CN113899354A - 惯性传感器以及惯性测量装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及惯性传感器和惯性测量装置。惯性传感器中，能够绕沿着第一方向的第一旋转轴摆动的第一可动体具有开口部，在开口部具有：第二可动体，能够绕沿着第二方向的第二旋转轴摆动；第二支承梁，作为第二旋转轴来支承第二可动体(38)；第三可动体，能够绕沿着上述第二方向的第三旋转轴摆动；以及第三支承梁，作为上述第三旋转轴来支承上述第三可动体，具有突起，上述突起设置于与第二可动体以及第三可动体对置的面或者第二可动体(38)以及第三可动体，并朝向第二可动体以及第三可动体或者面突出。

Description

惯性传感器以及惯性测量装置
技术领域
本发明涉及惯性传感器以及惯性测量装置。
背景技术
近年来，正在开发使用MEMS(Micro Electro Mechanical Systems，微机电系统)技术制造的惯性传感器。作为这样的惯性传感器，例如专利文献1中记载了一种物理量传感器，其具有：支承基板；可动体，其配置在支承基板上，并具有第一、第二质量部，且绕旋转轴进行跷跷板式摆动；以及第一、第二固定电极，其设置在支承基板上，并与第一、第二质量部对置，基于可动体的绕旋转轴的转矩彼此不同的第一、第二质量部与分别配置于第一、第二质量部所对置的位置的第一、第二固定电极之间的静电电容的变化，能够检测铅垂方向的加速度。
另外，该物理量传感器中，为了防止在可动体过度地进行跷跷板式摆动时，可动体与第一、第二固定电极接触，在支承基板设置有朝向第一、第二质量部突出的突起。
专利文献1：日本特开2019-45172号公报
然而，若专利文献1记载的物理量传感器从外部受到较强的振动、冲击，则会由于过度的跷跷板式摆动导致可动体与突起碰撞。虽能够避免可动体由于与突起碰撞而与第一、第二固定电极发生短路的情况，但在无法吸收其冲击时，可能会导致可动体、突起破损。换句话说，若惯性传感器以恒定的能量以上受到振动、冲击，则可能会导致可动体作为一个刚体与突起碰撞，导致可动体、突起的接触部被破坏。而且，若可动体作为一个刚体以恒定的能量反复碰撞，则可能会产生由被称为粘连的贴附现象引起的动作不良。
发明内容
一种惯性传感器，其特征在于，具备：基板；第一可动体，配置在所述基板上，并能够绕沿着第一方向的第一旋转轴摆动；第一支承梁，作为所述第一旋转轴来支承所述第一可动体；以及盖，与所述基板接合，并覆盖所述第一可动体以及所述第一支承梁，所述第一可动体具有开口部，在所述开口部具有：第二可动体，能够绕沿着与所述第一方向交叉的第二方向的第二旋转轴摆动；第二支承梁，连接所述第一可动体与所述第二可动体，并作为所述第二旋转轴来支承所述第二可动体；第三可动体，能够绕沿着所述第二方向的第三旋转轴摆动；以及第三支承梁，连接所述第一可动体与所述第三可动体，并作为所述第三旋转轴来支承所述第三可动体，所述惯性传感器具有突起，所述突起设置于与所述第二可动体及所述第三可动体对置的所述基板或所述盖的面或者设置于所述第二可动体及所述第三可动体，在俯视时，所述突起与所述第二可动体以及所述第三可动体重叠，所述突起朝向所述第二可动体及所述第三可动体或者所述面突出。
惯性测量装置具备：上述记载的惯性传感器；以及控制部，基于从上述惯性传感器输出的检测信号进行控制。
附图说明
图1是表示第一实施方式所涉及的惯性传感器的概略构造的俯视图。
图2是图1中的A-A线的剖视图。
图3是对惯性传感器的动作进行说明的示意图。
图4是对惯性传感器的动作进行说明的示意图。
图5是表示第二实施方式所涉及的惯性传感器的概略构造的俯视图。
图6是表示第三实施方式所涉及的惯性传感器的概略构造的俯视图。
图7是表示第四实施方式所涉及的惯性传感器的概略构造的俯视图。
图8是图7的B部分的放大图。
图9是表示第五实施方式所涉及的惯性传感器的概略构造的俯视图。
图10是表示第六实施方式所涉及的惯性传感器的概略构造的剖视图。
图11是表示第七实施方式所涉及的惯性传感器的概略构造的剖视图。
图12是表示第八实施方式所涉及的惯性传感器的概略构造的剖视图。
图13是表示第九实施方式所涉及的具备惯性传感器的惯性测量装置的概略结构的分解立体图。
图14是图13的基板的立体图。
附图标记说明
1、1a、1b、1c、1d、1e、1f、1g…惯性传感器；2…基板；3…传感器元件；5…盖；7、8…面；21…凹部；21a…凹部；22…固定部；23…突起；24…第一检测电极；25…第二检测电极；26…虚设电极；27…绝缘层；31…第一可动体；32…保持部；33…第一支承梁；34…第一质量部；35…第二质量部；36…第三质量部；37…第二支承梁；38…第二可动体；39…第三支承梁；40…第三可动体；41…第一连结部；42…第二连结部；43…第三连结部；44…第四连结部；45…第一开口部；46…第二开口部；47…第三开口部；48…第四开口部；51…凹部；2000…惯性测量装置；Ca、Cb…静电电容；G1、G2…重心；J1…第一旋转轴；J2…第二旋转轴；J3…第三旋转轴；L…中心线；S…收纳空间；S1、S2…加速度。
具体实施方式
1.第一实施方式
首先，针对第一实施方式所涉及的惯性传感器1，参照图1以及图2举例说明检测铅垂方向的加速度的加速度传感器。
需要说明的是，图1中，为了方便说明惯性传感器1的内部的结构，图中示出了移除盖5后的状态。另外，图1中，省略了基板2的布线。
另外，为了方便说明，各图中，作为彼此正交的三个轴，图中示出X轴、Y轴以及Z轴。另外，将沿着X轴的方向称为“X方向”，将沿着Y轴的方向称为“Y方向”，将沿着Z轴的方向称为“Z方向”。另外，也将各轴向的箭头前端侧称为“正侧”，将基端侧称为“负侧”，将Z方向正侧称为“上”，将Z方向负侧称为“下”。另外，Z方向沿着铅垂方向，XY平面沿着水平面。另外，本实施方式的第一方向是Y方向，第二方向是X方向，第三方向是Z方向。
图1以及图2所示的惯性传感器1能够检测传感器元件3的铅垂方向亦即Z方向的加速度。这样的惯性传感器1具备：基板2；配置在基板2上的传感器元件3；以及与基板2接合，并覆盖传感器元件3的盖5。
如图1所示，基板2在X方向以及Y方向上扩展，且在Z方向上具有厚度。另外，如图2所示，基板2形成有向下表面侧凹陷且深度不同的凹部21和凹部21a。需要说明的是，凹部21a距上表面的深度比凹部21距上表面的深。该在从Z方向俯视时，凹部21以及凹部21a在内侧内包传感器元件3，且形成得比传感器元件3大。凹部21以及凹部21a作为抑制传感器元件3与基板2接触的避让部发挥功能。另外，基板2具有从凹部21的底面亦即面7向传感器元件3侧突出的固定部22和突起23，在凹部21的底面配置有第一检测电极24和第二检测电极25，在凹部21a的底面配置有虚设电极26。第一检测电极24和第二检测电极25具有大致相等的面积。两个不同的检测电极分别与后述的QV放大器连接，并通过差动检测方式将其静电电容差检测为电信号。因此，优选第一检测电极24与第二检测电极25为相等的面积。而且，在固定部22的上表面接合有传感器元件3。另外，在从Z方向俯视时，突起23配置于与后述的第二可动体38以及第三可动体40重叠的位置。需要说明的是，在本实施方式中，配置在基板2上的传感器元件3的下表面的位置与基板2和盖5接合的接合面一致，但传感器元件3只要收纳于由基板2和盖5围起的空间内即可，不依赖于与接合面之间的位置关系、凹部21以及凹部21a的形状。
在第一可动体31不具备后述的第二可动体38、第三可动体40的情况下，在第一可动体31产生了过度的跷跷板式摆动时突起23与第一可动体31接触，由此，突起23作为限制第一可动体31的进一步的跷跷板式摆动的止动件发挥功能。通过设置这样的突起23，能够防止电位相互不同的第一可动体31与第一检测电极24以及第二检测电极25过度接近。通常，由于在电位不同的电极之间产生静电引力，所以若产生过度接近，则引起“吸合(Pull-in)”的产生，该吸合如下：由于第一可动体31与第一检测电极24以及第二检测电极25之间产生的静电引力使第一可动体31保持被吸引至第一检测电极24、第二检测电极25的状态而不复原。在这样的状态下，惯性传感器1无法进行正常的动作，因此，设置突起23，防止过度接近较为重要。需要说明的是，如前述那样，第一可动体31与第一检测电极24以及第二检测电极25具有不同的电位，因此，为了防止短路而在突起23设置有绝缘层27。使用氧化硅SiO2、氮化硅Si3N4等来作为绝缘层27的材质。
例如，能够使用玻璃基板来作为基板2，上述玻璃基板由包含作为Na+等可动离子的碱金属离子的玻璃材料例如派热克斯(注册商标)玻璃、TEMPAX(注册商标)玻璃那样的硼硅酸盐玻璃构成。但是，作为基板2，没有特别限定，例如，也可以使用硅基板、石英基板、SOI(Silicon On Insulator，绝缘体上硅)基板等。
如图2所示，盖5在上表面侧形成有凹陷的凹部51。盖5在凹部51内收纳传感器元件3并与基板2的上表面接合。而且，通过盖5以及基板2，在盖5的内侧形成有收纳传感器元件3的收纳空间S。收纳空间S为气密空间，优选封入有氮气、氦气、氩气等惰性气体，使用温度为-40℃～125℃左右，几乎为大气压。但是，对收纳空间S的气氛没有特别限定，例如，也可以是减压状态，也可以是加压状态。
作为盖5，例如能够使用硅基板。但是，没有特别限定于此，例如，也可以使用玻璃基板、石英基板。另外，作为基板2和盖5接合的接合方法，没有特别限定，根据基板2、盖5的材料适当地选择即可，例如，能够使用阳极接合、使由于等离子体照射而活性化的接合面彼此接合的活性化接合、基于玻璃熔料等接合材料的接合、使在基板2的上表面以及盖5的下表面成膜的金属膜彼此接合的金属共晶接合等。
通过利用蚀刻特别是作为深蚀刻技术的博世(Bosch)工艺对例如掺杂有磷(P)、硼(B)、砷(As)等杂质的导电性的硅基板进行垂直加工来形成传感器元件3。
如图1所示，传感器元件3具有：保持部32，其与固定部22的上表面接合；第一可动体31，其能够绕沿着作为第一方向的Y方向的第一旋转轴J1摆动；第一支承梁33，其作为第一旋转轴J1来支承第一可动体31；第二可动体38，其能够绕沿着作为与Y方向正交的第二方向的X方向的第二旋转轴J2摆动；第二支承梁37，其连接第一可动体31与第二可动体38，并作为第二旋转轴J2来支承第二可动体38；第三可动体40，其能够绕沿着X方向的第三旋转轴J3摆动；以及第三支承梁39，其连接第一可动体31与第三可动体40，并作为第三旋转轴J3对第三可动体40进行支承。固定部22与保持部32例如阳极接合，第一支承梁33经由保持部32来连接第一可动体31与固定部22。
在从Z方向俯视时，第一可动体31成为以X方向为长边方向的长方形形状。另外，在从Z方向俯视时，第一可动体31具有：第一质量部34以及第二质量部35，它们之间隔着沿着Y方向的第一旋转轴J1而配置；和第三质量部36，其在第二质量部35的Y方向的两端处通过第四连结部44而连结。另外，在第二质量部35与第三质量部36之间，为了使第一质量部34的面积与第二质量部35的面积相等而设置有第四开口部48。第一质量部34相对于第一旋转轴J1位于X方向正侧，第二质量部35以及第三质量部36相对于第一旋转轴J1位于X方向负侧。另外，对于第二质量部35以及第三质量部36而言，在X方向上比第一质量部34长，施加了Z方向的加速度Az时的绕第一旋转轴J1的转矩比第一质量部34大。
通过该转矩之差，在施加了加速度Az时第一可动体31绕第一旋转轴J1进行跷跷板式摆动。需要说明的是，跷跷板式摆动是指若第一质量部34向Z方向正侧位移，则第二质量部35向Z方向负侧位移，相反，若第一质量部34向Z方向负侧位移，则第二质量部35向Z方向正侧位移。
另外，对于第一可动体31而言，第一质量部34和第二质量部35通过第一连结部41而连结，并在第一质量部34与第二质量部35之间具有第一开口部45。而且，在第一开口部45内配置有保持部32以及第一支承梁33。这样，在第一可动体31的内侧配置保持部32以及第一支承梁33，由此能够实现传感器元件3的小型化。
另外，第一可动体31在其全域具有均匀地形成的多个贯通孔。由此，能够使基于粘性的减振最佳。即，在通常动作中施加了加速度时，通过减振效果能够容易使跷跷板式摆动收敛。减振的效果过高过低均会对检测动作带来负面影响。对于通常的检测加速度的惯性传感器而言，将收纳空间S内的气压设定为大气压的0.1倍～1.0倍，根据贯通孔的形状、数量适当地设计。若获得了必要且充分的减振效果，则也可以省略贯通孔，其配置也可以不均匀。
另外，对于第一可动体31而言，沿Y方向排列的第一连结部41和保持部32通过沿Y方向延伸的第一支承梁33而连接。因此，能够以第一支承梁33作为第一旋转轴J1，使第一可动体31绕第一旋转轴J1以跷跷板式摆动方式进行位移。
第一质量部34由两个质量部构成，且在Y方向的两端处，通过第二连结部42而连结。因此，第一质量部34在中央部具有第二开口部46。若将第一可动体31的沿着X方向的中心线L定义为将第一可动体31在Y方向上进行2等分的线，则在第二开口部46的内侧而且在中心线L的Y方向的正侧配置有沿Y方向延伸的第二可动体38，配置有将第二可动体38的中心线L侧的端部的X方向的两侧向两个质量部连接的第二支承梁37。第二支承梁37向X方向的正侧和负侧延伸，与使第二可动体38沿Z方向运转的第二旋转轴J2一致。需要说明的是，第一质量部34由两个质量部构成，但通过第二连结部42稳固地连结，因此，发挥作为刚度高的一个质量部的功能。换言之，第二连结部42负责提高第一质量部34的刚度的作用。通过这样，能够抑制第一质量部34的寄生振动模式。
另外，在第二开口部46的比中心线L靠Y方向的负侧配置有沿Y方向延伸的第三可动体40，配置有：将第三可动体40的中心线L侧的端部的X方向的两侧与两个质量部连接且向X方向的正侧和负侧延伸的两个第三支承梁39。
需要说明的是，第二可动体38以及第二支承梁37与第三可动体40以及第三支承梁39以中心线L作为对称轴而线对称地配置。这样，对称配置第二可动体38以及第二支承梁37和第三可动体40以及第三支承梁39，从而能够排除寄生电容的负面影响，并使向后述的QV放大器输入的输入电荷量在没有施加有加速度Az的自然状态下相等。因此，能够进行偏移量少的高精度的检测。
另外，第二可动体38的重心G1比中心线L接近第二支承梁37，第三可动体40的重心G2比中心线L接近第三支承梁39。换句话说，第二可动体38以及第三可动体40的自由端成为同与第二支承梁37以及第三支承梁39连接的一侧相反侧，并位于第一可动体31的外缘侧。因此，当在第一可动体31的Y方向的两端施加了Z方向的位移量不同那样的冲击的情况下，位移量大的端部侧的第二可动体38或者第三可动体40的自由端与突起23接触，从而能够减少冲击。而且，在第一质量部34的第二开口部46配置有第二可动体38、第二支承梁37、第三可动体40以及第三支承梁39，因此，在施加了来自X方向、Y方向等XY面内方向的冲击的情况下，第二可动体38以及第三可动体40的自由端的前端部与第二连结部42、第一质量部34接触，因此，能够使冲击能量消散，减少第二支承梁37以及第三支承梁39的破损。
另外，第二支承梁37与第二可动体38的中心线L侧的端部一致，第三支承梁39与第三可动体40的中心线L侧的端部一致。换句话说，第二支承梁37以及第三可动体40与中心线L之间的间隔同第二可动体38以及第三可动体40的中心线L侧的端部与中心线L之间的间隔相等。因此，第二支承梁37以及第三支承梁39的绕第二旋转轴J2以及第三旋转轴J3的扭转刚度变弱，在施加了Z方向的加速度Az时，与第一可动体31相比，第二可动体38或者第三可动体40的自由端更加位移，接近第一检测电极24，因此，能够提高检测灵敏度。
与第一质量部34相同，第二质量部35由两个质量部构成，且在Y方向的两端处，通过第三连结部43而连结。因此，第二质量部35在中央部具有第三开口部47。与第一质量部34相同，在第三开口部47配置有第二可动体38、第二支承梁37、第三可动体40以及第三支承梁39。需要说明的是，在第二质量部35的第三开口部47配置的第二可动体38、第二支承梁37、第三可动体40以及第三支承梁39与在第一质量部34的第二开口部46配置的第二可动体38、第二支承梁37、第三可动体40以及第三支承梁39以第一旋转轴J1作为对称轴而线对称地配置。因此，第二质量部35也能够得到与第一质量部34相同的效果。需要说明的是，第二质量部35虽由两个质量部构成，但由于通过第三连结部43稳固地连结，所以发挥作为刚度高的一个质量部的功能。换言之，第三连结部43负责提高第二质量部35的刚度的作用。通过这样，能够抑制第二质量部35的寄生振动模式。
配置于第一质量部34以及第二质量部35的第二支承梁37以及第三支承梁39成为在X方向上延伸的梁形状，因此，作为沿着与第一旋转轴J1交叉的X方向的第二旋转轴J2以及第三旋转轴J3发挥作用，能够使与第二支承梁37连接的第二可动体38绕第二旋转轴J2位移，能够使与第三支承梁39连接的第三可动体40绕第三旋转轴J3位移。另外，在从Z方向俯视时，在与第二可动体38以及第三可动体40的自由端的前端部重叠的位置配置有设置于基板2的突起23。
需要说明的是，在本实施方式中，通过使第二支承梁37以及第三支承梁39的第二旋转轴J2以及第三旋转轴J3成为沿着与沿着第一支承梁33的Y方向的第一旋转轴J1正交的X方向的方向，从而在具备止动功能的状态下，提高来自X方向的耐冲击性，但不限定于此，第二旋转轴J2以及第三旋转轴J3与第一旋转轴J1也可以不正交。换句话说，也可以相对于第一旋转轴J1成为90°±10°的范围内。若第二旋转轴J2以及第三旋转轴J3在该范围相对于中心线L以及第一旋转轴J1线对称地构成，则能够得到与上述的本实施方式的效果相同的效果。
接下来，对在凹部21的底面配置的第一检测电极24以及第二检测电极25和在凹部21a的底面配置的虚设电极26进行说明。
如图1以及图2所示，在从Z方向俯视时，第一检测电极24与第一质量部34重叠地配置，第二检测电极25与第二质量部35重叠地配置。上述第一检测电极24以及第二检测电极25在从Z方向俯视时，相对于第一旋转轴J1大致对称地设置，以使得在没有施加加速度Az的自然状态下后述的静电电容Ca、Cb相等。需要说明的是，在第一检测电极24以及第二检测电极25与突起23重叠的部分设置有绝缘层27。绝缘层27防止第一可动体31与第一检测电极24以及第二检测电极25之间的短路。
另外，虚设电极26位于比第二检测电极25靠X方向负侧，并与第三质量部36重叠地设置。这样，通过利用虚设电极26覆盖凹部21a的底面，能够抑制与基板2中的碱金属离子的移动相伴的凹部21a的底面的带电。因此，能够有效地抑制在凹部21的底面与第二质量部35之间产生由第一可动体31的错误工作引起的不希望静电引力。因此，成为能够更高精度地检测加速度Az的惯性传感器1。
第一检测电极24和第二检测电极25与未图示的差动式的QV放大器电连接。在惯性传感器1驱动时，对传感器元件3施加驱动信号，由此在第一质量部34与第一检测电极24之间形成有静电电容Ca。同样，在第二质量部35与第二检测电极25之间形成有静电电容Cb。在没有施加有加速度Az的自然状态下静电电容Ca、Cb几乎相互相等。
若对惯性传感器1施加加速度Az，则第一可动体31以第一旋转轴J1为中心进行跷跷板式摆动。通过该第一可动体31的跷跷板式摆动，使第一质量部34与第一检测电极24之间的间隙和第二质量部35与第二检测电极25之间的间隙反相变化，与此对应地，静电电容Ca、Cb相互反相变化。因此，惯性传感器1能够基于静电电容Ca、Cb的电容值之差来检测加速度Az。
接下来，参照图3以及图4对实施方式的惯性传感器1的动作进行说明。
图3以及图4是示意性地表示对惯性传感器1施加有分别超过能够测定的最大值例如约50G的加速度S1、S2作为Z方向的加速度Az时的惯性传感器1的动作的图。需要说明的是，加速度S1、S2的方向是Z方向负侧，对于加速度S1、S2的绝对值的大小而言，能够测定的最大值＜S1＜S2。另外，为了方便说明，省略盖5、固定部22等。
如图3所示，若对惯性传感器1施加加速度S1作为Z方向的加速度Az，则第一可动体31以第一旋转轴J1为中心进行跷跷板式摆动，第二可动体38与突起23接触。此时，若将第三质量部36与虚设电极26之间的最短距离设为a1，将第二质量部35与第二检测电极25之间的最短距离设为b1，则成为a1＜b1的关系。a1与b1之间的关系为设计项目，但在为电容检测方式的情况下，可动电极与检测电极之间的短路导致后级的QV放大器的故障，因此，优选为b1＞a1≠0的状态。
第二支承梁37的绕第二旋转轴J2的扭转刚度比第一支承梁33的绕第一旋转轴J1的扭转刚度高。因此，因第二支承梁37产生的第二可动体38的位移量比因第一支承梁33产生的第一可动体31的位移量小，因此，通过第二支承梁37和第二可动体38，能够作为止动件发挥功能。在第二可动体38与突起23接触的状态之前，第二支承梁37不产生扭转(ねじれ)，因此，没有积蓄变形的能量。
另外，第二可动体38的绕第二旋转轴J2的谐振频率成为第一可动体31的绕第一旋转轴J1的谐振频率的2倍以上。通过使第二可动体38的绕第二旋转轴J2的谐振频率成为第一可动体31的绕第一旋转轴J1的谐振频率的2倍以上，从而在进行Z方向的加速度Az的检测时，能够在第二可动体38相对于第一可动体31实质静止状态即能够视为第一可动体31和第二可动体38作为一个刚体以绕第一旋转轴J1为中心进行跷跷板式摆动的状态下检测加速度Az。
能够在能够视为第一可动体31和第二可动体38作为一个刚体以绕第一旋转轴J1为中心进行跷跷板式摆动的状态下检测加速度Az，因此，因第二可动体38的振动带来的影响少，能够进行高精度的检测。另外，能够将第二可动体38与第一质量部34、第二质量部35一起作为用于形成与第一检测电极24之间的静电电容Ca、与第二检测电极25之间的静电电容Cb的电极来使用。因此，能够使静电电容Ca、Cb变大，能够进行更高精度的检测。
需要说明的是，在本实施方式中，例如，第二可动体38的绕第二旋转轴J2的谐振频率为1kHz～2kHz，第一可动体31的绕第一旋转轴J1的谐振频率为5kHz。为了使第二可动体38的绕第二旋转轴J2的谐振频率成为第一可动体31的绕第一旋转轴J1的谐振频率的2倍以上，例如使第二支承梁37的绕第二旋转轴J2的扭转刚度比第一支承梁33的绕第一旋转轴J1的扭转刚度高即可。
如图4所示，若对惯性传感器1施加比加速度S1更大的加速度S2作为Z方向的加速度Az，则第二可动体38与突起23接触，并且通过突起23将第二可动体38向Z方向正侧推上去，并且第一可动体31与凹部21a碰撞。此时，若将第三质量部36与虚设电极26之间的最短距离设为a2，则第二质量部35与第二检测电极25之间的最短距离b2成为b2＞a2＝0。由于将第二可动体38向Z方向正侧推上去，从而第二支承梁37以绕第二旋转轴J2扭转的方式变形。即，在第二支承梁37积蓄变形的能量。这样，第二支承梁37以绕第二旋转轴J2扭转的方式变形，从而通过加速度S2施加于惯性传感器1的冲击能量的一部分积蓄于第二支承梁37并被吸收，因此，缓和第一可动体31与凹部21a碰撞的冲击能量，不易产生粘连。
另外，在第一可动体31产生过度的跷跷板式摆动时第二可动体38与突起23接触，第二支承梁37以绕第二旋转轴J2扭转的方式变形，从而施加于惯性传感器1的冲击能量的一部分积蓄于第二支承梁37并被吸收，因此，能够减少与突起23的冲击，能够减少第二可动体38、突起23等的破损，并且能够限制第一可动体31的进一步的跷跷板式摆动。因此，能够使第二支承梁37以及第二可动体38作为吸收冲击的阻尼器发挥功能。
针对第三支承梁39以及第三可动体40，也与第二支承梁37以及第二可动体38相同，第三支承梁39的绕第三旋转轴J3的扭转刚度比第一支承梁33的绕第一旋转轴J1的扭转刚度高，能够使第三支承梁39以及第三可动体40作为止动件发挥功能。另外，第三可动体40的绕第三旋转轴J3的谐振频率为第一可动体31的绕第一旋转轴J1的谐振频率的2倍以上，因第三可动体40的振动产生的影响少，能够进行高精度的检测。
另外，在第二可动体38绕第二旋转轴J2振动、第三可动体40绕第三旋转轴J3振动时，其振动模式分离为同相模式和异相模式。第二可动体38的绕第二旋转轴J2的同相模式下的谐振频率和第三可动体40的绕第三旋转轴J3的同相模式下的谐振频率成为第一可动体31的绕第一旋转轴J1的谐振频率的2倍以上。通过使第二可动体38的绕第二旋转轴J2的同相模式下的谐振频率和第三可动体40的绕第三旋转轴J3的同相模式下的谐振频率成为第一可动体31的绕第一旋转轴J1的谐振频率的2倍以上，从而在进行Z方向的加速度Az的检测时，能够视为第二可动体38和第三可动体40相对于第一可动体31实质静止状态。即，能够视为第二可动体38和第三可动体40与第一可动体31成为一个刚体并以绕第一旋转轴J1为中心进行跷跷板式摆动。通过使第二可动体38的绕第二旋转轴J2的同相模式下的谐振频率和第三可动体40的绕第三旋转轴J3的同相模式下的谐振频率成为第一可动体31的绕第一旋转轴J1的谐振频率的2倍以上，能够在这样的状态下检测加速度Az。
本实施方式的惯性传感器1具备：第二可动体38以及第三可动体40，其由于设置于第一可动体31的第二支承梁37以及第三支承梁39的变形而能够位移；和突起23，其设置于基板2，并在从Z方向俯视时，与第二可动体38以及第三可动体40重叠，且朝向第二可动体38以及第三可动体40突出。因此，若在第一可动体31产生过度的跷跷板式摆动时第二可动体38以及第三可动体40与突起23接触，则第二支承梁37以及第三支承梁39以绕第二旋转轴J2以及第三旋转轴J3扭转的方式变形，因此，能够减少与突起23的冲击，减少第一可动体31、突起23的破损。
另外，在第一可动体31的第二开口部46以及第三开口部47设置有第二可动体38、第二支承梁37、第三可动体40以及第三支承梁39。因此，在施加了来自X方向、Y方向等XY面内方向的冲击的情况下，第二可动体38以及第三可动体40的自由端的前端部与第二连结部42以及第三连结部43、第一质量部34以及第二质量部35接触。由此，能够使冲击能量消散，并减少第二支承梁37以及第三支承梁39的破损。而且，即便在第一可动体31以大面积设置第二开口部46以及第三开口部47，也由于通过第二连结部42以及第三连结部43而连结，所以刚度高且不易在第一质量部34以及第二质量部35中产生寄生振动模式。通过这样，能够抑制在由于较强的冲击而产生了过度的跷跷板式摆动时因寄生振动模式引起的破损。
2.第二实施方式
接下来，参照图5对第二实施方式所涉及的惯性传感器1a进行说明。需要说明的是，为了方便说明，图5示出移除盖5后的状态。
与第一实施方式的惯性传感器1比较，本实施方式的惯性传感器1a除了传感器元件3a的构造不同以外，其他与第一实施方式的惯性传感器1相同。需要说明的是，以与前述的第一实施方式的不同点为中心进行说明，相同的事项省略其说明。
如图5所示，对于惯性传感器1a的传感器元件3a而言，在第二开口部46以及第三开口部47设置的第二可动体38a以及第三可动体40a的中心线L侧的端部381、401比第二支承梁37以及第三支承梁39接近中心线L。换句话说，第二可动体38a以及第三可动体40a的中心线L侧的端部381、401与中心线L之间的间隔比第二支承梁37以及第三支承梁39与中心线L之间的间隔短。
通过成为这样的结构，从而能够提高第二支承梁37以及第三支承梁39相对于来自X方向、Y方向等XY面内方向的冲击的耐冲击性，能够得到与第一实施方式的惯性传感器1相同的效果。
3.第三实施方式
接下来，参照图6对第三实施方式所涉及的惯性传感器1b进行说明。需要说明的是，为了方便说明，图6示出移除盖5后的状态。
与第一实施方式的惯性传感器1比较，本实施方式的惯性传感器1b除了传感器元件3b的构造不同以外，其他与第一实施方式的惯性传感器1相同。需要说明的是，以与前述的第一实施方式的不同点为中心进行说明，相同的事项省略其说明。
如图6所示，惯性传感器1b的传感器元件3b在第一质量部34以及第二质量部35中，且在第一可动体31b的Y方向的一端311与第二可动体38之间设置有第一弹性部61，在第一可动体31b的Y方向的另一端312与第三可动体40之间设置有第二弹性部62。
第一弹性部61以及第二弹性部62是在X方向上延伸的梁形状，设置于第一质量部34侧的第一弹性部61以及第二弹性部62的两端与第一质量部34连接，设置于第二质量部35侧的第一弹性部61以及第二弹性部62的两端与第二质量部35连接。
第一弹性部61以及第二弹性部62是在X方向上延伸的梁形状，因此，相对于Y方向，具有弹性。因此，在由于来自X方向的冲击使第二可动体38以及第三可动体40在X方向上位移从而使第二可动体38以及第三可动体40的自由端侧的端部接触到第一弹性部61以及第二弹性部62时，能够缓和其冲击。
通过成为这样的结构，相对于来自X方向的冲击，能够减少第二可动体38以及第三可动体40的破损，第二支承梁37以及第三支承梁39的耐冲击性提高，并且能够得到与第一实施方式的惯性传感器1相同的效果。
4.第四实施方式
接下来，参照图7以及图8对第四实施方式所涉及的惯性传感器1c进行说明。需要说明的是，为了方便说明，图7示出移除盖5后的状态。
与第一实施方式的惯性传感器1相比，本实施方式的惯性传感器1c除了传感器元件3c的构造不同以外，其他与第一实施方式的惯性传感器1相同。需要说明的是，以与前述的第一实施方式的不同点为中心进行说明，相同的事项省略其说明。
如图7以及图8所示，惯性传感器1c的传感器元件3c具有：在第一质量部34以及第二质量部35中且在第一可动体31c的Y方向的一端311与第二可动体38之间设置的第一弹性部61c和在第一可动体31c的Y方向的另一端312与第三可动体40之间设置的第二弹性部62c。另外，第三弹性部63在X方向上第一可动体31与第二可动体38之间配置，第四弹性部64在X方向上第一可动体31与第三可动体40之间配置。
第一弹性部61c以及第二弹性部62c分别由从第二连结部42以及第三连结部43在Y方向上延伸的第一部分和从其端部在X方向上延伸的梁状的第二部分构成。另外，第三弹性部63以及第四弹性部64分别由从第一可动体31在X方向上延伸的第三部分和从其端部在Y方向上延伸的梁状的第四部分构成。
需要说明的是，在一端311与第二可动体38之间以及另一端312与第三可动体40之间分别配置有具有向X方向正侧延伸的第二部分和向X方向负侧延伸的第二部分的两个第一弹性部61c以及第二弹性部62c。另外，第三弹性部63配置于第二可动体38的X方向正侧和X方向负侧，各个第三弹性部63的第四部分向Y方向正侧延伸，第四弹性部64配置于第三可动体40的X方向正侧和X方向负侧，各个第四弹性部64的第四部分向Y方向负侧延伸。
第一弹性部61c以及第二弹性部62c是第二部分在X方向上延伸的梁形状，因此，相对于Y方向，具有弹性。因此，能够缓和来自X方向的冲击。另外，第三弹性部63以及第四弹性部64是第四部分在Y方向上延伸的梁形状，因此，相对于X方向，具有弹性。因此，能够缓和来自Y方向的冲击。需要说明的是，第一弹性部61c、第二弹性部62c、第三弹性部63以及第四弹性部64具有缓和冲击的弹性即可，其形状也可以不被限制。因此，不仅可以是梁状，也可以是折叠弹簧状、曲径状、桁架构造状、刚性框架构造状等。
通过成为这样的结构，相对于来自X方向、Y方向的冲击，能够减少第二可动体38以及第三可动体40的破损，第二支承梁37以及第三支承梁39的耐冲击性提高，并且能够得到与第一实施方式的惯性传感器1相同的效果。
5.第五实施方式
接下来，参照图9对第五实施方式所涉及的惯性传感器1d进行说明。需要说明的是，为了方便说明，图9示出移除盖5后的状态。
与第一实施方式的惯性传感器1相比，本实施方式的惯性传感器1d除了传感器元件3d的构造不同以外，其他与第一实施方式的惯性传感器1相同。需要说明的是，以与前述的第一实施方式的不同点为中心进行说明，相同的事项省略其说明。
对于惯性传感器1d的传感器元件3d而言，如图9所示，第二可动体38d的重心G1至中心线L为止的间隔比至第二支承梁37d的中心线L为止的间隔短，第三可动体40d的重心G2至中心线L为止的间隔比至第三支承梁39d的中心线L为止的间隔短。换句话说，第二可动体38d以及第三可动体40d的自由端位于比第二支承梁37d以及第三支承梁39d靠中心线L侧，第二支承梁37d以及第三支承梁39d位于第一可动体31的外缘侧。因此，在施加了以中心线L与第一旋转轴J1的交点为旋转轴的XY面内的旋转方向的冲击的情况下，第二可动体38d以及第三可动体40d的自由端接近旋转轴，因此，能够使因冲击产生的位移量变小。因此，能够减少因XY面内的旋转方向的冲击产生的影响，并且能够得到与第一实施方式的惯性传感器1相同的效果。
6.第六实施方式
接下来，参照图10对第六实施方式所涉及的惯性传感器1e进行说明。需要说明的是，图10相当于图1中的A-A线的剖视图。
在本实施方式的惯性传感器1e中，使用SOI基板作为基板2e。SOI基板是指在硅基板71上的绝缘层72形成有单晶硅层73的基板。其中，在本实施方式中，不限定于单晶硅，也可以是在硅基板71上的绝缘层72形成了多晶硅层的基板。在这样的基板2e接合有盖5e，在其内部收纳传感器元件3。因此，与第一实施方式的惯性传感器1相比，除了基板2e和盖5e的构造不同以外，其他与第一实施方式的惯性传感器1相同。需要说明的是，以与前述的第一实施方式的不同点为中心进行说明，相同的事项省略其说明。
在本实施方式中，盖5e与基板2e接合，但更详细而言，经由接合材料80而接合。接合材料80可以是维持足够的气密性的任何材料，为玻璃熔料材料、金属共晶层、焊料密封材料等。经由绝缘层72形成于基板2e的第一可动体31的材质是单晶硅或多晶硅，并形成有使用了相同的单晶硅或多晶硅的周围部75。经由接合材料80在该周围部75接合有惯性传感器1e的盖5e。如图10所示，惯性传感器1e的盖5e在成为盖5e的凹部51的底面的面8设置有朝向第二可动体38以及第三可动体40突出的突起23e。因此，当在第一可动体31产生了过度的跷跷板式摆动时，通过设置于盖5e的突起23e与第二可动体38以及第三可动体40接触，能够得到与第一实施方式的惯性传感器1相同的效果。需要说明的是，若最优地设计突起23e，则基板的凹部21不需要改变深度，不需要凹部21a。
7.第七实施方式
接下来，参照图11对第七实施方式所涉及的惯性传感器1f进行说明。需要说明的是，图11相当于图1中的A-A线的剖视图。
与第一实施方式的惯性传感器1相比，本实施方式的惯性传感器1f除了基板2f与传感器元件3f的构造不同以外，其他与第一实施方式的惯性传感器1相同。需要说明的是，以与前述的第一实施方式的不同点为中心进行说明，相同的事项省略其说明。另外，与第六实施方式相同，基板2f使用SOI基板，且没有形成凹部21a。
如图11所示，惯性传感器1f的传感器元件3f在第二可动体38以及第三可动体40设置有朝向成为基板2f的凹部21的底面的面7突出的突起23f。因此，当在第一可动体31产生了过度的跷跷板式摆动时，通过设置于第二可动体38以及第三可动体40的突起23f与基板2f的面7接触，能够得到与第一实施方式的惯性传感器1相同的效果。
8.第八实施方式
接下来，参照图12对第八实施方式所涉及的惯性传感器1g进行说明。需要说明的是，图12相当于图1中的A-A线的剖视图。
与第一实施方式的惯性传感器1相比，本实施方式的惯性传感器1g除了基板2g和传感器元件3g的构造不同以外，其他与第一实施方式的惯性传感器1相同。需要说明的是，以与前述的第一实施方式的不同点为中心进行说明，相同的事项省略其说明。另外，与第六实施方式相同，基板2g使用SOI基板，且没有形成凹部21a。
如图12所示，惯性传感器1g的传感器元件3g在第二可动体38以及第三可动体40设置有朝向成为盖5的凹部51的底面的面8突出的突起23g。因此，当在第一可动体31产生了过度的跷跷板式摆动时，通过设置于第二可动体38以及第三可动体40的突起23g与盖5的面8接触，能够得到与第一实施方式的惯性传感器1相同的效果。
9.第九实施方式
接下来，参照图13以及图14对第九实施方式所涉及的具备惯性传感器1～1g的惯性测量装置2000进行说明。需要说明的是，在以下的说明中，例示出应用了惯性传感器1的结构进行说明。
图13所示的惯性测量装置2000(IMU：Inertial Measurement Unit，惯性测量单元)是对汽车、机器人等运动体的姿态、行为等惯性运动量进行检测的装置。惯性测量装置2000作为具备检测沿着三个轴的方向的加速度Ax、Ay、Az的加速度传感器、检测绕三个轴的角速度ωx、ωy、ωz的角速度传感器的所谓六轴运动传感器发挥功能。
惯性测量装置2000是平面形状大致正方形的长方体。另外，在位于正方形的对角线方向的两处顶点附近形成有作为固定部的螺孔2110。能够在该两处螺孔2110穿过两根螺钉而在汽车等被安装体的被安装面固定惯性测量装置2000。需要说明的是，通过部件的选择、设计变更，例如也能够小型化为可搭载于智能手机、数码相机的尺寸。
惯性测量装置2000具有外壳2100、接合构件2200、传感器模块2300，并构成为：在外壳2100的内部夹设接合构件2200并插入传感器模块2300。另外，传感器模块2300具有内壳2310和基板2320。
与惯性测量装置2000的整体形状相同，外壳2100的外形是平面形状为大致正方形的长方体，在位于正方形的对角线方向的两处顶点附近分别形成有螺孔2110。另外，外壳2100为箱状，并在其内部收纳有传感器模块2300。
内壳2310是支承基板2320的构件，并成为纳入外壳2100的内部的形状。另外，在内壳2310形成有用于防止与基板2320接触的凹部2311、用于使后述的连接器2330露出的开口2312。这样的内壳2310经由接合构件2200而与外壳2100接合。另外，在内壳2310的下表面经由粘合剂而接合有基板2320。
如图14所示，在基板2320的上表面安装有连接器2330、检测绕Z轴的角速度的角速度传感器2340z、检测X轴、Y轴以及Z轴的各轴向的加速度的加速度传感器单元2350等。另外，在基板2320的侧面安装有检测绕X轴的角速度的角速度传感器2340x以及检测绕Y轴的角速度的角速度传感器2340y。
加速度传感器单元2350至少包括前述的用于检测Z方向的加速度的惯性传感器1，根据需要，能够检测一个轴方向的加速度，或者两个轴方向、三个轴方向的加速度。需要说明的是，作为角速度传感器2340x、2340y、2340z，没有特别限定，例如能够使用利用了科里奥利力的振动陀螺仪传感器。
另外，在基板2320的下表面安装有控制IC2360。作为基于从惯性传感器1输出的检测信号进行控制的控制部的控制IC2360是MCU(Micro Controller Unit，微控制单元)，内置包括非易失性存储器的存储部、A/D转换器等，对惯性测量装置2000的各部分进行控制。存储部储存有对用于检测加速度以及角速度的顺序和内容进行了规定的程序、使检测数据数字化并装入分组数据的程序、附随的数据等。需要说明的是，基板2320除此之外还安装有多个电子部件。
这样的惯性测量装置2000使用包括惯性传感器1的加速度传感器单元2350，因此，得到耐冲击性优异、可靠性高的惯性测量装置2000。

Claims (12)

1.一种惯性传感器，其特征在于，具备：
基板；
第一可动体，配置在所述基板上，并能够绕沿着第一方向的第一旋转轴摆动；
第一支承梁，作为所述第一旋转轴来支承所述第一可动体；以及
盖，与所述基板接合，并覆盖所述第一可动体以及所述第一支承梁，
所述第一可动体具有开口部，
在所述开口部具有：
第二可动体，能够绕沿着与所述第一方向交叉的第二方向的第二旋转轴摆动；
第二支承梁，连接所述第一可动体与所述第二可动体，并作为所述第二旋转轴来支承所述第二可动体；
第三可动体，能够绕沿着所述第二方向的第三旋转轴摆动；以及
第三支承梁，连接所述第一可动体与所述第三可动体，并作为所述第三旋转轴来支承所述第三可动体，
所述惯性传感器具有突起，所述突起设置于与所述第二可动体及所述第三可动体对置的所述基板或所述盖的面或者所述第二可动体及所述第三可动体，在俯视时，所述突起与所述第二可动体以及所述第三可动体重叠，所述突起朝向所述第二可动体及所述第三可动体或者所述面突出。
2.根据权利要求1所述的惯性传感器，其特征在于，
所述第二可动体和所述第三可动体以所述第一可动体的沿着所述第二方向的中心线为对称轴而线对称地配置，
所述第二可动体的重心比所述中心线接近所述第二支承梁，
所述第三可动体的重心比所述中心线接近所述第三支承梁。
3.根据权利要求2所述的惯性传感器，其特征在于，
所述第二支承梁与所述第二可动体的所述中心线侧的端部一致，
所述第三支承梁与所述第三可动体的所述中心线侧的端部一致。
4.根据权利要求2所述的惯性传感器，其特征在于，
所述第二可动体的所述中心线侧的端部比所述第二支承梁接近所述中心线，
所述第三可动体的所述中心线侧的端部比所述第三支承梁接近所述中心线。
5.根据权利要求1～4中任一项所述的惯性传感器，其特征在于，
所述第二支承梁以及所述第三支承梁的扭转刚度比所述第一支承梁的扭转刚度高。
6.根据权利要求1～4中任一项所述的惯性传感器，其特征在于，
所述第二可动体的绕所述第二旋转轴的谐振频率为所述第一可动体的绕所述第一旋转轴的谐振频率的2倍以上，
所述第三可动体的绕所述第三旋转轴的谐振频率为所述第一可动体的绕所述第一旋转轴的谐振频率的2倍以上。
7.根据权利要求1～4中任一项所述的惯性传感器，其特征在于，
所述第二可动体以及所述第三可动体的绕所述第二旋转轴或者绕所述第三旋转轴的同相模式下的谐振频率为所述第一可动体的绕所述第一旋转轴的谐振频率的2倍以上。
8.根据权利要求1～4中任一项所述的惯性传感器，其特征在于，
所述惯性传感器具备：
第一弹性部，设置于所述第一可动体的所述第一方向的一端与所述第二可动体之间；以及
第二弹性部，设置于所述第一可动体的所述第一方向的另一端与所述第三可动体之间。
9.根据权利要求1～4中任一项所述的惯性传感器，其特征在于，
所述惯性传感器还具备第三弹性部以及第四弹性部，
在所述第二方向上，所述第三弹性部以及所述第四弹性部配置于所述第一可动体与所述第二可动体及所述第三可动体之间。
10.一种惯性传感器，其特征在于，具备：
基板；
第一可动体，配置在所述基板上，并能够绕沿着第一方向的第一旋转轴摆动；
第一支承梁，作为所述第一旋转轴来支承所述第一可动体；以及
盖，与所述基板接合，并覆盖所述第一可动体以及所述第一支承梁，
所述第一可动体具有开口部，
在所述开口部具有：
第二可动体，能够绕沿着与所述第一方向交叉的第二方向的第二旋转轴摆动；
第二支承梁，连接所述第一可动体与所述第二可动体，并作为所述第二旋转轴来支承所述第二可动体；
第三可动体，能够绕沿着所述第二方向的第三旋转轴摆动；以及
第三支承梁，连接所述第一可动体与所述第三可动体，并作为所述第三旋转轴来支承所述第三可动体，
所述惯性传感器具有突起，所述突起设置于与所述第二可动体及所述第三可动体对置的所述基板或所述盖的面，在俯视上，所述突起与所述第二可动体以及所述第三可动体重叠，所述突起朝向所述第二可动体以及所述第三可动体突出。
11.一种惯性传感器，其特征在于，具备：
基板；
第一可动体，配置在所述基板上，并能够绕沿着第一方向的第一旋转轴摆动；
第一支承梁，作为所述第一旋转轴来支承所述第一可动体；以及
盖，与所述基板接合，并覆盖所述第一可动体以及所述第一支承梁，
所述第一可动体具有开口部，
在所述开口部具有：
第二可动体，能够绕沿着与所述第一方向交叉的第二方向的第二旋转轴摆动；
第二支承梁，连接所述第一可动体与所述第二可动体，并作为所述第二旋转轴来支承所述第二可动体；
第三可动体，能够绕沿着所述第二方向的第三旋转轴摆动；以及
第三支承梁，连接所述第一可动体与所述第三可动体，并作为所述第三旋转轴来支承所述第三可动体，
所述惯性传感器具有突起，所述突起设置于所述第二可动体以及所述第三可动体，在俯视时，所述突起与所述第二可动体以及所述第三可动体重叠，所述突起朝向与所述第二可动体以及所述第三可动体对置的所述基板或所述盖的面突出。
12.一种惯性测量装置，其特征在于，具备：
权利要求1～11中任一项所述的惯性传感器；以及
控制部，基于从所述惯性传感器输出的检测信号进行控制。
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