JP2008256583A

JP2008256583A - 水晶振動素子、及び加速度検出装置

Info

Publication number: JP2008256583A
Application number: JP2007100171A
Authority: JP
Inventors: Takahiro Kameda; 高弘亀田; Jun Watanabe; 潤渡辺; Yoshikuni Saito; 佳邦齋藤
Original assignee: Miyazaki Epson Corp
Current assignee: Miyazaki Epson Corp
Priority date: 2007-04-06
Filing date: 2007-04-06
Publication date: 2008-10-23

Abstract

【課題】加速度の検出精度が高く、しかも小型化が可能な水晶振動素子及び加速度検出装置を提供することを目的とする。
【解決手段】板厚方向がＸ軸である水晶基板により形成される基部１１と、この基部１１と一体に形成され、基部１１から突出するように並行に延びる２本の振動腕１２、１３とが形成されている。２本の振動腕１２、１３の両主面には、互いに極性が異なる駆動電極１４、１５が夫々対向するように配置されている。また基部１１の一方の主面上にＳＡＷ電極２１を形成するようにした。
【選択図】図１

Description

本発明は、水晶振動素子、及び加速度検出装置に関わり、特に加速度を検出する加速度検出装置に好適なものである。

近年、加速度を検出する加速度センサは、次世代の自動車、ロボット、宇宙産業など幅広い応用を目指して研究、開発が行われている。
民生機器向けに開発されている加速度センサは、加速度検知機構を半導体プロセスにより作製したＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）センサが良く知られている。
また弾性表面波（ＳＡＷ）を利用した加速度計なども提案されている。例えば、特許文献１には、第１の振動部を振動させるための第１の共振系と第２の振動部を振動させるための第２の共振系とを有し、外力によって第１及び第２の振動部が変形したとき、第１の共振系の共振周波数ｆ₁と第２の共振系の共振周波数ｆ₂の差Δｆ＝ｆ₁−ｆ₂より加速度を求める。そして、クロック信号発生部のクロック信号に基づいて、第１及び第２の演算部によって計数された第１及び第２の共振周波数ｆ₁、ｆ₂のパルス間隔により、第３の演算部により加速度を演算することにより、加速度又は外力が小さいときでも正確に加速度を検出できるようにした加速時計が開示されている。
特開平８−１７８９４８号公報

しかしながら、特許文献１に開示されている加速時計は、加速度を検出するＳＡＷ共振系とクロック信号発生部とを別々に構成する必要があるため、小型化を図るのが困難であった。また比較的高価な圧電材料を用いたＳＡＷ共振系及びクロック信号発生部を別々に構成する必要があるためコストアップを招くという問題点もあった。
本発明は上記したような点を鑑みてなされたものであり、小型でしかも精度良く加速度を検出できる水晶振動素子、及びその水晶振動素子を備えた加速度検出装置を提供することを目的とする。また安価でしかも精度良く加速度を検出ができる水晶振動素子及びその水晶振動素子を備えた加速度検出装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明の水晶振動素子は、板厚方向がＸ軸方向である水晶基板により形成される基部、この基部と一体化され且つこの基部から並行に延びる一対の振動腕、及び一対の振動腕の両主面に夫々対向するように形成され且つ互いに極性が異なる駆動電極を備えた音叉型水晶振動素子と、基部及び基部に形成したＳＡＷ電極を備えたＳＡＷ振動素子と、を有する。
このように構成すれば、一つの水晶基板に音叉型水晶振動素子とＳＡＷ振動素子とを一体化することが可能になるため、例えば加速度検出装置において音叉型水晶振動素子とＳＡＷ振動素子を別々に構成する場合より、加速度検出装置の小型化、低コスト化を図ることができる。

また、本発明の水晶振動素子は、一対の振動腕と、基部に形成されたＳＡＷ電極との間の水晶基板部分に切り欠きを有する。
このように構成すれば、切り欠きにより音叉型水晶振動素子の屈曲振動のエネルギーがＳＡＷ振動素子のＳＡＷ振動に影響を及ぼすのを防ぐことができる。

また本発明の加速度検出装置は、本発明の水晶振動素子と、音叉型水晶振動素子を共振素子として備えた第１の発振回路と、ＳＡＷ振動素子を共振素子として備えた第２の発振回路と、第１の発振回路から出力される出力信号のレベルに基づいて、第２の発振回路から出力される出力信号をカウントするカウント手段と、を備え、カウント手段のカウント値を加速度検出信号として出力するようにした。
このように構成すれば、加速度検出素子として用いる音叉型水晶振動素子と、基準信号源として用いるＳＡＷ振動素子を一つの水晶基板上に形成できるため、加速度検出装置の小型化を図ることができる。また材料費や組み立て工程も別々に構成する場合より安価で済むという利点がある。

また本発明の加速度検出装置は、第１の発振回路から出力される出力信号を分周する分周器を備えるようにした。
このように構成すれば、第１の発振回路の出力信号を分周器により分周して分解能の向上を図ることで、検出感度をより高めることが可能になる。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。
図１は、本実施の形態の水晶振動素子の構成を示した図であり、（ａ）は概略斜視図、（ｂ）は（ａ）に示すＡ−Ａ断面図である。
この図１（ａ）に示す水晶振動素子１は、基部１１と、この基部１１と一体に形成され、基部１１から突出するように並行に延びる２本の振動腕１２、１３とを備える。２本の振動腕１２、１３の両主面には、図１（ｂ）に示すように互いに極性が異なる駆動電極１４、１５が夫々対向するように配置されている。即ち、水晶振動素子１には、音叉型水晶振動素子１０が形成されている。
また本実施の形態の水晶振動素子１では、基部１１の一方の主面上にＳＡＷ（弾性表面波）電極２１を形成するようにしている。即ち、基部１１及びこの基部１１に形成したＳＡＷ電極２１によりＳＡＷ振動素子２０を構成するようにしている。

図２は、ＳＡＷ振動素子のＳＡＷ電極の構成を示した図である。
この図２に示すようにＳＡＷ振動素子２０のＳＡＷ電極２１は、一対の反射器２２、２２と、この一対の反射器２２、２２の間に設けられる一対の櫛歯状電極（以下、ＩＤＴと称する）２３とを備える。なお、本実施の形態では、ＳＡＷ振動素子２０の伝搬方向が水晶基板のＹ軸方向となるように形成しているが、ＳＡＷ振動素子２１の伝搬方向が水晶基板のＺ軸方向となるように形成しても良い。

図３は、本実施の形態の水晶振動素子を用いて水晶振動子を構成する場合の一例を示した図であり、（ａ）は上面図、（ｂ）は側面図である。
この図３（ａ）（ｂ）に示す水晶振動子３０は、ガラス、樹脂、セラミック、ガラスエポキシ、アルミナ等から成る絶縁基板３１に水晶振動素子１の基部１１が固定される。なお、本実施の形態では絶縁基板３１上の水晶振動素子１を気密状態で封止するための蓋部材の図示は省略する。この場合、本実施の形態の水晶振動素子１の基部１１には振動腕１２、１３の駆動電極１４、１５がそれぞれ接続される接続電極１７ａ、１７ｂと、ＳＡＷ電極２１の入出力ラインとそれぞれ接続される接続電極１７ｃ、１７ｄとを設ける。これらの接続電極１７ａ〜１７ｄは、ワイヤ３３ａ〜３３ｄを介して絶縁基板３１上の接続パッド３２ａ〜３２ｄを夫々接続する。また絶縁基板３１の外側底面には図示しない内部導体を介して絶縁基板３１上の接続パッド３２ａ〜３２ｄと接続された電極端子３４を形成する。これにより、本実施の形態の水晶振動素子１を用いて水晶振動子３０を構成することができる。

上記のように構成される本実施の形態の水晶振動素子１は、一つの水晶基板上に音叉型水晶振動素子１０とＳＡＷ振動素子２０とを一体化した点に特徴がある。但し、水晶基板上にＳＡＷ振動素子２０を形成する場合、ＳＡＷ電極２１は水晶基板のＹ−Ｚ面上に形成する必要がある。このため、水晶振動素子１においては、その板厚方向がＸ軸（電気軸）となる所謂Ｘ板と呼ばれる水晶基板を用いるようにしている。つまり、本実施の形態では、図１（ａ）に示すように水晶基板の厚み方向がＸ軸（電気軸）方向、振動腕１２、１３の突出方向がＹ軸（機械軸）方向、振動腕１２、１３と直交方向がＺ軸（光軸）方向となるように切り出した水晶基板を用いるようにしている。これにより、一つの水晶基板に音叉型水晶振動素子１０とＳＡＷ振動素子２０との一体化を図るようにした。
従って、このような本実施の形態の水晶振動素子１を備えた水晶振動子３０を用いて加速度検出装置を構成すれば、音叉型水晶振動素子１０を加速度検出素子、ＳＡＷ振動素子２０を基準発振器として利用することができるので、加速度検出素子と基準発振器とを別々に構成する場合より、装置の小型化、低コスト化を図ることができる。

また本実施の形態の水晶振動素子１では、図４に示すように、音叉型水晶振動素子１０の各振動腕１２、１３の駆動電極１４、１５に駆動電圧を印加することで、各振動腕１２、１３に電界が発生し、各振動腕１２、１３が屈曲振動する。そして、この屈曲振動のエネルギーが基部１１に伝わった場合には、ＳＡＷ振動素子２０のＳＡＷ振動に影響を及ぼすおそれがある。そこで、本実施の形態では、一対の振動腕１２、１３と、ＳＡＷ電極２１を形成した基部１１との間の水晶基板部分に切り欠き１６を形成するようにした。これにより、音叉型水晶振動素子１０の屈曲振動のエネルギーがＳＡＷ振動素子２０のＳＡＷ振動に影響を及ぼすのを防止するようにした。なお、図４においては説明を分かり易くするために音叉型水晶振動素子１０の屈曲振動の概念を破線により示したが、実際には音叉型水晶振動素子１０の形状自体は殆ど変位しないものである。
また、本実施の形態の水晶振動素子１においては、基板の厚み方向がＸ軸方向となるように切り出したＸ板を用いたことで、Ｘ軸方向に強い電界をかけることが可能になり、従来の音叉型水晶振動素子に比べてクリスタルインピーダンス（以下、ＣＩ値と称する）を低くすることができるという利点がある。

ここで、本実施形態の音叉型水晶振動素子の構造と従来の音叉型水晶振動素子の構造とを対比しておく。
図７は、従来の音叉型水晶振動素子の構成を示した図であり、（ａ）は概略斜視図、（ｂ）は（ａ）に示すＢ−Ｂ断面図である。
この図７に示す音叉型水晶振動素子１００は、基板の厚み方向がＺ軸方向となるように切り出された所謂Ｚ板により形成されている。２本の振動腕１０２、１０３の両主面及び両側面には駆動電極１０４、１０５が形成されている。このように構成される音叉型水晶振動素子１００では、図７（ｂ）に示すように両主面及び両側面の駆動電極１０４、１０５間の距離が離れていると共に、駆動電極１０４と駆動電極１０５とが非平行であるため、矢印で示した電界の効率が悪い。このため、振動腕１０２、１０３の屈曲振動が弱くＣＩ値が高くなる。
これに対して、本実施形態の音叉型水晶振動素子１０は、Ｘ軸（電気軸）を厚み方向となるようにしたことで、図１（ｂ）に示すように駆動電極１４、１５間の距離を、図７（ｂ）に示したＺ板より近づけることができると共に、駆動電極１４と駆動電極１５とが平行である。これにより、Ｘ軸方向に強い電界をかけることが可能になり、低ＣＩ値化を図ることができる。

次に、上記した本実施の形態の水晶振動素子を用いて構成される加速度検出装置について説明する。
図５は、本実施の形態の加速度検出装置の構成を示した図である。
この図５に示す加速度検出装置５０は、第１の発振器（ＯＳＣ）５１、第２の発振器（ＯＳＣ）５２、分周器５３、アンド回路５４、カウンタ回路５５、制御部５６、及びラッチ・シフトレジスタ回路５７により構成される。
ＯＳＣ５１は、音叉型水晶振動素子１０を備え、加速度を検出する加速度検出素子として機能する。ＯＳＣ５２は、ＳＡＷ振動素子２０を備え、所定の周波数で発振する基準発振器として機能する。ここで、音叉型水晶振動素子１０の共振周波数とＳＡＷ振動素子２０の共振周波数とは、その桁数が約１０⁴倍程度異なるものとされる。例えば、音叉型水晶振動素子１０を備えたＯＳＣ５１の共振周波数を３０ｋＨｚとした場合は、ＳＡＷ振動素子２０を備えたＯＳＣ５２の共振周波数は約３００ＭＨｚとなるようにしている。分周器５３は、ＯＳＣ５１の出力信号を１／Ｎ（但し、Ｎは自然数）分周して出力する。なお、分周器５３は必ずしも設ける必要はない。
アンド回路５４は、ＯＳＣ５１の出力信号Ｓ１とＯＳＣ５２の出力信号Ｓ２のレベルが共にハイ「１」となる期間に出力信号Ｓ３を出力する。カウンタ回路５５はアンド回路５４から出力される出力信号Ｓ３をカウントする。カウンタ回路５５でカウントしたカウント値はラッチ・シフトレジスタ回路５７に出力される。ラッチ・シフトレジスタ回路５７は、制御部５６からのラッチ信号に基づいてカウンタ回路５５からのカウント値をラッチして出力する。制御部５６は、ＯＳＣ５１の出力信号Ｓ１に基づいて各部の制御を行う。例えば、カウンタ回路５５に対してリセット信号を出力したり、ラッチ・シフトレジスタ回路５７にラッチ信号を出力する。

以下、図６を参照しながら本実施の形態の加速度検出装置の動作を説明する。
図６は本実施の形態の加速度検出装置の各部の出力信号波形を示した図であり、（ａ）はＯＳＣ５１の出力信号Ｓ１、（ｂ）はＯＳＣ５２の出力信号Ｓ２、（ｃ）はアンド回路５４の出力信号Ｓ３の波形を夫々示した図である。
先にも述べたように音叉型水晶振動素子１０を備えたＯＳＣ５１の共振周波数とＳＡＷ振動素子２０を備えたＯＳＣ５２の共振周波数では、共振周波数の桁数が約１０⁴倍異なる。例えば、音叉型水晶振動素子１０により加速度が検知されていないときのＯＳＣ５１の共振周波数を３０ｋＨｚ、ＯＳＣ５２の共振周波数を３００ＭＨｚとした場合、図６（ａ）に示すＯＳＣ５１の出力信号Ｓ１の１周期の期間Ｔにおいて、図６（ｂ）に示すＯＳＣ５２から出力される出力信号Ｓ２のパルス数は１００００パルスとなる。
アンド回路５４は、図６（ｃ）に示すようにＯＳＣ５１の出力信号Ｓ１と、ＯＳＣ５２の出力信号Ｓ２のレベルが共にハイ「１」となる期間Ｔ１だけカウンタ回路５５に出力信号Ｓ３を出力するので、ＯＳＣ５１の音叉型水晶振動素子１０において加速度が検知されていない時は、カウンタ回路５５のカウント値は「５０００」になる。よって、この場合は、６Ｈｚ（３０ｋＨｚ／５ｋ＝６Ｈｚ）の分解能を持つ加速度検出装置を実現することができる。

一方、音叉型水晶振動素子１０の加速度検出軸方向に加速度が印加された場合、ＯＳＣ５１の共振周波数は、加速度に応じて３０ｋＨｚから変動する。一方、ＯＳＣ５２の共振周波数は３００ＭＨｚのままとされる。よって、カウンタ回路５５のカウント値は加速度に応じて変化することになる。従って、加速度が印加されていない場合のカウンタ回路５５のカウント値との差分値により加速度値を得ることができる。
このように本実施の形態の加速度検出装置においては、ＯＳＣ５１の共振周波数とＯＳＣ５２の共振周波数の桁数が約１０⁴倍異なるように設定することで、高い分解能を持つ加速度検出装置を実現するようにした。また、本実施の形態の加速度検出装置では、図１に示した水晶振動素子１を用いることで、一つの水晶基板上に加速度検出素子と基準信号源を形成できるため、加速度検出装置の小型化を図ることができる。また材料費や組み立て工程も別々に構成する場合より安価で済むという利点がある。
また、分周器５３によりＯＳＣ５１の出力信号を１／Ｎ（但し、Ｎは自然数）分周して出力することで分解能をさらに高めることができる。
またカウンタ回路５５のカウント値を、ラッチ・シフトレジスタ回路５７を介して出力しているので加速度信号のデジタル化を容易であるという利点もある。

本実施の形態の水晶振動素子の構成を示した図であり、（ａ）は概略斜視図、（ｂ）は（ａ）に示すＡ−Ａ断面図である。本実施の形態の水晶振動素子１に構成されるＳＡＷ振動素子のＳＡＷ電極の構成を示した図である。本実施の形態の水晶振動素子を用いて構成される水晶振動子の一例を示した図であり、（ａ）は上面図、（ｂ）は側面図である。本実施の形態の音叉型水晶振動素子の屈曲振動を模式的に示した図である。本実施の形態の加速度検出装置の構成を示した図である。（ａ）（ｂ）（ｃ）は本実施の形態の加速度検出装置の各部の出力信号波形を示した図である。従来の音叉型水晶振動素子の構成を示した図であり、（ａ）は概略斜視図、（ｂ）は（ａ）に示すＢ−Ｂ断面図である。

符号の説明

１…水晶振動素子、１０…音叉型水晶振動素子、１１…基部、１２、１３…振動腕、１４、１５…駆動電極、１６…切り欠き、１７ａ〜１７ｄ…接続電極、２１…ＩＤＴ電極、２２…反射器、３０…水晶振動子、３１…絶縁基板、３２ａ…接続パッド、３３ａ…ワイヤ、３４…電極端子、５０…加速度検出装置、５１、５２…ＯＳＣ、５３…分周器、５４…アンド回路、５５…カウンタ回路、５６…制御部、５７…ラッチ・シフトレジスタ回路

Claims

板厚方向がＸ軸方向である水晶基板により形成される基部、該基部と一体化され且つ該基部から並行に延びる一対の振動腕、及び前記一対の振動腕の両主面に夫々対向するように形成され且つ互いに極性が異なる駆動電極を備えた音叉型水晶振動素子と、
前記基部、及び前記基部に形成したＳＡＷ電極を備えたＳＡＷ振動素子と、
を有することを特徴とする水晶振動素子。
前記一対の振動腕と、前記基部に形成された前記ＳＡＷ電極との間の水晶基板部分に切り欠きを有することを特徴とする請求項１に記載の水晶振動素子。
請求項１または請求項２に記載の水晶振動素子と、
前記音叉型水晶振動素子を共振素子として備えた第１の発振回路と、
前記ＳＡＷ振動素子を共振素子として備えた第２の発振回路と、
前記第１の発振回路から出力される出力信号のレベルに基づいて、前記第２の発振回路から出力される出力信号をカウントするカウント手段と、を備え、
前記カウント手段のカウント値を加速度検出信号として出力することを特徴とする加速度検出装置。
前記第１の発振回路から出力される出力信号を分周する分周器を備えたことを特徴とする請求項３に記載の加速度検出装置。