formed on the back surface (not shown) of the base 51 of the piezoelectric vibrating piece 32.

これらの各引き出し電極52,53は、後述するパッケージ側の電極部31,31と導電性接着剤43,43により接続される部分である。そして、各引き出し電極52,53は、図2および図3に示されているように、各振動腕34,35の長溝56,57内に設けた励振電極54,55とそれぞれ一体に接続されている。また、各励振電極54,55は、図3に示されているように各振動腕34,35の両側面にも形成されており、例えば、振動腕34に関しては、長溝56内の励振電極54と、その側面部の励振電極55とは互いに異極となるようにされている。また、振動腕35に関しては、長溝57内の励振電極55と、その側面部の励振電極54とは互いに異極となるようにされている。   Each of these lead electrodes 52 and 53 is a portion connected to electrode parts 31 and 31 on the package side, which will be described later, by conductive adhesives 43 and 43. As shown in FIGS. 2 and 3, the lead electrodes 52 and 53 are integrally connected to the excitation electrodes 54 and 55 provided in the long grooves 56 and 57 of the vibrating arms 34 and 35, respectively. Yes. Further, as shown in FIG. 3, the excitation electrodes 54 and 55 are also formed on both side surfaces of the vibrating arms 34 and 35. For example, with respect to the vibrating arms 34, the excitation electrodes 54 in the long groove 56. And the excitation electrode 55 of the side part is made to have a different polarity. Further, with respect to the vibrating arm 35, the excitation electrode 55 in the long groove 57 and the excitation electrode 54 on the side surface thereof have different polarities.

図5および図6は第2の実施形態を示している。
第2の実施形態は、第1の実施形態の加速度センサに用いる圧電振動片32を収容容器としての例えばパッケージに収容した構成を備えており、以下の説明では、第1の実施形態と共通する構成には同一の符合を付して重複する説明を省略し、相違点を中心に説明する。図6は図5のB−B線切断端面図である。
5 and 6 show a second embodiment.
The second embodiment includes a configuration in which the piezoelectric vibrating piece 32 used in the acceleration sensor of the first embodiment is housed in, for example, a package as a housing container, and the following description is common to the first embodiment. The same reference numerals are given to the components, and redundant description is omitted, and differences will be mainly described. 6 is an end view taken along line BB of FIG.

加速度センサ10−2は、圧電振動片32をパッケージ36に収容した構成である。
パッケージ36は、例えば、絶縁材料として、酸化アルミニウム質のセラミックグリーンシートを成形して形成される複数の基板を積層した後、焼結して形成されている。複数の各基板は、その内側に所定の孔を形成することで、積層した場合に内側に所定の内部空間S2を形成するようにされている。この内部空間S2が圧電振動片32を収容するための収容空間である。
The acceleration sensor 10-2 has a configuration in which the piezoelectric vibrating piece 32 is accommodated in a package 36.
The package 36 is formed, for example, by laminating a plurality of substrates formed by molding an aluminum oxide ceramic green sheet as an insulating material, and then sintering. Each of the plurality of substrates is formed with a predetermined hole on the inner side thereof, so that a predetermined internal space S2 is formed on the inner side when stacked. The internal space S2 is a housing space for housing the piezoelectric vibrating piece 32.

このパッケージ36の内部に圧電振動片32をマウントし、蓋体39で気密に封止するようにされている。ここで、蓋体39は、セラミック、金属、ガラスなどの材質を選択して形成されている。好ましくは、パッケージ36内を真空状態として、気密に封止される。
蓋体39が、例えば、金属の場合には、一般に他の材料よりも強度が高いという利点がある。蓋体39の材料としては、パッケージ36と熱膨張率が近似したものが適しており、例えば、コバールなどを使用することができる。
また、蓋封止後の周波数調整を可能にするために、蓋体39は、例えばガラスなどの光透過材料で形成される。例えば、硼珪酸ガラスなどの板体を使用することができる。
A piezoelectric vibrating piece 32 is mounted inside the package 36 and hermetically sealed with a lid 39. Here, the lid 39 is formed by selecting a material such as ceramic, metal, or glass. Preferably, the inside of the package 36 is hermetically sealed in a vacuum state.
When the lid 39 is made of metal, for example, there is an advantage that the strength is generally higher than that of other materials. As the material of the lid 39, a material having a thermal expansion coefficient approximate to that of the package 36 is suitable, and for example, Kovar can be used.
Moreover, in order to enable frequency adjustment after sealing the lid, the lid 39 is made of a light transmitting material such as glass, for example. For example, a plate body such as borosilicate glass can be used.

パッケージ36の内部空間S2内の図において左端部付近において、内部空間S2に露出して内側底部を構成する積層基板には、例えば、タングステンメタライズ上にニッケルメッキ及び金メッキで形成した電極部31,31が設けられている。この電極部31,31は、外部と接続されて、駆動電圧を供給するものである。
電極部31,31は、パッケージ36の底面に形成した実装端子45,46と導電パターンなどにより電気的に接続されている。
In the inner space S2 of the package 36, in the vicinity of the left end portion, the laminated substrate that is exposed to the inner space S2 and constitutes the inner bottom portion has, for example, electrode portions 31, 31 formed by nickel plating and gold plating on tungsten metallization. Is provided. The electrode portions 31 are connected to the outside to supply a driving voltage.
The electrode portions 31 and 31 are electrically connected to mounting terminals 45 and 46 formed on the bottom surface of the package 36 by a conductive pattern or the like.

また、各電極部31,31の上に導電性接着剤43,43が塗布され、この導電性接着剤43,43の上に圧電振動片32の基部51が載置されて、導電性接着剤43,43が硬化されるようになっている。尚、導電性接着剤43,43としては、接合力を発揮する接着剤成分としての合成樹脂剤に、銀製の細粒等の導電性の粒子を含有させたものが使用でき、シリコーン系、エポキシ系またはポリイミド系導電性接着剤等を利用することができる。
また、実装端子45,46には、発振手段11が接続され、発振手段11には検出手段12が接続されている。
In addition, conductive adhesives 43 and 43 are applied on the electrode portions 31 and 31, and the base 51 of the piezoelectric vibrating piece 32 is placed on the conductive adhesives 43 and 43, so that the conductive adhesive is provided. 43 and 43 are hardened. In addition, as the conductive adhesives 43 and 43, a synthetic resin agent as an adhesive component exhibiting a bonding force and containing conductive particles such as fine silver particles can be used. A system-based or polyimide-based conductive adhesive or the like can be used.
Further, the oscillation means 11 is connected to the mounting terminals 45 and 46, and the detection means 12 is connected to the oscillation means 11.

ここで、図2で詳しく示す基部51は、図5に示すようにパッケージ36の内部に接合しようとする場合、全体の小型化を妨げない程度に該基部51の面積を大きくし、導電性接着剤43の塗布量を多くする程、強固に接続される。これにより、加速度Gによる応力が逃げることなく圧電振動片32に適切に作用する。
そして、このようにするためには、接着剤として上記したもののうち、たとえば、エポキシ系やポリイミド系のものを用いるとリジットに固定できて好ましい。
Here, when the base 51 shown in detail in FIG. 2 is to be joined to the inside of the package 36 as shown in FIG. 5, the area of the base 51 is increased so as not to hinder the overall miniaturization, and conductive bonding is performed. As the coating amount of the agent 43 is increased, the connection is more firmly established. Accordingly, the stress due to the acceleration G acts appropriately on the piezoelectric vibrating piece 32 without escaping.
In order to do this, it is preferable to use, for example, an epoxy or polyimide adhesive as the adhesive because it can be fixed to a rigid.

第2の実施形態の構成によれば、パッケージに収容された状態で圧電振動片32の振動腕34,35の長さ方向を図5のGの方向にそろえて固定するだけで、第1の実施形態同様に適切に加速度が検出できる。
また、パッケージ36内に図示しない集積回路を圧電振動片32とともに収容し、この集積回路に発振手段11と検出手段12の機能をもたせれば、実装端子45,46からただちに加速度データを得ることができる。
According to the configuration of the second embodiment, the first embodiment can be achieved by aligning the length directions of the vibrating arms 34 and 35 of the piezoelectric vibrating piece 32 in the direction of G in FIG. Similar to the embodiment, the acceleration can be detected appropriately.
Further, if an integrated circuit (not shown) is housed in the package 36 together with the piezoelectric vibrating piece 32 and the integrated circuit has the functions of the oscillation means 11 and the detection means 12, acceleration data can be obtained immediately from the mounting terminals 45 and 46. it can.

図6は圧電振動片32の変形例1の概略斜視図である。
図6の圧電振動片32−1において、図2の圧電振動片32と同一の符合を付した箇所は共通する構成であるから重複する説明は省略し、以下相違点を中心に説明する。
この圧電振動片32−1では、各振動腕34,35の先端部に、それぞれ重り部58,59を形成している。
具体的には、圧電振動片32−1では、各振動腕34,35の先端部の外形を大きく形成して、重り部58,59としている。
FIG. 6 is a schematic perspective view of Modification 1 of the piezoelectric vibrating piece 32.
In the piezoelectric vibrating piece 32-1 in FIG. 6, the same reference numerals as those of the piezoelectric vibrating piece 32 in FIG. 2 are the same in configuration, and redundant description will be omitted.
In the piezoelectric vibrating piece 32-1, weight portions 58 and 59 are formed at the tip portions of the vibrating arms 34 and 35, respectively.
Specifically, in the piezoelectric vibrating piece 32-1, the outer shape of the tip portion of each vibrating arm 34, 35 is formed to be a weight portion 58, 59.

これにより、屈曲振動を行う振動腕34,35の先端部を大きくすることで、他の箇所よりも質量を増すことができ、加速度の影響を受けやすくすると好ましい。しかも、重り部58,59は圧電振動片32−1から独立したマス部として形成されているわけではなく、振動腕の先端に一体に形成されているので、部品点数が増えることもなく、形状が極端に大きくなるわけでもない。   Thereby, it is preferable that the tip portions of the vibrating arms 34 and 35 that perform flexural vibrations are enlarged so that the mass can be increased more than other portions, and it is easy to be affected by acceleration. In addition, the weight portions 58 and 59 are not formed as mass portions independent of the piezoelectric vibrating piece 32-1, but are formed integrally with the tip of the vibrating arm, so that the number of parts does not increase and the shape is increased. Is not extremely large.

図7は図6の圧電振動片について、特にその振動腕35の重り部59(振動腕34の重り部58も同一構造)の部分縦断面図であり、圧電振動片の変形例2の要部を示す図である。
図示されているように、振動腕の先端部59−1を除く腕本体部の厚みに関して、通常の場合、鎖線で示す厚みであるところ、図示のように特に薄くなるように、エッチングなどにより加工した構成を示している。
これにより、振動腕35−1の剛性を低下させることで、より加速度に対する感度を向上させることができる。
7 is a partial longitudinal sectional view of the weight portion 59 of the vibrating arm 35 (the weight portion 58 of the vibrating arm 34 has the same structure), particularly the piezoelectric vibrating piece of FIG. FIG.
As shown in the drawing, regarding the thickness of the arm main body excluding the tip portion 59-1 of the vibrating arm, it is usually processed by etching or the like so as to be particularly thin as shown in FIG. Shows the configuration.
Thereby, the sensitivity with respect to acceleration can be improved more by reducing the rigidity of the vibrating arm 35-1.

なお、図8は第1の実施形態の図1の加速度センサ10に対し、G2方向に加速度Gが作用した場合に、検出される周波数変化を示すものである。
図8に示されているように、加速度Gに対する周波数偏差の変化の特性は一次関数に近い特性であるため、複雑な周辺回路を必要とせず、簡易な回路で、正確な加速度を求めることができるものである。
FIG. 8 shows a change in frequency detected when acceleration G acts in the G2 direction on the acceleration sensor 10 of FIG. 1 of the first embodiment.
As shown in FIG. 8, since the characteristic of the change in frequency deviation with respect to the acceleration G is a characteristic close to a linear function, a complicated peripheral circuit is not required, and accurate acceleration can be obtained with a simple circuit. It can be done.

本発明は上述の実施形態に限定されない。各実施形態の各構成はこれらを適宜組み合わせたり、省略し、図示しない他の構成と組み合わせることができる。
また、この発明は、圧電振動片を利用したものであれば、収容容器がなくても適用できるし、また、上述の実施形態では、圧電振動片の収容容器であるパッケージにセラミックを使用した箱状のものを利用しているが、このような形態に限らず、金属製のシリンダー状のケース等のパッケージと同等の収容容器に圧電振動片を収容してもよい。
The present invention is not limited to the above-described embodiment. Each configuration of each embodiment can be appropriately combined or omitted, and can be combined with other configurations not shown.
In addition, the present invention can be applied without a container as long as the piezoelectric vibrating piece is used, and in the above-described embodiment, a box that uses ceramic for a package that is a container for the piezoelectric vibrating piece. However, the present invention is not limited to this configuration, and the piezoelectric vibrating piece may be housed in a housing container equivalent to a package such as a metal cylindrical case.

本発明の第1の実施形態に係る加速度センサの概略構成図。1 is a schematic configuration diagram of an acceleration sensor according to a first embodiment of the present invention. 図1の加速度センサに用いる圧電振動片の概略斜視図。FIG. 2 is a schematic perspective view of a piezoelectric vibrating piece used in the acceleration sensor of FIG. 1. 図2の圧電振動片のA−A線における切断端面図。FIG. 3 is a cut end view taken along line AA of the piezoelectric vibrating piece in FIG. 2. 本発明の第2の実施形態に係る加速度センサの概略構成図。The schematic block diagram of the acceleration sensor which concerns on the 2nd Embodiment of this invention. 図4の加速度センサのB−B線における切断端面図。FIG. 5 is a cut end view taken along line BB of the acceleration sensor of FIG. 4. 本発明に使用される圧電振動片の変形例1の概略斜視図。The schematic perspective view of the modification 1 of the piezoelectric vibrating piece used for this invention. 本発明に使用される圧電振動片の変形例2の部分断面図。The fragmentary sectional view of the modification 2 of the piezoelectric vibrating piece used for this invention. 図1の加速度センサにおいて、加速度が作用した場合の周波数変化を示すグラフ。The acceleration sensor of FIG. 1 WHEREIN: The graph which shows a frequency change when an acceleration acts.

符号の説明Explanation of symbols

10・・・加速度センサ、30・・・圧電デバイス、36・・・パッケージ、32・・・圧電振動片、34,35・・・振動腕、51・・・基部、54,55・・・励振電極、56,57・・・長溝   DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Acceleration sensor, 30 ... Piezoelectric device, 36 ... Package, 32 ... Piezoelectric vibrating piece, 34, 35 ... Vibrating arm, 51 ... Base, 54, 55 ... Excitation Electrode, 56, 57 ... long groove

Claims (6)

圧電材料で形成した基部と、この基部と一体に形成され、かつ前記基部から平行に延びる少なくとも一対の振動腕とを備える圧電振動片と、
該圧電振動片を発振させる発振手段と、
加速度が作用した際に、前記発振手段の発振周波数の変化を検出する検出手段と
を有し、
前記各振動腕の延びる方向が、検出すべき加速度が作用する方向と一致するように前記圧電振動片が配置されている構成とした
ことを特徴とする加速度センサ。
A piezoelectric vibrating piece comprising a base formed of a piezoelectric material, and at least a pair of vibrating arms formed integrally with the base and extending in parallel from the base;
Oscillating means for oscillating the piezoelectric vibrating piece;
Detecting means for detecting a change in the oscillation frequency of the oscillation means when acceleration is applied;
An acceleration sensor characterized in that the piezoelectric vibrating reed is arranged so that the extending direction of each vibrating arm coincides with the direction in which the acceleration to be detected acts.
前記圧電振動片が音叉型圧電振動片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。   The acceleration sensor according to claim 1, wherein the piezoelectric vibrating piece is a tuning fork type piezoelectric vibrating piece. 前記圧電振動片をパッケージに収容し、蓋体により気密に封止したことを特徴とする請求項1および2のいずれかに記載の加速度センサ。   The acceleration sensor according to claim 1, wherein the piezoelectric vibrating piece is housed in a package and hermetically sealed with a lid. 前記圧電振動片の前記各振動腕の先端部の外形を大きく形成したことを特徴とする請求項1ないし3のいずれかに記載の加速度センサ。   The acceleration sensor according to any one of claims 1 to 3, wherein an outer shape of a tip portion of each vibrating arm of the piezoelectric vibrating piece is formed large. 前記圧電振動片の前記各振動腕の先端部に重りを配置したことを特徴とする請求項1ないし4のいずれかに記載の加速度センサ。   The acceleration sensor according to any one of claims 1 to 4, wherein a weight is disposed at a tip portion of each of the vibrating arms of the piezoelectric vibrating piece. 前記圧電振動片の前記各振動腕の先端部を除く腕本体部の厚みを薄く形成したことを特徴とする請求項1ないし5のいずれかに記載の加速度センサ。   The acceleration sensor according to any one of claims 1 to 5, wherein a thickness of an arm main body excluding a tip of each vibrating arm of the piezoelectric vibrating piece is thin.
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