JP6196144B2 - Sensor element and pressure sensor - Google Patents

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本発明は、外力の変化を検出するセンサ素子に関する。   The present invention relates to a sensor element that detects a change in external force.

振動子の共振周波数の変化を表す信号を出力する、いわゆる共振型センサが知られている。特許文献1には、振動子として支持ビームに支持されたマス部を備える振動式検出器が開示されている。特許文献1の振動式検出器では、互いに離間しつつ噛み合うように配置された2つの櫛歯電極間の静電気力を利用してマス部を振動させるとともに、マス部の振幅の変化を櫛歯電極間の静電容量の変化に基づいて検出する。   A so-called resonance type sensor that outputs a signal representing a change in the resonance frequency of a vibrator is known. Patent Document 1 discloses a vibration detector including a mass portion supported by a support beam as a vibrator. In the vibration detector of Patent Document 1, the mass portion is vibrated by using electrostatic force between two comb electrodes arranged so as to be engaged with each other while being separated from each other, and the change in the amplitude of the mass portion is detected by the comb electrode. It detects based on the change of the electrostatic capacity between.

特開2000−55670号公報JP 2000-55670 A

共振型センサでは、振動子の振動特性を改善し、その検出精度を向上させることが望ましい。例えば、振動子が安定的に振動できる振幅の限界を拡大できれば、出力信号の大きさを増大させ、出力信号の品質を向上させることができる。また、外力の変化に対する振動子の共振周波数の変化の線形性を高めれば、共振型センサの分解能を向上させることができる。上記の特許文献1では、櫛歯電極に印加される電圧を調整することによって、振動子の振幅が限界に到達することを抑制しており、振動子の振動特性を改善することについては開示されていない。このように、共振型センサにおいて、振動子の振動特性を改善し、その検出精度を向上させることについてはこれまで十分な工夫がなされてこなかった。   In the resonance type sensor, it is desirable to improve the vibration characteristics of the vibrator and improve its detection accuracy. For example, if the limit of the amplitude at which the vibrator can vibrate stably can be expanded, the magnitude of the output signal can be increased and the quality of the output signal can be improved. Further, if the linearity of the change in the resonance frequency of the vibrator with respect to the change in the external force is increased, the resolution of the resonance sensor can be improved. In the above Patent Document 1, it is disclosed that the amplitude of the vibrator reaches the limit by adjusting the voltage applied to the comb-teeth electrode and the vibration characteristics of the vibrator are improved. Not. As described above, in the resonance type sensor, sufficient improvement has not been made so far to improve the vibration characteristics of the vibrator and improve the detection accuracy.

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、以下の形態として実現することが可能である。   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 forms.

[1]本発明の一形態によれば、付与された外力に応じて共振周波数が変化する振動子を備えたセンサ素子が提供される。このセンサ素子の振動子は、延伸方向に沿って前記外力に応じた力を受けつつ、撓み振動する梁部と;前記梁部に連結されており、静電気力を受けて変位することによって、前記梁部を撓み振動させる電極と;を備える。前記電極は、前記センサ素子が共振状態にあるときに前記梁部とともに撓み振動する。この形態のセンサ素子によれば、電極を撓み振動させることによって、振動子の周波数特性を改善することができ、センサ素子による外力の検出精度を向上させることができる。 [1] According to one aspect of the present invention, a sensor element including a vibrator whose resonance frequency changes according to an applied external force is provided. The vibrator of the sensor element is coupled to the beam portion that receives the force according to the external force along the extending direction and flexibly vibrates; and is displaced by receiving the electrostatic force, thereby An electrode that flexures and vibrates the beam. The electrode bends and vibrates together with the beam when the sensor element is in a resonance state. According to the sensor element of this form, the frequency characteristics of the vibrator can be improved by bending and vibrating the electrode, and the external force detection accuracy by the sensor element can be improved.

[2]上記形態のセンサ素子において、前記振動子の固有振動数fdは、前記梁部のバネ定数をkとし、前記電極の質量をmとしたときに、fd<(k/m)0.5/2πであっても良い。この形態のセンサ素子によれば、梁部とともに電極が撓み振動するため、振動子の周波数特性を改善することができる。 [2] In the sensor element of the above aspect, the natural frequency fd of the vibrator is expressed as fd <(k / m) 0.5 /, where k is the spring constant of the beam and m is the mass of the electrode. It may be 2π. According to the sensor element of this form, since the electrode bends and vibrates together with the beam portion, the frequency characteristics of the vibrator can be improved.

[3]上記形態のセンサ素子において、前記外力が付与されていないときの前記振動子の共振周波数に対する前記電極単体の共振周波数の比の値である電極共振比が、1.5以上であっても良い。この形態のセンサ素子によれば、センサ素子の出力信号のノイズを低減させることができるとともに、センサ素子の感度を確保することができる。 [3] In the sensor element of the above aspect, an electrode resonance ratio that is a value of a ratio of a resonance frequency of the electrode unit to a resonance frequency of the vibrator when the external force is not applied is 1.5 or more. Also good. According to this type of sensor element, noise in the output signal of the sensor element can be reduced, and the sensitivity of the sensor element can be ensured.

[4]上記形態のセンサ素子において、前記電極共振比は、2.0以上であっても良い。この形態のセンサ素子によれば、さらに、センサ素子における低ノイズ性と感度とを高いレベルで両立させることができる。 [4] In the sensor element of the above aspect, the electrode resonance ratio may be 2.0 or more. According to the sensor element of this embodiment, it is possible to achieve both low noise and sensitivity in the sensor element at a high level.

[5]上記形態のセンサ素子において、前記電極共振比が、6.0以下であっても良い。この形態のセンサ素子によれば、センサ素子における低ノイズ性と感度とをより高いレベルで確保される。 [5] In the sensor element of the above aspect, the electrode resonance ratio may be 6.0 or less. According to the sensor element of this embodiment, low noise and sensitivity in the sensor element are ensured at a higher level.

[6]上記形態のセンサ素子において、前記電極は、前記梁部と並列に延びる延伸部を有し;前記振動子は、共振状態のときに、前記電極の前記延伸部における最大振幅が前記梁部の最大振幅の2倍以上であっても良い。この形態のセンサ素子によれば、振動子の周波数特性がより改善される。 [6] In the sensor element of the above aspect, the electrode has an extending portion extending in parallel with the beam portion; and the vibrator has a maximum amplitude in the extending portion of the electrode when in the resonance state. It may be twice or more the maximum amplitude of the part. According to this form of the sensor element, the frequency characteristics of the vibrator are further improved.

[7]上記形態のセンサ素子において、前記振動子は、共振状態のときに、前記電極の前記延伸部における最大振幅が前記梁部の最大振幅の3倍以上であっても良い。この形態のセンサ素子によれば、振動子の周波数特性がより改善される。 [7] In the sensor element of the above aspect, when the vibrator is in a resonance state, the maximum amplitude of the extension portion of the electrode may be three times or more the maximum amplitude of the beam portion. According to this form of the sensor element, the frequency characteristics of the vibrator are further improved.

[8]上記形態のセンサ素子は、前記梁部と前記電極とを収容する密封空間を有していても良い。この形態のセンサ素子によれば、粉塵などの異物から振動子が保護されるため、センサ素子の耐久性や環境対応性能が向上する。 [8] The sensor element of the above aspect may have a sealed space for accommodating the beam portion and the electrode. According to the sensor element of this form, the vibrator is protected from foreign matters such as dust, so that the durability and environmental performance of the sensor element are improved.

[9]上記形態のセンサ素子において、前記密封空間は大気圧よりも減圧されていても良い。この形態のセンサ素子によれば、空気による振動に対する抵抗が低減され、振動子の振動効率が向上する。 [9] In the sensor element of the above aspect, the sealed space may be depressurized from atmospheric pressure. According to this type of sensor element, resistance to vibration caused by air is reduced, and the vibration efficiency of the vibrator is improved.

[10]上記形態のセンサ素子において、前記振動子の前記電極および前記梁部は、SOI基板のエッチングによって形成されていても良い。この形態のセンサ素子によれば、SOI基板上に形成されたマイクロマシンとしての振動子を得ることができる。また、振動子の機械的Q値を高めることができる。 [10] In the sensor element of the above aspect, the electrode and the beam portion of the vibrator may be formed by etching an SOI substrate. According to the sensor element of this embodiment, a vibrator as a micromachine formed on the SOI substrate can be obtained. In addition, the mechanical Q value of the vibrator can be increased.

[11]本発明の他の形態によれば、圧力センサが提供される。この圧力センサは、計測対象である圧力に応じて変形する受圧部と;上記形態のセンサ素子と;を備え、前記センサ素子は、前記振動子が前記受圧部の変形に応じた外力を受けるように、前記受圧部に配置されていても良い。この形態の圧力センサによれば、圧力の検出精度が向上する。 [11] According to another aspect of the present invention, a pressure sensor is provided. The pressure sensor includes: a pressure receiving portion that deforms according to the pressure to be measured; and the sensor element of the above-described form; and the sensor element receives an external force according to the deformation of the pressure receiving portion. Further, it may be arranged in the pressure receiving part. According to the pressure sensor of this embodiment, the pressure detection accuracy is improved.

[12]上記形態の圧力センサは、前記受圧部が軸状に延びる軸部材を含み;前記軸部材は、計測対象である圧力が端面に伝わって軸方向に変形し;前記センサ素子は、前記梁部の延伸方向が前記軸部材の軸方向と一致するように前記軸部材の側面に配置され、前記軸部材の軸方向における変形に応じた外力を検出する構成であっても良い。この形態の圧力センサによれば、受圧部が圧力に応じて軸方向に伸縮変形する軸部材によって構成されるため、圧力センサを細径化することができ、圧力センサの搭載性や設置性を向上させることができる。 [12] The pressure sensor according to the above aspect includes a shaft member in which the pressure receiving portion extends in an axial shape; the shaft member is deformed in an axial direction when a pressure to be measured is transmitted to an end surface; It may be arranged on the side surface of the shaft member so that the extending direction of the beam portion coincides with the axial direction of the shaft member, and an external force corresponding to deformation in the axial direction of the shaft member may be detected. According to the pressure sensor of this aspect, since the pressure receiving portion is configured by the shaft member that expands and contracts in the axial direction according to the pressure, the pressure sensor can be reduced in diameter, and the mountability and installation property of the pressure sensor can be reduced. Can be improved.

[13]上記形態の圧力センサにおいて、前記センサ素子には、前記軸部材の側面において前記軸部材を挟むように配置されている第1と第2のセンサ素子が含まれていても良い。この形態の圧力センサによれば、受圧部が軸部材によって構成されている圧力センサの検出精度を向上させることができる。 [13] In the pressure sensor of the above aspect, the sensor element may include first and second sensor elements arranged so as to sandwich the shaft member on a side surface of the shaft member. According to the pressure sensor of this aspect, it is possible to improve the detection accuracy of the pressure sensor in which the pressure receiving portion is constituted by the shaft member.

[14]上記形態の圧力センサは、さらに、少なくとも前記センサ素子を収容する筒状の収容部を備え、前記受圧部は、前記収容部の開口部を閉塞し、計測対象である圧力に応じて湾曲するダイアフラムを含んでいても良い。この構成において、前記センサ素子は、前記梁部の延伸方向が、前記ダイアフラムの面に沿った方向と一致するように、前記ダイアフラムの面に配置され、前記ダイアフラムの湾曲の度合いに応じた外力を検出しても良い。この形態の圧力センサによれば、圧力に応じて変形するダイアフラムによって、より大きな外力がセンサ素子に付与されるため、圧力の検出精度が向上する。 [14] The pressure sensor according to the above aspect further includes a cylindrical accommodating portion that accommodates at least the sensor element, and the pressure receiving portion closes the opening of the accommodating portion, according to the pressure to be measured. A curved diaphragm may be included. In this configuration, the sensor element is disposed on the surface of the diaphragm such that the extending direction of the beam portion coincides with the direction along the surface of the diaphragm, and an external force corresponding to the degree of curvature of the diaphragm is applied. It may be detected. According to the pressure sensor of this aspect, since a larger external force is applied to the sensor element by the diaphragm that is deformed according to the pressure, the pressure detection accuracy is improved.

[15]上記形態の圧力センサにおいて、前記センサ素子は、前記振動子の共振周波数に応じた周期で出力されるパルス信号を出力し;前記圧力センサは、さらに、所定の周期を有する基準クロックを生成するクロック生成部と;前記基準クロックの周期を基準として前記共振周波数の周期の変化量を検出する信号検出部と;を備えていても良い。この形態の圧力センサによれば、振動子における共振周波数の変化量を、クロック生成部が生成する基準クロックの周波数に応じた分解能で検出することができるため、圧力の検出精度を向上させることができる。 [15] In the pressure sensor of the above aspect, the sensor element outputs a pulse signal output at a period corresponding to a resonance frequency of the vibrator; the pressure sensor further includes a reference clock having a predetermined period. A clock generation unit that generates the signal, and a signal detection unit that detects a change amount of the period of the resonance frequency based on the period of the reference clock. According to the pressure sensor of this embodiment, the amount of change in the resonance frequency in the vibrator can be detected with a resolution corresponding to the frequency of the reference clock generated by the clock generation unit, so that the pressure detection accuracy can be improved. it can.

本発明は、センサ素子以外の種々の形態で実現することも可能である。例えば、種々のタイプの共振型センサや、それらの共振型センサに用いられるセンサ素子の制御方法または製造方法、その制御方法または製造方法を実現するコンピュータプログラム、そのコンピュータプログラムを記録した一時的でない記録媒体等の形態で実現することができる。   The present invention can also be realized in various forms other than the sensor element. For example, various types of resonant sensors, control methods or manufacturing methods of sensor elements used in those resonant sensors, computer programs that implement the control methods or manufacturing methods, and non-temporary recordings that record the computer programs It can be realized in the form of a medium or the like.

センサ素子の構成を示す概略斜視図。The schematic perspective view which shows the structure of a sensor element. センサ素子が備える振動子の構成を示す概略斜視図。The schematic perspective view which shows the structure of the vibrator | oscillator with which a sensor element is provided. センサ素子の各部位ごとの断面構成を示す概略断面図。The schematic sectional drawing which shows the cross-sectional structure for every site | part of a sensor element. 電極部における振動の発生を説明するための模式図。The schematic diagram for demonstrating generation | occurrence | production of the vibration in an electrode part. センサ素子を駆動するための励振回路の構成を示す概略図。Schematic which shows the structure of the excitation circuit for driving a sensor element. 振動子の共振状態を説明するための模式図。The schematic diagram for demonstrating the resonance state of a vibrator | oscillator. 外力によるセンサ素子の共振周波数の変化を説明するための模式図。The schematic diagram for demonstrating the change of the resonant frequency of the sensor element by external force. センサ素子の周波数特性を説明するための説明図。Explanatory drawing for demonstrating the frequency characteristic of a sensor element. 比較例のセンサ素子を構成する振動子を示す概略図。Schematic which shows the vibrator | oscillator which comprises the sensor element of a comparative example. 比較例のセンサ素子の周波数特性を説明するための説明図。Explanatory drawing for demonstrating the frequency characteristic of the sensor element of a comparative example. ハードスプリング効果を説明するための模式図。The schematic diagram for demonstrating a hard spring effect. 振動子が共振状態にあるときの可動電極の撓み振動を概念的に示す模式図。The schematic diagram which shows notionally the bending vibration of a movable electrode when a vibrator | oscillator exists in a resonance state. 実施例1における第1の振動子モデルの構成を示す模式図。FIG. 3 is a schematic diagram illustrating a configuration of a first vibrator model in the first embodiment. 実施例1における第2の振動子モデルの構成を示す模式図。FIG. 3 is a schematic diagram illustrating a configuration of a second vibrator model in the first embodiment. 実施例1における第3の振動子モデルの構成を示す模式図。FIG. 5 is a schematic diagram illustrating a configuration of a third vibrator model in the first embodiment. 各振動子モデルの振幅比に応じたセンサ素子の出力特性の改善を説明するための説明図。Explanatory drawing for demonstrating the improvement of the output characteristic of the sensor element according to the amplitude ratio of each vibrator | oscillator model. 非線形指数の取得方法を説明するための説明図。Explanatory drawing for demonstrating the acquisition method of a nonlinear index | exponent. 実施例2のサンプルが備える振動子の構成をまとめた表を示す説明図。FIG. 6 is an explanatory diagram showing a table in which the configurations of the vibrators included in the sample of Example 2 are summarized. 各サンプルの駆動安定性についての評価結果を示す説明図。Explanatory drawing which shows the evaluation result about the drive stability of each sample. 非線形指数の限界値の規定理由を説明するための説明図。Explanatory drawing for demonstrating the prescription | regulation reason of the limit value of a nonlinear index | exponent. 各サンプルの感度についての評価結果を示す説明図。Explanatory drawing which shows the evaluation result about the sensitivity of each sample. 各サンプルにおける駆動安定性と感度の両立性の評価結果を示す説明図。Explanatory drawing which shows the evaluation result of compatibility of the drive stability and sensitivity in each sample. 電極共振比とS/N指数との関係を示す説明図。Explanatory drawing which shows the relationship between an electrode resonance ratio and a S / N index | exponent. センサ素子の製造工程を工程順に示す模式図。The schematic diagram which shows the manufacturing process of a sensor element in process order. センサ素子の製造工程を工程順に示す模式図。The schematic diagram which shows the manufacturing process of a sensor element in process order. 第2実施形態としての圧力センサの構成を示す概略図。Schematic which shows the structure of the pressure sensor as 2nd Embodiment. 信号検出部による共振周波数の変化量の検出を説明するための概略図。Schematic for demonstrating the detection of the variation | change_quantity of the resonant frequency by a signal detection part. 信号検出部による共振周波数の変化量の検出方法の他の例を説明するための概略図。Schematic for demonstrating the other example of the detection method of the variation | change_quantity of the resonant frequency by a signal detection part. 第3実施形態としての圧力センサの構成を示す概略図。Schematic which shows the structure of the pressure sensor as 3rd Embodiment. 第4実施形態としての圧力センサの構成を示す概略図。Schematic which shows the structure of the pressure sensor as 4th Embodiment. 第5実施形態としての圧力センサの構成を示す概略図。Schematic which shows the structure of the pressure sensor as 5th Embodiment.

A.第1実施形態:
[センサ素子の構成]
図1は、本願発明の一実施形態としてのセンサ素子10を示す概略斜視図である。センサ素子10は、共振型センサにおける感応部として用いられる。センサ素子10は、本体基板であるSOI基板11に振動子100が形成されている。ここで、「SOI」とは、「Silicon on Insulator」の略称である。振動子100は、センサ素子10のSOI基板11の表面に沿った所定の方向に付与される外力に応じて、その共振周波数が変化する。センサ素子10は、振動子100の共振周波数を表す信号を出力する。
A. First embodiment:
[Configuration of sensor element]
FIG. 1 is a schematic perspective view showing a sensor element 10 as an embodiment of the present invention. The sensor element 10 is used as a sensitive part in a resonance type sensor. In the sensor element 10, a vibrator 100 is formed on an SOI substrate 11 which is a main body substrate. Here, “SOI” is an abbreviation for “Silicon on Insulator”. The resonance frequency of the vibrator 100 changes according to an external force applied in a predetermined direction along the surface of the SOI substrate 11 of the sensor element 10. The sensor element 10 outputs a signal representing the resonance frequency of the vibrator 100.

図2は、センサ素子10が備える振動子100の構成を示す概略斜視図である。図2には、センサ素子10のSOI基板11の表面に平行な、互いに直交する矢印X,Yを図示してある。矢印Xは本体振動部110におけるビーム部111の延伸方向に平行な方向を示しており、矢印Xに直交する矢印Yが示す方向はビーム部111の振動方向に一致する。以下では、矢印Xの示す方向に平行な方向を「X軸方向」と呼び、矢印Yが示す方向に平行な方向を「Y軸方向」と呼ぶ。なお、図2では、便宜上、紙面手前側に図示された電極部150が有する外側固定電極130および内側固定電極140については図示を省略してある。   FIG. 2 is a schematic perspective view showing the configuration of the vibrator 100 included in the sensor element 10. FIG. 2 illustrates arrows X and Y that are parallel to the surface of the SOI substrate 11 of the sensor element 10 and are orthogonal to each other. An arrow X indicates a direction parallel to the extending direction of the beam unit 111 in the main body vibration unit 110, and a direction indicated by an arrow Y orthogonal to the arrow X coincides with the vibration direction of the beam unit 111. Hereinafter, a direction parallel to the direction indicated by the arrow X is referred to as “X-axis direction”, and a direction parallel to the direction indicated by the arrow Y is referred to as “Y-axis direction”. In FIG. 2, for the sake of convenience, the outer fixed electrode 130 and the inner fixed electrode 140 included in the electrode unit 150 illustrated on the front side of the drawing are omitted.

振動子100は、本体振動部110と、2つの電極部150と、を備える。本体振動部110は、枠形状を有する音叉振動子によって構成されており、2本のビーム部111と、2つの連結部112と、2つの固定部113と、を備える。2本のビーム部111は略直線状に延びる柱状の部位であり、互いに平行に配列されている。2つの連結部112はそれぞれ各ビーム部111の端部同士を連結している。2つの固定部113は、各ビーム部111の両端側に配置されている略板状の部位であり、各連結部112の中央に連結軸113sを介して接続されている。本体振動部110は、2つの略U字状の音叉が開放端部において互いに結合されたものに相当する。   The vibrator 100 includes a main body vibration unit 110 and two electrode units 150. The main body vibration unit 110 is configured by a tuning fork vibrator having a frame shape, and includes two beam portions 111, two connection portions 112, and two fixing portions 113. The two beam portions 111 are columnar portions extending substantially linearly and are arranged in parallel to each other. The two connecting portions 112 connect the ends of the beam portions 111 to each other. The two fixing portions 113 are substantially plate-like portions arranged on both end sides of each beam portion 111, and are connected to the center of each connecting portion 112 via a connecting shaft 113s. The main body vibration unit 110 corresponds to a structure in which two substantially U-shaped tuning forks are coupled to each other at the open end.

2つの電極部150は、本体振動部110を中心として、左右対称に配置されている。各電極部150は、可動電極120と、外側固定電極130と、内側固定電極140と、を備える。可動電極120は、中央基体部121と、延伸部122と、櫛歯部123a,123bと、を有する。中央基体部121は、ビーム部111の中央部位と連結軸111sを介して連結されている。   The two electrode parts 150 are arranged symmetrically about the main body vibration part 110. Each electrode unit 150 includes a movable electrode 120, an outer fixed electrode 130, and an inner fixed electrode 140. The movable electrode 120 has a central base portion 121, an extension portion 122, and comb teeth portions 123a and 123b. The central base portion 121 is connected to the central portion of the beam portion 111 via a connecting shaft 111s.

延伸部122は、中央基体部121を中心としてX軸方向に対称に延びている柱状部位であり、本体振動部110のビーム部111と平行に延びている。櫛歯部123a,123bは、Y軸方向に互いに並列に延びている複数(例えば数十個以上)の突起部によって構成されている。櫛歯部123a,123bの各突起部は等間隔で配列されている。櫛歯部123a,123bはそれぞれ、延伸部122の本体振動部110と対向する側の面とその反対側の面とに設けられている。   The extending portion 122 is a columnar portion that extends symmetrically in the X-axis direction around the central base portion 121 and extends in parallel with the beam portion 111 of the main body vibrating portion 110. The comb teeth 123a and 123b are configured by a plurality of (for example, several tens or more) protrusions extending in parallel with each other in the Y-axis direction. The protrusions of the comb teeth 123a and 123b are arranged at equal intervals. The comb-tooth portions 123a and 123b are provided on the surface of the extending portion 122 facing the main body vibration portion 110 and on the opposite surface.

外側固定電極130は、励振回路(後述)から電圧が印加される駆動電極であり、可動電極120の外側に配置されている。ここで、「可動電極120の外側」とは、可動電極120に対して本体振動部110が配置されている側とは反対の側を意味する。各外側固定電極130は、延伸部131と、櫛歯部132と、を有する。外側固定電極130の延伸部131は、可動電極120の延伸部122と並列に延びている。   The outer fixed electrode 130 is a drive electrode to which a voltage is applied from an excitation circuit (described later), and is disposed outside the movable electrode 120. Here, “outside of the movable electrode 120” means a side opposite to the side where the main body vibration unit 110 is disposed with respect to the movable electrode 120. Each outer fixed electrode 130 has an extending portion 131 and a comb tooth portion 132. The extending part 131 of the outer fixed electrode 130 extends in parallel with the extending part 122 of the movable electrode 120.

外側固定電極130の櫛歯部132は、延伸部131の側面に、櫛歯状の複数の並列な突起部として形成されている。外側固定電極130の櫛歯部132は、可動電極120の外側の櫛歯部123aに対して互いに噛み合うように配置されている。すなわち、外側固定電極130の櫛歯部132と、可動電極120の外側の櫛歯部123aとは、互いの各突起部が離間した状態で交互に配列されるように配置されている。   The comb teeth 132 of the outer fixed electrode 130 are formed on the side surface of the extending portion 131 as a plurality of comb-shaped parallel protrusions. The comb teeth 132 of the outer fixed electrode 130 are arranged so as to mesh with each other with respect to the comb teeth 123 a on the outer side of the movable electrode 120. That is, the comb-tooth portions 132 of the outer fixed electrode 130 and the outer comb-tooth portions 123a of the movable electrode 120 are arranged so as to be alternately arranged in a state where the respective protrusions are separated from each other.

内側固定電極140は、励振可動電極120との間の静電容量の変動に伴って変動する電荷量を励振回路に出力する検知電極であり、可動電極120の内側に配置されている。ここで、「可動電極120の内側」とは、可動電極120に対して、本体振動部110が配置されている側を意味する。各内側固定電極140は、2つに分離された延伸部141と、櫛歯部142と、を有する。内側固定電極140の2つの延伸部141はそれぞれ、本体振動部110と可動電極120との間の連結軸111sを挟んでX軸方向に互いに対称に設けられており、可動電極120の延伸部122と並列に延びている。   The inner fixed electrode 140 is a detection electrode that outputs a charge amount that fluctuates with the fluctuation of the capacitance with the excitation movable electrode 120 to the excitation circuit, and is disposed inside the movable electrode 120. Here, “inside the movable electrode 120” means the side on which the main body vibration unit 110 is disposed with respect to the movable electrode 120. Each inner fixed electrode 140 has an extending portion 141 and a comb tooth portion 142 that are separated into two. The two extending portions 141 of the inner fixed electrode 140 are provided symmetrically to each other in the X-axis direction with the connecting shaft 111s between the main body vibrating portion 110 and the movable electrode 120 interposed therebetween, and the extending portion 122 of the movable electrode 120 is provided. And extends in parallel.

内側固定電極140の櫛歯部142は、各延伸部141における可動電極120側の側面に、櫛歯状の複数の並列な突起部として形成されている。内側固定電極140の櫛歯部142は、可動電極120の内側の櫛歯部123bに対して互いに噛み合うように配置されている。すなわち、内側固定電極140の櫛歯部142と、可動電極120の内側の櫛歯部123bとは、互いの各突起部が離間した状態で交互に配列されるように配置されている。   The comb teeth 142 of the inner fixed electrode 140 are formed as a plurality of comb-shaped parallel protrusions on the side surface of each extending portion 141 on the movable electrode 120 side. The comb teeth 142 of the inner fixed electrode 140 are arranged so as to mesh with each other with respect to the comb teeth 123 b inside the movable electrode 120. That is, the comb-tooth portions 142 of the inner fixed electrode 140 and the comb-tooth portions 123b on the inner side of the movable electrode 120 are arranged so as to be alternately arranged in a state where the respective protrusions are separated from each other.

図3は、センサ素子10のSOI基板11における各部位ごとの断面構成を示す概略断面図である。図3の(A)欄には、本体振動部110が形成されている部位(図2のA−A切断に相当する部位)の概略断面図を図示してある。図3の(B)欄には、可動電極120の櫛歯部123aを構成する突起部と、外側固定電極130の櫛歯部132を構成する突起部と、が交互に配列されている部位(図2のB−B切断に相当する部位)の概略断面図を図示してある。図3の(C)欄には、可動電極120の櫛歯部123bを構成する突起部と、内側固定電極140の櫛歯部142を構成する突起部と、が交互に配列されている部位(図2のC−C切断に相当する部位)の概略断面図を図示してある。   FIG. 3 is a schematic cross-sectional view showing a cross-sectional configuration of each part in the SOI substrate 11 of the sensor element 10. In the (A) column of FIG. 3, a schematic cross-sectional view of a portion where the main body vibration unit 110 is formed (a portion corresponding to the AA cut in FIG. 2) is illustrated. In the column (B) of FIG. 3, the protrusions constituting the comb teeth 123 a of the movable electrode 120 and the protrusions constituting the comb teeth 132 of the outer fixed electrode 130 are alternately arranged ( A schematic sectional view of a portion corresponding to the BB cut in FIG. 2 is shown. In the column (C) of FIG. 3, the protrusions forming the comb teeth 123 b of the movable electrode 120 and the protrusions forming the comb teeth 142 of the inner fixed electrode 140 are alternately arranged ( A schematic cross-sectional view of a portion corresponding to CC cutting in FIG. 2 is illustrated.

センサ素子10のSOI基板11は、シリコン基板11bの上に、二酸化ケイ素(SiO2)の薄膜層である中間酸化膜層11mと、表面シリコン層11sと、が積層された積層構造を有している。振動子100は、SOI基板11の表面シリコン層11sと中間酸化膜層11mとがエッチングされることによって形成されている(後述)。なお、センサ素子10では、表面シリコン層11sの上にガラス板が配置されるが(後述)、ここでは便宜上、その図示を省略してある。 The SOI substrate 11 of the sensor element 10 has a laminated structure in which an intermediate oxide film layer 11m, which is a silicon dioxide (SiO 2 ) thin film layer, and a surface silicon layer 11s are laminated on a silicon substrate 11b. Yes. The vibrator 100 is formed by etching the surface silicon layer 11s and the intermediate oxide film layer 11m of the SOI substrate 11 (described later). In the sensor element 10, a glass plate is disposed on the surface silicon layer 11s (described later), but the illustration thereof is omitted here for convenience.

本体振動部110の固定部113は中間酸化膜層11mを挟んでシリコン基板11b上に配置されることによって位置が固定されている(図3の(A)欄)。これに対して、本体振動部110の固定部113以外の部位(ビーム部111、連結部112、連結軸111s,113s)は、直下の中間酸化膜層11mが除去されていることによって、シリコン基板11bから離間して浮いた状態で固定部113に保持されている。   The position of the fixing portion 113 of the main body vibration portion 110 is fixed by being disposed on the silicon substrate 11b with the intermediate oxide film layer 11m interposed therebetween (column (A) in FIG. 3). On the other hand, the portions other than the fixed portion 113 (the beam portion 111, the connecting portion 112, the connecting shafts 111s and 113s) of the main body vibrating portion 110 are removed by removing the intermediate oxide film layer 11m immediately below the silicon substrate. It is held by the fixing portion 113 in a state of floating away from 11b.

電極部150の外側固定電極130および内側固定電極140は中間酸化膜層11mを挟んでシリコン基板11b上に配置されることによってその位置が固定されている(図3の(B)欄および(C)欄)。これに対して、電極部150の可動電極120の全体は、直下の中間酸化膜層11mが除去されていることによってシリコン基板11bから離間して浮いた状態となっており、連結軸111sを介して本体振動部110のビーム部111に保持されている。   The positions of the outer fixed electrode 130 and the inner fixed electrode 140 of the electrode portion 150 are fixed by being disposed on the silicon substrate 11b with the intermediate oxide film layer 11m interposed therebetween (see the (B) column and (C) in FIG. ) Column). In contrast, the entire movable electrode 120 of the electrode unit 150 is in a state of floating away from the silicon substrate 11b due to the removal of the intermediate oxide film layer 11m immediately below, via the connecting shaft 111s. Are held by the beam unit 111 of the main body vibration unit 110.

[センサ素子の駆動]
図4は電極部150における振動の発生を説明するための模式図である。図4には電極部150における一部(可動電極120の櫛歯部123aと外側固定電極130の櫛歯部132とが互いに噛み合っている部位)を斜視図によって模式的に図示してある。センサ素子10の駆動時には、可動電極120と外側固定電極130との間には電圧が印加され、互いに対向している櫛歯部123a,132の間に静電気力が生じる。
[Drive sensor element]
FIG. 4 is a schematic diagram for explaining generation of vibration in the electrode unit 150. FIG. 4 schematically shows a part of the electrode portion 150 (a portion where the comb teeth 123a of the movable electrode 120 and the comb teeth 132 of the outer fixed electrode 130 mesh with each other) in a perspective view. When the sensor element 10 is driven, a voltage is applied between the movable electrode 120 and the outer fixed electrode 130, and an electrostatic force is generated between the comb tooth portions 123a and 132 facing each other.

上述したとおり、可動電極120の全体は、シリコン基板11b(図3)から離間して浮いた状態で保持されているため、前記の静電気力の周期的な変動に応じて、外側固定電極130との間の距離が変動して振動する。可動電極120の振動によって、可動電極120と内側固定電極140との間の距離が変動して両電極120、140間の静電容量が変化するため、内側固定電極140における電荷量が変動する。   As described above, the entire movable electrode 120 is held in a state of floating away from the silicon substrate 11b (FIG. 3), and therefore, the outer fixed electrode 130 and the outer fixed electrode 130 are in accordance with the periodic fluctuation of the electrostatic force. The distance between fluctuates and vibrates. Due to the vibration of the movable electrode 120, the distance between the movable electrode 120 and the inner fixed electrode 140 varies, and the capacitance between the electrodes 120 and 140 varies, so the amount of charge in the inner fixed electrode 140 varies.

図5は、センサ素子10を駆動するための励振回路30の構成を示す概略図である。センサ素子10は、励振回路30とともに正帰還型の発振回路を構成し、固有の共振周波数で自励発振する。励振回路30は、チャージアンプ部31と、フィルター部32と、コンパレーター部33と、を備える。   FIG. 5 is a schematic diagram showing the configuration of the excitation circuit 30 for driving the sensor element 10. The sensor element 10 constitutes a positive feedback oscillation circuit together with the excitation circuit 30 and self-oscillates at a specific resonance frequency. The excitation circuit 30 includes a charge amplifier unit 31, a filter unit 32, and a comparator unit 33.

チャージアンプ部31は、オペアンプ31aと、帰還抵抗器31rと、帰還コンデンサー31cと、を備えた反転増幅回路として構成されている。オペアンプ31aのマイナス側入力端子は、検知端子16aを介してセンサ素子10に接続されている。チャージアンプ部31は、振動子100の内側固定電極140における電荷量の変化を電圧信号に変換し、フィルター部32に出力する。   The charge amplifier unit 31 is configured as an inverting amplifier circuit including an operational amplifier 31a, a feedback resistor 31r, and a feedback capacitor 31c. The negative input terminal of the operational amplifier 31a is connected to the sensor element 10 via the detection terminal 16a. The charge amplifier unit 31 converts a change in the amount of charge in the inner fixed electrode 140 of the vibrator 100 into a voltage signal and outputs the voltage signal to the filter unit 32.

フィルター部32は、カップリングコンデンサー32cと、入力抵抗器32raと、オペアンプ32aと、帰還抵抗31rbと、を備えた反転増幅回路として構成されている。カップリングコンデンサー32cは、チャージアンプ部31とのカップリングを行う。フィルター部32は、カップリングコンデンサー32cを通過した所定の周波数以上の信号を増幅するフィルターとして機能する。   The filter unit 32 is configured as an inverting amplifier circuit including a coupling capacitor 32c, an input resistor 32ra, an operational amplifier 32a, and a feedback resistor 31rb. The coupling capacitor 32 c performs coupling with the charge amplifier unit 31. The filter unit 32 functions as a filter that amplifies a signal having a predetermined frequency or higher that has passed through the coupling capacitor 32c.

コンパレーター部33は、オペアンプ33aを備え、2つの入力端子の電圧を比較する非反転増幅回路として構成されており、フィルター部32の出力を整形する。コンパレーター部33のオペアンプ33aは2つのコンプリメンタリーな出力を有する。オペアンプ33aのプラス側出力は帰還抵抗33rを介してコンデンサー33cが接続されたマイナス側の入力端子に接続されている。また、オペアンプ33aのマイナス側出力は出力端子33oに接続され、外部の信号検出部(図示は省略)に対して、センサ素子10を含んだ回路の共振周波数を示す信号を出力する。   The comparator unit 33 includes an operational amplifier 33 a and is configured as a non-inverting amplifier circuit that compares voltages of two input terminals, and shapes the output of the filter unit 32. The operational amplifier 33a of the comparator unit 33 has two complementary outputs. The positive output of the operational amplifier 33a is connected to the negative input terminal to which the capacitor 33c is connected via the feedback resistor 33r. The negative output of the operational amplifier 33a is connected to the output terminal 33o, and outputs a signal indicating the resonance frequency of the circuit including the sensor element 10 to an external signal detector (not shown).

励振回路30は遅れのある正帰還回路として働くため、センサ素子10は振動子100の固有振動数に応じた共振状態で振動することになる。なお、センサ素子10を駆動するための励振回路としては図5に示された励振回路30に限られず、正帰還となる励振回路であれば、種々のタイプの励振回路を用いることができる。 Since the excitation circuit 30 functions as a positive feedback circuit with a delay, the sensor element 10 vibrates in a resonance state corresponding to the natural frequency of the vibrator 100. The excitation circuit for driving the sensor element 10 is not limited to the excitation circuit 30 shown in FIG. 5, and various types of excitation circuits can be used as long as they are positive feedback circuits.

図6は、振動子100の共振状態を説明するための模式図である。図6の(A)欄には静止状態のときの振動子100の概略正面図を図示してあり、(B)欄には共振状態のときの振動子100の概略正面図を図示してある。なお、図6では、外側固定電極130および内側固定電極140の図示は省略してある。また、図6には、振動子100の仮想中心軸CLを一点鎖線で図示してある。センサ素子10では、その駆動時に、振動子100が共振状態となる。   FIG. 6 is a schematic diagram for explaining the resonance state of the vibrator 100. 6A shows a schematic front view of the vibrator 100 in a stationary state, and FIG. 6B shows a schematic front view of the vibrator 100 in a resonance state. . In FIG. 6, illustration of the outer fixed electrode 130 and the inner fixed electrode 140 is omitted. Further, in FIG. 6, the virtual central axis CL of the vibrator 100 is illustrated by a one-dot chain line. In the sensor element 10, the vibrator 100 is in a resonance state when driven.

ここで、振動子100の「共振状態」とは、本体振動部110の2本のビーム部111が仮想中心軸CLを中心として左右対称に撓み振動している状態である。本実施形態のセンサ素子10では、共振状態のときには、本体振動部110の2本のビーム部111が可動電極120の変位によって、互いに反対方向に同じ周期および振幅で撓み振動する。   Here, the “resonance state” of the vibrator 100 is a state in which the two beam portions 111 of the main body vibration unit 110 are flexibly oscillating in a bilaterally symmetrical manner about the virtual center axis CL. In the sensor element 10 of the present embodiment, when in the resonance state, the two beam portions 111 of the main body vibration unit 110 are flexibly vibrated in the opposite directions with the same period and amplitude due to the displacement of the movable electrode 120.

また、本実施形態のセンサ素子10では、2つの可動電極120が、本体振動部110の2本のビーム部111とともに撓み振動する。可動電極120は、可動電極120の長さや太さ、密度、剛性を、本体振動部110の形状に応じて調整することによって、共振状態のときに撓み振動させることができる。本実施形態の振動子100では、可動電極120の撓み振動によって振動子100の振動特性が改善されているが、その詳細については後述する。   In the sensor element 10 of the present embodiment, the two movable electrodes 120 are flexibly vibrated together with the two beam portions 111 of the main body vibration unit 110. The movable electrode 120 can be flexibly vibrated in a resonance state by adjusting the length, thickness, density, and rigidity of the movable electrode 120 according to the shape of the main body vibration unit 110. In the vibrator 100 of the present embodiment, the vibration characteristics of the vibrator 100 are improved by the flexural vibration of the movable electrode 120, details of which will be described later.

図7は、外力によるセンサ素子10の共振周波数の変化を説明するための模式図である。図7には振動子100における本体振動部110の音叉部分を抜き出して模式的に図示してある。図7の紙面上段には静止状態のときの本体振動部110の音叉部分の概略斜視図を図示してあり、紙面下段には共振状態のときの本体振動部110の音叉部分の概略正面図を図示してある。上述したように、本体振動部110の音叉部分は、2本の並列なビーム部111と、各ビーム部111の両端部を連結する連結部112と、で構成されている。   FIG. 7 is a schematic diagram for explaining a change in the resonance frequency of the sensor element 10 due to an external force. In FIG. 7, a tuning fork portion of the main body vibration unit 110 in the vibrator 100 is extracted and schematically illustrated. 7 is a schematic perspective view of the tuning fork portion of the main body vibration unit 110 in a stationary state, and the lower step of FIG. 7 is a schematic front view of the tuning fork portion of the main body vibration unit 110 in a resonance state. It is shown. As described above, the tuning fork portion of the main body vibration unit 110 includes the two parallel beam portions 111 and the connecting portions 112 that connect both ends of each beam portion 111.

本体振動部110の音叉部分は、2本のビーム部111のそれぞれに対して、外部から、Y軸方向の励振力Fを同じタイミングで付与されると共振状態になる。2本のビーム部111に対して励振力Fと直交する方向(X軸方向)に外力Pが付与されると、その外力Pによって2本のビーム部111には応力が生じる。これによって、各ビーム部111の撓みやすさが変化し、本体振動部110の音叉部分の共振周波数が変化する。なお、本実施形態のセンサ素子10では、励振力Fは可動電極120から付与され、外力Pは、シリコン基板11b(図3)に固定されている本体振動部110の固定部113を介して付与される。   The tuning fork part of the main body vibration unit 110 enters a resonance state when an excitation force F in the Y-axis direction is applied from the outside to each of the two beam units 111 at the same timing. When an external force P is applied to the two beam portions 111 in a direction orthogonal to the excitation force F (X-axis direction), stress is generated in the two beam portions 111 by the external force P. As a result, the ease of bending of each beam part 111 changes, and the resonance frequency of the tuning fork part of the main body vibration part 110 changes. In the sensor element 10 of the present embodiment, the excitation force F is applied from the movable electrode 120, and the external force P is applied via the fixing portion 113 of the main body vibration unit 110 fixed to the silicon substrate 11b (FIG. 3). Is done.

図8は、本実施形態のセンサ素子10の周波数特性を説明するための説明図である。図8には、横軸を周波数とし、縦軸を振幅とするセンサ素子10の周波数特性を示すグラフを図示してある。図8では、外力が付与されていない状態のときのセンサ素子10の周波数特性を示すグラフの一例を実線で示し、外力が付与されたときのセンサ素子10の周波数特性を示すグラフの一例を破線で示してある。   FIG. 8 is an explanatory diagram for explaining the frequency characteristics of the sensor element 10 of the present embodiment. FIG. 8 is a graph showing the frequency characteristics of the sensor element 10 with the horizontal axis representing frequency and the vertical axis representing amplitude. In FIG. 8, an example of a graph showing the frequency characteristics of the sensor element 10 when no external force is applied is shown by a solid line, and an example of a graph showing the frequency characteristics of the sensor element 10 when an external force is applied is a broken line. It is shown by.

この周波数特性を示すグラフは、外部からセンサ素子10の外側固定電極130に付与した交流電圧の周波数を変化させたときに内側固定電極140に接続されているチャージアンプから出力される信号の振幅の変化を示している。以下では、図8のグラフのような周波数特性を示すグラフを「周波数特性グラフ」と呼ぶ。なお、本明細書において説明に用いられる周波数特性グラフはいずれも同様な方法によって取得されるものである。   This graph showing the frequency characteristics shows the amplitude of the signal output from the charge amplifier connected to the inner fixed electrode 140 when the frequency of the AC voltage applied to the outer fixed electrode 130 of the sensor element 10 is changed from the outside. It shows a change. Hereinafter, a graph showing the frequency characteristics like the graph of FIG. 8 is referred to as a “frequency characteristic graph”. In addition, all the frequency characteristic graphs used for description in this specification are obtained by the same method.

周波数特性グラフ中の共振峰におけるセンサ素子10の共振周波数frはセンサ素子10に付与された外力に応じて横軸方向にシフトする。従って、初期状態の振動子100の共振周波数frからの共振周波数の変化量Δfrを検出することによって、センサ素子10に付与されている外力を検出することができる。   The resonance frequency fr of the sensor element 10 at the resonance peak in the frequency characteristic graph shifts in the horizontal axis direction according to the external force applied to the sensor element 10. Therefore, the external force applied to the sensor element 10 can be detected by detecting the amount of change Δfr in the resonance frequency from the resonance frequency fr of the vibrator 100 in the initial state.

本実施形態のセンサ素子10では、前記したように、振動子100が共振状態のときに可動電極120が撓み振動をするように構成されており(図6)、これによって、センサ素子10の周波数特性が改善され、その線形性を高められている。以下では、比較例を用いて、その理由を説明する。   As described above, the sensor element 10 of the present embodiment is configured such that the movable electrode 120 bends and vibrates when the vibrator 100 is in a resonance state (FIG. 6). The characteristics are improved and its linearity is enhanced. Below, the reason is demonstrated using a comparative example.

[振動特性の改善]
図9は、本発明の比較例としてのセンサ素子を構成する振動子100aを示す概略図である。図9の(A)欄には静止状態のときの比較例の振動子100aの概略正面図を図示してあり、(B)欄には、共振状態のときの振動子100aの概略正面図を図示してある。なお、図9では、本実施形態の振動子100の構成部と同様な構成部については、本実施形態の振動子100と同じ符号を付してある。また、図9では、外側固定電極130および内側固定電極140の図示を省略してある。比較例のセンサ素子は、振動子100aを備えている点以外は、本実施形態のセンサ素子10とほぼ同じ構成を有している。比較例の振動子100aは、共振状態のときに、可動電極120が往復移動を繰り返すのみで、ほとんど撓み振動をしない構成を有している。
[Improvement of vibration characteristics]
FIG. 9 is a schematic view showing a vibrator 100a constituting a sensor element as a comparative example of the present invention. FIG. 9A shows a schematic front view of the vibrator 100a of the comparative example in the stationary state, and FIG. 9B shows a schematic front view of the vibrator 100a in the resonance state. It is shown. In FIG. 9, the same components as those of the vibrator 100 of the present embodiment are denoted by the same reference numerals as those of the vibrator 100 of the present embodiment. In FIG. 9, illustration of the outer fixed electrode 130 and the inner fixed electrode 140 is omitted. The sensor element of the comparative example has substantially the same configuration as the sensor element 10 of the present embodiment, except that the vibrator 100a is provided. The vibrator 100a of the comparative example has a configuration in which the movable electrode 120 only repeats reciprocating movement when in a resonance state, and hardly bends and vibrates.

図10は、比較例のセンサ素子の周波数特性を説明するための説明図である。図10には、比較例のセンサ素子の周波数特性グラフの一例を図示してある。なお、図10では、共振型のセンサ素子に求められる理想の周波数特性グラフを破線で示してある。また、センサ素子に対する印加電圧が小さいときの周波数特性グラフを実線で示し、印加電圧が大きいときの周波数特性グラフを一点鎖線で示してある。   FIG. 10 is an explanatory diagram for explaining the frequency characteristics of the sensor element of the comparative example. FIG. 10 shows an example of a frequency characteristic graph of the sensor element of the comparative example. In FIG. 10, an ideal frequency characteristic graph required for the resonance type sensor element is indicated by a broken line. In addition, a frequency characteristic graph when the applied voltage to the sensor element is small is indicated by a solid line, and a frequency characteristic graph when the applied voltage is large is indicated by a one-dot chain line.

比較例のセンサ素子では、印加電圧が小さく出力信号の振幅が低い状態であれば、振動子100aの安定的な振動が確保される(実線グラフ)。しかし、印加電圧を大きくして出力信号の振幅を大きくしていくと、振動子100aの振動は不安定になり、周波数特性グラフにおける共振峰を中心とする対称性は崩れてしまう(一点鎖線のグラフ)。これは、以下に説明する振動子100aにおけるハードスプリング効果の影響による。   In the sensor element of the comparative example, when the applied voltage is low and the amplitude of the output signal is low, stable vibration of the vibrator 100a is ensured (solid line graph). However, when the applied voltage is increased and the amplitude of the output signal is increased, the vibration of the vibrator 100a becomes unstable, and the symmetry about the resonance peak in the frequency characteristic graph is broken (the one-dot chain line). Graph). This is due to the influence of the hard spring effect in the vibrator 100a described below.

図11は、比較例の振動子100aにおけるハードスプリング効果を説明するための模式図である。図11には、比較例の振動子100aにおいてビーム部111に生じるハードスプリング効果を概念的に図示してある。比較例の振動子100aでは、ビーム部111は両端部が連結部112に固定された状態で撓み振動する。ビーム部111の撓み方向への振幅がある程度大きくなると、ビーム部111の延伸方向における剛性が、ビーム部111の延伸方向への延びを抑制する方向に働く。そのため、ビーム部111の延伸方向におけるバネ定数が増大し、ビーム部111の撓み振動を抑制してしまう方向に働く。一般に、このような撓み方向における振幅の増大に伴うビーム部111のバネ定数の増大は「ハードスプリング効果」と呼ばれる。このハードスプリング効果によって、比較例の振動子100aの振幅を大きくしたときの安定的な振動が阻害される。   FIG. 11 is a schematic diagram for explaining the hard spring effect in the vibrator 100a of the comparative example. FIG. 11 conceptually illustrates the hard spring effect generated in the beam unit 111 in the vibrator 100a of the comparative example. In the vibrator 100a of the comparative example, the beam portion 111 bends and vibrates in a state where both ends are fixed to the connecting portion 112. When the amplitude of the beam part 111 in the bending direction increases to some extent, the rigidity of the beam part 111 in the extending direction acts in a direction to suppress the extension of the beam part 111 in the extending direction. For this reason, the spring constant in the extending direction of the beam portion 111 increases, which acts in a direction that suppresses the bending vibration of the beam portion 111. In general, the increase in the spring constant of the beam portion 111 accompanying the increase in the amplitude in the bending direction is called a “hard spring effect”. This hard spring effect prevents stable vibration when the amplitude of the vibrator 100a of the comparative example is increased.

図12は、本実施形態の振動子100が共振状態にあるときに可動電極120の撓み振動を概念的に示す模式図である。可動電極120の根元は中央基体部121に固定されているため(図6)、可動電極120の撓み振動は、図12に示すような根元が固定された片持ち梁の振動モデルとして捉えることができる。   FIG. 12 is a schematic diagram conceptually showing the flexural vibration of the movable electrode 120 when the vibrator 100 of the present embodiment is in a resonance state. Since the root of the movable electrode 120 is fixed to the central base portion 121 (FIG. 6), the flexural vibration of the movable electrode 120 can be regarded as a vibration model of a cantilever with the root fixed as shown in FIG. it can.

本実施形態の振動子100では、振幅を大きくしたときに、可動電極120はハードスプリング効果の影響が現れることなく撓み振動することができる。従って、振動子100の共振状態のときには、ビーム部110の振幅が大きいほど、可動電極120における撓み振動の振動成分の影響が大きくなる。そのため、振動子100全体で見たときに、振幅が大きいときのハードスプリング効果の影響は緩和され、振動子100の線形的な周波数特性が改善される。このように、振動子100の共振状態のときには、可動電極120における撓み振動の振動成分が振動子100全体の振動特性に影響する。   In the vibrator 100 of this embodiment, when the amplitude is increased, the movable electrode 120 can bend and vibrate without the influence of the hard spring effect. Therefore, when the vibrator 100 is in the resonance state, the influence of the vibration component of the flexural vibration in the movable electrode 120 increases as the amplitude of the beam unit 110 increases. Therefore, when viewed from the entire vibrator 100, the influence of the hard spring effect when the amplitude is large is alleviated, and the linear frequency characteristics of the vibrator 100 are improved. As described above, when the vibrator 100 is in the resonance state, the vibration component of the flexural vibration in the movable electrode 120 affects the vibration characteristics of the whole vibrator 100.

また、以下に説明するように、本実施形態の振動子100の固有振動数fdは、可動電極120の撓み振動の振動成分によって、比較例の振動子100aの固有振動数fsよりも小さくなる。ここで、比較例の振動子100a(図9)と本実施形態の振動子100(図2)におけるビーム部111のバネ定数をkとし、可動電極120の質量をmとする。このとき、共振状態のときの比較例の振動子100aは、バネ定数kの弦巻バネの両端に質量mのマスが取り付けられたモデルとして表わされる。従って、比較例の振動子100aの固有振動数fsは下記の式(1)として表される。
fs=(k/m)0.5/2π …(1)
Further, as will be described below, the natural frequency fd of the vibrator 100 of the present embodiment is smaller than the natural frequency fs of the vibrator 100a of the comparative example due to the vibration component of the flexural vibration of the movable electrode 120. Here, the spring constant of the beam portion 111 in the vibrator 100a (FIG. 9) of the comparative example and the vibrator 100 (FIG. 2) of the present embodiment is k, and the mass of the movable electrode 120 is m. At this time, the vibrator 100a of the comparative example in the resonance state is represented as a model in which masses of mass m are attached to both ends of a coiled spring having a spring constant k. Accordingly, the natural frequency fs of the vibrator 100a of the comparative example is expressed as the following formula (1).
fs = (k / m) 0.5 / 2π (1)

これに対して、共振状態のときの本実施形態の振動子100は、可動電極120の撓み振動を考慮すると、本体振動部110に相当するバネ定数kの弦巻バネの両端に、質量mでバネ定数kmの弦巻バネが取り付けられたモデルとして表わされる。このモデルの固有振動数fdにおけるバネ定数kimpは、振動子100のビーム部111のバネ定数kに可動電極120に相当する弦巻バネのバネ定数kmを直列的に合成した値に相当する(下記の式(2))。
imp=k・km/(k+km) …(2)
On the other hand, the vibrator 100 according to the present embodiment in the resonance state has springs of mass m at both ends of a string spring having a spring constant k corresponding to the main body vibration unit 110 in consideration of flexural vibration of the movable electrode 120. It is represented as a model with a string spring of constant km. The spring constant k imp at the natural frequency fd of this model corresponds to a value obtained by serially combining the spring constant k m of the coiled spring corresponding to the movable electrode 120 with the spring constant k of the beam unit 111 of the vibrator 100 ( The following formula (2)).
k imp = k · k m / (k + k m) ... (2)

上記の式(2)から、共振状態のときの本実施形態の振動子100では、振動子100全体のバネ定数kimpは本体振動部110におけるバネ定数kよりも小さくなることがわかる(k>kimp)。なお、このバネ定数k,kimpの関係から、比較例の振動子100aの固有振動数fsと、本実施形態の振動子100の固有振動数fdと、の間には以下の不等式(3)の関係が成立する。
fd<fs …(3)
From the above equation (2), it can be seen that in the resonator 100 of this embodiment in the resonance state, the spring constant k imp of the entire resonator 100 is smaller than the spring constant k in the main body vibration unit 110 (k> k imp ). From the relationship between the spring constants k and k imp , the following inequality (3) exists between the natural frequency fs of the vibrator 100a of the comparative example and the natural frequency fd of the vibrator 100 of the present embodiment. The relationship is established.
fd <fs (3)

以上のように、本実施形態の振動子100であれば、可動電極120の撓み振動によって、振動特性に対するハードスプリング効果の影響が比較例の振動子100aよりも緩和され、線形的な振動特性が改善される。従って、本実施形態の振動子100であれば、比較例の振動子100aよりも、センサ素子10の検出精度を向上させることができる。   As described above, in the vibrator 100 according to the present embodiment, the influence of the hard spring effect on the vibration characteristics is mitigated by the flexural vibration of the movable electrode 120 as compared with the vibrator 100a of the comparative example, and linear vibration characteristics are obtained. Improved. Therefore, with the vibrator 100 of the present embodiment, the detection accuracy of the sensor element 10 can be improved as compared with the vibrator 100a of the comparative example.

[実施例1]
図13〜図15はそれぞれ、3つの振動子モデルMD1〜MD3の構成を示す模式図である。図13〜図15にはそれぞれ(A)欄と(B)欄とに、各振動子モデルMD1〜MD3の静止状態と共振状態とを模式的に図示してある。なお、図13〜図15では可動電極120の両側の外側固定電極130および内側固定電極140の図示は省略してある。実施例1では、共振状態における振幅を大きくしたときに振動子100の振動の安定性が確保される本体振動部110と可動電極120との振幅の比を説明する。
[Example 1]
FIGS. 13 to 15 are schematic views showing the configurations of three transducer models MD1 to MD3, respectively. FIGS. 13 to 15 schematically show the stationary state and the resonance state of each of the transducer models MD1 to MD3 in the (A) column and the (B) column, respectively. 13 to 15, illustration of the outer fixed electrode 130 and the inner fixed electrode 140 on both sides of the movable electrode 120 is omitted. In the first embodiment, the amplitude ratio between the main body vibration unit 110 and the movable electrode 120 that ensures the stability of vibration of the vibrator 100 when the amplitude in the resonance state is increased will be described.

各振動子モデルMD1〜MD3は、図2で説明した振動子100と同様に、本体振動部110と、2つの電極部150と、を備えている。各振動子モデルMD1〜MD3は、本体振動部110のビーム部111の長さと、電極部150における可動電極120の長さの比を変えることによって、本体振動部110における振幅と、可動電極120における振幅の比を変えてある。   Each transducer model MD <b> 1 to MD <b> 3 includes a main body vibration unit 110 and two electrode units 150, similar to the transducer 100 described with reference to FIG. 2. Each transducer model MD <b> 1 to MD <b> 3 changes the amplitude of the main body vibration unit 110 and the movable electrode 120 by changing the ratio of the length of the beam unit 111 of the main body vibration unit 110 and the length of the movable electrode 120 in the electrode unit 150. The amplitude ratio has been changed.

ここで、本明細書では、共振状態における可動電極120の最大振幅as(先端部の振幅)に対する本体振動部110のビーム部111の最大振幅am(ビーム部111の中央部位の振幅)の比の値(am/as)を「振幅比」と呼ぶ。各振動子モデルMD1〜MD3はそれぞれ、振幅比が1,0.5,0.3である。   Here, in this specification, the ratio of the maximum amplitude am (the amplitude of the central portion of the beam portion 111) of the beam portion 111 of the main body vibration unit 110 to the maximum amplitude as (the amplitude of the tip portion) of the movable electrode 120 in the resonance state. The value (am / as) is called “amplitude ratio”. Each transducer model MD1 to MD3 has an amplitude ratio of 1, 0.5, and 0.3, respectively.

第1の振動子モデルMD1(図13)は、共振状態における可動電極120の最大振幅asと、ビーム部111の最大振幅amと、が等しいモデルである(am=as;振幅比1.0)。第1の振動子モデルMD1では、可動電極120がほとんど撓み振動せず、可動電極120の先端部は本体振動部110のビーム部111の中央部位とほとんど同じ振幅で振動する。   The first vibrator model MD1 (FIG. 13) is a model in which the maximum amplitude as of the movable electrode 120 in the resonance state and the maximum amplitude am of the beam unit 111 are equal (am = as; amplitude ratio 1.0). . In the first vibrator model MD1, the movable electrode 120 hardly bends and vibrates, and the tip portion of the movable electrode 120 vibrates with almost the same amplitude as the central portion of the beam portion 111 of the main body vibration unit 110.

第2の振動子モデルMD2(図14)は、共振状態における可動電極120の最大振幅asは、ビーム部111の最大振幅amに対してほぼ2倍である(as=2・am;振幅比0.5)。第2の振動子モデルMD2では、共振状態のときに可動電極120が撓み振動することによって、可動電極120の先端部の振幅が本体振動部110のビーム部111の中央部位の倍になっている。   In the second vibrator model MD2 (FIG. 14), the maximum amplitude as of the movable electrode 120 in the resonance state is approximately twice the maximum amplitude am of the beam unit 111 (as = 2 · am; amplitude ratio 0). .5). In the second vibrator model MD2, the movable electrode 120 bends and vibrates in the resonance state, so that the amplitude of the tip of the movable electrode 120 is double that of the central portion of the beam unit 111 of the main body vibration unit 110. .

第3の振動子モデルMD3(図15)は、共振状態における可動電極120の最大振幅asは、ビーム部111の最大振幅amに対してほぼ3倍である(as=3・am;振幅比約0.3)。第3の振動子モデルMD3では、共振状態における可動電極120の撓み振動の度合いが第2の振動子モデルMD2よりも大きく、可動電極120の先端部の振幅が本体振動部110のビーム部111の中央部位の3倍になっている。   In the third vibrator model MD3 (FIG. 15), the maximum amplitude as of the movable electrode 120 in the resonance state is almost three times as large as the maximum amplitude am of the beam unit 111 (as = 3 · am; amplitude ratio is about 0.3). In the third vibrator model MD3, the degree of flexural vibration of the movable electrode 120 in the resonance state is larger than that of the second vibrator model MD2, and the amplitude of the tip of the movable electrode 120 is that of the beam part 111 of the main body vibration part 110. Three times the central part.

図16は、上記の各振動子モデルMD1〜MD3の振幅比に応じたセンサ素子10の出力特性の改善を説明するための説明図である。図16には、横軸を振幅比とし、縦軸を非線形指数とするグラフを図示してある。ここで、「非線形指数」とは、共振型センサの周波数特性の非対称性を示す指標であり、以下のように取得される値である。   FIG. 16 is an explanatory diagram for explaining the improvement of the output characteristics of the sensor element 10 in accordance with the amplitude ratio of each of the transducer models MD1 to MD3. FIG. 16 shows a graph in which the horizontal axis is the amplitude ratio and the vertical axis is the nonlinear index. Here, the “nonlinear index” is an index indicating the asymmetry of the frequency characteristics of the resonance sensor, and is a value obtained as follows.

図17は、非線形指数の取得方法を説明するための説明図である。図17には、共振型センサのセンサ素子の周波数特性グラフの一例を図示してある。非線形指数は、センサ素子の周波数特性グラフから以下のように取得される。
[1]センサ素子の周波数特性グラフにおいて、共振峰の最大値αと、共振峰の最大値αのときの周波数fαと、を取得する。
[2]振幅が、α/√2以上になる周波数の範囲f1〜f2(f1<f2)を求める。
[3]この周波数の範囲f1〜f2を、その中心を0、f1を−1、f2を1として目盛りを付し、その目盛り上において、周波数fαに対応する値nlを取得する。この値nlが、センサ素子の非線形指数である。
FIG. 17 is an explanatory diagram for explaining a method of acquiring a nonlinear index. FIG. 17 shows an example of a frequency characteristic graph of the sensor element of the resonance type sensor. The non-linear index is acquired from the frequency characteristic graph of the sensor element as follows.
[1] In the frequency characteristic graph of the sensor element, the maximum value α of the resonance peak and the frequency f α at the maximum value α of the resonance peak are acquired.
[2] A frequency range f 1 to f 2 (f 1 <f 2 ) in which the amplitude is α / √2 or more is obtained.
[3] The frequency range f 1 to f 2 is scaled with its center at 0, f 1 at −1, and f 2 at 1, and a value nl corresponding to the frequency f α is obtained on the scale. To do. This value nl is the nonlinear exponent of the sensor element.

上記の手順[1]〜[3]によって取得された非線形指数は、共振型センサの周波数特性グラフにおいて共振峰のピークが中心から外れている度合いを示しており、共振型センサの周波数特性グラフにおける対称性の崩れの度合いを示している。非線形指数は、その絶対値が小さいほど、共振型センサの出力特性グラフが対称性を有しており、共振型センサの振動子がより安定的に振動していることを示す。   The nonlinear index obtained by the above steps [1] to [3] indicates the degree to which the peak of the resonance peak is off the center in the frequency characteristic graph of the resonance sensor. It shows the degree of symmetry breaking. The nonlinear index indicates that the smaller the absolute value, the more symmetrical the output characteristic graph of the resonant sensor, and the more stable the vibrator of the resonant sensor vibrates.

図16のグラフにおける非線形指数は、各振動子モデルMD1〜MD3を備えるセンサ素子について、各振動子モデルMD1〜MD3において同じだけ静電容量を変化させたときに得られた値である。このグラフに示されているように、各振動子モデルMD1〜MD3を用いたセンサ素子では、非線形指数は、各振動子モデルMD1〜MD3の振幅比に対してほぼ線形的に小さくなった。具体的に、振幅比が0.5である振動子モデルMD2において非線形指数は0.40より小さくなり、振幅比が0.3である振動子モデルMD3において非線形指数は0.20よりも小さくなった。   The nonlinear index in the graph of FIG. 16 is a value obtained when the capacitance is changed by the same amount in each transducer model MD1 to MD3 for the sensor element including each transducer model MD1 to MD3. As shown in this graph, in the sensor element using each transducer model MD1 to MD3, the non-linear exponent becomes almost linearly smaller than the amplitude ratio of each transducer model MD1 to MD3. Specifically, in the vibrator model MD2 having an amplitude ratio of 0.5, the nonlinear index is smaller than 0.40, and in the vibrator model MD3 having an amplitude ratio of 0.3, the nonlinear index is smaller than 0.20. It was.

この結果から、振動子100が共振状態のときに、本体振動部110の可動電極120の最大振幅asは、ビーム部111の最大振幅amに対して2倍以上であることが好ましく、3倍以上であることがより好ましいことがわかる。このように、振動子100において、共振状態のときの本体振動部110の振幅に対して共振状態のときの可動電極120の振幅を大きくすれば、安定した振動が確保され、センサ素子10の線形的な周波数特性が改善される。   From this result, when the vibrator 100 is in a resonance state, the maximum amplitude as of the movable electrode 120 of the main body vibration unit 110 is preferably at least twice as large as the maximum amplitude am of the beam unit 111, and is at least three times. It turns out that it is more preferable. In this manner, in the vibrator 100, if the amplitude of the movable electrode 120 in the resonance state is increased with respect to the amplitude of the main body vibration unit 110 in the resonance state, stable vibration is ensured, and the linearity of the sensor element 10 is ensured. Frequency characteristics are improved.

[実施例2]
図18は4つのセンサ素子10のサンプルS1〜S4が備える振動子100の構成をまとめた表を示す説明図である。図18の表には、センサ素子10のサンプルS1〜S4が備える振動子100の概略構成図と、共振周波数に関するパラメータと、をまとめてある。なお、表中の振動子100の概略構成図では、電極部150については、可動電極120以外の図示は省略してある。実施例2では、センサ素子10の駆動安定性と感度とを確保できる振動子100の共振周波数の規定を説明する。
[Example 2]
FIG. 18 is an explanatory diagram illustrating a table in which the configurations of the vibrators 100 included in the samples S1 to S4 of the four sensor elements 10 are summarized. The table of FIG. 18 summarizes a schematic configuration diagram of the vibrator 100 included in the samples S1 to S4 of the sensor element 10 and parameters related to the resonance frequency. In the schematic configuration diagram of the vibrator 100 in the table, the electrode unit 150 other than the movable electrode 120 is not shown. In the second embodiment, the definition of the resonance frequency of the vibrator 100 that can ensure the driving stability and sensitivity of the sensor element 10 will be described.

各サンプルS1〜S4が備える振動子100は、図2で説明した、本体振動部110と、電極部150と、を備えている。各サンプルS1〜S4の振動子100は、以下の点以外はほぼ同じ構成である。各サンプルS1〜S4の振動子100では、本体振動部110におけるビーム部111の長さと、電極部150における可動電極120の長さの関係がそれぞれ以下のように異なっている。   The vibrator 100 included in each of the samples S1 to S4 includes the main body vibration unit 110 and the electrode unit 150 described with reference to FIG. The vibrators 100 of the samples S1 to S4 have substantially the same configuration except for the following points. In the vibrator 100 of each of the samples S1 to S4, the relationship between the length of the beam unit 111 in the main body vibration unit 110 and the length of the movable electrode 120 in the electrode unit 150 is different as follows.

サンプルS1〜S3の振動子100におけるビーム部111の長さLa1〜La3は、サンプルS1〜S3の順で小さくなっている(La1>La2>La3)。また、サンプルS1〜S3では、振動子100における可動電極120の長さがそれぞれ等しい(Lb1=Lb2=Lb3)。サンプルS4では、ビーム部111の長さLa4は、サンプルS1〜S3のビーム部111の長さLa1〜La3より小さい(La4<La1,La2,La3)。また、サンプルS4では、可動電極120の長さLb4は、サンプルS1〜S3の可動電極120の長さLb1〜Lb3より短い(Lb4<Lb1=Lb2=Lb3)。   The lengths La1 to La3 of the beam unit 111 in the vibrator 100 of the samples S1 to S3 are smaller in the order of the samples S1 to S3 (La1> La2> La3). In the samples S1 to S3, the lengths of the movable electrodes 120 in the vibrator 100 are equal (Lb1 = Lb2 = Lb3). In the sample S4, the length La4 of the beam unit 111 is smaller than the lengths La1 to La3 of the beam unit 111 of the samples S1 to S3 (La4 <La1, La2, La3). In the sample S4, the length Lb4 of the movable electrode 120 is shorter than the lengths Lb1 to Lb3 of the movable electrode 120 of the samples S1 to S3 (Lb4 <Lb1 = Lb2 = Lb3).

上記のような構成の相違によって、各サンプルS1〜S4では、振動子100全体の共振周波数(全体共振周波数fw)に対する可動電極120のみの共振周波数(電極部共振周波数fe)の比の値(電極共振比Rf;Rf=fe/fw)が異なっている。ここで、「全体共振周波数fw」は、外力が付与されていないときのセンサ素子10の共振周波数に相当する。また、「電極部共振周波数fe」は、振動子100から可動電極120のみを抜き出して撓み振動させたときの可動電極120単体の共振周波数に相当する。   Due to the difference in configuration as described above, in each of the samples S1 to S4, the value of the ratio of the resonance frequency (electrode part resonance frequency fe) of only the movable electrode 120 to the resonance frequency of the whole vibrator 100 (overall resonance frequency fw) (electrode) Resonance ratio Rf; Rf = fe / fw) is different. Here, the “total resonance frequency fw” corresponds to the resonance frequency of the sensor element 10 when no external force is applied. Further, the “electrode part resonance frequency fe” corresponds to a resonance frequency of the movable electrode 120 alone when only the movable electrode 120 is extracted from the vibrator 100 and is flexibly vibrated.

「電極共振比Rf」は、振動子100全体の共振周波数を基準として可動電極120の共振周波数の大きさが表された値である。電極共振比Rfが1に近いほど、可動電極120の撓み振動が振動子100の全体の振動に与える影響が大きくなり、共振状態における振動子100の振動がより安定化する。すなわち、電極共振比Rfは、振動子100の振動の安定化に対する可動電極120の撓み振動の寄与度を示す値であると解釈できる。   The “electrode resonance ratio Rf” is a value representing the magnitude of the resonance frequency of the movable electrode 120 on the basis of the resonance frequency of the entire vibrator 100. As the electrode resonance ratio Rf is closer to 1, the influence of the flexural vibration of the movable electrode 120 on the overall vibration of the vibrator 100 increases, and the vibration of the vibrator 100 in the resonance state is further stabilized. That is, the electrode resonance ratio Rf can be interpreted as a value indicating the degree of contribution of the flexural vibration of the movable electrode 120 to the stabilization of the vibration of the vibrator 100.

各サンプルS1〜S4の電極共振比Rfは以下の通りである。サンプルS1の電極共振比Rfは4.7であった。サンプルS2の電極共振比Rfは2.7であった。サンプルS3の電極共振比Rfは1.5であった。サンプルS4の電極共振比Rfは1.3であった。このように、各サンプルS1〜S4の電極共振比Rfは、サンプルS4,S3,S2,S1の順で1に近かった。   The electrode resonance ratio Rf of each sample S1 to S4 is as follows. The electrode resonance ratio Rf of sample S1 was 4.7. The electrode resonance ratio Rf of sample S2 was 2.7. The electrode resonance ratio Rf of sample S3 was 1.5. The electrode resonance ratio Rf of sample S4 was 1.3. As described above, the electrode resonance ratio Rf of each of the samples S1 to S4 was close to 1 in the order of the samples S4, S3, S2, and S1.

図19は、各サンプルS1〜S4の駆動安定性についての評価結果を示す説明図である。図19の紙面上段には各サンプルS1〜S4における静電容量の変化幅ΔCと非線形指数との関係を示すグラフを図示してあり、紙面下段にはそのグラフから求められた各サンプルS1〜S4ごとのN指数をまとめた表を図示してある。   FIG. 19 is an explanatory diagram showing the evaluation results for the driving stability of the samples S1 to S4. A graph showing the relationship between the capacitance variation ΔC and the nonlinear index in each of the samples S1 to S4 is shown in the upper part of the sheet of FIG. 19, and each of the samples S1 to S4 obtained from the graph is shown in the lower part of the sheet. A table summarizing the N index for each is shown.

ここで、「静電容量の変化幅ΔC」は、センサ素子10に外部から交流電圧を印加し、その駆動周波数を挿引したときの電極部150の各電極120,130,140間における静電容量が変化した幅である。静電容量の変化幅ΔCは振動子100の振幅に相当し、センサ素子10の駆動電圧に応じて変化する。   Here, the “capacitance change width ΔC” is the electrostatic capacitance between the electrodes 120, 130, and 140 of the electrode unit 150 when an AC voltage is applied to the sensor element 10 from the outside and the drive frequency is inserted. This is the width that the capacity has changed. The change width ΔC of the capacitance corresponds to the amplitude of the vibrator 100 and changes according to the driving voltage of the sensor element 10.

「非線形指数」は、図16,図17において説明したパラメータであり、その絶対値が小さいほど、共振型センサの振動子がより安定的に振動していることを示す。図19のグラフでは、電極共振比Rfが1に近いサンプルほど、静電容量の変化幅ΔCに対する非線形指数の変化の勾配が緩やかになる関係が得られた。このように、電極共振比Rfが1に近いほど、共振状態における振動子100の振動の安定性が高くなった。   The “nonlinear index” is a parameter described with reference to FIGS. 16 and 17, and the smaller the absolute value, the more stably the vibrator of the resonance sensor vibrates. In the graph of FIG. 19, the relationship in which the gradient of the change of the nonlinear index with respect to the change width ΔC of the capacitance becomes gentler as the electrode resonance ratio Rf is closer to 1. Thus, the closer the electrode resonance ratio Rf is to 1, the higher the vibration stability of the vibrator 100 in the resonance state.

表中の「N指数」は、本発明の発明者が、センサ素子10の出力信号におけるノイズの小ささ(低ノイズ性)を示す指標として、図19の紙面上段のグラフに基づいて規定した値である。具体的に、N指数は以下のように求めた。非線形指数0.3をセンサ素子10が安定的に駆動できる限界値として規定し(この理由については後述する)、この限界値のときの各サンプルS1〜S4の静電容量の変化幅ΔCを図19のグラフから求めた。そして、各サンプルS1〜S4について得られた静電容量の変化幅ΔCの値(20,30,55,85)を、最も小さい値(20)で除した逆数を「N指数」とした。   The “N index” in the table is a value defined by the inventor of the present invention based on the graph on the upper side of FIG. 19 as an index indicating the noise level (low noise property) in the output signal of the sensor element 10. It is. Specifically, the N index was determined as follows. The non-linear exponent 0.3 is defined as a limit value that allows the sensor element 10 to be driven stably (the reason will be described later), and the capacitance change width ΔC of each sample S1 to S4 at this limit value is shown in FIG. It was obtained from 19 graphs. And the reciprocal number which remove | divided the value (20, 30, 55, 85) of capacitance variation width (DELTA) C obtained about each sample S1-S4 by the smallest value (20) was made into the "N index".

N指数は、その値が小さいほど、センサ素子10が安定的に駆動できる限界における静電容量の変化幅ΔCが大きいことを示している。すなわち、N指数が小さいセンサ素子10ほど、安定的に駆動できる限界における振動子100の振動の安定性が高く、出力信号におけるノイズが小さい。各サンプルS1〜S4のN指数は、1(基準),0.67,0.36,0.24であった。このように、サンプルS4,S3,S2,S1の順で低ノイズ性が高い評価結果となった。   The N index indicates that the smaller the value, the larger the capacitance change width ΔC at the limit at which the sensor element 10 can be stably driven. That is, the sensor element 10 having a smaller N index has higher vibration stability of the vibrator 100 at the limit that can be stably driven, and noise in the output signal is smaller. The N index of each sample S1 to S4 was 1 (reference), 0.67, 0.36, and 0.24. As described above, the low noise property was evaluated in the order of the samples S4, S3, S2, and S1.

図20は、センサ素子10が安定的に駆動できる非線形指数の限界値を0.3に規定した理由を説明するための説明図である。図20の(A)欄〜(D)欄にはそれぞれ、非線形指数が0.40,0.36,0.26,0.17のときのセンサ素子10の周波数特性グラフの一例を図示してある。   FIG. 20 is an explanatory diagram for explaining the reason why the limit value of the nonlinear index that allows the sensor element 10 to be stably driven is defined as 0.3. 20A to 20D illustrate examples of frequency characteristic graphs of the sensor element 10 when the nonlinear index is 0.40, 0.36, 0.26, and 0.17, respectively. is there.

センサ素子10の駆動状態は、非線形指数が0.40のときにはほとんど安定せず((A)欄)、非線形指数が0.36のときにわずかに安定した((B)欄)。また、非線形指数が0.26のときには許容できる程度の安定性が確保され((C)欄)、非線形指数が0.17のときには十分に高い安定性が確保された((D)欄)。本発明の発明者は、この実験的な知見に基づいて、センサ素子10において駆動安定性が得られる非線形指数の限界値を0.3に規定した。   The driving state of the sensor element 10 was hardly stabilized when the nonlinear index was 0.40 (column (A)), and was slightly stabilized when the nonlinear index was 0.36 (column (B)). Further, when the nonlinear index is 0.26, acceptable stability is secured ((C) column), and when the nonlinear index is 0.17, sufficiently high stability is secured ((D) column). Based on this experimental knowledge, the inventor of the present invention has defined the limit value of the non-linear exponent for obtaining driving stability in the sensor element 10 as 0.3.

図21は、各サンプルS1〜S4の感度についての評価結果を示す説明図である。図21の紙面上段には各サンプルS1〜S4の感度の測定値を示す棒グラフを図示してあり、図21の紙面下段には各サンプルS1〜S4の感度の測定値に対して得られたS指数をまとめた表を図示してある。ここで、感度の測定値は、各サンプルS1〜S4に1μεの歪みを印加したときの周波数の変化量として取得した値である。   FIG. 21 is an explanatory diagram showing evaluation results for the sensitivities of the samples S1 to S4. 21 is a bar graph showing the measured sensitivity values of the samples S1 to S4. The lower chart of FIG. 21 shows the S obtained for the measured sensitivity values of the samples S1 to S4. A table summarizing the indices is shown. Here, the measured value of sensitivity is a value acquired as the amount of change in frequency when a strain of 1 με is applied to each of the samples S1 to S4.

各サンプルS1〜S4について、非線形指数が上記の限界値0.3のときの駆動状態で感度を計測したところ、それぞれ、25.0ppm/με,19.0ppm/με,4.2ppm/με,1.8ppm/μεであった。このように、電極共振比Rfが1から離れた値であるサンプルほど感度が高くなった。これは、可動電極120の撓み振動がセンサ素子10に付与される外力にほとんど影響されないため、センサ素子10の共振における可動電極120の撓み振動の影響が大きい場合には、外力に対する共振周波数の変化が緩やかになるためであると推察される。   For each sample S1 to S4, the sensitivity was measured in the driving state when the nonlinear index was the above limit value of 0.3. As a result, 25.0 ppm / με, 19.0 ppm / με, 4.2 ppm / με, 1 0.8 ppm / με. As described above, the sensitivity of the sample whose electrode resonance ratio Rf is a value far from 1 is higher. This is because the bending vibration of the movable electrode 120 is hardly influenced by the external force applied to the sensor element 10, and therefore, when the influence of the bending vibration of the movable electrode 120 on the resonance of the sensor element 10 is large, the change in the resonance frequency with respect to the external force. It is guessed that this is because of the loosening.

ここで、各サンプルS1〜S4について得られた感度の測定値25.0,19.0,4.2,1.8を、最も大きい測定値25で除した値を「S指数」とした。S指数は、その値が大きいセンサ素子10ほど安定的に駆動できる限界においても高い感度が確保されることを示している。各サンプルS1〜S4のS指数は、1(基準),0.75,0.17,0.07であった。このように、サンプルS1〜S4は、この順で、安定的に駆動できる限界における感度が確保されていることが示された。   Here, the value obtained by dividing the measured values 25.0, 19.0, 4.2, and 1.8 of the sensitivity obtained for each of the samples S1 to S4 by the largest measured value 25 was defined as “S index”. The S index indicates that high sensitivity is secured even at the limit where the sensor element 10 having a larger value can be stably driven. The S index of each sample S1 to S4 was 1 (reference), 0.75, 0.17, and 0.07. As described above, it was shown that the samples S1 to S4 have the sensitivity at the limit at which the samples can be stably driven in this order.

図22は、各サンプルS1〜S4における低ノイズ性と感度との両立性の評価結果を示す説明図である。図22の紙面上段には、図19で求めたN指数と、図21で求めたS指数と、それらに基づいて求めたS/N指数と、をまとめた表を図示してある。また、紙面下段には各サンプルS1〜S4ごとのS/N指数の棒グラフを図示してある。   FIG. 22 is an explanatory diagram showing evaluation results of compatibility between low noise and sensitivity in each of the samples S1 to S4. The table in FIG. 22 shows a table summarizing the N index obtained in FIG. 19, the S index obtained in FIG. 21, and the S / N index obtained based on them. In addition, a bar graph of the S / N index for each of the samples S1 to S4 is shown in the lower part of the drawing.

これまで説明してきたように、センサ素子10では、振動子100の共振における可動電極120の撓み振動の影響が大きいほど、出力信号におけるノイズを低減できる一方で、外力に対する感度が低下してしまう。センサ素子10では、出力信号における低ノイズ性と、外力に対する感度と、が高いレベルで両立されることがより望ましい。   As described so far, in the sensor element 10, the greater the influence of the flexural vibration of the movable electrode 120 in the resonance of the vibrator 100, the more noise can be reduced in the output signal, but the sensitivity to external force is reduced. In the sensor element 10, it is more desirable that the low noise property in the output signal and the sensitivity to external force are compatible at a high level.

S/N指数は、センサ素子10の感度に関するS指数を、センサ素子10の低ノイズ性に関するN指数で除することによって得られる値である。すなわち、S/N指数は、センサ素子10の低ノイズ性と感度とのバランスの高さを示す指標であり、その値が大きいほど良好なバランスが得られていることを示している。各サンプルS1〜S4のS/N指数は、1(基準),1.13,0.47,0.29であった。このように、サンプルS2,S1,S3,S4の順で、低ノイズ性と感度とが高いレベルで両立されていた。   The S / N index is a value obtained by dividing the S index related to the sensitivity of the sensor element 10 by the N index related to the low noise property of the sensor element 10. In other words, the S / N index is an index indicating the high balance between the low noise property and the sensitivity of the sensor element 10, and indicates that the larger the value, the better the balance is obtained. The S / N index of each sample S1 to S4 was 1 (reference), 1.13, 0.47, 0.29. Thus, in the order of samples S2, S1, S3, and S4, low noise and sensitivity are compatible at a high level.

図23は、サンプルS1〜S4において得られた電極共振比RfとS/N指数指数との関係を示す説明図である。図23には、横軸を電極共振比Rfとし、縦軸をS/N指数とするグラフを図示してある。   FIG. 23 is an explanatory diagram showing the relationship between the electrode resonance ratio Rf and the S / N index index obtained in samples S1 to S4. FIG. 23 shows a graph in which the horizontal axis is the electrode resonance ratio Rf and the vertical axis is the S / N index.

電極共振比Rfが1.5以上であれば、0.4以上のS/N指数が確保され、電極共振比Rfが2.0以上であれば、0.7以上のS/N指数が確保された。従って、電極共振比Rfは1.5以上であることが好ましく、2.0以上であることがより好ましい。電極共振比Rfが2.5以上であれば1.0以上のS/N指数が確保された。従って、電極共振比Rfが2.5以上であることがさらに好ましい。   If the electrode resonance ratio Rf is 1.5 or more, an S / N index of 0.4 or more is secured, and if the electrode resonance ratio Rf is 2.0 or more, an S / N index of 0.7 or more is secured. It was done. Therefore, the electrode resonance ratio Rf is preferably 1.5 or more, and more preferably 2.0 or more. When the electrode resonance ratio Rf was 2.5 or more, an S / N index of 1.0 or more was secured. Therefore, the electrode resonance ratio Rf is more preferably 2.5 or more.

一方、電極共振比Rfが2.7より大きくなるとS/N指数は緩やかな低下傾向を示した。電極共振比Rfは、0.8以上のS/N指数を確保するためには少なくとも6.0以下であることが好ましく、4.0以下であることがより好ましい。電極共振比Rfは3.0以下であることがさらに好ましい。   On the other hand, when the electrode resonance ratio Rf was larger than 2.7, the S / N index showed a gradual decreasing tendency. The electrode resonance ratio Rf is preferably at least 6.0 or less, and more preferably 4.0 or less, in order to ensure an S / N index of 0.8 or more. The electrode resonance ratio Rf is more preferably 3.0 or less.

以上のように、振動子100における電極共振比Rfが上記のような適切な範囲で規定されていることによって、センサ素子10の低ノイズ性と感度とが高いレベルで両立されるため、より望ましい。   As described above, since the electrode resonance ratio Rf in the vibrator 100 is defined in the appropriate range as described above, the low noise property and sensitivity of the sensor element 10 are compatible at a high level, which is more desirable. .

[センサ素子の製造工程]
図24,図25は、センサ素子10の製造工程を説明するための模式図である。図24の(A)欄〜(D)欄と、図25の(E)欄〜(H)欄にはそれぞれ、センサ素子10の製造工程の内容を示す模式図を工程順に図示してある。第1工程では、表面シリコン層11sと、中間酸化膜層11mと、シリコン基板11bと、が積層されたSOI基板11が準備される(図24の(A)欄)。
[Manufacturing process of sensor element]
24 and 25 are schematic views for explaining the manufacturing process of the sensor element 10. In FIGS. 24A to 24D and FIGS. 25E to 25H, schematic diagrams showing the contents of the manufacturing process of the sensor element 10 are shown in the order of the processes. In the first step, an SOI substrate 11 in which a surface silicon layer 11s, an intermediate oxide film layer 11m, and a silicon substrate 11b are stacked is prepared (column (A) in FIG. 24).

第2工程では、表面シリコン層11sの表層に二酸化ケイ素の薄膜が形成され、その薄膜に対して、反応性イオンエッチング(RIE;Reactive Ion Ethching)が行われる(図24の(B)欄)。これによって、表面シリコン層11sの表層に振動子100や電極パッドなどを象ったエッチングマスク18が形成される。第3工程では、表面シリコン層11sが深堀りRIE(DEEP−RIE)によってエッチングされ、表面シリコン層11sに振動子100や電極パッドの外周形状が成形される(図24の(C)欄)。   In the second step, a silicon dioxide thin film is formed on the surface layer of the surface silicon layer 11s, and reactive ion etching (RIE; Reactive Ion Etching) is performed on the thin film (column (B) in FIG. 24). As a result, an etching mask 18 simulating the vibrator 100 and the electrode pad is formed on the surface layer of the surface silicon layer 11s. In the third step, the surface silicon layer 11s is etched by deep RIE (DEEP-RIE), and the outer peripheral shape of the vibrator 100 and the electrode pad is formed on the surface silicon layer 11s (column (C) in FIG. 24).

第4工程では、中間酸化膜層11mがバッファードフッ酸(BHF)によってエッチングされる(図24の(D)欄)。これによって、振動子100のビーム部111および可動電極120の下に空間が形成され、ビーム部111や振動櫛歯電極120が浮いた状態にされる。なお、この工程では、表面シリコン層11sの表層のエッチングマスク18が除去される。   In the fourth step, the intermediate oxide film layer 11m is etched with buffered hydrofluoric acid (BHF) (column (D) in FIG. 24). As a result, a space is formed below the beam portion 111 and the movable electrode 120 of the vibrator 100, and the beam portion 111 and the vibrating comb electrode 120 are brought into a floating state. In this step, the etching mask 18 on the surface layer of the surface silicon layer 11s is removed.

第5工程では、ガラス板15が準備される(図25の(E)欄)。第6工程では、ガラス板15の一方の面に振動子100の収容空間を形成するためのキャビティ15cがウェットエッチングによって形成される(図25の(F)欄)。第7工程では、サンドブラスト加工によって、ガラス板15に貫通孔15hが形成され、貫通孔15hに電極材料が埋設され、端子部16(検知端子16aおよび駆動端子16b)が形成される(図25の(G)欄)。   In the fifth step, a glass plate 15 is prepared (column (E) in FIG. 25). In the sixth step, a cavity 15c for forming a housing space for the vibrator 100 is formed on one surface of the glass plate 15 by wet etching (column (F) in FIG. 25). In the seventh step, through holes 15h are formed in the glass plate 15 by sandblasting, electrode materials are embedded in the through holes 15h, and terminal portions 16 (detection terminals 16a and drive terminals 16b) are formed (FIG. 25). (G) column).

第8工程では、振動子100が形成されたSOI基板11に、ガラス板15が積層されて、SOI基板11とガラス板15とが陽極接合によって接合される(図25の(H)欄)。ガラス板15の振動子100と対向する側の面には、振動子100の収容空間を形成するためのキャビティ15cが凹部として形成されている。第8工程が真空環境下で行われることによって、キャビティ15cによって形成される振動子100の収容空間内の気圧が大気圧より低くなる。これら一連の工程によって、センサ素子10が完成する。   In the eighth step, the glass plate 15 is laminated on the SOI substrate 11 on which the vibrator 100 is formed, and the SOI substrate 11 and the glass plate 15 are joined by anodic bonding (column (H) in FIG. 25). On the surface of the glass plate 15 facing the vibrator 100, a cavity 15c for forming a housing space for the vibrator 100 is formed as a recess. By performing the eighth step in a vacuum environment, the atmospheric pressure in the accommodation space of the vibrator 100 formed by the cavity 15c becomes lower than the atmospheric pressure. The sensor element 10 is completed through these series of steps.

このように、本実施形態のセンサ素子10ではSOI基板11における表面シリコン層11sのシリコンによって振動子100が形成されている。従って、振動子100の機械的Q値が向上されており、振動子100の振動の安定性が向上されている。また、振動子100の共振周波数のばらつきが低減され、センサ素子10を備える共振型センサの検出精度が向上されている。   As described above, in the sensor element 10 of the present embodiment, the vibrator 100 is formed of the silicon of the surface silicon layer 11 s in the SOI substrate 11. Therefore, the mechanical Q value of the vibrator 100 is improved, and the vibration stability of the vibrator 100 is improved. Further, the variation in the resonance frequency of the vibrator 100 is reduced, and the detection accuracy of the resonance type sensor including the sensor element 10 is improved.

また、本実施形態のセンサ素子10では、SOI基板11の表層がガラス板15によって被覆され、振動子100がガラス板15のキャビティ15cによって形成される密封空間内に収容されている。従って、振動子100の各櫛歯部123a,123b,132,142の間に微小粉塵などの異物が混入してしまうことが抑制され、振動子100の保護性が向上されている。   In the sensor element 10 of this embodiment, the surface layer of the SOI substrate 11 is covered with the glass plate 15, and the vibrator 100 is accommodated in a sealed space formed by the cavity 15 c of the glass plate 15. Therefore, foreign matter such as fine dust is prevented from being mixed between the comb teeth 123a, 123b, 132, 142 of the vibrator 100, and the protection of the vibrator 100 is improved.

加えて、本実施形態のセンサ素子10では、ガラス板15のキャビティ15cによって形成される密封空間内が大気圧よりも低い減圧状態にされている。従って、振動子100の振動が空気によって阻害されることが抑制されるため、振動子100の振動効率や振動の安定性が向上されている。   In addition, in the sensor element 10 of the present embodiment, the sealed space formed by the cavity 15c of the glass plate 15 is in a reduced pressure state lower than the atmospheric pressure. Accordingly, since the vibration of the vibrator 100 is suppressed from being inhibited by air, the vibration efficiency and vibration stability of the vibrator 100 are improved.

以上のように、本実施形態のセンサ素子10であれば、可動電極120の撓み振動によって、共振状態における振動子100の振動の安定性が向上されるため、その周波数特性が改善される。また、本体振動部110の共振周波数と可動電極120の共振周波数との関係を適切に規定することによって、振動子100における振動の安定性と、センサ素子10の感度とを両立させることができる。   As described above, with the sensor element 10 of the present embodiment, the vibration characteristics of the vibrator 100 in the resonance state are improved by the flexural vibration of the movable electrode 120, and therefore the frequency characteristics thereof are improved. In addition, by appropriately defining the relationship between the resonance frequency of the main body vibration unit 110 and the resonance frequency of the movable electrode 120, it is possible to achieve both vibration stability in the vibrator 100 and sensitivity of the sensor element 10.

B.第2実施形態:
図26は本発明の第2実施形態としての圧力センサ300の構成を示す概略図である。図26では、圧力センサ300の中心軸を一点鎖線によって図示してある。図26には、振動子100の配置方向を示す矢印X,Yを図2と対応するように図示してある。圧力センサ300は、先端に計測対象である圧力を受ける受圧部を備える円筒型のセンサであり、例えば、内燃機関の燃焼室における筒内圧(燃焼圧)の計測を行う。
B. Second embodiment:
FIG. 26 is a schematic diagram showing a configuration of a pressure sensor 300 according to the second embodiment of the present invention. In FIG. 26, the central axis of the pressure sensor 300 is illustrated by a one-dot chain line. In FIG. 26, arrows X and Y indicating the arrangement direction of the vibrator 100 are illustrated so as to correspond to FIG. The pressure sensor 300 is a cylindrical sensor having a pressure receiving portion that receives a pressure to be measured at the tip, and measures, for example, an in-cylinder pressure (combustion pressure) in a combustion chamber of an internal combustion engine.

圧力センサ300は、第1実施形態で説明したセンサ素子10と、励振回路30と、を備えている。加えて、圧力センサ300は、受圧軸310と、キャップ部材321と、軸受部322と、内部ケーシング323と、外部ケーシング331と、開口端部部材332と、信号検出部40と、を備えている。   The pressure sensor 300 includes the sensor element 10 described in the first embodiment and the excitation circuit 30. In addition, the pressure sensor 300 includes a pressure receiving shaft 310, a cap member 321, a bearing portion 322, an inner casing 323, an outer casing 331, an open end member 332, and a signal detection unit 40. .

受圧軸310は、軸状部材によって構成されており、計測対象である圧力に応じた外力を端面に受けたときに、その外力に応じて軸方向に沿って収縮変形する。受圧軸310の側面には、センサ素子10が配置されている。センサ素子10は、振動子100のビーム部111の延伸方向(X軸方向)が受圧軸210の軸方向と一致するように配置されている。これによって、センサ素子10は、受圧軸310からその軸方向の収縮変形に応じた外力を受ける。なお、受圧軸310は、熱膨張係数が5.0ppm/℃以下の部材によって形成されることが望ましい。これによって、環境温度の変化に起因する受圧軸310の変形が抑制され、圧力センサ300の検出誤差が低減される。   The pressure receiving shaft 310 is constituted by a shaft-like member, and when an external force corresponding to the pressure to be measured is received on the end surface, the pressure receiving shaft 310 is contracted and deformed along the axial direction according to the external force. The sensor element 10 is disposed on the side surface of the pressure receiving shaft 310. The sensor element 10 is disposed so that the extending direction (X-axis direction) of the beam unit 111 of the vibrator 100 matches the axial direction of the pressure receiving shaft 210. Thereby, the sensor element 10 receives an external force corresponding to the contraction deformation in the axial direction from the pressure receiving shaft 310. The pressure receiving shaft 310 is preferably formed of a member having a thermal expansion coefficient of 5.0 ppm / ° C. or less. Thereby, the deformation of the pressure receiving shaft 310 due to the change in the environmental temperature is suppressed, and the detection error of the pressure sensor 300 is reduced.

キャップ部材321は、一方の端部が開口している有底円筒状の部材である。キャップ部材321は受圧軸310の先端側の部位を収容し、その底面の中心に受圧軸310の先端側の端面が面接触している。軸受部322は、受圧軸310を保持する円柱状の部材であり、その底面の中心に受圧軸310の後端側の端面が接合されている。   The cap member 321 is a bottomed cylindrical member having one end opened. The cap member 321 accommodates a portion on the distal end side of the pressure receiving shaft 310, and the end surface on the distal end side of the pressure receiving shaft 310 is in surface contact with the center of the bottom surface thereof. The bearing portion 322 is a columnar member that holds the pressure receiving shaft 310, and the end surface on the rear end side of the pressure receiving shaft 310 is joined to the center of the bottom surface thereof.

内部ケーシング323は、センサ素子10と、受圧軸310と、キャップ部材321と、軸受部322とを収容する円筒状部材である。内部ケーシング323の先端側の開口端部には、キャップ部材321が摺動可能に嵌め込まれており、内部ケーシング323の後端側の開口端部には、軸受部322が固定的に嵌め込まれている。これによって、受圧軸310は内部ケーシング323の中心軸上に配置される。   The inner casing 323 is a cylindrical member that houses the sensor element 10, the pressure receiving shaft 310, the cap member 321, and the bearing portion 322. A cap member 321 is slidably fitted in the opening end portion on the front end side of the inner casing 323, and a bearing portion 322 is fixedly fitted in the opening end portion on the rear end side of the inner casing 323. Yes. As a result, the pressure receiving shaft 310 is disposed on the central axis of the inner casing 323.

外部ケーシング331は、両端部が開口している円筒状の部材である。外部ケーシング331は、受圧軸310がその中心軸上に配置されるように、内部ケーシング323を収容して保持する。開口端部部材332は先端側が傘状に拡大されている円筒部材である。開口端部部材332は、その開口部が外部ケーシング331の開口部内に入れ子に収容されるように、外部ケーシング331の先端側の開口端部に取り付けられている。なお、開口端部部材332の開口部にはキャップ部材321が摺動可能に嵌め込まれている。   The outer casing 331 is a cylindrical member that is open at both ends. The outer casing 331 accommodates and holds the inner casing 323 so that the pressure receiving shaft 310 is disposed on the central axis thereof. The open end member 332 is a cylindrical member whose tip side is enlarged in an umbrella shape. The opening end member 332 is attached to the opening end on the front end side of the outer casing 331 so that the opening is accommodated in the opening of the outer casing 331. A cap member 321 is slidably fitted into the opening of the opening end member 332.

ここで、図5で説明したように、センサ素子10は励振回路30に接続されていることによって、振動子100が共振状態になる。励振回路30は、振動子100の共振に応じて変動する電圧を出力信号として信号検出部40に出力する。信号検出部40は、クロック生成部41を備える。以下に説明するように、信号検出部40はクロック生成部41が生成するクロック信号を用いて、センサ素子10の共振周波数の変化量を検出する。   Here, as described with reference to FIG. 5, the sensor element 10 is connected to the excitation circuit 30, whereby the vibrator 100 enters a resonance state. The excitation circuit 30 outputs a voltage that varies according to the resonance of the vibrator 100 to the signal detection unit 40 as an output signal. The signal detection unit 40 includes a clock generation unit 41. As described below, the signal detection unit 40 detects the amount of change in the resonance frequency of the sensor element 10 using the clock signal generated by the clock generation unit 41.

図27は、信号検出部40による共振周波数の変化量の検出方法を説明するための概略図である。図27には、外力が付与される前の初期状態におけるセンサ素子10の出力信号Ssと、外力が付与された後のセンサ素子10の出力信号Sdと、信号検出部40のクロック生成部41が生成するクロック信号Scと、を互いに対応するように並列に図示してある。信号検出部40は、センサ素子10に外力が付与される前の出力信号Ssと、センサ素子10に外力が付与された後の出力信号Sdとの位相差を、クロック生成部41が生成するクロック信号Scの周期を基準として取得する。そして、取得した位相差に基づいて、センサ素子10の共振周波数の変化量を検出する。   FIG. 27 is a schematic diagram for explaining a method of detecting a change amount of the resonance frequency by the signal detection unit 40. In FIG. 27, the output signal Ss of the sensor element 10 in the initial state before the external force is applied, the output signal Sd of the sensor element 10 after the external force is applied, and the clock generation unit 41 of the signal detection unit 40. The generated clock signals Sc are shown in parallel so as to correspond to each other. The signal detection unit 40 is a clock that the clock generation unit 41 generates a phase difference between the output signal Ss before the external force is applied to the sensor element 10 and the output signal Sd after the external force is applied to the sensor element 10. Obtained based on the period of the signal Sc. Based on the acquired phase difference, the amount of change in the resonance frequency of the sensor element 10 is detected.

図28は、信号検出部40による共振周波数の変化量の検出方法の他の例を説明するための概略図である。図28は、センサ素子10の出力信号Ss,Sdと、クロック信号Scとの間に、分周信号DSs,Dsdが追加されている点以外は、図27とほぼ同じである。この例では、センサ素子10の出力信号Ss,Sdは、信号検出部40が備える分周器(図示は省略)によって所定の分周比で分周される。信号検出部40は、その分周された分周信号DSs,Dsdの位相差を、クロック信号Scの周期を基準として取得する。このように、本実施形態の信号検出部40では、クロック信号Scの周期に応じた分解能でセンサ素子10の共振周波数の変化量を検出することができ、圧力センサ300による圧力の検出精度を向上させることができる。   FIG. 28 is a schematic diagram for explaining another example of a method for detecting the amount of change in the resonance frequency by the signal detection unit 40. FIG. 28 is substantially the same as FIG. 27 except that frequency-divided signals DSs and Dsd are added between the output signals Ss and Sd of the sensor element 10 and the clock signal Sc. In this example, the output signals Ss and Sd of the sensor element 10 are frequency-divided at a predetermined frequency dividing ratio by a frequency divider (not shown) included in the signal detection unit 40. The signal detection unit 40 acquires the phase difference between the divided frequency-divided signals DSs and Dsd with reference to the cycle of the clock signal Sc. As described above, in the signal detection unit 40 of the present embodiment, the amount of change in the resonance frequency of the sensor element 10 can be detected with a resolution corresponding to the period of the clock signal Sc, and the pressure detection accuracy by the pressure sensor 300 is improved. Can be made.

以上のように、第2実施形態の圧力センサ300であれば、SOI基板11によってマイクロマシン(いわゆるMEMS)として構成されているセンサ素子10を用いているため、その小型化・軽量化が可能であり、搭載性が向上されている。また、第2実施形態の圧力センサ300では、センサ素子10に圧力を伝達する受圧部である受圧軸310が軸状部材であるため、圧力センサ300を細径化することが可能である。   As described above, the pressure sensor 300 according to the second embodiment uses the sensor element 10 configured as a micromachine (so-called MEMS) by the SOI substrate 11, and thus can be reduced in size and weight. The mountability has been improved. In the pressure sensor 300 of the second embodiment, the pressure receiving shaft 310 that is a pressure receiving portion that transmits pressure to the sensor element 10 is a shaft-like member, and thus the diameter of the pressure sensor 300 can be reduced.

加えて、センサ素子10の振動子100は構成部材自体の耐熱性が高く、その振動も静電気力を利用するものであるため、高温環境下においても安定的に振動することができる。従って、第2実施形態の圧力センサ300であれば、高温環境下における検出精度の低下が抑制されており、耐熱性が低い磁性材料を備え、磁力を利用して圧力を検出するタイプの圧力センサよりも高い耐熱性を得ることができる。第2実施形態の圧力センサ300であれば、車両の内燃機関の燃焼室など、例えば100℃以上の高温になる狭い空間内における圧力の計測を高い精度で行うことができる。   In addition, the vibrator 100 of the sensor element 10 has high heat resistance of the component member itself, and its vibration also uses electrostatic force, so that it can vibrate stably even in a high temperature environment. Therefore, the pressure sensor 300 according to the second embodiment is a type of pressure sensor that suppresses a decrease in detection accuracy in a high-temperature environment, includes a magnetic material with low heat resistance, and detects pressure using magnetic force. Higher heat resistance can be obtained. With the pressure sensor 300 according to the second embodiment, the pressure can be measured with high accuracy in a narrow space having a high temperature of, for example, 100 ° C. or higher, such as a combustion chamber of an internal combustion engine of a vehicle.

C.第3実施形態:
図29は、本発明の第3実施形態としての圧力センサ300Aの構成を示す概略図である。第3実施形態の圧力センサ300Aは、2つのセンサ素子10を備えている点以外は、図28で説明した第2実施形態の圧力センサ300の構成とほぼ同じである。なお、図29では、図28で説明したのと同じ構成部には同じ符号を付してある。また、第3実施形態の圧力センサ300Aでは、2つのセンサ素子10のそれぞれに、第2実施形態の圧力センサ300で説明したのと同じ機能を有する励振回路30および信号検出部40が接続されているが、その図示および説明は省略する。
C. Third embodiment:
FIG. 29 is a schematic diagram showing a configuration of a pressure sensor 300A as a third embodiment of the present invention. The pressure sensor 300A according to the third embodiment is substantially the same as the configuration of the pressure sensor 300 according to the second embodiment described with reference to FIG. 28 except that the two sensor elements 10 are provided. In FIG. 29, the same components as those described in FIG. 28 are denoted by the same reference numerals. In the pressure sensor 300A of the third embodiment, the excitation circuit 30 and the signal detection unit 40 having the same functions as those described in the pressure sensor 300 of the second embodiment are connected to the two sensor elements 10, respectively. However, illustration and description thereof are omitted.

第3実施形態の圧力センサ300Aでは、2つのセンサ素子10が受圧軸310を挟んで互いに反対側の位置に配置されており、受圧軸310の歪みを2箇所で検出することができる。従って、より高い精度で受圧軸310の歪みを検出することができ、圧力センサ300の検出精度が向上されている。なお、第3実施形態の圧力センサ300Aでは、受圧軸310の他の部位に、1個以上のセンサ素子10がさらに追加されても良い。   In the pressure sensor 300A of the third embodiment, the two sensor elements 10 are arranged at positions opposite to each other with the pressure receiving shaft 310 interposed therebetween, and distortion of the pressure receiving shaft 310 can be detected at two locations. Therefore, the distortion of the pressure receiving shaft 310 can be detected with higher accuracy, and the detection accuracy of the pressure sensor 300 is improved. In the pressure sensor 300A of the third embodiment, one or more sensor elements 10 may be further added to other parts of the pressure receiving shaft 310.

D.第4実施形態:
図30は、本発明の第4実施形態としての圧力センサ400の構成を示す概略図である。図30には、圧力センサ400の中心軸を一点鎖線で図示してあり、センサ素子10の備える振動子100の配置方向を示す矢印X,Yを図2と対応するように図示してある。この圧力センサ400は、第2実施形態の圧力センサ300と同様に、第1実施形態で説明したセンサ素子10を備えており、例えば、内燃機関の燃焼室における筒内圧の計測を行う。
D. Fourth embodiment:
FIG. 30 is a schematic diagram showing a configuration of a pressure sensor 400 as the fourth embodiment of the present invention. In FIG. 30, the central axis of the pressure sensor 400 is illustrated by a one-dot chain line, and arrows X and Y indicating the arrangement direction of the vibrator 100 included in the sensor element 10 are illustrated so as to correspond to FIG. 2. Similar to the pressure sensor 300 of the second embodiment, the pressure sensor 400 includes the sensor element 10 described in the first embodiment, and measures, for example, the in-cylinder pressure in the combustion chamber of the internal combustion engine.

圧力センサ400は、円筒型のセンサであり、ケーシング410と、開口端部部材411と、受圧板420と、圧力伝達ロッド421と、ダイアフラム430と、セラミック基板440と、を備える。なお、第3実施形態の圧力センサ400は、第2実施形態の圧力センサ300と同様に、センサ素子10に接続される励振回路30および信号検出部40を備えているが、その図示および説明は省略する。   The pressure sensor 400 is a cylindrical sensor and includes a casing 410, an open end member 411, a pressure receiving plate 420, a pressure transmission rod 421, a diaphragm 430, and a ceramic substrate 440. The pressure sensor 400 according to the third embodiment includes the excitation circuit 30 and the signal detection unit 40 connected to the sensor element 10 as in the pressure sensor 300 according to the second embodiment. Omitted.

ケーシング410は両端が開口している円筒状の部材であり、圧力伝達ロッド421と、ダイアフラム430と、セラミック基板440とを収容する。開口端部部材411は、ケーシング410とほぼ同じ外径および内径を有する円環状の部材であり、ケーシング410の先端側の開口端部に取り付けられる。なお、開口端部部材411は、自身の後端側の端面と、ケーシング410の先端側の端面との間において受圧板420の外周縁部を狭持する。   The casing 410 is a cylindrical member that is open at both ends, and accommodates the pressure transmission rod 421, the diaphragm 430, and the ceramic substrate 440. The opening end member 411 is an annular member having substantially the same outer diameter and inner diameter as the casing 410, and is attached to the opening end portion on the front end side of the casing 410. The open end member 411 sandwiches the outer peripheral edge portion of the pressure receiving plate 420 between the end surface on the rear end side thereof and the end surface on the front end side of the casing 410.

受圧板420は円盤状の部材であり、ケーシング410の先端側の開口部を密閉するように配置される。受圧板420は圧力の計測対象となる気体に曝され、その圧力に応じて厚み方向に湾曲する。圧力伝達ロッド421は円柱状の部材であり、圧力センサ400の中心軸上に配置され、受圧板420とダイアフラム430とを連結する。圧力伝達ロッド421は、受圧板420の湾曲変形によって中心軸方向に生じる力をダイアフラム430に伝達する。   The pressure receiving plate 420 is a disk-shaped member and is disposed so as to seal the opening on the front end side of the casing 410. The pressure receiving plate 420 is exposed to a gas whose pressure is to be measured, and bends in the thickness direction according to the pressure. The pressure transmission rod 421 is a cylindrical member and is disposed on the central axis of the pressure sensor 400 and connects the pressure receiving plate 420 and the diaphragm 430. The pressure transmission rod 421 transmits the force generated in the central axis direction due to the curved deformation of the pressure receiving plate 420 to the diaphragm 430.

ダイアフラム430は、平膜部431と、連結軸部432と、を有する。平膜部431は、厚み方向に弾性的に湾曲する略円形の薄膜状の部位を有する。平膜部431は、その膜面が圧力センサ400の中心軸と直交するように配置されており、その外周縁部が全周にわたってケーシング410の内壁面に固定されている。連結軸部432は、平膜部431の膜面の中央部と圧力伝達ロッド421とを連結し、圧力伝達ロッド421から伝達される力に応じて平膜部431の膜面を湾曲させる。   The diaphragm 430 includes a flat membrane portion 431 and a connecting shaft portion 432. The flat membrane portion 431 has a substantially circular thin-film portion that is elastically curved in the thickness direction. The flat membrane portion 431 is disposed so that its membrane surface is orthogonal to the central axis of the pressure sensor 400, and its outer peripheral edge portion is fixed to the inner wall surface of the casing 410 over the entire circumference. The connecting shaft portion 432 connects the central portion of the membrane surface of the flat membrane portion 431 and the pressure transmission rod 421 and bends the membrane surface of the flat membrane portion 431 according to the force transmitted from the pressure transmission rod 421.

ここで、センサ素子10は、連結軸部432とは反対側の平膜部431の膜面の中央に配置されている。センサ素子10は、平膜部431の膜面の歪みに応じた外力を受け、その外力に応じた周波数の信号を出力する。セラミック基板440はダイアフラム430の後端側に配置されている。図示は省略されているが、セラミック基板440はセンサ素子10と電気的に接続されている。セラミック基板440には、センサ素子10と、ケーシング410の外部に配置されている回路と、を電気的に接続するための導電パターンが形成されている。   Here, the sensor element 10 is disposed at the center of the film surface of the flat film portion 431 opposite to the connecting shaft portion 432. The sensor element 10 receives an external force corresponding to the distortion of the film surface of the flat film portion 431, and outputs a signal having a frequency corresponding to the external force. The ceramic substrate 440 is disposed on the rear end side of the diaphragm 430. Although not shown, the ceramic substrate 440 is electrically connected to the sensor element 10. On the ceramic substrate 440, a conductive pattern for electrically connecting the sensor element 10 and a circuit arranged outside the casing 410 is formed.

第4実施形態の圧力センサ400では、受圧板420が受ける圧力に応じた力が圧力伝達ロッド421を介してダイアフラム430に伝達され、ダイアフラム430の平膜部431が湾曲する。センサ素子10は平膜部431の湾曲に応じた外力を受けて、その外力に応じた周波数の信号を出力する。このように、第4実施形態の圧力センサ400であれば、ダイアフラム430を用いることによって、受圧板420が受ける圧力に応じた大きな外力をセンサ素子10に対して付与することができる。従って、圧力センサ400の検出精度を向上させることができる。   In the pressure sensor 400 of the fourth embodiment, a force corresponding to the pressure received by the pressure receiving plate 420 is transmitted to the diaphragm 430 through the pressure transmission rod 421, and the flat membrane portion 431 of the diaphragm 430 is curved. The sensor element 10 receives an external force corresponding to the curvature of the flat membrane portion 431 and outputs a signal having a frequency corresponding to the external force. Thus, in the case of the pressure sensor 400 of the fourth embodiment, a large external force corresponding to the pressure received by the pressure receiving plate 420 can be applied to the sensor element 10 by using the diaphragm 430. Therefore, the detection accuracy of the pressure sensor 400 can be improved.

E.第5実施形態:
図31は、本発明の第5実施形態としての圧力センサ400Aの構成を示す概略図である。第5実施形態の圧力センサ400Aは、ケーシング410に換えてケーシング410Aを備え、ダイアフラム430に換えてダイアフラム430Aを備えている点以外は、第4実施形態の圧力センサ400の構成(図30)とほぼ同じである。
E. Fifth embodiment:
FIG. 31 is a schematic diagram showing a configuration of a pressure sensor 400A as a fifth embodiment of the present invention. The pressure sensor 400A according to the fifth embodiment includes a casing 410A instead of the casing 410, and a configuration of the pressure sensor 400 according to the fourth embodiment (FIG. 30) except that a diaphragm 430A is provided instead of the diaphragm 430. It is almost the same.

第5実施形態のケーシング410Aは、先端側のケーシング部412と、後端側のケーシング部413とに分離されている。第5実施形態のダイアフラム430Aは、平膜部431がケーシング410Aの外径と同じ直径を有している。ダイアフラム430Aは、平膜部431の外周縁部が、それら2つのケーシング部412,413の端面同士に狭持されることによって、ケーシング410A内に固定されている。   The casing 410A of the fifth embodiment is separated into a casing portion 412 on the front end side and a casing portion 413 on the rear end side. In the diaphragm 430A of the fifth embodiment, the flat membrane portion 431 has the same diameter as the outer diameter of the casing 410A. Diaphragm 430 </ b> A is fixed in casing 410 </ b> A by holding the outer peripheral edge portion of flat membrane portion 431 between the end faces of these two casing portions 412 and 413.

このように、第5実施形態の圧力センサ400Aであれば、ダイアフラム430Aの膜面の面積を拡大させることができ、圧力に応じたダイアフラム430Aの膜面の変形量を増大させることができる。従って、センサ素子10が平膜部431の膜面から受ける外力をより大きくすることができるため、圧力センサ400Aの検出精度を向上させることができる。   Thus, with the pressure sensor 400A of the fifth embodiment, the area of the membrane surface of the diaphragm 430A can be increased, and the deformation amount of the membrane surface of the diaphragm 430A can be increased according to the pressure. Therefore, since the external force that the sensor element 10 receives from the film surface of the flat film portion 431 can be increased, the detection accuracy of the pressure sensor 400A can be improved.

F.変形例:
F1.変形例1:
上記各実施形態の電極部150では、外側固定電極130および内側固定電極130の間に可動電極120の両側が配置されていた。これに対して、電極部150では、外側固定電極130と内側固定電極130のうちのいずれか一方が省略されても良い。また、上記各実施形態の電極部150では、各電極120,130,140は、互いに対向する面に、突起部が等間隔に交互に配列された櫛歯部123a,123b,132,142が設けられていた。これに対して、各電極120,130,140の櫛歯部123a,123b,132,142は他の構成を有しても良い。各電極120,130,140の櫛歯部123a,123b,132,142では、突起部の配列間隔が全て等しくなくても良く、一部あるいは全ての突起部が異なる間隔で配列されていても良い。また、各電極120,130,140では櫛歯部123a,123b,132,142自体が省略されていても良い。電極部150では、電極間の静電気力によって可動電極120が振動可能なように構成されていれば良い。
F. Variations:
F1. Modification 1:
In the electrode unit 150 of each of the above embodiments, both sides of the movable electrode 120 are disposed between the outer fixed electrode 130 and the inner fixed electrode 130. On the other hand, in the electrode part 150, one of the outer fixed electrode 130 and the inner fixed electrode 130 may be omitted. Moreover, in the electrode part 150 of each said embodiment, each electrode 120,130,140 provides the comb-tooth part 123a, 123b, 132,142 in which the protrusion part was arranged at equal intervals on the mutually opposing surface. It was done. On the other hand, the comb teeth 123a, 123b, 132, 142 of the electrodes 120, 130, 140 may have other configurations. In the comb-tooth portions 123a, 123b, 132, and 142 of the electrodes 120, 130, and 140, the arrangement intervals of the protrusions may not be all equal, and some or all of the protrusions may be arranged at different intervals. . Further, the comb teeth 123a, 123b, 132, 142 themselves may be omitted from the electrodes 120, 130, 140. The electrode unit 150 may be configured so that the movable electrode 120 can vibrate by an electrostatic force between the electrodes.

F2.変形例2:
上記各実施形態のセンサ素子10では、共振状態のときに、本体振動部110の2本のビーム部111が互いに反対方向に撓み振動していた。しかし、センサ素子10の共振状態では、本体振動部110の2本のビーム部111が仮想中心軸CLを中心として左右対称に撓み振動していれば良い。すなわち、本体振動部110の2本のビーム部111が互いに同じ周期で同じ方向に同じ振幅で撓み振動していても良い。
F2. Modification 2:
In the sensor element 10 of each of the embodiments described above, the two beam portions 111 of the main body vibration unit 110 are flexed and vibrated in opposite directions when in the resonance state. However, in the resonance state of the sensor element 10, it is sufficient that the two beam portions 111 of the main body vibration unit 110 bend and vibrate symmetrically about the virtual center axis CL. That is, the two beam portions 111 of the main body vibration unit 110 may be flexibly vibrated with the same amplitude in the same direction with the same period.

F3.変形例3:
上記実施形態では、振動子100はガラス板15のキャビティ15cによって形成される密封空間に収容されていた。これに対して、振動子100はガラス板15のキャビティ15cによって形成される密封空間に収容されていなくても良い。振動子100は、ガラス板15以外の部材によって形成された密封空間に収容されていても良いし、密封空間に収容されることなく、外気に曝されて配置されていても良い。
F3. Modification 3:
In the above embodiment, the vibrator 100 is accommodated in the sealed space formed by the cavity 15 c of the glass plate 15. On the other hand, the vibrator 100 may not be accommodated in the sealed space formed by the cavity 15 c of the glass plate 15. The vibrator 100 may be accommodated in a sealed space formed by a member other than the glass plate 15, or may be disposed exposed to the outside air without being accommodated in the sealed space.

F4.変形例4:
上記第2〜第5実施形態では、センサ素子10を用いて圧力センサが構成されていた。これに対して、センサ素子10は圧力センサ以外のセンサに用いられても良い。例えば、センサ素子10は歪みゲージに用いられても良い。センサ素子10はグロープラグが備える軸状のヒータ部に取り付けられ、グロープラグと一体化されて用いられても良い。
F4. Modification 4:
In the second to fifth embodiments, the pressure sensor is configured using the sensor element 10. On the other hand, the sensor element 10 may be used for sensors other than the pressure sensor. For example, the sensor element 10 may be used for a strain gauge. The sensor element 10 may be attached to a shaft-like heater portion provided in the glow plug and used integrally with the glow plug.

F5.変形例5:
上記各実施形態では、振動子100がSOI基板11に形成されている。これに対して、振動子100はSOI基板11に形成されていなくても良く、シリコン以外の部材によって、エッチング以外の方法によって形成されても良い。
F5. Modification 5:
In each of the above embodiments, the vibrator 100 is formed on the SOI substrate 11. On the other hand, the vibrator 100 may not be formed on the SOI substrate 11, and may be formed by a method other than etching by a member other than silicon.

本発明は、上述の実施形態や実施例、変形例に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の構成で実現することができる。例えば、発明の概要の欄に記載した各形態中の技術的特徴に対応する実施形態、実施例、変形例中の技術的特徴は、上述の課題や、共振型センサの小型化、使い勝手の向上、製造の容易化、製造コストの低減、省資源化等の課題の一部又は全部を解決するために、あるいは、上述の効果の一部又は全部を達成するために、適宜、差し替えや、組み合わせを行うことが可能である。また、その技術的特徴が本明細書中に必須なものとして説明されていなければ、適宜、削除することが可能である。   The present invention is not limited to the above-described embodiments, examples, and modifications, and can be realized with various configurations without departing from the spirit thereof. For example, the technical features in the embodiments, examples, and modifications corresponding to the technical features in each form described in the summary column of the invention are the above-described problems, downsizing of the resonance sensor, and improvement in usability. In order to solve part or all of the problems such as ease of production, reduction of production cost, resource saving, etc., or to achieve part or all of the above-mentioned effects, replacement or combination as appropriate Can be done. Further, if the technical feature is not described as essential in the present specification, it can be deleted as appropriate.

10…センサ素子
11…SOI基板
11b…シリコン基板
11m…中間酸化膜層
11s…表面シリコン層
15…ガラス板
15c…キャビティ
15h…貫通孔
16…端子部
16a…検知端子
16b…駆動端子
18…エッチングマスク
20…直流電源部
21…電源ライン
22…アースライン
30…励振回路
31…チャージアンプ部
31a…オペアンプ
31c…帰還コンデンサー
31r…帰還抵抗器
32…フィルター部
32a…オペアンプ
32c…カップリングコンデンサー
32ra…入力抵抗器
32rb…帰還抵抗器
33…コンパレーター部
33a…オペアンプ
33c…コンデンサー
33o…出力端子
33r…帰還抵抗器
40…信号検出部
41…クロック生成部
100…振動子
100a…振動子(比較例)
110…本体振動部
111…ビーム部
111s…連結軸
112…連結部
113…固定部
113s…連結軸
120…可動電極
121…中央基体部
122…延伸部
123a,120b…櫛歯部
130…外側固定電極
131…延伸部
132…櫛歯部
140…内側固定電極
141…延伸部
142…櫛歯部
150…電極部
300,300A…圧力センサ
310…受圧軸
321…キャップ部材
322…軸受部
323…内部ケーシング
331…外部ケーシング
332…開口端部部材
400,400A…圧力センサ
410,410A…ケーシング
412,413…ケーシング部
411…開口端部部材
420…受圧板
421…圧力伝達ロッド
430,430A…ダイアフラム
431…平板部
432…連結軸部
440…セラミック基板
MD1〜MD3…振動子モデル
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Sensor element 11 ... SOI substrate 11b ... Silicon substrate 11m ... Intermediate oxide film layer 11s ... Surface silicon layer 15 ... Glass plate 15c ... Cavity 15h ... Through-hole 16 ... Terminal part 16a ... Detection terminal 16b ... Drive terminal 18 ... Etching mask DESCRIPTION OF SYMBOLS 20 ... DC power supply part 21 ... Power supply line 22 ... Ground line 30 ... Excitation circuit 31 ... Charge amplifier part 31a ... Operational amplifier 31c ... Feedback capacitor 31r ... Feedback resistor 32 ... Filter part 32a ... Operational amplifier 32c ... Coupling capacitor 32ra ... Input resistance Unit 32rb ... Feedback resistor 33 ... Comparator unit 33a ... Operational amplifier 33c ... Capacitor 33o ... Output terminal 33r ... Feedback resistor 40 ... Signal detection unit 41 ... Clock generation unit 100 ... Vibrator 100a ... Vibrator (comparative example)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 110 ... Main-body vibration part 111 ... Beam part 111s ... Connection shaft 112 ... Connection part 113 ... Fixed part 113s ... Connection shaft 120 ... Movable electrode 121 ... Center base part 122 ... Extension part 123a, 120b ... Comb tooth part 130 ... Outer fixed electrode DESCRIPTION OF SYMBOLS 131 ... Extending part 132 ... Comb tooth part 140 ... Inner fixed electrode 141 ... Extending part 142 ... Comb tooth part 150 ... Electrode part 300,300A ... Pressure sensor 310 ... Pressure receiving shaft 321 ... Cap member 322 ... Bearing part 323 ... Inner casing 331 ... External casing 332 ... Opening end member 400, 400A ... Pressure sensor 410, 410A ... Casing 412 and 413 ... Casing part 411 ... Opening end member 420 ... Pressure receiving plate 421 ... Pressure transmission rod 430, 430A ... Diaphragm 431 ... Flat plate part 432 ... Connecting shaft portion 440 ... Ceramic substrate MD 1 to MD3 ... vibrator model

Claims (15)

付与された外力に応じて共振周波数が変化する振動子を備えたセンサ素子において、
前記振動子は、
延伸方向に沿って前記外力に応じた力を受けつつ、撓み振動する梁部と、
前記梁部に連結されており、静電気力を受けて変位することによって前記梁部を撓み振動させる電極と、
を備え、
前記電極は、前記センサ素子が共振状態にあるときに前記梁部とともに撓み振動する、センサ素子。
In a sensor element including a vibrator whose resonance frequency changes according to an applied external force,
The vibrator is
A beam portion that flexures and vibrates while receiving a force according to the external force along the extending direction;
An electrode that is connected to the beam portion and flexes and vibrates the beam portion by being displaced by receiving an electrostatic force;
With
The electrode is a sensor element that bends and vibrates together with the beam when the sensor element is in a resonance state.
請求項1記載のセンサ素子であって、
前記振動子の固有振動数fdは、前記梁部のバネ定数をkとし、前記電極の質量をmとしたときに、fd<(k/m)0.5/2πである、センサ素子。
The sensor element according to claim 1,
The natural frequency fd of the vibrator is a sensor element in which fd <(k / m) 0.5 / 2π, where k is a spring constant of the beam portion and m is a mass of the electrode.
請求項1または請求項2に記載のセンサ素子であって、
前記外力が付与されていないときの前記振動子の共振周波数に対する前記電極単体の共振周波数の比の値である電極共振比が、1.5以上である、センサ素子。
The sensor element according to claim 1 or 2,
A sensor element, wherein an electrode resonance ratio which is a value of a ratio of a resonance frequency of the single electrode to a resonance frequency of the vibrator when the external force is not applied is 1.5 or more.
請求項3記載のセンサ素子であって、
前記電極共振比が、2.0以上である、センサ素子。
The sensor element according to claim 3,
The sensor element whose electrode resonance ratio is 2.0 or more.
請求項3または請求項4記載のセンサ素子であって、
前記電極共振比が、6.0以下である、センサ素子。
The sensor element according to claim 3 or 4, wherein
The sensor element whose electrode resonance ratio is 6.0 or less.
請求項1または請求項2記載のセンサ素子であって、
前記電極は、前記梁部と並列に延びる延伸部を有し、
前記振動子は、共振状態のときに、前記電極の前記延伸部における最大振幅が前記梁部の最大振幅の2倍以上である、センサ素子。
The sensor element according to claim 1 or 2,
The electrode has an extending portion extending in parallel with the beam portion,
When the vibrator is in a resonance state, the maximum amplitude in the extended portion of the electrode is twice or more the maximum amplitude of the beam portion.
請求項6記載のセンサ素子であって、
前記振動子は、共振状態のときに、前記電極の前記延伸部における最大振幅が前記梁部の最大振幅の3倍以上である、センサ素子。
The sensor element according to claim 6,
When the vibrator is in a resonance state, the maximum amplitude of the extension portion of the electrode is three times or more the maximum amplitude of the beam portion.
請求項1から請求項7のいずれか一項に記載のセンサ素子であって、
前記梁部と前記電極とを収容する密封空間を有する、センサ素子。
The sensor element according to any one of claims 1 to 7,
A sensor element having a sealed space for accommodating the beam portion and the electrode.
請求項8記載のセンサ素子であって、
前記密封空間は大気圧よりも減圧されている、センサ素子。
The sensor element according to claim 8,
The sensor element, wherein the sealed space is depressurized from atmospheric pressure.
請求項1から請求項9のいずれか一項に記載のセンサ素子であって、
前記振動子の前記電極および前記梁部は、SOI基板のエッチングによって形成されている、センサ素子。
The sensor element according to any one of claims 1 to 9,
The sensor element, wherein the electrode and the beam portion of the vibrator are formed by etching an SOI substrate.
圧力センサであって、
計測対象である圧力に応じて変形する受圧部と、
請求項1から請求項10のいずれか一項に記載のセンサ素子と、
を備え、
前記センサ素子は、前記振動子が前記受圧部の変形に応じた外力を受けるように、前記受圧部に配置されている、圧力センサ。
A pressure sensor,
A pressure receiving portion that deforms according to the pressure to be measured;
The sensor element according to any one of claims 1 to 10,
With
The sensor element is a pressure sensor arranged in the pressure receiving portion so that the vibrator receives an external force according to deformation of the pressure receiving portion.
請求項11記載の圧力センサであって、
前記受圧部は、軸状に延びる軸部材を含み、
前記軸部材は、計測対象である圧力が端面に伝わって軸方向に変形し、
前記センサ素子は、前記梁部の延伸方向が、前記軸部材の軸方向と一致するように前記軸部材の側面に配置され、前記軸部材の軸方向における変形に応じた外力を検出する、圧力センサ。
The pressure sensor according to claim 11,
The pressure receiving portion includes a shaft member extending in a shaft shape,
The shaft member is deformed in the axial direction when the pressure to be measured is transmitted to the end face,
The sensor element is disposed on a side surface of the shaft member so that an extending direction of the beam portion coincides with an axial direction of the shaft member, and detects an external force corresponding to deformation in the axial direction of the shaft member. Sensor.
請求項12記載の圧力センサであって、
前記センサ素子は、前記軸部材の側面において前記軸部材を挟むように配置されている第1と第2のセンサ素子を含む、圧力センサ。
The pressure sensor according to claim 12,
The said sensor element is a pressure sensor containing the 1st and 2nd sensor element arrange | positioned so that the said shaft member may be pinched | interposed on the side surface of the said shaft member.
請求項11記載の圧力センサであって、さらに、
少なくとも前記センサ素子を収容する筒状の収容部を備え、
前記受圧部は、前記収容部の開口部を閉塞し、計測対象である圧力に応じて湾曲するダイアフラムを含み、
前記センサ素子は、前記梁部の延伸方向が、前記ダイアフラムの面に沿った方向と一致するように、前記ダイアフラムの面に配置され、前記ダイアフラムの湾曲の度合いに応じた外力を検出する、圧力センサ。
The pressure sensor according to claim 11, further comprising:
A cylindrical housing portion that houses at least the sensor element;
The pressure receiving portion includes a diaphragm that closes the opening of the housing portion and curves according to the pressure to be measured,
The sensor element is disposed on the surface of the diaphragm such that the extending direction of the beam portion coincides with the direction along the surface of the diaphragm, and detects an external force corresponding to the degree of curvature of the diaphragm. Sensor.
請求項11から請求項14のいずれか一項に記載の圧力センサであって、
前記センサ素子は、前記振動子の共振周波数に応じた周期で出力されるパルス信号を出力し、
前記圧力センサは、さらに、
所定の周期を有する基準クロックを生成するクロック生成部と、
前記基準クロックの周期を基準として前記共振周波数の周期の変化量を検出する信号検出部と、
を備える、圧力センサ。
The pressure sensor according to any one of claims 11 to 14,
The sensor element outputs a pulse signal output at a cycle according to the resonance frequency of the vibrator,
The pressure sensor further includes:
A clock generator for generating a reference clock having a predetermined period;
A signal detection unit that detects a change amount of the period of the resonance frequency based on the period of the reference clock;
A pressure sensor.
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