JP2011064529A - 力検出用デバイス及び加速度検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】小型、低背化型で、温度特性の良好な力検出感度の高い力検出デバイスを得る。
【解決手段】力検出デバイスは、平面内の一方向に沿って発生する力を検出するための第
１力センサー１０と、前記一方向に沿って並び、且つ前記第１力センサーを間に挟むよう
に配置されると共に、前記第１力センサーと連結した第１基部５と、第１梃子７と、を備
えている。前記第１梃子７は、前記第１力センサー１０との連結子１３が第１作用点であ
ると共に、前記平面内であって前記一方向と交差又は平行する方向に沿って延び、慣性力
Ｆ１が加わる第１力点となる第１上腕部７ｂを有し、前記第１作用点と前記第１力点との
中間に第１支点を有するように構成する。
【選択図】図１

Description

本発明は、力検出用デバイス及び加速度検出装置に関し、特に力検出用デバイスに発生
する力（慣性力）を梃子で増大（増幅）して応力感応素子（力センサー）に加えると共に
、応力感応素子（力センサー）を差動動作させるように構成した力検出用デバイスと、該
力検出用デバイスを用いた加速度検出装置に関する。

力検出用デバイス、加速度センサー等は従来から自動車、航空機、ロッケットから各種
プラントの異常振動監視等にまで、広く使用されている。特許文献１には、図６に示すよ
うな一体形プッシュプル力変換器が開示されている。この力変換器は、取付部材７２、７
４と、力感知部材７６、７８と、から成る本体７０を有している。力感知部材７８は、取
付部材７２に接続した第１の端部８２と、取付部材７４に接続した第２の端部８４と、第
１及び第２の端部８２、８４の間に形成された一対の振動ビーム８６と、を有している。
力感知部材７６の第１の端部９２は、変換器軸心８０と平行に取付部材７４から取付部材
７２に向かって延びるアーム９８の端部に接続されている。力感知部材７６の第２の端部
９４は、変換器軸心８０と平行に取付部材７２から取付部材７４に向かって延びるアーム
１００の端部に接続されている。力感知部材７６、７８の力感知軸心は、変換器軸心８０
と平行に形成した振動ビーム８６、９６と平行となるように構成されている。

各取付部材７２、７４は、夫々構造部分１０２、１０４に取付けられていて、力変換器
が構造部分１０２、１０４によって伝達される引張力又は圧縮力の測定を行う。取付部材
７２に作用する力は、力感知部材７６の第２の端部９４と、力感知部材７８の第１の端部
８２に伝達される。同様に、取付部材７４に作用する力は力感知部材７６の第１の端部９
２と、力感知部材７８の第２の端部８４に伝達される。連結構造に形成されているため、
力感知軸心８０に直交した取付部材７２、７４に作用する力は引張力であれ、圧縮力であ
れ、一方の感知部材には圧縮力が、他方の感知部材には引張力が作用すると開示されてい
る。
なお、本体７０は一体構造をしており、例えば、水晶やシリコンウエファからなる基板
をエッチングして形成することができる。また、力感知部材７６、７８は複振動ビーム型
の例を示しているが、表面音響変換器、単振動ビーム変換器、ピエゾ抵抗歪み計のような
他の変換器のものも使用できる。

特開平０３−５０１５３１号公報

特許文献１に開示された一体形プッシュプル力変換器は、水晶基板やシリコンウエファ
基板等をエッチングして形成するため、小型の力変換器が構成できると共に、差動で動作
させることができるものの、取付部材７２、７４に係る力が直接力感知部材７６、７８に
加わる構成であるため、力の検出感度が小さく、精度も不足するい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、小型で力の検出感度が大きく、精
度がよい力検出用デバイスと加速度検出装置を提供することにある。

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。

［適用例１］小型で、力の検出感度大きく、精度がよい力検出用デバイスを売るため、
本発明に係る力検出用デバイスは、一つの平面内の一方向に沿って発生する力を検出する
ための第１力センサーと、前記一方向に沿って並び、且つ前記第１力センサーを間に挟む
ように配置されると共に、前記第１力センサーと連結した第１基部と、第１梃子と、を有
し、前記第１梃子は、前記第１力センサーとの連結子が第１作用点であると共に、前記平
面内であって前記一方向と交差又は平行する方向に沿って延び、慣性力Ｆ１が加わる第１
力点となる第１上腕部を有し、前記第１作用点と前記第１力点との中間に第１支点を有す
ることを特徴とする力検出用デバイスである。

第１梃子の第１作用点に第１力センサーの端部を連結するように力検出用デバイスを構
成することにより、力検出用デバイスに発生する力（慣性力）を前記第１梃子によって増
大（増幅）し、増大（増幅）された力を前記第１力検出センサーに加えることで、力検出
用デバイスの力検出感度を大幅に改善できるという効果がある。

［適用例２］また、力検出用デバイスは、前記第１支点が、連結部を介して前記第１基
部に連結した構成であって、前記連結部は、前記一方向に沿って発生した前記力を検出す
るための第２力センサーと第２梃子とから成り、前記第２力センサーの一端部と前記第１
支点とを連結し、前記第２センサーの他端部と前記第２梃子の第２作用点とを連結し、前
記第２梃子の第２支点と前記第１基部とを連結した構成であり、前記第２梃子は、前記平
面内であって、前記一方向と交差又は平行する方向に添って延び、慣性力Ｆ２が加わる第
２力点となる第２上腕部を前記第１力センサーと前記第２力センサーとの間に有する構成
であることを特徴とする適用例１に記載の力検出用デバイスである。

第１及び第２梃子を夫々第１及び第２力センサーと連結する構成であるので、力検出用
デバイスに発生する力（慣性力）を前記第１及び第２梃子により増大（増幅）して、第１
及び第２力センサーに加えることになり、力検出感度が向上する。更に、第１力センサー
と第２力センサーとを差動動作させるように構成するので、より力検出感度が改善され、
且つ本来の検出軸方向以外の感度を低減することができるという効果がある。

［適用例３］また、力検出用デバイスは、前記一方向に沿って並び前記第１力センサー
及び前記第１梃子と前記第２力センサー及び前記第２梃子とを、前記第１基部と共に挟む
ように前記平面内に配置した第２基部を有し、前記第１支点が前記第２基部と連結した構
成であり、且つ前記第１梃子の一方の端部と前記第１基部と、前記第２梃子の一方の端部
と前記第２基部と、を夫々第１及び第２バネ性部材で連結する構成であることを特徴とす
る適用例１に記載の力検出用デバイスである。

例えば、前記第１力センサー及び前記第１梃子と、前記第２力センサー及び前記第２梃
子とを、同一形状に構成すると、前記力検出用デバイスはその中心（重心）に対して点対
称に構成することができる。そのため、該力検出用デバイスに発生する慣性力を２等分し
、且つそれらの力を同じ増幅度で増大（増幅）して、前記第１及び第２力センサーに加え
ると共に、該第１及び第２力センサーを差動動作させることにより、力検出感度を大幅に
改善し、ノイズ等をキャンセルする効果がある。また、前記第１及び第２バネ性部材によ
り前記第１及び第２梃子の夫々の端部と第１及び第２基部とを連結することにより、前記
第１及び第２梃子のＺ軸方向のブレを抑制するので、他軸（Ｙ軸）感度を低減することが
できるという効果がある。

［適用例４］また、力検出用デバイスは、平面内の一方向に沿って発生する力を検出す
るための互いに平行な第１及び第２力センサーと、前記一方向に沿って並び前記第１及び
第２力センサーの夫々一方の端部と連結した第１及び第２梃子と、前記平面内に平行な枠
体と固定部とを備え、前記第１及び第２梃子は、前記第１及び第２力センサーの連結子が
第１及び第２作用点であると共に、前記平面内であって前記一方向と交差又は平行する方
向に添って延び、慣性力が加わる第１及び第２力点となる第１及び第２上腕部を夫々有し
、前記第１及び第２作用点と前記第１及び第２力点との中間に第１及び第２支点を有し、
前記第１及び第２梃子の一方の端部は夫々固定部と連結すると共に、他方の端部は前記
枠体と連結する構成であることを特徴とする力検出用デバイスである。

この場合も、前記第１及び第２力センサーと、前記第１及び梃子と、を夫々同一形状に
構成すると、力検出用デバイスはその中心（重心）に対して点対称の構造となる。適用例
３と同様に梃子による力検出感度向上と、差動動作による力検出感度倍増という効果と、
ノイズ低減という効果がある。更に、この力検出用デバイスは固定部をのみを支持すれば
よく、また前記枠体は質量となり慣性力を大きくし、力検出感度を改善するという効果が
ある。

［適用例５］また、力検出用デバイスは、適用例１乃至４の何れかに記載の力検出用デ
バイスを水晶で構成したことを特徴とする力検出用デバイスである。

化学的に安定で、量産化技術が確立して低コストであり、且つフォトリソグラフィ技法
とエッチング手法の経験の積み重ねのある水晶基板を用いて、適用例１乃至４の何れかに
記載の力検出用デバイスを構成することにより、小型、軽量で、温度特性が良く、力検出
感度と精度の優れた力検出用デバイスが得られるという効果がある。

［適用例６］本発明の加速度検出装置は、適用例１乃至５の何れかに記載の力検出用デ
バイスと、前記第１及び第２力センサーを励振するための発振回路及び演算回路を備えた
ＩＣと、前記力検出用デバイスと前記ＩＣとを収容するためのパッケージを備えたことを
特徴とする加速度検出装置である。

適用例１乃至５の何れかに記載の力検出用デバイスを用いて加速度検出装置を構成する
ので、発生した慣性力を梃子で増大（増幅）して力センサーに加えると共に、差動動作さ
せ、変化した周波数を前記ＩＣで演算処理するような構成となっている。そのため力検出
感度が改善され、ノイズの少ない加速度検出装置が得られるという効果がある。更に、小
型、軽量で、温度特性が良く、力検出精度の優れた加速度検出装置が得られるという効果
がある。

本発明の第１の実施例の力検出用デバイス１の構成を示す図で、（ａ）は平面図、（ｂ）は断面図。 （ａ）は双音叉型圧電振動素子の振動モードを示す平面図、（ｂ）はある瞬間に各電極上に発生する電荷、（ｃ）は各電極の結線を示す断面図。 第２の実施例の力検出用デバイス２の構成を示す図で、（ａ）は平面図、（ｂ）は断面図。 第３の実施例の力検出用デバイス３の構成を示す図で、（ａ）は平面図、（ｂ）は断面図。 本発明の加速度検出装置の断面図。 従来の一体形プッシュプル力変換器の構成を示す平面図。

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（ａ）は、本発明の
一実施形態に係る力検出用デバイス１の構成を示す概略平面図であり、同図（ｂ）はＱ−
Ｑにおける断面図である。
力検出用デバイス１は、図１（ａ）の平面図に示すように、座標軸のＺ面である平面Ｐ
上に、固定するための第１基部５と、平面Ｐ内の一方向、図１（ａ）の座標軸のＹ軸方向
に沿って生じる力を検出する第１及び第２力センサー１０、２０と、力検出用デバイス１
のＸ軸方向に沿って発生する力（慣性力）を増大（増幅）する第１及び第２梃子７、８と
、を備えている。

例えば、図１（ａ）に示した座標軸の−Ｘ軸方向に加速度αを印加した場合に、平面Ｐ
内の一方向、即ちＹ軸方向に沿って生じる力（伸長力或るは圧縮力）を検出するための第
１力センサー１０と、前記一方向に沿って並び、且つ第１力センサー１０を間に挟むよう
に配置されると共に、第１力センサー１０の一方の端部１２ｂと連結した第１基部５と、
第１力センサー１０の他方の端部１２ａと連結子１３を介して連結した第１梃子７と、を
有している。更に、力検出用デバイス１は、前記一方向に沿って生じた前記力を検出する
ための第２力センサー２０と、第２梃子８とを有する。そして、第２力センサー２０の一
方の端部２２ｂは、連結子２３ｂを介して第１梃子７の底辺部７ａと連結し、第２力セン
サー２０の他方の端部２２ａは、連結子２３ａを介して第２梃子８の底辺部８ａと連結し
、該底辺部８ａは連結子６を介して第１基部と連結している。

第１梃子７は、第１力センサー１０と連結する連結子１３が第１作用点であると共に、
前記平面Ｐ内であって前記一方向と交差又は平行する方向に沿って延びた第１上腕部７ｂ
を備えている。力検出用デバイス１に−Ｘ軸方向の加速度αを印加する際に生じる慣性力
Ｆ１は、＋Ｘ軸方向であり、該慣性力Ｆ１は第１梃子７の第１上腕部７ｂの第１力点に作
用する。第１支点は前記第１作用点と前記第１力点との中間に存在する。
更に、前記一方向に沿って発生した前記力（伸長力或るは圧縮力）を検出するための第
２力センサー２０の一方の端部２２ｂと第１梃子７の底辺部７ａとを連結子２３ｂを介し
て連結し、第２センサー２０の他方の端部２２ａと、第２梃子８の第２底辺部８ａとを連
結子２３ａ介して連結する。連結子２３ａが第２作用点となる。更に、第２梃子８の底辺
部８ａは、連結子６を介して第１基部５と連結されている。

つまり、第２力センサー２０と第２梃子８とから成る連結部が、第１支点と第１基部５
とを連結した構成である。第２梃子８は、前記平面Ｐ内であって、前記一方向と交差又は
平行する方向に添って延びた第２上腕部８ｂを備えている。力検出用デバイス１に−Ｘ軸
方向の加速度αを印加した際に生じる、＋Ｘ軸方向の慣性力Ｆ２は、第２梃子８の第２上
腕部８ｂの第２力点に作用する。第２上腕部８ｂは第１力センサー１０と第２力センサー
２０との間に位置する。第２支点は第２作用点である連結子２３ａと前記第２力点の中間
に存在する。
第１及び第２作用点の位置は、力検出用デバイス１の形状により決まる。また、第１及
び第２支点、第１及び第２力点の位置は、力検出用デバイス１の形状、厚み、材質に依存
する。
図１に示す第１力センサー１０（第２力センサー２０）は、所謂双音叉型圧電振動素子
であって、一対の端部１２ａ、１２ｂ（２２ａ、２２ｂ）及び該端部１２ａ、１２ｂ（２
２ａ、２２ｂ）間を連設する一対の振動腕１１ａ、１１ｂ（２１ａ、２１ｂ）を備えた圧
電基板からなる応力感応部と、該圧電基板の振動領域上に形成した励振電極（図示せず）
と、を備えている。

図２を用いて双音叉型圧電振動子について簡単に説明する。図２（ａ）は双音叉型圧電
（水晶）振動素子１０の振動姿態を示す平面図である。双音叉型圧電振動素子１０の振動
モードが、長手（振動腕）方向の中心軸に対して対称なモードで振動するように励振電極
を配置する。図２（ｂ）は双音叉型圧電振動素子１０に形成する励振電極と、ある瞬間に
励起される励振電極上の電荷の符号を示した平面図である。図２（ｃ）は励振電極の結線
を示す模式断面図である。
双音叉型圧電振動素子は伸張・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。
双音叉型水晶振動素子の例では、双音叉型水晶振動素子が呈する周波数温度特性は、上
方向に凸状の二次曲線であり、その頂点温度は水晶結晶のＸ軸（電気軸）の回りの回転角
度に依存する。一般的には頂点温度が常温（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本の振動腕に外力Ｆを加えたときの共振周波数ｆ_Fは以下の
如くである。
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。
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。
Ｓ_F＝１２（Ｋ／Ｅ）（Ｌ／ｗ）² （３）
σ＝Ｆ／（２Ａ） （４）
ここで、Ａは振動ビームの断面積（＝ｗ・ｄ）である。以上から双音叉型水晶振動子に
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。
また、応力感応素子としては、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も用いることが可能である。

第１梃子７（第２梃子８）はＬ字又は逆Ｌ字形状であり、第１底辺部７ａ（第２底辺部
８ａ）と第１上腕部７ｂ（第２上腕部８ｂ）とからなる。第１底辺部７ａ（第２底辺部８
ａ）が連結子１３（２３ａ）を介して第１力センサー１０（第２力センサー２０）の端部
１２ａ（２２ａ）に連結している。第１上腕部７ｂ（第２上腕部８ｂ）の１点（力点）に
力を加えると、第１作用点（第２作用点）である連結子１３（２３ａ）に増大（増幅）さ
れた力が加わることは、周知の梃子の原理である。このとき第１支点（第２支点）は第１
力点（第２力点）と第１作用点（第２作用点）の中間にある。又第１基部５は力検出用デ
バイス１を基台に固定する部材であり、例えば矩形の板状をしている。

図１に示す力検出用デバイス１の動作について説明する。図１の座標軸の−Ｘ軸方向に
加速度αが印加される場合、力検出用デバイス１の質量をｍとして、Ｆ＝ｍαの力（慣性
力）が力検出用デバイス１の重心に対し、＋Ｘ軸方向に働く。第１基部５は固定するので
、第１及び第２梃子７、８の第１及び第２力点夫々に、慣性力Ｆを分割した力Ｆ１、Ｆ２
が＋Ｘ軸方向に働くことになる。ここでＦ１＋Ｆ２＝Ｆである。第１梃子７の第１力点に
＋Ｘ軸方向の慣性力Ｆ１が作用すると、第１梃子７の第１支点を中心として第１上腕部７
ａが＋Ｘ軸方向に回転し、第１作用点である連結子１３には梃子の原理に基づいて、Ｆ１
×（ｄ１／ｄ２）の圧縮応力が作用する。ここで、ｄ１は第１力点と第１支点との距離、
ｄ２は第１支点と第１作用点との距離である。

一方、第２梃子８の第２力点には慣性力Ｆ２が＋Ｘ軸方向に働くので、第２支点を中心
として第２上腕部８ｂが＋Ｘ軸方向に回転し、第２作用点である連結子２３ａには梃子の
原理に基づいて増大（増幅）した伸長（引張）応力が作用する。また、第１梃子７の第１
上腕部７ｂの第１力点に＋Ｘ軸方向に働く慣性力Ｆ１により、連結子２３ｂを第３作用点
として伸長（引張）応力が作用する。
−Ｘ軸方向の加速度αにより、第１力センサー１０には増大（増幅）した圧縮応力が作
用してその共振周波数は減少し、第２力センサー２０には増大（増幅）した伸長応力が作
用してその共振周波数は増加する。つまり、力検出用デバイス１は、第１及び第２力セン
サー１０、２０を差動動作させることで、検出感度が倍増し、また梃子の原理により第１
及び第２力センサー１０、２０には、増大（増幅）した圧縮応力或いは伸長（引張）応力
が加えられることにより、検出感度が大きく改善される。
第１及び第２梃子７、８の形状、質量を最適設計することにより、第１及び第２力点、
第１及び第２支点、第１及び第２作用点を最適化にし、梃子の原理による力の倍率を増大
することが可能である。

力検出用デバイス１に＋Ｘ軸方向に加速度αが印加される場合は、第１力センサー１０
には伸長（引張）応力が作用してその共振周波数は増加し、第２力センサー２０には圧縮
応力が作用してその共振周波数は減少する。第１及び第２力センサー１０、２０の周波数
の増減を測定することにより、印加された加速度αの方向が検出でき、第１及び第２力セ
ンサー１０、２０の周波数の変化を測定し、演算することにより力検出用デバイスに印加
される加速度αの大きさを求めることができる。
力検出用デバイス１の特徴は、第１及び第２梃子を夫々第１及び第２力センサーと連結
する構成であるので、力検出用デバイスに発生する力（慣性力）を前記第１及び第２梃子
により増大（増幅）して、第１及び第２力センサーに加えることになり、力検出感度が向
上する。更に、第１力センサーと第２力センサーとを差動動作させるように構成するので
、より力検出感度が改善され、且つ本来の検出軸方向以外の感度を低減することができる
という効果がある。

図１に示す力検出用デバイス１は、平板状の圧電基板上にフォトリソグラフィ技法とエ
ッチング手法を用いて、図１（ａ）に示すようなパターンを格子状に形成し、真空蒸着等
で所要の電極及び引出電極を形成した後、個片に分割して得られる。圧電材料としては、
水晶、タンタル酸リチウム、ニオブ酸リチウム、ランガサイト、シリコン等がある。
図１では第１及び第２力センサー１０、２０の２つの力センサーと、第１及び第２梃子
７、８を用いた実施例を示したが、第１力センサー１０と、第１梃子７と、第１基部５と
、を用いて構造が簡易な力検出用デバイスを構成することができる。ただ、この場合は、
差動動作はできないが、力検出用デバイスに発生する力（慣性力）を前記第１梃子によっ
て増大（増幅）し、増大（増幅）された引張応力又は圧縮応力を前記第１力検出センサー
に加えることで、力検出用デバイスの力検出感度を大幅に改善できるという効果がある。

図３（ａ）は第２の実施例の力検出用デバイス２の構成を示す平面図であり、同図（ｂ
）はＱ１−Ｑ１における断面図である。力検出用デバイス２は、図３（ａ）の平面図に示
すように同一平面Ｐ上に固定用の第１及び第２基部５、５ｂと、第１及び第２力センサー
１０、２０と、第１及び第２梃子７、８と、第１及び第２バネ性部材９ａ、９ｂと、を備
えている。
力検出用デバイス２は、前記一方向、つまり図３（ａ）の座標のＹ方向に沿って並び、
第１力センサー１０及び第１梃子７と、第２力センサー２０及び第２梃子８とを、第１基
部５と共に挟むように前記平面Ｐ内に配置した第２基部５ｂを有している。
第１梃子７の第１支点が第２基部５ｂと、第２梃子７の第２支点が第１基部５と、連結
した構成であり、且つ第１梃子７の第１上腕部ｂの端部と第１基部とが、第１バネ性部材
９ａで連結されている。更に、第２梃子８の第２上腕部７ｂの端部と第２基部５ｂとが、
第１バネ性部材９ａで連結されている。

力検出用デバイス２は、第１及び第２力センサー１０、２０と、第１及び第２梃子７、
８と、を夫々同一形状に形成すると、その重心に対し点対称に構造となる。第１及び第２
バネ性部材９ａ、９ｂで、第１及び第２梃子７、８の夫々の上腕部７ｂ、８ｂと第１及び
第２基部５、５ｂを連結することにより、第１及び第２梃子７、８の動作が安定する。つ
まり、第１及び第２梃子７、８のＺ軸方向の動きが抑制され、他軸感度を低減することが
可能となる。第１及び第２基部５、５ｂは基台に固定して用いる。
力検出用デバイス２の動作について説明する。図３の座標軸の−Ｘ軸方向に加速度αが
印加される場合、Ｆ＝ｍα（ｍ；力検出用デバイス２の質量）の力（慣性力）が力検出用
デバイス２の重心に対し、＋Ｘ軸方向に働く。力Ｆを２つに分解した力Ｆ１、Ｆ２（Ｆ１
＝Ｆ２）が第１及び第２梃子７、８の第１及び第２力点に対し＋Ｘ軸方向に働く。第１梃
子７の第１力点に＋Ｘ軸方向の慣性力Ｆ１が作用すると、第１梃子７の第１支点を中心と
して第１上腕部７ｂが＋Ｘ軸方向に回転し、第１作用点である連結子１３ａには梃子の原
理に基づいて、Ｆ１を増大（増幅）した伸長（引張）応力が作用する。

第２梃子８の第２力点に＋Ｘ軸方向の慣性力Ｆ２が作用すると、第２梃子８の第２支点
を中心として第２上腕部８ｂが＋Ｘ軸方向に回転し、第２作用点である連結子２３ｂには
梃子の原理に基づいて、Ｆ２を増大（増幅）した圧縮応力が作用する。
力検出用デバイス２の特徴は、その重心に対して点対称に構成すると、力検出用デバイ
ス２に加速度αを加えた場合、該力検出用デバイス２に発生する力（慣性力）ＦをＦ１、
Ｆ２に２等分し、且つ該力Ｆ１、Ｆ２を同じ増幅度で増大（増幅）して、前記第１及び第
２力センサー１０、２０に加えると共に、該第１及び第２力センサー１０、２０を差動動
作させることにより、力検出感度を大幅に改善し、ノイズ等をキャンセルする効果がある
。
第１及び第２バネ性部材９ａ、９ｂにより第１及び第２梃子７、８の夫々の端部と第１
及び第２基部とを連結することにより、第１及び第２梃子のＺ軸方向のブレを抑制するの
で、他軸（Ｙ軸）感度を低減することができるという効果がある。

図４（ａ）は第３の実施例である力検出用デバイス３の構成を示す平面図であり、同図
（ｂ）はＱ２−Ｑ２における断面図である。力検出用デバイス３は、図４（ａ）の平面図
に示すように同一平面Ｐ上に力検出用デバイス３を固定するための固定部３０と、前記平
面Ｐ内の一方向に沿って発生する力を検出するための互いに平行な第１及び第２力センサ
ー１０、２０と、第１及び第２梃子７、８と、第１及び第２バネ性部材９ａ、９ｂと、前
記第１及び第２力センサー１０、２０及び第１及び第２梃子７、８を支持し且つそれ自体
が質量となる枠体３５と、を備えている。

第１力センサー１０の一方の端部１２ａは連結子１３ｂを介して枠体３５の内辺に連結
し、他方の端部１２ｂは連結子１３ａを介して第１梃子７の底辺部７ａと連結している。
第１梃子７の第１上腕部７ｂは、連結子３７ａを介して固定部３０と連結すると共に、第
１バネ性部材９ａで枠体３５の内辺と連結している。
また、第２力センサー２０の一方の端部２２ｂは連結子２３ｂ介して枠体３５の内辺に
連結し、他方の端部２２ａは連結子２３ａを介して第２梃子８の底辺部８ａと連結してい
る。第２梃子８の第２上腕部８ｂは、連結子３７ｂを介して固定部３０と連結すると共に
、第２バネ性部材９ｂで枠体３５の内辺と連結している。

第１及び第２梃子７、８は、連結子１３ａ、２３ａが第１及び第２作用点であると共に
、前記平面Ｐ内であって前記一方向と交差又は平行する方向に添って延びた第１及び第２
上腕部７ｂ、８ｂを夫々有している。力検出用デバイス３に慣性力が生じる際に、第１及
び第２上腕部７ｂ、８ｂ上に第１及び第２力点が生じる。そして、前記第１及び第２作用
点と前記第１及び第２力点との中間に第１及び第２支点を存在する。
力検出用デバイス３は、第１及び第２力センサー１０、２０と、第１及び第２梃子７、
８と、を夫々同一形状に形成すると、その重心に対し点対称な構造となる。図４（ａ）の
座標軸のＸ軸方向に沿って加速度αが加えられると、第１力センサー７と第２力センサー
８とは互いに差動動作、つまり生じた慣性力により第１力センサー７に圧縮力が加えられ
ると、第２力センサー８に伸長（引張）力が加えられるように動作する。力検出用デバイ
ス３の動作は、図３に示した力検出用デバイス２の動作と同様であるので省略する。

力検出用デバイス３の特徴は、例えば前記第１及び第２力センサーと、前記第１及び梃
子と、を夫々同一形状に構成すると、力検出用デバイスはその中心（重心）に対して点対
称の構造となり、完全な差動型の力検出用デバイスを構成することができる。力検出用デ
バイス２の例と同様に梃子による力検出感度向上と、差動動作による力検出感度倍増とい
う効果と、ノイズ低減という効果がある。更に、この力検出用デバイスは固定部をのみを
支持すればよく、また前記枠体は質量となり慣性力を大きくし、力検出感度を改善すると
いう効果がある。
また、力検出用デバイス１、２、３を化学的に安定で、量産化技術が確立し、且つフォ
トリソグラフィ技法とエッチング手法の経験の積み重ねのある水晶材料を用いて、構成す
ることにより、小型、軽量で、温度特性が良く、力検出感度と精度の優れた力検出用デバ
イスが得られるという効果がある。

図５は本発明の加速度検出装置４の断面図であり、加速度検出装置４は、上記の力検出
用デバイス１（２、３）と、第１及び第２力センサーを励振するための発振回路及び演算
回路を備えたＩＣ５５と、力検出用デバイス１（２、３）とＩＣ５５とを収容するための
パッケージ５０を備えている。パッケージ５０は、パッケージ本体５０ａと、蓋部材５０
ｂとからなり、パッケージ本体５０ａの外底部には外部接続端子５１が形成されている。
パッケージ本体５０ａの内部には力検出用デバイス１（２、３）を例えば、導電性接着材
５３を介して搭載するための台座５２が設けられている。ＩＣ５５はパッケージパッケー
ジ本体５０ａの内部に形成された内部電極に接続される。内部電極と外部接続端子５１と
は導通されている。
加速度検出装置４の特徴は、発生した慣性力を梃子で増大（増幅）して力センサーに加
えると共に、差動動作させ、変化した周波数を前記ＩＣで演算処理するような構成となっ
ている。印加された加速度の方向とその大きさを検出することができる。加速度検出感度
は改善され、ノイズの少なく、小型、軽量で、温度特性が良好で、力検出精度の優れた加
速度検出装置が得られるという効果がある。

１、２、３…力検出用デバイス、４…加速度検出装置、５…第１基部、５ｂ…第２基部、
６、６ａ、６ｂ、１３、１３ａ、１３ｂ、２３ａ、２３ｂ、３３ａ、３３ｂ、３７ａ、３
７ｂ…連結子、７…第１梃子、７ａ…第１底辺部、７ｂ…第１上腕部、８…第２梃子、８
ａ…第２底辺部、８ｂ…第２上腕部、９ａ…第１バネ性部材、９ｂ…第２バネ性部材、１
０…第１力センサー、１１ａ、１１ｂ、２１ａ、２１ｂ…振動腕、１２ａ、１２ｂ、２２
ａ、２２ｂ…端部、２０…第２力センサー、１３、１３ａ…第１作用点、２３ａ…第２作
用点、３０…固定部、３５…枠体、５０…パッケージ、５０ａ…パッケージ本体、５０ｂ
…蓋部材、５１…外部接続端子、５２…台座、５３…導電性接着材、５５…ＩＣ

Claims (6)

1. 一つの平面内の一方向に沿って発生する力を検出するための第１力センサーと、前記一
   方向に沿って並び、且つ前記第１力センサーを間に挟むように配置されると共に、前記第
   １力センサーと連結した第１基部と、第１梃子と、
   を有し、
   前記第１梃子は、前記第１力センサーとの連結子が第１作用点であると共に、前記平面
   内であって前記一方向と交差又は平行する方向に沿って延び、慣性力Ｆ１が加わる第１力
   点となる第１上腕部を有し、前記第１作用点と前記第１力点との中間に第１支点を有する
   ことを特徴とする力検出用デバイス。
2. 前記第１支点が、連結部を介して前記第１基部に連結した構成であって、
   前記連結部は、前記一方向に沿って発生した前記力を検出するための第２力センサーと
   第２梃子とから成り、前記第２力センサーの一端部と前記第１支点とを連結し、前記第２
   センサーの他端部と前記第２梃子の第２作用点とを連結し、前記第２梃子の第２支点と前
   記第１基部とを連結した構成であり、
   前記第２梃子は、前記平面内であって、前記一方向と交差又は平行する方向に添って延
   び、慣性力Ｆ２が加わる第２力点となる第２上腕部を前記第１力センサーと前記第２力セ
   ンサーとの間に有する構成であることを特徴とする請求項１に記載の力検出用デバイス。
3. 前記一方向に沿って並び前記第１力センサー及び前記第１梃子と前記第２力センサー及
   び前記第２梃子とを、前記第１基部と共に挟むように前記平面内に配置した第２基部を有
   し、
   前記第１支点が前記第２基部と連結した構成であり、且つ前記第１梃子の一方の端部と
   前記第１基部と、前記第２梃子の一方の端部と前記第２基部と、を夫々第１及び第２バネ
   性部材で連結する構成であることを特徴とする請求項１に記載の力検出用デバイス。
4. 平面内の一方向に沿って発生する力を検出するための互いに平行な第１及び第２力セン
   サーと、前記一方向に沿って並び前記第１及び第２力センサーの夫々一方の端部と連結し
   た第１及び第２梃子と、前記平面内に平行な枠体と固定部とを備え、
   前記第１及び第２梃子は、前記第１及び第２力センサーの連結子が第１及び第２作用点
   であると共に、前記平面内であって前記一方向と交差又は平行する方向に添って延び、慣
   性力が加わる第１及び第２力点となる第１及び第２上腕部を夫々有し、前記第１及び第２
   作用点と前記第１及び第２力点との中間に第１及び第２支点を有し、
   前記第１及び第２梃子の一方の端部は夫々固定部と連結すると共に、他方の端部は前記
   枠体と連結する構成であることを特徴とする力検出用デバイス。
5. 請求項１乃至４の何れかに記載の力検出用デバイスを水晶で構成したことを特徴とする
   力検出用デバイス。
6. 請求項１乃至５の何れかに記載の力検出用デバイスと、前記第１及び第２力センサーを
   励振するための発振回路及び演算回路を備えたＩＣと、前記力検出用デバイスと前記ＩＣ
   とを収容するためのパッケージを備えたことを特徴とする加速度検出装置。

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