JP2009053138A - Ｓａｗセンサおよびｓａｗセンサ素子 - Google Patents

Abstract

【課題】振動、加速度などの検出感度が高く、小型なＳＡＷセンサおよびＳＡＷセンサ素子を提供する。
【解決手段】水晶基板１０を基板として第１のＳＡＷ共振子４１および第２のＳＡＷ共振子４２が並列に近接配置されたＳＨ波を利用する横結合型の２重モードＳＡＷ共振子４３を有し、かつ、第１のＳＡＷ共振子４１と第２のＳＡＷ共振子４２とに挟まれた結合領域４４に、第１のＳＡＷ共振子４１および第２のＳＡＷ共振子４２の電極指３１ａ，３１ｂ，３３ａ，３３ｂに略直交する方向に溝部４０が形成されたＳＡＷセンサ素子３０を備え、ＳＡＷセンサ素子３０の溝部４０に略平行な辺を有する端部４６においてＳＡＷセンサ素子３０が支持され、２重モードＳＡＷ共振子４３の基本波対称モードＳ０と基本波斜対称モードＡ０とにおける共振周波数の差を検出する。
【選択図】図１

Description

本発明は、弾性表面波を用いて、振動、加速度などを検出可能とするＳＡＷセンサおよびＳＡＷセンサ素子に関する。

従来から、弾性表面波（Surface Acoustic Wave：ＳＡＷ）を利用して、様々な物理量などを検出するＳＡＷセンサが提案されている。
特許文献１では、振動により厚み方向に曲がる弾性表面波素子（ＳＡＷ素子）を用い、この曲がりによるＳＡＷ素子の表面に形成された入力側電極対と出力側電極対における電極間の拡縮変動に応じて周波数変調動作を起こさせ、この変調周波数から振動を検出するＳＡＷセンサが開示されている。
また、特許文献２ではＳＡＷ共振子の裏面どうしを対面接合してバイモルフ型加速度検出素子を構成し、加速度の印加によって加速度検出素子が撓み、ＳＡＷ共振子の周波数変化またはインピーダンス変化を差動的に検出することで温度変化などの影響を受けない加速度の検出を可能とするＳＡＷセンサが開示されている。

特開２０００−２３４９５４号公報 特開２００２−１２２６１４号公報

しかしながら、平板状のＳＡＷ素子の曲がりに対応するＳＡＷ素子の周波数の変化は微小である。このため、特許文献１のＳＡＷセンサにおいて、小さな振動ではＳＡＷ素子の曲がりは少なく、感度良く振動を検出できないという不具合がある。
また、同様に特許文献２では、ＳＡＷ共振子の裏面どうしを対面接合してバイモルフ型加速度検出素子を構成していることから、素子の厚みが厚くなって素子を板厚方向に撓ませることが難しい。このことから、小さな加速度においてはＳＡＷ共振子の周波数の変化が小さく、感度良く加速度を検出できないという不具合がある。

本発明は上記課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態または適用例として実現することが可能である。

［適用例１］本適用例のＳＡＷセンサであって、一つの水晶基板に第１のＳＡＷ共振子と第２のＳＡＷ共振子とが振動の結合領域を挟んで並列に配置されたＳＨ波を利用する横結合型の２重モードＳＡＷ共振子を有し、かつ前記結合領域の前記水晶基板に、前記第１のＳＡＷ共振子および前記第２のＳＡＷ共振子の電極指に略直交する方向に溝部が形成されたＳＡＷセンサ素子を備え、前記ＳＡＷセンサ素子の前記溝部に略平行な辺を有する端部において前記ＳＡＷセンサ素子が支持され、前記２重モードＳＡＷ共振子の基本波対称モードＳ０における共振周波数と基本波斜対称モードＡ０における共振周波数との差を検出することで前記ＳＡＷセンサ素子に加わる外力を検出することを特徴とするＳＡＷセンサ。

このようにＳＡＷセンサ素子は、水晶基板に２つのＳＡＷ共振子が並列に配置された横結合型の２重モードＳＡＷ共振子を有し、各ＳＡＷ共振子間における振動の結合領域の水晶基板に、ＳＡＷ共振子の電極指に略直交する方向に溝部が形成されている。そして、ＳＡＷセンサ素子の溝部に略平行な辺を有する端部においてＳＡＷセンサ素子が支持されている。
この構成によれば、ＳＡＷセンサ素子の板厚方向に振動または加速度などの外力が加わった場合、ＳＡＷセンサ素子の板厚方向に薄くなった溝部に応力が集中して、ＳＡＷセンサ素子を大きく撓ませることができ、ＳＡＷ共振子の大きな周波数変化として検知することが可能である。
詳しくは、この溝部は２つのＳＡＷ共振子における振動の結合領域に形成されていることから、横結合型の２重モードＳＡＷ共振子において励振される基本波対称モードＳ０と基本波斜対称モードＡ０において、基本波斜対称モードＡ０の周波数の変化が少ないのに対して、基本波対称モードＳ０の周波数は大きく変化する。
このように、基本波対称モードＳ０と基本波斜対称モードＡ０とにおける共振周波数の差を検出することで、ＳＡＷセンサ素子に加わる振動、加速度などの外力を感度良く検出することができる。

［適用例２］適用例１のＳＡＷセンサであって、前記ＳＡＷセンサ素子の一方の前記端部が自由端であることを特徴とするＳＡＷセンサ。

このようにＳＡＷセンサ素子の支持構造が、一方の端部が自由端で、他方の端部が固定された片持ち支持構造である。ＳＡＷセンサ素子が片持ち支持されることで、ＳＡＷセンサ素子の板厚方向に振動または加速度などの外力が加わった場合、ＳＡＷセンサ素子の変位量を大きくとることができ、周波数の変化量が増加する。さらに、ＳＡＷセンサ素子が片持ち支持されていることから、接着剤などの固着によってＳＡＷ共振子へかかる応力を極力抑えることができ、さらに固着部の経時変化によるＳＡＷセンサの周波数変化を少なくすることができる。

［適用例３］適用例１または適用例２のＳＡＷセンサであって、前記横結合型ＳＡＷ共振子の基本波対称モードＳ０における共振周波数と基本波斜対称モードＡ０における共振周波数との差の検出において、２モード発振回路とアップアンドダウンカウンタとが用いられることを特徴とするＳＡＷセンサ。

この構成によれば、１個の発振器を切り替えてＳＡＷ共振子を発振させるため、回路構成が少なく、消費電流を少なくすることが可能である。

［適用例４］適用例１乃至３のＳＡＷセンサであって、前記水晶基板が、オイラー角表示（φ，θ，ψ）で、まず光軸であるＺ軸の回りに反時計方向にφが０°±１°の範囲であり、つぎに電気軸であるＸ軸の回りに反時計方向にθが２９．２°以上４０．７°以下の範囲であり、つぎに前記Ｘ軸と新たに生成されるＺ’軸とで構成される面を主面とする前記水晶基板において、前記Ｚ’軸の回りに反時計方向に面内回転して、ψが９０°±２°の範囲である方向が前記弾性表面波の位相伝搬方位であることを特徴とするＳＡＷセンサ。

この構成によれば、周波数温度特性に優れたオイラー角表示で（０°±１°，２９．２°≦θ≦４０．７°，９０°±２°）の水晶基板（ＳＨカット基板）を使用することにより、小型で高精度なＳＡＷセンサが実現できる。

［適用例５］一つの水晶基板に第１のＳＡＷ共振子と第２のＳＡＷ共振子とが振動の結合領域を挟んで並列に配置されたＳＨ波を利用する横結合型の２重モードＳＡＷ共振子を有し、かつ前記結合領域の前記水晶基板に、前記第１のＳＡＷ共振子および前記第２のＳＡＷ共振子の電極指に略直交する方向に溝部が形成されたことを特徴とするＳＡＷセンサ素子。

この構成によれば、ＳＡＷセンサ素子の板厚方向に振動または加速度などの外力が加わった場合、ＳＡＷセンサ素子の板厚方向に薄くなった溝部に応力が集中して、ＳＡＷセンサ素子を大きく撓ませることができ、ＳＡＷ共振子の大きな周波数変化として検知することが可能である。
詳しくは、この溝部は２つのＳＡＷ共振子の結合領域に形成されていることから、横結合型の２重モードＳＡＷ共振子において励振される基本波対称モードＳ０と基本波斜対称モードＡ０において、基本波斜対称モードＡ０の周波数の変化が少ないのに対して、基本波対称モードＳ０の周波数は大きく変化する。
このように、基本波対称モードＳ０と基本波斜対称モードＡ０とにおける共振周波数の差を検出することで、感度良く振動、加速度などを検出することができる。
また、弾性表面波としてＳＨ波を利用することで、レイリー波に比べて電気機械結合係数が大きく、かつ反射係数が大きい特性を活用でき、ＳＡＷセンサ素子の小型化を図ることができる。

［適用例６］適用例５のＳＡＷセンサ素子であって、前記水晶基板が、オイラー角表示（φ，θ，ψ）で、まず光軸であるＺ軸の回りに反時計方向にφが０°±１°の範囲であり、つぎに電気軸であるＸ軸の回りに反時計方向にθが２９．２°以上４０．７°以下の範囲であり、つぎに前記Ｘ軸と新たに生成されるＺ’軸とで構成される面を主面とする前記水晶基板において、前記Ｚ’軸の回りに反時計方向に面内回転して、ψが９０°±２°の範囲である方向が前記ＳＨ波の位相伝搬方位であることを特徴とするＳＡＷセンサ素子。

この構成によれば、周波数温度特性に優れたオイラー角表示で（０°±１°，２９．２°≦θ≦４０．７°，９０°±２°）の水晶基板（ＳＨカット基板）を使用することにより、小型で高精度なＳＡＷセンサ素子を提供できる。

以下、本発明を具体化した実施形態について図面に従って説明する。以下の実施形態ではＳＡＷセンサの一例として加速度を検出する加速度センサについて説明する。
（実施形態）

図１は本実施形態のＳＡＷセンサとしての加速度センサの構成を示し、図１（ａ）は概略平面図、図１（ｂ）は同図（ａ）のＡ−Ａ断線に沿う概略断面図である。

加速度センサ１は、パッケージ２０と、パッケージ２０に収納されるＳＡＷセンサ素子３０およびＩＣチップ６０と、パッケージ２０内を気密に封止する蓋体２５とを備えている。
パッケージ２０は、複数のセラミックグリーンシートを積層後、焼成して形成されている。パッケージ２０には凹部が形成され、この凹部に接続端子２１，２２が形成され、それぞれの接続端子２１，２２がパッケージ２０内部でそれぞれが配線接続されている。また、パッケージ２０の外周部には外部接続端子２３が形成され、接続端子２１，２２の一部と接続されるように構成されている。さらに、パッケージ２０における凹部の周縁にはコバールなどの金属製のシームリング２４が固着されている。

ＩＣチップ６０は、パッケージ２０の凹部底面に固着され、金線などの金属ワイヤ２６により接続端子２２に接続されている。ＩＣチップ６０には、ＳＡＷセンサ素子３０を励振させる発振回路および加速度信号を検出する加速度検出回路などを備えている。
ＩＣチップ６０の上方にはＳＡＷセンサ素子３０が配置されている。ＳＡＷセンサ素子３０は、水晶基板１０に第１のＳＡＷ共振子４１および第２のＳＡＷ共振子４２が近接配置して形成された横結合型の２重モードＳＡＷ共振子４３を備えている。また、第１のＳＡＷ共振子４１と第２のＳＡＷ共振子４２との間の水晶基板１０には溝部４０が形成されている。溝部４０は水晶基板１０のＩＤＴ３１，３３（図２参照）が形成された面とは反対側の面に形成されている。そしてＳＡＷセンサ素子３０は、その一方の端部にてパッケージ２０の凹部の段部に接着剤２７で固定されている。このように、ＳＡＷセンサ素子３０は端部の片側を自由端とする片持ち支持されている。さらに、ＳＡＷセンサ素子３０のそれぞれの第１のＳＡＷ共振子４１および第２のＳＡＷ共振子４２は接続パッド３５，３６，３７，３８に接続され、接続パッド３５，３６，３７，３８は金線などの金属ワイヤ２８により接続端子２１に接続されている。

そして、パッケージ２０の凹部の周縁に形成されたシームリング２４の上方には蓋体２５が配置され、シームリング２４と蓋体２５とをシーム溶接することでパッケージ２０の凹部内が気密に封止されている。

つぎに、ＳＡＷセンサ素子３０について詳細に説明する。図２は、本実施形態のＳＡＷセンサ素子の構成を示し、図２（ａ）は概略平面図、図２（ｂ）は同図（ａ）のＢ−Ｂ断線に沿う概略断面図である。
ＳＡＷセンサ素子３０は、水晶基板１０に第１のＳＡＷ共振子４１および第２のＳＡＷ共振子４２が形成されている。第１のＳＡＷ共振子４１は、逆極性を構成する電極指３１ａ，３１ｂが交互に挿間されて形成されたＩＤＴ（Interdigital Transducer）３１と、ＩＤＴ３１の両側に金属導体３２ａからなる反射器３２を備えている。そして、電極指３１ａは接続パッド３５に接続され、電極指３１ｂは接続パッド３６に接続されている。
また、第２のＳＡＷ共振子４２は、逆極性を構成する電極指３３ａ，３３ｂが交互に挿間されて形成されたＩＤＴ３３と、ＩＤＴ３３の両側に金属導体３４ａからなる反射器３４を備えている。そして、電極指３３ａは接続パッド３７に接続され、電極指３３ｂは接続パッド３８に接続されている。
接続パッド３５，３６，３７，３８はＳＡＷセンサ素子３０の１つの端面付近に集められて配置されている。
なお、ＩＤＴ３１，３３、反射器３２，３４、接続パッド３５，３６，３７，３８はアルミニウム（Ａｌ）にて形成されている。なお、これらは、銅（Ｃｕ）、金（Ａｕ）、タングステン（Ｗ）、タンタル（Ｔａ）などの金属膜で形成してもよい。

第１のＳＡＷ共振子４１および第２のＳＡＷ共振子４２の弾性表面波（ＳＨ波）の伝搬方向は電極指３１ａ，３１ｂ，３３ａ，３３ｂに略直交する方向であり、両者の弾性表面波の伝搬方向が略平行になるように第１のＳＡＷ共振子４１および第２のＳＡＷ共振子４２が並列に近接配置されている。並列に配置された第１のＳＡＷ共振子４１と第２のＳＡＷ共振子４２に挟まれた領域が弾性表面波の振動の結合領域４４である。この近接配置では、例えば向かい合う電極指３１ｂと電極指３３ｂにおいて、その先端から先端の距離がおよそ３０〜５０μｍに設定されている。
この第１のＳＡＷ共振子４１および第２のＳＡＷ共振子４２から横結合型の２重モードＳＡＷ共振子４３が構成され、このように第１のＳＡＷ共振子４１と第２のＳＡＷ共振子４２を近接配置することで、２つのＳＡＷ共振子間に音響結合を生じさせて、２つの異なる共振周波数を得ることができる。

結合領域４４の水晶基板１０には電極指３１ａ，３１ｂ，３３ａ，３３ｂに略直交する方向に溝部４０が形成されている。溝部４０は水晶基板１０のＩＤＴ３１，３３が形成された面とは反対側の面に形成され、溝部４０の幅Ｗおよび深さＨは水晶基板１０の板厚、検出する加速度の大きさ、結合領域４４の大きさなどを考慮して適宜決定される。
ＳＡＷセンサ素子３０の溝部４０に略平行な辺４５を有する片側の端部４６には接続パッド３５，３６，３７，３８が配置され、この接続パッド３５，３６，３７，３８が形成された面の裏面を接着剤などでパッケージに固定することで、ＳＡＷセンサ素子３０支持されている。このように、ＳＡＷセンサ素子３０は、他方の端部４７が自由端となる片持ち支持構造となっている。このような構造であることから、ＩＤＴ３１，３３の裏面に接着剤が配置されて固定されることがない。
また、ＳＡＷセンサ素子３０には、第２のＳＡＷ共振子４２から水晶基板１０が延長されて他方の端部４７が形成されている。この端部４７は、ＳＡＷセンサ素子３０の一方の端部４６を支持し、加速度がかかったときに溝部４０に応力が集中して撓む際の、錘として働く。さらに、この端部４７に金属などの膜を形成することで、錘の効果を増すことも可能である。

つぎに、本実施形態に用いる水晶基板のカット面について説明する。図３は本実施形態における水晶基板のカット面を説明する模式図である。
水晶単結晶からなる水晶基板１０は、水晶結晶の基本軸において、Ｘ軸（電気軸）とＹ軸（機械軸）、Ｚ軸（光軸）を備え、右手系の直交座標系を構成している。
水晶基板１０は、オイラー角表示（φ，θ，ψ）で、まずＺ軸の回りに反時計方向にφが０°±１°の範囲であり、つぎにＸ軸の回りに反時計方向にθが２９．２°〜４０．７°の範囲であり、Ｘ軸と新たに生成したＹ’軸とで形成される面を主面としている。そして、この水晶基板１０内において、新たに生成されたＺ’軸の回りに反時計方向に面内回転して、Ｘ軸からＹ’軸方向にψが９０°±２°範囲である方向Ｘ’がＳＨ波の位相伝搬方位である。このような水晶基板１０をＳＨカットと呼ぶことにする。このＳＨカットの水晶基板１０を用いＳＨ波を励振させた場合、周波数温度特性に優れた弾性表面波共振子を構成できることが知られている。

続いて、以上の構成の加速度センサにおける動作について説明する。
図４は加速度センサの動作を説明する説明図であり、図４（ａ）はＳＡＷセンサ素子の断面を示す模式図、図４（ｂ）は２重モードＳＡＷ共振子の振動変位を示す図、図４（ｃ）はＳＡＷセンサ素子における水晶基板の変位を示す図である。
図４（ａ）において、ＳＡＷセンサ素子３０は水晶基板１０に第１のＳＡＷ共振子４１および第２のＳＡＷ共振子４２が近接配置され、横結合型の２重モードＳＡＷ共振子４３が構成されている。そして、第１のＳＡＷ共振子４１と第２のＳＡＷ共振子４２の間の結合領域４４に溝部４０が形成され、ＳＡＷセンサ素子３０の一方の端部４６にて固定され、片持ち支持されている。
この横結合型の２重モードＳＡＷ共振子４３の励振される基本波において、図４（ｂ）に示すような、横モードとして発生する基本波対称モードＳ０と基本波斜対称モードＡ０の２つの振動モードを有している。
基本波対称モードＳ０においては、第１のＳＡＷ共振子４１と第２のＳＡＷ共振子４２とが同位相に励振されて発振状態となっている。これに対して基本波斜対称モードＡ０においては、第１のＳＡＷ共振子４１と第２のＳＡＷ共振子４２とが逆位相に励振されて発振状態となっている。
また、基本波対称モードＳ０における共振周波数をＦ（Ｓ０）、基本波斜対称モードＡ０における共振周波数をＦ（Ａ０）、とすると、Ｆ（Ａ０）＞Ｆ（Ｓ０）の関係にある。なお、Ｆ（Ａ０）とＦ（Ｓ０）との差はおよそ７００〜１０００ｐｐｍである。

つぎに、図４（ａ）のＳＡＷセンサ素子３０に矢印方向に加速度Ｇがかかった場合、ＳＡＷセンサ素子３０の水晶基板１０は図４（ｃ）に示すように変位する。
水晶基板１０は、Ｊ−Ｋ間においてＳＡＷセンサ素子３０が一方の端部４６で固定されているため変位は０であり、Ｋ−Ｌ間では加速度Ｇの外力によりわずかながらマイナス側に変位する。そして、水晶基板１０の溝部４０において、水晶基板１０の板厚が薄くなっており、この部分に応力が集中してＬ−Ｍ間ではＬ点を起点としてＭ点に行くに従いマイナス側に大きく変位する。この水晶基板１０の変位は、加速度Ｇが大きくなるに従い大きくなり、溝部４０に生ずる曲げ応力も大きくなる。
このように、ＳＡＷセンサ素子３０は、板厚方向に加速度などの外力が加わった場合、ＳＡＷセンサ素子３０の板厚方向に薄くなった溝部４０に応力が集中して、ＳＡＷセンサ素子３０を大きく撓ませることができ、横結合型の２重モードＳＡＷ共振子４３の大きな周波数変化として検知することが可能である。

この水晶基板１０の変形状態において、基本波対称モードＳ０における共振周波数Ｆ（Ｓ０）および基本波斜対称モードＡ０における共振周波数Ｆ（Ａ０）が変化する。
この共振周波数の変化を周波数変化率と加速度の関係で示すと図５のようなグラフとなる。基本波斜対称モードＡ０における共振周波数Ｆ（Ａ０）に比べて、基本波対称モードＳ０における共振周波数Ｆ（Ｓ０）の周波数変化率が大きく、また、それぞれ加速度Ｇが大きくなるに従い周波数変化率も大きくなっている。
このような各振動モードで周波数変化率が異なる理由は、基本波対称モードＳ０では、結合領域４４が大きな振動エネルギーの生じる領域であり、共振周波数を決定している弾性定数が曲げ応力により非線形に変化することにより、基本波対称モードＳ０における共振周波数Ｆ（Ｓ０）が大きく変化する。これに対して、基本波斜対称モードＡ０では、結合領域４４が振動振幅の小さな領域となるために共振周波数Ｆ（Ａ０）の変化は小さいと考えられる。
なお、上記の圧電基板の変形状態において発生する応力と、弾性表面波素子の有する共振周波数との関係は“微小変形が加わった弾性体における線形方程式のための摂動理論”(参考文献：H．F．Tiersten：”Perturbation theory for linear electroelastic equations for small fields superposed on a bias”，Journal of the Acoustical Society of America，Vol．64，no．3，pp．832-837(1978))として理論化されている。

そして、本実施形態では、基本波対称モードＳ０における共振周波数Ｆ（Ｓ０）と基本波斜対称モードＡ０における共振周波数Ｆ（Ａ０）の周波数差を検出することで加速度の検出を可能としている。
詳しくは、この溝部４０は横結合型の２重モードＳＡＷ共振子４３の結合領域に形成されていることから、横結合型の２重モードＳＡＷ共振子４３において励振される基本波対称モードＳ０と基本波斜対称モードＡ０において、基本波斜対称モードＡ０の周波数の変化が少ないのに対して、基本波対称モードＳ０の周波数は大きく変化する。そして、この基本波対称モードＳ０と基本波斜対称モードＡ０とにおける共振周波数の差を検出することで、感度良く振動、加速度などを検出することができる。
図６は共振周波数Ｆ（Ａ０）と共振周波数Ｆ（Ｓ０）の周波数差と加速度Ｇとの関係を示す一例のグラフである。
前述したように、共振周波数Ｆ（Ａ０）は共振周波数Ｆ（Ｓ０）より高い周波数を有し、また、加速度が印加された場合の基本波対称モードＳ０における共振周波数Ｆ（Ｓ０）の周波数変化率は基本波斜対称モードＡ０における共振周波数Ｆ（Ａ０）の周波数変化率より大きいため、共振周波数Ｆ（Ａ０）と共振周波数Ｆ（Ｓ０）との差は、加速度が大きくなるに従い小さくなる。例えば、周波数差（Ｆ（Ａ０）−Ｆ（Ｓ０））が３００．００ｋＨｚのとき、加速度が１Ｇかかると周波数差が２９９．４６ｋＨｚとなる。

つぎに、ＳＡＷセンサ素子の２重モードＳＡＷ共振子を励振させる発振回路について説明する。
図７は２重モードＳＡＷ共振子を励振させる２モード発振回路の説明図である。
２モード発振回路は、従来知られたコルピッツ発振回路を利用し、ＳＡＷセンサ素子３０、Ｃ−ＭＯＳインバータ５１、帰還抵抗５２を並列に配置し、ＳＡＷセンサ素子３０の両端の信号をコンデンサ５３，５４で分圧するように構成されている。
また、この発振回路にはスイッチ５５が備えられ、ＩＤＴ３３の一方の電極指側およびＩＤＴ３１の両方の電極指側が接続されている。同様に、発振回路にはスイッチ５６が備えられ、ＩＤＴ３３の他方の電極指側およびＩＤＴ３１の両方の電極指側が接続されている。そして、スイッチ５５，５６は入力端子５０に接続されている。

上記の２モード発振回路において、まず、入力端子５０からモード切替信号が入力すると、モード切替信号がＬＯＷのときには、スイッチ５５，５６はＬ側端子に接続される。この状態では、端子５７ａ，５８ｂで正の電位、端子５７ｂ，５８ａで負の電位となり、ＩＤＴ３１，３３は同位相で励振され、基本波対称モードＳ０の発振状態となる。そして、基本波対称モードＳ０における共振周波数信号が出力端子５９から出力される。
一方、入力端子５０からＨＩＧＨのモード切替信号が入力されると、スイッチ５５，５６はＨ側端子に接続される。ＩＤＴ３１，３３は逆位相に励振され、基本波斜対称モードＡ０の発振状態となる。そして、基本波斜対称モードＡ０における共振周波数信号が出力端子５９から出力される。
このようにして、モード切替信号を切り替えることで基本波対称モードＳ０における共振周波数信号と基本波斜対称モードＡ０における共振周波数信号を出力することができる。

図８は加速度検出回路として加速度の検出を行う検出方法の一例を説明するブロック図である。
図８に示すように、加速度検出部として基本波対称モードＳ０における共振周波数信号と基本波斜対称モードＡ０における共振周波数信号を得るために、タイミング発生器７０および２モード発振回路７１を備えている。そして、これらの共振周波数信号を処理するために、アップアンドダウンカウンタ７２、ラッチ回路７３、デジタルローパスフィルタ７４、Ｄ/Ａ変換器７５、ＴＣＸＯ（温度補償水晶発振器）７６を備えている。

タイミング発生器７０は２モード発振回路７１およびアップアンドダウンカウンタ７２に接続されている。２モード発振回路７１はアップアンドダウンカウンタ７２に接続され、アップアンドダウンカウンタ７２はラッチ回路７３に接続されている。さらに、ラッチ回路７３はデジタルローパスフィルタ７４に接続され、デジタルローパスフィルタ７４はＤ/Ａ変換器７５に接続されている。また、ＴＣＸＯ７６はタイミング発生器７０、ラッチ回路７３、デジタルローパスフィルタ７４、Ｄ/Ａ変換器７５に接続されている。

タイミング発生器７０からモード切替信号が２モード発振回路７１に入力され、２モード発振回路７１から、基本波対称モードＳ０における共振周波数信号および基本波斜対称モードＡ０における共振周波数信号が交互に切り替わってアップアンドダウンカウンタ７２に出力される。
アップアンドダウンカウンタ７２では、この共振周波数信号をアップとダウン状態で交互にカウントし、カウントデータをラッチ回路７３に出力する。ラッチ回路７３では共振周波数の差（Ｆ（Ａ０）−Ｆ（Ｓ０））がカウントデータとして取り込まれる。
そして、このデータの時間列はデジタルローパスフィルタ７４にて、低周波数に加速度成分周波数を選択して、Ｄ/Ａ変換器７５にてデジタルデータをアナログデータに変換してアナログ信号としての加速度信号を得ている。
なお、ＴＣＸＯ７６はタイミング発生器７０、ラッチ回路７３、デジタルローパスフィルタ７４、Ｄ/Ａ変換器７５に動作の基準となる基準信号を供給している。

図９は加速度の検出における各信号の動作タイミングを示すタイムチャートである。
タイミング発生器７０は周期的にＬＯＷとＨＩＧＨを繰り返すモード切替信号を生成している。そのモード切替信号に対応して、２モード発振回路７１から基本波対称モードＳ０における共振周波数信号および基本波斜対称モードＡ０における共振周波数信号が出力されている。
この共振周波数信号からアップアンドダウンカウンタ７２にてカウントデータが生成され、ラッチ回路７３において、カウントデータとゲート信号からラッチデータが生成される。そして、Ｄ/Ａ変換器７５から周期Ｔ間におけるラッチデータに対応する出力電圧が得られる。

以上、本実施形態の加速度センサ１は、ＳＡＷセンサ素子３０が片持ち支持されることで、ＳＡＷセンサ素子３０の板厚方向に加速度などの外力が加わった場合、ＳＡＷセンサ素子３０の変位量を大きくとることができ、周波数の変化量が増加する。さらに、ＳＡＷセンサ素子３０が片持ち支持されていることから、接着剤などの固着によってＳＡＷセンサ素子３０へかかる応力を極力抑えることができ、さらに固着部の経時変化による加速度センサ１の周波数変化を少なくすることができる。
なお、特に弾性表面波としてＳＨ波を利用すれば、ＳＨ波はレイリー波に比べて電気機械結合係数が大きく、かつ反射係数が大きいことからＳＡＷセンサ素子３０の小型化を図ることができる。

さらに、２モード発振回路を備え、アップアンドダウンカウンタを用いて横結合型の２重モードＳＡＷ共振子４３の基本波対称モードＳ０と基本波斜対称モードＡ０における共振周波数の差を検出する方式を採用している。このことから、１個の発振器を切り替えてＳＡＷ共振子を発振させるため、回路構成が少なく、消費電流を少なくすることが可能である。
また、周波数温度特性に優れたオイラー角表示で（０°±１°，２９．２°≦θ≦４０．７°，９０°±２°）の水晶基板（ＳＨカット基板）１０を使用することにより、小型で高精度な加速度センサ１およびＳＡＷセンサ素子３０が実現できる。

以上、本実施形態ではＳＡＷセンサ素子を片持ち支持した構造にて説明したが、両端を支持した両持ち支持の構造においても実施が可能である。
また、本実施形態では加速度センサを例にとり説明したが、振動を検出する振動センサとして利用することも可能である。

本実施形態の加速度センサの構成を示し、（ａ）は概略平面図、（ｂ）は同図（ａ）のＡ−Ａ断線に沿う概略断面図。 本実施形態のＳＡＷセンサ素子の構成を示し、（ａ）は概略平面図、（ｂ）は同図（ａ）のＢ−Ｂ断線に沿う概略断面図。 本実施形態における水晶基板のカット面を説明する模式図。 加速度センサの動作を説明する説明図であり、（ａ）はＳＡＷセンサ素子の断面を示す模式図、（ｂ）は２重モードＳＡＷ共振子の振動変位を示す図、（ｃ）はＳＡＷセンサ素子における水晶基板の変位を示す図。 本実施形態の加速度センサにおける周波数変化率と加速度の関係を示すグラフ。 本実施形態の加速度センサにおける共振周波数Ｆ（Ａ０）と共振周波数Ｆ（Ｓ０）の周波数差と加速度Ｇとの関係を示すグラフ。 本実施形態の加速度センサにおける２重モードＳＡＷ共振子を励振させる２モード発振回路の説明図。 本実施形態の加速度センサにおける加速度検出部として加速度の検出を行う検出方法の一例を説明するブロック図。 本実施形態の加速度の検出における各信号の動作タイミングを示すタイムチャート。

符号の説明

１…加速度センサ、１０…水晶基板、２０…パッケージ、２１…接続端子、２２…接続端子、２３…外部接続端子、２４…シームリング、２５…蓋体、２６…金属ワイヤ、２７…接着剤、２８…金属ワイヤ、３０…ＳＡＷセンサ素子、３１…ＩＤＴ、３１ａ，３１ｂ…電極指、３２…反射器、３２ａ…金属導体、３３…ＩＤＴ、３３ａ，３３ｂ…電極指、３４…反射器、３４ａ…金属導体、３５，３６，３７，３８…接続パッド、４０…溝部、４１…第１のＳＡＷ共振子、４２…第２のＳＡＷ共振子、４３…横結合型の２重モードＳＡＷ共振子、４５…辺、４６…一方の端部、４７…他方の端部、５０…ＩＣチップ、７０…タイミング発生器、７１…２モード発振回路、７２…アップアンドダウンカウンタ、７３…ラッチ回路、７４…デジタルローパスフィルタ、７５…Ｄ/Ａ変換器。

Claims (6)

1. 一つの水晶基板に第１のＳＡＷ共振子と第２のＳＡＷ共振子とが振動の結合領域を挟んで並列に配置されたＳＨ波を利用する横結合型の２重モードＳＡＷ共振子を有し、かつ前記結合領域の前記水晶基板に、前記第１のＳＡＷ共振子および前記第２のＳＡＷ共振子の電極指に略直交する方向に溝部が形成されたＳＡＷセンサ素子を備え、
   前記ＳＡＷセンサ素子の前記溝部に略平行な辺を有する端部において前記ＳＡＷセンサ素子が支持され、
   前記２重モードＳＡＷ共振子の基本波対称モードＳ０における共振周波数と基本波斜対称モードＡ０における共振周波数との差を検出することで前記ＳＡＷセンサ素子に加わる外力を検出することを特徴とするＳＡＷセンサ。
2. 請求項１に記載のＳＡＷセンサにおいて、
   前記ＳＡＷセンサ素子の一方の前記端部が自由端であることを特徴とするＳＡＷセンサ。
3. 請求項１または２に記載のＳＡＷセンサにおいて、
   前記横結合型ＳＡＷ共振子の基本波対称モードＳ０における共振周波数と基本波斜対称モードＡ０における共振周波数との差の検出において、２モード発振回路とアップアンドダウンカウンタとが用いられることを特徴とするＳＡＷセンサ。
4. 請求項１乃至３のいずれか一項に記載のＳＡＷセンサにおいて、
   前記水晶基板が、オイラー角表示（φ，θ，ψ）で、まず光軸であるＺ軸の回りに反時計方向にφが０°±１°の範囲であり、つぎに電気軸であるＸ軸の回りに反時計方向にθが２９．２°以上４０．７°以下の範囲であり、
   つぎに前記Ｘ軸と新たに生成されるＺ’軸とで構成される面を主面とする前記水晶基板において、前記Ｚ’軸の回りに反時計方向に面内回転して、ψが９０°±２°の範囲である方向が前記ＳＨ波の位相伝搬方位であることを特徴とするＳＡＷセンサ。
5. 一つの水晶基板に第１のＳＡＷ共振子と第２のＳＡＷ共振子とが振動の結合領域を挟んで並列に配置されたＳＨ波を利用する横結合型の２重モードＳＡＷ共振子を有し、かつ前記結合領域の前記水晶基板に、前記第１のＳＡＷ共振子および前記第２のＳＡＷ共振子の電極指に略直交する方向に溝部が形成されたことを特徴とするＳＡＷセンサ素子。
6. 請求項５に記載のＳＡＷセンサ素子において、
   前記水晶基板が、オイラー角表示（φ，θ，ψ）で、まず光軸であるＺ軸の回りに反時計方向にφが０°±１°の範囲であり、つぎに電気軸であるＸ軸の回りに反時計方向にθが２９．２°以上４０．７°以下の範囲であり、
   つぎに前記Ｘ軸と新たに生成されるＺ’軸とで構成される面を主面とする前記水晶基板において、前記Ｚ’軸の回りに反時計方向に面内回転して、ψが９０°±２°の範囲である方向が前記ＳＨ波の位相伝搬方位であることを特徴とするＳＡＷセンサ素子。

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