(57)【要約】      （修正有）【課題】基板面に直交して変位する第１可動部分と、基板面に平行に変位する第２可動部分とを備えた構造体を積層構造体で実現し、第１可動部分と第２可動部分を入れ子構造とすることによって製造コストを低下させる。【解決手段】積層構造体１０は、枠状の外側可動部２０と、外側可動部２０の枠内に収容されている内側可動部３０とを備えている。外側可動部２０にｙばね２１が接続されており、ｙばね２１によって外側可動部２０が外側基板８１から離反した高さにおいてｙ軸方向に変位可能に支持されている。内側可動部３０にｚばね３１が接続されており、ｚばね３１によって内側可動部３０が外側基板８１から離反した高さにおいてｚ軸方向に変位可能に支持されている。外側可動部２０とｚばね３１は、基板８１からの高さを異にしており、ｚばね３１が外側可動部２０から離反した高さにおいて外側可動部２０と立体交差している。【選択図】図１
2011203086.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
直交３軸をｘ軸，ｙ軸，ｚ軸とし、基板表面をｘ‐ｙ面としたときに、
ｘ軸方向に伸びている２辺とｙ軸方向に伸びている２辺を備えている外側可動部と、
ｚ軸方向から見たときに前記外側可動部内に収容されている内側可動部を備えており、
前記外側可動部にｙばねが接続されており、そのｙばねによって前記外側可動部が基板から離反した高さにおいてｙ軸方向に変位可能に支持されており、
前記内側可動部にｚばねが接続されており、そのｚばねによって前記内側可動部が基板から離反した高さにおいてｚ軸方向に変位可能に支持されており、
前記外側可動部と前記ｚばねが基板からの高さを異にする異なる層で形成されており、
前記ｚばねが前記外側可動部から離反した高さにおいて前記外側可動部と立体交差していることを特徴とする積層構造体。
【請求項２】
ｚ軸方向から見たときに前記外側可動部外に位置しているｘ中継部が付加されており、
前記ｙばねと前記ｚばねが前記ｘ中継部に接続されており、
前記ｘ中継部と基板の間がｘばねで接続されており、
前記ｘばねによって前記ｘ中継部が基板から離反した高さにおいてｘ軸方向に変位可能に支持されており、
前記ｘばねと前記ｙばねによって前記外側可動部が基板から離反した高さにおいてｘ軸方向とｙ軸方向に変位可能に支持されており、
前記ｘばねと前記ｚばねによって前記内側可動部が基板から離反した高さにおいてｘ軸方向とｚ軸方向に変位可能に支持されていることを特徴とする請求項１に記載の積層構造体。
【請求項３】
前記ｘ中継部をｘ軸方向に往復振動させる振動部と、
ｙ中継部と、
そのｙ中継部のｙ軸方向の変位を検出するｙ変位検出部と、
ｚ中継部と、
そのｚ中継部のｚ軸方向の変位を検出するｚ変位検出部とが付加されており、
前記ｚ中継部は、前記内側可動部に第２のｘばねを介して接続されているとともに、基板に第２のｚばねを介して接続されており、基板から離反した高さにおいてｚ軸方向に変位可能に支持されており、
前記ｙ中継部は、前記外側可動部に第３のｘばねを介して接続されているとともに、基板に第２のｙばねを介して接続されており、基板から離反した高さにおいてｙ軸方向に変位可能に支持されており、
ｙ軸周りとｚ軸周りの角速度を検出することを特徴とする請求項２に記載の積層構造体。
【請求項４】
前記ｘ中継部のｘ軸方向の変位を検出するｘ変位検出部と、
ｙ中継部と、
そのｙ中継部のｙ軸方向の変位を検出するｙ変位検出部と、
ｚ中継部と、
そのｚ中継部のｚ軸方向の変位を検出するｚ変位検出部が付加されており、
前記ｚ中継部は、前記内側可動部に第２のｘばねを介して接続されているとともに、基板に第２のｚばねを介して接続されており、基板から離反した高さにおいてｚ軸方向に変位可能に支持されており、
前記ｙ中継部は、前記外側可動部に第３のｘばねを介して接続されているとともに、基板に第２のｙばねを介して接続されており、基板から離反した高さにおいてｙ軸方向に変位可能に支持されており、
ｘ軸方向とｙ軸方向とｚ軸方向の加速度を検出することを特徴とする請求項２に記載の積層構造体。
【請求項５】
直交３軸をｘ軸，ｙ軸，ｚ軸とし、基板表面をｘ‐ｙ面としたときに、
ｘ軸方向に伸びている２辺とｙ軸方向に伸びている２辺を備えている外側可動部と、
ｚ軸方向から見たときに前記外側可動部内に収容されている内側可動部を備えており、
前記外側可動部と基板の間にｙばねが介在しており、そのｙばねによって前記外側可動部が基板から離反した高さにおいてｙ軸方向に変位可能に支持されており、
前記内側可動部と前記外側可動部の間がｙ-ｚばねで接続されており、前記内側可動部と基板の間にｚばねが介在しており、前記ｙ-ｚばねと前記ｚばねによって前記内側可動部が基板から離反した高さにおいてｚ軸方向に変位可能に支持されていることを特徴とする積層構造体。
【請求項６】
ｚ軸方向から見たときに前記外側可動部外に位置しているｘ中継部が付加されており、
前記ｙばねが前記ｘ中継部に接続されており、
前記ｘ中継部と基板の間がｘばねで接続されており、
前記ｘばねによって前記ｘ中継部が基板から離反した高さにおいてｘ軸方向に変位可能に支持されており、
前記ｘばねと前記ｙばねによって前記外側可動部が基板から離反した高さにおいてｘ軸方向とｙ軸方向に変位可能に支持されており、
前記内側可動部と前記基板の間に第２のｘばねが付加されており、
その第２のｘばねと前記ｚばねによって前記内側可動部が基板から離反した高さにおいてｘ軸方向とｚ軸方向に変位可能に支持されていることを特徴とする請求項５に記載の積層構造体。
【請求項７】
前記ｘ中継部をｘ軸方向に往復振動させる振動部と、
ｙ中継部と、
そのｙ中継部のｙ軸方向の変位を検出するｙ変位検出部と、
ｚ中継部と、
そのｚ中継部のｚ軸方向の変位を検出するｚ変位検出部が付加されており、
前記ｚ中継部は、前記ｚばねと前記第２のｘばねの間に挿入されているとともに、基板から離反した高さにおいてｚ軸方向に変位可能に支持されており、
前記ｙ中継部は、前記外側可動部に第３のｘばねを介して接続されているとともに、基板に第２のｙばねを介して接続されており、基板から離反した高さにおいてｙ軸方向に変位可能に支持されており、
ｙ軸周りとｚ軸周りの角速度を検出することを特徴とする請求項６に記載の積層構造体。
【請求項８】
前記ｘ中継部のｘ軸方向の変位を検出するｘ変位検出部と、
ｙ中継部と、
そのｙ中継部のｙ軸方向の変位を検出するｙ変位検出部と、
ｚ中継部と、
そのｚ中継部のｚ軸方向の変位を検出するｚ変位検出部が付加されており、
前記ｚ中継部は、前記ｚばねと前記第２のｘばねの間に挿入されているとともに、基板から離反した高さにおいてｚ軸方向に変位可能に支持されており、
前記ｙ中継部は、前記外側可動部に第３のｘばねを介して接続されているとともに、基板に第２のｙばねを介して接続されており、基板から離反した高さにおいてｙ軸方向に変位可能に支持されており、
ｘ軸方向とｙ軸方向とｚ軸方向の加速度を検出することを特徴とする請求項６に記載の積層構造体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、可動部分を備えている積層構造体に関する。特に、基板面に直交する方向に可動な第１可動部分と、基板面に平行な方向に可動な第２可動部分を備えている積層構造体に関する。ここでいう積層構造体とは、構成部分の各々が基板面と平行に伸びており、上下で接している範囲で構成部分同士が一体化されているものをいう。例えば、ＳＯＩ基板（Silicon On Insulator）といった積層基板の各層ごとに所定のパターンでエッチングすることによって製造されるものをいう。
【背景技術】
【０００２】
角速度検出センサの一つの方式に、第１軸方向に振動している可動体が第２軸の周りに回転すると第３軸方向にコリオリ力が作用する現象を利用し、第３軸方向の変位量から第２軸の周りの角速度を計測する方式が知られている。ここで、第１軸から第３軸は直交３軸を意味している。この方式の角速度センサで、２つの軸の周りの角速度を検出するセンサ（以下では２軸角速度センサという）を実現しようとすると、少なくとも、基板面に直交する方向に可動な第１可動部分と、基板面に平行な方向に可動な第２可動部分が必要とされる。
【０００３】
第１軸に沿った加速度と、第２軸に沿った加速度と、第３軸に沿った加速度を検出するセンサ（以下では３軸加速度センサという）を実現する場合にも、少なくとも、基板面に直交する方向に可動な第１可動部分と、基板面に平行な方向に可動な第２可動部分が必要とされる。
【０００４】
第１可動部分を基板面に直交する方向に変位可能に支持する構造と、第２可動部分を基板面に平行な方向に変位可能に支持する構造を、積層構造で実現したいとする要望も存在する。半導体製造技術の発展に伴って、積層基板に対する各種の加工技術が実用化されており、第１可動部分と第２可動部分を併せ持つ構造体を積層構造で実現できれば、センササイズ等を微小化することが可能となる。また、１枚の基板から複数個の構造体を同時に製造することが可能となる。
【０００５】
特許文献１に、複数個の可動部分を備えた構造を積層構造で実現する技術が記載されている。この積層構造体は、基板と、外側支承台と、駆動素子と、コリオリ素子と、検出素子と、内側支承台を備えている。駆動素子とコリオリ素子と検出素子は、いずれも矩形の枠状であり、基板表面と平行に伸びている。駆動素子の内側にコリオリ素子が収容されており、コリオリ素子の内側に検出素子が収容されており、平面視すると３重の枠となっている。外側支承台は、その３重枠の中心の周りに対称な４箇所において基板に固定されており、基板表面から突出している。外側支承台の頂部近傍と駆動素子の間は、ｘ軸方向で柔らかくてｙ軸，ｚ軸方向で硬いばねで接続されており、駆動素子とコリオリ素子の間は、ｙ軸方向で柔らかくてｘ軸，ｚ軸方向で硬いばねで接続されており、コリオリ素子と検出素子の間は、ｘ軸方向で柔らかくてｙ軸，ｚ軸方向で硬いばねで接続されており、検出素子と内側支承台の間はｙ軸方向で柔らかくてｘ軸，ｚ軸方向で硬いばねで接続されている。この構造によると、駆動素子はｘ軸方向に可動であり、コリオリ素子はｘ軸とｙ軸方向に可動であり、検出素子はｙ軸方向に可動である。ｚ軸の周りに角速度が働くと、駆動素子に追従してｘ軸方向に振動しているコリオリ素子が、コリオリ力によってｙ軸方向に変位するため、検出素子がｙ軸方向に変位する。検出素子のｙ軸方向の変位量からｚ軸の周りの角速度を検出することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特表２００４−５１８９６９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上記したように、２以上の可動部分を備えた構造体を積層構造で実現するところまでは可能となっている。しかしながら従来の技術では、２以上の可動部分の全部が基板表面に平行な面内で可動な構造に限定されており、基板面に直交する方向に可動な部分を備えた構造体を積層構造で実現することはできない。従来の技術では、基板面に直交する方向に可動な部分と基板面に平行な方向に可動な部分を必要とする２軸角速度センサや３軸加速度センサを実現することができない。
【０００８】
基板面に直交する方向に可動な部分さえあればよいというのであれば、それを積層構造で実現することができる。あるいは、基板面に平行な面内で可動な部分さえあればよいというのであれば、それを積層構造で実現することができる。しかしながらそれでは、基板面に直交する方向に可動な部分と基板面に平行な面内で可動な部分の両者を必要とする２軸角速度センサや３軸加速度センサを実現することができない。
【０００９】
基板上に、基板面に直交する方向に可動な部分を備えている構造と、基板面に平行な面内で可動な部分を備えている構造を別個に実現することもできよう。それであれば、従来の技術で実現することができる。
しかしながら、それでは前記した２軸角速度センサや３軸加速度センサ等を小型化することができない。その結果、１枚の基板から製造可能な可動構造体の個数が減少してしまい、可動構造体１個あたりの製造コストが高価となってしまう。
【００１０】
本発明は上記の事情から創作されたものであり、
（１）基板上に、基板面に直交する方向に可動な第１可動部分と、基板面に平行な方向に可動な第２可動部分とを備えている構造体を実現する；
（２）それを積層構造体で実現することによって小型化と量産化を可能とし；
（３）第１可動部分と第２可動部分を入れ子構造とすることによって、１枚の基板から製造可能な個数を増やし、構造体１個あたりの製造コストを低下させることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
直交３軸をｘ軸，ｙ軸，ｚ軸とし、基板表面をｘ‐ｙ面としたときに、本発明の第１の態様の積層構造体は、ｘ軸方向に伸びている２辺とｙ軸方向に伸びている２辺を備えている外側可動部と、ｚ軸方向から見たときに外側可動部内に収容されている内側可動部を備えている。外側可動部にｙばねが接続されており、そのｙばねによって外側可動部が基板から離反した高さにおいてｙ軸方向に変位可能に支持されている。内側可動部にｚばねが接続されており、そのｚばねによって内側可動部が基板から離反した高さにおいてｚ軸方向に変位可能に支持されている。外側可動部とｚばねは、基板からの高さを異にする異なる層で形成されており、ｚばねは、外側可動部から離反した高さにおいて外側可動部と立体交差している。
【００１２】
上記において、ｙばねとは、ｙ軸方向のばね定数がｘ軸方向のばね定数とｚ軸方向のばね定数よりも小さい異方性ばねをいう。ｙばねのｙ軸方向のばね定数は、ｘ軸方向のばね定数とｚ軸方向のばね定数の１／３以下の関係にあることが好ましい。すなわち、ｙばねとは、ｙ軸方向に変形しやすくてｘ軸方向とｚ軸方向に変形しづらいばねをいう。
同様に、ｚばねとは、ｚ軸方向のばね定数がｘ軸方向のばね定数とｙ軸方向のばね定数よりも小さい異方性ばねをいう。ｚばねのｚ軸方向のばね定数は、ｘ軸方向のばね定数とｙ軸方向のばね定数の１／３以下の関係にあることが好ましい。すなわち、ｚばねとは、ｚ軸方向に変形しやすくてｘ軸方向とｙ軸方向に変形しづらいばねをいう。
後記するｘばねとは、ｘ軸方向のばね定数がｙ軸方向のばね定数とｚ軸方向のばね定数よりも小さい異方性ばねをいう。ｘばねのｘ軸方向のばね定数は、ｙ軸方向のばね定数とｚ軸方向のばね定数の１／３以下の関係にあることが好ましい。すなわち、ｘばねとは、ｘ軸方向に変形しやすくてｙ軸方向とｚ軸方向に変形しづらいばねをいう。
【００１３】
上記構造では、外側可動部とｚばねが、基板からの高さを異にする異なる層で形成されており、ｚばねが、外側可動部から離反した高さにおいて外側可動部と立体交差していることを特徴としている。この構造によって、本発明の前記した目的：すなわち、
（１）基板上に、基板面に直交する方向に可動な第１可動部分（ｚ軸方向に変位する内側可動部によって実現される）と、基板面に平行な方向に可動な第２可動部分（ｙ軸方向に変位する外側可動部によって実現される）とを備えている構造体を実現し；
（２）それを積層構造体で実現することによって小型化と量産化を可能とし；
（３）ｚ軸方向から見たときに外側可動部内に内側可動部を収容しているため、第１可動部分（内側可動部）と第２可動部分（外側可動部）が入れ子構造を構成し、１枚の基板から製造可能な個数を増やし、１個あたりの製造コストを低下させることが可能となる。
なお、ここでいう入れ子構造とは、基板を平面視したときに第２可動部分の内側に第１可動部分が収容されていることを意味している。第２可動部分と第１可動部分が相似形状であってもよいし、異なる形状であってもよい。また、ｚ軸方向から平面視した状態で入れ子構造であればよく、第２可動部分と第１可動部分がｚ軸方向では異なる高さにあってもよい。
【００１４】
上記構造は、ｚ軸方向に変位する内側可動部と、ｙ軸方向に変位する外側可動部を備えていることから、直ちに２軸加速度センサを実現することができる。また上記の基本構造は、種々のセンサあるいはアクチュエータを実現する基本構造となり、この基本構造を共通に用いて、例えば、１軸角速度センサ、２軸角速度センサ、２軸加速度センサ、３軸加速度センサ、ｙ-ｚ軸面内で位置決めするアクチュエータ等の各種装置を実現することができる。
【００１５】
例えば、２軸角速度センサあるいは３軸加速度センサを実現する場合には、基本構造にｘ軸方向に変位可能とする構造を付加すればよい。
そのためには、基本構造に、ｚ軸方向から見たときに外側可動部外に位置しているｘ中継部を付加すればよい。ここでいうｘ中継部とは、ばねとばねとを中継する中継物体であり、ｘ軸方向に変位可能な物体をいう。後記するｙ中継部は、ｙ軸方向に変位可能な中継物体をいい、ｚ中継部は、ｚ軸方向に変位可能な中継物体をいう。
【００１６】
ｘ中継部を付加した構造の場合、外側可動部に接続されているｙばねと内側可動部に接続されているｚばねの両者がｘ中継部に接続されており、ｘ中継部と基板の間がｘばねで接続されている構成とする。この構成をとると、ｘばねによってｘ中継部が基板から離反した高さにおいてｘ軸方向に変位可能に支持されており、ｘばねとｙばねによって外側可動部が基板から離反した高さにおいてｘ軸方向とｙ軸方向に変位可能に支持されており、ｘばねとｚばねによって内側可動部が基板から離反した高さにおいてｘ軸方向とｚ軸方向に変位可能に支持されている構造を実現することができる。
【００１７】
上記の構造体によると、ｘ中継部をｘ軸方向に往復振動させることによって外側可動部と内側可動部がｘ軸方向に往復振動し、ｙ軸周りの角速度が働けばコリオリ力によって内側可動部がｚ軸方向に変位し、ｚ軸周りの角速度が働けばコリオリ力によって外側可動部がｙ軸方向に変位する関係を得ることができる。ｙ軸周りの角速度とｚ軸周りの角速度を検出できる２軸の角速度センサを実現することができる。あるいは、ｘ中継部と外側可動部と内側可動部のうちのいずれかのｘ軸方向の変位量と、外側可動部のｙ軸方向の変位量と、内側可動部のｚ軸方向の変位量から、ｘ軸方向とｙ軸方向とｚ軸方向の加速度を検出する３軸の加速度センサを実現することができる。
【００１８】
ｘ中継部をｘ軸方向に往復振動させる振動部と、ｙ中継部と、ｙ中継部のｙ軸方向の変位を検出するｙ変位検出部と、ｚ中継部と、ｚ中継部のｚ軸方向の変位を検出するｚ変位検出部を付加すれば、２軸の角速度センサを実現することができる。上記のｙ変位検出部とは、ｙ軸方向の変位量を検出する部分をいい、ｚ変位検出部とは、ｚ軸方向の変位量を検出する部分をいう。後記するｘ変位検出部とは、ｘ軸方向の変位量を検出する部分をいう。
【００１９】
この場合、ｚ中継部は、内側可動部に第２のｘばね（すなわち、すでに定義されているｘ中継部と基板を接続するｘばねとは相違するｘばねのことをいう。第２のｙばね、第２のｚばね、第３のｘばねといった表現も同じ規則に従う）を介して接続されているとともに、基板に第２のｚばねを介して接続されており、基板から離反した高さにおいてｚ軸方向に変位可能に支持されている構造とする。ｙ中継部は、外側可動部に第３のｘばねを介して接続されているとともに、基板に第２のｙばねを介して接続されており、基板から離反した高さにおいてｙ軸方向に変位可能に支持されている構造とする。
【００２０】
上記の構造体によると、振動部によってｘ中継部をｘ軸方向に往復振動させることができ、それに追随して外側可動部と内側可動部がｘ軸方向に往復振動する関係が得られる。ｙ軸周りの角速度が働けばコリオリ力によって内側可動部がｚ軸方向に変位する。内側可動部はｘ軸方向に往復振動しながらｚ軸方向に変位する。ｚ中継部は、内側可動部のｚ軸方向の変位に追従してｚ軸方向には変位するけれども、ｘ軸方向には変位しない。すなわち、ｚ中継部は、ｚ軸方向のコリオリ力に起因するｚ軸方向の変位のみをする。ｚ変位検出部は、ｚ軸方向にのみ変位するｚ中継部のｚ軸方向の変位量を検出することから、ｚ軸方向のコリオリ力を正確に検出し、ｙ軸周りの角速度を正確に検出する。同様の事象がｚ軸周りの角速度が作用した場合にも得られる。ｚ軸周りの角速度が働けばコリオリ力によって外側可動部がｙ軸方向に変位する。外側可動部はｘ軸方向に往復振動しながらｙ軸方向に変位する。ｙ中継部は、外側可動部のｙ軸方向の変位に追従してｙ軸方向には変位するけれども、ｘ軸方向には変位しない。すなわち、ｙ中継部は、ｙ軸方向のコリオリ力に起因するｙ軸方向の変位のみをする。ｙ変位検出部は、ｙ軸方向にのみ変位するｙ中継部のｙ軸方向の変位量を検出することから、ｙ軸方向のコリオリ力を正確に検出し、ｚ軸周りの角速度を正確に検出する。上記の構造体によって、ｙ軸とｚ軸周りの角速度を検出することができる。
【００２１】
共通の基本構造を利用して３軸の加速度センサを実現することもできる。そのためには、ｘ中継部のｘ軸方向の変位を検出するｘ変位検出部と、ｙ中継部と、ｙ中継部のｙ軸方向の変位を検出するｙ変位検出部と、ｚ中継部と、ｚ中継部のｚ軸方向の変位を検出するｚ変位検出部を付加する。
ｚ中継部は、内側可動部に第２のｘばねを介して接続されているとともに、基板に第２のｚばねを介して接続されており、基板から離反した高さにおいてｚ軸方向に変位可能に支持されている。ｙ中継部は、外側可動部に第３のｘばねを介して接続されているとともに、基板に第２のｙばねを介して接続されており、基板から離反した高さにおいてｙ軸方向に変位可能に支持されている。
この構造体によると、ｘ軸方向の変位量からｘ軸方向の加速度を検出でき、ｙ軸方向の変位量からｙ軸方向の加速度を検出でき、ｚ軸方向の変位量からｚ軸方向の加速度を検出することができる。
【００２２】
本発明は、もう一つ別の基本構造をも提供する。この基本構造は、ｘ軸方向に伸びている２辺とｙ軸方向に伸びている２辺とを備えている外側可動部と、ｚ軸方向から見たときに外側可動部内に収容されている内側可動部を備えている。
外側可動部と固定部との間にｙばねが介在しており、そのｙばねによって外側可動部が基板から離反した高さにおいてｙ軸方向に変位可能に支持されている。内側可動部と外側可動部の間はｙ−ｚばねで接続されており、内側可動部と固定部の間にｚばねが介在しており、そのｙ−ｚばねとｚばねによって内側可動部は基板から離反した高さにおいてｚ軸方向に変位可能に支持されている。ここで、ｙ−ｚばねとは、ｙ軸方向のばね定数とｚ軸方向のばね定数が、ｘ軸方向のばね定数よりも小さい異方性ばねをいう。すなわち、ｙ軸方向とｚ軸方向に変形しやすく、ｘ軸方向に変形しづらいばねのことをいう。
【００２３】
上記の基本構造体の外側可動部は、ｙ軸方向に変位可能である。内側可動部は、ｙ軸方向に変位可能な外側可動部にｙ−ｚばねで接続されていることから、外側可動部に対してｙ軸方向とｚ軸方向に変位可能あるが、内側可動部と固定部の間にｚばねが介在していることから、基板に対してはｙ軸方向には変位できず、ｚ軸方向に変位可能となる。すなわち、外側可動部と内側可動部がｙ軸方向に相対変位することになるが、両者はｙ-ｚばねで接続されていることから、ｙ軸方向に相対変位することが許容される。
【００２４】
本基本構造によっても、本発明の目的：すなわち、
（１）基板上に、基板面に直交する方向に可動な第１可動部分（ｚ軸方向に変位する内側可動部によって実現される）と、基板面に平行な方向に可動な第２可動部分（ｙ軸方向に変位する外側可動部によって実現される）とを備えている構造体を実現し；
（２）それを積層構造体で実現することによって小型化と量産化を可能とし；
（３）第１可動部分（内側可動部）と第２可動部分（外側可動部）を入れ子構造とすることによって、１枚の基板から製造可能な個数を増やし、１個あたりの製造コストを低下させることが可能となる。
【００２５】
上記構造は、ｚ軸方向に変位する内側可動部と、ｙ軸方向に変位する外側可動部を備えていることから、直ちに２軸加速度センサを実現することができる。また、この基本構造から、各種の装置、例えば、１軸角速度センサ、２軸角速度センサ、３軸加速度センサ、ｙ-ｚ軸面内で位置決めするアクチュエータ等を実現することができる。
【００２６】
例えば、２軸角速度センサあるいは３軸加速度センサを実現する場合には、基本構造にｘ軸方向に変位可能とする構造を付加すればよい。
そのためには、基本構造に、ｚ軸方向から見たときに外側可動部外に位置しているｘ中継部を付加すればよい。
【００２７】
ｘ中継部を付加した構造の場合、外側可動部に接続されているｙばねがｘ中継部に接続されており、ｘ中継部と基板の間がｘばねで接続されている構成とする。また、内側可動部と基板の間に第２のｘばねを付加する。すなわち、内側可動部と基板の間を第２のｘばねとｚばねで接続する。
【００２８】
上記構成によると、ｘばねによってｘ中継部が基板から離反した高さにおいてｘ軸方向に変位可能に支持されており、ｘばねとｙばねによって外側可動部が基板から離反した高さにおいてｘ軸方向とｙ軸方向に変位可能に支持されており、第２のｘばねとｚばねによって内側可動部が基板から離反した高さにおいてｘ軸方向とｚ軸方向に変位可能に支持されている構造を実現することができる。外側可動部と内側可動部はｙ-ｚばねで接続されていることから、外側可動部と内側可動部がｙ軸方向とｚ軸方向に相対変位することが許容される。外側可動部と内側可動部は、ｘ軸方向には一体となって変位する。
【００２９】
上記の構造体よると、ｘ中継部をｘ軸方向に往復振動させることによって外側可動部と内側可動部がｘ軸方向に往復振動し、ｙ軸周りの角速度が働けばコリオリ力によって内側可動部がｚ軸方向に変位し、ｚ軸周りの角速度が働けばコリオリ力によって外側可動部がｙ軸方向に変位する関係を得ることができる。ｙ軸周りの角速度とｚ軸周りの角速度を検出できる２軸の角速度センサを実現することができる。あるいは、ｘ中継部と外側可動部と内側可動部のうちのいずれかのｘ軸方向の変位量と、外側可動部のｙ軸方向の変位量と、内側可動部のｚ軸方向の変位量から、ｘ軸方向とｙ軸方向とｚ軸方向の加速度を検出する３軸の加速度センサを実現することができる。
【００３０】
ｘ中継部をｘ軸方向に往復振動させる振動部と、ｙ中継部と、ｙ中継部のｙ軸方向の変位を検出するｙ変位検出部と、ｚ中継部と、ｚ中継部のｚ軸方向の変位を検出するｚ変位検出部を付加すれば、２軸の角速度センサを実現することができる。
この場合、ｚ中継部は、ｚばねと第２のｘばねの間に挿入されており、基板から離反した高さにおいてｚ軸方向に変位可能に支持されている構造とする。ｙ中継部は、外側可動部に第３のｘばねを介して接続されているとともに、固定部に第２のｙばねを介して接続されており、基板から離反した高さにおいてｙ軸方向に変位可能に支持されている構造とする。
【００３１】
上記の構造体によると、振動部によってｘ中継部をｘ軸方向に往復振動させることができ、それに追随して外側可動部と内側可動部がｘ軸方向に往復振動する関係が得られる。ｙ軸周りの角速度が働けばコリオリ力によって内側可動部がｚ軸方向に変位する。内側可動部はｘ軸方向に往復振動しながらｚ軸方向に変位する。ｚ中継部は、内側可動部のｚ軸方向の変位に追従してｚ軸方向には変位するけれども、ｘ軸方向には変位しない。すなわち、ｚ中継部は、ｚ軸方向のコリオリ力に起因するｚ軸方向の変位のみをする。ｚ変位検出部は、ｚ軸方向にのみ変位するｚ中継部のｚ軸方向の変位量を検出することから、ｚ軸方向のコリオリ力を正確に検出し、ｙ軸周りの角速度を正確に検出する。同様の事象がｚ軸周りの角速度が作用した場合にも得られる。ｚ軸周りの角速度が働けばコリオリ力によって外側可動部がｙ軸方向に変位する。外側可動部はｘ軸方向に往復振動しながらｙ軸方向に変位する。ｙ中継部は、外側可動部のｙ軸方向に変位に追従してｙ軸方向には変位するけれども、ｘ軸方向には変位しない。すなわち、ｙ中継部は、ｙ軸方向のコリオリ力に起因するｙ軸方向の変位のみをする。ｙ変位検出部は、ｙ軸方向にのみ変位するｙ中継部のｙ軸方向の変位量を検出することから、ｙ軸方向のコリオリ力を正確に検出し、ｚ軸周りの角速度を正確に検出する。上記の構造体によって、ｙ軸とｚ軸周りの角速度を検出することができる。
【００３２】
共通の基本構造を利用して３軸の加速度センサを実現することもできる。そのためには、ｘ中継部のｘ軸方向の変位を検出するｘ変位検出部と、ｙ中継部と、ｙ中継部のｙ軸方向の変位を検出するｙ変位検出部と、ｚ中継部と、ｚ中継部のｚ軸方向の変位を検出するｚ変位検出部を付加する。
ｚ中継部は、内側可動部に第２のｘばねを介して接続されているとともに、基板にｚばねを介して接続されており、基板から離反した高さにおいてｚ軸方向に変位可能に支持されている。ｙ中継部は、外側可動部に第３のｘばねを介して接続されているとともに、基板に第２のｙばねを介して接続されており、基板から離反した高さにおいてｙ軸方向に変位可能に支持されている。
【００３３】
この構造体によると、ｘ軸方向の変位量からｘ軸方向の加速度を検出でき、ｙ軸方向の変位量からｙ軸方向の加速度を検出でき、ｚ軸方向の変位量からｚ軸方向の加速度を検出することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】実施例１の２軸角速度センサを示す平面図
【図２】実施例１の積層構造体の一部を分解して示す斜視図。
【図３】図１のIII―III線における断面構造を示す端面図。
【図４】図１のIV―IV線における断面構造と、ｚ変位出力部の電気的接続とを示す模式図。
【図５】実施例２の３軸加速度センサを示す平面図。
【図６】実施例３の２軸角速度センサを示す平面図。
【図７】実施例３の積層構造体の一部を分解して示す斜視図。
【図８】実施例４の３軸加速度センサを示す平面図。
【図９】実施例５の積層構造体を示す平面図。
【図１０】実施例６の２軸角速度センサを構成する下層の平面図。
【図１１】実施例６の２軸角速度センサを構成する上層の平面図。
【図１２】実施例６の2軸角速度センサの平面図。ただし、上層の外側部分を除去した状態を示す。
【発明を実施するための形態】
【００３５】
以下に説明する実施例の主要な特徴を最初に列記する。
（特徴１）外側可動部とｙばねと内側可動部とｚばねが、３層（下層、中層、上層）構造で形成されている。
（特徴２）外側可動部とｚばねが立体交差する部位では、外側可動部が下層で形成されており、ｚばねが上層で形成されている。外側可動部とｚばねが立体交差する部位では、中層がなく、外側可動部とｚばねの間に中層の厚みに相当する間隙が存在する。
（特徴３）外側可動部とｙばねと内側可動部は下層で形成されており、ｚばねが上層で形成されている。内側可動部とｚばねは中層を介して接続され、外側可動部とｚばねが立体交差する部位では中層がなく、中層の厚みに相当する間隙が存在する。
（特徴４）外側可動部とｙばねは下層で形成されており、内側可動部とｚばねが上層で形成されている。外側可動部とｚばねが立体交差する部位では中層がなく、中層の厚みに相当する間隙が存在する。
（特徴５）外側可動部よりも外側であって、ｚ軸方向から見たときの外側可動部の中心を通るｘ軸とｙ軸に関して対称な４つの位置に、外側固定部（基板に固定されている部分）が形成されている。ｘばね、ｙばね、ｚばねの各々は、前記のｘ軸とｙ軸に関して対称な４つの位置に配置されている。外側可動部も内側可動部も、ｘ軸の周りの回転が規制され、ｙ軸の周りの回転が規制され、ｚ軸の周りの回転が規制されている。また、装置に振動が加えられることと衝撃が加えられることに対する耐性が高く、自動車に積載することができる。
（特徴６）内側可動部よりも内側であって、ｚ軸方向から見たときの内側可動部の中心を通るｘ軸とｙ軸に関して対称な４つの位置に、内側固定部（基板に固定されている部分）が形成されている。第２のｘばねと第２のｚばねの各々は、前記のｘ軸とｙ軸に関して対称な４つの位置に配置されている。外側可動部も内側可動部も、ｘ軸の周りの回転が規制され、ｙ軸の周りの回転が規制され、ｚ軸の周りの回転が規制されている。また、装置に振動が加えられることと衝撃が加えられることに対する耐性が高く、自動車に積載することができる。
（特徴７）特徴６に加え、４本の第２のｘばねと４本の第２のｚばねの間に、１個のｚ中継部が配置されている。そのｚ中継部は、前記のｘ軸とｙ軸に関して対称な形状である。
（特徴８）特徴７に加え、一対のｘばねの間にｘ中継部が配置され、他の一対のｘばねの間に他のｘ中継部が配置されている。２個のｘ中継部は、前記ｙ軸に対して対称の位置に配置されている。
（特徴９）特徴８に加え、第２のｙばねによってｙ中継部が基板に支持され、他の第２のｙばねによって他のｙ中継部が基板に支持されている。２個のｙ中継部は、前記ｘ軸に対して対称の位置に配置されている。
（特徴１０）特徴９に加え、４本の第３のｘばねが、前記のｘ軸とｙ軸に関して対称な４つの位置に配置されている。
（特徴１１）ばねが伸びている方向とばねの断面形状によってばねに異方性が付与されている。ｘばねは、ｙ軸方向に伸びており、その断面形状は、ｘ軸方向に薄くてｚ軸方向に厚い。ｙばねは、ｘ軸方向に伸びており、その断面形状は、ｙ軸方向に薄くてｚ軸方向に厚い。ｚばねは、ｘ軸方向に伸びており、その断面形状は、ｚ軸方向に薄くてｙ軸方向に厚い。あるいは、ｚばねは、ｙ軸方向に伸びており、その断面形状は、ｚ軸方向に薄くてｘ軸方向に厚い。
（特徴１２）ダブルＳＯＩ基板の各層の所定範囲をエッチングすることによって積層構造体が形成されている。
（特徴１３）ＳＯＩ基板の各層の所定範囲をエッチングすることによって積層構造体が形成されている。
【００３６】
（実施例１）
本発明に係る積層構造体を２軸角速度センサに適用した実施例１を、図１〜図４を参照して説明する。本実施例の積層構造体１０は、ダブルＳＯＩ基板の各層の所定範囲をエッチングすることによって製造される。本実施例で用いるダブルＳＯＩ基板は、５層構造であり、厚みが５μｍのシリコン層（以下、第１シリコン層という）、厚みが３μｍの酸化シリコン層（以下、第１酸化膜という）、厚みが１５μｍのシリコン層（以下、第２シリコン層という）、厚みが３μｍの酸化シリコン層（以下、第２酸化膜という）、及び厚みが３００μｍのシリコン層（以下、第３シリコン層または基板という）が上から順に積層されている。第１シリコン層と第２シリコン層は、不純物を含んでおり、導電体である。
【００３７】
図１は、第１実施例の２軸角速度センサの平面図を示している。図１に示すように、積層構造体１０とｚ変位出力部９１とｙ変位出力部９９とによって、２軸角速度センサが構成されている。図２は、積層構造体１０の一部を分解して示す斜視図である。図３は、図１のIII―III線における断面構造を示し、図４は、図１のIV―IV線における断面構造を示している。なお、図３では、図１のIII―III線のうち一点鎖線で示す範囲の断面構造のみを示し、破線で示す範囲の断面構造の図示を省略している。図４でも同様である。各図では、基板８０の表面が伸びる面をｘ‐ｙ面とし、基板８０に直交する方向をｚ軸方向とする。図１に示すように、積層構造体１０は、８箇所に形成されているｘばね固定部（外側固定部）４５と、８箇所に形成されているｙばね固定部６６と、４箇所に形成されているｚばね固定部（内側固定部）５４を備えている。これらの固定部によって、可動構造体１１が基板８０に対して変位可能に支持されている。積層構造体１０は、さらに、２個の第１のｚ方向固定電極１２と、１個の第２のｚ方向固定電極１３と、４個のｙ方向固定電極６７と、２個の励振電極４７と、これらを支持する基板８０とを備えている。
【００３８】
本実施例の積層構造体１０では、基板８０がダブルＳＯＩ基板の第３シリコン層で構成されている。図２に示すように、基板８０は、基板８０を貫通する溝Ｇによって、外側基板８１と、２個の固定電極基板８２と、内側基板８３とに分離されている。図１に示すｘばね固定部４５、ｙばね固定部６６、ｚばね固定部５４、ｙ方向固定電極６７、第１のｚ方向固定電極１２と、励振電極４７の範囲では、ダブルＳＯＩ基板の５層が全て存在しており、これらに対応する部位には、第２酸化膜が存在している。また、後記する可動構造体１１のｚ中継部５１に対応する部位においても、第２酸化膜が存在している。しかしながら、その他の部位では、第２酸化膜がエッチングにより除去されている。なお、以下の他の実施例においても、第２酸化膜が存在していることを特に説明する部位を除いて、第２酸化膜はエッチングにより除去されている。本実施例の積層構造体１０では、ダブルＳＯＩ基板の上側の２層（第１シリコン層と第１酸化膜）の大部分がエッチングにより除去されている。詳細には、後記する可動構造体１１の第１のｚばね３１、第２のｚばね５３、及び上記した５層全てが存在する部位（ｘばね固定部４５、ｙばね固定部６６、ｚばね固定部５４、ｙ方向固定電極６７、第１のｚ方向固定電極１２と、励振電極４７）では、第１シリコン層と第１酸化膜が存在しているが、その他の部位では除去されている。
【００３９】
可動構造体１１は、その大部分が第２シリコン層で形成されている。図１に示すように、可動構造体１１は、ｘばね固定部４５とｙばね固定部６６とｚばね固定部５４を介して外側基板８１に固定されている。可動構造体１１では、上記したようにｚ中継部５１に対応する部位を除いて第２酸化膜がエッチングにより除去されている。したがって、可動構造体１１の大部分は、基板８０に対して、第２酸化膜分の厚みだけ離反した高さに位置している。
可動構造体１１は、外側可動部２０と、内側可動部３０と、２個のｘ中継部４０と、２個のｙ中継部６１と、１個のｚ中継部５１とを備えており、これらは、第２シリコン層で構成されている。
【００４０】
図１に示すように、外側可動部２０は、ｘ軸方向に伸びている２辺とｙ軸方向に伸びている２辺を備えている略正方形の枠状である。内側可動部３０は、外側可動部２０の枠内に収容されている。本実施例では、内側可動部３０もｘ軸方向に伸びている２辺とｙ軸方向に伸びている２辺を備えている略正方形の枠状である。外側可動部２０と内側可動部３０とは、いわゆる入れ子構造を形成する。図１のｘ‐ｙ平面において、内側可動部３０と外側可動部２０との中心Ｃｆは一致している。図１に示すように、積層構造体１０では、全ての構成が、外側可動部２０と内側可動部３０の中心Ｃｆを通るｘ軸及びｙ軸に関して対称な構造となっている。図面では、ｘ軸及びｙ軸に対称な複数の部材のうちの一部に対して参照番号の付与を省略していることがある。
【００４１】
２個のｘ中継部４０はｙ軸方向に伸びており、外側可動部２０の外側に位置している。２個のｘ中継部４０は上記中心Ｃｆを通るｙ軸に対して対称な位置に配置されている。
ｘ中継部４０のｙ軸方向の端部に、４本の第１のｘばね４１が接続されている。第１のｘばね４１は、ｙ軸方向に伸びており、ｘ軸方向に薄くてｚ軸方向に厚い板ばねである。第１のｘばね４１では、ｘ軸方向のばね定数が、ｙ軸方向及びｚ軸方向のばね定数よりも小さい。４本の第１のｘばね４１のうち、内側に位置する２本の第１のｘばね４１がｘ中継部４０に直接接続されており、内側の２本の第１のｘばね４１が、ｘ連結部４２を介して外側に位置する２本の第１のｘばね４１に接続されている。外側の２本の第１のｘばね４１がｘばね固定部４５に接続されている。第１のｘばね４１及びｘ連結部４２は、第２シリコン層で形成されている。上記したように、ｘばね固定部４５ではダブルＳＯＩ基板の全ての層が存在しており（図３）、外側基板８１と一体になっている。これにより、ｘ中継部４０は、第１のｘばね４１を介して外側基板８１によって支持されている。ｘ中継部４０は、第１のｘばね４１によって外側基板８１から離反した高さにおいてｘ軸方向に変位可能に支持されている。
【００４２】
図１及び図２に示すように、外側可動部２０のｙ軸方向に伸びる辺の各々には、２個の第１のｙばね２１が接続されている。第１のｙばね２１は、第２シリコン層で形成されている。第１のｙばね２１は、ｘ軸方向に伸びており、ｙ軸方向に薄くてｚ軸方向に厚い板ばねである。第１のｙばね２１では、ｙ軸方向のばね定数がｘ軸方向及びｚ軸方向のばね定数よりも小さい。第１のｙばね２１は、ｘ中継部４０に接続されている。したがって、外側可動部２０は、第１のｙばね２１を介してｘ中継部４０によって支持されている。ｘ中継部４０は、第１のｙばね２１と第１のｘばね４１とを中継している。ｘ中継部４０は、第１のｘばね４１によって外側基板８１に支持されている。従って、外側可動部２０は、第１のｙばね２１と第１のｘばね４１とを介して、外側基板８１によって支持されている。外側可動部２０は、外側基板８１から離反した高さにおいて、ｘ軸方向とｙ軸方向に変位可能である。
【００４３】
図１に示すように、内側可動部３０のｙ軸方向に伸びる辺の各々には、２個の第１のｚばね３１が接続されている。第１のｚばね３１は、図２及び３に示すように、第１シリコン層で形成されており、ｘ中継部４０と内側可動部３０とに、第１酸化膜を介して接続されている。すなわち、外側可動部２０と第１のｚばね３１は、基板８０からの距離を異にする異なる層（第１シリコン層と第２シリコン層と）で形成されており、第１のｚばね３１は、外側可動部２０から第１酸化膜の高さ分だけ離反した高さにおいて外側可動部２０と立体交差している。第１のｚばね３１は、ｘ軸方向に伸びており、ｚ軸方向に薄くてｙ軸方向に厚い板ばねである。第１のｚばね３１は、ｚ軸方向のばね定数がｘ軸方向及びｙ軸方向のばね定数よりも小さい。
【００４４】
内側可動部３０は、第１のｚばね３１を介して、ｘ中継部４０に接続されている。すなわち、内側可動部３０は、第１のｚばね３１を介してｘ中継部４０によって支持されている。ｘ中継部４０は、２本の第１のｚばね３１と８本の第１のｘばね４１とを中継している。内側可動部３０は、第１のｚばね３１と第１のｘばね４１とを介して外側基板８１に支持されている。内側可動部３０は、外側基板８１から離反した高さにおいて、ｘ軸方向とｚ軸方向に変位可能である。
【００４５】
図２に示すように、外側基板８１には、開口８４，８５が形成されている。図３に示すように、開口８４，８５は、第１のｚばね３１に対応して形成されている。ダブルＳＯＩ基板の第１シリコン層は、大部分がエッチングされて除去されるものの、第１のｚばね３１の存在範囲では第１シリコン層が存在している。したがって、第１酸化膜、第２シリコン層、第２酸化膜の所定範囲をエッチングするにあたり、第１のｚばね３１が存在する範囲では、ダブルＳＯＩ基板を第１シリコン層側からエッチングすることが難しい。そこで、第１のｚばね３１が存在する範囲では、これらの開口８４，８５を通じて、外側基板８１（第３シリコン層）側からエッチングがなされる。
【００４６】
図１に示すように、２個の励振電極４７（振動部）が、ｘ中継部４０の外側に位置している。２個の励振電極４７の存在範囲では、図３に示すように、ダブルＳＯＩ基板の５つの層が存在しており、外側基板８１と一体となっている。図１に示すように、ｘ中継部４０では、外側（励振電極４７側）の側面に、外側に向かって伸びる櫛歯状電極ＣＥが形成されている。励振電極４７では、内側（ｘ中継部４０側）の側面に、内側に向かって伸びる櫛歯状電極ＣＥが形成されている。ｘ中継部４０と励振電極４７とのそれぞれに形成される櫛歯状電極ＣＥは、ｙ軸方向に交互に形成されている。それぞれの励振電極４７に通電すると、ｘ中継部４０の櫛歯状電極ＣＥが励振電極４７に向けて吸引される。２個の励振電極４７に交互に通電することによって、ｘ中継部４０がｘ軸方向に往復振動する。
【００４７】
次に、ｚ中継部５１と、第１のｚ方向固定電極１２と、第２のｚ方向固定電極１３と、ｚ変位出力部９１及びその周辺構成について説明する。本実施例では、第１のｚ方向固定電極１２及び第２のｚ方向固定電極１３がｚ変位検出部を構成している。
ｚ中継部５１は、図２及び図３に示すように、第２シリコン層で形成されている。ｚ中継部５１は、図１において内側可動部３０の内側に位置しており、２個の結合部５２を備えている。ｚ中継部５１（２個の結合部５２を含んでいる）の中心と内側可動部３０の中心は一致している。図１に示すように、２個の結合部５２は、第２シリコン層上では、互いに分離されている。しかしながら、図２及び図４に示すように、２個の結合部５２は、第２酸化膜７１を介して内側基板８３に固定されており、内側基板８３と一体化されている。したがって、２個の結合部５２は一体化されている。一体化した２個の結合部５２からなるｚ中継部５１は、内側基板８３と一体で変位する。
【００４８】
図１に示すように、２個の結合部５２のそれぞれには、ｘ軸方向の両端に、第２のｚばね５３が接続されている。この第２のｚばね５３は、ｚばね固定部５４に接続されている。４本の第２のｚばね５３と４個のｚばね固定部５４は、いずれも、図１の平面図で内側可動部３０の内側に位置しているとともに、ｚ中継部５１の中心Ｃｆを通るｘ軸,ｙ軸に対して対称な４箇所に配置されている。４個のｚばね固定部５４は、外側基板８１に固定されている。第２のｚばね５３は、ｘ軸方向に伸びており、ｚ軸方向に薄くてｙ軸方向に厚い板ばねである。第２のｚばね５３は、ｚ軸方向のばね定数がｘ軸方向及びｙ軸方向のばね定数よりも小さい。
図２及び図３に示すように、４本の第２のｚばね５３は、第１シリコン層で形成されており、各第２のｚばね５３の一端が、第１酸化膜を介して結合部５２に接続されている。外側基板８１には、第２のｚばね５３に対応する部位に、エッチング用の開口８６が形成されている。なお、図１では、開口８６の図示を省略しており、以下の他の実施例においても積層構造体の平面図では、この開口８６を省略する。４個のｚばね固定部５４では、ダブルＳＯＩ基板の５層が存在している。すなわち、ｚばね固定部５４では、外側基板８１上に第２酸化膜７４が存在している。ｚ中継部５１は、第２のｚばね５３を介して外側基板８１に固定されているため、外側基板８１から離反した高さにおいてｚ軸方向にのみ変位可能に支持されている。
【００４９】
２個の結合部５２のそれぞれは、２本の第２のｘばね５５を介して内側可動部３０に連結されている。第２のｘばね５５は、ｙ軸方向に伸びる２辺を有するＵ字形状の屈曲ばねであり、ｘ軸方向のばね定数がｙ軸方向及びｚ軸方向のばね定数よりも小さい。第２のｘばね５５は、第２シリコン層で形成されている。上記したように、内側可動部３０は、第１のｚばね３１と第１のｘばね４１とによって、外側基板８１から離反した高さにおいて、ｘ軸方向とｚ軸方向に変位可能である。その一方において、ｚ中継部５１は、ｘ軸方向には変位することなく、ｚ軸方向にのみ変位する。すなわち、内側可動部３０とｚ中継部５１は、ｘ軸方向に相対的に変位することが求められる。内側可動部３０とｚ中継部５１は、第２のｘばね５５によって接続されているために、第２のｘばね５５がｘ軸方向に変形することによって、内側可動部３０とｚ中継部５１がｘ軸方向に相対的に変位することを許容する。第２のｘばね５５はｚ軸方向には変形しない。ｚ中継部５１は、内側可動部３０のz軸方向の変位に追従してｚ軸方向に変位する。ｚ中継部５１は、４本の第２のｘばね５５と４本の第２のｚばね５３の間にあって両者を中継している。
【００５０】
また、第２のｘばね５５と第２のｚばね５３とは、それぞれｚ中継部５１の中心Ｃｆを通るｘ軸とｙ軸に関して対称な４つの位置に配置されているため、ｚ中継部５１と内側可動部３０とが、ｘ軸及びｙ軸周りに回転することが規制されている。また、ｚ軸の周りに回転することも規制されている。このように、積層構造体１０では、振動や衝撃が加えられることに対する耐性が高いため、自動車に積載することができる。
【００５１】
図２及び図４に示すように、２個の第１のｚ方向固定電極１２の各々は、第２酸化膜７５を介して外側基板８１に固定されているとともに、第２酸化膜７２を介して固定電極基板８２にも接続されている。固定電極基板８２は、機械的には外側基板８１に固定されており、電気的には外側基板８１から絶縁されている。図２に示すように、第２のｚ方向固定電極１３は、ｘ軸方向に伸びて内側基板８３を跨いでおり、２個の第２酸化膜７３を介して外側基板８１に固定されている。第２のｚ方向固定電極１３は、機械的には外側基板８１に固定されており、電気的には外側基板８１から絶縁されている。
【００５２】
図４に示すように、第２のｚ方向固定電極１３は、内側基板８３の上方に位置している。内側基板８３がｚ軸方向に変位しない状態では、内側基板８３の上面と第２のｚ方向固定電極１３の下面との間に、第２酸化膜の厚みに等しいギャップが形成されている。内側基板８３は、上記したようにｚ中継部５１に接続されており、ｚ中継部５１の各結合部５２は、それぞれ貫通電極ＰＥ１を介して内側基板８３に電気的に接続されている。図１に示すように、各ｚ結合部５２は、第２のｘばね５５によって内側可動部３０に電気的に導通している。内側可動部３０とｘ中継部４０を接続するｚばね３１の両端には、貫通電極ＰＥ３が形成されている。これにより、内側基板８３、ｚ中継部５１、内側可動部３０、ｘ中継部４０、外側可動部２０は、いずれも電気的に相互に接続されていることになる。また、２個の第１のｚ方向固定電極１２は、それぞれ貫通電極ＰＥ２を介して固定電極基板８２に電気的に接続されている。以上によって、電気的には３つの部分に絶縁されている。すなわち、「内側基板８３と結合部５２と内側可動部３０とｘ中継部４０と外側可動部２０」からなる部分と、「第１のｚ方向固定電極１２と固定電極基板８２」からなる部分と、「第２のｚ方向固定電極１３」からなる部分の３つの部分に絶縁されている。本実施例では、内側基板８３と結合部５２が一体となって、固定電極基板８２と第２のｚ方向固定電極１３に対してｚ軸方向に変位する。すなわち、内側基板８３が第２のｚ方向固定電極１３に接近すれば、結合部５２が固定電極基板８２から離反する。逆に、内側基板８３が第２のｚ方向固定電極１３から離反すれば、結合部５２が固定電極基板８２に接近する。
【００５３】
図４に示すように、ｚ変位出力部９１は、キャリア信号発生部９２とＣ−Ｖ変換部９３とＡＭ復調回路９４とを備えている。キャリア信号発生部９２は、２個の固定電極基板８２にキャリア電圧を印加する。第２のｚ方向固定電極１３は接地して用いる。内側基板８３と結合部５２の電位がＣ−Ｖ変換部９３に入力される。
固定電極基板８２と結合部５２の間にコンデンサＣ１が形成されている。内側基板８３と第２のｚ方向固定電極１３の間にコンデンサＣ２が形成されている。コンデンサＣ１とコンデンサＣ２は直列に接続されている。直列に接続された２つのコンデンサＣ１，Ｃ２は、分圧電位を生じさせ、その分圧電位が結合部５２に現れる。この分圧電位は、オペアンプ９５とキャパシタ９６と抵抗９７とからなるＣ−Ｖ変換部９３によって増幅され、ＡＭ復調回路９４によって角速度を表す角速度情報を含むアナログ電気信号として出力されることになる。ｚ変位出力部９１の出力によって、ｚ中継部５１のｚ軸方向の変位を検出することができる。
ｚ中継部５１が上方に変位すれば、コンデンサＣ２の容量が増大し、コンデンサＣ１の容量が減少する。ｚ中継部５１が下方に変位すれば、コンデンサＣ２の容量が減少し、コンデンサＣ１の容量が増大する。コンデンサＣ１，Ｃ２の容量変化が逆向きに生じることから、ｚ中継部５１のｚ方向の変位に対して、分圧電位が大きく変化する。ｚ変位出力部９１の検出感度は高い。また、コンデンサＣ１，Ｃ２の容量変化が逆向きに生じることを利用してｚ中継部５１のｚ方向の変位量を検出することから、環境温度の影響等を受けにくい。環境温度が変化してコンデンサＣ１，Ｃ２の容量が変化する場合には、同じ方向に変化することから、それが検出結果に影響する程度は低い。
【００５４】
次に、ｙ中継部６１とｙ方向固定電極６７とｙ変位出力部９９及びその周辺構成について説明する。本実施例では、ｙ方向固定電極６７がｙ変位検出部を構成している。
図１及び図４に示すように、２個のｙ中継部６１は、第２シリコン層で形成されている。図１に示すように、２個のｙ中継部６１は、外側可動部２０の外側に配置されており、中心Ｃｆを通るｘ軸に対して対称な位置に配置されている。各ｙ中継部６１は、６つの枠を備えている。ｙ中継部６１の６つの枠は、ｘ軸方向に２列、ｙ軸方向に３列で配列されており、ｙ軸方向に配列される３つの枠のうち、ｙ軸方向の両端に位置する枠を外枠部６２とし、中央に位置する枠を中枠部６３とする。中枠部６３の枠の内側に、ｙ方向固定電極６７が配置されている。
【００５５】
各ｙ中継部６１は、２つの第３のｘばね２２を介して外側可動部２０に接続されている。詳細には、図１の平面図において、第３のｘばね２２の一端は、外側可動部２０のｘ軸方向に伸びる辺に接続されており、第３のｘばね２２の他端は、ｙ中継部６１のｙ軸方向に伸びている辺の中枠部６３に対応する部位に接続されている。第３のｘばね２２は、第２シリコン層で形成されており、ｙ軸方向に伸びており、ｘ軸方向に薄くてｚ軸方向に厚い板ばねである。第３のｘばね２２では、ｘ軸方向のばね定数が、ｙ軸方向及びｚ軸方向のばね定数よりも小さい。
【００５６】
ｙ中継部６１の各外枠部６２は、図１に示すように、Ｕ字状に折り返された第２のｙばね６４を介してｙばね固定部６６に接続されている。詳細には、外枠部６２には、第２のｙばね６４の１辺が接続されており、この第２のｙばね６４の１辺がｙ連結部６５を介して第２のｙばね６４の他方の辺に接続されている。第２のｙばね６４の他方の辺の先端が、ｙばね固定部６６に接続されている。図４に示すように、第２のｙばね６４は、第２シリコン層で形成されている。図１に示すように、第２のｙばね６４は、ｘ軸方向に伸びており、ｙ軸方向に薄くてｚ軸方向に厚い板ばねである。第２のｙばね６４では、ｙ軸方向のばね定数が、ｘ軸方向及びｚ軸方向のばね定数よりも小さい。また、図示を省略するが、ｙばね固定部６５も第２シリコン層で形成されている。図４に示すように、ｙばね固定部６６では、ダブルＳＯＩ基板の全ての層が存在して、外側基板８１と一体になっている。これにより、ｙ中継部６１が第２のｙばね６４を介して外側基板８１に固定されることになり、ｙ中継部６１は、第２のｙばね６４によって外側基板８１から離反した高さにおいてｙ軸方向に変位可能に支持されている。また、ｙ中継部６１は、第２のｙばね６４と第３のｘばね２２を中継している。
【００５７】
ｙ中継部６１の中枠部６３には、中枠部６３の左右両側の辺から枠の内側に向かってｘ軸方向に伸びている１本の櫛歯状電極ＣＥが形成されている。また、各ｙ方向固定電極６７には、４本の櫛歯状電極ＣＥが形成されている。この櫛歯状電極ＣＥは、ｙ方向固定電極６７のｘ軸方向の両側の側面に２本ずつ形成されており、ｘ軸方向に伸びている。ｙ方向固定電極６７の２本の櫛歯状電極ＣＥの間に、中枠部６３の櫛歯状電極がＣＥが位置している。
【００５８】
ｙ変位出力部９９は、ｙ中継部６１のｙ軸方向の変位に依存して出力値を変化させる。ｙ変位出力部９９の出力原理は、ｚ変位出力部９１と同様の原理である。すなわち、ｙ中継部６１がｙ軸方向に変位すると、ｙ中継部６１の中枠部６３の櫛歯状電極ＣＥは、ｙ方向固定電極６７の櫛歯状電極ＣＥと近接したり、遠ざかったりする。これにより、ｙ中継部６１とｙ方向固定電極６７との間の静電容量が変化することになる。ｙ変位出力部９９は、この静電容量の変化に応じて出力値を変化させる。ｙ変位出力部９９の出力に基づいてｙ中継部６１の変位を検出することができる。
【００５９】
次に、本実施例の角速度センサの動作を図１及び図４を参照して説明する。図１に示すように、積層構造体１０では、励振電極４７によって、ｘ中継部４０をｘ軸方向に往復振動させる。外側可動部２０は、第１のｙばね２１を介してｘ中継部４０に接続されており、内側可動部３０は、第１のｚばね３１を介してｘ中継部４０に接続されている。したがって、ｘ中継部４０をｘ軸方向に往復させることによって、外側可動部２０と内側可動部３０とがｘ軸方向に往復振動する。この状態で、ｙ軸周りの角速度が働けば、コリオリ力によって内側可動部３０がｚ軸方向に変位する。一方、ｚ軸周りの角速度が働けばコリオリ力によって外側可動部２０がｙ軸方向に変位する。
【００６０】
ｙ軸周りの角速度が働くことによって、内側可動部３０がｚ軸方向に変位した場合、ｚ中継部５１は、内側可動部３０のｚ軸方向に変位に追従してｚ軸方向に変位するけれども、第２のｚばね５３を介してｚばね固定部５４に接続されているため、ｘ軸方向には変位しない。ｚ中継部５１は、ｚ軸方向のコリオリ力によってｚ軸方向にのみ変位する。これにより、上記した静電容量の変化が生じるため、ｚ変位出力部９１は、ｚ中継部５１のｚ軸方向の変位量を出力する。ｚ方向にのみ変位する中継部５１を利用するために、ｚ軸方向のコリオリ力を正確に出力することができ、ｙ軸周りの角速度を正確に検出することができる。
【００６１】
また、ｚ軸周りの角速度が働くことによって、外側可動部２０がｙ軸方向に変位した場合、ｙ中継部６１は外側可動部２０のｙ軸方向に変位に追従してｙ軸方向に変位するけれども、ｘ軸方向には変位しない。ｙ中継部６１は、ｙ軸方向のコリオリ力によってｙ軸方向にのみ変位する。ｙ変位出力部９９は、ｙ軸方向にのみ変位するｙ中継部６１のｙ軸方向の変位量を検出する。ｙ方向にのみ変位する中継部６１を利用するために、ｙ軸方向のコリオリ力を正確に出力することができ、ｚ軸周りの角速度を正確に検出することができる。
【００６２】
また、本実施例の上記構成によれば、
（１）外側基板８１上に、基板面に直交するｚ軸方向に変位する内側可動部３０と、基板面に平行なｙ軸方向に可動な外側可動部２０とを備えている構造体を実現し；
（２）それを、ダブルＳＯＩ基板の積層構造体１０で実現することによって小型化と量産化を可能とし；
（３）ｚ軸方向から見たときに外側可動部２０内に内側可動部３０を収容しているため、外側可動部２０と内側可動部３０とが入れ子構造を構成し、１枚の基板から製造可能な個数を増やし、１個あたりの製造コストを低下させることが可能となる。
【００６３】
（実施例２）
本発明に係る積層構造体を３軸加速度センサに適用した実施例２を、図５を参照して説明する。
図５に示すように、本実施例の積層構造体１００は、上記実施例１と同じダブルＳＯＩ基板の各層の所定範囲をエッチングすることによって得られる。本実施例の積層構造体１００は、実施例１と異なる可動構造体１０１を備えている。本実施例の可動構造体１０１では、実施例１の２個のｘ中継部４０に代わり、図５に示す２個のｘ中継部１１０を備えているとともに、実施例１の励振電極４７に代わって２個のｘ方向固定電極１１５を備えている。積層構造体１００は、ｘ変位出力部１０３とｙ変位出力部９９とｚ変位出力部９１とに電気的に接続されており、これらにより３軸加速度センサが構成されている。その他の構成は、実施例１と同じであるため、その説明を適宜省略する。また、図５では、実施例１と同じ構成については、実施例１と同じ符号で示す。
【００６４】
２個のｘ中継部１１０は、実施例１と同様に、ｙ軸方向に伸びている。各々のｘ中継部１１０は、外側可動部２０の外側であって、中心Ｃｆを通るｙ軸に対して対称な位置に配置されている。ｘ中継部１１０は、内側可動部３０に第１のｚばね３１を介して接続されている。また、ｘ中継部１１０は、外側可動部２０に第１のｙばね２１を介して接続されている。ｘ中継部１１０は、４つの第１のｘばね４１を介してｘばね固定部４５に固定されている。
【００６５】
本実施例では、２個のｘ方向固定電極１１５は、各ｘ中継部１１０のｘ軸方向の変位を検出するｘ変位検出部を構成している。２個のｘ方向固定電極１１５は、各ｘ中継部１１０の外側に位置している。ｘ方向固定電極１１５では、ダブルＳＯＩ基板の５つの層が存在しており、外側基板８１と一体となっている。各ｘ中継部１１０には、外側（ｘ方向固定電極１１５側）の側面に、外側に向かって伸びる２本の中継側支持部１１１が形成されている。中継側支持部１１１の側面から、４本の櫛歯状電極ＣＥがｙ軸方向に伸びている。各ｘ方向固定電極１１５では、内側（ｘ中継部１１０側）の側面に、３本の固定側支持部１１６が形成されている。３本の固定側支持部１１６のうち、両端の２本のｘ方向固定側支持部１１６には、２本の櫛歯状電極ＣＥが形成されており、中央の１本のｘ方向固定側支持部１１６には、４本の櫛歯状電極ＣＥが形成されている。ｘ中継部１１０の櫛歯状電極ＣＥとｘ方向固定電極１１５の櫛歯状電極ＣＥとは、ｘ軸方向に交互に位置しており、互いに対向している。
【００６６】
ｘ変位出力部１０３は、ｘ中継部１１０のｘ軸方向の変位に依存して出力値を変化させる。ｘ変位出力部１０３の出力原理は、実施例１のｚ変位出力部９１やｙ変位出力部９９と同様の原理である。すなわち、たとえば積層構造体１００に対してｘ軸方向の加速度が働くと、外側可動部２０及び内側可動部３０が、ｘ軸方向であって加速度が生じた向きと逆方向に並進移動する。また、外側可動部２０及び内側可動部３０のｘ軸方向の並進移動に応じて、ｘ中継部１１０もこれらと一体的にｘ軸方向に変位する。ｘ中継部１１０がｘ軸方向に変位すると、一方のｘ中継部１１０の８個の櫛歯状電極ＣＥがｘ方向固定電極１１５の櫛歯状電極ＣＥから遠ざかり、他方のｘ中継部１１０の８個の櫛歯状電極ＣＥに近接する。これにより、各ｘ方向固定電極１１５と、これに対応するｘ中継部１１０との間の静電容量が変化する。ｘ変位出力部１０３は、この静電容量の変化に依存して出力値を変化させる。ｘ変位出力部１０３の出力値に基づいて、ｘ軸方向の加速度を検出することができる。
【００６７】
また、積層構造体１００に対してｙ軸方向に加速度が発生すると、外側可動部２０及び内側可動部３０が、ｙ軸方向であって加速度が生じた向きと逆方向に並進移動するため、ｙ中継部６１もｙ軸方向に変位する。ｙ変位出力部９９が、ｙ中継部６１のｙ軸方向の変位に応じて出力値を変化させる。ｙ変位出力部９９の出力値に基づいて、ｙ軸方向の加速度を検出することができる。
また、積層構造体１００に対してｚ軸方向に加速度が発生すると、外側可動部２０及び内側可動部３０が、ｚ軸方向であって加速度が生じた向きと逆方向に並進移動するため、ｚ中継部５１もｚ軸方向に変位する。ｚ変位出力部９１が、ｚ中継部５１のｚ軸方向の変位に依存して出力値を変化させる。ｚ変位出力部９１の出力値に基づいて、ｚ軸方向の加速度を検出することができる。その他の作用効果は実施例１と同じである。
【００６８】
（実施例３）
本発明に係る積層構造体を２軸角速度センサに適用した実施例３を、図６及び図７を参照して説明する。
図６に示すように、本実施例の積層構造体１２０は、上記各実施例と同じダブルＳＯＩ基板の各層の所定範囲をエッチングすることによって得られる。この積層構造体１２０とｙ変位出力部９９とｚ変位出力部９１とによって２軸角速度センサが構成されている。
本実施例の積層構造体１２０は、実施例１と異なる可動構造体１２１を備えている。可動構造体１２１は、実施例１の４本の第１のｚばね３１に代わり、４本のｙ‐ｚばね１２３を備えている。図７に示すように、本実施例では第１のｚばね３１がないため、基板１２５の外側基板１２６に、実施例１の開口８４，８５が形成されていないが、４本のｙ‐ｚばね１２３に対応して開口８７が形成されている。また、本実施例の積層構造体１２０においても、全ての構成が、外側可動部２０と内側可動部３０の中心Ｃｆを通るｘ軸及びｙ軸に関して対称な構造となっている。その他の構成は、実施例１と同じであるため、その説明を適宜省略する。図６及び図７では、実施例１と同じ構成については、同じ符号で示している。
【００６９】
本実施例では、上記したように、実施例１の第１のｚばね３１がないため、内側可動部３０とｘ中継部４０とは、第１のｚばね３１で接続されていない。図６に示すように、内側可動部３０と外側可動部２０とは、ｙ‐ｚばね１２３で接続されている。ｙ‐ｚばね１２３は、ｘ軸方向に伸びてＵ字形状に折り返されているとともに、ｙ軸方向の厚みとｚ軸方向の厚みが薄い。すなわち、ｙ−ｚばね１２３は、ｙ軸方向のばね定数とｚ軸方向のばね定数が、ｘ軸方向のばね定数よりも低く、ｙ軸方向及びｚ軸方向には変形しやすく、ｘ軸方向には変形しづらい。詳細には、内側可動部３０のｘ軸方向に伸びる各辺の両端と、外側可動部２０のｘ軸方向に伸びる各辺の両端とが、ｙ‐ｚばね１２３で接続されている。また、図７に示すように、ｙ−ｚばね１２３は、第１シリコン層で形成されている。ｙ−ｚばね１２３の両端は、第１酸化膜を介して外側可動部２０と内側可動部３０とに接続されている。
ｙ‐ｚばね１２３の両端には貫通電極ＰＥ３が形成されており、外側可動部２０と内側可動部３０の電気的接続が確保されている。
【００７０】
図６に示すように、ｚ中継部５１は、第２のｚばね５３を介してｚばね固定部５４に固定されている。ｚ中継部５１は、ｚ軸方向にのみ変位可能である。内側可動部３０は、第２のｘばね５５を介してｚ中継部５１に接続されている。内側可動部３０は、第２のｘばね５５と第２のｚばね５３とによって、ｘ軸方向とｚ軸方向とに変位可能である。
また、外側可動部２０は、実施例１と同様に、第１のｘばね４１と第１のｙばね２１によって、ｘ軸方向とｙ軸方向に変位可能である。内側可動部３０がｘ軸方向とｚ軸方向に変位可能であり、外側可動部２０がｘ軸方向とｙ軸方向に変位可能であるので、内側可動部３０と外側可動部２０は、ｙ軸方向とｚ軸方向に相対移動する。内側可動部３０は、ｙ‐ｚばね１２３を介して外側可動部２０に接続されているので、内側可動部３０と外側可動部２０は、ｙ軸方向とｚ軸方向に相対移動可能である。ｙ‐ｚばね１２３はｘ軸方向には変形しない。内側可動部３０と外側可動部２０は、ｘ軸方向には同一量だけ変位する。
【００７１】
励振電極４７によってｘ中継部４０がｘ軸方向に往復振動すると、ｙばね２１はｘ軸方向には変形しないので、外側可動部２０もｘ軸方向に変位する。また内側可動部３０は、ｙ‐ｚばね１２３によって外側可動部２０に接続されており、そのｙ‐ｚばね１２３はｘ軸方向には変形しないので、内側可動部３０もｘ中継部４０のｘ軸方向の変位に追従してｘ軸方向に変位する。この状態で、ｙ軸周りの角速度が働けば、コリオリ力によって内側可動部３０がｚ軸方向に変位し、これに伴ってｚ中継部５１がｚ軸方向にのみ変位する。ｚ変位出力部９１が、ｚ中継部５１の変位に依存して出力値を変化させるため、この出力値に基づいてｙ軸周りの角速度を検出することができる。一方、ｘ中継部４０がｘ軸方向に往復振動している状態で、ｚ軸周りの角速度が働けば、コリオリ力によって外側可動部２０がｙ軸方向に変位し、これに伴ってｙ中継部６１がｙ軸方向にのみ変位する。ｙ変位出力部９９が、ｙ中継部６１の変位に依存して出力値を変化させるため、この出力値に基づいてｚ軸周りの角速度を検出することができる。
【００７２】
また、本実施例においても、
（１）外側基板１２６上に、基板面に直交するｚ軸方向に変位可能な内側可動部３０と、基板面に平行なｙ軸方向に変位可能な外側可動部２０とを備えている構造体を実現し；
（２）それを、ダブルＳＯＩ基板の積層構造体で実現することによって小型化と量産化を可能とし；
（３）ｚ軸方向から見たときに外側可動部２０内に内側可動部３０を収容しているため、外側可動部２０と内側可動部３０とが入れ子構造を構成し、１枚の基板から製造可能な個数を増やし、１個あたりの製造コストを低下させることが可能となる。その他の作用効果は実施例１と同じである。
【００７３】
（実施例４）
本発明に係る積層構造体を３軸の加速度センサに適用した実施例４を、図８を参照して説明する。
図８に示すように、積層構造体１４０は、上記実施例１と同じダブルＳＯＩ基板の各層の所定範囲をエッチングすることによって得られる。この積層構造体１４０とｘ変位出力部１０３とｙ変位出力部９９とｚ変位出力部９１とによって３軸の加速度センサが構成されている。
本実施例の積層構造体１４０は、上記各実施例と異なる可動構造体１４１を備えている。本実施例の可動構造体１４１は、実施例３の２個のｘ中継部４０に代わり、図８に示す２個のｘ中継部１１０を備えている。また、実施例３の励振電極４７に代わって２個のｘ方向固定電極１１５を備えている。その他の構成は、実施例３と同じである。また、ｘ中継部１１０及びｘ方向固定電極１１５の構成は、実施例２と同じである。積層構造体１４０は、ｘ変位出力部１０３とｙ変位出力部９９とｚ変位出力部９１とに電気的に接続されている。実施例２と実施例３と同じ構成については、その説明を省略する。図８では、実施例２と実施例３と同じ構成については、実施例２と実施例３と同じ符号で示している。
【００７４】
積層構造体１４０に対してｘ軸方向の加速度が働くと、外側可動部２０及び内側可動部３０が、ｘ軸方向であって加速度が生じた向きと逆方向に並進移動し、これに伴ってｘ中継部４０がｘ軸方向に変位する。ｘ変位出力部１０３は、ｘ中継部１１０のｘ軸方向の変位に依存して出力値を変化させるため、この出力値に基づいて、ｘ軸方向の加速度を検出することができる。また、積層構造体１４０に対してｙ軸方向の加速度が働くと、外側可動部２０がｙ軸方向に変位するのに伴って、ｙ中継部６１がｙ軸方向に変位する。ｙ変位出力部９９が、ｙ中継部６１のｙ軸方向の変位に応じて出力値を変化させるため、ｙ軸方向の加速度を検出することができる。また、積層構造体１４０に対してｚ軸方向の加速度が働くと、内側可動部３０がｚ軸方向に変位するのに伴って、ｚ中継部５１がｚ軸方向に変位する。ｚ変位出力部９１が、ｚ中継部５１のｚ軸方向の変位に依存して出力値を変化させるため、ｚ軸方向の加速度を検出することができる。
【００７５】
（実施例５）
本発明に係る積層構造体の実施例５を、図９を参照して説明する。本実施例の積層構造体１５０は、上記実施例１と同じダブルＳＯＩ基板の各層の所定範囲をエッチングすることによって得られる。図９に示すように、積層構造体１５０は、外側可動部２０及び内側可動部３０がｙ‐ｚばね１２３で接続されており、この点は実施例３及び４と同じであるが、その他の構成が実施例３及び４と異なっている。また、本実施例の積層構造体１５０においても、全ての構成が、外側可動部２０と内側可動部３０の中心Ｃｆを通るｘ軸及びｙ軸に関して対称な構造となっている。
【００７６】
内側可動部３０の枠内に、ｘ‐ｚばね固定部１５４が収容されている。ｘ‐ｚばね固定部１５４は、平面視が矩形状であり、ダブルＳＯＩ基板の全ての層が存在している。外側可動部２０と内側可動部３０の中心Ｃｆと、ｘ‐ｚばね固定部１５４の中心とは一致している。内側可動部３０のｙ軸方向に伸びている各辺に、２本のｘ‐ｚばね１５５の一端が接続されており、ｘ‐ｚばね１５５の他端は、ｘ‐ｚばね固定部１５４に接続されている。ｘ‐ｚばね１５５は、第１シリコン層で形成されている。ｘ‐ｚばね１５５は、ｘ軸方向に伸びてｙ軸方向に屈曲しており、ｚ軸方向の厚みがｙ軸方向の厚みよりも薄くなっている。したがって、ｘ‐ｚばね１５５のｘ軸方向及びｚ軸方向のばね定数は、ｙ軸方向のばね定数よりも小さい。ｘ‐ｚばね１５５は、ｘ軸方向及びｚ軸方向に変形しやすく、ｙ軸方向には変形しづらい。ｘ‐ｚばね１５５の一端は、内側可動部３０に第１酸化膜（図示略）を介して接続されており、ｘ‐ｚばね１５５の他端は、ｘ‐ｚばね固定部１５４の第１シリコン層と一体となっている。基板１５１には、ｘ‐ｚばね１５５に対応する部位にエッチング用の開口８８が形成されている。
【００７７】
外側可動部２０のｙ軸方向に伸びている各辺に、２本のｘ‐ｙばね１５６が接続されており、ｘ‐ｙばね１５６は、ｘ‐ｙばね固定部１６０に固定されている。ｘ‐ｙばね１５６は、第２シリコン層で構成されており、ｘ‐ｙばね固定部１６０では、ダブルＳＯＩ基板の全ての層が存在している。ｘ‐ｙばね１５６は、１本のｙばね部１５７と２本のｘばね部１５８とｘ連結部１５９とからなる。ｙばね部１５７は、外側可動部２０に直接接続されている。ｙばね部１５７は、ｘ軸方向に伸びており、ｙ軸方向に薄くｚ軸方向に厚い板ばねであり、ｙ軸方向のばね定数が、ｘ軸方向及びｚ軸方向のばね定数よりも小さい。ｘばね部１５８は、ｙ軸方向に伸びており、ｘ軸方向に薄くｚ軸方向に厚い板ばねであり、ｘ軸方向のばね定数が、ｙ軸方向及びｚ軸方向のばね定数よりも小さい。ｙばね部１５７に、１本のｘばね部１５８が接続されており、そのｘばね部１５８が、ｘ連結部１５９と他のｘばね部１５８を介してｘ‐ｙばね固定部１６０に接続されている。以上のようにして、ｘ‐ｙばね１５６は、ｘ軸方向及びｙ軸方向のばね定数が、ｚ軸方向のばね定数よりも小さくなっており、ｘ軸方向及びｙ軸方向には変形しやすく、ｚ軸方向には変形しづらい。
【００７８】
本実施例の積層構造体１５０では、外側可動部２０がｘ‐ｙばね１５６を介して基板１５１に接続されているため、外側可動部２０はｘ軸方向及びｙ軸方向に変位可能である。また、内側可動部３０は、ｘ‐ｚばね１５５を介して基板１５１に固定されているため、ｘ軸及びｚ軸方向に変位可能である。外側可動部２０はｙ軸方向とｘ軸方向とに可動であり、内側可動部３０はｘ軸方向とｚ軸方向とに可動するため、外側可動部２０は、内側可動部３０に対してｙ軸方向とｚ軸方向に相対変位する。ｙ‐ｚばね１２３が、２つの可動部２０，３０の相対的な変位を許容ないし吸収する。
【００７９】
本実施例の積層構造体１５０を上記各実施例のセンサが備える部材と組み合わせることによって、２軸の角速度センサを実現することもできるし、３軸の加速度センサを実現することもできる。
また、本実施例においても、
（１）外側基板１５１上に、基板面に直交するｚ軸方向に可動な内側可動部３０と、基板面に平行なｙ軸方向に可動な外側可動部２０とを備えている構造体を実現し；
（２）それを、ダブルＳＯＩ基板の積層構造体で実現することによって小型化と量産化とを可能とし；
（３）ｚ軸方向から見たときに外側可動部２０内に内側可動部３０を収容しているため、外側可動部２０と内側可動部３０とが入れ子構造を構成し、１枚の基板から製造可能な個数を増やし、１個あたりの製造コストを低下させることが可能となる。
【００８０】
（実施例６）
本発明に係る積層構造体を２軸の角速度センサに適用した実施例６を、図１０乃至１２を参照して説明する。
本実施例の積層構造体２００は、実施例１〜５とは異なり、３層のＳＯＩ基板の所定範囲をエッチングすることによって製造される。本実施例で用いる３層のＳＯＩ基板では、厚みが５μｍのシリコン層（以下、第１シリコン層という）、厚みが３μｍの酸化シリコン層（以下、第１酸化膜という）、及び厚みが１５μｍのシリコン層（以下、第２シリコン層という）が、上から順に積層されている。すなわち、本実施例の積層構造体２００には、第２酸化膜及び第３シリコン層が存在しない点において、実施例１〜５の積層構造体と異なっている。なお、３層のＳＯＩ基板では、酸化膜は一層のみであるが、実施例１〜５との整合を図るために、便宜上、一層のみの酸化膜を第１酸化膜という。
【００８１】
実施例１〜５では、基板が第３シリコン層で構成されていたが、本実施例では、基板２８０が第１シリコン層で構成されている。可動構造体２０１の大部分は、第１シリコン層の下側に配置されている第２シリコン層で構成されている。
図１０は、第２シリコン層の残存範囲を示し、網掛け部分は、第１酸化膜を介して第１シリコン層に固定されている範囲を示している。網掛けでない部分は、第１酸化膜が除去されており、第１シリコン層から遊離している範囲を示している。図１０は、第１シリコン層を除去した状態を示している。図１と同等の構造には、２００を加えた番号を付して重複説明を省略する。
【００８２】
図１１に示すように、基板２８０を構成する第１シリコン層には溝Ｇ１，Ｇ２が形成されている。基板２８０は、溝Ｇ１とＧ２によって、外側基板２８１と、２個の固定電極基板２８２と、内側基板２８３と、第２のｚバネ２５３と、第１のｚバネ２３１に分離されている。
図１２は、外側基板２８１を除去した平面図を示している。実際には、外側基板２８１が、可動構造体２０１を支持する基板として機能している。
【００８３】
可動構造体２０１は、実施例１と概ね同じ構造である。実施例１と同等部分には２００を加えた番号で示し、その説明を省略する。本実施例では、ｘばね固定部２４５、ｙばね固定部２６６、ｚばね固定部２５４、ｙ方向固定電極２６７、第１のｚ方向固定電極２１２の外側範囲と、第２のｚ方向固定電極２１３の両端部と、励振電極２４７の範囲では、ＳＯＩ基板の３層が全て存在しており、外側基板２８１に固定されている。一対の結合部２５２の中心側の範囲では、内側基板２８３に固定されている。一対の結合部２５２と内側基板２８３でｚ中継部２５１を構成している。第１のｚ方向固定電極２１２の内側範囲は、固定電極基板２８２に固定されている。結合部２５２の上面と固定電極基板２８２の下面の間にコンデンサＣ１が形成され、第２のｚ方向固定電極２１３の上面と内側基板２８３の下面の間にコンデンサＣ２が形成されている。結合部２５２と内側基板２８３は一体となってｚ軸方向に変位する。結合部２５２と内側基板２８３が上方に変位すれば、コンデンサＣ１の容量が増加し、コンデンサＣ２の容量が減少する。結合部２５２と内側基板２８３が下方に変位すれば、コンデンサＣ１の容量が減少し、コンデンサＣ２の容量が増加する。
第２のｚバネ２５３は、ｘ軸方向に伸びており、ｚ軸方向に薄くｙ軸方向に厚い板バネである。第２のｚバネ２５３は、内側基板２８３からｘ軸方向に伸びており、ｘ軸方向で内側可動部２３０と外側可動部２２０との間の位置にまで達し、固定部２５４で外側基板２８１に固定されている。第２のｚバネ２５３は、内側可動部２３０と立体交差している。内側可動部２３０と第２のｚばね２５３との間には、第１酸化膜分のギャップが形成されている。第２のｚバネ２５３は、ｚ軸方向のバネ定数が他の軸方向のバネ定数よりも小さい。第２のｚバネ２５３の一端は、内側基板２８３と連続的に接続されている。また、第２のｚバネ２５３の他端は、ｚばね固定部２５４を介して外側基板２８１に固定されている。ｚばね固定部２５４では、第１酸化膜と第２シリコン層とが存在している。ｚばね固定部２５４は、第２のｚバネ２５３の他端側に対応する位置でｙ軸方向に伸びており、第２のｚバネ２５３とその両側の溝Ｇ１を跨いでおり、両端が外側基板２８１にまで達している。ｚばね固定部２５４は、両端部が外側基板２８１に接続されているとともに、その中央部には第２のｚバネ２５３が接続されている。これにより、第２のｚバネ２５３は、溝Ｇ１によって外側基板２８１から分離されてはいるものの、ｚばね固定部２５４を介して外側基板２８１に固定されている。
また、内側基板２８３は第１酸化膜を介してｚ中継部２５１の各結合部２５２に接続されている。ｚ中継部２５１は、内側基板２８３と第２のｚバネ２５３とｚばね固定部２５４を介して、外側基板２８１に固定されている。ｚ中継部２５１は、第２のｚバネ２５３によって外側基板２８１に対してｚ軸方向に変位可能となっている。内側基板２８３は、ｚ中継部２５１と一体に変位する。
【００８４】
第２のｚ方向固定電極２１３は、内側基板２８３の下方に位置している。内側基板２８３がｚ軸方向に変位しない状態では、内側基板２８３の下面と第２のｚ方向固定電極２１３の上面との間に、第１酸化膜の厚みに等しいギャップが形成されている。また図示は省略するが、上記各実施例と同様に、第２のｚ方向固定電極２１３は接地されており、ｚ中継部２５１と内側可動部２３０と内側基板２８３は電気的に相互に接続されており、２個の第１のｚ方向固定電極２１２は、それぞれ固定電極基板２８２に電気的に接続されている。固定電極基板２８２と各結合部２５２と間にコンデンサが形成されており、このコンデンサには、第２のｚ方向固定電極２１３と内側基板２８３との間に形成されたコンデンサが直列に接続されている。ｚ中継部２５１のｚ軸方向に変位すると、直列に接続された２つのコンデンサによって生じる分圧電位が変化し、ｚ変位出力部９１がｚ中継部のｚ軸方向の変位に依存して出力値を変化させる。
【００８５】
本実施例では、励振電極２４７によりｘ中継部２４０がｘ軸方向に振動すると、それに伴って外側可動部２２０及び内側可動部２３０がｘ軸方向に振動する。ｙ軸周りの角速度が働くと、内側可動部２３０がｚ軸方向に変位するため、それに追従してｚ中継部２５１と内側基板２８３もｚ軸方向に変位する。これにより、ｚ変位出力部９１は、ｚ中継部２５１のｚ軸方向の変位量を出力する。ｚ軸方向のコリオリ力を正確に出力することができ、ｙ軸周りの角速度を正確に検出することができる。ｚ軸周りの角速度が作用した場合には、外側可動部２２０がｙ軸方向に変位するため、それに追従してｙ中継部２６１がｙ軸方向に変位する。これにより、ｙ変位出力部９９が、ｙ中継部２６１のｙ軸方向の変位量を出力する。ｙ軸方向のコリオリ力を正確に検出することができ、ｚ軸周りの角速度を正確に検出することができる。
【００８６】
本実施例の積層構造体２００においても、
（１）外側基板２８１上に、基板面に直交するｚ軸方向に可動な内側可動部２３０と、基板面に平行なｙ軸方向に可動な外側可動部２２０とを備えている構造体を実現し；
（２）それをＳＯＩ基板の積層構造体で実現することによって小型化と量産化とを可能とし；
（３）ｚ軸方向から見たときに外側可動部２２０内に内側可動部２３０を収容しているため、外側可動部２２０と内側可動部２３０とが入れ子構造を構成し、１枚の基板から製造可能な個数を増やし、１個あたりの製造コストを低下させることが可能となる。
なお、実施例６では、ＳＯＩ基板で構成される３層の積層構造体を角速度センサに適用したが、実施例２及び４のように、積層構造体２００の励振電極２４７をｘ方向固定電極に変更し、ｘ中継部２４０をｘ中継部１１０に変更することによって、３層の積層構造体からなる３軸加速度センサに適用してもよい。
【００８７】
（その他の実施例）
実施例１及び２の第２のｚばね５３は、第２シリコン層で形成されていてもよい。実施例３及び４のｙ‐ｚばね１２３は、第２シリコン層で形成されていてもよい。第２シリコン層では１５μｍであり、第１シリコン層よりも厚い。したがって、第２シリコン層で第２のｚばね５３及びｙ‐ｚばね１２３を形成する場合には、第２シリコン層１５のこれらのばねに対応する部位をエッチングすることによってｚ軸方向の厚みを薄くすることが好ましい。
【００８８】
上記各実施例では、外側可動部がｙ軸方向のみならずｘ軸方向にも変位可能であるとともに、内側可動部がｚ軸方向のみならずｘ軸方向にも変位可能である。しかしながら、外側可動部は、ｙ軸方向にのみ変位し、ｘ軸方向には変位しない構成であってもよいし、内側可動部は、ｚ軸方向にのみ変位し、ｘ軸方向には変位しない構成であってもよい。例えば、上記実施例１〜４及び６の可動構造体では、ｘ中継部が第１のｘばねを介して基板に接続されているが、ｘ中継部をｘばね固定部に直接接続すれば、外側可動部がｙ軸方向にのみ変位し、内側可動部がｚ軸方向にのみ変位する構成となる。また、実施例１及び２の第１のｙばね２１及び第１のｚばね３１をｘ中継部に接続することなく、固定部に直接接続するようにしてもよい。このような構成では、２軸加速度センサや１軸角速度をセンサを実現することができる。
また、上記各実施例では、外側可動部と内側可動部とを共に枠状としたが、内側可動部は枠状でなくてもよく、内側可動部は、積層構造体の基板を平面視したときに、外側可動部の枠内にあればよい。
また、たとえば、外側可動部を第２シリコン層で形成し、内側可動部を第１シリコン層で形成するといった態様で、内側可動部と外側可動部とが異なる層で形成されていてもよい。
【００８９】
以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示にすぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例をさまざまに変形、変更したものが含まれる。
本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組み合わせによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組み合わせに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成するものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。
【符号の説明】
【００９０】
１０，１００，１２０，１４０，２００：積層構造体
１１，１０１，１２１，１４１，２０１：可動構造体
１２，２１２：第１のｚ方向固定電極
１３，２１３：第２のｚ方向固定電極
２０：外側可動部
２１：第１のｙばね
２２：第３のｘばね
３０：内側可動部
３１：第１のｚばね
４０，１１０：ｘ中継部
４１：第１のｘばね
４２，１５９：ｘ連結部
４５，１６０，２４５：ｘばね固定部
４７，２４７：励振電極
５１，２５１：ｚ中継部
５２，２５２：結合部
５３，２５３：第２のｚばね
５４，１５４，２５４：ｚばね固定部
５５：第２のｘばね
６１：ｙ中継部
６２：外枠部
６３：中枠部
６４：第２のｙばね
６５：ｙ連結部
６６，２６６：ｙばね固定部
６７，２６７：ｙ方向固定電極
７１，７２，７３，７４，７５：酸化膜
８０，１２５，１５１，２８０：基板
８１，１２６，２８１：外側基板
８２，２８２：固定電極基板
８３，２８２：内側基板
８４，８５，８６，８７：開口
９０：ｚ変位出力部
９１：ｚ変位出力部
９２：キャリア信号発生部
９３：Ｃ−Ｖ変換部
９４：ＡＭ復調回路
９５：オペアンプ
９６：キャパシタ
９７：抵抗
９９：ｙ変位出力部
１０３：ｘ変位出力部
１１１：中継側支持部
１１５：ｘ方向固定電極
１１６：固定側支持部
１２３：ｙ‐ｚばね
１５０：積層構造体
１５５：ｘ‐ｚばね
１５６：ｘ‐ｙばね
１５７：ｙばね部
１５８：ｘばね部
Ｃ１，Ｃ２：コンデンサ
ＣＥ：櫛歯状電極
Ｃｆ：中心
Ｇ１，Ｇ２：溝
ＰＥ１，ＰＥ２，ＰＥ３：貫通電極
【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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