(57)【要約】【課題】小型で高感度な加速度センサを提供する。【解決手段】加速度センサ１は、基台に固定する基部２０と、基部２０から延出され所定の共振周波数にて平面方向に屈曲振動をする梁状の振動腕２１と、からなる振動体１０であって、振動腕２１が、幅方向中央部に振動方向に対して垂直に、且つ長手方向に開設される貫通孔２２によって分割された振動腕部２３，２４と、分割された振動腕部２３，２４の先端部を連結する基部２０と同等かまたは大きい質量を有する付加質量部２５と、振動腕部に設けられる励振電極３１〜３４と、を備え、振動腕２１が、基部２０と付加質量部２５とで擬似両端固定構造で支持され、加速度が加えられたときの付加質量部２５の慣性効果による振動体１０の共振周波数変化を検出する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基台に固定する基部と、前記基部から延出され所定の共振周波数にて平面方向に屈曲振動をする梁状の振動腕と、からなる振動体であって、
前記振動腕が、幅方向中央部において厚さ方向に、且つ長手方向に開設される貫通孔によって分割された振動腕部と、分割された前記振動腕部の先端部を連結する付加質量部と、前記振動腕部に設けられる励振手段と、を備え、
前記振動腕が、前記基部と前記付加質量部とにより擬似両端固定構造または片端固定構造で支持され、
加速度が加えられたときの前記付加質量部の慣性効果による前記振動体の共振周波数変化を検出することを特徴とする加速度センサ。
【請求項２】
請求項１に記載の加速度センサにおいて、
前記基部と、前記振動腕と、前記付加質量部と、からなる振動体が２組設けられ、
２組の前記付加質量部を共通付加質量部とし、前記共通付加質量部の重心位置に対して点対称となるように２組の前記振動体が直線状に連結されていることを特徴とする加速度センサ。
【請求項３】
請求項１に記載の加速度センサにおいて、
前記振動腕部が幅方向に前記振動腕の中心軸に対して対称に湾曲して形成されており、前記振動腕の軸方向に加速度が加えられたときに、前記付加質量部の慣性効果により前記振動腕部の軸方向に垂直な面に平行な断面の形状が変化することによる共振周波数変化を検出することを特徴とする加速度センサ。
【請求項４】
請求項３に記載の加速度センサにおいて、
前記付加質量部が、前記基部と同等か大きい質量を備え、
前記振動腕が、前記基部と前記付加質量部とで擬似両端固定構造で支持され、前記振動腕が高次の屈曲振動をすることを特徴とする加速度センサ。
【請求項５】
請求項３または請求項４に記載の加速度センサにおいて、
前記基部と、前記振動腕と、前記付加質量部と、からなる振動体が２組設けられ、
２組の前記付加質量部を共通付加質量部とし、前記共通付加質量部の重心位置に対して点対称となるように２組の前記振動体が直線状に連結されていることを特徴とする加速度センサ。
【請求項６】
基台に固定する基部と、前記基部から平行に延出され所定の共振周波数にて平面方向に屈曲振動をする梁状の複数の振動腕と、複数の前記振動腕を先端部において連結する前記基部と同等かまたは大きい質量を有する付加質量部と、からなる振動体であって、
複数の前記振動腕それぞれに、幅方向中央部において厚さ方向に、且つ長手方向に開設される少なくとも一つの貫通孔と、
複数の前記振動腕の両側側面及び前記貫通孔の内側側面の少なくとも振動により発生する歪みが大きい位置を含む範囲に設けられる励振電極と、を備え、
加速度が加えられたときの前記付加質量部の慣性効果による前記振動体の共振周波数変化を検出することを特徴とする加速度センサ。
【請求項７】
請求項６に記載の加速度センサにおいて、
前記貫通孔が、複数の前記振動腕と前記基部との連結部近傍、及び複数の前記振動腕と前記付加質量部との連結部近傍に設けられていることを特徴とする加速度センサ。
【請求項８】
請求項６に記載の加速度センサにおいて、
前記貫通孔が、複数の前記振動腕と前記基部との連結部近傍と、複数の前記振動腕と前記付加質量部との連結部近傍と、複数の前記振動腕の長手方向中央部と、に開設されていることを特徴とする加速度センサ。
【請求項９】
請求項６に記載の加速度センサにおいて、
前記基部と、前記振動腕と、前記付加質量部と、からなる振動体が２組設けられ、
２組の前記付加質量部を共通付加質量部とし、前記共通付加質量部の重心位置に対して点対称となるように２組の前記振動体が直線状に連結されていることを特徴とする加速度センサ。
【請求項１０】
請求項１ないし請求項９のいずれか一項に記載の加速度センサにおいて、
前記振動体が水晶からなることを特徴とする加速度センサ。
【請求項１１】
請求項１ないし請求項９のいずれか一項に記載の加速度センサにおいて、
前記振動体が恒弾性材料からなり、前記振動腕の側面に圧電素子膜が形成されていることを特徴とする加速度センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、加速度が加えられたときに振動体の共振周波数が変化することを検出する加速度センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、撓みばねと、共振子と、フレームに懸架された振動質量を有するシリコンからなり、加速度が共振子の周波数の変化に基づき検出され、撓みばね及びフレーム及び振動質量が、シリコン小板の構造化によって作成される加速度センサというものが知られている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
また、シリコンウエハの基板上に一端が固定され、他方が変形可能な自由端を有するカンチレバーと、カンチレバーの表面に形成された圧電素子膜と、圧電素子膜の表裏両面に形成された金属電極と、カンチレバーの自由端に固定された重りとから構成される圧電振動子を含む加速度センサが知られている（例えば、特許文献２参照）。
【０００４】
また、板状の振動体と、振動体の両面に対向して形成される圧電素子と、振動体の一端部を支持する支持手段を有し、振動体の一端部近傍に孔が形成され、振動体は長さ方向に振動する（つまり、縦振動）。振動体の振動方向の加速度により振動体と圧電素子とが撓み、この撓みにより圧電素子に発生する電圧を検出するという加速度センサも知られている（例えば、特許文献３参照）。
【０００５】
さらに、加速度により移動可能な慣性体と、慣性体を支持し慣性体の移動時に変形する支持梁と、支持梁上に設置された共振体を備え、共振体は励振部と振動状態を検知する受信部と、振動を励振部から受信部に伝搬する伝搬部とからなり、加速度が印加された際、支持梁の変形に対応した共振体の変形により生じる共振体の振動状態の変化を、励振部への入力信号と受信部への出力信号により検出して印加された加速度を測定する加速度センサというものが知られている（例えば、特許文献４参照）。
【０００６】
【特許文献１】特開平６−４３１７９号公報（第３頁、図１）
【特許文献２】特開平２−２４８８６５号公報（第２、第３頁、図３，９）
【特許文献３】特開平８−１４６０３３号公報（第３頁、図１，２）
【特許文献４】特開平７−１９１０５２号公報（第１，２頁、図１）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上述した特許文献１では、加速度が加えられて撓みばねが撓むことにより生ずる共振子の周波数変化量を検出している。また、検出感度を高めるために振動質量を付加している。また、特許文献２においても、カンチレバーの先端部に重りを付加して検出感度を高めている。そして、これら振動質量や重りは、加速度が加えられる方向に備えられているので、振動体を振動するために必要とされるエネルギーが大きくなるとともに、耐衝撃性が低下することが考えられる。
また、加速度センサの小型化が困難となるという課題がある。
【０００８】
また、特許文献３では、振動体の縦振動を用いており、縦振動の場合は周波数の変化量が屈曲振動に比べ極めて小さく、検出感度を高めることが難しい。また、振動体の支持構造が複雑になることと、そのために振動漏れが発生し易いという課題がある。
【０００９】
さらに、振動体の一端部近傍に孔が設けられており、この孔の周縁部に応力集中が発生し易い構造のため、耐衝撃性が低下するという課題もある。
【００１０】
また、特許文献４による加速度センサは、支持梁に発生する変形を、支持梁に接合された共振体により検出するという構造である。支持梁と共振体とは異種材料からなり構成する材質の熱膨張率が異なるため、温度変化による支持梁または共振体の変形差が生じ、これが周波数変化として出力されてしまうため、温度特性が悪いという課題を有している。
【００１１】
また、支持梁と共振体とは接合されているため、接合部において加速度による力の伝搬ロスが生じるとともに、接合部における長期的な信頼性を確保しにくいという課題もある。
【００１２】
さらに、正確な加速度検出には、支持梁に対する共振体の位置精度が要求されるが、支持梁と共振体とが別部材であることから、位置精度をだしにくいので製造コストが増加し、小型化も困難であると予測される。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明は、上述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、以下の形態または適用例として実現することが可能である。
【００１４】
［適用例１］本適用例に係る加速度センサは、基台に固定する基部と、前記基部から延出され所定の共振周波数にて平面方向に屈曲振動をする梁状の振動腕と、からなる振動体であって、前記振動腕が、幅方向中央部において厚さ方向に、且つ長手方向に開設される貫通孔によって分割された振動腕部と、分割された前記振動腕部の先端部を連結する付加質量部と、前記振動腕部に設けられる励振手段と、を備え、前記振動腕が、前記基部と前記付加質量部により擬似両端固定構造または片端固定構造で支持され、加速度が加えられたときの前記付加質量部の慣性効果による前記振動体の共振周波数変化を検出することを特徴とする。
【００１５】
なお、擬似両端固定構造とは、例えば、振動体の基部が固定端で、振動腕の先端部（付加質量部に相当する部分）は自由端ではあるが、付加質量部が大きいため先端部がほとんど振動しないような固定構造を意味する。
【００１６】
本適用例は、加速度が加えられたときに付加質量部の慣性効果により、振動腕に伸縮応力（引っ張り応力と圧縮応力）が発生することで振動体の共振周波数が変化することを利用して加速度を検出するものである。具体的には、振動腕に引っ張り応力が発生するときには共振周波数は高くなり、振動腕に圧縮応力が発生するときには共振周波数が低くなる。この振動体は付加質量部が大きな質量を有するとき擬似両端固定構造の高次の屈曲振動となり、質量が小さいときには一次の屈曲振動となる。このような振動体に加速度が加えられることによる共振周波数変化量が前述した従来技術の縦振動よりも大きくなり、高い検出感度の加速度センサを実現できる。
【００１７】
また、振動腕に貫通孔が設けられることにより、振動腕部は断面積が小さくなり、側面に設けられる励振手段としての励振電極間の距離が小さいため電界効率が高く、その結果消費電流を低く抑えることができる。
【００１８】
また、振動腕は貫通孔により断面積が小さい２本の振動腕部に分割される。従って、加速度が加えられた際の屈曲部に発生する伸縮応力が大きくなり、共振周波数の変化量がより大きくなることから検出感度を高めることができる。
【００１９】
さらに、この発明による加速度センサは、振動腕に発生する伸縮応力による共振周波数変化を検出する構造のため、仮に振動体をパッケージングする際において、加速度による振動腕の長さ方向の伸縮は非常に小さく、振動腕が屈曲振動をする範囲のスペースがあればよく、小型化できるという効果を有する。
【００２０】
また、上述した適用例による加速度センサは基部と振動腕とが一体で形成されているため、前述した従来技術（特許文献４）による支持梁と共振体とを別体で構成し接合する構造のように、それぞれの熱膨張率が異なることから生じる温度変化による支持梁または共振体の変形差が周波数変化として出力されてしまうことがなく、温度特性がよい加速度センサを実現できる。
【００２１】
また、従来技術のような支持梁と共振体とを接合する構造に比べ接合部がないため、接合部における加速度により発生する力の伝搬ロスが生じることもなく、さらに、長期的な信頼性を確保できるという効果がある。
さらに、基部と振動腕とが一体で且つ同一平面内に形成されていることから、厚さ方向への突出部が存在せず薄型化を実現できる。
【００２２】
［適用例２］上記適用例に係る加速度センサであって、前記基部と、前記振動腕と、前記付加質量部と、からなる振動体が２組設けられ、２組の前記付加質量部を共通付加質量部とし、前記共通付加質量部の重心位置に対して点対称となるように２組の前記振動体が直線状に連結されていることが好ましい。
【００２３】
このような構造によれば、付加質量部を挟んで対向する一対の振動体を有する構造体が構成される。この際、それぞれ対向する振動腕は、付加質量部が十分大きな質量を有しているため、互いに逆位相の高次の屈曲振動モードを有し、振動バランスがよい振動体を構成することができる。つまり高いＱ値が得られる。
【００２４】
また、加速度が加えられたとき、隣り合う振動腕部の一方の振動腕部には圧縮応力が発生し、他方の振動腕部には引っ張り応力が発生する。このような構造の場合、両振動体の共振周波数の差動をとることで周波数温度特性の影響を打ち消すことができるという効果がある。
【００２５】
［適用例３］上記適用例に係る加速度センサであって、前記振動腕部が幅方向に湾曲して形成されており、前記振動腕の軸方向に加速度が加えられたときに、前記付加質量部の慣性効果により前記振動腕部の軸方向に垂直な面に平行な断面の形状が変化することによる共振周波数変化を検出することが好ましい。
【００２６】
このような構造によれば、振動腕部を湾曲させることにより振動腕の軸方向に加速度が加えられた際、振動腕部が座屈変形により断面形状が変化し、振動腕の断面二次モーメントが変化する。屈曲振動する振動腕は断面二次モーメントが大きくなると共振周波数が高くなり、断面二次モーメントが小さくなると共振周波数が低くなる。この共振周波数変化量は、周波数カウンタ等で正確な計測ができるので、高精度な加速度検出を行うことができる。
【００２７】
また、加速度による振動腕部の変形が座屈変形であることから、例えば前述した従来例によるカンチレバー先端に重りが備えられ曲げ変形する加速度センサと比較して、構造的に強度が高く、強い加速度領域の検出にも対応できる。
【００２８】
また、振動腕部を予め湾曲させていることで、軸方向の加速度による振動腕部の変形量が大きくなる。従って、共振周波数の変化量が大きくなることから、検出感度をより高めることができる。
【００２９】
［適用例４］適用例３に係る加速度センサであって、前記付加質量部が、前記基部と同等か大きい質量を備え、前記振動腕が、前記基部と前記付加質量部とで擬似両端固定構造で支持され、前記振動腕が高次の屈曲振動をすることが好ましい。
【００３０】
付加質量部を振動腕に対して充分に大きくすることで、振動腕の先端部の移動量が極めて小さくなる。従って、振動腕は、付加質量部と基部との間で擬似両端固定構造が構成されることから、高次の屈曲振動モードとなる。このような湾曲された振動腕部からなる振動腕であっても検出感度がよい加速度センサを実現できる。
【００３１】
［適用例５］適用例３または適用例４に係る加速度センサであって、前記基部と、前記振動腕と、前記付加質量部と、からなる振動体が２組設けられ、２組の前記付加質量部を共通付加質量部とし、前記共通付加質量部の重心位置に対して点対称となるように２組の前記振動体が直線状に連結されていることが好ましい。
【００３２】
このような構造にすれば、付加質量部を挟んで対向する一対の湾曲された振動腕からなる振動体を有する両端固定構造の振動体が構成されることになる。この際、それぞれ対向する振動腕は、逆位相の高次の屈曲振動モードを有し、振動バランスがよい振動体を構成することができる。つまり高いＱ値が得られる。
【００３３】
［適用例６］本適用例に係る加速度センサは、基台に固定する基部と、前記基部から平行に延出され所定の共振周波数にて平面方向に擬似両端固定の屈曲振動をする梁状の複数の振動腕と、複数の前記振動腕を先端部において連結する前記基部と同等かまたは大きい質量を有する付加質量部と、からなる振動体であって、複数の前記振動腕それぞれに、幅方向中央部において厚さ方向に、且つ長手方向に開設される少なくとも一つの貫通孔と、複数の前記振動腕の両側側面及び前記貫通孔の内側側面の少なくとも振動により発生する歪みが大きい位置を含む範囲に設けられる励振電極と、を備え、加速度が加えられたときの前記付加質量部の慣性効果による前記振動体の共振周波数変化を検出することを特徴とする。
【００３４】
このような構造の振動体は、振動腕が２本の場合において双音叉振動子と呼称されることがある。このような双音叉振動子形状の場合、２本の振動腕は互いに逆位相で振動することから振動漏れが小さく振動効率を高めることができる。つまり、Ｑ値が高くなり、加速度の検出分解能を向上させることができる。
【００３５】
また、貫通孔を設けていることから、振動腕の断面積が小さくなり、加速度を加えたときの振動腕の変位量を大きくとれることから検出感度を高めることができる。
さらに、励振電極間の距離が短くなり電界効率が高まる。このことから低消費電力化が可能となるという効果がある。
【００３６】
［適用例７］適用例６に係る加速度センサであって、前記貫通孔が、複数の前記振動腕と前記基部との連結部近傍、及び複数の前記振動腕と前記付加質量部との連結部近傍に設けられていることが好ましい。
【００３７】
振動腕と基部との連結部近傍及び振動腕と付加質量部との連結部近傍は、擬似両端固定構造の屈曲振動において、振動時に発生する歪みが大きい位置である。従って、このような歪みが大きい位置に貫通孔を設け、貫通孔の内外の側面に励振電極を設けることにより、励振電極間の距離が短くなり電界効率を高め、低消費電力化を実現できる。なお、振動腕と基部との連結部近傍とは、振動腕の基部側終端から振動腕の長手方向の全長の概ね３０％までの範囲である。また、振動腕と付加質量部との連結部近傍とは、振動腕の付加質量部側終端から振動腕の長手方向の全長の概ね３０％までの範囲である。
【００３８】
［適用例８］適用例６に係る加速度センサであって、前記貫通孔が、複数の前記振動腕と前記基部との連結部近傍と、及び複数の前記振動腕と前記付加質量部との連結部近傍と、複数の前記振動腕の長手方向中央部と、に開設されていることが好ましい。
ここで、長手方向中央部とは、振動腕の長手方向中央を中心として振動腕の全長の概ね６０％の範囲である。
【００３９】
双音叉振動子の屈曲振動においては、振動腕の振動時に発生する歪みが大きい位置は、振動腕の長手方向中央近傍（振動の腹に相当する）にも存在する。従って、振動腕と基部との連結部近傍、振動腕と付加質量部との連結部近傍及び振動腕の長手方向中央部に貫通孔を設け、貫通孔の内外の側面に励振電極を設けることにより、より一層、電界効率を高め、低消費電力化を実現できる。
【００４０】
［適用例９］適用例６に係る加速度センサであって、前記基部と、前記振動腕と、前記付加質量部と、からなる振動体が２組設けられ、２組の前記付加質量部を共通付加質量部とし、前記共通付加質量部の重心位置に対して点対称となるように２組の前記振動体が直線状に連結されていることが好ましい。
【００４１】
このような構造にすれば、付加質量部を挟んで対向する一対の振動体を有する両端固定構造の振動体が構成されることになる。この際、それぞれ対向する振動腕は、逆位相の高次の屈曲振動モードを有し、振動バランスがよい振動体を構成することができる。つまり高いＱ値が得られる。
【００４２】
［適用例１０］上記適用例に係る加速度センサであって、前記振動体が水晶からなることが好ましい。
【００４３】
振動体の材質としては、圧電性を有する材料であれば特に限定されないが、水晶にすれば、周波数温度特性がよく、貫通孔を含めてフォトリソグラフィ技術により一体形成が容易であり製造し易く、高精度で形成することができる。
【００４４】
［適用例１１］上記適用例に係る加速度センサであって、前記振動体が恒弾性材料からなり、前記振動腕の側面に圧電素子膜が形成されていることが好ましい。
【００４５】
恒弾性材料としては、例えば、ニッケル、鉄、クロム、チタン、あるいはそれらの合金であるエリンバ、鉄−ニッケル合金などが含まれる。
このように、振動体として恒弾性材料を用いることにより構造的強度が高まり、強い加速度領域の検出に対応できるという効果がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４６】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
図１〜図５は実施形態１に係る加速度センサを示し、図６は実施形態２、図７は実施形態３、図８は実施形態４、図９は実施形態５、図１０は実施形態６、図１１，１２は実施形態７、図１３は実施形態８、図１４は実施形態９、図１５は実施形態１０に係る加速度センサを示している。
なお、以下の説明で参照する図は、図示の便宜上、部材ないし部分の縦横の縮尺は実際のものとは異なる模式図である。
（実施形態１）
【００４７】
図１は、実施形態１に係る加速度センサの１例を示し、（ａ）は正面図、（ｂ）は（ａ）のＨ−Ｈ切断面を示す断面図である。図１（ａ）において、加速度センサ１は、基台（図示せず）に固定する基部２０と、基部２０の端面から延出され所定の共振周波数にて平面方向に屈曲振動をする梁状の振動腕２１と、を有する振動体１０により構成される。
【００４８】
振動体１０は圧電性材料により形成されている。圧電性材料としては、チタン酸鉛（ＰｂＴｉＯ3）、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ（登録商標））、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、水晶等を使用することができるが、本実施形態では、周波数温度特性が優れ、高いＱ値を有する水晶を使用した場合を例示して説明する。
【００４９】
振動体１０は、ＸＹ平面に展開されたＺ板であって、基部２０の一辺の中央からＹ軸方向に単純梁状の振動腕２１が延出されて構成されている。基部２０は、振動体１０を図示しないパッケージの基台に固定するための固定部である。振動腕２１の幅方向（Ｘ軸方向）中央部には、振動腕２１の振動方向に対して垂直、つまり厚さ方向（Ｚ軸方向）に貫通し、且つ、長手方向（Ｙ軸方向）に沿って貫通孔２２が開設されている。
【００５０】
振動腕２１の先端部（自由端）には、付加質量部２５が形成されている。付加質量部２５は、本実施形態では、基部２０と同等な質量または、さらに大きな質量となるように平面サイズが設定されている。また、貫通孔２２の一方の端部は基部２０との連結部まで達し、他方の端部は付加質量部２５との連結部まで達している。
なお、付加質量部２５の大きさは、上述した擬似両端固定構造となる範囲で任意の大きさに設定することができる。
【００５１】
振動腕２１は、貫通孔２２により振動腕部２３と振動腕部２４とに分割され、先端部は付加質量部２５によって連結されている。振動腕部２３，２４は、振動腕２１の中心軸Ｐに対して対称形である。これら振動腕部２３，２４それぞれの側面には励振電極が形成されている。
【００５２】
次に、図１（ｂ）を参照して励振手段としての励振電極の構成について説明する。振動腕部２３の外側面２３ａには励振電極３１、内側面２３ｂには励振電極３３が形成されている。また、振動腕部２４の外側面２４ａには励振電極３２、内側面２４ｂには励振電極３４が形成されている。励振電極３１〜３４は、貫通孔２２の概ねＹ軸方向側面の範囲全体に形成される。なお、励振電極３１〜３４は検出電極を兼ねる。
【００５３】
励振電極３１，３２は同電位の電極であり、励振電極３３，３４は励振電極３１，３２とは異なる電位の電極であり、図示しないが、それぞれが基部２０の表面まで延在され、図示しない発振回路及び検出回路に接続される。
【００５４】
発振回路から励振電極３１，３２、励振電極３３，３４それぞれに逆電位の励振信号が入力されると、振動腕２１は、基部２０との連結部近傍を振動の節として一次の屈曲振動をしようとすると、付加質量部２５が大きいため、図１（ａ）に表すような二次の屈曲振動で共振する。
【００５５】
つまり、振動腕２１に励振信号が入力されると、付加質量部２５の先端部が矢印Ｃ方向に振動しようとするが大きな付加質量部２５が存在するため、その移動量はごくわずかであり振動腕２１は、二点鎖線Ｃ’で示すような二次の屈曲振動となる。
【００５６】
また、同様に、付加質量部２５の先端部が矢印Ｂ方向に振動しようとするとき、付加質量部２５が存在するため、その移動量はごくわずかであり振動腕２１は、破線Ｂ’で示すような二次の屈曲振動となる。
【００５７】
従って、このような振動体１０は基部を固定部とする片端固定構造ではあるが、付加質量部２５を基部２０と同等か、さらに大きな質量とすることにより、付加質量部２５と基部２０との間であたかも擬似両端固定構造が構成されているといえる。そのことから振動腕２１は、振動腕２１と基部２０との連結部近傍と、振動腕２１と付加質量部２５との連結部近傍と、に振動の節を有する高次の屈曲振動モードとなる。
【００５８】
次に、加速度検出について説明する。
図１（ａ）において、振動腕２１がＸ軸方向に所定の共振周波数で二次の屈曲振動しているときに、＋Ｙ軸方向の加速度＋Ａｙが加えられると、振動腕２１の基部２０との連結部及び屈曲部には付加質量部２５の慣性効果により圧縮応力が発生する。圧縮応力が発生すると共振周波数は低くなる方向に変化する。また、−Ｙ軸方向に加速度−Ａｙが加えられると、振動腕２１の基部２０との連結部及び屈曲部には引っ張り応力が発生する。引っ張り応力が発生すると共振周波数は高くなる方向に変化する。
【００５９】
この共振周波数変化を検出回路にて検出し、検出された共振周波数を変換回路（図示せず）で電圧に変換し、加速度として検出することができる。
なお、共振周波数を位相速度としてとらえ、位相速度の変化値を微分回路にて時間で微分して加速度とする構成としてもよい。
【００６０】
従って、上述した実施形態１によれば、加速度が加えられたときに付加質量部２５の慣性効果により、振動腕２１に伸縮応力（引っ張り応力と圧縮応力）が発生することによる振動体１０の共振周波数が変化することを利用して加速度を検出するものである。具体的には、振動腕２１に引っ張り応力が発生するときには共振周波数は高くなり、振動腕２１に圧縮応力が発生するときには共振周波数が低くなる。従って、この振動体１０によれば、加速度が加えられることによる共振周波数変化量が前述した従来技術の縦振動よりも大きくなり、高い検出感度の加速度センサを実現できる。
【００６１】
また、振動腕２１の長手方向に貫通孔２２が設けられることにより、振動腕部２３，２４の断面積が小さくなり、側面に設けられる励振電極間の距離が小さくなるため電界効率が高く、その結果消費電流を低く抑えることができる。
【００６２】
また、振動腕２１は貫通孔２２により断面積が小さい２本の振動腕部２３，２４に分割される。従って、加速度が加えられた際の屈曲部に発生する伸縮応力が大きくなり、共振周波数の変化量がより大きくなることから検出感度を高めることができる。
【００６３】
また、付加質量部２５を振動腕に対して充分に大きくすることで、振動腕２１の先端部の移動量は極めて小さい。従って、振動腕２１は、付加質量部２５と基部２０との間で擬似両端固定構造が構成されることから高次の屈曲振動モードとなる。このような高次の屈曲振動モードにおいて、検出感度がよい加速度センサを実現できる。
【００６４】
さらに、本実施形態による加速度センサ１は、振動腕２１に発生する伸縮応力による共振周波数変化を検出する構造である。従って、大きな質量を有する付加質量部２５を設けることにより、加速度が加えられた際の屈曲部に発生する引っ張り応力または圧縮応力が大きくなることから検出感度を高めることができる。
【００６５】
なお、付加質量部２５の大きさは、上述した擬似両端支持構造となる範囲で任意の大きさに設定することができる。振動体１０をパッケージングする際において、加速度による振動腕２１の長さ方向の伸縮は非常に小さく、振動腕２１が屈曲振動をする範囲のスペースがあればよく、小型化できるという効果を有する。
【００６６】
また、基部２０と振動腕２１とが一体で形成されているため、前述した従来技術（特許文献４）による支持梁と共振体とを別体で構成し接合する構造のように、それぞれの熱膨張率が異なることから生じる温度変化による支持梁または共振体の変形差が周波数変化として出力されてしまうことがなく、温度特性がよい加速度センサを実現できる。
【００６７】
また、従来技術のような支持梁と共振体とを接合する構造に比べ接合部がないため、接合部における加速度により発生する力の伝搬ロスが生じることもなく、さらに、長期的な信頼性を確保できるという効果がある。
さらに、振動体１０の材質を水晶とし、基部２０と振動腕２１とが一体で且つ同一平面内に形成することから、周波数温度特性がよく、貫通孔２２を含めてフォトリソグラフィ技術により一体形成が容易であり製造し易く、高精度で形成することができる。また、厚さ方向への突出部が存在せず薄型化を実現できる。
【００６８】
なお、上述した実施形態１は、擬似両端固定構造を例示したものであるが、片端固定構造の振動体にも適応可能である。
（変形例１）
【００６９】
続いて、実施形態１の変形例１に係る加速度センサついて図面を参照して説明する。変形例１は、振動体が片端固定構造で一次の屈曲振動をする形態であることを特徴とする。
図２は、変形例１に係る加速度センサの構成を示す斜視図である。図２において、加速度センサとしての振動体１０は、付加質量部２５を除いて前述した実施形態１（図１、参照）と同形状をしている。付加質量部２５は、振動腕２１の延長上に設けられており、振動腕２１は、貫通孔２２によって振動腕部２３，２４に分割されている。
【００７０】
振動腕部２３，２４の側面には、図１で表される励振電極３１〜３４が設けられている。発振回路から励振電極３１，３２、励振電極３３，３４それぞれに逆電位の励振信号が入力されると、振動腕２１は、基部２０との連結部近傍を振動の節として一次の屈曲振動をする（矢印Ａで図示）。
【００７１】
加速度の検出は実施形態１と同様に行う。つまり、振動腕２１がＸ軸方向に所定の共振周波数で一次の屈曲振動しているときに、＋Ｙ軸方向の加速度＋Ａｙが加えられると、振動腕２１の基部２０との連結部及び屈曲部には付加質量部２５の慣性効果により圧縮応力が発生する。圧縮応力が発生すると共振周波数は低くなる方向に変化する。また、−Ｙ軸方向に加速度−Ａｙが加えられると、振動腕２１の基部２０との連結部及び屈曲部には引っ張り応力が発生する。引っ張り応力が発生すると共振周波数は高くなる方向に変化する。この共振周波数変化を検出回路にて検出し、検出された共振周波数を変換回路（図示せず）で電圧に変換し、加速度として検出することができる。
【００７２】
なお、振動腕の総長さＬ１に対する貫通孔２２の長さＬ２の比を変えることで、加速度による周波数変動量が変動することがシミュレーション及び実験によって確認されている。
図３は、振動腕の総長さＬ１に対する貫通孔の長さＬ２の比と周波数変動量の関係について示すグラフである。図２に示すように、加速度（ｍ／ｓ2）に対する周波数変動量（ｐｐｍ／（ｍ／ｓ2））は、振動腕の総長さＬ１に対する貫通孔２２の長さＬ２の比（Ｌ２／Ｌ１（％）で表す）に従い変化する。
【００７３】
このグラフから、Ｌ２／Ｌ１が０のとき（貫通孔２２がないとき）、周波数変動量は０．１ｐｐｍ／（ｍ／ｓ2）であり、貫通孔２２がない場合でも加速度の検出が可能であることを示している。しかし、周波数変動量が０．１ｐｐｍ／（ｍ／ｓ2）では検出感度が低く、実用上好ましくない。
【００７４】
Ｌ２／Ｌ１が大きくなるに従い周波数変動量が大きくなり、８０％近傍で最大値を示す。そして、Ｌ２／Ｌ１が８０％を中心として±２０％の範囲で、周波数変動量が概ね１ｐｐｍ／（ｍ／ｓ2）以上の検出感度を示しており、実用上好ましいレベルである。
【００７５】
このような変形例１によれば、振動体１０が片端固定構造で一次の屈曲振動の構造においても、前述した実施形態１と同様な効果が得られる。
（変形例２）
【００７６】
続いて、実施形態１の変形例２に係る加速度センサについて図面を参照して説明する。変形例２は、振動腕の自由端に一次の屈曲振動をする程度の大きな付加質量部を設けたことに特徴を有している。従って、前述した実施形態１（図１、参照）との相違個所を中心に説明する。共通部分には実施形態１と同じ符号を附している。
図４は、本変形例に係る振動体を示す正面図である。図４において、振動体１０は、基部２０の一辺の中央からＹ軸方向に梁状の振動腕２１が垂直に延出されている。振動腕２１の幅方向（Ｘ軸方向）中央には、厚さ方向（Ｚ軸方向）に貫通し、且つ、長手方向（Ｙ軸方向）に沿って貫通孔２２が開設されている。
【００７７】
貫通孔２２は実施形態１（図１、参照）と同様な位置、大きさで形成されており、貫通孔２２の長さと付加質量部２５を含む振動腕２１の総長さとの関係も概ね実施形態１に準じている。振動腕２１の先端部（自由端）には、付加質量部２５が形成されている。付加質量部２５は、変形例１（図２、参照）よりも大きく、実施形態１（図１、参照）よりも小さく設定されている。従って、振動腕２１は、基部２０との連結部近傍を振動の節とする一次の屈曲振動をする。
【００７８】
振動腕２１に上述したような付加質量部２５を設けることにより、振動腕２１の質量増加により、加速度が加えられた際の屈曲部に発生する引っ張り応力または圧縮応力が変形例１よりも大きくなり、検出感度を高めることができる。
（変形例３）
【００７９】
続いて、実施形態１の変形例３に係る加速度センサについて図面を参照して説明する。変形例３は、前述した実施形態１では１本の振動腕を備えていることに対し、振動腕を複数本備えていることに特徴を有している。ここでは、振動腕を２本備える構造を例示して説明する。
図５は、変形例３に係る振動体を示し、（ａ）は正面図、（ｂ）は（ａ）のＪ−Ｊ切断面を示す断面図である。図５（ａ），（ｂ）において、加速度センサとしての振動体５０は、基部５１の一辺から２本の振動腕５４，５８が垂直に、且つ、平行に延出されている。つまり、この振動体５０は音叉型振動体である。
【００８０】
振動腕５４，５８にはそれぞれ、幅方向中央部に貫通孔５５，５９が開設されている。これら振動腕５４，５８と貫通孔５５，５９それぞれの形状は、前述した実施形態１（図１、参照）の振動腕２１、貫通孔２２に相当する。そして、貫通孔５５，５９を設けることにより、振動腕５４は振動腕部５６，５７とに分割され、振動腕５８は振動腕部６０，６１に分割される。振動腕部５６，５７は先端部を付加質量部５４ａにて連結され、振動腕部６０，６１は先端部を付加質量部５８ａにて連結されている。
【００８１】
図５（ｂ）に示すように、振動腕部５６，５７，６０，６１それぞれの側面には励振電極が形成されている。具体的には、振動腕部５６の外側面５６ａには励振電極７１、内側面５６ｂには励振電極７２が設けられている。一方、振動腕部５７の外側面５７ａには励振電極７３、内側面５７ｂには励振電極７４が形成されている。また、振動腕部６０の外側面６０ａには励振電極７７、内側面６０ｂには励振電極７８、振動腕部６１の外側面６１ａには励振電極７５、内側面６１ｂには励振電極７６が形成されている。
【００８２】
励振電極７１，７３，７６，７８は同電位の電極群、励振電極７２，７４，７５，７７は同電位の電極群であり、励振電極７１，７３，７６，７８と励振電極７２，７４，７５，７７とに逆電位の励振信号が入力される。このような構成にすることで、振動腕５４，５８はそれぞれ矢印Ｂ，Ｃ方向、つまり、Ｘ軸方向にそれぞれが逆相となるように一次の屈曲振動をする。
【００８３】
基部５１は、連結部５２で振動腕５４，５８と連結されており、この領域に振動の節が存在する。連結部５２と基部５１との間にはくびれ部５３が形成されている。くびれ部５３は、振動腕５４，５８の振動を固定部に伝達させないために設けられている。
【００８４】
このような構造は音叉型振動体であり、音叉型振動体は、構造対称性を有し、振動したときに振動腕５４，５８が互いに逆位相で振動することから振動漏れが小さく振動効率が高いという利点がある。
【００８５】
また、振動腕５４，５８のそれぞれに貫通孔５５，５９が設けられているために、振動腕５４，５８の断面積が小さくなるので、発生する伸縮応力が大きくなる。従って、振動腕を複数有する形状であっても加速度による収縮応力や引っ張り応力が高くなり共振周波数変化量が大きく、高い検出感度が得られる。
なお、本実施形態では、振動腕を２本備える構造を例示しているが、３本でもそれ以上としてもよい。３本の場合には、中央の振動腕を検出用とすることができる。
（実施形態２）
【００８６】
続いて、実施形態２に係る加速度センサについて図面を参照して説明する。実施形態２は、前述した実施形態１及び変形例が擬似両端固定構造または片端固定構造であることに対して、両端固定構造としたところに特徴を有している。
図６は、実施形態２に係る加速度センサを示す正面図である。図６において、加速度センサ４０は、振動体１０，１１の２組の振動体が共通の付加質量部２５において直線状に連結されて構成されている。
【００８７】
図６に示すように、加速度センサ４０の重心位置Ｇの右側は、基部２０と振動腕２１と付加質量部２５とから構成される振動体１０、左側は基部４５と振動腕４１と付加質量部２５とから構成される振動体１１である。振動腕２１は貫通孔２２によって分割された振動腕部２３，２４を有し、それぞれに図１（ｂ）に示すような励振電極が設けられている。
【００８８】
一方、振動腕４１は貫通孔４２によって分割された振動腕部４３，４４を有し、それぞれに図１（ｂ）に示すような励振電極が設けられている。従って、付加質量部２５は、振動体１０及び振動体１１の共通付加質量部である。加速度センサ４０は、重心位置Ｇに対して点対称形状であって、共通の付加質量部２５において振動体１０と振動体１１の２組の振動体が直線状に連結された、基部２０及び基部４５を固定部とする両端固定構造である。また、付加質量部２５は、基部２０，４５と同等または、それらよりも大きな質量となる平面サイズを有している。
【００８９】
ここで、振動腕２１，４１それぞれに逆電位、逆位相、同じ周波数の励振信号を入力すると、付加質量部２５は充分大きな質量を有しているため、矢印Ｄ、矢印Ｅ方向には極わずかな変位である。従って、振動腕２１は、振動腕２１と基部２０との連結部、及び振動腕２１と付加質量部２５との連結部近傍にある振動の節を有し、矢印Ｄ’方向または矢印Ｅ’方向に二次の屈曲振動となる。また、振動腕４１は、振動腕４１と基部４５との連結部、及び振動腕４１と付加質量部２５との連結部近傍の振動の節を有し、振動腕２１とは逆位相の二次の屈曲振動をする。
【００９０】
上述した実施形態２の構造によれば、加速度センサ４０は付加質量部２５を挟んで対向する振動体１０，１１を有する両端固定構造となる。この際、それぞれの振動腕２１，４１は、逆位相の高次の屈曲振動モードを有し、振動バランスがよい振動体を構成する。つまり高いＱ値が得られる。
【００９１】
また、対向する振動腕２１，４１は、Ｙ軸方向の加速度が加えられたとき、一方に収縮応力が発生し、他方の振動腕には引っ張り応力が発生する。このような構造の場合、両振動体の共振周波数の差動をとることで周波数温度特性の影響を打ち消すことができるという効果がある。
（実施形態３）
【００９２】
続いて、実施形態３に係る加速度センサについて図面を参照して説明する。実施形態３は、前述した実施形態１，２では振動体として水晶を用いていることに対して恒弾性材料を用いることを特徴とする。本実施形態の振動体の形状は、前述した実施形態１，２形状と同じ考え方が応用できるが、ここでは、実施形態１（図１、参照）と同じ形状のものを例示して説明する。
図７は、実施形態３に係る振動体を示し、（ａ）は正面図、（ｂ）は（ａ）のＫ−Ｋ切断面を示す断面図である。図７（ａ），（ｂ）において、振動体８０は、基部８１の一辺から垂直方向に振動腕８２が延出されて構成されている。基部８１は、振動体８０を図示しないパッケージの基台に固定するための固定部である。振動腕８２の幅方向中央には、厚さ方向に貫通し、且つ、長手方向に長い貫通孔８３が開設されている。
【００９３】
なお、振動体８０は、ニッケル、鉄、クロム、チタン、あるいはそれらの合金であるエリンバ、鉄−ニッケル合金などの恒弾性材料からなり、所望の共振周波数、サイズに対応して選択される。
【００９４】
振動腕８２は、貫通孔８３を設けることにより振動腕部８４，８５に分割されている。振動腕部８４，８５の先端部は付加質量部８２ａで連結されている。そして、振動腕部８４，８５それぞれの外側側面には、圧電素子膜８６，８７が形成されている。図７（ｂ）に示すように、圧電素子膜８６には表裏両面のそれぞれに上部電極８８ａ、下部電極８８ｂが形成されている。また、下部電極８８ｂと振動腕部８４の外側側面との間には絶縁性膜（図示せず）が形成されている。
【００９５】
一方、圧電素子膜８７には表裏両面のそれぞれに上部電極８９ａ、下部電極８９ｂが形成されている。また、下部電極８９ｂと振動腕部８５の外側側面との間には絶縁性膜（図示せず）が形成されている。
【００９６】
圧電素子膜８６，８７にはそれぞれ逆電位の励振信号が入力されることにより、振動腕８２は、実施形態１と同様な二次の屈曲振動をし、所定の共振周波数で安定した振動を継続する。
なお、圧電素子膜８６，８７の材料としては、チタン酸鉛（ＰｂＴｉＯ3）、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ（登録商標））、酸化亜鉛（ＺｎＯ）等を採用することができる。
【００９７】
従って、上述した実施形態３によれば、前述した実施形態１の効果と、振動体８０に恒弾性材料を用いることにより構造的強度が高まり、振動腕部８４，８５の断面積を小さくしても、強い加速度領域の検出にも対応できるという効果がある。
（実施形態４）
【００９８】
続いて、実施形態４に係る加速度センサについて図面を参照して説明する。実施形態４は、貫通孔によって２分割された振動腕部が予め湾曲して形成されていることに特徴を有している。
図８は、実施形態４に係る加速度センサの概略形状を表し、（ａ）は斜視図、（ｂ）〜（ｄ）は（ａ）のＨ−Ｈ切断面を示す断面図である。なお、図８（ａ），（ｂ）は、加速度が加えられていない状態を表している。図８（ａ），（ｂ）において、加速度センサとしての振動体１０は、ＸＹ平面に展開された水晶からなるＺ板の同一平面内に、基部２０と基部２０の一辺から延出される振動腕２１とから構成される片端固定構造の構造体である。
【００９９】
振動腕２１は、幅方向（Ｘ軸方向）の中央部に、長手方向（Ｙ軸方向）に長い略小判形状の貫通孔２２が設けられており、振動腕２１を２分割して振動腕部２３，２４が形成されている。振動腕部２３，２４はそれぞれ、貫通孔２２の形状に沿って＋Ｘ軸方向及び−Ｘ軸方向に湾曲して形成されている。なお、振動腕部２３，２４は、振動腕２１の中心軸Ｐに対して対称形である。また、振動腕部２３，２４の先端部は付加質量部２５で連結されている。
【０１００】
振動腕部２３，２４それぞれの側面には、励振電極３１〜３４が設けられている。なお、励振電極３１〜３４の構成は、図１（ｂ）の構成と同じであるため説明を省略する。
ここで、励振電極３１〜３４に発振回路（図示せず）から励振信号を入力すると、振動腕２１は所定の共振周波数にて振動腕２１と基部２０との連結部近傍を振動の節とする片端固定構造の矢印Ａ方向に一次の屈曲振動をする。
【０１０１】
上述したように構成される振動腕２１の共振周波数ｆｎは、次の数式１によって与えられる。
【０１０２】
【数１】
2008209388.tif 000003
ここで、振動体の支持条件等によって定まる定数α、振動体の長さＬ、縦弾性係数Ｅ、断面形状により変化する係数Ｉ（断面二次モーメントＩ）、振動体の密度ρ、振動体の断面積Ｓとする。この数式１により、共振周波数ｆｎは同一材質、同一形状の振動体であれば、断面二次モーメントＩの変化に対応して変化することがわかる。
【０１０３】
次に、加速度センサ１にＹ軸方向の加速度＋Ａｙが加えられたときの作用について説明する。
図８（ｃ）は、＋Ｙ軸方向の加速度＋Ａｙが加えられたときの振動腕部２３，２４を示す断面図である。図８（ａ），（ｃ）において、加速度＋Ａｙが加速度センサ１に加えられると、基部２０は基台（図示せず）に固定されていることから、振動腕２１は付加質量部２５の慣性効果により−Ｙ軸方向に圧縮される。
【０１０４】
すると、貫通孔２２によって２分割され剛性が低下している振動腕部２３，２４が軸方向に圧縮され、図８（ｃ）に示すように、それぞれ外側方向（矢印Ｃ方向）に座屈変形する。この際、振動腕部２３，２４は、予め湾曲形成されているので、加速度＋Ａｙにより容易に変形しやすく、また変形量も大きい。
なお、加速度＋Ａｙが加えられたときの図８（ｃ）で表す状態の振動腕２１の断面二次モーメントをＩ2で表す。
【０１０５】
従って、加速度が加えられていない図８（ａ）の状態における振動腕２１の断面二次モーメントＩ1と、加速度＋Ａｙが加えられた図８（ｃ）の状態における振動腕２１の断面二次モーメントＩ2と、を比較すると、断面二次モーメントＩ2はＸ軸方向の距離が大きくなっていることから、Ｉ2＞Ｉ1となる。数式１から、断面二次モーメントＩ以外は共通のため、加速度＋Ａｙが加えられると共振周波数が高くなる。従って、この共振周波数変化を検出することにより加速度を検出することができる。
【０１０６】
また、逆方向の加速度−Ａｙが加えられたときには、振動腕２１は付加質量部２５の慣性効果により＋Ｙ軸方向に伸張され、振動腕部２３，２４のＸ軸方向の距離は狭くなる方向、つまり、図８（ｄ）に表すように矢印Ｄ方向に変形する。加速度−Ａｙが加えられた状態のときの断面二次モーメントをＩ3と表す。断面二次モーメントＩ3は、加速度が加えられていないときの断面二次モーメントＩ1よりも小さくなる。
【０１０７】
従って、加速度が加えられないときの振動腕２１の断面二次モーメントＩ1と、加速度＋Ａｙが加えられたときの断面二次モーメントＩ2と、加速度−Ａｙが加えられたときの断面二次モーメントをＩ3と、を比較すると、Ｉ2＞Ｉ1＞Ｉ3の関係が成り立つ。
つまり、加速度＋Ａｙが加えられたときには共振周波数が高くなり、加速度−Ａｙが加えられたときには共振周波数は低くなる。
【０１０８】
なお、実施形態１（図１（ａ）、参照）にて説明したような振動腕２１が直線状に形成された場合においても、加速度＋Ａｙ、加速度−Ａｙを加えたときには、上述した実施形態４と同様な理由による共振周波数ｆｎの変化により加速度を検出することができる。
【０１０９】
しかしながら、実施形態１の形状と実施形態４の形状とを比較すると、実施形態４による振動腕部２３，２４は予め湾曲されているので、同じ大きさの加速度が加えられたときには、湾曲した振動腕部２３，２４の方が変形量が大きくなるため、断面二次モーメントＩの変化は大きくなる。従って、実施形態４による加速度センサの方が検出感度が高いといえる。
【０１１０】
従って、上述した実施形態４によれば、振動腕部２３，２４を予め湾曲させて形成することで、振動腕２１のＹ軸方向の加速度による振動腕部２３，２４の変形量が大きくなり、共振周波数ｆｎの変化量が大きくなることから、検出感度をより高めることができる。
【０１１１】
また、加速度による振動腕部２３，２４の変形が座屈変形であることから、前述した従来例によるカンチレバー先端に重りが備えられ曲げ変形する加速度センサと比較して、構造的に強度が高く、強い加速度領域の検出にも対応できる。
（実施形態５）
【０１１２】
続いて、実施形態５に係る加速度センサについて図面を参照して説明する。実施形態５は、前述した実施形態４に対して、付加質量部２５をさらに大きくしていることに特徴を有する。なお、振動腕部２３，２４の形状は、実施形態４（図８（ａ）、参照）と同様に湾曲させた形状としている。
【０１１３】
図９は、実施形態５に係る加速度センサの概略形状を示す平面図である。図９において、振動腕部２３，２４の先端部（自由端）には、付加質量部２５が形成されている。付加質量部２５は、基部２０と同等か大きい質量を有するよう平面サイズが設定されている。このような構成の振動腕２１に励振信号を入力すると、付加質量部２５が大きいため、実施形態４で説明したような一次の屈曲振動ではなく、二次の屈曲振動で共振する。
【０１１４】
つまり、振動腕部２３，２４に励振信号が入力されると、付加質量部２５の先端部が矢印Ｃ方向に振動しようとするが付加質量部２５が存在するため、その移動量はごくわずかであり、振動腕部２３，２４の振動モードは二次の屈曲振動となる。
【０１１５】
また、同様に、付加質量部２５の先端部が矢印Ｂ方向に振動しようとするとき、付加質量部２５が存在するため、その移動量は極わずかであり、振動腕部２３，２４の振動モードは二次の屈曲振動となる。
【０１１６】
従って、付加質量部２５を充分に大きくすることで、振動腕２１の先端部の移動量が極めて小さくなり、振動腕２１は、付加質量部２５と基部２０との間であたかも擬似両端支持構造が構成されているといえる。そのことから振動腕２１と、振動腕２１と付加質量部２５との連結部近傍と、に振動の節を有する高次の屈曲振動モードとなる。
【０１１７】
このような形状の振動体１０に＋Ｙ軸方向の加速度＋Ａｙを加えると、付加質量部２５の慣性効果により振動腕部２３，２４に圧縮力が働き座屈変形し（図中、破線ｅで表す）、断面二次モーメントＩが大きくなり共振周波数が高くなる。また、−Ｙ軸方向の加速度−Ａｙを加えると振動腕部２３，２４が伸張されて（図中、二点差線ｊで表す）断面二次モーメントＩが小さくなり共振周波数が低くなる。
【０１１８】
従って、上述した実施形態５によれば、十分大きな付加質量部２５を設けることで、高次の振動モードにおいても前述した実施形態４と同様な効果を有し、さらに、付加質量部２５が十分大きいことから、より一層加速度の検出感度を高めることができる。
なお、付加質量部２５の大きさは、上述した擬似両端支持構造となる範囲で任意の大きさに設定することができる。
（実施形態６）
【０１１９】
続いて、実施形態６に係る加速度センサについて図面を参照して説明する。実施形態６による加速度センサは、前述した実施形態４，５が片端固定構造または擬似両端固定構造であることに対して、両端支持構造としたところに特徴を有している。
図１０は、実施形態６に係る加速度センサの概略構造を示す平面図である。図１０において、加速度センサ４０は、２組の振動体１０，１１が共通の付加質量部２５において直線状に連結されて構成されている。
【０１２０】
図１０に示すように、加速度センサ１（振動体１０）の重心位置Ｇの右側は、基部２０と湾曲された振動腕部２３，２４を有する振動体２１と付加質量部２５とから構成される振動体１０、左側は、基部４５と湾曲された振動腕部４３，４４を有する振動体４１と付加質量部２５とから構成される振動体１１である。
【０１２１】
加速度センサ４０は、振動体１０と振動体１１とが付加質量部２５の重心位置Ｇに対して点対称形をなし、基部２０及び基部４５を図示しない基台に固定する両端支持構造の構造体である。つまり、前述した実施形態５（図９、参照）にて説明した振動体１０が付加質量部２５にて直線状に一対形成されていることになる。
【０１２２】
ここで、振動腕部２３，２４と振動腕部４３，４４それぞれに逆電位、逆位相、同じ周波数の励振信号を入力すると、付加質量部２５が十分大きな質量を有しているため極わずかに振動するだけで、振動腕２１は、振動腕２１と基部２０との連結部、及び振動腕２１と付加質量部２５との連結部近傍にある振動の節を有し、二次の屈曲振動となる。また、振動腕４１は振動腕４１と基部４５との連結部、及び振動腕４１と付加質量部２５との連結部近傍にある振動の節を有し、逆位相の二次の屈曲振動をする。
【０１２３】
そして、−Ｙ軸方向の加速度−Ａｙが加えられると、付加質量部２５の慣性効果により振動腕部２３，２４に圧縮力が働き座屈変形され、振動腕２１の断面二次モーメントＩが大きくなり共振周波数が高くなる。また、振動腕部４３，４４には伸張力が働き、振動腕４１の断面二次モーメントＩが小さくなり共振周波数が低くなる。この共振周波数の差動を検出することで加速度の大きさを検出し、差を検出することで加速度の印加方向を検出することができる。
【０１２４】
また、＋Ｙ軸方向の加速度＋Ａｙが加えられるときには、上述した加速度−Ａｙが加えられたときとは逆の作用となり、振動体１０の共振周波数が低く、振動体１１の共振周波数が高くなる。
【０１２５】
従って、上述した実施形態６では、共通の付加質量部２５を挟んで対向する一対の振動体１０，１１を有する両端支持構造の加速度センサ４０が構成される。この際、振動体１０，１１それぞれの振動腕は、逆位相の高次の屈曲振動モードを有し、振動バランスがよい振動体を構成する。つまり高いＱ値が得られ、外乱にも強い。
【０１２６】
また、対向する振動体１０，１１は、Ｙ軸方向の加速度が加えられたとき、一方に収縮応力が発生し、他方の振動腕には引っ張り応力が発生する。このような構造の場合、周波数温度特性の影響を打ち消すことができるという効果がある。
（実施形態７）
【０１２７】
続いて、実施形態７に係る加速度センサについて図面を参照して説明する。実施形態７は、貫通孔により分割された複数の振動腕のそれぞれに、さらに貫通孔を設けていることに特徴を有している。なお、本実施形態では、振動腕が２本の場合を例示して説明する。
図１１は、実施形態７に係る加速度センサを示し、（ａ）は正面図、（ｂ）は励振電極の構成を拡大して示す部分正面図である。図１１（ａ）において、加速度センサとしての振動体１００は、基部１０２の１辺から貫通孔１０１によって分割された振動腕１０５，１１２が、互いに平行に延出され、それらの先端部は付加質量部１１３によって連結されている。
【０１２８】
また、振動腕１０５は、貫通孔１０６を開設することによって振動腕部１０７，１０８が形成され、振動腕１１２は、貫通孔１０９を開設することによって振動腕部１１０，１１１が形成されている。なお、貫通孔１０６，１０９の長さは振動腕１０５，１１２の長さに略一致する。また、振動腕１０５と振動腕１１２とは、中心軸Ｐに対して対称形である。
【０１２９】
基部１０２は、振動腕１０５，１１２との連結部１０４と、くびれ部１０３とを有し、付加質量部１１３においても振動腕１０５，１１２との連結部１１５と、くびれ部１１４とを有して構成されている。付加質量部１１３は、基部１０２と同等か大きい質量を有するように平面サイズが設定されている。そして、図１１（ｂ）に示すように、振動腕部１０７，１０８，１１０，１１１のそれぞれの側面には励振電極が形成されている。
【０１３０】
励振電極は、振動腕部１０７，１０８，１１０，１１１それぞれの振動時に発生する歪みが大きくなる位置に設けられる。歪みが大きい位置とは、基部１０２近傍と付加質量部１１３の近傍及び振動腕の長手方向の中央部近傍（振動の腹に相当する位置の近傍）である。具体的には、振動腕部１０７の外側側面には付加質量部１１３側から順に励振電極１２７，１３５，１４３が設けられる。また、貫通孔１０６の内側側面には付加質量部１１３側から順に励振電極１２６，１３４，１４２が設けられている。
【０１３１】
また、振動腕部１０８の貫通孔１０６の内側側面には、付加質量部１１３側から順に励振電極１２５，１３３，１４１が設けられる。また、貫通孔１０１側側面には付加質量部１１３側から順に励振電極１２４，１３２，１４０が設けられている。
【０１３２】
一方、振動腕部１１０の外側側面には、付加質量部１１３側から順に励振電極１２０，１２８，１３６が設けられる。また、貫通孔１０９の内側側面には付加質量部１１３側から順に励振電極１２１，１２９，１３７が設けられる。また、振動腕部１１１の貫通孔１０９の内側側面には励振電極１２２，１３０，１３８が設けられ、貫通孔１０１側側面には付加質量部１１３側から順に励振電極１２３，１３１，１３９が設けられている。
【０１３３】
これらの励振電極１２４〜１２７，１３２〜１３５及び励振電極１４０〜１４３と、励振電極１２０〜１２３，１２８〜１３１及び励振電極１３６〜１３９とは、中心軸Ｐに対して対称形となるように構成されている。そして、励振電極１２０，１２３，１２５，１２６，１２９，１３０，１３２，１３５，１３６，１３９，１４１，１４２は同電位の第１電極群であって、励振電極１２１，１２２，１２４，１２７，１２８，１３１，１３３，１３４，１３７，１３８，１４０，１４３とは同電位の第２電極群である。
【０１３４】
図１２は、本実施形態の振動体の振動モードを模式的に表す説明図である。本実施形態の振動体１００は、質量が十分大きい付加質量部１１３を有しているので、自由端である付加質量部１１３はほとんど変位しない擬似両端固定構造である。つまり、双音叉振動子に類似した形態となる。従って、上述した第１電極群と第２電極群と互いに逆電位となる励振信号を入力すると、振動腕１０５，１１２は、図１２に示すような双音叉振動子と同様な振動モードで振動する。
【０１３５】
具体的には、第１電極群に＋電位、第２電極群に−電位となる励振信号を入力すると、二点鎖線Ａで図示されるように変位する。また、第１電極群に−電位、第２電極群に＋電位となる励振信号を入力すると、破線Ｂで図示されるように変位する。従って、これを繰り返すことによって双音叉振動子と同様な振動モードで振動する。
【０１３６】
この加速度センサに軸方向の加速度が加えられると、振動腕１０５，１１２に伸縮応力が発生することと、振動腕１０５，１１２の断面二次モーメントが変化することによる共振周波数の変化を生じ、この共振周波数の変化を加速度として検出する。
なお、上述した実施形態７における貫通孔１０６，１０９の形状、開設位置及び励振励振電極の配置は様々に設定することが可能である。
（実施形態８）
【０１３７】
次に、実施形態８に係る加速度センサについて図面を参照して説明する。実施形態８は、貫通孔が、振動腕と基部との連結部近傍、及び振動腕と付加質量部との連結部近傍に設けられていることを特徴とする。貫通孔以外の構成は実施形態７と同じであるため説明を省略する。また、共通部分には同じ符号を附している。
図１３は、本実施形態に係る加速度センサとしての振動体を示し、（ａ）は正面図、（ｂ）は励振電極の構成を示す部分平面図である。図１３（ａ）において、振動腕１０５には貫通孔１５０，１５１が、振動腕１１２には、貫通孔１５２，１５３が開設されている。
【０１３８】
貫通孔１５０，１５２は、振動腕１０５，１１２それぞれの付加質量部１１３（連結部１１５）の近傍に設けられている。なお、貫通孔１５０，１５２は振動腕１０５，１１２の付加質量部側終端から振動腕１０５，１１２の長手方向の全長の概ね３０％までの範囲に設けられる。また、貫通孔１５１，１５３は、基部１０２（連結部１０４）の近傍に設けられている。なお、貫通孔１５１，１５３は振動腕１０５，１１２の基部側終端から振動腕の長手方向の全長の概ね３０％までの範囲に設けられる。これら貫通孔１５０〜１５３は、振動腕１０５，１１２が屈曲振動する際に発生する歪みが最も大きい位置の一つに設けられている。そして、振動腕１０５，１１２の側面及び貫通孔１５０〜１５３の内側側面には、励振電極が設けられている。
【０１３９】
図１３（ｂ）に示すように、振動腕１０５の外側側面には付加質量部１１３側から順に励振電極１２７，１３５，１４３が設けられている。また、貫通孔１５０の内側側面には励振電極１２５，１２６が設けられ、貫通孔１５１の内側側面には励振電極１４１，１４２が設けられている。また、振動腕１０５の内側側面には、付加質量部１１３側から順に励振電極１２４，１３２，１４０が設けられる。
【０１４０】
一方、振動腕１１２内側側面には、付加質量部１１３側から順に励振電極１２３，１３１，１３９が設けられ、貫通孔１５２の内側側面には励振電極１２１，１２２が、貫通孔１５３の内側側面には励振電極１３７，１３８が設けられている。また、振動腕１１２の外側側面には、付加質量部１１３側から順に励振電極１２０，１２８，１３６が設けられている。
【０１４１】
また、振動腕１１２の表裏両面にはそれぞれ、励振電極１２９，１３０が設けられ、振動腕１０５の表裏面にはそれぞれ、励振電極１３３，１３４が設けられている。これら励振電極１２９，１３０，１３３，１３４は、側面に設けられる励振電極１２８，１３１，１３２，１３５と略同じ長手方向位置に設けられる。
【０１４２】
これら励振電極１２０〜１４３は、前述した実施形態７（図１１（ｂ）、参照）とほぼ同じ位置に配設されている。つまり、励振電極１２０〜１４３は、振動腕１０５，１１２の振動において発生する歪みの大きい位置に配設されている。励振電極１２０，１２３，１２５，１２６，１２９，１３０，１３２，１３５，１３６，１３９，１４１，１４２は同電位の第１電極群であって、励振電極１２１，１２２，１２４，１２７，１２８，１３１，１３３，１３４，１３７，１３８，１４０，１４３とは同電位の第２電極群である。
【０１４３】
従って、第１電極群に＋電位、第２電極群に−電位となる励振信号を入力すると、実施形態７（図１２、参照）に示すように二点鎖線Ａで図示されるように変位する。また、第１電極群に−電位、第２電極群に＋電位となる励振信号を入力すると、破線Ｂで図示されるように変位する。従って、これを繰り返すことによって双音叉振動子と同様な振動モードで振動する。
（実施形態９）
【０１４４】
次に、実施形態９に係る加速度センサについて図面を参照して説明する。実施形態９は、前述した実施形態８（図１３、参照）に対して、貫通孔が、振動腕の長手方向中央部にも設けられていることを特徴とする。貫通孔以外の構成は実施形態１０と同じであるため説明を省略する。また、共通部分には同じ符号を附している。
図１４は、実施形態９に係る加速度センサとしての振動体を示し、（ａ）は正面図、（ｂ）は励振電極の構成を示す部分平面図である。図１４（ａ）において、振動腕１０５には貫通孔１５０，１５５，１５１が、振動腕１１２には貫通孔１５２，１５６，１５３が開設されている。
【０１４５】
貫通孔１５０，１５２は、振動腕１０５，１１２それぞれの付加質量部１１３（連結部１１５）の近傍に設けられている。また、貫通孔１５１，１５３は、基部１０２（連結部１０４）の近傍に設けられている。さらに、振動腕１０５，１１２の長手方向中央部には、貫通孔１５５，１５６が設けられている。なお、貫通孔１５５，１５６は、振動腕１０５，１１２の長手方向中央を中心として振動腕の全長の概ね６０％の範囲である。
これら貫通孔１５０〜１５３，１５５，１５６は、振動腕１０５，１１２が屈曲振動する際に発生する歪みが最も大きい位置に設けられている。貫通孔１５５，１５６は振動の腹部に相当する。そして、振動腕１０５，１１２の側面及び貫通孔１５０〜１５３、貫通孔１５５，１５６の内側側面には、励振電極が設けられている。
【０１４６】
図１４（ｂ）に示すように、振動腕１０５の外側側面には付加質量部１１３側から順に励振電極１２７，１３５，１４３が設けられる。また、貫通孔１５０の内側側面には励振電極１２５，１２６が設けられ、貫通孔１５１の内側側面には励振電極１４１，１４２が設けられ、貫通孔１５５の内側側面には励振電極１３３，１３４が設けられている。また、振動腕１０５の内側側面には、付加質量部１１３側から順に励振電極１２４，１３２，１４０が設けられる。
【０１４７】
一方、振動腕１１２の内側側面には、付加質量部１１３側から順に励振電極１２３，１３１，１３９が設けられ、貫通孔１５２の内側側面には励振電極１２１，１２２が、貫通孔１５３の内側側面には励振電極１３７，１３８が、貫通孔１５６の内側側面には励振電極１２９，１３０が設けられている。さらに、振動腕１１２の外側側面には、付加質量部１１３側から順に励振電極１２０，１２８，１３６が設けられている。
【０１４８】
これら励振電極は、前述した実施形態７（図１１（ｂ）、参照）、実施形態８（図１３（ｂ）とほぼ同じ位置に配設されている。つまり、これら励振電極は、振動腕１０５，１１２の振動において発生する歪みの大きい位置に配設されている。励振電極１２０，１２３，１２５，１２６，１２９，１３０，１３２，１３５，１３６，１３９，１４１，１４２は同電位の第１電極群であって、励振電極１２１，１２２，１２４，１２７，１２８，１３１，１３３，１３４，１３７，１３８，１４０，１４３とは同電位の第２電極群である。
【０１４９】
従って、第１電極群に＋電位、第２電極群に−電位となる励振信号を入力すると、実施形態７（図１２、参照）に示すように二点鎖線Ａで図示されるように変位する。また、第１電極群に−電位、第２電極群に＋電位となる励振信号を入力すると、破線Ｂで図示されるように変位する。従って、これを繰り返すことによって双音叉振動子と同様な振動モードで振動する。
【０１５０】
以上説明したように、実施形態７では、振動腕１０５，１１２それぞれの長手方向全体にわたって貫通孔１０６，１０９が、また、実施形態８では基部１０２の近傍及び付加質量部１１３の近傍に貫通孔１５０〜１５３が設けられ、実施形態９では、さらに振動腕１０５，１１２の長手方向中央部に貫通孔１５５，１５６が設けられている。従って、屈曲振動において発生する歪みの大きい位置に各貫通孔を設けていることから、振動腕１０５，１１２の断面積が小さくなり発生する応力が大きくなること、加速度を加えたときの振動腕１０５，１１２の変位量を大きくとれることから共振周波数変化量が大きくなり検出感度を高めることができる。
【０１５１】
また、実施形態１〜実施形態６よりもさらに励振電極間の距離が短くなり電界効率が高まる。このことから低消費電力化が可能となるという効果がある。
【０１５２】
なお、励振電極１２０〜１４３は、第１電極群と第２電極群とに分けて接続される。この際、実施形態８，９では、隣接する貫通孔間の間にそれぞれ距離があるため、振動腕１０５，１１２の表裏両面に励振電極間の引き回しスペースがあるため、このスペースにおいて接続電極の引き回しを容易に行うことが可能となる効果もある。
（実施形態１０）
【０１５３】
続いて、実施形態１０に係る加速度センサについて図面を参照して説明する。実施形態１０は、前述した実施形態７〜実施形態９による加速度センサ（振動体）が擬似両端固定構造であることに対して、両端固定構造としたところに特徴を有している。
図１５は、実施形態１０に係る加速度センサを示す正面図である。図１５において、加速度センサ２００は、振動体１００，１８０が共通の付加質量部１１３において２組直線状に連結されて構成されている。
【０１５４】
図１５に示すように、加速度センサ２００の重心位置Ｇの右側は、基部１０２と振動腕１０５，１１２と付加質量部１１３とから構成される振動体１００、左側は基部１６０と振動腕１６４，１６５と付加質量部１１３とから構成される振動体１８０である。振動腕１０５，１１２は貫通孔１０１によって分割されて形成されている。また、振動腕１０５は貫通孔１５０，１５１，１５５を有し、振動腕１１２は貫通孔１５２，１５３，１５６を有している。
【０１５５】
一方、振動腕１６４には貫通孔１６６，１６７，１７０が開設され、振動腕１６５には貫通孔１６８，１６９、１７１が開設されている。
【０１５６】
基部１０２には、振動腕１０５，１１２が連結される連結部１０４と、くびれ部１０３とが設けられており、付加質量部１１３には、振動腕１０５，１１２が連結される連結部１１５と、くびれ部１１４とが設けられている。
【０１５７】
また、振動体１８０においては、基部１６０には、振動腕１６４，１６５が連結される連結部１６２と、くびれ部１６１とが設けられており、付加質量部１１３には、振動腕１６４，１６５が連結される連結部１１８と、くびれ部１１９とが設けられている。
【０１５８】
付加質量部１１３は、振動体１００と振動体１８０との共通付加質量部であって、加速度センサ２００は、重心位置Ｇに対して点対称形状である。従って、加速度センサ２００は、共通の付加質量部１１３において振動体１００と、振動体１００と同形状の振動体１８０とが直線状に連結され、基部１０２及び基部１６０を基台への固定部とする両端固定構造である。また、付加質量部１１３は、基部１０２，１６０と同等または、それらよりも大きな質量となる平面サイズを有している。なお、振動体１００，１８０それぞれは、前述した実施形態９（図１４、参照）と励振電極を含め同じ構成である。
【０１５９】
ここで、振動腕１０５，１１２及び振動腕１６４，１６５それぞれに逆電位、逆位相、同じ周波数の励振信号を入力すると、付加質量部１１３は十分大きな質量を有しているためほとんど変位せず、振動腕１０５，１１２と振動腕１６４，１６５は互いに図１２に示すような二次の屈曲振動となる。従って、振動腕１０５，１１２と振動腕１６４，１６５とは、重心位置Ｇに対して点対称となる二次の屈曲振動となる。
【０１６０】
従って、上述した実施形態１０によれば、付加質量部１１３を挟んで対向する振動体１００，１８０を有する両端固定構造となる。この際、振動腕１０５，１１２と振動腕１６４，１６５とは、逆位相の二次の屈曲振動モードを有し、振動バランスがよい振動体を構成する。つまり高いＱ値が得られる。
【０１６１】
また、対向する振動腕１０５，１１２と振動腕１６４，１６５は、Ｙ軸方向の加速度が加えられたとき、一方に収縮応力が発生し、他方の振動腕には引っ張り応力が発生する。このような構造の場合、両振動体の共振周波数の差動をとることで周波数温度特性の影響を打ち消すことができるという効果がある。
【０１６２】
従って、前述した実施形態１〜実施形態１０によれば、振動体に貫通孔を設けることにより振動腕を分割し、振動腕に加えられる加速度による圧縮力または伸張力により振動腕の応力が変化すること、または、断面二次モーメントが変化することによる共振周波数変化を検出することで、簡単な構造で、しかも周波数温度特性がよい高感度な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】
【０１６３】
【図１】実施形態１に係る加速度センサの１例を示し、（ａ）は正面図、（ｂ）は（ａ）のＨ−Ｈ切断面を示す断面図。
【図２】実施形態１の変形例１に係る加速度センサの構成を示す斜視図。
【図３】振動腕の総長さＬ１に対する貫通孔の長さＬ２の比と周波数変動量の関係について示すグラフ。
【図４】実施形態１の変形例２に係る加速度センサを示す正面図。
【図５】実施形態１の変形例３に係る加速度センサを示し、（ａ）は正面図、（ｂ）は（ａ）のＪ−Ｊ切断面を示す断面図。
【図６】実施形態２に係る加速度センサを示す正面図。
【図７】実施形態３に係る加速度センサを示し、（ａ）は正面図、（ｂ）は（ａ）のＫ−Ｋ切断面を示す断面図。
【図８】実施形態４に係る加速度センサの概略形状を表し、（ａ）は斜視図、（ｂ）〜（ｄ）は（ａ）のＨ−Ｈ切断面を示す断面図。
【図９】実施形態５に係る加速度センサの概略形状を示す平面図。
【図１０】実施形態６に係る加速度センサの概略構造を示す平面図。
【図１１】実施形態７に係る加速度センサを示し、（ａ）は正面図、（ｂ）は励振電極の構成を拡大して示す部分正面図。
【図１２】実施形態７に係る振動体の振動モードを模式的に表す説明図。
【図１３】実施形態８に係る加速度センサとしての振動体を示し、（ａ）は正面図、（ｂ）は励振電極の構成を示す部分平面図。
【図１４】実施形態９に係る加速度センサとしての振動体を示し、（ａ）は正面図、（ｂ）は励振電極の構成を示す部分平面図。
【図１５】実施形態１０に係る加速度センサを示す正面図。
【符号の説明】
【０１６４】
１…加速度センサ、１０…振動体、２０…基部、２１…振動腕、２２…貫通孔、２３，２４…振動腕部、２５…付加質量部、３１〜３４…励振手段としての励振電極。
【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】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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