JP2010151630A - Element and device for detecting acceleration - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、加速度を検出する加速度検出素子および加速度検出装置に関するものである。 The present invention relates to an acceleration detection element and an acceleration detection device that detect acceleration.
携帯型音楽プレイヤーやノート型パソコンなどのハードディスクドライブ搭載機器の落下保護、自動車のナビゲーションシステムにおける加速度検出などに、加速度検出素子が使用されている。 Acceleration detectors are used for fall protection of devices equipped with hard disk drives such as portable music players and notebook computers, and for detecting acceleration in automobile navigation systems.
加速度を検出する方法としては、Si基板上の検出する軸方向に少なくとも4つのピエゾ抵抗素子を設け、ピエゾ抵抗素子でブリッジ回路を形成したピエゾ抵抗型加速度検出装置が知られている。このような加速度検出装置に力が加わると、Si基板が機械的に変形してピエゾ抵抗の抵抗値が変化する。それを、ピエゾ抵抗の電位変化として検出することにより加速度を検出する(例えば、特許文献1参照)。
しかしながら、ピエゾ抵抗を用いた従来の加速度検出装置においては、ピエゾ抵抗が温度によって変化しやすいことから加速度検出結果の温度依存性が大きいという問題があった。 However, the conventional acceleration detection device using a piezoresistor has a problem that the temperature dependence of the acceleration detection result is large because the piezoresistor easily changes depending on the temperature.
本発明は、以上の問題点に鑑み案出されたものであり、その目的は、温度安定性に優れた加速度検出素子及び加速度検出装置を提供することである。 The present invention has been devised in view of the above problems, and an object of the present invention is to provide an acceleration detection element and an acceleration detection device excellent in temperature stability.
本発明に係る加速度検出素子は、圧電基板と、前記圧電基板の一方主面に配置され、第1仮想直線に沿って前記圧電基板の前記一方主面を伝搬する第1弾性表面波の加速度の印加に伴う周波数変化を検出する第1音響波素子と、前記圧電基板の前記一方主面に配置され、平面視して前記第1仮想直線と交わる第2仮想直線に沿って前記圧電基板の前記一方主面を伝搬する第2弾性表面波の加速度の印加に伴う周波数変化を検出する第2音響波素子と、を備える。 An acceleration detecting element according to the present invention is disposed on one main surface of a piezoelectric substrate and the piezoelectric substrate, and is an acceleration of a first surface acoustic wave propagating on the one main surface of the piezoelectric substrate along a first virtual line. A first acoustic wave element that detects a change in frequency due to application; and the piezoelectric substrate along the second imaginary line that is disposed on the one main surface of the piezoelectric substrate and intersects the first imaginary line in plan view. On the other hand, a second acoustic wave element that detects a frequency change accompanying application of acceleration of the second surface acoustic wave propagating through the main surface is provided.
また、本発明に係る加速度検出素子は、圧電基板と、前記圧電基板の一方主面に配置され、第1仮想直線に沿って前記圧電基板の前記一方主面を伝搬する第1弾性表面波の加速度の印加に伴う周波数変化を検出する第1音響波素子と、前記圧電基板の前記一方主面に前記第1音響波素子と所定の間隔を設けた状態で配置され、前記第1仮想直線に沿って前記圧電基板の前記一方主面を伝搬する第2弾性表面波の加速度の印加に伴う周波数変化を検出する第2音響波素子と、前記圧電基板を平面視したときに前記第1音響波素子と前記第2音響波素子との間に位置し、かつ前記圧電基板の前記一方主面と対向する他方主面に配置される重り部と、を備える。 In addition, the acceleration detecting element according to the present invention includes a piezoelectric substrate and a first surface acoustic wave that is disposed on one main surface of the piezoelectric substrate and propagates along the first main surface of the piezoelectric substrate along a first virtual line. A first acoustic wave element that detects a change in frequency due to application of acceleration; and a first acoustic surface of the piezoelectric substrate that is disposed at a predetermined distance from the first acoustic wave element. A second acoustic wave element that detects a frequency change accompanying the application of acceleration of a second surface acoustic wave propagating along the one principal surface of the piezoelectric substrate along the first acoustic wave when the piezoelectric substrate is viewed in plan A weight portion disposed between the element and the second acoustic wave element and disposed on the other main surface of the piezoelectric substrate facing the one main surface.
また、本発明に係る加速度検出装置は、上記いずれかの加速度検出素子と、前記第1、第2音響波素子の出力信号を信号処理するICチップと、を備える。 An acceleration detection apparatus according to the present invention includes any one of the acceleration detection elements described above and an IC chip that performs signal processing on output signals of the first and second acoustic wave elements.
本発明によれば、弾性表面波の周波数変化または位相変化により加速度を検出する第1音響波素子と第2音響波素子とを圧電基板上に設けたことにより、音響波の周波数変化または位相変化を加速度検出に用いることから、ピエゾ抵抗を用いた加速度検出と比べて温度変化に対して安定した加速度検出結果を得ることができる。 According to the present invention, the first acoustic wave element and the second acoustic wave element that detect acceleration by the frequency change or phase change of the surface acoustic wave are provided on the piezoelectric substrate, so that the frequency change or phase change of the acoustic wave is achieved. Is used for acceleration detection, it is possible to obtain an acceleration detection result that is more stable with respect to temperature changes than acceleration detection using a piezoresistor.
以下、本発明の加速度検出素子および加速度検出装置の実施形態について図面を参照して詳細に説明する。なお、図は模式的なものであり実際の寸法比率とは必ずしも一致していない。また、本発明は以下の実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々の変更、改良等が可能である。 DESCRIPTION OF EMBODIMENTS Hereinafter, embodiments of an acceleration detection element and an acceleration detection device of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. The figure is schematic and does not necessarily match the actual dimensional ratio. Further, the present invention is not limited to the following embodiments, and various changes and improvements can be made without departing from the gist of the present invention.
<加速度検出素子>
―第1実施形態―
図1(a)は、第1実施形態の加速度検出素子100を示す平面図であり、図1(b)は、図1(a)のA−A´線で切断した断面に相当する断面図である。
<Acceleration detection element>
-First embodiment-
FIG. 1A is a plan view showing the
本実施形態にかかる加速度検出素子100は、図1(a)に示すように、圧電基板1と、圧電基板1の一方主面3に配置され、圧電基板1の一方主面3を伝搬する第1弾性表面波の加速度の印加に伴う周波数変化を検出する第1音響波素子と、圧電基板1の一方主面3に配置され、圧電基板1の一方主面3を伝搬する第2弾性表面波の加速度の印加に伴う周波数変化を検出する第2音響波素子と、を有している。
As shown in FIG. 1A, the
圧電基板1は、梁部1a〜1dを有しており、この圧電基板1の他方主面4には重り部2が取り付けられている。それぞれの梁部1a〜1dには、加速度の印加に伴う弾性表面波の周波数変化を検出する音響波素子7〜10が形成されている。梁部1a〜1dは、加速度を受けると撓む可撓部F1を有している。第1実施形態において、可撓部F1は図1(b)に示すように、梁部1a〜1dのうち平面視して重り部2と重ならない部分である。梁部1a〜1dは、例えば、長手方向の長さが0.3mm〜0.8mmに設定され、幅(長手方向と直交する方向の長さ)が0.04mm〜0.2mmに設定され、厚みが2μm〜100μmに設定されている。このように梁部1a〜1dを細長く且つ薄く形成することによって、可撓性が発現される。
The
このように、梁部1a〜1dを有する圧電基板1は、厚み方向に分極している等方性の結晶であるニオブ酸リチウムやタンタル酸リチウム等の圧電材料からなる。なかでも36°±3°YカットX伝搬タンタル酸リチウム単結晶、42°±3°YカットX伝搬タンタル酸リチウム単結晶、64°±3°YカットX伝搬ニオブ酸リチウム単結晶、41°±3°YカットX伝搬リチウム単結晶、45°±3°XカットZ伝搬四ホウ酸リチウム単結晶は、電気機械結合係数が大きく、かつ、周波数温度係数が小さいため圧電基板1の材料としてより好適である。
Thus, the
また、圧電基板1は、酸素欠陥やFe等の固溶により焦電性を減少させた圧電結晶材料であれば、焦電効果によるIDT電極間の放電破壊等を防ぐことができるのでデバイスの長期信頼性の上で好ましい。第1実施形態では、梁部1a〜1dを有する圧電基板1は、例えば、上記の圧電材料からなるウエハにレーザーを照射したり、エッチングしたりすることなどにより加工して作製することができる。
In addition, if the
このような加速度検出素子100に加速度が加わると、加速度に応じた力が重り部2に作用して、重り部2が変位することにより梁部1a〜1dの可撓部F1が撓むようになっている。重り部2を設けることにより、加速度検出素子100に加速度がかかった際に、可撓部F1の撓み量をより大きくすることができる。なお、重り部2は圧電基板1の中央部に配置されている。
When acceleration is applied to such an
この重り部2は、平面視した時に平面形状が略円形をなしており、その半径の長さは例えば0.12mm〜0.25mmに設定される。また、重り部2の厚みは例えば0.2mm〜0.625mmに設定される。なお、重り部2の平面形状は円形に限られず、正方形や長方形など任意の形状が可能である。重り部2は、シリコン、SiO2などを加工して所望の形状にした後、圧電基板1の一方主面3に、接着剤により固定される。なお、重り部2は、圧電基板1と一体形成されてもよい。
The
さらに、このような重り部2を囲繞するようにして枠状の固定部50が設けられている。固定部50は、平面形状が略正方形をなしており、その一辺の長さが例えば1.4mm〜3.0mmに設定され、固定部50を構成するアーム幅(アームの長手方向と直交する方向の幅)は例えば0.3mm〜1.8mmに設定される。また、圧電基板1の最底面から最上面までの固定部50の厚みは、例えば0.2mm〜0.625mmに設定される。このような固定部50は、梁部1a〜1dを形成する際に、圧電基板1を加工して一体形成されてもよいし、他材料を接着剤で取り付けるようにしてもよい。
Further, a frame-
次に、可撓部F1上に形成される音響波素子7〜10について説明する。
Next, the
図2は梁部1a上に形成される音響波素子7の拡大平面図である。図2に例示する音響波素子7は、発信電極7aとそれに対応する受信電極7bとから構成され、これらの発信電極7a及び受信電極7bはIDT(Inter Digital Transducer)電極により形成されている。IDT電極は、くし歯状の電極が互いに入り組んだ構造からなっており、電圧を印加するとこのようなIDT電極が配置された圧電基板1の表面が歪み、IDT電極の電極指間隔に応じた周波数の弾性表面波を発生させることができる。発信電極7aと受信電極7bの両側には反射器7cが配置されている。反射器7cは、ストライプ状の電極指から成り、特にストライプ状の電極指の周期を発信電極7aの電極指間隔の周期と一致させることにより反射効率を向上させることができる。発信電極7aに電圧が印加されて弾性表面波が発信された後、圧電基板1を弾性表面波が伝搬し反射器7cとの間で反射を繰り返すことにより共振波が生じる。その共振波を受信電極7bで、検出することにより共振波の共振周波数を検知することができる。図示しているIDT電極と反射器の形状は一例であり、これに限られるものではなく、同様の効果を有するものであればどんなIDT電極と反射器の形状でもよい。なお、IDT電極や反射器の電極指の本数は数本〜数100本にも及ぶ場合があるが、図においてはそれらを簡略化している。
FIG. 2 is an enlarged plan view of the
発信電極7a、受信電極7b及び反射器7cは、AlもしくはAl合金(Al−Cu系、Al−Ti系)などからなり、蒸着法、スパッタリング法、またはCVD法等の薄膜形成法により成膜した後、エッチング等により所望の形状にパターニングすることで形成される。これらの電極厚みは0.5〜5μm程度とすることが音響波素子としての特性を得る上で好適である。なお、他の音響波素子8〜10は、音響波素子7と同じ構成から成る。
The transmitting
発信電極7a〜10a及び受信電極7b〜10bは、図1(b)に示すようにSiO2,SiNx,Si,Al2O3などから成る保護膜51により覆われている。これにより、導電性異物による通電防止や耐電力向上や、圧電基板1が撓んだ際にIDT電極の電極指同士の接触などを防止することができる。
本実施形態において、例えば、第1音響波素子は、梁部1bの可撓部F1上に配置された音響波素子8であり、第2音響波素子は、梁部1cの可撓部F1上に形成された音響波素子9である。以下、音響波素子8を「第1音響波素子8」、音響波素子9を「第2音響波素子9」と称し、音響波素子8の発信電極8aを「第1発信電極8a」、受信電極8bを「第1受信電極8b」、音響波素子9の発信電極9aを「第2発信電極9a」、受信電極9bを「第2受信電極9b」とそれぞれ称する。
In the present embodiment, for example, the first acoustic wave element is the
第1音響波素子8は、加速度の印加に伴う第1弾性表面波の周波数変化を検出するための素子である。ここで第1弾性表面波は梁部1bと平行な方向に梁部1b上に引かれた第1仮想直線5に沿って圧電基板1の一方主面3を伝搬する弾性表面波である。第1発信電極8aは、第1弾性表面波を発信し、第1受信電極8bは、第1発信電極8aで発信された第1弾性表面波を受信する。
The 1st
第2音響波素子9は、加速度の印加に伴う第2弾性表面波の周波数変化を検出するための素子である。ここで第2弾性表面波は梁部1cと平行な方向に梁部1c上に引かれた第2仮想直線6に沿って圧電基板1の一方主面3を伝搬する弾性表面波である。第2発信電極9aは、第2弾性表面波を発信し、第2受信電極9bは、第2発信電極9aで発信された第2弾性表面波を受信する。
The 2nd
以下、このように構成された加速度検出素子100において、XY平面に平行な加速度がかかった場合の加速度検出方法を説明する。図3(a)は加速度検出素子100の梁部1aから梁部1d側に45度傾いた方向へXY平面に平行な加速度が加わった様子を示す模式図である。なお、図中の白抜き矢印は加速度の方向を示す。図3(b)は、図1のA−A´線で切断した断面に相当する図3(a)の断面図である。図3(c)は、図1のB−B´線で切断した断面に相当する図3(a)の断面図である。
Hereinafter, an acceleration detection method when acceleration parallel to the XY plane is applied in the thus configured
図3(b)、(c)の図中にある互いに外に向く矢印は引張応力を示し、互いに内に向く矢印は圧縮応力を示している。また、図3(b)、(c)の梁部1a〜1dの一方主面3において、例えば梁部1cの領域R1は圧縮応力のみかかる領域を示し、梁部1aの領域R4は引張応力のみかかる領域を示している。その他の領域R2、R3、R5〜R8も同様に梁部の一方主面3において、同じ方向の応力がかかる領域をそれぞれ示している。第1音響波素子8を構成する第1発信電極8aおよび第1受信電極8bは領域R8内に配置されている。第2音響波素子9を構成する第2発信電極9aおよび第2受信電極9bは領域R1内に配置されている。
In FIGS. 3B and 3C, the arrows pointing outwards indicate tensile stresses, and the arrows pointing inward indicate compressive stresses. Further, in one
図3(a)に示すような加速度の印加により、第1音響波素子8が形成されている領域R8には圧縮応力がかかる。領域R8における梁部1bの上面が圧縮応力により縮む方向に撓むことから、領域R8に形成された第1発信電極8aの電極指間隔が狭くなり、第1発信電極8aで発信される第1弾性表面波が高周波数側へ変化する。
By applying an acceleration as shown in FIG. 3A, a compressive stress is applied to the region R8 where the first
また、この方向の加速度の印加により、第2音響波素子9が形成されている梁部1cにも圧縮応力がかかる。領域R1における梁部1cの上面が圧縮応力により縮む方向に撓むことから、領域R1に形成された第2発信電極9aの電極指間隔が狭くなり、第2発信電極9aで発信される第2弾性表面波も高周波数側へ変化する。
Further, by applying the acceleration in this direction, a compressive stress is also applied to the
このとき、第1弾性表面波と第2弾性表面波の加速度の印加により変化した周波数と、変化する前の第1弾性表面波と第2弾性表面波の周波数と、を比較することによって周波数変化量を求めることができる。この周波数変化量は、加速度にほぼ比例するため、加速度の大きさを求めることができる。これを、図4を用いて説明する。 At this time, the frequency change is made by comparing the frequency changed by applying the acceleration of the first surface acoustic wave and the second surface acoustic wave with the frequency of the first surface acoustic wave and the second surface acoustic wave before the change. The amount can be determined. Since the frequency change amount is substantially proportional to the acceleration, the magnitude of the acceleration can be obtained. This will be described with reference to FIG.
図4は弾性表面波の周波数変化量を求める原理を説明する図である。なお、この図の横軸は周波数fであり、縦軸は弾性表面波の振幅強度Iである。ここで、図中のf0は、弾性表面波の変化する前の周波数である。電極指間隔が狭くなった場合は、弾性表面波の周波数が高周波数側に変化して周波数がf1となるので、周波数変化量△f1は、|f1−f0|となる。一方、電極指間隔が広くなった場合は、弾性表面波の周波数が低周波数側に変化して周波数がf2となるので、周波数変化量△f2は、|f0−f2|となる。周波数変化量△f1、△f2は加速度の大きさにほぼ比例して変化する値であるから、周波数変化量を求めることにより加速度の大きさを求めることができる。 FIG. 4 is a diagram for explaining the principle of obtaining the frequency variation of the surface acoustic wave. In this figure, the horizontal axis represents the frequency f, and the vertical axis represents the amplitude intensity I of the surface acoustic wave. Here, f0 in the figure is the frequency before the surface acoustic wave changes. When the electrode finger interval is narrowed, the frequency of the surface acoustic wave changes to the high frequency side and the frequency becomes f1, so the frequency change amount Δf1 is | f1-f0 |. On the other hand, when the electrode finger interval is wide, the frequency of the surface acoustic wave is changed to the low frequency side and the frequency becomes f2, so the frequency change amount Δf2 is | f0−f2 |. Since the frequency change amounts Δf1 and Δf2 are values that change substantially in proportion to the magnitude of the acceleration, the magnitude of the acceleration can be obtained by obtaining the frequency change amount.
なお、第1弾性表面波と第2弾性表面波の変化する前の周波数f0は、電極指の設計時に計算機シミュレーションなどから算出した弾性表面波周波数を記録しておき適宜参照すればよい。 The frequency f0 before the change of the first surface acoustic wave and the second surface acoustic wave may be referred to as appropriate by recording the surface acoustic wave frequency calculated from the computer simulation or the like when designing the electrode finger.
また、第1音響波素子8および第2音響波素子9の周波数が高周波数側、低周波数側のどちらに変化したかを検知することによって、加速度の方向を検出することができる。第1音響波素子8は、第1弾性表面波の周波数が高周波数側に変化したことから、第1発信電極8aの電極指間隔が狭くなったことがわかる。このことから、第1発信電極8aが配置された梁部1bには圧縮応力がかかったことが判断できる。一方、第2弾性表面波の周波数も高周波数側に変化したことから、第2発信電極9aの電極指間隔も狭くなったことがわかる。このことから、第2発信電極9aが配置された梁部1cには圧縮応力がかかったことが判断できる。このように、第1音響波素子8および第2音響波素子9の周波数が加速度の印加により高周波数側か低周波数側かのどちらに変化したかを検出することにより、梁部1b、1cにかかる応力の方向を検出でき、それに基づいて加速度検出素子100にかかった加速度の方向を検出することができる。なお、測定された2軸方向の加速度ベクトルを合成することにより、実際に印加されている加速度の向きを知ることができる。
Moreover, the direction of acceleration can be detected by detecting whether the frequency of the first
以上のようにして、加速度検出素子100においてXY平面の2軸方向に平行な加速度を検出することができる。
As described above, the
なお、周波数変化を検出する方法としては、加速度が印加される前後で、ある一つの周波数の強度変化を検出する方法や、周波数スペクトルの変化を検出する方法などを例示することができる。 Examples of a method for detecting a frequency change include a method for detecting an intensity change of a certain frequency before and after application of acceleration, a method for detecting a change in frequency spectrum, and the like.
このような加速度検出素子100は、第1音響波素子8および第2音響波素子9が同一主面に形成されているため、従来の弾性表面波を用いた外力センサのように梁の上下に弾性表面波を送受信する発信電極と受信電極とを設けた場合と比較して、外力がかかった際に梁の撓み量を大きくできるので検出感度を向上することができる。
In such an
なお、上述の加速度検出素子100では、周波数変化量を求める際に、あらかじめ周波数が変化する前の弾性表面波の周波数値を求めておく必要があるが、変化前の状態(外力がかかっていない状態)であるかの判別は容易ではなく、上述の例では、シミュレーションにより変化する前の弾性表面波の周波数を求める例で説明した。この問題を解決するための一手段として、図1に示すように、平面視した時に重り部2または固定部50と重なる領域F2の一方主面3上に、基準音響波素子7´〜10´を配置する方法がある。基準音響波素子7´は、基準弾性表面波を発信する基準発信電極7a´および基準発信電極7a´で発信された基準弾性表面波を受信する基準受信電極7b´から構成されている。
In the
すなわち、基準音響波素子7´は、平面視した時に、梁部1aの重り部2と重なる領域F2上に配置されており、領域F2は重り部2に拘束され撓みにくくなっている。したがって、加速度が印加されても領域F2にある基準音響波素子7´の電極指間隔はほとんど変化しない。よって、基準音響波素子7´は、加速度が加わって重り部2が変位しても弾性表面波の周波数が変化しにくい基準弾性表面波周波数として用いることができる。基準音響波素子7´〜10´のIDT電極の形状を、音響波素子7〜10と同じ形状としておけば、基準音響波素子7´〜10´の基準弾性表面波の周波数と、音響波素子7〜10の弾性表面波の周波数とをほとんど同じ周波数となる。したがって、加速度の印加により重り部2が変位した際に、変化した音響波素子7〜10の弾性表面波の周波数と、ほとんど変化しない基準弾性表面波の周波数とを比較することにより周波数変化量を容易に求めることができる。
That is, the reference
また、図1では、音響波素子7〜10にそれぞれ対応する基準音響波素子7´〜10´を用いたが、基準音響波素子が同じ基準弾性表面波周波数をもつ場合は、1つだけ設けるようにしてもよい。
In FIG. 1, reference
また、図1に示すように、重り部2の他方主面4側に開口する空洞部55が形成されていることが好ましい。このように空洞部55が形成されていることにより、例えば一方主面3で発生した基準弾性表面波を他方主面4と空気との界面で一方主面3側に反射させることができるので、圧電基板1の厚み方向に散逸する基準弾性表面波のロスを軽減することができる。さらに、重り部2に空洞部55を設けることによって、基準音響波素子7´〜10´が設置されている条件を圧電基板1の下が空隙になっている音響波素子7〜10と近づけることができる。これにより、実際の音響波素子7〜10の加速度の印加により変化する前の弾性表面波の周波数と、基準弾性表面波の周波数とをより近づけることができる。このことから、基準音響波素子7´〜10´の基準弾性表面波の周波数を用いて精度よく音響波素子7〜10で加速度を検出することができる。
Moreover, as shown in FIG. 1, it is preferable that the
なお、空洞部55又は重り部2の代わりに音響反射器を設けて他方主面4と音響反射器との界面で弾性表面波を反射させてもよい。音響反射器は、低固有音響インピーダンス層および高固有音響インピーダンス層を交互に積層してなる。高固有音響インピーダンス層は金属材料であるタングステン、モリブデン等や誘電材料であるAlN、ZnO、Ta2O5、Al2O3等により形成され、低固有音響インピーダンス層は耐熱性の樹脂材料であるポリイミド系樹脂、フッ素系樹脂、BCB樹脂等により形成される。
Note that an acoustic reflector may be provided instead of the
なお上述の説明では、第1音響波素子8を構成する第1発信電極8aおよび第1受信電極8bは、両方とも領域R8に配置される例によって説明したが、これに限るものではなく、第1発信電極8aまたは第1受信電極8bのどちらかが領域R8に配置されていればよい。
In the above description, the
例えば、第1音響波素子8は、第1発信電極8aのみ領域R8に配置し、第1受信電極8bを平面視して重り部2または固定部50と重なるように配置するようにしてもよい。このように配置された第1音響波素子8は、加速度の印加によって第1発信電極8aの電極指間隔が変化して第1弾性表面波の周波数が変化するので加速度を検出することができる。第1受信電極8bが撓みにくい位置にあることによって、安定して第1弾性表面波を受信することができるので検出結果の精度を向上させることができる。
For example, the first
一方、第1音響波素子8の第1受信電極8bのみ領域R8に配置し、第1発信電極8aを平面視して重り部2または固定部50と重なるように配置するようにしてもよい。このように配置された第1音響波素子8であっても、加速度の印加によって第1受信電極8bの電極指間隔が変化して受信することのできる第1弾性表面波の周波数特性が変化するので加速度を検出することができる。第1発信電極8aが撓みにくい位置にあることによって、安定して第1弾性表面波を発信することができるので検出結果の精度を向上させることができる。
On the other hand, only the
以上、重り部2が圧電基板1の他方主面4に取り付けられた場合で説明してきたが、重り部2は一方主面3に取り付けてもよい。また、上述の説明では、音響波素子7〜10と重り部2とは、対向する主面に配置したが、同一主面に配置してもよい。その場合、梁部1a〜1dにかかる応力はすべて逆になる。
As described above, the case where the
なお、本明細書において、圧電基板1とは単一の圧電材料のみからなるものだけではなく、圧電材料と弾性表面波を伝搬可能なSi、SOIなどの基板とを組み合わせたものも含む。その場合、可撓性を有する基板上の一部に圧電材料を成膜し、その圧電材料の上に音響波素子7〜10を形成してもよい。
In this specification, the
次に、このような加速度検出素子100において、XZ平面(もしくはYZ平面)に平行な加速度成分を検出する方法を説明する。
Next, a method for detecting an acceleration component parallel to the XZ plane (or YZ plane) in such an
本実施形態にかかる加速度検出素子100は、図1に示すように、圧電基板1と、圧電基板1の一方主面3に配置され、第1仮想直線に沿って圧電基板1の一方主面3を伝搬する第1弾性表面波の加速度の印加に伴う周波数変化を検出する第1音響波素子と、圧電基板1の一方主面3に第1音響波素子と所定の間隔を設けた状態で配置され、第1仮想直線に沿って圧電基板1の一方主面3を伝搬する第2弾性表面波の加速度の印加に伴う周波数変化を検出する第2音響波素子と、圧電基板1を平面視したときに第1音響波素子と第2音響波素子との間に位置し、かつ圧電基板1の一方主面3と対向する他方主面4に配置される重り部2と、を有している。
As shown in FIG. 1, the
以下、図5を用いて加速度検出素子100にZ軸に平行な加速度がかかった場合を説明する。図5(a)は、Z軸に平行な加速度が加わった様子を示す模式図であり、図5(b)は、図1のA−A´線で切断した断面に相当する図5(a)の断面図である。なお、図中の白抜き矢印は、加速度のかかる方向を示す。
Hereinafter, a case where acceleration parallel to the Z axis is applied to the
このようなXZ軸に平行な加速度を検出する方法において、例えば、第1音響波素子は、梁部1cの可撓部F1上に配置された音響波素子9であり、第2音響波素子は、梁部1aの可撓部F1上に形成された音響波素子7である。以下、音響波素子9を「第1音響波素子9」、音響波素子7を「第2音響波素子7」と称し、音響波素子9の発信電極9aを「第1発信電極9a」、受信電極9bを「第1受信電極9b」、音響波素子7の発信電極7aを「第2発信電極7a」、受信電極7bを「第2受信電極7b」とそれぞれ称する。
In such a method of detecting acceleration parallel to the XZ axis, for example, the first acoustic wave element is the
第1音響波素子9は、加速度の印加に伴う第1弾性表面波の周波数変化を検出するための素子である。ここで第1弾性表面波は梁部1cと平行な方向に梁部1c上に引かれた第1仮想直線6に沿って圧電基板1の一方主面3を伝搬する弾性表面波である。第1発信電極9aは、第1弾性表面波を発信し、第1受信電極9bは、第1発信電極9aで発信された第1弾性表面波を受信する。
The 1st
第2音響波素子7は、加速度の印加に伴う第2弾性表面波の周波数変化を検出するための素子である。ここで第2弾性表面波は梁部1aと平行な方向に引かれた第1音響波素子9で発信された第1弾性表面波が伝搬する第1仮想直線6に沿って圧電基板1の一方主面3を伝搬する弾性表面波である。第2発信電極7aは、第2弾性表面波を発信し、第2受信電極7bは、第2発信電極7aで発信された第2弾性表面波を受信する。
The 2nd
図5(a)に示すようにZ軸に平行な加速度の印加により、第1音響波素子9が形成されている領域R7には圧縮応力がかかる。領域R7における梁部1cの上面が圧縮応力により縮む方向に撓むことから、領域R7に形成された第1発信電極9aの電極指間隔が狭くなり、第1発信電極9aで発信される第1弾性表面波が高周波数側へ変化する。
As shown in FIG. 5A, compressive stress is applied to the region R7 where the first
また、この方向の加速度の印加により、第2音響波素子7が形成されている領域R7にも圧縮応力がかかる。領域R6における梁部1aの上面が圧縮応力により縮む方向に撓むことから、領域R6に形成された第2発信電極7aの電極指間隔が狭くなり、第2発信電極7aで発信される第2弾性表面波も高周波数側へ変化する。
Further, by applying the acceleration in this direction, a compressive stress is also applied to the region R7 where the second
このとき、変化した第1弾性表面波と第2弾性表面波の周波数変化量を検出して、第1実施形態と同様に加速度検出素子100にかかった加速度の方向と大きさを求めることができる。
At this time, the frequency change amount of the changed first surface acoustic wave and the second surface acoustic wave is detected, and the direction and magnitude of the acceleration applied to the
このように、第1音響波素子と、第1仮想直線に沿って第2弾性表面波が伝搬する第2音響波素子と、を用いることによってXZ方向(もしくはYZ方向)に平行な加速度を検出することができる。 Thus, acceleration parallel to the XZ direction (or YZ direction) is detected by using the first acoustic wave element and the second acoustic wave element in which the second surface acoustic wave propagates along the first virtual line. can do.
もしくは、3つ以上の音響波素子を用いて3軸方向の加速度を検出してもよい。3つ以上の音響波素子のうち、少なくとも1つの音響波素子が他の2つの音響波素子の仮想直線と重ならないことが好ましい。その検出方法は、前述したXY平面方向の検出法とZ軸方向の検出法を組み合わせることにより実現される。 Alternatively, the acceleration in the triaxial direction may be detected using three or more acoustic wave elements. Of the three or more acoustic wave elements, it is preferable that at least one acoustic wave element does not overlap the virtual line of the other two acoustic wave elements. The detection method is realized by combining the detection method in the XY plane direction and the detection method in the Z-axis direction.
上述の説明では、弾性表面波の周波数が変化することを利用して加速度を検出する方法を説明したが、弾性表面波の伝搬距離が変化することによる位相変化によっても加速度を検出することができる。 In the above description, the method for detecting acceleration by using the change in the frequency of the surface acoustic wave has been described. However, the acceleration can also be detected by a phase change caused by a change in the propagation distance of the surface acoustic wave. .
以下、弾性表面波の位相変化により加速度を検出する方法について説明する。なお、基本的な構成は周波数変化で検出する場合と同じであるので、重複する部分については同一符号を付し、その説明を省略する。 Hereinafter, a method for detecting the acceleration by the phase change of the surface acoustic wave will be described. Since the basic configuration is the same as that detected by frequency change, the same reference numerals are given to the overlapping portions, and the description thereof is omitted.
XY平面に平行な加速度を周波数変化により検出する場合と同じく、図3(a)に示すような加速度の印加により、第1音響波素子8が形成されている領域R8には圧縮応力がかかる。領域R8における梁部1bの上面が圧縮応力により縮む方向に撓むことから、領域R8に形成された第1発信電極8aと第1受信電極8bとの間でやり取りされる第1弾性表面波の伝搬距離が短くなり、第1弾性表面波の位相が早くなる方へ変化する。
Similar to the case where the acceleration parallel to the XY plane is detected by frequency change, compressive stress is applied to the region R8 where the first
また、この方向の加速度の印加により、第2音響波素子9が形成されている梁部1cにも圧縮応力がかかる。領域R1における梁部1cの上面が圧縮応力により縮む方向に撓むことから、領域R1に形成された第2発信電極9aと第2受信電極9bとの間でやり取りされる第2弾性表面波の伝搬距離が短くなり、第2弾性表面波の位相が早くなる方へ変化する。
Further, by applying the acceleration in this direction, a compressive stress is also applied to the
このとき、第1弾性表面波および第2弾性表面波における加速度の印加前後により変化した位相を比較することによって、位相変化量を求め、加速度の大きさを求めることができる。この位相変化量は、加速度にほぼ比例するからである。 At this time, by comparing the phases of the first surface acoustic wave and the second surface acoustic wave changed before and after application of the acceleration, the amount of phase change can be obtained and the magnitude of the acceleration can be obtained. This is because the amount of phase change is substantially proportional to the acceleration.
また、第1音響波素子8および第2音響波素子9の位相が早くなる側、遅くなる側のどちらに変化したかを検知することによって、加速度の方向を検出することができる。第1音響波素子8は、第1弾性表面波の位相が早くなる側に変化したことから、第1弾性表面波の伝搬距離が短くなったことがわかる。このことから、第1音響波素子8が配置された梁部1bには圧縮応力がかかったことが判断できる。一方、第2弾性表面波の位相も早くなる側に変化したことから、第2弾性表面波の伝搬距離が短くなったことがわかる。このことから、第2音響波素子9が配置された梁部1cには圧縮応力がかかったことが判断できる。このように、第1音響波素子8および第2音響波素子9の位相が加速度の印加により早くなる側か遅くなる側かのどちらに変化したかを検出することにより、梁部1b、1cにかかる応力の方向を検出でき、それに基づいて加速度検出素子100にかかった加速度の方向を検出することができる。なお、測定された2軸方向の加速度ベクトルを合成することにより、実際に印加されている加速度の向きを知ることができる。
Further, the direction of acceleration can be detected by detecting whether the phase of the first
以上のようにして、加速度検出素子100においてXY平面の2軸方向に平行な加速度を検出することができる。
As described above, the
このように位相変化により加速度を検出する方法において、第1音響波素子8を構成する第1発信電極8aおよび第1受信電極8bは梁部1bの領域R8内においてできるだけ離間させて配置することが好ましい。このように配置することにより、伝搬する第1弾性表面波の距離を長くすることができるので、加速度の印加による位相変化量が大きくなり加速度の検出感度を高くすることができる。
In this way, in the method of detecting acceleration by phase change, the
さらに、加速度の印加により発信電極7a〜10aの電極指間隔が変化した場合でも、発信される弾性表面波の位相は変化する。電極指間隔が広くなると弾性表面波の位相は早くなる一方、電極指間隔が狭くなると弾性表面波の位相は遅れるので、それを利用して加速度を検出してもよい。
Furthermore, even when the electrode finger spacing of the transmitting
また、加速度を検出する方法として、位相の変位を用いる方法と周波数の変化を用いる方法とを組み合わせて、どちらかの一方の加速度検出結果を補正することにより、精度高く加速度を検出することができる。
―第2実施形態―
図6に、第2実施形態を示す。図6に示す実施形態では、加速度検出素子に対して、梁部1e〜1h、音響波素子11〜14、基準音響波素子11´〜14´をさらに増やした例となっている。このような構成とすることによって、加速度を検出するのに関与する音響波素子の数が増えるので、検出精度を向上させることができる。また、加速度を検出する音響波素子が増えることにより検出値のバラツキを抑えることができる。
In addition, as a method for detecting acceleration, a combination of a method using phase displacement and a method using frequency change is used to correct one of the acceleration detection results, thereby detecting the acceleration with high accuracy. .
-Second embodiment-
FIG. 6 shows a second embodiment. In the embodiment shown in FIG. 6, the
図7に、さらにその他の実施形態を示す。図7(a)は、平面図であり、図7(b)は(a)のC−C´線で切断した時の断面図である。前述までの実施形態では、可撓性を有する領域として梁部を設けていたが、本実施形態では、梁部を設けていない点が異なっている。具体的には、圧電基板1と、圧電基板1上に第1仮想直線に沿って圧電基板1上を伝搬する第1弾性表面波を発信する第1発信電極65aと第1弾性表面波を受信する第1受信電極65bから成る音響波素子65と、第1仮想直線に沿って圧電基板1上を伝搬する第2弾性表面波を発信する第2発信電極66aと第2弾性表面波を受信する第2受信電極66bから成る弾性表面波66と、一方主面3に配置された重り部63とからなる。ただし、重り部63は、圧電基板1を平面視したときに音響波素子66と音響波素子67との間にある。このような構成により、図5で説明した実施形態と同じ加速度検出方法を用いて、XZ方向の加速度を検出する2軸加速度検出素子を実現することができる。
FIG. 7 shows still another embodiment. FIG. 7A is a plan view, and FIG. 7B is a cross-sectional view taken along the line CC ′ of FIG. In the embodiments described above, the beam portion is provided as the flexible region. However, the present embodiment is different in that the beam portion is not provided. Specifically, the
図8に、さらにその他の実施形態を示す。この実施形態は図7で示したその他の実施形態の変形例である。図8では、図7の構成において、さらに平面視して第1仮想直線と交わる第2仮想直線に沿って圧電基板1上を伝搬する第2弾性表面波を発信する第2発信電極66aと第2弾性表面波を受信する第2受信電極66bから成る音響波素子66とを配置している。このような構成により、図1で説明した第1実施形態と同じ加速度検出方法を用いて、XY方向の加速度を検出することができる。
FIG. 8 shows still another embodiment. This embodiment is a modification of the other embodiment shown in FIG. In FIG. 8, in the configuration of FIG. 7, the
<加速度検出装置>
次に加速度検出装置について説明する。図9、図10に上述した図1の加速度検出素子100を用いた加速度検出装置の例を示す。図9は蓋39を外した状態の平面図であり、図10(a)は図9のD−D’線における断面図、図10(b)は図9のE−E’線における断面図である。図10に示す加速度検出装置は、ケース101と、ケース101に実装される加速度検出素子100及びICチップ30とを備えて構成されている。
<Acceleration detector>
Next, the acceleration detection device will be described. FIGS. 9 and 10 show an example of an acceleration detection apparatus using the
ケース101は加速度検出素子100を保護する機能を有し、加速度検出素子100を収容する上面側キャビティ110とICチップ30を収容する下面側キャビティ32が設けられている。ケース101は、セラミック材料などからなる絶縁層を複数積層することにより形成されている。具体的には、厚み方向の中心に配置される絶縁層は平板状の部材からなり、その両側(上面側と下面側)に枠状の絶縁層が所定枚数積層されている。
The
上面側キャビティ110は段差部を有しており、この段差部には複数の基板側電極パッド33が設けられている。基板側電極パッド33は、金、銅、アルミニウムなどからなる金属細線34によって加速度検出素子100の固定部50上面に設けた素子側電極パッド33´と電気的に接続されている。またケース1の下面には、複数の外部端子35が設けられており、外部端子35はケース101の内部に設けたビアホール導体36などを介して基板側電極パッド33と接続されている。すなわち、加速度検出素子100の電気信号は、素子側電極パッド33´、金属細線34、基板側電極パッド33、ビアホール導体36、外部端子35などを介して外部へ取り出されることとなる。
The upper
このようなケース101の主面に載置される加速度検出素子100は接着剤38によりケース101に接合されている。接着剤38は、例えば、シリコーン樹脂やエポキシ樹脂などを使用することができる。なかでも接着時の残留応力を緩和する観点からシリコーン樹脂を用いることが好ましい。接着剤38には、重り部2の下面とケース101の主面との間に所定の大きさのギャップが形成されるように、所定の径を有する球状のスペーサ部材37が混合されている。すなわち、重り部2の下面と基板1の主面との間のギャップの大きさをスペーサ部材37によって制御することができる。スペーサ部材37は、例えばシリカ、シリコン、ジビニルベンゼンなど所定の硬さを有する球状の部材であり、その直径は例えば2〜20μmである。
The
本実施形態のように梁部1a〜1dが重り部2の上面四辺の中央部に連結されている場合、加速度検出素子100とケース101との接合は、固定部50の四隅部において行うことが好ましい。これにより加速度検出素子100のケース101への接合箇所と梁部1a〜1dとの間の距離が離れている。そのため、接着剤38による接合に起因して発生し得る残留応力が梁部1a〜1dに与える影響を小さくすることができ、加速度検出装置の電気的な特性が劣化するのを抑えることができる。
When the
加速度検出素子100を収容する上面側キャビティ110の開口部を塞ぐようにして蓋39がケース101の上面に固着されており、これにより加速度検出素子100が上面側キャビティ110内に気密封止されている。蓋39は、例えば42アロイやステンレスなどの金属板からなり、エポキシ樹脂などの熱硬化性樹脂によりケース101に接合されている。
A
一方、ケース101の下面側には、下面側キャビティ32に収容された状態でICチップ30が実装されている。このICチップ30は、加速度検出素子100の出力信号を演算処理する機能を有しており、ケース101に設けたビアホール導体36や配線導体などを介して加速度検出素子100及び外部端子35と電気的に接続されている。ICチップ30は、例えば、加速度検出素子100の出力信号を増幅する増幅回路、加速度検出素子100の温度特性を補正する温度補償回路、ノイズを除去するノイズ除去回路などが集積化されたものである。このようなICチップ30を備えることによって加速度を高精度に検知することができる。
On the other hand, the
1:圧電基板
2:重り部
3:一方主面
4:他方主面
5:第1仮想直線
6:第2仮想直線
7:音響波素子
7a:発信電極
7b:受信電極
7c:反射器
8、9、10:音響波素子
51:保護層
55:空洞部
1: Piezoelectric substrate 2: Weight part 3: One main surface 4: Other main surface 5: First virtual straight line 6: Second virtual straight line 7:
Claims (11)
前記圧電基板の一方主面に配置され、第1仮想直線に沿って前記圧電基板の前記一方主面を伝搬する第1弾性表面波の加速度の印加に伴う周波数変化を検出する第1音響波素子と、
前記圧電基板の前記一方主面に配置され、平面視して前記第1仮想直線と交わる第2仮想直線に沿って前記圧電基板の前記一方主面を伝搬する第2弾性表面波の加速度の印加に伴う周波数変化または位相変化を検出する第2音響波素子と、を備えた加速度検出素子。 A piezoelectric substrate;
A first acoustic wave element that is disposed on one main surface of the piezoelectric substrate and detects a frequency change associated with application of acceleration of a first surface acoustic wave that propagates along the first main surface of the piezoelectric substrate along a first virtual line When,
Application of acceleration of a second surface acoustic wave disposed on the one principal surface of the piezoelectric substrate and propagating on the one principal surface of the piezoelectric substrate along a second imaginary line intersecting the first imaginary line in plan view An acceleration detection element comprising: a second acoustic wave element that detects a frequency change or a phase change associated with.
前記第1音響波素子は、前記第1弾性表面波を発信する第1発信電極と、前記第1弾性表面波を受信する第1受信電極と、を備え、
前記第2音響波素子は、前記第2弾性表面波を発信する第2発信電極と、前記第2弾性表面波を受信する第2受信電極と、を備え、
前記第1発信電極と前記第1受信電極の少なくとも一方と、前記第2発信電極と前記第2受信電極の少なくとも一方と、が前記可撓部上に配置されている請求項1記載の加速度検出素子。 The piezoelectric substrate has a flexible portion that bends when subjected to acceleration,
The first acoustic wave element includes a first transmission electrode that transmits the first surface acoustic wave, and a first reception electrode that receives the first surface acoustic wave,
The second acoustic wave element includes a second transmission electrode that transmits the second surface acoustic wave, and a second reception electrode that receives the second surface acoustic wave,
The acceleration detection according to claim 1, wherein at least one of the first transmission electrode and the first reception electrode and at least one of the second transmission electrode and the second reception electrode are disposed on the flexible portion. element.
前記圧電基板の一方主面に配置され、第1仮想直線に沿って前記圧電基板の前記一方主面を伝搬する第1弾性表面波の加速度の印加に伴う周波数変化を検出する第1音響波素子と、
前記圧電基板の前記一方主面に前記第1音響波素子と所定の間隔を設けた状態で配置され、前記第1仮想直線に沿って前記圧電基板の前記一方主面を伝搬する第2弾性表面波の加速度の印加に伴う周波数変化を検出する第2音響波素子と、
前記圧電基板を平面視したときに前記第1音響波素子と前記第2音響波素子との間に位置し、かつ前記圧電基板の前記一方主面と対向する他方主面に配置される重り部と、を備えた加速度検出素子。 A piezoelectric substrate;
A first acoustic wave element that is disposed on one main surface of the piezoelectric substrate and detects a frequency change associated with application of acceleration of a first surface acoustic wave that propagates along the first main surface of the piezoelectric substrate along a first virtual line When,
A second elastic surface disposed on the one main surface of the piezoelectric substrate with a predetermined distance from the first acoustic wave element and propagating on the one main surface of the piezoelectric substrate along the first virtual line A second acoustic wave element for detecting a frequency change associated with application of wave acceleration;
A weight part that is located between the first acoustic wave element and the second acoustic wave element when viewed in plan, and that is disposed on the other principal surface of the piezoelectric substrate that faces the one principal surface. And an acceleration detecting element.
前記第1音響波素子は、前記第1弾性表面波を発信する第1発信電極と、前記第1弾性表面波を受信する第1受信電極と、を備え、
前記第2音響波素子は、前記第2弾性表面波を発信する第2発信電極と、前記第2弾性表面波を受信する第2受信電極と、を備え、
前記第1発信電極と前記第1受信電極の少なくとも一方と、前記第2発信電極と前記第2受信電極の少なくとも一方と、が前記可撓部上に配置されている請求項4記載の加速度検出素子。 The piezoelectric substrate has a flexible portion that bends when subjected to acceleration,
The first acoustic wave element includes a first transmission electrode that transmits the first surface acoustic wave, and a first reception electrode that receives the first surface acoustic wave,
The second acoustic wave element includes a second transmission electrode that transmits the second surface acoustic wave, and a second reception electrode that receives the second surface acoustic wave,
The acceleration detection according to claim 4, wherein at least one of the first transmission electrode and the first reception electrode and at least one of the second transmission electrode and the second reception electrode are disposed on the flexible portion. element.
前記圧電基板を平面視したときに前記一方主面の前記重り部と重なる領域に配置され、前記基準弾性表面波を受信する基準受信電極と、をさらに備える請求項3または4に記載の加速度検出素子。 A reference transmission electrode for transmitting a reference surface acoustic wave, disposed in a region overlapping the weight portion of the one main surface when the piezoelectric substrate is viewed in plan;
The acceleration detection according to claim 3, further comprising: a reference receiving electrode that is disposed in a region overlapping with the weight portion of the one main surface when the piezoelectric substrate is viewed in plan, and that receives the reference surface acoustic wave. element.
前記圧電基板を平面視したときに前記一方主面の前記固定部と重なる領域に配置され、基準弾性表面波を発信する基準発信電極と、
前記圧電基板を平面視したときに前記一方主面の前記固定部と重なる領域に配置され、前記基準弾性表面波を受信する基準受信電極と、をさらに備える請求項3または4に記載の加速度検出素子。 A frame-shaped fixing portion disposed on the piezoelectric substrate and surrounding the weight portion;
A reference transmission electrode for transmitting a reference surface acoustic wave, disposed in a region overlapping the fixed portion of the one main surface when the piezoelectric substrate is viewed in plan;
The acceleration detection according to claim 3, further comprising: a reference receiving electrode that is disposed in a region overlapping the fixed portion of the one main surface when the piezoelectric substrate is viewed in plan, and that receives the reference surface acoustic wave. element.
前記第1、第2音響波素子の出力信号を信号処理するICチップと、を備えた加速度検出装置。 The acceleration detecting element according to any one of claims 1 to 10,
An acceleration detection apparatus comprising: an IC chip that performs signal processing on output signals of the first and second acoustic wave elements.
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JP2008330301A JP2010151630A (en) | 2008-12-25 | 2008-12-25 | Element and device for detecting acceleration |
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Cited By (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US8317392B2 (en) * | 2008-12-23 | 2012-11-27 | Honeywell International Inc. | Surface acoustic wave based micro-sensor apparatus and method for simultaneously monitoring multiple conditions |
JP2013094870A (en) * | 2011-10-31 | 2013-05-20 | Hitachi Koki Co Ltd | Power tool |
JP2015148634A (en) * | 2015-05-27 | 2015-08-20 | 多摩川精機株式会社 | Surface acoustic wave type acceleration sensor and sensor element substrate |
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-
2008
- 2008-12-25 JP JP2008330301A patent/JP2010151630A/en active Pending
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