WO2014115404A1

WO2014115404A1 - 慣性センサ

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Publication number: WO2014115404A1
Application number: PCT/JP2013/080701
Authority: WO
Inventors: 希元鄭; 山中　聖子; 雅秀林
Original assignee: Hitachi Automotive Systems Ltd
Current assignee: Astemo Ltd
Priority date: 2013-01-24
Filing date: 2013-11-13
Publication date: 2014-07-31
Anticipated expiration: 2015-07-24
Also published as: US9804188B2; DE112013006495T5; JP2014142268A; US20150355218A1; DE112013006495B4; JP5978140B2

Abstract

　慣性センサの実装環境における温度変化や振動外乱に影響を受けにくい慣性センサを提供する。本発明では、例えば、図９に示すように、固定部ＦＵ３と接続するように延長部ＥＸＵを設け、この延長部ＥＸＵと、質量体ＭＳの一部を構成する第３部位Ｐ３とを、支持梁ＢＭ３および支持梁ＢＭ４で接続し、支持梁ＢＭ３と支持梁ＢＭ４とを仮想線ＩＬ１に対して反対側に配置している。これにより、質量体ＭＳの回転・ねじれに起因する不要モードの固有振動数を高周波帯域にシフトさせることができる。

Description

慣性センサ

　本発明は、慣性センサに関し、例えば、加速度や角速度の印加に応じて生じる質量体の変位に起因する物理量を検出することにより、加速度や角速度を測定する慣性センサに適用して有効な技術に関する。

　特許第４７３４７５６号（特許文献１）には、錘の四隅に４つの固定部を設け、錘と４つの固定部のそれぞれとが支持梁を介して接続されている構成が記載されている。

　特許第５０３７６９０号（特許文献２）には、応力に起因した慣性センサの固有振動数の変動を抑制することにより、慣性センサの検出感度の変動による測定精度の劣化を抑制する技術が記載されている。具体的に、可動部と接続される複数の梁を組み合わせたバネ系において、一方の梁に働く引張応力に起因するバネ定数の増加と、他方の梁に働く圧縮応力に起因するバネ定数の減少とを互いに相殺させるとしている。

　非特許文献１には、開放型の質量体を３点支持し、開放端における２点においては、対称型の支持梁を設け、残る１点においては、中心軸上で質量体を接続する慣性センサの構成が記載されている。

特許第４７３４７５６号特許第５０３７６９０号

M.Degawa,et al.,"LATERALLY-DRIVEN DEFORMATION-ROBUST MEMS GYROSCOPES WITH THREE SETS OF SYMMETRICALLY ARRANGED FOLDED-BEAM SUSPENSIONS", Solid-State Sensors,Actuators and Microsystems Conference,2009.TRANSDUCERS 2009.International,21-25 June 2009,pp664-667

　例えば、慣性センサの具体的な適用例として、車の横滑り防止システムがある。このシステムは、ハンドルに装着されている操舵角センサの値（指令値）と、横滑り防止システムに組み込まれている慣性センサの出力値（実測値）を比較することで、車の横滑りを判定し、その結果に基づいて、エンジン出力や四輪それぞれの制動力を制御することにより、車体が滑らないように制御するシステムである。

　既存の横滑り防止システムでは、ブレーキ制御用のＥＣＵ（Electronic Control Unit）や、油圧モータおよびブレーキ圧分岐用ソレノイドバルブなどから構成されるブレーキ圧発生装置などの関連部品がエンジンルームにある。一方、慣性センサは、ブレーキを制御する重要部品であること、および、角速度センサの場合は共振現象を使用するその原理上の理由のため、比較的温度変化や振動外乱が少なく、除振や免振対策の取りやすい車室内に設置されている。

　したがって、横滑り防止システムは、慣性センサと、ＥＣＵおよびブレーキ圧発生装置以外にＣＡＮ（Controller Area Network）通信用のマイコンや、車室内からエンジンルーム内まで信号を伝達するケーブル、慣性センサの固定や、除振・免振に使用されるハーネスなどで構成され、付加的な費用が掛かる問題点がある。

　そこで、最近では、横滑りシステムのコスト低減を目的として、慣性センサを油圧制御用ＥＣＵボード上に他の集積回路（ＬＳＩ）やチップコンデンサと一緒に、１つの電子部品として実装する動きが活発になってきている。ところが、慣性センサを車室内に実装する場合と異なり、慣性センサを油圧制御用ＥＣＵボード上に実装する場合、油圧制御用ＥＣＵボードがエンジンルームに配置されるため、慣性センサには、エンジンルーム内の温度変化や振動などの過酷な環境に対する耐性が要求される。特に、ブレーキ制御に伴う、油圧モータやソレノイドバルブの動作に起因する振動は、周期的なバルブの振動とともに、衝撃振動が含まれる。このため、今までのように、慣性センサを車室内で使用する場合では想定できない高温（約１２５℃）と、最大数十～数百ｇに相当する幅広い周波数帯域の振動が発生する環境下に慣性センサが置かれることになる。

　したがって、横滑り防止システムのコスト低減を図る観点から、慣性センサを油圧制御用ＥＣＵボード上に搭載する場合、慣性センサの性能を維持するために、温度変化や振動外乱に対する工夫が必要とされる。

　本発明の目的は、慣性センサの実装環境における温度変化や振動外乱に影響を受けにくい（ロバストな）慣性センサを提供することにある。

　その他の課題と新規な特徴は、本明細書の記述および添付図面から明らかになるであろう。

　一実施の形態における慣性センサは、（ａ）第１方向に延在する第１部位と、前記第１方向と直交する第２方向に前記第１部位から所定距離だけ離間しながら前記第１方向に延在する第２部位と、前記第１部位と前記第２部位に連結するように前記第２方向に延在する第３部位と、を含む質量体であって、前記第１方向に変位可能な前記質量体を備える。そして、（ｂ）第１支持梁を介して前記第１部位と接続された第１固定部と、（ｃ）第２支持梁を介して前記第２部位と接続された第２固定部と、（ｄ）第３固定部と、（ｅ）前記第３固定部と接続され、前記第２方向に延在する延長部と、（ｆ）前記延長部と前記第３部位とを接続する第３支持梁と、（ｇ）前記延長部と前記第３部位とを接続する第４支持梁と、を備える。ここで、前記第３支持梁と前記第４支持梁は、前記第３固定部を通り、前記第１方向に延在する仮想線に対して、互いに反対側に配置されている。

　一実施の形態によれば、慣性センサの実装環境における温度変化や振動外乱に影響を受けにくい慣性センサを提供することができる。

加速度センサの周波数特性を示すグラフである。１／ｆノイズの周波数依存性を示す模式的なグラフである。３点支持構造の加速度センサにおける周波数特性を示すグラフである。３点支持構造の加速度センサにおいて、固有振動数を高周波帯域にシフトさせた一例を示すグラフである。３点支持構造の加速度センサにおいて、固有振動数を高周波帯域にシフトさせた他の一例を示すグラフである。固有振動数で振動する振動モードだけでなく、回転・ねじれに起因する不要モードも、１／ｆノイズの少ない高周波帯域側にシフトさせる技術的思想を示すグラフである。実施の形態１における加速度センサの全体構成を示す断面図である。実施の形態１におけるセンサエレメントの断面構成を示す模式図である。実施の形態１におけるセンサエレメントの平面構成を示す図である。実施の形態１におけるセンサエレメントにおいて、基板歪に起因して、質量体の一部を構成する第１部位および第２部位に変形が発生している様子を示す図である。実施の形態１における加速度センサの回路構成を示す回路ブロック図である。変形例１におけるセンサエレメントの構成を示す平面図である。変形例２におけるセンサエレメントの構成を示す平面図である。実施の形態２における角速度センサのセンサエレメントの平面構成を示す模式図である。実施の形態２における角速度センサの駆動振動を制御する回路構成を示す回路ブロック図である。実施の形態２における角速度センサの検出回路の構成を示す回路ブロック図である。

　以下の実施の形態においては便宜上その必要があるときは、複数のセクションまたは実施の形態に分割して説明するが、特に明示した場合を除き、それらはお互いに無関係なものではなく、一方は他方の一部または全部の変形例、詳細、補足説明等の関係にある。

　また、以下の実施の形態において、要素の数等（個数、数値、量、範囲等を含む）に言及する場合、特に明示した場合および原理的に明らかに特定の数に限定される場合等を除き、その特定の数に限定されるものではなく、特定の数以上でも以下でもよい。

　さらに、以下の実施の形態において、その構成要素（要素ステップ等も含む）は、特に明示した場合および原理的に明らかに必須であると考えられる場合等を除き、必ずしも必須のものではないことは言うまでもない。

　同様に、以下の実施の形態において、構成要素等の形状、位置関係等に言及するときは、特に明示した場合および原理的に明らかにそうではないと考えられる場合等を除き、実質的にその形状等に近似または類似するもの等を含むものとする。このことは、上記数値および範囲についても同様である。

　また、実施の形態を説明するための全図において、同一の部材には原則として同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。なお、図面をわかりやすくするために平面図であってもハッチングを付す場合がある。

　（実施の形態１）
　＜関連技術の説明＞
　本実施の形態１では、慣性センサの一例として、加速度センサを取り挙げて説明する。

　まず、一般的な加速度センサの基本的な動作原理について簡単に説明する。例えば、加速度センサは、第１方向であるＸ方向に変位することができる質量体を有している。つまり、質量体はＸ方向に加速度が印加されると、Ｘ方向に変位する。この質量体には検出用可動電極が形成されており、この検出用可動電極と相対するように検出用固定電極が形成されている。この場合、質量体が変位すると、これに伴って検出用可動電極が変位する。一方、検出用固定電極は固定されたまま変位しない。したがって、Ｘ方向に加速度が印加されて質量体が変位すると、検出用可動電極と検出用固定電極からなる容量素子の電極間距離が変化する。容量素子の電極間距離が変化するということは、容量素子の電気容量（静電容量）が変化することを意味している。このように、Ｘ方向に加速度が印加されると、Ｘ方向に質量体が変位し、その結果、容量素子の静電容量が変化する。この容量変化は、電圧変換部で電圧信号に変換され、変換された電気信号に基づいて加速度信号が加速度センサから出力される。このことから、加速度センサに印加された加速度は、容量素子の容量変化として検出され、検出された容量変化は電圧信号に変換されて最終的に加速度信号が加速度センサから出力されることになる。

　このように加速度センサにおいては、外部から加速度が印加されると質量体が変位するように構成されていることになる。つまり、加速度センサにおいては、外部から加速度が加わった場合に質量体が変位するように構成され、この質量体の変位を電気容量（静電容量）の変化として捉えて、加速度を検出するように構成されている。

　したがって、加速度センサは、質量体と、この質量体と固定部とを接続する弾性変形可能な梁から構成されることになる。この結果、加速度センサにおいては、質量体と梁で構成される振動系が必然的に構成されることになる。このことから、加速度センサには、質量体の質量と、梁のばね定数で規定される固有振動数が存在することになる。

　図１は、加速度センサの周波数特性を示すグラフである。図１において、横軸は、加速度センサを構成する振動系の角振動数ω（＝２πｆ）を示しており、縦軸は、振動系の振幅の大きさを示している。図１に示すように、例えば、加速度センサを構成する振動系においては、角振動数ω０にピークが存在することがわかる。このことは、加速度センサを構成する振動系が角振動数ω０で振動しやすくなっていることを意味している。この角振動数ω０が固有振動数に対応し、この固有振動数で加速度センサを構成する振動系が共振するため、固有振動数に対応する周波数は、共振周波数とも呼ばれる。

　この固有振動数は、加速度センサにおいて加速度を検出する観点からは、本来不要であるが、加速度センサに振動系が構成されることから、必然的に存在することになり、加速度センサの検出精度を向上する観点から、固有振動数に対する配慮が必要となる。

　すなわち、加速度センサの固有振動数が存在する周波数帯域には、ノイズが少ないことが望ましい。なぜなら、加速度センサの固有振動数が存在する周波数帯域にノイズが存在すると、振動外乱に対応するノイズに加速度センサの固有振動数が共振して、質量体が振動してしまうからである。つまり、外部から加速度が印加されていないにも関わらず、振動外乱に対応するノイズに加速度センサの固有振動数が共振することによって、質量体に大きな振動が発生し、あたかも、外部から加速度が印加されたかのように誤動作したり、さらには、加速度センサの故障を引き起こすことが懸念されるのである。このことから、加速度センサにおいては、固有振動数をノイズの少ない周波数帯域に存在するように、加速度センサを構成することにより、加速度センサの固有振動数と、振動外乱に対応するノイズとを分離することが重要となってくる。

　この点に関し、加速度センサが配置される周囲の環境下には、１／ｆノイズと呼ばれるノイズが存在する。図２は、１／ｆノイズの周波数依存性を示す模式的なグラフである。図２において、横軸は周波数を示しており、縦軸は１／ｆノイズの大きさを示している。図２に示すように、１／ｆノイズとは、周波数に反比例するノイズであり、信号の周波数が低くなると大きくなり、信号の周波数が高くなるにつれて小さくなる特徴がある。

　このことから、加速度センサの固有振動数が低い周波数帯域に存在すると、１／ｆノイズも大きくなる。この結果、振動外乱に対応するノイズに加速度センサの固有振動数が共振して、外部から加速度が印加されていないにも関わらず、質量体が振動してしまうおそれが高まる。したがって、振動外乱に対応するノイズとして１／ｆノイズを考慮した場合、加速度センサの固有振動数は、１／ｆノイズの少ない高周波帯域にシフトさせることが望ましいことがわかる。すなわち、１／ｆノイズを考えると、加速度センサの固有振動数を振動外乱に対応するノイズから良好に分離するためには、できるだけ、加速度センサの固有振動数を高周波帯域にシフトさせるように加速度センサを構成することが重要であることがわかる。

　ここで、特許文献１に記載された技術では、質量体の四隅を単純に梁で支持することにより、質量体を懸架して振動系を構成している。この技術の場合、梁の長さを調整することにより、梁のばね定数を容易に変化させることができる。このため、質量体の質量と、梁のばね定数で規定される固有振動数を容易に調整することができる。つまり、特許文献１に記載された振動系においては、固有振動数を容易に高周波帯域にシフトすることができ、これによって、１／ｆノイズに代表される振動外乱と、加速度センサの固有振動数を容易に分離することができると考えられる。

　ところが、加速度センサにおいては、振動外乱に対する対策の他に、温度変化に対する対策も必要とされる。例えば、加速度センサが置かれている周囲の温度変化や、加速度センサの実装部材の経時変化によって、加速度センサに歪が発生する。この結果、加速度センサを構成する梁に内部応力が発生し、梁のばね定数が変化する。梁のばね定数が変化するということは、質量体の質量と、梁のばね定数で規定される固有振動数が変化することを意味する。固有振動数が変化するということは、加速度センサの特性変動が生じることを意味している。したがって、加速度センサの特性変動を抑制するためには、加速度センサが置かれている周囲の温度変化に対する対策も必要とされることがわかる。

　この点に関し、特許文献１に記載された技術では、質量体が変形しにくい構造となっている。このことから、実装部材の経時変化や周囲の温度変化によって、加速度センサに歪が発生した場合、この歪を吸収するために、質量体を懸架している梁に内部応力が発生しやすくなる。この結果、特許文献１に記載された技術では、梁に加わる内部応力によって梁のばね定数が変化しやすく、加速度センサの固有振動数が変動しやすくなる。つまり、特許文献１に記載された技術では、実装部材の経時変化や周囲の温度変化に起因して固有振動数の変動が起こりやすい構成をしていることになり、加速度センサの特性変動が懸念されることになる。

　一般的に、実装部材の経時変化や周囲の温度変化に起因する加速度センサの特性変動については、初期の特性補正と、意図的に周囲の温度変化を起こさせて、各温度点での特性が仕様の範囲内に入るように電気的な補正が行なわれている。このことから、特許文献１に記載された技術では、多数の温度点で性能を確認し、複雑な補正演算を行なう必要があるため、製造コストの上昇が懸念される。すなわち、加速度センサの各温度点における出力値が非線形的な挙動を示す場合には、補正のために多くの温度点における出力値と、複雑な補正演算処理が必要となり、製造コストの上昇に繋がる。

　さらには、１／ｆノイズに代表される振動外乱と、加速度センサの固有振動数とを分離したとしても、固有振動数に隣接した周波数帯域に振動外乱が存在する場合には、温度変化によって固有振動数が変化することから、特定温度では、固有振動数と振動外乱が一致することが考えられる。この場合、加速度センサの誤動作や故障が懸念される。

　以上のことから、特許文献１に記載された技術では、振動外乱に対する対策は容易であるにしても、温度変化に対する対策は複雑であることがわかる。すなわち、特許文献１に記載された技術は、振動外乱と固有振動数の分離を容易に実施することができる一方、温度変化に基づく固有振動数の変動を抑制する観点から、改善の余地が存在する。

　そこで、非特許文献１に記載された技術が提案されている。非特許文献１に記載された加速度センサは、開放型の質量体を３点支持し、開放端における２点においては、対称型の支持梁を設け、残る１点においては、中心軸上で質量体を接続する構成を有している。

　このような構成をしている加速度センサによれば、支持梁の長さを調整することにより、支持梁のばね定数を容易に変化させることができる。このため、質量体の質量と、支持梁のばね定数で規定される固有振動数を容易に調整することができる。つまり、非特許文献１に記載された振動系においても、固有振動数を容易に高周波帯域にシフトすることができ、これによって、１／ｆノイズに代表される振動外乱と、加速度センサの固有振動数を容易に分離することができる。

　さらに、非特許文献１に記載されている加速度センサによれば、例えば、温度変化などに起因して、加速度センサに歪が発生した場合、開放型の質量体の変形により歪の一部が吸収される。そして、歪の残りは、対称型の支持梁の内部応力として加わることになる。このとき、対称型の支持梁においては、一方の支持梁に引張応力が加わった場合、他方の支持梁には圧縮応力が加わるように構成されている。この結果、対称型の支持梁全体としては、引張応力と圧縮応力が相殺されることになる。このため、対称型の支持梁全体として、ばね定数の変動が抑制される。つまり、非特許文献１に記載された技術では、開放型の質量体を採用している点と、対称型の支持梁を採用している点により、温度変化などで発生した歪に起因する支持梁のばね定数の変動を抑制できるのである。したがって、非特許文献１に記載された技術では、ばね定数の変動を抑制できるので、温度変化に起因する振動系の固有振動数の変動を抑制できることがわかる。

　このことから、非特許文献１に記載された技術によれば、広い範囲で温度変化が生じても、振動系の固有振動数の変動を抑制することができるため、信号処理回路による高度な温度特性補正が不要となる。この結果、非特許文献１に記載された技術によれば、加速度センサの高信頼化、信号処理回路の小型化、および、加速度センサの出荷時の温度特性補正の簡素化を図ることができ、これによって、加速度センサの低コスト化を図ることができる。

　以上のように、非特許文献１に記載された技術は、振動外乱に対する対策が容易であるとともに、温度変化に対しても充分に対応できることがわかる。すなわち、非特許文献１に記載された技術は、振動外乱と固有振動数の分離を容易に実施することができるとともに、温度変化に基づく固有振動数の変動も充分に抑制することができるのである。

　ところが、本発明者が非特許文献１に記載された技術を検討したところ、非特許文献１に記載されている３点支持構造の加速度センサには、さらなる改善の余地が存在することを見出した。つまり、非特許文献１に記載された技術には、３点支持構造に特有の改善の余地が存在する。以下に、この点について説明する。

　３点支持構造の加速度センサにおいては、固有振動数で、例えば、第１方向（Ｘ方向）に振動する振動モードの他に、中心軸回りの回転・ねじれに起因するモードも存在する。ここで、本明細書では、３点支持構造において、中心軸回りの回転・ねじれに起因するモードを不要モードと呼ぶことにする。すなわち、３点支持構造の加速度センサにおいては、固有振動数で振動する振動モードの他に、回転・ねじれに起因する不要モードも存在するのである。この場合、３点支持構造の加速度センサでは、不要モードの存在によって、改善の余地が存在することになる。

　図３は、３点支持構造の加速度センサにおける周波数特性を示すグラフである。図３において、横軸は、３点支持構造の加速度センサを構成する振動系の角振動数ωを示しており、縦軸は、振動系の振幅の大きさを示している。図３に示すように、例えば、３点支持構造の加速度センサを構成する振動系においては、角振動数ω０にピークが存在することがわかる。このことは、３点支持構造の加速度センサを構成する振動系が角振動数ω０で振動しやすくなっていることを意味している。この角振動数ω０が固有振動数に対応し、角振動数ω０におけるピークは、固有振動数で振動する振動モードに対応するピークである。

　さらに、図３に示すように、３点支持構造の加速度センサにおいては、角振動数ω１にもピークが存在する。この角振動数ω１におけるピークは、回転・ねじれに起因する不要モードに対応するピークである。したがって、３点支持構造の加速度センサにおいては、固有振動数で振動する振動モードとともに、回転・ねじれに起因する不要モードも存在することがわかる。

　ここで、１／ｆノイズを考えると、３点支持構造の加速度センサにおいても、振動モードの固有振動数を振動外乱に対応するノイズから良好に分離する必要がある。このことから、できるだけ、３点支持構造の加速度センサにおいても、振動モードの固有振動数を高周波帯域にシフトさせるように３点支持構造の加速度センサを構成することが重要であることがわかる。

　図４は、３点支持構造の加速度センサにおいて、振動モードの固有振動数を高周波帯域にシフトさせた一例を示すグラフである。図４を見てわかるように、振動モードの固有振動数が高周波帯域にシフトした結果、例えば、回転・ねじれに起因する不要モードの固有振動数と、振動モードの固有振動数が重なってしまうことがわかる。この場合、振動モードと不要モードが混じるため、加速度センサに誤動作が生じるおそれが高まることになる。

　一方、図５は、３点支持構造の加速度センサにおいて、振動モードの固有振動数を高周波帯域にシフトさせた他の一例を示すグラフである。図５を見てわかるように、振動モードの固有振動数が高周波帯域にシフトした結果、振動モードと不要モードが重なることなく、回転・ねじれに起因する不要モードよりも高周波帯域側に、振動モードの固有振動数が位置することがわかる。つまり、図５に示すように、３点支持構造の加速度センサにおいても、振動モードと不要モードが重ならないように、振動モードの固有振動数を高周波帯域にシフトすることにより、１／ｆノイズに代表される振動外乱と、加速度センサの固有振動数を容易に分離することができると考えられる。

　しかしながら、３点支持構造の加速度センサにおいては、回転・ねじれに起因する不要モードが存在する。したがって、単に、振動モードの固有振動数を不要モードと重ならないように高周波帯域側にシフトさせただけでは、依然として、不要モードの固有振動数が低周波帯域に位置することになる。この場合、回転・ねじれに起因する不要モードの固有振動数が低い周波数帯域に存在すると、１／ｆノイズの影響を受けやすくなる。この結果、振動外乱に対応するノイズに不要モードの固有振動数が共振して、外部から加速度が印加されていないにも関わらず、質量体が回転・ねじれに代表される不所望な挙動を示すおそれが高まる。したがって、振動外乱に対応するノイズとして１／ｆノイズを考慮した場合、不要モードの固有振動数も、１／ｆノイズの少ない高周波帯域にシフトさせることが望ましいことがわかる。すなわち、１／ｆノイズを考えると、３点支持構造の加速度センサの不要モードも振動外乱に対応するノイズから良好に分離する必要があり、できるだけ、不要モードの固有振動数を高周波帯域にシフトさせるように、３点支持構造の加速度センサを構成することが重要であることがわかる。

　そこで、本実施の形態１における加速度センサでは、振動外乱と振動モードの固有振動数の分離を容易に実施することができるとともに、温度変化に基づく固有振動数の変動も充分に抑制する観点から、３点支持構造を採用することを前提とする。そして、本実施の形態１では、３点支持構造の加速度センサに存在する特有の課題を解決する工夫を施している。以下に、この工夫を施した本実施の形態１における加速度センサについて説明する。

　＜実施の形態１における基本思想＞
　３点支持構造の加速度センサにおいては、固有振動数で振動する振動モードとともに、回転・ねじれに起因する不要モードも存在する。このことから、３点支持構造の加速度センサでは、単に、振動モードの固有振動数を高周波帯域側にシフトさせただけでは充分ではなく、回転・ねじれに起因する不要モードの固有振動数も高周波帯域側にシフトさせる構成を取る必要がある。すなわち、本実施の形態１では、例えば、図６に示すように、振動外乱に対応するノイズとして１／ｆノイズを考慮した場合、振動モードの固有振動数だけでなく、回転・ねじれに起因する不要モードの固有振動数も、１／ｆノイズの少ない高周波帯域側にシフトさせる構成を基本思想とするものである。以下に、この基本思想を具現化した３点支持構造の加速度センサの構成について説明する。

　＜実施の形態１における加速度センサの全体構成＞
　まず、本実施の形態１における加速度センサの全体構成について、図面を参照しながら説明する。図７は、本実施の形態１における加速度センサＳ１の全体構成を示す断面図である。図７に示すように、本実施の形態１における加速度センサＳ１は、リードＬＤと一体的に形成されたチップ搭載部ＴＡＢ上に、接着材ＡＤＨ１を介して半導体チップＣＨＰ１が搭載されている。そして、この半導体チップＣＨＰ１上には、接着材ＡＤＨ２を介して、センサエレメントＳＥ１が搭載されている。

　このとき、半導体チップＣＨＰ１には、例えば、ＭＩＳＦＥＴ（Metal Insulator Semiconductor Field Effect Transistor）などに代表される半導体素子や多層配線からなる集積回路が形成されている。一方、センサエレメントＳＥ１には、半導体微細加工技術を使用することにより、例えば、３点支持構造を有する加速度センサの構造体が形成されている。つまり、本実施の形態１における加速度センサＳ１は、集積回路が形成された半導体チップＣＨＰ１と、３点支持構造を有する構造体が形成されたセンサエレメントＳＥ１を有し、半導体チップＣＨＰ１とセンサエレメントＳＥ１を電気的に接続することにより、３点支持構造の加速度センサＳ１が構成されていることになる。

　したがって、例えば、センサエレメントＳＥ１と半導体チップＣＨＰ１は、例えば、金属線からなるワイヤＷ１で電気的に接続され、半導体チップＣＨＰ１とリードＬＤは、例えば、金属線からなるワイヤＷ２で電気的に接続されている。

　これにより、センサエレメントＳＥ１に形成されている３点支持構造の構造体で、加速度に対応した質量体の変位が生じるとともに、センサエレメントＳＥ１内に設けられた加速度検出部で、この質量体の変位を電気容量の変化として捉えるようになっている。そして、センサエレメントＳＥ１内の加速度検出部で検出された電気容量の変化は、センサエレメントＳＥ１とワイヤＷ１で電気的に接続されている半導体チップＣＨＰ１へ出力され、半導体チップＣＨＰ１内に形成されている信号処理回路で信号処理される。その後、半導体チップＣＨＰ１とワイヤＷ２で電気的に接続されているリードＬＤへ加速度信号が出力されるようになっている。

　さらに、本実施の形態１における加速度センサＳ１では、センサエレメントＳＥ１、半導体チップＣＨＰ１、ワイヤＷ１、ワイヤＷ２、および、リードＬＤの一部が、例えば、熱硬化性樹脂からなる樹脂ＭＲで封止されている。このように構成されている本実施の形態１における加速度センサＳ１は、例えば、より上位のシステムに組み込まれ、検出した加速度信号を上位システムに供給するように構成されている。

　＜実施の形態１におけるセンサエレメントの断面構成＞
　続いて、本実施の形態１におけるセンサエレメントＳＥ１の断面構成について説明する。図８は、本実施の形態１におけるセンサエレメントＳＥ１の断面構成を示す模式図である。図８において、本実施の形態１におけるセンサエレメントＳＥ１には、後述する質量体や固定部や梁などの機械的な構成要素を形成するため、例えば、絶縁層１ｂ付きの支持基板１ａ上に導体層１ｃが貼り合わされている基板１Ｓが使用されている。すなわち、図８に示すように、基板１Ｓにおいて、支持基板１ａ上に絶縁層１ｂが形成されており、この絶縁層１ｂ上に導体層１ｃが形成されている。支持基板１ａは、例えば、シリコン（Ｓｉ）より形成され、絶縁層１ｂは、例えば、酸化シリコン（ＳｉＯ_２）より形成されている。さらに、絶縁層１ｂ上に形成されている導体層１ｃは、例えば、導電性シリコンより形成されている。

　支持基板１ａと絶縁層１ｂとの総厚は、例えば、数十μｍ～数百μｍであり、導体層１ｃの厚さは、例えば、数μｍ～数十μｍである。本実施の形態１では、例えば、酸化シリコン膜（絶縁層１ｂ）を形成したシリコン基板（支持基板１ａ）に、導体層１ｃとして、導電性シリコンを貼り合せた基板１Ｓを使用しているが、基板１Ｓは、これに限定されるものではなく、種々変更可能である。例えば、表面ＭＥＭＳ技術を使用した導電性ポリシリコン、または、例えば、ニッケル（Ｎｉ）などのめっき金属を導体層１ｃとして使用してもよい。

　本実施の形態１におけるセンサエレメントＳＥ１の各構成要素は、支持基板１ａ、絶縁層１ｂ、および、導体層１ｃを加工することにより形成される。具体的には、まず、絶縁層１ｂ上に光や電子ビームなどに反応するレジスト膜を塗布した後、フォトリソグラフィ技術や電子線描画技術を使用することにより、固定部ＦＵ３に代表される固定部と接続する部分以外の絶縁層１ｂ上のレジスト膜を除去する。

　次に、ＲＩＥ（Reactive Ion Etching）技術を使用したドライエッチング技術や、フッ酸を用いたウェットエッチング技術を駆使することにより、露出した絶縁層１ｂを除去する。さらに、必要に応じて、同じくＲＩＥ技術を使用したドライエッチング技術や、ＴＭＡＨやＫＯＨなどのアルカリ性薬品を使用したウェットエッチング技術を駆使することにより、露出した支持基板１ａの一部も除去する。これにより、図８に示す空間ＳＰを形成することができる。

　続いて、絶縁層１ｂ上に形成されているレジスト膜を除去した後、高温接合技術や表面活性化接合技術などを使用することにより、絶縁層１ｂ上に導体層１ｃを接合する。この導体層１ｃに対して、フォトリソグラフィ技術およびエッチング技術を使用することにより、質量体ＭＳや固定部ＦＵ３や梁などのセンサエレメントＳＥ１の機械的な構成要素を形成することができる。

　空間ＳＰは、質量体ＭＳが変位可能なように設けられている一方、質量体ＭＳが静電気などによって支持基板１ａに付着することを防止するとともに、質量体ＭＳが衝撃などによって変位し、固定部ＦＵ３などと同じ導体層１ｃ上の他の構成要素上に乗り上がることを防ぐストッパとしても機能するように設けられている。さらに、センサエレメントＳＥ１を構成する質量体ＭＳなどの機械的な構成要素を真空状態に気密封止する場合は、空間ＳＰを設けることにより、支持基板１ａとキャップＣＡＰによって形成される密閉空間の体積を大きくすることができる。このため、外部からの微弱な気体分子の漏れがある場合や、密閉空間の内部の有機物や、何らかの化学反応によって長期間にわたって発生するアウトガスが存在する場合や、環境温度の変化による密閉空間内の気体分子の自由行程距離に変化がある場合でも、その影響を低減することができる。この結果、本実施の形態１によれば、長期信頼性や温度変化への耐性に優れた加速度センサＳ１を提供することができる。

　キャップＣＡＰには、例えば、図８に示すように、固定部ＦＵ３に達する貫通孔が設けられており、この貫通孔に絶縁膜ＩＦ１を介して導電材料が埋め込まれてビア（貫通電極）ＶＡが形成されている。このビアＶＡは、図８に示すように、キャップＣＡＰの一部を絶縁膜ＩＦ１で電気的に分離し、キャップＣＡＰを貫通するように形成される。そして、ビアＶＡと電気的に接続するパッドＰＤ１がキャップＣＡＰの絶縁膜ＩＦ１上にわたって形成されている。このパッドＰＤ１に、例えば、図７に示すワイヤＷ１が接続されることになる。一方、パッドＰＤ２は、キャップＣＡＰのビアＶＡに使われる以外の導体領域の電位を一定値に固定する機能を有し、信号処理回路が形成された半導体チップ内に存在する一定電圧に固定される。これにより、外部からの電磁波ノイズが加速度センサに悪影響を及ぼすことを抑制することができる。

　なお、本実施の形態１におけるセンサエレメントＳＥ１に使用されている基板１Ｓの替わりに、予めシリコン、酸化シリコン、シリコンの３層構造となっているＳＯＩ（Silicon On Insulator）基板を使用してもよく、この場合には、導体層１ｃを加工した後に、絶縁層１ｂが除去されることになる。

　＜実施の形態１におけるセンサエレメントの平面構成＞
　続いて、本実施の形態１におけるセンサエレメントＳＥ１の平面構成について、図面を参照しながら説明する。図９は、本実施の形態１におけるセンサエレメントＳＥ１の平面構成を示す図である。以下では、図面の横方向に延在する方向をＸ方向（第１方向）と定義し、図面の縦方向に延在する方向をＹ方向（第２方向）と定義する。さらに、Ｘ方向およびＹ方向の両方に垂直な方向（紙面に垂直な方向）をＺ方向と定義する。

　本実施の形態１におけるセンサエレメントＳＥ１は、図９に示す質量体ＭＳと、支持梁ＢＭ１Ａ～ＢＭ１Ｄ、支持梁ＢＭ２Ａ～ＢＭ２Ｄ、支持梁ＢＭ３、および、支持梁ＢＭ４によって、１つの振動系が形成される。

　質量体ＭＳは、第１方向であるＸ方向には柔軟で、第１方向に直交する第２方向であるＹ方向には硬い支持梁ＢＭ１Ａ～ＢＭ１Ｄ、支持梁ＢＭ２Ａ～ＢＭ２Ｄ、支持梁ＢＭ３、および、支持梁ＢＭ４を介して支持されている。

　図９において、本実施の形態１におけるセンサエレメントＳＥ１は、Ｘ方向に変位可能な質量体ＭＳを有している。この質量体ＭＳは、Ｘ方向に長い第１部位Ｐ１と、Ｘ方向に長い第２部位Ｐ２と、これらの第１部位Ｐ１と第２部位Ｐ２とを繋ぐようにＹ方向に延びる第３部位Ｐ３を含むように構成される。このため、質量体ＭＳは、片側が開放されたような形状を有していることになる。ここで、Ｙ方向に延びる第３部位Ｐ３は、Ｘ方向と直交するＹ方向に延びてもよいが、必ずしも、Ｙ方向と平行になっている必要はなく、第１部位Ｐ１と第２部位Ｐ２とを繋いでいればよい。さらに、第３部位Ｐ３は、Ｘ方向およびＹ方向のいずれの方向にも硬い構成となっている。これにより、Ｘ方向に振動する振動系の固有振動数を高くすることができる。

　第１部位Ｐ１は、Ｘ方向に延在するように構成され、第２部位Ｐ２は、Ｘ方向と直交するＹ方向に第１部位Ｐ１から所定距離だけ離間しながらＸ方向に延在するように構成されている。そして、第３部位Ｐ３は、第１部位Ｐ１と第２部位Ｐ２に連結するようにＹ方向に延在するように構成されている。

　例えば、Ｙ方向の中心を通る仮想線ＩＬ１に対して、第１部位Ｐ１と第２部位Ｐ２が対称に配置され、この第１部位Ｐ１と第２部位Ｐ２を接続するように第３部位Ｐ３が配置されている。そして、第１部位Ｐ１と第２部位Ｐ２と第３部位Ｐ３で構成される形状に内包されるように第４部位Ｐ４が配置されており、この第４部位Ｐ４は、第１部位Ｐ１と固定梁ＢＭ５で接続されているとともに、第２部位Ｐ２と固定梁ＢＭ６で接続されている。

　第１部位Ｐ１の端部近傍には、外側固定部ＯＦＵ１Ａおよび外側固定部ＯＦＵ１Ｂが配置されているとともに、内側固定部ＩＦＵ１Ａおよび内側固定部ＩＦＵ１Ｂが配置されている。特に、外側固定部ＯＦＵ１Ａ、外側固定部ＯＦＵ１Ｂ、内側固定部ＩＦＵ１Ａ、内側固定部ＩＦＵ１Ｂは、仮想線ＩＬ１に対して同じ側に配置されている。さらに、外側固定部ＯＦＵ１Ａと内側固定部ＩＦＵ１Ａは、第１部位Ｐ１に対して対称に配置されており、外側固定部ＯＦＵ１Ｂと内側固定部ＩＦＵ１Ｂも、第１部位Ｐ１に対して対称に配置されている。

　そして、第１部位Ｐ１の外側に自由端ＦＰ１が設けられており、第１部位Ｐ１と自由端ＦＰ１がＹ方向に延在する支持梁ＢＭ１Ｂで接続され、自由端ＦＰ１と外側固定部ＯＦＵ１ＡがＹ方向に延在する支持梁ＢＭ１Ａで接続されている。したがって、第１部位Ｐ１と外側固定部ＯＦＵ１Ａは、自由端ＦＰ１に接続された支持梁ＢＭ１Ａおよび支持梁ＢＭ１Ｂで接続されていることになる。同様に、第１部位Ｐ１と自由端ＦＰ１がＹ方向に延在する支持梁ＢＭ１Ｂで接続され、自由端ＦＰ１と外側固定部ＯＦＵ１ＢがＹ方向に延在する支持梁ＢＭ１Ａで接続されている。したがって、第１部位Ｐ１と外側固定部ＯＦＵ１Ｂも、自由端ＦＰ１に接続された支持梁ＢＭ１Ａおよび支持梁ＢＭ１Ｂで接続されていることになる。

　さらに、第１部位Ｐ１の内側に自由端ＦＰ２が設けられており、第１部位Ｐ１と自由端ＦＰ２がＹ方向に延在する支持梁ＢＭ１Ｄで接続され、自由端ＦＰ２と内側固定部ＩＦＵ１ＡがＹ方向に延在する支持梁ＢＭ１Ｃで接続されている。したがって、第１部位Ｐ１と内側固定部ＩＦＵ１Ａは、自由端ＦＰ２に接続された支持梁ＢＭ１Ｃおよび支持梁ＢＭ１Ｄで接続されていることになる。同様に、第１部位Ｐ１と自由端ＦＰ２がＹ方向に延在する支持梁ＢＭ１Ｄで接続され、自由端ＦＰ２と内側固定部ＩＦＵ１ＢがＹ方向に延在する支持梁ＢＭ１Ｃで接続されている。したがって、第１部位Ｐ１と内側固定部ＩＦＵ１Ｂも、自由端ＦＰ２に接続された支持梁ＢＭ１Ｃおよび支持梁ＢＭ１Ｄで接続されていることになる。

　また、第２部位Ｐ２の内側に自由端ＦＰ３が設けられており、第２部位Ｐ２と自由端ＦＰ３がＹ方向に延在する支持梁ＢＭ２Ｂで接続され、自由端ＦＰ３と内側固定部ＩＦＵ２ＡがＹ方向に延在する支持梁ＢＭ２Ａで接続されている。したがって、第２部位Ｐ２と内側固定部ＩＦＵ２Ａは、自由端ＦＰ３に接続された支持梁ＢＭ２Ａおよび支持梁ＢＭ２Ｂで接続されていることになる。同様に、第２部位Ｐ２と自由端ＦＰ３がＹ方向に延在する支持梁ＢＭ２Ｂで接続され、自由端ＦＰ３と内側固定部ＩＦＵ２ＢがＹ方向に延在する支持梁ＢＭ２Ａで接続されている。したがって、第２部位Ｐ２と内側固定部ＩＦＵ２Ｂも、自由端ＦＰ３に接続された支持梁ＢＭ２Ａおよび支持梁ＢＭ２Ｂで接続されていることになる。

　さらに、第２部位Ｐ２の外側に自由端ＦＰ４が設けられており、第２部位Ｐ２と自由端ＦＰ４がＹ方向に延在する支持梁ＢＭ２Ｄで接続され、自由端ＦＰ４と外側固定部ＯＦＵ２ＡがＹ方向に延在する支持梁ＢＭ２Ｃで接続されている。したがって、第２部位Ｐ２と外側固定部ＯＦＵ２Ａは、自由端ＦＰ４に接続された支持梁ＢＭ２Ｃおよび支持梁ＢＭ２Ｄで接続されていることになる。同様に、第２部位Ｐ２と自由端ＦＰ４がＹ方向に延在する支持梁ＢＭ２Ｄで接続され、自由端ＦＰ４と外側固定部ＯＦＵ２ＢがＹ方向に延在する支持梁ＢＭ２Ｃで接続されている。したがって、第２部位Ｐ２と外側固定部ＯＦＵ２Ｂも、自由端ＦＰ４に接続された支持梁ＢＭ２Ｃおよび支持梁ＢＭ２Ｄで接続されていることになる。

　次に、本実施の形態１におけるセンサエレメントＳＥ１においては、図９に示すように、Ｙ方向の中心を通る仮想線ＩＬ１上に固定部ＦＵ３が設けられており、この固定部ＦＵ３に、Ｙ方向に延在する延長部ＥＸＵが接続されている。この延長部ＥＸＵは、Ｙ方向に長く、かつ、Ｘ方向の幅が、その他の支持梁ＢＭ１Ａ～ＢＭ１Ｄ、支持梁ＢＭ２Ａ～ＢＭ２Ｄ、支持梁ＢＭ３、および、支持梁ＢＭ４に比較して充分に大きい。このため、延長部ＥＸＵは、Ｘ方向およびＹ方向を含むいずれの方向にも動きにくくなっている。

　そして、質量体ＭＳの一部を構成する第３部位Ｐ３と延長部ＥＸＵが、支持梁ＢＭ３で接続されているとともに、支持梁ＢＭ４で接続されている。このとき、支持梁ＢＭ３と支持梁ＢＭ４は、仮想線ＩＬ１に対して反対側に配置されている。例えば、支持梁ＢＭ３と支持梁ＢＭ４は、仮想線ＩＬ１に対して対称に配置されている。

　さらに、本実施の形態１におけるセンサエレメントＳＥ１においては、図９に示すように、質量体ＭＳが第１部位Ｐ１～第３部位Ｐ３の他に第４部位Ｐ４を備えている。この第４部位Ｐ４は、第３部位Ｐ３に接続しながら、Ｘ方向には硬く、Ｙ方向には柔らかい固定梁ＢＭ５を介して、Ｘ方向に長い第１部位Ｐ１と接続されている。同様に、第４部位Ｐ４は、Ｘ方向には硬く、Ｙ方向には柔らかい固定梁ＢＭ６を介して、Ｘ方向に長い第２部位Ｐ２と接続されている。そして、質量体ＭＳの一部を構成する第４部位Ｐ４に内包されるように加速度検出部ＡＳＵが形成されている。

　具体的には、この加速度検出部ＡＳＵは、第４部位Ｐ４と一体的に形成された検出用可動電極と、固定部材に固定された検出用固定電極を含むように構成される。この場合、外部からＸ方向に加速度が印加されると、質量体ＭＳがＸ方向に変位する。したがって、質量体ＭＳの一部を構成する第４部位Ｐ４もＸ方向に変位し、第４部位Ｐ４と一体的に形成されている検出用可動電極もＸ方向に変位する。

　一方、検出用固定電極は、固定部材に接続されていることから、加速度が印加されても変位しない。このため、検出用可動電極と検出用固定電極との間の距離が変化する。このことは、検出用可動電極と検出用固定電極で構成される静電容量素子の静電容量（電気容量）が変化することを意味する。このようにして、加速度検出部ＡＳＵは、質量体ＭＳの変位を静電容量の変化として捉えるように構成されていることになる。

　この加速度検出部ＡＳＵは、例えば、質量体ＭＳの＋Ｘ方向の変位に対して、静電容量が増加する容量素子と、静電容量が減少する容量素子とを含むように構成することができ、これによって、差動検出を実現することができる。差動検出の利点としては、容量素子の誤差に起因する初期容量のばらつきの影響を低減できることなどを挙げることができる。

　＜実施の形態１における特徴＞
　本実施の形態１におけるセンサエレメントＳＥ１は上記のように構成されており、以下に、その特徴点について説明する。本実施の形態１における第１特徴点は、例えば、図９に示すように、固定部ＦＵ３と接続するように延長部ＥＸＵを設け、この延長部ＥＸＵと、質量体ＭＳの一部を構成する第３部位Ｐ３とを、支持梁ＢＭ３および支持梁ＢＭ４で接続し、支持梁ＢＭ３と支持梁ＢＭ４とを仮想線ＩＬ１に対して反対側に配置する点にある。

　これにより、仮想線ＩＬ１を中心線とする質量体ＭＳの回転およびねじれの発生を抑制することができる。すなわち、本実施の形態１では、延長部ＥＸＵと第３部位Ｐ３とを２つの支持梁ＢＭ３と支持梁ＢＭ４で接続するように構成し、かつ、支持梁ＢＭ３と支持梁ＢＭ４を仮想線ＩＬ１に対して反対側に配置することにより、仮想線ＩＬ１回りにおいて、質量体ＭＳの回転およびねじれを発生しにくくしている。このことは、質量体ＭＳの回転剛性（回転のしにくさ）が高まることを意味する。言い換えれば、本実施の形態１によれば、質量体ＭＳの回転・ねじれに起因する不要モードの固有振動数を高周波帯域にシフトさせることができることを意味する。

　一般的に、ばね定数がｋ、変位可能な質量体の質量をｍ、固有振動数をｆとすると、角振動数ω＝２πｆ＝√（ｋ／ｍ）（式１）となる。この式（１）から、回転・ねじれに起因する不要モードの固有振動数を求めることができる。この不要モードに式（１）を適用する場合には、ばね定数ｋに回転剛性（回転のしにくさ）が対応し、質量ｍに仮想線ＩＬ１回りの慣性モーメントが対応する。ここで、本実施の形態１によれば、図９に示すように、固定部ＦＵ３と接続するように延長部ＥＸＵを設け、この延長部ＥＸＵと、質量体ＭＳの一部を構成する第３部位Ｐ３とを、支持梁ＢＭ３および支持梁ＢＭ４で接続し、支持梁ＢＭ３と支持梁ＢＭ４とを仮想線ＩＬ１に対して反対側に配置する第１特徴点を採用している。この第１特徴点の構成と、固定部ＦＵ３と第３部位Ｐ３とを仮想線ＩＬ１上に配置される１本の支持梁で支持する構成とを比較すると、慣性モーメントは同じである一方、回転剛性（回転のしにくさ）は本実施の形態１の構成の方が高くなる。このことは、式（１）において、回転剛性（回転のしにくさ）に対応するばね定数ｋが大きくなることを意味する。したがって、式（１）から、ばね定数ｋが大きくなると、不要モードの固有振動数が大きくなることになる。

　このようなことから、本実施の形態１によれば、質量体ＭＳの回転・ねじれに起因する不要モードの固有振動数を高周波帯域にシフトさせることができることになる。すなわち、本実施の形態１によれば、上述した第１特徴点を有することにより、１／ｆノイズの少ない高周波帯域に質量体ＭＳの回転・ねじれに起因する不要モードの固有振動数をシフトさせることができる。このため、振動外乱に対応するノイズに不要モードの固有振動数が共振して、外部から加速度が印加されていないにも関わらず、質量体が回転・ねじれに代表される不所望な挙動を示すおそれを低減することができる。

　一方で、図９に示す本実施の形態１におけるセンサエレメントＳＥ１において、第１部位Ｐ１と接続する外側固定部ＯＦＵ１Ａ、ＯＦＵ１Ｂおよび内側固定部ＩＦＵ１Ａ、ＩＦＵ１Ｂを一体的な１つの固定部と考え、第２部位Ｐ２と接続する外側固定部ＯＦＵ２Ａ、ＯＦＵ２Ｂおよび内側固定部ＩＦＵ２Ａ、ＩＦＵ２Ｂを一体的な１つの固定部と考える。すると、図９に示す本実施の形態１におけるセンサエレメントＳＥ１は、上述した２つの固定部と、固定部ＦＵ３による３点支持構造をしていることになる。つまり、本実施の形態１におけるセンサエレメントＳＥ１は、基本的に、３つの固定部で質量体ＭＳが支持される３点支持構造をしていることがわかる。したがって、本実施の形態１におけるセンサエレメントＳＥ１も、非特許文献１に記載されている３点支持構造の加速度センサと同様に、振動外乱と振動系の固有振動数の分離を容易に実施することができるとともに、温度変化に基づく固有振動数の変動も充分に抑制することができる。つまり、本実施の形態１におけるセンサエレメントＳＥ１においても、容易に、Ｘ方向に質量体ＭＳが振動する振動系の固有振動数を高周波帯域にシフトさせることができる。

　一方で、本実施の形態１におけるセンサエレメントＳＥ１においては、非特許文献１に記載された加速度センサとは異なり、固定部ＦＵ３と第３部位Ｐ３とを仮想線ＩＬ１上に配置される１本の支持梁で支持してはいない。具体的に、本実施の形態１におけるセンサエレメントＳＥ１においては、例えば、図９に示すように、固定部ＦＵ３と接続するように延長部ＥＸＵを設け、この延長部ＥＸＵと、質量体ＭＳの一部を構成する第３部位Ｐ３とを、支持梁ＢＭ３および支持梁ＢＭ４で接続し、支持梁ＢＭ３と支持梁ＢＭ４とを仮想線ＩＬ１に対して反対側に配置している。

　ここで、支持梁ＢＭ１Ａ～ＢＭ１Ｄを１つの支持梁と考え、支持梁ＢＭ２Ａ～ＢＭ２Ｄを１つの支持梁と考えると、本実施の形態１における質量体ＭＳは、上述した２つの支持梁と、支持梁ＢＭ３、および、支持梁ＢＭ４によって接続されていることになる。つまり、本実施の形態１では、基本的に３つの固定部で質量体ＭＳを支持する３点支持構造を採用しながらも、質量体ＭＳを４つの支持梁で懸架する構成が採用されている。この結果、本実施の形態１におけるセンサエレメントＳＥ１によれば、Ｘ方向に質量体ＭＳが振動する振動モードの固有振動数だけでなく、回転・ねじれに起因する不要モードの固有振動数も、１／ｆノイズの少ない高周波帯域側にシフトさせることができる。

　これにより、本実施の形態１におけるセンサエレメントＳＥ１では、質量体ＭＳがＸ方向に振動する振動モードだけでなく、回転・ねじれに起因する不要モードにおいても、振動外乱と固有振動数の分離を容易に実施することができるとともに、温度変化に基づく固有振動数の変動も充分に抑制できる加速度センサＳ１を提供することができる。すなわち、本実施の形態１における加速度センサＳ１によれば、加速度センサＳ１の実装環境における温度変化や振動外乱に影響を受けにくい（ロバストな）加速度センサＳ１を提供することができる。

　なお、本実施の形態１においては、質量体ＭＳ、支持梁ＢＭ１Ａ～ＢＭ１Ｄ、支持梁ＢＭ２Ａ～ＢＭ２Ｄ、支持梁ＢＭ３、および、支持梁ＢＭ４で構成される振動系のうち、最も周波数の低いモードは、質量体ＭＳがＸ方向に振動する振動モードとなっている。

　上述したように、本実施の形態１におけるセンサエレメントＳＥ１においては、温度変化に基づく固有振動数の変動も充分に抑制できるが、この特徴点について説明する。

　本実施の形態１における加速度センサＳ１は、例えば、図７に示すように、半導体チップＣＨＰ１、接着材ＡＤＨ１、ＡＤＨ２、リードＬＤ、センサエレメントＳＥ１などの異種材料が積層される構造となっている。また、センサエレメントＳＥ１および半導体チップＣＨＰ１を含む上述した構成要素は、樹脂ＭＲで封止されている。すなわち、本実施の形態１における加速度センサＳ１は、線膨張係数の異なる複数材料の積層構造として構成される。このような積層構造を有する加速度センサＳ１が、例えば、車のエンジンルームなどの温度変化の激しい場所で使用される場合には、それぞれの構成材料の線膨張係数の差によって、センサエレメントＳＥ１が変形し、外側固定部ＯＦＵ１Ａ～ＯＦＵ２Ｂ、内側固定部ＩＦＵ１Ａ～ＩＦＵ２Ｂ、および、固定部ＦＵ３の位置が変動する。

　材料力学の理論によれば、温度変化と線膨張係数の差によって、センサエレメントＳＥ１は、均一な曲率を持つように変形する。このため、支持梁ＢＭ１Ａ～ＢＭ１Ｄ、支持梁ＢＭ２Ａ～ＢＭ２Ｄ、支持梁ＢＭ３、および、支持梁ＢＭ４に接続されている外側固定部ＯＦＵ１Ａ～ＯＦＵ２Ｂ、内側固定部ＩＦＵ１Ａ～ＩＦＵ２Ｂ、および、固定部ＦＵ３は、いずれも、センサエレメントＳＥ１の中心から放射状に離れる方向、もしくは、近づく方向に移動する。

　この結果、図１０に示すように、本実施の形態１におけるセンサエレメントＳＥ１によれば、質量体ＭＳの一部を構成する第１部位Ｐ１および第２部位Ｐ２にも変形が発生する。この場合、本実施の形態１では、開放端を有するように質量体ＭＳを第１部位Ｐ１と第２部位Ｐ２と第３部位Ｐ３とを含むように構成することにより、基板歪の一部が質量体の一部を構成する第１部位Ｐ１および第２部位Ｐ２の変形に変換されて吸収される。このため、本実施の形態１によれば、支持梁ＢＭ１Ａ～ＢＭ１Ｄおよび支持梁ＢＭ２Ａ～ＢＭ２Ｄには、第１部位Ｐ１および第２部位Ｐ２によって吸収しきれなかった基板歪だけが印加されることになり、基板歪の影響を低減することができる。

　すなわち、本実施の形態１における第２特徴点は、質量体ＭＳを第１部位Ｐ１と第２部位Ｐ２と第３部位Ｐ３を含む開放型形状で構成し、温度変化に起因して発生する基板歪の一部を第１部位Ｐ１および第２部位Ｐ２の変形により吸収する点にある。つまり、本実施の形態１では、質量体ＭＳの形状に工夫を施すことにより、基板歪の一部を質量体ＭＳの変形で吸収している点に第２特徴点がある。これにより、本実施の形態１によれば、温度変化に基づく基板歪の影響を低減することができる。

　例えば、基板歪が大きくなると、支持梁ＢＭ１Ａ～ＢＭ１Ｄおよび支持梁ＢＭ２Ａ～ＢＭ２Ｄに大きな内部応力が発生し、これによって、支持梁ＢＭ１Ａ～ＢＭ１Ｄおよび支持梁ＢＭ２Ａ～ＢＭ２Ｄのばね定数が変化することになる。ばね定数が変化するということは、上述した（式１）からもわかるように、固有振動数が変化することを意味する。すなわち、温度変化に基づく基板歪が支持梁ＢＭ１Ａ～ＢＭ１Ｄおよび支持梁ＢＭ２Ａ～ＢＭ２Ｄに印加されることになると、固有振動数が変化することになる。

　このことは、例えば、支持梁ＢＭ１Ａ～ＢＭ１Ｄおよび支持梁ＢＭ２Ａ～ＢＭ２Ｄの形状や寸法を調整してばね定数を大きくすることにより、固有振動数を高周波帯域にシフトして、１／ｆノイズに代表される振動外乱と、加速度センサの固有振動数とを分離したとしても、温度変化によって固有振動数が変化してしまうことを意味する。このことから、固有振動数に隣接した周波数帯域に振動外乱が存在する場合、特定温度では、固有振動数と振動外乱が一致することが考えられる。この場合、加速度センサの誤動作や故障が懸念される。

　この点に関し、本実施の形態１によれば、上述した第２特徴点により、基板歪の一部を質量体ＭＳの変形で吸収している。このことは、支持梁ＢＭ１Ａ～ＢＭ１Ｄおよび支持梁ＢＭ２Ａ～ＢＭ２Ｄに、第１部位Ｐ１および第２部位Ｐ２によって吸収しきれなかった基板歪だけが印加されることになり、基板歪の影響を低減することができることを意味する。つまり、本実施の形態１によれば、基板歪に起因して支持梁ＢＭ１Ａ～ＢＭ１Ｄおよび支持梁ＢＭ２Ａ～ＢＭ２Ｄに発生する内部応力を低減することができるのである。このことから、本実施の形態１によれば、温度変化による固有振動数の変化で、固有振動数と振動外乱が一致することを低減することができ、これによって、加速度センサＳ１の誤動作や故障を効果的に抑制して、加速度センサＳ１の信頼性を向上させることができる。

　なお、例えば、基板歪による固定部ＦＵ３の移動も考えられる。しかし、固定部ＦＵ３は、センサエレメントＳＥ１のＹ方向の中心を通る仮想線ＩＬ１上に配置されている。このため、固定部ＦＵ３のＹ方向の移動は無視することができる。また、固定部ＦＵ３のＸ方向の移動については、支持梁ＢＭ１Ａ～ＢＭ１Ｄ、支持梁ＢＭ２Ａ～ＢＭ２Ｄ、支持梁ＢＭ３、および、支持梁ＢＭ４が、Ｘ方向には柔らかい構成となっているため、固定部ＦＵ３のＸ方向の移動は、支持梁ＢＭ１Ａ～ＢＭ１Ｄ、支持梁ＢＭ２Ａ～ＢＭ２Ｄ、支持梁ＢＭ３、および、支持梁ＢＭ４のＸ方向における変形として吸収され、支持梁ＢＭ１Ａ～ＢＭ１Ｄ、支持梁ＢＭ２Ａ～ＢＭ２Ｄ、支持梁ＢＭ３、および、支持梁ＢＭ４のばね定数などの加速度センサＳ１の性能への影響は無視できる。

　例えば、支持梁ＢＭ３および支持梁ＢＭ４は、センサエレメントＳＥ１のＹ方向の中心を通る仮想線ＩＬ１上に配置された固定部ＦＵ３から、Ｙ方向に延在する延長部ＥＸＵに接続されている。そして、支持梁ＢＭ３および支持梁ＢＭ４は、質量体ＭＳの一部を構成する第３部位Ｐ３を仮想線ＩＬ１から離れた２点で支持している。このため、固定部ＦＵ３は、環境温度の変化によって、基板歪が発生した場合であっても、固定部ＦＵ３の移動が無視できる程度のものであり、この固定部ＦＵ３によって支持される延長部ＥＸＵおよび支持梁ＢＭ３、ＢＭ４もほとんど影響を受けない。

　さらに、本実施の形態１におけるセンサエレメントＳＥ１においては、質量体ＭＳが第１部位Ｐ１～第３部位Ｐ３の他に第４部位Ｐ４も備えている。この第４部位Ｐ４は、第３部位Ｐ３に接続しながら、Ｘ方向には硬く、Ｙ方向には柔らかい固定梁ＢＭ５を介して、Ｘ方向に長い第１部位Ｐ１と接続されている。同様に、第４部位Ｐ４は、Ｘ方向には硬く、Ｙ方向には柔らかい固定梁ＢＭ６を介して、Ｘ方向に長い第２部位Ｐ２と接続されている。これにより、例えば、図１０に示すように、質量体ＭＳの一部を構成する第１部位Ｐ１および第２部位Ｐ２が基板歪によって変形した場合であっても、この変形は、固定梁ＢＭ５および固定梁ＢＭ６によって吸収される。このため、第４部位Ｐ４は、基板歪の影響を受けにくくなり、第４部位Ｐ４と一体的に形成されている加速度検出部ＡＳＵも基板歪の影響を受けにくくなる。さらに、第４部位Ｐ４は、第３部位Ｐ３にしっかり固定されながら、Ｙ方向のみに柔らかい固定梁ＢＭ５および固定梁ＢＭ６を介して第１部位Ｐ１および第２部位Ｐ２に固定されているため、基板歪の影響を効果的に遮断しながらも、質量体ＭＳのＸ方向の変位を確実に加速度検出部ＡＳＵに伝達することができる。すなわち、本実施の形態１によれば、質量体ＭＳを第１部位Ｐ１～第４部位Ｐ４から構成することにより、基板歪の一部を吸収しながらも、加速度の印加による質量体ＭＳのＸ方向の変位を確実に加速度検出部ＡＳＵに伝達することができるため、加速度センサＳ１の信頼性を向上させながら、加速度センサＳ１の検出精度を維持することができる。

　上述したように、本実施の形態１におけるセンサエレメントＳＥ１によれば、第２特徴点を有することにより、基板歪の一部を質量体ＭＳの変形で吸収しているため、基板歪に起因して支持梁ＢＭ１Ａ～ＢＭ１Ｄおよび支持梁ＢＭ２Ａ～ＢＭ２Ｄに発生する内部応力を低減することができる。ただし、支持梁ＢＭ１Ａ～ＢＭ１Ｄおよび支持梁ＢＭ２Ａ～ＢＭ２Ｄには、質量体ＭＳの一部を構成する第１部位Ｐ１および第２部位Ｐ２によって吸収しきれなかった基板歪が印加されることになる。そこで、本実施の形態１では、基板歪に起因する支持梁ＢＭ１Ａ～ＢＭ１Ｄおよび支持梁ＢＭ２Ａ～ＢＭ２Ｄのばね定数の変化を抑制する第３特徴点を有している。以下に、この第３特徴点について説明する。なお、支持梁ＢＭ１Ａ～ＢＭ１Ｄと支持梁ＢＭ２Ａ～ＢＭ２Ｄとは同様の構成をしているため、支持梁ＢＭ１Ａ～ＢＭ１Ｄに着目して説明することにする。

　支持梁ＢＭ１Ａ～ＢＭ１ＤのＸ方向におけるばね定数ｋは、支持梁ＢＭ１Ａ～ＢＭ１Ｄの形状、構成材料のヤング率などの関数になるが、構成材料のヤング率は、構成材料に固有の物性値でありながらも、構成材料の内部応力によっては、見かけ上の値が変化する。したがって、支持梁ＢＭ１Ａ～ＢＭ１ＤのＸ方向におけるばね定数ｋの変動を抑制する観点からは、基板歪によって発生する支持梁ＢＭ１Ａ～ＢＭ１Ｄの内部応力に対する工夫が必要となる。

　ここで、特に重要な点は、Ｘ方向のばね定数ｋに影響を与えるのは、支持梁ＢＭ１Ａ～ＢＭ１ＤのＹ方向に発生する内部応力である点である。例えば、固定部がセンサエレメントＳＥ１の中心部に対して放射状に移動した場合、固定部のＸ方向の移動成分に対しては、支持梁ＢＭ１Ａ～ＢＭ１Ｄが変形することで吸収され、内部応力の発生原因となることはないと考えられる。一方、固定部のＹ方向の移動成分においては、質量体ＭＳの一部を構成する第１部位Ｐ１および第２部位Ｐ２で吸収しきれなかった一部の変形が、支持梁ＢＭ１Ａ～ＢＭ１ＤをＹ方向に伸ばすあるいは圧縮するように働くため、Ｙ方向に硬く形成されている支持梁ＢＭ１Ａ～ＢＭ１Ｄには、Ｙ方向の引張応力あるいは圧縮応力が発生することになる。特に、Ｙ方向の内部応力は、支持梁ＢＭ１Ａ～ＢＭ１ＤのＸ方向のばね定数ｋに影響を及ぼすことになる。したがって、（式１）を参照するとわかるように、支持梁ＢＭ１Ａ～ＢＭ１ＤにＹ方向の内部応力が発生すると、質量体ＭＳ、支持梁ＢＭ１Ａ～ＢＭ１Ｄ、支持梁ＢＭ２Ａ～ＢＭ２Ｄ、支持梁ＢＭ３、および、支持梁ＢＭ４によって構成される振動系の固有振動数の変動が発生することになる。さらには、センサエレメントＳＥ１の感度をＳａとすると、Ｓａ＝ｘ／ａ＝１／（ω）^２（式２）で表される。このとき、ｘは、振動系のＸ方向の変位を示しており、ａは、印加された加速度を示している、また、ωは、振動系のＸ方向における固有振動数を示している。

　この（式２）に示すように、センサエレメントＳＥ１の感度Ｓａは、固有振動数の関数となることから、例えば、振動系の固有振動数が変動すると、センサエレメントＳＥ１の感度Ｓａも変動することになる。すなわち、支持梁ＢＭ１Ａ～ＢＭ１ＤにＹ方向の内部応力が発生すると、振動系の固有振動数の変動が発生するとともに、センサエレメントＳＥ１の感度Ｓａにも影響を及ぼすことになることがわかる。このことから、本実施の形態１では、支持梁ＢＭ１Ａ～ＢＭ１ＤのＹ方向に発生する内部応力に着目している。

　本実施の形態１における第３特徴点は、例えば、図９および図１０に示すように、Ｙ方向の中心を通る仮想線ＩＬ１に対して、外側固定部ＯＦＵ１Ａ、ＯＦＵ１Ｂと、内側固定部ＩＦＵ１Ａ、ＩＦＵ１Ｂとを同じ側（上側）に配置し、かつ、第１部位Ｐ１に対して、外側固定部ＯＦＵ１Ａ、ＯＦＵ１Ｂと、内側固定部ＩＦＵ１Ａ、ＩＦＵ１Ｂとを反対側に配置する点にある。そして、第１部位Ｐ１と、外側固定部ＯＦＵ１Ａ、ＯＦＵ１Ｂとを支持梁ＢＭ１Ａ～ＢＭ１Ｂで接続し、第１部位Ｐ１と、内側固定部ＩＦＵ１Ａ、ＩＦＵ１Ｂとを支持梁ＢＭ１Ｃ～ＢＭ１Ｄで接続している。

　この構成は、上述したように、基板歪が基板の中心から放射状に発生することを考慮したものである。すなわち、基板歪が基板の中心から放射状に発生する場合、図１０において、外側固定部ＯＦＵ１Ａ、ＯＦＵ１Ｂと、内側固定部ＩＦＵ１Ａ、ＩＦＵ１Ｂとは、Ｙ方向の中心を通る仮想線ＩＬ１に対して同じ側に配置されていることから、外側固定部ＯＦＵ１Ａ、ＯＦＵ１Ｂと、内側固定部ＩＦＵ１Ａ、ＩＦＵ１Ｂは、同じ側（例えば，＋Ｙ方向）に移動することになる。このとき、第１部位Ｐ１は、基板に固定されておらずに懸架されていることから、移動することはない。したがって、例えば、外側固定部ＯＦＵ１Ａ、ＯＦＵ１Ｂと、内側固定部ＩＦＵ１Ａ、ＩＦＵ１Ｂとが同じ＋Ｙ方向に移動する場合、相対的に、外側固定部ＯＦＵ１Ａ、ＯＦＵ１Ｂと第１部位Ｐ１との間の距離は大きくなる一方、相対的に、内側固定部ＩＦＵ１Ａ、ＩＦＵ１Ｂと第１部位Ｐ１との間の距離は、小さくなる。このことは、第１部位Ｐ１と、外側固定部ＯＦＵ１Ａ、ＯＦＵ１Ｂとを接続している支持梁ＢＭ１Ａ～ＢＭ１Ｂには、圧縮応力が発生するのに対し、第１部位Ｐ１と、内側固定部ＩＦＵ１Ａ、ＩＦＵ１Ｂとを接続している支持梁ＢＭ１Ｃ～ＢＭ１Ｄには、引張応力が発生することを意味している。

　すなわち、本実施の形態１における第３特徴点の構成を採用する場合、支持梁ＢＭ１Ａ～ＢＭ１Ｂに発生する内部応力と、支持梁ＢＭ１Ｃ～ＢＭ１Ｄに発生する内部応力が相違することになる。この場合、例えば、支持梁ＢＭ１Ａ～ＢＭ１Ｂに、ばね定数が大きくなる内部応力が発生すると、支持梁ＢＭ１Ｃ～ＢＭ１Ｄには、ばね定数が小さくなる内部応力が発生することになる。この結果、支持梁ＢＭ１Ａ～ＢＭ１Ｄの全体を考えた場合、ばね定数の変動は、互いに打ち消し合って相殺されることになる。このことから、本実施の形態１における第３特徴点の構成を採用すると、支持梁ＢＭ１Ａ～ＢＭ１Ｄの全体では、ばね定数の変動を抑制できることになる。

　したがって、本実施の形態１によれば、まず、第２特徴点により、基板歪の一部が質量体ＭＳの変形で吸収され、支持梁ＢＭ１Ａ～ＢＭ１Ｄに、第１部位Ｐ１によって吸収しきれなかった基板歪だけが印加されることになり、基板歪の影響を低減することができることになる。そして、本実施の形態１によれば、さらに、第３特徴点を有することにより、支持梁ＢＭ１Ａ～ＢＭ１Ｄの全体を考えた場合、支持梁ＢＭ１Ａ～ＢＭ１Ｂに発生する内部応力と、支持梁ＢＭ１Ｃ～ＢＭ１Ｄに発生する内部応力が逆になることから、ばね定数の変動は、互いに打ち消し合って相殺され、支持梁ＢＭ１Ａ～ＢＭ１Ｄの全体では、ばね定数の変動を抑制できることになる。

　以上のことから、本実施の形態１によれば、上述した第２特徴点と第３特徴点の相乗効果により、温度変化に基づく固有振動数の変動を充分に抑制することができるため、さらには、振動系の固有振動数の変動に起因する加速度センサＳ１の感度の変動も抑制することができる。

　例えば、加速度センサの温度変化に起因する特性変動を補正する方法として、各温度点での加速度センサの出力値を記録し、これらが全使用温度範囲の中で、予め決められた仕様範囲内に収まるように補正する電気的な補正方法がある。ところが、加速度センサの各温度点における出力値が非線形的な挙動を示す場合には、補正のために、多くの温度点における出力値と複雑な補正演算処理が必要となるとともに、恒温槽を装備した高価な評価装置が必要となり、製造コストの上昇に繋がる。

　この点に関し、本実施の形態１における加速度センサＳ１によれば、上述した第２特徴点および第３特徴点を有しているため、広い使用温度範囲においても、振動系の固有振動数の変動を抑制できる。このため、本実施の形態１における加速度センサＳ１によれば、信号処理回路による高度な温度特性補正が不要となり、加速度センサＳ１の信頼性向上や、信号処理回路の小型化、加速度センサＳ１の出荷時における温度特性補正の簡素化などを図ることができ、これによって、製造コストの低減を図ることができる。

　＜実施の形態１における加速度センサの動作＞
　本実施の形態１における加速度センサＳ１は上記のように構成されており、以下に、その動作について簡単に説明する。

　図１１は、本実施の形態１における加速度センサＳ１の回路構成を示す回路ブロック図である。まず、図１１において、外部から加速度が印加されると、外部から印加された加速度の大きさに比例して、センサエレメントＳＥ１内に配置されている質量体が変位する。すると、この質量体の変位に追従して、質量体と一体的に形成されている加速度検出部ＡＳＵを構成する容量素子１０Ａおよび容量素子１０Ｂの静電容量が変化する。この加速度検出部ＡＳＵにおける静電容量の変化は、半導体チップＣＨＰ１に形成されているＣＶ変換回路２１で電圧信号に変換される。そして、ＣＶ変換回路２１で変換された電圧信号は、復調回路２２で加速度信号に復元されて、出力端子ＯＵＴから加速度信号が出力される。このようにして、本実施の形態１における加速度センサＳ１が動作することになる。

　具体的に、本実施の形態１では、環境に存在する電磁波ノイズに対する影響を低減する目的や、信号の伝達効率を向上させる目的で、加速度検出部ＡＳＵを構成する容量素子１０Ａおよび容量素子１０Ｂの静電容量の検出には、数百ｋＨｚのキャリア信号（搬送波）２０が使用される。このキャリア信号２０は、容量素子１０Ａに印加される。一方、容量素子１０Ｂには、キャリア信号２０と１８０度の位相差を有するキャリア信号が印加される。さらに、容量素子１０Ａおよび容量素子１０Ｂは、初期容量Ｃ０が同じになるように設計されているため、質量体が初期の位置に配置されている場合、すなわち、容量素子１０Ａと容量素子１０Ｂの静電容量に差がない場合には、互いに１８０度の位相差を持つキャリア信号は、質量体の内部で相殺され、センサエレメントＳＥ１からは出力されない。

　一方、質量体が外部から印加された加速度に比例して変位した場合、容量素子１０Ａおよび容量素子１０Ｂに、それぞれ、初期容量Ｃ０から＋ΔＣと－ΔＣの容量差が発生し、センサエレメントＳＥ１から２ΔＣに比例した信号が半導体チップＣＨＰ１に入力される。この半導体チップＣＨＰ１に入力された信号は、半導体チップＣＨＰ１内に形成されているＣＶ変換回路２１で電圧信号に変換された後、復調回路２２で質量体の実挙動周波数の加速度信号に復元される。このようにして、本実施の形態１における加速度センサＳ１によれば、外部から加速度が印加されると、印加された加速度に応じた加速度信号を出力することができる。

　＜実施の形態１における代表的な効果＞
　（１）本実施の形態１では、第１特徴点を有することにより、基本的に３つの固定部で質量体ＭＳを支持する３点支持構造を採用しながらも、質量体ＭＳを４つの支持梁で懸架する構成となる。これにより、本実施の形態１における加速度センサＳ１によれば、Ｘ方向に質量体ＭＳが振動する振動モードの固有振動数だけでなく、回転・ねじれに起因する不要モードの固有振動数も、１／ｆノイズの少ない高周波帯域側にシフトさせることができる。この結果、本実施の形態１における加速度センサＳ１では、質量体ＭＳがＸ方向に振動する振動モードだけでなく、回転・ねじれに起因する不要モードにおいても、振動外乱と固有振動数の分離を容易に実施することができるとともに、温度変化に基づく固有振動数の変動も充分に抑制できる加速度センサＳ１を提供することができる。すなわち、本実施の形態１における加速度センサＳ１によれば、加速度センサＳ１の実装環境における温度変化や振動外乱に影響を受けにくい（ロバストな）加速度センサＳ１を提供することができる。特に、本実施の形態１によれば、Ｘ方向に質量体が振動する振動系の振動モードの固有振動数を高周波帯域にシフトすることができるため、自動車の横滑り防止システムだけでなく、例えば、エアバックの作動などを制御する高い加速度を検出するシステムへの適用にも適している。

　（２）本実施の形態１によれば、第２特徴点により、基板歪の一部を質量体ＭＳの変形で吸収することができる。このことから、本実施の形態１によれば、温度変化による固有振動数の変化で、固有振動数と振動外乱が一致することを低減することができ、これによって、加速度センサＳ１の誤動作や故障を効果的に抑制して、加速度センサＳ１の信頼性を向上させることができる。

　（３）本実施の形態１によれば、第３特徴点より、例えば、支持梁ＢＭ１Ａ～ＢＭ１Ｄに着目して、支持梁ＢＭ１Ａ～ＢＭ１Ｄの全体を考えた場合、支持梁ＢＭ１Ａ～ＢＭ１Ｂに発生する内部応力と、支持梁ＢＭ１Ｃ～ＢＭ１Ｄに発生する内部応力を逆にすることができるため、ばね定数の変動を互いに打ち消し合って相殺することができ、これによって支持梁ＢＭ１Ａ～ＢＭ１Ｄの全体において、ばね定数の変動を抑制できる。

　（４）以上のことから、本実施の形態１によれば、上述した第２特徴点と第３特徴点の相乗効果により、温度変化に基づく固有振動数の変動を充分に抑制することができるため、さらには、振動系の固有振動数の変動に起因する加速度センサＳ１の感度の変動も抑制することができる。このように、本実施の形態１における加速度センサＳ１は、環境温度の変化に起因する基板歪への耐性が優れているため、温度環境が厳しい自動車のエンジンルームなどを含む広い温度範囲においても優れた特性を維持することができる。

　（５）また、本実施の形態１によれば、信号処理回路による高度な温度特性補正が不要となり、加速度センサの信頼性向上や、信号処理回路の小型化、加速度センサの出荷時における温度特性補正の簡素化などを図ることができ、これによって、製造コストの低減を図ることができる。

　＜変形例１＞
　次に、実施の形態１における変形例１について説明する。図１２は、本変形例１におけるセンサエレメントＳＥ１の構成を示す平面図である。図１２に示す本変形例１におけるセンサエレメントＳＥ１は、図９に示す実施の形態１におけるセンサエレメントＳＥ１とほぼ同様の構成をしているため、相違点を中心に説明する。

　図１２において、本変形例１では、第１部位Ｐ１の外側に自由端ＦＰ１が設けられており、第１部位Ｐ１と自由端ＦＰ１がＹ方向に延在する支持梁ＢＭ１Ｂで接続され、自由端ＦＰ１と外側固定部ＯＦＵ１がＹ方向に延在する支持梁ＢＭ１Ａで接続されている。したがって、第１部位Ｐ１と外側固定部ＯＦＵ１は、自由端ＦＰ１に接続された支持梁ＢＭ１Ａおよび支持梁ＢＭ１Ｂで接続されていることになる。

　さらに、第１部位Ｐ１の内側に自由端ＦＰ２が設けられており、第１部位Ｐ１と自由端ＦＰ２がＹ方向に延在する支持梁ＢＭ１Ｄで接続され、自由端ＦＰ２と内側固定部ＩＦＵ１がＹ方向に延在する支持梁ＢＭ１Ｃで接続されている。したがって、第１部位Ｐ１と内側固定部ＩＦＵ１は、自由端ＦＰ２に接続された支持梁ＢＭ１Ｃおよび支持梁ＢＭ１Ｄで接続されていることになる。

　また、第２部位Ｐ２の内側に自由端ＦＰ３が設けられており、第２部位Ｐ２と自由端ＦＰ３がＹ方向に延在する支持梁ＢＭ２Ｂで接続され、自由端ＦＰ３と内側固定部ＩＦＵ２がＹ方向に延在する支持梁ＢＭ２Ａで接続されている。したがって、第２部位Ｐ２と内側固定部ＩＦＵ２は、自由端ＦＰ３に接続された支持梁ＢＭ２Ａおよび支持梁ＢＭ２Ｂで接続されていることになる。

　さらに、第２部位Ｐ２の外側に自由端ＦＰ４が設けられており、第２部位Ｐ２と自由端ＦＰ４がＹ方向に延在する支持梁ＢＭ２Ｄで接続され、自由端ＦＰ４と外側固定部ＯＦＵ２がＹ方向に延在する支持梁ＢＭ２Ｃで接続されている。したがって、第２部位Ｐ２と外側固定部ＯＦＵ２は、自由端ＦＰ４に接続された支持梁ＢＭ２Ｃおよび支持梁ＢＭ２Ｄで接続されていることになる。

　このように構成されている本変形例１におけるセンサエレメントＳＥ１においても、実施の形態１におけるセンサエレメントＳＥ１と同様に、第１特徴点、第２特徴点、および、第３特徴点を有している。したがって、本変形例１におけるセンサエレメントＳＥ１においても、実施の形態１におけるセンサエレメントＳＥ１と同様の効果を得ることができる。

　＜変形例２＞
　次に、実施の形態１における変形例２について説明する。図１３は、本変形例２におけるセンサエレメントＳＥ１の構成を示す平面図である。図１３に示す本変形例２におけるセンサエレメントＳＥ１は、図９に示す実施の形態１におけるセンサエレメントＳＥ１とほぼ同様の構成をしているため、相違点を中心に説明する。

　図１３において、本変形例２では、第１部位Ｐ１の外側に自由端ＦＰ１が設けられており、第１部位Ｐ１と自由端ＦＰ１がＹ方向に延在する支持梁ＢＭ１Ｂで接続され、自由端ＦＰ１と固定部ＦＵ１がＹ方向に延在する支持梁ＢＭ１Ａで接続されている。したがって、第１部位Ｐ１と固定部ＦＵ１は、自由端ＦＰ１に接続された支持梁ＢＭ１Ａおよび支持梁ＢＭ１Ｂで接続されていることになる。

　また、第２部位Ｐ２の外側に自由端ＦＰ４が設けられており、第２部位Ｐ２と自由端ＦＰ４がＹ方向に延在する支持梁ＢＭ２Ｄで接続され、自由端ＦＰ４と固定部ＦＵ２がＹ方向に延在する支持梁ＢＭ２Ｃで接続されている。したがって、第２部位Ｐ２と固定部ＦＵ２は、自由端ＦＰ４に接続された支持梁ＢＭ２Ｃおよび支持梁ＢＭ２Ｄで接続されていることになる。

　このように構成されている本変形例２におけるセンサエレメントＳＥ１においても、実施の形態１におけるセンサエレメントＳＥ１と同様に、第１特徴点、および、第２特徴点を有している。したがって、本変形例２におけるセンサエレメントＳＥ１においても、実施の形態１におけるセンサエレメントＳＥ１における効果のうち、第１特徴点に基づく効果と、第２特徴点に基づく効果を得ることができる。

　（実施の形態２）
　本実施の形態２では、慣性センサの一例として、角速度センサを取り挙げて説明する。角速度センサは、例えば、Ｘ方向（駆動方向）に常に駆動振動している質量体において、この質量体が駆動振動しているＸ方向と直交するＺ方向の回りに角速度（回転）が印加された場合、Ｘ方向に駆動振動している質量体が、Ｘ方向およびＺ方向に直交するＹ方向（検出方向）に、外部から印加された角速度に比例した大きさで振動するコリオリ現象を利用して角速度を検出するセンサである。以下に、このような角速度センサに本発明の技術的思想を適用する例について説明する。

　なお、本実施の形態２では、Ｚ方向回りに角速度を検知する角速度センサについて説明するが、この原理は、Ｘ方向回りの角速度を検知する角速度センサやＹ方向回りの角速度を検知する角速度センサにも幅広く適用することができる。すなわち、本実施の形態２における技術的思想は、面内角速度を検出する角速度センサだけでなく、面外角速度を検出する角速度センサにも幅広く適用することができる。

　本実施の形態２における角速度センサの実装形態は、図７に示す前記実施の形態１における加速度センサＳ１の実装構成と同様である。そして、本実施の形態２における角速度センサのセンサエレメントも、前記実施の形態１における加速度センサＳ１のセンサエレメントＳＥ１と同様に、半導体微細加工技術を使用することにより製造することができる。本実施の形態２における角速度センサと、前記実施の形態１における加速度センサＳ１の相違点は、角速度センサのセンサエレメントと、加速度センサＳ１のセンサエレメントＳＥ１の構成であり、本実施の形態２では、角速度センサのセンサエレメントを以下に示すような構成を取ることにより、外部から印加される角速度を検出することができる。

　＜実施の形態２におけるセンサエレメントの平面構成＞
　図１４は、本実施の形態２における角速度センサのセンサエレメントＳＥ２の平面構成を示す模式図である。以下では、この図１４を使用して、本実施の形態２におけるセンサエレメントＳＥ２の構成について説明する。

　図１４において、本実施の形態２におけるセンサエレメントＳＥ２は、２つの質量体ＭＳ１と質量体ＭＳ２を有している。質量体ＭＳ１は、第１方向であるＸ方向には柔軟で、第２方向であるＹ方向には硬い支持梁ＢＭ１Ａ～ＢＭ１Ｄ、支持梁ＢＭ２Ａ～ＢＭ２Ｄ、支持梁ＢＭ３、および、支持梁ＢＭ４を介して支持されている。同様に、質量体ＭＳ２も、第１方向であるＸ方向には柔軟で、第２方向であるＹ方向には硬い支持梁ＢＭ１Ａ～ＢＭ１Ｄ、支持梁ＢＭ２Ａ～ＢＭ２Ｄ、支持梁ＢＭ３、および、支持梁ＢＭ４を介して支持されている。

　質量体ＭＳ１および質量体ＭＳ２は、固定電極として機能する第１駆動電極との間で容量素子ＤＥ１を形成するとともに、固定電極として機能する第２駆動電極との間でも容量素子ＤＥ２を形成するように第１可動電極が一体的に形成されている。さらに、質量体ＭＳ１および質量体ＭＳ２は、固定電極として機能する第１駆動振幅モニタ電極や第２駆動振幅モニタ電極との間でも、それぞれ、容量素子ＭＥ１および容量素子ＭＥ２を形成するように第２可動電極が一体的に形成されている。

　そして、質量体ＭＳ１には、Ｘ方向には硬く、Ｙ方向には柔軟な検出梁ＢＭ７および検出梁ＢＭ８を介して質量体ＭＳ１に内包されるように、コリオリ素子ＣＥ１が配置されている。同様に、質量体ＭＳ２には、Ｘ方向には硬く、Ｙ方向には柔軟な検出梁ＢＭ７および検出梁ＢＭ８を介して質量体ＭＳ２に内包されるように、コリオリ素子ＣＥ２が配置されている。

　次に、コリオリ素子ＣＥ１に内包されるように角速度検出部ＹＳＵ１が形成され、コリオリ素子ＣＥ２に内包されるように角速度検出部ＹＳＵ２が形成されている。具体的に、この角速度検出部ＹＳＵ１および角速度検出部ＹＳＵ２は、それぞれ、コリオリ素子ＣＥ１やコリオリ素子ＣＥ２と一体的に形成された検出用可動電極と、固定部材に固定された検出用固定電極を含むように構成される。この場合、外部からＺ方向回りに角速度が印加されると、コリオリ現象によって、コリオリ素子ＣＥ１およびコリオリ素子ＣＥ２がＹ方向に変位する。したがって、コリオリ素子ＣＥ１やコリオリ素子ＣＥ２と一体的に形成されている検出用可動電極もＹ方向に変位する。一方、検出用固定電極は、固定部材に接続されていることから、角速度が印加されても変位しない。このため、検出用可動電極と検出用固定電極との間の距離が変化する。このことは、検出用可動電極と検出用固定電極で構成される容量素子の静電容量（電気容量）が変化することを意味する。このようにして、角速度検出部ＹＳＵ１および角速度検出部ＹＳＵ２は、コリオリ素子ＣＥ１やコリオリ素子ＣＥ２のＹ方向の変位を静電容量の変化として捉えるように構成されていることになる。

　質量体ＭＳ１および質量体ＭＳ２のそれぞれは、Ｘ方向に長い第１部位Ｐ１と、Ｘ方向に長い第２部位Ｐ２と、これらの第１部位Ｐ１と第２部位Ｐ２とを繋ぐようにＹ方向に延びる第３部位Ｐ３によって構成される。このため、質量体ＭＳ１および質量体ＭＳ２は、片側が開放されたような形状を有していることになる。第１部位Ｐ１は、Ｘ方向に延在するように構成され、第２部位Ｐ２は、Ｘ方向と直交するＹ方向に第１部位Ｐ１から所定距離だけ離間しながらＸ方向に延在するように構成されている。そして、第３部位Ｐ３は、第１部位Ｐ１と第２部位Ｐ２に連結するようにＹ方向に延在するように構成されている。

　例えば、Ｙ方向の中心を通る仮想線ＩＬ１に対して、第１部位Ｐ１と第２部位Ｐ２が対称に配置され、この第１部位Ｐ１と第２部位Ｐ２を接続するように第３部位Ｐ３が配置されている。そして、第１部位Ｐ１と第２部位Ｐ２と第３部位Ｐ３で構成される形状に内包されるようにコリオリ素子ＣＥ１やコリオリ素子ＣＥ２が配置されており、このコリオリ素子Ｃ１Ｅおよびコリオリ素子ＣＥ２のそれぞれは、第１部位Ｐ１と検出梁ＢＭ７で接続されているとともに、第２部位Ｐ２と検出梁ＢＭ８で接続されている。

　次に、本実施の形態２におけるセンサエレメントＳＥ２においては、図１４に示すように、Ｙ方向の中心を通る仮想線ＩＬ１上に固定部ＦＵ３が設けられており、この固定部ＦＵ３に、Ｙ方向に延在する延長部ＥＸＵが接続されている。この延長部ＥＸＵは、Ｙ方向に長く、かつ、Ｘ方向の幅が、その他の支持梁ＢＭ１Ａ～ＢＭ１Ｄ、支持梁ＢＭ２Ａ～ＢＭ２Ｄ、支持梁ＢＭ３、および、支持梁ＢＭ４に比較して充分に大きい。このため、延長部ＥＸＵは、Ｘ方向およびＹ方向を含むいずれの方向にも動きにくくなっている。

　そして、質量体ＭＳ１や質量体ＭＳ２の一部を構成する第３部位Ｐ３のそれぞれと延長部ＥＸＵが、支持梁ＢＭ３で接続されているとともに、支持梁ＢＭ４で接続されている。このとき、支持梁ＢＭ３と支持梁ＢＭ４は、仮想線ＩＬ１に対して反対側に配置されている。例えば、支持梁ＢＭ３と支持梁ＢＭ４は、仮想線ＩＬ１に対して対称に配置されている。

　続いて、質量体ＭＳ１と質量体ＭＳ２は、互いの振動エネルギーを共有する音叉構造を構成するように、リンク梁ＢＭ９によって接続されている。ここで、本実施の形態２におけるセンサエレメントＳＥ２を音叉構造とすることにより、例えば、駆動振動系を構成する質量体ＭＳ１、質量体ＭＳ２、支持梁ＢＭ１Ａ～ＢＭ１Ｄ、支持梁ＢＭ２Ａ～ＢＭ２Ｄ、支持梁ＢＭ３、および、支持梁ＢＭ４に加工時の誤差が存在する場合であっても、きれいな共振特性を得ることができる。さらに、コリオリ素子ＣＥ１やコリオリ素子ＣＥ２と検出梁ＢＭ７と検出梁ＢＭ８で構成される検出振動系においても、振動外乱のようなノイズ成分を除去し、角速度の印加に起因する信号だけを分離することが容易となる。

　＜実施の形態２における角速度センサの動作＞
　本実施の形態２における角速度センサは、上記のように構成されており、以下に、その動作について説明する。

　図１５は、本実施の形態２における角速度センサＳ２の駆動振動を制御する回路構成を示す回路ブロック図である。図１５において、容量素子ＤＥ１および容量素子ＤＥ２は、質量体ＭＳ１および質量体ＭＳ２をＸ方向に振動させる駆動手段を構成する。そして、容量素子ＤＥ１の一部を構成する固定電極である第１駆動電極には、半導体チップＣＨＰ１内に形成されている信号処理回路から駆動信号として、Ｖｃｏｍ＋Ｖｂ－Ｖｄが印加される。一方、容量素子ＤＥ２の一部を構成する固定電極である第２駆動電極には、半導体チップＣＨＰ１内に形成されている信号処理回路から駆動信号として、Ｖｃｏｍ＋Ｖｂ＋Ｖｄが印加される。

　また、質量体ＭＳ１および質量体ＭＳ２には、支持梁ＢＭ３および支持梁ＢＭ４と接続された延長部ＥＸＵと繋がる固定部ＦＵ３を介して、半導体チップＣＨＰ１内に形成されている信号処理回路からＶｃｏｍが印加される。したがって、固定電極である第１駆動電極と質量体ＭＳ１および質量体ＭＳ２との間の電位差は、Ｖｂ－Ｖｄとなり、固定電極である第２駆動電極と質量体ＭＳ１および質量体ＭＳ２との間の電位差は、Ｖｂ＋Ｖｄとなる。この結果、容量素子ＤＥ１および容量素子ＤＥ２には、上述した電位差に起因する静電力が発生し、質量体ＭＳ１と質量体ＭＳ２がＸ方向に逆相振動（駆動振動）することになる。

　なお、質量体ＭＳ１および質量体ＭＳ２には、信号処理回路からキャリア信号Ｖｃも印加されているが、キャリア信号Ｖｃの周波数は、数百ｋＨｚであり、上述した駆動振動が追従できないほど充分に高いため、駆動力としては機能しない、また、限定するわけではないが、本実施の形態２における角速度センサＳ２では、小さい駆動電圧で大きなＸ方向の駆動振幅を得るために駆動信号Ｖｄの周波数（駆動周波数）を、質量体ＭＳ１、質量体ＭＳ２、支持梁ＢＭ１Ａ～ＢＭ１Ｄ、支持梁ＢＭ２Ａ～ＢＭ２Ｄ、支持梁ＢＭ３、支持梁ＢＭ４、および、リンク梁ＢＭ９によって構成される駆動振動系（逆相振動系）の固有振動数に合わせている。また、本実施の形態２では、周辺環境の変動に起因する駆動振動系の固有振動数の変化に駆動振動数を追従させるため、ＰＬＬ（Phase Locked Loop）によるＡＦＣ（Auto Frequency Control）３４およびＤＡ変換部３６を用いてフィードバック制御を行なっている。

　さらに、本実施の形態２において、質量体ＭＳ１および質量体ＭＳ２の駆動振幅は、固定電極として機能する第１駆動振幅モニタ電極と、質量体ＭＳ１および質量体ＭＳ２と一体的に形成されている第２可動電極からなる容量素子ＭＥ１の静電容量の変化を検出することでモニタされている。同様に、質量体ＭＳ１および質量体ＭＳ２の駆動振幅は、固定電極として機能する第２駆動振幅モニタ電極と、質量体ＭＳ１および質量体ＭＳ２と一体的に形成されている第２可動電極からなる容量素子ＭＥ２の静電容量の変化を検出することでモニタされている。

　具体的には、質量体ＭＳ１および質量体ＭＳ２に、周波数が数百ｋＨｚのキャリア信号Ｖｃを印加する。この場合、キャリア信号Ｖｃによって、質量体ＭＳ１および質量体ＭＳ２と第１駆動振幅モニタ電極（固定電極）で構成される容量素子ＭＥ１や、質量体ＭＳ１および質量体ＭＳ２と第２駆動振幅モニタ電極（固定電極）で構成される容量素子ＭＥ２の静電容量に変化が生じ、この静電容量の変化に応じて電荷の移動が発生する。この静電容量の変化は、図１５に示すＣＶ変換部３０でアナログ電圧信号に変換された後、ＡＤ変換部３１でデジタル電圧信号に変換される。そして、容量素子ＭＥ１からＣＶ変換部３０およびＡＤ変換部３１を通過した第１デジタル電圧信号と、容量素子ＭＥ２からＣＶ変換部３０およびＡＤ変換部３１を通過した第２デジタル電圧信号とが、差動検出部３２で演算される。このとき、駆動振幅が０の場合は、容量素子ＭＥ１と容量素子ＭＥ２の初期の静電容量が互いに相殺されるため、同期検波部３３への入力電圧は０となる。

　一方、質量体ＭＳ１と質量体ＭＳ２が逆相振動している場合は、質量体ＭＳ１および質量体ＭＳ２の駆動振幅に追従して容量素子ＭＥ１の静電容量が増加し、容量素子ＭＥ２の静電容量が減少する。あるいは、質量体ＭＳ１および質量体ＭＳ２の駆動振幅に追従して容量素子ＭＥ１の静電容量が減少し、容量素子ＭＥ２の静電容量が増加する。このことから、差動検出部３２からは、逆相振動の駆動振幅に比例したデジタル信号が出力される。

　差動検出部３２から出力されたデジタル信号は、同期検波部３３で駆動周波数の成分（例えば、数十ｋＨｚ）と、必要に応じてＤＣを含む低周波数の成分（例えば、ＤＣから数百Ｈｚ）に変換される。低周波数のデジタル信号に変換された駆動振幅は、ＡＧＣ（Auto Gain Control）３５に入力され、予め設定されている駆動振幅の目標値と比較される。そして、この比較結果に基づいて、ＤＡ変換部３６で駆動信号Ｖｄの大きさを調整することにより、駆動振幅が予め設定されている目標値になるようにフィードバック制御されることになる。以上のようにして、本実施の形態２における角速度センサＳ２では、質量体ＭＳ１および質量体ＭＳ２を一定駆動振幅でＸ方向に駆動振動（逆相振動）させることができる。

　続いて、質量体ＭＳ１および質量体ＭＳ２をＸ方向に駆動振動させた状態で、Ｚ方向回りに角速度が印加された場合の角速度の検出動作について説明する。

　図１６は、本実施の形態２における角速度センサＳ２の検出回路の構成を示す回路ブロック図である。まず、質量体ＭＳ１および質量体ＭＳ２が逆相振動（駆動振動）している状態で、Ｚ方向回りに角速度Ωが印加されると、質量体ＭＳ１および質量体ＭＳ２には、（式３）で示されるコリオリ力Ｆｃが発生し、印加された角速度Ωに比例するＹ方向の振動が発生する。

　Ｆｃ＝２・ｍ・Ω・Ｘ・ωｘ・ｃｏｓ（ωｘ・ｔ）（式３）

　このとき、（式３）において、Ｆｃはコリオリ力であり、ｍは質量体ＭＳ１あるいは質量体ＭＳ２の質量であり、Ωは外部から印加される角速度である。また、Ｘは、Ｘ方向の最大振幅であり、ωｘ／２πは駆動周波数（駆動振動系の固有振動数）であり、ｔは時間である。

　ここで、質量体ＭＳ１および質量体ＭＳ２は逆相振動しているため、それぞれ、Ｙ方向の振動も逆位相になる。ところが、質量体ＭＳ１および質量体ＭＳ２は、Ｘ方向には柔軟で、Ｙ方向には硬い支持梁ＢＭ１Ａ～ＢＭ１Ｄ、支持梁ＢＭ２Ａ～ＢＭ２Ｄ、支持梁ＢＭ３、および、支持梁ＢＭ４で支持されているため、上述したコリオリ力Ｆｃが発生しても、Ｙ方向にはほとんど変位しない。一方、コリオリ素子ＣＥ１およびコリオリ素子ＣＥ２は、Ｘ方向には硬く、Ｙ方向には柔軟な検出梁ＢＭ７および検出梁ＢＭ８を介して質量体ＭＳ１や質量体ＭＳ２に接続されているため、（式４）に示すような関係で、コリオリ力Ｆｃに基づきＹ方向に変位する。

　ｙ＝Ｆｃ・Ｑｙ／ｋｙ（式４）

　このとき、ｙは検出振幅であり、Ｑｙは検出振動系の機械品質係数であり、ｋｙは検出梁ＢＭ７および検出梁ＢＭ８のＹ方向のばね定数である。

　図１６に示すように、コリオリ素子ＣＥ１がＹ方向に変位すると、コリオリ素子ＣＥ１と接続されるように設けられた角速度検出部ＹＳＵ１を構成する容量素子の静電容量が変化する。同様に、コリオリ素子ＣＥ２がＹ方向に変位すると、コリオリ素子ＣＥ２と接続されるように設けられた角速度検出部ＹＳＵ２を構成する容量素子の静電容量も変化する。

　例えば、角速度検出部ＹＳＵ１を構成する容量素子の静電容量の変化は、ＣＶ変換部４０Ａでアナログ電圧信号に変換された後、ＡＤ変換部４１Ａでデジタル電圧信号に変換される。その後、差動検出部４２Ａで演算された後、同期検波部４３Ａで復調信号が抽出される。同様に、角速度検出部ＹＳＵ２を構成する容量素子の静電容量の変化は、ＣＶ変換部４０Ｂでアナログ電圧信号に変換された後、ＡＤ変換部４１Ｂでデジタル電圧信号に変換される。その後、差動検出部４２Ｂで演算された後、同期検波部４３Ｂで復調信号が抽出される。

　そして、同期検波部４３Ａで復調された復調信号と、同期検波部４３Ｂで復調された復調信号が差動演算処理部４４に入力されて演算された後、ＬＰＦ（低周波数帯域通過フィルタ）４５を通過することにより、最終的に角速度信号が出力端子ＯＵＴから出力されることになる。以上のようにして、本実施の形態２における角速度センサＳ２によれば、角速度を検出することができる。

　＜実施の形態２の特徴＞
　本実施の形態２におけるセンサエレメントＳＥ２において、例えば、図１４に示すように、第１部位Ｐ１と接続する外側固定部ＯＦＵ１Ａ、ＯＦＵ１Ｂおよび内側固定部ＩＦＵ１Ａ、ＩＦＵ１Ｂを一体的な１つの固定部と考え、第２部位Ｐ２と接続する外側固定部ＯＦＵ２Ａ、ＯＦＵ２Ｂおよび内側固定部ＩＦＵ２Ａ、ＩＦＵ２Ｂを一体的な１つの固定部と考える。すると、図１４に示す本実施の形態２におけるセンサエレメントＳＥ２は、上述した２つの固定部と、固定部ＦＵ３による３点支持構造をしていることになる。つまり、本実施の形態２におけるセンサエレメントＳＥ２は、基本的に、３つの固定部で質量体ＭＳ１および質量体ＭＳ２が支持される３点支持構造をしていることがわかる。したがって、本実施の形態２におけるセンサエレメントＳＥ２も、非特許文献１に記載されている３点支持構造と同様に、振動外乱と固有振動数の分離を容易に実施することができるとともに、温度変化に基づく固有振動数の変動も充分に抑制することができる。つまり、本実施の形態２におけるセンサエレメントＳＥ２においても、容易に、Ｘ方向に質量体ＭＳ１や質量体ＭＳ２が駆動振動する振動系の固有振動数を高周波帯域にシフトさせることができる。

　ここで、本実施の形態２における角速度センサの感度Ｓｗは、上述した（式３）および（式４）を整理することにより、（式５）で与えられる。

　Ｓｗ＝ｙ／Ω＝２・ｍ・Ｘ・ωｘ・ｃｏｓ（ωｘ・ｔ）・Ｑｙ／ｋｙ（式５）

　上述した（式５）から、周辺環境の変動に関係なく角速度センサの感度を一定に維持するためには、駆動振幅Ｘと、駆動振動系の固有振動数であるωｘ、検出振動系の機械品質係数であるＱｙを一定に維持する必要があることがわかる。このとき、検出振動系の機械品質係数であるＱｙは、温度に依存する要素であるが、例えば、サーボ制御を使用することにより、その影響を最小限にすることができるため、変化しない値としてみなすことができる。また、駆動振幅Ｘについても、上述したＡＧＣ３５によるフィードバック制御を使用することにより、一定値にすることができる。したがって、角速度センサの感度Ｓｗは、唯一、駆動振動系の固有振動数であるωｘの関数となる。

　この点に関し、本実施の形態２では、上述したように、Ｘ方向に質量体ＭＳ１や質量体ＭＳ２が駆動振動する振動系の固有振動数を高周波帯域にシフトさせている。このことは、駆動振動系の固有振動数が大きくなることを意味し、（式５）から角速度センサの感度Ｓｗも向上することがわかる。つまり、本実施の形態２では、１／ｆノイズに代表される振動外乱と、駆動振動系の固有振動数との共振を回避するため、１／ｆノイズの少ない高周波帯域側に、駆動振動系の固有振動数をシフトさせる点に主眼があるが、さらには、駆動振動系の固有振動数を高周波帯域側にシフトすることによって、角速度センサの感度も向上させることができる利点も得られるのである。

　一方で、本実施の形態２におけるセンサエレメントＳＥ２においては、非特許文献１に記載された技術とは異なり、固定部ＦＵ３と第３部位Ｐ３とを仮想線ＩＬ１上に配置される１本の支持梁で支持してはいない。具体的に、本実施の形態２におけるセンサエレメントＳＥ２においては、例えば、図１４に示すように、固定部ＦＵ３と接続するように延長部ＥＸＵを設け、この延長部ＥＸＵと、質量体ＭＳ１の一部を構成する第３部位Ｐ３とを、支持梁ＢＭ３および支持梁ＢＭ４で接続し、支持梁ＢＭ３と支持梁ＢＭ４とを仮想線ＩＬ１に対して反対側に配置している（第１特徴点）。同様に、本実施の形態２では、延長部ＥＸＵと、質量体ＭＳ２の一部を構成する第３部位Ｐ３とを、支持梁ＢＭ３および支持梁ＢＭ４で接続し、支持梁ＢＭ３と支持梁ＢＭ４とを仮想線ＩＬ１に対して反対側に配置している（第１特徴点）。

　ここで、支持梁ＢＭ１Ａ～ＢＭ１Ｄを１つの支持梁と考え、支持梁ＢＭ２Ａ～ＢＭ２Ｄを１つの支持梁と考えると、本実施の形態２における質量体ＭＳ１および質量体ＭＳ２は、上述した２つの支持梁と、支持梁ＢＭ３、および、支持梁ＢＭ４によって接続されていることになる。つまり、本実施の形態２では、基本的に３つの固定部で質量体ＭＳ１および質量体ＭＳ２を支持する３点支持構造を採用しながらも、質量体ＭＳ１および質量体ＭＳ２を４つの支持梁で懸架する構成が採用されている。この結果、本実施の形態２におけるセンサエレメントＳＥ２によれば、Ｘ方向に質量体ＭＳ１および質量体ＭＳ２が駆動振動する振動モードの固有振動数だけでなく、回転・ねじれに起因する不要モードの固有振動数も、１／ｆノイズの少ない高周波帯域側にシフトさせることができる。

　これにより、本実施の形態２におけるセンサエレメントＳＥ２では、質量体ＭＳ１および質量体ＭＳ２がＸ方向に駆動振動する振動モードだけでなく、回転・ねじれに起因する不要モードにおいても、振動外乱と固有振動数の分離を容易に実施することができるとともに、温度変化に基づく固有振動数の変動も充分に抑制できる角速度センサを提供することができる。すなわち、本実施の形態２における角速度センサによれば、角速度センサの実装環境における温度変化や振動外乱に影響を受けにくい（ロバストな）角速度センサを提供することができる。

　さらに、詳細に本実施の形態２における第１特徴点について説明する。本実施の形態２におけるセンサエレメントＳＥ２は、例えば、図１４に示すように、２つの質量体ＭＳ１および質量体ＭＳ２をリンク梁ＢＭ９で接続した構成をしているため、音叉のような振動モードを有する。すなわち、２つの質量体ＭＳ１および質量体ＭＳ２が共にＸ方向において同じ方向に同位相で振動する振動モード（第１モード）が存在し、この第１モードのピークが第１モードの固有振動数である。さらに、本実施の形態２では、２つの質量体ＭＳ１および質量体ＭＳ２がＸ方向において、逆方向（逆位相）で振動する振動モード（第２モード）が存在し、この第２モードのピークが第２モードの固有振動数である。このとき、第１モードの固有振動数は、第２モードの固有振動数よりも低周波数帯域側に存在する。言い換えれば、第２モードの固有振動数は、第１モードの固有振動数よりも高周波帯域側に存在するということもできる。

　さらに、３点支持構造をした本実施の形態２における角速度センサにおいては、第２モードよりもさらに高周波帯域側に第３モードおよび第４モードが存在する。この第３モードおよび第４モードが不要モードであり、例えば、２つの質量体ＭＳ１および質量体ＭＳ２がＸ方向回りに回転するモードであったり、Ｚ方向回りに回転するモードである。このような不要モードは、Ｘ方向の駆動振動に対応した第１モードや第２モードとは異なり、質量体ＭＳ１および質量体ＭＳ２の回転軸回りの慣性モーメントと、支持梁ＢＭ１Ａ～ＢＭ１Ｄ、支持梁ＢＭ２Ａ～ＢＭ２Ｄ、支持梁ＢＭ３、および、支持梁ＢＭ４の回転軸回りのねじればね定数によって決定される。

　このため、不要モードは、第１モードおよび第２モードとは環境温度による変動も異なり、基板歪に起因する固有振動数への影響も異なることになる。すなわち、角速度センサのセンサエレメントＳＥ２を広い温度範囲においても安定して動作させるためには、駆動周波数として使用する第２モード（駆動モード）の固有振動数を一定に維持することも大切であるが、他の不要モードの固有振動数が第２モード（駆動モード）の固有振動数と重ならないようにすることも大切である。

　また、特に、本実施の形態における角速度センサが自動車の横滑り防止システムのブレーキ圧発生制御装置などのような広範囲の振動外乱が存在する劣悪な環境下で使用される場合には、第２モード（駆動モード）の固有振動数をなるべく高くして、振動外乱などの周囲環境の振動ノイズと結合しないように構成する必要がある。さらには、不要モードの固有振動数は、第２モード（駆動モード）の固有振動数よりも、さらに高いところにシフトさせる必要がある。つまり、本実施の形態２における角速度センサは、３点支持構造を採用することにより、基板歪にロバストな構造でありながらも、第２モード（駆動モード）の固有振動数を高く、かつ、不要モードの固有振動数を、第２モード（駆動モード）の固有振動数よりもさらに高くすることを目的として開発されたものである。

　そこで、本実施の形態２では、例えば、図１４に示すように、固定部ＦＵ３と接続するように延長部ＥＸＵを設け、この延長部ＥＸＵと、質量体ＭＳ１および質量体ＭＳ２の一部を構成する第３部位Ｐ３とを、支持梁ＢＭ３および支持梁ＢＭ４で接続し、支持梁ＢＭ３と支持梁ＢＭ４とを仮想線ＩＬ１に対して反対側に配置している（第１特徴点）。

　この結果、本実施の形態２によれば、上述した第１特徴点を有することにより、基本的に３つの固定部で質量体ＭＳ１および質量体ＭＳ２を支持する３点支持構造を採用しながらも、質量体ＭＳ１および質量体ＭＳ２を４つの支持梁で懸架する構成となる。したがって、本実施の形態２におけるセンサエレメントＳＥ２によれば、Ｘ方向に質量体ＭＳ１および質量体ＭＳ２が駆動振動する振動モード（第２モード）の固有振動数だけでなく、回転・ねじれに起因する不要モードの固有振動数も、１／ｆノイズの少ない高周波帯域側にシフトさせることができるのである。

　なぜなら、本実施の形態２によれば、質量体ＭＳ１および質量体ＭＳ２を４つの支持梁で懸架することになり、質量体ＭＳ１および質量体ＭＳ２が回転軸（Ｘ軸やＺ軸）回りに回転しにくくなるからである。すなわち、本実施の形態２によれば、回転軸回りの回転剛性を高めることができるため、不要モードの固有振動数を高周波帯域側にシフトさせることができるのである。

　次に、本実施の形態２では、上述した第１特徴点の他に、以下に示す第２特徴点および第３特徴点も有する。すなわち、本実施の形態２におけるセンサエレメントＳＥ２は、質量体ＭＳ１および質量体ＭＳ２のそれぞれを第１部位Ｐ１と第２部位Ｐ２と第３部位Ｐ３を含む開放型形状で構成し、温度変化に起因して発生する基板歪の一部を第１部位Ｐ１および第２部位Ｐ２の変形により吸収している（第２特徴点）。さらに、本実施の形態２では、例えば、図１４に示すように、Ｙ方向の中心を通る仮想線ＩＬ１に対して、外側固定部ＯＦＵ１Ａ、ＯＦＵ１Ｂと、内側固定部ＩＦＵ１Ａ、ＩＦＵ１Ｂとを同じ側（上側）に配置し、かつ、第１部位Ｐ１に対して、外側固定部ＯＦＵ１Ａ、ＯＦＵ１Ｂと、内側固定部ＩＦＵ１Ａ、ＩＦＵ１Ｂとを反対側に配置している。そして、第１部位Ｐ１と、外側固定部ＯＦＵ１Ａ、ＯＦＵ１Ｂとを支持梁ＢＭ１Ａ～ＢＭ１Ｂで接続し、第１部位Ｐ１と、内側固定部ＩＦＵ１Ａ、ＩＦＵ１Ｂとを支持梁ＢＭ１Ｃ～ＢＭ１Ｄで接続している（第３特徴点）。

　このことから、本実施の形態２によれば、温度変化による固有振動数の変化で、固有振動数と振動外乱が一致することを低減することができ、これによって、角速度センサの誤動作や故障を効果的に抑制して、角速度センサの信頼性を向上させることができる。特に、本実施の形態２によれば、上述した第３特徴点より、例えば、支持梁ＢＭ１Ａ～ＢＭ１Ｄに着目して、支持梁ＢＭ１Ａ～ＢＭ１Ｄの全体を考えた場合、支持梁ＢＭ１Ａ～ＢＭ１Ｂに発生する内部応力と、支持梁ＢＭ１Ｃ～ＢＭ１Ｄに発生する内部応力を逆にすることができるため、ばね定数の変動を互いに打ち消し合って相殺することができ、これによって支持梁ＢＭ１Ａ～ＢＭ１Ｄの全体において、ばね定数の変動を抑制できる。すなわち、本実施の形態２によれば、上述した第２特徴点と第３特徴点の相乗効果により、温度変化に基づく固有振動数の変動を充分に抑制することができるため、さらには、振動系の固有振動数の変動に起因する角速度センサの感度の変動も抑制することができる。このように、本実施の形態２における角速度センサは、環境温度の変化に起因する基板歪への耐性が優れているため、温度環境が厳しい自動車のエンジンルームなどを含む広い温度範囲においても優れた特性を維持することができる。

　ただし、本実施の形態２では、説明の便宜上、駆動振動系を構成する材料（例えば、単結晶シリコン）の環境温度の変化に伴う物性値の変化については考慮していない。特に、支持梁ＢＭ１Ａ～ＢＭ１Ｄ、支持梁ＢＭ２Ａ～ＢＭ２Ｄ、支持梁ＢＭ３、および、支持梁ＢＭ４の場合、（式６）に示すばね定数の定義式には、材料のヤング率が含まれている。

　ｋｘ＝（Ｅ・ｈ・ｂ^３）／Ｌ^３（式６）

　ここで、ｋｘは支持梁のばね定数であり、Ｅはシリコンのヤング率であり、ｂは支持梁の幅であり、ｈは支持梁の高さであり、Ｌは支持梁の長さである。

　したがって、本明細書で説明した基板歪に関係なく、環境温度の変化に伴って、支持梁ＢＭ１Ａ～ＢＭ１Ｄ、支持梁ＢＭ２Ａ～ＢＭ２Ｄ、支持梁ＢＭ３、および、支持梁ＢＭ４のばね定数が変動する。しかし、自動車のエンジンルームなどの－４０度から１２５度程度の温度範囲では、シリコンのヤング率の変化は、ほぼ線形的な挙動を示すため、簡単な演算処理だけで補正することができる。

　一方、上述したシリコンのヤング率とは異なり、基板歪に起因するばね定数の変化は、大変非線形的なものであり、補正のためには、複雑な演算処理が必要であるとともに、多数の温度点での角速度センサの出力値が必要とされる。

　このことから、基板歪に起因するばね定数の変化を抑制する観点から、基板歪に起因する支持梁のばね定数の変化を抑制する工夫が必要とされる。この点に関し、本実施の形態２における角速度センサによれば、上述した第２特徴点および第３特徴点を有しているため、広い使用温度範囲においても、駆動振動系の固有振動数の変動を抑制できる。このため、本実施の形態２における角速度センサによれば、信号処理回路による高度で複雑な温度特性補正が不要となり、角速度センサの信頼性向上や、信号処理回路の小型化、角速度センサの出荷時における温度特性補正の簡素化などを図ることができ、これによって、製造コストの低減を図ることができる。

　以上、本発明者によってなされた発明をその実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることは言うまでもない。

　本発明は、自動車やロボットなどの姿勢検知、デジタルカメラの手ぶれ補正、ナビゲーションシステムの姿勢・方向検知、ゲーム機の姿勢検知などに使用される慣性センサの分野に幅広く利用することができる。特に、移動体での使用や、周辺環境にモータ、バルブ、スピーカなどの振動発生源が存在する場合に優れた効果を発揮することができる。

　１ａ　支持基板
　１ｂ　絶縁層
　１ｃ　導体層
　１Ｓ　基板
　１０Ａ　容量素子
　１０Ｂ　容量素子
　２１　ＣＶ変換回路
　２２　復調回路
　３０　ＣＶ変換部
　３１　ＡＤ変換部
　３２　差動検出部
　３３　同期検波部
　３４　ＡＦＣ
　３５　ＡＧＣ
　３６　ＤＡ変換部
　４０Ａ　ＣＶ変換部
　４０Ｂ　ＣＶ変換部
　４１Ａ　ＡＤ変換部
　４１Ｂ　ＡＤ変換部
　４２Ａ　差動検出部
　４２Ｂ　差動検出部
　４３Ａ　同期検波部
　４３Ｂ　同期検波部
　４４　差動演算処理部
　４５　ＬＰＦ
　ＡＤＨ１　接着材
　ＡＤＨ２　接着材
　ＡＳＵ　加速度検出部
　ＢＭ１Ａ　支持梁
　ＢＭ１Ｂ　支持梁
　ＢＭ１Ｃ　支持梁
　ＢＭ１Ｄ　支持梁
　ＢＭ２Ａ　支持梁
　ＢＭ２Ｂ　支持梁
　ＢＭ２Ｃ　支持梁
　ＢＭ２Ｄ　支持梁
　ＢＭ３　支持梁
　ＢＭ４　支持梁
　ＢＭ５　固定梁
　ＢＭ６　固定梁
　ＢＭ７　検出梁
　ＢＭ８　検出梁
　ＢＭ９　リンク梁
　ＣＡＰ　キャップ
　ＣＥ１　コリオリ素子
　ＣＥ２　コリオリ素子
　ＣＨＰ１　半導体チップ
　ＤＥ１　容量素子
　ＤＥ２　容量素子
　ＥＸＵ　延長部
　ＦＰ１　自由端
　ＦＰ２　自由端
　ＦＰ３　自由端
　ＦＰ４　自由端
　ＦＵ１　固定部
　ＦＵ２　固定部
　ＦＵ３　固定部
　ＩＦ１　絶縁膜
　ＩＦＵ１　内側固定部
　ＩＦＵ１Ａ　内側固定部
　ＩＦＵ１Ｂ　内側固定部
　ＩＦＵ２　内側固定部
　ＩＦＵ２Ａ　内側固定部
　ＩＦＵ２Ｂ　内側固定部
　ＩＬ１　仮想線
　ＭＥ１　容量素子
　ＭＥ２　容量素子
　ＭＲ　樹脂
　ＭＳ　質量体
　ＯＦＵ１　外側固定部
　ＯＦＵ１Ａ　外側固定部
　ＯＦＵ１Ｂ　外側固定部
　ＯＦＵ２　外側固定部
　ＯＦＵ２Ａ　外側固定部
　ＯＦＵ２Ｂ　外側固定部
　ＯＵＴ　出力端子
　Ｐ１　第１部位
　Ｐ２　第２部位
　Ｐ３　第３部位
　Ｐ４　第４部位
　ＰＤ１　パッド
　ＰＤ２　パッド
　Ｓ１　加速度センサ
　Ｓ２　角速度センサ
　ＳＥ１　センサエレメント
　ＳＥ２　センサエレメント
　ＳＰ　空間
　ＴＡＢ　チップ搭載部
　Ｖｃ　キャリア信号
　Ｗ１　ワイヤ
　Ｗ２　ワイヤ
　ＹＳＵ１　角速度検出部
　ＹＳＵ２　角速度検出部

Claims

　（ａ）第１方向に延在する第１部位と、前記第１方向と直交する第２方向に前記第１部位から所定距離だけ離間しながら前記第１方向に延在する第２部位と、前記第１部位と前記第２部位に連結するように前記第２方向に延在する第３部位と、を含む質量体であって、前記第１方向に変位可能な前記質量体と、
　（ｂ）第１支持梁を介して前記第１部位と接続された第１固定部と、
　（ｃ）第２支持梁を介して前記第２部位と接続された第２固定部と、
　（ｄ）第３固定部と、
　（ｅ）前記第３固定部と接続され、前記第２方向に延在する延長部と、
　（ｆ）前記延長部と前記第３部位とを接続する第３支持梁と、
　（ｇ）前記延長部と前記第３部位とを接続する第４支持梁と、
　を備え、
　前記第３支持梁と前記第４支持梁は、前記第３固定部を通り、前記第１方向に延在する仮想線に対して、互いに反対側に配置されている、慣性センサ。
　請求項１に記載の慣性センサにおいて、
　前記第３支持梁と前記第４支持梁は、前記仮想線に対して、対称に配置されている、慣性センサ。
　請求項１に記載の慣性センサにおいて、
　前記第１固定部は、第１外側固定部と第１内側固定部を含み、
　前記第１支持梁は、第１外側支持梁と第１内側支持梁を含み、
　前記第１部位は、前記第１外側支持梁を介して前記第１外側固定部と接続され、かつ、前記第１内側支持梁を介して前記第１内側固定部と接続され、
　前記第１外側固定部と前記第１内側固定部は、前記仮想線に対して、同じ側に配置されている、慣性センサ。
　請求項３に記載の慣性センサにおいて、
　前記第１外側固定部と前記第１内側固定部は、前記第１部位に対して、反対側に配置されている、慣性センサ。
　請求項３に記載の慣性センサにおいて、
　前記第１外側支持梁は、
　前記第１部位と第１自由端とを接続する第１接続梁と、
　前記第１自由端と前記第１外側固定部とを接続する第２接続梁と、を含み、
　前記第１内側支持梁は、
　前記第１部位と第２自由端とを接続する第３接続梁と、
　前記第２自由端と前記第１内側固定部とを接続する第４接続梁と、を含む、慣性センサ。
　請求項１に記載の慣性センサにおいて、
　前記第２固定部は、第２外側固定部と第２内側固定部を含み、
　前記第２支持梁は、第２外側支持梁と第２内側支持梁を含み、
　前記第１部位は、前記第２外側支持梁を介して前記第２外側固定部と接続され、かつ、前記第２内側支持梁を介して前記第２内側固定部と接続され、
　前記第２外側固定部と前記第２内側固定部は、前記仮想線に対して、同じ側に配置されている、慣性センサ。
　請求項６に記載の慣性センサにおいて、
　前記第２外側固定部と前記第２内側固定部は、前記第１部位に対して、反対側に配置されている、慣性センサ。
　請求項６に記載の慣性センサにおいて、
　前記第２外側支持梁は、
　前記第１部位と第３自由端とを接続する第５接続梁と、
　前記第３自由端と前記第２外側固定部とを接続する第６接続梁と、を含み、
　前記第２内側支持梁は、
　前記第１部位と第４自由端とを接続する第７接続梁と、
　前記第４自由端と前記第２内側固定部とを接続する第８接続梁と、を含む、慣性センサ。
　請求項１に記載の慣性センサにおいて、
　前記慣性センサは、加速度センサである、慣性センサ。
　請求項９に記載の慣性センサにおいて、
　前記加速度センサは、前記質量体の前記第１方向の変位を静電容量値の変化として捉える加速度検出部を有する、慣性センサ。
　請求項１に記載の慣性センサにおいて、
　前記慣性センサは、角速度センサである、慣性センサ。
　請求項１１に記載の慣性センサにおいて、
　前記角速度センサは、
　前記質量体と検出梁を介して接続されたコリオリ素子であって、前記第１方向に前記質量体を振動させた状態で、前記第１方向および前記第２方向と直交する第３方向回りに角速度が印加された場合に、前記第２方向に変位する前記コリオリ素子と、
　前記コリオリ素子の前記第２方向の変位を静電容量値の変化として捉える角速度検出部と、を有する、慣性センサ。
　請求項１に記載の慣性センサにおいて、
　前記第３固定部は、前記第２方向の中心線上に配置されている、慣性センサ。
　請求項１に記載の慣性センサにおいて、
　前記質量体、前記第１支持梁、前記第２支持梁、前記第３支持梁、および、前記第４支持梁で構成される振動系のうち、最も周波数の低いモードは、前記質量体が前記第１方向に振動するモードである、慣性センサ。