JP2012242188A - 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。したがって、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), reference numeral 1 denotes a vibrator composed of 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 vibrator 1 attached to the object to be measured 5, the first vibrating portion and the external force Q 1 the A compressive force q 1 in the direction acts. At the same time, if an external force Q 2 in the direction opposite to the external force Q 1 is applied to the second vibration portion of the vibrator 1, an extension force q 2 in the same direction as the external force Q 2 acts on the second vibration portion. . As a result, distortion due to the compressive force q 1 occurs in the first vibration part, and the oscillation frequency of the first oscillation circuit 6 including the first vibration part changes from, for example, f 0 to f 0 −f 1 . . Further, the second vibrating part distortion occurs by extension force q 2, the oscillation frequency of the second oscillator circuit 7 including a second vibrating section changes from f 0 to f 0 + f 2. When the outputs of these two oscillation circuits are input to the mixer 8, the difference between the oscillation frequencies of the two oscillation circuits from the mixer 8 is Δ = (f 0 + f 2 ) − (f 0 −f 1 ) = f 1 + f 2 Is output. The arithmetic circuit 9 converts the frequency of this signal into a weight value and displays it on 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, Patent Document 1 is known.
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 vibrator 1 of the conventional physical quantity sensor shown in FIG. 5 (a) on the side surface of the beam 11 having one end fixed and a vertical upward external force applied to the other end. Indicates the state. At this time, it is assumed that the vibrator 1 is disposed so as to straddle 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 vibrator 1 of the conventional physical quantity sensor is disposed above 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、測定が不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 vibrator 1 of the conventional physical quantity sensor shown in FIG. 5A placed on the side surface of 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、矩形基板と、該矩形基板上に形成され、該矩形基板に印加される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、該矩形基板上に形成され、該矩形基板に印加される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を前記矩形基板の辺に対して略45度の角度をなすように配置し、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するとともに、前記第1の振動子における第1の梁状の振動部の中心と、前記第2の振動子における第2の梁状の振動部の中心とを結ぶ線が前記矩形基板の辺と平行で、かつ前記2つの振動子の中心を結ぶ線の中点が前記矩形基板の中心と略一致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、前記起歪体に、第1の振動子における第1の梁状の振動部の長手方向に沿う外力が加えられたとき、あるいは前記起歪体に、矩形基板の対向する2辺に沿い互いに反対方向のせん断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を常に逆方向とすることができ、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。さらに、前記第1の振動子と第2の振動子とを矩形基板の辺に対して略45度の角度をなすように並列配置しているため、物理量センサを小形化できるという作用効果をも有するものである。 According to the first aspect of the present invention, a strain generating body that generates strain by an external force, a rectangular substrate, a rectangular substrate formed on the rectangular substrate, and applied to the rectangular substrate. A first vibrator having a first beam-like vibrating portion whose vibration frequency changes according to the amount of strain, and the vibration frequency formed according to the amount of strain applied to the rectangular substrate. A second vibrator having a second beam-like vibrating portion that changes, and the longitudinal direction of the first beam-like vibrating portion of the first vibrator is approximately 45 with respect to the side of the rectangular substrate. The longitudinal direction of the first beam-like vibration part in the first vibrator and the longitudinal direction of the second beam-like vibration part in the second vibrator are substantially orthogonal to each other. And the center of the first beam-like vibrating portion of the first vibrator and the second beam-like shape of the second vibrator. The line connecting the center of the vibration part is parallel to the side of the rectangular substrate, and the midpoint of the line connecting the centers of the two vibrators is substantially coincident with the center of the rectangular substrate. Since the longitudinal direction of the first beam-like vibration part in the first vibrator and the longitudinal direction of the second beam-like vibration part in the second vibrator are substantially orthogonal, the strain generation When an external force along the longitudinal direction of the first beam-like vibrating portion of the first vibrator is applied to the body, or the strain body is sheared in opposite directions along two opposing sides of the rectangular substrate. When a force is applied, the direction of the force acting on the first vibrator and the force acting on the second vibrator can always be reversed, and the vibration frequency of the first vibrator and the second vibrator By detecting the difference between the vibration frequency and the mechanical quantity acting on the strain body, Because, essentially it can be applied to all the object to be measured, which makes it possible to measure the strain or load acting on the object to be measured with high sensitivity regardless of temperature changes, and high precision. Further, since the first vibrator and the second vibrator are arranged in parallel so as to form an angle of about 45 degrees with respect to the side of the rectangular substrate, the physical quantity sensor can be downsized. It is what you have.
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、矩形基板と、該矩形基板上に形成され、該矩形基板に印加される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、該矩形基板上に形成され、該矩形基板に印加される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を前記矩形基板の辺に対して略45度の角度をなすように配置し、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するとともに、前記第1の振動子における第1の梁状の振動部の中心と、前記第2の振動子における第2の梁状の振動部の中心とを結ぶ線が前記矩形基板の辺と平行で、かつ前記2つの振動子の中心を結ぶ線の中点が前記矩形基板の中心と略一致するようにしたもので、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、第1の振動子における第1の梁状の振動部の長手方向に沿う外力が加えられたとき、あるいは前記起歪体に、矩形基板の対向する2辺に沿い互いに反対方向のせん断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を常に逆方向とすることができ、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、かつ高精度に測定できるとともに、小形化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, a rectangular substrate, a strain formed on the rectangular substrate, and a strain applied to the rectangular substrate. A first vibrator having a first beam-shaped vibrating portion whose vibration frequency changes according to the amount, and the vibration frequency changes according to the amount of strain applied to the rectangular substrate formed on the rectangular substrate. And a second vibrator having a second beam-like vibrating portion, the longitudinal direction of the first beam-like vibrating portion of the first vibrator being approximately 45 degrees with respect to the side of the rectangular substrate The longitudinal direction of the first beam-like vibration part in the first vibrator and the longitudinal direction of the second beam-like vibration part in the second vibrator are substantially orthogonal to each other. , The center of the first beam-like vibrating portion of the first vibrator, and the second of the second vibrator A line connecting the center of the oscillating portion is parallel to the side of the rectangular substrate, and a midpoint of the line connecting the centers of the two vibrators is substantially coincident with the center of the rectangular substrate. Since the longitudinal direction of the first beam-like vibrating portion in the first vibrator and the longitudinal direction of the second beam-like vibrating portion in the second vibrator are substantially orthogonal, When an external force along the longitudinal direction of the first beam-like vibrating portion of one vibrator is applied, or shear forces in opposite directions are applied to the strain generating body along two opposing sides of the rectangular substrate. The direction of the force acting on the first vibrator and the force acting on the second vibrator can always be reversed, and the vibration frequency of the first vibrator and the vibration frequency of the second vibrator Since the mechanical quantity acting on the strain generating body is detected by detecting the difference between Therefore, it is possible to measure the strain and load acting on the measured object with high sensitivity and high accuracy regardless of the temperature change, and it is possible to reduce the size. It is what you play.
以下、実施の形態を用いて、本発明の請求項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における物理量センサの上面図、図1(b)は図1(a)のA−A線断面図である。図1(a)(b)において、21は物理量センサ、22は(001)面を表面に持つシリコンからなる矩形基板であり、この矩形基板22の表面には酸化シリコン層や窒化シリコン層からなる絶縁層が形成されている。23は前記矩形基板22をエッチング処理して形成され、該矩形基板22に印加される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23aを有する第1の振動子である。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、上部電極からなる検出素子23bが形成され、かつ前記第1の梁状の振動部23aの両端部には同じく順に下部電極、PZT等からなる圧電体層、上部電極からなる駆動素子23cが形成され、そして、前記検出素子23b、駆動素子23cは配線パターン(図示せず)によりランド24に電気的に接続されている。
The invention according to claim 1 of the present invention will be described below using embodiments. FIG. 1A is a top view of a physical quantity sensor according to an embodiment of the present invention, and FIG. 1B is a cross-sectional view taken along line AA of FIG. 1A and 1B, 21 is a physical quantity sensor, 22 is a rectangular substrate made of silicon having a (001) surface on its surface, and the surface of the
同様にして、25は前記矩形基板22をエッチング処理して形成され、該矩形基板22に印加される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25aを有する第2の振動子である。また、前記第2の梁状の振動部25a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、上部電極からなる検出素子25bが形成され、かつ前記第2の梁状の振動部25aの両端部には同じく順に下部電極、PZT等からなる圧電体層、上部電極からなる駆動素子25cが形成され、そして、前記検出素子25b、駆動素子25cは配線パターン(図示せず)によりランド24に電気的に接続されている。
Similarly, 25 is formed by etching the
前記第1の振動子23における梁状の振動部23aの長手方向は前記矩形基板22の辺に対して略45度の角度をなすように配置され、前記第1の振動子23における梁状の振動部23aの長手方向と第2の振動子25における第2の梁状の振動部25aの長手方向は略直交するように配置されている。さらに、前記第1の振動子23における梁状の振動部23aの中心と、前記第2の振動子25における梁状の振動部25aの中心とを結ぶ線が前記矩形基板の辺22a、22bと平行で、かつ前記2つの振動子23、25の中心を結ぶ線の中点が前記矩形基板22の中心と略一致するように構成されている。これにより、前記第1の振動子23と第2の振動子25とは矩形基板22の略中央部に並んで配置されることになる。
The longitudinal direction of the beam-like vibrating
図2(a)は前記物理量センサ21を起歪体30に配置した状態を示す上面図で、図2(b)は図2(a)のB−B線断面図である。ここで、物理量センサ21の底面は、起歪体30に発生する歪が第1の振動子23、第2の振動子25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を用いて接続固定されている。そして、前記第1の振動子23における梁状の振動部23aの長手方向は前記起歪体30の長さ方向と略平行に配置されている。
2A is a top view showing a state in which the
上記構成において、動信号源(図示せず)から第1の振動子23における駆動素子23c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、第1の梁状の振動部23aは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23bによって受信され、この検出素子23b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。この交流信号は増幅、位相調整され、駆動素子23c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、第2の梁状の振動部25a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 configuration, an AC voltage having a frequency close to the natural frequency fa of the first beam-like vibrating
ここで、前記第1の振動子23における梁状の振動部23aの長手方向をシリコンのX軸方向、すなわち<100>方向とし、さらに前記第2の振動子25における梁状の振動部25aの長手方向をシリコンのY軸方向、すなわち<010>方向としている。これは、シリコンにおいては、<100>方向、<010>方向においてヤング率が最小となるため、一定の周波数の弦振動を発生させるために必要な弦の長さが最小となり、これにより、振動子が小形化できるためである。
Here, the longitudinal direction of the beam-like vibrating
図3(a)は、上記第1、第2の振動子23、25における第1、第2の梁状の振動部23a、25a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23、25の振動周波数の変化を示した図である。
FIG. 3A shows an external force applied to the object to be measured in a state where the first and second beam-like vibrating
今、起歪体30に長手方向の引張り力Fが印加されたとすると、起歪体30は長手方向に伸びるとともに、起歪体30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23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23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25における第2の梁状の振動部25aには圧縮力が働くため、第2の振動子25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30に長手方向の圧縮力−Fが印加されたとすると、起歪体30は長手方向に縮むとともに、起歪体30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23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25における第2の梁状の振動部25aに張力が働くため、第2の梁状の振動部25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3(a)において、第1の振動子23の振動周波数31aと第2の振動子25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23の振動と、第2の振動子25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。そのため、本発明の実施の形態では、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23の振動周波数31aと第2の振動子25の振動周波数31bとが交差しないように、第1の振動子23の振動周波数faと、第2の振動子25の振動周波数fbとに差を設けている。本発明の実施の形態における物理量センサにおいては、起歪体30に外力が働かない状態で前記第1の振動子23の振動周波数faを120kHzとし、前記第2の振動子25の振動子周波数fbと前記第1の振動子23の振動周波数faとの差を30kHz以上としている。これにより、外力または歪を測定しようとする範囲内で、前記第1の振動子23の振動と、第2の振動子25の振動とが互いに干渉することが実質的になくなり、これにより、外力や歪の測定精度が低下するのを防ぐことができるものである。
In FIG. 3A, when the
第1と第2の振動子23、25の第1と第2の梁状の振動部23a、25aから発生する交流信号は信号処理装置(図示せず)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。
AC signals generated from the first and second beam-like vibrating
図3(b)は、被測定体に外力が働いた時の第1、第2の振動子23、25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30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項を信号処理装置(図示せず)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。
FIG. 3B is a diagram showing changes in the
このようにして、出力される振動周波数の差を測定することにより起歪体30に働く歪や荷重を高感度で測定できる。一方、本発明の実施の形態では、第1、第2の振動子23、25における梁状の振動部23a、25aの長手方向は各々、シリコンの結晶対称性により等価な方向である<100>方向、<010>方向としているため、ヤング率の温度特性は互いに等しく、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。
In this way, the strain and load acting on the
図4は前記物理量センサ21を起歪体40に配置した状態を示す上面図である。ここで、物理量センサ21の底面は、図2の場合と同様にして、起歪体40に発生する歪が第1の振動子23、第2の振動子25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を用いて接続固定されている。前記第1、第2の振動子23、25における梁状の振動部23a、25aの長さ方向は前記起歪体40の長さ方向と略45度をなすように配置されている。すなわち、物理量センサ21の辺22a、22bは前記起歪体40の長さ方向と略平行に配置されている。
FIG. 4 is a top view showing a state in which the
上記構成において、図2の場合と同様にして、第1の振動子23、第2の振動子25は各々その固有振動数fa、fbに等しい周波数で弦振動を持続しているものとする。
In the above configuration, it is assumed that the
今、前記起歪体40の上下端に、長手方向を向き互いに逆方向の力F、すなわちせん断力が印加されたとすると、前記第1の振動子23における第1の梁状の振動部23aには圧縮力が働くため、第1の振動子23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25における第2の梁状の振動部25aには伸張力が働くため、第2の振動子25の振動周波数はfbからfb+fb′に上昇することになる。そして、第1と第2の振動子23、25の第1と第2の梁状の振動部23a、25aから発生する交流信号は信号処理装置(図示せず)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。この振動周波数の差を測定することにより起歪体40に働くせん断方向の歪や力を測定することができる。
Now, assuming that forces F, that is, shearing forces that face in the longitudinal direction and are opposite to each other, are applied to the upper and lower ends of the
このようにして、物理量センサ21を起歪体に配置する方向を変更することにより、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わらず高感度で、かつ高精度に測定することができる。
In this manner, by changing the direction in which the
さらに、本発明の物理量センサにおいては、前記第1の振動子23と第2の振動子25とを矩形基板の辺22a、22bに対して略45度の角度をなすように並列配置しているため、前記第1の振動子23を矩形基板の辺22a、22bに対して平行に配置し、かつ第2の振動子25を矩形基板の辺22a、22bに直交するように配置した物理量センサに比べて小形化が可能であるという特徴を有するものである。
Further, in the physical quantity sensor of the present invention, the
以上の説明から明らかなように、本発明の実施の形態における物理量センサは矩形基板上に梁状の振動部を有する第1の振動子を前記矩形基板の辺に対して略45度をなすように配置し、さらに前記矩形基板上に梁状の振動部を有する第2の振動子を前記第1の振動子に略直交するように並べて配置したもので、これにより、小形で、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という効果が得られるものである。 As is apparent from the above description, the physical quantity sensor according to the embodiment of the present invention is configured so that the first vibrator having the beam-shaped vibrating portion on the rectangular substrate forms approximately 45 degrees with respect to the side of the rectangular substrate. Further, a second vibrator having a beam-like vibrating portion on the rectangular substrate is arranged side by side so as to be substantially orthogonal to the first vibrator. When applied to all measured objects, the effect is obtained that the strain and load acting on the measured object can be measured with high sensitivity and high accuracy regardless of temperature changes.
なお、本発明の実施の形態における物理量センサにおいては、矩形基板としてシリコンを用いたが、エリンバ等の恒弾性金属を用いても同様の効果が得られるものである。 In the physical quantity sensor according to the embodiment of the present invention, silicon is used as the rectangular substrate. However, the same effect can be obtained even when a constant elastic metal such as Elinba is used.
本発明に係る物理量センサは、矩形基板上に梁状の振動部を有する第1の振動子を前記矩形基板の辺に対して略45度をなすように配置し、さらに前記矩形基板上に梁状の振動部を有する第2の振動子を前記第1の振動子に略直交するように並べて配置したもので、これにより、小形で、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センサとして有用なものである。 In the physical quantity sensor according to the present invention, a first vibrator having a beam-like vibrating portion is arranged on a rectangular substrate so as to form approximately 45 degrees with respect to a side of the rectangular substrate, and the beam is further formed on the rectangular substrate. The second vibrator having a vibrating portion is arranged side by side so as to be substantially orthogonal to the first vibrator. Thus, the second vibrator is small and can be applied to substantially all the measured objects. It has the effect of being able to measure the strain and load acting on the measurement body with high sensitivity and high accuracy regardless of temperature changes, and is particularly useful as a sensor that detects the strain and load acting on the object. It is.
21 物理量センサ
22 矩形基板
23 第1の振動子
25 第2の振動子
23a 第1の梁状の振動部
25a 第2の梁状の振動部
30、40 起歪体
DESCRIPTION OF
Claims (1)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2011110941A JP2012242188A (en) | 2011-05-18 | 2011-05-18 | Physical quantity sensor |
Applications Claiming Priority (1)
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JP2011110941A JP2012242188A (en) | 2011-05-18 | 2011-05-18 | Physical quantity sensor |
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Country | Link |
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JP (1) | JP2012242188A (en) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2014136388A1 (en) * | 2013-03-08 | 2014-09-12 | パナソニック株式会社 | Strain-detection device |
-
2011
- 2011-05-18 JP JP2011110941A patent/JP2012242188A/en not_active Withdrawn
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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WO2014136388A1 (en) * | 2013-03-08 | 2014-09-12 | パナソニック株式会社 | Strain-detection device |
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