JP2011164042A - Physical quantity sensor - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、物体に働く歪や荷重を検出する物理量センサに関するものである。 The present invention relates to a physical quantity sensor that detects strain and load acting on an object.
一般に、物体に働く歪や荷重を検出する物理量センサとしては、図5(a)(b)に示すようなものが知られている(特許文献1参照)。図5(a)は従来の物理量センサの斜視図である。この図5(a)において、1は水晶片2からなる振動子で、座標軸X、Y、ZのX−Z面を主面とするZ方向の両端部両主面にそれぞれ対をなす電極3,3´と電極4,4´を形成して、これらをそれぞれ第1の振動部、第2の振動部としているものである。そして、この振動子1は厚み、すなわちY方向を一定として略正方形状に加工され、かつ電極3,3´と電極4,4´はそれぞれ厚みすべり振動の主振動が励起されるX軸方向に長く形成されている。従って、第1の振動部と第2の振動部は同一の振動周波数で振動することになる。図5(b)はこの物理量センサを使用した圧力センサシステムの構成を示すブロック図を示したもので、この図5(b)において、5は被測定体、6は前記第1の振動部と接続した第1の発振回路、7は前記第2の振動部と接続した第2の発振回路、8はミキサ、9は演算回路、10は表示器である。
In general, as physical quantity sensors for detecting strain and load acting on an object, those shown in FIGS. 5A and 5B are known (see Patent Document 1). FIG. 5A is a perspective view of a conventional physical quantity sensor. In FIG. 5 (a),
図5(a)(b)において、被測定体5に装着した振動子1における第1の振動部にX方向の外力Q1が加わったとすると、第1の振動部には外力Q1と同方向の圧縮力q1が作用する。これと同時に振動子1における第2の振動部に前記外力Q1と反対方向の外力Q2が加わったとすると、第2の振動部には外力Q2と同方向の伸長力q2が作用する。これにより、第1の振動部には圧縮力q1による歪が発生し、第1の振動部を含む第1の発振回路6の発振周波数が例えば、f0からf0−f1に変化する。また、第2の振動部には伸長力q2による歪が発生し、第2の振動部を含む第2の発振回路7の発振周波数がf0からf0+f2に変化する。これら2つの発振回路の出力をミキサ8に入力すると、ミキサ8からこれら2つの発振回路の発振周波数の差△=(f0+f2)−(f0−f1)=f1+f2の周波数を有する信号が出力される。演算回路9はこの信号の周波数を重量値に換算して表示器10にデジタル値として表示させる。これにより、第1の振動部または第2の振動部のみを有する物理量センサを使用する場合よりも、大きな周波数差を得ることができるため、測定感度を高めることができる。さらに、温度変化による発振周波数の変動をキャンセルできるため、温度変化にかかわらず歪や荷重を正確に測定できるものである。
In FIG. 5 (a) (b), an external force to Q 1 X direction is applied to the first vibrating portion in the
なお、この出願の発明に関する先行技術文献情報としては、例えば、特許文献1が知られている。
As prior art document information relating to the invention of this application, for example,
しかしながら、図5(a)(b)に示した従来の物理量センサにおいては、第1の振動部と第2の振動部が互いに平行に配置されているため、この物理量センサを適用できる範囲がきわめて限定されるという問題点があった。図6(a)〜(c)を用いてこの問題点について説明する。図6(a)は図5(a)に示した従来の物理量センサの振動子1を、一端が固定され、かつ他端に鉛直上向きの外力が加えられている梁11の側面上に接続した状態を示す。このとき、前記振動子1は梁の中立面12を跨ぐように配置されているものとする。このような場合には、前記振動子1における第1の振動部には圧縮力が働くとともに、第2の振動部には伸長力が働くため、第1の振動部を含む第1の発振回路6の発振周波数は例えば、f0からf0−f1に変化する。また、第2の振動部を含む第2の発振回路7の発振周波数はf0からf0+f2に変化する。これら2つの発振回路の出力の差をとることにより、第1の振動部または第2の振動部のみを有する物理量センサを使用する場合よりも、大きな周波数差を得ることができるため、測定感度を高めることができる。さらに、温度変化による発振周波数の変動をキャンセルできるため、温度変化にかかわらず歪や荷重を正確に測定できるものである。
However, in the conventional physical quantity sensor shown in FIGS. 5A and 5B, the first vibration part and the second vibration part are arranged in parallel to each other. There was a problem of being limited. This problem will be described with reference to FIGS. FIG. 6 (a) connects the
図6(b)は従来の物理量センサの振動子1が、図6(a)に示した梁11の側面上で中立面12の上方に配置された状態を示す。このとき、前記振動子1における第1の振動部と第2の振動部の両方に圧縮力が働くため、第1の振動部を含む第1の発振回路6の発振周波数は例えば、f0からf0−f1に、第2の振動部を含む第2の発振回路7の発振周波数はf0からf0−f1´に変化する。しかしながら、これら2つの発振回路の出力の差は△=(f0−f1´)−(f0−f1)=f1−f1´となるため、第1の振動部または第2の振動部のみを有する物理量センサを使用する場合よりも、周波数差が小さくなり、測定感度は低下することになる。
FIG. 6B shows a state in which the
図6(c)は図5(a)に示した従来の物理量センサの振動子1を、一端が固定され、かつ他端に鉛直下向きの外力が加えられている柱13の側面上に配置した状態を示す。このとき、前記振動子1における第1の振動部と第2の振動部の両方にほぼ同一の圧縮力が働くため、第1の振動部を含む第1の発振回路6の発振周波数は例えば、f0からf0−f1に、第2の振動部を含む第2の発振回路7の発振周波数もf0からf0−f1に変化する。よって、これら2つの発振回路の出力の差は△=(f0−f1)−(f0−f1)=0となるため、外力の測定が不可能になってしまう。このように、従来の物理量センサの振動子1は互いに平行に配置された第1、第2の振動部の各々に互いに逆方向の外力が働くという特殊な場合以外では、歪や荷重の測定感度が低下したり、測定が可能になったりするため、この物理量センサを適用できる範囲がきわめて限定されるという問題点があった。
FIG. 6C shows the
本発明は上記従来の問題点を解決するもので、実質的にすべての被測定体に適用して、被測定体に働く歪や荷重を温度変化にかかわらず高感度で、かつ高精度に測定することができる物理量センサを提供することを目的とするものである。 The present invention solves the above-mentioned conventional problems, and is applied to virtually all measured objects to measure the strain and load acting on the measured objects with high sensitivity and high accuracy regardless of temperature changes. It is an object of the present invention to provide a physical quantity sensor that can be used.
上記目的を達成するために、本発明は以下の構成を有するものである。 In order to achieve the above object, the present invention has the following configuration.
本発明の請求項1に記載の発明は、外力により歪を生ずる起歪体と、前記起歪体上に配置され、かつ歪量に応じて振動周波数が変化する第1の梁状の振動部を有する第1の振動子と、前記起歪体上に配置され、かつ歪量に応じて振動周波数が変化する第2の梁状の振動部を有する第2の振動子とを備え、前記第1の振動子における第1の梁状の振動部の長手方向と第2の振動子における第2の梁状の振動部の長手方向を略直交させるとともに、前記第1の振動子の振動周波数と前記第2の振動子の振動周波数との差を検出することにより、前記起歪体に作用する力学量を検出するようにしたもので、この構成によれば、第1の振動子における第1の梁状の振動部の長手方向と第2の振動子における第2の梁状の振動部の長手方向を略直交させているため、起歪体に外力が加えられたとき、第1の振動子に働く力と第2の振動子に働く力の方向は常に逆方向となるものであり、そして、第1の振動子の振動周波数と第2の振動子の振動周波数との差を検出することにより、前記起歪体に作用する力学量を検出するようにしているため、実質的にすべての被測定体に適用することができ、これにより、被測定体に働く歪や荷重を温度変化にかかわらず高感度で、かつ高精度に測定することができるという作用効果を有するものである。
The invention according to
本発明の請求項2に記載の発明は、特に、第1の振動子と第2の振動子とを単一の半導体基板上に形成したもので、この構成によれば、物理量センサを小形化できるとともに、2つの振動子の実装ばらつきをなくすことができ、これにより、被測定体の微小部分に働く歪や荷重を温度変化にかかわらず高感度で、かつ高精度に測定することができるという作用効果を有するものである。 According to the second aspect of the present invention, the first vibrator and the second vibrator are formed on a single semiconductor substrate. According to this configuration, the physical quantity sensor can be miniaturized. In addition, the mounting variation of the two vibrators can be eliminated, and this makes it possible to measure the strain and load acting on the minute part of the measured object with high sensitivity and high accuracy regardless of temperature changes. It has a working effect.
以上のように本発明の物理量センサは、外力により歪を生ずる起歪体と、前記起歪体上に配置され、かつ歪量に応じて振動周波数が変化する第1の梁状の振動部を有する第1の振動子と、前記起歪体上に配置され、かつ歪量に応じて振動周波数が変化する第2の梁状の振動部を有する第2の振動子とを備え、前記第1の振動子における第1の梁状の振動部の長手方向と第2の振動子における第2の梁状の振動部の長手方向を略直交させるとともに、前記第1の振動子の振動周波数と前記第2の振動子の振動周波数との差を検出することにより、前記起歪体に作用する力学量を検出するようにしたもので、前記第1の振動子における第1の梁状の振動部の長手方向と第2の振動子における第2の梁状の振動部の長手方向を略直交させているため、前記起歪体に外力が加えられたとき、第1の振動子に働く力と第2の振動子に働く力の方向は常に逆方向となるものであり、そして、第1の振動子の振動周波数と第2の振動子の振動周波数との差を検出することにより、前記起歪体に作用する力学量を検出するようにしているため、実質的にすべての被測定体に適用することができ、これにより、被測定体に働く歪や荷重を温度変化にかかわらず高感度で、かつ高精度に測定することができるという優れた効果を奏するものである。 As described above, the physical quantity sensor of the present invention includes a strain generating body that generates strain due to an external force, and a first beam-shaped vibrating section that is arranged on the strain generating body and whose vibration frequency changes according to the strain amount. A first vibrator having a second beam-like vibrating portion that is disposed on the strain generating body and has a vibration frequency that changes according to the amount of strain. The longitudinal direction of the first beam-like vibration part in the vibrator of FIG. 5 and the longitudinal direction of the second beam-like vibration part in the second vibrator are substantially orthogonal, and the vibration frequency of the first vibrator and the A mechanical quantity acting on the strain-generating body is detected by detecting a difference from the vibration frequency of the second vibrator, and the first beam-like vibrating portion of the first vibrator. And the longitudinal direction of the second beam-like vibrating portion of the second vibrator are substantially orthogonal to each other. When an external force is applied to the strain generating body, the direction of the force acting on the first vibrator and the force acting on the second vibrator are always in opposite directions, and the vibration of the first vibrator Since the mechanical quantity acting on the strain generating body is detected by detecting the difference between the frequency and the vibration frequency of the second vibrator, it can be applied to substantially all measured objects. Thus, the strain and load acting on the measurement object can be measured with high sensitivity and high accuracy regardless of the temperature change.
(実施の形態1)
以下、実施の形態1を用いて、本発明の特に請求項1に記載の発明について説明する。図1(a)は本発明の実施の形態1における物理量センサの上面図、図1(b)は図1(a)のA部拡大図、図1(c)は図1(b)のB−B線断面図である。図1(a)〜(c)において、21は物理量センサ、22aは第1の振動子で、この第1の振動子22aはシリコン等の半導体基板をエッチング処理して形成され、かつ力学量の作用により固有振動数が変化する第1の梁状の振動部23aと、前記第1の梁状の振動部23aを取り囲み、前記第1の梁状の振動部23aの両端を支持している固定部24aとにより構成されている。また、前記第1の梁状の振動部23aの表面の中央部には順に下部電極、PZT等からなる圧電体層、上部電極からなる駆動素子25aが形成され、かつ前記第1の梁状の振動部23aの端部には同じく順に下部電極、PZT等からなる圧電体層、上部電極からなる検出素子26aが形成され、そして、前記駆動素子25a、検出素子26aは配線パターン(図示せず)によりランド27aに電気的に接続されている。
(Embodiment 1)
Hereinafter, the first aspect of the present invention will be described with reference to the first embodiment. 1A is a top view of the physical quantity sensor according to
上記と同様にして、22bは第2の振動子で、この第2の振動子22bはシリコン等の半導体基板をエッチング処理して形成され、かつ力学量の作用により固有振動数が変化する第2の梁状の振動部23bと、前記第2の梁状の振動部23bを取り囲み、前記第2の梁状の振動部23bの両端を支持している固定部24bとにより構成されている。また、前記第2の梁状の振動部23bの表面の中央部には順に下部電極、PZT等からなる圧電体層、上部電極からなる駆動素子25bが形成され、かつ前記第2の梁状の振動部23bの端部には同じく順に下部電極、PZT等からなる圧電体層、上部電極からなる検出素子26bが形成され、そして、前記駆動素子25b、検出素子26bは配線パターン(図示せず)によりランド27bに電気的に接続されている。
In the same manner as described above, 22b is a second vibrator, and this
そして、前記第1の振動子22aの底面は、起歪体28に発生する歪が第1の振動子22aに伝達されるようにAu−Au接合等の金属系接合材やエポキシ樹脂等の剛性を有する物質29aで接続固定されている。このとき、前記第1の振動子22aにおける梁状の振動部23aの長さ方向は前記起歪体28の長さ方向と略平行に配置されている。
The bottom surface of the
上記と同様にして、前記第2の振動子22bの底面は、起歪体28に発生する歪が第2の振動子22bに伝達されるようにAu−Au接合等の金属系接合材やエポキシ樹脂等の剛性を有する物質29bで接続固定されている。このとき、前記第2の振動子22bにおける梁状の振動部23bの長さ方向は前記起歪体28の幅方向と略平行に配置されているものである。
In the same manner as described above, the bottom surface of the
30は配線パターン(図示せず)により前記第1,第2の振動子22a,22bと電気的に接続された信号処理基板で、この信号処理基板30は前記起歪体28上に配置されている。このとき、前記起歪体28上に発生する歪が信号処理基板30に伝達されて信号処理基板30の機能が損なわれることのないように、信号処理基板30はシリコーン樹脂等の可撓性の大きい物質で起歪体28に接続されている。このように構成された物理量センサ21の起歪体28を被測定体(図示せず)に固定配置する。
上記構成において、信号処理基板30から第1の振動子22aの駆動素子25aに第1の梁状の振動部23aの固有振動数faに近接した周波数を持つ交流電圧が印加されると、駆動素子25aは第1の梁状の振動部23aの長手方向に伸縮振動を開始する。この伸縮振動によって第1の梁状の振動部23aは自身が持つ固有振動数faで上下に弦振動を開始する。この弦振動は検出素子26aによって受信され、そして、この検出素子26aから第1の梁状の振動部23aの固有振動数faと等しい周波数を持つ交流信号が発生する。この交流信号は信号処理基板30内で位相調整、増幅されて駆動素子25aにフィードバックされる。これにより、第1の梁状の振動部23aはその固有振動数faに等しい周波数で弦振動を持続する。同様にして、信号処理基板30の信号処理により、第2の梁状の振動部23bはその固有振動数fbに等しい周波数で弦振動を持続することになる。
In the above structure, when an AC voltage having a frequency close from the
図2(a)は、上記第1,第2の振動子22a,22bにおける第1,第2の梁状の振動部23a,23bが上下に弦振動している状態で、被測定体に外力が働いた時の第1,第2の振動子22a,22bの振動周波数の変化を示した図である。
FIG. 2A shows an external force applied to the measured object in a state where the first and second beam-like vibrating
今、起歪体28に長手方向の引張り力Fが印加されたとすると、起歪体28は長手方向に伸びるとともに、起歪体28のポアソン比に相当する長さだけ幅方向に縮む。これにより、前記第1の振動子22aにおける第1の梁状の振動部23aに伸張力が働くため、第1の振動子22aの振動周波数31aはfaからfa+fa´に上昇する。これと同時に、前記第2の振動子22bにおける第2の梁状の振動部23bには圧縮力が働くため、第2の振動子22bの振動周波数31bはfbからfb−fb´に低下することになる。上記とは逆に、起歪体28に長手方向の圧縮力−Fが印加されたとすると、起歪体28は長手方向に縮むとともに、起歪体28のポアソン比に相当する長さだけ幅方向に伸びることになる。これにより、前記第1の振動子22aにおける第1の梁状の振動部23aに圧縮力が働くため、第1の梁状の振動部23aの振動周波数はfaからfa−fa´に低下する。これと同時に、前記第2の振動子22bにおける第2の梁状の振動部23bに張力が働くため、第2の梁状の振動部23bの振動周波数はfbからfb+fb´に上昇することになる。
Assuming that a tensile force F in the longitudinal direction is applied to the
図2(a)において、第1の振動子22aの振動周波数31aと第2の振動子22bの振動周波数31bとが交差する、すなわちこれら2つの振動周波数が一致すると、前記第1の振動子22aの振動と、第2の振動子22bの振動とが互いに干渉することになり、これにより、外力や歪の測定精度が低下してしまうという問題が発生するものである。そのため、本発明の実施の形態1では、外力または歪を測定しようとする範囲内で、第1の振動子22aの振動周波数31aと第2の振動子22bの振動周波数31bとが交差しないように、第1の振動子22aの振動周波数faと、第2の振動子22bの振動周波数fbとに差を設けたものである。
In FIG. 2A, when the
第1と第2の振動子22a,22bの第1と第2の梁状の振動部23a,23bから発生する交流信号は信号処理基板30内で処理され、これら2つの交流信号の振動周波数差△を有する信号が出力される。
The AC signals generated from the first and second beam-like vibrating
図2(b)は、被測定体に外力が働いた時の第1,第2の振動子22a,22bの振動周波数差32の変化を示した図である。たとえば、起歪体28に長手方向の引張り力Fが印加されたとすると、振動周波数差△は△=(fa+fa´)−(fb−fb´)=(fa−fb)+(fa´+fb´)となる。外力により変化するこの式の第2項を信号処理基板30内で処理することにより、第1の振動部または第2の振動部のみを有する物理量センサを使用する場合よりも、大きな周波数差を得ることができる。このようにして、出力される固有振動数差を測定することにより起歪体28に働く歪や荷重を高感度で測定できるものである。そして、前記起歪体28に外力が加えられたとき、第1の振動子22aに働く力と第2の振動子22bに働く力の方向は、ポアソン比により常に逆方向となるため、実質的にすべての被測定体に適用することができるものである。一方、第1,第2の振動子22a,22bは同一素材の半導体基板から形成しているため、温度変化に対する振動周波数の変化の方向と変化率は同一となる。これにより、温度変化による振動周波数の変動をキャンセルできるため、温度変化にかかわらず歪や荷重を正確に測定できるものである。
FIG. 2B is a diagram showing a change in the
(実施の形態2)
以下、実施の形態2を用いて、本発明の特に請求項2に記載の発明について説明する。図3(a)は本発明の実施の形態2における物理量センサの上面図、図3(b)は図3(a)のC部拡大図、図3(c)は図3(b)のD−D線断面図である。なお、この実施の形態2においては、上記した実施の形態1の構成と同様の構成を有するものについては、同一符号を付しており、その説明は省略する。
(Embodiment 2)
The second aspect of the present invention will be described below with reference to the second embodiment. 3A is a top view of the physical quantity sensor according to the second embodiment of the present invention, FIG. 3B is an enlarged view of a portion C in FIG. 3A, and FIG. 3C is D in FIG. 3B. FIG. In the second embodiment, components having the same configurations as those of the first embodiment described above are denoted by the same reference numerals, and description thereof is omitted.
図3(a)〜(c)において、33は物理量センサであり、そして、本発明の実施の形態2が上記した本発明の実施の形態1と相違する点は、単一の半導体基板34上に第1の梁状の振動部23aと、第2の梁状の振動部23bと、前記第1,第2の梁状の振動部23a,23bを取り囲み、かつ前記第1,第2の梁状の振動部23a,23bの両端を支持している固定部35を形成し、そして、駆動素子25a,25b、検出素子26a,26bを配線パターン(図示せず)によりランド36に電気的に接続するとともに、前記半導体基板34の底面を、起歪体28に発生する歪が第1の振動子22aに伝達されるようにAu−Au接合等の金属系接合材やエポキシ樹脂等の剛性を有する物質37で接続固定した点である。このとき、本発明の実施の形態2においても、上記した本発明の実施の形態1の場合と同様に、前記第1の梁状の振動部23aの長さ方向は前記起歪体28の長さ方向と略平行に配置され、そして、前記第2の梁状の振動部23bの長さ方向は前記起歪体28の幅方向と略平行に配置されているものである。
3A to 3C,
このような構成とすることにより、物理量センサ33を小形化できるとともに、第1の梁状の振動部23aに対して第2の梁状の振動部23bを実装ばらつきなく正確に直交配置することができ、これにより、被測定体の微小部分に働く歪や荷重を温度変化にかかわらず高感度で、かつ高精度に測定することができるという効果が得られるものである。
With such a configuration, the
(実施の形態3)
図4(a)は本発明の実施の形態3における物理量センサの上面図、図4(b)は図4(a)のE部拡大図、図4(c)は図4(b)のG−G線断面図である。なお、この実施の形態3においては、上記した実施の形態1の構成と同様の構成を有するものについては、同一符号を付しており、その説明は省略する。
(Embodiment 3)
4A is a top view of the physical quantity sensor according to
図4(a)〜(c)において、40は物理量センサであり、そして、本発明の実施の形態3が上記した本発明の実施の形態2と相違する点は、単一の半導体基板41上に第1の梁状の振動部23aと、第2の梁状の振動部23bと、前記第1,第2の梁状の振動部23a,23bを取り囲み、かつ前記第1,第2の梁状の振動部23a,23bの両端を支持している固定部42を形成し、そして、駆動素子25a,25b、検出素子26a,26bを配線パターン(図示せず)によりランド36に電気的に接続するとともに、前記半導体基板41の底面の外周部のみを、起歪体28に発生する歪が第1の振動子22aに伝達されるようにAu−Au接合等の金属系接合材やエポキシ樹脂等の剛性を有する物質37で接続固定した点である。このとき、前記第1の梁状の振動部23aの長さ方向は前記起歪体28の幅方向と略平行に配置され、そして、前記第2の梁状の振動部23bの長さ方向は前記起歪体28の長さ方向と略平行に配置されているものである。
4A to 4C,
このような構成とすることにより、物理量センサ40をさらに小形化できるとともに、第1の梁状の振動部23aに対して第2の梁状の振動部23bを実装ばらつきなく正確に直交配置することができ、これにより、被測定体の微小部分に働く歪や荷重を温度変化にかかわらず高感度で、かつ高精度に測定することができるという効果が得られるものである。
With such a configuration, the
本発明に係る物理量センサは、起歪体に外力が加えられたとき、第1の振動子に働く力と第2の振動子に働く力の方向とを常に逆方向とすることができ、これにより、実質的にすべての被測定体に適用して、被測定体に働く歪や荷重を温度変化にかからわず高感度で、かつ高精度に測定することができるという効果を有するものであり、特に、物体に働く歪や荷重を検出する物理量センサとして有用なものである。 The physical quantity sensor according to the present invention can always reverse the direction of the force acting on the first vibrator and the force acting on the second vibrator when an external force is applied to the strain generating body. By applying to virtually all measured objects, the strain and load acting on the measured objects can be measured with high sensitivity and high accuracy regardless of temperature changes. In particular, it is useful as a physical quantity sensor for detecting strain and load acting on an object.
21,33,40 物理量センサ
22a 第1の振動子
22b 第2の振動子
23a 第1の梁状の振動部
23b 第2の梁状の振動部
28 起歪体
34,41 単一の半導体基板
21, 33, 40
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