JP5166585B2

JP5166585B2 - 慣性センサ素子

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Publication number: JP5166585B2
Application number: JP2011223891A
Authority: JP
Inventors: 義朗富川; 良太河合; 修一河野; 克英指宿
Original assignee: Kyocera Crystal Device Corp
Current assignee: Kyocera Crystal Device Corp
Priority date: 2011-10-11
Filing date: 2011-10-11
Publication date: 2013-03-21
Anticipated expiration: 2026-05-31
Also published as: JP2012042478A

Description

本発明は、脚部を励振しない状態で角加速度を検出する静止型の慣性センサ素子に関するものである。

図３４（Ａ）は特許文献１に開示された従来の角速度センサの平面図、図３４（Ｂ）は図３４（Ａ）の角速度センサをＥ側から見た側面図である。図３４（Ａ）、図３４（Ｂ）の角速度センサは、圧電材料として水晶を用いた圧電振動式の角速度センサである。図３４（Ａ）、図３４（Ｂ）において、１０００は音叉型の振動子素子（水晶板）、１０１１〜１０１４は励振用の電極、１０２１〜１０２４は角速度検出用の電極である。励振用の電極１０１１〜１０１４は振動子素子１０００の一方の脚部１００１の表裏及び左右の面に、検出用の電極１０２１〜１０２４は振動子素子１０００の他方の脚部１００２の左右の面に形成されている。脚部１００１及び１００２は、この脚部１００１及び１００２に対して平行な軸線Ｌを有する主軸１００３から分岐されており、脚部１００１，１００２と主軸１００３とは共通の平面に位置している。

この角速度センサにおいては、図３４（Ｂ）に示されるように、励振用の電極１０１１と１０１３とが端子Ｐ１に共通に接続され、励振用の電極１０１２と１０１４とが端子Ｐ２に共通に接続され、この端子Ｐ１とＰ２との間に交流電圧（励振振動信号）が印加される。このため、あるときは図３４（Ｂ）の中脚部１００１に矢印で示す如く電界が発生し、次には逆方向の電界が発生することにより、逆圧電効果により振動子素子１０００の一方の脚部１００１が、更に他方の脚部１００２も連動して、左右に振動（屈曲振動）する。

ここで、脚部１００１，１００２の振動方向をＸ軸方向、このＸ軸方向と直交する紙面内の方向、すなわち主軸１００３の軸線Ｌの方向をＹ軸方向、このＸ−Ｙ平面と直交する方向（振動子素子１０００の板面に垂直な方向）をＺ軸方向とした場合、Ｙ軸の廻りに角速度が作用すると、すなわち振動子素子１０００がＹ軸の廻りに回転すると、コリオリの力によりＺ軸方向の振動成分が生じ、振動子素子１０００がＸＺ平面で楕円運動するように振動する。このＺ軸方向の振動成分の大きさはコリオリの力に比例しているので、振動子素子１０００の他方の脚部１００２には圧電効果により、角速度に比例した大きさで振動の方向に応じた極の電荷が発生する。

これにより、検出用の電極１０２１と１０２４とを共通に接続した端子Ｐ３と、検出用の電極１０２２と１０２３とを共通に接続した端子Ｐ４との間に電荷が発生し、コリオリの力に応じた電圧信号が得られる。この電圧信号の大きさによって、Ｙ軸の廻りに作用する角速度の大きさを知ることができる。また、この電圧信号は基本的にサインカーブとして得られ、この電圧信号の波形と励振振動信号の波形とを位相比較することにより、その位相の進み遅れで角速度の方向を知ることができる。

特開平１１−３２５９１２号公報

従来の角速度センサでは、コリオリの力を利用してＹ軸廻りの角速度を検出することになるが、コリオリの力は、速度のあるもの、すなわち振動しているものにしか働かない。そのため、従来の角速度センサでは、振動子素子１０００の脚部１００１，１００２を励振する必要があり、電力を消費するという問題点があった。したがって、腕時計等に角速度センサを搭載すると、電力の消費が大きく、例えば数日程度しか電池がもたないという問題点があった。

本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、脚部を励振しない状態で角加速度を検出することができ、さらに角加速度から角速度を検出することができる静止型の慣性センサ素子を提供することを目的とする。

本発明の慣性センサ素子は、板状の基部と、この基部から第１の方向に延びるように形成された第１の検出脚部と、前記基部から前記第１の方向と反対方向に延びるように形成された第２の検出脚部と、前記基部と反対側の前記第１の検出脚部の端部を固定すると共に、前記基部と反対側の第２の検出脚部の端部を固定する支持部と、前記第１、第２の検出脚部の各々に設けられた検出電極と、角加速度及び加速度が加わっていない初期状態において前記基部と前記第１、第２の検出脚部と前記支持部とが配置される平面に対して平行で、かつ前記第１の方向と直交する方向をＸ軸方向、前記第１の方向と平行な方向をＹ軸方向、ＸＹ平面と直交する方向をＺ軸方向としたとき、Ｘ軸廻りの角加速度による力に応じて発生した前記第１、第２の検出脚部の歪みによる電圧信号を前記検出電極から受けて、この電圧信号を基に前記Ｘ軸廻りの角加速度を検出する第１の角加速度検出手段と、Ｙ軸廻りの角加速度による力に応じて発生した前記第１、第２の検出脚部の歪みによる電圧信号を前記検出電極から受けて、この電圧信号を基に前記Ｙ軸廻りの角加速度を検出する第２の角加速度検出手段と、Ｚ軸廻りの角加速度による力に応じて発生した前記第１、第２の検出脚部の歪みによる電圧信号を前記検出電極から受けて、この電圧信号を基に前記Ｚ軸廻りの角加速度を検出する第３の角加速度検出手段とを有するものである。

また、本発明の慣性センサ素子の１構成例は、さらに、前記検出されたＸ軸廻りの角加速度を時間で積分してＸ軸廻りの角速度を求める第１の積分手段と、前記検出されたＹ軸廻りの角加速度を時間で積分してＹ軸廻りの角速度を求める第２の積分手段と、前記検出されたＺ軸廻りの角加速度を時間で積分してＺ軸廻りの角速度を求める第３の積分手段とを有するものである。
また、本発明の慣性センサ素子の１構成例は、さらに、Ｘ軸方向の加速度による力に応じて発生した前記第１、第２の検出脚部の歪みによる電圧信号を前記検出電極から受けて、この電圧信号を基に前記Ｘ軸方向の加速度を検出する第１の加速度検出手段と、Ｙ軸方向の加速度による力に応じて発生した前記第１、第２の検出脚部の歪みによる電圧信号を前記検出電極から受けて、この電圧信号を基に前記Ｙ軸方向の加速度を検出する第２の加速度検出手段と、Ｚ軸方向の加速度による力に応じて発生した前記第１、第２の検出脚部の歪みによる電圧信号を前記検出電極から受けて、この電圧信号を基に前記Ｚ軸方向の加速度を検出する第３の加速度検出手段とを有するものである。

また、本発明の慣性センサ素子の１構成例において、前記検出電極は、前記第１の検出脚部の一方の側面に形成された第１、第２の検出電極と、前記第１の検出脚部の他方の側面に形成された第３、第４の検出電極と、前記第１の検出脚部の上面に形成された第５の検出電極と、前記第１の検出脚部の下面に形成された第６の検出電極と、前記第２の検出脚部の一方の側面に形成された第７、第８の検出電極と、前記第２の検出脚部の他方の側面に形成された第９、第１０の検出電極と、前記第２の検出脚部の上面に形成された第１１の検出電極と、前記第２の検出脚部の下面に形成された第１２の検出電極とからなり、前記第１の角加速度検出手段は、Ｘ軸廻りの角加速度による力に応じて発生した前記第１、第２の検出脚部の歪みによる電圧信号を前記第１乃至第４の検出電極及び前記第７乃至第１０の検出電極から受けて、この電圧信号を基に前記Ｘ軸廻りの角加速度を検出し、前記第２の角加速度検出手段は、Ｙ軸廻りの角加速度による力に応じて発生した前記第１、第２の検出脚部の歪みによる電圧信号を前記第１乃至第１２の検出電極から受けて、この電圧信号を基に前記Ｙ軸廻りの角加速度を検出し、前記第３の角加速度検出手段は、Ｚ軸廻りの角加速度による力に応じて発生した前記第１、第２の検出脚部の歪みによる電圧信号を前記第１乃至第１２の検出電極から受けて、この電圧信号を基に前記Ｚ軸廻りの角加速度を検出するものである。

また、本発明の慣性センサ素子の１構成例において、前記検出電極は、前記第１乃至第１２の検出電極からなり、前記第１の加速度検出手段は、Ｘ軸方向の加速度による力に応じて発生した前記第１、第２の検出脚部の歪みによる電圧信号を前記第１乃至第１２の検出電極から受けて、この電圧信号を基に前記Ｘ軸方向の加速度を検出し、前記第２の加速度検出手段は、Ｙ軸方向の加速度による力に応じて発生した前記第１、第２の検出脚部の歪みによる電圧信号を前記第１乃至第４の検出電極及び前記第７乃至第１０の検出電極から受けて、この電圧信号を基に前記Ｙ軸方向の加速度を検出し、前記第３の加速度検出手段は、Ｚ軸方向の加速度による力に応じて発生した前記第１、第２の検出脚部の歪みによる電圧信号を前記第１乃至第４の検出電極及び前記第７乃至第１０の検出電極から受けて、この電圧信号を基に前記Ｚ軸方向の加速度を検出するものである。
また、本発明の慣性センサ素子の１構成例は、前記第１の方向と直交する方向の前記基部の両端部にそれぞれ重りを設けたものである。

本発明によれば、基部から第１の方向に延びるように形成された第１の検出脚部と、基部から第１の方向と反対方向に延びるように形成された第２の検出脚部と、基部と反対側の第１の検出脚部の端部を固定すると共に、基部と反対側の第２の検出脚部の端部を固定する支持部と、第１、第２の検出脚部の各々に設けられた検出電極と、第１、第２、第３の角加速度検出手段とを設けることにより、脚部を励振しない静止状態で、Ｘ，Ｙ，Ｚの３軸の廻りの角加速度の大きさと向きを検出することができる。

また、本発明では、第１、第２、第３の積分手段を設けることにより、Ｘ，Ｙ，Ｚの３軸の廻りの角速度を検出することができる。
また、本発明では、第１、第２、第３の加速度検出手段を設けることにより、Ｘ，Ｙ，Ｚの３軸の廻りの角加速度に加えてＸ，Ｙ，Ｚの３軸方向の加速度の大きさと向きを検出することができる。

また、本発明では、第１の方向と直交する方向の基部の両端部にそれぞれ重りを設けることにより、角加速度又は加速度が加わったときの第１、第２の検出脚部の歪みを大きくすることができるので、角加速度及び加速度の検出感度を向上させることができる。

本発明の参考例に係る慣性センサ素子の構成を示す平面図である。本発明の参考例に係る慣性センサ素子の構成を示す斜視図である。本発明の参考例に係る慣性センサ素子の構成を示す断面図である。本発明の参考例に係る慣性センサ素子の各電極の接続関係を示す回路図である。本発明の参考例に係る慣性センサ素子の角加速度検出回路の構成例を示す回路図である。本発明の参考例に係る慣性センサ素子の加速度検出回路の構成例を示す回路図である。本発明の参考例においてＺ軸廻りの角加速度が加わったときの基部と検出脚部の動きを模式的に示す平面図及び斜視図である。本発明の参考例においてＺ軸廻りの角加速度が加わったときに検出脚部に生じる電界を示す断面図である。本発明の参考例においてＸ軸方向の加速度が加わったときの基部と検出脚部の動きを模式的に示す平面図及び斜視図である。本発明の参考例においてＸ軸方向の加速度が加わったときに検出脚部に生じる電界を示す断面図である。本発明の第１の実施の形態に係る慣性センサ素子の構成を示す平面図である。本発明の第１の実施の形態に係る慣性センサ素子の構成を示す斜視図である。本発明の第１の実施の形態に係る慣性センサ素子の構成を示す断面図である。本発明の第１の実施の形態に係る慣性センサ素子の各電極の接続関係を示す回路図である。本発明の第１の実施の形態に係る慣性センサ素子の第１の角加速度検出回路の構成例を示す回路図である。本発明の第１の実施の形態に係る慣性センサ素子の第１の加速度検出回路の構成例を示す回路図である。本発明の第１の実施の形態に係る慣性センサ素子の第２の角加速度検出回路の構成例を示す回路図である。本発明の第１の実施の形態に係る慣性センサ素子の第２の加速度検出回路の構成例を示す回路図である。本発明の第１の実施の形態に係る慣性センサ素子の第３の角加速度検出回路の構成例を示す回路図である。本発明の第１の実施の形態に係る慣性センサ素子の第３の加速度検出回路の構成例を示す回路図である。本発明の第１の実施の形態においてＸ軸廻りの角加速度が加わったときの基部と検出脚部の動きを模式的に示す平面図、斜視図及び側面図である。本発明の第１の実施の形態においてＸ軸廻りの角加速度が加わったときに検出脚部に生じる電界を示す断面図である。本発明の第１の実施の形態においてＸ軸方向の加速度が加わったときの基部と検出脚部の動きを模式的に示す平面図及び斜視図である。本発明の第１の実施の形態においてＸ軸方向の加速度が加わったときに検出脚部に生じる電界を示す断面図である。本発明の第１の実施の形態においてＹ軸廻りの角加速度が加わったときの基部と検出脚部の動きを模式的に示す平面図、斜視図及び側面図である。本発明の第１の実施の形態においてＹ軸廻りの角加速度が加わったときに検出脚部に生じる電界を示す断面図である。本発明の第１の実施の形態においてＹ軸方向の加速度が加わったときの基部と検出脚部の動きを模式的に示す平面図及び斜視図である。本発明の第１の実施の形態においてＹ軸方向の加速度が加わったときに検出脚部に生じる電界を示す断面図である。本発明の第１の実施の形態においてＺ軸廻りの角加速度が加わったときの基部と検出脚部の動きを模式的に示す平面図及び斜視図である。本発明の第１の実施の形態においてＺ軸廻りの角加速度が加わったときに検出脚部に生じる電界を示す断面図である。本発明の第１の実施の形態においてＺ軸方向の加速度が加わったときの基部と検出脚部の動きを模式的に示す平面図、斜視図及び側面図である。本発明の第１の実施の形態においてＺ軸方向の加速度が加わったときに検出脚部に生じる電界を示す断面図である。本発明の第２の実施の形態に係る慣性センサ素子の構成を示す平面図である。従来の角速度センサの構成を示す平面図及び側面図である。

［参考例］
以下、本発明の参考例について図面を参照して説明する。図１は本発明の参考例に係る慣性センサ素子の構成を示す平面図、図２は図１の慣性センサ素子の斜視図、図３（Ａ）は図１の慣性センサ素子のＡ−Ａ線断面図、図３（Ｂ）は図１の慣性センサ素子のＢ−Ｂ線断面図である。

慣性センサ素子１は、板状の基部２と、基部２から第１の方向（図１では上方向）に延びるように形成された第１の検出脚部３と、基部２から前記第１の方向と反対の方向（図１では下方向）に延びるように形成された第２の検出脚部４と、基部２と反対側の第１の検出脚部３の端部を固定すると共に、基部２と反対側の第２の検出脚部４の端部を固定する枠状の支持部５と、基部２との接続部から支持部５との接続部まで前記第１の方向に沿って第１の検出脚部３に形成された第１の貫通孔６と、基部２との接続部から支持部５との接続部まで前記第１の方向に沿って第２の検出脚部４に形成された第２の貫通孔７とを備えている。なお、図１〜図３では、角加速度及び加速度が加わっていない初期状態において基部２と検出脚部３，４と支持部５とが配置される平面（図１の紙面）に対して平行で、かつ前記第１の方向と直交する方向をＸ軸方向、前記第１の方向と平行な方向をＹ軸方向、ＸＹ平面と直交する方向をＺ軸方向としている。図１におけるＯは原点であり、基部２の中心である。

基部２と検出脚部３，４と支持部５とは、例えば厚さ０．１〜０．３ｍｍ程度の水晶板（Ｚ板）等の圧電材料により一体成形されている。このような慣性センサ素子１を製造するには、水晶板を例えばエッチングなどにより加工すればよい。検出脚部３，４の幅（Ｘ軸方向の寸法）は０．０５〜０．３ｍｍ程度、長さ（Ｙ軸方向の寸法）は１．０〜５．０ｍｍ程度に形成されていればよい。図１〜図３の例では、検出脚部３，４は、同一の幅と同一の長さに形成されている。
慣性センサ素子１を例えば腕時計等の機器に搭載する場合には、慣性センサ素子１の支持部５が機器の筐体に固定される。

図３（Ａ）に示すように、第１の検出脚部３の支持部近傍の一方の側面には前記第１の方向に沿って検出電極１０１が形成され、支持部近傍の他方の側面には前記第１の方向に沿って検出電極１０２が形成され、さらに第１の貫通孔６によってできた第１の検出脚部３の内側の壁面には検出電極１０１，１０２と対向するように検出電極１０３が形成されている。

同様に図３（Ｂ）に示すように、第２の検出脚部４の支持部近傍の側面には前記第１の方向に沿って検出電極１０４が形成され、支持部近傍の他方の側面には前記第１の方向に沿って検出電極１０５が形成され、さらに第２の貫通孔７によってできた第２の検出脚部４の内側の壁面には検出電極１０４，１０５と対向するように検出電極１０６が形成されている。

図４は慣性センサ素子１の各電極の接続関係を示す回路図である。第１の検出脚部３の検出電極１０１〜１０３及び第２の検出脚部４の検出電極１０４〜１０６は、Ｚ軸廻りの角加速度を検出する角加速度検出回路２００とＸ軸方向の加速度を検出する加速度検出回路２０１に接続されている。

図５は角加速度検出回路２００の構成例を示す回路図、図６は加速度検出回路２０１の構成例を示す回路図である。角加速度検出回路２００は、バッファ２０２〜２０７と、加算器２０８〜２１１と、差動増幅回路２１２と、積分器２１３とから構成され、加速度検出回路２０１は、バッファ２１４〜２１９と、加算器２２０〜２２３と、差動増幅回路２２４と、積分器２２５とから構成される。

次に、本参考例の慣性センサ素子１の動作を説明する。図７（Ａ）は慣性センサ素子１にＺ軸廻りの角加速度α_Zが加わったときの基部２と検出脚部３，４の動きを模式的に示す平面図、図７（Ｂ）は図７（Ａ）の慣性センサ素子１の斜視図である。慣性センサ素子１に原点Ｏ（基部２の中心）を通るＺ軸廻りの角加速度α_Zが加わると、慣性センサ素子１の基部２及び検出脚部３，４には角加速度α_Zと反対方向に慣性による力Ｆ＝ｍα_Z（ｍは基部２及び検出脚部３，４の質量）が加わる。この慣性による力Ｆにより、基部２及び検出脚部３，４は、角加速度α_Zが加わっていない初期状態（図７（Ａ）、図７（Ｂ）の破線で示すＳ０）に対して、図７（Ａ）、図７（Ｂ）の状態Ｓ１で示すようにＸＹ平面に沿って変形する。

この変形により、検出脚部３の検出電極１０１と１０３間、検出電極１０２と１０３間、検出脚部４の検出電極１０４と１０６間、及び検出電極１０５と１０６間には、それぞれ図８の矢印で示すような電界が圧電効果によって生じる。
角加速度検出回路２００は、Ｚ軸廻りの角加速度α_Zによる力に応じて発生した検出脚部３，４の歪みによる電圧信号を検出電極１０１〜１０６から受けて、この電圧信号を基に角加速度α_Zを検出する。なお、検出電極１０１〜１０６で検出されるのは、正確には検出脚部３，４の歪みに応じた電荷であるが、この電荷はバッファによって電圧に変換されるので、以後、検出電極１０１〜１０６の出力については電圧信号又は出力電圧と称することにする。

すなわち、角加速度検出回路２００の加算器２０８は、バッファ２０２を介して受け取った検出電極１０１の出力電圧とバッファ２０３を介して受け取った検出電極１０２の出力電圧とを加算する。加算器２０９は、バッファ２０５を介して受け取った検出電極１０４の出力電圧とバッファ２０６を介して受け取った検出電極１０５の出力電圧とを加算する。加算器２１０は、加算器２０８の出力電圧とバッファ２０７を介して受け取った検出電極１０６の出力電圧とを加算する。加算器２１１は、バッファ２０４を介して受け取った検出電極１０３の出力電圧と加算器２０９の出力電圧とを加算する。差動増幅回路２１２は、加算器２１１の出力電圧と加算器２１０の出力電圧との差を求める。積分器２１３は、差動増幅回路２１２の出力電圧を積分する。

こうして、角加速度検出回路２００では、検出脚部３，４に生じた電界の低電位側の総計を加算器２１０で求め、検出脚部３，４に生じた電界の高電位側の総計を加算器２１１で求め、加算器２１１の出力電圧と加算器２１０の出力電圧との差を差動増幅回路２１２で求めることにより、検出脚部３，４に生じた電位差の総計を求め、この電位差の総計を積分器２１３で積分する。積分器２１３の出力電圧は、角加速度α_Zに応じた大きさと極性とを持つ。よって、角加速度検出回路２００は、積分器２１３の出力電圧の大きさによって角加速度α_Zの大きさを検出することができ、また積分器２１３の出力電圧の極性によって角加速度α_Zの向きを検出することができる。

図９（Ａ）は慣性センサ素子１にＸ軸方向の加速度ａ_Xが加わったときの基部２と検出脚部３，４の動きを模式的に示す平面図、図９（Ｂ）は図９（Ａ）の慣性センサ素子１の斜視図である。慣性センサ素子１にＸ軸方向の加速度ａ_Xが加わると、慣性センサ素子１の基部２及び検出脚部３，４には加速度ａ_Xと反対方向に慣性による力Ｆ＝ｍａ_Xが加わる。この慣性による力Ｆにより、基部２及び検出脚部３，４は、加速度ａ_Xが加わっていない初期状態Ｓ０に対して、図９（Ａ）、図９（Ｂ）の状態Ｓ１で示すようにＸＹ平面に沿って変形する。

この変形により、検出脚部３の検出電極１０１と１０３間、検出電極１０２と１０３間、検出脚部４の検出電極１０４と１０６間、及び検出電極１０５と１０６間には、それぞれ図１０の矢印で示すような電界が圧電効果によって生じる。
加速度検出回路２０１は、Ｘ軸方向の加速度ａ_Xによる力に応じて発生した検出脚部３，４の歪みによる電圧信号を検出電極１０１〜１０６から受けて、この電圧信号を基に加速度ａ_Xを検出する。

すなわち、加速度検出回路２０１の加算器２２０は、バッファ２１４を介して受け取った検出電極１０１の出力電圧とバッファ２１５を介して受け取った検出電極１０２の出力電圧とを加算する。加算器２２１は、バッファ２１７を介して受け取った検出電極１０４の出力電圧とバッファ２１８を介して受け取った検出電極１０５の出力電圧とを加算する。加算器２２２は、加算器２２０の出力電圧と加算器２２１の出力電圧とを加算する。加算器２２３は、バッファ２１６を介して受け取った検出電極１０３の出力電圧とバッファ２１９を介して受け取った検出電極１０６の出力電圧とを加算する。差動増幅回路２２４は、加算器２２３の出力電圧と加算器２２２の出力電圧との差を求める。積分器２２５は、差動増幅回路２２４の出力電圧を積分する。

こうして、加速度検出回路２０１では、検出脚部３，４に生じた電界の低電位側の総計を加算器２２２で求め、検出脚部３，４に生じた電界の高電位側の総計を加算器２２３で求め、加算器２２３の出力電圧と加算器２２２の出力電圧との差を差動増幅回路２２４で求めることにより、検出脚部３，４に生じた電位差の総計を求め、この電位差の総計を積分器２２５で積分する。積分器２２５の出力電圧は、加速度ａ_Xに応じた大きさと極性とを持つ。よって、加速度検出回路２０１は、積分器２２５の出力電圧の大きさによって加速度ａ_Xの大きさを検出することができ、また積分器２２５の出力電圧の極性によって加速度ａ_Xの向きを検出することができる。

以上のように、本参考例によれば、検出脚部３，４を励振しない静止状態で、角加速度の大きさと向きを検出することができる。その結果、本参考例では、脚部の励振を必要とする従来のセンサに比べて消費電力を低減することができる。また、本参考例では、静止状態で角加速度に加えて加速度の大きさと向きを検出することができる。また、本参考例では、角加速度検出回路２００の後ろに、角加速度を時間で積分する積分手段（不図示）を設けることにより、角速度を求めることができる。

また、本参考例では、検出脚部３，４に貫通孔６，７を設けることにより、検出脚部３，４を柔らかくすることができるので、角加速度又は加速度が加わったときの検出脚部３，４の歪みを大きくすることができ、また検出モードの共振周波数を低下させることができる。検出脚部３，４の最大変位は、貫通孔６，７を設けない場合に比べて例えば数倍程度にすることができ、検出モードの共振周波数は、貫通孔６，７を設けない場合に比べて例えば数分の１程度にすることができる。

さらに、本参考例では、貫通孔６によってできた検出脚部３の内側の壁面に検出電極１０１，１０２と対向するように検出電極１０３を形成し、貫通孔７によってできた検出脚部４の内側の壁面に検出電極１０４，１０５と対向するように検出電極１０６を形成することにより、角加速度又は加速度に応じた歪みによって検出脚部３，４に生じる電界の方向に対して検出電極を垂直に設けることができるので、電界効率を向上させることができ、また検出電極３，４のそれぞれの両側面のみに検出電極を設ける場合に比べて検出電極間の距離を狭くすることができるので、電界を大きく検出することができる。以上の貫通孔６，７と検出電極１０１〜１０６の構成により、本参考例では、角加速度及び加速度の検出感度を向上させることができる。

なお、慣性センサ素子１にＸ軸方向の加速度ａ_Xが加わった場合、角加速度検出回路２００の積分器２１３の出力電圧は零となり、慣性センサ素子１にＺ軸廻りの角加速度α_Zが加わった場合、加速度検出回路２０１の積分器２２５の出力電圧は零となる。したがって、角加速度検出回路２００が加速度ａ_Xを誤って角加速度α_Zとして検出したり、加速度検出回路２０１が角加速度α_Zを誤って加速度ａ_Xとして検出したりすることはない。

［第１の実施の形態］
次に、本発明の第１の実施の形態について説明する。図１１は本発明の第１の実施の形態に係る慣性センサ素子の構成を示す平面図、図１２は図１１の慣性センサ素子の斜視図、図１３（Ａ）は図１１の慣性センサ素子のＡ−Ａ線断面図、図１３（Ｂ）は図１１の慣性センサ素子のＢ−Ｂ線断面図である。

慣性センサ素子１ａは、基部２と、基部２から第１の方向（図１１では上方向）に延びるように形成された第１の検出脚部３と、基部２から前記第１の方向と反対の方向（図１１では下方向）に延びるように形成された第２の検出脚部４と、基部２と反対側の第１の検出脚部３の端部を固定すると共に、基部２と反対側の第２の検出脚部４の端部を固定する枠状の支持部５とを備えている。なお、図１１〜図１３では、角加速度及び加速度が加わっていない初期状態において基部２と検出脚部３，４と支持部５とが配置される平面（図１１の紙面）に対して平行で、かつ前記第１の方向と直交する方向をＸ軸方向、前記第１の方向と平行な方向をＹ軸方向、ＸＹ平面と直交する方向をＺ軸方向としている。図１１におけるＯは原点であり、基部２の中心である。

基部２と検出脚部３，４と支持部５とは、例えば厚さ０．１〜０．３ｍｍ程度の水晶板（Ｚ板）等の圧電材料により一体成形されている。このような慣性センサ素子１ａを製造するには、水晶板を例えばエッチングなどにより加工すればよい。検出脚部３，４の幅（Ｘ軸方向の寸法）は０．０５〜０．３ｍｍ程度、長さ（Ｙ軸方向の寸法）は１．０〜５．０ｍｍ程度に形成されていればよい。図１１〜図１３の例では、検出脚部３，４は、同一の幅と同一の長さに形成されている。
慣性センサ素子１ａを例えば腕時計等の機器に搭載する場合には、慣性センサ素子１ａの支持部５が機器の筐体に固定される。

図１３（Ａ）に示すように、第１の検出脚部３の支持部近傍の一方の側面には前記第１の方向に沿って検出電極３０１，３０２が形成され、支持部近傍の他方の側面には前記第１の方向に沿って検出電極３０３，３０４が形成され、第１の検出脚部３の支持部近傍の上面には前記第１の方向に沿って検出電極３０５が形成され、支持部近傍の下面には前記第１の方向に沿って検出電極３０６が形成されている。

同様に図１３（Ｂ）に示すように、第２の検出脚部４の支持部近傍の一方の側面には前記第１の方向に沿って検出電極３０７，３０８が形成され、支持部近傍の他方の側面には前記第１の方向に沿って検出電極３０９，３１０が形成され、第１の検出脚部３の支持部近傍の上面には前記第１の方向に沿って検出電極３１１が形成され、支持部近傍の下面には前記第１の方向に沿って検出電極３１２が形成されている。

図１４は慣性センサ素子１ａの各電極の接続関係を示す回路図である。第１の検出脚部３の検出電極３０１〜３０４及び第２の検出脚部４の検出電極３０７〜３１０は、Ｘ軸廻りの角加速度を検出する第１の角加速度検出回路４００と、Ｙ軸方向の加速度を検出する第２の加速度検出回路４０３と、Ｚ軸方向の加速度を検出する第３の加速度検出回路４０５に接続されている。また、検出電極３０１〜３１２は、Ｘ軸方向の加速度を検出する第１の加速度検出回路４０１と、Ｙ軸廻りの角加速度を検出する第２の角加速度検出回路４０２と、Ｚ軸廻りの角加速度を検出する第３の角加速度検出回路４０４に接続されている。

図１５は第１の角加速度検出回路４００の構成例を示す回路図、図１６は第１の加速度検出回路４０１の構成例を示す回路図、図１７は第２の角加速度検出回路４０２の構成例を示す回路図、図１８は第２の加速度検出回路４０３の構成例を示す回路図、図１９は第３の角加速度検出回路４０４の構成例を示す回路図、図２０は第３の加速度検出回路４０５の構成例を示す回路図である。

第１の角加速度検出回路４００は、バッファ４０６〜４１３と、加算器４１４〜４１９と、差動増幅回路４２０と、積分器４２１とから構成される。第１の加速度検出回路４０１は、バッファ４２２〜４３３と、加算器４３４〜４３９と、差動増幅回路４４０と、積分器４４１とから構成される。第２の角加速度検出回路４０２は、バッファ４４２〜４５３と、加算器４５４〜４５９と、差動増幅回路４６０と、積分器４６１とから構成される。第２の加速度検出回路４０３は、バッファ４６２〜４６９と、加算器４７０〜４７５と、差動増幅回路４７６と、積分器４７７とから構成される。第３の角加速度検出回路４０４は、バッファ４７８〜４８９と、加算器４９０〜４９５と、差動増幅回路４９６と、積分器４９７とから構成される。第３の加速度検出回路４０５は、バッファ４９８〜５０５と、加算器５０６〜５１１と、差動増幅回路５１２と、積分器５１３とから構成される。

次に、本実施の形態の慣性センサ素子１ａの動作を説明する。図２１（Ａ）は慣性センサ素子１ａにＸ軸廻りの角加速度α_Xが加わったときの基部２と検出脚部３，４の動きを模式的に示す平面図、図２１（Ｂ）は図２１（Ａ）の慣性センサ素子１ａの斜視図、図２１（Ｃ）は図２１（Ａ）の慣性センサ素子１ａをＰ側から見た側面図、図２１（Ｄ）は図２１（Ａ）の慣性センサ素子１ａをＱ側から見た側面図である。

慣性センサ素子１ａに原点Ｏ（基部２の中心）を通るＸ軸廻りの角加速度α_Xが加わると、慣性センサ素子１ａの基部２及び検出脚部３，４には角加速度α_Xと反対方向に慣性による力Ｆ＝ｍα_X（ｍは基部２及び検出脚部３，４の質量）が加わる。この慣性による力Ｆにより、基部２及び検出脚部３，４は、角加速度α_Xが加わっていない初期状態（図２１（Ｂ）の破線で示すＳ０）に対して、図２１（Ａ）、図２１（Ｂ）、図２１（Ｃ）、図２１（Ｄ）の状態Ｓ１で示すように原点Ｏを通るＸ軸を回転軸として角加速度α_Xと反対方向に回るように変形する。

この変形により、検出脚部３の検出電極３０３と３０１間、検出電極３０２と３０４間、検出脚部４の検出電極３０７と３０９間、及び検出電極３１０と３０８間には、それぞれ図２２の矢印で示すような電界が圧電効果によって生じる。
第１の角加速度検出回路４００は、Ｘ軸廻りの角加速度α_Xによる力に応じて発生した検出脚部３，４の歪みによる電圧信号を検出電極３０１〜３０４，３０７〜３１０から受けて、この電圧信号を基に角加速度α_Xを検出する。なお、検出電極３０１〜３１２で検出されるのは、正確には検出脚部３，４の歪みに応じた電荷であるが、この電荷はバッファによって電圧に変換されるので、以後、検出電極３０１〜３１２の出力については電圧信号又は出力電圧と称することにする。

すなわち、第１の角加速度検出回路４００の加算器４１４は、バッファ４０６を介して受け取った検出電極３０１の出力電圧とバッファ４０９を介して受け取った検出電極３０４の出力電圧とを加算する。加算器４１５は、バッファ４０７を介して受け取った検出電極３０２の出力電圧とバッファ４０８を介して受け取った検出電極３０３の出力電圧とを加算する。加算器４１６は、バッファ４１０を介して受け取った検出電極３０７の出力電圧とバッファ４１３を介して受け取った検出電極３１０の出力電圧とを加算する。加算器４１７は、バッファ４１１を介して受け取った検出電極３０８の出力電圧とバッファ４１２を介して受け取った検出電極３０９の出力電圧とを加算する。加算器４１８は、加算器４１４の出力電圧と加算器４１７の出力電圧とを加算する。加算器４１９は、加算器４１５の出力電圧と加算器４１６の出力電圧とを加算する。差動増幅回路４２０は、加算器４１９の出力電圧と加算器４１８の出力電圧との差を求める。積分器４２１は、差動増幅回路４２０の出力電圧を積分する。

こうして、第１の角加速度検出回路４００では、検出脚部３，４に生じた電界の低電位側の総計を加算器４１８で求め、検出脚部３，４に生じた電界の高電位側の総計を加算器４１９で求め、加算器４１９の出力電圧と加算器４１８の出力電圧との差を差動増幅回路４２０で求めることにより、検出脚部３，４に生じた電位差の総計を求め、この電位差の総計を積分器４２１で積分する。積分器４２１の出力電圧は、角加速度α_Xに応じた大きさと極性とを持つ。よって、第１の角加速度検出回路４００は、積分器４２１の出力電圧の大きさによって角加速度α_Xの大きさを検出することができ、また積分器４２１の出力電圧の極性によって角加速度α_Xの向きを検出することができる。

図２３（Ａ）は慣性センサ素子１ａにＸ軸方向の加速度ａ_Xが加わったときの基部２と検出脚部３，４の動きを模式的に示す平面図、図２３（Ｂ）は図２３（Ａ）の慣性センサ素子１ａの斜視図である。慣性センサ素子１ａにＸ軸方向の加速度ａ_Xが加わると、慣性センサ素子１ａの基部２及び検出脚部３，４には加速度ａ_Xと反対方向に慣性による力Ｆ＝ｍａ_Xが加わる。この慣性による力Ｆにより、基部２及び検出脚部３，４は、加速度ａ_Xが加わっていない初期状態Ｓ０に対して、図２３（Ａ）、図２３（Ｂ）の状態Ｓ１で示すようにＸＹ平面に沿って加速度ａ_Xと反対方向に撓むように変形する。

この変形により、検出脚部３の検出電極３０５と３０１間、検出電極３０５と３０３間、検出電極３０６と３０２間、検出電極３０６と３０４間、検出脚部４の検出電極３１１と３０７間、検出電極３１１と３０９間、検出電極３１２と３０８間、及び検出電極３１２と３１０間には、それぞれ図２４の矢印で示すような電界が圧電効果によって生じる。
第１の加速度検出回路４０１は、Ｘ軸方向の加速度ａ_Xによる力に応じて発生した検出脚部３，４の歪みによる電圧信号を検出電極３０１〜３１２から受けて、この電圧信号を基に加速度ａ_Xを検出する。

すなわち、第１の加速度検出回路４０１の加算器４３４は、バッファ４２２を介して受け取った検出電極３０１の出力電圧と、バッファ４２３を介して受け取った検出電極３０２の出力電圧と、バッファ４２４を介して受け取った検出電極３０３の出力電圧と、バッファ４２５を介して受け取った検出電極３０４の出力電圧とを加算する。加算器４３５は、バッファ４２６を介して受け取った検出電極３０５の出力電圧とバッファ４２７を介して受け取った検出電極３０６の出力電圧とを加算する。加算器４３６は、バッファ４２８を介して受け取った検出電極３０７の出力電圧と、バッファ４２９を介して受け取った検出電極３０８の出力電圧と、バッファ４３０を介して受け取った検出電極３０９の出力電圧と、バッファ４３１を介して受け取った検出電極３１０の出力電圧とを加算する。加算器４３７は、バッファ４３２を介して受け取った検出電極３１１の出力電圧とバッファ４３３を介して受け取った検出電極３１２の出力電圧とを加算する。加算器４３８は、加算器４３４の出力電圧と加算器４３６の出力電圧とを加算する。加算器４３９は、加算器４３５の出力電圧と加算器４３７の出力電圧とを加算する。差動増幅回路４４０は、加算器４３９の出力電圧と加算器４３８の出力電圧との差を求める。積分器４４１は、差動増幅回路４４０の出力電圧を積分する。

こうして、第１の加速度検出回路４０１では、検出脚部３，４に生じた電界の低電位側の総計を加算器４３８で求め、検出脚部３，４に生じた電界の高電位側の総計を加算器４３９で求め、加算器４３９の出力電圧と加算器４３８の出力電圧との差を差動増幅回路４４０で求めることにより、検出脚部３，４に生じた電位差の総計を求め、この電位差の総計を積分器４４１で積分する。積分器４４１の出力電圧は、加速度ａ_Xに応じた大きさと極性とを持つ。よって、第１の加速度検出回路４０１は、積分器４４１の出力電圧の大きさによって加速度ａ_Xの大きさを検出することができ、また積分器４４１の出力電圧の極性によって加速度ａ_Xの向きを検出することができる。

図２５（Ａ）は慣性センサ素子１ａにＹ軸廻りの角加速度α_Yが加わったときの基部２と検出脚部３，４の動きを模式的に示す平面図、図２５（Ｂ）は図２５（Ａ）の慣性センサ素子１ａの斜視図、図２５（Ｃ）は図２５（Ａ）の慣性センサ素子１ａをＰ側から見た側面図、図２５（Ｄ）は図２５（Ａ）の慣性センサ素子１ａをＱ側から見た側面図である。

慣性センサ素子１ａに原点Ｏ（基部２の中心）を通るＹ軸廻りの角加速度α_Yが加わると、慣性センサ素子１ａの基部２及び検出脚部３，４には角加速度α_Yと反対方向に慣性による力Ｆ＝ｍα_Yが加わる。この慣性による力Ｆにより、基部２及び検出脚部３，４は、角加速度α_Yが加わっていない初期状態Ｓ０に対して、図２５（Ａ）、図２５（Ｂ）、図２５（Ｃ）、図２５（Ｄ）の状態Ｓ１で示すように原点Ｏを通るＹ軸を回転軸として角加速度α_Yと反対方向に回るように変形する。

この変形により、検出脚部３の検出電極３０５と３０１間、検出電極３０５と３０３間、検出電極３０２と３０６間、検出電極３０４と３０６間、検出脚部４の検出電極３１１と３０７間、検出電極３１１と３０９間、検出電極３０８と３１２間、及び検出電極３１０と３１２間には、それぞれ図２６の矢印で示すような電界が圧電効果によって生じる。
第２の角加速度検出回路４０２は、Ｙ軸廻りの角加速度α_Yによる力に応じて発生した検出脚部３，４の歪みによる電圧信号を検出電極３０１〜３１２から受けて、この電圧信号を基に角加速度α_Yを検出する。

すなわち、第２の角加速度検出回路４０２の加算器４５４は、バッファ４４２を介して受け取った検出電極３０１の出力電圧と、バッファ４４７を介して受け取った検出電極３０６の出力電圧と、バッファ４４４を介して受け取った検出電極３０３の出力電圧とを加算する。加算器４５５は、バッファ４４５を介して受け取った検出電極３０４の出力電圧と、バッファ４４６を介して受け取った検出電極３０５の出力電圧と、バッファ４４３を介して受け取った検出電極３０２の出力電圧とを加算する。加算器４５６は、バッファ４４８を介して受け取った検出電極３０７の出力電圧と、バッファ４５３を介して受け取った検出電極３１２の出力電圧と、バッファ４５０を介して受け取った検出電極３０９の出力電圧とを加算する。加算器４５７は、バッファ４５１を介して受け取った検出電極３１０の出力電圧と、バッファ４５２を介して受け取った検出電極３１１の出力電圧と、バッファ４４９を介して受け取った検出電極３０９の出力電圧とを加算する。加算器４５８は、加算器４５４の出力電圧と加算器４５６の出力電圧とを加算する。加算器４５９は、加算器４５５の出力電圧と加算器４５７の出力電圧とを加算する。差動増幅回路４６０は、加算器４５９の出力電圧と加算器４５８の出力電圧との差を求める。積分器４６１は、差動増幅回路４６０の出力電圧を積分する。

こうして、第２の角加速度検出回路４０２では、検出脚部３，４に生じた電界の低電位側の総計を加算器４５８で求め、検出脚部３，４に生じた電界の高電位側の総計を加算器４５９で求め、加算器４５９の出力電圧と加算器４５８の出力電圧との差を差動増幅回路４６０で求めることにより、検出脚部３，４に生じた電位差の総計を求め、この電位差の総計を積分器４６１で積分する。積分器４６１の出力電圧は、角加速度α_Yに応じた大きさと極性とを持つ。よって、第２の角加速度検出回路４０２は、積分器４６１の出力電圧の大きさによって角加速度α_Yの大きさを検出することができ、また積分器４６１の出力電圧の極性によって角加速度α_Yの向きを検出することができる。

図２７（Ａ）は慣性センサ素子１ａにＹ軸方向の加速度ａ_Yが加わったときの基部２と検出脚部３，４の動きを模式的に示す平面図、図２７（Ｂ）は図２７（Ａ）の慣性センサ素子１ａの斜視図である。慣性センサ素子１ａにＹ軸方向の加速度ａ_Yが加わると、慣性センサ素子１ａの基部２及び検出脚部３，４には加速度ａ_Yと反対方向に慣性による力Ｆ＝ｍａ_Yが加わる。この慣性による力Ｆにより、基部２及び検出脚部３，４は、加速度ａ_Yが加わっていない初期状態Ｓ０に対して、図２７（Ａ）、図２７（Ｂ）の状態Ｓ１で示すようにＸＹ平面に沿って加速度ａ_Yと反対方向に撓むように変形する。

この変形により、検出脚部３の検出電極３０３と３０１間、検出電極３０４と３０２間、検出脚部４の検出電極３０７と３０９間、及び検出電極３０８と３１０間には、それぞれ図２８の矢印で示すような電界が圧電効果によって生じる。
第２の加速度検出回路４０３は、Ｙ軸方向の加速度ａ_Yによる力に応じて発生した検出脚部３，４の歪みによる電圧信号を検出電極３０１〜３０４，３０７〜３１０から受けて、この電圧信号を基に加速度ａ_Yを検出する。

すなわち、第２の加速度検出回路４０３の加算器４７０は、バッファ４６２を介して受け取った検出電極３０１の出力電圧とバッファ４６３を介して受け取った検出電極３０２の出力電圧とを加算する。加算器４７１は、バッファ４６４を介して受け取った検出電極３０３の出力電圧とバッファ４６５を介して受け取った検出電極３０４の出力電圧とを加算する。加算器４７２は、バッファ４６６を介して受け取った検出電極３０７の出力電圧とバッファ４６７を介して受け取った検出電極３０８の出力電圧とを加算する。加算器４７３は、バッファ４６８を介して受け取った検出電極３０９の出力電圧とバッファ４６９を介して受け取った検出電極３１０の出力電圧とを加算する。加算器４７４は、加算器４７０の出力電圧と加算器４７３の出力電圧とを加算する。加算器４７５は、加算器４７１の出力電圧と加算器４７２の出力電圧とを加算する。差動増幅回路４７６は、加算器４７５の出力電圧と加算器４７４の出力電圧との差を求める。積分器４７７は、差動増幅回路４７６の出力電圧を積分する。

こうして、第２の加速度検出回路４０３では、検出脚部３，４に生じた電界の低電位側の総計を加算器４７４で求め、検出脚部３，４に生じた電界の高電位側の総計を加算器４７５で求め、加算器４７５の出力電圧と加算器４７４の出力電圧との差を差動増幅回路４７６で求めることにより、検出脚部３，４に生じた電位差の総計を求め、この電位差の総計を積分器４７７で積分する。積分器４７７の出力電圧は、加速度ａ_Yに応じた大きさと極性とを持つ。よって、第１の加速度検出回路４０１は、積分器４７７の出力電圧の大きさによって加速度ａ_Yの大きさを検出することができ、また積分器４７７の出力電圧の極性によって加速度ａ_Yの向きを検出することができる。

図２９（Ａ）は慣性センサ素子１ａにＺ軸廻りの角加速度α_Zが加わったときの基部２と検出脚部３，４の動きを模式的に示す平面図、図２９（Ｂ）は図２９（Ａ）の慣性センサ素子１ａの斜視図である。
慣性センサ素子１ａに原点Ｏ（基部２の中心）を通るＺ軸廻りの角加速度α_Zが加わると、慣性センサ素子１ａの基部２及び検出脚部３，４には角加速度α_Zと反対方向に慣性による力Ｆ＝ｍα_Zが加わる。この慣性による力Ｆにより、基部２及び検出脚部３，４は、角加速度α_Zが加わっていない初期状態Ｓ０に対して、図２９（Ａ）、図２９（Ｂ）の状態Ｓ１で示すように原点Ｏを通るＺ軸を回転軸として角加速度α_Zと反対方向に回るように変形する。

この変形により、検出脚部３の検出電極３０１と３０５間、検出電極３０３と３０５間、検出電極３０２と３０６間、検出電極３０４と３０６間、検出脚部４の検出電極３１１と３０７間、検出電極３１１と３０９間、検出電極３１２と３０８間、及び検出電極３１２と３１０間には、それぞれ図３０の矢印で示すような電界が圧電効果によって生じる。
第３の角加速度検出回路４０４は、Ｚ軸廻りの角加速度α_Zによる力に応じて発生した検出脚部３，４の歪みによる電圧信号を検出電極３０１〜３１２から受けて、この電圧信号を基に角加速度α_Zを検出する。

すなわち、第３の角加速度検出回路４０４の加算器４９０は、バッファ４７８を介して受け取った検出電極３０１の出力電圧と、バッファ４７９を介して受け取った検出電極３０２の出力電圧と、バッファ４８０を介して受け取った検出電極３０３の出力電圧と、バッファ４８１を介して受け取った検出電極３０４の出力電圧とを加算する。加算器４９１は、バッファ４８２を介して受け取った検出電極３０５の出力電圧と、バッファ４８３を介して受け取った検出電極３０６の出力電圧とを加算する。加算器４９２は、バッファ４８４を介して受け取った検出電極３０７の出力電圧と、バッファ４８５を介して受け取った検出電極３０８の出力電圧と、バッファ４８６を介して受け取った検出電極３０９の出力電圧と、バッファ４８７を介して受け取った検出電極３１０の出力電圧とを加算する。加算器４９３は、バッファ４８８を介して受け取った検出電極３１１の出力電圧とバッファ４８９を介して受け取った検出電極３１２の出力電圧とを加算する。加算器４９４は、加算器４９０の出力電圧と加算器４９３の出力電圧とを加算する。加算器４９５は、加算器４９１の出力電圧と加算器４９２の出力電圧とを加算する。差動増幅回路４９６は、加算器４９５の出力電圧と加算器４９４の出力電圧との差を求める。積分器４９７は、差動増幅回路４９６の出力電圧を積分する。

こうして、第３の角加速度検出回路４０４では、検出脚部３，４に生じた電界の低電位側の総計を加算器４９５で求め、検出脚部３，４に生じた電界の高電位側の総計を加算器４９４で求め、加算器４９５の出力電圧と加算器４９４の出力電圧との差を差動増幅回路４９６で求めることにより、検出脚部３，４に生じた電位差の総計を求め、この電位差の総計を積分器４９７で積分する。積分器４９７の出力電圧は、角加速度α_Zに応じた大きさと極性とを持つ。よって、第２の角加速度検出回路４０２は、積分器４９７の出力電圧の大きさによって角加速度α_Zの大きさを検出することができ、また積分器４９７の出力電圧の極性によって角加速度α_Zの向きを検出することができる。

図３１（Ａ）は慣性センサ素子１ａにＺ軸方向の加速度ａ_Zが加わったときの基部２と検出脚部３，４の動きを模式的に示す平面図、図３１（Ｂ）は図３１（Ａ）の慣性センサ素子１ａの斜視図、図３１（Ｃ）は図３１（Ａ）の慣性センサ素子１ａをＰ側から見た側面図、図３１（Ｄ）は図３１（Ａ）の慣性センサ素子１ａをＱ側から見た側面図である。

慣性センサ素子１ａにＺ軸方向の加速度ａ_Zが加わると、慣性センサ素子１ａの基部２及び検出脚部３，４には加速度ａ_Zと反対方向に慣性による力Ｆ＝ｍａ_Zが加わる。この慣性による力Ｆにより、基部２及び検出脚部３，４は、加速度ａ_Zが加わっていない初期状態Ｓ０に対して、図３１（Ａ）、図３１（Ｂ）、図３１（Ｃ）、図３１（Ｄ）の状態Ｓ１で示すようにＹＺ平面に沿って加速度ａ_Zと反対方向に撓むように変形する。

この変形により、検出脚部３の検出電極３０１と３０３間、検出電極３０４と３０２間、検出脚部４の検出電極３０７と３０９間、及び検出電極３１０と３０８間には、それぞれ図３２の矢印で示すような電界が圧電効果によって生じる。
第３の加速度検出回路４０５は、Ｚ軸方向の加速度ａ_Zによる力に応じて発生した検出脚部３，４の歪みによる電圧信号を検出電極３０１〜３０４，３０７〜３１０から受けて、この電圧信号を基に加速度ａ_Zを検出する。

すなわち、第３の加速度検出回路４０５の加算器５０６は、バッファ４９８を介して受け取った検出電極３０１の出力電圧とバッファ４９９を介して受け取った検出電極３０２の出力電圧とを加算する。加算器５０７は、バッファ５００を介して受け取った検出電極３０３の出力電圧とバッファ５０１を介して受け取った検出電極３０４の出力電圧とを加算する。加算器５０８は、バッファ５０２を介して受け取った検出電極３０７の出力電圧とバッファ５０３を介して受け取った検出電極３０８の出力電圧とを加算する。加算器５０９は、バッファ５０４を介して受け取った検出電極３０９の出力電圧とバッファ５０５を介して受け取った検出電極３１０の出力電圧とを加算する。加算器５１０は、加算器５０６の出力電圧と加算器５０８の出力電圧とを加算する。加算器５１１は、加算器５０７の出力電圧と加算器５０９の出力電圧とを加算する。差動増幅回路５１２は、加算器５１１の出力電圧と加算器５１０の出力電圧との差を求める。積分器５１３は、差動増幅回路５１２の出力電圧を積分する。

こうして、第３の加速度検出回路４０５では、検出脚部３，４に生じた電界のうち図３２の左側の電位の総計を加算器５１０で求め、検出脚部３，４に生じた電界のうち図３２の右側の電位の総計を加算器５１１で求め、加算器５１１の出力電圧と加算器５１０の出力電圧との差を差動増幅回路５１２で求めることにより、検出脚部３，４に生じた電位差の総計を求め、この電位差の総計を積分器５１３で積分する。積分器５１３の出力電圧は、加速度ａ_Zに応じた大きさと極性とを持つ。よって、第３の加速度検出回路４０５は、積分器５１３の出力電圧の大きさによって加速度ａ_Zの大きさを検出することができ、また積分器５１３の出力電圧の極性によって加速度ａ_Zの向きを検出することができる。

以上のように、本実施の形態によれば、検出脚部３，４を励振しない静止状態で、Ｘ，Ｙ，Ｚの３軸の廻りの角加速度の大きさと向きを検出することができる。その結果、本実施の形態では、脚部の励振を必要とする従来のセンサに比べて消費電力を低減することができる。また、本実施の形態では、静止状態でＸ，Ｙ，Ｚの３軸の廻りの角加速度に加えてＸ，Ｙ，Ｚの３軸方向の加速度の大きさと向きを検出することができる。

また、本実施の形態では、第１の角加速度検出回路４００の後ろに、Ｘ軸廻りの角加速度を時間で積分する第１の積分手段（不図示）を設けることにより、Ｘ軸廻りの角速度を検出することができ、第２の角加速度検出回路４０２の後ろに、Ｙ軸廻りの角加速度を時間で積分する第２の積分手段（不図示）を設けることにより、Ｙ軸廻りの角速度を検出することができ、第３の角加速度検出回路４０４の後ろに、Ｚ軸廻りの角加速度を時間で積分する第３の積分手段（不図示）を設けることにより、Ｚ軸廻りの角速度を検出することができる。

［第２の実施の形態］
図３３は本発明の第２の実施の形態に係る慣性センサ素子の構成を示す平面図である。本実施の形態の慣性センサ素子１ｂは、参考例の慣性センサ素子１に対して、前記第１の方向と直交する第２の方向の基部２の両端部に重り８，９を設けたものである。

本実施の形態では、重り８，９を設けることにより、基部２の質量が増加するので、角加速度又は加速度が加わったときの慣性による力が増大することになり、角加速度又は加速度が加わったときの検出脚部３，４の歪みが増大する。検出脚部３，４の最大変位は、重り８，９を設けない場合の例えば数倍程度にすることができる。こうして、本実施の形態では、角加速度及び加速度の検出感度を増大させることができる。本実施の形態を第１の実施の形態に適用してもよいことは言うまでもない。

なお、参考例および第１、第２の実施の形態では、検出脚部３，４の支持部近傍に検出電極を設けているが、このような電極配置にする理由は、角加速度又は加速度が加わったときに基部２の近傍と支持部５の近傍では検出脚部の伸縮が逆になる場合があるので、前記第１の方向に沿って検出脚部３，４の全面に検出電極を配置すると、電荷が打ち消しあってしまい、検出脚部３，４の電界を検出できないことが考えられるからである。

本発明は、角加速度センサや角速度センサに適用することができる。

１ａ，１ｂ…慣性センサ素子、２…基部、３，４…検出脚部、５…支持部、８，９…重り、３０１〜３１２…検出電極、４００，４０２，４０４…角加速度検出回路、４０１，４０３，４０５…加速度検出回路、４０６〜４１３，４２２〜４３３，４４２〜４５３，４６２〜４６９，４７８〜４８９，４９８〜５０５…バッファ、４１４〜４１９，４３４〜４３９，４５４〜４５９，４７０〜４７５，４９０〜４９５，５０６〜５１１…加算器、４２０，４４０，４６０，４７６，４９６，５１２…差動増幅回路、４２１，４４１，４６１，４７７，４９７，５１３…積分器。

Claims

板状の基部と、
この基部から第１の方向に延びるように形成された第１の検出脚部と、
前記基部から前記第１の方向と反対方向に延びるように形成された第２の検出脚部と、
前記基部と反対側の前記第１の検出脚部の端部を固定すると共に、前記基部と反対側の第２の検出脚部の端部を固定する支持部と、
前記第１、第２の検出脚部の各々に設けられた検出電極と、
角加速度及び加速度が加わっていない初期状態において前記基部と前記第１、第２の検出脚部と前記支持部とが配置される平面に対して平行で、かつ前記第１の方向と直交する方向をＸ軸方向、前記第１の方向と平行な方向をＹ軸方向、ＸＹ平面と直交する方向をＺ軸方向としたとき、Ｘ軸廻りの角加速度による力に応じて発生した前記第１、第２の検出脚部の歪みによる電圧信号を前記検出電極から受けて、この電圧信号を基に前記Ｘ軸廻りの角加速度を検出する第１の角加速度検出手段と、
Ｙ軸廻りの角加速度による力に応じて発生した前記第１、第２の検出脚部の歪みによる電圧信号を前記検出電極から受けて、この電圧信号を基に前記Ｙ軸廻りの角加速度を検出する第２の角加速度検出手段と、
Ｚ軸廻りの角加速度による力に応じて発生した前記第１、第２の検出脚部の歪みによる電圧信号を前記検出電極から受けて、この電圧信号を基に前記Ｚ軸廻りの角加速度を検出する第３の角加速度検出手段とを有することを特徴とする慣性センサ素子。
請求項１記載の慣性センサ素子において、
さらに、前記検出されたＸ軸廻りの角加速度を時間で積分してＸ軸廻りの角速度を求める第１の積分手段と、
前記検出されたＹ軸廻りの角加速度を時間で積分してＹ軸廻りの角速度を求める第２の積分手段と、
前記検出されたＺ軸廻りの角加速度を時間で積分してＺ軸廻りの角速度を求める第３の積分手段とを有することを特徴とする慣性センサ素子。
請求項１記載の慣性センサ素子において、
さらに、Ｘ軸方向の加速度による力に応じて発生した前記第１、第２の検出脚部の歪みによる電圧信号を前記検出電極から受けて、この電圧信号を基に前記Ｘ軸方向の加速度を検出する第１の加速度検出手段と、
Ｙ軸方向の加速度による力に応じて発生した前記第１、第２の検出脚部の歪みによる電圧信号を前記検出電極から受けて、この電圧信号を基に前記Ｙ軸方向の加速度を検出する第２の加速度検出手段と、
Ｚ軸方向の加速度による力に応じて発生した前記第１、第２の検出脚部の歪みによる電圧信号を前記検出電極から受けて、この電圧信号を基に前記Ｚ軸方向の加速度を検出する第３の加速度検出手段とを有することを特徴とする慣性センサ素子。
請求項１記載の慣性センサ素子において、
前記検出電極は、
前記第１の検出脚部の一方の側面に形成された第１、第２の検出電極と、
前記第１の検出脚部の他方の側面に形成された第３、第４の検出電極と、
前記第１の検出脚部の上面に形成された第５の検出電極と、
前記第１の検出脚部の下面に形成された第６の検出電極と、
前記第２の検出脚部の一方の側面に形成された第７、第８の検出電極と、
前記第２の検出脚部の他方の側面に形成された第９、第１０の検出電極と、
前記第２の検出脚部の上面に形成された第１１の検出電極と、
前記第２の検出脚部の下面に形成された第１２の検出電極とからなり、
前記第１の角加速度検出手段は、Ｘ軸廻りの角加速度による力に応じて発生した前記第１、第２の検出脚部の歪みによる電圧信号を前記第１乃至第４の検出電極及び前記第７乃至第１０の検出電極から受けて、この電圧信号を基に前記Ｘ軸廻りの角加速度を検出し、
前記第２の角加速度検出手段は、Ｙ軸廻りの角加速度による力に応じて発生した前記第１、第２の検出脚部の歪みによる電圧信号を前記第１乃至第１２の検出電極から受けて、この電圧信号を基に前記Ｙ軸廻りの角加速度を検出し、
前記第３の角加速度検出手段は、Ｚ軸廻りの角加速度による力に応じて発生した前記第１、第２の検出脚部の歪みによる電圧信号を前記第１乃至第１２の検出電極から受けて、この電圧信号を基に前記Ｚ軸廻りの角加速度を検出することを特徴とする慣性センサ素子。
請求項３記載の慣性センサ素子において、
前記検出電極は、
前記第１の検出脚部の一方の側面に形成された第１、第２の検出電極と、
前記第１の検出脚部の他方の側面に形成された第３、第４の検出電極と、
前記第１の検出脚部の上面に形成された第５の検出電極と、
前記第１の検出脚部の下面に形成された第６の検出電極と、
前記第２の検出脚部の一方の側面に形成された第７、第８の検出電極と、
前記第２の検出脚部の他方の側面に形成された第９、第１０の検出電極と、
前記第２の検出脚部の上面に形成された第１１の検出電極と、
前記第２の検出脚部の下面に形成された第１２の検出電極とからなり、
前記第１の加速度検出手段は、Ｘ軸方向の加速度による力に応じて発生した前記第１、第２の検出脚部の歪みによる電圧信号を前記第１乃至第１２の検出電極から受けて、この電圧信号を基に前記Ｘ軸方向の加速度を検出し、
前記第２の加速度検出手段は、Ｙ軸方向の加速度による力に応じて発生した前記第１、第２の検出脚部の歪みによる電圧信号を前記第１乃至第４の検出電極及び前記第７乃至第１０の検出電極から受けて、この電圧信号を基に前記Ｙ軸方向の加速度を検出し、
前記第３の加速度検出手段は、Ｚ軸方向の加速度による力に応じて発生した前記第１、第２の検出脚部の歪みによる電圧信号を前記第１乃至第４の検出電極及び前記第７乃至第１０の検出電極から受けて、この電圧信号を基に前記Ｚ軸方向の加速度を検出することを特徴とする慣性センサ素子。
請求項１乃至５のいずれか１項に記載の慣性センサ素子において、
前記第１の方向と直交する方向の前記基部の両端部にそれぞれ重りを設けたことを特徴とする慣性センサ素子。