JP4178192B2 - 物理量検出センサ - Google Patents
物理量検出センサ Download PDFInfo
- Publication number
- JP4178192B2 JP4178192B2 JP12825498A JP12825498A JP4178192B2 JP 4178192 B2 JP4178192 B2 JP 4178192B2 JP 12825498 A JP12825498 A JP 12825498A JP 12825498 A JP12825498 A JP 12825498A JP 4178192 B2 JP4178192 B2 JP 4178192B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- axis
- physical quantity
- detection sensor
- axis direction
- quantity detection
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Expired - Fee Related
Links
Images
Landscapes
- Force Measurement Appropriate To Specific Purposes (AREA)
- Gyroscopes (AREA)
- Micromachines (AREA)
Description
【０００１】
【発明が属する技術分野】
本発明は、互いに直交するＸ軸、Ｙ軸およびＺ軸のそれぞれの軸回りの角速度を検出する物理量検出センサに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
加速度センサ、角速度センサ等、慣性を検出するセンサは、例えば、自動車のエアバック、走行制御装置、バーチャルリアリティ関連の３Ｄ入力装置、各種製造機器の制御装置等に用いられている。
【０００３】
近年、各種機器の小型化が進む中で、それに搭載されるセンサに対しても小型化の要求が強まっている。特に人が手に持つ機器、あるいは身につける機器に用いるセンサについてはその要求が大きい。
【０００４】
また、自動車の走行制御装置では、従来、１軸方向のみの加速度を測定していたが、制御が高度化するに伴い多軸方向の加速度、さらには角速度の測定も求められるようになってきている。
【０００５】
また、３Ｄ入力装置は、当初より多軸方向の加速度あるいは角速度の検出を必要としている。
【０００６】
以上のように、この種のセンサには、小型で多軸方向の加速度、角速度を検出できることが求められている。
【０００７】
従来の加速度センサや角速度センサは、３軸（互いに直交するＸ軸、Ｙ軸およびＺ軸）のうちの１の軸に対する加速度または１つの軸回りの角速度を検出するものが大部分であった。特に、１つのセンサで加速度と角速度とを検出できるものは存在しなかった。
【０００８】
そのため、複数の軸方向の加速度および複数の軸回りの角速度を検出するためには、それに応じた数のセンサとを必要とした。その結果、構造の複雑化、装置の大型化を招き、また、部品点数の増加による信頼性の低下等の問題が生じていた。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、簡易な構成で、３軸方向の加速度および３軸回りの角速度のうちの少なくとも２つを検出することができる物理量検出センサを提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
このような目的は、下記（１）、（２）の本発明により達成される。
【００１１】
（１） 加速度および角速度を検出する物理量検出センサであって、
基板と、
前記基板の一方の面側に設置され、平面視での形状がほぼ四角形をなす質量部と、前記基板の前記一方の面上に設けられた固定部に固定的に設置され、前記質量部を三次元方向に変位可能に支持する複数の支持部材とを備える素子と、
前記素子を覆うように設置されたケースと、
前記基板および前記ケースに前記質量部を介して対向して配置された一対の電極とを有し、
前記一対の電極は、前記基板の面方向のうちの互いに直交する２つの方向にそれぞれ沿ったＸ軸およびＹ軸と、前記Ｘ軸および前記Ｙ軸と直交するＺ軸とを想定したとき、前記質量部が前記Ｘ軸および前記Ｙ軸のうちの一方の軸方向に振動している状態でその質量部に他方の軸回りの角速度が作用したときに前記Ｚ軸方向にコリオリ力が発生し、該コリオリ力によって前記質量部が前記Ｚ軸方向に振動した際、該Ｚ軸方向の振動の振幅に対応する前記他方の軸回りの角速度を検出し、前記質量部に前記Ｚ軸方向に加速度が作用した際、該Ｚ軸方向の加速度を検出するものであり、
前記素子は、前記固定部が前記質量部の各辺に対向した位置にそれぞれ配置されており、２つの前記支持部材が対となり、該各支持部材が前記各固定部と前記質量部の各角部とをそれぞれＬ字状に屈曲して連結した構造をなすものであることを特徴とする物理量検出センサ。
【００１２】
（２） 前記支持部材は、その全部または一部が弾性変形可能な弾性体で構成されている上記（１）に記載の物理量検出センサ。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の物理量検出センサを添付図面に示す実施形態に基づいて詳細に説明する。
【００２１】
図１および図２は、それぞれ、物理量検出センサの第１実施形態（参考例）を示す平面図および側面図である。なお、図１中では、基板２およびケース５の記載は省略されている。また、基板２の表面上の直交する２軸をそれぞれＸ軸およびＹ軸、基板２の厚さ方向をＺ軸（これら３軸は互いに直交する）として説明する。
【００２２】
図１および図２に示すように、物理量検出センサ１Ａは、基板（基体）２と、基板２上に設置された素子３と、素子３を覆うように設置されたケース５とを有している。
【００２３】
素子３は、平面視で四角形をなす質量部（振動子）３１と、その４つの角部に設けられた支持部材（脚部）３２とを備えている。この素子３は、例えばシリコンで構成されている。
【００２４】
各支持部材３２は、Ｌ字状に屈曲した棒状をなし、その末端部は、それぞれ、基板２上に設けられた４つの固定部３３に固定的に設置されている。すなわち、各支持部材３２は、質量部２１と固定部３３とを結ぶ最短距離を迂回するような形状をなしている。そして、各支持部材３２は、弾性変形可能であり、これにより、基板２に対し質量部３１をＸ軸方向、Ｙ軸方向およびＺ軸方向の三次元方向にそれぞれ独立して変位することが可能なように支持している。
【００２５】
この場合、質量部３１および各支持部材３２は、基板２の上面から所定距離離間（浮上）して設置されており、また、ケース５の下面（内面）からも、同様に所定距離離間している。これらの離間距離は、質量部３１がＺ軸方向に最大量変位しても基板２の上面およびケース５の下面に接触しない程度とされる。
【００２６】
このような支持部材３２は、質量部３１の重心（中心）に対し、点対称および線対称に配置されている。これにより、質量部３１を均一にかつ安定的に支持することができる。
【００２７】
質量部３１のＸ軸方向の両側部には、質量部３１をＸ方向に振動させる櫛形の駆動電極４１と、質量部３１のＹ軸方向の変位を静電容量の変化として検出する櫛形のＹ軸方向検出電極（Ｚ軸回りの角速度センサおよびＹ軸方向加速度センサ）４２とが設置されている。
【００２８】
各駆動電極４１には、質量部３１の縁部に形成された櫛形電極３４が非接触で対向している。各Ｙ軸方向検出電極４２には、質量部３１の縁部に形成された櫛形電極３５が非接触で対向している。
【００２９】
これらの駆動電極４１およびＹ軸方向検出電極４２は、基板２に対し固定的に設置されている。
【００３０】
また、質量部３１の上方および下方には、質量部３１のＺ軸方向の変位を静電容量の変化として検出する一対の平面電極よりなるＺ軸方向検出電極（Ｙ軸回りの角速度センサおよびＺ軸方向加速度センサ）４３が設置されている。該Ｚ軸方向検出電極４３の一対の平面電極は、それぞれ、基板２の上面およびケース５の下面に設置、固定されている。
【００３１】
以上のような物理量検出センサ１Ａにおける角速度の検出について説明する。
【００３２】
Ｘ軸方向に対向する駆動電極４１、４１にそれぞれＶｔ＋Ｖｄ sin（ωｔ）、Ｖｔ−Ｖｄ sin（ωｔ）の電圧（Ｖｔ：直流バイアス電圧、Ｖｄ sin（ωｔ）：駆動用交流電圧）を印加すると、それらに対応する櫛形電極３４に静電気力が生じる。質量部３１は、Ｘ軸方向に加振され、振動（共振）する。この場合、コリオリ力の検出感度を高めるために、Ｘ軸方向の振動の周波数は、同方向における質量部３１の共振周波数にほぼ等しい周波数とされる。
【００３３】
この状態で、質量部３１にＺ軸回りの角速度（ΩZ ）が作用すると、振動しているＸ軸と垂直のＹ軸方向にコリオリ力が発生し、質量部３１はＹ軸方向に振動することとなる。
【００３４】
この振動は、Ｙ軸方向検出電極４２により静電容量の変化として検出される。すなわち、質量部３１の櫛形電極３５とＹ軸方向検出電極４２との間隔が変化することにより、静電容量が変化する。
【００３５】
コリオリ力により生じたＹ軸方向の振動は、駆動電極４１によるＸ軸方向の振動に対し、同一の周波数でかつ位相が９０°進んだものとなる。そして、Ｚ軸回りの角速度の大きさは、Ｙ軸方向の振動の振幅に対応する。これにより、Ｚ軸回りの角速度（ΩZ ）を検出することができる。
【００３６】
また、質量部３１がＸ軸方向に振動している状態で、質量部３１にＹ軸回りの角速度（ΩY ）が作用すると、振動しているＸ軸と垂直のＺ軸方向にコリオリ力が発生し、質量部３１はＺ軸方向に振動することとなる。
【００３７】
この振動は、Ｚ軸方向検出電極４３により静電容量の変化として検出される。すなわち、質量部３１と両Ｚ軸方向検出電極４３との間隔がそれぞれ変化することにより、静電容量が変化する。
【００３８】
コリオリ力により生じたＺ軸方向の振動は、駆動電極４１によるＸ軸方向の振動に対し、同一の周波数でかつ位相が９０°進んだものとなる。そして、Ｙ軸回りの角速度の大きさは、Ｚ軸方向の振動の振幅に対応する。これにより、Ｙ軸回りの角速度（ΩY ）を検出することができる。
【００３９】
次に、物理量検出センサ１Ａにおける加速度の検出について説明する。
質量部３１の質量をｍとし、該質量部３１にＹ軸方向の加速度αY が加わると、質量部３１には、慣性力ｆY ＝−ｍαY ｙが働く。ここで、質量部３１のＹ方向の変位Δｙは、加速度αY に比例するので、Ｙ軸方向検出電極４２によりこの変位Δｙを静電容量の変化として検出することにより、加速度αY が求まる。従って、Ｙ軸方向検出電極４２は、前述したＺ軸回りの角速度ΩZ を検出するとともに、Ｙ軸方向の加速度αY を検出する加速度センサとしても機能する。
【００４０】
同様に、質量部３１にＺ軸方向の加速度αZ が加わった場合、質量部３１のＺ方向の変位Δｚは、加速度αZ に比例するので、Ｚ軸方向検出電極４３によりこの変位Δｚを静電容量の変化として検出することにより、加速度αZ が求まる。従って、Ｚ軸方向検出電極４３は、前述したＹ軸回りの角速度ΩY を検出するとともに、Ｚ軸方向の加速度αZ を検出する加速度センサとして機能する。
【００４１】
なお、Ｙ軸方向検出電極４２から出力される信号は、前述したように加速度αY と角速度ΩZ による信号が加算されたものとなり、同様に、Ｚ軸方向検出電極４３から出力される信号は、前述したように加速度αZ と角速度ΩY による信号が加算されたものとなるが、これらは、例えば次のような信号処理を施すことにより、容易に分離（抽出または除去）することができる。
【００４２】
すなわち、Ｘ軸方向の加振周波数（＝角速度ΩZ により生じるコリオリ力によるＹ軸方向の振動の周波数、＝角速度ΩY により生じるコリオリ力によるＺ軸方向の振動の周波数）は、加速度αY 、αZ の周波数に比べ十分に大きな値に設定されるため、例えばローパスフィルタ（ＬＰＦ）の設置により、加速度成分のみを容易に抽出することができる。
【００４３】
また、同様の理由から、例えばハイパスフィルタ（ＨＰＦ）の設置により、加速度成分を除去した後、残った成分をＸ軸方向の加振周波数で同期検波することにより、角速度成分を容易に得ることができる。
【００４４】
以上述べたように、物理量検出センサ１Ａでは、素子３により、Ｙ軸回りの角速度および加速度と、Ｚ軸回りの角速度および加速度の合計４種の物理量を検出することができる。
【００４５】
この場合、物理量検出センサ１Ａでは、いずれの軸方向に関しても、コリオリ力同士や、加振した振動とコリオリ力とが重畳することはなく、よって、各物理量を高精度で検出することができる。
【００４６】
また、このような１つの素子３で複数の物理量を検出することができるので、センサの構造が簡易であり、部品点数が少なく、小型化に寄与する。
【００４７】
なお、物理量検出センサは、３軸方向の加速度および３軸回りの角速度のうちの少なくとも２つ物理量を検出することができるものであるのが好ましく、その組み合わせは、前述した第１実施形態のものに限定されない。この場合、素子の周囲に設置される各軸方向の検出電極は、検出する物理量の種類に応じて、適宜配置される。例えば、物理量検出センサ１Ａにおいて、さらにＸ方向の加速度を検出し得るようにする場合には、質量部３１の図１中上下方向の両側部に、質量部３１のＸ軸方向の変位を静電容量の変化として検出するＹ軸方向検出電極４２と同様の櫛形のＸ軸方向検出電極を設置すればよい。
【００４８】
また、質量部３１を加振する方法は、前記第１実施形態で挙げた静電引力に基づくものの他、例えば、圧電効果、電磁力等を用いたものでもよい。
【００４９】
また、質量部３１の各方向の変位の検出は、前記第１実施形態で挙げた静電容量の変化に基づくものの他、例えば、ピエゾ抵抗効果、圧電効果等を用いたものでもよい。
【００５０】
図３は、物理量検出センサの第２実施形態（参考例）の構造および動作を示す図、図４は、本発明の物理量検出センサの実施形態（第３実施形態）の構造および動作を示す図、図５は、物理量検出センサの第４実施形態（参考例）の構造および動作を示す図、図６は、物理量検出センサの第５実施形態（参考例）の構造および動作を示す図、図７は、物理量検出センサの第６実施形態（参考例）の構造および動作を示す図、図８は、物理量検出センサの第７実施形態（参考例）の構造および動作を示す図、図９は、物理量検出センサの第８実施形態（参考例）の構造および動作を示す図、図１０は、物理量検出センサの第９実施形態（参考例）の構造および動作を示す図、図１１は、物理量検出センサの第１０実施形態（参考例）の構造および動作を示す図、図１２は、物理量検出センサの第１１実施形態（参考例）の構造および動作を示す図、図１３は、物理量検出センサの第１２実施形態（参考例）の構造および動作を示す図、図１４は、物理量検出センサの第１３実施形態（参考例）の構造および動作を示す図である。これらの各図中で、上段は質量部のＸ軸方向の変位の状態、中段は質量部のＹ軸方向の変位の状態、下段は質量部のＺ軸方向変位の状態をそれぞれ点線で表わしている。なお、これらの各図中では、前記基板、ケース、質量部に形成される櫛形電極、駆動電極および各検出電極の記載は省略されている。
【００５１】
以下、これらの図に基づき、物理量検出センサの第２〜１３実施形態について、前記第１実施形態との相違点を中心に説明する。なお、これらの各実施形態では、いずれも、支持部材は、前記第１実施形態と同様に、質量部と固定部とを結ぶ最短距離を迂回するような形状をなしている。これにより、質量部の３軸方向の変位を容易に可能とし、かつその応答性が良好となる。
【００５２】
図３に示す物理量検出センサ１Ｂは、素子３ｂの質量部３１ｂの４つの角部にある支持部材３２ｂが、それぞれ、一対のＬ字状をなす棒状部材を組み合わせて四角形としたものである。すなわち、固定部３３ｂと質量部３１ｂの角部とを２つのＬ字状の梁（棒状部材）で支持した構成となっている。
【００５３】
この構成によれば、支持部材３２ｂの剛性（バネ性）が高まり、質量部３１ｂのＺ軸回りの回転（ねじれ）を有効に防止することができる。
【００５４】
図４に示す本発明の物理量検出センサ１Ｃは、４つの固定部３３ｃが、それぞれ、素子３ｃの質量部３１ｃの各辺に対向した位置にあり、該固定部３３ｃと質量部３１ｃの４つの角部とをそれぞれ一対のＬ字状をなす棒状の支持部材３２ｃで連結した構造となっている。
【００５５】
この構成によれば、質量部３１ｃのＺ軸回りの回転（ねじれ）を有効に防止することができるとともに、質量部３１ｃの４つの角部付近のスペースを例えば処理回路の搭載部等に有効利用することができる。
【００５６】
図５に示す物理量検出センサ１Ｄは、４つの固定部３３ｄが、それぞれ、素子３ｄの質量部３１ｄの各辺に対向した位置にあり、該固定部３３ｄと質量部３１ｄの４つの辺の中央部とを支持部材３２ｄで連結した構造となっている。この場合、支持部材３２ｄは、四角形とその一辺（または対向する一対の辺のそれぞれ）から延長された延長部３２１ｄとを一体化した形状である。
【００５７】
この構成によれば、支持部材３２ｄの実質的長さが長くなり、狭い面積で質量部３１ｄの３軸方向の変位量を多くとること（拡大すること）ができる。また、前記物理量検出センサ１Ｃと同様に、質量部３１ｄの４つの角部付近のスペースを例えば処理回路の搭載部等に有効利用することができるという利点もある。
【００５８】
図６に示す物理量検出センサ１Ｅは、４つの固定部３３ｅが、それぞれ、素子３ｅの質量部３１ｅの各辺に対向した位置にあり、該固定部３３ｅと質量部３１ｅの４つの辺とを網目状（ハニカム状）の支持部材３２ｅで連結した構造となっている。
【００５９】
この構成によれば、質量部３１ｅの変位に際し、支持部材３２ｅの変形は、その網目毎の小さな変形を加算することとなるので、応力集中がなく、支持部材３２ｅの強度、耐久性の向上が図れる。従って、例えば瞬間的に大きな力が作用した場合でも、支持部材３２ｅの破損を防止することができる。
【００６０】
なお、支持部材３２ｅの網目の形状は、図示のような格子状のものに限定されず、変形可能なものであれば、いかなるものでもよい。
【００６１】
図７に示す物理量検出センサ１Ｆは、素子３ｆの質量部３１ｆが円形をなし、その外周部にリング状の固定部３３ｆを有し、質量部３１ｆの外周と固定部３３ｆとを網目状（ハニカム状）の支持部材３２ｆで連結した構造となっている。
【００６２】
この構成によれば、網目構造としたことによる前記物理量検出センサ１Ｅと同様の効果を有するとともに、質量部３１ｆが円形であり、またその全周を支持しているため、支持のバランスがより優れている。
【００６３】
なお、質量部３１ｆと固定部３３ｆとを逆に設置すること、すなわち、リング状の質量部の中心部に固定部を設け、これらを同様の支持部材で支持する構成とすることもできる。
【００６４】
また、支持部材３２ｆの網目の形状は、図示のような格子状のものに限定されず、変形可能なものであれば、いかなるものでもよい。
【００６５】
図８に示す物理量検出センサ１Ｇは、素子３ｇの質量部３１ｇが円形をなし、その外周部に４つの固定部３３ｇを有し、質量部３１ｇの外周と各固定部３３ｇとを網目状（ハニカム状）の支持部材３２ｇで連結した構造となっている。
【００６６】
この構成によれば、前記物理量検出センサ１Ｆと同様の効果を有するとともに、質量部３１ｇの変位に伴う支持部材３２ｇの変形の際に、支持部材３２ｇがＸ軸方向およびＹ軸方向に逃げること（移動すること）ができるので、質量部３１ｇの変位量を拡大することができ、検出精度が高まる。
【００６７】
なお、支持部材３２ｇの網目の形状は、図示のような格子状のものに限定されず、変形可能なものであれば、いかなるものでもよい。
【００６８】
図９に示す物理量検出センサ１Ｈは、素子３ｈの質量部３１ｈが円形をなし、その外周部に４つの固定部３３ｈを有し、質量部３１ｈの外周４箇所と各固定部３３ｈとをリング状（円環状または楕円環状）の支持部材３２ｈで連結した構造となっている。
【００６９】
この構成によれば、支持部材３２ｈに角部がないので、該角部への応力集中が防止または緩和され、よって、支持部材３２ｈの強度および耐久性を高めることができる。また、支持部材３２ｈのバネ性も向上することができる。
【００７０】
図１０に示す物理量検出センサ１Ｉは、素子３ｉの質量部３１ｉがリング状（円環状または楕円環状）をなし、その中心部に固定部３３ｉを有し、質量部３１ｉの内周４箇所と固定部３３ｉとをリング状（円環状または楕円環状）の支持部材３２ｉで連結した構造となっている。
【００７１】
この構成によれば、前記物理量検出センサ１Ｈと同様の効果を有するとともに、質量部３１ｉの周辺に固定部３３ｉが存在しないので、駆動電極、検出電極等の設置の自由度が高いという利点がある。
【００７２】
図１１に示す物理量検出センサ１Ｊは、素子３ｊの質量部３１ｊが円形をなし、その外周部に４つの固定部３３ｊを有し、質量部３１ｊの外周４箇所と各固定部３３ｊとを前記支持部材３２ｄと同様の形状の支持部材３２ｊで連結した構造となっている。
【００７３】
この構成によれば、質量部３１ｊを円形としたことによる前記物理量検出センサ１Ｆと同様の効果を有するとともに、前記物理量検出センサ１Ｄと同様に、狭い面積で質量部３１ｊの３軸方向の変位量を拡大することができる。
【００７４】
図１２に示す物理量検出センサ１Ｋは、素子３ｋの質量部３１ｋが円形をなし、その外周部に４つの固定部３３ｋを有し、質量部３１ｋの外周４箇所と各固定部３３ｋとをＴ字状（Ｌ字状部分を含む）の支持部材３２ｋで連結した構造となっている。この場合、１つの支持部材３２ｋは、隣接する２つの固定部３３ｋのそれぞれに連結されている。
【００７５】
この構成によれば、質量部３１ｋを円形としたことによる前記物理量検出センサ１Ｆと同様の効果を有するとともに、支持部材３２ｋの実質的長さが長くなり、狭い面積で質量部３１ｋの３軸方向の変位量を拡大することができる。また、支持部材３２ｋのバネ性も優れている。
【００７６】
図１３に示す物理量検出センサ１Ｍは、素子３ｍの質量部３１ｍが四角形（円形等でもよい）をなし、その外周部に４つの固定部３３ｍを有し、各固定部３３ｍと質量部３１ｍの対向する一対の辺のそれぞれとをループ状（２つのＬ字状部分を連結した形状）の支持部材３２ｍで連結した構造となっている。
【００７７】
この構成によれば、支持部材３２ｍの実質的長さが長くなり、狭い面積で質量部３１ｍの３軸方向の変位量を拡大することができる。
【００７８】
図１４に示す物理量検出センサ１Ｎは、素子３ｎの質量部３１ｎが四角形の枠状（円環状、楕円環状等でもよい）をなし、その中心部に固定部３３ｎを有し、質量部３１ｎの内周４箇所と固定部３３ｎとを支持部材３２ｎで連結した構造となっている。
【００７９】
支持部材３２ｎは、Ｙ軸方向に延びる第１支持部材３２１ｎと、Ｘ軸方向に延びる第２支持部材３２２ｎと、これらを接続する中継部材３２３ｎとで構成されている。そして、質量部３１ｎがＸ軸方向に変位した際には、主に、第１支持部材３２１ｎが変形し、質量部３１ｎがＹ軸方向に変位した際には、主に第２支持部材３２２ｎが変形する。また、質量部３１ｎがＺ軸方向に変位した際には、第１支持部材３２１ｎ、第２支持部材３２２ｎ共に変形する。
【００８０】
この構成によれば、質量部３１ｎの周辺に固定部３３ｎが存在しないので、駆動電極、検出電極等の設置の自由度が高いという利点があるとともに、質量部３１ｎのＸ軸方向の変位とＹ軸方向の変位とをそれぞれ別の部位（第１支持部材３２１ｎと第２支持部材３２２ｎ）で担うので、それらの干渉をより有効に防止することができ、検出精度の向上に寄与する。
【００８１】
なお、物理量検出センサ１Ｎの変形例として、支持部材は、質量部の３軸方向の変位（Ｘ軸方向、Ｙ軸方向およびＺ軸方向の変位）をそれぞれ別の部位で担うような構成とすることもできる。
【００８２】
以上、本発明の物理量検出センサを図４に示す実施形態に基づいて説明したが、本発明は、これらに限定されるものではない。
【００８３】
特に、質量部、固定部および支持部材の形状、構造、個数、配置パターン等の条件は、図示以外の任意の構成のものが可能である。
【００８４】
以上のような本発明の物理量検出センサは、バルクドサーフェイス等のマイクロマシニング技術を用いても、実現できる。
【００８５】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によれば、簡易な構造、少ない部品点数で、加速度および角速度を検出、特に、３軸方向の加速度および３軸回りの角速度のうちの少なくとも２つを検出し得る物理量検出センサを提供することができる。
【００８６】
そのため、小型化が可能であり、特に、設置空間を広くとらず、周辺に配置される電極の電極面積等を大きくすることができるので、感度の高い検出が可能となり、検出精度の向上が図れる。
【００８７】
また、マイクロマシニング技術等を用いて、大量生産が可能であり、低コスト化が図れる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 物理量検出センサの第１実施形態（参考例）を示す平面図である。
【図２】 物理量検出センサの第１実施形態（参考例）を示す側面図である。
【図３】 物理量検出センサの第２実施形態（参考例）の構造および動作を示す図である。
【図４】 本発明の物理量検出センサの実施形態（第３実施形態）の構造および動作を示す図である。
【図５】 物理量検出センサの第４実施形態（参考例）の構造および動作を示す図である。
【図６】 物理量検出センサの第５実施形態（参考例）の構造および動作を示す図である。
【図７】 物理量検出センサの第６実施形態（参考例）の構造および動作を示す図である。
【図８】 物理量検出センサの第７実施形態（参考例）の構造および動作を示す図である。
【図９】 物理量検出センサの第８実施形態（参考例）の構造および動作を示す図である。
【図１０】 物理量検出センサの第９実施形態（参考例）の構造および動作を示す図である。
【図１１】 物理量検出センサの第１０実施形態（参考例）の構造および動作を示す図である。
【図１２】 物理量検出センサの第１１実施形態（参考例）の構造および動作を示す図である。
【図１３】 物理量検出センサの第１２実施形態（参考例）の構造および動作を示す図である。
【図１４】 物理量検出センサの第１３実施形態（参考例）の構造および動作を示す図である。
【符号の説明】
１Ａ〜１Ｋ、１Ｍ、１Ｎ 物理量検出センサ
２ 基板
３ 素子
３１ 質量部
３１ｂ〜３１ｋ、３１ｍ、３１ｎ 質量部
３２ 支持部材
３２ｂ〜３２ｋ、３２ｍ、３２ｎ 支持部材
３２１ｄ 延長部
３２１ｎ 第１支持部材
３２２ｎ 第２支持部材
３２３ｎ 中継部材
３３ 固定部
３３ｂ〜３３ｋ、３３ｍ、３３ｎ 固定部
３４ 櫛形電極
３５ 櫛形電極
４１ 駆動電極
４２ Ｙ軸方向検出電極
４３ Ｚ軸方向検出電極
５ ケース
【発明が属する技術分野】
本発明は、互いに直交するＸ軸、Ｙ軸およびＺ軸のそれぞれの軸回りの角速度を検出する物理量検出センサに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
加速度センサ、角速度センサ等、慣性を検出するセンサは、例えば、自動車のエアバック、走行制御装置、バーチャルリアリティ関連の３Ｄ入力装置、各種製造機器の制御装置等に用いられている。
【０００３】
近年、各種機器の小型化が進む中で、それに搭載されるセンサに対しても小型化の要求が強まっている。特に人が手に持つ機器、あるいは身につける機器に用いるセンサについてはその要求が大きい。
【０００４】
また、自動車の走行制御装置では、従来、１軸方向のみの加速度を測定していたが、制御が高度化するに伴い多軸方向の加速度、さらには角速度の測定も求められるようになってきている。
【０００５】
また、３Ｄ入力装置は、当初より多軸方向の加速度あるいは角速度の検出を必要としている。
【０００６】
以上のように、この種のセンサには、小型で多軸方向の加速度、角速度を検出できることが求められている。
【０００７】
従来の加速度センサや角速度センサは、３軸（互いに直交するＸ軸、Ｙ軸およびＺ軸）のうちの１の軸に対する加速度または１つの軸回りの角速度を検出するものが大部分であった。特に、１つのセンサで加速度と角速度とを検出できるものは存在しなかった。
【０００８】
そのため、複数の軸方向の加速度および複数の軸回りの角速度を検出するためには、それに応じた数のセンサとを必要とした。その結果、構造の複雑化、装置の大型化を招き、また、部品点数の増加による信頼性の低下等の問題が生じていた。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、簡易な構成で、３軸方向の加速度および３軸回りの角速度のうちの少なくとも２つを検出することができる物理量検出センサを提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
このような目的は、下記（１）、（２）の本発明により達成される。
【００１１】
（１） 加速度および角速度を検出する物理量検出センサであって、
基板と、
前記基板の一方の面側に設置され、平面視での形状がほぼ四角形をなす質量部と、前記基板の前記一方の面上に設けられた固定部に固定的に設置され、前記質量部を三次元方向に変位可能に支持する複数の支持部材とを備える素子と、
前記素子を覆うように設置されたケースと、
前記基板および前記ケースに前記質量部を介して対向して配置された一対の電極とを有し、
前記一対の電極は、前記基板の面方向のうちの互いに直交する２つの方向にそれぞれ沿ったＸ軸およびＹ軸と、前記Ｘ軸および前記Ｙ軸と直交するＺ軸とを想定したとき、前記質量部が前記Ｘ軸および前記Ｙ軸のうちの一方の軸方向に振動している状態でその質量部に他方の軸回りの角速度が作用したときに前記Ｚ軸方向にコリオリ力が発生し、該コリオリ力によって前記質量部が前記Ｚ軸方向に振動した際、該Ｚ軸方向の振動の振幅に対応する前記他方の軸回りの角速度を検出し、前記質量部に前記Ｚ軸方向に加速度が作用した際、該Ｚ軸方向の加速度を検出するものであり、
前記素子は、前記固定部が前記質量部の各辺に対向した位置にそれぞれ配置されており、２つの前記支持部材が対となり、該各支持部材が前記各固定部と前記質量部の各角部とをそれぞれＬ字状に屈曲して連結した構造をなすものであることを特徴とする物理量検出センサ。
【００１２】
（２） 前記支持部材は、その全部または一部が弾性変形可能な弾性体で構成されている上記（１）に記載の物理量検出センサ。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の物理量検出センサを添付図面に示す実施形態に基づいて詳細に説明する。
【００２１】
図１および図２は、それぞれ、物理量検出センサの第１実施形態（参考例）を示す平面図および側面図である。なお、図１中では、基板２およびケース５の記載は省略されている。また、基板２の表面上の直交する２軸をそれぞれＸ軸およびＹ軸、基板２の厚さ方向をＺ軸（これら３軸は互いに直交する）として説明する。
【００２２】
図１および図２に示すように、物理量検出センサ１Ａは、基板（基体）２と、基板２上に設置された素子３と、素子３を覆うように設置されたケース５とを有している。
【００２３】
素子３は、平面視で四角形をなす質量部（振動子）３１と、その４つの角部に設けられた支持部材（脚部）３２とを備えている。この素子３は、例えばシリコンで構成されている。
【００２４】
各支持部材３２は、Ｌ字状に屈曲した棒状をなし、その末端部は、それぞれ、基板２上に設けられた４つの固定部３３に固定的に設置されている。すなわち、各支持部材３２は、質量部２１と固定部３３とを結ぶ最短距離を迂回するような形状をなしている。そして、各支持部材３２は、弾性変形可能であり、これにより、基板２に対し質量部３１をＸ軸方向、Ｙ軸方向およびＺ軸方向の三次元方向にそれぞれ独立して変位することが可能なように支持している。
【００２５】
この場合、質量部３１および各支持部材３２は、基板２の上面から所定距離離間（浮上）して設置されており、また、ケース５の下面（内面）からも、同様に所定距離離間している。これらの離間距離は、質量部３１がＺ軸方向に最大量変位しても基板２の上面およびケース５の下面に接触しない程度とされる。
【００２６】
このような支持部材３２は、質量部３１の重心（中心）に対し、点対称および線対称に配置されている。これにより、質量部３１を均一にかつ安定的に支持することができる。
【００２７】
質量部３１のＸ軸方向の両側部には、質量部３１をＸ方向に振動させる櫛形の駆動電極４１と、質量部３１のＹ軸方向の変位を静電容量の変化として検出する櫛形のＹ軸方向検出電極（Ｚ軸回りの角速度センサおよびＹ軸方向加速度センサ）４２とが設置されている。
【００２８】
各駆動電極４１には、質量部３１の縁部に形成された櫛形電極３４が非接触で対向している。各Ｙ軸方向検出電極４２には、質量部３１の縁部に形成された櫛形電極３５が非接触で対向している。
【００２９】
これらの駆動電極４１およびＹ軸方向検出電極４２は、基板２に対し固定的に設置されている。
【００３０】
また、質量部３１の上方および下方には、質量部３１のＺ軸方向の変位を静電容量の変化として検出する一対の平面電極よりなるＺ軸方向検出電極（Ｙ軸回りの角速度センサおよびＺ軸方向加速度センサ）４３が設置されている。該Ｚ軸方向検出電極４３の一対の平面電極は、それぞれ、基板２の上面およびケース５の下面に設置、固定されている。
【００３１】
以上のような物理量検出センサ１Ａにおける角速度の検出について説明する。
【００３２】
Ｘ軸方向に対向する駆動電極４１、４１にそれぞれＶｔ＋Ｖｄ sin（ωｔ）、Ｖｔ−Ｖｄ sin（ωｔ）の電圧（Ｖｔ：直流バイアス電圧、Ｖｄ sin（ωｔ）：駆動用交流電圧）を印加すると、それらに対応する櫛形電極３４に静電気力が生じる。質量部３１は、Ｘ軸方向に加振され、振動（共振）する。この場合、コリオリ力の検出感度を高めるために、Ｘ軸方向の振動の周波数は、同方向における質量部３１の共振周波数にほぼ等しい周波数とされる。
【００３３】
この状態で、質量部３１にＺ軸回りの角速度（ΩZ ）が作用すると、振動しているＸ軸と垂直のＹ軸方向にコリオリ力が発生し、質量部３１はＹ軸方向に振動することとなる。
【００３４】
この振動は、Ｙ軸方向検出電極４２により静電容量の変化として検出される。すなわち、質量部３１の櫛形電極３５とＹ軸方向検出電極４２との間隔が変化することにより、静電容量が変化する。
【００３５】
コリオリ力により生じたＹ軸方向の振動は、駆動電極４１によるＸ軸方向の振動に対し、同一の周波数でかつ位相が９０°進んだものとなる。そして、Ｚ軸回りの角速度の大きさは、Ｙ軸方向の振動の振幅に対応する。これにより、Ｚ軸回りの角速度（ΩZ ）を検出することができる。
【００３６】
また、質量部３１がＸ軸方向に振動している状態で、質量部３１にＹ軸回りの角速度（ΩY ）が作用すると、振動しているＸ軸と垂直のＺ軸方向にコリオリ力が発生し、質量部３１はＺ軸方向に振動することとなる。
【００３７】
この振動は、Ｚ軸方向検出電極４３により静電容量の変化として検出される。すなわち、質量部３１と両Ｚ軸方向検出電極４３との間隔がそれぞれ変化することにより、静電容量が変化する。
【００３８】
コリオリ力により生じたＺ軸方向の振動は、駆動電極４１によるＸ軸方向の振動に対し、同一の周波数でかつ位相が９０°進んだものとなる。そして、Ｙ軸回りの角速度の大きさは、Ｚ軸方向の振動の振幅に対応する。これにより、Ｙ軸回りの角速度（ΩY ）を検出することができる。
【００３９】
次に、物理量検出センサ１Ａにおける加速度の検出について説明する。
質量部３１の質量をｍとし、該質量部３１にＹ軸方向の加速度αY が加わると、質量部３１には、慣性力ｆY ＝−ｍαY ｙが働く。ここで、質量部３１のＹ方向の変位Δｙは、加速度αY に比例するので、Ｙ軸方向検出電極４２によりこの変位Δｙを静電容量の変化として検出することにより、加速度αY が求まる。従って、Ｙ軸方向検出電極４２は、前述したＺ軸回りの角速度ΩZ を検出するとともに、Ｙ軸方向の加速度αY を検出する加速度センサとしても機能する。
【００４０】
同様に、質量部３１にＺ軸方向の加速度αZ が加わった場合、質量部３１のＺ方向の変位Δｚは、加速度αZ に比例するので、Ｚ軸方向検出電極４３によりこの変位Δｚを静電容量の変化として検出することにより、加速度αZ が求まる。従って、Ｚ軸方向検出電極４３は、前述したＹ軸回りの角速度ΩY を検出するとともに、Ｚ軸方向の加速度αZ を検出する加速度センサとして機能する。
【００４１】
なお、Ｙ軸方向検出電極４２から出力される信号は、前述したように加速度αY と角速度ΩZ による信号が加算されたものとなり、同様に、Ｚ軸方向検出電極４３から出力される信号は、前述したように加速度αZ と角速度ΩY による信号が加算されたものとなるが、これらは、例えば次のような信号処理を施すことにより、容易に分離（抽出または除去）することができる。
【００４２】
すなわち、Ｘ軸方向の加振周波数（＝角速度ΩZ により生じるコリオリ力によるＹ軸方向の振動の周波数、＝角速度ΩY により生じるコリオリ力によるＺ軸方向の振動の周波数）は、加速度αY 、αZ の周波数に比べ十分に大きな値に設定されるため、例えばローパスフィルタ（ＬＰＦ）の設置により、加速度成分のみを容易に抽出することができる。
【００４３】
また、同様の理由から、例えばハイパスフィルタ（ＨＰＦ）の設置により、加速度成分を除去した後、残った成分をＸ軸方向の加振周波数で同期検波することにより、角速度成分を容易に得ることができる。
【００４４】
以上述べたように、物理量検出センサ１Ａでは、素子３により、Ｙ軸回りの角速度および加速度と、Ｚ軸回りの角速度および加速度の合計４種の物理量を検出することができる。
【００４５】
この場合、物理量検出センサ１Ａでは、いずれの軸方向に関しても、コリオリ力同士や、加振した振動とコリオリ力とが重畳することはなく、よって、各物理量を高精度で検出することができる。
【００４６】
また、このような１つの素子３で複数の物理量を検出することができるので、センサの構造が簡易であり、部品点数が少なく、小型化に寄与する。
【００４７】
なお、物理量検出センサは、３軸方向の加速度および３軸回りの角速度のうちの少なくとも２つ物理量を検出することができるものであるのが好ましく、その組み合わせは、前述した第１実施形態のものに限定されない。この場合、素子の周囲に設置される各軸方向の検出電極は、検出する物理量の種類に応じて、適宜配置される。例えば、物理量検出センサ１Ａにおいて、さらにＸ方向の加速度を検出し得るようにする場合には、質量部３１の図１中上下方向の両側部に、質量部３１のＸ軸方向の変位を静電容量の変化として検出するＹ軸方向検出電極４２と同様の櫛形のＸ軸方向検出電極を設置すればよい。
【００４８】
また、質量部３１を加振する方法は、前記第１実施形態で挙げた静電引力に基づくものの他、例えば、圧電効果、電磁力等を用いたものでもよい。
【００４９】
また、質量部３１の各方向の変位の検出は、前記第１実施形態で挙げた静電容量の変化に基づくものの他、例えば、ピエゾ抵抗効果、圧電効果等を用いたものでもよい。
【００５０】
図３は、物理量検出センサの第２実施形態（参考例）の構造および動作を示す図、図４は、本発明の物理量検出センサの実施形態（第３実施形態）の構造および動作を示す図、図５は、物理量検出センサの第４実施形態（参考例）の構造および動作を示す図、図６は、物理量検出センサの第５実施形態（参考例）の構造および動作を示す図、図７は、物理量検出センサの第６実施形態（参考例）の構造および動作を示す図、図８は、物理量検出センサの第７実施形態（参考例）の構造および動作を示す図、図９は、物理量検出センサの第８実施形態（参考例）の構造および動作を示す図、図１０は、物理量検出センサの第９実施形態（参考例）の構造および動作を示す図、図１１は、物理量検出センサの第１０実施形態（参考例）の構造および動作を示す図、図１２は、物理量検出センサの第１１実施形態（参考例）の構造および動作を示す図、図１３は、物理量検出センサの第１２実施形態（参考例）の構造および動作を示す図、図１４は、物理量検出センサの第１３実施形態（参考例）の構造および動作を示す図である。これらの各図中で、上段は質量部のＸ軸方向の変位の状態、中段は質量部のＹ軸方向の変位の状態、下段は質量部のＺ軸方向変位の状態をそれぞれ点線で表わしている。なお、これらの各図中では、前記基板、ケース、質量部に形成される櫛形電極、駆動電極および各検出電極の記載は省略されている。
【００５１】
以下、これらの図に基づき、物理量検出センサの第２〜１３実施形態について、前記第１実施形態との相違点を中心に説明する。なお、これらの各実施形態では、いずれも、支持部材は、前記第１実施形態と同様に、質量部と固定部とを結ぶ最短距離を迂回するような形状をなしている。これにより、質量部の３軸方向の変位を容易に可能とし、かつその応答性が良好となる。
【００５２】
図３に示す物理量検出センサ１Ｂは、素子３ｂの質量部３１ｂの４つの角部にある支持部材３２ｂが、それぞれ、一対のＬ字状をなす棒状部材を組み合わせて四角形としたものである。すなわち、固定部３３ｂと質量部３１ｂの角部とを２つのＬ字状の梁（棒状部材）で支持した構成となっている。
【００５３】
この構成によれば、支持部材３２ｂの剛性（バネ性）が高まり、質量部３１ｂのＺ軸回りの回転（ねじれ）を有効に防止することができる。
【００５４】
図４に示す本発明の物理量検出センサ１Ｃは、４つの固定部３３ｃが、それぞれ、素子３ｃの質量部３１ｃの各辺に対向した位置にあり、該固定部３３ｃと質量部３１ｃの４つの角部とをそれぞれ一対のＬ字状をなす棒状の支持部材３２ｃで連結した構造となっている。
【００５５】
この構成によれば、質量部３１ｃのＺ軸回りの回転（ねじれ）を有効に防止することができるとともに、質量部３１ｃの４つの角部付近のスペースを例えば処理回路の搭載部等に有効利用することができる。
【００５６】
図５に示す物理量検出センサ１Ｄは、４つの固定部３３ｄが、それぞれ、素子３ｄの質量部３１ｄの各辺に対向した位置にあり、該固定部３３ｄと質量部３１ｄの４つの辺の中央部とを支持部材３２ｄで連結した構造となっている。この場合、支持部材３２ｄは、四角形とその一辺（または対向する一対の辺のそれぞれ）から延長された延長部３２１ｄとを一体化した形状である。
【００５７】
この構成によれば、支持部材３２ｄの実質的長さが長くなり、狭い面積で質量部３１ｄの３軸方向の変位量を多くとること（拡大すること）ができる。また、前記物理量検出センサ１Ｃと同様に、質量部３１ｄの４つの角部付近のスペースを例えば処理回路の搭載部等に有効利用することができるという利点もある。
【００５８】
図６に示す物理量検出センサ１Ｅは、４つの固定部３３ｅが、それぞれ、素子３ｅの質量部３１ｅの各辺に対向した位置にあり、該固定部３３ｅと質量部３１ｅの４つの辺とを網目状（ハニカム状）の支持部材３２ｅで連結した構造となっている。
【００５９】
この構成によれば、質量部３１ｅの変位に際し、支持部材３２ｅの変形は、その網目毎の小さな変形を加算することとなるので、応力集中がなく、支持部材３２ｅの強度、耐久性の向上が図れる。従って、例えば瞬間的に大きな力が作用した場合でも、支持部材３２ｅの破損を防止することができる。
【００６０】
なお、支持部材３２ｅの網目の形状は、図示のような格子状のものに限定されず、変形可能なものであれば、いかなるものでもよい。
【００６１】
図７に示す物理量検出センサ１Ｆは、素子３ｆの質量部３１ｆが円形をなし、その外周部にリング状の固定部３３ｆを有し、質量部３１ｆの外周と固定部３３ｆとを網目状（ハニカム状）の支持部材３２ｆで連結した構造となっている。
【００６２】
この構成によれば、網目構造としたことによる前記物理量検出センサ１Ｅと同様の効果を有するとともに、質量部３１ｆが円形であり、またその全周を支持しているため、支持のバランスがより優れている。
【００６３】
なお、質量部３１ｆと固定部３３ｆとを逆に設置すること、すなわち、リング状の質量部の中心部に固定部を設け、これらを同様の支持部材で支持する構成とすることもできる。
【００６４】
また、支持部材３２ｆの網目の形状は、図示のような格子状のものに限定されず、変形可能なものであれば、いかなるものでもよい。
【００６５】
図８に示す物理量検出センサ１Ｇは、素子３ｇの質量部３１ｇが円形をなし、その外周部に４つの固定部３３ｇを有し、質量部３１ｇの外周と各固定部３３ｇとを網目状（ハニカム状）の支持部材３２ｇで連結した構造となっている。
【００６６】
この構成によれば、前記物理量検出センサ１Ｆと同様の効果を有するとともに、質量部３１ｇの変位に伴う支持部材３２ｇの変形の際に、支持部材３２ｇがＸ軸方向およびＹ軸方向に逃げること（移動すること）ができるので、質量部３１ｇの変位量を拡大することができ、検出精度が高まる。
【００６７】
なお、支持部材３２ｇの網目の形状は、図示のような格子状のものに限定されず、変形可能なものであれば、いかなるものでもよい。
【００６８】
図９に示す物理量検出センサ１Ｈは、素子３ｈの質量部３１ｈが円形をなし、その外周部に４つの固定部３３ｈを有し、質量部３１ｈの外周４箇所と各固定部３３ｈとをリング状（円環状または楕円環状）の支持部材３２ｈで連結した構造となっている。
【００６９】
この構成によれば、支持部材３２ｈに角部がないので、該角部への応力集中が防止または緩和され、よって、支持部材３２ｈの強度および耐久性を高めることができる。また、支持部材３２ｈのバネ性も向上することができる。
【００７０】
図１０に示す物理量検出センサ１Ｉは、素子３ｉの質量部３１ｉがリング状（円環状または楕円環状）をなし、その中心部に固定部３３ｉを有し、質量部３１ｉの内周４箇所と固定部３３ｉとをリング状（円環状または楕円環状）の支持部材３２ｉで連結した構造となっている。
【００７１】
この構成によれば、前記物理量検出センサ１Ｈと同様の効果を有するとともに、質量部３１ｉの周辺に固定部３３ｉが存在しないので、駆動電極、検出電極等の設置の自由度が高いという利点がある。
【００７２】
図１１に示す物理量検出センサ１Ｊは、素子３ｊの質量部３１ｊが円形をなし、その外周部に４つの固定部３３ｊを有し、質量部３１ｊの外周４箇所と各固定部３３ｊとを前記支持部材３２ｄと同様の形状の支持部材３２ｊで連結した構造となっている。
【００７３】
この構成によれば、質量部３１ｊを円形としたことによる前記物理量検出センサ１Ｆと同様の効果を有するとともに、前記物理量検出センサ１Ｄと同様に、狭い面積で質量部３１ｊの３軸方向の変位量を拡大することができる。
【００７４】
図１２に示す物理量検出センサ１Ｋは、素子３ｋの質量部３１ｋが円形をなし、その外周部に４つの固定部３３ｋを有し、質量部３１ｋの外周４箇所と各固定部３３ｋとをＴ字状（Ｌ字状部分を含む）の支持部材３２ｋで連結した構造となっている。この場合、１つの支持部材３２ｋは、隣接する２つの固定部３３ｋのそれぞれに連結されている。
【００７５】
この構成によれば、質量部３１ｋを円形としたことによる前記物理量検出センサ１Ｆと同様の効果を有するとともに、支持部材３２ｋの実質的長さが長くなり、狭い面積で質量部３１ｋの３軸方向の変位量を拡大することができる。また、支持部材３２ｋのバネ性も優れている。
【００７６】
図１３に示す物理量検出センサ１Ｍは、素子３ｍの質量部３１ｍが四角形（円形等でもよい）をなし、その外周部に４つの固定部３３ｍを有し、各固定部３３ｍと質量部３１ｍの対向する一対の辺のそれぞれとをループ状（２つのＬ字状部分を連結した形状）の支持部材３２ｍで連結した構造となっている。
【００７７】
この構成によれば、支持部材３２ｍの実質的長さが長くなり、狭い面積で質量部３１ｍの３軸方向の変位量を拡大することができる。
【００７８】
図１４に示す物理量検出センサ１Ｎは、素子３ｎの質量部３１ｎが四角形の枠状（円環状、楕円環状等でもよい）をなし、その中心部に固定部３３ｎを有し、質量部３１ｎの内周４箇所と固定部３３ｎとを支持部材３２ｎで連結した構造となっている。
【００７９】
支持部材３２ｎは、Ｙ軸方向に延びる第１支持部材３２１ｎと、Ｘ軸方向に延びる第２支持部材３２２ｎと、これらを接続する中継部材３２３ｎとで構成されている。そして、質量部３１ｎがＸ軸方向に変位した際には、主に、第１支持部材３２１ｎが変形し、質量部３１ｎがＹ軸方向に変位した際には、主に第２支持部材３２２ｎが変形する。また、質量部３１ｎがＺ軸方向に変位した際には、第１支持部材３２１ｎ、第２支持部材３２２ｎ共に変形する。
【００８０】
この構成によれば、質量部３１ｎの周辺に固定部３３ｎが存在しないので、駆動電極、検出電極等の設置の自由度が高いという利点があるとともに、質量部３１ｎのＸ軸方向の変位とＹ軸方向の変位とをそれぞれ別の部位（第１支持部材３２１ｎと第２支持部材３２２ｎ）で担うので、それらの干渉をより有効に防止することができ、検出精度の向上に寄与する。
【００８１】
なお、物理量検出センサ１Ｎの変形例として、支持部材は、質量部の３軸方向の変位（Ｘ軸方向、Ｙ軸方向およびＺ軸方向の変位）をそれぞれ別の部位で担うような構成とすることもできる。
【００８２】
以上、本発明の物理量検出センサを図４に示す実施形態に基づいて説明したが、本発明は、これらに限定されるものではない。
【００８３】
特に、質量部、固定部および支持部材の形状、構造、個数、配置パターン等の条件は、図示以外の任意の構成のものが可能である。
【００８４】
以上のような本発明の物理量検出センサは、バルクドサーフェイス等のマイクロマシニング技術を用いても、実現できる。
【００８５】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によれば、簡易な構造、少ない部品点数で、加速度および角速度を検出、特に、３軸方向の加速度および３軸回りの角速度のうちの少なくとも２つを検出し得る物理量検出センサを提供することができる。
【００８６】
そのため、小型化が可能であり、特に、設置空間を広くとらず、周辺に配置される電極の電極面積等を大きくすることができるので、感度の高い検出が可能となり、検出精度の向上が図れる。
【００８７】
また、マイクロマシニング技術等を用いて、大量生産が可能であり、低コスト化が図れる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 物理量検出センサの第１実施形態（参考例）を示す平面図である。
【図２】 物理量検出センサの第１実施形態（参考例）を示す側面図である。
【図３】 物理量検出センサの第２実施形態（参考例）の構造および動作を示す図である。
【図４】 本発明の物理量検出センサの実施形態（第３実施形態）の構造および動作を示す図である。
【図５】 物理量検出センサの第４実施形態（参考例）の構造および動作を示す図である。
【図６】 物理量検出センサの第５実施形態（参考例）の構造および動作を示す図である。
【図７】 物理量検出センサの第６実施形態（参考例）の構造および動作を示す図である。
【図８】 物理量検出センサの第７実施形態（参考例）の構造および動作を示す図である。
【図９】 物理量検出センサの第８実施形態（参考例）の構造および動作を示す図である。
【図１０】 物理量検出センサの第９実施形態（参考例）の構造および動作を示す図である。
【図１１】 物理量検出センサの第１０実施形態（参考例）の構造および動作を示す図である。
【図１２】 物理量検出センサの第１１実施形態（参考例）の構造および動作を示す図である。
【図１３】 物理量検出センサの第１２実施形態（参考例）の構造および動作を示す図である。
【図１４】 物理量検出センサの第１３実施形態（参考例）の構造および動作を示す図である。
【符号の説明】
１Ａ〜１Ｋ、１Ｍ、１Ｎ 物理量検出センサ
２ 基板
３ 素子
３１ 質量部
３１ｂ〜３１ｋ、３１ｍ、３１ｎ 質量部
３２ 支持部材
３２ｂ〜３２ｋ、３２ｍ、３２ｎ 支持部材
３２１ｄ 延長部
３２１ｎ 第１支持部材
３２２ｎ 第２支持部材
３２３ｎ 中継部材
３３ 固定部
３３ｂ〜３３ｋ、３３ｍ、３３ｎ 固定部
３４ 櫛形電極
３５ 櫛形電極
４１ 駆動電極
４２ Ｙ軸方向検出電極
４３ Ｚ軸方向検出電極
５ ケース
Claims (2)
- 加速度および角速度を検出する物理量検出センサであって、
基板と、
前記基板の一方の面側に設置され、平面視での形状がほぼ四角形をなす質量部と、前記基板の前記一方の面上に設けられた固定部に固定的に設置され、前記質量部を三次元方向に変位可能に支持する複数の支持部材とを備える素子と、
前記素子を覆うように設置されたケースと、
前記基板および前記ケースに前記質量部を介して対向して配置された一対の電極とを有し、
前記一対の電極は、前記基板の面方向のうちの互いに直交する２つの方向にそれぞれ沿ったＸ軸およびＹ軸と、前記Ｘ軸および前記Ｙ軸と直交するＺ軸とを想定したとき、前記質量部が前記Ｘ軸および前記Ｙ軸のうちの一方の軸方向に振動している状態でその質量部に他方の軸回りの角速度が作用したときに前記Ｚ軸方向にコリオリ力が発生し、該コリオリ力によって前記質量部が前記Ｚ軸方向に振動した際、該Ｚ軸方向の振動の振幅に対応する前記他方の軸回りの角速度を検出し、前記質量部に前記Ｚ軸方向に加速度が作用した際、該Ｚ軸方向の加速度を検出するものであり、
前記素子は、前記固定部が前記質量部の各辺に対向した位置にそれぞれ配置されており、２つの前記支持部材が対となり、該各支持部材が前記各固定部と前記質量部の各角部とをそれぞれＬ字状に屈曲して連結した構造をなすものであることを特徴とする物理量検出センサ。 - 前記支持部材は、その全部または一部が弾性変形可能な弾性体で構成されている請求項１に記載の物理量検出センサ。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP12825498A JP4178192B2 (ja) | 1998-04-22 | 1998-04-22 | 物理量検出センサ |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP12825498A JP4178192B2 (ja) | 1998-04-22 | 1998-04-22 | 物理量検出センサ |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH11304834A JPH11304834A (ja) | 1999-11-05 |
| JP4178192B2 true JP4178192B2 (ja) | 2008-11-12 |
Family
ID=14980315
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP12825498A Expired - Fee Related JP4178192B2 (ja) | 1998-04-22 | 1998-04-22 | 物理量検出センサ |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP4178192B2 (ja) |
Families Citing this family (20)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP3589182B2 (ja) * | 2000-07-07 | 2004-11-17 | 株式会社村田製作所 | 外力計測装置 |
| US6973829B2 (en) | 2000-08-29 | 2005-12-13 | Denso Corporation | Semiconductor dynamic quantity sensor with movable electrode and fixed electrode supported by support substrate |
| JP4134853B2 (ja) * | 2003-09-05 | 2008-08-20 | 株式会社デンソー | 容量式力学量センサ装置 |
| JP2007071677A (ja) | 2005-09-07 | 2007-03-22 | Hitachi Ltd | コンバインドセンサとその製造方法 |
| US8342022B2 (en) | 2006-03-10 | 2013-01-01 | Conti Temic Microelectronic Gmbh | Micromechanical rotational speed sensor |
| US7401517B2 (en) * | 2006-08-18 | 2008-07-22 | Robert Bosch Gmbh | Dual-axis yaw rate sensing unit having a tuning fork gyroscope arrangement |
| FR2905457B1 (fr) * | 2006-09-01 | 2008-10-17 | Commissariat Energie Atomique | Microsysteme, plus particulierement microgyrometre, avec element de detection a electrodes capacitives. |
| US7640805B2 (en) * | 2006-12-18 | 2010-01-05 | Akustica, Inc. | Proof-mass with supporting structure on integrated circuit-MEMS platform |
| JP5125138B2 (ja) * | 2007-02-20 | 2013-01-23 | パナソニック株式会社 | 複合センサ |
| WO2009099125A1 (ja) | 2008-02-07 | 2009-08-13 | Alps Electric Co., Ltd. | 物理量センサ |
| JP5193300B2 (ja) * | 2008-07-04 | 2013-05-08 | アルプス電気株式会社 | 静電容量検出型の可動センサ |
| DE102008042369B4 (de) | 2008-09-25 | 2018-05-24 | Robert Bosch Gmbh | Koppelstruktur für eine Drehratensensorvorrichtung, Drehratensensorvorrichtung und Herstellungsverfahren |
| JP2010112858A (ja) * | 2008-11-07 | 2010-05-20 | Sony Corp | 微小電気機械装置および電子機器 |
| JP5223003B2 (ja) * | 2009-06-03 | 2013-06-26 | アルプス電気株式会社 | 物理量センサ |
| WO2010140574A1 (ja) * | 2009-06-03 | 2010-12-09 | アルプス電気株式会社 | 物理量センサ |
| US8847912B2 (en) | 2009-09-09 | 2014-09-30 | Hewlett-Packard Development Company, L.P. | Gyroscopic input systems and methods |
| JP5083635B2 (ja) * | 2009-11-12 | 2012-11-28 | 三菱電機株式会社 | 加速度センサ |
| JP5318135B2 (ja) | 2011-03-16 | 2013-10-16 | 株式会社東芝 | 静電アクチュエータ |
| KR101189098B1 (ko) * | 2012-02-02 | 2012-10-10 | 주식회사 티엘아이 | 탄성체를 공유하는 3축 가속도 센서 |
| JP6098780B2 (ja) | 2012-04-19 | 2017-03-22 | セイコーエプソン株式会社 | ジャイロセンサーおよび電子機器 |
Family Cites Families (11)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2555899B2 (ja) * | 1990-02-01 | 1996-11-20 | 日本電気株式会社 | 半導体加速度センサ |
| ES2056580T3 (es) * | 1990-05-18 | 1994-10-01 | British Aerospace | Sensores inerciales. |
| DE69206770T2 (de) * | 1991-12-19 | 1996-07-11 | Motorola Inc | Dreiachsiger Beschleunigungsmesser |
| JP3263113B2 (ja) * | 1992-03-06 | 2002-03-04 | 株式会社東芝 | 慣性センサー |
| JPH0664164U (ja) * | 1993-02-12 | 1994-09-09 | 株式会社村田製作所 | 半導体式加速度センサ |
| JPH07167885A (ja) * | 1993-12-13 | 1995-07-04 | Omron Corp | 半導体加速度センサ及びその製造方法、ならびに当該半導体加速度センサによる加速度検出方式 |
| JP3385688B2 (ja) * | 1993-12-13 | 2003-03-10 | 株式会社デンソー | 半導体ヨーレートセンサおよびその製造方法 |
| JPH07225243A (ja) * | 1994-02-14 | 1995-08-22 | Omron Corp | 加速度センサ及びその製造方法、当該加速度センサによる加速度検出方法、並びに加速度センサアレイ |
| JPH08145683A (ja) * | 1994-11-16 | 1996-06-07 | Nikon Corp | 加速度・角速度検出装置 |
| JPH0989927A (ja) * | 1995-09-28 | 1997-04-04 | Zexel Corp | 多軸加速度センサ |
| JPH09318649A (ja) * | 1996-05-30 | 1997-12-12 | Texas Instr Japan Ltd | 複合センサ |
-
1998
- 1998-04-22 JP JP12825498A patent/JP4178192B2/ja not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH11304834A (ja) | 1999-11-05 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| JP4178192B2 (ja) | 物理量検出センサ | |
| US7168317B2 (en) | Planar 3-axis inertial measurement unit | |
| CN112739642B (zh) | 3-轴加速度计 | |
| US8549918B2 (en) | Inertial sensors using piezoelectric transducers | |
| US6742390B2 (en) | Angular velocity sensor | |
| KR101699573B1 (ko) | 포개지고 선형으로 진동하는 진동 부재를 포함하는 이중축 내충격 요 레이트 센서 | |
| US8096181B2 (en) | Inertial sensor | |
| EP2146182B1 (en) | Multistage proof-mass movement deceleration within MEMS structures | |
| EP3044542B1 (en) | Improved gyroscope structure and gyroscope | |
| JP5117665B2 (ja) | Ｍｅｍｓ構造内でプルーフマスの運動を減速させる方法およびシステム | |
| EP2202484A1 (en) | Microelectromechanical gyroscope with enhanced rejection of acceleration noise | |
| US7197928B2 (en) | Solid-state gyroscopes and planar three-axis inertial measurement unit | |
| FI126070B (en) | Improved ring gyroscope structure and gyroscope | |
| CN104136886A (zh) | 多轴微电子惯性感测器 | |
| US6539801B1 (en) | Z-axis vibratory gyroscope | |
| KR20110130445A (ko) | ｘ 및/또는 ｙ 및 ｚ축에 대한 회전 움직임들을 측정하기 위한 마이크로자이로스코프 | |
| JPH08145683A (ja) | 加速度・角速度検出装置 | |
| US20130239679A1 (en) | Three-axis gyroscope | |
| US20050217374A1 (en) | Planar 3-axis intertial measurement unit | |
| JPH0868636A (ja) | 加速度と角速度との双方を検出する装置 | |
| JP3873266B2 (ja) | 三次元角速度センサ | |
| JP2006064539A (ja) | ジャイロセンサおよび角速度検出方法 | |
| KR20120062390A (ko) | 관성센서 | |
| JPH08285608A (ja) | 角速度センサ | |
| JP2008261772A (ja) | 慣性力センサ |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A977 | Report on retrieval |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20060117 |
|
| A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20060201 |
|
| A521 | Written amendment |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20060331 |
|
| A02 | Decision of refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A02 Effective date: 20060510 |
|
| A521 | Written amendment |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20060706 |
|
| A911 | Transfer of reconsideration by examiner before appeal (zenchi) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A911 Effective date: 20060728 |
|
| A912 | Removal of reconsideration by examiner before appeal (zenchi) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A912 Effective date: 20070406 |
|
| A521 | Written amendment |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20080611 |
|
| A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 |
|
| A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20080722 |
|
| R150 | Certificate of patent or registration of utility model |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20110905 Year of fee payment: 3 |
|
| LAPS | Cancellation because of no payment of annual fees |