力センサー装置
【課題】小型で力検出感度の高い力センサー装置を得る。
【解決手段】力センサー装置は、振動部２０ａ、２０ｂを有する振動素子２０と、この振
動素子２０の対向する２つの端を連結する固定部２５ａ、２５ｂとを備える力センサー素
子５と、ベース基板１０と、一端が固定部に夫々接続され、他端が前記ベース基板に接続
された弾性力を有する架線部材１３と、備えている。そして、振動部２０ａ、２０ｂを挟
む少なくとも２箇所にそれぞれ一端がベース基板１０に固定された架線部材１３の他端を
接続した構成とする。
【解決手段】力センサー装置は、振動部２０ａ、２０ｂを有する振動素子２０と、この振
動素子２０の対向する２つの端を連結する固定部２５ａ、２５ｂとを備える力センサー素
子５と、ベース基板１０と、一端が固定部に夫々接続され、他端が前記ベース基板に接続
された弾性力を有する架線部材１３と、備えている。そして、振動部２０ａ、２０ｂを挟
む少なくとも２箇所にそれぞれ一端がベース基板１０に固定された架線部材１３の他端を
接続した構成とする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、携帯電話の縦横切換器、ゲームコントローラ、ナビゲーション装置、ＰＮＤ
（Personal Navigation Device）等に用いられる力センサー装置に関し、特に小型化、高
精度化を図った力センサー装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
圧電振動子に加わる応力と共振周波数変化との関係を利用した力検出素子、及び力セン
サー装置が実用化されている。圧電振動子に双音叉型圧電振動子を用いることにより、応
力に対する感度が良好となり、僅かな力の変化から例えば高度差、深度差等を検知するこ
とができる。
特許文献１には、水晶基板を用いた加速度センサー素子、加速度センサーが開示されて
いる。
図７は、特許文献１に開示されている加速度センサー素子の構成を示した図であり、（
ａ）は加速度センサー素子の平面図、（ｂ）は、（ａ）のＱ−Ｑにおける断面図である。
この図７に示す加速度センサー素子６０は、Ｚカット水晶基板７０の裏面にハーフエッ
チングで凹部７８を形成し、更にエッチングしてＹ軸に平行な略長方形の貫通孔７３、７
４、７５を開設して、周縁部よりも厚さが薄い一対の振動腕８１、８５を有する双音叉型
水晶振動素子８０が形成される。振動腕８１、８５のそれぞれには、表裏両面からＹ軸方
向に溝が穿設され、表裏面、側面に励振電極が形成されている。
図７に示す加速度センサー素子６０に＋Ｚ方向の加速度を加えると、慣性力により固定
部７１を基部として−Ｚ方向に撓み、振動腕８１、８５は伸張される。振動腕８１、８５
が伸張されると、双音叉振動素子の共振周波数は高くなるように変化する。つまり、加速
度を加えたときの共振周波数と、基準周波数との差とから加速度の大きさを測定すること
ができる。一方、−Ｚ方向の加速度を加えると振動腕８１、８５は圧縮され、双音叉振動
素子の共振周波数は低い方へ変化する。基準周波数に対する双音叉振動素子の周波数の変
化から、印加される加速度の方向も検出できると開示されている。
【０００３】
特許文献２には、振動子の支持構造および物理量測定装置が開示されている。
図８は、特許文献２に開示されている従来の振動子の支持構造を示す断面図である。
図８に示す振動子では、パッケージ１０９内に振動子９１、基板１０２及びボンディン
グワイヤ１０４Ａ（１０４Ｂ）を収容し、さらに台座１０７及びＩＣ部品１０８をマウン
トする。そして、台座１０７上に導電性接着剤１０６を介して基板１０２を設置し、導電
性接着剤１０６を加熱し、基板１０２を台座１０７上に接着して固定する。
また、特許文献３には、加速度計と力変換装置が開示されている。
図９は、特許文献３に開示されている従来の力変換装置の構造を示す断面図である。
この図９に示す力変換装置１１６は、２つの同一構造の力変換デバイス１１７、１１８
がパッド１２４を共有した構造をしている。力変換デバイス１１７（１１８）は、２つの
振動腕１２１を有する双音叉振動素子の両固定端１２３に、夫々２つの連結子１２２を菱
型状に連結し、図中上部の２つの連結子１２２はパッド１２６に連結し、図中下部の２つ
の連結子１２２はパッド１２４に連結されている。なお、力変換装置１１６は、水晶基板
を用いて一体的に形成されている。
このように構成される力変換装置１１６は、中央のパッド１２４に図中垂直方向の力が
加えられると、例えば一方の力変換デバイス１１７には圧縮力が、他方の力変換デバイス
１１８には伸長力が作用し、夫々の力変換デバイス１１７、１１８の周波数の変化は互い
に逆に変化する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００７−１６３２４４公報
【特許文献２】特開２００６−１０５９６２公報
【特許文献３】米国特許第５２８９７１９号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１に開示された加速度センサー素子は、小型化を図る場合に検
出感度を上げられないという問題点があった。また圧電基板を数度に分けてエッチング加
工するため、コスト低減が難しいという問題点があった。
また、特許文献３に開示された力変換装置は、構造が複雑であり、製造歩留まりが悪い
という問題と、コストが掛かり過ぎるという問題点があった。
本発明は上記問題を解決するためになされたもので、小型化しても大きな検出感度が得
られる力センサー装置を提供することにある。また本発明は、製造歩留まりがよくコスト
低減が可能な力センサー装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、上記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
形態又は適用例として実現することが可能である。
【０００７】
［適用例１］振動部を有する振動素子と、該振動素子の対向する２つの端を連結する固
定部とを備える力センサー素子と、ベース基板と、一端が前記固定部に夫々接続され、他
端が前記ベース基板に接続された弾性力を有する架線部材と、備え、前記振動部を挟む少
なくとも２箇所にそれぞれ一端が前記ベース基板に固定された前記架線部材の他端を接続
したことを特徴とする力センサー装置である。
【０００８】
適用例１によれば、振動部を挟む少なくとも２箇所とベース基板との間に夫々架線部材
を配置するため、力センサー装置に加わる力を夫々の架線部材を介して振動部に伝えるこ
とにより、従来の片持ち支持の力センサー装置に比べ、より大きな伸長応力、又は圧縮応
力が振動部に作用するので力検出感度が向上するという効果がある。
【０００９】
［適用例２］前記固定部が環状の梁であることを特徴とする適用例１に記載の力センサ
ー装置である。
【００１０】
適用例２によれば、振動素子の対向する２つの端を連結する固定部が環状の梁で構成さ
れることにより、固定部を介して伝わる力が振動素子の両端部に同時に加わるため、従来
の片持ち支持の力センサー装置に比べ、より大きな伸長応力、又は圧縮応力が振動部に作
用するので、力検出感度が向上するという効果がある。
【００１１】
［適用例３］前記振動部を前記環状の梁の開口を跨ぐように配置すると共に、前記２つ
の端を結ぶ仮想線を挟む少なくとも２箇所にそれぞれ前記架線部材の他端を接続し、前記
架線部材の弾性力によって前記梁の一部に前記仮想線と直交する方向に力が加わるように
構成したことを特徴とする適用例２に記載の力センサー装置である。
【００１２】
適用例３によれば、振動部を環状の梁の開口の中央に配置し、振動部を挟む環状の梁の
少なくとも２箇所とベース基板との間に架線部材を設けることにより、従来の片持ち支持
の力センサー装置に比べ、力センサー装置に加わる力は、架線部材でより大きな力となり
、この力が環状の梁でより振動部の両端に同時に加えられるので、力センサー装置の検出
感度は、架線部材による増加感度と、環状の梁による増加感度との積になるという効果が
ある。
【００１３】
［適用例４］前記環状の梁が、括れ部を有することを特徴とする適用例２に記載の力セ
ンサー装置である。
【００１４】
適用例４によれば、環状の梁に左右及び上下方向に対称な括れ部を設けることにより、
環状の梁の固定部加わる力を目的とする方向の力に効率よく変換することができるという
効果がある。
【００１５】
［適用例５］前記架線部材と前記仮想線とのなす角度θが、０°＜θ＜９０°又は９０
°＜θ＜１８０°を満たすことを特徴とする力センサー装置である。
【００１６】
適用例５によれば、ベース基板に接続された架線部材の一方の端部が、固定部に接続さ
れる架線部材の他方の端部に対し、環状の梁の外側に位置する場合には、架線部材と仮想
線（力センサー素子の平面）とのなす角度θを０°＜θ＜９０°とし、前記環状の梁の内
側に位置する場合には、又は９０°＜θ＜１８０°とすることで、角度θを変えることに
より、力センサー装置に加わる力を固定部に伝える際にその大きさを調整することができ
るという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本実施の形態の力センサー装置の構造を示した概略図であり、（ａ）は力センサー装置の断面図、（ｂ）は力センサー素子の平面図、（ｃ）は力センサー素子の断面図、（ｄ）は架線部材の断面図である。
【図２】（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は双音叉型圧電振動素子を説明する図である。
【図３】第２の力センサー素子の平面図である。
【図４】第３の力センサー素子の平面図である。
【図５】第３の力センサー装置の構成を示す断面図である。
【図６】第４の力センサー装置の要部の構成を示す平面図である。
【図７】従来の加速度センサー素子の構成を示した図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は断面図である。
【図８】従来の振動子の支持構造を示す断面図である。
【図９】従来の力変換装置の構造を示す平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。
図１（ａ）は、本発明の一実施形態に係る力センサー装置の構成を示した概略図であり
、（ａ）は力センサー装置の断面図、（ｂ）は力センサー装置に用いる力センサー素子の
構成を示す平面図、（ｃ）は（ｂ）のＰ−Ｐにおける力センサー素子の断面図、（ｄ）は
力センサー素子を支持する架線部材の断面図である。
この図１に示す力センサー装置１は、加えられた力を電気信号に変換する力センサー素
子５と、力センサー素子５を凹部に収容するベース基板１０と、一端が力センサー素子５
の固定部に夫々接続され、他端が前記ベース基板１０の段差部１１に夫々接続される弾性
力を有する架線部材１３と、力センサー素子５を励振し、その出力周波数を処理するＩＣ
部品１７と、ベース基板１０の開口部を密封する蓋部材１９と、を備えている。
【００１９】
図１（ｂ）は、力センサー素子の一例を示す平面図であり、力センサー素子５は、双音
叉型圧電振動素子２０と、双音叉型圧電振動素子２０の両基部２１ａ、２１ｂに一体的に
連結する環状の梁２３と、を備えている。
双音叉型圧電振動素子２０は、互いに平行に延在する一対の振動部（振動腕）２０ａ、
２０ｂと、この一対の振動部（振動腕）２０ａ、２０ｂの両端部に夫々連結され一体化さ
れた基部２１ａ、２１ｂと、を有する。
一対の振動部（振動腕）２０ａ、２０ｂには、振動腕２０ａ、２０ｂがその長手方向に
対し互いに対称な屈曲振動をするように、励振電極が形成されている。
力センサー素子５は、双音叉型圧電振動素子２０の振動腕２０ａ、２０ｂが環状の梁２
３の開口の中央部を跨ぐように配置される。つまり、双音叉型振動素子２０の両基部２１
ａ、２１ｂに連結する環状の梁２３は、Ｙ軸方向に平行な一対の細板状の梁２４ａ、２４
ｂと、Ｘ軸方向に平行な一対の細板状の梁２４ｃ、２４ｄと、からなり、梁２４ａ、２４
ｄ、２４ｂ、２４ｃがこの順に環状に連結され、一体化している。
【００２０】
環状の梁２３は、Ｙ軸方向の中心線に対し対称であると共に、Ｘ軸方向の中心線に対し
ても対称な形状をしている。図中左右の梁２４ａ、２４ｂには、Ｘ軸方向の中心線に対し
て対称であると共に、環状の梁２３の中心寄りの端にそれぞれ複数の括れ部２６が形成さ
れている。そして、環状の梁２３の４つの外角にも括れ部２７が形成されている。括れ部
２６の形状は半円形、半楕円形、楔形等であり、括れ部２７の形状の一例は扇型であり、
梁の幅が括れ部２６において幅狭な形状となっている。なお、環状の梁２３は梁２４ａ、
２４ｂの中心部で破線の小円で示す固定部２５ａ、２５ｂで支持される。
環状の梁２３付き双音叉型圧電振動素子２０は、薄板状の圧電基板、例えばＺカット水
晶基板にフォトリソグラフィ技法、エッチング手法を適用して、一体的に形成し、これに
真空蒸着等の手段で励振電極、リード電極が形成されている。
ベース基板（パッケージ本体）１０は、例えばセラミックス材料からなる下層板、フレ
ーム状の中層板及び上層板を積層して構成されている。下層板はベース基板１０の外底部
とＩＣ部品１７の実装面とを形成し、中層板は架線部材１３の一方の端部を固定する段差
部１１を形成し、フレーム状の上層板はベース基板（パッケージ本体）１０の内部空間を
形成する。下層板の外底面には実装端子が形成され、下層板の内底面にはＩＣ部品１７用
のパッドが形成されている。該パッドと実装端子とは内部導体にて接続されている。中層
板の段差部１１上にはパッドが形成され、内部導体によりＩＣ部品１７用のパッドと導通
されている。上層板の上部周縁に形成されメタライズには金属製の蓋部材１９がシーム溶
接され、気密封止される。
【００２１】
以上では、一例としてセラミックス製のベース基板（パッケージ本体）１０を説明した
が、ガラス製のベース基板１０でもよいし、力センサー素子５と同じ圧電基板をエッチン
グ加工して形成したベース基板１０でもよい。ガラス製、あるいは圧電材料を用いたベー
ス基板１０の場合は、ベース基板１０と同質の蓋部材１９を用い、接着剤等でベース基板
１０を気密封止する。気密封止としてＵＶプラズマ、直接接合、低融点ガラス等の手法が
ある。
【００２２】
架線部材１３の一例は、図１（ｄ）に示すように、細板状の平坦部材１３ａ、１３ｃと
、該平坦部材１３ａ、１３ｃの端部に接続する細板状の傾斜部材１３ｂと、平坦部材１３
ｃに接続された板状部材１３ｄとから成る。平坦部材１３ａ、１３ｃ、傾斜部材１３ｂ、
板状部材１３ｄは、例えば樹脂製の部材の表面に金属製のリード導体を貼り合わせたもの
であり、弾性を有する。あるいは弾性を有する金属製の細い薄板で形成してもよい。
傾斜部材１３ｂ、板状部材１３ｂに必要な剛性は、双音叉型圧電振動子２０の自重を支
えることができる程度であり、更に、少なくとも板状部材１３ｂは力Ｆによって撓み可能
な程度の弾性力（弾性）を有する。
なお、図１（ａ）、（ｄ）に示すように、傾斜部材１３ｂと−Ｘ軸方向とのなす角度を
θとしたときに、θは９０°又は１８０°以外の角度、即ち０°＜θ＜９０°又は９０°
＜θ＜１８０°を満たす範囲内に設定すれば、力センサー素子５に加わる力を調整するこ
とが可能になる。
ＩＣ部品１７は、１チップＩＣなどにより構成され、双音叉型圧電振動素子２０を励振
する発振回路や、発振回路の出力周波数と基準周波数との差を演算し印加された力を求め
る処理回路等が形成されている。
【００２３】
力センサー装置１の構成は、始めにベース基板（パッケージ本体）１０の凹部底面に設
けたパッドにクリーム半田を塗布し、その上にＩＣ部品１７を搭載し、加熱して半田付け
する。力センサー素子５の裏面の固定部２５ａ、２５ｂに架線部材１３の一方の端部を夫
々ギャングボンディングして固定する。そして、架線部材１３の他方の端部を、導電性接
着剤を塗布した段差部１１に搭載し、加熱して接続、固定する。力センサー素子５の平面
を、ベース基板（パッケージ本体）１０の外底面に平行に実装した後、該ベース基板（パ
ッケージ本体）１０の内部を真空にし、ベース基板（パッケージ本体）１０の開口部を蓋
部材１９にて気密封止して力センサー装置１を完成する。
【００２４】
図２を用いて双音叉型圧電振動子２０について簡単に説明する。
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２１ａ、２１ｂ、及
び基部２１ａ、２１ｂ間を連設する２つの振動腕２０ａ、２０ｂ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上に形成した励振電極と、を備えている。
図２（ａ）は、双音叉型圧電（水晶）振動素子２３の振動姿態を示す平面図である。双
音叉型圧電振動素子２０の振動モードが、長手（振動腕）方向の中心軸に対して対称なモ
ードで振動するように励振電極を配置する。図２（ｂ）は、双音叉型圧電振動素子２０に
形成する励振電極と、ある瞬間に励起される励振電極上の電荷の符号を示した平面図であ
る。図２（ｃ）は、振電極の結線を示す模式断面図である。
【００２５】
双音叉型圧電振動素子は伸張・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例では、双音叉型水晶振動素子が呈する周波数温度特性は、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）の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を設定する。
双音叉型水晶振動素子の２本の振動腕に外力Ｆを加えたときの共振周波数ｆFは以下の
如くである。
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は振動ビームの長さ、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）は次式のように変形することが
できる。
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）
Ａは振動ビームの断面積（＝ｗ・ｄ）である。ｄは振動ビームの厚さ、ｗは幅である。
【００２６】
以上から双音叉型水晶振動子に作用する力Ｆを圧縮方向のとき負、伸張方向（引張り方
向）を正としたとき、力Ｆと共振周波数ｆFの関係は、力Ｆが圧縮力で共振周波数ｆFが減
少し、伸張（引張り）力では増加する。また応力感度ＳFは振動ビームのＬ／ｗの２乗に
比例する。
また、応力感応素子としては、双音叉型水晶振動子に限らず、伸張・圧縮応力によって
周波数が変化する圧電振動素子であればどのようなものも用いることが可能である。
【００２７】
図１（ａ）に示す本実施の形態に係る力センサー装置１の動作について説明する。
＋Ｚ軸方向に加速度αが印加されると、慣性力により−Ｚ軸方向に力Ｆ（＝α×ｍ、こ
こでｍは質量）が作用する。
力Ｆは、段差部１１を介して架線部材１３に作用し、架線部材１３には圧縮力が働く。
架線部材１３に圧縮力が働くと、力センサー素子５における環状の梁２３の固定部２５に
は、環状の梁２３の固定部２５ａ、２５ｂには図１（ｂ）に示す矢印の向きのごとく中心
部方向への力が作用する。固定部２５に内部方向の力が働くと、環状の梁２３の括れ部２
６、２７の存在により、環状の梁２３の外角には図１（ｂ）に示す矢印の方向のごとく圧
縮力が作用し、この作用により双音叉型圧電素子２０の基部２１ａ、２１ｂには伸長応力
が働く。
【００２８】
双音叉型圧電素子２０に伸長応力が作用すると、双音叉型圧電素子２０の周波数は元の
周波数から増加するように変化する。
双音叉型圧電素子２０に加わる応力と周波数変量とは略比例するが、正確に印加された
力を検出するには、応力と周波数変化量の表をＩＣ部品のメモリに格納しておけばよい。
一方、−Ｚ軸方向に加速度αが印加される場合は、力の作用は上記の説明と逆となり、双
音叉型圧電素子２０の基部２１ａ、２１ｂには圧縮応力が働く。双音叉型圧電素子２０に
圧縮応力が作用すると、双音叉型圧電素子２０の周波数は元の周波数から減少するように
変化する。
以上のように、力の印加方向により双音叉型圧電素子２０の周波数変化の増減が異なる
ので、力の大きさと同時に印加される方向も検出される。
【００２９】
本実施の形態の力センサー装置１の特徴は、力センサー素子５の環状の梁２３の構造と
、環状の梁２３の固定部２５ａ、２５ｂを夫々支持する２つの架線部材１３の構造とにあ
る。
架線部材１３における傾斜部材１３ｂは、Ｘ軸方向（ベース基板１０の外底面、あるい
は力センサー素子５の平面方向）に対し、角度θだけ傾けている。加速度αが印加され力
センサー装置１に力Ｆが作用すると、この力Ｆは２つの略対称に配置された架線部材１３
に同時に働く。即ち、図７に示すような従来の片持ち方式の力センサー素子と比較し、本
発明の力センサー素子５にはより大きな力が作用することになる。つまり、角度θを変え
ることにより、力センサー素子５の固定部２５ａ、２５ｂに伝える際に力の大きさを調整
することができるという効果がある。
【００３０】
また、力センサー素子５は、環状の梁２３の開口を跨ぐように、双音叉型圧電振動素子
２０が配置された構造に形成されているため、２つの固定部２５ａ、２５ｂに作用する応
力が環状の梁２３を伝わり、双音叉型圧電振動素子２０の両基部２１ａ、２１ｂに同時に
働く。従来の双音叉型圧電振動素子の一方の基部に力が作用する片持ち方式のセンサー素
子と比較し、本実施の形態の力センサー素子５では双音叉型圧電振動素子２０の両基部２
１ａ、２１ｂに同時に力が作用するので感度が２倍となる。
つまり、振動部（双音叉型圧電振動素子）２０を環状の梁２３の開口の中央に配置し、
振動部（双音叉型圧電振動素子）２０を挟む環状の梁２３の少なくとも２箇所とベース基
板１０との間に架線部材１３を設けることにより、従来の片持ち支持の力センサー装置に
比べ、本実施の形態の力センサー装置１の双音叉型圧電振動素子２０に加わる力は、架線
部材１３による増加と、環状の梁２３による増加と、の積になり、検出感度が大幅に増加
するという効果がある。
また、環状の梁２３に図中左右及び上下方向に対称な括れ部２６、２７を設けることに
より、環状の梁２３の固定部２５ａ、２５ｂに加わる力を目的とする方向（双音叉型圧電
振動素子２０の振動腕方向）の力に効率よく変換することができるという効果がある。
【００３１】
図３は、第２の実施の形態に係る力センサー素子６の構成を示す平面図であり、互いに
平行して延在する一対の振動腕２０ａ、２０ｂと、該一対の振動腕２０ａ、２０ｂの両端
部に夫々連結され一体化された基部２１ａ、２１ｂと、を有する双音叉型圧電振動素子で
ある。振動腕２０ａ、２０ｂ及び基部２１ａ、２１ｂには、図２に示すような励振電極と
、リード電極が形成されている。
第２の実施の形態に係る力センサー装置は、図１（ａ）に示す力センサー素子５に代え
て、図３に示す力センサー素子６の基部２１ａ、２１ｂを両架線部材１３の上端部に夫々
ギャングボンディングして力センサー装置を構成する。
力センサー装置２の力検出感度は、図１に示す力センサー装置１に比べて低いものの力
センサー素子６の構造が簡単で、歩留まりが高く、低コストの力センサー装置が構成でき
るという利点がある。
【００３２】
図４は、第３の実施の形態に係る力センサー素子７の構成を示す平面図であり、図１（
ｂ）、（ｃ）に示す第１の実施の形態に係る力センサー素子５と異なる点は、力センサー
素子５の外角に夫々設けた括れ部２７に替えて、図４に示すように環状の梁２３のＹ軸方
向の中心線に対し対称な括れ部２８を、図中上下の梁２４ｃ、２４ｄに形成した点である
。
力センサー素子７の固定部２５ａ、２５ｂに力が作用した場合の力センサー素子７の動
作は、力センサー素子５の動作とほぼ同様であるので説明を省略する。
【００３３】
図５は、第３の実施の形態に係る力センサー装置３の構成を示す断面図であり、図１（
ａ）に示す力センサー装置１と異なる点は、架線部材１３’の構造である。架線部材１３
’は、上部に平坦部が設けられた傾斜部材１３’ａ、１３’ｂと、平坦部材１３’ｃとが
接合されて、断面はＶ字の形状をしている。架線部材１３’は弾性を有し、Ｖ字状の上端
部の平坦部と、力センサー素子５の固定部２５ａ、２５ｂと、を夫々ギャングボンディン
グして接続する。そして、架線部材１３’の平坦部材１３’ｃと、ベース基板（パッケー
ジ本体）１０の凹部底面に設けたパッドとを半田、又は導電性接着剤等を用いて接続する
。
なお、架線部材１３’の平坦部材１３’ｃの一部１３’ｃは絶縁性を有し、Ｖ字状の両
腕１３’ａ、１３’ｂとは非導通である。なお、傾斜部材１３’ｂと、−Ｘ軸（図１（ａ
）で定義した）とのなす角度をθとする。
力センサー装置３のＺ軸方向に沿って加速度αが印加されると、力センサー装置３には
力Ｆ（＝α×ｍ、ｍは質量）が作用し、この力Ｆが架線部材１３’を介して力センサー素
子５の固定部２５ａ、２５ｂに作用する。この力が双音叉型圧電振動素子２０の基部２１
ａ、２１ｂに伝わり、双音叉型圧電振動素子２０の周波数が変化する動作は既に説明した
通りである。
傾斜部材の角度θを変えることにより、力センサー装置３に加わる力をセンサー素子５
の固定部２５ａ、２５ｂに伝える際にその大きさを調整することができるという効果があ
る。
【００３４】
図６は、第４の実施の形態に係る力センサー装置４の要部の構成、つまり力センサー素
子５と、力センサー素子５の固定部２５ａ、２５ｂを支持する弾性を有する架線部材１４
とを示す平面図である。
図１（ａ）に示す力センサー装置１と異なる点は、架線部材１４の構造である。架線部
材１４の平面はＶ字状に形成されており、Ｖ字状の底部で力センサー素子５の固定部２５
ａ、２５ｂを支持する構造である。Ｖ字の上端部はベース基板１０のパッドに接続される
。
第４の力センサー装置４の特徴は、架線部材１４が強化されているので、大きな力の検
出に適している。
【符号の説明】
【００３５】
１、３、４…力センサー装置、５、６、７…力センサー素子、１０…ベース基板、１１…
段差部、１３、１３’、１４…架線部材、１３ａ、１３ｃ、１３’ｃ…平坦部材、１３ｂ
、１３’ａ、１３’ｂ…傾斜部材、１３ｄ…板状部材、１５…接続材、１７…ＩＣ部品、
１９…蓋部材、２０…双音叉型圧電振動素子、２０ａ、２０ｂ…振動部（振動腕）、２１
ａ、２１ｂ…基部、２３…環状の梁、２４ａ、２４ｂ、２４ｃ、２４ｄ…梁、２５ａ、２
５ｂ…固定部、２６、２７…括れ部
【技術分野】
【０００１】
本発明は、携帯電話の縦横切換器、ゲームコントローラ、ナビゲーション装置、ＰＮＤ
（Personal Navigation Device）等に用いられる力センサー装置に関し、特に小型化、高
精度化を図った力センサー装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
圧電振動子に加わる応力と共振周波数変化との関係を利用した力検出素子、及び力セン
サー装置が実用化されている。圧電振動子に双音叉型圧電振動子を用いることにより、応
力に対する感度が良好となり、僅かな力の変化から例えば高度差、深度差等を検知するこ
とができる。
特許文献１には、水晶基板を用いた加速度センサー素子、加速度センサーが開示されて
いる。
図７は、特許文献１に開示されている加速度センサー素子の構成を示した図であり、（
ａ）は加速度センサー素子の平面図、（ｂ）は、（ａ）のＱ−Ｑにおける断面図である。
この図７に示す加速度センサー素子６０は、Ｚカット水晶基板７０の裏面にハーフエッ
チングで凹部７８を形成し、更にエッチングしてＹ軸に平行な略長方形の貫通孔７３、７
４、７５を開設して、周縁部よりも厚さが薄い一対の振動腕８１、８５を有する双音叉型
水晶振動素子８０が形成される。振動腕８１、８５のそれぞれには、表裏両面からＹ軸方
向に溝が穿設され、表裏面、側面に励振電極が形成されている。
図７に示す加速度センサー素子６０に＋Ｚ方向の加速度を加えると、慣性力により固定
部７１を基部として−Ｚ方向に撓み、振動腕８１、８５は伸張される。振動腕８１、８５
が伸張されると、双音叉振動素子の共振周波数は高くなるように変化する。つまり、加速
度を加えたときの共振周波数と、基準周波数との差とから加速度の大きさを測定すること
ができる。一方、−Ｚ方向の加速度を加えると振動腕８１、８５は圧縮され、双音叉振動
素子の共振周波数は低い方へ変化する。基準周波数に対する双音叉振動素子の周波数の変
化から、印加される加速度の方向も検出できると開示されている。
【０００３】
特許文献２には、振動子の支持構造および物理量測定装置が開示されている。
図８は、特許文献２に開示されている従来の振動子の支持構造を示す断面図である。
図８に示す振動子では、パッケージ１０９内に振動子９１、基板１０２及びボンディン
グワイヤ１０４Ａ（１０４Ｂ）を収容し、さらに台座１０７及びＩＣ部品１０８をマウン
トする。そして、台座１０７上に導電性接着剤１０６を介して基板１０２を設置し、導電
性接着剤１０６を加熱し、基板１０２を台座１０７上に接着して固定する。
また、特許文献３には、加速度計と力変換装置が開示されている。
図９は、特許文献３に開示されている従来の力変換装置の構造を示す断面図である。
この図９に示す力変換装置１１６は、２つの同一構造の力変換デバイス１１７、１１８
がパッド１２４を共有した構造をしている。力変換デバイス１１７（１１８）は、２つの
振動腕１２１を有する双音叉振動素子の両固定端１２３に、夫々２つの連結子１２２を菱
型状に連結し、図中上部の２つの連結子１２２はパッド１２６に連結し、図中下部の２つ
の連結子１２２はパッド１２４に連結されている。なお、力変換装置１１６は、水晶基板
を用いて一体的に形成されている。
このように構成される力変換装置１１６は、中央のパッド１２４に図中垂直方向の力が
加えられると、例えば一方の力変換デバイス１１７には圧縮力が、他方の力変換デバイス
１１８には伸長力が作用し、夫々の力変換デバイス１１７、１１８の周波数の変化は互い
に逆に変化する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００７−１６３２４４公報
【特許文献２】特開２００６−１０５９６２公報
【特許文献３】米国特許第５２８９７１９号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１に開示された加速度センサー素子は、小型化を図る場合に検
出感度を上げられないという問題点があった。また圧電基板を数度に分けてエッチング加
工するため、コスト低減が難しいという問題点があった。
また、特許文献３に開示された力変換装置は、構造が複雑であり、製造歩留まりが悪い
という問題と、コストが掛かり過ぎるという問題点があった。
本発明は上記問題を解決するためになされたもので、小型化しても大きな検出感度が得
られる力センサー装置を提供することにある。また本発明は、製造歩留まりがよくコスト
低減が可能な力センサー装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、上記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
形態又は適用例として実現することが可能である。
【０００７】
［適用例１］振動部を有する振動素子と、該振動素子の対向する２つの端を連結する固
定部とを備える力センサー素子と、ベース基板と、一端が前記固定部に夫々接続され、他
端が前記ベース基板に接続された弾性力を有する架線部材と、備え、前記振動部を挟む少
なくとも２箇所にそれぞれ一端が前記ベース基板に固定された前記架線部材の他端を接続
したことを特徴とする力センサー装置である。
【０００８】
適用例１によれば、振動部を挟む少なくとも２箇所とベース基板との間に夫々架線部材
を配置するため、力センサー装置に加わる力を夫々の架線部材を介して振動部に伝えるこ
とにより、従来の片持ち支持の力センサー装置に比べ、より大きな伸長応力、又は圧縮応
力が振動部に作用するので力検出感度が向上するという効果がある。
【０００９】
［適用例２］前記固定部が環状の梁であることを特徴とする適用例１に記載の力センサ
ー装置である。
【００１０】
適用例２によれば、振動素子の対向する２つの端を連結する固定部が環状の梁で構成さ
れることにより、固定部を介して伝わる力が振動素子の両端部に同時に加わるため、従来
の片持ち支持の力センサー装置に比べ、より大きな伸長応力、又は圧縮応力が振動部に作
用するので、力検出感度が向上するという効果がある。
【００１１】
［適用例３］前記振動部を前記環状の梁の開口を跨ぐように配置すると共に、前記２つ
の端を結ぶ仮想線を挟む少なくとも２箇所にそれぞれ前記架線部材の他端を接続し、前記
架線部材の弾性力によって前記梁の一部に前記仮想線と直交する方向に力が加わるように
構成したことを特徴とする適用例２に記載の力センサー装置である。
【００１２】
適用例３によれば、振動部を環状の梁の開口の中央に配置し、振動部を挟む環状の梁の
少なくとも２箇所とベース基板との間に架線部材を設けることにより、従来の片持ち支持
の力センサー装置に比べ、力センサー装置に加わる力は、架線部材でより大きな力となり
、この力が環状の梁でより振動部の両端に同時に加えられるので、力センサー装置の検出
感度は、架線部材による増加感度と、環状の梁による増加感度との積になるという効果が
ある。
【００１３】
［適用例４］前記環状の梁が、括れ部を有することを特徴とする適用例２に記載の力セ
ンサー装置である。
【００１４】
適用例４によれば、環状の梁に左右及び上下方向に対称な括れ部を設けることにより、
環状の梁の固定部加わる力を目的とする方向の力に効率よく変換することができるという
効果がある。
【００１５】
［適用例５］前記架線部材と前記仮想線とのなす角度θが、０°＜θ＜９０°又は９０
°＜θ＜１８０°を満たすことを特徴とする力センサー装置である。
【００１６】
適用例５によれば、ベース基板に接続された架線部材の一方の端部が、固定部に接続さ
れる架線部材の他方の端部に対し、環状の梁の外側に位置する場合には、架線部材と仮想
線（力センサー素子の平面）とのなす角度θを０°＜θ＜９０°とし、前記環状の梁の内
側に位置する場合には、又は９０°＜θ＜１８０°とすることで、角度θを変えることに
より、力センサー装置に加わる力を固定部に伝える際にその大きさを調整することができ
るという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本実施の形態の力センサー装置の構造を示した概略図であり、（ａ）は力センサー装置の断面図、（ｂ）は力センサー素子の平面図、（ｃ）は力センサー素子の断面図、（ｄ）は架線部材の断面図である。
【図２】（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は双音叉型圧電振動素子を説明する図である。
【図３】第２の力センサー素子の平面図である。
【図４】第３の力センサー素子の平面図である。
【図５】第３の力センサー装置の構成を示す断面図である。
【図６】第４の力センサー装置の要部の構成を示す平面図である。
【図７】従来の加速度センサー素子の構成を示した図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は断面図である。
【図８】従来の振動子の支持構造を示す断面図である。
【図９】従来の力変換装置の構造を示す平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。
図１（ａ）は、本発明の一実施形態に係る力センサー装置の構成を示した概略図であり
、（ａ）は力センサー装置の断面図、（ｂ）は力センサー装置に用いる力センサー素子の
構成を示す平面図、（ｃ）は（ｂ）のＰ−Ｐにおける力センサー素子の断面図、（ｄ）は
力センサー素子を支持する架線部材の断面図である。
この図１に示す力センサー装置１は、加えられた力を電気信号に変換する力センサー素
子５と、力センサー素子５を凹部に収容するベース基板１０と、一端が力センサー素子５
の固定部に夫々接続され、他端が前記ベース基板１０の段差部１１に夫々接続される弾性
力を有する架線部材１３と、力センサー素子５を励振し、その出力周波数を処理するＩＣ
部品１７と、ベース基板１０の開口部を密封する蓋部材１９と、を備えている。
【００１９】
図１（ｂ）は、力センサー素子の一例を示す平面図であり、力センサー素子５は、双音
叉型圧電振動素子２０と、双音叉型圧電振動素子２０の両基部２１ａ、２１ｂに一体的に
連結する環状の梁２３と、を備えている。
双音叉型圧電振動素子２０は、互いに平行に延在する一対の振動部（振動腕）２０ａ、
２０ｂと、この一対の振動部（振動腕）２０ａ、２０ｂの両端部に夫々連結され一体化さ
れた基部２１ａ、２１ｂと、を有する。
一対の振動部（振動腕）２０ａ、２０ｂには、振動腕２０ａ、２０ｂがその長手方向に
対し互いに対称な屈曲振動をするように、励振電極が形成されている。
力センサー素子５は、双音叉型圧電振動素子２０の振動腕２０ａ、２０ｂが環状の梁２
３の開口の中央部を跨ぐように配置される。つまり、双音叉型振動素子２０の両基部２１
ａ、２１ｂに連結する環状の梁２３は、Ｙ軸方向に平行な一対の細板状の梁２４ａ、２４
ｂと、Ｘ軸方向に平行な一対の細板状の梁２４ｃ、２４ｄと、からなり、梁２４ａ、２４
ｄ、２４ｂ、２４ｃがこの順に環状に連結され、一体化している。
【００２０】
環状の梁２３は、Ｙ軸方向の中心線に対し対称であると共に、Ｘ軸方向の中心線に対し
ても対称な形状をしている。図中左右の梁２４ａ、２４ｂには、Ｘ軸方向の中心線に対し
て対称であると共に、環状の梁２３の中心寄りの端にそれぞれ複数の括れ部２６が形成さ
れている。そして、環状の梁２３の４つの外角にも括れ部２７が形成されている。括れ部
２６の形状は半円形、半楕円形、楔形等であり、括れ部２７の形状の一例は扇型であり、
梁の幅が括れ部２６において幅狭な形状となっている。なお、環状の梁２３は梁２４ａ、
２４ｂの中心部で破線の小円で示す固定部２５ａ、２５ｂで支持される。
環状の梁２３付き双音叉型圧電振動素子２０は、薄板状の圧電基板、例えばＺカット水
晶基板にフォトリソグラフィ技法、エッチング手法を適用して、一体的に形成し、これに
真空蒸着等の手段で励振電極、リード電極が形成されている。
ベース基板（パッケージ本体）１０は、例えばセラミックス材料からなる下層板、フレ
ーム状の中層板及び上層板を積層して構成されている。下層板はベース基板１０の外底部
とＩＣ部品１７の実装面とを形成し、中層板は架線部材１３の一方の端部を固定する段差
部１１を形成し、フレーム状の上層板はベース基板（パッケージ本体）１０の内部空間を
形成する。下層板の外底面には実装端子が形成され、下層板の内底面にはＩＣ部品１７用
のパッドが形成されている。該パッドと実装端子とは内部導体にて接続されている。中層
板の段差部１１上にはパッドが形成され、内部導体によりＩＣ部品１７用のパッドと導通
されている。上層板の上部周縁に形成されメタライズには金属製の蓋部材１９がシーム溶
接され、気密封止される。
【００２１】
以上では、一例としてセラミックス製のベース基板（パッケージ本体）１０を説明した
が、ガラス製のベース基板１０でもよいし、力センサー素子５と同じ圧電基板をエッチン
グ加工して形成したベース基板１０でもよい。ガラス製、あるいは圧電材料を用いたベー
ス基板１０の場合は、ベース基板１０と同質の蓋部材１９を用い、接着剤等でベース基板
１０を気密封止する。気密封止としてＵＶプラズマ、直接接合、低融点ガラス等の手法が
ある。
【００２２】
架線部材１３の一例は、図１（ｄ）に示すように、細板状の平坦部材１３ａ、１３ｃと
、該平坦部材１３ａ、１３ｃの端部に接続する細板状の傾斜部材１３ｂと、平坦部材１３
ｃに接続された板状部材１３ｄとから成る。平坦部材１３ａ、１３ｃ、傾斜部材１３ｂ、
板状部材１３ｄは、例えば樹脂製の部材の表面に金属製のリード導体を貼り合わせたもの
であり、弾性を有する。あるいは弾性を有する金属製の細い薄板で形成してもよい。
傾斜部材１３ｂ、板状部材１３ｂに必要な剛性は、双音叉型圧電振動子２０の自重を支
えることができる程度であり、更に、少なくとも板状部材１３ｂは力Ｆによって撓み可能
な程度の弾性力（弾性）を有する。
なお、図１（ａ）、（ｄ）に示すように、傾斜部材１３ｂと−Ｘ軸方向とのなす角度を
θとしたときに、θは９０°又は１８０°以外の角度、即ち０°＜θ＜９０°又は９０°
＜θ＜１８０°を満たす範囲内に設定すれば、力センサー素子５に加わる力を調整するこ
とが可能になる。
ＩＣ部品１７は、１チップＩＣなどにより構成され、双音叉型圧電振動素子２０を励振
する発振回路や、発振回路の出力周波数と基準周波数との差を演算し印加された力を求め
る処理回路等が形成されている。
【００２３】
力センサー装置１の構成は、始めにベース基板（パッケージ本体）１０の凹部底面に設
けたパッドにクリーム半田を塗布し、その上にＩＣ部品１７を搭載し、加熱して半田付け
する。力センサー素子５の裏面の固定部２５ａ、２５ｂに架線部材１３の一方の端部を夫
々ギャングボンディングして固定する。そして、架線部材１３の他方の端部を、導電性接
着剤を塗布した段差部１１に搭載し、加熱して接続、固定する。力センサー素子５の平面
を、ベース基板（パッケージ本体）１０の外底面に平行に実装した後、該ベース基板（パ
ッケージ本体）１０の内部を真空にし、ベース基板（パッケージ本体）１０の開口部を蓋
部材１９にて気密封止して力センサー装置１を完成する。
【００２４】
図２を用いて双音叉型圧電振動子２０について簡単に説明する。
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２１ａ、２１ｂ、及
び基部２１ａ、２１ｂ間を連設する２つの振動腕２０ａ、２０ｂ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上に形成した励振電極と、を備えている。
図２（ａ）は、双音叉型圧電（水晶）振動素子２３の振動姿態を示す平面図である。双
音叉型圧電振動素子２０の振動モードが、長手（振動腕）方向の中心軸に対して対称なモ
ードで振動するように励振電極を配置する。図２（ｂ）は、双音叉型圧電振動素子２０に
形成する励振電極と、ある瞬間に励起される励振電極上の電荷の符号を示した平面図であ
る。図２（ｃ）は、振電極の結線を示す模式断面図である。
【００２５】
双音叉型圧電振動素子は伸張・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例では、双音叉型水晶振動素子が呈する周波数温度特性は、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）の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を設定する。
双音叉型水晶振動素子の２本の振動腕に外力Ｆを加えたときの共振周波数ｆFは以下の
如くである。
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は振動ビームの長さ、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）は次式のように変形することが
できる。
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）
Ａは振動ビームの断面積（＝ｗ・ｄ）である。ｄは振動ビームの厚さ、ｗは幅である。
【００２６】
以上から双音叉型水晶振動子に作用する力Ｆを圧縮方向のとき負、伸張方向（引張り方
向）を正としたとき、力Ｆと共振周波数ｆFの関係は、力Ｆが圧縮力で共振周波数ｆFが減
少し、伸張（引張り）力では増加する。また応力感度ＳFは振動ビームのＬ／ｗの２乗に
比例する。
また、応力感応素子としては、双音叉型水晶振動子に限らず、伸張・圧縮応力によって
周波数が変化する圧電振動素子であればどのようなものも用いることが可能である。
【００２７】
図１（ａ）に示す本実施の形態に係る力センサー装置１の動作について説明する。
＋Ｚ軸方向に加速度αが印加されると、慣性力により−Ｚ軸方向に力Ｆ（＝α×ｍ、こ
こでｍは質量）が作用する。
力Ｆは、段差部１１を介して架線部材１３に作用し、架線部材１３には圧縮力が働く。
架線部材１３に圧縮力が働くと、力センサー素子５における環状の梁２３の固定部２５に
は、環状の梁２３の固定部２５ａ、２５ｂには図１（ｂ）に示す矢印の向きのごとく中心
部方向への力が作用する。固定部２５に内部方向の力が働くと、環状の梁２３の括れ部２
６、２７の存在により、環状の梁２３の外角には図１（ｂ）に示す矢印の方向のごとく圧
縮力が作用し、この作用により双音叉型圧電素子２０の基部２１ａ、２１ｂには伸長応力
が働く。
【００２８】
双音叉型圧電素子２０に伸長応力が作用すると、双音叉型圧電素子２０の周波数は元の
周波数から増加するように変化する。
双音叉型圧電素子２０に加わる応力と周波数変量とは略比例するが、正確に印加された
力を検出するには、応力と周波数変化量の表をＩＣ部品のメモリに格納しておけばよい。
一方、−Ｚ軸方向に加速度αが印加される場合は、力の作用は上記の説明と逆となり、双
音叉型圧電素子２０の基部２１ａ、２１ｂには圧縮応力が働く。双音叉型圧電素子２０に
圧縮応力が作用すると、双音叉型圧電素子２０の周波数は元の周波数から減少するように
変化する。
以上のように、力の印加方向により双音叉型圧電素子２０の周波数変化の増減が異なる
ので、力の大きさと同時に印加される方向も検出される。
【００２９】
本実施の形態の力センサー装置１の特徴は、力センサー素子５の環状の梁２３の構造と
、環状の梁２３の固定部２５ａ、２５ｂを夫々支持する２つの架線部材１３の構造とにあ
る。
架線部材１３における傾斜部材１３ｂは、Ｘ軸方向（ベース基板１０の外底面、あるい
は力センサー素子５の平面方向）に対し、角度θだけ傾けている。加速度αが印加され力
センサー装置１に力Ｆが作用すると、この力Ｆは２つの略対称に配置された架線部材１３
に同時に働く。即ち、図７に示すような従来の片持ち方式の力センサー素子と比較し、本
発明の力センサー素子５にはより大きな力が作用することになる。つまり、角度θを変え
ることにより、力センサー素子５の固定部２５ａ、２５ｂに伝える際に力の大きさを調整
することができるという効果がある。
【００３０】
また、力センサー素子５は、環状の梁２３の開口を跨ぐように、双音叉型圧電振動素子
２０が配置された構造に形成されているため、２つの固定部２５ａ、２５ｂに作用する応
力が環状の梁２３を伝わり、双音叉型圧電振動素子２０の両基部２１ａ、２１ｂに同時に
働く。従来の双音叉型圧電振動素子の一方の基部に力が作用する片持ち方式のセンサー素
子と比較し、本実施の形態の力センサー素子５では双音叉型圧電振動素子２０の両基部２
１ａ、２１ｂに同時に力が作用するので感度が２倍となる。
つまり、振動部（双音叉型圧電振動素子）２０を環状の梁２３の開口の中央に配置し、
振動部（双音叉型圧電振動素子）２０を挟む環状の梁２３の少なくとも２箇所とベース基
板１０との間に架線部材１３を設けることにより、従来の片持ち支持の力センサー装置に
比べ、本実施の形態の力センサー装置１の双音叉型圧電振動素子２０に加わる力は、架線
部材１３による増加と、環状の梁２３による増加と、の積になり、検出感度が大幅に増加
するという効果がある。
また、環状の梁２３に図中左右及び上下方向に対称な括れ部２６、２７を設けることに
より、環状の梁２３の固定部２５ａ、２５ｂに加わる力を目的とする方向（双音叉型圧電
振動素子２０の振動腕方向）の力に効率よく変換することができるという効果がある。
【００３１】
図３は、第２の実施の形態に係る力センサー素子６の構成を示す平面図であり、互いに
平行して延在する一対の振動腕２０ａ、２０ｂと、該一対の振動腕２０ａ、２０ｂの両端
部に夫々連結され一体化された基部２１ａ、２１ｂと、を有する双音叉型圧電振動素子で
ある。振動腕２０ａ、２０ｂ及び基部２１ａ、２１ｂには、図２に示すような励振電極と
、リード電極が形成されている。
第２の実施の形態に係る力センサー装置は、図１（ａ）に示す力センサー素子５に代え
て、図３に示す力センサー素子６の基部２１ａ、２１ｂを両架線部材１３の上端部に夫々
ギャングボンディングして力センサー装置を構成する。
力センサー装置２の力検出感度は、図１に示す力センサー装置１に比べて低いものの力
センサー素子６の構造が簡単で、歩留まりが高く、低コストの力センサー装置が構成でき
るという利点がある。
【００３２】
図４は、第３の実施の形態に係る力センサー素子７の構成を示す平面図であり、図１（
ｂ）、（ｃ）に示す第１の実施の形態に係る力センサー素子５と異なる点は、力センサー
素子５の外角に夫々設けた括れ部２７に替えて、図４に示すように環状の梁２３のＹ軸方
向の中心線に対し対称な括れ部２８を、図中上下の梁２４ｃ、２４ｄに形成した点である
。
力センサー素子７の固定部２５ａ、２５ｂに力が作用した場合の力センサー素子７の動
作は、力センサー素子５の動作とほぼ同様であるので説明を省略する。
【００３３】
図５は、第３の実施の形態に係る力センサー装置３の構成を示す断面図であり、図１（
ａ）に示す力センサー装置１と異なる点は、架線部材１３’の構造である。架線部材１３
’は、上部に平坦部が設けられた傾斜部材１３’ａ、１３’ｂと、平坦部材１３’ｃとが
接合されて、断面はＶ字の形状をしている。架線部材１３’は弾性を有し、Ｖ字状の上端
部の平坦部と、力センサー素子５の固定部２５ａ、２５ｂと、を夫々ギャングボンディン
グして接続する。そして、架線部材１３’の平坦部材１３’ｃと、ベース基板（パッケー
ジ本体）１０の凹部底面に設けたパッドとを半田、又は導電性接着剤等を用いて接続する
。
なお、架線部材１３’の平坦部材１３’ｃの一部１３’ｃは絶縁性を有し、Ｖ字状の両
腕１３’ａ、１３’ｂとは非導通である。なお、傾斜部材１３’ｂと、−Ｘ軸（図１（ａ
）で定義した）とのなす角度をθとする。
力センサー装置３のＺ軸方向に沿って加速度αが印加されると、力センサー装置３には
力Ｆ（＝α×ｍ、ｍは質量）が作用し、この力Ｆが架線部材１３’を介して力センサー素
子５の固定部２５ａ、２５ｂに作用する。この力が双音叉型圧電振動素子２０の基部２１
ａ、２１ｂに伝わり、双音叉型圧電振動素子２０の周波数が変化する動作は既に説明した
通りである。
傾斜部材の角度θを変えることにより、力センサー装置３に加わる力をセンサー素子５
の固定部２５ａ、２５ｂに伝える際にその大きさを調整することができるという効果があ
る。
【００３４】
図６は、第４の実施の形態に係る力センサー装置４の要部の構成、つまり力センサー素
子５と、力センサー素子５の固定部２５ａ、２５ｂを支持する弾性を有する架線部材１４
とを示す平面図である。
図１（ａ）に示す力センサー装置１と異なる点は、架線部材１４の構造である。架線部
材１４の平面はＶ字状に形成されており、Ｖ字状の底部で力センサー素子５の固定部２５
ａ、２５ｂを支持する構造である。Ｖ字の上端部はベース基板１０のパッドに接続される
。
第４の力センサー装置４の特徴は、架線部材１４が強化されているので、大きな力の検
出に適している。
【符号の説明】
【００３５】
１、３、４…力センサー装置、５、６、７…力センサー素子、１０…ベース基板、１１…
段差部、１３、１３’、１４…架線部材、１３ａ、１３ｃ、１３’ｃ…平坦部材、１３ｂ
、１３’ａ、１３’ｂ…傾斜部材、１３ｄ…板状部材、１５…接続材、１７…ＩＣ部品、
１９…蓋部材、２０…双音叉型圧電振動素子、２０ａ、２０ｂ…振動部（振動腕）、２１
ａ、２１ｂ…基部、２３…環状の梁、２４ａ、２４ｂ、２４ｃ、２４ｄ…梁、２５ａ、２
５ｂ…固定部、２６、２７…括れ部
【特許請求の範囲】
【請求項１】
振動部を有する振動素子と、該振動素子の対向する２つの端を連結する固定部とを備え
る力センサー素子と、ベース基板と、一端が前記固定部に夫々接続され、他端が前記ベー
ス基板に接続された弾性力を有する架線部材と、備え、
前記振動部を挟む少なくとも２箇所にそれぞれ一端が前記ベース基板に固定された前記
架線部材の他端を接続したことを特徴とする力センサー装置。
【請求項２】
前記固定部が環状の梁であることを特徴とする請求項１に記載の力センサー装置。
【請求項３】
前記振動部を前記環状の梁の開口を跨ぐように配置すると共に、前記２つの端を結ぶ仮
想線を挟む少なくとも２箇所にそれぞれ前記架線部材の他端を接続し、
前記架線部材の弾性力によって前記梁の一部に前記仮想線と直交する方向に力が加わる
ように構成したことを特徴とする請求項２に記載の力センサー装置。
【請求項４】
前記環状の梁は、括れ部を有することを特徴とする請求項２に記載の力センサー装置。
【請求項５】
前記架線部材と前記仮想線とのなす角度θが、０°＜θ＜９０°又は９０°＜θ＜１８
０°を満たすことを特徴とする力センサー装置。
【請求項１】
振動部を有する振動素子と、該振動素子の対向する２つの端を連結する固定部とを備え
る力センサー素子と、ベース基板と、一端が前記固定部に夫々接続され、他端が前記ベー
ス基板に接続された弾性力を有する架線部材と、備え、
前記振動部を挟む少なくとも２箇所にそれぞれ一端が前記ベース基板に固定された前記
架線部材の他端を接続したことを特徴とする力センサー装置。
【請求項２】
前記固定部が環状の梁であることを特徴とする請求項１に記載の力センサー装置。
【請求項３】
前記振動部を前記環状の梁の開口を跨ぐように配置すると共に、前記２つの端を結ぶ仮
想線を挟む少なくとも２箇所にそれぞれ前記架線部材の他端を接続し、
前記架線部材の弾性力によって前記梁の一部に前記仮想線と直交する方向に力が加わる
ように構成したことを特徴とする請求項２に記載の力センサー装置。
【請求項４】
前記環状の梁は、括れ部を有することを特徴とする請求項２に記載の力センサー装置。
【請求項５】
前記架線部材と前記仮想線とのなす角度θが、０°＜θ＜９０°又は９０°＜θ＜１８
０°を満たすことを特徴とする力センサー装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【公開番号】特開２０１０−２２３６６５（Ｐ２０１０−２２３６６５Ａ）
【公開日】平成２２年１０月７日（２０１０．１０．７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−６９５８９（Ｐ２００９−６９５８９）
【出願日】平成２１年３月２３日（２００９．３．２３）
【出願人】（０００００３１０４）エプソントヨコム株式会社 (1,528)
【公開日】平成２２年１０月７日（２０１０．１０．７）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年３月２３日（２００９．３．２３）
【出願人】（０００００３１０４）エプソントヨコム株式会社 (1,528)
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