JP5888411B2 - 加速度センサ - Google Patents

Description

この発明は、片持ち梁状の振動部の先端に錘部を接続し、振動部を固有振動の共振周波数で振動させた状態で、錘部に加速度が印加されて生じる振動部の固有振動の共振周波数の変化から、加速度の大きさを検出する加速度センサに関する。

従来から、振動部の固有振動の共振周波数の変化を用いて加速度の大きさを検出する加速度センサが知られている。以下、従来の加速度センサについて説明する。

第１の従来例（例えば、特許文献１参照。）に係る加速度センサは、加速度センサ素子１０１と、図示されていない制御回路とを備えている。図９（Ａ）は、第１の従来例に係る加速度センサを構成する加速度センサ素子１０１のＸ−Ｙ面平面図である。加速度センサ素子１０１は、フレーム１０２と、保持部１０３Ａ，１０３Ｂ，１０３Ｃ，１０３Ｄと、支持体１０４と、振動板１０５Ａ，１０５Ｂ，１０５Ｃ，１０５Ｄとを備えている。なお、以下、加速度センサ素子１０１の振動板１０５Ａ，１０５Ｂの長手方向に沿う軸を直交座標系のＸ軸とし、Ｘ軸に対して直交し、加速度センサ素子１０１の振動板１０５Ｃ，１０５Ｄの長手方向に沿う軸を直交座標系のＹ軸とし、Ｘ軸およびＹ軸に対して直交し、振動板１０５Ａ，１０５Ｂ，１０５Ｃ，１０５Ｄの法線方向（厚み方向）に沿う軸を直交座標系のＺ軸として説明する。

フレーム１０２は、外形が矩形の枠状であり、保持部１０３Ａ，１０３Ｂ，１０３Ｃ，１０３Ｄ、支持体１０４、および、振動板１０５Ａ，１０５Ｂ，１０５Ｃ，１０５Ｄが枠内に配置されている。振動板１０５Ａ，１０５Ｂは、フレーム１０２の一方の対角線に沿ってそれぞれ配置されている。振動板１０５Ｃ，１０５Ｄは、フレーム１０２の他方の対角線に沿ってそれぞれ配置されている。そのため、振動板１０５Ａ，１０５Ｂ，１０５Ｃ，１０５Ｄは、Ｘ−Ｙ平面において加速度センサ素子１０１の中心位置からそれぞれ９０°異なる方向に配置されている。振動板１０５Ａ，１０５Ｂ，１０５Ｃ，１０５Ｄは、梁状であり、加速度センサ素子１０１の角部側の端部である基部１０６Ａでフレーム１０２に接続されており、加速度センサ素子１０１の中心位置側の端部である基部１０６Ｂで支持体１０４に接続されている。振動板１０５Ａ，１０５Ｂ，１０５Ｃ，１０５Ｄは、固有振動の共振周波数を有する。

保持部１０３Ａ，１０３Ｂ，１０３Ｃ，１０３Ｄは、振動板１０５Ａ，１０５Ｂ，１０５Ｃ，１０５Ｄのうちの隣接する２つの間に配置されている。保持部１０３Ａ，１０３Ｂ，１０３Ｃ，１０３Ｄは、それぞれ、梁状であり、平面視してつづら折り状（ミアンダ状）に形成されている。保持部１０３Ａ，１０３Ｂ，１０３Ｃ，１０３Ｄは、一方の端部がフレーム１０２に接続されており、他方の端部が支持体１０４に接続されている。このため、支持体１０４は、Ｘ軸方向またはＹ軸方向に往復運動可能となるように、保持部１０３Ａ，１０３Ｂ，１０３Ｃ，１０３Ｄによって支持されている。

支持体１０４は、錘部として機能する。支持体１０４は、フレーム１０２とともに振動板１０５を保持している。支持体１０４は、振動板１０５Ａ，１０５Ｂ，１０５Ｃ，１０５Ｄの固有振動の共振周波数を変化させるために設けられている。図９（Ｂ）は、第１の従来例に係る加速度センサを構成する加速度センサ素子１０１における振動板１０５Ａを拡大して示す斜視図である。なお、振動板１０５Ｂ，１０５Ｃ，１０５Ｄの構成は、振動板１０５Ａと同様である。

振動板１０５Ａは、二酸化ケイ素（ＳｉＯ_２）層１１１の上に形成されたシリコン（Ｓｉ）層１１２と、Ｓｉ層１１２の上に形成された下部電極層１１３と、下部電極層１１３の上に形成された圧電薄膜層１１４と、圧電薄膜層１１４の上に形成された駆動電極１１５Ａおよび検出電極１１５Ｂからなる上部電極層と、を備えている。駆動電極１１５Ａは、振動板１０５における長手方向の略中央から基部１０６Ｂ側の端部までの領域に設けられており、取り出し電極（不図示）に接続されている。検出電極１１５Ｂは、振動板１０５における長手方向の略中央から基部１０６Ａ側の端部までの領域に設けられており、取り出し電極（不図示）に接続されている。取り出し電極は、制御回路に接続されている。

第１の従来例に係る加速度センサは、制御回路からの駆動信号が駆動電極１１５Ａに入力されることにより、圧電薄膜層１１４の駆動電極１１５Ａと下部電極層１１３とが対向している領域に位置する部分が駆動信号による電界が印加されることによって伸縮し、振動板１０５Ａ，１０５Ｂ，１０５Ｃ，１０５Ｄが振動する。このとき、振動板１０５が振動することによって、圧電薄膜層１１４の検出電極１１５Ｂと下部電極層１１３とが対向している領域に位置する部分に圧力が加わって電荷が発生し、発生した電荷は検出信号として検出電極１１５Ｂから出力される。制御回路は、この検出信号を用いて、振動板１０５Ａ，１０５Ｂ，１０５Ｃ，１０５Ｄが固有振動の共振周波数で安定して駆動振動している状態となるように、加速度センサ素子１０１を駆動させる。

振動板１０５Ａ，１０５Ｂ，１０５Ｃ，１０５Ｄが駆動振動している状態で、Ｘ軸方向またはＹ軸方向の加速度が第１の従来例に係る加速度センサに印加されると、加速度に伴い作用する慣性力により支持体１０４がＸ軸方向またはＹ軸方向に変位する。すると、支持体１０４の変位によって支持体１０４から振動板１０５Ａ，１０５Ｂ，１０５Ｃ，１０５Ｄに作用する力により、駆動振動している振動板１０５Ａ，１０５Ｂ，１０５Ｃ，１０５ＤがＸ軸方向またはＹ軸方向に伸長（または収縮）し、振動板１０５Ａ，１０５Ｂ，１０５Ｃ，１０５Ｄの固有振動の共振周波数が変化する。そのため、振動板１０５Ａ，１０５Ｂ，１０５Ｃ，１０５Ｄの固有振動の共振周波数の変化によって検出信号の周波数が変化し、検出信号の周波数変化から加速度の大きさを検出することが可能になる。

第２の従来例（例えば、非特許文献１参照。）に係る加速度センサは、加速度センサ素子２０１と、図示されていない制御回路とを備えている。

図１０は、第２の従来例に係る加速度センサを構成する加速度センサ素子２０１の斜視図である。加速度センサ素子２０１は、固定部２０２と片持ち梁部２０３とを備えている。なお、以下、加速度センサ素子２０１の片持ち梁部２０３の長手方向に沿う軸を直交座標系のＸ軸とし、Ｘ軸に対して直交し、片持ち梁部２０３の短手方向に沿う軸を直交座標系のＹ軸とし、Ｘ軸およびＹ軸に対して直交し、片持ち梁部２０３の法線方向（厚み方向）に沿う軸を直交座標系のＺ軸として説明する。

固定部２０２は、平面視して外形が矩形状であり、片持ち梁部２０３が固定されている。片持ち梁部２０３は、一方の端部が固定部２０２に接続されており、他方の端部が自由端とされている片持ち梁状である。Ｚ軸方向の加速度が第２の従来例に係る加速度センサに印加されると、片持ち梁部２０３は、加速度に伴い作用する慣性力により変形を生じる。片持ち梁部２０３の固定部２０２側の領域には、Ｘ軸方向を長手方向とし、Ｙ軸方向を短手方向とする、平面視して矩形状の開口部２０４が設けられている。開口部２０４には、Ｘ軸方向を長手方向とし、Ｙ軸方向を短手方向とし、Ｘ軸方向の両端部が片持ち梁部２０３に接続されている片持ち梁状のダイヤフラム部２０５が設けられている。ダイヤフラム部２０５のＸ軸方向の一方側には励振体２０６が設けられており、他方側には受信部２０７が設けられている。励振体２０６は、ダイヤフラム部２０５を共振周波数で振動させる。受信部２０７は、ダイヤフラム部２０５の振動を電気信号に変換する。

特開２００５−２４９４４６号公報

「共振型マイクロ加速度センサに関する研究（第１報）」 精密工学会誌 Ｖｏｌ．７４，Ｎｏ．１０．２００８ 第１０５１頁〜第１０５５頁

第１の従来例に係る加速度センサは、Ｘ軸方向およびＹ軸方向の加速度を検知するものであり、Ｚ軸方向の加速度を高い感度で検知することができない。第２の従来例に係る加速度センサは、Ｚ軸方向の加速度を検知するものである。しかし、第２の従来例に係る加速度センサは、平面視した際に、片持ち梁部２０３が固定されている固定部２０２の外形を構成する１辺と垂直に交わるようにダイヤフラム部２０５が配置されているため、高い検出感度を得ることができなかった。

本発明の目的は、加速度の検出感度が高い加速度センサを実現することにある。

この発明に係る加速度センサは、固定部と、錘部と、振動梁と、駆動部と、検出部と、を備える。固定部は、外形が矩形で枠状である。錘部は、平面視して、互いに対向している第１の方向と平行な２つの辺と、互いに対向している第１の方向と直交する第２の方向と平行な２つの辺とを有する、略四角板状である。錘部は、第１の方向および第２の方向に対して４５°を成す方向に沿って設けられた、切欠部を有する。振動梁は、第１の方向および第２の方向に対して４５°を成す方向に沿って平面視して直線状に設けられ、一方の端部が固定部に接続されており、他方の端部が錘部に接続されており、一部が切欠部内に配置されている。振動梁は、錘部を第１の方向および第２の方向と直交する第３の方向に変位可能に支持する。駆動部は、振動梁に設けられており、振動梁を振動させる。検出部は、振動梁に設けられており、振動梁の変形に応じて変化する検出信号を出力する。

上述の加速度センサにおいて、振動梁と錘部との接続部分は、錘部の重心位置近傍に位置していることが好ましい。

上述の加速度センサにおいて、振動梁の長手方向の一方の端部が固定部に接続され、他方の端部が錘部の重心位置において錘部に接続されている状態における振動梁の長手方向の寸法を基準寸法としたときに、振動梁の長手方向の寸法が基準寸法の０．６倍以上１．２倍未満であることが好ましい。

振動梁の長手方向の寸法が基準寸法の１．０倍以上１．２倍未満であることがより好ましい。

上述の加速度センサにおいて、一方の端部が固定部に接続されており、他方の端部が錘部に接続されており、第１の方向および第２の方向に対して４５°を成す方向に伸びる軸を対称軸として線対称に形成されている、第１の保持梁および第２の保持梁を備えることが好ましい。

第１の保持梁は切欠部分の開口部の一方の端部に接続されており、第２の保持梁は切欠部分の開口部の他方の端部に接続されていることがより好ましい。

第１および第２の保持梁と振動梁とが成す角度は、６０°以上１３５°未満であることがさらに好ましい。

上述の加速度センサにおいて、一方の端部が固定部に接続されており、他方の端部が錘部に接続されており、第１の方向に沿って設けられている第１の部分保持梁と、第２の方向に沿って設けられている第２の部分保持梁とから構成されている、第１の保持梁と、一方の端部が固定部に接続されており、他方の端部が錘部に接続されており、第２の方向に沿って設けられている第１の部分保持梁と、第１の方向に沿って設けられている第２の部分保持梁とから構成されている、第２の保持梁とを備えることが好ましい。

この発明によれば、加速度の検出感度が高い加速度センサを実現することができる。

本発明の第１の実施形態に係る加速度センサと、加速度センサを構成する加速度センサ素子について説明する図である。 本発明の第１の実施形態に係る加速度センサを構成する加速度センサ素子における振動梁の構成について説明する模式図である。 本発明の第１の実施形態に係る加速度センサを構成する加速度センサ素子の寸法設定による影響を説明する図である。 比較例１に係る加速度センサを構成する加速度センサ素子について説明する図である。 本発明の第２の実施形態に係る加速度センサを構成する加速度センサ素子の保持梁の形状設定について説明する図である。 本発明の第３の実施形態に係る加速度センサについて説明する図である。 本発明の第４の実施形態に係る加速度センサについて説明する図である。 本発明の第５の実施形態に係る加速度センサについて説明する図である。 第１の従来例に係る加速度センサについて説明する図である。 第２の従来例に係る加速度センサについて説明する図である。

以下、本発明の第１の実施形態に係る加速度センサ１について説明する。図１（Ａ）は、本発明の第１の実施形態に係る加速度センサ１の構成を説明するブロック図である。加速度センサ１は、加速度センサ素子１１と、制御回路１９Ｃとを備えている。加速度センサ素子１１は、駆動部１９Ａと、検出部１９Ｂとを備えている。制御回路１９Ｃは、駆動部１９Ａと、検出部１９Ｂとに接続されている。

図１（Ｂ）は、加速度センサ素子１１のＸ−Ｙ面平面図である。図１（Ｂ）に示すように、加速度センサ素子１１は、固定部１２と、振動梁１３と、錘部１４と、支持基板（不図示）とを備えている。

固定部１２と、振動梁１３と、錘部１４とは、シリコンからなり、シリコン基板をエッチング加工することによって形成されている。なお、ここで用いたシリコン基板の厚み寸法が２０μｍであり、密度は２３３１ｋｇ/ｍ^３である。

固定部１２は、外形が矩形で枠状の部材である。振動梁１３と錘部１４とは、固定部１２の内側に配置されている。固定部１２は、下面が支持基板に接合されており、振動梁１３と、錘部１４とを支持基板から浮いた状態で支持している。なお、以下、固定部１２を平面視した際に互いに対向する２組の辺のうち一方の組の辺が伸びる方向に沿う軸を直交座標系のＸ軸とし、Ｘ軸に対して直交し、他方の組の辺が伸びる方向に沿う軸を直交座標系のＹ軸とし、Ｘ軸およびＹ軸に対して直交し、固定部１２の法線方向（厚み方向）に沿う軸を直交座標系のＺ軸として説明する。固定部１２は、Ｘ−Ｙ平面において、自らの中心点を基準として点対称な形状であり、固定部構成部１２Ａ，１２Ｂ，１２Ｃ，１２Ｄから構成されている。固定部構成部１２Ａ，１２Ｂは、それぞれ、Ｙ軸方向に沿って設けられており、Ｙ軸正方向側の端部が固定部構成部１２Ｃと接続されており、Ｙ軸負方向側の端部が固定部構成部１２Ｄと接続されている。固定部構成部１２Ａは、Ｘ軸負方向側に配置されている。固定部構成部１２Ｂは、Ｘ軸正方向側に配置されている。固定部構成部１２Ｃ，１２Ｄは、それぞれ、Ｘ軸方向に沿って設けられており、Ｘ軸正方向側の端部が固定部構成部１２Ｂと接続されており、Ｘ軸負方向側の端部が固定部構成部１２Ａと接続されている。固定部構成部１２Ｃは、Ｙ軸正方向側に配置されている。固定部構成部１２Ｄは、Ｙ軸負方向側に配置されている。なお、固定部１２の外形寸法は２．４ｍｍ×２．４ｍｍであり、内形寸法は２．０１ｍｍ×２．０１ｍｍである。

振動梁１３は、平面視して直線状の部材である。具体的には、振動梁１３の長手方向の一方の端部は、固定部１２の枠内で固定部構成部１２Ａと固定部構成部１２Ｄとが接続されている部分に接続されており,他方の端部は、錘部１４に接続されている。振動梁１３は、Ｘ−Ｙ平面においてＸ軸およびＹ軸に対して４５°を成す方向が長手方向となるように設けられている。言い換えれば、振動梁１３は、固定部１２の対角線方向に沿って設けられている。すなわち、振動梁１３の長さ寸法は１．５ｍｍであり、幅寸法は４０μｍである。

錘部１４は、平面視して互いに対向しているＸ軸と平行な２つの辺と互いに対向しているＹ軸と平行な２つの辺とを有する、略四角板状の部材である。錘部１４は、Ｘ−Ｙ平面においてＹ軸と平行でありＸ軸負方向側の辺とＸ軸と平行でありＹ軸負方向側の辺とが交差する部分から錘部１４の重心位置の近傍に至るように、Ｘ軸およびＹ軸に対して４５°を成す方向に沿って設けられた、切欠部１５を有する。振動梁１３の端部は、切欠部１５の重心位置側に接続されている。このため、振動梁１３の一部が切欠部１５内に配置されている。錘部１４の外形寸法は１．９ｍｍ×１．９ｍｍであり、切欠部１５の振動梁１３との間隔寸法は４０μｍである。加速度センサ素子１１では、Ｘ−Ｙ平面において、固定部１２の内形の対角線、錘部１４の外形の対角線、切欠部１５の延設方向に沿った中心線、および、振動梁１３の長手方向に沿った中心線が、錘部１４の重心位置を通るとともに、Ｘ軸およびＹ軸に対して４５°を成す軸（ＡＸ軸）に一致する。

ＡＸ軸は、Ｚ軸に対して直交するため、ＡＸ軸に沿って設けられた振動梁１３は、Ｚ軸方向に撓むバネ性を有している。このため、振動梁１３に支持されている錘部１４は、Ｚ軸方向に変位可能となっている。したがって、Ｚ軸方向の加速度が加速度センサ素子１１に印加された時には、錘部１４はＺ軸方向に変位することになる。

なお、振動梁１３の一部が切欠部１５内に配置されているため、固定部１２の枠内の限られたＸ−Ｙ平面の面積における振動梁１３と錘部１４とが占める面積の割合を最大化することができる。

図２（Ａ）は、加速度センサ素子１１における振動梁１３の特定部分のＸ−Ｚ面断面図である。図２（Ｂ）は、加速度センサ素子１１における振動梁１３のＸ−Ｙ面平面図である。なお、図２（Ａ）は、図２（Ｂ）中に破線Ａ−Ａ’で示す部分の断面を示している。

図２（Ｂ）に示すように、振動梁１３には、駆動部１９Ａと検出部１９Ｂとが設けられている。駆動部１９Ａと検出部１９Ｂとは、それぞれ、図２（Ａ）に示す構造を有する。図２（Ａ）に示すように、駆動部１９Ａと検出部１９Ｂとは、それぞれ、振動梁１３の上面側（Ｚ軸正方向側）に設けられた下部電極層１８と、下部電極層１８の上に設けられた圧電体層１７と、圧電体層１７の上に設けられた上部電極層１６とから構成されている。圧電体層１７は、窒化アルミニウム、チタン酸ジルコン酸鉛、ニオブ酸カリウムナトリウム、酸化亜鉛などの圧電材料からなる薄膜である。下部電極層１８は、グランドに接続される電極であり、振動梁１３に接合されている。上部電極層１６は、図示されていない引き回し配線を介して、図１（Ｂ）に示す固定部１２に引き出され、図１（Ａ）に示す制御回路１９Ｃに電気的に接続される電極である。

駆動部１９Ａは、振動梁１３の固定部１２と接続されている端部を含む領域に設けられており、検出部１９Ｂは、振動梁１３の錘部１４と接続されている端部を含む領域に設けられている。

加速度センサ１は、駆動信号が制御回路１９Ｃから駆動部１９Ａの上部電極層１６に入力されることにより、振動梁１３が駆動振動する。具体的には、駆動信号が駆動部１９Ａの上部電極層１６に入力されると、圧電体層１７に電界が印加され、圧電体層１７が伸縮する。駆動部１９Ａの圧電体層１７の伸縮によって、振動梁１３が振動する。このとき、振動梁１３の駆動振動時の固有振動の共振周波数は約６８ｋＨｚである。なお、駆動振動の振動モードとしては、Ｚ軸方向の撓みにより振動梁１３の固有振動の共振周波数が変化するような振動モードであれば、どのような振動モードでもよいが、振動梁１３の長さ方向に伸縮する振動モードや、振動梁１３がＺ軸に沿って撓む振動モードであると、Ｚ軸方向の撓みによる振動梁１３の固有振動周波数の変化が大きく、好適である。

振動梁１３が駆動振動することによって、検出部１９Ｂの圧電体層１７に圧力が加わって、圧電体層１７に電荷が発生する。発生した電荷は、検出信号として検出部１９Ｂの上部電極層１６から制御回路１９Ｃに出力される。制御回路１９Ｃは、検出信号を用いて、振動梁１３が固有振動の共振周波数で安定して駆動振動している状態となるように、加速度センサ素子１１を駆動させる。

振動梁１３が駆動振動している状態で、Ｚ軸方向の加速度が加速度センサ素子１１に印加されると、加速度に伴い作用する慣性力により錘部１４がＺ軸方向において固定部１２に対して相対的に変位する。すると、錘部１４の変位によって錘部１４から振動梁１３に作用する力により、駆動振動している振動梁１３がＺ軸に沿う方向に撓むように変形し、振動梁１３の固有振動の共振周波数が変化する。そのため、振動梁１３の固有振動の共振周波数の変化によって検出信号の周波数が変化し、検出信号の周波数変化から加速度の大きさを検出することができる。

また、制御回路１９Ｃは、検出部１９Ｂの出力信号から、出力信号の周波数変化を検出する。出力信号の周波数は、振動梁１３の固有振動の共振周波数と一致し、Ｚ軸方向の加速度が加速度センサ素子１１に印加されることによって固有振動の共振周波数が変化すると、出力信号の周波数も変化する。したがって、制御回路１９Ｃでは、加速度センサ素子１１に印加されたＺ軸方向の加速度の大きさに応じて周波数が変化する検出部１９Ｂの出力信号を検出して、加速度センサ素子１１に印加されたＺ軸方向の加速度の有無や加速度の大きさを検出することが可能になる。

次に、加速度センサ素子１１における振動梁１３の長手方向の寸法を変えて、第１の実施形態に係る加速度センサ１のＺ軸方向の加速度の感度を測定した結果について説明する。図３は、加速度センサ１における、振動梁１３の長手方向の寸法とＺ軸方向の加速度の感度との関係を示す図である。

ここでは、振動梁１３の長手方向の一方の端部が固定部１２の固定部構成部１２Ａと固定部構成部１２Ｄとが接続されている部分に接続され、他方の端部が錘部１４の重心位置において錘部１４に接続されている状態における振動梁１３の長手方向の寸法を基準寸法としている。固定部１２との接続位置を固定した状態で振動梁１３の長手方向の寸法を変えたところ、振動梁１３の長手方向の寸法が基準寸法の０．６倍以上１．２倍未満の場合に、Ｚ軸方向の加速度の感度が高くなった。特に、振動梁１３の長手方向の寸法が基準寸法の１．０倍以上１．２倍未満の場合に、Ｚ軸方向の加速度の感度が特に高くなった。一方、振動梁１３の長手方向の寸法が基準寸法の０．６倍未満または１．２倍以上の場合には、Ｚ軸方向の加速度の感度が低くなった。これは、振動梁１３と錘部１４との接続部分が錘部１４の重心位置からずれることにより、錘部１４に不要な振動が発生することによるものである。よって、振動梁１３と錘部１４との接続部分は錘部１４の重心位置近傍に位置していることが好ましい。

次に、比較例１に係る加速度センサを用意してＺ軸方向の加速度の感度を測定し、第１の実施形態に係る加速度センサ１と比較した。比較例１に係る加速度センサは、振動梁における固定部と接続されている位置が第１の実施形態に係る加速度センサ１とは異なる加速度センサ素子９１を備えている。図４は、比較例１に係る加速度センサを構成する加速度センサ素子９１のＸ−Ｙ面平面図である。加速度センサ素子９１の固定部、振動梁、錘部の材料や寸法は、第１の実施形態に係る加速度センサ１の加速度センサ素子１１と同じである。

図４に示すように、加速度センサ素子９１は、固定部９２と、振動梁９３と、錘部９４と、支持基板（不図示）とを備えている。固定部９２は、外形が矩形で枠状の部材である。固定部９２は、下面が支持基板に接合されており、振動梁９３と、錘部９４とを支持基板から浮いた状態で支持している。固定部９２は、固定部構成部９２Ａ，９２Ｂ，９２Ｃ，９２Ｄから構成されている。固定部構成部９２Ａ，９２Ｂは、それぞれ、Ｙ軸方向に沿って設けられており、Ｙ軸正方向側の端部が固定部構成部９２Ｃと接続されており、Ｙ軸負方向側の端部が固定部構成部９２Ｄと接続されている。固定部構成部９２Ａは、Ｘ軸負方向側に配置されている。固定部構成部９２Ｂは、Ｘ軸正方向側に配置されている。固定部構成部９２Ｃ，９２Ｄは、それぞれ、Ｘ軸方向に沿って設けられており、Ｘ軸正方向側の端部が固定部構成部９２Ｂと接続されており、Ｘ軸負方向側の端部が固定部構成部９２Ａと接続されている。固定部構成部９２Ｃは、Ｙ軸正方向側に配置されている。固定部構成部９２Ｄは、Ｙ軸負方向側に配置されている。振動梁９３は、平面視して直線状の部材である。振動梁９３の長手方向の一方の端部は、固定部９２の枠内で固定部構成部９２ＡのＹ軸方向の中央部に接続されており,他方の端部は、錘部９４に接続されている。振動梁９３は、Ｘ−Ｙ平面においてＸ軸方向が長手方向となるように設けられている。錘部９４は、平面視して互いに対向しているＸ軸と平行な２つの辺と互いに対向しているＹ軸と平行な２つの辺とを有する、略四角板状の部材である。錘部９４は、Ｘ−Ｙ平面においてＹ軸と平行なＸ軸負方向側の辺の中央部から錘部９４の重心位置側にＸ軸方向に沿って設けられた、切欠部９５を有する。振動梁９３の端部は、切欠部９５の重心位置側に接続されている。このため、振動梁９３の一部が切欠部９５内に配置されている。

第１の実施形態に係る加速度センサ１の加速度センサ素子１１では、切欠部分１５の開口部から錘部１４の重心位置までの距離は、比較例１に係る加速度センサの加速度センサ素子９１の切欠部分９５の開口部から錘部９４の重心位置までの距離の約√２倍である。このため、振動梁１３の長手方向の寸法を長くしても、振動梁１３と錘部１４との接続部分を錘部１４の重心位置近傍に位置させることができる。このため、錘部１４に不要な振動が発生することを容易に防ぐことができる。

比較例１に係る加速度センサのＺ軸方向の加速度の感度は、１０ｐｐｍ／Ｇであった。これに対して、第１の実施形態に係る加速度センサ１のＺ軸方向の加速度の感度は、３０ｐｐｍ／Ｇであった。このように、第１の実施形態に係る加速度センサ１は、比較例１に係る加速度センサよりもＺ軸方向の加速度の感度が高くすることができる。

≪第２の実施形態≫
次に、本発明の第２の実施形態に係る加速度センサについて説明する。

第２の実施形態に係る加速度センサは、第１の実施形態に係る加速度センサ１の加速度センサ素子１１に代えて、加速度センサ素子２１を備えている。図５（Ａ）は、第２の実施形態に係る加速度センサを構成する加速度センサ素子２１のＸ−Ｙ面平面図である。

加速度センサ素子２１は、第１の実施形態に係る加速度センサ１の加速度センサ素子１１と同様に、固定部１２と、振動梁１３と、錘部１４とを備える。加速度センサ素子２１は、保持梁２６Ａ，２６Ｂをさらに備えている点において、加速度センサ素子１１と異なっている。保持梁２６Ａと保持梁２６Ｂとは、ＡＸ軸を対称軸として線対称に形成されている。

保持梁２６Ａは、平面視して直線状の部材である。具体的には、保持梁２６Ａの長手方向の一方の端部は、錘部１４における切欠部分１５の開口部の一方の端部に接続されており、他方の端部は固定部構成部１２Ａに接続されている。保持梁２６Ａは、錘部１４との接続位置から振動梁１３と約１２０°を成す方向に沿って設けられている。

保持梁２６Ｂは、平面視して直線状の部材である。具体的には、保持梁２６Ｂの長手方向の一方の端部は、錘部１４における切欠部分１５の開口部の他方の端部に接続されており、他方の端部は固定部構成部１２Ｄに接続されている。保持梁２６Ｂは、錘部１４との接続位置から振動梁１３と約１２０°を成す方向に沿って設けられている。

保持梁２６Ａ，２６Ｂを設けることで、錘部１４は、Ｘ軸方向やＹ軸方向への変位が生じにくくなる。このため、第２の実施形態に係る加速度センサでは、耐衝撃性を向上させることができる。錘部１４における保持梁２６Ａ，２６Ｂの接続位置は、振動梁１３の固定部１２との接続位置に近いことが好ましい。このような構成にすることにより、錘部１４のＺ軸方向への変位を小さくすることなく、耐衝撃性を大きく向上させることができる。

図５（Ｂ）は、Ｘ−Ｙ平面面において、保持梁２６Ａ，２６Ｂと振動梁１３とが成す角度と、第２の実施形態に係る加速度センサのＺ軸方向の加速度の感度との関係を示す図である。保持梁２６Ａ，２６Ｂと振動梁１３とが成す角度が約０°より大きく６０°未満である場合には、Ｚ軸方向の加速度の感度は特に改善されない。保持梁２６Ａ，２６Ｂと振動梁１３とが成す角度が６０°以上である場合には、Ｚ軸方向の加速度の感度が高くなっている。

このことから、保持梁２６Ａ，２６Ｂを設ける場合には、保持梁２６Ａ，２６Ｂと振動梁１３とが成す角度は、６０°以上であることが好ましく、１２０°以上であることがより好ましい。なお、振動梁１３は、Ｘ−Ｙ平面においてＸ軸およびＹ軸に対して４５°を成す方向が長手方向となるように設けられているため、保持梁２６Ａ，２６Ｂと振動梁１３とが成す角度が１３５°の場合、保持梁２６Ａ，２６Ｂは固定部構成部１２Ａ，１２Ｄと平行になる。したがって、保持梁２６Ａ，２６Ｂと振動梁１３とが成す角度は１３５°未満である必要がある。

≪第３の実施形態≫
次に、本発明の第３の実施形態に係る加速度センサについて説明する。第３の実施形態に係る加速度センサは、第１の実施形態に係る加速度センサ１の加速度センサ素子１１に代えて、加速度センサ素子３１を備えている。図６は、第３の実施形態に係る加速度センサを構成する加速度センサ素子３１のＸ−Ｙ面平面図である。

加速度センサ素子３１は、第１の実施形態に係る加速度センサ１の加速度センサ素子１１と同様に、固定部１２と、振動梁１３と、錘部１４とを備える。加速度センサ素子３１は、保持梁３６Ａ，３６Ｂをさらに備えている点において、加速度センサ素子１１と異なっている。保持梁３６Ａと保持梁３６Ｂとは、ＡＸ軸を対称軸として線対称に形成されている。

保持梁３６Ａは、平面視してＬ字状の部材である。保持梁３６Ａは、第１の部分保持梁３７と、第２の部分保持梁３８とから構成されている。第１の部分保持梁３７は、Ｘ軸方向に沿って設けられており、長手方向の一方の端部は錘部１４における切欠部分１５の開口部の一方の端部に接続されており、他方の端部は第２の部分保持梁３８に接続されている。第２の部分保持梁３８は、Ｙ軸方向に沿って設けられており、長手方向の一方の端部は固定部構成部１２Ｃに接続されており、他方の端部は第１の部分保持梁３７に接続されている。

保持梁３６Ｂは、平面視してＬ字状の部材である。保持梁３６Ｂは、第１の部分保持梁３７と、第２の部分保持梁３８とから構成されている。第１の部分保持梁３７は、Ｙ軸方向に沿って設けられており、長手方向の一方の端部は錘部１４における切欠部分１５の開口部の他方の端部に接続されており、他方の端部は第２の部分保持梁３８に接続されている。第２の部分保持梁３８は、Ｘ軸方向に沿って設けられており、長手方向の一方の端部は固定部構成部１２Ｂに接続されており、他方の端部は第１の部分保持梁３７に接続されている。

保持梁３６Ａ，３６Ｂを設けることで、錘部１４は、Ｘ軸方向やＹ軸方向への変位が生じにくくなる。このため、第３の実施形態に係る加速度センサでは、耐衝撃性を向上させることができる。

≪第４の実施形態≫
次に、本発明の第４の実施形態に係る加速度センサについて説明する。第４の実施形態に係る加速度センサは、第１の実施形態に係る加速度センサ１の加速度センサ素子１１に代えて、加速度センサ素子４１を備えている。図７は、第４の実施形態に係る加速度センサを構成する加速度センサ素子４１のＸ−Ｙ面平面図である。

加速度センサ素子４１は、第１の実施形態に係る加速度センサ１の加速度センサ素子１１と同様に、固定部１２と、振動梁１３と、錘部１４とを備える。加速度センサ素子４１は、保持梁４６Ａ，４６Ｂをさらに備えている点において、加速度センサ素子１１と異なっている。保持梁４６Ａと保持梁４６Ｂとは、ＡＸ軸を対称軸として線対称に形成されている。

保持梁４６Ａは、第１の部分保持梁４７と、第２の部分保持梁４８と、第３の部分保持梁４９とから構成されている。第１の部分保持梁４７は、Ｘ軸方向に沿って設けられており、長手方向の一方の端部は錘部１４における切欠部分１５の開口部の一方の端部に接続されており、他方の端部は第２の部分保持梁４８に接続されている。第２の部分保持梁４８は、Ｙ軸方向に沿って設けられており、長手方向の一方の端部は第３の部分保持梁４９に接続されており、他方の端部は第１の部分保持梁４７に接続されている。第３の部分保持梁４９は、Ｘ軸方向に沿って設けられており、長手方向の一方の端部は第２の部分保持梁４８に接続されており、他方の端部は固定部構成部１２Ａに接続されている。

保持梁４６Ｂは、第１の部分保持梁４７と、第２の部分保持梁４８と、第３の部分保持梁４９とから構成されている。第１の部分保持梁４７は、Ｙ軸方向に沿って設けられており、長手方向の一方の端部は錘部１４における切欠部分１５の開口部の他方の端部に接続されており、他方の端部は第２の部分保持梁４８に接続されている。第２の部分保持梁４８は、Ｘ軸方向に沿って設けられており、長手方向の一方の端部は第３の部分保持梁４９に接続されており、他方の端部は第１の部分保持梁４７に接続されている。第３の部分保持梁４９は、Ｙ軸方向に沿って設けられており、長手方向の一方の端部は第２の部分保持梁４８に接続されており、他方の端部は固定部構成部１２Ｄに接続されている。

保持梁４６Ａ，４６Ｂを設けることで、錘部１４は、Ｘ軸方向やＹ軸方向への変位が生じにくくなる。このため、第４の実施形態に係る加速度センサでは、耐衝撃性を向上させることができる。

≪第５の実施形態≫
次に、本発明の第５の実施形態に係る加速度センサについて説明する。第５の実施形態に係る加速度センサは、第１の実施形態に係る加速度センサ１の加速度センサ素子１１に代えて、加速度センサ素子５１を備えている。図８は、第５の実施形態に係る加速度センサを構成する加速度センサ素子５１のＸ−Ｙ面平面図である。

加速度センサ素子５１は、第１の実施形態に係る加速度センサ１の加速度センサ素子１１と同様に、固定部１２と、振動梁１３と、錘部１４とを備える。加速度センサ素子５１は、保持梁５６Ａ，５６Ｂをさらに備えている点において、加速度センサ素子１１と異なっている。保持梁５６Ａと保持梁５６Ｂとは、ＡＸ軸を対称軸として線対称に形成されている。

保持梁５６Ａは、第１の部分保持梁５７と、第２の部分保持梁５８と、第３の部分保持梁５９と、第４の部分保持梁６０と、第５の部分保持梁６１と、とから構成されている。第１の部分保持梁５７は、Ｘ軸方向に沿って設けられており、長手方向の一方の端部は錘部１４における切欠部分１５の開口部の一方の端部に接続されており、他方の端部は第２の部分保持梁５８に接続されている。第２の部分保持梁５８は、Ｙ軸方向に沿って設けられており、長手方向の一方の端部は第３の部分保持梁５９に接続されており、他方の端部は第１の部分保持梁５７に接続されている。第３の部分保持梁５９は、Ｘ軸方向に沿って設けられており、長手方向の一方の端部は第２の部分保持梁５８に接続されており、他方の端部は第４の部分保持梁６０に接続されている。第４の部分保持梁６０は、Ｙ軸方向に沿って設けられており、長手方向の一方の端部は第３の部分保持梁５９に接続されており、他方の端部は第５の部分保持梁６１に接続されている。第５の部分保持梁６１は、Ｘ軸方向に沿って設けられており、長手方向の一方の端部は第４の部分保持梁６０に接続されており、他方の端部は固定部構成部１２Ａに接続されている。

保持梁５６Ｂは、第１の部分保持梁５７と、第２の部分保持梁５８と、第３の部分保持梁５９と、第４の部分保持梁６０と、第５の部分保持梁６１と、とから構成されている。第１の部分保持梁５７は、Ｙ軸方向に沿って設けられており、長手方向の一方の端部は錘部１４における切欠部分１５の開口部の他方の端部に接続されており、他方の端部は第２の部分保持梁５８に接続されている。第２の部分保持梁５８は、Ｘ軸方向に沿って設けられており、長手方向の一方の端部は第３の部分保持梁５９に接続されており、他方の端部は第１の部分保持梁５７に接続されている。第３の部分保持梁５９は、Ｙ軸方向に沿って設けられており、長手方向の一方の端部は第２の部分保持梁５８に接続されており、他方の端部は第４の部分保持梁６０に接続されている。第４の部分保持梁６０は、Ｘ軸方向に沿って設けられており、長手方向の一方の端部は第３の部分保持梁５９に接続されており、他方の端部は第５の部分保持梁６１に接続されている。第５の部分保持梁６１は、Ｙ軸方向に沿って設けられており、長手方向の一方の端部は第４の部分保持梁６０に接続されており、他方の端部は固定部構成部１２Ｄに接続されている。

保持梁５６Ａ，５６Ｂを設けることで、錘部１４は、Ｘ軸方向やＹ軸方向への変位が生じにくくなる。このため、第５の実施形態に係る加速度センサでは、耐衝撃性を向上させることができる。

以上の実施形態で示したように、本発明の加速度センサは構成することができる。なお、以上の説明はあくまで例示であり、本発明の加速度センサは、特許請求の範囲に基づいて、適宜、構成を変更しても実現することができる。たとえば、上述の説明では、圧電体層および下部電極層が駆動部および検出部が設けられている領域にのみ設けられている例を示したが、圧電体層および下部電極層は振動梁の全面に設けられており、上部電極層の有無により、駆動部および検出部が構成されてもよい。その他、多様な構成で、本発明の加速度センサは実現することができる。

１…加速度センサ
１１，２１，３１，４１，５１，９１…加速度センサ素子
１２…固定部
１２Ａ，１２Ｂ，１２Ｃ，１２Ｄ…固定部構成部
１３…振動梁
１４…錘部
１５…切欠部分
１６…上部電極層
１７…圧電体層
１８…下部電極層
１９Ａ…駆動部
１９Ｂ…検出部
１９Ｃ…制御回路
２６Ａ，２６Ｂ，３６Ａ，３６Ｂ，４６Ａ，４６Ｂ，５６Ａ，５６Ｂ…保持梁
３７，３８，４７，４８，４９，５７，５８，５９，６０，６１…部分保持梁

Claims (8)

1. 外形が矩形で枠状である固定部と、
   平面視して、互いに対向している第１の方向と平行な２つの辺と、互いに対向している前記第１の方向と直交する第２の方向と平行な２つの辺とを有する、略四角板状であり、前記第１の方向および前記第２の方向に対して４５°を成す方向に沿って設けられた、切欠部を有する錘部と、
   前記第１の方向および前記第２の方向に対して４５°を成す方向に沿って平面視して直線状に設けられ、一方の端部が前記固定部に接続されており、他方の端部が前記錘部に接続されており、一部が前記切欠部内に配置されており、前記錘部を前記第１の方向および前記第２の方向と直交する第３の方向に変位可能に支持する振動梁と、
   前記振動梁に設けられており、前記振動梁を振動させる駆動部と、
   前記振動梁に設けられており、前記振動梁の変形に応じて変化する検出信号を出力する検出部と、を備える加速度センサ。
2. 前記振動梁と前記錘部との接続部分は、前記錘部の重心位置近傍に位置している、請求項１に記載の加速度センサ。
3. 前記振動梁の長手方向の一方の端部が前記固定部に接続され、他方の端部が前記錘部の重心位置において前記錘部に接続されている状態における前記振動梁の長手方向の寸法を基準寸法としたときに、前記振動梁の長手方向の寸法が基準寸法の０．６倍以上１．２倍未満である、請求項２に記載の加速度センサ。
4. 前記振動梁の長手方向の寸法が基準寸法の１．０倍以上１．２倍未満である、請求項３に記載の加速度センサ。
5. 一方の端部が前記固定部に接続されており、他方の端部が前記錘部に接続されており、前記第１の方向および前記第２の方向に対して４５°を成す方向に伸びる軸を対称軸として線対称に形成されている、第１の保持梁および第２の保持梁を備える、請求項１〜４のいずれかに記載の加速度センサ。
6. 前記第１の保持梁は前記切欠部分の開口部の一方の端部に接続されており、前記第２の保持梁は前記切欠部分の開口部の他方の端部に接続されている、請求項５に記載の加速度センサ。
7. 前記第１および第２の保持梁と前記振動梁とが成す角度は、６０°以上１３５°未満である、請求項６に記載の加速度センサ。
8. 一方の端部が前記固定部に接続されており、他方の端部が前記錘部に接続されており、前記第１の方向に沿って設けられている第１の部分保持梁と、前記第２の方向に沿って設けられている第２の部分保持梁とから構成されている、第１の保持梁と、
   一方の端部が前記固定部に接続されており、他方の端部が前記錘部に接続されており、前記第２の方向に沿って設けられている第１の部分保持梁と、前記第１の方向に沿って設けられている第２の部分保持梁とから構成されている、第２の保持梁とを備える、請求項１〜４のいずれかに記載の加速度センサ。

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