DE10147997A1 - Beschleunigungssensor - Google Patents

Abstract

Ein Beschleunigungssensor umfaßt ein Bimorph-Typ-Beschleunigungserfassungselement, das einen ersten Resonator und einen zweiten Resonator, wobei jeder Resonator aus einem piezoelektrischen Körper gebildet ist und Elektroden aufweist, die an beiden Hauptoberflächen derselben angeordnet sind, und eine Zwischenschicht umfaßt. Das Beschleunigungserfassungselement wird durch ein Verbinden des ersten Resonators und des zweiten Resonators mit der Zwischenschicht, die zwischen denselben angeordnet ist, hergestellt. Das Beschleunigungserfassungselement wird an einem longitudinalen Ende oder an gegenüberliegenden longitudinalen Enden desselben derart getragen, daß der erste und der zweite Resonator einstückig unter einer Beschleunigung abgelenkt werden. Die Zwischenschicht ist hart genug, um eine Biegespannung in entweder dem ersten oder dem zweiten Resonator auf den anderen des ersten und des zweiten Resonators zu übertragen, wobei die Vibration des ersten oder des zweiten Resonators gedämpft wird, wenn die Vibration von dem einen zu dem anderen des ersten und des zweiten Resonators übertragen wird. Eine Beschleunigung wird durch ein 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 unter einer Beschleunigung auftreten.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Beschleu­ nigungssensor.

Das japanische Patent Nr. 2780594 offenbart einen Beschleu­ nigungssensor, der eine piezoelektrische Keramik verwendet. Dieser Beschleunigungssensor umfaßt ein Bimorph-Typ- Erfassungselement, das durch Laminieren eines Paars piezo­ elektrischer Vorrichtungen, die aus piezoelektrischen Kera­ miken gebildet sind, in einen Einheitskörper erzeugt wird. Das Erfassungselement wird an beiden Enden desselben ge­ stützt und in einem Gehäuse untergebracht. Wenn eine Be­ schleunigung auf den Beschleunigungssensor wirkt, wird das Erfassungselement abgelenkt, wobei eine Spannung in dem Er­ fassungselement erzeugt wird. Der Beschleunigungssensor er­ faßt eine Beschleunigung durch das Erfassen einer Ladung oder Spannung, die durch Piezoelektrizität erzeugt wird. Der Beschleunigungssensor ist kompakt genug, um ohne weite­ res in eine Oberflächenbefestigungskomponente (eine Chip­ komponente) strukturiert zu werden.

Bei dem Beschleunigungssensor, der mit diesem Prinzip ar­ beitet, wird ein Vorspannungsstrom, der von einer Schaltung des Sensors in den piezoelektrischen Körper fließt, in ei­ nen Kondensator C des piezoelektrischen Körpers geladen, wobei ein Widerstand R benötigt wird, um den Vorspannungs­ strom abzuleiten. Der Widerstand R und der Kondensator C bilden ein Filter, wodurch ein Gleichsignal und eine Nied­ rigfrequenzkomponente unter einer Grenzfrequenz desselben unerfaßt bleiben.

Bei einem bekannten Beschleunigungssensor (in der ungeprüf­ ten 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 Stimm­ gabelträgerstruktur befestigt sind, einer Zugspannung und einer Druckspannung an mittleren Trägheitsabschnitten (Ge­ wichtsabschnitten) unterworfen, wobei eine Beschleunigung aus einer Frequenzdifferenz erfaßt wird, die zwischen den beiden Vibratoren auftritt. Dieser Beschleunigungssensor erfaßt eine Gleichsignal- und eine Niedrigfrequenzkomponen­ te.

Da der Beschleunigungssensor mit einem derartigen Aufbau den Trägerkörper einer Stimmgabel aufweist, wird der Ent­ wurf 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.

Der Stimmgabelvibrator ist als ein bimodaler Stimmgabelvi­ brator entworfen, um in einem Kombinationsvibrationsmodus zu vibrieren, in dem ein Torsionsvibrationsmodus und ein Biegevibrationsmodus kombiniert sind, wodurch die Abhängig­ keit einer Vorspannungsfrequenz von der Temperatur redu­ ziert wird. Diese Anordnung kann die Temperaturabhängigkeit derselben nicht vollständig beseitigen.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin besteht, einen kompakten Hochleistungsbeschleunigungssensor zu liefern, der oberflächenmontiert werden kann und unempfindlich ge­ genüber anderen Faktoren als einer Beschleunigung, wie z. B. Temperaturveränderungen, ist.

Diese Aufgabe wird durch einen Beschleunigungssensor gemäß Anspruch 1 gelöst.

Gemäß einem Aspekt umfaßt die vorliegende Erfindung ein Bi­ morph-Typ-Beschleunigungserfassungselement, das einen er­ sten Resonator, einen zweiten Resonator und eine Zwischen­ schicht 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 Zwischen­ schicht ist hart genug, um eine Biegespannung in dem ersten oder dem zweiten Resonator zu dem jeweils anderen des er­ sten 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 Beschleunigungserfas­ sungselement wird an einem longitudinalen Ende oder an bei­ den 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 Impedanz­ änderungen des ersten Resonators und des zweiten Resonators erfaßt, die durch die Ablenkung des Beschleunigungserfas­ sungselements bewirkt wird.

Der Beschleunigungssensor der vorliegenden Erfindung weist eine bimorphe Struktur auf, bei der das Beschleunigungser­ fassungselement 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 Be­ schleunigungserfassungselement abgelenkt und verformt, wo­ bei dann eine Zugspannung auf den einen Resonator wirkt und eine Druckspannung auf den anderen Resonator. Die Zwischen­ schicht hat die Funktion, die beiden Resonatoren bei der Vibrationsübertragung mechanisch mäßig zu koppeln. Anders ausgedrückt werden die Vibrationen des einen Resonators ge­ dämpft, um an den anderen Resonator übertragen zu werden.

Aus diesem Grund vibriert jeder Resonator bei seiner Eigen­ frequenz. Die Frequenz des Resonators an der Zugseite des Elements wird niedriger, während die Frequenz des Resona­ tors auf der Druckseite des Elements höher wird. Eine Be­ schleunigung wird so durch ein unterschiedliches Aufnehmen einer Differenz zwischen Frequenzänderungen der beiden Re­ sonatoren oder einer Differenz zwischen Impedanzänderungen der beiden Resonatoren erfaßt.

Da die Frequenzdifferenz oder die Impedanzdifferenz erfaßt wird und nicht die Frequenzänderungen der beiden Resonato­ ren oder die Impedanzänderungen der beiden Resonatoren ein­ zeln 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.

Vorzugsweise ist die Zwischenschicht aus einer elastischen Haftschicht aufgebaut. Die Zwischenschicht überträgt eine Biegespannung, wobei die Vibration des einen Resonators ge­ dämpft wird, um zu dem anderen Resonator übertragen zu wer­ den. Unter Verwendung der elastischen Haftschicht werden diese Funktionen ohne weiteres durchgeführt.

Ein Haftmittel auf Epoxidbasis, ein Epoxid-Acryl-Haftmittel oder ein Haftmittel auf Silikonbasis kann für die elasti­ sche Haftschicht verwendet werden. Wenn das Haftmittel auf Epoxidbasis oder das Epoxid-Acryl-Mittel verwendet wird, kann die Dicke desselben einige Mikrometer bis Dutzende Mi­ krometer dick sein. Wenn das Haftmittel auf Silikonbasis verwendet wird, beträgt die Dicke desselben aufgrund seines kleinen elastischen Koeffizienten mehrere Mikrometer.

Vorzugsweise ist sowohl der erste als auch der zweite Reso­ nator 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 Vibrationsre­ gion des ersten und des zweiten Resonators und flächenmäßig kleiner als eine Ablenkungsregion des ersten und des zwei­ ten Resonators, die gemäß einer Beschleunigung abgelenkt werden.

Ein Laminieren des Resonators und der Zwischenschicht an den gesamten Oberflächen derselben ist akzeptabel. Es wird jedoch angemerkt, daß eine derartige Anordnung das Verhal­ ten 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 longitudi­ nalen Mitte derselben den Zwischenraum aufweist, der flä­ chenmäßig größer als eine eingeschlossene Vibrationsregion jedes Resonators und flächenmäßig kleiner als eine Ablen­ kungsregion jedes Resonators ist, der unter einer Beschleu­ nigung abgelenkt wird, wird die Übertragung der Vibration gesteuert, selbst wenn das nichtelastische Material als die Zwischenschicht verwendet wird. Ferner überträgt die Zwi­ schenschicht eine Biegespannung von einem Resonator auf den anderen.

Vorzugsweise ist die äußere Oberfläche des Beschleunigungs­ erfassungselements, die in eine Richtung zeigt, in der eine Beschleunigung ausgeübt wird, mit einem Gehäusebauglied be­ deckt, wobei jede offene Oberfläche, die das Beschleuni­ gungserfassungselement 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.

Das Beschleunigungserfassungselement ist vollständig von dem Gehäusebauglied und dem Abdeckbauglied eingeschlossen und ist deshalb zur Verwendung als eine oberflächenbefe­ stigte elektronische Komponente geeignet.

Der Beschleunigungssensor der vorliegenden Erfindung ver­ wendet zwei Verfahren zum unterschiedlichen Aufnehmen der Signale von dem ersten Resonator und dem zweiten Resonator und zum Erhalten eines Signals, das proportional zu der Be­ schleunigung ist, die auf das Beschleunigungserfassungsele­ ment 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 Beschleuni­ gung ist, aus der Frequenzdifferenz bestimmt wird. Bei dem anderen Verfahren schwingen der erste und der zweite Reso­ nator mit der gleichen Frequenz, wobei entweder eine Pha­ sendifferenz oder eine Amplitudendifferenz aus einer Diffe­ renz zwischen elektrischen Impedanzen der beiden Resonato­ ren erzielt wird, und wobei ein Signal, das proportional zu der Beschleunigung ist, entweder aus der Phasendifferenz oder der Amplitudendifferenz bestimmt wird.

Eine Beschleunigung wird sehr genau unter Verwendung eines der beiden oben erwähnten Verfahren erfaßt.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend Bezug nehmend auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine allgemeine perspektivische Ansicht, die ein erstes Ausführungsbeispiel eines Beschleunigungs­ sensors der vorliegenden Erfindung zeigt;

Fig. 2 eine auseinandergezogene perspektivische Ansicht, die den Beschleunigungssensor aus Fig. 1 zeigt;

Fig. 3 eine auseinandergezogene perspektivische Ansicht, die den Beschleunigungssensor aus Fig. 1 zeigt, wobei ein Abdeckbauglied entfernt ist;

Fig. 4 eine Seitenansicht, die den Beschleunigungssensor aus Fig. 1 zeigt, der an einer gedruckten Schal­ tungsplatine befestigt ist;

Fig. 5 eine Querschnittsansicht des Beschleunigungssen­ sors, die entlang einer Linie V-V aus Fig. 4 ge­ nommen ist;

Fig. 6A bis 6C Verfahrensdiagramme, die das Herstellungsverfah­ ren zum Herstellen des Beschleunigungssensors aus Fig. 1 zeigen;

Fig. 7 ähnelt der Querschnittsansicht aus Fig. 5, die entlang der Linie V-V aus Fig. 4 genommen ist, zeigt jedoch ein zweites Ausführungsbeispiel des Beschleunigungssensors der vorliegenden Erfin­ dung;

Fig. 8 ein Schaltungsdiagramm, das eine Beschleunigungs­ erfassungsvorrichtung unter Verwendung des Be­ schleunigungssensors der vorliegenden Erfindung zeigt; und

Fig. 9 ein Schaltungsdiagramm, das eine andere Beschleu­ nigungserfassungsvorrichtung unter Verwendung des Beschleunigungssensors der vorliegenden Erfindung zeigt.

Die Fig. 1 bis Fig. 5 zeigen den Beschleunigungssensor 1A eines ersten Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfin­ dung. Der Beschleunigungssensor 1A umfaßt ein Bimorph-Typ- Beschleunigungserfassungselement 2, das an beiden Enden desselben in Isolationsgehäusen 6 und 7, die aus einer Ke­ ramik hergestellt sind, gestützt wird. Das Beschleunigungs­ erfassungselement 2 wird durch ein Verbinden von streifen­ artigen 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 Re­ sonator 4 Elektroden 4a und 4b an beiden Hauptoberflächen desselben aufweist. Jeder Resonator 3 und 4 ist ein Scher­ vibrationsmodusresonator 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 Mit­ telabschnitt des Resonators 4 zugewandt und erstrecken sich von dort in Richtung von unterschiedlichen, gegenüberlie­ genden Enden des Resonators 4.

Die Resonatoren 3 und 4 sind mit der Zwischenschicht 5 aus einem elastischen Haftmittel, die zwischen denselben ange­ ordnet 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, ke­ ramischen Substraten, die die gleiche Form aufweisen, her­ gestellt sind, liegt eine biegemäßig neutrale Ebene des Be­ schleunigungserfassungselements 2 ansprechend auf eine Be­ schleunigung G in der Zwischenschicht 5 (wie in Fig. 5 durch eine gestrichelte Linie N dargestellt ist).

Die gegenüberliegenden externen Oberflächen des Beschleuni­ gungserfassungselements 2, die in eine Richtung zeigen, in der eine Beschleunigung G ausgeübt wird, sind von einem Paar von Gehäusebaugliedern 6 und 6 umgeben. Jedes Gehäuse­ bauglied 6 weist einen flachen U-förmigen Querschnitt auf, wobei beide hervorstehenden Segmente 6a desselben fest mit äußeren, gegenüberliegenden Enden des Beschleunigungserfas­ sungselements 2 (äußere Oberflächen der Resonatoren 3 und 4) verbunden sind. Ausnehmungen 6b bilden so jeweils Zwi­ schenräume zwischen dem einen Gehäusebauglied 6 und dem Be­ schleunigungserfassungselement 2 bzw. zwischen dem anderen Gehäusebauglied 6 und dem Beschleunigungserfassungselement 2. Die Zwischenräume ermöglichen es so, daß das Beschleuni­ gungserfassungselement 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 Beschleunigungserfassungsele­ ment 2 jeweils nicht zu berühren. Die umgebenden Konturab­ schnitte der Abdeckungsbauglieder 7 sind fest mit der obe­ ren und der unteren Oberfläche des Aufbaus verbunden. Ver­ schiebbare Abschnitte des Beschleunigungserfassungselements 2 sind vollständig in den Gehäusebaugliedern 6 und dem Ab­ deckungsbauglied 7 eingeschlossen.

Die Gehäusebauglieder 6 und das Abdeckbauglied 7 sind aus isolierenden Materialien gefertigt. Insbesondere können diese Komponenten aus einem Keramiksubstrat oder einem Harzsubstrat hergestellt sein.

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 Beschleu­ nigungserfassungselement 2 und zwischen dem anderen Gehäu­ sebauglied 6 und dem Beschleunigungserfassungselement 2 an­ geordnet ist, sichergestellt ist, können die Gehäusebau­ glieder 6 aus einem ebenen Bauglied gebildet sein. Da die Ablenkung jedes Beschleunigungserfassungselements 2 unter der Beschleunigung G eine kleine Amplitude aufweist, lie­ fert die Dicke der Haftschicht einen ausreichend großen Vi­ brationsraum.

Ähnlich wird, da ein Zwischenraum durch die Dicke einer Haftschicht, die in der inneren Oberfläche des Abdeckungs­ bauglieds 7 angebracht ist, gebildet ist, die den Zwischen­ raum bildende Ausnehmung 7a in der inneren Oberfläche des Abdeckungsbauglieds 7 weggelassen.

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 ange­ ordnet ist, der aus dem Beschleunigungserfassungselement 2 und den Gehäusebaugliedern 6 besteht, wobei das innere Elektrodenband 61 aus der äußeren Oberfläche des Gehäuse­ bauglieds 6 herausgeleitet ist. Die Elektrode 3b wird aus der äußeren Oberfläche des Gehäusebauglieds 6 durch ein in­ neres Elektrodenband 62 herausgeleitet, das an der oberen offenen Oberfläche des Aufbaus angeordnet ist. Die Elektro­ de 4a ist aus einer anderen äußeren Oberfläche des Gehäuse­ bauglieds 6 durch ein inneres Elektrodenband 63 herausge­ leitet, das an der unteren offenen Oberfläche des Aufbaus angeordnet ist.

Bezug nehmend auf Fig. 1 weisen die Gehäusebauglieder 6 und das Abdeckungsbauglied 7 an den äußeren Oberflächen dersel­ ben äußere Elektroden 71, 72 und 73 auf. Die inneren Elek­ trodenbänder 61, 62 und 63 sind jeweils elektrisch mit den äußeren Elektroden 71, 72 und 73 verbunden. Auf diese Weise wird ein Oberflächenbefestigung-Chip-Typ-Beschleunigungs­ sensor geschaffen.

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 Beschleunigungserfassungs­ elements 4 verbunden. Alternativ können die vier Elektroden 3a, 3b, 4a und 4b unabhängig zu jeweiligen äußeren Elektro­ den geleitet sein. In diesem Fall können die vier inneren Elektrodenbänder und die vier äußeren Elektrodenbänder ver­ wendet werden.

Fig. 4 zeigt den Beschleunigungssensor 1A, der an einer Schaltungsstruktur Pa einer gedruckten Schaltungsplatine PCB befestigt ist.

Fig. 6 zeigt ein Herstellungsverfahren zum Herstellen des Beschleunigungssensors 1A, der den oben erwähnten Aufbau aufweist.

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 Verwen­ dung eines Haftmittels in eine Einheitsstruktur verbunden. Ein Block B1 wird erzielt, indem eine Mehrzahl von Laminat­ strukturen (siehe Fig. 6A) gestapelt wird. Der Block B1 wird entlang Schnittlinien S, wie dies in Fig. 6A gezeigt ist, vereinzelt, wobei eine Mehrzahl von einzelnen Blöcken B2 so erhalten wird (siehe Fig. 6B).

Die vereinzelten Blöcke B2 werden auf die Seite gelegt, wo­ bei Abdeckungsbaugliedlagen 7M, die eine Anzahl von Zwi­ schenräumen aufweisen, die an den inneren Oberflächen der­ selben Ausnehmungen 7a bilden, mit jedem einzelnen Block B2 von oben und unten verbunden werden, wie in Fig. 6C gezeigt ist. Ein Endblock wird so erhalten. Die Abdeckungsbauglied­ lage 7M weist Strukturen auf, die als äußere Elektroden dienen. Der Endblock wird vertikal und horizontal in ein­ zelne Sensorvorrichtungen geschnitten. Elektroden werden an den Seiten und Enden jeder vereinzelten Sensorvorrichtung unter Verwendung eines Sputtern-Verfahrens angeordnet. Der Beschleunigungssensor 1A, der in Fig. 1 gezeigt ist, ent­ steht so.

Da die Lagen für jedes Bauglied vorbereitet und dann in dem Zustand von Lagen und nicht von einzelnen Streifen auf die­ se Weise laminiert und miteinander verbunden werden, ist ein Produktionsertrag hoch, wobei ein Beschleunigungssensor 1A mit gleichbleibender Qualität und mit niedrigen Kosten geschaffen wird.

Fig. 7 zeigt einen Beschleunigungssensor 1B eines zweiten Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung.

Der Beschleunigungssensor 1B umfaßt zwei Zwischenschichten 5a und 5b, wobei ein Zwischenraum 5c zwischen denselben ge­ bildet ist. Der Zwischenraum 5c ist flächenmäßig breiter als eine Region der eingeschlossenen Vibration jedes Reso­ nators 3 und 4 und flächenmäßig kleiner als eine Ablenkre­ gion jedes Resonators 3 und 4 unter einer Beschleunigung.

Bei dem ersten Ausführungsbeispiel sind die Resonatoren 3 und 4 auf der gesamten Oberfläche derselben zusammenlami­ niert, 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 ver­ schlechtert. Das Material der Zwischenschicht 5 muß aus be­ stimmten Materialien ausgewählt sein, die eine geeignete Härte und eine geeignete Elastizität aufweisen.

Bei dem zweiten Ausführungsbeispiel ist der Vibrationsraum 5c zwischen den beiden Zwischenschichten 5a und 5b gebil­ det. Die Übertragung einer Vibration zwischen den Resonato­ ren 3 und 4 wird so gesteuert, selbst wenn ein Haftmittel, das eine hohe Verbindungskraft aufweist (wie z. B. ein Haft­ mittel auf Epoxidbasis), als die Zwischenschicht 5 verwen­ det wird. Da die Resonatoren 3 und 4 einen Schervibrations­ modus 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 er­ zeugt, während eine Druckspannung in dem anderen Resonator erzeugt wird.

Die Abdeckbauglieder 7 (nicht gezeigt) sind mit offenen Oberflächen der Resonatoren 3 und 4 und den Gehäusebauglie­ dern 6 verbunden, wie in Fig. 2 gezeigt ist.

Fig. 8 zeigt eine Beschleunigungserfassungsvorrichtung, die den Beschleunigungssensor 1A verwendet. Die Vorrichtung verwendet unabhängige Vibrationen der Beschleunigungserfas­ sungselemente 3 und 4. Die äußeren Elektroden 71 und 72 des Beschleunigungssensors 1A sind mit einer Oszillatorschal­ tung 8a verbunden, wobei die äußeren Elektroden 71 und 73 mit einer Oszillatorschaltung 8b verbunden sind. Die Oszil­ latorschaltungen 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 Fre­ quenzdifferenzzähler 8c eingegeben werden. Der Frequenzdif­ ferenzzähler 8c gibt ein Signal V₀, das proportional zu der Frequenzdifferenz ist, aus.

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 Beschleunigungssen­ sor 1A ausgeübt wird, wirkt eine Trägheit in einer Rich­ tung, die entgegengesetzt zu der Richtung der ausgeübten Beschleunigung ist, auf das Beschleunigungserfassungsele­ ment 2. Der Mittelabschnitt des Beschleunigungserfassungs­ elements 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 Fig. 5 gezeigt ist. Bei dem Resonator, der mit dem Dickenschervibrationsmodus arbeitet, fällt die Schwingfre­ quenz des Zugresonators 3, während die Schwingfrequenz des Druckresonators 4 ansteigt. Die Frequenzdifferenz wird aus den Elektroden 3a, 3b, 4a und 4b durch die inneren Elektro­ denbänder 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.

Nicht nur die Größe der Beschleunigung G, sondern auch die Richtung der Beschleunigung G werden aus dem Signal V₀ er­ faßt.

Wenn der Beschleunigungssensor 1A in einer Umgebung mit va­ riierender Temperatur verwendet wird, dehnen sich die Reso­ natoren 3 und 4, die Gehäusebauglieder 6 und die Abdec­ kungsbauglieder 7 thermisch aus. Wenn sich der thermische Ausdehnungskoeffizient der Resonatoren 3 und 4 von dem der Gehäusebauglieder 6 und der Abdeckbauglieder 7 unterschei­ det, werden in den Resonatoren 3 und 4 Spannungen erzeugt. Eine Veränderung der Frequenzdifferenz tritt aufgrund von Faktoren, die keine Beschleunigung sind, auf. Wenn die Re­ sonatoren 3 und 4 jedoch aus dem gleichen Material herge­ stellt und identisch geformt sind, werden auch die erzeug­ ten Spannungen gleich. Da der Frequenzzähler 8c eine Diffe­ renz zwischen den Ausgangssignalen der Resonatoren 3 und 4 liefert, löschen Veränderungen, die bei den Ausgangssigna­ len 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.

Fig. 9 zeigt eine andere Beschleunigungserfassungsvorrich­ tung, die den Beschleunigungssensor 1A verwendet. Die Be­ schleunigungserfassungsvorrichtung verwendet die gleichen Frequenzvibrationen des Beschleunigungserfassungselements 2. Die äußeren Elektroden 72 und 73 des Beschleunigungssen­ sors 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 Amplitu­ dendifferenz wird aus einer Differenz zwischen elektrischen Impedanzen der Resonatoren 3 und 4 erfaßt, wobei ein Aus­ gangssignal V₀, das proportional zu einer Beschleunigung G ist, aus der Impedanzdifferenzerfassungsschaltung 9a erhal­ ten wird. Um zu bewirken, daß die beiden Resonatoren 3 und 4 mit der gleichen Frequenz schwingen, ist die Oszillator­ schaltung 9a derart angeordnet, daß eines der Ausgangssi­ gnale der beiden Resonatoren oder die Summe der Ausgangssi­ gnale der beiden Resonatoren rückgeführt wird.

Bei diesem Beispiel wird wieder das Signal, das proportio­ nal zu der Beschleunigung G ist, aufgenommen, während Ände­ rungen bei den Ausgangssignalen aufgrund einer Temperatur­ änderung einander auslöschen. Eine Beschleunigungserfas­ sungsvorrichtung, die nur auf die Beschleunigung G an­ spricht, wird so erhalten.

Der Beschleunigungssensor 1A des ersten Ausführungsbei­ spiels wird bei den Beschleunigungserfassungsvorrichtungen verwendet, die in den Fig. 8 und 9 gezeigt sind, wobei je­ der Beschleunigungssensor 1B, der in Fig. 7 gezeigt ist, gleichermaßen verwendet werden kann.

Jeder Beschleunigungssensor 1A und 1B ist derart struktu­ riert, daß das Erfassungselement fest an beiden Enden des­ selben durch das Gehäusebauglied gestützt wird. Alternativ kann das Erfassungselement nur an einem Ende gestützt wer­ den, 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 Impe­ danzänderung erhalten werden kann.

Die Beschleunigungssensoren 1A und 1B des ersten und des zweiten Ausführungsbeispiels verwenden einen Dickenscherre­ sonator für die Resonatoren 3 und 4. Die vorliegende Erfin­ dung ist nicht auf diesen Modus beschränkt. Andere Modi (wie z. B. ein Dickenvibrationsmodus, ein longitudinaler Vi­ brationsmodus, ein Bereichsbiegevibrationsmodus usw.) kön­ nen ebenfalls verwendet werden.

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Bimorph-Typ- Beschleunigungserfassungselement, bei dem die beiden Reso­ natoren mit der Zwischenschicht, die zwischen denselben an­ geordnet ist, verbunden sind, verwendet. Wenn die Beschleu­ nigungserfassungselemente ansprechend auf eine Beschleuni­ gung verformt werden, wird eine Druckspannung in einem Re­ sonator erzeugt, während in dem anderen Resonator auf eine wirksame Weise eine Zugspannung erzeugt wird. Durch ein un­ terschiedliches Aufnehmen der Frequenzänderungen der beiden Resonatoren oder der Impedanzänderungen der beiden Resona­ toren wird ein Signal erhalten, das proportional zu der Be­ schleunigung ist. Ein Hochleistungsbeschleunigungserfas­ sungssensor wird so geschaffen.

Da eine Beschleunigung unter Verwendung der Frequenzände­ rungen oder der Impedanzänderungen erfaßt wird, kann die Beschleunigung von Gleichsignal- oder Niedrigfrequenzkompo­ nenten erfaßt werden.

Da eine Spannung, die aus einer Temperaturänderung resul­ tiert, 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 Be­ schleunigungssensor, der nur auf eine Beschleunigung an­ spricht, wird so geschaffen.

Da die Beschleunigungserfassungselemente einen einfachen Aufbau aufweisen und da ein Herausleiten der Elektroden einfach ist, wird ein kompakter Entwurf realisiert. Das Be­ schleunigungserfassungselement wird so in eine Oberflächen­ befestigungskomponente (eine Chipkomponente) strukturiert.

Claims (6)

1. Beschleunigungssensor (1A; 1B), der ein Bimorph-Typ- Beschleunigungserfassungselement (2) aufweist, das ei­ nen ersten Resonator (3), einen zweiten Resonator (4) und eine Zwischenschicht (5; 5a, 5b) umfaßt, wobei der erste Resonator (3) und der zweite Resonator (4) mit der Zwischenschicht, die zwischen denselben angeordnet ist, verbunden sind, wobei jeder Resonator einen pie­ zoelektrischen Körper und Elektroden (3a, 3b, 4a, 4b) umfaßt, die an beiden Hauptoberflächen derselben ange­ ordnet sind,
wobei die Zwischenschicht (5; 5a, 5b) hart genug ist, um eine Biegespannung in dem ersten oder dem zweiten Resonator zu dem anderen des ersten und zweiten Reso­ nators zu übertragen, und wobei die Vibration des er­ sten oder des zweiten Resonators (3, 4) gedämpft wird, um zu dem anderen des ersten und des zweiten Resona­ tors übertragen zu werden,
wobei das Beschleunigungserfassungselement (2) an ei­ nem longitudinalen Ende oder an beiden longitudinalen Enden desselben derart gestützt wird, daß der erste und der zweite Resonator (3, 4) in die gleiche Rich­ tung gemäß der Ausübung einer Beschleunigung abgelenkt werden, und
wobei eine Beschleunigung durch ein Erfassen einer Differenz zwischen Frequenzänderungen des ersten Reso­ nators (3) und des zweiten Resonators (4) oder einer Differenz zwischen Impedanzänderungen des ersten Reso­ nators und des zweiten Resonators erfaßt wird, die durch eine Ablenkung des Beschleunigungserfassungsele­ ments (2) bewirkt werden.

2. Beschleunigungssensor (1A; 1B) gemäß Anspruch 1, bei dem die Zwischenschicht (5; 5a, 5b) aus einer elasti­ schen Haftschicht besteht.

3. Beschleunigungssensor gemäß Anspruch 1 oder 2, bei dem sowohl der erste als auch der zweite Resonator (3, 4) ein Vibrationsmoduselement ist, bei dem Energie zu dem longitudinalen Mittelabschnitt desselben eingeschlos­ sen wird, und bei dem ein Zwischenraum (5c) in der longitudinalen Mitte der Zwischenschicht (5a, 5b) vor­ gesehen ist, wobei der Zwischenraum flächenmäßig grö­ ßer als eine eingeschlossene Vibrationsregion des er­ sten und des zweiten Resonators (3, 4) und flächenmä­ ßig kleiner als eine Ablenkungsregion des ersten und des zweiten Resonators (3, 4), die gemäß der Beschleu­ nigung abgelenkt wird, ist.

4. Beschleunigungssensor gemäß Anspruch 1 oder 2, bei dem die äußere Oberfläche des Beschleunigungserfassungs­ elements (2), die in eine Richtung zeigt, in der eine Beschleunigung ausgeübt wird, mit einem Gehäusebau­ glied (6) bedeckt ist, wobei jede offene Oberfläche, die durch das Beschleunigungserfassungselement (2) und das Gehäusebauglied (6) definiert ist, mit einem Abdeckbauglied (7) bedeckt ist, und
wobei die Elektroden, die in dem ersten und dem zwei­ ten Resonator (3, 4) angeordnet sind, jeweils mit äu­ ßeren Elektroden (71, 72, 73), die auf der Oberfläche des Abdeckbauglieds angeordnet sind, über innere Elek­ troden (61, 62, 63), die auf der Oberfläche des Gehäu­ sebauglieds angeordnet sind, verbunden sind.

5. Beschleunigungssensor gemäß Anspruch 1 oder 2, bei dem der erste und der zweite Resonator (3, 4) mit unter­ schiedlichen Frequenzen schwingen, wobei eine Diffe­ renz zwischen den Schwingfrequenzen erfaßt wird, und wobei ein Signal, das proportional zu der Beschleuni­ gung ist, aus der Frequenzdifferenz bestimmt wird.

6. Beschleunigungssensor gemäß Anspruch 1 oder 2, bei dem der erste und der zweite Resonator (3, 4) mit der gleichen Frequenz schwingen, wobei entweder eine Pha­ sendifferenz oder eine Amplitudendifferenz aus einer Differenz zwischen elektrischen Impedanzen der beiden Resonatoren (3, 4) erhalten wird, und wobei ein Si­ gnal, das proportional zu der Beschleunigung ist, ent­ weder aus der Phasendifferenz oder der Amplitudendif­ ferenz bestimmt wird.