WO2010137303A1 - 物理量センサ - Google Patents

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WO2010137303A1
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piezoelectric element
vibrating body
beam portion
physical quantity
quantity sensor
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Inventor
中西努
小林康展
藤田孔明
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パナソニック株式会社
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L9/00—Measuring steady of quasi-steady pressure of fluid or fluent solid material by electric or magnetic pressure-sensitive elements; Transmitting or indicating the displacement of mechanical pressure-sensitive elements, used to measure the steady or quasi-steady pressure of a fluid or fluent solid material, by electric or magnetic means
    • G01L9/0001—Transmitting or indicating the displacement of elastically deformable gauges by electric, electro-mechanical, magnetic or electro-magnetic means
    • G01L9/0008—Transmitting or indicating the displacement of elastically deformable gauges by electric, electro-mechanical, magnetic or electro-magnetic means using vibrations
    • G01L9/0016—Transmitting or indicating the displacement of elastically deformable gauges by electric, electro-mechanical, magnetic or electro-magnetic means using vibrations of a diaphragm
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L1/00—Measuring force or stress, in general
    • G01L1/16—Measuring force or stress, in general using properties of piezoelectric devices
    • G01L1/162—Measuring force or stress, in general using properties of piezoelectric devices using piezoelectric resonators

Definitions

  • the present invention relates to a physical quantity sensor for detecting strain and load acting on an object.
  • FIGS. 5A to 5C are known (see Patent Document 1).
  • 5A and 5B are a top view and a side view of a conventional physical quantity sensor.
  • the strain body 1 is made of a highly elastic metal material.
  • thin stress concentration portions 3a to 3d are formed.
  • the stress concentrating portions 3a and 3b on the upper surface side of the strain generating body 1 are provided with notch long holes 6a that extend along the longitudinal direction connecting the fixed end 4 and the movable end 5 of the strain generating body 1 and communicate with the hole 2.
  • 6b, 7a, 7b are provided.
  • notches 9 and 10 are formed on the back surface of the central beam portion 8a sandwiched between the notch long holes 6a and 7a and on the back surface of the center beam portion 8b sandwiched between the notch long holes 6b and 7b. Is formed. Further, the first piezoelectric element 11 for driving and the second piezoelectric element 12 for feedback are attached to the end of the beam part 8b of the stress concentration part 3b.
  • FIG. 5C is a side view of a main part in which the oscillator 13 is connected to part A of FIG. 5B.
  • the first piezoelectric element 11 is connected to the output side of the oscillator 13
  • the second piezoelectric element 12 is connected to the input side of the oscillator 13.
  • the resonance frequencies of the first and second piezoelectric elements 11 and 12 are selected in the vicinity of the natural frequency fe of the beam portion 8b.
  • 6A to 6C show a conventional physical quantity sensor using a vibrator created by the present inventors using the MEMS technology.
  • 6A is a top view of a conventional physical quantity sensor
  • FIG. 6B is a sectional view taken along line 6B-6B in FIG. 6A
  • FIG. 6C is a sectional view taken along line 6C-6C in FIG. 6A.
  • an insulating layer (not shown) made of a silicon oxide layer or a silicon nitride layer is formed on the surface of the semiconductor substrate 101.
  • the beam portion 102 is formed by etching the semiconductor substrate 101.
  • the fixed portion 103 surrounds the beam portion 102.
  • a driving element 104 including a lower electrode (not shown), a piezoelectric layer (not shown) made of PZT and the like, and an upper electrode (not shown) is formed at the center of the surface of the beam portion 102 from the bottom. Is formed. Further, a lower electrode (not shown), a piezoelectric layer (not shown) made of PZT or the like, and a feedback element 105 made of an upper electrode (not shown) are formed at the end of the beam portion 102 in order from the bottom. Yes. The drive element 104 and the feedback element 105 are electrically connected to the land 106 by a wiring pattern (not shown).
  • the vibrator has rigidity such as a metal-based bonding material such as an Au-Au joint or an epoxy resin so that the strain generated in the strain generating body 107 is transmitted to the vibrator at the fixing portions 103 at both ends of the beam portion 102. It is fixedly connected by a substance 108 having it.
  • the drive element 104 is connected to the output side of an amplifier (not shown), and the feedback element 105 is connected to the input side of the amplifier via a phase shifter (not shown).
  • the resonance frequencies of the drive element 104 and the feedback element 105 are selected in the vicinity of the natural frequency fe of the beam portion 102.
  • the driving element 104 when an AC voltage having a frequency near the natural frequency fe of the beam portion 102 is applied from the amplifier to the driving element 104, the driving element 104 generates mechanical vibration. By this mechanical vibration, the beam portion 102 starts string vibration up and down at the natural frequency fe . The string vibration is received by the feedback element 105, and an AC signal having a frequency equal to the natural frequency fe of the beam portion 102 is fed back from the feedback element 105 to the input side of the amplifier via the phase shifter. As a result, the beam portion 102 maintains the string vibration at a frequency equal to the natural frequency fe .
  • the beam portion 8b since the first piezoelectric element 11 for driving is attached to the end of the beam portion 8b, the beam portion 8b has a third or fifth order. Such higher order resonance modes are likely to occur. Such a higher-order resonance mode has a lower Q value indicating the sharpness of resonance, compared to the fundamental vibration mode, that is, the lowest-order vibration mode in which the center of the beam portion 8b is antinode and both ends are nodes. Bonding between them is also likely to occur. Therefore, when the ambient temperature or the power supply voltage applied to the oscillator 13 changes, the vibration frequency of the beam portion 8b may change greatly. Thereby, the strain and load F acting on the movable end 5 of the strain body 1 may not be measured accurately.
  • FIG. 7 shows a driving element 104 having a thickness of 3 ⁇ m and a length of 0.45 mm on a beam portion 102 having a thickness of 10 ⁇ m and a length of 1.2 mm, and a feedback element 105 having a thickness of 3 ⁇ m and a length of 0.2 mm.
  • the beam portion 102 has a fundamental vibration mode in which the center is an antinode and both ends are nodes, but the maximum amplitude point is moved from the center of the beam portion 102 to the left side. I understand. Such an asymmetric mode has a lower Q value indicating the sharpness of resonance compared to the symmetric mode.
  • the physical quantity sensor of the present invention includes a beam-like vibrating body and fixed portions that support both ends of the vibrating body.
  • a first piezoelectric element formed at the center of the vibrating body, a second piezoelectric element and a third piezoelectric element formed at both ends of the vibrating body are provided.
  • the beam-like vibrating body is caused to vibrate naturally using the first piezoelectric element as a drive element and the second and third piezoelectric elements as feedback elements.
  • a physical quantity acting on the beam-like vibrating body is detected by measuring the natural frequency of the vibrating body. According to this configuration, since a fundamental vibration mode having a center-symmetric vibration displacement distribution can be generated in a beam-like vibrating body, physical quantities such as strain and load acting on the object can be detected in a stable state. It has the effect of.
  • another physical quantity sensor of the present invention includes a beam-like vibrating body and fixed portions that support both ends of the vibrating body.
  • a first piezoelectric element formed at the center of the vibrating body, a second piezoelectric element and a third piezoelectric element formed at both ends of the vibrating body are provided.
  • the first piezoelectric element formed at the center of the beam-like vibrating body is used as a feedback element, and the second and third piezoelectric elements formed at both ends of the beam-like vibrating body are used as drive elements.
  • the second piezoelectric element and the third piezoelectric element are configured to be driven with the same amplitude and the same phase.
  • the feedback element is arranged at the center of the beam-like vibrating body where the vibration amplitude is the largest. For this reason, it is possible to increase the output voltage from the feedback element, thereby having an effect that a physical quantity such as strain or load acting on the object can be detected in a stable state.
  • Still another physical quantity sensor of the present invention includes a beam-like vibrating body and fixed portions that support both ends of the vibrating body.
  • a first piezoelectric element formed at the center of the vibrating body, a second piezoelectric element and a third piezoelectric element formed at both ends of the vibrating body are provided.
  • the first piezoelectric element formed at the center of the vibrating body is used as a detection element.
  • the second and third piezoelectric elements formed at both ends of the beam-like vibrating body are used as driving elements.
  • fourth and fifth piezoelectric elements are formed as feedback elements in the vicinity of the second and third piezoelectric elements.
  • a configuration in which the second piezoelectric element and the third piezoelectric element are driven with the same amplitude and phase to cause the vibrating body to vibrate naturally and the natural vibration of the beam-like vibrating body is measured with the feedback element. It is. According to this configuration, the vibration state of the beam-like vibrating body in the vicinity of the drive element is detected by the feedback element, so that a fundamental vibration mode having a vibration displacement distribution that is symmetrical about the center is reliably generated in the beam-like vibrating body. Can do. Furthermore, since the detection element is arranged at the center of the beam-like vibrating body having the largest vibration amplitude, the output voltage from the detection element can be increased. Thereby, the physical effect such as strain and load acting on the object can be detected in a more stable state.
  • FIG. 1A is a top view of the physical quantity sensor according to Embodiment 1 of the present invention.
  • 1B is a cross-sectional view taken along line 1B-1B of FIG. 1A.
  • 1C is a cross-sectional view taken along line 1C-1C of FIG. 1A.
  • FIG. 1D is a diagram in which an amplifier and a gain adjuster / phase shifter are connected to the physical quantity sensor of FIG. 1B.
  • FIG. 2 is a diagram showing a simulation result of vibration displacement distribution of the beam portion of the physical quantity sensor shown in FIG.
  • FIG. 3A is a top view of the physical quantity sensor according to Embodiment 2 of the present invention.
  • 3B is a cross-sectional view taken along line 3B-3B of FIG. 3A.
  • FIG. 3C is a diagram in which an amplifier and a gain adjuster / phase shifter are connected to the physical quantity sensor of FIG. 3B.
  • FIG. 4A is a top view of the physical quantity sensor according to Embodiment 3 of the present invention.
  • 4B is a cross-sectional view taken along line 4B-4B of FIG. 4A.
  • FIG. 4C is a diagram in which an amplifier and a gain adjuster / phase shifter are connected to the physical quantity sensor of FIG. 4B.
  • FIG. 5A is a top view of a conventional physical quantity sensor.
  • FIG. 5B is a side view of a conventional physical quantity sensor.
  • FIG. 5C is a side view of a principal part in which an oscillator is connected to part A of FIG. 5B.
  • FIG. 6A is a top view of a conventional physical quantity sensor.
  • 6B is a sectional view taken along line 6B-6B in FIG. 6A.
  • 6C is a sectional view taken along line 6C-6C in FIG. 6A.
  • FIG. 7 is a diagram showing a simulation result of vibration displacement distribution of a beam portion of a conventional physical quantity sensor.
  • FIG. 1A is a top view of the physical quantity sensor according to Embodiment 1 of the present invention.
  • 1B is a cross-sectional view taken along line 1B-1B of FIG. 1A.
  • 1C is a cross-sectional view taken along line 1C-1C of FIG. 1A.
  • FIG. 1D is a diagram in which an amplifier and a gain adjuster / phase shifter are connected to the physical quantity sensor of FIG. 1B.
  • a semiconductor substrate 21 is made of silicon or the like, and an insulating layer (not shown) made of a silicon oxide layer or a silicon nitride layer is formed on the surface.
  • the beam portion 22 is formed by etching the semiconductor substrate 21 and constitutes a beam-like vibrating body whose natural frequency changes due to the action of a physical quantity.
  • the fixing portion 23 surrounds the beam portion 22 and supports both ends of the beam-like vibrating body.
  • a lower electrode (not shown), a piezoelectric layer (not shown) made of PZT or the like, and a drive element 24 (first electrode) made of an upper electrode (not shown) are arranged in order from the bottom.
  • the piezoelectric element is formed.
  • a lower electrode (not shown), a piezoelectric layer (not shown) made of PZT or the like, and an upper electrode see FIG.
  • Feedback elements 25 and 26 are formed.
  • the drive element 24 and the feedback elements 25 and 26 are electrically connected to the land 27 by a wiring pattern (not shown).
  • this physical quantity sensor uses a metal-based bonding material such as Au—Au bonding or epoxy so that the strain generated in the strain-generating body 28 constituting the object is transmitted to the vibrator at the fixing portions 23 at both ends of the beam portion 22. It is connected and fixed by a substance 29 having rigidity such as resin.
  • the drive element 24 is connected to the output side of the amplifier 30, and the feedback elements 25 and 26 are connected to the input side of the amplifier 30 via the gain adjustment / phase shifter 31.
  • the resonance frequencies of the drive element 24 and the feedback elements 25 and 26 are selected in the vicinity of the natural frequency fe of the beam portion 22.
  • the beam portion 22 continues the string vibration at a frequency equal to the natural frequency fe .
  • AC signals from the feedback elements 25 and 26 may be added by an adder and then fed back to the input side of the amplifier 30 via the gain adjustment / phase shifter 31.
  • the strain and load f acting on the strain generating body 28 can be measured by measuring the natural frequency fe output to the terminal.
  • FIG. 2 shows a beam element 22 having a thickness of 10 ⁇ m and a length of 1.2 mm, a driving element 24 having a thickness of 3 ⁇ m and a length of 0.45 mm, and a feedback element having a thickness of 3 ⁇ m and a length of 0.2 mm. It is a figure which shows the result of having simulated the vibration displacement distribution which generate
  • the beam portion 22 has a fundamental vibration mode in which the center is an antinode and both ends are nodes, and has a vibration displacement distribution that is symmetrical with respect to the center of the beam portion 22.
  • the fundamental vibration mode having such a symmetrical vibration displacement distribution has a large Q value indicating the sharpness of resonance, the string vibration is maintained at a stable frequency. Thereby, physical quantities such as strain and load acting on the strain generating body can be detected in a stable state.
  • FIG. 3A is a top view of the physical quantity sensor according to Embodiment 2 of the present invention
  • FIG. 3B is a cross-sectional view taken along the line 3B-3B of FIG. 3A
  • FIG. 3C is an amplifier and a gain adjuster / phase shifter connected to the physical quantity sensor of FIG. FIG.
  • components having the same configurations as those of the first embodiment described above are denoted by the same reference numerals, and description thereof is omitted.
  • a feedback element 40 including a lower electrode (not shown), a piezoelectric layer (not shown) made of PZT or the like, and an upper electrode (not shown) in the center of the beam portion 22 from the bottom.
  • (First piezoelectric element) is disposed. Then, the lower electrode (not shown), the piezoelectric layer (not shown) made of PZT, etc., and the upper electrode (not shown) are arranged in order from the bottom at positions opposite to the center of the beam part 22 at both ends of the beam part 22.
  • Drive elements 41 and 42 (second and third piezoelectric elements) composed of These points are points in which the second embodiment of the present invention is different from the first embodiment of the present invention. In FIG.
  • the drive elements 41 and 42 are connected to the output side of the amplifier 30.
  • the feedback element 40 is connected to the input side of the amplifier 30 via the gain adjustment / phase shifter 31.
  • the resonance frequencies of the drive elements 41 and 42 and the feedback element 40 are selected in the vicinity of the natural frequency fe of the beam portion 22.
  • an AC voltage having a frequency in the vicinity of the natural frequency fe of the beam portion 22 is applied with the same amplitude and the same phase from the amplifier 30 to the drive elements 41 and 42 provided at both ends of the beam portion 22. .
  • the drive elements 41 and 42 start stretching vibration in a direction parallel to the longitudinal direction of the beam portion 22. Due to this stretching vibration, the beam portion 22 starts string vibration up and down at the natural frequency fe .
  • the string vibration is received by the feedback element 40, and an AC signal having a frequency equal to the natural frequency fe of the beam portion 22 is generated from the feedback element 40.
  • the AC signal is phase-adjusted by the gain adjuster / phase shifter 31 and fed back to the input side of the amplifier 30. As a result, the beam portion 22 continues the string vibration at a frequency equal to the natural frequency fe .
  • the feedback element 40 is provided at the center of the beam portion 22, and the drive elements 41 and 42 are provided at both ends of the beam portion 22 at symmetrical positions with respect to the center of the beam portion 22. Therefore, a fundamental vibration mode having a vibration displacement distribution symmetrical to the center of the beam part 22 similar to that shown in FIG. Since the fundamental vibration mode having such a symmetrical vibration displacement distribution has a large Q value indicating the sharpness of resonance, string vibration can be maintained at a stable frequency. Further, since the feedback element 40 is arranged at the center of the vibrating body where the vibration amplitude is the largest, the output voltage from the feedback element 40 can be increased. As a result, an effect is obtained that physical quantities such as strain and load acting on the strain generating body can be detected in a stable state.
  • FIG. 3A is a top view of the physical quantity sensor according to Embodiment 3 of the present invention
  • FIG. 4B is a cross-sectional view taken along line 4B-4B of FIG. 4A
  • FIG. 3C is an amplifier and gain adjuster / phase shifter connected to the physical quantity sensor of FIG. FIG.
  • components having the same configurations as those of the first embodiment are denoted by the same reference numerals, and description thereof is omitted.
  • a detection element 50 including a lower electrode (not shown), a piezoelectric layer (not shown) made of PZT or the like, and an upper electrode (not shown) in the center of the beam portion 22 in order from the bottom.
  • First piezoelectric element is disposed.
  • a lower electrode (not shown), a piezoelectric layer (not shown) made of PZT or the like, and an upper electrode (not shown) are arranged in order from the bottom at positions opposite to the center of the beam part 22 at both ends of the beam part 22.
  • Driving elements 51 and 52 (second and third piezoelectric elements) are arranged.
  • a lower electrode (not shown), a piezoelectric layer (not shown) made of PZT or the like, and an upper electrode (not shown) are arranged in order from the bottom at positions opposite to the center of the beam part 22 at both ends of the beam part 22.
  • Feedback elements 53 and 54 are arranged.
  • the feedback elements 53 and 54 are arranged in the vicinity of the drive elements 51 and 52, respectively.
  • feedback elements 53 and 54 are connected to the input side of the first amplifier 30, and an output signal from the first amplifier 30 is supplied to the drive elements 51 and 52 via the gain adjustment / phase shifter 31.
  • the AC signal obtained from the detection element 50 is output via the second amplifier 55.
  • the detection element 50, the resonant frequency of the drive elements 51 and 52, the feedback elements 53 and 54 are selected in the vicinity of the natural frequency f e of beam 22.
  • the AC voltage is the same amplitude with a frequency in the vicinity of the natural frequency f e of the beam portion 22 to the drive elements 51 and 52 which are provided from the first amplifier 30 at both ends of the beam 22, in the same phase Applied.
  • the drive elements 51 and 52 start stretching vibration in a direction parallel to the longitudinal direction of the beam portion 22. Due to this stretching vibration, the beam portion 22 starts string vibration up and down at the natural frequency fe .
  • This string vibration is received by feedback elements 53 and 54 disposed in the vicinity of the drive elements 51 and 52.
  • an AC signal having a frequency equal to the natural frequency f e of the beam portion 22 from the feedback element 53, 54 is generated.
  • the AC signal is amplified by the amplifier 30 and then fed back to the input side of the first amplifier 30 through the gain adjustment / phase shifter 31. As a result, the beam portion 22 continues the string vibration at a frequency equal to the natural frequency fe .
  • An AC signal having a frequency equal to the natural frequency fe of the beam portion 22 generated from the detection element 50 is amplified by the second amplifier 55 and output.
  • the strain and load f acting on the strain generating body 28 can be measured by measuring the natural frequency fe output to the terminal.
  • the detection element 50 is provided at the center of the beam portion 22, and the drive elements 51 and 52 are provided at both ends of the beam portion 22 at symmetrical positions with respect to the center of the beam portion 22. Further, feedback elements 53 and 54 are arranged in the vicinity of the drive elements 51 and 52 at positions opposite to the center of the beam part 22 at both ends of the beam part 22, respectively. For this reason, the vibration state of the vibrating body in the vicinity of the drive element is fed back and detected by the detection element 50, so that a fundamental vibration mode having a vibration displacement distribution that is centrosymmetric with respect to the vibrating body can be reliably generated.
  • the detection element 50 is disposed at the position where the vibration amplitude is the largest in the center of the vibrating body, the output voltage from the detection element 50 can be increased. Thereby, the effect that the physical quantities such as strain and load acting on the strain generating body can be detected in a more stable state can be obtained.
  • the physical quantity sensor according to the present invention can generate a fundamental vibration mode having a vibration displacement distribution that is symmetrical with respect to a beam-like vibrating body. This has the effect that the strain and load acting on the object can be detected in a stable state, and is particularly useful as a physical quantity sensor for detecting the strain and load acting on the object.

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Abstract

　本発明の物理量センサは、梁状の振動体と、梁状の振動体の両端を支持する固定部とを備える。また梁状の振動体の中央部に駆動素子を、両端部にフィードバック素子をそれぞれ形成している。梁状の振動体を固有振動させ、振動体の固有振動数を検出することにより梁状の振動体に作用する物理量を検出するように構成している。これにより物体に働く歪や荷重などの物理量を安定した状態で検出することができる。

Description

物理量センサ
　本発明は、物体に働く歪や荷重を検出する物理量センサに関するものである。
　一般に、物体に働く歪や荷重を検出する物理量センサとしては、図５Ａ～Ｃに示すものが知られている（特許文献１参照）。図５Ａ，Ｂは従来の物理量センサの上面図、側面図を示したもので、この図５Ａ，Ｂにおいて、起歪体１は高弾性金属材料から構成されている。そして孔２を穿設することにより薄肉の応力集中部３ａ～３ｄを形成している。そして、この起歪体１の上面側の応力集中部３ａ，３ｂには、起歪体１の固定端４と可動端５を結ぶ長手方向に沿うとともに孔２に連通する切り欠き長孔６ａ，６ｂ，７ａ，７ｂが設けられている。そしてまた、切り欠き長孔６ａ，７ａで挟まれた中央の梁部８ａの裏面と、切り欠き長孔６ｂ，７ｂで挟まれた中央の梁部８ｂの裏面には切り欠き部９，１０が形成されている。さらに、応力集中部３ｂの梁部８ｂの端部には駆動用の第１の圧電素子１１と、フィードバック用の第２の圧電素子１２とが貼着されている。
　図５Ｃは図５ＢのＡ部に発振器１３を接続した要部側面図である。図５Ｃに示すように、第１の圧電素子１１は発振器１３の出力側に接続され、第２の圧電素子１２は発振器１３の入力側に接続されている。また、第１、第２の圧電素子１１，１２の共振周波数は梁部８ｂの固有振動数ｆｅの近傍に選定されている。
　上記構成において、発振器１３から第１の圧電素子１１に梁部８ｂの固有振動数ｆｅの近傍の周波数を持つ交流電圧が印加されると、梁部８ｂの一端に設けられた第１の圧電素子１１は機械的振動を発生する。この機械的振動によって梁部８ｂは固有振動数ｆｅで上下に弦振動を開始する。この弦振動は第２の圧電素子１２によって受信され、そして、この第２の圧電素子１２から梁部８ｂの固有振動数ｆｅと等しい周波数を持つ交流信号が発振器１３の入力側にフィードバックされる。これにより、梁部８ｂはその固有振動数ｆｅと等しい周波数で弦振動を持続する。
　このように梁部８ｂが上下に弦振動している状態で、起歪体１の可動端５に働く荷重Ｆが大きくなると梁部８ｂに働く引張り力が大きくなるため、梁部８ｂの固有振動数ｆｅは上昇する。逆に起歪体１の可動端５に働く荷重Ｆが小さくなると梁部８ｂに働く引張り力が小さくなるため、梁部８ｂの固有振動数ｆｅは低下する。このようにして、端子に出力される固有振動数ｆｅを測定することにより起歪体１の可動端５に働く歪や荷重Ｆを測定できる。
　一方、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical System）技術などの微細加工技術の進展により、きわめて小さく薄い機械振動子を作ることが可能になっている。この技術により振動子自体の質量を小さく構成することが可能となり、加えられる荷重が小さくても周波数やインピーダンスが大きく変動する高精度の振動子を作製できる。このような微小機械振動子を用いることにより、起歪体自体に応力集中点を作り込む必要はなく、起歪体に貼着するだけで簡便に起歪体に働く荷重や歪を測定することができる物理量センサを構成することができる。
　本発明者らがこのＭＥＭＳ技術により作成した振動子を用いてなる従来の物理量センサを図６Ａ～Ｃに示す。図６Ａは従来の物理量センサの上面図、図６Ｂは図６Ａの６Ｂ－６Ｂ線断面図、図６Ｃは図６Ａの６Ｃ－６Ｃ線断面図である。この図６Ａ～Ｃにおいて、半導体基板１０１の表面には酸化シリコン層や窒化シリコン層からなる絶縁層（図示せず）が形成されている。梁部１０２は半導体基板１０１をエッチング処理して形成している。固定部１０３は梁部１０２を取り囲んでいる。また、梁部１０２の表面の中央部には下から順に下部電極（図示せず）、ＰＺＴ等からなる圧電体層（図示せず）、及び上部電極（図示せず）からなる駆動素子１０４が形成されている。更に梁部１０２の端部には下から順に下部電極（図示せず）、ＰＺＴ等からなる圧電体層（図示せず）、及び上部電極（図示せず）からなるフィードバック素子１０５が形成されている。そして、駆動素子１０４、フィードバック素子１０５は配線パターン（図示せず）によりランド１０６に電気的に接続されている。また、振動子は梁部１０２の両端の固定部１０３において、起歪体１０７に発生する歪が振動子に伝達されるようにＡｕ－Ａｕ接合等の金属系接合材やエポキシ樹脂等の剛性を有する物質１０８で接続固定されている。
　駆動素子１０４は増幅器（図示せず）の出力側に、フィードバック素子１０５は移相器（図示せず）を介して増幅器の入力側に接続されている。また、駆動素子１０４、フィードバック素子１０５の共振周波数は梁部１０２の固有振動数ｆｅの近傍に選定されている。
　上記構成において、増幅器から駆動素子１０４に梁部１０２の固有振動数ｆｅの近傍の周波数を持つ交流電圧が印加されると、駆動素子１０４は機械的振動を発生する。この機械的振動によって梁部１０２は固有振動数ｆｅで上下に弦振動を開始する。この弦振動はフィードバック素子１０５によって受信され、そして、このフィードバック素子１０５から梁部１０２の固有振動数ｆｅと等しい周波数を持つ交流信号が移相器を介して増幅器の入力側にフィードバックされる。これにより、梁部１０２はその固有振動数ｆｅと等しい周波数で弦振動を持続することになる。
　このように梁部１０２が上下に弦振動している状態で、起歪体１０７に働く荷重ｆが大きくなると梁部１０２に働く引張り力が大きくなるため、梁部１０２の固有振動数ｆｅは上昇する。逆に起歪体１０７に働く荷重ｆが小さくなると梁部１０２に働く引張り力が小さくなるため、梁部１０２の固有振動数ｆｅは低下する。このようにして、端子に出力される固有振動数ｆｅを測定することにより起歪体１０７に働く歪や荷重ｆを測定できる。
　しかし、図５Ａ～Ｃに示した従来の物理量センサにおいては、駆動用の第１の圧電素子１１が梁部８ｂの端部に貼着されているため、梁部８ｂには３次や５次といった高次共振モードが発生しやすい。このような高次共振モードは基本振動モード、すなわち梁部８ｂの中央が腹、両端部が節となる最低次の振動モードに比較して、共振の鋭さを示すＱ値が低く、高次モード間の結合も生じやすい。そのため雰囲気温度や発振器１３に加えられる電源電圧が変化すると梁部８ｂの振動周波数が大きく変化する場合がある。これにより、起歪体１の可動端５に働く歪や荷重Ｆを正確に測定することができない場合があった。
　一方、図６Ａ～Ｃに示した従来の物理量センサにおいては、駆動素子１０４が梁部１０２の中央に形成されているため、梁部１０２には基本振動モードが発生する。しかしながら、フィードバック素子１０５は梁部１０２の一端のみに形成されている。そのためフィードバック素子１０５と梁部１０２の剛性差、あるいはフィードバック素子１０５の質量により振動モードが梁部１０２の中心に対して非対称となる。図７は厚さが１０μｍで長さが１．２ｍｍの梁部１０２上に、厚み３μｍで長さが０．４５ｍｍの駆動素子１０４と、厚み３μｍで長さが０．２ｍｍのフィードバック素子１０５とを形成した場合に発生する振動変位分布をシミュレーションした結果を示す図である。図７に示すように、梁部１０２には中央が腹、両端部が節となる基本振動モードが発生しているものの、振幅最大点が梁部１０２の中央から左側に移動していることが分かる。このような非対称モードは対称モードに比較して、共振の鋭さを示すＱ値が低い。フィードバック素子１０５における振幅が低下するため、振動周波数の精度が低下するとともに、フィードバック素子１０５で発生する出力電荷が減少することになる。これにより、起歪体１０７に働く歪や荷重ｆの測定精度が低下する場合があるという課題を有していた。
特開平３－１０３７３５号公報
　本発明の物理量センサは、梁状の振動体と、この振動体の両端を支持する固定部とを備えている。そして振動体の中央部に形成した第１の圧電素子と、振動体の両端部に形成した第２の圧電素子と第３の圧電素子を備えている。そして第１の圧電素子を駆動素子とし、第２の圧電素子と第３の圧電素子をフィードバック素子として梁状の振動体を固有振動させる。振動体の固有振動数を測定することにより梁状の振動体に作用する物理量を検出するように構成している。この構成によれば、梁状の振動体に中心対称な振動変位分布を有する基本振動モードを発生させることができるため、物体に働く歪や荷重などの物理量を安定した状態で検出することができるという作用効果を有するものである。
　また本発明の別の物理量センサは、梁状の振動体と、この振動体の両端を支持する固定部とを備えている。そして振動体の中央部に形成した第１の圧電素子と、振動体の両端部に形成した第２の圧電素子と第３の圧電素子を備えている。梁状の振動体の中央部に形成した第１の圧電素子をフィードバック素子とし、かつ梁状の振動体の両端部に形成した第２、第３の圧電素子を駆動素子としている。そして第２の圧電素子と第３の圧電素子とを同振幅、同位相で駆動するように構成している。この構成によれば、梁状の振動体に中心対称な振動変位分布を有する基本振動モードを発生させることができる。更にフィードバック素子を梁状の振動体の中央の最も振動振幅の大きい位置に配置している。このためフィードバック素子からの出力電圧を大きくすることができ、これにより、物体に働く歪や荷重などの物理量を安定した状態で検出することができるという作用効果を有するものである。
　本発明のさらに別の物理量センサは、梁状の振動体と、この振動体の両端を支持する固定部とを備えている。そして振動体の中央部に形成した第１の圧電素子と、振動体の両端部に形成した第２の圧電素子と第３の圧電素子を備えている。振動体の中央部に形成した第１の圧電素子を検出素子としている。梁状の振動体の両端部に形成した第２、第３の圧電素子を駆動素子としている。更に第２、第３の圧電素子の近傍に第４、第５の圧電素子をフィードバック素子として形成している。第２の圧電素子と第３の圧電素子とを同振幅、同位相で駆動することにより、振動体を固有振動させ、フィードバック素子で梁状の振動体の固有振動を測定するように構成したものである。この構成によれば、駆動素子近傍における梁状の振動体の振動状態をフィードバック素子で検出することにより、梁状の振動体に中心対称な振動変位分布を有する基本振動モードを確実に発生させることができる。更に検出素子を梁状の振動体の中央の最も振動振幅の大きい位置に配置しているため、検出素子からの出力電圧を大きくすることができる。これにより、物体に働く歪や荷重などの物理量をさらに安定した状態で検出することができるという作用効果を有するものである。
図１Ａは本発明の実施の形態１における物理量センサの上面図である。 図１Ｂは図１Ａの１Ｂ－１Ｂ線断面図である。 図１Ｃは図１Ａの１Ｃ－１Ｃ線断面図である。 図１Ｄは図１Ｂの物理量センサに増幅器及びゲイン調整・移相器を接続した図である。 図２は図１に示す物理量センサの梁部の振動変位分布のシミュレーション結果を示す図である。 図３Ａは本発明の実施の形態２における物理量センサの上面図である。 図３Ｂは図３Ａの３Ｂ－３Ｂ線断面図である。 図３Ｃは図３Ｂの物理量センサに増幅器及びゲイン調整・移相器を接続した図である。 図４Ａは本発明の実施の形態３における物理量センサの上面図である。 図４Ｂは図４Ａの４Ｂ－４Ｂ線断面図である。 図４Ｃは図４Ｂの物理量センサに増幅器及びゲイン調整・移相器を接続した図である。 図５Ａは従来の物理量センサの上面図である。 図５Ｂは従来の物理量センサの側面図である。 図５Ｃは図５ＢのＡ部に発振器を接続した要部側面図である。 図６Ａは従来の物理量センサの上面図である。 図６Ｂは図６Ａの６Ｂ－６Ｂ線断面図である。 図６Ｃは図６Ａの６Ｃ－６Ｃ線断面図である。 図７は従来の物理量センサの梁部の振動変位分布のシミュレーション結果を示す図である。
　（実施の形態１）
　図１Ａは本発明の実施の形態１における物理量センサの上面図である。図１Ｂは図１Ａの１Ｂ－１Ｂ線断面図である。図１Ｃは図１Ａの１Ｃ－１Ｃ線断面図である。図１Ｄは図１Ｂの物理量センサに増幅器及びゲイン調整・移相器を接続した図である。図１Ａ～Ｄにおいて、半導体基板２１はシリコン等からなり、表面には酸化シリコン層や窒化シリコン層からなる絶縁層（図示せず）が形成されている。梁部２２は半導体基板２１をエッチング処理して形成したものであり、物理量の作用により固有振動数が変化する梁状の振動体を構成している。固定部２３は梁部２２を取り囲んでおり、梁状の振動体の両端を支持している。梁部２２の表面の中央部には下から順に下部電極（図示せず）、ＰＺＴ等からなる圧電体層（図示せず）、及び上部電極（図示せず）からなる駆動素子２４（第１の圧電素子）が形成されている。また梁部２２の両端部には梁部２２の中心に対して対称な位置に下から順に下部電極（図示せず）、ＰＺＴ等からなる圧電体層（図示せず）、及び上部電極（図示せず）からなるフィードバック素子２５，２６（第２、第３の圧電素子）が形成されている。そして、駆動素子２４、フィードバック素子２５，２６は配線パターン（図示せず）によりランド２７に電気的に接続されている。また、この物理量センサは梁部２２の両端の固定部２３において、物体を構成する起歪体２８に発生する歪が振動子に伝達されるようにＡｕ－Ａｕ接合等の金属系接合材やエポキシ樹脂等の剛性を有する物質２９で接続固定されている。
　図１Ｄにおいて、駆動素子２４は増幅器３０の出力側に接続され、フィードバック素子２５，２６はゲイン調整・移相器３１を介して増幅器３０の入力側に接続されている。また、駆動素子２４、フィードバック素子２５，２６の共振周波数は梁部２２の固有振動数ｆｅの近傍に選定されている。
　上記構成において、増幅器３０から駆動素子２４に梁部２２の固有振動数ｆｅの近傍の周波数を持つ交流電圧が印加されると、梁部２２の中央に設けられた駆動素子２４は梁部２２の長手方向に平行な方向に伸縮振動を開始する。この伸縮振動によって梁部２２は固有振動数ｆｅで上下に弦振動を開始する。この弦振動はフィードバック素子２５，２６によって受信され、そして、このフィードバック素子２５，２６から梁部２２の固有振動数ｆｅと等しい周波数を持つ交流信号が発生する。これらの交流信号はゲイン調整・移相器３１で位相調整されて増幅器３０の入力側にフィードバックされる。これにより、梁部２２はその固有振動数ｆｅと等しい周波数で弦振動を持続する。この時、フィードバック素子２５，２６からの交流信号を加算器で加算した後、ゲイン調整・移相器３１を介して増幅器３０の入力側にフィードバックしてもよい。
　このように梁部２２が上下に弦振動している状態で、起歪体２８に働く荷重ｆが大きくなると梁部２２に働く引張り力が大きくなるため、梁部２２の固有振動数ｆｅは上昇する。逆に起歪体２８に働く荷重ｆが小さくなると梁部２２に働く引張り力が小さくなるため、梁部２２の固有振動数ｆｅは低下する。このようにして、端子に出力される固有振動数ｆｅを測定することにより起歪体２８に働く歪や荷重ｆを測定できるものである。
　ここで、駆動素子２４は梁部２２の中央に、フィードバック素子２５，２６は梁部２２の両端部に梁部２２の中心に対して対称な位置に設けられている。そのため梁部２２には梁部２２の中心に対して対称な振動変位分布を有する基本振動モードが発生する。図２は厚さが１０μｍで長さが１．２ｍｍの梁部２２上に、厚みが３μｍで長さが０．４５ｍｍの駆動素子２４と、厚みが３μｍで長さが０．２ｍｍのフィードバック素子２５，２６とを形成した場合に発生する振動変位分布をシミュレーションした結果を示す図である。この図２からも明らかなように、梁部２２には中央が腹、両端部が節となる基本振動モードが発生しているとともに、梁部２２の中心に対して対称な振動変位分布を有することが分かる。このような対称な振動変位分布を有する基本振動モードは共振の鋭さを示すＱ値が大きいため、安定した周波数で弦振動を持続する。これにより、起歪体に働く歪や荷重などの物理量を安定した状態で検出することができる。
　（実施の形態２）
　図３Ａは本発明の実施の形態２における物理量センサの上面図、図３Ｂは図３Ａの３Ｂ－３Ｂ線断面図、図３Ｃは図３Ｂの物理量センサに増幅器及びゲイン調整・移相器を接続した図である。なお、この実施の形態２においては、上記した実施の形態１の構成と同様の構成を有するものについては、同一符号を付しており、その説明は省略する。
　図３Ａ～Ｃにおいて、梁部２２の中央部に下から順に下部電極（図示せず）、ＰＺＴ等からなる圧電体層（図示せず）、及び上部電極（図示せず）からなるフィードバック素子４０（第１の圧電素子）を配置している。そして梁部２２の両端部で梁部２２の中心に対して対称な位置に下から順に下部電極（図示せず）、ＰＺＴ等からなる圧電体層（図示せず）、及び上部電極（図示せず）からなる駆動素子４１，４２（第２、第３の圧電素子）を配置している。これらの点が本発明の実施の形態２が本発明の実施の形態１と相違する点である。図３Ｃにおいて、駆動素子４１，４２は増幅器３０の出力側に接続される。またフィードバック素子４０はゲイン調整・移相器３１を介して増幅器３０の入力側に接続されている。そしてまた、駆動素子４１，４２、フィードバック素子４０の共振周波数は梁部２２の固有振動数ｆｅの近傍に選定されているものである。
　上記構成において、増幅器３０から梁部２２の両端部に設けられた駆動素子４１，４２に梁部２２の固有振動数ｆｅの近傍の周波数を持つ交流電圧が同振幅、同位相で印加される。すると駆動素子４１，４２は梁部２２の長手方向と平行な方向に伸縮振動を開始する。この伸縮振動によって梁部２２は固有振動数ｆｅで上下に弦振動を開始する。この弦振動はフィードバック素子４０によって受信され、そして、このフィードバック素子４０から梁部２２の固有振動数ｆｅと等しい周波数を持つ交流信号が発生する。この交流信号はゲイン調整・移相器３１で位相調整されて増幅器３０の入力側にフィードバックされる。これにより、梁部２２はその固有振動数ｆｅと等しい周波数で弦振動を持続する。
　このように梁部２２が上下に弦振動している状態で、起歪体２８に働く荷重ｆが大きくなると梁部２２に働く引張り力が大きくなるため、梁部２２の固有振動数ｆｅは上昇する。逆に起歪体２８に働く荷重ｆが小さくなると梁部２２に働く引張り力が小さくなるため、梁部２２の固有振動数ｆｅは低下する。このようにして、端子に出力される固有振動数ｆｅを測定することにより起歪体２８に働く歪や荷重ｆを測定できる。
　ここで、フィードバック素子４０は梁部２２の中央に、駆動素子４１，４２は梁部２２の両端部に梁部２２の中心に対して対称な位置に設けられている。そのため梁部２２には図２に示したものと同様な梁部２２の中心に対して対称な振動変位分布を有する基本振動モードが発生する。このような対称な振動変位分布を有する基本振動モードは共振の鋭さを示すＱ値が大きいため、安定した周波数で弦振動を持続することができる。またフィードバック素子４０を振動体の中央の最も振動振幅の大きい位置に配置しているため、フィードバック素子４０からの出力電圧を大きくすることができる。これにより、起歪体に働く歪や荷重などの物理量を安定した状態で検出することができるという効果が得られる。
　（実施の形態３）
　図４Ａは本発明の実施の形態３における物理量センサの上面図、図４Ｂは図４Ａの４Ｂ－４Ｂ線断面図、図３Ｃは図３Ｂの物理量センサに増幅器及びゲイン調整・移相器を接続した図である。なお、この実施の形態３においては、上記した実施の形態１の構成と同様の構成を有するものについては、同一符号を付しており、その説明は省略する。
　図４Ａ～Ｃにおいて、梁部２２の中央部に下から順に下部電極（図示せず）、ＰＺＴ等からなる圧電体層（図示せず）、及び上部電極（図示せず）からなる検出素子５０（第１の圧電素子）を配置している。梁部２２の両端部で梁部２２の中心に対して対称な位置に下から順に下部電極（図示せず）、ＰＺＴ等からなる圧電体層（図示せず）、及び上部電極（図示せず）からなる駆動素子５１，５２（第２、第３の圧電素子）を配置している。梁部２２の両端部で梁部２２の中心に対して対称な位置に下から順に下部電極（図示せず）、ＰＺＴ等からなる圧電体層（図示せず）、及び上部電極（図示せず）からなるフィードバック素子５３，５４（第４、第５の圧電素子）を配置している。フィードバック素子５３，５４（第４、第５の圧電素子）は各々駆動素子５１，５２の近傍に配置している。また、図４Ｃにおいて、フィードバック素子５３，５４は第１の増幅器３０の入力側に接続され、かつ第１の増幅器３０からの出力信号はゲイン調整・移相器３１を介して駆動素子５１，５２に加えられる。そして、検出素子５０から得られる交流信号は第２の増幅器５５を介して出力される。ここで、検出素子５０、駆動素子５１，５２、フィードバック素子５３，５４の共振周波数は梁部２２の固有振動数ｆｅの近傍に選定されている。
　上記構成において、第１の増幅器３０から梁部２２の両端部に設けられた駆動素子５１，５２に梁部２２の固有振動数ｆｅの近傍の周波数を持つ交流電圧が同振幅、同位相で印加される。そうすると駆動素子５１，５２は梁部２２の長手方向と平行な方向に伸縮振動を開始する。この伸縮振動によって梁部２２は固有振動数ｆｅで上下に弦振動を開始する。この弦振動は駆動素子５１，５２の近傍に配置されたフィードバック素子５３，５４によって受信される。そして、このフィードバック素子５３，５４から梁部２２の固有振動数ｆｅと等しい周波数を持つ交流信号が発生する。この交流信号は増幅器３０で増幅された後、ゲイン調整・移相器３１を経て第１の増幅器３０の入力側にフィードバックされる。これにより、梁部２２はその固有振動数ｆｅと等しい周波数で弦振動を持続する。そして、検出素子５０から発生する梁部２２の固有振動数ｆｅと等しい周波数を持つ交流信号は第２の増幅器５５で増幅されて出力される。
　このように梁部２２が上下に弦振動している状態で、起歪体２８に働く荷重ｆが大きくなると梁部２２に働く引張り力が大きくなるため、梁部２２の固有振動数ｆｅは上昇する。逆に起歪体２８に働く荷重ｆが小さくなると梁部２２に働く引張り力が小さくなるため、梁部２２の固有振動数ｆｅは低下する。このようにして、端子に出力される固有振動数ｆｅを測定することにより起歪体２８に働く歪や荷重ｆを測定できるものである。
　ここで、検出素子５０は梁部２２の中央に、駆動素子５１，５２は梁部２２の両端部に梁部２２の中心に対して対称な位置に設けられている。さらに梁部２２の両端部で梁部２２の中心に対して対称な位置にフィードバック素子５３，５４が各々駆動素子５１，５２の近傍に配置されている。このため、駆動素子近傍における振動体の振動状態をフィードバックし、検出素子５０で検出することにより、振動体に中心対称な振動変位分布を有する基本振動モードを確実に発生させることができる。また、検出素子５０を振動体の中央の最も振動振幅の大きい位置に配置しているため、検出素子５０からの出力電圧を大きくすることができる。これにより、起歪体に働く歪や荷重などの物理量をさらに安定した状態で検出することができるという効果が得られる。
　本発明に係る物理量センサは、梁状の振動体に中心対称な振動変位分布を有する基本振動モードを発生させることができる。これにより、物体に働く歪や荷重を安定した状態で検出することができるという効果を有するものであり、特に、物体に働く歪や荷重を検出する物理量センサとして有用なものである。
　２１　　半導体基板
　２２　　梁部（梁状の振動体）
　２３　　固定部
　２４　　駆動素子
　２５，２６　　フィードバック素子
　２８　　起歪体
　２９　　剛性を有する物質
　３０　　増幅器
　３１　　ゲイン調整・移相器
　４０　　フィードバック素子
　４１，４２　　駆動素子
　５０　　検出素子
　５１，５２　　駆動素子
　５３，５４　　フィードバック素子

Claims (5)

  1. 梁状の振動体と、
    前記振動体の両端を支持する固定部と、
    前記振動体の中央部に形成した第１の圧電素子と、
    前記振動体の一方の端部に形成した第２の圧電素子と、
    前記振動体の他方の端部に形成した第３の圧電素子とを備え、
    前記第１の圧電素子を駆動素子とし、
    前記第２の圧電素子と前記第３の圧電素子をフィードバック素子として、
    前記振動体を固有振動させ、前記振動体の固有振動数を測定することにより前記振動体に作用する物理量が検出されるように構成した
    物理量センサ。
  2. 梁状の振動体と、
    前記振動体の両端を支持する固定部と、
    前記振動体の中央部に形成した第１の圧電素子と、
    前記振動体の一方の端部に形成した第２の圧電素子と、
    前記振動体の他方の端部に形成した第３の圧電素子とを備え、
    前記第１の圧電素子をフィードバック素子とし、
    前記第２の圧電素子と前記第３の圧電素子を駆動素子として、
    前記第２の圧電素子と前記第３の圧電素子とを同振幅、同位相で駆動することにより、
    前記振動体を固有振動させ、前記振動体の固有振動数を測定することにより前記振動体に作用する物理量が検出されるように構成した
    物理量センサ。
  3. 梁状の振動体と、
    前記振動体の両端を支持する固定部と、
    前記振動体の中央部に形成した第１の圧電素子と、
    前記振動体の一方の端部に形成した第２の圧電素子と、
    前記振動体の他方の端部に形成した第３の圧電素子と、
    前記第２の圧電素子の近傍に形成した第４の圧電素子と、
    前記第３の圧電素子の近傍に形成した第５の圧電素子とを備え、
    前記第１の圧電素子を検出素子とし、
    前記第２の圧電素子及び前記第３の圧電素子を駆動素子とし、
    前記第４の圧電素子及び前記第５の圧電素子をフィードバック素子とし、
    前記第２の圧電素子と前記第３の圧電素子とを同振幅、同位相で駆動することにより、
    前記振動体を固有振動させ、
    振動状態を前記第４の圧電素子及び前記第５の圧電素子でフィードバックし、
    前記第１の圧電素子で前記振動体の固有振動数を検出することにより前記振動体に作用する物理量が検出されるように構成した
    物理量センサ。
  4. 前記第２の圧電素子と前記第３の圧電素子は前記振動体の中心に対して対称な位置に形成されていることを特徴とする
    請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載の物理量センサ。
  5. 前記第４の圧電素子と前記第５の圧電素子は前記振動体の中心に対して対称な位置に形成されていることを特徴とする
    請求項３に記載の物理量センサ。
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