JP2008281455A - Acceleration sensor element - Google Patents
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Abstract
【課題】単純化、小型化及び小電力化に適し、検出感度を高めた加速度センサ素子を提供する。
【解決手段】音叉基部から延出した一対の音叉腕に長さ方向を中心として回転する捩れ振動を生じさせ、前記一対の音叉腕の主面に対して垂直方向となる加速度を加えたとき、コリオリの力によって前記一対の音叉腕は主面に対して水平方向の変位を生じ、前記水平方向の変位によって生ずる電荷を検出してなる加速度センサ素子において、前記音叉本体を水晶から形成し、前記一対の音叉腕に設けた駆動電極によって前記一対の音叉腕を前記音叉腕の主面に対して垂直方向に励振させるとともに前記一対の音叉腕に捩れ現象を生じさせ、前記加速度に起因したコリオリの力による前記一対の音叉腕の主面に対して水平方向の変位による電荷を前記音叉腕に設けた検出電極によって検出した構成とする。
【選択図】図1An acceleration sensor element is provided which is suitable for simplification, miniaturization, and low power consumption and has improved detection sensitivity.
When a torsional vibration that rotates about a length direction is caused in a pair of tuning fork arms that extend from a tuning fork base, and an acceleration that is perpendicular to a main surface of the pair of tuning fork arms is applied, The pair of tuning fork arms are displaced in the horizontal direction with respect to the main surface by the Coriolis force, and in the acceleration sensor element configured to detect charges generated by the horizontal displacement, the tuning fork body is formed of quartz, The pair of tuning fork arms are excited in a direction perpendicular to the main surface of the tuning fork arms by a drive electrode provided on the pair of tuning fork arms, and a twisting phenomenon is generated in the pair of tuning fork arms. The electric charge due to the horizontal displacement with respect to the main surface of the pair of tuning fork arms due to force is detected by a detection electrode provided on the tuning fork arm.
[Selection] Figure 1
Description
本発明はコリオリの力を用いた加速度センサ素子を技術分野とし、特にセンサ本体を圧電体とした加速度センサ素子に関する。 The present invention relates to an acceleration sensor element using Coriolis force, particularly to an acceleration sensor element having a sensor body as a piezoelectric body.
(発明の背景)
加速度センサ素子には機械式や電子式等多くの種類があり、これらの一つに本発明者等によるコリオリの力を利用したものがある(非特許文献1)。コリオリの力を利用したセンサ素子としては角速度センサ素子が一般に普及しており、本発明ではこれとは逆の発想で加速度センサを構成する。
(Background of the Invention)
There are many types of acceleration sensor elements such as a mechanical type and an electronic type, and one of them uses the Coriolis force by the present inventors (Non-Patent Document 1). As a sensor element using Coriolis force, an angular velocity sensor element is generally prevalent, and in the present invention, an acceleration sensor is configured based on the opposite idea.
(従来技術の一例)
第16図は一従来例(非特許文献1)を説明する加速度センサ素子の図で、同図(a)は正面図、同図(b)はA−A断面図、同図(c)はB−B断面図である。
(Example of conventional technology)
FIG. 16 is a diagram of an acceleration sensor element for explaining a conventional example (Non-Patent Document 1). FIG. 16 (a) is a front view, FIG. 16 (b) is an AA sectional view, and FIG. It is BB sectional drawing.
加速度センサ素子は音叉本体1と駆動用圧電体2と検出用圧電体3とからなる。音叉本体1は例えばステンレスからなり、音叉基部4から一対の音叉腕5(ab)が延出する。ここでは、便宜的に、長さ方向をy、幅方向をx、厚み方向をzとする。なお、これらの座標軸(xyz)は幾何学的な軸であって、例えば水晶結晶の結晶軸(XYZ)でない。
The acceleration sensor element includes a tuning fork
駆動用圧電体2及び検出用圧電体3はいずれも例えば圧電セラミックスからなる。駆動用圧電体2は、各音叉腕5(ab)の下方となる音叉基部4の両主面に設けられた第1〜第4圧電体2(abcd)からなる。第1〜第4圧電体2(abcd)のうちの両主面間で対向する第1と第2圧電体2(ab)及び第3と第4圧電体2(cd)、さらに同一主面間で並列する第1と第3圧電体2(ac)及び第2と第4圧電体2(bd)とは逆特性とする。
Both the driving piezoelectric member 2 and the detecting piezoelectric member 3 are made of, for example, piezoelectric ceramics. The driving piezoelectric body 2 includes first to fourth piezoelectric bodies 2 (abcd) provided on both main surfaces of the
具体的には、第1〜第4圧電体2(abcd)は、第17図及び第18図の頭部から見た平面図に示したように、図示しない交番電圧によって、いずれも矢印で示す幅方向xに伸縮する。そして、第1と第3圧電体2(ac)が伸張したとき、第2と第4圧電体2(bd)は縮小する「第17図(a)」。したがって、各音叉腕5(ab)はそれぞれ一主面から他主面側に円弧状に撓む「第17図(b)」。 Specifically, each of the first to fourth piezoelectric bodies 2 (abcd) is indicated by an arrow by an alternating voltage (not shown) as shown in the plan views seen from the heads of FIGS. It expands and contracts in the width direction x. When the first and third piezoelectric bodies 2 (ac) are expanded, the second and fourth piezoelectric bodies 2 (bd) are contracted (FIG. 17 (a)). Accordingly, each tuning fork arm 5 (ab) is bent in an arc shape from one main surface to the other main surface side (FIG. 17 (b)).
そして、これとは逆に、第1及び第3圧電体2(ac)が縮小したとき、第2及び第4圧電体2(bd)は伸張する「第18図(a)」。したがって、各音叉腕5(ab)は他主面から一主面側に円弧状に撓む「第18図(b)。要するに、一対の音叉腕5(ab)は、音叉基部4の各圧電体2(ac)と2(bd)との間では逆相となる交番電圧によって、一主面側から他主面側に、他主面側から一主面側に、互いに同方向に円弧状に撓む。
On the contrary, when the first and third piezoelectric bodies 2 (ac) are contracted, the second and fourth piezoelectric bodies 2 (bd) expand (FIG. 18 (a)). Therefore, each tuning fork arm 5 (ab) bends in an arc shape from the other principal surface to the one principal surface side (see FIG. 18 (b). In short, the pair of tuning fork arms 5 (ab) are each piezoelectric fork of the
この場合、一対の音叉腕5(ab)は、根元部が音叉基部4によって拘束されるので、特に各音叉腕5(ab)の外側面が自由端となって、各外側面の円弧状の撓み(変位)が大きくなる。したがって、一対の音叉腕5(ab)は外側面から同一板面側の内側面に向かって互いに反対方向の回転モーメント(±M)を生じる。
In this case, since the root portion of the pair of tuning fork arms 5 (ab) is constrained by the tuning
これにより、一対の音叉腕5(ab)はそれぞれが交番電圧によって回転方向を逆向きとして、一対の音叉腕5(ab)間では反対方向の回転方向となる捩れ振動を生ずる。なお、駆動用電極2としての各圧電体2(abcd)は、一主面側の圧電体2(ac)及び他主面側の圧電体2(bd)が連続的に形成されて両主面に一枚づつの圧電体を形成した場合でも、両端側が同方向に撓む捩れ振動を生ずる。 As a result, the pair of tuning fork arms 5 (ab) are rotated in opposite directions by the alternating voltage, and torsional vibrations in the opposite direction of rotation occur between the pair of tuning fork arms 5 (ab). Each piezoelectric body 2 (abcd) as the driving electrode 2 is formed by continuously forming the piezoelectric body 2 (ac) on one main surface side and the piezoelectric body 2 (bd) on the other main surface side. Even when the piezoelectric bodies are formed one by one, the torsional vibration in which both ends are bent in the same direction is generated.
そして、第19図に示したように、一対の音叉腕5(ab)が互いに反対方向の回転モーメント±Mによる捩れ振動中に、音叉本体1の一主面側から加速度a(m/sec2)が加わると、各音叉腕5(ab)の作用(動作)は次になる。
As shown in FIG. 19, the acceleration a (m / sec 2) from one main surface side of the tuning fork
すなわち、一対の音叉腕5(ab)が、先ず、一主面から他主面方向のへの回転となる捩り振動を生じている場合は、各音叉腕5(ab)には互いに反対方向例えば内側から外側にコリオリの力Fcが発生する「第19図(a)」。次に、捩り振動が反転して他主面から一主面方向となって逆方向に回転モーメント±Mを生じている場合は、各音叉腕5(ab)には外側から内側にコリオリの力Fcが発生する「第19図(b)」。 That is, when the pair of tuning fork arms 5 (ab) first generate torsional vibrations that rotate from one principal surface to the other principal surface direction, each tuning fork arm 5 (ab) has a direction opposite to each other. “FIG. 19A” in which Coriolis force Fc is generated from the inside to the outside. Next, when the torsional vibration is reversed and a rotational moment ± M is generated in the opposite direction from the other principal surface to one principal surface direction, each tuning fork arm 5 (ab) has a Coriolis force from the outside to the inside. “FIG. 19B” in which Fc occurs.
この場合、一対の音叉腕5(ab)の内側から外側に作用するコリオリの力Fcによって、各音叉腕5(ab)の音叉基部4を概ね固定端として内側面は伸張して外側面は縮小し、これにより内側から外側に撓んで開脚する「第20図(ab)」。これとは逆に、コリオリの力Fcが外側から内側に作用すると、各音叉腕5(ab)の内側面は縮小して外側面は伸張し、外側面から内側面に撓んで閉脚する「第21図(ab)。
In this case, by the Coriolis force Fc acting from the inside to the outside of the pair of tuning fork arms 5 (ab), the inner side surface is extended and the outer side surface is reduced with the
要するに、一対の音叉腕5(ab)は互いに反対方向に撓む(変位する)屈曲振動を生ずる。換言すると、一対の音叉腕5(ab)は開脚及び閉脚を繰り返す所謂音叉振動を生ずる。この場合、音叉振動の振動周波数は、一対の音叉腕5(ab)の円弧状の撓みに基づく互いに反対方向に回転する捩れ振動の振動周波数に一致する。 In short, the pair of tuning fork arms 5 (ab) generate bending vibrations that bend (displace) in opposite directions. In other words, the pair of tuning fork arms 5 (ab) generate so-called tuning fork vibration that repeats opening and closing legs. In this case, the vibration frequency of the tuning fork vibration coincides with the vibration frequency of the torsional vibration that rotates in opposite directions based on the arcuate bending of the pair of tuning fork arms 5 (ab).
検出用圧電体3は、各音叉腕5(ab)の両主面に、それぞれ長さ方向に沿った内側の第5圧電体3aと外側の第6圧電体3bが形成される「前第16図(c)」。第5及び第6圧電体3(ab)は一対の音叉腕5(ab)の長さ方向(y方向)の伸縮に追従して同様に伸縮し、正負の電荷を発生する。ここでは、音叉本体1のステンレスをアース電位として、第5及び第6圧電体3(ab)の表面に正負の電圧(電荷)を発生する。
The piezoelectric body for detection 3 is formed with an inner fifth
このことから、加速度aに基づくコリオリの力Fcによって、一対の音叉腕5(ab)が開脚又は閉脚(音叉振動)すると、検出用圧電体3が伸縮して内側と外側の各圧電体3(ab)に逆符号の正負電荷を生ずる。したがって、これらの正負電荷を検出することによって加速度を測定できる。
(従来技術の問題点)
しかしながら、上記構成の加速度センサ素子では、ステンレスからなる音叉本体1に複数の圧電体(圧電セラミックス)2(abcd)、3(ab)を貼り付ける構造とする。このため、例えば各圧電体2(abcd)、3(ab)は同電位となる圧電体2、3を接続するのに導線を用いた外部結線となるので複雑にするとともに大型化になる。
(Problems of conventional technology)
However, the acceleration sensor element configured as described above has a structure in which a plurality of piezoelectric bodies (piezoelectric ceramics) 2 (abcd) and 3 (ab) are attached to a
また、駆動用圧電体2としての第1〜第4圧電体2(abcd)の伸縮によって、音叉本体1の各音叉腕5(ab)を言わば強制的に円弧状に湾曲させて捩れ振動を得る。したがって、各音叉腕5(ab)に捩れ振動を生じさせるには大きな駆動電力を要する。逆に言えば、駆動電力を小さくすると、検出感度が低下する。
Further, by the expansion and contraction of the first to fourth piezoelectric bodies 2 (abcd) as the driving piezoelectric bodies 2, each tuning fork arm 5 (ab) of the tuning fork
これらのことから、上記構成の加速度センサ素子では、単純化、小型化、小電力化及び検出感度等の点において、自動車等を含めた民生用の加速度センサ素子としては不向きな問題があった。 For these reasons, the acceleration sensor element having the above-described configuration has problems that are unsuitable as a consumer acceleration sensor element including automobiles in terms of simplification, miniaturization, low power consumption, detection sensitivity, and the like.
(発明の目的)
本発明は単純化、小型化及び小電力化に適し、検出感度を高めた加速度センサ素子を提供することを目的とする。
(Object of invention)
SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide an acceleration sensor element that is suitable for simplification, miniaturization, and low power consumption and has improved detection sensitivity.
(第1〜第4実施形態に相当)
本発明は、特許請求の範囲(請求項1)に示したように、音叉本体の音叉基部から延出した一対の音叉腕に長さ方向を中心として回転する捩れ振動を生じさせ、前記一対の音叉腕の主面に対して垂直方向となる加速度を加えたとき、コリオリの力によって前記一対の音叉腕の主面に対して水平方向の変位を生じ、前記水平方向の変位によって生ずる電荷を検出してなる加速度センサ素子において、前記音叉本体を圧電体としての水晶から形成し、前記一対の音叉腕に設けた駆動電極によって前記一対の音叉腕を前記音叉腕の主面に対して垂直方向に励振させるとともに前記一対の音叉腕に遠心力による捩れ現象を生じさせ、前記加速度に起因したコリオリの力による前記一対の音叉腕の主面に対して水平方向の変位よる電荷を前記音叉腕に設けた検出電極によって検出した構成とする。
(Equivalent to the first to fourth embodiments)
According to the present invention, as shown in the claims (Claim 1), the pair of tuning fork arms extending from the tuning fork base of the tuning fork main body generates torsional vibrations that rotate about the length direction, and When acceleration in the vertical direction is applied to the main surface of the tuning fork arm, the Coriolis force causes a horizontal displacement with respect to the main surface of the pair of tuning fork arms, and the charge generated by the horizontal displacement is detected. In this acceleration sensor element, the tuning fork body is formed of a quartz crystal as a piezoelectric body, and the pair of tuning fork arms are perpendicular to the main surface of the tuning fork arm by a drive electrode provided on the pair of tuning fork arms. The tuning fork arms are excited and cause a twisting phenomenon due to centrifugal force, and the tuning fork arms are charged with a displacement in the horizontal direction relative to the principal surfaces of the pair of tuning fork arms due to the Coriolis force caused by the acceleration. A configuration detected by the detection electrode.
このような構成であれば、音叉本体として直接に圧電体としての水晶を用いるので、同電位とする駆動電極や検出電極は音叉本体上で内部結線できて、加速度センサ素子の単純化や小型化を図れる。また、水晶自身の圧電性によって垂直方向に励振して、遠心力によって捩れ振動を生ずるので、圧電セラミックスによって強制的に捩れ振動を生起させる場合に比較して駆動電力も小電力となり、逆に言えば検出感度も高められる。 With such a configuration, crystal as a piezoelectric body is directly used as the tuning fork body, so that the drive electrode and detection electrode having the same potential can be internally connected on the tuning fork body, and the acceleration sensor element can be simplified and miniaturized. Can be planned. In addition, the piezoelectric power of the quartz crystal itself excites in the vertical direction, and the torsional vibration is generated by the centrifugal force. Therefore, the driving power is reduced compared to the case where the torsional vibration is forcibly generated by the piezoelectric ceramics. Detection sensitivity can be increased.
(実施態様項)
本発明の請求項2(第1、第3実施形態に相当)では、前記一対の音叉腕の主面に対して垂直方向となる振動は前記一対の音叉腕間では互いに同方向として前記一対の音叉腕の捩れ振動の回転方向を逆向きとし、前記加速度(コリオリの力)による水平方向の変位は互いに反対方向(開脚又は閉脚)とする。この場合、加速度による一対の音叉腕の変位は開脚又は閉脚の音叉振動となるので、物理的な共鳴現象によって振幅を大きくできて検出感度を高められる。
(Embodiment section)
According to a second aspect of the present invention (corresponding to the first and third embodiments), the vibrations perpendicular to the main surface of the pair of tuning fork arms are set in the same direction between the pair of tuning fork arms. The rotational direction of the torsional vibration of the tuning fork arm is reversed, and the horizontal displacement due to the acceleration (Coriolis force) is opposite to each other (open leg or closed leg). In this case, the displacement of the pair of tuning fork arms due to acceleration results in the tuning fork vibration of the open leg or the closed leg, so that the amplitude can be increased by the physical resonance phenomenon and the detection sensitivity can be increased.
同請求項3(第2、第4実施形態に相当)では、前記一対の音叉腕の主面に対して垂直方向となる振動は前記一対の音叉腕間では互いに反対方向とし、前記一対の音叉腕の捩れ振動の回転方向を同方向とし、前記加速度(コリオリの力)による水平方向の変位は互いに同方向とする。この場合、一対の音叉腕は互いに反対方向の垂直方向に励振される。したがって、一対の音叉腕を同方向の垂直方向に励振する場合(請求項2)に比較し、振動変位が音叉基部で相殺されて振動漏れを少なくする。 In the third aspect (corresponding to the second and fourth embodiments), vibrations perpendicular to the main surface of the pair of tuning fork arms are opposite to each other between the pair of tuning fork arms, The rotational direction of the torsional vibration of the arm is the same direction, and the horizontal displacement due to the acceleration (Coriolis force) is the same direction. In this case, the pair of tuning fork arms are excited in the opposite vertical directions. Therefore, as compared with the case where the pair of tuning fork arms are excited in the same vertical direction (Claim 2), the vibration displacement is canceled by the tuning fork base and vibration leakage is reduced.
同請求項4(第1〜第4実施形態に相当)では、請求項1において、前記音叉本体は二枚の水晶片の±X軸の逆向きとして直接接合によって貼り合わせてなる。これにより、音叉腕のX軸方向(幅方向)に生じる電界を同一方向としても、音叉腕の接合面を境とした両主面側でのY軸方向(長さ方向)の伸縮方向を逆向きにできる。したがって、音叉腕の特に内側面への電極形成を容易にする。
According to claim 4 (corresponding to the first to fourth embodiments), in
同請求項5(第1、第2実施形態に相当)では、請求項1において、前記音叉本体は前記音叉基部から一方向にのみ前記一対の音叉腕が延出してU状とした2脚音叉とする。これにより、音叉本体を単純化した2脚音叉(単純2脚音叉)とするので、構成を簡易にして小型化を促進できる。
In claim 5 (corresponding to the first and second embodiments), in
同請求項6(第3、第4実施形態に相当)では、請求項1において、前記音叉本体は前記音叉基部から互いに反対方向にそれぞれ前記一対の音叉腕が延出してH状とした4脚2音叉とする。これにより、2個の音叉を形成するので、基本的に、コリオリの力による電荷を多く検出できて感度を高められる。
In claim 6 (corresponding to the third and fourth embodiments), in
(第1実施形態A、請求項1、2、5)
第1図は本発明の第1実施形態を説明する加速度センサ素子の図で、同図(a)は正面図、同図(b)は電極配置を示す頭部から見た平面図、同図(c)は頭部から見た結線図である。なお、前従来例と同一部分には同番号を付与してその説明は簡略又は省略し、第1図(c)では便宜的に細部の符合は省略してある。
(First embodiment A, claims 1, 2, 5)
FIG. 1 is a diagram of an acceleration sensor element for explaining a first embodiment of the present invention. FIG. 1 (a) is a front view, FIG. 1 (b) is a plan view seen from the head showing electrode arrangement, and FIG. (C) is a connection diagram seen from the head. The same reference numerals are given to the same parts as those in the previous conventional example, and the description thereof is simplified or omitted, and in FIG. 1 (c), the detailed symbols are omitted for convenience.
加速度センサ素子は従来例での音叉本体1を圧電体としての水晶とする。以下では、これを音叉状水晶片6とする。音叉状水晶片6は主面がZ軸に直交したZカット板からなり、一対の音叉腕5(ab)が音叉基部4から延出した長さ方向をY軸、幅方向をX軸、厚み方向をZ軸とする。そして、音叉状水晶片6の一対の音叉腕5(ab)に駆動電極7及び検出電極8を設けてなる。
In the acceleration sensor element, the tuning fork
駆動電極7は、一対の音叉腕5(ab)の両主面に形成された第1〜第4電極7(abcd)からなる。第1及び第2電極7(ab)は各音叉腕5(ab)の両主面内側に、第3及び第4電極7(cd)は両主面外側に形成される。一対の音叉腕5(ab)における各二組の対角方向となる一主面内側の第1電極7aと他主面外側の第4電極7d、及び一主面外側の第3電極7cと他主面内側の第2電極7bとは、それぞれ同電位として接続する。
The drive electrode 7 includes first to fourth electrodes 7 (abcd) formed on both main surfaces of the pair of tuning fork arms 5 (ab). The first and second electrodes 7 (ab) are formed on the inner surfaces of the tuning fork arms 5 (ab), and the third and fourth electrodes 7 (cd) are formed on the outer surfaces of the main surfaces. In each of the pair of tuning fork arms 5 (ab), two pairs of diagonal directions, the
そして、一対の音叉腕5(ab)間では、一組の対角方向(斜め左上がり方向、右下がり方向)となる一方の音叉腕5aの第1及び第4電極7(ad)と、他方の音叉腕5bの第2及び第3電極7(bc)とを同電位として接続する。また、他組の対角方向(左斜め下がり方向、右上がり方向)となる一方の音叉腕5aの第2及び第3電極7(bc)と、他方の音叉腕5bの第1及び第4電極7(ad)とを同電位として接続する。
Between the pair of tuning fork arms 5 (ab), the first and fourth electrodes 7 (ad) of one
そして、各音叉腕5(ab)における一組の対角方向となる一方の音叉腕5aの第1及び第4電極7(ad)及び他方の音叉腕5bの第2及び第3電極7(bc)と、他組の対角方向となる一方の音叉腕5aの第2及び第3電極7(bc)及び他方の音叉腕5bの第1及び第4電極7(ad)とは逆電位として結線され、ドライブ(駆動)端子D±としての交番電圧が印加される。
In each tuning fork arm 5 (ab), the first and fourth electrodes 7 (ad) of one
要するに、一対の各音叉腕5(ab)は駆動電極7の第1〜第4電極7(abcd)によって、各音叉腕5(ab)ともにX軸の極性±に沿った電位勾配となる駆動電圧(交番電圧)D±が印加される。但し、一対の音叉腕5(ab)の一主面側と他主面側では電位勾配が逆向きとなる結線とする。 In short, the pair of tuning fork arms 5 (ab) is driven by the first to fourth electrodes 7 (abcd) of the drive electrode 7 so that each tuning fork arm 5 (ab) has a driving voltage that has a potential gradient along the polarity ± of the X axis. (Alternating voltage) D ± is applied. However, the connection is such that the potential gradient is reversed between the one main surface side and the other main surface side of the pair of tuning fork arms 5 (ab).
検出電極8は一対の音叉腕5(ab)の両側面に第3と第4電極8(ab)がそれぞれ形成される。第5電極8aは各音叉腕5(ab)の内側面に、第6電極8bは各音叉腕5(ab)の外側面に形成される。そして、検出電極8の各音叉腕5(ab)における内側面の第5電極8aと外側面の第6電極8bはそれぞれ同電位として検出端子S±に接続される。
The detection electrode 8 is formed with third and fourth electrodes 8 (ab) on both side surfaces of the pair of tuning fork arms 5 (ab). The
これらの駆動電極7「第1〜第4電極7(a〜d)」及び検出電極8「第3及び第4電極8(ab)」は音叉状水晶片6の表面上で図示しない配線路によって共通接続される。そして、音叉基部4の表面上の外部端子としてのドライブ端子D±、検出端子S+に接続する。これらの配線路を含めた駆動電極7及び検出電極8は音叉状水晶片の外形加工とともに写真印刷技術を用いたエッチングによって一体的に形成される。
These drive electrodes 7 “first to fourth electrodes 7 (a to d)” and detection electrodes 8 “third and fourth electrodes 8 (ab)” are arranged on the surface of the tuning
このようなものでは、例えば第2図(a)に示したように、駆動電極7の第1〜第4電極7(a〜d)によって、各音叉腕5aの一主面側(図の下側)では例えば+X軸側に正電圧(+)を、−X軸側に負電圧(−)を、他主面側(図の上側)ではこれとは逆向きの電圧が印加される。したがって、一方の音叉腕5aの一主面側では、第1電極7aから第3電極7cに矢印で示す内側から外側方向の電界Eを生じる。
In such a case, for example, as shown in FIG. 2 (a), the first to fourth electrodes 7 (a to d) of the drive electrode 7 make one main surface side of each
これにより、+X軸から−X軸方向へ向かう電界ベクトル成分Exによって、一方の音叉腕5aの一主面側は音叉基部4を固定端としてY軸方向に伸張する「第2図(b)」。これは、X軸方向に電圧を印加するとY軸方向に伸縮する圧電逆効果による。なお、第2図(b)は、第2図(a)の矢印方向Aから見た側面図である。
As a result, the electric field vector component Ex extending from the + X axis to the −X axis direction causes one main surface side of one
これとは逆に、一方の音叉腕5aの他主面側では、第4電極7dから第2電極7bに生ずる電界のうちの−X軸から+X軸方向(外側から内側方向)への電界ベクトル成分によって「第2図(a)」、Y軸方向に縮小する「同図(b)」。したがって、一方の音叉腕5aは一主面から他主面側に撓む「第2図(c)」。
On the other hand, on the other main surface side of one
そして、他方の音叉腕5bでは、一方の音叉腕5aと同様に、一主面側が+X軸から−X軸方向(外側から内側方向)に、他主面側が−X軸から+X軸方向(内側から外側方向)に電界ベクトル成分が生ずる「第2図(a)」。したがって、この場合でも、一方の音叉腕5aと同様に、一主面側が伸張して他主面側が縮小するので、一主面側から他主面側に撓む「第2図(c)。
In the other
このことから、一対の音叉腕5(ab)の前述した結線による駆動電極7の第1と第3電極7(ac)及び第2と第4電極7(bd)に両主面間で極性が反転した駆動電圧(交番電圧)D±を印加すると、各音叉腕5(ab)は一主面側から他主面側へ、他主面側から一主面側への撓みを繰り返す(所謂屈曲振動)。要するに、一対の音叉腕5(ab)が板面(主面)に対し、垂直方向としてしかも同方向に振動する(以下、垂直同相振動とする)。 Therefore, the polarity between the main surfaces of the first and third electrodes 7 (ac) and the second and fourth electrodes 7 (bd) of the drive electrode 7 by the above-described connection of the pair of tuning fork arms 5 (ab) is great. When an inverted drive voltage (alternating voltage) D ± is applied, each tuning fork arm 5 (ab) repeatedly bends from one main surface side to the other main surface side and from the other main surface side to the one main surface side (so-called bending). vibration). In short, the pair of tuning fork arms 5 (ab) vibrate in the vertical direction and in the same direction with respect to the plate surface (main surface) (hereinafter referred to as vertical in-phase vibration).
この場合、一対の音叉腕5(ab)は、根元部が音叉基部4によって拘束されるので、特に各音叉腕5(ab)の各内側面が言わば固定端となって外側面が自由端となる。したがって、第3図(頭部から見た模式的な平面図)の軌跡図に示したように、一対の音叉腕5(ab)は垂直同相振動によって、内側面より外側面に遠心力が作用して回転モーメント±Mを生じる。
In this case, since the root portion of the pair of tuning fork arms 5 (ab) is restrained by the tuning
その結果、一対の音叉腕5(ab)は、垂直同相振動とともに互いに反対方向に回転する捩れ振動を伴う。なお、図中のP0線は一対の音叉腕5(ab)の初期状態(静止状態)を、P1、P2線はQ点を中心とした垂直同相振動による一対の各音叉腕5(ab)の模式的な移動状態を示す。 As a result, the pair of tuning fork arms 5 (ab) are accompanied by torsional vibrations rotating in opposite directions together with vertical in-phase vibrations. In the figure, the P0 line represents the initial state (stationary state) of the pair of tuning fork arms 5 (ab), and the P1 and P2 lines represent the pair of tuning fork arms 5 (ab) caused by vertical in-phase vibration centered on the Q point. A schematic moving state is shown.
そして、一対の音叉腕5(ab)が互いに反対方向の捩れ振動を伴う垂直同相振動中に、一主面側から加速度aが加わると、前述同様に、コリオリの力Fcが各音叉腕5(ab)のX軸方向(幅方向)に生じる。そして、互いに反対方向に回転する捩れ振動(回転モーメント±M)に対して、従来同様に垂直同相振動と同じ振動周波数での音叉振動(開脚及び閉脚)を生ずる(前第20図及び第21図参照)。 When acceleration a is applied from one main surface side while the pair of tuning fork arms 5 (ab) are in vertical in-phase vibrations with torsional vibrations in opposite directions, Coriolis force Fc is applied to each tuning fork arm 5 ( ab) occurs in the X-axis direction (width direction). Then, for torsional vibrations (rotational moments ± M) rotating in opposite directions, tuning fork vibrations (open legs and closed legs) at the same vibration frequency as vertical in-phase vibrations are generated as in the prior art (see FIGS. 20 and 21). (See figure).
この場合、例えば一対の音叉腕5(ab)の各外側面(右半分領域)が縮小して各内側面(左半分領域)が伸張して、一対の音叉腕5(ab)が開脚したとすると次になる。すなわち、第4図に示したように、一方の音叉腕5aには中心から内側面及び外側面に向かう電界P1、P2が生ずる。そして、他方の音叉腕5bにはこれとは逆に内側面及び外側面から中心に向かう電界P1、P2が生じる。
In this case, for example, each outer side surface (right half region) of the pair of tuning fork arms 5 (ab) is reduced and each inner side surface (left half region) is expanded, so that the pair of tuning fork arms 5 (ab) are opened. Then it becomes the following. That is, as shown in FIG. 4, electric fields P1 and P2 from the center to the inner surface and the outer surface are generated in one
なお、各音叉腕5(ab)の外側面と内側面とでは伸縮方向が逆なので、電界P1、P2も逆向きになる。そして、一対の音叉腕5(ab)間では互いに反対方向に撓む即ち互いに反対方向の水平方向に変位するので、電界P1、P2の方向も逆になる。これらは、結晶軸のY軸方向に伸縮するとX軸方向に電界(正負電荷)が発生する圧電現象に由来する。 Since the expansion and contraction directions are opposite between the outer side surface and the inner side surface of each tuning fork arm 5 (ab), the electric fields P1 and P2 are also opposite. Since the pair of tuning fork arms 5 (ab) bend in opposite directions, that is, are displaced in the opposite horizontal directions, the directions of the electric fields P1 and P2 are also reversed. These are derived from a piezoelectric phenomenon in which an electric field (positive and negative charges) is generated in the X-axis direction when the crystal axis expands and contracts in the Y-axis direction.
そして、例えば一方の音叉腕5aでの中心から内側面に向かう電界P1は、両主面の駆動電極7の内側となる第1及び第2電極7(ab)と内側面の検出電極8(第5電極8a)との間に矢印で示す分解ベクトル成分を生じさせる。また、中心から外側面に向かう電界P2は両主面の駆動電極7の外側の第3及び第電極7(cd)と外側面の検出電極8(第6電極8b)との間に分解ベクトル成分を生じさせる。そして、他方の音叉腕5bでは一方の音叉腕5aとは逆向きの電界P1、P2によって、駆動電極7と検出電極8との間で同様にして一方の音叉腕5aとは逆向きとなる分解ベクトル成分を生じる。
For example, the electric field P1 from the center of one
これらのことから、音叉状水晶片6の板面に直交する加速度aに伴うコリオリの力Fcによって生じた音叉振動は、一方の音叉腕5aでは駆動電極7の第1〜第4電極7(a〜d)に例えば正電荷(+)を、検出電極8の第3及び第4電極8(ab)には負電荷(−)を生じる。そして、他方の音叉腕5bでは、これとは逆に、駆動電極7の第1〜第4電極7(a〜d)に負電荷(−)を、検出電極8の第3及び第4電極8(ab)には正電荷(+)を生じる。
For these reasons, the tuning fork vibration generated by the Coriolis force Fc accompanying the acceleration a orthogonal to the plate surface of the tuning
したがって、これら正負電荷(±)を前述した第1図(c)の結線によって検出端子S±に接続した図示しない検出回路によって検出すれば、加速度aを測定できる。なお、音叉振動によっての電界(正負電荷)の発生は、一対の音叉腕5(ab)を音叉振動させる場合と逆の関係になる。また、駆動電極7(a〜d)に発生する電荷を検出することもできる。 Therefore, if these positive and negative charges (±) are detected by a detection circuit (not shown) connected to the detection terminal S ± by the connection shown in FIG. 1 (c), the acceleration a can be measured. Note that the generation of an electric field (positive and negative charges) due to tuning fork vibration has an inverse relationship to the case where the tuning fork arm 5 (ab) is caused to vibrate. It is also possible to detect charges generated in the drive electrodes 7 (a to d).
このような構成であれば、発明の効果の欄でも記載するように、音叉本体として直接に圧電体としての水晶(音叉状水晶片6)を用いる。したがって、駆動電極7や検出電極8の同電位とする第1、第2電極7(ab)、第3、第4電極7(cd)、及び第5電極8a、第6電極8bは、音叉本体上で内部結線できて加速度センサ素子の単純化や小型化を図れる。
With such a configuration, as described in the column of the effect of the invention, the crystal (tuning fork-shaped crystal piece 6) as the piezoelectric body is directly used as the tuning fork main body. Therefore, the first, second electrode 7 (ab), third, fourth electrode 7 (cd),
また、水晶自身の圧電性によって垂直方向に励振して、遠心力によって捩れ振動を生じさせる。したがって、圧電セラミックスによって強制的に捩れ振動を生起させる場合に比較して駆動電力も小電力となり、逆に言えば検出感度も高められる。また、この例では、加速度による一対の音叉腕5(ab)の変位は開脚又は閉脚の音叉振動とするので、物理的な共鳴現象によって振幅を大きくできて検出感度を高められる。 Further, it is excited in the vertical direction by the piezoelectricity of the quartz crystal itself, and torsional vibration is generated by centrifugal force. Therefore, the driving power is reduced as compared with the case where the torsional vibration is forcibly caused by the piezoelectric ceramics, and conversely, the detection sensitivity is increased. In this example, since the displacement of the pair of tuning fork arms 5 (ab) due to acceleration is the tuning fork vibration of the open leg or the closed leg, the amplitude can be increased by the physical resonance phenomenon, and the detection sensitivity can be increased.
(第1実施形態B、請求項1、2、5)
第5図は本発明の第1実施形態Bを説明する加速度センサ素子の図で、同図(a)は電極配置を示す頭部から見た平面図、同図(bc)は電界分布を示す同平面図である。なお、これ以降の実施形態では前実施形態と同一部分の説明は省略又は簡略する。
(First embodiment B, claims 1, 2, 5)
FIG. 5 is a diagram of an acceleration sensor element for explaining the first embodiment B of the present invention. FIG. 5 (a) is a plan view seen from the head showing electrode arrangement, and FIG. 5 (bc) shows electric field distribution. It is the same top view. In the following embodiments, the description of the same parts as in the previous embodiments is omitted or simplified.
第1実施形態Bでは、駆動電極7の第1〜第4電極7(a〜d)を各音叉腕5(ab)の両側面の各両側に配置し、検出電極8(ab)を両主面に配置する。駆動電極7の第1及び第2電極7(ab)は一主面側及び他主面側の内側面に、第3及び第4電極7(cd)は一主面側及び他主面側の外側面に形成される「第5図(a)」。 In the first embodiment B, the first to fourth electrodes 7 (a to d) of the drive electrode 7 are arranged on both sides of each side surface of each tuning fork arm 5 (ab), and the detection electrodes 8 (ab) are both main electrodes. Place on the surface. The first and second electrodes 7 (ab) of the drive electrode 7 are on the inner surface on the one main surface side and the other main surface side, and the third and fourth electrodes 7 (cd) are on the one main surface side and the other main surface side. "FIG. 5 (a)" formed on the outer surface.
そして、各音叉腕5(ab)では二組の対角方向の第1と第3電極7(ad)及び第2と第4電極(bc)とを同電位として、二組の対角方向間では逆電位とする。そして、一対の音叉腕5(ab)間では同方向となる対角方向を同電位とし、逆方向となる対角方向を逆電位とし「第5図(b)」、図示しない配線路によって結線される。これは第1実施形態での結線と基本的に同一である。そして、ドライブ端子D±から駆動電圧(交番電圧)が印加される。 In each tuning fork arm 5 (ab), two pairs of diagonal first and third electrodes 7 (ad) and second and fourth electrodes (bc) are set to the same potential, and the two pairs of diagonal directions Then, the reverse potential is used. Then, between the pair of tuning fork arms 5 (ab), the diagonal direction which is the same direction is set to the same potential, and the diagonal direction which is the reverse direction is set to the reverse potential, as shown in FIG. 5 (b). Is done. This is basically the same as the connection in the first embodiment. A drive voltage (alternating voltage) is applied from the drive terminal D ±.
この場合でも、各音叉腕5(ab)の両主面側(上下半分の領域)では互いに逆向きの電界を生ずるので、例えば一主面側が伸張すると他主面側は縮小し、一主面側が縮小すると他主面側は伸張する。そして、各音叉腕5(ab)間では両主面側ともに同一方向に伸縮するので、第1実施形態Aと同様に垂直同相振動となる。 Even in this case, electric fields opposite to each other are generated on both main surface sides (upper and lower half regions) of each tuning fork arm 5 (ab). For example, when one main surface side expands, the other main surface side contracts and one main surface side contracts. When the side shrinks, the other main surface side expands. And between each tuning fork arm 5 (ab), since both main surface sides expand and contract in the same direction, it becomes vertical in-phase vibration like the first embodiment A.
そして、音叉状水晶片6「一対の音叉腕5(ab)」の主面に垂直方向からの加速度aが加わると、第1実施形態Aと同様にコリオリの力Fcによって一対の音叉腕5(ab)は開脚及び閉脚の音叉振動を生ずる。したがって、音叉振動に伴い、各音叉腕5(ab)は外側面及び内側面が伸縮するので、圧電現象によって、各音叉腕5(ab)間では中心から内外側面に、内外側面から中心に向かう互いに逆向きとなる電界P1、P2を生ずる。
When the acceleration a from the vertical direction is applied to the main surface of the tuning
これにより、第1実施形態と同様に、各音叉腕5(ab)では互いに逆向きとなる電界P1、P2の分解ベクトル成分によって、各検出電極8の第3及び第4電極8(ab)並びに駆動電極7の第1〜第4電極7(a〜d)に一対の音叉腕5(ab)間では逆符号となる正負電荷を生じる。これらのことから、加速度に応答した音叉振動に基づく正負電荷を検出することによって、加速度を測定できる。 Thus, as in the first embodiment, the third and fourth electrodes 8 (ab) and the fourth electrodes 8 (ab) and the detection electrodes 8 of the tuning fork arms 5 (ab) are separated by the decomposition vector components of the electric fields P1 and P2 that are opposite to each other. Positive and negative charges having opposite signs are generated between the pair of tuning fork arms 5 (ab) on the first to fourth electrodes 7 (a to d) of the drive electrode 7. From these facts, acceleration can be measured by detecting positive and negative charges based on tuning fork vibration in response to acceleration.
なお、第1実施形態Bでは各音叉腕5(ab)の内側面には分割された駆動電極7「第1及び第2電極7(ab)」を設けたが、例えば小型化に際しての写真印刷技術を用いたエッチングで製作する場合はその製造を困難とする。したがって、例えば第6図に示したようにしてもよい。 In the first embodiment B, the divided drive electrodes 7 “first and second electrodes 7 (ab)” are provided on the inner surface of each tuning fork arm 5 (ab). In the case of manufacturing by etching using technology, the manufacturing is difficult. Therefore, for example, it may be as shown in FIG.
すなわち、駆動電極7の第1及び第2電極7(ab)を共通にした第7電極7eを内側面に設けて、外側面に第3及び第4電極7(cd)を設ける。そして、第7電極7eを基準電位E0とし、第2及び第3電極7(cd)に逆極性の交番電圧(駆動電圧)を印加してもよい。この場合でも、同様に両主面側で逆向きの電界が生ずるので、垂直同相振動を得られる。
That is, the
(第1実施形態C、請求項1、2、4、5)
第7図(ab)は本発明の第1実施形態Cを説明する加速度センサ素子の頭部から見た平面図である。第2実施形態では音叉状水晶片を単板ではなく、二枚の水晶片を直接接合によって貼り合わせた場合の例である。
(First embodiment C, claims 1, 2, 4, 5)
FIG. 7 (ab) is a plan view seen from the head of the acceleration sensor element for explaining the first embodiment C of the present invention. In the second embodiment, the tuning fork crystal piece is not a single plate, but two crystal pieces are bonded together by direct bonding.
音叉状水晶片6は表面(主面)が鏡面研磨されて親水化した二枚の水晶片6(ab)を例えばシロキサン結合(Si−O−Si)によって直接接合する。二枚の水晶片6(ab)は結晶軸の±X軸(電気軸)を互いに逆向きとして接合する。そして、一対の音叉腕5(ab)に駆動電極7及び検出電極8を形成する。なお、結晶軸YZ(機械軸、光軸)は基本的に±の極性はない。
The tuning
駆動電極7は一対の音叉腕5(ab)の各内側面に第8電極7fが、各外側面に第9電極7gが設けられる。そして、一方の音叉腕5aの内側面の第8電極7fと他方の音叉腕5bの外側面の第9電極7g、及び一方の音叉腕5aの外側面の第9電極7gと他方の音叉腕5bの内側面の第8電極7fを同電位として接続され、両者間は逆電位として駆動電圧(交番電圧)が印加される。検出電極8は各音叉腕5(ab)の両主面に設けられ、一主面に第5電極8aを、他主面に第4電極を8bを設ける「第7図(a)」。
The drive electrode 7 is provided with an
このようなものでは、前述の結線及び駆動電圧によって、一方の音叉腕5aでは内側面から外側面に、他方の音叉腕5bでは外側面から内側面に電界生ずると、各音叉腕5(ab)の動作は次になる「第7図(b)」。すなわち、各音叉腕5(ab)の二枚の水晶片6(ab)ではX軸の極性±が逆方向なので、一主面側では+X軸から−X軸に向かう電界となり、他主面側では−X軸から+X軸に向かう電界となる。したがって、二枚の水晶片6(ab)による一主面側と他主面側ではY軸方向への伸縮方向も逆になる。
In such a case, when the electric field is generated from the inner surface to the outer surface in one
例えば各音叉腕5(ab)の一主面側が+X軸から−X軸に向かう電界によって伸張したとすると、他主面側は−X軸から+X軸に向かう電界によって縮小する。そして、これとは逆向きの電界によって、一主面側が縮小したとすると、他主面側は伸張する。したがって、一対の音叉腕5(ab)は前述の第1及び第2実施形態ABと同様に主面に対して同一方向へ撓む垂直同相振動が生起される。 For example, if one main surface side of each tuning fork arm 5 (ab) is expanded by an electric field from the + X axis to the −X axis, the other main surface side is reduced by an electric field from the −X axis to the + X axis. Then, if one main surface side contracts due to an electric field in the opposite direction, the other main surface side expands. Accordingly, the pair of tuning fork arms 5 (ab) generate vertical in-phase vibrations that bend in the same direction with respect to the main surface, as in the first and second embodiments AB described above.
そして、一対の音叉腕5(ab)には垂直同相振動に伴う互いに前実施形態A(第3図参照)と同様に反対方向の回転モーメント±Mによるねじれ振動を生じる。これにより、音叉状水晶片6の主面に対して垂直方向の加速度aが加わると、各音叉腕5(ab)はコリオリの力Fcが作用して、開脚及び閉脚を繰り返す音叉振動を生じる。
The pair of tuning fork arms 5 (ab) generate torsional vibrations due to the rotational moments ± M in the opposite directions as in the previous embodiment A (see FIG. 3) due to vertical in-phase vibrations. As a result, when acceleration a in the vertical direction is applied to the main surface of the tuning-
この場合、一対の音叉腕5(ab)が開脚して、例えば各音叉腕5(ab)の内側面がY軸方向に伸張して外側面が収縮したとすると、電界(電荷)の発生は次になる。すなわち、ここでの音叉状水晶片6はX軸の極性(±)を逆向きとした二枚の水晶片6(ab)からなる。したがって、一方の音叉腕5aの一主面側で中心から外内側面(両側面)に向かう電界P1、P2が生じれば、他主面側では両側面から中心に向かう電界P1、P2となる。
In this case, if the pair of tuning fork arms 5 (ab) are opened, for example, the inner surface of each tuning fork arm 5 (ab) extends in the Y-axis direction and the outer surface contracts, an electric field (charge) is generated. Is next. That is, the tuning fork-shaped
そして、これらの電界P1、P2に基づく分解ベクトル成分によって、一方の音叉腕5aの一主面側の検出電極8aに正電荷を、外内側面(両側面)の駆動電極7(fg)には負電荷を発生する。そして、一方の音叉腕5aの他主面側ではこれとは逆に両側面の駆動電極7(fg)に正電荷を、他主面側の検出電極8bに負電荷を発生する。
Then, due to the decomposition vector component based on these electric fields P1 and P2, a positive charge is applied to the
この場合、両主面側のそれぞれでは両側面の駆動電極7(fg)に異符号の電荷となるので相殺され基本的に0電位となる。そして、他方の音叉腕5bでは、音叉振動であることから、水平方向の変位方向が一方の音叉腕5aとは逆向きなので、発生する正負電荷も逆符号になる。
In this case, on both main surfaces, the driving electrodes 7 (fg) on both sides have different signs of charges, so they are canceled out and basically become zero potential. Since the other
これらのことから、第1実施形態Cにおいても、検出電極8(ab)からの正負電荷を検出することによって、加速度aを測定できる。そして、音叉状水晶片2をX軸の極性が逆向きの二枚の水晶片6(ab)から形成する。したがって、各音叉腕5(ab)の両側面に形成する駆動電極7(ab)をそれぞれ分割することなく単一電極とするので、特に小型化に際して製造上の点で有利となる。 Therefore, also in the first embodiment C, the acceleration a can be measured by detecting positive and negative charges from the detection electrode 8 (ab). Then, the tuning fork crystal piece 2 is formed from two crystal pieces 6 (ab) whose X-axis polarities are opposite to each other. Therefore, since the drive electrodes 7 (ab) formed on both side surfaces of each tuning fork arm 5 (ab) are formed as a single electrode without being divided, it is advantageous in terms of manufacturing, particularly in downsizing.
(第2実施形態、請求項1、3、4、5)
第8図は本発明の第2実施形態を説明する加速度センサ素子の図で、同図(a)は作用を説明する頭部から見た平面図、同図(bc)は同側面図である。
(Second embodiment, claims 1, 3, 4, 5)
FIG. 8 is a diagram of an acceleration sensor element for explaining a second embodiment of the present invention. FIG. 8 (a) is a plan view seen from the head explaining the operation, and FIG. 8 (bc) is a side view thereof. .
第1実施形態(A〜C)では、いずれの場合も、駆動電極7によって一対の音叉腕5(ab)が板面(主面)に対して垂直方向であって互いに同方向に撓んで振動する垂直同相振動としたが、第2実施形態では主面に対して垂直方向であって互いに反対方向に撓んで振動する垂直逆相振動とする。 In the first embodiment (A to C), in any case, the drive electrode 7 causes the pair of tuning fork arms 5 (ab) to be perpendicular to the plate surface (main surface) and bend in the same direction and vibrate. In the second embodiment, the vertical in-phase vibration is a vertical anti-phase vibration that vibrates in a direction perpendicular to the main surface and in a direction opposite to each other.
すなわち、第2実施形態は、一方の音叉腕5aと他方の音叉腕5bでは駆動電極7による電界方向を逆向きとする。例えば第1実施形態Aに対応した電極配置にすると次の動作になる。すなわち、一方の音叉腕5aの一主面側では一主面内側の第1電極7aから一主面外側の第3電極7cへの、他主面側では他主面外側の第4電極から他主面内側の第2電極7bへの電界方向としたとき、他方の音叉腕5bの両主面側ではこれらとは逆向きの電界方向とする「第8図(a)」。
That is, in the second embodiment, the electric field direction by the drive electrode 7 is reversed in one
要するに、第2実施形態では一対の音叉腕5aでは一主面側が例えばX軸の極性と同一の電界方向として他主面側を逆向きの電界方向とし、他方の音叉腕5bの両主面側では一対の音叉腕5aとは逆にする。これに対し、第1実施形態では各音叉腕5(ab)ともに同一の電界方向とする。
In short, in the second embodiment, in the pair of
このようなものでは、一方の音叉腕5aの一主面側が伸張して他主面側が縮小すると「第8図(b)中の実線」、他方の音叉腕5bの一主面側が縮小して他主面側が伸張する(同点線)。したがって、一方の音叉腕5aは一主面側から他主面側に、他方の音叉腕5bは他主面側から一主面側に撓む「第8図(c)」。これにより、駆動電圧(交番電圧)D±の印加中、一対の音叉腕5(ab)は互いに反対方向の主面側に撓み、垂直逆相振動となる。
In such a case, when one main surface side of one
そして、この場合でも、第9図(軌跡図)に示したように、互いに反対方向に撓む各音叉腕5(ab)には遠心力によって回転方向を同一とした回転モーメントMが作用し、垂直逆相振動に伴って同方向での捩り振動を生ずる。したがって、音叉状水晶片6「一対の音叉腕5(ab)」に一主面側から加速度aが加わると、各音叉腕5(ab)が同一方向の回転なので、主面に水平方向で同方向となる例えば図の右向きのコリオリの力Fc(図中の実線)が生ずる。そして、一対の音叉腕5(ab)が反対方向に撓むと逆方向となる左向きのコリオリの力Fc(図中の点線)を生ずる。
Even in this case, as shown in FIG. 9 (trajectory diagram), the rotating moment M having the same rotational direction acts on the tuning fork arms 5 (ab) bent in opposite directions by centrifugal force, Torsional vibration in the same direction occurs with vertical antiphase vibration. Therefore, when acceleration a is applied to the tuning
これらにより、一対の音叉腕5(ab)は、コリオリの力Fcによって、第1実施形態での音叉振動、即ち各音叉腕が5(ab)が逆方向の水平方向に撓む水平逆相振動ではなく、第10図及び第11図に示したように、各音叉腕5(ab)が同方向の水平方向に撓む水平同相振動となる。この場合、一対の音叉腕5(ab)は例えば各内面側が伸張(縮小)して各外面側が収縮(伸張)する。 As a result, the pair of tuning fork arms 5 (ab) cause the tuning fork vibration in the first embodiment, that is, the horizontal anti-phase vibration in which each tuning fork arm 5 (ab) bends in the opposite horizontal direction by the Coriolis force Fc. Instead, as shown in FIGS. 10 and 11, the tuning fork arms 5 (ab) are horizontally in-phase oscillating in the same horizontal direction. In this case, for example, each inner surface side of the pair of tuning fork arms 5 (ab) expands (contracts) and each outer surface side contracts (extends).
そして、水平同相振動に伴う各音叉腕5(ab)の例えば中心から両側面に向かう同一方向の電界P1、P2によって、両主面の駆動電極7(ab)及び7(cd)から両側面の検出電極8(ab)に分解ベクトル成分を生じる(第12図)。これにより、各音叉腕5(ab)の駆動電極7(abcd)には例えば正電荷として検出電極(ab)には負電荷とし、両者間では逆電位となる同符号の電荷を発生する。そして、両側面から中心に向かう電界のとき、これらとは逆符号の電荷を発生する。 Then, for example, electric fields P1 and P2 in the same direction from the center to both side surfaces of each tuning fork arm 5 (ab) accompanying horizontal in-phase vibrations cause drive electrodes 7 (ab) and 7 (cd) on both main surfaces to A decomposition vector component is generated in the detection electrode 8 (ab) (FIG. 12). As a result, for example, a positive charge is applied to the drive electrode 7 (abcd) of each tuning fork arm 5 (ab), and a negative charge is generated to the detection electrode (ab). Then, when the electric field is directed from both side surfaces toward the center, charges having opposite signs are generated.
したがって、第2実施形態Aでも、これらの正負電荷を検出することによって、加速度aを測定できる。そして、この場合には、駆動電極7(abcd)によって一対の音叉腕5(ab)を垂直逆相振動とするので、第1実施形態での垂直同相振動の場合に比較し、音叉基部4を保持した場合の振動漏れを少なくする。したがって、駆動効率を高められる。
Therefore, also in the second embodiment A, the acceleration a can be measured by detecting these positive and negative charges. In this case, since the pair of tuning fork arms 5 (ab) is caused to have vertical anti-phase vibration by the drive electrode 7 (abcd), the
なお、第2実施形態では第1実施形態Aと同一の電極配置として一対の音叉腕5(ab)に印加する電界方向を異ならせたが、第1実施形態Bの電極配置であっても同様に適用できる。また、第2実施形態では単板による音叉状水晶片6としたが、第1実施形態Cの直接接合による貼り合わせであっても適用できる。
In the second embodiment, the direction of the electric field applied to the pair of tuning fork arms 5 (ab) is changed as the same electrode arrangement as in the first embodiment A, but the same applies to the electrode arrangement in the first embodiment B. Applicable to. In the second embodiment, the tuning fork-
(第3実施形態、請求項1、2、4、5)
第13図は本発明の第3実施形態を説明する加速度センサ素子の図で、同図(ac)は特に作用を説明する正面図、同図(b)は同側面図である。なお、第3実施形態は第1及び第2実施形態の音叉状水晶片を上下に設けてH状とした場合の例である。
(Third embodiment, claims 1, 2, 4, 5)
FIG. 13 is a view of an acceleration sensor element for explaining a third embodiment of the present invention. FIG. 13 (ac) is a front view for explaining the operation, and FIG. 13 (b) is a side view thereof. In addition, 3rd Embodiment is an example at the time of providing the tuning fork-shaped crystal piece of 1st and 2nd embodiment up and down, and making it H shape.
すなわち、第3実施形態では、一対の音叉腕5(ab)及び5(cd)が音叉基部4から互いに反対方向の上下方向に延出したH状とし、上部音叉6xと下部音叉6yからなる上下4脚2音叉とする。そして、上下音叉6(xy)の延出始端である音叉基部4の例えば点線○で示す他主面の中央部を支持点(保持位置)とする。
That is, in the third embodiment, a pair of tuning fork arms 5 (ab) and 5 (cd) are formed in an H shape extending in the vertical direction opposite to each other from the
上部及び下部音叉6(xy)の各音叉腕5(ab)及び5(cd)は第1実施形態Aと同様の電極配置として垂直同相振動とする。そして、この例では、上部音叉6xの音叉腕5(ab)が図中の○×で示すように一主面側から他主面側に撓むと、下部音叉6yの音叉腕5(cd)は同○黒点で示すように他主面側から一主面側に撓み、主面に対して互いに反対方向(逆相)として撓ませる。なお、第13図(b)では二重矢印で撓み方向を示している。
The tuning fork arms 5 (ab) and 5 (cd) of the upper and lower tuning forks 6 (xy) have the same electrode arrangement as that of the first embodiment A, and have vertical in-phase vibration. In this example, when the tuning fork arm 5 (ab) of the
このようなものでは、第1実施形態(例えば第3図)で述べたように、上部音叉6xの各音叉腕5(ab)は垂直同相振動に伴う遠心力によって一主面側から他主面側への互いに反対方向の回転モーメント±Mによる捩れ振動を生じる。また、下部音叉6yの各音叉腕5(cd)は他主面側から一主面側への互いに反対方向の回転モーメントによる捩れ振動を生じる。
In such a case, as described in the first embodiment (for example, FIG. 3), each tuning fork arm 5 (ab) of the
この状態で、例えば一主面側から加速度aが加わると、上部音叉6xでは、各音叉腕5(ab)が例えば内側から外側へのコリオリの力Fcを受けて外側に撓む。また、下部音叉6yでは、各音叉腕5(cd)が外側から内側へのコリオリの力Fcを受けて内側に撓む「第13図(c)」。
In this state, for example, when acceleration a is applied from one main surface side, in the
そして、上部及び下部音叉6(xy)の各音叉腕5(ab)及び5(cd)の駆動電圧による撓み方向が反対方向になると、各音叉腕5(ab)及び5(cd)の作用するコリオリの力Fcも逆向きになる。したがって、上下音叉6(xy)の各音叉腕5(ab)及び5(cd)は互いに反対方向の音叉振動(水平逆相振動)となる。これらのことから、上部及び下部音叉6(xy)の音叉振動による電荷を検出することによって、加速度aを測定できる。 When the bending directions of the tuning fork arms 5 (ab) and 5 (cd) of the upper and lower tuning forks 6 (xy) by the driving voltages are opposite, the tuning fork arms 5 (ab) and 5 (cd) act. The Coriolis force Fc is also reversed. Therefore, the tuning fork arms 5 (ab) and 5 (cd) of the upper and lower tuning forks 6 (xy) are in the opposite directions of tuning fork vibrations (horizontal antiphase vibrations). From these facts, the acceleration a can be measured by detecting the electric charge caused by the tuning fork vibration of the upper and lower tuning forks 6 (xy).
このようなものでは、上下音叉6(xy)を有するH状の4脚2音叉として、例えば加速度aによる電荷を上下音叉6(xy)の各音叉腕5(ab)及び5(cd)で検出する。したがって、従来の単純2脚音叉に比較して検出電荷量を多くするので、検出感度を高められる。 In such a case, as an H-shaped four-legged two tuning fork having an upper and lower tuning fork 6 (xy), for example, the charge due to acceleration a is detected by each tuning fork arm 5 (ab) and 5 (cd) of the upper and lower tuning fork 6 (xy). To do. Accordingly, the detection charge amount is increased as compared with the conventional simple biped tuning fork, so that the detection sensitivity can be increased.
また、ここでは、上下音叉6(xy)の各音叉腕5(ab)及び5(cd)を垂直同相振動として、上下音叉6(xy)間では互いに反対方向とする。したがって、上部音叉6xの音叉腕5(ab)と下部音叉6の音叉腕5(cd)とは、音叉基部4の保持位置を支点として、言わばシーソー運動とする「第13図(b)」。したがって、上下音叉6(xy)での互いに反対方向の垂直同相振動を増長し、駆動電圧に対する撓み量も多くして駆動効率を高められる。
Also, here, the tuning fork arms 5 (ab) and 5 (cd) of the upper and lower tuning forks 6 (xy) are set as vertical in-phase vibrations, and are opposite to each other between the upper and lower tuning forks 6 (xy). Therefore, the tuning fork arm 5 (ab) of the
さらに、上下音叉6(xy)の各音叉腕5(ab)及び5(cd)は、加速度aによるコリオリの力Fcによって、互いに反対方向に音叉振動する「第13図(c)」。したがって、この場合も保持位置を支点として上下音叉6(xy)各斜め方向の音叉腕がシーソー運動(ここでは例えばハサミ運動)する。したがって、上下音叉腕6(xy)間での音叉振動を増長し、検出感度を更に高められる。 Further, the tuning fork arms 5 (ab) and 5 (cd) of the upper and lower tuning forks 6 (xy) vibrate in a direction opposite to each other by the Coriolis force Fc caused by the acceleration a (FIG. 13 (c)). Therefore, also in this case, the upper and lower tuning fork 6 (xy) each tuning fork arm in the diagonal direction performs seesaw motion (here, for example, scissors motion) with the holding position as a fulcrum. Therefore, the tuning fork vibration between the upper and lower tuning fork arms 6 (xy) is increased, and the detection sensitivity can be further increased.
なお、第3実施形態では第1実施形態Aの電極配置を例として説明したが、第1実施形態Bや直接接合とした貼り合わせの第1実施形態Cの場合でも同様に適用できる。 In the third embodiment, the electrode arrangement of the first embodiment A has been described as an example, but the same applies to the case of the first embodiment B or the first embodiment C of direct bonding.
(第4実施形態、請求項1、3、4、5)
第14図は本発明の第4実施形態を説明する加速度センサ素子の図で、同図(ab)ともに特に作用を説明する正面図である。
(Fourth embodiment, claims 1, 3, 4, 5)
FIG. 14 is a diagram of an acceleration sensor element for explaining a fourth embodiment of the present invention, and FIG.
第4実施形態では第3実施形態と同様にH状とした4脚2音叉とし、上部及び下部音叉6(xy)の各音叉腕5(ab)及び5(cd)を第2実施形態と同様の垂直逆相振動とする。そして、上部及び下部音叉6(xy)の一方の斜め方向の音叉腕5(ac)を同相とし、他方の斜め方向の音叉腕5(bd)を同相として一方の斜め方向の音叉腕5(ac)とは逆相とする。なお、これらの振動を得る電極配置及び電界方向は第2実施形態ABCと同様にして得られる。 In the fourth embodiment, as in the third embodiment, a four-legged two tuning fork is formed in an H shape, and the tuning fork arms 5 (ab) and 5 (cd) of the upper and lower tuning forks 6 (xy) are the same as in the second embodiment. The vertical antiphase vibration of Then, one diagonal tuning fork arm 5 (ac) of the upper and lower tuning forks 6 (xy) is in phase, and the other diagonal tuning fork arm 5 (bd) is in phase, and one diagonal tuning fork arm 5 (ac) ) And opposite phase. The electrode arrangement and the electric field direction for obtaining these vibrations are obtained in the same manner as in the second embodiment ABC.
このようなものでは、例えば一方の斜め方向となる上下音叉6(xy)の音叉腕6(ac)が一主面側から他主面側に撓むと、他方の斜め方向となる音叉腕6(bd)が他主面側から一主面側に撓む。したがって、上部音叉6xの各音叉腕6(ab)は回転方向を左回りの同一とした回転モーメントMによる捩れ振動を、また、下部音叉腕6(cd)はこれとは逆となる右回りの同一とした回転モーメント−Mによる捩れ振動を生じる。
In such a case, for example, when the tuning fork arm 6 (ac) of the upper and lower tuning forks 6 (xy) in one diagonal direction bends from one main surface side to the other main surface side, the other tuning fork arm 6 ( bd) bends from the other main surface side to the one main surface side. Accordingly, each tuning fork arm 6 (ab) of the
そして、一主面側に不図示の加速度aが加わると、第2実施形態(第10図及び第11図)で説明したように、上部音叉6xの各音叉腕5(ab)には左から右方向のコリオリの力Fcが、下部音叉6yの各音叉腕5(cd)にはこれとは逆に右から左方向のコリオリの力Fcが作用する。
When an acceleration a (not shown) is applied to one principal surface side, as described in the second embodiment (FIGS. 10 and 11), each tuning fork arm 5 (ab) of the
したがって、上部及び下部音叉6(xy)はいずれも前述した水平同相振動として、上部及び下部音叉6(xy)間では互いに反対方向(逆相)になる「第14図(b)」。そして、各音叉腕5(ab)及び5(cd)の振動によって生ずる正負電荷を検出することによって、加速度aを測定できる。 Therefore, the upper and lower tuning forks 6 (xy) are both in the horizontal in-phase vibration described above, and are in opposite directions (reverse phase) between the upper and lower tuning forks 6 (xy) (FIG. 14B). The acceleration a can be measured by detecting positive and negative charges generated by vibrations of the tuning fork arms 5 (ab) and 5 (cd).
これによれば、上部及び下部音叉6(xy)には互いに逆周りの回転モーメントが作用するので、各音叉腕5(ab)及び5(cd)の捩れ振動も強勢になる。したがって、駆動効率を高めるとともに、加速度aによるコリオリの力Fcも大きくなって検出感度を高められる。なお、この場合でも、第3実施形態と同様に、H状として4脚2音叉とするので、検出感度が高まる。 According to this, since the rotational moments opposite to each other act on the upper and lower tuning forks 6 (xy), the torsional vibrations of the tuning fork arms 5 (ab) and 5 (cd) also become strong. Therefore, the driving efficiency is increased, and the Coriolis force Fc due to the acceleration a is increased, so that the detection sensitivity can be increased. Even in this case, as in the third embodiment, the detection sensitivity is increased because the four-legged 2-tuning fork is used as the H shape.
(他の事項)
上記の各実施形態では、単純2脚音叉(第1、第2実施形態)及びH状4脚2音叉として説明したが、例えば第15図(ab)に示したように、各音叉腕5(ab)及び各音叉腕5(ab)、5(cd)の先端側に幅方向に突出した重錘8を設けてもよい。この場合、重錘8によって回転モーメントが増して捩れ振動を強勢にできる。
(Other matters)
In each of the above embodiments, a simple two-leg tuning fork (first and second embodiments) and an H-shaped four-leg two tuning fork have been described. For example, as shown in FIG. 15 (ab), each tuning fork arm 5 ( a weight 8 protruding in the width direction may be provided on the tip side of each of the ab) and the tuning fork arms 5 (ab), 5 (cd). In this case, the rotational moment is increased by the weight 8 and the torsional vibration can be made strong.
1 音叉本体、2 駆動用圧電体、3 検出用圧電体、4 音叉基部、5 音叉腕、6
音叉状水晶片、7 駆動電極、8 検出電極、9 支持点(保持位置)、10 重錘。
1 tuning fork body 2 driving piezoelectric body 3 detecting
Tuning fork crystal piece, 7 drive electrode, 8 detection electrode, 9 support point (holding position), 10 weight.
Claims (6)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2007126229A JP2008281455A (en) | 2007-05-11 | 2007-05-11 | Acceleration sensor element |
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| JP2007126229A JP2008281455A (en) | 2007-05-11 | 2007-05-11 | Acceleration sensor element |
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ID=40142386
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| JP2007126229A Pending JP2008281455A (en) | 2007-05-11 | 2007-05-11 | Acceleration sensor element |
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|---|---|
| JP (1) | JP2008281455A (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN103033175A (en) * | 2011-09-29 | 2013-04-10 | 精工爱普生株式会社 | Sensor element, method for manufacturing sensor element, sensor device, and electronic apparatus |
-
2007
- 2007-05-11 JP JP2007126229A patent/JP2008281455A/en active Pending
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