JP6232957B2

JP6232957B2 - 圧電型加速度センサ

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Publication number: JP6232957B2
Application number: JP2013237894A
Authority: JP
Inventors: 観照山本; 仁志坂口
Original assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2013-11-18
Filing date: 2013-11-18
Publication date: 2017-11-22
Anticipated expiration: 2033-11-18
Also published as: JP2015099039A

Description

本発明は、加速度の検出に用いられる圧電型加速度センサに関し、より詳細には、共振周波数変化型の圧電型加速度センサに関する。

従来、ハードディスクドライブなどの電子機器や、車両のエアバック装置などに、加速度センサが用いられている。加速度を高精度に検出するセンサとして、共振周波数変化型の圧電型加速度センサが種々提案されている。下記の特許文献１には、双音叉型水晶振動素子を有する圧電型加速度センサが開示されている。特許文献１では、双音叉型水晶振動素子が、接着剤により支持基板に接合されている。双音叉型水晶振動素子は、内部が真空の密封容器に収納されている。

特許文献１では、厚み方向をＺ軸方向としたときに、双音叉型水晶振動素子がＺ軸方向に加わる力をＸ軸方向及びＹ軸方向の力に変換することにより、Ｘ軸方向の加速度を検出することができるとされている。

他方、下記の非特許文献１には、ＡｌＮ圧電薄膜を用いた双音叉型圧電振動素子を有する共振周波数変化型の圧電型加速度センサが開示されている。

特開２０１２−２４２３４３号公報

Journal of Microeletromechanical Systems, Vol.18, No3, June 2009

特許文献１に記載の加速度センサでは、接着剤により支持基板に双音叉型水晶振動素子が接合されていたが、高精度に接合することが困難であった。そのため、接合ずれによる感度の低下が生じるおそれがあった。また、水晶を用いているため、小型化が困難であった。さらに、双音叉型水晶振動素子の周囲が真空であるため、構造自体の共振のＱが極めて大きくなっていた。そのため、破壊しやすいという問題があった。

他方、非特許文献１に記載の圧電型加速度センサでは、検出する加速度の方向と、圧電振動素子の振動方向が同じであった。そのため、圧電振動素子の厚み方向すなわちＺ軸方向に加わる加速度を検出することができなかった。さらに、内部が真空の密閉容器に収納されており、製造コストが高いという問題があった。

本発明の目的は、Ｚ軸方向に加わる加速度の検出ができ、かつ小型化を進め得る圧電型加速度センサを提供することにある。

本発明に係る圧電型加速度センサは、加速度が加わった際の共振周波数の変化により加速度を検出する圧電型加速度センサである。本発明に係る圧電型加速度センサは、凹部が設けられている支持面を有する支持体と、上記支持体の支持面に固定されており、上記凹部の底面に対して上記凹部により形成されるギャップを隔てて配置されている圧電振動素子とを備え、上記圧電振動素子が、スリットを有する圧電膜と、上記圧電膜に接するように設けられた第１，第２の電極とを備え、上記圧電振動素子に加わった加速度による応力の中立面が上記ギャップ内または支持体の内部に位置している。

本発明に係る圧電型加速度センサのある特定の局面では、上記圧電振動素子が、振動子本体部と、振動子本体部に連ねられた連結部とを備え、上記連結部が、上記支持体の上記支持面に固定されている。

本発明に係る圧電型加速度センサの他の特定の局面では、上記連結部が、上記振動子本体部の長さ方向一端及び他端にそれぞれ連結されている。

本発明に係る圧電型加速度センサのさらに他の特定の局面では、上記振動子本体部が、輪郭振動モードで振動する振動子本体部である。

本発明に係る圧電型加速度センサのさらに別の特定の局面では、上記振動子本体部が、長さ方向を有する矩形の平面形状を有し、上記スリットが、上記長さ方向に延びるように設けられている。

本発明に係る圧電型加速度センサのさらに他の特定の局面では、一方の連結部に、質量を付加する質量付加部が連結されている。

本発明に係る圧電型加速度センサのさらに他の特定の局面では、上記質量付加部が上記支持体と一体に構成されている。

本発明に係る圧電型加速度センサのさらに他の特定の局面では、上記圧電振動素子において、上記第１の電極と上記第２の電極とが、上記圧電薄膜の少なくとも一部の層を介して重なり合うように配置されている。

本発明に係る圧電型加速度センサのさらに別の特定の局面では、上記圧電振動素子が、双音叉型圧電振動素子である。

本発明に係る圧電型加速度センサのさらに別の特定の局面では、上記第１，第２の電極が、互いに間挿し合う複数本の電極指を有し、インターデジタル電極が構成されている。

本発明に係る圧電型加速度センサによれば、支持体の凹部により形成されるギャップを隔てて圧電振動素子が凹部の底面に対して隔てられて配置されており、圧電振動素子に加わった加速度による応力の中立面がギャップ内または支持体の内部に位置しているため、Ｚ軸方向すなわち圧電振動素子の厚み方向に加わる加速度を検出することができる。また、小型化が可能である。

本発明の第１の実施形態に係る圧電型加速度センサの斜視図である。（ａ）は、本発明の第１の実施形態の圧電型加速度センサの平面図であり、（ｂ）は（ａ）中のＡ−Ａ線に沿う断面図であり、（ｃ）は（ａ）中のＢ−Ｂ線に沿う断面図である。本発明の第１の実施形態の圧電型加速度センサの各部分の寸法を説明するための平面図である。本発明の第１の実施形態の圧電型加速度センサのインピーダンス特性を示す図である。本発明の第１の実施形態の圧電型加速度センサの実施例と、比較例の圧電型加速度センサの加速度と周波数シフト量とを示す図である。本発明の第２の実施形態に係る圧電型加速度センサの平面図である。本発明の第３の実施形態に係る圧電型加速度センサの平面図である。本発明の第４の実施形態に係る圧電型加速度センサの斜視図である。本発明の第５の実施形態に係る圧電型加速度センサの斜視図である。

以下、図面を参照しつつ、本発明の具体的な実施形態を説明することにより、本発明を明らかにする。

図１は、本発明の第１の実施形態に係る圧電型加速度センサの斜視図であり、図２（ａ）は該圧電型加速度センサの平面図である。図２（ｂ）及び（ｃ）は、図２（ａ）中のＡ−Ａ線及びＢ−Ｂ線に沿う断面図である。

圧電型加速度センサ１は、加速度が加わった際の共振周波数の変化により、加速度を検出する圧電型加速度センサである。

圧電型加速度センサ１において、図２（ａ）に示すように、長さ方向をＸ軸方向とし、Ｘ軸方向における一方の方向を方向Ｘ１、他方の方向を方向Ｘ２とする。また、幅方向をＹ軸方向とし、Ｙ軸方向における一方の方向を方向Ｙ１、他方の方向を方向Ｙ２とする。そして、図２（ｂ）に示すように、厚み方向をＺ軸方向とする。

本実施形態の圧電型加速度センサ１は、支持体２を有する。支持体２は、平面形状が矩形の形状を有する。支持体２は、本実施形態ではシリコンからなる。もっとも、支持体２は、Ｓｉ基板と、Ｓｉ基板上に設けられたＳｉＯ_２膜等の絶縁膜とからなる構造であってもよい。

また、支持体２は、本体部２ｂを有する。本体部２ｂは、平面形状が矩形であり、上面２ｃを有する。支持体２の上面２ｃには、上方に開いた凹部２ａが形成されている。

図２（ｃ）に示すように、支持体２の本体部２ｂの上記方向Ｘ２側の端部において、本体部２ｂの下面に支持梁２ｄが設けられている。支持梁２ｄは、圧電型加速度センサ１を外部から支持するために用いられる。

もっとも、支持梁２ｄは設けられずともよい。すなわち、支持体２の上記方向側の端部のいずれの部分において外部から支持してもよい。圧電型加速度センサ１は、Ｘ２方向側の端部において、外部に固定され、片持ち梁で支持される。

なお、本体部２ｂのＸ１方向側の端部においては、本体部２ｂの下面に質量付加部２ｅが設けられている。質量付加部２ｅは、支持体２のＸ１方向側の端部を下方に付勢する錘として機能する。

本実施形態では、質量付加部２ｅは、本体部２ｂと同一材料で一体に構成されている。もっとも、質量付加部２ｅは別の材料で構成されていてもよい。その場合には、質量付加部２ｅを支持体２の本体部２ｂの下面に接合すればよい。

上記本体部２ｂは、前述したように矩形の平面形状を有するが、上面２ｃには前述した凹部２ａが形成されている。凹部２ａは、特に限定されるわけではないが、矩形の平面形状を有し、図２（ａ）及び（ｂ）に示すように、Ｙ１方向及びＹ２方向において両端に至っている。すなわち、圧電型加速度センサ１の支持体２の幅方向両端に至るように凹部２ａが形成されている。

上記支持体２の上面２ｃに、加速度検出素子として、圧電振動素子３が固定されている。圧電振動素子３は、振動子本体３Ｘを有する。振動子本体３Ｘは、Ｘ軸方向を長さ方向とする矩形の平面形状を有する。振動子本体３Ｘには、第１のスリット８ａと、第２のスリット８ｂが形成されている。第１のスリット８ａ及び第２のスリット８ｂは、Ｘ軸方向が長さ方向である細長い矩形の平面形状を有する。

第１のスリット８ａの外側には、第１の駆動部３ａが第１のスリット８ａと平行に延びるように設けられている。また、第２のスリット８ｂの外側が、第２の駆動部３ｂである。第２の駆動部３ｂも第２のスリット８ｂと平行に延びている。

上記第１の駆動部３ａ及び第２の駆動部３ｂの長さは、第１，第２のスリット８ａ，８ｂと等しい。すなわち、第１の駆動部３ａ及び第２の駆動部３ｂの長さ方向両端は、第１，第２のスリット８ａ，８ｂの長さ方向両端と等しくされている。そして、第１の駆動部３ａと第２の駆動部３ｂの長さ方向両端に繋がるように、接続部３ｄ，３ｅが設けられている。接続部３ｄ，３ｅは、圧電型加速度センサ１の幅方向の両端に至るように設けられている。

上記接続部３ｄ，３ｅは、上記幅方向に延びる矩形の形状を有している。また、第１，第２の駆動部３ａ，３ｂと平行に、幅方向中央において長さ方向に延びる振動子中央部３ｃが設けられている。

上記第１，第２の駆動部３ａ，３ｂ及び振動子中央部３ｃの長さ方向、つまりＸ軸方向における一端同士を接続するように、第１の接続部３ｄが設けられている。他方、第１の駆動部３ａ、第２の駆動部３ｂ及び振動子中央部３ｃの長さ方向、つまりＸ軸方向における他端同士を結ぶように、第２の接続部３ｅが設けられている。

第１，第２の接続部３ｄ，３ｅは、圧電型加速度センサ１の幅方向両端に至るように設けられている。

本実施形態では、上記第１，第２の駆動部３ａ，３ｂ及び振動子中央部３ｃと、上記接続部３ｄ，３ｅとにより振動子本体３Ｘが構成されている。この振動子本体３Ｘは、その外形が矩形の形状を有する。

他方、上記第１，第２の接続部３ｄ，３ｅの外側端縁中央にそれぞれ、第１，第２の連結部３ｆ，３ｇが設けられている。ここで、外側とは振動子本体３Ｘの中心から遠ざかる側をいうものとする。第１の連結部３ｆの外側端が、第１の支持部３ｈに接続されている。第１の支持部３ｈは幅方向両端に至るように設けられている。同様に、第２の連結部３ｇの外側端が、第２の支持部３ｉに連ねられている。第１の支持部３ｈ及び第２の支持部３ｉは、前述した支持体２の上面２ｃに接合されている部分である。

ところで、上記振動子本体３Ｘと第１，第２の連結部３ｆ，３ｇ及び第１，第２の支持部３ｈ，３ｉは、圧電薄膜を用いて一体的に構成されている。より具体的には、本実施形態では、保持膜としての第１のＡｌＮ膜４と、圧電効果を利用する膜としての第２のＡｌＮ膜５とが積層されている。第１のＡｌＮ膜４と第２のＡｌＮ膜５との間には、第１の電極６が積層されている。この第１の電極６は、前述した振動子本体３Ｘ、第１，第２の連結部３ｆ，３ｇ及び第１，第２の支持部３ｈ，３ｉの全領域に至るように設けられている。

他方、駆動部３ａ，３ｂにおいては、第２のＡｌＮ膜５の上面に、第２の電極７が積層されている。第２のＡｌＮ膜５は、Ｃ軸に配向しており、厚み方向に分極されている。

本実施形態の圧電型加速度センサ１の動作を説明する。

駆動に際しては、第１の電極６と第２の電極７との間に交番電界を印加する。それによって、上記圧電振動素子３の振動子本体３Ｘが輪郭モードで振動し、共振特性が得られる。

第１の実施形態では、上記輪郭振動に類似したモードで駆動することができるため、１ＭＨｚ以上の周波数で駆動することができる。また電気機械結合係数が良好である。従って、大気中において容易に振動させることができる。

他方、上記圧電型加速度センサ１に加速度による力が作用すると、上記共振特性が変化する。この共振特性の変化により加速度を検出することができる。

なお、共振特性の変化とは、特に限定されないが、共振周波数におけるインピーダンスの値の変化、共振周波数の周波数位置の変化、反共振周波数におけるインピーダンスの変化、または反共振周波数の位置の変化などの適宜のファクターの変化を利用することができる。

加速度がＺ軸方向、すなわち圧電振動素子３の厚み方向に加速度が作用した場合、圧電振動素子３において伸縮が生じる。すなわち、本実施形態によれば、凹部２ａに基づくギャップを隔てて、支持体２に対して上記のようにして圧電振動素子３が固定されている。さらに、上記凹部２ａに基づくギャップを隔てて圧電振動素子３が配置されており、さらに該圧電型加速度センサ１に加わったＺ軸方向の加速度による応力の中立面がギャップ内に位置している。従って、圧電振動子３には圧縮応力または引張応力が加わることになり、圧電振動素子３において伸縮が生じ、Ｚ軸方向の加速度を検出することができる。

なお、圧電型加速度センサ１に加わったＺ軸方向の加速度による応力の中立面は、ギャップ内ではなく、支持体２の本体部２ｂ、すなわち支持体２の内部に位置していてもよい。この場合においても、圧電振動子３には圧縮応力または引張応力が加わることになり、圧電振動素子３において伸縮が生じ、Ｚ軸方向の加速度を検出することができる。

また、本実施形態では、圧電型加速度センサ１は、輪郭振動などの面内振動モードで振動する。従って、上記凹部２ａに起因するギャップの隙間が小さい場合であっても、圧電振動素子３が支持体２の本体部２ｂに接触しがたい。よって、いわゆるＭＥＭＳ構造を利用して、Ｚ軸方向の加速度をも検出し得る圧電型加速度センサ１を構成することができる。

さらに、上記輪郭振動を利用する場合、真空パッケージを要することなく、大気中において圧電振動素子３を振動させることができる。例えば、共振周波数が１ＭＨｚ以上の輪郭振動を利用した場合においても、大気中において容易に振動させることができる。従って、圧電振動素子３を真空パッケージに収納する必要がない。よって、製造コストを低くすることができる。加えて、小型化が可能である。

なお、本実施形態では、上記質量付加部２ｅが設けられているため、測定感度をより一層効果的に高めることができる。もっとも、質量付加部２ｅは必ずしも設けられずともよい。

なお、本実施形態では第１のＡｌＮ膜４を保持膜として用いている。もっとも、この保持膜はＡｌＮなどの圧電材料により形成される必要は必ずしもない。すなわち、圧電作用を積極的に利用するのは、第１の電極６と第２の電極７との間に挟まれている第２のＡｌＮ膜５である。従って、第１の電極６の下方に位置している第１のＡｌＮ膜４は、ＳｉＯ_２膜の他の誘電体材料や他の圧電材料などの適宜の材料で形成することができる。

次に、具体的なシミュレーション例としての上記実施形態の実施例と、比較例との加速度検出試験につき説明する。図３は、実施例として用意した上記実施形態に係る圧電型加速度センサ１に係る各部分の寸法を示し、これらの寸法を下記の表１に示すように設定した。

図４は、本実施形態の圧電型加速度センサ１において加速度が作用していないときの共振特性を示す図である。図４より、共振周波数は１７．４ＭＨｚであり、電気機械結合係数は６．５％程度であることがわかる。従って、良好な共振特性を示していることがわかる。

図５は、上記実施例の圧電型加速度センサにおいて、Ｚ軸方向に加速度を加えた場合の加速度と、共振周波数の周波数シフト量Δｆ（Ｈｚ）との関係を示す。

また、比較例として、上記Ｓｉからなる支持体２が用いられていない上記圧電振動素子３のみを用いた比較例を用意した。この比較例における加速度と周波数シフト量も図５に併せて示す。

図５から明らかなように、上記支持体２が設けられていない場合には、重力加速度に対し、周波数シフト量が２次関数的に変化している。これに対して、実施例によれば、作用する加速度の大きさに対し、周波数シフト量が線形に変化している。従って、実施例によれば、作用しているＺ軸方向の加速度を高精度に検出し得ることがわかる。

なお、上記実施形態では圧電膜としてＡｌＮ膜を用いたが、ＰＺＴ膜のような様々な他の圧電膜を用いることができる。また、第１，第２の電極６，７間に挟まれる圧電膜の厚みは、上記実験例に限らず、１００ｎｍ〜３μｍ程度の薄膜であれば適宜の膜厚とすることができる。

また、第１，第２の電極６，７は、モリブデンにより形成されていたが、タングステンや銅、アルミニウム、ルテニウムなどの様々な金属もしくはこれらの合金により形成することができる。

支持体２についても前述したようにＳｉに限らず、様々な誘電体または絶縁体により形成することができる。

図６は、本発明の第２の実施形態の圧電型加速度センサ２１の模式的平面図である。本実施形態では振動子本体２３が、くし歯状の第１の電極２５と、くし歯状の第２の電極２６とを有する。第１の電極２５の複数本の電極指と、第２の電極２６の複数本の電極指が互いに間挿し合っている。すなわち、インターデジタル電極が構成されている。このように、圧電膜２４に接するように設けられている第１，第２の電極２５，２６は、インターデジタル電極を構成していてもよい。この場合においても、第１の電極２５と第２の電極２６との間に交番電界を印加することにより、共振特性を得ることができる。そして、加速度が作用した場合に上記共振特性が変化するため、第１の実施形態と同様に、加速度を検出することができる。

なお、第２の実施形態においては、上記振動子本体２３が第１の実施形態の圧電振動素子３と異なることを除いてはほぼ同様に構成されている。従って、同一の部分については同一の参照番号を付することにより他の説明は省略することとする。

第２の実施形態においても、上記振動子本体２３は、図示しないギャップを隔てて支持体２から浮かされている。そして、振動子本体２３に加わった加速度による応力の中立面は、ギャップ内に位置している。よって、第１の実施形態と同様に、第２の実施形態においても、Ｚ軸方向に作用する加速度を検出することができる。加えて、本実施形態においてもＭＥＭＳ構造を採用しているため、製造が容易であり、小型化が可能である。

第２の実施形態においても、圧電型加速度センサ２１に加わったＺ軸方向の加速度による応力の中立面は、ギャップ内ではなく、支持体２の本体部２ｂ、すなわち支持体２の内部に位置していてもよい。この場合においても、圧電振動子３には圧縮応力または引張応力が加わることになり、圧電振動素子３において伸縮が生じ、Ｚ軸方向の加速度を検出することができる。

なお、第２の実施形態では、上記ＩＤＴ電極が構成されているため、ラム波モードで振動させることができる。よって、数１００ＭＨｚ〜数ＭＨｚの高周波数域で振動させることができる。

図７は、第３の実施形態の圧電型加速度センサ３１の平面図である。本実施形態では、振動子本体において、幅方向中央において長さ方向に延びる一本のスリット３８が設けられている。このスリット３８の両側に、それぞれ駆動部３９ａ，３９ｂが設けられている。その他の構造は、第１の実施形態と同様であるため、同一部分については同一の参照番号を付することにより、詳細な説明は省略する。

もっとも、図７に示した圧電振動素子３３を用いる場合には、真空パッケージが必要となる。もっとも、この場合においても、ギャップを隔てて振動子本体が構成されているため、また応力の中立面がギャップ内に位置しているため、Ｚ軸方向に作用する加速度を検出することができる。さらに、ＭＥＭＳプロセスを用いて加工できるため、小型化及び高精度の加工が可能である。

図８は、本発明の第４の実施形態に係る圧電型加速度センサ４１の斜視図である。本実施形態では、第１の実施形態の質量付加部２ｅに代えて、質量付加部４２ｅが用いられている。質量付加部４２ｅは、本体部４２ｅ１を有する。本体部４２ｅ１は、支持体２の長さ方向一端に連結されている。そして、本体部４２ｅ１は、支持体２の幅方向全長を超えて幅方向両外側に延ばされている。

さらに、上記本体部４２ｅ１の両端から、支持体２の長さ方向と平行に延びる突出部４２ｅ２，４２ｅ３が連ねられている。このように、第１の実施形態の質量付加部２ｅよりも大きい質量付加部４２ｅを設けてもよい。その場合において質量付加部４２ｅによる質量付加作用が大きいため、測定感度をより一層高めることができる。

また、図９に示す圧電型加速度センサ５１のように、２個の圧電型加速度センサ１，１を長さ方向一端同士を突き合わせて質量付加部５２ｅにより連結してもよい。この場合には、各圧電型加速度センサ１，１の質量付加部５２ｅとは連結されていない側の端部で各圧電型加速度センサ１，１を支持すればよい。

さらに、第１の実施形態と同様にスリットが設けられているため、振動の長さが変化し易くなり、周波数変化量を大きくすることができる。

１…圧電型加速度センサ
２…支持体
２ａ…凹部
２ｂ…本体部
２ｃ…上面
２ｄ…支持梁
２ｅ…質量付加部
３…圧電振動素子
３ａ，３ｂ…第１，第２の駆動部
３ｃ…振動子中央部
３ｄ，３ｅ…第１，第２の接続部
３ｆ，３ｇ…第１，第２の連結部
３ｈ，３ｉ…第１，第２の支持部
３Ｘ…振動子本体
４…第１のＡｌＮ膜
５…第２のＡｌＮ膜
６，７…第１，第２の電極
８ａ，８ｂ…第１，第２のスリット
２１…圧電型加速度センサ
２３…振動子本体
２４…圧電膜
２５，２６…第１，第２の電極
３１…圧電型加速度センサ
３３…圧電振動素子
３８…スリット
３９ａ，３９ｂ…駆動部
４１…圧電型加速度センサ
４２ｅ…質量付加部
４２ｅ１…本体部
４２ｅ２，４２ｅ３…突出部
５２ｅ…質量付加部

Claims

加速度が加わった際の共振周波数の変化により加速度を検出する圧電型加速度センサであって、
凹部が設けられている支持面を有する支持体と、
前記支持体の支持面に固定されており、前記凹部の底面に対して前記凹部により形成されるギャップを隔てて配置されており、長さ方向及び幅方向を有する圧電振動素子とを備え、
前記圧電振動素子が、長さ方向に延びる第１，第２のスリットを有する圧電膜と、前記圧電膜に接するように設けられた第１，第２の電極とを備え、
前記圧電振動素子が、矩形の平面形状を有する振動子本体部を有し、前記振動子本体部が、前記幅方向において前記第１，第２のスリットの外側にそれぞれ設けられており、前記長さ方向に延びており、前記第１，第２の電極をそれぞれ有する第１，第２の駆動部と、前記第１，第２のスリット間に挟まれており、前記長さ方向に延びている振動子中央部と、前記第１，第２の駆動部及び前記振動子中央部の前記長さ方向一端同士を接続している第１の接続部と、前記第１，第２の駆動部及び前記振動子中央部の前記長さ方向他端同士を接続している第２の接続部とを有し、
前記圧電振動素子に加わった加速度による応力の中立面が前記ギャップ内または前記支持体の内部に位置している、圧電型加速度センサ。
前記圧電振動素子が、振動子本体部と、振動子本体部に連ねられた連結部とを備え、前記連結部が、前記支持体の前記支持面に固定されている、請求項１に記載の圧電型加速度センサ。
前記連結部が、前記振動子本体部の長さ方向一端及び他端にそれぞれ連結されている、請求項１または２に記載の圧電型加速度センサ。
前記振動子本体部が、輪郭振動モードで振動する振動子本体部である、請求項１〜３のいずれか１項に記載の圧電型加速度センサ。
一方の連結部に、質量を付加する質量付加部が連結されている、請求項３に記載の圧電型加速度センサ。
前記質量付加部が前記支持体と一体に構成されている、請求項５に記載の圧電型加速度センサ。