JPH08166302A - External-force sensor - Google Patents

External-force sensor

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Publication number
JPH08166302A
JPH08166302A JP30761094A JP30761094A JPH08166302A JP H08166302 A JPH08166302 A JP H08166302A JP 30761094 A JP30761094 A JP 30761094A JP 30761094 A JP30761094 A JP 30761094A JP H08166302 A JPH08166302 A JP H08166302A
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JP
Japan
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sawrs
external force
sawr
force sensor
temperature
Prior art date
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Pending
Application number
JP30761094A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Hiroshi Okajima
洋 岡嶋
Ryohei Mogi
良平 茂木
Noriyuki Akaha
紀之 赤羽
Hideki Ouchi
秀樹 大内
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Tokimec Inc
Original Assignee
Tokimec Inc
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Filing date
Publication date
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Priority to JP30761094A priority Critical patent/JPH08166302A/en
Publication of JPH08166302A publication Critical patent/JPH08166302A/en
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Abstract

PURPOSE: To obtain an external-force sensor by which an acceleration is detected precisely without being affected by a temperature change by a method wherein the pattern of a first surface acoustic wave resonator(SAWR) formed on the first face of a beam is made similar to the pattern of a second SAWR formed on the second face of the beam. CONSTITUTION: Even when resonant cavity lengths L1 , L2 of two SAWRs 21A, 21B are different, temperature characteristics of the SAWRs 21A, 21B become identical when ratios L1 /λ10 , L2 /λ20 of the resonant cavity lengths L1 , L2 with reference to resonance wavelengths λ10 , λ20 are equal, and the difference Δf between transmission frequencies as output signals is not affected by a temperature. When the SAWRs 21A, 21B are formed to be mutually similar shapes, a condition that the ratios of the resonant cavity lengths with reference to the resonance wavelengths become L1 /λ10 =L2 /λ20 is satisfied, and a bias frequency ΔfB is set. When the SAWRs 21A, 21B are made to be similar shapes by a shrink method, a desired resonance frequency ratio f10 /f20 is obtained, and the desired bias frequency ΔfB is obtained easily.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は表面弾性波共振器(SURF
ACE ACOUSTIC WAVE RESONATOR :SAWR)を利用した
外力センサに関する。
The present invention relates to a surface acoustic wave resonator (SURF
ACE ACOUSTIC WAVE RESONATOR: SAWR)

【0002】[0002]

【従来の技術】図4を参照して従来の表面弾性波共振器
(SAWR)を利用した外力センサの例を説明する。外
力センサは固定壁に片持ち支持された弾性体、例えば梁
11と斯かる梁11の上面11A及び下面11Bに配置
されたSAWR21A、21Bを有する。梁11は、例
えば、水晶、ニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウム等
の圧電単結晶によって構成され、特に温度特性を重視す
る場合にはSTカット水晶の単結晶が使用される。
2. Description of the Related Art An example of a conventional external force sensor using a surface acoustic wave resonator (SAWR) will be described with reference to FIG. The external force sensor has an elastic body that is cantilevered on a fixed wall, for example, a beam 11 and SAWRs 21A and 21B arranged on an upper surface 11A and a lower surface 11B of the beam 11. The beam 11 is made of, for example, a piezoelectric single crystal of quartz, lithium niobate, lithium tantalate, or the like, and an ST cut quartz single crystal is used particularly when temperature characteristics are emphasized.

【0003】梁11の固定側には支持部材13が装着さ
れ自由端側には重り15が装着されている。上側のSA
WR21Aと下側のSAWR21Bはそれぞれ増幅器2
5A、25Bに接続され、それによって発振回路20
A、20Bが構成される。発振回路20A、20Bの出
力信号はそれぞれバッファアンプ27A、27Bに供給
され、バッファアンプ27A、27Bの出力信号はミキ
サ31を経てフィルタ33に供給される。フィルタ33
は出力信号として発振周波数の差Δfを取り出す。
A support member 13 is mounted on the fixed side of the beam 11, and a weight 15 is mounted on the free end side. Upper SA
WR21A and lower SAWR21B are amplifier 2 respectively
5A, 25B, and thereby the oscillator circuit 20
A and 20B are configured. The output signals of the oscillation circuits 20A and 20B are supplied to the buffer amplifiers 27A and 27B, respectively, and the output signals of the buffer amplifiers 27A and 27B are supplied to the filter 33 via the mixer 31. Filter 33
Takes out the difference Δf of the oscillation frequency as an output signal.

【0004】[0004]

【数1】Δf=f1 −f2 [Formula 1] Δf = f 1 −f 2

【0005】ここに、f1 は上側の発振回路20Aの発
振周波数、f2 は下側の発振回路20Bの発振周波数で
ある。
Here, f 1 is the oscillation frequency of the upper oscillation circuit 20A, and f 2 is the oscillation frequency of the lower oscillation circuit 20B.

【0006】上側のSAWR21Aと下側のSAWR2
1Bの構成を同一とし2つの発振周波数f1 、f2 を同
一とすると、加速度A又は外力Fが作用しないときに発
振周波数の差Δfはゼロとなる。しかしながら、外力F
の方向を判別する目的と2つの発振の吸い込み現象を回
避する目的のために、2つの発振周波数f1 、f2 は予
め異なるように設計されている。
SAWR21A on the upper side and SAWR2 on the lower side
When the configuration of 1B is the same and the two oscillation frequencies f 1 and f 2 are the same, the difference Δf in oscillation frequency becomes zero when the acceleration A or the external force F does not act. However, the external force F
The two oscillation frequencies f 1 and f 2 are designed to be different in advance for the purpose of discriminating the direction of the two and the purpose of avoiding the phenomenon of sucking the two oscillations.

【0007】従って、加速度A又は外力Fが作用しない
ときでも、発振周波数の差Δfはゼロとならず、一定の
周波数出力が発生している。斯かる出力ΔfB をバイア
ス周波数と称する。
Therefore, even when the acceleration A or the external force F does not act, the difference Δf in oscillation frequency does not become zero, and a constant frequency output is generated. Such an output Δf B is called a bias frequency.

【0008】外力センサに矢印方向に沿って加速度A又
は外力Fが作用すると梁11は撓み、2面11A、11
Bの一方の面は伸び他方の面は縮む。それによって各発
振回路20A、20Bより出力される発振周波数は変化
する。従って、フィルタ33より出力される発振周波数
の差Δfは変化する。加速度A又は外力Fは斯かる発振
周波数の差Δfの関数である。
When an acceleration A or an external force F acts on the external force sensor in the direction of the arrow, the beam 11 bends and the two surfaces 11A, 11
One side of B extends and the other side contracts. As a result, the oscillation frequency output from each of the oscillation circuits 20A and 20B changes. Therefore, the difference Δf between the oscillation frequencies output from the filter 33 changes. The acceleration A or the external force F is a function of the difference Δf in the oscillation frequency.

【0009】[0009]

【数2】A=K×(Δf−ΔfB ## EQU2 ## A = K × (Δf−Δf B )

【0010】ここに、Aは入力加速度、Kは比例定数、
ΔfB はバイアス周波数である。外力Fの方向は加速度
Aの符号によって判断することができる。
Where A is the input acceleration, K is the proportional constant,
Δf B is the bias frequency. The direction of the external force F can be determined by the sign of the acceleration A.

【0011】図5を参照してバイアス周波数ΔfB と外
力センサの動作範囲の関係について説明する。図6は入
力加速度Aと発振周波数の差Δfの関係を示す。入力加
速度Aが− maxA〜+ maxAの範囲にて、発振周波数の
差Δfの最小値Δfmin がゼロ近傍にならないように設
定しなければならない。
The relationship between the bias frequency Δf B and the operating range of the external force sensor will be described with reference to FIG. FIG. 6 shows the relationship between the input acceleration A and the oscillation frequency difference Δf. When the input acceleration A is in the range of -maxA to + maxA, the minimum value Δfmin of the oscillation frequency difference Δf must be set so as not to be close to zero.

【0012】次に、図6を参照して従来のバイアス周波
数ΔfB を設ける方法について説明する。図6Aは梁1
1の上面11AのSAWR21Aを示し、このSAWR
21Aは入力インターディジタルトランスデューサ(I
DT)21−1A及び出力インターディジタルトランス
デューサ(IDT)21−2Aと2つの反射器21−3
A、21−4Aとを有する。図6Bは梁11の下面11
BのSAWR21Bを示し、同様にこのSAWR21B
は入力IDT21−1B及び出力IDT21−2Bと2
つの反射器21−3B、21−4Bとを有する。
Next, a conventional method of providing the bias frequency Δf B will be described with reference to FIG. FIG. 6A shows beam 1
1 shows the SAWR21A of the upper surface 11A of this 1.
21A is an input interdigital transducer (I
DT) 21-1A and output interdigital transducer (IDT) 21-2A and two reflectors 21-3
A, 21-4A. FIG. 6B shows the lower surface 11 of the beam 11.
B SAWR21B is shown, and this SAWR21B is also shown.
Is the input IDT 21-1B and the output IDT 21-2B and 2
It has two reflectors 21-3B and 21-4B.

【0013】バイアス周波数ΔfB を設けるために、通
常、2つのSAWR21A、21Bの共振キャビティ長
1 、L2 が異なるように2つのSAWR21A、21
Bは設計される。
In order to provide the bias frequency Δf B , the two SAWRs 21A and 21B are usually arranged so that the resonance cavity lengths L 1 and L 2 of the two SAWRs 21A and 21B are different.
B is designed.

【0014】最も簡単な方法は、図6に示すように、上
面11Aの入力IDT21−1A及び出力IDT21−
2Aと反射器21−3A、21−4Aと下面11Bの入
力IDT21−1B及び出力IDT21−2Bと反射器
21−3B、21−4Bとをそれぞれ同一形状とし、上
面11Aの反射器21−3A、21−4A間の距離L 1
と下面11Bの反射器21−3B、21−4B間の距離
2 とが異なるように設計する。
The simplest method is as shown in FIG.
Input IDT 21-1A and output IDT 21- of surface 11A
2A and reflector 21-3A, 21-4A and lower surface 11B
Force IDT 21-1B and output IDT 21-2B and reflector
21-3B and 21-4B have the same shape, and
Distance L between reflectors 21-3A and 21-4A on surface 11A 1
And the distance between the reflectors 21-3B and 21-4B on the lower surface 11B
L2Design to be different from.

【0015】図7を参照して、このような方法によって
形成したSAWRの温度特性を説明する。図7Aの曲線
は上面11AのSAWR21Aの温度特性を示し、図7
Bの曲線は下面11BのSAWR21Bの温度特性を示
す。但し、この例は温度特性の優れたSTカット水晶の
場合を想定している。
The temperature characteristics of the SAWR formed by such a method will be described with reference to FIG. The curve in FIG. 7A shows the temperature characteristics of the SAWR 21A on the upper surface 11A.
The curve B shows the temperature characteristics of the SAWR 21B on the lower surface 11B. However, this example assumes the case of an ST-cut crystal having excellent temperature characteristics.

【0016】図7のグラフにおいて横軸は温度T、縦軸
はSAWR21A、21Bを使用した発振回路20A、
20Bの発振周波数f1 、f2 である。一般に、STカ
ット水晶を用いたSAWR発振回路の発振周波数は温度
によって変化し、図示のように、放物線状に変化する。
発振周波数が最大f0 となる温度を頂点温度T0 と称す
る。
In the graph of FIG. 7, the horizontal axis indicates temperature T, and the vertical axis indicates oscillation circuit 20A using SAWRs 21A and 21B.
20B oscillation frequencies f 1 and f 2 . In general, the oscillation frequency of the SAWR oscillation circuit using the ST-cut crystal changes with temperature and changes in a parabolic shape as illustrated.
The temperature at which the oscillation frequency is the maximum f 0 is referred to as the peak temperature T 0.

【0017】頂点温度はSAWRを構成するIDT及び
反射器の形状、大きさ、相対的位置関係等によって変化
する。従って、上面11AのSAWR21Aと下面11
BのSAWR21Bの共振キャビティ長L1 、L2 が異
なる場合には、図示のように、2つのSAWR21A、
21Bの頂点温度T10、T20は異なる。SAWRの温度
特性は典型的には頂点温度によって表される。
The peak temperature changes depending on the shape, size, relative positional relationship and the like of the IDT and the reflector that constitute the SAWR. Therefore, the SAWR 21A on the upper surface 11A and the lower surface 11
When the resonant cavity lengths L 1 and L 2 of the B SAWR 21B are different, two SAWRs 21A,
The peak temperatures T 10 and T 20 of 21B are different. The temperature characteristic of SAWR is typically represented by the peak temperature.

【0018】梁11の上面11Aに生成される発振周波
数f1 は、表面の歪みε(伸びを+、縮みを−)と温度
Tの関数として、次のように表される。
The oscillation frequency f 1 generated on the upper surface 11A of the beam 11 is expressed as a function of the surface strain ε (extension is +, contraction is −) and the temperature T as follows.

【0019】[0019]

【数3】 f1 =f10{1−a(T−T102 }(1−kε)F 1 = f 10 {1-a (T−T 10 ) 2 } (1-kε)

【0020】ここに、f1 は発振周波数、Tは温度、ε
は歪み、f10は頂点温度T10における発振周波数、aは
温度特性を表する定数、kは定数である。
Where f 1 is the oscillation frequency, T is the temperature, and ε
Is strain, f 10 is an oscillation frequency at the apex temperature T 10 , a is a constant representing temperature characteristics, and k is a constant.

【0021】同様に、梁11の下面11Bに生成される
発振周波数f2 は表面の歪みεと温度Tの関数として、
次のように表される。
Similarly, the oscillation frequency f 2 generated on the lower surface 11B of the beam 11 is a function of the surface strain ε and the temperature T.
It is expressed as follows.

【0022】[0022]

【数4】 f2 =f20{1−a(T−T202 }(1−kε)Equation 4] f 2 = f 20 {1- a (T-T 20) 2} (1-kε)

【0023】発振周波数の差Δfは次のように表され
る。
The difference Δf in oscillation frequency is expressed as follows.

【0024】[0024]

【数5】Δf=f1 −f2 =f10{1−a(T−T10
2 }(1−kε)−f20{1−a(T−T202 }(1
−kε)=〔f10{1−a(T−T102 }−f20{1
−a(T−T202 }〕(1−kε)
Δf = f 1 −f 2 = f 10 {1-a (T−T 10 )
2 } (1-kε) -f 20 {1-a (T-T 20 ) 2 } (1
-Kε) = [f 10 {1-a (T -T 10) 2} -f 20 {1
-A (T-T 20) 2 } ] (1-kε)

【0025】バイアス周波数ΔfB は外力がゼロ、即
ち、歪みε=0のときの発振周波数の差Δfであるか
ら、数5の式でε=0により求められる。
Since the bias frequency Δf B is the difference Δf in oscillation frequency when the external force is zero, that is, when the strain ε = 0, it can be obtained by ε = 0 in the equation (5).

【0026】[0026]

【数6】ΔfB =f10{1−a(T−T102 }−f20
{1−a(T−T202
Δf B = f 10 {1-a (T−T 10 ) 2 } −f 20
{1-a (T-T 20 ) 2 }

【0027】ここで、数5の式を数6の式のバイアス周
波数ΔfB を使用して次のように書き換えることができ
る。
Here, the equation (5) can be rewritten as follows using the bias frequency Δf B of the equation (6).

【0028】[0028]

【数7】Δf=f1 −f2 =ΔfB (1−kε)[Formula 7] Δf = f 1 −f 2 = Δf B (1-kε)

【0029】数7の式によって表される発振周波数の差
Δfは発振回路20A、20B又は外力センサの出力信
号である。ここで、数7の式の係数であるバイアス周波
数ΔfB を次のように変形する。
The oscillation frequency difference Δf expressed by the equation (7) is the output signal of the oscillation circuit 20A, 20B or the external force sensor. Here, the bias frequency Δf B , which is the coefficient of the equation (7), is modified as follows.

【0030】[0030]

【数8】ΔfB =f10{1−a(T−T102 }−f20
{1−a(T−T202 }=f10−f20−a(f10−f
20)(T−T202 +2af10(T10−T20)(T−T
102 −af10(T10−T202
Δf B = f 10 {1-a (T−T 10 ) 2 } −f 20
{1-a (T-T 20) 2} = f 10 -f 20 -a (f 10 -f
20) (T-T 20) 2 + 2af 10 (T 10 -T 20) (T-T
10) 2 -af 10 (T 10 -T 20) 2

【0031】数7の式及び数8の式より明らかなよう
に、出力信号Δfは外力即ち歪みεの関数であるが、温
度T、頂点温度T10、T20、頂点温度における共振周波
数f10、f20の関数である。
As is clear from the equations (7) and (8), the output signal Δf is a function of the external force, that is, the strain ε, but the resonance frequency f 10 at the temperature T, the apex temperatures T 10 , T 20 , and the apex temperature. , F 20 as a function.

【0032】[0032]

【発明が解決しようとする課題】従来、表面弾性波型外
力センサにおいて、バイアス周波数ΔfB を設ける場
合、梁11の上面11AのSAWR21Aと下面11B
のSAWR21Bは互いに形状が異なるように形成され
る。そのために2つのSAWR21A、21Bの温度特
性、即ち、頂点温度に差ΔT0 =(T10−T20)が生
じ、数7の式及び数8の式に示すように出力信号Δfが
頂点温度の差ΔT0 の影響を受けることとなった。
Conventionally, in the surface acoustic wave type external force sensor, when the bias frequency Δf B is provided, the SAWR 21A and the lower surface 11B of the upper surface 11A of the beam 11 are provided.
The SAWRs 21B are formed to have different shapes. Therefore, a difference ΔT 0 = (T 10 −T 20 ) occurs in the temperature characteristics of the two SAWRs 21A and 21B, that is, the peak temperature, and the output signal Δf changes from the peak temperature as shown in the equations (7) and (8). It was affected by the difference ΔT 0 .

【0033】従来の表面弾性波型外力センサでは、バイ
アス周波数ΔfB を設けると数7の式及び数8の式に示
すように温度Tが変化すると出力信号Δfが変化し、正
確な加速度を得ることができない欠点があった。
In the conventional surface acoustic wave type external force sensor, when the bias frequency Δf B is provided, the output signal Δf changes when the temperature T changes as shown in the equations (7) and (8), and an accurate acceleration is obtained. There was a drawback that could not be done.

【0034】本発明は斯かる点に鑑み、温度変化によっ
て影響を受けることなく正確に加速度を検出することが
できる外力センサを提供することを目的とする。
In view of the above point, an object of the present invention is to provide an external force sensor capable of accurately detecting acceleration without being affected by temperature change.

【0035】[0035]

【課題を解決するための手段】本発明によると、例えば
図1に示すように、外力を歪みに変換するための単結晶
圧電板によって形成され片持ち支持された梁と、該梁の
2つの面に装着され該梁に発生した歪みを共振周波数の
変化に変換するための表面弾性波共振器と、を有する外
力センサにおいて、上記梁の第1の面に形成された第1
の表面弾性波共振器のパターンと上記梁の第2の面に形
成された第2の表面弾性波共振器のパターンとは互いに
相似形であることを特徴とする。
According to the present invention, for example, as shown in FIG. 1, a cantilever-supported beam formed of a single crystal piezoelectric plate for converting an external force into a strain, and two beams of the beam are provided. An external force sensor having a surface acoustic wave resonator mounted on a surface for converting a strain generated in the beam into a change in resonance frequency, the first force formed on the first surface of the beam;
The pattern of the surface acoustic wave resonator and the pattern of the second surface acoustic wave resonator formed on the second surface of the beam are similar to each other.

【0036】本発明によると、外力センサにおいて、上
記第1の表面弾性波共振器のパターンと上記第2の表面
弾性波共振器のパターンはフォトマスク作成時にシュリ
ンクテクニックを用いて互いに相似形に形成されたこと
を特徴とする。
According to the present invention, in the external force sensor, the pattern of the first surface acoustic wave resonator and the pattern of the second surface acoustic wave resonator are formed similar to each other by using the shrink technique at the time of making the photomask. It is characterized by being done.

【0037】[0037]

【作用】一般にバイアス周波数ΔfB を設けるために、
2つのSAWR21A、21Bの形状が異なるように、
即ち、2つのSAWR21A、21Bの共振キャビティ
長L1 、L2 が異なるように構成する。2つのSAWR
21A、21Bの共振キャビティ長L1 、L2 が異なる
と、2つのSAWR21A、21Bの温度特性が異なる
こととなる。即ち頂点温度T10、T20が異なる。それに
よって、出力信号である発振周波数の差Δfは温度によ
って影響を受けることとなる。
In general, in order to set the bias frequency Δf B ,
Make sure that the two SAWRs 21A and 21B have different shapes.
That is, the two SAWR21A, resonant cavity length L 1 of 21B, L 2 is configured differently. Two SAWR
When the resonance cavity lengths L 1 and L 2 of 21A and 21B are different, the temperature characteristics of the two SAWRs 21A and 21B are different. That is, the peak temperatures T 10 and T 20 are different. As a result, the difference Δf in oscillation frequency, which is an output signal, is affected by temperature.

【0038】しかしながら、2つのSAWR21A、2
1Bの形状が異なり、従って、2つのSAWR21A、
21Bの共振キャビティ長L1 、L2 が異なる場合であ
っても、共振波長λ10、λ20に対する共振キャビティ長
1 、L2 の比L1 /λ10、L2 /λ20が等しい場合に
は、2つのSAWR21A、21Bの温度特性は同一と
なり、頂点温度T10、T20は同一となる。即ち出力信号
である発振周波数の差Δfは温度によって影響を受けな
い。尚、共振波長λ10、λ20はSAWRのデザインルー
ルによって決まる。
However, the two SAWRs 21A, 2
The shape of 1B is different, so two SAWR21A,
Resonant cavity length L 1 of 21B, even if the L 2 are different, the resonance wavelength lambda 10, the resonant cavity length L 1 with respect to lambda 20, the ratio L 1 / lambda 10 of L 2, L 2 / lambda when 20 is equal to , The temperature characteristics of the two SAWRs 21A and 21B are the same, and the peak temperatures T 10 and T 20 are the same. That is, the difference Δf in oscillation frequency, which is an output signal, is not affected by temperature. The resonance wavelengths λ 10 and λ 20 are determined by the SAWR design rule.

【0039】従って、共振波長λ10、λ20に対する共振
キャビティ長L1 、L2 の比L1 /λ10が同一L1 /λ
10=L2 /λ20となる条件で、2つのSAWR21A、
21Bの形状を設定すれば、出力信号である発振周波数
の差Δfは温度によって影響を受けない。
Therefore, the ratio L 1 / λ 10 of the resonant cavity lengths L 1 and L 2 to the resonant wavelengths λ 10 and λ 20 is the same L 1 / λ.
Under the condition of 10 = L 2 / λ 20 , two SAWRs 21A,
When the shape of 21B is set, the difference Δf in the oscillation frequency which is the output signal is not influenced by the temperature.

【0040】本発明によれば、2つのSAWR21A、
21Bは互いに相似形に形成される。それによって、共
振波長λ10、λ20に対する共振キャビティ長L1 、L2
の比が同一L1 /λ10=L2 /λ20となる条件が満たさ
れ、且つ、バイアス周波数ΔfB が設けられる。
According to the invention, two SAWRs 21A,
21B are formed similar to each other. Thereby, the resonant cavity lengths L 1 and L 2 for the resonant wavelengths λ 10 and λ 20 are obtained.
The condition that the ratios of L 1 / λ 10 = L 2 / λ 20 are the same is satisfied, and the bias frequency Δf B is provided.

【0041】本発明によると、2つのSAWR21A、
21Bはフォトリソグラフィ法によって形成され、シュ
リンク法によって容易に相似形が得られる。しかも、シ
ュリンク法では、シュリンク率を所定の値にすることに
よって、所望の共振周波数比f10/f20が得られるか
ら、所望のバイアス周波数ΔfB を容易に得ることがで
きる。
According to the invention, two SAWR21A,
21B is formed by the photolithography method, and a similar shape can be easily obtained by the shrink method. Moreover, in the shrink method, the desired resonance frequency ratio f 10 / f 20 can be obtained by setting the shrink rate to a predetermined value, so that the desired bias frequency Δf B can be easily obtained.

【0042】[0042]

【実施例】先ず本発明の概念について説明する。表面弾
性波型外力センサにおいて、従来の方法でバイアス周波
数ΔfB を設けると数7の式及び数8の式に表されるよ
うに、出力信号Δfは温度Tの関数となる。数8の式の
右辺の各項のうち、出力信号Δfに最も大きく影響を与
えるのは頂点温度の差ΔT0 =(T10−T20)を含む第
3項である。従って、頂点温度の差ΔT0 がゼロであれ
ば、出力信号Δfは温度Tの影響を受けず、歪みεだけ
の関数となる。
First, the concept of the present invention will be described. In the surface acoustic wave type external force sensor, when the bias frequency Δf B is provided by the conventional method, the output signal Δf becomes a function of the temperature T as shown in the equations (7) and (8). Among the respective terms on the right side of the equation (8), the third term that most affects the output signal Δf is the third term including the difference ΔT 0 = (T 10 −T 20 ). Therefore, if the peak temperature difference ΔT 0 is zero, the output signal Δf is not affected by the temperature T and is a function of only the strain ε.

【0043】しかしながら、上述のように梁11の両側
のSAWR21A、21Bの形状が異なるように構成す
ると、2つのSAWR21A、21Bの温度特性、即
ち、頂点温度に差ΔT0 =(T10−T20)が生ずる。
However, if the SAWRs 21A and 21B on both sides of the beam 11 are formed to have different shapes as described above, the difference in temperature characteristics between the two SAWRs 21A and 21B, that is, the vertex temperature ΔT 0 = (T 10 -T 20). ) Occurs.

【0044】頂点温度はSAWRの形状等によって変化
するが、詳細には、共振波長と共振キャビティの比L1
/λ10、L2 /λ20の関数である。共振波長λ10、λ20
はSAWR21A、21Bのデザインルールによって決
まる。従って、SAWRの形状が変わっても、共振周波
長に対する共振キャビティの比L1 /λ10、L2 /λ 20
が変わらなければ、頂点温度は変化しない。
The peak temperature changes depending on the shape of SAWR
However, in detail, the ratio L of the resonant wavelength to the resonant cavity is1
/ ΛTen, L2/ Λ20Is a function of. Resonance wavelength λTen, Λ20
Is determined by the design rules of SAWR21A and 21B
Maru Therefore, even if the shape of the SAWR changes, the resonance frequency
Ratio of resonant cavity to length L1/ ΛTen, L2/ Λ 20
If does not change, the peak temperature does not change.

【0045】従って、バイアス周波数ΔfB を設けるた
めに2つのSAWRの形状等が異なるように構成して
も、共振波長に対する共振キャビティ長の比L1
λ10、L2/λ20が同一であれば2つのSAWRの頂点
温度が等しくなる。
Therefore, even if the two SAWRs have different shapes in order to provide the bias frequency Δf B , the ratio of the resonant cavity length to the resonant wavelength L 1 /
If λ 10 and L 2 / λ 20 are the same, the peak temperatures of the two SAWRs will be equal.

【0046】本発明によると、梁11の上面11AのS
AWR21Aと下面11BのSAWR21Bを互いに相
似形に形成する。それによって、バイアス周波数ΔfB
を設けることができ、且つ、2つのSAWR21A、2
1Bにおいて共振波長に対する共振キャビティ長の比が
同一L1 /λ10=L2 /λ20となる。従って、2つのS
AWR21A、21Bの頂点温度は等しくなる。数8の
式にΔT0 =(T10−T20)=0を代入して次の式を得
る。
According to the present invention, the S of the upper surface 11A of the beam 11 is
The AWR 21A and the SAWR 21B on the lower surface 11B are formed in a similar shape to each other. As a result, the bias frequency Δf B
And two SAWRs 21A, 2
In 1B, the ratio of the resonant cavity length to the resonant wavelength is the same L 1 / λ 10 = L 2 / λ 20 . Therefore, two S
The peak temperatures of the AWRs 21A and 21B are equal. Substituting ΔT 0 = (T 10 −T 20 ) = 0 into the formula of the formula 8, the following formula is obtained.

【0047】[0047]

【数9】 ΔfB =f10−f20−a(f10−f20)(T−T202 Δf B = f 10 −f 20 −a (f 10 −f 20 ) (T−T 20 ) 2

【0048】この右辺の第2項は微小であるため無視す
ると次の近似式が得られる。
Since the second term on the right side is minute, it can be ignored to obtain the following approximate expression.

【0049】[0049]

【数10】ΔfB =f10−f20 [Formula 10] Δf B = f 10 −f 20

【0050】これを数7の式に代入して出力信号Δfが
得られる。
By substituting this into the equation (7), the output signal Δf can be obtained.

【0051】[0051]

【数11】Δf=(f10−f20)(1−kε)Δf = (f 10 −f 20 ) (1−kε)

【0052】図1を参照して本発明による外力センサの
例を説明する。図1は本発明による表面弾性波共振器
(SAWR)の例を示す。図6と同様に、図1Aは梁1
1の上面11Aの第1のSAWR21Aを示し、図1B
は梁11の下面11Bの第2のSAWR21Bを示す。
第1のSAWR21Aは入力インターディジタルトラン
スデューサ(IDT)21−1A及び出力インターディ
ジタルトランスデューサ(IDT)21−2Aと2つの
反射器21−3A、21−4Aとを有し、第2のSAW
R21Bは入力IDT21−1B及び出力IDT21−
2Bと2つの反射器21−3B、21−4Bとを有す
る。
An example of the external force sensor according to the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 1 shows an example of a surface acoustic wave resonator (SAWR) according to the present invention. Similar to FIG. 6, FIG. 1A shows beam 1
1B shows the first SAWR 21A on the top surface 11A of FIG.
Shows a second SAWR 21B on the lower surface 11B of the beam 11.
The first SAWR 21A has an input interdigital transducer (IDT) 21-1A and an output interdigital transducer (IDT) 21-2A and two reflectors 21-3A, 21-4A, and a second SAWR 21A.
R21B is an input IDT 21-1B and an output IDT 21-
2B and two reflectors 21-3B and 21-4B.

【0053】本例によると、第1のSAWR21Aと第
2のSAWR21Bは互いに相似形に形成されている。
即ち、2つのSAWR21A、21Bは、互いに大きさ
が異なるが形状は同一である。本例によると、2つのS
AWR21A、21Bは互いに相似形に形成されている
ことを除いて、図6に示した2つのSAWR21A、2
1Bと同様であってよい。また本例によると、外力セン
サは2つのSAWR21A、21Bを除いて、図4に示
した外力センサと同様であってよい。
According to this example, the first SAWR 21A and the second SAWR 21B are formed in similar shapes to each other.
That is, the two SAWRs 21A and 21B have different sizes but the same shape. According to this example, two S
The two SAWRs 21A and 2B shown in FIG. 6 except that the AWRs 21A and 21B are formed in a similar shape to each other.
It may be similar to 1B. Further, according to this example, the external force sensor may be the same as the external force sensor shown in FIG. 4, except for the two SAWRs 21A and 21B.

【0054】本例によると2つのSAWR21A、21
Bは適当な方法によって形成される。例えば、フォトリ
ソグラフィ法によって梁11の両面11A、11Bに所
定のパターンを形成することによって製造されてよい。
According to this example, two SAWRs 21A, 21
B is formed by a suitable method. For example, it may be manufactured by forming a predetermined pattern on both surfaces 11A and 11B of the beam 11 by a photolithography method.

【0055】好ましくは、2つのSAWR21A、21
Bはシュリンク法によって互いに相似形に形成される。
シュリンク法によると、同一のフォトマスクデータを使
用し、一方のSAWRを100%で作画し、他方のSA
WRを所望のバイアス周波数が得られるように適当な縮
小率で作画する。シュリンク法は、マスクのパターンと
同一の形状のSAWRを所望の拡大率又は縮小率にて容
易に形成することができる。
Preferably two SAWRs 21A, 21
Bs are formed in a similar shape to each other by the shrink method.
According to the shrink method, the same photomask data is used, one SAWR is drawn at 100%, and the other SAWR is drawn.
WR is drawn at an appropriate reduction ratio so as to obtain a desired bias frequency. The shrink method can easily form the SAWR having the same shape as the mask pattern at a desired enlargement ratio or reduction ratio.

【0056】次に実際の計算例を示す。上述のように2
つのSAWR21A、21Bを相似形に形成すると共振
波長と共振キャビティ長の比は変化しないが、共振波長
と共振キャビティ長はそれぞれ同じ割合だけ変化する。
2つのSAWR21A、21Bの共振波長の比、即ち、
共振周波数f10、f20の比はSAWRのパターンの拡大
率又は縮小率に等しい。
Next, an actual calculation example will be shown. 2 as above
When the two SAWRs 21A and 21B are formed in a similar shape, the ratio of the resonance wavelength and the resonance cavity length does not change, but the resonance wavelength and the resonance cavity length change by the same ratio.
The ratio of the resonance wavelengths of the two SAWRs 21A and 21B, that is,
The ratio of the resonance frequencies f 10 and f 20 is equal to the enlargement or reduction ratio of the SAWR pattern.

【0057】[0057]

【数12】f20=f10×rF 20 = f 10 × r

【0058】ここにrは拡大率又は縮小率である。これ
を数10の式に代入してバイアス周波数ΔfB が求めら
れる。
Here, r is an enlargement ratio or a reduction ratio. The bias frequency Δf B is obtained by substituting this into the expression of Equation 10.

【0059】[0059]

【数13】 ΔfB =f10−f20=f10−f10×r=f10(1−r)Δf B = f 10 −f 20 = f 10 −f 10 × r = f 10 (1-r)

【0060】例えば、第1のSAWR21Aの共振周波
数f10がf10=400MHz、バイアス周波数ΔfB
してΔfB =400KHzが得られるように設計する
と、第2の共振周波数f20はf20=399.6MHzと
なり、縮小率はr=0.999となる。即ち、99.9
%のシュリンクをかければよい。
For example, if the resonance frequency f 10 of the first SAWR 21A is designed to be f 10 = 400 MHz and the bias frequency Δf B is Δf B = 400 KHz, the second resonance frequency f 20 is f 20 = 399. It becomes 6 MHz, and the reduction ratio is r = 0.999. That is, 99.9
You just need to make a% shrink.

【0061】図2を参照して本発明による外力センサの
梁11の他の構成例を示す。本例によると、梁11は2
枚の薄い梁11−1と11−2を接合することによって
製造される。互いに相似形である2つのSAWR21
A、21Bは、接合されて形成された1枚の梁11の両
面11A、11Bにそれぞれ形成されている。
Another configuration example of the beam 11 of the external force sensor according to the present invention will be described with reference to FIG. According to this example, the beam 11 has two
It is manufactured by joining the thin beams 11-1 and 11-2. Two SAWR21s that are similar to each other
A and 21B are respectively formed on both surfaces 11A and 11B of one beam 11 formed by joining.

【0062】SAWR21A、21Bは2枚の薄い梁1
1−1、11−2を接合した後に形成してよいが、好ま
しくは、2枚の薄い梁11−1、11−2を接合する前
に形成される。例えば、2枚の薄い梁11−1、11−
2の各面11A、11Bに、順次、リソグラフィ法によ
ってSAWR21A、21Bし、それから2枚の薄い梁
11−1、11−2を接合してよい。それによって、効
率的にSAWR21A、21Bを形成することができ
る。
SAWRs 21A and 21B are two thin beams 1
It may be formed after joining 1-1 and 11-2, but is preferably formed before joining the two thin beams 11-1 and 11-2. For example, two thin beams 11-1, 11-
The two surfaces 11A and 11B may be sequentially subjected to SAWR 21A and 21B by a lithography method, and then two thin beams 11-1 and 11-2 may be joined. Thereby, the SAWRs 21A and 21B can be efficiently formed.

【0063】図3に本発明による外力センサの梁11の
他の構成例を示す。この例では図2に示したのと同様な
2枚の薄い梁11−1と11−2を使用する。2枚の薄
い梁11−1、11−2は、その間に支持部材13と重
り15を挟んだ状態で、それらと接合される。
FIG. 3 shows another structural example of the beam 11 of the external force sensor according to the present invention. In this example, two thin beams 11-1 and 11-2 similar to those shown in FIG. 2 are used. The two thin beams 11-1 and 11-2 are joined to the support member 13 and the weight 15 with the thin beams 11-1 and 11-2 sandwiched therebetween.

【0064】SAWR21A、21Bは、上側の薄い梁
11−1の上面11Aと下側の薄い梁11−2の下面1
1Bにそれぞれ形成されている。
The SAWRs 21A and 21B are the upper surface 11A of the upper thin beam 11-1 and the lower surface 1 of the lower thin beam 11-2.
1B, respectively.

【0065】同様に、SAWR21A、21Bは2枚の
薄い梁11−1、11−2を支持部材13及び重り15
に接合した後に形成してよいが、好ましくは、2枚の薄
い梁11−1、11−2を接合する前に形成される。例
えば、2枚の薄い梁11−1、11−2の各面11A、
11Bに、順次、リソグラフィ法によってSAWR21
A、21Bし、それから接合してよい。それによって、
効率的にSAWR21A、21Bを形成することができ
る。
Similarly, in the SAWRs 21A and 21B, two thin beams 11-1 and 11-2 are attached to the support member 13 and the weight 15.
Although it may be formed after the two thin beams 11-1 and 11-2 are joined together, it is preferably formed before the two thin beams 11-1 and 11-2 are joined together. For example, each surface 11A of two thin beams 11-1 and 11-2,
11B, SAWR21 by lithography method sequentially.
A, 21B and then may be joined. Thereby,
The SAWRs 21A and 21B can be efficiently formed.

【0066】以上本発明の実施例について詳細に説明し
てきたが、本発明は上述の実施例に限ることなく本発明
の要旨を逸脱することなく他の種々の構成が採り得るこ
とは当業者にとって容易に理解されよう。
Although the embodiments of the present invention have been described in detail above, those skilled in the art will understand that the present invention is not limited to the above-mentioned embodiments and various other configurations can be adopted without departing from the gist of the present invention. Easy to understand.

【0067】[0067]

【発明の効果】本発明によると、表面弾性波型の外力セ
ンサにおいて、バイアス周波数ΔfBを設けても、出力
信号は温度の影響を受けることがない利点がある。
According to the present invention, in the surface acoustic wave type external force sensor, even if the bias frequency Δf B is provided, the output signal is not affected by the temperature.

【0068】本発明によると、表面弾性波型の外力セン
サにおいて、極めて簡単な方法で、2つのSAWRの温
度特性を同一にすることができる利点がある。
According to the present invention, in the surface acoustic wave type external force sensor, there is an advantage that the temperature characteristics of the two SAWRs can be made the same by an extremely simple method.

【0069】本発明によると、表面弾性波型の外力セン
サにおいて、極めて簡単な方法で、バイアス周波数Δf
B を所望の値に設定することができる利点がある。
According to the present invention, in the surface acoustic wave type external force sensor, the bias frequency Δf can be obtained by an extremely simple method.
There is an advantage that B can be set to a desired value.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】本発明による外力センサのSAWRの例を示す
説明図である。
FIG. 1 is an explanatory diagram showing an example of SAWR of an external force sensor according to the present invention.

【図2】本発明による外力センサの梁の構成例を説明す
るための説明図である。
FIG. 2 is an explanatory diagram for explaining a configuration example of a beam of the external force sensor according to the present invention.

【図3】本発明による外力センサの梁の他の構成例を説
明するための説明図である。
FIG. 3 is an explanatory diagram for explaining another configuration example of the beam of the external force sensor according to the present invention.

【図4】従来の外力センサの構成例を示す図である。FIG. 4 is a diagram showing a configuration example of a conventional external force sensor.

【図5】従来の外力センサのバイアス周波数ΔfB の機
能を説明するための説明図である。
FIG. 5 is an explanatory diagram for explaining a function of a bias frequency Δf B of a conventional external force sensor.

【図6】従来の外力センサのSAWRの例を示す説明図
である。
FIG. 6 is an explanatory diagram showing an example of a SAWR of a conventional external force sensor.

【図7】従来の外力センサのSAWRの温度特性を説明
する説明図である。
FIG. 7 is an explanatory diagram illustrating a temperature characteristic of a SAWR of a conventional external force sensor.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

11 弾性体、梁 11−1、11−2 梁 11A 上面 11B 下面 13 支持部材 15 重り 20A、20B 発振回路 21A、21B 表面弾性波共振器(SAWR) 21−1、21−1A、21−1B 入力インターディ
ジタルトランスデューサ(IDT) 21−2、21−2A、21−2B 出力インターディ
ジタルトランスデューサ(IDT) 21−3A、21−3B 反射器 21−4A、21−4B 反射器 25A、25B 増幅器 27A、27B バッファアンプ 31 ミキサ 33 フィルタ
11 elastic body, beam 11-1, 11-2 beam 11A upper surface 11B lower surface 13 support member 15 weights 20A, 20B oscillation circuit 21A, 21B surface acoustic wave resonator (SAWR) 21-1, 21-1A, 21-1B input Interdigital Transducer (IDT) 21-2, 21-2A, 21-2B Output Interdigital Transducer (IDT) 21-3A, 21-3B Reflector 21-4A, 21-4B Reflector 25A, 25B Amplifier 27A, 27B Buffer Amplifier 31 Mixer 33 Filter

─────────────────────────────────────────────────────
─────────────────────────────────────────────────── ───

【手続補正書】[Procedure amendment]

【提出日】平成8年2月15日[Submission date] February 15, 1996

【手続補正1】[Procedure Amendment 1]

【補正対象書類名】明細書[Document name to be amended] Statement

【補正対象項目名】特許請求の範囲[Name of item to be amended] Claims

【補正方法】変更[Correction method] Change

【補正内容】[Correction content]

【特許請求の範囲】[Claims]

【手続補正2】[Procedure Amendment 2]

【補正対象書類名】明細書[Document name to be amended] Statement

【補正対象項目名】0011[Correction target item name] 0011

【補正方法】変更[Correction method] Change

【補正内容】[Correction content]

【0011】図5を参照してバイアス周波数ΔfB と外
力センサの動作範囲の関係について説明する。図5は入
力加速度Aと発振周波数の差Δfの関係を示す。入力加
速度Aが− maxA〜+ maxAの範囲にて、発振周波数の
差Δfの最小値Δfmin がゼロ近傍にならないように設
定しなければならない。
The relationship between the bias frequency Δf B and the operating range of the external force sensor will be described with reference to FIG. FIG. 5 shows the relationship between the input acceleration A and the difference Δf between the oscillation frequencies. When the input acceleration A is in the range of -maxA to + maxA, the minimum value Δfmin of the oscillation frequency difference Δf must be set so as not to be close to zero.

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 大内 秀樹 東京都大田区南蒲田2丁目16番46号 株式 会社トキメック内 ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of the front page (72) Inventor Hideki Ouchi 2-16-46 Minami Kamata, Ota-ku, Tokyo Within Tokimec Co., Ltd.

Claims (2)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】外力を歪みに変換するための単結晶圧電板
によって形成され片持ち支持された梁と、該梁の2つの
面に装着され該梁に発生した歪みを共振周波数の変化に
変換するための表面弾性波共振器と、を有する外力セン
サにおいて、 上記梁の第1の面に形成された第1の表面弾性波共振器
のパターンと上記梁の第2の面に形成された第2の表面
弾性波共振器のパターンとは互いに相似形であることを
特徴とする外力センサ。
1. A beam, which is formed of a single crystal piezoelectric plate for converting an external force into strain and is supported by a cantilever, and a strain which is attached to two surfaces of the beam and which is generated in the beam is converted into a change in resonance frequency. And a surface acoustic wave resonator for forming a first surface acoustic wave resonator pattern formed on the first surface of the beam and a second surface formed on the second surface of the beam. An external force sensor characterized in that the pattern of the surface acoustic wave resonator of 2 is similar to each other.
【請求項2】請求項2記載の外力センサにおいて、 上記第1の表面弾性波共振器のパターンと上記第2の表
面弾性波共振器のパターンはフォトマスク作成時にシュ
リンクテクニックを用いて互いに相似形に形成されたこ
とを特徴とする外力センサ。
2. The external force sensor according to claim 2, wherein the pattern of the first surface acoustic wave resonator and the pattern of the second surface acoustic wave resonator are similar to each other by using a shrink technique at the time of making a photomask. An external force sensor characterized by being formed on the.
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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2002156295A (en) * 2000-10-06 2002-05-31 Robert Bosch Gmbh Force sensor
US6803698B2 (en) * 2000-10-12 2004-10-12 Murata Manufacturing Co., Ltd Acceleration sensor
JP2005214814A (en) * 2004-01-29 2005-08-11 Kyocera Corp Pressure sensor module

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