JP4867865B2 - Acceleration sensor element and acceleration sensor - Google Patents

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Description

本発明は、可変容量型の加速度センサに関し、特に音叉型圧電振動子の振動モードを利用して静電容量の変化を検出する加速度センサ素子及びそれを用いた加速度センサに関する。   The present invention relates to a variable capacitance type acceleration sensor, and more particularly to an acceleration sensor element that detects a change in capacitance by using a vibration mode of a tuning fork type piezoelectric vibrator and an acceleration sensor using the same.

従来、様々な可変容量型の加速度センサが提案されている。例えば、重りであるマス部を上側及び下側のカバー板間で揺動可能に支持し、マス部上面及び下面の導電部材と対向するカバー板の電極との間に形成される静電容量の変化を検出して加速度を得る静電容量型加速度センサが知られている(例えば、特許文献1を参照)。この加速度センサは、加速度を受けたマス部が傾いて電極間距離が変化し、それによる静電容量の変化を電極間の静電容量の差分により検出して、加速度を検出する。   Conventionally, various variable capacitance type acceleration sensors have been proposed. For example, the mass portion which is a weight is supported so as to be swingable between the upper and lower cover plates, and the capacitance formed between the upper and lower surface conductive members of the mass portion and the electrodes of the cover plate facing each other. A capacitance-type acceleration sensor that detects acceleration and obtains acceleration is known (see, for example, Patent Document 1). The acceleration sensor detects acceleration by detecting a change in capacitance due to the difference in capacitance between the electrodes due to a change in the distance between the electrodes due to the inclination of the mass portion receiving the acceleration.

また、音叉型水晶振動子の振動モードを利用した角速度/加速度センサが知られている(例えば、特許文献2,3を参照)。この角速度/加速度センサは、屈曲式音叉型振動をする2本のビームを設けた水晶薄板を上下両側から水晶板で挟み込み、各ビームの上下両面(及び側面)の変位検出電極とこれに対向する水晶板の電極との間に形成される静電容量により、ブリッジ回路を構成している。ビームが、角速度/加速度によるコリオリ力で上下方向にも単振動し又は自由端が才差運動すると、それによる静電容量の変化から角速度/加速度を検出することができる。   Further, an angular velocity / acceleration sensor using a vibration mode of a tuning fork type crystal resonator is known (see, for example, Patent Documents 2 and 3). This angular velocity / acceleration sensor sandwiches a quartz crystal plate provided with two beams that bend a tuning-type tuning fork type vibration from both the top and bottom sides, and faces the displacement detection electrodes on both the top and bottom surfaces (and side surfaces) of each beam. A bridge circuit is configured by electrostatic capacitance formed between the electrodes of the quartz plate. When the beam simply vibrates in the vertical direction due to the Coriolis force due to the angular velocity / acceleration or when the free end performs a precession motion, the angular velocity / acceleration can be detected from the change in capacitance caused thereby.

同様に音叉型振動子を用いた角速度センサとして、単結晶層の音叉型振動子を単結晶基板に一体化し、各振動子先端の歯形と単結晶基板の歯形との対向部に生じる静電容量のコンデンサと、各振動子先端と基板との間に生じる静電容量のコンデンサとを接続してブリッジ回路を構成したものが知られている(例えば、特許文献4を参照)。この場合も、振動子がコリオリ力を受けて変位すると、それによる静電容量の変化を検出して角速度を検出する。   Similarly, as an angular velocity sensor using a tuning fork type vibrator, a single crystal layer tuning fork type vibrator is integrated with a single crystal substrate, and capacitance generated at the opposing portion of the tooth profile of the tip of each transducer and the tooth profile of the single crystal substrate. And a capacitor having a capacitance generated between the tip of each vibrator and a substrate are configured to form a bridge circuit (see, for example, Patent Document 4). Also in this case, when the vibrator is displaced by receiving the Coriolis force, the change in the capacitance caused thereby is detected to detect the angular velocity.

特開平8−166404号公報JP-A-8-166404 特開平7−128355号公報JP-A-7-128355 特開平7−128356号公報JP 7-128356 A 特開平8−304441号公報JP-A-8-304441

しかしながら、上述した従来の静電容量型加速度センサは、揺動可能に支持されるマス部のはりを、上側及び下側のカバー板間に介在する2枚の支挿板で挟持するので、部品点数が多く、価格が高くかつ組立が面倒であり、しかも導電部材と電極間の距離にばらつきを生じ易く、常に安定して一定の静電容量に組み立てることが困難である。そのため、安定して高精度の加速度センサを得ることは難しいという問題がある。   However, in the conventional capacitive acceleration sensor described above, the beam of the mass portion that is supported so as to be swingable is sandwiched between two supporting plates interposed between the upper and lower cover plates, so that The number of points is high, the price is high, and the assembly is troublesome. Further, the distance between the conductive member and the electrode is likely to vary, and it is difficult to always assemble stably to a constant capacitance. Therefore, there is a problem that it is difficult to stably obtain a highly accurate acceleration sensor.

また、音叉型振動子を用いた従来の角速度/加速度センサは、いずれも加速度又は角速度によるコリオリ力で振動子を上下方向に振動させ、電極間距離の変化による静電容量の変化を検出するために、電極を設けた別個の水晶板が必要である。そのため、部品点数が多く、価格が高くかつ組立が面倒であり、高さ方向に寸法が大きくなるので小型化が難しく、常に安定して一定の電極間距離を得ることが困難である。   In addition, conventional angular velocity / acceleration sensors using tuning fork vibrators both vibrate the vibrator vertically by Coriolis force due to acceleration or angular velocity, and detect changes in capacitance due to changes in the distance between electrodes. In addition, a separate quartz plate with electrodes is required. Therefore, the number of parts is large, the price is high, the assembly is troublesome, and the size is increased in the height direction. Therefore, it is difficult to reduce the size, and it is difficult to always obtain a constant inter-electrode distance stably.

そこで本発明は、上述した従来の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、安定して高い検出精度を得ることができ、部品点数を少なくして低価格化を図りかつ組立を簡単にし、小型化が可能な可変容量型の加速度センサ素子、及びそれを用いた高精度の加速度センサを提供することにある。   Therefore, the present invention has been made in view of the above-described conventional problems, and an object of the present invention is to stably obtain high detection accuracy, to reduce the number of parts, to reduce the cost, and to assemble. It is an object of the present invention to provide a variable-capacitance type acceleration sensor element that can be simplified and miniaturized, and a high-accuracy acceleration sensor using the same.

本発明によれば、上記目的を達成するために、圧電材料で形成した基部及び該基部から平行に延出する1対の振動アームと、該振動アームの先方に位置する重り部と、該重り部から振動アームの両側及び間をそれらと平行に延長する3本の検出アームとを有し、各振動アームが、その上下主面に形成された第1励振電極と両側面に形成された第2励振電極とを有し、各検出アームが、それに隣接する振動アームの側面に対向する側面に形成された検出電極を有し、各振動アームの第2励振電極とそれに隣接する検出アームの検出電極とにより形成される4つのコンデンサがブリッジ回路を形成するように、第2励振電極及び検出電極が配線され、重り部及び検出アームが加速度により一体に変位して、各振動アームの第2励振電極とそれに隣接する検出アームの検出電極との隙間を変化させ、各コンデンサの静電容量を変化させるようにした加速度センサ素子が提供される。   According to the present invention, in order to achieve the above object, a base portion made of a piezoelectric material, a pair of vibration arms extending in parallel from the base portion, a weight portion positioned ahead of the vibration arm, and the weight And three detection arms extending in parallel with and on both sides of the vibrating arm from the portion, each vibrating arm having a first excitation electrode formed on the upper and lower main surfaces thereof and a first excitation electrode formed on both side surfaces thereof. Each of the detection arms has a detection electrode formed on a side surface opposite to the side surface of the vibration arm adjacent to the two excitation electrodes, and the second excitation electrode of each vibration arm and the detection arm adjacent thereto are detected. The second excitation electrode and the detection electrode are wired so that the four capacitors formed by the electrodes form a bridge circuit, and the weight portion and the detection arm are integrally displaced by acceleration, so that the second excitation of each vibration arm Electrode and next to it Varying the gap between the detection electrode of the detection arm, the acceleration sensor element so as to vary the capacitance of each capacitor is provided.

交流電圧を印加して振動アームを音叉屈曲振動モードで励振させた状態で加速度を受けると、加速度の大きさ及び向きに対応して重り部及び検出アームが連結部を撓曲させて一体に変位し、各コンデンサの隙間が変動してその静電容量が比例して変化するので、ブリッジ回路の出力を同期検波することにより、加速度の大きさ及び向きを検出することができる。このようにブリッジ回路の平衡状態を検出するための発振器として用いる振動アームの側面の第2励振電極を、各コンデンサの一方の端子として兼用することによって、簡単な構成及び配線の加速度センサ素子によって、高い検出精度が得られる。   When acceleration is applied with an AC voltage applied and the vibrating arm is excited in the tuning fork bending vibration mode, the weight and the detection arm bend the connecting portion in accordance with the magnitude and direction of the acceleration and are displaced together. Since the gap between the capacitors fluctuates and the capacitance changes in proportion, the magnitude and direction of acceleration can be detected by synchronously detecting the output of the bridge circuit. By using the second excitation electrode on the side surface of the vibrating arm used as an oscillator for detecting the equilibrium state of the bridge circuit in this manner as one terminal of each capacitor, the acceleration sensor element with a simple configuration and wiring can be used. High detection accuracy can be obtained.

従って、本発明の別の側面によれば、上記本発明の加速度センサ素子と、該加速度センサ素子の振動アームを励振させる駆動電圧とそのブリッジ回路の出力とを同期検波する回路とを備える加速度センサが提供される。このような回路構成は、従来から角速度センサの検出回路に使用されているものをそのまま転用できるので、低コストで開発製造することができる。   Therefore, according to another aspect of the present invention, an acceleration sensor comprising the acceleration sensor element of the present invention, and a circuit for synchronously detecting a drive voltage for exciting a vibration arm of the acceleration sensor element and an output of the bridge circuit thereof. Is provided. Such a circuit configuration can be used as it is for a detection circuit of an angular velocity sensor so that it can be developed and manufactured at low cost.

或る実施例では、振動アームの両側を延長する2本の検出アームが、基部から延出する連結部により該基部と結合され、該連結部が撓曲することにより、加速度を受けると重り部及び検出アームが一体に変位し、加速度の大きさに対応して振動アームと検出アーム間の各隙間の大きさが変化するので、安定して高い検出精度を得ることができる。   In one embodiment, two detection arms extending on both sides of the vibrating arm are coupled to the base by a coupling portion extending from the base, and the coupling portion is bent to be weighted when subjected to acceleration. In addition, since the detection arm is integrally displaced and the size of each gap between the vibration arm and the detection arm changes in accordance with the magnitude of acceleration, stable and high detection accuracy can be obtained.

別の実施例では、基部及び振動アームと重り部と検出アームとを圧電材料で一体に形成することができる。それにより、部品点数を少なくして組立を簡単にしかつ低価格化を図り、小型化を図ることができる。   In another embodiment, the base and the vibrating arm, the weight, and the detection arm can be integrally formed of a piezoelectric material. As a result, the number of parts can be reduced, the assembly can be simplified, the cost can be reduced, and the size can be reduced.

特に前記圧電材料が水晶である場合には、従来のフォトリソグラフィ及びエッチング技術を利用して、高い寸法精度で加速度センサ素子を製造することができ、感度のばらつきが少なく、高精度の加速度センサを低価格で実現することができる。しかも、音叉型水晶振動子は発振周波数が非常に安定しているので、これをブリッジ回路の平衡状態検出用の発振器に用いることによって、より正確で高精度な加速度の検出が可能である。   In particular, when the piezoelectric material is quartz, an acceleration sensor element can be manufactured with high dimensional accuracy by using conventional photolithography and etching techniques, and there is little variation in sensitivity. It can be realized at a low price. In addition, since the tuning fork type crystal resonator has a very stable oscillation frequency, it can be used as an oscillator for detecting the equilibrium state of the bridge circuit, thereby enabling more accurate and highly accurate acceleration detection.

更に別の実施例では、検出アームの厚さを振動アームの厚さよりも薄くし、かつ検出アームの全厚さが振動アームの厚さの範囲内に位置するように構成することにより、検出アームがその平面に対して垂直方向に振れても、振動アームと検出アーム間に形成される各コンデンサの静電容量が一定に維持されるので、安定した検出精度を確保できる。   In still another embodiment, the detection arm is configured such that the thickness of the detection arm is smaller than the thickness of the vibration arm and the total thickness of the detection arm is within the thickness range of the vibration arm. However, even if it swings in a direction perpendicular to the plane, the capacitance of each capacitor formed between the vibration arm and the detection arm is kept constant, so that stable detection accuracy can be ensured.

以下に、本発明の好適な実施例を、添付図面を参照しつつ詳細に説明する。
図1(A)、(B)は、本発明による加速度センサ素子の実施例を示している。加速度センサ素子1は、基部2と、該基部から平行に延出する1対の振動アーム3,4とを備える。更に加速度センサ素子1は、前記振動アームの両側及びその間にそれらと平行に延長する3本の検出アーム5〜7を有する。
Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
1A and 1B show an embodiment of an acceleration sensor element according to the present invention. The acceleration sensor element 1 includes a base 2 and a pair of vibration arms 3 and 4 extending in parallel from the base. Further, the acceleration sensor element 1 has three detection arms 5 to 7 extending in parallel with both sides of the vibration arm and between them.

振動アーム3,4の両側に配置された2本の検出アーム5,6は、基部2側の端部が、該基部から前記振動アームと平行に延出する狭幅の連結部8,9に結合している。検出アーム5,6の反対側の端部は、前記振動アームの先方に配置された重り部10に結合している。残りの1本の検出アーム7は、重り部10から振動アーム3,4の間を基部2に向けて延出している。各検出アーム5〜7と隣接する振動アーム3,4との間に画定される4つの隙間は、少なくとも前記検出アームと振動アームとが重複する長さの範囲において一定でありかつ互いに同一の幅となるように設けられる。検出アーム5〜7及び重り部10は、少なくとも平面内で互いに剛固に結合させて一体に形成されている。   The two detection arms 5 and 6 arranged on both sides of the vibrating arms 3 and 4 have narrow ends of the base 2 side extending from the base to the narrow connecting portions 8 and 9 extending in parallel with the vibrating arm. Are connected. The opposite ends of the detection arms 5 and 6 are coupled to a weight portion 10 disposed at the tip of the vibration arm. The remaining one detection arm 7 extends from the weight portion 10 to the base portion 2 between the vibrating arms 3 and 4. The four gaps defined between each of the detection arms 5 to 7 and the adjacent vibration arms 3 and 4 are constant at least in the length range in which the detection arm and the vibration arm overlap and have the same width. It is provided to become. The detection arms 5 to 7 and the weight portion 10 are integrally formed by being firmly coupled to each other at least in a plane.

振動アーム3,4の上下主面には、その長手方向に延長する第1励振電極11a,11b,12a,12bがそれぞれ形成され、かつそれらの両側面には、同じく長手方向に延長する第2励振電極13a,13b,14a,14bがそれぞれ形成されている。一方の振動アーム3(4)の第1励振電極は11a,11b(12a,12b)は、それぞれ基部2表面の配線を通して他方の振動アーム4(3)の第2励振電極14a,14b(13a,13b)に接続されている。   First and second main electrodes 11a, 11b, 12a and 12b extending in the longitudinal direction are respectively formed on the upper and lower main surfaces of the vibrating arms 3 and 4, and second longitudinally extending second sides are also formed on both side surfaces thereof. Excitation electrodes 13a, 13b, 14a, and 14b are respectively formed. The first excitation electrodes 11a and 11b (12a and 12b) of one vibration arm 3 (4) are respectively connected to the second excitation electrodes 14a and 14b (13a, 13a) of the other vibration arm 4 (3) through the wiring on the surface of the base 2. 13b).

振動アーム3,4の両側に配置された各検出アーム5,6は、それぞれ隣接する前記振動アームの側面に対向する一方の側面に検出電極15,16が形成されている。検出電極15,16は、重り部10上面の配線により互いに接続されている。中央の検出アーム7は、各振動アーム3,4の隣接する側面に対向する各側面にそれぞれ検出電極17a,17bが形成されている。検出電極17a,17bは、検出アーム7の下面で互いに接続されている。   The detection arms 5 and 6 arranged on both sides of the vibration arms 3 and 4 are formed with detection electrodes 15 and 16 on one side surface facing the side surfaces of the adjacent vibration arms. The detection electrodes 15 and 16 are connected to each other by wiring on the upper surface of the weight portion 10. The center detection arm 7 has detection electrodes 17a and 17b formed on the side surfaces thereof facing the adjacent side surfaces of the vibration arms 3 and 4, respectively. The detection electrodes 17 a and 17 b are connected to each other on the lower surface of the detection arm 7.

基部2には、その端辺に沿って4つの接続電極18〜21が形成されている。中央側の2つの接続電極19,20は、前記各振動アームから引き出された配線を通してそれぞれ対応する前記第1励振電極及び第2励振電極と接続されている。このように励振電極を配線することにより、接続電極19,20に所定の交流電圧を印加すると、前記振動アームが、図1(A)に実線及び破線の矢印で示すように、互いに接近又は離反する向きに音叉屈曲振動モードで振動する。   Four connection electrodes 18 to 21 are formed on the base portion 2 along the end sides thereof. The two connection electrodes 19 and 20 on the center side are connected to the corresponding first excitation electrode and second excitation electrode through wirings drawn from the respective vibration arms. By wiring the excitation electrodes in this way, when a predetermined AC voltage is applied to the connection electrodes 19 and 20, the vibration arms approach or separate from each other as indicated by solid and broken arrows in FIG. Vibrate in the tuning fork bending vibration mode.

検出電極15,16は、重り部10上面の配線により互いに接続され、かつ一方の連結部8の上面を通して基部2に引き出された配線により、対応する一方の接続電極18と接続されている。検出電極17a,17bは、重り部10、一方の例えば図中右側の検出アーム6及びそれに結合している連結部9の下面を通して基部2に引き出された配線により、対応する他方の接続電極19と接続されている。   The detection electrodes 15 and 16 are connected to each other by wiring on the upper surface of the weight portion 10 and connected to one corresponding connection electrode 18 by wiring drawn to the base portion 2 through the upper surface of one connecting portion 8. The detection electrodes 17a and 17b are connected to the other connection electrode 19 corresponding to the weight portion 10, one of the detection arms 6 on the right side in the figure and the wiring drawn to the base portion 2 through the lower surface of the connecting portion 9 coupled thereto. It is connected.

本実施例の加速度センサ素子1は、従来の水晶振動子と同様に、例えば水晶ウエハをエッチング加工することによって、上述した所望の外形に加工することができる。前記各電極及び配線も、同様に従来のフォトエッチング技術を用いてパターニングすることができる。また、別の実施例では、水晶以外の様々な公知の圧電材料を用いて形成することができる。   The acceleration sensor element 1 of the present embodiment can be processed into the desired outer shape described above, for example, by etching a crystal wafer, similarly to the conventional crystal resonator. Each of the electrodes and wirings can be similarly patterned using a conventional photoetching technique. Moreover, in another Example, it can form using various well-known piezoelectric materials other than quartz.

連結部8,9は、上述したように前記検出アームよりも狭幅に形成されているので、外力によって平面方向に、即ち基部2に関して幅方向に撓曲可能である。加速度センサ素子1は、従来の水晶振動子と同様に、基部2において導電性接着剤等により片持ちに支持固定される。加速度センサ素子1に平面方向の力が作用すると、検出アーム5〜7及び重り部10は、上述したように剛固にかつ一体に形成されているで、連結部8,9を撓曲させて一体に変位する。   Since the connecting portions 8 and 9 are formed narrower than the detection arm as described above, the connecting portions 8 and 9 can be bent in the plane direction by an external force, that is, in the width direction with respect to the base portion 2. The acceleration sensor element 1 is supported and fixed in a cantilever manner with a conductive adhesive or the like at the base 2 in the same manner as a conventional crystal resonator. When a force in the plane direction is applied to the acceleration sensor element 1, the detection arms 5 to 7 and the weight portion 10 are rigidly and integrally formed as described above, so that the connecting portions 8 and 9 are bent. Displaces integrally.

図2(A)、(B)は、それぞれ加速度センサ素子1にその幅方向に異なる向きの加速度が作用した場合に生じる変形状態を示している。加速度aが加速度センサ素子1の幅方向右向きに作用すると、図2(A)に示すように、検出アーム5〜7及び重り部10は、連結部8,9を撓曲させて左側へ一体に変位する。これにより、振動アーム3,4の左側側面と検出アーム5及び7の右側側面との前記隙間がそれぞれ広がり、それに対応して振動アーム3,4の右側側面と検出アーム6及び7の左側側面との前記隙間がそれぞれ狭くなる。逆に加速度aが加速度センサ素子1の幅方向左向きに作用すると、図2(B)に示すように、検出アーム5〜7及び重り部10は、連結部8,9を撓曲させて右側へ一体に変位する。これにより、振動アーム3,4の右側側面と検出アーム5及び7の左側側面との前記隙間がそれぞれ広がり、それに対応して振動アーム3,4の左側側面と検出アーム6及び7の右側側面との前記隙間がそれぞれ狭くなる。   2A and 2B show deformation states that occur when accelerations in different directions are applied to the acceleration sensor element 1 in the width direction. When the acceleration a acts rightward in the width direction of the acceleration sensor element 1, as shown in FIG. 2 (A), the detection arms 5 to 7 and the weight portion 10 bend the connecting portions 8 and 9 and integrally move to the left side. Displace. As a result, the gaps between the left side surface of the vibration arms 3 and 4 and the right side surface of the detection arms 5 and 7 are expanded, and the right side surface of the vibration arms 3 and 4 and the left side surface of the detection arms 6 and 7 are correspondingly expanded. The gaps become narrower. Conversely, when the acceleration a acts to the left in the width direction of the acceleration sensor element 1, as shown in FIG. 2B, the detection arms 5 to 7 and the weight portion 10 bend the connecting portions 8 and 9 to the right side. Displaces integrally. As a result, the gaps between the right side surface of the vibrating arms 3 and 4 and the left side surface of the detection arms 5 and 7 are expanded, and the left side surface of the vibrating arms 3 and 4 and the right side surface of the detection arms 6 and 7 are The gaps become narrower.

本実施例の加速度センサ素子1は、振動アーム3の一方の第2励振電極13aとそれに隣接して対向する検出アーム5の検出電極15とにより、コンデンサC1が形成される。コンデンサC1の静電容量は、第2励振電極13aと検出電極15との前記隙間及びそれらが重複する電極面積によって決定される。更に振動アーム3の他方の第2励振電極13bとそれに隣接して対向する検出アーム7の検出電極17aとにより、コンデンサC2が形成され、その静電容量がそれら電極の前記隙間及び重複する電極面積によって決定される。同様に、振動アーム4の一方の第2励振電極14aとそれに隣接して対向する検出アーム7の検出電極17bとにより、コンデンサC3が形成され、その静電容量がそれら電極の前記隙間及び重複する電極面積によって決定される。振動アーム4の他方の第2励振電極14bとそれに隣接して対向する検出アーム6の検出電極16とにより、コンデンサC4が形成され、その静電容量がそれら電極の前記隙間及び重複する電極面積によって決定される。   In the acceleration sensor element 1 according to the present embodiment, a capacitor C1 is formed by one second excitation electrode 13a of the vibration arm 3 and the detection electrode 15 of the detection arm 5 that is adjacent to the second excitation electrode 13a. The capacitance of the capacitor C1 is determined by the gap between the second excitation electrode 13a and the detection electrode 15 and the electrode area where they overlap. Furthermore, a capacitor C2 is formed by the other second excitation electrode 13b of the vibration arm 3 and the detection electrode 17a of the detection arm 7 which is adjacent to the second excitation electrode 13b. The capacitance of the capacitor C2 is the gap between these electrodes and the overlapping electrode area. Determined by. Similarly, a capacitor C3 is formed by one of the second excitation electrodes 14a of the vibration arm 4 and the detection electrode 17b of the detection arm 7 facing adjacent thereto, and the capacitance of the capacitor C3 overlaps with the gap between the electrodes. It is determined by the electrode area. A capacitor C4 is formed by the other second excitation electrode 14b of the vibration arm 4 and the detection electrode 16 of the detection arm 6 that is adjacent to the second excitation electrode 14b. The capacitance of the capacitor C4 depends on the gap between the electrodes and the overlapping electrode area. It is determined.

本発明によれば、コンデンサC1〜C4の静電容量は、加速度センサ素子1に加速度が作用しない図1(A)の状態において、等しくなるように設定する。しかしながら、各コンデンサC1〜C4は、それらを構成する前記電極間の隙間が、上述したように加速度センサ素子1に加速度が作用した場合に、その向きによって広く又は狭くなって静電容量が変化するから、可変容量コンデンサである。   According to the present invention, the capacitances of the capacitors C1 to C4 are set to be equal in the state of FIG. 1A where no acceleration acts on the acceleration sensor element 1. However, in each of the capacitors C1 to C4, when the acceleration acts on the acceleration sensor element 1 as described above, the gap between the electrodes constituting them becomes wide or narrow depending on the direction, and the capacitance changes. Therefore, it is a variable capacitor.

図3は、加速度センサ素子1の等価回路を示している。同図において、符号22は、基部2から延出する振動アーム3,4によって構成される音叉型水晶振動子である。コンデンサC1〜C4は、同図に示すように、入力端子D1,D2に印加される交流電圧V0 により励振される水晶振動子22に接続されたブリッジ回路を構成する。出力端子S1,S2間には、各コンデンサC1〜C4の静電容量値に応じた出力電圧VS1S2が発生する。 FIG. 3 shows an equivalent circuit of the acceleration sensor element 1. In the figure, reference numeral 22 denotes a tuning fork type crystal resonator constituted by vibrating arms 3 and 4 extending from the base 2. Capacitors C1 to C4 constitute a bridge circuit connected to a crystal resonator 22 excited by an AC voltage V0 applied to input terminals D1 and D2, as shown in FIG. An output voltage V S1S2 corresponding to the capacitance values of the capacitors C1 to C4 is generated between the output terminals S1 and S2.

加速度センサ素子1に加速度が作用していないとき、前記ブリッジ回路はコンデンサC1〜C4の静電容量が等しい平衡状態にある。従って、出力電圧はVS1S2=0である。加速度センサ素子1に加速度が作用して、各振動アーム3,4と隣接する各検出アーム5〜7間の隙間が変動すると、それに比例して各コンデンサC1〜C4の静電容量が変化して前記平衡状態が崩れ、それに対応した電圧VS1S2が出力される。 When no acceleration acts on the acceleration sensor element 1, the bridge circuit is in an equilibrium state where the capacitances of the capacitors C1 to C4 are equal. Therefore, the output voltage is V S1S2 = 0. When acceleration acts on the acceleration sensor element 1 and the gaps between the detection arms 5 to 7 adjacent to the vibration arms 3 and 4 fluctuate, the capacitances of the capacitors C1 to C4 change proportionally. The equilibrium state is lost, and the corresponding voltage V S1S2 is output.

図2(A)のように加速度Gが加速度センサ素子1の幅方向左向きに作用したとき、各コンデンサの静電容量は、C1<C4かつC3<C2となる。その結果、出力端子S1,S2間に正の電圧VS1S2が出力される。逆に図2(B)のように加速度Gが加速度センサ素子1の幅方向右向きに作用すると、各コンデンサの静電容量は、C4<C1かつC2<C3となる。その結果、出力端子S1,S2間に負の電圧VS1S2が出力される。 When the acceleration G acts to the left in the width direction of the acceleration sensor element 1 as shown in FIG. 2A, the capacitance of each capacitor is C1 <C4 and C3 <C2. As a result, a positive voltage V S1S2 is output between the output terminals S1 and S2. Conversely, when the acceleration G acts to the right in the width direction of the acceleration sensor element 1 as shown in FIG. 2B, the capacitance of each capacitor becomes C4 <C1 and C2 <C3. As a result, a negative voltage V S1S2 is output between the output terminals S1 and S2.

図4は、図1の加速度センサ素子1を試作し、一定の入力電圧に対して、各検出アーム5〜7の変位量に関する前記ブリッジ回路の出力電圧VS1S2を測定した結果を示している。同図において、横軸は、加速度が全く作用しない場合に前記アームの位置を基準即ち0とし、前記アーム間の隙間が無くなった場合を±1として、その割合で前記アームの変位量を表している。同図に示すように、少なくとも変位量が±30%程度の範囲では、十分に実用可能な直線性を得られることが分かる。 FIG. 4 shows a result of measuring the output voltage V S1S2 of the bridge circuit related to the displacement amount of each of the detection arms 5 to 7 with respect to a constant input voltage by making the acceleration sensor element 1 of FIG. In the figure, the horizontal axis represents the amount of displacement of the arm in proportion to the position of the arm as a reference, that is, 0 when no acceleration acts, and ± 1 when the gap between the arms disappears. Yes. As shown in the figure, it can be understood that sufficiently practical linearity can be obtained at least in the range where the displacement amount is about ± 30%.

図5は、図1の加速度センサ素子1の変形例を示している。同図において、図1と類似の構成要素には同じ参照符号を付して表す。この変形例の加速度センサ素子1は、各振動アーム3,4の上下主面に、それぞれ長手方向に延長する直線状の溝23,24が凹設され、かつ前記各溝の内面に第1励振電極11a,11b,12a,12bが形成されている。これにより、音叉型水晶振動子としてより低いCI値を確保でき、安定性がより向上するので、加速度センサの検出精度が高くなる。   FIG. 5 shows a modification of the acceleration sensor element 1 of FIG. In the figure, components similar to those in FIG. 1 are denoted by the same reference numerals. In the acceleration sensor element 1 of this modification, linear grooves 23 and 24 extending in the longitudinal direction are respectively provided in the upper and lower main surfaces of the vibration arms 3 and 4, and the first excitation is provided on the inner surface of each groove. Electrodes 11a, 11b, 12a, and 12b are formed. As a result, a lower CI value can be secured for the tuning fork type crystal resonator and the stability is further improved, so that the detection accuracy of the acceleration sensor is increased.

更に、検出アーム5〜7の厚さが各振動アーム3,4よりも薄い点で図1の実施例と異なる。本実施例では、その厚さを略全長に亘って一様に薄くするために、前記各検出アームと重り部10との境界付近に段差5a〜7aを設け、かつ検出アーム5,6については連結部8,9との間に段差5b,6bを設けている。このような検出アーム5〜7は、例えば振動アーム3,4の溝23,24を水晶ウエハのハーフエッチングで加工する際に、それと同時に図1の検出アーム5〜7をハーフエッチングすることにより、容易に実現することができる。   Further, the detection arms 5 to 7 are different from the embodiment of FIG. In the present embodiment, steps 5a to 7a are provided in the vicinity of the boundary between each detection arm and the weight portion 10 in order to reduce the thickness uniformly over substantially the entire length. Steps 5 b and 6 b are provided between the connecting portions 8 and 9. For example, when the grooves 23 and 24 of the vibration arms 3 and 4 are processed by half etching of the quartz wafer, the detection arms 5 to 7 of FIG. It can be easily realized.

加速度センサ素子1は、その平面に関して垂直方向の加速度成分が作用した場合、検出アーム5〜7及び/又は振動アーム3,4が平面方向だけでなく、垂直方向にも変位する可能性がある。その場合にも、本実施例では、前記各検出アームの全厚が前記振動アームの厚さの範囲内に維持されるから、それらの隣接する電極同士が重複する電極面積は変わらないので、垂直方向の加速度成分が各コンデンサC1〜C4に及ぼす影響を排除することができる。従って、加速度センサ素子1の出力がより安定し、検出精度が向上する利点が得られる。   In the acceleration sensor element 1, when an acceleration component in the vertical direction acts on the plane, the detection arms 5 to 7 and / or the vibration arms 3 and 4 may be displaced not only in the plane direction but also in the vertical direction. Even in that case, in this embodiment, since the total thickness of each detection arm is maintained within the thickness range of the vibration arm, the electrode area where the adjacent electrodes overlap is not changed, so that the vertical The influence of the direction acceleration component on each of the capacitors C1 to C4 can be eliminated. Therefore, there are advantages that the output of the acceleration sensor element 1 is more stable and the detection accuracy is improved.

別の実施例では、前記振動アームの厚さを前記検出アームの厚さよりも薄くすることができる。この場合にも、振動アームの全厚さは検出アームの厚さの範囲内に維持される。従って、検出アームがその平面に対して垂直方向に振れても、それらの隣接する電極同士が重複する電極面積が変わらないので、各コンデンサの静電容量が一定に維持され、安定した検出精度を確保することができる。   In another embodiment, the thickness of the vibrating arm can be smaller than the thickness of the detection arm. In this case as well, the total thickness of the vibrating arm is maintained within the thickness range of the detection arm. Therefore, even if the detection arm swings in the direction perpendicular to the plane, the electrode area where the adjacent electrodes overlap does not change, so that the capacitance of each capacitor is kept constant and stable detection accuracy is achieved. Can be secured.

図6は、本実施例の加速度センサ素子1を用いた加速度センサ30の回路構成を例示している。同図において、加速度センサ素子1の入力端子D1,D2には、水晶振動子22を駆動するための水晶発振回路31が接続され、その出力端子S1,S2は、q−V変換器32a,32bを経て差動増幅器33に接続されている。差動増幅器33の出力は、水晶発振回路31の出力と共に同期検波回路34に接続され、同期検波される。同期検波回路34の出力は、ローパスフィルタ35により平滑化して、加速度の大きさ及び向きを表す電圧信号として出力される。   FIG. 6 illustrates a circuit configuration of the acceleration sensor 30 using the acceleration sensor element 1 of the present embodiment. In the figure, a crystal oscillation circuit 31 for driving a crystal resonator 22 is connected to input terminals D1 and D2 of the acceleration sensor element 1, and output terminals S1 and S2 are connected to q-V converters 32a and 32b. And is connected to a differential amplifier 33. The output of the differential amplifier 33 is connected to the synchronous detection circuit 34 together with the output of the crystal oscillation circuit 31 to be synchronously detected. The output of the synchronous detection circuit 34 is smoothed by the low-pass filter 35 and output as a voltage signal representing the magnitude and direction of acceleration.

以上、本発明の詳細な実施例について詳細に説明したが、本発明はその技術的範囲において上記実施例に様々な変形・変更を加えて実施することができる。例えば、振動アームには、上記図1,図5以外の様々な公知の音叉型圧電振動子の構造を採用することができる。また、別の実施例では、振動アームと検出アームとの隙間が加速度の大きさに対応して変化するように構成される限り、検出アーム及び重り部を基部から切り離して別個の部品とすることができる。更に、図6の回路構成は単なる例示であり、本発明の加速度センサ素子を用いた加速度センサとして、他の様々な回路構成を考え得ることは当業者に明らかである。   As mentioned above, although the detailed Example of this invention was described in detail, this invention can add and implement various modifications and changes to the said Example in the technical range. For example, various known tuning-fork type piezoelectric vibrator structures other than those shown in FIGS. 1 and 5 can be employed for the vibrating arm. In another embodiment, as long as the gap between the vibration arm and the detection arm is configured to change in accordance with the magnitude of acceleration, the detection arm and the weight are separated from the base to be separate parts. Can do. Further, the circuit configuration of FIG. 6 is merely an example, and it is obvious to those skilled in the art that various other circuit configurations can be considered as an acceleration sensor using the acceleration sensor element of the present invention.

(A)図は本発明による加速度センサ素子の実施例を示す平面図、(B)図はそのI−I線における拡大断面図。(A) is a plan view showing an embodiment of the acceleration sensor element according to the present invention, (B) is an enlarged cross-sectional view taken along the line II. (A)(B)図は、それぞれ異なる向きの加速度が図1の加速度センサ素子に作用した場合の変形状態を示す図。(A) (B) is a figure which shows a deformation | transformation state when the acceleration of a different direction acts on the acceleration sensor element of FIG. 図1の加速度センサ素子の等価回路図。The equivalent circuit diagram of the acceleration sensor element of FIG. センサアームの変形量とセンサ出力との関係を示す線図。The diagram which shows the relationship between the deformation amount of a sensor arm, and a sensor output. (A)図は図1の加速度センサ素子の変形例を示す平面図、(B)図はそのV−V線における拡大断面図。(A) is a plan view showing a modification of the acceleration sensor element of FIG. 1, and (B) is an enlarged sectional view taken along the line VV. 図1の加速度センサ素子を用いた加速度センサの回路図。The circuit diagram of the acceleration sensor using the acceleration sensor element of FIG.

符号の説明Explanation of symbols

1…加速度センサ素子、2…基部、3,4…振動アーム、5〜7…検出アーム、5a〜7a,5b,6b…段差、8,9…連結部、10…重り部、11a,11b,12a,12b…第1励振電極、13a,13b,14a,14b…第2励振電極、15,16,17a,17b…検出電極、18〜21…接続電極、22…水晶振動子、23,24…溝、30…加速度センサ、31…水晶発振回路、32a,32b…q−V変換器、33…差動増幅器、34…同期検波回路、35…ローパスフィルタ。 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Acceleration sensor element, 2 ... Base part, 3, 4 ... Vibration arm, 5-7 ... Detection arm, 5a-7a, 5b, 6b ... Step, 8, 9 ... Connection part, 10 ... Weight part, 11a, 11b, 12a, 12b ... 1st excitation electrode, 13a, 13b, 14a, 14b ... 2nd excitation electrode, 15, 16, 17a, 17b ... detection electrode, 18-21 ... connection electrode, 22 ... crystal resonator, 23, 24 ... Groove, 30 ... acceleration sensor, 31 ... crystal oscillation circuit, 32a, 32b ... q-V converter, 33 ... differential amplifier, 34 ... synchronous detection circuit, 35 ... low-pass filter.

Claims (6)

圧電材料で形成した基部及び前記基部から平行に延出する1対の振動アームと、前記振動アームの先方に位置する重り部と、前記重り部から前記振動アームの両側及び間をそれらと平行に延長する3本の検出アームとを有し、
前記各振動アームが、その上下主面に形成された第1励振電極と両側面に形成された第2励振電極とを有し、
前記各検出アームが、それに隣接する前記振動アームの側面に対向する側面に形成された検出電極を有し、
前記各振動アームの前記第2励振電極とそれに隣接する前記検出アームの前記検出電極とにより形成される4つのコンデンサがブリッジ回路を形成するように、前記第2励振電極及び前記検出電極が配線され、
前記重り部及び検出アームが加速度により一体に変位して、前記各振動アームの前記第2励振電極とそれに隣接する前記検出アームの前記検出電極との隙間を変化させ、前記各コンデンサの静電容量を変化させるようにしたことを特徴とする加速度センサ素子。
A base portion formed of a piezoelectric material, a pair of vibration arms extending in parallel from the base portion, a weight portion positioned at the tip of the vibration arm, and both sides of the vibration arm from the weight portion and in parallel between them. Three extending detection arms,
Each of the vibrating arms has a first excitation electrode formed on the upper and lower main surfaces and a second excitation electrode formed on both side surfaces,
Each detection arm has a detection electrode formed on a side surface facing the side surface of the vibration arm adjacent to the detection arm;
The second excitation electrode and the detection electrode are wired so that four capacitors formed by the second excitation electrode of each vibration arm and the detection electrode of the detection arm adjacent thereto form a bridge circuit. ,
The weight part and the detection arm are integrally displaced by acceleration to change a gap between the second excitation electrode of each vibration arm and the detection electrode of the detection arm adjacent to the second excitation electrode. An acceleration sensor element characterized by changing the angle.
前記振動アームの両側を延長する2本の前記検出アームが、前記基部から延出する連結部により前記基部と結合され、前記連結部が撓曲することにより、前記重り部及び検出アームが加速度により一体に変位することを特徴とする請求項1に記載の加速度センサ素子。   The two detection arms extending on both sides of the vibration arm are coupled to the base by a coupling portion extending from the base, and the coupling portion is bent, whereby the weight portion and the detection arm are accelerated. The acceleration sensor element according to claim 1, wherein the acceleration sensor element is integrally displaced. 前記基部及び前記振動アームと前記重り部と前記検出アームとが前記圧電材料で一体に形成されていることを特徴とする請求項1又は2に記載の加速度センサ素子。   The acceleration sensor element according to claim 1 or 2, wherein the base, the vibration arm, the weight, and the detection arm are integrally formed of the piezoelectric material. 前記圧電材料が水晶であることを特徴とする請求項1乃至3のいずれかに記載の加速度センサ素子。   4. The acceleration sensor element according to claim 1, wherein the piezoelectric material is quartz. 前記検出アームの厚さを前記振動アームの厚さよりも薄くし、かつ前記検出アームの全厚さが前記振動アームの厚さの範囲内に位置するようにしたことを特徴とする請求項1乃至4のいずれかに記載の加速度センサ素子。   The thickness of the detection arm is made thinner than the thickness of the vibration arm, and the total thickness of the detection arm is located within the thickness range of the vibration arm. 5. The acceleration sensor element according to any one of 4 above. 請求項1乃至5のいずれかに記載の加速度センサ素子と、前記加速度センサ素子の前記振動アームを励振させる駆動電圧と前記加速度センサ素子の前記ブリッジ回路の出力とを同期検波する回路とを備えることを特徴とする加速度センサ。   An acceleration sensor element according to any one of claims 1 to 5, and a circuit for synchronously detecting a drive voltage for exciting the vibration arm of the acceleration sensor element and an output of the bridge circuit of the acceleration sensor element. An acceleration sensor characterized by
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