(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の長手方向軸に沿って伸び、可撓性を有する板状橋梁部と、
前記板状橋梁部の根端部を支持固定する台座と、
前記板状橋梁部の先端部に直接もしくは間接的に接続された重錘体と、
前記板状橋梁部の表面の所定位置に生じる伸縮応力を検出する検出素子と、
前記検出素子の検出結果に基づいて、前記重錘体に作用した加速度の検出値を出力する検出回路と、
を備え、
前記重錘体は、前記板状橋梁部の前記第１の長手方向軸に関して左脇に位置する左翼重錘部と、前記板状橋梁部の前記第１の長手方向軸に関して右脇に位置する右翼重錘部と、を有しており、
前記板状橋梁部の前記根端部に前記第１の長手方向軸に交差する配置軸に沿って伸びる台座接続部が接続されており、この台座接続部が台座に固定されていることを特徴とする加速度センサ。
【請求項２】
請求項１に記載の加速度センサにおいて、
板状橋梁部の先端部に重錘体支持部が接続されており、前記重錘体支持部の下面に重錘体が接続されており、前記重錘体の重心が板状橋梁部の下方に位置していることを特徴とする加速度センサ。
【請求項３】
請求項２に記載の加速度センサにおいて、
重錘体支持部が、第１の長手方向軸に交差する第２の長手方向軸に沿って伸びる中央板状部を有し、板状橋梁部の先端部が前記中央板状部の中央近傍に接続されており、前記板状橋梁部および前記中央板状部によりＴ字状構造体が形成され、
左翼重錘部が前記中央板状部の左側の下面に接続されており、右翼重錘部が前記中央板状部の右側の下面に接続されていることを特徴とする加速度センサ。
【請求項４】
請求項２に記載の加速度センサにおいて、
重錘体支持部が、
第１の長手方向軸に交差する第２の長手方向軸に沿って伸び、中央近傍が板状橋梁部の先端部に接続された中央板状部と、
前記中央板状部の左側から板状橋梁部の左脇に伸びる左翼板状部と、
前記中央板状部の右側から板状橋梁部の右脇に伸びる右翼板状部と、
を有し、
左翼重錘部が前記左翼板状部の下面に接続されており、右翼重錘部が前記右翼板状部の下面に接続されていることを特徴とする加速度センサ。
【請求項５】
請求項３または４に記載の加速度センサにおいて、
重錘体が、左翼重錘部と右翼重錘部とを連結する中央重錘部を有し、前記中央重錘部が中央板状部の下面に接続されていることを特徴とする加速度センサ。
【請求項６】
請求項１に記載の加速度センサにおいて、
重錘体が、板状橋梁部に接合されている中央重錘部と、前記中央重錘部に接合されている左翼重錘部と、前記中央重錘部に接合されている右翼重錘部と、を有し、
前記中央重錘部は、第１の長手方向軸に交差する第２の長手方向軸に沿って伸び、前記第１の長手方向軸と前記第２の長手方向軸との交点近傍において、前記板状橋梁部の先端部に接合されており、
前記左翼重錘部は、前記中央重錘部の前記第１の長手方向軸に関して左側部分に接合されており、
前記右翼重錘部は、前記中央重錘部の前記第１の長手方向軸に関して右側部分に接合されていることを特徴とする加速度センサ。
【請求項７】
請求項６に記載の加速度センサにおいて、
板状橋梁部の厚みに比べて重錘体の厚みが大きく設定されており、第１の長手方向軸および第２の長手方向軸をそれぞれ水平面上の軸としたときに、中央重錘部の側面の上部に板状橋梁部の先端部が接合されており、前記重錘体の重心が前記板状橋梁部の下方に位置していることを特徴とする加速度センサ。
【請求項８】
請求項６または７に記載の加速度センサにおいて、
第１の長手方向軸および第２の長手方向軸の双方を含む基準投影平面上に、板状橋梁部、中央重錘部、左翼重錘部、右翼重錘部をそれぞれ投影したときに、
板状橋梁部の投影像が中央重錘部の投影像の中央付近に接合され、前記板状橋梁部の投影像と前記中央重錘部の投影像とによってＴ字型図形が形成され、
左翼重錘部の投影像が中央重錘部の投影像の左端付近に接合され、右翼重錘部の投影像が中央重錘部の投影像の右端付近に接合され、前記板状橋梁部の投影像と、前記中央重錘部の投影像と、前記左翼重錘部の投影像と、前記右翼重錘部の投影像と、によってＥ字型図形が形成されていることを特徴とする加速度センサ。
【請求項９】
請求項１〜８のいずれかに記載の加速度センサにおいて、
台座が、板状橋梁部および重錘体の周囲を取り囲む環状構造体をなし、加速度センサに対して所定の大きさを超える加速度が作用した場合に、重錘体の一部が前記環状構造体の一部に接触し、それ以上の変位が制限されるようにしたことを特徴とする加速度センサ。
【請求項１０】
ＸＹＺ三次元座標系における所定の座標軸方向に作用した加速度の検出を行う加速度センサであって、
ＸＹ平面を水平面にとり、Ｚ軸正方向を上方向、Ｚ軸負方向を下方向にとった場合に、上から順に主センサ第１層、主センサ第２層、主センサ第３層を積層した主センサ構造体と、
前記主センサ構造体の所定箇所を支持固定する台座と、
前記主センサ構造体が発生させた電荷に基づいて、作用した加速度の検出値を出力する検出回路と、
を備え、
前記主センサ第２層は、ＸＹ平面に平行な面に沿って配置された平板状の層であり、Ｙ軸上に配置され可撓性を有する板状橋梁部と、前記主センサ第３層を支持するための重錘体支持部と、を有し、
前記重錘体支持部は、「Ｙ軸と交差しＸ軸に平行な軸であるＸ′軸」上に配置された中央板状部を有し、
前記板状橋梁部は根端部から先端部へとＹ軸に沿って伸び、前記中央板状部はＹ軸と交差するように前記Ｘ′軸に沿って伸び、前記中央板状部のＹ軸と交差する部分近傍に前記板状橋梁部の先端部が接続されており、前記板状橋梁部と前記中央板状部とのＸＹ平面投影像はＴ字状をなし、
前記主センサ第１層は、前記主センサ第２層の前記板状橋梁部の上面の少なくとも一部分を覆うように形成された圧電素子を有し、
前記主センサ第３層は、前記主センサ第２層の前記重錘体支持部の下面に接続されており、作用した加速度に基づいて前記板状橋梁部に撓みを生じさせるのに十分な質量をもった重錘体として機能し、
前記板状橋梁部の両脇について、Ｘ座標値が負となる側を左脇、Ｘ座標値が正となる側を右脇と定義したときに、前記主センサ第３層は、前記板状橋梁部の左脇に位置する左翼重錘部と右脇に位置する右翼重錘部とを有しており、
前記台座は、前記板状橋梁部の前記根端部を支持固定し、
前記検出回路は、前記圧電素子に発生した電荷に基づいて加速度の検出値を出力する回路であり、
前記主センサ第３層のＸ軸正方向の端部が前記重錘体支持部のＸ軸正方向の端部よりもＸ軸正方向に突き出しており、前記主センサ第３層のＸ軸負方向の端部が前記重錘体支持部のＸ軸負方向の端部よりもＸ軸負方向に突き出しており、前記主センサ第３層のＹ軸正方向の端部が前記重錘体支持部のＹ軸正方向の端部よりもＹ軸正方向に突き出しており、前記主センサ第３層のＹ軸負方向の端部が前記重錘体支持部のＹ軸負方向の端部よりもＹ軸負方向に突き出していることを特徴とする加速度センサ。
【請求項１１】
請求項１０に記載の加速度センサにおいて、
主センサ第２層の重錘体支持部が、中央板状部の左側からＹ軸に平行な方向に沿って板状橋梁部の左脇に伸びる左翼板状部と、中央板状部の右側からＹ軸に平行な方向に沿って板状橋梁部の右脇に伸びる右翼板状部と、を更に有し、
左翼重錘部が前記左翼板状部の下面に接続されており、右翼重錘部が前記右翼板状部の下面に接続されていることを特徴とする加速度センサ。
【請求項１２】
請求項１０または１１に記載の加速度センサにおいて、
主センサ第３層が、左翼重錘部と右翼重錘部とを連結する中央重錘部を有し、前記中央重錘部が中央板状部の下面に接続されており、前記左翼重錘部、前記右翼重錘部および前記中央重錘部を有する重錘体のＸＹ平面投影像が「コ」の字状をなすことを特徴とする加速度センサ。
【請求項１３】
ＸＹＺ三次元座標系における所定の座標軸方向に作用した加速度の検出を行う加速度センサであって、
ＸＹ平面を水平面にとり、Ｚ軸正方向を上方向、Ｚ軸負方向を下方向にとった場合に、上から順に主センサ第１層、主センサ第２層、主センサ第３層を積層した主センサ構造体と、
前記主センサ構造体の所定箇所を支持固定する台座と、
前記主センサ構造体が発生させた電荷に基づいて、作用した加速度の検出値を出力する検出回路と、
を備え、
前記主センサ第２層は、ＸＹ平面に平行な面に沿って配置された平板状の層であり、Ｙ軸上に配置され可撓性を有する板状橋梁部と、前記主センサ第３層を支持するための重錘体支持部と、を有し、
前記重錘体支持部は、「Ｙ軸と交差しＸ軸に平行な軸であるＸ′軸」上に配置された中央板状部を有し、
前記板状橋梁部は根端部から先端部へとＹ軸に沿って伸び、前記中央板状部はＹ軸と交差するように前記Ｘ′軸に沿って伸び、前記中央板状部のＹ軸と交差する部分近傍に前記板状橋梁部の先端部が接続されており、前記板状橋梁部と前記中央板状部とのＸＹ平面投影像はＴ字状をなし、
前記主センサ第１層は、前記主センサ第２層の前記板状橋梁部の上面の少なくとも一部分を覆うように形成された圧電素子を有し、
前記主センサ第３層は、前記主センサ第２層の前記重錘体支持部の下面に接続されており、作用した加速度に基づいて前記板状橋梁部に撓みを生じさせるのに十分な質量をもった重錘体として機能し、
前記板状橋梁部の両脇について、Ｘ座標値が負となる側を左脇、Ｘ座標値が正となる側を右脇と定義したときに、前記主センサ第３層は、前記板状橋梁部の左脇に位置する左翼重錘部と右脇に位置する右翼重錘部とを有しており、
前記台座は、前記板状橋梁部の前記根端部を支持固定し、
前記検出回路は、前記圧電素子に発生した電荷に基づいて加速度の検出値を出力する回路であり、
前記台座が、ＸＹ平面に沿って前記主センサ構造体を取り囲む環状構造体をなし、加速度センサに対して所定の大きさを超える加速度の水平方向成分が作用した場合に、前記主センサ第３層が前記環状構造体の内面に接触し、それ以上の変位が制限されるように構成され、
前記台座が、上から順に台座第１層、台座第２層、台座第３層を積層した積層構造体によって構成され、前記台座第１層は前記板状橋梁部の前記根端部近傍において前記主センサ第１層に連なり、前記台座第２層は前記板状橋梁部の前記根端部において前記主センサ第２層に連なり、
前記主センサ第２層が、前記板状橋梁部の前記根端部に接続された台座接続部を更に有し、
前記台座接続部は、Ｙ軸と交差しＸ軸に平行な所定の配置軸上に配置され、前記配置軸に沿って伸び、
前記台座の所定箇所の上面には、前記台座接続部を嵌合するための嵌合溝が形成されており、前記台座接続部が前記嵌合溝に嵌合した状態で固定されていることを特徴とする加速度センサ。
【請求項１４】
請求項１３に記載の加速度センサにおいて、
台座が、第１壁部、第２壁部、第３壁部、第４壁部なる４組の壁部を有する矩形状の方環状構造体をなし、
前記第１壁部は、主センサ構造体に対してＸ軸負方向側に隣接配置され、ＹＺ平面に平行な平面に沿った壁面を構成し、
前記第２壁部は、主センサ構造体に対してＸ軸正方向側に隣接配置され、ＹＺ平面に平行な平面に沿った壁面を構成し、
前記第３壁部は、主センサ構造体に対してＹ軸正方向側に隣接配置され、ＸＺ平面に平行な平面に沿った壁面を構成し、
前記第４壁部は、主センサ構造体に対してＹ軸負方向側に隣接配置され、ＸＺ平面に平行な平面に沿った壁面を構成し、
板状橋梁部の根端部が、前記第４壁部に支持固定されていることを特徴とする加速度センサ。
【請求項１５】
ＸＹＺ三次元座標系における所定の座標軸方向に作用した加速度の検出を行う加速度センサであって、
ＸＹ平面を水平面にとり、Ｚ軸正方向を上方向、Ｚ軸負方向を下方向にとった場合に、主センサ検出層と、その下方に接合された主センサ重錘層と、を有する主センサ構造体と、
前記主センサ検出層の所定箇所を支持固定する台座と、
前記主センサ検出層の所定箇所の伸縮変形を検出する複数のピエゾ抵抗素子と、
前記ピエゾ抵抗素子の電気抵抗値に基づいて、作用した加速度の検出値を出力する検出回路と、
を備え、
前記主センサ検出層は、ＸＹ平面に平行な面に沿って配置された平板状の層であり、Ｙ軸上に配置され可撓性を有する板状橋梁部と、前記主センサ重錘層を支持するための重錘体支持部と、を有し、
前記重錘体支持部は、「Ｙ軸と交差しＸ軸に平行な軸であるＸ′軸」上に配置された中央板状部を有し、
前記板状橋梁部は根端部から先端部へとＹ軸に沿って伸び、前記中央板状部はＹ軸と交差するように前記Ｘ′軸に沿って伸び、前記中央板状部のＹ軸と交差する部分近傍に前記板状橋梁部の先端部が接続されており、前記板状橋梁部と前記中央板状部とのＸＹ平面投影像はＴ字状をなし、
前記主センサ重錘層は、前記主センサ検出層の前記重錘体支持部の下面に接続されており、作用した加速度に基づいて前記板状橋梁部に撓みを生じさせるのに十分な質量をもった重錘体として機能し、
前記板状橋梁部の両脇について、Ｘ座標値が負となる側を左脇、Ｘ座標値が正となる側を右脇と定義したときに、前記主センサ重錘層は、前記板状橋梁部の左脇に位置する左翼重錘部と右脇に位置する右翼重錘部とを有しており、
前記台座は、前記板状橋梁部の前記根端部を支持固定し、
前記ピエゾ抵抗素子は、前記板状橋梁部の所定箇所の表面に形成されており、
前記主センサ重錘層のＸ軸正方向の端部が前記重錘体支持部のＸ軸正方向の端部よりもＸ軸正方向に突き出しており、前記主センサ重錘層のＸ軸負方向の端部が前記重錘体支持部のＸ軸負方向の端部よりもＸ軸負方向に突き出しており、前記主センサ重錘層のＹ軸正方向の端部が前記重錘体支持部のＹ軸正方向の端部よりもＹ軸正方向に突き出しており、前記主センサ重錘層のＹ軸負方向の端部が前記重錘体支持部のＹ軸負方向の端部よりもＹ軸負方向に突き出していることを特徴とする加速度センサ。
【請求項１６】
請求項１５に記載の加速度センサにおいて、
主センサ検出層の重錘体支持部が、中央板状部の左側からＹ軸に平行な方向に沿って板状橋梁部の左脇に伸びる左翼板状部と、中央板状部の右側からＹ軸に平行な方向に沿って板状橋梁部の右脇に伸びる右翼板状部と、を更に有し、
左翼重錘部が前記左翼板状部の下面に接続されており、右翼重錘部が前記右翼板状部の下面に接続されていることを特徴とする加速度センサ。
【請求項１７】
請求項１５または１６に記載の加速度センサにおいて、
主センサ重錘層が、左翼重錘部と右翼重錘部とを連結する中央重錘部を有し、前記中央重錘部が中央板状部の下面に接続されており、前記左翼重錘部、前記右翼重錘部および前記中央重錘部を有する重錘体のＸＹ平面投影像が「コ」の字状をなすことを特徴とする加速度センサ。
【請求項１８】
ＸＹＺ三次元座標系における所定の座標軸方向に作用した加速度の検出を行う加速度センサであって、
ＸＹ平面を水平面にとり、Ｚ軸正方向を上方向、Ｚ軸負方向を下方向にとった場合に、主センサ検出層と、その下方に接合された主センサ重錘層と、を有する主センサ構造体と、
前記主センサ検出層の所定箇所を支持固定する台座と、
前記主センサ検出層の所定箇所の伸縮変形を検出する複数のピエゾ抵抗素子と、
前記ピエゾ抵抗素子の電気抵抗値に基づいて、作用した加速度の検出値を出力する検出回路と、
を備え、
前記主センサ検出層は、ＸＹ平面に平行な面に沿って配置された平板状の層であり、Ｙ軸上に配置され可撓性を有する板状橋梁部と、前記主センサ重錘層を支持するための重錘体支持部と、を有し、
前記重錘体支持部は、「Ｙ軸と交差しＸ軸に平行な軸であるＸ′軸」上に配置された中央板状部を有し、
前記板状橋梁部は根端部から先端部へとＹ軸に沿って伸び、前記中央板状部はＹ軸と交差するように前記Ｘ′軸に沿って伸び、前記中央板状部のＹ軸と交差する部分近傍に前記板状橋梁部の先端部が接続されており、前記板状橋梁部と前記中央板状部とのＸＹ平面投影像はＴ字状をなし、
前記主センサ重錘層は、前記主センサ検出層の前記重錘体支持部の下面に接続されており、作用した加速度に基づいて前記板状橋梁部に撓みを生じさせるのに十分な質量をもった重錘体として機能し、
前記板状橋梁部の両脇について、Ｘ座標値が負となる側を左脇、Ｘ座標値が正となる側を右脇と定義したときに、前記主センサ重錘層は、前記板状橋梁部の左脇に位置する左翼重錘部と右脇に位置する右翼重錘部とを有しており、
前記台座は、前記板状橋梁部の前記根端部を支持固定し、
前記ピエゾ抵抗素子は、前記板状橋梁部の所定箇所の表面に形成されており、
前記台座が、ＸＹ平面に沿って前記主センサ構造体を取り囲む環状構造体をなし、加速度センサに対して所定の大きさを超える加速度の水平方向成分が作用した場合に、前記重錘体が前記環状構造体の内面に接触し、それ以上の変位が制限されるように構成され、
前記主センサ検出層が、前記板状橋梁部の前記根端部に接続された台座接続部を更に有し、
前記台座接続部は、Ｙ軸と交差しＸ軸に平行な所定の配置軸上に配置され、前記配置軸に沿って伸び、
前記台座の所定箇所の上面には、前記台座接続部を嵌合するための嵌合溝が形成されており、前記台座接続部が前記嵌合溝に嵌合した状態で固定されていることを特徴とする加速度センサ。
【請求項１９】
請求項１８に記載の加速度センサにおいて、
台座が、第１壁部、第２壁部、第３壁部、第４壁部なる４組の壁部を有する矩形状の方環状構造体をなし、
前記第１壁部は、主センサ構造体に対してＸ軸負方向側に隣接配置され、ＹＺ平面に平行な平面に沿った壁面を構成し、
前記第２壁部は、主センサ構造体に対してＸ軸正方向側に隣接配置され、ＹＺ平面に平行な平面に沿った壁面を構成し、
前記第３壁部は、主センサ構造体に対してＹ軸正方向側に隣接配置され、ＸＺ平面に平行な平面に沿った壁面を構成し、
前記第４壁部は、主センサ構造体に対してＹ軸負方向側に隣接配置され、ＸＺ平面に平行な平面に沿った壁面を構成し、
板状橋梁部の根端部が、前記第４壁部に支持固定されていることを特徴とする加速度センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、加速度センサに関し、特に、重錘体に作用する慣性力により可撓性部材に変形を生じさせ、当該変形を電気的に検出することにより加速度の検出を行う加速度センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
様々な産業機械や電子機器に組み込むために、小型かつ高精度でありながら、製造コストの低い加速度センサが求められている。このような要望に応えるため、たとえば、下記の特許文献１には、円盤状のダイアフラム部の中央に重錘体を接合し、周囲を装置筐体に固定し、加速度の作用によりダイアフラム部に生じる撓みを圧電素子によって検出する加速度センサが開示されている。また、特許文献２には、同様の構造を用いて、撓みを容量素子によって検出する加速度センサが開示されており、特許文献３には、同様の構造を用いて、撓みをピエゾ抵抗素子によって検出する加速度センサが開示されている。
【０００３】
更に、特許文献４には、２枚の基板の間に複数の圧電素子を介挿し、下方の基板の下面に重錘体を接合した構造体を利用して、各圧電素子に生じる電圧に基づいて、２枚の基板間の距離の変化を検出し、作用した加速度を検出する加速度センサが開示されており、特許文献５には、同様の構造を用いて、圧電素子の代わりに容量素子を用いて基板間の距離の変化を検出する加速度センサが開示されている。一方、特許文献６には、ダイアフラム部の代わりにＬ字状の板状橋梁部を用い、重錘体を片持ち梁構造で支持し、Ｌ字状の板状橋梁部に生じた撓みを電気的に検出する加速度センサが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平０５−０２６７４４号公報
【特許文献２】特開平０５−２１５６２７号公報
【特許文献３】特開平０６−１７４５７１号公報
【特許文献４】特開平１０−０２６５７１号公報
【特許文献５】特開平１１−１０１６９７号公報
【特許文献６】特開２０１５−０９２１４５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上述した特許文献１〜５に開示されている加速度センサは、いずれも原理的には、平板状のダイアフラム部の中央下面に重錘体を接合し、当該ダイアフラム部の周囲を装置筐体に固定することにより重錘体を装置筐体内に宙吊り状態にする構造を採用している。センサに加速度が作用すると、重錘体に作用する慣性力によりダイアフラム部に対して応力が加わるので、当該応力に基づいてダイアフラム部に生じる撓みや変位を様々な検出素子によって電気的に検出し、作用した加速度を求める、という検出方法が採られる。
【０００６】
しかしながら、このように、重錘体をダイアフラム部の中央に垂下させ、ダイアフラム部の周囲を装置筐体に固定する従来の加速度センサは、ダイアフラム部の周囲が装置筐体に固定されているため、利用時に装置筐体に何らかの応力が加わると、当該応力がダイアフラム部まで伝達され、検出結果に影響を与えるという問題がある。
【０００７】
たとえば、利用時の温度環境により装置筐体が膨張したり収縮したりすると、当該応力がダイアフラム部まで伝達され、検出結果に悪影響を及ぼすことになる。また、装置筐体を何らかの測定対象物に実装するために、ハンダ付接着剤やネジで固定したとすると、当該実装時に装置筐体に応力が加わる可能性があり、当該応力により検出結果に悪影響が及ぶことになる。
【０００８】
これに対して、前掲の特許文献６に開示されているように、Ｌ字状の板状橋梁部によって、重錘体を片持ち梁構造で支持する加速度センサでは、Ｌ字状の板状橋梁部の根端部が装置筐体に固定されるだけなので、装置筐体に生じた応力に基づく検出結果への悪影響はほとんど無視できる。しかしながら、Ｌ字状の板状橋梁部の先端部に重錘体を接合する構造を採る必要があるため、構造は複雑にならざるを得ない。また、検出感度を高めるためには、Ｌ字状の板状橋梁部を長く、細く、薄くする必要があるため、高感度のセンサほど、脆弱なＬ字状の板状橋梁部が破損しやすくなる。
【０００９】
特許文献６には、Ｌ字状の板状橋梁部および重錘体の外側に環状構造体を設け、過大な変位を制御するストッパとして機能させる実施例も開示されているが、脆弱なＬ字状の板状橋梁部が環状構造体の内壁面に接触する可能性があるため、完全な保護機能を果たすことはできない。
【００１０】
そこで本発明は、利用環境によって検出結果に悪影響が及ぶことがなく、しかも高い検出感度をもった加速度検出が可能になり、過度の加速度が加わった場合でも損傷を受けにくい加速度センサを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
(1)   本発明の第１の態様は、
第１の長手方向軸に沿って伸び、可撓性を有する板状橋梁部と、
板状橋梁部の根端部を支持固定する台座と、
板状橋梁部の先端部に直接もしくは間接的に接続された重錘体と、
板状橋梁部の表面の所定位置に生じる伸縮応力を検出する検出素子と、
検出素子の検出結果に基づいて、重錘体に作用した加速度の検出値を出力する検出回路と、
によって加速度センサを構成し、
重錘体が、板状橋梁部の第１の長手方向軸に関して左脇に位置する左翼重錘部と、板状橋梁部の第１の長手方向軸に関して右脇に位置する右翼重錘部と、を有しているようにしたものである。
【００１２】
(2)   本発明の第２の態様は、上述した第１の態様に係る加速度センサにおいて、
板状橋梁部の先端部に重錘体支持部が接続されており、重錘体支持部の下面に重錘体が接続されており、重錘体の重心が板状橋梁部の下方に位置しているようにしたものである。
【００１３】
(3)   本発明の第３の態様は、上述した第２の態様に係る加速度センサにおいて、
重錘体支持部が、第１の長手方向軸に直交する第２の長手方向軸に沿って伸びる中央板状部を有し、板状橋梁部の先端部が中央板状部の中央近傍に接続されており、板状橋梁部および中央板状部によりＴ字状構造体が形成され、
左翼重錘部が中央板状部の左側の下面に接続されており、右翼重錘部が中央板状部の右側の下面に接続されているようにしたものである。
【００１４】
(4)   本発明の第４の態様は、上述した第２の態様に係る加速度センサにおいて、
重錘体支持部が、
第１の長手方向軸に直交する第２の長手方向軸に沿って伸び、中央近傍が板状橋梁部の先端部に接続された中央板状部と、
中央板状部の左側から板状橋梁部の左脇に伸びる左翼板状部と、
中央板状部の右側から板状橋梁部の右脇に伸びる右翼板状部と、
を有し、
左翼重錘部が左翼板状部の下面に接続されており、右翼重錘部が右翼板状部の下面に接続されているようにしたものである。
【００１５】
(5)   本発明の第５の態様は、上述した第３または第４の態様に係る加速度センサにおいて、
重錘体が、左翼重錘部と右翼重錘部とを連結する中央重錘部を有し、中央重錘部が中央板状部の下面に接続されているようにしたものである。
【００１６】
(6)   本発明の第６の態様は、上述した第１の態様に係る加速度センサにおいて、
重錘体が、板状橋梁部に接合されている中央重錘部と、中央重錘部に接合されている左翼重錘部と、中央重錘部に接合されている右翼重錘部と、を有し、
中央重錘部は、第１の長手方向軸に直交する第２の長手方向軸に沿って伸び、第１の長手方向軸と第２の長手方向軸との交点近傍において、板状橋梁部の先端部に接合されており、
左翼重錘部は、中央重錘部の第１の長手方向軸に関して左側部分に接合されており、
右翼重錘部は、中央重錘部の第１の長手方向軸に関して右側部分に接合されているようにしたものである。
【００１７】
(7)   本発明の第７の態様は、上述した第６の態様に係る加速度センサにおいて、
板状橋梁部の厚みに比べて重錘体の厚みが大きく設定されており、第１の長手方向軸および第２の長手方向軸をそれぞれ水平面上の軸としたときに、中央重錘部の側面の上部に板状橋梁部の先端部が接合されており、重錘体の重心が板状橋梁部の下方に位置するようにしたものである。
【００１８】
(8)   本発明の第８の態様は、上述した第６または第７の態様に係る加速度センサにおいて、
第１の長手方向軸および第２の長手方向軸の双方を含む基準投影平面上に、板状橋梁部、中央重錘部、左翼重錘部、右翼重錘部をそれぞれ投影したときに、
板状橋梁部の投影像が中央重錘部の投影像の中央付近に接合され、板状橋梁部の投影像と中央重錘部の投影像とによってＴ字型図形が形成され、
左翼重錘部の投影像が中央重錘部の投影像の左端付近に接合され、右翼重錘部の投影像が中央重錘部の投影像の右端付近に接合され、板状橋梁部の投影像と、中央重錘部の投影像と、左翼重錘部の投影像と、右翼重錘部の投影像と、によってＥ字型図形が形成されているようにしたものである。
【００１９】
(9)   本発明の第９の態様は、上述した第１〜第８の態様に係る加速度センサにおいて、
板状橋梁部の根端部に第１の長手方向軸に直交する第３の長手方向軸に沿って伸びる台座接続部が接続されており、この台座接続部が台座に固定されているようにしたものである。
【００２０】
(10)  本発明の第１０の態様は、上述した第１〜第９の態様に係る加速度センサにおいて、
台座が、板状橋梁部および重錘体の周囲を取り囲む環状構造体をなし、加速度センサに対して所定の大きさを超える加速度が作用した場合に、重錘体の一部が環状構造体の一部に接触し、それ以上の変位が制限されるようにしたものである。
【００２１】
(11)  本発明の第１１の態様は、上述した第１〜第１０の態様に係る加速度センサにおいて、
検出素子が、板状橋梁部の表面の伸縮変形が生じる所定位置に固定された複数の圧電素子によって構成されており、
検出回路が、複数の圧電素子のそれぞれに発生した電荷に基づいて加速度の検出値を出力するようにしたものである。
【００２２】
(12)  本発明の第１２の態様は、上述した第１１の態様に係る加速度センサにおいて、
検出素子が、板状橋梁部の先端部近傍の左側に配置された先端部左側圧電素子と、板状橋梁部の先端部近傍の右側に配置された先端部右側圧電素子と、板状橋梁部の根端部近傍の左側に配置された根端部左側圧電素子と、板状橋梁部の根端部近傍の右側に配置された根端部右側圧電素子と、を有するようにしたものである。
【００２３】
(13)  本発明の第１３の態様は、上述した第１１または第１２の態様に係る加速度センサにおいて、
複数の圧電素子が、板状橋梁部の表面に層状に形成された下層電極と、下層電極の表面に層状に形成された圧電材料層と、圧電材料層の表面に局在的に形成された複数の上層電極からなる上層電極群と、を有し、圧電材料層は、層方向に伸縮する応力の作用により、厚み方向に分極を生じる性質を有するようにしたものである。
【００２４】
(14)  本発明の第１４の態様は、上述した第１〜第１０の態様に係る加速度センサにおいて、
検出素子が、板状橋梁部の表面の伸縮変形が生じる所定位置に固定された複数のピエゾ抵抗素子によって構成されており、
検出回路が、複数のピエゾ抵抗素子のそれぞれの電気抵抗値に基づいて加速度の検出値を出力するようにしたものである。
【００２５】
(15)  本発明の第１５の態様は、上述した第１４の態様に係る加速度センサにおいて、
板状橋梁部が、シリコン基板によって構成され、各ピエゾ抵抗素子が、板状橋梁部の表層の一部にｐ型もしくはｎ型の不純物を注入した領域によって構成されているようにしたものである。
【００２６】
(16)  本発明の第１６の態様は、上述した第１〜第１５の態様に係る加速度センサと、この加速度センサを収容する装置筐体と、によって加速度検出装置を構成し、
加速度センサの台座を装置筐体に固定し、装置筐体に加速度が作用したときに、加速度センサの重錘体が板状橋梁部の撓みによって装置筐体内で変位するようにし、当該変位に応じた検出回路からの出力を装置筐体に作用した加速度の検出値とするようにしたものである。
【００２７】
(17)  本発明の第１７の態様は、上述した第１〜第１５の態様に係る加速度センサと、この加速度センサを収容する装置筐体と、によって加速度検出装置を構成し、
加速度センサの重錘体を装置筐体に固定し、装置筐体に加速度が作用したときに、加速度センサの台座が板状橋梁部の撓みによって装置筐体内で変位するようにし、当該変位に応じた検出回路からの出力を装置筐体に作用した加速度の検出値とするようにしたものである。
【００２８】
(18)  本発明の第１８の態様は、ＸＹＺ三次元座標系における所定の座標軸方向に作用した加速度の検出を行う加速度センサにおいて、
ＸＹ平面を水平面にとり、Ｚ軸正方向を上方向、Ｚ軸負方向を下方向にとった場合に、上から順に主センサ第１層、主センサ第２層、主センサ第３層を積層した主センサ構造体と、
主センサ構造体の所定箇所を支持固定する台座と、
主センサ構造体が発生させた電荷に基づいて、作用した加速度の検出値を出力する検出回路と、
を設け、
主センサ第２層は、ＸＹ平面に平行な面に沿って配置された平板状の層であり、Ｙ軸上に配置され可撓性を有する板状橋梁部と、主センサ第３層を支持するための重錘体支持部と、を有し、
重錘体支持部は、「Ｙ軸と交差しＸ軸に平行な軸であるＸ′軸」上に配置された中央板状部を有し、
板状橋梁部は根端部から先端部へとＹ軸に沿って伸び、中央板状部はＹ軸と交差するようにＸ′軸に沿って伸び、中央板状部のＹ軸と交差する部分近傍に板状橋梁部の先端部が接続されており、板状橋梁部と中央板状部とのＸＹ平面投影像はＴ字状をなし、
主センサ第１層は、主センサ第２層の板状橋梁部の上面の少なくとも一部分を覆うように形成された圧電素子を有し、
主センサ第３層は、主センサ第２層の重錘体支持部の下面に接続されており、作用した加速度に基づいて板状橋梁部に撓みを生じさせるのに十分な質量をもった重錘体として機能し、
板状橋梁部の両脇について、Ｘ座標値が負となる側を左脇、Ｘ座標値が正となる側を右脇と定義したときに、主センサ第３層は、板状橋梁部の左脇に位置する左翼重錘部と右脇に位置する右翼重錘部とを有しており、
台座は、板状橋梁部の根端部を支持固定し、
検出回路は、圧電素子に発生した電荷に基づいて加速度の検出値を出力する回路であるようにしたものである。
【００２９】
(19)  本発明の第１９の態様は、上述した第１８の態様に係る加速度センサにおいて、
主センサ第２層の重錘体支持部が、中央板状部の左側からＹ軸に平行な方向に沿って板状橋梁部の左脇に伸びる左翼板状部と、中央板状部の右側からＹ軸に平行な方向に沿って板状橋梁部の右脇に伸びる右翼板状部と、を更に有し、
左翼重錘部が左翼板状部の下面に接続されており、右翼重錘部が右翼板状部の下面に接続されているようにしたものである。
【００３０】
(20)  本発明の第２０の態様は、上述した第１８または第１９の態様に係る加速度センサにおいて、
主センサ第３層が、左翼重錘部と右翼重錘部とを連結する中央重錘部を有し、中央重錘部が中央板状部の下面に接続されており、左翼重錘部、右翼重錘部および中央重錘部を有する重錘体のＸＹ平面投影像が「コ」の字状をなすようにしたものである。
【００３１】
(21)  本発明の第２１の態様は、上述した第１８〜第２０の態様に係る加速度センサにおいて、
主センサ第３層を構成する構造体の重心が、板状橋梁部の下方に位置するようにしたものである。
【００３２】
(22)  本発明の第２２の態様は、上述した第１８〜第２１の態様に係る加速度センサにおいて、
主センサ構造体が、ＹＺ平面に関して面対称をなし、主センサ第３層を構成する構造体の重心が、板状橋梁部の下方のＹＺ平面上に位置しているようにしたものである。
【００３３】
(23)  本発明の第２３の態様は、上述した第１８〜第２２の態様に係る加速度センサにおいて、
主センサ第１層のＸＹ平面投影像と主センサ第２層のＸＹ平面投影像とが同一形状であり、主センサ第１層の下面の全領域が主センサ第２層の上面の全領域に接合されているようにしたものである。
【００３４】
(24)  本発明の第２４の態様は、上述した第１８〜第２３の態様に係る加速度センサにおいて、
主センサ第３層のＸ軸正方向の端部が重錘体支持部のＸ軸正方向の端部よりもＸ軸正方向に突き出しており、主センサ第３層のＸ軸負方向の端部が重錘体支持部のＸ軸負方向の端部よりもＸ軸負方向に突き出しており、主センサ第３層のＹ軸正方向の端部が重錘体支持部のＹ軸正方向の端部よりもＹ軸正方向に突き出しており、主センサ第３層のＹ軸負方向の端部が重錘体支持部のＹ軸負方向の端部よりもＹ軸負方向に突き出しているようにしたものである。
【００３５】
(25)  本発明の第２５の態様は、上述した第１８〜第２４の態様に係る加速度センサにおいて、
主センサ第１層が、板状橋梁部の表面に層状に形成された下層電極と、下層電極の表面に層状に形成された圧電材料層と、圧電材料層の表面に局在的に形成された複数の上層電極からなる上層電極群と、を有する圧電素子を構成し、
圧電材料層が、層方向に伸縮する応力の作用により、厚み方向に分極を生じる性質を有し、
検出回路が、上層電極と下層電極との間の電位差に基づいて加速度の検出値を出力する回路であるようにしたものである。
【００３６】
(26)  本発明の第２６の態様は、上述した第２５の態様に係る加速度センサにおいて、
上層電極群が、先端部左側上層電極と、先端部右側上層電極と、根端部左側上層電極と、根端部右側上層電極と、を有し、
先端部左側上層電極の主センサ第２層上面への投影像は、Ｙ軸に平行な方向に伸び、板状橋梁部の先端部近傍のＸ座標値が負となる側に位置し、
先端部右側上層電極の主センサ第２層上面への投影像は、Ｙ軸に平行な方向に伸び、板状橋梁部の先端部近傍のＸ座標値が正となる側に位置し、
根端部左側上層電極の主センサ第２層上面への投影像は、Ｙ軸に平行な方向に伸び、板状橋梁部の根端部近傍のＸ座標値が負となる側に位置し、
根端部右側上層電極の主センサ第２層上面への投影像は、Ｙ軸に平行な方向に伸び、板状橋梁部の根端部近傍のＸ座標値が正となる側に位置するようにしたものである。
【００３７】
(27)  本発明の第２７の態様は、上述した第２６の態様に係る加速度センサにおいて、
検出回路が、下層電極の電位を基準電位として、先端部左側上層電極の電圧をＶ１，先端部右側上層電極の電圧をＶ２，根端部左側上層電極の電圧をＶ３，根端部右側上層電極の電圧をＶ４としたときに、
作用した加速度のＸ軸方向成分αｘの検出値を、「電圧Ｖ１，Ｖ４の和」と「電圧Ｖ２，Ｖ３の和」との差に基づいて出力し、
作用した加速度のＹ軸方向成分αｙの検出値を、電圧Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３，Ｖ４の和に基づいて出力し、
作用した加速度のＺ軸方向成分αｚの検出値を、「電圧Ｖ１，Ｖ２の和」と「電圧Ｖ３，Ｖ４の和」との差に基づいて出力するようにしたものである。
【００３８】
(28)  本発明の第２８の態様は、上述した第２７の態様に係る加速度センサにおいて、
加速度が作用しても撓みが生じない部分に形成された参照用圧電素子を更に有し、参照用圧電素子は、参照用下層電極と参照用上層電極とこれらの間に挟まれた圧電材料層とによって構成され、参照用下層電極の電位を基準電位として、参照用上層電極の電圧をＶ５としたときに、
検出回路が、作用した加速度のＹ軸方向成分αｙの検出値を、「電圧Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３，Ｖ４の和」と「電圧Ｖ５に所定の補正係数ｋを乗じて得られる値ｋ・Ｖ５」との差に基づいて出力するようにしたものである。
【００３９】
(29)  本発明の第２９の態様は、上述した第２５〜第２８の態様に係る加速度センサにおいて、
主センサ第１層の圧電材料層が圧電薄膜によって構成され、主センサ第１層の上層電極および下層電極が金属層によって構成され、主センサ第２層がシリコン基板によって構成され、主センサ第３層が金属基板、セラミック基板、もしくはガラス基板によって構成されているようにしたものである。
【００４０】
(30)  本発明の第３０の態様は、上述した第１８〜第２９の態様に係る加速度センサにおいて、
台座が、ＸＹ平面に沿って主センサ構造体を取り囲む環状構造体をなし、加速度センサに対して所定の大きさを超える加速度の水平方向成分が作用した場合に、主センサ第３層が環状構造体の内面に接触し、それ以上の変位が制限されるようにしたものである。
【００４１】
(31)  本発明の第３１の態様は、上述した第３０の態様に係る加速度センサにおいて、
台座が、第１壁部、第２壁部、第３壁部、第４壁部なる４組の壁部を有する矩形状の方環状構造体をなし、
第１壁部は、主センサ構造体に対してＸ軸負方向側に隣接配置され、ＹＺ平面に平行な平面に沿った壁面を構成し、
第２壁部は、主センサ構造体に対してＸ軸正方向側に隣接配置され、ＹＺ平面に平行な平面に沿った壁面を構成し、
第３壁部は、主センサ構造体に対してＹ軸正方向側に隣接配置され、ＸＺ平面に平行な平面に沿った壁面を構成し、
第４壁部は、主センサ構造体に対してＹ軸負方向側に隣接配置され、ＸＺ平面に平行な平面に沿った壁面を構成し、
板状橋梁部の根端部が、第４壁部に支持固定されているようにしたものである。
【００４２】
(32)  本発明の第３２の態様は、上述した第３０または第３１の態様に係る加速度センサにおいて、
台座が、上から順に台座第１層、台座第２層、台座第３層を積層した積層構造体によって構成され、台座第１層は板状橋梁部の根端部近傍において主センサ第１層に連なり、台座第２層は板状橋梁部の根端部において主センサ第２層に連なるようにしたものである。
【００４３】
(33)  本発明の第３３の態様は、上述した第３０または第３１の態様に係る加速度センサにおいて、
主センサ第２層が、板状橋梁部の根端部に接続された台座接続部を更に有し、
台座接続部は、Ｙ軸と交差しＸ軸に平行な所定の配置軸上に配置され、当該配置軸に沿って伸び、
台座の所定箇所の上面には、台座接続部を嵌合するための嵌合溝が形成されており、台座接続部が嵌合溝に嵌合した状態で固定されているようにしたものである。
【００４４】
(34)  本発明の第３４の態様は、上述した第１８〜第３３の態様に係る加速度センサと、この加速度センサを収容する装置筐体と、によって加速度検出装置を構成し、
加速度センサの台座を装置筐体に固定し、装置筐体に加速度が作用したときに、加速度センサの主センサ第３層が板状橋梁部の撓みによって装置筐体内で変位するようにし、当該変位に応じた検出回路からの出力を装置筐体に作用した加速度の検出値とするようにしたものである。
【００４５】
(35)  本発明の第３５の態様は、上述した第３４の態様に係る加速度検出装置において、
装置筐体が、加速度センサを下方から支持固定するための土台基板と、加速度センサの上方を覆う上蓋基板と、加速度センサの周囲を囲うように配置され、土台基板と上蓋基板とを連結する側壁板と、を有し、
加速度センサの台座の底面は加速度センサの主センサ第３層の底面より下方に位置し、台座の底面は土台基板の上面に固定されており、土台基板の上面と主センサ第３層の底面との間に下方空隙部が形成され、
上蓋基板は、加速度センサの主センサ第１層の上面より上方に位置し、上蓋基板の下面と主センサ第１層の上面との間に上方空隙部が形成され、
加速度センサに対して所定の大きさを超える加速度の垂直方向成分が作用した場合に、主センサ構造体の一部が土台基板の上面もしくは上蓋基板の下面に接触し、それ以上の変位が制限されるようにしたものである。
【００４６】
(36)  本発明の第３６の態様は、上述した第１８〜第３３の態様に係る加速度センサと、この加速度センサを収容する装置筐体と、によって加速度検出装置を構成し、
加速度センサの主センサ第３層を装置筐体に固定し、装置筐体に加速度が作用したときに、加速度センサの台座が板状橋梁部の撓みによって装置筐体内で変位するようにし、当該変位に応じた検出回路からの出力を装置筐体に作用した加速度の検出値とするようにしたものである。
【００４７】
(37)  本発明の第３７の態様は、上述した第３６の態様に係る加速度検出装置において、
装置筐体が、加速度センサを下方から支持固定するための土台基板と、加速度センサの上方を覆う上蓋基板と、加速度センサの周囲を囲うように配置され、土台基板と上蓋基板とを連結する側壁板と、を有し、
加速度センサの台座の底面は加速度センサの主センサ第３層の底面より上方に位置し、主センサ第３層の底面は土台基板の上面に固定されており、土台基板の上面と台座の底面との間に下方空隙部が形成され、
上蓋基板は、加速度センサの主センサ第１層の上面より上方に位置し、上蓋基板の下面と主センサ第１層の上面との間に上方空隙部が形成され、
加速度センサに対して所定の大きさを超える加速度の垂直方向成分が作用した場合に、台座の一部が土台基板の上面もしくは上蓋基板の下面に接触し、それ以上の変位が制限されるようにしたものである。
【００４８】
(38)  本発明の第３８の態様は、ＸＹＺ三次元座標系における所定の座標軸方向に作用した加速度の検出を行う加速度センサにおいて、
ＸＹ平面を水平面にとり、Ｚ軸正方向を上方向、Ｚ軸負方向を下方向にとった場合に、主センサ検出層と、その下方に接合された主センサ重錘層と、を有する主センサ構造体と、
主センサ検出層の所定箇所を支持固定する台座と、
主センサ検出層の所定箇所の伸縮変形を検出する複数のピエゾ抵抗素子と、
ピエゾ抵抗素子の電気抵抗値に基づいて、作用した加速度の検出値を出力する検出回路と、
を備え、
主センサ検出層は、ＸＹ平面に平行な面に沿って配置された平板状の層であり、Ｙ軸上に配置され可撓性を有する板状橋梁部と、主センサ重錘層を支持するための重錘体支持部と、を有し、
重錘体支持部は、「Ｙ軸と交差しＸ軸に平行な軸であるＸ′軸」上に配置された中央板状部を有し、
板状橋梁部は根端部から先端部へとＹ軸に沿って伸び、中央板状部はＹ軸と交差するようにＸ′軸に沿って伸び、中央板状部のＹ軸と交差する部分近傍に板状橋梁部の先端部が接続されており、板状橋梁部と中央板状部とのＸＹ平面投影像はＴ字状をなし、
主センサ重錘層は、主センサ検出層の重錘体支持部の下面に接続されており、作用した加速度に基づいて板状橋梁部に撓みを生じさせるのに十分な質量をもった重錘体として機能し、
板状橋梁部の両脇について、Ｘ座標値が負となる側を左脇、Ｘ座標値が正となる側を右脇と定義したときに、主センサ重錘層は、板状橋梁部の左脇に位置する左翼重錘部と右脇に位置する右翼重錘部とを有しており、
台座は、板状橋梁部の根端部を支持固定し、
ピエゾ抵抗素子は、板状橋梁部の所定箇所の表面に形成されているようにしたものである。
【００４９】
(39)  本発明の第３９の態様は、上述した第３８の態様に係る加速度センサにおいて、
主センサ検出層の重錘体支持部が、中央板状部の左側からＹ軸に平行な方向に沿って板状橋梁部の左脇に伸びる左翼板状部と、中央板状部の右側からＹ軸に平行な方向に沿って板状橋梁部の右脇に伸びる右翼板状部と、を更に有し、
左翼重錘部が左翼板状部の下面に接続されており、右翼重錘部が右翼板状部の下面に接続されているようにしたものである。
【００５０】
(40)  本発明の第４０の態様は、上述した第３８または第３９の態様に係る加速度センサにおいて、
主センサ重錘層が、左翼重錘部と右翼重錘部とを連結する中央重錘部を有し、中央重錘部が中央板状部の下面に接続されており、左翼重錘部、右翼重錘部および中央重錘部を有する重錘体のＸＹ平面投影像が「コ」の字状をなすようにしたものである。
【００５１】
(41)  本発明の第４１の態様は、上述した第３８〜第４０の態様に係る加速度センサにおいて、
主センサ重錘層を構成する構造体の重心が、板状橋梁部の下方に位置するようにしたものである。
【００５２】
(42)  本発明の第４２の態様は、上述した第３８〜第４１の態様に係る加速度センサにおいて、
主センサ構造体が、ＹＺ平面に関して面対称をなし、主センサ重錘層を構成する構造体の重心が、板状橋梁部の下方のＹＺ平面上に位置しているようにしたものである。
【００５３】
(43)  本発明の第４３の態様は、上述した第３８〜第４２の態様に係る加速度センサにおいて、
主センサ重錘層のＸ軸正方向の端部が重錘体支持部のＸ軸正方向の端部よりもＸ軸正方向に突き出しており、主センサ重錘層のＸ軸負方向の端部が重錘体支持部のＸ軸負方向の端部よりもＸ軸負方向に突き出しており、主センサ重錘層のＹ軸正方向の端部が重錘体支持部のＹ軸正方向の端部よりもＹ軸正方向に突き出しており、主センサ重錘層のＹ軸負方向の端部が重錘体支持部のＹ軸負方向の端部よりもＹ軸負方向に突き出しているようにしたものである。
【００５４】
(44)  本発明の第４４の態様は、上述した第３８〜第４３の態様に係る加速度センサにおいて、
主センサ検出層が、シリコン基板によって構成され、各ピエゾ抵抗素子が、板状橋梁部の表層の一部にｐ型もしくはｎ型の不純物を注入した領域によって構成されているようにしたものである。
【００５５】
(45)  本発明の第４５の態様は、上述した第３８〜第４４の態様に係る加速度センサにおいて、
主センサ検出層が、面方位（１００）に相当する面を上面および下面とするシリコン基板によって構成され、
Ｙ軸が、シリコン基板の結晶軸＜１００＞の方向に設定されているようにしたものである。
【００５６】
(46)  本発明の第４６の態様は、上述した第３８〜第４５の態様に係る加速度センサにおいて、
作用した加速度のＸ軸方向成分αｘの検出に用いるピエゾ抵抗素子として、抵抗素子Ｒｘ１，抵抗素子Ｒｘ２，抵抗素子Ｒｘ３，抵抗素子Ｒｘ４が設けられており、
抵抗素子Ｒｘ１のＸＹ平面への投影像は、Ｙ軸に平行な方向に伸び、板状橋梁部の先端部近傍のＸ座標値が負となる側に位置し、
抵抗素子Ｒｘ２のＸＹ平面への投影像は、Ｙ軸に平行な方向に伸び、板状橋梁部の先端部近傍のＸ座標値が正となる側に位置し、
抵抗素子Ｒｘ３のＸＹ平面への投影像は、Ｙ軸に平行な方向に伸び、板状橋梁部の根端部近傍のＸ座標値が負となる側に位置し、
抵抗素子Ｒｘ４のＸＹ平面への投影像は、Ｙ軸に平行な方向に伸び、板状橋梁部の根端部近傍のＸ座標値が正となる側に位置し、
検出回路が、
抵抗素子Ｒｘ１および抵抗素子Ｒｘ４を第１の対辺とし、抵抗素子Ｒｘ２および抵抗素子Ｒｘ３を第２の対辺とするＸ軸検出用ホイートストンブリッジと、
Ｘ軸検出用ホイートストンブリッジにおける抵抗素子Ｒｘ１，Ｒｘ２の接続点と抵抗素子Ｒｘ３，Ｒｘ４の接続点との間にブリッジ電圧を印加するブリッジ電圧電源と、
Ｘ軸検出用ホイートストンブリッジにおける抵抗素子Ｒｘ２，Ｒｘ４の接続点と抵抗素子Ｒｘ１，Ｒｘ３の接続点との間の電位差を、作用した加速度のＸ軸方向成分αｘの検出値として出力する出力手段と、
を有するようにしたものである。
【００５７】
(47)  本発明の第４７の態様は、上述した第３８〜第４５の態様に係る加速度センサにおいて、
作用した加速度のＹ軸方向成分αｙの検出に用いるピエゾ抵抗素子として、抵抗素子Ｒｙ１，抵抗素子Ｒｙ２，抵抗素子Ｒｙ３，抵抗素子Ｒｙ４が設けられており、
抵抗素子Ｒｙ１およびＲｙ２のＸＹ平面への投影像は、Ｘ軸に平行な方向に伸び、抵抗素子Ｒｙ３およびＲｙ４のＸＹ平面への投影像は、Ｙ軸に平行な方向に伸び、
検出回路が、
抵抗素子Ｒｙ１および抵抗素子Ｒｙ２を第１の対辺とし、抵抗素子Ｒｙ３および抵抗素子Ｒｙ４を第２の対辺とするＹ軸検出用ホイートストンブリッジと、
Ｙ軸検出用ホイートストンブリッジにおける抵抗素子Ｒｙ１，Ｒｙ３の接続点と抵抗素子Ｒｙ２，Ｒｙ４の接続点との間にブリッジ電圧を印加するブリッジ電圧電源と、
Ｙ軸検出用ホイートストンブリッジにおける抵抗素子Ｒｙ２，Ｒｙ３の接続点と抵抗素子Ｒｙ１，Ｒｙ４の接続点との間の電位差を、作用した加速度のＹ軸方向成分αｙの検出値として出力する出力手段と、
を有するようにしたものである。
【００５８】
(48)  本発明の第４８の態様は、上述した第３８〜第４５の態様に係る加速度センサにおいて、
作用した加速度のＺ軸方向成分αｚの検出に用いるピエゾ抵抗素子として、抵抗素子Ｒｚ１，抵抗素子Ｒｚ２，抵抗素子Ｒｚ３，抵抗素子Ｒｚ４が設けられており、
抵抗素子Ｒｚ１のＸＹ平面への投影像は、Ｙ軸に平行な方向に伸び、板状橋梁部の先端部近傍のＸ座標値が負となる側に位置し、
抵抗素子Ｒｚ２のＸＹ平面への投影像は、Ｙ軸に平行な方向に伸び、板状橋梁部の先端部近傍のＸ座標値が正となる側に位置し、
抵抗素子Ｒｚ３のＸＹ平面への投影像は、Ｙ軸に平行な方向に伸び、板状橋梁部の根端部近傍のＸ座標値が負となる側に位置し、
抵抗素子Ｒｚ４のＸＹ平面への投影像は、Ｙ軸に平行な方向に伸び、板状橋梁部の根端部近傍のＸ座標値が正となる側に位置し、
検出回路が、
抵抗素子Ｒｚ１および抵抗素子Ｒｚ２を第１の対辺とし、抵抗素子Ｒｚ３および抵抗素子Ｒｚ４を第２の対辺とするＺ軸検出用ホイートストンブリッジと、
Ｚ軸検出用ホイートストンブリッジにおける抵抗素子Ｒｚ１，Ｒｚ３の接続点と抵抗素子Ｒｚ２，Ｒｚ４の接続点との間にブリッジ電圧を印加するブリッジ電圧電源と、
Ｚ軸検出用ホイートストンブリッジにおける抵抗素子Ｒｚ２，Ｒｚ３の接続点と抵抗素子Ｒｚ１，Ｒｚ４の接続点との間の電位差を、作用した加速度のＺ軸方向成分αｚの検出値として出力する出力手段と、
を有するようにしたものである。
【００５９】
(49)  本発明の第４９の態様は、上述した第３８〜第４５の態様に係る加速度センサにおいて、
作用した加速度のＸ軸方向成分αｘの検出に用いるピエゾ抵抗素子として、抵抗素子Ｒｘ１，抵抗素子Ｒｘ２，抵抗素子Ｒｘ３，抵抗素子Ｒｘ４が設けられており、
作用した加速度のＹ軸方向成分αｙの検出に用いるピエゾ抵抗素子として、抵抗素子Ｒｙ１，抵抗素子Ｒｙ２，抵抗素子Ｒｙ３，抵抗素子Ｒｙ４が設けられており、
作用した加速度のＺ軸方向成分αｚの検出に用いるピエゾ抵抗素子として、抵抗素子Ｒｚ１，抵抗素子Ｒｚ２，抵抗素子Ｒｚ３，抵抗素子Ｒｚ４が設けられており、
抵抗素子Ｒｘ１のＸＹ平面への投影像は、Ｙ軸に平行な方向に伸び、板状橋梁部の先端部近傍のＸ座標値が負となる側に位置し、
抵抗素子Ｒｘ２のＸＹ平面への投影像は、Ｙ軸に平行な方向に伸び、板状橋梁部の先端部近傍のＸ座標値が正となる側に位置し、
抵抗素子Ｒｘ３のＸＹ平面への投影像は、Ｙ軸に平行な方向に伸び、板状橋梁部の根端部近傍のＸ座標値が負となる側に位置し、
抵抗素子Ｒｘ４のＸＹ平面への投影像は、Ｙ軸に平行な方向に伸び、板状橋梁部の根端部近傍のＸ座標値が正となる側に位置し、
抵抗素子Ｒｚ１のＸＹ平面への投影像は、Ｙ軸に平行な方向に伸び、板状橋梁部の先端部近傍のＸ座標値が負となる側に位置し、
抵抗素子Ｒｚ２のＸＹ平面への投影像は、Ｙ軸に平行な方向に伸び、板状橋梁部の先端部近傍のＸ座標値が正となる側に位置し、
抵抗素子Ｒｚ３のＸＹ平面への投影像は、Ｙ軸に平行な方向に伸び、板状橋梁部の根端部近傍のＸ座標値が負となる側に位置し、
抵抗素子Ｒｚ４のＸＹ平面への投影像は、Ｙ軸に平行な方向に伸び、板状橋梁部の根端部近傍のＸ座標値が正となる側に位置し、
抵抗素子Ｒｘ１，Ｒｘ２，Ｒｘ３，Ｒｘ４は、それぞれ抵抗素子Ｒｚ１，Ｒｚ２，Ｒｚ３，Ｒｚ４よりも、板状橋梁部における外側に配置されており、
抵抗素子Ｒｙ１およびＲｙ２のＸＹ平面への投影像は、Ｘ軸に平行な方向に伸び、抵抗素子Ｒｙ３およびＲｙ４のＸＹ平面への投影像は、Ｙ軸に平行な方向に伸び、
検出回路が、
抵抗素子Ｒｘ１および抵抗素子Ｒｘ４を第１の対辺とし、抵抗素子Ｒｘ２および抵抗素子Ｒｘ３を第２の対辺とするＸ軸検出用ホイートストンブリッジと、
抵抗素子Ｒｙ１および抵抗素子Ｒｙ２を第１の対辺とし、抵抗素子Ｒｙ３および抵抗素子Ｒｙ４を第２の対辺とするＹ軸検出用ホイートストンブリッジと、
抵抗素子Ｒｚ１および抵抗素子Ｒｚ２を第１の対辺とし、抵抗素子Ｒｚ３および抵抗素子Ｒｚ４を第２の対辺とするＺ軸検出用ホイートストンブリッジと、
Ｘ軸検出用ホイートストンブリッジにおける抵抗素子Ｒｘ１，Ｒｘ２の接続点と抵抗素子Ｒｘ３，Ｒｘ４の接続点との間にブリッジ電圧を印加し、Ｙ軸検出用ホイートストンブリッジにおける抵抗素子Ｒｙ１，Ｒｙ３の接続点と抵抗素子Ｒｙ２，Ｒｙ４の接続点との間にブリッジ電圧を印加し、Ｚ軸検出用ホイートストンブリッジにおける抵抗素子Ｒｚ１，Ｒｚ３の接続点と抵抗素子Ｒｚ２，Ｒｚ４の接続点との間にブリッジ電圧を印加するブリッジ電圧電源と、
Ｘ軸検出用ホイートストンブリッジにおける抵抗素子Ｒｘ２，Ｒｘ４の接続点と抵抗素子Ｒｘ１，Ｒｘ３の接続点との間の電位差を、作用した加速度のＸ軸方向成分αｘの検出値として出力し、Ｙ軸検出用ホイートストンブリッジにおける抵抗素子Ｒｙ２，Ｒｙ３の接続点と抵抗素子Ｒｙ１，Ｒｙ４の接続点との間の電位差を、作用した加速度のＹ軸方向成分αｙの検出値として出力し、Ｚ軸検出用ホイートストンブリッジにおける抵抗素子Ｒｚ２，Ｒｚ３の接続点と抵抗素子Ｒｚ１，Ｒｚ４の接続点との間の電位差を、作用した加速度のＺ軸方向成分αｚの検出値として出力する出力手段と、
を有するようにしたものである。
【００６０】
(50)  本発明の第５０の態様は、上述した第３８〜第４９の態様に係る加速度センサにおいて、
台座が、ＸＹ平面に沿って主センサ構造体を取り囲む環状構造体をなし、加速度センサに対して所定の大きさを超える加速度の水平方向成分が作用した場合に、重錘体が環状構造体の内面に接触し、それ以上の変位が制限されるようにしたものである。
【００６１】
(51)  本発明の第５１の態様は、上述した第５０の態様に係る加速度センサにおいて、
台座が、第１壁部、第２壁部、第３壁部、第４壁部なる４組の壁部を有する矩形状の方環状構造体をなし、
第１壁部は、主センサ構造体に対してＸ軸負方向側に隣接配置され、ＹＺ平面に平行な平面に沿った壁面を構成し、
第２壁部は、主センサ構造体に対してＸ軸正方向側に隣接配置され、ＹＺ平面に平行な平面に沿った壁面を構成し、
第３壁部は、主センサ構造体に対してＹ軸正方向側に隣接配置され、ＸＺ平面に平行な平面に沿った壁面を構成し、
第４壁部は、主センサ構造体に対してＹ軸負方向側に隣接配置され、ＸＺ平面に平行な平面に沿った壁面を構成し、
板状橋梁部の根端部が、第４壁部に支持固定されているようにしたものである。
【００６２】
(52)  本発明の第５２の態様は、上述した第５０または第５１の態様に係る加速度センサにおいて、
主センサ構造体が、上から順に構造体第１層、構造体第２層、構造体第３層を積層した積層構造体によって構成され、構造体第１層および構造体第２層によって主センサ検出層が構成され、構造体第３層によって主センサ重錘層が構成されており、
台座が、上から順に台座第１層、台座第２層、台座第３層を積層した積層構造体によって構成され、
構造体第１層および台座第１層は、いずれも第１の材料からなり、
構造体第２層および台座第２層は、いずれも第２の材料からなり、
構造体第３層および台座第３層は、いずれも第３の材料からなり、
第１の材料のエッチング特性は、第２の材料のエッチング特性と異なり、第３の材料のエッチング特性は、第２の材料のエッチング特性と異なり、
台座第１層は板状橋梁部の根端部において構造体第１層に連なり、台座第２層は板状橋梁部の根端部において構造体第２層に連なっているようにしたものである。
【００６３】
(53)  本発明の第５３の態様は、上述した第５０または第５１の態様に係る加速度センサにおいて、
主センサ構造体が、上から順に構造体第１層、構造体第２層、構造体第３層を積層した積層構造体によって構成され、構造体第１層によって主センサ検出層が構成され、構造体第２層および構造体第３層によって主センサ重錘層が構成されており、
台座が、上から順に台座第１層、台座第２層、台座第３層を積層した積層構造体によって構成され、
構造体第１層および台座第１層は、いずれも第１の材料からなり、
構造体第２層および台座第２層は、いずれも第２の材料からなり、
構造体第３層および台座第３層は、いずれも第３の材料からなり、
第１の材料のエッチング特性は、第２の材料のエッチング特性と異なり、第３の材料のエッチング特性は、第２の材料のエッチング特性と異なり、
台座第１層は板状橋梁部の根端部において構造体第１層に連なっているようにしたものである。
【００６４】
(54)  本発明の第５４の態様は、上述した第５０または第５１の態様に係る加速度センサにおいて、
主センサ検出層が、板状橋梁部の根端部に接続された台座接続部を更に有し、
台座接続部は、Ｙ軸と交差しＸ軸に平行な所定の配置軸上に配置され、当該配置軸に沿って伸び、
台座の所定箇所の上面には、台座接続部を嵌合するための嵌合溝が形成されており、台座接続部が嵌合溝に嵌合した状態で固定されているようにしたものである。
【００６５】
(55)  本発明の第５５の態様は、上述した第３８〜第５４の態様に係る加速度センサと、この加速度センサを収容する装置筐体と、によって加速度検出装置にを構成し、
加速度センサの台座を装置筐体に固定し、装置筐体に加速度が作用したときに、加速度センサの主センサ重錘層が板状橋梁部の撓みによって装置筐体内で変位するようにし、当該変位に応じた検出回路からの出力を装置筐体に作用した加速度の検出値とするようにしたものである。
【００６６】
(56)  本発明の第５６の態様は、上述した第５５の態様に係る加速度検出装置において、
装置筐体が、加速度センサを下方から支持固定するための土台基板と、加速度センサの上方を覆う上蓋基板と、加速度センサの周囲を囲うように配置され、土台基板と上蓋基板とを連結する側壁板と、を有し、
加速度センサの台座の底面は加速度センサの主センサ重錘層の底面より下方に位置し、台座の底面は土台基板の上面に固定されており、土台基板の上面と主センサ重錘層の底面との間に下方空隙部が形成され、
上蓋基板は、加速度センサの主センサ検出層の上面より上方に位置し、上蓋基板の下面と主センサ検出層の上面との間に上方空隙部が形成され、
加速度センサに対して所定の大きさを超える加速度の垂直方向成分が作用した場合に、主センサ構造体の一部が土台基板の上面もしくは上蓋基板の下面に接触し、それ以上の変位が制限されるようにしたものである。
【００６７】
(57)  本発明の第５７の態様は、上述した第３８〜第５４の態様に係る加速度センサと、この加速度センサを収容する装置筐体と、によって加速度検出装置を構成し、
加速度センサの主センサ重錘層を装置筐体に固定し、装置筐体に加速度が作用したときに、加速度センサの台座が板状橋梁部の撓みによって装置筐体内で変位するようにし、当該変位に応じた検出回路からの出力を装置筐体に作用した加速度の検出値とするようにしたものである。
【００６８】
(58)  本発明の第５８の態様は、上述した第５７の態様に係る加速度検出装置において、
装置筐体が、加速度センサを下方から支持固定するための土台基板と、加速度センサの上方を覆う上蓋基板と、加速度センサの周囲を囲うように配置され、土台基板と上蓋基板とを連結する側壁板と、を有し、
加速度センサの台座の底面は加速度センサの主センサ重錘層の底面より上方に位置し、主センサ重錘層の底面は土台基板の上面に固定されており、土台基板の上面と台座の底面との間に下方空隙部が形成され、
上蓋基板は、加速度センサの主センサ検出層の上面より上方に位置し、上蓋基板の下面と主センサ検出層の上面との間に上方空隙部が形成され、
加速度センサに対して所定の大きさを超える加速度の垂直方向成分が作用した場合に、台座の一部が土台基板の上面もしくは上蓋基板の下面に接触し、それ以上の変位が制限されるようにしたものである。
【００６９】
(59)  本発明の第５９の態様は、上述した第１〜第１５，第１８〜第３３，第３８〜第５４の態様に係る加速度センサにおいて、装置筐体の一部を台座として用いるようにしたものである。
【００７０】
(60)  本発明の第６０の態様は、上述した第１〜第１５，第１８〜第３３，第３８〜第５４の態様に係る加速度センサから、検出回路を除いた加速度センサ用構造体を構成するようにしたものである。
【発明の効果】
【００７１】
本発明に係る加速度センサでは、長手方向軸に沿って伸びる可撓性を有する板状橋梁部によって、重錘体が片持ち梁構造で支持される。このため、ダイアフラム部の周囲を装置筐体に固定するタイプのセンサのように、温度や実装方法などの利用環境によって検出結果に悪影響が及ぶことを避けることができる。また、重錘体は、板状橋梁部の左脇と右脇とに配置されるため、板状橋梁部に撓みを生じさせるための十分な質量を確保することができる。しかも、板状橋梁部が、左右から重錘体によって保護される構造が採られるため、過度の加速度が加わった場合でも、板状橋梁部が外部部材と接触して損傷を受けることを防ぐことができる。
【００７２】
このように、本発明によれば、利用環境によって検出結果に悪影響が及ぶことがなく、しかも高い検出感度をもった加速度検出が可能になり、過度の加速度が加わった場合でも損傷を受けにくい加速度センサを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００７３】
【図１】本発明の圧電素子を用いた実施形態に係る加速度センサＡＳの構成を示す斜視図（主センサ構造体ＭＳＳを構成する３層部分を分離して示す）およびブロック図である。
【図２】図１に示す主センサ構造体ＭＳＳの主センサ第１層１００の上面図である。
【図３】図１に示す主センサ構造体ＭＳＳの主センサ第２層２００の上面図である。
【図４】図１に示す主センサ構造体ＭＳＳの主センサ第３層３００の上面図である。
【図５】図１に示す主センサ構造体ＭＳＳの側面図である。
【図６】図１に示す主センサ構造体ＭＳＳを台座４００に固定した状態を示す上面図である（ハッチングは各上層電極の形成領域および台座による固定状態を示すためのものであり、断面を示すものではない。括弧書きの符号は、下方に配置されている構成要素を示している。）。
【図７】図１に示す主センサ構造体ＭＳＳを台座４００に固定した状態を示す側断面図である（ＹＺ平面で切断した断面を示す）。
【図８】図１に示す主センサ構造体ＭＳＳにＸ軸正方向の力＋Ｆｘが作用したときの変形態様を示す上面図である。
【図９】図１に示す主センサ構造体ＭＳＳにＹ軸正方向の力＋Ｆｙが作用したときの変形態様を示す側断面図である（ＹＺ平面で切断した断面を示す）。
【図１０】図１に示す主センサ構造体ＭＳＳにＺ軸正方向の力＋Ｆｚが作用したときの変形態様を示す側断面図である（ＹＺ平面で切断した断面を示す）。
【図１１】図１に示す主センサ構造体ＭＳＳの重錘体に各座標軸正方向の力が作用したときに、橋梁部圧電層１１０の上層電極Ｅ１〜Ｅ５の位置に加わるＹ軸方向についての伸縮応力を示す表である。
【図１２】図１に示す主センサ構造体ＭＳＳの重錘体に各座標軸正方向の力が作用したときに、上層電極Ｅ１〜Ｅ５に発生する電荷の極性を示す表（図(a) ）およびこれらの発生電荷に基づいて加速度の各座標軸方向成分を算出する演算式を示す図（図(b) ）である。
【図１３】図１に示す主センサ構造体ＭＳＳの重錘体にＸ軸正方向の力＋Ｆｘが作用したときに、圧電材料層１０５に発生するＹ軸方向応力を示す応力分布図である。
【図１４】図１に示す主センサ構造体ＭＳＳの重錘体にＹ軸正方向の力＋Ｆｙが作用したときに、圧電材料層１０５に発生するＹ軸方向応力を示す応力分布図である。
【図１５】図１に示す主センサ構造体ＭＳＳの重錘体にＺ軸正方向の力＋Ｆｚが作用したときに、圧電材料層１０５に発生するＹ軸方向応力を示す応力分布図である。
【図１６】図１に示す加速度センサＡＳの検出回路５００の具体的な構成を示す回路図である。
【図１７】台座４００として、矩形状の環状構造体を用いた加速度センサＡＳを示す上面図である（検出回路は図示省略）。
【図１８】図１７に示す加速度センサＡＳを切断線１８−１８に沿って切断した断面を示す正断面図である。
【図１９】図１７に示す加速度センサＡＳを切断線１９−１９に沿って切断した断面を示す側断面図である。
【図２０】図１７に示す加速度センサＡＳを切断線２０−２０に沿って切断した断面を示す側断面図である。
【図２１】図１７に示す加速度センサＡＳの主センサ構造体ＭＳＳおよび台座４００を構成する材料として用いられる積層材料ブロック１０００の側断面図である。
【図２２】図１７に示す加速度センサＡＳを装置筐体６００に収容して構成される加速度検出装置の側断面図である。
【図２３】図２２に示す加速度検出装置における重錘体と台座の役割を逆にした変形例に係る加速度検出装置の側断面図である。
【図２４】図１に示す主センサ構造体ＭＳＳの第１の変形例Ａを示す上面図である（括弧書きの符号は、下方に配置されている主センサ第２層２００ａの構成要素を示している。）。
【図２５】図１に示す主センサ構造体ＭＳＳの第２の変形例Ｂを示す上面図である（括弧書きの符号は、下方に配置されている主センサ第２層２００ｂの構成要素を示している。）。
【図２６】図１に示す主センサ構造体ＭＳＳの主センサ第２層２００における板状橋梁部２１０の両端の接続角度を示す上面図である。
【図２７】図１に示す主センサ構造体ＭＳＳの第３の変形例Ｃに係る主センサ第２層２００ｃを示す上面図である。
【図２８】図１に示す主センサ構造体ＭＳＳの第４の変形例Ｄに用いる主センサ部品７００ｄを示す上面図（図(a) ）および正断面図（図(b) ）である。図(a) において、括弧書きの符号は、各層の構成要素を示している。
【図２９】図１に示す主センサ構造体ＭＳＳの第４の変形例Ｄに用いる重錘体３００ｄを示す上面図である。
【図３０】図１に示す主センサ構造体ＭＳＳの第４の変形例Ｄを固定するための台座４００ｄを示す上面図である。
【図３１】図３０に示す台座４００ｄに、図２８に示す主センサ部品７００ｄおよび図２９に示す重錘体３００ｄを取り付けた状態を示す上面図である。
【図３２】本発明に係る加速度センサに用いられる主センサ構造体１０の基本構造および検出素子Ｄ１〜Ｄ４を示す斜視図である。
【図３３】図３２に示す主センサ構造体１０を主センサ検出層２００と主センサ重錘層３００との２層構造によって構成し、検出素子Ｄ１〜Ｄ４を配置した状態を示す斜視図である。
【図３４】図３３に示す主センサ構造体１０に、加速度のＸ軸方向成分αｘの検出に利用するピエゾ抵抗素子Ｒｘ１〜Ｒｘ４を配置した状態を示す上面図である。
【図３５】図３３に示す主センサ構造体１０に、加速度のＹ軸方向成分αｙの検出に利用するピエゾ抵抗素子Ｒｙ１〜Ｒｙ４を配置した状態を示す上面図である。
【図３６】図３３に示す主センサ構造体１０に、加速度のＺ軸方向成分αｚの検出に利用するピエゾ抵抗素子Ｒｚ１〜Ｒｚ４を配置した状態を示す上面図である。
【図３７】図３３に示す主センサ構造体１０に各座標軸方向の力が作用したときに、図３４〜図３６に示す各ピエゾ抵抗素子に生じる電気抵抗値の増減変化を示す表である。
【図３８】図３４〜図３６に示す各ピエゾ抵抗素子を用いて構成した検出回路５００を示す回路図である。
【図３９】図３２に示す主センサ構造体１０に、３軸加速度成分αｘ，αｙ，αｚを検出するためのピエゾ抵抗素子を配置した実施例を示す上面図である。
【図４０】図３９に示す主センサ構造体１０を切断線４０−４０に沿って切断した断面を示す側断面図である。
【図４１】図３２に示す主センサ構造体１０に、３軸加速度成分αｘ，αｙ，αｚを検出するためのピエゾ抵抗素子を配置した別な実施例を示す上面図である。
【図４２】台座４００ｅとして、矩形状の環状構造体を用いた加速度センサＡＳｅを示す上面図である（検出回路は図示省略）。
【図４３】図４２に示す加速度センサＡＳｅを切断線４３−４３に沿って切断した断面を示す正断面図である。
【図４４】図４３に示す加速度センサＡＳｅを製造するための加工プロセスを示す正断面図である。
【図４５】図４３に示す加速度センサＡＳｅにおける重錘体の長さＵと各座標軸についての軸方向感度との関係を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００７４】
以下、本発明を図示する実施形態に基づいて説明する。
【００７５】
＜＜＜  §１．  圧電素子を用いた実施形態に係る加速度センサの構造  ＞＞＞
図１は、本発明の一実施形態に係る加速度センサＡＳ（Acceleration Sensorの略）の構成を示す斜視図およびブロック図である。ここで述べる実施形態は、加速度の検出に圧電素子を用いた実施形態である。本発明を実施する上で、加速度の検出に用いる検出素子は、圧電素子に限定されるものではなく、たとえば、ピエゾ抵抗素子等を用いることも可能である（§６参照）。ただ、説明の便宜上、§１〜§４では、圧電素子を用いた実施形態を例にとって本発明の説明を行うことにする。
【００７６】
図１の斜視図の部分に示されているように、この加速度センサＡＳは、第１層１００、第２層２００、第３層３００を積層した３層構造体を有する。図１の斜視図では、説明の便宜上、これら３層をそれぞれ上下に分離した状態を示すが、実際には、第１層１００の下面に第２層２００の上面が固着され、第２層２００の下面に第３層３００の上面が固着されており、３層は相互に接合された構造体になる。
【００７７】
この３層構造体は、ここで述べる実施形態において、根源的な検出機能を果たす。そこで、ここでは、この３層構造体を主センサ構造体ＭＳＳ（Main Sensor Structureの略）と呼ぶことにし、第１層１００を「主センサ第１層」、第２層２００を「主センサ第２層」、第３層３００を「主センサ第３層」と呼ぶことにする。本実施形態に係る加速度センサＡＳは、この３層からなる主センサ構造体ＭＳＳに、更に、台座４００（図では、単なるシンボル記号で示す）および検出回路５００（図では、ブロックで示す）を付加することにより構成される。
【００７８】
台座４００は、主センサ構造体ＭＳＳの一部分（図における右端面）を支持固定する役割を果たすが、その具体的な構造については§３で詳述する。なお、§３で述べるように、この圧電素子を用いた実施形態の場合、台座４００も、主センサ構造体ＭＳＳと同様に３層構造を有するが、台座４００を構成する各層については、それぞれ「台座第１層」、「台座第２層」、「台座第３層」と呼んで区別することにする。
【００７９】
ここでは図１の斜視図に示すように、主センサ第２層２００の右端面の中央位置に原点Ｏを定義し、奥方向にＸ軸、左方向にＹ軸、上方向にＺ軸をそれぞれとることにより、ＸＹＺ三次元直交座標系を定義する。本願の以下の説明では、図示のとおり、ＸＹ平面を水平面にとり、Ｚ軸正方向を上方向、Ｚ軸負方向を下方向にとることを前提として、各構成要素間の上下の関係を述べる。したがって、主センサ構造体ＭＳＳは、上から順に主センサ第１層１００、主センサ第２層２００、主センサ第３層３００を積層した構造体ということになる。
【００８０】
図示の加速度センサＡＳは、このようなＸＹＺ三次元座標系における所定の座標軸方向に作用した加速度の検出を行う機能を有している。なお、図示の座標系は、説明の便宜のために用いる一例であり、座標系の位置は、必ずしも図示の位置である必要はない。たとえば、原点Ｏは、主センサ第２層２００の右端面位置ではなく、主センサ第２層２００の重心位置などに定義してもかまわない。ただ、主センサ第２層２００の右端面は、台座４００によって固定される部分であるため、ここでは説明の便宜上、この右端面の中央位置に原点Ｏを定義して以下の説明を行う。
【００８１】
主センサ第１層１００は、検出素子として圧電素子を用いる実施形態に固有の構成要素である。この主センサ第１層１００は、図示のとおり、平面形状が「Ｅ」の字状をした平板状の構造体であり、その主要部分は圧電材料層１０５によって構成されている。より具体的には、主センサ第１層１００は、圧電材料層１０５と、その上面の所定領域に形成された上層電極Ｅ１〜Ｅ５および下面の全領域に形成された下層電極Ｅ０、という３層構造体によって構成されている。
【００８２】
ここで、圧電材料層１０５は、層方向に伸縮する応力の作用により、厚み方向に分極を生じる性質を有している。したがって、圧電材料層１０５の各部に応力が加わり、撓みが生じることになると、厚み方向に分極が生じ、上層電極Ｅ１〜Ｅ５および下層電極Ｅ０に電荷が発生することになる。
【００８３】
下層電極Ｅ０は、圧電材料層１０５の下面全面に形成された１枚の共通電極になっている。これに対し、各上層電極Ｅ１〜Ｅ５は、圧電材料層１０５の各所定領域に形成された局在電極になっている。これは、作用する外力の方向によって、圧電材料層１０５の各部に加わる応力の向き（圧縮方向応力か、伸張方向応力か）が異なり、発生電荷の極性が異なる可能性があるためである。
【００８４】
検出回路５００は、こうして発生した電荷に基づいて、作用した加速度の検出値を電気信号として出力する機能を有する。なお、図１では、図示の便宜上、検出回路５００に対する配線として、上層電極Ｅ４および下層電極Ｅ０についての配線しか示されていないが、実際には、すべての電極Ｅ０〜Ｅ５と検出回路５００との間に配線がなされる。
【００８５】
図２は、図１に示す主センサ構造体ＭＳＳの主センサ第１層１００の上面図であり、Ｘ軸を図の右方向、Ｙ軸を図の上方向にとった二次元平面図が示されている。なお、図２に示すＸ軸，Ｙ軸，原点Ｏは、実際には、この主センサ第１層１００の下方（主センサ第２層２００の位置）に位置している。上述したとおり、主センサ第１層１００は、「Ｅ」の字状をした圧電材料層１０５の上面に５枚の上層電極Ｅ１〜Ｅ５を形成し、下面に１枚の下層電極Ｅ０（図２には現れていない）を形成したものである。
【００８６】
圧電材料層１０５は、実際には、「Ｅ」の字状をした１枚の板状一体構造体であるが、ここでは説明の便宜上、図示のような４つの部分１１０，１２０，１３０，１４０に分けて考えることにする。いずれの部分も、ＸＹ平面に平行な面に沿って配置された平板状の圧電材料層によって構成されている。
【００８７】
部分１１０は、Ｙ軸に沿って伸びる橋梁構造を有する部分であり、ここでは橋梁部圧電層１１０と呼ぶことにする。この橋梁部圧電層１１０は、図示のとおり、Ｙ軸に沿って原点Ｏから先端点Ｔ（Ｙ軸上に定義された点）に至る区間に配置された部分ということになる。５枚のうちの４枚の上層電極Ｅ１〜Ｅ４は、この橋梁部圧電層１１０の上面に配置されている。なお、実際には、上層電極Ｅ１〜Ｅ５および下層電極Ｅ０には、検出回路５００に対する配線がなされるが、ここでは、配線の図示は省略する。
【００８８】
部分１２０は、Ｘ′軸（Ｙ軸と交差しＸ軸に平行な軸）に沿って伸びる部分であり、その中央部分は、先端点Ｔの位置において橋梁部圧電層１１０に連なっている。ここでは、この部分１２０を中央圧電層と呼ぶことにする。橋梁部圧電層１１０と中央圧電層１２０とは、平面形状がＴ字状をなす構造体を構成する。上層電極Ｅ５は、この中央圧電層１２０の上面に配置されている。
【００８９】
部分１３０は、中央圧電層１２０の左側から図の下方へと伸び、橋梁部圧電層１１０の左脇に配置された翼状部であり、ここでは、この部分１３０を左翼圧電層１３０と呼ぶことにする。一方、部分１４０は、中央圧電層１２０の右側から図の下方へと伸び、橋梁部圧電層１１０の右脇に配置された翼状部であり、ここでは、この部分１４０を右翼圧電層１４０と呼ぶことにする。
【００９０】
なお、本願では、説明の便宜上、図２に示すように、Ｙ軸を縦方向に描いた上面図を念頭において左右を定義しているため、ＹＺ平面に関してＸ座標値が負となる側を左側と呼び、Ｙ軸に関してＸ座標値が正となる側を右側と呼んでいる。このような定義によれば、左翼圧電層１３０は橋梁部圧電層１１０の左脇に配置されており、右翼圧電層１４０は橋梁部圧電層１１０の右脇に配置されていることになる。もちろん、このような左右の定義は、ＹＺ平面に関する相対的な位置関係を説明するための便宜上の定義であり、絶対的な意味をもつものではない。
【００９１】
図２において、橋梁部圧電層１１０の図の下端（原点Ｏの近傍）は、左翼圧電層１３０の下端や右翼圧電層１４０の下端に比べて下方に伸びているが、これは、図１の斜視図に示されているように、主センサ第２層の原点Ｏの近傍が台座４００に接続されているためである。後述するように、台座４００との接続端近傍には応力の集中が見られるため、この応力集中部分に上層電極Ｅ３，Ｅ４を配置すると、より効率的な検出が可能になる。
【００９２】
図３は、図１に示す主センサ構造体ＭＳＳの主センサ第２層２００の上面図であり、やはりＸ軸を図の右方向、Ｙ軸を図の上方向にとった二次元平面図が示されている。この、図３に示すＸ軸，Ｙ軸，原点Ｏは、実際には、この主センサ第２層２００の内部に埋もれた位置（厚み方向の中間位置）に配置されている。
【００９３】
この主センサ第２層２００も、「Ｅ」の字状をした板状構造体であり、ここに示す圧電素子を用いた実施形態の場合、図２に示す主センサ第１層１００のＸＹ平面投影像と、図３に示す主センサ第２層２００のＸＹ平面投影像とは同一形状であり、主センサ第１層１００の下面の全領域が主センサ第２層２００の上面の全領域に接合されている。したがって、主センサ第２層２００についても、主センサ第１層１００と同様に、４つの部分２１０，２２０，２３０，２４０を定義することができる。いずれの部分も、ＸＹ平面に平行な面に沿って配置された平板状の層によって構成されている。もちろん、実際には、この主センサ第２層２００は、「Ｅ」の字状をした１枚の板状一体構造体であり、上記４つの部分は、この板状一体構造体を、個々の区画に分けて説明するための便宜上のものである。
【００９４】
まず、部分２１０は、Ｙ軸上に配置され、可撓性を有する橋梁構造を有する部分であり、ここでは、この部分２１０を板状橋梁部２１０と呼ぶことにする。この板状橋梁部２１０は、Ｙ軸に沿って、原点Ｏから先端点Ｔ（Ｙ軸上の１点）まで伸びる薄いビーム状の構造体であり、可撓性を有しているため、様々な方向に変形する性質を有している。ここでは、説明の便宜上、板状橋梁部２１０の原点Ｏの近傍を根端部と呼び、先端点Ｔの近傍を先端部と呼ぶことにする。板状橋梁部２１０は、根端部から先端部へとＹ軸に沿って伸びる細長い板状部材ということになる。
【００９５】
ここで、板状橋梁部２１０の根端部（原点Ｏ近傍）は、台座４００（図３には示されていない）に接合されて支持固定される。したがって、台座４００を装置筐体などに固定すれば、根端部は固定された状態になる。これに対して、板状橋梁部２１０の先端部（先端点Ｔ近傍）は、板状橋梁部２１０の変形の自由度の範囲内で変位可能な自由端になる。
【００９６】
図２に示す橋梁部圧電層１１０は、図３に示す板状橋梁部２１０の上面に固着される。後述するように、板状橋梁部２１０は、重錘体の変位により撓みを生じる性質を有し、当該撓みがその上面に固着された橋梁部圧電層１１０に伝達され、生じた応力に基づいて電荷が発生することになる。
【００９７】
一方、部分２２０，２３０，２４０（主センサ第２層２００のうち、板状橋梁部２１０を除く部分）を一括して、ここでは、重錘体支持部と呼ぶことにする。この重錘体支持部は、図示のとおり、先端点Ｔにおいて板状橋梁部２１０に連なっている。この重錘体支持部の役割は、文字どおり、重錘体（主センサ第３層３００）を支持し、重錘体の変位を板状橋梁部２１０の先端部（先端点Ｔ近傍）に伝達することにある。ここに示す実施形態の場合、重錘体支持部は、中央板状部２２０、左翼板状部２３０、右翼板状部２４０を有する「コ」の字状の部材である。
【００９８】
中央板状部２２０は、Ｙ軸と交差しＸ軸に平行な軸であるＸ′軸上に配置された細長い板状部材であり、Ｙ軸と交差するようにＸ′軸に沿って伸びている。そして、この中央板状部２２０の中央部分は、先端点Ｔの位置において板状橋梁部２１０の先端部に連なっている。すなわち、中央板状部２２０のＹ軸と交差する部分近傍に板状橋梁部２１０の先端部が接続されている。その結果、板状橋梁部２１０と中央板状部２２０とのＸＹ平面投影像はＴ字状をなす。図２に示す中央圧電層１２０は、図３に示す中央板状部２２０の上面に固着される。
【００９９】
一方、左翼板状部２３０は、中央板状部２２０の左側からＹ軸に平行な方向に沿って板状橋梁部２１０の左脇に伸びる板状部材であり、右翼板状部２４０は、中央板状部２２０の右側からＹ軸に平行な方向に沿って板状橋梁部２１０の右脇に伸びる板状部材である。図２に示す左翼圧電層１３０は、図３に示す左翼板状部２３０の上面に固着され、図２に示す右翼圧電層１４０は、図３に示す右翼板状部２４０の上面に固着される。
【０１００】
図３において、板状橋梁部２１０の図の下端（根端部）は、左翼板状部２３０の下端や右翼板状部２４０の下端に比べて下方に伸びているが、これは、図１の斜視図に示されているように、板状橋梁部２１０の根端部（原点Ｏ近傍）を台座４００に接続するためである。重錘体の変位によって板状橋梁部２１０に加わる応力は、根端部（台座４００との接続端近傍）と先端部（中央板状部２２０との接続端近傍）に集中する。
【０１０１】
図４は、図１に示す主センサ構造体ＭＳＳの主センサ第３層３００の上面図であり、やはりＸ軸を図の右方向、Ｙ軸を図の上方向にとった二次元平面図が示されている。この、図４に示すＸ軸，Ｙ軸，原点Ｏは、実際には、この主センサ第３層３００の上方に位置している。主センサ第３層３００は、図３に示す重錘体支持部２２０，２３０，２４０の下面に接続されており、作用した加速度に基づいて板状橋梁部２１０に撓みを生じさせるのに十分な質量をもった重錘体として機能する。この重錘体は、外部から加えられた加速度に基づく力の作用によって変位を生じ、板状橋梁部２１０に対して、弾性変形を生じさせる役割を果たす。
【０１０２】
ここに示す実施形態の場合、主センサ第３層３００（重錘体）は、図４に示すとおり、中央重錘部３２０、左翼重錘部３３０、右翼重錘部３４０によって構成されている。中央重錘部３２０は、Ｘ′軸（Ｙ軸と交差しＸ軸に平行な軸）に沿って伸びる細長い部分であり、左翼重錘部３３０と右翼重錘部３４０とを連結する役割を果たす。
【０１０３】
また、前述したように、板状橋梁部２１０の両脇について、Ｘ座標値が負となる側を左脇、Ｘ座標値が正となる側を右脇と定義すれば、左翼重錘部３３０は、中央重錘部３２０の左側からＹ軸に平行な方向に沿って板状橋梁部２１０の左脇に伸びる重錘体であり、右翼重錘部３４０は、中央重錘部３２０の右側からＹ軸に平行な方向に沿って板状橋梁部２１０の右脇に伸びる重錘体である。
【０１０４】
図４に示す中央重錘部３２０は、図３に示す中央板状部２２０の下面に固着され、図４に示す左翼重錘部３３０は、図３に示す左翼板状部２３０の下面に固着され、図４に示す右翼重錘部３４０は、図３に示す右翼板状部２４０の下面に固着される。結局、左翼重錘部３３０、中央重錘部３２０、右翼重錘部３４０を有する重錘体のＸＹ平面投影像は、「コ」の字状をなすことになる。なお、この主センサ第３層３００では、板状橋梁部２１０の直下の位置に空洞部３１０が形成されている。この空洞部３１０の存在により、板状橋梁部２１０は下方（Ｚ軸負方向）への変位が可能になる。
【０１０５】
実際には、この主センサ第３層３００は、「コ」の字状をした一体構造体であり、上記３つの部分は、この一体構造体を、個々の区画に分けて説明するための便宜上のものである。
【０１０６】
図５は、図１に示す主センサ構造体ＭＳＳの側面図である。前述したとおり、実際には、図１に示す主センサ第１層１００，主センサ第２層２００，主センサ第３層３００は、上下方向に積層した状態で相互に接合された３層構造体を構成する。各層の接合には、たとえば、接着剤を用いた接着を行えばよい（後述するように、印刷、蒸着、スパッタ等の方法で層形成を行うこともできる。）。図５は、このような積層状態にある主センサ構造体ＭＳＳを、Ｘ軸負方向からＸ軸正方向に向かって観察したときの側面図である。したがって、座標系の原点Ｏは図の右端に位置し、図の紙面垂直奥方向がＸ軸正方向、図の左方向がＹ軸正方向、図の上方向がＺ軸正方向になる。
【０１０７】
図５において、主センサ第２層２００の部分には、原点Ｏの近傍に板状橋梁部２１０の根端部が示されており、この板状橋梁部２１０の手前に位置する中央板状部２２０および左翼板状部２３０が観察される。この主センサ第２層２００の上方に位置する主センサ第１層１００の部分には、下層電極Ｅ０の上面に、橋梁部圧電層１１０，中央圧電層１２０，左翼圧電層１３０が観察され、更にその上面に、上層電極Ｅ１，Ｅ３，Ｅ５が観察される（上層電極Ｅ２，Ｅ４は、裏に隠れている）。また、主センサ第２層２００の下方に位置する主センサ第３層３００の部分としては、中央重錘部３２０および左翼重錘部３３０が観察される。図の右側に突出した橋梁部圧電層１１０および板状橋梁部２１０の右端部（原点Ｏ近傍）は、図示されていない台座４００に固着されることになる。
【０１０８】
図示のとおり、主センサ第１層１００は、主センサ第２層２００の上面を覆うように形成された圧電素子（圧電材料層１０５と上下の電極）を構成している。主センサ第２層２００の下方には、主センサ第３層３００（「コ」の字状をした重錘体）が接合されており、作用した加速度に基づいて重錘体が変位を生じると、主センサ第２層２００（特に、板状橋梁部２１０の部分）に撓みが生じ、その上面に形成されている主センサ第１層１００（特に、橋梁部圧電層１１０）の部分にも撓みが伝達され、各上層電極Ｅ１〜Ｅ４および下層電極Ｅ０に電荷が発生する。
【０１０９】
図６は、図１に示す主センサ構造体ＭＳＳを台座４００に固定した状態を示す上面図である。図におけるハッチングは各上層電極の形成領域および台座による固定状態を示すためのものであり、断面を示すものではない。また、括弧書きの符号は、下方に配置されている構成要素を示している。ここで、橋梁部圧電層１１０の上面に配置された４枚の上層電極Ｅ１〜Ｅ４の平面形状に注目すると、いずれもＹ軸方向に伸びる細長い矩形状をした電極になっている。
【０１１０】
また、４枚の上層電極Ｅ１〜Ｅ４の配置に着目すると、上層電極Ｅ１，Ｅ２については、その上端が境界線Ｈ（橋梁部圧電層１１０と中央圧電層１２０との境界線）に揃う位置に配置され、上層電極Ｅ３，Ｅ４については、その下端が橋梁部圧電層１１０の下端に揃う位置（Ｘ軸に揃う位置）に配置されている。また、上層電極Ｅ１，Ｅ３は、橋梁部圧電層１１０の左側（Ｘ座標値が負となる位置）に配置され、上層電極Ｅ２，Ｅ４は、橋梁部圧電層１１０の右側（Ｘ座標値が正となる位置）に配置されている。
【０１１１】
このような上層電極Ｅ１〜Ｅ４の形状および配置は、§２で述べるように、効率的な検出を行う上で好都合である。図６に示す「コ」の字状部分（中央圧電層１２０，左翼圧電層１３０，右翼圧電層１４０）の下方には、同じく「コ」の字状をした重錘体支持部（中央板状部２２０，左翼板状部２３０，右翼板状部２４０）および重錘体（主センサ第３層：中央重錘部３２０，左翼重錘部３３０，右翼重錘部３４０）が接合されている。そして、当該重錘体の変位に基づく力が先端点Ｔの近傍に作用すると（後述する図７参照）、橋梁部圧電層１１０がその支持層である板状橋梁部２１０とともに撓みを生じることになり、当該撓みに応じて、各上層電極Ｅ１〜Ｅ４に電荷が発生することになる。
【０１１２】
図示の電極配置は、このような電荷発生を効率的に行うために適したものになっている（詳細は§２で述べる）。検出回路５００は、こうして主センサ構造体ＭＳＳが発生させた電荷に基づいて、作用した加速度の各座標軸方向成分の検出値をそれぞれ出力する。
【０１１３】
なお、ここに示す実施例では、４枚の上層電極Ｅ１〜Ｅ４に加えて、更に第５の上層電極Ｅ５が設けられている。４枚の上層電極Ｅ１〜Ｅ４は、撓みを検出するための本来の検出素子としての役割を果たすためのものであるが、上層電極Ｅ５は、撓みを検出するためではなく、検出時に発生する様々なノイズ成分を相殺するための参照用に利用される。そこで以下、この第５の上層電極Ｅ５を参照用上層電極と呼ぶことにする。図示の例の場合、参照用上層電極Ｅ５は、中央圧電層１２０の上面に配置されているが、参照用上層電極Ｅ５は、撓みが生じない部分であれば、どの位置に配置してもかまわない。この参照用上層電極Ｅ５の役割についての詳細は§２で述べる。
【０１１４】
図７は、図１に示す主センサ構造体ＭＳＳを台座４００に固定した状態を示す側断面図であり、図６に示す主センサ構造体ＭＳＳを中央のＹＺ平面で切断した断面に相当する。
【０１１５】
この側断面図では、主センサ第２層２００の部分には、原点Ｏ（根端部）から先端点Ｔ（先端部）に至る板状橋梁部２１０と、中央板状部２２０の断面が示されている。また、主センサ第１層１００の部分には、橋梁部圧電層１１０および中央圧電層１２０と下層電極Ｅ０の断面、ならびに、上層電極Ｅ２，Ｅ４の側面および上層電極Ｅ５の断面が示されている。
【０１１６】
そして、主センサ第３層３００（重錘体）の部分には、中央重錘部３２０の断面および右翼重錘部３４０の側面が示されている。右翼重錘部３４０の手前には、空洞部３１０が形成されており、板状橋梁部２１０は、この空洞部３１０の存在により下方に変位することができる。
【０１１７】
なお、図示の実施例の場合、板状橋梁部２１０の根端部と橋梁部圧電層１１０の根端部との双方が、台座４００に接合され支持固定されているが、台座４００に対しては、少なくとも板状橋梁部２１０の根端部が支持固定されていればよい。要するに、重錘体が、台座４００に対して片持ち梁構造で支持されるようにし、板状橋梁部２１０を介して宙吊り状態になればよい。
【０１１８】
また、本願では、図面における各部の寸法比は、必ずしも実際の製品の寸法比どおりにはなっておらず、便宜上、実際の寸法比を無視して図面を描いている。そこで、図６および図７には、参考のため、各部の実寸法を符号ｄ１〜ｄ１０で示した。これら実寸法ｄ１〜ｄ１０の値は、ＭＥＭＳ構造の加速度センサＡＳを構成するのであれば、たとえば、次のような値に設定することができる。もちろん、以下の寸法例は、一実施例として提示したものであり、本発明を実施するにあたり、各部の寸法が下記の寸法値に限定されるものではない。
【０１１９】
ｄ１＝１０００μｍ，ｄ２＝２００μｍ，ｄ３＝８００μｍ，ｄ４＝１００μｍ，ｄ５＝５０μｍ，ｄ６＝２００μｍ，ｄ７＝７０μｍ，ｄ８（圧電材料層１０５の厚み）＝２μｍ（実用上は２μｍ以上が好ましい），ｄ９（主センサ第２層２００の厚み）＝２００μｍ，ｄ１０（主センサ第３層３００の厚み）＝１０００μｍ。下層電極Ｅ０および上層電極Ｅ１〜Ｅ５の厚みは０．０１μｍ。
【０１２０】
なお、上記説明では、便宜上、主センサ第３層３００の部分のみを重錘体と呼んでいるが、実際には、主センサ構造体ＭＳＳの各構成要素のうち、橋梁部圧電層１１０および板状橋梁部２１０を除くすべての部分が全体として重錘体としての役割を果たし、先端点Ｔに変位を生じさせる機能を有している。たとえば、図６に示す中央圧電層１２０，左翼圧電層１３０，右翼圧電層１４０（主センサ第１層１００の構成要素）や、これらの下層に接合された中央板状部２２０，左翼板状部２３０，右翼板状部２４０（主センサ第２層２００の構成要素）も、先端点Ｔに変位を生じさせる役割に寄与するため、重錘体の一部として機能することになる。
【０１２１】
ただ、図７に示すとおり、主センサ第３層３００の厚みは、主センサ第１層１００や主センサ第２層２００の厚みに比べて大きく設定されており、重錘体としての役割は、主として主センサ第３層３００が担うことになる。したがって、ここでは、便宜上、主センサ第３層３００の部分を重錘体と呼ぶことにする。
【０１２２】
本発明に係る加速度センサＡＳの特徴は、主センサ構造体ＭＳＳを構成する板状橋梁部２１０の左右両脇に重錘体が配置されるようにした点にある。すなわち、図１の斜視図に示されている実施形態に係る加速度センサＡＳの重錘体は、ＸＹ平面への投影像を見れば明らかなように、少なくとも、板状橋梁部２１０の左脇の下方に位置する左翼重錘部３３０と、板状橋梁部２１０の右脇の下方に位置する右翼重錘部３４０と、を有している。このため、板状橋梁部２１０に対して、加速度に基づいて発生した外力を効率良く伝達することができる。また、§３で詳述するように、この主センサ構造体ＭＳＳの外側に、左翼重錘部３３０および右翼重錘部３４０の変位を制限する部材を設けることにより、過度の加速度が加わった場合にも、板状橋梁部２１０の変位を制限することができるようになり、板状橋梁部の損傷を防ぐことができるようになる。
【０１２３】
また、ここに示す圧電素子を用いた実施形態では、板状橋梁部２１０を主センサ第２層２００によって構成し、重錘体をその下方に配置された主センサ第３層３００によって構成しているため、重錘体（主センサ第３層を構成する構造体）の重心Ｇが、板状橋梁部２１０の下方に所定距離をおいて位置することになる。図６および図７には、この重錘体の重心Ｇをｘ印で示してある。このように、主センサ構造体ＭＳＳとして、板状橋梁部２１０の下方に、所定距離をおいて重錘体の重心Ｇが配置される構造を採用すると、重錘体に作用する加速度の各座標軸方向成分に基づいて、板状橋梁部２１０を効率的に撓ませることができるようになり、効率的な検出が可能になる。また、後述するように、加速度の所定の座標軸成分の検出値に他軸成分が干渉する影響を低減できる。特に、重心Ｇと板状橋梁部２１０の下面との間の距離は、できるだけ長くした方が、Ｙ軸方向の加速度に対して板状橋梁部２１０の撓みを大きくする上で好ましい。
【０１２４】
ここに示す実施例の場合、主センサ構造体ＭＳＳは、ＹＺ平面に関して面対称な構造をなしているため、主センサ第３層３００を構成する構造体（重錘体）の重心が、板状橋梁部２１０の下方のＹＺ平面上に位置している。このような対称性をもった構造を採用すると、作用した加速度に基づいて板状橋梁部２１０に生じる撓みの態様も、座標軸に関して対称性を有するものになるため、加速度の各座標軸方向成分を出力するための検出回路５００の構成を単純化することができる。
【０１２５】
主センサ構造体ＭＳＳを構成する各層の材料は、上述した各層としての機能を果たすことができる材質であれば、任意の材料を用いてかまわないが、ここでは、実用上好ましい材料の例をいくつか挙げておくことにする。
【０１２６】
まず、主センサ第１層１００は、外部から加えられた応力に基づいて電荷を発生させる圧電素子としての機能を果たすことができればよいので、層方向に伸縮する応力の作用により厚み方向に分極を生じる性質をもった圧電材料層１０５の上下両面に、それぞれ電極が形成されていればよい。具体的には、圧電材料層１０５は、たとえば、ＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）やＫＮＮ（ニオブ酸カリウムナトリウム）などの圧電薄膜によって構成することができる。あるいは、バルク型圧電素子を用いるようにしてもかまわない。各電極Ｅ０〜Ｅ５は、導電性材料であれば、どのような材料で構成してもかまわないが、実用上は、たとえば、金、白金、アルミニウム、銅などの金属層によって構成すればよい。
【０１２７】
一方、主センサ第２層２００は、主センサ第１層１００の支持基板として機能するとともに、板状橋梁部２１０の部分が可撓性を有する必要がある。このような用途に利用する材質としては、シリコンが最適である。したがって、ここで述べる実施例の場合、主センサ第２層はシリコン基板によって構成されている。図７に示す例の場合、主センサ第２層２００の厚みｄ９は２００μｍであり、この程度の厚みをもったシリコンからなる板状橋梁部２１０は、検出を行うのに必要な十分な可撓性を有している。
【０１２８】
もちろん、主センサ第２層２００として金属基板を利用することも可能である。その場合は、金属基板の上層部分が下層電極Ｅ０としての役割を果たすので、この金属基板の上にスパッタ法やゾルゲル法によって圧電薄膜を成膜することにより、主センサ第１層１００となる圧電素子を形成することができる。あるいは、金属基板の上にバルク型の圧電材料を接着することも可能である。上層電極は、金属材料を印刷、蒸着、スパッタ等の方法で形成することができる。
【０１２９】
ただ、本願発明者は、現時点では、シリコン基板が主センサ第２層２００として最適な材料であると考えている。これは、一般に、現在の製造プロセスをよって、金属基板の上面に圧電素子を形成した場合と、シリコン基板の上面に圧電素子を形成した場合とを比較すると、前者の圧電定数に比べて後者の圧電定数の方が３倍程度大きな値になり、後者の方の検出効率が圧倒的に高くなるためである。これは、シリコン基板の上面に圧電素子を形成すると、圧電素子の結晶の配向が揃うためと考えられる。また、主センサ第２層２００としてシリコン基板を用いるようにすれば、このシリコン基板上に形成した半導体素子を利用して検出回路５００を構成することも可能になる。
【０１３０】
主センサ第３層３００は、重錘体として機能を果たす構成要素であるため、できるだけ比重の大きな材料を用いるのが好ましい。具体的には、ＳＵＳ（鉄），銅，タングステンなどの金属基板、あるいは、セラミック基板もしくはガラス基板等を用いて構成すればよい。もちろん、主センサ第３層３００をシリコン基板によって構成してもよい。その場合は、ＳＯＩ（Silicon On Insulator）基板を利用して、たとえば、後述する図４４に示す製造プロセスに準じた方法により、材料第３層２００３として主センサ第３層３００を構成することができる。
【０１３１】
＜＜＜  §２．  圧電素子を用いた実施形態に係る加速度センサの検出動作  ＞＞＞
続いて、§１で述べた圧電素子を用いた実施形態に係る加速度センサＡＳの検出動作を説明する。既に述べたとおり、図１に示す加速度センサＡＳは、３層構造体からなる主センサ構造体ＭＳＳに台座４００および検出回路５００を付加することにより構成され、ＸＹＺ三次元座標系における所定の座標軸方向に作用した加速度の検出を行う機能を有している。
【０１３２】
そこで、ここでは、台座４００の部分を動作中のロボットアームの所定箇所に固定し、この加速度センサＡＳに各座標軸方向の加速度成分が加えられたときに、どのような原理で加速度の検出が行われるかについての説明を行うことにする。そのため、以下、ＸＹＺ三次元座標系が、台座４００（すなわち、ロボットアームの所定箇所）に固定された座標系であり、重錘体がこの座標系内で変位するものとして、この加速度センサＡＳの動作を説明する。
【０１３３】
図８は、図１に示す主センサ構造体ＭＳＳの重錘体（主センサ第３層３００）にＸ軸正方向の力＋Ｆｘが作用したときの変形態様を示す上面図である。このような現象は、ロボットアームの動作により、台座４００に対してＸ軸負方向の加速度−αｘが作用した場合に生じる。すなわち、台座４００に対して加速度−αｘが作用すると、重錘体に対しては、慣性力として逆方向の加速度＋αｘが作用することになる。その結果、ＸＹＺ三次元座標系において、重錘体には、図に白抜矢印で示すように、Ｘ軸正方向（図の右方向）へ変位させる外力＋Ｆｘが作用する。
【０１３４】
当該外力＋Ｆｘは、重錘体の重心Ｇおよび先端点Ｔを図の右方向へ変位させる力として作用するので、板状橋梁部２１０およびその上面に形成された橋梁部圧電層１１０の先端部は、重錘体とともに図の右方向へ変位する。一方、根端部（原点Ｏ近傍）は台座４００に固定されているため、ＸＹＺ三次元座標系上では変位しない。その結果、板状橋梁部２１０およびその上面に形成された橋梁部圧電層１１０は、図示のように湾曲変形する。
【０１３５】
このような湾曲変形は、橋梁部圧電層１１０の４枚の上層電極Ｅ１〜Ｅ４の各配置位置について、Ｙ軸に沿った方向に関して図示のような伸縮応力を生じさせる。すなわち、橋梁部圧電層１１０の上層電極Ｅ１，Ｅ４の配置位置については、上下に向かい合う矢印対で示すように、Ｙ軸方向についての圧縮応力が作用し（丸に「縮」の字で示す）、橋梁部圧電層１１０の上層電極Ｅ２，Ｅ３の配置位置については、上下に矢がついた両矢印で示すように、Ｙ軸方向についての伸張応力が作用する（丸に「伸」の字で示す）。
【０１３６】
一方、台座４００に対して、Ｘ軸正方向の加速度＋αｘが作用した場合は、重錘体に対しては、慣性力として逆方向の加速度−αｘが作用することになる。その結果、ＸＹＺ三次元座標系において、重錘体には、図８とは逆に、Ｘ軸負方向（図の左方向）へ変位させる外力−Ｆｘが作用する。この場合、各部の伸縮の態様は図８とは逆転したものになる。すなわち、橋梁部圧電層１１０の上層電極Ｅ１，Ｅ４の配置位置については伸張応力が作用し、橋梁部圧電層１１０の上層電極Ｅ２，Ｅ３の配置位置については圧縮応力が作用する。
【０１３７】
なお、中央圧電層１２０は、その下方に中央板状部２２０および中央重錘部３２０が接合されており、肉厚な構造体の一部を形成しているため、加速度が作用した場合にも有意な変形は生じない。したがって、参照用上層電極Ｅ５の配置位置については、原理的には、有意な伸縮応力は発生しない。
【０１３８】
図９は、図１に示す主センサ構造体ＭＳＳの重錘体（主センサ第３層３００）にＹ軸正方向の力＋Ｆｙが作用したときの変形態様を示す側断面図である。このような現象は、ロボットアームの動作により、台座４００に対してＹ軸負方向の加速度−αｙが作用した場合に生じる。すなわち、台座４００に対して加速度−αｙが作用すると、重錘体に対しては、慣性力として逆方向の加速度＋αｙが作用することになる。その結果、ＸＹＺ三次元座標系において、重錘体には、図に白抜矢印で示すように、Ｙ軸正方向（図の左方向）へ変位させる外力＋Ｆｙが作用する。
【０１３９】
当該外力＋Ｆｙは、重錘体の重心Ｇを図の左方向へ変位させる力として作用するが、重錘体は板状橋梁部２１０の先端点Ｔの近傍に接続されているため、重錘体は図９に示すように斜めに傾斜する（図９において、左側が上がり、右側が下がる）。したがって、板状橋梁部２１０およびその上面に形成された橋梁部圧電層１１０は、図９に示すように、上方に反るように湾曲変形する。
【０１４０】
このような湾曲変形は、橋梁部圧電層１１０の４枚の上層電極Ｅ１〜Ｅ４の各配置位置について、Ｙ軸に沿った方向に関して図示のような伸縮応力を生じさせる。すなわち、橋梁部圧電層１１０の上面に形成された４枚の上層電極Ｅ１〜Ｅ４の配置位置のすべてについて、左右に向かい合う矢印対で示すように、Ｙ軸方向についての圧縮応力が作用する（丸に「縮」の字で示す）。
【０１４１】
一方、台座４００に対してＹ軸正方向の加速度＋αｙが作用した場合は、重錘体に対しては、慣性力として逆方向の加速度−αｙが作用することになる。その結果、ＸＹＺ三次元座標系において、重錘体には、図９とは逆に、Ｙ軸負方向（図の右方向）へ変位させる外力−Ｆｙが作用する。この場合、重錘体は図９とは逆の態様に傾斜し（左側が下がり、右側が上がる）、各部の伸縮の態様は図９とは逆転する。すなわち、橋梁部圧電層１１０の上面に形成された４枚の上層電極Ｅ１〜Ｅ４の配置位置のすべてについて、Ｙ軸方向についての伸張応力が作用する。この場合も、参照用上層電極Ｅ５の配置位置については、原理的には、有意な伸縮応力は発生しない。
【０１４２】
図１０は、図１に示す主センサ構造体ＭＳＳの重錘体（主センサ第３層３００）にＺ軸正方向の力＋Ｆｚが作用したときの変形態様を示す側断面図である。このような現象は、ロボットアームの動作により、台座４００に対してＺ軸負方向の加速度−αｚが作用した場合に生じる。すなわち、台座４００に対して加速度−αｚが作用すると、重錘体に対しては、慣性力として逆方向の加速度＋αｚが作用することになる。その結果、ＸＹＺ三次元座標系において、重錘体には、図に白抜矢印で示すように、Ｚ軸正方向（図の上方向）へ変位させる外力＋Ｆｚが作用する。
【０１４３】
当該外力＋Ｆｚは、重錘体の重心Ｇを図の上方向へ変位させる力として作用するが、重錘体は板状橋梁部２１０の先端点Ｔの近傍に接続されているため、板状橋梁部２１０の先端部に対して図の上方へ変位させる力が加わることになる。一方、板状橋梁部２１０の根端部（原点Ｏ近傍）は台座４００に固定されている。したがって、ＸＹＺ三次元座標系において、板状橋梁部２１０の根端部を固定状態にしたまま、先端部を上方に移動させる力が加わることになり、板状橋梁部２１０およびその上面に形成された橋梁部圧電層１１０は、図１０に示すように湾曲変形する。
【０１４４】
このような湾曲変形は、橋梁部圧電層１１０の４枚の上層電極Ｅ１〜Ｅ４の各配置位置について、Ｙ軸に沿った方向に関して図示のような伸縮応力を生じさせる。すなわち、橋梁部圧電層１１０の先端部に配置された上層電極Ｅ１，Ｅ２の位置については、左右に矢がついた両矢印で示すように、Ｙ軸方向についての伸張応力が作用する（丸に「伸」の字で示す）。これに対して、橋梁部圧電層１１０の根端部に配置された上層電極Ｅ３，Ｅ４の位置については、左右に向かい合う矢印対で示すように、Ｙ軸方向についての圧縮応力が作用する（丸に「縮」の字で示す）。
【０１４５】
一方、台座４００に対してＺ軸正方向の加速度＋αｚが作用した場合は、重錘体に対しては、慣性力として逆方向の加速度−αｚが作用することになる。その結果、ＸＹＺ三次元座標系において、重錘体には、図１０とは逆に、Ｚ軸負方向（図の下方向）へ変位させる外力−Ｆｚが作用する。この場合、重錘体は図の下方へと移動するので、各部の伸縮の態様は図１０とは逆転する。すなわち、橋梁部圧電層１１０の上層電極Ｅ１，Ｅ２の配置位置については圧縮応力が作用し、橋梁部圧電層１１０の上層電極Ｅ３，Ｅ４の配置位置については伸張応力が作用する。この場合も、参照用上層電極Ｅ５の配置位置については、原理的には、有意な伸縮応力は発生しない。
【０１４６】
図１１は、図８〜図１０の変形態様を踏まえて、図１に示す主センサ構造体ＭＳＳの重錘体に各座標軸方向の力が作用したときに、橋梁部圧電層１１０の上層電極Ｅ１〜Ｅ４の位置に加わるＹ軸方向についての伸縮応力を示す表である。図は、各座標軸正方向の力＋Ｆｘ，＋Ｆｙ，＋Ｆｚが作用したときの伸縮応力を示す表であるが、各座標軸負方向の力−Ｆｘ，−Ｆｙ，−Ｆｚが作用したときの伸縮応力は、この表における圧縮／伸張の関係を逆転させたものになる。
【０１４７】
図１１の表において、Ｅ５の欄は、参照用上層電極Ｅ５の伸縮応力を示している。前述したように、参照用上層電極Ｅ５は、加速度が作用しても撓みが生じない部分（図１に示す例の場合は、中央圧電層１２０の上面）に形成されており、原理的には、応力は発生しない。
【０１４８】
§１で述べたように、圧電素子を用いた実施形態に係る加速度センサＡＳでは、主センサ第１層１００が、主センサ第２層２００の表面に層状に形成された下層電極Ｅ０と、この下層電極Ｅ０の表面に層状に形成された圧電材料層１０５と、この圧電材料層１０５の表面に局在的に形成された複数の上層電極Ｅ１〜Ｅ５からなる上層電極群と、を有する圧電素子を構成しており、圧電材料層１０５は、層方向に伸縮する応力の作用により、厚み方向に分極を生じる性質を有している。
【０１４９】
ここで、圧電材料層１０５として、層方向に伸張する応力が作用すると、上方に正電荷、下方に負電荷を発生させ、層方向に圧縮する応力が作用すると、上方に負電荷、下方に正電荷を発生させる分極特性を有するものを用いたとすると、重錘体に各座標軸正方向の力＋Ｆｘ，＋Ｆｙ，＋Ｆｚが作用したとき、上層電極Ｅ１〜Ｅ４に発生する電荷の極性は、図１２(a) の表のようになる。別言すれば、図１２(a) の表は、図１１の表における「伸張」を「＋」、「圧縮」を「−」に置き換えたものになっている。各座標軸負方向の力−Ｆｘ，−Ｆｙ，−Ｆｚが作用したときの伸縮応力は、この表における＋／−の関係を逆転させたものになる。なお、Ｅ５の欄は、検出対象となる加速度に起因した電荷の発生がないため、外部からのノイズ成分の混入がない限り０になる。
【０１５０】
もちろん、圧電材料層１０５としては、層方向に伸張する応力が作用すると、上方に負電荷、下方に正電荷を発生させ、層方向に圧縮する応力が作用すると、上方に正電荷、下方に負電荷を発生させる分極特性を有するものを用いることも可能である。そのような分極特性を有する圧電材料層を用いた場合は、上述した場合に対して、＋／−の関係が逆転することになる。また、バルク型の圧電素子を用いた場合は、個々の領域ごとに異なる分極特性をもった圧電素子を配置することが可能であり、個々の局在圧電素子Ｐ１〜Ｐ５（各上層電極Ｅ１〜Ｅ５によって構成される圧電素子）にそれぞれ任意の分極特性をもたせるようにすることができる。
【０１５１】
いずれにしても、検出回路５００は、５枚の局在上層電極Ｅ１〜Ｅ５および１枚の共通下層電極Ｅ０に発生した電荷に基づいて所定の演算処理を行うことにより、作用した加速度の各座標軸方向成分αｘ，αｙ，αｚを求めることができる。図１２(b) は、各加速度成分αｘ，αｙ，αｚを算出するための演算式を示している。この演算式において、Ｅ１〜Ｅ５は、それぞれ上層電極Ｅ１〜Ｅ５に発生する電荷量を示し、たとえば、下層電極Ｅ０を基準電位（接地電位）にとった場合、当該基準電位に対する各上層電極Ｅ１〜Ｅ５の電位Ｖ１〜Ｖ５を示している。検出回路５００は、上層電極Ｅ１〜Ｅ５と下層電極Ｅ０との間の電位差に基づいて加速度の検出値を出力する回路ということになる。
【０１５２】
図１２(b) に示す演算式によって、各座標軸方向成分αｘ，αｙ，αｚを算出することができる理由は、図１２(a) の表に示す発生電荷の極性を参照すれば、容易に理解できよう。図１２(a) の表は、負の加速度成分−αｘ，−αｙ，−αｚが作用したときの表であるため、正の加速度成分＋αｘ，＋αｙ，＋αｚが作用したときの発生電荷の極性は、図１２(a) の表を逆転させたものになる。図１２(b) に示す各演算式は、この図１２(a) の表の極性を逆転させた表から得られるものである。
【０１５３】
すなわち、Ｘ軸正方向の加速度成分＋αｘが作用した場合、電極Ｅ１，Ｅ４には正の電荷が発生し、電極Ｅ２，Ｅ３には負の電荷が発生する。よって、Ｘ軸方向成分αｘは、αｘ＝Ｅ１−Ｅ２−Ｅ３＋Ｅ４なる演算式により求めることができる。同様に、Ｙ軸正方向の加速度成分＋αｙが作用した場合は、電極Ｅ１〜Ｅ４にはすべて正の電荷が発生する。よって、Ｙ軸方向成分αｙは、αｙ＝Ｅ１＋Ｅ２＋Ｅ３＋Ｅ４なる演算式により求めることができる（図１２(b) の演算式の末尾の項「−ｋ・Ｅ５」についての説明は後述）。また、Ｚ軸正方向の加速度成分＋αｚが作用した場合、電極Ｅ１，Ｅ２には負の電荷が発生し、電極Ｅ３，Ｅ４には正の電荷が発生する。よって、Ｚ軸方向成分αｚは、αｚ＝−Ｅ１−Ｅ２＋Ｅ３＋Ｅ４なる演算式により求めることができる。
【０１５４】
ここで、３軸成分αｘ，αｙ，αｚの算出方法に着目する。まず、αｘについては、αｘ＝Ｅ１−Ｅ２−Ｅ３＋Ｅ４なる演算式が用いられ、「Ｅ１とＥ４との和」と「Ｅ２とＥ３との和」の差分がとられている。同様に、αｚについては、αｚ＝−Ｅ１−Ｅ２＋Ｅ３＋Ｅ４なる演算式が用いられ、「Ｅ１とＥ２との和」と「Ｅ３とＥ４との和」の差分がとられている。実用上、このような差分演算によって検出値を求めることは非常に重要である。これは、加速度センサを実環境で利用した場合、検出値には、様々な外乱成分に基づく誤差が混入する可能性があるためである。
【０１５５】
たとえば、加速度センサ利用時に、突発的に機械的もしくは電気的なノイズが発生した場合、外乱成分として検出値に影響が及ぶ可能性がある。特に、圧電素子自身は高いインピーダンスをもつ素子であるため、ノイズの影響を受けやすい。このような外乱成分に起因する誤差は、差分検出を行うことにより除去することができる。すなわち、第１グループの検出素子による検出値と、第２グループの検出素子による検出値と、の差を、最終的な検出値として出力する差分検出の手法を採用すれば、第１グループの検出素子と第２グループの検出素子との双方に対して同じように作用した外乱成分は、差分演算によって相殺され、最終的な検出値からは除かれることになる。
【０１５６】
このような観点では、上例の場合、αｘおよびαｚについては差分検出が行われており、外乱成分に基づく誤差の相殺が可能であるが、αｙについては差分検出が行われていないため、外乱成分に基づく誤差の相殺ができないことになる。参照用上層電極Ｅ５は、このような問題を解決するために設けられたものである。
【０１５７】
図６に示すように、参照用上層電極Ｅ５は、中央圧電層１２０の上面に形成されている。図７の側断面図に示すとおり、この中央圧電層１２０の下方には、中央板状部２２０および肉厚な中央重錘部３２０が接合されており、加速度が作用した場合にも、この部分には有意な変形は生じない。したがって、参照用上層電極Ｅ５の配置位置については、原理的には、有意な伸縮応力は発生しない。図１２(a) の表において、Ｅ５の欄がすべて０になっているのはこのためである。しかしながら、加速度センサ利用時に、突発的に機械的もしくは電気的なノイズが発生した場合、外乱成分が参照用上層電極Ｅ５の電位を変化させることになる。
【０１５８】
図１２(b) に示すαｙについての演算式が、αｙ＝Ｅ１＋Ｅ２＋Ｅ３＋Ｅ４−ｋ・Ｅ５となっており、末尾に補正項「−ｋ・Ｅ５」が付加されている理由は、参照用上層電極Ｅ５の発生電荷を利用した差分検出を行うことにより、外乱成分に基づく誤差を相殺するためである。たとえば、突発的に機械的もしくは電気的なノイズが発生し、４組の上層電極Ｅ１〜Ｅ４から得られる信号成分にノイズ成分が混入した場合、αｙ＝Ｅ１＋Ｅ２＋Ｅ３＋Ｅ４なる和演算のみによって検出値αｙを求めると、当該ノイズ成分が誤差として含まれてしまう。
【０１５９】
これに対して、末尾に補正項「−ｋ・Ｅ５」を付加した演算式を用いれば、当該ノイズ成分を相殺することができる。すなわち、当該ノイズ成分が、参照用上層電極Ｅ５から得られる信号成分にも同じように混入する同相ノイズであれば、差分検出により除去されることになる。なお、補正係数ｋは、ノイズ成分を相殺するのに適した所定の値に設定しておけばよい。たとえば、５枚の上層電極Ｅ１〜Ｅ５に対するノイズ成分の影響が均等と考えられる場合は、ｋ＝４に設定しておけば、４枚の上層電極Ｅ１〜Ｅ４に混入したノイズ成分に対して、１枚の参照用上層電極Ｅ５に混入したノイズ成分の４倍の値が差し引かれるため、ノイズ成分を相殺することができる。
【０１６０】
なお、図示の例の場合、参照用上層電極Ｅ５を中央圧電層１２０の上面に配置しているが、参照用上層電極Ｅ５の配置場所は、加速度が作用しても撓みが生じない部分であればどこでもかまわない。要するに、本来の検出に利用される４組の局在圧電素子Ｐ１〜Ｐ４（各上層電極Ｅ１〜Ｅ４によって構成される圧電素子）の他に、加速度が作用しても撓みが生じない部分に形成された参照用圧電素子Ｐ５を更に設けるようにし、当該参照用圧電素子Ｐ５は、参照用下層電極Ｅ０と参照用上層電極Ｅ５とこれらの間に挟まれた圧電材料層とによって構成されるようにすればよい。
【０１６１】
この場合、参照用下層電極Ｅ０の電位を基準電位として、各上層電極Ｅ１〜Ｅ４の電圧をＶ１〜Ｖ４とし、参照用上層電極Ｅ５の電圧をＶ５としたときに、作用した加速度のＹ軸方向成分αｙの検出値を、「電圧Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３，Ｖ４の和」と「電圧Ｖ５に所定の補正係数ｋを乗じて得られる値ｋ・Ｖ５」との差に基づいて求めるようにすれば、差分検出により同相ノイズ成分を除去した検出値が得られることになる。
【０１６２】
この図１２(b) に示す演算式を用いた検出処理の優れた点は、各座標軸方向成分の検出値から、他軸成分の干渉を排除することができる点である。たとえば、Ｘ軸方向成分＋αｘのみが作用している状態（αｙ，αｚは０の状態）を考えてみよう。この場合、Ｅ１，Ｅ４は正の値、Ｅ２，Ｅ３は負の値をとるので、各上層電極の発生電荷の絶対値が等しいという前提であれば、図１２(b) のαｙおよびαｚの算出値は、いずれも正負が相殺されて０になる。これは、加速度のＸ軸方向成分αｘが、αｙやαｚの検出値として誤って検出されることがないことを示している。
【０１６３】
同様に、Ｙ軸方向成分＋αｙのみが作用している状態では、Ｅ１〜Ｅ４はすべて正の値をとるので、やはり各上層電極の発生電荷の絶対値が等しいという前提であれば、図１２(b) のαｘおよびαｚの算出値は、いずれも正負が相殺されて０になる。これは、加速度のＹ軸方向成分αｙが、αｘやαｚの検出値として誤って検出されることがないことを示している。
【０１６４】
更に、Ｚ軸方向成分＋αｚのみが作用している状態では、Ｅ１，Ｅ２は負の値、Ｅ３，Ｅ４は正の値をとるので、やはり各上層電極の発生電荷の絶対値が等しいという前提であれば、図１２(b) のαｘおよびαｙの算出値は、いずれも正負が相殺されて０になる。これは、加速度のＺ軸方向成分αｚが、αｘやαｙの検出値として誤って検出されることがないことを示している。
【０１６５】
図６に示すとおり、この実施形態に係る主センサ構造体ＭＳＳは、ＹＺ平面に関して面対称となる対称構造をなす。また、上層電極Ｅ１，Ｅ２からなる先端部電極群と、上層電極Ｅ３，Ｅ４からなる根端部電極群と、の間にも、橋梁部圧電層１１０の長手方向の中央位置に関して対称性がある。このような対称構造を採用すれば、重錘体が各座標軸方向に変位した場合、対称位置に配置された一対の上層電極に発生する正電荷の絶対値と負電荷の絶対値とが等しくなる。したがって、４枚の上層電極の配置に対称性をもたせておけば、上述したとおり、他軸成分の干渉を相殺することができる。
【０１６６】
もっとも、他軸成分を相殺する上では、必ずしも上記対称性を確保する必要はなく、非対称な構造であっても、各上層電極の配置、大きさ、形状を調整することにより、他軸成分の干渉を排除することが可能である。また、必要に応じて、様々な補正演算を施すことにより、他軸成分の干渉を排除することも可能である。ただ、実用上は、主センサ構造体ＭＳＳの構造および４組の上層電極Ｅ１〜Ｅ４の配置について、上記対称性を確保することが、他軸成分の干渉を排除する最も単純な方法である。
【０１６７】
図６の上面図に示す４枚の上層電極Ｅ１〜Ｅ４の配置は、上記対称性を確保した配置でありＸＹＺ三次元座標系における加速度の各座標軸方向成分αｘ，αｙ，αｚをそれぞれ独立して検出するのに都合のよい配置になっている。しかも、これら４枚の上層電極Ｅ１〜Ｅ４は、加速度検出を効率的に行うという点でも、橋梁部圧電層１１０の上面の非常に都合のよい位置に配置されている。以下、この点について、より詳細な説明を行う。
【０１６８】
ここでは、図６の上面図に示す４枚の上層電極群Ｅ１〜Ｅ４を、個々の配置位置に応じて、先端部左側上層電極Ｅ１、先端部右側上層電極Ｅ２、根端部左側上層電極Ｅ３、根端部右側上層電極Ｅ４と、と呼ぶことにする。そうすると、先端部左側上層電極Ｅ１の主センサ第２層２００上面への投影像は、Ｙ軸に平行な方向に伸び、板状橋梁部２１０の先端部近傍のＸ座標値が負となる側に位置し、先端部右側上層電極Ｅ２の主センサ第２層２００上面への投影像は、Ｙ軸に平行な方向に伸び、板状橋梁部２１０の先端部近傍のＸ座標値が正となる側に位置し、根端部左側上層電極Ｅ３の主センサ第２層２００上面への投影像は、Ｙ軸に平行な方向に伸び、板状橋梁部２１０の根端部近傍のＸ座標値が負となる側に位置し、根端部右側上層電極Ｅ４の主センサ第２層２００上面への投影像は、Ｙ軸に平行な方向に伸び、板状橋梁部２１０の根端部近傍のＸ座標値が正となる側に位置する。
【０１６９】
このような４枚の上層電極Ｅ１〜Ｅ４の固有の配置は、電荷発生を効率的に行うために適したものになっており、検出効率を高めるために効果的である。これは、重錘体に対していずれの座標軸方向の力が作用した場合にも、これら４箇所の配置位置には、Ｙ軸方向に関して大きな応力が発生するためである。これは、図１３〜図１５に示す応力分布図を見れば明らかである。これらの応力分布図は、§１で述べた実寸法を用いてコンピュータによるＦＥＭ（有限要素法）構造解析を行った結果を示すものであり、板状橋梁部２１０の根端部を固定した状態において、重錘体に特定の座標軸正方向の力が作用した場合に、圧電材料層１０５に発生するＹ軸方向応力の分布を示す図になっている。
【０１７０】
図１３は、図１に示す主センサ構造体ＭＳＳの重錘体にＸ軸正方向の力＋Ｆｘが作用したときに、圧電材料層１０５に発生するＹ軸方向応力を示す応力分布図である。この図では、基本的には、図８に示す伸縮態様に基づく応力分布が得られていることがわかる。４枚の上層電極Ｅ１〜Ｅ４の固有の配置は、このような応力分布図において、顕著な応力が発生する位置に対応している。なお、製造時の誤差により応力分布の左右の対称性が崩れる場合は、他軸成分の干渉を排除した正確な検出値を得るために、若干の補正を行うのが好ましい。
【０１７１】
図１４は、図１に示す主センサ構造体ＭＳＳの重錘体にＹ軸正方向の力＋Ｆｙが作用したときに、圧電材料層１０５に発生するＹ軸方向応力を示す応力分布図である。図９に示す変形態様を参照すればわかるとおり、力＋Ｆｙが作用した場合、橋梁部圧電層１１０のほぼ全領域にわたって、Ｙ軸方向についての圧縮応力が作用することになる。このため、図１４に示す応力分布図においても、橋梁部圧電層１１０のほぼ全領域にわたって強度の圧縮応力が発生することが示されている。４枚の上層電極Ｅ１〜Ｅ４の固有の配置は、このような応力分布図においても、顕著な応力が発生する位置に対応している。
【０１７２】
図１５は、図１に示す主センサ構造体ＭＳＳの重錘体にＺ軸正方向の力＋Ｆｚが作用したときに、圧電材料層１０５に発生するＹ軸方向応力を示す応力分布図である。この図では、基本的には、図１０に示す伸縮態様に基づく応力分布が得られていることがわかる。４枚の上層電極Ｅ１〜Ｅ４の固有の配置は、このような応力分布図においても、顕著な応力が発生する位置に対応している。
【０１７３】
このように、図１３〜図１５に示す応力分布図を見れば、図６に示す４枚の上層電極Ｅ１〜Ｅ４は、重錘体がいずれの方向に変位した場合にも応力が集中する領域に配置されており、発生電荷を効果的に収集できることがわかる。なお、これらの応力分布図を参照すれば、図６に示す上層電極Ｅ１，Ｅ２の図面における上端位置は、境界線Ｈよりも若干図の上方（Ｙ軸正方向）に伸びていてもよいことがわかる。また、図６に示す上層電極Ｅ３，Ｅ４の図面における下端位置も、図示の位置より若干図の下方（Ｙ軸負方向）に伸びていてもよい。
【０１７４】
以上、図１３〜図１５を参照して、重錘体に各座標軸正方向の力＋Ｆｘ，＋Ｆｙ，＋Ｆｚが作用した場合の応力分布を説明したが、各座標軸負方向の力−Ｆｘ，−Ｆｙ，−Ｆｚが作用した場合の応力分布は、圧縮／伸張の分布を逆転させたものになる。結局、図６の上面図に示す４枚の上層電極Ｅ１〜Ｅ４は、重錘体に対していずれの座標軸方向の力が作用した場合にも、Ｙ軸方向に関して大きな応力が発生する位置に配置されていることになる。また、ある１つの座標軸方向の力のみが作用している状況を想定すると、１つの上層電極が占める領域内には、必ず同一の極性の電荷が発生することになり、同一の電極に逆極性の電荷が発生して、互いに打ち消し合うような現象は生じない。したがって、このような固有の電極配置を採用した加速度センサＡＳは、極めて効率的な検出を行うことが可能である。
【０１７５】
図１６は、図１に示す加速度センサＡＳに用いる検出回路５００の具体的な構成を示す回路図であり、個々の圧電素子Ｐ１〜Ｐ５に発生した電荷に基づいて、作用した加速度の各座標軸方向成分の検出値αｘ，αｙ，αｚを出力する機能を有する。
【０１７６】
図１６(a) において、Ｐ１〜Ｐ５は、各上層電極Ｅ１〜Ｅ５の配置領域に形成された局在圧電素子である。すなわち、先端部左側圧電素子Ｐ１は、図６に示す先端部左側上層電極Ｅ１と下層電極Ｅ０と、圧電材料層１０５のうち上層電極Ｅ１の下方に位置する部分と、によって構成される局在圧電素子を示し、先端部右側圧電素子Ｐ２は、図６に示す先端部右側上層電極Ｅ２と下層電極Ｅ０と、圧電材料層１０５のうち上層電極Ｅ２の下方に位置する部分と、によって構成される局在圧電素子を示す。
【０１７７】
同様に、根端部左側圧電素子Ｐ３は、図６に示す根端部左側上層電極Ｅ３と下層電極Ｅ０と、圧電材料層１０５のうち上層電極Ｅ３の下方に位置する部分と、によって構成される局在圧電素子を示し、根端部右側圧電素子Ｐ４は、図６に示す根端部右側上層電極Ｅ４と下層電極Ｅ０と、圧電材料層１０５のうち上層電極Ｅ４の下方に位置する部分と、によって構成される局在圧電素子を示す。また、参照用圧電素子Ｐ５は、図６に示す参照用上層電極Ｅ５と下層電極Ｅ０と、圧電材料層１０５のうち参照用上層電極Ｅ５の下方に位置する部分と、によって構成される局在圧電素子を示す。
【０１７８】
図１６(a) に示す回路図上の接地点Ｅ０は下層電極、白丸で示すＥ１〜Ｅ５は各上層電極に対応する。各上層電極Ｅ１〜Ｅ５の発生電荷は、それぞれチャージアンプ５０１〜５０５によって電圧Ｖ１〜Ｖ５に変換される。別言すれば、図１６(a) に示す回路は、下層電極Ｅ０の電位を基準電位として、先端部左側上層電極Ｅ１の電圧Ｖ１，先端部右側上層電極Ｅ２の電圧Ｖ２，根端部左側上層電極Ｅ３の電圧Ｖ３，根端部右側上層電極Ｅ４の電圧Ｖ４，参照用上層電極Ｅ５の電圧Ｖ５をアナログ信号として取り出す役割を果たす。
【０１７９】
一方、図１６(b) の回路図に示すとおり、電圧Ｖ１〜Ｖ５は、アナログ演算器５１１，５１２，５１３の入力段に与えられ、所定の演算処理の対象になる。アナログ演算器５１１は、図１２(b) のαｘの式に対応する演算を行う構成要素であり、作用した加速度のＸ軸方向成分αｘの検出値を、「電圧Ｖ１，Ｖ４の和」と「電圧Ｖ２，Ｖ３の和」との差に基づいて出力端子Ｔｘに出力する機能を果たす。
【０１８０】
同様に、アナログ演算器５１２は、図１２(b) のαｙの式に対応する演算を行う構成要素であり、作用した加速度のＹ軸方向成分αｙの検出値を、原理的には、電圧Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３，Ｖ４の和に基づいて出力端子Ｔｙに出力する機能を果たす。ただ、上述したとおり、補正項「ｋ・Ｖ５」を用いた差分検出を行うようにしているため、実際には、「電圧Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３，Ｖ４の和」と「電圧Ｖ５に所定の補正係数ｋを乗じて得られる値ｋ・Ｖ５」との差に基づいて、検出値αｙを出力端子Ｔｙに出力する。
【０１８１】
そして、アナログ演算器５１３は、図１２(b) のαｚの式に対応する演算を行う構成要素であり、作用した加速度のＺ軸方向成分αｚの検出値を、「電圧Ｖ１，Ｖ２の和」と「電圧Ｖ３，Ｖ４の和」との差に基づいて出力端子Ｔｚに出力する機能を果たす。
【０１８２】
前述したように、図１２(b) に示す演算式を用いれば、各座標軸方向成分の検出値から、他軸成分の干渉を排除することができるので、出力端子Ｔｘ，Ｔｙ，Ｔｚから出力される検出値αｘ，αｙ，αｚは、他軸成分を含まない正確な値になる。もし、製造誤差等により、他軸成分が十分に排除できない場合は、補正演算を行えばよい。
【０１８３】
なお、図１６に示す例は、検出回路５００をアナログ演算回路によって構成した例であるが、もちろん、検出回路５００をデジタル演算回路やマイクロプロセッサによって構成することも可能である。この場合は、各上層電極Ｅ１〜Ｅ４の電圧Ｖ１〜Ｖ４をデジタルデータに変換した上で、図１２(b) に示す演算式に基づく演算をデジタル演算として実行すればよい。
【０１８４】
＜＜＜  §３．  変位制限構造および加速度検出装置  ＞＞＞
図１に示す主センサ構造体ＭＳＳにおいて、検出効率を高めるためには、板状橋梁部２１０は、できるだけ薄く、長くするのが好ましい。その理由は、薄くて長い板状橋梁部２１０を用いれば、可撓性が高まるため、より大きな撓みが生じるようになるためである。板状橋梁部２１０に大きな撓みが生じれば、圧電材料層１０５にも大きな撓みが生じ、検出量が増加する。なお、板状橋梁部２１０の幅を細くすると、大きな撓みを生じさせるメリットは得られるが、圧電材料層１０５の面積が減少するため、検出量が低下するデメリットが生じてしまう。
【０１８５】
このような事情により、本発明に係る加速度センサＡＳを設計する場合、板状橋梁部２１０を薄く、長くするのが好ましい。しかしながら、薄くて長い板状橋梁部２１０は、過度の外力が作用すると破損しやすい。たとえば、図８には、重錘体にＸ軸正方向の力＋Ｆｘが作用したときの主センサ構造体ＭＳＳの変形態様が示されているが、過度の力＋Ｆｘ（過度の加速度−αｘ）が作用すると、橋梁部圧電層１１０およびその下層の板状橋梁部２１０に過度の変形が生じて破損する可能性がある。
【０１８６】
本発明で採用している主センサ構造体ＭＳＳの場合、板状橋梁部２１０の過度の変位を抑制する変位制限構造を容易に付加することができる。それは、重錘体が、板状橋梁部の左脇に位置する左翼重錘部と右脇に位置する右翼重錘部とを有しているためである。たとえば、図６に示す実施例の場合、左翼圧電層１３０の下方には左翼重錘部３３０が配置され、右翼圧電層１４０の下方には右翼重錘部３４０が配置されており、橋梁部圧電層１１０の下方に位置する板状橋梁部２１０が、左翼重錘部３３０および右翼重錘部３４０によって左右から保護された形態をとっている。
【０１８７】
したがって、この図６に示す主センサ構造体ＭＳＳの右側および左側に何らかの変位制限壁を設ければ、この変位制限壁によって重錘体の左右方向の変位を制限することができる。たとえば、図８の例のように、重錘体にＸ軸正方向の力＋Ｆｘが作用した場合、重錘体は右側の変位制限壁を超えて変位することはできない。同様に、重錘体にＸ軸負方向の力−Ｆｘが作用した場合、重錘体は左側の変位制限壁を超えて変位することはできない。
【０１８８】
また、図６に示す実施例の場合、中央圧電層１２０の下方には中央重錘部３２０が配置されているので、図の上方にも変位制限壁を設けておけば、重錘体にＹ軸正方向の力＋Ｆｙが作用した場合にも、重錘体は上方の変位制限壁を超えて変位することはできない。
【０１８９】
結局、図６に示す実施例の場合、橋梁部圧電層１１０の下方に位置する板状橋梁部２１０が、「コ」の字型をした重錘体によって取り囲まれ、周囲から保護された状態になっているので、主センサ構造体ＭＳＳの外側に何らかの変位制限壁を設ければ、重錘体の過度の変位を制限し、板状橋梁部２１０の破損を避けることが可能になる。板状橋梁部２１０は、「コ」の字型をした重錘体によって取り囲まれているため、変位制限壁に直接接触することはない。
【０１９０】
変位制限壁としては、たとえば、この主センサ構造体ＭＳＳを収容する装置筐体の内壁面を利用することが可能である。ただ、重錘体の外面と変位制限壁の内面との間の空隙寸法を適切な値（正常な検出動作に必要な範囲内で重錘体が自由運動を行い、主センサ構造体ＭＳＳに破損が生じるような過度の加速度が加わったときには重錘体の変位を制御するのに適切な値）に設定する上では、専用の変位制限壁を設けるようにするのが好ましい。そこで、ここでは、台座４００を変位制限壁として利用した実施形態を説明する。もちろん、台座４００が装置筐体を兼ねていてもかまわない。
【０１９１】
本発明に係る加速度センサＡＳでは、板状橋梁部２１０の根端部が台座４００に固定される。たとえば、図１では、固定部を示す単なるシンボル記号として台座４００が示されている。また、図６〜図１０では、単なる固定面として台座４００が示されている。実際、台座４００は、板状橋梁部２１０の根端部を固定して、重錘体を宙吊り状態にする役割を果たすことができれば、どのような構造のものであってもかまわない。以下に述べる実施形態は、主センサ構造体ＭＳＳを取り囲む環状構造体を、台座４００として用い、当該環状構造体の内壁を変位制限壁として利用した例である。もちろん、この環状構造体からなる台座４００自身を、そのまま装置筐体として利用してもかまわない。
【０１９２】
図１７は、台座４００として矩形状の環状構造体を用いた加速度センサＡＳを示す上面図である（実際には、加速度センサＡＳから、検出回路５００を除いた加速度センサ用構造体の部分のみが示されており、検出回路５００は図示が省略されている）。図面中央に描かれている主センサ構造体ＭＳＳは、§１および§２で述べた圧電素子を用いた実施形態に係る主センサ構造体であり、その周囲に配置された矩形状の方環状構造体が台座４００である。主センサ構造体ＭＳＳと台座４００とは、原点Ｏの位置で接合されている。
【０１９３】
なお、図１７に示す実施例では、参照用電極Ｅ５は、台座４００側の上面に設けられている。これは、台座４００自身が圧電素子を含む構造（後述）になっているため、台座４００に参照用圧電素子Ｐ５を配置することができることを利用したものである。前述したとおり、参照用圧電素子Ｐ５は、加速度のＹ軸方向成分αｙを算出する際に差分検出を行うための構成要素であり、加速度が作用しても撓みが生じない部分であれば、どこに形成してもよい。図示の実施例は、主センサ構造体ＭＳＳではなく、台座４００側に参照用圧電素子Ｐ５を形成した例ということになる。
【０１９４】
台座４００は、ＸＹ平面に沿って主センサ構造体ＭＳＳを取り囲む環状構造体をなす。より具体的には、台座４００は、第１壁部４１０、第２壁部４２０、第３壁部４３０、第４壁部４４０なる４組の壁部を有する矩形状の方環状構造体によって構成されている。ここで、第１壁部４１０は、主センサ構造体ＭＳＳに対してＸ軸負方向側に隣接配置され、ＹＺ平面に平行な平面に沿った壁面を構成し、第２壁部４２０は、主センサ構造体ＭＳＳに対してＸ軸正方向側に隣接配置され、ＹＺ平面に平行な平面に沿った壁面を構成し、第３壁部４３０は、主センサ構造体ＭＳＳに対してＹ軸正方向側に隣接配置され、ＸＺ平面に平行な平面に沿った壁面を構成し、第４壁部４４０は、主センサ構造体ＭＳＳに対してＹ軸負方向側に隣接配置され、ＸＺ平面に平行な平面に沿った壁面を構成している。そして、主センサ構造体ＭＳＳの一部を構成する板状橋梁部２１０の根端部が、第４壁部４４０の内面に支持固定されており、この第４壁部４４０の上面には、参照用上層電極Ｅ５が設けられている。
【０１９５】
このような構造を有する加速度センサＡＳに対して、所定の大きさを超える加速度の水平方向成分（ＸＹ平面に平行な成分）が作用した場合、重錘体（主センサ第３層３００）がこの環状構造体からなる台座４００の内面に接触し、それ以上の変位が制限される。ここで「所定の大きさを超える加速度」とは、変位を制限しないと、主センサ構造体ＭＳＳの各部（特に、板状橋梁部２１０）に損傷が生じる可能性のある加速度ということになる。
【０１９６】
図示の例では、主センサ構造体ＭＳＳの左側面と第１壁部４１０の内面との間には空隙寸法ｄ１１が確保されており、主センサ構造体ＭＳＳの右側面と第２壁部４２０の内面との間には空隙寸法ｄ１２が確保されている。同様に、主センサ構造体ＭＳＳの上側面と第３壁部４３０の内面との間には空隙寸法ｄ１３が確保されており、主センサ構造体ＭＳＳの下側面と第４壁部４４０の内面との間には空隙寸法ｄ１４が確保されている。
【０１９７】
したがって、この加速度センサＡＳに過度の加速度が加わり、重錘体にＸ軸方向の外力成分が作用しても、重錘体の変位は空隙寸法ｄ１１，ｄ１２の範囲内に制限され、重錘体にＹ軸方向の外力成分が作用しても、重錘体の変位は空隙寸法ｄ１３，ｄ１４の範囲内に制限される。このため、板状橋梁部２１０に生じる撓みの程度を制限することができ、板状橋梁部２１０の損傷を防ぐことができる。
【０１９８】
主センサ構造体ＭＳＳと台座４００との構造上の関係は、図１８〜図２０に示す側断面図に詳細に示されている。図１８は、図１７に示す加速度センサＡＳを切断線１８−１８に沿って切った断面を示す正断面図である。主センサ構造体ＭＳＳは、既に述べたとり、主センサ第１層１００，主センサ第２層２００，主センサ第３層３００を積層した３層構造体からなる。一方、台座４００も、台座第１層４０１，台座第２層４０２，台座第３層４０３を積層した３層構造体からなる。
【０１９９】
ここで、主センサ第１層１００と台座第１層４０１とは、Ｚ軸に関して全く同じ位置に配置され、主センサ第２層２００と台座第２層４０２とは、やはりＺ軸に関して全く同じ位置に配置されている。これに対して、主センサ第３層３００と台座第３層４０３とを比較すると、上面はＺ軸に関して全く同じ位置に配置されているが、下面は、主センサ第３層３００の方が台座第３層４０３よりも若干上方に位置している。これは、重錘体（中央重錘部３２０，左翼重錘部３３０，右翼重錘部３４０）を台座４００の底面より浮かして宙吊り状態にするためである。
【０２００】
図示のとおり、左翼重錘部３３０の外側面と第１壁部４１０の内面との間には空隙寸法ｄ１１が確保されており、右翼重錘部３４０の外側面と第２壁部４２０の内面との間には空隙寸法ｄ１２が確保されている。したがって、重錘体は、Ｘ軸方向に関して、これら空隙寸法ｄ１１，ｄ１２の範囲内で変位可能であるが、当該範囲を超える変位は制限される。この実施例では、ｄ１１＝ｄ１２＝２０μｍに設定している。
【０２０１】
図１９は、図１７に示す加速度センサＡＳを切断線１９−１９に沿って切った断面を示す側断面図であり、図２０は、図１７に示す加速度センサＡＳを切断線２０−２０に沿って切った断面を示す側断面図である。いずれの図にも、主センサ構造体ＭＳＳおよび台座４００が、３層構造体からなる点が明瞭に示されている。
【０２０２】
図示のとおり、中央重錘部３２０の外側面と第３壁部４３０の内面との間には空隙寸法ｄ１３が確保されており、左翼重錘部３３０および右翼重錘部３４０の外側面と第４壁部４４０の内面との間には空隙寸法ｄ１４が確保されている。したがって、重錘体は、Ｙ軸方向に関して、これら空隙寸法ｄ１３，ｄ１４の範囲内で変位可能であるが、当該範囲を超える変位は制限される。この実施例では、ｄ１３＝ｄ１４＝１５μｍに設定している。
【０２０３】
ここで、主センサ構造体ＭＳＳを、主センサ第１層１００，主センサ第２層２００，主センサ第３層３００の３層構造体によって構成する理由は、§２で述べた検出動作を行うためである。すなわち、主センサ第２層２００は、可撓性を有する板状橋梁部２１０を構成するための層であり、主センサ第１層１００は、板状橋梁部２１０に生じる撓みを検出するための圧電素子を構成するための層であり、主センサ第３層３００は、板状橋梁部２１０に外力を作用させる重錘体として機能するための層である。
【０２０４】
これに対して、台座４００は、板状橋梁部２１０の根端部を支持固定する固定部材としての役割と、重錘体の過度の変位を制限するための変位制限壁としての役割とを果たせば足りるので、機能上は、敢えて３層構造体にする必要はない。しかしながら、図１８〜図２０に示す実施例において、台座４００を主センサ構造体ＭＳＳと同様の３層構造体によって構成している理由は、専ら、製造プロセス上の便宜を図るためである。
【０２０５】
すなわち、図１８に示す実施例の場合、台座４００は、上から順に台座第１層４０１、台座第２層４０２、台座第３層４０３を積層した積層構造体によって構成されており、台座第１層４０１は板状橋梁部２１０の根端部近傍において主センサ第１層１００に連なり、台座第２層４０２は板状橋梁部２１０の根端部において主センサ第２層２００に連なっている。また、台座第３層４０３は、主センサ第３層３００に対して、物理的には離隔した構成要素になっているが、３層構造体の最下層であり、その上面の位置は同じになっている。
【０２０６】
結局、図１８に示す実施例の場合、台座第１層４０１と主センサ第１層１００とを同一の材料層から構成することができ、台座第２層４０２と主センサ第２層２００とを同一の材料層から構成することができ、台座第３層４０３と主センサ第３層３００とを同一の材料層から構成することができる。図１９および図２０には、第４壁部４４０の上面に形成された参照用上層電極Ｅ５が示されているが、台座第１層４０１は圧電材料層および下層電極層からなる層であるため、参照用上層電極Ｅ５の形成領域には、参照用圧電素子Ｐ５が形成されることになる。
【０２０７】
図２１は、図１８に示す加速度センサＡＳの主センサ構造体ＭＳＳおよび台座４００を構成する材料として用いられる積層材料ブロック１０００の側断面図である。この積層材料ブロック１０００は、上から順に、材料第１層１００１、材料第２層１００２、材料第３層１００３を積層した３層からなる積層構造体である。図の破線は、台座４００となるべき部分を示している。
【０２０８】
図２１において、材料第１層１００１は、主センサ第１層１００を構成することを意図した層であり、圧電材料層の上下両面に電極となる導電層を形成したものである。同様に、材料第２層１００２は、主センサ第２層２００を構成することを意図した層であり、たとえば、板状橋梁部２１０を構成するのに適したシリコン基板によって構成することができる。そして、材料第３層１００３は、主センサ第３層３００（重錘体）を構成することを意図した層であり、たとえば、十分な質量を確保できるように、ＳＵＳ等の金属基板によって構成することができる。
【０２０９】
このような積層材料ブロック１０００の各層に対して、それぞれ必要な加工（たとえば、エッチング加工）を施すことにより、図１８〜図２０に示す主センサ構造体ＭＳＳと台座４００とを同時進行で構成することができる。このため、製造工程を単純化して量産化を図ることができ、製造コストを低減することができるようになる。なお、具体的な製造工程については、後に、図４４に示す製造プロセスを参照して説明する。
【０２１０】
このように、図１７に示す加速度センサＡＳでは、主センサ構造体ＭＳＳを方環状構造体からなる台座４００に収容したため、所定の大きさを超える加速度の水平方向成分（ＸＹ平面に平行な成分）が作用した場合、重錘体の変位を制限することが可能である。ここでは更に、所定の大きさを超える加速度の垂直方向成分（Ｚ軸に平行な成分）が作用した場合にも、重錘体の変位を制限する実施例を述べる。
【０２１１】
図２２は、このような実施例を示す側断面図である。図示の実施例は、図１７に示す加速度センサＡＳを、装置筐体６００に収容したものであり、本願では、このように装置筐体６００を含めた加速度センサＡＳを、便宜上、「加速度検出装置」と呼ぶことにする。すなわち、ここで言う「加速度検出装置」とは、これまで述べてきた加速度センサＡＳ（主センサ構造体ＭＳＳ、台座４００、検出回路５００を有する素子）と、この加速度センサＡＳを収容する装置筐体６００と、を備える装置ということになる。
【０２１２】
図示のとおり、加速度センサＡＳの台座４００は、装置筐体６００に固定されており、装置筐体６００を変位させる外力が作用すると、加速度センサＡＳの重錘体３００（主センサ第３層）は、板状橋梁部２１０の撓みによって装置筐体６００内で変位する。図示されていない検出回路５００は、当該変位によって各圧電素子に発生した電荷に基づいて、装置筐体６００に作用した加速度の各座標軸方向成分を出力する処理を行う。
【０２１３】
より具体的には、装置筐体６００は、加速度センサＡＳを下方から支持固定するための土台基板６１０と、加速度センサＡＳの上方を覆う上蓋基板６２０と、加速度センサＡＳの周囲を囲うように配置され、土台基板６１０と上蓋基板６２０とを連結する側壁板６３０と、を有している。そして、加速度センサＡＳの台座４００（各壁部４１０〜４４０）の底面は、加速度センサＡＳの重錘体（主センサ第３層３００：３２０，３３０，３４０）の底面より下方に位置し、台座４００（各壁部４１０〜４４０）の底面は土台基板６１０の上面に固定されている。
【０２１４】
その結果、土台基板６１０の上面と重錘体（主センサ第３層３００：３２０，３３０，３４０）の底面との間に、空隙寸法ｄ１５を有する下方空隙部が形成されている。また、上蓋基板６２０は、加速度センサＡＳの主センサ第１層１００の上面より上方に位置し、上蓋基板６２０の下面と主センサ第１層１００の上面との間に、空隙寸法ｄ１６を有する上方空隙部が形成されている。この実施例では、ｄ１５＝ｄ１６＝１０μｍに設定している。
【０２１５】
したがって、加速度センサＡＳに対して、所定の大きさを超える加速度の垂直方向成分が作用した場合には、主センサ構造体ＡＳの一部が土台基板６１０の上面もしくは上蓋基板６２０の下面に接触し、それ以上の変位が制限される。かくして、図２２に示す加速度検出装置によれば、ＸＹＺ三次元座標系において、Ｘ軸，Ｙ軸，Ｚ軸のいずれの方向を向いた過度の加速度が作用した場合にも、重錘体の変位を制限することが可能になり、板状橋梁部２１０の破損を防ぐことができる。
【０２１６】
図２３は、図２２に示す加速度検出装置における重錘体と台座の役割を逆にした変形例に係る加速度検出装置の側断面図である。この図２３に示す加速度検出装置も、加速度センサＡＳ′と、この加速度センサＡＳ′を収容する装置筐体６００と、を備える装置であり、装置筐体６００の部分は、図２２に示す装置と全く同じである。ただ、図２３に示す加速度センサＡＳ′は、図２２に示す加速度センサＡＳとは若干構造が異なっている。
【０２１７】
この図２３に示す加速度検出装置の場合、加速度センサＡＳ′の主センサ第３層３００′（３２０′，３３０′，３４０′）が装置筐体６００に固定され、台座４００′（４１０′，４２０′，４３０′，４４０′）が宙吊り状態になっている。このため、装置筐体６００に加速度が作用した場合、加速度センサＡＳの台座４００′が板状橋梁部２１０の撓みによって装置筐体６００内で変位する。図示されていない検出回路５００は、当該変位によって各圧電素子に発生した電荷に基づいて、装置筐体６００に作用した加速度の各座標軸方向成分を出力する処理を行う。
【０２１８】
より具体的には、装置筐体６００は、加速度センサＡＳ′を下方から支持固定するための土台基板６１０と、加速度センサＡＳ′の上方を覆う上蓋基板６２０と、加速度センサＡＳ′の周囲を囲うように配置され、土台基板６１０と上蓋基板６２０とを連結する側壁板６３０と、を有している。そして、加速度センサＡＳ′の台座４００′（４１０′，４２０′，４３０′，４４０′）の底面は、加速度センサＡＳ′の主センサ第３層３００′（３２０′，３３０′，３４０′）の底面より上方に位置し、主センサ第３層３００′（３２０′，３３０′，３４０′）の底面は土台基板６１０の上面に固定されている。
【０２１９】
その結果、土台基板６１０の上面と台座４００′（４１０′，４２０′，４３０′，４４０′）の底面との間に、空隙寸法ｄ１７を有する下方空隙部が形成されている。また、上蓋基板６２０は、加速度センサＡＳ′の主センサ第１層１００の上面より上方に位置し、上蓋基板６２０の下面と主センサ第１層１００の上面との間に、空隙寸法ｄ１８を有する上方空隙部が形成されている。この実施例では、ｄ１７＝ｄ１８＝１０μｍに設定している。
【０２２０】
したがって、加速度センサＡＳ′に対して、所定の大きさを超える加速度の垂直方向成分が作用した場合には、主センサ構造体ＡＳ′の一部が土台基板６１０の上面もしくは上蓋基板６２０の下面に接触し、それ以上の変位が制限される。かくして、図２３に示す加速度検出装置の場合も、ＸＹＺ三次元座標系において、Ｘ軸，Ｙ軸，Ｚ軸のいずれの方向を向いた過度の加速度が作用しても、重錘体の変位を制限することが可能になり、板状橋梁部２１０の破損を防ぐことができる。以上、空隙寸法ｄ１１〜ｄ１８について具体的な寸法値を例示したが、もちろん、これらの空隙寸法ｄ１１〜ｄ１８の最適値は、図６および図７に示す各部の寸法値ｄ１〜ｄ１０等に応じて定められるべきものである。
【０２２１】
ここで、図２２に示す加速度検出装置と図２３に示す加速度検出装置とについて、動作原理を比較すると、前者の場合、主センサ第３層３００（３２０，３３０，３４０）が、装置筐体６００内に宙吊り状態となった重錘体として機能し、この重錘体の変位が検出されることになるのに対して、後者の場合、台座４００′（４１０′，４２０′，４３０′，４４０′）が、装置筐体６００内に宙吊り状態となった重錘体として機能し、この重錘体の変位が検出されることになる。なお、図２３に示す加速度検出装置の場合、原理上は、部材３００′を台座と呼び、部材４００′を重錘体と呼ぶべきであるが、図２２に示す加速度検出装置と対比する便宜上、ここでは部材３００′を重錘体と呼び、部材４００′を台座と呼んでいる。
【０２２２】
一般論として、主センサ第３層３００，３００′よりも、その外側を取り囲む台座４００，４００′の方が、より大きな質量をもった構造体にしやすい。たとえば、図１７に示す例において、第１壁部４１０，第２壁部４２０，第３壁部４３０，第４壁部４４０の壁の厚みを厚くすれば、台座４００の質量を増加させることは容易である。このように質量の大きな台座を重錘体として利用すれば、より大きな検出量を確保することができる。したがって、一般論としては、図２２に示す構造よりも、図２３に示す構造の方が、検出感度を高める上では好ましい。もちろん、図２３に示す構造を採用した場合にも、台座４００′の各座標軸方向への変位は制限されるので、板状橋梁部２１０の破損を防ぐ効果が得られることになる。
【０２２３】
＜＜＜  §４．  圧電素子を用いた実施形態の変形例  ＞＞＞
続いて、これまで述べてきた圧電素子を用いた実施形態に係る加速度センサＡＳについて、いくつかの変形例を述べておく。
【０２２４】
＜４−１．第１の変形例Ａ：３層構造体の平面形状の変形例＞
§１で述べた実施形態に係る加速度センサＡＳを構成する主センサ構造体ＭＳＳは、図１に示すように、主センサ第１層１００，主センサ第２層２００，主センサ第３層３００を積層させた３層構造体によって構成されている。これら３層の平面形状は、それぞれ図２〜図４に示されている。
【０２２５】
ここで、図２と図３とを比較すればわかるとおり、主センサ第１層１００の平面形状と主センサ第２層２００の平面形状とは全く同一であり、両者のＸＹ平面投影像は重なることになる。これは、シリコン基板からなる主センサ第２層２００の上面の全領域に、圧電素子からなる主センサ第１層１００を形成する製造プロセスを採ったためである。
【０２２６】
もっとも、主センサ第１層１００（圧電素子）の役割は、主センサ第２層２００とともに撓みを生じさせ、この撓みに基づいて検出を行うことにあるので、原理的には、主センサ第１層１００（圧電素子）は、撓みが生じる板状橋梁部２１０の上面に形成されていれば足りる。図２に示す主センサ第１層１００は、橋梁部圧電層１１０，中央圧電層１２０，左翼圧電層１３０，右翼圧電層１４０の４つの部分によって構成されているが、原理的には、橋梁部圧電層１１０のみを設ければよく、より細かく言えば、橋梁部圧電層１１０のうち、上層電極Ｅ１〜Ｅ４が形成される領域にのみ形成されていればよい。
【０２２７】
要するに、主センサ第１層１００の平面形状と主センサ第２層２００の平面形状とは、必ずしも同一である必要はなく、主センサ第１層１００は、主センサ第２層２００の板状橋梁部２１０の上面の少なくとも一部分を覆うように形成された圧電素子を有していればよい。
【０２２８】
一方、図３と図４とを比較すればわかるとおり、主センサ第２層２００の平面形状と主センサ第３層３００の平面形状とは、板状橋梁部２１０の部分を除いて同一になっている。すなわち、図３に示されている主センサ第２層２００の各部分を構成する中央板状部２２０，左翼板状部２３０，右翼板状部２４０の平面形状は、それぞれ図４に示されている主センサ第３層３００の各部分を構成する中央重錘部３２０，左翼重錘部３３０，右翼重錘部３４０の平面形状と同一である。平面形状における両者の相違は、図３に示されている主センサ第２層２００の板状橋梁部２１０に対応する部分が、図４に示されている主センサ第３層３００では、空洞部３１０になっている点だけである。
【０２２９】
このように、主センサ第２層２００の平面形状と主センサ第３層３００の平面形状とをほぼ同一にすれば、３層の平面形状の外形がほぼ同じになり、主センサ構造体ＭＳＳの全体形状を単純化することができる。しかしながら、主センサ第２層２００の平面形状と主センサ第３層３００の平面形状とは、必ずしもほぼ同一にする必要はない。
【０２３０】
図２４は、図１に示す主センサ構造体ＭＳＳの第１の変形例Ａに係る主センサ構造体ＭＳＳａを示す上面図である。この主センサ構造体ＭＳＳａは、図１に示す主センサ構造体ＭＳＳと同様に、主センサ第１層１００ａ，主センサ第２層２００ａ，主センサ第３層３００ａの３層構造体によって構成されているが、各層の平面形状が異なっている。この第１の変形例Ａでは、主センサ第１層１００ａの平面形状と主センサ第２層２００ａの平面形状とは同一であるが、これらと主センサ第３層３００ａの平面形状とは大きく異なっている。
【０２３１】
主センサ第１層１００ａの各部と主センサ第２層２００ａの各部は、それぞれ同一の平面形状を有している。図２４は上面図であるため、主センサ第２層２００ａは主センサ第１層１００ａの下層に隠れ、図には現れていないが、括弧書きの符号により、主センサ第１層１００ａの下方に重なって配置されている主センサ第２層２００ａの各構成要素が示されている。図から明らかなように、主センサ第３層３００ａの外周部は、主センサ第１層１００ａや主センサ第２層２００ａの外周部から大きく外側に張り出している。
【０２３２】
具体的には、中央重錘部３２０ａは、中央圧電層１２０ａや中央板状部２２０ａよりも外側に大きく張り出した構造を有する。また、左翼重錘部３３０ａは、左翼圧電層１３０ａや左翼板状部２３０ａよりも外側に大きく張り出した構造を有し、右翼重錘部３４０ａは、右翼圧電層１４０ａや右翼板状部２４０ａよりも外側に大きく張り出した構造を有する。
【０２３３】
このような構造を有する主センサ構造体ＭＳＳａも、ＹＺ平面に関して面対称な構造をなしているため、主センサ第３層３００ａを構成する構造体（重錘体）の重心Ｇａは、板状橋梁部２１０ａの下方のＹＺ平面上に位置している。したがって、重錘体が各座標軸方向について安定して変位する点に変わりはない。
【０２３４】
このように、重錘体として機能する主センサ第３層３００ａ（中央重錘部３２０ａ，左翼重錘部３３０ａ，右翼重錘部３４０ａ）の外周部を、主センサ第１層１００ａや主センサ第２層２００ａの外周部から大きく外側に張り出させる構造を採用すると、過度の加速度が加わった場合に、主センサ第１層１００ａおよび主センサ第２層２００ａを保護する機能を向上させることができる。
【０２３５】
すなわち、図１７に示す主センサ構造体ＭＳＳの場合、最も損傷が生じやすい板状橋梁部２１０が、「コ」の字型の構造体によって囲われているため、過度の変位を生じさせる外力が加わっても、板状橋梁部２１０自体が台座４００に接触することはない。しかしながら、図１８を見れば明らかなように、主センサ第１層１００，主センサ第２層２００，主センサ第３層３００の外周面の位置は揃っているため、過度の変位を生じさせる外力が加わった場合、これら各層の外周部が台座４００の内面に接触することになる。主センサ第１層１００および主センサ第２層２００は、主センサ第３層３００に比べて厚みが小さいため、台座４００の内面に接触すると外周部に損傷が生じるおそれがある。
【０２３６】
これに対して、図２４に示す主センサ構造体ＭＳＳａの場合、厚みの大きな主センサ第３層３００ａの外周部を外側に張り出させる構造が採られているため、過度の変位を生じさせる外力が加わると、主センサ第３層３００ａの外周部が台座４００の内面に接触し、それ以上の変位が制限される。したがって、厚みの小さな主センサ第１層１００ａや主センサ第２層２００ａの外周面が台座４００の内面に接触することを防ぐことができ、外周部に損傷が生じることを防止できる。
【０２３７】
なお、図２４に示す主センサ構造体ＭＳＳａでは、主センサ第３層３００ａを図の上下左右すべての方向に張り出させているが、上記保護効果を得る上では、必ずしもすべての方向に張り出させる必要はない。すなわち、重錘体として機能する主センサ第３層３００ａについて、その外周部の一部が台座４００の内面に接触することにより、図の上下方向の変位および図の左右方向の変位を制限することができる構造になっていればよい。
【０２３８】
具体的には、主センサ第３層３００ａのＸ軸正方向の端部が重錘体支持部（２２０ａ，２３０ａ，２４０ａ）のＸ軸正方向の端部よりもＸ軸正方向に突き出しており、主センサ第３層３００ａのＸ軸負方向の端部が重錘体支持部（２２０ａ，２３０ａ，２４０ａ）のＸ軸負方向の端部よりもＸ軸負方向に突き出しており、主センサ第３層３００ａのＹ軸正方向の端部が重錘体支持部（２２０ａ，２３０ａ，２４０ａ）のＹ軸正方向の端部よりもＹ軸正方向に突き出しており、主センサ第３層３００ａのＹ軸負方向の端部が重錘体支持部（２２０ａ，２３０ａ，２４０ａ）のＹ軸負方向の端部よりもＹ軸負方向に突き出しているようにすればよい。
【０２３９】
＜４−２．第２の変形例Ｂ：重錘体の分離構造＞
これまで述べてきた圧電素子を用いた実施形態では、図４に示すとおり、重錘体として機能する主センサ第３層３００を、中央重錘部３２０，左翼重錘部３３０，右翼重錘部３４０の３つの部分によって構成していた（図２４に示す第１の変形例Ａも同様）。しかしながら、本発明では、重錘体として、板状橋梁部２１０の長手方向軸（Ｙ軸）に関して、左脇に位置する左翼重錘部３３０と右脇に位置する右翼重錘部３４０と、を有する主センサ構造体ＭＳＳを用いれば、必要な作用効果が得られる。別言すれば、本発明を実施するにあたり、左翼重錘部３３０と右翼重錘部３４０とを接続する中央重錘部３２０は必須のものではない。
【０２４０】
図２５は、図１に示す主センサ構造体ＭＳＳの第２の変形例Ｂを示す上面図である。図示の主センサ構造体ＭＳＳｂは、図１に示す主センサ構造体ＭＳＳや図２４に示す主センサ構造体ＭＳＳａと同様に、主センサ第１層１００ｂ，主センサ第２層２００ｂ，主センサ第３層３００ｂの３層構造体によって構成されている。ここでも、括弧書きの符号は、下方に配置されている主センサ第２層２００ｂの構成要素を示している。図２５に示す主センサ第１層１００ｂ（１１０ｂ，１２０ｂ，１３０ｂ，１４０ｂ）は、図２４に示す主センサ第１層１００ａ（１１０ａ，１２０ａ，１３０ａ，１４０ａ）と全く同一の構成要素であり、図２５に示す主センサ第２層２００ｂ（２１０ｂ，２２０ｂ，２３０ｂ，２４０ｂ）は、図２４に示す主センサ第２層２００ａ（２１０ａ，２２０ａ，２３０ａ，２４０ａ）と全く同一の構成要素である。
【０２４１】
図２４に示す主センサ構造体ＭＳＳａと図２５に示す主センサ構造体ＭＳＳｂとの相違点は、重錘体として機能する主センサ第３層の構造部分のみである。すなわち、図２４に示す主センサ構造体ＭＳＳａの場合、主センサ第３層３００ａは、中央重錘部３２０ａ，左翼重錘部３３０ａ，右翼重錘部３４０ａの３つの部分からなる「コ」の字状の構造体であるが、図２５に示す主センサ構造体ＭＳＳｂの場合、主センサ第３層３００ｂは、左翼重錘部３３０ｂおよび右翼重錘部３４０ｂの２つの部分からなる構造体であり、両者を接続する中央重錘部は設けられていない。
【０２４２】
左翼重錘部３３０ｂは、左翼板状部２３０ｂ（重錘体支持部）の下面に接合され、右翼重錘部３４０ｂは、右翼板状部２４０ｂ（重錘体支持部）の下面に接合されており、重錘体に生じた変位は、支障なく板状橋梁部２１０ｂの先端部に伝達される。
【０２４３】
このような構造を有する主センサ構造体ＭＳＳｂでは、重錘体が、左翼重錘部３３０ｂと右翼重錘部３４０ｂとの２つの部分に分離しているが、ＹＺ平面に関して面対称な構造をなしているため、重錘体の重心Ｇｂは、板状橋梁部２１０ｂの下方のＹＺ平面上に位置している。したがって、重錘体が各座標軸方向について安定して変位する点に変わりはない。
【０２４４】
また、図２５に示す主センサ構造体ＭＳＳｂは、図２４に示す主センサ構造体ＭＳＳａと同様に、主センサ第１層１００ｂおよび主センサ第２層２００ｂの外周部に比べて、主センサ第３層３００ｂの外周部が外側に張り出す構造をとっているため、厚みの小さな主センサ第１層１００ｂや主センサ第２層２００ｂの外周面が台座４００の内面に接触することを防ぐことができ、外周部に損傷が生じることを防止する効果も得られる。
【０２４５】
すなわち、図２５において、右翼重錘部３４０ｂのＸ軸正方向の端部は、右翼板状部２４０ｂ（重錘体支持部）のＸ軸正方向の端部よりもＸ軸正方向に突き出しており、左翼重錘部３３０ｂのＸ軸負方向の端部は、左翼板状部２３０ｂ（重錘体支持部）のＸ軸負方向の端部よりもＸ軸負方向に突き出しており、左翼重錘部３３０ｂおよび右翼重錘部３４０ｂのＹ軸正方向の端部は、左翼板状部２３０ｂおよび右翼板状部２４０ｂ（重錘体支持部）のＹ軸正方向の端部よりもＹ軸正方向に突き出しており、左翼重錘部３３０ｂおよび右翼重錘部３４０ｂのＹ軸負方向の端部は、左翼板状部２３０ｂおよび右翼板状部２４０ｂ（重錘体支持部）のＹ軸負方向の端部よりもＹ軸負方向に突き出している。
【０２４６】
したがって、重錘体に対して、図の上下方向もしくは図の左右方向に過度の変位を生じさせる外力が加わったとしても、常に、主センサ第３層３００ｂ（重錘体）の外周部が台座４００の内面に接触し、それ以上の変位が制限される。このため、厚みの小さな主センサ第１層１００ｂや主センサ第２層２００ｂの外周面が台座４００の内面に接触することを防ぐことができ、外周部に損傷が生じることを防止できる。
【０２４７】
＜４−３．第３の変形例Ｃ：板状橋梁部の接続角＞
図２６は、図１に示す主センサ構造体ＭＳＳの主センサ第２層２００における板状橋梁部２１０の両端の接続角度を示す上面図である。図示のとおり、主センサ第２層２００は、板状橋梁部２１０、中央板状部２２０、左翼板状部２３０、右翼板状部２４０という４つの部分によって構成されている。
【０２４８】
ここで、板状橋梁部２１０は、検出動作に直接的に関与する撓みを生じる中枢部分であり、第１の長手方向軸Ｌ１（これまでの説明ではＹ軸）に沿って伸びる可撓性をもったビーム状の構造体である。これに対して、中央板状部２２０は、第１の長手方向軸Ｌ１に直交する第２の長手方向軸Ｌ２（これまでの説明ではＸ′軸）に沿って伸びる構造体であり、第１の長手方向軸Ｌ１に関して左右対称となる位置に配置されている。そして、板状橋梁部２１０の先端部は、先端点Ｔにおいて中央板状部２２０の中央側部に接続されており、両者はＴ字状の構造体をなす。
【０２４９】
更に、中央板状部２２０の左側には左翼板状部２３０が接続され、右側には右翼板状部２４０が接続されており、主センサ第２層２００は、全体として平面形状が「Ｅ」の字状をした平板状の構造体を構成している。図の境界線Ｈ′は、これら各部の領域を相互に区分けするための境界線に相当する。
【０２５０】
このような主センサ第２層２００において、板状橋梁部２１０の先端部（先端点Ｔの近傍）における中央板状部２２０に対する接続状態に注目してみると、図示の接続角θ１，θ２は、いずれも９０°になる。ここで、接続角θ１は、板状橋梁部２１０の左側辺と境界線Ｈ′とのなす角であり、接続角θ２は、板状橋梁部２１０の右側辺と境界線Ｈ′とのなす角である。このように、接続角θ１，θ２が９０°になるのは、第１の長手方向軸Ｌ１および第２の長手方向軸Ｌ２が互いに直交し、かつ、長方形状の板状橋梁部２１０が第１の長手方向軸Ｌ１を中心軸として配置され、長方形状の中央板状部２２０が第２の長手方向軸Ｌ２を中心軸として配置されているためである。
【０２５１】
同様に、板状橋梁部２１０の根端部（原点Ｏの近傍）における台座４００に対する接続状態に注目してみると、図示の接続角θ３，θ４は、いずれも９０°になる。ここで、接続角θ３は、板状橋梁部２１０の左側辺と台座４００の内側面とのなす角であり、接続角θ４は、板状橋梁部２１０の右側辺と台座４００の内側面とのなす角である。このように、接続角θ３，θ４が９０°になるのは、第１の長手方向軸Ｌ１が台座４００の内側面に直交し、かつ、長方形状の板状橋梁部２１０が第１の長手方向軸Ｌ１を中心軸として配置されているためである。
【０２５２】
一方、図２７は、図１に示す主センサ構造体ＭＳＳの第３の変形例Ｃに係る主センサ第２層２００ｃを示す上面図である。この第３の変形例Ｃの場合も、主センサ第２層２００ｃは、板状橋梁部２１０ｃ、中央板状部２２０ｃ、左翼板状部２３０ｃ、右翼板状部２４０ｃという４つの部分によって構成されているが、これら個々の部分の平面形状は長方形ではなく、変則的な図形になっている。また、板状橋梁部２１０ｃは、長手方向軸Ｌ１′に沿った方向に伸びる部材であるが、長手方向軸Ｌ１′は、台座４００の内側面には直交していない。そのため、板状橋梁部２１０ｃの先端部についての接続角θ１，θ２および根端部についての接続角θ３，θ４は、９０°にはなっていない。
【０２５３】
このように、図２７に示す第３の変形例Ｃに係る変則的な形状を有する主センサ第２層２００ｃを用いて本発明に係る加速度センサを形成した場合にも、加速度の検出を行うことが可能である。すなわち、左翼板状部２３０ｃの下面に接合された左翼重錘部３３０ｃと、右翼板状部２４０ｃの下面に接合された右翼重錘部３４０ｃと、を有する重錘体を設ければ、当該重錘体の変位により、板状橋梁部２１０ｃに撓みが生じるので、その上面に設けた圧電素子により検出を行うことができる。
【０２５４】
したがって、本発明を実施する上で、板状橋梁部と中央板状部とは、必ずしも直交させる必要はなく、必ずしも両者によってＴ字状の構造体を構成する必要はない。たとえば、図２７に示す変形例Ｃの場合、板状橋梁部２１０ｃと中央板状部２２０ｃは、Ｙ字に近い形態をなしている。また、板状橋梁部は、必ずしも台座４００の内側面に対して直交する形態で接続する必要はない。更に、主センサ構造体の各層を構成する各部分の平面形状は、必ずしも長方形である必要はなく、任意の形状でかまわない。
【０２５５】
しかしながら、実用上は、図２６に示す例のように、主センサ第２層２００の各部を、平面が長方形となる部材によって構成し、板状橋梁部２１０を、台座４００の内側面に直交する第１の長手方向軸Ｌ１が中心軸となるように配置し、中央板状部２２０を、第１の長手方向軸Ｌ１に直交する第２の長手方向軸Ｌ２が中心軸となるように配置し、板状橋梁部２１０と中央板状部２２０とが直交してＴ字状をなすようにするのが好ましい。このような構成を採ると、接続角θ１〜θ４がすべて９０°となり、第１の長手方向軸Ｌ１に関して左右対称な構造体を得ることができる。したがって、§３で述べたとおり、各座標軸方向成分の検出値から、他軸成分の干渉を容易に排除することができるようになる。
【０２５６】
＜４−４．第４の変形例Ｄ：独立した主センサ部品＞
図１８に示す加速度センサＡＳは、主センサ構造体ＭＳＳの部分と台座４００の部分との双方を３層構造体によって構成したため、図２１に示すような単一の積層材料ブロック１０００を用意して、これに対してエッチングなどの加工処理を施すことにより製造することができるので、量産化に適していることは既に述べたとおりである。
【０２５７】
ここで、主センサ構造体ＭＳＳを構成する３層構造のうち、主センサ第１層１００としては、検出動作を行わせるために圧電素子を用いる必要がある。また、主センサ第２層２００としては、シリコン基板を用いるのが適しており、主センサ第３層３００としては、金属基板を用いるのが適している。これは、前述したとおり、圧電素子の支持層としてはシリコン基板が最適であり、十分な質量をもった重錘体は、金属基板によって構成するのが最適であるためである。
【０２５８】
特に、量産性を考慮すると、図２１に示す積層材料ブロック１０００を用意する段階において、材料第２層１００２をシリコン基板によって構成し、その上面に下層電極Ｅ０となるべき金属層を形成し、その上面に圧電材料層を成膜し、更にその上面に上層電極Ｅ１〜Ｅ４となるべき金属層を形成することにより、材料第１層１００１を形成し、これを金属基板からなる材料第３層１００３の上面に接合するのが好ましい。
【０２５９】
しかしながら、現在のところ、シリコン基板上に圧電素子を形成する処理工程には、高度な設備が必要になり、多大なコストがかかる。実際、現在の技術では、シリコン基板上に圧電素子を形成する処理工程には、当該シリコン基板の材料価格の１０倍以上の費用がかかる。したがって、図２１に示す積層材料ブロック１０００を利用して、図１８に示す加速度センサＡＳを製造するプロセスは効率的に行うことができたとしても、積層材料ブロック１０００の調達コストは比較的高価にならざるを得ない。
【０２６０】
実際、加速度センサＡＳの検出機能に直接関与する圧電素子は、板状橋梁部２１０の上面に形成された部分のみであり、それ以外の領域に圧電素子を形成する必要はない。特に、台座４００に形成された圧電素子は無駄であり、そもそも台座４００にシリコン基板を用いる必要は全くない。そこでここでは、シリコン基板およびその上面に形成される圧電素子の平面的なサイズを大幅に削減し、製造コストの低減を図ることができる変形例を述べる。
【０２６１】
図２８は、図１に示す主センサ構造体ＭＳＳの第４の変形例Ｄに用いる主センサ部品７００ｄを示す図であり、図２８(a) はその上面図、図２８(b) はこれを切断線ｂ−ｂに沿って切断した正断面図である。図２８(a) において、括弧書きの符号は、各層の構成要素を示している。ここで述べる第４の変形例Ｄは、原理的には、これまで述べてきた圧電素子を用いた実施形態と全く同じであるが、具体的な部品構成が若干異なっている。図２８に示す主センサ部品７００ｄは、これまで述べてきた圧電素子を用いた実施形態における主センサ構造体ＭＳＳから、重錘体の部分を除いた部品としての役割を果たす。
【０２６２】
図２８(a) の上面図に示されているように、主センサ部品７００ｄは、第１の長手方向軸Ｌ１に沿って伸びる第１部材７１０ｄと、第２の長手方向軸Ｌ２に沿って伸びる第２部材７２０ｄと、第３の長手方向軸Ｌ３に沿って伸びる第３部材７３０ｄと、によって構成されている。ここで、第１の長手方向軸Ｌ１，第２の長手方向軸Ｌ２，第３の長手方向軸Ｌ３は、いずれも同一の共通平面上に含まれ、第１の長手方向軸Ｌ１と第２の長手方向軸Ｌ２とは直交し、第１の長手方向軸Ｌ１と第３の長手方向軸Ｌ３とは直交する（第２の長手方向軸Ｌ２と第３の長手方向軸Ｌ３とは平行になる）。
【０２６３】
図２８(b) の正断面図には、第１部材７１０ｄを切断線ｂ−ｂに沿って切断した断面部分のみが示されている。図示のとおり、第１部材７１０ｄは、たとえば、シリコンからなる板状橋梁部７１２ｄの上面に、金属からなる下層電極Ｅ０を形成し、その上面に橋梁部圧電層７１１ｄを形成し、更にその上面の所定箇所に上層電極Ｅ１〜Ｅ５（図には、切断面に位置するＥ１，Ｅ２の断面のみが現れている）を形成した構造を有しており、その層構造および各層の厚み寸法は、図７に示す実施例と同じである。したがって、この実施例の場合、第１部材７１０ｄの厚み寸法ｄ１９（板状橋梁部７１２ｄの下面から上層電極Ｅ１〜Ｅ５の上面までの寸法）は、４層の各厚みの和、すなわち、０．０１＋２．００＋０．０１＋２００．００＝２０２．０２μｍになる。
【０２６４】
図示は省略するが、第２部材７２０ｄおよび第３部材７３０ｄも同様の層構造を有している。すなわち、第２部材７２０ｄは、たとえば、シリコンからなる中央板状部７２２ｄの上面に、金属からなる下層電極Ｅ０を形成し、その上面に中央圧電層７２１ｄを形成した構造を有している。また、参照用圧電素子Ｐ５を形成するために、中央圧電層７２１ｄの上面の所定領域には、参照用上層電極Ｅ５が形成されている。一方、第３部材７３０ｄは、たとえば、シリコンからなる台座接続部７３２ｄの上面に、金属からなる下層電極Ｅ０を形成し、その上面に接続部圧電層７３１ｄを形成し、更にその上面の所定箇所にボンディングパッドＢ（図示の例では、５箇所に設けられている）を形成した構造を有している。
【０２６５】
ここで、第３部材７３０ｄの厚みは、第１部材７１０ｄの厚みと同じ寸法ｄ１９である（ボンディングパッドＢの厚みを上層電極Ｅ１〜Ｅ５の厚みと同じに設定したため）。また、図示の実施例の場合、第２部材７２０ｄの上面には、参照用上層電極Ｅ５が形成されているため、第２部材７２０ｄの厚みも第１部材７１０ｄの厚みと同じ寸法ｄ１９である。なお、図示の例の場合、５組のボンディングパッドＢと各上層電極Ｅ１〜Ｅ５との間には配線（図示省略）がなされている。各ボンディングパッドＢに対しては、検出回路５００からの配線がなされることになる。下層電極Ｅ０に対する配線もボンディングパッドを介して行う場合には、下層電極用のボンディングパッドを追加すればよい。
【０２６６】
この第４の変形例Ｄにおいても、４枚の上層電極Ｅ１〜Ｅ４は、第１部材７１０ｄの図の上端近傍の左右両脇位置と第１部材７１０ｄの図の下端近傍の左右両脇位置に形成されており、いずれも応力が集中する領域に配置されている。なお、図１３〜図１５に示す応力分布図を見れば、図２８に示す上層電極Ｅ１，Ｅ２の図面における上端位置は、第１部材７１０ｄと第２部材７２０ｄとの境界線を越えて、若干図の上方（第２部材７２０ｄの領域）に伸びていてもよいことがわかる。同様に、図２８に示す上層電極Ｅ３，Ｅ４の図面における下端位置は、第１部材７１０ｄと第３部材７３０ｄとの境界線を越えて、若干図の下方（第３部材７３０ｄの領域）に伸びていてもよいことがわかる。
【０２６７】
一方、図２９は、この第４の変形例Ｄに用いる重錘体３００ｄを示す上面図である。この重錘体３００ｄは、図４に示す重錘体３００（主センサ第３層）と同様に、シリコン，金属，ガラス，セラミックスなどの材料によって構成され、中央重錘部３２０ｄ，左翼重錘部３３０ｄ，右翼重錘部３４０ｄという３つの部分を有する「コ」の字状の構成要素であり、空洞部３１０ｄを有する。もちろん、重錘体３００ｄの厚みは、図２８に示す第１部材７１０ｄに撓みを生じさせるための十分な質量が得られる寸法に設定される。図示の実施例の場合、中央重錘部３２０ｄの上面に長方形状の嵌合溝３２５ｄが形成されている。この嵌合溝３２５ｄは、後述するように、図２８に示す主センサ部品７００ｄの第２部材７２０ｄを嵌合させて固定するためのものであり、その深さの寸法は、第２部材７２０ｄの厚み寸法よりも大きくなるように設定されている。
【０２６８】
図３０は、この第４の変形例Ｄに用いる台座４００ｄを示す上面図である。この台座４００ｄは、図１７に示す台座４００と同様に、第１壁部４１０ｄ，第２壁部４２０ｄ，第３壁部４３０ｄ，第４壁部４４０ｄを有する長方形状の構成要素である。ただ、台座４００が図１８に示すような３層構造体（主センサ構造体ＭＳＳと同様の層構造をもつ）によって構成されていたのに対し、図３０に示す台座４００ｄは、そのような３層構造をもつ必要はなく、たとえば、金属などの材料からなる単層構造体でかまわない。これは、ここに示す第４の変形例Ｄの場合、台座４００ｄが、図２８に示す主センサ部品７００ｄとは全く別個独立したプロセスで製造されるためである。
【０２６９】
なお、図示の実施例の場合、第４壁部４４０ｄの上面中央部に、長方形上の嵌合溝４４５ｄが形成されている。この嵌合溝４４５ｄは、後述するように、図２８に示す主センサ部品７００ｄの第３部材７３０ｄを嵌合させて固定するためのものであり、その深さの寸法は、第３部材７３０ｄの厚み寸法よりも大きくなるように設定されている。
【０２７０】
図３１は、この第４の変形例Ｄに係る加速度センサＡＳｄの全体構成を示す上面図である（ただし、検出回路５００を除いた加速度センサ用構造体の部分のみが示され、検出回路５００は図示されていない）。この加速度センサＡＳｄは、図３０に示す台座４００ｄに、図２８に示す主センサ部品７００ｄおよび図２９に示す重錘体３００ｄを取り付けることにより構成される。
【０２７１】
具体的には、図２８に示す主センサ部品７００ｄの第２部材７２０ｄを、図２９に示す「コ」の字状の重錘体３００ｄの中央重錘部３２０ｄに設けられた嵌合溝３２５ｄに嵌め込み、第２部材７２０ｄの下面を嵌合溝３２５ｄの底面に接着する。同様に、この主センサ部品７００ｄの第３部材７３０ｄを、図３０に示す台座４００ｄの第４壁部４４０ｄに設けられた嵌合溝４４５ｄに嵌め込み、第３部材７３０ｄの下面を嵌合溝４４５ｄの底面に接着する。そうすれば、図３１に示す加速度センサＡＳｄが完成する（実際には、図示されていない検出回路５００とボンディングパッドＢとの間に配線を行う必要がある。）。
【０２７２】
結局、図３１に示す加速度センサＡＳｄも、矩形状の台座４００ｄの内部に主センサ構造体ＭＳＳｄを収容した構成を採り、主センサ構造体ＭＳＳｄが３層構造体からなる点については、図１７に示す圧電素子を用いた実施形態に係る加速度センサＡＳと同様である。ただ、図２８に括弧書きの符号で示すとおり、主センサ構造体ＭＳＳｄを構成する主センサ第２層が、板状橋梁部７１２ｄの根端部に接続された台座接続部７３２ｄを更に有している。この台座接続部７３２ｄは、第１の長手方向軸Ｌ１（これまで述べた実施形態におけるＹ軸）と交差する第３の長手方向軸Ｌ３（これまで述べた実施形態におけるＸ軸に平行な軸）を配置軸として、当該配置軸上に配置され、当該配置軸に沿って伸びる部材である。
【０２７３】
図２９に示すとおり、重錘体３００ｄの所定箇所の上面には、図２８に示す中央板状部７２２ｄ（第２部材７２０ｄ）を嵌合させてその下面を接着するための嵌合溝３２５ｄが形成されており、中央板状部７２２ｄが嵌合溝３２５ｄに嵌合した状態で固定される。同様に、図３０に示すとおり、台座４００ｄの所定箇所の上面には、台座接続部７３２ｄ（第３部材７３０ｄ）を嵌合させてその下面を接着するための嵌合溝４４５ｄが形成されており、台座接続部７３２ｄが嵌合溝４４５ｄに嵌合した状態で固定される。
【０２７４】
なお、図３１に示すとおり、ここに示す実施例の場合、嵌合溝３２５ｄの平面形状は第２部材７２０ｄの平面形状より若干大きくなるように設計されており、第２部材７２０ｄが嵌合溝３２５ｄ内に余裕をもって嵌合する。一方、嵌合溝４４５ｄの平面形状は第３部材７３０ｄの平面形状に一致するように設計されており、第３部材７３０ｄが嵌合溝４４５ｄ内にぴったり嵌合する形態になっている。もちろん、各嵌合溝３２５ｄ，４４５ｄとそこに嵌合させる部材７２０ｄ，７３０ｄとの平面形状の関係は、必ずしもこの実施例のようにする必要はない。いずれの場合も、溝内に余裕をもって嵌合させるように設計してもよいし、ぴったり嵌合させるように設計してもよい。
【０２７５】
これに対して、各嵌合溝３２５ｄ，４４５ｄの深さとそこに嵌合させる部材７２０ｄ，７３０ｄの厚みとの関係は、前者の寸法の方が後者の寸法よりも大きくなるように、すなわち、嵌合溝が部材の厚みより深くなるように設計するのが好ましい。これは、主センサ部品７００ｄを破損から保護するための配慮である。主センサ部品７００ｄは、たとえば、シリコン基板，圧電素子層，電極を含む部品であるため、重錘体３００ｄや台座４００ｄに比べて破損しやすい部品である。そこで、部材７２０ｄ，７３０ｄが、嵌合溝３２５ｄ，４４５ｄの内部に完全に埋め込まれるようにすれば、主センサ部品７００ｄが何らかの別部材と接触して破損する可能性を低減することができる。
【０２７６】
図３１に示す実施例の場合、嵌合溝３２５ｄの深さ寸法は、第２部材７２０ｄの厚み寸法よりも大きくなるように設定されているため、第２部材７２０ｄの上面は、中央重錘部３２０ｄの上面よりも下方（図の奥方向）に位置し、第２部材７２０ｄは重錘体３００ｄの内部に完全に埋め込まれており、外部部材との接触から保護される状態になっている。同様に、嵌合溝４４５ｄの深さ寸法は、第３部材７３０ｄの厚み寸法よりも大きくなるように設定されているため、第３部材７３０ｄの上面（ボンディングパッドＢを含めた上面）は、第４壁部４４０ｄの上面よりも下方（図の奥方向）に位置し、第３部材７３０ｄは台座４００ｄの内部に完全に埋め込まれており、外部部材との接触から保護されている状態になっている。このような構成を採れば、過度の加速度が加わり、各部が大きく変位する事態が生じても、主センサ部品７００ｄが何らかの別部材と接触して破損することを防止できる。
【０２７７】
この第４の変形例Ｄに係る加速度センサＡＳｄの製造プロセスは、図１７，図１８に示す圧電素子を用いた実施形態に係る加速度センサＡＳの製造プロセスとは異なり、各部品を相互に接着して組み立てる工程が必要になるが、板状橋梁部７１２ｄに連なる層をシリコンによって構成した場合でも、シリコン層およびその上面の圧電素子は、図２８に示す主センサ部品７００ｄの部分にのみ形成すれば足りる。したがって、シリコン基板およびその上面に形成される圧電素子の平面的なサイズを大幅に削減し、製造コストの低減を図ることができる。
【０２７８】
また、この第４の変形例Ｄの場合、図２８に示すとおり、第１の長手方向軸Ｌ１に沿って配置された第１部材７１０ｄ（板状橋梁部７１２ｄ）と、第２の長手方向軸Ｌ２に沿って配置された第２部材７２０ｄ（中央板状部７２２ｄ）および第３の長手方向軸Ｌ３に沿って配置された第３部材７３０ｄ（台座接続部７３２ｄ）とは直交しているため、図２６に示す接続角θ１〜θ４を９０°にすることができる。したがって、第１の長手方向軸Ｌ１に関して左右対称な構造体を得ることができ、各座標軸方向成分の検出値から、他軸成分の干渉を容易に排除することができる。
【０２７９】
＜＜＜  §５．  本発明の基本概念  ＞＞＞
以上、§１〜§３において、圧電素子を用いた実施形態を説明し、更に§４において、いくつかの変形例を述べた。もちろん、本発明の変形例は§４で述べた変形例に限定されるものではなく、同様の作用効果を奏することができる範囲で、この他にも様々な変形例を実施することが可能である。
【０２８０】
たとえば、これまで述べてきた基本的な実施形態やいくつかの変形例では、主センサ構造体ＭＳＳを３層構造体によって構成しているが、本発明を実施する上では、必ずしも３層構造体を用いる必要はない。たとえば、主センサ第２層２００と主センサ第３層３００とを融合させ、板状橋梁部と重錘体とをシリコン基板等で一体に形成するようにしてもかまわない。もちろん、板状橋梁部と重錘体と台座とをシリコンなどの同一材料で一体形成することもできる。
【０２８１】
また、これまでの例では、重錘体を構成する主センサ第３層３００を、板状橋梁部より下方に配置しているが、板状橋梁部の下方から上方へと連なる重錘体を設けるようにしてもかまわない。
【０２８２】
ここでは、これまで述べてきた基本的な実施形態および種々の変形例を踏まえて、本発明の基本概念を総括しておく。まず、図３２に、本発明に係る加速度センサに用いられる主センサ構造体１０の基本構造を示す。この主センサ構造体１０は、図１に示す主センサ構造体ＭＳＳにおける主センサ第２層２００と主センサ第３層３００とを融合させた構造体であり、第１の長手方向軸（Ｙ軸）に沿って、根端部（図の原点Ｏの位置）から先端部へと伸び、可撓性を有する板状橋梁部１１と、この板状橋梁部１１の先端部に接続された重錘体１２，１３，１４と、を有している。
【０２８３】
ここで、板状橋梁部１１の根端部は、台座４０に支持固定される。図３２には、台座４０の実体は示されていないが、台座４０は、装置筐体に固定された何らかの部材によって構成すればよい。あるいは、装置筐体の一部を台座として用いてもよい。図３２に示す例では、重錘体は、３つの部分１２，１３，１４によって構成され、平面形状が「コ」の字型の部材になっている。ここでは、この３つの部分を、中央重錘部１２、左翼重錘部１３、右翼重錘部１４と呼ぶことにする。
【０２８４】
重錘体は、図３２に示す例のように、板状橋梁部１１の先端部に直接接続する形態をとってもよいし、何らかの中間部材を介して間接的に接続する形態をとってもよい。また、左翼重錘部１３と右翼重錘部１４とを連結する中央重錘体１２は必ずしも設ける必要はない。要するに、重錘体が、板状橋梁部１１の第１の長手方向軸（Ｙ軸）に関して左脇に位置する左翼重錘部１３と、板状橋梁部１１の第１の長手方向軸（Ｙ軸）に関して右脇に位置する右翼重錘部１４と、を有していればよい。
【０２８５】
図３２に示す例の場合、重錘体は、板状橋梁部１１の先端部に接合されている中央重錘部１２と、この中央重錘部１２に接合されている左翼重錘部１３および右翼重錘部１４と、を有している。そして、中央重錘部１２は、第１の長手方向軸（Ｙ軸）に直交する第２の長手方向軸（Ｘ軸に平行なＸ′軸）に沿って伸び、第１の長手方向軸（Ｙ軸）と第２の長手方向軸（Ｘ′軸）との交点近傍において、板状橋梁部１１の先端部に接合されている。また、左翼重錘部１３は、中央重錘部１２の第１の長手方向軸（Ｙ軸）に関して左側の部分に接合されており、右翼重錘部１４は、中央重錘部１２の第１の長手方向軸（Ｙ軸）に関して右側部分に接合されている。
【０２８６】
この図３２に示す主センサ構造体１０は、全体を同一材料からなる一体構造体として構成してもよいし、複数の部材を接合した複合体として構成してもかまわない。§１〜§４で述べた種々の実施例は、いずれも複数の部材を接合した複合体として、図３２に示す主センサ構造体１０に対応する構造体を構成した例である。
【０２８７】
前述したとおり、検出感度を高めるためには、板状橋梁部１１は、十分な可撓性が得られるように薄くするのが好ましく、重錘体は、十分な質量が得られるように厚くするのが好ましい。そこで図３２に示す例では、板状橋梁部１１の厚みに比べて重錘体１２，１３，１４の厚みが大きく設定されており、第１の長手方向軸（Ｙ軸）および第２の長手方向軸（Ｘ′軸）をそれぞれ水平面上の軸としたときに、中央重錘部１２の側面の上部に板状橋梁部１１の先端部が接合されており、重錘体１２，１３，１４の重心が板状橋梁部１１の下方に位置するようにしている（重心が板状橋梁部１１の上方に位置する構造も理論的には可能であるが、製造工程が困難になる。）。
【０２８８】
結局、図３２に示す例の場合、第１の長手方向軸（Ｙ軸）および第２の長手方向軸（Ｘ′軸）の双方を含む基準投影平面（ＸＹ平面）上に、板状橋梁部１１、中央重錘部１２、左翼重錘部１３、右翼重錘部１４をそれぞれ投影すると、板状橋梁部１１の投影像が中央重錘部１２の投影像の中央付近に接合され、板状橋梁部１１の投影像と中央重錘部１２の投影像とによってＴ字型図形が形成されることになる。また、第１の長手方向軸（Ｙ軸）を中心軸として左右を定義すれば、左翼重錘部１３の投影像が中央重錘部１２の投影像の左端付近に接合され、右翼重錘部１４の投影像が中央重錘部１２の投影像の右端付近に接合されており、板状橋梁部１１の投影像と、中央重錘部１２の投影像と、左翼重錘部１３の投影像と、右翼重錘部１４の投影像と、によってＥ字型図形が形成されることになる。
【０２８９】
本発明に係る加速度センサは、このような主センサ構造体１０と、その板状橋梁部１１の根端部を支持固定する台座４０（装置筐体を台座として用いてもよい）と、板状橋梁部１１の表面の所定位置に生じる伸縮応力を検出する検出素子と、この検出素子の検出結果に基づいて、重錘体に作用した加速度の検出値を出力する検出回路と、を構成要素とするものである。
【０２９０】
このような主センサ構造体１０では、根端部が支持された板状橋梁部１１の先端部に重錘体が接合されるため、重錘体が片持ち梁構造で支持される。このため、従来型のダイアフラム部の周囲を装置筐体に固定するタイプのセンサのように、温度や実装方法などの利用環境によって検出結果に悪影響が及ぶことを避けることができる。また、重錘体は、板状橋梁部１１の左脇と右脇とに配置されるため、板状橋梁部１１に撓みを生じさせるための十分な質量を確保することができる。しかも、板状橋梁部１１が、左右から重錘体によって保護される構造が採られるため、過度の加速度が加わった場合でも、板状橋梁部１１が外部部材と接触して損傷を受けることを防ぐことができる。
【０２９１】
図３２には、板状橋梁部１１の上面に４組の検出素子Ｄ１〜Ｄ４を配置した状態が示されている。検出素子Ｄ１〜Ｄ４は、板状橋梁部１１の表面の所定位置に生じる伸縮応力を電気的に検出する機能をもった素子であれば、どのような素子を用いてもかまわない。これまでの実施例は、いずれも検出素子Ｄ１〜Ｄ４として圧電素子を用いたものであるが、後述する§６では、検出素子としてピエゾ抵抗素子を用いた実施形態を示す。
【０２９２】
圧電素子は、応力の作用により分極を生じる性質をもった検出素子であり、これまで述べてきた実施例では、このような性質を利用して、上層電極と下層電極とにそれぞれ電荷を発生させ、これを電圧に変換して検出を行うものであった。ただ、このような圧電素子による分極作用は、あくまでも動的な応力変化が加えられた場合に生じる過渡現象であり、同一の応力が定常的に加えられている静的状態では、上層電極および下層電極で発生した正負の電荷が結合してしまうため、検出用の電荷として取り出すことはできない。たとえば、地上で静止状態にある加速度センサには、常に重力加速度が作用しているが、検出素子として圧電素子を用いた場合、静止状態では検出用電荷が発生しないため、重力加速度を検出することはできない。したがって、これまで述べてきた圧電素子を用いた実施形態に係る加速度センサは、地震計やロボットアームなどの動的な変化が生じる環境での利用に適したセンサということになる。
【０２９３】
これに対して、ピエゾ抵抗素子は、動的であれ静的であり、作用している応力に応じて電気抵抗が変化する性質をもった検出素子である。このため、検出素子としてピエゾ抵抗素子を用いた実施形態に係る加速度センサでは、重力加速度のような静的な加速度の検出も可能になる。このピエゾ抵抗素子を用いた実施形態については、§６で詳述する。このように、本発明に利用可能な検出素子には、それぞれ固有の特徴があるため、実際には、用途に応じて、適切な検出素子を選択するのが好ましい。
【０２９４】
なお、検出素子は、図３２に示すように、必ずしも４組を設ける必要はなく、その配置も図示の位置に限定されるものではない。たとえば、ある１軸方向に作用した加速度を検出できればよい１軸型加速度センサであれば、１組の検出素子のみを用いて構成することも可能である。ただ、複数組の検出素子を用いれば、それだけ正確な検出ができ、複数の軸方向成分の検出が可能になるため、実用上は、複数組の検出素子を設けるのが好ましい。図３２に示す検出素子Ｄ１〜Ｄ４は、§１〜§４で述べた種々の実施例における４組の圧電素子Ｐ１〜Ｐ４に対応するものであり、前述したように、これらの実施例では、加速度の３つの座標軸方向成分αｘ，αｙ，αｚを検出することができる。
【０２９５】
図３３は、図３２に示す主センサ構造体１０を、主センサ検出層２００と主センサ重錘層３００との２層構造によって構成したものである。図３２に示す主センサ構造体が一体構造体であるのに対して、図３３に示す主センサ構造体は二層構造体であるが、外形上は全く同一の構造体であるため、ここでは、いずれも同一符号を用いて主センサ構造体１０と呼ぶことにする。図３３に示す主センサ構造体１０は、図１に示す主センサ構造体ＭＳＳの一部の構造と全く同じ構造を有する。具体的には、図３３に示す主センサ検出層２００は、図１に示す主センサ第２層に対応し、図３３に示す主センサ重錘層３００は、図１に示す主センサ第３層に対応する。
【０２９６】
本発明に係る加速度センサを、量産品として製造する上では、図３３に示す例のように、主センサ構造体１０を、主センサ検出層２００と主センサ重錘層３００との２層構造によって構成すると便利である。そうすれば、図３に示すような「Ｅ」字状の主センサ検出層２００と、図４に示すような「コ」の字状の主センサ重錘層３００と、を別個に構成し、両者を積層することにより主センサ構造体１０を構成することができる。
【０２９７】
あるいは、図２１に示すような積層材料ブロック１０００を利用して主センサ構造体１０に準じた構造体を形成する場合は、材料第１層１００１および材料第２層１００２に対しては「Ｅ」字状の主センサ検出層２００を構成するためのマスクを用いたエッチングを行い、材料第３層１００３に対しては「コ」の字状の主センサ重錘層３００を構成するためのマスクを用いたエッチングを行えばよい。
【０２９８】
図３２および図３３では、検出素子Ｄ１〜Ｄ４が、物理的な構造を特定しない概念的な素子として描かれているが、実際には、各検出素子Ｄ１〜Ｄ４は、物理的な構造物として具現化される。図１に示した実施例は、図３３に示す例における検出素子Ｄ１〜Ｄ４を、圧電素子によって具現化した例であり、図１の主センサ第１層１００が、図３３の検出素子Ｄ１〜Ｄ４に相当する。実際の圧電素子は、下層電極と上層電極との間に圧電材料層を挟んだ立体構造を有しているため、図１に示す実施例では、図３３に示す２層構造体の上面に、更に、検出素子Ｄ１〜Ｄ４として機能する主センサ第１層１００を付加している。
【０２９９】
このように、図１に示した実施例における主センサ第１層１００は、図３３の検出素子Ｄ１〜Ｄ４を圧電素子によって具現化するために付加された構成要素であり、本発明の基本概念上は、必ずしも必要な構成要素ではない。たとえば、§６で述べるように、検出素子としてピエゾ抵抗素子を用いる実施形態の場合、図１に示す主センサ第１層１００は不要になり、物理的な構造体としては、図１に示す主センサ第２層２００（主センサ検出層）と主センサ第３層３００（主センサ重錘層）との積層構造体と、板状橋梁部２１０の根端部を固定する台座４００があれば十分である。この場合、ピエゾ抵抗素子は、板状橋梁部２１０の表層に埋め込まれた構造体として構成することができる。
【０３００】
§１では、主センサ第２層２００における板状橋梁部２１０以外の部分を、重錘体支持部２２０，２３０，２４０と呼んでいる。この重錘体支持部２２０，２３０，２４０は、板状橋梁部２１０の先端部に接続されており、その下面には重錘体３００が接続されている。その結果、重錘体３００の重心Ｇが、板状橋梁部２１０の下方に位置する点は、既に述べたとおりである。
【０３０１】
特に、図１に示す実施形態では、重錘体支持部として、第１の長手方向軸Ｙに直交する第２の長手方向軸Ｘ′に沿って伸びる中央板状部２２０が設けられており、板状橋梁部２１０の先端部を中央板状部２２０の中央近傍に接続し、板状橋梁部２１０および中央板状部２２０によりＴ字状構造体が形成されるようにしている。そして、左翼重錘部３３０を中央板状部２２０の左側の下面に接続し、右翼重錘部３４０を中央板状部２２０の右側の下面に接続する構造を採用している。
【０３０２】
より具体的には、図１に示す実施形態の場合、重錘体支持部を、第１の長手方向軸Ｙに直交する第２の長手方向軸Ｘ′に沿って伸び、中央近傍が板状橋梁部２１０の先端部に接続された中央板状部２２０と、この中央板状部２２０の左側から板状橋梁部２１０の左脇に伸びる左翼板状部２３０と、中央板状部２１０の右側から板状橋梁部２１０の右脇に伸びる右翼板状部２４０と、によって構成しており、左翼重錘部３３０を左翼板状部２３０の下面に接続し、右翼重錘部３４０を右翼板状部２４０の下面に接続する構造を採用している。また、重錘体３００には、左翼重錘部３３０と右翼重錘部３４０とを連結する中央重錘部３２０を設け、この中央重錘部３２０を中央板状部２２０の下面に接続するようにしている。
【０３０３】
このような構成を採用すると、板状橋梁部２１０の周囲を重錘体３００によって「コ」の字状に覆うような構造が実現でき、また、重錘体３００の重心Ｇを板状橋梁部２１０の下方の所定位置に置くことができる。そのため、重錘体３００の変位に基づいて板状橋梁部２１０を効率的に撓ませることができる。また、重錘体３００の周囲に何らかの変位制限壁を設けるようにすれば、重錘体３００に対して過度の変位を生じさせる外力が作用した場合にも、重錘体３００の変位を制限し、板状橋梁部２１０の破損を防止することができる。
【０３０４】
実用上は、台座４００を重錘体３００の変位を制限する変位制限壁として利用するのが好ましい。たとえば、図１７に示す実施形態の場合、板状橋梁部２１０および重錘体３００を有する主センサ構造体ＭＳＳの周囲を取り囲む環状構造体をなす台座４００を用いている。そうすることにより、加速度センサＡＳに対して所定の大きさを超える加速度が作用した場合に、重錘体３００の一部が環状構造体からなる台座４００の一部に接触し、それ以上の変位を制限することができる。
【０３０５】
なお、図２６に示すように、板状橋梁部２１０と中央板状部２２０とを直交させ、Ｔ字状構造体が形成されるようにすると、重錘体３００に各座標軸方向の力が作用した場合、図１３〜図１５に示すように、板状橋梁部２１０の先端部の左右両側と根端部の左右両側とに応力集中が見られる。
【０３０６】
したがって、圧電素子としては、板状橋梁部２１０の先端部近傍の左側に配置された先端部左側圧電素子Ｐ１（上層電極Ｅ１の領域に形成される圧電素子）と、板状橋梁部２１０の先端部近傍の右側に配置された先端部右側圧電素子Ｐ２（上層電極Ｅ２の領域に形成される圧電素子）と、板状橋梁部２１０の根端部近傍の左側に配置された根端部左側圧電素子Ｐ３（上層電極Ｅ３の領域に形成される圧電素子）と、板状橋梁部２１０の根端部近傍の右側に配置された根端部右側圧電素子Ｐ４（上層電極Ｅ４の領域に形成される圧電素子）と、を設けるようにすると、効率的な検出が可能になる。
【０３０７】
また、圧電素子の具体的な構造は、図１に示されているように、板状橋梁部２１０の表面に層状に形成された下層電極Ｅ０と、下層電極Ｅ０の表面に層状に形成された圧電材料層１０５と、圧電材料層１０５の表面に局在的に形成された複数の上層電極Ｅ１〜Ｅ４からなる上層電極群と、を有する積層構造を採ればよい。ここで、圧電材料層１０５は、層方向に伸縮する応力の作用により、厚み方向に分極を生じる性質を有する材料を用いればよい。
【０３０８】
なお、図１に示す実施例の場合、圧電素子（主センサ第１層１００）は、板状橋梁部２１０（主センサ第２層２００）の上面に形成されているが、圧電素子は必ずしも板状橋梁部２１０の上面に形成する必要はなく、側面や下面に形成することも可能である。もちろん、上面と側面の両方に形成したり、上面，側面，下面のすべてに形成してもかまわない。板状橋梁部２１０の撓みは、上面だけでなく、側面や下面にも応力を発生させるので、側面や下面に形成された圧電素子によっても検出は可能である。
【０３０９】
要するに、圧電素子は上面，側面，下面に関わらず、板状橋梁部２１０の表面に形成されていればよい。たとえば、板状橋梁部２１０の上面から側面へと連なるように下層電極Ｅ０を形成し、この下層電極Ｅ０の表面全域に圧電材料層１０５を形成し、この圧電材料層１０５の表面の所定箇所（板状橋梁部２１０の上方だけでなく側方も含めた所定箇所）に局在的に複数の上層電極を形成するようにすれば、板状橋梁部２１０の上面だけでなく側面にも圧電素子が形成されることになる。この場合、上面に形成された圧電素子だけでなく、側面に形成された圧電素子によっても検出が可能になる。
【０３１０】
ただ、板状橋梁部２１０の上面だけでなく、側面や下面にも圧電素子を形成するためには、複雑な工程が必要になるため、製造コストは高騰せざるを得ない。したがって、実用上は、これまで述べてきた圧電素子を用いた実施形態やその変形例に示すように、板状橋梁部２１０の上面に圧電素子を設ける構造を採用し、コスト低減を図るのが好ましい。特に、図２１に示すような積層材料ブロック１０００を用意し、これに対して所定の加工処理を施す量産プロセスを採る場合、圧電素子は板状橋梁部２１０の上面に形成せざるを得ない。
【０３１１】
なお、図２２に示す例のように、加速度センサＡＳを装置筐体６００内に収容して加速度検出装置を構成する場合には、加速度センサＡＳの台座４００を装置筐体６００に固定し、装置筐体６００に加速度が作用したときに、加速度センサＡＳの重錘体３００が板状橋梁部２１０の撓みによって装置筐体６００内で変位するようにし、当該変位に応じた検出回路５００からの出力を装置筐体６００に作用した加速度の検出値とすればよい。
【０３１２】
あるいは、図２３に示す例のように、重錘体と台座の役割を逆転させる構成を採ることも可能である。この場合は、台座４００′の底面よりも重錘体３００′の底面の方が下方に位置する加速度センサＡＳ′を用意し、この加速度センサＡＳ′の重錘体３００′を装置筐体６００に固定し、装置筐体６００を変位させる外力が作用したときに、加速度センサＡＳ′の台座４００′が板状橋梁部２１０の撓みによっ装置筐体６００内で変位するようにし、当該変位に応じた検出回路５００からの出力を装置筐体６００に作用した加速度の検出値とすればよい。
【０３１３】
もちろん、図２８〜図３１に示す実施例のように、いくつかの個別部品を組み立てる方法により、加速度センサＡＳを構成することもできる。図２８に示す主センサ部品７００ｄの場合、長手方向軸Ｌ１に沿って伸びる板状橋梁部７１２ｄの根端部に、この長手方向軸Ｌ１に直交する長手方向軸Ｌ３に沿って伸びる台座接続部７３２ｄが接続されており、この台座接続部７３２ｄを台座４００ｄに固定することにより、組み立てを行うことができるようにしている。
【０３１４】
＜＜＜  §６．  ピエゾ抵抗素子を用いた実施形態  ＞＞＞
§５でも述べたように、本発明の基本概念では、板状橋梁部の表面の所定位置に生じる伸縮応力を電気的に検出することができれば、検出素子としては、どのような素子を用いてもかまわない。これまでは、検出素子を、板状橋梁部の表面の伸縮変形が生じる所定位置に固定された複数の圧電素子によって構成し、検出回路が、これら複数の圧電素子のそれぞれに発生した電荷に基づいて加速度の検出値を出力する実施例を述べてきた。
【０３１５】
ここでは、検出素子を、板状橋梁部の表面の伸縮変形が生じる所定位置に固定された複数のピエゾ抵抗素子によって構成し、検出回路が、これら複数のピエゾ抵抗素子のそれぞれの電気抵抗値に基づいて加速度の検出値を出力する実施例を述べることにする。ピエゾ抵抗素子は、作用している応力に応じて電気抵抗が変化する性質をもった検出素子であり、ピエゾ抵抗素子を検出素子として用いた加速度センサでは、重力加速度のような静的な加速度の検出も可能になる。ここでは、特に、板状橋梁部をシリコン基板によって構成し、各ピエゾ抵抗素子を、このシリコン基板からなる板状橋梁部の表層の一部にｐ型もしくはｎ型の不純物を注入した領域によって構成した例を述べる。
【０３１６】
図３３に示す主センサ構造体１０は、既に述べたとおり、主センサ検出層２００と、その下方に接合された主センサ重錘層３００とを有しており、主センサ検出層２００の所定箇所は、台座４０によって支持固定される。図３３には、概念的な検出素子Ｄ１〜Ｄ４が描かれているが、ここに示す実施形態の場合、各検出素子はそれぞれピエゾ抵抗素子によって構成されることになる。そして、主センサ検出層２００の所定箇所の伸縮変形が、これら複数のピエゾ抵抗素子によって検出される。ここで述べる加速度センサには、これらピエゾ抵抗素子の電気抵抗値に基づいて、作用した加速度の検出値を出力する検出回路が備わっている。
【０３１７】
主センサ検出層２００は、図１に示す主センサ第２層２００と同じ構造を有し、ＸＹ平面に平行な面に沿って配置された平板状の層である。図１に示すように、この主センサ検出層２００は、Ｙ軸上に配置され可撓性を有する板状橋梁部２１０と、主センサ重錘層３００（主センサ第３層）を支持するための重錘体支持部（２２０，２３０，２４０）と、を有している。重錘体支持部の一部である中央板状部２２０は、「Ｙ軸と交差しＸ軸に平行な軸であるＸ′軸」上に配置されている。
【０３１８】
板状橋梁部２１０は、根端部から先端部へとＹ軸に沿って伸び、中央板状部２２０はＹ軸と交差するようにＸ′軸に沿って伸び、中央板状部２２０のＹ軸と交差する部分近傍に板状橋梁部２１０の先端部が接続されており、板状橋梁部２１０と中央板状部２２０とのＸＹ平面投影像はＴ字状をなす。
【０３１９】
一方、主センサ重錘層３００は、図１において、主センサ第３層として示されている構成要素である。この主センサ重錘層３００は、主センサ検出層２００の重錘体支持部（２２０，２３０，２４０）の下面に接続されており、作用した加速度に基づいて板状橋梁部２１０に撓みを生じさせるのに十分な質量をもった重錘体として機能する。ここで、板状橋梁部２１０の両脇について、Ｘ座標値が負となる側を左脇、Ｘ座標値が正となる側を右脇と定義すると、主センサ重錘層３００は、板状橋梁部２１０の左脇に位置する左翼重錘部３３０と右脇に位置する右翼重錘部３４０とを有している。
【０３２０】
図１に示すとおり、主センサ検出層２００の重錘体支持部は、中央板状部２２０と、この中央板状部２２０の左側からＹ軸に平行な方向に沿って板状橋梁部２１０の左脇に伸びる左翼板状部２３０と、中央板状部２２０の右側からＹ軸に平行な方向に沿って板状橋梁部２１０の右脇に伸びる右翼板状部２４０とを有している。そして、左翼重錘部３３０が左翼板状部２３０の下面に接続され、右翼重錘部３４０が右翼板状部２４０の下面に接続されている。
【０３２１】
また、主センサ重錘層３００は、左翼重錘部３３０と右翼重錘部３４０とを連結する中央重錘部３２０を有し、この中央重錘部３２０は、中央板状部２２０の下面に接続されている。その結果、左翼重錘部３３０、右翼重錘部３４０および中央重錘部３２０を有する重錘体のＸＹ平面投影像は「コ」の字状をなし、主センサ重錘層３００を構成する構造体の重心は、板状橋梁部２１０の下方に位置する。
【０３２２】
このように、図３３に示す主センサ構造体１０は、図１に示す主センサ検出層２００（主センサ第２層）と主センサ重錘層３００（主センサ第３層）との２層を接合した構造を有し、ＹＺ平面に関して面対称をなす。したがって、主センサ重錘層３００を構成する構造体の重心は、板状橋梁部１１の下方のＹＺ平面上に位置する。ここで、板状橋梁部１１の根端部は、台座４０によって支持固定され、重錘体として機能する主センサ重錘層３００は、板状橋梁部１１を用いた片持ち梁構造によって宙吊り状態になる。
【０３２３】
この§６で述べる実施形態では、図３３に示す検出素子Ｄ１〜Ｄ４として、ピエゾ抵抗素子を用いている。このピエゾ抵抗素子は、板状橋梁部１１の所定箇所の表面に形成されており、当該形成部分に生じる伸縮応力を電気的に検出する役割を果たす。以下、このピエゾ抵抗素子の具体的な配置について説明する。
【０３２４】
図３４は、図３３に示す主センサ構造体１０に、加速度のＸ軸方向成分αｘの検出に利用するピエゾ抵抗素子Ｒｘ１〜Ｒｘ４を配置した状態を示す上面図である。図示のとおり、抵抗素子Ｒｘ１のＸＹ平面への投影像は、Ｙ軸に平行な方向に伸び、板状橋梁部１１の先端部近傍のＸ座標値が負となる側に位置し、抵抗素子Ｒｘ２のＸＹ平面への投影像は、Ｙ軸に平行な方向に伸び、板状橋梁部１１の先端部近傍のＸ座標値が正となる側に位置し、抵抗素子Ｒｘ３のＸＹ平面への投影像は、Ｙ軸に平行な方向に伸び、板状橋梁部１１の根端部近傍のＸ座標値が負となる側に位置し、抵抗素子Ｒｘ４のＸＹ平面への投影像は、Ｙ軸に平行な方向に伸び、板状橋梁部１１の根端部近傍のＸ座標値が正となる側に位置する。図３３に示されている検出素子Ｄ１〜Ｄ４の配置は、これら抵抗素子Ｒｘ１〜Ｒｘ４の配置に対応するものである。
【０３２５】
同様に、図３５は、図３３に示す主センサ構造体１０に、加速度のＹ軸方向成分αｙの検出に利用するピエゾ抵抗素子Ｒｙ１〜Ｒｙ４を配置した状態を示す上面図である。図示のとおり、抵抗素子Ｒｙ１〜Ｒｙ４の配置は、図３３に示されている検出素子Ｄ１〜Ｄ４の配置とは若干異なっており、抵抗素子Ｒｙ１のＸＹ平面への投影像は、Ｘ軸に平行な方向に伸び、板状橋梁部１１の先端部近傍のＸ座標値が負となる側に位置し、抵抗素子Ｒｙ２のＸＹ平面への投影像は、Ｘ軸に平行な方向に伸び、板状橋梁部１１の先端部近傍のＸ座標値が正となる側に位置し、抵抗素子Ｒｙ３のＸＹ平面への投影像は、Ｙ軸に平行な方向に伸び、板状橋梁部１１の根端部近傍のＸ座標値が負となる側に位置し、抵抗素子Ｒｙ４のＸＹ平面への投影像は、Ｙ軸に平行な方向に伸び、板状橋梁部１１の根端部近傍のＸ座標値が正となる側に位置する。
【０３２６】
また、図３６は、図３３に示す主センサ構造体１０に、加速度のＺ軸方向成分αｚの検出に利用するピエゾ抵抗素子Ｒｚ１〜Ｒｚ４を配置した状態を示す上面図である。図示のとおり、抵抗素子Ｒｚ１のＸＹ平面への投影像は、Ｙ軸に平行な方向に伸び、板状橋梁部１１の先端部近傍のＸ座標値が負となる側に位置し、抵抗素子Ｒｚ２のＸＹ平面への投影像は、Ｙ軸に平行な方向に伸び、板状橋梁部１１の先端部近傍のＸ座標値が正となる側に位置し、抵抗素子Ｒｚ３のＸＹ平面への投影像は、Ｙ軸に平行な方向に伸び、板状橋梁部１１の根端部近傍のＸ座標値が負となる側に位置し、抵抗素子Ｒｚ４のＸＹ平面への投影像は、Ｙ軸に平行な方向に伸び、板状橋梁部１１の根端部近傍のＸ座標値が正となる側に位置する。当該配置は、図３４に示すピエゾ抵抗素子Ｒｘ１〜Ｒｘ４の配置と同様であり、図３３に示されている検出素子Ｄ１〜Ｄ４の配置に対応するものである。
【０３２７】
続いて、これら各ピエゾ抵抗素子を用いた加速度検出の原理を説明する。図３７は、図３３に示す主センサ構造体１０に各座標軸方向の力が作用したときに、図３４〜図３６に示す各ピエゾ抵抗素子に生じる電気抵抗値の増減変化を示す表である。ここでは、各ピエゾ抵抗素子の長手方向に関する電気抵抗値を考えることにする。別言すれば、各ピエゾ抵抗素子には、その長手方向の両端に外部（検出回路５００）への配線がなされ、長手方向に流れる電流についての電気抵抗値が検出されるものとする。また、ここでは、長手方向への伸長応力が加わると電気抵抗値が増加し、長手方向への圧縮応力が加わると電気抵抗値が減少するタイプのピエゾ抵抗素子が用いられている場合を例にとって示す。図３７に示す表は、このような前提において、電気抵抗値が増加する場合を「＋」、減少する場合を「−」で示すものである。
【０３２８】
まず、重錘体として機能する主センサ重錘層３００に対して、Ｘ軸正方向の力＋Ｆｘが作用した場合（装置筐体に加速度−αｘが作用した場合）は、図３７の表の左欄に示すような電気抵抗値の変化が生じる。すなわち、ピエゾ抵抗素子Ｒｘ１，Ｒｘ４の電気抵抗値は減少し、ピエゾ抵抗素子Ｒｘ２，Ｒｘ３の電気抵抗値は増加する。このような現象が生じることは、力＋Ｆｘが作用した場合、図８に示すような変形が生じ、ピエゾ抵抗素子Ｒｘ１，Ｒｘ４（図８におけるＥ１，Ｅ４に相当）には圧縮応力が作用し、ピエゾ抵抗素子Ｒｘ２，Ｒｘ３（図８におけるＥ２，Ｅ３に相当）には伸長応力が作用することを考慮すれば、容易に理解できよう。
【０３２９】
一方、重錘体として機能する主センサ重錘層３００に対して、Ｙ軸正方向の力＋Ｆｙが作用した場合（装置筐体に加速度−αｙが作用した場合）は、図３７の表の中央欄に示すような電気抵抗値の変化が生じる。すなわち、ピエゾ抵抗素子Ｒｙ１，Ｒｙ２の電気抵抗値は増加し、ピエゾ抵抗素子Ｒｙ３，Ｒｙ４の電気抵抗値は減少する。このような現象が生じることは、力＋Ｆｙが作用した場合、図９に示すような変形が生じ、板状橋梁部の上面に形成されているすべてのピエゾ抵抗素子Ｒｙ１〜Ｒｙ４に対して、Ｙ軸方向についての圧縮応力が作用することを考慮すれば、容易に理解できよう。
【０３３０】
すなわち、図３５に示すとおり、ピエゾ抵抗素子Ｒｙ３，Ｒｙ４は、Ｙ軸方向に伸びる抵抗素子であるため、Ｙ軸方向についての圧縮応力が作用すると、電気抵抗値は減少する。これに対して、ピエゾ抵抗素子Ｒｙ１，Ｒｙ２は、Ｙ軸に直交するＸ軸方向に伸びる抵抗素子であるため、Ｙ軸方向についての圧縮応力が作用すると、電気抵抗値は増加する。この現象は、基本的には、Ｙ軸方向についての圧縮応力によって、Ｘ軸方向についての伸長応力が生じる現象として把握することができるが、理論的には、結晶構造を有する抵抗物質についてのピエゾ抵抗効果によって説明することができる。
【０３３１】
そして、重錘体として機能する主センサ重錘層３００に対して、Ｚ軸正方向の力＋Ｆｚが作用した場合（装置筐体に加速度−αｚが作用した場合）は、図３７の表の右欄に示すような電気抵抗値の変化が生じる。すなわち、ピエゾ抵抗素子Ｒｚ１，Ｒｚ２の電気抵抗値は増加し、ピエゾ抵抗素子Ｒｚ３，Ｒｚ４の電気抵抗値は減少する。このような現象が生じることは、力＋Ｆｚが作用した場合、図１０に示すような変形が生じ、先端部に配置されたピエゾ抵抗素子Ｒｚ１，Ｒｚ２（図１０におけるＥ２に相当）には伸長応力が作用し、根端部に配置されたピエゾ抵抗素子Ｒｚ３，Ｒｚ４（図１０におけるＥ４に相当）には圧縮応力が作用することを考慮すれば、容易に理解できよう。
【０３３２】
前述したとおり、この図３７の表に示す結果は、長手方向への伸長応力が加わると電気抵抗値が増加し、長手方向への圧縮応力が加わると電気抵抗値が減少するタイプのピエゾ抵抗素子を用いた場合を示しており、逆に、伸長応力が加わると電気抵抗値が減少し、圧縮応力が加わると電気抵抗値が増加するタイプのピエゾ抵抗素子を用いた場合は、増減の関係が逆転する。
【０３３３】
この図３７の表に示す現象を考慮すると、検出回路５００として、たとえば、図３８(a) 〜(c) に示すようなホイートストンブリッジを利用した回路を用意しておけば、作用した加速度の各座標軸成分αｘ，αｙ，αｚを検出することができる。すなわち、図３４に示すように、ピエゾ抵抗素子Ｒｘ１〜Ｒｘ４を配置した実施例については、図３８(a) に示す検出回路５００Ｘを用意しておけば、Ｘ軸方向成分αｘを検出することが可能になり、図３５に示すように、ピエゾ抵抗素子Ｒｙ１〜Ｒｙ４を配置した実施例については、図３８(b) に示す検出回路５００Ｙを用意しておけば、Ｙ軸方向成分αｙを検出することが可能になり、図３６に示すように、ピエゾ抵抗素子Ｒｚ１〜Ｒｚ４を配置した実施例については、図３８(c) に示す検出回路５００Ｚを用意しておけば、Ｚ軸方向成分αｚを検出することが可能になる。
【０３３４】
図３８(a) に示す検出回路５００Ｘは、抵抗素子Ｒｘ１および抵抗素子Ｒｘ４を第１の対辺とし、抵抗素子Ｒｘ２および抵抗素子Ｒｘ３を第２の対辺とするＸ軸検出用ホイートストンブリッジと、このＸ軸検出用ホイートストンブリッジにおける抵抗素子Ｒｘ１，Ｒｘ２の接続点と抵抗素子Ｒｘ３，Ｒｘ４の接続点との間にブリッジ電圧を印加するブリッジ電圧電源Ｅと、このＸ軸検出用ホイートストンブリッジにおける抵抗素子Ｒｘ２，Ｒｘ４の接続点と抵抗素子Ｒｘ１，Ｒｘ３の接続点との間の電位差を、作用した加速度のＸ軸方向成分αｘの検出値として出力する出力手段（図示の例の場合、αｘ検出用の出力端子Ｔｘ１，Ｔｘ２）と、を有している。
【０３３５】
図３７の表の左欄に示すように、加速度のＸ軸方向成分αｘが作用すると、Ｘ軸検出用ホイートストンブリッジにおいて、第１の対辺を構成する抵抗素子Ｒｘ１，Ｒｘ４の抵抗値の増減の挙動は相互に同じになり、第２の対辺を構成する抵抗素子Ｒｘ２，Ｒｘ３の抵抗値の増減の挙動も相互に同じになる。その一方で、第１の対辺と第２の対辺とでは、増減の挙動は逆になっている。したがって、Ｘ軸検出用ホイートストンブリッジでは、Ｘ軸方向成分αｘの絶対値に応じた大きさをもち、Ｘ軸方向成分αｘの向きに応じた符号をもったブリッジ電圧が、出力端子Ｔｘ１，Ｔｘ２間に出力されることになり、当該ブリッジ電圧が、加速度のＸ軸方向成分αｘを示す検出値となる。
【０３３６】
このとき、加速度のＹ軸方向成分αｙが作用した場合は、全抵抗素子Ｒｘ１〜Ｒｘ４の抵抗値が同じように増減するため、ブリッジ回路は平衡状態を維持し、出力端子Ｔｘ１，Ｔｘ２間の出力は０になる。また、加速度のＺ軸方向成分αｚが作用した場合は、抵抗素子Ｒｘ１，Ｒｘ２の抵抗値の増減と、抵抗素子Ｒｘ３，Ｒｘ４の抵抗値の増減とが逆になるため、やはりブリッジ回路は平衡状態を維持し、出力端子Ｔｘ１，Ｔｘ２間の出力は０になる。かくして、出力端子Ｔｘ１，Ｔｘ２間に出力される検出値は、他軸成分の干渉を受けないＸ軸方向成分αｘを示す正しい検出値になる。
【０３３７】
また、図３８(b) に示す検出回路５００Ｙは、抵抗素子Ｒｙ１および抵抗素子Ｒｙ２を第１の対辺とし、抵抗素子Ｒｙ３および抵抗素子Ｒｙ４を第２の対辺とするＹ軸検出用ホイートストンブリッジと、このＹ軸検出用ホイートストンブリッジにおける抵抗素子Ｒｙ１，Ｒｙ３の接続点と抵抗素子Ｒｙ２，Ｒｙ４の接続点との間にブリッジ電圧を印加するブリッジ電圧電源Ｅと、このＹ軸検出用ホイートストンブリッジにおける抵抗素子Ｒｙ２，Ｒｙ３の接続点と抵抗素子Ｒｙ１，Ｒｙ４の接続点との間の電位差を、作用した加速度のＹ軸方向成分αｙの検出値として出力する出力手段（図示の例の場合、αｙ検出用の出力端子Ｔｙ１，Ｔｙ２）と、を有している。
【０３３８】
図３７の表の中央欄に示すように、加速度のＹ軸方向成分αｙが作用すると、Ｙ軸検出用ホイートストンブリッジにおいて、第１の対辺を構成する抵抗素子Ｒｙ１，Ｒｙ２の抵抗値の増減の挙動は相互に同じになり、第２の対辺を構成する抵抗素子Ｒｙ３，Ｒｙ４の抵抗値の増減の挙動も相互に同じになる。その一方で、第１の対辺と第２の対辺とでは、増減の挙動は逆になっている。したがって、Ｙ軸検出用ホイートストンブリッジでは、Ｙ軸方向成分αｙの絶対値に応じた大きさをもち、Ｙ軸方向成分αｙの向きに応じた符号をもったブリッジ電圧が、出力端子Ｔｙ１，Ｔｙ２間に出力されることになり、当該ブリッジ電圧が、加速度のＹ軸方向成分αｙを示す検出値となる。
【０３３９】
このとき、加速度のＸ軸方向成分αｘが作用した場合は、抵抗素子Ｒｙ１，Ｒｙ３の抵抗値の増減と、抵抗素子Ｒｙ２，Ｒｙ４の抵抗値の増減とが逆になるため、ブリッジ回路は平衡状態を維持し、出力端子Ｔｙ１，Ｔｙ２間の出力は０になる。また、加速度のＺ軸方向成分αｚが作用した場合は、全抵抗素子Ｒｙ１〜Ｒｙ４の抵抗値が同じように増減するため、やはりブリッジ回路は平衡状態を維持し、出力端子Ｔｙ１，Ｔｙ２間の出力は０になる。かくして、出力端子Ｔｙ１，Ｔｙ２間に出力される検出値は、他軸成分の干渉を受けないＹ軸方向成分αｙを示す正しい検出値になる。
【０３４０】
そして、図３８(c) に示す検出回路５００Ｚは、抵抗素子Ｒｚ１および抵抗素子Ｒｚ２を第１の対辺とし、抵抗素子Ｒｚ３および抵抗素子Ｒｚ４を第２の対辺とするＺ軸検出用ホイートストンブリッジと、このＺ軸検出用ホイートストンブリッジにおける抵抗素子Ｒｚ１，Ｒｚ３の接続点と抵抗素子Ｒｚ２，Ｒｚ４の接続点との間にブリッジ電圧を印加するブリッジ電圧電源Ｅと、このＺ軸検出用ホイートストンブリッジにおける抵抗素子Ｒｚ２，Ｒｚ３の接続点と抵抗素子Ｒｚ１，Ｒｚ４の接続点との間の電位差を、作用した加速度のＺ軸方向成分αｚの検出値として出力する出力手段（図示の例の場合、αｚ検出用の出力端子Ｔｚ１，Ｔｚ２）と、を有している。
【０３４１】
図３７の表の右欄に示すように、加速度のＺ軸方向成分αｚが作用すると、Ｚ軸検出用ホイートストンブリッジにおいて、第１の対辺を構成する抵抗素子Ｒｚ１，Ｒｚ２の抵抗値の増減の挙動は相互に同じになり、第２の対辺を構成する抵抗素子Ｒｚ３，Ｒｚ４の抵抗値の増減の挙動も相互に同じになる。その一方で、第１の対辺と第２の対辺とでは、増減の挙動は逆になっている。したがって、Ｚ軸検出用ホイートストンブリッジでは、Ｚ軸方向成分αｚの絶対値に応じた大きさをもち、Ｚ軸方向成分αｚの向きに応じた符号をもったブリッジ電圧が、出力端子Ｔｚ１，Ｔｚ２間に出力されることになり、当該ブリッジ電圧が、加速度のＺ軸方向成分αｚを示す検出値となる。
【０３４２】
このとき、加速度のＸ軸方向成分αｘが作用した場合は、抵抗素子Ｒｚ１，Ｒｚ４の抵抗値の増減と、抵抗素子Ｒｚ２，Ｒｚ３の抵抗値の増減とが逆になるため、ブリッジ回路は平衡状態を維持し、出力端子Ｔｚ１，Ｔｚ２間の出力は０になる。また、加速度のＹ軸方向成分αｙが作用した場合は、全抵抗素子Ｒｚ１〜Ｒｚ４の抵抗値が同じように増減するため、やはりブリッジ回路は平衡状態を維持し、出力端子Ｔｚ１，Ｔｚ２間の出力は０になる。かくして、出力端子Ｔｚ１，Ｔｚ２間に出力される検出値は、他軸成分の干渉を受けないＺ軸方向成分αｚを示す正しい検出値になる。
【０３４３】
このように、図３８に示す検出回路はいずれもブリッジ電圧として検出値を出力する回路であるため、外部環境による影響を受けない正確な検出値を得ることができる。たとえば、センサ利用時の温度環境が変化すると、各ピエゾ抵抗素子の抵抗値の絶対値は温度の影響を受けて変化してしまう。しかしながら、ホイートストンブリッジにおけるブリッジ電圧として検出値を出力すれば、各ピエゾ抵抗素子の抵抗値の絶対値の変化は相互に相殺されるため、検出値に影響が及ぶことを避けることができる。また、上述したとおり、いずれの検出値も他軸成分の干渉を受けない正しい検出値になる。
【０３４４】
なお、図３４に示す４組のピエゾ抵抗素子Ｒｘ１〜Ｒｘ４は、幅および長さを等しく設定することにより、加速度が作用していない状態において、すべて同一の電気抵抗値を示す素子として構成することができ、加速度が作用していない状態において、図３８(a) の検出回路５００Ｘからブリッジ電圧として出力される検出値を０にすることができる。図３６に示す４組のピエゾ抵抗素子Ｒｚ１〜Ｒｚ４についても同様であり、加速度が作用していない状態において、図３８(c) の検出回路５００Ｚからブリッジ電圧として出力される検出値を０にすることができる。
【０３４５】
これに対して、図３５に示す４組のピエゾ抵抗素子Ｒｙ１〜Ｒｙ４については、幅および長さを等しく設定することも可能ではあるが、板状橋梁部１１は、Ｙ軸に沿って伸びる細長い部材であるため、Ｘ軸に平行な方向に伸びるピエゾ抵抗素子Ｒｙ１，Ｒｙ２の長さを、Ｙ軸に平行な方向に伸びるピエゾ抵抗素子Ｒｙ３，Ｒｙ４と同じ長さに設定することは、設計上、困難である。しかしながら、加速度が作用していない状態において、図３８(b) の検出回路５００Ｙからブリッジ電圧として出力される検出値を０にするためには、加速度が作用していない状態において、４組のピエゾ抵抗素子Ｒｙ１〜Ｒｙ４の電気抵抗値が等しくなるような設計を行うのが好ましい（調整用の抵抗素子をブリッジ回路に組み込むことも可能であるが、回路が複雑になる）。
【０３４６】
そこで、実用上は、ピエゾ抵抗素子Ｒｙ３，Ｒｙ４の長さをＬ、幅をＷとした場合に、ピエゾ抵抗素子Ｒｙ１，Ｒｙ２の長さをＬ／ｎ、幅をＷ／ｎとする設計を行うのが好ましい。一般に抵抗の長さが１／ｎになるとその抵抗値は１／ｎ倍になるが、幅が１／ｎになるとその抵抗値はｎ倍になるので、長さと幅で抵抗値の相違が相殺されることになり、ピエゾ抵抗素子Ｒｙ１，Ｒｙ２の抵抗値をピエゾ抵抗素子Ｒｙ３，Ｒｙ４の抵抗値に等しくすることができる。
【０３４７】
あるいは、ピエゾ抵抗素子Ｒｙ１，Ｒｙ２を、それぞれＸ軸に平行な方向に伸びる複数本の副抵抗素子によって構成し、これら副抵抗素子に対して直列接続するための配線を施して１本のピエゾ抵抗素子を構成するようにしてもかまわない。１本の副抵抗素子の長さはピエゾ抵抗素子Ｒｙ３，Ｒｙ４の長さＬに及ばなくても、これを複数本直列接続することにより、長さＬのピエゾ抵抗素子と同等のふるまいが可能になる。
【０３４８】
以上述べたとおり、図３４に示す実施例は、図３８(a) に示す検出回路５００Ｘと併用することにより、作用した加速度のＸ軸方向成分αｘを検出可能な１軸加速度センサとして機能し、図３５に示す実施例は、図３８(b) に示す検出回路５００Ｙと併用することにより、作用した加速度のＹ軸方向成分αｙを検出可能な１軸加速度センサとして機能し、図３６に示す実施例は、図３８(c) に示す検出回路５００Ｚと併用することにより、作用した加速度のＺ軸方向成分αｚを検出可能な１軸加速度センサとして機能する。
【０３４９】
もちろん、板状橋梁部１１に、αｘ検出用のピエゾ抵抗素子Ｒｘ１〜Ｒｘ４と、αｙ検出用のピエゾ抵抗素子Ｒｙ１〜Ｒｙ４と、αｚ検出用のピエゾ抵抗素子Ｒｚ１〜Ｒｚ４と、を形成し、図３８に示す検出回路５００Ｘ，５００Ｙ，５００Ｚをすべて含む検出回路５００を用意すれば、αｘ，αｙ，αｚの３軸成分をすべて検出可能な３軸加速度センサを作成することもできる。
【０３５０】
図３９は、図３２に示す主センサ構造体１０（もちろん、図３３に示す主センサ構造体１０を用いてもかまわない。）に、３軸加速度成分αｘ，αｙ，αｚを検出するためのピエゾ抵抗素子を配置した実施例を示す上面図である（台座４０の部分は、固定状態を示すためにハッチングを施して示した）。この実施例では、板状橋梁部１１の上面に合計１２組のピエゾ抵抗素子を配置する必要があるため、個々のピエゾ抵抗素子の幅は細くせざるを得ないが、この図３９に示す１２組のピエゾ抵抗素子は、図３４〜図３６に示すピエゾ抵抗素子の集合体になっている。したがって、図３８に示す検出回路５００Ｘ，５００Ｙ，５００Ｚによって、それぞれ加速度成分αｘ，αｙ，αｚの検出値を出力することができる。
【０３５１】
なお、図３９に示す例のように、抵抗素子Ｒｘ１，Ｒｘ２，Ｒｘ３，Ｒｘ４は、それぞれ抵抗素子Ｒｚ１，Ｒｚ２，Ｒｚ３，Ｒｚ４よりも、板状橋梁部１１における外側に配置するのが好ましい。これは、図１５に示すとおり、力＋Ｆｚが作用したときの応力は、板状橋梁部の横幅全体に広がっているため、抵抗素子Ｒｚ１，Ｒｚ２，Ｒｚ３，Ｒｚ４を板状橋梁部の中央（Ｙ軸に近い部分）に配置しても問題ないが、図１３に示すとおり、力＋Ｆｘが作用したときの応力は、板状橋梁部の外側部分に集中するため、抵抗素子Ｒｘ１，Ｒｘ２，Ｒｘ３，Ｒｘ４は、板状橋梁部の外側に配置した方が好ましいためである。
【０３５２】
図４０は、図３９に示す主センサ構造体１０を切断線４０−４０に沿って切断した断面を示す側断面図である。板状橋梁部１１は、根端部が原点Ｏの位置において台座４０に支持固定され、Ｙ軸方向に沿って先端部へと伸びている。この板状橋梁部１１の先端部には、中央重錘部１２が接合され、中央重錘部１２には左翼重錘部１３（図には現れていない）と右翼重錘部１４とが接合されている。図には、板状橋梁部１１の上層部分に、ピエゾ抵抗素子Ｒｘ１，Ｒｘ３の断面が示されている。
【０３５３】
図４０に示す実施例の場合、一体構造体からなる主センサ構造体１０がシリコン基板によって構成されており、その板状橋梁部１１の表層の一部にｐ型もしくはｎ型の不純物を注入した領域によって、各ピエゾ抵抗素子が形成されている。ｐ型の不純物を注入すると、伸長応力により抵抗値が増加し、圧縮応力により抵抗値が減少するタイプのピエゾ抵抗素子を形成することができ、ｎ型の不純物を注入すると、伸長応力により抵抗値が減少し、圧縮応力により抵抗値が増加するタイプのピエゾ抵抗素子を形成することができる。
【０３５４】
もちろん、図３３に示すような二層構造からなる主センサ構造体１０を用いる場合は、主センサ検出層２００をシリコン基板によって構成し、その板状橋梁部１１の表層の一部にｐ型もしくはｎ型の不純物を注入した領域によって、各ピエゾ抵抗素子を形成すればよい。このようにピエゾ抵抗素子は、シリコン基板からなる板状橋梁部１１の表層の一部に埋め込んだ形で形成することができるため、圧電素子を形成する実施例に比べて、加速度センサの物理的構造部の層構成は単純になる。
【０３５５】
＜＜＜  §７．  ピエゾ抵抗素子を用いた実施形態の変形例  ＞＞＞
最後に、§６で述べたピエゾ抵抗素子を用いた実施形態について、いくつかの変形例を述べておく。まず、図３５では、ピエゾ抵抗素子Ｒｙ１，Ｒｙ２を板状橋梁部１１の先端部近傍に配置し、ピエゾ抵抗素子Ｒｙ３，Ｒｙ４を板状橋梁部１１の根端部近傍に配置した例を示した。そして、図３９に示す実施例では、ピエゾ抵抗素子Ｒｙ１〜Ｒｙ４の配置として、図３５の配置をそのまま踏襲している。しかしながら、ピエゾ抵抗素子Ｒｙ１〜Ｒｙ４の配置は必ずしも図３５に示す例に限定されるものではない。
【０３５６】
図１４を参照すればわかるように、重錘体にＹ軸方向の力Ｆｙが作用した場合は、板状橋梁部の上面全域にわたって、ほぼ均等な応力が発生する。したがって、ピエゾ抵抗素子Ｒｙ１〜Ｒｙ４は、必ずしも先端部近傍や根端部近傍に配置する必要はなく、板状橋梁部１１の任意の位置に配置しても、検出感度に大きな差は生じない。要するに、ピエゾ抵抗素子Ｒｙ１およびＲｙ２は、そのＸＹ平面への投影像がＸ軸に平行な方向に伸びるように配置し、ピエゾ抵抗素子Ｒｙ３およびＲｙ４は、そのＸＹ平面への投影像が、Ｙ軸に平行な方向に伸びるように配置すれば、配置の場所は、特に限定されない（但し、各検出値に他軸成分の干渉が生じないようにするためには、若干の配慮が必要である）。
【０３５７】
図４１は、図３９に示す実施例におけるピエゾ抵抗素子Ｒｙ１〜Ｒｙ４の配置を若干変更した例を示す上面図である。この例では、ピエゾ抵抗素子Ｒｙ１〜Ｒｙ４は、板状橋梁部１１の長手方向に関する中央付近に配置されている。一方、板状橋梁部１１の先端部近傍や根端部近傍には、ピエゾ抵抗素子Ｒｘ１〜Ｒｘ４およびＲｚ１〜Ｒｚ４が配置されている。
【０３５８】
図１３および図１５に示す応力分布図を参照すれば、ピエゾ抵抗素子Ｒｘ１〜Ｒｘ４，Ｒｚ１〜Ｒｚ４については、応力が集中する先端部近傍や根端部近傍に配置するのが好ましいことがわかる。これに対して、図１４の応力分布図を参照すれば、ピエゾ抵抗素子Ｒｙ１〜Ｒｙ４については、先端部近傍や根端部近傍でなく、中央付近に配置しても、十分な検出感度が得られることがわかる。しかも、図１３および図１５に示す応力分布図の中央付近は、ほとんど応力が発生しない空白地帯になっているため、ピエゾ抵抗素子Ｒｙ１〜Ｒｙ４をこの中央付近に配置すれば、αｘやαｙといった他軸成分が、検出値αｙとして誤検出されるおそれもない。
【０３５９】
図４１に示す実施例は、抵抗素子Ｒｘ１〜Ｒｘ４およびＲｚ１〜Ｒｚ４で混雑している先端部近傍および根端部近傍を避け、空きスペースの多い中央付近にピエゾ抵抗素子Ｒｙ１〜Ｒｙ４を配置することにより、１２組の抵抗素子を分散配置させた好ましい例と言える。このような分散配置を採れば、各ピエゾ抵抗素子の幅をより大きく設定することができるようになり、より高感度の検出が可能になる。
【０３６０】
なお、板状橋梁部１１をシリコン基板によって構成し、各ピエゾ抵抗素子を、このシリコン基板の表層の一部に注入した不純物領域によって構成する場合、各ピエゾ抵抗素子の電気抵抗値の増減の程度は、結晶方位に大きく依存することになる。特に、Ｘ軸方向に平行な方向に伸びる抵抗素子Ｒｙ１，Ｒｙ２は、その長手方向であるＸ軸ではなく、長手方向に直交するＹ軸方向に加わる伸縮応力に応じて電気抵抗値が増減する性質を呈する必要がある。この性質は、理論的には、結晶構造を有する抵抗物質についてのピエゾ抵抗効果によって説明することができるが、電気抵抗値の増減の程度は、結晶方位に大きく依存する。
【０３６１】
この§６で述べる形態を実施する上では、図３３に示す主センサ検出層２００を、面方位（１００）に相当する面を上面および下面とするシリコン基板によって構成し、Ｙ軸方向が、当該シリコン基板の結晶軸＜１００＞の方向に一致するような設定を行うと、抵抗素子Ｒｙ１，Ｒｙ２をはじめとする各ピエゾ抵抗素子の電気抵抗値の増減の程度が最も大きくなることが確認できた。図３２に示す一体構造型の主センサ構造体１０をシリコン基板によって構成した場合も同様である。したがって、実用上は、上記結晶方位に応じた設定を行うのが好ましい。
【０３６２】
以上、図３２もしくは図３３に示す主センサ構造体１０を利用して、検出素子としてピエゾ抵抗素子を用いた実施形態を述べたが、もちろん、§４で述べた様々な変形例に係る主センサ構造体を利用して、ピエゾ抵抗素子を用いた実施形態を実施することも可能である。
【０３６３】
たとえば、§４−１，§４−２において変形例Ａ，Ｂとして述べた図２４や図２５に示す主センサ構造体ＭＳＳａ，ＭＳＳｂを利用して、ピエゾ抵抗素子を用いた実施形態を実施する場合、圧電素子を構成するための主センサ第１層１００の構成要素（図に１００番台の符号で示されている構成要素）は不要になり、主センサ第２層２００（図に２００番台の符号で示されている構成要素）をシリコン基板によって構成し、板状橋梁部２１０ａ，２１０ｂの上面の所定箇所に不純物を注入してピエゾ抵抗素子を形成すればよい。
【０３６４】
この場合、主センサ第２層２００（図に２００番台の符号で示されている構成要素）が主センサ検出層になり、主センサ第３層３００（図に３００番台の符号で示されている構成要素）が主センサ重錘層になる。そして、主センサ重錘層３００のＸ軸正方向の端部が重錘体支持部（２２０ａ，２３０ａ，２４０ａもしくは２２０ｂ，２３０ｂ，２４０ｂ）のＸ軸正方向の端部よりもＸ軸正方向に突き出しており、主センサ重錘層３００のＸ軸負方向の端部が重錘体支持部のＸ軸負方向の端部よりもＸ軸負方向に突き出しており、主センサ重錘層３００のＹ軸正方向の端部が重錘体支持部のＹ軸正方向の端部よりもＹ軸正方向に突き出しており、主センサ重錘層３００のＹ軸負方向の端部が重錘体支持部のＹ軸負方向の端部よりもＹ軸負方向に突き出している構造が実現され、板状橋梁部２１０ａ，２１０ｂを破損から保護する効果が得られる。
【０３６５】
図４２は、§３において図１７を参照して説明した加速度センサＡＳにおける主センサ構造体ＭＳＳを、主センサ構造体８００に置き換えることにより構成される変形例Ｅに係る加速度センサＡＳｅを示す上面図である（検出回路は図示省略）。ここで、主センサ構造体８００は、これまで述べてきたように、検出素子としてピエゾ抵抗素子を用いた構造体であり、図示のとおり、板状橋梁部８１０，中央重錘部８２０，左翼重錘部８３０，右翼重錘部８４０を有している。この主センサ構造体８００は、図３２もしくは図３３に示す主センサ構造体１０に対応するものであり、図４２に示す各構成要素８１０，８２０，８３０，８４０は、それぞれ図３２もしくは図３３に示す各構成要素１１，１２，１３，１４に対応する。
【０３６６】
主センサ構造体８００は、台座４００ｅの内部に収容されている。板状橋梁部８１０の根端部は、原点Ｏの位置において台座４００ｅによって支持固定されており、板状橋梁部８１０の先端部には、中央重錘部８２０が接合されている。また、中央重錘部８２０の左側には左翼重錘部８３０が接合され、中央重錘部８２０の右側には右翼重錘部８４０が接合されている。中央重錘部８２０，左翼重錘部８３０，右翼重錘部８４０は、重錘体として機能する。
【０３６７】
図４２には、便宜上、板状橋梁部８１０の上面に４組のピエゾ抵抗素子Ｒ１〜Ｒ４が配置されている状態が示されているが、実際には、加速度センサＡＳｅの検出機能に応じて、必要な数のピエゾ抵抗素子が必要な位置に配置される。たとえば、Ｘ軸方向成分αｘを検出する１軸型センサの場合は、図３４に示す抵抗素子Ｒｘ１〜Ｒｘ４が配置され、Ｙ軸方向成分αｙを検出する１軸型センサの場合は、図３５に示す抵抗素子Ｒｙ１〜Ｒｙ４が配置され、Ｚ軸方向成分αｚを検出する１軸型センサの場合は、図３６に示す抵抗素子Ｒｚ１〜Ｒｚ４が配置される。また、すべての成分を検出する３軸型センサの場合は、図３９もしくは図４１に示す１２組の抵抗素子が配置される。
【０３６８】
この図４２に示す変形例Ｅの場合も、台座４００ｅは、ＸＹ平面に沿って主センサ構造体８００を取り囲む環状構造体をなし、加速度センサＡＳｅに対して所定の大きさを超える加速度の水平方向成分が作用した場合に、重錘体（８２０，８３０，８４０）が環状構造体４００ｅの内面に接触し、それ以上の変位が制限される。このため、板状橋梁部８１０を破損から保護する効果が得られる。
【０３６９】
より具体的には、台座４００ｅは、第１壁部４１０ｅ、第２壁部４２０ｅ、第３壁部４３０ｅ、第４壁部４４０ｅなる４組の壁部を有する矩形状の方環状構造体をなしている。ここで、第１壁部４１０ｅは、主センサ構造体８００に対してＸ軸負方向側に隣接配置され、ＹＺ平面に平行な平面に沿った壁面を構成し、第２壁部４２０ｅは、主センサ構造体８００に対してＸ軸正方向側に隣接配置され、ＹＺ平面に平行な平面に沿った壁面を構成し、第３壁部４３０ｅは、主センサ構造体８００に対してＹ軸正方向側に隣接配置され、ＸＺ平面に平行な平面に沿った壁面を構成し、第４壁部４４０ｅは、主センサ構造体８００に対してＹ軸負方向側に隣接配置され、ＸＺ平面に平行な平面に沿った壁面を構成している。そして、板状橋梁部８１０の根端部は、第４壁部４４０ｅの内面に支持固定されている。
【０３７０】
§３では、図１７に示す加速度センサＡＳを、図１８に示すような３層構造体によって構成する例を述べた。図４２に示す変形例Ｅに係る加速度センサＡＳｅも、このような３層構造体を利用して構成すると、量産に適した製造プロセスを適用することができる。
【０３７１】
図４３は、図４２に示す加速度センサＡＳｅを切断線４３−４３に沿って切断した断面を示す正断面図である。図示のとおり、主センサ構造体８００は、上から順に、構造体第１層８０１，構造体第２層８０２，構造体第３層８０３を積層した３層構造体からなる。一方、台座４００ｅも、上から順に、台座第１層４０１ｅ，台座第２層４０２ｅ，台座第３層４０３ｅを積層した３層構造体からなる。
【０３７２】
ここで、構造体第１層８０１と台座第１層４０１ｅとは、Ｚ軸に関して全く同じ位置に配置され、構造体第２層８０２と台座第２層４０２ｅとは、やはりＺ軸に関して全く同じ位置に配置されている。これに対して、構造体第３層８０３と台座第３層４０３ｅとを比較すると、上面はＺ軸に関して全く同じ位置に配置されているが、下面は、構造体第３層８０３の方が台座第３層４０３ｅよりも若干上方に位置している。これは、重錘体（中央重錘部８２０，左翼重錘部８３０，右翼重錘部８４０）を台座４００ｅの底面より浮かして宙吊り状態にするためである。
【０３７３】
図示のとおり、左翼重錘部８３０の外側面と第１壁部４１０ｅの内面との間には所定寸法の空隙が確保されており、右翼重錘部８４０の外側面と第２壁部４２０ｅの内面との間にも所定寸法の空隙が確保されている。したがって、重錘体は、Ｘ軸方向に関して、これら空隙の寸法の範囲内でのみ変位可能となる。Ｙ軸方向に関しても同様である。
【０３７４】
図４３に示す例の場合、構造体第１層８０１および構造体第２層８０２の２層構造体によって、図３３に示す主センサ検出層２００が構成され、構造体第３層８０３によって主センサ重錘層３００が構成されている。このため、たとえば、板状橋梁部８１０は、２層構造体によって構成されている。そして、台座第１層４０１ｅは板状橋梁部８１０の根端部において構造体第１層８０１に連なっており、台座第２層４０２ｅは板状橋梁部８１０の根端部において構造体第２層８０２に連なっている。
【０３７５】
このように、図示の例の場合、重錘体（中央重錘部８２０，左翼重錘部８３０，右翼重錘部８４０）は３層構造体によって構成されているが、加速度検出の原理上、重錘体は加速度に起因して生じた外力を板状橋梁部８１０の先端部に伝達させる役割を果たせばよいので、センサの動作上は、重錘体を３層構造体にする必要はない。同様に、板状橋梁部８１０は、上記外力を受けて撓みを生じる構造であればよいので、センサの動作上は、２層構造体にする必要はない。台座４００ｅについても、同様であり、センサの動作上は、敢えて３層構造体にする必要はない。
【０３７６】
それにもかかわらず、加速度センサＡＳｅの物理的構造部を、図４３に示すような３層構造体にしているのは、専ら、製造プロセス上の理由によるものである。図において、構造体第１層８０１および台座第１層４０１ｅは、いずれも第１の材料からなり、同一の厚みを有する層であり、構造体第２層８０２および台座第２層４０２ｅは、いずれも第２の材料からなり、同一の厚みを有する層である。また、構造体第３層８０３および台座第３層４０３ｅは、いずれも第３の材料からなる。
【０３７７】
ここで、第１の材料のエッチング特性は、第２の材料のエッチング特性と異なり、第３の材料のエッチング特性は、第２の材料のエッチング特性と異なっている。なお、第１の材料と第３の材料とは同一の材料であってもかまわない。要するに、上方から第１の材料層をエッチングする際に、第２の材料層がエッチストッパとして機能し、下方から第３の材料層をエッチングする際に、第２の材料層がエッチストッパとして機能すればよい。そうすれば、図４３に示す物理的構造体を、エッチングプロセスによって容易に形成することが可能になるので、製造工程を単純化して量産化を図ることができ、製造コストを低減させることができる。
【０３７８】
図４４は、図４３に示す加速度センサＡＳｅを製造するための加工プロセスの一例を示す正断面図である。この加工プロセスでは、図４３に示す加速度センサＡＳｅの主センサ構造体８００および台座４００ｅを構成する材料として、図４４(a) に示す積層材料ブロック２０００が用いられる。この積層材料ブロック２０００は、上から順に、材料第１層２００１、材料第２層２００２、材料第３層２００３を積層した３層からなる積層構造体である。図の破線は、台座４００ｅ、板状橋梁部８１０、そして重錘体８２０，８３０，８４０となるべき部分を示している。
【０３７９】
前述したとおり、板状橋梁部８１０は、ピエゾ抵抗素子を形成する都合上、シリコン基板によって構成するのが好ましい。そこで、積層材料ブロック２０００としては、ＳＯＩ（Silicon On Insulator）基板を用いるのが最適である。たとえば、材料第１層２００１としてｎ型シリコン層（活性層）、材料第２層２００２として酸化シリコン膜（絶縁層）、材料第３層２００３としてｎ型シリコン層（ベース層）が形成された３層構造を有するＳＯＩ基板を積層材料ブロック２０００として用意すれば、次のような製造プロセスにより、図４３に示す加速度センサＡＳｅの物理的構造部を製造することができる。
【０３８０】
まず、図４４(b) に示すように、用意したＳＯＩ基板の材料第１層２００１（ｎ型シリコン層）の上面の所定領域（板状橋梁部８１０となる部分のピエゾ抵抗素子を配置すべき領域）に、ｐ型不純物を注入することにより、ピエゾ抵抗素子を形成する。また、このピエゾ抵抗素子に対して必要な配線層を形成する。図の断面には、ピエゾ抵抗素子Ｒ１，Ｒ２が形成された状態が示されている。
【０３８１】
続いて、図４４(c) に示すように、材料第１層２００１および材料第２層２００２の加工対象領域Ｑ１〜Ｑ４の部分を除去する加工を行う。当該加工は、上方からの２段階のエッチングにより行うことができる。第１段階は、材料第１層２００１（ｎ型シリコン層）を除去するエッチングであり、材料第２層２００２（酸化シリコン膜）がエッチストッパとして機能する。続く第２段階は、材料第２層２００２（酸化シリコン膜）を除去するエッチングであり、材料第３層２００３（ｎ型シリコン層）がエッチストッパとして機能する。このように、各材料層のエッチング特性の違いを利用することにより、エッチングの深さを正確に制御することができる。
【０３８２】
次に、図４４(d) に示すように、、材料第３層２００３の下面側の加工対象領域Ｑ５（重錘体８２０〜８４０の下方空間を構成する領域）の部分を除去する加工を行う。当該加工は、下方から所定の深さ（たとえば、１０μｍ程度）だけエッチングする加工により行うことができる。深さ１０μｍ程度のエッチングであれば、一般的なフォトリソグラフィの方法を利用可能である。
【０３８３】
そして最後に、図４４(d) に示す構造体の下面側から、所定領域に対して、材料第３層２００３を貫通するディープエッチングを行えば、図４３の正断面図に示すような最終構造体が得られる。すなわち、材料第３層２００３のうち、図４４(d) に示す加工対象領域Ｑ１，Ｑ２，Ｑ３，Ｑ４の部分は、エッチングにより完全に除去され、上下に貫通する溝が形成される。一方、材料第３層２００３のうち、板状橋梁部８１０の下方部分は、材料第２層２００２（酸化シリコン膜）がエッチストッパとして機能するため、板状橋梁部８１０の部分は除去されずに残ることになる。ここでも、各材料層のエッチング特性の違いを利用することにより、エッチングの深さを正確に制御することができる。
【０３８４】
このように、図４３に示す加速度センサＡＳｅの構造体を製造する際に、図４４(a) に示すようなＳＯＩ基板からなる積層材料ブロック２０００を利用すれば、シリコンからなる材料第１層２００１に不純物を注入することによりピエゾ抵抗素子を形成することができ、更に、上方からのエッチングや下方からのエッチングを行う際に、エッチング特性が異なる特定の材料層をエッチストッパとして利用することができるため、量産に適した効率的な製造プロセスが可能になる。
【０３８５】
なお、図４４では、図４３に示すピエゾ抵抗素子を用いた加速度センサＡＳｅの構造体を製造するための加工プロセスを例示したが、図１８に示す圧電素子を用いた加速度センサＡＳの構造体を製造するための加工プロセスも、これに準じた方法で実施することができる。具体的には、図２１に示す積層材料ブロック１０００における材料第２層１００２および材料第３層１００３からなる２層構造体を、図４４に示す３層構造を有するＳＯＩ基板２０００によって構成すればよい。
【０３８６】
この場合、図４４に示すＳＯＩ基板２０００の材料第１層２００１および材料第２層２００２の２層部分が、図２１に示す積層材料ブロック１０００の材料第２層１００２としての役割を果たし、図４４に示すＳＯＩ基板２０００の材料第３層２００３の部分が、図２１に示す積層材料ブロック１０００の材料第３層１００３としての役割を果たすことになり、エッチング特性が異なる特定の材料層をエッチングストッパとして利用することができる。もちろん、圧電素子を用いた加速度センサＡＳでは、図２１に示すとおり、圧電素子を構成するための材料第１層１００１（上下の電極層と圧電材料層）を更に付加する必要があるが、ＳＯＩ基板を用いれば、材料第２層１００２の上層部分がシリコン層になるため、その上面に圧電素子を形成するための最適な環境が得られることになる。
【０３８７】
もちろん、本発明に用いる主センサ構造体は、単一のシリコン基板に対して加工を施すことにより製造することもできるが、上述したように、図４４に示す３層構造をもったＳＯＩ基板を利用した製造方法を採用すれば、製造工程を単純化して量産化を図ることができ、製造コストを低減することができるようになる。ＳＯＩ基板の各層の厚みについては、特に制約はないが、ここに示す実施例の場合、材料第１層２００１の厚みが５〜３０μｍ、材料第２層２００２の厚みが１μｍ、材料第３層２００３の厚みが３００μｍのＳＯＩ基板を用いている。また、材料第１層２００１の上面に対して、深さ０．５μｍ程度までｐ型不純物を注入することによって、ピエゾ抵抗素子を構成している。
【０３８８】
ここで、材料第１層２００１の厚みは、板状橋梁部８１０の厚みを定めるものであり、センサの感度を左右する重要なパラメータになる。材料第１層２００１の厚みを５μｍに設定すると高感度センサが実現でき、３０μｍに設定すると低感度センサが実現できる。一方、材料第３層２００３の厚みは、重錘体の厚みを定めるものであり、やはり、センサの感度を左右する重要なパラメータになる。重錘体を厚くすれば、それだけ質量が増加するため、センサの感度は高くなる。
【０３８９】
また、図４２に示す重錘体の長さＵ（Ｙ軸方向の寸法）もセンサ感度を左右するパラメータになる。長さＵを長くするほど、重錘体の質量が増加するため、センサの感度は高くなる。ただ、本願発明者が行った実験によると、重錘体の長さＵとセンサ感度との関係には、座標軸に依存した相違があることが確認できた。
【０３９０】
図４５は、図４２に示す加速度センサＡＳｅにおける重錘体の長さＵと各座標軸についての主軸方向感度（加速度の各座標軸方向成分の検出感度）との関係を示すグラフである。図示のとおり、Ｙ軸の検出感度については、重錘体長Ｕと主軸方向感度との間に線形関係がみられ、長さＵに比例して、主軸方向感度も直線的に増加してゆく。ところが、Ｘ軸およびＺ軸の検出感度については、重錘体長Ｕと主軸方向感度との間に二次曲線に近い関係がみられ、長さＵの２乗にほぼ比例して、主軸方向感度が増加してゆく。
【０３９１】
この図４５のグラフに示す実験結果は、検出素子としてピエゾ抵抗素子を用いた加速度センサに限らず、圧電素子を用いた加速度センサにおいても確認できた。加速度の各座標軸方向成分αｘ，αｙ，αｚを検出することができる３軸型の加速度センサの場合、各座標軸についての検出感度ができるだけ等しくなるような設計を行うのが好ましい。図４５に示す実験結果を踏まえれば、重錘体の厚みや長さＵを調整することにより、３軸の検出感度を任意に調整できることがわかる。したがって、実際に加速度センサを試作する際には、重錘体の厚みや長さＵのバリエーションをいろいろと試し、３軸の検出感度をできるだけ均一にする設計を行うようにするのが好ましい。
【０３９２】
なお、図４３に示す例では、構造体第１層８０１および構造体第２層８０２の２層構造体を、図３３に示す主センサ検出層２００として取り扱い、構造体第３層８０３を主センサ重錘層３００として取り扱っているため、板状橋梁部８１０が、２層構造体によって構成されているが、構造体第２層８０２を、主センサ重錘層３００の一部として取り扱ってもよい。この場合、構造体第１層８０１によって主センサ検出層２００が構成され、構造体第２層８０２および構造体第３層８０３によって主センサ重錘層３００が構成されることになる。したがって、板状橋梁部８１０は、構造体第１層８０１によってのみ構成される単一層構造体になり、台座第１層４０１ｅは板状橋梁部８１０の根端部において、この構造体第１層８０１に連なることになる。
【０３９３】
もちろん、ピエゾ抵抗素子を用いた実施形態について、§４−３で変形例Ｃとして述べた図２７に示す変則的な構造を有する主センサ構造体を採用することも可能である。
【０３９４】
同様に、ピエゾ抵抗素子を用いた実施形態について、§４−４で変形例Ｄとして述べた図２８〜図３１に示す独立した主センサ部品を用いた主センサ構造体を採用することも可能である。この場合、主センサ検出層の一部として、板状橋梁部の根端部に接続された台座接続部を更に設け、当該台座接続部は、Ｙ軸と交差しＸ軸に平行な所定の配置軸上に配置され、当該配置軸に沿って伸びる構造とし、台座の所定箇所の上面には、台座接続部を嵌合するための嵌合溝を形成し、台座接続部を嵌合溝に嵌合した状態で固定すればよい。
【０３９５】
また、ピエゾ抵抗素子を用いた実施形態に係る加速度センサを、図２２に示すような形態で装置筐体６００に収容して加速度検出装置を構成することも可能である。この場合、当該加速度センサの台座を装置筐体６００に固定し、装置筐体６００に加速度が作用したときに、加速度センサの主センサ重錘層が板状橋梁部の撓みによって装置筐体６００内で変位するようにし、当該変位に応じた検出回路からの出力を装置筐体６００に作用した加速度の検出値とすることになる。§３で述べたとおり、装置筐体６００は、加速度センサに対して所定の大きさを超える加速度成分が作用した場合に、当該変位を制限する役割を果たすことになる。
【０３９６】
同様に、ピエゾ抵抗素子を用いた実施形態に係る加速度センサを、図２３に示すような形態で装置筐体６００に収容して加速度検出装置を構成することも可能である。この場合、当該加速度センサの主センサ重錘層を装置筐体６００に固定し、装置筐体６００に加速度が作用したときに、加速度センサの台座が板状橋梁部の撓みによって装置筐体６００内で変位するようにし、当該変位に応じた検出回路からの出力を装置筐体６００に作用した加速度の検出値とすることになる。この場合も、装置筐体６００は、加速度センサに対して所定の大きさを超える加速度成分が作用した場合に、当該変位を制限する役割を果たすことになる。
【符号の説明】
【０３９７】
１０：主センサ構造体
１１：板状橋梁部
１２：中央重錘部（重錘体）
１３：左翼重錘部（重錘体）
１４：右翼重錘部（重錘体）
４０：台座
１００：主センサ第１層
１０５：圧電材料層
１１０：橋梁部圧電層
１２０：中央圧電層
１３０：左翼圧電層
１４０：右翼圧電層
２００：主センサ第２層／（主センサ検出層）
２１０，２１０ａ，２１０ｂ，２１０ｃ：板状橋梁部
２２０，２２０ａ，２２０ｂ，２２０ｃ：中央板状部（重錘体支持部）
２３０，２３０ａ，２３０ｂ，２３０ｃ：左翼板状部（重錘体支持部）
２４０，２４０ａ，２４０ｂ，２４０ｃ：右翼板状部（重錘体支持部）
３００，３００ｄ：主センサ第３層（重錘体）／（主センサ重錘層）
３１０，３１０ｄ：空洞部
３２０，３２０ａ，３２０ｄ：中央重錘部（重錘体）
３２５ｄ：嵌合溝
３３０，３３０ａ，３３０ｂ，３３０ｄ：左翼重錘部（重錘体）
３４０，３４０ａ，３４０ｂ，３４０ｄ：右翼重錘部（重錘体）
４００，４００ｄ，４００ｅ：台座
４０１，４０１ｅ：台座第１層
４０２，４０２ｅ：台座第２層
４０３，４０３ｅ：台座第３層
４１０，４１０ｄ，４１０ｅ：第１壁部
４２０，４２０ｄ，４２０ｅ：第２壁部
４３０，４３０ｄ，４３０ｅ：第３壁部
４４０，４４０ｄ，４４０ｅ：第４壁部
４４５ｄ：嵌合溝
５００，５００Ｘ，５００Ｙ，５００Ｚ：検出回路
５０１〜５０５：チャージアンプ
５１１〜５１３：アナログ演算器
６００：装置筐体
６１０：土台基板
６２０：上蓋基板
６３０：側壁板
７００ｄ：主センサ部品
７１０ｄ：第１部材
７１１ｄ：橋梁部圧電層
７１２ｄ：板状橋梁部
７２０ｄ：第２部材
７２１ｄ：中央圧電層
７２２ｄ：中央板状部
７３０ｄ：第３部材
７３１ｄ：接続部圧電層
７３２ｄ：台座接続部
８００：主センサ構造体
８０１：構造体第１層
８０２：構造体第２層
８０３：構造体第３層
８１０：板状橋梁部
８２０：中央重錘部（重錘体）
８３０：左翼重錘部（重錘体）
８４０：右翼重錘部（重錘体）
１０００：積層材料ブロック
１００１：材料第１層
１００２：材料第２層
１００３：材料第３層
２０００：積層材料ブロック（ＳＯＩ基板）
２００１：材料第１層
２００２：材料第２層
２００３：材料第３層
ＡＳ，ＡＳ′，ＡＳｄ，ＡＳｅ：加速度センサ
Ｂ：ボンディングパッド
Ｄ１〜Ｄ４：検出素子
ｄ１〜ｄ１０：各部の実寸法
ｄ１１〜ｄ１８：空隙寸法
ｄ１９：各部の実寸法
Ｅ：ブリッジ電圧電源
Ｅ０：下層電極
Ｅ１：先端部左側上層電極
Ｅ２：先端部右側上層電極
Ｅ３：根端部左側上層電極
Ｅ４：根端部右側上層電極
Ｅ５：参照用上層電極
Ｆｘ：Ｘ軸方向の力
Ｆｙ：Ｙ軸方向の力
Ｆｚ：Ｚ軸方向の力
Ｇ，Ｇａ，Ｇｂ：重錘体の重心
Ｈ，Ｈ′：各部分の境界線
ｋ：補正係数
Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３：長手方向軸
Ｌ１′：長手方向軸
ＭＳＳ：主センサ構造体
ＭＳＳａ：主センサ構造体
ＭＳＳｂ：主センサ構造体
ＭＳＳｄ：主センサ構造体
Ｏ：ＸＹＺ三次元座標系の原点（根端部）
Ｐ１：先端部左側圧電素子（局在圧電素子）
Ｐ２：先端部右側圧電素子（局在圧電素子）
Ｐ３：根端部左側圧電素子（局在圧電素子）
Ｐ４：根端部右側圧電素子（局在圧電素子）
Ｐ５：参照用圧電素子（局在圧電素子）
Ｑ１〜Ｑ５：加工対象領域
Ｒ１〜Ｒ４：ピエゾ抵抗素子
Ｒｘ１〜Ｒｘ４：ピエゾ抵抗素子（αｘ検出用）
Ｒｙ１〜Ｒｙ４：ピエゾ抵抗素子（αｙ検出用）
Ｒｚ１〜Ｒｚ４：ピエゾ抵抗素子（αｚ検出用）
Ｔ，Ｔ′：先端点（先端部）
Ｔｘ，Ｔｘ１，Ｔｘ２：出力端子（αｘ検出用）
Ｔｙ，Ｔｙ１，Ｔｙ２：出力端子（αｙ検出用）
Ｔｚ，Ｔｚ１，Ｔｚ２：出力端子（αｚ検出用）
Ｕ：重錘体の長さ
Ｖ１〜Ｖ５：電圧
Ｘ：ＸＹＺ三次元座標系の座標軸
Ｘ′：Ｘ軸に平行な軸
Ｙ：ＸＹＺ三次元座標系の座標軸
Ｚ：ＸＹＺ三次元座標系の座標軸
ＺＬ：電力供給を受ける機器の負荷
θ１〜θ４：板状橋梁部の接続角
αｘ：加速度のＸ軸方向成分
αｙ：加速度のＹ軸方向成分
αｚ：加速度のＺ軸方向成分
【要約】
【課題】温度環境等による影響を受けずに高い検出感度を維持でき、過度の加速度が加わっても損傷を受けにくいセンサを提供する。
【解決手段】第１層１００、第２層２００、第３層３００を積層した主センサ構造体ＭＳＳを用意する。第２層２００は、可撓性を有する板状橋梁部２１０、中央板状部２２０、左翼板状部２３０、右翼板状部２４０を有し、その下面に「コの字」状の第３層３００（重錘体）が接合される。板状橋梁部２１０は周囲の重錘体３００によって保護される。第１層１００は、下層電極Ｅ０の上面に圧電材料層１０５を積層し、その上面に５枚の局在上層電極Ｅ１〜Ｅ５を積層した構造を有する。板状橋梁部２１０の根端部は台座４００に固定される。重錘体３００の変位は板状橋梁部２１０および橋梁部圧電層１１０に効率的に伝達され、下層電極Ｅ０と上層電極Ｅ１〜Ｅ５とに発生した電荷に基づき、検出回路５００が加速度の検出値を出力する。
【選択図】図１【図１】
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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１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３２】
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【図３３】
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【図３４】
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【図３５】
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【図３６】
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【図３７】
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【図３８】
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【図３９】
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【図４０】
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【図４１】
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【図４２】
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【図４３】
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【図４４】
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【図４５】
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