JP2010203932A - Physical quantity sensor and physical quantity measurement device - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a physical quantity sensor which has high measurement sensitivity and in which an electrode is easily formed. <P>SOLUTION: The physical quantity sensor 100 includes: a base body 10; a beam 20 including both ends supported by the base body 10 and generating thickness-shear strain when an electric field is applied in a thickness direction; and upper and lower electrodes 32 and 34 holding the beam 20 in between in the thickness direction and formed on upper and lower surfaces of the beam 20 except the central area of the beam 20. The base body 10 is flexible so as to be bent in the thickness direction by external force applied to the base body 10. The beam 20 gets bending vibration generated by the thickness-shear vibration generated when a drive signal is applied to the upper and lower electrodes 32 and 34. <P>COPYRIGHT: (C)2010,JPO&INPIT

Description

本発明は、物理量センサーおよび物理量測定装置に関する。   The present invention relates to a physical quantity sensor and a physical quantity measuring device.

加速度、圧力、温度等の物理量を水晶振動片によって検知する各種の物理量センサーが知られている。たとえば、加速度センサーは、自動車、航空機、ロケット、および各種プラントの異常振動監視装置など広範な分野で使用されている。   Various physical quantity sensors that detect physical quantities such as acceleration, pressure, temperature, and the like with a crystal vibrating piece are known. For example, acceleration sensors are used in a wide range of fields such as automobiles, aircraft, rockets, and abnormal vibration monitoring devices for various plants.

たとえば、特許文献1には、2本の梁がフレームに懸架された振動部を有する加速度センサー素子が開示されている。同公報に記載された加速度センサー素子は、双音叉構造すなわち2個の音叉型振動片の自由端同士を互いに接続した構造を採っている。該2本の梁は、両端がフレームに支持され中央領域に振動質量を有する形状となっている。同公報の加速度センサー素子は、フレームおよび梁をZカットの水晶基板をエッチングして形成されるため、梁に圧電性を有している。この梁は、表面に形成された電極によって電圧が印加されることにより振動できる。また同時に、梁の振動は、該電極に生じる電圧によって検出されることができる。   For example, Patent Document 1 discloses an acceleration sensor element having a vibration part in which two beams are suspended on a frame. The acceleration sensor element described in the publication has a double tuning fork structure, that is, a structure in which the free ends of two tuning fork type vibrating pieces are connected to each other. The two beams have a shape in which both ends are supported by a frame and have a vibration mass in a central region. The acceleration sensor element disclosed in this publication is formed by etching a Z-cut quartz substrate on a frame and a beam, and thus the beam has piezoelectricity. This beam can vibrate when a voltage is applied by an electrode formed on the surface. At the same time, the vibration of the beam can be detected by the voltage generated at the electrode.

同公報の加速度センサー素子は、梁を励振させた状態で、外力等が加わってフレームが変形したとき、梁の両端に引張力あるいは圧縮力が生じるようになっている。加速度センサー素子は、加えられた加速度(力)の大きさに比例して梁の振動数が変化するため、該振動数の変化量を検出することによって力の大きさを測定することができる。   The acceleration sensor element of the publication discloses a tensile force or a compressive force at both ends of the beam when the frame is deformed by applying an external force or the like while the beam is excited. Since the acceleration sensor element changes the vibration frequency of the beam in proportion to the applied acceleration (force), the magnitude of the force can be measured by detecting the amount of change in the vibration frequency.

このような梁の振動を利用した物理量センサーは、データ処理が容易であるとともに測定精度、測定感度、再現性、温度特性等に優れている。   Such a physical quantity sensor using the vibration of the beam is easy to process data and has excellent measurement accuracy, measurement sensitivity, reproducibility, temperature characteristics, and the like.

特開2007−163244号公報JP 2007-163244 A

しかしながら、物理量センサーは、一層の小型化、高感度化が求められている。したがって物理量センサーの振動部には、より薄く細い梁が形成されるようになってきた。これにより梁に形成される電極も非常に小さくなってきている。そのため、特に、梁の側面(厚み方向に平行な面)に電極を形成することが困難になってきている。   However, the physical quantity sensor is required to be further downsized and highly sensitive. Therefore, thinner and thinner beams have been formed in the vibration part of the physical quantity sensor. As a result, the electrodes formed on the beam have become very small. Therefore, in particular, it has become difficult to form electrodes on the side surfaces (surfaces parallel to the thickness direction) of the beam.

本発明のいくつかの態様にかかる目的の一つは、測定感度が高く、かつ、電極の形成が容易な物理量センサーを提供することにある。   An object of some embodiments of the present invention is to provide a physical quantity sensor having high measurement sensitivity and easy electrode formation.

本発明は上述の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、以下の態様または適用例として実現することができる。   SUMMARY An advantage of some aspects of the invention is to solve at least a part of the problems described above, and the invention can be implemented as the following aspects or application examples.

[適用例1]
基体と、
前記基体に両端が支持され、厚み方向に電界が印加されたときに厚みすべり歪みを生じる梁と、
前記梁を厚み方向に挟み、前記梁の中央領域を避けて、前記梁の上面および下面に形成された上部電極および下部電極と、
を含み、
前記基体は、前記基体に加えられた外力によって前記厚み方向に撓むような可撓性を有し、
前記梁は、前記上部電極および前記下部電極に駆動信号が印加されたときに生じる厚みすべり振動によって屈曲振動を生じる、物理量センサー。
[Application Example 1]
A substrate;
Beams that are supported at both ends by the substrate and cause thickness-slip distortion when an electric field is applied in the thickness direction;
Sandwiching the beam in the thickness direction, avoiding the central region of the beam, upper and lower electrodes formed on the upper and lower surfaces of the beam; and
Including
The base body has flexibility such that it is bent in the thickness direction by an external force applied to the base body,
The physical quantity sensor in which the beam generates bending vibration by thickness shear vibration generated when a driving signal is applied to the upper electrode and the lower electrode.

このような物理量センサーは、測定感度が高く、かつ、梁の上面および下面に電極を有するため、電極の形成が容易である。   Such a physical quantity sensor has high measurement sensitivity and has electrodes on the upper and lower surfaces of the beam, so that the electrodes can be easily formed.

[適用例2]
適用例1において、
前記基体は、周囲を枠部が取り囲んだ開口部を有するフレーム状の形状であり、
前記梁は、前記基体の前記枠部に両端が支持され、前記開口部の内側で架橋している、物理量センサー。
[Application Example 2]
In application example 1,
The base body has a frame-like shape having an opening part surrounded by a frame part,
The beam is a physical quantity sensor in which both ends are supported by the frame portion of the base and are bridged inside the opening.

このような物理量センサーは、適用例1の特徴を有するとともに、さらに堅牢性が良好で実装性にも優れている。   Such a physical quantity sensor has the characteristics of Application Example 1, and further has high robustness and excellent mountability.

[適用例3]
適用例2において、
前記基体は、前記枠部の前記梁と並行する部分に前記厚み方向に切り欠いて構成したくびれ部を有する、物理量センサー。
[Application Example 3]
In application example 2,
The physical body sensor is a physical quantity sensor having a constricted portion formed by cutting out in the thickness direction at a portion parallel to the beam of the frame portion.

このような物理量センサーは適用例2の特徴を有するとともに、より測定感度が高い。   Such a physical quantity sensor has the characteristics of Application Example 2 and has higher measurement sensitivity.

[適用例4]
適用例1において、
前記基体は、上面に少なくとも2つの突部を有する平板状の形状であり、
前記梁は、2つの前記突部に両端が支持され、前記2つの突部の間で架橋している、物理量センサー。
[Application Example 4]
In application example 1,
The base body has a flat plate shape having at least two protrusions on the upper surface,
Both ends of the beam are supported by the two protrusions, and the beam is bridged between the two protrusions.

このような物理量センサーは、適用例1の特徴を有するとともに、さらに堅牢性が良好で実装性にも優れている。   Such a physical quantity sensor has the characteristics of Application Example 1, and further has high robustness and excellent mountability.

[適用例5]
適用例4において、
前記基体は、前記梁の両端を支持する2つの前記突部の間に、前記梁と交差する方向に延びる形状のくびれ部を有する、物理量センサー。
[Application Example 5]
In application example 4,
The said base | substrate has a constriction part of the shape extended in the direction which cross | intersects the said beam between the two said protrusions which support the both ends of the said beam.

このような物理量センサーは適用例4の特徴を有するとともに、より測定感度が高い。   Such a physical quantity sensor has the characteristics of Application Example 4 and has higher measurement sensitivity.

[適用例6]
適用例1ないし適用例5のいずれか一項において、
さらに、前記梁の根本から突出して前記梁に並行して前記梁の中央領域側へ延びるカウンタービームを有し、
前記カウンタービームは、前記梁の前記屈曲振動における質量の変位を相殺するように変位する、物理量センサー。
[Application Example 6]
In any one of the application examples 1 to 5,
And a counter beam that protrudes from the base of the beam and extends in parallel to the beam toward the central region of the beam,
The physical quantity sensor, wherein the counter beam is displaced so as to cancel the mass displacement in the bending vibration of the beam.

このような物理量センサーは、上述の特徴を有するとともに、振動漏れがより小さい。   Such a physical quantity sensor has the above-described characteristics and a smaller vibration leakage.

[適用例7]
適用例1ないし適用例6のいずれか一項において、
前記梁の前記厚みすべり振動の周波数が物理量を検出するための信号である、物理量センサー。
[Application Example 7]
In any one of the application examples 1 to 6,
A physical quantity sensor, wherein the thickness shear vibration frequency of the beam is a signal for detecting a physical quantity.

このような物理量センサーは、上述の特徴を有するとともに、さらに測定感度が高い。   Such a physical quantity sensor has the above-described characteristics and has higher measurement sensitivity.

[適用例8]
適用例1ないし適用例8のいずれか一項に記載の物理量センサーと、
前記梁の前記屈曲振動または前記厚みすべり振動の周波数の変化を検出する検出部と、
を有する、物理量測定装置。
[Application Example 8]
The physical quantity sensor according to any one of Application Examples 1 to 8, and
A detection unit for detecting a change in frequency of the bending vibration or the thickness shear vibration of the beam;
A physical quantity measuring device.

このような物理量測定装置は、少なくとも、測定感度が高く、かつ、電極の形成が容易である物理量センサーを備えており、物理量を高感度に測定することができる。   Such a physical quantity measuring device includes at least a physical quantity sensor having high measurement sensitivity and easy electrode formation, and can measure a physical quantity with high sensitivity.

実施形態にかかる物理量センサー100を模式的に示す上面図。FIG. 3 is a top view schematically showing the physical quantity sensor 100 according to the embodiment. 実施形態にかかる物理量センサー100を模式的に示す下面図。The bottom view which shows typically the physical quantity sensor 100 concerning embodiment. 実施形態にかかる物理量センサー100を模式的に示す断面図。Sectional drawing which shows typically the physical quantity sensor 100 concerning embodiment. 実施形態にかかる物理量センサーの梁20の挙動を模式的に示す断面図。Sectional drawing which shows typically the behavior of the beam 20 of the physical quantity sensor concerning embodiment. 実施形態にかかる物理量センサーの動作を模式的に示す断面図。Sectional drawing which shows typically operation | movement of the physical quantity sensor concerning embodiment. 実施形態にかかる物理量センサーの動作を模式的に示す断面図。Sectional drawing which shows typically operation | movement of the physical quantity sensor concerning embodiment. 物理量センサーのインピーダンス曲線の模式図。The schematic diagram of the impedance curve of a physical quantity sensor. 実施形態にかかる物理量センサーの等価回路の模式図。The schematic diagram of the equivalent circuit of the physical quantity sensor concerning embodiment. 実施形態にかかる物理量センサー200を模式的に示す上面図。The top view which shows typically the physical quantity sensor 200 concerning embodiment. 実施形態にかかる物理量センサー200を模式的に示す断面図。Sectional drawing which shows typically the physical quantity sensor 200 concerning embodiment. 実施形態にかかる物理量センサー300を模式的に示す上面図。FIG. 3 is a top view schematically showing a physical quantity sensor 300 according to the embodiment. 実施形態にかかる物理量センサー300を模式的に示す断面図。Sectional drawing which shows typically the physical quantity sensor 300 concerning embodiment. 実施形態にかかる物理量センサー400を模式的に示す上面図。FIG. 3 is a top view schematically showing a physical quantity sensor 400 according to the embodiment. 実施形態にかかる物理量センサー400を模式的に示す断面図。Sectional drawing which shows typically the physical quantity sensor 400 concerning embodiment. 実施形態にかかる物理量測定装置1000を模式的に示す断面図。Sectional drawing which shows typically the physical quantity measuring apparatus 1000 concerning embodiment.

以下に本発明の好適な実施形態について、図面を参照しながら説明する。なお、以下の実施形態は、本発明の例を説明するものである。   Preferred embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. In addition, the following embodiment demonstrates the example of this invention.

1.第1実施形態
1.1.物理量センサー
図1および図2は、本実施形態にかかる物理量センサー100を模式的に示す上面図および下面図である。図3は、本実施形態にかかる物理量センサー100を模式的に示す断面図である。図1および図2のA−A線の断面は、図3に相当する。なお、図1〜図3のそれぞれ右側には、説明の便宜上、方向を示す矢印を描いてある。図4は、梁20の挙動を模式的に示す断面図である。
1. 1. First embodiment 1.1. Physical Quantity Sensor FIGS. 1 and 2 are a top view and a bottom view schematically showing a physical quantity sensor 100 according to the present embodiment. FIG. 3 is a cross-sectional view schematically showing the physical quantity sensor 100 according to the present embodiment. A cross section taken along line AA in FIGS. 1 and 2 corresponds to FIG. In addition, the arrow which shows a direction is drawn on each right side of FIGS. 1-3 for convenience of explanation. FIG. 4 is a cross-sectional view schematically showing the behavior of the beam 20.

本実施形態の物理量センサー100は、基体10と、梁20と、上部電極32および下部電極34と、を含む。   The physical quantity sensor 100 of this embodiment includes a base body 10, a beam 20, an upper electrode 32, and a lower electrode 34.

基体10は、物理量センサー100を支持する支持体としての機能を有する。基体10は、±Y方向に加えられた外力によって厚み方向(±Y方向)に撓むような可撓性を有する。本実施形態では基体10は、開口部12および枠部14を有したフレーム状(額縁状)の形状を有する。基体10(枠部14)の平面的な外形は、図示の例では矩形であるがこれに限定されない。枠部14は、図3に示すように、厚みの異なる部位を有していてもよい。図3の例では、枠部14は、厚みt1を有する外周部14a、厚みt1よりも薄い厚みt2を有する薄肉部14b、および外周部14aと薄肉部14bとの間に形成された傾斜部14cを有している。枠部14は、薄肉部14bおよび傾斜部14cを有さなくてもよく、その場合は、外周部14aの内周と、開口部12の外周とが一致する。図示の例では、枠部14は、薄肉部14bを有しており、薄肉部14bの内周が開口部12の外周に一致している。また、枠部14には、図示しない重りが形成されていてもよい。枠部14に重りを形成すると、基体10の撓み量を調節することができ、たとえば、物理量センサー100の測定感度を高めることができる。   The substrate 10 functions as a support that supports the physical quantity sensor 100. The base 10 has such flexibility that it bends in the thickness direction (± Y direction) by an external force applied in the ± Y direction. In the present embodiment, the base body 10 has a frame shape (frame shape) having an opening 12 and a frame portion 14. The planar outer shape of the base body 10 (frame portion 14) is rectangular in the illustrated example, but is not limited thereto. As shown in FIG. 3, the frame portion 14 may have portions having different thicknesses. In the example of FIG. 3, the frame portion 14 includes an outer peripheral portion 14a having a thickness t1, a thin portion 14b having a thickness t2 smaller than the thickness t1, and an inclined portion 14c formed between the outer peripheral portion 14a and the thin portion 14b. have. The frame part 14 does not need to have the thin part 14b and the inclined part 14c. In this case, the inner periphery of the outer peripheral part 14a and the outer periphery of the opening part 12 coincide. In the illustrated example, the frame portion 14 has a thin portion 14 b, and the inner periphery of the thin portion 14 b coincides with the outer periphery of the opening portion 12. Further, a weight (not shown) may be formed on the frame portion 14. When a weight is formed on the frame portion 14, the amount of bending of the base body 10 can be adjusted, and for example, the measurement sensitivity of the physical quantity sensor 100 can be increased.

基体10における開口部12が形成される位置は、後述する梁30に枠部14の変形が伝達できる限りにおいて任意である。開口部12が形成される位置を適宜選択すれば、たとえば、枠部14の質量の配置の調整を行うことができ、物理量センサー100の測定感度を高めることができる。図示の例では、開口部12は、基体10の中心から+Z方向にやや偏った位置に形成されている。また、開口部12の位置を選んで、たとえば、枠部14に電極パッドの形成領域を設けたり、物理量センサー100を支持するための領域を設けたりしてもよい。開口部12の平面形状は任意である。図示の例では開口部12は矩形となっている。   The position where the opening 12 is formed in the base 10 is arbitrary as long as the deformation of the frame 14 can be transmitted to a beam 30 described later. If the position where the opening 12 is formed is appropriately selected, for example, the arrangement of the mass of the frame 14 can be adjusted, and the measurement sensitivity of the physical quantity sensor 100 can be increased. In the illustrated example, the opening 12 is formed at a position slightly deviated in the + Z direction from the center of the base 10. Further, the position of the opening 12 may be selected, and for example, an electrode pad forming region may be provided in the frame portion 14 or a region for supporting the physical quantity sensor 100 may be provided. The planar shape of the opening 12 is arbitrary. In the illustrated example, the opening 12 is rectangular.

基体10の材質は、たとえば、水晶、シリコン、各種の金属等の無機材料、ポリイミド等の有機材料とすることができる。本実施形態では、基体10は、梁20と一体的に形成される。そのため、厚み方向に電界が印加されたときに厚みすべりを生じるものを用いる。このような性質を有しうる材料としては、たとえば、水晶、タンタル酸リチウム、ニオブ酸リチウム等の圧電性を有する材料が挙げられる。   The material of the substrate 10 can be, for example, an inorganic material such as quartz, silicon, various metals, or an organic material such as polyimide. In the present embodiment, the base body 10 is formed integrally with the beam 20. Therefore, a material that causes a thickness slip when an electric field is applied in the thickness direction is used. Examples of the material that can have such properties include piezoelectric materials such as quartz, lithium tantalate, and lithium niobate.

たとえば、基体10および梁20の材料として水晶基板を選択する場合、厚み方向が、水晶の結晶軸のX軸またはY軸の成分を含むようにする。したがって、基体10を形成するための基板としては、ATカットの水晶基板(以下これをAT板と称することがある)や、BTカットの水晶基板(以下これをBT板と称することがある)、法線方向が水晶の結晶軸のY軸となっている水晶基板(以下これをY板と称することがある)などを例示することができる。基体10に、AT板、BT板、またはY板を選択すれば、厚み方向に電圧信号を印加することにより、より容易に厚みすべり振動を発生させることができる。本実施形態では、以下、基体10の材料として、水晶のY板を選択した場合について例示する。これにともない各図には、基体10の法線方向上向きが+Y方向となるように矢印が描かれている。   For example, when a quartz substrate is selected as the material of the base 10 and the beam 20, the thickness direction includes the X-axis or Y-axis component of the crystal axis of the quartz. Accordingly, as a substrate for forming the base 10, an AT-cut quartz substrate (hereinafter sometimes referred to as an AT plate), a BT-cut quartz substrate (hereinafter sometimes referred to as a BT plate), Examples thereof include a quartz substrate (hereinafter sometimes referred to as a Y plate) whose normal direction is the Y axis of the crystal axis of quartz. If an AT plate, a BT plate, or a Y plate is selected as the substrate 10, a thickness shear vibration can be generated more easily by applying a voltage signal in the thickness direction. In the present embodiment, a case where a crystal Y plate is selected as the material of the base 10 will be described below. Accordingly, in each drawing, an arrow is drawn so that the upward direction in the normal direction of the substrate 10 is the + Y direction.

本実施形態では、梁20は、基体10に両端が支持され、基体10の開口部12内に架橋するように形成される。本明細書では、梁20の延びている方向を±Z方向とする。梁20は、±Z方向に直交する±Y方向(基体10の厚み方向)の成分を有して屈曲振動することができる。また、本明細書では、±Y方向および±Z方向に直交する方向を±X方向と称する。また本明細書では、梁20の2つの支持端付近は、根本領域と称することがある。   In the present embodiment, the beam 20 is supported at both ends by the base body 10 and is formed so as to be bridged in the opening 12 of the base body 10. In this specification, the extending direction of the beam 20 is defined as ± Z direction. The beam 20 has a component in the ± Y direction (thickness direction of the base body 10) orthogonal to the ± Z direction and can flexurally vibrate. In the present specification, directions perpendicular to the ± Y direction and the ± Z direction are referred to as ± X directions. In the present specification, the vicinity of the two support ends of the beam 20 may be referred to as a root region.

梁20は、物理量センサー100の振動部として機能する。梁20は、柱状の形状を有することができ、たとえば、梁20をXY平面で切った断面の形状は、多角形、四角形等とすることができる。本実施形態では、梁20は、基体10に一体的に形成される。したがって、基体10の材質は、基体10の材質と同様である。そのため、梁20は、厚み方向に電界が印加されたときに厚みすべり歪みを生じることができる。梁20が形成される平面的な位置は、開口部12内であれば任意であり、たとえば、枠部14が力を受けて撓んだときに、梁20の長手方向の引張または圧縮の応力が生じるように配置することができる。梁20の平面的な配置は、図示の例では、開口部12の中心を通り、枠部14が梁20の延びる方向(±Z方向)に対して線対称となっている。このようにすれば、梁20に加わる応力の±X方向の成分を小さくすることができる。   The beam 20 functions as a vibration unit of the physical quantity sensor 100. The beam 20 can have a columnar shape. For example, the cross-sectional shape of the beam 20 taken along the XY plane can be a polygon, a quadrangle, or the like. In the present embodiment, the beam 20 is formed integrally with the base body 10. Therefore, the material of the base 10 is the same as the material of the base 10. Therefore, the beam 20 can cause a thickness slip distortion when an electric field is applied in the thickness direction. The planar position where the beam 20 is formed is arbitrary as long as it is within the opening 12. For example, when the frame portion 14 is bent under a force, a tensile or compressive stress in the longitudinal direction of the beam 20 is used. Can be arranged to occur. In the illustrated example, the planar arrangement of the beams 20 passes through the center of the opening 12, and the frame portion 14 is axisymmetric with respect to the direction in which the beams 20 extend (± Z direction). In this way, the ± X direction component of the stress applied to the beam 20 can be reduced.

本実施形態では、梁20の厚みは、基体10の枠部14の外周部14aの厚みよりも小さい。梁20の厚みが、外周部14aの厚みと同じであると、枠部14が屈曲したときに、梁20の長手方向に引張または圧縮の応力が発生しにくい場合がある。図3の例では、梁20は、基体10の枠部14の薄肉部14bの厚みt2と同じ厚みを有している。基体10の厚み方向(±Y方向)において、梁20が接続する位置は、基体10の厚み方向の中央からみて、基体10の上面または下面側に偏って設けられる。梁20が、基体10の厚み方向の中央に関して厚み方向に対称的に設けられると、枠部14が屈曲したときに、梁20の長手方向に引張または圧縮の応力が発生しにくい場合がある。図3の例では、梁20は、基体10の厚み方向において、上面側に偏って設けられ、かつ、枠部14(基体10)の上面と、梁20の上面とは一致している。このようにすれば、物理量センサー100を製造するときに、基体10のエッチングを下面側からのみとすることができる。   In the present embodiment, the thickness of the beam 20 is smaller than the thickness of the outer peripheral portion 14 a of the frame portion 14 of the base body 10. When the thickness of the beam 20 is the same as the thickness of the outer peripheral portion 14a, there is a case where tensile or compressive stress is hardly generated in the longitudinal direction of the beam 20 when the frame portion 14 is bent. In the example of FIG. 3, the beam 20 has the same thickness as the thickness t <b> 2 of the thin portion 14 b of the frame portion 14 of the base body 10. In the thickness direction (± Y direction) of the base body 10, the position where the beam 20 is connected is biased toward the upper surface or the lower surface side of the base body 10 when viewed from the center in the thickness direction of the base body 10. When the beam 20 is provided symmetrically in the thickness direction with respect to the center in the thickness direction of the base body 10, when the frame portion 14 is bent, tensile or compressive stress may not easily occur in the longitudinal direction of the beam 20. In the example of FIG. 3, the beam 20 is provided so as to be biased toward the upper surface side in the thickness direction of the substrate 10, and the upper surface of the frame portion 14 (substrate 10) and the upper surface of the beam 20 coincide. In this way, when manufacturing the physical quantity sensor 100, the substrate 10 can be etched only from the lower surface side.

なお、梁20は、溝および貫通孔などを有していてもよい。溝および貫通孔は、たとえば、梁20内の質量の分布の調整や、梁20に印加される電界の方向を調節するために設けることができる。また、梁20には、たとえば中央領域に付加質量となる部材を設けることもできる。このような部材を設け、該部材の質量を調整することによって梁20の振動の周波数を調整することができる。   The beam 20 may have a groove and a through hole. The groove and the through hole can be provided, for example, to adjust the distribution of mass in the beam 20 and to adjust the direction of the electric field applied to the beam 20. Further, the beam 20 may be provided with a member having an additional mass in the central region, for example. The frequency of vibration of the beam 20 can be adjusted by providing such a member and adjusting the mass of the member.

上部電極32および下部電極34は、梁20の中央領域を避けて、梁20の上面および下面に形成される。上部電極32および下部電極34は、対になって、梁20を厚み方向(±Y方向)に挟んで形成される。上部電極32および下部電極34は、梁20の根本領域から、中央領域に向かって延設される。上部電極32および下部電極34は、梁20の一方の端から延出しものが、他方の端から延出したものと接触しないように形成される。   The upper electrode 32 and the lower electrode 34 are formed on the upper surface and the lower surface of the beam 20, avoiding the central region of the beam 20. The upper electrode 32 and the lower electrode 34 are formed as a pair with the beam 20 sandwiched in the thickness direction (± Y direction). The upper electrode 32 and the lower electrode 34 extend from the root region of the beam 20 toward the central region. The upper electrode 32 and the lower electrode 34 are formed so that the one that extends from one end of the beam 20 does not come into contact with the one that extends from the other end.

上部電極32および下部電極34の機能としては、梁20を励振させる機能、および梁20の振動を検出する機能を挙げることができる。上部電極32および下部電極34は、図示しない外部回路に電気的に接続されることができる。上部電極32および下部電極34の材質としては、CrおよびAuなどの導電性の金属が挙げられ、これらCr層およびAu層の積層構造とすることもできる。   Examples of the functions of the upper electrode 32 and the lower electrode 34 include a function of exciting the beam 20 and a function of detecting the vibration of the beam 20. The upper electrode 32 and the lower electrode 34 can be electrically connected to an external circuit (not shown). Examples of the material of the upper electrode 32 and the lower electrode 34 include conductive metals such as Cr and Au. A laminated structure of these Cr layer and Au layer can also be used.

上部電極32は、梁20の上面に形成される。下部電極34は、梁20の下面に形成される。また、上部電極32および下部電極34は、それぞれ配線40に電気的に接続される。本明細書では、同電位となる電極(32,34)および配線40には、同一の補助符号(a、b)を付して表す。   The upper electrode 32 is formed on the upper surface of the beam 20. The lower electrode 34 is formed on the lower surface of the beam 20. The upper electrode 32 and the lower electrode 34 are electrically connected to the wiring 40, respectively. In the present specification, the electrodes (32, 34) and the wirings 40 having the same potential are denoted by the same auxiliary symbols (a, b).

図1〜図3に示す例では、2対の上部電極32および下部電極34の組が、梁20を介して対向して設けられている。図3に示すように、対向する一対の上部電極32および下部電極34は、互いに異なる電位となることができる。これにより、梁20に厚み方向(±Y方向)の電圧信号(電界)を印加することができる。図示の例では、上部電極32aと下部電極34bとが、および、上部電極32bと下部電極34aとが、それぞれ梁20の2つの根本領域で対向して配置されている。   In the example shown in FIGS. 1 to 3, a pair of two pairs of the upper electrode 32 and the lower electrode 34 is provided so as to face each other through the beam 20. As shown in FIG. 3, the pair of the upper electrode 32 and the lower electrode 34 facing each other can have different potentials. Thereby, a voltage signal (electric field) in the thickness direction (± Y direction) can be applied to the beam 20. In the illustrated example, the upper electrode 32a and the lower electrode 34b, and the upper electrode 32b and the lower electrode 34a are arranged to face each other in two root regions of the beam 20.

次に、図1〜図3を用いて各電極に接続される配線40の一例について説明する。上部電極32aは、梁20の一方の根本領域で配線40aに接続している。配線40aは、基体10(枠部14)の上面で引き回され、基体10の下面側に延びている。基体10の下面側に延ばされた配線40aは、基体10の下面で引き回されて梁20の他方の根本領域で下部電極34aに接続している。同様に、上部電極32bは、梁20の他方の根本領域で配線40bに接続している。配線40bは、基体10の上面で引き回され、基体10の下面側に延びている。基体10の下面側に延ばされた配線40bは、基体10の下面で引き回されて梁20の一方の根本領域で下部電極34bに接続している。配線40aおよび配線40bは、互いに電気的に離間されており、互いに異なる電位を有することができる。上記は一例であって、配線40aおよび配線40bの引き回しの経路は任意である。また、任意の位置で配線40aおよび配線40bに接続する外部接続用のパッド42が形成されてもよい。図示の例では、基体10の上面側にパッド42aおよびパッド42bが形成されている。   Next, an example of the wiring 40 connected to each electrode will be described with reference to FIGS. The upper electrode 32 a is connected to the wiring 40 a in one root region of the beam 20. The wiring 40 a is routed on the upper surface of the base body 10 (frame portion 14) and extends to the lower surface side of the base body 10. The wiring 40 a extended to the lower surface side of the base body 10 is routed on the lower surface of the base body 10 and connected to the lower electrode 34 a in the other root region of the beam 20. Similarly, the upper electrode 32 b is connected to the wiring 40 b in the other root region of the beam 20. The wiring 40 b is routed on the upper surface of the base body 10 and extends to the lower surface side of the base body 10. The wiring 40b extended to the lower surface side of the base body 10 is routed on the lower surface of the base body 10 and connected to the lower electrode 34b in one root region of the beam 20. The wiring 40a and the wiring 40b are electrically separated from each other and can have different potentials. The above is an example, and the routing route of the wiring 40a and the wiring 40b is arbitrary. Further, an external connection pad 42 connected to the wiring 40a and the wiring 40b at an arbitrary position may be formed. In the illustrated example, a pad 42 a and a pad 42 b are formed on the upper surface side of the substrate 10.

上記例示したような電極および配線の構成を採ると、梁20に印加される電界を、梁20の一方の根本領域と他方の根本領域とで、互いに逆方向とすることが容易となる。そして、たとえばパッドおよび配線を介して、各電極に交流電界を印加すれば、梁20の両端付近で位相が逆になる厚みすべり振動を生じさせることができる。   When the electrode and wiring configurations as exemplified above are employed, the electric field applied to the beam 20 can be easily reversed in one root region and the other root region of the beam 20. For example, if an AC electric field is applied to each electrode via a pad and a wiring, a thickness-shear vibration whose phase is reversed in the vicinity of both ends of the beam 20 can be generated.

次に、図4を用いて、梁20の屈曲および厚みすべりの関係について説明する。図4は、梁20の両端付近で、互いに逆の位相の厚みすべりが生じている状態を示している。図中実線は、該厚みすべりによって梁20が屈曲している状態を描いたものである。厚みすべりが生じた状態とは、図中破線で模式的に示すように、梁20を構成する物質の±Z方向の変位量が、±Y方向(厚み方向)の位置に関して分布を生じている状態を指している。このような厚みすべりによって、梁20の上面側および下面側で、大きさまたは方向の異なる変位を発生させることができ、梁20を±Y方向へ屈曲させることができる。   Next, the relationship between the bending and the thickness slip of the beam 20 will be described with reference to FIG. FIG. 4 shows a state in which thickness slips having opposite phases occur near both ends of the beam 20. A solid line in the drawing depicts a state in which the beam 20 is bent by the thickness slip. The state where the thickness slip has occurred, as schematically shown by the broken line in the figure, the displacement amount of the substance constituting the beam 20 in the ± Z direction is distributed with respect to the position in the ± Y direction (thickness direction). Points to the state. By such a thickness slip, displacements having different sizes or directions can be generated on the upper surface side and the lower surface side of the beam 20, and the beam 20 can be bent in the ± Y direction.

このような厚みすべりの方向および梁20の屈曲の方向は、各電極に印加する電界を逆にすることで、容易に逆転することができるため、各電極に交流電界を印加すれば、梁20に、厚みすべり振動に基づく屈曲振動を生じさせることができる。   The direction of the thickness slip and the direction of bending of the beam 20 can be easily reversed by reversing the electric field applied to each electrode. Therefore, if an AC electric field is applied to each electrode, the beam 20 Further, bending vibration based on thickness shear vibration can be generated.

1.2.物理量センサーの動作
図5および図6は、本実施形態にかかる物理量センサー100の挙動を模式的に示す断面図である。図5および図6では、物理量センサー100の基体10の枠部14の一部が基台50に接着剤52で固定されている状態を示している。図では、物理量センサー100は、左側(−Z方向側)の枠部14が固定され、右側(+Z方向)に向かって片持ち梁状に保持された状態となっている。また、図5および図6では、各電極は省略して描かれている。
1.2. Operation of Physical Quantity Sensor FIGS. 5 and 6 are cross-sectional views schematically showing the behavior of the physical quantity sensor 100 according to the present embodiment. 5 and 6 show a state in which a part of the frame portion 14 of the base body 10 of the physical quantity sensor 100 is fixed to the base 50 with the adhesive 52. In the figure, the physical quantity sensor 100 is in a state where the left-side (−Z direction side) frame portion 14 is fixed and held in a cantilever shape toward the right side (+ Z direction). Further, in FIG. 5 and FIG. 6, each electrode is not shown.

図5は、物理量センサー100に対して、+Y方向の加速度、または−Y方向の力が印加されたときの状態を示している。図6は、物理量センサー100に対して、−Y方向の加速度、または+Y方向の力が印加されたときの状態を示している。   FIG. 5 shows a state when acceleration in the + Y direction or force in the −Y direction is applied to the physical quantity sensor 100. FIG. 6 shows a state when acceleration in the −Y direction or force in the + Y direction is applied to the physical quantity sensor 100.

図5の鎖線で示すように、+Y方向の加速度または−Y方向の力が加えられた物理量センサー100は、片持ち梁の固定端を基準として、片持ち梁の自由端側が−Y方向に撓む。すると、前述したように梁20は、物理量センサー100の上面側に偏った位置に形成されているため、梁20は、矢印方向に伸張される。梁20は、伸張されると屈曲振動の共振周波数が高くなる。このときの梁20の共振周波数の変化をたとえば基準周波数と比較することによって+Y方向の加速度または−Y方向の力の大きさを知ることができる。   As indicated by the chain line in FIG. 5, the physical quantity sensor 100 to which acceleration in the + Y direction or force in the −Y direction is applied is flexed in the −Y direction on the free end side of the cantilever beam with the fixed end of the cantilever beam as a reference. Mu Then, as described above, since the beam 20 is formed at a position biased toward the upper surface side of the physical quantity sensor 100, the beam 20 is expanded in the arrow direction. When the beam 20 is stretched, the resonance frequency of the bending vibration increases. By comparing the change in the resonance frequency of the beam 20 at this time with, for example, a reference frequency, the magnitude of the acceleration in the + Y direction or the force in the −Y direction can be known.

一方、図6の鎖線で示すように、−Y方向の加速度または+Y方向の力が加えられた物理量センサー100は、片持ち梁の固定端を基準として、片持ち梁の自由端側が+Y方向に撓む。すると梁20は、矢印方向に縮められる。梁20は、縮められると屈曲振動の共振周波数が低くなる。このときの梁20の共振周波数の変化をたとえば基準周波数と比較することによって、−Y方向の加速度または+Y方向の力の大きさを知ることができる。   On the other hand, as shown by the chain line in FIG. 6, in the physical quantity sensor 100 to which acceleration in the -Y direction or force in the + Y direction is applied, the free end side of the cantilever is in the + Y direction with the fixed end of the cantilever as a reference. Bend. Then, the beam 20 is contracted in the arrow direction. When the beam 20 is contracted, the resonance frequency of bending vibration is lowered. By comparing the change in the resonance frequency of the beam 20 at this time with, for example, a reference frequency, the magnitude of the acceleration in the −Y direction or the force in the + Y direction can be known.

なお、図5および図6のいずれの場合においても、共振周波数と基準周波数との差と、加速度または力の大きさとの相関を予め算出し、得られたデータをテーブル化しておけば、より容易に加速度または力の大きさを測定することができる。なお、図5および図6の例では、物理量センサー100は、基台50に対して下面側が固定されているが、上面側が固定された場合も上記と同様である。   In either case of FIG. 5 and FIG. 6, it is easier to calculate the correlation between the difference between the resonance frequency and the reference frequency and the magnitude of acceleration or force in advance and tabulate the obtained data. The magnitude of acceleration or force can be measured. 5 and 6, the physical quantity sensor 100 is fixed on the lower surface side with respect to the base 50, but the same applies to the case where the upper surface side is fixed.

以上のように物理量センサー100は、加速度、力等の物理量が加えられた際に、物理量センサー100が±Y方向に撓み、梁20の共振周波数が変化する。そのため、共振周波数の変化から、物理量センサー100に加わった物理量をただちに把握することができる。   As described above, when a physical quantity such as acceleration or force is applied to the physical quantity sensor 100, the physical quantity sensor 100 bends in the ± Y direction, and the resonance frequency of the beam 20 changes. Therefore, the physical quantity applied to the physical quantity sensor 100 can be immediately grasped from the change in the resonance frequency.

次に物理量センサー100の共振周波数の変化を検出する方法について説明する。図7は、物理量センサー100のインピーダンス曲線を概略的に示すグラフである。同グラフは、縦軸にC.I.値(クリスタル・インピーダンス)、横軸に周波数をとったものである。図8は、物理量センサー100の簡略化した等価回路および共振周波数の変化を検出する構成の一例を示す図である。   Next, a method for detecting a change in the resonance frequency of the physical quantity sensor 100 will be described. FIG. 7 is a graph schematically showing an impedance curve of the physical quantity sensor 100. In the graph, the vertical axis represents C.I. I. Value (Crystal Impedance) with frequency on the horizontal axis. FIG. 8 is a diagram illustrating an example of a simplified equivalent circuit of the physical quantity sensor 100 and a configuration for detecting a change in the resonance frequency.

物理量センサー100の梁20は、振動モードごとに複数の共振周波数を有する。たとえば、図7に示すように、kHzの範囲の周波数領域に、屈曲モードの共振周波数(f1、f2)を有し、MHzの範囲の周波数領域に、厚みすべりモードの共振周波数(f3、f4)を有する。また、両モードの共振周波数はそれぞれ一つには限られず、図示のように、各周波数領域でC.I.値の小さい(効率の高い)共振周波数(f1、f4)と、C.I.値の大きい(効率の低い)共振周波数(f2、f3)とが存在する。図示の例では、f1〜f4の共振周波数を描いているが、共振周波数の数や順序は、梁20の微細な形状などによりランダムに生じることが一般的である。また各共振周波数は、温度等の環境の変化がないかぎり、一定の値となり、各梁20(物理量センサー100)が有する特性値としての性格を有する。   The beam 20 of the physical quantity sensor 100 has a plurality of resonance frequencies for each vibration mode. For example, as shown in FIG. 7, the resonant frequency (f1, f2) of the bending mode is present in the frequency range of kHz, and the resonant frequency (f3, f4) of the thickness shear mode is present in the frequency region of MHz. Have In addition, the resonance frequency of both modes is not limited to one, and as shown in FIG. I. A small (highly efficient) resonance frequency (f1, f4); I. There are resonance frequencies (f2, f3) with large values (low efficiency). In the illustrated example, the resonance frequencies f1 to f4 are illustrated, but the number and order of the resonance frequencies are generally generated randomly depending on the fine shape of the beam 20 and the like. Each resonance frequency has a constant value as long as there is no change in the environment such as temperature, and has a character as a characteristic value possessed by each beam 20 (physical quantity sensor 100).

物理量センサー100が、図7に示したようなインピーダンス曲線を有する場合、図8に示すような等価回路を考えることができる。図8において、Cは、上部電極32と下部電極34の間の静電容量を示す。図8には、図7に示した共振周波数(f1、f2、f3、f4)に対応する等価回路を並列に描いてあり、各等価回路の抵抗r1〜r4の大きさが、各共振周波数におけるC.I.値であると考えることができる。したがって、ここでは抵抗r1およびr4は、抵抗r2およびr3よりも小さい値を有するものと考える。 When the physical quantity sensor 100 has an impedance curve as shown in FIG. 7, an equivalent circuit as shown in FIG. 8 can be considered. In FIG. 8, C 0 indicates a capacitance between the upper electrode 32 and the lower electrode 34. In FIG. 8, equivalent circuits corresponding to the resonance frequencies (f1, f2, f3, f4) shown in FIG. 7 are drawn in parallel, and the magnitudes of the resistors r1 to r4 of each equivalent circuit are shown at each resonance frequency. C. I. Can be considered a value. Therefore, it is assumed here that the resistors r1 and r4 have a smaller value than the resistors r2 and r3.

物理量センサー100による加速度や力などの検出は、一例として、図8に示すように、低周波用OSC回路および周波数カウンターを用いて行うことができる。低周波用OSC回路は、物理量センサー100を効率のよい共振周波数f1で駆動する。共振周波数f1で駆動された状態では梁20は、屈曲振動している。そして、物理量センサー100が加速度や力を受けると屈曲振動の共振周波数f1が変化する。この変化を周波数カウンターで検出して物理量センサー100が受けた加速度や力などを知ることができる。   As an example, detection of acceleration, force, and the like by the physical quantity sensor 100 can be performed using a low-frequency OSC circuit and a frequency counter as shown in FIG. The low frequency OSC circuit drives the physical quantity sensor 100 at an efficient resonance frequency f1. In the state driven at the resonance frequency f1, the beam 20 is bending-vibrated. When the physical quantity sensor 100 receives acceleration or force, the resonance frequency f1 of the bending vibration changes. By detecting this change with a frequency counter, the acceleration or force received by the physical quantity sensor 100 can be known.

一方、物理量センサー100による温度などの検出は、一例として、図8に示すように、高周波用OSC回路および周波数カウンターを用いて行うことができる。高周波用OSC回路は、物理量センサー100を効率のよい共振周波数f4で駆動する。共振周波数f4で駆動された状態では梁20は、厚みすべり振動している。そして、物理量センサー100の温度が変化すると厚みすべり振動の共振周波数f4が変化する。この変化を周波数カウンターで検出して物理量センサー100の温度(物理量)を知ることができる。   On the other hand, detection of the temperature or the like by the physical quantity sensor 100 can be performed by using a high frequency OSC circuit and a frequency counter as shown in FIG. The high frequency OSC circuit drives the physical quantity sensor 100 at an efficient resonance frequency f4. In the state driven at the resonance frequency f4, the beam 20 vibrates in thickness. When the temperature of the physical quantity sensor 100 changes, the resonance frequency f4 of the thickness shear vibration changes. By detecting this change with a frequency counter, the temperature (physical quantity) of the physical quantity sensor 100 can be known.

なお、図8の例では、物理量センサー100に接続される低周波用OSC回路と高周波用OSC回路は、スイッチによって切り替えているが、上述の機能を有する限り、自由な回路構成が可能である。   In the example of FIG. 8, the low-frequency OSC circuit and the high-frequency OSC circuit connected to the physical quantity sensor 100 are switched by switches, but any circuit configuration is possible as long as it has the above-described functions.

図8のような回路構成を採ると、測定対象となる物理量、すなわち、力学的な量(加速度または力)と、温度と、を簡単に切り替えることができる。そのため、たとえば、1つの物理量センサー100によって複数種の物理量を検出することが可能である。   When the circuit configuration as shown in FIG. 8 is adopted, a physical quantity to be measured, that is, a mechanical quantity (acceleration or force) and temperature can be easily switched. Therefore, for example, a single physical quantity sensor 100 can detect a plurality of types of physical quantities.

また、物理量センサー100によって測定される温度は、物理量センサー100自体の温度であり、測定された温度を用いて、物理量センサー100自体の校正を行うことができる。すなわち、物理量センサー100自体の温度を測定し、当該温度を用いて物理量センサー100によって測定される加速度や力などの値を補正することができる。これにより物理量センサー100の測定精度をさらに高めることができる。   The temperature measured by the physical quantity sensor 100 is the temperature of the physical quantity sensor 100 itself, and the physical quantity sensor 100 itself can be calibrated using the measured temperature. In other words, the temperature of the physical quantity sensor 100 itself can be measured, and values such as acceleration and force measured by the physical quantity sensor 100 can be corrected using the temperature. Thereby, the measurement accuracy of the physical quantity sensor 100 can be further increased.

以上説明した本実施形態の物理量センサー100は、両端が支持された1本の梁20を有するため測定感度が高い。その上、本実施形態の物理量センサー100は、梁20の上面および下面にそれぞれ上部電極32および下部電極34を有し、梁20の側面に電極を形成する必要がないため、製造が容易である。   The physical quantity sensor 100 of the present embodiment described above has a high measurement sensitivity because it has one beam 20 supported at both ends. In addition, the physical quantity sensor 100 according to the present embodiment has the upper electrode 32 and the lower electrode 34 on the upper surface and the lower surface of the beam 20, respectively, and it is not necessary to form electrodes on the side surfaces of the beam 20. .

1.3.変形例
図9は、本実施形態の変形例にかかる物理量センサー200の上面図である。図10は、本実施形態の変形例にかかる物理量センサー200を模式的に示す断面図である。図9のB−B線の断面は、図10に相当する。図11は、本実施形態の他の変形例にかかる物理量センサー300の上面図である。図12は、本実施形態の他の変形例にかかる物理量センサー300を模式的に示す断面図である。図11のC−C線の断面は、図12に相当する。
1.3. Modification FIG. 9 is a top view of a physical quantity sensor 200 according to a modification of the present embodiment. FIG. 10 is a cross-sectional view schematically showing a physical quantity sensor 200 according to a modification of the present embodiment. A cross section taken along line BB in FIG. 9 corresponds to FIG. FIG. 11 is a top view of a physical quantity sensor 300 according to another modification of the present embodiment. FIG. 12 is a cross-sectional view schematically showing a physical quantity sensor 300 according to another modification of the present embodiment. A cross section taken along line CC in FIG. 11 corresponds to FIG.

変形例にかかる物理量センサー200は、基体10と、梁20と、上部電極32および下部電極34と、を含む。物理量センサー200は、基体10の形状が異なる以外は、上述の物理量センサー100と同様であるため、基体10以外の部材については、物理量センサー100と同じ符号を付し、詳細な説明を省略する。   A physical quantity sensor 200 according to the modification includes a base body 10, a beam 20, an upper electrode 32, and a lower electrode 34. Since the physical quantity sensor 200 is the same as the physical quantity sensor 100 described above except that the shape of the base 10 is different, members other than the base 10 are denoted by the same reference numerals as those of the physical quantity sensor 100, and detailed description thereof is omitted.

物理量センサー200の基体10の材質、平面的な外形形状、開口部12等は、物理量センサー100と同様である。図9および図10に示すように、物理量センサー200は、基体10の枠部14のうち、梁20に並行して延びている部位に、厚み方向に切り欠かれた構成のくびれ部16が形成されている。くびれ部16では、基体10の厚みは他の部位よりも小さくなっている。そのため、くびれ部16を有することによって、基体10の±Y方向への撓みをより発生させやすくすることができる。これにより、物理量センサー200の加速度または力に対する測定感度を高めることができる。   The material of the base 10 of the physical quantity sensor 200, the planar outer shape, the opening 12 and the like are the same as those of the physical quantity sensor 100. As shown in FIGS. 9 and 10, in the physical quantity sensor 200, a constricted portion 16 that is cut out in the thickness direction is formed in a portion of the frame portion 14 of the base body 10 that extends in parallel with the beam 20. Has been. In the constricted portion 16, the thickness of the base 10 is smaller than that of other portions. Therefore, by having the constricted portion 16, the base 10 can be more easily bent in the ± Y direction. Thereby, the measurement sensitivity with respect to the acceleration or force of the physical quantity sensor 200 can be increased.

くびれ部16が設けられる位置は、基体10の撓みが±X方向の成分を含まないようにするために、梁20に対して対称的な位置に設けられることが好ましい。また、くびれ部16は、基体10の撓みを大きくするために、物理量センサー200の固定端側に近いほうに設けられることが好ましい。   The position at which the constricted portion 16 is provided is preferably provided at a symmetrical position with respect to the beam 20 so that the bending of the base 10 does not include a component in the ± X direction. Further, the constricted portion 16 is preferably provided closer to the fixed end side of the physical quantity sensor 200 in order to increase the bending of the base body 10.

くびれ部16の形状は、図示の例では、基体10の上面および下面から厚み方向に切り欠いているがこれに限定されない。たとえば、くびれ部16は、基体10の上面または下面の片側から切り欠かれて設けられてもよい。梁20が、基体10の厚み方向において上面側に偏って設けられている場合には、くびれ部16は、基体10の上面側から切り欠かれて設けられることがより好ましい。このようにすれば、基体10の撓みによる梁20の圧縮または伸張の作用をさらに高めることができる。なお、くびれ部16を横断するように配線40を設けることができる。   In the illustrated example, the shape of the constricted portion 16 is notched in the thickness direction from the upper surface and the lower surface of the base body 10, but is not limited thereto. For example, the constricted portion 16 may be provided by being cut out from one side of the upper surface or the lower surface of the base body 10. When the beam 20 is provided so as to be biased toward the upper surface side in the thickness direction of the base body 10, the constricted portion 16 is more preferably cut out from the upper surface side of the base body 10. In this way, the action of compression or expansion of the beam 20 due to the bending of the base body 10 can be further enhanced. The wiring 40 can be provided so as to cross the constricted portion 16.

図11および図12は、他の変形例にかかる物理量センサー300を模式的に示す図である。他の変形例にかかる物理量センサー300は、基体10と、梁20と、上部電極32および下部電極34と、を含む。物理量センサー300は、カウンタービーム22を有する以外は、上述の物理量センサー100と同様であるため、カウンタービーム22以外の部材については、物理量センサー100と同じ符号を付し、詳細な説明を省略する。   11 and 12 are diagrams schematically illustrating a physical quantity sensor 300 according to another modification. A physical quantity sensor 300 according to another modification includes a base body 10, a beam 20, an upper electrode 32, and a lower electrode 34. Since the physical quantity sensor 300 is the same as the above-described physical quantity sensor 100 except that it includes the counter beam 22, members other than the counter beam 22 are denoted by the same reference numerals as those of the physical quantity sensor 100, and detailed description thereof is omitted.

カウンタービーム22は、梁20の根本から突出して梁20に並行して梁20の中央領域側へ延びるように設けられる。図示の例では、カウンタービーム22は、基体10と連続する形状で梁20の根本から突出しているが、基体10に連続せずに、梁20の側面から突出していてもよい(図示せず)。カウンタービーム22は、片持ち梁状の形状を有することが好ましい。カウンタービーム22が、梁20と同様の両持ち梁状に設けられると、物理量センサー300に加速度または力が加わった際に、梁20に生じる圧縮または伸張の応力が小さくなってしまうことがある。また、カウンタービーム22は、偶数本設けられることが好ましい。このようにすれば、物理量センサー300のZ方向周りに生じる回転のモーメントを抑制することができる。カウンタービーム22は、梁20に対して対称的に設けられることが好ましい。図11に示す例では、片持ち梁状のカウンタービーム22が、梁20に沿って、かつ梁20に関して対称的に4本設けられている。カウンタービーム22は、梁20の質量の変位を相殺できるような質量を有することが好ましい。カウンタービーム22には、図示しない重りや配線が設けられてもよい。   The counter beam 22 is provided so as to protrude from the root of the beam 20 and extend toward the central region of the beam 20 in parallel with the beam 20. In the illustrated example, the counter beam 22 protrudes from the base of the beam 20 in a shape that is continuous with the base body 10, but may protrude from the side surface of the beam 20 without being continuous with the base body 10 (not shown). . The counter beam 22 preferably has a cantilever shape. When the counter beam 22 is provided in the form of a doubly supported beam similar to the beam 20, when acceleration or force is applied to the physical quantity sensor 300, compression or expansion stress generated in the beam 20 may be reduced. It is preferable that an even number of counter beams 22 be provided. In this way, the moment of rotation generated around the Z direction of the physical quantity sensor 300 can be suppressed. The counter beam 22 is preferably provided symmetrically with respect to the beam 20. In the example shown in FIG. 11, four cantilevered counter beams 22 are provided along the beam 20 and symmetrically with respect to the beam 20. The counter beam 22 preferably has a mass that can offset the mass displacement of the beam 20. The counter beam 22 may be provided with a weight or wiring not shown.

カウンタービーム22の機能の一つとしては、梁20が±Y方向に屈曲振動する際の質量の変位を相殺することが挙げられる。カウンタービーム22は、いずれも、±Y方向に変位の成分を有して振動することができる。図12に矢印で示すように、カウンタービーム22は、梁20とは互いに逆方向に変位して振動する。そのため、梁20が屈曲振動するとき、±Y方向への質量の変位が互いに相殺されて物理量センサー300全体の質量の±Y方向の変位成分を小さくすることができる。すなわち、カウンタービーム22を有すると、物理量センサー300の振動漏れを減少させることができる。   One of the functions of the counter beam 22 is to cancel the mass displacement when the beam 20 bends and vibrates in the ± Y direction. Each of the counter beams 22 can vibrate with a displacement component in the ± Y direction. As indicated by arrows in FIG. 12, the counter beam 22 is displaced in a direction opposite to the beam 20 and vibrates. Therefore, when the beam 20 bends and vibrates, the mass displacement in the ± Y direction cancels each other, and the displacement component in the ± Y direction of the mass of the entire physical quantity sensor 300 can be reduced. That is, when the counter beam 22 is provided, vibration leakage of the physical quantity sensor 300 can be reduced.

以上例示した変形例は、組み合わせが可能であり、また、本実施形態のみならず、他の実施形態に対しても自由に適用することができる。   The modifications exemplified above can be combined, and can be freely applied not only to this embodiment but also to other embodiments.

2.第2実施形態
2.1.物理量センサー
図13は、本実施形態にかかる物理量センサー400を模式的に示す上面図である。図4は、本実施形態にかかる物理量センサー400を模式的に示す断面図である。図13のD−D線の断面は、図14に相当する。
2. Second Embodiment 2.1. Physical Quantity Sensor FIG. 13 is a top view schematically showing a physical quantity sensor 400 according to the present embodiment. FIG. 4 is a cross-sectional view schematically showing the physical quantity sensor 400 according to the present embodiment. A cross section taken along line DD in FIG. 13 corresponds to FIG.

本実施形態の物理量センサー400は、基体60と、梁20と、上部電極32および下部電極34と、を含む。物理量センサー400は、基体60の形状および梁20が設けられる態様が異なる以外は、第1実施形態の物理量センサー100と同様であるため、基体60および梁20以外の部材については、物理量センサー100と同じ符号を付し、詳細な説明を省略する。   The physical quantity sensor 400 of this embodiment includes a base body 60, a beam 20, an upper electrode 32, and a lower electrode 34. The physical quantity sensor 400 is the same as the physical quantity sensor 100 of the first embodiment except that the shape of the base body 60 and the manner in which the beam 20 is provided are different. Therefore, members other than the base body 60 and the beam 20 are the same as the physical quantity sensor 100. The same reference numerals are given and detailed description is omitted.

本実施形態の物理量センサー400の基体60は、XZ平面に展開される平板状の形状を有する。基体60は、加えられた外力によって厚み方向(±Y方向)に撓むような可撓性を有する。基体60の材質としては、たとえば、水晶、シリコン、各種の金属等の無機材料、ポリイミド等の有機材料を挙げることができる。本実施形態では、梁20は、基体60と別体で形成されたあと、基体60に接合されることができる。したがって、基体60の材質と、梁20の材質とは異なっていてもよい。   The base body 60 of the physical quantity sensor 400 of the present embodiment has a flat plate shape developed on the XZ plane. The base body 60 has such flexibility that it bends in the thickness direction (± Y direction) by the applied external force. Examples of the material of the base 60 include inorganic materials such as crystal, silicon, and various metals, and organic materials such as polyimide. In the present embodiment, the beam 20 can be formed separately from the base body 60 and then joined to the base body 60. Therefore, the material of the base body 60 and the material of the beam 20 may be different.

基体60の平面的な外形は、図示の例では矩形であるがこれに限定されない。基体60には、図示しない重りが形成されていてもよい。基体60に重りを形成すると、基体60の撓み量を調節することができ、たとえば、物理量センサー300の測定感度を高めることができる。   The planar outer shape of the base body 60 is rectangular in the illustrated example, but is not limited thereto. The base body 60 may be formed with a weight (not shown). When a weight is formed on the base body 60, the amount of bending of the base body 60 can be adjusted. For example, the measurement sensitivity of the physical quantity sensor 300 can be increased.

基体60は、上面に少なくとも2つの突部62を有する。突部62の機能の一つとしては、梁20の両端を2つの突部62によって支持して、梁20を2つの突部62の間で架橋させることが挙げられる。突部62の形状は、梁20を基体10の上面に接触しないように支持できるかぎり任意である。突部62の形状は、たとえば、直方体とすることができる。図13および図14の例では、基体60は上面に段差状に形成された2つの突部62が形成されている。   The base body 60 has at least two protrusions 62 on the upper surface. One of the functions of the protrusion 62 is to support both ends of the beam 20 with the two protrusions 62 and bridge the beam 20 between the two protrusions 62. The shape of the protrusion 62 is arbitrary as long as the beam 20 can be supported so as not to contact the upper surface of the base 10. The shape of the protrusion 62 can be a rectangular parallelepiped, for example. In the example of FIGS. 13 and 14, the base body 60 has two protrusions 62 formed in a stepped shape on the upper surface.

本実施形態では、梁20は、基体60の突部62に両端が支持され、基体60の上面から離間されて架橋している。また、基体60の上で梁20が形成される平面的な位置は、第1実施形態と同様に任意であり、たとえば、基体60が力を受けて撓んだときに、梁20の長手方向の引張または圧縮の応力が生じるように配置することができる。梁20の平面的な配置は、図示の例では、基体60の±X方向の中心を通り、±Z方向に梁20の長手方向が沿うように設けられている。梁20は、基体60に接着剤等によって固定されることができる。また、梁20の両端には、図示のような、基体60に固定するための基部24が形成されていてもよい。さらに、基部24の厚みは、梁20の厚みよりも大きくてもよい。   In the present embodiment, both ends of the beam 20 are supported by the protrusions 62 of the base body 60 and are separated from the upper surface of the base body 60 to be bridged. Further, the planar position where the beam 20 is formed on the base body 60 is arbitrary as in the first embodiment. For example, when the base body 60 is bent by receiving a force, the longitudinal direction of the beam 20 is determined. Can be arranged to produce a tensile or compressive stress. In the illustrated example, the planar arrangement of the beams 20 passes through the center of the base body 60 in the ± X direction and is provided so that the longitudinal direction of the beams 20 extends along the ± Z direction. The beam 20 can be fixed to the base body 60 with an adhesive or the like. Moreover, the base 24 for fixing to the base | substrate 60 like illustration may be formed in the both ends of the beam 20. As shown in FIG. Furthermore, the thickness of the base portion 24 may be larger than the thickness of the beam 20.

なお、図13および図14の例では、基体60は、梁20の両端を支持する2つの突部62の間に、梁20と交差する方向(±X方向)に延びる形状のくびれ部64を有している。くびれ部64は、第1実施形態の変形例で述べたくびれ部16と実質的に同様であり、同様の効果を有することができる。   In the example of FIGS. 13 and 14, the base body 60 has a constricted portion 64 having a shape extending in a direction (± X direction) intersecting the beam 20 between two protrusions 62 that support both ends of the beam 20. Have. The constricted portion 64 is substantially the same as the constricted portion 16 described in the modification of the first embodiment, and can have the same effect.

梁20は、物理量センサー400の振動部として機能することができる。梁20の形状、材質等の詳細については、第1実施形態と同様である。   The beam 20 can function as a vibration unit of the physical quantity sensor 400. The details of the shape and material of the beam 20 are the same as those in the first embodiment.

2.2.物理量センサーの動作
物理量センサー400の動作等は、実質的に第1実施形態で述べたと同様である。すなわち、片持ち梁状に固定された物理量センサー400に対して、加速度または力が印加されると、固定端を基準として、片持ち梁の自由端側が撓む。すると梁20は、物理量センサー400の上面よりも上方に形成されているため、梁20には、伸張または圧縮の応力が発生する。これにより加速度または力を加えられたときに生ずる共振周波数と基準周波数との差とから加速度の大きさを測定することができる。
2.2. Operation of Physical Quantity Sensor The operation of the physical quantity sensor 400 is substantially the same as described in the first embodiment. That is, when acceleration or force is applied to the physical quantity sensor 400 fixed in a cantilever shape, the free end side of the cantilever beam bends with respect to the fixed end. Then, since the beam 20 is formed above the upper surface of the physical quantity sensor 400, an elongation or compression stress is generated in the beam 20. As a result, the magnitude of acceleration can be measured from the difference between the resonance frequency generated when acceleration or force is applied and the reference frequency.

物理量センサー400は、加速度、力等の物理量が加えられた際に、物理量センサー400が±Y方向に撓み、梁20の共振周波数が変化する。そのため、共振周波数の変化から、物理量センサー400に加わった物理量をただちに把握することができる。   In the physical quantity sensor 400, when a physical quantity such as acceleration or force is applied, the physical quantity sensor 400 bends in the ± Y direction, and the resonance frequency of the beam 20 changes. Therefore, the physical quantity applied to the physical quantity sensor 400 can be immediately grasped from the change in the resonance frequency.

以上説明した本実施形態の物理量センサー400は、両端が支持された1本の梁20を有するため測定感度が高い。その上、本実施形態の物理量センサー100は、梁20の上面および下面にそれぞれ上部電極32および下部電極34を有し、梁20の側面に電極を形成する必要がないため、製造が容易である。   The physical quantity sensor 400 of the present embodiment described above has a high measurement sensitivity because it has one beam 20 supported at both ends. In addition, the physical quantity sensor 100 according to the present embodiment has the upper electrode 32 and the lower electrode 34 on the upper surface and the lower surface of the beam 20, respectively, and it is not necessary to form electrodes on the side surfaces of the beam 20. .

3.物理量測定装置
本発明にかかる物理量測定装置は、検出部と、上述した実施形態の物理量センサーのいずれか1つを有している。図15は、物理量測定装置の一例である物理量測定装置1000を模式的に示す断面図である。
3. Physical Quantity Measuring Device The physical quantity measuring device according to the present invention includes any one of a detection unit and the physical quantity sensor of the above-described embodiment. FIG. 15 is a cross-sectional view schematically showing a physical quantity measuring apparatus 1000 that is an example of a physical quantity measuring apparatus.

物理量測定装置1000は、図15に示すように、たとえば、パッケージベース510およびリッド520からなるパッケージ500内に、物理量センサー100と、検出部600とが封止されたものとすることができる。   As shown in FIG. 15, the physical quantity measuring device 1000 may be configured such that, for example, the physical quantity sensor 100 and the detection unit 600 are sealed in a package 500 including a package base 510 and a lid 520.

パッケージベース510は、物理量センサー100を収容することができる容器状の形状を有する。パッケージベース510の平面的な形状、および容器としての深さ等は、任意である。パッケージベース510の上部は、物理量センサー100をパッケージベース510の内部に入れることができる程度の開口を有している。パッケージベース510の開口は、リッド520によって気密封止されることができる。パッケージベース510の材質は、セラミック、ガラス等の無機材料であることができる。   The package base 510 has a container shape that can accommodate the physical quantity sensor 100. The planar shape of the package base 510 and the depth as a container are arbitrary. The upper portion of the package base 510 has an opening that allows the physical quantity sensor 100 to be placed inside the package base 510. The opening of the package base 510 can be hermetically sealed by the lid 520. The material of the package base 510 can be an inorganic material such as ceramic or glass.

リッド520は、パッケージベース510の上部の開口を封止する平板形状を有する。リッド520の平面形状は、パッケージベース510の開口を封止できるかぎり任意である。リッド520の材質としては、セラミック、ガラス、金属等が挙げられる。パッケージベース510とリッド520との接着は、たとえば、プラズマ溶接、シーム溶接、超音波接合、または接着剤等を用いて行われることができる。パッケージベース510およびリッド520によって形成されるパッケージ500内のキャビティー(空間)は、物理量センサー100を片持ち梁状に保持するための空間となる。また、キャビティーは、密閉されることができるため、物理量センサー100を減圧空間や不活性ガス雰囲気に設置することができる。   The lid 520 has a flat plate shape that seals the upper opening of the package base 510. The planar shape of the lid 520 is arbitrary as long as the opening of the package base 510 can be sealed. Examples of the material of the lid 520 include ceramic, glass, metal, and the like. The bonding between the package base 510 and the lid 520 can be performed using, for example, plasma welding, seam welding, ultrasonic bonding, or an adhesive. A cavity (space) in the package 500 formed by the package base 510 and the lid 520 is a space for holding the physical quantity sensor 100 in a cantilever shape. Further, since the cavity can be sealed, the physical quantity sensor 100 can be installed in a reduced pressure space or an inert gas atmosphere.

物理量センサー100は、図示のように、たとえば接着剤530を用いて、パッケージベース520内の底面に片持ち梁状に固定されることができる。また物理量センサー100は、例示した配置の他、物理量測定装置1000の測定対象である加速度または力の方向に対応するように、パッケージ500内で自由に配置されることができる。   As illustrated, the physical quantity sensor 100 can be fixed in a cantilever shape to the bottom surface of the package base 520 using, for example, an adhesive 530. Further, the physical quantity sensor 100 can be freely arranged in the package 500 so as to correspond to the direction of acceleration or force that is a measurement target of the physical quantity measuring apparatus 1000 in addition to the exemplified arrangement.

検出部600は、物理量センサー100を駆動し、梁20の屈曲振動または厚みすべり振動の共振周波数の変化を検出することができる。検出部600は、たとえば、第1実施形態で述べた回路構成を有するICチップで構成することができる。検出部600は、パッケージ500内で、ボンディングワイヤー700等を介して物理量センサー100の配線40に電気的に接続されることができる。また、パッケージベース520にスルーホールを設けて、パッケージ500内の配線等と、パッケージベース520の下面の外部電極710とを接続することができる。外部電極710は、物理量測定装置1000の外部端子として機能することができる。   The detection unit 600 can drive the physical quantity sensor 100 and detect a change in the resonance frequency of the bending vibration or thickness shear vibration of the beam 20. The detection unit 600 can be configured by an IC chip having the circuit configuration described in the first embodiment, for example. The detection unit 600 can be electrically connected to the wiring 40 of the physical quantity sensor 100 via the bonding wire 700 or the like in the package 500. In addition, a through hole can be provided in the package base 520 to connect the wiring in the package 500 and the external electrode 710 on the lower surface of the package base 520. The external electrode 710 can function as an external terminal of the physical quantity measuring apparatus 1000.

以上例示したような物理量測定装置1000は、物理量センサー100を含んでいるため、加速度、力、温度等の物理量を高感度に測定することができる。   Since the physical quantity measuring apparatus 1000 as exemplified above includes the physical quantity sensor 100, physical quantities such as acceleration, force, temperature, etc. can be measured with high sensitivity.

本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、さらに種々の変形が可能である。たとえば、本発明は、実施形態で説明した構成と実質的に同一の構成(たとえば、機能、方法および結果が同一の構成、あるいは目的および効果が同一の構成)を含む。また、本発明は、実施形態で説明した構成の本質的でない部分を置き換えた構成を含む。また、本発明は、実施形態で説明した構成と同一の作用効果を奏する構成または同一の目的を達成することができる構成を含む。また、本発明は、実施形態で説明した構成に公知技術を付加した構成を含む。   The present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications can be made. For example, the present invention includes configurations that are substantially the same as the configurations described in the embodiments (for example, configurations that have the same functions, methods, and results, or configurations that have the same purposes and effects). In addition, the present invention includes a configuration in which a non-essential part of the configuration described in the embodiment is replaced. In addition, the present invention includes a configuration that achieves the same effect as the configuration described in the embodiment or a configuration that can achieve the same object. Further, the invention includes a configuration in which a known technique is added to the configuration described in the embodiment.

10,60…基体、12…開口部、14…枠部、14a…外周部、14b…薄肉部、
14c…傾斜部、16,64…くびれ部、20…梁、22…カウンタービーム、
24…基部、32,32a,32b…上部電極、34,34a,34b…下部電極、
40a,40b…配線、42,42a,42b…パッド、50…基台、
52,530…接着剤、62…突部、
100,200,300,400…物理量センサー、500…パッケージ、
510…パッケージベース、520…リッド、600…検出部、
700…ボンディングワイヤー、710…外部電極、1000…物理量測定装置
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10,60 ... Base | substrate, 12 ... Opening part, 14 ... Frame part, 14a ... Outer peripheral part, 14b ... Thin-walled part,
14c ... inclined part, 16, 64 ... constricted part, 20 ... beam, 22 ... counter beam,
24 ... base, 32, 32a, 32b ... upper electrode, 34, 34a, 34b ... lower electrode,
40a, 40b ... wiring, 42, 42a, 42b ... pad, 50 ... base,
52,530 ... adhesive, 62 ... projection,
100, 200, 300, 400 ... physical quantity sensor, 500 ... package,
510 ... Package base, 520 ... Lid, 600 ... Detection part,
700 ... Bonding wire, 710 ... External electrode, 1000 ... Physical quantity measuring device

Claims (8)

基体と、
前記基体に両端が支持され、厚み方向に電界が印加されたときに厚みすべり歪みを生じる梁と、
前記梁を厚み方向に挟み、前記梁の中央領域を避けて、前記梁の上面および下面に形成された上部電極および下部電極と、
を含み、
前記基体は、前記基体に加えられた外力によって前記厚み方向に撓むような可撓性を有し、
前記梁は、前記上部電極および前記下部電極に駆動信号が印加されたときに生じる厚みすべり振動によって屈曲振動を生じる、物理量センサー。
A substrate;
Beams that are supported at both ends by the substrate and cause thickness-slip distortion when an electric field is applied in the thickness direction;
Sandwiching the beam in the thickness direction, avoiding the central region of the beam, upper and lower electrodes formed on the upper and lower surfaces of the beam; and
Including
The base body has flexibility such that it is bent in the thickness direction by an external force applied to the base body,
The physical quantity sensor in which the beam generates bending vibration by thickness shear vibration generated when a driving signal is applied to the upper electrode and the lower electrode.
請求項1において、
前記基体は、周囲を枠部が取り囲んだ開口部を有するフレーム状の形状であり、
前記梁は、前記基体の前記枠部に両端が支持され、前記開口部の内側で架橋している、物理量センサー。
In claim 1,
The base body has a frame-like shape having an opening part surrounded by a frame part,
The beam is a physical quantity sensor in which both ends are supported by the frame portion of the base and are bridged inside the opening.
請求項2において、
前記基体は、前記枠部の前記梁と並行する部分に前記厚み方向に切り欠いて構成したくびれ部を有する、物理量センサー。
In claim 2,
The physical body sensor is a physical quantity sensor having a constricted portion formed by cutting out in the thickness direction at a portion parallel to the beam of the frame portion.
請求項1において、
前記基体は、上面に少なくとも2つの突部を有する平板状の形状であり、
前記梁は、2つの前記突部に両端が支持され、前記2つの突部の間で架橋している、物理量センサー。
In claim 1,
The base body has a flat plate shape having at least two protrusions on the upper surface,
Both ends of the beam are supported by the two protrusions, and the beam is bridged between the two protrusions.
請求項4において、
前記基体は、前記梁の両端を支持する2つの前記突部の間に、前記梁と交差する方向に延びる形状のくびれ部を有する、物理量センサー。
In claim 4,
The said base | substrate has a constriction part of the shape extended in the direction which cross | intersects the said beam between the two said protrusions which support the both ends of the said beam.
請求項1ないし請求項5のいずれか一項において、
さらに、前記梁の根本から突出して前記梁に並行して前記梁の中央領域側へ延びるカウンタービームを有し、
前記カウンタービームは、前記梁の前記屈曲振動における質量の変位を相殺するように変位する、物理量センサー。
In any one of Claims 1 thru | or 5,
And a counter beam that protrudes from the base of the beam and extends in parallel to the beam toward the central region of the beam,
The physical quantity sensor, wherein the counter beam is displaced so as to cancel the mass displacement in the bending vibration of the beam.
請求項1ないし請求項6のいずれか一項において、
前記梁の前記厚みすべり振動の周波数が物理量を検出するための信号である、物理量センサー。
In any one of Claims 1 thru | or 6,
A physical quantity sensor, wherein the thickness shear vibration frequency of the beam is a signal for detecting a physical quantity.
請求項1ないし請求項8のいずれか一項に記載の物理量センサーと、
前記梁の前記屈曲振動または前記厚みすべり振動の周波数の変化を検出する検出部と、
を有する、物理量測定装置。
A physical quantity sensor according to any one of claims 1 to 8,
A detection unit for detecting a change in frequency of the bending vibration or the thickness shear vibration of the beam;
A physical quantity measuring device.
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