(57)【要約】【課題】  複数の向きの加速度を検出することができ、かつ、検出精度を向上させた加速度検出素子を得る。【解決手段】圧電基板１と、圧電基板１の一方主面３に配置され、第１仮想直線に沿って圧電基板１の一方主面３を伝搬する第１弾性表面波の加速度の印加に伴う周波数変化を検出する第１発信電極と第１受信電極とから構成される第１音響波素子と、圧電基板１の一方主面３に配置され、平面視して第１仮想直線５と交わる第２仮想直線６に沿って圧電基板１の一方主面３を伝搬する第２弾性表面波の加速度の印加に伴う周波数変化を検出する第２発信電極と第２受信電極とから構成される第２音響波素子と、を備えた加速度検出素子。【選択図】  図１
2010151630.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧電基板と、
前記圧電基板の一方主面に配置され、第１仮想直線に沿って前記圧電基板の前記一方主面を伝搬する第１弾性表面波の加速度の印加に伴う周波数変化を検出する第１音響波素子と、
前記圧電基板の前記一方主面に配置され、平面視して前記第１仮想直線と交わる第２仮想直線に沿って前記圧電基板の前記一方主面を伝搬する第２弾性表面波の加速度の印加に伴う周波数変化または位相変化を検出する第２音響波素子と、を備えた加速度検出素子。
【請求項２】
前記圧電基板は加速度を受けると撓む可撓部を有し、
前記第１音響波素子は、前記第１弾性表面波を発信する第１発信電極と、前記第１弾性表面波を受信する第１受信電極と、を備え、
前記第２音響波素子は、前記第２弾性表面波を発信する第２発信電極と、前記第２弾性表面波を受信する第２受信電極と、を備え、
前記第１発信電極と前記第１受信電極の少なくとも一方と、前記第２発信電極と前記第２受信電極の少なくとも一方と、が前記可撓部上に配置されている請求項１記載の加速度検出素子。
【請求項３】
前記圧電基板の前記一方主面と対向する他方主面に配置された重り部をさらに有する請求項２記載の加速度検出素子。
【請求項４】
圧電基板と、
前記圧電基板の一方主面に配置され、第１仮想直線に沿って前記圧電基板の前記一方主面を伝搬する第１弾性表面波の加速度の印加に伴う周波数変化を検出する第１音響波素子と、
前記圧電基板の前記一方主面に前記第１音響波素子と所定の間隔を設けた状態で配置され、前記第１仮想直線に沿って前記圧電基板の前記一方主面を伝搬する第２弾性表面波の加速度の印加に伴う周波数変化を検出する第２音響波素子と、
前記圧電基板を平面視したときに前記第１音響波素子と前記第２音響波素子との間に位置し、かつ前記圧電基板の前記一方主面と対向する他方主面に配置される重り部と、を備えた加速度検出素子。
【請求項５】
前記圧電基板は加速度を受けると撓む可撓部を有し、
前記第１音響波素子は、前記第１弾性表面波を発信する第１発信電極と、前記第１弾性表面波を受信する第１受信電極と、を備え、
前記第２音響波素子は、前記第２弾性表面波を発信する第２発信電極と、前記第２弾性表面波を受信する第２受信電極と、を備え、
前記第１発信電極と前記第１受信電極の少なくとも一方と、前記第２発信電極と前記第２受信電極の少なくとも一方と、が前記可撓部上に配置されている請求項４記載の加速度検出素子。
【請求項６】
前記第１、第２受信電極が、前記圧電基板を平面視したときに前記一方主面の前記重り部と重なる領域に配置されている請求項３または５に記載の加速度検出素子。
【請求項７】
前記圧電基板を平面視したときに前記一方主面の前記重り部と重なる領域に配置され、基準弾性表面波を発信する基準発信電極と、
前記圧電基板を平面視したときに前記一方主面の前記重り部と重なる領域に配置され、前記基準弾性表面波を受信する基準受信電極と、をさらに備える請求項３または４に記載の加速度検出素子。
【請求項８】
前記重り部は、前記他方主面側に開口する空洞部を有しており、前記圧電基板を平面視したときに前記基準発信電極と前記基準受信電極とが前記空洞部の開口面と重なる領域に配置されている、請求項７記載の加速度検出素子。
【請求項９】
前記圧電基板に配置され、前記重り部を囲繞する枠状の固定部と、
前記圧電基板を平面視したときに前記一方主面の前記固定部と重なる領域に配置され、基準弾性表面波を発信する基準発信電極と、
前記圧電基板を平面視したときに前記一方主面の前記固定部と重なる領域に配置され、前記基準弾性表面波を受信する基準受信電極と、をさらに備える請求項３または４に記載の加速度検出素子。
【請求項１０】
前記圧電基板は、厚み方向に分極している等方性の結晶からなる請求項１乃至９のいずれかに記載の加速度検出素子。
【請求項１１】
請求項１乃至１０のいずれかに記載の加速度検出素子と、
前記第１、第２音響波素子の出力信号を信号処理するＩＣチップと、を備えた加速度検出装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、加速度を検出する加速度検出素子および加速度検出装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
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出などに、加速度検出素子が使用されている。
【０００３】
加速度を検出する方法としては、Ｓｉ基板上の検出する軸方向に少なくとも４つのピエゾ抵抗素子を設け、ピエゾ抵抗素子でブリッジ回路を形成したピエゾ抵抗型加速度検出装置が知られている。このような加速度検出装置に力が加わると、Ｓｉ基板が機械的に変形してピエゾ抵抗の抵抗値が変化する。それを、ピエゾ抵抗の電位変化として検出することにより加速度を検出する（例えば、特許文献１参照）。
【特許文献１】国際公開第８８／０８５２２号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、ピエゾ抵抗を用いた従来の加速度検出装置においては、ピエゾ抵抗が温度によって変化しやすいことから加速度検出結果の温度依存性が大きいという問題があった。
【０００５】
本発明は、以上の問題点に鑑み案出されたものであり、その目的は、温度安定性に優れた加速度検出素子及び加速度検出装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明に係る加速度検出素子は、圧電基板と、前記圧電基板の一方主面に配置され、第１仮想直線に沿って前記圧電基板の前記一方主面を伝搬する第１弾性表面波の加速度の印加に伴う周波数変化を検出する第１音響波素子と、前記圧電基板の前記一方主面に配置され、平面視して前記第１仮想直線と交わる第２仮想直線に沿って前記圧電基板の前記一方主面を伝搬する第２弾性表面波の加速度の印加に伴う周波数変化を検出する第２音響波素子と、を備える。
【０００７】
また、本発明に係る加速度検出素子は、圧電基板と、前記圧電基板の一方主面に配置され、第１仮想直線に沿って前記圧電基板の前記一方主面を伝搬する第１弾性表面波の加速度の印加に伴う周波数変化を検出する第１音響波素子と、前記圧電基板の前記一方主面に前記第１音響波素子と所定の間隔を設けた状態で配置され、前記第１仮想直線に沿って前記圧電基板の前記一方主面を伝搬する第２弾性表面波の加速度の印加に伴う周波数変化を検出する第２音響波素子と、前記圧電基板を平面視したときに前記第１音響波素子と前記第２音響波素子との間に位置し、かつ前記圧電基板の前記一方主面と対向する他方主面に配置される重り部と、を備える。
【０００８】
また、本発明に係る加速度検出装置は、上記いずれかの加速度検出素子と、前記第１、第２音響波素子の出力信号を信号処理するＩＣチップと、を備える。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、弾性表面波の周波数変化または位相変化により加速度を検出する第１音響波素子と第２音響波素子とを圧電基板上に設けたことにより、音響波の周波数変化または位相変化を加速度検出に用いることから、ピエゾ抵抗を用いた加速度検出と比べて温度変化に対して安定した加速度検出結果を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、本発明の加速度検出素子および加速度検出装置の実施形態について図面を参照して詳細に説明する。なお、図は模式的なものであり実際の寸法比率とは必ずしも一致していない。また、本発明は以下の実施形態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において種々の変更、改良等が可能である。
【００１１】
＜加速度検出素子＞
―第１実施形態―
図１（ａ）は、第１実施形態の加速度検出素子１００を示す平面図であり、図１（ｂ）は、図１（ａ）のＡ−Ａ´線で切断した断面に相当する断面図である。
【００１２】
本実施形態にかかる加速度検出素子１００は、図１（ａ）に示すように、圧電基板１と、圧電基板１の一方主面３に配置され、圧電基板１の一方主面３を伝搬する第１弾性表面波の加速度の印加に伴う周波数変化を検出する第１音響波素子と、圧電基板１の一方主面３に配置され、圧電基板１の一方主面３を伝搬する第２弾性表面波の加速度の印加に伴う周波数変化を検出する第２音響波素子と、を有している。
【００１３】
圧電基板１は、梁部１ａ〜１ｄを有しており、この圧電基板１の他方主面４には重り部２が取り付けられている。それぞれの梁部１ａ〜１ｄには、加速度の印加に伴う弾性表面波の周波数変化を検出する音響波素子７〜１０が形成されている。梁部１ａ〜１ｄは、加速度を受けると撓む可撓部Ｆ１を有している。第１実施形態において、可撓部Ｆ１は図１（ｂ）に示すように、梁部１ａ〜１ｄのうち平面視して重り部２と重ならない部分である。梁部１ａ〜１ｄは、例えば、長手方向の長さが０．３ｍｍ〜０．８ｍｍに設定され、幅（長手方向と直交する方向の長さ）が０．０４ｍｍ〜０．２ｍｍに設定され、厚みが２μｍ〜１００μｍに設定されている。このように梁部１ａ〜１ｄを細長く且つ薄く形成することによって、可撓性が発現される。
【００１４】
このように、梁部１ａ〜１ｄを有する圧電基板１は、厚み方向に分極している等方性の結晶であるニオブ酸リチウムやタンタル酸リチウム等の圧電材料からなる。なかでも３６°±３°ＹカットＸ伝搬タンタル酸リチウム単結晶、４２°±３°ＹカットＸ伝搬タンタル酸リチウム単結晶、６４°±３°ＹカットＸ伝搬ニオブ酸リチウム単結晶、４１°±３°ＹカットＸ伝搬リチウム単結晶、４５°±３°ＸカットＺ伝搬四ホウ酸リチウム単結晶は、電気機械結合係数が大きく、かつ、周波数温度係数が小さいため圧電基板１の材料としてより好適である。
【００１５】
また、圧電基板１は、酸素欠陥やＦｅ等の固溶により焦電性を減少させた圧電結晶材料であれば、焦電効果によるＩＤＴ電極間の放電破壊等を防ぐことができるのでデバイスの長期信頼性の上で好ましい。第１実施形態では、梁部１ａ〜１ｄを有する圧電基板１は、例えば、上記の圧電材料からなるウエハにレーザーを照射したり、エッチングしたりすることなどにより加工して作製することができる。
【００１６】
このような加速度検出素子１００に加速度が加わると、加速度に応じた力が重り部２に作用して、重り部２が変位することにより梁部１ａ〜１ｄの可撓部Ｆ１が撓むようになっている。重り部２を設けることにより、加速度検出素子１００に加速度がかかった際に、可撓部Ｆ１の撓み量をより大きくすることができる。なお、重り部２は圧電基板１の中央部に配置されている。
【００１７】
この重り部２は、平面視した時に平面形状が略円形をなしており、その半径の長さは例えば０．１２ｍｍ〜０．２５ｍｍに設定される。また、重り部２の厚みは例えば０．２ｍｍ〜０．６２５ｍｍに設定される。なお、重り部２の平面形状は円形に限られず、正方形や長方形など任意の形状が可能である。重り部２は、シリコン、ＳｉＯ２などを加工して所望の形状にした後、圧電基板１の一方主面３に、接着剤により固定される。なお、重り部２は、圧電基板１と一体形成されてもよい。
【００１８】
さらに、このような重り部２を囲繞するようにして枠状の固定部５０が設けられている。固定部５０は、平面形状が略正方形をなしており、その一辺の長さが例えば１．４ｍｍ〜３．０ｍｍに設定され、固定部５０を構成するアーム幅（アームの長手方向と直交する方向の幅）は例えば０．３ｍｍ〜１．８ｍｍに設定される。また、圧電基板１の最底面から最上面までの固定部５０の厚みは、例えば０．２ｍｍ〜０．６２５ｍｍに設定される。このような固定部５０は、梁部１ａ〜１ｄを形成する際に、圧電基板１を加工して一体形成されてもよいし、他材料を接着剤で取り付けるようにしてもよい。
【００１９】
次に、可撓部Ｆ１上に形成される音響波素子７〜１０について説明する。
【００２０】
図２は梁部１ａ上に形成される音響波素子７の拡大平面図である。図２に例示する音響波素子７は、発信電極７ａとそれに対応する受信電極７ｂとから構成され、これらの発信電極７ａ及び受信電極７ｂはＩＤＴ（Ｉｎｔｅｒ  Ｄｉｇｉｔａｌ  Ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ）電極により形成されている。ＩＤＴ電極は、くし歯状の電極が互いに入り組んだ構造からなっており、電圧を印加するとこのようなＩＤＴ電極が配置された圧電基板１の表面が歪み、ＩＤＴ電極の電極指間隔に応じた周波数の弾性表面波を発生させることができる。発信電極７ａと受信電極７ｂの両側には反射器７ｃが配置されている。反射器７ｃは、ストライプ状の電極指から成り、特にストライプ状の電極指の周期を発信電極７ａの電極指間隔の周期と一致させることにより反射効率を向上させることができる。発信電極７ａに電圧が印加されて弾性表面波が発信された後、圧電基板１を弾性表面波が伝搬し反射器７ｃとの間で反射を繰り返すことにより共振波が生じる。その共振波を受信電極７ｂで、検出することにより共振波の共振周波数を検知することができる。図示しているＩＤＴ電極と反射器の形状は一例であり、これに限られるものではなく、同様の効果を有するものであればどんなＩＤＴ電極と反射器の形状でもよい。なお、ＩＤＴ電極や反射器の電極指の本数は数本〜数１００本にも及ぶ場合があるが、図においてはそれらを簡略化している。
【００２１】
発信電極７ａ、受信電極７ｂ及び反射器７ｃは、ＡｌもしくはＡｌ合金（Ａｌ−Ｃｕ系、Ａｌ−Ｔｉ系）などからなり、蒸着法、スパッタリング法、またはＣＶＤ法等の薄膜形成法により成膜した後、エッチング等により所望の形状にパターニングすることで形成される。これらの電極厚みは０．５〜５μｍ程度とすることが音響波素子としての特性を得る上で好適である。なお、他の音響波素子８〜１０は、音響波素子７と同じ構成から成る。
【００２２】
発信電極７ａ〜１０ａ及び受信電極７ｂ〜１０ｂは、図１（ｂ）に示すようにＳｉＯ２，ＳｉＮｘ，Ｓｉ，Ａｌ２Ｏ３などから成る保護膜５１により覆われている。これにより、導電性異物による通電防止や耐電力向上や、圧電基板１が撓んだ際にＩＤＴ電極の電極指同士の接触などを防止することができる。
【００２３】
本実施形態において、例えば、第１音響波素子は、梁部１ｂの可撓部Ｆ１上に配置された音響波素子８であり、第２音響波素子は、梁部１ｃの可撓部Ｆ１上に形成された音響波素子９である。以下、音響波素子８を「第１音響波素子８」、音響波素子９を「第２音響波素子９」と称し、音響波素子８の発信電極８ａを「第１発信電極８ａ」、受信電極８ｂを「第１受信電極８ｂ」、音響波素子９の発信電極９ａを「第２発信電極９ａ」、受信電極９ｂを「第２受信電極９ｂ」とそれぞれ称する。
【００２４】
第１音響波素子８は、加速度の印加に伴う第１弾性表面波の周波数変化を検出するための素子である。ここで第１弾性表面波は梁部１ｂと平行な方向に梁部１ｂ上に引かれた第１仮想直線５に沿って圧電基板１の一方主面３を伝搬する弾性表面波である。第１発信電極８ａは、第１弾性表面波を発信し、第１受信電極８ｂは、第１発信電極８ａで発信された第１弾性表面波を受信する。
【００２５】
第２音響波素子９は、加速度の印加に伴う第２弾性表面波の周波数変化を検出するための素子である。ここで第２弾性表面波は梁部１ｃと平行な方向に梁部１ｃ上に引かれた第２仮想直線６に沿って圧電基板１の一方主面３を伝搬する弾性表面波である。第２発信電極９ａは、第２弾性表面波を発信し、第２受信電極９ｂは、第２発信電極９ａで発信された第２弾性表面波を受信する。
【００２６】
以下、このように構成された加速度検出素子１００において、ＸＹ平面に平行な加速度がかかった場合の加速度検出方法を説明する。図３（ａ）は加速度検出素子１００の梁部１ａから梁部１ｄ側に４５度傾いた方向へＸＹ平面に平行な加速度が加わった様子を示す模式図である。なお、図中の白抜き矢印は加速度の方向を示す。図３（ｂ）は、図１のＡ−Ａ´線で切断した断面に相当する図３（ａ）の断面図である。図３（ｃ）は、図１のＢ−Ｂ´線で切断した断面に相当する図３（ａ）の断面図である。
【００２７】
図３（ｂ）、（ｃ）の図中にある互いに外に向く矢印は引張応力を示し、互いに内に向く矢印は圧縮応力を示している。また、図３（ｂ）、（ｃ）の梁部１ａ〜１ｄの一方主面３において、例えば梁部１ｃの領域Ｒ１は圧縮応力のみかかる領域を示し、梁部１ａの領域Ｒ４は引張応力のみかかる領域を示している。その他の領域Ｒ２、Ｒ３、Ｒ５〜Ｒ８も同様に梁部の一方主面３において、同じ方向の応力がかかる領域をそれぞれ示している。第１音響波素子８を構成する第１発信電極８ａおよび第１受信電極８ｂは領域Ｒ８内に配置されている。第２音響波素子９を構成する第２発信電極９ａおよび第２受信電極９ｂは領域Ｒ１内に配置されている。
【００２８】
図３（ａ）に示すような加速度の印加により、第１音響波素子８が形成されている領域Ｒ８には圧縮応力がかかる。領域Ｒ８における梁部１ｂの上面が圧縮応力により縮む方向に撓むことから、領域Ｒ８に形成された第１発信電極８ａの電極指間隔が狭くなり、第１発信電極８ａで発信される第１弾性表面波が高周波数側へ変化する。
【００２９】
また、この方向の加速度の印加により、第２音響波素子９が形成されている梁部１ｃにも圧縮応力がかかる。領域Ｒ１における梁部１ｃの上面が圧縮応力により縮む方向に撓むことから、領域Ｒ１に形成された第２発信電極９ａの電極指間隔が狭くなり、第２発信電極９ａで発信される第２弾性表面波も高周波数側へ変化する。
【００３０】
このとき、第１弾性表面波と第２弾性表面波の加速度の印加により変化した周波数と、変化する前の第１弾性表面波と第２弾性表面波の周波数と、を比較することによって周波数変化量を求めることができる。この周波数変化量は、加速度にほぼ比例するため、加速度の大きさを求めることができる。これを、図４を用いて説明する。
【００３１】
図４は弾性表面波の周波数変化量を求める原理を説明する図である。なお、この図の横軸は周波数ｆであり、縦軸は弾性表面波の振幅強度Ｉである。ここで、図中のｆ０は、弾性表面波の変化する前の周波数である。電極指間隔が狭くなった場合は、弾性表面波の周波数が高周波数側に変化して周波数がｆ１となるので、周波数変化量△ｆ１は、｜ｆ１−ｆ０｜となる。一方、電極指間隔が広くなった場合は、弾性表面波の周波数が低周波数側に変化して周波数がｆ２となるので、周波数変化量△ｆ２は、｜ｆ０−ｆ２｜となる。周波数変化量△ｆ１、△ｆ２は加速度の大きさにほぼ比例して変化する値であるから、周波数変化量を求めることにより加速度の大きさを求めることができる。
【００３２】
なお、第１弾性表面波と第２弾性表面波の変化する前の周波数ｆ０は、電極指の設計時に計算機シミュレーションなどから算出した弾性表面波周波数を記録しておき適宜参照すればよい。
【００３３】
また、第１音響波素子８および第２音響波素子９の周波数が高周波数側、低周波数側のどちらに変化したかを検知することによって、加速度の方向を検出することができる。第１音響波素子８は、第１弾性表面波の周波数が高周波数側に変化したことから、第１発信電極８ａの電極指間隔が狭くなったことがわかる。このことから、第１発信電極８ａが配置された梁部１ｂには圧縮応力がかかったことが判断できる。一方、第２弾性表面波の周波数も高周波数側に変化したことから、第２発信電極９ａの電極指間隔も狭くなったことがわかる。このことから、第２発信電極９ａが配置された梁部１ｃには圧縮応力がかかったことが判断できる。このように、第１音響波素子８および第２音響波素子９の周波数が加速度の印加により高周波数側か低周波数側かのどちらに変化したかを検出することにより、梁部１ｂ、１ｃにかかる応力の方向を検出でき、それに基づいて加速度検出素子１００にかかった加速度の方向を検出することができる。なお、測定された２軸方向の加速度ベクトルを合成することにより、実際に印加されている加速度の向きを知ることができる。
【００３４】
以上のようにして、加速度検出素子１００においてＸＹ平面の２軸方向に平行な加速度を検出することができる。
【００３５】
なお、周波数変化を検出する方法としては、加速度が印加される前後で、ある一つの周波数の強度変化を検出する方法や、周波数スペクトルの変化を検出する方法などを例示することができる。
【００３６】
このような加速度検出素子１００は、第１音響波素子８および第２音響波素子９が同一主面に形成されているため、従来の弾性表面波を用いた外力センサのように梁の上下に弾性表面波を送受信する発信電極と受信電極とを設けた場合と比較して、外力がかかった際に梁の撓み量を大きくできるので検出感度を向上することができる。
【００３７】
なお、上述の加速度検出素子１００では、周波数変化量を求める際に、あらかじめ周波数が変化する前の弾性表面波の周波数値を求めておく必要があるが、変化前の状態（外力がかかっていない状態）であるかの判別は容易ではなく、上述の例では、シミュレーションにより変化する前の弾性表面波の周波数を求める例で説明した。この問題を解決するための一手段として、図１に示すように、平面視した時に重り部２または固定部５０と重なる領域Ｆ２の一方主面３上に、基準音響波素子７´〜１０´を配置する方法がある。基準音響波素子７´は、基準弾性表面波を発信する基準発信電極７ａ´および基準発信電極７ａ´で発信された基準弾性表面波を受信する基準受信電極７ｂ´から構成されている。
【００３８】
すなわち、基準音響波素子７´は、平面視した時に、梁部１ａの重り部２と重なる領域Ｆ２上に配置されており、領域Ｆ２は重り部２に拘束され撓みにくくなっている。したがって、加速度が印加されても領域Ｆ２にある基準音響波素子７´の電極指間隔はほとんど変化しない。よって、基準音響波素子７´は、加速度が加わって重り部２が変位しても弾性表面波の周波数が変化しにくい基準弾性表面波周波数として用いることができる。基準音響波素子７´〜１０´のＩＤＴ電極の形状を、音響波素子７〜１０と同じ形状としておけば、基準音響波素子７´〜１０´の基準弾性表面波の周波数と、音響波素子７〜１０の弾性表面波の周波数とをほとんど同じ周波数となる。したがって、加速度の印加により重り部２が変位した際に、変化した音響波素子７〜１０の弾性表面波の周波数と、ほとんど変化しない基準弾性表面波の周波数とを比較することにより周波数変化量を容易に求めることができる。
【００３９】
また、図１では、音響波素子７〜１０にそれぞれ対応する基準音響波素子７´〜１０´を用いたが、基準音響波素子が同じ基準弾性表面波周波数をもつ場合は、１つだけ設けるようにしてもよい。
【００４０】
また、図１に示すように、重り部２の他方主面４側に開口する空洞部５５が形成されていることが好ましい。このように空洞部５５が形成されていることにより、例えば一方主面３で発生した基準弾性表面波を他方主面４と空気との界面で一方主面３側に反射させることができるので、圧電基板１の厚み方向に散逸する基準弾性表面波のロスを軽減することができる。さらに、重り部２に空洞部５５を設けることによって、基準音響波素子７´〜１０´が設置されている条件を圧電基板１の下が空隙になっている音響波素子７〜１０と近づけることができる。これにより、実際の音響波素子７〜１０の加速度の印加により変化する前の弾性表面波の周波数と、基準弾性表面波の周波数とをより近づけることができる。このことから、基準音響波素子７´〜１０´の基準弾性表面波の周波数を用いて精度よく音響波素子７〜１０で加速度を検出することができる。
【００４１】
なお、空洞部５５又は重り部２の代わりに音響反射器を設けて他方主面４と音響反射器との界面で弾性表面波を反射させてもよい。音響反射器は、低固有音響インピーダンス層および高固有音響インピーダンス層を交互に積層してなる。高固有音響インピーダンス層は金属材料であるタングステン、モリブデン等や誘電材料であるＡｌＮ、ＺｎＯ、Ｔａ２Ｏ５、Ａｌ２Ｏ３等により形成され、低固有音響インピーダンス層は耐熱性の樹脂材料であるポリイミド系樹脂、フッ素系樹脂、ＢＣＢ樹脂等により形成される。
【００４２】
なお上述の説明では、第１音響波素子８を構成する第１発信電極８ａおよび第１受信電極８ｂは、両方とも領域Ｒ８に配置される例によって説明したが、これに限るものではなく、第１発信電極８ａまたは第１受信電極８ｂのどちらかが領域Ｒ８に配置されていればよい。
【００４３】
例えば、第１音響波素子８は、第１発信電極８ａのみ領域Ｒ８に配置し、第１受信電極８ｂを平面視して重り部２または固定部５０と重なるように配置するようにしてもよい。このように配置された第１音響波素子８は、加速度の印加によって第１発信電極８ａの電極指間隔が変化して第１弾性表面波の周波数が変化するので加速度を検出することができる。第１受信電極８ｂが撓みにくい位置にあることによって、安定して第１弾性表面波を受信することができるので検出結果の精度を向上させることができる。
【００４４】
一方、第１音響波素子８の第１受信電極８ｂのみ領域Ｒ８に配置し、第１発信電極８ａを平面視して重り部２または固定部５０と重なるように配置するようにしてもよい。このように配置された第１音響波素子８であっても、加速度の印加によって第１受信電極８ｂの電極指間隔が変化して受信することのできる第１弾性表面波の周波数特性が変化するので加速度を検出することができる。第１発信電極８ａが撓みにくい位置にあることによって、安定して第１弾性表面波を発信することができるので検出結果の精度を向上させることができる。
【００４５】
以上、重り部２が圧電基板１の他方主面４に取り付けられた場合で説明してきたが、重り部２は一方主面３に取り付けてもよい。また、上述の説明では、音響波素子７〜１０と重り部２とは、対向する主面に配置したが、同一主面に配置してもよい。その場合、梁部１ａ〜１ｄにかかる応力はすべて逆になる。
【００４６】
なお、本明細書において、圧電基板１とは単一の圧電材料のみからなるものだけではなく、圧電材料と弾性表面波を伝搬可能なＳｉ、ＳＯＩなどの基板とを組み合わせたものも含む。その場合、可撓性を有する基板上の一部に圧電材料を成膜し、その圧電材料の上に音響波素子７〜１０を形成してもよい。
【００４７】
次に、このような加速度検出素子１００において、ＸＺ平面（もしくはＹＺ平面）に平行な加速度成分を検出する方法を説明する。
【００４８】
本実施形態にかかる加速度検出素子１００は、図１に示すように、圧電基板１と、圧電基板１の一方主面３に配置され、第１仮想直線に沿って圧電基板１の一方主面３を伝搬する第１弾性表面波の加速度の印加に伴う周波数変化を検出する第１音響波素子と、圧電基板１の一方主面３に第１音響波素子と所定の間隔を設けた状態で配置され、第１仮想直線に沿って圧電基板１の一方主面３を伝搬する第２弾性表面波の加速度の印加に伴う周波数変化を検出する第２音響波素子と、圧電基板１を平面視したときに第１音響波素子と第２音響波素子との間に位置し、かつ圧電基板１の一方主面３と対向する他方主面４に配置される重り部２と、を有している。
【００４９】
以下、図５を用いて加速度検出素子１００にＺ軸に平行な加速度がかかった場合を説明する。図５（ａ）は、Ｚ軸に平行な加速度が加わった様子を示す模式図であり、図５（ｂ）は、図１のＡ−Ａ´線で切断した断面に相当する図５（ａ）の断面図である。なお、図中の白抜き矢印は、加速度のかかる方向を示す。
【００５０】
このようなＸＺ軸に平行な加速度を検出する方法において、例えば、第１音響波素子は、梁部１ｃの可撓部Ｆ１上に配置された音響波素子９であり、第２音響波素子は、梁部１ａの可撓部Ｆ１上に形成された音響波素子７である。以下、音響波素子９を「第１音響波素子９」、音響波素子７を「第２音響波素子７」と称し、音響波素子９の発信電極９ａを「第１発信電極９ａ」、受信電極９ｂを「第１受信電極９ｂ」、音響波素子７の発信電極７ａを「第２発信電極７ａ」、受信電極７ｂを「第２受信電極７ｂ」とそれぞれ称する。
【００５１】
第１音響波素子９は、加速度の印加に伴う第１弾性表面波の周波数変化を検出するための素子である。ここで第１弾性表面波は梁部１ｃと平行な方向に梁部１ｃ上に引かれた第１仮想直線６に沿って圧電基板１の一方主面３を伝搬する弾性表面波である。第１発信電極９ａは、第１弾性表面波を発信し、第１受信電極９ｂは、第１発信電極９ａで発信された第１弾性表面波を受信する。
【００５２】
第２音響波素子７は、加速度の印加に伴う第２弾性表面波の周波数変化を検出するための素子である。ここで第２弾性表面波は梁部１ａと平行な方向に引かれた第１音響波素子９で発信された第１弾性表面波が伝搬する第１仮想直線６に沿って圧電基板１の一方主面３を伝搬する弾性表面波である。第２発信電極７ａは、第２弾性表面波を発信し、第２受信電極７ｂは、第２発信電極７ａで発信された第２弾性表面波を受信する。
【００５３】
図５（ａ）に示すようにＺ軸に平行な加速度の印加により、第１音響波素子９が形成されている領域Ｒ７には圧縮応力がかかる。領域Ｒ７における梁部１ｃの上面が圧縮応力により縮む方向に撓むことから、領域Ｒ７に形成された第１発信電極９ａの電極指間隔が狭くなり、第１発信電極９ａで発信される第１弾性表面波が高周波数側へ変化する。
【００５４】
また、この方向の加速度の印加により、第２音響波素子７が形成されている領域Ｒ７にも圧縮応力がかかる。領域Ｒ６における梁部１ａの上面が圧縮応力により縮む方向に撓むことから、領域Ｒ６に形成された第２発信電極７ａの電極指間隔が狭くなり、第２発信電極７ａで発信される第２弾性表面波も高周波数側へ変化する。
【００５５】
このとき、変化した第１弾性表面波と第２弾性表面波の周波数変化量を検出して、第１実施形態と同様に加速度検出素子１００にかかった加速度の方向と大きさを求めることができる。
【００５６】
このように、第１音響波素子と、第１仮想直線に沿って第２弾性表面波が伝搬する第２音響波素子と、を用いることによってＸＺ方向（もしくはＹＺ方向）に平行な加速度を検出することができる。
【００５７】
もしくは、３つ以上の音響波素子を用いて３軸方向の加速度を検出してもよい。３つ以上の音響波素子のうち、少なくとも１つの音響波素子が他の２つの音響波素子の仮想直線と重ならないことが好ましい。その検出方法は、前述したＸＹ平面方向の検出法とＺ軸方向の検出法を組み合わせることにより実現される。
【００５８】
上述の説明では、弾性表面波の周波数が変化することを利用して加速度を検出する方法を説明したが、弾性表面波の伝搬距離が変化することによる位相変化によっても加速度を検出することができる。
【００５９】
以下、弾性表面波の位相変化により加速度を検出する方法について説明する。なお、基本的な構成は周波数変化で検出する場合と同じであるので、重複する部分については同一符号を付し、その説明を省略する。
【００６０】
ＸＹ平面に平行な加速度を周波数変化により検出する場合と同じく、図３（ａ）に示すような加速度の印加により、第１音響波素子８が形成されている領域Ｒ８には圧縮応力がかかる。領域Ｒ８における梁部１ｂの上面が圧縮応力により縮む方向に撓むことから、領域Ｒ８に形成された第１発信電極８ａと第１受信電極８ｂとの間でやり取りされる第１弾性表面波の伝搬距離が短くなり、第１弾性表面波の位相が早くなる方へ変化する。
【００６１】
また、この方向の加速度の印加により、第２音響波素子９が形成されている梁部１ｃにも圧縮応力がかかる。領域Ｒ１における梁部１ｃの上面が圧縮応力により縮む方向に撓むことから、領域Ｒ１に形成された第２発信電極９ａと第２受信電極９ｂとの間でやり取りされる第２弾性表面波の伝搬距離が短くなり、第２弾性表面波の位相が早くなる方へ変化する。
【００６２】
このとき、第１弾性表面波および第２弾性表面波における加速度の印加前後により変化した位相を比較することによって、位相変化量を求め、加速度の大きさを求めることができる。この位相変化量は、加速度にほぼ比例するからである。
【００６３】
また、第１音響波素子８および第２音響波素子９の位相が早くなる側、遅くなる側のどちらに変化したかを検知することによって、加速度の方向を検出することができる。第１音響波素子８は、第１弾性表面波の位相が早くなる側に変化したことから、第１弾性表面波の伝搬距離が短くなったことがわかる。このことから、第１音響波素子８が配置された梁部１ｂには圧縮応力がかかったことが判断できる。一方、第２弾性表面波の位相も早くなる側に変化したことから、第２弾性表面波の伝搬距離が短くなったことがわかる。このことから、第２音響波素子９が配置された梁部１ｃには圧縮応力がかかったことが判断できる。このように、第１音響波素子８および第２音響波素子９の位相が加速度の印加により早くなる側か遅くなる側かのどちらに変化したかを検出することにより、梁部１ｂ、１ｃにかかる応力の方向を検出でき、それに基づいて加速度検出素子１００にかかった加速度の方向を検出することができる。なお、測定された２軸方向の加速度ベクトルを合成することにより、実際に印加されている加速度の向きを知ることができる。
【００６４】
以上のようにして、加速度検出素子１００においてＸＹ平面の２軸方向に平行な加速度を検出することができる。
【００６５】
このように位相変化により加速度を検出する方法において、第１音響波素子８を構成する第１発信電極８ａおよび第１受信電極８ｂは梁部１ｂの領域Ｒ８内においてできるだけ離間させて配置することが好ましい。このように配置することにより、伝搬する第１弾性表面波の距離を長くすることができるので、加速度の印加による位相変化量が大きくなり加速度の検出感度を高くすることができる。
【００６６】
さらに、加速度の印加により発信電極７ａ〜１０ａの電極指間隔が変化した場合でも、発信される弾性表面波の位相は変化する。電極指間隔が広くなると弾性表面波の位相は早くなる一方、電極指間隔が狭くなると弾性表面波の位相は遅れるので、それを利用して加速度を検出してもよい。
【００６７】
また、加速度を検出する方法として、位相の変位を用いる方法と周波数の変化を用いる方法とを組み合わせて、どちらかの一方の加速度検出結果を補正することにより、精度高く加速度を検出することができる。
―第２実施形態―
図６に、第２実施形態を示す。図６に示す実施形態では、加速度検出素子に対して、梁部１ｅ〜１ｈ、音響波素子１１〜１４、基準音響波素子１１´〜１４´をさらに増やした例となっている。このような構成とすることによって、加速度を検出するのに関与する音響波素子の数が増えるので、検出精度を向上させることができる。また、加速度を検出する音響波素子が増えることにより検出値のバラツキを抑えることができる。
【００６８】
図７に、さらにその他の実施形態を示す。図７（ａ）は、平面図であり、図７（ｂ）は（ａ）のＣ−Ｃ´線で切断した時の断面図である。前述までの実施形態では、可撓性を有する領域として梁部を設けていたが、本実施形態では、梁部を設けていない点が異なっている。具体的には、圧電基板１と、圧電基板１上に第１仮想直線に沿って圧電基板１上を伝搬する第１弾性表面波を発信する第１発信電極６５ａと第１弾性表面波を受信する第１受信電極６５ｂから成る音響波素子６５と、第１仮想直線に沿って圧電基板１上を伝搬する第２弾性表面波を発信する第２発信電極６６ａと第２弾性表面波を受信する第２受信電極６６ｂから成る弾性表面波６６と、一方主面３に配置された重り部６３とからなる。ただし、重り部６３は、圧電基板１を平面視したときに音響波素子６６と音響波素子６７との間にある。このような構成により、図５で説明した実施形態と同じ加速度検出方法を用いて、ＸＺ方向の加速度を検出する２軸加速度検出素子を実現することができる。
【００６９】
図８に、さらにその他の実施形態を示す。この実施形態は図７で示したその他の実施形態の変形例である。図８では、図７の構成において、さらに平面視して第１仮想直線と交わる第２仮想直線に沿って圧電基板１上を伝搬する第２弾性表面波を発信する第２発信電極６６ａと第２弾性表面波を受信する第２受信電極６６ｂから成る音響波素子６６とを配置している。このような構成により、図１で説明した第１実施形態と同じ加速度検出方法を用いて、ＸＹ方向の加速度を検出することができる。
【００７０】
＜加速度検出装置＞
次に加速度検出装置について説明する。図９、図１０に上述した図１の加速度検出素子１００を用いた加速度検出装置の例を示す。図９は蓋３９を外した状態の平面図であり、図１０（ａ）は図９のＤ−Ｄ’線における断面図、図１０（ｂ）は図９のＥ−Ｅ’線における断面図である。図１０に示す加速度検出装置は、ケース１０１と、ケース１０１に実装される加速度検出素子１００及びＩＣチップ３０とを備えて構成されている。
【００７１】
ケース１０１は加速度検出素子１００を保護する機能を有し、加速度検出素子１００を収容する上面側キャビティ１１０とＩＣチップ３０を収容する下面側キャビティ３２が設けられている。ケース１０１は、セラミック材料などからなる絶縁層を複数積層することにより形成されている。具体的には、厚み方向の中心に配置される絶縁層は平板状の部材からなり、その両側（上面側と下面側）に枠状の絶縁層が所定枚数積層されている。
【００７２】
上面側キャビティ１１０は段差部を有しており、この段差部には複数の基板側電極パッド３３が設けられている。基板側電極パッド３３は、金、銅、アルミニウムなどからなる金属細線３４によって加速度検出素子１００の固定部５０上面に設けた素子側電極パッド３３´と電気的に接続されている。またケース１の下面には、複数の外部端子３５が設けられており、外部端子３５はケース１０１の内部に設けたビアホール導体３６などを介して基板側電極パッド３３と接続されている。すなわち、加速度検出素子１００の電気信号は、素子側電極パッド３３´、金属細線３４、基板側電極パッド３３、ビアホール導体３６、外部端子３５などを介して外部へ取り出されることとなる。
【００７３】
このようなケース１０１の主面に載置される加速度検出素子１００は接着剤３８によりケース１０１に接合されている。接着剤３８は、例えば、シリコーン樹脂やエポキシ樹脂などを使用することができる。なかでも接着時の残留応力を緩和する観点からシリコーン樹脂を用いることが好ましい。接着剤３８には、重り部２の下面とケース１０１の主面との間に所定の大きさのギャップが形成されるように、所定の径を有する球状のスペーサ部材３７が混合されている。すなわち、重り部２の下面と基板１の主面との間のギャップの大きさをスペーサ部材３７によって制御することができる。スペーサ部材３７は、例えばシリカ、シリコン、ジビニルベンゼンなど所定の硬さを有する球状の部材であり、その直径は例えば２〜２０μｍである。
【００７４】
本実施形態のように梁部１ａ〜１ｄが重り部２の上面四辺の中央部に連結されている場合、加速度検出素子１００とケース１０１との接合は、固定部５０の四隅部において行うことが好ましい。これにより加速度検出素子１００のケース１０１への接合箇所と梁部１ａ〜１ｄとの間の距離が離れている。そのため、接着剤３８による接合に起因して発生し得る残留応力が梁部１ａ〜１ｄに与える影響を小さくすることができ、加速度検出装置の電気的な特性が劣化するのを抑えることができる。
【００７５】
加速度検出素子１００を収容する上面側キャビティ１１０の開口部を塞ぐようにして蓋３９がケース１０１の上面に固着されており、これにより加速度検出素子１００が上面側キャビティ１１０内に気密封止されている。蓋３９は、例えば４２アロイやステンレスなどの金属板からなり、エポキシ樹脂などの熱硬化性樹脂によりケース１０１に接合されている。
【００７６】
一方、ケース１０１の下面側には、下面側キャビティ３２に収容された状態でＩＣチップ３０が実装されている。このＩＣチップ３０は、加速度検出素子１００の出力信号を演算処理する機能を有しており、ケース１０１に設けたビアホール導体３６や配線導体などを介して加速度検出素子１００及び外部端子３５と電気的に接続されている。ＩＣチップ３０は、例えば、加速度検出素子１００の出力信号を増幅する増幅回路、加速度検出素子１００の温度特性を補正する温度補償回路、ノイズを除去するノイズ除去回路などが集積化されたものである。このようなＩＣチップ３０を備えることによって加速度を高精度に検知することができる。
【図面の簡単な説明】
【００７７】
【図１】（ａ）は、本発明の加速度検出素子の実施形態の一例を示す模式的な平面図である。（ｂ）は、（ａ）のＡ−Ａ´線で切断したときの模式的な断面図である。
【図２】本発明の加速度検出素子に係る音響波素子の実施形態の一例を示す模式的な平面図である。
【図３】図１に示す加速度検出素子にＸＹ軸方向に平行な加速度がかかった場合を説明するための図である。（ａ）は、図１の加速度検出素子についてＸＹ軸方向の加速度がかかった際に斜視した模式図である。（ｂ）は、図１のＡ−Ａ´線で切断した断面に相当する模式的な断面図である。（ｃ）は、図１のＢ−Ｂ´線で切断した断面に相当する模式的な断面図である。
【図４】音響波素子において、周波数変化量を求める原理を説明する図である。
【図５】図１に示す加速度検出素子にＺ軸方向に平行な加速度がかかった場合を説明するための図である。（ａ）は、図１の加速度検出素子についてＺ軸方向の加速度がかかった際の模式図である。（ｂ）は、図１のＡ−Ａ´線で切断した断面に相当する模式的な断面図である。
【図６】本発明の加速度検出素子の他の実施形態の一例を示す模式的な平面図である。
【図７】（ａ）は、本発明の加速度検出素子の他の実施形態の一例を示す模式的な平面図である。（ｂ）は、（ａ）のＣ−Ｃ´線で切断したときの模式的な断面図である。
【図８】本発明の加速度検出素子の他の実施形態の一例を示す模式的な平面図である。
【図９】本発明の実施形態に係る加速度検出装置の蓋を省略した状態の模式的な平面図である。
【図１０】図９に示す加速度検出装置の模式的な断面図であり、（ａ）は図９のＤ−Ｄ´線で切断したときの断面に相当する模式的な断面図である。（ｂ）は図９のＥ−Ｅ´線で切断したときの断面に相当する模式的な断面図である。
【符号の説明】
【００７８】
１：圧電基板
２：重り部
３：一方主面
４：他方主面
５：第１仮想直線
６：第２仮想直線
７：音響波素子
７ａ：発信電極
７ｂ：受信電極
７ｃ：反射器
８、９、１０：音響波素子
５１：保護層
５５：空洞部
【図１】
2010151630.tif 000003
【図２】
2010151630.tif 000004
【図３】
2010151630.tif 000005
【図４】
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【図５】
2010151630.tif 000007
【図６】
2010151630.tif 000008
【図７】
2010151630.tif 000009
【図８】
2010151630.tif 000010
【図９】
2010151630.tif 000011
【図１０】
2010151630.tif 000012