JP2008170203A - 加速度検知ユニット、及び加速度センサ - Google Patents

Abstract

【課題】応答速度が速く、高感度、高安定性で、しかも周波数温度特性の頂点温度が常温近傍にある加速度検知ユニットを得る。
【解決手段】加速度印加によって変位しない固定部材２と、固定部材によって加速度印加方向へ可動な状態で支持される可動部材１０と、固定部材と可動部材とを連結する可撓性を有した梁２０と、固定部材と可動部材との両端部にそれぞれ固定した第１及び第２の緩和部材と、第１及び第２の緩和部材４０、４１によって両端部を支持された応力感応素子３０と、を備え、梁は、可動部材に加速度が印加され、応力感応素子に伸張・圧縮応力が加わる場合に可動部材を加速度印加方向へ変位させ、第１及び第２の緩和部材は、応力感応素子の両端部と、固定部材及び前記可動部材との間に生じる歪を緩和するように加速度検知ユニットを構成する。
【選択図】図１

Description

本発明は、加速度センサに関し、特に圧電振動子に加わる応力を、圧電振動子の周波数の変化から検出する種類の加速度検知ユニット、及び加速度センサに関する。

加速度センサは、従来より自動車、航空機、ロッケットから各種プラントの異常振動監視装置等まで、広く使用されている。特許文献１には図７の斜視図に示すような力感知装置１００が開示されている。力感知装置１００は、固定部材１１０と、該固定部材１１０の先に取り付けられた可撓蝶番（ピポット）１２０と、該可撓蝶番１２０に直交して取り付けられた力伝達部材１３０と、を一体的に形成した機能部材を構成する。固定部材１１０の基底の端部１１１と、力伝達部材１３０の一方の端部１３１との間に双音叉型圧電振動子１４０を差し渡して接着固定している。力伝達部材１３０の他方の端部に力Ｆが印加されると、可撓蝶番（ピポット）１２０の中心を支点とするモーメントが生じ、双音叉型圧電振動子１４０に伸張あるいは圧縮応力が加わる。双音叉型圧電振動子１４０に応力が印加されるとその応力に応じて双音叉型圧電振動子１４０の共振周波数が変化し、該周波数の変化から応力の大きさを検知する。

また、特許文献２には図８の斜視図に示すような半導体加速度センサが開示されている。図８に示す半導体加速度センサは、方形状に形成されたシリコン単結晶基板（以下、Ｓｉ基板という）１５０の面内に周縁部に沿った略Ｃ字スリット状に空隙部１５１を貫通形成し、空隙部１５１の内側部を重り部１６０、その外側部をＳｉ基板枠部１５２とし、重り部１６０とＳｉ基板枠部１５２とは片持梁部１６１で連結されている。片持梁部１６１の２箇所にボロン等の３族元素を熱拡散あるいはイオン注入してゲージ抵抗１７０、１７１を形成すると共に、片持梁部１６１の近傍のＳｉ基板枠部１５２にも同様にゲージ抵抗１７２、１７３を形成する。４つのゲージ抵抗１７０〜１７３をゲージ抵抗１７０と１７１とが対辺となるようにブリッジ接続回路を構成する。
図８に示すように矢印方向から加速度αが印加されると、印加された方向に重り部１６０が偏位し、片持梁部１６１は撓む。片持梁部１６１に設けたゲージ抵抗１７０、１７１は各々引っ張り応力を受け、この応力に応じて抵抗値が変化し、ブリッジ回路の出力端から加わった加速度の大きさに応じた出力電圧が得られると開示されている。

特許文献１以外に圧電振動子（例えば、水晶振動子）に応力を加えることによって共振周波数が変化する性質を利用した加速度センサが各種実用化され、公開特許公報、文献等に数多く公開されている。例えば、非特許文献１には双音叉水晶振動子の構造、外力が無いときの共振周波数式、外力が印加されたときの共振周波数式、印加された力と共振周波数の関係、水晶圧力センサ用発振回路、双音叉水晶振動子を用いた圧力センサ等が詳しく開示されている。

特許文献３には図９に示すような圧力センサが開示されている。図９（ａ）は圧力センサ１８０の概略平面透視図、同図（ｂ）はＱ−Ｑにおける概略断面図である。圧力センサ１８０は、上部のダイヤフラム１９０と、該ダイヤフラム１９０と対向する下部のダイヤフラム２００と、双音叉圧電振動子２１０とを備えている。上部ダイヤフラム１９０は円形であり、中央部の下面に円形の凹陥部１９１が形成されている。下部ダイヤフラム２００も円形であり中央部の上面に力伝達用の２つの支柱２０２と、該力伝達用の２つの支柱２０２の近傍に２つの載置部２０３、２０４とを設け、これらの周囲に円形の凹陥部２０１が形成されている。凹陥部１９１、２０１同士は上下対向するように形成されている。双音叉圧電振動子２１０には応力感度のよい双音叉水晶振動子を用い、双音叉水晶振動子２１０の両基端部が載置部２０３、２０４に搭載され、接着剤で固定される。
支柱２０２を介して双音叉水晶振動子２１０に応力が加えられた場合の応力と周波数変化との関係は、図１０に示すように略直線となる。双音叉水晶振動子に応力が加えられないときの双音叉水晶振動子の共振周波数をｆ₀とし、双音叉水晶振動子に伸張応力が加わると共振周波数はｆ₀より高くなり、圧縮応力が加わると共振周波数はｆ₀より減少し、印加応力と共振周波数との関係は略直線となると開示されている。
特開昭５７−１１３３３５号公報 特開平１−２５９２６４号公報 特開２００４−１３２９１３公報 栗原正雄、外３名、「双音叉振動子を用いた水晶圧力センサ」、東洋通信機技報、東洋通信機株式会社、１９９０年、Ｎｏ．４６、ｐ．１−８

しかしながら、特許文献１に記載されているように、可撓蝶番に直交して取り付けられた力伝達部材の構造では、力Ｆに対し可撓蝶番が可撓しづらく、微細な力の検出が難しいという問題があった。更に、双音叉型圧電振動子を固定部材と、力伝達部材の端部との間に接着固定すると、接着剤、固定部材及び力伝達部材からの歪の影響で、双音叉型圧電振動素子が呈する周波数温度特性の頂点温度が、設計時のそれからシフトするという問題とがあった。
また、特許文献２に記載の半導体加速度センサでは、梁が数ミクロン撓んでから加速度が検出されるので、検出までに時間がかかるという問題と、半導体にボロン等の３族元素を熱拡散、あるいはイオン注入して形成するゲージ抵抗のピエゾ抵抗は温度特性が悪いという問題があった。
本発明は上述した従来の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、微細な加速度も検出できる高感度、高安定性で、しかも周波数温度特性の頂点温度を改善した加速度検知ユニット、及び加速度センサを提供することにある。

本発明は、応答速度が速く、高感度、高再現性で、しかも周波数温度特性の頂点温度が常温近傍にある加速度検知ユニット及び加速度センサを得るため、加速度の印加によって変位しない固定部材と、可動部材と、該固定部材と該可動部材とを連結する梁と、前記固定部材と前記可動部材との両端部にそれぞれ固定した第１及び第２の緩和部材と、応力感応部と該応力感応部を挟むように該応力感応部と連結した２つの固定端とを有する応力感応素子と、を備え、前記第１及び第２の緩和部材によって前記応力感応素子の前記固定端を支持した構成を有し、前記梁は、前記可動部材に加速度が印加されると前記可動部材を加速度検出軸方向へ変位させるように屈曲可能な可撓性を有する構成であり、前記第１及び第２の緩和部材は、前記応力感応素子の両固定端と、前記固定部材及び前記可動部材との間に生じる歪を緩和するものである加速度検知ユニットを構成する。
このようにして加速度検知ユニットを構成すると、可動部材が梁により容易に撓み、変換された応力（加速度×質量）を応力感応素子に印加できるので、応答速度が速く、感度の良好な加速度センサを構成できるという利点と、緩和部材により、加速度非付加時の応力感応素子が呈する周波数温度特性の頂点温度を常温近傍にできるという利点がある。

加速度の印加によって変位しない固定部材と、可動部材と、該固定部材と該可動部材とを連結する梁と、前記固定部材と前記可動部材との端部にそれぞれ固定した第１及び第２の緩和部材と、応力感応部と該応力感応部を挟むように該応力感応部と連結した２つの固定端とを有する応力感応素子と、を備え、前記第１及び第２の緩和部材によって前記応力感応素子の前記固定端を支持した構成を有し、前記可動部材は、前記梁を介して該固定部材によって凹部内が支持される略コ字状の第１の可動部材と、前記第１の可動部材に固定された第２の可動部材と、を備え、前記梁は、前記可動部材に加速度が印加されると、前記可動部材を加速度検出軸方向へ変位させるように屈曲可能な可撓性を有する構成であり、前記第１及び第２の緩和部材は、前記応力感応素子の両端部と、前記固定部材及び前記可動部材との間に生じる歪を緩和するものである加速度検知ユニットを構成する。
このように加速度検知ユニットを構成することにより、第１の可動部材を梃子として用いることができ、第２の可動部材の重心にかかる応力（加速度×質量）が、腕の長さの比だけ増幅されて応力感応素子に印加されるので、感度が向上するという利点と、緩和部材により、加速度非付加時の応力感応素子が呈する周波数温度特性の頂点温度を常温近傍にできるという利点がある。

前記応力感応素子は、固定端、及び各固定端間を連設する振動領域を備えた圧電基板と、該圧電基板の振動領域上に形成した励振電極と、を備えた加速度検知ユニットを構成する。
このように加速度検知ユニットを構成することにより、加速度検知ユニットの感度を向上させることができるという効果がある。

前記応力感応素子は、固定端、及び各固定端間を連設する２つの振動ビームを備えた圧電基板と、該圧電基板の振動領域上に形成した励振電極と、を備えた双音叉型圧電振動素子である加速度検知ユニットを構成する。
このように加速度検知ユニットを構成すると、応答速度が速く、感度の良好な加速度検知ユニットを構成できると共に、緩和部材により、加速度非付加時の応力感応素子が呈する周波数温度特性の頂点温度を常温近傍にできるという利点がある。

前記応力感応素子と緩和部材は、水晶材料を用いて構成されている加速度検知ユニットを構成する。
このようにして加速度検知ユニットを構成すると、加速度検知ユニットの応答速度が速く、感度の良好な加速度センサを構成できるという利点と、緩和部材により、加速度非付加時の応力感応素子が呈する周波数温度特性の頂点温度を常温近傍にできるという利点がある。

上記の加速度検知ユニットと、該加速度検知ユニットを内部に収容して気密的に封止するパッケージと、前記応力感応素子を構成する励振電極と電気的に接続される発振回路と、を備えた加速度センサを構成する。
このよう加速度センサを構成すると、応力の印加された応力感応素子の変化を発振回路により瞬時に検出できるので、応答速度が速いと共に、出力される周波数は外部回路のより、必要なデータとして容易に加工できるという利点と、緩和部材により、加速度非付加時の応力感応素子が呈する周波数温度特性の頂点温度を常温近傍にできるので、加速度センサの温度特性が大幅に改善できるという利点がある。

前記パッケージの側壁に、前記可動部材を加速度の印加方向と同方向に弾性付勢する弾性付勢部材を配置した加速度センサを構成する。
このように加速度センサを構成すると、応答速度が速く、感度の良好な加速度センサを構成できるという利点と、緩和部材により緩和しきれなかった歪による頂点温度のシフトを、弾性付勢部材を調整することにより、常温近傍にできるという利点がある。

前記固定部材に、前記可動部材を加速度の印加方向と同方向に弾性付勢する弾性付勢部材を配置した加速度センサを構成する。
このように加速度センサを構成すると、応答速度が速く、感度の良好な加速度センサを構成できるという利点と、緩和部材により緩和しきれなかった歪による頂点温度のシフトを、弾性付勢部材を調整することにより、常温近傍にできるという利点がある。

前記弾性付勢手段は、前記可動部材を前記パッケージ側壁、又は前記固定部材から離間する方向、又は近接する方向に付勢する加速度センサを構成する。
このように加速度センサを構成すると、緩和部材により緩和しきれなかった歪による頂点温度のシフトを、弾性付勢部材を調整することにより、頂点温度を低温側あるいは高温側に調整できるという利点がある。

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は本発明に係る加速度検知ユニット１の構成を示す斜視図である。加速度検知ユニット１は、加速度の印加によって変位しない固定部材２と、該固定部材２によって加速度の印加（作用）の方向（加速度検出軸方向）へ可動な状態で支持される可動部材１０と、固定部材２と可動部材１０とを連結する可撓性を有した梁２０と、固定部材２と可動部材１０との両端部にそれぞれ固定した第１及び第２の緩和部材４０、４１と、前記第１及び第２の緩和部材４０、４１によって両端の固定端３１を支持された応力感応素子３０と、を備えている。梁２０は、可動部材１０に加速度が印加され、応力感応素子３０に伸張・圧縮応力が加わる場合に可動部材１０を加速度の印加方向と逆の方向（慣性力の方向）へ変位させるように構成されている。そして、第１及び第２の緩和部材４０、４１は、応力感応素子３０の両端部と、固定部材２及び可動部材１０との間に生じる歪を緩和するように加速度検知ユニット１を構成する。なお、固定部材２、可動部材１０、梁２０は真鍮、燐青銅等の金属材料を機械加工して一体的に構成されている。

直方体状の固定部材２は、応力感応素子３０の一端を支持する素子支持部３と、該素子支持部３から応力感応素子３０の張出し方向と平行する側方（図１の左下端に示した座標軸のＸ軸方向）へ張出し形成され梁２０を先端部に備えた張出し部４と、を備えている。そして、素子支持部３の図中上端隅には応力感応素子３０を素子支持部３に固定する際に所定の位置に固定できるように、応力感応素子３０の幅（Ｙ軸）寸法と同程度で、厚さ（Ｚ軸）寸法より大きな段差部５を設ける。該段差部５のＸ軸方向の寸法は、応力感応素子３０の固定端３１（振動しない領域）に相当する長さとし、段差部５に固定端３１に相当する大きさの第１の緩和部材４０を接着・固定する。

固定部材２の張出し部４と可動部材１０とを連結する梁２０は、加速度が印加されない時には張出し部４の上面に対して直交した姿勢を維持し、Ｘ軸方向（加速度検出軸方向）として例えば図１に示すＸ軸の矢印方向と逆方向への加速度が印加された時には慣性力の影響を受けて梁２０の中央部に在る支点（くびれ部）を中心として横方向（図１に示すＸ軸の矢印方向）へ撓み、加速度検出軸方向（Ｘ軸）と直交する奥行き方向（Ｙ軸）への可動部材１０の変位を阻止する形状とする。図１では端面の形状がなだらかな双曲線状の梁２０を図示しているが、端面の形状が機械加工に適した２つの半円状を背中合わせした凹状の円弧形状であってもよい。
また、梁２０の奥行き方向（Ｙ軸方向）寸法は、梁の奥行き方向（Ｙ軸方向）の寸法を梁の幅方向（Ｘ軸方向）の寸法よりも長くした構成を有していれば可動部材１０が加速度の印加方向と直交する方向に変形することがなく、例えば可動部材１０の奥行き方向（Ｙ軸方向）全長と同等か、該奥行き方向全長よりも短いか、或いは該奥行き方向よりも長い場合のいずれでもよい。

直方体状の可動部材１０の上部（緩和部材４１を搭載する面）で奥行き方向（Ｙ軸方向）の一端部に応力感応素子３０を所定の位置で位置決めするためのストッパ１５を形成する。可動部材１０の上部と、ストッパ１５との間に、応力感応素子３０の固定端３１（振動しない領域）に相当する大きさの緩和部材４１を接着・固定する。可動部材１０は、張出し部４の奥行き方向（Ｙ軸）の一端寄りに偏位した領域を占め、可動部材１０の奥行き方向（Ｙ軸）の一側面と張出し部４の奥行き方向の一端縁との間には空隙Ｓを設けるように構成する。これは加速度検知ユニット１をパッケージの内壁に取り付け、加速度センサを構成し、該加速度センサを横置きして用いる際にパッケージ内壁と可動部材１０とが干渉しないようにするための空隙Ｓである。

応力感応素子３０は、素子支持部３上面（緩和部材４０を搭載する面）の段差部５に固定した第１の緩和部材４０と、可動部材１０の上面及びストッパ１１との間に固定した第２の緩和部材４１との間に差し渡して配置され、両固定端３１と、第１及び第２の緩和部材４０、４１とを接着剤で固定する。応力感応素子３０としては、両端部に位置する固定端、及び各固定端間を連設する振動領域を備えた圧電基板と、該圧電基板の振動領域上に形成した励振電極と、を備えた圧電振動素子を用いる。また、応力感応素子３０として、両端部に位置する固定端３１、及び各固定端間を連設する２つの振動ビームを備えた圧電基板と、該圧電基板の振動領域上に形成した励振電極と、を備えた双音叉型圧電振動素子を用いると応力感度が優れ、検出の応答速度が速いという特徴を有する。

本実施形態では、応力感応素子として２つの固定端３１の間に固定端３１と連結するように応力感応部である２本の振動ビームを備えた双音叉型水晶振動素子を用いている。双音叉型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、双音叉型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。

双音叉型水晶振動素子の２本の振動ビームに外力Ｆを加えたときの共振周波数ｆ_Fは以下の如くである。
［数１］
ｆ_F＝ｆ₀（１−（ＫＬ²Ｆ）／（２ＥＩ））^1/2 （１）
ここで、ｆ₀は外力がないときの双音叉型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は振動ビームの長さ、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は振動ビームの厚さ、ｗは幅である。
［数２］
ｆ_F＝ｆ₀（１−Ｓ_Fσ）^1/2 （２）
但し、応力感度Ｓ_Fと、応力σとはそれぞれ次式で表される。
［数３］
Ｓ_F＝１２（Ｋ／Ｅ）（Ｌ／ｗ）² （３）
［数４］
σ＝Ｆ／（２Ａ） （４）

ここで、Ａは振動ビームの断面積（＝ｗ・ｄ）である。以上から双音叉型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ｆ_Fの関係は、力Ｆが圧縮力で共振周波数ｆ_Fが減少し、伸張（引張り）力では増加する。また応力感度Ｓ_Fは振動ビームのＬ／ｗの２乗に比例する。しかし、圧電振動素子としては、双音叉型水晶振動子に限らず、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、双音叉型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。

本発明の特徴は、固定部材２の素子支持部３上面隅に形成された段差部５と、可動部材１０の上面の一部と、にそれぞれ第１及び第２の緩和部材４０、４１設けた構成にある。第１及び第２の緩和部材４０、４１の線膨張係数は、応力感応素子３０と、機能部材（固定部材２、可動部材１０、梁２０）とのそれぞれの線膨張係数の中間値を有する材質を選定する。応力感応素子３０に双音叉型水晶振動素子を用いる場合には、水晶の線膨張係数と、機能部材との線膨張係数との中間値又は水晶と同等とする。例えば、水晶、真鍮、燐青銅、ステンレス鋼の線膨張係数はそれぞれ１２．２×１０^-6／℃、１７．３×１０^-6／℃、１７×１０^-6／℃、１４．７×１０^-6／℃である。機能部材と応力感応素子３０との間に緩和部材４０、４１を挟むことにより、例えば接着剤の乾燥時の温度変化等により機能部材と応力感応素子３０との間に生じる残留歪を、緩和部材４０、４１の内部で低減することが可能となる。残留歪を小さくすることにより応力感応素子３０が呈する周波数温度特性を改善することができる。応力感応素子３０に双音叉型水晶振動素子を用いる場合には、周波数温度特性の頂点温度を設計時の常温近傍に維持することが可能となる。

特に、緩和部材４０、４１として水晶と同等特性の材料を使用する場合は、水晶の比重２．７に対して±１の範囲の比重である材料が好ましく、例えば水晶、アルミニウム、ガラスが良い。特に緩衝部材４０、４１の材料が水晶であれば、応力感応素子３０の固定端３１の搭載面となる緩和部材４０、４１の主面の法線と水晶結晶の光学軸（Ｚ軸）とが一致するような水晶板（Ｚ板）を適用することが好ましい。
このような水晶板は、主面内に圧電効果が発生し難い。従って、緩和部材４０、４１にＺ板を使用すれば、加速度の印加に伴い緩和部材４０に応力が発生しても圧電効果に伴う電気的ノイズが応力感応素子３０へ伝達されてしまうことがない。
尚、緩和部材４０、４１の厚さは、応力感応素子３０の固定端の厚さ以上であることが好ましい。
これにより緩和部材４０、４１の剛性が固定端３１の合成よりも上回るので固定部材２と可動部材１０から伝達される応力が応力感応素子３０に伝達され難くなる。

図２は、固定部材２と可動部材１０と梁２０とを備えた機能部材６に、第１及び第２の緩和部材４０、４１を搭載し、該第１及び第２の緩和部材４０、４１の上に応力感応素子３０を載置する様子を示した斜視図である。固定部材２の素子支持部３の上端隅に設けた段差部５と、固定部材１０の上端とに、第１及び第２の緩和部材４０、４１を、接着剤等を用いて接着・固定する。この第１及び第２の緩和部材４０、４１の上に応力感応素子３０を載置し、該応力感応素子３０の両固定端３１を、接着剤等を用いて固定して、加速度検知ユニットを構成する。

図３は、本発明の他の実施形態に係る加速度検知ユニット７の構成を示すの斜視図である。加速度検知ユニット７は、加速度の印加によって変位しない固定部材２と、該固定部材２によって加速度の印加方向へ可動な状態で支持される可動部材１０と、固定部材２と可動部材１０とを連結する可撓性を有した梁２１と、固定部材２と可動部材１０との端部にそれぞれ固定する第１及び第２の緩和部材４０、４１と、第１及び第２の緩和部材４０、４１によって両端部を支持された応力感応素子３０と、を備えている。可動部材１０は、梁２１を介して固定部材２によって凹部内が支持される略コ字状（凹形状）の第１の可動部材１１と、第１の可動部材に固定された第２の可動部材１２と、を備えている。そして、梁２１は、可動部材１０に加速度が印加され、前記応力感応素子に伸張・圧縮応力が加わる場合に可動部材１２が加速度の印加方向と逆方向へ変位すると共に可動部材１０を加速度の印加方向へ変位させるように支点として機能するよう構成されている。第１及び第２の緩和部材４０、４１は、応力感応素子３０の両端部と、固定部材２及び可動部材１０との間に生じる歪を緩和するように構成されている。なお、固定部材２、可動部材１０、梁２０は真鍮、燐青銅等の金属材料を機械加工して構成されている。

直方体状の固定部材２は応力感応素子３０の一端を支持する素子支持部３と、該素子支持部３から側方（図１の左下端に示した座標軸のＸ軸方向）へ張出し形成され梁２１を先端部に備えた張出し部４と、を備えている。そして、素子支持部３の図中上端隅には応力感応素子３０を素子支持部３に固定する際に所定の位置に固定できるように、応力感応素子３０の幅（Ｙ軸）寸法と同程度で、厚さ（Ｚ軸）寸法より大きな段差部５を設ける。該段差部５のＸ軸方向の寸法は、応力感応素子３０の固定端３１（振動しない領域）に相当する長さとし、段差部５に固定端３１に相当する大きさの第１の緩和部材４０を接着・固定する。

固定部材２の張出し部４と可動部材１０とを連結する梁２１は、第１の可動部材１１の開口内部に非接触嵌合された張出し部４の先端と、第１の可動部材１１の縦片の内側面との間を連結するように構成されている。梁２１は加速度によって変形する個所、つまり梁２１のくびれ部にある支点が、第２の可動部材１２の重心の位置に対応するように配置されている。梁２１は、加速度が印加されない時には張出し部４の延長線上に水平な姿勢を維持する。Ｘ軸方向への加速度が印加された時には梁２１のくびれ部に在る支点を中心として撓み、支点を中心としたモーメントがはたらき、その結果、応力感応素子３０に応力が加わるように作用する。また、梁２１は、加速度の印加方向（Ｘ軸）と直交する奥行き方向（Ｙ軸）への可動部材１０の変位を阻止する形状とする。図１では端面の形状が２つの半円状を背中合わせした凹状の円弧形状の梁２１を図示しているが、端面の形状は可動部材１０が常に一定の支点で撓むような形状であれば他の形状であってもよい。
また、梁２１の奥行き方向（Ｙ軸方向）寸法は、梁の奥行き方向（Ｙ軸方向）の寸法を梁の幅方向（Ｘ軸方向）の寸法よりも長くした構成を有していれば可動部材１０が加速度の印加方向と直交する方向に変形することがなく、例えば可動部材１０の奥行き方向（Ｙ軸方向）全長と同等か、該奥行き方向全長よりも短いか、或いは該奥行き方向よりも長い場合のいずれでもよい。

略コ字状の可動部材１１の上部で奥行き方向（Ｙ軸方向）の一端部に応力感応素子３０を所定の位置で位置決めするためのストッパ１５を形成する。可動部材１１の上部と、ストッパ１５との間に、応力感応素子３０の固定端３１に相当する大きさの緩和部材４１を接着・固定する。可動部材１０は、張出し部４の奥行き方向（Ｙ軸）の一端寄りに偏位した領域を占め、可動部材１０の奥行き方向（Ｙ軸）の一側面と張出し部４の奥行き方向の一端縁との間には空隙Ｓを設けるように構成する。これは加速度検知ユニット７をパッケージの内壁に取り付け、加速度センサを構成し、該加速度センサを横置きして用いる際にパッケージ内壁と可動部材１０とが干渉しないようにするための空隙Ｓである。

応力感応素子３０は、素子支持部３上面の段差部５に固定した第１の緩和部材４０と、可動部材１０の上面及びストッパ１１との間に固定した第２の緩和部材４１との間に差し渡して配置され、接着剤等を用いて接着、固定する。応力感応素子３０として、両端部に位置する固定端、及び各固定端間を連設する振動領域を備えた圧電基板と、該圧電基板の振動領域上に形成した励振電極と、を備えた圧電振動素子を用いる。また、図３に示すように両端部に位置する固定端３１、及び各固定端間を連設する２つの振動ビームを備えた圧電基板と、該圧電基板の振動領域上に形成した励振電極と、を備えた双音叉型圧電振動素子３０を用いると、さらに優れた応力感度が得られ、検出の応答速度が速いという特徴を有する。特に、水晶材料を用いた双音叉型水晶振動素子の特性については、上述した通りである。
また、第１及び第２の緩和部材４０、４１の材質の選定については加速度検知ユニット１に説明した通りであり、その作用、効果も上述した通りであり、説明を省く。

図４は、本発明の他の実施形態に係る加速度検知ユニット８の構成を示す斜視図である。加速度検知ユニット８は、加速度の印加によって変位しない固定部材２と、該固定部材２によって加速度の印加方向へ可動な状態で支持される可動部材１０と、固定部材２と可動部材１０とを連結する可撓性を有した梁２２と、固定部材２と可動部材１０との端部にそれぞれ固定する第１及び第２の緩和部材４０、４１と、第１及び第２の緩和部材第１及び第２の緩和部材４０、４１によって両端部を支持された応力感応素子３０と、を備えている。固定部材２は応力感応素子３０の一端を支持する素子支持部３と、該素子支持部３から側方（Ｘ軸方向）へ張出し形成され梁２２と連結された張出し部４と、を備えている。さらに、梁２２は、第１の可動部材１３の開口内部に非接触嵌合された張出し部４の上面と、第１の可動部材の上側片１３ａの内側面（下面）とを連結するように構成されている。

可動部材１０は、梁２２を介して固定部材２によって凹部内が支持される略コ字状（凹形状）の第１の可動部材１３と、該可動部材１３に連結された第２の可動部材１２を備えている。梁２２は、可動部材１０に加速度が印加され、可動部材１０を加速度検出軸方向（Ｘ軸）へ変位させるように構成されている。また、梁２２は、加速度の印加方向と直交する奥行き方向（Ｙ軸）への可動部材１０の変位を阻止する形状とする。そして、図４に示すように、第１の可動部材１３の形状は、略コ字状の下側片１３ｂを長くし、且つ上側片１３ａを厚くした構造をしている。これは第１の可動部材１３の重心の位置が梁２２の支点の位置にくるように構成したためである。また、図４の実施例では梁２２の端面の形状として略Ｉ字状の例を示したが、２つの半円状を背中合わせした凹状の円弧形状でも、あるいは双曲線状の形状をした例でもよい。

図５は、加速度検知ユニット９の構造を示す図で、図１に示した加速度検知ユニット１の変形実施形態の斜視図である。加速度検知ユニット９が図１に示した加速度検知ユニット１と異なる点は、第２の可動部材１４の構造にある。即ち、図５に示すように第２の可動部材１４は、重り部１４ａと、該重り部１４ａの上面に形成した細幅の連結片１４ｂとを備え、該連結片１４ｂにより、第１の可動部材１１に連結されている。連結片１４ｂを設けることにより重り部１４ａの重心と、梁２１の支点との長さを長くすることができる。このため、梁２１の支点にはたらくモーメントを大きくすることが可能であり、加速度検知ユニットの感動を高めることができるという特徴を有している。

図６は、本発明に係る加速度センサＡの構造を示す斜視図であり、パッケージ５０の両側面（Ｘ軸方向）と底面以外の側面と上蓋を除いて示している。加速度センサＡは、図１に示した加速度検知ユニット１と、パッケージ５０と、パッケージ５０の側壁５０ａに設けられて可動部材１０を加速度検出軸方向（Ｘ軸と平行な方向）と同方向に弾性付勢する弾性付勢部材６０と、応力感応素子の電極に接続する図示しない発振器と、を備えている。なお、応力感応素子３０の電極に接続される発振器は図示していない。弾性付勢部材６０は、ネジ状の金具の中央より先で細くなった部分に、スプリングを取り付け、該スプリングの先端に平板状金具を設けた金具である。パッケージ５０の側壁にタップをきった貫通孔に弾性付勢部材６０を取り付け、前記平板状金具に接着剤を塗布して可動部材１０に押し当て、固定する。弾性付勢部材６０のネジ状の金具をドラバー等で回転させることにより、可動部材１０に図中左右（加速度方向）の力、つまり、パッケージ５０の側壁から離間する方向、又は近接する方向に付勢する力を加えることが可能となる。可動部材１０に図中左右の力が加わると、可動部材１０の上端に固定された応力感応素子３０に圧縮・伸張の応力が加わることになる。伸張あるいは圧縮応力を付加することにより、歪等で設計時の温度からシフトした、応力感応素子３０の頂点温度を常温（２５℃）近傍に調整することができるようになる。本発明に係る緩和部材４０、４１により応力感応素子３０に及ぼす各種の歪の影響は低減できるが、残った歪に対しては、弾性付勢部材６０を調整して、加速度センサＡの温度特性を調整することができる。

以上では、図１に示した加速度検知ユニット１を用いて加速度センサを構成した例を説明したが、同様に加速度検知ユニット７、８、９の何れか一つと、パッケージ５０と、必要によりパッケージ５０の側壁５０ａに設けた弾性付勢部材６０と、を用いてより感度のよい加速度センサを構成することができる。
また、図１に示す固定部材２に、可動部材１０を加速度の印加方向と同方向に弾性付勢する弾性付勢部材（図６に示した弾性付勢部材６０と同様な部材）を配置して加速度センサを構成することができる。

本発明の加速度検知ユニットの構造を示した概略斜視図。 本発明の加速度検知ユニットの構成手順を示した概略斜視図。 本発明の他の加速度検知ユニットの構造を示した概略斜視図。 本発明の他の加速度検知ユニットの構造を示した概略斜視図。 本発明の他の加速度検知ユニットの構造を示した概略斜視図。 本発明加速度センサの構造を示した概略斜視図。 従来の力感知装置の斜視図。 従来の半導体加速度センサの構成を示す斜視図。 （ａ）は圧力センサの平面図、（ｂ）は断面図。 応力と周波数変化との関係を示す図。

符号の説明

１、７、８、９ 加速度検知ユニット、２ 固定部材、３ 素子支持部、４ 張出し部、５ 段差部、１０ 可動部材、１１、１３ 第１の可動部材、１２、１４ 第２の可動部材、１３ａ 上側片、１３ｂ 下側片、１４ａ 重り部、１４ｂ 連結片、１５ ストッパ、２０、２１、２２ 梁、３０ 応力感応素子、３１ 固定端、４０、４１ 緩和部材、５０ パッケージ、６０ 弾性付勢部材、Ａ 加速度センサ

Claims (9)

1. 加速度の印加によって変位しない固定部材と、可動部材と、該固定部材と該可動部材とを連結する梁と、前記固定部材と前記可動部材にそれぞれ固定した第１及び第２の緩和部材と、応力感応部と該応力感応部を挟むように該応力感応部と連結した２つの固定端とを有する応力感応素子と、を備え、前記第１及び第２の緩和部材によって前記応力感応素子の前記固定端を支持した構成を有し、
   前記梁は、前記可動部材に加速度が印加されると前記可動部材を加速度検出軸方向へ変位させるように屈曲可能な可撓性を有する構成であり、
   前記第１及び第２の緩和部材は、前記応力感応素子の両固定端と、前記固定部材及び前記可動部材との間に生じる歪を緩和するものであることを特徴とする加速度検知ユニット。
2. 加速度の印加によって変位しない固定部材と、可動部材と、該固定部材と該可動部材とを連結する梁と、前記固定部材と前記可動部材の各端部にそれぞれ固定した第１及び第２の緩和部材と、応力感応部と該応力感応部を挟むように該応力感応部と連結した２つの固定端とを有する応力感応素子と、を備え、前記第１及び第２の緩和部材によって前記応力感応素子の前記固定端を支持した構成を有し、
   前記可動部材は、前記梁を介して該固定部材によって凹部内が支持される略コ字状の第１の可動部材と、前記第１の可動部材に固定された第２の可動部材と、を備え、
   前記梁は、前記可動部材に加速度が印加されると前記可動部材を加速度検出軸方向へ変位させるように屈曲可能な可撓性を有する構成であり、
   前記第１及び第２の緩和部材は、前記応力感応素子の両端部と、前記固定部材及び前記可動部材との間に生じる歪を緩和するものであることを特徴とする加速度検知ユニット。
3. 前記応力感応素子は、固定端、及び各固定端間を連設する振動領域を備えた圧電基板と、該圧電基板の振動領域上に形成した励振電極と、を備えていることを特徴とする請求項１、又は２に記載の加速度検知ユニット。
4. 前記応力感応素子は、固定端、及び各固定端間を連設する２つの振動ビームを備えた圧電基板と、該圧電基板の振動領域上に形成した励振電極と、を備えた双音叉型圧電振動素子であることを特徴とする請求項１、又は２に記載の加速度検知ユニット。
5. 前記応力感応素子と前記緩和部材は、水晶材料を用いて構成されていることを特徴とする請求項１乃至４の何れかに記載の加速度検知ユニット。
6. 請求項３または５に記載された加速度検知ユニットと、該加速度検知ユニットを内部に収容して気密的に封止するパッケージと、前記応力感応素子を構成する励振電極と電気的に接続される発振回路と、を備えたことを特徴とする加速度センサ。
7. 前記パッケージの側壁に、前記可動部材を加速度の印加方向と同方向に弾性付勢する弾性付勢部材を配置したことを特徴とする請求項６に記載の加速度センサ。
8. 前記固定部材に、前記可動部材を加速度の印加方向と同方向に弾性付勢する弾性付勢部材を配置したことを特徴とする請求項６に記載の加速度センサ。
9. 前記弾性付勢手段は、前記可動部材を前記パッケージ側壁、又は前記固定部材から離間する方向、又は近接する方向に付勢することを特徴とする請求項７、又は８に記載の加速度センサ。

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