JP2012007894A - 複合センサー素子、複合センサー、および、複合センサー装置 - Google Patents

Abstract

【課題】一つのセンサーで回転角速度および加速度などの力の検出が可能で、且つ、構造が簡素で応答速度の速い複合センサー素子、それを用いた複合センサー、および、それを用いた複合センサー装置を提供する。
【解決手段】複合センサー素子１は、支持部１２、および、駆動電極１５ａ，１５ｂが設けられた振動腕１３，１４を有するジャイロ振動片１０と、基部３および錘部５が弾性を有する梁部により接続された質量部２と、を備えている。ジャイロ振動片１０は、振動腕１４と、錘部５との対向する主面５ａとが、間隙（ｇ）を空けて略平行に片持ち支持された態様で質量部２上に接合部材９６を介して接合されている。複合センサー２０は、パッケージ３０内に複合センサー素子１が接合され、パッケージ３０上にはシールリング３９を介してリッド４０が接合されている。パッケージ３０とリッド４０により形成された内部空間Ｔには気体が充填されている。
【選択図】図５

Description

本発明は、回転角速度および加速度などの力を一つのセンサー素子で検出することが可能な複合センサー素子、それを用いた複合センサー、および、それを用いた複合センサー装置に関し、特に、加速度などの力検出において構造が簡素で応答速度の速い複合センサー素子、それを用いた複合センサー、および、それを用いた複合センサー装置に関する。

近年、自動車などの走行制御は、車両の回転角速度、前後加速度、横加速度に基づいて行われることが多く、これらの情報を得るために、各車両に、回転角速度センサーや加速度センサーが搭載されている。このような回転角速度センサーや加速度センサーには、従来より、圧電振動片（圧電振動素子）を回転角速度センサー素子や加速度センサー素子として利用したものが知られている。

例えば、回転角速度センサー素子として、所謂音叉型の圧電振動片（ジャイロ振動片）が広く用いられている（例えば、特許文献１を参照）。特許文献１に記載のジャイロ振動片は、水晶からなる支持部（基部）と、支持部の一端部から二股に分かれて平行に延出され一対の駆動部としての振動腕とを含む。各振動腕の第１表面には振動腕を励振する駆動電圧を供給する駆動電極（励振電極）が設けられ、第１表面と直交する側面には検出電極が設けられている。そして、駆動電極に駆動信号（励振信号）を印加することにより、振動腕を振動させることができる。ここで、この振動片に駆動信号を印加して振動腕を第１表面に沿った方向に振動（面内振動）させているときに、振動腕の延在方向の軸を検出軸として回転させると、コリオリの力により振動腕が第１表面と直交する方向に振動（面外振動）する。この面外振動の振幅は振動片の回転速度に比例することから角速度として検出することができる。

また、圧電振動片を力検出センサー素子として用いた加速度センサーは、圧電振動素子に検出軸方向の力が作用すると、圧電振動素子の共振周波数が変化し、この共振周波数の変化から加速度センサーに印加される加速度を検出するように構成されている（例えば、特許文献２を参照）。特許文献２に記載の力検出センサー（加速度検知ユニット）は、矩形状の構造体と、力検出センサー素子としての応力感応素子（圧電振動片）と、を備えている。矩形状の構造体は、直方体状の固定部材と、直方体状の可動部材と、固定部材と可動部材とによって両端部を夫々支持された二本の平行な長尺梁と、それらの長尺梁の中間部により両端部を固定され、且つ各長尺梁と直交する方向へ延びる短尺梁と、を備えている。固定部材及び可動部材の夫々の一方の上面は、同一平面上に構成されている。二本の長尺梁の端縁であって固定部材寄りの上下面の対向する位置に、夫々くびれ部を備えている。加速度αが加速度検出軸方向から構造体に印加されると、くびれ部を支点として各長尺梁が撓むように構成されている。また、応力感応素子は、２つの応力感応部と、それらの応力感応部を挟むよう応力感応部と連結した２つの固定端と、を備えている。
このような構成の加速度検知ユニットに加速度検出軸の＋方向（＋Ｚ方向）の加速度αを印加すると、慣性力により可動部材は加速度αの方向とは逆の加速度検出軸の−方向（−Ｚ軸方向）に力を受け、矩形状の構造体の各長尺梁のくびれ部を支点として撓む（屈曲する）。このように各長尺梁が撓むことにより、可動部材に接合された応力感応素子の固定端を介して、応力感応部には伸張応力が加わり、応力感応素子の共振周波数が変化する。この応力感応素子の周波数の変化より、印加された加速度の大きさと方向を求めることができる。

特開平５−２５６７２３号公報 特開２００９−２７１０２９号公報

しかしながら、車両において、センサーの搭載スペースは限られており、できるだけ小さな空間内にセンサーを収容したいという要求があるのに対して、従来では、角速度センサーと加速度などの力検出センサーが別々の構成となっていることから、２つのセンサーの搭載スペースが必要となり、車両内部におけるセンサー搭載スペースの占有体積が大きくなるという課題があった。
また、特許文献２に開示されている加速度検知ユニットのような従来の加速度センサー装置では、周波数変化型のセンサーであることからデジタル出力のためノイズが少ないという利点はあるものの、ゲートタイムの幅内で周波数をカウントする必要があるために、応答時間が遅く、消費電流が大きくなるという問題点があった。また、周波数をカウントするにはマスタークロックが必要であり、加速度検知装置が大きくなるという欠点があった。

本発明は、上述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、以下の形態または適用例として実現することが可能である。

〔適用例１〕本適用例にかかる複合センサー素子は、支持部と、前記支持部と一体形成され駆動電極が設けられた駆動部、および、検出電極が設けられた検出部と、を有するジャイロ振動片と、基部と、錘部と、一端部が前記基部から延出され他端部が前記錘部に接続された梁部と、を有する質量部と、を備え、前記ジャイロ振動片の少なくとも前記駆動部と、前記錘部との対向する主面が間隙を空けて略平行に配置されるように前記基部上に前記支持部が接合されることにより、前記質量部上に前記ジャイロ振動片が片持ち支持されたことを特徴とする。

このような構成の複合センサー素子によれば、駆動部および検出部により周知の振動ジャイロの動作原理により複合センサー素子に加わった回転角速度を検出することができるとともに、複合センサー素子に加わった加速度などの力を検出することができるので、１チップで回転角速度および加速度などの力の検出ができる複合センサーを提供することができる。このうち、加速度などの力の検出は、気体雰囲気中において複合センサー素子に力が加わったときに、その加わる力により質量部の錘部に変位が生じることによって振動片と錘部との間隙が狭まって気体の抵抗が増加するために、振動片の電気的等価抵抗ＣＩ値が変化することを利用して、そのＣＩ値の変化から印加された力を求めることができる。このように、ＣＩ値の変化から印加された力を求めるので、デジタル方式の加速度センサーに比べ、応答時間（測定時間）が速いという効果がある。
また、質量部上にジャイロ振動片を搭載することにより複合センサー素子を実現しているため、構造が簡素であり、低コストにできるという利点がある。その上、加速度などの力検出には周波数を測定するカウンターも必要なく、測定も間欠測定でよいので、消費電流も小さく、小型にできるという効果がある。
また、ジャイロ振動片の固定は支持部側のみの片側固定でよいため、周囲の温度変化による熱膨張の影響が少ないため、検出精度が高いという利点がある。

〔適用例２〕上記適用例にかかる複合センサー素子において、前記ジャイロ振動片が、圧電体材料を用いて形成されていることを特徴とする。

この構成によれば、従来より振動片の材料として広く用いられている圧電体材料を用いることによって、周知の原理やノウハウを活かして高性能な圧電振動片をジャイロ振動片として複合センサー素子に搭載することができるので、検出精度の高い複合センサー素子を提供することができる。

〔適用例３〕上記適用例にかかる複合センサー素子において、前記圧電体材料として水晶が用いられていることを特徴とする。

この構成によれば、ジャイロ振動片などの圧電振動片の材料として最も広く使われている水晶を用いることにより、既存の圧電振動片の製造設備を利用して、優れた発振特性を有し機械的強度の高い水晶振動片を複合センサー素子に搭載することができるので、低コストで、検出精度、および、機械的強度の高い複合センサー素子を提供することができる。

〔適用例４〕上記適用例にかかる複合センサー素子において、前記ジャイロ振動片が、前記支持部と、前記支持部の一端から平行に延びる一対の振動腕と、を有する音叉型の振動片であり、一対の前記振動腕のうち少なくとも一方が前記駆動部を構成することを特徴とする。

この構成のように、ジャイロ振動片として音叉型の例えば圧電振動片を用いることにより、フォトリソグラフィー技術とエッチング手法を用いた従来の製造ラインが適用できるので、製造設備を増設することなく現在生産されているジャイロ振動片が適用できることから、低コスト化が図られるという利点がある。また、音叉型の圧電振動片のような屈曲振動モードの振動片は、上記構成の複合センサー素子の、特に加速度などの力の検出において、周辺雰囲気の気体の粘性の影響を受けやすいので、ＣＩ値の変化が大きくなり、力の検出感度が良くなるという効果がある。

〔適用例５〕上記適用例にかかる複合センサー素子において、前記ジャイロ振動片が、中央に配置された基部と、前記基部の両端部から延出する一対の前記検出部としての検出用振動腕と、前記基部から前記検出用振動腕と直交する向きに延出する一対の連結腕と、前記各連結腕の先端部から前記検出用振動腕と平行に両側へ延出する各一対の前記駆動部としての駆動用振動腕と、前記基部に梁で連結された前記支持部と、を備えていることを特徴とする。

このように、基部から延出された一対の検出部としての検出用振動腕と、その検出用振動腕の両側に平行に配置される各一対の駆動部としての駆動用振動腕を有し、さらに、基部に連結された梁を介して支持部で支持することにより、支持部への振動漏れを抑制しながらより高精度に回転角速度を検出できるとともに、二対の駆動用振動腕のうちの少なくとも一つを利用して、ＣＩ値の変化を利用して加速度などの力の検出を行うことが可能な複合センサーを構成できるという効果がある。

〔適用例６〕上記適用例にかかる複合センサー素子において、前記ジャイロ振動片の、前記錘部と対向する側の主面の表面が粗面化されていることを特徴とする。

この構成によれば、上記適用例の複合センサーの動作原理のうち、加速度などの力検出において、複合センサー素子に加えられた力に対するＣＩ値の変化が大きくなることにより、力検出の感度を向上させることができる。

〔適用例７〕本適用例にかかる複合センサーは、上記適用例に記載の複合センサー素子と、前記複合センサー素子を収容するパッケージと、を備え、前記パッケージ内に気体が充填されていることを特徴とする。

この構成によれば、上記適用例の複合センサー素子を気体中に配置して、複合センサーに加わる回転角速度を検出するとともに、複合センサーに加わる加速度などの力により変化する振動片の電気的等価抵抗ＣＩ値を利用して加速度などの力を検出するパッケージタイプの複合センサーを提供することができる。この複合センサーは、ＣＩ値の変化から印加された力を求めるので、デジタル方式の加速度センサーに比べ、応答時間（測定時間）が速いという効果がある。また、構造が簡素であり、低コストにできるという利点があるとともに、周波数を測定するカウンターも必要なく、測定も間欠測定でよいので、消費電流が小さく、小型にできるという効果がある。

〔適用例８〕本適用例にかかる複合センサー装置は、上記適用例に記載の複合センサーと、発振回路と、フィルター回路と、整流回路と、積分回路と、を少なくとも備えたことを特徴とする。

この構成によれば、低コストで、応答時間（測定時間）が速く、消費電流が小さく、小型の複合センサー装置ができるという効果がある。また、周囲の温度変化による熱膨張の影響が小さいため、検出精度が高い複合センサー装置ができるという利点がある。

（ａ）は、複合センサー素子の一実施形態を説明する概略平面図、（ｂ）は、（ａ）の矢印Ｓの方向からみた概略側面図。 複合センサー素子に備わるジャイロ振動片の一実施形態を一方の主面側からみた模式平面図。 （ａ）は、図２のジャイロ振動片のＥ−Ｅ線概略断面図、（ｂ）は、Ｆ−Ｆ線概略断面図。 （ａ）は、複合センサー素子の質量部を説明する平面図、（ｂ）は、（ａ）の矢印Ｓ´の方向からみた側面図。 （ａ）は、複合センサーの一実施形態を上側からみた概略平面図、（ｂ）は、（ａ）のＡ−Ａ線概略断面図。 （ａ）および（ｂ）は、共に一般的な圧電振動子の電気的等価回路図。 複合センサー素子を大気中に設置し、ジャイロ振動片と質量部の錘部との相対面する間隙ｇを横軸とし、複合センサー素子の電気的等価抵抗Ｒｘ（ＣＩ）を縦軸にした場合、間隙ｇを変化させたときのＣＩ値の変化を実測し、それをプロットした曲線。 複合センサーの加速度などの力検出の動作原理を模式的に説明する図。 複合センサー装置の構成を示すブロック図。 （ａ）〜（ｅ）は、図９のブロック図に示す各部の波形を示す図。 複合センサー素子の質量部の変形例１のバリエーションの一つを説明する概略平面図。 複合センサー素子の質量部の変形例１のバリエーションの一つを説明する概略平面図。 複合センサー素子の質量部の変形例１のバリエーションの一つを説明する概略平面図。 複合センサー素子の質量部の変形例２を説明する概略側面図。 ジャイロ振動片として適用可能な弾性表面波素子の構成を示す概略平面図。 ジャイロ振動片の変形例の構成を示す概略平面図。

以下、本発明の複合センサー素子、および、それを用いた複合センサーの一実施形態について図面を参照しながら説明する。

〔複合センサー素子〕
まず、複合センサー素子について説明する。図１（ａ）は、複合センサー素子１の構成を示す概略平面図であり、同図（ｂ）は、（ａ）の矢印Ｓの方向からみた概略側面図である。また、図２および図３は、複合センサー素子１のジャイロ振動片の一実施形態を説明するものであり、図２は一方の主面側からみた模式平面図、図３（ａ）は、図２のＥ−Ｅ線概略断面図、（ｂ）は、Ｆ−Ｆ線概略断面図である。また、図４（ａ）は、複合センサー素子１に備わる質量部２を詳細に説明する平面図であり、同図（ｂ）は、（ａ）の矢印Ｓ´の方向からみた側面図である。
図１に示すように、複合センサー素子１は、錘部５を有する質量部２と、その質量部２上に片持ち支持された態様で接合されたジャイロ振動片１０と、を備えている。

＜ジャイロ振動片＞
ジャイロ振動片（角速度検出片）１０は、例えば、圧電体材料を用いて形成することができ、好ましくは、単結晶の圧電体材料で、本実施形態では、圧電体基板として、水晶の単結晶から切り出されたものを使用する。図２において、Ｘ方向は水晶のＸ軸（電気軸）、Ｙ方向は水晶のＹ軸（機械軸）、Ｚ方向は水晶のＺ軸（光軸）を示している。
図２において、ジャイロ振動片１０は、略矩形状の支持部１２と、この支持部１２の一端側から二股に別れて互いに平行に延出する一対の駆動部としての振動腕１３，１４と、を備えた所謂音叉型の外形を有して形成されている。このような圧電体基板の音叉状の外形は、例えば水晶ウエハーなどの圧電体基板材料をフッ酸溶液などでウエットエッチングしたり、ドライエッチングすることにより精密に形成することができる。

振動腕１３，１４には、それぞれの支持部１２との付け根１３ａ，１４ａの近傍にあって長さ方向（図中Ｙ方向）に延びる溝２３，２３が形成されている。これらの溝２３，２３は、図３（ａ）に示すように、振動腕１３（１４）の表裏に同様の形状となるように形成されている。
また、各溝２３，２３には、それらの略全長にわたって、ジャイロ振動片１０に駆動電圧を印加するための駆動用の電極である駆動電極１５ａ，１５ｂが形成されている。具体的には、各溝２３の側壁と、各側壁に近接した振動腕１３，１４各々の側壁とで互いに対の異極となる駆動電極１５ａ，１５ｂが形成されている。
駆動電極１５ａ，１５ｂは、支持部１２の例えば長さ方向（図中Ｙ方向）の中央付近で、幅方向（図中Ｘ方向）の両端にそれぞれ設けられた外部接続電極１７ａ，１７ｂに接続されている。
また、本実施形態のジャイロ振動片１０の支持部の長さ方向の中心付近で、幅方向の両端には切欠き部２８，２８が形成されている。この切欠き部２８，２８により、振動腕１３，１４からの振動の支持部１２側への漏れ込みを抑制できるようになっている。

また、支持部１２には、各振動腕１３，１４に対応して、例えば、各振動腕１３，１４を長さ方向（Ｙ方向）に支持部１２側に向かって延長した領域に検出電極２７ａ，２７ｂが設けられている。本実施形態では、図２および図３（ｂ）に示すように、振動腕１３，１４の間の股部２４から所定の距離だけ離間させて支持部１２の各振動腕１３，１４を長さ方向に延長した領域に、それぞれＹ方向に延びる各一対の検出用溝２６，２６，２６，２６が形成されている。図３（ｂ）に示すように、支持部１２の検出用溝２６，２６は、支持部１２の表面と裏面に同様の構成でそれぞれ形成されている。そして、これら各一対の検出用溝２６，２６において、圧電体材料（水晶）を挟んで対向する壁面に検出電極２７ａ，２７ｂが形成されている。検出電極２７ａ，２７ｂは、互いに異極となるように設けられている。なお、このような検出電極２７ａ，２７ｂは、検出用溝２６を形成せずに支持部１２の表面に設けても、検出電極２７ａと検出電極２７ｂとの間で電界が形成されるので信号検出を行うことができる。しかしながら、図３（ｂ）に示すように、各振動腕１３，１４ごとに一対の検出用溝２６，２６，２６，２６を形成して、そこに検出電極２７ａ，２７ｂを設けることにより、支持部１２を構成する水晶（圧電体基板）の表面もしくは裏面において電界が形成されるだけでなく、検出用溝２６の厚み方向にわたっても検出電極２７ａ，２７ｂの間で矢印に示すように電界が形成され、検出信号を得るための電界効率が向上し、検出効率を高めることができるので好ましい。なお、支持部１２に形成する検出電極２７ａ，２７ｂと、これを形成するための検出用溝２６，２６は、支持部１２の表面もしくは裏面のいずれか一方に形成する構成としてもよい。

また、支持部１２の、例えば、振動腕１３，１４の付け根１３ａ，１４ａとは反対側の端部近傍には、各検出電極２７ａ，２７ｂからの電圧を外部に出力する引き出し電極１８ａ，１８ｂ，１８ａ，１８ｂが設けられ、対応する検出電極２７ａ，２７ｂ，２７ａ，２７ｂに接続されている。
上記した駆動電極１５ａ，１５ｂ、検出電極２７ａ，２７ｂ、外部接続電極１７ａ，１７ｂ、引き出し電極１８ａ，１８ｂなどの電極や、それらを接続する配線は、水晶をエッチングしてジャイロ振動片１０の外形を形成した後で、例えば、ニッケル（Ｎｉ）またはクロム（Ｃｒ）を下地層として、その上に、蒸着またはスパッタリングにより例えば金（Ａｕ）による電極層を成膜し、その後フォトリソグラフィーを用いてパターニングすることにより形成することができる。

なお、ジャイロ振動片１０の振動腕１３，１４のうち、加速度などの力検出に供する振動腕１４において、質量部２の錘部５と対向する側の主面の表面を、化学的あるいは機械的な方法を用いて粗面化しておくことが、後述する質量部２上にジャイロ振動片１０を接合して構成した複合センサーの動作原理において、複合センサーに加えられた力に対するＣＩ値の変化を大きくしてセンサーの感度を向上させることができるので好ましい。

＜質量部＞
質量部２は、図４に示すように、基部３と、錘部５と、一端が基部３の一端部から延出され他端が錘部５の一端部に接続される梁部４とが、同一材料により一体形成されたものである。
基部３は、複合センサー素子１を例えばパッケージ内に固定する際の固定部分になるとともにジャイロ振動片１０が接合される部分であり、ジャイロ振動片１０が接合される領域（図中上側の面の一領域）に振動片接続端子７および振動片接続端子８が設けられている。本実施形態では、振動片接続端子７が、ジャイロ振動片１０の駆動電極１５ａ，１５ｂから引き出された外部接続電極１７ａ，１７ｂに対応したものであり、振動片接続端子８が、ジャイロ振動片１０の検出電極２７ａ，２７ｂから引き出された引き出し電極１８ａ，１８ｂと対応したものである。

梁部４は、図４（ｂ）に示すように、基部３や錘部５に比して厚みが薄く形成されているとともに、図４（ａ）に示すように、狭い幅で細長い形状を有している。また、梁部４は、所定の弾性を有して、且つ、十分な強度を保持しながら錘部５を支持できるように屈曲形状を呈して形成されている。本実施形態では、基部３の一端部である基部側接続端８ａから延出された梁部４が、平面視で錘部５の周縁を数周取り囲むような螺旋形状を形成して錘部５の一端部である錘部側接続端８ｂに接続されている。これにより、梁部４の長さが長く確保されるので、錘部５が、基部３を固定端として、梁部４の弾性（ばね性）により上下方向（質量部２の厚み方向）に可動な状態で支持される。また、本実施形態の質量部２を平面視したときに、梁部４に形成される螺旋形状において、梁部４と基部３との接続部である基部側接続端８ａ、および、梁部４と錘部５との接続部である錘部側接続端８ｂの屈曲形状部分は、丸味を帯びた形状に加工されている。これにより、基部３および錘部５の梁部４の付け根に応力が集中して破損するなどの不具合を抑制することができる。なお、本実施形態では、梁部４の屈曲形状部分のうち、特に応力集中が起こり易い基部側接続端８ａおよび錘部側接続端８ｂの屈曲形状部分を丸味を帯びた形状に加工する例を説明したが、これに限らず、梁部４の他の屈曲形状部分についても丸味を帯びた形状を形成すれば、さらに質量部の機械的な強度が向上するので好ましい。

質量部２において、錘部５の両主面のうち、ジャイロ振動片１０と対向する一方の主面５ａ（図１を参照）と、基部３の振動片接続端子７が設けられた側の主面とは、平行に設けられる。本実施形態では、錘部５のジャイロ振動片１０と対向する側の主面５ａと、基部３の振動片接続端子７が接合される側の主面とは、同一面となっている。また、本実施形態では、梁部４の一方の主面（図４（ｂ）において、上側の面）と、錘部５および基部３の同一面となっている側の主面とについても同一面となっている。この構成により、フォトリソグラフィーやエッチング手法を用いて質量部２を形成するときに、質量部２形成材料の一方の面（上記一方の主面とは異なる他方の主面）の一方向からエッチング加工のみによって質量部２の外形を形成することができるので、製造効率がよいという利点がある。
なお、質量部２の形成材料としては、質量があって、その質量がエージングで変化（経年変化）しない材料が望ましく、例えば、水晶やガラス、あるいはシリコンなどを用いることができる。

＜複合センサー素子＞
次に、ジャイロ振動片１０を備えた複合センサー素子について説明する。
図１において、錘部５の主面５ａの法線方向が検出すべき加速度の方向であり、複合センサー素子１は、ジャイロ振動片１０が、質量部２の錘部５の主面５ａに対して平行、且つ、前記法線方向に対して直交する方向に配置され、接合部材９６を介して接合されている。具体的には、ジャイロ振動片１０の２つの振動腕のそれぞれが錘部５の主面５ａに対して非接触の状態で平行に対面し、且つ、前記法線方向に対して直交する方向に配置されている。そして、ジャイロ振動片１０の支持部１２において、少なくとも基部３の主面５ａと対向する支持部１２の一方の主面に外部接続電極１７ａ，１７ｂまたは引き出し電極１８ａ，１８ｂが設けられている。
外部接続電極１７ａ，１７ｂ、および、引き出し電極１８ａ，１８ｂは、それぞれに対応して設けられた質量部２の基部３上の振動片接続端子７または振動片接続端子８とに位置合わせされた状態で、例えば導電性接着剤などの導電性および粘性を有する接合部材９６により電気的な接続を伴う接合がなされている。これにより、質量部２の錘部５の一方の主面５ａと、その一方の主面５ａと対向するジャイロ振動片１０の振動腕１４の面とが間隙ｇを空けて平行に配置された態様で、質量部２上にジャイロ振動片１０が片持ち支持された状態で固定されている。なお、ここで言う平行に片持ち支持された状態とは、ジャイロ振動片１０の振動腕と質量部２との対向する面同士が、後述する複合センサーによる力の検出の作用が得られるのに十分なレベルの略均一な間隙ｇを空けて配置された状態を指すものであり、例えば、±数μｍの精度で平行に保たれている状態を言っているものではない。

このような構成を有する複合センサー素子１において、質量部２の錘部５に主面５ａと直交するＺ軸方向の力（Ｆ）が作用すると、その力の作用を受けて、基部３から延出され螺旋形状を形成して錘部５に接続された梁部４がその弾性（ばね性）により撓む。すると、ジャイロ振動片１０の振動腕１４の裏面（錘部５の一方の主面５ａと対向する面）と、錘部５の主面５ａとの間隙ｇが変化して、ジャイロ振動片１０の電気的等価抵抗が変化する。本実施形態の複合センサー素子１を用いた複合センサーは、この原理を利用して力検出するものである（詳細は後述する）。

上記本実施形態の複合センサー素子１のように、ジャイロ振動片１０として音叉型のジャイロ振動片１０を用いることにより、フォトリソグラフィー技術とエッチング手法を用いた従来の製造ラインが適用できるので、製造設備を増設する必要がないなどジャイロ振動片１０の製造の低コスト化が図られるという利点がある。また、音叉型のジャイロ振動片１０が呈する屈曲振動は気体の粘性の影響を受けやすいので、ＣＩ値の変化がおおきく、加速度などの力の検出感度が良くなるという効果がある。

〔複合センサー〕
次に、上記複合センサー素子１を用いた複合センサーについて、図面を参照しながら説明する。
図５（ａ）は、複合センサーの一実施形態を上側からみて説明する概略平面図、（ｂ）は、同図（ａ）のＡ−Ａ線概略断面図である。なお、図５（ａ）では、複合センサーの内部の構造を説明する便宜上、パッケージ３０の上部に接合されるリッド４０（同図（ｂ）を参照）を取り外した状態を図示している。
図５において、複合センサー２０は、上記に説明した複合センサー素子１と、その複合センサー素子１を収容するパッケージ３０と、パッケージ３０上に接合される蓋体としてのリッド４０と、を有している。

パッケージ３０は、平板状の第１層基板３１上に、矩形環状の第２層基板３２が積層されて構成されることにより、上面側に開口部を有した凹部が形成されている。パッケージ３０の材質としては、例えば、セラミック、ガラスなどを用いることができる。
パッケージ３０の凹部の凹底部分となる第１層基板３１上には、複合センサー素子１が接合される複数の素子接続端子３５が設けられている。また、図示はしないが、パッケージ３０の外底面となる第１層基板３１の外底面には、複合センサーを外部基板に接合する際に用いる外部実装端子が設けられている。このように、パッケージ３０に設けられた上記の各種端子は、対応する端子どうしが、図示しない引き回し配線やスルーホールなどの層内配線により電気的に接続されている。

パッケージ３０の凹部には、複合センサー素子１が接合されている。具体的には、複合センサー素子１の質量部２の基部３に設けられた図示しない外部接続電極と、パッケージ３０の凹部に設けられた素子接続端子３５とが位置合わせされ、例えば銀ペーストなどの導電性の接合部材９６により接合されるとともに、電気的に接続されている。これにより、複合センサー素子１が、パッケージ３０内において、凹部の凹底部分となる第１層基板３１との間に間隙を空けながら、質量部２の錘部５側を自由端として片持ち支持された態様で固定される。

図５（ｂ）に示すように、複合センサー素子１が凹部内に接合されたパッケージ３０の上端には、蓋体としてのリッド４０が配置され、パッケージ３０の開口部を封鎖している。リッド４０の材質としては、例えば、４２アロイ（鉄にニッケルが４２％含有された合金）やコバール（鉄、ニッケルおよびコバルトの合金）等の金属、セラミックス、あるいはガラスなどを用いることができる。例えば、金属からなるリッド４０は、コバール合金などを矩形環状に型抜きして形成されたシールリング３９を介してシーム溶接することによりパッケージ３０と接合される。

また、複合センサー素子１が凹部内に接合されたパッケージ３０上にリッド４０を接合することにより形成される内部空間Ｔは、複合センサー素子１が動作するための空間となり、この内部空間Ｔには気体が充填されている。内部空間Ｔに充填される気体は、本発明の複合センサー素子１を用いた複合センサー２０に不可欠なものであり、複合センサー素子１の特性の劣化を抑制するとともに安定した内部空間Ｔの雰囲気を確保するために、例えば、窒素、アルゴンなどの不活性ガスを用いて内部空間Ｔを不活性ガス雰囲気にすることが望ましい。

〔複合センサーの動作原理〕
次に、複合センサー２０の動作原理について、特に、本発明の複合センサー２０の特徴となっているＣＩ（振動子の等価直列抵抗：Crystal Impedance）値の変化を利用した加速度などの力検出の動作原理を中心に説明する。
まず、複合センサー２０の動作のうち、角速度センサーとしての動作原理は、ジャイロ振動片としての音叉型のジャイロ振動片１０による周知の回転角速度検出の原理により複合センサー素子１に加わる回転角速度を検出することができる。すなわち、ジャイロ振動片振動１０が質量部２上に接合された複合センサー素子１を、気体が充填されたパッケージ３０内に接合して封止した複合センサー２０と、発振回路、フィルター回路、整流回路、積分回路等の所要回路と組み合わせることによって回転角速度検出装置を構築することができる。

以上のように構成された複合センサー２０による回転角速度検出装置において、発振回路により振動腕１３，１４に駆動電圧を印加して、図２に示す矢印Ｇの方向に沿って所謂音叉振動をさせた状態のときに、Ｙ方向回りの回転角速度ωが作用すると、振動腕１３，１４は、Ｘ方向の振動の方向と、回転角速度ωとのベクトル積の方向に働くコリオリの力を受けてＹＺ平面に沿ってウォーク振動する。このウォーク振動は支持部１２に伝えられ、支持部１２の応力に基づく逆圧電減少により検出電極２７ａ，２７ｂに電圧が生じる。この電圧は、引き出し電極１８ａ，１８ｂを介して増幅回路に与えられる。増幅回路は、増幅した出力信号を差動回路に与えると、差動回路は検出電極２７ａ，２７ｂからの出力信号の差を取ることで複合センサー２０に加わった回転角速度ωによる出力信号を増幅するとともに加速度などの他の力による不要な信号を打ち消す。この差動回路の出力信号は同期検波回路に与えられ、同期検波回路は発振回路から得られる周波数を規準として差動回路からの出力信号を同期検波する。これにより、直流電圧に変換し、不要なノイズを除去して回転角速度ωに対応した電圧を出力する。
このように、本実施形態のジャイロ振動片１０を用いた複合センサー２０によれば、外部からの駆動電圧が印加されて応力が大きくなる箇所である振動腕１３，１４の股部２４や付け根１３ａ，１４ａに近い箇所に駆動電極１５ａ，１５ｂが設けられていることにより、ジャイロ振動片１０の駆動効率が向上する。また、ジャイロ振動片１０の振動腕１３，１４が外部から加わる力である回転角速度ωに基づいて、屈曲振動を生じる際に大きな応力が加わる支持部１２に検出電極２７ａ，２７ｂを設けることにより、検出信号を効率よく取り出して、高精度な回転角速度の検出を行えることを可能にしている。

次に、複合センサー２０の動作のうち、ＣＩ値の変化を利用した加速度などの力検出センサーとしての動作原理について説明する。
ジャイロ振動片１０を含めた複合センサー素子１のような一般的な圧電振動子の電気的等価回路は、図６（ａ）に示すように、モーショナルインダクタンスＬ１と、モーショナルキャパシタンスＣ１と、振動損失を表わす抵抗Ｒ１との直列接続回路に、静電容量Ｃ０が並列接続された回路で示される。また、図６（ａ）の回路は等価的に、同図（ｂ）に示すように、リアクタンスｊＸと抵抗Ｒｘとの直列接続回路で表わされ、リアクタンスｊＸが零となる周波数を共振周波数、そのときの抵抗Ｒｘを電気的等価抵抗と言うのが一般的である。また、抵抗ＲｘをＣＩ（クリスタル・インピーダンス）とも言い、Ｒ１とＲｘは、ほぼ等しい。

図７は、複合センサー素子１を大気中に設置し、ジャイロ振動片１０の駆動部としての振動腕１３，１４のうち駆動振動を行う振動腕１４と、質量部２の錘部５との相対面する間隙ｇ（図１（ｂ）を参照）を横軸とし、複合センサー素子１の電気的等価抵抗Ｒｘ（ＣＩ）を縦軸にした場合、間隙ｇを変化させたときのＣＩ値の変化を実測し、それをプロットした曲線である。黒菱形◆の曲線は、ジャイロ振動片１０の長手方向の長さが２ｍｍ（共振周波数が２２０ｋＨ）、白抜き◇の曲線は、長手方向の長さが２０ｍｍ（共振周波数が４０ｋＨ）のジャイロ振動片１０を用いた場合の、夫々の間隙ｇ対電気的等価抵抗Ｒｘ（ＣＩ）曲線である。
図７において、間隙ｇが大きいとき、例えば３００μｍ以上では、ジャイロ振動片１０のＣＩ値は、通常用いられる振動片と同様なＣＩ値を呈するが、間隙ｇが２００μｍ以下になるにつれてＣＩ値は大きくなり、５０μｍ以下では急激に大きくなることが判る。また、長さ２ｍｍのジャイロ振動片１０の場合は、間隙ｇが７０μｍ以下で、間隙ｇとＣＩ値が略比例関係となる。また、長さ２０ｍｍのジャイロ振動片１０の場合は、間隙ｇが２００μｍ以下で間隙ｇとＣＩ値が双曲線状の関係となる。

図８は、複合センサー２０の動作のうち、加速度などの力センサーとしての動作原理を模式的に説明する図であり、図２に示した複合センサー素子１のＸ軸方向の部分断面図である。
図８において、ジャイロ振動片１０の振動腕１４と錘部５との間隙をｇとし、錘部５の上面に座標軸Ｘ、Ｙ、Ｚをとる。ジャイロ振動片１０と錘部５の空間には気体、例えば、アルゴン、窒素、ヘリウムなどの不活性ガスが満たされ、振動腕１４は速度Ｕで振動しているとする。間隙ｇが大きい場合、錘部５に接する気体はその位置を保持しようとするので、気体分子の振動速度（移動速度）は略零である。錘部５と振動腕１４との間の気体の剪断変形速度ｕは、
ｕ＝Ｕ×ｚ／ｇ （１）
で表わされる（ｚはＺ軸上の位置）。つまり、錘部５からｚの位置の気体は、ｚに比例した速度で錘部５と平行した面内で運動することになる。
また、振動腕１４の振動に逆らう力と、錘部５の表面に留まろうとする力とは等しく、いずれも速度Ｕに比例し、間隙ｇに反比例する。ここで、気体に接触している単位面積当たりの力τ₀は、式（１）を微分し気体の粘性係数μをかけて、
τ₀＝μ×Ｕ／ｇ （２）
で表わすことができる。つまり、間隙ｇに反比例する。

一般に、ジャイロ振動片１０などの圧電振動片を用いる際は、振動エネルギーが気体中へ漏洩するのを防止するため、真空中で用いる場合が多い。本発明は、気体中への振動エネルギーの放出によるジャイロ振動片１０のＣＩ変化を利用して、複合センサー（複合センサー２０）を構成している。図７に示した間隙ｇ対電気的等価抵抗ＣＩ曲線は、大気中でジャイロ振動片１０の電気的等価抵抗（ＣＩ）の変化を測定した結果を説明したが、上述したとおり、窒素やアルゴンなどの真空状態と比較して粘性を有する不活性ガス中であってもよい。
また、間隙ｇ対ＣＩ曲線は直線である場合の方が、力Ｆを求めるためのデータ処理は容易であるが、曲線であっても間隙ｇ対ＣＩ曲線の再現性が良ければ問題とはならない。間隙ｇ対ＣＩ曲線を多項式で近似し、多項式の各係数をメモリーに格納し、必要に応じて演算回路からこれらの各係数を参照し、加わる力Ｆを求めればよい。

複合センサー２０の動作について、さらに具体的に説明する。
複合センサー２０においては、予め、複合センサー素子１の形状毎に、間隙ｇとＣＩ値との関係と、力Ｆと間隙ｇとの関係を測定し、データ化しておく。一例として、加速度を測定する場合について説明する。図５の複合センサー２０に＋Ｚ軸方向（同図（ｂ）において上方向）に加速度αが印加されると、力Ｆ（＝ｍ×α、質量ｍはジャイロ振動片１０と質量部２との和）が−Ｚ軸方向に働く。この力Ｆによりジャイロ振動片１０の裏面と錘部５の主面５ａとの間隙ｇが狭まる。力Ｆが加わらないときのジャイロ振動片１０のＣＩ値をＣＩ₀とし、間隙ｇをｇ₀とする。力Ｆが加えられたときのジャイロ振動片１０のＣＩ値はＣＩ₁となる。予め測定した間隙ｇ対ＣＩ値曲線より、ＣＩ₁に相当する間隙ｇ₁を求め、力Ｆ対間隙ｇ曲線より、間隙ｇ₁に相当する力Ｆ₁を求める。この力Ｆ₁より加速度α１が求められる。
また、複合センサー２０に＋Ｚ軸方向の力Ｆが加わり、間隙ｇが広がると、ジャイロ振動片１０のＣＩ値は小さくなる。このため＋Ｚ軸方向、−Ｚ軸方向双方向の力Ｆの大きさが求められるように、図７に示す間隙ｇ対ＣＩ曲線の適当な位置に間隙ｇを設定しておく必要がある。

次に、本実施形態の複合センサー素子１を用いた複合センサー２０の効果を述べる。
（１）本実施形態の複合センサー２０では、ジャイロ振動片としての音叉型のジャイロ振動片１０と、ジャイロ振動片１０の駆動部としての振動腕１３，１４のうち少なくとも駆動部としての振動腕１４と間隙ｇを空けて平行に配置される錘部５を含む質量部２とを有する複合センサー素子１がパッケージ３０内に収容され、そのパッケージ３０の内部空間Ｔには気体が充填されている。この構成によれば、複合センサー素子１に加わる回転角速度および加速度などの力を検出することが可能な複合センサー２０を提供することができる。すなわち、ジャイロ振動片１０の周知の回転角速度検出の原理によって、複合センサー素子１に角速度が加わったときに、検出部としての振動腕１３により、質量部２の錘部５の一方の主面５ａに平行な方向に回転する角速度を検出するとともに、気体雰囲気中において複合センサー素子１に加速度などの力が加わったときに、その加わる力により質量部２の錘部５に変位が生じることによってジャイロ振動片１０と錘部５との間隙が狭まって気体の抵抗が増加するために、ジャイロ振動片１０の電気的等価抵抗ＣＩ値が変化することを利用して、そのＣＩ値の変化から印加された力を求めることができる。
（２）また、本実施形態の複合センサー２０は、ジャイロ振動片１０と、ジャイロ振動片１０の駆動部としての振動腕１４と間隙ｇを空けて平行に配置される錘部５を含む質量部２とを備えた複合センサー素子１が、パッケージ３０内に収容された簡素な構造であり、低コストで製造できるという利点がある。
（３）また、複合センサー２０の検出動作のうち、加速度などの力の検出動作は、複合センサー素子１に加わる力により、ジャイロ振動片１０と錘部５との間隙が狭まり、気体の抵抗が増加するためにジャイロ振動片１０の電気的等価抵抗ＣＩ値が変化することを利用し、そのＣＩ値の変化から複合センサー素子１に印加された力を求めるので、応答時間（測定時間）が速いという特徴がある。その上、カウンターも必要なく、測定も間欠動作でよいので、消費電流を低く抑えることができるとともに、小型化が図りやすいという効果を奏する。また、ジャイロ振動片１０の固定は片側固定（片持ち支持）でよいことから、周囲の温度変化による熱膨張の影響が少ないため、検出精度が高いという利点がある。

〔複合センサー装置〕
次に、複合センサー素子１を用いた複合センサー装置１０３の一実施形態について図面を参照して説明する。図９は、複合センサー装置１０３の構成を示すブロック図である。
複合センサー装置１０３は、上記の複合センサー２０と、発振回路１６０と、フィルター回路１６２と、整流回路１６３と、積分回路１６４と、直流増幅回路１６５とを、備えている。また、図１０（ａ）〜（ｅ）は、各回路における信号を示す模式図であり、横軸は時間（Ｔ）、縦軸は電圧（Ｖ）を表わす。
発振回路１６０は、ジャイロ振動片１０を発振させる増幅器のインバーター１７１，１７２，１７３と、抵抗ＲＡ，ＲＢ，ＲＣを直列に接続した回路からなる抵抗Ｒ１１と、コンデンサーＣ１１，Ｃ２２とを有している。インバーター１７１，１７２，１７３の直列接続回路は、複合センサー２０のジャイロ振動片１０の両端子間に直列に接続されている。
１段目のインバーター１７１は、入力端子がジャイロ振動片１０の一方の端子に接続され、出力端子が２段目のインバーター１７２の入力端子に接続されている。２段目のインバーター１７２は、出力端子が３段目のインバーター１７３の入力端子に接続されている。３段目のインバーター１７３は、出力端子がジャイロ振動片１０の他方の端子に接続されている。

抵抗Ｒ１１は、ジャイロ振動片１０の両端子の間に接続されている。そして、抵抗Ｒ１１の端子である抵抗ＲＡの端子は、インバーター１７１の入力端子に接続されている。抵抗Ｒ１１の他方の端子である抵抗ＲＣの端子は、インバーター１７３の出力端子に接続されている。抵抗ＲＡと抵抗ＲＢとの接続中点はインバーター１７１の出力端子に接続されている。抵抗ＲＢと抵抗ＲＣとの接続中点は、インバーター１７２の出力端子に接続されている。なお、抵抗Ｒ１１の他方の端子である抵抗ＲＣの端子と、ジャイロ振動片１０の他方の端子との間には、位相制御用の抵抗ＲＤが接続されている。
コンデンサーＣ１１は、インバーター１７１の入力端子と接地との間に接続されている。コンデンサーＣ２２は、インバーター１７３の出力端子と接地との間に接続されている。これにより発振回路１６０は、ジャイロ振動片１０を発振させた発振信号ＯＵＴをインバーター１７３の出力端子から出力する。

フィルター回路１６２は、コンデンサーＣ３と抵抗Ｒ３とを有している。コンデンサーＣ３は、一方の端子がインバーター１７１の入力端子及びジャイロ振動片１０の一方の端子に接続され、他方の端子が整流回路１６３のダイオードＤ１の入力端子に接続されている。抵抗Ｒ３は、コンデンサーＣ３の他方の端子と接地との間に接続されている。
フィルター回路１６２は、図１０（ａ）に示すように、ジャイロ振動片１０の端子のうち、インバーター１７１の入力端子側に接続された端子から出力された電流としての振動子電流の一部である信号ａを入力信号として入力する。
ここで、信号（ａ）は、直流成分が重畳された正弦波の交流信号である。信号ａの振幅（電圧）Ｖｐｐ１は、ＣＩ値の大きさに反比例して変化し、ＣＩ値が小さければ振幅Ｖｐｐ１は大きく出力され、ＣＩ値が大きければ振幅Ｖｐｐ１は小さく出力される。
そして、フィルター回路１６２は、図１０（ｂ）に示すように、この信号ａの直流成分を取り除き、信号ｂとして出力する。

整流回路１６３は、ダイオードＤ１を有している。ダイオードＤ１は、一方の端子がフィルター回路１６２のコンデンサーＣ３の他方の端子に接続され、他方の端子が積分回路１６４の抵抗Ｒ４の一方の端子に接続されている。整流回路１６３は、フィルター回路１６２が出力した信号ｂを入力し、図１０（ｃ）に示すように、信号ｂを半端整流した信号ｃを出力する。
積分回路１６４は、抵抗Ｒ４とコンデンサーＣ４とを有している。抵抗Ｒ４は、一方の端子が整流回路１６３のダイオードＤ１の出力端子に接続され、他方の端子が直流増幅回路１６５の演算増幅器６５ａの正相入力端子側に接続されている。コンデンサーＣ４は、抵抗Ｒ４の他方の端子と接地との間に接続されている。積分回路１６４は、整流回路１６３が出力した信号ｃを入力し、図１０（ｄ）に示すように、信号ｃを積分した信号ｄを出力する。
直流増幅回路１６５は、演算増幅器６５ａと抵抗Ｒ５，Ｒ６，Ｒ７とを有している。抵抗Ｒ５は、一方の端子が積分回路１６４の抵抗Ｒ４の他方の端子に接続され、他方の端子が演算増幅器６５ａの正相入力端子に接続されている。抵抗Ｒ６は、一方の端子が接地され、他方の端子が演算増幅器６５ａの逆相入力端子に接続されている。抵抗Ｒ７は、一方の端子が演算増幅器６５ａの逆相入力端子に接続され、他方の端子が演算増幅器６５ａの出力端子に接続されている。
直流増幅回路１６５は、積分回路１６４が出力した信号ｄを入力し、図１０（ｅ）に示すように、信号ｄの電位を増幅し、信号ｅを出力する（Ｖｏｕｔ）。

複合センサー装置１０３は、上記のような回路構成によって、複合センサーに加わった加速度などの力に伴う振動片１の振動腕１４と質量部２の錘部５との間隙ｇ（図１を参照）の変化に応じ、ジャイロ振動片１０のＣＩ値の変化に基づいた信号ｅの電位を検出することにより、複合センサー装置１０３に加えられる力を検出することができる。なお、信号ｅの電位の検出は、数ｍｓで行うことができる。
なお、図９に示した複合センサー装置１０３のブロック図は、一例であり、発振回路１６０の増幅器が３段の例を用いて説明したが、１段でもよく、段数は、発振回路１６０の設計条件に応じて適宜設定すればよい。
また、直流増幅回路１６５は必ずしも必要ではない。

以上、述べた構成のように、ジャイロ振動片１０を備えた複合センサー素子（１）を含む複合センサー（２０）と、発振回路１６０と、フィルター回路１６２と、整流回路１６３と、積分回路１６４と、を備えた複合センサー装置１０３を構成することにより、比較的簡素な構造であることから低コストで、応答時間（測定時間）が速く、消費電流が小さく、小型の複合センサー装置を提供できるという効果がある。また、周囲の温度変化による熱膨張の影響が小さいため、検出精度が高い装置ができるという利点がある。

（変形例１）
上記実施形態では、複合センサー２０に備わる複合センサー素子１において、質量部２の基部３と錘部５との梁部４による支持構造として、一つの基部３の基部側接続端８ａから延出された一つの梁部４を錘部５の周縁を平面視で取り囲む螺旋形状を形成させて引き回し、錘部５の錘部側接続端８ｂに接続する態様を説明した。これに限らず、梁部の弾性により基部に対して錘部が上下方向に可動な状態で支持できる構造であればよく、基部や梁部の数や形状を適宜に変えて、質量部の機能を向上させることができる。
図１１、図１２、および図１３は、質量部の変形例を示すものであり、各々、基部と錘部と梁部による支持構造の３つのバリエーションを示す概略平面図である。

まず、図１１において、本変形例の一つ目のバリエーションの質量部５２は、平面視で錘部５５を挟んだ両側に第１基部５３Ａと第２基部５３Ｂが配置されている。第１基部５３Ａの第１基部側接続端５８Ａａから延びた第１梁部５４Ａは、錘部５５の周縁を取り囲むような螺旋形状を形成して錘部５５の一端部の第１錘部側接続端５８Ａｂに接続されている。また、第２基部５３Ｂの第２基部側接続端５８Ｂａから延びた第２梁部５４Ｂは、錘部５５の周縁を第１梁部５４Ａとともに取り囲むような螺旋形状を形成して錘部５５の他端部の第２錘部側接続端５８Ｂｂに接続されている。また、２つの基部のうちの一方、本変形例では第１基部５３Ａの一方の主面に振動片接続端子５７が設けられている。

この構成によれば、質量部５２において、錘部５５の対向する２端部、すなわち、第１錘部側接続端５８Ａｂおよび第２錘部側接続端５８Ｂｂの各々を、第１梁部５４Ａおよび第２梁部５４Ｂにより両側から支持する構造になっている。これにより、質量部５２を用いた複合センサーに力が加わった際に、錘部５５のジャイロ振動片１０と対向する面が、ジャイロ振動片１０の振動腕１４（図１を参照）の錘部５５と対向する面に対して平行に動くことが可能になるので、加速度などの力の検出を精度よく行うことができる。

次に、図１２において、本変形例の二つ目のバリエーションの質量部６２は、平面視で錘部６５を挟んだ両側に第１基部６３Ａと第２基部６３Ｂが配置され、第１基部６３Ａの第１基部側接続端６８Ａａから延びた第１梁部６４Ａが、錘部６５の一端部の第１錘部側接続端６８Ａｂに接続され、第２基部６３Ｂの第２基部側接続端６８Ｂａから延びた第２梁部６４Ｂが、錘部６５の他端部の第２錘部側接続端６８Ｂｂに接続されている。第１梁部６４Ａおよび第２梁部６４Ｂは、第１基部６３Ａの第１基部側接続端６８Ａａまたは第２基部６３Ｂの第２基部側接続端６８Ｂａから錘部６５に向かって、左右交互に鋭角に折れ曲がったジグザグを形成して錘部６５の第１錘部側接続端６８Ａｂまたは第２錘部側接続端６８Ｂｂに接続されている。
また、２つの基部のうち第１基部６３Ａの一方の主面には振動片接続端子６７が設けられている。

この構成によれば、上記一つ目のバリエーションの質量部５２（図１１を参照）に比して、平面視で略矩形状の錘部６５の端部（辺）のうち、第１基部６３Ａおよび第２基部６３Ｂが配置される側の二辺と直交する二辺側に第１梁部６４Ａおよび第２梁部６４Ｂが配置されない構成となっているので、その方向の幅を小さくして複合センサーの小型化に寄与することができる。

次に、図１３において、本変形例の三つ目のバリエーションの質量部７２は、平面視で矩形状の錘部７５を囲む四方に第１基部７３Ａ、第２基部７３Ｂ、第３基部７３Ｃ、および第４基部７３Ｄが配置されている。そして、第１基部７３Ａの第１基部側接続端７８Ａａから延びた第１梁部７４Ａが、錘部７５の一端部の第１錘部側接続端７８Ａｂに接続され、第２基部７３Ｂの第２基部側接続端７８Ｂａから延びた第２梁部７４Ｂが、錘部７５の第２錘部側接続端７８Ｂｂに接続され、第３基部７３Ｃの第３基部側接続端７８Ｃａから延びた第３梁部７４Ｃが、錘部７５の第３錘部側接続端７８Ｃｂに接続され、第４基部７３Ｄの第４基部側接続端７８Ｄａから延びた第４梁部７４Ｄが、錘部７５の第４錘部側接続端７８Ｄｂに接続されている。第１梁部７４Ａ、第２梁部７４Ｂ、第３梁部７４Ｃ、および第４梁部７４Ｄは、第１基部７３Ａの第１基部側接続端７８Ａａ、第２基部７３Ｂの第２基部側接続端７８Ｂａ、第３基部７３Ｃの第３基部側接続端７８Ｃａ、あるいは第４基部７３Ｄの第４基部側接続端７８Ｄａのそれぞれから錘部７５に向かって、左右交互に鋭角に折れ曲がったジグザグを形成してから、錘部７５の第１錘部側接続端７８Ａｂ、第２錘部側接続端７８Ｂｂ、第３錘部側接続端７８Ｃｂ、あるいは第４錘部側接続端７８Ｄｂに接続されている。また、本変形例では第１基部７３Ａの一方の主面に振動片接続端子７７が設けられている。

この構成によれば、４つの第１〜第４基部７３Ａ〜７３Ｄから延びる４つの第１〜第４梁部７４Ａ〜７４Ｄによって、よりバランスよく錘部７５を支持することができるので、質量部７２を用いた複合センサーに力が加わった際に、錘部７５が、ジャイロ振動片１０の振動腕１４（図１を参照）の錘部７５と対向する面に対してさらに平行に動くことが可能になることによって、加速度などの力の検出精度がより向上するという効果を奏する。

（変形例２）
上記実施形態では、複合センサー素子１の質量部２の基部３と錘部５との梁部４による支持構造において、梁部４の一方の主面（図１（ｂ）において上側の面）と、錘部５と基部３の同一面となっている側の主面とが同一面になっている構成とした。これに限らず、例えば、錘部の厚み方向の中心線上を梁部で支持することにより、力検出の精度をより向上させることができる。
図１４は、質量部の変形例２を示すものであり、図４（ｂ）と同じ側面を示す概略側面図である。

図１４において、本変形例の質量部９２は、基部９３と、錘部９５と、一端が基部９３の一端部から延出され他端が錘部９５の一端部に接続された梁部９４とが、同一材料により一体形成され、錘部９５が、基部９３を固定部として梁部９４の有する弾性により上下方向（質量部９２の厚み方向）に可動な状態で支持されている。梁部９４は、上記実施形態の梁部４（図４を参照）と同様に、基部９３や錘部９５に比して厚みが薄く形成されているとともに狭い幅で細長い形状を有し、所定の弾性を有して、且つ、十分な強度を保持しながら錘部９５を支持できるように屈曲形状を呈して形成されている。

質量部９２において、錘部９５と基部９３との振動片と対向する側の主面（図中上側の面）は平行に設けられ、本変形例では同一面となっている。一方、基部９３から延びて錘部９５に接続され錘部９５を支持する梁部９４は、錘部９５の厚み方向の仮想の中心線に沿って形成されている。このような形状の質量部９２は、質量部９２形成材料の厚み方向で対向する両面のそれぞれから、フォトリソグラフィーやエッチング手法を用いて加工することにより形成することができる。

変形例２の構成の質量部９２によれば、基部９３を固定部として、錘部９５が梁部９４により厚み方向にバランスよく支持されるので、質量部９２に力が加わった際の錘部９５の上下方向（質量部９２の厚み方向）の変位のバランスがよくなる。これにより、変形例２の質量部９２を用いて上記実施形態に示す複合センサー素子１を構成することによって、より高精度なＣＩ値の変化を利用した加速度などの力の検出、および、角速度を検出することが可能な複合センサー、あるいは、複合センサー装置を提供することができる。

以上、発明者によってなされた本発明の実施の形態について具体的に説明したが、本発明は上記した実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々の変更を加えることが可能である。

例えば、上記実施形態では、ジャイロ振動片としての機能を有する音叉型のジャイロ振動片１０を用いた例を説明した。これに限らず、例えば、図１５に示すような、弾性表面振動基板１３５の表面に弾性表面波の進行方向に沿って設けたＩＤＴ電極（インターデジタル・トランスジューサー）１３６と、その両側にグレーティング反射器１３７ａ，１３７ｂを配置した弾性表面波素子（ＳＡＷ素子）１１０を用いてもよい。ただし、弾性表面波素子の振動は基板内部では減衰し、裏面では振動エネルギーは零となるので、ＩＤＴ電極が形成されている面を質量部２の錘部５の主面と対向させる必要がある。このような弾性表面波共振素子１１０を振動片として用いることにより、振動片の支持が容易であり、質量部２の錘部５をＣＩ変化の大きい任意の位置に搭載できるという効果がある。

また、上記実施形態のような音叉型のジャイロ振動片１０の他に、駆動部としての振動腕１３，１４のうち例えば振動腕１３が駆動用、振動腕１４が検出用とした構成であってもよく、この場合、上述した検出電極２７ａ，２７ｂの代わりに、振動腕１４に形成した電極（１５ａ，１５ｂ）が検出電極として機能する。さらには、図１６に示すような形状のジャイロ振動片２１０を用いることもできる。図１６に示すジャイロ振動片２１０は、中央に位置する基部２４０から図中上下両側へ直線状に延出する一対の検出部としての検出用振動腕２４１ａ，２４１ｂと、基部２４０から検出用振動腕２４１ａ，２４１ｂと直交する向きに図中左右両側へ延出する一対の連結腕２４３ａ，２４３ｂと、各連結腕２４３ａ，２４３ｂの先端部（近傍位置）から検出用振動腕２４１ａ，２４１ｂと平行に図中上下両側へ延出する左右各一対の駆動部としての駆動用振動腕２４４ａ，２４４ｂ，２４５ａ，２４５ｂとを有し、４つの駆動部（駆動用振動腕２４４ａ，２４４ｂ，２４５ａ，２４５ｂ）のうち少なくとも一つがＣＩ値の変化を利用しての加速度を検出するための駆動部として機能する。また、検出用振動腕２４１ａ，２４１ｂ表面には検出電極（図示せず）が形成され、駆動用振動腕２４４ａ，２４４ｂ，２４５ａ，２４５ｂ表面には駆動電極（図示せず）が形成されている。このように、検出用振動腕２４１ａ，２４１ｂにて角速度を検出する検出振動系を構成し、連結腕２４３ａ，２４３ｂと駆動用振動腕２４４ａ，２４４ｂ，２４５ａ，２４５ｂにてジャイロ振動片２１０を駆動する駆動振動系を構成している。

さらに、基部２４０の上側の２つの角隅部から検出用振動腕２４１ａと直交する向きに図中左右両側へ夫々延出し、途中で検出用振動腕２４１ａと平行に延出するクランク状（つづら折り状）の一対の梁２５０ａ，２５０ｂが形成され、梁２５０ａ，２５０ｂの先端は共に支持部２５２ａに連結されている。同様に、基部２４０の他の２つの角隅部から検出用振動腕２４１ｂと直交する向きに図中左右両側へ延出し、途中で検出用振動腕２４１ｂと平行に延出するクランク状（つづら折り状）の一対の梁２５１ａ，２５１ｂが形成され、梁２５１ａ，２５１ｂの先端は共に支持部２５２ｂに連結されている。
このような構成のジャイロ振動片２１０は、図１の複合センサー素子１の場合と同様に、質量部２の錘部５の一方の主面（５ａ）と、駆動用振動腕２４４ａ，２４４ｂ，２４５ａ，２４５ｂの内いずれか一つとが、非接触状態を保ち対面し合う様に図４に示す基部３の上に一方の支持部２５２ａを支持し、支持部２５２ｂをパッケージに固定した態様にする、または、例えば図１１に示す質量部５２の第１基部５３Ａに支持部２５２ａを固定し、第２基部５３Ｂに支持部２５２ｂを固定して、発振回路、フィルター回路、整流回路、積分回路等の所要回路と組み合わせることによって角速度および加速度などの力を検出することが可能な振動型の複合センサー装置を構築することができる。
このようなジャイロ振動片２１０を、図１に示す複合センサー素子１のジャイロ振動片１０の代わりとして用いる場合、駆動用振動腕２４４ａ，２４４ｂ，２４５ａ，２４５ｂで質量部２の錘部５の垂直方向に掛かる加速度などの力を検出し、検出用振動腕２４１ａ，２４１ｂにより錘部５の一方の主面５ａに平行な方向に回転する角速度を検出することができる複合センサーが構成できるという効果がある。

また、上記実施形態で説明した複合センサー素子１では、水晶からなるジャイロ振動片１０（圧電振動片）を用いた例について説明した。これに限らず、水晶以外に、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ₃）、タンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ₃）、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）、四ほう酸リチウム（Ｌｉ₂Ｂ₄Ｏ₇）などの酸化物基板や、ガラス基板上に窒化アルミニウム、五酸化タンタル（Ｔａ₂Ｏ₅）などの薄膜圧電材料を積層させて構成された圧電材料からなる圧電振動片を用いることもできる。
また、圧電体材料からなる圧電振動片の他のほかに、例えばシリコンからなる振動片を用いて複合センサー素子を構成することもできる。

１…複合センサー素子、２，５２，６２，７２，９２…質量部、３，９３…基部、４，９４…梁部、５，５５，６５，７５，９５…錘部、５ａ…一方の主面、７，８，５７，６７，７７…振動片接続端子、８ａ…基部側接続端、８ｂ…錘部側接続端、１０，２１０…ジャイロ振動片、１２…支持部、１３，１４…駆動部としての振動腕、１３ａ…付け根、１５ａ，１５ｂ…駆動電極、１７ａ，１７ｂ…外部接続電極、１８ａ，１８ｂ…引き出し電極、２０…複合センサー、２３…溝、２４…股部、２６…検出用溝、２７ａ，２７ｂ…検出電極、２８…切欠き部、３０…パッケージ、３１…第１層基板、３２…第２層基板、３５…素子接続端子、３９…シールリング、４０…リッド、５３Ａ，６３Ａ，７３Ａ…第１基部、５３Ｂ，６３Ｂ，７３Ｂ…第２基部、５４Ａ，６４Ａ，７４Ａ…第１梁部、５４Ｂ，６４Ｂ，７４Ｂ…第２梁部、５８Ａａ，６８Ａａ，７８Ａａ…第１基部側接続端、５８Ａｂ，６８Ａｂ，７８Ａｂ…第１錘部側接続端、５８Ｂａ，６８Ｂａ，７８Ｂａ…第２基部側接続端、５８Ｂｂ，６８Ｂｂ，７８Ｂｂ…第２錘部側接続端、７４Ｃ…第３梁部、７４Ｄ…第４梁部、７８Ｃａ…第３基部側接続端、７８Ｃｂ…第３錘部側接続端、７８Ｄａ…第４基部側接続端、７８Ｄｂ…第４錘部側接続端、９６…接合部材、１０３…複合センサー装置、１１０…弾性表面波共振素子、１３５…弾性表面振動基板、１３７ａ…グレーティング反射器、１６０…発振回路、１６２…フィルター回路、１６３…整流回路、１６４…積分回路、１６５…直流増幅回路、１７１，１７２，１７３…インバーター、２４０…基部、２４１ａ，２４１ｂ…検出部としての検出用振動腕、２４３ａ…連結腕、２４４ａ，２４４ｂ，２４５ａ，２４５ｂ…駆動部としての駆動用振動腕、２５０ａ，２５１ａ…梁、２５２ａ，２５２ｂ…支持部。

Claims (8)

1. 支持部と、前記支持部と一体形成され駆動電極が設けられた駆動部、および、検出電極が設けられた検出部と、を有するジャイロ振動片と、
   基部と、錘部と、一端部が前記基部から延出され他端部が前記錘部に接続された梁部と、を有する質量部と、を備え、
   前記ジャイロ振動片の少なくとも前記駆動部と、前記錘部との対向する主面が間隙を空けて略平行に配置されるように前記基部上に前記支持部が接合されることにより、前記質量部上に前記ジャイロ振動片が片持ち支持されたことを特徴とする複合センサー素子。
2. 請求項１に記載の複合センサー素子において、
   前記ジャイロ振動片が、圧電体材料を用いて形成されていることを特徴とする複合センサー素子。
3. 請求項２に記載の複合センサー素子において、
   前記圧電体材料として水晶が用いられていることを特徴とする複合センサー素子。
4. 請求項２または３に記載の複合センサー素子において、
   前記ジャイロ振動片が、前記支持部と、前記支持部の一端から平行に延びる一対の振動腕と、を有する音叉型の振動片であり、一対の前記振動腕のうち少なくとも一方が前記駆動部を構成することを特徴とする複合センサー素子。
5. 請求項１〜３のいずれか一項に記載の複合センサー素子において、
   前記ジャイロ振動片が、中央に配置された基部と、前記基部の両端部から延出する一対の前記検出部としての検出用振動腕と、前記基部から前記検出用振動腕と直交する向きに延出する一対の連結腕と、前記各連結腕の先端部から前記検出用振動腕と平行に両側へ延出する各一対の前記駆動部としての駆動用振動腕と、前記基部に梁で連結された前記支持部と、を備えていることを特徴とする複合センサー素子。
6. 請求項１〜５のいずれか一項に記載の複合センサー素子において、
   前記ジャイロ振動片の、前記錘部と対向する側の主面の表面が粗面化されていることを特徴とする複合センサー素子。
7. 請求項１〜６のいずれか一項に記載の複合センサー素子と、
   前記複合センサー素子を収容するパッケージと、を備え、
   前記パッケージ内に気体が充填されていることを特徴とする複合センサー。
8. 請求項７に記載の複合センサーと、発振回路と、フィルター回路と、整流回路と、積分回路と、を少なくとも備えたことを特徴とする複合センサー装置。

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