(57)【要約】【課題】加速度検出感度、加速度検出精度が高い加速度センサー及び加速度検出装置の提供。【解決手段】加速度センサー１は、加速度検出素子１０と、加速度検出素子１０を支持する第１支持面５ａ及び第２支持面７ａを有した支持基板４と、を備え、加速度検出素子１０は、加速度検出部２０と、第１被固定部１４ａ及び第２被固定部１４ｃと、加速度検出部２０に第１被固定部１４ａ及び第２被固定部１４ｃを夫々連結する第１ないし第４の梁１２ａ〜１２ｄと、を備え、支持基板４は、固定側の第１基板片５と、可動側の第２基板片７と、第１基板片５と第２基板片７とを連結する蝶番部８と、を備え、加速度検出部２０は、長手方向が検出軸９方向と直交する方向に沿って延び、且つ短手方向中心部が蝶番部８の短手方向の範囲と重なり、第２基板片７は、蝶番部８の長手方向に沿った長さＬ１が蝶番部８の短手方向に沿った長さＬ２よりも長い。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
加速度検出素子と、該加速度検出素子を支持する第１支持面及び第２支持面を有した支持基板と、を備え、
前記加速度検出素子は、検出軸方向の力に応じた電気信号を生成する加速度検出部と、前記加速度検出部を前記支持基板で支持するために前記第１支持面及び前記第２支持面に夫々固定される第１被固定部及び第２被固定部と、前記加速度検出部に前記第１被固定部及び前記第２被固定部を夫々連結する第１ないし第４の梁と、を備え、
前記支持基板は、前記第１被固定部が固定される前記第１支持面を有する固定側の第１基板片と、該第１基板片と並んで配置され、前記第２被固定部が固定される前記第２支持面を有する可動側の第２基板片と、前記第１基板片と前記第２基板片との互いに対向する側面間を連結して前記第２基板片を厚さ方向へ揺動させる蝶番部と、を備え、
前記加速度検出部は、長手方向が、前記検出軸方向と直交する方向である前記蝶番部の長手方向に沿い、且つ短手方向中心部が、前記蝶番部の短手方向の範囲と重なるように、前記第１支持面及び前記第２支持面から空隙を有して配置され、
前記第１の梁は、前記第１被固定部と前記加速度検出部の長手方向一端部とを連結し、前記第２の梁は、前記第１被固定部と前記加速度検出部の長手方向他端部とを連結し、前記第３の梁は、前記第２被固定部と前記加速度検出部の長手方向一端部とを連結し、前記第４の梁は、前記第２被固定部と前記加速度検出部の長手方向他端部とを連結し、
前記支持基板の前記第２基板片は、前記蝶番部の長手方向に沿った長さが、前記蝶番部の短手方向に沿った長さよりも長いことを特徴とする加速度センサー。
【請求項２】
請求項１に記載の加速度センサーにおいて、前記第２基板片の前記第２支持面及び前記第２支持面の反対側の面の少なくとも一方には、質量部が配置されていることを特徴とする加速度センサー。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の加速度センサーにおいて、前記第１ないし第４の梁は、平面視で、夫々全長に渡って同一幅の帯状をなしていることを特徴とする加速度センサー。
【請求項４】
請求項１ないし請求項３のいずれか一項に記載の加速度センサーにおいて、前記第１基板片及び前記第２基板片と前記蝶番部とが一体で形成され、且つ前記第１基板片の前記第１支持面と前記第２基板片の前記第２支持面とが同一平面上にあることを特徴とする加速度センサー。
【請求項５】
請求項１ないし請求項４のいずれか一項に記載の加速度センサーにおいて、平面視で、前記加速度検出部の前記一端部及び前記他端部の短手方向の中心同士を結んだ中心線が、前記蝶番部の一端部及び他端部の短手方向の中心同士を結んだ中心線と重なることを特徴とする加速度センサー。
【請求項６】
請求項１ないし請求項５のいずれか一項に記載の加速度センサーにおいて、前記第１ないし第４の梁は、いずれも直線状であり、前記第１被固定部において前記第１の梁と前記第２の梁とのなす角度、及び前記第２被固定部において前記第３の梁と前記第４の梁とのなす角度は、夫々鈍角であることを特徴とする加速度センサー。
【請求項７】
請求項１ないし請求項５のいずれか一項に記載の加速度センサーにおいて、前記第１ないし第４の梁は、いずれも単一または複数の円弧が組み合わされた円弧状であり、前記第１の梁と前記第２の梁、及び前記第３の梁と前記第４の梁は、夫々半円状または半楕円状に連結されていることを特徴とする加速度センサー。
【請求項８】
請求項１ないし請求項７のいずれか一項に記載の加速度センサーにおいて、前記第１被固定部の少なくとも一部は、平面視で前記第１の梁と前記第２の梁との交差部から外側に突出し、前記第２被固定部の少なくとも一部は、平面視で前記第３の梁と第４の梁との交差部から外側に突出した構成を備えていることを特徴とする加速度センサー。
【請求項９】
請求項１ないし請求項８のいずれか一項に記載の加速度センサーにおいて、前記加速度検出部は、前記蝶番部の長手方向に沿って延びる少なくとも一以上の振動梁と、該振動梁の両端に接続された一対の基部と、を備えたことを特徴とする加速度センサー。
【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ーと、
前記加速度センサーの加速度検出素子を励振する発振回路と、
前記発振回路の出力周波数をカウントするカウンターと、
前記カウンターの信号を処理する演算回路を有するＩＣと、
を備えたことを特徴とする加速度検出装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、加速度センサー及び加速度検出装置に関し、特に加速度が加えられたときに生じる力の方向を変換すると共に、この力を増大させるように改善した加速度センサー、及び加速度検出装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
圧電振動素子を使用し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、フレーム状の平行四辺形枠の一方の対角に双音叉型圧電振動素子を接合し、他方の対角に圧縮力、または伸長力を加える構成の加速度計及び製造方法が開示されている。
【０００３】
ここで、従来（特許文献１）の加速度計について図を用いて説明する。なお、図６は、従来の加速度計の概略構成を示す模式断面図。図７は、従来の加速度計の中央素子の構成を示す模式図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は断面図。図８は、従来の加速度計のトランスジューサー素子の構成を示す模式平面図である。
【０００４】
図６に示すように、加速度計は、検知軸（検出軸）１１９に沿って可動するマス１１６が屈曲部１１８によって支持体１１７に結合されるように構成されている。マス１１６と支持体１１７との間に接続された一対の力検知クリスタル１２１，１２２は、加えられた力に応じて周波数（共振周波数）が変動する。これらの力検知クリスタル１２１，１２２は、周波数発振器１２３，１２４で励振され、２つの周波数発振器１２３，１２４の信号が、加算回路１２６に入力され、２つの周波数の差に対応した出力信号を出力する。
【０００５】
加速度計は、水晶（石英結晶）などで形成された５つのディスク状素子が、検知軸１１９に沿って互いに積層されて構成されている。即ち、加速度計は、図７に示す中央素子１２７と、中央素子１２７の両側に配置される図８に示す一対のトランスジューサー素子１２８と、これらトランスジューサー素子１２８の両外側の一対の蓋（図示せず）と、を有している。
図７に示すように、中央素子１２７は、固定部１３４と、質量を有する可動部（震性マス）１３３とを備えている。可動部１３３は、検知軸１１９（図６参照）に対して垂直に延びた丁番軸１３７の回りに可動できるように、一対の屈曲部１３６によって固定部１３４に取りつけられている。可動部１３３と固定部１３４とは、固定部１３４が取りつけられる載置リング１３９の内部に配置される。隔離リング１４１はこの載置リング１３９の外側に同心状に配置されており、フレキシブルなアーム１４２が、載置リング１３９と隔離リング１４１とを接続している。なお、中央素子１２７は、これらが一体構造として形成されている。
【０００６】
図８に示すように、トランスジューサー素子１２８は、載置リング１４６を有し、この載置リング１４６の内側には、力検知素子（力検知クリスタル）１４７と結合プレート１４８とが配置される。力検知素子１４７は、４つのリンク１５２から成る四辺形フレーム１４９の一方の相対する対角に双音叉型圧電振動素子１５１を連接し、他方の相対する対角にパッド１５４，１５６を備えている。一方のパッド１５４は、結合プレート１４８と一体的に形成され、他方のパッド１５６は、載置リング１４６と一体的に形成されている。
２つのトランスジューサー素子１２８の各結合プレート１４８は、図７の中央素子１２７の可動部１３３の両主表面１３８と接着剤によって結合され、トランスジューサー素子１２８の載置リング１４６は、接着剤によって中央素子１２７の載置リング１３９に接合される。
【０００７】
図示しない２個の蓋は、その一方の側に窪みを有した円形に形成され、密閉構造となるが、内部にガスを入れ制動プレートとしても機能する。窪みは各トランスジューサー素子１２８に面しており、蓋の外周部は接着剤によってトランスジューサー素子１２８の載置リング１４６に接合されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特許第２８５１５６６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、特許文献１に開示されている加速度計は、１つの中央素子１２７と、２つのトランスジューサー素子１２８と、２つの蓋を用いて構成され、部品点数が極めて多いという問題があった。更に、中央素子１２７及びトランスジューサー素子１２８は極めて複雑な構造をしており、これらの素子の歩留まりも低いことが想定され、組み立てられた加速度計の調整に多くの工数を要する虞もあり、加速度計のコストも極めて高価になるという問題があった。
また、上記加速度計は、内部に制動用のガスが封入されているので、トランスジューサー素子１２８の双音叉型圧電振動素子１５１のＱ値が劣化し、励振しづらくなり加速度検出感度が低下するという問題があった。
また、上記加速度計は、可動部１３３の形状によっては、加速度検出時に可動部１３３が外部の振動源と共振してしまい、誤検出や、加速度検出精度などの加速度検出特性が低下するという問題があった。
本発明の目的は、構造が単純で加速度検出感度、加速度検出精度が高く、製造コストの低減が可能な加速度センサー（加速度計）、及び加速度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】
【００１０】
本発明は、上記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。
【００１１】
［適用例１］本適用例にかかる加速度センサーは、加速度検出素子と、該加速度検出素子を支持する第１支持面及び第２支持面を有した支持基板と、を備え、前記加速度検出素子は、検出軸方向の力に応じた電気信号を生成する加速度検出部と、前記加速度検出部を前記支持基板で支持するために前記第１支持面及び前記第２支持面に夫々固定される第１被固定部及び第２被固定部と、前記加速度検出部に前記第１被固定部及び前記第２被固定部を夫々連結する第１ないし第４の梁と、を備え、前記支持基板は、前記第１被固定部が固定される前記第１支持面を有する固定側の第１基板片と、該第１基板片と並んで配置され、前記第２被固定部が固定される前記第２支持面を有する可動側の第２基板片と、前記第１基板片と前記第２基板片との互いに対向する側面間を連結して前記第２基板片を厚さ方向へ揺動させる蝶番部と、を備え、前記加速度検出部は、長手方向が、前記検出軸方向と直交する方向である前記蝶番部の長手方向に沿い、且つ短手方向中心部が、前記蝶番部の短手方向の範囲と重なるように、前記第１支持面及び前記第２支持面から空隙を有して配置され、前記第１の梁は、前記第１被固定部と前記加速度検出部の長手方向一端部とを連結し、前記第２の梁は、前記第１被固定部と前記加速度検出部の長手方向他端部とを連結し、前記第３の梁は、前記第２被固定部と前記加速度検出部の長手方向一端部とを連結し、前記第４の梁は、前記第２被固定部と前記加速度検出部の長手方向他端部とを連結し、前記支持基板の前記第２基板片は、前記蝶番部の長手方向に沿った長さが、前記蝶番部の短手方向に沿った長さよりも長いことを特徴とする。
【００１２】
これによれば、加速度センサーは、支持基板が固定側の平板状の第１基板片と、可動側の平板状の第２基板片と、両者を連結する蝶番部とを備えている。そして、加速度センサーは、加速度検出素子が、第１ないし第４の梁によって、例えば、略平行四辺形のフレーム部を形成し、その一方の対角に第１被固定部及び第２被固定部を有し、他方の対角に加速度検出部が連結された構成である。
これらのことから、加速度センサーは、支持基板及び加速度検出素子とも、例えば、平板状の圧電基板を用いて、フォトリソグラフィー技術、エッチング技術を適用して寸法精度の良い支持基板及び加速度検出素子を形成することができ、これらを用いて小型で低コストの加速度センサーを量産することが可能になる。
加えて、加速度センサーは、第１ないし第４の梁が形成するフレーム部が加速度印加により生じる力の方向を９０度変換すると共に、力を増大するように作用するので、小さい加速度も検出でき（高感度）、検出精度が高い加速度センサーを提供することができる。
【００１３】
また、加速度センサーは、支持基板の第２基板片における蝶番部の長手方向に沿った長さが、蝶番部の短手方向に沿った長さよりも長いことから、上記と寸法関係が逆の構成の支持基板と比較して、第２基板片の共振周波数を高くすることができる。
この結果、加速度センサーは、加速度検出時に第２基板片が外部の振動源と共振し難くなり、誤検出や、加速度検出精度などの加速度検出特性の低下を回避することができる。
【００１４】
［適用例２］上記適用例にかかる加速度センサーにおいて、前記第２基板片の前記第２支持面及び前記第２支持面の反対側の面の少なくとも一方には、質量部が配置されていることが好ましい。
【００１５】
これによれば、加速度センサーは、第２基板片の第２支持面及び第２支持面の反対側の面の少なくとも一方には、質量部が配置されていることから、第２基板片の質量（慣性力）を増大させることができる。
この結果、加速度センサーは、加速度検出時の感度を向上させることができる。
【００１６】
［適用例３］上記適用例にかかる加速度センサーにおいて、前記第１ないし第４の梁は、平面視で、夫々全長に渡って同一幅の帯状をなしていることが好ましい。
【００１７】
これによれば、加速度センサーは、第１ないし第４の梁が、平面視で（第１支持面及び第２支持面と直交する方向から見て）、夫々全長に渡って同一幅の帯状をなしていることから、加速度印加により生じる力の伝達効率がよく、小さい加速度を感度よく検出することが可能となる。
【００１８】
［適用例４］上記適用例にかかる加速度センサーにおいて、前記第１基板片及び前記第２基板片と前記蝶番部とが一体で形成され、且つ前記第１基板片の前記第１支持面と前記第２基板片の前記第２支持面とが同一平面上にあることが好ましい。
【００１９】
これによれば、加速度センサーは、第１基板片及び第２基板片と蝶番部とが一体で形成され、第１基板片の第１支持面と第２基板片の第２支持面とが同一平面上にあることから、第１基板片及び第２基板片と蝶番部とを、フォトリソグラフィー技術及びエッチング技術を用いて、例えば、圧電基板から一体で精度よく形成できる。
この結果、加速度センサーは、検出感度及び検出精度を向上させることができる。
また、加速度センサーは、上記技術を用いれば、第１基板片の第１支持面と第２基板片の第２支持面とを同一平面上にすることは容易であることから、支持基板と加速度検出素子との接着による歪を最小にでき、製造の歩留まり及び加速度検出精度を向上させることができる。
【００２０】
［適用例５］上記適用例にかかる加速度センサーにおいて、平面視で、前記加速度検出部の前記一端部及び前記他端部の短手方向の中心同士を結んだ中心線が、前記蝶番部の一端部及び他端部の短手方向の中心同士を結んだ中心線と重なることが好ましい。
【００２１】
これによれば、加速度センサーは、平面視で、加速度検出部の一端部及び他端部の短手方向の中心同士を結んだ中心線が、蝶番部の一端部及び他端部の短手方向の中心同士を結んだ中心線と重なることから、加速度検出素子の加速度検出感度を最もよくすることができる（換言すれば、同一の加速度が印加された場合における加速度検出部の周波数変化量を最も大きくすることができる）。
なお、この構成は、発明者らの有限要素法を用いたシミュレーションによって得られた知見に基づくものである。
【００２２】
［適用例６］上記適用例にかかる加速度センサーにおいて、前記第１ないし第４の梁は、いずれも直線状であり、前記第１被固定部において前記第１の梁と前記第２の梁とのなす角度、及び前記第２被固定部において前記第３の梁と前記第４の梁とのなす角度は、夫々鈍角であることが好ましい。
【００２３】
これによれば、加速度センサーは、第１被固定部において第１の梁と第２の梁とのなす角度、及び第２被固定部において第３の梁と前記第４の梁とのなす角度が、夫々鈍角であることから、第１の梁と第３の梁とのなす角度、及び第２の梁と第４の梁とのなす角度が鋭角になり、第２基板片に加わる力の方向を９０度変換し、且つ力の大きさを増大させることができる。
【００２４】
［適用例７］上記適用例にかかる加速度センサーにおいて、前記第１ないし第４の梁は、いずれも単一または複数の円弧が組み合わされた円弧状であり、前記第１の梁と前記第２の梁、及び前記第３の梁と前記第４の梁とは、夫々半円状または半楕円状に連結されていることが好ましい。
【００２５】
これによれば、加速度センサーは、第１の梁と第２の梁、及び第３の梁と第４の梁とが、夫々半円状または半楕円状に連結されていることから、第２基板片に加わる力の方向を９０度変換し、且つ力の大きさを増大させることができる。
【００２６】
［適用例８］上記適用例にかかる加速度センサーにおいて、前記第１被固定部の少なくとも一部は、平面視で前記第１の梁と前記第２の梁との交差部から外側に突出し、前記第２被固定部の少なくとも一部は、平面視で前記第３の梁と第４の梁との交差部から外側に突出した構成を備えていることが好ましい。
【００２７】
これによれば、加速度センサーは、第１被固定部の一部が、第１の梁と第２の梁との交差部から外側に突出し、第２被固定部の一部が、第３の梁と第４の梁との交差部から外側に突出した構成を備えていることから、加速度印加時に第２基板片に加わる力を各梁に均等に伝達することができる。
【００２８】
［適用例９］上記適用例にかかる加速度センサーにおいて、前記加速度検出部は、前記蝶番部の長手方向に沿って延びる少なくとも一以上の振動梁と、該振動梁の両端に接続された一対の基部と、を備えたことが好ましい。
【００２９】
これによれば、加速度センサーは、加速度検出部が蝶番部の長手方向に沿って延びる少なくとも一以上の振動梁と、該振動梁の両端に接続された一対の基部と、を備えたことから、例えば、加わる加速度による第２基板片の変位に応じて振動梁が伸縮し、この際に生じる引張り力、圧縮力による振動梁の振動周波数の変化を加速度に変換するというシンプルな構成が可能となる。
【００３０】
［適用例１０］本適用例にかかる加速度検出装置は、適用例１ないし適用例９のいずれか一例に記載の加速度センサーと、前記加速度センサーの加速度検出素子を励振する発振回路と、前記発振回路の出力周波数をカウントするカウンターと、前記カウンターの信号を処理する演算回路を有するＩＣと、を備えたことを特徴とする。
【００３１】
これによれば、加速度検出装置は、上記適用例１ないし適用例９のいずれか一例に記載の加速度センサーを備えたことから、上記適用例１ないし適用例９のいずれか一例に記載された効果（例えば、加速度検出感度の向上）を奏する加速度検出装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】第１実施形態の加速度センサー１の概略構成を示す模式図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）はＡ−Ａ線における断面図。
【図２】双音叉型圧電振動素子を説明する模式図であり、（ａ）は振動モードの平面図、（ｂ）は振動腕に形成された励振電極と、ある瞬間に発生する電荷の符号を示す平面図、（ｃ）は振動腕の短手方向に沿った断面図兼励振電極の結線図。
【図３】第１ないし第４の梁が形成するフレーム部の作用を説明する模式図。
【図４】（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は、加速度センサーの支持基板の蝶番部と、加速度検出素子と、の相互の位置関係を示した要部平面図。
【図５】第２実施形態の加速度検出装置の構成を示すブロック図。
【図６】従来の加速度計の概略構成を示す模式断面図。
【図７】従来の加速度計の中央素子の構成を示す模式図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）はＱ−Ｑ線における断面図。
【図８】従来の加速度計のトランスジューサー素子の構成を示す模式平面図。
【発明を実施するための形態】
【００３３】
以下、本発明を具体化した実施形態について図面を参照して説明する。
【００３４】
（第１実施形態）
最初に、加速度センサーの一例について説明する。
図１は、第１実施形態の加速度センサー１の概略構成を示す模式図であり、図１（ａ）は平面図、図１（ｂ）はＡ−Ａ線における断面図である。なお、各構成要素の寸法比率は実際と異なる。
【００３５】
図１に示すように、加速度センサー１は、加速度検出素子１０と、加速度検出素子１０を支持する第１支持面５ａ及び第２支持面７ａを有した支持基板４と、を備えている。
加速度検出素子１０は、図１（ｂ）に示す検出軸９方向の力に応じた電気信号を生成する加速度検出部２０と、加速度検出部２０を支持基板４で支持するために、第１支持面５ａ及び第２支持面７ａに夫々固定される第１被固定部１４ａ及び第２被固定部１４ｃと、加速度検出部２０に対して第１被固定部１４ａ及び第２被固定部１４ｃを夫々連結する第１ないし第４の梁１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄと、を備えている。
【００３６】
図１（ｂ）に示すように、支持基板４は、固定する側の第１基板片５と、可動する側の第２基板片７と、第１基板片５と第２基板片７とを連結する蝶番部８と、を備えている。つまり、支持基板４は、加速度検出素子１０の第１被固定部１４ａが固定される第１支持面５ａを有する固定側の第１基板片５と、第１基板片５に並んで配置され、第２被固定部１４ｃが固定される第２支持面７ａを備えた可動側の第２基板片７と、第１基板片５と第２基板片７との互いに対向する側面間を連結して第２基板片７を厚さ方向（検出軸９方向）へ揺動させる蝶番部８と、を備えている。
【００３７】
蝶番部８は、第１基板片５及び第２基板片７の厚さより薄く形成され、第２基板片７が蝶番部８から撓むように構成されている。蝶番部８の断面形状は矩形状、台形状、円弧状などであり、第１基板片５及び第２基板片７の厚さ方向の略中央部に形成されている。
第１基板片５及び第２基板片７と蝶番部８とは、一体的に形成され、且つ第１基板片５の第１支持面５ａと第２基板片７の第２支持面７ａとが同一平面上にある。
【００３８】
第２基板片７は、蝶番部８の長手方向（紙面上下方向）に沿った長さＬ１が、蝶番部８の短手方向（紙面左右方向、第１基板片５と第２基板片７とを結ぶ方向）に沿った長さＬ２よりも長くなるように形成されている。
そして、第２基板片７の第２支持面７ａ及び第２支持面７ａの反対側の面７ｂの少なくとも一方（ここでは両方）には、第２基板片７の自由端（蝶番部８のない側）寄りに一対の略直方体形状をした質量部４０が配置されている。
質量部４０には、例えば、Ｃｕ、Ａｕなどの金属に代表される比較的比重の大きい材料が用いられている。
質量部４０は、図示しない接着剤などにより第２基板片７に固定されている。なお、接着剤には、耐衝撃性に優れたシリコーン系接着剤が好ましく、熱応力抑制の観点から、接着箇所は一箇所とし、接着範囲は、所定の接着強度を確保しつつ、より狭い範囲とすることが好ましい。
【００３９】
加速度センサー１は、このように分割された２つの質量部４０の代わりに、２つの質量部４０が一体となった状態の質量部を用いても構わない。しかしながら、この場合は、接着強度の観点から質量部と第２基板片７との接着箇所を複数個所にすることが好ましい。
したがって、加速度センサー１は、熱応力抑制の観点からみれば、上述のように、分割された２つの質量部４０を用いて、それぞれを第２基板片７と一箇所で接着（固定）した方が好ましいこととなる。
【００４０】
加速度検出素子１０の第１ないし第４の梁１２ａ〜１２ｄは、フレーム状の平行四辺形、または菱形を構成しており（以下、フレーム部１２という）、一方の対角部に第１被固定部１４ａ及び第２被固定部１４ｃが配置され、他方の対角部に第１基台部１４ｂ及び第２基台部１４ｄが配置されている。
詳述すると、フレーム部１２の第１の梁１２ａは、第１被固定部１４ａと第１基台部１４ｂとを連結し、第２の梁１２ｂは、第１被固定部１４ａと第２基台部１４ｄとを連結している。更に、第３の梁１２ｃは、第２被固定部１４ｃと第１基台部１４ｂとを連結し、第４の梁１２ｄは、第２被固定部１４ｃと第２基台部１４ｄとを連結している。
これにより、加速度検出素子１０の第１ないし第４の梁１２ａ〜１２ｄは、フレーム状の平行四辺形を構成していることになる。
加速度検出素子１０の第１被固定部１４ａ及び第２被固定部１４ｃは、夫々支持基板４の第１支持面５ａ及び第２支持面７ａに固定され、第２基板片７の揺動を第１ないし第４の梁１２ａ〜１２ｄを介して加速度検出部２０に伝達するように構成されている。
【００４１】
第１ないし第４の梁１２ａ〜１２ｄは、いずれも直線状であり、第１被固定部１４ａにおいて第１の梁１２ａと第２の梁１２ｂとのなす角度、及び第２被固定部１４ｃにおいて第３の梁１２ｃと第４の梁１２ｄとのなす角度は、夫々鈍角であるように構成されている。
つまり、第１基台部１４ｂにおける第１の梁１２ａと第３の梁１２ｃとのなす角度θと、第２基台部１４ｄにおける第２の梁１２ｂと第４の梁１２ｄとのなす角度θと、が鋭角であるフレーム部１２は、第１被固定部１４ａ及び第２被固定部１４ｃに加わる力の方向を９０度変換し、力の大きさを増大して加速度検出部２０に加える働きをする。なお、角度θの値により力の増大率は変化する。
また、第１ないし第４の梁１２ａ〜１２ｄは、平面視において（第１支持面５ａ及び第２支持面７ａと直交する方向から見て）、夫々全長に渡って同一幅の細幅帯状をなしている。
【００４２】
加速度検出部２０は、フレーム部１２の第１基台部１４ｂ及び第２基台部１４ｄに、夫々第１支持片２６ａ及び第２支持片２６ｂにより連結され、フレーム部１２と一体となり、加速度検出素子１０を構成している。
加速度検出部２０は、加速度センサー１の検出軸９方向と直交する方向へ延びる細長い構成であり、加速度検出素子１０の第１被固定部１４ａ及び第２被固定部１４ｃを、支持基板４の第１支持面５ａ及び第２支持面７ａに接着剤３０を用いて固定する際に、加速度検出部２０の短手方向中心部が、支持基板４の蝶番部８の短手方向の範囲と重なるように、蝶番部８の長手方向に沿って第１支持面５ａ及び第２支持面７ａから空隙を有して配置されている。
なお、本実施形態では、平面視で、加速度検出部２０の一端部及び他端部の短手方向の中心同士を結んだ中心線２０ｃが、蝶番部８の一端部及び他端部の短手方向の中心同士を結んだ中心線８ｃと重なるように配置されている。
第１被固定部１４ａの少なくとも一部は、平面視で、第１及び第２の梁１２ａ，１２ｂの交差部よりもフレーム部１２の外側に突出し、第２被固定部１４ｃの少なくとも一部は、平面視で、第３及び第４の梁１２ｃ，１２ｄの交差部よりもフレーム部１２の外側に突出するように構成されている。
【００４３】
加速度検出部２０は、例えば図１（ａ）に示すように、蝶番部８の長手方向に沿って延びる少なくとも一以上の振動梁としての一対の振動腕２２ａ，２２ｂと、振動腕２２ａ，２２ｂの両端に接続された一対の基部２４ａ，２４ｂと、を備えた双音叉型圧電振動素子が用いられている。
そして、加速度検出部２０は、長手方向一端部としての基部２４ａが、第１支持片２６ａ、第１基台部１４ｂを介して第１の梁１２ａと第３の梁１２ｃとに連結され、長手方向他端部としての基部２４ｂが、第２支持片２６ｂ、第２基台部１４ｄを介して第２の梁１２ｂと第４の梁１２ｄとに連結されている。
【００４４】
加速度検出部２０が、双音叉型圧電振動素子で構成されている場合について、図２を用いて簡単に説明する。なお、図２は、双音叉型圧電振動素子を説明する模式図であり、図２（ａ）は振動モードの平面図、図２（ｂ）は振動腕に形成された励振電極と、ある瞬間に発生する電荷の符号を示す平面図、図２（ｃ）は振動腕の短手方向に沿った断面図兼励振電極の結線図である。
双音叉型圧電振動素子２０は、図２（ａ）に示すような一対の基部２４ａ，２４ｂ及び基部２４ａ，２４ｂ間を連結する一対の振動腕２２ａ，２２ｂを備えた圧電基板からなる応力感応部と、圧電基板の振動領域に形成された励振電極と、を備えている。
図２（ａ）の破線は、双音叉型圧電振動素子２０の振動姿態を示している。双音叉型圧電振動素子２０は、一対の振動腕２２ａ，２２ｂの振動モードが、一対の振動腕２２ａ，２２ｂの長手方向に沿った中心軸に対して、互いに対称な振動モードで振動するように励振電極が配置されている。
【００４５】
双音叉型圧電振動素子２０として、例えば、圧電基板に水晶基板を用いた双音叉型水晶振動素子は、引張り（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、分解能力が優れてい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。
双音叉型水晶振動素子の周波数温度特性は、上に凸の二次曲線であり、その頂点温度は、水晶結晶のＸ軸（電気軸）回りの回転角度に依存する。一般的には頂点温度が常温（２５℃）になるように各パラメーターを設定する。
【００４６】
双音叉型水晶振動素子の一対の振動腕に外力Ｆを加えたときの共振周波数ｆFは、式（１）のように表わされる。
ｆF＝ｆ0（１−（ＫＬ2Ｆ）／（２ＥＩ））1/2………（１）
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は振動腕の長さ、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）は式（２）のように変形することができる。ここで、ｄは振動腕の厚さ、ｗは幅である。
ｆF＝ｆ0（１−ＳFσ）1/2………（２）
但し、応力感度ＳFと、応力σとはそれぞれ次式で表される。
ＳF＝１２（Ｋ／Ｅ）（Ｌ／ｗ）2………（３）
σ＝Ｆ／（２Ａ）………（４）
ここで、Ａは振動腕の断面積（＝ｗ・ｄ）である。
【００４７】
以上の式から双音叉型水晶振動素子に作用する力Ｆを圧縮方向のとき負、引張り方向（伸張方向）を正としたとき、力Ｆと共振周波数ｆFとの関係は、力Ｆが圧縮力のときは共振周波数ｆFが減少し、力Ｆが引張り力（伸張力）のときは共振周波数ｆFが増加することになる。また応力感度ＳFは、振動腕のＬ／ｗの２乗に比例することになる。
【００４８】
図１に示した加速度検出部２０は、上記の水晶基板を用いた双音叉型水晶振動素子に限らず、引張り・圧縮応力によって周波数が変化する振動素子であればどのような振動素子でもよい。例えば振動体に駆動部を接着した振動素子、シングルビーム振動素子、厚み滑り振動素子、ＳＡＷ振動素子などを用いることが可能である。
【００４９】
ここで、フレーム部１２の動作について、図３の第１ないし第４の梁が形成するフレーム部の作用を説明する模式図を用いて説明する。
第２被固定部１４ｃに−Ｘ軸方向（紙面左方向）の力（ベクトル）ｆａが、第１被固定部１４ａに＋Ｘ軸方向（紙面右方向）の力（ベクトル）ｆｂが、夫々作用するものとする。
−Ｘ軸方向の力ｆａは、ベクトルの平行四辺形の法則により、第３の梁１２ｃの延在方向の力ｆａ２と、第４の梁１２ｄの延在方向の力ｆａ１とに分解され、＋Ｘ軸方向の力ｆｂは、第１の梁１２ａの延在方向の力ｆｂ２と、第２の梁１２ｂの延在方向の力ｆｂ１とに分解される。
【００５０】
第２被固定部１４ｃ及び第１被固定部１４ａに作用するこれらの力ｆａ１，ｆａ２，ｆｂ１，ｆｂ２は、フレーム部１２の第１基台部１４ｂに、第３の梁１２ｃの延在方向の力ｆａ２と第１の梁１２ａの延在方向の力ｆｂ２とが作用し、第２基台部１４ｄに、第４の梁１２ｄの延在方向の力ｆａ１と第２の梁１２ｂの延在方向の力ｆｂ１とが作用するのと等価である。
第１基台部１４ｂに働く力ｆａ２とｆｂ２とを、平行四辺形の法則により合成すると力Ｆ２となる。同様に、第２基台部１４ｄに働く力ｆａ１とｆｂ１とを合成すると力Ｆ１となる。
フレーム部１２の第１被固定部１４ａ及び第２被固定部１４ｃに作用する力ｆａ，ｆｂは、第１基台部１４ｂ及び第２基台部１４ｄに作用する力Ｆ２，Ｆ１と等価である。つまり、フレーム部１２は、力の方向を９０度変換させると共に、力の大きさを増大させる機能を有している。
【００５１】
ここで、加速度センサー１の動作について説明する。
図１に戻って、加速度センサー１に検出軸９方向（Ｚ軸方向）であって、＋Ｚ軸方向の加速度αが印加されると、支持基板４の第２基板片７には力Ｆ（＝ｍ×α、ｍは第２基板片７の質量＋質量部４０の質量）が働き、この力Ｆ（実線矢印Ｆ）により第２基板片７は蝶番部８から−Ｚ軸方向に撓むことになる。
第２基板片７が−Ｚ軸方向に撓むと、図示しない外部部材に固定された第１基板片５に固定されている第１被固定部１４ａには、＋Ｘ軸方向の力が作用する。そして、第２基板片７に固定されている第２被固定部１４ｃには、−Ｘ軸方向の力が作用する。つまり、第１被固定部１４ａには、＋Ｘ軸方向の力ｆ（実線矢印ｆ）が作用し、第２被固定部１４ｃには、−Ｘ軸方向の力ｆ（実線矢印ｆ）が作用することになる。
図３で説明したように、フレーム部１２の第１被固定部１４ａ及び第２被固定部１４ｃに互いに逆向きで同じ大きさの力ｆが、Ｘ軸方向でフレーム部１２の外向きに働くと、第１基台部１４ｂ及び第２基台部１４ｄには、Ｙ軸方向で互いにフレーム部１２の中心部に向かう力Ｆ３，Ｆ４が働く。この力Ｆ３，Ｆ４により、加速度検出部２０には圧縮力が加わる。
加速度検出部２０が、例えば、双音叉型圧電振動素子の場合には、その周波数が減少する。
【００５２】
一方、加速度センサー１に−Ｚ軸方向の加速度αが印加されると、支持基板４の第２基板片７には力Ｆ（破線矢印Ｆ）が働き、この力Ｆにより第２基板片７は蝶番部８から＋Ｚ軸方向に撓むことになる。
第２基板片７が＋Ｚ軸方向に撓むと、第１基板片５に固定されている第１被固定部１４ａには、−Ｘ軸方向の力が作用する。そして、第２基板片７に固定されている第２被固定部１４ｃには、＋Ｘ軸方向の力が作用する。つまり、第１被固定部１４ａには、−Ｘ軸方向の力ｆ（破線矢印ｆ）が作用し、第２被固定部１４ｃには、＋Ｘ軸方向の力ｆ（破線矢印ｆ）が作用することになる。
フレーム部１２の第１被固定部１４ａ及び第２被固定部１４ｃに互いに逆向きで同じ大きさの力ｆが、Ｘ軸方向でフレーム部１２の内向きに働くと、第１基台部１４ｂ及び第２基台部１４ｄには、Ｙ軸方向で互いにフレーム部１２の外周部に向かう力Ｆ５，Ｆ６が働く。この力Ｆ５，Ｆ６により、加速度検出部２０には引張り力が加わる。
加速度検出部２０が、例えば、双音叉型圧電振動素子の場合には、その周波数が増加する。
このように、加速度センサー１は、加速度検出部２０の周波数の増減により加速度αの方向が検出でき、周波数の変化量から加速度αの大きさが検出できる。
【００５３】
図４（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は、加速度センサーの要部である支持基板の蝶番部と、第１基板片と第２基板片とに固定された加速度検出素子と、の相互の位置関係を示した要部平面図である。
図４（ａ）では、蝶番部８の中心線８ｃが、加速度検出素子１０の加速度検出部２０の中心線２０ｃに対して、紙面左側（第２被固定部１４ｃ側）にずれた状態を示している。
図４（ｂ）では、蝶番部８の中心線８ｃと、加速度検出部２０の中心線２０ｃとが重なっている（一致している）状態を示している。
図４（ｃ）では、蝶番部８の中心線８ｃが、加速度検出部２０の中心線２０ｃに対して、紙面右側（第１被固定部１４ａ側）にずれた状態を示している。
【００５４】
本実施形態では、発明者らが図４（ａ）、（ｂ）、（ｃ）の夫々の状態のセンサー感度（同一の力を加えた場合の周波数変化度、検出感度）を有限要素法を用いてシミュレーションした結果、図４（ｂ）の状態が、フレーム部１２の各梁に均等に応力が加わり、且つ蝶番部８の中央部に応力が集中し、センサー感度がもっとも大きいことが判明した。
また、図４（ａ）、（ｃ）の状態では、フレーム部１２の各梁に加わる応力は均等ではなく、且つ蝶番部８にかかる応力も中央部より端の方に分散し、センサー感度も小さくなることが判明した。
これに対し、特許文献１（特許第２８５１５６６号公報）の加速度計は、図８に示すように、丁番軸（蝶番の中心線）１３７と、双音叉型圧電振動素子１５１の中心線１５１ｃとが離れており、本実施形態の加速度センサー１とは、構成が大きく異なっている。
【００５５】
加速度センサー１の組み立ては、加速度検出素子１０の第１被固定部１４ａ及び第２被固定部１４ｃに、例えば、残留歪の少ない低融点ガラスなどの接着剤３０を塗布し、第１被固定部１４ａ及び第２被固定部１４ｃを、支持基板４の第１支持面５ａ及び第２支持面７ａに、接着固定する。加速度センサー１は、通常、密閉容器に収容され、内部を真空にして用いられる。
支持基板４及び加速度検出素子１０の製造方法の一例としては、平板状の圧電基板にフォトリソグラフィー技術、エッチング技術、蒸着技術を適用して製造する方法が挙げられる。圧電基板としては、水晶、タンタル酸リチウム、ニオブ酸リチウム、ランガサイトなどの圧電基板が挙げられる。例えば、水晶基板（水晶ウエハー）を用いる場合には、フォトリソグラフィー技術とエッチング技術については長年の実績があり、精度のよい加速度検出素子１０及び支持基板４の製造が容易に行える。
【００５６】
上述したように、加速度センサー１は、支持基板４が固定側の平板状の第１基板片５と、可動側の平板状の第２基板片７と、両者を連結する蝶番部８とを備えている。そして、加速度センサー１は、加速度検出素子１０が、第１ないし第４の梁１２ａ〜１２ｄによって略平行四辺形のフレーム部１２を形成し、その一方の対角部に第１被固定部１４ａ及び第２被固定部１４ｃを有し、他方の対角部に加速度検出部２０が連結された構成である。
これらのことから、加速度センサー１は、支持基板４及び加速度検出素子１０とも、例えば、平板状の圧電基板を用いて、フォトリソグラフィー技術、エッチング技術を適用して寸法精度の良い支持基板４及び加速度検出素子１０を形成することができ、これらを用いて小型で低コストの加速度センサーを量産することが可能になる。
加えて、加速度センサー１は、第１ないし第４の梁１２ａ〜１２ｄが形成するフレーム部１２が加速度印加により生じる力の方向を９０度変換すると共に、力を増大するように作用するので、小さい加速度でも検出でき（高感度）、検出精度が高い加速度センサー１を提供することができる。
【００５７】
また、加速度センサー１は、支持基板４の第２基板片７における蝶番部８の長手方向に沿った長さＬ１が、蝶番部８の短手方向に沿った長さＬ２よりも長いことから、上記と寸法関係が逆の構成の支持基板４と比較して、第２基板片７の共振周波数を高くすることができる。
この結果、加速度センサー１は、加速度検出時に第２基板片７が外部の振動源と共振し難くなり、誤検出や、加速度検出精度などの加速度検出特性の低下を回避することができる。
【００５８】
また、加速度センサー１は、第２基板片７の第２支持面７ａ及び第２支持面７ａの反対側の面７ｂには、質量部４０が配置されていることから、第２基板片７の質量が増加し、慣性力を増大させることができる。
この結果、加速度センサー１は、加速度検出時の感度を向上させることができる。
【００５９】
また、加速度センサー１は、平面視で、第１ないし第４の梁１２ａ〜１２ｄが、夫々全長に渡って同一幅の帯状をなしていることから、加速度印加により生じる力の伝達効率がよく、小さい加速度を感度よく検出することが可能となる。
【００６０】
また、加速度センサー１は、第１基板片５及び第２基板片７と蝶番部８とが一体で形成され、第１基板片５の第１支持面５ａと第２基板片７の第２支持面７ａとが同一平面上にあることから、第１基板片５及び第２基板片７と蝶番部８とを、フォトリソグラフィー技術及びエッチング技術を用いて、例えば、圧電基板から一体で精度よく形成できる。
この結果、加速度センサー１は、検出感度及び検出精度を向上させることができる。
また、加速度センサー１は、上記技術を用いれば、第１基板片５の第１支持面５ａと第２基板片７の第２支持面７ａとを同一平面上にすることが容易であることから、支持基板４と加速度検出素子１０との接着による歪を最小にでき、製造の歩留まり及び加速度検出精度を向上させることができる。
【００６１】
また、加速度センサー１は、加速度検出素子１０の加速度検出部２０の中心線２０ｃが、蝶番部８の中心線８ｃと重なっていることから、加速度検出素子１０の加速度検出感度を最もよくすることができる（換言すれば、同一の加速度が印加された場合における加速度検出部２０の周波数変化量を最も大きくすることができる）。
なお、この構成は、発明者らの有限要素法を用いたシミュレーションによって得られた知見に基づくものである。
【００６２】
また、加速度センサー１は、第１ないし第４の梁１２ａ〜１２ｄが、いずれも直線状であり、第１被固定部１４ａにおいて第１の梁１２ａと第２の梁１２ｂとのなす角度、及び第２被固定部１４ｃにおいて第３の梁１２ｃと第４の梁１２ｄとのなす角度が、夫々鈍角であることから、第１の梁１２ａと第３の梁１２ｃとのなす角度θ、及び第２の梁１２ｂと第４の梁１２ｄとのなす角度θが鋭角になり、第２基板片７に加わる力の方向を９０度変換し、且つ力の大きさを増大させることができる。
【００６３】
なお、本実施形態では、第１ないし第４の梁１２ａ〜１２ｄで構成されるフレーム部１２の形状が、平行四辺形の場合について説明したが、フレーム部１２は、この形状に限定されるものではない。
例えば、第１ないし第４の梁１２ａ〜１２ｄは、いずれも単一または複数の円弧が組み合わされた円弧状とし、第１の梁１２ａと第２の梁１２ｂ、及び第３の梁１２ｃと第４の梁１２ｄとは、夫々半円状、半楕円状に形成されていてもよい。
【００６４】
これによれば、加速度センサー１は、第１の梁１２ａと第２の梁１２ｂ、及び第３の梁１２ｃと第４の梁１２ｄとが、夫々半円状または半楕円状に連結されていることから、第２基板片７に加わる力の方向を９０度変換し、且つ力の大きさを増大させることができる。
【００６５】
また、加速度センサー１は、第１被固定部１４ａの少なくとも一部が、第１の梁１２ａと第２の梁１２ｂとの交差部から外側に突出し、第２被固定部１４ｃの少なくとも一部が、第３の梁１２ｃと第４の梁１２ｄとの交差部から外側に突出した構成を備えていることから、加速度印加時に第２基板片７に加わる力を各梁１２ａ〜１２ｄに均等に伝達することができる。
【００６６】
また、加速度センサー１は、加速度検出部２０が蝶番部８の長手方向に沿って延びる振動梁としての一対の振動腕２２ａ，２２ｂと、振動腕２２ａ，２２ｂの両端に接続された一対の基部２４ａ，２４ｂと、を備えたことから、例えば、加わる加速度による第２基板片７の変位に応じて振動腕２２ａ，２２ｂが伸縮し、この際に生じる引張り力、圧縮力による振動腕２２ａ，２２ｂの周波数の変化を加速度に変換するというシンプルな構成が可能となる。
【００６７】
（第２実施形態）
次に、第２実施形態の加速度検出装置の一例について説明する。
図５は第２実施形態の加速度検出装置の構成を示すブロック図である。
図５に示すように、加速度検出装置３は、第１実施形態の加速度センサー１と、加速度センサー１の加速度検出素子１０を励振する発振回路５１と、発振回路５１の出力周波数をカウントするカウンター５３と、カウンター５３の信号を処理する演算回路５５を有するＩＣ５０と、表示部５６と、を備えている。
【００６８】
上述したように、加速度検出装置３は、第１実施形態の加速度センサー１を備えたことから、第１実施形態に記載された効果（例えば、加速度検出感度や加速度検出精度の向上）を奏する加速度検出装置を提供することができる。
【符号の説明】
【００６９】
１…加速度センサー、３…加速度検出装置、４…支持基板、５…第１基板片、５ａ…第１支持面、７…第２基板片、７ａ…第２支持面、７ｂ…第２支持面の反対側の面、８…蝶番部、８ｃ…中心線、９…検出軸、１０…加速度検出素子、１２…フレーム部、１２ａ…第１の梁、１２ｂ…第２の梁、１２ｃ…第３の梁、１２ｄ…第４の梁、１４ａ…第１被固定部、１４ｂ…第１基台部、１４ｃ…第２被固定部、１４ｄ…第２基台部、２０…加速度検出部（双音叉型圧電振動素子）、２０ｃ…中心線、２２ａ，２２ｂ…振動梁としての振動腕、２４ａ…長手方向一端部としての基部、２４ｂ…長手方向他端部としての基部、２６ａ…第１支持片、２６ｂ…第２支持片、３０…接着剤、５０…ＩＣ、５１…発振回路、５３…カウンター、５５…演算回路、５６…表示部。
【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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