(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】  本体基板１００の下面には、ドーナツ状の環状溝１４０が掘られ、肉厚が薄い環状中間部１２０が形成される。内側部１１０の下方には重錘体２１０が接合される。環状中間部１２０は可撓性を有し、重錘体２１０は、外側部１３０に対して変位可能である。環状中間部１２０の表層内部には、ピエゾ抵抗素子Ｐが埋め込まれており、その上面には、圧電素子Ｄ１，Ｄ２，Ｅ１，Ｅ２が固着されている。加速度により重錘体２１０が変位すると、環状中間部１２０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Ｅ１，Ｅ２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、環状中間部１２０が撓み、圧電素子Ｄ１，Ｄ２に生じる電荷により角速度検出がなされる。【選択図】図２
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【実用新案登録請求の範囲】
【請求項１】
下面に環状溝が形成され、前記環状溝形成領域の内側に位置する内側部と、前記環状溝形成領域の外側に位置する外側部と、前記環状溝形成領域に位置する環状中間部と、を有し、前記環状中間部は、前記内側部が前記外側部に対して変位可能となるように可撓性を有している本体基板と、
前記内側部の下面に接続された重錘体と、
前記重錘体の周囲を取り囲むように、前記外側部の下面に接続され、装置筐体に固定された台座と、
前記環状中間部に埋め込まれたピエゾ抵抗素子と、
前記環状中間部の表面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環状中間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２】
請求項１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３】
請求項１または２に記載のセンサにおいて、
重錘体を本体基板の上面に垂直投影したときの投影像の輪郭線が、本体基板の内側部よりも外側に位置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４】
請求項１〜３のいずれかに記載のセンサにおいて、
環状溝を本体基板の上面に垂直投影したときの投影像の内側輪郭線および外側輪郭線が同心円をなし、
重錘体が、「前記本体基板の上面に直交し、前記同心円の中心を通る軸」を中心軸とした柱状形状をなす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、
ピエゾ抵抗素子、駆動用圧電素子、検出用圧電素子が、環状溝形成領域の内側輪郭線もしくは外側輪郭線に接する位置に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６】
請求項１〜５のいずれかに記載のセンサにおいて、
本体基板が、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、前記本体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７】
請求項１〜６のいずれかに記載のセンサにおいて、
本体基板上面の内側部の中心に原点Ｏが位置し、前記本体基板の上面にＸＹ平面が位置するようなＸＹＺ三次元座標系を定義し、環状中間部に所属する部分のうち、内側輪郭線の近傍部分を内側近傍領域、外側輪郭線の近傍部分を外側近傍領域と定義したときに、
正のＸ軸上の外側近傍領域に第１のＸ軸検出用ピエゾ抵抗素子が配置され、正のＸ軸上の内側近傍領域に第２のＸ軸検出用ピエゾ抵抗素子が配置され、負のＸ軸上の内側近傍領域に第３のＸ軸検出用ピエゾ抵抗素子が配置され、負のＸ軸上の外側近傍領域に第４のＸ軸検出用ピエゾ抵抗素子が配置され、
正のＹ軸上の外側近傍領域に第１のＹ軸検出用ピエゾ抵抗素子が配置され、正のＹ軸上の内側近傍領域に第２のＹ軸検出用ピエゾ抵抗素子が配置され、負のＹ軸上の内側近傍領域に第３のＹ軸検出用ピエゾ抵抗素子が配置され、負のＹ軸上の外側近傍領域に第４のＹ軸検出用ピエゾ抵抗素子が配置され、
外側近傍領域の任意の位置に第１のＺ軸検出用ピエゾ抵抗素子が配置され、内側近傍領域の任意の位置に第２のＺ軸検出用ピエゾ抵抗素子が配置され、内側近傍領域の任意の位置に第３のＺ軸検出用ピエゾ抵抗素子が配置され、外側近傍領域の任意の位置に第４のＺ軸検出用ピエゾ抵抗素子が配置され、
加速度検出回路が、前記第１のＸ軸検出用ピエゾ抵抗素子および前記第３のＸ軸検出用ピエゾ抵抗素子を第１の対辺とし、前記第２のＸ軸検出用ピエゾ抵抗素子および前記第４のＸ軸検出用ピエゾ抵抗素子を第２の対辺とするブリッジ回路のブリッジ電圧に基づいてＸ軸方向に作用した加速度の検出を行い、前記第１のＹ軸検出用ピエゾ抵抗素子および前記第３のＹ軸検出用ピエゾ抵抗素子を第１の対辺とし、前記第２のＹ軸検出用ピエゾ抵抗素子および前記第４のＹ軸検出用ピエゾ抵抗素子を第２の対辺とするブリッジ回路のブリッジ電圧に基づいてＹ軸方向に作用した加速度の検出を行い、前記第１のＺ軸検出用ピエゾ抵抗素子および前記第４のＺ軸検出用ピエゾ抵抗素子を第１の対辺とし、前記第２のＺ軸検出用ピエゾ抵抗素子および前記第３のＺ軸検出用ピエゾ抵抗素子を第２の対辺とするブリッジ回路のブリッジ電圧に基づいてＺ軸方向に作用した加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８】
請求項１〜７のいずれかに記載のセンサにおいて、
本体基板上面の内側部の中心に原点Ｏが位置し、前記本体基板の上面にＸＹ平面が位置するようなＸＹＺ三次元座標系を定義し、環状中間部に所属する部分のうち、内側輪郭線の近傍部分を内側近傍領域、外側輪郭線の近傍部分を外側近傍領域と定義したときに、
前記内側近傍領域および前記外側近傍領域のいずれか一方を駆動用圧電素子配置領域とし、他方を検出用圧電素子配置領域とするように定め、
前記駆動用圧電素子配置領域の正のＸ軸上に第１の駆動用圧電素子が配置され、負のＸ軸上に第２の駆動用圧電素子が配置され、正のＹ軸上に第３の駆動用圧電素子が配置され、負のＹ軸上に第４の駆動用圧電素子が配置され、
前記検出用圧電素子配置領域の正のＸ軸上に第１の検出用圧電素子が配置され、負のＸ軸上に第２の検出用圧電素子が配置され、正のＹ軸上に第３の検出用圧電素子が配置され、負のＹ軸上に第４の検出用圧電素子が配置され、
角速度検出回路が、各駆動用圧電素子に、位相がπ／２ずつずれた交流信号を供給することにより、重錘体をＸＹ平面に平行な平面内で円運動させながら、前記重錘体がＸＺ平面を通過する時点における第１の検出用圧電素子に生じる信号と第２の検出用圧電素子に生じる信号との差に基づいてＺ軸まわりの角速度を検出し、前記重錘体がＸＺ平面を通過する時点における第３の検出用圧電素子に生じる信号と第４の検出用圧電素子に生じる信号との和に基づいてＸ軸まわりの角速度を検出し、前記重錘体がＹＺ平面を通過する時点における第３の検出用圧電素子に生じる信号と第４の検出用圧電素子に生じる信号との和に基づいてＹ軸まわりの角速度を検出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９】
請求項１〜７のいずれかに記載のセンサにおいて、
本体基板上面の内側部の中心に原点Ｏが位置し、前記本体基板の上面にＸＹ平面が位置するようなＸＹＺ三次元座標系を定義し、環状中間部に所属する部分のうち、内側輪郭線の近傍部分を内側近傍領域、外側輪郭線の近傍部分を外側近傍領域と定義したときに、
前記内側近傍領域および前記外側近傍領域のいずれか一方を駆動用圧電素子配置領域とし、他方を検出用圧電素子配置領域とするように定め、
前記駆動用圧電素子配置領域の正のＸ軸上に第１の駆動用圧電素子が配置され、負のＸ軸上に第２の駆動用圧電素子が配置され、
前記検出用圧電素子配置領域の正のＸ軸上に第１の検出用圧電素子が配置され、負のＸ軸上に第２の検出用圧電素子が配置され、正のＹ軸上に第３の検出用圧電素子が配置され、負のＹ軸上に第４の検出用圧電素子が配置され、
角速度検出回路が、前記第１の駆動用圧電素子および前記第２の駆動用圧電素子に対して、互いに位相がπ／２だけずれた交流信号を供給することにより、重錘体をＸＺ平面内で円運動させながら、前記重錘体がＺ軸方向へ運動している時点における第１の検出用圧電素子に生じる信号と第２の検出用圧電素子に生じる信号との差に基づいてＹ軸まわりの角速度を検出し、前記重錘体がＺ軸方向へ運動している時点における第３の検出用圧電素子に生じる信号と第４の検出用圧電素子に生じる信号との差に基づいてＸ軸まわりの角速度を検出し、前記重錘体がＸ軸方向へ運動している時点における第３の検出用圧電素子に生じる信号と第４の検出用圧電素子に生じる信号との差に基づいてＺ軸まわりの角速度を検出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１〜７のいずれかに記載のセンサにおいて、
本体基板上面の内側部の中心に原点Ｏが位置し、前記本体基板の上面にＸＹ平面が位置するようなＸＹＺ三次元座標系を定義し、環状中間部に所属する部分のうち、内側輪郭線の近傍部分を内側近傍領域、外側輪郭線の近傍部分を外側近傍領域と定義したときに、
前記内側近傍領域および前記外側近傍領域のいずれか一方を駆動用圧電素子配置領域とし、他方を検出用圧電素子配置領域とするように定め、
前記駆動用圧電素子配置領域にＺ軸をとり囲むような環状の駆動用圧電素子が配置され、
前記検出用圧電素子配置領域の正のＸ軸上に第１の検出用圧電素子が配置され、負のＸ軸上に第２の検出用圧電素子が配置され、正のＹ軸上に第３の検出用圧電素子が配置され、負のＹ軸上に第４の検出用圧電素子が配置され、
角速度検出回路が、前記駆動用圧電素子に対して、単一の交流信号を供給することにより、重錘体をＺ軸方向に振動させながら、第１の検出用圧電素子に生じる信号と第２の検出用圧電素子に生じる信号との差に基づいてＹ軸まわりの角速度を検出し、第３の検出用圧電素子に生じる信号と第４の検出用圧電素子に生じる信号との差に基づいてＸ軸まわりの角速度を検出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１１】
請求項１〜７のいずれかに記載のセンサにおいて、
本体基板上面の内側部の中心に原点Ｏが位置し、前記本体基板の上面にＸＹ平面が位置するようなＸＹＺ三次元座標系を定義したときに、
正のＸ軸上に第１の駆動用圧電素子が配置され、負のＸ軸上に第２の駆動用圧電素子が配置され、正のＹ軸上に第１の検出用圧電素子が配置され、負のＹ軸上に第２の検出用圧電素子が配置され、
角速度検出回路が、前記第１の駆動用圧電素子および前記第２の駆動用圧電素子に対して、互いに逆位相の交流信号を供給することにより、重錘体をＸ軸方向に振動させながら、第１の検出用圧電素子に生じる信号と第２の検出用圧電素子に生じる信号との差に基づいてＺ軸まわりの角速度を検出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１２】
請求項１〜１１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環状中間部の上面に絶縁層を介して固着されており、
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１３】
請求項１２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導電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１４】
請求項１２または１３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１５】
請求項１２に記載のセンサにおいて、
本体基板の上面に共通絶縁層が形成され、この共通絶縁層の上面に下部共通導電層が形成され、この下部共通導電層の上面にそれぞれ個別圧電素子層が形成され、各個別圧電素子層の上面にそれぞれ上部個別導電層が形成され、
前記各上部個別導電層によって、各駆動用圧電素子および各検出用圧電素子の上方電極が構成され、前記各個別圧電素子層によって、各駆動用圧電素子および各検出用圧電素子が構成され、前記下部共通導電層の個々の部分によって、各駆動用圧電素子および各検出用圧電素子の下方電極が構成されており、
前記下部共通導電層の上面には、各上方電極に対する配線路に沿ってパターニングされた圧電素子パターニング層が形成されており、
各ピエゾ抵抗素子に対する配線層は、前記共通絶縁層内に埋め込まれており、
各上方電極に対する配線層は、前記圧電素子パターニング層の上面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１６】
請求項１２に記載のセンサにおいて、
本体基板の上面に共通絶縁層が形成され、この共通絶縁層の上面に下部共通導電層が形成され、この下部共通導電層の上面に共通圧電素子層が形成され、この共通圧電素子層の上面にそれぞれ上部個別導電層が形成され、
前記各上部個別導電層によって、各駆動用圧電素子および各検出用圧電素子の上方電極が構成され、前記共通圧電素子層の個々の部分によって、各駆動用圧電素子および各検出用圧電素子が構成され、前記下部共通導電層の個々の部分によって、各駆動用圧電素子および各検出用圧電素子の下方電極が構成されており、
各ピエゾ抵抗素子に対する配線層は、前記絶縁層内に埋め込まれており、
各上方電極に対する配線層は、前記共通圧電素子層の上面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１７】
請求項１〜１６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、少なくとも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。
【考案の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本考案は、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】
本願考案者は、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
【考案の開示】
【考案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】
そこで本考案は、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)   本考案の第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、
下面に環状溝が形成され、環状溝形成領域の内側に位置する内側部と、環状溝形成領域の外側に位置する外側部と、環状溝形成領域に位置する環状中間部と、を有し、環状中間部は、内側部が外側部に対して変位可能となるように可撓性を有している本体基板と、
内側部の下面に接続された重錘体と、
重錘体の周囲を取り囲むように、外側部の下面に接続され、装置筐体に固定された台座と、
環状中間部に埋め込まれたピエゾ抵抗素子と、
環状中間部の表面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環状中間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、
によって構成するようにしたものである。
【０００８】
(2)   本考案の第２の態様は、上述の第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。
【０００９】
(3)   本考案の第３の態様は、上述の第１または第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、
重錘体を本体基板の上面に垂直投影したときの投影像の輪郭線が、本体基板の内側部よりも外側に位置するようにしたものである。
【００１０】
(4)   本考案の第４の態様は、上述の第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、
環状溝を本体基板の上面に垂直投影したときの投影像の内側輪郭線および外側輪郭線が同心円をなし、
重錘体が、「本体基板の上面に直交し、上記同心円の中心を通る軸」を中心軸とした柱状形状をなすようにしたものである。
【００１１】
(5)   本考案の第５の態様は、上述の第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、
ピエゾ抵抗素子、駆動用圧電素子、検出用圧電素子が、環状溝形成領域の内側輪郭線もしくは外側輪郭線に接する位置に配置されているようにしたものである。
【００１２】
(6)   本考案の第６の態様は、上述の第１〜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、
本体基板が、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、本体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。
【００１３】
(7)   本考案の第７の態様は、上述の第１〜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、
本体基板上面の内側部の中心に原点Ｏが位置し、本体基板の上面にＸＹ平面が位置するようなＸＹＺ三次元座標系を定義し、環状中間部に所属する部分のうち、内側輪郭線の近傍部分を内側近傍領域、外側輪郭線の近傍部分を外側近傍領域と定義したときに、
正のＸ軸上の外側近傍領域に第１のＸ軸検出用ピエゾ抵抗素子が配置され、正のＸ軸上の内側近傍領域に第２のＸ軸検出用ピエゾ抵抗素子が配置され、負のＸ軸上の内側近傍領域に第３のＸ軸検出用ピエゾ抵抗素子が配置され、負のＸ軸上の外側近傍領域に第４のＸ軸検出用ピエゾ抵抗素子が配置され、
正のＹ軸上の外側近傍領域に第１のＹ軸検出用ピエゾ抵抗素子が配置され、正のＹ軸上の内側近傍領域に第２のＹ軸検出用ピエゾ抵抗素子が配置され、負のＹ軸上の内側近傍領域に第３のＹ軸検出用ピエゾ抵抗素子が配置され、負のＹ軸上の外側近傍領域に第４のＹ軸検出用ピエゾ抵抗素子が配置され、
外側近傍領域の任意の位置に第１のＺ軸検出用ピエゾ抵抗素子が配置され、内側近傍領域の任意の位置に第２のＺ軸検出用ピエゾ抵抗素子が配置され、内側近傍領域の任意の位置に第３のＺ軸検出用ピエゾ抵抗素子が配置され、外側近傍領域の任意の位置に第４のＺ軸検出用ピエゾ抵抗素子が配置され、
加速度検出回路が、第１のＸ軸検出用ピエゾ抵抗素子および第３のＸ軸検出用ピエゾ抵抗素子を第１の対辺とし、第２のＸ軸検出用ピエゾ抵抗素子および第４のＸ軸検出用ピエゾ抵抗素子を第２の対辺とするブリッジ回路のブリッジ電圧に基づいてＸ軸方向に作用した加速度の検出を行い、第１のＹ軸検出用ピエゾ抵抗素子および第３のＹ軸検出用ピエゾ抵抗素子を第１の対辺とし、第２のＹ軸検出用ピエゾ抵抗素子および第４のＹ軸検出用ピエゾ抵抗素子を第２の対辺とするブリッジ回路のブリッジ電圧に基づいてＹ軸方向に作用した加速度の検出を行い、第１のＺ軸検出用ピエゾ抵抗素子および第４のＺ軸検出用ピエゾ抵抗素子を第１の対辺とし、第２のＺ軸検出用ピエゾ抵抗素子および第３のＺ軸検出用ピエゾ抵抗素子を第２の対辺とするブリッジ回路のブリッジ電圧に基づいてＺ軸方向に作用した加速度の検出を行うようにしたものである。
【００１４】
(8)   本考案の第８の態様は、上述の第１〜第７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、
本体基板上面の内側部の中心に原点Ｏが位置し、本体基板の上面にＸＹ平面が位置するようなＸＹＺ三次元座標系を定義し、環状中間部に所属する部分のうち、内側輪郭線の近傍部分を内側近傍領域、外側輪郭線の近傍部分を外側近傍領域と定義したときに、
内側近傍領域および外側近傍領域のいずれか一方を駆動用圧電素子配置領域とし、他方を検出用圧電素子配置領域とするように定め、
駆動用圧電素子配置領域の正のＸ軸上に第１の駆動用圧電素子が配置され、負のＸ軸上に第２の駆動用圧電素子が配置され、正のＹ軸上に第３の駆動用圧電素子が配置され、負のＹ軸上に第４の駆動用圧電素子が配置され、
検出用圧電素子配置領域の正のＸ軸上に第１の検出用圧電素子が配置され、負のＸ軸上に第２の検出用圧電素子が配置され、正のＹ軸上に第３の検出用圧電素子が配置され、負のＹ軸上に第４の検出用圧電素子が配置され、
角速度検出回路が、各駆動用圧電素子に、位相がπ／２ずつずれた交流信号を供給することにより、重錘体をＸＹ平面に平行な平面内で円運動させながら、重錘体がＸＺ平面を通過する時点における第１の検出用圧電素子に生じる信号と第２の検出用圧電素子に生じる信号との差に基づいてＺ軸まわりの角速度を検出し、重錘体がＸＺ平面を通過する時点における第３の検出用圧電素子に生じる信号と第４の検出用圧電素子に生じる信号との和に基づいてＸ軸まわりの角速度を検出し、重錘体がＹＺ平面を通過する時点における第３の検出用圧電素子に生じる信号と第４の検出用圧電素子に生じる信号との和に基づいてＹ軸まわりの角速度を検出するようにしたものである。
【００１５】
(9)   本考案の第９の態様は、上述の第１〜第７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、
本体基板上面の内側部の中心に原点Ｏが位置し、本体基板の上面にＸＹ平面が位置するようなＸＹＺ三次元座標系を定義し、環状中間部に所属する部分のうち、内側輪郭線の近傍部分を内側近傍領域、外側輪郭線の近傍部分を外側近傍領域と定義したときに、
内側近傍領域および外側近傍領域のいずれか一方を駆動用圧電素子配置領域とし、他方を検出用圧電素子配置領域とするように定め、
駆動用圧電素子配置領域の正のＸ軸上に第１の駆動用圧電素子が配置され、負のＸ軸上に第２の駆動用圧電素子が配置され、
検出用圧電素子配置領域の正のＸ軸上に第１の検出用圧電素子が配置され、負のＸ軸上に第２の検出用圧電素子が配置され、正のＹ軸上に第３の検出用圧電素子が配置され、負のＹ軸上に第４の検出用圧電素子が配置され、
角速度検出回路が、第１の駆動用圧電素子および第２の駆動用圧電素子に対して、互いに位相がπ／２だけずれた交流信号を供給することにより、重錘体をＸＺ平面内で円運動させながら、重錘体がＺ軸方向へ運動している時点における第１の検出用圧電素子に生じる信号と第２の検出用圧電素子に生じる信号との差に基づいてＹ軸まわりの角速度を検出し、重錘体がＺ軸方向へ運動している時点における第３の検出用圧電素子に生じる信号と第４の検出用圧電素子に生じる信号との差に基づいてＸ軸まわりの角速度を検出し、重錘体がＸ軸方向へ運動している時点における第３の検出用圧電素子に生じる信号と第４の検出用圧電素子に生じる信号との差に基づいてＺ軸まわりの角速度を検出するようにしたものである。
【００１６】
(10)  本考案の第１０の態様は、上述の第１〜第７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、
本体基板上面の内側部の中心に原点Ｏが位置し、本体基板の上面にＸＹ平面が位置するようなＸＹＺ三次元座標系を定義し、環状中間部に所属する部分のうち、内側輪郭線の近傍部分を内側近傍領域、外側輪郭線の近傍部分を外側近傍領域と定義したときに、
内側近傍領域および外側近傍領域のいずれか一方を駆動用圧電素子配置領域とし、他方を検出用圧電素子配置領域とするように定め、
駆動用圧電素子配置領域にＺ軸をとり囲むような環状の駆動用圧電素子が配置され、
検出用圧電素子配置領域の正のＸ軸上に第１の検出用圧電素子が配置され、負のＸ軸上に第２の検出用圧電素子が配置され、正のＹ軸上に第３の検出用圧電素子が配置され、負のＹ軸上に第４の検出用圧電素子が配置され、
角速度検出回路が、駆動用圧電素子に対して、単一の交流信号を供給することにより、重錘体をＺ軸方向に振動させながら、第１の検出用圧電素子に生じる信号と第２の検出用圧電素子に生じる信号との差に基づいてＹ軸まわりの角速度を検出し、第３の検出用圧電素子に生じる信号と第４の検出用圧電素子に生じる信号との差に基づいてＸ軸まわりの角速度を検出するようにしたものである。
【００１７】
(11)  本考案の第１１の態様は、上述の第１〜第７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、
本体基板上面の内側部の中心に原点Ｏが位置し、本体基板の上面にＸＹ平面が位置するようなＸＹＺ三次元座標系を定義したときに、
正のＸ軸上に第１の駆動用圧電素子が配置され、負のＸ軸上に第２の駆動用圧電素子が配置され、正のＹ軸上に第１の検出用圧電素子が配置され、負のＹ軸上に第２の検出用圧電素子が配置され、
角速度検出回路が、第１の駆動用圧電素子および第２の駆動用圧電素子に対して、互いに逆位相の交流信号を供給することにより、重錘体をＸ軸方向に振動させながら、第１の検出用圧電素子に生じる信号と第２の検出用圧電素子に生じる信号との差に基づいてＺ軸まわりの角速度を検出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ようにしたものである。
【００１８】
(12)  本考案の第１２の態様は、上述の第１〜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、
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環状中間部の上面に絶縁層を介して固着されており、
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ようにしたものである。
【００１９】
(13)  本考案の第１１の態様は、上述の第１２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導電層によって構成されているようにしたものである。
【００２０】
(14)  本考案の第１４の態様は、上述の第１２または第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、
複数の圧電素子が物理的に単一の共通圧電素子層によって構成されているようにしたものである。
【００２１】
(15)  本考案の第１５の態様は、上述の第１２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、
本体基板の上面に共通絶縁層が形成され、この共通絶縁層の上面に下部共通導電層が形成され、この下部共通導電層の上面にそれぞれ個別圧電素子層が形成され、各個別圧電素子層の上面にそれぞれ上部個別導電層が形成され、
各上部個別導電層によって、各駆動用圧電素子および各検出用圧電素子の上方電極が構成され、各個別圧電素子層によって、各駆動用圧電素子および各検出用圧電素子が構成され、下部共通導電層の個々の部分によって、各駆動用圧電素子および各検出用圧電素子の下方電極が構成されており、
下部共通導電層の上面には、各上方電極に対する配線路に沿ってパターニングされた圧電素子パターニング層が形成されており、
各ピエゾ抵抗素子に対する配線層は、共通絶縁層内に埋め込まれており、
各上方電極に対する配線層は、圧電素子パターニング層の上面に形成されているようにしたものである。
【００２２】
(16)  本考案の第１６の態様は、上述の第１２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、
本体基板の上面に共通絶縁層が形成され、この共通絶縁層の上面に下部共通導電層が形成され、この下部共通導電層の上面に共通圧電素子層が形成され、この共通圧電素子層の上面にそれぞれ上部個別導電層が形成され、
各上部個別導電層によって、各駆動用圧電素子および各検出用圧電素子の上方電極が構成され、共通圧電素子層の個々の部分によって、各駆動用圧電素子および各検出用圧電素子が構成され、下部共通導電層の個々の部分によって、各駆動用圧電素子および各検出用圧電素子の下方電極が構成されており、
各ピエゾ抵抗素子に対する配線層は、絶縁層内に埋め込まれており、
各上方電極に対する配線層は、共通圧電素子層の上面に形成されているようにしたものである。
【００２３】
(17)  本考案の第１７の態様は、上述の第１〜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、少なくとも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。
【考案の効果】
【００２４】
本考案に係るセンサでは、下面に環状溝が形成された本体基板の内側部に重錘体が接続され、この重錘体は可撓性をもった環状中間部によって周囲から支持される。そして、この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、環状中間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、環状中間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環状中間部に形成されているため、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、本考案に係るセンサでは、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。
【考案を実施するための最良の形態】
【００２５】
以下、本考案を図示する実施形態に基づいて説明する。
【００２６】
＜＜＜  §１．基本的実施形態に係るセンサの構造  ＞＞＞
図１は、本考案の基本的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、正方形状の本体基板１００の上面に、それぞれ扇形状をした８枚の圧電素子Ｄ１〜Ｄ４，Ｅ１〜Ｅ４が配置されている状態が示されている。ここでは、説明の便宜上、この本体基板１００の上面中心位置に原点Ｏをとり、図１の右方向にＸ軸、上方向にＹ軸、紙面垂直上方にＺ軸をとり、ＸＹＺ三次元直交座標系を定義する。図１に破線で示されている構成要素は、この本体基板１００の上面に埋め込まれているピエゾ抵抗素子Ｐであり、その配置については後に詳述する。また、図１に示すＸａ軸，Ｘｂ軸は、Ｘ軸の両脇に定義された補助軸であり、一部のピエゾ抵抗素子Ｐは、これらの補助軸に沿って配置されている。
【００２７】
図２は、図１に示すセンサをＸＺ平面で切断した側断面図である。図示のとおり、このセンサの基本構造体は、本体基板１００、補助基板２００、支持基板３００の３枚の基板によって構成されている。ここに示す実施形態の場合、本体基板１００はシリコン基板によって構成され、補助基板２００はガラス基板によって構成され、支持基板３００はシリコン基板によって構成されている。このセンサを、切断線３−３に沿って切断した平断面図を図３に示し、切断線４−４に沿って切断した平断面図を図４に示す。
【００２８】
本体基板１００は、内側部１１０、環状中間部１２０、外側部１３０の３つの部分から構成されている正方形状の基板であり、その下面には、環状溝１４０が形成されている。環状溝１４０は、図３の平断面図に明瞭に示されているように、ワッシャ状の空隙部であり、この環状溝１４０形成領域の内側に位置する部分が円柱状の内側部１１０となり、外側に位置する部分が外側部１３０となる。環状溝１４０は、本体基板１００の下面側に掘られている円環状の溝であり、図２に示すように、この環状溝１４０の真上に位置する環状中間部１２０は肉厚が薄くなり、ダイアフラムとして機能する。別言すれば、環状中間部１２０は、環状溝形成領域に位置する肉厚の薄い構造体（その平面図は、図３に示す環状溝１４０の平面図と同一形状である）であり、内側部１１０が外側部１３０に対して変位可能となるように可撓性を有している。なお、環状溝１４０は方環状の溝にすることも可能である。
【００２９】
一方、補助基板２００は、図４に示されているとおり、断面が正方形をなす角柱状の重錘体２１０と、この重錘体２１０の周囲を取り囲むような台座２２０とによって構成されている。図２に示されているように、重錘体２１０の上面には、内側部１１０と同径の円柱状突起部（厚みｄ１）が形成されており、この円柱状突起部の上面は、内側部１１０の下面に接続されている。また、台座２２０の上面は、外側部１３０の下面に接続されており、台座２２０の下面は、支持基板３００の上面に接続されている。支持基板３００は、図２に示す構成要素全体を包み込む装置筐体（図示されていない）に固定される。結局、台座２２０は、支持基板３００を介して装置筐体に固定されていることになる。
【００３０】
図２に示されているとおり、重錘体２１０の上面と外側部１３０の下面との間には空隙寸法ｄ１が確保されており、重錘体２１０の外周面と台座２２０の内周面との間には空隙寸法ｄ２が確保されており（図４も参照）、重錘体２１０の下面と支持基板３００の上面との間には空隙寸法ｄ３が確保されている。したがって、何ら力が作用していない状態では、重錘体２１０は、内側部１１０を介して上方から宙吊りになっている。
【００３１】
図２において、本体基板１００の上面に配置されている構成要素Ｄ１，Ｄ２，Ｅ１，Ｅ２は、図１に示す８枚の圧電素子Ｄ１〜Ｄ４，Ｅ１〜Ｅ４の一部である。また、図２において、本体基板１００の上面の表層部分に埋め込まれて配置されている構成要素は、前述したピエゾ抵抗素子Ｐである。
【００３２】
図５は、ピエゾ抵抗素子Ｐの平面的な配置を明瞭に示すために、図１に示すセンサから、各圧電素子Ｄ１〜Ｄ４，Ｅ１〜Ｅ４を取り除いた状態を示す上面図である。図の破線の円は、環状溝１４０の内側輪郭線Ｃ１および外側輪郭線Ｃ２であり、内側輪郭線Ｃ１の更に内側が内側部１１０、内側輪郭線Ｃ１と外側輪郭線Ｃ２との間（環状溝形成領域）が環状中間部１２０、外側輪郭線Ｃ２の更に外側が外側部１３０ということになる。
【００３３】
図示のとおり、本体基板１００の上面には、合計１２組のピエゾ抵抗素子Ｐｘ１〜Ｐｘ４，Ｐｙ１〜Ｐｙ４，Ｐｚ１〜Ｐｚ４が埋め込まれているが、いずれも環状中間部１２０の部分（環状溝形成領域）に配置されている。しかも、環状中間部１２０に所属する部分のうち、内側輪郭線Ｃ１の近傍部分を内側近傍領域、外側輪郭線Ｃ２の近傍部分を外側近傍領域と定義すると、６組のピエゾ抵抗素子Ｐｘ２，Ｐｘ３，Ｐｙ２，Ｐｙ３，Ｐｚ２，Ｐｚ３は、内側近傍領域に配置され、その内側端は内側輪郭線Ｃ１に接しており、残りの６組のピエゾ抵抗素子Ｐｘ１，Ｐｘ４，Ｐｙ１，Ｐｙ４，Ｐｚ１，Ｐｚ４は、外側近傍領域に配置され、その外側端は外側輪郭線Ｃ２に接している。このように、各ピエゾ抵抗素子を、内側近傍領域および外側近傍領域に配置するのは、後述するように重錘体２１０に外力が加わったときに、これらの領域に応力が集中するためである。すなわち、応力が最も集中しやすい箇所に各ピエゾ抵抗素子を配置することにより、検出感度を高めているのである。
【００３４】
なお、ピエゾ抵抗素子Ｐｘ１〜Ｐｘ４は、Ｘ軸方向に作用した加速度を検出するために用いられるため、ここではＸ軸検出用ピエゾ抵抗素子と呼ぶことにする。同様に、ピエゾ抵抗素子Ｐｙ１〜Ｐｙ４は、Ｙ軸方向に作用した加速度を検出するために用いられるため、ここではＹ軸検出用ピエゾ抵抗素子と呼び、ピエゾ抵抗素子Ｐｚ１〜Ｐｚ４は、Ｚ軸方向に作用した加速度を検出するために用いられるため、ここではＺ軸検出用ピエゾ抵抗素子と呼ぶことにする。
【００３５】
図５に示す個々のピエゾ抵抗素子の配置をより具体的に説明すると、次のようになる。すなわち、図示のとおり、本体基板１００上面の内側部１１０の中心に原点Ｏが位置し、本体基板１００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、環状中間部１２０に所属する部分のうち、内側輪郭線Ｃ１の近傍部分を内側近傍領域、外側輪郭線Ｃ２の近傍部分を外側近傍領域と定義すると、正のＸ軸上の外側近傍領域に第１のＸ軸検出用ピエゾ抵抗素子Ｐｘ１が配置され、正のＸ軸上の内側近傍領域に第２のＸ軸検出用ピエゾ抵抗素子Ｐｘ２が配置され、負のＸ軸上の内側近傍領域に第３のＸ軸検出用ピエゾ抵抗素子Ｐｘ３が配置され、負のＸ軸上の外側近傍領域に第４のＸ軸検出用ピエゾ抵抗素子Ｐｘ４が配置されている。このように、Ｘ軸上に配置された４組のピエゾ抵抗素子Ｐｘ１〜Ｐｘ４によって、Ｘ軸方向に作用した加速度の検出が行われる。
【００３６】
同様に、Ｙ軸検出用ピエゾ抵抗素子については、正のＹ軸上の外側近傍領域に第１のＹ軸検出用ピエゾ抵抗素子Ｐｙ１が配置され、正のＹ軸上の内側近傍領域に第２のＹ軸検出用ピエゾ抵抗素子Ｐｙ２が配置され、負のＹ軸上の内側近傍領域に第３のＹ軸検出用ピエゾ抵抗素子Ｐｙ３が配置され、負のＹ軸上の外側近傍領域に第４のＹ軸検出用ピエゾ抵抗素子Ｐｙ４が配置されている。このように、Ｙ軸上に配置された４組のピエゾ抵抗素子Ｐｙ１〜Ｐｙ４によって、Ｙ軸方向に作用した加速度の検出が行われる。
【００３７】
また、Ｚ軸検出用ピエゾ抵抗素子については、Ｘ軸の両脇に、Ｘ軸に平行な補助軸Ｘａ，Ｘｂを定義し、正のＸｂ軸上の外側近傍領域に第１のＺ軸検出用ピエゾ抵抗素子Ｐｚ１が配置され、正のＸｂ軸上の内側近傍領域に第２のＺ軸検出用ピエゾ抵抗素子Ｐｚ２が配置され、負のＸａ軸上の内側近傍領域に第３のＺ軸検出用ピエゾ抵抗素子Ｐｚ３が配置され、負のＸａ軸上の外側近傍領域に第４のＺ軸検出用ピエゾ抵抗素子Ｐｚ４が配置されている。
【００３８】
このように、図示の例では、Ｚ軸検出用ピエゾ抵抗素子Ｐｚ１〜Ｐｚ４を、Ｘ軸の両脇に定義した補助軸Ｘａ，Ｘｂ上に配置しているが、これらＺ軸検出用ピエゾ抵抗素子Ｐｚ１〜Ｐｚ４は、必ずしもＸ軸の両脇に配置する必要はない。原理的には、第１のＺ軸検出用ピエゾ抵抗素子Ｐｚ１は、外側近傍領域の任意の位置に配置し、第２のＺ軸検出用ピエゾ抵抗素子Ｐｚ２は、内側近傍領域の任意の位置に配置し、第３のＺ軸検出用ピエゾ抵抗素子Ｐｚ３は、内側近傍領域の任意の位置に配置し、第４のＺ軸検出用ピエゾ抵抗素子Ｐｚ４は、外側近傍領域の任意の位置に配置すればよい。
【００３９】
なお、検出感度を高める上では、各ピエゾ抵抗素子は、原点Ｏを中心とした放射状の方向（円Ｃ２の半径方向）にほぼ沿って伸びる細長い形状のものにするのが好ましい。後述する加速度検出回路は、これら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ことになる。
【００４０】
一方、図１に示す８組の圧電素子Ｄ１〜Ｄ４，Ｅ１〜Ｅ４は、環状中間部１２０の表面に固着されている。しかも、圧電素子Ｄ１〜Ｄ４は、内側近傍領域に配置され、その内周縁は内側輪郭線Ｃ１（図５参照）に接している。また、圧電素子Ｅ１〜Ｅ４は、外側近傍領域に配置され、その外周縁は外側輪郭線Ｃ２（図５参照）に接している。このような配置を採るのは、やはり重錘体２１０に外力が加わったときに、これらの領域に応力が集中するためである。
【００４１】
この８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Ｄ１〜Ｄ４と駆動用圧電素子Ｅ１〜Ｅ４に分けて取り扱うことにする。後に詳述するとおり、図１に示すセンサの場合、内側近傍領域に配置された４組の圧電素子Ｄ１〜Ｄ４が検出用圧電素子となり、外側近傍領域に配置された４組の圧電素子Ｅ１〜Ｅ４が駆動用圧電素子となる。後述する角速度検出回路は、駆動用圧電素子Ｅ１〜Ｅ４に交流信号を供給して、環状中間部１２０を周期的に変形させ、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Ｄ１〜Ｄ４に生じる信号に基づいて作用した角速度を検出する。
【００４２】
なお、検出用圧電素子Ｄ１〜Ｄ４と駆動用圧電素子Ｅ１〜Ｅ４の位置は入れ替えてもかまわない。すなわち、図１に示されている検出用圧電素子Ｄ１〜Ｄ４をそのまま駆動用圧電素子Ｅ１〜Ｅ４として用い、図１に示されている駆動用圧電素子Ｅ１〜Ｅ４をそのまま検出用圧電素子Ｄ１〜Ｄ４として用いてもよい。
【００４３】
要するに、内側近傍領域および外側近傍領域のいずれか一方を駆動用圧電素子配置領域とし、他方を検出用圧電素子配置領域とするように定め（図１の例は、内側近傍領域を検出用圧電素子配置領域と定め、外側近傍領域を駆動用圧電素子配置領域と定めた例である）、駆動用圧電素子配置領域の正のＸ軸上に第１の駆動用圧電素子Ｅ１が配置され、負のＸ軸上に第２の駆動用圧電素子Ｅ２が配置され、正のＹ軸上に第３の駆動用圧電素子Ｅ３が配置され、負のＹ軸上に第４の駆動用圧電素子Ｅ４が配置されるようにし、検出用圧電素子配置領域の正のＸ軸上に第１の検出用圧電素子Ｄ１が配置され、負のＸ軸上に第２の検出用圧電素子Ｄ２が配置され、正のＹ軸上に第３の検出用圧電素Ｄ３が配置され、負のＹ軸上に第４の検出用圧電素子Ｄ４が配置されるようにすればよい。
【００４４】
なお、検出用圧電素子Ｄ１〜Ｄ４および駆動用圧電素子Ｅ１〜Ｅ４は、環状中間部１２０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環状中間部１２０の上面に伝達されるように、環状中間部１２０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、環状中間部１２０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、環状中間部１２０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。
【００４５】
＜＜＜  §２．基本的実施形態に係るセンサの各部の撓み  ＞＞＞
続いて、図２に示すセンサの重錘体２１０に対して、各座標軸方向への力が作用した場合に、環状中間部１２０の各部分にどのような撓みが生じるかを検討しよう。具体的には、このセンサについて、重錘体２１０の重心Ｇに対して各座標軸方向の力が作用した場合に、構造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６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７の側断面図に示す。なお、ここでは、本体基板１００の各部のうち、内側部１１０および外側部１３０は十分な剛性を有しているのに対して、肉厚が薄い環状中間部１２０は、可撓性を有しているため、変形はほぼ環状中間部１２０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、内側部１１０および外側部１３０の部分にも若干の変形が生じることになるが、環状中間部１２０の厚みが十分に薄ければ、実用上は、変形はほぼ環状中間部１２０に集中するものと考えて問題はない。たとえば、本体基板１００をシリコン基板によって構成した場合、基板全体の厚み（内側部１１０および外側部１３０の厚み）を０．３ｍｍ程度、環状中間部１２０の厚みを、１０μｍ程度に設定すると、変形はほぼ環状中間部１２０に集中する。
【００４６】
ここでは、Ｘ軸に沿った各部の撓みに着目してみよう。特に、図５に示したＸ軸検出用ピエゾ抵抗素子Ｐｘ１〜Ｐｘ４の長手方向に関する伸び縮みに着目してみる。図６および図７において、環状中間部１２０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。
【００４７】
たとえば、図６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、ピエゾ抵抗素子Ｐｘ１，Ｐｘ３は縮み、Ｐｘ２，Ｐｘ４は伸びる。逆に、Ｘ軸負方向の力−Ｆｘが作用した場合は、図７に示すとおり、ピエゾ抵抗素子Ｐｘ１，Ｐｘ３は伸び、Ｐｘ２，Ｐｘ４は縮む。このとき、Ｙ軸上に配置されたピエゾ抵抗素子Ｐｙ１〜Ｐｙ４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。また、ピエゾ抵抗素子Ｐｚ１〜Ｐｚ４の伸び縮みは、ピエゾ抵抗素子Ｐｘ１〜Ｐｘ４の伸び縮みとほぼ同じになる。
【００４８】
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軸とは直交しており、この本体基板１００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ピエゾ抵抗素子Ｐｙ１〜Ｐｙ４の伸び縮みは、上述したＸ軸方向に関する力が作用したときのピエゾ抵抗素子Ｐｘ１〜Ｐｘ４の伸び縮みと同じになる。また、Ｙ軸方向に関する力が作用したとき、Ｘ軸上に配置されたピエゾ抵抗素子Ｐｘ１〜Ｐｘ４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。同じくＹ軸方向に関する力が作用したときのピエゾ抵抗素子Ｐｚ１〜Ｐｚ４の伸び縮みは、ピエゾ抵抗素子Ｐｘ１〜Ｐｘ４の伸び縮みとほぼ同じであり、長手方向に関して顕著な変形は生じない。
【００４９】
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８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２１０が上方へと移動することにより、内側近傍領域に配置されているピエゾ抵抗素子Ｐｘ２，Ｐｘ３，Ｐｙ２，Ｐｙ３，Ｐｚ２，Ｐｚ３は伸び、外側近傍領域に配置されているピエゾ抵抗素子Ｐｘ１，Ｐｘ４，Ｐｙ１，Ｐｙ４，Ｐｚ１，Ｐｚ４は縮む。一方、図９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、内側近傍領域に配置されているピエゾ抵抗素子Ｐｘ２，Ｐｘ３，Ｐｙ２，Ｐｙ３，Ｐｚ２，Ｐｚ３は縮み、外側近傍領域に配置されているピエゾ抵抗素子Ｐｘ１，Ｐｘ４，Ｐｙ１，Ｐｙ４，Ｐｚ１，Ｐｚ４は伸びる。
【００５０】
なお、図２に示すように、重錘体２１０の周囲には、空隙寸法ｄ１，ｄ２，ｄ３が確保されているので、各軸方向への変位量がこれらの寸法範囲内であれば、重錘体２１０は自由に変位することができるが、それ以上の変位が生じようとすると、重錘体２１０の上面が外側部１３０の下面に当接したり、重錘体２１０の外周面が台座２２０の内周面に当接したり、重錘体２１０の底面が支持基板３００の上面に当接したりして、変位は抑制されることになる。すなわち、重錘体２１０に過度の外力が加わっても、重錘体２１０に生じる変位は所定範囲内に抑制されることになる。このような仕組は、過度の外力の作用によって、重錘体２１０の支持構造が破損することを防ぐために有用である。たとえば、空隙寸法ｄ１，ｄ２，ｄ３を１０μｍ程度に設定しておけば、３，０００〜１０，０００Ｇ程度の衝撃にも耐えることができる。
【００５１】
さて、図６〜図９に示す検討結果を踏まえて、図２に示すセンサの重錘体２１０に、各座標軸方向の力が作用したときの環状中間部１２０の上面各部における長手方向に関する伸縮状態を図１０〜図１５の上面図にまとめて示す。すなわち、図１０はＸ軸正方向の力＋Ｆｘが作用した状態を示す上面図、図１１はＸ軸負方向の力−Ｆｘが作用した状態を示す上面図、図１２はＹ軸正方向の力＋Ｆｙが作用した状態を示す上面図、図１３はＹ軸負方向の力−Ｆｙが作用した状態を示す上面図、図１４はＺ軸正方向の力＋Ｆｚが作用した状態を示す上面図、図１５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。
【００５２】
いずれの図においても、外側へ向かう一対の矢印は、当該部分が通常状態（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、当該部分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、あくまでも各部分の座標軸に沿った方向（矢印で示す方向）に関する伸縮である。矢印の付されていないバーは、当該バーに沿った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、環状中間部１２０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。
【００５３】
＜＜＜  §３．ピエゾ抵抗素子および圧電素子の詳細構造  ＞＞＞
図１６は、各ピエゾ抵抗素子Ｐ（図５に示す１２組のピエゾ抵抗素子Ｐｘ１〜Ｐｘ４，Ｐｙ１〜Ｐｙ４，Ｐｚ１〜Ｐｚ４の１つ）の形成部分の拡大側断面図である。既に述べたとおり、ピエゾ抵抗素子Ｐは、本体基板１００の上面表層部分に埋め込まれている。ここに示す実施例の場合、本体基板１００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型シリコン基板の一部に形成されたＰ型不純物含有層によって構成されている。もちろん、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。
【００５４】
なお、図１６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形成されることになる。
【００５５】
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１６に示す例において、本体基板１００の上面部分に加えられた応力によって、ピエゾ抵抗素子Ｐがその長手方向（図の左右方向）に伸縮すると、両端子Ｔ１，Ｔ２間の電気抵抗に変化が生じることになる。後述するように、加速度検出は、この電気抵抗の変化を電気的に検出することにより行われる。
【００５６】
一方、図１７は、圧電素子Ｆ（図１に示す圧電素子Ｄ１〜Ｄ４，Ｅ１〜Ｅ４の１つ）の形成部分の拡大側断面図である。既に述べたとおり、圧電素子Ｆは、本体基板１００の上面に固着されている。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、本体基板１００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を介して間接的に本体基板１００の上面に固着されていることになる。その結果、本体基板１００（環状中間部１２０）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に生じた撓みは本体基板１００（環状中間部１２０）の上面へと伝達されることになる。
【００５７】
ここに示す実施例の場合、前述したように、本体基板１００はＮ型シリコン基板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）によって構成されており（窒化アルミニウムなど、他の圧電素子を用いてもよい）、上方電極ＵＥおよび下方電極ＬＥは金属層によって構成されている。なお、図１７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、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。
【００５８】
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１７に示す圧電素子Ｆは、図の横方向（本体基板１００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。
【００５９】
＜＜＜  §４．加速度検出の原理  ＞＞＞
ここでは、図１および図２に示した基本的実施形態に係るセンサの加速度検出の原理を述べる。既に述べたとおり、環状中間部１２０の上面には、図５に示すように、合計１２組のピエゾ抵抗素子Ｐが埋め込まれており、これらピエゾ抵抗素子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。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。
【００６０】
図１８は、この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１８(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１８(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１８(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１６に示すピエゾ抵抗素子Ｐから構成されており、図１６に示す両端子Ｔ１，Ｔ２が、図１８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。
【００６１】
まず、図１８(a) に示すブリッジ回路は、図５のＸ軸上に配置された４組のピエゾ抵抗素子Ｐｘ１〜Ｐｘ４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２１０にＸ軸方向に関する力が作用すると、図１０または図１１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１０または図１１に示す伸縮状態が生じると、図１８(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。
【００６２】
図１８(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Ｐｘ１，Ｐｘ３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Ｐｘ２，Ｐｘ４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。
【００６３】
なお、Ｙ軸方向に関する力が作用した場合は、図１２および図１３に示すとおり、図１８(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Ｐｘ１〜Ｐｘ４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１４および図１５に示すとおり、図１８(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Ｐｘ１〜Ｐｘ４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Ｐｘ１，Ｐｘ３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Ｐｘ２，Ｐｘ４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１８(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。
【００６４】
一方、図１８(b) に示すブリッジ回路は、図５のＹ軸上に配置された４組のピエゾ抵抗素子Ｐｙ１〜Ｐｙ４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２１０にＹ軸方向に関する力が作用すると、図１２または図１３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。
【００６５】
この図１８(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１８(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。
【００６６】
また、図１８(c) に示すブリッジ回路は、図５のＸａ軸もしくはＸｂ軸上に配置された４組のピエゾ抵抗素子Ｐｚ１〜Ｐｚ４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２１０にＺ軸方向に関する力が作用すると、図１４または図１５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。
【００６７】
この図１８(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、いずれも内側近傍領域に配置された素子の組合わせか、いずれも外側近傍領域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１８(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。
【００６８】
結局、この基本的実施形態に係るセンサに用いられる加速度検出回路は、第１のＸ軸検出用ピエゾ抵抗素子Ｐｘ１および第３のＸ軸検出用ピエゾ抵抗素子Ｐｘ３を第１の対辺とし、第２のＸ軸検出用ピエゾ抵抗素子Ｐｘ２および第４のＸ軸検出用ピエゾ抵抗素子Ｐｘ４を第２の対辺とするブリッジ回路のブリッジ電圧Ｖｘに基づいてＸ軸方向に作用した加速度αｘの検出を行い、第１のＹ軸検出用ピエゾ抵抗素子Ｐｙ１および第３のＹ軸検出用ピエゾ抵抗素子Ｐｙ３を第１の対辺とし、第２のＹ軸検出用ピエゾ抵抗素子Ｐｙ２および第４のＹ軸検出用ピエゾ抵抗素子Ｐｙ４を第２の対辺とするブリッジ回路のブリッジ電圧Ｖｙに基づいてＹ軸方向に作用した加速度αｙの検出を行い、第１のＺ軸検出用ピエゾ抵抗素子Ｐｚ１および第４のＺ軸検出用ピエゾ抵抗素子Ｐｚ４を第１の対辺とし、第２のＺ軸検出用ピエゾ抵抗素子Ｐｚ２および第３のＺ軸検出用ピエゾ抵抗素子Ｐｚ３を第２の対辺とするブリッジ回路のブリッジ電圧Ｖｚに基づいてＺ軸方向に作用した加速度αｚの検出を行うことになる。
【００６９】
なお、§１でも述べたとおり、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は、図５に示す配置に限定されるものではなく、ピエゾ抵抗素子Ｐｚ１，Ｐｚ４を外側近傍領域の任意の位置に配置し、ピエゾ抵抗素子Ｐｚ２，Ｐｚ３を内側近傍領域の任意の位置に配置すればよい（感度を高めるためには、なるべく、原点Ｏから放射状に向かう方向が長手方向となる配置が好ましい）。これは、Ｚ軸正方向に関する力＋Ｆｚが作用した場合は、図１４に示すように、内側近傍領域の上面には原点Ｏから放射状に向かう方向に関して伸びる力が加わり、外側近傍領域の上面には原点Ｏから放射状に向かう方向に関して縮む力が加わり、逆に、Ｚ軸負方向に関する力−Ｆｚが作用した場合は、図１５に示すように、内側近傍領域の上面には原点Ｏから放射状に向かう方向に関して縮む力が加わり、外側近傍領域の上面には原点Ｏから放射状に向かう方向に関して伸びる力が加わるためである。
【００７０】
＜＜＜  §５．角速度検出の原理  ＞＞＞
続いて、図１および図２に示した基本的実施形態に係るセンサの角速度検出の原理を述べる。既に述べたとおり、環状中間部１２０の上面には、図１に示すように、合計８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、大きさおよび配置が若干異なる（厚みはすべて同じである）。すなわち、内側近傍領域に配置された４組の圧電素子Ｄ１〜Ｄ４は、相互に同じ形状・大きさをもった圧電素子であり、その配置位置のみが異なる。同様に、外側近傍領域に配置された４組の圧電素子Ｅ１〜Ｅ４も、相互に同じ形状・大きさをもった圧電素子であり、その配置位置のみが異なる。また、４組の圧電素子Ｄ１〜Ｄ４と４組の圧電素子Ｅ１〜Ｅ４を比べると、形状・大きさが異なっており、平面的な面積は、後者の方が大きい。これは、内側近傍領域に比べて外側近傍領域の方が面積が大きいためである。
【００７１】
図１の上面図を見ればわかるとおり、各圧電素子は、いずれもＸ軸もしくはＹ軸の上に配置されており、しかもその形状は、配置軸に関して線対称となっている。また、各圧電素子の全体の配置パターンもＸ軸およびＹ軸に関して線対称となっているため、結局、図１に示す圧電素子の輪郭パターンは、Ｘ軸に関しても、Ｙ軸に関しても対称性を有している。このような対称性は、後述する重錘体の駆動や力検出の便宜を図る上で重要である。
【００７２】
ここでは、各圧電素子の用途を考慮して、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。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。圧電素子Ｆの詳細な構造は図１７に示すとおりであり、実際には、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。
【００７３】
既に述べたとおり、この圧電素子Ｆ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。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Ｅ１〜Ｅ４に交流信号を供給して、環状中間部１２０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。
【００７４】
たとえば、図１に示す駆動用圧電素子Ｅ１の上下両電極間に第１の極性をもった電圧を印加して、ＸＹ平面に沿った方向に縮むように変形させるとともに、駆動用圧電素子Ｅ２の上下両電極間に第２の極性をもった電圧を印加して、ＸＹ平面に沿った方向に伸びるように変形させれば、図６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Ｅ１，Ｅ２に対する印加電圧の極性を逆にすれば、図７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。
【００７５】
結局、図１９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１に示す駆動用圧電素子Ｅ１の上方電極ＵＥには駆動信号Ｓ１を供給し、駆動用圧電素子Ｅ２の上方電極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。たとえば、上方電極ＵＥに正の電圧を印加すると圧電素子は伸び、負の電圧を印加すると圧電素子が縮む特性を有していたとすると（圧電素子によっては、逆の特性の場合もあるが、本願明細書では、便宜上、上述のような特性の圧電素子が用いられているものとする）、期間ｔ１，ｔ３では、重錘体２１０をＸ軸負方向に移動させるための働きかけが行われ、期間ｔ２，ｔ４では、重錘体２１０をＸ軸正方向に移動させるための働きかけが行われる。
【００７６】
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１に示す駆動用圧電素子Ｅ３の上方電極ＵＥには駆動信号Ｓ１を供給し、駆動用圧電素子Ｅ４の上方電極ＵＥには駆動信号Ｓ２を供給すればよい。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１４に示す変形態様と図１５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、各圧電素子Ｅ１〜Ｅ４の上方電極ＵＥに駆動信号Ｓ１（もしくは駆動信号Ｓ２）を供給すればよい。このように、特定の駆動用圧電素子Ｅに対して、特定の駆動信号を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。
【００７７】
また、図２０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。たとえば、重心Ｇを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Ｅ１〜Ｅ４の下方電極ＬＥを接地レベルに保ち、各上方電極ＵＥにそれぞれ駆動信号ＳＳ１〜ＳＳ４を供給すればよい。具体的には、圧電素子Ｅ１の上方電極ＵＥには駆動信号ＳＳ１を与え、圧電素子Ｅ３の上方電極ＵＥには駆動信号ＳＳ２を与え、圧電素子Ｅ２の上方電極ＵＥには駆動信号ＳＳ３を与え、圧電素子Ｅ４の上方電極ＵＥには駆動信号ＳＳ４を与えればよい。期間ｔ１では、重錘体２１０をＸ軸負方向に移動させるための働きかけが行われ、期間ｔ１〜ｔ２の遷移期では、重錘体２１０をＹ軸負方向に移動させるための働きかけが行われ、期間ｔ２では、重錘体２１０をＸ軸正方向に移動させるための働きかけが行われ、期間ｔ２〜ｔ３の遷移期では、重錘体２１０をＹ軸正方向に移動させるための働きかけが行われ、... 以下同様である。
【００７８】
こうして、各駆動用圧電素子Ｅ１〜Ｅ４に供給する駆動信号を適宜選択すれば、重心Ｇを、ＸＺ平面内やＹＺ平面内で円運動させることも可能である。なお、上述の説明では、各駆動用圧電素子Ｅ１〜Ｅ４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Ｅ１〜Ｅ４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。また、図１９および図２０には、駆動信号として正弦波信号を用いた例を示したが、駆動用圧電素子に供給する信号は交流信号であればよいので、たとえば、矩形波信号を用いることも可能である。
【００７９】
続いて、検出用圧電素子Ｄ１〜Ｄ４の機能について説明する。検出用圧電素子Ｄ１〜Ｄ４には、各部の伸縮に基づく電気信号が発生するので、これを利用すれば、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。
【００８０】
たとえば、重錘体２１０に対してＸ軸正方向の力＋Ｆｘが作用すると、環状中間部１２０の上面には、図１０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、環状中間部１２０の上面には、図１１に示すような伸縮が生じる。いずれの場合も、検出用圧電素子Ｄ１とＤ２の伸縮状態は正反対になるので、検出用圧電素子Ｄ１に発生する電気信号の極性と検出用圧電素子Ｄ２に発生する電気信号の極性とは逆になる。したがって、両者の差を求めれば、重錘体２１０に作用した力のＸ軸方向成分を検出することができる（差の符号が力の向きを示し、差の絶対値が力の大きさを示す）。
【００８１】
また、重錘体２１０に対してＹ軸正方向の力＋Ｆｙが作用すると、環状中間部１２０の上面には、図１２に示すような伸縮が生じ、Ｙ軸負方向の力−Ｆｙが作用すると、環状中間部１２０の上面には、図１３に示すような伸縮が生じる。いずれの場合も、検出用圧電素子Ｄ３とＤ４の伸縮状態は正反対になるので、検出用圧電素子Ｄ３に発生する電気信号の極性と検出用圧電素子Ｄ４に発生する電気信号の極性とは逆になる。したがって、両者の差を求めれば、重錘体２１０に作用した力のＹ軸方向成分を検出することができる（差の符号が力の向きを示し、差の絶対値が力の大きさを示す）。
【００８２】
一方、重錘体２１０に対してＺ軸正方向の力＋Ｆｚが作用すると、環状中間部１２０の上面には、図１４に示すような伸縮が生じ、Ｚ軸負方向の力−Ｆｚが作用すると、環状中間部１２０の上面には、図１５に示すような伸縮が生じる。いずれの場合も、検出用圧電素子Ｄ１〜Ｄ４の伸縮状態は同じになるので、各検出用圧電素子Ｄ１〜Ｄ４に発生する電気信号の極性は同じになる。したがって、たとえば、圧電素子Ｄ１に発生する電気信号と圧電素子Ｄ２に発生する電気信号の和や、圧電素子Ｄ３に発生する電気信号と圧電素子Ｄ４に発生する電気信号の和を求めれば（全圧電素子Ｄ１〜Ｄ４に発生する電気信号の総和を求めてもよい）、重錘体２１０に作用した力のＺ軸方向成分を検出することができる（和の符号が力の向きを示し、和の絶対値が力の大きさを示す）。
【００８３】
このように、圧電素子Ｄ１，Ｄ２からの信号の差によって重錘体２１０に作用したＸ軸方向の力を検出し、圧電素子Ｄ３，Ｄ４からの信号の差によって重錘体２１０に作用したＹ軸方向の力を検出し、圧電素子Ｄ１，Ｄ２（もしくは、Ｄ３，Ｄ４）からの信号の和によって重錘体２１０に作用したＺ軸方向の力を検出すると、他軸力成分の干渉を抑制した検出値を得ることができる。
【００８４】
たとえば、重錘体２１０に対してＹ軸方向の力が作用した場合は、環状中間部１２０の上面には、図１２もしくは図１３に示すような伸縮が生じる。すなわち、Ｙ軸上には軸方向の伸縮が生じるが、Ｘ軸上には軸方向の伸縮は全く生じない。ただ、図１に示されているとおり、圧電素子Ｄ１，Ｄ２は、Ｙ軸方向にも広がりをもった素子であるため、Ｙ軸方向の伸縮の影響を受けることになり、Ｙ軸方向の力が作用した場合であっても、部分ごとにそれぞれ電荷が発生する。しかしながら、圧電素子Ｄ１，Ｄ２の形状は、Ｘ軸に関して線対称であるため、対称軸（Ｘ軸）について上半分の領域で発生した電荷と下半分で発生した電荷とが打ち消し合い、圧電素子Ｄ１からトータルで出力される出力値や、圧電素子Ｄ２からトータルで出力される出力値は０になる。したがって、圧電素子Ｄ１，Ｄ２からの信号の差によって重錘体２１０に作用したＸ軸方向の力を検出するようにすれば、検出値にＹ軸方向の力成分が混じることはない。
【００８５】
また、重錘体２１０に対してＺ軸方向の力が作用した場合は、環状中間部１２０の上面には、図１４もしくは図１５に示すような伸縮が生じる。しかしながら、この場合、圧電素子Ｄ１から出力される出力値と圧電素子Ｄ２から出力される出力値とは等しくなるため、圧電素子Ｄ１，Ｄ２からの信号の差によって重錘体２１０に作用したＸ軸方向の力を検出するようにすれば、検出値にＺ軸方向の力成分が混じることはない。
【００８６】
結局、圧電素子Ｄ１，Ｄ２からの信号の差によって重錘体２１０に作用したＸ軸方向の力を検出するようにすれば、検出値は、Ｙ軸方向の力やＺ軸方向の力に影響されない正しい値になる。同様の理由により、圧電素子Ｄ３，Ｄ４からの信号の差によって重錘体２１０に作用したＹ軸方向の力を検出するようにすれば、検出値は、Ｘ軸方向の力やＺ軸方向の力に影響されない正しい値になる。また、圧電素子Ｄ１，Ｄ２（もしくは、Ｄ３，Ｄ４）からの信号の和によって重錘体２１０に作用したＺ軸方向の力を検出するようにすれば、Ｘ軸方向の力やＹ軸方向の力が作用したとしても、和をとることによって相殺されるため、検出値は、やはりＸ軸方向の力やＹ軸方向の力に影響されない正しい値になる。
【００８７】
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。本考案に係るセンサは、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。
【００８８】
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Ｙ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Ｚ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の重心Ｇが単振動の中心位置（ＹＺ平面）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、測定タイミングにおける重錘体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。
【００８９】
同様に、重錘体２１０をＸ軸方向に単振動させた状態で、Ｚ軸方向に作用するコリオリ力Ｆｃを検出すれば、Ｙ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Ｙ軸方向に単振動させた状態で、Ｚ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、この基本的実施形態に係るセンサでは、重錘体２１０をＸ軸，Ｙ軸，Ｚ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，Ｙ軸，Ｚ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，Ｙ軸，Ｚ軸まわりの角速度の検出が可能になる。
【００９０】
＜＜＜  §６．三次元の角速度検出  ＞＞＞
上述した§５では、角速度の検出原理を述べたが、ここでは、重錘体２１０を円運動させることにより、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のすべてを検出することが可能な三次元の角速度検出の具体的な方法を説明する。
【００９１】
§５でも述べたとおり、図２０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ＸＹ平面に平行な平面内で円運動させることができる。ここでは、重錘体２１０がこのような円運動を行っている状態において、三次元の角速度ωｘ，ωｙ，ωｚを検出する方法を考えてみる。
【００９２】
ここでは、説明の便宜上、図２１に示すようなＸＹＺ三次元座標系において、重錘体の重心ＧがＸＹ平面内で円運動している場合を考える（実際は、重錘体の重心Ｇは、ＸＹ平面に平行な平面内で円運動することになるが、ここでは、便宜上、重心Ｇの運動がＸＹ平面上での円運動であるものとする）。図２１に示す円軌道Ｈは、原点Ｏを中心としてＸＹ平面上に描かれた円であり、この重錘体の運動軌跡に相当する。
【００９３】
このような円運動において、重心Ｇが図示の点Ｑ１，Ｑ３を通過する瞬間に着目してみる。点Ｑ１は、重心Ｇが正のＹ軸方向を向いた速度ＶｙをもってＸＺ平面を通過する瞬間の位置であり、点Ｑ３は、重心Ｇが負のＹ軸方向を向いた速度−ＶｙをもってＸＺ平面を通過する瞬間の位置である。いずれの位置においても、重錘体２１０はＹ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、Ｚ軸まわりの角速度を求めることができ、この瞬間にＺ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。
【００９４】
同様に、このような円運動において、重心Ｇが図示の点Ｑ２，Ｑ４を通過する瞬間に着目してみる。点Ｑ２は、重心Ｇが負のＸ軸方向を向いた速度−ＶｘをもってＹＺ平面を通過する瞬間の位置であり、点Ｑ４は、重心Ｇが正のＸ軸方向を向いた速度ＶｘをもってＹＺ平面を通過する瞬間の位置である。いずれの位置においても、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Ｙ軸方向に作用したコリオリ力を検出すれば、Ｚ軸まわりの角速度を求めることができ、この瞬間にＺ軸方向に作用したコリオリ力を検出すれば、Ｙ軸まわりの角速度を求めることができる。
【００９５】
重錘体２１０に作用した各座標軸方向の力は、既に述べたとおり、各検出用圧電素子Ｄ１〜Ｄ４を利用して検出することができる。そこで、図２２に示すような検出回路を用意した場合を考えてみる。図２２の上段回路は作用した力のＸ軸方向成分の検出を行う回路、下段回路は作用した力の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，Ｔｚに出力するようにしている。
【００９６】
すなわち、図２２の上段に示す回路は、図１に示すＸ軸上の検出用圧電素子Ｄ１，Ｄ２についての演算回路であり、検出用圧電素子Ｄ１の上方電極Ｄ１Ｕの電圧値と検出用圧電素子Ｄ２の上方電極Ｄ２Ｕの電圧値との差を求める演算器６１によって構成されている。求めた差の値を示す電圧値は、重錘体２１０に作用した力のＸ軸方向成分の検出値として、出力端子Ｔｘへ出力される。同様に、図２２の下段に示す回路は、図１に示すＹ軸上の検出用圧電素子Ｄ３，Ｄ４についての演算回路であり、検出用圧電素子Ｄ３の上方電極Ｄ３Ｕの電圧値と検出用圧電素子Ｄ４の上方電極Ｄ４Ｕの電圧値との和を求める演算器６２によって構成されている。求めた和の値を示す電圧値は、重錘体２１０に作用した力のＺ軸方向成分の検出値として、出力端子Ｔｚへ出力される。
【００９７】
図２２に示す角速度検出回路を用いれば、次のようなタイミングで、三次元の角速度ωｘ，ωｙ，ωｚを検出することができる。すなわち、図２１に示す図において、重錘体２１０の重心Ｇが点Ｑ１および点Ｑ３を通過する瞬間のタイミング（重錘体がＹ軸方向へ運動してＸＺ平面を通過するタイミング）において、出力端子Ｔｘに出力されるＸ軸方向成分の力の検出値は、Ｚ軸まわりの角速度ωｚに応じた値になり、出力端子Ｔｚに出力されるＺ軸方向成分の力の検出値は、Ｘ軸まわりの角速度ωｘに応じた値になる。また、重錘体２１０の重心Ｇが点Ｑ２および点Ｑ４を通過する瞬間のタイミング（重錘体がＸ軸方向へ運動してＹＺ平面を通過するタイミング）において、出力端子Ｔｚに出力されるＺ軸方向成分の力の検出値は、Ｙ軸まわりの角速度ωｙに応じた値になる。
【００９８】
かくして、出力端子Ｔｘ，Ｔｚの出力値を所定タイミングで取り出せば、三次元の角速度ωｘ，ωｙ，ωｚの検出が可能になる。なお、重錘体２１０の重心Ｇが、各点Ｑ１，Ｑ２，Ｑ３，Ｑ４を通過するタイミングは、図２０に示す駆動信号ＳＳ１〜ＳＳ４の位相に基づいて決定することができる。実際には、このような駆動信号ＳＳ１〜ＳＳ４を供給してから、重錘体２１０が所定の運動を行うまでの間には、物理的構造体からなる系に固有の時間遅れが生じるので、実用上は、重錘体２１０の運動を実測するなどして、適切なタイミングを決定するようにするのが好ましい。
【００９９】
結局、上述の検出原理に基づく角速度検出回路は、各駆動用圧電素子Ｅ１〜Ｅ４に、位相がπ／２ずつずれた交流信号を供給することにより、重錘体２１０をＸＹ平面に平行な平面内で円運動させながら、重錘体２１０がＸＺ平面を通過する時点における第１の検出用圧電素子Ｄ１に生じる信号と第２の検出用圧電素子Ｄ２に生じる信号との差に基づいてＺ軸まわりの角速度ωｚを検出し、重錘体２１０がＸＺ平面を通過する時点における第３の検出用圧電素子Ｄ３に生じる信号と第４の検出用圧電素子Ｄ４に生じる信号との和に基づいてＸ軸まわりの角速度ωｘを検出し、重錘体がＹＺ平面を通過する時点における第３の検出用圧電素子Ｄ３に生じる信号と第４の検出用圧電素子Ｄ４に生じる信号との和に基づいてＹ軸まわりの角速度ωｙを検出することになる。
【０１００】
以上述べた例は、４組の駆動用圧電素子Ｅ１〜Ｅ４に、図２０に示す４組の駆動信号ＳＳ１〜ＳＳ４を供給し、重錘体２１０をＸＹ平面に平行な平面内で円運動させる例であったが、重錘体２１０をＸＺ平面もしくはＹＺ平面内で円運動させて、三次元の角速度ωｘ，ωｙ，ωｚの検出を行うことも可能である。たとえば、ＸＺ平面内で円運動させる場合は、図２３に示すような２種類の駆動信号ＳＳＳ１，ＳＳＳ２を用意する。駆動信号ＳＳＳ２は、駆動信号ＳＳＳ１に対して、位相がπ／２だけ遅れている。
【０１０１】
ここで、駆動信号ＳＳＳ１を駆動用圧電素子Ｅ１に供給し、駆動信号ＳＳＳ２を駆動用圧電素子Ｅ２に供給する。具体的には、駆動用圧電素子Ｅ１，Ｅ２の下方電極ＬＥを接地レベルに保ち、圧電素子Ｅ１の上方電極ＵＥには駆動信号ＳＳＳ１を与え、圧電素子Ｅ２の上方電極ＵＥには駆動信号ＳＳＳ２を与えればよい。ここで述べる駆動方法では、圧電素子Ｅ３，Ｅ４は用いられない。図２３の時間軸上における期間ｔ１では、重錘体２１０をＸ軸負方向に移動させるための働きかけが行われる。しかも、この期間ｔ１の後半部分に着目すると、駆動信号ＳＳＳ１，ＳＳＳ２がともに正の値を示しているため、圧電素子Ｅ１，Ｅ２が両方とも伸びる方向に変形し、図９に示すように、重錘体２１０をＺ軸負方向に移動させるための働きかけが行われる。そして、期間ｔ２では、重錘体２１０をＸ軸正方向に移動させるための働きかけが行われるが、この期間ｔ２の後半部分に着目すると、駆動信号ＳＳＳ１，ＳＳＳ２がともに負の値を示しているため、圧電素子Ｅ１，Ｅ２が両方とも縮む方向に変形し、図８に示すように、重錘体２１０をＺ軸正方向に移動させるための働きかけが行われる。
【０１０２】
かくして、重錘体２１０はＸＺ平面内で円運動することになる。同様にして、駆動信号ＳＳＳ１，ＳＳＳ２を圧電素子Ｅ３，Ｅ４に供給すると、重錘体２１０はＹＺ平面内で円運動することになる。このように、重錘体２１０の円運動平面が、ＸＺ平面であったり、ＹＺ平面であったりしても、図２１に示す角速度検出の基本原理は同じである。たとえば、重錘体２１０をＸＺ平面内で円運動させる場合には、図２４に示すような検出回路を用意しておけばよい。
【０１０３】
図２４の上段回路は作用した力のＸ軸方向成分の検出を行う回路、下段回路は作用した力のＹ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に出力するようにしている。
【０１０４】
すなわち、図２４の上段に示す回路は、図２２の上段に示す回路と実質的に同じであり、図１に示すＸ軸上の検出用圧電素子Ｄ１，Ｄ２についての演算回路であり、検出用圧電素子Ｄ１の上方電極Ｄ１Ｕの電圧値と検出用圧電素子Ｄ２の上方電極Ｄ２Ｕの電圧値との差を求める演算器６３によって構成されている。求めた差の値を示す電圧値は、重錘体２１０に作用した力のＸ軸方向成分の検出値として、出力端子Ｔｘへ出力される。同様に、図２４の下段に示す回路は、図１に示すＹ軸上の検出用圧電素子Ｄ３，Ｄ４についての演算回路であり、検出用圧電素子Ｄ３の上方電極Ｄ３Ｕの電圧値と検出用圧電素子Ｄ４の上方電極Ｄ４Ｕの電圧値との差を求める演算器６４によって構成されている。求めた差の値を示す電圧値は、重錘体２１０に作用した力のＹ軸方向成分の検出値として、出力端子Ｔｙへ出力される。
【０１０５】
図２４に示す回路を用いれば、次のような方法で、三次元の角速度ωｘ，ωｙ，ωｚを検出することができる。すなわち、第１の駆動用圧電素子Ｅ１および第２の駆動用圧電素子Ｅ２に対して、図２３に示すように、互いに位相がπ／２だけずれた交流信号ＳＳＳ１，ＳＳＳ２を供給することにより、重錘体２１０をＸＺ平面内で円運動させながら、重錘体２１０がＺ軸方向へ運動している時点における第１の検出用圧電素子Ｄ１に生じる信号と第２の検出用圧電素子Ｄ２に生じる信号との差（図２４の出力端子Ｔｘに出力されるＸ軸方向の力の検出値）に基づいてＹ軸まわりの角速度ωｙを検出し、同じく重錘体２１０がＺ軸方向へ運動している時点における第３の検出用圧電素子Ｄ３に生じる信号と第４の検出用圧電素子Ｄ４に生じる信号との差（図２４の出力端子Ｔｙに出力されるＹ軸方向の力の検出値）に基づいてＸ軸まわりの角速度ωｘを検出し、重錘体２１０がＸ軸方向へ運動している時点における第３の検出用圧電素子Ｄ３に生じる信号と第４の検出用圧電素子Ｄ４に生じる信号との差（図２４の出力端子Ｔｙに出力されるＹ軸方向の力の検出値）に基づいてＺ軸まわりの角速度ωｚを検出すればよい。
【０１０６】
＜＜＜  §７．ピエゾ抵抗素子および圧電素子の配線を含めた構成例  ＞＞＞
既に§３で述べたとおり、本考案の基本的実施形態に係るセンサに用いられるピエゾ抵抗素子Ｐは、図１６の拡大側断面図に示すように、Ｎ型シリコン基板からなる本体基板１００の表層部分に形成されたＰ型不純物含有層からなる。また、本考案の基本的実施形態に係るセンサに用いられる圧電素子Ｆは、図１７の拡大側断面図に示すように、Ｎ型シリコン基板からなる本体基板１００の上面に配置された板状のＰＺＴからなる。
【０１０７】
ただ、図１の上面図を見ればわかるとおり、各ピエゾ抵抗素子の配置は、各圧電素子の配置と平面的に重なっている。これは、環状中間部１２０上の応力が集中しやすい箇所、すなわち、内側近傍領域（図５に示す内側輪郭線Ｃ１の外側直近の領域）と外側近傍領域（図５に示す外側輪郭線Ｃ２の内側直近の領域）に、各ピエゾ抵抗素子および各圧電素子を配置して、検出感度を高めるためである。もちろん、三次元的に見れば、図２の側断面図に示されているとおり、ピエゾ抵抗素子Ｐは、本体基板１００の上層内部に埋め込まれており、圧電素子は、その上方に形成されることになる。また、ピエゾ抵抗素子Ｐには、その両端部分に対する配線が必要であり、圧電素子には、上方電極ＵＥ，下方電極ＬＥを形成するとともに、これら電極に対する配線も必要になる。更に、必要に応じて、電極や配線相互を絶縁するための絶縁層も必要になる。そこで、以下、ピエゾ抵抗素子および圧電素子の配線を含めた構成例を述べることにする。
【０１０８】
図２５は、図１および図２に示すセンサの本体基板１００上面付近におけるピエゾ抵抗素子および圧電素子の重畳形成部分の拡大側断面図である。前述したとおり、本体基板１００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。図示のとおり、本体基板１００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。
【０１０９】
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１に示されている合計８組の圧電素子Ｄ１〜Ｄ４，Ｅ１〜Ｅ４を構成するため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。
【０１１０】
このような構成を採ると、§５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２５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導電層（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。
【０１１１】
一方、図２６は、図１および図２に示すセンサの本体基板１００上面付近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。本体基板１００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２５に示すものと全く同一である。別言すれば、図２５に示す絶縁層５１１，５１２，５１３と図２６に示す絶縁層５１３とは、実質的には同一の層であり、図２５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２５に示す共通金属層ＬＥ＊と図２６に示す共通金属層ＬＥ＊も実質的には同一の層である。
【０１１２】
このように、ここで述べる実施形態では、各圧電素子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、これら各圧電素子の下方電極ＬＥの下面は環状中間部１２０の上面に絶縁層５１３を介して固着されていることになる。そして、既に述べたとおり、角速度検出回路は、駆動用圧電素子Ｅ１〜Ｅ４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重錘体１２０に周期的な運動を生じさせながら、検出用圧電素子Ｄ１〜Ｄ４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。
【０１１３】
なお、ピエゾ抵抗素子および圧電素子は、いずれも環状中間部１２０に配置されることになるので、理論的には、絶縁層５１３や共通金属層ＬＥ＊は、環状中間部１２０の上面にのみ形成すれば十分である。しかしながら、実用上は、本体基板１００の上面全体に、絶縁層５１３および共通金属層ＬＥ＊を形成する構造を採ると、製造プロセスを単純化することが可能になる。したがって、実用上は、まず、本体基板１００の上面に、図５に示すように、１２組のピエゾ抵抗素子Ｐを埋め込む工程を行った後、その上面全面に、各ピエゾ抵抗素子Ｐに対する配線層５２１，５２２が埋め込まれた状態の絶縁層５１３を形成し、この絶縁層５１３の上面全面に共通金属層ＬＥ＊を形成し、その上面の所定箇所に個別の圧電素子Ｆを形成し、更に、その上面に個別の上方電極ＵＥを形成するようにすればよい。
【０１１４】
こうして、一部の領域においては、図２５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２６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。
【０１１５】
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層を形成できる材料であれば、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。同様の理由により、上方電極ＵＥとして、下層が白金、上層がアルミニウムからなる２層膜を用いている。
【０１１６】
図２５に示す例において、ピエゾ抵抗素子Ｐに対する配線層５２１，５２２は、絶縁層５１３内に埋め込まれた状態となっているので、配線用端子Ｔ１，Ｔ２と接続するためには、共通金属層ＬＥ＊および絶縁層５２３の所定箇所にコンタクトホールを開口すればよい。また、圧電素子Ｆに対する配線のうち、下方電極ＬＥに対する配線は、共通金属層ＬＥ＊と配線用端子Ｌ＊とをいずれかの箇所で接続すれば足りる。ところが、圧電素子Ｆに対する配線のうち、上方電極ＵＥに対する配線は、８組の圧電素子ごとに別個独立して行う必要がある（すなわち、図２５に示す上方電極の配線用端子Ｕは、個々の圧電素子ごとに別個独立したものになる）。ここで、８組の各圧電素子の上方電極ＵＥと各配線用端子Ｕとの間の配線は、共通金属層ＬＥ＊の上方に配置する必要があるが、共通金属層ＬＥ＊は導電層であるため、その上に何らかの絶縁層を形成する必要がある。
【０１１７】
このような絶縁層として、圧電素子の層を利用すると、製造プロセスを簡略化するメリットが得られる。もともとＰＺＴなどの圧電素子は、それ自体が絶縁体の性質を有しているので、圧電素子形成層をそのまま絶縁層として利用することが可能である。しかも、図２５や図２６の側断面図を見ればわかるとおり、圧電素子Ｆは、共通金属層ＬＥ＊の上面に形成される構成要素であるから、この圧電素子Ｆを形成するプロセスと同時に、圧電素子Ｆと全く同じ材料からなる絶縁層を形成してしまえば、その上面に上方電極ＵＥに対する配線層を形成することが可能になる。
【０１１８】
具体的には、本体基板１００の上面全面に絶縁層５１３および共通金属層ＬＥ＊を形成した後、全面にＰＺＴからなる圧電素子層を形成し、この圧電素子層をパターニングして、図２７にドットによるハッチングを施した領域のみを残すようにすればよい（図２７のハッチングは、パターニング後の圧電素子層の残存領域を示すものであり、断面を示すものではない）。図２７に示す圧電素子層の残存領域は、図１に示す８組の圧電素子を形成するための圧電素子形成領域Ａ１に、更に、配線形成領域Ａ２とボンディングパッド形成領域Ａ３を付け加えたものである。
【０１１９】
この図２７に示す圧電素子層の残存領域の上面に、金属等の導電層を形成すれば、図２８に示すような構造が得られる。図２８に斜線によるハッチングを施した領域は、導電層が形成された領域である（図２８のハッチングは、導電層形成領域を示すものであり、断面を示すものではない）。図２７に示す圧電素子形成領域Ａ１の上面部分に形成された導電層は、圧電素子用の上方電極ＵＥになり、配線形成領域Ａ２の上面部分に形成された導電層は、この上方電極ＵＥに対する配線層ＵＷになり、ボンディングパッド形成領域Ａ３の上面部分に形成された導電層は、上方電極ＵＥ用のボンディングパッドＵＢ（図２５，図２６に示す上方電極の配線用端子Ｕに対応）になる。なお、図２８に示すボンディングパッドＬＢは、共通金属層ＬＥ＊の上面に直接形成されたボンディングパッドであり、図２５，図２６に示す共通金属層ＬＥ＊の配線用端子Ｌ＊に対応するものである。
【０１２０】
結局、図２５，図２６に示す構造を採ったセンサでは、本体基板１００の上面に共通絶縁層５１３が形成され、この共通絶縁層５１３内には、各ピエゾ抵抗素子Ｐに対する配線層が埋め込まれ、この共通絶縁層５１３の上面には下部共通導電層ＬＥ＊が形成され、この下部共通導電層ＬＥ＊の上面にそれぞれ個別圧電素子層Ｆが形成され、各個別圧電素子層Ｆの上面にそれぞれ上部個別導電層ＵＥが形成されることになり、各上部個別導電層ＵＥによって、各駆動用圧電素子Ｅ１〜Ｅ４および各検出用圧電素子Ｄ１〜Ｄ４の上方電極が構成され、各個別圧電素子層Ｆによって、各駆動用圧電素子Ｅ１〜Ｅ４および各検出用圧電素子Ｄ１〜Ｄ４が構成され、下部共通導電層ＬＥ＊の個々の部分によって、各駆動用圧電素子Ｅ１〜Ｅ４および各検出用圧電素子Ｄ１〜Ｄ４の下方電極が構成されることになる。
【０１２１】
しかも、個々の上部電極ＵＥに対する配線を行うために、図２７，図２８に示す構造を採った場合、下部共通導電層ＬＥ＊の上面には、各上方電極ＵＥに対する配線路（配線形成領域Ａ２）に沿ってパターニングされた圧電素子パターニング層が形成されており、各上方電極ＵＥに対する配線層は、この圧電素子パターニング層の上面に形成されていることになる。
【０１２２】
別な実施形態として、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２９および図３０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２９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３０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２５，図２６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２９，図３０に示す例では、単一の共通圧電素子Ｆ＊が、本体基板１００の上面全面（下部共通導電層ＬＥ＊の上面）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（個別の上方電極ＵＥの直下部分）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。
【０１２３】
図３１は、図５に示す本体基板１００（表層部分に１２組のピエゾ抵抗素子Ｐが形成されたもの）の上面全面に、絶縁層５１３（各ピエゾ抵抗素子Ｐに対する配線層が埋め込まれている）および下部共通導電層ＬＥ＊を形成し、その上面全面に、ＰＺＴなどからなる単一の共通圧電素子Ｆ＊を形成した状態を示す上面図である。図にドットによるハッチングを施した部分が、圧電素子層の形成領域である（図３１におけるドットによるハッチングは、断面を示すものではない）。なお、図示のとおり、共通圧電素子Ｆ＊の一部には配線用開口部ＷＷが設けられている。この配線用開口部ＷＷの内部は、下層に位置する下部共通導電層ＬＥ＊の上面が露出した状態になっており、コンタクトホールとして機能する。共通圧電素子Ｆ＊は、ＰＺＴからなる板状部材を予め用意しておき、これを下部共通導電層ＬＥ＊の上面に貼り付ける工程で形成してもよいし、下部共通導電層ＬＥ＊（前述したように、下層がチタン、上層が白金の二層構造体を用いるのが好ましい）の上面に、ＰＺＴをスパッタリング法によって付着させ、微結晶化したＰＺＴ薄膜を形成するようにしてもよい。
【０１２４】
図３２は、図３１に示す共通圧電素子Ｆ＊の上面に、上方電極ＵＥ、上方電極用配線層ＵＷ、上方電極用ボンディングパッドＵＢを形成し、更に、配線用開口部ＷＷ内に下方電極用ボンディングパッドＬＢを形成した状態を示す上面図である。実際には、共通圧電素子Ｆ＊の上面全面に導電層を形成し、この導電層をパターニングして必要な部分のみを残す処理を行えばよい。図３２に斜線のハッチングを施した部分は、このパターニング後の導電層の残存領域を示し、ドットのハッチングを施した部分は、導電層が除去されて、共通圧電素子Ｆ＊の上面が露出した領域を示す（図３２における斜線およびドットによるハッチングは、断面を示すものではない）。
【０１２５】
上述したように、ＰＺＴなどの圧電素子は、それ自体が絶縁体の性質を有しているので、図３１に示す単一の共通圧電素子Ｆ＊の層は、それ自身が絶縁層としての機能を果たす。したがって、図３２に示すように、その上面に直接、上方電極ＵＥ、上方電極用配線層ＵＷ、上方電極用ボンディングパッドＵＢを形成しても、これらが相互に短絡することはない。また、上方電極ＵＥが形成されている部分が、それぞれ個別の圧電素子として機能することになるため、実質的に、図１に示す基本的実施形態と同等の機能を果たすセンサが得られる。
【０１２６】
結局、図２９，図３０に示す構造を採ったセンサでは、本体基板１００の上面に共通絶縁層５１３が形成され、この共通絶縁層５１３内には、各ピエゾ抵抗素子Ｐに対する配線層が埋め込まれ、この共通絶縁層５１３の上面には下部共通導電層ＬＥ＊が形成され、この下部共通導電層ＬＥ＊の上面に共通圧電素子層Ｆ＊が形成され、この共通圧電素子層Ｆ＊の上面にそれぞれ上部個別導電層ＵＥが形成されることになり、各上部個別導電層ＵＥによって、各駆動用圧電素子Ｅ１〜Ｅ４および各検出用圧電素子Ｄ１〜Ｄ４の上方電極が構成され、共通圧電素子層Ｆ＊の個々の部分によって、各駆動用圧電素子Ｅ１〜Ｅ４および各検出用圧電素子Ｄ１〜Ｄ４が構成され、下部共通導電層ＬＥ＊の個々の部分によって、各駆動用圧電素子Ｅ１〜Ｅ４および各検出用圧電素子Ｄ１〜Ｄ４の下方電極が構成されることになる。しかも、図３１，図３２に示す構造を採った場合、個々の上部電極ＵＥに対する配線層ＵＷは、絶縁層として機能する共通圧電素子層Ｆ＊の上面に直接形成されていることになる。
【０１２７】
＜＜＜  §８．一次元や二次元の加速度／角速度検出  ＞＞＞
これまで述べた実施形態に係るセンサは、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という３軸方向に関する加速度を独立して検出することが可能な三次元加速度センサとしての機能と、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という３軸まわりに関する角速度を独立して検出することが可能な三次元角速度センサとしての機能と、を備えており、いわば６軸型のモーションセンサと呼ぶべき機能をもった装置である。
【０１２８】
しかしながら、実用上は、必ずしも三次元の加速度と三次元の角速度とのすべての検出が必要になるわけではないので、用途に応じて必要な軸方向の加速度、必要な軸まわりの角速度を検出可能なセンサを用いるようにすればよい。
【０１２９】
たとえば、加速度検出については、図５に示されている１２組のピエゾ抵抗素子および図１８に示されている３組のブリッジ回路の中から、必要な検出軸についての構成要素のみを取捨選択して、センサの構成要素として盛り込むようにすればよい。
【０１３０】
一方、角速度検出については、２軸もしくは１軸まわりの角速度を検出する機能があれば足りる場合には、重錘体の運動をより単純化することが可能である。すなわち、§６では、三次元の角速度検出を行うために、重錘体を所定平面内で円運動させる例を述べたが、二次元の角速度や一次元の角速度を検出すれば足りる場合は、重錘体を円運動させる必要はなく、１軸方向に単振動させるだけでよい。
【０１３１】
図３３は、角速度の検出機能に関しては、２軸まわりの検出機能しかもたないセンサの上面図である（加速度の検出機能は、１軸、２軸、３軸のいずれでもよい）。図にハッチングを施して示す領域は、本体基板１００の上面に形成された圧電素子を示している（ハッチングは断面を示すものではない）。図３３に示す４組の検出用圧電素子Ｄ１１〜Ｄ１４は、図１に示す基本的実施形態に係るセンサにおける検出用圧電素子Ｄ１〜Ｄ４と全く同一のものである。ところが、図３３に示す駆動用圧電素子Ｅ１０は、ワッシャ状の圧電素子であり、図１に示す４組の駆動用圧電素子Ｅ１〜Ｅ４を相互に連結した形態を有する。
【０１３２】
この図３３に示すセンサによる角速度検出は、次のようにして行われる。まず、駆動用圧電素子Ｅ１０に正弦波信号や矩形波信号などの交流信号を与えると、本体基板１００は、図８に示す変形状態と図９に示す変形状態を交互にとることになり、重錘体２１０はＺ軸方向に単振動する。そこで、図２４に示すような検出回路を用意しておき、所定のタイミングにおいて（たとえば、単振動の振幅の中心点を通過する時点）、出力端子Ｔｘ，Ｔｙに出力される信号を検出する。すると、端子Ｔｘに出力される信号は、重錘体２１０に作用したＸ軸方向の力成分（コリオリ力）であるから、Ｙ軸まわりの角速度ωｙに応じた値になり、端子Ｔｙに出力される信号は、重錘体２１０に作用したＹ軸方向の力成分（コリオリ力）であるから、Ｘ軸まわりの角速度ωｘに応じた値になる。
【０１３３】
かくして、Ｘ軸まわりの角速度ωｘとＹ軸まわりの角速度ωｙとの双方を検出することが可能になる。もちろん、図１に示すセンサを用いて、４組の駆動用圧電素子Ｅ１〜Ｅ４に単一の交流信号を与えた場合も、重錘体２１０をＺ軸方向に単振動させることができるので、図３３に示すセンサと同様に二次元角速度センサとして動作させることができる。
【０１３４】
図示の例では、検出用圧電素子Ｄ１１〜Ｄ１４を環状中間部１２０の内側近傍領域に配置し、駆動用圧電素子Ｅ１０を環状中間部１２０の外側近傍領域に配置しているが、内側・外側の配置を逆にしてもかまわない。要するに、内側近傍領域および外側近傍領域のいずれか一方を駆動用圧電素子配置領域とし、他方を検出用圧電素子配置領域とするように定め、駆動用圧電素子配置領域にＺ軸をとり囲むような環状の駆動用圧電素子Ｅ１０が配置され、検出用圧電素子配置領域の正のＸ軸上に第１の検出用圧電素子Ｄ１１が配置され、負のＸ軸上に第２の検出用圧電素子Ｄ１２が配置され、正のＹ軸上に第３の検出用圧電素子Ｄ１３が配置され、負のＹ軸上に第４の検出用圧電素子Ｄ１４が配置されるようにし、角速度検出回路が、駆動用圧電素子Ｅ１０に対して、単一の交流信号を供給することにより、重錘体２１０をＺ軸方向に振動させながら、第１の検出用圧電素子Ｄ１１に生じる信号と第２の検出用圧電素子Ｄ１２に生じる信号との差に基づいてＹ軸まわりの角速度ωｙを検出し、第３の検出用圧電素子Ｄ１３に生じる信号と第４の検出用圧電素子Ｄ１４に生じる信号との差に基づいてＸ軸まわりの角速度ωｘを検出するようにすればよい。
【０１３５】
一方、図３４は、角速度の検出機能に関しては、１軸まわりの検出機能しかもたないセンサの上面図である（加速度の検出機能は、１軸、２軸、３軸のいずれでもよい）。図にハッチングを施して示す領域は、本体基板１００の上面に形成された圧電素子を示している（ハッチングは断面を示すものではない）。図３４に示す４組の検出用圧電素子Ｄ２１，Ｄ２２，Ｅ２１，Ｅ２２は、図１に示す基本的実施形態に係るセンサにおける検出用圧電素子Ｄ１〜Ｄ４と全く同一のものである。ただ、圧電素子Ｄ２１，Ｄ２２は検出用圧電素子であるのに対して、圧電素子Ｅ２１，Ｅ２２は駆動用圧電素子になる。
【０１３６】
この図３４に示すセンサによる角速度検出は、次のようにして行われる。まず、駆動用圧電素子Ｅ２１には図１９に示す駆動信号Ｓ１を与え、駆動用圧電素子Ｅ２２には図１９に示す駆動信号Ｓ２を与える（駆動信号は、矩形波でもよい）。すると、本体基板１００は、図６に示す変形状態と図７に示す変形状態を交互にとることになり、重錘体２１０はＸ軸方向に単振動する。そこで、図２４の下段に示すような検出回路を用意しておき（上方電極Ｄ３Ｕの部分には、圧電素子Ｄ２１の上方電極を接続し、上方電極Ｄ４Ｕの部分には、圧電素子Ｄ２２の上方電極を接続する）、所定のタイミングにおいて（たとえば、単振動の振幅の中心点を通過する時点）、出力端子Ｔｙに出力される信号を検出する。すると、端子Ｔｙに出力される信号は、重錘体２１０に作用したＹ軸方向の力成分（コリオリ力）であるから、Ｚ軸まわりの角速度ωｚに応じた値になり、Ｚ軸まわりの角速度ωｚを検出することが可能になる。
【０１３７】
要するに、正のＸ軸上に第１の駆動用圧電素子Ｅ２１が配置され、負のＸ軸上に第２の駆動用圧電素子Ｅ２２が配置され、正のＹ軸上に第１の検出用圧電素子Ｄ２１が配置され、負のＹ軸上に第２の検出用圧電素子Ｄ２２が配置されるようにし、角速度検出回路が、第１の駆動用圧電素子Ｅ２１および第２の駆動用圧電素子Ｅ２２に対して、互いに逆位相の交流信号を供給することにより、重錘体２１０をＸ軸方向に振動させながら、第１の検出用圧電素子Ｄ２１に生じる信号と第２の検出用圧電素子Ｄ２２に生じる信号との差に基づいてＺ軸まわりの角速度ωｚを検出すればよい。
【０１３８】
＜＜＜  §９．本体基板にＳＯＩ基板を利用した例＞＞＞
これまで述べた基本的実施形態では、本体基板１００としてＮ型シリコン基板を用いていたが、ここでは、Ｎ型シリコン基板の代わりに、ＳＯＩ（Silicon On Insulator）基板を利用した例を述べる。なお、シリコン基板やＳＯＩ基板を用いたセンサは、ＭＥＭＳ技術を利用して量産することができ、小型化に最適である。
【０１３９】
図３５は、一般に市販されているＳＯＩ基板の一例を示す側断面図である。図示のＳＯＩ基板６００は、Ｎ型シリコンからなる上層６１０、酸化シリコンもしくは窒化シリコンの絶縁膜からなる中層６２０、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６３０の３層構造を有するＳＯＩ基板である。図３６は、図３５に示すＳＯＩ基板の下層６３０を下面側からエッチングして、環状溝６３５を形成した状態を示す側断面図である。環状溝６３５の内側には内側部６３１が形成され、外側には外側部６３２が形成されている。この後、上層６１０の上面表層部分の所定箇所に、Ｐ型不純物を注入して、埋め込み式のピエゾ抵抗素子Ｐを形成し、更にその上面に圧電素子を形成することにより、本考案に用いる本体基板１００を形成することができる。
【０１４０】
このように、ＳＯＩ基板を用いて本体基板１００を構成する第１のメリットは、上層６１０と下層６３０とが、絶縁層からなる中層６２０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型シリコン層に形成された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２２０を通って装置筐体側へ流れると、正しい検出を行うことができない。ＳＯＩ基板を用いると、図３６に示すように、ピエゾ抵抗素子Ｐが形成されている上層６１０と、台座２２０に接合される下層６３２とが、絶縁層からなる中層６２０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。
【０１４１】
ＳＯＩ基板を用いる第２のメリットは、ダイアフラムとして機能する環状中間部１２０の厚みの制御を容易に行うことができる点である。下層６３０を構成するシリコンと、中層６２０を構成する酸化シリコン（もしくは窒化シリコン）とは、エッチング特性が異なる。したがって、ＳＯＩ基板の下面側からエッチングにより環状溝６３５を掘る場合、中層６２０がエッチストッパとして機能し、環状溝６３５の深さを下層６３０の厚みに正確に制御することができる。そのため、環状中間部１２０の厚みは、いずれの部分についても、上層６１０の厚みと中層６２０の厚みとの和に正確に一致する。
【０１４２】
なお、図３６に示す構造の場合、ダイアフラムとして機能する環状中間部１２０が、上層６１０と中層６２０との二層構造体になるため、両者の熱膨張係数の相違により、温度特性が悪化する可能性がある。たとえば、センサを使用する環境の温度に変化が生じると、当該温度変化に基づいて二層構造をもった環状中間部１２０に応力が生じ、測定値に影響を与える場合がある。このような影響を防ぐためには、図３６に示す環状溝６３５の部分から、中層６２０に対するエッチングを行い、図３７に示すように、環状溝６３５内の中層６２０を除去し、内側部６４１、外側部６４２、環状溝６４５を形成すればよい。そうすれば、ダイアフラムとして機能する環状中間部１２０は、上層６１０のみから構成される。もちろん、中層６２０に対するエッチングを行う際には、エッチング特性が異なる上層６１０がエッチストッパとして機能するので、環状中間部１２０の厚みは、いずれの部分についても、上層６１０の厚みに正確に一致する。
【０１４３】
もっとも、上層６１０の上面に絶縁層５１３を積層させることを考えると、図３６に示すように、環状中間部１２０を二層構造体のままにしておいた方が、かえって良好な温度特性が得られる場合もある。したがって、実用上は、ケースバイケースで、図３６に示す構造を採るか、図３７に示す構造を採るかを決めればよい。
【０１４４】
＜＜＜  §１０．加速度検出と角速度検出の干渉を防ぐ工夫  ＞＞＞
本考案に係るセンサは、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。
【０１４５】
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。
【０１４６】
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１９に示す駆動信号Ｓ１，Ｓ２、図２０に示す駆動信号ＳＳ１〜ＳＳ４、図２３に示す駆動信号ＳＳＳ１，ＳＳＳ２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。
【０１４７】
図３８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１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１８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。
【０１４８】
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１８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。
【０１４９】
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１に示すセンサの重錘体２１０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Ｅ１〜Ｅ４に図２０に示すような交流駆動信号ＳＳ１〜ＳＳ４を供給して、重錘体２１０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。
【０１５０】
端子Ｔ１４には、図２２に示す回路の端子Ｔｘの電圧値（重錘体２１０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２２に示す回路の端子Ｔｚの電圧値（重錘体２１０に作用したＺ軸方向の力を示す値）が与えられる。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Ｄ１〜Ｄ４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。
【０１５１】
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２１０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２１０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。
【０１５２】
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。
【０１５３】
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。
【０１５４】
＜＜＜  §１１．本考案に係るセンサの特徴  ＞＞＞
最後に、本考案に係るセンサの個々の特徴を述べておく。本考案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。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６に示すように、常に一定の力＋Ｆｘが作用し続け、環状中間部１２０が常に一定の変形状態を維持していたとしても、この環状中間部１２０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。
【０１５５】
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、この駆動素子として圧電素子が採用されている。圧電素子は、環状中間部１２０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。
【０１５６】
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２１０が図６に示すようにＸ軸正方向に移動した場合、環状中間部１２０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２１０が図６に示す位置で静止し、環状中間部１２０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。
【０１５７】
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、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、検出素子として圧電素子を用いても何ら問題はない。
【０１５８】
本考案において、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、環状中間部１２０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。
【０１５９】
また、本考案に係るセンサは、たとえば図２に示すように、本体基板１００の内側部１１０の下面に重錘体２１０を接合した構造を有している。ここで重要な点は、上方から見たときに、重錘体２１０の平面形状が内側部１１０の平面形状に比べて大きくなっている、という点である。別言すれば、重錘体２１０を本体基板１００の上面に垂直投影したときの投影像の輪郭線が、本体基板１００の内側部１１０よりも外側に位置する構造になっており、いわば、内側部１１０の下面に大きな塊状の重錘体２１０が接合されていることになる。
【０１６０】
このような構造の第１のメリットは、重錘体２１０の質量を十分に確保できる点である。重錘体２１０を大きな塊によって構成し、それだけ大きな質量を確保するようにすれば、微小な加速度の作用や微小なコリオリ力の作用によっても、環状中間部１２０に十分な変形を生じさせることが可能になり、センサの感度を向上させることができる。
【０１６１】
そして、第２のメリットは、実用上最適な共振周波数をもった構造体を設計することが容易になる点である。角速度検出を行うためには、重錘体２１０に単振動や円運動のような周期的な運動を行わせる必要があるが、その駆動周波数は、実用上、１５ｋＨｚ以上に設定するのが好ましい。これは、駆動周波数がそれより低くなると、人間の可聴周波数域に重なってくるため、重錘体２１０の駆動音が騒音として聞こえてくるためである。一方、加速度や角速度のセンサは、様々な装置に内蔵されることになるので、常に小型化の要求に応じざるを得ない。たとえば、現在、産業界の要求に合致したセンサを作るには、平面サイズを３〜５ｍｍ角程度、厚みを０．３〜１ｍｍ程度、ダイアフラムとして機能する環状中間部１２０の厚みを５〜１０μｍ程度に設計する必要がある。このような寸法条件に合致し、かつ、共振周波数が１５ｋＨｚ以上の機械的構造体を設計する上では、内側部１１０の下面に大きな塊状の重錘体２１０を接合した構造は極めて有利である。
【０１６２】
また、角速度センサについては、その検出感度を向上させるために、重錘体の運動方向に関する共振周波数とコリオリ力の発生方向に関する共振周波数とが一致するという条件（一般に、「双共振」と呼ばれている）を満たす構造体を用いることが必要とされている。通常、この２方向の共振周波数の差が１％程度になるような設計がなされている。内側部１１０の下面に大きな塊状の重錘体２１０を接合するという手法は、このような双共振の条件を満たす構造体を設計する上でも有利である。
【０１６３】
特に、基本的実施形態として示したセンサの構造体は、環状溝１４０を本体基板１００の上面に垂直投影したときの投影像の内側輪郭線Ｃ１および外側輪郭線Ｃ２が同心円をなし（図５参照）、重錘体１２０が、「本体基板１００の上面に直交し、同心円Ｃ１，Ｃ２の中心を通る軸」を中心軸とした柱状形状（実施例では角柱状をしているが、円柱状の重錘体を用いてもよい）をなしている。このような構造は、双共振の条件を満たす上で非常に好ましい。
【０１６４】
また、基本的実施形態として示したセンサでは、ピエゾ抵抗素子Ｐ、駆動用圧電素子Ｅ１〜Ｅ４、検出用圧電素子Ｄ１〜Ｄ４が、環状溝形成領域の内側輪郭線Ｃ１もしくは外側輪郭線Ｃ２に接する位置に配置されている。これは検出感度や駆動効率を高めるために極めて有効である。図６〜図９に示すような環状中間部１２０の変形において、応力が最も集中する箇所が、内側輪郭線Ｃ１もしくは外側輪郭線Ｃ２の部分（すなわち、ダイアフラムの付け根部分）である。したがって、この部分に各素子を配置することは、極めて理にかなっている。
【０１６５】
更に、本考案に係るセンサでは、ワッシャ形状をした環状中間部１２０の上に扇状の圧電素子を、内側輪郭線Ｃ１もしくは外側輪郭線Ｃ２に沿って形成するようにしたため、圧電素子の平面的な面積を比較的広く確保できる。これは、圧電素子による検出感度や駆動効率を高めるために効果的である。圧電素子に発生する電荷は、その上下に形成された電極の面積が広ければ広いほど増えるので、圧電素子の平面的な面積が広ければ広いほど、検出感度や駆動効率が向上することになる。
【図面の簡単な説明】
【０１６６】
【図１】本考案の基本的実施形態に係るセンサの上面図である。
【図２】図１に示すセンサをＸＺ平面で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に沿って切断した平断面図である。
【図４】図２に示すセンサを切断線４−４に沿って切断した平断面図である。
【図５】図１に示すセンサから、各圧電素子Ｄ１〜Ｄ４，Ｅ１〜Ｅ４を取り除いた状態を示す上面図である。
【図６】図２に示すセンサの重錘体２１０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７】図２に示すセンサの重錘体２１０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８】図２に示すセンサの重錘体２１０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９】図２に示すセンサの重錘体２１０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１０】図１に示すセンサの重錘体２１０に、Ｘ軸正方向の力＋Ｆｘが作用したときの環状中間部１２０の上面各位置における伸縮状態を示す上面図である。
【図１１】図１に示すセンサの重錘体２１０に、Ｘ軸負方向の力−Ｆｘが作用したときの環状中間部１２０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１に示すセンサの重錘体２１０に、Ｙ軸正方向の力＋Ｆｙが作用したときの環状中間部１２０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１に示すセンサの重錘体２１０に、Ｙ軸負方向の力−Ｆｙが作用したときの環状中間部１２０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１に示すセンサの重錘体２１０に、Ｚ軸正方向の力＋Ｆｚが作用したときの環状中間部１２０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１に示すセンサの重錘体２１０に、Ｚ軸負方向の力−Ｆｚが作用したときの環状中間部１２０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１７】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１８】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１９】図１に示すセンサの重錘体２１０を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２０】図１に示すセンサの重錘体２１０をＸＹ平面に平行な平面内で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２１】重錘体がＸＹ平面内で円運動している状態を示す斜視図である。
【図２２】図１に示すセンサの重錘体２１０に作用するＸ軸方向のコリオリ力ＦｘおよびＺ軸方向のコリオリ力Ｆｚを検出する回路の一例を示す回路図である。
【図２３】図１に示すセンサの重錘体２１０をＸＺ平面内で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に示すセンサの重錘体２１０に作用するＸ軸方向のコリオリ力ＦｘおよびＹ軸方向のコリオリ力Ｆｙを検出する回路の一例を示す回路図である。
【図２５】図１に示すセンサの本体基板１００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２６】図１に示すセンサの本体基板１００上における圧電素子形成部の拡大側断面図である。
【図２７】図２５および図２６に示す構造を有するセンサの各圧電素子層および圧電素子パターニング層をハッチング領域として示す上面図である（ハッチングは断面を示すものではない）。
【図２８】図２７に示す各圧電素子層および圧電素子パターニング層の上面に形成された導電層をハッチング領域として示す上面図である（ハッチングは断面を示すものではない）。
【図２９】図１に示すセンサの本体基板１００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３０】図１に示すセンサの本体基板１００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３１】図２９および図３０に示す構造を有するセンサの圧電素子層をハッチング領域として示す上面図である（ハッチングは断面を示すものではない）。
【図３２】図３１に示す圧電素子層の上面に形成された導電層をハッチング領域として示す上面図である（ハッチングは断面を示すものではない）。
【図３３】２軸まわりの角速度検出を行う変形例に係るセンサの上面図である（ハッチングは断面を示すものではない）。
【図３４】１軸まわりの角速度検出を行う変形例に係るセンサの上面図である（ハッチングは断面を示すものではない）。
【図３５】図１に示すセンサの本体基板１００を、ＳＯＩ基板を利用して構成する製造プロセスの第１段階を示す側断面図である。
【図３６】図１に示すセンサの本体基板１００を、ＳＯＩ基板を利用して構成する製造プロセスの第２段階を示す側断面図である。
【図３７】図１に示すセンサの本体基板１００を、ＳＯＩ基板を利用して構成する製造プロセスの第３段階を示す側断面図である。
【図３８】図１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】
【０１６７】
５０：直流電源
５１〜５３：電位差計
６１〜６４：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：本体基板
１１０：内側部
１２０：環状中間部
１３０：外側部
１４０：環状溝
２００：補助基板
２１０：重錘体
２２０：台座
３００：支持基板
５１１，５１２，５１３：絶縁層
５２１，５２２：配線層
６００：ＳＯＩ基板
６１０：シリコン層
６２０：酸化シリコン層／窒化シリコン層
６３０：シリコン層
６３１：内側部
６３２：外側部
６３５：環状溝
６４１：内側部
６４２：外側部
６４５：環状溝
７１０：加速度検出回路
７２０：角速度検出回路
Ａ１：圧電素子形成領域
Ａ２：配線形成領域
Ａ３：ボンディングパッド形成領域
Ｃ１：環状溝の内側輪郭線
Ｃ２：環状溝の外側輪郭線
ｄ１〜ｄ３：空隙寸法
Ｄ１〜Ｄ４，Ｄ１１〜Ｄ１４，Ｄ２１，Ｄ２２：検出用圧電素子
Ｄ１Ｕ〜Ｄ４Ｕ：検出用圧電素子の上方電極
Ｅ１〜Ｅ４，Ｅ１０，Ｅ２１，Ｅ２２：駆動用圧電素子
Ｆ：圧電素子
Ｆ＊：共通圧電素子層
＋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
Ｈ：円軌道
Ｌ：下方電極の配線用端子
Ｌ＊：共通金属層の配線用端子
ＬＢ：下方電極用ボンディングパッド
ＬＥ：下方電極
ＬＥ＊：下方電極を構成する共通金属層
Ｏ：座標系の原点
Ｐ：ピエゾ抵抗素子
Ｐｘ１〜Ｐｘ４：Ｘ軸方向の加速度検出用のピエゾ抵抗素子
Ｐｙ１〜Ｐｙ４：Ｙ軸方向の加速度検出用のピエゾ抵抗素子
Ｐｚ１〜Ｐｚ４：Ｚ軸方向の加速度検出用のピエゾ抵抗素子
Ｑ１〜Ｑ４：円軌道上の通過点
Ｓ１，Ｓ２：駆動信号
ＳＳ１〜ＳＳ４：駆動信号
ＳＳＳ１，ＳＳＳ２：駆動信号
ｔ：時間軸
ｔ１〜ｔ４：各期間
Ｔ１，Ｔ２，Ｔ１１〜Ｔ１５：配線用端子
Ｔｘ，Ｔｙ，Ｔｚ：出力端子
Ｔαｘ，Ｔαｙ，Ｔαｚ：加速度検出信号の出力端子
Ｔωｘ，Ｔωｙ，Ｔωｚ：角速度検出信号の出力端子
Ｕ：上方電極の配線用端子
ＵＢ：上方電極用ボンディングパッド
ＵＥ：上方電極
ＵＷ：上方電極用配線層
Ｖｘ，Ｖｙ，Ｖｚ：ブリッジ電圧／移動速度
ＷＷ：配線用開口部
Ｘ，Ｙ，Ｚ：三次元直交座標系の各座標軸
Ｘａ，Ｘｂ：Ｘ軸に平行な補助軸
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３２】
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【図３３】
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【図３４】
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【図３５】
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【図３６】
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【図３７】
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【図３８】
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