JP2007212156A - 加速度センサ、パッケージ収納型加速度検出装置および加速度の測定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】外部からの加速度を検出するための錘部に機械的な揺動を殆んど発生させずに加速度の測定を行うことが可能な加速度センサ、パッケージ収納型加速度検出装置および加速度の測定方法を提供する。
【解決手段】加速度センサ１０は、外部から与えられる力によって可動な錘部２０と、錘部２０の周囲を囲むように形成された外枠部１２と、振動方向に直交する方向に延在する一対の振動腕２３，３２と振動腕２３，３２の両端に延設された基部とを備え、錘部２０の重心Ｑ１近傍を中心として略直角関係となるように外枠部１２と錘部２０との間に形成され、それぞれが外枠部１２に接続された２個の双音叉振動子Ｘ１，Ｘ４と、錘部２０の重心Ｑ１を含む平面と異なる平面上に重心を有し、錘部２０から薄肉状に延設された接続部１５，１７，１９，２２とを有し、錘部２０と双音叉振動子Ｘ１，Ｘ４とは、接続部１５，２２によって接続されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、双音叉振動子を用い、外部から与えられる加速度を電気的に測定する加速度センサ、パッケージ収納型加速度検出装置および加速度の測定方法に関する。

加速度センサは、近年、自動車のエアバック、ゴルフスウィングの評価システムなどに用いられ、その用途も多岐に亘ってきている。それに伴い、近年では、特許文献１に示すような、一つのチップで３軸方向の加速度を検出することが可能な小型の加速度センサが提案されている。

この特許文献１に示す加速度センサについて図１１を用いて説明する。なお、図１１は、従来の加速度センサの概略の構成を示す正断面図である。図１１によれば、従来の加速度センサ１０００は、外部からの加速度を検出するための錘部１０１２が、接続部としてのビーム部１０１３を介して設けられたフレーム部１０１１によって容器１０２０の内底面１０１７に接合材１０１４で固定されている。ビーム部１０１３は、薄肉状に形成され、錘部１０１２が揺動（移動）できるような可撓性を有しており、その一部にピエゾなどのセンサ素子１０１６が設けられている。センサ素子１０１６は、ビーム部１０１３の撓み量によって電気抵抗の値が変化する特性を有している。フレーム部１０１１は、容器１０２０の内底面１０１７と錘部１０１２との間に、錘部１０１２が揺動可能なスペースを確保するように形成されている。また、錘部１０１２と対向する容器１０２０の内底面１０１７には、錘部１０１２の揺動量（移動量）を制限するためのスペーサ１０１５が形成されている。

加速度センサ１０００は、外部から与えられた加速度によって生じる慣性力によって錘部１０１２が揺動し、これによるビーム部１０１３の撓み量によって変化するセンサ素子１０１６の電気抵抗値に基づいて加速度を測定している。

特開２００５−１４０７２０号公報

しかしながら、従来の加速度センサ１０００は、錘部１０１２が機械的な揺動によって抵抗値を変化させるため、錘部１０１２の揺動量（移動量）を大きくすることが必要であり、数百マイクロメートル程度の揺動（移動）が必要とされていた。このため、錘部１０１２は、例えば、大きな加速度を与えられることによりスペーサ１０１５に衝突することにより破壊が生じたり、あるいは、薄肉状のビーム部が破壊されてしまうなどの問題を生じる可能性を有していた。

本発明は、上述の課題を解決するためになされたもので、外部からの加速度を検出するための錘部に機械的な揺動を殆んど発生させずに加速度の測定を行うことが可能な加速度センサ、パッケージ収納型加速度検出装置および加速度の測定方法を提供することを目的とする。

本発明の加速度センサは、外部から与えられる力によって可動な錘部と、前記錘部の周囲を囲むように形成され、基台に支持されるべき外枠部と、所定の振動方向に振動し、該振動方向に直交する方向に延在する一対の振動腕と前記振動腕の両端に延設された基部とを備え、前記錘部の重心近傍を中心として略直角関係となるようにそれぞれが前記外枠部と前記錘部との間に形成され、それぞれが前記外枠部に接続された少なくとも２個の双音叉振動子と、前記錘部の重心を含む平面と異なる平面上に重心を有し、前記錘部から薄肉状に延設された接続部とを有し、前記錘部は、前記接続部によって、少なくとも前記双音叉振動子と接続されていることを特徴とする。

本発明の加速度センサによれば、錘部が薄肉状に形成された接続部によって支持されている。この錘部は、加速度が加わると慣性力によって移動しようとし、加速度が加わらなくなると元の位置に移動しようとする。このとき、接続部は薄肉状に形成されているため撓み易く、ここに発生する応力が接続部を介して設けられている双音叉振動子に伝播する。この伝播した応力によって、略直交方向に設けられた少なくとも２つの双音叉振動子の共振周波数に変化を生じる。この共振周波数の変化は、加わる応力の方向（圧縮方向、引っ張り方向）および大きさによって変化するため、少なくとも２つの双音叉振動子の共振周波数の変化の方向（上昇、低下）および変化量を検出することによって３軸方向の加速度を測定することができる。

前述の応力の発生、および双音叉振動子の共振周波数の変化についてさらに詳細に説明する。先ず、加速度センサの平面に対して垂直方向に加速度が加わった場合は、慣性力によって錘部が加速度の方向と逆の方向に移動しようとする。これにより、薄肉状に形成されている接続部が撓もうとすることになるため、接続部に応力を生じる。この応力が接続部を介して双音叉振動子に圧縮または引っ張りの応力として伝わることにより、双音叉振動子の共振周波数が変化する。また、加速度センサの平面に対し前後、または左右方向、即ち水平方向に加速度が加わった場合においても、慣性力によって錘部が加速度の方向と逆の方向に移動しようとする。これにより前述と同じように接続部に応力を生じる。このとき、錘部の重心を通る平面と異なる平面に接続部の重心が位置するように接続部が形成されているため、錘部は加速度の方向と交差する方向に移動しようとすることから、接続部に加速度の方向と交差する方向、即ち、略垂直方向に応力を生じることとなる。従って、この応力が接続部を介して双音叉振動子に圧縮または引っ張りの応力として伝わることにより、双音叉振動子の共振周波数が変化する。

このように、本発明の加速度センサは、双音叉振動子の共振周波数の変化を、応力によって生じさせているため、錘部の機械的な揺動を殆んど発生させずに加速度を測定することが可能となる。従って、機械的な揺動による破壊などを起こし難い、より高い信頼性を有した加速度センサを提供することができる。

また、前記少なくとも２個の双音叉振動子のうち一方の双音叉振動子は、前記接続部および前記外枠部と前記振動腕の振動方向に沿った方向で接続され、他方の双音叉振動子は、前記接続部および前記外枠部と前記振動腕の振動方向に直行する方向で接続されていることが望ましい。

このようにすれば、少なくとも２個の双音叉振動子の振動腕を一方向に揃えて配置することが可能となり、一つの材料を用いて少なくとも２個の双音叉振動子を形成することが可能となる。

また、前記少なくとも２個の双音叉振動子は、前記接続部および前記外枠部と前記振動腕の振動方向に沿った方向で接続されていることが望ましい。

このようにすれば、接続部に生じた応力を直接振動腕に受けるため、共振周波数の変化に対する感度をさらに向上することが可能となる。

また、前記双音叉振動子および前記接続部は、前記錘部の重心を通り略直交する仮想線上に形成されていることが望ましい。

このようにすれば、錘部の重心と接続部とが直線上にあるため、平面視回転方向に錘部が移動しようとする応力の発生を防止することが可能となる。従って、加速度の簡易な算出を行うことが可能となる。

また、前記双音叉振動子が、略直交方向に設けられた４つの前記外枠部と前記錘部との間に、それぞれ設けられていることが望ましい。

このようにすれば、それぞれの方向の応力に対応して複数の双音叉振動子での検出が可能となり、さらに精度を高めた加速度の測定が可能となる。

また、前記錘部、前記外枠部、前記双音叉振動子、前記保持部、および前記接続部が、圧電性を有する基材を用い一体的に形成されていることが望ましい。

このようにすれば、他で形成された部材を用いることなく加速度センサを形成することが可能となる。これにより、より簡単に、且つ精度良く加速度センサを形成することができる。

また、本発明のパッケージ収納型加速度検出装置は、前述の加速度センサと、前記加速度センサを収納する凹部が形成された収納パッケージと、前記凹部を閉口する封止部とを有することを特徴とする。

本発明のパッケージ収納型加速度検出装置によれば、パッケージの凹部に加速度センサが収納され、凹部の開口部が閉口されている。これにより、加速度センサが外部に露出されていないため、外部と加速度センサとの接触を防止することができ、加速度センサの破壊などを防止することができる。

また、加えて、前記加速度センサの少なくとも駆動および制御を行う機能を有する回路部を有することが望ましい。

このようにすれば、加速度センサと、この加速度センサの駆動、或いは制御を行なう機能を有した回路部とが同じパッケージに収納されていることから、一つのパッケージで加速度の検出から算出までの測定を行うことが可能となる。

また、前記凹部は、前記封止部によって低圧状態で閉口されていることが望ましい。

このようにすれば、双音叉振動子の振動を阻害する空気抵抗を抑えることができ、双音叉振動子の、より安定した振動特性を得ることが可能となる。換言すれば、より高精度な加速度の測定を行うことが可能となる。

また、本発明の加速度の測定方法は、少なくとも２つの双音叉振動子と薄肉状に形成された接続部によって接続された錘部とを備えた加速度の測定方法であって、外部から与えられた力による慣性力で前記錘部が移動しようとする時に前記接続部に生じる応力を、前記双音叉振動子に伝え、前記伝えられた応力によって生じる前記双音叉振動子の共振周波数の変化を検出し、前記共振周波数の変化量に基づいて加速度の方向と大きさを算出することを特徴とする。

本発明の加速度の測定方法によれば、双音叉振動子の精密な共振周波数を用い、その微細な変化に基づいて加速度を測定することから、より高精度な加速度の測定を行うことが可能となる。

本発明に係る加速度センサの最良の形態について、以下に図面を用いて説明する。
（第一実施形態）

先ず、図１および図２を参照して第一実施形態の加速度センサの構成について説明する。図１は、第一実施形態の加速度センサの概略を示す斜視図である。図２は、第一実施形態の加速度センサの概略を示し、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ断面図、（ｃ）は（ａ）のＢ−Ｂ断面図である。

図１および図２に示すように、加速度センサ１０は、錘部２０と、外枠部１２と、２つの双音叉振動子Ｘ１，Ｘ４と、保持部１４，１６，１８，３８と、接続部１５，１７，１９，２２とが形成されている。加速度センサ１０は、水晶基板１１を用い、ケミカルエッチング法などによって一体的に形成される。本第一実施形態のように一つの水晶基板１１から一体的に形成すれば、それぞれの接続が不要となり簡易に形成することに好適である。ここで用いられている水晶基板１１は、０．２〜０．５ｍｍの所定の厚さ有した基板であり、圧電体基板の一例として用いられている。水晶基板１１は、図中に示す水晶の結晶軸のＸ軸回りに所定の角度回転させたＺ´軸方向を厚さ方向とし、Ｘ軸方向およびＹ軸方向を平面（主面）として切り出されている。この切り出し角度は、双音叉振動子Ｘ１，Ｘ４が所定の発振を行なうために必要とされる角度が設定される。

錘部２０について説明する。錘部２０は、外部から与えられた加速度を錘部２０の慣性力によって感知するため、質量を大きくすることが必要となり、中央部から４角方向に張り出し部２１が形成されている。錘部２０は、その中央部の外周辺のうちの２辺で双音叉振動子Ｘ１，Ｘ４と接続部１５，２２によって接続され、他の２辺で外枠部１２から張り出した保持部１６，１８と接続部１７，１９によって接続されている。錘部２０は、窓開き部１３ａ，１３ｂ，１３ｃ，１３ｄによって外枠部１２と分離されている。

接続部１５，１７，１９，２２について説明する。接続部１５，１７，１９，２２は、平面視で錘部２０の重心Ｑ１上で直交する仮想線Ａ１，Ｂ１上に設けられている。接続部１５，１７，１９，２２は、錘部２０の重心Ｑ１を含む平面Ｃ１と異なる平面Ｃ２上に重心Ｑ２を有した薄肉状に形成されている。本第一実施形態の接続部１５，１７，１９，２２は、水晶基板１１の裏面１１ｂと同じ面を一方面として形成されている。

双音叉振動子Ｘ１，Ｘ４について説明する。一方の双音叉振動子Ｘ１は、スリット３５，３６，３７によって水晶の結晶軸のＸ軸方向に並びＹ軸方向に伸びた２つの振動腕３２が形成されている。振動腕３２は、一方端が基部３９と接続されており、他方端が保持部３８と一体的に形成された基部３９ｂと接続されている。基部３９と保持部３８とは、振動腕３２の外側にスリット３５，３６を介して形成された外周部３３，３４によって接続されている。双音叉振動子Ｘ１は、基部３９が接続部２２によって錘部２０と接続され、保持部３８が外枠部１２と接続されている。

他方の双音叉振動子Ｘ４は、双音叉振動子Ｘ１と同様にスリット２６，２７，２８によって水晶の結晶軸のＸ軸方向に並びＹ軸方向に伸びた２つの振動腕２３が形成されている。振動腕２３は、両端が基部２９，３０と接続されている。振動腕２３の外側には、スリット２６，２７を介して外周部２４，２５が形成されており、両端が基部２９，３０に接続されている。双音叉振動子Ｘ４は、一方の外周部２５が接続部１５によって錘部２０と接続され、他方の外周部２４が保持部１４と接続されている。この保持部１４が、外枠部１２と接続されているため、双音叉振動子Ｘ４は、保持部１４を介して外枠部１２と接続される。

双音叉振動子Ｘ１，Ｘ４それぞれの振動腕２３，３２は、厚さを０．１ｍｍ程度とするため、水晶基板１１の裏面１１ｂ側から、振動腕２３，３２の形成箇所を含むそれぞれの凹部３１，４０が形成されている。

ここで、図３および図４を用い、双音叉振動子Ｘ１，Ｘ４の構成および動作の概略について前述の双音叉振動子Ｘ４を一例として説明する。図３は、双音叉振動子Ｘ４の電極形状を示す概略図である。図４は、双音叉振動子Ｘ４の振動形態を示す模式図である。なお、同図では、外周部２４，２５を省略している。

図３に示すように、双音叉振動子Ｘ４の振動腕２３の表面には、振動腕２３を励振させるための電極形状の一例としての、励振電極４８，４９が形成されている。励振電極４８，４９は、それぞれの振動腕２３の中央部に設けられた電極４６，４７と、振動腕２３の基部２９，３０との接続部に近い部分（励振電極４８，４９の両側の部分）に設けられた電極４２，４３，４４，４５とから構成されている。なお、図示しないが、振動腕の裏面にも同様な構成の励振電極が形成されていても良く、さらに、側面にも励振電極が設けられても良い。

図４を参照しながら振動について説明する。先ず、図４（ｂ）に示すように、一方の励振電極４８を構成する電極４６にマイナス（−）電位、電極４２と電極４３にプラス（＋）電位を印加する。同時に他方の励振電極４９を構成する電極４７にプラス（＋）電位、電極４４と電極４５にマイナス（−）電位を印加する。このような電位を印加することにより、図４（ａ）で示すように略平行状態であったそれぞれの振動腕２３が、図４（ｂ）で示すように外側に湾曲するように撓む。

続いて、図４（ｃ）に示すように、それぞれの電極に図４（ｂ）の電位とは逆の電位を印加する。即ち、一方の励振電極４８を構成する電極４６にプラス（＋）電位、電極４２と電極４３にマイナス（−）電位を印加する。同時に他方の励振電極４９を構成する電極４７にマイナス（−）電位、電極４４と電極４５にプラス（＋）電位を印加する。このような電位を印加することにより、それぞれの振動腕２３は、図４（ｃ）で示すように内側に湾曲するように撓む。

上述の図４（ｂ）と図４（ｃ）の状態の電位を繰り返し印加することにより、所定の共振周波数で振動腕２３が振動することになる。本第一実施形態では、共振周波数が約４０ＫＨｚとなるように形成された双音叉振動子Ｘ４を用いている。

前述のように所定の共振周波数（約４０ＫＨｚ）で振動する双音叉振動子Ｘ４は、振動腕２３の振動方向に交差する方向（図３に示すＹ軸方向）に圧縮の力が加えられたり、逆に引っ張りの力が加えられたりするとその共振周波数が変化する。詳述すれば、双音叉振動子Ｘ４は、振動腕２３の振動方向に交差する方向に圧縮の力が加わると共振周波数が低下し、逆に引っ張りの力が加わると共振周波数が上昇する。なお、この共振周波数の変化は、加わる力の大きさと比例関係を有している。

次に、加速度センサ１０の加速度の測定方法について図５を用いて説明する。図５は、図２のＡ−Ａ断面を示す加速度の測定方法の概略説明図であり、（ａ）は、加速度が加わらない状態を示し、（ｂ）、（ｃ）は、図示上方向および下方向に加速度が加わった状態を示し、（ｄ）は、図示左方向に加速度が加わった状態を示す図である。

先ず、図５（ａ）は、加速度センサに加速度が加わっていない状態を示している。このとき、加速度センサ１０は、基板の裏面１１ｂの外枠部分（図中Ｓで示す）で基台（図示せず）に接続されている。

次に、図５（ｂ）で示す、加速度センサ１０に矢印Ｇ１の方向に加速度が加わった場合について説明する。矢印Ｇ１の方向に加速度が加わると、錘部２０は、その慣性力によって矢印Ｐ１の方向に移動しようとするため、変形し易いように薄肉状に形成された接続部２２が矢印Ｐ２の方向に撓もうとする。このとき、基板の裏面１１ｂ付近の双音叉振動子Ｘ１と接続部２２との接続部分では矢印Ｆ１で示す方向の引っ張りの応力が働き、基板の上面１１ａ付近では矢印Ｆ２で示す方向の圧縮の応力が発生する。双音叉振動子Ｘ１の振動腕３２は、基板の上面１１ａに形成されているため、振動腕３２には圧縮の応力が加わることとなる。即ち、双音叉振動子Ｘ１の共振周波数は、低下する。

次に、図５（ｃ）で示す、加速度センサ１０に矢印Ｇ２の方向に加速度が加わった場合について説明する。矢印Ｇ２の方向に加速度が加わると、錘部２０は、その慣性力によって矢印Ｐ５の方向に移動しようとするため、変形し易いように薄肉状に形成された接続部２２が矢印Ｐ６の方向に撓もうとする。このとき、基板の裏面１１ｂ付近の双音叉振動子Ｘ１と接続部２２との接続部分では矢印Ｆ５で示す方向の圧縮の応力が働き、基板の上面１１ａ付近では矢印Ｆ６で示す方向の引っ張りの応力が発生する。双音叉振動子Ｘ１の振動腕３２は、基板の上面１１ａに形成されているため、振動腕３２には引っ張りの応力が加わることとなる。即ち、双音叉振動子Ｘ１の共振周波数は、上昇する。

次に、図５（ｄ）で示す、加速度センサ１０に矢印Ｇ３の方向に加速度が加わった場合について説明する。矢印Ｇ３の方向に加速度が加わると、錘部２０は、その慣性力によって矢印Ｐ１０の方向に移動しようとする。このとき錘部２０の重心Ｑ１を含む平面と異なる平面に接続部２２の重心Ｑ２がある。換言すれば、錘部２０の重心Ｑ１が、変形し易いように薄肉状に形成された接続部２２の重心Ｑ２より上面１１ａ側にあるため、錘部２０は、その重心Ｑ１付近を中心として回転しようとする力を生じる。つまり、錘部２０は、接続部２２側が矢印Ｐ１１で示す方向に、接続部１７側が矢印Ｐ１２で示す方向に移動しようとする。これにより、図５（ｂ）で示す状態と同じように、基板の裏面１１ｂ付近の双音叉振動子Ｘ１と接続部２２との接続部分では矢印Ｆ１０で示す方向の引っ張りの応力が働き、基板の上面１１ａ付近では矢印Ｆ１１で示す方向の圧縮の応力が発生する。双音叉振動子Ｘ１の振動腕３２は、基板の上面１１ａに形成されているため、振動腕３２には圧縮の応力が加わることとなる。即ち、双音叉振動子Ｘ１の共振周波数は、低下する。なお、接続部１７付近では図５（ｃ）で示す状態と同じように矢印Ｆ１２で示す方向の応力が働き、基板の上面１１ａ付近では矢印Ｆ１３で示す方向の応力が発生する。

また、図５（ｄ）で示した加速度の方向に対して直行する水平方向の加速度が加わった場合は、接続部２２が錘部の重心Ｑ１と略同一仮想線上にあるため、錘部２０の上下移動が見かけ上殆んど無い状態となる。従って、振動腕３２には応力が加わらないことになり、共振周波数の変化が生じない。

また、双音叉振動子Ｘ４は、一方の外周部２４が保持部１４を介して外枠部１２と接続されており、他方の外周部２５が接続部１５を介して錘部２０と接続されており、前述の双音叉振動子Ｘ１の接続位置と９０°ずれた位置となっている。このため、前述で説明した加速度が加わった場合は、その応力が外周部２４，２５に加わることとなる。このとき、双音叉振動子Ｘ４の振動腕２３の振動方向に直交する方向には、ポアソン効果により外周部２４，２５に加わる応力と反対方向の応力が加わる。ポアソン効果について説明すると、物体の一方に、例えば、圧縮力を加えるとその直行方向には伸びの方向、即ち、引っ張り方向の力を生じる現象である。このポアソン効果により、例えば、前述の図５（ｂ）に示すような、外周部２４，２５に圧縮の応力が加わった場合は、双音叉振動子Ｘ４の振動腕２３の振動方向に直交する方向には引っ張りの応力が加わることになる。このように、双音叉振動子Ｘ４と双音叉振動子Ｘ１の振動方向に加わる応力は反対方向の応力となる。

上述の双音叉振動子Ｘ１，Ｘ４それぞれの共振周波数の変化（上昇、低下）の方向によって加速度の方向を判定することが可能となり、表１に示すような組み合わせにより３軸方向の加速度の測定を行うことができる。

双音叉振動子Ｘ１，Ｘ４の共振周波数が上昇する場合：「＋」。
双音叉振動子Ｘ１，Ｘ４の共振周波数が低下する場合：「−」。
双音叉振動子Ｘ１，Ｘ４の共振周波数が変化しない場合：「０」。

本第一実施形態の加速度センサ１０によれば、接続部１５，２２に発生する応力は、双音叉振動子Ｘ１，Ｘ４までの接続経路を伝播して伝わるため、その撓み量が少なく、応力が小さくても双音叉振動子Ｘ１，Ｘ４に伝播することができる。これにより、本第一実施形態によれば、双音叉振動子Ｘ１，Ｘ４の共振周波数は、錘部２０が０．１〜数マイクロメートル移動することによって変化する。背景技術に示した従来のピエゾ素子による方式の錘部の移動量は、数百マイクロメートルであり、これと比較すれば、本発明による錘部２０の移動量は、１００分の１から１０００分の１程度の移動量となる。従って、錘部２０の移動量が小さくても加速度の検出が可能となり、その移動量が大きくなることによって発生することがあった錘部２０或いは接続部１５，２２の破損を防止することが可能な加速度センサを提供することができることになる。

また、本第一実施形態の加速度センサ１０は、錘部２０、外枠部１２、２つの双音叉振動子Ｘ１，Ｘ４、保持部１４，１６，１８，３８、および接続部１５，１７，１９，２２とが水晶基板１１からケミカルエッチング法などによって一体的に形成されている。従って、他で形成された部材を用いることなく加速度センサを形成することが可能となり、より簡単に、且つ加工精度のよい加速度センサを形成することができる。
（第二実施形態）

次に、図６および図７を参照して第二実施形態の加速度センサの構成について説明する。図６は、第二実施形態の加速度センサの概略を示す斜視図である。図７は、第二実施形態の加速度センサの概略を示し、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）のＤ−Ｄ断面図、（ｃ）は（ａ）のＥ−Ｅ断面図である。

図６および図７に示すように、加速度センサ５０は、錘部６０と、外枠部５２と、４つの双音叉振動子Ｘ１，Ｘ２，Ｘ３，Ｘ４と、保持部５４，５４ｂ，７８，７８ｂと、接続部５５，５７，５９，６２とが形成されている。加速度センサ５０は、水晶基板５１を用い、ケミカルエッチング法などによって一体的に形成されている。本第二実施形態のように一つの水晶基板５１から一体的に形成すれば、それぞれの接続が不要となり簡易に形成することに好適である。ここで用いられている水晶基板５１は、０．２〜０．５ｍｍの所定の厚さ有した基板であり、圧電体基板の一例として用いられている。水晶基板５１は、図中に示す水晶の結晶軸のＸ軸回りに所定の角度回転させたＺ´軸方向を厚さ方向とし、Ｘ軸方向およびＹ軸方向を平面（主面）として切り出されている。この切り出し角度は、双音叉振動子Ｘ１，Ｘ２，Ｘ３，Ｘ４が所定の発振を行なうために必要とされる角度が設定される。

ここで錘部６０については、前述の第一実施形態と同様であるので説明を省略する。

次に、接続部５５，５７，５９，６２について説明する。接続部５５，５７，５９，６２は、平面視で錘部６０の重心Ｑ１上で直交する仮想線Ｄ１，Ｅ１上に設けられている。接続部５５，５７，５９，６２は、錘部６０の重心Ｑ１を含む平面Ｃ１と異なる平面Ｃ２上に重心Ｑ２を有した薄肉状に形成されている。本第二実施形態の接続部５５，５７，５９，６２は、水晶基板５１の裏面５１ｂと同じ面を一方面として形成されている。

双音叉振動子Ｘ１，Ｘ２，Ｘ３，Ｘ４について説明する。
先ず、双音叉振動子Ｘ１，Ｘ２について、双音叉振動子Ｘ１を例に説明する。双音叉振動子Ｘ１は、窓開き部７５，７６，７７によって水晶の結晶軸のＸ軸方向に並びＹ軸方向に伸びた２つの振動腕７２が形成されている。振動腕７２は、一方端が基部７９と接続されており、他方端が保持部７８と一体的に形成された基部７９ｂと接続されている。基部７９と保持部７８とは、振動腕７２の外側に窓開き部７５，７６を介して形成された外周部７３，７４によって接続されている。双音叉振動子Ｘ１は、基部７９が接続部６２によって錘部６０と接続され、保持部７８が外枠部５２と接続されている。

次に、双音叉振動子Ｘ３，Ｘ４について、双音叉振動子Ｘ４を例に説明する。双音叉振動子Ｘ４は、双音叉振動子Ｘ１と同様に窓開き部６６，６７，６８によって水晶の結晶軸のＸ軸方向に並びＹ軸方向に伸びた２つの振動腕６３が形成されている。振動腕６３は、両端が基部６９，７０と接続されている。振動腕６３の外側には、窓開き部６６，６７を介して外周部６４，６５が形成されており、両端が基部６９，７０に接続されている。双音叉振動子Ｘ４は、一方の外周部６５が接続部５５によって錘部６０と接続され、他方の外周部６４が保持部５４と接続されている。この保持部５４が、外枠部５２と接続されているため、双音叉振動子Ｘ４は、保持部５４を介して外枠部５２と接続される。

双音叉振動子Ｘ１，Ｘ２，Ｘ３，Ｘ４それぞれの振動腕６３，７２は、厚さを０．１ｍｍ程度とするため、水晶基板５１の裏面５１ｂ側から、振動腕６３，７２の形成箇所を含むそれぞれの凹部７１，８０が形成されている。

双音叉振動子Ｘ１，Ｘ２，Ｘ３，Ｘ４の構成および動作の概略については、前述の第一実施形態と同様であるので説明は省略する。

また、加速度センサ１０の加速度の測定方法については、前述の第一実施形態と同様であるが、双音叉振動子を４つ用いており、第一実施形態に加えて、さらに２つの双音叉振動子においても共振周波数が変化を検出する。この加速度の方向の組み合わせを、表２に示す。

双音叉振動子Ｘ１，Ｘ２，Ｘ３，Ｘ４の共振周波数が上昇する場合：「＋」。
双音叉振動子Ｘ１，Ｘ２，Ｘ３，Ｘ４の共振周波数が低下する場合：「−」。
双音叉振動子Ｘ１，Ｘ２，Ｘ３，Ｘ４の共振周波数が変化しない場合：「０」。

本第二実施形態に示す加速度センサ５０によれば、４つの双音叉振動子Ｘ１，Ｘ２，Ｘ３，Ｘ４のそれぞれが共振周波数の変化方向を持つため、即ち、多数の双音叉振動子を用いて検出を行なう。このため、それぞれの双音叉振動子間での補正などを行なうことが可能となり、第一実施形態の加速度センサ１０の加速度の検出に加えて、さらに高精度な加速度の検出を行うことが可能となる。
（第三実施形態）

次に、図８を参照して第三実施形態の加速度センサの構成について説明する。図８は、第三実施形態の加速度センサの概略を示し、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）のＨ−Ｈ断面図である。

図８に示すように、加速度センサ９０は、錘部１００と、外枠部９２と、保持部１０４と、双音叉振動子Ｘ５と、接続部１０２と、接続台１０３とが、４つの双音叉振動子Ｘ５，Ｘ６，Ｘ７，Ｘ８に対応した４箇所に形成されている。４つの双音叉振動子Ｘ５，Ｘ６，Ｘ７，Ｘ８は、錘部１００の重心Ｑ１を中心として略等角度（略９０°）に分割された位置に点対称構成で形成されている。

以下に加速度センサ９０の詳細を説明するが、錘部１００、外枠部９２、保持部１０４、双音叉振動子Ｘ５、接続部１０２、および接続台１０３のそれぞれが点対称構成であるため説明は、双音叉振動子Ｘ５に対応する箇所を代表例として説明する。他の、３つの双音叉振動子Ｘ６，Ｘ７，Ｘ８に対応する箇所の説明は、省略する。

錘部１００は、例えば、リン青銅、バネ性ステンレスなどの可撓性を有する材料を用い、切削加工などによって一体的にて形成され、本第三実施形態では、リン青銅が用いられている。この可撓性は、加速度が加わった際に移動しようとする錘部１００を、加速度が加わらない状態の位置に戻そうとするために必要となる。錘部１００は、質量を増加させるための貼り出し部１０１が、中央部１００ｂから４角方向に張り出して形成されている。さらに、錘部１００は、張り出し部１０１と張り出し部１０１との間の中央部１００ｂの各辺に形成された双音叉振動子Ｘ５との接続部１０２と、その接続部１０２から延設された接続台１０３とが形成されている。なお、錘部１００は、中央部１００ｂ、貼り出し部１０１、接続部１０２、および接続台１０３が、それぞれ個別に形成されてからそれぞれを接続することも可能である。しかしながら、本第三実施形態のように一つの材料から一体的に形成すれば、それぞれの接続が不要となり簡易に形成することに好適である。

接続部１０２は、平面視で錘部１００の重心Ｑ１上で直交する仮想線Ｋ１，Ｈ１上に設けられている。接続部１０２は、錘部１００の重心Ｑ１を含む平面と異なる平面上に接続部１０２の重心Ｑ２を有するように、中央部１００ｂの裏面９１ｂを一方面とする薄肉状、且つ狭幅状に形成されている。接続台１０３は、双音叉振動子Ｘ５を一方面上に接続するため、接続部１０２から延設されている。接続台１０３は、双音叉振動子Ｘ５の幅より僅かに広い幅を有しており、底面は、中央部１００ｂの裏面９１ｂと同一面であり、上面は、中央部１００ｂの上面と同一面である。なお、接続台の上面および底面は、中央部の裏面９１ｂ、上面のそれぞれと同一面でなくてもよい。接続台１０３上には、双音叉振動子Ｘ５が導電性接着剤等の接続材（図示せず）により接続されている。

双音叉振動子Ｘ５は、例えば、水晶などの圧電基材から形成される。双音叉振動子Ｘ５は、０．１ｍｍ程度の厚さの水晶基材を用いた双音叉型の水晶振動子である。双音叉振動子Ｘ５は、水晶の結晶軸のＸ軸回りに所定の角度回転させたＺ軸方向を厚さ方向とし、Ｘ軸方向に並んだ２つの振動腕９４が、Ｙ軸方向に伸びており、振動腕９４の両端が基部９５，９６と接続されている。基部９５，９６には、振動腕９４の振動が伝播しないため、接続台１０３との接続はこの基部９５，９６のうちの一方の基部９６によって行なわれる。双音叉振動子Ｘ５は、錘部１００の重心Ｑ１に向かって振動腕９４が伸びるように配置、接続されている。

なお、振動腕９４を励振させるための電極形状および振動形態については、前述の第一実施形態で説明した内容と同様であるので、ここでの説明は省略する。

外枠部９２は、錘部１００の外周を囲むような枠形状をなしており、例えば、ステンレス鋼、リン青銅、等の剛性を有する材料を用いて形成されている。外枠部９２の内面９３には保持部１０４が突出状に形成されており、その上面に双音叉振動子Ｘ５が接続されている。なお、本第三実施形態では、双音叉振動子Ｘ５を接続するために保持部１０４が形成された例を用いて説明したが、双音叉振動子Ｘ５を直接外枠部９２の上面に接続することも可能であり、その場合は保持部は形成されない。

加速度センサ９０は、加速度が加わると移動しようとする錘部１００の接続部１０２に発生する応力が接続台１０３に伝播し、その応力による双音叉振動子Ｘ５，Ｘ６，Ｘ７，Ｘ８の共振周波数の変化に基づいて加速度を検出する。この検出方法については、前述の第一実施形態および第二実施形態と同様であるので、ここでの説明は省略する。なお、本第三実施形態では、双音叉振動子Ｘ５，Ｘ６，Ｘ７，Ｘ８がそれぞれ錘部１００の重心Ｑ１に向かって振動腕９４が伸びる構成となっているため、接続部１０２の応力方向を双音叉振動子Ｘ５，Ｘ６，Ｘ７，Ｘ８が直接受ける形態となる。その応力方向と双音叉振動子Ｘ５，Ｘ６，Ｘ７，Ｘ８の共振周波数の変化方向の相関は表３に示すとおりとなり、組み合わせによって３軸方向の加速度の検出を行うことが可能となる。

双音叉振動子Ｘ５，Ｘ６，Ｘ７，Ｘ８の共振周波数が上昇する場合：「＋」。
双音叉振動子Ｘ５，Ｘ６，Ｘ７，Ｘ８の共振周波数が低下する場合：「−」。
双音叉振動子Ｘ５，Ｘ６，Ｘ７，Ｘ８の共振周波数が変化しない場合：「０」。

本第三実施形態に示した加速度センサ９０によれば、接続部１０２に生じた応力を直接振動腕９４に受けるため、共振周波数の変化に対する感度を向上することが可能となる。従って、加速度センサ９０は、前述した第一実施形態または第二実施形態に加えて、より精密な加速度の検出を行うことが可能となる。
（第四実施形態）

次に、図９を参照して第四実施形態のパッケージ収納型加速度検出装置の構成について説明する。図９は、第四実施形態のパッケージ収納型加速度検出装置の概略を示す正断面図である。

図９に示すように、パッケージ収納型加速度検出装置１２０は、収納パッケージとしての容器１２１と、容器１２１に収納された前述の加速度センサ１０と、容器１２１の開口部を封止する蓋体１２４とで構成されている。容器１２１には、外周を外枠部１２２で囲まれた凹部が開口されており、基台としての凹部１段目の底面１２３に加速度センサ１０の外枠部（図示せず）が接続されている。加速度センサ１０は、前述の第一実施形態、第二実施形態および第三実施形態で例示したものであり、いずれの形態であってもよい。加速度センサ１０の下部は底部１２５を有する２段目の凹部が形成されており、加速度センサ１０の検出部分が中空に保持されている。なお、容器１２１の内面、外面、或いは内面と外面との接続面には図示しない金属配線などの回路パターンが形成されている。

容器１２１の凹部内は、所謂、低圧状態で蓋体１２４によって気密的に封止され、閉口されている。このとき、凹部内は、例えば、１×１０^-1Ｐａ（パスカル）以下の真空度を有した低圧状態とされている。これは、双音叉振動子（図示せず）の振動効率を高める（振動特性を向上させる）ためである。

本発明のパッケージ収納型加速度検出装置１２０によれば、容器１２１の凹部に加速度センサ１０が収納され、凹部の開口部が蓋体１２４によって閉口されている。これにより、加速度センサ１０が外部に露出されていないため、外部と加速度センサ１０との接触を防止することができ、加速度センサ１０の破壊などを防止することができる。

加えて、双音叉振動子（図示せず）が低圧状態で蓋体１２４によって気密的に封止されていることから、双音叉振動子の振動効率を高め、長期的に安定的な信頼性の高い振動を得ることができる。即ち、安定した高精度の加速度を検出することが可能となる。
（第五実施形態）

次に、図１０を参照して第五実施形態のパッケージ収納型加速度検出装置の構成について説明する。図１０は、第五実施形態のパッケージ収納型加速度検出装置の概略を示す正断面図である。

図１０に示すように、パッケージ収納型加速度検出装置１３０は、収納パッケージとしての容器１３１と、前述の加速度センサ１０と、加速度センサ１０の動作回路部１３４と、容器１３１の開口部を封止する蓋体１３８とで構成されている。容器１３１には、外周を外枠部１３２で囲まれた凹部が開口されており、基台としての凹部１段目の底面１３３に加速度センサ１０の外枠部（図示せず）が接続されている。加速度センサ１０は、前述の第一実施形態、第二実施形態および第三実施形態で例示したものを用いており、いずれの形態であってもよい。加速度センサ１０の下部は底部１３７を有する２段目の凹部が形成されており、加速度センサ１０の検出部分が中空に保持されている。底部１３７には、動作回路部１３４が、例えば、金バンプ１３６によって接合されている。動作回路部１３４は、例えば、集積回路チップであり、加速度センサ１０を構成する双音叉振動子の共振周波数の変化に基づいて加速度を検出するための演算回路、双音叉振動子の発振回路などの機能を有している。なお、容器１３１の内面、外面、或いは内面と外面との接続面には図示しない金属配線などの回路パターンが形成されている。

容器１３１の凹部内は、所謂、低圧状態で蓋体１３８によって気密的に封止され、閉口されている。このとき、凹部内は、例えば、１×１０^-1Ｐａ（パスカル）以下の真空度を有した低圧状態とされている。これは、双音叉振動子（図示せず）の振動効率を高める（振動特性を向上させる）ためである。

本発明のパッケージ収納型加速度検出装置１３０によれば、容器１３１の凹部に加速度センサ１０および動作回路部１３４が収納され、凹部の開口部が蓋体１３８によって閉口されている。これにより、加速度センサが１０および動作回路部１３４が外部に露出されていないため、外部と加速度センサ１０および動作回路部１３４との接触を防止することができ、加速度センサ１０および動作回路部１３４の破壊などを防止することができる。

加えて、双音叉振動子（図示せず）が低圧状態で蓋体１３８によって気密的に封止されていることから、双音叉振動子の振動効率を高め、長期的に安定的な信頼性の高い振動を得ることができる。即ち、安定した高精度の加速度を検出することが可能となる。

なお、前述の第一実施形態ないし第三実施形態では、それぞれの接続部１５，１７，１９，２２，５５，５７，５９，６２，１０２が、水晶基板１１，５１あるいは錘部１００の裏面１１ｂ，５１ｂ，９１ｂ側に形成されていたがこれに限らない。それぞれの接続部１５，１７，１９，２２，５５，５７，５９，６２，１０２の重心Ｑ２が、錘部２０，６０，１００の重心Ｑ１を含む平面に無ければよく、例えば、表面１１ａ，５１ａ，９１ａ側にあってもよい。この場合、それぞれに対応する双音叉振動子Ｘ１，Ｘ２，Ｘ３，Ｘ４，Ｘ５，Ｘ６，Ｘ７，Ｘ８の共振周波数の変化方向が第一実施形態ないし第三実施形態と変わることとなるが、同様な判定を行うことができる。

また、前述の第一実施形態ないし第五実施形態では、双音叉振動子および加速度センサを形成する圧電材料として、Ｚ板の水晶を用いることで説明したが、これに限らず、他の圧電性を有する材料を用いて形成されていてもよい。この圧電性を有する材料としては、例えば、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、タンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ₃）、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ（登録商標））、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ₃）等がある。

第一実施形態の加速度センサの概略を示す斜視図。 第一実施形態の加速度センサの概略を示し、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ断面図、（ｃ）は（ａ）のＢ−Ｂ断面図。 双音叉振動子の電極形状を示す概略図。 双音叉振動子の振動形態を示す模式図。 （ａ）から（ｄ）は、加速度の測定方法の概略説明図。 第二実施形態の加速度センサの概略を示す斜視図。 第二実施形態の加速度センサの概略を示し、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）のＤ−Ｄ断面図、（ｃ）は（ａ）のＥ−Ｅ断面図。 第三実施形態の加速度センサの概略を示し、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）のＨ−Ｈ断面図。 第四実施形態のパッケージ収納型加速度検出装置の概略を示す正断面図。 第五実施形態のパッケージ収納型加速度検出装置の概略を示す正断面図。 従来の加速度センサの概略の構成を示す正断面図。

符号の説明

Ｘ１，Ｘ２，Ｘ３，Ｘ４，Ｘ５，Ｘ６，Ｘ７，Ｘ８…双音叉振動子、１０…加速度センサ、１１…水晶基板、１１ｂ…裏面、１２…外枠部、１３ａ，１３ｂ，１３ｃ，１３ｄ…窓開き部、１４，１６，１８，３８…保持部、１５，１７，１９，２２…接続部、２０…錘部、２１…張り出し部、２３，３２…振動腕、２４，２５，３３，３４…外周部、２６，２７，２８，３５，３６，３７…スリット、２９，３０，３９，３９ｂ…基部、３１，４０…凹部、Ｑ１…錘部の重心、Ｑ２…接続部の重心。

Claims (10)

1. 外部から与えられる力によって可動な錘部と、
   前記錘部の周囲を囲むように形成され、基台に支持されるべき外枠部と、
   所定の振動方向に振動し、該振動方向に直交する方向に延在する一対の振動腕と前記振動腕の両端に延設された基部とを備え、前記錘部の重心近傍を中心として略直角関係となるようにそれぞれが前記外枠部と前記錘部との間に形成され、それぞれが前記外枠部に接続された少なくとも２個の双音叉振動子と、
   前記錘部の重心を含む平面と異なる平面上に重心を有し、前記錘部から薄肉状に延設された接続部とを有し、
   前記錘部は、前記接続部によって、少なくとも前記双音叉振動子と接続されていることを特徴とする加速度センサ。
2. 請求項１に記載の加速度センサにおいて、
   前記少なくとも２個の双音叉振動子のうち一方の双音叉振動子は、前記接続部および前記外枠部と前記振動腕の振動方向に沿った方向で接続され、他方の双音叉振動子は、前記接続部および前記外枠部と前記振動腕の振動方向に直行する方向で接続されていることを特徴とする加速度センサ。
3. 請求項１に記載の加速度センサにおいて、
   前記少なくとも２個の双音叉振動子は、前記接続部および前記外枠部と前記振動腕の振動方向に沿った方向で接続されていることを特徴とする加速度センサ。
4. 請求項１ないし請求項３のいずれか一項に記載の加速度センサにおいて、
   前記双音叉振動子および前記接続部は、前記錘部の重心を通り略直交する仮想線上に形成されていることを特徴とする加速度センサ。
5. 請求項１ないし請求項４のいずれか一項に記載の加速度センサにおいて、
   前記双音叉振動子が、略直交方向に設けられた４つの前記外枠部と前記錘部との間に、それぞれ設けられていることを特徴とする加速度センサ。
6. 請求項１ないし請求項５のいずれか一項に記載の加速度センサにおいて、
   前記錘部、前記外枠部、前記双音叉振動子、前記保持部、および前記接続部が、圧電性を有する基材を用い一体的に形成されていることを特徴とする加速度センサ。
7. 請求項１ないし請求項６のいずれか一項に記載の加速度センサと、
   前記加速度センサを収納する凹部が形成された収納パッケージと、
   前記凹部を閉口する封止部とを有することを特徴とするパッケージ収納型加速度検出装置。
8. 請求項７に記載のパッケージ収納型加速度検出装置において、
   加えて、前記加速度センサの少なくとも駆動および制御を行う機能を有する回路部を有することを特徴とするパッケージ収納型加速度検出装置。
9. 請求項７または請求項８に記載のパッケージ収納型加速度検出装置において、
   前記凹部は、前記封止部によって低圧状態で閉口されていることを特徴とするパッケージ収納型加速度検出装置。
10. 少なくとも２つの双音叉振動子と薄肉状に形成された接続部によって接続された錘部とを備えた加速度の測定方法であって、
    外部から与えられた力による慣性力で前記錘部が移動しようとする時に前記接続部に生じる応力を、前記双音叉振動子に伝え、
    前記伝えられた応力によって生じる前記双音叉振動子の共振周波数の変化を検出し、
    前記共振周波数の変化量に基づいて加速度の方向と大きさを算出することを特徴とする加速度の測定方法。
    

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