(57)【要約】【課題】物体の特定の１点の３次元運動状態を表す加速度と角速度とを精度良く検出するできるとともに物体の姿勢を検出できる小型のモーションセンサを実現する。【解決手段】加速度および角速度が検出される物体に固定されるフレームと、一端が前記フレームに結合し他端が前記フレームの内側に突出している複数のビームと、複数の前記ビームのそれぞれの前記他端に結合し複数の前記ビームによって前記フレームの内側において前記フレームに対して運動可能に支持されている環形の可動リングと、前記可動リングに張り渡されたダイヤフラムと、前記ダイヤフラムに結合し前記ダイヤフラムによって前記可動リングに対して運動可能に前記可動リングの内側において支持されている内錘と、前記内錘を周回運動させるための駆動手段と、前記ダイヤフラムに設けられ互いに直交する３軸の角速度成分を検出するための複数の圧電素子と、複数の前記ビームに設けられ互いに直交する３軸の加速度成分を検出するための複数のピエゾ抵抗素子と、を備えるモーションセンサ。【選択図】図１Ａ
2010043929.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
加速度および角速度が検出される物体に固定されるフレームと、
一端が前記フレームに結合し他端が前記フレームの内側に突出している複数のビームと、
複数の前記ビームのそれぞれの前記他端に結合し複数の前記ビームによって前記フレームの内側において前記フレームに対して運動可能に支持されている環形の可動リングと、
前記可動リングに張り渡されたダイヤフラムと、
前記ダイヤフラムに結合し前記ダイヤフラムによって前記可動リングに対して運動可能に前記可動リングの内側において支持されている内錘と、
前記内錘を周回運動させるための駆動手段と、
前記ダイヤフラムに設けられ互いに直交する３軸の角速度成分を検出するための複数の圧電素子と、
複数の前記ビームに設けられ互いに直交する３軸の加速度成分を検出するための複数のピエゾ抵抗素子と、
を備えるモーションセンサ。
【請求項２】
加速度および角速度が検出される物体に固定されるフレームと、
両端が前記フレームに結合し前記フレームの内側に架設されている複数のビームと、
複数の前記ビームのそれぞれの中間部に結合し前記ビームによって前記フレームの内側において前記フレームに対して運動可能に支持されている環形の可動リングと、
前記可動リングに張り渡されたダイヤフラムと、
前記ダイヤフラムに結合し前記ダイヤフラムによって前記可動リングに対して運動可能に前記可動リングの内側において支持されている内錘と、
前記内錘を周回運動させるための駆動手段と、
前記ダイヤフラムに設けられ互いに直交する３軸の角速度成分を検出するための複数の圧電素子と、
複数の前記ビームに設けられ互いに直交する３軸の加速度成分を検出するための複数のピエゾ抵抗素子と、
を備えるモーションセンサ。
【請求項３】
加速度および角速度が検出される物体に固定される環形のフレームと、
前記フレームに張り渡されたダイヤフラムと、
前記ダイヤフラムに結合し前記ダイヤフラムによって前記フレームに対して運動可能に前記フレームの内側において支持されている内錘と、
前記内錘を周回運動させるための駆動手段と、
前記ダイヤフラムに設けられ互いに直交する３軸の角速度成分を検出するための複数の圧電素子と、
一端が前記フレームに結合し他端が前記フレームの外側に突出している複数のビームと、
複数の前記ビームのそれぞれの前記他端に結合し前記ビームによって前記フレームの外側において前記フレームに対して運動可能に支持されている環形の外錘と、
複数の前記ビームに設けられ互いに直交する３軸の加速度成分を検出するための複数のピエゾ抵抗素子と、
を備え、
前記外錘の重心の位置と前記内錘の重心の位置とは、一致するか、少なくとも前記外錘の重心から前記ダイヤフラムに下ろした垂線の足の位置と前記内錘の重心から前記ダイヤフラムに下ろした垂線の足の位置とが一致する関係にある、
モーションセンサ。
【請求項４】
加速度および角速度が検出される物体に固定される環形のフレームと、
前記フレームに張り渡されたダイヤフラムと、
前記ダイヤフラムに結合し前記ダイヤフラムによって前記フレームに対して運動可能に前記フレームの内側において支持されている内錘と、
前記内錘を周回運動させるための駆動手段と、
前記ダイヤフラムに設けられ互いに直交する３軸の角速度成分を検出するための複数の圧電素子と、
中間部が前記フレームに結合し両端が前記フレームの外側に突出している複数のビームと、
複数の前記ビームのそれぞれの前記両端に結合し前記フレームの外側において前記フレームに対して運動可能に支持されている環形の外錘と、
複数の前記ビームに設けられ互いに直交する３軸の加速度成分を検出するための複数のピエゾ抵抗素子と、
を備え、
前記外錘の重心の位置と前記内錘の重心の位置とは、一致するか、少なくとも前記外錘の重心から前記ダイヤフラムに下ろした垂線の足の位置と前記内錘の重心から前記ダイヤフラムに下ろした垂線の足の位置とが一致する、
モーションセンサ。
【請求項５】
加速度および角速度が検出される物体に固定される環形のフレームと、
前記フレームに張り渡され薄肉部と前記薄肉部より狭く厚い厚肉部とからなるダイヤフラムと、
前記ダイヤフラムに結合し前記ダイヤフラムによって前記フレームに対して運動可能に前記フレームの内側において支持されている内錘と、
前記内錘を周回運動させるための駆動手段と、
前記薄肉部に設けられ互いに直交する３軸の角速度成分を検出するための複数の圧電素子と、
前記厚肉部の表層に設けられ互いに直交する３軸の加速度成分を検出するための複数のピエゾ抵抗素子と、
を備えるモーションセンサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は加速度及び角速度を検出するためのモーションセンサに関し、特にＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）としてのモーションセンサに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、加速度センサや振動ジャイロスコープとして機能するＭＥＭＳが実用化されている。特許文献１には、ダイヤフラムに設けられた圧電素子を用いて角速度を検出する振動ジャイロスコープとして機能するＭＥＭＳが記載されている。特許文献２，３には、十字形に組み合わせた４つのビームのそれぞれに設けられたピエゾ抵抗素子を用いて加速度を検出する加速度センサとして機能するＭＥＭＳが記載されている。また特許文献４には振動ジャイロスコープと加速度センサとを組み合わせたモーションセンサとして機能するＭＥＭＳが記載されている。
【特許文献１】特開2004−294450号公報
【特許文献２】特開2006−177823号公報
【特許文献３】特開2006−308325号公報
【特許文献４】特開平10−10148号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
振動ジャイロスコープとして機能するＭＥＭＳを用いて角速度を検出する場合、加速度に伴う慣性力に比べて微弱な歪みを電気信号に変換する素子としては、ピエゾ抵抗素子よりも圧電素子を用いた方が感度を高めやすい。ただし、圧電素子は低い周波数の歪みに対する感度が低いため、物体に作用する重力加速度すなわち物体の姿勢を検出する手段として圧電素子を用いることはできない。したがって特許文献１に記載された振動ジャイロスコープに設けられた圧電素子の出力に基づいて物体の姿勢（傾斜角）を検出することはできない。
【０００４】
一方、特許文献２，３に記載されているように加速度の検出手段としてピエゾ抵抗素子を用いると、物体の姿勢を検出できる。ピエゾ抵抗素子は、特許文献２，３に記載されているようにダイヤフラムに比べて変形しやすいビームに設けることが好ましい。
【０００５】
ところで、圧電膜の面積と感度とには正の相関があるため、特許文献２，３に記載されているようなビームに圧電素子を設けて角速度を検出しようとしても、圧電膜の面積を十分広く設計することができない。すなわち特許文献２，３に記載されたビームの歪みを圧電素子によって検出しても高い感度で角速度を検出することはできない。
【０００６】
また、特許文献４に記載されたモーションセンサでは、角速度の互いに異なる軸の成分を検出する位置が一致しておらず、また、加速度を検出する位置と角速度を検出する位置も一致していない。したがって物体の特定の１点の３次元運動を表す加速度と角速度とを検出する用途に特許文献４に記載されたモーションセンサを用いると検出誤差が生ずるという問題がある。
【０００７】
本発明はこれらの問題を解決するために創作されたものであって物体の特定の１点の３次元運動状態を表す加速度と角速度とを精度良く検出するできるとともに物体の姿勢（傾斜角）を検出できる小型のモーションセンサを実現することを目的の１つとする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
（１）上記目的を達成するためのモーションセンサは、加速度および角速度が検出される物体に固定されるフレームと、一端が前記フレームに結合し他端が前記フレームの内側に突出している複数のビームと、複数の前記ビームのそれぞれの前記他端に結合し複数の前記ビームによって前記フレームの内側において前記フレームに対して運動可能に支持されている環形の可動リングと、前記可動リングに張り渡されたダイヤフラムと、前記ダイヤフラムに結合し前記ダイヤフラムによって前記可動リングに対して運動可能に前記可動リングの内側において支持されている内錘と、前記内錘を周回運動させるための駆動手段と、前記ダイヤフラムに設けられ互いに直交する３軸の角速度成分を検出するための複数の圧電素子と、複数の前記ビームに設けられ互いに直交する３軸の加速度成分を検出するための複数のピエゾ抵抗素子と、を備える。
【０００９】
本発明によると、加速度に伴う慣性力の作用点と角速度に伴うコリオリ力の作用点とをほぼ一点に設定できるとともに、ダイヤフラムに設ける圧電素子によって角速度成分を検出し、ビームに設けるピエゾ抵抗素子によって加速度を検出するため、物体の特定の１点の３次元運動状態を表す加速度と角速度とを精度良く検出できるとともに物体の姿勢を検出できる。また本発明によると角速度にともなうコリオリ力と加速度に伴う慣性力とを作用させる錘が１個の内錘によって構成されるため、モーションセンサを小型化できる。
【００１０】
（２）上記目的を達成するためのモーションセンサは、加速度および角速度が検出される物体に固定されるフレームと、両端が前記フレームに結合し前記フレームの内側に架設されている複数のビームと、複数の前記ビームのそれぞれの中間部に結合し前記ビームによって前記フレームの内側において前記フレームに対して運動可能に支持されている環形の可動リングと、前記可動リングに張り渡されたダイヤフラムと、前記ダイヤフラムに結合し前記ダイヤフラムによって前記可動リングに対して運動可能に前記可動リングの内側において支持されている内錘と、前記内錘を周回運動させるための駆動手段と、前記ダイヤフラムに設けられ互いに直交する３軸の角速度成分を検出するための複数の圧電素子と、複数の前記ビームに設けられ互いに直交する３軸の加速度成分を検出するための複数のピエゾ抵抗素子と、を備える。
【００１１】
本発明によると、加速度に伴う慣性力の作用点と角速度に伴うコリオリ力の作用点とをほぼ一点に設定できるとともに、ダイヤフラムに設ける圧電素子によって角速度成分を検出し、ビームに設けるピエゾ抵抗素子によって加速度を検出するため、物体の特定の１点の３次元運動状態を表す加速度と角速度とを精度良く検出できるとともに物体の姿勢を検出できる。また本発明によると角速度にともなうコリオリ力と加速度に伴う慣性力とを作用させる錘が１個の内錘によって構成されるため、モーションセンサを小型化できる。
【００１２】
（３）上記目的を達成するためのモーションセンサは、加速度および角速度が検出される物体に固定される環形のフレームと、前記フレームに張り渡されたダイヤフラムと、前記ダイヤフラムに結合し前記ダイヤフラムによって前記フレームに対して運動可能に前記フレームの内側において支持されている内錘と、前記内錘を周回運動させるための駆動手段と、前記ダイヤフラムに設けられ互いに直交する３軸の角速度成分を検出するための複数の圧電素子と、一端が前記フレームに結合し他端が前記フレームの外側に突出している複数のビームと、複数の前記ビームのそれぞれの前記他端に結合し前記ビームによって前記フレームの外側において前記フレームに対して運動可能に支持されている環形の外錘と、複数の前記ビームに設けられ互いに直交する３軸の加速度成分を検出するための複数のピエゾ抵抗素子と、を備え、前記外錘の重心の位置と前記内錘の重心の位置とは、一致するか、少なくとも前記外錘の重心から前記ダイヤフラムに下ろした垂線の足の位置と前記内錘の重心から前記ダイヤフラムに下ろした垂線の足の位置とが一致する関係にある。
【００１３】
本発明によると、検出される慣性力の作用点と検出されるコリオリ力の作用点とを一点またはダイヤフラムに垂直な同一直線上に位置する近接した２点に設定できるとともに、ダイヤフラムに設ける圧電素子によって角速度成分を検出し、ビームに設けるピエゾ抵抗素子によって加速度を検出するため、物体の特定の１点の３次元運動状態を表す加速度と角速度とを精度良く検出できるとともに物体の姿勢を検出できる。また本発明によると内錘と外錘とがダイヤフラムとビームとを介して共通のフレームによって支持する構成であるため、モーションセンサを小型化することができる。
【００１４】
（４）上記目的を達成するためのモーションセンサは、加速度および角速度が検出される物体に固定される環形のフレームと、前記フレームに張り渡されたダイヤフラムと、前記ダイヤフラムに結合し前記ダイヤフラムによって前記フレームに対して運動可能に前記フレームの内側において支持されている内錘と、前記内錘を周回運動させるための駆動手段と、前記ダイヤフラムに設けられ互いに直交する３軸の角速度成分を検出するための複数の圧電素子と、中間部が前記フレームに結合し両端が前記フレームの外側に突出している複数のビームと、複数の前記ビームのそれぞれの前記両端に結合し前記フレームの外側において前記フレームに対して運動可能に支持されている環形の外錘と、複数の前記ビームに設けられ互いに直交する３軸の加速度成分を検出するための複数のピエゾ抵抗素子と、を備え、前記外錘の重心の位置と前記内錘の重心の位置とは、一致するか、少なくとも前記外錘の重心から前記ダイヤフラムに下ろした垂線の足の位置と前記内錘の重心から前記ダイヤフラムに下ろした垂線の足の位置とが一致する。
【００１５】
本発明によると、検出される慣性力の作用点と検出されるコリオリ力の作用点とを一点またはダイヤフラムに垂直な同一直線上に位置する近接した２点に設定できるとともに、ダイヤフラムに設ける圧電素子によって角速度成分を検出し、ビームに設けるピエゾ抵抗素子によって加速度を検出するため、物体の特定の１点の３次元運動状態を表す加速度と角速度とを精度良く検出できるとともに物体の姿勢を検出できる。
【００１６】
（５）上記目的を達成するための加速度および角速度が検出される物体に固定される環形のフレームと、前記フレームに張り渡され薄肉部と前記薄肉部より狭く厚い厚肉部とからなるダイヤフラムと、前記ダイヤフラムに結合し前記ダイヤフラムによって前記フレームに対して運動可能に前記フレームの内側において支持されている内錘と、前記内錘を周回運動させるための駆動手段と、前記薄肉部に設けられ互いに直交する３軸の角速度成分を検出するための複数の圧電素子と、前記厚肉部の表層に設けられ互いに直交する３軸の加速度成分を検出するための複数のピエゾ抵抗素子と、を備える。
【００１７】
本発明によると、検出される慣性力の作用点と検出されるコリオリ力の作用点とを一点に設定できる。またダイヤフラムに薄肉部と薄肉部より狭く厚い厚肉部とを設け、薄肉部に設けた圧電素子によって角速度成分を検出し、厚肉部の表層に設けるピエゾ抵抗素子によって加速度を検出するため、物体の特定の１点の３次元運動状態を表す加速度と角速度とを精度良く検出できるとともに物体の姿勢を検出できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、本発明の実施の形態を添付図面を参照しながら以下の順に説明する。尚、各図において対応する構成要素には同一の符号が付され、重複する説明は省略される。
【００１９】
１．第一実施形態
本発明のＭＥＭＳセンサの第一実施形態としてのモーションセンサ１を図１に示す。モーションセンサ１は加速度および角速度を測定するために用いられる。モーションセンサ１はパッケージ２０に固定された固体素子であるダイ１０を備えている。パッケージ２０はモーションセンサ１によって加速度および角速度を検出しようとする物体に固定される。
【００２０】
ダイ１０は、薄膜処理技術によって形成される一体の積層構造体である。ただし図１において各層の境界線は省略されている。平面視（ダイヤフラム１１に対して垂直な方向から見た形状）におけるダイ１０の一辺は約３．５ｍｍである。ダイ１０をパッケージ２０に固定するための接合手段２１には、フレーム１６以外の部分をパッケージ２０から浮かせるための厚さが必要であり、両面テープ、フィラー入り接着剤などを用いることができる。ダイ１０には、フレーム１６、ビーム１５、可動リング１７、ダイヤフラム１１、内錘１２、ピエゾ抵抗素子Ｒ、圧電素子１３、１４、図示しない配線等が形成されている。
【００２１】
フレーム１６は接合手段２１によってパッケージ２０に固定されている。したがってフレーム１６はモーションセンサ１によって加速度および角速度を検出しようとする物体に固定された剛体として振る舞う。フレーム１６は平面視において外側の輪郭が略正方形であり内側の輪郭が円形である環形の要素である。
【００２２】
４個のビーム１５はフレーム１６から内側に突出し、モーションセンサが固定される物体に固定された座標系において自由端である突端が可動リング１７に結合された薄い膜である。４個のビーム１５の突端は、ダイヤフラム１１の中心に向かう９０度間隔の４方向にフレーム１６から突出している。ビーム１５のフレーム１６との境界はモーションセンサ１が固定される物体に固定された座標系において、ビーム１５の固定端となる。
【００２３】
円環形の可動リング１７は、４個のビーム１５によってフレーム１６に対して運動可能に、フレーム１６の内側においてパッケージ２０から浮いた状態に支持されている。可動リング１７はビーム１５およびダイヤフラム１１に比べて十分厚いため剛体として振る舞う。また可動リング１７を円環形にすることによって、ダイヤフラム１１の張力に対する可動リング１７の剛性が高まっている。可動リング１７とフレーム１６との間には、可動リング１７がフレーム１６に対して相対的に運動するための空隙が形成されている。
【００２４】
可動リング１７の内側にはダイヤフラム１１が張り渡されている。ダイヤフラム１１は平面視が円形の薄い膜であり外周全体が可動リング１７に結合している。ダイヤフラム１１と４個のビーム１５とは同一平面上に配置されている。ダイヤフラム１１の中央部には内錘１２が結合している。
【００２５】
内錘１２は加速度に伴う慣性力と角速度に伴う微弱なコリオリ力とを感度良く検出可能な大きさで作用させるための要素である。内錘１２はダイヤフラム１１によって可動リング１７に対して運動可能に可動リング１７の内側においてパッケージ２０から浮いた状態に支持されている。内錘１２の重心をダイヤフラム１１から遠くに設定することによりダイヤフラム１１およびビーム１５に作用するモーメントが大きくなるため、内錘１２はダイヤフラム１１に近づくにつれて細くなっている。具体的には、円柱形の主部１２ｂと主部１２ｂよりも直径が小さい円柱形の接続部１２ａとによって内錘１２が構成されており、接続部１２ａがダイヤフラム１１に結合している。可動リング１７と内錘１２との間とフレーム１６と内錘１２との間とには、内錘１２が可動リング１７に対してもフレーム１６に対しても相対的に運動するための空隙が形成されている。可動リング１７と内錘１２との間の空隙は内錘１２に形成された円環状の溝Ｎによって形成されている。
【００２６】
それぞれのビーム１５の表層には３軸の加速度成分を検出するためのピエゾ抵抗素子Ｒが設けられている。一直線に並ぶ２つのビーム１５の変形をピエゾ抵抗素子Ｒによって検出することにより、その直線と平行な軸（ｘ軸またはｙ軸）の加速度成分とビームの厚さ方向と平行な軸（ｚ軸）の加速度成分とを検出できる。各軸の加速度成分を個別に検出するため、軸毎に４個のピエゾ抵抗素子Ｒが結線された３個のブリッジ回路が構成される。ピエゾ抵抗素子Ｒをビーム１５が突出している方向に長いＵ字に形成することにより、感度を高めることができる。
【００２７】
ダイヤフラム１１の周縁部にはほぼ円環形に４個の駆動用圧電素子１４が設けられている。４個の駆動用圧電素子１４は内錘１２を周回運動させる駆動手段を構成する。ダイヤフラム１１の応力が集中する中央近傍にはほぼ円環形に４個の検出用圧電素子１３が設けられている。４個の検出用圧電素子１３は、ダイヤフラム１１の変形に応じた３軸の角速度成分を検出するための角速度検出手段を構成する。
【００２８】
ビーム１５、ダイヤフラム１１、可動リング１７および内錘１２の寸法は、ビーム１５とダイヤフラム１１と可動リング１７の質量に比べて内錘１２の質量が十分大きくなるように設定する。例えばビーム１５およびダイヤフラム１１の厚さを１０μｍ、可動リング１７の厚さを６３５μｍ、内錘１２の接続部１２ａの厚さを６２５μｍ、内錘１２の主部１２ｂの厚さを５００μｍとする。またビーム１５の長さを例えば５００μｍ、可動リング１７の幅（ダイヤフラム１１の径方向の長さ）を例えば３００μｍ、内錘１２の接続部１２ａの直径を１０００μｍ、内錘１２の主部１２ｂの直径を２５００μｍとする。
【００２９】
（作用・効果）
駆動用圧電素子１４に高周波の交流駆動電圧を印可することにより、ダイヤフラム１１が３次元振動し、内錘１２が周回運動する。角速度が生ずると、角速度と内錘１２の速度とに応じたコリオリ力が内錘１２に生じる。このコリオリ力によって生ずるダイヤフラム１１の変形を複数の検出用圧電素子１３により検出すると３軸の角速度成分を検出できる。コリオリ力の検出手段として圧電素子を用いることにより、ピエゾ抵抗素子によってコリオリ力を検出する場合に比べ、微弱なコリオリ力に応じた角速度を感度良く検出できる。
【００３０】
加速度が生ずると、内錘１２に慣性力が作用する。この慣性力によって生ずる４個のビーム１５の変形を複数のピエゾ抵抗素子Ｒにより検出すると３軸の加速度成分を検出できる。加速度検出手段としてピエゾ抵抗素子Ｒを用いることにより、加速度検出手段として圧電素子を用いる場合に比べ、周波数の低い加速度を直流成分すなわち、傾き（傾斜角）まで検出できる。
【００３１】
図２、図３に示すようにダイヤフラム１１もビーム１５も加速度に伴う慣性力によっても内錘１２の周回運動によっても角速度に伴うコリオリ力によっても変形する。（図２、図３では加速度の方向を矢印で示し、ビーム１５およびダイヤフラム１１の変形のない状態を点線で示している。）
【００３２】
ダイヤフラム１１は加速度に伴う慣性力によっても変形するため、角速度の検出用圧電素子１３から得られる信号には加速度成分が混入することになる。しかし、検出対象とする加速度の周波数に比べて十分高い周波数で内錘１２を周回運動させ、検出用圧電素子１３から得られる信号の高周波成分だけをハイパスフィルタによって取り出せば、検出用圧電素子１３から得られる信号から加速度成分を除去することができる。
【００３３】
一方、ビーム１５は駆動用圧電素子１４によって駆動された内錘１２の周回運動によってもコリオリ力によっても変形するため、ピエゾ抵抗素子Ｒから得られる信号には内錘１２の駆動成分や角速度成分も混入する。しかし、検出対象とする加速度の周波数が内錘１２の駆動周波数よりも十分低ければ、ピエゾ抵抗素子Ｒから得られる信号の低周波成分だけをローパスフィルタによって取り出せば、ピエゾ抵抗素子Ｒから得られる信号から内錘１２の駆動成分と角速度成分とを除去することができる。
【００３４】
本実施形態によると、加速度に伴う慣性力の作用点と角速度に伴うコリオリ力の作用点とはいずれも内錘１２の重心にほぼ一致する。また加速度を検出する手段としてピエゾ抵抗素子Ｒを用いるため静止状態における重力加速度の大きさと方向とを検出できる。すなわち加速度を検出する手段としてピエゾ抵抗素子Ｒを用いるためモーションセンサ１が固定された物体の姿勢を検出できる。さらにピエゾ抵抗素子Ｒをビーム１５に設けるため、ダイヤフラム１１にピエゾ抵抗素子Ｒを設ける場合に比べて高い感度で加速度を検出できる。また角速度を検出する手段として圧電素子１３を用いると共に圧電素子１３をダイヤフラム１１に設けるため、ビーム１５に圧電素子１３を設ける場合に比べて面積の広い圧電素子１３によって角速度を高い感度で検出できる。したがって、本実施形態のモーションセンサ１は、モーションセンサ１が固定される物体の特定の１点の３次元運動状態を表す加速度と角速度とを感度良く検出できるとともに物体の姿勢を検出できる。また本実施形態によると、角速度にともなうコリオリ力と加速度に伴う慣性力とを作用させる錘が１個の内錘１２によって構成されるため、モーションセンサ１を小型化できる。
【００３５】
（製造方法）
まず図１に示す構成のモーションセンサ１の積層構造の具体例を図４に示す。図４は図１ＡのＢ−Ｂ線断面に対応している。図４において各層の界面は破線によって示され上述した機能的な構成要素間の境界は実線によって示されている。内錘１２は、その主部１２ｂがガラス層１７０からなり、その接続部１２ａが厚い方のシリコン層１００と二酸化シリコン（ＳｉＯ２）からなるエッチストッパ層１１０とからなる。ダイヤフラム１１およびビーム１５は薄い方のシリコン層１２０と二酸化シリコンからなる絶縁層１３０とからなる。圧電素子１３、１４は圧電層１５０が２つの電極層１４０、１６０に挟まれた構造である。可動リング１７は厚い方のシリコン層１００、エッチストッパ層１１０、薄い方のシリコン層１２０および絶縁層１３０からなる。フレーム１６は可動リング１７を構成しているこれら４つの層とガラス層１７０とからなる。このような積層構造を有するモーションセンサ１は例えば次のようにして製造される。
【００３６】
初めに図５に示すようにＳＯＩ（Silicon On Insulator）ウエハ１０００の薄い方のシリコン層１２０にピエゾ抵抗素子Ｒを形成する。具体的には、まず、薄い方のシリコン層１２０の表面にピエゾ抵抗素子Ｒに対応するパターンを有しフォトレジストからなる図示しないマスクが形成される。次に、マスクから露出しているシリコン層１２０の表層に不純物を注入することによりピエゾ抵抗素子Ｒを形成する。不純物として、例えばボロン（Ｂ）イオンを２×１０１８／ｃｍ３の濃度でイオン注入する。その後、アニールによって活性化する。ＳＯＩウエハ１０００として、例えば厚い方のシリコン層１００の厚さが６２５μｍ、エッチストッパ層１１０となる二酸化シリコン（ＳｉＯ２）層の厚さが１μｍ、薄い方のシリコン層１２０の厚さが１０μｍであるものを用いる。
【００３７】
次に図６に示すように薄い方のシリコン層１２０の表面に二酸化シリコンからなる絶縁層１３０を形成する。
【００３８】
次に図７に示すように絶縁層１３０にコンタクトホールＨを形成する。尚、コンタクトホールＨを形成した後、コンタクトホールＨから露出しているシリコン層１２０に不純物イオン（例えばボロン（Ｂ））を注入し、ピエゾ抵抗素子Ｒと配線との接続抵抗を低減しても良い。
【００３９】
次に図８に示すように、絶縁層１３０の表面に電極層１４０、圧電層１５０、電極層１６０をこの順で積層する。例えば電極層１４０、１６０として厚さ０．１μｍの白金（Ｐｔ）の膜をスパッタリングによりに形成し、圧電層１５０として厚さ３μｍのＰＺＴ(チタン酸ジルコン酸鉛)の膜を形成する。
【００４０】
次に図９に示すように電極層１６０、圧電層１５０および電極層１４０を順にエッチングすることにより、検出用圧電素子１３および駆動用圧電素子１４を形成する。このとき電極層１４０からなるピエゾ抵抗素子Ｒの配線も、電極層１６０および電極層１４０からなる検出用圧電素子１３および駆動用圧電素子１４の配線も同時に形成される。
【００４１】
次に薄い方のシリコン層１２０および絶縁層１３０をエッチングすることにより図１に示すビーム１５の輪郭を形成する。具体的には、まず、ビーム１５に対応するパターンを有するフォトレジストからなるマスクを絶縁層１３０の表面に形成する。続いて、ＣＨＦ３ガスを用いた反応性イオンエッチングにより絶縁層１３０をパターニングし、ＣＦ４ガスを用いた反応性イオンエッチングにより薄い方のシリコン層１２０をパターニングすると、ビーム１５の輪郭が形成される。
【００４２】
次に図１０に示すように厚い方のシリコン層１００を上にしてワークの下面を犠牲基板９９に仮固定する。固定手段Ｂとしては例えばワックス、フォトレジスト、両面粘着シート等を用いる。続いて厚い方のシリコン層１００をエッチングすることにより、内錘１２および可動リング１７の厚い方のシリコン層１００からなる部分を形成する。具体的には例えば次の通りである。厚い方のシリコン層１００の表面に、内錘１２および可動リング１７に対応するパターンのフォトレジストマスクＰを形成する。続いて、ＳＦ６ガスを用いた反応性イオンエッチングとＣ４Ｆ８ガスを用いたパッシベーションとを交互に繰り返すＤｅｅｐ−ＲＩＥ（Reactive Ion Etching）により、内錘１２および可動リング１７の厚い方のシリコン層１００からなる部分の輪郭を形成する。
【００４３】
次に図１１に示すように、エッチングされた厚い方のシリコン層１００をマスクとしてエッチストッパ層１１０を緩衝フッ酸でウエットエッチングする。その後、犠牲基板９９をワークから取り除く。
【００４４】
次に図１２に示すようにガラス層１７０となるガラスウエハを厚い方のシリコン層１００に陽極接合する。ガラス層１７０の材料として例えば厚さ５００μｍのパイレックスガラス（登録商標）のウエハを用いる。ガラスウエハには、内錘１２と可動リング１７の間の空隙となる溝Ｎをエッチング、サンドブラスト加工などによって形成しておく。
【００４５】
次に、ガラス層１７０を内錘１２とフレーム１６とに切り分け、続いて、ダイ毎にワークを切り分けると、図１に示すモーションセンサ１のダイ１０が完成する。この工程ではダイサーによる切削、エッチング、サンドブラスト加工によって任意の形状にワークを切り分けることができる。
【００４６】
その後にパッケージングなどの後工程を実施すると、図１、図４に示すモーションセンサ１が完成する。
【００４７】
２．第二実施形態
本発明の第二実施形態としてのモーションセンサ２を図１３に示す。加速度を検出するためのビーム１５は図１３Ａに示すように両端が固定されていても良い。
【００４８】
フレーム１６は平面視において外側の輪郭も内側の輪郭もほぼ正方形である。フレーム１６の内側の４つの角部はフレーム１６の内側に突出している。そしてフレーム１６の内側の４つの角部のそれぞれに２個のビーム１５が結合している。
【００４９】
４個のビーム１５はそれぞれフレーム１６の平面視における内側の４辺と平行に設けられている。４個のビーム１５の両端がそれぞれフレーム１６の内側の角に結合している。すなわちビーム１５は両端ともに固定端である。それぞれのビーム１５は、フレーム１６の平面視における内側の辺と平行に延びる主部１５ａと主部１５ａの中央からフレーム１６の平面視における内側空間の中心に向かって突出している接続部１５ｂとで構成され、Ｔ字形である。接続部１５ｂの突端は可動リング１７に結合している。加速度を検出するためのピエゾ抵抗素子Ｒはそれぞれのビーム１５の固定端であるフレーム１６との境界近傍の領域の表層に設けられる。図１４、図１５に示すように加速度が生ずると（図１４、図１５において加速度の方向は矢印で示されている。）、内錘１２に作用する慣性力によって４個のビーム１５が変形する。
【００５０】
角速度および加速度の検出方法は第一実施形態と同様である。また第二実施形態にかかるダイ１０は、フォトレジストマスクのパターンさえ変更すれば第一実施形態と同様の方法で製造できる。
【００５１】
３．第三実施形態
本発明の第三実施形態としてのモーションセンサ３を図１６に示す。モーションセンサ３において、第一実施形態における可動リング１７に対応する位置にある部分は、接合手段２１によってパッケージ２０に固定されるフレーム１８として構成されている。そして第一実施形態におけるフレーム１６に対応する位置にある部分は、ビーム１５によってパッケージ２０から浮いた状態に支持された外錘１９として構成されている。詳細は次の通りである。
【００５２】
パッケージ２０に固定されるフレーム１８は内錘１２と外錘１９の間に位置し、平面視が円環形である。フレーム１８は内錘１２と外錘１９と同一の積層構造を有する。フレーム１８はモーションセンサ３によって加速度および角速度を検出しようとする物体に固定された剛体として振る舞う。フレーム１８の内側に張り渡されるダイヤフラム１１および圧電素子１３，１４は第一実施形態と同一の構成である。
【００５３】
ダイヤフラム１１に結合している内錘１２は角速度に伴うコリオリ力を高い感度で検出可能な大きさで作用させるための要素である。内錘１２は、ダイヤフラム１１の中央部に結合し、フレーム１８の内側においてフレーム１８に対して運動可能にパッケージ２０から浮いた状態にダイヤフラム１１によって支持されている。内錘１２の主部１２ｂの直径はフレーム１８の内径よりも小さく、内錘１２の主部１２ｂとフレーム１８との間には内錘１２をフレーム１８に対して運動可能にするための空隙が形成されている。
【００５４】
ビーム１５およびピエゾ抵抗素子Ｒの形態は第一実施形態と同一である。４個のビーム１５はフレーム１８から９０度間隔の４方向にフレーム１８の外側に突出している。ただしモーションセンサ３が固定される物体に固定された座標系において、ビーム１５の固定端はフレーム１８との境界であり、ビーム１５の自由端は外錘１９との境界である。すなわち４個のビーム１５は外錘１９をフレーム１８に対して相対的に運動可能にパッケージ２０から浮いた状態に支持している。そしてピエゾ抵抗素子Ｒは外錘１９に作用する慣性力にともなうビーム１５の歪みを検出する。
【００５５】
外錘１９は加速度にともなう慣性力を高い感度で検出可能な大きさで作用させるための要素である。外錘１９はパッケージ２０に固定されておらず、フレーム１８から延びるビーム１５の自由端に結合されているため、フレーム１８に対して相対的に運動可能である。外錘１９は、平面視において円環形であり内側の輪郭も外側の輪郭も円形である。
【００５６】
外錘１９と内錘１２とは互いの重心位置が少なくとも平面視において一致するように設計される。すなわち外錘１９の重心の位置と内錘１２の重心の位置とは、一致するか、または外錘１９の重心から前記ダイヤフラム１１に下ろした垂線の足の位置と内錘１２の重心からダイヤフラム１１に下ろした垂線の足の位置とが一致する関係にある。このためモーションセンサ３によって検出される加速度に伴う慣性力の作用点とモーションセンサ３によって検出される角速度に伴うコリオリ力の作用点とはほぼ一致し、平面視においては完全に一致する。したがってモーションセンサ３によっても、物体の特定の１点の３次元運動状態を表す加速度と角速度とを高い感度で精度良く検出できる。
【００５７】
また本実施形態では、モーションセンサ３が固定される物体に固定された座標系において外錘１９と内錘１２とが別々に運動し、ビーム１５とダイヤフラム１１とはモーションセンサ３が固定される物体に固定された座標系において常に静止している剛体として振る舞うフレーム１８に結合されている。このため、外錘１９の運動に伴って変形するビーム１５に設けられたピエゾ抵抗素子Ｒから得られる信号には角速度成分が混入しない。
【００５８】
また本実施形態では、加速度を検出するための外錘１９と角速度を検出するための内錘１２とが１個のフレーム１８に結合しているビーム１５とダイヤフラム１１とよって支持されている。すなわち、内錘１２と外錘１９とをパッケージ２０から浮いた状態に間接的に支持するために必要なフレームを共通化しているため、モーションセンサ３を小型化することができる。
【００５９】
第三実施形態にかかるダイ１０は、フォトレジストマスクのパターンさえ変更すれば第一実施形態と同様の方法で製造できる。
【００６０】
４．第四実施形態
本発明の第四実施形態としてのモーションセンサ４を図１７に示す。モーションセンサ４において、第二実施形態における可動リング１７に対応する位置にある部分は、接合手段２１によってパッケージ２０に固定されるフレーム１８として構成されている。そして第二実施形態におけるフレーム１６に対応する位置にある部分は、ビーム１５によってパッケージ２０から浮いた状態に支持された外錘１９として構成されている。詳細は次の通りである。
【００６１】
パッケージ２０に固定されるフレーム１８は内錘１２と外錘１９の間に位置し、平面視が円環形である。フレーム１８は内錘１２と外錘１９と同一の積層構造を有する。フレーム１８はモーションセンサ３によって加速度および角速度を検出しようとする物体に固定された剛体として振る舞う。フレーム１８の内側に張り渡されるダイヤフラム１１および圧電素子１３，１４は第一実施形態と同一の構成である。
【００６２】
ダイヤフラム１１に結合している内錘１２は角速度に伴うコリオリ力を高い感度で検出可能な大きさで作用させるための要素である。内錘１２は、ダイヤフラム１１の中央部に結合し、フレーム１８の内側においてフレーム１８に対して運動可能にパッケージ２０から浮いた状態にダイヤフラム１１によって支持されている。内錘１２の主部１２ｂの直径はフレーム１８の内径よりも小さく、内錘１２の主部１２ｂとフレーム１８との間には内錘１２をフレーム１８に対して運動可能にするための空隙が形成されている。
【００６３】
ビーム１５およびピエゾ抵抗素子Ｒの形態は第二実施形態と同一である。ただしモーションセンサ４が固定される物体に固定された座標系において、ビーム１５の固定端は中間部にあって、その接続部１５ｂとフレーム１８との境界である。すなわち４個のビーム１５の自由端である両端はフレーム１８の外側に突出し、環形の外錘１９をフレーム１８の外側においてフレーム１８に対して相対的に運動可能にパッケージ２０から浮いた状態に支持している。そしてピエゾ抵抗素子Ｒは外錘１９に作用する慣性力にともなうビーム１５の歪みを検出する。
【００６４】
外錘１９と内錘１２とは互いの重心位置が少なくとも平面視において一致するように設計される。すなわち外錘１９の重心の位置と内錘１２の重心の位置とは、一致するか、または外錘１９の重心から前記ダイヤフラム１１に下ろした垂線の足の位置と内錘１２の重心からダイヤフラム１１に下ろした垂線の足の位置とが一致する関係にある。このためモーションセンサ４によって検出される加速度に伴う慣性力の作用点とモーションセンサ４によって検出される角速度に伴うコリオリ力の作用点とはほぼ一致し、平面視においては完全に一致する。したがってモーションセンサ４によっても、物体の特定の１点の３次元運動状態を表す加速度と角速度とを高い感度で精度良く検出できる。
【００６５】
また本実施形態でも、モーションセンサ４が固定される物体に固定された座標系において外錘１９と内錘１２とが別々に運動し、ビーム１５とダイヤフラム１１とはモーションセンサ４が固定される物体に固定された座標系において常に静止している剛体として振る舞うフレーム１８に結合されている。このため、外錘１９の運動に伴って変形するビーム１５に設けられたピエゾ抵抗素子Ｒから得られる信号には角速度成分が混入しない。
【００６６】
また本実施形態でも、加速度を検出するための外錘１９と角速度を検出するための内錘１２とが１個のフレーム１８に結合しているビーム１５とダイヤフラム１１とよって支持されている。すなわち、内錘１２と外錘１９とをパッケージ２０から浮いた状態に間接的に支持するために必要なフレームを共通化しているため、モーションセンサ４を小型化することができる。
【００６７】
第四実施形態にかかるダイ１０は、フォトレジストマスクのパターンさえ変更すれば第一実施形態と同様の方法で製造できる。
【００６８】
５．第五実施形態
本発明の第五実施形態としてのモーションセンサ５を図１８に示す。モーションセンサ５においては、加速度を検出するためのピエゾ抵抗素子Ｒも角速度を検出するための圧電素子１３もダイヤフラム１１に設けられ、ダイヤフラム１１には加速度に伴う慣性力と角速度に伴うコリオリ力とを作用させるための内錘１２が結合している。詳細は次の通りである。
【００６９】
フレーム１６は接合手段によってパッケージ２０に固定されている。フレーム１６は平面視において外側の輪郭が略正方形であり内側の輪郭が円形である環形の要素である。フレーム１６はモーションセンサ５によって加速度および角速度を検出しようとする物体に固定された剛体として振る舞う。
【００７０】
フレーム１６の内側にはダイヤフラム１１が張り渡されている。ダイヤフラム１１は平面視が円形の薄い膜であって外周全体がフレーム１６に結合している。ダイヤフラム１１には圧電素子１３，１４が表面に設けられる薄肉部１１ｂとピエゾ抵抗素子Ｒが表層に設けられる厚肉部１１ａとが形成される。厚肉部１１ａはリブ状に形成される。厚肉部１１ａは、ダイヤフラム１１の中央部からフレーム１６にかけてダイヤフラム１１の径方向に平行な９０度間隔の４方向に延びている。ダイヤフラム１１が変形するとき、厚肉部１１ａの表層では薄肉部１１ｂの表層よりも歪み量が大きくなる。したがって厚肉部１１ａの表層にピエゾ抵抗素子Ｒを設けることにより、たとえダイヤフラム１１がビーム１５よりも柔軟性において劣るとしても加速度の十分な検出感度を実現することが可能になる。一方、ダイヤフラム１１の大部分を薄肉部１１ｂが占めており、厚肉部１１ａはピエゾ抵抗素子Ｒを設けられる程度の広さがあれば十分であるため、厚肉部１１ａによるダイヤフラム１１の剛性の高まりは限定的である。薄肉部１１ｂには第一実施形態と同様に検出用圧電素子１３と駆動用圧電素子１４とが設けられる。
【００７１】
ダイヤフラム１１の厚肉部１１ａの幅、厚さ、長さ（ダイヤフラム１１の径方向の長さ）などは厚肉部１１ａによって増大するダイヤフラム１１の表層の歪み量と厚肉部１１ａによって低下するダイヤフラム１１の柔軟性とを加味して設計すればよい。例えば、薄肉部１１ｂの厚さを１０μｍ、厚肉部１１ａの厚さを１５μｍ、厚肉部１１ａの幅を１００μｍとし、ダイヤフラム１１の内錘１２が結合される領域の外周よりも内側からダイヤフラム１１とフレーム１６との境界よりも外側まで延びるリブ状に厚肉部１１ａを形成すればよい。ダイヤフラム１１の内錘１２が結合される領域の外周と、ダイヤフラム１１とフレーム１６との境界とを跨ぐように厚肉部１１ａを形成するのは、これらの境界領域にダイヤフラム１１の応力が集中しやすいからである。
【００７２】
厚肉部１１ａと薄肉部１１ｂとは厚さだけが異なる同一の層構造で構成しても良いし、薄肉部１１ｂと厚肉部１１ａとの厚さの差に相当する層を厚肉部１１ａに追加しても良い。例えば、図５に示すようにピエゾ抵抗素子Ｒを形成する前に、薄いシリコン層１２０の薄肉部１１ｂに相当する領域の表層をエッチングしてもよいし、薄いシリコン層１２０の表面の厚肉部１１ａに相当する領域にシリコンを堆積しても良い。
【００７３】
ダイヤフラム１１の中央部には内錘１２が結合している。内錘１２は第一実施形態と同一の構成である。
【００７４】
本実施形態によると、加速度に伴う慣性力の作用点と角速度に伴うコリオリ力の作用点とはいずれも内錘１２の重心に一致する。また加速度を検出する手段としてピエゾ抵抗素子Ｒを用いるため静止状態における重力加速度の大きさと方向とを検出できる。すなわち加速度を検出する手段としてピエゾ抵抗素子Ｒを用いるためモーションセンサ１が固定された物体の姿勢を検出できる。また角速度を検出する手段として圧電素子１３を用いると共に圧電素子１３をダイヤフラム１１に設けるため、圧電素子１３をビームに設ける場合に比べて面積の広い圧電素子１３によって角速度を高い感度で検出できる。したがって、本実施形態のモーションセンサ１は、モーションセンサ１が固定される物体の特定の１点の３次元運動状態を表す加速度と角速度とを高感度に精度良く検出できるとともに物体の姿勢を検出できる。また本実施形態によると、角速度にともなうコリオリ力と加速度に伴う慣性力とを作用させる錘が１個の内錘１２によって構成されるとともに、ダイヤフラム１１の面積を増大させずに加速度の感度を高めることができるため、モーションセンサ１を小型化できる。
【００７５】
６．他の実施形態
尚、本発明の技術的範囲は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。例えば、上記実施形態で示した材質や寸法や成膜方法やパターン転写方法はあくまで例示であるし、当業者であれば自明である工程の追加や削除や工程順序の入れ替えについては説明が省略されている。例えば、上述した製造工程において、膜の組成、成膜方法、膜の輪郭形成方法、工程順序などは、モーションセンサを構成しうる物性を持つ膜材料の組み合わせや、膜厚や、要求される輪郭形状精度などに応じて適宜選択されるものであって、特に限定されない。
【図面の簡単な説明】
【００７６】
【図１Ａ】本発明の第一実施形態にかかる平面図。
【図１Ｂ】本発明の第一実施形態にかかる断面図。
【図２】本発明の第一実施形態にかかる断面図。
【図３】本発明の第一実施形態にかかる断面図。
【図４】本発明の第一実施形態にかかる断面図。
【図５】本発明の第一実施形態にかかる断面図。
【図６】本発明の第一実施形態にかかる断面図。
【図７】本発明の第一実施形態にかかる断面図。
【図８】本発明の第一実施形態にかかる断面図。
【図９】本発明の第一実施形態にかかる断面図。
【図１０】本発明の第一実施形態にかかる断面図。
【図１１】本発明の第一実施形態にかかる断面図。
【図１２】本発明の第一実施形態にかかる断面図。
【図１３Ａ】本発明の第二実施形態にかかる平面図。
【図１３Ｂ】本発明の第二実施形態にかかる断面図。
【図１４】本発明の第二実施形態にかかる断面図。
【図１５】本発明の第二実施形態にかかる断面図。
【図１６Ａ】本発明の第三実施形態にかかる平面図。
【図１６Ｂ】本発明の第三実施形態にかかる断面図。
【図１７Ａ】本発明の第四実施形態にかかる平面図。
【図１７Ｂ】本発明の第四実施形態にかかる断面図。
【図１８Ａ】本発明の第五実施形態にかかる平面図。
【図１８Ｂ】本発明の第五実施形態にかかる断面図。
【符号の説明】
【００７７】
１：モーションセンサ、２：モーションセンサ、３：モーションセンサ、４：モーションセンサ、５：モーションセンサ、１０：ダイ、１１：ダイヤフラム、１１ａ：厚肉部、１１ｂ：薄肉部、１２：内錘、１２ａ：接続部、１２ｂ：主部、１３：検出用圧電素子、１４：駆動用圧電素子、１５：ビーム、１５ａ：主部、１５ｂ：接続部、１６：フレーム、１７：可動リング、１８：フレーム、１９：外錘、２０：パッケージ、２１：接合手段、９９：犠牲基板、１００：シリコン層、１１０：エッチストッパ層、１２０：シリコン層、１３０：絶縁層、１４０：電極層、１５０：圧電層、１６０：電極層、１７０：ガラス層、１０００：ＳＯＩウエハ、Ｂ：固定手段、Ｈ：コンタクトホール、Ｎ：溝、Ｐ：フォトレジストマスク、Ｒ：ピエゾ抵抗素子
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３Ａ】
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【図１３Ｂ】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６Ａ】
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【図１６Ｂ】
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【図１７Ａ】
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【図１７Ｂ】
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【図１８Ａ】
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【図１８Ｂ】
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