(57)【要約】【課題】歪を利用したセンサー素子、および、それを用いたセンサーを提供する。【解決手段】センサー素子１０は、一対の第１基部１１Ａ，１１Ｂ間に平行に架け渡された２本の駆動振動腕１６Ａ，１６Ｂを有する第１振動片１５と、一方の第１基部１１Ｂの駆動振動腕１６Ａ，１６Ｂが延出された一端とは反対側の端部と振動片連結部５により接続された第２基部２１と、その第２基部２１の一端から駆動振動腕１６Ａ，１６Ｂの延出方向と平行な方向に延びる一対の検出振動腕２６Ａ，２６Ｂを有する第２振動片２５と、前記一方の第１基部１１Ａに第１固定部側連結部１９を介して連結された第１固定部１２と、前記振動片連結部５の前記第１振動片１５および前記第２振動片２５がそれぞれ連結された両端部と直交する方向の両端部から延びた一対の第２固定部側連結部２９Ａ，２９Ｂの先端部に設けられた第２固定部２２Ａ，２２Ｂと、を備えている。【選択図】図１
2012026740.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
一対の第１基部と、該第１基部間に平行に架け渡され励振電極が設けられた２本の駆動振動腕と、を有する第１振動片と、
前記一対の第１基部のうちの一方の第１基部に振動片連結部を介して連結され、または、前記一方の第１基部を共有してなる第２基部と、該第２基部から前記駆動振動腕と平行に延出され検出電極が設けられた検出振動腕と、を有する第２振動片と、
前記一対の第１基部のうち、前記一方の第１基部と第１固定部側連結部を介して連結された第１固定部と、他方の前記第１基部と第２固定部側連結部を介して連結された第２固定部と、を備えたことを特徴とするセンサー素子。
【請求項２】
請求項１に記載のセンサー素子において、
前記第１固定部および前記第２固定部が、少なくとも前記第１振動片の前記駆動振動腕の延びる方向の中心線に対して線対称の位置に配置されていることを特徴とするセンサー素子。
【請求項３】
請求項１または２に記載のセンサー素子において、
前記第２振動片が、２本の前記検出振動腕を有することを特徴とするセンサー素子。
【請求項４】
請求項３に記載のセンサー素子において、
前記２本の検出振動腕が、前記駆動振動腕の延びる方向の中心線に対して線対称の位置に配置されていることを特徴とするセンサー素子。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか一項に記載のセンサー素子において、
前記検出振動腕が、前記第２基部から前記駆動振動腕と同じ方向に延出されていることを特徴とするセンサー素子。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれか一項に記載のセンサー素子において、
少なくとも前記第１振動片および前記第２振動片が、圧電体材料を用いて形成されていることを特徴とするセンサー素子。
【請求項７】
請求項６に記載のセンサー素子において、
前記圧電体材料として水晶が用いられていることを特徴とするセンサー素子。
【請求項８】
請求項１〜７のいずれか一項に記載のセンサー素子と、
前記センサー素子の前記第１振動片を発振させる発振回路を備え、前記発振回路の発振信号を出力する発振部と、
前記発振部の出力信号の位相を所与の角度変化をさせて出力する移相部と、
前記移相部の出力側に設けられ、前記センサー素子の前記第２振動片を含む移相回路部と、
前記移相回路部の出力信号と前記発振部の出力信号とを乗算する乗算器と、
前記乗算器の出力が入力され、前記移相回路部の入出力信号の移相角度の変化に対応した値を出力する移相変化出力部と、を少なくとも有し、
加速度が印加されていない状態において、前記第２振動片の共振周波数が、前記発振部の前記出力信号の周波数と等しいことを特徴とするセンサー。
【請求項９】
請求項８に記載のセンサーにおいて、
少なくとも前記センサー素子がパッケージに収容されていることを特徴とするセンサー。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、センサー素子、および、センサーに関し、特に、歪を利用したセンサー素子、および、それを用いたセンサーに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、圧電振動素子を使用した慣性センサー（例えば、加速度センサー）が知られている。圧電振動素子をセンサー素子として用いた慣性センサーは、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慣性センサーに印加される力を検出するように構成されている。例えば、特許文献１には、振子と圧電振動片を用いたセンサー素子（振子型加速度センサー素子）、および、それを用いたセンサー（振子型加速度計）が開示されている。
【０００３】
図６は、特許文献１に記載のセンサー素子１７０を説明するものであり、（ａ）は、センサー素子の概略平面図、（ｂ）は、（ａ）のＱ−Ｑ線断面図である。
図６において、特許文献１に記載のセンサー素子１７０は、中空の矩形状外枠部１７３と、外枠部１７３の底辺１７３ａの中央部にヒンジ１７７を介して立設されたＴ字状の回動質量１７５と、底辺１７３ａの両端部寄りとＴ字状の回動質量１７５の上部両端部とに夫々連接する２個の双音叉型圧電振動片１８０，１８５と、を備えている。
【０００４】
センサー素子１７０は、ヒンジ１７７の短手方向の中心と、Ｔ字状の回動質量１７５の重心Ｍとを結ぶ中心線に対して対称に形成され、加速度αが印加されるとＴ字状の回動質量１７５は、ヒンジ１７７を支点として回動する。Ｔ字状の回動質量１７５の重心にはＦ＝ｍ・α（ｍは回動質量の質量）の力が作用し、２個の双音叉型圧電振動片１８０，１８５の一方には伸長（引張）力が働いて、その周波数が増加し、他方には圧縮力が働き、その周波数は減少する。双音叉型圧電振動片１８０，１８５の周波数の増減により、加速度の方向が分かり、双音叉型圧電振動片１８０，１８５の周波数の変化から加速度の大きさが求まる。また、２個の双音叉型圧電振動片１８０，１８５を差動動作させることにより、加速度検出感度を倍増させる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平１−３０２１６６号公報
【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に記載のセンサー素子１７０では、２つの双音叉型圧電振動片１８０，１８５の各々に発振回路やカウンターなどが必要になることなどにより、回路が複雑化したり、消費電力が大きくなったりするという課題があった。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
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。
【０００８】
〔適用例１〕本適用例にかかるセンサー素子は、一対の第１基部と、該第１基部間に平行に架け渡され励振電極が設けられた２本の駆動振動腕と、を有する第１振動片と、前記一対の第１基部のうちの一方の第１基部に振動片連結部を介して連結され、または、前記一方の第１基部を共有してなる第２基部と、該第２基部から前記駆動振動腕と平行に延出され検出電極が設けられた検出振動腕と、を有する第２振動片と、前記一対の第１基部のうち、前記一方の第１基部と第１固定部側連結部を介して連結された第１固定部と、他方の前記第１基部と第２固定部側連結部を介して連結された第２固定部と、を備えたことを特徴とする。
【０００９】
この構成によれば、センサー素子に加速度が印加されていない状態のときの第２振動片の共振周波数を、第１振動片の周波数と同じにしておくことにより、センサー素子に加速度が作用した場合に、第１振動片の共振周波数が変化し、第２振動片の共振周波数と異なってくることを利用して、その第１振動片からの出力信号と第２振動片からの出力信号との位相差のずれ量を検出することによって、センサー素子に作用した加速度の大きさを高感度にて検出することができることを発明者は見出した。
また、例えば、従来の２つの双音叉型振動片を用いたセンサーのように、各々の双音叉型振動片ごとに発振回路やカウンターなどを備える必要がなく、比較的簡便な回路を用いて加速度センサーを構成することができるので、低コストで、且つ、消費電力が抑えられたセンサーを提供することができる。
【００１０】
〔適用例２〕上記適用例にかかるセンサー素子において、前記第１固定部および前記第２固定部が、少なくとも前記第１振動片の前記駆動振動腕の延びる方向の中心線に対して線対称の位置に配置されていることを特徴とする。
【００１１】
この構成によれば、第１固定部および第２固定部により第１振動片をバランスよく支持することができるので、加速度等の力の安定した検出が可能となり、検出精度の向上に効果を奏する。
【００１２】
〔適用例３〕上記適用例にかかるセンサー素子において、前記第２振動片が、２本の前記検出振動腕を有することを特徴とする。
【００１３】
この構成の、所謂音叉型のセンサー素子（振動片）を第２振動片として用いることにより、例えば、検出振動腕が１本のみの構成である場合に比して、加速度などの力の検出感度が向上する。
【００１４】
〔適用例４〕上記適用例にかかるセンサー素子において、前記２本の検出振動腕が、前記駆動振動腕の延びる方向の中心線に対して線対称の位置に配置されていることを特徴とする。
【００１５】
この構成によれば、２本の検出振動腕が、駆動振動腕に対してバランスよく配置されるので、加速度などの力の検出をより安定的に高感度にて行うことができる。
【００１６】
〔適用例５〕上記適用例にかかるセンサー素子において、前記検出振動腕が、前記第２基部から前記駆動振動腕と同じ方向に延出されていることを特徴とする。
【００１７】
この構成によれば、センサー素子の駆動検出腕および検出振動腕の長手方向の長さが抑えられ、センサー素子の小型化を図ることができるので、そのセンサー素子を用いたセンサーの小型化に寄与できる。
【００１８】
〔適用例６〕上記適用例にかかるセンサー素子において、少なくとも前記第１振動片および前記第２振動片が、圧電体材料を用いて形成されていることを特徴とする。
【００１９】
この構成によれば、従来より振動片の材料として広く用いられている圧電体材料を用いることによって、周知の原理やノウハウを活かして高性能な振動片をセンサー素子に用いることができるので、検出精度の高いセンサー素子を提供することができる。
【００２０】
〔適用例７〕上記適用例にかかるセンサー素子において、前記圧電体材料として水晶が用いられていることを特徴とする。
【００２１】
この構成によれば、圧電振動片の材料として最も広く使われている水晶を用いることにより、既存の圧電振動片の製造設備を利用して、優れた発振特性を有し機械的強度の高い水晶振動片を複合センサー素子に搭載することができるので、低コストで、検出精度、および、機械的強度の高いセンサー素子を提供することができる。
【００２２】
〔適用例８〕本適用例にかかるセンサーは、上記適用例にかかるセンサー素子と、前記センサー素子の前記第１振動片を発振させる発振回路を備え、前記発振回路の発振信号を出力する発振部と、前記発振部の出力信号の位相を所与の角度変化をさせて出力する移相部と、前記移相部の出力側に設けられ、前記センサー素子の前記第２振動片を含む移相回路部と、前記移相回路部の出力信号と前記発振部の出力信号とを乗算する乗算器と、前記乗算器の出力が入力され、前記移相回路部の入出力信号の移相角度の変化に対応した値を出力する移相変化出力部と、を少なくとも有し、加速度が印加されていない状態において、前記第２振動片の共振周波数が、前記発振部の前記出力信号の周波数と等しいことを特徴とする。
【００２３】
この構成によれば、センサー素子に加速度が印加されていない状態において、移相回路部を構成している第２振動片の共振周波数が、発振部の出力信号の周波数と同じにしてあるので、加速度が作用していないときの、発振部の出力信号と移相回路部の出力信号との位相差は移相部の移相量と等しい。しかし、センサー素子に加速度が作用すると、第１振動片の共振周波数が変化し、発振部の出力信号の発振周波数が第２振動片の共振周波数と異なってくる。このため、発振部の出力信号と移相回路部の出力信号との位相差が移相部の位相量からずれる。したがって、この移相部の位相量からのずれ量を検出することによって、センサー素子に作用した加速度の大きさを知ることができる。
また、上記適用例のセンサー素子のうち、水晶などの圧電体材料を用いて第１振動片および第２振動片を形成することにより、励振が容易であり、僅かな加速度による応力の変化によって各振動片の共振周波数が変化するため、感度の高いセンサーを提供することができる。
しかも、例えば２つの双音叉型振動片を用いた従来のセンサー素子を備えたセンサーのように、発振回路やカウンターを振動片ごとに設ける必要がなく、また、発振部の出力信号と移相回路部の出力信号との位相差を検出するようにしているので、発振回路を備えた発振部、および検出回路の簡素化および小型化、あるいは低消費電力化を図ることができる。
【００２４】
〔適用例９〕上記適用例にかかるセンサーにおいて、少なくとも前記センサー素子がパッケージに収容されていることを特徴とする。
【００２５】
この構成によれば、センサー素子をパッケージ内に収容し、例えば気密に封止することによって、センサー素子の第１振動片および第２振動片の動作環境を安定させることができるので、加速度等の力の安定した検出を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】（ａ）は、センサー素子の一実施形態を説明する概略平面図、（ｂ）は、（ａ）のＡ−Ａ線概略断面図。
【図２】（ａ）は、センサー素子の第１振動片部分の上面側の電極配置を説明する部分平面図、（ｂ）は、下面側の電極配置を上側から透過させてみた状態を示す部分平面図。
【図３】（ａ）は、センサー素子の第２振動片部分の上面側の電極配置を説明する部分平面図、（ｂ）は、下面側の電極配置を上側から透過させてみた状態を示す部分平面図。
【図４】センサーの構成を示すブロック図。
【図５】（ａ）は、センサー素子をパッケージ内に収容したセンサーパッケージの一実施形態を上側からみた概略平面図、（ｂ）は、（ａ）のＢ−Ｂ線概略断面図。
【図６】（ａ）は、従来のセンサーとしての振子型加速度計の構成を説明する概略平面図、（ｂ）は、（ａ）のＱ−Ｑ線断面図。
【図７】センサー素子の変形例を説明する概略平面図。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
以下、本発明のセンサー素子、および、それを用いたセンサーの一実施形態について図面を参照しながら説明する。
【００２８】
（センサー素子）
図１は、センサー素子の一実施形態を説明するものであり、（ａ）は一方の面（上側の面）からみた概略平面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ線断面図である。
図１において、センサー素子１０は、一対の略矩形状の第１基部１１Ａ，１１Ｂ間に平行に架け渡された２本の駆動振動腕１６Ａ，１６Ｂを有する第１振動片１５と、略矩形状の第２基部２１の一端から互いに平行に延びる一対の検出振動腕２６Ａ，２６Ｂを有する第２振動片２５と、を有している。本実施形態では、第２振動片２５の第２基部２１が、第１振動片１５の一対の第１基部１１Ａ，１１Ｂのうちの一方の第１基部１１Ｂの、駆動振動腕１６Ａ，１６Ｂが延出された一端とは反対側の他端と振動片連結部５により接続されている。また、第２振動片２５の検出振動腕２６Ａ，２６Ｂは、第２基部２１の振動片連結部５が接続された端部とは反対側の端部から、前記第１振動片１５の駆動振動腕１６Ａ，１６Ｂの延出方向と平行な方向に延出されている。
第１振動片１５の、前記一方の第１基部１１Ｂとは異なる他方の第１基部１１Ａにおいて、駆動振動腕１６Ａ，１６Ｂが延出された端部と対向する端部には第１固定部側連結部１９が連結され、その第１固定部側連結部１９の先端には第１固定部１２が設けられている。
また、前記振動片連結部５の、前記一方の第１基部１１Ｂおよび前記第２基部２１が接続された両端部と直交する方向の端部からは、駆動振動腕１６Ａ，１６Ｂおよび検出振動腕２６Ａ，２６Ｂの延出方向と直交する方向に延びる一対の第２固定部側連結部２９Ａ，２９Ｂが接続され、各第２固定部側連結部２９Ａ，２９Ｂの先端には第２固定部２２Ａ，２２Ｂがそれぞれ設けられている。
【００２９】
本実施形態のセンサー素子１０において検出部を構成する第２振動片２５は、２本の検出振動腕２６Ａ，２６Ｂを備えている。これにより、検出振動腕が１本のみの構成である場合に比して、加速度などの力の検出の感度を向上させることができる。
さらに、本実施形態のセンサー素子１０において、第１固定部１２、および、一対の第２固定部２２Ａ，２２Ｂが、第１振動片１５の２本の駆動振動腕１６Ａ，１６Ｂの延びる方向の中心線に対して線対称の位置に配置されている。しかも、第２振動片２５の２本の検出振動腕２６Ａ，２６Ｂの延びる方向の中心線は、駆動振動腕１６Ａ，１６Ｂの延びる方向の中心線の延長線上にあり、すなわち、その中心線がセンサー素子１０の長手方向の中心線になっている。これにより、第１振動片１５および第２振動片２５は、第１固定部１２および一対の第２固定部２２Ａ，２２Ｂによってバランスよく支持されるので、加速度などの力の検出をより高感度にて行うことができる。
【００３０】
センサー素子１０は、例えば、圧電体材料を用いて形成することができ、好ましくは、単結晶の圧電体材料で、例えば、水晶の単結晶から切り出されたものを使用することができる。水晶は、センサー素子１０などの圧電振動片の材料として従来より最も広く使われている圧電体材料であり、優れた振動特性を有し機械的強度の高いセンサー素子１０を低コストにて製造することができる。
図１に示すセンサー素子１０において、一対の略矩形状の第１基部１１Ａ，１１Ｂ間に２本の駆動振動腕１６Ａ，１６Ｂが平行に架け渡された外形の所謂双音叉型の第１振動片１５、第２基部２１の一端から一対の検出振動腕２６Ａ，２６Ｂが平行に延びた外形の所謂音叉型の第２振動片２５、第１振動片１５および第２振動片２５を連結する振動片連結部５、第１固定部１２、および、その第１固定部と第１振動片１５とを連結する第１固定部側連結部１９、一対の第２固定部２２Ａ，２２Ｂ、および、それら第２固定部２２Ａ，２２Ｂのそれぞれを振動片連結部５に連結する各第２固定部側連結部２９Ａ，２９Ｂは、水晶により一体に形成されている。このような水晶によるセンサー素子１０の外形形状は、例えば、水晶ウエハーなどの水晶材料をフッ酸溶液などでウエットエッチングしたり、あるいはドライエッチングすることにより精密に形成することができる。
【００３１】
次に、センサー素子１０の電極配置の一実施形態について図面を参照しながら説明する。図２は、センサー素子１０の第１振動片１５部分の電極配置を説明するものであり、（ａ）は、上面側の電極配置を説明する部分平面図、（ｂ）は、下面側の電極配置を上面側から透過させてみた状態を示す部分平面図である。また、図３は、センサー素子１０の第２振動片２５部分の電極配置を説明するものであり、（ａ）は、上面側の電極配置を説明する部分平面図、（ｂ）は、下面側の電極配置を上面側から透過させてみた状態を示す部分平面図である。
まず、第１振動片１５部分の電極配置の一実施形態について説明する。図２（ａ）において、センサー素子１０の第１振動片１５の一対の第１基部１１Ａ，１１Ｂ間に平行に架け渡された２本の駆動振動腕１６Ａ，１６Ｂに対し、３つの領域に区分けされた振動領域のそれぞれには第１振動片１５に駆動電圧を印加するための駆動用の電極である励振電極３４ａ，３４ｂ，３４ｃ，３６ａ，３６ｂ，３６ｃが設けられている。
【００３２】
各駆動振動腕１６Ａ，１６Ｂにおける各振動領域の励振電極３４ａ〜３４ｃおよび励振電極３６ａ〜３６ｃは、図１（ａ）および図１（ｂ）に示す対向する両主面（表面と裏面）、および、それら両主面を接続して対向する両側面（内側面と外側面）がそれぞれ同じ電位となるように、第１基部１１Ａから延出された第１固定部側連結部１９を介して連結された第１固定部１２の一方の主面（図２（ａ）に示す主面（表面））に設けられた対応する入出力電極３４，３６に対して電気的に接続されている。また、各駆動振動腕１６Ａ，１６Ｂの３つの領域において、一対の第１基部１１Ａ，１１Ｂにそれぞれ隣接する２つの領域に設けられた励振電極３４ａ，３４ｃまたは励振電極３６ａ，３６ｃと、それら２つの領域の間に位置する領域に設けられた励振電極３４ｂまたは励振電極３６ｂとの間で、電位が逆転するように形成されている。このように構成される第１振動片１５の対応する励振電極同士を接続する接続電極３７ａ，３７ｂは、各駆動振動腕１６Ａ，１６Ｂに対して励振電極３４ａ，３４ｂ，３４ｃ、または励振電極３６ａ，３６ｂ，３６ｃを一筆書きで接続する形態にてパターン形成されている。
【００３３】
次に、第２振動片２５部分の電極配置の位置実施形態について説明する。図３（ａ）において、センサー素子１０の第２振動片２５の第２基部２１から互いに平行に延出された２本の検出振動腕２６Ａ，２６Ｂそれぞれの一方の主面（表面）には検出電極４４ａ，４６ａが設けられている。各検出振動腕２６Ａ，２６Ｂの検出電極４４ａ，４６ａは、図３（ａ）および図３（ｂ）に示す対向する両主面（表面と裏面）、および、それら両主面を接続して対向する両側面（内側面と外側面）がそれぞれ同じ電位となるように、第２基部２１から延出された振動片連結部５、および、その振動片連結部５の第２振動片２５が接続された端部と直交する方向の両端部からそれぞれ延出された第２固定部側連結部２９Ａ，２９Ｂの各先端に接続された第２固定部２２Ａおよび第２固定部２２Ｂの一方の主面（図３（ａ）に示す主面（表面））にそれぞれ設けられた対応する入出力電極４４および入出力電極４６に対して電気的に接続されている。
このように構成される第２振動片２５の対応する検出電極同士を接続する接続電極４７ａ，４７ｂは、各検出振動腕２６Ａ，２６Ｂに対して検出電極４４ａ，４６ａを一筆書きで接続する形態にてパターン形成されている。
【００３４】
（加速度センサー）
次に、上記センサー素子１０を用いたセンサーの一実施形態について説明する。図４は、センサーとしての加速度センサーを説明するブロック図である。
図４において、加速度センサー５０は、発振部５２を備えている。発振部５２は、発振回路５４と、センサー素子１０の第１振動片１５とから構成される。発振回路５４は、第１振動片１５を駆動して第１振動片１５の共振周波数の周波数を有する発振信号を出力する。
【００３５】
発振部５２の出力信号は、波形整形部５５と９０°移相部６０とに入力される。波形整形部５５は、発振部５２の出力信号を矩形波に波形整形して出力する。一方、９０°移相部６０は、発振部５２の出力した信号の一部が入力され、この信号の移相を９０°回転させて出力する。
【００３６】
９０°移相部６０の出力側には、移相回路部６２が設けられている。移相回路部６２は、本実施形態では、一対の抵抗Ｒ１，Ｒ２と、センサー素子１０の第２振動片２５とによってπ型に形成してある。すなわち、第２振動片２５の入力側の端子（本実施形態では入出力電極４６）が９０°移相部６０の出力端子と接続されるとともに、抵抗Ｒ１を介して接地されている。また、第２振動片２５の出力端子（本実施形態では入出力電極４４）は、抵抗Ｒ２を介して接地されるとともに、移相回路部６２の出力側に設けた波形整形部６４に接続されている。
【００３７】
第２振動片２５の共振周波数ｆ0は、センサー素子１０に加速度が印加されない状態において、発振部５２の加速度が印加されない状態の発振周波数と同じにしてある。すなわち、第２振動片２５の加速度が印加されない状態の共振周波数ｆ0は、第１振動片１５の共振周波数と同じにしてある。この加速度が印加されない状態において、加速度が印加されていない状態の第２振動片２５の共振周波数ｆ0の信号が移相回路部６２に入力された場合、出力信号と入力信号の位相が一致する。
【００３８】
センサー素子１０に任意の方向の加速度が作用した場合、発振部５２の第１振動片１５の共振周波数は低周波側または高周波側に偏倚し、それにともなって発振部５２の出力信号も変化して、その信号が移相回路部６２に入力され、移相回路部６２の出力信号と入力信号の移相に差異が生じる。
【００３９】
移相回路部６２の出力側に設けた波形整形部６４は、移相回路部６２の出力信号を波形整形し、矩形波を出力する。波形整形部６４の出力した矩形波は、発振部５２の出力側の波形整形部５５の出力した矩形波とともに乗算器５６に入力される。乗算器５６は、本実施形態では、排他的論理和回路すなわちＥｘ．ＯＲ（エクスクルーシブ・オア）ゲートから構成してある。したがって、乗算器５６は、波形整形部５５や波形整形部６４の出力信号のいずれか一方が「１」であって、他方が「０」のときに「１」を出力する。この乗算器５６の出力側には移相変化出力部５７が設けられている。移相変化出力部５７は、ローパスフィルター（積分回路）５８と微分回路５９とを有する。ローパスフィルター５８は、乗算器５６の出力信号の平均値を出力する。微分回路５９は、ローパスフィルター５８の出力が入力され微分値を出力することでローパスフィルター５８が出力する値の変化を出力する。なお、ローパスフィルター５８と微分回路５９との接続順を入れ替えて乗算器５６の出力を微分回路に入力し、微分回路の出力をローパスフィルターに入力する構成としてもよい。
【００４０】
上記のように構成された本実施形態に係る加速度センサー５０の作用は次のとおりである。センサー素子１０に加速度が作用していない（印加されていない）状態で安定している場合、センサー素子１０のうちの発振部５２に含まれる第１振動片１５は、発振回路５４によって共振周波数ｆ0で励振されている。したがって、発振部５２は、周波数ｆ0の信号を出力する。この発振部５２の出力信号は、波形整形部５５に入力され、波形整形部５５によって矩形波にされ、乗算器５６に入力される。
【００４１】
また、発振部５２の出力信号の一部は、分割されて９０°移相部６０に入力される。９０°移相部６０は、例えば発振部５２の出力信号の位相を９０°遅らせて移相回路部６２に出力する。
【００４２】
センサー素子１０に加速度が作用していない状態で安定しているため、センサー素子１０のうちの移相回路部６２に含まれる第２振動片２５の共振周波数は、発振部５２の第１振動片１５の共振周波数ｆ0と同じである。このため、移相回路部６２は、９０°移相部６０の出力信号であるため、入力した信号の位相を変えることなくそのまま出力する。移相回路部６２の出力信号は、波形整形部６４に入力する。波形整形部６４は、移相回路部６２の出力信号を矩形波に波形整形して乗算器５６に入力する。
【００４３】
乗算器５６は、上記したようにＥＸ．ＯＲによって構成してあり、波形整形部５５の出力した矩形波と、波形整形部６４の出力した矩形波との排他的論理和を求めてローパスフィルター５８に向けて出力する。ローパスフィルター５８は、入力した矩形波信号の時間についての積分値を求めて微分回路５９に向けて出力する。
【００４４】
次に、センサー素子１０に任意の方向の加速度が作用したとする。このとき、センサー素子１０のうちの発振部５２の第１振動片１５には、印加される加速度の方向に応じて引張応力または圧縮応力が作用して共振周波数ｆ0が変化する。例えば、振動腕に引張応力が作用した場合は共振周波数が高く（ｆ0＋Δｆ）変化し、振動腕に圧縮応力が作用した場合は共振周波数が低く変化（ｆ0−Δｆ）する。このように共振周波数が変化した発振部５２の出力信号は波形整形部５５に入力され、矩形波に波形整形されてから乗算器５６に出力される。
一方、加速度が作用したことにより共振周波数の変化が生じた第１振動片１５の振動が、振動片連結部５を介して伝播される第２振動片２５（図１（ａ）を参照）の共振周波数（ｆ0）にも変化が生ずる。したがって、移相回路部６２は、９０°移相部からｆ0＋Δｆ、または、ｆ0−Δｆの信号が入力されることにより、出力信号の位相に比べて入力信号の位相が遅れ、または、早まるという振幅位相の変化が生じる。このような振幅位相が変化した移相回路部６２の出力信号は波形整形部６４に入力され、波形整形部６４で矩形波に波形整形されて乗算器に出力される。
【００４５】
上記のように、各波形整形部５５，６４の出力する矩形波が入力された乗算器５６は、その入力信号を矩形信号（矩形パルス）としてローパスフィルター５８に入力する。ローパスフィルター５８は、入力された矩形波信号（γ）の平均値を求め、それを電圧信号として微分回路５９に出力する。すなわち、ローパスフィルター５８は、発振部５２が出力した信号と、移相回路部６２が出力した信号との位相差の９０°からのずれ量に応じた信号を出力する。
【００４６】
ローパスフィルター５８から出力された電圧信号が入力された微分回路５９は、その電圧信号を時間で微分した値にして出力する。すなわち、移相回路部６２が出力した信号との位相差の９０°からのずれ量に応じた値の変化を出力する。このずれ量の変化は、移相角度が変化し始めにおいて加速度に対応するので、微分回路５９の出力によって加速度を求めることができる。
【００４７】
上記構成のセンサー素子１０、および、それを用いたセンサーとしての加速度センサー５０によれば、例えば、従来の２つの双音叉型振動片を用いたセンサーのように、各々の双音叉型振動片ごとに発振回路やカウンターなどを備える必要がなく、比較的簡便な回路を用いて加速度センサーを構成することができるので、低コストにて、消費電力が抑えられたセンサー（例えば加速度センサー５０）を提供することができる。
また、センサー素子１０は、水晶などの圧電体材料をエッチング加工することなどにより、少なくとも、駆動振動腕１６Ａ，１６Ｂを備えた第１振動片１５と、検出振動腕２６Ａ，２６Ｂを備えた第２振動片２５が同一材料により一体形成されているので、第１振動片１５と第２振動片２５の同様な温度特性を示すことから、温度特性がよく、検出精度の高いセンサー素子を提供することができる。
【００４８】
（センサーパッケージ）
次に、上記に説明したセンサーとしての加速度センサー５０に係るセンサーパッケージであって、センサー素子１０を収容するパッケージと、そのパッケージを気密に封止する蓋体とを有するセンサーパッケージの一実施形態について、以下、図面を参照しながら具体的に説明する。図５（ａ）は、センサーパッケージの一実施形態を上側からみた概略平面図、（ｂ）は、（ａ）のＢ−Ｂ線概略断面図である。なお、図５（ａ）では、センサーパッケージの内部の構造を説明する便宜上、パッケージ１３０の上部に接合されるリッド１４０（同図（ｂ）を参照）を取り外した状態を図示している。
図５において、センサーパッケージ１２０は、上記に説明したセンサー素子１０と、このセンサー素子１０を搭載した支持基板１５０と、これらセンサー素子１０および支持基板１５０を収容するパッケージ１３０と、パッケージ１３０上に接合される蓋体としてのリッド１４０と、を有している。
【００４９】
支持基板１５０の少なくとも一主面側には、支持基板１５０の深さ方向を切欠き、且つ支持基板１５０の主面の幅方向に直線上に細長く延びた構成の溝部１５５が形成されている。そして、センサー素子１０は、検出振動腕２６Ａ，２６Ｂの長手方向が、溝部１５５の延びる方向と直交するように、且つ、跨ぐように支持基板１５０上に配置され、第１固定部１２および第２固定部２２Ａ，２２Ｂが、支持基板１５０上の主面に設けられたマウント電極１５３と位置合わせされて、例えば導電性接着材９７を介して接着・固定されている。
パッケージ１３０は、平板状の第１層基板１３１上に、矩形環状の第２層基板１３２が積層されて構成されることにより、上面側に開口部を有した凹部が形成されている。パッケージ１３０の材質としては、例えば、セラミック、ガラスなどを用いることができる。
パッケージ１３０の凹部内には、センサー素子１０の入出力電極３４，３６，４４，４６と電気的に接続される複数の素子接続端子１３５または素子接続端子１３６が設けられている。本実施形態では、パッケージ１３０の凹部の凹底部分となる第１層基板１３１上に、センサー素子１０の入出力電極のうち各第２固定部２２Ａ，２２Ｂの下側の面にそれぞれ設けられた入出力電極４４，４６との接続に供する素子接続端子１３５が設けられ、第２層基板１３２によってパッケージ１３０の凹部の段差上にセンサー素子１０の第１固定部に設けられた入出力電極３４，３６や、各第２固定部２２Ａ，２２Ｂの上側の面にそれぞれ設けられた入出力電極４４，４６とに導通される素子接続端子１３６が設けられている。
また、図示はしないが、パッケージ１３０の外底面となる第１層基板１３１の下側の面には、表面実装型の電子素子であるセンサーパッケージ１２０を外部基板に実装する際に用いる外部実装端子が設けられている。このように、パッケージ１３０に設けられた上記の各種端子は、対応する端子どうしが、図示しない引き回し配線やスルーホールなどの層内配線により電気的に接続されている。
【００５０】
パッケージ１３０の凹部にはセンサー素子１０を搭載した支持基板１５０が、例えば導電性接着剤９６を介して片持ち梁状態で接着・固定されるとともに、センサー素子１０の各入出力電極と、パッケージ１３０の対応する素子接続端子とが電気的に接続されている。具体的には、支持基板１５０における第２固定部２２Ａ，２２Ｂが固定された側の端部が加速度Ｇの方向に揺動されることが可能なように、パッケージ１３０内に支持基板１５０を片持ち梁状態で固定する。また、センサー素子１０の各第２固定部２２Ａ，２２Ｂの上側の面にそれぞれ設けられた入出力電極４４，４６、および、第１固定部１２の上側の面に設けられた入出力電極３４，３６と、パッケージ１３０の凹部内において第２層基板により形成された段差上に設けられた対応する素子接続端子１３６とが、ボンディングワイヤー９８を介して電気的に接続されている。
なお、センサーパッケージ１２０において、センサー素子１０は、第１振動片１５の各駆動振動腕１６Ａ，１６Ｂ、および、第２振動片２５の各検出振動腕２６Ａ，２６Ｂが、加速度Ｇの作用する方向に対して各検出振動腕２６Ａ，２６Ｂの並び方向と長手方向とが直交する方向となるように配置する。
【００５１】
図５（ｂ）に示すように、センサー素子１０が凹部内に収容されたパッケージ１３０の上端には、蓋体としてのリッド１４０が配置され、パッケージ１３０の開口部を封鎖している。リッド１４０の材質としては、例えば、４２アロイ（鉄にニッケルが４２％含有された合金）やコバール（鉄、ニッケルおよびコバルトの合金）等の金属、セラミックス、あるいはガラスなどを用いることができる。例えば、金属からなるリッド１４０は、コバール合金などを矩形環状に型抜きして形成されたシールリング１３９を介してシーム溶接することによりパッケージ１３０と接合される。
【００５２】
以上、説明したセンサーパッケージ１２０によれば、図４のセンサーとしての加速度センサー５０において、発振回路５４の第１振動片１５と、移相回路部（フィルター回路）６２の第２振動片２５とを表面実装型の一つの電子部品として提供することができるので、加速度センサー２０の小型化や、信頼性の向上を図ることができる。
なお、センサーパッケージには、センサー素子１０とともに、センサー素子１０の第１振動片１５を励振させる発振回路などを含む半導体回路素子（ＩＣチップ）を収容する構成としてもよい。このようにすれば、加速度センサー２０のさらなる小型化を図ることができる。
【００５３】
（変形例１）
上記実施形態のセンサー素子１０では、第２振動片２５の第２基部２１が、第２振動片２５の有する検出振動腕２６Ａ，２６Ｂに専用の基部であり、その第２基部２１が、第１振動片１５の一対の第１基部のうちの一方の第１基部と振動片連結部５を介して連結されている構成を説明した。これに限らず、第２振動片の第２基部が、第１振動片の一対の第１基部のうちの一方の第１基部を共有してなる構成としてもよい。
図７は、第２振動片の基部（第２基部）が、第１振動片の一対の第１基部のうちの一方の第１基部を共有してなるセンサー素子の変形例を説明する概略平面図である。なお、本変形例において、上記実施形態のセンサー素子１０と同じ構成については同一符号を付して詳細な説明は省略する。また、本変形例のセンサー素子の第１振動片の振動腕に設けられる励振電極や、第２振動片の振動腕に設けられる検出電極、あるいは、励振電極や検出電極から引き出される入出力電極などの電極の構成は、上記実施形態のセンサー素子１０と同様の構成となるため図示および詳細な説明を省略する。
【００５４】
図７において、本変形例のセンサー素子８０は、一対の略矩形状の第１基部１１Ａ，１１Ｂ’間に平行に架け渡された２本の駆動振動腕１６Ａ，１６Ｂを有する第１振動片１５を有している。また、一対の第１基部１１Ａ，１１Ｂ’のうち、一方の第１基部１１Ｂ’から、駆動振動腕１６Ａ，１６Ｂを挟んだ両側には、駆動振動腕１６Ａ，１６Ｂの延出方向と平行な方向に延びる検出振動腕８６Ａ，８６Ｂが形成されている。この、一方の第１基部１１Ｂ’と、検出振動腕８６Ａ，８６Ｂとにより、第２振動片８５が構成される。すなわち、本変形例の第２振動片８５では、第１振動片１５の一対の第１基部１１Ａ，１１Ｂ’のうちの一方の第１基部１１Ｂ’を、検出振動腕８６Ａ，８６Ｂの基部となる第２基部を共有してなる構成となっているとともに、その第２基部を兼ねる一方の第１基部１１Ｂ’から、駆動振動腕１６Ａ，１６Ｂと検出振動腕８６Ａ，８６Ｂとが同一方向に延出されている。
なお、本変形例のセンサー素子８０において、第２振動片８５の２つの検出振動腕８６Ａ，８６Ｂは、第１振動片１５の２つの駆動振動腕１６Ａ，１６Ｂの延びる方向の中心線に対して線対称に配置されている。このように、検出振動腕８６Ａ，８６Ｂが駆動振動腕１６Ａ，１６Ｂに対してバランスよく配置されることにより、センサー素子８０による加速度などの力の検出の感度を向上させることができる。
【００５５】
前記一方の第１基部１１Ａには、第１固定部側連結部１９を介して第１固定部１２が連結され、他方の第１基部１１Ｂ’の駆動振動腕１６Ａ，１６Ｂおよび検出振動腕８６Ａ，８６Ｂが延出された端部とは反対側の端部には、第２固定部側連結部８９を介して第２固定部８２が連結されている。
なお、第２固定部は、上記実施形態の第２固定部２２Ａ，２２Ｂと同じように、第２固定部側連結部８９の第１基部（第２基部を兼ねる）１１Ｂ’と接続された端部と直交する方向の両端部から延出させて設けた一対の第２固定部側連結部の先端部にそれぞれ設ける構成としてもよい。
【００５６】
この変形例のセンサー素子８０の構成によれば、第２振動片８５の第２基部を兼ねた一方の第１基部１１Ｂ’の同じ端部から、駆動振動腕１６Ａ，１６Ｂと検出振動腕８６Ａ，８６Ｂとが同一方向に延出されることから、センサー素子８０の長手方向（駆動振動腕および検出振動腕の延出方向）の小型化が図られるので、センサー（例えば加速度センサー）の小型化に寄与することができる。
【００５７】
以上、発明者によってなされた本発明の実施の形態について具体的に説明したが、本発明は上記した実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々の変更を加えることが可能である。
【００５８】
例えば、上記実施形態のセンサー素子１０の第２振動片２５、および、上記変形例のセンサー素子８０の第２振動片８５では、一対（２本）の検出振動腕２６Ａ，２６Ｂまたは検出振動腕８６Ａ，８６Ｂを有する構成としたが、一つの検出振動腕を設ける構成としてもよい。
【００５９】
また、上記実施形態で説明したセンサー素子１０は、水晶を用いて一体形成した例を説明した。これに限らず、水晶以外に、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ3）、タンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ3）、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）、四ほう酸リチウム（Ｌｉ2Ｂ4Ｏ7）などの酸化物基板や、ガラス基板上に窒化アルミニウム、五酸化タンタル（Ｔａ2Ｏ5）などの薄膜圧電材料を積層させて構成された他の圧電材料からなる圧電振動片（第１振動片および第２振動片）を用いることもできる。
また、圧電体材料からなる圧電振動片の他のほかに、例えばシリコンからなる振動片を用いて、第１振動片および第２振動片を備えたセンサー素子を構成することもできる。
【符号の説明】
【００６０】
５…振動片連結部、１０…センサー素子、１１Ａ，１１Ｂ…（一対の）第１基部、１２…第１固定部、１５…第１振動片、１６Ａ，１６Ｂ…駆動振動腕、１９…第１固定部側連結部、２０…加速度センサー、２１…第２基部、２２Ａ，２２Ｂ，８２…第２固定部、２５，８５…第２振動片、２６Ａ，２６Ｂ，８６Ａ，８６Ｂ…検出振動腕、２９Ａ，２９Ｂ，８９…第２固定部側連結部、３４，３６，４４，４６…入出力電極、３４ａ〜３４ｃ，３６ａ〜３６ｃ…励振電極、４４ａ，４６ａ…検出電極、４７ａ…接続電極、５０…センサーとしての加速度センサー、５２…発振部、５４…発振回路、５５，６４…波形整形部、５６…乗算器、５７…移相変化出力部、５８…ローパスフィルター、５９…微分回路、６０…９０°移相部、６２…移相回路部、６４…波形整形部、８０…センサー素子、９６，９７…導電性接着剤、９８…ボンディングワイヤー、１２０…センサーパッケージ、１３０…パッケージ、１３１…第１層基板、１３２…第２層基板、１３５，１３６…素子接続端子、１３９…シールリング、１４０…リッド、１５０…支持基板、１５３…マウント電極、１５５…溝部。
【図１】
2012026740.tif 000003
【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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