(57)【要約】【課題】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、及び加速度計を提供する。【解決手段】圧電センサー１０は、圧電センサー要素２０と、これを支持基板上に支持する第１及び第２被固定部１４ａ、１４ｃと、第１及び第２被固定部を夫々連結する環状連結片１２と、を備える。支持基板４は、第１被固定部を支持する第１基板片５と、第２被固定部を支持する可動側の第２基板片７と、蝶番部８と、を備える。環状連結片１２は、圧電センサー要素の長手方向両端部間を連結する第１連結片１２ａと、圧電センサー要素の長手方向両端部間を連結する第２連結片１２ｂと、を備え、第１及び第２の被固定部は、夫々第１連結片及び第２連結片の内側から圧電センサー要素に向けて突出する。【選択図】図１
2011153836.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
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、検知軸方向へ加わる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環状連結片と、を備え、
前記支持基板は、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、
且つ前記蝶番部と対向した状態で前記各支持面から離間配置されており、
前記環状連結片は、前記第１被固定部を経由して前記圧電センサー要素の長手方向両端
部間を連結する第１連結片と、前記第２被固定部を経由して前記圧電センサー要素の長手
方向両端部間を連結する第２連結片と、を備え、
前記第１及び第２の被固定部は、夫々前記第１連結片及び第２連結片の内側から前記圧
電センサー要素に向けて突出した構成を備えていることを特徴とする加速度センサー。
【請求項２】
前記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内に位置してい
ることを特徴とする請求項１に記載の加速度センサー。
【請求項３】
前記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請求項１又は２に記載の加速度センサー。
【請求項４】
前記第１及び第２支持面と直交する方向から見た前記環状連結片は、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１乃至３の何れかに記載の加速度セン
サー。
【請求項５】
前記第１及び第２連結片は、夫々略く字状（Ｖ字状）であ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。
【請求項６】
前記第１及び第２連結片は、夫々コ字状であ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。
【請求項７】
前記第１及び第２連結片は、夫々半円状、半楕円状、或いは半長円状であることを特徴
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。
【請求項８】
請求項１乃至７の何れかに記載の加速度センーと、
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
、
を備えたことを特徴とする加速度計。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、加速度センサー、及び加速度計に関し、特に印加された加速度により生じる
力の方向を９０度変換すると共に、前記力の大きさを増大するように改善した加速度セン
サー、及び加速度計に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来から、圧電振動素子を使用した加速度センサーが知られている。圧電振動素子を用
い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ことによって変化する
圧電振動素子の共振周波数に基づいて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、中空平行四辺形枠の一方の対角に双音叉型振動素子を連結し、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９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１１
６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。
【０００３】
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１０に示す中央素子１２７と
、中央素子１２７の両側に夫々配置される図１１に示す一対のトランスジューサ素子１２
８と、これらトランスジューサ素子１２８の両外側に夫々配置される一対の蓋（図示せず
）と、を有している。図１０（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１０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に取り付けられてい
る。可動部１３３と固定部１３４は、固定部１３４が取付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１２７は一体構造として形成されている。
【０００４】
トランスジューサ素子１２８は、図１１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、１
５６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。
加速度計は、一方の側に窪みを有し円形に形成された２個の蓋により密閉構造としてい
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。加速度計内部にガスを入
れ、２個の蓋が制動プレートとしても機能する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特許第２８５１５６６号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
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、部品点数が多過ぎると
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、これらの素子の製造歩留まりが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、加速度計のコストが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、及び加速度計を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
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。
【０００８】
［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
向へ加わる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環状連結片と、を備え、前記支持基板は、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、且つ前記蝶番部と対向した状態で前記各
支持面から離間配置されており、前記環状連結片は、前記第１被固定部を経由して前記圧
電センサー要素の長手方向両端部間を連結する第１連結片と、前記第２被固定部を経由し
て前記圧電センサー要素の長手方向両端部間を連結する第２連結片と、を備え、前記第１
及び第２の被固定部は、夫々前記第１連結片及び第２連結片の内側から前記圧電センサー
要素に向けて突出した構成を備えていることを特徴とする加速度センサーである。
【０００９】
以上のように、支持基板は、固定側の平板状の前記第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。圧電センサーは、環状連結片の一方の対向
部に第１被固定部及び第２被固定部を有し、他の対向部に圧電センサー要素の両端が連結
され、しかも第１被固定部及び第２被固定部は夫々環状連結片の内部に形成された構成で
ある。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、第１被固定
部及び第２被固定部が、環状連結片の内側に形成されているため、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、その力の大きさを、環状連結片の外側に形成された
ものに比べて、より増大させるように作用する。従って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。
【００１０】
［適用例２］また、加速度センサーは、前記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内に位置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。
【００１１】
圧電センサー要素の短手方向中心部を、蝶番部の短手方向幅内に位置させることにより
、環状連結片の各部に生じる歪のバラツキが小さくなると共に、加速度センサーの検出感
度が改善されるという効果がある。
【００１２】
［適用例３］また、加速度センサーは、前記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又は２に記載の
加速度センサーである。
【００１３】
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、環状連結片の各部に生じる歪が均等になり、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圧電センサー要素の周波数変化量）が最も良くなると共に、再
現性がよくなるという効果がある。
【００１４】
［適用例４］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
た前記環状連結片が、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乃至３の何れかに記載の加速度センサーである。
【００１５】
環状連結片の各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、小さな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。
【００１６】
［適用例５］また、加速度センサーは、前記第１及び第２連結片が、夫々略く字状（Ｖ
字状）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。
【００１７】
第１連結片、及び第２連結片を夫々略く字状（Ｖ字状）に形成することにより、第２基
板片に加わる力の方向を９０度変換し、且つその力の増幅度を最も大きくできるという効
果がある。
【００１８】
［適用例６］また、加速度センサーは、前記第１及び第２連結片が、夫々コ字状である
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である。
【００１９】
第１連結片、及び第２連結片を夫々略コ字状に形成することにより、第２基板片に加わ
る力の方向を９０度変換し、且つその力の大きさを増大するという効果がある。
【００２０】
［適用例７］また、加速度センサーは、前記第１及び第２連結片が、夫々半円状、半楕
円状、或いは半長円状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。
【００２１】
第１連結片、及び第２連結片を夫々半円状、半楕円状、或いは半長円状に形成すると、
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共に、第１連
結片、及び第２連結片内の歪が均等になるので振動、衝撃等に強い加速度センサーが構成
できるという効果がある。
【００２２】
［適用例８］本発明の加速度計は、適用例１乃至７の何れかに記載の加速度センーと、
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とを有するＩＣと
、を備えたことを特徴とする加速度計である。
【００２３】
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とで加速度計を構成すると、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計が実現できるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明に係る加速度センサー１の構造を示した概略図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は断面図。
【図２】双音叉型圧電振動素子を説明する図であり、（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。
【図３】環状連結片（平行四辺形梁）の作用を説明する概略図。
【図４】（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。
【図５】第二種梃子の作用を説明する図。
【図６】圧電センサーの変形例の平面図。
【図７】圧電センサーの他の変形例の平面図。
【図８】本発明の加速度計の構成を示すブロック図。
【図９】従来の加速度計の構成を示す模式的断面図。
【図１０】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。
【図１１】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。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
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を有する支持基板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９方向へ加わる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１４ｃ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
を夫々連結する環状連結片（梁）１２と、を備えている。
【００２６】
支持基板４は、図１（ｂ）に示すように、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（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。つまり、第１基板片５と第２基板片７とは、蝶番部８を介
して略同一平面方向に沿って連設配置されている。
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、加速度センサー
１に加速度が印加された場合に、蝶番部８より第２基板片７が可撓するように構成されて
いる。支持基板４の厚さ方向と直交する方向から見た蝶番部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とは同一平面上にある。
【００２７】
圧電センサー要素２０は、検知軸９方向と直交する方向へ延びる細長い構成であり、且
つ蝶番部８と対向した状態で各支持面５ａ、７ａから離間配置されている。圧電センサー
要素２０の構成を詳しく説明すると、一対の基部２４ａ、２４ｂと、基部２４ａ、２４ｂ
間に連接された振動腕（図１の例では２２ａ、２２ｂ）と、両基部２４ａ、２４ｂから前
記振動腕の延長上を夫々外向きに延びる第１支持片２６ａ、及び第２支持片２６ｂと、を
備えている。
環状連結片１２は、第１被固定部１４ａと、第１被固定部１４ａを経由して圧電センサ
ー要素２０の長手方向両端部間を連結する第１連結片１２ａと、第２被固定部１４ｃと、
第２被固定部１４ｃを経由して圧電センサー要素２０の長手方向両端部間を連結する第２
連結片１２ｂと、を備えている。更に環状連結片１２は、第１連結片１２ａ及び第２連結
片１２ｂの夫々一方と接続した第１結合片１４ｂと、夫々他方と接続した第２結合片１４
ｄとを備えている。圧電センサー要素２０は、第１支持片２６ａ、及び第２支持片２６ｂ
を介して第１結合片１４ｂ、及び第２結合片１４ｄに夫々連結されている。
図１（ａ）の例では環状連結片１２は、第１連結片１２ａ及び第２連結片１２ｂを夫々
辺とする４つの辺の長さが略等しい中空フレーム状の平行四辺形（菱形）である。
【００２８】
環状連結片１２の第１被固定部１４ａ、及び第２の被固定部１４ｃは、夫々第１連結片
１２ａ、及び第２連結片１２ｂの内側から圧電センサー要素２０に向けて突出した構成を
備えている。そして、圧電センサー要素２０と環状連結片１２とは一体的に形成されてい
る。つまり、図１（ａ）の例に示すように、第１被固定部１４ａ、及び第２の被固定部１
４ｃは、この幅が第１連結片１２ａ、及び第２連結片１２ｄの幅が形成する部分の環状連
結片１２の幅よりも大きく、中空平行四辺形の内側に位置する例えば半島形状の突出部１
４ａａ、１４ｃｃが構成されている。尚、連結片１２ａ１、１２ａ２、１２ｂ１、１２ｂ
２と第１被固定部１４ａ、第２被固定部１４ｂとの繋ぎ目に機械的強度を持たせるために
環状連結片１２の幅を連結片１２ａ１、１２ａ２、１２ｂ１、１２ｂ２から中空の平行四
辺形の外側に幅広に構成した場合であっても、この幅広部分の突出長（Ｘ軸に沿った長さ
）が突出部１４ａａ、１４ｃｃの突出長よりも実質的に加速度センサー１の感度特性を桁
違いに低下させないほど小さいものであれば大きな問題は無い。
また、後述する図７に示す構成でも適用されているように、この外側に突出した幅広部
分がある場合は、この幅広部分と、この幅広部分の領域と対面する箇所の支持基板４の面
とを後述する接着剤３０にて固定しないようにしてもよい。
第１連結片１２ａ、及び第２連結片１２ｂは、夫々略く字状（Ｖ字状）をしており、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環状連結片１２は、全長に渡っ
て同一幅の細幅帯状をしている。
【００２９】
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の揺動が、環状連結片１２
を介して圧電センサー要素２０に伝達されるように構成されている。
第１被固定部１４ａと第１結合片１４ｂとの間の第１連結片１２ａを連結片１２ａ１、
第１被固定部１４ａと第２結合片１４ｄとの間の第１連結片１２ａを連結片１２ａ２とす
る。同様に、第２被固定部１４ｃと第１結合片１４ｂとの間の第２連結片１２ｂを連結片
１２ｂ１、第２被固定部１４ｃと第２結合片１４ｄとの間の第２連結片１２ｂを連結片１
２ｂ２とする。
図１（ａ）の例では、連結片１２ａ１、１２ａ２、１２ｂ１、１２ｂ２は、何れも直線
状であり、第１結合片１４ｂにおける連結片１２ａ１と連結片１２ｂ１とのなす角度θ１
と、第２結合片１４ｄにおける連結片１２ａ２と連結片１２ｂ２とのなす角度θ２と、は
鋭角である。環状連結片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（Ｘ軸方向）を９０度変換（Ｙ軸方向）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θ１、θ２により力の増大率は変化する。
【００３０】
圧電センサー要素２０は、環状連結片１２の第１結合片１４ｂ、及び第２結合片１４ｄ
に対して夫々第１支持片２６ａ、及び第２支持片２６ｂにより連結され、環状連結片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
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５
ａ、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２
０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。
【００３１】
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
該基部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２２
ａ、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。
【００３２】
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ｆＦは式（１
）のように表わされる。
ｆＦ＝ｆ０（１−（ＫＬ２Ｆ）／（２ＥＩ））１／２    （１）
ここで、ｆ０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＝ｄｗ３／１２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。
ｆＦ＝ｆ０（１−ＳＦσ）１／２                      （２）
但し、応力感度ＳＦと、応力σとはそれぞれ次式で表される。
ＳＦ＝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。
【００３３】
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ｆＦ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ＳＦ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。
【００３４】
環状連結片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、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、連結片１２ｂ１の方向の力ｆａ２と、連結片１
２ｂ２の方向の力ｆａ１とに分解され、＋Ｘ軸方向の力ｆｂは、連結片１２ａ１の方向の
力ｆｂ２と、連結片１２ａ２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に作用する分解された力ｆａ１、ｆａ２、ｆｂ１、ｆｂ２は、環状連
結片１２の第１結合片１４ｂに、連結片１２ｂ１の方向の力ｆａ２と連結片１２ａ１の方
向の力ｆｂ２とが、第２結合片１４ｄに、連結片１２ｂ２の方向の力ｆａ１と連結片１２
ａ２の方向の力ｆｂ１とが、作用するのと等価である。
第１結合片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Ｆ
２となる。同様に第２結合片１４ｄに働く力ｆａ１とｆｂ１とを合成すると力Ｆ１となる
。
環状連結片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、ｆ
ｂは、第１結合片１４ｂ及び第２結合片１４ｄに夫々作用する力Ｆ２及びＦ１と等価であ
る。つまり、環状連結片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。
【００３５】
本発明の特徴の１つは、第１被固定部１４ａ、及び第２被固定部１４ｃを夫々環状連結
片１２の内部に配置したことである。加速度センサー１に加速度が印加された際に、第２
基板片７の重点に力Ｆ（＝ｍ×α、ｍは第２支持片７の質量）が加わり、その力が第１被
固定部１４ａ、及び第２被固定部１４ｃに作用する。第１被固定部１４ａ及び第２被固定
部１４ｃが、夫々環状連結片１２の外部に配置される場合と、内部に配置される場合とで
、第１被固定部１４ａ、及び第２被固定部１４ｃに作用する力の大きさが異なる。第１被
固定部１４ａ、及び第２被固定部１４ｃが環状連結片１２の内部に配置された場合の方が
、第１被固定部１４ａ、及び第２被固定部１４ｃに作用する力は大きくなる。これは図５
に示す第二種梃子の原理から明らかである。つまり、図５のように、作用点を中心に置き
、力点と支点が外側にある場合である。力点に加えた小さい上向きの力ｆは、作用点で大
きな上向きの力ｎｆとなり、増大させることができる。
【００３６】
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１支持片５は固定さ
れているので、第２支持片７には慣性の力Ｆ（＝ｍ×α）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
、該第２支持片７に固定された第２被固定部１４ｃには、−Ｘ軸方向の力が作用する。一
方、第１被固定部１４ａは、動かない第１基板片５に固定されているので、＋Ｘ軸方向の
力が加わることになる。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。環状連結片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結合片１４ｂ、及び第２結合片１４ｄにはＹ軸方向で互
いに環状連結片１２の中心部に向かう力Ｆが働く。この力Ｆにより、圧電センサー要素２
０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。
【００３７】
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及び第２基板片７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、圧電センサー要素２０の長手方向の中心
線が、蝶番部８の長手方向の中心線から図中右方にずれた場合の平面図である。図４（ｂ
）は、圧電センサー要素２０の長手方向の中心線が、蝶番部８の長手方向の中心線に一致
する場合の平面図である。図４（ｃ）は圧電センサー要素２０の長手方向の中心線が、蝶
番部８の長手方向の中心線から図中左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、環状連結片１２の各連結片１２ａ１、１２ａ２、１２ｂ１、１２ｂ２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大きく異なる。
【００３８】
以上では、環状連結片１２の形状が、第１結合片１４ｂと第２結合片１４ｄと第１被固
定部１４ａおよび第２被固定部１４ｃの位置に角が存在するような四角形として平行四辺
形の場合について説明したが、環状連結片１２の形状はこれに限定するものではない。加
速度センサー１の検出感度が上記実施形態と比較して多少低くなることが懸念されるが第
１連結片１２ａ、及び第２連結片１２ｂは、互いに長さが違い且つ夫々略く字状（Ｖ字状
）、または略コ字状であってもよい。
すなわち、第１連結片１２ａが連結片１２ａ１と連結片１２ａ２との長さが等しい構成
であり、第２連結片１２ｂが連結片１２ｂ１と連結片１２ｂ２との長さが等しい構成であ
って且つ、第１結合片１４ｂから第２結合片１４ｄの間における第１連結片１２ａと第２
連結片１２ｂとの長さに差がある構成でも良い。
または環状連結片１２が中空の略正方形または長方形であり、正方形または長方形の角
の部分を構成するように連結片１２ａ１、１２ａ２、１２ｂ１、１２ｂ２が屈曲または屈
折した構成であっても良い。
また、第１連結片１２ａ、及び第２連結片１２ｂ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。
以上何れの形状の第１連結片１２ａ、及び第２連結片１２ｂであっても、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共に、第１連結片１２ａ
、及び第２連結片内１２ｂの歪が均等になるので振動、衝撃等に強い加速度センサーが構
成できるという効果がある。
【００３９】
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
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、
接着固定する。或いは、支持基板４の第１支持面５ａ、及び第２支持面７ａの所定の箇所
に接着剤３０を塗布し、該接着剤３０に圧電センサー１０を載置し固定してもよい。支持
基板４に圧電センサー１０を固定したものを密閉容器（図示せず）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の内部を真空にすることにより、圧
電センサー要素２０のＱ値が改善され、発振器で励振し易くなる。
尚、接着剤３０による接合部材による固定の代わりとしては金属バンプなどを使った金
属結合、金鈴などの材質からなる蝋剤を使った結合がある。
また、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を厚くしてその質量を
大きくするか、第２支持片７の表面に錘を貼り付ける方法等がある。
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、寸法精度のよい圧電センサー１０と、支持基板４との量
産化が容易である。
なお、支持基板４と圧電センサー１０に同一の材料を用いると、温度変化による膨張、
収縮をほぼ同じにすることが可能となるので、圧電センサーの検出精度、温度特性、エー
ジング等が改善される。
【００４０】
加速度センサー１は、支持基板４が固定側の平板状の第１基板片５と、可動側の平板状
の第２基板片７と、両者を連結する蝶番部８とからなり、圧電センサー１０が環状連結片
１２の一方の対向部に第１被固定部１４ａ及び第２被固定部１４ｃを有し、他の対向部に
圧電センサー要素２０の両端が連結されている。しかも第１被固定部１４ａ及び第２被固
定部１４ｃは夫々環状連結片１２の内部に突出形成された構成である。このような構成で
あるので、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４と圧電センサー１０とが形成でき、これらを用いて小型で低
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
１は、第１被固定部及び第２被固定部が、環状連結片の内側に形成されているため、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、その力の大きさを、環状連結片の
外側に形成されたものに比べて、より増大させるように作用する。従って小さな加速度も
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。
【００４１】
また、加速度センサー１は、圧電センサー要素２０の短手方向中心部を、蝶番部８の短
手方向幅内に位置させることにより、環状連結片１２の各部に生じる歪のバラツキが小さ
くなると共に、加速度センサーの検出感度が改善され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、環状連結片１２の各部に生じる歪が均等になり、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
も良くなると共に、再現性がよくなるという効果がある。
また、環状連結片１２の各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、小さな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。
【００４２】
図６は、図１（ａ）に示した圧電センサー１０の変形例である。環状連結片１２の第１
連結片１２ａと、第１被固定部１４ａとの接合部１２ａｂとの形状が、図１（ａ）に示し
た圧電センサー１と少し異なる。つまり、第１連結片１２ａの中央部が環状連結片１２の
中心方向に湾曲し、且つ第１被固定部１４ａと第１連結片１２ａの結合子も括れて細くな
っている。第２連結片１２ｂは、圧電センサー要素２０の長手方向の中心線に対し、第１
連結片１２ａと対称に形成さている。
環状連結片１２をこのような形状にしたのは、第１被固定部１４ａ、及び第２被固定部
１４ｃに力が作用した際に、環状連結片１２に生ずる歪を均等に分散させ、強固にするた
めである。
【００４３】
図７は、図６に示した圧電センサー１０の変形例である。つまり、図６の圧電センサー
１０と異なる点は、第１連結片１２ａと、第１被固定部１４ａとの接合部１２ａｂに、圧
電センサー要素２０の長手方向に沿って引出片１６ａ、１６ｂを接続した点である。引出
片１６ａ、１６ｂ上には圧電センサー要素２０の励振電極からのリード電極（図示せず）
が延在している。引出片１６ａ、１６ｂと第１基板片５との間に柔軟性があり、且つ導電
性のあるシリコンゴム等を塗布して、リード電極との導通を図るようにする。
尚、引出片１６ａ、１６ｂと、これと対面する箇所の支持基板４の面とは、固定されな
い。つまり引出片１６ａ、１６ｂは、片持ち梁状態にある。
【００４４】
図８は本発明の加速度計３の構成を示すブロック図である。加速度計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、を備えた加速度計である。
支持基板４、及び圧電センサー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１を構成する。加速度センサー１と
、前記各機能を備えたＩＣとで加速度計を構成すると、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計が実現できるという効果
がある。
【符号の説明】
【００４５】
１…加速度センサー、３…加速度計、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…環状連結片、１２ａ…第１連結片、１２ｂ…第２連結片、１２ａ１、１２ａ２、１
２ｂ１、１２ｂ２…連結片、１２ａｂ、１２ｃｄ…接合部、１４ａ…第１被固定部、１４
ｂ…第１結合片、１４ｃ…第２被固定部、１４ｄ…第２結合片、１６ａ、１６ｂ…引出片
、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、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
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2011153836.tif 000009
【図８】
2011153836.tif 000010
【図９】
2011153836.tif 000011
【図１０】
2011153836.tif 000012
【図１１】
2011153836.tif 000013