(57)【要約】【課題】応答速度が速く、高感度、高安定性で、しかも温度特性のよい加速度検知ユニット及び加速度センサを得る。【解決手段】加速度印加によって変位しない固定部材２と、固定部材によって加速度印加方向へ可動な状態で支持される可動部材１０と、固定部材と可動部材とを連結する可撓性を有した梁２０と、固定部材と可動部材とによって両端部を支持された応力感応素子３０と、を備え、可動部材は、梁を介して固定部材によって支持される略コ字状の第１の可動部材１１と、第１の可動部材に固定された第２の可動部材１２と、を備え、梁は、可動部材に加速度が印加され、応力感応素子に伸張・圧縮応力が加わる場合に可動部材を加速度印加方向へ変位させるように加速度検知ユニットを構成する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
加速度の印加によって変位しない固定部材と、可動部材と、該固定部材と該可動部材とを連結する梁と、応力感応部と該応力感応部を挟むように該応力感応部と連結した２つの固定端とを有する応力感応素子と、を備え、前記固定部材と前記可動部材とによって前記応力感応素子の両固定端を支持した構成を有し、
前記可動部材は、前記梁を介して該固定部材によって凹部内が支持される略コ字状の第１の可動部材と、前記第１の可動部材に固定された第２の可動部材と、を備え、
前記梁は、前記可動部材に加速度が印加されると前記可動部材を加速度検出軸方向へ変位させるように屈曲可能な可撓性を有する構成であることを特徴とする加速度検知ユニット。
【請求項２】
前記固定部材は、前記応力感応素子の一方の固定端を支持する素子支持部と、該素子支持部から側方へ張出し形成され前記梁を備えた張出し部と、を備え、
前記梁は、前記第１の可動部材の開口内部に非接触嵌合された前記張出し部の先端と、前記第１の可動部材の縦片の内側面との間を連結した構成を特徴とする請求項１に記載の加速度検知ユニット。
【請求項３】
前記固定部材は、前記応力感応素子の一方の固定端を支持する素子支持部と、該素子支持部から側方へ張出し形成され前記梁を備えた張出し部と、を備え、
前記梁は、前記第１の可動部材の開口内部に非接触嵌合された前記張出し部の上面と、前記第１の可動部材の上側片の内側面とを連結した構成を特徴とする請求項１に記載の加速度検知ユニット。
【請求項４】
前記第１の可動部材の下側片の長さを上側片よりも長くし、且つ上側片を厚くすることによって下側片との重量バランスを確保した構成を特徴とする請求項３に係る加速度検知ユニット。
【請求項５】
前記梁は、その変形部が前記第２の可動部材の重心位置に対応するように配置されていることを特徴とする請求項１乃至４の何れか一項に記載の加速度検知ユニット。
【請求項６】
前記第２の可動部材と前記第１の可動部材とは細幅の連結片を介して連結されていることを特徴とする請求項１乃至５の何れか一項に記載の加速度検知ユニット。
【請求項７】
前記第２の可動部材の底面は、平坦であるか、或いは加速度の印加方向略中央部から上方へ幅が漸増する形状か、或いは下方へ漸増する形状を有していることを特徴とする請求項１乃至６の何れか一項に記載の加速度検知ユニット。
【請求項８】
前記梁は、前記加速度の印加方向と直交する奥行き方向への前記第１の可動部材の変位を阻止する形状を有していることを特徴とする請求項１乃至７の何れか一項に記載の加速度検知ユニット。
【請求項９】
前記応力感応素子は、両端部に位置する固定端、及び各固定端間を連設する振動領域を備えた圧電基板と、該圧電基板の振動領域上に形成した励振電極と、を備えていることを特徴とする請求項１乃至８の何れか一項に記載の加速度検知ユニット。
【請求項１０】
前記応力感応素子は、両端部に位置する固定端、及び各固定端間を連設する２つの振動ビームを備えた圧電基板と、該圧電基板の振動領域上に形成した励振電極と、を備えた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乃至９の何れか一項に記載の加速度検知ユニット。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、加速度センサに関し、特に圧電振動子に加わる応力を、圧電振動子の周波数の変化から検出する種類の加速度検知ユニットに関する。
【背景技術】
【０００２】
加速度センサは従来より自動車、航空機、ロッケットや、各種プラントの異常振動監視装置等に、広く使用されている。特許文献１には図６の斜視図に示すような力感知装置１００が開示されている。力感知装置１００は、固定部材１１０と、該固定部材１１０の先に取り付けられた可撓蝶番（ピポット）１２０と、該可撓蝶番１２０に直交して取り付けられた力伝達部材１３０と、を一体的に形成した機能部材を構成する。固定部材１１０の基底の端部１１１と、力伝達部材１３０の一方の端部１３１との間に双音叉型圧電振動子１４０を差し渡して接着固定している。力伝達部材１３０の他方の端部に力Ｆが印加されると、可撓蝶番（ピポット）１２０の中心を支点とするモーメントが生じ、双音叉型圧電振動子１４０に伸張あるいは圧縮応力が加わる。双音叉型圧電振動子１４０に応力が印加されるとその応力に応じて双音叉型圧電振動子１４０の共振周波数が変化し、該周波数の変化から応力の大きさを検知する。
【０００３】
また、特許文献２には図７の斜視図に示すような半導体加速度センサが開示されている。図７に示す半導体加速度センサは、方形状に形成されたシリコン単結晶基板（以下、Ｓｉ基板という）１５０の面内に周縁部に沿った略Ｃ字スリット状に空隙部１５１を貫通形成し、空隙部１５１の内側部を重り部１６０、その外側部をＳｉ基板枠部１５２とし、重り部１６０とＳｉ基板枠部１５２とは片持梁部１６１で連結されている。片持梁部１６１の２箇所にボロン等の３族元素を熱拡散あるいはイオン注入してゲージ抵抗１７０、１７１を形成すると共に、片持梁部１６１の近傍のＳｉ基板枠部１５２にも同様にゲージ抵抗１７２、１７３を形成する。４つのゲージ抵抗１７０〜１７３をゲージ抵抗１７０と１７１とが対辺となるようにブリッジ接続回路を構成する。
図７に示すように矢印方向から加速度αが印加されると、印加された方向に重り部１６０が偏位し、片持梁部１６１は撓む。片持梁部１６１に設けたゲージ抵抗１７０、１７１は各々引っ張り応力を受け、この応力に応じて抵抗値が変化し、ブリッジ回路の出力端から加わった加速度の大きさに応じた出力電圧が得られると開示されている。
【０００４】
特許文献１以外に圧電振動子（例えば、水晶振動子）に応力を加えることによって共振周波数が変化する性質を利用した加速度センサが各種実用化され、公開特許公報、文献等に数多く公開されている。例えば、非特許文献１には双音叉水晶振動子の構造、外力が無いときの共振周波数式、外力が印加されたときの共振周波数式、印加された力と共振周波数の関係、水晶圧力センサ用発振回路、双音叉水晶振動子を用いた圧力センサ等が詳しく開示されている。
【０００５】
特許文献３には図８に示すような圧力センサが開示されている。図８（ａ）は圧力センサ１８０の概略平面透視図、同図（ｂ）はＱ−Ｑにおける概略断面図である。圧力センサ１８０は上部のダイヤフラム１９０と、該ダイヤフラム１９０と対向する下部のダイヤフラム２００と、双音叉圧電振動子２１０とを備えている。上部ダイヤフラム１９０は円形であり、中央部の下面に円形の凹陥部１９１が形成されている。下部ダイヤフラム２００も円形であり中央部の上面に力伝達用の２つの支柱２０２と、該力伝達用の２つの支柱２０２の近傍に２つの載置部２０３、２０４とを設け、これらの周囲に円形の凹陥部２０１が形成されている。凹陥部１９１、２０１同士は上下対向するように形成されている。双音叉圧電振動子２１０には応力感度のよい双音叉水晶振動子を用い、双音叉水晶振動子２１０の両基端部が載置部２０３、２０４に搭載され、接着剤で固定される。
支柱２０２を介して双音叉水晶振動子２１０に応力が加えられた場合の応力と周波数変化との関係は、図９に示すように略直線となる。双音叉水晶振動子に応力が加えられないときの双音叉水晶振動子の共振周波数をｆ０とし、双音叉水晶振動子に伸張応力が加わると共振周波数はｆ０より高くなり、圧縮応力が加わると共振周波数はｆ０より減少し、印加応力と共振周波数との関係は略直線となると開示されている。
【特許文献１】特開昭５７−１１３３３５号公報
【特許文献２】特開平１−２５９２６４号公報
【特許文献３】特開２００４−１３２９１３公報
【非特許文献１】栗原正雄、外３名、「双音叉振動子を用いた水晶圧力センサ」、東洋通信機技報、東洋通信機株式会社、１９９０年、Ｎｏ．４６、ｐ．１−８
【発明の開示】
【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に記載されているように、可撓蝶番に直交して取り付けられた力伝達部材の構造では、力Ｆに対し可撓蝶番が可撓しづらく、微細な力の検出が難しいという問題と、加速度検知ユニットとして用いる場合に、力伝達部材に印加される加速度を、力（＝加速度×質量）に変換する際に非効率的な形状であるという問題があった。また、特許文献２に記載の半導体加速度センサでは、梁が数ミクロン撓んでから加速度が検出されるので、検出までに時間がかかるという問題と、高い周波数の応答が難しいという問題があった。さらに、半導体にボロン等の３族元素を熱拡散あるいはイオン注入して形成するゲージ抵抗のピエゾ抵抗は温度特性が悪く、また抵抗値の変化量が小さいので、加速度の精密な測定ができないという問題があった。
本発明は上述した従来の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、微細な加速度も検出できる高感度、高安定性で、しかも温度特性のよい加速度検知ユニット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、応答速度が速く、高感度、高再現性で、しかも温度特性のよい加速度検知ユニットと加速度センサを得るため、加速度の印加によって変位しない固定部材と、可動部材と、該固定部材と該可動部材とを連結する梁と、応力感応部と該応力感応部を挟むように該応力感応部と連結した２つの固定端とを有する応力感応素子と、を備え、前記固定部材と前記可動部材とによって前記応力感応素子の両固定端を支持した構成を有し、前記可動部材は、前記梁を介して該固定部材によって支持される略コ字状の第１の可動部材と、前記第１の可動部材に固定された第２の可動部材と、を備え、前記梁は、前記可動部材に加速度が印加されると、前記可動部材を加速度検出軸方向へ変位させるように屈曲可能な可撓性を有する加速度検知ユニットを構成する。
このように加速度検知ユニットを構成することにより、重量のある可動部材が梁により容易に撓み、変換された応力（加速度×質量）を応力感応素子に印加できるので、応答速度が速く、感度の良好な加速度検知ユニットを構成することができるという利点がある。
【０００８】
前記固定部材は前記応力感応素子の一方の固定端を支持する素子支持部と、該素子支持部から側方へ張出し形成され前記梁を備えた張出し部と、を備え、前記梁は、前記第１の可動部材の開口内部に非接触嵌合された前記張出し部の先端と、前記第１の可動部材の縦片の内側面との間を連結するように加速度検知ユニットを構成する。
このように機能部材を構成することにより、第２の可動部材の重みで梁が容易に撓み、梃子の原理で増幅された力が応力感応素子に印加されるので、感度が向上するという利点がある。
【０００９】
前記固定部材は前記応力感応素子の一方の固定端を支持する素子支持部と、該素子支持部から側方へ張出し形成され前記梁と連結された張出し部と、を備え、前記梁は、前記第１の可動部材の開口内部に非接触嵌合された前記張出し部の上面と、前記第１の可動部材の上側片の内側面（下面）とを連結するように加速度検知ユニットを構成する。
このように機能部材を構成することにより、第２の可動部材の重みで梁が容易に撓み、梃子の原理で増幅された力が応力感応素子に印加されるので、感度が改善されるという利点がある。
【００１０】
前記第１の可動部材の下側片の長さを上側片よりも長くし、且つ上側片を厚くすることによって下側片との重量バランスを確保した加速度検知ユニットを構成する。
このように第１の可動部材を構成することにより、第１可動部材の重心位置が梁の支点の位置にくるので、第２の可動部材に加わる力（Ｘ軸方向）を支点を中心としたモーメントに変換でき、感度を改善すると共に、梁の形状と相まって他軸（Ｙ、Ｚ）への影響を除くことができる。
【００１１】
前記梁は、その変形部が前記第２の可動部材の重心位置に対応するように配置された加速度検知ユニットを構成する。
このように機能部材を構成することにより、第１及び第２の可動部材の重心位置が梁の支点の垂直線上にくるので、第２の可動部材に加わる力（Ｘ軸方向）を支点を中心としたモーメントに変換でき、感度を改善すると共に、梁の形状と相まって他軸（Ｙ、Ｚ）への影響を除くことができる。
【００１２】
前記第２の可動部材と前記第１の可動部材とは細幅の連結片を介して連結された加速度検知ユニットを構成する。
このように可動部材を構成することにより、支点を中心としたモーメント力を大きくすることが可能であり、感度が改善できるという利点がある。
【００１３】
前記第２の可動部材の底面は、平坦であるか、或いは加速度の印加方向略中央部から上方へ幅が漸増する形状か、或いは下方へ漸増する形状を有した加速度検知ユニットを構成する。
このように第２の可動部材を構成することにより、第２の可動部材の重心位置が支点の垂直延長上に在るようにし、且つ可動部材の質量を適宜設定することができるという利点がある。
【００１４】
前記梁は、前記加速度の印加方向と直交する奥行き方向への前記第１の可動部材の変位を阻止する形状を有した加速度検知ユニットを構成する。
このように梁の形状を構成することにより、梁と直交する方向には撓むが、梁方向に撓むことは無く、所定方向の加速度を精度よく測定できるという効果がある。
【００１５】
前記応力感応素子は、両端部に位置する固定端、及び各固定端間を連設する振動領域を備えた圧電基板と、該圧電基板の振動領域上に形成した励振電極と、を備えている加速度検知ユニットを構成する。
このように応力感応素子に圧電振動素子を用いることにより、応答速度、応力感度、再現性等が向上すると共に、温度特性が改善されるという効果がある。
【００１６】
前記応力感応素子は、両端部に位置する固定端、及び各固定端間を連設する２つの振動ビームを備えた圧電基板と、該圧電基板の振動領域上に形成した励振電極と、を備えた双音叉型圧電振動素子である加速度検知ユニットを構成する。
このように応力感応素子に双音叉型圧電振動素子を用いることにより、双音叉型圧電振動素子を接着、固定する際の感度への影響が減少し、応答速度、応力感度、再現性等が大幅に向上すると共に、温度特性が改善されるという効果がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
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は本発明に係る加速度検知ユニット１の構成を示す斜視図である。加速度検知ユニット１は、加速度の印加によって変位しない固定部材２と、固定部材２によって加速度の印加（作用）方向（加速度検出軸方向（Ｘ軸方向））へ可動な状態で支持される可動部材１０と、固定部材２と可動部材１０とを連結する可撓性を有した梁２０と、固定部材２と可動部材１０とによって両端部を支持された応力感応素子３０と、を備えている。
可動部材１０は、梁２０を介して固定部材２によって凹部内が支持される略コ字状（凹形状）の第１の可動部材１１と、第１の可動部材１１に固定された第２の可動部材１２と、を備えている。
梁２０は、可動部材１０に加速度が印加され、応力感応素子３０に伸張・圧縮応力（加速度×質量）が加わる場合に可動部材１０を加速度の印加方向へ変位させるように構成されている。
なお、固定部材２、可動部材１０、梁２０は真鍮、アルミニウム、リン青銅等の金属材料を機械加工して構成されている。
【００１８】
直方体状の固定部材２は応力感応素子３０の一端を支持する素子支持部３と、素子支持部３から側方（図１の左下端に示した座標軸のＸ軸方向）へ張出し形成され且つ梁２０を先端部に備えた張出し部４と、を備えている。そして、素子支持部３の図中上端隅には応力感応素子３０を素子支持部３に固定する際に所定の位置に固定できるように、応力感応素子３０の幅（Ｙ軸）及び厚さ（Ｚ軸）寸法と同程度の段差部５を設ける。段差部５のＸ軸方向の寸法は、応力感応素子３０の振動を妨げないように応力感応素子３０の固定端の長さ（Ｘ軸方向）と同程度とする。また、梁２０は、第１の可動部材１１の開口内部に非接触嵌合された張出し部４の先端と、第１の可動部材１１の縦片の内側面との間を連結するように構成されている。梁２０は加速度によって変形する個所、つまり梁２０のくびれ部にある支点２１（黒点で示す）が、第２の可動部材１２の重心Ｇの位置に対応するように配置されている。
【００１９】
尚、加速度検知ユニット１を組み立てる際には、先ず、Ｙ軸の矢印方向を重力方向とした状態で、第１の可動部材１１の応力感応素子３０を搭載する側と第２の可動部材１２が固定される側とが固定部２との支持２１の点を境に平衡状態を保つように第１の可動部材１１を固定部２に支持・固定する。
その後、第２の可動部材１２を第１の可動部材１１の外側面（凹形状を形成する並行する張出し板のうち一方の板の外側面）に固定する。
応力感応素子３０については第１の固定部材１１と第２の固定部材１２とを固定する工程の前または後に第１の可動部材１１の他方の外側面に搭載する。
このように第１の可動部材１１を平衡状態が保たれるように固定することで、加速度を検知する際に第１の可動部材１１の存在を無視することが可能となるので加速度検知ユニット１の加速度検知感度能力等の特性を第２の可動部材１２に依存させることができる。
従って、可動部材１０を第１の可動部材１１と第２の可動部材１２との複数のユニットで構成したので加速度検知ユニット１の加速度検知感度能力等の特性を調整する場合は第２の可動部材１２の質量、形状等の変更により容易に行える。
【００２０】
即ち、固定部材２に固定された可動部材１０が第１の可動部材１１のみの状態である場合、第１の可動部材１１が固定部２に平衡状態を保つよう固定されている為、加速度検出軸方向（Ｘ軸方向）に加速度が発生しても支持２１の点を境にして第１の可動部材１１における応力感応素子３０搭載側部分と第１の可動部材１１における第２の可動部材１２搭載側部分とで加速度の変化に伴う慣性力の変化が等しい。
その為、加速度が変化しても第１の可動部材１１の支点２１を境にした平衡状態は崩れることなく保たれる。
従って、加速度変化に対して第１の可動部材１１は大きな検知能力を発生させるものではないのでその存在を無視して扱うことができる。
【００２１】
尚、第２の可動部材１２の重心Ｇと支点２１とを結ぶ線（重心線）が、加速度検出軸方向と直交するように第２の可動部材１２を第１の可動部材１１に固定することが望ましい。このような構成により第２の可動部材１２の大きさを無駄に大型化することなく効率的に加速度の変化に伴う可動部材１０に発生するトルクを得ることができるので加速度検知ユニット１を小型に構成することができる。
即ち、第２の可動部材１２の重心ＧがＸ軸方向の矢印方向側にずれている場合、第２の可動部材１２はＸ軸方向により大型化した形状となってしまう。
また、第２の可動部材１２の重心ＧがＸ軸方向の矢印方向側へずれており且つＺ軸方向へもずれた位置に存在する場合（ＸＺ面内）、支点２１から重心Ｇ間での距離のＺ軸ベクトル成分（加速度の方向と直交する部分）の長さは重心線がＺ軸と平行した適正状態の支点２１から重心Ｇ間での長さよりも短いので可動部１０に発生するトルクは小さくなってしまう。
【００２２】
固定部材２の張出し部４と可動部材１０とを連結する梁２０は、Ｙ軸の矢印方向を重力方向とした状態で加速度が印加されない時には張出し部４の延長線上に水平な姿勢を維持する。Ｘ軸方向への加速度が印加された時には梁２０のくびれ部に在る支点２１を中心として撓み、支点２１を中心としたモーメントがはたらき、応力感応素子３０に応力が加わるように作用する。また、梁２０は、加速度の印加方向（Ｘ軸）と直交する奥行き方向（Ｙ軸）への可動部材１０の変位を阻止する形状とする。図１では端面の形状が２つの半円状を背中合わせした凹状の円弧形状の梁２０を図示しているが、端面の形状は可動部材１０が常に一定の支点で撓むような形状であれば他の形状であってもよい。
また、梁２０の奥行き方向（Ｙ軸方向）寸法は、可動部材１０が加速度の印加方向と直交する方向に変形することがないように構成すればよく、梁２０の奥行き方向（Ｙ軸方向）の寸法を梁２０の幅方向（Ｚ軸方向）の寸法よりも長くした構成を有していれば例えば可動部材１０の奥行き方向（Ｙ軸方向）全長と同等か、該奥行き方向全長よりも短いか、或いは該奥行き方向よりも長い場合のいずれでもよい。
【００２３】
略コ字状の可動部材１１の上部で奥行き方向（Ｙ軸方向）の一端部に応力感応素子３０を所定の位置で位置決めするためのストッパ１５を設けると共に、応力感応素子３０の振動を妨げないように、感応素子３０の振動ビーム３２の下部に当たる可動部材１１の上端を研削し、応力感応素子３０の振動ビーム３２と可動部材１０の上端との間に段差部１６を形成する。第１の可動部材１１、及び重りとして機能する第２の可動部材１２は、張出し部４の奥行き方向（Ｙ軸方向）一端寄りに偏位した領域を占め、第１及び第２の可動部材１１、１２の奥行き方向一側面と張出し部の奥行き方向一端縁との間には空隙Ｓが存在するように構成する。これは加速度検知ユニット１をハウジングの内壁に取り付け、加速度センサを構成し、該加速度センサを横置きして用いる際に、ハウジング内壁と可動部材１０とが干渉しないようにするための空隙Ｓである。
また、図１の実施例では第２の可動部材１２の底面が平坦な場合を示したが、第２の可動部材１２の横幅（Ｘ軸方向）が図中Ｚ軸方向に対して漸増、或いは漸減する形状としてもよい。
【００２４】
応力感応素子３０は、固定部材２の素子支持部３上面に形成された凹所としての段差部５と、第１の可動部材１１の上面及びストッパ１１との間に差し渡して配置される。応力感応素子３０として、両端部に位置する固定端、及び各固定端間を連設する振動領域を備えた圧電基板と、該圧電基板の振動領域上に形成した励振電極と、を備えた圧電振動子を用いると、加速度に対する良好な感度が得られる。更に、図１に示すように両端部に位置する固定端３１、及び各固定端間を連設する２つの振動ビーム３２を備えた圧電基板と、該圧電基板の振動領域上に形成した励振電極と、を備えた双音叉型圧電振動素子を用いると、さらに優れた応力感度が得られ、検出の応答速度が速いという特徴を有する。特に、水晶材料を用いて双音叉型圧電振動素子（双音叉型水晶振動素子）構成すると、周波数の温度特性、周波数安定性、応力感度が優れた加速度検知ユニットが構成できる。
【００２５】
本発明の第１の特徴は、可動部材１０を梃子の機能を担う略コ字状の第１の可動部材１１と、梃子の腕及び重りとして機能する第２の可動部材１２と、支点２１として機能する梁２０と、を備えた構成にある。
図２に示す加速度検知ユニット１の要部の側面図を用いて、その利点を説明する。即ち、加速度検知ユニット１に加速度が加わり、第２の可動部材１２に応力（＝加速度×質量）が印加される場合、その重心Ｇに応力Ｆ１が作用すると考えてよい。梁２０の撓む中心を支点２１とし、支点２１から重心Ｇまでの長さをＬ、支点２１から応力感応素子３０までの長さをＭとする。可動部材１２にＦ１の力が印加されると、応力感応素子３０には（Ｌ／Ｍ）Ｆ１の力が作用することになり、その力は各腕の長さの比（Ｌ／Ｍ）だけ力が増幅されることになる。即ち、加速度により生じる応力Ｆ１を増幅して応力感応素子３０に加え、応力感応素子３０の感度を増すことが可能となる点である。
本実施形態では、応力感応素子として２つの固定端３１の間に固定端３１と連結するように応力感応部である２本の振動ビームを備えた双音叉型水晶振動素子を用いている。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。
【００２６】
双音叉型水晶振動素子の２本の振動ビームに外力Ｆを加えたときの共振周波数ｆＦは以下の如くである。
【００２７】
【数１】
2008170247.tif 000003
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）は次式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。
【００２８】
【数２】
2008170247.tif 000004
但し、応力感度ＳＦと、応力σとはそれぞれ次式で表される。
【００２９】
【数３】
2008170247.tif 000005
【００３０】
【数４】
2008170247.tif 000006
以上から双音叉型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が圧縮で共振周波数ｆＦが減少し、伸張（引張り）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。しかし、圧電振動素子としては、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圧電振動素子であればどのようなものを用いても良い。
【００３１】
本発明の第２の特徴は、加速度検知ユニットの機能部材を、金属を用いて構成した点である。機能部材を構成する材料として金属材料を用いる理由は、材料の選択範囲が広く、水晶材料の熱膨張係数（線膨張係数）に近い値の材料を容易に選択できるからである。例えば、金属材料としてキュプロニッケル、ステンレス等を用いることにより水晶材料の熱膨張係数に近づけ易くなり、周囲の温度変化等によって生じる応力感応素子への歪を小さくできる。また、金属材料から加工する機能部材は水晶からなる応力感応素子に対しても、陽極接合、直接接合、低融点ガラス接合等によって接合することが容易となる点である。
【００３２】
図３は、本発明の他の実施形態に係る加速度検知ユニットの構成を示す斜視図であり、金属ブロックから機械加工により形成した機能ブロック６（応力感応素子を取り除いた状態）を示している。図１と同じ機能でほぼ同じ形状の部材には同じ符号を付して説明する。機能ブロック６は、加速度の印加によって変位しない固定部材２と、該固定部材２によって加速度の印加方向へ可動な状態で支持される可動部材１０と、固定部材２と可動部材１０とを連結する可撓性を有した梁２２と、を備えている。固定部材２は応力感応素子（図示せず）の一端を支持する素子支持部３と、該素子支持部３から側方（Ｘ軸方向）へ張出し形成され梁２２と連結された張出し部４と、を備え、梁２２は、第１の可動部材１３の開口内部に非接触状態で嵌合された張出し部４の上面と、第１の可動部材の上側片１３ａの内側面（下面）とを連結するように構成されている。
【００３３】
可動部材１０は、梁２２を介して固定部材２によって支持される略コ字状の第１の可動部材１３と、該可動部材１３に連結された第２の可動部材１２を備えている。梁２２は、可動部材１０に加速度が印加され、可動部材１０を加速度の印加方向（Ｘ軸）へ変位させるように構成されている。また、梁２２は、加速度の印加方向と直交する奥行き方向（Ｙ軸）への可動部材１０の変位を阻止する形状とする。そして、図３に示すように、第１の可動部材１３の形状は、略コ字状の下側片１３ｂを長くし、且つ上側片１３ａを厚くした構造をしている。これは第１の可動部材１３の重心の位置が梁２２の支点２３の位置にあるように構成したためである。また、図３の実施例では梁２２の端面の形状として略Ｉ字状の例を示したが、２つの半円状を背中合わせした凹状の円弧形状でも、あるいは双曲線状の形状をした例でもよい。要は可動部材１０が撓む場合に常に梁２２の一定の支点で撓むような形状であればよい。この機能部材６を用いて加速度検知ユニットを構成すれば、図１に示した実施形態よりも、同じ加速度に対して応力感応素子３０に加わる応力の大きさを大きくすることができ感度が改善される。
【００３４】
図４は図１に示した加速度検知ユニットの変形実施形態の斜視図であり、金属ブロックから機械加工により形成した機能ブロック７（応力感応素子３０を取り除いた状態）を示している。図１に示した機能ブロックと異なる点は第２の可動部材１４の構造にある。即ち、図４に示すように第２の可動部材１４は、重り部１４ａと、重り部１４ａの上面に形成した細幅の連結片１４ｂとを備え、連結片１４ｂを介して第１の可動部材１１に連結されている。連結片１４ｂを設けることにより重り部１４ａの重心Ｇと、梁２０の支点２１との長さを長くすることができる。このため、各腕の長さの比（Ｌ／Ｍ）を大きくすることが可能であり、加速度検知ユニットの感動を高めることができる。
なお、このような連結片を用いて第１と第２の可動部材を連結する構成は、図３の実施形態にも適用することができる。
【００３５】
次に、図５は加速度センサ４０の側面図であり、図１に示した加速度検知ユニット１をＸ軸の回りで９０°回転させ、ハウジング５０の内部に収容した構成を有した加速度センサである。加速度検知ユニットをハウジング５０の内壁に固定した上で、双音叉型水晶振動素子３０の固定端に設けたパッド電極３３と、発振回路を形成する基板６０の端子電極とをボンディングワイヤ６５にて接続し、金属蓋５１をハウジング５０に被せてハウジング５０を気密的に封止する。発振回路の基板６０とハウジング５０の端子電極５２とは電気的に導通している。なお、基板６０を固定部材２寄りに設けると、ボンディングワイヤ６５は可動部材１０が撓んだ場合に影響を受けにくい。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】本発明に係る加速度検知ユニットの構造を示した概略斜視図。
【図２】本発明に係る加速度検知ユニットの作用を説明する図。
【図３】第２の発明に係る機能部材の構造を示した概略斜視図。
【図４】第３の発明に係る機能部材の構造を示した概略斜視図。
【図５】加速度センサの概略側面図。
【図６】従来の力感知装置の斜視図。
【図７】従来の半導体加速度センサの構成を示す斜視図。
【図８】（ａ）は圧力センサの平面図、（ｂ）は断面図。
【図９】応力と周波数変化との関係を示す図。
【符号の説明】
【００３７】
１  加速度検知ユニット、２  固定部材、３  素子支持部、４  張出し部、５、１６  段差部、６、７  機能部材、１０  可動部材、１１、１３  第１の可動部材、１２、１４  第２の可動部材、１３ａ  上側片、１３ｂ  下側片、１４ａ  重り部、１４ｂ  連結片、１５  ストッパ、２０、２２  梁、２１、２３  支点、３０  応力感応素子、３１  固定端、３２  振動ビーム、４０  加速度センサ、５０  ハウジング、５１  金属蓋、５２  端子電極、６０  基板、６５  ボンディングワイヤ、Ｇ  重心
【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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