(57)【要約】  固定部（１２）と、錘部（１３）と、平板状であり、延設方向における一方の端部が固定部（１２）に接続されており、他方の端部が錘部（１３）に接続されている平板部（２１）と、平板部（２１）の厚み方向に突出するように、平板部（２１）の幅方向の中央に設けられている中央側凸部（２２）と、平板部（２１）の厚み方向に突出するように、平板部（２１）の幅方向の両端にそれぞれ設けられている端側凸部（２３Ａ，２３Ｂ，２３Ｃ，２３Ｄ）と、を備えている梁（１４）と、平板部（２１）において平板部（２１）の延設方向の中央とは異なる位置に設けられており、梁（１４）の応力を検出する検出素子と、を備える角加速度センサ。
2014073631.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
固定部と、
変位可能に支持されている錘部と、
平板状であり、延設方向における一方の端部が前記固定部に接続されており、他方の端部が前記錘部に接続されている平板部と、前記平板部の延設方向に直交する厚み方向に突出するように、前記平板部の延設方向と厚み方向とに直交する幅方向の中央に設けられている中央側凸部と、前記平板部の厚み方向に突出するように、前記平板部の幅方向の両端にそれぞれ設けられている複数の端側凸部と、を備えている梁と、
前記平板部において前記平板部の延設方向の中央とは異なる位置に設けられており、前記梁の応力を検出する複数の検出素子と、
を備える角加速度センサ。
【請求項２】
前記中央側凸部は、前記平板部の延設方向と幅方向からなる面を視て、前記支持梁の中央を通るように設けられている、請求項１に記載の角加速度センサ。
【請求項３】
前記中央側凸部の前記平板部の延設方向における一方の端部が前記固定部に接続されており、他方の端部が前記錘部に接続されている、請求項１または２に記載の角加速度センサ。
【請求項４】
前記複数の端側凸部は、
前記平板部の幅方向の一方の端部に設けられており、前記平板部の延設方向における一方の端部が前記固定部と接続されており、他方の端部が前記平板部の延設方向の中央よりも前記固定部側に位置する、第１の端側凸部と、
前記平板部の幅方向の一方の端部に設けられており、前記平板部の延設方向における一方の端部が前記錘部と接続されており、他方の端部が前記平板部の延設方向の中央よりも前記錘部側に位置する、第２の端側凸部と、
前記平板部の幅方向の他方の端部に設けられており、前記平板部の延設方向における一方の端部が前記固定部と接続されており、他方の端部が前記平板部の延設方向の中央よりも前記固定部側に位置する、第３の端側凸部と、
前記平板部の幅方向の他方の端部に設けられており、前記平板部の延設方向における一方の端部が前記錘部と接続されており、他方の端部が前記平板部の延設方向の中央よりも前記錘部側に位置する、第４の端側凸部と、
を含む、請求項１〜３のいずれかに記載の角加速度センサ。
【請求項５】
前記複数の検出素子は、
前記第１の端側凸部と前記平板部の厚み方向において対向している検出素子と、
前記第２の端側凸部と前記平板部の厚み方向において対向している検出素子と、
前記第３の端側凸部と前記平板部の厚み方向において対向している検出素子と、
前記第４の端側凸部と前記平板部の厚み方向において対向している検出素子と、
を含む、請求項４に記載の角加速度センサ。
【請求項６】
前記複数の検出素子はブリッジ回路を構成している、請求項５に記載の角加速度センサ。
【請求項７】
固定部と、
変位可能に支持されている錘部と、
平板状であり、延設方向における一方の端部が前記固定部に接続されており、他方の端部が前記錘部に接続されている平板部と、前記平板部の延設方向に直交する厚み方向に突出するように、前記平板部の延設方向と厚み方向とに直交する幅方向の中央に設けられている中央側凸部と、前記平板部の厚み方向に突出するように、前記平板部の幅方向の両端にそれぞれ設けられている複数の端側凸部と、を備えている梁と、
前記平板部において前記平板部の延設方向の中央とは異なる位置に設けられており、前記梁の応力を検出する複数の検出素子と、
を備える加速度センサ。
【請求項８】
前記中央側凸部は、前記平板部の延設方向と幅方向からなる面を視て、前記支持梁の中央を通るように設けられている、請求項７に記載の加速度センサ。
【請求項９】
前記中央側凸部の前記平板部の延設方向における一方の端部が前記固定部に接続されており、他方の端部が前記錘部に接続されている、請求項７または８に記載の加速度センサ。
【請求項１０】
前記複数の端側凸部は、
前記平板部の幅方向の一方の端部に設けられており、前記平板部の延設方向における一方の端部が前記固定部と接続されており、他方の端部が前記平板部の延設方向の中央よりも前記固定部側に位置する、第１の端側凸部と、
前記平板部の幅方向の一方の端部に設けられており、前記平板部の延設方向における一方の端部が前記錘部と接続されており、他方の端部が前記平板部の延設方向の中央よりも前記錘部側に位置する、第２の端側凸部と、
前記平板部の幅方向の他方の端部に設けられており、前記平板部の延設方向における一方の端部が前記固定部と接続されており、他方の端部が前記平板部の延設方向の中央よりも前記固定部側に位置する、第３の端側凸部と、
前記平板部の幅方向の他方の端部に設けられており、前記平板部の延設方向における一方の端部が前記錘部と接続されており、他方の端部が前記平板部の延設方向の中央よりも前記錘部側に位置する、第４の端側凸部と、
を含む、請求項７〜９のいずれかに記載の加速度センサ。
【請求項１１】
前記複数の検出素子は、
前記第１の端側凸部と前記平板部の厚み方向において対向している検出素子と、
前記第２の端側凸部と前記平板部の厚み方向において対向している検出素子と、
前記第３の端側凸部と前記平板部の厚み方向において対向している検出素子と、
前記第４の端側凸部と前記平板部の厚み方向において対向している検出素子と、
を含む、請求項１０に記載の加速度センサ。
【請求項１２】
前記複数の検出素子はブリッジ回路を構成している、請求項１１に記載の加速度センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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に関する。
【背景技術】
【０００２】
ある種の角加速度センサおよび加速度センサは、錘部と梁と検出部を備え、錘部に作用する角加速度または加速度を、錘部を支持している梁に生じる撓み応力から検出するように構成されている(例えば特許文献１参照。)。【０００３】
ここで、角加速度センサの一般的な構成例について説明する。【０００４】
図５（Ａ）は、角加速度センサの第１の従来構成例に係る平面図である。なお、以下の説明では、梁の撓み方向に沿う軸を直交座標系のＸ軸とし、梁の延設方向に沿う軸を直交座標系のＹ軸とし、Ｘ軸およびＹ軸に直交する軸を直交座標系のＺ軸とする。【０００５】
第１の従来構成例に係る角加速度センサ１０１は、固定部１０２と、錘部１０３と、梁１０４と、２つのピエゾ抵抗１０５Ａ，１０５Ｂとを備えている。固定部１０２は、Ｚ軸に沿う方向に配置された図示されていない筐体等に固定されている。梁１０４は、筐体等から浮いた状態でＹ軸に沿って延設されていて、Ｙ軸正方向側の端部が錘部１０３に接続されており、Ｙ軸負方向側の端部が固定部１０２に接続されている。錘部１０３は、Ｘ−Ｙ面において固定部１０２から離間する位置に、筐体等から浮いた状態で保持されている。ピエゾ抵抗１０５Ａ，１０５Ｂは、それぞれ、Ｘ−Ｙ面においてＹ軸に沿う方向を長手方向とする長方形状であり、Ｘ軸方向に並べて、梁１０４に設けられている。【０００６】
図５（Ｂ）は、第１の従来構成例に係る角加速度センサ１０１において、梁１０４がＸ軸負方向側に撓む際に梁１０４に生じる撓み応力の分布を示すコンター図である。【０００７】
角加速度センサ１０１において、錘部１０３にＺ軸正方向から視て時計回りの角加速度が作用すると、梁１０４がＸ軸負方向側に撓む。すると、梁１０４のＸ軸負方向側の側面近傍の領域に圧縮応力が作用し、Ｘ軸正方向側の側面近傍の領域に引っ張り応力が作用する。そして、梁１０４の幅方向（Ｘ軸方向）の中央を通る線（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る。【０００８】
図５（Ｃ）は、第１の従来構成例に係る角加速度センサ１０１が備える検出回路について説明する図である。【０００９】
ピエゾ抵抗１０５Ａ，１０５Ｂは、定電圧源に対して直列接続されており、抵抗分圧回路を構成する。ピエゾ抵抗１０５Ａ，１０５Ｂは、梁１０４の幅方向の中央を通る線の両側に平行に配置されている。このため、梁１０４がＸ軸に沿う方向に撓むと、梁１０４の中立面を境にして、一方の領域に配置されているピエゾ抵抗には圧縮応力が作用し、他方の領域に配置されているピエゾ抵抗には引っ張り応力が作用する。このため、ピエゾ抵抗１０５Ａ，１０５Ｂの伸縮は逆になり、伸びるピエゾ抵抗の抵抗値が増大し、縮むピエゾ抵抗の抵抗値が減少する。そのため、抵抗分圧回路における、ピエゾ抵抗１０５Ａ，１０５Ｂによる分圧比が変動し、いずれか一方のピエゾ抵抗の両端電圧が錘部１０３に作用する角加速度に応じたものになる。【００１０】
図６（Ａ）は、角加速度センサの第２の従来構成例に係る平面図である。【００１１】
第２の従来構成例に係る角加速度センサ２０１は、固定部２０２と、錘部２０３と、梁２０４と、４つのピエゾ抵抗２０５Ａ，２０５Ｂ，２０５Ｃ，２０５Ｄとを備えている。固定部２０２と、錘部２０３と、梁２０４とは、前述の第１の従来構成例と同じ構成である。ピエゾ抵抗２０５Ａ，２０５Ｂ，２０５Ｃ，２０５Ｄは、梁２０４の幅方向（Ｘ軸方向）の中央を通る線（一点鎖線で図示する。）に対して対称に配置されているとともに、梁２０４の延設方向（Ｙ軸方向）の中央を通る線（不図示）に対して対称に配置されている。【００１２】
図６（Ｂ）は、第２の従来構成例に係る角加速度センサ２０１が備える検出回路について説明する図である。【００１３】
ピエゾ抵抗２０５Ａ，２０５Ｂ，２０５Ｃ，２０５Ｄは、互いに対称に配置されているピエゾ抵抗同士が直列に接続され、２組の直列回路が定電圧源あるいは定電流源に並列接続され、ブリッジ回路を構成する。このような構成のブリッジ回路では、梁２０４のＸ軸に沿う方向の撓みによって２つの出力端子の電位が互いに逆極性で変わり、その電位差を電圧変動として角加速度を計測することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１４】
【特許文献１】特開平０８−１６００６６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
いずれの従来構成例であっても、図５（Ｂ）に示したように梁が撓んだ状態では、梁上で撓み応力の分布が生じる。ここで、梁の延設方向であるＹ軸に沿った方向における撓み応力の分布について詳細に検討すると、梁のＹ軸に沿った方向の中央に近いほど撓み応力は大きくなり、梁のＹ軸に沿った方向の中央から離れるほど撓み応力は小さくなる。そのため、第１の従来構成例のようにピエゾ抵抗がＹ軸に沿った方向の中央に配置されている場合には、ピエゾ抵抗に最大撓み応力が作用することになるが、第２の従来構成例のようにピエゾ抵抗がＹ軸に沿った方向の中央からずれて配置されている場合には、ピエゾ抵抗には最大撓み応力よりも小さな撓み応力しか作用しないことになる。【００１６】
すなわち、従来構成例では、梁の延設方向における梁の中央で撓み応力が最大となるために、梁の延設方向における梁の中央からピエゾ抵抗をずらして配置する場合には、ピエゾ抵抗で梁の最大撓み応力を検出することができなかった。このため、ピエゾ抵抗で梁の応力を効率よく検出することができず、角加速度センサの感度が低いという問題があった。このような問題は、角加速度センサだけではなく、固定部と錘部と梁とピエゾ抵抗とを備えている。加速度センサにおいても同様に起こるものである。【００１７】
そこで、本発明の目的は、梁の延設方向における梁の中央とは異なる位置に設けられたピエゾ抵抗において梁の最大撓み応力を検出することができ、感度が高い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。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
本発明に係る角加速度センサは、固定部と、錘部と、梁と、検出素子と、を備える。錘部は、変位可能に支持されている。梁は、平板部と、中央側凸部と、複数の端側凸部と、を備えている。平板部は、平板状であり、延設方向における一方の端部が固定部に接続されており、他方の端部が錘部に接続されている。中央側凸部は、平板部の延設方向に直交する厚み方向に突出するように、平板部の延設方向と厚み方向とに直交する幅方向の中央に設けられている。複数の端側凸部は、平板部の厚み方向に突出するように、平板部の幅方向の両端にそれぞれ設けられている。複数の検出素子は、平板部において平板部の延設方向の中央とは異なる位置に設けられており、梁の応力を検出する。【００１９】
本発明に係る角加速度センサにおいて、中央側凸部は、平板部の延設方向と幅方向からなる面を視て、支持梁の中央を通るように設けられていることが好ましい。【００２０】
本発明に係る角加速度センサにおいて、中央側凸部の平板部の延設方向における一方の端部が固定部に接続されており、他方の端部が錘部に接続されていることが好ましい。【００２１】
本発明に係る角加速度センサにおいて、複数の端側凸部は、第１の端側凸部と、第２の端側凸部と、第３の端側凸部と、第４の端側凸部と、を含むことが好ましい。第１の端側凸部は、平板部の幅方向の一方の端部に設けられており、平板部の延設方向における一方の端部が固定部と接続されており、他方の端部が平板部の延設方向の中央よりも固定部側に位置する。第２の端側凸部は、平板部の幅方向の一方の端部に設けられており、平板部の延設方向における一方の端部が錘部と接続されており、他方の端部が平板部の延設方向の中央よりも錘部側に位置する。第３の端側凸部は、平板部の幅方向の他方の端部に設けられており、平板部の延設方向における一方の端部が固定部と接続されており、他方の端部が平板部の延設方向の中央よりも固定部側に位置する。第４の端側凸部は、平板部の幅方向の他方の端部に設けられており、平板部の延設方向における一方の端部が錘部と接続されており、他方の端部が平板部の延設方向の中央よりも錘部側に位置する。【００２２】
複数の検出素子は、第１の端側凸部と平板部の厚み方向において対向している検出素子と、第２の端側凸部と平板部の厚み方向において対向している検出素子と、第３の端側凸部と平板部の厚み方向において対向している検出素子と、第４の端側凸部と平板部の厚み方向において対向している検出素子と、を含むことがより好ましい。また、複数の検出素子はブリッジ回路を構成していることがさらに好ましい。【００２３】
本発明に係る加速度センサは、固定部と、錘部と、梁と、検出素子と、を備える。錘部は、変位可能に支持されている。梁は、平板部と、中央側凸部と、複数の端側凸部と、を備えている。平板部は、平板状であり、延設方向における一方の端部が固定部に接続されており、他方の端部が錘部に接続されている。中央側凸部は、平板部の延設方向に直交する厚み方向に突出するように、平板部の延設方向と厚み方向とに直交する幅方向の中央に設けられている。複数の端側凸部と、平板部の厚み方向に突出するように、平板部の幅方向の両端にそれぞれ設けられている。複数の検出素子は、平板部において平板部の延設方向の中央とは異なる位置に設けられており、梁の応力を検出する。【００２４】
本発明に係る加速度センサにおいて、中央側凸部は、平板部の延設方向と幅方向からなる面を視て、支持梁の中央を通るように設けられていることが好ましい。【００２５】
本発明に係る加速度センサにおいて、中央側凸部の平板部の延設方向における一方の端部が固定部に接続されており、他方の端部が錘部に接続されていることが好ましい。【００２６】
本発明に係る加速度センサにおいて、複数の端側凸部は、第１の端側凸部と、第２の端側凸部と、第３の端側凸部と、第４の端側凸部と、を含むことが好ましい。第１の端側凸部は、平板部の幅方向の一方の端部に設けられており、平板部の延設方向における一方の端部が固定部と接続されており、他方の端部が平板部の延設方向の中央よりも固定部側に位置する。第２の端側凸部は、平板部の幅方向の一方の端部に設けられており、平板部の延設方向における一方の端部が錘部と接続されており、他方の端部が平板部の延設方向の中央よりも錘部側に位置する。第３の端側凸部は、平板部の幅方向の他方の端部に設けられており、平板部の延設方向における一方の端部が固定部と接続されており、他方の端部が平板部の延設方向の中央よりも固定部側に位置する。第４の端側凸部は、平板部の幅方向の他方の端部に設けられており、平板部の延設方向における一方の端部が錘部と接続されており、他方の端部が平板部の延設方向の中央よりも錘部側に位置する。【００２７】
複数の検出素子は、第１の端側凸部と平板部の厚み方向において対向している検出素子と、第２の端側凸部と平板部の厚み方向において対向している検出素子と、第３の端側凸部と平板部の厚み方向において対向している検出素子と、第４の端側凸部と平板部の厚み方向において対向している検出素子と、を含むことがより好ましい。また、複数の検出素子はブリッジ回路を構成していることがさらに好ましい。
【発明の効果】
【００２８】
この発明によれば、梁が、平板部と、中央側凸部と、端側凸部とを備えていることにより、梁における最大撓み応力が発生する位置を検出素子が設けられている部分とすることができる。このため、検出素子で梁の最大撓み応力を検出することができ、感度を高くすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る角加速度センサの構成を説明する斜視図である。
【図２】本発明の第１の実施形態に係る角加速度センサの備える梁の周辺構造を説明する図である。
【図３】本発明の第１の実施形態に係る角加速度センサの備えるピエゾ抵抗について説明する図である。
【図４】本発明の第１の実施形態に係る角加速度センサの備える梁における撓み応力の分布について説明する図である。
【図５】第１の従来構成例に係る角加速度センサを説明する図である。
【図６】第２の従来構成例に係る角加速度センサを説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００３０】
以下、本発明の実施形態に係る角加速度センサを、説明する。以下の説明では、角加速度センサの検出軸を直交座標系のＺ軸とし、梁の延設方向に沿う軸を直交座標系のＹ軸とし、梁の撓み方向に沿う軸を直交座標系のＸ軸とする。
【００３１】
図１は、本発明の第１の実施形態に係る角加速度センサ１０の構成を示す斜視図である。
【００３２】
角加速度センサ１０は、基板部１１と、ピエゾ抵抗１５Ａ，１５Ｂ，１５Ｃ，１５Ｄと、端子電極１６Ａ，１６Ｂ，１６Ｃ，１６Ｄと、配線１７Ａ，１７Ｂ，１７Ｃ，１７Ｄを備えている。なお、図１では、ピエゾ抵抗１５Ａ，１５Ｂ，１５Ｃ，１５Ｄの図示を省略している。
【００３３】
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軸に沿う方向を厚み方向とする、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１４とが構成されている。
【００３４】
また、基板部１１は、ＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ  Ｏｎ  Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）基板を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（ＳｉＯ２）のような絶縁材料からなる。
【００３５】
固定部１２は、Ｘ−Ｙ面を視て、基板部１１の外周部に環状に設けられており、錘部１３と梁１４とを囲んでいる。すなわち、錘部１３と梁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。
【００３６】
梁１４は、Ｘ−Ｙ面を視て、Ｙ軸に沿う方向を延設方向とし、Ｘ軸に沿う方向を幅方向とする矩形状であり、固定部１２の開口内側の壁面からＹ軸方向に沿って延設されている。梁１４は、図示しない筐体等から浮いた状態で、固定部１２によって支持されている。
【００３７】
錘部１３は、Ｘ−Ｙ面を視て、梁１４に接続されて固定部１２の開口内に設けられており、図示しない筐体等から浮いた状態で、梁１４と固定部１２とによって変位可能に支持されている。
【００３８】
また、錘部１３は、Ｘ−Ｙ面を視て、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、Ｘ軸正方向側の辺の中央が複数段（３段）にわたってＸ軸負方向側に凹むように、凹部１３Ａが設けられている。固定部１２は、Ｘ−Ｙ面を視て、錘部１３と開口部を隔てて対向しており、凹み部１３Ａに対向するように複数段（３段）にわたってＸ軸負方向側に突出する凸部１２Ａが設けられている。そして、梁１４は、凸部１２Ａの先端近傍の領域におけるＹ軸正方向側の壁面からＹ軸方向に沿って延設されていて、凹部１３Ａの底近傍の領域におけるＹ軸負方向側の壁面に接続されている。
【００３９】
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１４に集中して梁１４が大きく撓むことになる。また、錘部１３は、梁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ため、Ｚ軸を回転軸とする角加速度によって梁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１４の撓みが生じやすくなり、角加速度の検知感度が向上することになる。
【００４０】
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。
【００４１】
配線１７Ａ，１７Ｂ，１７Ｃ，１７Ｄは、固定部１２と梁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１５Ｄと電気的に接続されている。
【００４２】
図２は、梁１４の周辺構造を説明する図である。図２（Ａ）は斜視図である。図２（Ｂ）は、図２（Ａ）中にＹ−面として示す位置でのＸ−Ｚ面断面図である。図２（Ｃ）は、図２（Ａ）中にＹ０面として示す位置でのＸ−Ｚ面断面図である。図２（Ｄ）は、図２（Ａ）中にＹ＋面として示す位置でのＸ−Ｚ面断面図である。Ｙ０面は、梁１４の中央を通っている。Ｙ−面は、Ｙ０面よりもＹ負正方向側に位置している。Ｙ＋面は、Ｙ０面よりもＹ軸正方向側に位置している。
【００４３】
梁１４では、Ｙ軸負方向側の端部が固定部１２に接続されており、Ｙ軸正方向側の端部が錘部１３に接続されている。梁１４の剛性は、固定部１２や錘部１３の剛性よりも低くされており、梁１４に撓みが集中するように構成されている。
【００４４】
梁１４では、ＳＯＩ層１１ＡはＹ軸正方向側の端部とＹ軸負方向側の端部との間の全ての部分に設けられており、基層１１ＢはＹ軸正方向側の端部とＹ軸負方向側の端部との間の特定の部分にのみ設けられている。
【００４５】
具体的に説明すると、梁１４は、平板部２１と、中央側凸部２２と、第１の端側凸部２３Ａと、第２の端側凸部２３Ｂと、第３の端側凸部２３Ｃと、第４の端側凸部２３Ｄとを備えている。平板部２１は、ＳＯＩ層１１Ａからなり、Ｙ軸に沿う方向を延設方向とし、Ｘ軸に沿う方向を幅方向とし、Ｚ軸に沿う方向を厚み方向とする、平板状である。平板部２１は、Ｘ−Ｙ面と平行なＺ軸正方向側の面とＺ軸負方向側の面とを有する。平板部２１のＹ軸負方向側の端部は固定部１２と接続されており、Ｙ軸正方向側の端部は錘部１３と接続されている。
【００４６】
中央側凸部２２は、Ｙ軸に沿う方向を長さ方向とし、Ｘ軸に沿う方向を幅方向とし、Ｚ軸に沿う方向を厚み方向とする直方体形状であって、平板部２１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。中央側凸部２２は、基層１１Ｂからなる。中央側凸部２２は、平板部２１のＺ軸負方向側の面におけるＸ軸方向の中央部に、Ｙ軸に沿って設けられている。このため、中央側凸部２２は、Ｘ−Ｙ面を視て、梁１４の中央を通るように設けられている。中央側凸部２２のＹ軸負方向側の端部は固定部１２と接続されており、Ｙ軸正方向側の端部は錘部１３と接続されている。
【００４７】
第１〜第４の端側凸部２３Ａ〜２３Ｄは、それぞれ、Ｙ軸に沿う方向を長さ方向とし、Ｘ軸に沿う方向を幅方向とし、Ｚ軸に沿う方向を厚み方向とする直方体形状であって、平板部２１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。第１〜第４の端側凸部２３Ａ〜２３Ｄは、基層１１Ｂからなる。第１の端側凸部２３Ａと第２の端側凸部２３Ｂとは、平板部２１のＺ軸負方向側の面におけるＸ軸正方向側の端部に、Ｙ軸に沿って設けられている。第３の端側凸部２３Ｃと第４の端側凸部２３Ｄとは、平板部２１のＺ軸負方向側の面におけるＸ軸負方向側の端部に、Ｙ軸に沿って設けられている。
【００４８】
第１の端側凸部２３ＡのＹ軸負方向側の端部は、固定部１２と接続されている。第１の端側凸部２３ＡのＹ軸正方向側の端部は、平板部２１のＸ軸正方向側の端部におけるＹ軸方向の中央よりもＹ軸負方向側に位置する。第２の端側凸部２３ＢのＹ軸正方向側の端部は、錘部１３と接続されている。第２の端側凸部２３ＢのＹ軸負方向側の端部は、平板部２１のＸ軸正方向側の端部におけるＹ軸方向の中央よりもＹ軸正方向側に位置する。
【００４９】
第３の端側凸部２３ＣのＹ軸負方向側の端部は、固定部１２と接続されている。第３の端側凸部２３ＣのＹ軸正方向側の端部は、平板部２１のＸ軸負方向側の端部におけるＹ軸方向の中央よりもＹ軸負方向側に位置する。第４の端側凸部２３ＤのＹ軸正方向側の端部は、錘部１３と接続されている。第４の端側凸部２３ＤのＹ軸負方向側の端部は、平板部２１のＸ軸負方向側の端部におけるＹ軸方向の中央よりもＹ軸正方向側に位置する。
【００５０】
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１４を少ない工程で形成することが可能になる。
【００５１】
図３（Ａ）は、梁１４に設けられているピエゾ抵抗１５Ａ，１５Ｂ，１５Ｃ，１５Ｄについて説明する図である。
【００５２】
ピエゾ抵抗１５Ａ，１５Ｂ，１５Ｃ，１５Ｄは、本実施形態における検出素子であって、梁１４の平板部２１のＺ軸正方向側の面に設けられている。上述のように、ピエゾ抵抗１５Ａは配線１７Ａと接続されており、ピエゾ抵抗１５Ｂは配線１７Ｂと接続されており、ピエゾ抵抗１５Ｃは配線１７Ｃと接続されており、ピエゾ抵抗１５Ｄは配線１７Ｄと接続されているが、図３では配線１７Ａ，１７Ｂ，１７Ｃ，１７Ｄの図示を省略している。なお、ピエゾ抵抗１５Ａ，１５Ｂ，１５Ｃ，１５Ｄは、梁１４の平板部２１において、ＳＯＩ層１１Ａに対してｐ型の不純物を拡散（ドープ）させることによって形成されている。
【００５３】
ピエゾ抵抗１５Ａは、Ｘ−Ｙ面を視て、梁１４のＸ軸正方向側の端部であって、Ｙ軸方向の中央よりもＹ軸負方向側の位置に設けられている。ピエゾ抵抗１５Ｂは、Ｘ−Ｙ面を視て、梁１４のＸ軸正方向側の端部であって、Ｙ軸方向の中央よりもＹ軸正方向側の位置に設けられている。ピエゾ抵抗１５Ｃは、Ｘ−Ｙ面を視て、梁１４のＸ軸負方向側の端部であって、Ｙ軸方向の中央よりもＹ軸負方向側の位置に設けられている。ピエゾ抵抗１５Ｄは、Ｘ−Ｙ面を視て、梁１４のＸ軸負方向側の端部であって、Ｙ軸方向の中央よりもＹ軸正方向側の位置に設けられている。
【００５４】
ここで、梁１４は、Ｘ−Ｙ面を視て、幅方向（Ｘ軸方向）の中央を通り、Ｙ軸と平行な線（一点鎖線で図示する。）上に、錘部１３の重心の位置（×で図示する。）が重なり、錘部１３の重心の位置と梁１４の中央とがおよそ重なるように構成されている。また、梁１４は、梁１４の中央を通るＸ軸と平行な線を対称軸として線対称、且つ、梁１４の中央を通るＹ軸と平行な線を対称軸として線対称な形状を有する。
【００５５】
そして、ピエゾ抵抗１５Ａ，１５Ｂ，１５Ｃ，１５Ｄも、梁１４の中央を通るＸ軸と平行な線を対称軸として線対称、且つ、梁１４の中央を通るＹ軸と平行な線を対称軸として線対称に配置されている。このため、梁１４がＸ軸に沿って撓む際に生じる撓み応力は、梁１４の中央を通るＸ軸と平行な線を対称軸としておよそ線対称、且つ、梁１４の中央を通るＹ軸と平行な線を対称軸としておよそ線対称に分布することになる。
【００５６】
図３（Ｂ）は、ピエゾ抵抗１５Ａ，１５Ｂ，１５Ｃ，１５Ｄを用いて構成される検出回路の概略構成を説明する回路図である。
【００５７】
ピエゾ抵抗１５Ａとピエゾ抵抗１５Ｄとは直列に接続されている。また、ピエゾ抵抗１５Ｂとピエゾ抵抗１５Ｃとは直列に接続されている。ピエゾ抵抗１５Ａ，１５Ｄからなる直列回路と、ピエゾ抵抗１５Ｂ，１５Ｃからなる直列回路と、は互いに並列接続されている。そして、ピエゾ抵抗１５Ｂとピエゾ抵抗１５Ｄとの接続点は定電圧源の出力端子Ｖｄｄに接続されており、ピエゾ抵抗１５Ａとピエゾ抵抗１５Ｃとの接続点はグランドＧＮＤに接続されている。また、ピエゾ抵抗１５Ａとピエゾ抵抗１５Ｄとの接続点は出力端子ＯＵＴ−に接続されており、ピエゾ抵抗１５Ｂとピエゾ抵抗１５Ｃとの接続点は出力端子ＯＵＴ＋に接続されている。
【００５８】
これにより、ピエゾ抵抗１５Ａ，１５Ｂ，１５Ｃ，１５Ｄは、ホイートストンブリッジ回路を構成している。ホイートストンブリッジ回路において直列回路を構成するピエゾ抵抗１５Ａとピエゾ抵抗１５Ｄ、および、直列回路を構成するピエゾ抵抗１５Ｂとピエゾ抵抗１５Ｃが、それぞれ、梁１４の中央を境に反対側に設けられている。したがって、梁１４のＸ軸に沿う撓みによって出力端子ＯＵＴ＋，ＯＵＴ−からの出力信号の電位が互いに逆極性で変わるため、その電位差を利用してＺ軸を回転軸とする角加速度を計測することが可能になる。ホイートストンブリッジ回路を構成することにより、角加速度センサ１０の検出感度は、２つのピエゾ抵抗からなる抵抗分圧回路を用いて検出回路を構成した角加速度センサの検出感度よりも高いものにできる。
【００５９】
また、図３（Ａ）に示すように、ピエゾ抵抗１５Ａは、梁１４の平板部２１のＺ軸負方向側の面に設けられている第１の端側凸部２３ＡとＺ軸方向において対向している。ピエゾ抵抗１５Ｂは、梁１４の平板部２１のＺ軸負方向側の面に設けられている第２の端側凸部２３ＢとＺ軸方向において対向している。ピエゾ抵抗１５Ｃは、梁１４の平板部２１のＺ軸負方向側の面に設けられている第３の端側凸部２３ＣとＺ軸方向において対向している。ピエゾ抵抗１５Ｄは、梁１４の平板部２１のＺ軸負方向側の面に設けられている第４の端側凸部２３ＤとＺ軸方向において対向している。
【００６０】
梁が平板部のみから構成されている場合、梁がＸ軸に沿う方向に撓むと、平板部には撓み応力がＸ−Ｙ面に分布して発生し、Ｙ軸方向の中央に近いほど大きい撓み応力が発生し、Ｙ軸方向の中央から離れるほど小さい撓み応力が発生することになる。
【００６１】
しかしながら、本実施形態の角加速度センサ１０では、梁１４が平板部２１と、中央側凸部２２と、第１〜第４の端側凸部２３Ａ〜２３Ｄとを備えていることにより、梁１４における最大撓み応力が発生する位置をＹ軸方向の中央ではなく、ピエゾ抵抗１５Ａ，１５Ｂ，１５Ｃ，１５Ｄが設けられている部分とすることができる。
【００６２】
図４は、ピエゾ抵抗１５Ａ，１５Ｂを通るＹ軸と平行な線上での、梁１４がＸ軸に沿う方向に撓む状態での撓み応力（主応力σｙｙ）と、Ｙ軸方向の座標と、の関係について説明する図である。なお、図中には、梁が平板部のみから構成されている比較例の角加速度センサにおける撓み応力も付記している。
【００６３】
図４に示すように、比較例の角加速度センサでは、梁がＸ軸に沿う方向に撓むと、撓み応力がＸ−Ｙ面にＹ軸方向の座標に応じて二次曲線状に分布して発生し、Ｙ軸方向の中央において最大撓み応力が発生する。一方、本実施形態の角加速度センサ１０では、梁１４がＸ軸に沿う方向に撓むと、撓み応力がＸ−Ｙ面に分布して発生し、Ｙ軸方向の中央よりもＹ軸正方向側の位置とＹ軸負方向側の位置とにおいて最大撓み応力が発生する。そして、本実施形態の角加速度センサ１０では、梁１４において、最大撓み応力が発生するＹ軸方向の中央よりもＹ軸正方向側の位置にピエゾ抵抗１５Ｂ，１５Ｄが設けられており、Ｙ軸方向の中央よりもＹ軸負方向側の位置にピエゾ抵抗１５Ａ，１５Ｃが設けられている。このため、本実施形態の角加速度センサ１０では、梁１４のＹ軸方向の中央とは異なる位置に設けられているピエゾ抵抗１５Ａ，１５Ｂ，１５Ｃ，１５Ｄで梁１４の最大撓み応力を検出することができ、感度を高くすることができる。
【００６４】
こ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は実現することができる。なお、この実施形態の他の様々な形態で本発明は実施できる。
【００６５】
なお、第１の実施形態の角加速度センサ１０において検出回路の回路構成を変更することにより、Ｚ軸周りの角加速度を検出する角加速度センサではなくＸ軸に沿う加速度を検出する加速度センサを構成することも可能である。このような加速度センサにおいても、梁の延設方向の中央とは異なる位置に設けられているピエゾ抵抗で梁の最大撓み応力を検出することができ、感度を高くすることができる。
【符号の説明】
【００６６】
１０…角加速度センサ
１１…基板部
１１Ａ…ＳＯＩ層
１１Ｂ…基層
１２…固定部
１２Ａ…凸部
１３…錘部
１３Ａ…凹部
１４…梁
１５Ａ，１５Ｂ，１５Ｃ，１５Ｄ…ピエゾ抵抗
１６Ａ，１６Ｂ，１６Ｃ，１６Ｄ…端子電極
１７Ａ，１７Ｂ，１７Ｃ，１７Ｄ…配線
２１…平板部
２２…中央側凸部
２３Ａ，２３Ｂ，２３Ｃ，２３Ｄ…端側凸部
【図１】
2014073631.tif 000003
【図３】
2014073631.tif 000004
【図６】
2014073631.tif 000005
【図２】
2014073631.tif 000006
【図４】
2014073631.tif 000007
【図５】
2014073631.tif 000008
【手続補正書】
【提出日】平成28年1月29日(2016.1.29)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
固定部と、
変位可能に支持されている錘部と、
平板状であり、延設方向における一方の端部が前記固定部に接続されており、他方の端部が前記錘部の重心位置に接続されている平板部と、前記平板部の延設方向に直交する厚み方向に突出するように、前記平板部の延設方向と厚み方向とに直交する幅方向の中央に設けられている中央側凸部と、前記平板部の厚み方向に突出するように、前記平板部の幅方向の両端にそれぞれ設けられている複数の端側凸部と、を備えている梁と、
前記平板部において前記平板部の延設方向の中央とは異なる位置に設けられており、前記梁の応力を検出する複数の検出素子と、
を備える角加速度センサ。
【請求項２】
前記中央側凸部は、前記平板部の延設方向と幅方向からなる面を視て、前記支持梁の中央を通るように設けられている、請求項１に記載の角加速度センサ。
【請求項３】
前記中央側凸部の前記平板部の延設方向における一方の端部が前記固定部に接続されており、他方の端部が前記錘部に接続されている、請求項１または２に記載の角加速度センサ。
【請求項４】
前記複数の端側凸部は、
前記平板部の幅方向の一方の端部に設けられており、前記平板部の延設方向における一方の端部が前記固定部と接続されており、他方の端部が前記平板部の延設方向の中央よりも前記固定部側に位置する、第１の端側凸部と、
前記平板部の幅方向の一方の端部に設けられており、前記平板部の延設方向における一方の端部が前記錘部と接続されており、他方の端部が前記平板部の延設方向の中央よりも前記錘部側に位置する、第２の端側凸部と、
前記平板部の幅方向の他方の端部に設けられており、前記平板部の延設方向における一方の端部が前記固定部と接続されており、他方の端部が前記平板部の延設方向の中央よりも前記固定部側に位置する、第３の端側凸部と、
前記平板部の幅方向の他方の端部に設けられており、前記平板部の延設方向における一方の端部が前記錘部と接続されており、他方の端部が前記平板部の延設方向の中央よりも前記錘部側に位置する、第４の端側凸部と、
を含む、請求項１〜３のいずれかに記載の角加速度センサ。
【請求項５】
前記複数の検出素子は、
前記第１の端側凸部と前記平板部の厚み方向において対向している検出素子と、
前記第２の端側凸部と前記平板部の厚み方向において対向している検出素子と、
前記第３の端側凸部と前記平板部の厚み方向において対向している検出素子と、
前記第４の端側凸部と前記平板部の厚み方向において対向している検出素子と、
を含む、請求項４に記載の角加速度センサ。
【請求項６】
前記複数の検出素子はブリッジ回路を構成している、請求項５に記載の角加速度センサ。
【請求項７】
固定部と、
変位可能に支持されている錘部と、
平板状であり、延設方向における一方の端部が前記固定部に接続されており、他方の端部が前記錘部に接続されている平板部と、前記平板部の延設方向に直交する厚み方向に突出するように、前記平板部の延設方向と厚み方向とに直交する幅方向の中央に設けられている中央側凸部と、前記平板部の厚み方向に突出するように、前記平板部の幅方向の両端にそれぞれ設けられている複数の端側凸部と、を備えている梁と、
前記平板部において前記平板部の延設方向の中央とは異なる位置に設けられており、前記梁の応力を検出する複数の検出素子と、
を備え、
前記複数の端側凸部は、
前記平板部の幅方向の一方の端部に設けられており、前記平板部の延設方向における一方の端部が前記固定部と接続されており、他方の端部が前記平板部の延設方向の中央よりも前記固定部側に位置する、第１の端側凸部と、
前記平板部の幅方向の一方の端部に設けられており、前記平板部の延設方向における一方の端部が前記錘部と接続されており、他方の端部が前記平板部の延設方向の中央よりも前記錘部側に位置する、第２の端側凸部と、
前記平板部の幅方向の他方の端部に設けられており、前記平板部の延設方向における一方の端部が前記固定部と接続されており、他方の端部が前記平板部の延設方向の中央よりも前記固定部側に位置する、第３の端側凸部と、
前記平板部の幅方向の他方の端部に設けられており、前記平板部の延設方向における一方の端部が前記錘部と接続されており、他方の端部が前記平板部の延設方向の中央よりも前記錘部側に位置する、第４の端側凸部と、
を含み、
前記複数の検出素子は、
前記第１の端側凸部と前記平板部の厚み方向において対向している検出素子と、
前記第２の端側凸部と前記平板部の厚み方向において対向している検出素子と、
前記第３の端側凸部と前記平板部の厚み方向において対向している検出素子と、
前記第４の端側凸部と前記平板部の厚み方向において対向している検出素子と、
を含む、
角加速度センサ。
【請求項８】
前記複数の検出素子はブリッジ回路を構成している、請求項７に記載の角加速度センサ。
【請求項９】
前記中央側凸部は、前記平板部の延設方向と幅方向からなる面を視て、前記支持梁の中央を通るように設けられている、請求項７または８に記載の角加速度センサ。
【請求項１０】
前記中央側凸部の前記平板部の延設方向における一方の端部が前記固定部に接続されており、他方の端部が前記錘部に接続されている、請求項７〜９のいずれかに記載の角加速度センサ。
【請求項１１】
固定部と、
変位可能に支持されている錘部と、
平板状であり、延設方向における一方の端部が前記固定部に接続されており、他方の端部が前記錘部に接続されている平板部と、前記平板部の延設方向に直交する厚み方向に突出するように、前記平板部の延設方向と厚み方向とに直交する幅方向の中央に設けられている中央側凸部と、前記平板部の厚み方向に突出するように、前記平板部の幅方向の両端にそれぞれ設けられている複数の端側凸部と、を備えている梁と、
前記平板部において前記平板部の延設方向の中央とは異なる位置に設けられており、前記梁の応力を検出する複数の検出素子と、
を備え、
前記複数の端側凸部は、
前記平板部の幅方向の一方の端部に設けられており、前記平板部の延設方向における一方の端部が前記固定部と接続されており、他方の端部が前記平板部の延設方向の中央よりも前記固定部側に位置する、第１の端側凸部と、
前記平板部の幅方向の一方の端部に設けられており、前記平板部の延設方向における一方の端部が前記錘部と接続されており、他方の端部が前記平板部の延設方向の中央よりも前記錘部側に位置する、第２の端側凸部と、
前記平板部の幅方向の他方の端部に設けられており、前記平板部の延設方向における一方の端部が前記固定部と接続されており、他方の端部が前記平板部の延設方向の中央よりも前記固定部側に位置する、第３の端側凸部と、
前記平板部の幅方向の他方の端部に設けられており、前記平板部の延設方向における一方の端部が前記錘部と接続されており、他方の端部が前記平板部の延設方向の中央よりも前記錘部側に位置する、第４の端側凸部と、
を含み、
前記複数の検出素子は、
前記第１の端側凸部と前記平板部の厚み方向において対向している検出素子と、
前記第２の端側凸部と前記平板部の厚み方向において対向している検出素子と、
前記第３の端側凸部と前記平板部の厚み方向において対向している検出素子と、
前記第４の端側凸部と前記平板部の厚み方向において対向している検出素子と、
を含む、
加速度センサ。
【請求項１２】
前記複数の検出素子はブリッジ回路を構成している、請求項１１に記載の加速度センサ。
【請求項１３】
前記中央側凸部は、前記平板部の延設方向と幅方向からなる面を視て、前記支持梁の中央を通るように設けられている、請求項１１または１２に記載の加速度センサ。
【請求項１４】
前記中央側凸部の前記平板部の延設方向における一方の端部が前記固定部に接続されており、他方の端部が前記錘部に接続されている、請求項１１〜１３のいずれかに記載の加速度センサ。
【国際調査報告】
2014073631.tif 000009
2014073631.tif 000010
2014073631.tif 000011
2014073631.tif 000012