JP2010048643A - Acceleration detection unit and acceleration sensor - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、加速度検知ユニット、及び加速度センサに関し、特に加速度処理回路におけ
る90°移相部の機能を、共振子間を連結する結合腕の機能で代替えし、温度特性を改良
した加速度検知ユニット、及び加速度センサ関するものである。
The present invention relates to an acceleration detection unit and an acceleration sensor, and in particular, an acceleration detection unit in which the function of a 90 ° phase shift portion in an acceleration processing circuit is replaced with a function of a coupling arm that connects resonators, and temperature characteristics are improved, And the acceleration sensor.
加速度センサは従来から自動車、航空機、ロッケットから各種プラントの異常振動監視
等まで、広く使用されている。特許文献1には、2個の音叉振動素子を用いた加速度セン
サが開示されている。
図4は特許文献1に開示されている従来の加速度センサ素子の平面図である。
加速度センサ素子60は、第1及び第2圧電振動片61、65と、パッケージ70と、
を備え、第1圧電振動片61と第2圧電振動片65とは、パッケージ70内に並列に実装
されている。第1圧電振動片61は、屈曲振動する振動腕62及び63を備え、振動腕6
2及び63は、基端部64から互いに平行に延出している。そして、第2圧電振動片65
は、屈曲振動する振動腕66及び67を備え、振動腕66及び67は、基端部68から互
いに平行に延出している。振動腕62及び63とは、発振回路と電気的に接続された図示
しない励振電極を備える。
第1圧電振動片61と第2圧電振動片65とは、パッケージ70の底面の同一平面に実
装され、第1圧電振動片61と第2圧電振動片65とは、互いに逆向きに実装されている
。
加速度センサ素子60に、例えば図4の矢印71のように加速度が右方向から左方向に
向けて作用した場合、第1圧電振動片61は、基端側64から振動腕62、63の先端側
に向けて慣性力(加速度×質量)が作用し、振動腕62、63に引っ張り応力が作用する
。このため、第1圧電振動片61の共振周波数は、高周波数側に偏倚し、共振周波数が(
f0+Δf)になる。これに対して、第2圧電振動片65は、振動腕66、67の先端側
から基端側68に向けて慣性力が作用し、振動腕66、67に圧縮の応力が作用して、共
振周波数が低周波数側に偏倚し、共振周波数が(f0−Δf)になる。すなわち、Δfは
加速度に対応した値となる。
Conventionally, acceleration sensors have been widely used from automobiles, airplanes, and rockets to monitoring abnormal vibrations of various plants. Patent Document 1 discloses an acceleration sensor using two tuning fork vibrating elements.
FIG. 4 is a plan view of a conventional acceleration sensor element disclosed in Patent Document 1. In FIG.
The
The first piezoelectric vibrating
2 and 63 extend parallel to each other from the
Includes
The first piezoelectric vibrating
For example, when acceleration acts on the
f0 + Δf). On the other hand, in the second piezoelectric
図6は、従来の加速度センサの説明図である。
この図6に示す加速度センサ80は、発振部81と、波形整形部82と、90°移相部
83と、移相回路部84と、波形整形部85と、乗算器86と、ローパスフィルタ87と
、微分回路88と、を備えている。発振部81は、加速度センサ素子60の第1圧電振動
片61と、発振回路81aとから構成されている。移相回路部84は、加速度センサ素子
60の第2圧電振動片65と、抵抗R1、R2とのπ型回路から構成されている。
図5は、移相回路部84の周波数−移相特性であり、加速度が無印加のときは同図(イ
)の曲線で示す周波数−移る相特性を呈する。加速度が印加されると伸長応力、圧縮応力
により図5(ハ)、(ロ)に示す特性となる。
図4に示す加速度センサ素子60のように、第1及び第2圧電振動片61、65を互い
に逆向きに配置することにより、加速度が印加された場合、移相回路部84の位相変化は
、移相回路部84の位相変化がない場合に比べて、約2倍の移相角度となる。
加速度センサは、発振部81の周波数を波形整形した矩形波と、90°移相部83、移
相回路部84を経由した矩形波を乗算器86で乗算し、それをローパスフィルタ87と、
微分回路88と、を経て電圧に変換し、加速度を求める。
6 includes an oscillating unit 81, a
FIG. 5 shows the frequency-phase shift characteristics of the phase
When the acceleration is applied by arranging the first and second piezoelectric vibrating
The acceleration sensor multiplies the rectangular wave obtained by shaping the frequency of the oscillating unit 81 by the rectangular wave that has passed through the 90 °
The voltage is converted to a voltage through a differentiating
しかしながら、特許文献1に開示された加速度センサ素子60の第1及び第2圧電振動
片61、65は、音叉振動素子を用いており、加速度の測定感度と精度が不十分であると
いう問題があった。
また、90°移相部83は電子部品で構成されており、移相部83の温度特性により、
位相がずれ、加速度の測定精度が落ちるという問題があった。
本発明は上記問題を解決するためになされたもので、加速度の測定感度と精度を改善し
た加速度検知ユニットと、温度特性を改善した加速度センサを提供することにある。
However, the first and second
Further, the 90 °
There was a problem that the measurement accuracy of the acceleration was lowered due to the phase shift.
The present invention has been made to solve the above problems, and it is an object of the present invention to provide an acceleration detection unit with improved acceleration measurement sensitivity and accuracy, and an acceleration sensor with improved temperature characteristics.
本発明は、上記の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の
形態又は適用例として実現することが可能である。
SUMMARY An advantage of some aspects of the invention is to solve at least a part of the problems described above, and the invention can be implemented as the following forms or application examples.
[適用例1]夫々並列に配置された2本の振動腕、及び該2本の振動腕の延伸方向の両
端を夫々結合する2つの基部を有し、前記各振動腕は延伸方向が同一方向で且つ同一平面
上に配置された第1及び第2の双音叉振動素子と、前記基部の両側に前記第1及び第2の
双音叉振動素子を挟むように配置される2つの端部と、前記各端部と該端部に隣接する基
部とを接続する接続部と、前記第1及び第2の双音叉振動素子の隣接する基部の内、少な
くとも一方の基部同士を結合する結合腕と、を備える加速度検知ユニットを特徴とする。
[Application Example 1] Two resonating arms arranged in parallel and two bases respectively connecting both ends in the extending direction of the two resonating arms, each extending direction of the resonating arms being the same direction And two end portions arranged so as to sandwich the first and second double tuning fork vibration elements on both sides of the base, and the first and second double tuning fork vibration elements arranged on the same plane, A connecting portion that connects each of the end portions and a base portion adjacent to the end portion; and a coupling arm that connects at least one of the adjacent base portions of the first and second double tuning fork vibrating elements; An acceleration detection unit comprising:
以上のように2つの双音叉振動素子の基部同士を結合する結合腕を設けることにより、
結合腕が90°移相部として機能し、従来は電子部品で構成していた90°移相部を双音
叉振動素子と同じ材質で構成することが可能となるので、90°移相部が不要となるため
回路が簡素化、小型になると共に、振動もれによる精度劣化を防ぎ、温度特性の優れた加
速度検知ユニットを構成することができるという効果がある。
As described above, by providing a coupling arm that couples the bases of the two double tuning fork vibrating elements,
The coupling arm functions as a 90 ° phase shift part, and the 90 ° phase shift part, which has conventionally been constituted by electronic components, can be made of the same material as the double tuning fork vibration element. Since it becomes unnecessary, the circuit is simplified and reduced in size, and the accuracy can be prevented from being deteriorated due to vibration leakage, and an acceleration detection unit having excellent temperature characteristics can be configured.
[適用例2]前記2つの端部は、一方が固定部、他方が可動部であり、前記固定部と前
記可動部との間に前記結合腕と、前記基部に接触しない梁とを設け、前記梁の一方を前記
固定部に連結し、他方を前記可動部に連結した適用例1に記載の加速度検知ユニットを特
徴とする。
Application Example 2 One of the two end portions is a fixed portion and the other is a movable portion, and the coupling arm and a beam that does not contact the base portion are provided between the fixed portion and the movable portion. The acceleration detection unit according to the first application example, in which one of the beams is connected to the fixed portion and the other is connected to the movable portion.
以上のように固定部と可動部との間に梁を設けることにより、加速度ユニットが堅牢に
なると共に、並列した2つの双音叉振動素子に加わる伸長応力、圧縮応力がより明確に働
くようになるという効果がある。
By providing a beam between the fixed part and the movable part as described above, the acceleration unit becomes robust, and the extensional stress and the compressive stress applied to the two double tuning fork vibrating elements in parallel work more clearly. There is an effect.
[適用例3]少なくとも、請求項1又は2に記載の加速度検知ユニットと、前記加速度
検知ユニットの一方の双音叉振動素子を用いて構成される発振回路と、前記加速度検知ユ
ニットの他方の双音叉振動素子を用いて構成される移相回路と、前記移相回路の出力信号
と前記発振回路の出力信号とを乗算する乗算器と、を備え、前記移相回路の入出力信号の
移相角度の変化に対応した値から加速度を求める加速度センサを特徴とする。
Application Example 3 At least the acceleration detection unit according to claim 1, an oscillation circuit configured using one double tuning fork vibrating element of the acceleration detection unit, and the other double tuning fork of the acceleration detection unit A phase shift circuit configured using a vibration element; and a multiplier that multiplies the output signal of the phase shift circuit and the output signal of the oscillation circuit, and a phase shift angle of an input / output signal of the phase shift circuit It is characterized by an acceleration sensor that obtains acceleration from a value corresponding to the change in.
以上のように、加速度検知ユニットを用いて加速度センサを構成すると、双音叉振動素
子の特徴である振動もれによる精度不良が大幅に抑制され、加速度検出感度、精度、温度
特性が改善されると共に、加速度センサの小型化が図られるという効果がある。
As described above, when the acceleration sensor is configured using the acceleration detection unit, the accuracy failure due to vibration leakage, which is a characteristic of the double tuning fork vibration element, is greatly suppressed, and the acceleration detection sensitivity, accuracy, and temperature characteristics are improved. There is an effect that the acceleration sensor can be miniaturized.
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。
図1は、本発明の一実施形態に係る加速度検知ユニット1の構成を示す概略斜視図であ
る。加速度検知ユニット1は、第1及び第2の双音叉振動素子10、20と、固定部及び
可動部30、33と、該固定部及び可動部30、33と前記第1及び第2の双音叉振動素
子10、20の夫々の基部とを連結する接続部17、18及び27、28と、を備えてい
る。
第1の双音叉振動素子(双音叉水晶振動素子)10は、夫々並列に配置された2本の振
動腕11、12と、該2本の振動腕11、12の延伸方向の両端を夫々結合する2つの基
部14、15と、を有し、各振動腕11、12は延伸方向が同一方向で且つ同一平面上に
配置されている。振動腕11、12には励振電極11a、12bが断面方向の四面に形成
され、該励振電極11a、12bにより、基部14、15の端を振動の節、振動腕11、
12の中央部を振動の腹とする互いに対称な屈曲振動が励振されるように、構成されてい
る。なお、基部14、15は、振動腕11、12の振動エネルギーの漏洩を防ぐために設
けられている。
第2の双音叉振動素子(双音叉水晶振動素子)20は、第1の双音叉振動素子と同様に
、夫々並列に配置された2本の振動腕21、22と、該2本の振動腕21、22の延伸方
向の両端を夫々結合する2つの基部24、25と、を有し、各振動腕21、22は延伸方
向が同一方向で且つ同一平面上に配置されている。振動腕21、22には、第1の双音叉
振動素子と同様に、励振電極が形成され、振動腕21、22に励起される振動モードは、
基部24、25の端を振動の節、振動腕21、22の中央部を振動の腹とする互いに対称
な屈曲振動である。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
FIG. 1 is a schematic perspective view showing a configuration of an acceleration detection unit 1 according to an embodiment of the present invention. The acceleration detection unit 1 includes first and second double tuning
The first double tuning fork vibrating element (double tuning fork crystal vibrating element) 10 is composed of two vibrating
12 is configured such that bending vibrations symmetrical to each other are excited with the central portion of 12 being the antinodes of vibration. The
Similar to the first double tuning fork vibrating element, the second double tuning fork vibrating element (double tuning fork crystal vibrating element) 20 includes two vibrating
The bending vibrations are symmetrical with respect to each other, with the ends of the
固定部30は、矩形平板状に形成され、該固定部30の中央より図中左寄りの端部が接
続部17を介して第1の双音叉振動素子10の基部14と連結されている。また、固定部
30の中央より図中右寄りの端部が接続部27を介して第2の双音叉振動素子20の基部
24と連結されている。固定部30の中央より図中左寄りの上面には、第1の双音叉振動
素子10の励振電極11a、12aと導通する端子電極11b、12bが設けられている
。また、固定部30の中央より図中右寄りの上面には、第2の双音叉振動素子20の励振
電極21a、22aと導通する端子電極21b、22bが設けられている。なお、加速度
検知ユニット1を用いる際には、固定部30をパッケージ等の匡体に固定して用いる。
可動部33は、矩形平板状に形成され、該可動部33の中央より図中左寄りの端部が接
続部18を介して第1の双音叉振動素子10の基部15と連結されている。また、可動部
33の中央より図中右寄りの端部が接続部28を介して第2の双音叉振動素子20の基部
25と連結されている。なお、可動部33は、加速度が印加された場合には自由に揺動す
るように構成されている。
The fixed
The
図1に示す例では、第1の双音叉振動素子10の基部14、15と、第2の双音叉振動
素子20の基部24、25とが、夫々細い結合腕19、29により連結されている。第1
及び第2の双音叉振動素子10、20の基部14、15及び24、25を連結する結合腕
19、29は、基部14、15、24、25から漏洩した振動エネルギーの伝搬路として
機能する。しかし、結合腕19、29は少なくとも一方があれば、本発明の加速度検知ユ
ニット1として機能する。
例えば、第1の双音叉振動素子10が発振回路に接続されて励振される場合、第1の双
音叉振動素子10の振動エネルギーの大部分は、基部14、15間に閉じ込められるが、
基部14、15からわずかに漏洩し、この漏洩した振動エネルギーが結合腕19、29を
伝わり、第2の双音叉振動素子20の基部24、25に伝搬する。第2の双音叉振動素子
20の固有の共振周波数が、漏洩した振動エネルギーの周波数に近い場合には、第2の双
音叉振動素子20がこの漏洩振動エネルギーで励振され、第2の双音叉振動素子20の固
有の共振周波数で共振する。結合腕19、29の構造により、第1及び第2の双音叉振動
素子10、20の結合度を調整することが可能である。
In the example shown in FIG. 1, the
The
For example, when the first double tuning
It leaks slightly from the
図1に示した加速度検知ユニット1の基板は、例えばZカット水晶ウエハにフォトリソ
グラフィ技法を適用して形成することができる。励振電極11a、12a、21a、22
aと、端子電極11b、12b、21b、22bとは、基板を形成した後に真空中で蒸着
、スパッタ等の方法で形成する。
The substrate of the acceleration detection unit 1 shown in FIG. 1 can be formed, for example, by applying a photolithography technique to a Z-cut quartz wafer.
a and the
ここで、双音叉水晶振動素子について簡単に説明する。双音叉水晶振動素子は伸張・圧
縮応力に対する感度が良好であり、高度計用、或いは深度計用の応力感応素子として使用
した場合には、分解能力が優れているために僅かな気圧差から高度差、深度差を知ること
ができる。また、双音叉水晶振動素子が呈する周波数温度特性は、上に凸の二次曲線とな
り、その頂点温度が常温(25℃)になるように各パラメータを設定する。
双音叉水晶振動素子の2本の振動腕に外力Fを加えたときの共振周波数fFは以下の如
くである。
fF=f0(1−(KL2F)/(2EI))1/2・・・(1)
ここで、f0は外力がないときの双音叉水晶振動素子の共振周波数、Kは基本波モード
による定数(=0.0458)、Lは振動腕の長さ、Eは縦弾性定数、Iは断面2次モーメント
である。断面2次モーメントIはI=dw3/12より、式(1)は次式のように変形する
ことができる。ここで、dは振動腕の厚さ、wは幅である。
fF=f0(1−SFσ)1/2・・・(2)
但し、応力感度SFと、応力σとはそれぞれ次式で表される。
SF=12(K/E)(L/w)2・・・(3)
σ=F/(2A)・・・(4)
ここで、Aは振動腕の断面積(=w・d)である。以上から双音叉振動子に作用する力
Fを圧縮方向のとき負、伸張方向(引張り方向)を正としたとき、力Fと共振周波数fF
の関係は、力Fが圧縮力で共振周波数fFが減少し、伸張(引張り)力では増加する。ま
た応力感度SFは振動腕のL/wの2乗に比例する。
しかし、応力感応素子30としては、双音叉水晶振動素子に限らず、伸張・圧縮応力に
よって周波数が変化する圧電振動素子であれば、どのようなものを用いても良い。また、
応力と頂点温度との関係は、双音叉水晶振動素子に伸張応力を付加すると頂点温度は低音
側へシフトし、圧縮応力を加えると高温側へシフトする特性を有している。
Here, the twin tuning fork crystal resonator element will be briefly described. The double tuning fork crystal vibrating element has good sensitivity to tensile and compressive stress, and when used as a stress sensitive element for altimeters or depth gauges, it has excellent decomposition ability, so a slight pressure difference to an altitude difference , Know the difference in depth. Further, the frequency-temperature characteristic exhibited by the double tuning fork crystal resonator element is an upwardly convex quadratic curve, and each parameter is set so that the vertex temperature becomes room temperature (25 ° C.).
The resonance frequency f F when the external force F is applied to the two vibrating arms of the double tuning fork crystal vibrating element is as follows.
f F = f 0 (1- (KL 2 F) / (2EI)) 1/2 (1)
Here, f 0 is the resonance frequency of the double tuning fork crystal resonator element when there is no external force, K is a constant according to the fundamental wave mode (= 0.0458), L is the length of the vibrating arm, E is the longitudinal elastic constant, and I is the cross section 2 Next moment. Second moment I are from I = dw 3/12, the equation (1) can be modified as follows. Here, d is the thickness of the vibrating arm, and w is the width.
f F = f 0 (1-S F σ) 1/2 (2)
However, the stress sensitivity SF and the stress σ are respectively expressed by the following equations.
S F = 12 (K / E) (L / w) 2 (3)
σ = F / (2A) (4)
Here, A is the cross-sectional area (= w · d) of the vibrating arm. From the above, when the force F acting on the double tuning fork vibrator is negative in the compression direction and positive in the extension direction (tensile direction), the force F and the resonance frequency f F
In the relationship, the force F is a compressive force, the resonance frequency f F is decreased, and the extension (tensile) force is increased. The stress sensitivity S F is proportional to the square of the L / w of the vibrating arm.
However, the stress-
The relationship between the stress and the apex temperature has a characteristic that the apex temperature shifts to the low tone side when an extensional stress is applied to the double tuning fork crystal resonator element and shifts to the high temperature side when compressive stress is applied.
図1に示す加速度検知ユニット1の動作について説明する。固定部30はパッケージ等
の外部部材に固定され、可動部33は揺動可能な自由端とする。第1及び第2の双音叉振
動素子10、20の共振周波数は、共にf0に設定する。加速度検出軸方向は、加速度検
知ユニット1の主面に平行なY軸方向とする。加速度kが矢印方向(+Y軸方向)に印加
されると、慣性力により−Y軸方向にMk(Mは加速度ユニット1の質量)の力Fが働く
。この力Fにより第1及び第2の双音叉振動素子10、20は、Z軸に垂直な平面(Z面
)上を−Y軸方向に撓むことになる。このとき、第1の双音叉振動素子10には伸長応力
が働き、その共振周波数f0は増加して(f0+Δf)に、第2の双音叉振動素子20に
は圧縮応力が働き、その共振周波数f0は減少して(f0−Δf)となる。
また、加速度kが−Y軸方向に印加される場合は、第1の双音叉振動素子10には圧縮
応力が働き、その共振周波数f0は減少して(f0−Δf)に、第2の双音叉振動素子2
0には伸長応力が働き、その共振周波数f0は増加して(f0+Δf)となる。
The operation of the acceleration detection unit 1 shown in FIG. 1 will be described. The
When the acceleration k is applied in the −Y axis direction, compressive stress acts on the first double tuning
Elongation stress acts on 0, and the resonance frequency f0 increases to (f0 + Δf).
図2は、本発明の実施の形態に係る加速度センサ5の構成を示す図である。加速度セン
サ5は、加速度検知ユニット1と、発振回路40と、波形整形部41と、抵抗回路42と
、波形整形部43と、乗算器44と、ローパスフィルタ45と、微分回路46と、を備え
ている。加速度検知ユニット1の第1の双音叉振動素子10の端子電極11b、12bは
、発振回路40に接続され、共振周波数f0で励振される。加速度検知ユニット1の第2
の双音叉振動素子20の端子電極21b、22bは、夫々抵抗回路42の抵抗R1、R2
の一方の端子に接続され、抵抗R1、R2の他方の端子は夫々接地されている。つまり、
第2の双音叉振動素子20と、抵抗R1、R2とでπ型回路が形成され、図6に示す従来
の加速度センサの移相回路部84と同様な移相回路Pが構成される。
従来の加速度センサの構成と大きく異なる点は、図6に示す90°移相部83の機能が
、加速度検知ユニット1の第1の双音叉振動素子10の基部14、15と、第2の双音叉
振動素子20の基部24、25と、を夫々連結する結合腕19、29の機能で代替えされ
た点である。つまり、90°移相部83の電子回路が、結合腕19、29というメカニカ
ル部材を用いて構成されているところである。複数の機械的振動体を結合子で結合して機
能デバイスを構成することは、メカニカルフィルタの分野では古くより例のあることであ
る。
加速度検知ユニット1の固定部30の端子電極11b、12bを発振回路40に接続し
、第1の双音叉振動素子10を励振すると、大部分の振動エネルギーは基部14、15間
に閉じ込められ、互いに対称な屈曲振動モードの共振状態となる。しかし、屈曲振動の振
動エネルギーがわずかに基部14、15に漏洩し、該基部14、15と結合腕19、29
とを伝搬して、第2の双音叉振動素子20の基部24、25に伝搬する。基部24、25
に伝搬した振動エネルギーの周波数が、第2の双音叉振動素子20の共振周波数にほぼ等
しければ、この漏洩した振動エネルギーにより第2の双音叉振動素子20が励振され、互
いに対称な屈曲振動モードで共振する。
FIG. 2 is a diagram showing a configuration of the acceleration sensor 5 according to the embodiment of the present invention. The acceleration sensor 5 includes an acceleration detection unit 1, an
The other terminals of the resistors R1 and R2 are grounded. That means
The second double tuning
A major difference from the configuration of the conventional acceleration sensor is that the function of the 90 °
When the
And propagates to the
If the frequency of the vibration energy propagated to is substantially equal to the resonance frequency of the second double tuning
本発明の特徴は、振動エネルギーが結合腕19、29を伝搬する際に、結合腕19、2
9が90°移相部として機能することである。従来の90°移相部は電子部品を用いて構
成していたため、温度特性に問題があったが、結合腕19、29は、双音叉振動素子10
、20と同じ材質で一体的に形成されるため、温度特性が大幅に改善されるという効果が
ある。
以上のように2つの双音叉振動素子の基部同士を結合する結合腕を設けることにより、
結合腕が90°移相部として機能し、従来は電子部品で構成していた90°移相部を双音
叉振動素子と同じ材質で構成することが可能となる。従って、加速度センサを構成する際
に、90°移相部が不要となるため回路が簡素化、小型になると共に、振動もれによる精
度劣化を防ぎ、温度特性の優れた加速度検知ユニットを構成することができるという効果
がある。
A feature of the present invention is that when the vibration energy propagates through the
9 functions as a 90 ° phase shift part. Since the conventional 90 ° phase shift portion is configured by using electronic components, there is a problem in temperature characteristics. However, the
, 20 is integrally formed of the same material as that of 20, and thus has an effect of greatly improving the temperature characteristics.
As described above, by providing a coupling arm that couples the bases of the two double tuning fork vibrating elements,
The coupling arm functions as a 90 ° phase shift portion, and the 90 ° phase shift portion, which has conventionally been constituted by electronic components, can be made of the same material as the double tuning fork vibrating element. Therefore, when configuring an acceleration sensor, a 90 ° phase shift portion is not required, so that the circuit is simplified and miniaturized, and the accuracy detection due to vibration leakage is prevented, and an acceleration detection unit having excellent temperature characteristics is configured. There is an effect that can be.
図2は本発明係る加速度センサ5の構成を示す図であり、加速度センサ5は、加速度検
知ユニット1と、加速度検知ユニット1の一方の双音叉振動素子10を発振させる発振回
路40と、加速度検知ユニット1の他方の双音叉振動素子20を備えた移相回路Pと、移
相回路Pの出力信号と発振回路の出力信号とを乗算する乗算器44と、ローパスフィルタ
45と、微分回路46と、を備えている。
図2に示す加速度センサ5と、図6に示す従来例の加速度センサ80とを対比して、そ
の動作を説明する。図2と図6では同じ機能の回路部の出力は、同じ符号A、B、C…を
用いて表している。
始めに加速度検知ユニット1に加速度が印加されない場合の加速度センサ5の動作を説
明する。
第1の双音叉振動素子10を接続した発振回路40は、図7(A)に示した正弦波で周
波数f0の信号を出力する。この出力信号は、波形整形部41に入力され、図7(B)に
示した矩形波の信号に変換されて、乗算器44に入力される。
一方、発振回路40で励振された第1の双音叉振動素子10は、周波数f0で共振し、
この共振時の振動エネルギーの大部分は基部14、15間に閉じ込められるが、僅かの振
動エネルギーは基部14、15に漏洩し、結合腕19、29を伝わって第2の双音叉振動
素子20の基部24、25に到達する。基部24、25に到達した振動エネルギーは、基
部24、25より振動腕21、22に伝わり、振動エネルギーの周波数(f0)が振動腕
21、22の共振周波数(f0)とほぼ等しく設定されているため、第2の双音叉振動素
子20は周波数f0で共振する。
このとき、基部14、15から漏洩する振動エネルギーは、結合腕19、29を伝搬す
る際に振動周波数の位相が90°遅らされることになる。つまり、図7(C)に示すよう
に、位相が90°遅らされた振動エネルギーが第2の双音叉振動素子20に伝わり、周波
数f0の共振が生じる。
FIG. 2 is a diagram showing a configuration of an acceleration sensor 5 according to the present invention. The acceleration sensor 5 includes an acceleration detection unit 1, an
The operation of the acceleration sensor 5 shown in FIG. 2 and the
First, the operation of the acceleration sensor 5 when no acceleration is applied to the acceleration detection unit 1 will be described.
The
On the other hand, the first double tuning
Most of the vibration energy at the time of resonance is confined between the
At this time, the vibration energy leaking from the
第2の双音叉振動素子20と抵抗回路42のR1、R2とで移相回路Pを構成すると、
その機能は図6に示す移相回路部84の機能と同様である。つまり、加速度が無印加の場
合は、移相回路Pの第2の双音叉振動素子20の共振周波数f0は、第1の双音叉振動素
子10の共振周波数f0と同じである。このため、移相回路Pの周波数−移相特性は、図
5(イ)の曲線で示され、移相回路Pの出力信号の周波数はf0であり、図7(D)に示
すように、移相回路Pによる位相の変化は生じない。移相回路Pの出力信号は波形整形部
43により波形整形され、図7(E)の実線に示した矩形波に変換されて、乗算器44に
入力される。
乗算器44は、例えばEx.OR(排他的論理和回路)で構成されており、乗算器44
に入力する波形整形部41、43の出力信号が、いずれか一方が「1」であって、いずれ
か他方が「0」のときに、Ex.ORは「1」を出力する。つまり、図7(F)の実線の
信号を出力する。この矩形波信号は、ローパスフィルタ45により時間について積分され
、出力される。加速度が印加されていない場合、乗算器44の矩形波出力信号のデューテ
ィ比は50%となるので、ローパスフィルタ44は、図7(F)の実線の矩形波信号の平
均値V0を出力する。
When the phase shift circuit P is configured by the second twin tuning
The function is the same as that of the phase
The multiplier 44 is, for example, Ex. An OR (exclusive OR circuit) and a multiplier 44
When one of the output signals of the
次に、加速度検知ユニット1に図1の矢印方向(+Y軸方向)の加速度kが印加される
場合を考える。加速度kにより第1の双音叉振動素子10には伸長応力が働き、共振周波
数がf0から、(f0+Δf)に変化する。移相回路Pを構成する第2の双音叉振動素子
20には、圧縮応力が働き、共振周波数がf0から(f0−Δf)に変化する。このため
、移相回路Pの周波数−移相特性が図5(ロ)に示した曲線(破線)のよう変化する。従
って、第1の双音叉振動素子10の共振周波数(f0+Δf)が、結合腕19、29を経
由し、位相を90°遅らされて移相回路Pに入力する。移相回路Pでは、加速度kにより
入力信号に対し、出力信号の位相がαだけ遅らされる(−α)ことになる。そのため、波
形整形部43からは図7(E)の破線βで示した矩形波が出力される。このため、乗算器
44の出力信号は、図7(F)の破線で示したデューティ比が50%より大きな矩形信号
γとなり、該矩形信号γがローパスフィルタ45に入力される。ローパスフィルタ45は
、入力する矩形波信号γの平均値を求め、V0より大きな電圧信号を出力する。
微分回路46は、ローパスフィルタ45が出力する電圧が入力され、時間で微分した値
が出力される。つまり、結合腕19、29を経由した出力信号と、移相回路Pとの出力信
号と、の位相差のずれ量に応じた値の変化を出力する。また、ずれ量の変化は、移相角度
が変化し始めにおいて、加速度に対応するため、微分回路46の出力によって加速度を求
めることができる。
以上のように、本発明の加速度検知ユニットを用いて加速度センサを構成すると、双音
叉振動素子の特徴である振動もれによる精度不良が大幅に抑制され、加速度検出感度、精
度、温度特性が改善されると共に、加速度センサの小型化が図られるという効果がある。
Next, consider a case where the acceleration k in the arrow direction (+ Y-axis direction) in FIG. Due to the acceleration k, an extension stress acts on the first double tuning
The differentiation circuit 46 receives the voltage output from the low-
As described above, when the acceleration sensor is configured using the acceleration detection unit of the present invention, the accuracy failure due to vibration leakage, which is a characteristic of the double tuning fork vibrating element, is greatly suppressed, and the acceleration detection sensitivity, accuracy, and temperature characteristics are improved. In addition, the acceleration sensor can be reduced in size.
図3は、第2の実施例の加速度検知ユニット2の構成を示す図であり、(a)は平面図
、(b)は側面図である。加速度検知ユニット2は、図1に示した加速度検知ユニット1
の一方の結合腕、例えば結合腕29を除き、固定部30と可動部33とを連結する梁35
を設けた構成になっている。梁35は、弓状に形成され、固定部30と可動部33以外で
は第1及び第2の双音叉振動素子10、20、結合腕19等に接触しないように構成され
ている。
梁35を設けたことにより、Y軸方向に加速度が印加された場合に、第1の双音叉振動
素子10と第2の双音叉振動素子20とに、より明確に伸長応力、圧縮応力が作用するよ
うになる。加速度検知ユニット2においても第1及び第2の双音叉振動素子10、20の
共振周波数をほぼ同一に設定し、第1及び第2の双音叉振動素子10、20同士の結合は
、結合腕19の形状寸法を調整することにより行う。
また、梁35の材質は、第1及び第2の双音叉振動素子10、20と必ずしも同一の材
料を用いなくともよい。
以上のように固定部と可動部との間に梁を設けることにより、加速度ユニットが堅牢に
なると共に、並列した2つの双音叉振動素子に加わる伸長応力、圧縮応力がより明確に働
くようになるという効果がある。
FIGS. 3A and 3B are diagrams showing the configuration of the acceleration detection unit 2 of the second embodiment, where FIG. 3A is a plan view and FIG. 3B is a side view. The acceleration detection unit 2 is the same as the acceleration detection unit 1 shown in FIG.
Except for one of the connecting arms, for example, the connecting
Is provided. The
By providing the
The material of the
By providing a beam between the fixed part and the movable part as described above, the acceleration unit becomes robust, and the extensional stress and the compressive stress applied to the two double tuning fork vibrating elements in parallel work more clearly. There is an effect.
1、2…加速度検知ユニット、5…加速度センサ、10…第1の双音叉振動素子、11
、12、21、22…振動腕、11a、12a、21a、22a…励振電極、11b、1
2b、21b、22b…端子電極、14、15、24、25…基部、17、18、27、
28…接続部、19、29…結合腕、20…第2の双音叉振動素子、30…固定部、33
…可動部、35…梁、40…発振回路、41、43…波形整形部、42…抵抗回路、44
…乗算器、45…ローパスフィルタ、46…微分回路
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1, 2 ... Acceleration detection unit, 5 ... Acceleration sensor, 10 ... 1st double tuning fork vibration element, 11
, 12, 21, 22 ... vibrating arms, 11a, 12a, 21a, 22a ... excitation electrodes, 11b, 1
2b, 21b, 22b ... terminal electrode, 14, 15, 24, 25 ... base, 17, 18, 27,
28 ... connection part, 19 and 29 ... coupling arm, 20 ... second double tuning fork vibrating element, 30 ... fixing part, 33
... Moving part, 35 ... Beam, 40 ... Oscillation circuit, 41, 43 ... Waveform shaping part, 42 ... Resistance circuit, 44
... Multiplier, 45 ... Low-pass filter, 46 ... Differentiation circuit
Claims (3)
する2つの基部を夫々が有し、前記各振動腕は延伸方向が同一方向で且つ同一平面上に配
置された第1及び第2の双音叉振動素子と、
前記基部の両側に前記第1及び第2の双音叉振動素子を挟むように配置される2つの端
部と、
前記各端部と該端部に隣接する基部とを接続する接続部と、
前記第1及び第2の双音叉振動素子の隣接する基部の内、少なくとも一方の基部同士を
結合する結合腕と、
を備えることを特徴とする加速度検知ユニット。 Each of the resonating arms has two resonating arms that are arranged in parallel, and two bases that connect both ends in the extending direction of the two resonating arms, and the resonating arms have the same extending direction and the same direction. First and second double tuning fork vibrating elements arranged on a plane;
Two ends disposed so as to sandwich the first and second double tuning fork vibrating elements on both sides of the base;
A connecting portion for connecting each end portion and a base portion adjacent to the end portion;
A coupling arm that couples at least one of bases adjacent to each other of the first and second double tuning fork vibrating elements;
An acceleration detection unit comprising:
前記固定部と前記可動部との間に前記結合腕と、前記基部に接触しない梁とを設け、前
記梁の一方を前記固定部に連結し、他方を前記可動部に連結したこと特徴とする請求項1
に記載の加速度検知ユニット。 One of the two end portions is a fixed portion, the other is a movable portion,
The coupling arm and a beam that does not contact the base are provided between the fixed portion and the movable portion, one of the beams is connected to the fixed portion, and the other is connected to the movable portion. Claim 1
The acceleration detection unit described in 1.
の一方の双音叉振動素子を用いて構成される発振回路と、前記加速度検知ユニットの他方
の双音叉振動素子を用いて構成される移相回路と、前記移相回路の出力信号と前記発振回
路の出力信号とを乗算する乗算器と、を備え、前記移相回路の入出力信号の移相角度の変
化に対応した値から加速度を求めることを特徴とする加速度センサ。 Using at least the acceleration detection unit according to claim 1, an oscillation circuit configured using one of the double tuning fork vibration elements of the acceleration detection unit, and the other double tuning fork vibration element of the acceleration detection unit Comprising a phase shift circuit configured, and a multiplier for multiplying the output signal of the phase shift circuit and the output signal of the oscillation circuit, corresponding to a change in the phase shift angle of the input / output signal of the phase shift circuit An acceleration sensor characterized by obtaining an acceleration from a value.
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---|---|---|---|---|
JP2011217348A (en) * | 2010-03-17 | 2011-10-27 | Seiko Epson Corp | Vibrator element, sensor element, sensor, and electronic apparatus |
CN108459173A (en) * | 2018-04-13 | 2018-08-28 | 北京强度环境研究所 | A kind of mechanical filter applied to high G-value jerk acceleration transducer |
-
2008
- 2008-08-21 JP JP2008212511A patent/JP2010048643A/en not_active Withdrawn
Cited By (3)
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---|---|---|---|---|
JP2011217348A (en) * | 2010-03-17 | 2011-10-27 | Seiko Epson Corp | Vibrator element, sensor element, sensor, and electronic apparatus |
CN108459173A (en) * | 2018-04-13 | 2018-08-28 | 北京强度环境研究所 | A kind of mechanical filter applied to high G-value jerk acceleration transducer |
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