专利名称：加速度传感器以及加速度检测装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及加速度传感器以及加速度检测装置，特别是涉及改善成了，对施加了加速度时所产生的力的方向进行转换，且使该力增大的加速度传感器、以及加速度检测装置。
背景技术：
使用了压电振动元件的加速度传感器被构成为，当检测轴方向上的力作用于压电振动元件时,压电振动元件的共振频率将发生变化,从而根据该共振频率的变化而对被施加于加速度传感器的加速度进行检测。在专利文献I中公开了如下结构的加速度计以及制造方法，即，在框架状的平行 四边形框的一方对角处接合有双音叉型压电振动元件，在另一方对角处施加有压缩力或拉伸力的结构。在此，使用附图对现有(专利文献I)的加速度计进行说明。另外，图6为表示现有的加速度计的简要结构的示意剖视图。图7为表示现有的加速度计的中央元件的构成的示意图，Ca)为俯视图，(b)为剖视图。图8为表示现有的加速度计的转换器元件的结构的示意俯视图。如图6所示，加速度计被构成为，沿着检测轴(检测轴)119可动的块116通过弯曲部118而与支承体117相结合。被连接于块116与支承体117之间的一对力检测晶体121、122的频率(共振频率)根据所施加的力而发生变动。这些力检测晶体121、122通过频率振荡器123、124而被激励，两个频率振荡器123、124的信号被输入加法电路，从而输出与两个频率的差相对应的输出信号。加速度计被构成为，由水晶(石英晶体)等形成的五个圆盘状元件沿着检测轴119而相互层叠。即，加速度计具有图7所示的中央元件127、被配置在中央元件127的两侧的图8所示的一对转换器元件128、和这些转换器元件128两外侧的一对盖(未图示)。如图7所示，中央元件127具有固定部134、和具有质量的可动部(振动块133)。可动部133通过一对弯曲部136而被安装于固定部134上，从而可动部133能够绕相对于检测轴119 (参照图6)而垂直延伸的铰链轴137可动。可动部133和固定部134被配置在安装有固定部134的载置环139的内部。隔离环141以同心状的方式被配置在该载置环139的外侧，柔韧的臂142对载置环139和隔离环141进行连接。另外，中央元件127通过这些部件成为一体结构的方式而形成。如图8所示，转换器元件128具有载置环146，在该载置环146的内侧配置有力检测元件(力检测晶体)147和结合板148。力检测元件147将双音叉型压电振动元件151连接于，由四个连杆152构成的四边形框架149的一方相对的对角，且在另一方相对的对角处具备衬垫154、156。一个衬垫154与结合板148 —体地形成,并且另一个衬垫156与载置环146 一体地形成。两个转换器元件128的各个结合板148通过粘合剂，而与图7的中央元件127的可动部133的两个主表面138相结合，并且转换器元件128的载置环146通过粘合剂而与中央元件127的载置环139相接合。未图示的两个盖被形成为在其一侧具有凹陷的圆形，虽然形成为密封结构，但在内部充入有气体从而作为制动板来发挥作用。凹陷与各个转换器元件128相对，并且盖的外周部通过粘合剂而与转换器元件128的载置环146相接合。但是，专利文献I中所公开的加速度计使用一个中央元件127、两个转换器元件128、和两个盖而构成，从而存在部件个数极多的问题。而且，中央元件127以及转换器元件128具有极其复杂的构造，可假定这些元件的成品率也较低，从而存在组装后的加速度计的调节需要较多的工时的可能，由此存在加速度计的成本也变得极为昂贵的问题。此外，上述加速度计由于在内部封入有制动用的气体，因此转换器元件128的双音叉型压电振动元件151的Q值发生劣化，从而存在不易进行激励而导致加速度检测灵敏度下降的问题。
此外，上述加速度计中，由于可动部133的形状，而导致在加速度检测时可动部133与外部的振动源发生共振，从而存在误检测、加速度检测精度等加速度检测特性降低的问题。专利文献I :日本特许第2851566号公报

发明内容
本发明的目的在于，提供一种结构简单，加速度检测灵敏度、加速度检测精度较高，且能够实现制造成本的降低的加速度传感器(加速度计)以及加速度检测装置。本发明是为了解决上述课题的至少一部分而完成的，其能够作为以下的方式或应用例而实现。应用例I本应用例所涉及的加速度传感器的特征在于，包括支承基板，其具备固定用的第一基板片，所述第一基板片具有第一支承面；可动用的第二基板片，所述第二基板片与所述第一基板片并排配置，并具有第二支承面，且沿着与所述并排方向正交的方向的宽度大于沿着所述并排方向的宽度；铰链部，所述位于所述第一基板片和所述第二基板片之间，且被连接于所述第一基板片和所述第二基板片上；加速度检测元件，其具备加速度检测部，所述加速度检测部沿着所述正交的方向而延伸，且具有在俯视观察时与所述铰链部重叠的中心部；第一被固定部以及第二被固定部，所述第一被固定部以及所述第二被固定部分别被固定在所述第一支承面以及所述第二支承面上；梁，所述梁被连结于所述第一被固定部以及所述第二被固定部上，并对所述加速度检测部进行支承。此外，由于加速度传感器中，支承基板的第二基板片的、沿着铰链部的所述正交的方向(长边方向)的长度长于沿着铰链部的所述并排方向(短边方向)的长度，因此和尺寸关系与上述情况相反的结构的支承基板相比，能够提高第二基板片的共振频率。其结果为，加速度传感器中，在加速度检测时第二基板片不易与外部的振动源发生共振，从而能够避免误检测、加速度检测精度等加速度检测特性的降低。应用例2在上述应用例所涉及的加速度传感器中，优选为，在所述第二基板片的所述第二支承面以及所述第二支承面的相反侧的面中的至少一面上，配置有质量部。由此，由于加速度传感器中，在第二基板片的第二支承面以及第二支承面的相反侧的面中的至少一面上配置有质量部，因此能够增大第二基板片的质量(惯性力)。其结果为，加速度传感器能够提高加速度检测时的灵敏度。应用例3在上述应用例所涉及的加速度传感器中，优选为，所述梁具备第一梁，其对在俯视观察时，所述加速度检测部中的位于所述正交的方向上的一端部与所述第一被固定部进行连结；第二梁，其对所述加速度检测部中的位于所述正交的方向上的另一端部与所述第 一被固定部进行连结；第三梁，其对所述一端部与所述第二被固定部进行连结；第四梁，其对所述另一端部与所述第二被固定部进行连结。由此，加速度传感器的支承基板具备固定侧的平板状的第一基板片、可动侧的平板状地第二基板片、以及对两者进行连结的铰链部。而且，加速度传感器的加速度检测元件为如下结构，即，通过第一至第四梁，而形成例如呈大致平行四边形的框架部，并且在其一方对角处具有第一被固定部以及第二被固定部，而在另一方对角处连结有加速度检测部。由此，加速度传感器中，支承基板以及加速度检测元件，均使用例如平板状的压电基板，从而能够应用光刻技术、蚀刻技术来形成尺寸精度良好的支承基板以及加速度检测元件，由此能够使用这些元件来批量生产小型且低成本的加速度传感器。此外，由于加速度传感器中，由第一至第四梁形成的框架部发挥如下作用，S卩，对通过施加加速度而产生的力的方向进行90度转换，且使力增大，因此即使是较小的加速度，也能够检测到(高灵敏度)，从而能够提供检测精度较高的加速度传感器。由此，加速度传感器中，当第一至第四梁在俯视观察时(从与第一支承面以及第二支承面正交的方向观察时)各自在全长范围内呈相同宽度的带状时，通过施加加速度而产生的力的传递效率较好，从而能够灵敏度良好地对较小的加速度进行检测。应用例4在上述应用例所涉及的加速度传感器中，优选为，所述第一基板片、所述第二基板片和所述铰链部以一体的方式被形成，并且所述第一基板片的所述第一支承面与所述第二基板片的所述第二支承面位于同一平面上。由此，由于加速度传感器中，第一基板片、第二基板片和铰链部以一体的方式被形成，并且第一基板片的第一支承面与第二基板片的第二支持面位于同一平面上，因此能够利用光刻技术以及蚀刻技术，而由例如压电基板以一体的方式高精度地形成第一基板片、第二基板片和铰链部。其结果为，加速度传感器能够提高检测灵敏度以及检测精度。此外，由于加速度传感器中，在使用上述技术时，将第一基板片的第一支承面和第二基板片的第二支承面形成在同一平面上较为容易，因此能够使因支承基板与加速度检测元件的粘合所引起的变形成为最小，从而能够提高制造的成品率以及加速度检测精度。应用例5在上述应用例所涉及的加速度传感器中，优选为，在俯视观察时，所述加速度检测部的沿着所述正交的方向的中心线与所述铰链部的沿着所述正交的方向的中心线重叠。由此，由于加速度传感器中，在俯视观察时，对加速度检测部的一端部以及另一端部的短边方向上的中心彼此进行连结的中心线，与对铰链部的一端部以及另一端部的短边方向上的中心彼此进行连结的中心线重叠，因此能够使加速度检测元件的加速度检测灵敏度达到最高(换言之，能够使在施加了相同的加速度的情况下的、加速度检测部的频率变化量达到最大)。另外，该结构是基于如下见解的结构，S卩，发明人们通过使用了有限元法的模拟而得到的见解。应用例6在上述应用例所涉及的加速度传感器中，优选为，所述第一梁至所述第四梁均为直线状，并且在所述第一被固定部处所述第一梁与所述第二梁之间所形成的角度、以及在所述第二被固定部处所述第三梁与所述第四梁之间所形成的角度分别为钝角。由此，由于加速度传感器中，在第一被固定部处第一梁与第二梁之间所形成的角 度、以及在第二被固定部处第三梁与第四梁之间所形成的角度分别为钝角，因此第一梁与第三梁之间所形成的角度、以及第二梁与第四梁之间所形成的角度成为锐角，从而能够对施加于第二基板片的力的方向进行90度转换，且使力的大小增大。应用例7在上述应用例所涉及的加速度传感器中，优选为，所述第一梁至所述第四梁均为由单一或多个圆弧组合而成的圆弧状，并且所述第一梁与所述第二梁、以及所述第三梁与所述第四梁分别被连结成半圆状或半椭圆状。由此，由于加速度传感器中，第一梁与第二梁、以及第三梁与第四梁分别被连结成半圆状或半椭圆状，因此能够对施加于第二基板片的力的方向进行90度转换，且使力的大小增大。应用例8在上述应用例所涉及的加速度传感器中，优选为，具备如下结构，S卩，所述第一被固定部的至少一部分，在俯视观察时从所述第一梁与所述第二梁的交叉部朝向远离所述加速度检测部的方向而突出，并且所述第二被固定部的至少一部分，在俯视观察时从所述第三梁与所述第四梁的交叉部超向远离所述加速度检测部的方向而突出。由此，由于加速度传感器中，具备如下结构，S卩，第一被固定部的一部分从第一梁与第二梁的交叉部向外侧突出，第二被固定部的一部分从第三梁与第四梁的交叉部向外侧突出的结构，因此能够能够向各个梁均等地传递在施加加速度时被施加于第二基板片的力。应用例9在上述应用例所涉及的加速度传感器中，优选为，所述加速度检测部具备沿着所述铰链部的长边方向而延伸的至少一个以上的振动梁；被连接于该振动梁的两端的一对基部。由此，由于加速度传感器中，所述加速度检测部具有沿着铰链部的长边方向而延伸的至少一个以上的振动梁、和被连接于该振动梁的两端的一对基部，因此，例如能够形成如下简单的结构，即，振动梁根据由施加的加速度所产生的第二基板片的位移，而发生伸缩,并将由此时产生的牵拉力、压缩力所引起的振动梁的振动频率的变化转换为加速度。应用例10
本应用例所涉及的加速度检测装置，其特征在于，具备应用例I至应用例9中任一示例所记载的加速度传感器；振动电路，其对所述加速度传感器的加速度检测元件进行激励；计数器，其对所述振荡电路的输出频率进行计数；集成电路，其具有对所述计数器的信号进行处理的运算电路。由此，由于加速度检测装置具备上述应用例I至应用例9中任一示例所记载的加速度传感器，因此能够提供起到上述应用例I至应用例9中任一示例所记载的效果(例如，加速度检测灵敏度的提高)的加速度检测装置。


图I为表示第I实施方式的加速度传感器I的简要结构的示意图，(a)为俯视图，(b)为沿A-A线的剖视图。图2为对双音叉型压电振动元件进行说明的示意图，Ca)为振动模式的俯视图， (b)为表示被形成于振动臂上的激励电极、和在某个瞬间产生的电荷的符号的俯视图，(c)为沿着振动臂的短边方向的剖视图兼激励电极的接线图。图3为对由第一至第四梁形成的框架部的作用进行说明的示意图。图4 (a)、(b)、(C)为表示加速度传感器的支承基板的铰链部与加速度检测元件的、相互的位置关系的主要部分的俯视图。图5为表示第2实施方式的加速度检测装置的结构的框图。图6为表示现有的加速度计的示意结构的示意剖视图。图7为表示现有的加速度计的中央元件的结构的示意图，Ca)为俯视图，(b)为沿Q-Q线的剖视图。图8为表示现有的加速度计的转换器元件的结构的示意俯视图。
具体实施例方式以下，参照附图对将本发明具体化了的实施方式进行说明。第一实施方式首先，对加速度传感器的一个示例进行说明。图I为表示第I实施方式的加速度传感器I的简要结构的示意图，(a)为俯视图，(b)为沿A-A线的剖视图。另外，各个结构要素的尺寸比例与实际有所不同。如图I所示，加速度传感器I具备加速度检测元件10、具有对加速度检测元件10进行支承的第一支承面5a以及第二支承面7a的支承基板4。加速度检测元件10具备加速度检测部20，其生成与图I (b)所示的检测轴9方向上的力对应的电信号；第一被固定部14a以及第二被固定部14c，其为了通过支承基板4对加速度检测部20进行支承，而分别被固定于第一支承面5a以及第二支承面7a上；第一梁至第四梁12a、12b、12c、12d,其将第一被固定部14a以及第二被固定部14c分别连结于加速度检测部20上。如图I (b)所示，支承基板4具备固定的一侧的第一基板片5、可动的一侧的第二基板片7、和对第一基板片5与第二基板片7进行连结的铰链部8。即，支承基板4具备固定侧的第一基板片5，其具备固定有加速度检测元件10的第一被固定部14a的第一支承面5a ;可动侧的第二基板片7，其与第一基板片5并排配置，并具备固定有第二被固定部14c的第二支承面7a ;铰链部8，其对第一基板片5与第二基板片7的相互对置的侧面之间进行连结，并使第二基板片7在厚度方向(检测轴9方向)上摆动。铰链部8被形成为，薄于第一基板片5以及第二基板片7的厚度，并且第二基板片7被构成为从铰链部8起挠曲。铰链部8的截面形状可以为矩形形状、梯形形状、圆弧形等，并且铰链部8被形成在第一基板片5以及第二基板片7的厚度方向上的大致中央部处。第一基板片5、第二基板片7和铰链部8 一体地被形成,并且第一基板片5的第一支承面5a与第二基板片7的第二支承面7a位于同一平面上。第二基板片7被形成为，沿着铰链部8的长边方向(纸面上下方向)的长度LI，沿着铰链部8的短边方向(纸面左右方向，连结第一基板片5与第二基板片7的方向)的长度L2。
而且，在第二基板片7的第二支承面7a以及第二支承面7a的相反侧的面7b中的至少一个面(在此为两个面)上，靠近第二基板片7的自由端(无铰链部8的一侧)而配置有一对呈大致长方体形状的质量部40。质量部40使用例如以Cu、Au等金属为代表的比重比较大的材料。质量部40通过未图示的粘合剂等而被固定在第二基板片7上。另外，粘合剂优选为耐冲击性优异的硅酮类粘合剂，从抑制热应力的观点出发，优选为，将粘合部位设定为一个部位，并且粘合范围在确保预定的粘合强度的同时，采用更小的范围。加速度传感器I也可以使用两个质量部40成为一体的状态的质量部，以代替这种被分割的两个质量部40。但是，在这种情况下，从粘合强度的观点出发，优选将质量部与第二基板片7的粘合部位设定为多个部位。因此，当从抑制热应力的观点出发时，加速度传感器I优选如上所述这样，使用被分割的两个质量部40，并使它们分别通过一个部位与第二基板片7粘合(固定)。加速度检测元件10的第一至第四梁12a 12d构成框架状的平行四边形或菱形(以下，称为框架部12)，在一方对角部处配置有第一被固定部14a以及第二被固定部14c，而在另一方对角部处配置有第一基台部14b以及第二基台部14d。进行详细说明，框架部12的第一梁12a对第一被固定部14a和第一基台部14b进行连结，第二梁12b对第一被固定部14a和第二基台部14d进行连结。而且，第三梁12c对第二被固定部14c和第一基台部14b进行连结,第四梁12d对第二被固定部14c和第二基台部14d进行连结。由此，加速度检测元件10的第一至第四梁12a 12d构成框架状的平行四边形。加速度检测元件10的第一被固定部14a以及第二被固定部14c被构成为，分别被固定在支承基板4的第一支承面5a以及第二支承面7a上，并经由第一至第四梁12a 12d而向加速度检测部20传递第二基板片7的摆动。第一至第四梁12a 12d均为直线状，且被构成为，在第一被固定部14a处第一梁12a与第二梁12b之间所形成的角度，以及在第二被固定部14c处第三梁12c与第四梁12d之间所形成的角度分别为钝角。S卩，第一基台部14b处的第一梁12a与第三梁12c之间所形成的角度0、和第二基台部14d处的第二梁12b与第四梁12d之间所形成的角度0为锐角的、框架部12起到如下作用，即，对施加于第一被固定部14a以及第二被固定部14c的力的方向进行90度转换，并增大力的大小而施加于加速度检测部20。另外,力的增大率根据角度0的值而发生改变。此外，第一至第四梁12a 12d在俯视观察时(从与第一支承面5a以及第二支承面7a正交的方向观察时)，各自在全长范围内呈相同宽度的窄幅带状。加速度检测部20分别通过第一支承片26a以及第二支承片26b而与框架部12的第一基台部14b以及第二基台部14d连结，从而与框架部12形成一体，进而构成加速度检测元件10。加速度检测部20具有向与加速度传感器I的检测轴9方向正交的方向延伸的细长的结构，在使用粘合剂30而将加速度检测元件10的第一被固定部14a以及第二被固定部14c，固定在支承基板4的第一支承面5a以及第二支承面7a上时，加速度检测部20以沿 着铰链部8的长边方向且与第一支承面5a以及第二支承面7a留有间隙的方式而配置，以使加速度检测部20的短边方向中心部与支承基板4的铰链部8的短边方向的范围重叠。另外，在本实施方式中，在俯视观察时，将加速度检测部20的一端部以及另一端部的短边方向上的中心彼此连结在一起的中心线20c被配置成，与将铰链部8的一端部以及另一端部的短边方向上的中心彼此连结在一起的中心线8c重叠。采用如下结构，S卩，第一被固定部14a的至少一部分在俯视观察时，与第一以及第二梁12a、12b的交叉部相比向框架部12的外侧突出，并且第二被固定部14c的至少一部分在俯视观察时，与第三以及第四梁12c、12d的交叉部相比向框架部12的外侧突出。加速度检测部20，例如，如图I (a)所示，可使用双音叉型压电振动元件，该双音叉型压电振动元件具备作为沿着铰链部8的长边方向延伸的至少一个以上的振动梁的、一对振动臂22a、22b ;被连结于振动臂22a、22b的两端的一对基部24a、24b。而且,加速度检测部20中，作为长边方向一端部的基部24a通过第一支承片26a、第一基台部14b而与第一梁12a和第三梁12c相连结，并且作为长边方向另一端部的基部24b通过第二支承片26b、第二基台部14d而与第二梁12b和第四梁12d相连结。使用图2对加速度检测部20由双音叉型压电振动元件构成的情况进行简单说明。另外，图2为对双音叉型压电振动元件进行说明的示意图，图2 Ca)为振动模式的俯视图，图2 (b)为表不被形成在振动臂上的激励电极、和在某个瞬间产生的电荷的符号的俯视图，图2 (c)为沿着振动臂的短边方向的剖视图兼激励电极的接线图。双音叉型压电振动元件20具备由压电基板构成的应力感应部、和被形成于压电基板的振动区域的激励电极，所述压电基板具备如图2 Ca)所示的一对基部24a、24b，以及对基部24a、24b之间进行连结的一对振动臂22a、22b。图2 Ca)中的虚线表示双音叉型压电振动元件20的振动姿态。双音叉型压电振动元件20以如下方式配置有激励电极，即，使一对振动臂22a、22b的振动模式成为，以相对于沿着一对振动臂22a、22b的长边方向的中心轴而相互对称的振动模式进行振动。作为双音叉型压电振动元件20，例如，压电基板使用了水晶基板的双音叉型水晶振动元件相对于牵拉(拉伸)、压缩应力的灵敏度良好，从而在作为高度计或深度计用的应力感应元件而使用时，由于分辨能力优异因此能够根据微小的气压差而得知高度差、深度差。
双音叉型石英振动元件的频率温度特性为向上凸出的二次曲线，其顶点温度依赖于水晶晶体的绕X轴(电轴)的旋转角度。通常将各个参数设定为，使顶点温度成为常温(25。。)。对双音叉型水晶振动元件的一对振动臂施加了外力F时的共振频率fF如式(I)所
/Jn oFF=f0 (I- (KL2F)/ (2EI)) 1/2......... (I)在此，&为没有外力时的双音叉型石英振动元件的共振频率，K为基波模式下的常数(=0. 0458)，L为振动臂的长度，E为纵弹性常数，I为截面二次力矩。通过截面二次力矩I=dw3/12，从而式(I)可以变形为式(2)这样。在此，d为振动臂的厚度，w为览度。 fF=f0 (I-SfO ) 1/2......... (2)但是,应力灵敏度Sf和应力O分别由下式表示。Sf= 12 (K/E) (L/w) 2......... (3)O =F/ (2A) ......... (4)在此，A为振动臂的截面面积(=w d)。在将作用于音叉型石英振动元件的力F设定为压缩方向时为负、牵拉方向(拉伸方向)时为正的情况下，根据以上的公式，力F与共振频率fF的关系成为，在力F为压缩力时共振频率fF减少，而在力F为牵拉力(拉伸力)时共振频率fF增加。此外，应力灵敏度Sf与振动臂的L/w的平方成比例。图I所示的加速度检测部20并不限于使用了上述的水晶基板的双音叉型水晶振动元件，只要是频率根据牵拉、压缩应力而发生变化的振动元件，则可以为任意的振动元件。例如，可以使用在振动体上粘合了驱动部的振动元件、单梁振动元件、厚度切变振动元件、SAff振动元件等。在此，关于框架部12的动作，使用对图3中的由第一至第四梁形成的框架部的作用进行说明的模式图来进行说明。-X轴方向(纸面左侧方向)上的力(矢量)fa作用于第二被固定部14c，+X轴方向(纸面右侧方向)上的力(矢量)fb作用于第一被固定部14a。-X轴方向上的力fa根据矢量的平行四边形法则，而被分解为第三梁12c的延长方向上的力fa2、和第四梁方向12d的延长方向上的力fal，并且+X轴方向上的力fb被分解为第一梁12a的延长方向上的力fb2、和第二梁12b的延长方向上的力fbl。作用于第二被固定部14c以及第一被固定部14a的这些力fal、fa2、fbl、fb2与如下情况等效，即，第三梁12c的延长方向上的力fa2和第一梁12a的延长方向上的力fb2作用于框架部12的第一基台部14b，并且第四梁12d的延长方向上的力fal和第二梁12b的延长方向上的力fbl作用于第二基台部14d的情况。当根据平行四边形法则，而对作用于第一基台部14b的力fa2和fb2进行合成时，将成为力F2。同样地，当对作用于第二基台部14d的力fal和fbl进行合成时，将成为Fl。作用于框架部12的第一被固定部14a以及第二被固定部14c的力fa、fb，与作用于第一基台部14b以及第二基台部14d的力F2、F1等效。S卩，框架部12具有使力的方向发生90度转换且使力的大小增大的功能。
在此，对加速度传感器I的动作进行说明。返回图1，当检测轴9方向(Z轴方向)且+Z轴方向上的加速度a被施加于加速度传感器I时，在支承基板4的第二基板片7上将作用有力F (=mX a，m为第二基板片7的质量+质量部40的质量)，通过该力F (实线箭头F)第二基板片7将从铰链部8起向-Z轴方向进行挠曲。当第二基板片7向-Z轴方向进行挠曲时，在被固定于第一基板片5上的第一被固定部14a上，将作用有+X轴方向上的力，所述第一基板片5被固定在未图示的外部部件上。而且，在被固定于第二基板片7上的第二被固定部14c上，作用有-X轴方向上的力。S卩，在第一被固定部14a上作用有+X轴方向上的力f (实线箭头f)，并且在第二被固定部14c上作用有-X轴方向上的力f (实线箭头f)。如图3所说明的这样，当互为反向且大小相同的力f在X轴方向上朝向框架部12的外侧，而作用于框架部12的第一被固定部14a以及第二被固定部14c时，在第一基台部14b以及第二基台部14d上，将作用有于Y轴方向上相互朝向框架部12的中心部的力F3、 F4。通过该力F3、F4，从而在加速度检测部20上施加有压缩力。在加速度检测部20例如为双音叉型压电振动元件的情况下，其频率减少。另一方面，当-Z轴方向上的加速度a被施加于加速度传感器I时，在支承基板4的第二基板片7上作用有力F (虚线箭头F)，通过该力F第二基板片7将从铰链部8起向+Z轴方向进行挠曲。当第二基板片7向+Z轴方向进行挠曲时，在被固定于第一基板片5上的第一被固定部14a上，将作用有-X轴方向上的力。而且，在被固定于第二基板片7上的第二被固定部14c上，将作用有+X轴方向上的力。即，在第一被固定部14a上作用有-X轴方向上的力f (虚线箭头f)，并且在第二被固定部14c上作用+X轴方向上的力f (虚线箭头f)。当互为反向且大小相同的力f在X轴方向上朝向框架部12的内侧，而作用于框架部12的第一被固定部14a以及第二被固定部14c时，在第一基台部14b以及第二基台部14d上，将作用有于Y轴方向上相互朝向框架部12的外周部的F5、F6。通过该力F5、F6，从而在加速度检测部20上施加有牵拉力。在加速度检测部20例如为双音叉型压电振动元件的情况下，其频率增大。以此种方式，加速度传感器I能够根据加速度检测部20的频率的增减而检测出加速度a的方向，并能够根据频率的变化量而检测出加速度a的大小。图4(a)、(b)、(c)为表示加速度传感器的主要部分即支承基板的铰链部、与被固定于第一基板片和第二基板片上的加速度检测元件的、相互位置关系的主要部分的俯视图。在图4 Ca)中，图示了铰链部8的中心线Sc相对于加速度检测元件10的加速度检测部20的中心线20c，而向纸面左侧(第二被固定部14c侧)偏移了的状态。在图4 (b)中，图示了铰链部8的中心线8c与加速度检测部20的中心线20c重叠(一致)的状态。在图4 (C)中，图示了铰链部8的中心线8c相对于的加速度检测部20的中心线20c，而向纸面右侧(第一被固定部14a侧)偏移了的状态。在本实施方式中，发明者使用有限元法而对图4 (a)、(b)、(C)中的各个状态下的传感器灵敏度(在施加了相同的力时的频率变化度、检测灵敏度)进行了模拟，结果发现，图4 (b)中的状态下，应力均等地施加于框架部12的各个梁，且应力集中在铰链部8的中央部，从而传感器灵敏度最大。此外发现，在图4 (b)、(c)的状态下，施加于框架部12的各个梁的应力并不均等，且施加于铰链部8的应力也从中央部向端部分散，从而传感器灵敏度也减小。相对于此，如图8所示，专利文献I (日本特许第2851566号公报)的加速度计中，铰链轴(铰链的中心线)137与双音叉型压电振动元件151的中心线151c分离，其结构与本实施方式的加速度传感器I大不相同。加速度传感器I的构造为，在加速度检测元件10的第一被固定部14a以及第二被固定部14c上，涂布例如残余应变较小的低熔点玻璃等的粘合剂30，从而将第一被固定部14a以及第二被固定部14c粘合并固定在支承基板4的第一支承面5a以及第二支承面7a上。加速度传感器I通常被收纳在密闭的容器内，且使内部成为真空来使用。作为支承基板4以及加速度检测元件10的制造方法的一个示例，可列举出将光刻 技术、蚀刻技术、蒸镀技术应用于平板状的压电基板而进行制造方法。作为压电基板，可列举出水晶、钽酸锂、铌酸锂、硅酸镓镧等的压电基板。例如，在使用了水晶基板(水晶晶片)的情况下，光刻技术和蚀刻技术具有多年的实际成绩，从而能够容易地进行高精度的加速度检测元件10以及支承基板4的制造。如上文所述，加速度传感器I的支承基板4具备固定侧的平板状的第一基板片5、可动侧的平板状的第二基板片7、和对两者进行连结的铰链部8。而且，加速度传感器I为如下结构，即，加速度检测元件10通过第一至第四梁12a 12d而形成大致平行四边形的框架部12，且在其一方对角部处具有第一被固定部14a以及第二被固定部14c，而在另一方对角部处连结有加速度检测部20。根据上述内容，加速度传感器I中，支承基板4以及加速度检测元件10均使用例如平板状的压电基板，从而能够应用光刻技术、蚀刻技术来形成尺寸精度良好的支承基板4以及加速度检测元件10，由此能够使用这些元件来批量生产小型且低成本的加速度传感器。此外，由于加速度传感器I中，由第一至第四梁12a 12d形成的框架部12发挥如下作用，即，对通过施加加速度而产生的力的方向进行90度转换，且使力增大，因此即使是较小的加速度，也能够检测到(高灵敏度)，从而能够提供检测精度较高的加速度传感器I。此外，由于加速度传感器I中，支承基板4的第二基板片7的、沿着铰链部8的长边方向的长度LI长于沿着铰链部8的短边方向的长度L2，因此和尺寸关系与上述情况相反的结构的支承基板4相比,能够提闻第_■基板片7的共振频率。其结果为，加速度传感器I中，在加速度检测时第二基板片7不易与外部的振动源发生共振，从而能够避免误检测、加速度检测精度等加速度检测特性的降低。此外，由于加速度传感器I中，在第二基板片7的第二支承面7a以及第二支承面7a的相反侧的面7b上配置有质量部40，因此第二基板片7的质量增加，从而能够使惯性力增大。其结果为，加速度传感器I能够提高加速度检测时的灵敏度。此外，由于加速度传感器I中，在俯视观察时，第一至第四梁12a 12d各自在全长范围内呈相同宽度的带状，因此通过施加加速度而产生的力的传递效率较好，从而能够灵敏度良好地对较小的加速度进行检测。此外，由于加速度传感器I中，第一基板片5、第二基板片7和铰链部8以一体的方式被形成，并且第一基板片5的第一支承面5a与第二基板片7的第二支承面7a位于同一平面上，因此能够使用光刻技术以及蚀刻技术，而由例如压电基板以一体的方式高精度地形成第一基板片5、第二基板片7和铰链部8。其结果为，加速度传感器I能能够提高检测灵敏度以及检测精度。此外，由于加速度传感器I中，在使用上述技术时，将第一基板片5的第一支承面5a与第二基板片7的第二支承面7a形成在同一平面上较为容易，因此能够使因支承基板4与加速度检测元件10的粘合所引起的变形成为最小，从而能够提高制造的成品率以及加速度检测精度。
此外，由于加速度传感器I中，加速度检测元件10的加速度检测部20的中心线20c与铰链部8的中心线8c重叠，因此能够使加速度检测元件10的加速度检测灵敏度达到最高(换言之，能够使在施加了相同的加速度的情况下的、加速度检测部20的频率变化量达到最大)。另外，该结构是基于如下见解的结构，S卩，发明人们通过使用了有限元法的模拟而得到的见解此外，由于加速度传感器I中，第一至第四梁12a 12d均为直线状，并且在第一被固定部14a处第一梁12a与第二梁12b之间所形成的角度、以及在第二被固定部14c处第三梁12c与第四梁12d之间所形成的角度分别为钝角，因此第一梁12a与第三梁12c之间所形成的角度9、以及第二梁12b与第四梁12d之间所形成的角度0为锐角，从而能够对施加于第二基板片7的力的方向进行90度转换，且增大力的大小。另外，虽然在本实施方式中，对由第一至第四梁12a 12d构成的框架部12的形状为平行四边形的情况进行了说明，但是框架部12并不限定为该形状。例如，可以采用如下方式，S卩，第一至第四梁12a 12d均呈由单一或多个圆弧组合而成的圆弧状，并且第一梁12a与第二梁12b、以及第三梁12c与第四梁12d分别被形成为半圆状、半椭圆状。由此，由于加速度传感器I中，第一梁12a与第二梁12b、以及第三梁12c与第四梁12d分别被连结成半圆状或半椭圆状，因此能够对施加于第二基板片7的力的方向进行90度转换，且使力的大小增大。此外，由于加速度传感器I具备如下结构，即，第一被固定部14a的至少一部分从第一梁12a与第二梁12b的交叉部向外侧突出，且第二被固定部14c的至少一部分从第三梁12c与第四梁12d的交叉部向外侧突出的结构，因此能够向各个梁12a 12d均等地传递在施加加速度时施加于第二基板片7的力。此外，由于加速度传感器I中，加速度检测部20具有作为沿着铰链部8的长边方向延伸的振动梁的一对振动臂22a、22b,和被连结于振动臂22a、22b的两端的一对基部24a,24b,因此例如能够形成如下的简单的结构，即，振动臂22a、22b根据由施加的加速度所产生的第二基板片7的位移，而进行伸缩，并将由此时产生的牵拉力、压缩力所引起的振动臂22a、22b的频率变化转换为加速度。第二实施方式
接下来，对第二实施方式的加速度检测装置的一个示例进行说明。图5为表示第二实施方式的加速度检测装置的结构的框图。如图5所示，加速度检测装置3具备第一实施方式的加速度传感器I ;对加速度传感器I的加速度检测元件10进行激励的振荡电路51 ;对振荡电路51的输出频率进行计数的计数器53 ;具有对计数器53的信号进行处理的运算电路55的集成电路50 ;显示部56。如上文所述，由于加速度检测装置3具备第一实施方式的加速度传感器1，因此能够提供一种起到第一实施方式所记载的效果(例如，加速度检测灵敏度、加速度检测精度的提高)的加速度检测装置。
符号说明I :加速度传感器3:加速度检测装置4:支承基板5 :第一基板片5a:第一支承面7:第二基板片7a:第二支承面7b :第二支承面的相反侧的面8:铰链部8c:中心线9:检测轴10:加速度检测元件12:框架部12a:第一梁12b :第二梁12c:第三梁12d:第四梁14a:第一被固定部14b :第一基台部14c:第二被固定部14d:第二基台部20 :加速度检测部(双音叉型压电振动元件)20c:中心线22a、22b :作为振动梁的振动臂24a:作为长边方向一端部的基部24b :作为长边方向另一端部的基部26a:第一支承片26b:第二支承片30:粘合剂50:集成电路
51:振荡电路53 :计数器 55:运算电路56 :显示部
权利要求
1.一种加速度传感器，其特征在于，包括 支承基板，其具备固定用的第一基板片，所述第一基板片具有第一支承面；可动用的第二基板片，所述第二基板片与所述第一基板片并排配置，并具有第二支承面，且沿着与所述并排方向正交的方向的宽度大于沿着所述并排方向的宽度；铰链部，所述铰链部位于所述第一基板片和所述第二基板片之间且被连接于所述第一基板片和所述第二基板片上； 加速度检测元件，其具备加速度检测部，所述加速度检测部沿着所述正交的方向而延伸，且具有在俯视观察时与所述铰链部重叠的中心部；第一被固定部以及第二被固定部，所述第一被固定部以及所述第二被固定部分别被固定在所述第一支承面以及所述第二支承面上；梁，所述梁被连结于所述第一被固定部以及所述第二被固定部上，并对所述加速度检测部进行支承。
2.如权利要求I所述的加速度传感器，其特征在于， 在所述第二基板片的所述第二支承面以及所述第二支承面的相反侧的面中的至少一面上,配置有质量部。
3.如权利要求I或权利要求2所述的加速度传感器，其特征在于， 所述梁具备第一梁，其对在俯视观察时，所述加速度检测部中的位于所述正交的方向上的一端部与所述第一被固定部进行连结；第二梁，其对所述加速度检测部中的位于所述正交的方向上的另一端部与所述第一被固定部进行连结；第三梁，其对所述一端部与所述第二被固定部进行连结；第四梁，其对所述另一端部与所述第二被固定部进行连结。
4.如权利要求I或权利要求2所述的加速度传感器，其特征在于， 所述第一基板片、所述第二基板片和所述铰链部以一体的方式被形成，并且所述第一基板片的所述第一支承面与所述第二基板片的所述第二支承面位于同一平面上。
5.如权利要求I或权利要求2所述的加速度传感器，其特征在于， 在俯视观察时，所述加速度检测部的沿着所述正交的方向的中心线与所述铰链部的沿着所述正交的方向的中心线重叠。
6.如权利要求2所述的加速度传感器，其特征在于， 所述第一梁至所述第四梁均为直线状，并且在所述第一被固定部处所述第一梁与所述第二梁之间所形成的角度、以及在所述第二被固定部处所述第三梁与所述第四梁之间所形成的角度分别为钝角。
7.如权利要求2或权利要求6所述的加速度传感器，其特征在于， 所述第一梁至所述第四梁均为由单一或多个圆弧组合而成的圆弧状，并且所述第一梁与所述第二梁、以及所述第三梁与所述第四梁分别被连结成半圆状或半椭圆状。
8.如权利要求2或权利要求6所述的加速度传感器，其特征在于， 具备如下的结构，即，所述第一被固定部的至少一部分，在俯视观察时从所述第一梁与所述第二梁的交叉部朝向远离所述加速度检测部的方向而突出，并且所述第二被固定部的至少一部分，在俯视观察时从所述第三梁与所述第四梁的交叉部朝向远离所述加速度检测部的方向而突出。
9.如权利要求I或权利要求2所述的加速度传感器，其特征在于， 所述加速度检测部具备沿着所述正交的方向而延伸的至少一个以上的振动梁；被连接于该振动梁的两端的一对基部。
10.一种加速度检测装置，其特征在于，具备权利要求I或权利要求2所述的加速度传感器；振荡电路，其对所述加速度传感器的加速度检测元件进行激励；计数器，其对所述振荡电路的输出频率进行计数；集成电路，其具有对所述计数器的信号进行处理的运算电路。
全文摘要
本发明涉及一种加速度传感器以及加速度检测装置，其加速度检测灵敏度、加速度检测精度较高。加速度检测元件(10)具备加速度检测部(20)、第一被固定部(14a)以及第二被固定部(14c)、将第一被固定部(14a)以及第二被固定部(14c)分别连结于加速度检测部(20)的第一至第四梁(12a～12d)，支承基板(4)具备固定侧的第一基板片(5)、可动侧的第二基板片(7)、和对第一基板片(5)和第二基板片(7)进行连结的铰链部(8)，加速度检测元件(10)的长边方向沿着与检测轴(9)方向正交的方向而延伸，且短边方向的中心部与铰链部(8)的短边方向上的范围重叠，第二基板片(7)的沿着铰链部(8)的长边方向的长度(L1)长于沿着铰链部(8)的短边方向的长度(L2)。
文档编号G01P15/09GK102798732SQ20121016280
公开日2012年11月28日 申请日期2012年5月23日 优先权日2011年5月24日
发明者渡边润, 中仙道和之, 龟田高弘 申请人:精工爱普生株式会社