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【発明の名称】 加速度センサ素子
【発明者】 【氏名】齋藤 佳邦

【氏名】渡辺 潤

【要約】 【課題】感度を向上できるようにする。

【構成】加速度センサ素子10は、パッケージ12に圧電振動体14を接合した支持部材24が収容してある。圧電振動体14は、屈曲振動する一対の振動腕18が基部16と一体に形成してある。支持部材24は、略クランク状に折曲してあって、一端部に圧電振動体14の基部16を接合する台座部28を備えている。支持部材24は、他端側に設けられて、台座部28に接合した圧電振動体14の先端連結部20の側方に位置させた保護部30を有する。
【特許請求の範囲】
【請求項1】
基部と前記基部と一体に形成され屈曲振動する振動部とを備えた圧電振動体と、
略クランク状に折曲されて一端に前記圧電振動体の前記基部を接合する台座部を備えた支持部材と、
前記支持部材の他端側に設けられ、前記台座部に接合した前記圧電振動体の先端自由端部の側方に位置させた保護部と、
前記圧電振動体と、前記圧電振動体を接合した前記支持部材と、前記保護部とを収容したパッケージと、
を有することを特徴とする加速度センサ素子。
【請求項2】
請求項1に記載の加速度センサ素子において、
前記圧電振動体は、双音叉振動片であることを特徴とする加速度センサ素子。
【請求項3】
請求項1または2に記載の加速度センサ素子において、
前記保護部は、前記圧電振動体の前記先端自由端部の上部を覆うように形成され、前記先端自由端部に形成された感度調整用金属膜を露出させる切欠きを有していることを特徴とする加速度センサ素子。
【請求項4】
請求項1または2に記載の加速度センサ素子において、
前記支持部材は、前記パッケージの底部に設けた封止孔に対応する脱気孔を有することを特徴とする加速度センサ素子。
【請求項5】
請求項4に記載の加速度センサ素子において、
前記脱気孔は、前記封止孔より小径であることを特徴とする加速度センサ素子。
【請求項6】
請求項4または5に記載の加速度センサ素子において、
前記脱気孔は、前記封止孔に対して偏心させてあることを特徴とする加速度センサ素子。
【発明の詳細な説明】【技術分野】
【0001】
本発明は、加速度を検出するための加速度センサ素子に係り、特に固有振動する振動体の加速度による振動数の変化を検出して加速度の大きさを求める振動式加速度センサ素子に関する。
【背景技術】
【0002】
加速度センサには、振動体の固有振動数の変化を検出して加速度の大きさを検出する振動式加速度センサと呼ばれるものがある。そして、特許文献1には、一対の振動脚の両端を相互に連結した枠状の振動体(いわゆる、双音叉振動片)の共振周波数の変化を検出して加速度の大きさを求める加速度センサ素子が開示してある。この特許文献1に記載の加速度センサ素子は、加速度を共振周波数の変化として検出することができる。したがって、特許文献1に記載の加速度センサ素子は、加速度をデジタル量として計測できる。
【特許文献1】特開2000−206141号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0003】
しかし、特許文献1に記載の加速度センサ素子は、振動体である双音叉振動片の周囲に枠状固定部材を設け、双音叉振動片の長手方向両端を枠状固定部材に連結している。このため、双音叉振動片からなる振動体の振動脚の軸線方向(長手方向)に加速度が作用した場合、振動体を連結した枠状固定部材も加速度によって変形する。このため、特許文献1に記載の加速度センサ素子は、固定部材を変形させる大きさの加速度を必要とし、検出感度を低下させる。しかも、特許文献1に記載の加速度センサ素子は、振動体に固定部材の変形成分が作用する。したがって、特許文献1に記載の加速度センサ素子は、固定部材の変形を含んだ振動体の共振周波数の変化を検出するものであり、振動体のみに加速度を作用させるのと異なり、何らかの補正を施さないと検出誤差を生ずる可能性がある。
【0004】
一方、感度を向上させるため、あるいは検出誤差を防ぐために、振動体である双音叉振動片の一端を自由端にした場合、振動体が衝撃などによって破損する可能性がある。すなわち、双音叉振動片は、通常の音叉型振動片より振動腕(振動脚)が長く形成される。しかも、振動腕の先端が相互に連結されるために、通常の音叉型振動片より振動腕にかかる負荷(荷重)が大きい。このため、振動体(双音叉振動片)に衝撃力が作用した場合、自由端の撓み量が大きくなって、振動腕が折損するおそれがある。
【0005】
本発明は、前記従来技術の欠点を解消するためになされたもので、感度を向上できるようにすることを目的としている。
また、本発明は、特別な補正を必要とせずに、検出誤差の低減を図れるようにすることを目的としている。
【0006】
さらに、本発明は、作用する衝撃力によって振動体が破損するのを防止することを目的としている。
また、本発明は、各素子間における感度のばらつきを小さくすることを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【0007】
上記の目的を達成するために、本発明に係る加速度センサ素子は、基部と前記基部と一体に形成され屈曲振動する振動部とを備えた圧電振動体と、略クランク状に折曲されて一端に前記圧電振動体の前記基部を接合する台座部を備えた支持部材と、前記支持部材の他
端側に設けられ、前記台座部に接合した前記圧電振動体の先端自由端部の側方に位置させた保護部と、前記圧電振動体と、前記圧電振動体を接合した前記支持部材と、前記保護部とを収容したパッケージと、を有することを特徴としている。
【0008】
このようになっている本発明は、圧電振動体の一端が自由端となっているため、圧電振動体に直接加速度を印加する(作用させる)ことができる。したがって、本発明は、他の部材の影響を受けずに加速度を検出することができ、感度の向上が図れるとともに、特別な補正をしなくとも検出誤差の低減を図ることができる。また、本発明は、先端自由端部の側方に保護部が配置してあるため、圧電振動体に大きな衝撃力が作用したときに、圧電振動体の先端自由端部の撓み量が保護部によって規制され、圧電振動体の折損を防ぐことができる。
【0009】
圧電振動体は、双音叉振動片を用いることができる。圧電振動体として、双音叉振動片を用いることにより高感度な加速度センサ素子とすることができる。
また、保護部は、圧電振動体の先端自由端部の上部を覆うように形成し、先端自由端部に形成された感度調整用金属膜を露出させる切欠きを有するように形成できる。このようになっている本発明は、圧電振動体とともに支持部材をパッケージ内に収容(実装)したのち、レーザなどによって金属膜の一部を蒸発させることにより感度調整を行なうことができ、各加速度センサ素子間における感度のばらつきを小さくすることができる。
【0010】
支持部材は、パッケージの底部に設けた封止孔に対応する脱気孔を設けることができる。封止孔に対応した脱気孔を設けることにより、支持部材をパッケージの底面に接合(固着)した場合に、パッケージ底部に設けた封止孔を塞ぐことがない。したがって、パッケージの蓋体を接合したのちに、封止孔を介してパッケージ内を真空状態に封止することができる。パッケージの封止孔と支持部材の脱気孔とは、一部が連通していればよく、脱気孔を封止孔より小径に、または脱気孔を封止孔に対して偏心させることにより、封止孔に充填した半田などの金属封止材がパッケージ内に流入するのを防ぐことができる。また、支持部材を金属によって形成した場合に、金属封止材が支持部材に接合し、封止材による封止強度を高めることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【0011】
本発明に係る加速度センサ素子の好ましい実施の形態を、添付図面に従って詳細に説明する。
図1は、第1実施形態に係る加速度センサ素子の説明図であって、図2のA−A線に沿った断面図である。また、図2は、第1実施形態に係る加速度センサ素子の蓋体を省略した平面図である。これらの図において、加速度センサ素子10は、パッケージ12内に圧電振動体14が収容してある。圧電振動体14は、水晶板などの圧電体によっていわゆる双音叉振動片に形成してある。すなわち、圧電振動体14は、図2に示してあるように、基部16と一対の振動腕18、18と先端連結部20とを有し、これらが一体に形成してある。一対の振動腕18は、振動部を構成していて、基部16と先端連結部20との中間に設けられ、容易に振動するように基部16、先端連結部20より薄肉に形成してある(図1参照)。
【0012】
圧電振動体14は、図2に模式的に示したように、基部16の表面に一対の接続電極22が設けてある。これらの接続電極22は、各振動腕18に形成した図示しない励振電極に接続してある。したがって、圧電振動体14は、接続電極22を介して励振電極に所定周波数の電圧を印加することにより、一対の振動腕18が図1の紙面に直交した方向に振動する。
【0013】
圧電振動体14は、基部16の下面が支持部材24に接合してある。支持部材24は、
実施形態の場合、洋銀(洋白)の薄板からなり板金加工により略灰皿の断面形状のようなクランク状に折曲してある。そして、支持部材24は、皿底となる接合平板部25がパッケージ12の底部に金属ロウ材等により、パッケージ12の底部26に固着してある。また、支持部材24は、一端部(図1の左側端部)が上方かつ外方に向けて略クランク状に折曲してあり、接合平板部25と平行な台座部28が形成してある。台座部28には、図示しない半田など金属ロウ材や接着剤などにより圧電振動体14の基部16が接合してある。
【0014】
支持部材24の他端側は、一端側と同様に、上方かつ外方に向けてクランク状に折曲してある。そして、この他端部は、台座部28に接合した圧電振動体14の先端自由端部となる先端連結部20の周囲(側方)に配置される保護部30となっている。保護部30は、図3に示したように、上部に開口32を備えた断面が略C字状をなしている。開口32は、圧電振動体14の先端連結部20の上面に設けた感度調整用金属膜34を露出させている。この感度調整用金属膜34は、実施形態の場合、スパッタリングや真空蒸着などで形成した金の厚膜から形成してある。感度調整用金属膜34は、振動腕18に形成する励振電極用の金属膜と同時に形成される。
【0015】
保護部30は、圧電振動体14の先端連結部20の下方に位置する下板部33が台座部28より低くしてある(図1参照)。したがって、台座部28に圧電振動体14の基部16を接合した場合、圧電振動体14の先端連結部20の下面と、保護部30の下板部33の上面との間に間隙dが形成され、圧電振動体14に作用する加速度、圧電振動体14の振動腕18の屈曲振動に影響を与えないようにしてある。実施形態の場合、先端連結部20と保護部30の下板部33との間隙dは、約500μmにしてある。また、保護部30は、側板部および開口32を有する天板部と先端連結部20との間に、適宜の間隙を有するように形成してある。
【0016】
圧電振動体14を接合した支持部材24を収容するパッケージ12は、パッケージ本体36と蓋体38とから構成してある(図1参照)。パッケージ本体36は、例えば複数枚のセラミックシートを積層し、焼結して収容部37を備えた箱型に形成してある。また、パッケージ本体36は、底部26の中央部に外部に連通する封止孔40を有している。そして、支持部材24の接合平板部25には、パッケージ本体36の封止孔40に対応して脱気孔42が形成してある。脱気孔42は、封止孔40の開口部の一部を塞ぐように形成してある。実施形態の場合、脱気孔42は、封止孔40より小径に形成してあって封止孔40と同心に配置してある。なお、封止孔40には、半田などの金属からなる封止材(図示せず)が充填され、パッケージ12の内部を気密に封止する。また、パッケージ本体36は、下面の四隅に機器の配線基板(図示せず)のランド部に接合する外部端子44を有している。これらの外部端子44の一対は、圧電振動体14の基部16に設けた接続端子22に電気的に接続してある。
【0017】
すなわち、パッケージ本体36は、支持部材24の台座部28に近い側壁に実装端子46が設けてある。この実装端子46は、図示しない配線パターンまたは配線パターンとスルーホールとを介して外部端子44に電気的に接続してある。そして、圧電振動体14の接続端子22と実装端子46とはワイヤボンディングされ、金やアルミニウムなどからなるボンディングワイヤ48によって相互に接続してある。したがって、外部端子44、実装端子46、ボンディングワイヤ48、接続端子22を介して圧電振動体14の振動腕18に設けた励振電極に励振電圧を印加できるようになっている。なお、蓋体38は、レーザを透過できる材料、例えばガラス板からなっている。この蓋体38は、低融点ガラス、金属ロウ材などの接合材(図示せず)を介してパッケージ本体36の上面に気密に接合してある。
【0018】
このようになっている加速度センサ素子10は、複数枚のセラミックシートを積層したのち、焼成して収容部37を有する箱型のパッケージ本体36を形成する。また、洋銀の薄板を図4に示したようにT字型に切り出し(打ち抜き)、図4の破線に沿って折曲して支持部材24を形成する。所定の形状に形成された支持部材24は、パッケージ本体36の底部26に接合平板部25が接合される。この際、接合平板部25に設けた脱気孔42がパッケージ本体36の封止孔40と対応した位置となるようにする。
【0019】
その後、圧電振動体14の先端連結部20を支持部材24の保護部30に差し込み、支持部材24の台座部28に圧電振動体14の基部16を接合する。なお、台座部28に絶縁膜を形成するとともに、エポキシなどの絶縁性接着剤を用いて基部16を台座部28に接合するようにすると、基部16の上下の両面に接続電極22を形成することができ、圧電振動体14の表、裏の区別をする必要がなく、接合時の取り扱いが容易となる。また、支持部材24のパッケージ本体36への実装(接合)は、台座部28に圧電振動体14を接合したのちに行なってもよい。
【0020】
その後、パッケージ本体36の上端面に所定の大きさに切断してあるガラス板からなる蓋体38を気密に接合する。次に、蓋体38、保護部30の開口部32を介して、圧電振動体14の先端連結部20の上面に設けた感度調整用金属膜34にレーザ光を照射し、感度調整用金属膜34の一部を蒸発させて感度の調整を行なう。すなわち、感度調整用金属膜34の一部を蒸発させると、先端連結部20の質量が変わり、振動させた圧電振動体14の長手方向に作用する(印加される)加速度に対する感度を変化させることができる。
【0021】
圧電振動体14を実装したパッケージ12は、圧電振動体14の感度を調整したのち、封止穴40を上にした状態で図示しない真空チャンバ内に搬入する。そして、真空チャンバ内を所定の圧力まで減圧したのち、封止孔40に半田ボールなどの封止材が供給し、封止材を溶融して封止孔40を気密に封止する。このとき、支持部材24に設けた脱気孔42が封止孔40より小径となっているため、溶融した封止材がパッケージ12内に流入するのを防ぐことができる。
【0022】
このようにして形成した実施形態に係る加速度センサ素子10は、圧電振動体14の一端が自由端となっているため、圧電振動体14に軸方向(長手方向)の加速度を直接作用させることができる。したがって、感度の向上が図れるとともに特別な補正回路を設けることなく検出誤差を低減することができる。また、圧電振動体14の先端連結部20の周囲に保護部30が配置してあるため、圧電振動体14に大きな衝撃力などが作用したとしても、先端連結部20の撓み量(変位量)を保護部30が規制する。このため、大きな衝撃力などによる圧電振動体14の折損などを防止することができる。そして、圧電振動体14の先端連結部(先端自由端部)20に感度調整用金属膜34を設けて、個々の圧電振動体14の加速度に対する感度を調整できるようにしてあるため、各加速度センサ素子10間における感度のばらつきを小さくすることができる。
【0023】
図5は、第2実施形態に係る支持部材の側面図である。この実施形態に係る支持部材50は、洋銀の薄板を略クランク状に折曲して形成してある。そして、支持部材50は、一端に圧電振動体14を接合する台座部28が形成してある。また、支持部材50の他端側は、接合平板部25がそのまま延長され、端部に保護部30が形成してある。保護部30は、前記第1実施形態と同様の形状に形成してある。このようになっている支持部材50は、台座部28側だけをクランク状に折曲したことより、加速度センサ素子の低背化を図ることができる。
【0024】
図6は、第3実施形態に係る支持部材の要部の説明図である。第3実施形態に係る支持部材52は、接合平板部25の一端側に本図に図示しない台座部を有し、他端側に保護部
54が設けてある。保護部54は、図6(1)に示したように、下板部33が接合平板部25より高い位置に形成してある。下板部33の両側部には、上方に折曲して立ち上げた側板部56、58が連接してある。一方の側板部58は、上部がさらに水平方向に折曲されて圧電振動体14の先端連結部20の上部を覆う天板部60となっている。天板部60には、図6(2)に示したように、切欠き62が設けてある。この切欠き62は、圧電振動体14の先端連結部20の上面に形成した感度調整用金属膜34を露出させ、圧電振動体14の加速度に対する感度調整を可能にしている。
【0025】
図7は、第4実施形態の要部の説明図である。この実施形態に係る加速度センサ素子は、封止孔40の開口部の一部が支持部材64で塞がれている。この実施形態の場合、支持部材64の接合平板部25に設けた脱気孔66がパッケージ本体36の底部26に設けた封止孔40に対して偏心させてある。この実施形態においても、前記各実施形態と同様の効果を得ることができる。
【0026】
なお、前記各実施形態は本発明の一態様であって、前記実施形態に限定されるものではない。例えば、前記実施形態においては、圧電体が水晶である場合について説明したが、圧電体は、タンタル酸リチウム(LiTaO)、ニオブ酸リチウム(LiNbO)、四ケイ酸リチウム(Li)などの他の圧電体であってもよい。また、前記実施形態においては、圧電振動体が双音叉振動片である場合について説明したが、圧電振動体は、通常の音叉型振動片であってもよい。また、前記実施形態においては、支持部材を洋銀の薄板によって形成した場合について説明したが、支持部材は、アルミニウムや銅、ステンレスなどの他の金属薄板などによって形成してもよい。さらに、前記実施形態においては、切欠き62が天板部60の一辺に開口した楕円曲線状である場合について説明したが、切欠きは天板部60の辺に開口していない孔として形成してもよい。
【図面の簡単な説明】
【0027】
【図1】本発明の第1実施形態に係る加速度センサ素子の説明図であって、図2のA−A線に沿った断面図である。
【図2】第1実施形態に係る加速度センサ素子の蓋体を省略した平面図である。
【図3】第1実施形態に係る支持部材の保護部の詳細説明図である。
【図4】第1実施形態に係る支持部材の展開図である。
【図5】第2実施形態に係る支持部材の説明図である。
【図6】第3実施形態に係る支持部材の要部の説明図である。
【図7】第4実施形態に係る加速度センサ素子の要部の説明図である。
【符号の説明】
【0028】
10………加速度センサ素子、12………パッケージ、14………圧電振動体、16………基部、18………振動部(振動腕)、20………先端自由端部(先端連結部)、24………支持部材、28………台座部、30………保護部、34………感度調整用金属膜、36………パッケージ本体、38………蓋体、40………封止孔、42………脱気孔、50、52、64………支持部材、54………保護部、62………切欠き、66………脱気孔。
【出願人】 【識別番号】000003104
【氏名又は名称】エプソントヨコム株式会社
【出願日】 平成18年8月17日(2006.8.17)
【代理人】 【識別番号】100095728
【弁理士】
【氏名又は名称】上柳 雅誉

【識別番号】100127661
【弁理士】
【氏名又は名称】宮坂 一彦


【公開番号】 特開2008−46009(P2008−46009A)
【公開日】 平成20年2月28日(2008.2.28)
【出願番号】 特願2006−222284(P2006−222284)