(57)【要約】【課題】高精度な検出が可能で超小型の加速度センサを提供すること。【解決手段】  基板と、前記基板上に形成された保持部と、一端を前記保持部に接続され、前記基板と空間を隔てて延在する支持梁と、前記支持梁の他端に接続され、前記基板と空間を隔てて保持される重錘と、一端を前記保持部に接続され、他端を前記重錘又は前記支持梁に接続され、積層された第1の電極、第１の圧電膜、および第2の電極を有し、前記支持梁の両側に延在し、前記圧電膜と垂直方向に屈曲共振運動を行う、第1および第2の圧電屈曲共振子と、前記第1および第2の圧電屈曲共振子の共振周波数の差を測定する比較手段と、前記共振周波数の差から前記基板面内の前記支持梁の延在方向と垂直な方向の加速度を算出する算出手段と、を備えることを特徴とする。【選択図】図４
2011203228.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、
前記基板上に形成された保持部と、
一端を前記保持部に接続され、前記基板と空間を隔てて延在する支持梁と、
前記支持梁の他端に接続され、前記基板と空間を隔てて保持される重錘と、
一端を前記保持部に接続され、他端を前記重錘又は前記支持梁に接続され、積層された第1の電極、第１の圧電膜、および第2の電極を有し、前記支持梁の両側に延在し、前記圧電膜と垂直方向に屈曲共振運動を行う、第1および第2の圧電屈曲共振子と、
前記第1および第2の圧電屈曲共振子の共振周波数の差を測定する比較手段と、
前記共振周波数の差から前記基板面内の前記支持梁の延在方向と垂直な方向の加速度を算出する算出手段と、
を備えることを特徴とする加速度センサ。
【請求項２】
前記第１および第２の圧電屈曲共振子は、積層された前記第1の電極、前記第１の圧電膜、および前記第2の電極を有する複数の振動梁を持ち、前記複数の振動梁は同一の共振周波数で前記第１の圧電膜面と垂直方向に屈曲共振運動を行い、前記複数の振動梁のうち１本の振動梁の屈曲共振運動は他の振動梁に対して逆相の位相を持つことを特徴とする、請求項１に記載の加速度センサ。
【請求項３】
積層された第３の電極、第２の圧電膜、および第４の電極を有し、前記第２の圧電膜と垂直方向に屈曲共振運動を行う、第３の圧電屈曲共振子と、
前記第1および第２の圧電屈曲共振子の共振周波数の平均と、前記第３の圧電屈曲共振子の共振周波数の差を測定する比較手段と、
前記共振周波数の差から前記基板面と垂直な方向の加速度を算出する算出手段と、
をさらに有し、
前記第１および第2の圧電屈曲共振子の前記基板と垂直方向の厚さの中心線と前記基板との距離は、前記支持梁の厚さ方向の中心線と前記基板との距離と異なること
を特徴とする、請求項１に記載の加速度センサ。
【請求項４】
前記第３の圧電屈曲共振子は、積層された第３の電極、前記第２の圧電膜、および前記第４の電極を有する複数の振動梁を持ち、前記複数の振動梁は同一の共振周波数で前記第２の圧電膜面と垂直方向に屈曲共振運動を行い、前記複数の振動梁のうち１本の振動梁の屈曲共振運動は隣りの振動梁に対して逆相の位相を持つことを特徴とする、請求項３に記載の加速度センサ。
【請求項５】
前記保持部と、前記支持梁と、前記重錘と、前記第1および第2の圧電屈曲共振子と、
を２組有し、
２つの前記支持梁は直交するように配置されたことを特徴とする請求項３に記載の加速度センサ。
【請求項６】
前記保持部と、前記支持梁と、前記重錘と、前記第1および第2の圧電屈曲共振子と、
を４組有し、
４つの前記支持梁の向きは互いに直交する２方向に沿った互いに異なる向きで配置されたことを特徴とする請求項３に記載の加速度センサ。
【請求項７】
一端を前記保持部に接続され、他端を前記重錘ないしは前記支持梁に接続され、第５の電極、第３の圧電膜、および第６の電極が順に積層された構造を持ち、前記支持梁の両側に延在し、前記第１および第２の電極間に電圧を印加することで延在方向に伸縮力を発生させる、重錘駆動機構と、
前記第1および第2の圧電屈曲共振子の共振周波数の差を測定し、前記共振周波数の差が一定になるように電圧を重錘駆動機構に印加する力フィードバック回路と、
をさらに有することを特徴とする、請求項１に記載の速度センサ。
【請求項８】
前記第１及び第２の圧電屈曲共振子は、前記第１の電極、前記第１の圧電膜、前記第２の電極に加えて更に積層された第４の圧電膜、第７の電極を有し、前記第１の電極と前記第２の電極が励振用電極として、前記第２の電極と前記第７の電極を重錘駆動用の電極として使用される、重錘駆動機構を有すること特徴とする、請求項７に記載の加速度センサ。
【請求項９】
一端を前記保持部に接続され、他端を前記重錘ないしは前記支持梁に接続され、第５の電極、第３の圧電膜、および第６の電極が順に積層された構造を持ち、前記支持梁の両側に延在し、前記第１および第２の電極間に電圧を印加することで延在方向に伸縮力を発生させる、重錘駆動機構と、
前記フィードバック回路は、前記第1および第2の圧電屈曲共振子の共振周波数の差を測定し、前記共振周波数の差が一定になるように電圧を前記重錘駆動機構に印加し、且つ、前記第1および第２の圧電屈曲共振子の共振周波数の平均と前記第３の圧電屈曲共振子の共振周波数の差を測定し、前記共振周波数の差が一定になるように電圧を前記重錘駆動機構に印加する力フィードバック回路と、
をさらに有することを特徴とする請求項３に記載の加速度センサ。
【請求項１０】
前記第３の圧電屈曲共振子は、前記第３の電極、前記第２の圧電膜、前記第４の電極に加えてさらに積層された第５の圧電膜、第８の電極を有し、前記第３の電極と前記第４の電極が励振用電極として、前記第４の電極と前記第８の電極が重錘駆動用の電極として使用される、重錘駆動機構を有すること特徴とする、請求項９に記載の加速度センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
圧電素子を用いたMEMS加速度センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
自動車産業、電気産業や機械産業などでは、加速度や角速度を正確に検出できる加速度センサの需要が高まっている。特に、二次元あるいは三次元の成分ごとに加速度を検出しうる小型の加速度センサが望まれている。
【０００３】
このような需要に応えるため、シリコンなどの半導体基板上に可動構造を持つ重錘を形成し、重錘に加わる加速度に基づいて基板に生じる機械的な歪みを、種々の変換原理に基づくセンサで電気信号に変換する加速度センサが提案されている。これらのセンサとしては、ピエゾ抵抗効果を利用したセンサ、静電容量の変化を利用したセンサ、圧電バイモルフ効果を利用したセンサ、圧電屈曲共振子の周波数変化を利用したセンサなどが知られている。
【０００４】
しかしながら、ピエゾ抵抗効果は温度依存性が大きく、正確な測定を行うためには、温度補償を行う必要がある。また、静電容量の変化を利用したセンサは、製造コストが安価であるという利点はあるが、形成される静電容量が小さいため、信号処理がむずかしいという欠点がある。また、圧電バイモルフ効果を利用したセンサは、静加速度の検出が困難であり、利用範囲が限られるという問題がある。
【０００５】
前述の圧電屈曲共振子の周波数変化を利用したセンサについては、特許文献１で開示されている。すなわち、一平面状に２つの梁状の振動腕部が貫通孔を介して並べられており、この２つの振動腕部の端部が固定された構成のセンサであり、振動腕部は前記一平面に平行な方向に振動する。
【０００６】
このタイプのセンサは、温度依存性が小さく、検出感度が高く、静加速度の検出も可能であるという特徴を有しているが、特許文献１では圧電屈曲共振子の材料として水晶を用いた例が開示されており、製造上小型化が難しいという難点がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００８−２０９３８９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
そこで本発明は、温度補償なしに高精度な検出が可能であり、しかも製造プロセスが容易な、超小型の加速度センサを得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の加速度センサは、基板と、前記基板上に形成された保持部と、一端を前記保持部に接続され、前記基板と空間を隔てて延在する支持梁と、前記支持梁の他端に接続され、前記基板と空間を隔てて保持される重錘と、一端を前記保持部に接続され、他端を前記重錘又は前記支持梁に接続され、積層された第1の電極、第１の圧電膜、および第2の電極を有し、前記支持梁の両側に延在し、前記圧電膜と垂直方向に屈曲共振運動を行う、第1および第2の圧電屈曲共振子と、前記第1および第2の圧電屈曲共振子の共振周波数の差を測定する比較手段と、
前記共振周波数の差から前記基板面内の前記支持梁の延在方向と垂直な方向の加速度を算出する算出手段と、を備えることを特徴とする。
【００１０】
前記第１および第２の圧電屈曲共振子は、前記支持梁の中心を対称軸として、前記支持梁の両側に線対称に配置されることが望ましい。
【００１１】
また前記第１および第２の圧電屈曲共振子は、前記支持梁の両側近傍に平行に配置されることが望ましいが、支持梁と面内で垂直方向や、支持梁に対して面内で傾けた方向に配置することも可能である。
【００１２】
前記圧電屈曲共振子は、単一の振動梁を有していても良く、さらに、２脚ないし３脚以上の複数の振動梁を有することができる。複数の振動梁を持つ場合、複数の振動梁は同一の共振周波数で膜面と垂直方向に屈曲共振運動を行い、前記複数の振動梁のうち１本の振動梁は他の振動梁に対して逆相の位相を持つことにより、共振のＱ値を向上させることができる。
【００１３】
前記圧電屈曲共振子は、上部電極、上部圧電膜、中間電極、下部圧電膜、下部電極の５層からなる、いわゆる対称バイモルフ構造を持つことが望ましいが、上部電極、圧電膜、下部電極、シム層からなる、いわゆる非対称バイモルフ構造を持つことも可能である。
【００１４】
前記圧電屈曲共振子は、一端から他端にかけて異なる電極構造を持つ複数の部分に別れた構造を持ち、その一部の部分の電極間に駆動電圧を印加して駆動することが可能である。
【００１５】
また、前記圧電屈曲共振子の電極の一部を励振用の電極として使用し、電極の一部を振幅モニタ用の電極として使用し、モニタされた振幅情報をフィードバック制御することにより、前記圧電共振子の振幅を一定に保持することにより周波数精度を高めることが可能になり、加速度計測精度を向上させることができる。
【００１６】
また、請求項３に記載の加速度センサは、請求項１の加速度センサにおいて、積層された第３の電極、第２の圧電膜、および第４の電極を有し、前記第２の圧電膜と垂直方向に屈曲共振運動を行う、第３の圧電屈曲共振子と、前記第1および第２の圧電屈曲共振子の共振周波数の平均と、前記第３の圧電屈曲共振子の共振周波数の差を測定する比較手段と、前記共振周波数の差から前記基板面と垂直な方向の加速度を算出する算出手段と、をさらに有し、前記第１および第2の圧電屈曲共振子の前記基板と垂直方向の厚さの中心線と前記基板との距離は、前記支持梁の厚さ方向の中心線と前記基板との距離と異なることを特徴とする。
【００１７】
前記第１および第２の圧電屈曲共振子は、長さが異なることが望ましい。
【００１８】
前記第１および第２の圧電屈曲共振子は、前記支持梁の中心を対称軸として、前記支持梁の両側に平行かつ線対称に配置されることが望ましい。
【００１９】
前記圧電屈曲共振子は、単一の振動梁を有していても良く、さらに、２脚ないし３脚以上の複数の振動梁を有することができる。複数の振動梁を持つ場合、複数の振動梁は同一の共振周波数で膜面と垂直方向に屈曲共振運動を行い、前記複数の振動梁のうち１本の振動梁は他の振動梁に対して逆相の位相を持つことにより、共振のＱ値を向上させることができる。
【００２０】
また、前記圧電共振子の電極の一部を励振用の電極として使用し、電極の一部を振幅モニタ用の電極として使用し、モニタされた振幅情報をフィードバック制御することにより、前記圧電共振子の振幅を一定に保持することにより周波数精度を高めることが可能になり、加速度計測精度を向上させることができる。
【００２１】
請求項５に記載の加速度センサは、請求項３の加速度センサにおいて、前記保持部と、前記支持梁と、前記重錘と、前記第1および第2の圧電屈曲共振子と、を２組有し、２つの前記支持梁は直交するように配置されたことを特徴とする。
【００２２】
請求項６に記載の加速度センサは、請求項３の加速度センサにおいて、前記保持部と、前記支持梁と、前記重錘と、前記第1および第2の圧電屈曲共振子と、を４組有し、４つの前記支持梁の向きは互いに直交する４方向に向けて配置されたことを特徴とする。
【００２３】
請求項７の加速度センサは、請求項１に記載の加速度センサにおいて、一端を前記保持部に接続され、他端を前記重錘ないしは前記支持梁に接続され、第５の電極、第３の圧電膜、および第６の電極が順に積層された構造を持ち、前記支持梁の両側に延在し、前記第１および第２の電極間に電圧を印加することで延在方向に伸縮力を発生させる、重錘駆動機構と、力フィードバック回路と、をさらに有し、前記力フィードバック回路は、前記第1および第2の圧電屈曲共振子の共振周波数の差を測定し、前記共振周波数の差が一定になるように電圧を重錘駆動機構に印加することを特徴とする。
【００２４】
前記圧電屈曲共振子が少なくても第１の電極、第１の圧電膜、第２の電極、第２の圧電膜、第３の電極が順に積層されたバイモルフ構造を持ち、第１の電極と第２の電極を励振用電極として使用し、第２の電極と第３の電極を重錘駆動用の電極として使用することにより、重錘駆動機構をかねた圧電屈曲共振子を有することにより、前記の独立した重錘駆動機構を省略することも可能である。
【００２５】
請求項９に記載の加速度センサは、請求項３に記載の加速度センサにおいて、一端を前記保持部に接続され、他端を前記重錘ないしは前記支持梁に接続され、第５の電極、第３の圧電膜、および第６の電極が順に積層された構造を持ち、前記支持梁の両側に延在し、前記第１および第２の電極間に電圧を印加することで延在方向に伸縮力を発生させる、重錘駆動機構と、力フィードバック回路と、
をさらに有し、前記フィードバック回路は、前記第1および第2の圧電屈曲共振子の共振周波数の差を測定し、前記共振周波数の差が一定になるように電圧を前記重錘駆動機構に印加し、且つ、前記第1および第２の圧電屈曲共振子の共振周波数の平均と前記第３の圧電屈曲共振子の共振周波数の差を測定し、前記共振周波数の差が一定になるように電圧を前記重錘駆動機構に印加することを特徴とする。
【００２６】
前記圧電屈曲共振子が少なくても第１の電極、第１の圧電膜、第２の電極、第２の圧電膜、第３の電極が順に積層されたバイモルフ構造を持ち、第１の電極と第２の電極を励振用電極として使用し、第２の電極と第３の電極を重錘駆動用の電極として使用することにより、重錘駆動機構をかねた圧電屈曲共振子を有することにより、前記の独立した重錘駆動機構を省略することも可能である。
【発明の効果】
【００２７】
温度補償なしに高精度な検出が可能であり、しかも製造プロセスが容易な、超小型の加速度センサを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本発明の第１の実施例に係る加速度センサを構成する圧電屈曲共振子の上面図である。
【図２】図１に示す圧電屈曲共振子をＡ−Ａに沿って切断した側断面図である。
【図３】図１に示す圧電屈曲共振子における振動の形態を説明する側断面図である。
【図４】本発明の第１の実施例に係る加速度センサの上面図である。
【図５】図４に示す加速度センサをＡ−Ａに沿って切断した側断面図である。
【図６】本発明の第１の実施例に係る加速度センサの工程順側断面図である。
【図７】本発明の第１の実施例に係る加速度センサの、加速度に対する共振周波数変化の測定例を示す図と加速度を算出するための処理を表す図である。
【図８】本発明の第１の実施例の第1の変形例に係る加速度センサを構成する圧電屈曲共振子の上面図である。
【図９】図８に示す圧電屈曲共振子をＡ−Ａに沿って切断した側断面図である。
【図１０】図８に示す圧電屈曲共振子における振動の形態を説明する側断図である。
【図１１】本発明の第１の実施例の第２の変形例に係る加速度センサを構成する圧電屈曲共振子の上面図である。
【図１２】図１１に示す圧電屈曲共振子をＡ−Ａに沿って切断した側断面図である。
【図１３】図１１に示す圧電屈曲共振子における振動の形態を説明する側面図である。
【図１４】本発明の第２の実施例に係る加速度センサの上面図、およびＡ−Ａに沿って切断した側断面図である。
【図１５】本発明の第２の実施例に係る加速度センサの、加速度に対する共振周波数変化の測定例を示す図と、加速度を算出するための処理を表す図である。
【図１６】本発明の第３の実施例に係る加速度センサの上面図である。
【図１７】本発明の第４の実施例に係る加速度センサの上面図である。
【図１８】本発明の第５の実施例に係る加速度センサの上面図である。
【図１９】図１８に示す加速度センサをＡ−Ａに沿って切断した側断面図である。
【図２０】本発明の第６の実施例に係る加速度センサの圧電屈曲共振子の上面図である。
【図２１】図２０に示す圧電屈曲共振子をＡ−Ａに沿って切断した側断面図である。
【図２２】本発明の第７の実施例に係る加速度センサの圧電屈曲共振子の上面図である。
【図２３】図２２に示す圧電屈曲共振子をＡ−Ａに沿って切断した側断面図である。
【図２４】本発明の第７の実施例に係る加速度センサに使用される振幅フィードバック回路のブロック図である。
【図２５】本発明の第７の実施例の第1の変形例に係る加速度センサの圧電屈曲共振子の上面図である。
【図２６】図２５に示す圧電屈曲共振子をＡ−Ａに沿って切断した側断面図である。
【図２７】本発明の第７の実施例の第２の変形例に係る加速度センサの圧電屈曲共振子の上面図である。
【図２８】図２７に示す圧電屈曲共振子をＡ−Ａに沿って切断した側断面図である。
【図２９】図２７に示す圧電屈曲共振子をＢ−Ｂに沿って切断した側断面図である。
【図３０】本発明の第８の実施例に係る加速度センサの上面図である。
【図３１】本発明の第８の実施例に係る加速度センサの重錘駆動機構の上面図である。
【図３２】図３１に示す重錘駆動機構をＡ−Ａに沿って切断した側断面図である。
【図３３】本発明の第８の実施例に係る加速度センサに使用される力フィードバック回路のブロック図である。
【図３４】本発明の第９の実施例に係る加速度センサの上面図である。
【図３５】本発明の第８の実施例に係る加速度センサの圧電屈曲共振子の上面図である。
【図３６】図３１に示す圧電屈曲共振子をＡ−Ａに沿って切断した側断面図である。
【図３７】本発明の第１０の実施例に係る加速度センサの上面図である。
【図３８】本発明の第１０の実施例に係る加速度センサに使用される力フィードバック回路のブロック図である。
【図３９】本発明の第１１の実施例に係る加速度センサの上面図である。
【図４０】本発明の第１の実施例の第３の変形例に係る加速度センサを構成する圧電屈曲共振子の上面図である。
【図４１】図４０に示す圧電屈曲共振子をＡ−Ａに沿って切断した側断面図である。
【図４２】本発明の第１の実施例の第４の変形例に係る加速度センサを構成する圧電屈曲共振子の上面図である。
【図４３】図４２に示す圧電屈曲共振子をＡ−Ａに沿って切断した側断面図である。
【図４４】本発明の第１の実施例の第５の変形例に係る加速度センサの上面図である。
【図４５】図４４に示す加速度センサをＡ−Ａに沿って切断した側断面図である。
【図４６】本発明の第１の実施例の第５の変形例に係る加速度センサの、感度に関する解析結果を示す図である。
【図４７】本発明の第１の実施例の第６の変形例に係る加速度センサの上面図である。
【図４８】図４７に示す加速度センサをＡ−Ａに沿って切断した側断面図である。
【図４９】本発明の第１の実施例の第６の変形例に係る加速度センサの、感度に関する解析結果を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２９】
本発明に係る加速度センサは、平面状に形成された保持部と支持梁と重錘を有する。保持部と支持梁、支持梁と重錘は一部が接している。本発明に係る加速度センサは、さらに一端を保持部の上面に、他端を重錘の上面に接続され、第1の電極および第2の電極に挟まれた圧電膜を有し、支持梁の両側に隣接して並列に形成された第１及び第２の圧電屈曲共振子を有する。本発明に係る加速度センサは、さらに参照用の第３の圧電屈曲共振子を有する。
【００３０】
重錘に加速度に伴う慣性力が加わることにより、重錘が支持梁と垂直方向に変位する結果、重錘と接続された圧電屈曲共振子に歪が生じ、圧電屈曲共振子の共振周波数が歪に応じて変化する。前記平面内で支持梁の延在方向と垂直の方向に加わった加速度により、第１及び第２の圧電屈曲共振子の共振周波数に差が生じる。この共振周波数差を検出することにより、前記平面内で支持梁の延在方向と垂直の方向に加わった加速度の大きさを測定することができる。また、前記平板面と垂直の方向に加わった加速度により、第１および第２の圧電屈曲共振子と参照用の第３の圧電屈曲共振子の共振周波数に差が生じる。この共振周波数差を検出することにより、基板面と垂直の加速度の大きさを測定することができる。
【００３１】
本発明に係る加速度センサは、基板上に薄膜を積層した構造を持ち、いわゆるサーフェス・マイクロマシーニング法により作成することが可能である。またＣＭＯＳ互換の材料のみで構成することが可能であるため、既存の製造プロセスが適用でき、かつ非常に薄型である。また、2つの圧電屈曲共振子の共振周波数の差を測定するもののため、加速度を検出する精度は温度に依存しにくい。
【００３２】
片持ち梁により支持された重錘構造により、梁の延在方向には剛性が高く、一方、梁と垂直の２方向には、重錘の大きさと梁の長さおよび幅の大きさに依存した、適度な剛性を与えることができる。
【００３３】
また、重錘に加わる慣性力を計測する際に、以下のような高感度化に寄与する多重の機構がある。
【００３４】
（１）  重錘部分の膜厚より計測用の圧電屈曲共振子（第１及び第２の圧電屈曲共振子）の膜厚を薄くすることにより、重錘に加わる慣性力が計測用圧電屈曲共振子に生じさせる歪を増大させる。
【００３５】
（２）  重錘の支持梁と隣接して平行に計測用圧電屈曲共振子を設置し、重錘に加わる横方向（前記平面内において支持梁に垂直な方向）の力が梃子の原理で増幅されて、圧電屈曲共振子の軸力となって伝わるため、歪が増幅される。
【００３６】
（３）  圧電屈曲共振子として電極と圧電膜を積層した構造を使用した上で、膜厚方向に共振させるため、共振子の長さと膜厚の比の２乗に比例するゲージファクタを容易に１０００以上に増大させることが可能になる。
【００３７】
また、加速度を共振周波数として読み出すため、寄生容量の効果やノイズの影響などが少なく、安定して長距離の伝送も可能である。
【００３８】
また、力フィードバック型の加速度センサも容易に構成できるため、線形性の良い精密な加速度センサも実現できる。
【００３９】
さらに本加速度センサを同一基板上に複数組み合わせることで、容易に２軸、３軸の加速度センサや、角加速度センサを実現可能である。
【００４０】
また、重錘に過度の衝撃が加わった場合にも、破損を防止するためのストッパを同一の工程で作成することが可能である。
【００４１】
以下、本発明を図示する実施例に基づいて詳細に説明する。
【００４２】
（第１の実施例）
まず、本発明にかかる加速度センサが有する圧電屈曲共振子についてはじめに説明する。図１は、本発明の第１の実施例に係る加速度センサ１０（図４に示す）を構成する圧電屈曲共振子１１の上面図、図２はそのA-A側断面図、図３はその屈曲変形を模式的に示す側断面図である。なお、圧電屈曲共振子１１の延伸方向をX方向、圧電屈曲振動子が設けられた基板面内でX方向と垂直な方向をY方向、基板面に垂直な方向をZ方向とする。
【００４３】
なお、ここで圧電屈曲共振子と定義しているのは、圧電効果によって駆動され、両端で支持された屈曲振動が可能な振動梁を持つ共振子のことである。本実施例に拘わる圧電屈曲共振子１１は、基板面と垂直方向に屈曲振動が可能な１脚の振動梁を持つ圧電屈曲共振子の例である。なお、後述するように、２本以上の振動梁を持つ同様の共振子を、双音叉、あるいはＤＥＴＦ（Double-Ended Tuning Fork）と称することがある。
【００４４】
この圧電屈曲共振子１１は、第１および第２の支持端１１D、１１Eに両端を接続した単一の振動梁１１Aを有する。振動梁１１Aは、上部電極（第１の電極）２、上部圧電膜（第１の圧電膜）３、中間電極（第２の電極）４、下部圧電膜（第４の圧電膜）５、および下部電極（第７の圧電膜）６から構成される、いわゆる対称バイモルフ構造を有する。上部圧電膜３および下部圧電膜５はZ方向に単一に分極されている。
【００４５】
圧電屈曲共振子１１の振動梁１１Aは、第１の支持端１１Dから第２の支持端１１Eに向かって、第１、第２ないし第３の部分１１’、１１’’、１１’’’に分けられる。第１ないし第３の部分１１’、１１’’’において、上部、中間、および下部電極２、４、６は全面に形成されており、第２の部分１１’’においては、第１ないし第３の部分１１’、１１’’’を連絡するための配線部分のみが形成されている。
【００４６】
上部電極２、下部電極６と中間電極４の間に正の電圧が印加されたとき、第１および第３の部分１１’、１１’’’において上部圧電膜３はX軸方向に収縮し、下部圧電膜５はＸ軸方向に伸張するので、第１および第３の部分１１’、１１’’’は−Ｚ方向に凸になる。第１の部分１１’の一端は第１の支持端１１Ｄに固定されており、第３の部分１１’’’の一端は第２の支持端１１Ｅに固定されているため、第１および第３の部分１１’、１１’’’が−Ｚ方向に凸になることにより、第２の部分１１’’は＋Ｚ方向に押し出される。すなわち、図３の変形図の実線で示すように、振動梁１１Aは＋Ｚ方向に屈曲する。また、上部電極２、下部電極６と中間電極４の間に負の電圧が印加されたときは、図３の変形図の破線で示すように振動梁１１Aは−Ｚ方向に屈曲する。したがって、上部電極２、下部電極６と中間電極４の間に交番電圧が印加されれば振動を生じる。交番電圧の周波数が圧電屈曲共振子の共振周波数と等しいときに最大振幅が得られる。
【００４７】
このような圧電屈曲共振子においては、X軸方向に応力が加わった場合に、共振周波数が変化することが知られている。共振周波数frは以下の式［数１］で表される。
【数１】
2011203228.tif 000003
【００４８】
ここで、t：振動梁厚、L：振動梁長、E：弾性率、ρ：比重、ε：荷重である。
【００４９】
共振周波数は歪によって大きく変化するため、共振周波数を測定することによって高感度で歪の大きさを知ることが可能である。
【００５０】
また、共振周波数の変化率と歪の変化率の比で定義されるゲージファクタ（Ｇ．Ｆ．）は、およそ次式で表される。
【数２】
2011203228.tif 000004
【００５１】
すなわち、ゲージファクタは、振動梁長Lと振動梁厚ｔの比であるアスペクト比のほぼ２乗に比例するため、振動梁長はできるだけ長く、梁厚はできるだけ薄くすることが高感度化の観点から望ましい。本実施例においては、電極および圧電膜を積層して圧電屈曲共振子を形成することにより、容易に共振子のアスペクト比が大きい、すなわち非常に高感度の圧電屈曲共振子を形成することができる。例えば、圧電屈曲共振子の長さを１００μｍ、厚さを０．３μｍとした場合にゲージファクタは１３０００にも達する。歪センサとして加速度センサによく使用される半導体歪ゲージ（ピエゾ抵抗素子とも呼ぶ）においては、ゲージファクタが４０程度であることを考慮すると、本実施例による圧電屈曲検出子が、加速度センサ用の検出素子として非常に大きな感度を有していることがわかる。
【００５２】
次に、図４は、本発明の第１の実施例に係る加速度を検出する加速度センサ１０全体の上面図、図５はそのA-A側断面図である。
【００５３】
このセンサ１０は、基板１上に、保持部７、支持梁９、重錘８が平面状に一体となって形成されている。保持部７は、基板１上に接続部１５を介して設けられている。重錘８には犠牲層を抜くための抜き穴１９が作成されている。ここで保持部７、支持梁９や重錘８は、ＳＯＩ層などの平坦で安定な膜で作成することができ、膜厚も１μｍ以下から数十μｍ程度まで任意に選ぶことができる。
【００５４】
さらに第１および第２の圧電屈曲共振子１１、１２が支持梁９の両側に平行に形成されており、それぞれの圧電屈曲共振子１１、１２の一端は保持部７の上面に、他端は重錘８の上面に接続されている。
【００５５】
なお、ここで第１および第２の圧電屈曲共振子１１、１２は、振動梁の長さがそれぞれＬ1およびＬ２とわずかに異なっている以外は全く同じである。これは、第１および第２の圧電屈曲共振子１１、１２の共振に結合が生じて共振周波数が同一になるのを防止するためである。
【００５６】
ここで、加速度センサ１０にY軸方向の加速度が加わった場合を考える。Y軸方向の加速度により、重錘８にY軸方向の慣性力Ａｙが働き、支持梁９が支持部７を中心としてY軸方向に屈曲する結果、第１の圧電屈曲共振子１１には圧縮応力が、第２の圧電屈曲共振子１２には引っ張り応力が作用する結果、第１の圧電屈曲共振子１１の共振周波数が低下し、第２の圧電屈曲共振子１２の共振周波数が上昇する。したがって、第１および第２の圧電屈曲共振子１１、１２の共振周波数の差を測定することにより、Y方向に加わった加速度の大きさを検出することができる。
【００５７】
このとき、保持部７と重錘８の重心の間の距離をＬ0とし、支持梁９の中心と圧電屈曲共振子の中心の距離をｓとすると、重錘８に加わった慣性力は、梃子の作用によりほぼＬ0／ｓ倍だけ増幅されて圧電屈曲共振子に作用する。したがって、重錘８に加わった慣性力は、重錘８と圧電屈曲共振子１１、１２の厚さの差による増幅作用と、梃子の原理による増幅作用の２つの原理に基づく応力の増大作用を伴って圧電屈曲共振子１１、１２に加わり、さらに上述した非常に高い圧電屈曲共振子のゲージファクタとあいまって、非常に高い感度を有することがわかる。
【００５８】
一方、加速度センサ１０にX軸方向に加速度が加わった場合は、重錘部８の重心が第１および第２の圧電屈曲共振子１１、１２の中心線上にあることから、第１および第２の圧電屈曲共振子１１、１２にほぼ均等にX軸方向の引張り応力が加わる。従って、このときの第１および第２の圧電屈曲共振子１１、１２の共振周波数の変化は等しく、第１および第２の圧電屈曲共振子１１、１２の周波数差は生じない。すなわち、X軸方向の加速度に対して感度を持たない。
【００５９】
一方、加速度センサ１０にZ軸方向に加速度が加わった場合は、重錘部８にZ軸方向の力が働き、支持梁９の膜厚中心より、第１および第２の圧電屈曲共振子１１、１２の膜厚中心がずれているため、第１および第２の圧電屈曲共振子１１、１２にはX軸方向の圧縮応力が加わるが、第１および第２の圧電屈曲共振子１１、１２の共振周波数の変化が同等になるので、両者の差分をとったときに変化を生じない。すなわち、Z軸方向の加速度に対して感度を持たない。
【００６０】
さらに，センサ１０に温度変化が生じた場合は，支持梁９の熱膨張係数と、第１および第２の圧電屈曲共振子１１，１２の熱膨張係数の差に応じて、第１および第２の圧電屈曲共振子１１，１２に熱応力が加わり、共振周波数が変化する。しかしながら、第１および第２の圧電屈曲共振子１１，１２は振動梁９の中心軸に対して線対称に配置されていることから両者の共振周波数の変化が同等になるので、両者の差分をとったときに変化を生じない。すなわち，温度変化に対しても感度を持たない。
【００６１】
このように、第１の実施例に掛る加速度を検出する加速度センサ１０においては、Ｙ軸方向にのみ加速度に関する非常に大きな感度を持ち、Ｘ軸ないしZ軸方向に関しては感度を持たず、また温度変化に対しても感度を持たない、１軸加速度を検出する加速度センサを実現することができる。
【００６２】
なお、重錘８、支持梁９、保持部７の材料として、安定で平坦性が良い膜、例えば単結晶シリコンからなるＳＯＩ膜や、十分高温でアニールして残留応力を除去したポリシリコン膜などが望ましい。
【００６３】
なお、上部圧電膜３や下部圧電膜５としては、シリコンプロセスと親和性が良く、圧電性の良い圧電膜であり、さらに共振させたときのＱ値が高い、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）や酸化亜鉛（ＺｎＯ）などが特に望ましいが、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）などの強誘電体も使用することができる。
【００６４】
なお、上部電極２、中間電極４、下部電極６としては、アルミニウム（Ａｌ）、銅（Ｃｕ）、チタン（Ｔｉ）、モリブデン（Ｍｏ）、タングステン（Ｗ）などの、一般のＬＳＩ配線に使用される材料を使用することができる。
【００６５】
図６には、ＳＯＩ基板を使用した場合の、第１の実施例に係る加速度センサの工程順断面図（図４のＡ−Ａ断面）を示す。
【００６６】
同図（ａ）に示すように、ＳＯＩ基板１上のＳＯＩ層を既知のリソグラフィーおよびエッチング法を使用して加工し、支持部７、支持梁９（図示せず）および重錘８を作成する。なお、ＳＯＩ層の下部には第１の犠牲層１６となる埋め込み酸化膜層が形成されている。
【００６７】
次に、同図（ｂ）に示すように、第２の犠牲層１７を同図（a）で示した基板１上の全面に形成し、化学的機械的研磨（ＣＭＰ）法により平坦化した。第２の犠牲層１７として、リンをドープした酸化シリコン（ＰＳＧ）を使用し、プラズマＣＶＤ法により成膜を行った。さらに化学的機械的研磨法（ＣＭＰ）を用いて、重錘８等の表面が露出するまで研磨平坦化を行った。
【００６８】
次に、同図（ｃ）に示すように、Ａｌからなる下部電極６、ＡｌＮからなる下部圧電膜５、Ａｌからなる中間電極４、ＡｌＮからなる上部圧電層３、Ａｌからなる上部電極２の順に、それぞれスパッタ法による成膜およびリソグラフィーとエッチング法によるパターニングを繰り返して形成し、圧電屈曲共振子１１、１２を作成した。
【００６９】
最後に、同図（ｄ）に示すように、第１ないし第２の犠牲層１６、１７を、基板との接続部１５を残してフッ酸蒸気中で除去し、基板上の空中に延伸する加速度センサ１０を作成した。
【００７０】
図７（a）には、作成した第１の実施例に係る加速度センサ１０の性能を測定した例を示す。重錘８の寸法は５００ｘ５００ｘ１５μｍ、支持梁の寸法は１８０ｘ６ｘ１５μｍ、圧電屈曲共振子１１（ＴＦ１）の寸法は１８０ｘ２０ｘ０．３μｍ、圧電屈曲共振子１２（ＴＦ２）の寸法は１６０ｘ２０ｘ０．３μｍである。
【００７１】
図７（a）は、加速度センサ１０の印加加速度と圧電屈曲共振子１１、１２それぞれの共振周波数の関係を示す図である。図７（a）に示すように、加速度が加わらない状態ではＴＦ１は約９０ｋＨｚ、ＴＦ２は約１００ｋＨｚの共振周波数を持つが、Ｙ方向の加速度が加わることで、ＴＦ１は圧縮応力により著しい共振周波数の低下が生じ、ＴＦ２は引張り応力により著しい共振周波数の上昇が生じ、それぞれ−２９１５Ｈｚ／ｇおよび２８８４Ｈｚ／ｇという非常に大きな周波数変化感度が得られた。
【００７２】
ＴＦ１ないしＴＦ２の振動梁の長さと厚さのアスペクト比が３００倍以上あり、前述の式［数２］で示したように、圧電屈曲共振子のゲージファクタが１０００以上に達することにより、重錘８と圧電屈曲共振子１１、１２の厚さの比の効果、さらに梃子の効果が乗算され、非常に大きな加速度に対する感度が得られたものである。
【００７３】
図７（b）は、第１の実施例の加速度センサを用いてＹ軸方向の加速度を算出する処理を表す図である。第１の圧電屈曲共振子１１と第２の圧電屈曲共振子１２は、それぞれ発振回路２０１、２０１’に接続されている。発振回路２０１、２０１’それぞれは周波数カウンタ３０１、３０１’に接続されている。周波数カウンタ３０１、３０１’それぞれは、比較手段３０２に接続されている。２つの周波数カウンタ３０１、３０１’の周波数の差が比較手段３０２により求められる。比較手段３０２は、さらに算出手段３０３に接続されている。算出手段３０３において、２つの圧電屈曲共振子１１、１２の周波数の差から、上述した式１を用いてＹ方向の加速度を算出する。このようにして、加速度センサ１０によって重錘８に加えられた、基板１面と平行で支持梁９の延在方向と垂直な方向の加速度を検出することができる。
【００７４】
（第１の実施例の第1の変形例）
本発明の第１の実施例に係る加速度を検出する加速度センサ１０を構成する圧電屈曲共振子１１、１２は、圧電膜面（以下、膜面と称する）と垂直方向に屈曲振動が可能な１脚の振動梁を持つ圧電屈曲共振子である。これに対して第1の実施例の第1の変形例においては、膜面と垂直方向に屈曲振動が可能な２脚の振動梁を持つ圧電屈曲共振子を使用した。圧電屈曲共振子以外の加速度センサ全体の構成は、第1の実施例と同様であるので、全体の詳細は省略する。なお、前述したように、この様な形式の屈曲共振子は、双音叉ないしはＤＥＴＦと呼ばれることがある。
【００７５】
本発明の第１の実施例の第1の変形例に係る圧電屈曲共振子２１の上面図を図８に、そのA-A側断面図を図９に、その屈曲変形を模式的に示す側断面図を図１０に示す。なお、圧電屈曲共振子２１の延伸方向をX方向、膜面内でX方向と垂直な方向をY方向、膜面に垂直な方向をZ方向とする。
【００７６】
この圧電屈曲共振子２１は、第１および第２の支持端２１D、２１Eに両端を接続した第１および第２の振動梁２１A、２１Bを有する。振動梁２１A、２１Bは、上部電極２、Z方向に単一に分極した上部圧電膜３、中間電極４、Z方向に単一に分極した下部圧電膜５、および下部電極６から構成される。
【００７７】
圧電屈曲共振子２１の振動梁２１A、２１Bは、第１の支持端２１Dから第２の支持端２１Eに向かって、第１、第２、第３の部分２１’、２１’’、２１’’’に分けられる。第１の振動梁２１Aでは、第１、第３の部分２１’、２１’’’において、上部電極２、中間電極４、および下部電極６が全面に形成されている。第２の部分２１’’においては、上部電極２、中間電極４、および下部電極６は、第１の部分２１’と第３の部分２１’’’のそれぞれの電極間を接続する目的で狭い幅で形成されている。また、第２の振動梁２１Bは、第１の振動梁２１AとX軸に対して線対称に構成されている。
【００７８】
第１の振動梁２１Aにおいて、中間電極４に対して上部電極２と下部電極６に正の電圧が印加されたとき、第1および第3の部分２１’、２１’’’における上部電極２と中間電極４にはさまれた上部圧電膜３はX軸方向に収縮し、中間電極４と下部電極６にはさまれた下部圧電膜５はX軸方向に伸張するので、図１０の変形図の実線で示すように、第１の梁２１Aでは中央部の第2の部分３１”が＋Y方向に屈曲する。第2の梁２１Bでは第1の梁と逆極性の電圧が印加され、中央部の第2の部分２１”が‐Y方向に屈曲する。
【００７９】
したがって、第1の梁２１Aに正位相の交番電圧が印加され、第2の梁２１Bに逆位相の交番電圧が印加されれば、第１の梁２１Aと第2の梁２１Bの間で逆位相の振動を生じる。振動が逆位相であるため、第１の梁２１Aと第２の梁２１Bの振動に伴う運動量がほぼ相殺され、振動が圧電屈曲共振子２１内部に閉じ込められる結果、Q値が上昇して共振周波数の測定精度を高めることができる。ただし、Ｘ軸周りの若干のねじり振動成分はのこる。交番電圧の周波数が圧電屈曲共振子の共振周波数と等しいときに最大振幅が得られる。
【００８０】
このように、加速度センサの検出子として、面内で屈曲する2脚の圧電屈曲共振子２１を使用することにより、2脚の振動子２１Ａおよび２１Ｂを逆位相で共振させることによりＱ値が高まり、加速度検出精度の向上が図れることなどのメリットが得られる。
【００８１】
（第１の実施例の第２の変形例）
本発明の第１の実施例に係る加速度を検出する加速度センサ１０を構成する圧電屈曲共振子１１は、膜面と垂直方向に屈曲振動が可能な１脚の振動梁を持つ圧電屈曲共振子である。これに対して第1の実施例の第２の変形例においては、膜と垂直方向に屈曲振動が可能な3脚の振動梁を持つ圧電屈曲共振子を使用した。圧電屈曲共振子以外の加速度センサ全体の構成は、第1の実施例と同様であるので、全体の詳細は省略する。
【００８２】
図１１は、本発明の第１の実施例の第２の変形例に係る加速度を検出する加速度センサ３０を構成する圧電屈曲共振子３１の上面図、図１２はそのA-A側断面図、図１３はその屈曲変形を模式的に示す側断面図である。
【００８３】
この圧電屈曲共振子３１は、第１および第２の支持端３１D、３１Eに両端を接続した第１ないし第３の振動梁３１A、３１B、３１Cを有する。振動梁３１Aないし３１Cは、上部電極２、Z方向に単一に分極した上部圧電膜３、中間電極４、Z方向に単一に分極した下部圧電膜５、および下部電極６から構成される。
【００８４】
圧電屈曲共振子３１の振動梁３１Aないし３１Cは、第１の支持端３１Dから第２の支持端３１Eに向かって、第１、第２ないし第３の部分３１’、３１’’、３１’’’に分けられる。第１の振動梁３１Aでは、第１ないし第３の部分３１’、３１’’’において、上部電極２、中間電極４、および下部電極６が全面に形成されている。第２の部分３１’’においては、上部電極２、中間電極４、および下部電極６は、第１の部分３１’と第３の部分３１’’’のそれぞれの電極間を接続する目的で狭い幅で形成されている。また、第２の振動梁３１Bおよび第3の振動梁３１Cは、第１の振動梁３１Aと同一形状で隣接して平行に形成されている。
【００８５】
第１および第3の振動梁３１A、３１Cにおいて、中間電極４に対して上部電極２と下部電極６に正の電圧が印加されたとき、第1および第3の部分３１’、３１’’’における上部電極２と中間電極４にはさまれた上部圧電膜３はX軸方向に収縮し、中間電極４と下部電極６にはさまれた下部圧電膜５はX軸方向に伸張するので、図１３（a）、（b）、（c）の変形図の実線で示すように、第１および第3の振動梁３１A、３１Cでは中央部の第2の部分３１”が＋Y方向に屈曲する。第2の振動梁３１Bでは第1の振動梁と逆極性の電圧が印加され、中央部の第2の部分３１”が‐Y方向に屈曲する。
【００８６】
したがって、第1および第３の振動梁３１A、３１Cに正位相の交番電圧が印加され、第2の梁３１Bに逆位相の交番電圧が印加されれば、第１および第３の振動梁３１A、３１Cと、第2の振動梁３１Bの間で逆位相の振動を生じる。振動が逆位相であるため、第１、第3の振動梁３１A、３１Cと第２の振動梁３１Bの振動に伴う運動量がすべて相殺され、振動が圧電屈曲共振子３１内部に完全に閉じ込められる結果、Q値が上昇して共振周波数の測定精度を高めることができる。
【００８７】
なお、第1ないし第3の振動梁３１A、３１B、３１Cの幅がすべて等しい場合は、力学的に運動量が相殺されるために、第2の振動梁３１Bの振幅は、第1ないし第３の梁３１A、３１Cの振幅の2倍になる。第2の梁３１Bの幅を第1ないし第3の梁３１Ａ、３１Ｃの幅の2倍にすれば、すべての振動梁の振幅は等しくなる。共振周波数は若干の振幅依存性があるため、第2の振動梁３１Bの幅が第1ないし第3の振動梁３１Ａ、３１Ｃの幅の2倍の場合のほうがQ値は高くなる。
【００８８】
このように、第１の実施例の第2の変形例においては、第1の実施例に比較してＱ値の高い圧電屈曲共振子により精度の高い加速度を検出することができるという利点がある。
【００８９】
（第１の実施例の第３の変形例）
本発明の第１の実施例に係る加速度を検出する加速度センサ１０を構成する圧電屈曲共振子２０１を構成する上部、中間、下部電極２、４、６は、図１に示したように、振動梁２０１Aの第１の部分２０１’および第３の部分２０１’’’において全面に形成されている。第２の部分２０１’’においては、第１の部分２０１’と第３の部分２０１’’’の電極を連絡する配線として細く形成されている。これに対して第1の実施例の第３の変形例においては、上部、中間、下部電極２、４、６が、第２の部分２０１’’において全面に形成されている。圧電屈曲共振子以外の加速度センサ全体の構成は、第1の実施例と同様であるので、全体の詳細は省略する。
【００９０】
本発明の第１の実施例の第３の変形例に係る圧電屈曲共振子２０１の上面図を図４０に、同図A-A断面における屈曲変形模式図を図４１に示す。なお、圧電屈曲共振子２０１の延伸方向をX方向、膜面内でX方向と垂直な方向をY方向、膜面に垂直な方向をZ方向とする。上部、中部、下部電極２、４、６は、第２の部分２０１’’において全面に形成されており、第１の部分２０１’においては、第１の支持端２０１Dと第２の部分２０１’’の電極を連絡する配線として細く形成されており、第３の部分２０１’’’においては形成されていない。
【００９１】
上部電極２、下部電極６と中間電極４の間に正の電圧が印加されたとき、第２の部分２０１’’において上部圧電膜３はX軸方向に収縮し、下部圧電膜５はＸ軸方向に伸張するので、第２の部分２０１’’は−Ｚ方向に凸になる。第１の部分２０１’の一端は第１の支持端２０１Ｄに固定されており、第３の部分２０１’’’の一端は第２の支持端２０１Ｅに固定されているため、第２の部分２０１’’は−Ｚ方向に凸になることにより、図４２の変形図の実線で示すように、振動梁２０１Aは−Ｚ方向に屈曲する。また、上部電極２ないし下部電極６と中間電極４の間に負の電圧が印加されたときは、図４１の変形図の破線で示すように振動梁２０１Aは−Ｚ方向に屈曲する。したがって、上部電極２ないし下部電極６と中間電極４の間に交番電圧が印加されれば振動を生じる。
【００９２】
第１の実施例と第１の実施例の第３の変形例においては、圧電共振子の屈曲作用はほぼ同様であり、どちらの構成をとってもよい。
【００９３】
（第１の実施例の第４の変形例）
本発明の第１の実施例に係る加速度を検出する加速度センサ１０を構成する圧電屈曲共振子２１１を構成する上部、中部、下部電極２、４、６は、図１に示したように、振動梁２１１Aの第１の部分２１１’および第３の部分２１１’’’において全面に形成されている。第２の部分２１１’’においては、第１の部分２１１’と第３の部分２１１’’’の電極を連絡する配線として細く形成されている。これに対して第1の実施例の第４の変形例においては、上部、中部、下部電極２、４、６が、第１ないし第３の部分２１１’、 ２１１’’、 ２１１’’’においてほぼ全面に形成されており、第１と第３の部分２１１’、 ２１１’’’と、第２の部分２１１’’は上部、中部、下部電極２、４、６は電圧が逆相に接続されている。圧電屈曲共振子以外の加速度センサ全体の構成は、第1の実施例と同様であるので、全体の詳細は省略する。
【００９４】
本発明の第１の実施例の第４の変形例に係る圧電屈曲共振子２１１の上面図を図４２に、同図A-A断面における屈曲変形模式図を図４３に示す。なお、圧電屈曲共振子２１１の延伸方向をX方向、膜面内でX方向と垂直な方向をY方向、膜面に垂直な方向をZ方向とする。上部、中部、下部電極２、４、６は、第１ないし第３の部分２１１’ 、２１１’’、２１１’’’において、一部（配線２’、 ２’’）を除きほぼ全面に形成されている。
【００９５】
第１の部分２１１’と第３の部分２１１’’’の上部、中部、下部電極２、４、６は、第２の部分２０１’’に形成された配線２’’により接続されている。第２の部分２１１’’の電極は、第１の部分２１１’に形成された配線２’により、第１の支持端２０１Dと接続されている。 
第１の部分２１１’と第３の部分２１１’’’において、上部電極２、下部電極６と中間電極４の間に正の電圧が印加され、第２の部分２０１’’において、上部電極２、下部電極６と中間電極４の間に負の電圧が印加されたとき、図４３の変形図の実線で示すように、振動梁２１１Aは、第１の部分２１１’と第３の部分２１１’’’において下（−Ｚ方向）に凸に、第２の部分２０１’’において上（＋Ｚ方向）に凸に変形し、全体として＋Z方向に屈曲する。したがって、上部電極２、下部電極６と中間電極４の間に交番電圧が印加されれば振動を生じる。
【００９６】
第１の実施例の第３の変形例においては、第１の部分２１１’および第３の部分２１１’’’と第２の部分２１１’’の電極間に逆相の電圧が印加されるために、圧電共振子２１１の屈曲作用はもっとも大きくなる。反面、上部、中部、下部電極２、４、６間を接続する配線部分２’、２’’を形成する必要があるため、振動梁２１１Ａの幅が狭い場合は不利になる。
【００９７】
（第１の実施例の第５の変形例）
本発明の第１の実施例に係る加速度を検出する加速度センサ１０においては、２個の圧電屈曲共振子１１および１２は、支持梁９と平行に、かつ支持梁９の中心軸に対して軸対称に設置されている。これに対して第1の実施例の第５の変形例においては、２個の圧電屈曲共振子は、支持梁９と垂直に、かつ支持梁９の中心軸に対して軸対称に設置されている。圧電屈曲共振子の構造は第1の実施例と同様であるので、詳細は省略する。
【００９８】
本発明の第１の実施例の第５の変形例に係る加速度センサ２２０の上面図を図４４に、そのA-A側断面図を図４５に示す。なお、支持梁９の延伸方向をX方向、膜面内でX方向と垂直な方向をY方向、膜面に垂直な方向をZ方向とする。
【００９９】
このセンサ２２０においては、保持部７、支持梁９、重錘８が平面状に一体となって形成されている。ここで保持部７は、支持梁９との接続部から、正負のＹ方向、さらにＸ方向に延長され、保持部延長部２２７が形成されている。
【０１００】
第１および第２の圧電屈曲共振子２２１，２２２が支持梁９の両側に垂直に、かつ支持梁９の中心軸に対して軸対称に形成されており、それぞれの圧電屈曲共振子２２１，２２２の一端は保持部延長部２２７の上面に、他端は支持梁９の上面に接続されている。
【０１０１】
なお、ここで第１および第２の圧電屈曲共振子２２１，２２２は、振動梁の長さがそれぞれＬ1およびＬ２とわずかに異なっている以外は全く同じである。これは、第１および第２の圧電屈曲共振子２２１，２２２の共振に結合が生じて共振周波数が同一になるのを防止するためである。
【０１０２】
ここで，センサ２２０にY軸方向の加速度が加わった場合を考える。Y軸方向の加速度により，重錘８にY軸方向の慣性力Ａｙが働き，支持梁９が支持部７を中心としてY軸方向に屈曲する結果，第１の圧電屈曲共振子２２１には圧縮応力が，第２の圧電屈曲共振子２２２には引っ張り応力が作用する結果、第１の圧電屈曲共振子２２１の共振周波数が低下し、第２の圧電屈曲共振子２２２の共振周波数が上昇する。したがって、第１および第２の圧電屈曲共振子２２１，２２２の共振周波数の差を測定することにより、Y方向に加わった加速度の大きさを検出することができる。
【０１０３】
このとき、実施例１と同様に、重錘８に加わった慣性力は、梃子の作用により増幅されて圧電屈曲共振子に作用することが分かるであろう。
【０１０４】
支持梁９の長さを１００μｍ、幅を１０μｍ、厚さを１２μｍ、重錘８の長さを４００μｍ、幅を４００μｍ、厚さを１２μｍ、圧電屈曲共振子２２１，２２２の長さを１００μｍ、幅を１０μｍ、厚さを０．３μｍ、保持部７と圧電屈曲共振子２２１，２２２の中心のオフセット距離をｓ１としたときの、重力加速度に対する感度、すなわち圧電屈曲共振子２２１，２２２の共振周波数の差の解析結果を図４６に示す。
【０１０５】
オフセット距離ｓ１が増大すると当初は感度も増大し、オフセット距離ｓ１が約４０μｍでピーク値をとった後、減少することが読み取れる。すなわち、重錘８に加わった慣性力は、梃子の原理により増幅され、この増幅作用はオフセット距離ｓ１が４０μｍのときに最大値である１２８０Ｈｚ／Ｇという非常に大きな感度を示す。本変形例においては、保持部７と重心の距離Ｌ０は３００μｍであり、オフセット距離ｓ１の４０μは約１３％に相当する。
【０１０６】
ただし、保持部７と重心の距離Ｌ０と感度のピークをとるオフセット距離ｓ１との比は、各部の寸法によって変動するので、一般的には保持部７と重心の距離Ｌ０に対して、保持部７と圧電屈曲共振子２２１，２２２の中心のオフセット距離ｓ１を５％以上３０％以下程度に設定することが望ましい。
【０１０７】
また本変形例においては、支持梁９と圧電屈曲共振子２２１，２２２が垂直に配置されているので、重錘８に大きな慣性力が加わり支持梁９が撓んだときに、圧電屈曲共振子２２１，２２２に加わるせん断力が、実施例１に比較すると小さく、圧電屈曲共振子２２１，２２２の共振のＱ値が大きくなるというメリットを有する。
【０１０８】
（第１の実施例の第６の変形例）
本発明の第１の実施例に係る加速度を検出する加速度センサ１０においては、２個の圧電屈曲共振子１１および１２は、支持梁９と平行に、かつ支持梁９の中心軸に対して軸対称に設置されている。また、第1の実施例の第５の変形例においては、２個の圧電屈曲共振子は、支持梁９と垂直に、かつ支持梁９の中心軸に対して軸対称に設置されている。
【０１０９】
これに対して第1の実施例の第６の変形例においては、２個の圧電屈曲共振子は、支持梁９に対してななめに、かつ支持梁９の中心軸に対して軸対称に設置されている。圧電屈曲共振子の構造は第1の実施例と同様であるので、詳細は省略する。
【０１１０】
本発明の第１の実施例の第６の変形例に係る加速度センサ２３０の上面図を図４７に、そのA-A側断面図を図４８に示す。なお、支持梁９の延伸方向をX方向、膜面内でX方向と垂直な方向をY方向、膜面に垂直な方向をZ方向とする。
【０１１１】
このセンサ２３０においては、保持部７、支持梁９、重錘８が平面状に一体となって形成されている。ここで保持部７は、支持梁９との接続部から、正負のＹ方向に延長され、保持部延長部２３７が形成されている。
【０１１２】
第１および第２の圧電屈曲共振子２３１，２３２が支持梁９の両側にななめに、かつ支持梁９の中心軸に対して軸対称に形成されており、それぞれの圧電屈曲共振子２３１，２３２の一端は保持部延長部２３７の上面に、他端は支持梁９の上面に接続されている。
【０１１３】
なお、ここで第１および第２の圧電屈曲共振子２３１，２３２は、振動梁の長さがそれぞれＬ1およびＬ２とわずかに異なっている以外は全く同じである。これは、第１および第２の圧電屈曲共振子２３１，２３２の共振に結合が生じて共振周波数が同一になるのを防止するためである。
【０１１４】
ここで，センサ２３０にY軸方向の加速度が加わった場合を考える。Y軸方向の加速度により，重錘８にY軸方向の慣性力Ａｙが働き，支持梁９が支持部７を中心としてY軸方向に屈曲する結果，第１の圧電屈曲共振子２３１には圧縮応力が，第２の圧電屈曲共振子２３２には引っ張り応力が作用する結果、第１の圧電屈曲共振子２３１の共振周波数が低下し、第２の圧電屈曲共振子２３２の共振周波数が上昇する。したがって、第１および第２の圧電屈曲共振子２３１，２３２の共振周波数の差を測定することにより、Y方向に加わった加速度の大きさを検出することができる。
【０１１５】
このとき、実施例１や、実施例１の変形例５と同様に、重錘８に加わった慣性力は、梃子の作用により増幅されて圧電屈曲共振子に作用する。
【０１１６】
支持梁９の長さを１００μｍ、幅を１０μｍ、厚さを１２μｍ、重錘８の長さを４００μｍ、幅を４００μｍ、厚さを１２μｍ、圧電屈曲共振子２３１，２３２の長さを１００μｍ、幅を１０μｍ、厚さを０．３μｍ、保持部７と圧電屈曲共振子２３１，２３２の支持梁９との接続部とのオフセット距離をｓ２としたときの、重力加速度に対する感度、すなわち圧電屈曲共振子２３１，２３２の共振周波数の差の解析結果を図４９に示す。
【０１１７】
オフセット距離ｓ２が増大すると当初は感度も増大し、オフセット距離ｓ２が約４０μｍでピーク値をとった後、減少する。すなわち、重錘８に加わった慣性力は、梃子の原理により増幅され、この増幅作用はオフセット距離ｓ２が４０μｍのときに最大値である１２７０Ｈｚ／Ｇという非常に大きな感度を示す。本変形例においては、保持部７と重心の距離Ｌ０は３００μｍであり、オフセット距離ｓ２の４０μは約１３％に相当する。
【０１１８】
ただし、保持部７と重心の距離Ｌ０とこの感度のピークをとるオフセット距離ｓ２との比は、各部の寸法によって変動するので、一般的には保持部７と重心の距離Ｌ０に対して、保持部７と圧電屈曲共振子２３１，２３２の中心のオフセット距離ｓ２を５％以上３０％以下程度に設定することが望ましい。
【０１１９】
また本変形例においては、支持梁９と圧電屈曲共振子２３１，２３２が垂直に配置されているので、重錘８に大きな慣性力が加わり支持梁９が撓んだときに、圧電屈曲共振子２３１，２３２に加わるせん断力が、実施例１に比較すると小さく、圧電屈曲共振子２３１，２３２の共振のＱ値が大きくなるというメリットを有する。
【０１２０】
（第２の実施例）
第1の実施例においては、圧電屈曲共振子の延伸方向（X方向）に対して、加速度の検出方向は膜面内で圧電屈曲共振子の延伸方向に垂直な方向（Y方向）である加速度センサであった。本実施例においては、圧電膜面内で圧電屈曲共振子の延伸方向に垂直な方向（Y方向）と圧電膜面と垂直な方向（Z方向）の2軸の加速度を検出する加速度センサである。
【０１２１】
図１４（a）は、本発明の第２の実施例に係る加速度を検出する加速度センサ４０全体の上面図である。このセンサ４０は、第1の実施例と全く同様の、重錘８、支持梁９、測定用圧電屈曲共振子４１および４２に加え、参照用圧電屈曲共振子（第３の圧電屈曲共振子）４３を有する。参照用圧電屈曲共振子４３の両端は、支持枠４６の上に形成されており、支持枠４６の一端（保持部）４７は基板１上に接続されて保持されている。すなわち、支持枠４６は、一端の保持部４７を除き基板1の上方に空間を隔てて保持されている。
【０１２２】
第1および第2の測定用圧電屈曲共振子４１，４２、および参照用圧電屈曲共振子４３は、第1の実施例の圧電屈曲共振子１１と同様であるので、詳細な説明は省略する。すなわち、第３の圧電屈曲共振子は、上部電極（第３の電極）２、上部圧電膜（第２の圧電膜）３、中間電極（第４の電極）４、下部圧電膜（第５の圧電膜）５、および下部電極（第８の電極）６から構成される。
【０１２３】
第1および第2の測定用圧電屈曲共振子４１、４２は、ＸＺ断面のＺ方向の厚さの中心線が、振動梁9のＸＺ断面のＺ方向の厚さの中心線と高さが異なる。すなわち、第1および第2の測定用圧電屈曲共振子４１、４２の中心線と基板１との距離は、振動梁９の中心線と基板１との距離と異なる。
【０１２４】
いうまでもないが、第1の実施例の圧電屈曲共振子１１の代わりに、第1の実施例の第1の変形例の圧電屈曲共振子２１、第1の実施例の第２の変形例の圧電屈曲共振子３１、第1の実施例の第３の変形例の圧電屈曲共振子４１、第1の実施例の第４の変形例の圧電屈曲共振子５１と同等の圧電屈曲共振子を使用しても良い。
【０１２５】
ここで、センサ４０にZ軸方向の加速度が加わった場合を考える。Z軸方向の加速度により、重錘８にZ軸方向の慣性力Ａｚが働き、支持梁９は支持部７を中心としてZ軸方向に屈曲する。このとき、第1ないし第2の測定用圧電屈曲共振子４１、４２は支持梁９の上部に形成されていることから（図１４（b）参照）、第1ないし第2の測定用圧電屈曲共振子４１、４２には圧縮応力が作用し、共振周波数が低下する。このときに、第１の実施例と同様に、保持部７と重錘の重心間の距離Ｌ0（図示せず）と、支持梁９の膜厚中心と圧電屈曲共振子４１、４２の膜厚中心間の距離ｓ（図示せず）の比Ｌ0／ｓに比例して、梃子の原理で圧電屈曲共振子４１、４２に加わる慣性力が増幅される。
【０１２６】
一方、参照用圧電屈曲共振子４３には重錘が接続されていないことから、共振周波数は一定であり、したがって、第1および第2の測定用圧電屈曲共振子４１、４２の共振周波数の平均と、参照用圧電屈曲共振子４３の共振周波数の差を測定することにより、Z方向に加わった加速度の大きさを検出することができる。
【０１２７】
次に、センサ４０にY軸方向の加速度が加わった場合は、第1の実施例と全く同様であるので詳細な説明を省略する。Y軸方向の慣性力Ａｙにより、第１の測定用圧電屈曲共振子４１には圧縮応力が、第２の測定用圧電屈曲共振子４２には引っ張り応力が作用し、第１の測定用圧電屈曲共振子４１の共振周波数が低下し、第２の測定用圧電屈曲共振子４２の共振周波数が上昇する。したがって、第１および第２の測定用圧電屈曲共振子４１、４２の共振周波数の差を測定することにより、Y方向に加わった加速度の大きさを検出することができる。
【０１２８】
センサ４０にX軸方向に加速度が加わった場合は、第1および第2の測定用圧電屈曲共振子４１、４２にX軸方向のわずかな引張り応力が加わる。しかしながらこの引っ張り応力は、Z軸方向に加速度が加わったときに生じる引っ張り応力に比較してかなり小さく、特別に高精度の測定が必要な場合を除き無視できる。高精度の測定が必要な場合は、後述する第３の実施例の方法などにより補正することが可能である。
【０１２９】
なお、参照用圧電屈曲共振子４３が支持枠４６の上に支持されているのは、支持梁９で支持されている測定用圧電屈曲共振子４１ないし４２と同等の力学的条件にするためである。すなわち、センサに温度変化が生じた場合に、支持梁９と測定用圧電屈曲共振子４１ないし４２の熱膨張差に相当する歪が測定用圧電屈曲共振子４１ないし４２に加わり、共振周波数のシフトが生じる。このとき、参照用圧電屈曲共振子４３にも同様の熱歪が支持枠４６から加われば、同様の共振周波数のシフトが生じ、測定用と参照用の圧電屈曲共振子におけるｓ共振周波数のシフトが相殺されるからである。
【０１３０】
さらに、センサ１０に温度変化が生じた場合を考える。支持梁９の熱膨張係数と、第１および第２の圧電屈曲共振子１１、１２の熱膨張係数の差に応じて、第１および第２の圧電屈曲共振子１１、１２に熱応力が加わり、共振周波数が変化する。
【０１３１】
このとき、参照用圧電屈曲共振子４３も支持枠４６の上に支持されており、温度変化が生じた場合に、支持枠４６の熱膨張係数と、参照用圧電屈曲共振子４３の熱膨張係数の差に応じて、参照用圧電屈曲共振子４３に熱応力が加わり、共振周波数が変化する。
【０１３２】
ここで、支持梁９の幅と２つの測定用圧電屈曲共振子４１、４２の幅の和との比が、支持枠４６の両側（参照用圧電屈曲共振子４３と平行な部分）の幅の和と参照用圧電屈曲共振子４３の幅の比が同等であれば、測定用圧電屈曲共振子４１ないし４２と参照用圧電屈曲共振子４３に加わる熱応力や、共振周波数のシフトは同等になり、両者の差分をとったときに変化を生じない。すなわち，温度変化に対しても感度を持たない。
【０１３３】
なお、本実施例においては、支持梁９の厚さを重錘８の厚さと同じにしてもよいし、重錘８よりも薄くしてもよい。重錘８にZ軸方向の慣性力が加わったときの重錘８の変位量は、支持梁９の厚さの−２乗に比例するため、薄いほどZ方向の加速度感度が高くなる。
【０１３４】
このように、第２の実施例に掛る加速度を検出する加速度センサ４０においては、 Z軸およびY軸方向の加速度に関する感度を持ち、X軸方向に関してはほとんど感度を持たず、また温度変化に対しても感度を持たない、２軸加速度を検出する加速度センサを実現することができる。
【０１３５】
図１５（a）には、作成した第２の実施例に係る加速度センサ４０の性能を測定した例を示す。重錘の寸法は５００ｘ５００ｘ１５μｍ、支持梁の寸法は１８０ｘ６ｘ１５μｍ、圧電屈曲共振子１（ＴＦ１）の寸法は１８０ｘ２０ｘ０．３μｍ、圧電屈曲共振子２（ＴＦ２）の寸法は１６０ｘ２０ｘ０．３μｍであり、第１の実施例と同様である。
【０１３６】
Ｙ方向の加速度が加わった場合は、第１の実施例と同様の応答が得られ、Ｙ方向の加速度に対して非常に大きな感度を有している。
【０１３７】
Ｚ方向の加速度が加わった場合の応答を図１５（a）に示す。加速度が加わらない状態ではＴＦ１は約９０ｋＨｚ、ＴＦ２は約１００ｋＨｚの共振周波数を持つが、Ｚ方向の加速度が加わることで、ＴＦ１およびＴＦ２は圧縮応力により著しい共振周波数の低下が生じ、約−１６００Ｈｚ／ｇという非常に大きな周波数変化感度が得られた。
【０１３８】
図１５（b）は、第２の実施例に係る加速度センサ４０のＺ軸方向の加速度を算出するための処理を表すための図である。測定用圧電屈曲共振子４１、４２と参照用圧電屈曲共振子４３それぞれには、発信回路２０１、２０１’、２０１’ ’が接続されている。発振回路２０１、２０１’、２０１’ ’それぞれには周波数カウンタ３０１、３０１’、３０１’ ’が接続されている。周波数カウンタ３０１、３０１’、３０１’ ’それぞれは、比較手段３０２に接続され、さらに比較手段３０２は算出手段３０３に接続されている。比較手段３０２は、周波数カウンタ３０１、３０１’によって測定された２つの測定用圧電屈曲共振子４１、４２の周波数の平均を求め、それを周波数カウンタ３０１’ ’によって測定された参照用圧電屈曲共振子４３の周波数との差を求める。算出手段３０３は、比較手段３０２によって求められた、測定用圧電屈曲共振子４１、４２の周波数の平均と参照用圧電屈曲共振子４３の周波数との差から、数１を用いてＺ軸方向の加速度を算出する。このようにして、基板１と垂直な方向についての加速度を検出することができる。
【０１３９】
（第３の実施例）
本発明の第２の実施例においては、圧電屈曲共振子の延伸方向（X方向）に対して、膜面と垂直な方向（Z方向）および膜面内で圧電屈曲共振子の延伸方向に垂直な方向（Y方向）の2軸の加速度の検出方向を持つ加速度センサであった。本発明の第３の実施例に係る加速度センサは、Ｘ、Ｙ、Ｚの3軸すべての加速度を検出する加速度センサである。
【０１４０】
図１６は、本発明の第３の実施例に係る加速度センサ５０全体の上面図である。本変形例の加速度センサ５０においては、Ｘ軸方向に延在し、Ｙ軸およびＺ軸方向の加速度を検出することが可能な第1の加速度センサ部５０Xと、Ｙ軸方向に延在し、Ｘ軸およびＺ軸方向の加速度を検出することが可能な第２の加速度センサ部５０Yを有する。この構成により、加速度センサ５０は、3軸の加速度を測定可能となっている。
【０１４１】
第1および第2の加速度センサ部５０X、５０Yは、第2の実施例４０と同等の構成を備えている。ただし、参照用圧電屈曲共振子５３については両者で共用している。
【０１４２】
第1の加速度センサ部５０Ｘの第1の検出用圧電屈曲共振子５１Ｘと参照用圧電屈曲共振子５３の共振周波数の差をΔｆ１Ｘとし、第２の検出用圧電屈曲共振子５２Ｘと参照用圧電屈曲共振子５３の共振周波数の差をΔｆ２Ｘとする。また、第２の加速度センサ部５０Ｙの第1の検出用圧電屈曲共振子５１Ｙと参照用圧電屈曲共振子５３の共振周波数の差をΔｆ１Ｙとし、第２の検出用圧電屈曲共振子５２Ｙと参照用圧電屈曲共振子５３の共振周波数の差をΔｆ２Ｙとする。
【０１４３】
さらに、例えば第1の加速度センサ部５０Ｘの第１の検出用圧電屈曲共振子５１Ｘについては、Ｙ軸方向加速度に対する共振周波数変化のゲージファクタをα、Ｘ軸方向加速度に対する周波数変化のゲージファクタをβ（ただしα>>βである）、Ｚ軸方向加速度に対する周波数変化のゲージファクタをγとする。他の検出用圧電屈曲共振子５２Ｘ、５１Ｙ、５２Ｙについても同様のゲージファクタα、β、γを持つ。
【０１４４】
Ｘ、Ｙ、Ｚ方向の加速度に対する出力Ｖｘ、Ｖｙ、Ｖｚは、それぞれ以下の式［数３］〜［数５］式で表される。
【数３】
2011203228.tif 000005
【数４】
2011203228.tif 000006
【数５】
2011203228.tif 000007
【０１４５】
このように、２軸の加速度センサを２組使用することにより、容易に３軸の加速度の測定が可能な加速度センサを構成することが可能である。特に同一チップ内に同時にパターニングすることにより、正確に直交する１組のセンサが得られるため、他軸感度をきわめて軽減した３軸加速度センサを得ることが可能になる。
【０１４６】
（第４の実施例）
本発明の第３の実施例においては、Ｘ、Ｙ、Ｚの3軸すべての加速度を検出する加速度センサであった。本発明の第４の実施例に係る加速度センサは、Ｘ、Ｙ、Ｚの3軸の加速度を検出に加え、Ｘ、Ｙ、Ｚの3軸回りの角加速度（回転加速度）を検出する加速度センサである。
【０１４７】
図１７は、本発明の第４の実施例に係る加速度センサ６０全体の上面図である。本実施例の加速度センサ６０においては、Ｘ＋方向に延在する第1の加速度センサ部６０Ｘ＋と、Ｘ−方向に延在する第２の加速度センサ部６０Ｘ−と、Ｙ＋方向に延在する第３の加速度センサ部６０Ｙ＋と、Ｙ−方向に延在する第４の加速度センサ部６０Ｙ−を有する。
【０１４８】
第1ないし第４の加速度センサ部６０Ｘ＋、６０Ｘ−、６０Ｙ＋、６０Ｙ−は、第2の実施例４０と同等の構成を備えている。ただし、参照用圧電屈曲共振子６３は、第1ないし第4の加速度センサ部６０Ｘ＋、６０Ｘ−、６０Ｙ＋および６０Ｙ−で共用している。
【０１４９】
ここで角加速度の測定原理について簡単に説明する。いま、第１の加速度センサ部４０Ｘ＋と第２の加速度センサ部４０Ｘ−に着目する。Ｙ＋方向に加速度による力が加わったとすると、第１および第２の加速度センサ部４０Ｘ＋、４０Ｘ−の圧電屈曲共振子はいずれもアンカー７を支点としてＹ＋方向にたわむ。一方、Ｚ軸回りの角加速度により、Ｚ軸の時計回りの力が加わったとすると、第１の加速度センサ部４０Ｘ＋の圧電屈曲共振子はアンカー７を支点としてＹ−方向に、第２の加速度センサ部４０Ｘ−の圧電屈曲共振子はアンカー７を支点としてＹ＋方向にたわむ。したがって、第１および第２の加速度センサ部４０Ｘ＋、４０Ｘ−の圧電屈曲共振子のＹ方向のたわみについて、和をとればＹ方向の加速度が、差をとればＺ軸回りの角加速度が検出できることになる。他の方向や軸回りについても同様に算出できる。
【０１５０】
第1の加速度センサ部６０Ｘ＋の第1の検出用圧電屈曲共振子６１Ｘ＋と参照用圧電屈曲共振子６３Ｘ＋の共振周波数の差をΔｆ１Ｘ＋とし、第２の検出用圧電屈曲共振子６２Ｘ＋と参照用圧電屈曲共振子６３Ｘ＋の共振周波数の差をΔｆ２Ｘ＋とする。第２の加速度センサ部６０Ｘ−の第1の検出用圧電屈曲共振子６１Ｘ−と参照用圧電屈曲共振子６３Ｘ−の共振周波数の差をΔｆ１Ｘ−とし、第２の検出用圧電屈曲共振子６２Ｘ−と参照用圧電屈曲共振子６３Ｘ−の共振周波数の差をΔｆ２Ｘ−とする。第３の加速度センサ部６０Ｙ＋の第1の検出用圧電屈曲共振子６１Ｙ＋と参照用圧電屈曲共振子６３Ｙ＋の共振周波数の差をΔｆ１Ｙ＋とし、第２の検出用圧電屈曲共振子６２Ｙ＋と参照用圧電屈曲共振子６３Ｙ＋の共振周波数の差をΔｆ２Ｙ＋とする。第４の加速度センサ部６０Ｙ−の第1の検出用圧電屈曲共振子６１Ｙ−と参照用圧電屈曲共振子６３Ｙ−の共振周波数の差をΔｆ１Ｙ−とし、第２の検出用圧電屈曲共振子６２Ｙ−と参照用圧電屈曲共振子６３Ｙ−の共振周波数の差をΔｆ２Ｙ−とする。
【０１５１】
さらに、例えば第1の加速度センサ部の第１の検出用圧電屈曲共振子５１Ｘ＋については、Ｙ軸方向加速度に対する共振周波数変化のゲージファクタをα、Ｘ軸方向加速度に対する周波数変化のゲージファクタをβ（ただしα>>βである）、Ｚ軸方向加速度に対する周波数変化のゲージファクタをγとする。他の検出用圧電屈曲共振子５１Ｘ−、５２Ｘ＋、５２Ｘ−、５１Ｙ＋、５１Ｙ−、５２Ｙ＋、５２Ｙ−についても同様のゲージファクタα、β、γを持つ。
【０１５２】
さらに、例えば第1の検出用圧電屈曲共振子５１Ｘ＋については、Ｚ軸回りの角加速度に対する共振周波数変化のゲージファクタをζ、Ｙ軸回りの角加速度に対する周波数変化のゲージファクタをηとする。他の検出用圧電屈曲共振子５１Ｘ−、５２Ｘ＋、５２Ｘ−、５１Ｙ＋、５１Ｙ−、５２Ｙ＋、５２Ｙ−についても同様のゲージファクタζ、ηを持つ。
【０１５３】
Ｘ、Ｙ、Ｚ方向の加速度に対する出力Ｖｘ、Ｖｙ、Ｖｚ、およびＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸周りの角加速度Ｗｘ、Ｗｙ、Ｗｚは、それぞれ以下の式［数６］〜［数１１］式で表される。
【数６】
2011203228.tif 000008
【数７】
2011203228.tif 000009
【数８】
2011203228.tif 000010
【数９】
2011203228.tif 000011
【数１０】
2011203228.tif 000012
【数１１】
2011203228.tif 000013
【０１５４】
このように、２軸の加速度センサを４組使用することにより、容易に３軸の加速度と３軸周りの角加速度の測定が可能な加速度センサを構成することが可能である。
【０１５５】
（第５の実施例）
本発明の第５の実施例に係る加速度を検出する加速度センサは、加速度を検出する加速度センサ本体は第２の実施例と全く同様であるが、加速度を検出する加速度センサ本体の周囲がストッパにより囲まれ、加速度を検出する加速度センサ本体の上部に上部間隙を介してリッドが形成され、加速度を検出する加速度センサ本体が封止されているところが異なる。
【０１５６】
図１８は、本発明の第５の実施例に係る加速度を検出する加速度センサ７０の上面図（説明の都合上、上部接着層７６およびリッド７２は表示していない）、図１９はそのＡ−Ａ側断面図である。
【０１５７】
本実施例の加速度を検出する加速度センサ７０においては、重錘８の周囲に間隙７３を介してストッパ７１が形成されている。間隙７３は、重錘８にY方向の検出限界に相当する加速度が加わったときの変形量の数倍程度に設定するのが望ましい。一般的には、０．１μｍから数μｍ程度である。
【０１５８】
また、図１９に示すように、重錘８の上部に上部間隙７５を介してリッド７２が形成されている。また、重錘８の下部には下部間隙７４を介して基板１が存在する。上部間隙７５や下部間隙７４は、重錘８にZ方向の検出限界に相当する加速度が加わったときの変形量の数倍程度に設定するのが望ましい。一般的には、０．２μｍから１０μｍ程度である。
【０１５９】
次に、本加速度を検出する加速度センサ７０に衝撃荷重が加わった場合を考える。X軸方向にはアンカー７から支持梁９および重錘８が直線的に連続して形成されているため、X軸方向の構造強度は高く、X軸方向に衝撃荷重が加わった場合は問題がない。
【０１６０】
一方、Y軸方向に衝撃荷重が加わった場合、支持梁９および重錘部８は、衝撃応力に応じて支持部７を中心にしてY軸方向に屈曲する。しかしながら重錘部８に間隙７３を隔てて近接してストッパ７１が形成されているので、重錘部８がストッパ７１に接触して屈曲変形が制限され、圧電屈曲共振子等に過剰な応力が加わり破損するのを防ぐことができる。
【０１６１】
一方、Z軸方向に衝撃荷重が加わった場合、支持梁９および重錘部８は、衝撃応力に応じて支持部７を中心にしてZ軸方向に屈曲する。重錘８に下部間隙７４を隔てて近接して基板１が存在するので、Z軸−方向の衝撃力に対しては、重錘部８が基板１に接触して屈曲変形が制限され、検出部等に過剰な応力が加わり破損するのを防ぐことができる。Z軸＋方向の衝撃力に対しては、図１６の断面図に示すように、センサ全体を上部接着層７６を介してリッド７２で封止し、上部間隙７５により重錘８に対してリッド７２が相対することで、重錘部８がリッド７２に接触して屈曲変形が制限され、検出部等に過剰な応力が加わり破損するのを防ぐことができる。
【０１６２】
このように、第５の実施例に掛る加速度を検出する加速度センサ７０においては、Y軸方向にのみ加速度に関する感度を持ち、X軸ないしZ軸方向に関しては感度を持たず、X、YおよびZ軸方向の衝撃力に関しては充分な耐性を有する、１軸加速度を検出する加速度センサを実現することができる。
【０１６３】
（第6の実施例）
第１ないし第５の実施例における加速度センサに使用した圧電屈曲共振子は、例えば図２に示したように、上部電極２、上部圧電膜３、中間電極４、下部圧電膜５、下部電極６の５層からなる、いわゆる対称バイモルフ構造を持つ。対称バイモルフ構造の共振子においては、例えば上部圧電膜３が縮小して下部圧電膜５が伸張することにより屈曲が生じるので、もっとも能率が良い屈曲共振構造である。
【０１６４】
第６の実施例における圧電屈曲共振子は、対称バイモルフ構造の代わりに、非対称バイモルフ構造を持つことを特徴とする。図２０は第６の実施例における圧電屈曲共振子８１の上面図、図２１はそのA-A側断面図である。
【０１６５】
本実施例における圧電屈曲共振子８１は、上部電極２、上部圧電膜３、中間電極４、シム層８３の４層からなる。上部電極２および中間電極４は、第１の実施例の圧電共振子１０と同様の構造を持つ。上部電極２と中間電極４の間に正の電圧が印加されたとき、上部圧電膜３はX軸方向に収縮するのに対し、シム層８３は変形しなので、振動梁８１Aは＋Ｚ方向に屈曲する。また、上部電極２と中間電極４の間に負の電圧が印加されたときは、振動梁８１Aは−Ｚ方向に屈曲する。したがって、上部電極２と中間電極４の間に交番電圧が印加されれば振動を生じる。交番電圧の周波数が圧電屈曲共振子の共振周波数と等しいときに最大振幅が得られる。
【０１６６】
本実施例における非対称バイモルフ構造の圧電屈曲共振子８１は、上述したように上部圧電膜３の伸縮によってのみ駆動されるので、第１の実施例に示す対称バイモルフ構造の圧電屈曲共振子１０と比較すると駆動効率はほぼ半分程度になる。しかしながら、対象バイモルフ構造の５層に対して、非対称バイモルフ構造では４層と１層少なくなること、またシム層の材料として、圧電膜以外の材料も使用できるなどの利点がある。
【０１６７】
シム層の材料として、一般のシリコンプロセスで使用される、酸化シリコン膜、窒化シリコン膜、多結晶シリコン膜などを使用することが可能である。
【０１６８】
なお、本実施例においては、１脚の振動梁を有する圧電屈曲共振子について示したが、第１の実施例の第１の変形例に示した２脚の振動梁を持つ圧電屈曲共振子や、第１の実施例の第２の変形例に示した３脚の振動梁を持つ圧電屈曲共振子についても、全く同様に非対称バイモルフ構造が適用可能であることはいうまでもない。それぞれの振動梁において、下部圧電膜５および下部圧電膜６の代わりに、単一のシム層８３で置き換えればよい。
【０１６９】
なお、圧電屈曲共振子以外の全体の加速度センサの構造は、第１ないし第５の実施例がそのまま適用できることはいうまでもなく、詳細は繰り返しになるので省略する。
【０１７０】
（第７の実施例）
一般に両端を支持された圧電屈曲共振子の共振周波数は、ハードスプリング効果により、振幅が増大すると共振周波数もわずかに上昇する。したがって、ごく精密に共振周波数を測定する際には、振幅を一定に制御する必要がある。
【０１７１】
第７の実施例では、第１ないし第５の実施例で詳細に説明してきた圧電屈曲共振子の励振機構に加えて、振幅のモニタ機構を加え、モニタ機構によって検出された振幅をフィードバック制御して圧電屈曲共振子の振幅を一定に保つ機構を付加した、一定振幅圧電屈曲共振子を使用した加速度センサである。
【０１７２】
図２２は第７の実施例における圧電屈曲共振子９１の上面図、図２３はそのA-A側断面図である。
【０１７３】
本実施例における圧電屈曲共振子９１は、上部電極２、上部圧電膜３、中間電極４、下部圧電膜５、下部電極６の５層からなる。上部電極２および下部電極６は、第１および第３の部分９１’、９１’’’において全面に形成されており、第２の部分９１’’においては、第１と第３の部分９１’、９１’’’を連絡するための配線部分のみが形成されている。一方、中間電極４は、第１および第３の部分９１’、９１’’’において全面に形成されているが、第２の部分９１’’においては連絡する配線部分はなく（図示せず）、第１ないし第３の部分９１’、９１’’’が独立している。
【０１７４】
第１の部分９１’のみにおいて上部電極２ないし下部電極６と中間電極４の間に、共振回路９４により交番電圧が印加され、圧電逆効果により振動振９１Ａは励振される。このとき、振動梁９１Ａは、Ｙ軸に対して軸対称に、Ｚ方向に共振を生じ、これに伴い、第３の部分９１’’’においては、上部電極２ないし下部電極６と中間電極４の間に圧電効果により交番電圧が誘起される。この第３の部分９１’’’において誘起される電圧振幅を、モニタ回路９５により測定することができる。
【０１７５】
図２４には、本実施例に基づく振幅フィードバック回路のブロック図を示す。９４は電圧制御発振回路、９５はモニタ回路、９６は基準電圧発生器、９７は比較回路、９８はループフィルタである。共振回路９４によって振動梁９１の第１の部分９１’が励振され、この共振振動が第３の部分９１’’’に伝わり、モニタ回路９５によって共振の振幅が電圧振幅として測定される。この振幅電圧が基準電圧発生器９６からの基準電圧と比較回路９７において比較され、差分電圧の低周波成分がループフィルタ９８を通して電圧制御発振器９４に入力され、共振振幅が一定値になるようにフィードバック制御される。
【０１７６】
このようにして、圧電屈曲共振子９１は一定振幅で励振されるため、安定な一定の共振周波数を持ち、加速度に対する共振周波数の変化をきわめて正確に測定することが可能になる。
【０１７７】
なお、本実施例においては、１脚の振動梁を有する圧電屈曲共振子について示したが、第１の実施例の第１の変形例に示した２脚の振動梁を持つ圧電屈曲共振子や、第１の実施例の第２の変形例に示した３脚の振動梁を持つ圧電屈曲共振子についても、全く同様に一定振幅圧電屈曲共振子構造が適用可能であることはいうまでもない。２脚や３脚の振動梁を持つ圧電屈曲共振子では、そのうちの１脚の振動梁のみに本実施例にかかるモニタ機構を装備しても良いし、２脚ないし３脚の振動梁すべてについて本実施例にかかるモニタ機構を装備しても良い。
【０１７８】
なお、圧電屈曲共振子以外の全体の加速度センサの構造は、第１ないし第５の実施例がそのまま適用できることはいうまでもなく、詳細は繰り返しになるので省略する。
【０１７９】
（第７の実施例の第１の変形例）
第７の実施例では、振動梁の第１の部分に励振機構を備え、第３の部分に振幅モニタ機構を備えることを特徴とする、一定振幅圧電屈曲共振子について説明した。
【０１８０】
これに対して、第７の実施例の第１の変形例は、振動梁の上部電極と中間電極の間に励振電圧を印加し、下部電極と中間電極に振幅モニタ機構を接続することを特徴とする、一定振幅圧電屈曲共振子を使用した加速度センサである。
【０１８１】
図２５は第７の実施例の第１の変形例における圧電屈曲共振子１０１の上面図、図２６はそのA-A側断面図である。
【０１８２】
本変形例における圧電屈曲共振子１０１は、上部電極２、上部圧電膜３、中間電極４、下部圧電膜５、下部電極６の５層からなり、基本構造は第１の実施例に示した圧電屈曲共振子１１と同一である。しかしながら、第１の実施例に示した圧電屈曲共振子１１においては、上部電極２および下部電極６と中間電極４のあいだに励振電圧が印加されるのに対し、本変形例においては、上部電極２と中間電極４の間に励振電圧を印加し、下部電極６と中間電極４の間の電圧振幅をモニタ回路により測定するという違いがある。すなわち、本実施例においては、圧電屈曲振動子１０１は対称バイモルフ構造を持つものの、上部圧電膜３のみを駆動用の圧電膜として使用し、実質的には非対称バイモルフ駆動を行っている。また下部圧電膜５は、振動検出用の圧電膜として使用している。
【０１８３】
第７の実施例と、第７の実施例の第１の変形例は、駆動電極構成とモニタ電極構成のちがいはあるものの、基本的な動作や回路は全く同じであり、図２４に示したフィードバック回路を本変形例にも使用することができる。
【０１８４】
このようにして、圧電屈曲共振子１０１は一定振幅で励振されるため、安定な一定の共振周波数を持ち、加速度に対する共振周波数の変化をきわめて正確に測定することが可能になる。
【０１８５】
なお、本変形例においては、１脚の振動梁を有する圧電屈曲共振子について示したが、第１の実施例の第１の変形例に示した２脚の振動梁を持つ圧電屈曲共振子や、第１の実施例の第２の変形例に示した３脚の振動梁を持つ圧電屈曲共振子についても、全く同様に一定振幅圧電屈曲共振子構造が適用可能であることはいうまでもない。２脚や３脚の振動梁を持つ圧電屈曲共振子では、そのうちの１脚の振動梁のみに本変形例にかかるモニタ機構を装備しても良いし、２脚ないし３脚の振動梁すべてについて本変形例にかかるモニタ機構を装備しても良い。
【０１８６】
なお、圧電屈曲共振子以外の全体の加速度センサの構造は、第１ないし第５の実施例がそのまま適用できることはいうまでもなく、詳細は繰り返しになるので省略する。
【０１８７】
（第７の実施例の第２の変形例）
第７の実施例および第７の実施例の第１の変形例においては、１本のみの振動梁を持つ圧電屈曲共振子についても適用可能な、一定振幅圧電屈曲共振子について説明した。
【０１８８】
これに対して、第７の実施例の第２の変形例は、複数の振動梁を持つ圧電屈曲共振子にのみ適用可能な、一定振幅圧電屈曲共振子を使用した加速度センサである。
【０１８９】
図２７は第７の実施例の第２の変形例における圧電屈曲共振子１１１の上面図、図２８はそのA-A側断面図、図２９はそのＢ-Ｂ側断面図である。
【０１９０】
本変形例における圧電屈曲共振子１１１は、上部電極２、上部圧電膜３、中間電極４、下部圧電膜５、下部電極６の５層からなる２脚の振動梁１１１Ａ、１１１Ｂを持ち、基本構造は第１の実施例の第１の変形例に示した圧電屈曲共振子２１と同一である。しかしながら、第１の実施例の第１の変形例に示した圧電屈曲共振子２１においては、第１の振動梁２１Ａと第２の振動梁２１Ｂに逆位相の駆動電圧が印加されるのに対し、本変形例においては、図２８に示すように第１の振動梁のみに励振電圧を印加し、図２９に示すように第２の振動梁に生じる電圧振幅をモニタ回路により測定するという違いがある。
【０１９１】
このような２脚の振動梁を持つ圧電屈曲共振子１１１においては、第１の振動梁１１１Ａのみに駆動電圧を印加して共振させたときに、運動量を相殺するように、第２の振動梁１１１Ｂにおいても逆位相で同一振幅の共振が励起されるため、第２の振動梁１１１Ｂの電極間に圧電効果に基づく電圧が励起され、振幅をモニタすることが可能になる。
【０１９２】
第７の実施例や、第７の実施例の第１の変形例と本変形例では、駆動電極構成とモニタ電極構成のちがいはあるものの、基本的な動作や回路は全く同じであり、図２４に示したフィードバック回路を本変形例にも使用することができる。
【０１９３】
このようにして、圧電屈曲共振子１１１は一定振幅で励振されるため、安定な一定の共振周波数を持ち、加速度に対する共振周波数の変化をきわめて正確に測定することが可能になる。
【０１９４】
なお、本変形例においては、２脚の振動梁を有する圧電屈曲共振子について示したが、第１の実施例の第２の変形例に示した３脚の振動梁を持つ圧電屈曲共振子についても、全く同様に一定振幅圧電屈曲共振子構造が適用可能であることはいうまでもない。３脚の振動梁を持つ圧電屈曲共振子では、そのうちの２脚の振動梁を励振機構として使用し、残りの１脚の振動梁に本変形例にかかるモニタ機構を装備しても良い。また、そのうちの１脚の振動梁を励振機構として使用し、残りの２脚の振動梁に本変形例にかかるモニタ機構を装備しても良い。
【０１９５】
なお、圧電屈曲共振子以外の全体の加速度センサの構造は、第１ないし第５の実施例がそのまま適用できることはいうまでもなく、詳細は繰り返しになるので省略する。
【０１９６】
（第８の実施例）  
第１ないし第７の実施例で説明した加速度センサにおいては、重錘に加わる慣性力を、圧電屈曲共振子の共振周波数の変化として測定するものであった。
【０１９７】
第８の実施例においては、いわゆる力フィードバック方式の加速度センサである。第１ないし第７の実施例で詳細に説明してきた加速度センサに、重錘に加わる慣性力を打消すためのフィードバック回路と、重錘駆動機構を付加した加速度センサである。
【０１９８】
力フィードバック方式の加速度センサにおいては、加速度に対する応答が基本的に線型であることが最大のメリットである。また重錘が移動しないため、信頼性にも優れているという特徴もある。また、重錘駆動機構としては、慣性力を検出するための圧電屈曲共振器と同時に作成することが可能であるため、プロセスが追加されるという問題点はない。力フィードバック回路のみを付加すればよい。
【０１９９】
図３０は、第８の実施例にかかる、１軸検出用加速度センサ１２０の上面図である。上述したように、加速度センサ本体は、第１の実施例で示した加速度センサ１０に、第１および第２の重錘駆動機構１２３、１２４を付加したものである。第１および第２の重錘駆動機構１２３、１２４は、一端を保持部７の上面に接続され、他端を重錘８の上面に接続されている。
【０２００】
重錘駆動機構１２３、１２４は、重錘８の慣性力による移動をできるだけ妨げないことが望ましい。すなわち、重錘機構１２３、１２４と支持梁９の距離が遠い場合や、重錘駆動機構１２３、１２４の幅が広すぎる場合などは、重錘の移動を妨げるために望ましくない。
【０２０１】
他の構造は、既に示した加速度センサ１０と同様であるので、詳細な説明は省略する。なお、本実施例の場合は、第１および第２の圧電屈曲共振子１２１、１２２の長さは同じであることが望ましい。
【０２０２】
図３１は重錘駆動機構１２３の上面図、図３２はそのA-A側断面図である。本実施例における重錘駆動機構１２３は、上部電極（第５の電極）２、圧電膜（第３の電極）３、下部電極（第６の電極）６の３層からなる。上部電極２および下部電極６は、圧電膜３の両面に全面にわたって形成されている。
【０２０３】
上部電極２と下部電極６の間に、後述する力フィードバック回路により、慣性力をキャンセルするための駆動電圧が加えられ、圧電膜３には伸張力ないしは圧縮力が発生する。
【０２０４】
例えば、重錘８に＋Ｙ方向の慣性力が働いた場合、支持梁９が保持部７を支点として＋Ｙ方向に撓み、第１の圧電屈曲共振子１２１には圧縮力が加わり共振周波数を低下させようとし、第２の圧電屈曲共振子１２２には引張り力が加わり共振周波数を増加させようとする。後述の力フィードバック回路により、第１の圧電屈曲共振子１２１と第２の圧電屈曲共振子１２２の共振周波数の差を検知し、これを打消すような伸張力を第１の重錘駆動機構１２３の圧電膜３に発生させ、また収縮力を第２の重錘駆動機構１２４の圧電膜３に発生させることにより、重錘８に加わった慣性力を打消し、重錘をほぼ一定の位置に保持することができる。このとき発生させた重錘駆動電圧が慣性力の大きさに比例する。
【０２０５】
図３３には、本実施例に基づく力フィードバック回路２００のブロック図を示す。２０１は発振回路、２０２は分周器、は位相比較回路、２０４はループフィルタ、２０５は極性反転器、２０６はＡ／Ｄ変換器、２０７は駆動用増幅器、２０８は電圧発生回路、２０９は加算器である。発振回路２０１によって、第１ないし第２の圧電屈曲共振子１２１ないし１２２の上部電極２および下部電極６と中間電極４の間に交番電圧が印加され共振が生じる。それぞれの共振周波数は分周器２０２、２０２’により低周波数化され、位相比較器２０３によって位相差に相当する電圧に変換される。一方、加速度が加わらない無負荷時の第１および第２の圧電屈曲共振子１２１、１２２の共振周波数の差に相当する分周器２０２の出力電圧に相当する電圧が電圧発生器２０８より出力され、減算器２０９により分周器２０３の出力と電圧発生器２０８の出力の差が出力され、ループフィルタ２０４によりフィルタリングされ、一方は駆動用増幅器２０７を通して第１の重錘駆動機構１２３の上部電極２と下部電極６の間に駆動電圧が印加される。他方はループフィルタ２０４の出力の極性を極性反転器２０５により反転させた後、駆動用増幅器２０７’を通して第２の重錘駆動機構１２４の上部電極２と下部電極６の間に駆動電圧が印加される。
【０２０６】
このようにして、重錘８が慣性力によって移動しないように力フィードバック制御される。
【０２０７】
なお、図３３において、第１および第２の圧電屈曲共振子１２１，１２２の無負荷時の共振周波数が異なる場合について説明した。共振周波数が同一の場合は、電圧発生器２０８および減算器２０９が不要であることはいうまでもない。
【０２０８】
このようにして、圧電屈曲共振子１２１ないし１２２は一定の共振周波数で励振され、力フィードバックに要する駆動電圧により慣性力の大きさを測定するため、加速度をきわめて感度良く線型に測定することが可能になる。
【０２０９】
重錘として５００ｘ５００ｘ１５μｍ、支持梁として１８０ｘ６ｘ１５μｍ、圧電屈曲共振子１（ＴＦ１）として１８０ｘ２０ｘ０．３μｍ、圧電屈曲共振子２（ＴＦ２）として１６０ｘ２０ｘ０．３μｍ、さらに第１および第２の圧電駆動機構として１２０ｘ２０ｘ０．３μｍの持つものを使用したとき、重錘に加わる加速度１０Gに対して圧電駆動機構に約１Vの電圧を印加することで、力フィードバックを達成することが可能であった。
【０２１０】
なお、本実施例においては、１脚の振動梁を有する圧電屈曲共振子について示したが、第１の実施例の第１の変形例に示した２脚の振動梁を持つ圧電屈曲共振子や、第１の実施例の第２の変形例に示した３脚の振動梁を持つ圧電屈曲共振子についても、全く同様に力フィードバック型加速度センサ構造が適用可能であることはいうまでもない。
【０２１１】
なお、本実施例の力フィードバック機構と、第７の実施例で述べた一定振幅圧電屈曲共振子構造と組み合わせることが可能であるのもいうまでもない。
【０２１２】
（第９の実施例）  
第８の実施例で示した力フィードバック方式の加速度センサにおいては、支持梁および圧電屈曲共振子の外側に、重錘駆動機構を付加した加速度センサである。本実施例においては、測定用の圧電屈曲共振子の一部に重錘駆動機構を組み込んだことを特徴とする。
【０２１３】
図３４は、第９の実施例にかかる、力フィードバック型１軸検出用加速度センサ１3０の上面図である。加速度センサ本体の構造は、使用する圧電屈曲共振子１３１、１３２の内部構造以外は、第１の実施例で示した加速度センサ１０と同様であり、詳細な説明は省略する。なお、本実施例の場合は、第１および第２の圧電屈曲共振子１３１、１３２の長さは同じであることが望ましい。
【０２１４】
図３５は圧電屈曲共振子１３１の上面図、図３６はそのA-A側断面図である。本実施例における圧電屈曲共振子１３１は、上部電極２、上部圧電膜３、中間電極４、下部圧電膜５、下部電極６の５層からなる。圧電屈曲共振子１３１の振動梁１３１Aは、第１の支持端１３１Dから第２の支持端１３１Eに向かって、第１、第２ないし第３の部分１３１’、１３１’’、１３１’’’に分けられる。
【０２１５】
上部電極２は、第１および第３の部分１３１’、１３１’’’において全面に形成されており、第２の部分１３１’’においては、第１ないし第３の部分１３１’、１３１’’’を連絡するための配線部分のみが形成されている。一方、中間電極４および下部電極８は、第１ないし第３の部分１３１’、１３１’’、１３１’’’において全面に形成されている。
【０２１６】
上部電極２と中間電極４の間に、共振回路２０１により交番電圧が印加され、圧電逆効果により振動梁１３１Ａは励振される。
【０２１７】
一方、下部電極６と中間電極４の間に、前述した力フィードバック回路２００により、慣性力をキャンセルするための駆動増幅器２０７により重錘駆動電圧が加えられ、下部圧電膜５には伸張力ないしは圧縮力が発生する。
【０２１８】
例えば、重錘８に＋Ｙ方向の慣性力Ａｙが働いた場合、支持梁９が保持部７を支点として＋Ｙ方向に撓み、第１の圧電屈曲共振子１３１には圧縮力が加わり共振周波数を低下させようとし、第２の圧電屈曲共振子１３２には引張り力が加わり共振周波数を増加させようとする。力フィードバック回路２００により、第１の圧電屈曲共振子１３１と第２の圧電屈曲共振子１３２の共振周波数の差を検知し、これを打消すような伸張力を第１の圧電屈曲共振子１３１の下部圧電膜５に発生させ、また収縮力を第２の圧電屈曲共振子１３２の下部圧電膜５に発生させることにより、重錘８に加わった慣性力を打消し、重錘を一定の位置に保持することができる。このとき発生させた重錘駆動電圧が慣性力の大きさに比例する。
【０２１９】
このようにして、圧電屈曲共振子１３１ないし１３２は一定の共振周波数で励振され、力フィードバックに要する駆動電圧により慣性力の大きさを測定するため、加速度をきわめて感度良く線型に測定することが可能になる。
【０２２０】
なお、本実施例においては、１脚の振動梁を有する圧電屈曲共振子について示したが、第１の実施例の第１の変形例に示した２脚の振動梁を持つ圧電屈曲共振子や、第１の実施例の第２の変形例に示した３脚の振動梁を持つ圧電屈曲共振子についても、全く同様に力フィードバック型加速度センサ構造が適用可能であることはいうまでもない。２脚や３脚の振動梁を持つ圧電屈曲共振子では、そのうちの１脚の振動梁のみに本実施例にかかる力フィードバック駆動機構を装備しても良いし、２脚ないし３脚の振動梁すべてについて本実施例にかかる力フィードバック駆動機構を装備しても良い。
【０２２１】
なお、本実施例の力フィードバック機構と、第７の実施例で述べた一定振幅圧電屈曲共振子構造と組み合わせることが可能であるのもいうまでもない。その場合、本実施例と第７の実施例の組み合わせや、本実施例と第７の実施例の第２の変形例との組み合わせが特に好適である。
【０２２２】
（第１０の実施例）  
第８および第９の実施例においては、１軸検出用の力フィードバック方式加速度センサの例を示した。第１０の実施例においては、第２の実施例で述べた、２軸検出用の加速度センサ４０に力フィードバック方式を適用した例について説明する。
【０２２３】
図３７は、第１０の実施例にかかる、力フィードバック式２軸検出用加速度センサ１４０の上面図である。本加速度センサ１４０は、第1および第２の測定用圧電屈曲共振子１４１、１４２に加え、参照用圧電屈曲共振子１４３を有する。さらに第１および第２の重錘駆動機構１４４、１４５を有する。第１および第２の重錘駆動機構１４４、１４５は、一端を保持部７の上面に接続され、他端を重錘８の上面に接続されている。重錘駆動機構１４４、１４５は、第８の実施例で述べた重錘駆動機構１２３と同様であるので、詳細な説明は省略する。他の構造も、既に示した加速度センサ４０と同様であるので、詳細な説明は省略する。なお、本実施例の場合は、第１ないし第３の圧電屈曲共振子１４１、１４２、１４３の長さは同じであることが望ましい。
【０２２４】
重錘８にＹ方向の慣性力が働いた場合の、力フィードバック動作は基本的に第９の実施例と同じであるので、詳細な説明は省略する。
【０２２５】
次に、重錘８に＋Ｚ方向の慣性力が働いた場合、支持梁９が保持部７を支点として＋Ｚ方向に撓み、第１および第２の圧電屈曲共振子１４１、１４２には圧縮力が加わり共振周波数を低下させようとする。後述の力フィードバック回路により、第１および第２の圧電屈曲共振子１４１、１４２の共振周波数の平均と、参照用圧電屈曲共振子１４３の共振周波数の差を検知し、これを打消すような伸張力を第１ないし第２の重錘駆動機構１４４、１４５の圧電膜３に発生させることにより、重錘８に加わった慣性力を打消し、重錘を一定の位置に保持することができる。このとき発生させた重錘駆動電圧がＺ軸方向の慣性力の大きさに比例する。
【０２２６】
図３８には、本実施例に基づく２軸の力フィードバック回路２１０のブロック図を示す。２０１は発振回路、２０２は分周器、２０３は位相比較器、２０８は加算器、２０９は減算器、２０４はループフィルタ、２０５は極性反転器、２０６はＡ／Ｄ変換器、２０７は駆動用増幅器である。
【０２２７】
発振回路２０１、２０１’，２０１’’によって、第１ないし第２の測定用圧電屈曲共振子１４１、１４２、および参照用圧電屈曲共振子１４３に交番電圧が印加され共振が生じる。それぞれの共振周波数は分周器２０２、２０２’，２０２’’により低周波数化され、位相比較器２０３，２０３’によって第１の測定用圧電屈曲共振子１４１と参照用圧電屈曲共振子１４３の位相、あるいは第２の測定用圧電屈曲共振子１４２と参照用圧電屈曲共振子１４３の位相が比較されて位相差が電圧に変換される。
【０２２８】
ここで、Ｚ軸方向の慣性力に対応する信号として、第１の測定用圧電屈曲共振子１４１と参照用圧電屈曲共振子１４３の位相差電圧と、第２の測定用圧電屈曲共振子１４２と参照用圧電屈曲共振子１４３の位相差電圧は加算器２０８により加算され、ループフィルタ２０４によりフィルタリングされた後、Ａ／Ｄ変換器２０６によりデジタル化されてＺ軸慣性力の測定値となる。
【０２２９】
一方、Ｙ軸方向の慣性力に対応する信号として、第１の測定用圧電屈曲共振子１４１と参照用圧電屈曲共振子１４３の位相差電圧と、第２の測定用圧電屈曲共振子１４２と参照用圧電屈曲共振子１４３の位相差電圧は減算器２０９により減算され、ループフィルタ２０４’によりフィルタリングされた後、Ａ／Ｄ変換器２０６’によりデジタル化されてＹ軸慣性力の測定値となる。
【０２３０】
また、Ｚ軸慣性力に相当するループフィルタ２０４の出力電圧は２個の加算器２０８，２０８’に供給され、駆動用増幅器２０７、２０７’を通して第１および第２の重錘駆動機構１４４，１４５に駆動電圧として印加される。
【０２３１】
また、Ｙ軸慣性力に相当するループフィルタ２０４’の出力電圧の一方は、極性反転器２０５により極性が反転された後、加算器２０８に供給され、さらに駆動用増幅器２０７を通して第１の重錘駆動機構１４４に駆動電圧として印加される。同時に、Ｙ軸慣性力に相当するループフィルタ２０４’の出力電圧の他方は、直接加算器２０８’に供給され、さらに駆動用増幅器２０７’を通して第２の重錘駆動機構１４５に駆動電圧として印加される。
【０２３２】
このようにして、共振子８はＹ軸およびＺ軸方向のいずれの慣性力によっても移動しないように力フィードバック制御される。
【０２３３】
このようにして、測定用圧電屈曲共振子１４１ないし１４２は、参照用圧電屈曲共振子１４３と同一の共振周波数で共振し、Ｙ軸およびＺ軸方向の力フィードバックに要する駆動電圧により慣性力の大きさを測定するため、加速度をきわめて感度良く線型に測定することが可能になる。
【０２３４】
なお、本実施例においては、１脚の振動梁を有する圧電屈曲共振子について示したが、第１の実施例の第１の変形例に示した２脚の振動梁を持つ圧電屈曲共振子や、第１の実施例の第２の変形例に示した３脚の振動梁を持つ圧電屈曲共振子についても、全く同様に２軸の力フィードバック型加速度センサ構造が適用可能であることはいうまでもない。
【０２３５】
なお、本実施例の力フィードバック機構と、第７の実施例で述べた一定振幅圧電屈曲共振子構造と組み合わせることが可能であるのはいうまでもない。
【０２３６】
（第１１の実施例）  
第１０の実施例で示した力フィードバック方式の２軸加速度センサにおいては、支持梁および圧電屈曲共振子の外側に、重錘駆動機構を付加した加速度センサである。本実施例においては、測定用の圧電屈曲共振子の一部に重錘駆動機構を組み込んだことを特徴とする。
【０２３７】
図３９は、第１１の実施例にかかる、力フィードバック型２軸検出用加速度センサ１５０の上面図である。加速度センサ本体の構造は、使用する測定用圧電屈曲共振子１５１、１５２の内部構造以外は、第２の実施例で示した加速度センサ４０と同様であり、詳細な説明は省略する。なお、本実施例の場合は、第１および第２の測定用圧電屈曲共振子１５１、１５２の長さは同じであることが望ましい。
【０２３８】
第１および第２の測定用圧電屈曲共振子１５１、１５２は、既に述べた第９の実施例における重錘駆動機構を組み込んだ測定用圧電屈曲共振子１３１と同様であるので、詳しい説明は省略する。なお、参照用圧電屈曲共振子１５３については、必ずしも測定用圧電屈曲共振子１５１のような重錘駆動用の中間電極４および下部電極６の構造を必要としないが、共振周波数を測定用圧電屈曲共振子１５１、１５２と一致させることが望ましいため、同じ電極構造を持つことが望ましい。
【０２３９】
重錘８にＹ方向ないしＺ方向の慣性力が働いた場合の、力フィードバック動作は基本的に第１０の実施例と同じであるので、詳細な説明は省略する。用いられる力フィードバック回路も、第１０の実施例における図３８と同様である。唯一の違いは、重錘駆動電圧が、第１ないし第２の圧電屈曲共振子１５１、１５２の下部電極６と中間電極４の間に加えられる点である。すなわち、第１ないし第２の圧電屈曲共振子１５１、１５２の下部電極６、下部圧電膜５、および中間電極４が、実施例１０における重錘駆動機構の上部電極２、圧電膜３、および下部電極６と同じ役目を果たしている。
【０２４０】
このようにして、共振子８はＹ軸およびＺ軸方向のいずれの慣性力によっても移動しないように力フィードバック制御される。
【０２４１】
このようにして、測定用圧電屈曲共振子１５１ないし１５２は、参照用圧電屈曲共振子１５３と同一の共振周波数で共振し、Ｙ軸およびＺ軸方向の力フィードバックに要する駆動電圧により慣性力の大きさを測定するため、加速度をきわめて感度良く線型に測定することが可能になる。
【０２４２】
なお、本実施例においては、１脚の振動梁を有する圧電屈曲共振子について示したが、第１の実施例の第１の変形例に示した２脚の振動梁を持つ圧電屈曲共振子や、第１の実施例の第２の変形例に示した３脚の振動梁を持つ圧電屈曲共振子についても、全く同様に２軸の力フィードバック型加速度センサ構造が適用可能であることはいうまでもない。２脚や３脚の振動梁を持つ圧電屈曲共振子では、そのうちの１脚の振動梁のみに本実施例にかかる力フィードバック駆動機構を装備しても良いし、２脚ないし３脚の振動梁すべてについて本実施例にかかる力フィードバック駆動機構を装備しても良い。
【０２４３】
なお、本実施例の力フィードバック機構と、第７の実施例で述べた一定振幅圧電屈曲共振子構造と組み合わせることが可能であるのはいうまでもない。その場合、本実施例と第７の実施例の組み合わせや、本実施例と第７の実施例の第２の変形例との組み合わせが特に好適である。
【符号の説明】
【０２４４】
２・・・上部電極
３・・・上部圧電膜
４・・・中間電極
５・・・下部圧電膜
６・・・下部電極
７・・・保持部
８・・・重錘
９・・・支持梁
１０・４０・・・加速度センサ
１１・２１・３１・４１・・・第１の圧電屈曲共振子
１１Ａ、２１Ａ、３１Ａ・・・振動梁
１１Ｄ・２１Ｄ、３１Ｄ・・・第１の支持端
１１Ｅ・２１Ｅ、３１Ｅ・・・第２の支持端
１２・４２・・・第２の圧電屈曲共振子
１５・・・接続部
１６・・・第１の犠牲層
１７・・・第２の犠牲層
２１Ａ・３１Ａ・・・第１の振動梁
２１Ｂ・３１Ｂ・・・第２の振動梁
３１Ｃ・・・第３の振動梁
４３・・・参照用圧電屈曲共振子
１１’ ・２１’ 、３１’・・・第１の部分
１１’ ’ ・２１’ 、３１’・・・第２の部分
１１’ ’ ’ ・２１’ ’ ’、３１’ ’ ’・・・第３の部分
２０１・・・発信回路
３０１・・・周波数カウンタ
３０２・・・比較手段
３０３・・・算出手段
【図１】
2011203228.tif 000014
【図２】
2011203228.tif 000015
【図３】
2011203228.tif 000016
【図４】
2011203228.tif 000017
【図５】
2011203228.tif 000018
【図６】
2011203228.tif 000019
【図７】
2011203228.tif 000020
【図８】
2011203228.tif 000021
【図９】
2011203228.tif 000022
【図１０】
2011203228.tif 000023
【図１１】
2011203228.tif 000024
【図１２】
2011203228.tif 000025
【図１３】
2011203228.tif 000026
【図１４】
2011203228.tif 000027
【図１５】
2011203228.tif 000028
【図１６】
2011203228.tif 000029
【図１７】
2011203228.tif 000030
【図１８】
2011203228.tif 000031
【図１９】
2011203228.tif 000032
【図２０】
2011203228.tif 000033
【図２１】
2011203228.tif 000034
【図２２】
2011203228.tif 000035
【図２３】
2011203228.tif 000036
【図２４】
2011203228.tif 000037
【図２５】
2011203228.tif 000038
【図２６】
2011203228.tif 000039
【図２７】
2011203228.tif 000040
【図２８】
2011203228.tif 000041
【図２９】
2011203228.tif 000042
【図３０】
2011203228.tif 000043
【図３１】
2011203228.tif 000044
【図３２】
2011203228.tif 000045
【図３３】
2011203228.tif 000046
【図３４】
2011203228.tif 000047
【図３５】
2011203228.tif 000048
【図３６】
2011203228.tif 000049
【図３７】
2011203228.tif 000050
【図３８】
2011203228.tif 000051
【図３９】
2011203228.tif 000052
【図４０】
2011203228.tif 000053
【図４１】
2011203228.tif 000054
【図４２】
2011203228.tif 000055
【図４３】
2011203228.tif 000056
【図４４】
2011203228.tif 000057
【図４５】
2011203228.tif 000058
【図４６】
2011203228.tif 000059
【図４７】
2011203228.tif 000060
【図４８】
2011203228.tif 000061
【図４９】
2011203228.tif 000062