JP4924934B2 - 加速度センサ - Google Patents

Description

本発明は、移動体などに作用する加速度を計測する加速度センサに係り、特に比較的簡単な構成で、感度に優れた加速度センサに関する。

従来の加速度センサとしては、所定の質量を有するマス部と、これを支持する梁部などのバネ要素で形成されたものが知られている。
このような加速度センサでは、バネ要素に生じた応力が加速度に対応するので、この応力を測定することにより、加速度を検出している。
具体的には、加速度がマス部に作用すると、該マス部は、該バネ要素に生じた応力がマス部の慣性力とつりあうまで変位する。したがって、この変位から、バネ要素に生じた応力を検出し、加速度を知ることができるものである。
しかしながら、このような方式の加速度センサでは、応力検出に半導体センサなどの特別な検出手段を用いる必要があることや、応力−電圧変換効率の問題などが指摘されている。

そこで、支持基台に平行ビーム振動体を接続して支持し、該平行ビーム振動体をマス部に接続するとともに、平行ビーム振動体を励振する手段、および平行ビーム振動体の振動数を検出する手段を設けた構成の加速度センサも提案されている（特許文献１、図１、図２参照）。
このような構成の加速度センサによれば、加速度により生じるマス部の慣性力によって平行ビーム振動体のビームが撓む。これにより平行ビーム振動体は形状剛性が変化し、その共振振動数が変化する。この振動数変化を検出することで、加速度を検出しようとするものである。
該加速度センサは、上記のような構成であるため、平行ビーム振動体の周波数を周波数カウンタなどの検出手段で検出するため、従来のような半導体センサなどの特別な手段が不要であり、変換効率の問題もない。
特開平９−２５７８３０号公報

しかしながら、特許文献１の加速度センサでは、比較的大きな形状と質量をもつマス部を必要とし、その分小型化が困難である。
また、加速度に対応した応力感度を最適なものにした振動モードが選択されていないなどの問題がある。

この発明は、小型に構成でき、比較的簡単な構成で、感度の良好な加速度センサを提供することを目的とする。

上記発明は、第１の発明にあっては、第１の音叉型圧電振動片として、少なくとも１つの音叉型圧電振動片を備えた発振回路と、前記発振回路が備える第１の音叉型圧電振動片と同数の第２の音叉型圧電振動片を備え、前記発振回路から出力される信号を直接又は他の回路を介して入力されるフィルタ回路とを有し、前記第１および第２の各音叉型圧電振動片が、圧電材料で形成された基部、及び前記基部と一体に形成され前記基部から平行に延びる少なくとも一対の振動腕を具備し、前記発振回路と前記フィルタ回路とに設けられた前記第１の音叉型圧電振動片と、第２の音叉型圧電振動片とでは、各振動腕の延びる方向が互いに逆方向であり、且つ、各振動腕の延びる方向が検出すべき加速度が作用する方向と一致するように配置されている加速度センサにより、達成される。

第１の発明の構成によれば、音叉型圧電振動片は、その振動腕に対して平行に加速度が加えられた場合、加速度方向に応じて周波数に変化が生じる。発振回路が備える第１の音叉型圧電振動片とフィルタ回路が備える第２の音叉型圧電振動片とは、ともに、各振動腕の延びる方向が加速度が作用する方向と一致されている。しかも、発振回路が備える第１の音叉型圧電振動片とフィルタ回路が備える第２の音叉型圧電振動片とは各振動腕の向きが互いに逆向きになるように配置されている。
このため、発振回路が備える第１の音叉型圧電振動片の周波数が高くなれば、フィルタ回路が備える第２の音叉型圧電振動片の周波数が低くなり、他方で、発振回路が備える第１の音叉型圧電振動片の周波数が低くなれば、フィルタ回路が備える第２の音叉型圧電振動片の周波数が高くなることとなる。

このことから、振動腕の方向に対して平行な成分を有する加速度が作用した際に、発振回路が備える第１の音叉型圧電振動片の周波数（「周波数値」、以下、同じ）が高くまたは低くなる。そして、第２の音叉型圧電振動片によって決定されるフィルタ回路のフィルタ特性は、前記第１の音叉型圧電振動片の周波数の変化する方向とは逆方向にシフトする。なお、フィルタ特性としては、例えばフィルタ回路に入力される信号の周波数に対するフィルタ回路の減衰量の特性や、フィルタ回路に入力される信号の周波数に対するフィルタ回路の位相特性などがある。加速度が作用することにより、フィルタ回路のフィルタ特性が変化するとともに、フィルタ回路に入力される信号の周波数も変化するため、フィルタ回路の出力する信号の振幅や位相が大きく変化する。したがって、ひとつの音叉型圧電振動片に対して加速度が作用した場合における周波数変化分を検出する構成と比較すると、加速度検出の感度を向上させることが可能である。
また、第１の音叉型圧電振動片と第２の音叉型圧電振動片とには、同時に加速度が作用し、周波数変化も同時に、しかも瞬時に生じるので、応答がきわめて早い。
加速度を受けてバネ要素を変形させるマス部を必要としないので、小型に形成することができる。

第２の発明は、第１の発明の構成において、加速度が作用した際に、前記発振回路の第１の音叉型圧電振動片の周波数が増加すると、前記フィルタ回路の周波数減衰特性が負の方向に周波数シフトし、前記発振回路の第１の音叉型圧電振動片の周波数が減少すると、前記フィルタ回路の周波数減衰特性が正の方向に周波数シフトすることを特徴とする。

第３の発明は、第１の発明の構成において、加速度が作用した際に、前記発振回路の第１の音叉型圧電振動片の周波数が増加すると、前記フィルタ回路の周波数位相特性が負の方向に周波数シフトし、前記発振回路の第１の音叉型圧電振動片の周波数が減少すると、前記フィルタ回路の周波数位相特性が正の方向に周波数シフトすることを特徴とする。

第４の発明は、第１ないし３のいずれかの発明の構成において、前記フィルタ回路から出力される信号を整流する整流回路と、該整流回路から出力される信号を積分する積分回路を有することを特徴とする。

第４の発明の構成によれば、第１の音叉型圧電振動片の振動腕に平行な成分の加速度が加えられた場合、発振回路が備える該第１の音叉型圧電振動片の振動腕が僅かに延びる。この場合、該発振回路が備える第１の音叉型圧電振動片の周波数が減少し、発振回路から出力される信号の周波数も減少する。勿論、加速度の作用により第１の音叉型圧電振動片の振動腕が僅かに縮む向きである場合には、逆の減少が起きる。
他方で、フィルタ回路においては、加速度の影響により、減衰量−周波数特性が、減衰量が大きくなる方向にシフトする。
したがって、この減衰量−周波数特性のシフトしたフィルタ回路に、発振回路からの周波数が増加した信号が入力されれば、フィルタ回路における減衰量がより大きくなり、フィルタ回路から出力される信号の振幅は大きく変化し、これを整流して積分した値は、第１の音叉型圧電振動片を備える発振回路の出力信号の周波数変化分よりも、加速度の変化を大きく反映することとなる。
よって、第４の発明の構成によれば、積分回路から出力される信号を利用することにより、音叉型圧電振動片の減衰量−周波数特性の変化に基づく加速度検出の感度向上を図ることが可能となる。

また、例えば加速度センサの周囲温度が高くなる場合は次のとおりとなる。すなわち、音叉型圧電振動片の振動腕の周波数は、高くなり、音叉型圧電振動片の減衰量−周波数特性は減衰量が小さくなる方向にシフトする。したがって、第２の発明の構成において加速度センサの周囲温度が高くなった場合、発振回路が備える音叉型圧電振動片の周波数が高くなり、発振回路から出力される信号の周波数も高くなる。
他方で、フィルタ回路においては、減衰量−周波数特性が、その特性波形のグラフ形状を保ったまま、減衰量が小さくなる方向にシフトする。
したがって、発振回路から周波数が高くなった信号が、減衰量が小さくなる方向に減衰量−周波数特性がシフトしたフィルタ回路に入力されるため、温度変化によるフィルタ回路における減衰量の変化は打ち消され、フィルタ回路から出力される信号の振幅の変化が抑制される。 加速度センサの周囲温度が低くなる場合も、温度変化によるフィルタ回路における減衰量の変化は打ち消され、フィルタ回路から出力される信号の振幅の変化が抑制される。
よって、第２の発明の構成によれば、周囲温度の変化によって加速度検出値に生じる誤差を抑制できる。

第５の発明は、第１ないし４のいずれかの発明の構成において、前記発振回路を構成する第１の音叉型圧電振動片及び集積回路と、前記フィルタ回路を備える前記第２の音叉型圧電振動片とを収容するパッケージと、該パッケージを気密に封止する蓋体とを有することを特徴とする。
第５の発明の構成によれば、加速度を検出する上で、前記圧電振動片を気密に封止することにより、音叉型圧電振動片の動作環境を安定させることができ、安定した振動とすることができ、安定した加速度検出を行うことができる。

第６の発明は、第５の発明の構成において、前記パッケージが、個々に配線基板を有する２つのキャビティを上下に重ねて形成したものであり、一方のキャビティに前記第１および第２の音叉型圧電振動片を収容し、他方のキャビティに前記集積回路を収容したことを特徴とする。
第６の発明の構成によれば、キャビティを２つ設けて、電子部品を縦２段に収容することで、実装スペースを小さくすることができる。

第７の発明は、第５の発明の構成において、前記パッケージが、共通の配線基板を挟んで、上下に２つのキャビティを形成した所謂Ｈ型のパッケージであり、一方のキャビティに前記第１および第２の音叉型圧電振動片を収容し、他方のキャビティに前記集積回路を収容したことを特徴とする。
第７の発明の構成によれば、２つのキャビティに収容される各電子部品に関して、共通の配線基板を設けることで、高さ寸法を低減し、低背化を図ることができる。

以下、この発明の好適な実施形態を添付図面を参照しながら、詳細に説明する。
尚、以下に述べる実施形態は、本発明の好適な具体例であるから、技術的に好ましい種々の限定が付されているが、本発明の範囲は、以下の説明において特に本発明を限定する旨の記載がない限り、これらの態様に限られるものではない。

（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施の形態に係る加速度センサ１００を示す図である。
符合１０１は、容器であり、例えば、セラミックス製のパッケージが使用される。パッケージ１０１は、内部に収容される音叉型圧電振動片の駆動環境を安定させたり、外部からの種々の影響を排除するために適切なものが選択される。好適なパッケージ等の具体的な構成に関しては、後述する実施例で詳しく説明する。
パッケージ１０１内には、第１の音叉型圧電振動片１１１と、第２の音叉型圧電振動片１２１が収容されている。
後述するように、第１の音叉型圧電振動片１１１は、発振回路の一部を構成するものである。第２の音叉型圧電振動片１２１は、フィルタ回路の一部を構成するものである。

第１の音叉型圧電振動片１１１と第２の音叉型圧電振動片１２１は同じ構造のもので、圧電材料で形成された基部５１と、この基部５１と一体に形成され、該基部５１から平行に延びる少なくとも一対の振動腕３４，３５を備えている。
第１の音叉型圧電振動片１１１と第２の音叉型圧電振動片１２１においては、図示のように、各振動腕３４，３５の延びる方向が、検出すべき加速度が作用する方向Ｇと一致されているとともに、第１の音叉型圧電振動片１１１と、第２の音叉型圧電振動片１２１とでは、各振動腕３４，３５の向きが互いに逆向きになるように配置されている。

図２および図３は、上述した第１の音叉型圧電振動片１１１と第２の音叉型圧電振動片１２１とに共通して使用することができる音叉型圧電振動片３２の詳しい構成例を示す図である。
図２において、音叉型圧電振動片３２は、圧電材料により形成した例えば矩形もしくは正方形の基部５１と、この基部を基端として、同じ方向に延びる一対の振動腕３４，３５とを有している。

ここで、音叉型圧電振動片３２は、例えば、圧電材料のうち、圧電基板として、例えば、音叉型圧電振動片３２を複数もしくは多数分離することができる大きさの水晶ウエハを用いて形成されている。この場合、水晶の単結晶から切り出す際、Ｘ軸が電気軸、Ｙ軸が機械軸及びＺ軸が光学軸となるように、このＸ軸、Ｙ軸及びＺ軸からなる直交座標系において、Ｚ軸を中心に時計回りに０度ないし５度の範囲で回転して切り出した水晶Ｚ板を所定の厚みに切断研磨して得られるものを用いる。
このような水晶ウエハをエッチングすることにより、図２の音叉型圧電振動片３２の外形を形成している。

図３は図２のＥ−Ｅ線切断端面図である。図２および図３に示されているように、音叉型圧電振動片３２の各振動腕３４，３５には、それぞれ長さ方向に延びる長い有底の長溝５６，５７が形成されている。この各長溝５６，５７は、図３に示されているように、各振動腕３４，３５の表裏両面に形成されている。
さらに、図２において、音叉型圧電振動片３２の基部５１の端部（図２では下端部）の幅方向両端付近には、引き出し電極５２，５３が形成されている。各引き出し電極５２，５３は、音叉型圧電振動片３２の基部５１の図示しない裏面にも同様に形成されている。

これらの各引き出し電極５２，５３は、後述するパッケージ側の電極部と導電性接着剤により接続される部分である。そして、各引き出し電極５２，５３は、図２および図３に示されているように、各振動腕３４，３５の長溝５６，５７内に設けた励振電極５４，５５とそれぞれ一体に接続されている。また、各励振電極５４，５５は、図３に示されているように各振動腕３４，３５の両側面にも形成されており、例えば、振動腕３４に関しては、長溝５６内の励振電極５４と、その側面部の励振電極５５とは互いに異極となるようにされている。また、振動腕３５に関しては、長溝５７内の励振電極５５と、その側面部の励振電極５４とは互いに異極となるようにされている。

ここで、引出し電極５２，５３に駆動電圧を印加すると、各振動腕３４，３５の先端部を互いに対称的に接近・離間させるようにして水平な屈曲運動を生じる。
さらに、この音叉型圧電振動片３２は、好ましくは、全体として、きわめて小型に形成されていて、図２において、例えば、全長が、１３００μｍ程度、振動腕の長さが１０４０μｍ程度、腕幅が４０μｍないし５５μｍ程度とされたきわめて小型の圧電振動片である。

図４は、図１の加速度センサ１００の電気的構成の一例を示すブロック図である。
図４に示すように、第１の実施の形態に係る加速度センサ１００は、発振回路１１０と、フィルタ回路１２０と、このフィルタ回路１２０から出力される信号を整流する整流回路１３０と、この整流回路１３０から出力される信号を積分する積分回路１４０とを有している。

発振回路１１０は、例えば、上述した音叉型圧電振動片３２と同一構成の第１の音叉型圧電振動片１１１を備えている。この第１の音叉型圧電振動片１１１は、圧電材料で形成された基部、及び基部と一体に形成され基部から平行に延びる少なくとも一対の振動腕を具備している。
また、フィルタ回路１２０も、例えば、上述した音叉型圧電振動片３２と同一構成の第２の音叉型圧電振動片１２１を備えている。図１で説明したように、この第２の音叉型圧電振動片１２１は、発振回路１１０の第１の音叉型圧電振動片１１１とは、その振動腕の向きが逆である。フィルタ回路１２０には、発振回路１１０から出力される信号が直接入力される。
整流回路１３０は、例えばダイオード１３１を含んでおり、フィルタ回路１２０の出力信号を整流して、積分回路１４０に出力する。

この第１の実施の形態に係る加速度センサ１００に加速度が作用した場合、その成分に、発振回路１１０の第１の音叉型圧電振動片１１１及びフィルタ回路１２０の第２の音叉型圧電振動片１２１の振動腕に平行な成分が含まれていると、次のような変化がある。
すなわち、発振回路１１０の第１の音叉型圧電振動片１１１とフィルタ回路１２０の第２の音叉型圧電振動片１２１とにおいて振動腕の向きが逆である。このため、図１に示すＧ１の方向に加速度が作用すると発振回路１１０が備える第１の音叉型圧電振動片１１１の振動腕には加速に伴う慣性力により加速度の方向とは逆方向に引張り力が発生するので第１の音叉型圧電振動片１１１の共振周波数は高くなり、フィルタ回路１２０が備える第２の音叉型圧電振動片１２１の振動腕には加速に伴う慣性力により加速度の方向と一致する方向に圧縮力が発生するので第２の音叉型圧電振動片１２１の共振周波数は低くなる。

したがって、発振回路１１０が備える第１の音叉型圧電振動片１１１の周波数が高く、または低くなる一方、フィルタ回路１２０が備える第２の音叉型圧電振動片１２１の周波数が低く、または高くなる。
よって、第１の実施の形態に係る加速度センサ１００において、加速度を作用させ、発振回路１１０が備える第１の音叉型圧電振動片１１１の周波数とフィルタ回路１２０が備える第２の音叉型圧電振動片１２１の周波数との差をとった場合、その絶対値は、発振回路１１０の第１の音叉型圧電振動片１１１の周波数変化分よりも大きくなる。

図５は、フィルタ回路１２０が備える第２の音叉型圧電振動片１２１の減衰量−周波数特性を示す図（その１）である。
第１の実施の形態に係る加速度センサにおいて、加速度を作用させる前の発振回路１１０の周波数をｆ１とすると、フィルタ回路１２０には、周波数がｆ１の信号が入力されるから、フィルタ回路１２０における減衰量はＡ１となる。
ここで、第１の実施の形態に係る加速度センサに、たとえば図１に示すＧ２の方向に加速度が作用した場合は、発振回路１１０が備える第１の音叉型圧電振動片１１１の振動腕に圧縮応力が加わる。したがって、発振回路１１０が備える第１の音叉型圧電振動片１１１の周波数は低くなり、発振回路１１０から出力される信号の周波数も低くなり、ｆ２となる。

他方で、フィルタ回路１２０においては、図５に示すように、減衰量−周波数特性が、その特性を表すグラフ形状を保ったまま、減衰量の特性が高周波側へシフトする。なお、図５では、シフト前の特性を実線（特性１）で示し、シフト後の特性を破線（特性２）で示している。
したがって、第１の実施の形態に係る加速度センサに、たとえば図１に示すＧ２の方向に加速度が作用した場合は、フィルタ回路１２０に発振回路１１０からの周波数ｆ２の信号が入力され、減衰量はＡ２となる。

よって、第１の実施の形態に係る加速度センサに、たとえば図１に示すＧ２の方向に加速度を作用させると、フィルタ回路１２０の減衰量がＡ１からＡ２に変化することとなる。したがって、第１の実施の形態に係る加速度センサ１００においては、発振回路１１０から出力される信号の周波数と、フィルタ回路１２０の減衰量−周波数特性とが、互いに逆に変化する結果、フィルタ回路１２０から出力される信号の振幅が大きく変化する。よって、フィルタ回路１２０から出力される信号を整流して積分した値は、第１の音叉型圧電振動片１１１のみで加速度を検知し、発振回路１１０から出力される信号の振幅の変化を整流して積分した値よりも大きくなり、加速度の変化を大きく反映することとなる。したがって、第１の実施の形態に係る加速度センサによれば、加速度検出の感度向上を図ることが可能となる。

図６は、フィルタ回路１２０が備える第２の音叉型圧電振動片１２１の減衰量−周波数特性を示す図（その２）である。
以下、図６を参照しつつ、第１の実施の形態に係る加速度センサ１００によれば、音叉型圧電振動片の周波数−温度特性に影響されずに、正確な加速度が検出できる点について説明する。

第１の実施の形態に係る加速度センサ１００において、環境温度の変化によって、例えば、発振回路１１０が備える第１の音叉型圧電振動片１１１の周波数が増加、すなわち周波数が高くなり、発振回路１１０から出力される信号の周波数も増加する。すなわちｆ１からｆ２へ周波数が高くなる。
他方で、環境温度の変化により、フィルタ回路１２０においては、減衰量−周波数特性が、そのグラフ形状を保ったまま、高周波側にシフトする。この点は、図６に、シフト前の特性を実線で示し、シフト後の特性を破線で示した。
このとき、第１の音叉型圧電振動片１１１と第２の音叉型圧電振動片１２１とを同一の構造とすることで第１の音叉型圧電振動片１１１の周波数温度特性と第２の音叉型圧電振動片１２１の周波数温度特性とは等しくなり、フィルタ回路１２０の高周波側への変化は発振回路１１０の周波数変化と一致する。
したがって、図６に示すように、発振回路１１０からｆ２の周波数の信号が、図６中の破線で示される減衰量−周波数特性を有するフィルタ回路１２０に入力されるため、減衰量はＡ１のまま変化せず、温度変化によるフィルタ回路１２０における減衰量の変化は打ち消され、フィルタ回路１２０から出力される信号の振幅は変化しない。
よって、第１の実施の形態に係る加速度センサ１００によれば、加速度が作用していないのに温度の変化によって正確な加速度信号と異なる値が検出されてしまうことを防止できる。

図７は、図４の回路の動作を説明するタイムチャートである。
図において、信号Ａは発振回路１１０から出力される信号であり、信号Ａはフィルタ回路１２０に入力される。
フィルタ回路１２０はバンドパスフィルタであり、バンドパスフィルタ１２０では、第１の音叉型圧電振動片１１１の伝送特性に対応して、発振回路１１０が設定した周波数の信号が所定の減衰量で減衰されて出力される。その出力信号がＢである。
信号Ｂは整流回路１３０に入力されて、Ｃに示すように整流され、積分回路１４０によって、直流信号とされる。この電圧レベルが加速度に対応する。
ここで、加速度印加時には、整流回路１３０の出力信号は図７のＣ’に示すように、振幅レベルが変化する。
このように、加速度変化による周波数シフトを減衰量変化として、電圧レベルの変化に換算することができる。

（第２の実施形態）
第２の実施形態に係る加速度センサ２００に関しては、図１ないし図３で説明した構成に関しては、第１の実施形態と同じであるから重複する説明は省略し、相違点である電気的構成を中心に説明する。

図８は、本発明の第２の実施の形態に係る加速度センサ２００の電気的構成を示すブロック図である。
図８に示すように、第２の実施の形態に係る加速度センサ２００は、発振回路２１０と、フィルタ回路２２０と、発振回路２１０から出力される信号の位相を９０度シフトさせてフィルタ回路２２０に出力する移相回路２３０と、フィルタ回路２２０から出力される信号と発振回路２１０から出力される信号を乗算する乗算回路２４０と、乗算回路２４０から出力される信号を積分する積分回路２５０とを有している。

発振回路２１０は、第１の音叉型圧電振動片２１１を備えている。フィルタ回路２２０は、第２の音叉型圧電振動片２２１を備えている。
この第１の音叉型圧電振動片２１１と、第２の音叉型圧電振動片２２１は、例えば図２で説明した音叉型圧電振動片３２を使用することができる。

図１で説明したように、発振回路２１０の第１の音叉型圧電振動片２１１とフィルタ回路２２０の第２の音叉型圧電振動片２２１とは逆向きに配置されている。このため、加速度センサ２００に加速度が作用した場合、その成分に、発振回路２１０の第１の音叉型圧電振動片２１１及びフィルタ回路２２０の第２の音叉型圧電振動片２２１の振動腕に平行な成分が含まれていれば以下のように検出できる。
すなわち、発振回路２１０が備える第１の音叉型圧電振動片２１１の振動腕に引張応力が加われば、フィルタ回路２２０が備える第２の音叉型圧電振動片２２１の振動腕に圧縮応力が加わる。
他方、発振回路２１０が備える第１の音叉型圧電振動片２１１の振動腕に圧縮応力が加われば、フィルタ回路２２０が備える第２の音叉型圧電振動片２２１の振動腕に引張応力が加わる関係である。

したがって、発振回路２１０が備える第１の音叉型圧電振動片２１１の周波数が増加または減少する一方、フィルタ回路２２０が備える第２の音叉型圧電振動片２２１の周波数が減少または増加する。よって、第２の実施の形態に係る加速度センサ２００において、加速度を作用させ、発振回路２１０が備える第１の音叉型圧電振動片２１１の周波数とフィルタ回路２２１が備える第２の音叉型圧電振動片２２１の周波数との差をとった場合、その絶対値は、発振回路２１０の第１の音叉型圧電振動片２１１の周波数変化分よりも大きくなる。

図９は、発振回路２１０が備える第１の音叉型圧電振動片２１１の位相差−周波数特性と、フィルタ回路２２０が備える第２の音叉型圧電振動片２２１の位相差−周波数特性とを示す図（その１）である。
第２の実施の形態に係る加速度センサ２００において、加速度が作用していない場合は、発振回路２１０から出力される信号とフィルタ回路２２０から出力される信号は、位相差が９０度であるから、これらを乗算して積分すると、その値は０となる（後述）。

しかしながら、第２の実施の形態に係る加速度センサ２００において、たとえば図１に示すＧ１の方向に加速度が作用した場合は、発振回路２１０が備える第１の音叉型圧電振動片２１１の振動腕が僅かに縮む。したがって、発振回路２１０においては、第１の音叉型圧電振動片２１１の周波数が高くなり、位相−周波数特性も、図９の特性を表すグラフ形状を保ったまま、位相が小さくなる。つまり、位相が遅れる方向にシフトする。このことは、図９中、シフト前の特性を実線で示し、シフト後の特性を破線ｂで示す。このため、発振回路２１０から出力される信号は、位相が減少する。

他方、フィルタ回路２２０においては、第２の音叉型圧電振動片２２１の振動腕が僅かに延びるから、第２の音叉型圧電振動片２２１の周波数が増加し、位相−周波数特性も、そのグラフ形状を保ったまま、位相が大きくなる。つまり位相が進む方向にシフトする。このことは、図９中、シフト前の特性を実線で示し、シフト後の特性を破線ａで示す。したがって、フィルタ回路２２０から出力される信号の位相は増加する。
このため、第２の実施の形態に係る加速度センサ２００においては、発振回路２１０から出力される信号の位相が増加する一方で、フィルタ回路２２０から出力される信号の位相が減少することとなって、発振回路２１０から出力される信号における位相とフィルタ回路２２０から出力される信号の位相とが、両者の位相差を大きくする方向に変化する。
したがって、これらを乗算して積分した値は、フィルタ回路２２０を備えない場合と比較して大きくなり、加速度検出の感度向上が図られる。

図１０は、発振回路２１０が備える第１の音叉型圧電振動片２１１の位相−周波数特性と、フィルタ回路２２０が備える第２の音叉型圧電振動片２２１の位相−周波数特性とを示す図（その２）である。
以下、図１０を参照しつつ、第２の実施の形態に係る加速度センサ２００によれば、加速度が作用していないのに温度の変化によって正確な加速度信号と異なる値が検出されてしまうことを防止できる点について説明する。
音叉型圧電振動片の置かれた温度環境が変化した場合、発振回路２１０の第１の音叉型圧電振動片２１１とフィルタ回路２２０の第２の音叉型圧電振動片２２１とは、位相が大きくなる方向に同じだけシフトする（図１０中、シフト前の特性を実線で示し、シフト後の特性を破線ｃ）で示す。したがって、第２の実施の形態に係る加速度センサにおいては、温度変化の前後で、発振回路２１０の第１の音叉型圧電振動片２１１の屈曲振動とフィルタ回路２２０の第２の音叉型圧電振動片２２１の屈曲振動との位相差が変化せず、発振回路２１０から出力される信号とフィルタ回路２２０から出力される信号の位相差は９０度のまま変化しない。
よって、第２の実施の形態に係る加速度センサ２００によれば、加速度が作用していないのに温度の変化によって正確な加速度信号と異なる値が検出されてしまうことを防止できる。

図１１は、図８の回路の動作を説明するためのタイムチャートである。
図において、図８で説明した発振回路２１０から出る矩形波Ａに対して、発振回路２１０から入力されたサイン波が、移相回路２３０を経て出力されるサイン波Ｂは９０度位相ずれしている。
加速度が働かない状態であれば、これらを乗算回路２４０で乗算した結果出力されるＣの信号を積分回路で積分した結果は、ゼロである。

ここで、位相−周波数特性を示す図９において、上述したように、発振器回路２１０の第１の音叉型圧電振動片２１１の共振点であるピーク値を示す０の箇所が符合ａで示すように、その周波数のズレとともにずれると、フィルタ回路２２０の第２の音叉型圧電振動片２２１は、そのピーク値０が符合ｂで示すように、逆方向にずれる。
つまり、ピーク値がずれるということは、φだけ位相がずれることであり、上述したように、ピーク値の周波数は互いに逆方向に、「ずれ」を強める方向に変化する。
このため、Ｂの信号はＤのように位相ずれし、乗算回路２４０を通った信号ＣはＦのようになる。これを積分すると、ｈが出てくるので、このｈが加速度として検出される。

次に、図１の加速度センサ１００（２００）に関して、発振回路を構成する第１の音叉型圧電振動片及び集積回路と、フィルタ回路の備える第２の音叉型圧電振動片とを収容するパッケージと、該パッケージを気密に封止する蓋体とを有する実施例について、以下、具体的に説明する。

（実施例１）
実施例１は、パッケージが、表裏に導電パターンを形成した共通の配線基板３３０を挟んで、２つのキャビティを上下に重ねて形成したものであり、一方のキャビティに第１および第２の音叉型圧電振動片を収容し、他方のキャビティに前記集積回路を収容した構成に関するものである。
具体的には、図１２の圧電デバイス３００は加速度センサを構成するものである。該圧電デバイス３００は、発振回路１１０（２１０）の第１の音叉型圧電振動片１１１（２１１）と、フィルタ回路１２０（２２０）の第２の音叉型圧電振動片１２１（２２１）とを１つのパッケージに収容している。
図１２（ａ）は、圧電デバイス３００の平面図、図１２（ｂ）は、図１２（ａ）におけるＡ−Ａ概略断面図、図１２（ｃ）は、図１２（ａ）におけるＢ−Ｂ概略断面図である。

図１２において、Ｈ型のパッケージ３０１の一方のキャビティ３０２に、第１の音叉型圧電振動片１１１（２１１）と第２の音叉型圧電振動片１２１（２２１）とをマウントし、蓋体３０４で気密に封止するようにされている。なお、図１２（ａ）の平面図では、説明の便宜のため、蓋体３０４を図示していない。Ｈ型のパッケージ３０１の他方のキャビティ３０３には、ＩＣチップ３０５を取り付けている。

ここで、パッケージ３０１は、例えば、絶縁材料として、酸化アルミニウム質のセラミックグリーンシートを成形して形成される複数の基板を積層した後、焼結して形成されている。また、蓋体３０４は、セラミック、金属、ガラスなどの材質を選択して形成されている。蓋体３０４が、例えば、金属の場合には、一般に他の材料よりも強度が高いという利点がある。蓋体３０４の材料としては、パッケージ３０１と熱膨張率が近似したものが適しており、例えば、コバールなどを使用することができる。また、蓋封止後の周波数調整を可能にするために、蓋体３０４は、例えばガラスなどの光透過材料で形成される。例えば、硼珪酸ガラスなどの板体を使用することができる。

パッケージ３０１の一方のキャビティ３０２の一端には、例えば、タングステンメタライズ上にニッケルメッキ及び金メッキで形成した電極部３０６、３０７、３０８、３０９が設けられている。電極部３０６、３０７、３０８、３０９は、例えば、配線基板３３０を貫通してパッケージ３０１の他方のキャビティ３０３に形成した電極３１０、３１１、３１２、３１３にそれぞれ接続されており、電極３１０、３１１、３１２、３１３は、ＩＣチップ３０５の端子にワイヤボンディングで接続されている。ＩＣチップ３０５は、パッケージ３０１内に設けられたスルーホール３１４、３１５を介して、実装端子３１６、３１７に接続されている。
パッケージ３０１の一方のキャビティ３０２の電極部３０６、３０７、３０８、３０９の上には、導電性接着剤が塗布され、この導電性接着剤の上に、第１の音叉型圧電振動片１１１（２１１）の基部と第２の音叉型圧電振動片１２１（２２１）の基部とが載置されて、導電性接着剤が硬化されるようになっている。尚、導電性接着剤としては、接合力を発揮する接着剤成分としての合成樹脂剤に、銀製の細粒等の導電性の粒子を含有させたものが使用でき、シリコーン系や、エポキシ系またはポリイミド系導電性接着剤等を利用することができる。各音叉型圧電振動片の基部をよりリジットに接合固定するためには、エポキシ系導電性接着剤が適している。

ここで、第１の音叉型圧電振動片１１１（２１１）と、第２の音叉型圧電振動片１２１（２２１）は、ともに図２で説明した音叉型圧電振動片３２と同一構造のものを使用できるが、第１の音叉型圧電振動片１１１（２１１）と第２の音叉型圧電振動片１２１（２２１）として符合を付したのは、図４と図８において発振回路とフィルタ回路に用いた構成と対応させるためである。
すなわち、第１の音叉型圧電振動片１１１（２１１）と第２の音叉型圧電振動片１２１（２２１）は、圧電材料により形成した例えば矩形もしくは正方形の基部１１１ａ（２１１ａ）、１２１ａ（２２１ａ）と、この基部１１１ａ（２１１ａ）、１２１ａ（２２１ａ）から延びる一対の振動腕１１１ｂ（２１１ｂ）、１２１ｂ（２２１ｂ）とを有している。
このような第１の音叉型圧電振動片１１１（２１１）と第２の音叉型圧電振動片１２１（２２１）は各振動腕１１１ｂ（２１１ｂ）、１２１ｂ（２２１ｂ）の例えば主面、すなわち、上面と下面に電極を形成し、これらの電極を基部１１１ａ（２１１ａ）、１２１ａ（２２１ａ）の引出し電極に引き回す。
この引出し電極に駆動電圧を印加すると、各振動腕１１１ｂ（２１１ｂ）、１２１ｂ（２２１ｂ）の先端部を互いに接近・離間させるようにして水平且つ対称的な屈曲運動を生じる。
既に説明したように、第１の音叉型圧電振動片１１１（２１１）と第２の音叉型圧電振動片１２１（２２１）を、検出しようとする加速度Ｇの作用する方向に対して各振動腕１１１ｂ（２１１ｂ）、１２１ｂ（２２１ｂ）が平行となるように配置されている。

ここで、加速度がＧ１方向に作用した場合には、第１の音叉型圧電振動片１１１（２１１）の振動腕１１１ｂ（２１１ｂ）はごく僅かに延長する。このため、第１の音叉型圧電振動片１１１（２１１）の振動腕１１１ｂ（２１１ｂ）の屈曲振動による周波数は高く変化する。他方、第２の音叉型圧電振動片１２１（２２１）の振動腕１２１ｂ（２２１ｂ）はごく僅かに短縮され、このため、第２の音叉型圧電振動片１２１（２２１）の振動腕１２１ｂ（２２１ｂ）の屈曲振動による周波数は低く変化する。
同様に、図１２中で、加速度がＧ２方向に作用した場合には、第１の音叉型圧電振動片１１１（２１１）の振動腕１１１ｂ（２１１ｂ）はごく僅かに短縮する。このため、第１の音叉型圧電振動片１１１（２１１）の振動腕１１１ｂ（２１１ｂ）の屈曲振動による周波数は低く変化する。他方、第２の音叉型圧電振動片１２１（２２１）の振動腕１２１ｂ（２２１ｂ）はごく僅かに延長され、このため、第２の音叉型圧電振動片１２１（２２１）の振動腕１２１ｂ（２２１ｂ）の屈曲振動による周波数は高く変化する。

以上説明した実施例１の圧電デバイス３００によれば、発振回路１１０（２１０）の第１の音叉型圧電振動片１１１（２１１）と、フィルタ回路１２０（２２０）の第２の音叉型圧電振動片１２１（２２１）とを１つのパッケージに収容することが可能となり、加速度センサの小型化を図ることができる。
しかも、２つのキャビティ３０２，３０３に収容される各電子部品に関して、共通の配線基板３３０を設けることで、装置全体の高さ寸法を低減し、低背化を図ることができる。

（実施例２）
実施例２は、個々に配線基板４３１，４３２を有する２つのキャビティを上下に重ねて形成したものであり、一方のキャビティに第１および第２の音叉型圧電振動片を収容し、他方のキャビティに集積回路を収容した構成に関するものである。
具体的には、図１３に示すように、圧電デバイス４００も加速度センサを構成するものであり、該圧電デバイス４００は、発振回路１１０（２１０）の第１の音叉型圧電振動片１１１（２１１）と、フィルタ回路１２０（２２０）の第２の音叉型圧電振動片１２１（２２１）とを１つのパッケージに収容している。

図１３（ａ）は、圧電デバイス４００の平面図、図１３（ｂ）は、図１３（ａ）におけるＣ−Ｃ概略断面図、図１３（ｃ）は、図１３（ａ）におけるＤ−Ｄ概略断面図である。
図１３に示す例では、パッケージ４０１の上段のキャビティ４０２に、第１の音叉型圧電振動片１１１（２１１）と第２の音叉型圧電振動片１２１（２２１）とをマウントし、蓋体４０４で気密に封止するようにされている。なお、図１３（ａ）の平面図では、説明の便宜のため、蓋体４０４を図示していない。パッケージ４０１の下段のキャビティ４０３には、ＩＣチップ４０５を取り付けている。
パッケージ４０１は、２つの配線基板４３１，４３２を使用して、２つのキャビティ４０２，４０３を構成している点が、実施例１と相違するだけで、その材質や形成方法は実施例１と同じであるから重複する説明は省略する。
また、第１の音叉型圧電振動片１１１（２１１）と、第２の音叉型圧電振動片１２１（２２１）は、ともに図２で説明した音叉型圧電振動片３２と同一構造のものを使用できる点も実施例１と同じである。

パッケージ４０１の上段のキャビティ４０２を構成するための配線基板４３２の一端には、例えば、タングステンメタライズ上にニッケルメッキ及び金メッキで形成した電極部４０６、４０７、４０８、４０９が設けられている。
電極部４０６、４０７、４０８、４０９は、パッケージ４０１の下段のキャビティ４０３を構成するための配線基板４３１に形成した電極４１０、４１１、４１２、４１３にそれぞれ接続されており、電極４１０、４１１、４１２、４１３は、スルーホール４１４、４１５、４１６、４１７を介して、電極４１８、４１９、４２０、４２１に接続されている。電極４１８、４１９、４２０、４２１は、ＩＣチップ４０５にワイヤボンディングで接続されている。電極４１８、４１９、４２０、４２１は、実装端子４２２、４２３に図示しない導電スルーホールなどにより接続されている。
パッケージ４０１の上段４０２の電極部４０６、４０７、４０８、４０９の上には、導電性接着剤が塗布され、この導電性接着剤の上に、第１の音叉型圧電振動片１１１（２１１）の基部と第２の音叉型圧電振動片１２１（２２１）の基部とが載置されて、導電性接着剤が硬化されるようになっている。
その他の構成は実施例１と同じである。

以上説明した実施例２の圧電デバイス４００によれば、発振回路１１０（２１０）の第１の音叉型圧電振動片１１１（２１１）と、フィルタ回路１２０（２２０）の第２の音叉型圧電振動片１２１（２２１）とを１つのパッケージに収容することが可能となり、加速度センサの小型化を図ることができる。

本発明は上述の実施形態に限定されない。各実施形態や各実施例の各構成はこれらを適宜組み合わせたり、省略し、図示しない他の構成と組み合わせることができる。
また、この発明は、音叉型圧電振動片を利用したものであれば、パッケージがなくても適用できるし、また、上述の実施形態では、音叉型圧電振動片のパッケージにセラミックを使用した箱状のものを利用しているが、このような形態に限らず、平板な基板に音叉型圧電振動片を接合し、キャップ状の蓋体で封止する形式の収容容器を用いてもよい。

本発明の実施の形態に係る加速度センサの概略構成を示す概略平面図。 図１の加速度センサに用いる音叉型圧電振動片の詳しい構成例を示す概略斜視図。 図２のＥ−Ｅ線切断端面図。 図１の加速度センサの第１の実施形態に係る電気的構成例を示すブロック図。 図４の構成を備える加速度センサの減衰量−周波数特性を示すグラフ。 図４の構成を備える加速度センサの減衰量−周波数特性を示すグラフ。 図４の構成を備える加速度センサの動作例におけるタイムチャート。 図１の加速度センサの第２の実施形態に係る電気的構成例を示すブロック図。 図８の構成を備える加速度センサの位相−周波数特性を示すグラフ。 図８の構成を備える加速度センサの位相−周波数特性を示すグラフ。 図８の構成を備える加速度センサの動作例におけるタイムチャート。 本発明の加速度センサの実施例１としての圧電デバイスを示す図。 本発明の加速度センサの実施例２としての圧電デバイスを示す図。

符号の説明

１００・・・加速度センサ、１１０・・・発振回路、１２０・・・フィルタ回路、１３０・・・整流回路、１４０・・・積分回路、１１１・・・第１の音叉型圧電振動片１２１・・・第２の音叉型圧電振動片、１３１・・・ダイオード、２００・・・加速度センサ、２１０・・・発振回路、２２０・・・フィルタ回路、２３０・・・移相回路、２４０・・・乗算回路、２５０・・・積分回路、２１１・・・第１の音叉型圧電振動片、２２１・・・第２の音叉型圧電振動片、３００・・・圧電デバイス、３０１・・・Ｈ型のパッケージ、３０２・・・一方のキャビティ、３０４・・・蓋体、３０３・・・他方のキャビティ、３０５・・・ＩＣチップ、３０６、３０７、３０８、３０９・・・電極部、３１０、３１１、３１２、３１３・・・電極、３１４、３１５・・・スルーホール、３１６、３１７・・・実装端子、３３０・・・配線基板、１１１ａ（２１１ａ）、１２１ａ（２２１ａ）・・・基部、１１１ｂ（２１１ｂ）、１２１ｂ（２２１ｂ）・・・振動腕、４００・・・圧電デバイス、４０１・・・パッケージ、４０２・・・上段のキャビティ、４０４・・・蓋体、４０３・・・下段のキャビティ、４０５・・・ＩＣチップ、４０６、４０７、４０８、４０９・・・電極部、４１０、４１１、４１２、４１３・・・電極、４１４、４１５、４１６，４１７・・・スルーホール、４２２、４２３・・・実装端子

Claims (7)

1. 第１の音叉型圧電振動片として、少なくとも１つの音叉型圧電振動片を備えた発振回路と、
   第２の音叉型圧電振動片を備え、前記発振回路から出力される信号が直接又は他の回路を介して入力されるフィルタ回路と
   を有し、
   前記第１および第２の各音叉型圧電振動片が、
   圧電材料で形成された基部、及び前記基部と一体に形成され前記基部から平行に延びる少なくとも一対の振動腕を具備し、
   前記第１の音叉型圧電振動片と、前記第２
   の音叉型圧電振動片とでは、各振動腕の延びる方向が互いに逆方向であり、各振動腕の延びる方向が検出すべき加速度が作用する方向と一致するように配置されていることを特徴とする加速度センサ。
2. 加速度が作用した際に、前記発振回路の第１の音叉型圧電振動片の周波数が増加すると、前記フィルタ回路の周波数減衰特性が負の方向に周波数シフトし、
   前記発振回路の第１の音叉型圧電振動片の周波数が減少すると、前記フィルタ回路の周波数減衰特性が正の方向に周波数シフトする
   ことを特徴とする請求項１に記載の加速度センサ。
3. 加速度が作用した際に、前記発振回路の第１の音叉型圧電振動片の周波数が増加すると、前記フィルタ回路の周波数位相特性が負の方向に周波数シフトし、
   前記発振回路の第１の音叉型圧電振動片の周波数が減少すると、前記フィルタ回路の周波数位相特性が正の方向に周波数シフトする
   ことを特徴とする請求項１に記載の加速度センサ。
4. 前記フィルタ回路から出力される信号を整流する整流回路と、該整流回路から出力される信号を積分する積分回路とを有することを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の加速度センサ。
5. 前記発振回路を構成する第１の音叉型圧電振動片及び集積回路と、前記フィルタ回路を備える前記第２の音叉型圧電振動片とを収容するパッケージと、該パッケージを気密に封止する蓋体とを有することを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載の加速度センサ。
6. 前記パッケージが、個々に配線基板を有する２つのキャビティを上下に重ねて形成したものであり、一方のキャビティに前記第１および第２の音叉型圧電振動片を収容し、他方のキャビティに前記集積回路を収容したことを特徴とする請求項５に記載の加速度センサ。
7. 前記パッケージが、共通の配線基板を挟んで、上下に２つのキャビティを形成したパッケージであり、一方のキャビティに前記第１および第２の音叉型圧電振動片を収容し、他方のキャビティに前記集積回路を収容したことを特徴とする請求項５に記載の加速度センサ。

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