JP5618002B2 - 角加速度検出素子 - Google Patents

Description

この発明は、検出軸回りに作用する角加速度を検出する角加速度検出素子に関する。

ある種の角加速度検出素子は、回転錘と支持梁と検出部を備えて構成される(例えば特許文献１および２参照。)。支持梁は、検出軸に対して垂直な方向に延設され、両端部が回転錘と固定部とに接続される。回転錘は、角加速度検出素子に検出軸回りの角加速度が作用すると、それに伴う回転慣性力の作用で固定部に対して回転（揺動）する。支持梁は回転錘の回転に伴って変形し、検出部は支持梁に生じる応力を検出する。支持梁に生じる応力は回転錘に作用する検出軸回りの角加速度に応じて変化するため、検出部の検出信号から検出軸回りの角加速度を計測することができる。
このような角加速度検出素子において、回転錘の検出軸回りでの回転バランスが崩れていれば、並進慣性力によっても回転錘が回転してしまう。すると、並進慣性力が検出信号のノイズ要因となり、検出軸回りでの角加速度の検出精度が低下する。

通常、回転錘の回転バランスを取るために、角加速度検出素子は回転錘の重心位置を中心に対称形状で形成される。特許文献１では、重心位置を中心に対称に配置した複数の支持梁で、環状の回転錘を内側から支持する。特許文献２では、重心位置を中心に対称に配置した複数の支持梁で、回転錘を外側から支持する。

特許第２６０２３００号公報 特開２０１０−１３９２６３号公報

先行技術では、回転錘の受けた慣性力を複数の支持梁が分散して受けるため、所定の固有振動数で角加速度検出素子を構成した場合に、角加速度あたりの梁に発生する応力が小さくなり、角加速度の検出感度が低くなるという問題があった。

そこで、角加速度検出素子で高い検出感度を得るために、支持梁の数を減らすことが考えられるが、回転錘の回転バランスを確保するためには支持梁の数や配置には強い制約があり、支持梁の数の低減には限界があった。

本発明の目的は、回転錘の回転バランスを確保しながら実質的な支持梁の数を低減し、高い検出感度を実現できる角加速度検出素子を提供することにある。

この発明は、回転錘と固定部と支持梁と検出部を備える角加速度検出素子に関する。回転錘は、所定の検出軸回りの回転慣性力の作用で検出軸回りに回転する。固定部は前記回転錘から離間する位置に設けられる。支持梁は、前記検出軸に対する直交面における前記固定部と前記回転錘との間に設けられ、前記固定部に対して前記回転錘を弾性支持する。検出部は前記支持梁に生じる応力に基づく検出信号を出力する。そして、回転錘は、前記直交面における重心位置が前記支持梁に重なるものである。
この構成では、回転錘の重心位置に重なる単一の支持梁のみで回転錘の回転バランスを取ることができる。

または、この発明の角加速度検出素子は、検出軸回りでの前記回転錘の回転に伴って作用する応力の中立面が一致する複数の支持梁を備え、回転錘は、前記直交面における重心位置が前記中立面に重なるものである。
この構成では、複数の支持梁それぞれに作用する応力の中立面が一致するため、複数の支持梁の総体としての応力分布が、単一の支持梁による応力分布と実質的に等価なものになる。このため、実質的に単一の支持梁のみで回転錘の回転バランスを取ることができる。

上述の角加速度検出素子の回転錘は、前記検出軸に沿う方向を厚み方向とする薄板状に構成されると好適である。
この構成では、検出軸回りでの回転錘の慣性モーメントが大きくなるため、角加速度あたりの回転慣性力を大きくすることができる。すると、固有振動数を保つために必要な支持梁の幅が太くなるとともに支持梁の長さが短くなる。このことが角加速度の検出感度を高めることに寄与する。

上述の角加速度検出素子の回転錘は、前記直交面に沿う長軸方向と短軸方向とを持つ形状で構成されると好適である。
この構成では、検出軸回りでの回転錘の慣性モーメントがさらに大きくなるため、角加速度あたりの回転慣性力をより大きくすることができる。このため、同じ角加速度検出感度を得るために必要な素子占有面積を低減でき、低コスト化や小型化を進展させることができる。

上述の角加速度検出素子の支持梁は、前記回転錘の長軸方向を長さ方向として構成されると好適である。
この構成の回転錘は短軸回りの慣性モーメントが大きく、外乱振動による短軸回りの回転慣性力が大きくなってしまう。そのため、回転錘の短軸方向が支持梁の長さ方向であれば、短軸回りの回転慣性力により支持梁が捻れ、支持梁のエッジ部分に過大な応力集中が生じて耐衝撃性能が低下してしまう。そこで、上述のように支持梁の長さ方向を回転錘の長軸方向とすることで、短軸回りの回転慣性力によって支持梁が捻れることを防ぎ、支持梁のエッジ部分への応力集中を回避できる。

この発明によれば、回転錘を支持する実質的に単一の支持梁のみで回転錘の回転バランスを取るため、並進慣性力が作用しても回転錘の回転が生じず、その上、実質的な支持梁の数が低減されるために支持梁に生じる応力が大きくなる。これらのことから角加速度の検出精度を向上させることができる。

第１の実施形態に係る角加速度検出素子の構成を説明する図である。 角加速度検出素子での応力分布のシミュレーションを説明する図である。 角加速度検出素子での検出回路の構成を説明する図である。 検出回路の動作を説明する図である。 本構成と比較構成の有限要素解析について説明する図である。 第２の実施形態に係る角加速度検出素子を説明する図である。 角加速度検出素子での応力分布のシミュレーションを説明する図である。 第３の実施形態に係る角加速度検出素子を説明する図である。 第４の実施形態に係る角加速度検出素子を説明する図である。 第５の実施形態に係る角加速度検出素子を説明する図である。 第６の実施形態に係る角加速度検出素子を説明する図である。 第７の実施形態に係る角加速度検出素子を説明する図である。 第８の実施形態に係る角加速度検出素子を説明する図である。 第９の実施形態に係る角加速度検出素子を説明する図である。 第１０の実施形態に係る角加速度検出素子を説明する図である。 第１１の実施形態に係る角加速度検出素子を説明する図である。 第１２の実施形態に係る角加速度検出素子を説明する図である。 第１３の実施形態に係る角加速度検出素子を説明する図である。 第１４の実施形態に係る角加速度検出素子を説明する図である。 第１５の実施形態に係る角加速度検出素子を説明する図である。 第１６の実施形態に係る角加速度検出素子を説明する図である。 角加速度検出素子での検出回路の構成を説明する図である。 第１７の実施形態に係る角加速度検出素子を説明する図である。 角加速度検出素子での検出回路の構成を説明する図である。 第１８の実施形態に係る角加速度検出素子の検出回路の構成を説明する図である。

以下の説明では、角加速度検出素子の厚み方向を直交座標系のＺ軸とし、支持梁の長さ方向をＹ軸方向、支持梁の幅方向をＸ軸方向とする。

《第１の実施形態》
図１（Ａ）は本発明の第１の実施形態に係る角加速度検出素子１の構成を示す斜視図であり、図１（Ｂ）は角加速度検出素子１の平面図である。

角加速度検出素子１は、Ｚ軸に垂直な上下面間を貫通する溝を形成した一体の矩形板からなり、回転錘２、支持梁３、固定部４、および検出部５（不図示）を備える。矩形板は半導体ウェハの面加工により切り出されたものである。半導体ウェハの面加工は加工技術や加工装置の性能が成熟しており、複数の矩形板を効率的に高精度に製造することができる。

固定部４は、矩形板のＸ−Ｙ面中心からずれた位置に矩形状で設けられ、図示しない筐体に上面と下面との少なくとも一方で固定される。回転錘２は、Ｘ−Ｙ面で固定部４を囲むように矩形板に矩形開口を設けて構成している。支持梁３は、Ｘ−Ｙ面における固定部４と回転錘２との間に、Ｙ軸正方向に長方形状に延設して設けられ、回転錘２の上下面を図示しない筐体から浮いた状態にして固定部４に回転錘２を支持させる。検出部５（不図示）は支持梁３に作用する応力に応じた検出信号を出力する。

支持梁３、固定部４それぞれのＸ軸座標における中心位置は、回転錘２の中心位置に一致させている。固定部４のＹ軸座標における中心位置は、回転錘２の中心位置からＹ軸負方向にずらしている。支持梁３のＹ軸座標における中心位置は、回転錘２の中心位置からＹ軸正方向にずらし、回転錘２のＹ軸座標における重心に一致させている。

このような構成の角加速度検出素子１は、Ｚ軸回りの回転慣性力が作用することで回転錘２がＸ−Ｙ面において固定部４に対してＺ軸回りに回転（揺動）し、Ｚ軸を検出軸として角加速度を検出することになる。

図２は、Ｚ軸回りの回転慣性力が作用する場合の、支持梁３に発生する応力分布を説明する図である。図中には、角加速度検出素子１がＺ軸正方向から視て時計回りに回転する状態を示している。
この場合、回転錘２は、固定部４を基準としてＺ軸正方向から視て反時計回りに回転し、支持梁３にはＺ軸正方向から視て反時計回りの回転慣性力が作用する。これにより、支持梁３は、Ｘ軸負方向の側面近傍の領域に圧縮応力が作用し、Ｘ軸正方向の側面近傍の領域に引っ張り応力が作用し、Ｘ軸負方向に撓むことになる。支持梁３の幅方向の中心面（一点鎖線で図示する。）が引っ張り応力と圧縮応力との境となり応力が作用しない中立面であり、Ｘ−Ｙ面で視てこの中心面上に回転錘２の重心位置（×で図示する。）が重なることになる。

図３は、検出部５の構成について説明する図である。図３（Ａ）は支持梁３の近傍の平面図であり、図３（Ｂ）は検出部５の回路図である。
検出部５は、支持梁３の上面にＹ軸方向を長手とするピエゾ抵抗５Ａ，５Ｂを備える。ピエゾ抵抗５Ａ，５Ｂは、半導体ウェハに半導体プロセスを用いて形成されることにより、微細な位置・形状を高精度にすることが可能である。これらのピエゾ抵抗５Ａ，５Ｂは、支持梁３の中立面の両側に平行に配置され、互いに直列接続され定電圧源に接続される。支持梁３の中立面を境に一方の領域は圧縮応力が作用し、他方の領域は引っ張り応力が作用するため、ピエゾ抵抗５Ａ，５Ｂは伸縮が逆になる。ピエゾ抵抗５Ａ，５Ｂは伸長する際には抵抗値が増大し、短縮する際には抵抗値が低減する。そのため、ピエゾ抵抗５Ａ，５Ｂによる分圧比が変動するため、ピエゾ抵抗５Ａやピエゾ抵抗５Ｂの両端電圧から、支持梁３に作用する応力を検出することが可能になる。

図４は、各種加速度の作用による支持梁の変形とピエゾ抵抗の変化を説明する図である。

図４（Ａ）は、この角加速度検出素子１にＺ軸正方向から視て反時計回りの回転慣性力が作用した状態を示している。この状態では、支持梁３がＸ−Ｙ面で湾曲し、ピエゾ抵抗５Ａが伸長しピエゾ抵抗５Ｂが短縮する。伸長したピエゾ抵抗５Ａは抵抗値が増大し、短縮したピエゾ抵抗５Ｂは抵抗値が低下する。このため、検出部５においてはピエゾ抵抗５Ａの両端電圧が増加し、ピエゾ抵抗５Ｂの両端電圧が減少することになる。

なお、図４（Ｂ）は、角加速度検出素子１にＸ軸正方向から視て反時計回りの回転慣性力が作用した状態を示している。この状態では、支持梁３がＹ−Ｚ面で湾曲し、ピエゾ抵抗５Ａ，５Ｂはともに短縮して抵抗値が低下する。このため、検出部５においてはピエゾ抵抗５Ａの抵抗値の変化とピエゾ抵抗５Ｂの抵抗値の変化とが相殺されて、分圧電圧が維持される。

図４（Ｃ）は、角加速度検出素子１にＹ軸正方向から視て反時計回りの回転慣性力が作用した状態を示している。この状態では、支持梁３がＸ−Ｚ面で捻れる。すると、ピエゾ抵抗５Ａ，５Ｂにも同様な捻れが生じて抵抗値の変化が一致する。このため、検出部５においてはピエゾ抵抗５Ａ内の抵抗値の変化およびピエゾ抵抗５Ｂ内の抵抗値の変化がそれぞれ共に相殺されて、分圧電圧が維持される。

図４（Ｄ）は、角加速度検出素子１にＸ軸正方向の並進慣性力が作用した状態を示している。この状態では、支持梁３がＸ−Ｙ面で湾曲する。すると、ピエゾ抵抗５Ａ，５Ｂには同様な湾曲が生じて抵抗値の変化が一致する。このため、検出部５においてはピエゾ抵抗５Ａ内の抵抗値の変化およびピエゾ抵抗５Ｂ内の抵抗値の変化がそれぞれ共に相殺されて、分圧電圧が維持される。

図４（Ｅ）は、角加速度検出素子１にＹ軸正方向の並進慣性力が作用した状態を示している。この状態では、支持梁３がＹ軸方向に伸長する。すると、ピエゾ抵抗５Ａ，５Ｂは同様に伸長して抵抗値の変化が一致する。このため、検出部５においてはピエゾ抵抗５Ａの抵抗値の変化とピエゾ抵抗５Ｂ抵抗値の変化とが相殺されて、分圧電圧が維持される。

図４（Ｆ）は、角加速度検出素子１にＺ軸正方向の並進慣性力が作用した状態を示している。この状態では、支持梁３がＹ−Ｚ面で湾曲する。すると、ピエゾ抵抗５Ａ，５Ｂは同様に伸縮して抵抗値の変化が一致する。このため、検出部５においてはピエゾ抵抗５Ａ内の抵抗値の変化およびピエゾ抵抗５Ｂ内の抵抗値の変化がそれぞれ共に相殺されて、分圧電圧が維持される。

したがって、この角加速度検出素子１によれば、Ｚ軸回りの回転慣性力が作用した状態でのみ出力電圧が変化することになる。

ここで、支持梁３に作用する応力の大きさに付いて説明する。

固定部４に対する回転錘２のＺ軸回りの回転角θは、次式で示すようにＺ軸回りの角加速度βに比例し、回転錘２と支持梁３と固定部４とからなる構造体のＺ軸まわりでの固有振動数f₀の二乗に反比例する。

角加速度検出素子１で応答周波数範囲を一定にするために固有振動数f₀は適切な設定値とすると好適である。そのため固有振動数f₀が定まる場合、次式のように単位角加速度あたりの回転角θ／βは一意に定まる。

固有振動数f₀は、回転錘２、支持梁３、固定部４からなる構造体の複数の形状パラメータに依存するものでもあり、支持梁の数が相違する構成であっても各部の寸法調整により一致させることが可能である。したがって、固有振動数f₀が同一の構成であれば、同じ角加速度が作用した場合の回転角θは等しいものになる。

そこで、角加速度検出素子において支持梁の数ｎを異ならせ固有振動数f₀を一致させた場合の、構成ごとの各部寸法や性能を有限要素法で解析した結果について説明する。
図５（Ａ）は比較構成に係る角加速度検出素子１０Ａの構成を示す平面図である。角加速度検出素子１０Ａは、２つの支持梁を備え、回転錘の重心位置を中心に対称な形状で構成している。
図５（Ｂ）は比較構成に係る角加速度検出素子１０Ｂの構成を示す平面図である。角加速度検出素子１０Ｂは、４つの支持梁を備え、回転錘の重心位置を中心に対称な形状で構成している。
これら構成の解析例では、実施形態に係る角加速度検出素子１とともに同じ外形寸法2mm×2mm×200μmとし、回転錘２および固定部４を同形状とし、支持梁の寸法調整により固有振動数f₀を2.0kHzで一致させた。

図５（Ｃ）は、各解析例における各部寸法や性能を示す図である。
実施形態に係る角加速度検出素子１は、支持梁の数ｎが１、支持梁の長さ（Ｙ軸方向寸法）Lyが110μm、支持梁の幅（Ｘ軸方向寸法）Lxが20μmであり、これにより固有振動数f₀を2.0kHzとしている。
比較構成に係る角加速度検出素子１０Ａは、支持梁の数ｎが２、支持梁の長さ（Ｙ軸方向寸法）Lyが441μm、支持梁の幅（Ｘ軸方向寸法）Lxが10μmであり、これにより固有振動数f₀を2.0kHzとしている。
比較構成に係る角加速度検出素子１０Ｂは、支持梁の数ｎが４、支持梁の長さ（Ｙ軸方向寸法）Lyが640μm、支持梁の幅（Ｘ軸方向寸法）Lxが10μmであり、これにより固有振動数f₀を2.0kHzとしている。

このように固有振動数f₀を一致させて単位角加速度当たりの回転角θ／βを等しくする場合、支持梁３の数が少ないほど支持梁の長さが短いものになる。

ここで、支持梁のたわみ角θ’を考えると、次式のように、支持梁のたわみ角θ’は支持梁の長さLyと支持梁のたわみ曲率１／ρの積で表わされる。

一方、支持梁３におけるピエゾ抵抗５Ａ，５Ｂの近傍に発生する応力σは次式のように、支持梁の中立面からピエゾ抵抗５Ａ，５Ｂまでの距離ｘと支持梁のたわみ曲率１／ρと支持梁の材料の縦弾性係数Eの積で表わされる。

上記２式から次式が得られる。

つまり、支持梁長さLyをより短く、中立面からピエゾ抵抗５Ａ，５Ｂまでの距離ｘをより大きくすることで、支持梁のたわみ角θ’あたりの支持梁３に発生する応力σを大きくすることができる。

仮に、支持梁のたわみ角θ’が回転錘２の回転角θと等しいとすると、上述の数２の式と数５の式から次式が成りたつ。

則ち、支持梁３におけるピエゾ抵抗５Ａ，５Ｂの近傍に発生する単位角加速度当たりの応力σ／βも、支持梁長さLyをより短く、中立面からピエゾ抵抗５Ａ，５Ｂまでの距離ｘをより大きくすることで増大させることができる。このことは図５（Ｃ）に示した有限要素解析によっても確認することができる。実施形態に係る角加速度検出素子１では、支持梁長さLyが最も短く支持梁３に作用する応力の単位角加速度当たりの最大値は73Pa/(rad/s²)であった。比較例に係る角加速度検出素子１０Ａは支持梁長さLyがより長く、支持梁３に作用する応力の単位角加速度当たりの最大値は49Pa/(rad/s²)であった。比較例に係る角加速度検出素子１０Ｂは支持梁長さLyがさらに長く、支持梁３に作用する応力の単位角加速度当たりの最大値は29Pa/(rad/s²)であった。

このように、本実施形態の角加速度検出素子１では支持梁の数がひとつであり、支持梁３に作用する応力が大きなものになるため、回転錘から支持梁が受ける回転慣性力がより集中して支持梁に発生する応力は大きくなり、ピエゾ抵抗５Ａ，５Ｂの変形量が増大して高い検出感度が得られることになる。

なお、この実施形態ではＺ軸方向からみた回転錘２の外形を矩形とする例を示したが、円形や星形など、その他の形状であってもよい。また、回転錘２の内形を略矩形とする例を示したが、これもその他の形状であってもよい。また、固定部４の外形を矩形とする例を示したが、これもその他の形状であってもよい。また、支持梁の形状を長方形とする例を示したが、これもその他の形状であってもよい。

さらには、この実施形態では、半導体ウェハの面加工により各部を構成し、また、検出部５をピエゾ抵抗５Ａ，５Ｂにより構成する例を示したが、最終的に応力を電気信号に変換可能な手段であれば検出原理や製造方法、構成材料を問わず、その他の構成であってもよい。

《第２の実施形態》
図６（Ａ）は、本発明の第２の実施形態に係る角加速度検出素子１１の変形状態での斜視図である。図６（Ｂ）は、角加速度検出素子１１の支持梁１３の周辺構造を示す模式図である。

角加速度検出素子１１は、回転錘１２、支持梁１３、固定部１４、および検出部１５（不図示）を備える。回転錘１２、支持梁１３、および固定部１４は、第１の実施形態とほぼ同様な構成を採用することができる。第１の実施形態との主な相違点は、検出部１５（不図示）が備えるピエゾ抵抗１５Ａ，１５Ｂを支持梁１３の上下面に配置し、Ｘ軸を検出軸として角加速度を検出する点である。

図７は、Ｘ軸回りの回転慣性力が作用する場合の、支持梁１３に発生する応力分布を説明する図である。図中には、角加速度検出素子１１がＸ軸正方向から視て反時計回りに回転する状態を示している。
この場合、回転錘１２は、固定部１４を基準としてＸ軸正方向から視て時計回りに回転し、支持梁１３にはＸ軸正方向から視て時計回りの回転慣性力が作用する。これにより、支持梁１３は、Ｚ軸正方向の上面近傍の領域に圧縮応力が作用し、Ｚ軸負方向の下面近傍の領域に引っ張り応力が作用し、支持梁１３はＺ軸正方向に撓むことになる。

このとき、支持梁１３の厚み方向の中心面が引っ張り応力と圧縮応力との境となり応力が作用しない中立面（一点鎖線で図示する。）となる。そして、Ｙ−Ｚ面における回転錘１２の重心（×で図示する。）がこの中立面上に位置することにより、Ｘ軸回りの回転錘１２の回転バランスを確保しながら、検出部１５（不図示）でＸ軸回りの角加速度を高い検出感度で検出することが可能になる。このように角加速度検出素子は構成することもできる。

《第３の実施形態》
図８は、第３の実施形態に係る角加速度検出素子９１の構成を示す斜視図である。

角加速度検出素子９１は、Ｚ軸に垂直な上下面間を貫通する溝を形成した長方形板からなり、回転錘９２、支持梁９３、固定部９４、および検出部９５（不図示）を備える。回転錘９２はＹ軸負方向が開いたコの字状であり、Ｘ軸方向を長軸としＹ軸方向を短軸とする。支持梁９３は、回転錘９２の重心位置に中心が一致し、Ｙ軸方向を長さ方向、Ｘ軸方向を幅方向とする。固定部９４は、回転錘９２の開口内に設けられて図示しない筐体に上面と下面との少なくとも一方で固定され、支持梁９３を介して回転錘９２を支持する。

このような構成の角加速度検出素子９１でも、Ｚ軸回りの回転慣性力が作用することで回転錘９２がＸ−Ｙ面において固定部９４に対してＺ軸回りに回転（揺動）し、Ｚ軸を検出軸として角加速度を検出することができる。
また、回転錘９２がＸ軸方向を長軸とする形状であるため、Ｚ軸回りでの慣性モーメントが大きく、回転錘の外形が正方形状である場合などよりも、同じ素子専有面積で、角加速度あたりの回転慣性力を大きくすることができる。
そのため、角加速度検出素子９１の固有振動数を維持したまま支持梁９３を太く短くすることが可能であり、角加速度検出感度を高めることができる。

《第４の実施形態》
図９（Ａ）は、第４の実施形態に係る角加速度検出素子２１の斜視図である。
角加速度検出素子２１は、Ｚ軸に垂直な上下面間を貫通する溝を形成した長方形板からなり、回転錘２２、支持梁２３、固定部２４、および検出部２５（不図示）を備える。回転錘２２はＸ軸正方向が開いたコの字状であり、Ｙ軸方向を長軸としＸ軸方向を短軸とする。支持梁２３は、回転錘２２の重心位置に中心が一致し、Ｙ軸方向を長さ方向、Ｘ軸方向を幅方向とする。固定部２４は、回転錘２２の開口内に設けられて図示しない筐体に上面と下面との少なくとも一方で固定され、支持梁２３を介して回転錘２２を支持する。

図９（Ｂ）は、Ｚ軸回りの回転慣性力が作用する場合の、支持梁２３に発生する応力分布を説明する図である。図中には、角加速度検出素子２１がＺ軸正方向から視て時計回りに回転する状態を示している。
この場合、回転錘２２は、固定部２４を基準としてＺ軸正方向から視て反時計回りに回転し、支持梁２３にはＺ軸正方向から視て反時計回りの回転慣性力が作用する。これにより、支持梁２３は、Ｘ軸負方向の側面近傍の領域に圧縮応力が作用し、Ｘ軸正方向の側面近傍の領域に引っ張り応力が作用し、Ｘ軸負方向に撓むことになる。

このとき、支持梁２３の幅方向の中心面が中立面（一点鎖線で図示する。）となる。そして、Ｘ−Ｙ面における回転錘２２の重心（×で図示する。）をこの中心面上に配置することにより、Ｚ軸回りでの回転錘２２の回転バランスを確保しながら、検出部２５（不図示）でＺ軸回りの角加速度を高い検出感度で検出することが可能になる。

この構成の角加速度検出素子２１では、回転錘２２がＹ軸方向を長軸とする形状であるため、Ｚ軸回りでの慣性モーメントが大きく、回転錘の外形が正方形状である場合などよりも、同じ素子専有面積で、角加速度あたりの回転慣性力を大きくすることができる。
そのため、角加速度検出素子２１の固有振動数を維持したまま支持梁を太く短くすることが可能になり、角加速度検出感度を高めることができる。

なお、回転錘２２はＸ軸回りでの慣性モーメントも大きく、外乱振動による回転錘２２の短軸回りでの回転慣性力まで大きなものになる。前述の第３の実施形態においては支持梁の長さ方向が回転錘の短軸方向と一致するため、回転錘の短軸回りの回転慣性力は支持梁２３に捻れを生じさせるが、本実施形態においては支持梁の長さ方向が回転錘の長軸方向と一致するため、回転錘の短軸回りの回転慣性力は支持梁２３に捻れではなく曲げを生じさせる。支持梁の大きな捻れは支持梁２３のエッジ部分に応力集中を生じさせて破壊現象を引き起こす危険性が高いため、本実施形態のように支持梁の長さ方向を回転錘の長軸方向と一致させた構成とすることにより、支持梁に大きな捻れが生じることを防ぎ、角加速度検出素子の耐衝撃性能を改善することができる。

《第５の実施形態》
図１０は、第５の実施形態に係る角加速度検出素子３１における、回転慣性力が作用する場合の応力分布を説明する図である。

角加速度検出素子３１は、回転錘３２、支持梁３３、固定部３４、および検出部３５（不図示）を備える。回転錘３２、固定部３４、および検出部３５（不図示）は、第４の実施形態とほぼ同様な構成である。第４の実施形態との主な相違点は、回転錘３２の重心（×で図示する。）を隔てて平行に設けられる２つの支持梁３３を備える点である。

この構成では、Ｚ軸回りの角加速度が作用した場合に、２つの支持梁３３に作用する応力が、それぞれ逆の極性のもの、則ち、引っ張り応力または圧縮応力になる。そして、支持梁３３それぞれに作用する応力の中立面（一点鎖線で図示する。）が２つの支持梁３３の中間で一致し、その中立面上に回転錘３２の重心が位置することにより、Ｚ軸回りの回転錘３２の回転バランスを確保しながら、検出部３５（不図示）がＺ軸回りの角加速度を高い検出感度で検出することが可能になる。このように角加速度検出素子は構成することもできる。

《第６の実施形態》
図１１は、第６の実施形態に係る角加速度検出素子４１における、回転慣性力が作用する場合の応力分布を説明する図である。

角加速度検出素子４１は、回転錘４２、支持梁４３、固定部４４、および検出部４５（不図示）を備える。回転錘４２、固定部４４、および検出部４５（不図示）は、第４の実施形態とほぼ同様な構成である。第４の実施形態との主な相違点は、支持梁４３が回転錘４２の重心位置に中心が一致し、Ｙ軸方向を長さ方向、Ｘ軸方向を幅方向とするＨ字状に構成される点である。

この構成では、Ｚ軸回りの角加速度が作用した場合に、支持梁４３のＸ軸負方向の側面近傍の領域に圧縮応力が作用し、Ｘ軸正方向の側面近傍の領域に引っ張り応力が作用し、Ｘ軸負方向に撓むことになる。

このとき、支持梁４３の中立面（一点鎖線で図示する。）上にＸ−Ｙ面における回転錘４２の重心（×で図示する。）が位置することにより、Ｚ軸回りの回転錘４２の回転バランスを確保しながら、Ｚ軸回りの角加速度を高い検出感度で検出することが可能になる。有限要素解析からは、支持梁４３のＹ軸方向の中心に近いほど、両側面の近傍領域での応力が大きくなることが確認でき、このことから、それらの領域を検出部４５の応力検出位置とすることで、角加速度検出感度をさらに高めることが可能になると考えられる。

《第７の実施形態》
図１２は、第７の実施形態に係る角加速度検出素子５１における、回転慣性力が作用する場合の応力分布を説明する図である。

角加速度検出素子５１は、回転錘５２、支持梁５３、固定部５４、および検出部５５（不図示）を備える。回転錘５２、固定部５４、および検出部５５（不図示）は、第４の実施形態とほぼ同様な構成である。第４の実施形態との主な相違点は、支持梁５３が回転錘５２の重心位置に中心が一致し、Ｙ軸方向を長さ方向、Ｘ軸方向を幅方向とし、中央の幅が狭く両端の幅が広いテーパ状に構成される点である。

この構成では、Ｚ軸回りの角加速度が作用した場合に、支持梁５３のＸ軸負方向の側面近傍の領域に圧縮応力が作用し、Ｘ軸正方向の側面近傍の領域に引っ張り応力が作用し、Ｘ軸負方向に撓むことになる。

このとき、支持梁５３の中立面（一点鎖線で図示する。）上にＸ−Ｙ面における回転錘５２の重心（×で図示する。）が位置することにより、Ｚ軸回りの回転錘５２の回転バランスを確保しながら、Ｚ軸回りの角加速度を高い検出感度で検出することが可能になる。有限要素解析からは、支持梁５３のＹ軸方向の中心の近傍に応力が集中することが確認でき、このことから、それらの領域を検出部５５の応力検出位置とすることで、角加速度検出感度をさらに高めることが可能になると考えられる。

《第８の実施形態》
図１３は、第８の実施形態に係る角加速度検出素子６１における、回転慣性力が作用する場合の応力分布を説明する図である。

角加速度検出素子６１は、回転錘６２、支持梁６３、固定部６４、および検出部６５（不図示）を備える。回転錘６２および固定部６４は、第４の実施形態とほぼ同様な構成である。第４の実施形態との主な相違点は、支持梁６３を回転錘６２の重心位置に中心が一致し、Ｙ軸方向を長さ方向、Ｘ軸方向を幅方向とし、中央を幅広に構成し両端を幅狭に構成した多段形状に構成した点である。

この構成では、Ｚ軸回りの角加速度が作用した場合に、支持梁６３のＸ軸負方向の側面近傍の領域に圧縮応力が作用し、Ｘ軸正方向の側面近傍の領域に引っ張り応力が作用し、Ｘ軸負方向に撓むことになる。

このとき、支持梁６３の中立面（一点鎖線で図示する。）上にＸ−Ｙ面における回転錘６２の重心（×で図示する。）が位置することにより、Ｚ軸回りの回転錘６２の回転バランスを確保することが可能になる。

有限要素解析からは、支持梁６３の中央の幅広な領域では応力が小さく、両端の幅狭な領域では応力が大きくなることが確認でき、このことから、検出部６５（不図示）の応力検出位置を、支持梁６３の両端近傍の幅狭な領域とすることで、Ｚ軸回りの角加速度を高い検出感度で検出することが可能になると考えられる。

《第９の実施形態》
図１４は、第９の実施形態に係る角加速度検出素子７１の部分拡大斜視図である。

角加速度検出素子７１は、回転錘７２、支持梁７３、固定部７４、および検出部７５（不図示）を備える。回転錘７２、固定部７４、および検出部７５（不図示）は、第４の実施形態とほぼ同様な構成である。第４の実施形態との主な相違点は、支持梁７３のＺ軸正方向の上面に突起部７３Ａを備える点である。なお、突起部は、上面のみ、下面のみ、上下両面のいずれにあってもよい。突起部７３Ａを設けることで支持梁７３のＺ軸方向の厚みが増して剛性が高まり、Ｘ軸周りで過大な曲げ応力が作用しても、支持梁７３が破損を防ぐことができる。

《第１０の実施形態》
図１５（Ａ）は、第１０の実施形態に係る角加速度検出素子８１の斜視図である。
角加速度検出素子８１は、第４の実施形態の構成を２つ突き合わせて回転錘を一体化したような構成であり、回転錘８２、支持梁８３、固定部８４、および検出部８５（不図示）を備える。回転錘８２は開口を備えるロの字状であり、Ｙ軸方向を長軸としＸ軸方向を短軸とする。回転錘８２の開口内には２つの支持梁８３と２つの固定部８４とが配置される。２つの支持梁８３は、回転錘８２の重心を隔てて平行に設けられる。２つの固定部８４は、図示しない筐体に上面と下面との少なくとも一方で固定され、それぞれ支持梁８３を介して回転錘８２を支持する。

図１５（Ｂ）は、Ｚ軸回りの回転慣性力が作用する場合の、支持梁８３に発生する応力分布を説明する図である。図中には、角加速度検出素子８１がＺ軸正方向から視て時計回りに回転する状態を示している。
この場合、回転錘８２は、固定部８４を基準としてＺ軸正方向から視て反時計回りに回転し、支持梁８３にはＺ軸正方向から視て反時計回りの回転慣性力が作用する。これにより、Ｘ軸負方向側の支持梁８３は圧縮応力が作用し、Ｘ軸正方向の支持梁８３は引っ張り応力が作用し、２つの支持梁８３はＸ軸負方向に撓むことになる。

このとき、支持梁８３のそれぞれに作用する応力の中立面（一点鎖線で図示する。）が２つの支持梁８３の中間で一致し、その中立面上にＸ−Ｙ面における回転錘８２の重心（×で図示する。）が位置することにより、Ｚ軸回りの回転錘８２の回転バランスを確保しながら、Ｚ軸回りの角加速度を高い検出感度で検出することが可能になる。

《第１１の実施形態》
図１６は、第１１の実施形態に係る角加速度検出素子１０１の構成を示す斜視図である。

角加速度検出素子１０１は、回転錘１０２、支持梁１０３、固定部１０４、および検出部１０５（不図示）を備える。支持梁１０３、固定部１０４、および検出部１０５（不図示）は、第３の実施形態と同様な構成である。第３の実施形態との主な相違点は、回転錘１０２がＺ軸正方向の上面に部分的な突起部１０２Ａ，１０２Ｂを備える点である。なお、このような部分的な突起部は、回転錘１０２の上面のみ、下面のみ、上下両面のいずれに設けてもよい。

このような構成の角加速度検出素子１０１でも、Ｚ軸回りの回転慣性力が作用することで回転錘１０２がＸ−Ｙ面において固定部１０４に対してＺ軸回りに回転（揺動）し、Ｚ軸を検出軸として角加速度を検出することができる。

《第１２の実施形態》
図１７は、第１２の実施形態に係る角加速度検出素子１１１の構成を示す斜視図である。

角加速度検出素子１１１は、回転錘１１２、支持梁１１３、固定部１１４、および検出部１１５（不図示）を備える。回転錘１１２は外形が円形状である。このような構成の角加速度検出素子１１１でも、Ｚ軸回りの回転慣性力が作用することで回転錘１１２がＸ−Ｙ面において固定部１１4に対してＺ軸回りに回転（揺動）し、Ｚ軸を検出軸として角加速度を検出することができる。

《第１３の実施形態》
図１８は、第１３の実施形態に係る角加速度検出素子１２１の構成を示す斜視図である。

角加速度検出素子１２１は、回転錘１２２、支持梁１２３、固定部１２４、および検出部１２５（不図示）を備える。回転錘１２２は外形が円形状であり、支持梁１２３は、Ｘ−Ｙ面を視て、中央が狭く両端が広い形状であって、側面が半円状である。このような構成の角加速度検出素子１２１でも、Ｚ軸回りの回転慣性力が作用することで回転錘１２２がＸ−Ｙ面において固定部１２４に対してＺ軸回りに回転（揺動）し、Ｚ軸を検出軸として角加速度を検出することができる。

《第１４の実施形態》
図１９は、第１４の実施形態に係る角加速度検出素子１３１の構成を示す斜視図である。

角加速度検出素子１３１は、回転錘１３２、支持梁１３３、固定部１３４、および検出部１３５（不図示）を備える。回転錘１３２は外形が楕円形状であって、Ｙ軸方向が長軸であり、Ｘ軸方向が短軸である。このような構成の角加速度検出素子１３１でも、Ｚ軸回りの回転慣性力が作用することで回転錘１３２がＸ−Ｙ面において固定部１３４に対してＺ軸回りに回転（揺動）し、Ｚ軸を検出軸として角加速度を検出することができる。

《第１５の実施形態》
図２０は、第１５の実施形態に係る角加速度検出素子１４１の構成を示す斜視図である。

角加速度検出素子１４１は、回転錘１４２、支持梁１４３、固定部１４４、および検出部１４５（不図示）を備える。回転錘１４２は外形が長方形であって、矩形の開口部１４２Ａを備える。開口部１４２Ａを設けることにより回転錘１４２の重心位置を調整することが容易となる。このような構成の角加速度検出素子１４１でも、Ｚ軸回りの回転慣性力が作用することで回転錘１４２がＸ−Ｙ面において固定部１４４に対してＺ軸回りに回転（揺動）し、Ｚ軸を検出軸として角加速度を検出することができる。

《第１６の実施形態》
図２１は、第１６の実施形態に係る角加速度検出素子１５１の構成を示す斜視図である。

角加速度検出素子１５１は、回転錘１５２、支持梁１５３、固定部１５４、引出電極１５５、および検出部１５６（不図示）を備える。この角加速度検出素子１５１は、固定部１５４が外周側に配置され、回転錘１５２が固定部１５４の内側に配置された構成である。

固定部１５４は、Ｘ−Ｙ面で視た外形が、Ｙ軸方向に長軸でＸ軸方向に短軸の矩形環状である。回転錘１５２は、Ｘ−Ｙ面において固定部１５４の開口内に配置されＸ軸正方向が開いたコの字状である。支持梁１５３は回転錘１５２の重心位置に配置され、Ｙ軸方向を長さ方向とし、Ｘ軸方向を幅方向とする。引出電極１５５は支持梁１５３上から、固定部１５４の上面に引き出される。この角加速度検出素子１５１でも、Ｚ軸回りの回転慣性力が作用することで回転錘１５２がＸ−Ｙ面において固定部１５４に対してＺ軸回りに回転（揺動）し、Ｚ軸を検出軸として角加速度を検出することができる。

この構成では、半導体ウェハから複数の角加速度検出素子１５１を分離する際に、固定部１５４の外周が分離面となる。そのため、分離時に、回転錘１５２が他部材に接触することを防ぐことができ、支持梁１５３に過重がかかって破損することを防止できる。また角加速度検出素子を他部材に組み込む際にも、回転錘１５２が他部材に接触することを防いで、組み立てを容易にすることができる。

図２２は、検出部の他の構成について説明する図である。

検出部は、４つのピエゾ抵抗１６６Ａ〜１６６Ｄにより構成する。ピエゾ抵抗１６６Ａ，１６６Ｂは、支持梁１６３の上面の中立面よりもＸ軸負方向に配置される。ピエゾ抵抗１６６Ｃ，１６６Ｄは、支持梁１６３の上面の中立面よりもＸ軸正方向に配置される。また、ピエゾ抵抗１６６Ａ，１６６Ｃは、支持梁１６３の上面のＹ軸負方向側に配置され、ピエゾ抵抗１６６Ｂ，１６６Ｄは、支持梁１６３の上面のＹ軸正方向側に配置される。

また、ピエゾ抵抗１６６Ａ〜１６６Ｄは、ブリッジ回路を構成する。ピエゾ抵抗１６６Ａ，１６６Ｂはブリッジ回路四辺の対向する辺に設けられ、ピエゾ抵抗１６６Ｃ，１６６Ｄもブリッジ回路四辺の対向する辺に設けられる。

支持梁１６３の中立面を境に反対側に設けたピエゾ抵抗同士を直列に接続し、２組の直列回路を定電圧源あるいは定電流源に並列接続することで、支持梁１６３の応力によりブリッジ出力端子の電位が互いに逆極性で変わるように配線して、その電位差を電圧変動として計測することができる。ブリッジ回路を採用することにより、第１の実施形態で示したように分圧比を用いて角加速度を検出する場合に比べ、同じ応力でより大きな電位差が得られる。またブリッジ回路を採用することにより駆動電源ノイズに対する同相除去比を高め、微小な電気信号を良好なＳ／Ｎ比で取り出すことができる。これらのために、さらに角加速度の検出感度および検出精度を高めることができる。

《第１７の実施形態》
図２３は、第１７の実施形態に係る角加速度検出素子１７１の構成を示す斜視図である。

角加速度検出素子１７１は、回転錘１７２、支持梁１７３、固定部１７４、引出電極１７５、および検出部１７６（不図示）を備える。この角加速度検出素子１７１は、第１６の実施形態と同様に、固定部１７４が外周側に配置され、回転錘１７２が固定部１７４の内側に配置された構成である。第１６の実施形態との主な相違点は、引出電極１７５の配置位置である。

角加速度検出素子１７１を筺体に収める場合、ピエゾ抵抗に接続された引出電極１７５から電気信号を読み取る必要があるが、筺体加工の制約から引出電極１７５の相互間距離は、一定以上の長さとする必要がある。

第１６の実施形態で示したように回転錘の片側の固定部に全ての引出電極を設ける場合には、引出電極の形成に要する面積が増大するために、一定面積を維持するならば、回転錘１７２を小さくする必要があり、回転錘の慣性モーメントが減少する要因となる。

そこで、本実施形態では、４つの引出電極１７５のうちの２つを、固定部１７４の回転錘１７２を挟んだ逆側にまで引き出して設けることで、引出電極の形成に要する面積を抑制し、回転錘１７２の大きな慣性モーメントを確保し、ひいては角加速度検出感度の減少を抑制することができる。

図２４は、検出部の他の構成について説明する図である。

この検出部は、４つのピエゾ抵抗１８６Ａ〜１８６Ｄによりブリッジ回路を構成する。ピエゾ抵抗１８６Ａ，１８６Ｂは、支持梁１８３の上面の中立面よりもＸ軸負方向に、Ｙ軸と平行に配置される。ピエゾ抵抗１８６Ｃ，１８６Ｄは、支持梁１８３の上面の中立面よりもＸ軸正方向にＹ軸と平行に配置される。

このようにピエゾ抵抗１８６Ａ〜１８６Ｄを配置しても、支持梁１８３の中立面を境に反対側に設けたピエゾ抵抗同士を直列に接続し、２組の直列回路を定電圧源あるいは定電流源に並列接続することで、支持梁１８３の応力によりブリッジ出力端子の電位が互いに逆極性で変わるように配線して、その電位差を電圧変動として計測することができる。

《第１８の実施形態》
図２５は、第１８の実施形態に係る角加速度検出素子１９１の構成を説明する図である。本実施形態の角加速度検出素子１９１は、第２の実施形態と同様に、Ｘ軸回りの角加速度を検出する構成である。

この構成では、４つのピエゾ抵抗１９６Ａ〜１９６Ｄによりブリッジ回路を構成する。ピエゾ抵抗１９６Ａ，１９６Ｂは、支持梁１９３の下面に配置される。ピエゾ抵抗１９６Ｃ，１９６Ｄは、支持梁１９３の上面に配置される。

このようにピエゾ抵抗１９６Ａ〜１９６Ｄを配置しても、支持梁１９３の中立面（Ｘ−Ｙ面との平行面）を境に反対側に設けたピエゾ抵抗同士を直列に接続し、２組の直列回路を定電圧源あるいは定電流源に並列接続することで、支持梁１９３の応力によりブリッジ出力端子の電位が互いに逆極性で変わるように配線して、その電位差を電圧変動として計測することができる。

以上に説明した各実施形態のように、本発明は様々な形態で実施でき、少なくとも回転錘の重心が支持梁に重なる構成、または、支持梁の中立面に重なる構成とすることにより、本発明は好適に実施できる。

１…角加速度検出素子
２…回転錘
３…支持梁
４…固定部
５…検出部
７３Ａ，１０２Ａ，１０２Ｂ…突起部

Claims (11)

1. 所定の検出軸回りの角加速度による慣性力の作用で前記検出軸回りに回転する回転錘と、
   前記回転錘から離間する位置に設けられた固定部と、
   前記検出軸に対する直交面における前記固定部と前記回転錘との間に設けられ、前記固定部に対して前記回転錘を弾性支持する支持梁と、
   前記支持梁に発生した応力に応じた検出信号を出力する検出部と、を備え、
   前記検出軸方向から視た前記回転錘の重心位置が前記支持梁に重なるものである、角加速度検出素子。
2. 所定の検出軸回りの角加速度による慣性力の作用で前記検出軸回りに回転する回転錘と、
   前記回転錘から離間する位置に設けられた固定部と、
   前記検出軸に対する直交面における前記固定部と前記回転錘との間に設けられ、前記固定部に対して前記回転錘を弾性支持する複数の支持梁と、
   前記複数の支持梁に発生した応力に応じた検出信号を出力する検出部と、を備え、
   前記検出軸方向から視た前記回転錘の重心位置が、前記検出軸回りでの前記回転錘の回転に伴って前記複数の支持梁に作用する応力の中立面に重なるものである、角加速度検出素子。
3. 前記回転錘は、前記直交面に沿う長軸方向と短軸方向とを持つ形状で構成される、請求項１または２に記載の角加速度検出素子。
4. 前記支持梁または前記複数の支持梁は、前記回転錘の長軸方向を長さ方向として構成される、請求項３に記載の角加速度検出素子。
5. 前記固定部は、前記支持梁または前記複数の支持梁および前記回転錘を内装する開口を備える、請求項１〜４のいずれかに記載の角加速度検出素子。
6. 前記検出部は、前記支持梁または前記複数の支持梁に作用する応力に応じた検出信号を出力する素子を四辺に設けたブリッジ回路を備え、前記ブリッジ回路の隣接する辺の素子が前記支持梁または前記複数の支持梁の中立面に対して異なる側に設けられる、請求項１〜５のいずれかに記載の角加速度検出素子。
7. 前記検出部は、前記支持梁または前記複数の支持梁に作用する応力に応じて抵抗値が変化する抵抗素子で構成される、請求項１〜６のいずれかに記載の角加速度検出素子。
8. 前記支持梁または前記複数の支持梁と前記固定部と前記回転錘とは、同一の薄板状部材から加工形成される、請求項１〜７のいずれかに記載の角加速度検出素子。
9. 前記薄板状部材が半導体ウェハで構成される、請求項８に記載の角加速度検出素子。
10. 前記回転錘の前記検出軸は、前記薄板状部材の厚み方向に構成される、請求項８または９に記載の角加速度検出素子。
11. 前記支持梁または前記複数の支持梁は、前記薄板状部材の厚み方向に前記回転錘よりも突出する突起部を備える、請求項１０に記載の角加速度検出素子。