专利名称：落下冲击测量系统及用于该系统的加速度传感器用元件的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于手机等便携式电子设备的落下冲击试验的落下冲击测量系统、以及用于该落下冲击测量系统的加速度传感器用元件。
双压电晶片型加速度传感器用元件，构成该元件的多个自由振动部为悬臂樑结构，该自由振动部产生的信号通过取出电极连接于开关部。
双压电晶片型加速度传感器用元件，构成该元件的多个自由振动部为双柱樑结构，该自由振动部产生的信号通过取出电极连接于上述开关部。


图1为本发明实施形态1及2的落下冲击测量系统的电路图。
图2A为实施形态1的加速度传感器部的电路图。
图2B为实施形态2的加速度传感器部的电路图。
图3为表示实施形态1及实施形态2的落下冲击测量系统的落下冲击加速度检测流程的流程图。
图4为表示实施形态1及实施形态2的落下冲击测量系统的落下冲击加速度检测流程的流程图。
图5A为实施形态1双支柱樑的加速度传感器用元件的俯视图。
图5B为实施形态1的双支柱樑的加速度传感器用元件底视图。
图5C为实施形态1的双支柱樑的加速度传感器用元件侧视图。
图5D为实施形态1的双支柱樑的加速度传感器用元件立体图。
图6A为实施形态2的悬臂樑的加速度传感器用元件俯视图。
图6B为实施形态2的悬臂樑的加速度传感器用元件底视图。
图6C为实施形态2的悬臂樑的加速度传感器用元件立体图。
图7A为实施形态1的悬臂樑的加速度传感器用元件俯视图。
图7B为实施形态1的悬臂樑的加速度传感器用元件底视图。
图7C为实施形态1的悬臂樑的加速度传感器用元件立体图。
图8A为实施形态1的悬臂樑的加速度传感器用元件俯视图。
图8B为实施形态1的悬臂樑的加速度传感器用元件底视图。
图8C为实施形态1的悬臂樑的加速度传感器用元件立体图。
图5A～图5D表示加速度传感器部101～103的主要构成要素、即加速度传感器用元件的构成。图5A～图5D为双支柱樑型加速度传感器用元件。图5A为俯视图、图5B为底视图、图5C为侧视图、图5D为立体图。在图5A～图5D中，自由振动部545～547为双压电晶片型结构，为通过所加施加的冲击产生变形或振动的结构。自由振动部545～547的上表面形成主电极501～503，下表面形成主电极520～522。取出用电极504及505和主电极501连接，取出用电极506及507和主电极502连接，取出用电极508及509和主电极503连接。因为自由振动部545～547为双压电晶片型结构，所以相应于形状的变形产生电荷。自由振动部545～547上表面侧产生的电荷分别传给主电极501～503，传给主电极501～503的电荷再分别传给取出用电极504～509。另一方面，在自由振动部545～547下表面侧产生的电荷分别传给主电极520～522，传给主电极520～522的电荷再分别传给取出用电极523～528。但传给主电极520～522的电荷和传给主电极501～503的电荷极性相反。取出用电极523～528经支持体541～544的侧面延伸至支持体541～544的底部，在底部露出。
自由振动部545～547通过变形产生的极性相反的电荷内，一种从上表面的取出用电极504～509取出，另一种从露出在支持体541～544的底部的取出用电极523～528取出。
还有，自由振动545～547上形成的取出用电极504～509及523～528形成于自由振动部545～547的一部分上的理由是，为了防止在自由振动部545～547应力分布引起输出电荷相互抵消。例如，取出用电极504和505的宽度设定成主电极501宽度的五分之一以下。
另外，自由振动部545～547的长度分别为L3、L2、L1，L3最长，L最短。各自由振动部545～547分别在电路上独立。
图2A为表示图1的加速度传感器部101～103的电路图。加速度传感器用元件201为图5A至图5D所示的加速度传感器用元件。图5A至图5D的取出用电极523或524连接图2A的接地205，图5A至图5D上的取出用电极504或505连接图2A的电阻器202。通过使取出用电极504或505的输出电荷流入电阻器202，产生的电荷变成电流。另外，通过该电流流过电阻器202在电阻器202上产生电压。在电阻器202的阻值必须取1MΩ以上的大阻值时，用FET203减少电路的阻抗。FET203的源极通过端子206接正电源，栅极连接加速度传感器用元件201和电阻器202，漏极接电阻器204。电阻器204的另一端子连接接地205。漏极的电位通过端子207取出。利用该电路构成，使端子207的输出阻抗减小。
还有，图5A～图5D的加速度传感器用元件上还存在自由振动部546及自由振动部547，从这两个自由振动部来的信号也分别用和图2A同样的电路处理。
端子207的信号提供给开关106～108内对应的开关。
识别号1～3分别提供给包括自由振动部545～547在内的加速度传感器部。该识别号用“S”表示。包括自由振动部545的加速度传感部101的S为1，包括自由振动部546的加速度传感部102的S为2，包括自由振动部547的加速度传感部103的S为3。另外，加速度传感器部的总数用“N”表示。图5A～图5D中N为3。
以上的说明表示这样的结构，即使取出用电极504或505的输出电荷移动形成电流，让该电流流入电阻器202，变换成电压，再将该电压放大的构成。但并不限于此，也可采用将电流直接放大的构成。
通常，加速度传感器用元件201伴随有电容，该电容和电阻器202必然会形成低频带截止滤波器。因此，加速度传感器用元件201生成的信号的低频带侧频率受限制。设加速度传感器用元件201的电容为Cs，电阻器202的阻值为R，则这时的低频带截止频率Fc可用下式表示。
Fc＝1/(2π×R×Cs) ……(1)图3表示图1的落下冲击检测的流程。
首先，在图5A～图5D的不同长度的自由振动部545～547中，选择灵敏度最高、共振频率最低的自由振动部所对应的加速度传感器部。灵敏度最高、共振频率最低的加速度传感器部为包括自由振动部545的加速度传感器部101。即将S设成1。(300)接着，在开关106～108内，只使与选定的加速度传感器部相当的开关闭合，实行传感器切换。这一时刻，S为1，所以只有图1的开关106闭合。(301)此后，开始落下。(302)接着，进行落下冲击测量，放大电路104对因落下冲击在加速度传感器部101产生的信号进行放大，从图1的端子110输出落下冲击测量结果(即，冲击加速度)(303)此后，逻辑判定电路105判断放大电路104的输出信号是否在规定阈值以内以及有无共振。(304)接着，在规定的阈值以内的情况下(306)，显示其冲击加速度(312)。关于冲击加速度的显示，图1上没有表示。
另一方面，在超过规定的阈值时(305)，判定当前的S是否等于N。(307)
S等于N时(309)，相当于图5A～图5D的全部自由振动部545～547中，放大电路104的输出信号都超过阈值，以此进行出错显示。(311)若S小于N(308)，则更新传感器号，S加1。(310)这样，通过传感器切换，重新选择新的传感器号S(301)，落下再次开始。(302)图4也表示图1的落下冲击检测的流程。图3的流程为在落下冲击测量(303)的结果不是在传感器号S的阈值以内时(305)，使传感器号S逐次加1(310)重新开始落下(302)的方式的流程，另一方面，图4为即使最初的落下冲击测定结果不是在传感器号S的阈值以内，也能通过对检测信号的逻辑判定，算出恰切的传感器号，以该传感器号重新执行落下试验的流程。
首先，S设为1。(400)接着，开始落下试验。(401)此后，放大电路104将经开关106输入的加速度传感器部101的输出信号放大。(402)此后，逻辑判定电路105判断放大电路104的输出信号是否在规定的阈值以内、有无共振。(403)此后，在判定为在规定的阈值以内的情况下(404)，显示其冲击加速度(408)，关于冲击加速度的显示在图1上没有表示。
此后，在判定为在规定阈值以内时(405)，逻辑判定电路105根据放大电路104的输出信号选择最适合的传感器号。(406)此后，与最适合的传感器号对应的开关闭合，落下再次开始。(407)这样，对落下冲击进行检测并加以显示。(408)检测落下冲击用的加速度传感器要求范围相当宽的共振频率。即，希望共振频率不是单一的，而是有多种共振频率的加速度传感器。
设图5A～图5D所示的加速度传感器用元件的共振频率为fr、自由振动部的长度为L、厚度为T、常数为α，则共振频率fr可以下式表示。
Fr∝α×T/L2……(2)即，共振频率fr与自由振动部长度的2次方成反比。图5A～图5D所示加速度传感器用元件的自由振动部545～547其长度各不相同，故存在多个共振频率。因此，图5A～图5D所示加速度传感器用元件为与相当宽的共振频率对应的加速度传感器用元件。
利用这样的加速度传感器用元件构成落下冲击测量系统，则即使在无法预测落下时的共振频率时仍能容易地检测出冲击加速度，框架的结构设计等容易进行。
图7A～图7C及图8A～图8D表示悬臂樑结构的加速度传感器用元件。
图7A为俯视图、图7B为底视图、图7C为立体图。自由振动部741～743的一端由支持体744支持，形成悬臂樑结构。自由振动部741～743的上表面形成主电极701～703，自由振动部741～743的下表面形成主电极721～723，取出用电极704～706分别与主电极701～703电气连接。支持体744的底面上形成取出电极724～726，该取出电极724～726分别与主电极721～723电气连接。
图8A～图8D表示另一悬臂樑结构的加速度传感器用元件。图8A为俯视图、图8B为底视图、图8C为立体图。自由振动部841及842的一端由支持体843支持，形成悬臂樑结构。自由振动部841的上表面形成主电极801，自由振动部841的下表面形成主电极821。自由振动部842的上表面形成主电极802，自由振动部842的下表面形成电极822。取出用电极803及804在分别与主电极801及802电气连接。支持体843的底面上形成的取出用电极823经支持体侧面844与主电极821电气连接。支持体843的底面上形成的取出用电极824经与支持体侧面844相反的一侧的支持体侧面电气连接于主电极822。
图7A～图7C、图8A～图8C所示的悬臂樑结构的加速度传感器用元件与图5A～图5D所示的双支柱樑结构的加速度传感器用元件相比，同一尺寸时输出电荷量约为4～5倍。因此，能省去在使用图5A～图5D所示双支柱樑结构的加速度传感器用元件时所需的、图1的放大电路104。通过省略放大电路104，可提供低成本的落下冲击试验系统。又因自由振动部741～743并排形成，故能使加速度传感器用元件自身外形小型化，落下冲击试验系统自身也能小型化。
利用以上所示实施形态1，可提供即使共振频率相差很大的1000G以上的大冲击加速度仍容易实测的落下冲击测量系统。另外，能提供可检测共振频率不同的冲击加速度的加速度传感器用元件。
实施形态2图1也表示实施形态2的落下冲击测量系统的电路图。图2B为实施形态2的加速度传感器部的电路图。图3及图4也表示采用实施形态2的落下冲击测量系统的检测方法的流程图。图6A～图6C为实施形态2的悬臂樑加速度传感器用元件的示意图。
图6A为俯视图、图6B为底视图、图6C为立体图。自由振动部641～644的一端支持固定在支持体645上。自由振动部641～644的上表面上分别形成主电极601～604，自由振动部641～644的下表面形成主电极620～623，主电极601～604分别与取出用电极605～608电气连接，主电极620～623分别与取出用电极624～627连接，取出用电极624～627露出在支持体645的底部。自由振动部641～644的长度L4～L7完全相同。
利用图6A～图6C所示的加速度传感器用元件构成图2B所示的加速度传感器部。在图2B中，加速度传感器用元件220为由图6A～图6C的自由振动部641、主电极601及620、取出用电极605及624形成的加速度传感器用元件。加速度传感器用元件有4个。加速度传感器用元件221为图6A～图6C中剩余3个中的1个。取出用电极624～627连接接地225，取出电极605～608并联连接并且连接于电阻222。图2B的电阻222、电阻224、FET223、端子226及端子227分别与图2A的电阻202、电阻204、FET203、端子206及端子207相同，不再逐一说明。这样形成的加速度传感器部能作为图1的加速度传感器部101使用。
同样形成加速度传感器部102、103。但在加速度传感器部101～103中使用的加速度传感器用元件的共振频率各异，故能实现较宽的共振频率。
为了检测较大的落下冲击加速度，可考虑将加速度传感器用元件小型化，增加机械强度的方法。但已有的加速度传感器用元件一旦小型化，电容就减小，加速度传感器用元件自身的抗噪声性能劣化。实施形态2所示的加速度传感器用元件具有相同共振频率的自由振动部在电气上并联使用，因此尽管加速度传感器用元件小型化但其电容仍不减小。因此，本实施形态2能构筑抗噪声性能优良的加速度传感器用元件及落下冲击测量系统。
另外，已有的加速度传感器用元件一小型化电容就减小。其结果是，式(1)所示d低频带截止频率Fc增高。另一方面，在实施形态2所示的加速度传感器用元件中，即使加速度传感器用元件自身小型化但其电容仍不减小，故能避免低频带截止频率Fc上升。
还有，在实施形态2，用图6A～图6C所示形状的加速度传感器用元件构成。但并不限于这一形状，通过将图7A～图7C的自由振动部741～743的长度L10～L8做成同一形状，图8A～图8C的自由振动部841及842的长度L11～L12做成同一形状，图5A～图5D的自由振动部545～547的长度L3～L1做成同一长度的形状，就能得到同样的效果。
工业应用性本发明的落下冲击测量系统及用于该落下冲击测量系统的加速度传感器用元件能对应较宽的共振频率、较大的冲击加速度，能实现小型化，也能谋求改善抗噪声性能。
权利要求
1.一种落下冲击测量系统，其特征在于，具备有多个自由振动部，并且从各个所述自由振动部来的取出用电极为独立的多个双压电晶片型加速度传感器、选择通过所述取出用电极得到的所述多个双压电晶片型加速度传感器的输出的开关部、将通过所述开关部施加的所述双压电晶片型加速度传感器来的电压或电流中的至少一方加以放大的放大电路、以及对所述放大电路的输出作逻辑判定，根据所述逻辑判定的结果控制所述开关部的逻辑判定电路。
2.一种双压电晶片型加速度传感器用元件，其特征在于，用于具备多个悬臂樑结构的自由振动部及具有取出所述自由振动部产生的信号用的取出用电极的双压电晶片型加速度传感器。
3.根据权利要求2所述双压电晶片型加速度传感器用元件，其特征在于，所述多个自由振动部其长度各异，并在电路上分别独立。
4.根据权利要求2所述双压电晶片型加速度传感器用元件，其特征在于，所述多个自由振动部具有相同的长度，并在电路上并联连接。
5.一种双压电晶片型加速度传感器用元件，其特征在于，用于具备多个双柱樑结构的自由振动部及具有取出所述自由振动部产生的信号用的取出用电极的双压电晶片型加速度传感器元件。
6.根据权利要求5所述双压电晶片型加速度传感器用元件，其特征在于，所述多个自由振动部其长度各异，并在电路上独立。
7.根据权利要求5所述的加速度传感器用元件，其特征在于，所述多个自由振动部长度相同，并在电路上并联连接。
全文摘要
落下冲击测量系统具备有多个自由振动部，并且从各个自由振动部来的取出电极独立的，多个双压电晶片型加速度传感器、选择该多个双压电晶片型加速度传感器的输出的开关部、将通过该开关部施加的从双压电晶片型加速度传感器来的信号加以放大的放大电路、以及对该放大电路的输出作逻辑判定，根据其逻辑判定结果对开关部进行控制的逻辑判定电路。
文档编号G01N21/00GK1464978SQ02802646
公开日2003年12月31日 申请日期2002年8月7日 优先权日2001年8月9日
发明者西原和成, 多鹿博文, 野村幸治, 田路基幸 申请人:松下电器产业株式会社