JP6052303B2 - 角加速度センサおよび加速度センサ - Google Patents

Description

この発明は、梁に生じる撓み応力から角加速度を検出する角加速度センサと、梁に生じる撓み応力から加速度を検出する加速度センサと、に関する。

角加速度センサおよび加速度センサは、固定部と錘部と梁部と検出部とを備えている。錘部は、梁部によって固定部に対して弾性支持される。検出部は、錘部に作用する角加速度または加速度を、梁部に生じる応力から検出するように構成される。

また、ある種の角加速度センサおよび加速度センサでは、梁部の剛性を抑制するために梁部に貫通孔が設けられる(例えば特許文献１参照。)。

図８は、特許文献１を参考にした角加速度センサの従来構成を示す平面図である。

角加速度センサ１０１は、枠状の固定部１０２と、板状の錘部１０３と、錘部１０３と十字状をなし、両端で固定部１０２に接続されている梁部１０４と、梁部１０４の両端それぞれの両側面に設けられている検出電極１０５Ａ，１０５Ｂ，１０５Ｃ，１０５Ｄと、を備えている。梁部１０４は、錘部１０３との連結位置を除き、略全長にわたって幅方向の中心を通る貫通孔１０６が形成されている。

このように梁部１０４に貫通孔１０６が形成されていれば、梁部１０４の剛性が低くなるので、錘部１０３が受ける角加速度あたりの梁部１０４に生じる撓みが大きくなる。これにより、角加速度の検出感度が向上して、検出信号におけるＳ／Ｎ比が向上することになる。

特開２００７−３２２２００号公報

梁部に貫通孔を設ける場合、梁部の剛性が低くなることによって、共振周波数の低下が引き起こされる。加速度センサや角加速度センサにおいては、共振周波数よりも高い周波数帯域の信号を検出することが難しく、共振周波数が低下すると広い検出帯域を実現することが出来なくなってしまう。共振周波数を上げるためには、梁部の幅を広くする設計変更や、貫通孔の幅を小さくする設計変更が必要であるが、そのような設計変更を行う場合には、梁部の剛性が高くなって梁部の撓みが小さくなるため、検出感度が低下してしまう。したがって、広い検出帯域と高いＳ／Ｎ比とを両立させることは困難であった。

固定部を固定する筐体等に撓みや温度分布が生じると、固定部が応力を受け、その応力が固定部から梁部まで伝わることがある。すると、その応力が、検出部によって検出されてしまい、検出信号におけるＳ／Ｎ比が低下する場合があった。広い検出帯域を得るために梁部の幅を広くしている場合には、固定部の受ける応力が梁部に伝わり易くなるため、検出信号におけるＳ／Ｎ比が低下しやすく、やはり、広い検出帯域と高いＳ／Ｎ比とを両立させることは困難であった。

そこで、本発明の目的は、広い検出帯域と高いＳ／Ｎ比とを両立させることができる角加速度センサおよび加速度センサを提供することにある。

本発明は、平板面を有し、固定部と、錘部と、梁部と、検出素子と、を備える角加速度センサおよび加速度センサに関する。錘部は、固定部に対して変位可能に１箇所で支持されている。梁部は、平板面内で延伸しており、固定部と錘部とに接続されている。検出素子は、梁部に設けられており、梁部の平板面内での撓みによる応力を検出する。

上述の構成において、梁部における平板面内で延伸方向に直交する幅方向の寸法は、梁部と固定部との接続部における幅方向の寸法よりも大きい。検出素子は、梁部のうち、前記接続部の幅方向の寸法より大きい幅方向の寸法を有する部分に設けられ、かつ、前記延伸方向における梁部の端部以外の部分に設けられる。梁部は、幅方向に突出する幅方向凸部を備え、検出素子は、梁部の延伸方向での位置が幅方向凸部からずれている。

または、上述の構成において、梁部は、平板面に直交する板厚方向に貫通する貫通孔を備え、検出素子は、梁部の延伸方向での位置が貫通孔と重なっている。

当該構成において、梁部における平板面内で延伸方向に直交する幅方向の寸法は、梁部と固定部との接続部における幅方向の寸法よりも大きいと好適である。

上述の構成において、梁部は、固定部側梁端部と、錘部側梁端部と、平板部とを備え、検出素子は、平板部に設けられていると好適である。固定部側梁端部は、固定部に接続されている。錘部側梁端部は、錘部に接続されている。平板部は、固定部側梁端部と錘部側梁端部との間に接続されており、平板面に直交する板厚方向の寸法が、固定部側梁端部および錘部側梁端部の板厚方向の寸法よりも小さい。

上述の構成において、平板部における幅方向の寸法は、固定部側梁端部における幅方向の寸法よりも大きいと好適である。

上述の構成において、錘部は、平板面において幅方向に凹む凹部を有し、固定部は、平板面において幅方向に突出し、錘部の凹部に対向する凸部を有し、梁部は、錘部の重心位置の近傍で凸部と凹部とに接続されていると好適である。

この発明によれば、梁部に幅方向凸部を設け、検出素子の梁部の延伸方向での位置を幅方向凸部からずらして設けるので、錘に角加速度や加速度が作用することにより発生する梁部の応力を検出素子に効率よく集中させることができる。このため、梁部の幅を広くして共振周波数を高くする場合でも、梁部の応力を検出素子に効率よく集中させて、角加速度や加速度の検出感度を向上させることができる。したがって、広い検出帯域と高いＳ／Ｎ比との両立を実現できる。

また、この発明によれば、梁部に貫通孔を設け、検出素子を、梁部の延伸方向での位置が貫通孔と重なるように設けるので、錘に角加速度や加速度が作用することにより発生する梁部の応力を検出素子に効率よく集中させることができる。このため、梁部の幅を広くして共振周波数を高くする場合でも、角加速度や加速度の検出感度を向上させて、広い検出帯域と高いＳ／Ｎ比との両立を実現できる。

錘部を支持する梁部の幅が、梁部と固定部との接続部における幅よりも大きければ、筐体等の撓みや温度分布によって固定部が受ける不要な応力が、梁部に伝達されにくくなる。このため、梁部の幅を広くして共振周波数を高くする場合でも、固定部から検出素子に伝わる不要な応力を最小限にとどめて加速度や角加速度の検出精度を向上させることができる。したがって、さらに高いＳ／Ｎ比を実現できる。

梁部に平板部を設け、検出素子を平板部に設ければ、筐体等の撓みや温度分布によって固定部が受ける不要な応力が検出素子に伝達されにくくなる。また、錘に角加速度や加速度が作用することにより発生する梁部の応力を検出素子に効率よく集中させることができる。このため、梁部の幅を広くして共振周波数を高くする場合でも、加速度や角加速度の検出感度と検出精度とを向上させて、さらに高いＳ／Ｎ比を実現できる。

平板部における幅方向の寸法を、固定部側梁端部における幅方向の寸法よりも大きくすれば、筐体等の撓みや温度分布によって固定部が受ける不要な応力が検出素子に伝達されにくくなる。このため、梁部の幅を広くして共振周波数を高くする場合でも、加速度や角加速度の検出精度を向上させて、さらに高いＳ／Ｎ比を実現できる。

錘部の凹部に固定部の凸部と梁部とが入り込むようにすれば、梁部を錘部の重心位置の近傍に配置することができ、錘部の重心位置を中心とした回転バランスを取ることができる。また、錘部の重心位置のみに梁部を配置するので、梁部に応力を集中させることができる。このため、梁部の幅を広くして共振周波数を高くする場合でも、加速度や角加速度の検出感度と検出精度を向上させて、さらに高いＳ／Ｎ比を実現できる。

第１の実施形態に係る角加速度センサを示す斜視図である。 第１の実施形態に係る角加速度センサの備える梁部の周辺構造を説明する平面図である。 梁部に作用する撓み応力を例示するコンター図である。 梁部の寸法設定について説明する断面図である。 梁部の変形例を示す平面図である。 梁部の変形例を示す平面図である。 第２の実施形態に係る角加速度センサを示す斜視図である。 従来の角加速度センサを示す図である。

以下の説明では、角加速度センサおよび加速度センサの有する平板面に対して垂直な板厚方向に沿う軸を直交座標系のＺ軸とし、平板面における梁部の延伸方向に沿う軸を直交座標系のＹ軸とし、平板面における梁部の幅方向に沿い、Ｚ軸およびＹ軸に対して垂直な軸を直交座標系のＸ軸とする。

《第１の実施形態》
以下、本発明の第１の実施形態に係る角加速度センサ１０について説明する。

図１（Ａ）は、角加速度センサ１０の斜視図である。

角加速度センサ１０は、基板部１１と、ピエゾ抵抗素子１５Ａ，１５Ｂ，１５Ｃ，１５Ｄと、端子電極１６Ａ，１６Ｂ，１６Ｃ，１６Ｄと、配線１７Ａ，１７Ｂ，１７Ｃ，１７Ｄと、を備えている。なお、図１では、ピエゾ抵抗素子１５Ａ，１５Ｂ，１５Ｃ，１５Ｄの図示を省略している。

基板部１１は、Ｙ軸に沿う方向を長手方向とし、Ｘ軸に沿う方向を短手方向とし、Ｚ軸に沿う方向を板厚方向とする、矩形平板状に構成されている。基板部１１では、Ｚ軸方向において互いに対向する２つの面の間を貫通する開口部が形成されていることにより、固定部１２と、錘部１３と、梁部１４とが構成されている。

また、基板部１１は、ＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｏｎ Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）基板を面加工することにより形成されたものであり、Ｚ軸正方向側に位置するＳＯＩ層１１Ａと、Ｚ軸負方向側に位置する基層１１Ｂとを備えている。ＳＯＩ基板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。ＳＯＩ層１１Ａと基層１１Ｂとは、絶縁膜により絶縁されている。ＳＯＩ層１１Ａおよび基層１１Ｂはいずれもシリコン系材料からなり、絶縁膜は例えば二酸化シリコン（ＳｉＯ_２）のような絶縁材料からなる。

固定部１２は、Ｘ−Ｙ面において、基板部１１の外周部に環状に設けられており、錘部１３と梁部１４とを囲んでいる。すなわち、錘部１３と梁部１４とは、固定部１２の開口内に設けられている。固定部１２は、図示しない筐体等に固定されている。

梁部１４は、Ｘ−Ｙ面において、Ｙ軸に沿う方向を延伸方向とし、Ｘ軸に沿う方向を幅方向とし、Ｚ軸に沿う方向を板厚方向としており、Ｘ軸正方向側の辺とＸ軸負方向側の辺とは、それぞれ中央が幅方向の外側に膨らみ、概略楕円形状に構成されている。梁部１４の詳細な形状については後述する。梁部１４は、Ｙ軸負方向側の端部で固定部１２に接続され、Ｙ軸正方向側の端部で錘部１３に接続されており、図示しない筐体等から浮いた状態で固定部１２に支持されている。

錘部１３は、Ｘ−Ｙ面において、Ｘ軸に沿う方向を短手方向とし、Ｙ軸に沿う方向を長手方向としている。錘部１３は、梁部１４を介して、図示しない筐体等から浮いた状態で固定部１２に支持されており、Ｘ−Ｙ面において変位可能である。

より具体的には、錘部１３は、Ｘ−Ｙ面において、Ｘ軸正方向側の辺の中央が複数段（３段）にわたってＸ軸負方向側に凹んでおり、凹みの最深部に概略矩形状の凹部１３Ａが設けられている。固定部１２は、Ｘ−Ｙ面において、錘部１３のＸ軸正方向側の辺の３段の凹みに対向するように複数段（３段）にわたってＸ軸負方向側に突出しており、突出する領域の最頂部に概略矩形状の凸部１２Ａが設けられている。凹部１３Ａは、Ｙ軸負方向側を向く壁面と、Ｘ軸正方向側を向く壁面と、Ｙ軸正方向側を向く壁面とを有している。凸部１２Ａは、Ｙ軸正方向側を向く壁面と、Ｘ軸負方向側を向く壁面と、Ｙ軸負方向側を向く壁面とを有している。そして、凹部１３Ａの各壁面と、凸部１２Ａの各壁面とは、それぞれ開口部を隔てて対向している。梁部１４は、凸部１２ＡにおけるＹ軸正方向側を向く壁面からＹ軸正方向に延伸しており、凹部１３ＡにおけるＹ軸負方向側を向く壁面に接続されている。

錘部１３および固定部１２を上述の形状とすることにより、錘部１３のＸ−Ｙ面における重心位置に、梁部１４を配置することが可能になる。すると、Ｚ軸を回転軸とする角加速度が錘部１３に作用する場合に、錘部１３が一つの梁部１４によって支持されていても回転バランスをとることができ、全ての回転慣性力が梁部１４に集中して梁部１４が大きく撓むことになる。また、錘部１３は、梁部１４から離れた位置にあるＹ軸方向の両端部がＸ軸方向に幅広であって、Ｙ軸方向の両端部に質量が集中している。このため、Ｚ軸を回転軸とする角加速度によって梁部１４に作用する慣性モーメントが大きなものになる。これらにより、角加速度センサ１０は、Ｚ軸を回転軸とする角加速度によって梁部１４の撓みが生じやすくなり、角加速度の検出感度が向上することになる。

端子電極１６Ａ，１６Ｂ，１６Ｃ，１６Ｄは、固定部１２のＺ軸正方向側の面に設けられている。端子電極１６Ａと端子電極１６Ｂとは、固定部１２のＸ軸正方向側の辺に沿って配置されており、端子電極１６Ｃと端子電極１６Ｄとは、固定部１２のＸ軸負方向側の辺に沿って配置されている。また、端子電極１６Ａは、固定部１２のＸ軸正方向側の辺においてＹ軸負方向側に配置されており、端子電極１６Ｂは、固定部１２のＸ軸正方向側の辺においてＹ軸正方向側に配置されている。端子電極１６Ｃは、固定部１２のＸ軸負方向側の辺においてＹ軸負方向側に配置されており、端子電極１６Ｄは、固定部１２のＸ軸負方向側の辺においてＹ軸正方向側に配置されている。

配線１７Ａ，１７Ｂ，１７Ｃ，１７Ｄは、固定部１２と梁部１４とのＺ軸正方向側の面に設けられている。配線１７Ａの一端は端子電極１６Ａに接続されており、他端は後述するピエゾ抵抗素子１５Ａに接続されている。配線１７Ｂの一端は端子電極１６Ｂに接続されており、他端は後述するピエゾ抵抗素子１５Ｂに接続されている。配線１７Ｃの一端は端子電極１６Ｃに接続されており、他端は後述するピエゾ抵抗素子１５Ｃに接続されている。配線１７Ｄの一端は端子電極１６Ｄに接続されており、他端は後述するピエゾ抵抗素子１５Ｄに接続されている。このため、端子電極１６Ａは配線１７Ａを介してピエゾ抵抗素子１５Ａと電気的に接続されており、端子電極１６Ｂは配線１７Ｂを介してピエゾ抵抗素子１５Ｂと電気的に接続されており、端子電極１６Ｃは配線１７Ｃを介してピエゾ抵抗素子１５Ｃと電気的に接続されており、端子電極１６Ｄは配線１７Ｄを介してピエゾ抵抗素子１５Ｄと電気的に接続されている。

図１（Ｂ）は、基板部１１における梁部１４の周辺構造を示す斜視図である。

梁部１４のＸ−Ｙ面における中心位置（図中に×印で示す）は、錘部１３の重心位置と一致している。また、梁部１４は、応力中立面Ｐを境に面対称形状である。応力中立面Ｐは、梁部１４の中心位置を通るＹ−Ｚ面であり、Ｚ軸周りの角加速度が錘部１３に作用する場合に梁部１４に生じる引っ張りの応力と圧縮の応力とが釣り合う状態となる面である。また、梁部１４は、梁部１４の中心位置を通るＸ−Ｚ面を境にしても面対称形状である。梁部１４は、前述したようにＸ−Ｙ面において概略楕円形状であり、梁部１４のＸ軸正方向を向く側面と、Ｘ軸負方向を向く側面とは、ともに円弧状に膨らんでいる。すなわち、梁部１４は、Ｘ軸に沿う幅方向の寸法が、Ｙ軸方向の両端部で最も狭く、Ｙ軸方向の中央で最も広くなっている。

凹部１３Ａの梁部１４が接続される面、即ち、凹部１３ＡのＹ軸負方向側を向く面には、梁部１４側に突出して梁部１４と接続される接続部１３Ｂが設けられている。即ち、凹部１３Ａと梁部１４とは接続部１３Ｂを介して接続されている。接続部１３Ｂは、Ｘ軸に沿う幅方向の寸法と、Ｚ軸に沿う板厚方向の寸法とが、Ｙ軸に沿って一様であり、幅方向の寸法および板厚方向の寸法が梁部１４のＹ軸正方向側の端部と一致している。

凸部１２Ａの梁部１４が接続される面、即ち、凸部１２ＡのＹ軸正方向側を向く面には、梁部１４側に突出して梁部１４と接続される接続部１２Ｂが設けられている。即ち、凸部１２Ａと梁部１４とは接続部１２Ｂを介して接続されている。接続部１２Ｂは、Ｘ軸に沿う幅方向の寸法と、Ｚ軸に沿う板厚方向の寸法とが、Ｙ軸に沿って一様であり、幅方向の寸法および板厚方向の寸法が梁部１４のＹ軸負方向側の端部と一致している。

このように、梁部１４の幅方向の寸法が、梁部１４と固定部１２との接続部１２Ｂにおける幅方向の寸法よりも大きいので、梁部１４における幅方向の寸法が一様であるような場合よりも、梁部１４の剛性を高めることができ、高い共振周波数を実現することができる。

また、梁部１４の幅方向の寸法が、梁部１４と固定部１２との接続部１２Ｂにおける幅方向の寸法よりも大きいので、図示しない筐体等の撓みや温度分布によって固定部１２が受ける不要な応力が、梁部１４に伝達されにくくなっている。このため、後述するピエゾ抵抗素子１５Ａ〜１５Ｄに伝わる不要な応力を最小限にとどめることができ、加速度や角加速度などの検出精度が向上し、広い検出帯域と高いＳ／Ｎ比との両立を実現できる。

なお、凹部１３Ａの梁部１４の側面に対向する面、即ち、凹部１３ＡのＸ軸正方向側を向く面の梁部１４に対向する部分は、円弧状に凹ませており、梁部１４と錘部１３とが静止状態で所定間隔だけ離れるようにしている。また、固定部１２の梁部１４の側面に対向する面、即ち、固定部１２のＸ軸負方向側を向く面の梁部１４に対向する部分も、円弧状に凹ませており、梁部１４と固定部１２とが静止状態で所定間隔だけ離れるようにしている。

図２は、梁部１４の平面図である。

梁部１４についてさらに詳細に説明すると、梁部１４は、梁央部２１と固定部側梁端部２２と錘部側梁端部２３とを備えている。

固定部側梁端部２２は、梁部１４のＹ軸負方向側の端部近傍の部分であり、接続部１２Ｂを介して固定部１２に接続されている。固定部側梁端部２２と接続部１２Ｂとは、Ｚ軸に沿う板厚方向の寸法が一致している。錘部側梁端部２３は、梁部１４のＹ軸正方向側の端部近傍の部分であり、接続部１３Ｂを介して錘部１３に接続されている。錘部側梁端部２３と接続部１３Ｂとは、Ｚ軸に沿う板厚方向の寸法が一致している。梁央部２１は、固定部側梁端部２２と錘部側梁端部２３との間に接続されており、平板部２４と、板厚方向凸部２５Ａ，２５Ｂ，２５Ｃ，２５Ｄ，２６と、を備えている。

平板部２４は、前述のＳＯＩ層１１Ａからなり、Ｙ軸に沿う方向を延伸方向とし、Ｘ軸に沿う方向を幅方向とし、Ｚ軸に沿う方向を板厚方向とする平板状である。平板部２４は、Ｘ−Ｙ面において、梁央部２１の略全面に設けられている。平板部２４のＹ軸負方向側の端部は固定部側梁端部２２と接続されており、Ｙ軸正方向側の端部は錘部側梁端部２３と接続されている。

板厚方向凸部２５Ａ，２５Ｂ，２５Ｃ，２５Ｄ，２６は、前述の基層１１Ｂからなり、Ｘ−Ｙ面において梁央部２１の特定の部分にのみ設けている。板厚方向凸部２６は、Ｙ軸に沿う方向を延伸方向とし、Ｘ軸に沿う方向を幅方向とし、Ｚ軸に沿う方向を板厚方向とする直方体形状であって、平板部２４のＺ軸負方向側の面からＺ軸負方向側に突出するように設けられている。板厚方向凸部２６は、梁部１４のＸ−Ｙ面における中心位置を通るように、平板部２４のＺ軸負方向側の面におけるＸ軸方向の中央にＹ軸に沿って設けられている。板厚方向凸部２６のＹ軸負方向側の端部は固定部側梁端部２２と接続され、Ｙ軸正方向側の端部は錘部側梁端部２３と接続されている。

板厚方向凸部２５Ａ〜２５Ｄは、Ｙ軸に沿う方向を延伸方向とし、Ｘ軸に沿う方向を幅方向とし、Ｚ軸に沿う方向を板厚方向とする直方体形状であって、平板部２４のＺ軸負方向側の面からＺ軸負方向側に突出するように設けられている。

板厚方向凸部２５Ａは、梁部１４のＸ軸正方向側の端近傍でＹ軸に沿って設けられており、Ｙ軸負方向側の端部が固定部側梁端部２２と接続されている。板厚方向凸部２５Ｂは、梁部１４のＸ軸正方向側の端近傍でＹ軸に沿って設けられており、Ｙ軸正方向側の端部が錘部側梁端部２３と接続されている。板厚方向凸部２５ＡのＹ軸正方向側の端部と、板厚方向凸部２５ＢのＹ軸負方向側の端部とは、梁部１４のＸ軸正方向側の端近傍において、Ｙ軸に沿って間隔をあけた状態で対向している。

板厚方向凸部２５Ｃは、梁部１４のＸ軸負方向側の端近傍でＹ軸に沿って設けられており、Ｙ軸負方向側の端部が固定部側梁端部２２と接続されている。板厚方向凸部２５Ｄは、梁部１４のＸ軸負方向側の端近傍でＹ軸に沿って設けられており、Ｙ軸正方向側の端部が錘部側梁端部２３と接続されている。板厚方向凸部２５ＣのＹ軸正方向側の端部と、板厚方向凸部２５ＤのＹ軸負方向側の端部とは、梁部１４のＸ軸負方向側の端近傍において、Ｙ軸に沿って間隔をあけた状態で対向している。

なお、基板部１１にＳＯＩ基板を利用することで、このような形状の梁部１４の形成が容易となる。具体的には、ＳＯＩ基板のＳＯＩ層１１Ａと基層１１Ｂとの間に設けられている絶縁体層をエッチングストップ層として利用し、ＳＯＩ層１１Ａに対してエッチングを行う工程と、ＳＯＩ基板を裏返す工程と、基層１１Ｂに対してエッチングを行う工程とを実施することで、梁部１４を少ない工程で形成することが可能になる。

このように梁央部２１は、平板部２４を備えて構成されているため、固定部側梁端部２２や錘部側梁端部２３、接続部１２Ｂ，１３Ｂよりも、梁央部２１は平板面内で延伸方向に直交する方向であるＸ軸方向に沿う曲げ剛性が十分に低くなっており、固定部側梁端部２２や錘部側梁端部２３、接続部１２Ｂ，１３Ｂよりも、撓みや応力が集中するように構成されている。即ち、固定部側梁端部２２や錘部側梁端部２３、接続部１２Ｂ，１３Ｂには、殆どＹ軸方向へ曲がるような撓みが生じることなく、梁央部２１のみ、Ｙ軸方向へ曲がるような撓みが生じることになる。

また、梁央部２１は、板厚方向凸部２５Ａ〜２５Ｄ，２６を備えて構成されているため、板厚方向凸部２５Ａ〜２５Ｄ，２６のＺ軸方向に重なる平板部２４の領域で剛性が高くなって撓みや応力が殆ど作用しないようになっている。そして、板厚方向凸部２５Ａと板厚方向凸部２５ＢとにＹ軸方向から挟まれる領域や、板厚方向凸部２５Ｃと板厚方向凸部２５ＤとにＹ軸方向から挟まれる領域に、撓みや応力が集中し易くなっている。

また、平板部２４は、貫通孔２７Ａ，２７Ｂ，２７Ｃ，２７Ｄと、幅方向凸部２８Ａ，２８Ｂと、幅方向凹部２９Ａ，２９Ｂ，２９Ｃ，２９Ｄと、を備えている。

貫通孔２７Ａ〜２７Ｄは、前述のＳＯＩ層１１Ａをエッチングすることにより形成されており、それぞれ、平板部２４をＺ軸に沿って貫通し、平板部２４のＺ軸正方向側の面とＺ軸負方向側の面とに開口している。貫通孔２７Ａ〜２７Ｄは、それぞれ、Ｙ軸方向を短手方向とし、Ｘ軸方向を長手方向とするように形成されている。

貫通孔２７Ａは、前述した板厚方向凸部２５ＡのＹ軸正方向側の端部に重なる位置から、Ｘ軸負方向側に延伸するように設けられている。貫通孔２７Ｂは、前述した板厚方向凸部２５ＢのＹ軸負方向側の端部に重なる位置から、Ｘ軸負方向側に延伸するように設けられている。貫通孔２７ＡのＹ軸正方向側の端と貫通孔２７ＢのＹ軸負方向側の端とは、Ｙ軸上での位置が離れ、Ｘ軸上での位置が一致するように配置されている。

貫通孔２７Ｃは、前述した板厚方向凸部２５ＣのＹ軸正方向側の端部に重なる位置から、Ｘ軸正方向側に延伸するように設けられている。貫通孔２７Ｄは、前述した板厚方向凸部２５ＤのＹ軸負方向側の端部に重なる位置から、Ｘ軸正方向側に延伸するように設けられている。貫通孔２７ＣのＹ軸正方向側の端と貫通孔２７ＤのＹ軸負方向側の端とは、Ｙ軸上での位置が離れ、Ｘ軸上での位置が一致するように配置されている。

また、貫通孔２７ＡのＸ軸負方向側の端と貫通孔２７ＣのＸ軸正方向側との端とは、Ｘ軸上での位置が離れ、Ｙ軸上での位置が一致するように配置されている。貫通孔２７ＢのＸ軸負方向側の端と貫通孔２７ＤのＸ軸正方向側との端とも、Ｘ軸上での位置が離れ、Ｙ軸上での位置が一致するように配置されている。

幅方向凸部２８Ａは、梁部１４の中心位置のＸ軸正方向側に設けられており、平板部２４のＸ軸正方向側の側面からＸ軸正方向側に突出する。幅方向凹部２９Ａは、幅方向凸部２８ＡのＹ軸負方向側に隣接しており、平板部２４のＸ軸正方向側の側面からＸ軸負方向側に凹むように設けられている。幅方向凹部２９Ｂは、幅方向凸部２８ＡのＹ軸正方向側に隣接しており、平板部２４のＸ軸正方向側の側面からＸ軸負方向側に凹むように設けられている。即ち、幅方向凸部２８Ａは、幅方向凹部２９Ａと幅方向凹部２９Ｂとの間に設けられている。

幅方向凸部２８Ｂは、梁部１４の中心位置のＸ軸負方向側に設けられており、平板部２４のＸ軸負方向側の側面からＸ軸負方向側に突出する。幅方向凹部２９Ｃは、幅方向凸部２８ＢのＹ軸負方向側に隣接しており、平板部２４のＸ軸負方向側の側面からＸ軸正方向側に凹むように設けられている。幅方向凹部２９Ｄは、幅方向凸部２８ＢのＹ軸正方向側に隣接しており、平板部２４のＸ軸負方向側の側面からＸ軸正方向側に凹むように設けられている。即ち、幅方向凸部２８Ｂは、幅方向凹部２９Ｃと幅方向凹部２９Ｄとの間に設けられている。

幅方向凹部２９ＡのＸ軸負方向側の端と、貫通孔２７ＡのＸ軸正方向側の端とは、Ｘ軸上での位置が離れ、Ｙ軸上での位置が一致するように配置されている。幅方向凹部２９ＢのＸ軸負方向側の端と、貫通孔２７ＢのＸ軸正方向側の端とも、Ｘ軸上での位置が離れ、Ｙ軸上での位置が一致するように配置されている。

また、幅方向凹部２９ＣのＸ軸正方向側の端と、貫通孔２７ＣのＸ軸負方向側の端とは、Ｘ軸上での位置が離れ、Ｙ軸上での位置が一致するように配置されている。幅方向凹部２９ＤのＸ軸正方向側の端と、貫通孔２７ＤのＸ軸負方向側の端とも、Ｘ軸上での位置が離れ、Ｙ軸上での位置が一致するように配置されている。

このように平板部２４は、貫通孔２７Ａ〜２７Ｄや幅方向凹部２９Ａ〜２９Ｄを備えて構成されているため、貫通孔２７Ａ〜２７Ｄや幅方向凹部２９Ａ〜２９ＤのＸ軸方向に位置する領域の剛性が低くなっており、その領域に撓みや応力が集中し易くなっている。特には、貫通孔２７Ａ〜２７Ｄと幅方向凹部２９Ａ〜２９ＤとにＸ軸方向から挟まれる領域での剛性が著しく低くなっており、その領域に、撓みや応力が集中するように構成されている。

また、平板部２４は、幅方向凸部２８Ａ，２８Ｂを備えて構成されているため、幅方向凸部２８Ａ，２８ＢのＸ軸方向に位置する領域の剛性が高くなっており、Ｙ軸上での位置が幅方向凸部２８Ａ，２８Ｂから外れる領域に、撓みや応力が集中し易くなっている。

図３は、梁部に作用する撓み応力を例示するコンター図である。図３（Ａ）は、比較例として単純な矩形状の梁部９４における撓み応力を示している。図３（Ｂ）は、本実施形態の梁部と寸法等を除き略同じ構成の梁部１４’における撓み応力を示している。

比較例に係る梁部９４は、Ｘ軸正方向側の側面近傍の領域と、Ｘ軸負方向側の側面近傍の領域とに、応力が集中している。そして、各側面近傍の領域においては、梁部９４の全長にわたって応力が分散しており、Ｙ軸方向の中央で最も応力が強くなっている。

一方、本願構成に係る梁部１４’は、梁央部２１におけるＸ軸正方向側の端部近傍の領域と、Ｘ軸負方向側の端部近傍の領域とに、応力が集中している。特に、Ｙ軸上での位置が幅方向凸部２８Ａ，２８Ｂから外れ、貫通孔２７Ａ〜２７Ｄと、幅方向凹部２９Ａ〜２９ＤとにＸ軸方向から挟まれる極めて狭い領域に、大きな応力が集中している。

したがって、図２（Ｂ）においてピエゾ抵抗素子１５Ａ〜１５Ｄを配置しているように、Ｙ軸上での位置が幅方向凸部２８Ａ，２８Ｂから外れ、貫通孔２７Ａ〜２７Ｄと、幅方向凹部２９Ａ〜２９ＤとにＸ軸方向から挟まれる領域に、ピエゾ抵抗素子１５Ａ〜１５Ｄなどの検出素子を設けることで、大きな応力を検出することができ、角加速度の検出感度が良好なものになり、広い検出帯域と高いＳ／Ｎ比との両立を実現できる。

次に、角加速度センサ１０において、貫通孔２７Ａ〜２７Ｄを設けることにより、高いＳ／Ｎ比と高い共振周波数とを実現できる理由を、数式を用いて説明する。

一般的に、基板部１１の固有振動数は、次式で表わされる。

また、梁部１４の応力は次式で表わされる。

角加速度センサ１０の検出感度は、ピエゾ抵抗素子に作用する応力に比例し、仮の比例定数を用いて次式で表わされる。なお、仮の比例定数は、実際にはピエゾ抵抗係数や、センサ駆動電圧、検出回路構成、配線ロスなどの多数の定数に応じるものである。

角加速度センサ１０において、高いＳ／Ｎ比と高い共振周波数とを実現するための数式的な条件は、上述の検出感度と固有振動数の積が大きくなるように設計することと考えられる。その場合、高いＳ／Ｎ比と高い共振周波数とを実現するためには、次式の値を大きくすることが必要である。

即ち、角加速度センサ１０の構造に起因するパラメータである、梁部１４の応力中立面から応力検出位置までの距離と、梁部１４の断面二次モーメントの平方根の逆数と、梁部１４の有効長の平方根の逆数と、を増大させることが有効である。

ここで、梁部１４の応力中立面から応力検出位置までの距離と、梁部１４の断面二次モーメントの平方根の逆数と、の積ｚを増大させることを考える。積ｚは次式で表わされるものである。

梁部１４の応力中立面からピエゾ抵抗素子１５Ａ〜１５Ｄまでの距離は、次式で表わされる。なお、図４は、梁部１４の梁央部２１における断面図であり、各部の寸法を表記している。なお、式中のαは、プロセスルールによって決定される梁部１４の端部からピエゾ抵抗素子１５Ａ〜１５Ｄまでの距離である。

梁部１４の断面二次モーメントは、貫通孔２７Ａ〜２７Ｄを設けない構成では、次式であらわされる。

梁部１４の断面二次モーメントは、貫通孔２７Ａ〜２７Ｄを設ける構成では、次式であらわされる。

上記の数８の式は、数７の式における梁部１４の全幅ｗ_１の３乗から定数ｋ_２を減算したものである．したがって、貫通孔２７Ａ〜２７Ｄが設けられているならば、常に次式の関係が成立する。

このため、先に示した数５の式が示す、梁部１４の断面二次モーメントを含む積ｚは、貫通孔２７Ａ〜２７Ｄが設けられている本願の構成では、貫通孔２７Ａ〜２７Ｄが設けられていない従来構成に比べて確実に増大したものになる。

したがって、先に示した数４の式が示す検出感度と共振周波数との積ｆ_０×Ｓは、貫通孔２７Ａ〜２７Ｄを設けることにより、貫通孔２７Ａ〜２７Ｄが設けられていない構成に比べて確実に増大することになり、高いＳ／Ｎ比と高い共振周波数とを両立させることが可能になることが理解される。

次に、第１の実施形態に係る角加速度センサにおける、梁部の変形例について説明する。

図５（Ａ）は、第１の変形例に係る梁部３４Ａの周辺構造を示すＸ−Ｙ面平面図である。第１の変形例に係る梁部３４Ａは、板厚方向凸部２５Ａ〜２５Ｄを除いた構成である。第１の実施形態に係る角加速度センサ１０は、このように板厚方向凸部２５Ａ〜２５Ｄが設けられていなくてもよい。

図５（Ｂ）は、第２の変形例に係る梁部３４Ｂの周辺構造を示すＸ−Ｙ面平面図である。第２の変形例に係る梁部３４Ｂは、板厚方向凸部２５Ａ〜２５Ｄと、板厚方向凸部２６とを除いた構成である。第１の実施形態に係る角加速度センサ１０は、このように板厚方向凸部２６が設けられていなくてもよい。

図６（Ａ）は、第３の変形例に係る梁部３４Ｃの周辺構造を示すＸ−Ｙ面平面図である。第３の変形例に係る梁部３４Ｃは、Ｘ−Ｙ面における形状が矩形状である。また、梁部３４Ｃは、板厚方向凸部２５Ａ〜２５Ｄ，２６と、幅方向凸部２８Ａ，２８Ｂと、幅方向凹部２９Ａ〜２９Ｄと、を除いた構成である。第１の実施形態に係る角加速度センサ１０は、このようにＸ−Ｙ面における梁部の形状が矩形状であってもよい。また、このように幅方向凸部２８Ａ，２８Ｂと、幅方向凹部２９Ａ〜２９Ｄと、が設けられていなくてもよい。

図６（Ｂ）は、第４の変形例に係る梁部３４Ｄの周辺構造を示すＸ−Ｙ面平面図である。第４の変形例に係る梁部３４Ｄは、Ｘ−Ｙ面における形状が矩形状である。また、梁部３４Ｄは、板厚方向凸部２５Ａ〜２５Ｄ，２６と、貫通孔２７Ａ〜２７Ｄと、幅方向凹部２９Ａ〜２９Ｄと、を除いた構成である。第１の実施形態に係る角加速度センサ１０は、このように貫通孔２７Ａ〜２７Ｄが設けられていなくてもよい。

図６（Ｃ）は、第５の変形例に係る梁部３４Ｅの周辺構造を示すＸ−Ｙ面平面図である。第５の変形例に係る梁部３４Ｅは、Ｘ−Ｙ面における形状が概略楕円形状である。また、梁部３４Ｅは、板厚方向凸部２５Ａ〜２５Ｄ，２６と、幅方向凸部２８Ａ，２８Ｂと、幅方向凹部２９Ａ〜２９Ｄと、を除いた構成である。

図６（Ｄ）は、第６の変形例に係る梁部３４Ｆの周辺構造を示すＸ−Ｙ面平面図である。第６の変形例に係る梁部３４Ｆは、Ｘ−Ｙ面における形状が概略楕円形状である。また、梁部３４Ｆは、板厚方向凸部２５Ａ〜２５Ｄ，２６と、貫通孔２７Ａ〜２７Ｄと、幅方向凹部２９Ａ〜２９Ｄと、を除いた構成である。

以上の例示のように、幅方向凸部２８Ａ，２８Ｂ、または、貫通孔２７Ａ〜２７Ｄを備えているならば、本実施形態における梁部の形状は様々に変更することができる。なお、梁部の外形状は、幅寸法が接続部１２Ａよりも大きいならば様々に変更することができる。また、幅方向凸部や貫通孔の位置や形状、配置数なども、様々に変更することができる。

なお、ピエゾ抵抗からなる角加速度検出回路の構成については、一般的な回路構成を採用するとよく、ここでは説明を省くが、例えば、４つのピエゾ抵抗を利用するホイートストンブリッジ回路を構成すると好適である。

≪第２の実施形態≫
以下、本発明の第２の実施形態に係る加速度センサ５０について説明する。前述の第１の実施形態においては角加速度を検出する角加速度センサを説明したが、本実施形態では、角加速度ではなく加速度を検出する加速度センサについて説明する。

図７（Ａ）は、加速度センサ５０の斜視図である。

加速度センサ５０は、基板部５１を備えている。なお、ここでは、ピエゾ抵抗と端子電極と配線との図示は省略している。

基板部５１は、Ｙ軸に沿う方向を長手方向とし、Ｘ軸に沿う方向を短手方向とし、Ｚ軸に沿う方向を板厚方向とする、矩形平板状に構成されている。基板部５１では、Ｚ軸方向において互いに対向する２つの面の間を貫通する開口部が形成されていることにより、固定部５２と、錘部５３と、梁部１４とが構成されている。梁部１４は第１の実施形態と同様のものである。

固定部５２は、Ｘ−Ｙ面において、基板部５１の外周部に環状に設けられており、錘部５３と梁部１４とを囲んでいる。梁部１４は、Ｙ軸負方向側の端部で固定部５２に接続され、Ｙ軸正方向側の端部で錘部５３に接続されている。錘部５３は、Ｘ−Ｙ面において、Ｘ軸に沿う方向を短手方向とし、Ｙ軸に沿う方向を長手方向としており、梁部１４を介して変位可能に固定部５２に支持されている。

より具体的には、錘部５３は、Ｘ−Ｙ面において、Ｙ軸負方向側の辺の中央がＹ軸正方向側に凹んでおり、凹みの内側に、梁部１４が配置されている。固定部５２は、Ｘ−Ｙ面において概略矩形状を成す内壁が設けられている。梁部１４は、固定部５２におけるＹ軸正方向側を向く壁面の中央からＹ軸正方向に延伸しており、錘部５３の凹みの内側のＹ軸負方向側を向く壁面に接続されている。

このような構成であっても、本発明は好適に実施することができる。なお、加速度センサにおいては、角加速度センサとは異なり、錘部の重心位置が梁部から離れている方が、高い検出感度を実現することができる。

なお、ピエゾ抵抗からなる加速度検出回路の構成についても、一般的な回路構成を採用するとよく、ここでは説明を省くが、例えば、４つのピエゾ抵抗を利用するホイートストンブリッジ回路を構成すると好適である。

上述の実施形態で説明した構成により、本発明の角加速度センサおよび加速度センサは実現することができる。なお、上述の実施形態の他の様々な形態でも本発明は実施することができる。

１０…角加速度センサ
５０…加速度センサ
１１，５１…基板部
１１Ａ…ＳＯＩ層
１１Ｂ…基層
１２，５２…固定部
１２Ａ…凸部
１３，５３…錘部
１３Ａ…凹部
１２Ｂ，１３Ｂ…接続部
１４，３４Ａ，３４Ｂ，３４Ｃ，３４Ｄ，３４Ｅ，３４Ｆ…梁部
１５Ａ，１５Ｂ，１５Ｃ，１５Ｄ…ピエゾ抵抗素子
１６Ａ，１６Ｂ，１６Ｃ，１６Ｄ…端子電極
１７Ａ，１７Ｂ，１７Ｃ，１７Ｄ…配線
２１…梁央部
２２…固定部側梁端部
２３…錘部側梁端部
２４…平板部
２５Ａ，２５Ｂ，２５Ｃ，２５Ｄ，２６…板厚方向凸部
２７Ａ，２７Ｂ，２７Ｃ，２７Ｄ…貫通孔
２８Ａ，２８Ｂ…幅方向凸部
２９Ａ，２９Ｂ，２９Ｃ，２９Ｄ…幅方向凹部

Claims (14)

1. 平板面を有し、
   固定部と、
   前記固定部に対して１箇所で支持されている錘部と、
   前記平板面内で延伸しており、前記固定部と前記錘部とに接続されている梁部と、
   前記梁部に設けられて前記梁部の平板面内での撓みによる応力を検出する検出素子と、
   を備え、
   前記梁部における平板面内で延伸方向に直交する幅方向の寸法は、前記梁部と前記固定部との接続部における前記幅方向の寸法よりも大きく、
   前記検出素子は、前記梁部のうち、前記接続部の前記幅方向の寸法より大きい前記幅方向の寸法を有する部分に設けられ、かつ、前記延伸方向における前記梁部の端部以外の部分に設けられ、
   前記梁部は、前記幅方向に突出する幅方向凸部を備え、
   前記検出素子は、前記延伸方向での位置が前記幅方向凸部からずれている、
   角加速度センサ。
2. 平板面を有し、
   固定部と、
   前記固定部に対して１箇所で支持されている錘部と、
   前記平板面内で延伸しており、前記固定部と前記錘部とに接続されている梁部と、
   前記梁部に設けられて前記梁部の平板面内での撓みによる応力を検出する検出素子と、
   を備え、
   前記梁部は、平板面に直交する板厚方向に貫通する貫通孔を備え、
   前記検出素子は、前記延伸方向での位置が前記貫通孔と重なっている、
   角加速度センサ。
3. 前記梁部は、前記幅方向に突出する幅方向凸部を備え、
   前記検出素子は、前記延伸方向での位置が前記幅方向凸部からずれている、
   請求項２に記載の角加速度センサ。
4. 前記梁部における平板面内で延伸方向に直交する幅方向の寸法は、前記梁部と前記固定部との接続部における前記幅方向の寸法よりも大きい、
   請求項２〜３のいずれかに記載の角加速度センサ。
5. 前記梁部は、
   前記固定部に接続されている固定部側梁端部と、
   前記錘部に接続されている錘部側梁端部と、
   前記固定部側梁端部と前記錘部側梁端部との間に接続されており、平板面に直交する板厚方向の寸法が、前記固定部側梁端部および前記錘部側梁端部の前記板厚方向の寸法よりも小さい平板部と、
   を備え、
   前記検出素子は、前記平板部に設けられている、
   請求項１〜４のいずれかに記載の角加速度センサ。
6. 前記平板部における前記幅方向の寸法は、前記固定部側梁端部における前記幅方向の寸法よりも大きい、
   請求項５に記載の角加速度センサ。
7. 前記錘部は、前記幅方向に凹む凹部を有し、
   前記固定部は、前記幅方向に突出し前記凹部に対向する凸部を有し、
   前記梁部は、前記錘部の重心位置の近傍で前記凸部と前記凹部とに接続されている、
   請求項１〜６のいずれかに記載の角加速度センサ。
8. 平板面を有し、
   固定部と、
   前記固定部に対して１箇所で支持されている錘部と、
   前記平板面内で延伸しており、前記固定部と前記錘部とに接続されている梁部と、
   前記梁部に設けられて前記梁部の平板面内での撓みによる応力を検出する検出素子と、
   を備え、
   前記梁部における平板面内で延伸方向に直交する幅方向の寸法は、前記梁部と前記固定部との接続部における前記幅方向の寸法よりも大きく、
   前記検出素子は、前記梁部のうち、前記接続部の前記幅方向の寸法より大きい前記幅方向の寸法を有する部分に設けられ、かつ、前記延伸方向における前記梁部の端部以外の部分に設けられ、
   前記梁部は、前記幅方向に突出する幅方向凸部を備え、
   前記検出素子は、前記延伸方向での位置が前記幅方向凸部からずれている、
   加速度センサ。
9. 平板面を有し、
   固定部と、
   前記固定部に対して１箇所で支持されている錘部と、
   前記平板面内で延伸しており、前記固定部と前記錘部とに接続されている梁部と、
   前記梁部に設けられて前記梁部の平板面内での撓みによる応力を検出する検出素子と、
   を備え、
   前記梁部は、平板面に直交する板厚方向に貫通する貫通孔を備え、
   前記検出素子は、前記延伸方向での位置が前記貫通孔と重なっている、
   加速度センサ。
10. 前記梁部は、前記幅方向に突出する幅方向凸部を備え、
    前記検出素子は、前記延伸方向での位置が前記幅方向凸部からずれている、
    請求項９に記載の加速度センサ。
11. 前記梁部における平板面内で延伸方向に直交する幅方向の寸法は、前記梁部と前記固定部との接続部における前記幅方向の寸法よりも大きいことを特徴とする、
    請求項９〜１０のいずれかに記載の加速度センサ。
12. 前記梁部は、
    前記固定部に接続されている固定部側梁端部と、
    前記錘部に接続されている錘部側梁端部と、
    前記固定部側梁端部と前記錘部側梁端部との間に接続されており、平板面に直交する板厚方向の寸法が、前記固定部側梁端部および前記錘部側梁端部の前記板厚方向の寸法よりも小さい平板部と、
    を備え、
    前記検出素子は、前記平板部に設けられている、
    請求項８〜１１のいずれかに記載の加速度センサ。
13. 前記平板部における前記幅方向の寸法は、前記固定部側梁端部における前記幅方向の寸法よりも大きい、
    請求項１２に記載の加速度センサ。
14. 前記錘部は、前記幅方向に凹む凹部を有し、
    前記固定部は、前記幅方向に突出し前記凹部に対向する凸部を有し、
    前記梁部は、前記錘部の重心位置の近傍で前記凸部と前記凹部とに接続されている、
    請求項８〜１３のいずれかに記載の加速度センサ。