(57)【要約】【課題】  単純な構造を採りながら、静的・動的な加速度と角速度とを検出する。【解決手段】  加速度検出部１００は、重錘体１１０と、周囲の台座１３０と、可撓性をもった板状橋梁部１２１，１２３と、その表面に埋め込まれたピエゾ抵抗素子Ｐとによって構成され、角速度検出部２００は、重錘体２１０と、周囲の台座２３０と、可撓性をもった板状橋梁部２２１，２２３と、その上面に固着された圧電素子Ｄ，Ｅとによって構成される。台座１３０，２３０は装置筐体４００に固定される。加速度により重錘体１１０が変位すると、板状橋梁部１２１，１２３が撓み、ピエゾ抵抗素子Ｐの電気抵抗の変化として加速度検出がなされる。圧電素子Ｅに交流信号を供給して重錘体２１０を振動させた状態で、角速度に基づくコリオリ力により重錘体２１０が変位すると、板状橋梁部２２１，２２３が撓み、圧電素子Ｄに生じる電荷により角速度検出がなされる。【選択図】図２
2008190931.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
加速度検出部と角速度検出部とを備え、
前記加速度検出部は、
加速度検出用重錘体と、この加速度検出用重錘体の周囲を取り囲むように配置された加速度検出用台座と、前記加速度検出用重錘体と前記加速度検出用台座とを連結する加速度検出用可撓性連結部と、前記加速度検出用可撓性連結部の表層部分に埋め込まれたピエゾ抵抗素子と、前記ピエゾ抵抗素子の電気抵抗の変化に基づいて作用した加速度を検出する加速度検出回路と、を備え、
前記角速度検出部は、
角速度検出用重錘体と、この角速度検出用重錘体の周囲を取り囲むように配置された角速度検出用台座と、前記角速度検出用重錘体と前記角速度検出用台座とを連結する角速度検出用可撓性連結部と、前記角速度検出用可撓性連結部の表面に直接もしくは間接的に固着された駆動用圧電素子および検出用圧電素子と、前記駆動用圧電素子に交流信号を供給して前記角速度検出用可撓性連結部を周期的に変形させ前記角速度検出用重錘体に周期的な運動を生じさせながら、前記検出用圧電素子に生じる信号に基づいて作用した角速度を検出する角速度検出回路と、を備え、
前記加速度検出用台座と前記角速度検出用台座とが一体構造をなし、装置筐体に固定されていることを特徴とする加速度と角速度との双方を検出するセンサ。
【請求項２】
請求項１に記載のセンサにおいて、
加速度検出用重錘体、加速度検出用台座、加速度検出用可撓性連結部、角速度検出用重錘体、角速度検出用台座、角速度検出用可撓性連結部が、１枚のシリコン基板もしくはＳＯＩ基板によって構成されており、ピエゾ抵抗素子が、前記基板の表層部分に形成されたシリコンの不純物含有層によって構成されていることを特徴とする加速度と角速度との双方を検出するセンサ。
【請求項３】
請求項２に記載のセンサにおいて、
１枚の基板の下面側に一対の環状溝が形成されており、第１の環状溝で囲まれた部分により加速度検出用重錘体が構成され、第２の環状溝で囲まれた部分により角速度検出用重錘体が構成され、
前記第１の環状溝の形成により肉厚が薄くなった部分によって加速度検出用可撓性連結部が構成され、前記第２の環状溝の形成により肉厚が薄くなった部分によって角速度検出用可撓性連結部が構成され、
前記加速度検出用可撓性連結部の上面側の表層部分にピエゾ抵抗素子が埋め込まれ、前記角速度検出用可撓性連結部の上面に駆動用圧電素子および検出用圧電素子が直接もしくは間接的に固着されていることを特徴とする加速度と角速度との双方を検出するセンサ。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれかに記載のセンサにおいて、
加速度検出用可撓性連結部が複数の板状架橋部によって構成されており、個々の板状架橋部の加速度検出用重錘体に近い内側部分と加速度検出用台座に近い外側部分との双方にピエゾ抵抗素子が配置され、
角速度検出用可撓性連結部が複数の板状架橋部によって構成されており、個々の板状架橋部の角速度検出用重錘体に近い内側部分と角速度検出用台座に近い外側部分との双方に駆動用圧電素子および検出用圧電素子が配置されていることを特徴とする加速度と角速度との双方を検出するセンサ。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれかに記載のセンサにおいて、
駆動用圧電素子および検出用圧電素子の下面には下方電極、上面には上方電極がそれぞれ形成されており、これら各圧電素子の下方電極の下面が角速度検出用可撓性連結部の上面に固着されており、
角速度検出回路は、駆動用圧電素子の上方電極と下方電極との間に交流電圧を印加して角速度検出用重錘体に周期的な運動を生じさせながら、検出用圧電素子の上方電極と下方電極との間に生じる交流電圧に基づいて作用した角速度の検出を行うことを特徴とする加速度と角速度との双方を検出するセンサ。
【請求項６】
請求項５に記載のセンサにおいて、
複数の圧電素子の下方電極が物理的に単一の共通金属層によって構成されていることを特徴とする加速度と角速度との双方を検出するセンサ。
【請求項７】
請求項５または６に記載のセンサにおいて、
複数の圧電素子が物理的に単一の共通圧電素子によって構成されていることを特徴とする加速度と角速度との双方を検出するセンサ。
【請求項８】
重錘体と、
この重錘体の周囲を取り囲むように配置され、装置筐体に固定された台座と、
前記重錘体と前記台座とを連結する可撓性連結部と、
前記可撓性連結部の表層部分に埋め込まれたピエゾ抵抗素子と、
前記可撓性連結部の表面に直接もしくは間接的に固着された駆動用圧電素子および検出用圧電素子と、
前記ピエゾ抵抗素子の電気抵抗の変化に基づいて作用した加速度を検出する加速度検出回路と、
前記駆動用圧電素子に交流信号を供給して前記可撓性連結部を周期的に変形させ前記重錘体に周期的な運動を生じさせながら、前記検出用圧電素子に生じる信号に基づいて作用した角速度を検出する角速度検出回路と、
を備えることを特徴とする加速度と角速度との双方を検出するセンサ。
【請求項９】
請求項８に記載のセンサにおいて、
加速度検出回路は、ピエゾ抵抗素子の電気抵抗の変化を示す信号に含まれる高周波成分をカットする低域通過フィルタ回路を有し、この低域通過フィルタ回路を通過した信号成分を加速度の検出値として出力し、
角速度検出回路は、駆動用圧電素子に交流信号を供給して重錘体の周期的な運動を制御する駆動制御回路と、検出用圧電素子に生じる交流信号に含まれる低周波成分をカットする高域通過フィルタ回路と、この高域通過フィルタ回路を通過した交流信号に対して、前記駆動制御回路から与えられる検波信号に基づく同期検波を行う同期検波回路と、を有し、前記同期検波回路による検波結果を角速度の検出値として出力することを特徴とする加速度と角速度との双方を検出するセンサ。
【請求項１０】
請求項８または９に記載のセンサにおいて、
重錘体、台座、可撓性連結部が、１枚のシリコン基板もしくはＳＯＩ基板によって構成されており、ピエゾ抵抗素子が、前記基板の表層部分に形成されたシリコンの不純物含有層によって構成されていることを特徴とする加速度と角速度との双方を検出するセンサ。
【請求項１１】
請求項１０に記載のセンサにおいて、
１枚の基板の下面側に環状溝が形成されており、この環状溝で囲まれた部分により重錘体が構成され、この環状溝の形成により肉厚が薄くなった部分によって可撓性連結部が構成され、前記可撓性連結部の上面側の表層部分にピエゾ抵抗素子が埋め込まれ、前記可撓性連結部の上面に駆動用圧電素子および検出用圧電素子が直接もしくは間接的に固着されていることを特徴とする加速度と角速度との双方を検出するセンサ。
【請求項１２】
請求項１１に記載のセンサにおいて、
重錘体の上面中心部に原点Ｏが位置し、基板の上面にＸＹ平面が位置するようなＸＹＺ三次元座標系を定義し、
ＸＹ平面上のＸ軸の両脇に、Ｘ軸に対して所定間隔ｄｘを保ちながら、Ｘ軸に対して平行に伸びるＸａ軸およびＸｂ軸を定義し、
ＸＹ平面上のＹ軸の両脇に、Ｙ軸に対して所定間隔ｄｙを保ちながら、Ｙ軸に対して平行に伸びるＹａ軸およびＹｂ軸を定義し、
前記Ｘａ軸，Ｘｂ軸，Ｙａ軸，Ｙｂ軸のいずれか１つを補助軸Ｗと定義し、
可撓性連結部の重錘体に近い部分を内側部分、台座に近い部分を外側部分と定義したときに、
可撓性連結部の正のＸ軸上の内側部分と外側部分のそれぞれに検出用圧電素子が配置され、負のＸ軸上の内側部分と外側部分のそれぞれに検出用圧電素子が配置され、
可撓性連結部の正のＸａ軸上の内側部分と外側部分のそれぞれに駆動用圧電素子が配置され、負のＸａ軸上の内側部分と外側部分のそれぞれに駆動用圧電素子が配置され、
可撓性連結部の正のＸｂ軸上の内側部分と外側部分のそれぞれに駆動用圧電素子が配置され、負のＸｂ軸上の内側部分と外側部分のそれぞれに駆動用圧電素子が配置され、
可撓性連結部の正のＹ軸上の内側部分と外側部分のそれぞれに検出用圧電素子が配置され、負のＹ軸上の内側部分と外側部分のそれぞれに検出用圧電素子が配置され、
可撓性連結部の正のＹａ軸上の内側部分と外側部分のそれぞれに駆動用圧電素子が配置され、負のＹａ軸上の内側部分と外側部分のそれぞれに駆動用圧電素子が配置され、
可撓性連結部の正のＹｂ軸上の内側部分と外側部分のそれぞれに駆動用圧電素子が配置され、負のＹｂ軸上の内側部分と外側部分のそれぞれに駆動用圧電素子が配置され、
可撓性連結部の正のＸ軸上の内側部分と外側部分のそれぞれにピエゾ抵抗素子が配置され、負のＸ軸上の内側部分と外側部分のそれぞれにピエゾ抵抗素子が配置され、
可撓性連結部の正のＹ軸上の内側部分と外側部分のそれぞれにピエゾ抵抗素子が配置され、負のＹ軸上の内側部分と外側部分のそれぞれにピエゾ抵抗素子が配置され、
可撓性連結部の正のＷ軸上の内側部分と外側部分のそれぞれにピエゾ抵抗素子が配置され、負のＷ軸上の内側部分と外側部分のそれぞれにピエゾ抵抗素子が配置されていることを特徴とする加速度と角速度との双方を検出するセンサ。
【請求項１３】
請求項８〜１１のいずれかに記載のセンサにおいて、
可撓性連結部が複数の板状架橋部によって構成されており、個々の板状架橋部の重錘体に近い内側部分と台座に近い外側部分との双方にピエゾ抵抗素子が配置され、個々の板状架橋部の前記内側部分と前記外側部分との双方に駆動用圧電素子および検出用圧電素子が配置されていることを特徴とする加速度と角速度との双方を検出するセンサ。
【請求項１４】
請求項８〜１３のいずれかに記載のセンサにおいて、
駆動用圧電素子および検出用圧電素子の下面には下方電極、上面には上方電極がそれぞれ形成されており、これら各圧電素子の下方電極の下面が可撓性連結部の上面に固着されており、
角速度検出回路は、駆動用圧電素子の上方電極と下方電極との間に交流電圧を印加して重錘体に周期的な運動を生じさせながら、検出用圧電素子の上方電極と下方電極との間に生じる交流電圧に基づいて作用した角速度の検出を行うことを特徴とする加速度と角速度との双方を検出するセンサ。
【請求項１５】
請求項１４に記載のセンサにおいて、
複数の圧電素子の下方電極が物理的に単一の共通金属層によって構成されていることを特徴とする加速度と角速度との双方を検出するセンサ。
【請求項１６】
請求項１４または１５に記載のセンサにおいて、
複数の圧電素子が物理的に単一の共通圧電素子によって構成されていることを特徴とする加速度と角速度との双方を検出するセンサ。
【請求項１７】
請求項８〜１６のいずれかに記載のセンサにおいて、
一部の領域において、ピエゾ抵抗素子と圧電素子とが、絶縁層を挟んで積層状態となるように形成されていることを特徴とする加速度と角速度との双方を検出するセンサ。
【請求項１８】
重錘体と、
この重錘体の脇に配置され、装置筐体に固定された台座と、
前記重錘体と前記台座とを連結する可撓性連結部と、
前記可撓性連結部の表層部分に埋め込まれたピエゾ抵抗素子と、
前記可撓性連結部の表面に直接もしくは間接的に固着された駆動用圧電素子および検出用圧電素子と、
前記ピエゾ抵抗素子の電気抵抗の変化に基づいて作用した加速度を検出する加速度検出回路と、
前記駆動用圧電素子に交流信号を供給して前記可撓性連結部を周期的に変形させ前記重錘体に周期的な運動を生じさせながら、前記検出用圧電素子に生じる信号に基づいて作用した角速度を検出する角速度検出回路と、
を備えることを特徴とする加速度と角速度との双方を検出するセンサ。
【請求項１９】
請求項１８に記載のセンサにおいて、
加速度検出回路は、ピエゾ抵抗素子の電気抵抗の変化を示す信号に含まれる高周波成分をカットする低域通過フィルタ回路を有し、この低域通過フィルタ回路を通過した信号成分を加速度の検出値として出力し、
角速度検出回路は、駆動用圧電素子に交流信号を供給して重錘体の周期的な運動を制御する駆動制御回路と、検出用圧電素子に生じる交流信号に含まれる低周波成分をカットする高域通過フィルタ回路と、この高域通過フィルタ回路を通過した交流信号に対して、前記駆動制御回路から与えられる検波信号に基づく同期検波を行う同期検波回路と、を有し、前記同期検波回路による検波結果を角速度の検出値として出力することを特徴とする加速度と角速度との双方を検出するセンサ。
【請求項２０】
請求項１８または１９に記載のセンサにおいて、
重錘体、台座、可撓性連結部が、シリコンを含む材料によって構成されており、ピエゾ抵抗素子が、シリコンに不純物を含有させた層によって構成されていることを特徴とする加速度と角速度との双方を検出するセンサ。
【請求項２１】
請求項１８〜２０のいずれかに記載のセンサにおいて、
可撓性連結部が、重錘体の上部と台座の上部とを連結する板状架橋部によって構成され、台座の下部は装置筐体に固定されており、前記可撓性連結部の上面側の表層部分にピエゾ抵抗素子が埋め込まれ、前記可撓性連結部の上面に駆動用圧電素子および検出用圧電素子が直接もしくは間接的に固着されていることを特徴とする加速度と角速度との双方を検出するセンサ。
【請求項２２】
請求項２１に記載のセンサにおいて、
重錘体の上面の所定点と台座の上面の所定点とを連結するＷ軸を定義し、このＷ軸の両脇に、Ｗ軸に対して所定間隔ｄｗを保ちながら、Ｗ軸に対して平行に伸びるＷａ軸およびＷｂ軸を定義し、
可撓性連結部の重錘体に近い部分を重錘体近傍部分、台座に近い部分を台座近傍部分と定義したときに、
可撓性連結部のＷ軸上の重錘体近傍部分および台座近傍部分のそれぞれに検出用圧電素子が配置され、
可撓性連結部のＷａ軸上の重錘体近傍部分および台座近傍部分のそれぞれに駆動用圧電素子が配置され、
可撓性連結部のＷｂ軸上の重錘体近傍部分および台座近傍部分のそれぞれに駆動用圧電素子が配置され、
可撓性連結部のＷ軸上の重錘体近傍部分および台座近傍部分のそれぞれにピエゾ抵抗素子が配置されていることを特徴とする加速度と角速度との双方を検出するセンサ。
【請求項２３】
請求項２１に記載のセンサにおいて、
重錘体の上面の所定点と台座の上面の所定点とを連結するＷ軸を定義し、このＷ軸の両脇に、Ｗ軸に対して所定間隔ｄｗを保ちながら、Ｗ軸に対して平行に伸びるＷａ軸およびＷｂ軸を定義し、
可撓性連結部の重錘体に近い部分を重錘体近傍部分、台座に近い部分を台座近傍部分と定義したときに、
可撓性連結部のＷ軸上の重錘体近傍部分および台座近傍部分のそれぞれに駆動用圧電素子が配置され、
可撓性連結部のＷａ軸上の重錘体近傍部分および台座近傍部分のそれぞれに検出用圧電素子が配置され、
可撓性連結部のＷｂ軸上の重錘体近傍部分および台座近傍部分のそれぞれに検出用圧電素子が配置され、
可撓性連結部のＷ軸上の重錘体近傍部分および台座近傍部分のそれぞれにピエゾ抵抗素子が配置されていることを特徴とする加速度と角速度との双方を検出するセンサ。
【請求項２４】
請求項１８〜２３のいずれかに記載のセンサにおいて、
駆動用圧電素子および検出用圧電素子の下面には下方電極、上面には上方電極がそれぞれ形成されており、これら各圧電素子の下方電極の下面が可撓性連結部の上面に固着されており、
角速度検出回路は、駆動用圧電素子の上方電極と下方電極との間に交流電圧を印加して重錘体に周期的な運動を生じさせながら、検出用圧電素子の上方電極と下方電極との間に生じる交流電圧に基づいて作用した角速度の検出を行うことを特徴とする加速度と角速度との双方を検出するセンサ。
【請求項２５】
請求項２４に記載のセンサにおいて、
複数の圧電素子の下方電極が物理的に単一の共通金属層によって構成されていることを特徴とする加速度と角速度との双方を検出するセンサ。
【請求項２６】
請求項２４または２５に記載のセンサにおいて、
複数の圧電素子が物理的に単一の共通圧電素子によって構成されていることを特徴とする加速度と角速度との双方を検出するセンサ。
【請求項２７】
請求項１８〜２６のいずれかに記載のセンサにおいて、
一部のピエゾ抵抗素子と一部の圧電素子とが、絶縁層を挟んで積層状態となるように形成されていることを特徴とする加速度と角速度との双方を検出するセンサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、加速度と角速度との双方を検出するセンサ、特に、重錘体に作用する力に基づいて加速度および角速度の検出を行うセンサに関する。
【背景技術】
【０００２】
産業機械や電子機器などでは、加速度や角速度といった物理量を検出する装置が組み込まれることが多い。このため、小型で高精度な加速度センサや角速度センサが多数開発されてきている。特に、二次元あるいは三次元方向の加速度を検出できる多軸加速度センサや、二軸あるいは三軸まわりの角速度を検出できる多軸角速度センサの需要が高まってきている。たとえば、最近のデジタルカメラには、手振れ制御を行うために、多軸加速度センサや多軸角速度センサなどを内蔵したものが少なくない。このような用途では、センサの小型化が重要な課題であり、１つの小型の装置でありながら、加速度と角速度との双方を検出することが可能な兼用センサ（一般に、モーションセンサと呼ばれている）が望まれている。
【０００３】
本願発明者は、このような要望に応えるために、加速度と角速度との双方を検出することが可能なセンサを提案している。たとえば、下記の特許文献１および２には、加速度もしくは角速度の作用によって生じる重錘体（振動子）の変位を圧電素子の撓みとして電気的に検出することにより、加速度と角速度との双方を検出するセンサが開示されている。また、特許文献３には、重錘体（振動子）の変位を静電容量素子の静電容量値の変化として電気的に検出することにより、加速度と角速度との双方を検出するセンサが開示されている。
【特許文献１】特開平８−０６８６３６号公報
【特許文献２】特開２００２−３５０１３８号公報
【特許文献３】特開２００５−０３１０９６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
前述した圧電素子を利用したタイプのセンサは、機械的な変形が加えられると電荷が生じるという圧電素子の性質を利用するものである。そのため、「重錘体の動的な変位（過渡的な運動）」の検出は可能であるが、「重錘体の静的な変位（定位置からのずれ量）」を検出することはできない。したがって、重錘体を運動させることを前提とする角速度検出に関しては、静的な角速度（常に一定方向に一定速度で回転し続ける運動の角速度）も、動的な角速度（回転方向や速度が時間的に変動する運動の角速度）も検出可能であるが、加速度検出に関しては、動的な加速度（加速度の大きさや方向の時間的な変化）の検出は可能であるが、静的な加速度（たとえば、重力加速度のように一定の加速度）の検出を行うことはできない。たとえば、圧電素子に力を加えると、過渡応答として当初は所定の電荷が発生することになるが、加えた力が一定であれば、測定系が安定した後は、電荷の発生は得られなくなる。したがって、重力加速度のように常に一定の加速度（静的加速度）の検出を行うことはできない。
【０００５】
一方、前述した静電容量素子を利用したタイプのセンサは、重錘体の変位そのものを静電容量素子の静電容量値（電極間距離）として検出することができるので、静的な角速度、動的な角速度、静的な加速度、動的な加速度のいずれも検出可能である。しかしながら、静電容量素子を構成する一対の電極のそれぞれに対して配線を施す必要があるため、センサ全体の構造が複雑にならざるを得ない。特に、精度の高い検出値を得るために、重錘体の周囲からダンパーとして機能する空気を除去し、内部を真空にする構成を採る場合、真空状態を維持しつつ内部の電極に対する配線を行う必要が生じるので、非常に複雑な構造が要求される。
【０００６】
そこで本発明は、単純な構造を採りながら、静的および動的な角速度と、静的および動的な加速度とのいずれをも検出可能な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】
【０００７】
(1)   本発明の第１の態様は、加速度と角速度との双方を検出するセンサを、加速度検出部と角速度検出部とによって構成し、
加速度検出部には、
加速度検出用重錘体と、この加速度検出用重錘体の周囲を取り囲むように配置された加速度検出用台座と、加速度検出用重錘体と加速度検出用台座とを連結する加速度検出用可撓性連結部と、加速度検出用可撓性連結部の表層部分に埋め込まれたピエゾ抵抗素子と、ピエゾ抵抗素子の電気抵抗の変化に基づいて作用した加速度を検出する加速度検出回路と、を設け、
角速度検出部には、
角速度検出用重錘体と、この角速度検出用重錘体の周囲を取り囲むように配置された角速度検出用台座と、角速度検出用重錘体と角速度検出用台座とを連結する角速度検出用可撓性連結部と、角速度検出用可撓性連結部の表面に直接もしくは間接的に固着された駆動用圧電素子および検出用圧電素子と、駆動用圧電素子に交流信号を供給して角速度検出用可撓性連結部を周期的に変形させ角速度検出用重錘体に周期的な運動を生じさせながら、検出用圧電素子に生じる信号に基づいて作用した角速度を検出する角速度検出回路と、を設け、
加速度検出用台座と角速度検出用台座とを一体構造とし、これらを装置筐体に固定するようにしたものである。
【０００８】
(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と角速度との双方を検出するセンサにおいて、
加速度検出用重錘体、加速度検出用台座、加速度検出用可撓性連結部、角速度検出用重錘体、角速度検出用台座、角速度検出用可撓性連結部が、１枚のシリコン基板もしくはＳＯＩ基板によって構成されており、ピエゾ抵抗素子が、基板の表層部分に形成されたシリコンの不純物含有層によって構成されているようにしたものである。
【０００９】
(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と角速度との双方を検出するセンサにおいて、
１枚の基板の下面側に一対の環状溝が形成されており、第１の環状溝で囲まれた部分により加速度検出用重錘体が構成され、第２の環状溝で囲まれた部分により角速度検出用重錘体が構成され、
第１の環状溝の形成により肉厚が薄くなった部分によって加速度検出用可撓性連結部が構成され、第２の環状溝の形成により肉厚が薄くなった部分によって角速度検出用可撓性連結部が構成され、
加速度検出用可撓性連結部の上面側の表層部分にピエゾ抵抗素子が埋め込まれ、角速度検出用可撓性連結部の上面に駆動用圧電素子および検出用圧電素子が直接もしくは間接的に固着されているようにしたものである。
【００１０】
(4)   本発明の第４の態様は、上述した第１〜第３の態様に係る加速度と角速度との双方を検出するセンサにおいて、
加速度検出用可撓性連結部が複数の板状架橋部によって構成されており、個々の板状架橋部の加速度検出用重錘体に近い内側部分と加速度検出用台座に近い外側部分との双方にピエゾ抵抗素子が配置され、
角速度検出用可撓性連結部が複数の板状架橋部によって構成されており、個々の板状架橋部の角速度検出用重錘体に近い内側部分と角速度検出用台座に近い外側部分との双方に駆動用圧電素子および検出用圧電素子が配置されているようにしたものである。
【００１１】
(5)   本発明の第５の態様は、上述した第１〜第４の態様に係る加速度と角速度との双方を検出するセンサにおいて、
駆動用圧電素子および検出用圧電素子の下面には下方電極、上面には上方電極がそれぞれ形成されており、これら各圧電素子の下方電極の下面が角速度検出用可撓性連結部の上面に固着されており、
角速度検出回路が、駆動用圧電素子の上方電極と下方電極との間に交流電圧を印加して角速度検出用重錘体に周期的な運動を生じさせながら、検出用圧電素子の上方電極と下方電極との間に生じる交流電圧に基づいて作用した角速度の検出を行うようにしたものである。
【００１２】
(6)   本発明の第６の態様は、上述した第５の態様に係る加速度と角速度との双方を検出するセンサにおいて、
複数の圧電素子の下方電極が物理的に単一の共通金属層によって構成されているようにしたものである。
【００１３】
(7)   本発明の第７の態様は、上述した第５または第６の態様に係る加速度と角速度との双方を検出するセンサにおいて、
複数の圧電素子が物理的に単一の共通圧電素子によって構成されているようにしたものである。
【００１４】
(8)   本発明の第８の態様は、加速度と角速度との双方を検出するセンサにおいて、
重錘体と、
この重錘体の周囲を取り囲むように配置され、装置筐体に固定された台座と、
重錘体と台座とを連結する可撓性連結部と、
可撓性連結部の表層部分に埋め込まれたピエゾ抵抗素子と、
可撓性連結部の表面に直接もしくは間接的に固着された駆動用圧電素子および検出用圧電素子と、
ピエゾ抵抗素子の電気抵抗の変化に基づいて作用した加速度を検出する加速度検出回路と、
駆動用圧電素子に交流信号を供給して可撓性連結部を周期的に変形させ重錘体に周期的な運動を生じさせながら、検出用圧電素子に生じる信号に基づいて作用した角速度を検出する角速度検出回路と、
を設けたものである。
【００１５】
(9)   本発明の第９の態様は、上述した第８の態様に係る加速度と角速度との双方を検出するセンサにおいて、
加速度検出回路は、ピエゾ抵抗素子の電気抵抗の変化を示す信号に含まれる高周波成分をカットする低域通過フィルタ回路を有し、この低域通過フィルタ回路を通過した信号成分を加速度の検出値として出力し、
角速度検出回路は、駆動用圧電素子に交流信号を供給して重錘体の周期的な運動を制御する駆動制御回路と、検出用圧電素子に生じる交流信号に含まれる低周波成分をカットする高域通過フィルタ回路と、この高域通過フィルタ回路を通過した交流信号に対して、駆動制御回路から与えられる検波信号に基づく同期検波を行う同期検波回路と、を有し、同期検波回路による検波結果を角速度の検出値として出力するようにしたものである。
【００１６】
(10)  本発明の第１０の態様は、上述した第８または第９の態様に係る加速度と角速度との双方を検出するセンサにおいて、
重錘体、台座、可撓性連結部が、１枚のシリコン基板もしくはＳＯＩ基板によって構成されており、ピエゾ抵抗素子が、この基板の表層部分に形成されたシリコンの不純物含有層によって構成されているようにしたものである。
【００１７】
(11)  本発明の第１１の態様は、上述した第１０の態様に係る加速度と角速度との双方を検出するセンサにおいて、
１枚の基板の下面側に環状溝が形成されており、この環状溝で囲まれた部分により重錘体が構成され、この環状溝の形成により肉厚が薄くなった部分によって可撓性連結部が構成され、可撓性連結部の上面側の表層部分にピエゾ抵抗素子が埋め込まれ、可撓性連結部の上面に駆動用圧電素子および検出用圧電素子が直接もしくは間接的に固着されているようにしたものである。
【００１８】
(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と角速度との双方を検出するセンサにおいて、
重錘体の上面中心部に原点Ｏが位置し、基板の上面にＸＹ平面が位置するようなＸＹＺ三次元座標系を定義し、
ＸＹ平面上のＸ軸の両脇に、Ｘ軸に対して所定間隔ｄｘを保ちながら、Ｘ軸に対して平行に伸びるＸａ軸およびＸｂ軸を定義し、
ＸＹ平面上のＹ軸の両脇に、Ｙ軸に対して所定間隔ｄｙを保ちながら、Ｙ軸に対して平行に伸びるＹａ軸およびＹｂ軸を定義し、
Ｘａ軸，Ｘｂ軸，Ｙａ軸，Ｙｂ軸のいずれか１つを補助軸Ｗと定義し、
可撓性連結部の重錘体に近い部分を内側部分、台座に近い部分を外側部分と定義したときに、
可撓性連結部の正のＸ軸上の内側部分と外側部分のそれぞれに検出用圧電素子が配置され、負のＸ軸上の内側部分と外側部分のそれぞれに検出用圧電素子が配置され、
可撓性連結部の正のＸａ軸上の内側部分と外側部分のそれぞれに駆動用圧電素子が配置され、負のＸａ軸上の内側部分と外側部分のそれぞれに駆動用圧電素子が配置され、
可撓性連結部の正のＸｂ軸上の内側部分と外側部分のそれぞれに駆動用圧電素子が配置され、負のＸｂ軸上の内側部分と外側部分のそれぞれに駆動用圧電素子が配置され、
可撓性連結部の正のＹ軸上の内側部分と外側部分のそれぞれに検出用圧電素子が配置され、負のＹ軸上の内側部分と外側部分のそれぞれに検出用圧電素子が配置され、
可撓性連結部の正のＹａ軸上の内側部分と外側部分のそれぞれに駆動用圧電素子が配置され、負のＹａ軸上の内側部分と外側部分のそれぞれに駆動用圧電素子が配置され、
可撓性連結部の正のＹｂ軸上の内側部分と外側部分のそれぞれに駆動用圧電素子が配置され、負のＹｂ軸上の内側部分と外側部分のそれぞれに駆動用圧電素子が配置され、
可撓性連結部の正のＸ軸上の内側部分と外側部分のそれぞれにピエゾ抵抗素子が配置され、負のＸ軸上の内側部分と外側部分のそれぞれにピエゾ抵抗素子が配置され、
可撓性連結部の正のＹ軸上の内側部分と外側部分のそれぞれにピエゾ抵抗素子が配置され、負のＹ軸上の内側部分と外側部分のそれぞれにピエゾ抵抗素子が配置され、
可撓性連結部の正のＷ軸上の内側部分と外側部分のそれぞれにピエゾ抵抗素子が配置され、負のＷ軸上の内側部分と外側部分のそれぞれにピエゾ抵抗素子が配置されているようにしたものである。
【００１９】
(13)  本発明の第１３の態様は、上述した第８〜第１１の態様に係る加速度と角速度との双方を検出するセンサにおいて、
可撓性連結部が複数の板状架橋部によって構成されており、個々の板状架橋部の重錘体に近い内側部分と台座に近い外側部分との双方にピエゾ抵抗素子が配置され、個々の板状架橋部の内側部分と外側部分との双方に駆動用圧電素子および検出用圧電素子が配置されているようにしたものである。
【００２０】
(14)  本発明の第１４の態様は、上述した第８〜第１３の態様に係る加速度と角速度との双方を検出するセンサにおいて、
駆動用圧電素子および検出用圧電素子の下面には下方電極、上面には上方電極がそれぞれ形成されており、これら各圧電素子の下方電極の下面が可撓性連結部の上面に固着されており、
角速度検出回路は、駆動用圧電素子の上方電極と下方電極との間に交流電圧を印加して重錘体に周期的な運動を生じさせながら、検出用圧電素子の上方電極と下方電極との間に生じる交流電圧に基づいて作用した角速度の検出を行うようにしたものである。
【００２１】
(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と角速度との双方を検出するセンサにおいて、
複数の圧電素子の下方電極が物理的に単一の共通金属層によって構成されているようにしたものである。
【００２２】
(16)  本発明の第１６の態様は、上述した第１４または第１５の態様に係る加速度と角速度との双方を検出するセンサにおいて、
複数の圧電素子が物理的に単一の共通圧電素子によって構成されているようにしたものである。
【００２３】
(17)  本発明の第１７の態様は、上述した第８〜第１６の態様に係る加速度と角速度との双方を検出するセンサにおいて、
一部の領域において、ピエゾ抵抗素子と圧電素子とが、絶縁層を挟んで積層状態となるように形成されているようにしたものである。
【００２４】
(18)  本発明の第１８の態様は、加速度と角速度との双方を検出するセンサにおいて、
重錘体と、
この重錘体の脇に配置され、装置筐体に固定された台座と、
重錘体と台座とを連結する可撓性連結部と、
可撓性連結部の表層部分に埋め込まれたピエゾ抵抗素子と、
可撓性連結部の表面に直接もしくは間接的に固着された駆動用圧電素子および検出用圧電素子と、
ピエゾ抵抗素子の電気抵抗の変化に基づいて作用した加速度を検出する加速度検出回路と、
駆動用圧電素子に交流信号を供給して可撓性連結部を周期的に変形させ重錘体に周期的な運動を生じさせながら、検出用圧電素子に生じる信号に基づいて作用した角速度を検出する角速度検出回路と、
を設けたものである。
【００２５】
(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と角速度との双方を検出するセンサにおいて、
加速度検出回路は、ピエゾ抵抗素子の電気抵抗の変化を示す信号に含まれる高周波成分をカットする低域通過フィルタ回路を有し、この低域通過フィルタ回路を通過した信号成分を加速度の検出値として出力し、
角速度検出回路は、駆動用圧電素子に交流信号を供給して重錘体の周期的な運動を制御する駆動制御回路と、検出用圧電素子に生じる交流信号に含まれる低周波成分をカットする高域通過フィルタ回路と、この高域通過フィルタ回路を通過した交流信号に対して、駆動制御回路から与えられる検波信号に基づく同期検波を行う同期検波回路と、を有し、同期検波回路による検波結果を角速度の検出値として出力するようにしたものである。
【００２６】
(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と角速度との双方を検出するセンサにおいて、
重錘体、台座、可撓性連結部が、シリコンを含む材料によって構成されており、ピエゾ抵抗素子が、シリコンに不純物を含有させた層によって構成されているようにしたものである。
【００２７】
(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と角速度との双方を検出するセンサにおいて、
可撓性連結部が、重錘体の上部と台座の上部とを連結する板状架橋部によって構成され、台座の下部は装置筐体に固定されており、可撓性連結部の上面側の表層部分にピエゾ抵抗素子が埋め込まれ、可撓性連結部の上面に駆動用圧電素子および検出用圧電素子が直接もしくは間接的に固着されているようにしたものである。
【００２８】
(22)  本発明の第２２の態様は、上述した第２１の態様に係る加速度と角速度との双方を検出するセンサにおいて、
重錘体の上面の所定点と台座の上面の所定点とを連結するＷ軸を定義し、このＷ軸の両脇に、Ｗ軸に対して所定間隔ｄｗを保ちながら、Ｗ軸に対して平行に伸びるＷａ軸およびＷｂ軸を定義し、
可撓性連結部の重錘体に近い部分を重錘体近傍部分、台座に近い部分を台座近傍部分と定義したときに、
可撓性連結部のＷ軸上の重錘体近傍部分および台座近傍部分のそれぞれに検出用圧電素子が配置され、
可撓性連結部のＷａ軸上の重錘体近傍部分および台座近傍部分のそれぞれに駆動用圧電素子が配置され、
可撓性連結部のＷｂ軸上の重錘体近傍部分および台座近傍部分のそれぞれに駆動用圧電素子が配置され、
可撓性連結部のＷ軸上の重錘体近傍部分および台座近傍部分のそれぞれにピエゾ抵抗素子が配置されているようにしたものである。
【００２９】
(23)  本発明の第２３の態様は、上述した第２１の態様に係る加速度と角速度との双方を検出するセンサにおいて、
重錘体の上面の所定点と台座の上面の所定点とを連結するＷ軸を定義し、このＷ軸の両脇に、Ｗ軸に対して所定間隔ｄｗを保ちながら、Ｗ軸に対して平行に伸びるＷａ軸およびＷｂ軸を定義し、
可撓性連結部の重錘体に近い部分を重錘体近傍部分、台座に近い部分を台座近傍部分と定義したときに、
可撓性連結部のＷ軸上の重錘体近傍部分および台座近傍部分のそれぞれに駆動用圧電素子が配置され、
可撓性連結部のＷａ軸上の重錘体近傍部分および台座近傍部分のそれぞれに検出用圧電素子が配置され、
可撓性連結部のＷｂ軸上の重錘体近傍部分および台座近傍部分のそれぞれに検出用圧電素子が配置され、
可撓性連結部のＷ軸上の重錘体近傍部分および台座近傍部分のそれぞれにピエゾ抵抗素子が配置されているようにしたものである。
【００３０】
(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と角速度との双方を検出するセンサにおいて、
駆動用圧電素子および検出用圧電素子の下面には下方電極、上面には上方電極がそれぞれ形成されており、これら各圧電素子の下方電極の下面が可撓性連結部の上面に固着されており、
角速度検出回路が、駆動用圧電素子の上方電極と下方電極との間に交流電圧を印加して重錘体に周期的な運動を生じさせながら、検出用圧電素子の上方電極と下方電極との間に生じる交流電圧に基づいて作用した角速度の検出を行うようにしたものである。
【００３１】
(25)  本発明の第２５の態様は、上述した第２４の態様に係る加速度と角速度との双方を検出するセンサにおいて、
複数の圧電素子の下方電極が物理的に単一の共通金属層によって構成されているようにしたものである。
【００３２】
(26)  本発明の第２６の態様は、上述した第２４または第２５の態様に係る加速度と角速度との双方を検出するセンサにおいて、
複数の圧電素子が物理的に単一の共通圧電素子によって構成されているようにしたものである。
【００３３】
(27)  本発明の第２７の態様は、上述した第１８〜第２６の態様に係る加速度と角速度との双方を検出するセンサにおいて、
一部のピエゾ抵抗素子と一部の圧電素子とが、絶縁層を挟んで積層状態となるように形成されているようにしたものである。
【発明の効果】
【００３４】
本発明に係るセンサでは、重錘体と台座と、これら両者を連結する可撓性連結部とが設けられ、台座に対する重錘体の変位を検出することにより、作用した加速度もしくは角速度の検出が行われる。しかも、加速度の検出は、可撓性連結部に形成されたピエゾ抵抗素子の電気抵抗の変化に基づいて行われ、角速度の検出は、可撓性連結部に形成された圧電素子によって行われる。ピエゾ抵抗素子も圧電素子も可撓性連結部に形成されているため、配線を容易に行うことができるので、センサ全体の構造を単純化することができる。また、ピエゾ抵抗素子や圧電素子を用いた検出を行う場合、容量素子を用いた検出のように微小な電極間隔の変化を測定する必要がないため、振動子の周囲を真空に維持する必要はない。しかも、ピエゾ抵抗素子は、静的な加速度（たとえば、重力加速度）が加わっている状態においても、当該静的な加速度を電気抵抗値として検出することが可能なので、この電気抵抗値に基づいて静的な加速度の検出を行うことができる。このように、本発明に係るセンサでは、単純な構造を採りながら、静的および動的な角速度と、静的および動的な加速度とのいずれをも検出することが可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３５】
以下、本発明を図示する実施形態に基づいて説明する。
【００３６】
＜＜＜  §１．第１の実施形態に係るセンサの基本構造  ＞＞＞
図１は、本発明の第１の実施形態に係るセンサの一例を示す上面図である。図示のとおり、このセンサの左半分は加速度検出部１００を構成し、右半分は角速度検出部２００を構成する。加速度検出部１００の主構造体は、四角柱状の加速度検出用重錘体１１０と、４本の板状架橋部１２１〜１２４と、加速度検出用台座１３０である。台座１３０は、重錘体１１０の周囲を取り囲むように配置された正方形の輪郭をなす部分であり、４本の板状架橋部１２１〜１２４は、これら両者を連結する可撓性連結部として機能する。一方、角速度検出部２００の主構造体は、四角柱状の角速度検出用重錘体２１０と、４本の板状架橋部２２１〜２２４と、角速度検出用台座２３０である。台座２３０は、重錘体２１０の周囲を取り囲むように配置された正方形の輪郭をなす部分であり、４本の板状架橋部２２１〜２２４は、これら両者を連結する可撓性連結部として機能する。
【００３７】
図２は、図１に示すセンサの側断面図である。ここでは、説明の便宜上、図１に示すように、加速度検出用重錘体１１０の上面中心位置に原点Ｏ１を定義し、角速度検出用重錘体２１０の上面中心位置に原点Ｏ２を定義し、各原点Ｏ１，Ｏ２について、それぞれＸＹＺ三次元座標系を定義する。図示のとおり、いずれの座標系においても、Ｘ軸は図の右方向を向いた座標軸になるが、Ｙ軸およびＺ軸は、個々の座標系ごとに異なるので、それぞれＹ１軸，Ｙ２軸およびＺ１軸，Ｚ２軸と呼ぶことにする。図２は、図１のセンサをＸ軸に沿った位置で切断した側断面図に相当する。
【００３８】
図３は、図２に示すセンサを切断線３−３の位置で切断した上断面図であり、図４は、図２に示すセンサを切断線４−４の位置で切断した上断面図である。図４に示されているとおり、重錘体１１０，２１０は、いずれも断面が正方形をなす四角柱であり、その周囲には方環状溝Ｇ１，Ｇ２が形成されている。台座１３０，２３０は、この方環状溝Ｇ１，Ｇ２を隔てて、重錘体１１０，２１０を四方から取り囲む壁状の構造体である。なお、台座１３０，２３０は、実際には一体構造をなし、一塊の部材によって構成されている。ここでは、説明の便宜上、加速度検出用重錘体１１０を取り囲む部分を加速度検出用台座１３０と呼び、角速度検出用重錘体２１０を取り囲む部分を角速度検出用台座２３０と呼んで区別しているが、図示のとおり、台座１３０の右端と台座２３０の左端は融合しており、両者の境界は厳密に定義されるわけではない。
【００３９】
実際には、このセンサの主構造体（重錘体１１０，２１０、板状架橋部１２１〜１２４，２２１〜２２４、台座１３０，２３０）は、１枚の基板（ここに示す実施例の場合、シリコン基板）を加工することによって構成することができる。すなわち、図２の側断面図に示されているとおり、１枚の基板の下面側から所定の深さの方環状溝Ｇ１，Ｇ２を堀って重錘体１１０，２１０を形成し、この重錘体１１０，２１０の底部を若干量だけ除去して底上げした後、図３の上断面図に示されているとおり、この基板の上層部分に開口部Ｗ１１〜Ｗ１４，Ｗ２１〜Ｗ２４を形成すれば、図示のとおりの主構造体を得ることができる。
【００４０】
図２に示すとおり、台座１３０，２３０の底面は、装置筐体４００に固定されているが、重錘体１１０，２１０の床部は底上げされているため、重錘体１１０，２１０は装置筐体４００に対して所定間隔を維持しながら宙吊りの状態になっている。なお、ここでは、図示の便宜上、装置筐体４００の一部分（台座１３０，２３０が固定された底部）のみが示されているが、実際には、装置筐体４００は、このセンサの主構造体の全体を包み込む構造になっており、図２の左欄外、右欄外、上欄外には、装置筐体４００の壁面が配置されている。
【００４１】
板状架橋部１２１〜１２４は、肉厚が薄い部分によって構成されるため、可撓性連結部として機能する。また、重錘体１１０は、これら板状架橋部１２１〜１２４によって四方から支持されているため、重錘体１１０に対して加速度に基づく力が加わると、板状架橋部１２１〜１２４が撓みを生じ、重錘体１１０が台座１３０に対して変位することになる。同様に、板状架橋部２２１〜２２４は、肉厚が薄い部分によって構成されるため、可撓性連結部として機能する。そして、重錘体２１０は、これら板状架橋部２２１〜２２４によって四方から支持されているため、板状架橋部２２１〜２２４に撓みを生じさせることにより、重錘体２１０を振動させることができ、また、この振動状態において、重錘体２１０に対して角速度に基づくコリオリ力が加わると、板状架橋部２２１〜２２４には当該コリオリ力に基づく撓みが生じ、重錘体２１０が台座２３０に対して当該コリオリ力に基づく変位を生じることになる。
【００４２】
以上、図１〜図４を参照しながら、加速度検出部１００の主構造体および角速度検出部２００の主構造体の構成をそれぞれ述べた。実際、これら主構造体の基本的な構成自体は、両者全く同じである。加速度検出部１００と角速度検出部２００との大きな違いは、これら主構造体の可撓性連結部（板状架橋部１２１〜１２４，２２１〜２２４）に形成された各素子にある。すなわち、図１の上面図に示すとおり、加速度検出部１００の板状架橋部１２１〜１２４には、複数のピエゾ抵抗素子Ｐが形成されており、角速度検出部２００の板状架橋部２２１〜２２４には、複数の圧電素子Ｄ，Ｅが形成されている。ピエゾ抵抗素子Ｐは加速度の検出に利用される素子であり、圧電素子Ｄ，Ｅは角速度の検出に利用される素子である。
【００４３】
図２に示されているとおり、ピエゾ抵抗素子Ｐは、板状架橋部１２１〜１２４（加速度検出用可撓性連結部）の表層部分に埋め込まれており、後述する加速度検出回路は、このピエゾ抵抗素子Ｐの電気抵抗の変化に基づいて作用した加速度を検出する。一方、圧電素子Ｄ，Ｅは、板状架橋部２２１〜２２４（角速度検出用可撓性連結部）の上面に固着されている。図１に示すように、各板状架橋部２２１〜２２４には、それぞれ６組の圧電素子が配置されており、角速度検出部２００には、合計２４組の圧電素子が配置されている。この２４組の圧電素子は、いずれも物理的には全く同一の構成をもった素子であるが、ここでは、その用途を考慮して、検出用圧電素子Ｄと駆動用圧電素子Ｅに分けて取り扱うことにする。
【００４４】
後に詳述するとおり、図１に示すセンサの場合、Ｘ軸上およびＹ２軸上に配置された８組の圧電素子が検出用圧電素子Ｄとなり、その両脇に配置された１６組の圧電素子が駆動用圧電素子Ｅになる。後述する角速度検出回路は、駆動用圧電素子Ｅに交流信号を供給して、各板状架橋部２２１〜２２４（角速度検出用可撓性連結部）を周期的に変形させ、角速度検出用重錘体２１０に周期的な運動を生じさせながら、検出用圧電素子Ｄに生じる信号に基づいて作用した角速度を検出する。
【００４５】
なお、検出用圧電素子Ｄおよび駆動用圧電素子Ｅは、板状架橋部２２１〜２２４の上面に生じた撓みが各圧電素子に伝達され、逆に、各圧電素子に生じた撓みが板状架橋部２２１〜２２４の上面に伝達されるように、板状架橋部２２１〜２２４の表面の所定位置に固着されていればよい。したがって、各圧電素子は、板状架橋部２２１〜２２４（角速度検出用可撓性連結部）の表面に直接固着されていてもよいし、何らかの別な部材を介して間接的に固着されていてもよい。ここに述べる実施例の場合、各圧電素子の上面には上方電極が形成され、下面には下方電極が形成され、各圧電素子は、下方電極を介して、板状架橋部２２１〜２２４の表面に間接的に固着されているが、図２では、図が繁雑になるため、上方電極および下方電極の図示は省略されている。
【００４６】
＜＜＜  §２．第１の実施形態に係るセンサの各部の撓み  ＞＞＞
続いて、図１に示すセンサにおける加速度検出部１００の重錘体１１０に対して、各座標軸方向への力が作用した場合に、板状架橋部１２１〜１２４の各位置にどのような撓みが生じるか、を考えるとともに、角速度検出部２００の重錘体２１０に対して、各座標軸方向への力が作用した場合に、板状架橋部２２１〜２２４の各位置にどのような撓みが生じるか、を考えてみよう。
【００４７】
上述したとおり、加速度検出部１００の主構造体および角速度検出部２００の主構造体の基本構成は共通しているので、ここでは、説明の便宜上、図５および図６に示すような基本モデルを考えてみる。この基本モデルは、図１に示すセンサの加速度検出部１００および角速度検出部２００の主構造体の物理的構造を示すモデルであり、図５はその上面図、図６はその側断面図である。図示のとおり、この基本モデルは、中央に配置された四角柱状の重錘体１０と、その周囲を取り囲むように配置された台座３０と、両者を連結する４本の板状架橋部２１，２２，２３，２４（可撓性連結部）と、によって構成されている。重錘体１０の周囲には、方環状溝Ｇ０が形成されており、上面には開口部Ｗ１，Ｗ２，Ｗ３，Ｗ４が形成されている。また、台座３０の底面は装置筐体４００に固定されており、重錘体１０は、４本の板状架橋部２１，２２，２３，２４によって宙吊り状態になっている。
【００４８】
図１および図２に示すセンサは、図５および図６に示す基本モデルを左右に２組並べたものに相当する。この基本モデルにおいても、図５の上面図に示すとおり、重錘体１０の上面中心位置に原点Ｏを定義し、図の右方向にＸ軸、図の上方向にＹ軸をとり、ＸＹＺ三次元座標系を定義する。図６の側断面図では、右方向がＸ軸、上方向がＺ軸になる。図５に示すＹ軸は、図１に示すＹ１軸およびＹ２軸に対応するものであり、図６に示すＺ軸は、図２に示すＺ１軸およびＺ２軸に対応するものである。また、説明の便宜上、図５に示すように、ＸＹ平面上のＸ軸の両脇に、Ｘ軸に対して所定間隔ｄｘを保ちながら、Ｘ軸に対して平行に伸びるＸａ軸およびＸｂ軸を定義し、ＸＹ平面上のＹ軸の両脇に、Ｙ軸に対して所定間隔ｄｙを保ちながら、Ｙ軸に対して平行に伸びるＹａ軸およびＹｂ軸を定義する。
【００４９】
そして、図５に示されているとおり、４本の板状架橋部２１，２２，２３，２４の上面に、Ｘ１１〜Ｘ３１およびＹ１１〜Ｙ３４という領域（図では矩形で示す）を定義する。ここで、領域Ｘ１１〜Ｘ１４は、Ｘａ軸上に定義され、Ｘａ軸方向を長手方向とする細長い領域であり、領域Ｘ２１〜Ｘ２４は、Ｘ軸上に定義され、Ｘ軸方向を長手方向とする細長い領域であり、領域Ｘ３１〜Ｘ３４は、Ｘｂ軸上に定義され、Ｘｂ軸方向を長手方向とする細長い領域である。同様に、領域Ｙ１１〜Ｙ１４は、Ｙａ軸上に定義され、Ｙａ軸方向を長手方向とする細長い領域であり、領域Ｙ２１〜Ｙ２４は、Ｙ軸上に定義され、Ｙ軸方向を長手方向とする細長い領域であり、領域Ｙ３１〜Ｙ３４は、Ｙｂ軸上に定義され、Ｙｂ軸方向を長手方向とする細長い領域である。いずれの領域も同一形状かつ同一サイズの領域となっており、その配置は、Ｘ軸およびＹ軸に関して線対称になる。
【００５０】
また、これらの各領域は、各板状架橋部２１，２２，２３，２４の両端に配置されている。すなわち、各板状架橋部２１，２２，２３，２４の重錘体１０に近い部分を内側部分、台座３０に近い部分を外側部分と定義すれば、領域Ｘ１１，Ｘ２１，Ｘ３１，Ｘ１４，Ｘ２４，Ｘ３４，Ｙ１１，Ｙ２１，Ｙ３１，Ｙ１４，Ｙ２４，Ｙ３４は外側部分に配置され、領域Ｘ１２，Ｘ２２，Ｘ３２，Ｘ１３，Ｘ２３，Ｘ３３，Ｙ１２，Ｙ２２，Ｙ３２，Ｙ１３，Ｙ２３，Ｙ３３は内側部分に配置されている。ここに述べる実施形態では、ピエゾ抵抗素子Ｐおよび圧電素子Ｄ，Ｅは、図５に示す各領域のいずれかの位置に配置される。
【００５１】
次に、この基本モデルにおいて、重錘体１０の重心Ｇに対して各座標軸方向の力が作用した場合に、主構造体がどのように変形するかを考えてみる。まず、Ｘ軸正方向の力＋Ｆｘが作用したときの変形状態を、図７の側断面図に示し、Ｘ軸負方向の力−Ｆｘが作用したときの変形状態を、図８の側断面図に示す。なお、ここでは、重錘体１０および台座３０は、十分な剛性を有しているのに対して、肉厚が薄い板状架橋部２１，２２，２３，２４（可撓性連結部）は、可撓性を有しているため、変形は板状架橋部２１，２２，２３，２４の部分のみに集中するものと仮定した図が示されている。厳密に言えば、重錘体１０および台座３０の部分にも若干の変形が生じることになるが、各板状架橋部の厚みが十分に薄ければ、実用上は、変形は各板状架橋部に集中するものと考えて問題はない。たとえば、後述するように、主構造体をシリコン基板によって構成した場合、基板全体の厚み（台座３０の高さ）を０．３ｍｍ程度、板状架橋部２１，２２，２３，２４の厚みを、１０μｍ程度に設定すると、変形はほぼ各板状架橋部に集中するものと考えてよい。
【００５２】
ここでは、各板状架橋部２１，２２，２３，２４の上面各部の撓みに着目してみよう。特に、図５に示した領域Ｘ１１〜Ｘ３４，Ｙ１１〜Ｙ３４について、それぞれの領域の長手方向に関する伸び縮みに着目してみる。図７および図８において、板状架橋部２１，２３の上方に記載されている各矢印は、この伸縮状態を示している。外側へ向かう一対の矢印は、当該領域が通常状態（力が作用していない状態）に比べて伸びることを示し、内側へ向かう一対の矢印は、当該領域が通常状態に比べて縮むことを示している。
【００５３】
たとえば、図７に示すとおり、重心Ｇに対してＸ軸正方向の力＋Ｆｘが作用した場合は、Ｘ軸上の領域Ｘ２１，Ｘ２３は縮み、領域Ｘ２２，Ｘ２４は伸びる。逆に、Ｘ軸負方向の力−Ｆｘが作用した場合は、図８に示すとおり、Ｘ軸上の領域Ｘ２１，Ｘ２３は伸び、領域Ｘ２２，Ｘ２４は縮む。Ｘ軸の両脇に定義されたＸａ軸およびＸｂ軸上の各領域も同様の変形を行うことになる。このとき、板状架橋部２２，２４上の領域Ｙ１１〜Ｙ３４は、幅方向に関して捩れる変形が生じることになるが、長手方向に関して顕著な変形は生じない。
【００５４】
次に、重心Ｇに対してＹ軸正方向の力＋ＦｙおよびＹ軸負方向の力−Ｆｙが作用した場合を考えてみよう。図５に示すとおり、Ｘ軸とＹ軸とは直交しているが、この基本モデルの主構造体を原点Ｏを中心に９０°回転させても、形状は全く同じである。したがって、上述したＸ軸方向に関する力が作用したときの変形態様は、Ｙ軸方向に関する力が作用したときの変形態様にもそのまま適用することができる。すなわち、Ｙ軸方向に関する力が作用したときの各領域Ｙ１１〜Ｙ３４の伸縮状態は、上述したＸ軸方向に関する力が作用したときの各領域Ｘ１１〜Ｘ３４の伸縮状態と同じになる。また、Ｙ軸方向に関する力が作用したとき、板状架橋部２１，２３上の領域Ｘ１１〜Ｘ３４は、幅方向に関して捩れる変形が生じることになるが、長手方向に関して顕著な変形は生じない。
【００５５】
続いて、重心Ｇに対してＺ軸方向に関する力が作用した場合を考える。図９は、Ｚ軸正方向の力＋Ｆｚが作用したときの変形状態を示す側断面図である。重錘体１０が上方へと移動することにより、Ｘ軸上の領域Ｘ２１，Ｘ２４は縮み、領域Ｘ２２，Ｘ２３は伸びる。このような伸縮状態は、Ｘ軸の両脇に配置されたＸａ軸およびＸｂ軸上の領域に関しても同様であり、更に、Ｙ軸およびその両脇に配置されたＹａ軸およびＹｂ軸上の領域に関しても同様である。結局、図５の上面図に示されている合計２４個の領域について、各板状架橋部２１，２２，２３，２４の外側部分の領域Ｘ１１，Ｘ２１，Ｘ３１，Ｘ１４，Ｘ２４，Ｘ３４，Ｙ１１，Ｙ２１，Ｙ３１，Ｙ１４，Ｙ２４，Ｙ３４は縮み、内側部分の領域Ｘ１２，Ｘ２２，Ｘ３２，Ｘ１３，Ｘ２３，Ｘ３３，Ｙ１２，Ｙ２２，Ｙ３２，Ｙ１３，Ｙ２３，Ｙ３３は伸びる。
【００５６】
一方、図１０は、Ｚ軸負方向の力−Ｆｚが作用したときの変形状態を示す側断面図である。重錘体１０が下方へと移動することにより、Ｘ軸上の領域Ｘ２１，Ｘ２４は伸び、領域Ｘ２２，Ｘ２３は縮む。結局、図５の上面図に示されている合計２４個の領域について、各板状架橋部２１，２２，２３，２４の外側部分の領域Ｘ１１，Ｘ２１，Ｘ３１，Ｘ１４，Ｘ２４，Ｘ３４，Ｙ１１，Ｙ２１，Ｙ３１，Ｙ１４，Ｙ２４，Ｙ３４は伸び、内側部分の領域Ｘ１２，Ｘ２２，Ｘ３２，Ｘ１３，Ｘ２３，Ｘ３３，Ｙ１２，Ｙ２２，Ｙ３２，Ｙ１３，Ｙ２３，Ｙ３３は縮む。
【００５７】
以上の検討結果を踏まえて、図５に示す基本モデルの重錘体１０に、各座標軸方向の力が作用したときの板状架橋部の上面各位置に定義された領域における長手方向に関する伸縮状態を図１１〜図１６の上面図にまとめて示す。すなわち、図１１はＸ軸正方向の力＋Ｆｘが作用した状態を示す上面図、図１２はＸ軸負方向の力−Ｆｘが作用した状態を示す上面図、図１３はＹ軸正方向の力＋Ｆｙが作用した状態を示す上面図、図１４はＹ軸負方向の力−Ｆｙが作用した状態を示す上面図、図１５はＺ軸正方向の力＋Ｆｚが作用した状態を示す上面図、図１６はＺ軸負方向の力−Ｆｚが作用した状態を示す上面図である。
【００５８】
いずれの図においても、外側へ向かう一対の矢印は、当該領域が通常状態（力が作用していない状態）に比べて伸びることを示し、内側へ向かう一対の矢印は、当該領域が通常状態に比べて縮むことを示している。なお、ここで考慮している伸縮は、あくまでも各領域の長手方向に関する伸縮であり、幅方向の伸縮は考慮していない。矢印の付されていないバーは、長手方向に関して有意な伸縮が生じないことを示している。また、ここで示した伸縮結果は、各板状架橋部２１，２２，２３，２４の上面における伸縮の結果であり、内部や下面における伸縮結果ではない。
【００５９】
＜＜＜  §３．第１の実施形態に係るセンサの加速度検出の原理  ＞＞＞
ここでは、図１および図２に示した第１の実施形態に係るセンサの加速度検出部１００における加速度検出の原理を述べる。
【００６０】
図１７は、図１に示すセンサの加速度検出部１００の拡大上面図である。§１で述べたとおり、加速度検出部１００の板状架橋部（加速度検出用可撓性連結部）１２１〜１２４の上面表層部分には、複数のピエゾ抵抗素子Ｐが埋め込まれており、このピエゾ抵抗素子Ｐの電気抵抗の変化に基づいて作用した加速度の検出が行われる。図１と同様に、この図１７においても、加速度検出用重錘体１１０の上面中心位置に原点Ｏ１を定義し、図の右方向にＸ軸、図の上方向にＹ１軸をとって、三次元座標系を定義する。また、Ｘ軸に隣接して、Ｘ軸と平行なＷ軸を図示のとおり定義する。この図１７に示すＷ軸は、図５に示すＸａ軸に対応するものであるが、ここでは、便宜上、Ｗ軸と呼ぶことにする。なお、図示の例では、Ｗ軸をＸ軸に平行な軸にしているが、原点Ｏ１を通り、Ｘ軸に対して所定角度だけ傾斜した軸をＷ軸としてもよい。
【００６１】
図示のとおり、加速度検出部１００には、合計１２組のピエゾ抵抗素子Ｐが設けられている。各ピエゾ抵抗素子Ｐは、いずれも全く同じサイズの同じ材料からなる素子であり、その配置位置のみが異なる。そこで、図示のとおり、各素子を、「Ｐ（領域記号）」の形式で示すことにする。ここで「領域記号」は、図５に示す各領域Ｘ１１〜Ｘ３４，Ｙ１１〜Ｙ３４の記号である。たとえば、図１７に示すピエゾ抵抗素子Ｐ（Ｘ１１）は、図５に示す領域Ｘ１１に配置された素子ということになる。各軸上に配置されたピエゾ抵抗素子Ｐは、当該配置軸方向を長手方向とする細長い素子となっており、この長手方向に関する電気抵抗の変化が加速度検出に寄与することになる。
【００６２】
図１８は、各ピエゾ抵抗素子Ｐの形成部分の拡大側断面図である。図に示す可撓性連結部１２０は、板状架橋部１２１〜１２４のいずれかに対応するものであり、その上面表層部分に、ピエゾ抵抗素子Ｐが埋め込まれている。ここに示す実施例の場合、可撓性連結部１２０はＮ型シリコン基板の一部によって構成されており、ピエゾ抵抗素子Ｐは、このＮ型シリコン基板の一部に形成されたＰ型不純物領域によって構成されている。なお、図１８には、端子Ｔ１，Ｔ２から伸びる配線が線で示されているが、これは、ピエゾ抵抗素子Ｐの左右両端と端子Ｔ１，Ｔ２との間に配線がなされることを便宜上示したものである。実際には、アルミニウムなどの金属を用いて、このような配線層が可撓性連結部１２０の上面に形成されることになる。
【００６３】
図１９は、この第１の実施形態に係るセンサに用いる加速度検出回路の一例を示す回路図である。図１９(a) は作用した加速度のＸ軸方向成分αｘの検出を行う回路、図１９(b) は作用した加速度のＹ軸方向成分αｙの検出を行う回路、図１９(c) は作用した加速度のＺ軸方向成分αｚの検出を行う回路である。これらの回路における１組のピエゾ抵抗素子は、図１８に示すピエゾ抵抗素子から構成されており、図１８に示す両端子Ｔ１，Ｔ２が、図１９の各回路図に示す黒丸点に対応する。いずれの回路も、４組のピエゾ抵抗素子Ｐからなるブリッジ回路を含み、これら各ブリッジ回路には、直流電源５０から常に一定の電圧が印加されている。
【００６４】
まず、図１９(a) に示すブリッジ回路は、図１７のＸ軸上に配置された４組のピエゾ抵抗素子Ｐ（Ｘ２１），Ｐ（Ｘ２２），Ｐ（Ｘ２３），Ｐ（Ｘ２４）によって構成されており、そのブリッジ電圧Ｖｘは電位差計５１によって測定される。何ら力が作用していない状態では、これら４組のピエゾ抵抗素子Ｐの電気抵抗は互いに等しいので、ブリッジ回路は平衡状態を維持し、電位差計５１によって測定されるブリッジ電圧Ｖｘは０になる。ところが、重錘体１１０にＸ軸方向に関する力が作用すると、図１１または図１２に示す伸縮状態が生じることになる。ピエゾ抵抗素子Ｐは、機械的な伸縮状態に応じて電気抵抗が増減する性質をもった素子であるので、図１１または図１２に示す伸縮状態が生じると、図１９(a) に示すブリッジ回路の平衡状態が崩れ、電位差計５１によって測定されるブリッジ電圧Ｖｘは正または負の値となる。
【００６５】
図１９(a) に示すブリッジ回路において、対辺を構成する一対のピエゾ抵抗素子Ｐ（Ｘ２１），Ｐ（Ｘ２３）は、Ｘ軸方向に関する力の作用に対して同じ伸縮状態をとる関係（一方が伸びれば他方も伸び、一方が縮めば他方も縮む関係）にあり、同様に、別な対辺を構成する一対のピエゾ抵抗素子Ｐ（Ｘ２２），Ｐ（Ｘ２４）も、Ｘ軸方向に関する力の作用に対して同じ伸縮状態をとる関係にあるので、電位差計５１によって測定されるブリッジ電圧Ｖｘは、作用したＸ軸方向に関する力の方向と大きさとを示す値になり、加速度のＸ軸方向成分αｘを示す値になる。
【００６６】
なお、Ｙ軸方向に関する力が作用した場合は、図１３および図１４に示すとおり、図１９(a) に示すブリッジ回路を構成する４組のピエゾ抵抗素子Ｐ（Ｘ２１），Ｐ（Ｘ２２），Ｐ（Ｘ２３），Ｐ（Ｘ２４）には、有意な伸縮は生じないので、ブリッジ電圧Ｖｘには有意な変動は生じない。これに対して、Ｚ軸方向に関する力が作用した場合は、図１５および図１６に示すとおり、図１９(a) に示すブリッジ回路を構成する４組のピエゾ抵抗素子Ｐ（Ｘ２１），Ｐ（Ｘ２２），Ｐ（Ｘ２３），Ｐ（Ｘ２４）に、有意な伸縮が生じることになる。しかしながら、このブリッジ回路の対辺を構成する一対のピエゾ抵抗素子Ｐ（Ｘ２１），Ｐ（Ｘ２３）は、Ｚ軸方向に関する力の作用に対して相反する伸縮状態をとる関係（一方が伸びれば他方は縮み、一方が縮めば他方は伸びる関係）にあり、同様に、別な対辺を構成する一対のピエゾ抵抗素子Ｐ（Ｘ２２），Ｐ（Ｘ２４）も、Ｚ軸方向に関する力の作用に対して相反する伸縮状態をとる関係にあるので、Ｚ軸方向に関する力の作用によるブリッジ電圧Ｖｘの変動は相殺されてしまう。結局、図１９(a) に示すブリッジ回路は、作用した加速度のＸ軸方向成分αｘのみを独立して検出することができる。
【００６７】
一方、図１９(b) に示すブリッジ回路は、図１７のＹ軸上に配置された４組のピエゾ抵抗素子Ｐ（Ｙ２１），Ｐ（Ｙ２２），Ｐ（Ｙ２３），Ｐ（Ｙ２４）によって構成されており、そのブリッジ電圧Ｖｙは電位差計５２によって測定される。何ら力が作用していない状態では、これら４組のピエゾ抵抗素子Ｐの電気抵抗は互いに等しいので、ブリッジ回路は平衡状態を維持し、電位差計５２によって測定されるブリッジ電圧Ｖｙは０になる。ところが、重錘体１１０にＹ軸方向に関する力が作用すると、図１３または図１４に示す伸縮状態が生じることになり、ブリッジ回路の平衡状態が崩れる。結局、電位差計５２によって測定されるブリッジ電圧Ｖｙが、加速度のＹ軸方向成分αｙを示す値になる。
【００６８】
この図１９(b) に示すブリッジ回路の場合、Ｘ軸方向に関する力が作用した場合は、ブリッジ電圧Ｖｙには有意な変動は生じない。また、Ｚ軸方向に関する力が作用した場合は、対辺を構成する一対のピエゾ抵抗素子が相反する伸縮状態をとる関係にあるので、Ｚ軸方向に関する力の作用によるブリッジ電圧Ｖｙの変動は相殺されてしまう。したがって、図１９(b) に示すブリッジ回路は、作用した加速度のＹ軸方向成分αｙのみを独立して検出することができる。
【００６９】
また、図１９(c) に示すブリッジ回路は、図１７のＷ軸上に配置された４組のピエゾ抵抗素子Ｐ（Ｘ１１），Ｐ（Ｘ１２），Ｐ（Ｘ１３），Ｐ（Ｘ１４）によって構成されており、そのブリッジ電圧Ｖｚは電位差計５３によって測定される。何ら力が作用していない状態では、これら４組のピエゾ抵抗素子Ｐの電気抵抗は互いに等しいので、ブリッジ回路は平衡状態を維持し、電位差計５３によって測定されるブリッジ電圧Ｖｚは０になる。ところが、重錘体１１０にＺ軸方向に関する力が作用すると、図１５または図１６に示す伸縮状態が生じることになり、ブリッジ回路の平衡状態が崩れる。結局、電位差計５３によって測定されるブリッジ電圧Ｖｚが、加速度のＺ軸方向成分αｚを示す値になる。
【００７０】
この図１９(c) に示すブリッジ回路の場合、対辺を構成する一対のピエゾ抵抗素子は、いずれも内側部分に配置された素子の組合わせか、いずれも外側部分に配置された素子の組合わせか、になっている。したがって、Ｚ軸方向に関する力が作用した場合は、対辺を構成する一対のピエゾ抵抗素子が同じ伸縮状態をとり、ブリッジ電圧Ｖｚに変動が生じることになるが、Ｘ軸方向もしくはＹ軸方向に関する力が作用した場合は、対辺を構成する一対のピエゾ抵抗素子が相反する伸縮状態をとるので、Ｘ軸方向もしくはＹ軸方向に関する力の作用によるブリッジ電圧Ｖｚの変動は相殺されてしまう。したがって、図１９(c) に示すブリッジ回路は、作用した加速度のＺ軸方向成分αｚのみを独立して検出することができる。
【００７１】
なお、Ｚ軸方向に関する力の検出に利用される４組のピエゾ抵抗素子の配置軸Ｗは、図５に示されている軸Ｘ，Ｘａ，Ｘｂ，Ｙ，Ｙａ，Ｙｂのいずれであってもかまわない。これは、内側部分に配置された一対の素子を１つの対辺とし、外側部分に配置された一対の素子を１つの対辺とするブリッジ回路を形成すれば、Ｚ軸方向に関する力の検出が可能になるためである。ただ、図５に示す基本モデルにおいて、Ｘ軸，Ｙ軸，Ｚ軸の３軸の検出機能をもったセンサを構成する際には、Ｘ軸方向に関する力の検出には、Ｘ軸上の各領域Ｘ２１，Ｘ２２，Ｘ２３，Ｘ２４に配置された素子を用い、Ｙ軸方向に関する力の検出には、Ｙ軸上の各領域Ｙ２１，Ｙ２２，Ｙ２３，Ｙ２４に配置された素子を用いるのが好ましいので、Ｚ軸方向に関する力の検出に用いる４組のピエゾ抵抗素子を配置するＷ軸は、Ｘａ軸，Ｘｂ軸，Ｙａ軸，Ｙｂ軸のいずれかにするか、または原点を通り、Ｘ軸に対して所定角度だけ傾斜した軸にするのが好ましい。この第１の実施形態として示した例は、Ｘａ軸をＷ軸として選択した例ということになる。
【００７２】
＜＜＜  §４．第１の実施形態に係るセンサの角速度検出の原理  ＞＞＞
続いて、図１および図２に示した第１の実施形態に係るセンサの角速度検出部２００における角速度検出の原理を述べる。
【００７３】
図２０は、図１に示すセンサの角速度検出部２００の拡大上面図である。§１で述べたとおり、角速度検出部２００の板状架橋部（角速度検出用可撓性連結部）２２１〜２２４の上面には、合計２４組の圧電素子が配置されている。各圧電素子は、いずれも物理的には全く同一の構成をもった素子であるが、ここでは、その用途を考慮して、重錘体２１０に加わった力の検出に利用される圧電素子を検出用圧電素子Ｄと呼び、重錘体２１０の駆動に利用される圧電素子を駆動用圧電素子Ｅと呼ぶことにする。
【００７４】
この図２０に示されている合計２４組の圧電素子の配置は、図５示す各領域Ｘ１１〜Ｘ３４，Ｙ１１〜Ｙ３４の配置と同じである。そこで、ここでは、検出用圧電素子Ｄを「Ｄ（領域記号）」の形式で示し、駆動用圧電素子を「Ｅ（領域記号）」の形式で示すことにする。「領域記号」は、図５に示す各領域Ｘ１１〜Ｘ３４，Ｙ１１〜Ｙ３４の記号である。たとえば、図２０に示す圧電素子Ｄ（Ｘ２１）は、図５に示す領域Ｘ２１に配置された検出用圧電素子であり、圧電素子Ｅ（Ｘ１１）は、図５に示す領域Ｘ１１に配置された駆動用圧電素子である。また、検出用圧電素子Ｄと駆動用圧電素子Ｅとを区別せずに言及する場合には、単に「圧電素子Ｆ」と呼ぶことにする。
【００７５】
図２０では、図１と同様に、角速度検出用重錘体２１０の上面中心位置に原点Ｏ２を定義し、図の右方向にＸ軸、図の上方向にＹ２軸をとって、三次元座標系を定義している。そして、この実施形態では、Ｘ軸上に配置された４組の圧電素子およびＹ軸上に配置された４組の圧電素子は、いずれも検出用圧電素子Ｄとなり、Ｘ軸の両脇およびＹ軸の両脇に配置された圧電素子（図５のＸａ軸，Ｘｂ軸，Ｙａ軸，Ｙｂ軸上の領域に配置された素子）は、いずれも駆動用圧電素子Ｅとなる。
【００７６】
図２１は、各圧電素子Ｆの形成部分の拡大側断面図である。図に示す可撓性連結部２２０は、板状架橋部２２１〜２２４のいずれかに対応するものであり、その上面に、圧電素子Ｆが配置されている。図示の例では、圧電素子Ｆは板状形態をしており、その上面に上方電極ＵＥが固着され、下面に下方電極ＬＥが固着されている。そして、下方電極ＬＥの下面は、可撓性連結部２２０の上面に固着されているので、結局、圧電素子Ｆは下方電極ＬＥを介して間接的に可撓性連結部２２０の上面に固着されていることになる。その結果、可撓性連結部２２０の上面に生じた撓み（機械的な変形）は圧電素子Ｆへと伝達され、逆に、圧電素子Ｆに生じた撓みは可撓性連結部２２０の上面へと伝達されることになる。
【００７７】
ここに示す実施例の場合、可撓性連結部２２０はシリコン基板の一部によって構成されており、圧電素子Ｆは、ＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）等によって構成されており、上方電極ＵＥおよび下方電極ＬＥはアルミニウム層によって構成されている。なお、図２１には、端子Ｕ，Ｌから伸びる配線が線で示されているが、これは、端子Ｕと上方電極ＵＥとの間および端子Ｌと下方電極ＬＥとの間に、それぞれ配線がなされることを便宜上示したものである。実際には、アルミニウムなどの金属を用いて、このような配線層が形成されることになる。
【００７８】
一般に、圧電素子は、応力が加えられると電圧が発生し、逆に、電圧が加えられると応力が生じる性質を有している。図２１に示す圧電素子Ｆは、図の横方向（可撓性連結部２２０の上面に平行な方向）に伸縮させる応力が加えられると、上方電極ＵＥと下方電極ＬＥとの間に電圧が生じる性質をもっている。生じる電圧の極性は、加えられた応力の向き（横方向に伸ばす方向か、縮ませる方向か）に依存して決まり、生じる電圧の大きさは、加えられた応力の大きさに依存して決まる。また、この圧電素子Ｆは、上方電極ＵＥと下方電極ＬＥとの間に電圧を印加すると、図の横方向に伸縮変形する性質をもっている。伸びるか縮むかは、印加電圧の極性に依存して決まり、伸縮変形の量は、印加電圧の大きさに依存して決まる。
【００７９】
このような圧電素子Ｆの性質を利用すれば、重錘体２１０を駆動することができる。すなわち、駆動用圧電素子Ｅに交流信号を供給して、各板状架橋部２２１〜２２４を周期的に変形させれば、重錘体２１０に周期的な運動を生じさせることができる。
【００８０】
たとえば、図２０に示す駆動用圧電素子Ｅ（Ｘ１１），Ｅ（Ｘ３１），Ｅ（Ｘ１３），Ｅ（Ｘ３３）の上下両電極間に第１の極性をもった電圧を印加して、各圧電素子を縮む方向に変形させるとともに、駆動用圧電素子Ｅ（Ｘ１２），Ｅ（Ｘ３２），Ｅ（Ｘ１４），Ｅ（Ｘ３４）の上下両電極間に第２の極性をもった電圧を印加して、各圧電素子を伸びる方向に変形させれば、図７の基本モデルに示すような変形態様が得られることになり、重錘体２１０の重心ＧはＸ軸正方向に移動する。また、各駆動用圧電素子に対する印加電圧の極性を逆にすれば、図８の基本モデルに示すような変形態様が得られることになり、重錘体２１０の重心ＧはＸ軸負方向に移動する。
【００８１】
結局、図２２に示すような交流の駆動信号Ｓ１，Ｓ２（互いに逆位相の一対の正弦波信号）を用意し、各駆動用圧電素子の下方電極ＬＥを接地レベルに保ち、図２０に示す駆動用圧電素子Ｅ（Ｘ１１），Ｅ（Ｘ３１），Ｅ（Ｘ１３），Ｅ（Ｘ３３）の各上方電極ＵＥには駆動信号Ｓ１を供給し、駆動用圧電素子Ｅ（Ｘ１２），Ｅ（Ｘ３２），Ｅ（Ｘ１４），Ｅ（Ｘ３４）の各上方電極ＵＥには駆動信号Ｓ２を供給すれば、重錘体２１０の重心ＧをＸ軸方向に単振動させることができる。
【００８２】
同様に、重錘体２１０の重心ＧをＹ軸方向に単振動させるのであれば、各駆動用圧電素子の下方電極ＬＥを接地レベルに保ち、図２０に示す駆動用圧電素子Ｅ（Ｙ１１），Ｅ（Ｙ３１），Ｅ（Ｙ１３），Ｅ（Ｙ３３）の各上方電極ＵＥには駆動信号Ｓ１を供給し、駆動用圧電素子Ｅ（Ｙ１２），Ｅ（Ｙ３２），Ｅ（Ｙ１４），Ｅ（Ｙ３４）の各上方電極ＵＥには駆動信号Ｓ２を供給すればよい。
【００８３】
また、重錘体２１０の重心ＧをＺ軸方向に単振動させるのであれば、図９に示す変形態様と図１０に示す変形態様とが交互に繰り返されるようにすればよい。したがって、各駆動用圧電素子の下方電極ＬＥを接地レベルに保ち、これら各圧電素子のうち、外側部分に配置されている駆動用圧電素子Ｅ（Ｘ１１），Ｅ（Ｘ３１），Ｅ（Ｘ１４），Ｅ（Ｘ３４），Ｅ（Ｙ１１），Ｅ（Ｙ３１），Ｅ（Ｙ１４），Ｅ（Ｙ３４）の各上方電極ＵＥには駆動信号Ｓ１を供給し、内側部分に配置されている駆動用圧電素子Ｅ（Ｘ１２），Ｅ（Ｘ３２），Ｅ（Ｘ１３），Ｅ（Ｘ３３），Ｅ（Ｙ１２），Ｅ（Ｙ３２），Ｅ（Ｙ１３），Ｅ（Ｙ３３）の各上方電極ＵＥには駆動信号Ｓ２を供給すればよい。
【００８４】
このように、特定の駆動用圧電素子Ｅに対して、図２２に示す２通りの駆動信号Ｓ１，Ｓ２を選択的に供給することにより、重錘体２１０の重心Ｇを、Ｘ軸、Ｙ軸もしくはＺ軸方向に単振動させることができる。また、図２３に示すような４通りの駆動信号ＳＳ１〜ＳＳ４（位相がπ／２ずつずれた正弦波信号）を用意すれば、重錘体２１０の重心Ｇを円運動させることも可能である。
【００８５】
たとえば、重心Ｇを、図２０に示されているＸ・Ｙ２平面（図５の基本モデルにおけるＸＹ平面）に平行な平面内で円運動させるのであれば、各駆動用圧電素子の下方電極ＬＥを接地レベルに保ち、図２０に示す駆動用圧電素子Ｅ（Ｘ１１），Ｅ（Ｘ３１），Ｅ（Ｘ１３），Ｅ（Ｘ３３）の各上方電極ＵＥには駆動信号ＳＳ１を供給し、駆動用圧電素子Ｅ（Ｙ１１），Ｅ（Ｙ３１），Ｅ（Ｙ１３），Ｅ（Ｙ３３）の各上方電極ＵＥには駆動信号ＳＳ２を供給し、駆動用圧電素子Ｅ（Ｘ１２），Ｅ（Ｘ３２），Ｅ（Ｘ１４），Ｅ（Ｘ３４）の各上方電極ＵＥには駆動信号ＳＳ３を供給し、駆動用圧電素子Ｅ（Ｙ１２），Ｅ（Ｙ３２），Ｅ（Ｙ１４），Ｅ（Ｙ３４）の各上方電極ＵＥには駆動信号ＳＳ４を供給すればよい。
【００８６】
同様に、各駆動用圧電素子Ｅに供給する駆動信号を適宜選択すれば、重心Ｇを、Ｘ・Ｚ２平面（図５の基本モデルにおけるＸＺ平面）内やＹ２・Ｚ２平面（図５の基本モデルにおけるＹＺ平面）内で円運動させることも可能である。
【００８７】
なお、上述の説明では、各駆動用圧電素子Ｅの下方電極ＬＥを共通の接地レベルに保ち、個々の上方電極ＵＥに個別の駆動信号を供給する例を述べたが、逆に、各駆動用圧電素子Ｅの上方電極ＵＥを共通の接地レベルに保ち、個々の下方電極ＵＬに個別の駆動信号を供給するようにしてもかまわない。
【００８８】
また、ここに示す実施例では、合計１６組の駆動用圧電素子Ｅを用いているが、理論的には、これら１６組の駆動用圧電素子Ｅのすべてが必要なわけではなく、たとえば、内側部分に位置する８組のみ、あるいは、外側部分に位置する８組のみを用いても、重錘体２１０の駆動は可能である。ただ、実用上は、重錘体２１０を効率的にかつ安定して駆動させるには、図示の例のように、合計１６組の駆動用圧電素子Ｅを設けるのが好ましい。
【００８９】
一方、各検出用圧電素子Ｄを利用すれば、重錘体２１０に作用した各軸方向の力を検出することができる。図２４は、このような力の検出を行うための回路の一例を示す回路図である。図２４(a) は作用した力のＸ軸方向成分の検出を行う回路、図２４(b) は作用した力のＹ１軸（図５の基本モデルにおけるＹ軸）方向成分の検出を行う回路、図２４(c) は作用した力のＺ２軸（図５の基本モデルにおけるＺ軸）方向成分の検出を行う回路である。この回路では、各検出用圧電素子Ｄの下方電極ＬＥを共通の接地レベルに保ち、個々の上方電極ＵＥに生じる電圧値に基づくアナログ演算の結果を端子Ｔｘ，Ｔｙ，Ｔｚに出力するようにしている。
【００９０】
図２４(a) に示す回路は、図２０に示すＸ軸上の検出用圧電素子Ｄについての演算回路であり、検出用圧電素子Ｄ（Ｘ２１）の上方電極Ｄ（Ｘ２１）Ｕの電圧値と検出用圧電素子Ｄ（Ｘ２３）の上方電極Ｄ（Ｘ２３）Ｕの電圧値との和を求める演算器６１と、検出用圧電素子Ｄ（Ｘ２２）の上方電極Ｄ（Ｘ２２）Ｕの電圧値と検出用圧電素子Ｄ（Ｘ２４）の上方電極Ｄ（Ｘ２４）Ｕの電圧値との和を求める演算器６２と、演算器６１と演算器６２の出力の差を求める演算器６３と、によって構成されている。
【００９１】
前述した基本モデルの場合、重錘体１０に対してＸ軸正方向の力＋Ｆｘが作用すると、板状架橋部２１，２３の上面には、図７に示すような伸縮が生じる。また、Ｘ軸負方向の力−Ｆｘが作用すると、板状架橋部２１，２３の上面には、図８に示すような伸縮が生じる。いずれの場合も、第１グループに属する検出用圧電素子Ｄ（Ｘ２１）の伸縮状態と検出用圧電素子Ｄ（Ｘ２３）の伸縮状態とは同じになる。また、第２グループに属する検出用圧電素子Ｄ（Ｘ２２）の伸縮状態と検出用圧電素子Ｄ（Ｘ２４）の伸縮状態とは同じになる。したがって、演算器６１の出力値は、第１グループに属する素子の伸縮状態を示す値になり、演算器６２の出力値は、第２グループに属する素子の伸縮状態を示す値になる。一方、第１グループに属する各素子の伸縮状態と第２グループに属する各素子の伸縮状態とは正反対になるので、演算器６３では、演算器６１の出力値と演算器６２の出力値との差を求め、端子Ｔｘに出力している。結局、端子Ｔｘに出力される電圧値は、重錘体１０に対して作用した力のＸ軸方向成分を示すものになる。
【００９２】
また、図２４(b) に示す回路は、図２０に示すＹ２軸上の検出用圧電素子Ｄについての演算回路であり、検出用圧電素子Ｄ（Ｙ２１）の上方電極Ｄ（Ｙ２１）Ｕの電圧値と検出用圧電素子Ｄ（Ｙ２３）の上方電極Ｄ（Ｙ２３）Ｕの電圧値との和を求める演算器６４と、検出用圧電素子Ｄ（Ｙ２２）の上方電極Ｄ（Ｙ２２）Ｕの電圧値と検出用圧電素子Ｄ（Ｙ２４）の上方電極Ｄ（Ｙ２４）Ｕの電圧値との和を求める演算器６５と、演算器６４と演算器６５の出力の差を求める演算器６６と、によって構成されている。このような回路構成によれば、端子Ｔｙに出力される電圧値は、重錘体１０に対して作用した力のＹ軸方向成分を示すものになる。
【００９３】
一方、図２４(c) に示す回路は、図２０に示すＸ軸上およびＹ２軸上の検出用圧電素子Ｄについての演算回路であり、内側部分に配置された各検出用圧電素子Ｄの上方電極Ｄ（Ｘ２２）Ｕ，Ｄ（Ｘ２３）Ｕ，Ｄ（Ｙ２２）Ｕ，Ｄ（Ｙ２３）Ｕの電圧値の総和を求める演算器６７と、外側部分に配置された各検出用圧電素子Ｄの上方電極Ｄ（Ｘ２１）Ｕ，Ｄ（Ｘ２４）Ｕ，Ｄ（Ｙ２１）Ｕ，Ｄ（Ｙ２４）Ｕの電圧値の総和を求める演算器６８と、演算器６７と演算器６８の出力の差を求める演算器６９と、によって構成されている。
【００９４】
前述した基本モデルの場合、重錘体１０に対してＺ軸正方向の力＋Ｆｚが作用すると、板状架橋部２１，２３の上面には、図９に示すような伸縮が生じる。また、Ｚ軸負方向の力−Ｆｚが作用すると、板状架橋部２１，２３の上面には、図１０に示すような伸縮が生じる。いずれの場合も、内側部分に配置された検出用圧電素子Ｄの伸縮状態は相互に同じになり、外側部分に配置された検出用圧電素子Ｄの伸縮状態も相互に同じになる。したがって、演算器６７の出力値は、内側部分に配置された素子の伸縮状態を示す値になり、演算器６８の出力値は、外側部分に配置された素子の伸縮状態を示す値になる。一方、内側部分に配置された各素子の伸縮状態と外側部分に配置された各素子の伸縮状態とは正反対になるので、演算器６９では、演算器６７の出力値と演算器６８の出力値との差を求め、端子Ｔｚに出力している。結局、端子Ｔｚに出力される電圧値は、重錘体１０に対して作用した力のＺ軸方向成分を示すものになる。
【００９５】
ところで、ある物体が三次元直交座標系内の第１の座標軸方向に速度Ｖで運動している状態において、この物体に第２の座標軸まわりの角速度ωが作用すると、この物体には第３の座標軸方向にコリオリ力Ｆｃが作用することになり、角速度ωは、Ｆｃ／Ｖに比例した値になる。ここに示す角速度検出部２００は、この原理を利用して、所望の座標軸まわりの角速度を検出する機能を有している。
【００９６】
たとえば、前述した方法で、重錘体２１０をＸ軸方向に単振動させ、その状態において、前述した方法で、重錘体２１０に作用したＹ２軸方向の力（コリオリ力）Ｆｃを検出すれば、当該検出値に基づいて、重錘体２１０に作用したＺ２軸まわりの角速度ωｚを求めることができる。この場合、たとえば「重錘体２１０が単振動の中心位置を通過する瞬間のタイミングで、力Ｆｃの検出を行う」というように定めておけば、重錘体２１０のＸ軸方向に関する速度Ｖは常に一定（単振動の最大速度）になるので、力Ｆｃの検出値をそのまま角速度ωｚに比例する量として取り扱うことができる。
【００９７】
同様に、重錘体２１０をＸ軸方向に単振動させた状態で、Ｚ２軸方向に作用するコリオリ力Ｆｃを検出すれば、Ｙ２軸まわりの角速度ωｙの検出が可能である。あるいは、重錘体２１０をＹ２軸方向に単振動させた状態で、Ｚ２軸方向に作用するコリオリ力Ｆｃを検出すれば、Ｘ軸まわりの角速度ωｘの検出が可能である。要するに、この第１の実施形態に係るセンサの角速度検出部２００は、重錘体２１０をＸ軸，Ｙ２軸，Ｚ２軸の所望の方向に運動させることができ、その状態において、重錘体２１０に作用したＸ軸，Ｙ２軸，Ｚ２軸方向のコリオリ力を検出することができるので、駆動軸および検出軸を適宜組み合わせることにより、Ｘ軸，Ｙ２軸，Ｚ２軸まわりの角速度の検出が可能になる。
【００９８】
なお、この３軸まわりの角速度検出を所定周期で連続的に行うためには、重錘体２１０に円運動をさせるのが好ましい。たとえば、前述したとおり、図２３に示すような４通りの駆動信号ＳＳ１〜ＳＳ４（位相がπ／２ずつずれた正弦波信号）を用いれば、重錘体２１０をＸ・Ｙ２平面（図５の基本モデルにおけるＸＹ平面）に平行な平面内で円運動させることができる。このような円運動において、重錘体２１０がＸ・Ｚ２平面を通過する瞬間に着目すると、重錘体２１０はＹ２軸方向に運動していることになるので、この瞬間にＸ軸方向に作用したコリオリ力を検出すれば、Ｚ２軸まわりの角速度を求めることができ、この瞬間にＺ２軸方向に作用したコリオリ力を検出すれば、Ｘ軸まわりの角速度を求めることができる。同様に、このような円運動において、重錘体２１０がＹ２・Ｚ２平面を通過する瞬間に着目すると、重錘体２１０はＸ軸方向に運動していることになるので、この瞬間にＺ２軸方向に作用したコリオリ力を検出すれば、Ｙ２軸まわりの角速度を求めることができ、この瞬間にＹ２軸方向に作用したコリオリ力を検出すれば、Ｚ２軸まわりの角速度を求めることができる。
【００９９】
＜＜＜  §５．第１の実施形態に係るセンサの特徴  ＞＞＞
これまで、図１および図２に示す構造をもった第１の実施形態に係るセンサについて、その基本構造、変形態様、加速度検出原理、角速度検出原理を順に述べた。ここでは、このセンサの個々の特徴を述べておく。
【０１００】
本発明に係るセンサの最も重要な特徴は、加速度の検出をピエゾ抵抗素子によって行い、角速度の検出を圧電素子によって行う点である。第１の実施形態に係るセンサの場合、加速度の検出は、加速度検出部１００内の重錘体１１０の変位をピエゾ抵抗素子の電気抵抗の変化として検出することによって行われる。ここで、ピエゾ抵抗素子の電気抵抗の変化は静的な物理現象であり、たとえば、図７に示すように、常に一定の力＋Ｆｘが作用し続け、可撓性連結部が常に一定の変形状態を維持していたとしても、可撓性連結部に形成されたピエゾ抵抗素子の電気抵抗は、当該変形状態に依存した一定の値に維持される。したがって、重力加速度のように定常的な加速度が作用している状態でも検出することができる。
【０１０１】
このように、ピエゾ抵抗素子は、静的な状態検出が可能になるというメリットを有しているが、駆動素子として用いることはできない。角速度の検出を行うには、前述したとおり、重錘体を所定方向に運動させる必要があり、駆動素子が必要になる。そこで、角速度検出部２００内では、圧電素子が採用されている。圧電素子は、可撓性連結部の変形に応じて電圧を発生させる検出素子としての機能を果たすことができるとともに、駆動信号を供給することにより変位を生じる駆動素子としての機能も果たすことができる。
【０１０２】
ただし、圧電素子は、ピエゾ抵抗素子のように、静的な変形状態の検出を行うことはできず、その検出素子としての機能は、動的な過渡現象の検出に限定されることになる。たとえば、力＋Ｆｘの作用により、重錘体１０が図７に示すようにＸ軸正方向に移動した場合、可撓性連結部の上面に固着されている圧電素子には、その過渡的な変形によって一時的に電荷が発生するが、重錘体１０が図７に示す位置で静止し、可撓性連結部が図示の変形状態を維持していると、圧電素子内で電荷は発生しなくなる。
【０１０３】
このように、圧電素子の検出機能は動的な変形状態の検出に限定されることになるが、角速度の検出を行う際には、そのような限定的な検出機能だけで十分である。前述したとおり、角速度検出部２００内の重錘体２１０は、単振動や円運動を行うように駆動させられるが、これらの運動は重錘体２１０の速度Ｖの大きさもしくは方向が時間的に変化する運動である。したがって、重錘体２１０に作用するコリオリ力Ｆｃの大きさや方向も時間的に変化することになり、結局、検出対象となるコリオリ力Ｆｃは、静的な量として検出されるわけではなく、動的な過渡現象として検出されることになる。したがって、角速度検出部２００内の検出素子としては、圧電素子を用いても何ら問題はない。
【０１０４】
本発明において、加速度の検出をピエゾ抵抗素子によって行い、角速度の検出を圧電素子によって行っているのは、このような事情を考慮したためである。また、ピエゾ抵抗素子および圧電素子は、可撓性連結部の上面に形成することができるので、配線が簡素化されるというメリットも得られる。たとえば、検出素子や駆動素子として容量素子を用いた場合、容量素子を構成する一対の電極のうちの一方は、重錘体側に設ける必要があり、個々の電極に対する配線は複雑にならざるを得ない。また、容量素子を用いる場合、微小な電極間距離の変化に基づく検出が必要になるため、実用上は、重錘体の運動が空気によって妨げられないように内部を真空に維持する必要がある。検出素子として、ピエゾ抵抗素子や圧電素子を用いた場合、内部を真空に維持する必要はなくなり、構造を単純化することができる。
【０１０５】
第１の実施形態に係るセンサのもう一つの特徴は、加速度検出部１００と角速度検出部２００の機械的な構成要素として、重錘体と、これを取り囲む台座と、両者を連結する可撓性連結部という構成からなる主構造体を採用し、加速度検出部１００側の台座１３０と角速度検出部２００側の台座２３０とが一体構造をなすようにした点である。
【０１０６】
図１の上面図および図２の側断面図を見ればわかるとおり、加速度検出部１００側の物理的な構造体と角速度検出部２００側の物理的な構造体には、同一の形状をもった構造体が採用されており、両者は一体構造をなしている。これは、加速度検出部１００側の物理的な構造体と角速度検出部２００側の物理的な構造体とを、共通した製造プロセスで作製できることを意味しており、製造プロセスを簡略化する上で効果的である。
【０１０７】
実用上は、１枚のシリコン基板を用いて、加速度検出部１００側の物理的な構造体と角速度検出部２００側の物理的な構造体とを作製するのが好ましい。すなわち、図２に示す加速度検出用重錘体１１０、加速度検出用可撓性連結部（板状架橋部）１２１〜１２４、加速度検出用台座１３０、角速度検出用重錘体２１０、角速度検出用可撓性連結部（板状架橋部）２２１〜２２４、角速度検出用台座２３０は、いずれも１枚のシリコン基板によって構成されることになる。
【０１０８】
この実施例の場合、１枚のシリコン基板の下面側に一対の方環状溝Ｇ１，Ｇ２（図４参照）が形成されており、第１の方環状溝Ｇ１で囲まれた部分により加速度検出用重錘体１１０が構成され、第２の方環状溝Ｇ２で囲まれた部分により角速度検出用重錘体２１０が構成されている。そして、図２に示すとおり、第１の方環状溝Ｇ１の形成により肉厚が薄くなった部分によって加速度検出用可撓性連結部（板状架橋部）１２１〜１２４が構成され、第２の方環状溝Ｇ２の形成により肉厚が薄くなった部分によって角速度検出用可撓性連結部（板状架橋部）２２１〜２２４が構成されている。
【０１０９】
また、加速度検出用可撓性連結部は、４本の板状架橋部１２１〜１２４によって構成されており、個々の板状架橋部１２１〜１２４の加速度検出用重錘体１１０に近い内側部分と加速度検出用台座１３０に近い外側部分との双方にピエゾ抵抗素子が配置され、角速度検出用可撓性連結部は、４本の板状架橋部２２１〜２２４によって構成されており、個々の板状架橋部２２１〜２２４の角速度検出用重錘体２１０に近い内側部分と角速度検出用台座２３０に近い外側部分との双方に駆動用圧電素子Ｅおよび検出用圧電素子Ｄが配置されている。
【０１１０】
このように、各板状架橋部の内側部分と外側部分との双方に各素子を配置するのは、重錘体が変位すると、これらの各部分（特に、内側部分の重錘体に対する付け根部分と、外側部分の台座に対する付け根部分）に、変形による応力の集中が見られるためである。これらの部分に各素子を配置することにより、重錘体の効率的な駆動や、撓みの効率的な検出が可能になる。
【０１１１】
なお、加速度検出部１００に形成される各ピエゾ抵抗素子Ｐは、図１８に示すとおり、加速度検出用可撓性連結部１２０の上面側の表層部分に埋め込まれており、前述したとおり、シリコン基板の表層部分に形成された不純物含有層（たとえば、Ｐ型不純物の拡散層）によって構成されている。
【０１１２】
一方、角速度検出部２００に形成される各圧電素子Ｆは、その役割上、駆動用圧電素子Ｅと検出用圧電素子Ｄとに分類され、角速度検出用可撓性連結部２２０の上面に直接もしくは間接的に固着されている。図２１に示す例では、各圧電素子Ｆの下面には下方電極ＬＥ、上面には上方電極ＵＥがそれぞれ形成されており、これら各圧電素子Ｆの下方電極ＬＥの下面が角速度検出用可撓性連結部２２０の上面に固着されている。角速度検出部２００用の角速度検出回路は、駆動用圧電素子Ｅの上方電極ＵＥと下方電極ＬＥとの間に交流電圧を印加して角速度検出用重錘体２１０に周期的な運動を生じさせながら、検出用圧電素子Ｄの上方電極ＵＥと下方電極ＬＥとの間に生じる交流電圧に基づいて作用した角速度の検出を行うことになる。
【０１１３】
＜＜＜  §６．第２の実施形態に係るセンサ  ＞＞＞
続いて、本発明の第２の実施形態に係るセンサを説明する。この第２の実施形態に係るセンサは、図１および図２に示した第１の実施形態に係るセンサにおける加速度検出部１００と角速度検出部２００とを単一の主構造体上に統合したものと言うことができる。図１の上面図および図２の側断面図を見ればわかるとおり、加速度検出部１００側の物理的な構造体と角速度検出部２００側の物理的な構造体は、実質的に同一であり、いずれも図５および図６に示す基本モデルと等価である。両者の相違は、加速度検出部１００にはピエゾ抵抗素子Ｐが形成されているのに対し、角速度検出部２００には圧電素子Ｆが形成されている点である。ここで述べる第２の実施形態に係るセンサは、図５および図６に示す基本モデルからなる主構造体上に、ピエゾ抵抗素子Ｐと圧電素子Ｆとの双方を形成したものである。
【０１１４】
図２５は、この第２の実施形態に係るセンサの上面図である。図示のとおり、このセンサの主構造体は、図５に示す基本モデルと同等であり、四角柱状の重錘体３１０と、４本の板状架橋部３２１〜３２４と、台座３３０と、によって構成されている。台座３３０は、重錘体３１０の周囲を取り囲むように配置された正方形の輪郭をなす部分であり、４本の板状架橋部３２１〜３２４は、これら両者を連結する可撓性連結部として機能する。
【０１１５】
図２６は、図２５に示すセンサの側断面図である。ここでも、説明の便宜上、図２５に示すように、重錘体３１０の上面中心位置に原点Ｏを定義し、ＸＹＺ三次元座標系を定義する。Ｘ軸は図２５における右方向を向いた座標軸、Ｙ軸は図２５における上方向を向いた座標軸、Ｚ軸は図２６における上方向を向いた座標軸になる。図２６は、図２５のセンサをＸ軸に沿った位置で切断した側断面図に相当する。また、図２５に示すように、ＸＹ平面上のＸ軸の両脇には、Ｘ軸に対して所定間隔ｄｘを保ちながら、Ｘ軸に対して平行に伸びるＸａ軸およびＸｂ軸を定義し、ＸＹ平面上のＹ軸の両脇には、Ｙ軸に対して所定間隔ｄｙを保ちながら、Ｙ軸に対して平行に伸びるＹａ軸およびＹｂ軸を定義する。
【０１１６】
図２７は、図２６に示すセンサを切断線２７−２７の位置で切断した上断面図であり、図２８は、図２６に示すセンサを切断線２８−２８の位置で切断した上断面図である。図２８に示されているとおり、重錘体３１０は断面が正方形をなす四角柱であり、その周囲には方環状溝Ｇ３が形成されている。台座３３０は、この方環状溝Ｇ３を隔てて、重錘体３１０を四方から取り囲む壁状の構造体である。
【０１１７】
第１の実施形態と同様に、このセンサの主構造体（重錘体３１０、板状架橋部３２１〜３２４、台座３３０）は、実際には、１枚の基板（たとえば、シリコン基板）を加工することによって構成することができる。すなわち、図２６の側断面図に示されているとおり、１枚の基板の下面側から所定の深さの方環状溝Ｇ３を堀って重錘体３１０を形成し、この重錘体３１０の底部を若干量だけ除去して底上げした後、図２７の上断面図に示されているとおり、この基板の上層部分に開口部Ｗ１〜Ｗ４を形成すれば、図示のとおりの主構造体を得ることができる。
【０１１８】
図２６に示すとおり、台座３３０の底面は、装置筐体４００に固定されているが、重錘体３１０の床部は底上げされているため、重錘体３１０は装置筐体４００に対して所定間隔を維持しながら宙吊りの状態になっている。なお、ここでは、図示の便宜上、装置筐体４００の一部分（台座３３０が固定された底部）のみが示されているが、実際には、装置筐体４００は、このセンサの主構造体の全体を包み込む構造になっており、図２６の左欄外、右欄外、上欄外には、装置筐体４００の壁面が配置されている。
【０１１９】
板状架橋部３２１〜３２４は、肉厚が薄い部分によって構成されるため、可撓性連結部として機能する。また、重錘体３１０は、これら板状架橋部３２１〜３２４によって四方から支持されているため、重錘体３１０に対して加速度に基づく力やコリオリ力が加わると、板状架橋部３２１〜３２４が撓みを生じ、重錘体３１０が台座３３０に対して変位することになる。
【０１２０】
図２５の上面図に示すとおり、板状架橋部３２１〜３２４には、複数のピエゾ抵抗素子Ｐおよび複数の圧電素子Ｄ，Ｅが形成されている。ピエゾ抵抗素子Ｐは、第１の実施形態に係るセンサの加速度検出部１００上に形成されていた１２組の素子（図１７参照）と同等の構造および同等の機能を有するものであり、圧電素子Ｄ，Ｅは、第１の実施形態に係るセンサの角速度検出部２００上に形成されていた２４組の素子（図２０参照）と同等の構造および同等の機能を有するものである。
【０１２１】
図２６に示されているとおり、ピエゾ抵抗素子Ｐは、板状架橋部３２１〜３２４（可撓性連結部）の表層部分に埋め込まれており、圧電素子Ｄ，Ｅは、板状架橋部３２１〜３２４の上面に固着されている（実際には、圧電素子Ｄ，Ｅには、上方電極ＵＥおよび下方電極ＬＥが形成されているが、図２６では図示を省略している）。ピエゾ抵抗素子Ｐの具体的な構成は、第１の実施形態と同様である（図１８参照）。また、圧電素子Ｄ，Ｅは、実際には同一の構成をもった圧電素子Ｆによって構成されており、その用途により、検出用圧電素子Ｄと駆動用圧電素子Ｅと呼んでいるだけである。この圧電素子Ｆの具体的な構成も、第１の実施形態と同様である（図２１参照）。
【０１２２】
このように、ピエゾ抵抗素子Ｐは、可撓性連結部の表層部分に埋め込まれており、圧電素子Ｅ，Ｄは、可撓性連結部の上面に固着されるため、両者は、同一領域に重ねて形成することが可能である。図２５には、両者が必要に応じて同一領域に重ねて形成されている状態が描かれている。第１の実施形態に係るセンサの場合、図１７に示すように合計１２組のピエゾ抵抗素子Ｐを設けるとともに、図２０に示すように合計２４組の圧電素子Ｄ，Ｅを設けていた。したがって、この第２の実施形態に係るセンサの場合、図２５に示すように、１２箇所の領域については、ピエゾ抵抗素子と圧電素子とが重畳して形成されているが、残りの１２箇所の領域については、圧電素子のみが単独で形成されている。
【０１２３】
なお、圧電素子Ｅ，Ｄの上下両面には電極が形成され、ピエゾ抵抗素子Ｐと圧電素子Ｅ，Ｄとの間には絶縁層が形成されているが、この電極や絶縁層は、図２６では図示が省略されている。ピエゾ抵抗素子Ｐや圧電素子Ｅ，Ｄの具体的な構成例は§７で述べる。
【０１２４】
図２９は、図２５に示すセンサの板状架橋部３２１の拡大上面図であり、図３０は、図２５に示すセンサの板状架橋部３２３の拡大上面図であり、図３１は、図２５に示すセンサの板状架橋部３２２の拡大上面図であり、図３２は、図２５に示すセンサの板状架橋部３２４の拡大上面図である。第１の実施形態と同様に、各ピエゾ抵抗素子の符号は、「Ｐ（領域記号）」の形式で示し、各検出用圧電素子の符号は、「Ｄ（領域記号）」の形式で示し、各駆動用圧電素子の符号は、「Ｅ（領域記号）」の形式で示してある。ここで「領域記号」は、図５に示す基本モデルにおける各領域Ｘ１１〜Ｘ３４，Ｙ１１〜Ｙ３４の記号である。
【０１２５】
結局、ここに示すセンサでは、可撓性連結部の正のＸ軸上の内側部分と外側部分のそれぞれに検出用圧電素子（Ｄ（Ｘ２２），Ｄ（Ｘ２１））が配置され、負のＸ軸上の内側部分と外側部分のそれぞれに検出用圧電素子（Ｄ（Ｘ２３）とＤ（Ｘ２４））が配置され、可撓性連結部の正のＸａ軸上の内側部分と外側部分のそれぞれに駆動用圧電素子（Ｅ（Ｘ１２），Ｅ（Ｘ１１））が配置され、負のＸａ軸上の内側部分と外側部分のそれぞれに駆動用圧電素子（Ｅ（Ｘ１３），Ｅ（Ｘ１４））が配置され、可撓性連結部の正のＸｂ軸上の内側部分と外側部分のそれぞれに駆動用圧電素子（Ｅ（Ｘ３２），Ｅ（Ｘ３１））が配置され、負のＸｂ軸上の内側部分と外側部分のそれぞれに駆動用圧電素子（Ｅ（Ｘ３３），Ｅ（Ｘ３４））が配置され、可撓性連結部の正のＹ軸上の内側部分と外側部分のそれぞれに検出用圧電素子（Ｄ（Ｙ２２），Ｄ（Ｙ２１））が配置され、負のＹ軸上の内側部分と外側部分のそれぞれに検出用圧電素子（Ｄ（Ｙ２３）とＤ（Ｙ２４））が配置され、可撓性連結部の正のＹａ軸上の内側部分と外側部分のそれぞれに駆動用圧電素子（Ｅ（Ｙ１２），Ｅ（Ｙ１１））が配置され、負のＹａ軸上の内側部分と外側部分のそれぞれに駆動用圧電素子（Ｅ（Ｙ１３），Ｅ（Ｙ１４））が配置され、可撓性連結部の正のＹｂ軸上の内側部分と外側部分のそれぞれに駆動用圧電素子（Ｅ（Ｙ３２），Ｅ（Ｙ３１））が配置され、負のＹｂ軸上の内側部分と外側部分のそれぞれに駆動用圧電素子（Ｅ（Ｙ３３），Ｅ（Ｙ３４））が配置され、可撓性連結部の正のＸ軸上の内側部分と外側部分のそれぞれにピエゾ抵抗素子（Ｐ（Ｘ２２），Ｐ（Ｘ２１））が配置され、負のＸ軸上の内側部分と外側部分のそれぞれにピエゾ抵抗素子（Ｐ（Ｘ２３），Ｐ（Ｘ２４））が配置され、可撓性連結部の正のＹ軸上の内側部分と外側部分のそれぞれにピエゾ抵抗素子（Ｐ（Ｙ２２），Ｐ（Ｙ２１））が配置され、負のＹ軸上の内側部分と外側部分のそれぞれにピエゾ抵抗素子（Ｐ（Ｙ２３），Ｐ（Ｙ２４））が配置され、可撓性連結部の正のＷ軸（この例では、Ｘａ軸をＷ軸にとっているが、Ｘａ軸，Ｘｂ軸，Ｙａ軸，Ｙｂ軸のいずれか１つをＷ軸（補助軸Ｗ）と定義すればよい）上の内側部分と外側部分のそれぞれにピエゾ抵抗素子（Ｐ（Ｘ１２），Ｐ（Ｘ１１））が配置され、負のＷ軸上の内側部分と外側部分のそれぞれにピエゾ抵抗素子（Ｐ（Ｘ１３），Ｐ（Ｘ１４））が配置されている。
【０１２６】
この第２の実施形態に係るセンサにおいて、各ピエゾ抵抗素子Ｐを用いた加速度の検出原理は、§３で述べた第１の実施形態に係るセンサにおける加速度検出原理と全く同じであり、§３で述べた加速度検出回路による加速度検出が可能である。また、この第２の実施形態に係るセンサにおいて、各圧電素子Ｄ，Ｅを用いた角速度の検出原理は、§４で述べた第１の実施形態に係るセンサにおける角速度検出原理と全く同じであり、§４で述べた角速度検出回路による角速度検出が可能である。したがって、ここでは、これらの基本的な検出原理や検出回路についての説明は省略する。ただ、同一の重錘体３１０を用いて加速度検出と角速度検出とが行われるため、加速度検出と角速度検出の干渉を防ぐ工夫が必要になる。このような工夫については、§１０で詳述する。
【０１２７】
＜＜＜  §７．ピエゾ抵抗素子および圧電素子の具体的な構成例  ＞＞＞
ここでは、ピエゾ抵抗素子および圧電素子の具体的な構成例、特に、§６で述べた第２の実施形態に利用するのに適した構成例を述べておく。
【０１２８】
図３３は、図２５に示すセンサの可撓性連結部３２０（板状架橋部３２１〜３２４）上におけるピエゾ抵抗素子および圧電素子の重畳形成部の拡大側断面図である。この例では、可撓性連結部３２０は、Ｎ型シリコン基板によって構成されており、ピエゾ抵抗素子Ｐは、このＮ型シリコン基板の表層部分に形成されたＰ型不純物含有層からなる。この可撓性連結部３２０の上面には、絶縁層５１１，５１２，５１３（たとえば、酸化シリコン膜や窒化シリコン膜）が形成されている。絶縁層５１１の上部に形成されている配線層５２１および絶縁層５１２の上部に形成されている配線層５２２は、ピエゾ抵抗素子Ｐの両端部に対する配線を行うための層（たとえば、アルミニウム層）であり、端子Ｔ１，Ｔ２への配線の用に供される。
【０１２９】
絶縁層５１３の上面に形成されている共通金属層ＬＥ＊は、すべての圧電素子Ｆについて共通して用いられる下方電極として機能し、この共通金属層ＬＥ＊の上面の所定箇所に、個別の圧電素子Ｆ（たとえば、ＰＺＴ）が形成され、更にその上面に個別の上方電極ＵＥが形成される。このように、圧電素子Ｆおよび上方電極ＵＥは、図５に示されている合計２４箇所の各領域Ｘ１１〜Ｘ３４，Ｙ１１〜Ｙ３４にそれぞれ個別に配置されることになるが、下方電極ＬＥは、個々の圧電素子Ｆごとに個別のものを形成する代わりに、１枚の共通金属層ＬＥ＊によって代用している。
【０１３０】
このような構成を採ると、§４の角速度検出の原理で述べたように、すべての下方電極ＬＥを共通の接地電位に接続して検出を行うような場合に、配線を省略することができるので便利である。図３３の例では、共通金属層の端子Ｌ＊を接地電位に接続すれば、すべての下方電極ＬＥに対する配線が完了する。要するに、複数の圧電素子の下方電極を物理的に単一の共通金属層ＬＥ＊によって構成することにより、配線を単純化するメリットが得られることになる。もちろん、共通金属層ＬＥ＊を用いずに、個々の圧電素子Ｆの下部の領域のみに、それぞれ個別の金属層を形成するようにしてもよい。
【０１３１】
一方、図３４は、図２５に示すセンサの可撓性連結部３２０（板状架橋部３２１〜３２４）上における圧電素子のみを形成する部分の拡大側断面図である。可撓性連結部３２０の上面には、絶縁層５１３（たとえば、酸化シリコン膜や窒化シリコン膜）が形成されており、その上の層構成は、図３３に示すものと全く同一である。別言すれば、図３３に示す絶縁層５１１，５１２，５１３と図３４に示す絶縁層５１３とは、実質的には同一の層であり、図３３に示す配線層５２１，５２２は、この同一の絶縁層内に埋め込まれた配線である。また、図３３に示す共通金属層ＬＥ＊と図３４に示す共通金属層ＬＥ＊も実質的には同一の層である。結局、図２５に示す主構造体の上面全面（図２７にハッチングを施して示す領域全面に相当）には、絶縁層５１３が形成され、更にその上面全面には、共通金属層ＬＥ＊が形成されることになる。
【０１３２】
こうして、一部の領域においては、図３３に示すように、ピエゾ抵抗素子と圧電素子とが、絶縁層を挟んで積層状態となるように形成されるが、別な一部の領域においては、図３４に示すように、圧電素子のみが絶縁層の上に形成されることになる。
【０１３３】
下方電極として機能する共通金属層ＬＥ＊や個別の上方電極ＵＥの材質は、電極として機能することが可能な導電性材料であれば、どのような材質のものを用いてもかまわない。一般的には、アルミニウムなどの金属を用いればよい。ただ、ここで示す実施例では、共通金属層ＬＥ＊として、下層がチタン、上層が白金からなる２層膜を用いている。これは、共通金属層ＬＥ＊の下方に位置する絶縁層５１３を酸化シリコン膜や窒化シリコン膜で構成し、共通金属層ＬＥ＊の上方に位置する圧電素子ＦをＰＺＴで構成した場合に、界面の適合性を向上させるための配慮である。すなわち、共通金属層ＬＥ＊の下層をチタンにしておくと、酸化シリコン膜や窒化シリコン膜からなる絶縁層５１３に対する接合性に優れ、共通金属層ＬＥ＊の上層を白金にしておくと、ＰＺＴからなる圧電素子Ｆに対する接合性に優れるというメリットが得られる。
【０１３４】
なお、個々の下方電極ＬＥを単一の共通金属層ＬＥ＊によって代用することができるのと同様に、個々の圧電素子Ｆを単一の共通圧電素子Ｆ＊によって代用することもできる。図３５および図３６は、このように複数の圧電素子Ｆを、物理的に単一の共通圧電素子Ｆ＊によって構成した例を示す拡大側断面図である。図３５は、ピエゾ抵抗素子Ｐと圧電素子Ｆとの双方を配置する必要がある領域についての図であり、図３６は、圧電素子Ｆのみを配置すれば足りる領域についての図である。図３３，図３４に示す例では、個々の領域に個別の圧電素子Ｆが形成されていたのに対し、図３５，図３６に示す例では、単一の共通圧電素子Ｆ＊が、図２５に示す主構造体の上面全面（図２７にハッチングを施して示す領域全面に相当）に形成されている。このように、単一の共通圧電素子Ｆ＊を形成したとしても、上方電極ＵＥがそれぞれ個別に形成されていれば、単一の共通圧電素子Ｆ＊の個々の部分がそれぞれ独立した圧電素子Ｆとしてのふるまいをするため、センサの動作には、何ら支障は生じない。
【０１３５】
なお、上述した実施例では、Ｎ型シリコン基板の表層部分に形成されたＰ型不純物含有層によりピエゾ抵抗素子を構成していたが、Ｐ型シリコン基板の表層部分に形成されたＮ型不純物含有層によりピエゾ抵抗素子を構成することも可能である。あるいは、Ｎ型シリコン基板の代わりに、ＳＯＩ（Silicon On Insulator）基板を用いてもよい。
【０１３６】
図３７は、図２に示す第１の実施形態に係るセンサをＳＯＩ基板を利用して構成した例を示す側断面図である。すなわち、この例では、Ｎ型シリコンからなる上層Ｌ１、酸化シリコンの絶縁膜からなる中層Ｌ２、ベースとなるＮ型もしくはＰ型のシリコンからなる下層Ｌ３の３層構造を有するＳＯＩ基板が用いられている。このＳＯＩ基板の中層Ｌ２および下層Ｌ３の部分に環状溝Ｇ１を掘ることによって、重錘体１１０と台座１３０とが分離されており、環状溝Ｇ２を掘ることによって、重錘体２１０と台座２３０とが分離されている。その結果、可撓性連結部（板状架橋部１２１〜１２４，２２１〜２２４）は上層Ｌ１の部分のみによって構成されている。ピエゾ抵抗素子Ｐが、上層Ｌ１の表層部分に形成されたＰ型不純物含有層により構成されている点は、これまでの実施例と同様である。なお、圧電素子Ｄ，Ｅ用の電極は、図示が省略されている。
【０１３７】
一方、図３８は、図２６に示す第２の実施形態に係るセンサをＳＯＩ基板を利用して構成した例を示す側断面図である。このセンサも、Ｎ型シリコンからなる上層Ｌ１、酸化シリコンの絶縁膜からなる中層Ｌ２、ベースとなるＮ型もしくはＰ型のシリコンからなる下層Ｌ３の３層構造を有するＳＯＩ基板を用いて構成されている。すなわち、このＳＯＩ基板の中層Ｌ２および下層Ｌ３の部分に環状溝Ｇ３を掘ることによって、重錘体３１０と台座３３０とが分離されており、可撓性連結部（板状架橋部３２１〜３２４）は上層Ｌ１の部分のみによって構成されている。ピエゾ抵抗素子Ｐが、上層Ｌ１の表層部分に形成されたＰ型不純物含有層により構成されている点は、これまでの実施例と同様である。なお、圧電素子Ｅ，Ｄの上下両面には電極が形成され、ピエゾ抵抗素子Ｐと圧電素子Ｄ，Ｅとの間には絶縁層が形成されているが、この電極や絶縁層は、図３８では図示が省略されている。
【０１３８】
図３７や図３８に示す例のように、ＳＯＩ基板を用いる第１のメリットは、上層Ｌ１と下層Ｌ３とが、絶縁層からなる中層Ｌ２によって分離されるため、各素子の電気的な挙動を安定させることができるようになる点である。ピエゾ抵抗素子Ｐを、Ｎ型シリコンの領域に形成されたＰ型不純物含有層によって構成した場合、その境界面にはＰＮ接合による電位障壁が形成されるため、一応、電気的に独立した素子形成が可能になる。しかしながら、実用上は、ＰＮ接合を通したリーク電流が避けられず、このリーク電流が台座を通って装置筐体４００側へ流れると、正しい検出を行うことができない。ＳＯＩ基板を用いると、図３７や図３８に示すように、ピエゾ抵抗素子Ｐが形成されている上層Ｌ１と、装置筐体４００に接合されている下層Ｌ３とが、絶縁層からなる中層Ｌ２によって電気的に分離されるため、上述したリーク電流による悪影響を防ぐことができる。
【０１３９】
ＳＯＩ基板を用いる第２のメリットは、可撓性連結部（板状架橋部）を加工する際に、その厚みの制御を容易に行うことができる点である。上層Ｌ１を構成するＮ型シリコンと、中層Ｌ２を構成する酸化シリコンとは、エッチング特性が異なる。したがって、ＳＯＩ基板の下面側から、環状溝Ｇ１，Ｇ２，Ｇ３を掘る場合、下層Ｌ３に対するエッチングを行い、続いて、中層Ｌ２に対するエッチングを行うようにすれば、上層Ｌ１に対するエッチングが全く行われない状態で、溝形成のためのエッチングプロセスをストップすることができる。別言すれば、可撓性連結部（板状架橋部）の厚みは、必ず上層Ｌ１の厚みになるので、細かなエッチング制御を行うことなしに、設計どおりの正確な厚みをもった主構造体を形成することができる。
【０１４０】
＜＜＜  §８．可撓性連結部の変形例  ＞＞＞
本発明に係るセンサでは、重錘体を可撓性連結部を介して台座によって支持するようにし、重錘体に外力が作用すると、自由に変位できる構造にする必要がある。これまで述べてきた第１の実施形態および第２の実施形態に係るセンサでは、可撓性連結部を４本の板状架橋部によって構成していた。しかしながら、可撓性連結部は、可撓性を有し、重錘体と台座とを連結することができる部材であれば、必ずしも架橋構造（ビーム構造）をなす部材である必要はない。ここでは、可撓性連結部の変形例を述べておく。
【０１４１】
図３９は、図１に示すセンサの変形例を示す上面図であり、図４０は、このセンサをＸ軸の位置で切断した側断面図である。このセンサも左半分の加速度検出部１００′と右半分の角速度検出部２００′とによって構成されている。加速度検出部１００′の主構造体は、円柱状の加速度検出用重錘体１１０′と、その周囲に形成されたワッシャ状の可撓性連結部１２０′と、その周囲に形成された加速度検出用台座１３０′である。同様に、角速度検出部２００′の主構造体は、円柱状の角速度検出用重錘体２１０′と、その周囲に形成されたワッシャ状の可撓性連結部２２０′と、その周囲に形成された角速度検出用台座２３０′である。
【０１４２】
図４０において、重錘体１１０′，２１０′は、いずれも円柱状をしており、その周囲には円環状溝Ｇ１′，Ｇ２′が形成されている。台座１３０′，２３０′は、この円環状溝Ｇ１′，Ｇ２′を隔てて、重錘体１１０′，２１０′を周囲から取り囲む構造体である。台座１３０′，２３０′は、実際には一体構造をなし、一塊の部材によって構成されており、その底部は装置筐体４００に固着されている。
【０１４３】
可撓性連結部１２０′および２２０′は、肉厚が薄いワッシャ状の部材（いわゆる、ダイアフラム）によって構成されており、可撓性を有している。重錘体１１０′に対して加速度に基づく力が加わると、可撓性連結部１２０′に撓みが生じ、重錘体１１０′が台座１３０′に対して変位する。同様に、可撓性連結部２２０′に撓みを生じさせることにより、重錘体２１０′を振動させることができ、また、この振動状態において、重錘体２１０′に対して角速度に基づくコリオリ力が加わると、可撓性連結部２２０′には当該コリオリ力に基づく撓みが生じ、重錘体２１０′が台座２３０′に対して当該コリオリ力に基づく変位を生じることになる。
【０１４４】
可撓性連結部１２０′の上面表層部分には、１２組のピエゾ抵抗素子Ｐが形成されており、可撓性連結部２２０′の上面には、２４組の圧電素子Ｄ，Ｅが形成されている。これら各素子の構成および配置は、図１に示すセンサと全く同様であり、また、これら各素子を用いて加速度および角速度を検出する原理も、図１に示すセンサと全く同様である。図１に示すセンサでは、可撓性連結部を４本の板状架橋部によって構成していたため、主構造体の上面には、開口部Ｗ１１〜Ｗ２４が形成されていたが、図３９に示すセンサでは、可撓性連結部がワッシャ状の部分によって構成されるため、開口部は一切設けられていない。したがって、必要なら、円環状溝Ｇ１′，Ｇ２′の部分を真空にすることができる。
【０１４５】
なお、図１には、加速度検出部１００および角速度検出部２００の双方において、可撓性連結部を板状架橋部（ビーム構造）で構成した例を示し、図３９には、加速度検出部１００′および角速度検出部２００′の双方において、可撓性連結部をワッシャ状の部材（ダイアフラム構造）で構成した例を示したが、一方の検出部にビーム構造を採用し、他方の検出部にダイアフラム構造を採用することも可能である。
【０１４６】
図４１は、図２５に示すセンサの変形例を示す上面図であり、図４２は、このセンサをＸ軸の位置で切断した側断面図である。このセンサの主構造体は、円柱状の重錘体３１０′と、その周囲に形成されたワッシャ状の可撓性連結部３２０′と、その周囲に形成された台座３３０′である。
【０１４７】
図４２において、重錘体３１０′は円柱状をしており、その周囲には円環状溝Ｇ３′が形成されている。台座３３０′は、この円環状溝Ｇ３′を隔てて、重錘体３１０′を周囲から取り囲む構造体である。台座３３０′の底部は装置筐体４００に固着されている。
【０１４８】
可撓性連結部３２０′は、肉厚が薄いワッシャ状の部材によって構成されており、可撓性を有している。したがって、重錘体３１０′に対して加速度に基づく力が加わると、可撓性連結部３２０′に撓みが生じ、重錘体３１０′が台座３３０′に対して変位する。逆に、可撓性連結部３２０′に撓みを生じさせることにより、重錘体３１０′を振動させることができ、また、この振動状態において、重錘体３１０′に対して角速度に基づくコリオリ力が加わると、可撓性連結部３２０′には当該コリオリ力に基づく撓みが生じ、重錘体３１０′が台座３３０′に対して当該コリオリ力に基づく変位を生じることになる。
【０１４９】
可撓性連結部３２０′の上面表層部分には、１２組のピエゾ抵抗素子Ｐが形成されており、その上面には、２４組の圧電素子Ｄ，Ｅが形成されている。これら各素子の構成および配置は、図２５に示すセンサと全く同様であり、その一部は、同じ領域に積層状態で形成されている（図４２では、各電極層や絶縁層の図示は省略されている）。また、これら各素子を用いて加速度および角速度を検出する原理も、図２５に示すセンサと全く同様である。図２５に示すセンサでは、可撓性連結部を４本の板状架橋部によって構成していたため、主構造体の上面には、開口部Ｗ１〜Ｗ４が形成されていたが、図４１に示すセンサでは、可撓性連結部がワッシャ状の部分によって構成されるため、開口部は一切設けられていない。したがって、必要なら、円環状溝Ｇ３′の部分を真空にすることができる。
【０１５０】
＜＜＜  §９．第３の実施形態に係るセンサ  ＞＞＞
続いて、本発明の第３の実施形態に係るセンサを述べる。これまで述べてきたセンサは、重錘体の周囲を台座で取り囲み、重錘体を可撓性連結部で周囲から支持する構造を採るため、重錘体は三次元座標系の各座標軸方向に変位可能であった。その結果、三次元の各座標軸方向の加速度や、三次元の各座標軸まわりの角速度の検出が可能であった。ここで述べる第３の実施形態に係るセンサは、一次元の加速度および一次元の角速度の検出に特化したセンサであり、その構造はより単純である。
【０１５１】
図４３は、このセンサの上面図、図４４は、その側断面図である。図示のとおり、このセンサの主構造体は、重錘体６１０、可撓性連結部６２０、台座６３０であり、いわゆる「片持ち梁構造」を採る。台座６３０は、重錘体６１０の脇に配置され、その下部は装置筐体４００に固定されている。可撓性連結部６２０は、重錘体６１０の上部と台座６３０の上部とを連結する板状架橋部によって構成されている。図４４に示すとおり、重錘体６１０、可撓性連結部６２０、台座６３０の上面は共通した平面になっている。以下、この共通した平面を「センサ上面」と呼ぶ。
【０１５２】
可撓性連結部６２０の上面側の表層部分には、ピエゾ抵抗素子Ｐが埋め込まれている。また、可撓性連結部６２０の上面には、駆動用圧電素子Ｅおよび検出用圧電素子Ｄが直接もしくは間接的に固着されている。ここでは、説明の便宜上、図４４に示すとおり、重錘体６１０の重心Ｇの位置（何ら力が作用していない基準状態における重心位置）に原点Ｏをとり、図の右方にＸ軸、上方にＺ軸をもったＸＹＺ三次元座標系を定義する。図４４は、図４３に示すセンサをＸＺ平面に沿って切断した側断面図に相当する。また、Ｘ軸に平行で、「センサ上面」に含まれる軸Ｗを定義する。この軸Ｗは、重錘体６１０の上面の所定点（この例では中心点）と台座６３０の上面の所定点（この例では中心点）とを連結する軸になる。また、図４３に示すように、このＷ軸の両脇の「センサ上面」に、Ｗ軸に対して所定間隔ｄｗを保ちながら、Ｗ軸に対して平行に伸びるＷａ軸およびＷｂ軸を定義する。そして、可撓性連結部６２０の重錘体６１０に近い部分（図の右端部分）を重錘体近傍部分、台座６３０に近い部分（図の左端部分）を台座近傍部分と呼ぶことにする。
【０１５３】
このような定義を行うと、各素子の配置は次のとおりである。まず、可撓性連結部６２０のＷ軸上の重錘体近傍部分にはピエゾ抵抗素子Ｐ（２１）が配置され、台座近傍部分にはピエゾ抵抗素子Ｐ（２２）が配置されている。一方、可撓性連結部６２０のＷ軸上の重錘体近傍部分には検出用圧電素子Ｄ（２１）が配置され、台座近傍部分には検出用圧電素子Ｄ（２２）が配置されている。また、可撓性連結部６２０のＷａ軸上の重錘体近傍部分には駆動用圧電素子Ｅ（１１）が配置され、台座近傍部分には駆動用圧電素子Ｅ（１２）が配置されており、可撓性連結部６２０のＷｂ軸上の重錘体近傍部分には駆動用圧電素子Ｅ（３１）が配置され、台座近傍部分には駆動用圧電素子Ｅ（３２）が配置されている。
【０１５４】
図４５は、図４３に示すセンサの可撓性連結部６２０の右側部分の拡大上面図であり、図４６は、その左側部分の拡大上面図である。上記各素子の配置は、これらの拡大上面図に明瞭に示されている。なお、各ピエゾ抵抗素子および各圧電素子の具体的な構成は、これまで述べてきた各実施例のものと同様でよい。駆動用圧電素子および検出用圧電素子の下面には下方電極、上面には上方電極がそれぞれ形成されており、これら各圧電素子の下方電極の下面が可撓性連結部の上面に固着されている。また、図４４には、図示の便宜上、ピエゾ抵抗素子Ｐ（２１），Ｐ（２２）の上部に検出用圧電素子Ｄ（２１），Ｄ（２２）が直接形成されている図が示されているが、実際には、両者間には絶縁層が介挿されており、検出用圧電素子Ｄ（２１），Ｄ（２２）の上下両面にはそれぞれ電極層が形成されている。
【０１５５】
このセンサにおいても、ピエゾ抵抗素子Ｐ（２１），Ｐ（２２）の電気抵抗の変化に基づいて作用した加速度を検出する加速度検出回路が設けられ、駆動用圧電素子Ｅ（１１），Ｅ（１２），Ｅ（３１），Ｅ（３２）に交流信号を供給して可撓性連結部６２０を周期的に変形させ、重錘体６１０に周期的な運動を生じさせながら、検出用圧電素子Ｄ（２１），Ｄ（２２）に生じる信号に基づいて作用した角速度を検出する角速度検出回路が設けられる。より具体的には、角速度検出回路は、駆動用圧電素子の上方電極と下方電極との間に交流電圧を印加して重錘体６１０に周期的な運動を生じさせながら、検出用圧電素子の上方電極と下方電極との間に生じる交流電圧に基づいて作用した角速度の検出を行うことになる。
【０１５６】
続いて、このセンサにおける加速度および角速度の検出原理を説明する。図４７は、図４４に示すセンサの重錘体６１０に、Ｚ軸正方向の力＋Ｆｚが作用したときの可撓性連結部６２０の上面各位置における伸縮状態を示す側断面図である。図示のとおり、重錘体６１０は図の上方へと移動することになり、可撓性連結部６２０の上面各位置は、いずれも縮む状態になる。一方、図４８は、図４４に示すセンサの重錘体６１０に、Ｚ軸負方向の力−Ｆｚが作用したときの可撓性連結部６２０の上面各位置における伸縮状態を示す側断面図である。図示のとおり、重錘体６１０は図の下方へと移動することになり、可撓性連結部６２０の上面各位置は、いずれも伸びる状態になる。
【０１５７】
したがって、ピエゾ抵抗素子Ｐ（２１），Ｐ（２２）の電気抵抗は、図４４に示す状態のときの値を基準とすると、図４７に示す状態のときにはいずれも増加（もしくは減少）し、図４８に示す状態のときにはいずれも減少（もしくは増加）する。そこで、ピエゾ抵抗素子Ｐ（２１），Ｐ（２２）の電気抵抗の変化をモニタすれば、Ｚ軸方向の加速度αｚの検出が可能になる。もちろん、原理的には、ピエゾ抵抗素子は、いずれか一方のみを設ければ足りるが、より正確な検出を行うためには、一対のピエゾ抵抗素子Ｐ（２１），Ｐ（２２）を設け、両者の電気抵抗の変化分の和に基づいて、Ｚ軸方向の加速度αｚを得るのが好ましい。
【０１５８】
一方、角速度の検出は、重錘体６１０をＺ軸方向に単振動させた状態で行う。すなわち、４組の駆動用圧電素子Ｅ（１１），Ｅ（１２），Ｅ（３１），Ｅ（３２）の上方電極と下方電極との間に、同位相の交流信号（たとえば、正弦波電圧信号）を供給すれば、各圧電素子は同時に伸びたり縮んだりするので、図４７および図４８の状態が交互に繰り返されることになり、重錘体６１０をＺ軸方向に単振動させることができる。
【０１５９】
このような単振動を行っている状態において、図４９に示すように、Ｙ軸まわりの角速度ωｙが作用した場合を考えよう。この場合、重錘体６１０の運動方向はＺ軸方向であり、作用した角速度ωｙはＹ軸まわりのものであるから、重錘体６１０には、Ｘ軸方向のコリオリ力が作用することになる。そこで、このようなＸ軸方向へのコリオリ力により、可撓性連結部６２０にどのような撓みが生じるかを考えてみる。
【０１６０】
いま、角速度ωｙに起因して生じるＸ軸方向へのコリオリ力＋Ｆｘが、図５０に矢印で示す位置に加わると考えると、可撓性連結部６２０には、図の右方向へと伸ばす力が働くことになり、可撓性連結部６２０の各部はすべて伸びることになる。しかしながら、実際には、コリオリ力＋Ｆｘは、図５０に示す位置に作用するわけではなく、重心Ｇの位置に作用することになる。したがって、重錘体６１０がＺ軸方向に運動中に、角速度ωｙが作用した場合の主構造体の変形状態は、図５０のようになるわけではなく、むしろ図４７に示すようなものになる。これは、重心Ｇの位置に糸をつけて右方向に引っ張る力を加えた場合を連想すれば、容易に理解できよう。
【０１６１】
もちろん、可撓性連結部６２０に対しては、図５０に示すように、左右に引き伸ばす力も若干加わることになるが、可撓性連結部６２０の上面に関しては、図４７に示すような変形により、縮む方向の力の方が支配的になる。これは、可撓性連結部６２０が、重錘体６１０の上部と台座６３０の上部とを連結する板状架橋部の構造を採っているため、角速度ωｙに起因して生じるコリオリ力が、重錘体６１０全体に対してはモーメントとして作用するためである。したがって、逆向きのコリオリ力−Ｆｘが作用した場合、主構造体の変形状態は、図４８に示すようなものになる。
【０１６２】
結局、重錘体６１０がＺ軸方向に単振動している状態において、Ｙ軸まわりの角速度ωｙが作用すると、可撓性連結部６２０の上面には、水平方向に縮む力もしくは伸びる力が加わることになる。このような力を、検出用圧電素子Ｄ（２１），Ｄ（２２）によって検出すれば、角速度ωｙを得ることができる。
【０１６３】
ただ、検出用圧電素子Ｄ（２１），Ｄ（２２）も駆動用圧電素子Ｅ（１１），Ｅ（１２），Ｅ（３１），Ｅ（３２）も、可撓性連結部６２０の上面に形成されている圧電素子という点では全く同じである。したがって、駆動用圧電素子Ｅ（１１），Ｅ（１２），Ｅ（３１），Ｅ（３２）に交流駆動信号を与えて重錘体６１０をＺ軸方向に単振動させると、可撓性連結部６２０の上面は、当該交流駆動信号の周期で伸縮することになるので、検出用圧電素子Ｄ（２１），Ｄ（２２）からは、常に当該交流駆動信号と同じ周期の交流信号が得られることになる。別言すれば、角速度ωｙが全く作用していない状態であっても、検出用圧電素子Ｄ（２１），Ｄ（２２）から、交流信号が得られることになる。
【０１６４】
そこで、予め、角速度ωｙが全く作用していない状態において、重錘体６１０をＺ軸方向に単振動させ、このとき検出用圧電素子Ｄ（２１），Ｄ（２２）から出力される交流信号を基本交流信号として測定しておき、角速度ωｙの検出を行う際には、検出用圧電素子Ｄ（２１），Ｄ（２２）から出力される交流信号と、予め測定しておいた基本交流信号との差分を、角速度ωｙの検出値として求める処理を行うようにすればよい。
【０１６５】
図５１は、図４３に示すセンサの変形例を示す上面図である。この図５１に示すセンサの物理的構成は、図４３に示すセンサの物理的構成と全く同じである。ただ、各圧電素子の用途が全く逆になっている。すなわち、図４３に示すセンサにおける４組の駆動用圧電素子Ｅ（１１），Ｅ（１２），Ｅ（３１），Ｅ（３２）は、図５１に示すセンサでは、４組の検出用圧電素子Ｄ（１１），Ｄ（１２），Ｄ（３１），Ｄ（３２）として利用されており、図４３に示すセンサにおける２組の検出用圧電素子Ｄ（２１），Ｄ（２２）は、図５１に示すセンサでは、２組の駆動用圧電素子Ｅ（２１），Ｅ（２２）として利用されている。
【０１６６】
要するに各素子の配置は、次のようになっている。まず、可撓性連結部６２０のＷ軸上の重錘体近傍部分にはピエゾ抵抗素子Ｐ（２１）が配置され、台座近傍部分にはピエゾ抵抗素子Ｐ（２２）が配置されている。一方、可撓性連結部６２０のＷ軸上の重錘体近傍部分には駆動用圧電素子Ｅ（２１）が配置され、台座近傍部分には駆動用圧電素子Ｅ（２２）が配置されている。また、可撓性連結部６２０のＷａ軸上の重錘体近傍部分には検出用圧電素子Ｄ（１１）が配置され、台座近傍部分には検出用圧電素子Ｄ（１２）が配置されており、可撓性連結部６２０のＷｂ軸上の重錘体近傍部分には検出用圧電素子Ｄ（３１）が配置され、台座近傍部分には検出用圧電素子Ｄ（３２）が配置されている。
【０１６７】
この図５１に示すセンサにおける加速度検出の原理は、図４３に示すセンサにおける原理と全く同様であり、ピエゾ抵抗素子Ｐ（２１），Ｐ（２２）の電気抵抗の変化に基づいて、加速度のＺ軸方向成分αｚの検出が行われる。一方、角速度検出の原理は、若干異なっている。まず、重錘体６１０をＺ軸方向に単振動させるために、２組の駆動用圧電素子Ｅ（２１），Ｅ（２２）に、同位相の交流駆動信号を供給する。このように、重錘体６１０をＺ軸方向に単振動させた状態において、角速度の検出を行う点は、図４３に示すセンサと同じであるが、図５１に示すセンサの場合、検出対象となる角速度がＹ軸まわりの角速度ωｙではなく、Ｘ軸まわりの角速度ωｘになる。
【０１６８】
図５２は、図５１に示すセンサの重錘体６１０に、Ｘ軸まわりの角速度ωｘが作用した状態を示す側断面図である。重錘体６１０の運動方向はＺ軸方向であり、その状態において、Ｘ軸まわりの角速度ωｘが作用すると、Ｙ軸方向（図５２における紙面に垂直な方向）にコリオリ力が作用することになる。図５３および図５４は、図５１に示すセンサの重錘体６１０に、Ｘ軸まわりの角速度ωｘが作用したときの、それぞれ所定の時点における可撓性連結部６２０の上面各位置における伸縮状態を示す上面図である。
【０１６９】
すなわち、Ｘ軸まわりの角速度ωｘが作用している場合、重錘体６１０がＺ軸正方向に運動中であると（単振動の前半周期）、図５３に示すように、重錘体６１０に対してＹ軸正方向のコリオリ力＋Ｆｙが作用して、可撓性連結部６２０が図示のように湾曲し、重錘体６１０がＺ軸負方向に運動中であると（単振動の後半周期）、図５４に示すように、重錘体６１０に対してＹ軸負方向のコリオリ力−Ｆｙが作用して、可撓性連結部６２０が図示のように湾曲する（あるいは、角速度ωｘの向きによっては、これと全く逆の挙動になる）。各状態における可撓性連結部６２０の各位置の伸縮状態は、図に矢印もしくはバーで示すとおりである。
【０１７０】
具体的には、図５３に示す湾曲状態では、検出用圧電素子Ｄ（１１），Ｄ（１２）には縮む方向の力が加わり、検出用圧電素子Ｄ（３１），Ｄ（３２）には伸びる方向の力が加わる。逆に、図５４に示す湾曲状態では、検出用圧電素子Ｄ（１１），Ｄ（１２）には伸びる方向の力が加わり、検出用圧電素子Ｄ（３１），Ｄ（３２）には縮む方向の力が加わる。したがって、検出用圧電素子Ｄ（１１），Ｄ（１２）に生じる電圧値の和と、検出用圧電素子Ｄ（３１），Ｄ（３２）に生じる電圧値の和と、の差を求める検出回路を用意しておけば、当該検出回路の検出値は、Ｘ軸まわりの角速度ωｘを示すものになる。実用上は、重錘体６１０の重心ＧがＸＹ平面をＺ軸正方向に向かって通過する瞬間と、Ｚ軸負方向に向かって通過する瞬間とにおいて、当該検出回路の検出値を求め、これを角速度ωｘの検出値として出力すればよい。なお、作用している角速度ωｘが同じでも、両瞬間では、検出値の符号が逆になるので、符号を考慮した取り扱いが必要になる。
【０１７１】
なお、この§９で述べた第３の実施形態における検出原理では、検出用圧電素子や駆動用圧電素子は必ずしも複数設ける必要はないが、実用上は、安定した駆動および正確な検出を行うために、上述した実施例のように、複数の検出用圧電素子および複数の駆動用圧電素子を設けるのが好ましい。特に、可撓性連結部６２０の両端には、撓みの応力が集中するため、この部分に検出用圧電素子や駆動用圧電素子を配置すると非常に効果的である。ピエゾ抵抗素子Ｐの配置についても同様である。
【０１７２】
また、この第３の実施形態に係るセンサにおいても、複数の圧電素子の下方電極を物理的に単一の共通金属層によって構成することが可能であり、複数の圧電素子を物理的に単一の共通圧電素子によって構成することも可能である。また、重錘体６１０、可撓性連結部６２０、台座６３０を、シリコンを含む材料によって構成し、ピエゾ抵抗素子を、シリコンに不純物を含有させた層によって構成することができる。
【０１７３】
＜＜＜  §１０．加速度検出と角速度検出の干渉を防ぐ工夫  ＞＞＞
本発明に係るセンサは、加速度と角速度との双方を検出する機能を有している。しかしながら、両者を同時に検出しようとすると、相互の干渉が生じ、正しい検出値が得られない可能性がある。たとえば、加速度の検出は、加速度に基づく重錘体の変位を検出することによって行われるが、角速度検出のために重錘体を駆動させていると、この駆動による変位が誤って加速度として検出されてしまう可能性がある。また、角速度の検出は、コリオリ力に基づく重錘体の変位を検出することによって行われるが、加速度に基づく変位が誤って角速度として検出されてしまう可能性がある。
【０１７４】
このように、加速度検出と角速度検出との相互干渉を防ぐためには、加速度の検出対象周波数帯域よりも十分に高い周波数で重錘体を駆動し（たとえば、単振動や円運動）、加速度検出回路と、角速度検出回路とに、それぞれ不要な信号成分をカットするフィルタ回路を設けるようにすればよい。
【０１７５】
一般的な用途では、加速度の検出対象周波数帯は、数十Ｈｚ程度あれば十分である。そこで、重錘体の駆動周波数（図２２に示す駆動信号Ｓ１，Ｓ２や、図２３に示す駆動信号ＳＳ１〜ＳＳ４の周波数）を数十ｋＨｚに設定すれば、加速度検出に必要な周波数帯域と角速度検出に必要な周波数帯域とをフィルタ回路により分離することができる。たとえば、重錘体の駆動周波数を２０ｋＨｚに設定し、加速度検出回路には、１００Ｈｚ以上の高周波成分をカットするフィルタ回路を設けて、重錘体の振動に起因する信号ノイズ成分を除外するようにし、角速度検出回路には、１００Ｈｚ以下の低周波成分をカットするフィルタ回路を設けて、加速度に起因する信号ノイズ成分を除外するようにすればよい。
【０１７６】
図５５は、このようなフィルタ回路を採用した検出回路を示す回路図であり、図２５に示すセンサに用いる加速度および角速度の検出回路に相当する。図の上段が加速度検出回路７１０、図の下段が角速度検出回路７２０である。加速度検出回路７１０の各端子Ｔ１１〜Ｔ１３は、それぞれＸ軸方向の加速度αｘ、Ｙ軸方向の加速度αｙ、Ｚ軸方向の加速度αｚの初期検出値を示す電圧が与えられる端子である。すなわち、端子Ｔ１１，Ｔ１２，Ｔ１３には、図１９に示す電位差計５１，５２，５３からの出力電圧が与えられる。これらの出力電圧は、アンプ回路７１，７２，７３で増幅された後、フィルタ回路８１，８２，８３を通って、端子Ｔαｘ，Ｔαｙ，Ｔαｚに与えられる。これらの端子Ｔαｘ，Ｔαｙ，Ｔαｚから出力される信号は、それぞれＸ軸方向の加速度αｘ、Ｙ軸方向の加速度αｙ、Ｚ軸方向の加速度αｚの検出値を示すものになる。
【０１７７】
ここで、フィルタ回路８１，８２，８３は、たとえば、１００Ｈｚ以上の高周波成分をカットする低域通過フィルタ回路であり、ピエゾ抵抗素子の電気抵抗の変化を示す信号に含まれる高周波成分がカットされる。したがって、図１９に示す電位差計５１，５２，５３からの出力電圧に、重錘体の駆動周波数帯域のノイズ信号が含まれていたとしても、端子Ｔαｘ，Ｔαｙ，Ｔαｚから出力される検出信号には、そのようなノイズ信号は含まれていない。
【０１７８】
一方、角速度検出回路７２０には、端子Ｔ１４，Ｔ１５に与えられる電圧を増幅するアンプ回路７４，７５と、フィルタ回路８４，８５と、同期検波回路９１と、駆動制御回路９２と、最終段のアンプ回路７６，７７，７８と、が設けられている。ここに示す回路は、図２５に示すセンサの重錘体３１０をＸＹ平面に平行な平面内で円運動させながら、Ｘ軸まわりの角速度ωｘ，Ｙ軸まわりの角速度ωｙ，Ｚ軸まわりの角速度ωｚを検出する機能を有している。駆動制御回路９２は、各駆動用圧電素子に図２３に示すような交流駆動信号ＳＳ１〜ＳＳ４を供給して、重錘体３１０を円運動させる機能を有する。駆動制御回路９２から同期検波回路９１に対しては、駆動信号ＳＳ１〜ＳＳ４に同期した検波信号が与えられる。同期検波回路９１は、この検波信号に基づいて、検波のタイミングを認識することができる。逆に、同期検波信号９１から駆動制御回路９２に対しては、フィードバック信号が与えられ、駆動制御回路９２は、必要に応じて、このフィードバック信号に基づく駆動補正を行うことができる。
【０１７９】
端子Ｔ１４には、図２４(a) の端子Ｔｘの電圧値（重錘体３１０に作用したＸ軸方向の力を示す値）が与えられ、端子Ｔ１５には、図２４(c) の端子Ｔｚの電圧値（重錘体３１０に作用したＺ軸方向の力を示す値）が与えられる。なお、この角速度検出回路７２０では、上述したとおり、重錘体３１０をＸＹ平面に平行な平面内で円運動させながら、３軸まわりの角速度ωｘ，ωｙ，ωｚの検出を行うため、図２４(b) に示す回路は利用されない（重錘体３１０に作用したＹ軸方向の力を示す値を用いることなしに、３軸まわりの角速度検出が行われる）。
【０１８０】
端子Ｔ１４，Ｔ１５に与えられた検波対象信号は、アンプ回路７４，７５で増幅された後、フィルタ回路８４，８５を通って同期検波回路９１に与えられる。ここで、フィルタ回路８４，８５は、検出用圧電素子に生じる交流信号に含まれる低周波成分をカットする高域通過フィルタ回路である。たとえば、１００Ｈｚ以下の低周波成分をカットする高域通過フィルタ回路を用いれば、一般的な用途における加速度に起因した信号成分を除去することができる。
【０１８１】
同期検波回路９１は、この高域通過フィルタ回路８４，８５を通過した交流信号に対して、駆動制御回路９２から与えられる検波信号に基づく同期検波を行う回路である。具体的には、検波信号に基づいて、重錘体３１０がＸＺ平面を通過した瞬間（重錘体がＹ軸方向の速度成分をもって運動している瞬間）を検知し、その時点の検波対象信号（端子Ｔ１４からの重錘体に作用したＸ軸方向の力を示す信号、および端子Ｔ１５からの重錘体に作用したＺ軸方向の力を示す信号）に基づいて、Ｚ軸まわりの角速度ωｚおよびＸ軸まわりの角速度ωｘを求めることができる。また、重錘体３１０がＹＺ平面を通過した瞬間（重錘体がＸ軸方向の速度成分をもって運動している瞬間）を検知し、その時点の検波対象信号（端子Ｔ１５からの重錘体に作用したＺ軸方向の力を示す信号）に基づいて、Ｙ軸まわりの角速度ωｙを求めることができる。
【０１８２】
かくして、同期検波回路９１で求められた角速度ωｘ，ωｙ，ωｚを示す信号は、それぞれアンプ回路７６，７７，７８で増幅された後、端子Ｔωｘ，Ｔωｙ，Ｔωｚから出力されることになる。
【０１８３】
なお、同期検波回路９１は、検波対象信号に基づいて、重錘体が正しい振幅（円運動の場合は半径）をもって運動しているか否かをモニターし、その結果をフィードバック信号として駆動制御回路９２に与える。駆動制御回路９２は、このフィードバック信号に基づいて、各駆動信号ＳＳ１〜ＳＳ４の振幅を適正に制御する。
【０１８４】
以上、図２５に示すセンサに利用する検出回路の一例を述べたが、他の実施形態に係るセンサについても同様に、所定のフィルタ回路を用いることにより、加速度検出と角速度検出の干渉を防ぐことが可能である。
【図面の簡単な説明】
【０１８５】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る加速度・角速度センサの上面図である。
【図２】図１に示すセンサをＸ軸に沿って切断した側断面図である。
【図３】図２に示すセンサを切断線３−３の位置で切断した上断面図である。
【図４】図２に示すセンサを切断線４−４の位置で切断した上断面図である。
【図５】図１に示すセンサの加速度検出部１００および角速度検出部２００の主構造体の物理的構造を示す基本モデルの上面図である。
【図６】図５に示す基本モデルをＸ軸に沿って切断した側断面図である。
【図７】図６に示す基本モデルの重錘体１０に、Ｘ軸正方向の力＋Ｆｘが作用したときの変形状態を示す側断面図である。
【図８】図６に示す基本モデルの重錘体１０に、Ｘ軸負方向の力−Ｆｘが作用したときの変形状態を示す側断面図である。
【図９】図６に示す基本モデルの重錘体１０に、Ｚ軸正方向の力＋Ｆｚが作用したときの変形状態を示す側断面図である。
【図１０】図６に示す基本モデルの重錘体１０に、Ｚ軸負方向の力−Ｆｚが作用したときの変形状態を示す側断面図である。
【図１１】図５に示す基本モデルの重錘体１０に、Ｘ軸正方向の力＋Ｆｘが作用したときの板状架橋部の上面各位置における伸縮状態を示す上面図である。
【図１２】図５に示す基本モデルの重錘体１０に、Ｘ軸負方向の力−Ｆｘが作用したときの板状架橋部の上面各位置における伸縮状態を示す上面図である。
【図１３】図５に示す基本モデルの重錘体１０に、Ｙ軸正方向の力＋Ｆｙが作用したときの板状架橋部の上面各位置における伸縮状態を示す上面図である。
【図１４】図５に示す基本モデルの重錘体１０に、Ｙ軸負方向の力−Ｆｙが作用したときの板状架橋部の上面各位置における伸縮状態を示す上面図である。
【図１５】図５に示す基本モデルの重錘体１０に、Ｚ軸正方向の力＋Ｆｚが作用したときの板状架橋部の上面各位置における伸縮状態を示す上面図である。
【図１６】図５に示す基本モデルの重錘体１０に、Ｚ軸負方向の力−Ｆｚが作用したときの板状架橋部の上面各位置における伸縮状態を示す上面図である。
【図１７】図１に示すセンサの加速度検出部１００の拡大上面図である。
【図１８】図１に示すセンサのピエゾ抵抗素子の形成部分の拡大側断面図である。
【図１９】図１に示すセンサに用いる加速度検出回路の一例を示す回路図である。
【図２０】図１に示すセンサの角速度検出部２００の拡大上面図である。
【図２１】図１に示すセンサの圧電素子の形成部分の拡大側断面図である。
【図２２】図１に示すセンサの角速度検出用重錘体２１０を単振動させるために用いる駆動信号を示す波形図である。
【図２３】図１に示すセンサの角速度検出用重錘体２１０を円運動させるために用いる駆動信号を示す波形図である。
【図２４】図１に示すセンサに用いる角速度検出回路の一部を示す回路図である。
【図２５】本発明の第２の実施形態に係る加速度・角速度センサの上面図である。
【図２６】図２５に示すセンサをＸＺ平面に沿って切断した側断面図である。
【図２７】図２６に示すセンサを切断線２７−２７の位置で切断した上断面図である。
【図２８】図２６に示すセンサを切断線２８−２８の位置で切断した上断面図である。
【図２９】図２５に示すセンサの板状架橋部３２１の拡大上面図である。
【図３０】図２５に示すセンサの板状架橋部３２３の拡大上面図である。
【図３１】図２５に示すセンサの板状架橋部３２２の拡大上面図である。
【図３２】図２５に示すセンサの板状架橋部３２４の拡大上面図である。
【図３３】図２５に示すセンサの板状架橋部上におけるピエゾ抵抗素子および圧電素子の重畳形成部の拡大側断面図である。
【図３４】図２５に示すセンサの板状架橋部上における圧電素子形成部の拡大側断面図である。
【図３５】図２５に示すセンサの板状架橋部上におけるピエゾ抵抗素子および圧電素子の重畳形成部の変形例を示す拡大側断面図である。
【図３６】図２５に示すセンサの板状架橋部上における圧電素子形成部の変形例を示す拡大側断面図である。
【図３７】図２に示すセンサをＳＯＩ基板を利用して構成した例を示す側断面図である。
【図３８】図２６に示すセンサをＳＯＩ基板を利用して構成した例を示す側断面図である。
【図３９】図１に示すセンサの変形例を示す上面図である。
【図４０】図３９に示すセンサをＸ軸に沿って切断した側断面図である。
【図４１】図２５に示すセンサの変形例を示す上面図である。
【図４２】図４１に示すセンサをＸ軸に沿って切断した側断面図である。
【図４３】本発明の第３の実施形態に係る加速度・角速度センサの上面図である。
【図４４】図４３に示すセンサをＸＺ平面に沿って切断した側断面図である。
【図４５】図４３に示すセンサの可撓性連結部６２０の右側部分の拡大上面図である。
【図４６】図４３に示すセンサの可撓性連結部６２０の左側部分の拡大上面図である。
【図４７】図４４に示すセンサの重錘体６１０に、Ｚ軸正方向の力＋Ｆｚが作用したときの可撓性連結部６２０の上面各位置における伸縮状態を示す側断面図である。
【図４８】図４４に示すセンサの重錘体６１０に、Ｚ軸負方向の力−Ｆｚが作用したときの可撓性連結部６２０の上面各位置における伸縮状態を示す側断面図である。
【図４９】図４４に示すセンサの重錘体６１０に、Ｙ軸まわりの角速度ωｙが作用した状態を示す側断面図である。
【図５０】図４４に示すセンサの可撓性連結部６２０に、Ｘ軸正方向の力＋Ｆｘが作用したときの上面各位置における伸縮状態の一態様を示す側断面図である。
【図５１】図４３に示すセンサの変形例を示す上面図である。
【図５２】図５１に示すセンサの重錘体６１０に、Ｘ軸まわりの角速度ωｘが作用した状態を示す側断面図である。
【図５３】図５１に示すセンサの重錘体６１０に、Ｘ軸まわりの角速度ωｘが作用したときの、ある時点における可撓性連結部６２０の変形状態および上面各位置における伸縮状態を示す上面図である。
【図５４】図５１に示すセンサの重錘体６１０に、Ｘ軸まわりの角速度ωｘが作用したときの、別なある時点における可撓性連結部６２０の変形状態および上面各位置における伸縮状態を示す上面図である。
【図５５】図２５に示すセンサに用いる加速度および角速度の検出回路の一例を示す回路図である。
【符号の説明】
【０１８６】
１０：重錘体
２１〜２４：板状架橋部（可撓性連結部）
３０：台座
５０：直流電源
５１〜５４：電位差計
６１〜６９：演算器
７１〜７８：アンプ回路
８１〜８５：フィルタ回路
９１：同期検波回路
９２：駆動制御回路
１００，１００′：加速度検出部
１１０，１１０′：加速度検出用重錘体
１２０，１２０′：可撓性連結部
１２１〜１２４：板状架橋部（加速度検出用可撓性連結部）
１３０，１３０′：加速度検出用台座
２００，２００′：角速度検出部
２１０，２１０′：角速度検出用重錘体
２２０，２２０′：可撓性連結部
２２１〜２２４：板状架橋部（角速度検出用可撓性連結部）
２３０，２３０′：角速度検出用台座
３１０，３１０′：重錘体
３２０，３２０′：可撓性連結部
３２１〜３２４：板状架橋部（可撓性連結部）
３３０，３３０′：台座
４００：装置筐体
５１１，５１２，５１３：絶縁層
５２１，５２２：配線層
６１０：重錘体
６２０：可撓性連結部
６３０：台座
７１０：加速度検出回路
７２０：角速度検出回路
Ｄ：検出用圧電素子
Ｄ（１１）〜Ｄ（３１）：検出用圧電素子
Ｄ（領域記号）：各領域に配置された検出用圧電素子
Ｄ（領域記号）Ｕ：各領域に配置された検出用圧電素子の上方電極
Ｅ：駆動用圧電素子
Ｅ（１１）〜Ｅ（３１）：駆動用圧電素子
Ｅ（領域記号）：各領域に配置された駆動用圧電素子
Ｆ：圧電素子
Ｆ＊：共通圧電素子
＋Ｆｘ：Ｘ軸正方向に作用した力
＋Ｆｙ：Ｙ軸正方向に作用した力
＋Ｆｚ：Ｚ軸正方向に作用した力
−Ｆｘ：Ｘ軸負方向に作用した力
−Ｆｙ：Ｙ軸負方向に作用した力
−Ｆｚ：Ｚ軸負方向に作用した力
Ｇ：重錘体の重心
Ｇ１，Ｇ２，Ｇ３：方環状溝
Ｇ１′，Ｇ２′，Ｇ３′：円環状溝
Ｌ１〜Ｌ３：ＳＯＩ基板の各層
Ｌ：下方電極の端子
Ｌ＊：共通金属層の端子
ＬＥ：下方電極
ＬＥ＊：下方電極を構成する共通金属層
Ｏ，Ｏ１，Ｏ２：座標系の原点
Ｐ：ピエゾ抵抗素子
Ｐ（２１），Ｐ（２２）
Ｐ（領域記号）：各領域に配置されたピエゾ抵抗素子
Ｓ１，Ｓ２：駆動信号
ＳＳ１〜ＳＳ４：駆動信号
Ｔ１，Ｔ２：端子
Ｔ１１〜Ｔ１５：端子
Ｔｘ，Ｔｙ，Ｔｚ：端子
Ｔωｘ，Ｔωｙ，Ｔωｚ：端子
ｔ：時間
Ｕ：上方電極の端子
ＵＥ：上方電極
Ｖｘ，Ｖｙ，Ｖｚ：ブリッジ電圧
Ｗ，Ｗａ，Ｗｂ：軸
Ｗ１〜Ｗ４：開口部
Ｗ１１〜Ｗ１４：開口部
Ｗ２１〜Ｗ２４：開口部
Ｘ：座標軸
Ｘ１１〜Ｘ３４：可撓性連結部上の各領域
Ｘａ，Ｘｂ：Ｘ軸に平行な軸
Ｙ，Ｙ１，Ｙ２：座標軸
Ｙ１１〜Ｙ３４：可撓性連結部上の各領域
Ｙａ，Ｙｂ：Ｙ軸に平行な軸
Ｚ，Ｚ１，Ｚ２：座標軸
ωｘ：Ｘ軸まわりの角速度
ωｙ：Ｙ軸まわりの角速度
ωｚ：Ｚ軸まわりの角速度
【図１】
2008190931.tif 000003
【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】
2008190931.tif 000030
【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】
2008190931.tif 000039
【図３８】
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【図３９】
2008190931.tif 000041
【図４０】
2008190931.tif 000042
【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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【図４６】
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【図４７】
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【図４８】
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【図４９】
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【図５０】
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【図５１】
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【図５２】
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【図５３】
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【図５４】
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【図５５】
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【手続補正書】
【提出日】平成20年1月22日(2008.1.22)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００４９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００４９】
そして、図５に示されているとおり、４本の板状架橋部２１，２２，２３，２４の上面に、Ｘ１１〜Ｘ３４およびＹ１１〜Ｙ３４という領域（図では矩形で示す）を定義する。ここで、領域Ｘ１１〜Ｘ１４は、Ｘａ軸上に定義され、Ｘａ軸方向を長手方向とする細長い領域であり、領域Ｘ２１〜Ｘ２４は、Ｘ軸上に定義され、Ｘ軸方向を長手方向とする細長い領域であり、領域Ｘ３１〜Ｘ３４は、Ｘｂ軸上に定義され、Ｘｂ軸方向を長手方向とする細長い領域である。同様に、領域Ｙ１１〜Ｙ１４は、Ｙａ軸上に定義され、Ｙａ軸方向を長手方向とする細長い領域であり、領域Ｙ２１〜Ｙ２４は、Ｙ軸上に定義され、Ｙ軸方向を長手方向とする細長い領域であり、領域Ｙ３１〜Ｙ３４は、Ｙｂ軸上に定義され、Ｙｂ軸方向を長手方向とする細長い領域である。いずれの領域も同一形状かつ同一サイズの領域となっており、その配置は、Ｘ軸およびＹ軸に関して線対称になる。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００７５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００７５】
図２０では、図１と同様に、角速度検出用重錘体２１０の上面中心位置に原点Ｏ２を定義し、図の右方向にＸ軸、図の上方向にＹ２軸をとって、三次元座標系を定義している。そして、この実施形態では、Ｘ軸上に配置された４組の圧電素子およびＹ２軸上に配置された４組の圧電素子は、いずれも検出用圧電素子Ｄとなり、Ｘ軸の両脇およびＹ２軸の両脇に配置された圧電素子（図５のＸａ軸，Ｘｂ軸，Ｙａ軸，Ｙｂ軸上の領域に配置された素子）は、いずれも駆動用圧電素子Ｅとなる。