JP5235361B2 - センサ - Google Patents

Description

本発明は、物体の変位を検出するセンサに関するものであり、特に物体の変位から加速度を検出する加速度センサに関するものである。

携帯型音楽プレイヤーやノート型パソコンなどのハードディスクドライブ搭載機器の落下保護、自動車のナビゲーションシステムにおける加速度検知などに、センサが使用されている。なお、センサは検出する変位値より加速度や角速度を算出することができるので、検出値の処理方法で加速度センサや角速度センサとして用いることができる。このような加速度センサにおいて、複数方向の加速度や一定加速度の検出ができ、検出感度の高い加速度センサが要求されている。

図１０（ａ）及び（ｂ）に従来の加速度センサの実施の形態の例を示す。従来、折れ曲がった形状に連結される複数の板状の振動体１９０と、複数の振動体１９０の主面上に形成される圧電素子２００とを用いて、圧電素子２００に駆動信号を印加することによって、連結された複数の振動体１９０を折れ曲がった部分の両側で伸びと縮みとが逆となるような振動を与えた加速度センサが提案されている（例えば、特許文献１を参照）。なお、振動体１９０の折曲がった形状の部分を連結部２１０とする。

これによれば、各振動体１９０の主面に直交する向きの加速度成分に対応して、圧電素子２００または圧電素子２００上に形成する電極から出力電圧を得ることができるため、それぞれの振動体１９０の主面に直交する向きの加速度成分を検出することができる。また、圧電素子２００が形成された振動体が板状であるため、加速度による撓み量が大きく、それに応じて出力電圧も大きくなるので、検出感度の高い加速度センサを実現することができる。
特開平６−３０８１４９号公報

しかしながら、この構造の加速度センサにおいては、振動体１９０の外周に振動体１９０を支持するために直交する方向に折れ曲がったコ字状で連結されたフレーム構造（図示せず）を必要とするので、加速度センサの全体構造が複雑で、かつ、大型化することとなり、そのため、加速度センサの小型化が難しいという問題があった。

また、図１０（ｂ）に示すように、この構造の加速度センサにおいては、外力が加わって振動体１９０が変位したとき、振動体１９０の連結部の角度が９０°からずれてしまう場合があり、２軸加速度を検知するには、これを補正するための複雑な検出演算回路が必要となるという問題があった。さらに、この構造の加速度センサにおいては、フレーム構造で振動体１９０の互いに連結されていない側が固定されているため、印加する振動や外力により振動体１９０が変位するときに、連結部２１０の位置が移動する。このため２軸の加速度を検出する場合に、振動体１９０の位置が２軸からずれてしまい、これを補正するために複雑な検出演算回路が必要となるという問題があった。

本発明は、以上のような従来の技術における問題点を解決すべく案出されたものであり、その目的は、複数の向きの加速度を検出することができ、かつ、一定加速度の検出ができ、検出感度が大きく、小型の加速度センサを提供することである。

本発明の加速度センサは、１）第１端が外部に固定され、前記第１端と対向する第２端が開放端となった第１振動体と、第３端が前記第１端に固定され、前記第３端と対向する第４端が前記第２端と異なる方向に向かって配置された開放端となった第２振動体と、前記第１振動体の前記第２端の端面に配置され、前記第１端と前記第２端とを結ぶ方向に前記第１振動体を伸縮振動させる第１駆動電極と、前記第２振動体の前記第４端の端面に配置され、前記第３端と前記第４端とを結ぶ方向に前記第２振動体を伸縮振動させる第２駆動電極と、前記第１振動体に配置され、前記第１振動体の変位を検出する第１検出電極と、前記第２振動体に配置され、前記第２振動体の変位を検出する第２検出電極と、を有することを特徴とするとするものである。

また、本発明の加速度センサは、２）上記１）の構成において、前記第１振動体と前記第２振動体とは、その伸縮振動する方向が互いに９０°の角度を成すように配置されたことを特徴とするものである。

また、本発明の加速度センサは、３）上記１）の構成において、前記第１振動体と前記第２振動体とは、一体形成されていることを特徴とするものである。

また、本発明の加速度センサは、４）上記１）乃至３）のいずれかの構成において、前記第１振動体に配置され、外部からの駆動信号を与えてこの第１振動体を振動させる第１圧電素子と、前記第２振動体に配置され、外部からの駆動信号を与えてこの第２振動体を振動させる第２圧電素子と、をさらに含むことを特徴とするものである。

また、本発明の加速度センサは、５）上記４）の構成において、前記第１振動体と前記第２振動体とは、圧電材料からなり、前記第１振動体が前記第１圧電素子として機能し、前記第２振動体が前記第２圧電素子として機能することを特徴とするものである。

また、本発明の加速度センサは、６）上記５）の構成において、前記第１検出電極は、前記第１振動体の振動方向に直交する第１方向に離間して配置された第１検出電極対を含み、前記第２検出電極は、前記第２振動体の振動方向に直交する第２方向に離間して配置された第２検出電極対を含むことを特徴とするものである。

また、本発明の加速度センサは、７）上記６）の構成において、前記第１検出電極は、前記第１振動体の振動方向及び前記第１方向に直交する第３方向に離間して配置された第３検出電極対をさらに含み、前記第２検出電極は、前記第２振動体の振動方向及び前記第２方向に直交する第４方向に離間して配置された第４検出電極対をさらに含むことを特徴とするものである。

また、本発明の加速度センサは、８）上記７）の構成において、前記第１検出電極対は、前記第１駆動電極として機能し、前記第２検出電極対は、前記第２駆動電極として機能する、請求項７に記載の加速度センサ。

また、本発明の加速度センサは、９）上記７）または８）の構成において、前記第１検出電極対の一方の電極と前記第３検出電極対を構成する２つの電極とが、前記第１振動体の同一面に配置されており、前記第２検出電極対の一方の電極と前記第４検出電極対を構成する２つの電極とが、前記第２振動体の同一面に配置されていることを特徴とするものである。

また、本発明の加速度センサは、１０）上記９）の構成において、前記第１検出電極対の一方の電極が、前記第３検出電極対の一方の電極として機能するように一体的に形成され、前記第２検出電極対の一方の電極が、前記第４検出電極対の一方の電極として機能するように一体的に形成されたことを特徴とするものである。

また、本発明の加速度センサは、１１）上記６）乃至１０）のいずれかの構成において、前記第１振動体及び前記第２振動体は、その振動方向に垂直な面における断面形状が矩形状であって、前記第１振動体の断面形状において短辺を構成する面に直交する方向と、前記第２振動体の断面形状において短辺を構成する面に直交する方向と、が同一となるように配置されており、前記第１検出電極対及び前記第２検出電極対は、それぞれの振動体において、前記短辺を構成する面に直交する方向に離間して配置されていることを特徴とするものである。

本発明のセンサによれば、上記１）の構成により、第１振動体及び第２振動体を伸縮振動（以下単に振動という）させ、振動体に慣性を与えておき、この状態で各振動体の変位を第１及び第２検出電極で検出することができる。このため、振動による変位から加速度を受けたときの力による変位を分離することで、センサの変位，加速度，角速度を検出することができる。なお、振動体を振動させていることから、例え振動体が圧電材料からなる場合であっても一定加速度の検出も可能となり、どのような振動体を用いた場合であっても一定加速度を検出できるものとなる。さらに、第１振動体と第２振動体とが異なる方向に延びているため、２軸以上の変位、加速度、角速度を検出することができるものとなる。

ここで、第１振動体及び第２振動体を第１端の一箇所で外部に固定しているので、従来の構成のように第１及び第２振動体全体を囲むようなフレーム構造が不要となり、その結果、小型なセンサを提供できるものとなる。また、第１振動体及び第２振動体を固定された第１端を基点に独立して振動させることができるので、振動方向は第１振動体及び第２振動体を配置した方向から変わらないため複雑な検出演算回路を必要としない。このため、より簡易な構成のセンサを提供できる。

また、本発明のセンサによれば、上記２）の構成により、第１振動体の変位のみで一軸方向（例えばＸ軸方向）の加速度を、また第２振動体の変位のみで一軸方向（例えばＹ軸方向）の加速度を算出ができるため、検出演算回路を簡略化することができる。すなわち、第１振動体が振動する方向と第２振動体が振動する方向とを２軸とすることができるので、第１検出電極で検出する第１振動体の変位成分、第２検出電極で検出する第２振動体の変位成分をこの２軸の情報に分離する検出演算回路が不要となる。なお、この２軸共に垂直な軸（例えばＺ軸）の変位を検出し３軸のセンサとする場合には、情報を分離する検出演算回路が必要となる。

本発明のセンサによれば、上記３）の構成により、２つの振動体の相対位置関係が適切に保たれるので、実装時における個々の振動体の位置調整が容易となり、検出精度の優れた、生産性の高いものとすることができる。その結果、２つの振動体の相対位置関係のずれを補正するための検出演算回路、部品等が必要となり、小型の加速度センサを実現することができ、さらに生産性の高いものとすることができる。

本発明のセンサによれば、上記４）の構成により、第１圧電素子及び第２圧電素子に駆動信号を印加することにより、それぞれの振動体を振動させることができる。

本発明のセンサによれば、上記５）の構成により、簡易な構成で振動体を振動させることができるので生産性の高いものとなる。さらに、振動体を圧電材料にすることで、振動体自体で振動を発生させることができるとともに振動体の歪みを検出することで振動体の変位を検出することができるものとなり、さらにセンサの構造及び製造工程を簡略化することができる。

本発明のセンサによれば、上記６）の構成により、第１振動体と第２振動体の振動方向に直交する方向に加わる加速度成分に対応した第１振動体と第２振動体の変位により、２軸方向の変位，加速度，角速度を算出することができる。

本発明のセンサによれば、上記７）の構成により、第３検出電極対及び第４検出電極対が加わった構成により、３軸の検出ができるセンサを実現することができる。

本発明のセンサによれば、上記８）の構成により、検出電極対と駆動電極対とを兼用することにより、加速度センサの構造をより簡単な構成にすることができる。

本発明のセンサによれば、上記９）の構成により、３軸の変位を検出する場合であっても、各振動体において検出電極対を構成する電極を形成する面を少なくすることができ、センサの製造工程を簡略化することができる。そのため、センサを低コストで作製することができる生産性の高いものとすることができる。

本発明のセンサによれば、上記１０）の構成により、第１，第３検出電極対で４つ必要であった電極を３つにすることができるので、センサの構造をより簡単な構成にすることができる。

本発明のセンサによれば、上記１１）の構成により、変位しにくい（加速度の検出感度の低い）方向の変位を検出する検出電極対を各振動体にそれぞれ設けていることから、振動しにくい方向においても、十分な検出感度を確保することができる。

以下、本発明のセンサの実施の形態について図面を参照にしつつ詳細に説明する。なお、以下に説明する図面において同一構成には同一符号を付すものとし、重複する説明を省略する。

また、本発明は以下の例に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で変更、改良等を施すことは何ら差し支えない。

図１（ａ）は、本発明のセンサの第１の実施形態を示す透視状態の平面図であり、（ｂ）は図１（ａ）のＡ−Ａ線矢視断面図である。

図１において、１は第１振動体、２は第２振動体、３は第１振動体の第１端、４は第１振動体の第２端、５は第２振動体の第３端、６は第２振動体の第４端、７は第１振動体に配置され、第１振動体の変位を検出する第１検出電極、８は第２振動体に配置され、前記第２振動体の変位を検出する第２検出電極である。また、２０は第１端３と第２端４とが固定される固定部、２１は固定部２０をパッケージ２２に固定するための接続部、２２は筐体部２２ａと蓋部２２ｂとで構成されるセンサを収容するパッケージ、２３は第１検出電極７と対向するように筐体部２２ａに配置された固定部側検出電極、２４は第２検出電極と対向するように筐体部２２ａに配置された固定部側検出電極である。

なお、以下の図面においても同様であるが、同様の箇所には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。

本発明のセンサは、第１端３が外部、すなわちパッケージ２２に接続部２１,固定部２０を介して固定され、第１端３と対向する第２端４が開放端となり、第１端３と第２端４とを結ぶ方向９（Ｘ軸方向）に振動する（図１（ａ）における矢印に示すように第１振動体１の長手方向に対して振動する）第１振動体１と、第３端５が第１端３に固定され、第３端５と対向する第４端６が第２端４と異なる方向に向かって配置された開放端となり、第３端５と第４端６とを結ぶ方向１０（Ｙ軸方向）に振動する（図１（ａ）における矢印に示すように第２振動体２の長手方向に対して振動する）第２振動体２と、第１振動体１に配置され、第１振動体１の変位を検出する第１検出電極７と、第２振動体２に配置され、第２振動体２の変位を検出する第２検出電極８と、を有する。

これにより、図１（ａ）に示す矢印のように第１振動体１及び第２振動体２を長手方向に振動させ、各振動体に慣性を与えておき、この状態で各振動体の振動方向に直交する方向に加速度が加わると、各振動体に撓みが生じる。従って、第１振動体１と第２振動体２の振動方向に直交する方向に加わる加速度成分に対応する力による第１振動体１と第２振動体２の変位により、加速度を算出することができる。また、第１振動体１と第２振動体２とが角度をなしていることから２つの振動体で２軸方向の加速度を検出できるものとなる。また、第１振動体１及び第２振動体２を一箇所（第１端３）で外部に固定しているので、従来の構成のように第１及び第２振動体１，２全体を囲むようなフレーム構造が不要となり、その結果、小型なセンサを提供できるものとなる。また、第１振動体１及び第２振動体２を固定された第１端３を基点に独立して振動させることができるので、振動方向は第１振動体１及び第２振動体２を配置した方向から変わらないため複雑な検出演算回路を必要としない。このため、より簡易な構成のセンサを提供できる。

なお、図１に示す例では、第１振動体１と第２振動体２とは、その伸縮する方向が互いに９０°の角度を成すように配置されている。すなわち、図１（ａ）に示す例では、各振動体１，２が直方体状であるため、第１振動体１と第２振動体２とが９０°の角度をなすように配置されている。これにより、第１振動体の変位でＸ軸方向の加速度を、また第２振動体の変位でＹ軸方向の加速度を算出ができるため、検出演算回路を簡略化することができる。

また、第３端５は、第１端３に直接固定されておらず、固定部２０を介して固定されている。このように、第１端３と第３端５とは直接接続されている必要はない。

ここで、第１振動体１及び第２振動体２は周期的に振動していればよく、その振動印加手段は問わない。図１に示す例では、第１振動体１及び第２振動体２に弾性を有する材料を用いて、第１振動体１の第２端４と、パッケージ２２の第２端４と対向する部位とにそれぞれ駆動用電極２５ａ,ｂを、第２振動体２の第４端６と、パッケージ２２の第４端５と対向する部位とにそれぞれ駆動用電極２６ａ,ｂを設け、各駆動用電極間（２５ａ,ｂ間,２６ａ,ｂ間）に交流電圧を印加して静電力を発生させ、静電引力により周期的な振動を与えている。

このようにして第１振動体１,第２振動体２に周期的な振動を加えた状態で第１振動体１,第２振動体２に生じる変位を検出する。この変位検出には、例えば、検出電極７,８を圧電素子で形成した場合、この撓みに応じた加速度を圧電素子の周波数差または電荷の差の発生により差動検出することができる。図１に示す例では、第１振動体１,第２振動体２と、パッケージ２２に形成された固定部側検出電極２３,２４との間の静電力を検出することにより各振動体１,２の変位を検出している。

このようなセンサを構成するためには、具体的には以下のような材料を用いればよい。

第１振動体１,第２振動体２としては、弾性を有する材料であればよいが、例えば加工性に優れることからＳｉを用いればよい。

また、各電極７，８，２３，２４，２５，２６は導電性を有する材料であればよいが、例えば、Ａｕや、Ｎｉ，Ｃｕなどや、これらの積層体を用いればよい。

固定部２０は、各振動体１,２を振動した状態で固定できる強度を持つものであれば材料は問わないが、例えば、各振動体１,２と同一の材料を用いたり、セラミックスを用いたりすることができる。

接続部２１は、固定部２０とパッケージ２２を接続できれば材料は問わないが、樹脂材料などを用いることができる。

またパッケージ２２としては、振動体１，２を気密封止でき、外部からの衝撃から保護できる強度をもつものであれば特に材料は限定されない。例えば筐体部２２ａとして一般的なセラミックパッケージを、蓋部２２ｂとして金属シール部材を用いることができる。

なお、図１（ｂ）に示す例では、各振動体１,２を接続部２１を介してパッケージ２２の蓋部２２ｂ側に固定した例について説明したが、筐体部２２ａ側に固定してもよい。

また、図１（ａ）,（ｂ）では振動方向９をＸ軸,振動軸方向１０をＹ軸方向とすると、Ｘ軸,Ｙ軸の２軸方向の加速度を検出する構成について説明したが、図１（ｃ）に示すように、Ｘ軸,Ｙ軸双方に直交するＺ軸方向に第２検出電極８を設ければ、Ｙ軸方向とＺ軸方向の２軸を検出できるセンサとすることができる。さらに、図１（ａ）,（ｂ）の構成に加え、さらにＺ軸方向に検出電極を設ければ、Ｘ・Ｙ・Ｚ軸の３軸方向の加速度を検出することができる。

次に、第１の実施形態の変形例について説明する。図２は図１の変形例を示す要部平面図である。

図１においては、固定部２０が立方体形状を有する例について説明したが、固定部２０の形状に制限はなく、例えば、図２（ａ）に示すように三角柱状であってもよいし、断面形状が多角形のものでもよい。

また、図１においては、各振動体１,２は互いに９０°の角度をなすように配置されていたが、図２（ａ）に示すようにそれ以外の角度をなすように配置してもよい。ただし、この場合には、各振動体１,２に対して、振動による変位及び加速度における変位の成分をＸ軸,Ｙ軸成分に分離して演算する必要がある。

また、図１においては、変位検出手段として静電容量を用いた例を用いて説明したが、検出手段に限定はなく、例えば、圧電材料やピエゾ電極による電荷、弾性表面波の位相差などを用いて変位を検出してもよい。例えば、検出電極７，８としてピエゾ電極を用いる場合には、図２（ｂ）に示すような構成とすればよい。この場合には、固定部側検出電極２３，２４は不要となり、簡易な構成のセンサとすることができるので好ましい。

また、図１においては、各振動体１，２は固定部２０を介して固定されていたが、図２（ｂ）に示すように、各振動体１,２を一体形成してもよい。その場合には、各振動体１，２の接合強度が高まるとともに、製造も容易となるので好ましい。

次に本発明のセンサの第２の実施の形態について説明する。

図３（ａ）は、本発明の第２の実施の形態の一例を示す要部平面図であり、図３（ｂ）は、図３（ａ）のＢ−Ｂ線における矢視断面図である。図３（ａ）,（ｂ）に示すセンサは、図１に示すセンサと第１,第２振動体１，２を振動させるための駆動手段が異なる。以下、相違点のみについて説明する。

図３において、１３は、第１振動体１に配置された第１圧電素子、１４ａ,１４ｂは第１圧電素子１３に電気的に接続され、第１振動体１を振動させるための駆動信号が印加される第１駆動電極対、１５は、第２振動体２に配置された第２圧電素子、１６ａ,１６ｂは第２圧電素子１５に電気的に接続され、第２振動体２を振動させるための駆動信号が印加される第２駆動電極対である。

第１駆動電極対１４ａ,１４ｂは、第１圧電素子１３の厚み方向に離間して配置されている。同様に、第２駆動電極対１６ａ,１６ｂは、第２圧電素子１５の厚み方向に離間して配置されている。

第１圧電素子１３、第２圧電素子１５の分極方向に特に限定は無いが、厚み方向（Ｚ方向）、または、長辺方向（振動方向９,１０）とするのが、駆動上望ましい。

駆動信号は、第１駆動電極対１４と第２駆動電極対１６とに独立して高周波電圧信号が印加される。また、それぞれの駆動電極対間（１４ａ,ｂ間,１６ａ,ｂ間）には同位相の駆動信号を印加することで、長手方向,すなわちＸ軸方向,Ｙ軸方向にそれぞれ伸び縮みの振動をさせることができる。

上述のような構成及び駆動信号の入力により、第１振動体１,第２振動体２をそれぞれＸ軸方向,Ｙ軸方向に振動させることができる。

第１圧電素子１３,第２圧電素子１５としては、好ましくはチタン酸ジルコン酸鉛やチタン酸鉛等の圧電セラミック材料などを用いればよい。

第１及び第２駆動電極対１４，１６としては、導電性を有する材料であれば特に限定されないが、例えばＡｕなどを用いることができる。

このような構成とすることで、図１のようにパッケージ２２側に駆動用電極２５ｂ、２６ｂを設ける必要がなくなるので、簡易な構成となるので好ましい。

なお、図３（ａ）,（ｂ）においては、各圧電素子１３，１５を各振動体１，２の一方主面のみにのみ設けた例について説明したが、図３（ｃ）に示すように、各振動体１,２のそれぞれの振動方向に直交する方向に離間させて２つの圧電素子（第１圧電素子１３ａ,１３ｂ,第２圧電素子１４ａ,１４ｂ）を設けてもよい。この場合には、各振動体１，２を１つの圧電素子１３,１５で振動させる場合に比べて振動させやすくなり好ましい。

また、図３に示す例では、各駆動電極を、各圧電素子１３,１５を厚み方向で挟むように配置した例について説明したが、各振動方向で挟むように、各圧電素子１３,１５の側面に配置してもよい。

次に、本発明の第３の実施の形態について説明する。

図４は、本発明の第３の実施の形態の一例を示す要部斜視図である。図３においては、第１及び第２振動体１，２と別体の第１及び第２圧電素子１３，１５を設けた例について説明したが、図４に示す例では第１及び第２振動体１，２を圧電体材料で形成することで、第１及び第２振動体１，２が第１及び第２圧電素子１３，１５として機能する構成となっている。

このように構成することで、第１及び第２振動体１，２に直接駆動電極対１４，１６を設けることができるので、図３に示すセンサに比べ簡易な構成となる。また、第１及び第２振動体１，２を圧電材料セラミックスで一体形成することが容易となり、より生産性の高いセンサを提供することができる。

次に、第３の実施例の変形例について説明する。図４においては、変位検出手段として静電容量を用いたが、他の検出手段を用いてもよい。例えば、図２（ｂ）に示すようなピエゾ電極を用いてもよい。また、圧電性を利用して検出してもよい。以下、変位検出手段として圧電性を利用した場合について説明する。

図５は、図４に示すセンサの変形例を示す要部斜視図であり、図４に示す例から変位検出手段のみを変更したものである。

図５に示すように、第１及び第２振動体１，２が圧電材料からなる場合には、第１検出電極７,第２検出電極８を第１及び第２振動体１，２の振動方向９，１０に直交する第１方向,第２方向に離間して配置される第１検出電極対７ａ,７ｂ及び第２検出電極対８ａ,８ｂで構成してもよい。図５（ａ）に示す例では、第１方向としてＹ軸方向,第２方向としてＸ軸方向としており、第１,第２振動体１，２の側面を形成する、互いに対向する面にそれぞれに第１検出電極対７ａ,７ｂ及び第２検出電極対８ａ,８ｂを設けている。

このように配置することで、第１検出電極対７ａ,７ｂ間及び第２検出電極対８ａ,８ｂ間についてそれぞれ、電荷の初期状態からの差異を検出して、第１,第２振動体１，２の第１方向,第２方向の変位を検出することができる。

また、図５（ｂ）に示すように、第１方向としてＺ軸方向を選択し、第１振動体１の上面及び下面を形成する、互いに対向する面にそれぞれに第１検出電極対７ａ,７ｂを設けても良い。この場合には第１駆動電極対１４ａ,１４ｂと同じ面に配置されることとなる。同様に、第２方向としてＺ軸方向を選択してもよい。ここで、第１方向,第２方向として共にＺ軸方向を選択した場合には、１軸のみの加速度を検出するセンサとなる。

また、第１検出電極７,第２検出電極８として、第１及び第２振動体１，２の振動方向９，１０及び第１方向,第２方向の両方に直交する方向である第３方向、第４方向に離間して配置される第３検出電極対７ｃ,７ｄ及び第４検出電極対８ｃ,８ｄをさらに含んでもよい。図６は、第１,第２方向をＺ軸方向とし、第３方向をＹ軸方向,第４方向をＸ軸方向としており、図５（ｂ）の構成に加えて、第１,第２振動体１，２の側面を形成する、互いに対向する面にそれぞれに第３検出電極対７ｃ,７ｄ及び第４検出電極対８ｃ,８ｄを設けている。このように構成することで、Ｘ・Ｙ・Ｚ軸の３軸方向の加速度を検出できるものとなる。

また、図６に示す構成では、同じ方向に離間して配置されている第１駆動電極対１４ａ,１４ｂ及び第１検出電極対７ａ,７ｂ、第２駆動電極対１６ａ,１６ｂ及び第２検出電極対８ａ,８ｂをそれぞれ別体とした例について説明したが、図７に示すように、一方が他方を兼ねる構成としてもよい。この場合には、第１検出電極対７ａ,７ｂ、第２検出電極対８ａ,８ｂがそれぞれ第１,第２振動体１，２の変位を検出する検出電極として機能するとともに、第１,第２振動体１，２を振動させるための駆動信号を印加するための駆動電極としても機能するものとなる。この場合には、３軸の加速度センサとして機能させるために必要な電極数を少なくすることができるので好ましい。

また、図６では、第１,第２振動体１，２の側面を形成する、互いに対向する面にそれぞれに第３検出電極対７ｃ,７ｄ及び第４検出電極対８ｃ,８ｄを設けているが、図８に示すように、第３方向,第４方向に離間していれば必ずしも異なる面に設ける必要はない。図８は図７の構成から第３検出電極対７ｃ,７ｄ及び第４検出電極対８ｃ,８ｄの配置位置を変更した例を示している。このように、第１振動体１の上面または下面（図８では上面）に、すなわち第１検出電極対の一方（図８では第１検出電極７ａ）が配置された面に第３検出電極対７ｃ、７ｄを配置してもよい。この場合には、第３方向への変位に対する感度を高くするために、第３検出電極対７ｃ,７ｄ間の第３方向での離間距離を大きくすることが好ましい。第２振動体２についても同様に第４検出電極対８ｃ、８ｄを配置してもよい。

このように構成することで、電極を形成する面を少なくすることができる（図８に示す例では上面と下面の２面）ので、製造が容易で生産性の高いセンサとすることができる。

さらに、図８においては、同じ面に形成される第１検出電極７ａ及び第３検出電極対７ｃ,７ｄ、同じ面に形成される第２検出電極対８ａ及び第４検出電極対８ｃ,８ｄをそれぞれ別体とした例について説明したが、図９に示すように、第１,第２検出電極７ａ,８ａがそれぞれ第３検出電極対７ｃ,７ｄの一方,第４検出電極対８ｃ,８ｄの一方を兼ねる構成としてもよい。図９に示す例では、第１検出電極対７ａ,７ｂ、第２検出電極対８ａ,８ｂがそれぞれ第１,第２振動体１，２の第１,第２方向の変位を検出する検出電極として機能するとともに、第１,第２振動体１，２を振動させるための駆動信号を印加するための駆動電極としても機能し、さらに、第１検出電極７ａ、第２検出電極８ａが第３,第４電極７ｃ、８ｃの一方としての機能を兼ねることにより第３,第４電極７ｄ、８ｄとともに第３,第４方向の変位を検出する検出電極としても機能するものとなる。この場合には、３軸の加速度センサとして機能させるために必要な電極数をさらに少なくすることができるので好ましい。

また、図５〜図９に示すように、第１振動体１及び第２振動体２は、その振動方向９，１０に垂直な面における断面形状が矩形状であって、それぞれの断面形状において、短辺を構成する面に直交する方向が共通の方向（図５〜図９では上下方向（Ｚ軸方向））を向くように配置されており、第１検出電極対７ａ,７ｂ及び第２検出電極対８ａ,８ｂは、各振動体１，２において、短辺を構成する面に直交する方向、すなわちＺ軸方向に離間して配置されている。通常、第１振動体１及び第２振動体２の断面形状が矩形状となっている場合には、その短辺を構成する面に直交する方向（図５〜図９では上下方向（Ｚ軸方向））へは、長辺を構成する面に直交する方向（図５〜図９ではＸ軸方向,Ｙ軸方向）に比べて変位に対して抵抗が大きく、変位しにくくなっている。これに対して、上述のように構成することにより、各振動体１，２が変形しにくいため加速度の検出感度が低くなる方向（Ｚ軸）に検出電極を２組設けることで、変形しにくい方向においても、加速度センサの十分な検出感度を確保することができる。

また、図１〜図９に示すセンサに検出感度を高めるために錘を設けてもよい。錘を設けることで各振動体１，２が外部から力を受けたときに変形しやすくなり、感度の高いセンサを提供することができる。このような錘を設ける位置は、固定されている第１端３,第３端５から離れていることが好ましく、例えば、第２端４,第４端６の近傍に設ければよい。錘を構成する材料に特に限定はないが、各振動体１，２と同一材料を用いたり、質量が大きく、かつ加工しやすい材料を用いることが好ましい。

なお、図５〜図９に示す例では、いずれも第１,第２振動体１，２が圧電材料からなる場合を例に説明したため、各電極７，８，１４，１６を第１,第２振動体１，２上に直接設けているが、図３に示すように、第１,第２振動体１，２の各電極を配置する面に圧電素子１３，１５を設けて、この圧電素子上に各電極を配置してもよい。

以下に、第１,第２振動体１，２を圧電材料で形成した場合の本発明のセンサの製造方法について説明する。各振動体の作製には、原料粉末にバインダを加えてプレスする方法等によって形成した材料を、焼成炉により焼成後、ワイヤーカット等によりシート状に成形する。その後、圧電材料の表面を研磨機でラッピングする。

次に、真空蒸着法またはスパッタリング法等を用いて、各検出電極及び各駆動電極を各振動体の表面に成膜する。各検出電極材料及び各駆動電極材料としては、例えばアルミニウム、金、銀、銅、クロム、ニッケル、錫、鉛等の良導電性の金属を用いる。次に、３ｋＶ／ｍｍ〜１５ｋＶ／ｍｍの電圧をかけて分極処理する。

各検出電極及び駆動電極を所定の形状に加工するため、レジストを印刷装置で印刷する方法で形成するか、または、スピンコート法により、レジストを各振動体の表面に塗布した後、フォトリソグラフィ法によりパターン形成する。次に、ウェットエッチング法により、所定の電極パターンを形成した後、レジストを有機溶剤で剥離し、洗浄・乾燥する。このようにして作製した各振動体は、ダインシング工程により、ダイヤモンド砥粒を含有したブレードにより、短冊状に切断される。また、第１振動体１と第２振動体２を一体成形するには、シート状に成形したものを、金型を用いてプレス打ち抜き加工する。短冊状に成形した場合の各振動体の寸法は、長さが０．５〜５．０ｍｍ、幅が０．２〜１．０ｍｍ、厚みが０．１〜１．０ｍｍに設定される。

以上の製造方法により作製した各振動体を、基板上の外部の支持体に固定した後、パッケージに実装して加速度センサが完成する。

以上のようにして得られた本発明のセンサによれば、複数の向きの加速度を検出することができ、かつ、一定加速度の検出ができ、検出感度が大きく、小型の加速度センサを提供することができる。

（ａ）は、本発明のセンサの第１の実施形態の一例を示す透視状態の平面図,（ｂ）は、（ａ）のＡ−Ａ線における矢視断面図,（ｃ）は、（ａ）,（ｂ）の変形例を示す（ａ）のＡ−Ａ線における矢視断面図である。 （ａ）、（ｂ）はそれぞれ図１の変形例を示す要部平面図である。 （ａ）は、本発明のセンサの第２の実施形態の一例を示す要部平面図,（ｂ）は、（ａ）のＢ−Ｂ線における矢視断面図,（ｃ）は、（ａ）,（ｂ）の変形例を示す（ａ）のＢ−Ｂ線における矢視断面図である。 本発明のセンサの第３の実施形態の一例を示す要部斜視図である。 （ａ）、（ｂ）はそれぞれ図４の変形例を示す要部断面図である。 図５（ｂ）の変形例を示す要部断面図である。 図５（ｂ）の変形例を示す要部断面図である。 図５（ｂ）の変形例を示す要部断面図である。 図５（ｂ）の変形例を示す要部断面図である。 （ａ）、（ｂ）はそれぞれ従来の加速度センサについての実施の形態の一例を示す斜視図である。

符号の説明

１：第１振動体
２：第２振動体
３：第１振動体の第１端
４：第１振動体の第２端
５：第２振動体の第３端
６：第２振動体の第４端
７：第１検出電極
７ａ，ｂ：第１検出電極対
７ｃ，ｄ：第３検出電極対
８：第２検出電極
８ａ，ｂ：第２検出電極対
８ｃ，ｄ：第４検出電極対
９：第１振動体の振動方向
１０：第２振動体の振動方向
１３：第１圧電素子
１４ａ,ｂ：第１駆動電極対
１５：第２圧電素子
１６ａ,ｂ：第２駆動電極対

Claims (3)

1. 第１端が外部に固定され、前記第１端と対向する第２端が開放端となった第１振動体と、
   第３端が前記第１端に固定され、前記第３端と対向する第４端が前記第２端と異なる方向に向かって配置された開放端となった第２振動体と、
   前記第１振動体の前記第２端の端面に配置され、前記第１端と前記第２端とを結ぶ方向に前記第１振動体を伸縮振動させる第１駆動電極と、
   前記第２振動体の前記第４端の端面に配置され、前記第３端と前記第４端とを結ぶ方向に前記第２振動体を伸縮振動させる第２駆動電極と、
   前記第１振動体に配置され、前記第１振動体の変位を検出する第１検出電極と、
   前記第２振動体に配置され、前記第２振動体の変位を検出する第２検出電極と、を有するセンサ。
2. 前記第１振動体と前記第２振動体とは、その伸縮振動する方向が互いに９０°の角度を成すように配置された、請求項１に記載のセンサ。
3. 前記第１振動体と前記第２振動体とは、一体形成されている、請求項１または請求項２に記載のセンサ。

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