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Die vorliegende Erfindung bezieht
sich auf einen Beschleunigungssensor.
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Die Patent Abstracts of Japan 06-273439
offenbaren einen Beschleunigungssensor, der eine piezoelektrische
Keramik verwendet. Dieser Beschleunigungssensor umfaßt ein Bimorph-Typ-Erfassungselement,
das durch Laminieren eines Paars piezoelektrischer Vorrichtungen,
die aus piezoelektrischen Keramiken gebildet sind, in einen Einheitskörper erzeugt
wird. Das Erfassungselement wird an beiden Enden desselben gestützt und
in einem Gehäuse
untergebracht. Wenn eine Beschleunigung auf den Beschleunigungssensor
wirkt, wird das Erfassungselement abgelenkt, wobei eine Spannung
in dem Erfassungselement erzeugt wird. Der Beschleunigungssensor
erfaßt
eine Beschleunigung durch das Erfassen einer Ladung oder Spannung,
die durch Piezoelektrizität
erzeugt wird. Der Beschleunigungssensor ist kompakt genug, um ohne
weiteres in eine Oberflächenbefestigungskomponente
(eine Chipkomponente) strukturiert zu werden.
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Bei dem Beschleunigungssensor, der
mit diesem Prinzip arbeitet, wird ein Vorspannungsstrom, der von
einer Schaltung des Sensors in den piezoelektrischen Körper fließt, in einen
Kondensator C des piezoelektrischen Körpers geladen, wobei ein Widerstand
R benötigt
wird, um den Vorspannungsstrom abzuleiten. Der Widerstand R und
der Kondensator C bilden ein Filter, wodurch ein Gleichsignal und
eine Niedrigfrequenzkomponente unter einer Grenzfrequenz desselben
unerfaßt
bleiben.
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Bei einem bekannten Beschleunigungssensor
(in der ungeprüften
japanischen Patentanmeldung Nr. 4-361165 offenbart) sind zwei Vibratoren
auf einem Biege-Typ-Stimmgabel- Trägerkörper befestigt.
Wenn eine Beschleunigung auf die Vibratoren wirkt, werden die Vibratoren,
die an der Stimmgabelträgerstruktur
befestigt sind, einer Zugspannung und einer Druckspannung an mittleren
Trägheitsabschnitten
(Gewichtsabschnitten) unterworfen, wobei eine Beschleunigung aus
einer Frequenzdifferenz erfaßt wird,
die zwischen den beiden Vibratoren auftritt. Dieser Beschleunigungssensor
erfaßt
eine Gleichsignal- und eine Niedrigfrequenzkomponente.
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Da der Beschleunigungssensor mit
einem derartigen Aufbau den Trägerkörper einer
Stimmgabel aufweist, wird der Entwurf der Struktur komplex und sperrig,
wobei die Ausmaße
von Elektroden von den Vibratoren ebenfalls komplex sind. Es ist
deshalb schwierig, diesen Beschleunigungssensor in einer Miniaturoberflächenbefestigungskomponente
(einer Chipkomponente) anzuordnen, die direkt an einer gedruckten
Schaltungsplatine befestigt werden kann.
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Der Stimmgabelvibrator ist als ein
bimodaler Stimmgabelvibrator entworfen, um in einem Kombinationsvibrationsmodus
zu vibrieren, in dem ein Torsionsvibrationsmodus und ein Biegevibrationsmodus kombiniert
sind, wodurch die Abhängigkeit
einer Vorspannungsfrequenz von der Temperatur reduziert wird. Diese
Anordnung kann die Temperaturabhängigkeit
derselben nicht vollständig
beseitigen.
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Aus der
DE 199 42 573 A1 ist ein
Beschleunigungssensor bekannt, bei dem eine rechteckquaderförmige Basis
und ein rechteckquaderförmiger Gewichtsabschnitt
entlang eines Kantenabschnitts derselben über einen Torsionsvibrator
verbunden sind. Der Torsionsvibrator umfaßt zwei Gleitvibratoren und
ist so ausgestaltet, dass eine Potentialdifferenz, die durch Gleitspannungen
auf die beiden Gleitvibratoren mit zueinander verschiedenen Richtungen verursacht
wird, detektiert wird.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung
darin besteht, einen kompakten Hochleistungsbeschleunigungssensor
zu liefern, der oberflächenmontiert
werden kann und unempfindlich gegenüber anderen Faktoren als einer
Beschleunigung, wie z.B. Temperaturveränderungen, ist.
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Diese Aufgabe wird durch einen Beschleunigungssensor
gemäß Anspruch
1 gelöst.
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Gemäß einem Aspekt umfaßt die vorliegende
Erfindung ein Bimorph-Typ-Beschleunigungserfassungselement, das
einen er sten Resonator, einen zweiten Resonator und eine Zwischenschicht
umfaßt,
wobei der erste Resonator und der zweite Resonator mit der Zwischenschicht,
die zwischen denselben angeordnet ist, verbunden ist. Jeder Resonator umfaßt einen
piezoelektrischen Körper
und Elektroden, die an beiden Hauptoberflächen desselben angeordnet sind.
Die Zwischenschicht ist hart genug, um eine Biegespannung in dem
ersten oder dem zweiten Resonator zu dem jeweils anderen des ersten
und des zweiten Resonators zu übertragen,
wobei die Vibration des ersten oder des zweiten Resonators gedämpft wird,
um zu dem jeweils anderen des ersten und des zweiten Resonators übertragen zu
werden. Das Beschleunigungserfassungselement wird an einem longitudinalen
Ende oder an beiden longitudinalen Enden desselben gestützt, derart,
daß der
erste und der zweite Resonator gemäß der Ausübung der Beschleunigung in
die gleiche Richtung abgelenkt werden. Eine Beschleunigung wird
durch das Erfassen einer Differenz zwischen Frequenzänderungen
des ersten Resonators und des zweiten Resonators oder einer Differenz
zwischen Impedanzänderungen
des ersten Resonators und des zweiten Resonators erfaßt, die
durch die Ablenkung des Beschleunigungserfassungselements bewirkt
wird.
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Der Beschleunigungssensor der vorliegenden
Erfindung weist eine bimorphe Struktur auf, bei der das Beschleunigungserfassungselement
durch ein Verbinden der beiden Resonatoren miteinander, wobei die
Zwischenschicht zwischen denselben angeordnet ist, hergestellt wird.
Die Zwischenschicht weist eine Härte
auf, die es ermöglicht,
daß eine
Biegespannung von einem Resonator zu dem anderen Resonator übertragen
wird. Wenn eine Beschleunigung ausgeübt wird, wird das Beschleunigungserfassungselement
abgelenkt und verformt, wobei dann eine Zugspannung auf den einen
Resonator wirkt und eine Druckspannung auf den anderen Resonator.
Die Zwischenschicht hat die Funktion, die beiden Resonatoren bei
der Vibrationsübertragung
mechanisch mäßig zu koppeln.
Anders ausgedrückt
werden die Vibrationen des einen Resonators gedämpft, um an den anderen Resonator übertragen
zu werden.
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Aus diesem Grund vibriert jeder Resonator bei
seiner Eigenfrequenz. Die Frequenz des Resonators an der Zugseite
des Elements wird niedriger, während
die Frequenz des Resonators auf der Druckseite des Elements höher wird.
Eine Beschleunigung wird so durch ein unterschiedliches Aufnehmen
einer Differenz zwischen Frequenzänderungen der beiden Resonatoren
oder einer Differenz zwischen Impedanzänderungen der beiden Resonatoren
erfaßt.
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Da die Frequenzdifferenz oder die
Impedanzdifferenz erfaßt
wird und nicht die Frequenzänderungen
der beiden Resonatoren oder die Impedanzänderungen der beiden Resonatoren
einzeln aufgenommen werden, löschen
Spannungen, die gemeinsam auf die beiden Resonatoren wirken (beispielsweise
eine Spannung aufgrund einer Temperaturänderung), einander aus. Ein
Hochleistungsbeschleunigungssensor, der frei von der Wirkung von
Temperaturänderungen
ist, wird geschaffen.
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Vorzugsweise ist die Zwischenschicht
aus einer elastischen Haftschicht aufgebaut. Die Zwischenschicht überträgt eine
Biegespannung, wobei die Vibration des einen Resonators gedämpft wird,
um zu dem anderen Resonator übertragen
zu werden. Unter Verwendung der elastischen Haftschicht werden diese
Funktionen ohne weiteres durchgeführt.
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Ein Haftmittel auf Epoxidbasis, ein
Epoxid-Acryl-Haftmittel oder ein Haftmittel auf Silikonbasis kann
für die
elastische Haftschicht verwendet werden. Wenn das Haftmittel auf
Epoxidbasis oder das Epoxid-Acryl-Mittel verwendet wird, kann die
Dicke desselben einige Mikrometer bis Dutzende Mikrometer dick sein.
Wenn das Haftmittel auf Silikonbasis verwendet wird, beträgt die Dicke
desselben aufgrund seines kleinen elastischen Koeffizienten mehrere
Mikrometer.
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Vorzugsweise ist sowohl der erste
als auch der zweite Resonator ein Vibrationsmoduselement, in dem
Energie zu dem longitudinalen Mittelabschnitt desselben eingeschlossen
wird, wobei ein Zwischenraum in der longitudinalen Mitte der Zwischenschicht geschaffen
wird. Der Zwischenraum ist flächenmäßig größer als
eine eingeschlossene Vibrationsregion des ersten und des zweiten
Resonators und flächenmäßig kleiner
als eine Ablenkungsregion des ersten und des zweiten Resonators,
die gemäß einer
Beschleunigung abgelenkt werden.
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Ein Laminieren des Resonators und
der Zwischenschicht an den gesamten Oberflächen derselben ist akzeptabel.
Es wird jedoch angemerkt, daß eine
derartige Anordnung das Verhalten des Resonators (wie z.B. Q- und
K-Faktor) reduziert, weil die Vibration des Resonators durch die
Zwischenschicht eingeschränkt
ist. Da die Zwischenschicht in der longitudinalen Mitte derselben
den Zwischenraum aufweist, der flächenmäßig größer als eine eingeschlossene
Vibrationsregion jedes Resonators und flächenmäßig kleiner als eine Ablenkungsregion
jedes Resonators ist, der unter einer Beschleunigung abgelenkt wird,
wird die Übertragung
der Vibration gesteuert, selbst wenn das nichtelastische Material
als die Zwischenschicht verwendet wird. Ferner überträgt die Zwischenschicht eine
Biegespannung von einem Resonator auf den anderen.
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Vorzugsweise ist die äußere Oberfläche des Beschleunigungserfassungselements,
die in eine Richtung zeigt, in der eine Beschleunigung ausgeübt wird,
mit einem Gehäusebauglied
bedeckt, wobei jede offene Oberfläche, die das Beschleunigungserfassungselement
und das Gehäusebauglied
definieren, mit einem Abdeckbauglied bedeckt ist, wobei die Elektroden,
die auf dem ersten und dem zweiten Resonator angeordnet sind, jeweils
mit externen Elektroden verbunden sind, die auf der Oberfläche des Abdeckbauglieds
angeordnet sind, und zwar über
interne Elektroden, die auf der Oberfläche des Gehäusebauglieds angeordnet sind.
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Das Beschleunigungserfassungselement
ist vollständig
von dem Gehäusebauglied
und dem Abdeckbauglied eingeschlossen und ist deshalb zur Verwendung
als eine oberflächenbefestigte
elektronische Komponente geeignet.
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Der Beschleunigungssensor der vorliegenden
Erfindung verwendet zwei Verfahren zum unterschiedlichen Aufnehmen
der Signale von dem ersten Resonator und dem zweiten Resonator und
zum Erhalten eines Signals, das proportional zu der Beschleunigung
ist, die auf das Beschleunigungserfassungselement wirkt. Bei einem
Verfahren schwingen der erste und der zweite Resonator mit unterschiedlichen
Frequenzen, wobei eine Differenz zwischen den Schwingfrequenzen
erfaßt
wird, und wobei ein Signal, das proportional zu der Beschleunigung
ist, aus der Frequenzdifferenz bestimmt wird. Bei dem anderen Verfahren
schwingen der erste und der zweite Resonator mit der gleichen Frequenz,
wobei entweder eine Phasendifferenz oder eine Amplitudendifferenz
aus einer Differenz zwischen elektrischen Impedanzen der beiden
Resonatoren erzielt wird, und wobei ein Signal, das proportional
zu der Beschleunigung ist, entweder aus der Phasendifferenz oder
der Amplitudendifferenz bestimmt wird.
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Eine Beschleunigung wird sehr genau
unter Verwendung eines der beiden oben erwähnten Verfahren erfaßt.
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Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden
Erfindung werden nachfolgend Bezug nehmend auf die beiliegenden
Zeichnungen näher
erläutert.
Es zeigen:
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1 eine
allgemeine perspektivische Ansicht, die ein erstes Ausführungsbeispiel
eines Beschleunigungssensors der vorliegenden Erfindung zeigt;
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2 eine
auseinandergezogene perspektivische Ansicht, die den Beschleunigungssensor
aus 1 zeigt;
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3 eine
auseinandergezogene perspektivische Ansicht, die den Beschleunigungssensor
aus 1 zeigt, wobei ein
Abdeckbauglied entfernt ist;
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4 eine
Seitenansicht, die den Beschleunigungssensor aus 1 zeigt, der an einer gedruckten Schaltungsplatine
befestigt ist;
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5 eine
Querschnittsansicht des Beschleunigungssensors, die entlang einer
Linie V-V aus 4 genommen
ist;
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6A bis 6C Verfahrensdiagramme, die das
Herstellungsverfah ren zum Herstellen des Beschleunigungssensors
aus 1 zeigen;
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7 ähnelt der
Querschnittsansicht aus 5,
die entlang der Linie V-V aus 4 genommen
ist, zeigt jedoch ein zweites Ausführungsbeispiel des Beschleunigungssensors
der vorliegenden Erfindung;
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8 ein
Schaltungsdiagramm, das eine Beschleunigungserfassungsvorrichtung
unter Verwendung des Beschleunigungssensors der vorliegenden Erfindung
zeigt; und
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9 ein
Schaltungsdiagramm, das eine andere Beschleunigungserfassungsvorrichtung
unter Verwendung des Beschleunigungssensors der vorliegenden Erfindung
zeigt.
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Die 1 bis 5 zeigen den Beschleunigungssensor 1A eines
ersten Ausführungsbeispiels der
vorliegenden Erfindung. Der Beschleunigungssensor 1A umfaßt ein Bimorph-Typ-Beschleunigungserfassungselement 2,
das an beiden Enden desselben in Isolationsgehäusen 6 und 7,
die aus einer Keramik hergestellt sind, gestützt wird. Das Beschleunigungserfassungselement 2 wird
durch ein Verbinden von streifenartigen piezoelektrischen Keramikresonatoren 3 und 4 mit
einer Zwischenschicht 5, die zwischen denselben angeordnet ist,
hergestellt. Der Resonator 3 weist Elektroden 3a und 3b an beiden
Hauptoberflächen
desselben auf, wobei der Resonator 4 Elektroden 4a und 4b an
beiden Hauptoberflächen
desselben aufweist. Jeder Resonator 3 und 4 ist
ein Schervibrationsmodusresonator mit Energieeinschlußdicke und
in der longitudinalen Richtung desselben polarisiert. Die Elektroden 3a und 3b in
den Enden desselben sind einander in dem Mittelabschnitt des Resonators 3 zugewandt
und erstrecken sich von dort in Richtung der unterschiedlichen, gegenüberliegenden
Enden des Resonators 3. Die Elektroden 4a und 4b in
den Enden desselben sind einander in dem Mittelabschnitt des Resonators 4 zugewandt
und erstrecken sich von dort in Richtung von unterschiedlichen,
gegenüberliegenden
Enden des Resonators 4.
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Die Resonatoren 3 und 4 sind
mit der Zwischenschicht 5 aus einem elastischen Haftmittel,
die zwischen denselben angeordnet ist, laminiert. Die Zwischenschicht 5 weist
eine Härte
auf, die es ermöglicht,
daß eine
Biegespannung von einem Resonator auf den anderen Resonator übertragen
wird, während
die Vibration des einen Resonators gedämpft wird, wenn die Vibration
auf den anderen Resonator übertragen
wird. Da die Resonatoren 3 und 4 aus piezoelektrischen,
keramischen Substraten, die die gleiche Form aufweisen, hergestellt
sind, liegt eine biegemäßig neutrale
Ebene des Beschleunigungserfassungselements 2 ansprechend
auf eine Beschleunigung G in der Zwischenschicht 5 (wie
in 5 durch eine gestrichelte
Linie N dargestellt ist).
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Die gegenüberliegenden externen Oberflächen des
Beschleunigungserfassungselements 2, die in eine Richtung
zeigen, in der eine Beschleunigung G ausgeübt wird, sind von einem Paar
von Gehäusebaugliedern 6 und 6 umgeben.
Jedes Gehäusebauglied 6 weist
einen flachen U-förmigen
Querschnitt auf, wobei beide hervorstehenden Segmente 6a desselben
fest mit äußeren, gegenüberliegenden Enden
des Beschleunigungserfassungselements 2 (äußere Oberflächen der
Resonatoren 3 und 4) verbunden sind. Ausnehmungen 6b bilden
so jeweils Zwi schenräume
zwischen dem einen Gehäusebauglied 6 und
dem Beschleunigungserfassungselement 2 bzw. zwischen dem
anderen Gehäusebauglied 6 und
dem Beschleunigungserfassungselement 2. Die Zwischenräume ermöglichen
es so, daß das
Beschleunigungserfassungselement 2 ansprechend auf die
Beschleunigung G abgelenkt wird. Die obere und untere offene Oberfläche eines
Aufbaus des Beschleunigungserfassungselements 2 und das
Gehäusebauglied 5 werden
dann mit dem oberen bzw. dem unteren Gehäusebauglied 7 und 7 von
oben und unten bedeckt. Die Abdeckungsbauglieder 7 weisen jeweils
an den inneren Oberflächen
derselben eine Ausnehmung 7a auf, die einen Zwischenraum
bildet, um das Beschleunigungserfassungselement 2 jeweils
nicht zu berühren.
Die umgebenden Konturabschnitte der Abdeckungsbauglieder 7 sind
fest mit der oberen und der unteren Oberfläche des Aufbaus verbunden.
Verschiebbare Abschnitte des Beschleunigungserfassungselements 2 sind
vollständig
in den Gehäusebaugliedern 6 und
dem Abdeckungsbauglied 7 eingeschlossen.
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Die Gehäusebauglieder 6 und
das Abdeckbauglied 7 sind aus isolierenden Materialien
gefertigt. Insbesondere können
diese Komponenten aus einem Keramiksubstrat oder einem Harzsubstrat
hergestellt sein.
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Die Gehäusebauglieder 6, die
einen U-förmigen
Querschnitt aufweisen, werden bei diesem Ausführungsbeispiel verwendet. Wenn
ein Vibrationsraum durch die Dicke jeder Haftschicht, die zwischen dem
einen Gehäusebauglied 6 und
dem Beschleunigungserfassungselement 2 und zwischen dem
anderen Gehäusebauglied 6 und
dem Beschleunigungserfassungselement 2 angeordnet ist,
sichergestellt ist, können
die Gehäusebauglieder 6 aus
einem ebenen Bauglied gebildet sein. Da die Ablenkung jedes Beschleunigungserfassungselements 2 unter
der Beschleunigung G eine kleine Amplitude aufweist, liefert die
Dicke der Haftschicht einen ausreichend großen Vibrationsraum.
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Ähnlich
wird, da ein Zwischenraum durch die Dicke einer Haftschicht, die
in der inneren Oberfläche des
Abdeckungsbauglieds 7 angebracht ist, gebildet ist, die
den Zwischenraum bildende Ausnehmung 7a in der inneren
Oberfläche
des Abdeckungsbauglieds 7 weggelassen.
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Die Elektroden 3a und 4b von
den Elektroden 3a, 3b, 4a und 4b,
die in den Resonatoren 3 und 4 gebildet sind,
sind elektrisch durch ein inneres Elektrodenband 61 miteinander
verbunden, das an der offenen Oberfläche des Aufbaus angeordnet
ist, der aus dem Beschleunigungserfassungselement 2 und
den Gehäusebaugliedern 6 besteht,
wobei das innere Elektrodenband 61 aus der äußeren Oberfläche des
Gehäusebauglieds 6 herausgeleitet
ist. Die Elektrode 3b wird aus der äußeren Oberfläche des Gehäusebauglieds 6 durch
ein inneres Elektrodenband 62 herausgeleitet, das an der
oberen offenen Oberfläche
des Aufbaus angeordnet ist. Die Elektrode 4a ist aus einer
anderen äußeren Oberfläche des Gehäusebauglieds 6 durch
ein inneres Elektrodenband 63 herausgeleitet, das an der
unteren offenen Oberfläche
des Aufbaus angeordnet ist.
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Bezug nehmend auf 1 weisen die Gehäusebauglieder 6 und
das Abdeckungsbauglied 7 an den äußeren Oberflächen derselben äußere Elektroden 71, 72 und 73 auf.
Die inneren Elektrodenbänder 61, 62 und 63 sind
jeweils elektrisch mit den äußeren Elektroden 71, 72 und 73 verbunden.
Auf diese Weise wird ein Oberflächenbefestigung-Chip-Typ-Beschleunigungssensor
geschaffen.
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Bei diesem Ausführungsbeispiel ist die eine Elektrode 3a des
Beschleunigungserfassungselements 3 elektrisch durch das
innere Elektrodenband 61 als eine gemeinsame Elektrode
mit der einen Elektrode 4b des Beschleunigungserfassungselements 4 verbunden.
Alternativ können
die vier Elektroden 3a, 3b, 4a und 4b unabhängig zu
jeweiligen äußeren Elektroden
geleitet sein. In diesem Fall können
die vier inneren Elektrodenbänder
und die vier äußeren Elektrodenbänder verwendet
werden.
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4 zeigt
den Beschleunigungssensor 1A, der an einer Schaltungsstruktur
Pa einer gedruckten Schaltungsplatine PCB befestigt ist.
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6 zeigt
ein Herstellungsverfahren zum Herstellen des Beschleunigungssensors 1A,
der den oben erwähnten
Aufbau aufweist.
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Es werden zwei piezoelektrische Keramiklagen 3M bzw. 4M für die Resonatoren 3 und 4,
die Elektrodenstrukturen für
die Elektroden 3a, 3b bzw. die Elektroden 4a, 4b aufweisen,
die an beiden Hauptseiten derselben angeordnet sind, und ein Paar
von Gehäusebaugliedlagen 6M für die Gehäusebauglieder 5 vorbereitet,
die Ausnehmungen 6b aufweisen, wobei jede Ausnehmung in
regelmäßigen Intervallen
eine vorbestimmte Breite aufweist. Die Lagen 3M, 4M und 6M sind
unter Verwendung eines Haftmittels in eine Einheitsstruktur verbunden.
Ein Block B1 wird erzielt, indem eine Mehrzahl von Laminatstrukturen
(siehe 6A) gestapelt
wird. Der Block B1 wird entlang Schnittlinien S, wie dies in 6A gezeigt ist, vereinzelt,
wobei eine Mehrzahl von einzelnen Blöcken B2 so erhalten wird (siehe 6B).
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Die vereinzelten Blöcke B2 werden
auf die Seite gelegt, wobei Abdeckungsbaugliedlagen 7M, die
eine Anzahl von Zwischenräumen
aufweisen, die an den inneren Oberflächen derselben Ausnehmungen 7a bilden,
mit jedem einzelnen Block B2 von oben und unten verbunden werden,
wie in 6C gezeigt ist.
Ein Endblock wird so erhalten. Die Abdeckungsbaugliedlage 7M weist
Strukturen auf, die als äußere Elektroden
dienen. Der Endblock wird vertikal und horizontal in einzelne Sensorvorrichtungen
geschnitten. Elektroden werden an den Seiten und Enden jeder vereinzelten
Sensorvorrichtung unter Verwendung eines Sputtern-Verfahrens angeordnet.
Der Beschleunigungssensor 1A, der in 1 gezeigt ist, entsteht so.
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Da die Lagen für jedes Bauglied vorbereitet und
dann in dem Zustand von Lagen und nicht von einzelnen Streifen auf
diese Weise laminiert und miteinander verbunden werden, ist ein
Produktionsertrag hoch, wobei ein Beschleunigungssensor 1A mit gleichbleibender
Qualität
und mit niedrigen Kosten geschaffen wird.
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7 zeigt
einen Beschleunigungssensor 1B eines zweiten Ausführungsbeispiels
der vorliegenden Erfindung.
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Der Beschleunigungssensor 1B umfaßt zwei Zwischenschichten 5a und 5b,
wobei ein Zwischenraum 5c zwischen denselben gebildet ist.
Der Zwischenraum 5c ist flächenmäßig breiter als eine Region
der eingeschlossenen Vibration jedes Resonators 3 und 4 und
flächenmäßig kleiner
als eine Ablenkregion jedes Resonators 3 und 4 unter
einer Beschleunigung.
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Bei dem ersten Ausführungsbeispiel
sind die Resonatoren 3 und 4 auf der gesamten
Oberfläche derselben
zusammenlaminiert, wobei Vibrationen der Resonatoren 3 und 4 einer
Dämpfung
unterworfen werden. Das Verhalten der Resonatoren (wie z.B. Q- und
K-Faktor) wird möglicherweise
leicht verschlechtert. Das Material der Zwischenschicht 5 muß aus bestimmten
Materialien ausgewählt
sein, die eine geeignete Härte
und eine geeignete Elastizität aufweisen.
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Bei dem zweiten Ausführungsbeispiel
ist der Vibrationsraum 5c zwischen den beiden Zwischenschichten 5a und 5b gebildet.
Die Übertragung
einer Vibration zwischen den Resonatoren 3 und 4 wird
so gesteuert, selbst wenn ein Haftmittel, das eine hohe Verbindungskraft
aufweist (wie z.B. ein Haftmittel auf Epoxidbasis), als die Zwischenschicht 5 verwendet wird.
Da die Resonatoren 3 und 4 einen Schervibrationsmodus
mit Energieeinschlußdicke
verwenden, funktioniert ein kleiner Vibrationsraum 5c.
Die beiden Resonatoren 3 und 4 werden unter einer
Beschleunigung G einstückig
gebogen. Insbesondere wird eine Zugspannung in einem Resonator erzeugt,
während eine
Druckspannung in dem anderen Resonator erzeugt wird.
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Die Abdeckbauglieder 7 (nicht
gezeigt) sind mit offenen Oberflächen
der Resonatoren 3 und 4 und den Gehäusebaugliedern 6 verbunden,
wie in 2 gezeigt ist.
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8 zeigt
eine Beschleunigungserfassungsvorrichtung, die den Beschleunigungssensor 1A verwendet.
Die Vorrichtung verwendet unabhängige
Vibrationen der Beschleunigungserfassungselemente 3 und 4.
Die äußeren Elektroden 71 und 72 des
Beschleunigungssensors 1A sind mit einer Oszillatorschaltung 8a verbunden,
wobei die äußeren Elektroden 71 und 73 mit
einer Oszillatorschaltung 8b verbunden sind. Die Oszillatorschaltungen 8a und 8b können ein
bekannter Colpitts-Oszillator
sein. Die Resonatoren 3 und 4 werden unabhängig durch
die Oszillatorschaltungen 8a und 8b in Schwingung
versetzt, wobei Schwingfrequenzen f1 und
f2 in einen Frequenzdifferenzzähler 8c eingegeben
werden. Der Frequenzdifferenzzähler 8c gibt
ein Signal V0, das proportional zu der Frequenzdifferenz
ist, aus.
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Wenn keine Beschleunigung G an den
Beschleunigungssensor 1A ausgeübt wird, schwingen die beiden
Resonatoren 3 und 4 mit konstanten Frequenzen
als unabhängige
Resonatoren. Wenn die Resonatoren 3 und 4 eine
vollständig
identische Struktur aufweisen, wird eine Schwingung bei der gleichen
Frequenz angeregt, wobei das Ausgangssignal V0 des
Zählers 8c Null
ist. Wenn eine Beschleunigung G an den Beschleunigungssensor 1A ausgeübt wird,
wirkt eine Trägheit
in einer Richtung, die entgegengesetzt zu der Richtung der ausgeübten Beschleunigung
ist, auf das Beschleunigungserfassungselement 2. Der Mittelabschnitt
des Beschleunigungserfassungselements 2 wird in der Richtung,
die entgegengesetzt zu der Richtung der ausgeübten Beschleunigung ist, abgelenkt.
In Zuordnung zu der Ablenkung des Beschleunigungserfassungs elements 2 wird
eine Zugspannung in dem einen Resonator 3 und eine Druckspannung
in dem anderen Resonator 4 erzeugt, wie in 5 gezeigt ist. Bei dem Resonator, der
mit dem Dickenschervibrationsmodus arbeitet, fällt die Schwingfrequenz des
Zugresonators 3, während
die Schwingfrequenz des Druckresonators 4 ansteigt. Die
Frequenzdifferenz wird aus den Elektroden 3a, 3b, 4a und 4b durch
die inneren Elektrodenbänder 61, 62 und 63 an
die äußeren Elektroden 71, 72 und 73 ausgegeben.
Das Signal V0, das proportional zu der Beschleunigung
G ist, wird so erhalten.
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Nicht nur die Größe der Beschleunigung G, sondern
auch die Richtung der Beschleunigung G werden aus dem Signal V0 erfaßt.
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Wenn der Beschleunigungssensor 1A in
einer Umgebung mit variierender Temperatur verwendet wird, dehnen
sich die Resonatoren 3 und 4, die Gehäusebauglieder 6 und
die Abdeckungsbauglieder 7 thermisch aus. Wenn sich der
thermische Ausdehnungskoeffizient der Resonatoren 3 und 4 von dem
der Gehäusebauglieder 6 und
der Abdeckbauglieder 7 unterscheidet, werden in den Resonatoren 3 und 4 Spannungen
erzeugt. Eine Veränderung
der Frequenzdifferenz tritt aufgrund von Faktoren, die keine Beschleunigung
sind, auf. Wenn die Resonatoren 3 und 4 jedoch
aus dem gleichen Material hergestellt und identisch geformt sind,
werden auch die erzeugten Spannungen gleich. Da der Frequenzzähler 8c eine
Differenz zwischen den Ausgangssignalen der Resonatoren 3 und 4 liefert,
löschen
Veränderungen,
die bei den Ausgangssignalen auftreten, wenn die Resonatoren 3 und 4 gleichermaßen einer
Temperaturänderung
ausgesetzt werden, einander aus. Eine Beschleunigungserfassungsvorrichtung,
die nur auf eine Beschleunigung G anspricht, wird so erhalten.
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9 zeigt
eine andere Beschleunigungserfassungsvorrichtung, die den Beschleunigungssensor 1A verwendet.
Die Beschleunigungserfassungsvorrichtung verwendet die gleichen
Frequenzvibrationen des Beschleunigungserfassungselements
2.
Die äußeren Elektroden 72 und 73 des
Beschleunigungssensors 1A sind mit einer Impedanzdifferenzerfassungsschaltung 9a verbunden.
Die äußere Elektrode 71 als
eine gemeinsame Elektrode ist mit einer Oszillatorschaltung 9b verbunden.
In der Vorrichtung sind auch Anpassungswiderstände 9c und 9d enthalten. Die
beiden Resonatoren 3 und 4 werden durch die Oszillatorschaltung 9b bei
der gleichen Frequenz zum Schwingen gebracht. Eine Phasendifferenz
oder eine Amplitudendifferenz wird aus einer Differenz zwischen
elektrischen Impedanzen der Resonatoren 3 und 4 erfaßt, wobei
ein Ausgangssignal V0, das proportional
zu einer Beschleunigung G ist, aus der Impedanzdifferenzerfassungsschaltung 9a erhalten wird.
Um zu bewirken, daß die
beiden Resonatoren 3 und 4 mit der gleichen Frequenz
schwingen, ist die Oszillatorschaltung 9a derart angeordnet,
daß eines der
Ausgangssignale der beiden Resonatoren oder die Summe der Ausgangssignale
der beiden Resonatoren rückgeführt wird.
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Bei diesem Beispiel wird wieder das
Signal, das proportional zu der Beschleunigung G ist, aufgenommen,
während Änderungen
bei den Ausgangssignalen aufgrund einer Temperaturänderung
einander auslöschen.
Eine Beschleunigungserfassungsvorrichtung, die nur auf die Beschleunigung
G anspricht, wird so erhalten.
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Der Beschleunigungssensor 1A des
ersten Ausführungsbeispiels
wird bei den Beschleunigungserfassungsvorrichtungen verwendet, die
in den 8 und 9 gezeigt sind, wobei jeder
Beschleunigungssensor 1B, der in 7 gezeigt ist, gleichermaßen verwendet
werden kann.
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Jeder Beschleunigungssensor 1A und 1B ist derart
strukturiert, daß das
Erfassungselement fest an beiden Enden desselben durch das Gehäusebauglied
gestützt
wird. Alternativ kann das Erfassungselement nur an einem Ende gestützt werden,
d.h. kann eine Auslegerstruktur aufweisen. In diesem Fall ist eine
Verschiebung des Erfassungselements an dem freien Ende desselben
unter einer Beschleunigung groß,
wo bei u.U. eine große
Frequenzänderung
oder eine große
Impedanzänderung
erhalten werden kann.
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Die Beschleunigungssensoren 1A und 1B des
ersten und des zweiten Ausführungsbeispiels verwenden
einen Dickenscherresonator für
die Resonatoren 3 und 4. Die vorliegende Erfindung
ist nicht auf diesen Modus beschränkt. Andere Modi (wie z.B. ein
Dickenvibrationsmodus, ein longitudinaler Vibrationsmodus, ein Bereichsbiegevibrationsmodus usw.)
können
ebenfalls verwendet werden.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung
wird ein Bimorph-Typ-Beschleunigungserfassungselement, bei
dem die beiden Resonatoren mit der Zwischenschicht, die zwischen
denselben angeordnet ist, verbunden sind, verwendet. Wenn die Beschleunigungserfassungselemente
ansprechend auf eine Beschleunigung verformt werden, wird eine Druckspannung
in einem Resonator erzeugt, während
in dem anderen Resonator auf eine wirksame Weise eine Zugspannung
erzeugt wird. Durch ein unterschiedliches Aufnehmen der Frequenzänderungen
der beiden Resonatoren oder der Impedanzänderungen der beiden Resonatoren
wird ein Signal erhalten, das proportional zu der Beschleunigung
ist. Ein Hochleistungsbeschleunigungserfassungssensor wird so geschaffen.
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Da eine Beschleunigung unter Verwendung der
Frequenzänderungen
oder der Impedanzänderungen
erfaßt
wird, kann die Beschleunigung von Gleichsignal- oder Niedrigfrequenzkomponenten
erfaßt
werden.
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Da eine Spannung, die aus einer Temperaturänderung
resultiert, auf die beiden Resonatoren ausgeübt wird, löschen Spannungen aufgrund von Faktoren,
die keine Beschleunigung sind, einander aus, indem die Ausgangssignale
der beiden Resonatoren unterschiedlich aufgenommen werden. Ein Beschleunigungssensor,
der nur auf eine Beschleunigung anspricht, wird so geschaffen.
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Da die Beschleunigungserfassungselemente einen
einfachen Aufbau aufweisen und da ein Herausleiten der Elektroden
einfach ist, wird ein kompakter Entwurf realisiert. Das Beschleunigungserfassungselement
wird so in eine Oberflächenbefestigungskomponente
(eine Chipkomponente) strukturiert.