JP5205970B2 - 慣性力センサ - Google Patents

Description

本発明は、航空機、自動車、ロボット、船舶、車両などの移動体の姿勢制御、または、ナビゲーション（ｎａｖｉｇａｔｉｏｎ）装置などの各種電子機器に用いられる、慣性力を検出するための慣性力センサに関する。

以下、従来の慣性力センサについて説明する。

従来、角速度または加速度などの慣性力を検出するための慣性力センサが使用されている。従来の慣性力センサが使用される場合、角速度を検出するためには専用の角速度センサが用いられ、加速度を検出するためには専用の加速度センサが用いられている。また、互いに直交するＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸の、複数の検出軸に対応する角速度と加速度とを検出する場合、検出軸の数に応じた、複数の角速度センサと加速度センサとが用いられている。

したがって、各種電子機器において、角速度と加速度とを複合して検出する場合、または、複数の検出軸に対して角速度と加速度とを検出する場合、複数の角速度センサと加速度センサとが電子機器の実装基板にそれぞれ実装される。

たとえば、角速度センサは、音さ形状、または、Ｈ形状、Ｔ形状などの、各種の形状の検出素子を振動させて、コリオリ力の発生に伴う検出素子の歪を電気的に検知して角速度を検出する。また、たとえば、加速度センサは、錘部を有し、加速度に伴う錘部の動きが、動作前と比較して検知され、加速度を検出する。

このような、従来の角速度センサと加速度センサなどの種々の慣性力センサは、検出対象の慣性力または検出軸に応じて、車両などの移動体の姿勢制御装置またはナビゲーション装置などに用いられている。

なお、従来の慣性力センサは、たとえば、特開２００１−２０８５４６号公報（特許文献１）、または、特開２００１−７４７６７号公報（特許文献２）などに開示されている。
特開２００１−２０８５４６号公報 特開２００１−７４７６７号公報

本発明は、複数の慣性力センサを実装するための大きな実装面積が不要で、角速度または加速度などの互いに異なる複数の慣性力または、複数の検出軸の慣性力を検出することができる、小型の慣性力センサを提供する。

本発明の慣性力センサは、互いに直交するＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸において、慣性力を検出するための検出素子を備え、前記検出素子は、支持部と、前記支持部からＹ軸の正方向および負方向にそれぞれ延伸した２つの直交アームと、一端が前記支持部に連結され、他端に基部が形成された２つの固定用アームと、を有し、前記２つの直交アームはそれぞれ、一端が前記支持部に接続されるとともにＹ軸方向に延伸した第１アームと、中央部が前記第１アームの他端に接続されるとともにＸ軸方向に延伸した第２アームと、を有し、前記２つの固定用アームは、それぞれ、第３アームと第４アームとを有し、前記第３アームが前記第４アームと実質的に直交方向に連結された第２の直交アームであり、前記基部が形成されている固定用アームの端部は前記第４アームの端部でもあり、かつ、前記第２の直交アームの端部でもあり、前記第３アームの少なくとも一部が前記第１アームと兼ねており、前記第２アームは複数の折曲部で折曲され、端部が前記第２アームと対向する。この構成によって、互いに異なる複数の慣性力の検出と、複数の検出軸の慣性力の検出とを実現する、小型の慣性力センサを提供する。

（実施の形態１）
図１Ａは本発明の実施の形態１における慣性力センサに用いられる検出素子の平面図であり、図１Ｂは図１Ａに示す検出素子の動作状態図である。

図１Ａにおいて、慣性力センサ２０は、慣性力を検出するための検出素子１と処理回路（図示せず）とを有している。検出素子１は、２つの第１の直交アーム６と支持部８とを有する。第１の直交アーム６は、それぞれ、第１アーム２と第２アーム４とを有し、第１アーム２が第２アーム４と実質的に直交方向に連結されて形成されている。支持部８は２つの第１アーム２を支持する。支持部８は、基部９の役割も有する。検出素子１が実装基板（図示せず）に実装される際、基部９を用いて、検出素子１が実装基板に固定される。さらに、それぞれの第２アーム４が折曲部４ａで折曲され、第２アーム４のそれぞれの端部４ｂが第１アーム２を挟んで対向する。また、第２アーム４の端部４ｂには錘部１８が形成されている。

また、検出素子１は、第１アーム２と支持部８とが実質的に同一直線上に配置されている。互いに直交するＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸に対して、第１アーム２の長手方向がＹ軸方向に配置され、第２アーム４の長手方向がＸ軸方向に配置されている。

さらに、検出素子１は、シリコン基板を材料として一体成形されている。なお、シリコン基板の上の、駆動振動されるアームには駆動電極が配置され、歪が検知されるアームには検知電極が配置されている。なお、図１Ａに示す検出素子１において、駆動振動されるアームは第２アーム４の端部４ｂであり、歪が検知されるアームは第１アーム２と第２アーム４とである。したがって、端部４ｂに駆動電極（図示せず）が配置され、第１アーム２と第２アーム４とに検知電極（図示せず）が配置されている。

駆動電極と検知電極とは、たとえば、シリコン基板の上に、下部電極と圧電体と上部電極とがそれぞれ積層されて形成される。下部電極は、たとえば、Ｐｔが高周波スパッタによって形成される。また、圧電体は、たとえば、下部電極の上部に高周波スパッタによってＰＺＴ圧電体が形成される。さらに、上部電極は、たとえば、圧電体の上部にＡｕ蒸着によって形成される。

下部電極と上部電極とに、検出素子１を構成するシリコンが共振する共振周波数の交流電圧を印加すると、駆動電極が配置されたアームが駆動振動される。また、角速度と加速度とに起因してアームが歪むことによって、歪んだアームに配置される検知電極から、歪に応じた電圧が出力される。検知電極から出力される出力電圧に基づいて、処理回路が角速度と加速度とを検出する。

上記の構成によって、角速度については、たとえば、図１Ｂに示すように、第２アーム４の端部４ｂをＸ軸方向に駆動振動すれば、Ｚ軸回りの角速度に起因した歪が第２アーム４のＹ軸方向に発生する。すなわち、駆動振動に対応したコリオリ力（Ｆｏｒｃｅ ｄｅ Ｃｏｒｉｏｌｉｓ）が第２アーム４のＹ軸方向に発生するためである。同時に、Ｙ軸回りの角速度に起因した歪が第２アーム４のＺ軸方向に発生する。同様に、駆動振動に対応したコリオリ力が第２アーム４のＺ軸方向に発生するためである。したがって、少なくとも第２アーム４のＹ軸方向とＺ軸方向とのいずれか一方に発生する歪が検知されることによって、検出素子１に生ずる角速度が検出される。なお、端部４ｂのＸ軸方向の駆動振動は、たとえば、図１Ｂに示す、実線の矢印と点線の矢印とが交互に繰り返される駆動振動である。

また、加速度については、たとえば、同様に、図１Ｂに示すように、Ｘ軸方向の加速度に起因した歪が第１アーム２に発生する。すなわち、第２アーム４の自重に起因する力が第１アーム２に加わるためである。同時に、Ｙ軸方向の加速度に起因した歪が第２アーム４に発生する。すなわち、第２アーム４の自重に起因する力が第２アーム４に加わるためである。したがって、少なくとも、第１アーム２と第２アーム４とのいずれか１つのアームに発生する歪が検知されることによって、検出素子１に生ずる加速度が検出される。

以上のことによって、検出素子１に加わる、互いに異なる複数の慣性力が検出される。また、検出素子１に加わる、互いに異なる複数の検出軸の慣性力が検出される。このようにして、実装面積が低減されて、小型化された検出素子１が実現される。

なお、本発明の検出素子１は、第２アーム４の端部４ｂが駆動振動されるとともに、第２アーム４が折曲部４ａにおいて折曲された形状を有する。このことによって、実装面積が小さく小型化された検出素子１が実現される。さらに、駆動振動される第２アーム４の端部４ｂと検出素子１が固定される基部９との距離が実質的に長くなる。このことによって、各方向の角速度と加速度との検出感度が高められる。したがって、小型化された検出素子１を用いて、複数の異なる角速度と加速度とが高感度で検出される。

さらに、第２アーム４の端部４ｂには、錘部１８が形成されている。錘部１８の質量の効果によって、加速度の検出感度が向上する。同時に、駆動振動における端部４ｂの振幅が大きくなり、角速度の検出感度も向上する。これらの効果は、錘部１８によって、積定数（質量×移動速度）が大きくなるため、駆動振動によって発生するコリオリ力が大きくなるからである。

なお、図１Ａに示す検出素子１には、錘部１８が形成されている。しかしながら、錘部１８は、必ずしも必要ではない。錘部１８を設けることによって、錘部１８の質量の効果が発揮され、加速度と角速度との検出感度が向上する。しかしながら、たとえば、図２Ａに示すように、錘部１８を有さない検出素子１であっても、本発明の作用と効果とは発揮される。すなわち、検出素子１は、第１アーム２と第２アーム４とが実質的に直交方向に連結されることによって、第１の直交アーム６が形成される。さらに、第２アーム４が折曲部４ａで折曲されて、端部４ｂが第１アーム２を挟んで対向する構成を有する。この構成によって、複数の異なる角速度と加速度とが、簡単な構成の検出素子１によって検出される。

また、第２アーム４は、複数の折曲部４ａで折曲されることによって、端部４ｂが第２アーム４と対向する構成であってもよい。さらにまた、図２Ｂに示すように、複数の折曲部４ａでメアンダー（ｍｅａｎｄｅｒ）状に折曲されて、端部４ｂが第２アーム４と対向する構成であってもよい。検出素子１が、このように構成されることによって、駆動振動される第２アーム４の端部４ｂと検出素子１が固定される基部９との距離が実質的に長くなる。このことによって、上記の作用と効果とがより向上する。したがって、実装面積が小さく小型化され、高い検出感度を有する検出素子１が実現される。

なお、検出素子１に加えられる駆動振動の位置は、必ずしも、第２アーム４の端部４ｂに限らない。第２アーム４のその他の位置、またはその他のアームが駆動振動されてもよい。

（実施の形態２）
本発明の実施の形態２による慣性力センサとして、図３に示すような構成であってもよい。実施の形態２による慣性力センサにおいて、実施の形態１による慣性力センサと同様の構成については、同じ符号を付し、詳細な説明は省略する。

図３に示すように、検出素子１は、２つの第１アーム２を支持する支持部８が２つの固定用アーム１０に連結されている。固定用アーム１０の端部１０ｂには、それぞれの基部９が形成されている。基部９は、検出素子１が実装される実装基板（図示せず）に固定される。第２アーム４のそれぞれの端部４ｂは、互いに固定用アーム１０とは遠ざかる側に、折曲部４ａで折曲された構成である。なお、図示しないが、第２アーム４の端部４ｂに錘部１８が形成されてもよい。

実施の形態２による慣性力センサ２０は、実施の形態１による慣性力センサ２０と同様に、検出素子１は、シリコン基板を材料として一体成形される。そして、駆動振動されるアームは第２アーム４の端部４ｂであり、歪が検知されるアームは第１アーム２と第２アーム４と固定用アーム１０とである。したがって、端部４ｂに駆動電極（図示せず）が配置され、第１アーム２と第２アーム４と固定用アーム１０とに検知電極（図示せず）が配置されている。

さらに、実施の形態１と同様に、たとえば、図３に示すように、実線の矢印と点線の矢印とが交互に繰り返される駆動振動が端部４ｂのＸ軸方向に加えられる。端部４ｂの駆動振動に対応したコリオリ力による歪が検出されることによって、角速度が検出される。

なお、図３に示す検出素子１では、特に、Ｙ軸方向の加速度に起因した歪が固定用アーム１０に発生する。固定用アーム１０に発生する歪が検知電極を用いて検知されることによって、Ｙ軸方向の加速度の検出が可能である。したがって、実施の形態１と同様に、実装面積が低減されて、小型化された検出素子１が実現される。

なお、検出素子１に加えられる駆動振動の位置は、必ずしも、第２アーム４の端部４ｂに限らない。第２アーム４のその他の位置、またはその他のアームが駆動振動されてもよい。

（実施の形態３）
図４Ａは本発明の実施の形態３における慣性力センサに用いられる検出素子の平面図であり、図４Ｂは、図４Ａに示す検出素子の動作状態図である。なお、実施の形態３による慣性力センサにおいて、実施の形態１または２による慣性力センサと同様の構成については、同じ符号を付し、詳細な説明は省略する。

図４Ａにおいて、慣性力センサ２０は、慣性力を検出するための検出素子１と処理回路（図示せず）とを有している。検出素子１は、２つの第１の直交アーム６と支持部８と２つの固定用アーム１０とを有する。第１の直交アーム６は、それぞれ、第１アーム２と第２アーム４とを有し、第１アーム２が第２アーム４と実質的に直交方向に連結されて形成されている。支持部８は２つの第１アーム２を支持する。固定用アーム１０は、一端が支持部８に連結され、他端である端部１０ｂに基部９が形成されている。基部９は、検出素子１が実装される実装基板（図示せず）に固定されている。さらに、固定用アーム１０は、それぞれ、第３アーム１２と第４アーム１４とを有し、第３アーム１２が第４アーム１４と実質的に直交方向に連結されて形成されている。すなわち、固定用アーム１０は、第３アーム１２と第４アーム１４とによって構成された第２の直交アーム７を構成する。なお、基部９が形成されている固定用アーム１０の端部１０ｂは、第４アーム１４の端部でもあり、第２の直交アーム７の端部でもある。さらに、それぞれの第２アーム４が折曲部４ａで折曲され、第２アーム４のそれぞれの端部４ｂが第１アーム２と対向する。なお、第１アーム２と第２アーム４の端部４ｂとは、外観上、固定用アーム１０を間に挟んで対向している。さらに、それぞれの第２アーム４が折曲部４ａで折曲されることによって、第２アーム４の端部４ｂは別の第２アーム４の端部４ｂとも対向している。

また、検出素子１は、第１アーム２と支持部８とが実質的に同一直線上に配置されている。また、第３アーム１２と支持部８とが実質的に同一直線上に配置されている。さらに、第１アーム２と第３アーム１２とが互いに実質的に直交方向に配置されている。なお、互いに直交するＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸に対して、第１アーム２の長手方向と第４アーム１４の長手方向とがＹ軸方向に配置され、第２アーム４の長手方向と第３アーム１２の長手方向とがＸ軸方向に配置されている。

さらに、検出素子１は、実施の形態１と同様に、シリコン基板を材料として一体成形されている。なお、図４Ａに示す検出素子１において、駆動振動されるアームは第２アーム４の端部４ｂであり、歪が検知されるアームは、第１アーム２と第２アーム４と第３アーム１２と第４アーム１４とである。したがって、端部４ｂに駆動電極（図示せず）が配置され、第１アーム２と第２アーム４と第３アーム１２と第４アーム１４とに検知電極（図示せず）が配置されている。なお、検知電極は、必ずしも、第１アーム２と第２アーム４と第３アーム１２と第４アーム１４とのすべてのアームに設けられていなくてもよい。検知電極は、歪を検知するべきアームに設けられていればよい。

上記の構成によって、角速度については、たとえば、図４Ｂに示すように、第２アーム４の端部４ｂをＸ軸方向に駆動振動すれば、Ｚ軸回りの角速度に起因した歪が第２アーム４のＹ軸方向に発生する。すなわち、駆動振動に対応したコリオリ力が第２アーム４のＹ軸方向に発生するためである。同時に、Ｙ軸回りの角速度に起因した歪が第２アーム４のＺ軸方向に発生する。すなわち、駆動振動に対応したコリオリ力が第２アーム４のＺ軸方向に発生するためである。したがって、第２アーム４のＹ軸方向とＺ軸方向とに発生する歪が検知されることによって、検出素子１に生ずる角速度が検出される。なお、端部４ｂのＸ軸方向の駆動振動は、たとえば、図４Ｂに示す、実線の矢印と点線の矢印とが交互に繰り返される駆動振動である。

また、加速度については、たとえば、同様に、図４Ｂに示すように、Ｘ軸方向の加速度に起因した歪が第４アーム１４に発生する。すなわち、第１アーム２と第２アーム４と第３アーム１２との自重に起因する力が第４アーム１４に加わるためである。同時に、Ｙ軸方向の加速度に起因した歪が第３アーム１２に発生する。すなわち、第１アーム２と第２アーム４との自重に起因する力が第３アーム１２に加わるためである。したがって、少なくとも第３アーム１２と第４アーム１４とのいずれか１つのアームに発生する歪が検知されることによって、検出素子１に生ずる加速度が検出される。

以上のことによって、検出素子１に加わる、互いに異なる複数の慣性力が検出される。また、検出素子１に加わる、互いに異なる複数の検出軸の慣性力が検出される。このようにして、実装面積が低減されて、小型化された検出素子１が実現される。

なお、本発明の検出素子１は、第２アーム４の端部４ｂが駆動振動されるとともに、第２アーム４が折曲部４ａにおいて折曲された形状を有する。このことによって、実装面積が小さく小型化された検出素子１が実現される。さらに、駆動振動される第２アーム４の端部４ｂと検出素子１が固定される基部９との距離が実質的に長くなる。このことによって、各方向の角速度と加速度との検出感度が高められる。したがって、小型化された検出素子１を用いて、各方向の角速度と加速度とが高感度で検出される。さらに、本発明の検出素子１は、複数の異なる第１の直交アーム６と第２の直交アーム７とを有する。このことによって、実装面積が小さく検出感度の優れた検出素子１が実現される。

さらに、第２アーム４の端部４ｂには、錘部１８が形成されている。錘部１８の質量の効果によって、加速度の検出感度が向上する。同時に、駆動振動における端部４ｂの振幅が大きくなり、角速度の検出感度も向上する。なお、錘部１８が形成されることによる効果は、実施の形態１と同様である。

なお、図４Ａに示す検出素子１には、錘部１８が形成されている。しかしながら、錘部１８は、必ずしも必要ではない。たとえば、図５Ａに示すように、錘部１８を有さない検出素子１であっても、本発明の作用と効果とは発揮される。すなわち、複数の異なる角速度と加速度とが感度よく検出される。

また、第２アーム４は、複数の折曲部４ａで折曲されることによって、端部４ｂが第２アーム４と対向する構成であってもよい。さらにまた、図５Ｂに示すように、第２アーム４は、複数の折曲部４ａでメアンダー状に折曲されて、端部４ｂが第２アーム４と対向する構成であってもよい。検出素子１が、このように構成されることによって、上記の作用と効果とがより向上する。したがって、実装面積が小さく小型化され、高い検出感度を有する検出素子１が実現される。

なお、検出素子１に加えられる駆動振動の位置は、必ずしも、第２アーム４の端部４ｂに限らない。第２アーム４のその他の位置、またはその他のアームが駆動振動されてもよい。

（実施の形態４）
図６Ａは本発明の実施の形態４における慣性力センサに用いられる検出素子の平面図であり、図６Ｂは図６Ａに示す検出素子の動作状態図である。なお、実施の形態４による慣性力センサにおいて、実施の形態１から３による慣性力センサと同様の構成については、同じ符号を付し、詳細な説明は省略する。

図６Ａにおいて、慣性力センサ２０は、慣性力を検出するための検出素子１と処理回路（図示せず）とを有している。検出素子１は、２つの第１の直交アーム６と支持部８と２つの固定用アーム１０とを有する。第１の直交アーム６は、それぞれ、第１アーム２と第２アーム４とを有し、第１アーム２が第２アーム４と実質的に直交方向に連結されて形成されている。支持部８は２つの第１アーム２を支持する。固定用アーム１０は、一端が支持部８に連結され、他端である端部１０ｂに基部９が形成されている。基部９は、検出素子１が実装される実装基板（図示せず）に固定されている。さらに、それぞれの第２アーム４が折曲部４ａで折曲され、第２アーム４のそれぞれの端部４ｂが第２アーム４と対向する。また、第２アーム４の端部４ｂには錘部１８が形成されている。

また、検出素子１は、第１アーム２と支持部８とが実質的に同一直線上に配置されている。また、固定用アーム１０と支持部８とが実質的に同一直線上に配置されている。さらに、第１アーム２と固定用アーム１０とが互いに実質的に直交方向に配置されている。なお、互いに直交するＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸に対して、第１アーム２の長手方向がＹ軸方向に配置され、第２アーム４の長手方向がＸ軸方向に配置されている。

さらに、検出素子１は、実施の形態１と同様に、シリコン基板を材料として一体成形されている。なお、図６Ａに示す検出素子１において、駆動振動されるアームは第２アーム４の端部４ｂであり、歪が検知されるアームは、第１アーム２と第２アーム４と固定用アーム１０とである。したがって、端部４ｂに駆動電極（図示せず）が配置され、第１アーム２と第２アーム４と固定用アーム１０とに検知電極（図示せず）が配置されている。なお、検知電極は、必ずしも、第１アーム２と第２アーム４と固定用アーム１０とのすべてのアームに設けられていなくてもよい。検知電極は、歪を検知するべきアームに設けられていればよい。

上記の構成によって、角速度については、たとえば、図６Ｂに示すように、第２アーム４の端部４ｂをＹ軸方向に駆動振動すれば、Ｚ軸回りの角速度に起因した歪が第１アーム２のＸ軸方向に発生する。すなわち、駆動振動に対応したコリオリ力が第２アーム４のＸ軸方向に発生するためである。同時に、Ｘ軸回りの角速度に起因した歪が第２アーム４のＺ軸方向に発生する。すなわち、駆動振動に対応したコリオリ力が第２アーム４のＺ軸方向に発生するためである。したがって、第１アーム２のＸ軸方向と第２アーム４のＺ軸方向とに発生する歪が検知されることによって、検出素子１に生ずる角速度が検出される。なお、端部４ｂのＹ軸方向の駆動振動は、たとえば、図６Ｂに示す、実線の矢印と点線の矢印とが交互に繰り返される駆動振動である。

また、加速度については、たとえば、同様に、図６Ｂに示すように、Ｘ軸方向の加速度に起因した歪が第１アーム２に発生する。すなわち、第２アーム４の自重に起因する力が第１アーム２に加わるためである。同時に、Ｙ軸方向の加速度に起因した歪が固定用アーム１０に発生する。すなわち、第１アーム２と第２アーム４との自重に起因する力が固定用アーム１０に加わるためである。したがって、少なくとも第１アーム２と固定用アーム１０とのいずれか１つのアームに発生する歪が検知されることによって、検出素子１に生ずる加速度が検出される。

以上のことによって、検出素子１に加わる、互いに異なる複数の慣性力が検出される。また、検出素子１に加わる、互いに異なる複数の検出軸の慣性力が検出される。したがって、実装面積が低減されて、小型化された検出素子１が実現される。

なお、検出素子１は、第２アーム４が折曲部４ａにおいて折曲されて、第２アーム４が相互に対向して配置されている。このことによって、実装面積が小さく小型化された検出素子１が実現される。さらに、第２アーム４の端部４ｂが駆動振動されることによって、各アームの歪が検知される。すなわち、検出素子１が、このように構成されることによって、駆動振動される第２アーム４の端部４ｂと検出素子１が固定される基部９との距離が実質的に長くなる。このことによって、駆動振動における端部４ｂの振幅が大きくなり、角速度の検出感度が向上する。したがって、小型化された検出素子１を用いて、複数の異なる角速度と加速度とが高感度で検出される。

さらに、第２アーム４の端部４ｂには、錘部１８が形成されている。錘部１８の質量の効果によって、加速度の検出感度が向上する。同時に、駆動振動における端部４ｂの振幅が大きくなり、角速度の検出感度も向上する。なお、錘部１８が形成されることによる効果は、実施の形態１と同様である。

なお、図６Ａに示す検出素子１には、錘部１８が形成されている。しかしながら、錘部１８は、必ずしも必要ではない。たとえば、図７Ａに示すように、錘部１８を有さない検出素子１であっても、本発明の作用と効果とは発揮される。すなわち、複数の異なる角速度と加速度とが感度よく検出される。

また、第２アーム４は、複数の折曲部４ａで折曲されることによって、端部４ｂが第２アーム４と対向する構成であってもよい。さらにまた、図７Ｂに示すように、第２アーム４は、複数の折曲部４ａでメアンダー状に折曲されて、端部４ｂが第２アーム４と対向する構成であってもよい。検出素子１が、このように構成されることによって、角速度の検出感度が向上する。したがって、実装面積が小さく小型化され、高い検出感度を有する検出素子１が実現される。

なお、検出素子１に加えられる駆動振動の位置は、必ずしも、第２アーム４の端部４ｂに限らない。第２アーム４のその他の位置、またはその他のアームが駆動振動されてもよい。

（実施の形態５）
図８Ａは本発明の実施の形態５における慣性力センサに用いられる検出素子の平面図であり、図８Ｂは図８Ａに示す検出素子の動作状態図である。なお、実施の形態５による慣性力センサにおいて、実施の形態１から４による慣性力センサと同様の構成については、同じ符号を付し、詳細な説明は省略する。

図８Ａにおいて、慣性力センサ２０は、慣性力を検出する検出素子１と処理回路（図示せず）とを有している。検出素子１は、２つの第１の直交アーム６と支持部８と２つの固定用アーム１０とを有する。第１の直交アーム６は、それぞれ、第１アーム２と第２アーム４とを有し、第１アーム２が第２アーム４と実質的に直交方向に連結されて形成されている。支持部８は２つの第１アーム２を支持する。固定用アーム１０は、一端が支持部８に連結され、他端である端部１０ｂに基部９が形成されている。基部９は、検出素子１が実装される実装基板（図示せず）に固定されている。さらに、固定用アーム１０は、それぞれ、第３アーム１２と第４アーム１４とを有し、第３アーム１２が第４アーム１４と実質的に直交方向に連結されて形成されている。すなわち、固定用アーム１０は、第３アーム１２と第４アーム１４とによって構成された第２の直交アーム７を構成する。なお、基部９が形成されている固定用アーム１０の端部１０ｂは、第４アーム１４の端部でもあり、第２の直交アーム７の端部でもある。さらに、第３アーム１２の少なくとも一部が第１アーム２を兼ねている。さらに、それぞれの第２アーム４が折曲部４ａで折曲され、第２アーム４のそれぞれの端部４ｂが第２アーム４と相互に対向している。さらに、それぞれの第２アーム４が折曲部４ａで折曲されることによって、第２アーム４の端部４ｂは第４アーム１４とも対向している。

また、検出素子１は、第３アーム１２と支持部８とが実質的に同一直線上に配置されている。言い換えると、第１アーム２と支持部８とが実質的に同一直線上に配置されている。なお、互いに直交するＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸に対して、第１アーム２の長手方向と第３アーム１２の長手方向とがＹ軸方向に配置され、第２アーム４の長手方向と第４アーム１４の長手方向とがＸ軸方向に配置されている。

さらに、検出素子１は、実施の形態１と同様に、シリコン基板を材料として一体成形されている。なお、図８Ａに示す検出素子１において、駆動振動されるアームは第２アーム４の端部４ｂであり、歪が検知されるアームは第１アーム２と第２アーム４と固定用アーム１０とである。したがって、端部４ｂに駆動電極（図示せず）が配置され、第１アーム２と第２アーム４と第３アーム１２と第４アーム１４とに検知電極（図示せず）が配置されている。なお、検知電極は、必ずしも、第１アーム２と第２アーム４と第３アーム１２と第４アーム１４とのすべてのアームに設けられていなくてもよい。検知電極は、歪を検知するべきアームに設けられていればよい。

上記の構成によって、角速度については、たとえば、図８Ｂに示すように、第２アーム４の端部４ｂをＹ軸方向に駆動振動すれば、Ｚ軸回りの角速度に起因した歪が第３アーム１２のＸ軸方向に発生する。すなわち、駆動振動に対応したコリオリ力が第２アーム４のＸ軸方向に発生するためである。同時に、Ｘ軸回りの角速度に起因した歪が第２アーム４と第３アーム１２と第４アーム１４とのＺ軸方向に発生する。すなわち、駆動振動に対応したコリオリ力が第２アーム４と第３アーム１２と第４アーム１４とのＺ軸方向に発生するためである。したがって、第２アーム４のＹ軸方向と、少なくとも第２アーム４と第３アーム１２と第４アーム１４とのいずれか１つのアームのＺ軸方向と、に発生する歪が検知されることによって、検出素子１に生ずる角速度が検出される。なお、端部４ｂのＹ軸方向の駆動振動は、たとえば、図８Ｂに示す、実線の矢印と点線の矢印とが交互に繰り返される駆動振動である。

また、加速度については、たとえば、同様に、図８Ｂに示すように、Ｘ軸方向の加速度に起因した歪が第３アーム１２に発生する。すなわち、第２アーム４の自重に起因する力が第３アーム１２に加わるためである。同時に、Ｙ軸方向の加速度に起因した歪が第４アーム１４に発生する。すなわち、第２アーム４と第３アーム１２との自重に起因する力が第４アーム１４に加わるためである。したがって、少なくとも第３アーム１２と第４アーム１４とのいずれか１つのアームに発生する歪が検知されることによって、検出素子１に生ずる加速度が検出される。

以上のことによって、検出素子１に加わる、互いに異なる複数の慣性力が検出される。また、検出素子１に加わる、互いに異なる複数の検出軸の慣性力が検出される。このようにして、実装面積が低減されて、小型化された検出素子１が実現される。

なお、検出素子１は、第２アーム４が折曲部４ａにおいて折曲されて、第２アーム４が相互に対向して配置されている。このことによって、実装面積が小さく小型化された検出素子１が実現される。さらに、第２アーム４の端部４ｂが駆動振動されることによって、各アームの歪が検知される。すなわち、検出素子１が、このように構成されることによって、駆動振動される第２アーム４の端部４ｂと検出素子１が固定される基部９との距離が実質的に長くなる。このことによって、駆動振動における端部４ｂの振幅が大きくなり、角速度の検出感度が向上する。したがって、小型化された検出素子１を用いて、複数の異なる角速度と加速度とが高感度で検出される。

また、第２アーム４は、複数の折曲部４ａで折曲されることによって、端部４ｂが第２アーム４と対向する構成であってもよい。さらにまた、図９に示すように、第２アーム４は、複数の折曲部４ａでメアンダー状に折曲されて、端部４ｂが第２アーム４と対向する構成であってもよい。検出素子１が、このように構成されることによって、角速度の検出感度が向上する。したがって、実装面積が小さく小型化され、高い検出感度を有する検出素子１が実現される。

さらに、第２アーム４の端部４ｂに、錘部１８が形成された場合、加速度の検出感度がより向上する。さらに、駆動振動における端部４ｂの振幅が大きくなることによって、角速度の検出感度も向上する。

したがって、図１０に示すように、第２アーム４が折曲部４ａで折曲され、端部４ｂが第２アーム４と対向する構成であり、端部４ｂに錘部１８が形成された場合、角速度と加速度との両方の検出感度が向上する。

なお、検出素子１に加えられる駆動振動の位置は、必ずしも、第２アーム４の端部４ｂに限らない。第２アーム４のその他の位置、またはその他のアームが駆動振動されてもよい。

（実施の形態６）
図１１は本発明の実施の形態６における慣性力センサに用いられる検出素子の平面図であり、図１２は図１１に示す検出素子の動作状態図である。なお、実施の形態６による慣性力センサにおいて、実施の形態１から５による慣性力センサと同様の構成については、同じ符号を付し、詳細な説明は省略する。

図１１において、慣性力センサ２０は、慣性力を検出するための検出素子１と処理回路（図示せず）とを有している。検出素子１は、２つの第１の直交アーム６と支持部８と２つの固定用アーム１０とを有する。第１の直交アーム６は、それぞれ、第１アーム２と第２アーム４とを有し、第１アーム２が第２アーム４と実質的に直交方向に連結されて形成されている。支持部８は２つの第１アーム２を支持する。固定用アーム１０は、一端が支持部８に連結され、他端である端部１０ｂに基部９が形成されている。基部９は、検出素子１が実装される実装基板（図示せず）に固定されている。さらに、固定用アーム１０の少なくとも一部が第１アーム２を兼ねている。

また、検出素子１は、固定用アーム１０と支持部８とが実質的に同一直線上に配置されている。言い換えると、第１アーム２と支持部８とが実質的に同一直線上に配置されている。また、互いに直交するＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸に対して、第１アーム２の長手方向と固定用アーム１０の長手方向とがＹ軸方向に配置され、第２アーム４の長手方向がＸ軸方向に配置されている。

さらに、検出素子１は、実施の形態１と同様に、シリコン基板を材料として一体成形されている。なお、図１１に示す検出素子１において、駆動振動させるアームは第２アーム４の端部４ｂであり、歪が検知させるアームは、第２アーム４と固定用アーム１０とである。したがって、端部４ｂに駆動電極（図示せず）が配置され、第２アーム４と固定用アーム１０とに検知電極（図示せず）が配置されている。なお、検知電極は、必ずしも、第１アーム２と第２アーム４と固定用アーム１０とのすべてのアームに設けられていなくてもよい。検知電極は、歪を検知するべきアームに設けられていればよい。

上記の構成によって、角速度については、たとえば、図１２に示すように、第２アーム４の端部４ｂをＹ軸方向に駆動振動すれば、Ｚ軸回りの角速度に起因した歪が固定用アーム１０のＸ軸方向に発生する。すなわち、駆動振動に対応したコリオリ力が第２アーム４のＸ軸方向に発生するためである。同時に、Ｘ軸回りの角速度に起因した歪が固定用アーム１０と第２アーム４とのＺ軸方向に発生する。すなわち、駆動振動に対応したコリオリ力が第２アーム４と固定用アーム１０とのＺ軸方向に発生するためである。したがって、固定用アーム１０のＸ軸方向と、少なくとも第２アーム４と固定用アーム１０とのいずれか１つのアームのＺ軸方向と、に発生する歪が検知されることによって、検出素子１に生ずる角速度が検出される。なお、端部４ｂのＹ軸方向の駆動振動は、たとえば、図１２に示す、実線の矢印と点線の矢印とが交互に繰り返される駆動振動である。

また、加速度については、たとえば、同様に、図１２に示すように、Ｘ軸方向の加速度に起因した歪が固定用アーム１０に発生する。すなわち、第２アーム４の自重に起因する力が固定用アーム１０に加わるためである。同時に、Ｙ軸方向の加速度に起因した歪が第２アーム４に発生する。すなわち、第２アーム４の自重に起因する力が第２アーム４に加わるためである。したがって、少なくとも固定用アーム１０と第２アーム４とのいずれか１つのアームに発生する歪が検知されることによって、検出素子１に生ずる加速度が検出される。

以上のことによって、検出素子１に加わる、互いに異なる複数の慣性力が検出される。また、検出素子１に加わる、互いに異なる複数の検出軸の慣性力が検出される。このようにして、実装面積が低減されて、小型化された検出素子１が実現される。

さらに、図１３に示すように、第２アーム４の端部４ｂに、錘部１８が形成された場合、加速度の検出感度がより向上する。さらに、駆動振動における端部４ｂの振幅が大きくなることによって、角速度の検出感度も向上する。

また、図１４Ａに示すように、第２アーム４が複数の折曲部４ａで折曲されることによって、端部４ｂが第２アーム４対向する構成であってもよい。さらにまた、図１４Ｂに示すように、第２アーム４は、複数の折曲部４ａでメアンダー状に折曲されて、端部４ｂが第２アーム４と対向する構成であってもよい。検出素子１が、このように構成されることによって、駆動振動における端部４ｂの振幅が大きくなり角速度の検出感度が向上する。したがって、実装面積が小さく小型化され、高い検出感度を有する検出素子１が実現される。

なお、検出素子１に加えられる駆動振動の位置は、必ずしも、第２アーム４の端部４ｂに限らない。第２アーム４のその他の位置、またはその他のアームが駆動振動されてもよい。

本発明に係る慣性力センサは、複数の慣性力の検出と、複数の検出軸の慣性力の検出とが可能で、各種電子機器に適用される。

本発明の実施の形態１における慣性力センサに用いられる検出素子を示す平面図 図１Ａに示す検出素子の動作状態を示す動作状態図 本発明の実施の形態１における別の態様による検出素子を示す平面図 本発明の実施の形態１におけるさらに別の態様による検出素子を示す平面図 本発明の実施の形態２における慣性力センサの動作状態を示す動作状態図 本発明の実施の形態３における慣性力センサに用いられる検出素子を示す平面図 図４Ａに示す検出素子の動作状態を示す動作状態図 本発明の実施の形態３における別の態様による検出素子を示す平面図 本発明の実施の形態３におけるさらに別の態様による検出素子を示す平面図 本発明の実施の形態４における慣性力センサに用いられる検出素子の平面図 図６Ａに示す検出素子の動作状態を示す動作状態図 本発明の実施の形態４における別の態様による検出素子を示す平面図 本発明の実施の形態４におけるさらに別の態様による検出素子を示す平面図 本発明の実施の形態５における慣性力センサに用いられる検出素子の平面図 図８Ａに示す検出素子の動作状態を示す動作状態図 本発明の実施の形態５における別の態様による検出素子を示す平面図 本発明の実施の形態５におけるさらに別の態様による検出素子の斜視図 本発明の実施の形態６における慣性力センサに用いられる検出素子の平面図 図１１に示す検出素子の動作状態を示す動作状態図 本発明の実施の形態６における別の態様による検出素子の平面図 本発明の実施の形態６におけるさらに別の態様による検出素子の平面図 本発明の実施の形態６におけるさらに別の態様による検出素子の平面図

符号の説明

１ 検出素子
２ 第１アーム
４ 第２アーム
４ａ 折曲部
４ｂ 端部
６ 第１の直交アーム
７ 第２の直交アーム
８ 支持部
９ 基部
１０ 固定用アーム
１０ｂ 端部
１２ 第３アーム
１４ 第４アーム
１８ 錘部
２０ 慣性力センサ

Claims (7)

1. 互いに直交するＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸において、
   慣性力を検出するための検出素子を備え、
   前記検出素子は、
   支持部と、
   前記支持部からＹ軸の正方向および負方向にそれぞれ延伸した２つの直交アームと、
   一端が前記支持部に連結され、他端に基部が形成された２つの固定用アームと、
   を有し、
   前記２つの直交アームはそれぞれ、一端が前記支持部に接続されるとともにＹ軸方向に延伸した第１アームと、中央部が前記第１アームの他端に接続されるとともにＸ軸方向に延伸した第２アームと、を有し、
   前記２つの固定用アームは、それぞれ、第３アームと第４アームとを有し、前記第３アームが前記第４アームと実質的に直交方向に連結された第２の直交アームであり、
   前記基部が形成されている固定用アームの端部は前記第４アームの端部でもあり、かつ、前記第２の直交アームの端部でもあり、
   前記第３アームの少なくとも一部が前記第１アームと兼ねており、
   前記第２アームは複数の折曲部で折曲され、端部が前記第２アームと対向する
   慣性力センサ。
2. 前記第２アームの端部はＹ軸方向に駆動振動され、
   少なくとも前記第１アームと前記第２アームと前記第３アームと前記第４アームとのいずれか１つのアームの歪を検知することによって、角速度を検出する、
   請求項１に記載の慣性力センサ。
3. 少なくとも前記第１アームと前記第２アームと前記第３アームと前記第４アームとのいずれか１つのアームの歪を検知することによって、加速度を検出する、
   請求項１に記載の慣性力センサ。
4. 前記検出素子は、
   前記第２アームの端部に形成された錘部を、さらに備えた、
   請求項１に記載の慣性力センサ。
5. 前記第２アームの端部がメアンダー状に折曲された、
   請求項１に記載の慣性力センサ。
6. 前記第２アームの端部はＹ軸方向に駆動振動され、
   前記第２アームのＹ軸方向に発生する歪によりＺ軸回りの角速度を検出し、
   前記第２アームと前記第３アームと前記第４アームとのいずれか１つのアームのＺ軸方向に発生する歪によりＸ軸回りの角速度を検出する
   請求項１に記載の慣性力センサ。
7. 前記２つの直交アームのうち、一方の直交アームが有する第２アームはＹ軸の正方向に折曲され、他方の直交アームが有する第２アームはＹ軸の負方向に折曲された請求項１に記載の慣性力センサ。

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