(57)【要約】      （修正有）【課題】構造が簡素であり、低消費電力、低コストで応答速度の速い力検出センサーを得る。【解決手段】圧電基板、及び該圧電基板の少なくとも一方の主面上に電極膜を形成した圧電振動素子１０と、圧電振動素子１０を片持ち支持する基台５と、圧電振動素子１０の自由端部に搭載した質量部２０と、を備えた振動型力検出センサー１である。圧電基板は、振動部１４ａ、１４ｂと、該振動部の両端部を夫々支持する支持部１２ａ、１２ｂと、を備えており、質量部２０は、一方の前記支持部１２ｂに搭載されている。圧電振動素子１０は、基台５の一方の主面と直交する方向の力が作用した際に振動部１４ａ、１４ｂと前記主面との間隙が変化して振動部１４ａ、１４ｂの等価抵抗が変化するように基台５の一方の主面と並行に粘性を有する接着剤２５を介して片持ち支持されていることを特徴とする振動型力検出センサーである。【選択図】図１
2011226941.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧電基板、及び該圧電基板の少なくとも一方の主面上に電極膜を形成した圧電振動素子
と、前記圧電振動素子を片持ち支持する基台と、前記圧電振動素子の自由端部に搭載した
質量部と、を備えた振動型力検出センサーであって、
前記圧電基板は、振動部と、該振動部の両端部を夫々支持する支持部と、を備え、
前記質量部は、一方の前記支持部に搭載され、
前記圧電振動素子は、前記基台の一方の主面と直交する方向の力が作用した際に前記振
動部と前記主面との間隙が変化して前記振動部の電気的等価抵抗が変化するように前記基
台の一方の主面と並行に片持ち支持されていることを特徴とする振動型力検出センサー。
【請求項２】
圧電基板、及び該圧電基板の少なくとも一方の主面上に電極膜を形成した圧電振動素子
と、前記圧電振動素子を片持ち支持する基台と、前記圧電振動素子の自由端部に搭載した
質量部と、を備えた振動型力検出センサーであって、
前記圧電基板は、振動部と、該振動部の両端部を夫々支持する支持部と、を備え、
前記質量部は、一方の前記支持部に搭載され、
前記圧電振動素子は、前記基台の主面と直交する方向の力が作用した際に前記振動部と
前記主面との間隙が変化して前記振動部の等価抵抗が変化するように前記基台の両主面に
該両主面と並行して夫々片持ち支持されていることを特徴とする差動接続の振動型力検出
センサー。
【請求項３】
前記圧電振動素子は、前記振動部としての一対の並行な振動腕と、該一対の振動腕の両
端部に夫々固定された前記支持部としての一対の支持部と、を有する双音叉型圧電振動素
子であることを特徴とする請求項１又は２に記載の振動型力検出センサー。
【請求項４】
前記圧電振動素子は、厚み振動用に切り出された圧電基板と、該圧電基板の両主面に形
成された励振電極と、を備えた厚み振動素子であることを特徴とする請求項１又は２に記
載の振動型力検出センサー。
【請求項５】
前記圧電振動素子は、弾性表面波用に切り出された圧電基板と、該圧電基板の一方の主
面に形成されたＩＤＴ電極と、を備えた弾性表面波共振素子であることを特徴とする請求
項１又は２に記載の振動型力検出センサー。
【請求項６】
前記圧電振動素子は、基部と、一対の検出用振動腕と、一対の連結腕と、前記各連結腕
の先端部の各一対の駆動用振動腕と、基部に梁で連結する支持部と、を備えた振動ジャイ
ロ素子であることを特徴とする請求項１又は２に記載の振動型力検出センサー。
【請求項７】
請求項１乃至６の何れかに記載の振動型力検出センサーと、発振回路と、フィルタ回路
と、整流回路と、積分回路と、備えたことを特徴とする振動型力検出装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、力検出センサーに関し、特に構造が簡素であり、応答速度の速い振動型力検
出センサー、及び振動型力検出装置に関する。
【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と、圧電振動素子の共
振周波数が変化し、この共振周波数の変化から加速度センサーに印加される加速度を検出
するように構成されている。
特許文献１には、加速度検知ユニットが開示されている。加速度検知ユニット１０１は
、図１１に示すように、矩形状の構造体１０５と、応力感応素子１０７と、を備えている
。矩形状の構造体１０５は、直方体状の固定部材１１０と、直方体状の可動部材１１１と
、固定部材１１０と可動部材１１１とによって両端部を夫々支持された二本の平行な長尺
梁１１２、１１３と、該長尺梁１１２、１１３の中間部により両端部を固定され、且つ各
長尺梁１１２、１１３と直交する方向へ延びる短尺梁１１４と、を備えている。固定部材
１１０及び可動部材１１１の夫々の一方の上面は、同一平面上に構成されている。二本の
長尺梁１１２、１１３の端縁であって固定部材１１０寄りの上下面の対向する位置に、夫
々くびれ部１１５ａ、１１５ｂを備えている。加速度αが加速度検出軸方向から構造体１
０５に印加されると、くびれ部１１５ａ、１１５ｂを支点として長尺梁１１２、１１３が
撓むように構成されている。
【０００３】
応力感応素子１０７は、応力感応部１２０ａ、１２０ｂと、応力感応部１２０ａ、１２
０ｂを挟むよう応力感応部１２０ａ、１２０ｂと連結した２つの固定端１２１、１２２と
、を備えている。
加速度検知ユニット１０１に加速度検出軸方向の加速度αを印加すると、慣性力により
可動部材１１１は−Ｚ軸方向に力を受け、矩形状の構造体１０５の長尺梁１１２、１１３
のくびれ部１１５ａ、１１５ｂを支点として撓む（屈曲する）。長尺梁１１２、１１３が
撓むことにより、可動部材１１１に接合された応力感応素子１０７の固定端１２２を介し
て、応力感応部１２０ａ、１２０ｂには伸張応力が加わり、応力感応素子１０７の共振周
波数が変化する。応力感応素子１０７の周波数の変化より印加された加速度の大きさと方
向を求めることができる。
【０００４】
また、特許文献２には容量式加速度センサー、及びその製造方法が開示されている。容
量式加速度センサーは、固定電極と、可動電極である質量体と、外枠部分と、を備えてい
る。質量体は加速度を受けると変位し、質量体と固定電極との間の空隙が変化し、この変
化を静電容量の変化として検出する加速度センサーである。フォトリソグラフィ技術とエ
ッチング技術等を用いて、シリコン基板等に微細加工を施し、真空蒸着等の手法を駆使し
て、容量式加速度センサーは形成される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００９−２７１０２９公報
【特許文献２】特開２０１０−３２５３８公報
【特許文献３】特開２０１０−２４３０公報
【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検知ユニットは、周波数変化型のセ
ンサーであり、デジタル出力のためノイズが少ないという利点はあるものの、ゲートタイ
ムの幅内で周波数をカウントする必要があり、応答時間が遅く、消費電流が大きくなると
いう問題点があった。また、周波数をカウントするにはマスタークロックが必要であり、
加速度検知装置が大きくなるという欠点もあった。
また、双音叉型水晶振動素子の感度は、その振動腕の幅に依存しているため、小型化す
ると電極形成が難しくなるという問題があった。
また、特許文献２に開示されている容量式加速度センサーは、フォトリソグラフィ技術
とエッチング技術等を用いる微細加工であり、歩留まりの問題と、電場や静電気の影響を
受けやすいという問題があった。
本発明は上記問題を解決するためになされたもので、構造が簡素であり、力検出の応答
時間（測定時間）が短く、低消費電力で、且つ低コストの振動型力検出センサー、及び振
動型力検出装置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］本発明に係る振動型力検出センサーは、圧電基板、及び該圧電基板の少な
くとも一方の主面上に電極膜を形成した圧電振動素子と、前記圧電振動素子を片持ち支持
する基台と、前記圧電振動素子の自由端部に搭載した質量部と、を備えた振動型力検出セ
ンサーであって、前記圧電基板は、振動部と、該振動部の両端部を夫々支持する支持部と
、を備え、前記質量部は、一方の前記支持部に搭載され、前記圧電振動素子は、前記基台
の一方の主面と直交する方向の力が作用した際に前記振動部と前記主面との間隙が変化し
て前記振動部の電気的等価抵抗が変化するように前記基台の一方の主面と並行に片持ち支
持されていることを特徴とする振動型力検出センサーである。
【０００９】
振動型力検出センサーは、基台と、圧電振動素子と、圧電振動素子の自由端部に搭載し
た質量部と、を備えた力検出センサーであるため、構造が簡素であり、低コストにできる
という利点がある。動作は、圧電振動素子に加わる力により、圧電振動素子と基台との間
隙が狭まり、気体の抵抗が増加するめに圧電振動素子の電気的等価抵抗ＣＩ値が変化する
。ＣＩ値の変化から印加された力を求めるので、デジタル方式の加速度センサーに比べ、
応答時間（測定時間）が速いという効果がある。その上、周波数を測定するカウンターも
必要なく、測定も間欠測定でよいので、消費電流も小さく、小型にできるという効果があ
る。また、圧電振動素子の固定は片側固定でよいため、周囲の温度変化による熱膨張の影
響が少ないため、検出精度が高いという利点がある。
【００１０】
［適用例２］また振動型力検出センサーは、圧電基板、及び該圧電基板の少なくとも一
方の主面上に電極膜を形成した圧電振動素子と、前記圧電振動素子を片持ち支持する基台
と、前記圧電振動素子の自由端部に搭載した質量部と、を備えた振動型力検出センサーで
あって、前記圧電基板は、振動部と、該振動部の両端部を夫々支持する支持部と、を備え
、前記質量部は、一方の前記支持部に搭載され、前記圧電振動素子は、前記基台の主面と
直交する方向の力が作用した際に前記振動部と前記主面との間隙が変化して前記振動部の
等価抵抗が変化するように前記基台の両主面に該両主面と並行して夫々片持ち支持されて
いることを特徴とする差動接続の振動型力検出センサーである。
【００１１】
２個の圧電振動素子を基台の両主面に平行に接着・固定して、振動型力検出センサーを
構成するので、基台に直交する力が加わると、基台と夫々の圧電振動素子の間隙は互いに
異なるように変化する。つまり、一方の圧電振動素子の基台との間隙が狭まると、他方の
圧電振動素子の基台との間隙は広がるように変化する。差動動作の振動型力検出センサー
が構成できるため、力の検出感度は２倍となり、温度特性やエージングによる劣化を相殺
できるという効果がある。
【００１２】
［適用例３］また振動型力検出センサーは、前記圧電振動素子は、前記振動部としての
一対の並行な振動腕と、該一対の振動腕の両端部に夫々固定された前記支持部としての一
対の基部と、を有する双音叉型圧電振動素子であることを特徴とする適用例１又は２に記
載の振動型力検出センサーである。
【００１３】
圧電振動素子に双音叉型圧電振動素子を用いることにより、フォトリソグラフィ技術と
エッチング手法を用いた従来の製造ラインが適用できる。現在生産されている圧電振動素
子が適用できて、低コスト化が図られると利点がある。また、屈曲振動は気体の粘性の影
響を受けやすいので、ＣＩ値の変化が大きく、力の検出感度が良くなるという効果がある
。
【００１４】
［適用例４］また振動型力検出センサーは、前記圧電振動素子は、厚み振動用に切り出
された圧電基板と、該圧電基板の両主面に形成された励振電極とを備えた厚み振動素子で
あることを特徴とする適用例１又は２に記載の振動型力検出センサーである。
【００１５】
圧電振動素子に厚み振動素子を用いることにより、小型で温度特性、エージング特性に
優れた振動型力検出センサーが構成できるという効果がある。
【００１６】
［適用例５］また振動型力検出センサーは、前記圧電振動素子が、弾性表面波用に切り
出された圧電基板と、該圧電基板の一方の主面に形成されたＩＤＴ電極とを備えた弾性表
面波共振素子であることを特徴とする適用例１又は２に記載の振動型力検出センサーであ
る。
【００１７】
圧電振動素子に弾性表面波共振素子を用いることにより、圧電振動素子の支持が容易で
あり、質量部をＣＩ変化の大きい任意の位置に搭載できるという効果がある。
【００１８】
［適用例６］また振動型力検出センサーは、前記圧電振動素子は、基部と、一対の検出
用振動腕と、一対の連結腕と、前記各連結腕の先端部の各一対の駆動用振動腕と、基部に
梁で連結する支持部と、を備えた振動ジャイロ素子であることを特徴とする適用例１又は
２に記載の振動型力検出センサーである。
【００１９】
圧電振動素子に振動ジャイロ素子を用いることにより、駆動用振動腕で力を検出し、検
出用振動腕で基台に平行な面の回転角速度を検出するという複合センサーが構成できると
いう効果がある。
【００２０】
［適用例７］振動型力検出装置は、適用例１乃至６の何れかに記載の振動型力検出セン
サーと、発振回路と、フィルタ回路と、整流回路と、積分回路と、備えたことを特徴とす
る振動型力検出装置である。
【００２１】
振動型力検出センサーと、発振回路と、フィルタ回路と、整流回路と、積分回路と、を
備えた振動型力検出装置を構成することにより、低コストで、応答時間（測定時間）が速
く、消費電流が小さく、小型の装置ができるという効果がある。また、周囲の温度変化に
よる熱膨張の影響が小さいため、検出精度が高い装置ができるという利点がある。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】（ａ）は本発明に係る振動型力検出センサーの構成を示す平面図であり、（ｂ）はその断面図。
【図２】双音叉型圧電振動素子を説明する図であり、（ａ）は振動モードの説明図、（ｂ）は電極と電極上に生じる電荷の符号を示す図、（ｃ）は電極の結線図。
【図３】（ａ）、（ｂ）は共に圧電振動子の電気的等価回路図。
【図４】振動型力検出センサーの間隙ｇとＣＩ値との関係を示す図。
【図５】本発明の原理を説明する図。
【図６】（ａ）は厚み振動子の構成を示す斜視図であり、（ｂ）は弾性表面波共振子の構成を示す平面図。
【図７】振動ジャイロの構成を示す平面図。
【図８】（ａ）は第２実施例の振動型力検出センサーの構成を示す平面図であり、（ｂ）はその断面図。
【図９】振動型力検出装置の構成を示すブロック図。
【図１０】（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）、（ｅ）は、図９のブロック図に示す各部の波形を示す図。
【図１１】従来の加速度検知ユニットの構成を示す斜視図。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
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（ａ）は、本発明の
一実施形態に係る振動型力検出センサー１の構成を示す概略平面図であり、同図（ｂ）は
Ｑ−Ｑにおける断面図である。振動型力検出センサー１は、例えば水晶基板等から成る圧
電基板、及びこの圧電基板の少なくとも一方の主面上に金属製電極膜を形成した圧電振動
素子１０と、圧電振動素子１０を片持ち支持し、力が加えられたときに動かない基台５と
、圧電振動素子１０の自由端部に搭載した質量部２０と、を備えた振動型力検出センサー
である。
基台５は、ガラス、水晶等を用いて形成された矩形状の基板であり、その両主面は互い
に平行である。
圧電基板は、図１の実施形態の場合、屈曲振動をする振動部１４ａ、１４ｂと、振動部
１４ａ、１４ｂの両端部を夫々支持する支持部１２ａ、１２ｂと、を備えている。
質量部２０は、圧電基板の一方の自由端部である支持部１２ｂの一面に、接着剤等で接着
固定されて搭載されている。質量部２０は、加速度等を検出する場合等に検出感度を上げ
るためのものであり、質量がありその質量がエージングで変化しない材質が望ましい。
【００２４】
図１に示す振動型力検出センサー１は、基台５の一方の主面５ａが印加するＺ軸方向の
力と直交するＹ軸方向と平行に配置され、圧電振動素子１０もＹ軸方向に並行に配置され
ている。望ましくは、圧電振動素子１０は力が加わる方向と直交する方向に配置されてい
る方がよい。
圧電振動素子１０は、基台５の一方の主面５ａと直交するＺ軸方向の力（Ｆ）が作用す
ると、振動部１４ａ、１４ｂの裏面と、基台５の一方の主面５ａとの間隙ｇが変化して、
圧電振動素子１０の電気的等価抵抗が変化するように、基台５の一方の主面５ａと並行に
粘性を有する接着剤２５を介して片持ち支持されている。
図１に示した圧電振動素子１０の一例は、水晶基板（Ｚ板）にフォトリソグラフィ技術
とエッチング手法を用いて形成した双音叉型水晶振動素子である。双音叉型水晶振動素子
１０は、図１（ａ）に示すように、一対の支持部１２ａ、１２ｂ、及び支持部１２ａ、１
２ｂ間を連設する２つの振動腕１４ａ、１４ｂを備えた圧電基板からなる振動部と、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。
【００２５】
図２（ａ）は双音叉型水晶振動素子１０の振動姿態を示す平面図である。双音叉型水晶
振動素子１０の振動モードが、長手（振動腕）方向の中心軸に対して対称なモードで振動
するように励振電極を配置する。図２（ｂ）は双音叉型水晶振動素子１０に形成する励振
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。図４（ｃ
）は励振電極の結線を示す模式断面図である。
双音叉型水晶振動素子を含めて一般的な圧電振動子１０の電気的等価回路は、図３（ａ
）に示すように、モーショナルインダクタンスＬ１と、モーショナルキャパシタンスＣ１
と、振動損失を表わす抵抗Ｒ１との直列接続回路に、静電容量Ｃ０が並列接続された回路
で示される。また、図３（ａ）の回路は等価的に、同図（ｂ）に示すように、リアクタン
スｊＸと抵抗Ｒｘとの直列接続回路で表わされ、リアクタンス分Ｘが零となる周波数を共
振周波数、そのときの抵抗Ｒｘを電気的等価抵抗と言うのが一般的である。また、抵抗Ｒ
ｘをＣＩ（クリスタル・インピーダンス）とも言い、Ｒ１とＲｘは、ほぼ等しい。
【００２６】
図４は、振動型力検出センサー１を大気中に設置し、双音叉型水晶振動素子１０と基台
５との相対面する間隙ｇを横軸とし、双音叉型水晶振動素子１０の電気的等価抵抗Ｒｘ（
ＣＩ）を縦軸にした場合、間隙ｇを変化させたときのＣＩ値の変化を実測し、それをプロ
ットした曲線である。黒菱形◆の曲線は、双音叉型水晶振動素子１０の長手方向の長さが
２ｍｍ（共振周波数が２２０ｋＨ）、白抜き◇の曲線は長手方向の長さが２０ｍｍ（共振
周波数が４０ｋＨ）の双音叉型水晶振動素子を用いた場合の、夫々の間隙ｇ対電気的等価
抵抗Ｒｘ（ＣＩ）曲線である。
間隙ｇが大きいとき、例えば３００μｍ以上では、双音叉型水晶振動素子１０のＣＩ値
は、通常用いられる振動子のＣＩ値を呈するが、間隙ｇが２００μｍ以下になるにつれて
ＣＩ値は大きくなり、５０μｍ以下では急激に大きくなることが判明した。長さ２ｍｍの
双音叉型水晶振動素子の場合は、間隙ｇが７０μｍ以下で、間隙ｇとＣＩ値が略比例関係
となる。また、長さ２０ｍｍの双音叉型水晶振動素子の場合は、間隙ｇが２００μｍ以下
で間隙ｇとＣＩ値が双曲線状の関係となる。
【００２７】
図５は振動型力検出センサー１の原理を説明する図であり、図１に示した振動型力検出
センサー１のＸ軸方向の断面図である。圧電振動素子（双音叉型圧電振動素子）１０の振
動腕１４ａ、１４ｂと基台５との間隙をｇとし、基台５の上面に座標軸Ｘ、Ｙ、Ｚをとる
。圧電振動子１０と基台５の空間には気体、例えば大気が満たされ、振動腕１４ａ、１４
ｂは速度Ｕで振動しているとする。間隙ｇが大きい場合、基台５に接する気体はその位置
を保持しようとするので、その速度は零である。基台５と振動腕１４ａ、１４ｂとの間の
気体の剪断変形速度ｕは、
ｕ＝Ｕ×ｚ／ｇ                      （１）
で表わされる（ｚはＺ軸上の位置）。つまり、基台５からｚの位置の気体は、ｚに比例し
た速度で基台５と平行した面内で運動することになる。
振動腕１４ａ、１４ｂの振動に逆らう力と、基台５の表面に留まろうとする力とは等し
く、いずれも速度Ｕに比例し、間隙ｇに反比例する。気体に接触している単位面積当たり
の力τ０は、式（１）を微分し気体の粘性係数μをかけて、
τ０＝μ×Ｕ／ｇ                      （２）
で表わすことができる。つまり、間隙ｇに反比例する。
【００２８】
一般に音叉型圧電振動素子、双音叉型圧電振動素子等の輪郭系振動素子を用いる際は、
振動エネルギーが気体中へ漏洩するのを防止するため、真空中で用いる場合が多い。本発
明は気体中への振動エネルギーの放出による圧電振動子１０のＣＩ変化を利用して、振動
型力検出センサーを構成している。図４に示した間隙ｇ対電気的等価抵抗ＣＩ曲線は、大
気中で圧電振動素子１０の電気的等価抵抗（ＣＩ）の変化を測定したが、粘性を有する気
体、例えばＮ２気体中であってもよい。
また、間隙ｇ対ＣＩ曲線は直線である場合の方が、力Ｆを求めるためのデータ処理は容
易であるが、曲線であっても間隙ｇ対ＣＩ曲線の再現性が良ければ問題とはならない。間
隙ｇ対ＣＩ曲線を多項式で近似し、多項式の各係数をメモリーに格納し、必要に応じて演
算回路からこれらの各係数を参照し、加わる力Ｆを求めればよい。
【００２９】
振動型力検出センサー１の動作について説明する。予め、圧電振動素子１０の形状毎に
、間隙ｇとＣＩ値との関係と、力Ｆと間隙ｇとの関係を測定し、データ化しておく。次に
、一例として、加速度を測定する場合について説明する。図１の振動型力検出センサー１
に＋Ｚ軸方向の加速度αが印加されると、力Ｆ（＝ｍ×α、質量ｍは圧電振動素子１０と
質量部２０との和）が−Ｚ軸方向に働く。この力Ｆにより圧電振動子１０の裏面と基台５
の上面５ａとの間隙ｇが狭まる。力Ｆが加わらないときの圧電振動子１０のＣＩ値をＣＩ
０とし、間隙ｇをｇ０とする。力Ｆが加えられたときの圧電振動子１０のＣＩ値はＣＩ１
となる。予め測定した間隙ｇ対ＣＩ値曲線より、ＣＩ１に相当する間隙ｇ１を求め、力Ｆ
対間隙ｇ曲線より、間隙ｇ１に相当する力Ｆ１を求める。この力Ｆ１より加速度α１が求
められる。
＋Ｚ軸方向の力Ｆが加わり、間隙ｇが広がると、圧電振動子１０のＣＩ値は小さくなる
。＋Ｚ軸方向、−Ｚ軸方向双方向の力Ｆの大きさが求められるように、図４に示す間隙ｇ
対ＣＩ曲線の適当な位置に間隙ｇを設定しておく必要がある。
振動型力検出センサー１は、基台５と、圧電振動素子１０と、圧電振動素子１０の自由
端部に搭載した質量部２０と、を備えた力検出センサーであるため、構造が簡素であり、
低コストにできるという利点がある。動作は圧電振動素子に加わる力により、圧電振動素
子１０と基台５との間隙が狭まり、気体の抵抗が増加するめに圧電振動素子１０の電気的
等価抵抗ＣＩ値が変化する。ＣＩ値の変化から印加された力を求めるので、応答時間（測
定時間）が速いという効果がある。その上、カウンターも必要なく、測定も間欠動作でよ
いので、消費電流も小さく、小型にできるという効果がある。また、圧電振動素子の固定
は片側固定でよいため、周囲の温度変化による熱膨張の影響が少ないため、検出精度が高
いという利点がある。
【００３０】
以上では、圧電振動素子１０に双音叉型水晶振動子を用いた例を示したが、圧電振動素
子１０には、振動部と支持部（基部）と有する輪郭系の振動素子、例えば屈曲振動素子で
もよい。また、厚み振動をする振動素子、例えば図６（ａ）に示すように圧電基板３０、
例えばＡＴカット基板上の両面に励振電極３２ａ、３２ｂを形成したＡＴカット水晶振動
素子を用いてもよい。
また、図６（ｂ）に示すように、弾性表面振動基板３５の表面に弾性表面波の進行方向
に沿ってＩＤＴ電極（インターデジタル・トランスジューサー）と、その両側にグレーテ
ィング反射器３７ａ、３７ｂを形成した弾性表面波素子（ＳＡＷ素子）を用いてもよい。
ただ、弾性表面波素子の振動は基板内部では減衰し、裏面では振動エネルギーは零となる
ので、ＩＤＴ電極が形成されている面を基台５の面と対向させる必要がある。
【００３１】
圧電振動素子１０に双音叉型圧電振動素子を用いることにより、フォトリソグラフィ技
術とエッチング手法を用いた従来の製造ラインが適用できる。このため圧電振動素子の低
コスト化が図られると利点がある。また、屈曲振動は気体の粘性の影響を受けやすいので
、ＣＩ値の変化がおおきく、力の検出感度が良くなるという効果がある。
圧電振動素子１０に厚み振動素子を用いることにより、小型で温度特性、エージング特
性に優れた振動型力検出センサーが構成できるという効果がある。
圧電振動素子１０に弾性表面波共振素子を用いることにより、圧電振動素子の支持が容
易であり、質量部２０をＣＩ変化の大きい任意の位置に搭載できるという効果がある。
【００３２】
また、圧電振動素子１０として、図７に示すような振動ジャイロ素子Ｊを用いてもよい
。振動ジャイロ素子については、特許文献３に開示されている。図７は振動ジャイロ素子
の一例であり、中央に位置する基部４０から図中上下両側へ直線状に延出する１対の検出
用振動腕４１ａ、４１ｂと、基部４０から検出用振動腕４１ａ、４１ｂと直交する向きに
図中左右両側へ延出する１対の連結腕４３ａ、４３ｂと、各連結腕４３ａ、４３ｂの先端
部（近傍位置）から検出用振動腕４１ａ、４１ｂと平行に図中上下両側へ延出する左右各
１対の駆動用振動腕４４ａ、４４ｂ、４５ａ、４５ｂとを有し、４つの駆動用振動腕のう
ち少なくとも一つが加速度を検出するための圧電振動素子１０として機能する。また、検
出用振動腕４１ａ、４１ｂ表面には検出電極（図示せず）が形成され、駆動用振動腕４４
ａ、４４ｂ、４５ａ、４５ｂ表面には駆動電極（図示せず）が形成されている。このよう
に、検出用振動腕４１ａ、４１ｂにて角速度を検出する検出振動系を構成し、連結腕４３
ａ、４３ｂと駆動用振動腕４４ａ、４４ｂ、４５ａ、４５ｂにて振動ジャイロ素子を駆動
する駆動振動系を構成している。
【００３３】
さらに、基部４０の上側の２つの角隅部から検出用振動腕４１ａと直交する向きに図中
左右両側へ夫々延出し、途中で検出用振動腕４１ａと平行に延出するクランク状（つづら
折り状）の１対の梁５０ａ、５０ｂが形成され、梁５０ａ、５０ｂの先端は共に支持部５
２ａに連結されている。同様に、基部４０の他の２つの角隅部から検出用振動腕４１ｂと
直交する向きに図中左右両側へ延出し、途中で検出用振動腕４１ｂと平行に延出するクラ
ンク状（つづら折り状）の１対の梁５１ａ、５１ｂが形成され、梁５１ａ、５１ｂの先端
は共に支持部５２ｂに連結されている。
振動ジャイロ素子Ｊは、図１の場合と同様に基台５の一面上に一方の支持部５２ａを片
持ち支持することによって搭載され、発振回路、フィルタ回路、整流回路、積分回路等の
所要回路と組み合わせることによって振動型力検出装置を構築する。
図１に示す振動型力検出センサー１の圧電振動素子１０に、図７の振動ジャイロ素子Ｊ
を用いる場合、駆動用振動腕４４ａ、４４ｂ、４５ａ、４５ｂで基台５の垂直方向に掛か
る力を検出し、検出用振動腕４１ａ、４１ｂにより基台５の平面に平行な方向に回転する
角速度を検出することができる複合型の振動型検出センサーが構成できるという効果があ
る。
【００３４】
図８は、第２の実施の形態の振動型力検出センサー２の構成を示す図であり、同図（ａ
）は平面図、同図（ｂ）はＱ−Ｑにおける断面図である。振動型力検出センサー２は、圧
電基板、及びこの圧電基板の少なくとも一方の主面上に金属製電極膜を形成した圧電振動
素子１０ａ（１０ｂ）と、圧電振動素子１０ａ（１０ｂ）を片持ち支持し、力が加えられ
たときに動かない基台５と、圧電振動素子１０ａ（１０ｂ）の自由端部に夫々搭載した質
量部２０ａ（２０ｂ）と、を備えている。
圧電基板は、振動部１４ａ、１４ｂ（１４ｃ、１４ｄ）と、振動部１４ａ、１４ｂ（１
４ｃ、１４ｄ）の両端部を夫々支持する支持部１２ａ、１２ｂ（１２ｃ、１２ｄ）と、を
備えている。そして、質量部２０ａ（２０ｂ）は、圧電基板の一方の支持部１２ｂ（１２
ｄ）に夫々接着剤等で接着・固定されて搭載されている。
２個の圧電振動素子１０ａ（１０ｂ）は、基台５の両主面５ａ、５ｂと直交する方向の
力が作用した際に夫々の振動部１４ａ、１４ｂ（１４ｃ、１４ｄ）と主面５ａ（５ｂ）と
の間隙ｇ１（ｇ２）が夫々変化して振動部１４ａ、１４ｂ（１４ｃ、１４ｄ）の夫々の等
価抵抗が変化するように基台５の両主面５ａ（５ｂ）と並行に粘性を有する接着剤を介し
て夫々片持ち支持されている。
両圧電振動素子１０ａ、１０ｂは同一材料、例えば水晶基板を用いて同一形状に形成し
、両質量部２０ａ、２０ｂも同一材料、例えば密度の大きいガラス材を用いて同一形状に
形成する。
【００３５】
図８の振動型力検出センサー２の動作は、基台５の主面５ａ（５ｂ）に直交する力Ｆが
基台５の上方から下方に加えられると、圧電振動素子１０ａ、１０ｂは共に下方に撓む。
そのため、圧電振動素子１０ａと基台５の上面５ａとの間隙ｇ１は狭まり、圧電振動素子
１０ｂと基台５の下面５ｂとの間隙ｇ２は広がる。つまり、間隙ｇ１とｇ２とは互いの逆
に変化する。間隙ｇ１、ｇ２の変化から力を求める方法は上に説明した通りである。
２個の圧電振動素子１０ａ、１０ｂを基台５の両主面に平行に接着・固定して、振動型力
検出センサー２を構成するので、基台５に直交する力が加わるとき、基台５と夫々の圧電
振動素子１０ａ、１０ｂの間隙は互いに異なるように変化する。つまり、一方の圧電振動
素子の基台との間隙が狭まると、他方の圧電振動素子の基台との間隙は広がるように変化
する。差動動作の振動型力検出センサーが構成できる。そのため、力の検出感度は２倍と
なり、温度特性やエージングによる劣化を相殺できるという効果がある。
【００３６】
図９は振動型力検出装置３の構成を示すブロック図である。振動型力検出装置３は、上
記の振動型力検出センサー１（２）（Ｊ）と、発振回路６０と、フィルタ回路６２と、整
流回路６３と、積分回路６４と、直流増幅回路６５と、備えている。図１０は、各回路に
おける信号を示す模式図であり、横軸は時間（Ｔ）、縦軸は電圧（Ｖ）を表わす。
発振回路６０は、圧電振動素子１０を発振させる増幅器のインバーター７１、７２、７
３と、抵抗Ｒａ、Ｒｂ、ＲＣを直列に接続した回路からなる抵抗Ｒ１１と、コンデンサー
Ｃ１１、Ｃ２２とを有している。インバーター７１、７２、７３の直列接続回路は、振動
型力検出センサーの圧電振動素子１０の両端子間に直列に接続されている。
１段目のインバーター７１は、入力が圧電振動素子１０の一方の端子に接続され、出力端
子が２段目のインバーター７２の入力端子に接続されている。２段目のインバーター７２
は、出力端子が３段目のインバーター７３の入力端子に接続されている。３段目のインバ
ーター７３は、出力端子が圧電振動素子１０の他方の端子に接続されている。
【００３７】
抵抗Ｒ１１は、圧電振動素子１０の両端子の間に接続されている。そして、抵抗Ｒ１１
の端子である抵抗ＲＡの端子は、インバーター７１の入力端子に接続されている。抵抗Ｒ
１１の他方の端子である抵抗ＲＣの端子は、インバーター７３の出力端子に接続されてい
る。抵抗ＲＡと抵抗ＲＢとの接続中点はインバーター７１の出力端子に接続されている。
抵抗ＲＢと抵抗ＲＣとの接続中点は、インバーター７２の出力端子に接続されている。な
お、抵抗Ｒ１１の他方の端子である抵抗ＲＣの端子と、圧電振動素子１０の他方の端子と
の間には、位相制御用の抵抗ＲＤが接続されている。
コンデンサーＣ１１は、インバーター７１の入力端子と接地との間に接続されている。
コンデンサーＣ２２は、インバーター７３の出力端子と接地との間に接続されている。こ
れにより発振回路６０は、圧電振動素子１０を発振させた発振信号ＯＵＴをインバーター
７３の出力端子から出力する。
【００３８】
フィルタ回路６２は、コンデンサーＣ３と抵抗Ｒ３とを有している。コンデンサーＣ３
は、一方の端子がインバーター７１の入力端子及び圧電振動素子１０の一方の端子に接続
され、他方の端子が整流回路６３の入力端子に接続されている。抵抗Ｒ３は、コンデンサ
ーＣ３の他方の端子と接地との間に接続されている。
フィルタ回路６２は、図１０（ａ）に示すように、圧電振動素子１０の端子のうち、イ
ンバーター７１の入力端子側に接続された端子から出力された電流としての振動子電流の
一部である信号ａを入力信号として入力する。
ここで、信号（ａ）は、直流成分が重畳された正弦波の交流信号である。信号ａの振幅
（電圧）Ｖｐｐ１は、ＣＩ値の大きさに反比例して変化し、ＣＩ値が小さければ振幅Ｖｐ
ｐ１は大きく出力され、ＣＩ値が大きければ振幅Ｖｐｐ１は小さく出力される。
そして、フィルタ回路６２は、図１０（ｂ）に示すように、この信号ａの直流成分を取
り除き、信号ｂとして出力する。
【００３９】
整流回路６３は、ダイオードＤ１を有している。ダイオードＤ１は、一方の端子がフィ
ルタ回路６２のコンデンサーＣ３の他方の端子に接続され、他方の端子が積分回路６４の
抵抗Ｒ４の一方の端子に接続されている。整流回路６３は、フィルタ回路６２が出力した
信号ｂを入力し、図１０（ｃ）に示すように、信号ｂを半端整流した信号ｃを出力する。
積分回路６４は、抵抗Ｒ４とコンデンサーＣ４とを有している。抵抗Ｒ４は、一方の端
子が整流回路６３のダイオードＤ１の出力端子に接続され、他方の端子が直流増幅回路６
５の演算増幅器６５ａの正相入力端子側に接続されている。コンデンサーＣ４は、抵抗Ｒ
４の他方の端子と接地との間に接続されている。積分回路は、整流回路６３が出力した信
号ｃを入力し、図１０（ｄ）に示すように、信号ｃを積分した信号ｄを出力する。
直流増幅回路６５は、演算増幅器６５ａと抵抗Ｒ５、Ｒ６、Ｒ７とを有している。抵抗
Ｒ５は、一方の端子が積分回路６４の抵抗Ｒ４の他方の端子に接続され、他方の端子が演
算増幅器６５ａの正相入力端子に接続されている。抵抗Ｒ６は、一方の端子が接地され、
他方の端子が演算増幅器６５ａの逆相入力端子に接続されている。抵抗Ｒ７は、一方の端
子が演算増幅器６５ａの逆相入力端子に接続され、他方の端子が演算増幅器６５ａの出力
端子に接続されている。
直流増幅回路６５は、積分回路６４が出力した信号ｄを入力し、図１０（ｅ）に示すよ
うに、信号ｄの電位を増幅し、信号ｅを出力する（Ｖｏｕｔ）。
【００４０】
振動型力検出装置３は、上記のような回路構成によって、間隙ｇの変化に応じ圧電振動
素子１０のＣＩ値の変化に基づいた信号ｅの電位を検出することにより、振動型力検出装
置３に加えられる力を検出することができる。なお、信号ｅの電位の検出は、数ｍｓで行
うことができる。
なお、図９に示した振動型力検出装置３のブロック図は、一例であり、発振回路６０の
増幅器が３段の例を用いて説明したが、１段でもよく、段数は、発振回路６０の設計条件
に応じて適宜設定すればよい。また、直流増幅回路６５は必ずしも必要ではない。
振動型力検出センサー１（２）と、発振回路６０と、フィルタ回路６２と、整流回路６３
と、積分回路６４と、を備えた振動型力検出装置３を構成することにより、低コストで、
応答時間（測定時間）が速く、消費電流が小さく、小型の装置ができるという効果がある
。また、周囲の温度変化による熱膨張の影響が小さいため、検出精度が高い装置ができる
という利点がある。
【符号の説明】
【００４１】
１、２  振動型力検出センサー、３  振動型力検出装置、５  基台、５ａ、５ｂ  主面、
１０、１０ａ、１０ｂ  圧電振動素子、１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄ  支持部、１４
ａ、１４ｂ、１４ｃ、１４ｄ  振動部、２０、２０ａ、２０ｂ  質量部、２５、２５ａ、
２５ｂ  接着剤、３０  圧電基板、３２ａ、３２ｂ  励振電極、３５  弾性表面波基板、
３６  ＩＤＴ電極、３７ａ、３７ｂ  グレーティング反射器、４０  基部、４１ａ、４１
ｂ  検出用振動腕、４２ａ、４２ｂ、４３ａ、４３ｂ  連結腕、４４ａ、４４ｂ、４５ａ
、４５ｂ  駆動用振動腕、５０ａ、５０ｂ  梁、５１ａ、５１ｂ  梁、５２ａ、５２ｂ  
支持部、６０  発振回路、６２  フィルタ回路、６３  整流回路、６４  積分回路、６５
直流増幅回路、６５ａ  演算増幅器、７１、７２、７３  インバーター、ｇ、ｇ１、ｇ
２  間隙、ｊ  振動ジャイロ、Ｒ１１、ＲＡ、ＲＢ、ＲＣ、Ｒ３、Ｒ４、Ｒ５、Ｒ６、Ｒ
７  抵抗、Ｃ１１、Ｃ２２、Ｃ３、Ｃ４  容量
【図１】
2011226941.tif 000003
【図２】
2011226941.tif 000004
【図３】
2011226941.tif 000005
【図４】
2011226941.tif 000006
【図５】
2011226941.tif 000007
【図６】
2011226941.tif 000008
【図７】
2011226941.tif 000009
【図８】
2011226941.tif 000010
【図９】
2011226941.tif 000011
【図１０】
2011226941.tif 000012
【図１１】
2011226941.tif 000013