(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
力学量によって加わる応力の方向が互いに逆である２つの圧電振動子を直列に接続した圧電振動子直列回路と、該圧電振動子直列回路に増幅回路と負荷インピーダンス回路を接続してコルピッツ型発振回路を構成し、前記圧電振動子直列回路の前記２つの圧電振動子の直列接続点の電圧と、前記発振回路の出力電圧との位相差を電圧に変換する位相差電圧変換回路とを備えたことを特徴とする力学量センサ。
【請求項２】
前記発振回路を、前記圧電振動子直列回路の第１の端部と接地との間に第１のコンデンサを接続し、前記圧電振動子直列回路の第２の端部と接地との間に第２のコンデンサを接続し、前記圧電振動子直列回路の第１の端部に前記増幅回路の入力部を接続し、該増幅回路の出力部と前記圧電振動子直列回路の第２の端部との間に出力側抵抗を接続して構成し、
前記出力側抵抗のインピーダンスを前記増幅回路の出力インピーダンスより高くし、前記発振回路の発振周波数をｆで表したとき、前記出力側抵抗のインピーダンスと前記第２のコンデンサのキャパシタンスとの乗算値が１／（２πｆ）の値より大きくなるように前記出力側抵抗のインピーダンスと前記第２のコンデンサのキャパシタンスを定めた請求項１に記載の力学量センサ。
【請求項３】
第１のコンデンサに対して入力側抵抗と第３のコンデンサの直列回路を並列接続し、第１・第２のコンデンサのそれぞれのキャパシタンスをほぼ等しくし、前記出力側抵抗と前記入力側抵抗のインピーダンスをほぼ等しくした請求項２に記載の力学量センサ。
【請求項４】
前記圧電振動子直列回路の第１の端部と接地との間で前記第１のコンデンサに対して直列に直列抵抗を挿入した請求項２または３に記載の力学量センサ。
【請求項５】
前記力学量は加速度である請求項１〜４のいずれかに記載の力学量センサ。
【請求項６】
前記力学量は角加速度である請求項１〜４のいずれかに記載の力学量センサ。
【請求項７】
前記力学量は角速度である請求項１〜４のいずれかに記載の力学量センサ。
【請求項８】
前記力学量は荷重である請求項１〜４のいずれかに記載の力学量センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、加速度、角加速度、角速度、荷重等の力学量を検出する力学量センサに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
圧電振動子を備えた力学量センサとして、本願出願人は特許文献１，２を出願している。
ここで、特許文献１の加速度センサの構成を図１３に示す。同図に示すように、加速度によって加わる応力の方向が互いに逆である２つの圧電振動子Ｓ１，Ｓ２とコンデンサＣ１，Ｃ２を含むブリッジ回路１１０を構成し、接続点ｐ２とｐ３との間に分圧インピーダンス回路１２０を設け、その分圧インピーダンス回路１２０の分圧点ｐ５の信号を帰還信号処理回路１３０によって接続点ｐ１に帰還させて発振回路を構成している。そして、接続点ｐ２とｐ３との発振出力位相差を位相差信号処理回路１４０で検出して、その位相差を加速度検出信号として出力する。【０００３】
また、特許文献２の力学量センサの構成を図１４に示す。２つの圧電振動子Ｓａ，Ｓｂは加速度等の力学量によって加わる応力の方向が互いに逆となるように設けている。電流電圧変換−信号加算回路１１は、２つの圧電振動子Ｓａ，Ｓｂに流れる電流信号を電圧信号に変換する。電圧増幅−振幅制限回路１２は、その２つの電圧信号の加算信号Ｓａｂを増幅し、電流信号と同位相の電圧信号Ｖｏｓｃを正帰還させて発振動作させる。位相差電圧変換回路１３は、電圧変換された信号Ｓａ，Ｓｂの位相差に比例した電圧信号を発生する。増幅−フィルタ回路１４はそれを直流増幅するとともに、不要な周波数成分を除去する。
【特許文献１】特開２００２−２４３７５７号公報
【特許文献２】特開２００３−２５４９９１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
このような加速度などの力学量を検出する力学量センサは、用途の多様化やニーズの増大に伴って低コスト化が強く求められるようになってきた。ところが、特許文献１の加速度センサでは、位相差を検出する回路が２組必要であること、発振周波数を決定するために、分圧インピーダンス回路などによる加算回路（平均化回路）が必要であることなどから部品点数が多く、小型低コスト化が困難である。同様に特許文献２の力学量センサにおいても、電流電圧変換−信号加算回路や電圧増幅−振幅制限回路といった、２つの圧電振動子を並列に駆動するための比較的大規模な回路が必要であり、小型低コスト化が困難であった。【０００５】
そこで、この発明の目的は、力学量検出のための回路構成を改善して、従来の力学量センサよりさらに小型低コスト化を図った力学量センサを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
（１）この発明の力学量センサは、力学量によって加わる応力の方向が互いに逆である２つの圧電振動子Ｓａ，Ｓｂを直列に接続した圧電振動子直列回路１０と、該圧電振動子直列回路１０に増幅回路２１と負荷インピーダンス回路を接続してコルピッツ型発振回路３０を構成し、圧電振動子直列回路１０の２つの圧電振動子Ｓａ，Ｓｂの直列接続点Ｐ２の電圧Ｖｐ２と、前記発振回路３０の出力電圧Ｖｐ１との位相差を電圧に変換する位相差電圧変換回路４０とを備えたことを特徴としている。【０００７】
（２）また、この発明の力学量センサは、（１）において圧電振動子直列回路１０の第１の端部Ｐａと接地との間に第１のコンデンサＣ１を接続し、圧電振動子直列回路１０の第２の端部Ｐｂと接地との間に第２のコンデンサＣ２を接続し、圧電振動子直列回路１０の第１の端部Ｐａに増幅回路２１の入力部を接続し、該増幅回路２１の出力部Ｐ１と圧電振動子直列回路１０の第２の端部Ｐｂとの間に出力側抵抗Ｒ２を接続して前記発振回路３０を構成し、
出力側抵抗Ｒ２のインピーダンスを増幅回路２１の出力インピーダンスより高くし、発振回路３０の発振周波数をｆで表したとき、出力側抵抗Ｒ２のインピーダンスと第２のコンデンサＣ２のキャパシタンスとの乗算値が１／（２πｆ）の値より大きくなるように出力側抵抗Ｒ２のインピーダンスと第２のコンデンサＣ２のキャパシタンスを定めたことを特徴としている。【０００８】
（３）また、この発明の力学量センサは、（２）において第１のコンデンサＣ１に対して入力側抵抗Ｒｄと第３のコンデンサＣｄの直列回路を並列接続し、第１・第２のコンデンサＣ１，Ｃ２のそれぞれのキャパシタンスをほぼ等しくし、前記出力側抵抗Ｒ２と前記入力側抵抗Ｒｄのインピーダンスをほぼ等しくしたことを特徴としている。【０００９】
（４）また、この発明の力学量センサは、（２），（３）において圧電振動子直列回路１０の第１の端部Ｐａと接地との間で第１のコンデンサＣ１に対して直列に直列抵抗Ｒｑを挿入したことを特徴としている。
【発明の効果】
【００１０】
（１）特許文献１，２のように、２つの圧電振動子を並列駆動するのではなく、直列接続した２つの圧電振動子を直列駆動することになり、その圧電振動子直列回路を含んだ発振回路全体を少ない部品点数で構成でき、小型低コスト化が図れる。すなわち、発振周波数を制御するための加算回路（分圧インピーダンスによる平均回路）が不要となり、また、２つの圧電振動子の加速度による特性差電圧が直接２つの圧電振動子の直列接続点に発生するため、特許文献１の力学量センサのような第１・第２の位相差検出回路や差動増幅回路が不要となる。更に２つの圧電振動子を直列接続状態で用いるので、合成インピーダンスが高くなり、発振回路の増幅回路への負荷が小さくなって、その分小型化および低消費電力化が図れる。【００１１】
（２）圧電振動子直列回路１０の第２の端子Ｐｂと接地との間に接続した第２のコンデンサＣ２のキャパシタンスをＣ２、圧電振動子直列回路１０の第２の端子Ｐｂと増幅回路２１の出力部Ｐ１との間に接続した出力側抵抗Ｒ２の抵抗値をＲ２、発振回路の発振周波数をｆでそれぞれ表したとき、増幅回路２１の出力部Ｐ１に対する圧電振動子直列回路１０の第２の端部Ｐｂの位相差は、Ｃ２・Ｒ２＝１／（２πｆ）のとき４５度となり、Ｃ２・Ｒ２＞１／（２πｆ）のとき４５度より大きくなる。発振回路の発振周波数ｆは上記キャパシタンスＣ１，Ｃ２と圧電振動子直列回路１０の反共振周波数−共振周波数間でのインダクタンスとによって定まるので、これらをＣ２・Ｒ２＞１／（２πｆ）の関係となるように設定することによって、力学量に対する位相差変化のダイナミックレンジが広くとれる。【００１２】
（３）前記第１のコンデンサＣ１に対して入力側抵抗Ｒｄと第３のコンデンサＣｄの直列回路を接続し、Ｃ１，Ｃ２のそれぞれのキャパシタンスをほぼ等しくし、出力側抵抗Ｒ２と入力側抵抗Ｒｄのインピーダンスをほぼ等しくすることによって、増幅回路２１の出力部Ｐ１と圧電振動子直列回路の直列接続点Ｐ２との間の位相差が修正され、この力学量センサに対する印加力学量が０のときＰ１−Ｐ２間の電圧位相差が発振周波数に依存せず平坦にでき、発振周波数の変動によるノイズの発生が防止できる。そのため高精度な力学量の測定が可能となる。【００１３】
（４）前記圧電振動子直列回路１０の第１の端部Ｐａと接地との間で第１のコンデンサＣ１に対して直列に直列抵抗Ｒｑを接続したことにより、圧電振動子直列回路１０とＣ１，Ｃ２で構成されるタンク回路のＱが制限される。その結果、力学量に対する感度が低下するが、圧電振動子直列回路１０の機械的なＱ（Ｑｍ）のばらつきの影響が現れ難くなり、Ｑｍの変動に起因する感度変化率（Ｐ１−Ｐ２間の位相差変化率）が小さくなる。そのため、加速度等の力学量検出感度の温度特性が安定化でき経時変化の低減が図れる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】第１の実施形態に係る力学量センサの全体の構成を示すブロック図である。
【図２】同力学量センサの回路図である。
【図３】同力学量センサの発振回路の特性図である。
【図４】同力学量センサの位相差電圧変換回路の作用を示す波形図である。
【図５】第２の実施形態に係る力学量センサの発振回路部分の構成を示す図である。
【図６】同発振回路の特性図である。
【図７】第３の実施形態に係る力学量センサの発振回路部分の構成を示す図である。
【図８】第３の実施形態に係る別の力学量センサの発振回路部分の構成を示す図である。
【図９】第４の実施形態に係る力学量センサの発振回路部分の構成を示す図である。
【図１０】圧電振動子直列回路を構成する加速度センサの外観斜視図および分解斜視図である。
【図１１】同加速度センサの加速度検出素子部分の分解斜視図である。
【図１２】同加速度センサのカバー部材を取り外した状態の平面図である。
【図１３】特許文献１の力学量センサの構成を示す図である。
【図１４】特許文献２の力学量センサの構成を示す図である。
【符号の説明】
【００１５】
１−加速度検出素子
１０−圧電振動子直列回路
２０−増幅回路・負荷インピーダンス回路
２１−増幅回路
３０−発振回路
４０−位相差電圧変換回路
Ｐ１−増幅回路の出力部
Ｐ２−圧電振動子直列回路の直列接続点
Ｐａ−圧電振動子直列回路の第１の端部
Ｐｂ−圧電振動子直列回路の第２の端部
Ｓａ，Ｓｂ−圧電振動子
Ｃ１−第１のコンデンサ
Ｃ２−第２のコンデンサ
Ｒ２−出力側抵抗
Ｒｄ−入力側抵抗
Ｃｄ−第３のコンデンサ
Ｒｑ−直列抵抗
ＩＣ１，ＩＣ２−反転増幅器
ＩＣ３，ＩＣ４−インバータ
ＩＣ５−イクスクルーシブオアゲート
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
第１の実施形態に係る力学量センサの構成を図１〜図４，図１０〜１２を参照して説明する。
図１は力学量センサのブロック図である。２つの圧電振動子Ｓａ，Ｓｂは力学量によって加わる応力の方向が互いに逆となる関係に配置していて、この２つの圧電振動子Ｓａ，Ｓｂを直列接続して圧電振動子直列回路１０を構成している。この圧電振動子直列回路１０と増幅回路・負荷インピーダンス回路２０とによってコルピッツ型発振回路３０を構成している。位相差電圧変換回路４０は発振回路３０から出力される電圧Ｖｐ１とＶｐ２の電圧位相差を電圧信号として検出し、それをこの力学量センサの出力信号とする。【００１７】
図２は図１に示した力学量センサの具体的な回路図である。発振回路３０において増幅回路２１は反転増幅器ＩＣ１とその入出力間に接続した抵抗Ｒ１とによって構成している。圧電振動子直列回路１０の第１の端部Ｐａと接地との間に第１のコンデンサＣ１を接続し、圧電振動子直列回路１０の第２の端部Ｐｂと接地との間に第２のコンデンサＣ２を接続している。また、圧電振動子直列回路１０の第１の端部Ｐａに増幅回路２１の入力部を接続し、更に増幅回路２１の出力部Ｐ１と圧電振動子直列回路１０の第２の端部Ｐｂとの間に出力側抵抗Ｒ２を接続している。【００１８】
この増幅回路２１と、圧電振動子直列回路１０と、それ以外の回路部分（負荷インピーダンス回路）とによって発振回路３０を構成している。この発振回路３０は反転増幅器ＩＣ１による増幅回路２１にリアクタンス回路による帰還回路を設けたものであり、増幅回路２１の出力部Ｐ１から発振信号を出力するコルピッツ型発振回路である。圧電振動子直列回路１０は、その反共振周波数から共振周波数の間でインダクティブになるので、そのインダクタンスとコンデンサＣ１，Ｃ２のキャパシタンスとによって定まる周波数で発振する。すなわち圧電振動子直列回路１０の上記インダクティブになる周波数でのインダクタンスをＬ、コンデンサＣ１，Ｃ２のキャパシタンスをＣ１，Ｃ２とすれば、発振周波数ｆは
ｆ＝１／［２π√｛Ｌ・Ｃ１・Ｃ２／（Ｃ１＋Ｃ２）｝］
で表される。【００１９】
発振回路３０において出力側抵抗Ｒ２は反転増幅器ＩＣ１の出力インピーダンス変動の影響を受けないようにするため数ｋΩとし、Ｐ１とＰ２の電圧位相差をほぼ９０度にするため、出力側抵抗Ｒ２の抵抗値とコンデンサＣ２のキャパシタンスとの乗算値が１／（２πｆ）の値の１０倍程度以上となるように定める。因みに上記乗算値が１／（２πｆ）であればＶｐ１とＶｐ２の位相差は４５度となる。Ｖｐ１−Ｖｐ２間の位相差が４５度であっても位相差電圧変換回路４０は安定に動作するが、この位相差電圧変換回路４０は９０度位相差を中心として電圧信号に変換するものであるので、Ｐ１−Ｐ２間の位相差を予め９０度付近としておくことによって位相差電圧変換回路４０のダイナミックレンジを有効に利用でき、所定精度で検出可能な力学量の検出範囲を広げることができる。【００２０】
なお、第１のコンデンサＣ１と第２のコンデンサＣ２のキャパシタンスは等しくした。また反転増幅器ＩＣ１にはロジック回路用のインバータを用いた。入出力間に接続した抵抗Ｒ１は１ＭΩとした。ロジック回路用インバータの入出力間に抵抗を接続して、それをリニアアンプとして用いる手法はコルピッツ発振回路で多用されている。この発明は当該手法に限定されるものではなく、コルピッツ発振回路に用いられる回路構成上の他の手法も利用できる。【００２１】
位相差電圧変換回路４０は、発振回路３０の出力電圧Ｖｐ１と圧電振動子直列回路１０の直列接続点Ｐ２の電圧Ｖｐ２との位相差を電圧信号に変換する。ここで反転増幅器ＩＣ２とその入出力間に接続した帰還抵抗Ｒｆとによって所定ゲインの増幅回路（プリアンプ）を構成している。この増幅回路を設けることによって、後段へ与える信号レベルを、発振回路３０のＰ１点の出力信号Ｖｐ１の信号レベルに揃えている。インバータＩＣ３，ＩＣ４は電圧信号Ｖｐ１と反転増幅器ＩＣ２の出力信号をそれぞれ増幅して矩形波信号に変換する。すなわち、このインバータＩＣ３，ＩＣ４の入力信号は正弦波信号であるが、非常に大きなゲインで増幅することによって、論理信号レベルのローレベルとハイレベルを採る矩形波信号に変換する。【００２２】
イクスクルーシブオアゲート（排他的論理和回路）ＩＣ５はＩＣ３，ＩＣ４の出力信号の排他的論理和をとることによって、ＰＷＭ（位相幅変調）信号Ｖｐｏを出力する。抵抗ＲｍとコンデンサＣｍはローパスフィルタを構成していて、ＩＣ５から出力される矩形波信号の基本波周波数成分を除去して（平滑化して）信号成分を透過させる。非反転増幅回路ＩＣ６はその出力端を反転入力端に直接帰還させることによって電圧フォロワ回路を構成している。これにより抵抗Ｒｍ，コンデンサＣｍによる積分回路に影響を与えることなく低出力インピーダンスで出力可能としている。またこれによりコンデンサＣｍの容量を小さくできるので、このコンデンサＣｍも半導体集積回路内に組み込むことも可能となる。【００２３】
次に、上記発振回路３０の動作について、図２の（Ｂ）と図３を参照して説明する。図２の（Ｂ）は上記発振回路３０のシミュレーション用回路図である。ここで、反転増幅器ＩＣ１のバイアスに影響を与えないように直流カット用コンデンサＣｃを介して発振器ＯＳＣの出力信号である電圧Ｖｉを与えている。この直流カット用コンデンサＣｃの容量値は、コンデンサＣ１，Ｃ２の容量値に対して十分に大きな値（μＦオーダ）に設定する。この電圧Ｖｉを一定にし、ＯＳＣの周波数をスイープさせながら圧電振動子直列回路１０に印加する加速度を変化させシミュレーションした。【００２４】
図３の（Ａ）は図２の（Ｂ）に示した端子〈Ｐ１〉−〈Ｐ２〉間の位相差、図３の（Ｂ）はコンデンサＣ１の電圧Ｖｆの位相、図３の（Ｃ）はそのゲインである。【００２５】
図３の（Ａ）においてＰは＋１００Ｇ（１Ｇ＝９．８０６６５［ｍ／ｓ2 ］）、Ｎは−１００Ｇを印加したとき、Ｚは加速度を印加しない状態での特性である。図３の（Ｂ），（Ｃ）では３つの加速度状態での特性が重なっているため１つの曲線として見える。このように帰還電圧Ｖｆの位相とゲインは変化せず、発振周波数またはその付近の周波数において加速度の大きさに応じてＶｐ１−Ｖｐ２間の位相差が変化する。【００２６】
図２の（Ａ）に示した発振回路３０は帰還電圧Ｖｆの位相が０となる周波数で発振するので、結局図２の（Ａ）に示したＶｐ１−Ｖｐ２間の位相差を検出すれば印加加速度が測定できることがわかる。【００２７】
図４は図２の（Ａ）に示した位相差電圧変換回路４０の作用を説明する波形図である。このようにインバータＩＣ３，ＩＣ４の出力信号は発振回路３０の出力信号の周期に等しい矩形波信号であり、イクスクルーシブオアゲートＩＣ５の出力信号ＶｐｏはＶｐ１′とＶｐ２′の位相差に応じたＰＷＭ信号となる。そして、Ｖｐ１′とＶｐ２′の位相差に応じてＶｐｏのオンデューティ比が変化し、上記ローパスフィルタでの積分結果によって得られる電圧信号Ｖｏは上記位相差に比例した電圧信号となる。【００２８】
なお、印加加速度が０Ｇの時、発振周波数でのＶｐ１−Ｖｐ２間の位相差は約９０度である。そのため図２の（Ａ）に示したようにイクスクルーシブオアゲートを用いた安価な位相差電圧変換回路を採用することができ、小型・低コスト化が図れる。また、イクスクルーシブオアゲートＩＣ５をＣ−ＭＯＳ回路で構成することにより、印加加速度が０ＧのときのイクスクルーシブオアゲートＩＣ５の出力電圧は電源電圧の１／２となるので、後段のアナログ回路（ＩＣ６による電圧フォロワ回路等）との整合性を高めることができる。【００２９】
以上に示した力学量センサによれば、
２つの圧電振動子の直列接続点以外の端子に増幅回路と負荷インピーダンス回路を接続してコルピッツ型発振回路を構成し、圧電振動子直列回路の直列接続点電圧と発振出力電圧との位相差を電圧信号に変換するようにしたことにより、
（ａ）従来方式で必要だった発振周波数制御のための加算回路（分圧インピーダンスによる平均回路）が不要となる。【００３０】
（ｂ）２つの圧電振動子Ｓａ，Ｓｂの加速度による特性差電圧がその直列接続点に発生するため、差動的な信号処理回路が不要となって回路規模がほぼ半分となる。【００３１】
（ｃ）圧電振動子直列回路を用いるので、圧電振動子部分のインピーダンスが高くなって、発振回路の増幅器への負荷が１／４となって安価な増幅器が利用でき、更に発熱による増幅器の特性変動が少ないので温度特性に優れ、また温度補償のための回路も不要となって、その分更に小型低コスト化が図れる。
といった効果が得られる。【００３２】
また、発振回路３０のＰ１−Ｐ２間の電圧位相差に予め初期位相差をもたせたことにより、
（ｄ）増幅回路２１の出力インピーダンスの変動の影響を受けにくくなる。【００３３】
（ｅ）位相差電圧変換回路４０が低コストな回路で構成できる。【００３４】
（ｆ）位相差電圧変換回路４０に従来必要であった位相調整回路が不要となって小型低コスト化が図れる。【００３５】
（ｇ）位相差電圧変換回路４０のイクスクルーシブオアゲートＩＣ５を、電源に対しフルスイングするＣ−ＭＯＳタイプの回路で構成することにより、後段に接続するアナログ回路との整合性が高まり、整合用の回路が不要となり、その分更に小型低コスト化が図れる。
といった効果が得られる。【００３６】
なお、図２に示した例では位相差電圧変換回路４０にイクスクルーシブオアゲートＩＣ５を用いたが、排他的論理和の反転信号を出力するイクスクルーシブノア（ＥＸ−ＮＯＲ）ゲートを用いてもよい。更にＡＮＤゲート、ＮＡＮＤゲート、ＯＲゲート、ＮＯＲゲートなどの論理回路を組み合わせて、位相差に応じたＰＷＭ信号を発生する回路を構成してもよい。【００３７】
ここで、上記圧電振動子直列回路１０の構造上の構成例を図１０〜図１２を基に説明する。
図１０の（Ａ）は上記圧電振動子直列回路１０を構成する加速度検出素子１の外観斜視図、（Ｂ）はその分解斜視図である。図１１は図１０の（Ｂ）のさらなる分解斜視図、図１２は内部構造を示す平面図である。【００３８】
この加速度検出素子１は、バイモルフ型の圧電振動子２を絶縁性セラミック等からなる絶縁性のケース部材６およびカバー部材７内に片持ち梁構造で収納支持したものである。図１０・図１１に示すように、加速度Ｇの印加方向をＹ方向とした場合、圧電振動子２の長さ方向がＸ方向、高さ方向がＺ方向となる。【００３９】
圧電振動子２は、ベース板５の加速度印加方向（Ｙ方向）の両面の両端部にスペーサ５１〜５４を介して振動子３，４を接着により接合一体化したものである。【００４０】
振動子３，４は、短冊形状の圧電セラミック板の上下両主面にそれぞれ電極３ａ，３ｂおよび４ａ，４ｂを形成したエネルギー閉じ込め型厚みすべり振動モードの振動子である。【００４１】
振動子３，４の一方の電極３ａ，４ａは圧電振動子２の上方側に露出しており、他方の電極３ｂ，４ｂは圧電振動子２の下方側に露出している。表裏主面の電極３ａ，３ｂおよび４ａ，４ｂの一端部は、長さ方向中間部で対向しており、他端部を振動子３，４の異なる端部へ引き出している。振動子３，４のＺ方向の高さＨ1 は互いに同一寸法であり、高さＨ1 は振動子３，４の共振周波数によって決定する。振動子３，４の高さＨ1 はベース板５のＺ方向の高さＨ2 より小さいため、Ｈ1 ＝Ｈ2 の場合より加速度印加によって振動子３，４に発生する応力を大きくできる。ここでＨ1 はＨ2 の１／５以下に設定している。【００４２】
振動子３，４の長さ方向両端部の上下主面には、振動子３，４と同一厚みのスペーサ３１，３２および４１，４２をそれぞれ固定していて、電極３ａ，３ｂおよび４ａ，４ｂが対向した部分（エネルギー閉じ込め部）は、スペーサ３１，３２および４１，４２を固定していない部分に設けている。【００４３】
振動子３，４はベース板５の両面の対向位置に接合して、他軸撓みに対して両方の振動子に同一の応力が働くようにし、検出ばらつきを小さくしている。また、ベース板５の全高の中央位置に接合して、加速度の印加方向以外の外力によって圧電振動子が撓んだ時（他軸撓み）、２つの振動子３，４から信号を差動的に取り出すことで、他軸撓みに対しても検出ばらつきを吸収できるようにしている。【００４４】
ベース板５は振動子３，４と同一長さに形成された絶縁板であり、圧電振動子２の加速度Ｇの印加に伴う曲げ中正面（図１２に破線Ｎ１で示す）がベース板５の厚み方向（Ｙ方向）の中心部に位置している。ベース板５の振動子３，４との対向面には、振動子３，４の閉じ込め振動の範囲より広い空隙５ａを形成している。【００４５】
基端側のスペーサ５１，５２は振動子３，４の基端側のスペーサ３１，４１と同一長さであり、かつその高さ（Ｚ方向）寸法はベース板５の高さＨ2 と等しい。同様に、自由端側のスペーサ５３，５４は振動子３，４の自由端側のスペーサ３２，４２と同一長さであり、かつその高さ（Ｚ方向）寸法は、ベース板５の高さＨ2 と等しい。【００４６】
圧電振動子２を構成する振動子３，４、スペーサ３１，３２，４１，４２、ベース板５、スペーサ５１〜５４は、振動子３，４と同じ熱膨張係数の材料（例えばＰＺＴなどのセラミックス）で形成している。そのため、温度変化に伴う熱膨張差により、振動子３，４に応力が発生するのを防止できる。【００４７】
スペーサ５１，５３を接合したベース板５の一側面には、引出電極５ｂを全長に亘って形成している。この引出電極５ｂは、振動子３，４を接合した圧電振動子２の基端部の上面に連続的に形成される内部電極６１と導通する。ベース板５の自由端側の上面およびスペーサ５３，５４，３２，４２の上面には、内部電極６４を連続的に形成しており、この内部電極６４はベース板５の一側面に形成された引出電極５ｂと振動子３，４の側面に形成された接続電極３ｄ，４ｄとを相互に導通させている。【００４８】
圧電振動子２の加速度Ｇの印加方向の両側面は、左右一対のケース部材６によって覆っている。ケース部材６は断面コ字形状に形成していて、その一端側の突出部６ａを圧電振動子２の基端部両側面に接着固定している。また、ケース部材６の他端側突出部６ｂは、スペーサ部材２ａを間にして接着固定している。ここでスペーサ部材２ａは、長さ方向に連続した圧電振動子２の先端部をカットした後の切れ端であり、ベース板５や振動子３，４、スペーサ５３，５４の一部で構成している。上記突出部６ａ，６ｂの間には、圧電振動子２が撓み得る空間を形成するための凹部６ｃを形成している。また、ケース部材６の他端側突出部６ｂの内側には、過大な加速度Ｇが印加された時の圧電振動子２の変位を制限し、圧電振動子２の変形や破壊を防止するためのストッパ６ｄを設けている。【００４９】
ケース部材６の内壁面および上面には、相互に導通する引出電極６２ａ，６２ｂおよび６３ａ，６３ｂを形成している。ケース部材６と圧電振動子２との接合は、電極３ｃと６２ａ、および電極４ｃと６３ａとの電気的接続を兼ねるため、導電性接着剤で行っているが、ケース部材６および圧電振動子２の基端部の上面に連続的に形成される内部電極６１および外部電極７１との短絡を防止するため、異方性導電性接着剤が用いている。【００５０】
上記ケース部材６の上面に形成した引出電極６２ｂ，６３ｂは、圧電振動子２の自由端側の上面に形成した内部電極６４と一直線上に並んでいて、これら電極６２ｂ，６３ｂ，６４は、圧電振動子２にケース部材６を接合した後で、その上面にスパッタリングや蒸着などを行うことで同時に形成する。なお、内部電極６１も同時に形成する。【００５１】
圧電振動子２とケース部材６とで形成される上下の開放面は上下一対のカバー部材７，７によって覆っている。カバー部材７の内面には、圧電振動子２との接触を防止するための空洞形成用凹部７ａを形成していて、その外周部を開放面に接着固定している。これにより、圧電振動子２の加速度Ｇによる変位部分は、ケース部材６およびカバー部材７によって完全に密閉している。【００５２】
カバー部材７の外表面には、圧電振動子２の基端側に位置する外部電極７１と、圧電振動子２の自由端側に位置する２個の外部電極７２，７３とを設けている。図１０に示すように、外部電極７２，７３は外部電極７１から長さ方向（Ｘ方向）に離れた位置にあり、且つ互いに加速度印加方向（Ｙ方向）に対向する２辺に設けている。【００５３】
上記構造よりなる圧電振動子２の導電経路は次のとおりである。
すなわち、一方の振動子３の上側電極３ａは、接続電極３ｃ、引出電極６２ａ，６２ｂを経由して外部電極７２へと導通している。他方の振動子４の上側電極４ａは、接続電極４ｃ、引出電極６３ａ，６３ｂを経由して外部電極７３へと導通している。振動子３，４の下側電極３ｂ，４ｂは、接続電極３ｄ，４ｄおよび内部電極６４によって相互に導通していて、ベース板５の一側面に設けられた引出電極５ｂ、内部電極６１を経由して外部電極７１へと導通している。
上記のようにして表面実装型のチップ型の加速度検出素子１を構成している。【００５４】
次に、第２の実施形態に係る力学量センサについて図５・図６を参照して説明する。
図５の（Ａ）は発振回路３０の構成を示している。図２の（Ａ）に示した発振回路３０と異なり、入力側抵抗Ｒｄと第３のコンデンサＣｄの直列回路をコンデンサＣ１に対して並列接続している。この第３のコンデンサＣｄは反転増幅器ＩＣ１の直流成分を除去するＤＣカット用に設けていて、発振周波数でのインピーダンスが入力側抵抗Ｒｄの抵抗値に対して十分に小さく（１／１０以下に）設定している。その他は第１の実施形態の場合と同様である。【００５５】
図５の（Ｂ）は（Ａ）の発振回路３０のシミュレーション用回路である。第１の実施形態の場合と同様に、直流カット用コンデンサＣｃを介して反転増幅器ＩＣ１に発振器ＯＳＣからの電圧Ｖｉを印加する。【００５６】
図６の（Ａ）は図５の（Ｂ）に示した端子〈Ｐ１〉−〈Ｐ２〉間の位相差、（Ｂ）はコンデンサＣ１の電圧Ｖｆの位相、（Ｃ）はそのゲインである。  図６の（Ａ）においてＰは＋１００Ｇ（１Ｇ＝９．８０６６５［ｍ／ｓ2 ］）、Ｎは−１００Ｇを印加したとき、Ｚは加速度を印加しない状態での特性である。図６の（Ｂ），（Ｃ）では３つの加速度状態での特性が重なっているため１つの曲線として見える。このように第１の実施形態の場合と同様に、帰還電圧Ｖｆの位相とゲインは印加加速度の影響を受けず、発振周波数またはその付近の周波数において加速度の大きさに応じてＶｐ１−Ｖｐ２間の位相差が変化する。【００５７】
第１の実施形態と異なり、この例では、図５に示したコンデンサＣ１，Ｃ２，Ｃｄ，抵抗Ｒｄの値によって帰還電圧Ｖｆの位相を調整し、加速度を印加していない状態（印加加速度０Ｇ）で、Ｖｐ１−Ｖｐ２間の位相差が周波数に依存せず平坦となるようにしている。このとき、加速度印加時の周波数変化に対する位相差の変化は対称形となる。【００５８】
このような特性にすれば、発振周波数が変動しても、それがノイズとして表れないので、より高精度な測定が可能となる。【００５９】
次に、第３の実施形態に係る力学量センサの構成を図７・図８を参照して説明する。
図７はその発振回路３０について示している。図２に示した力学量センサの発振回路３０と異なり、圧電振動子直列回路１０の第１の端部Ｐａと接地との間で第１のコンデンサＣ１に対して直列に直列抵抗Ｒｑを挿入している。このように直列抵抗Ｒｑを挿入したことにより、圧電振動子直列回路１０とコンデンサＣ１，Ｃ２とで構成されるタンク回路のＱが低下して、力学量に対する感度が低下するが、圧電振動子直列回路１０の機械的なＱ（Ｑｍ）のばらつきの影響が現れ難くなり、Ｑｍの変動に起因する感度変化率（Ｖｐ１−Ｖｐ２間の位相差変化率）が小さくなる。そのため、加速度等の力学量検出感度の温度特性が安定化でき経時変化の低減が図れる。【００６０】
図８は発振回路３０の別の構成を示している。このように増幅回路２１の入力部と接地との間にコンデンサＣ１に対して直列に直列抵抗Ｒｑを挿入してもよく、同様の効果が得られる。この場合当然Ｃ１とＲｑは入れ替えても同様である。【００６１】
図９は第４の実施形態に係る力学量センサの発振回路３０の構成を示している。この発振回路は、第２の実施形態で図５に示したものと第３の実施形態で図７に示した構成とを併せ持つ。すなわち、入力側抵抗Ｒｄと第３のコンデンサＣｄの直列回路をコンデンサＣ１に対して並列接続している。また、圧電振動子直列回路１０の第１の端部Ｐａと接地との間で第１のコンデンサＣ１に対して直列に直列抵抗Ｒｑを挿入している。【００６２】
この構造により、圧電振動子直列回路１０に対する加速度非印加時に発振回路３０の出力Ｖｐ１−Ｖｐ２間の位相差が発振周波数に依存しないようにでき、発振周波数変動によるノイズが表れない。また、直列抵抗Ｒｑを挿入したことにより、加速度等の力学量検出感度の温度特性が安定化でき、経時変化の低減が図れる。
【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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