JP2010169575A

JP2010169575A - 慣性センサ

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Publication number: JP2010169575A
Application number: JP2009013212A
Authority: JP
Inventors: Koichi Yoshida; 康一吉田
Original assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2009-01-23
Filing date: 2009-01-23
Publication date: 2010-08-05

Abstract

【課題】加速度と角加速度のうち少なくとも一方を検出でき、高感度で共振周波数の最適化を図ることができる慣性センサを提供する。
【解決手段】重り部１を支持梁５によって両側から支持して固定部３に固定する。支持梁５は互いに一直線上に形成し、重り部１よりも肉薄に形成する。支持梁５の少なくとも一方を間隔を介して挟む両側に、重り部１と固定部３とを連結する検出梁６を設ける。検出梁６は、重り部１よりも肉薄で、支持梁５よりも幅狭に形成する。重り部１の周りと上下には重り部１の可動空間を形成し、重り部１の重心と支持梁５の重心とは厚み方向の位置がずれるようにする。支持梁５の伸長方向と交わる水平方向から加えられる加速度に応じて、重り部１が支持梁５を軸として変位し、検出梁６が変位するものとし、検出梁６の変位に伴って検出梁６に生じる応力を検知し、その検知応力に基づいて前記加速度を検知する。
【選択図】図１

Description

本発明は、加速度センサや角加速度センサとして用いられる慣性センサに関するものである。

図１８（ａ）には、加速度センサの一例が斜視図によって示されている（特許文献１、参照。）。この図の、Ａ−Ａ’断面図は、図１８（ｂ）に示されるような断面図となる。この加速度センサは、枠状の固定部４３内に配置された一体の重り部４１を、４つの梁部４２で支持する構成を有し、梁部４２にはピエゾ抵抗４４を設けている。なお、図１８（ａ）のＢ−Ｂ’断面図は、図１８（ｂ）における内側の２つのピエゾ抵抗４４を省略した状態となる。

印加された加速度に応じて重り部４１と梁部４２が変位することにより、梁部４２に歪みが生じ、その歪みをピエゾ抵抗４４によって検出することにより、加速度を検出する構成と成している。この加速度センサは、図１８（ｂ）に示すように、重り部４１と梁部４２との間に溝を形成し、梁部４２の重り部４１との接続部位を重り部４１の中央部分とすることにより、前記接続部位を重り部４１の端部とする場合に比べて重り部４１の体積を大きくしている。なお、図１８の図中、４５は基板、４６は電極パッドを示している。

この提案の加速度センサのように、重り部を梁部によって支持する構成を有し、外部から加えられる加速度や角加速度に応じて変位する重り部の変位量や梁部の変位量等を検出することによって、加速度を検出する加速度センサや角加速度を検出する角加速度センサが、様々に提案されている（例えば、特許文献２〜４、非特許文献１、参照）。

特開平６―１０９７５５号公報特開平２００６―１０５７９８号公報特開平４―２５２９６１号公報特開平５―１４２２５１号公報Ｔｈｅ１２ｔｈＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＣｏｎｆｅｒｅｎｃｅｏｎＳｏｌｉｄＳｔａｔｅＳｅｎｓｏｒｓ，ＡｃｔｕａｔｏｒｓａｎｄＭｉｃｒｏｓｙｓｔｅｍｓ，Ｂｏｓｔｏｎ，Ｊｕｎｅ８−１２，２００３（ＴＲＡＮＳＤＵＣＥＲＳ’０３）、ｐ９１−９４．

しかしながら、前記提案の加速度センサや角加速度センサは、いずれも、高感度化と共振周波数の最適化を共に図ることができるものではなかった。例えば、図１８に示した加速度センサは、前記の如く、重り部４１の体積を大きくして高感度化を図っているものの、接続部位を重り部４１の中央部分とすることにより梁部４２が長くなるため、共振周波数が低下し、周波数特性が悪化してしまうといった問題があった。

また、前記非特許文献１に記載された構造は、主となる支持梁の他に変位が大きくなるところに検出梁を形成することにより、効率よく歪みを検出しようとしているが、この構造では、安定した特性を得るためには支持梁に高アスペクト比および高精度の加工が要求されるので、作製が困難であり、小型化にも不利であるといった問題があった。また、この構造では、重りの動きが面内方向のみに限られ、検出部の強度を確保するためには重りの動きを制限するためのストッパ等の構造が必要不可欠であり、その構造を形成するためにも高精度な加工が要求され、作成が困難であった。

本発明は、前記従来の課題を解決するために成されたものであり、その目的は、加速度と角加速度のうち少なくとも一方を検出でき、高感度で共振周波数の最適化を図ることができ、作製が容易な慣性センサを提供することにある。

本発明は前記課題を解決するために、次に示すような構成を有している。
すなわち、本発明は、
重り部と、該重り部と間隔を介して少なくとも重り部の両側に配置された固定部とを有し、該固定部と前記重り部とが該重り部を両側から支持する支持梁によって連結されており、これらの支持梁は互いに一直線上に形成され、かつ、前記重り部よりも肉薄に形成されており、
前記支持梁の少なくとも一方を間隔を介して挟む両側に、それぞれ前記重り部と固定部とを連結する検出梁が設けられており、該検出梁は、前記重り部よりも肉薄で、かつ、前記支持梁よりも幅狭に形成されており、
前記重り部の周りと上下には該重り部の可動空間が形成され、前記重り部の重心と前記支持梁の重心とは厚み方向の位置がずれており、
前記支持梁の伸長方向と交わる水平方向から加えられる加速度に応じて、前記重り部が前記支持梁を軸として変位し、かつ、前記検出梁が変位するセンサ素子部と、前記検出梁の変位に伴って該検出梁に生じる応力を検知する応力検知部が前記検出梁に設けられ、該応力検知部により検知される応力に基づいて前記加速度を検知する加速度検出手段が設けられている構成をもって課題を解決する手段としている。

また、前記構成の本発明の慣性センサを構成する第１と第２の２つのセンサ素子部と応力検知部とを有して、該センサ素子部は互いに支持梁が一直線上に配置される態様で配設固定され、
前記２つのセンサ素子部の重り部の重心を結ぶ線が加速度の検出方向と略直交する方向に形成されており、前記重り部の重心を結ぶ線を通る垂直方向の軸回りの角加速度を前記第１のセンサ素子部に設けられた応力検知部と第２のセンサ素子部に設けられた応力検知部とにより検知される応力に基づいて検出する角加速度検出手段が設けられていることも、本発明の課題を解決する手段としている。

本発明においては、重り部の周りと上下には該重り部の可動空間が形成され、重り部を両側から支持する支持梁が互いに一直線上に形成されている。そして、この支持梁は重り部よりも肉薄に形成されて、前記重り部の重心と前記支持梁の重心との厚み方向の位置がずらして配置されている。そのため、支持梁の伸長方向と交わる水平方向から加えられる加速度に応じて、重り部が支持梁を軸としてトルクによる大きなねじれの動きを生じるようにすることができる。

また、本発明において、前記支持梁の少なくとも一方を間隔を介して挟む両側には、それぞれ重り部と固定部とを連結する検出梁が設けられ、しかも、その検出梁は、重り部よりも肉薄で、かつ、支持梁よりも幅狭に形成されているので、重り部の動きに応じて検出梁に大きな歪みを生じさせることができる。なお、支持梁を挟む両側の検出梁は、重り部のねじれの動きに応じ、上下の互いに反対方向に変位する。この変位に伴い、支持梁を挟む両側の検出梁には、圧縮と引っ張りの互いに逆の応力を生じる。そのため、前記検出梁に生じる応力を応力検知部により検知し、該応力検知部により検知される応力に基づいて前記加速度を検知することにより、前記水平方向から加えられる加速度を高感度に検出できる。

また、センサの共振周波数は、主に支持梁の長さ、太さ、厚みによって決定されるものであるが、本発明では、この支持梁と、加速度印加によって変位する応力検出用の検出梁とを別々に形成し、機能を分けることにより、最適化設計の自由度を増すことができる。そして、前記の如く、加速度印加に応じて検出梁に生じる大きな歪みを検出して加速度を検出することにより、効率的に加速度検出ができ、高感度と共振周波数の最適化を両立させることができる。

さらに、支持梁を両持ち梁として、重り部を両側から支持することにより、重り部の、支持梁を軸とする以外のねじれの動きを非常に少なくできるので、前記水平方向の他軸の感度を抑制できる。また、外力に対して、主にねじれの動きのみに抑えることができるので、耐衝撃性を高めることができる等、慣性センサの機械的強度を高めることができ、信頼性を向上させることができる。なお、重り部は、前記ねじれの動きによって必ず上下方向に変位するので、上下方向の動きを制限する（動きの範囲を制限する）ストッパ等の機構を設けると、より機械的強度を向上させることができる。

また、支持梁と検出梁の厚みを薄く形成するので、例えば梁を薄い層のみで形成することにより加工の裕度を上げることができ、ばらつき要因を低減でき、かつ、歩留まりを向上させることができる。一方、重り部は、厚みを得るために例えば深堀加工を行って形成されるが、この加工は重りの質量のみに寄与するため、この加工で梁を形成する従来例と比べ、加工の裕度を上げることができる。さらに、この加工裕分を重りの厚みを増すことにあてれば、さらに高感度化が可能となる。

本発明において、応力検知部を、各検出梁に設けられたピエゾ抵抗を有する構成とし、これらのピエゾ抵抗により形成されるブリッジ回路を設けて加速度検出手段を形成することにより、容易に、かつ、高精度に加速度を検出できる加速度センサを実現することができる。

さらに、本発明において、前記の慣性センサの構成を有する第１と第２の２つのセンサ素子部を、互いに支持梁が一直線上に配置される態様で配設固定し、前記２つのセンサ素子部の重り部の重心を結ぶ線を、加速度の検出方向と略直交する方向に形成して、角加速度検知手段を設けることにより、重り部の重心を結ぶ線を通る垂直方向の軸回りの角加速度を検出できる角加速度センサを、容易に形成できる。また、この角加速度センサも、高感度化と共振周波数の最適化を両立できる。

さらに、前記の如く角加速度センサとして機能する本発明において、応力検知部を各検出梁に複数設けられたピエゾ抵抗を有する構成とし、これらのピエゾ抵抗のブリッジ回路により加速度検出手段と角加速度検出手段を形成すれば、これらの加速度検知手段と角加速度検知手段とを選択的に利用して、加速度と角加速度とを、適宜、的確に検出することができる。また、ピエゾ抵抗のブリッジ回路により角加速度検出手段のみを形成すれば、簡単な回路構成で、角加速度を的確に検出できる。

さらに、重り部の両側に設けられた支持梁の少なくとも一方とその両側の検出梁を、弾性部を介して固定部に連結することにより、固定部に外部から加えられる応力の影響を低減でき、加速度や角加速度の検出特性変動を抑制することができる。また、加速度や角加速度の検知方向以外の並進加速度が印加された際にも、支持梁および検知梁に加わる歪みを軽減できる。したがって、耐衝撃性等の機械的強度の向上を図れ、かつ、検出方向以外の他軸感度を低減できる。

さらに、本発明において、検出梁の重り部との連結接続部を支持梁から離れた重り部端部側に設け、固定部との連結接続部を重り部端部側よりも支持梁寄りに設けることにより、より効率的に、外部応力の影響を低減することができる。

以下、本発明の実施例を、図面を参照して説明する。

図１には、本発明に係る慣性センサの一実施例の要部構成が模式的な斜視図により示されている。本実施形態例の慣性センサは、加速度センサであり、下側基板２上に設けられた枠状の固定部３と、該枠状の固定部３の内側に、該固定部３と間隔を介して設けられた重り部１とを有している。言い換えれば、本実施形態例の慣性センサは、重り部１と、該重り部１と間隔を介し、少なくとも重り部１の両側（ここでは、外周側）に配置された固定部３とを有している。なお、図２（ａ）に、重り部１およびその周辺領域の平面構成が示されている。

重り部１と固定部３とは、重り部１を両側から支持する支持梁５によって連結されている。支持梁５は互いに一直線上に形成され、かつ、前記重り部１よりも肉薄に形成されている。また、支持梁５の一方（図１の右側であり、図２（ａ）の上側に配置されている支持梁５）を間隔を介して挟む両側に、それぞれ、重り部１と固定部３とを連結する検出梁６が設けられており、該検出梁６は、前記重り部１よりも肉薄で、かつ、前記支持梁５よりも幅狭に形成されている。

重り部１は、前記下側基板２から浮いた状態で下側基板２の上側に設けられており、重り部１の周りと上下には、該重り部１の可動空間が形成されている。また、重り部１の重心と前記支持梁５の重心とは厚み方向の位置がずれている。重り部１、支持梁５、弾性梁４、検出梁６、固定部３を有するセンサ素子部は、いずれも、下側基板２上に、フォトリソグラフィ技術を用いて形成されている。

ここで、重り部１、支持梁５、検出梁６の寸法の一例を挙げると、重り部１は、その長さは１０００μｍ程度、幅は７００μｍ程度、厚みは４００〜５００μｍ程度に形成できる。また、支持梁５の長さは５０〜６０μｍ程度、幅は５０〜１００μｍ程度、厚みは３〜５μｍ程度に形成できる。さらに、検出梁６の長さは１００〜１５０μｍ程度、幅は８〜１５μｍ程度、厚みは３〜５μｍ程度に形成できる。なお、これらの値は特に限定されるものではなく、適宜設定されるものであり、支持梁５は、重り部１を支えることができる強度を有する寸法に形成される。また、検出梁６は、製造上、できる限り細く（ただし、応力がかかったときにも破損しない強度をもって）形成されることが好ましい。

本実施形態例では、支持梁５の伸長方向と交わる水平方向（図のＸ軸方向）から加えられる加速度に応じ、例えば図２の矢印Ｃに示す方向（−Ｘ方向）の加速度が加えられると、図２（ｂ）に示すように、前記重り部１が前記支持梁５を軸として（つまり、図２（ａ）のＢ−Ｂ線の方向を軸として）変位する。すると、矢印Ｔ方向のトルクが生じ、前記検出梁６が、互いに上下の反対方向に変位する。この検出梁６の変位に伴って該検出梁６に生じる応力を検知する応力検知部が、検出梁６に設けられたピエゾ抵抗Ｒ１、Ｒ２を有して形成されている。また、応力検知部により検知される応力に基づいて前記加速度を検知する加速度検出手段が、図３（ａ）に示す、ピエゾ抵抗Ｒ１、Ｒ２を有するブリッジ回路（ハーフブリッジ回路）を有して形成されている。

このブリッジ回路は、例えば図４に示すような配線構造を有して形成されており、ピエゾ抵抗Ｒ１、Ｒ２は、それぞれ、配線９を介して、Ｖdd、Ｖout、Gnd（グランド）の各電極パッド１０に、電気的に接続されている。

ここで、図２（ｂ）に示すように、重り部１に矢印Ｃ方向の加速度が印加されたときの、重り部１が変位した場合について述べる。検出梁６ａが上側に変位し、検出梁６ｂが下側に変位するので、検出梁６ａには圧縮応力（−）が生じ、検出梁６ｂには引っ張り応力（＋）が生じる。この応力変化に伴い、検出梁６ａに設けられているピエゾ抵抗Ｒ１には、−方向の抵抗値変化が生じ、検出梁６ｂに設けられているピエゾ抵抗Ｒ２には、＋方向の抵抗値変化が生じる。この抵抗変化量を図３（ａ）に示したブリッジ回路によって検出することにより、矢印Ｃ方向の加速度が検出される。

なお、本実施形態例においては、支持梁５が重り部１を両側から支持しているために、Ｘ軸方向以外から印加される加速度に対しては検出梁６に生じる応力を低減できる。

図５には、本実施形態例の慣性センサの製造方法例が示されている。この図５は、図２の上側の固定部１から図２のＢ’の線に沿って、つまり、検出梁６ａに沿って切り込みを入れた後、重り部１の中心および図の下側に示されている支持梁５を通り、下側の固定部１まで（線Ｂに沿って）切断する場合の断面図により示されている。検出梁６ａに沿って切り込みを入れる代わりに、検出梁６ｂに沿って切り込みを入れた場合も、ピエゾ抵抗Ｒ１がピエゾ抵抗Ｒ２となる以外は、同様の断面図になる。

まず、図５（ａ）のように、ＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ−Ｏｎ−Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）基板１１を用意する。なお、ＳＯＩ基板１１は、Ｓｉ（シリコン）の上部層１２（ＳＯＩ層）とＳｉＯ₂（酸化シリコン）の中間層１３（ＢＯＸ層）とＳｉの下部層１４（支持層）とが順に積層形成された層形状の多層基板である。このＳＯＩ基板１１において、図５（ｂ）に示すように、予め定められた設定位置に、ピエゾ抵抗Ｒ１、Ｒ２を形成する（図５には、ピエゾ抵抗Ｒ２は図示されていない）。

次に、図５（ｃ）に示すように、ピエゾ抵抗Ｒ１、Ｒ２の引き出しのための金属配線９と、保護層１８を形成する。また、必要に応じて、低抵抗の活性層配線を形成する。これらの抵抗や配線の形成は、シリコン半導体の製造で通常使用される製造技術を用いて行う。次に、図５（ｄ）に示すように、ＳＯＩ基板１１の上側に、接着層１６を形成し、ＳＯＩ基板１１のＳＯＩ層１２をエッチングして、支持梁５と検出梁６なる部位を形成し、さらに、重り部１の上側に可動空間が形成されるようにして、上側基板１７を取り付ける。

なお、エッチングは、周知の如く、エッチング部分が開口したフォトレジスト膜を用いて行い、エッチング完了後に、フォトレジスト膜は洗浄により除去する。フォトリソグラフィ技術によるＳＯＩ層１２の平面上の加工寸法は、例えば２〜２００μｍ程度、深さ方向は例えば１〜１０μｍ程度であり、特別、高アスペクト比や深堀加工を必要とせず、裕度を持った安定した加工条件にて加工できる。また、上側基板１７は、シリコン基板またはガラス基板が好ましく、その取り付けは、熱圧着接合、金属接合、陽極接合などで行われ、その方法によって、３００〜４５０℃程度の温度や０．５ＭＰａ以上の圧力をかけたり、電圧を印加したりして行われる。

次に、図５（ｅ）に示すように、ＳＯＩ基板１１の支持層１４のエッチングを、フォトレジスト膜を用いて行って、重り部１を形成する。なお、このエッチングは、ドライエッチングが好適であり、エッチング完了後に、フォトレジスト膜をアッシング等のドライ処理により取り除く。その後、図５（ｆ）に示すように、ＳＯＩ基板１１のＢＯＸ層１３を、ドライエッチングまたはウエットエッチングよりエッチングした後、下側基板２を固定する。この下側基板２も、シリコン基板またはガラス基板が好適である。以上のようにして、検知構造体部は完成する。

なお、本実施形態例の慣性センサの製造方法は、図５に示す態様に限定されるものではないが、ＳＯＩ基板１１によって慣性センサを形成し、その際、支持梁５と検出梁６の厚みを薄く形成することにより、加工の裕度が上がり、ばらつき要因を低減でき、歩留まりを向上させることができる。一方、重り部１は、厚みを得るために、深堀加工を行って形成するが、この加工は、重り部１の質量のみに寄与するため、梁部を同様に深堀加工によって形成する場合に比べ、加工の裕度を上げることができる。また、この加工裕度分を重り部１の厚みを増すことにあてれば、さらに慣性センサの高感度化が可能となる。

次に、第２実施形態例の慣性センサについて説明する。なお、第２実施形態例を始めとし、以下の実施形態例の説明において、第１実施形態例と同一名称部分には同一符号を付し、その重複説明は、省略または簡略化する。

第２実施形態例の慣性センサは、図６に示す平面構成を有し、第１実施形態例とほぼ同様に形成された加速度センサである。第２実施形態例が前記第１実施形態例と異なる特徴的なことは、それぞれの検出梁６ａ，６ｂに、２つずつピエゾ抵抗を設け、合計４個のピエゾ抵抗Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４を設けたことである。検出梁６ａには、固定部３との接続端側にピエゾ抵抗Ｒ１が、重り部１との接続端側にピエゾ抵抗Ｒ２が、それぞれ設けられている。検出梁６ｂには、固定部３との接続端側にピエゾ抵抗Ｒ３が、重り部１との接続端側にピエゾ抵抗Ｒ４が、それぞれ設けられている。

第２実施形態例では、これらのピエゾ抵抗Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４が応力検出手段を形成し、かつ、これらのピエゾ抵抗Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４を有する、図７に示すフルブリッジ回路により加速度検出手段が形成されている。

第２実施形態例において、Ｘ軸方向の加速度が印加したときに、検出梁６ａに設けられているピエゾ抵抗Ｒ１、Ｒ２には、圧縮と引っ張りの互いに逆の応力が発生し、同様に、検出梁６ｂに設けられているピエゾ抵抗Ｒ３、Ｒ４にも、圧縮と引っ張りの互いに逆の応力が発生する。例えば、重り部１が図２（ｂ）のように動くと、ピエゾ抵抗Ｒ１の配設部位には圧縮方向の応力が生じ、それにより、ピエゾ抵抗Ｒ１は−方向に抵抗値が変化し、一方、ピエゾ抵抗Ｒ２の配設部位には引っ張り応力が生じ、それにより、ピエゾ抵抗Ｒ２は＋方向に抵抗値が変化する。また、ピエゾ抵抗Ｒ３の配設部位には引っ張り応力が生じ、それにより、ピエゾ抵抗Ｒ３は＋方向に抵抗値が変化し、一方、ピエゾ抵抗Ｒ４の配設部位には圧縮応力が生じ、それにより、ピエゾ抵抗Ｒ４は−方向に抵抗値が変化する（図７、参照）。

第２実施形態例は、ピエゾ抵抗Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４を用いてフルブリッジ回路を形成し、前記抵抗変化を検出することにより、第１実施形態例のハーフブリッジ回路に比べ、加速度検出出力を２倍にすることができる。

次に、第３実施形態例について説明する。第３実施形態例の慣性センサは、図８に示す平面構成を有し、第１実施形態例とほぼ同様に形成された加速度センサである。第３実施形態例が前記第１実施形態例と異なる特徴的なことは、両側の支持梁５を挟む両側に、検出梁６を設けたことである。この４本の検出梁６には、それぞれ、対応するピエゾ抵抗Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４が設けられており、第３実施形態例では、これらのピエゾ抵抗Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４が応力検出手段を形成し、かつ、これらのピエゾ抵抗Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４を有する、図９に示すフルブリッジ回路により加速度検出手段が形成されている。

第３実施形態例は、ピエゾ抵抗Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４を用いてフルブリッジ回路を形成することにより、第１実施形態例のハーフブリッジ回路に比べ、加速度検出出力を２倍にすることができる。また、重り部１の周辺構造が、完全対称となるために、より安定した加速度検出を行うことができる。

次に、第４実施形態例の慣性センサについて説明する。第４実施形態例の慣性センサは、図１０に示す平面構成を有し、前記第１実施形態例とほぼ同様に形成された加速度センサである。第４実施形態例が前記第１実施形態例と異なる特徴的なことは、支持梁５と検出梁６を、弾性部としての弾性梁４を介して固定部３に固定したことである。

次に、第５実施形態例の慣性センサについて説明する。第５実施形態例の慣性センサは、図１１に示す平面構成を有し、前記第４実施形態例とほぼ同様に形成された加速度センサである。第５実施形態例が前記第４実施形態例と異なる特徴的なことは、検出梁６の形成態様を第４実施形態例と異なる態様としたことである。つまり、第５実施形態例において、検出梁６は、重り部１との連結接続部が支持梁５から離れた重り部端部側に設けられ、固定部３との連結接続部が前記重り部端部側よりも支持梁５寄りに設けられている。ピエゾ抵抗Ｒ１、Ｒ２は、それぞれ、重り部１側の端部に設けられている。なお、ピエゾ抵抗Ｒ１、Ｒ２は、適切なブリッジ回路が形成できれば、支持梁５側の端部に設けてもよい。

次に、第６実施形態例の慣性センサについて説明する。第６実施形態例の慣性センサは、角加速度センサであり、図１２に示すように、第１実施形態例の慣性センサにおける加速度検出手段を除く構成を有する、第１と第２の２つのセンサ構成部２１，２２を有している。これらのセンサ構成部２１，２２は、互いに支持梁５が一直線上に配置される態様で、共通の基板上に配設固定されている。

また、前記２つのセンサ構成部２１，２２の重り部１の重心を結ぶ線Ｇが、加速度の検出方向（Ｘ軸方向）と略直交するＹ方向に形成されている。そして、重り部１の重心を結ぶ線Ｇを通る垂直方向のＺ軸回り（図１２の矢印Ｋ方向または、その逆方向）の角加速度を、第１のセンサ構成部２１の応力検知部（ピエゾ抵抗Ｒ１、Ｒ２）と第２のセンサ構成部２２の応力検知部（ピエゾ抵抗Ｒ３、Ｒ４）とにより検知される応力に基づいて検出する角加速度検出手段が設けられている。この角加速度検出手段は、図１３に示すような、ピエゾ抵抗Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４のブリッジ回路を有して形成されており、例えば、図１４の模式図に示されるような配線９により、ピエゾ抵抗Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４とＶdd、Ｖ^＋、Ｖ⁻、Gndの各電極パッド１０とが接続されて形成されている。

この例において、センサ構成部２１は、図１２の矢印Ｋ方向の角加速度が印加された場合、第１のセンサ構成部２１は、同図の矢印Ｃ’方向の加速度を受け、センサ構成部２２は、同図の矢印Ｃ方向の加速度を受ける。このとき、ピエゾ抵抗Ｒ１とＲ４には引っ張り応力が、ピエゾ抵抗Ｒ２とＲ３には圧縮応力が、それぞれ生じ、それにより抵抗変化が生じ、その変化量を、図１３のブリッジ回路により検出することにより、２つのセンサ構成部２１，２２の差動出力を得ることになり、第１と第２のセンサ構成部２１，２２の重心間距離および感度に比例した角加速度出力を検出できる。なお、加速度出力は、本実施形態例のような差動出力をとる原理では、回転中心の場所には依存しない。

次に、第７実施形態例の慣性センサについて説明する。第７実施形態例の慣性センサは、Ｘ軸方向の加速度とＺ軸回りの角加速度を検出可能なセンサであり、図１５に示すように、第３実施形態例の慣性センサの構成を有する第１と第２の２つのセンサ構成部２１，２２を有している。つまり、第７実施形態例の慣性センサは、第６実施形態例の慣性センサにおいて、支持梁５と検出梁６とを、弾性梁４を介して接続した構成を有している。

また、第７実施形態例では、応力検知部は、各検出梁６に複数設けられた（ここでは、検出梁６に２個ずつ設けられた）ピエゾ抵抗Ｒac１、Ｒac２、Ｒac３、Ｒac４、Ｒro１、Ｒro２、Ｒro３、Ｒro４を有して形成されている。これらのピエゾ抵抗Ｒac１〜Ｒac４、Ｒro１〜Ｒro４のうち、図１６（ａ）に示すように、角加速度検知用のピエゾ抵抗Ｒro１、Ｒro２、Ｒro３、Ｒro４を有して形成されるブリッジ回路によって形成される角加速度検出手段と、図６（ｂ）に示すように、加速度検知用のピエゾ抵抗Ｒac１、Ｒac２、Ｒac３、Ｒac４、を有して形成されるブリッジ回路によって形成される加速度検出手段とを有している。

なお、本発明は前記各実施形態例に限定されるものではなく、様々な実施の形態を採り得る。例えば、前記第４、第５、第７実施形態例のように、支持梁５と検出梁６を弾性梁４を介して固定部３に固定する構成において、弾性梁４の形態は様々なものが適用できる。図１７には、弾性梁４の形態例が示されている。なお、図１７においては、図をわかりやすくするために、弾性梁４の形成領域に斜線を引いて示している。

図１７（ａ）に示す例は、弾性梁４を、重り部１をコ字形状に囲む形態に形成した例である。図１７（ｂ）に示す例は、弾性梁４をコ字形状に形成し、コ字形状の端部側を固定部に固定した例である。図１７（ｃ）に示す例は、弾性梁４をメアンダ状に形成した例である。なお、弾性梁４は、これらの図に示すように、重り部１の両側に設けるとは限らす、片側にのみ設けてもよいし、両側の弾性梁４の形状や配設態様を互いに異なるものとしてもよい。

また、各ピエゾ抵抗部間を接続してブリッジ回路を構成する配線パターンの配線例は、図４、図１４のようにするとは限らず、適宜設定されるものである。

さらに、第１実施形態例において、固定部３に、固定の抵抗（Ｒ）を設け、図３（ｂ）に示すようなハーフブリッジ回路を形成してもよい。

さらに、第６、第７実施形態例の慣性センサは、センサ構成部２１，２２を共通の基板上に配置して形成したが、センサ構成部２１，２２を個別に形成し、それぞれを、加速度検知方向が平行になるように、かつ、２つのセンサ構成部２１，２２の重心を結ぶ直線が加速度検知方向と直交する（または、ほぼ直交する）態様で配設固定（例えば基板上に実装）してもよい。

この場合も、図１２に示したように、ピエゾ抵抗Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４を配置し、図１３に示したようなブリッジ回路を形成すれば、Ｚ軸周りの角加速度を検出でき、また、図１５に示したように、ピエゾ抵抗Ｒac１〜Ｒac４、Ｒro１〜Ｒro４を配置し、図１６に示したようなブリッジ回路を形成すれば、Ｚ軸周りの角加速度とＸ方向の加速度を検出できる。さらに、このように、センサ構成部２１，２２を個別に形成して配置すれば、第１のセンサ構成部２１の重心と第２のセンサ構成部２２の重心との距離の設定自由度が増すため、さらに、角加速度の検出感度を高めることができる。

さらに、前記説明においては、第２実施形態例のみ、重り部１の両側に設けた支持梁５を挟む両側に、検出梁６ａ，６ｂを設けたが、第３〜第７実施形態例およびその他の実施形態例においても、重り部１の両側に設けた支持梁５を挟む両側に、検出梁６ａ，６ｂを設けてもよい。この際、第２実施形態例のように、４つの検出梁６の形状および配設態様を、支持梁５を結ぶ線（図２の軸Ｂ、参照）に対して対称としてもよいし、一方の支持梁５の両側に設ける検出梁６の形状や配設態様と他方の支持梁５の両側に設ける検出梁６の形状や配設態様とを異なるものとしてもよい。

第１実施形態例の慣性センサの要部構成を示す斜視説明図である。第１実施形態例の慣性センサの重り部周辺領域の平面図（ａ）と動作説明図（ｂ）である。第１実施形態例の慣性センサにおける加速度検出回路およびその変形例を示す回路図である。第１実施形態例の慣性センサにおける加速度検出回路用の配線図である。第１実施形態例の慣性センサの検知構造体の製造工程を模式的に示す断面説明図である。第２実施形態例の慣性センサの重り部周辺領域を示す平面説明図である。第２実施形態例の慣性センサにおける加速度検出回路を説明するための回路図である。第３実施形態例の慣性センサの重り部周辺領域を示す平面説明図である。第３実施形態例の慣性センサの加速度検出回路を説明するための回路図である。第４実施形態例の慣性センサの要部構成を示す平面図である。第５実施形態例の慣性センサの要部構成を示す平面図である。第６実施形態例の慣性センサの要部構成を示す平面図である。第６実施形態例の慣性センサの角加速度検出回路を説明するための回路図である。第６実施形態例の慣性センサにおける角加速度検出回路用の配線図である。第７実施形態例の慣性センサの要部構成を示す平面図である。第７実施形態例の慣性センサにおける加速度検出回路を説明するための回路図（ａ）と角加速度検出回路を説明するための回路図（ｂ）である。その他の慣性センサの重り部周辺領域を示す平面図である。従来の加速度センサの一例を示す説明図である。

１重り部
２下側基板
３固定部
４弾性梁
５支持梁
６検出梁
９配線
１０電極パッド
１１ＳＯＩ基板
２１第１のセンサ構成部
２２第２のセンサ構成部

Claims

重り部と、該重り部と間隔を介して少なくとも重り部の両側に配置された固定部とを有し、該固定部と前記重り部とが該重り部を両側から支持する支持梁によって連結されており、これらの支持梁は互いに一直線上に形成され、かつ、前記重り部よりも肉薄に形成されており、
前記支持梁の少なくとも一方を間隔を介して挟む両側に、それぞれ前記重り部と固定部とを連結する検出梁が設けられており、該検出梁は、前記重り部よりも肉薄で、かつ、前記支持梁よりも幅狭に形成されており、
前記重り部の周りと上下には該重り部の可動空間が形成され、前記重り部の重心と前記支持梁の重心とは厚み方向の位置がずれており、
前記支持梁の伸長方向と交わる水平方向から加えられる加速度に応じて、前記重り部が前記支持梁を軸として変位し、かつ、前記検出梁が変位するセンサ素子部と、前記検出梁の変位に伴って該検出梁に生じる応力を検知する応力検知部が前記検出梁に設けられ、該応力検知部により検知される応力に基づいて前記加速度を検知する加速度検出手段が設けられていることを特徴とする慣性センサ。
応力検知部は、各検出梁に設けられたピエゾ抵抗を有して形成され、これらのピエゾ抵抗により形成されるブリッジ回路を有して加速度検出手段が形成されていることを特徴とする請求項１記載の慣性センサ。
請求項１記載の慣性センサを構成する第１と第２の２つのセンサ素子部と応力検知部とを有して、前記センサ素子部は互いに支持梁が一直線上に配置される態様で配設固定され、
前記２つのセンサ素子部の重り部の重心を結ぶ線が加速度の検出方向と略直交する方向に形成されており、前記重り部の重心を結ぶ線を通る垂直方向の軸回りの角加速度を前記第１のセンサ素子部に設けられた応力検知部と第２のセンサ素子部に設けられた応力検知部とにより検知される応力に基づいて検出する角加速度検出手段が設けられていることを特徴とする慣性センサ。
応力検知部は、各検出梁に設けられたピエゾ抵抗を有して形成され、これらのピエゾ抵抗により形成されるブリッジ回路を有して角加速度検出手段が形成されていることを特徴とする請求項３記載の慣性センサ。
応力検知部は、各検出梁に複数設けられたピエゾ抵抗を有して形成され、これらのピエゾ抵抗のうち加速度検知用のピエゾ抵抗を有して形成されるブリッジ回路によって形成される加速度検出手段と、前記ピエゾ抵抗のうち角加速度検知用のピエゾ抵抗を有して形成されるブリッジ回路によって形成される角加速度検出手段とを有していることを特徴とする請求項３記載の慣性センサ。
重り部の両側に設けられた支持梁の少なくとも一方とその両側の検出梁は、重り部の変位に応じて弾性変形する弾性部を介して固定部に連結されていることを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれか一つに記載の慣性センサ。
検出梁は、重り部との連結接続部が支持梁から離れた重り部端部側に設けられ、固定部との連結接続部が前記重り部端部側よりも支持梁寄りに設けられていることを特徴とする請求項１乃至請求項６のいずれか一つに記載の慣性センサ。