TWI391662B - Vibration type sensor - Google Patents

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TWI391662B
TWI391662B TW098131020A TW98131020A TWI391662B TW I391662 B TWI391662 B TW I391662B TW 098131020 A TW098131020 A TW 098131020A TW 98131020 A TW98131020 A TW 98131020A TW I391662 B TWI391662 B TW I391662B
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Ryuta Nishizawa
Takahiro Kameta
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Seiko Epson Corp
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Description

振動型感測器
本發明係關於一種對因施加伴隨於加速度等之影響之力而產生之壓電振動片之共振頻率之變化進行檢測的振動型感測器。
作為測定伴隨於所施加之加速度等之影響之力的感測器，已知有一種振動型感測器。該振動型感測器對因施加伴隨於加速度等之影響之力而產生之壓電振動片之共振頻率的變化進行檢測，藉此檢測力之大小(例如參照非專利文獻1、專利文獻1)。
以下，使用加速度感測器作為振動型感測器一例而對構成進行說明。圖6係表示習知加速度感測器之概略之立體圖。如圖6所示，加速度感測器500具有形成於基台101上之2個連接台102、103，以及連接於連接台102、103之振動片100。振動片100係使用水晶等壓電材料而形成，其形成有藉由貫通孔104而分割之振動臂105、106，以及自振動臂105、106之兩端部延設的第1基部107、第2基部108此2個基部。
此處，使用將振動片100之厚度方向(P方向)之加速度施加於加速度感測器500之示例，簡單地說明加速度之檢測動作。若將加速度施加於加速度感測器500，則基台101會因第2基部108側之第2基台部101a以基台101上所形成之鉸鏈109為支點向旋轉方向移動而彎曲。加速度感測器500對因該彎曲而產生之振動臂105、106之變形所引起的共振頻率之變化進行檢測，藉此檢測所施加之加速度之大小。此時之檢測靈敏度以式(1)表示，可知振動臂之長度l(1)越長越佳。
[數1]
a1：由支持等所決定之常數、m：質量、a：加速度、E：彈性常數、l：振動臂之臂長、t：振動片之厚度、w：振動臂之臂寬。
又，來自振動臂105、106之洩漏振動會被傳遞至第1基部107、第2基部108。若該洩漏振動存在，則由於振動片100之Q值變低，導致共振頻率變動，難以高精度地進行加速度之檢測。為抑制該振動洩漏，提出有如圖7所示之加速度感測器(例如，參照專利文獻2)。圖7係表示加速度感測器中所使用之習知振動片之俯視圖。
如圖7所示，振動片200一體地形成有1對振動臂205、206，第1基部207、第2基部208此2個基部，第1收縮部209、第2收縮部210，以及支持部211、212。振動臂205、206係藉由貫通孔204而被分割之2根梁形狀，其延伸方向(長度方向)之兩端延設於第1基部207以及第2基部208上。第1基部207以及第2基部208係於振動臂205、206之延伸方向上延設。於第1基部207上形成第1收縮部209，其以第1基部207之一部分在平面上寬度變小之方式自兩端切出槽而成。同樣地，於第2基部208上形成第2收縮部210，其以第2基部208之一部分在平面上寬度變小之方式自兩端切出槽而成。再者，將與振動臂205、206之延伸方向正交之方向設為寬度方向，將該方向上之尺寸稱作寬度，進而，於第1基部207之一方形成有支持部211，於第2基部208之一方形成有支持部212。藉由形成該第1收縮部209以及第2收縮部210，可抑制振動臂205、206之振動向支持部211、212洩漏之振動。
[專利文獻1]日本專利特表平4-505509號公報(圖1)
[專利文獻2]日本專利特開昭63-284440號公報(圖4)
[非專利文獻1]W. C. Albert,"Force sensing using quartz crystal flexure resonators",38th Annual Frequency Control Symposium 1984,pp233-239
然而，於使用上述振動片200之加速度感測器中，第1收縮部209以及第2收縮部210之長度L係較短地形成。藉此，因施加於加速度感測器之衝擊等所產生之應力，會集中於第1收縮部209以及第2收縮部210，振動片200有時會自該部分破損，從而存在無法進行加速度檢測之問題。特別係於圖6所示之加速度感測器500中應用如圖7所示之振動片200以代替振動片100之情形時，將朝向P方向之彎曲力施加於第1基部207以及第2基部208。並且，由該彎曲力所產生之應力容易集中於例如剛性低於第1基部207之收縮部209(被2個收縮部209所夾持之前端部分)。因此，於收縮部209之長度L較短之情形時，由於應力於較窄之範圍內局部地集中，故前端會產生較大之彎折力，進而收縮部209亦容易作為切口而發揮功能，從而存在振動片100會破損之虞。
本發明為解決上述問題之至少一部分，作為以下之形態或應用例而實現。
[應用例1]本應用例之振動型感測器之特徵在於包含振動片及支持上述振動片之基台，而上述振動片包含：第1基部及第2基部，於其正反面具有主面；振動臂，其於上述第1基部與上述第2基部間以梁狀而延設，且以既定之共振頻率而振動；第1收縮部，自上述第1基部起延設，其寬度於與上述振動臂之延設方向正交之方向上，形成得比上述第1基部為窄；第2收縮部，自上述第2基部起延設，其寬度於與上述振動臂之延設方向正交之方向上，形成得比上述第2基部為窄；第1支持部，自上述第1收縮部起延設於與上述第1基部相反之方向上；以及第2支持部，自上述第2收縮部起延設於與上述第2基部相反之方向上；而上述第1收縮部與上述第1基部之於上述振動臂之延設方向上之尺寸比、以及上述第2收縮部與上述第2基部之於上述振動臂之延設方向上之尺寸比為50%以上且200%以下，且上述振動片係將上述第1支持部以及上述第2支持部之一主面與上述基台連接。
根據本應用例，第1收縮部與第1基部之於振動臂之延設方向上之尺寸比、以及第2收縮部與第2基部之於振動臂之延設方向上之尺寸比為50%以上且200%以下。即，第1收縮部以及第2收縮部之長度形成得較大。藉此，可防止因衝擊等所產生之應力集中於第1收縮部以及第2收縮部，故即便振動型感測器受到衝擊等，亦不易產生振動片之破損。因此，可提供耐衝擊性優異之振動型感測器。
[應用例2]如上述應用例所記載之振動型感測器，其中，上述振動臂係藉由貫通正反面之貫通孔而被分割成至少2根梁。
根據本應用例，由於形成至少2根振動臂，故藉由各個振動臂之共振作用等，使得振動臂之振動效率提高。藉此，可提供能夠獲得更穩定振動之振動型感測器。
[應用例3]如上述應用例所記載之振動型感測器，其中，上述第1收縮部與上述第1基部和上述第1支持部之連接、以及上述第2收縮部與上述第2基部和上述第2支持部之連接，係於平面上以曲線形狀而進行。
根據本應用例，藉由第1收縮部以及第2收縮部與其他構件於平面上以曲線形狀而連接，可進一步防止應力集中。藉此，可提供耐衝擊性進一步提高之振動型感測器。
[應用例4]如上述應用例所記載之振動型感測器，其中，上述第1支持部以及上述第2支持部包含：於與上述振動臂之延設方向交叉之方向上延設之延長部，以及以平行於上述振動臂而自上述延長部起延設且具有開放端的固定部；上述振動片係將包含上述固定部之上述第1支持部及上述第2支持部之一主面連接於上述基台。
根據本應用例，由於基台與振動片之連接係於包含進一步遠離振動臂之固定部的部位進行，因此可於洩漏振動較小之部位進行連接。藉此，可提供能夠配合第1收縮部以及第2收縮部之效果而進一步抑制洩漏振動之影響、同時使耐衝擊性提高之可靠性高的振動型感測器。
[應用例5]如上述應用例所記載之振動型感測器，其中，上述基台具有形成為槽狀薄壁之鉸鏈部，且以上述鉸鏈部作為基準，於一側之第1基台上連接有上述第1支持部，於另一側之第2基台上連接有上述第2支持部。
根據本應用例，藉由形成槽狀之鉸鏈部，可使振動片僅因垂直方向上施加之力而彎曲。藉此，可不易受到水平方向之力之影響，且可減小必要之檢測軸以外之靈敏度、即其他軸靈敏度。由此，可提供高精度之振動型感測器。
[應用例6]如上述應用例所記載之振動型感測器，其中，上述基台包含：藉由具有可撓性之連接部而與第1基台連接之第2基台，以及藉由具有可撓性之連接部而與上述第2基台連接之第3基台，並於上述第1基台上連接有上述第1支持部，於上述第2基台上連接有上述第2支持部。
根據本應用例，可提供能夠精確地檢測振動臂之延伸方向上之加速度之振動型感測器。
以下，一面參照圖式一面對本發明之實施形態進行說明。再者，為便於圖示，以下所參照之圖式係構件或縱橫之比例尺與實際情況不同之示意圖。
(第1實施形態)
作為第1實施形態，於圖1表示作為振動型感測器之一例之加速度感測器並進行說明。圖1表示作為第1實施形態之加速度感測器之概略，其中，(a)係俯視圖，(b)係正剖面圖。
如圖1所示，加速度感測器10包含基台23、以及支持於基台23上之振動片11。
振動片11係藉由壓電性材料而形成。作為壓電性材料，可使用鈦酸鉛(PbTiO3 )、鈦鋯酸鉛(PZT)、氧化鋅(ZnO)、以及水晶等。於本第1實施形態中，例示使用頻率溫度特性優異、且具有高Q值之水晶之情形並進行說明。
振動片11(水晶振動片)具有梁狀之振動臂15、16，其等被貫通孔14分割，且以既定之共振頻率而於平面方向上彎曲振動。進而，於振動片11上自振動臂15、16之一方端部起，依序形成有第1基部12、第1收縮部8、及第1支持部17，自振動臂15、16之他方端部起，依序形成有第2基部13、第2收縮部9、及第2支持部18。
第1收縮部8以及第2收縮部9於與振動臂15、16之延設方向(圖中所示之Y方向，以下簡稱為「Y方向」)正交之方向(圖中所示之X方向，以下簡稱為「X方向」)上之寬度，形成得比第1基部12以及第2基部13為窄。換言之，第1收縮部8以及第2收縮部9係自第1基部12以及第2基部13之沿著Y方向之2個邊而朝向中央凹下之形狀。並且，第1收縮部8以及第2收縮部9之於振動臂15、16之延設方向上之長度(以下簡稱為「收縮部長度」)，係與第1基部12以及第2基部13之於振動臂15、16之延設方向上的長度(以下簡稱為「基部長度」)具有關聯而決定。詳細而言，將收縮部長度與基部長度之尺寸比設定為50%以上且200%以下。
藉由以上述尺寸比形成收縮部長度與基部長度，可防止振動臂15、16之振動洩漏至第1支持部17、第2支持部18，同時可防止衝擊之應力集中於第1收縮部8以及第2收縮部9，從而可防止振動片11之破損。
圖2係表示收縮長度和基部長度之尺寸比、與施加於收縮部之應力之大小之關係的圖表並進行說明。圖2中橫軸表示收縮長度/基部長度(%)，縱軸表示收縮部所產生之應力(MPa)。
如圖2所示，於尺寸比較小之範圍內會產生較大應力，而隨著尺寸比增大，應力會急遽(2次曲線地)地減少，當尺寸比為50%左右以上時應力之大小不會產生變化。然而，隨著尺寸比增大，基部長度會增大，因此應用非常大之尺寸比會妨礙振動片之小型化。因此為能用於所需之小型之加速度感測器，必須將尺寸比抑制在200%以下。
再者，為使振動片11進一步小型化，較理想的是減小收縮部長度與基部長度之尺寸比，更佳為50%～100%。於本例中，第1收縮部8之收縮長度L1以與第1基部12之基部長度B1之尺寸比為80%左右之方式而形成。同樣地，第2收縮部9之收縮長度L2以與第2基部13之基部長度B2之尺寸比為80%左右之方式而形成。
於本例中基台23上設置有於正反面之雙方自寬度方向之一端面25遍及另一端面26而形成有槽部之鉸鏈部24。並且，基台23以鉸鏈部24為基準具有2個區域，具有設置於一方區域即第1基部12側之區域之第1基台27、以及設置於另一區域即第2基部13側之區域的第2基台28。並且，將第1基台27作為固定台，將第2基台28作為可動台(有時亦稱作懸臂部)。再者，鉸鏈部24形成於較振動臂15、16之延設方向中心而更靠第1基部12側之位置。又，本例之鉸鏈部24於正反面之雙方形成有槽部，但亦可為於任一方之面上形成有槽部之構成。
振動片11係將第1支持部17之一主面(背面)31支持於第1基台27上，將第2支持部18之一主面(背面)31支持於第2基台28上，同時使用接著劑42、43等而固定於基台23上。藉此，將振動片11固定於基台23上。再者，於進行與未圖示之激發(excitation)電極連接之情形時等，亦可使用導電性之接著劑。
此處，對加速度感測器10中之加速度之檢測動作進行概略說明。加速度感測器10之振動臂15、16以既定之共振頻率而於圖中所示之X軸方向(振動片11之寬度方向)上進行彎曲振動。若對該加速度感測器10施加圖中所示之Z方向之加速度，由於將第1基台27作為固定台而固定，故質量大之第2基台28因慣性力而以鉸鏈部24為支點，朝向與加速度方向為相反之方向(-Z方向)移動。藉此，基台23產生彎曲。由於該彎曲，對被固定於第1基台27與第2基台28上之振動片11(振動臂15、16)，朝向圖中所示之Y軸方向施加拉伸應力。
若振動中之振動臂15、16產生拉伸應力，則共振頻率朝向變高之方向變化，若產生壓縮應力，則共振頻率朝向變低之方向變化，故上述之示例中振動臂15、16之共振頻率變高。再者，若施加與上述相反方向之加速度之情形時，第2基台28亦朝向相反方向移動(基台23亦朝向相反方向彎曲)，振動臂15、16之共振頻率變低。藉由檢測電路(未圖示)檢測該共振頻率之變化量，利用轉換電路(未圖示)將所檢測出之共振頻率轉換為電壓，並作為加速度而檢測。如此，可檢測施加於加速度感測器10上之加速度。
根據本實施形態之加速度感測器，係使用收縮部長度與基部長度之尺寸比形成為50%以上且200%以下之範圍內、更佳為50%以上且100%以下之振動片11。藉此，可防止振動臂15、16之振動洩漏至第1支持部17、第2支持部18，同時可防止衝擊之應力集中於第1收縮部8及第2收縮部9，從而可防止振動片11之破損。因此，可提供特性之穩定性高、且耐衝擊性優異之加速度感測器10。
(第2實施形態)
作為第2實施形態，於圖3中表示作為振動型感測器一例之加速度感測器並進行說明。圖3表示作為第2實施形態之加速度感測器之概略，其中，(a)係俯視圖，(b)係正剖面圖。再者，第2實施形態係與上述第1實施形態之振動片之構成不同者，由於基台與第1實施形態相同，故附上相同符號並省略其說明。
如圖3所示，加速度感測器10包含基台23、及支持於基台23上之振動片11。
振動片11係藉由與上述第1實施形態相同之壓電性材料而形成。雖省略壓電性材料之說明，但本第2實施形態亦使用頻率溫度特性優異、且具有高Q值之水晶。
振動片11(水晶振動片)具有以既定之共振頻率而於平面方向上彎曲振動之梁狀振動臂15、16。進而，於振動片11上，自振動臂15、16之一方端部起，依序形成第1基部12、第1收縮部8、及第1支持部17，並自他方端部起，依序形成第2基部13、第2收縮部9、及第2支持部18。此外，形成有自第1支持部17起於圖中所示之X方向兩側上延設之延長部47，以及自延長部47起以與振動臂15、16平行之方式延設且具有開放端19a、20a之固定部19、20。又，形成有自第2支持部18起於圖中X方向兩側上延設之延長部48，以及自該延長部48起以與振動臂15、16平行之方式延設且具有開放端21a、22a的固定部21、22。
第1收縮部8以及第2收縮部9與上述第1實施形態為相同態樣，故省略說明。
藉由將收縮部長度與基部長度設為如此之構成，與第1實施形態同樣地，可防止振動臂15、16之振動洩漏至第1支持部17、第2支持部18，同時可防止衝擊之應力集中於第1收縮部8及第2收縮部9，從而可防止振動片11之破損。
振動片11係利用連接區域32、34將固定部19、20之一主面(背面)31支持於第1基台27上，利用連接區域33、35將固定部21、22之一主面(背面)31支持於第2基台28上，並使用接著劑42、43等進行固定。藉此，將振動片11固定於基台23上。再者，於進行與未圖示之激發電極之連接之情形時等，亦可使用導電性之接著劑。
此處，對圖3(a)中以斜線表示之連接區域32、33、34、35進行說明。連接區域32、34中包含延長部47與固定部19、20交叉之區域。又，連接區域33、35中包含延長部48與固定部21、22交叉之區域。
並且，連接區域32、33、34、35各自之一端位於固定部19、20、21、22之長度方向上之中央部，而他端直至振動臂15、16之延設方向上所形成之各個延長部47、48之端部29、30為止。再者，端部29、30亦係振動片11長度方向上之兩方端部。
藉由利用如上所述之連接區域32、33、34、35而將振動片11固定於基台23上，由於連接部位遠離振動臂15、16，故配合第1收縮部8及第2收縮部9之效果，可進而不易受到洩漏振動之影響。又，藉由連接區域32、33、34、35中包含延長部47與固定部19、20交叉之區域、延長部48與固定部21、22交叉之區域以及延長部47、48之端部29、30，使固定之確實性進一步提高。進而，延長部47、48與第1收縮部8、第2收縮部9同樣地，亦具有緩和衝擊等所產生之應力之效果，因此可提供耐衝擊性得以進一步提高之加速度感測器10。
(第3實施形態)
作為第3實施形態，於圖4中表示作為振動型感測器一例之加速度感測器並進行說明。圖4係表示作為第3實施形態之加速度感測器之概略的俯視圖。再者，第3實施形態中所使用之振動片與上述第1實施形態相同，因此附上相同符號並省略其說明。
如圖4所示，加速度感測器10具有基台23、以及支持於基台23上之振動片11。
基台23具有第1基台27a、第2基台28a、第3基台27b、以及作為具有可撓性連接部之板簧40、41。並且，第1基台27a與第2基台28a係經由矩形狀彎折且可伸縮之板簧40而連接，第2基台28a與第3基台27b係經由矩形狀彎折且可伸縮之板簧41而連接。再者，本例中，係將可伸縮之板簧40、41作為各基台之連接構成例進行說明，但亦可藉由例如螺旋彈簧、樹脂等具有可撓性者進行。
振動片11係將第1支持部17之未圖示之一主面(背面)支持於第1基台27a上，將第2支持部18之未圖示之一主面(背面)支持於第2基台28a上，同時使用接著劑等進行固定。藉此，將振動片11固定於基台23上。
藉由將如此之構成之加速度感測器10之第1基台27a與第3基台27b固定於基材(未圖示)上，第2基台28a可利用板簧40、41之伸縮而於振動臂15、16之延伸方向上自在地移動。藉此，可提供能夠精確地檢測振動臂15、16之延伸方向之加速度之加速度感測器。
再者，上述實施形態中所說明之第1收縮部8、第2收縮部9較佳為以如下方式連接：如圖5之第1收縮部之放大俯視圖所示，與第1基部12之外周線12a以及第1支持部17之外周線17a的交叉部8a於平面上成為曲線形狀。再者，本例中表示圓弧狀並進行說明，但只要形成交叉角即可，曲線之形狀並不成問題。又，圖中說明了第1收縮部8，但較理想的是第2收縮部9亦為相同之構成。
如此，藉由使交叉部8a於平面上成為曲線形狀進行連接，可防止集中於交叉角部分之應力，因此可進一步防止應力集中。藉此，可提供耐衝擊性得以進一步提高之加速度感測器10。
又，上述中第1收縮部8以及第2收縮部9，係以設置於連接在第1支持部17以及第2支持部18之部分的示例進行了說明，但並不限定於此。例如，亦可設置於兩側被第1基部12以及第2基部13所夾持之部分、即亦可設置於第1基部12以及第2基部13的中間位置。
又，上述係以加速度感測器作為振動型感測器之一例進行了說明，但亦可應用於例如力(force)感測器、壓力感測器等。
8、209．．．第1收縮部
8a．．．交叉部
9、210．．．第2收縮部
10、500．．．加速度感測器
11、100、200．．．振動片
12、107、207．．．第1基部
12a．．．第1基部12之外周線
13、108、208．．．第2基部
14、104、204．．．貫通孔
15、16、105、106、205、206．．．振動臂
17、211．．．第1支持部
17a．．．第1支持部17之外周線
18、212．．．第2支持部
19、20、21、22．．．固定部
19a、20a、21a、22a．．．開放端
23、101．．．基台
24．．．鉸鏈部
25．．．一端面
26．．．另一端面
27、27a．．．第1基台
27b．．．第3基台
28、28a．．．第2基台
29、30．．．端部
31．．．一主面(背面)
32、33、34、35．．．連接區域
40、41．．．板簧
42、43．．．接著劑
47、48．．．延長部
101a．．．第2基台部
102、103．．．連接台
109．．．鉸鏈
B1、B2．．．基部長度
L1、L2．．．收縮長度
圖1表示作為第1實施形態之加速度感測器之概略，(a)係俯視圖，(b)係正剖面圖。
圖2係表示收縮長度與基部長度之尺寸比與施加於收縮部之應力之大小之關係的圖表。
圖3表示作為第2實施形態之加速度感測器之概略，(a)係俯視圖，(b)係正剖面圖。
圖4係表示作為第3實施形態之加速度感測器之概略的俯視圖。
圖5係第1收縮部之放大俯視圖。
圖6係表示習知加速度感測器之概略之立體圖。
圖7係表示習知加速度感測器之振動片之俯視圖。
8．．．第1收縮部
9．．．第2收縮部
10．．．加速度感測器
11．．．振動片
12．．．第1基部
13．．．第2基部
14．．．貫通孔
15、16．．．振動臂
17．．．第1支持部
18．．．第2支持部
23．．．基台
24．．．鉸鏈部
25．．．一端面
26．．．另一端面
27．．．第1基台
28．．．第2基台
31．．．一主面(背面)
42、43．．．接著劑
B1、B2．．．基部長度
L1、L2．．．收縮長度

Claims (6)

  1. 一種振動型感測器，其特徵在於：其包含振動片及基台，上述振動片包含：第1基部及第2基部，於其正反面具有主面；振動臂，其於上述第1基部與上述第2基部之間呈梁狀延設，且以既定之共振頻率振動；第1收縮部，自上述第1基部起延設，其寬度於與上述振動臂延設方向正交的方向上形成為較上述第1基部窄；第2收縮部，自上述第2基部起延設，其寬度於與上述振動臂延設方向正交的方向上形成為較上述第2基部窄；第1支持部，自上述第1收縮部起延設於與上述第1基部相反之方向上；以及第2支持部，自上述第2收縮部起延設於與上述第2基部相反之方向上，上述第1收縮部與上述第1基部於上述振動臂之延設方向上的尺寸比、以及上述第2收縮部與上述第2基部於上述振動臂之延設方向上的尺寸比為50%以上且200%以下，且上述基台，為用來支持上述振動片，而上述振動片將上述第1支持部以及上述第2支持部之一主面連接於上述基台。
  2. 如申請專利範圍第1項之振動型感測器，其中，上述振動臂藉由貫通正反面之貫通孔而分割為至少2根梁。
  3. 如申請專利範圍第1項之振動型感測器，其中，上述第1收縮部與上述第1基部及上述第1支持部之連接、以及上述第2收縮部與上述第2基部及上述第2支持部之連接，係於平面上以曲線形狀而進行。
  4. 如申請專利範圍第1項之振動型感測器，其中，上述第1支持部及上述第2支持部具有：於與上述振動臂延設方向交叉之方向上延設的延長部，以及平行於上述振動臂而自上述延長部起延設且具有開放端的固定部，上述振動片將包含上述固定部之上述第1支持部及上述第2支持部之一主面連接於上述基台。
  5. 如申請專利範圍第1至4項中任一項之振動型感測器，其中，上述基台具有形成為槽狀薄壁之鉸鏈部，且以上述鉸鏈部為基準，於一側之第1基台上連接有上述第1支持部，於另一側之第2基台上連接有上述第2支持部。
  6. 如申請專利範圍第1至4項中任一項之振動型感測器，其中，上述基台具有：第1基台，藉由具有可撓性之連接部而與上述第1基台連接之第2基台，以及藉由具有可撓性之連接部而與上述第2基台連接之第3基台，於上述第1基台上連接有上述第1支持部，於上述第2基台上連接有上述第2支持部。
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