JP5375624B2 - 加速度センサー、及び加速度検出装置 - Google Patents

Description

本発明は、加速度センサー、及び加速度検出装置に関し、特に加速度が加えられたとき
に生じる力の方向を変換すると共に、前記力を増大するように改善した加速度センサー、
及び加速度検出装置に関するものである。

圧電振動素子を使用し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、当該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。
特許文献１には、フレーム状の平行四辺形枠の一方の対角に双音叉型振動素子を接合し
、他方の対角に圧縮力、又は伸長力を加える構成の加速度計及び製造方法が開示されてい
る。
この加速度計は、図７の断面図に示すように、検知軸１１９に沿って可動するマス１１
６が屈曲部１１８によって支持体１１７に結合されるように構成されている。マス１１６
と支持体１１７との間に接続された一対の力検知クリスタル１２１、１２２は、加えられ
た力に応じて周波数が変動する。これらの力検知クリスタル１２１、１２２は、周波数発
振器１２３、１２４で励振され、２つの発振器の信号が加算回路１２６に入力され、２つ
の周波数の差に対応した出力信号を出力する。
加速度計は、水晶（石英結晶）等で形成された５つのディスク状素子が、検知軸に沿っ
て互いに積層されて構成されている。即ち、加速度計は、図８に示す中央素子１２７と、
中央素子１２７の両側に配置される図９に示す一対のトランスジューサ素子１２８と、こ
れらトランスジューサ素子１２８の両外側の一対の蓋（図示せず）と、を有している。こ
こで、図８（ａ）は中央素子１２７の平面図であり、同図（ｂ）はＱ−Ｑにおける断面図
である。
中央素子１２７は、図８に示すように固定部１３４と、質量を有する可動部（震性マス
）１３３とを備えている。可動部３３は、検知軸に対して垂直に延びた丁番軸１３７の回
りに可動できるように、一対の屈曲部１３６によって固定部１３４に取りつけられている
。可動部１３３と固定部１３４は、該固定部１３４が取りつけられる載置リング１３９の
内部に配置される。隔離リング１４１はこの載置リング１３９の外側に同心的に配置され
ており、フレキシブルなアームが、載置リング１３９と隔離リング１４１とを接続してい
る。中央素子は一体構造として形成されている。

トランスジューサ素子１２８は、図９の平面図に示すように載置リング１４６を有し、
この内部には、力検知素子（クリスタル）１４７と結合プレート１４８が配置される。力
検知素子１４７は、４つのリンク１５２から成る四辺形フレーム１４９の一方の相対する
対角に双音叉型圧電振動素子１５１を連接し、他方の相対する対角にパッド１５４、１５
６を備えている。一方のパッド１５４は結合プレート１４８と一体的に形成され、他方の
パッド１５６は載置リング１４６と一体的に形成されている。
２つのトランスジューサ素子１２８の各結合プレート１４８は、中央素子１２７の可動
部１３３の両主表面１３８と接着剤によって結合され、トランスジューサ素子の載置リン
グ１４６は接着剤によって中央素子１２７の載置リング１３９に接合される。
２個の蓋は、その一方の側に窪みを有した円形に形成され、密閉構造となるが、内部に
ガスを入れ制動プレートとしても機能する。窪みは各トランスジューサ素子１２８に面し
ており、蓋の周辺は接着剤によってトランスジューサ素子１２８の載置リング１４６に接
合されている。

特許第２８５１５６６号公報

しかしながら、特許文献１に開示されている加速度計は、１つの中央素子１２７と、２
つのトランスジューサ素子１２８と、２つの蓋を用いて構成され、部品点数が多すぎると
いう問題があった。更に、中央素子１２７及びトランスジューサ素子１２８は極めて複雑
な構造をしており、これらの素子の歩留まりも低いことが想定され、組み立てられた加速
度の調整に多くの工数を要する虞もあり、加速度計のコストも極めて高価になるという問
題があった。
また、加速度計内部に制動用のガスが封入されているので、トランスジューサ素子１２
８の振動素子１５１のＱ値が劣化し、励振しづらいという問題があった。
発明は上記問題を解決するためになされたもので、構造が単純で加速度検出感が高く、
製造コストの低減が可能な加速度センサー、及び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］本発明の加速度センサーは、圧電センサーと、該圧電センサーを支持する
第１支持面及び第２支持面を有した支持基板と、を備え、前記圧電センサーは、検知軸方
向の力に応じた電気信号を生成する圧電センサー要素と、前記圧電センサー要素を前記支
持基板上に支持するために前記第１及び第２支持面に夫々固定される第１被固定部及び第
２被固定部と、前記圧電センサー要素に対して前記第１被固定部及び前記第２被固定部を
夫々連結する第１乃至第４の梁と、を備え、前記支持基板は、前記第１被固定部を固定す
る前記第１支持面を有する固定側の第１基板片と、該第１支持面の面方向に並置され且つ
前記第２被固定部を支持する前記第２支持面を備えた可動側の第２基板片と、前記第１基
板片と前記第２基板片の対向する側端縁間を連結して該第２基板片を厚さ方向へ揺動させ
る蝶番部と、を備え、前記圧電センサー要素は、前記検知軸方向と直交する方向へ延びる
細長い構成であり、且つ該センサー要素の短手方向中心部が前記蝶番部の短手方向幅内に
位置するように前記蝶番部の長手方向に沿って前記支持面から離間配置されており、前記
第１の梁は、前記第１被固定部と前記圧電センサー要素の長手方向一端部とを連結し、前
記第２の梁は、前記第１被固定部と前記圧電センサー要素の長手方向他端部とを連結し、
前記第３の梁は、前記第２被固定部と前記圧電センサー要素の長手方向一端部とを連結し
、前記第４の梁は、前記第２被固定部と前記圧電センサー要素の他方の端部とを連結する
ことを特徴とする加速度センサーである。

以上のように、支持基板は、固定側の平板状の第１基板片と、可動側の平板状の第２基
板片と、両者を連結する蝶番とから成る。前記圧電センサーは、第１乃至第４の梁が平行
四辺形のフレーム部を形成し、その一方の対角に第１被固定部及び第２被固定部を有し、
他の対角に圧電センサー要素が連結された構成である。そのため、両者とも平板状の圧電
基板を用い、フォトリソグラフィ技法とエッチング手法を適用して寸法精度の良い支持基
板と圧電センサーとが形成でき、これら用いて小型で低コストの加速度センサーが量産可
能になるという効果がある。その上、加速度センサーは前記第１乃至第４の梁が形成する
フレーム部が加速度印加により生じる力の方向を９０度変換すると共に、力を増大するよ
うに作用するので、小さな加速度も検出でき（高感度）、検出精度が高く再現性のある加
速度センサーが得られるという効果がある。

［適用例２］また加速度センサーは、前記第１及び第２支持面と直交する方向から見た
前記第１乃至第４の梁は、夫々全長に渡って同一幅の細幅帯状をなしていることを特徴と
する適用例１に記載の加速度センサーである。

前記第１乃至第４の梁を同一幅の細幅帯状に形成することにより、加速度印加により生
じる力の伝達効率がよく、小さく加速度を再現性よく検出することが可能になるという効
果がある。

［適用例３］また加速度センサーは、前記第１基板片及び前記第２基板片と前記蝶番部
とが一体的に形成され、且つ前記第１基板片の前記第１支持面と前記第２基板片の前記第
２支持面とが同一平面上にあることを特徴とする適用例１又は２に記載の加速度センサー
である。

第１基板片及び第２基板片と蝶番部とが、フォトリソグラフィ技法とエッチング手法を
用いて圧電基板から一体的に形成されることにより、各部の寸法が精度よく形成でき、加
速度センサーの検出感度を上げ、検出精度を改善できるという効果がある。また、第１基
板片の第１支持面と第２基板片の第２支持面とを同一平面上にすることは容易であり、支
持基板と圧電センサーとの接着による歪を最小にし、加速度センサーの歩留まりと、検出
精度の再現性を改善するという効果がある。

［適用例４］また加速度センサーは、前記圧電センサー要素の短手方向中心部の位置が
、前記蝶番部の短手方向幅中心部と一致していることを特徴とする適用例１乃至３の何れ
かに記載の加速度センサーである。

圧電センサー要素の短手方向中心部と、蝶番部の短手方向幅中心部とをほぼ一致させる
ことにより、加速度センサーの感度（同一の加速度が印加された場合の前記圧電センサー
要素の周波数変化量）が最も良くなるという効果がある。

［適用例５］また加速度センサーは、前記第１乃至第４の梁は、いずれも直線状であり
、前記第１被固定部において前記第１の梁と前記第２の梁とのなす角度、及び前記第２被
固定部において前記第３の梁と前記第４の梁とのなす角度は、夫々鈍角であることを特徴
とする適用例１乃至４の何れかに記載の加速度センサーである。

第１の梁と前記第２の梁とのなす角度、及び第３の梁と第４の梁とのなす角度を鈍角と
することにより、第１の梁と第３の梁とのなす角度、及び第２の梁と第４の梁とのなす角
度が鋭角になり、第２基板片に加わる力の方向を９０度変換し、且つ力の大きさを増大す
るという効果がある。

［適用例６］加速度センサーでは、前記第１乃至第４の梁は、いずれもＬ字状であり、
第１の梁と第２の梁、及び第３の梁と第４の梁は、夫々コ字状に連結していることを特徴
とする適用例１乃至５の何れかに記載の加速度センサーである。

第１の梁と第１被固定部、第２の梁と第１被固定部、第３の梁と第２被固定部、第４の
梁と第２被固定部がいずれもほぼＬ字状を形成し、第１の梁と第２の梁、及び第３の梁と
第４の梁は、夫々コ字状に連結することにより、第２基板片に加わる力の方向を９０度変
換し、且つ力の大きさを増大するという効果がある。

［適用例７］また加速度センサーは、前記第１乃至第４の梁は、いずれも円弧状であり
、前記第１の梁と前記第２の梁、及び前記第３の梁と前記第４の梁は、夫々半円状、半楕
円状、或いは半長円状に連結していることを特徴とする適用例１乃至５の何れかに記載の
加速度センサーである。

第１の梁と第２の梁、及び第３の梁と第４の梁は、夫々半円状、半楕円状、或いは半長
円状に形成されているので、第２基板片に加わる力の方向を９０度変換し、且つ力の大き
さを増大するという効果がある。

［適用例８］また加速度センサーは、前記第１被固定部の少なくとも一部は前記第１及
び第２の梁の交差部よりも梁の外側に突出し、前記第２被固定部の少なくとも一部は前記
第３及び第４の梁の交差部よりも梁の外側に突出した構成を備えていることを特徴とする
適用例１乃至７の何れかに記載の加速度センサーである。

第１被固定部及第２被固定部が、第１及び第２の梁の交差部及び第３及び第４の梁の交
差部よりも各梁の外側に突出したように形成するので、第２基板片に加わる力を各梁に均
等に伝達するという効果がある。

［適用例９］本発明の加速度検出装置は、適用例１乃至８の何れかに記載の加速度セン
サーと、前記加速度センサーの圧電センサー要素を励振する発振回路と、前記発振回路の
出力周波数をカウントするカウンターと、前記カウンターの信号を処理する演算回路を有
するＩＣと、表示部と、を備えたことを特徴とする加速度検出装置である。

支持基板及び圧電センサーを、水晶基板を用いて形成し、且つ圧電センサー要素を双音
叉型水晶振動素子として加速度センサーを構成する。該加速度センサーと、各機能を備え
たＩＣとで加速度検出装置を構成すると、加速度検出感度が大幅に改善され、検出精度、
再現性、温度特性、エージング等の優れた加速度検出装置が実現できるという効果がある
。

本発明に係る加速度センサーの構造を示した概略図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は断面図。 双音叉型圧電振動素子を説明する図で、（ａ）は振動モードの平面図、（ｂ）は振動腕に形成した励振電極と、ある瞬間に発生する電荷の符号を示す図、（ｃ）は励振電極の結線図。 第１乃至第４梁が形成するフレーム部の作用を説明する概略図。 （ａ）、（ｂ）、（ｃ）は夫々圧電センサー要素と蝶番部との相互の位置関係を示す要部平面図。 第２の実施例の加速度センサー２の構造を示した概略図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は断面図。 本発明の加速度検出装置の構成を示すブロック図。 従来の加速度計の構成を示す模式的断面図。 従来の加速度計の中央素子の構成を示す、（ａ）は平面図、（ｂ）は断面図。 従来の加速度計のトランスジューサ素子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は、本発明の一実施
形態に係る加速度センサー１の構成を示す概略図であり、同図（ａ）は平面図、同図（ｂ
）はＱ−Ｑにおける断面図である。加速度センサー１は、圧電センサー１０と、該圧電セ
ンサー１０を支持する第１支持面５ａ及び第２支持面７ａを有した支持基板４と、を備え
ている。
圧電センサー１０は、図１（ｂ）に示す検知軸方向９の力に応じた電気信号を生成する
圧電センサー要素２０と、圧電センサー要素２０を支持基板４上に支持するために、第１
支持面５ａ及び第２支持面７ａに夫々固定される第１被固定部１４ａ及び第２被固定部１
４ｃと、圧電センサー要素２０に対して第１被固定部１４ａ及び第２被固定部１４ｃを夫
々連結する第１の梁乃至第４の梁１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄと、を備えている。

支持基板４は、図１（ｂ）に示すように、固定する側の第１基板片５と、可動する側の
第２基板片７と、第１基板片５と第２基板片７とを連結する蝶番部８と、を備えている。
つまり、支持基板４は、圧電センサー１０の第１被固定部１４ａを固定する第１支持面５
ａを有する固定側の第１基板片５と、第１支持面５ａの面方向（図面横方向）に並置され
、且つ第２被固定部１４ｃを支持する第２支持面７ａを備えた可動側の第２基板片７と、
第１基板片５と第２基板片７の対向する側端縁間を連結して該第２基板片を厚さ方向へ揺
動させる蝶番部８と、を備えている。蝶番部８は、第１基板片５及び第２基板片７の厚さ
より薄く形成され、蝶番部８より可撓するように構成されている。蝶番部８の断面形状は
矩形状、台形状、円弧状等であり、厚さ方向の少なくとも一方に形成されている。
第１基板片５及び第２基板片７と蝶番部８とは、一体的に形成され、且つ第１基板片５
の第１支持面５ａと第２基板片７の第２支持面７ａとが同一平面上にある。

圧電センサー１０の第１の梁乃至第４の梁１２ａ〜１２ｄは、フレーム状の平行四辺形
、或いは菱形（フレーム部１２と称す）を有しており、一方の対角部に第１被固定部１４
ａ及び第２被固定部１４ｃが配置され、他方の対角部に第１基台部１４ｂ及び第２基台部
１４ｄが配置されている。つまり、フレーム部１２の第１の梁１２ａは、第１被固定部１
４ａと第１基台部１４ｂとを連結し、第２の梁１２ｂは、第１被固定部１４ａと第２基台
部１４ｄとを連結している。更に、第３の梁１２ｃは、第２被固定部１４ｃと第１基台部
１４ｂとを連結し、第４の梁１２ｄは、第２被固定部１４ｃと第２基台部１４ｄとを連結
して、第１の梁乃至第４の梁１２ａ〜１２ｄがフレーム状の平行四辺形を形成している。
圧電センサー１０の第１被固定部１４ａ及び第２被固定部１４ｃは、支持基板４の第１
支持面５ａ及び第２支持面７ａに固定され、第２基板片７の揺動を第１の梁乃至第４の梁
１２ａ〜１２ｄを介して圧電センサー要素２０に伝達するように構成されている。

第１の梁乃至第４の梁１２ａ〜１２ｄは、いずれも直線状であり、第１被固定部１４ａ
において第１の梁１２ａと第２の梁１２ｂとのなす角度、及び第２被固定部１４ｃにおい
て第３の梁１２ｃと第４の梁１２ｄとのなす角度は、夫々鈍角であるように構成する。つ
まり、第１基台部１４ｂにおける第１の梁１２ａと第３の梁１２ｃとのなす角度θと、第
２基台部１４ｄにおける第２の梁１２ｂと第４の梁１２ｄとのなす角度θと、が鋭角であ
るフレーム部１２は、第１被固定部１４ａ及び第２被固定部１４ｃに加わる力の方向を９
０度変換し、力の大きさを増大して圧電センサー要素２０に加える働きをする。前記の角
度θにより力の増大率は変化する。
また、第１支持面５ａ及び第２支持面７ａと直交する方向から見た第１の梁乃至第４の
梁１２ａ〜１２ｄは、夫々全長に渡って同一幅の細幅帯状をなしている。

圧電センサー要素２０は、フレーム部１２の第１基台部１４ｂ及び第２基台部１４ｄに、夫々第１支持片２６ａ及び第２支持片２６ｂにより連結され、フレーム部１２と一体となり、圧電センサー１０を構成している。圧電センサー要素２０は、加速度センサー１の検知軸方向９と直交する方向へ延びる細長い構成であり、圧電センサー１０の第１被固定部１４ａ及び第２被固定部１４ｃを、支持基板４の第１支持面５ａ及び第２支持面７ａに支持・固定する際に、圧電センサー要素２０の短手方向中心部が、支持基板４の蝶番部８の短手方向幅内に位置するように、蝶番部８の長手方向に沿って第１支持面５ａ及び第２支持面７ａから離間して配置されている。望ましくは、圧電センサー要素２０の短手方向中心部と、蝶番部８の短手方向幅中心部とをほぼ一致させる。なお、蝶番部８の長手方向と短手方向、および圧電センサー要素２０の長手方向と短手方向は、第１支持面５ａまたは第２支持面７ａの拡がる方向に沿っている。
第１被固定部１４ａの少なくとも一部は第１及び第２の梁１２ａ、１２ｂの交差部よりも梁の外側に突出し、第２被固定部１４ｃの少なくとも一部は第３及び第４の梁１２ｃ、１２ｄの交差部よりも梁の外側に突出するように構成する。

圧電センサー要素２０には、例えば図１（ａ）に示すように一対の振動腕２２ａ、２２
ｂと、一対の基部２４ａ、２４ｂと、を備えた双音叉型圧電振動素子を用いる。圧電セン
サー要素２０が、双音叉型圧電振動素子で構成される場合について、図２を用いて簡単に
説明する。
双音叉型圧電振動素子２０は、図２（ａ）に示すような一対の基部２４ａ、２４ｂ及び
基部２４ａ、２４ｂ間を連設する一対の振動腕２２ａ、２２ｂ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と、を備えている。図２（ａ
）の破線は双音叉型圧電振動素子２０の振動姿態を示す平面図である。双音叉型圧電振動
素子２０の振動モードが、一対の振動腕２２ａ、２２ｂの長手方向の中心軸に対して、互
いに対称な振動モードで振動するように励振電極を配置する。図２（ｂ）は振動腕２２ａ
、２２ｂに形成した励振電極と、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。また、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２０、例えば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、
分解能力が優れてい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周波数温度特性は、上に凸の二次曲線であり、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（２
５℃）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一対の振動腕に外力Ｆを加えたときの共振周波数ｆ_Ｆは式（１
）のように表わされる。
ｆ_Ｆ＝ｆ_０（１−（ＫＬ^２Ｆ）／（２ＥＩ））^１／２ （１）
ここで、ｆ_０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＝ｄｗ^３／１２より、式（１）は式（２
）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＝ｆ_０（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。

以上の式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。
図１に示した圧電センサー要素２０は、上記の水晶基板を用いた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振動素子であればどのような振動素子
でもよい。例えば振動体に駆動部を接着した振動素子、シングルビーム振動素子、厚み滑
り振動素子、ＳＡＷ振動素子等を用いることが可能である。

フレーム部１２の動作について、図３に示す模式図を用いて説明する。第２被固定部１
４ｃに−Ｘ軸方向（図中左方）への力（ベクトル）ｆａが、第１被固定部１４ａに＋Ｘ軸
方向（図中右方）への力（ベクトル）ｆｂが、夫々作用するものとする。−Ｘ軸方向の力
ｆａは、ベクトルの平行四辺形の法則により、第３の梁１２ｃの方向の力ｆａ２と、第４
の梁１２ｄの方向の力ｆａ１とに分解され、＋Ｘ軸方向の力ｆｂは、第１の梁１２ａの方
向の力ｆｂ２と、第２の梁１２ｂの方向の力ｆｂ１とに分解される。第２被固定部１４ｃ
及び第１被固定部１４ａに作用するこれらの力ｆａ１、ｆａ２、ｆｂ１、ｆｂ２は、フレ
ーム部１２の第１基台部１４ｂに、第３の梁１２ｃの方向の力ｆａ２と第１の梁１２ａの
方向の力ｆｂ２とが、第２基台部１４ｄに、第４の梁１２ｄの方向の力ｆａ１と第２の梁
１２ｂの方向の力ｆｂ１とが、作用するのと等価である。
第１基台１４ｂに働く力ｆａ２とｆｂ２を、平行四辺形の法則により合成すると力Ｆ２
となる。同様に第２基台１４ｄに働く力ｆａ１とｆｂ１とを合成すると力Ｆ１となる。
フレーム１２の第１被固定部１４ａ及び第２被固定部１４ｃに作用する力ｆａ、ｆｂは
、第１基台１４ｂ及び第２基台１４ｄに作用する力Ｆ２とＦ１と等価である。つまり、フ
レーム部１２は、力の方向を９０度変換させると共に、力の大きさを増大させる機能を有
している。

本発明の加速度センサー１の動作について説明する。加速度センサー１に検出軸９（Ｚ
軸）方向の加速度α（＋Ｚ軸方向）が印加されると、支持基板４の第２支持片７には力Ｆ
（＝ｍ×α、ｍは第２支持片７の質量）が働き、この力Ｆにより第２支持片７は蝶番部８
から−Ｚ軸方向に撓むことになる。第２支持片７が−Ｚ軸方向に撓むと、第１被固定部１
４ａは、図示しない基板に支持・固定された第１基板片に固定されているので、＋Ｘ軸方
向の力が加わる。第２支持片７に固定された第２被固定部１４ｃには、−Ｘ軸方向に力が
作用する。つまり、第２被固定部１４ｃには−Ｘ軸方向の力ｆが、第１被固定部１４ａに
は＋Ｘ軸方向の力ｆが、作用することになる。フレーム部１２の第１被固定部１４ａ及び
第２被固定部１４ｃに互いに逆向きで同じ大きさの力ｆがＸ軸方向に働くと、図３で説明
したように、第１基台部１４ｂ及び第２基台部１４ｄにはＹ軸方向で互いにフレーム部１
２の中心部よりの力Ｆが働く。この力Ｆにより、圧電センサー要素２０は圧縮力が加わる
。圧電センサー要素２０が、例えば双音叉型圧電振動素子の場合にはその周波数が減少す
る。
また、加速度センサー１に−Ｚ軸方向の加速度αが印加されると、第２支持片７は蝶番
部８から＋Ｚ軸方向に撓み、圧電センサー要素２０には伸長力（引張力）が加わる。圧電
センサー要素２０が双音叉型圧電振動素子の場合には、その周波数が増加する。
圧電センサー要素２０の周波数の増減により加速度αの方向が検出でき、周波数の変化
量から加速度αの大きさが検出できる。

図４（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は加速度センサー１の要部である支持基板４の蝶番部８と
、第１基板片５と第２基板片７とに支持・固定された圧電センサー１０と、の相互の位置
関係を示した要部平面図である。図４（ａ）は、蝶番部８の長手方向の中心線が、圧電セ
ンサー１０の圧電センサー要素２０の長手方向の中心線から図中左方にずれた場合の平面
図である。図４（ｂ）は、蝶番部８の長手方向の中心線と、圧電センサー要素２０の長手
方向の中心線とが一致する場合の平面図である。図４（ｃ）は蝶番部８の長手方向の中心
線が、圧電センサー要素２０の長手方向の中心線から図中右方へずれた場合の平面図であ
る。
図４（ａ）、（ｂ）、（ｃ）の夫々の場合のセンサー感度（同一の力を加えた場合の周
波数変化度）を有限要素法を用いてシミュレーションした。その結果、図４（ｂ）の場合
が、フレーム部１２の各梁に均等に応力が加わり、且つ蝶番部８の中央部に応力が集中し
、センサー感度がもっとも大きいことが判明した。図４（ａ）、（ｃ）の場合は、フレー
ム部１２の各梁に加わる応力は均等ではなく、且つ蝶番部８にかかる応力も中央より端の
方に分散し、センサー感度も小さくなることが判明した。
これに対し、特許第２８５１５６６号公報では、該公報の図４に示されているように、
蝶番軸（蝶番の中心線）と、振動枝（双音叉型振動子）の長手方向の中心線とが離れてお
り、本発明の加速度センサーとは大きく異なる。

以上では、第１の梁乃至第４の梁１２ａ〜１２ｄの形成するフレーム部１２の形状が、
平行四辺形の場合について説明したが、フレーム部１２はこれに限定するものではない。
第１の梁１２ａと第１被固定部１４ａ、第２の梁１２ｂと第１被固定部１４ａ、第３の梁
１２ｃと第２被固定部１４ｃ、第４の梁１２ｄと第２被固定部１４ｃがいずれもほぼＬ字
状を形成し、第１の梁１２ａと第２の梁１２ｂ、及び第３の梁１２ｃと第４の梁１２ｄは
、夫々コ字状に連結していてもよい。
また、第１の梁乃至第４の梁１２ａ〜１２ｄは、いずれも円弧状とし、第１の梁１２ａ
と第２の梁１２ｂ、及び第３の梁１２ｃと第４の梁１２ｄは、夫々半円状、半楕円状、或
いは半長円状に形成されていてもよい。
以上何れの場合も、第２基板片に加わる力の方向を９０度変換し、且つ力の大きさを増大
するという効果がある。

加速度センサー１の組み立ては、圧電センサー１０の第１被固定部１４ａ及び第２被固
定部１４ｃに接着剤３０、例えば残留歪の少ない低融点ガラスを塗布し、第１被固定部１
４ａ及び第２被固定部１４ｃを、支持基板４の第１支持面５ａ及び第２支持面７ａに、接
着固定する。これを密閉容器に入れ、内部を真空にして加速度センサー１を構成する。加
速度センサー１の検出感度を上げるには、第２支持片７の表面に錘を貼り付ける方法があ
る。
支持基板４及び圧電センサー１０の製造法の一例は、平板状の圧電基板にフォトリソグ
ラフィ技法とエッチング手段を適用して製造する方法である。更に圧電センサー１０の場
合は蒸着法を用いて電極及びリード電極、パッド電極等を形成する。圧電基板としては、
水晶、タンタル酸リチウム、ニオブ酸リチウム、ランガサイト等の圧電基板がある。例え
ば水晶基板（水晶ウエハー）を用いる場合には、フォトリソグラフィ技法とエッチング手
法については長年の実績があり、精度のよい圧電センサー１０及び支持基板４の量産化が
容易である。

支持基板４と圧電センサー１０との形成にフォトリソグラフィ技法とエッチング手法を
用いれば、寸法精度の良い支持基板４と圧電センサー１０とが形成でき、これらから小型
で低コストの加速度センサー１が量産可能になるという効果がある。その上、加速度セン
サーは第１の梁乃至第４の梁１２ａ〜１２ｄが形成するフレーム部１２が加速度印加によ
り生じる力の方向を９０度変換すると共に、力の大きさを増大するように作用するので、
小さな加速度も検出できる高感度で、精度が高く再現性のある加速度センサーが得られる
という効果がある。
また、第１の梁乃至第４の梁１２ａ〜１２ｄを同一幅の細幅帯状に形成することにより
、加速度印加により生じる力の伝達効率がよく、小さく加速度を再現性よく検出すること
が可能になるという効果がある。

第１基板片５及び第２基板片７と蝶番部８とが、フォトリソグラフィ技法とエッチング
手法を用いて圧電基板から一体的に形成されることにより、各部の寸法が精度よく形成で
き、加速度センサーの検出感度を上げ、検出精度を改善できるという効果がある。また、
第１基板片５の第１支持面５ａと第２基板片７の第２支持面７ａとを同一平面上にするこ
とは容易であり、支持基板４と圧電センサー１０との接着による歪を最小にし、加速度セ
ンサーの歩留まりと、検出精度の再現性を改善するという効果がある。
また、圧電センサー要素２０の短手方向中心部と、蝶番部８の短手方向幅中心部とをほ
ぼ一致させることにより、加速度センサーの感度（同一の加速度が印加された場合の前記
圧電センサー要素の周波数変化量）が最も良くなるという効果がある。
第１の梁１２ａと第２の梁１２ｂとのなす角度、及び第３の梁１２ｃと第４の梁１２ｄ
とのなす角度を鈍角とすることにより、第１の梁１２ａと第３の梁１２ｃとのなす角度、
及び第２の梁１２ｂと第４の梁１２ｄとのなす角度が鋭角になり、第２基板片７に加わる
力の方向を９０度変換し、且つ力の大きさを増大するという効果がある。
また、第１被固定部及第２被固定部１４ａ、１４ｃが、第１及び第２の梁１２ａ、１２
ｂの交差部及び第３及び第４の梁１２ｃ、１２ｄの交差部よりも各梁の外側に突出したよ
うに形成するので、第２基板片に加わる力を各梁に均等に伝達するという効果がある。

図５は第２の実施例の加速度センサー２の構成を示す図であり、同図（ａ）は平面図、
同図（ｂ）はＱ−Ｑにおける断面図である。図１に示した加速度センサー１と異なる点は
、圧電センサー１０の第１被固定部１４ａ及び第２被固定部１４ｃに夫々矩形状の第１板
状基板及び第２板状基板２８ａ、２８ｂを付加した点である。第１板状基板２８ａは圧電
センサー要素２０の励振電極から延在するリード電極（引出電極）の接続位置の自由度を
増し、第２板状基板２８ｂは第２基板片７に接着剤３０で接着・固定することにより、第
２基板片７の質量が増し、加速度センサー２の感度を上げる効果がある。

図６は本発明の加速度検出装置３の構成を示すブロック図である。加速度検出装置３は
、上記の加速度センサー１と、該加速度センサー１の圧電センサー要素２０を励振する発
振回路５１と、該発振回路５１の出力周波数をカウントするカウンター５３と、該カウン
ター５３の信号を処理する演算回路５５を有するＩＣ５０と、表示部５６と、を備えた加
速度検出装置である。
支持基板及び前記圧電センサー４、１０を、水晶基板を用いて形成し、且つ圧電センサ
ー要素２０を双音叉型水晶振動素子として加速度センサーを構成し、該加速度センサーと
、前記各機能を備えたＩＣとで加速度検出装置を構成すると、加速度検出感度が大幅に改
善され、検出精度、再現性、温度特性、エージング等の優れた加速度検出装置が実現でき
るという効果がある。

１、２…加速度センサー、３…加速度検出装置、４…支持基板、５…第１基板片、５ａ…第１支持面、７…第２基板片、７ａ…第２支持面、８…蝶番部、９…検知軸、１０…圧電センサー、１２…フレーム部、１２ａ…第１の梁、１２ｂ…第２の梁、１２ｃ…第３の梁、１２ｄ…第４の梁、１４ａ…第１被固定部、１４ｂ…第１基台部、１４ｃ…第２被固定部、１４ｄ…第２基台部、２０…圧電センサー要素、２２ａ、２２ｂ…振動腕、２４ａ、２４ｂ…基部、２６ａ…第１支持片、２６ｂ…第２支持片、２８ａ…第１板状基板、２８ｂ…第１板状基板、３０…接着剤、５０…ＩＣ、５１…発振回路、５３…カウンター、５５…演算回路、５６…表示部

Claims (10)

1. 第1支持面を有している固定用の第１基板片、前記第１基板片と並んで配置されていると共に、第２支持面を有しており、可動用の第２基板片、および前記第１基板片と前記第２基板片との間にあって前記第１基板片と前記第２基板片とに接続されている蝶番部、を備えている支持基板と、
   前記第１基板片と前記第２基板片の並び方向に直交する方向に沿って延在しており、かつ平面視において前記蝶番部と重なっている中心部を有している圧電センサー要素、前記第１支持面及び前記第２支持面に夫々固定される第１被固定部及び第２被固定部、および前記第１被固定部及び前記第２被固定部に連結されており前記圧電センサー要素を支持している梁、を備えている圧電センサーと、
   を含んでいることを特徴とする加速度センサー。
2. 前記梁は、平面視で、前記圧電センサー要素における前記直交する方向にある一端部と前記第１被固定部とを連結している第１の梁、前記圧電センサー要素における前記直交する方向にある他端部と前記第１被固定部とを連結している第２の梁、前記一端部と前記第２被固定部とを連結している第３の梁、および前記他端部と前記第２被固定部とを連結している第４の梁を備えていることを特徴とする請求項１に記載の加速度センサー。
3. 前記第１支持面及び第２支持面と直交する方向からの平面視で前記第１乃至第４の梁は、夫々全長に渡って同一幅の細幅帯状をなしていることを特徴とする請求項２に記載の加速度センサー。
4. 前記第１基板片及び前記第２基板片と前記蝶番部とが一体的に形成され、且つ前記第１基板片の前記第１支持面と前記第２基板片の前記第２支持面とが同一平面上にあることを特徴とする請求項１又は３に記載の加速度センサー。
5. 前記圧電センサー要素の短手方向中心部の位置が、前記第１支持面及び第２支持面と直交する方向からの平面視で前記蝶番部の短手方向幅中心部と一致し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センサー。
6. 前記第１乃至第４の梁は、いずれも直線状であり、
   前記第１被固定部において前記第１の梁と前記第２の梁とのなす角度、及び前記第２被固定部において前記第３の梁と前記第４の梁とのなす角度は、夫々鈍角であることを特徴とする請求項２乃至５の何れかに記載の加速度センサー。
7. 前記第１乃至第４の梁は、いずれもＬ字状であり、
   前記第１の梁と前記第２の梁、及び前記第３の梁と前記第４の梁は、夫々コ字状に連結していることを特徴とする請求項２乃至６の何れかに記載の加速度センサー。
8. 前記第１乃至第４の梁は、いずれも円弧状であり、
   前記第１の梁と前記第２の梁、及び前記第３の梁と前記第４の梁は、夫々半円状、半楕円状、或いは半長円状の何れかの状態で連結していることを特徴とする請求項２乃至７の何れかに記載の加速度センサー。
9. 前記第１被固定部の少なくとも一部は前記第１及び第２の梁の交差部よりも梁の外側に突出し、前記第２被固定部の少なくとも一部は前記第３及び第４の梁の交差部よりも梁の外側に突出した構成を備えていることを特徴とする請求項２乃至８の何れかに記載の加速度センサー。
10. 請求項１乃至９の何れかに記載の加速度センサーと、
    前記加速度センサーの圧電センサー要素を励振する発振回路と、前記発振回路の出力周波数をカウントするカウンターと、前記カウンターの信号を処理する演算回路を有するＩＣと、を備えていることを特徴とする加速度検出装置。

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