JP2010043929A

JP2010043929A - Motion sensor

Info

Publication number: JP2010043929A
Application number: JP2008207811A
Authority: JP
Inventors: Atsuo Hattori; 敦夫服部
Original assignee: Yamaha Corp
Current assignee: Yamaha Corp
Priority date: 2008-08-12
Filing date: 2008-08-12
Publication date: 2010-02-25

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To achieve a compact motion sensor for accurately detecting acceleration and an angular speed indicating three-dimensional motion state of a particular point in an object, and detecting a position of the object. <P>SOLUTION: The motion sensor includes: a frame fixed to the object whose acceleration and angular speed are detected; a plurality of beams coupled to the frame at one end, and protruded toward the inside of the frame at the other end; an annular movable ring coupled to the other end of a plurality of the beams, supported by a plurality of the beams, and moved relative to the frame inside the frame; a diaphragm expanded in the movable ring; an inner spindle coupled to the diaphragm, supported by the diaphragm, and moved relative to the movable ring inside the movable ring; a drive means for circumferentially moving the spindle; a plurality of piezoelectric elements provided in the diaphragm, and detecting angular speed components along three orthogonal axes; and a plurality of piezoresistive elements provided in a plurality of the beams, and detecting acceleration components along three orthogonal axes. <P>COPYRIGHT: (C)2010,JPO&INPIT

Description

本発明は加速度及び角速度を検出するためのモーションセンサに関し、特にＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）としてのモーションセンサに関する。 The present invention relates to a motion sensor for detecting acceleration and angular velocity, and more particularly to a motion sensor as MEMS (Micro Electro Mechanical Systems).

近年、加速度センサや振動ジャイロスコープとして機能するＭＥＭＳが実用化されている。特許文献１には、ダイヤフラムに設けられた圧電素子を用いて角速度を検出する振動ジャイロスコープとして機能するＭＥＭＳが記載されている。特許文献２，３には、十字形に組み合わせた４つのビームのそれぞれに設けられたピエゾ抵抗素子を用いて加速度を検出する加速度センサとして機能するＭＥＭＳが記載されている。また特許文献４には振動ジャイロスコープと加速度センサとを組み合わせたモーションセンサとして機能するＭＥＭＳが記載されている。
特開2004−294450号公報特開2006−177823号公報特開2006−308325号公報特開平10−10148号公報 In recent years, a MEMS functioning as an acceleration sensor or a vibration gyroscope has been put into practical use. Patent Document 1 describes a MEMS that functions as a vibration gyroscope that detects an angular velocity using a piezoelectric element provided in a diaphragm. Patent Documents 2 and 3 describe MEMS that function as an acceleration sensor that detects acceleration using piezoresistive elements provided on each of four beams combined in a cross shape. Patent Document 4 describes a MEMS that functions as a motion sensor in which a vibration gyroscope and an acceleration sensor are combined.
JP 2004-294450 A JP 2006-177823 A JP 2006-308325 A Japanese Patent Laid-Open No. 10-10148

振動ジャイロスコープとして機能するＭＥＭＳを用いて角速度を検出する場合、加速度に伴う慣性力に比べて微弱な歪みを電気信号に変換する素子としては、ピエゾ抵抗素子よりも圧電素子を用いた方が感度を高めやすい。ただし、圧電素子は低い周波数の歪みに対する感度が低いため、物体に作用する重力加速度すなわち物体の姿勢を検出する手段として圧電素子を用いることはできない。したがって特許文献１に記載された振動ジャイロスコープに設けられた圧電素子の出力に基づいて物体の姿勢（傾斜角）を検出することはできない。 When detecting angular velocity using MEMS functioning as a vibrating gyroscope, it is more sensitive to use a piezoelectric element than a piezoresistive element as an element to convert a weak strain into an electrical signal compared to the inertial force accompanying acceleration. Easy to raise. However, since the piezoelectric element has low sensitivity to low-frequency distortion, the piezoelectric element cannot be used as means for detecting the gravitational acceleration acting on the object, that is, the posture of the object. Therefore, the posture (tilt angle) of the object cannot be detected based on the output of the piezoelectric element provided in the vibrating gyroscope described in Patent Document 1.

一方、特許文献２，３に記載されているように加速度の検出手段としてピエゾ抵抗素子を用いると、物体の姿勢を検出できる。ピエゾ抵抗素子は、特許文献２，３に記載されているようにダイヤフラムに比べて変形しやすいビームに設けることが好ましい。 On the other hand, when a piezoresistive element is used as the acceleration detecting means as described in Patent Documents 2 and 3, the posture of the object can be detected. The piezoresistive element is preferably provided on a beam that is more easily deformed than a diaphragm as described in Patent Documents 2 and 3.

ところで、圧電膜の面積と感度とには正の相関があるため、特許文献２，３に記載されているようなビームに圧電素子を設けて角速度を検出しようとしても、圧電膜の面積を十分広く設計することができない。すなわち特許文献２，３に記載されたビームの歪みを圧電素子によって検出しても高い感度で角速度を検出することはできない。 By the way, since there is a positive correlation between the area of the piezoelectric film and the sensitivity, even if an attempt is made to detect the angular velocity by providing a piezoelectric element in a beam as described in Patent Documents 2 and 3, the area of the piezoelectric film is sufficient. Cannot be designed widely. That is, even if the beam distortion described in Patent Documents 2 and 3 is detected by a piezoelectric element, the angular velocity cannot be detected with high sensitivity.

また、特許文献４に記載されたモーションセンサでは、角速度の互いに異なる軸の成分を検出する位置が一致しておらず、また、加速度を検出する位置と角速度を検出する位置も一致していない。したがって物体の特定の１点の３次元運動を表す加速度と角速度とを検出する用途に特許文献４に記載されたモーションセンサを用いると検出誤差が生ずるという問題がある。 Further, in the motion sensor described in Patent Document 4, the positions for detecting the components of the axes having different angular velocities do not match, and the positions for detecting the acceleration and the positions for detecting the angular velocities do not match. Therefore, when the motion sensor described in Patent Document 4 is used for detecting acceleration and angular velocity representing a three-dimensional motion of a specific point of an object, there is a problem that a detection error occurs.

本発明はこれらの問題を解決するために創作されたものであって物体の特定の１点の３次元運動状態を表す加速度と角速度とを精度良く検出するできるとともに物体の姿勢（傾斜角）を検出できる小型のモーションセンサを実現することを目的の１つとする。 The present invention was created to solve these problems, and can accurately detect the acceleration and angular velocity representing the three-dimensional motion state of a specific point of the object, and can also detect the posture (tilt angle) of the object. One of the objects is to realize a small motion sensor that can be detected.

（１）上記目的を達成するためのモーションセンサは、加速度および角速度が検出される物体に固定されるフレームと、一端が前記フレームに結合し他端が前記フレームの内側に突出している複数のビームと、複数の前記ビームのそれぞれの前記他端に結合し複数の前記ビームによって前記フレームの内側において前記フレームに対して運動可能に支持されている環形の可動リングと、前記可動リングに張り渡されたダイヤフラムと、前記ダイヤフラムに結合し前記ダイヤフラムによって前記可動リングに対して運動可能に前記可動リングの内側において支持されている内錘と、前記内錘を周回運動させるための駆動手段と、前記ダイヤフラムに設けられ互いに直交する３軸の角速度成分を検出するための複数の圧電素子と、複数の前記ビームに設けられ互いに直交する３軸の加速度成分を検出するための複数のピエゾ抵抗素子と、を備える。 (1) A motion sensor for achieving the above object includes a frame fixed to an object whose acceleration and angular velocity are detected, and a plurality of beams having one end coupled to the frame and the other end projecting inside the frame. A ring-shaped movable ring coupled to the other end of each of the plurality of beams and supported by the plurality of beams so as to be movable with respect to the frame inside the frame, and stretched across the movable ring. A diaphragm, an inner weight coupled to the diaphragm and supported on the inner side of the movable ring so as to be movable with respect to the movable ring by the diaphragm, drive means for rotating the inner weight, and the diaphragm A plurality of piezoelectric elements for detecting three-axis angular velocity components orthogonal to each other and a plurality of the beads And a plurality of piezoresistive elements for detecting the acceleration components in three axes orthogonal to each other provided.

本発明によると、加速度に伴う慣性力の作用点と角速度に伴うコリオリ力の作用点とをほぼ一点に設定できるとともに、ダイヤフラムに設ける圧電素子によって角速度成分を検出し、ビームに設けるピエゾ抵抗素子によって加速度を検出するため、物体の特定の１点の３次元運動状態を表す加速度と角速度とを精度良く検出できるとともに物体の姿勢を検出できる。また本発明によると角速度にともなうコリオリ力と加速度に伴う慣性力とを作用させる錘が１個の内錘によって構成されるため、モーションセンサを小型化できる。 According to the present invention, the point of action of inertial force accompanying acceleration and the point of action of Coriolis force accompanying angular velocity can be set to almost one point, the angular velocity component is detected by the piezoelectric element provided on the diaphragm, and the piezoresistive element provided on the beam is used. Since the acceleration is detected, it is possible to accurately detect the acceleration and angular velocity representing the three-dimensional motion state of a specific point of the object, and to detect the posture of the object. Further, according to the present invention, since the weight for applying the Coriolis force accompanying the angular velocity and the inertial force accompanying the acceleration is constituted by one inner weight, the motion sensor can be miniaturized.

（２）上記目的を達成するためのモーションセンサは、加速度および角速度が検出される物体に固定されるフレームと、両端が前記フレームに結合し前記フレームの内側に架設されている複数のビームと、複数の前記ビームのそれぞれの中間部に結合し前記ビームによって前記フレームの内側において前記フレームに対して運動可能に支持されている環形の可動リングと、前記可動リングに張り渡されたダイヤフラムと、前記ダイヤフラムに結合し前記ダイヤフラムによって前記可動リングに対して運動可能に前記可動リングの内側において支持されている内錘と、前記内錘を周回運動させるための駆動手段と、前記ダイヤフラムに設けられ互いに直交する３軸の角速度成分を検出するための複数の圧電素子と、複数の前記ビームに設けられ互いに直交する３軸の加速度成分を検出するための複数のピエゾ抵抗素子と、を備える。 (2) A motion sensor for achieving the above object includes a frame fixed to an object whose acceleration and angular velocity are detected, and a plurality of beams that are coupled to the frame at both ends and are built inside the frame, A ring-shaped movable ring coupled to an intermediate portion of each of the plurality of beams and supported by the beam so as to be movable with respect to the frame inside the frame; a diaphragm stretched over the movable ring; An inner weight coupled to the diaphragm and supported on the inner side of the movable ring so as to be movable with respect to the movable ring by the diaphragm; drive means for rotating the inner weight; and provided on the diaphragm and orthogonal to each other A plurality of piezoelectric elements for detecting a three-axis angular velocity component, and a plurality of the beams. And a plurality of piezoresistive elements for detecting the acceleration components in three axes orthogonal to have.

（３）上記目的を達成するためのモーションセンサは、加速度および角速度が検出される物体に固定される環形のフレームと、前記フレームに張り渡されたダイヤフラムと、前記ダイヤフラムに結合し前記ダイヤフラムによって前記フレームに対して運動可能に前記フレームの内側において支持されている内錘と、前記内錘を周回運動させるための駆動手段と、前記ダイヤフラムに設けられ互いに直交する３軸の角速度成分を検出するための複数の圧電素子と、一端が前記フレームに結合し他端が前記フレームの外側に突出している複数のビームと、複数の前記ビームのそれぞれの前記他端に結合し前記ビームによって前記フレームの外側において前記フレームに対して運動可能に支持されている環形の外錘と、複数の前記ビームに設けられ互いに直交する３軸の加速度成分を検出するための複数のピエゾ抵抗素子と、を備え、前記外錘の重心の位置と前記内錘の重心の位置とは、一致するか、少なくとも前記外錘の重心から前記ダイヤフラムに下ろした垂線の足の位置と前記内錘の重心から前記ダイヤフラムに下ろした垂線の足の位置とが一致する関係にある。 (3) A motion sensor for achieving the above object includes an annular frame fixed to an object whose acceleration and angular velocity are detected, a diaphragm stretched over the frame, and the diaphragm coupled to the diaphragm. An inner weight supported on the inner side of the frame so as to be movable with respect to the frame, a driving means for rotating the inner weight, and a three-axis angular velocity component provided on the diaphragm and perpendicular to each other. A plurality of piezoelectric elements, a plurality of beams having one end coupled to the frame and the other end projecting to the outside of the frame, and a plurality of beams coupled to the other end of each of the plurality of beams. A ring-shaped outer weight that is movably supported with respect to the frame and a plurality of the beams. A plurality of piezoresistive elements for detecting orthogonal three-axis acceleration components, and the position of the center of gravity of the outer weight and the position of the center of gravity of the inner weight match or at least the outer weight The position of the foot of the perpendicular line lowered from the center of gravity to the diaphragm and the position of the foot of the perpendicular line lowered from the center of gravity of the inner weight to the diaphragm are in a relationship.

本発明によると、検出される慣性力の作用点と検出されるコリオリ力の作用点とを一点またはダイヤフラムに垂直な同一直線上に位置する近接した２点に設定できるとともに、ダイヤフラムに設ける圧電素子によって角速度成分を検出し、ビームに設けるピエゾ抵抗素子によって加速度を検出するため、物体の特定の１点の３次元運動状態を表す加速度と角速度とを精度良く検出できるとともに物体の姿勢を検出できる。また本発明によると内錘と外錘とがダイヤフラムとビームとを介して共通のフレームによって支持する構成であるため、モーションセンサを小型化することができる。 According to the present invention, the point of action of the detected inertial force and the point of action of the detected Coriolis force can be set to one point or two adjacent points located on the same straight line perpendicular to the diaphragm, and the piezoelectric element provided on the diaphragm Therefore, the acceleration and angular velocity representing the three-dimensional motion state of one specific point of the object can be detected with high accuracy and the posture of the object can be detected. Further, according to the present invention, since the inner weight and the outer weight are supported by the common frame via the diaphragm and the beam, the motion sensor can be reduced in size.

（４）上記目的を達成するためのモーションセンサは、加速度および角速度が検出される物体に固定される環形のフレームと、前記フレームに張り渡されたダイヤフラムと、前記ダイヤフラムに結合し前記ダイヤフラムによって前記フレームに対して運動可能に前記フレームの内側において支持されている内錘と、前記内錘を周回運動させるための駆動手段と、前記ダイヤフラムに設けられ互いに直交する３軸の角速度成分を検出するための複数の圧電素子と、中間部が前記フレームに結合し両端が前記フレームの外側に突出している複数のビームと、複数の前記ビームのそれぞれの前記両端に結合し前記フレームの外側において前記フレームに対して運動可能に支持されている環形の外錘と、複数の前記ビームに設けられ互いに直交する３軸の加速度成分を検出するための複数のピエゾ抵抗素子と、を備え、前記外錘の重心の位置と前記内錘の重心の位置とは、一致するか、少なくとも前記外錘の重心から前記ダイヤフラムに下ろした垂線の足の位置と前記内錘の重心から前記ダイヤフラムに下ろした垂線の足の位置とが一致する。 (4) A motion sensor for achieving the above object includes an annular frame fixed to an object whose acceleration and angular velocity are detected, a diaphragm stretched over the frame, and a diaphragm coupled to the diaphragm. An inner weight supported on the inner side of the frame so as to be movable with respect to the frame, a driving means for rotating the inner weight, and a three-axis angular velocity component provided on the diaphragm and perpendicular to each other. A plurality of piezoelectric elements, a plurality of beams having an intermediate portion coupled to the frame and both ends projecting to the outside of the frame, and a plurality of beams coupled to the both ends of the plurality of beams to the frame outside the frame. A ring-shaped outer weight that is supported so as to be movable, and a plurality of the beams provided on the plurality of beams and orthogonal to each other 3 A plurality of piezoresistive elements for detecting an acceleration component of the outer weight, and the position of the center of gravity of the outer weight matches the position of the center of gravity of the inner weight, or at least from the center of gravity of the outer weight to the diaphragm The position of the foot of the lowered perpendicular line coincides with the position of the foot of the perpendicular line lowered from the center of gravity of the inner weight to the diaphragm.

本発明によると、検出される慣性力の作用点と検出されるコリオリ力の作用点とを一点またはダイヤフラムに垂直な同一直線上に位置する近接した２点に設定できるとともに、ダイヤフラムに設ける圧電素子によって角速度成分を検出し、ビームに設けるピエゾ抵抗素子によって加速度を検出するため、物体の特定の１点の３次元運動状態を表す加速度と角速度とを精度良く検出できるとともに物体の姿勢を検出できる。 According to the present invention, the point of action of the detected inertial force and the point of action of the detected Coriolis force can be set to one point or two adjacent points located on the same straight line perpendicular to the diaphragm, and the piezoelectric element provided on the diaphragm Therefore, the acceleration and angular velocity representing the three-dimensional motion state of one specific point of the object can be detected with high accuracy and the posture of the object can be detected.

（５）上記目的を達成するための加速度および角速度が検出される物体に固定される環形のフレームと、前記フレームに張り渡され薄肉部と前記薄肉部より狭く厚い厚肉部とからなるダイヤフラムと、前記ダイヤフラムに結合し前記ダイヤフラムによって前記フレームに対して運動可能に前記フレームの内側において支持されている内錘と、前記内錘を周回運動させるための駆動手段と、前記薄肉部に設けられ互いに直交する３軸の角速度成分を検出するための複数の圧電素子と、前記厚肉部の表層に設けられ互いに直交する３軸の加速度成分を検出するための複数のピエゾ抵抗素子と、を備える。 (5) An annular frame fixed to an object whose acceleration and angular velocity are detected to achieve the above object, and a diaphragm which is stretched over the frame and includes a thin portion and a thick portion narrower than the thin portion. An inner weight coupled to the diaphragm and supported on the inner side of the frame so as to be movable with respect to the frame by the diaphragm; a driving means for rotating the inner weight; and a thin portion provided to each other A plurality of piezoelectric elements for detecting orthogonal three-axis angular velocity components; and a plurality of piezoresistive elements for detecting three-axis acceleration components orthogonal to each other provided on the surface of the thick portion.

本発明によると、検出される慣性力の作用点と検出されるコリオリ力の作用点とを一点に設定できる。またダイヤフラムに薄肉部と薄肉部より狭く厚い厚肉部とを設け、薄肉部に設けた圧電素子によって角速度成分を検出し、厚肉部の表層に設けるピエゾ抵抗素子によって加速度を検出するため、物体の特定の１点の３次元運動状態を表す加速度と角速度とを精度良く検出できるとともに物体の姿勢を検出できる。 According to the present invention, the detected point of inertial force and the detected point of Coriolis force can be set to one point. In addition, the diaphragm is provided with a thin part and a thick part that is narrower and thicker than the thin part, the angular velocity component is detected by the piezoelectric element provided in the thin part, and the acceleration is detected by the piezoresistive element provided on the surface layer of the thick part. It is possible to accurately detect the acceleration and angular velocity representing the three-dimensional motion state of one specific point and to detect the posture of the object.

以下、本発明の実施の形態を添付図面を参照しながら以下の順に説明する。尚、各図において対応する構成要素には同一の符号が付され、重複する説明は省略される。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in the following order with reference to the accompanying drawings. In addition, the same code | symbol is attached | subjected to the corresponding component in each figure, and the overlapping description is abbreviate | omitted.

１．第一実施形態
本発明のＭＥＭＳセンサの第一実施形態としてのモーションセンサ１を図１に示す。モーションセンサ１は加速度および角速度を測定するために用いられる。モーションセンサ１はパッケージ２０に固定された固体素子であるダイ１０を備えている。パッケージ２０はモーションセンサ１によって加速度および角速度を検出しようとする物体に固定される。 1. First Embodiment FIG. 1 shows a motion sensor 1 as a first embodiment of a MEMS sensor of the present invention. The motion sensor 1 is used for measuring acceleration and angular velocity. The motion sensor 1 includes a die 10 that is a solid element fixed to a package 20. The package 20 is fixed to an object whose acceleration and angular velocity are to be detected by the motion sensor 1.

ダイ１０は、薄膜処理技術によって形成される一体の積層構造体である。ただし図１において各層の境界線は省略されている。平面視（ダイヤフラム１１に対して垂直な方向から見た形状）におけるダイ１０の一辺は約３．５ｍｍである。ダイ１０をパッケージ２０に固定するための接合手段２１には、フレーム１６以外の部分をパッケージ２０から浮かせるための厚さが必要であり、両面テープ、フィラー入り接着剤などを用いることができる。ダイ１０には、フレーム１６、ビーム１５、可動リング１７、ダイヤフラム１１、内錘１２、ピエゾ抵抗素子Ｒ、圧電素子１３、１４、図示しない配線等が形成されている。 The die 10 is an integral laminated structure formed by thin film processing technology. However, the boundary line of each layer is omitted in FIG. One side of the die 10 in a plan view (a shape viewed from a direction perpendicular to the diaphragm 11) is about 3.5 mm. The joining means 21 for fixing the die 10 to the package 20 needs to have a thickness for floating a portion other than the frame 16 from the package 20, and a double-sided tape, a filler-containing adhesive, or the like can be used. The die 10 is formed with a frame 16, a beam 15, a movable ring 17, a diaphragm 11, an inner weight 12, a piezoresistive element R, piezoelectric elements 13 and 14, wiring not shown, and the like.

フレーム１６は接合手段２１によってパッケージ２０に固定されている。したがってフレーム１６はモーションセンサ１によって加速度および角速度を検出しようとする物体に固定された剛体として振る舞う。フレーム１６は平面視において外側の輪郭が略正方形であり内側の輪郭が円形である環形の要素である。 The frame 16 is fixed to the package 20 by the joining means 21. Therefore, the frame 16 behaves as a rigid body fixed to an object whose acceleration and angular velocity are to be detected by the motion sensor 1. The frame 16 is an annular element having a substantially square outer contour and a circular inner contour in plan view.

４個のビーム１５はフレーム１６から内側に突出し、モーションセンサが固定される物体に固定された座標系において自由端である突端が可動リング１７に結合された薄い膜である。４個のビーム１５の突端は、ダイヤフラム１１の中心に向かう９０度間隔の４方向にフレーム１６から突出している。ビーム１５のフレーム１６との境界はモーションセンサ１が固定される物体に固定された座標系において、ビーム１５の固定端となる。 The four beams 15 protrude from the frame 16 inward, and are thin films in which a protruding end which is a free end in a coordinate system fixed to an object to which a motion sensor is fixed is coupled to a movable ring 17. The protruding ends of the four beams 15 protrude from the frame 16 in four directions at intervals of 90 degrees toward the center of the diaphragm 11. The boundary between the beam 15 and the frame 16 is a fixed end of the beam 15 in the coordinate system fixed to the object to which the motion sensor 1 is fixed.

円環形の可動リング１７は、４個のビーム１５によってフレーム１６に対して運動可能に、フレーム１６の内側においてパッケージ２０から浮いた状態に支持されている。可動リング１７はビーム１５およびダイヤフラム１１に比べて十分厚いため剛体として振る舞う。また可動リング１７を円環形にすることによって、ダイヤフラム１１の張力に対する可動リング１７の剛性が高まっている。可動リング１７とフレーム１６との間には、可動リング１７がフレーム１６に対して相対的に運動するための空隙が形成されている。 The annular movable ring 17 is supported in a state of being floated from the package 20 inside the frame 16 so as to be movable with respect to the frame 16 by the four beams 15. Since the movable ring 17 is sufficiently thicker than the beam 15 and the diaphragm 11, it behaves as a rigid body. Further, by making the movable ring 17 into an annular shape, the rigidity of the movable ring 17 with respect to the tension of the diaphragm 11 is increased. A gap is formed between the movable ring 17 and the frame 16 so that the movable ring 17 moves relative to the frame 16.

可動リング１７の内側にはダイヤフラム１１が張り渡されている。ダイヤフラム１１は平面視が円形の薄い膜であり外周全体が可動リング１７に結合している。ダイヤフラム１１と４個のビーム１５とは同一平面上に配置されている。ダイヤフラム１１の中央部には内錘１２が結合している。 A diaphragm 11 is stretched inside the movable ring 17. The diaphragm 11 is a thin film having a circular shape in plan view, and the entire outer periphery is coupled to the movable ring 17. The diaphragm 11 and the four beams 15 are arranged on the same plane. An inner weight 12 is coupled to the center portion of the diaphragm 11.

内錘１２は加速度に伴う慣性力と角速度に伴う微弱なコリオリ力とを感度良く検出可能な大きさで作用させるための要素である。内錘１２はダイヤフラム１１によって可動リング１７に対して運動可能に可動リング１７の内側においてパッケージ２０から浮いた状態に支持されている。内錘１２の重心をダイヤフラム１１から遠くに設定することによりダイヤフラム１１およびビーム１５に作用するモーメントが大きくなるため、内錘１２はダイヤフラム１１に近づくにつれて細くなっている。具体的には、円柱形の主部１２ｂと主部１２ｂよりも直径が小さい円柱形の接続部１２ａとによって内錘１２が構成されており、接続部１２ａがダイヤフラム１１に結合している。可動リング１７と内錘１２との間とフレーム１６と内錘１２との間とには、内錘１２が可動リング１７に対してもフレーム１６に対しても相対的に運動するための空隙が形成されている。可動リング１７と内錘１２との間の空隙は内錘１２に形成された円環状の溝Ｎによって形成されている。 The inner weight 12 is an element for causing an inertial force accompanying acceleration and a weak Coriolis force accompanying angular velocity to act with a size capable of being detected with high sensitivity. The inner weight 12 is supported by the diaphragm 11 so that it can move with respect to the movable ring 17 and floats from the package 20 inside the movable ring 17. Since the moment acting on the diaphragm 11 and the beam 15 is increased by setting the center of gravity of the inner weight 12 far from the diaphragm 11, the inner weight 12 becomes thinner as it approaches the diaphragm 11. Specifically, the inner weight 12 is constituted by a cylindrical main portion 12 b and a cylindrical connecting portion 12 a having a smaller diameter than the main portion 12 b, and the connecting portion 12 a is coupled to the diaphragm 11. There is a gap between the movable ring 17 and the inner weight 12 and between the frame 16 and the inner weight 12 for the inner weight 12 to move relative to the movable ring 17 and the frame 16. Is formed. A gap between the movable ring 17 and the inner weight 12 is formed by an annular groove N formed in the inner weight 12.

それぞれのビーム１５の表層には３軸の加速度成分を検出するためのピエゾ抵抗素子Ｒが設けられている。一直線に並ぶ２つのビーム１５の変形をピエゾ抵抗素子Ｒによって検出することにより、その直線と平行な軸（ｘ軸またはｙ軸）の加速度成分とビームの厚さ方向と平行な軸（ｚ軸）の加速度成分とを検出できる。各軸の加速度成分を個別に検出するため、軸毎に４個のピエゾ抵抗素子Ｒが結線された３個のブリッジ回路が構成される。ピエゾ抵抗素子Ｒをビーム１５が突出している方向に長いＵ字に形成することにより、感度を高めることができる。 A piezoresistive element R for detecting triaxial acceleration components is provided on the surface layer of each beam 15. By detecting the deformation of the two beams 15 aligned in a straight line by the piezoresistive element R, the acceleration component of the axis parallel to the straight line (x axis or y axis) and the axis parallel to the thickness direction of the beam (z axis) Can be detected. In order to individually detect the acceleration component of each axis, three bridge circuits in which four piezoresistive elements R are connected for each axis are configured. By forming the piezoresistive element R into a U shape that is long in the direction in which the beam 15 protrudes, the sensitivity can be increased.

ダイヤフラム１１の周縁部にはほぼ円環形に４個の駆動用圧電素子１４が設けられている。４個の駆動用圧電素子１４は内錘１２を周回運動させる駆動手段を構成する。ダイヤフラム１１の応力が集中する中央近傍にはほぼ円環形に４個の検出用圧電素子１３が設けられている。４個の検出用圧電素子１３は、ダイヤフラム１１の変形に応じた３軸の角速度成分を検出するための角速度検出手段を構成する。 Four driving piezoelectric elements 14 are provided in a substantially annular shape at the peripheral edge of the diaphragm 11. The four driving piezoelectric elements 14 constitute driving means for rotating the inner weight 12. In the vicinity of the center where the stress of the diaphragm 11 is concentrated, four detection piezoelectric elements 13 are provided in a substantially ring shape. The four detection piezoelectric elements 13 constitute angular velocity detection means for detecting a triaxial angular velocity component corresponding to the deformation of the diaphragm 11.

ビーム１５、ダイヤフラム１１、可動リング１７および内錘１２の寸法は、ビーム１５とダイヤフラム１１と可動リング１７の質量に比べて内錘１２の質量が十分大きくなるように設定する。例えばビーム１５およびダイヤフラム１１の厚さを１０μｍ、可動リング１７の厚さを６３５μｍ、内錘１２の接続部１２ａの厚さを６２５μｍ、内錘１２の主部１２ｂの厚さを５００μｍとする。またビーム１５の長さを例えば５００μｍ、可動リング１７の幅（ダイヤフラム１１の径方向の長さ）を例えば３００μｍ、内錘１２の接続部１２ａの直径を１０００μｍ、内錘１２の主部１２ｂの直径を２５００μｍとする。 The dimensions of the beam 15, the diaphragm 11, the movable ring 17 and the inner weight 12 are set so that the mass of the inner weight 12 is sufficiently larger than the mass of the beam 15, the diaphragm 11 and the movable ring 17. For example, the thickness of the beam 15 and the diaphragm 11 is 10 μm, the thickness of the movable ring 17 is 635 μm, the thickness of the connection portion 12a of the inner weight 12 is 625 μm, and the thickness of the main portion 12b of the inner weight 12 is 500 μm. The length of the beam 15 is, for example, 500 μm, the width of the movable ring 17 (the length in the radial direction of the diaphragm 11) is, for example, 300 μm, the diameter of the connecting portion 12a of the inner weight 12 is 1000 μm, and the diameter of the main portion 12b of the inner weight 12 Is 2500 μm.

（作用・効果）
駆動用圧電素子１４に高周波の交流駆動電圧を印可することにより、ダイヤフラム１１が３次元振動し、内錘１２が周回運動する。角速度が生ずると、角速度と内錘１２の速度とに応じたコリオリ力が内錘１２に生じる。このコリオリ力によって生ずるダイヤフラム１１の変形を複数の検出用圧電素子１３により検出すると３軸の角速度成分を検出できる。コリオリ力の検出手段として圧電素子を用いることにより、ピエゾ抵抗素子によってコリオリ力を検出する場合に比べ、微弱なコリオリ力に応じた角速度を感度良く検出できる。 (Action / Effect)
By applying a high-frequency AC driving voltage to the driving piezoelectric element 14, the diaphragm 11 is three-dimensionally oscillated, and the inner weight 12 rotates. When the angular velocity is generated, a Coriolis force corresponding to the angular velocity and the speed of the inner weight 12 is generated in the inner weight 12. When the deformation of the diaphragm 11 caused by the Coriolis force is detected by a plurality of detecting piezoelectric elements 13, a triaxial angular velocity component can be detected. By using a piezoelectric element as the Coriolis force detection means, the angular velocity corresponding to the weak Coriolis force can be detected with higher sensitivity than when detecting the Coriolis force with a piezoresistive element.

加速度が生ずると、内錘１２に慣性力が作用する。この慣性力によって生ずる４個のビーム１５の変形を複数のピエゾ抵抗素子Ｒにより検出すると３軸の加速度成分を検出できる。加速度検出手段としてピエゾ抵抗素子Ｒを用いることにより、加速度検出手段として圧電素子を用いる場合に比べ、周波数の低い加速度を直流成分すなわち、傾き（傾斜角）まで検出できる。 When acceleration occurs, an inertial force acts on the inner weight 12. When the deformation of the four beams 15 caused by the inertial force is detected by a plurality of piezoresistive elements R, a triaxial acceleration component can be detected. By using the piezoresistive element R as the acceleration detecting means, it is possible to detect an acceleration having a low frequency up to a DC component, that is, an inclination (tilt angle) as compared with the case where a piezoelectric element is used as the acceleration detecting means.

図２、図３に示すようにダイヤフラム１１もビーム１５も加速度に伴う慣性力によっても内錘１２の周回運動によっても角速度に伴うコリオリ力によっても変形する。（図２、図３では加速度の方向を矢印で示し、ビーム１５およびダイヤフラム１１の変形のない状態を点線で示している。） As shown in FIGS. 2 and 3, both the diaphragm 11 and the beam 15 are deformed by the inertial force accompanying the acceleration, the circular motion of the inner weight 12, and the Coriolis force accompanying the angular velocity. (In FIGS. 2 and 3, the direction of acceleration is indicated by an arrow, and the beam 15 and the diaphragm 11 are not deformed by a dotted line.)

ダイヤフラム１１は加速度に伴う慣性力によっても変形するため、角速度の検出用圧電素子１３から得られる信号には加速度成分が混入することになる。しかし、検出対象とする加速度の周波数に比べて十分高い周波数で内錘１２を周回運動させ、検出用圧電素子１３から得られる信号の高周波成分だけをハイパスフィルタによって取り出せば、検出用圧電素子１３から得られる信号から加速度成分を除去することができる。 Since the diaphragm 11 is also deformed by the inertial force accompanying the acceleration, an acceleration component is mixed in the signal obtained from the piezoelectric element 13 for detecting the angular velocity. However, if the high-frequency filter extracts only the high-frequency component of the signal obtained from the detection piezoelectric element 13 by rotating the inner weight 12 at a sufficiently high frequency compared to the acceleration frequency to be detected, the detection piezoelectric element 13 The acceleration component can be removed from the obtained signal.

一方、ビーム１５は駆動用圧電素子１４によって駆動された内錘１２の周回運動によってもコリオリ力によっても変形するため、ピエゾ抵抗素子Ｒから得られる信号には内錘１２の駆動成分や角速度成分も混入する。しかし、検出対象とする加速度の周波数が内錘１２の駆動周波数よりも十分低ければ、ピエゾ抵抗素子Ｒから得られる信号の低周波成分だけをローパスフィルタによって取り出せば、ピエゾ抵抗素子Ｒから得られる信号から内錘１２の駆動成分と角速度成分とを除去することができる。 On the other hand, since the beam 15 is deformed by the circular motion of the inner weight 12 driven by the driving piezoelectric element 14 and also by the Coriolis force, the signal obtained from the piezoresistive element R includes the driving component and the angular velocity component of the inner weight 12. Mixed. However, if the acceleration frequency to be detected is sufficiently lower than the driving frequency of the inner weight 12, the signal obtained from the piezoresistive element R can be obtained by extracting only the low frequency component of the signal obtained from the piezoresistive element R with a low-pass filter. Thus, the driving component and the angular velocity component of the inner weight 12 can be removed.

本実施形態によると、加速度に伴う慣性力の作用点と角速度に伴うコリオリ力の作用点とはいずれも内錘１２の重心にほぼ一致する。また加速度を検出する手段としてピエゾ抵抗素子Ｒを用いるため静止状態における重力加速度の大きさと方向とを検出できる。すなわち加速度を検出する手段としてピエゾ抵抗素子Ｒを用いるためモーションセンサ１が固定された物体の姿勢を検出できる。さらにピエゾ抵抗素子Ｒをビーム１５に設けるため、ダイヤフラム１１にピエゾ抵抗素子Ｒを設ける場合に比べて高い感度で加速度を検出できる。また角速度を検出する手段として圧電素子１３を用いると共に圧電素子１３をダイヤフラム１１に設けるため、ビーム１５に圧電素子１３を設ける場合に比べて面積の広い圧電素子１３によって角速度を高い感度で検出できる。したがって、本実施形態のモーションセンサ１は、モーションセンサ１が固定される物体の特定の１点の３次元運動状態を表す加速度と角速度とを感度良く検出できるとともに物体の姿勢を検出できる。また本実施形態によると、角速度にともなうコリオリ力と加速度に伴う慣性力とを作用させる錘が１個の内錘１２によって構成されるため、モーションセンサ１を小型化できる。 According to the present embodiment, the point of action of inertial force accompanying acceleration and the point of action of Coriolis force accompanying angular velocity substantially coincide with the center of gravity of the inner weight 12. Since the piezoresistive element R is used as a means for detecting acceleration, the magnitude and direction of gravitational acceleration in a stationary state can be detected. That is, since the piezoresistive element R is used as a means for detecting acceleration, the posture of the object to which the motion sensor 1 is fixed can be detected. Furthermore, since the piezoresistive element R is provided in the beam 15, acceleration can be detected with higher sensitivity than when the piezoresistive element R is provided in the diaphragm 11. Further, since the piezoelectric element 13 is used as a means for detecting the angular velocity and the piezoelectric element 13 is provided on the diaphragm 11, the angular velocity can be detected with high sensitivity by the piezoelectric element 13 having a larger area than the case where the piezoelectric element 13 is provided on the beam 15. Therefore, the motion sensor 1 of the present embodiment can detect the acceleration and angular velocity representing the three-dimensional motion state of a specific point of the object to which the motion sensor 1 is fixed with high sensitivity, and can detect the posture of the object. In addition, according to the present embodiment, since the weight that applies the Coriolis force accompanying the angular velocity and the inertial force accompanying the acceleration is constituted by the single inner weight 12, the motion sensor 1 can be miniaturized.

（製造方法）
まず図１に示す構成のモーションセンサ１の積層構造の具体例を図４に示す。図４は図１ＡのＢ−Ｂ線断面に対応している。図４において各層の界面は破線によって示され上述した機能的な構成要素間の境界は実線によって示されている。内錘１２は、その主部１２ｂがガラス層１７０からなり、その接続部１２ａが厚い方のシリコン層１００と二酸化シリコン（ＳｉＯ_２）からなるエッチストッパ層１１０とからなる。ダイヤフラム１１およびビーム１５は薄い方のシリコン層１２０と二酸化シリコンからなる絶縁層１３０とからなる。圧電素子１３、１４は圧電層１５０が２つの電極層１４０、１６０に挟まれた構造である。可動リング１７は厚い方のシリコン層１００、エッチストッパ層１１０、薄い方のシリコン層１２０および絶縁層１３０からなる。フレーム１６は可動リング１７を構成しているこれら４つの層とガラス層１７０とからなる。このような積層構造を有するモーションセンサ１は例えば次のようにして製造される。 (Production method)
First, a specific example of the laminated structure of the motion sensor 1 configured as shown in FIG. 1 is shown in FIG. FIG. 4 corresponds to a cross section taken along line BB in FIG. 1A. In FIG. 4, the interface of each layer is indicated by a broken line, and the boundary between the functional components described above is indicated by a solid line. The inner weight 12 has a main portion 12b made of a glass layer 170, and a connecting portion 12a made of a thicker silicon layer 100 and an etch stopper layer 110 made of silicon dioxide (SiO ₂ ). The diaphragm 11 and the beam 15 are composed of a thinner silicon layer 120 and an insulating layer 130 made of silicon dioxide. The piezoelectric elements 13 and 14 have a structure in which a piezoelectric layer 150 is sandwiched between two electrode layers 140 and 160. The movable ring 17 includes a thicker silicon layer 100, an etch stopper layer 110, a thinner silicon layer 120, and an insulating layer 130. The frame 16 includes these four layers constituting the movable ring 17 and a glass layer 170. The motion sensor 1 having such a laminated structure is manufactured as follows, for example.

初めに図５に示すようにＳＯＩ（Silicon On Insulator）ウエハ１０００の薄い方のシリコン層１２０にピエゾ抵抗素子Ｒを形成する。具体的には、まず、薄い方のシリコン層１２０の表面にピエゾ抵抗素子Ｒに対応するパターンを有しフォトレジストからなる図示しないマスクが形成される。次に、マスクから露出しているシリコン層１２０の表層に不純物を注入することによりピエゾ抵抗素子Ｒを形成する。不純物として、例えばボロン（Ｂ）イオンを２×１０^１８／ｃｍ^３の濃度でイオン注入する。その後、アニールによって活性化する。ＳＯＩウエハ１０００として、例えば厚い方のシリコン層１００の厚さが６２５μｍ、エッチストッパ層１１０となる二酸化シリコン（ＳｉＯ_２）層の厚さが１μｍ、薄い方のシリコン層１２０の厚さが１０μｍであるものを用いる。 First, as shown in FIG. 5, a piezoresistive element R is formed on the thinner silicon layer 120 of an SOI (Silicon On Insulator) wafer 1000. Specifically, first, a mask (not shown) made of a photoresist having a pattern corresponding to the piezoresistive element R is formed on the surface of the thinner silicon layer 120. Next, the piezoresistive element R is formed by implanting impurities into the surface layer of the silicon layer 120 exposed from the mask. As an impurity, for example, boron (B) ions are implanted at a concentration of 2 × 10 ¹⁸ / cm ³ . Then, it activates by annealing. As the SOI wafer 1000, for example, the thicker silicon layer 100 has a thickness of 625 μm, the silicon dioxide (SiO ₂ ) layer serving as the etch stopper layer 110 has a thickness of 1 μm, and the thinner silicon layer 120 has a thickness of 10 μm. Use things.

次に図６に示すように薄い方のシリコン層１２０の表面に二酸化シリコンからなる絶縁層１３０を形成する。 Next, an insulating layer 130 made of silicon dioxide is formed on the surface of the thinner silicon layer 120 as shown in FIG.

次に図７に示すように絶縁層１３０にコンタクトホールＨを形成する。尚、コンタクトホールＨを形成した後、コンタクトホールＨから露出しているシリコン層１２０に不純物イオン（例えばボロン（Ｂ））を注入し、ピエゾ抵抗素子Ｒと配線との接続抵抗を低減しても良い。 Next, a contact hole H is formed in the insulating layer 130 as shown in FIG. Note that after forming the contact hole H, impurity ions (for example, boron (B)) are implanted into the silicon layer 120 exposed from the contact hole H to reduce the connection resistance between the piezoresistive element R and the wiring. good.

次に図８に示すように、絶縁層１３０の表面に電極層１４０、圧電層１５０、電極層１６０をこの順で積層する。例えば電極層１４０、１６０として厚さ０．１μｍの白金（Ｐｔ）の膜をスパッタリングによりに形成し、圧電層１５０として厚さ３μｍのＰＺＴ(チタン酸ジルコン酸鉛)の膜を形成する。 Next, as shown in FIG. 8, the electrode layer 140, the piezoelectric layer 150, and the electrode layer 160 are stacked in this order on the surface of the insulating layer 130. For example, a platinum (Pt) film having a thickness of 0.1 μm is formed by sputtering as the electrode layers 140 and 160, and a PZT (lead zirconate titanate) film having a thickness of 3 μm is formed as the piezoelectric layer 150.

次に図９に示すように電極層１６０、圧電層１５０および電極層１４０を順にエッチングすることにより、検出用圧電素子１３および駆動用圧電素子１４を形成する。このとき電極層１４０からなるピエゾ抵抗素子Ｒの配線も、電極層１６０および電極層１４０からなる検出用圧電素子１３および駆動用圧電素子１４の配線も同時に形成される。 Next, as shown in FIG. 9, the electrode layer 160, the piezoelectric layer 150, and the electrode layer 140 are sequentially etched to form the detection piezoelectric element 13 and the driving piezoelectric element. At this time, the wiring of the piezoresistive element R composed of the electrode layer 140 and the wiring of the detecting piezoelectric element 13 and the driving piezoelectric element 14 composed of the electrode layer 160 and the electrode layer 140 are simultaneously formed.

次に薄い方のシリコン層１２０および絶縁層１３０をエッチングすることにより図１に示すビーム１５の輪郭を形成する。具体的には、まず、ビーム１５に対応するパターンを有するフォトレジストからなるマスクを絶縁層１３０の表面に形成する。続いて、ＣＨＦ_３ガスを用いた反応性イオンエッチングにより絶縁層１３０をパターニングし、ＣＦ_４ガスを用いた反応性イオンエッチングにより薄い方のシリコン層１２０をパターニングすると、ビーム１５の輪郭が形成される。 Next, the thin silicon layer 120 and the insulating layer 130 are etched to form the contour of the beam 15 shown in FIG. Specifically, first, a mask made of a photoresist having a pattern corresponding to the beam 15 is formed on the surface of the insulating layer 130. Subsequently, when the insulating layer 130 is patterned by reactive ion etching using CHF ₃ gas and the thinner silicon layer 120 is patterned by reactive ion etching using CF ₄ gas, the contour of the beam 15 is formed. .

次に図１０に示すように厚い方のシリコン層１００を上にしてワークの下面を犠牲基板９９に仮固定する。固定手段Ｂとしては例えばワックス、フォトレジスト、両面粘着シート等を用いる。続いて厚い方のシリコン層１００をエッチングすることにより、内錘１２および可動リング１７の厚い方のシリコン層１００からなる部分を形成する。具体的には例えば次の通りである。厚い方のシリコン層１００の表面に、内錘１２および可動リング１７に対応するパターンのフォトレジストマスクＰを形成する。続いて、ＳＦ_６ガスを用いた反応性イオンエッチングとＣ_４Ｆ_８ガスを用いたパッシベーションとを交互に繰り返すＤｅｅｐ−ＲＩＥ（Reactive Ion Etching）により、内錘１２および可動リング１７の厚い方のシリコン層１００からなる部分の輪郭を形成する。 Next, as shown in FIG. 10, the lower surface of the workpiece is temporarily fixed to the sacrificial substrate 99 with the thicker silicon layer 100 facing upward. As the fixing means B, for example, wax, photoresist, double-sided pressure-sensitive adhesive sheet or the like is used. Subsequently, the thicker silicon layer 100 is etched to form a portion made of the thicker silicon layer 100 of the inner weight 12 and the movable ring 17. Specifically, for example, as follows. A photoresist mask P having a pattern corresponding to the inner weight 12 and the movable ring 17 is formed on the surface of the thicker silicon layer 100. Subsequently, the thicker silicon of the inner weight 12 and the movable ring 17 is formed by Deep-RIE (Reactive Ion Etching) in which reactive ion etching using SF ₆ gas and passivation using C ₄ F ₈ gas are alternately repeated. The contour of the layer 100 is formed.

次に図１１に示すように、エッチングされた厚い方のシリコン層１００をマスクとしてエッチストッパ層１１０を緩衝フッ酸でウエットエッチングする。その後、犠牲基板９９をワークから取り除く。 Next, as shown in FIG. 11, the etch stopper layer 110 is wet-etched with buffered hydrofluoric acid using the etched thick silicon layer 100 as a mask. Thereafter, the sacrificial substrate 99 is removed from the workpiece.

次に図１２に示すようにガラス層１７０となるガラスウエハを厚い方のシリコン層１００に陽極接合する。ガラス層１７０の材料として例えば厚さ５００μｍのパイレックスガラス（登録商標）のウエハを用いる。ガラスウエハには、内錘１２と可動リング１７の間の空隙となる溝Ｎをエッチング、サンドブラスト加工などによって形成しておく。 Next, as shown in FIG. 12, a glass wafer to be the glass layer 170 is anodically bonded to the thicker silicon layer 100. As a material of the glass layer 170, for example, a Pyrex glass (registered trademark) wafer having a thickness of 500 μm is used. In the glass wafer, a groove N serving as a gap between the inner weight 12 and the movable ring 17 is formed by etching, sandblasting or the like.

次に、ガラス層１７０を内錘１２とフレーム１６とに切り分け、続いて、ダイ毎にワークを切り分けると、図１に示すモーションセンサ１のダイ１０が完成する。この工程ではダイサーによる切削、エッチング、サンドブラスト加工によって任意の形状にワークを切り分けることができる。 Next, when the glass layer 170 is cut into the inner weight 12 and the frame 16, and then the workpiece is cut for each die, the die 10 of the motion sensor 1 shown in FIG. 1 is completed. In this step, the workpiece can be cut into an arbitrary shape by cutting with a dicer, etching, or sandblasting.

その後にパッケージングなどの後工程を実施すると、図１、図４に示すモーションセンサ１が完成する。 After that, when a post-process such as packaging is performed, the motion sensor 1 shown in FIGS. 1 and 4 is completed.

２．第二実施形態
本発明の第二実施形態としてのモーションセンサ２を図１３に示す。加速度を検出するためのビーム１５は図１３Ａに示すように両端が固定されていても良い。 2. Second Embodiment FIG. 13 shows a motion sensor 2 as a second embodiment of the present invention. The beam 15 for detecting acceleration may be fixed at both ends as shown in FIG. 13A.

フレーム１６は平面視において外側の輪郭も内側の輪郭もほぼ正方形である。フレーム１６の内側の４つの角部はフレーム１６の内側に突出している。そしてフレーム１６の内側の４つの角部のそれぞれに２個のビーム１５が結合している。 The frame 16 has a substantially square outer contour and inner contour in plan view. Four corners on the inner side of the frame 16 protrude inside the frame 16. Two beams 15 are coupled to each of the four corners inside the frame 16.

４個のビーム１５はそれぞれフレーム１６の平面視における内側の４辺と平行に設けられている。４個のビーム１５の両端がそれぞれフレーム１６の内側の角に結合している。すなわちビーム１５は両端ともに固定端である。それぞれのビーム１５は、フレーム１６の平面視における内側の辺と平行に延びる主部１５ａと主部１５ａの中央からフレーム１６の平面視における内側空間の中心に向かって突出している接続部１５ｂとで構成され、Ｔ字形である。接続部１５ｂの突端は可動リング１７に結合している。加速度を検出するためのピエゾ抵抗素子Ｒはそれぞれのビーム１５の固定端であるフレーム１６との境界近傍の領域の表層に設けられる。図１４、図１５に示すように加速度が生ずると（図１４、図１５において加速度の方向は矢印で示されている。）、内錘１２に作用する慣性力によって４個のビーム１５が変形する。 Each of the four beams 15 is provided in parallel with the four inner sides in a plan view of the frame 16. Both ends of the four beams 15 are coupled to the inner corners of the frame 16. That is, both ends of the beam 15 are fixed ends. Each beam 15 includes a main portion 15a extending in parallel with the inner side in the plan view of the frame 16, and a connection portion 15b protruding from the center of the main portion 15a toward the center of the inner space in the plan view of the frame 16. Constructed and T-shaped. The protruding end of the connecting portion 15 b is coupled to the movable ring 17. The piezoresistive element R for detecting acceleration is provided on the surface layer in a region near the boundary with the frame 16 which is a fixed end of each beam 15. When acceleration occurs as shown in FIGS. 14 and 15 (in FIGS. 14 and 15, the direction of acceleration is indicated by an arrow), the four beams 15 are deformed by the inertial force acting on the inner weight 12. .

角速度および加速度の検出方法は第一実施形態と同様である。また第二実施形態にかかるダイ１０は、フォトレジストマスクのパターンさえ変更すれば第一実施形態と同様の方法で製造できる。 The method for detecting the angular velocity and acceleration is the same as in the first embodiment. The die 10 according to the second embodiment can be manufactured by the same method as in the first embodiment as long as the pattern of the photoresist mask is changed.

３．第三実施形態
本発明の第三実施形態としてのモーションセンサ３を図１６に示す。モーションセンサ３において、第一実施形態における可動リング１７に対応する位置にある部分は、接合手段２１によってパッケージ２０に固定されるフレーム１８として構成されている。そして第一実施形態におけるフレーム１６に対応する位置にある部分は、ビーム１５によってパッケージ２０から浮いた状態に支持された外錘１９として構成されている。詳細は次の通りである。 3. Third Embodiment FIG. 16 shows a motion sensor 3 as a third embodiment of the present invention. In the motion sensor 3, a portion at a position corresponding to the movable ring 17 in the first embodiment is configured as a frame 18 that is fixed to the package 20 by the joining means 21. And the part in the position corresponding to the flame | frame 16 in 1st embodiment is comprised as the outer weight 19 supported in the state which floated from the package 20 with the beam 15. FIG. Details are as follows.

パッケージ２０に固定されるフレーム１８は内錘１２と外錘１９の間に位置し、平面視が円環形である。フレーム１８は内錘１２と外錘１９と同一の積層構造を有する。フレーム１８はモーションセンサ３によって加速度および角速度を検出しようとする物体に固定された剛体として振る舞う。フレーム１８の内側に張り渡されるダイヤフラム１１および圧電素子１３，１４は第一実施形態と同一の構成である。 The frame 18 fixed to the package 20 is located between the inner weight 12 and the outer weight 19 and has an annular shape in plan view. The frame 18 has the same laminated structure as the inner weight 12 and the outer weight 19. The frame 18 behaves as a rigid body fixed to an object whose acceleration and angular velocity are to be detected by the motion sensor 3. The diaphragm 11 and the piezoelectric elements 13 and 14 stretched inside the frame 18 have the same configuration as that of the first embodiment.

ダイヤフラム１１に結合している内錘１２は角速度に伴うコリオリ力を高い感度で検出可能な大きさで作用させるための要素である。内錘１２は、ダイヤフラム１１の中央部に結合し、フレーム１８の内側においてフレーム１８に対して運動可能にパッケージ２０から浮いた状態にダイヤフラム１１によって支持されている。内錘１２の主部１２ｂの直径はフレーム１８の内径よりも小さく、内錘１２の主部１２ｂとフレーム１８との間には内錘１２をフレーム１８に対して運動可能にするための空隙が形成されている。 The inner weight 12 coupled to the diaphragm 11 is an element for causing the Coriolis force accompanying the angular velocity to act with a size that can be detected with high sensitivity. The inner weight 12 is coupled to the central portion of the diaphragm 11, and is supported by the diaphragm 11 so as to float from the package 20 so as to be movable with respect to the frame 18 inside the frame 18. The diameter of the main portion 12 b of the inner weight 12 is smaller than the inner diameter of the frame 18, and a gap is provided between the main portion 12 b of the inner weight 12 and the frame 18 so that the inner weight 12 can move relative to the frame 18. Is formed.

ビーム１５およびピエゾ抵抗素子Ｒの形態は第一実施形態と同一である。４個のビーム１５はフレーム１８から９０度間隔の４方向にフレーム１８の外側に突出している。ただしモーションセンサ３が固定される物体に固定された座標系において、ビーム１５の固定端はフレーム１８との境界であり、ビーム１５の自由端は外錘１９との境界である。すなわち４個のビーム１５は外錘１９をフレーム１８に対して相対的に運動可能にパッケージ２０から浮いた状態に支持している。そしてピエゾ抵抗素子Ｒは外錘１９に作用する慣性力にともなうビーム１５の歪みを検出する。 The form of the beam 15 and the piezoresistive element R is the same as that of the first embodiment. The four beams 15 protrude from the frame 18 to the outside of the frame 18 in four directions at intervals of 90 degrees. However, in the coordinate system fixed to the object to which the motion sensor 3 is fixed, the fixed end of the beam 15 is a boundary with the frame 18, and the free end of the beam 15 is a boundary with the outer weight 19. That is, the four beams 15 support the outer weight 19 in a state of floating from the package 20 so as to be movable relative to the frame 18. The piezoresistive element R detects the distortion of the beam 15 due to the inertial force acting on the outer weight 19.

外錘１９は加速度にともなう慣性力を高い感度で検出可能な大きさで作用させるための要素である。外錘１９はパッケージ２０に固定されておらず、フレーム１８から延びるビーム１５の自由端に結合されているため、フレーム１８に対して相対的に運動可能である。外錘１９は、平面視において円環形であり内側の輪郭も外側の輪郭も円形である。 The outer weight 19 is an element for causing the inertial force accompanying the acceleration to act with a size that can be detected with high sensitivity. Since the outer weight 19 is not fixed to the package 20 and is coupled to the free end of the beam 15 extending from the frame 18, the outer weight 19 can move relative to the frame 18. The outer weight 19 has an annular shape in plan view, and has an inner contour and an outer contour that are circular.

外錘１９と内錘１２とは互いの重心位置が少なくとも平面視において一致するように設計される。すなわち外錘１９の重心の位置と内錘１２の重心の位置とは、一致するか、または外錘１９の重心から前記ダイヤフラム１１に下ろした垂線の足の位置と内錘１２の重心からダイヤフラム１１に下ろした垂線の足の位置とが一致する関係にある。このためモーションセンサ３によって検出される加速度に伴う慣性力の作用点とモーションセンサ３によって検出される角速度に伴うコリオリ力の作用点とはほぼ一致し、平面視においては完全に一致する。したがってモーションセンサ３によっても、物体の特定の１点の３次元運動状態を表す加速度と角速度とを高い感度で精度良く検出できる。 The outer weight 19 and the inner weight 12 are designed so that the positions of their center of gravity coincide at least in plan view. That is, the position of the center of gravity of the outer weight 19 and the position of the center of gravity of the inner weight 12 coincide with each other, or the position of the foot of the perpendicular line that is lowered from the center of gravity of the outer weight 19 to the diaphragm 11 and the center of gravity of the inner weight 12 There is a relationship that the position of the foot of the vertical line that has been lowered coincides. For this reason, the point of action of the inertial force accompanying the acceleration detected by the motion sensor 3 and the point of action of the Coriolis force accompanying the angular velocity detected by the motion sensor 3 are almost the same, and are completely the same in plan view. Therefore, the motion sensor 3 can also detect the acceleration and angular velocity representing the three-dimensional motion state of one specific point of the object with high sensitivity and high accuracy.

また本実施形態では、モーションセンサ３が固定される物体に固定された座標系において外錘１９と内錘１２とが別々に運動し、ビーム１５とダイヤフラム１１とはモーションセンサ３が固定される物体に固定された座標系において常に静止している剛体として振る舞うフレーム１８に結合されている。このため、外錘１９の運動に伴って変形するビーム１５に設けられたピエゾ抵抗素子Ｒから得られる信号には角速度成分が混入しない。 In this embodiment, the outer weight 19 and the inner weight 12 move separately in a coordinate system fixed to the object to which the motion sensor 3 is fixed, and the beam 15 and the diaphragm 11 are objects to which the motion sensor 3 is fixed. It is coupled to a frame 18 that behaves as a rigid body that is always stationary in a coordinate system fixed to. For this reason, the angular velocity component is not mixed in the signal obtained from the piezoresistive element R provided on the beam 15 which is deformed with the movement of the outer weight 19.

また本実施形態では、加速度を検出するための外錘１９と角速度を検出するための内錘１２とが１個のフレーム１８に結合しているビーム１５とダイヤフラム１１とよって支持されている。すなわち、内錘１２と外錘１９とをパッケージ２０から浮いた状態に間接的に支持するために必要なフレームを共通化しているため、モーションセンサ３を小型化することができる。 In this embodiment, an outer weight 19 for detecting acceleration and an inner weight 12 for detecting angular velocity are supported by a beam 15 and a diaphragm 11 coupled to one frame 18. That is, since the frame necessary for indirectly supporting the inner weight 12 and the outer weight 19 in a state of floating from the package 20 is shared, the motion sensor 3 can be reduced in size.

第三実施形態にかかるダイ１０は、フォトレジストマスクのパターンさえ変更すれば第一実施形態と同様の方法で製造できる。 The die 10 according to the third embodiment can be manufactured by the same method as in the first embodiment as long as the pattern of the photoresist mask is changed.

４．第四実施形態
本発明の第四実施形態としてのモーションセンサ４を図１７に示す。モーションセンサ４において、第二実施形態における可動リング１７に対応する位置にある部分は、接合手段２１によってパッケージ２０に固定されるフレーム１８として構成されている。そして第二実施形態におけるフレーム１６に対応する位置にある部分は、ビーム１５によってパッケージ２０から浮いた状態に支持された外錘１９として構成されている。詳細は次の通りである。 4). Fourth Embodiment FIG. 17 shows a motion sensor 4 as a fourth embodiment of the present invention. In the motion sensor 4, a portion at a position corresponding to the movable ring 17 in the second embodiment is configured as a frame 18 that is fixed to the package 20 by the joining means 21. And the part in the position corresponding to the flame | frame 16 in 2nd embodiment is comprised as the outer weight 19 supported in the state which floated from the package 20 with the beam 15. FIG. Details are as follows.

ビーム１５およびピエゾ抵抗素子Ｒの形態は第二実施形態と同一である。ただしモーションセンサ４が固定される物体に固定された座標系において、ビーム１５の固定端は中間部にあって、その接続部１５ｂとフレーム１８との境界である。すなわち４個のビーム１５の自由端である両端はフレーム１８の外側に突出し、環形の外錘１９をフレーム１８の外側においてフレーム１８に対して相対的に運動可能にパッケージ２０から浮いた状態に支持している。そしてピエゾ抵抗素子Ｒは外錘１９に作用する慣性力にともなうビーム１５の歪みを検出する。 The forms of the beam 15 and the piezoresistive element R are the same as in the second embodiment. However, in the coordinate system fixed to the object to which the motion sensor 4 is fixed, the fixed end of the beam 15 is in the middle portion and is the boundary between the connecting portion 15 b and the frame 18. That is, both ends, which are free ends of the four beams 15, protrude to the outside of the frame 18, and the ring-shaped outer weight 19 is supported in a state of floating from the package 20 so as to be movable relative to the frame 18 outside the frame 18 is doing. The piezoresistive element R detects the distortion of the beam 15 due to the inertial force acting on the outer weight 19.

外錘１９と内錘１２とは互いの重心位置が少なくとも平面視において一致するように設計される。すなわち外錘１９の重心の位置と内錘１２の重心の位置とは、一致するか、または外錘１９の重心から前記ダイヤフラム１１に下ろした垂線の足の位置と内錘１２の重心からダイヤフラム１１に下ろした垂線の足の位置とが一致する関係にある。このためモーションセンサ４によって検出される加速度に伴う慣性力の作用点とモーションセンサ４によって検出される角速度に伴うコリオリ力の作用点とはほぼ一致し、平面視においては完全に一致する。したがってモーションセンサ４によっても、物体の特定の１点の３次元運動状態を表す加速度と角速度とを高い感度で精度良く検出できる。 The outer weight 19 and the inner weight 12 are designed so that the positions of their center of gravity coincide at least in plan view. That is, the position of the center of gravity of the outer weight 19 and the position of the center of gravity of the inner weight 12 coincide with each other, or the position of the foot of the perpendicular line that is lowered from the center of gravity of the outer weight 19 to the diaphragm 11 and the center of gravity of the inner weight 12 There is a relationship that the position of the foot of the vertical line that has been lowered coincides. For this reason, the point of action of the inertial force accompanying the acceleration detected by the motion sensor 4 and the point of action of the Coriolis force accompanying the angular velocity detected by the motion sensor 4 are almost the same, and are completely the same in plan view. Therefore, the motion sensor 4 can also detect the acceleration and angular velocity representing the three-dimensional motion state of one specific point of the object with high sensitivity and high accuracy.

また本実施形態でも、モーションセンサ４が固定される物体に固定された座標系において外錘１９と内錘１２とが別々に運動し、ビーム１５とダイヤフラム１１とはモーションセンサ４が固定される物体に固定された座標系において常に静止している剛体として振る舞うフレーム１８に結合されている。このため、外錘１９の運動に伴って変形するビーム１５に設けられたピエゾ抵抗素子Ｒから得られる信号には角速度成分が混入しない。 Also in this embodiment, the outer weight 19 and the inner weight 12 move separately in a coordinate system fixed to the object to which the motion sensor 4 is fixed, and the beam 15 and the diaphragm 11 are objects to which the motion sensor 4 is fixed. It is coupled to a frame 18 that behaves as a rigid body that is always stationary in a coordinate system fixed to. For this reason, the angular velocity component is not mixed in the signal obtained from the piezoresistive element R provided on the beam 15 which is deformed with the movement of the outer weight 19.

また本実施形態でも、加速度を検出するための外錘１９と角速度を検出するための内錘１２とが１個のフレーム１８に結合しているビーム１５とダイヤフラム１１とよって支持されている。すなわち、内錘１２と外錘１９とをパッケージ２０から浮いた状態に間接的に支持するために必要なフレームを共通化しているため、モーションセンサ４を小型化することができる。 Also in this embodiment, an outer weight 19 for detecting acceleration and an inner weight 12 for detecting angular velocity are supported by a beam 15 and a diaphragm 11 coupled to one frame 18. That is, since the frame necessary for indirectly supporting the inner weight 12 and the outer weight 19 in a state of floating from the package 20 is shared, the motion sensor 4 can be reduced in size.

第四実施形態にかかるダイ１０は、フォトレジストマスクのパターンさえ変更すれば第一実施形態と同様の方法で製造できる。 The die 10 according to the fourth embodiment can be manufactured by the same method as in the first embodiment as long as the pattern of the photoresist mask is changed.

５．第五実施形態
本発明の第五実施形態としてのモーションセンサ５を図１８に示す。モーションセンサ５においては、加速度を検出するためのピエゾ抵抗素子Ｒも角速度を検出するための圧電素子１３もダイヤフラム１１に設けられ、ダイヤフラム１１には加速度に伴う慣性力と角速度に伴うコリオリ力とを作用させるための内錘１２が結合している。詳細は次の通りである。 5). Fifth Embodiment FIG. 18 shows a motion sensor 5 as a fifth embodiment of the present invention. In the motion sensor 5, a piezoresistive element R for detecting acceleration and a piezoelectric element 13 for detecting angular velocity are also provided in the diaphragm 11. The diaphragm 11 has an inertial force accompanying acceleration and a Coriolis force accompanying angular velocity. An inner weight 12 for acting is coupled. Details are as follows.

フレーム１６は接合手段によってパッケージ２０に固定されている。フレーム１６は平面視において外側の輪郭が略正方形であり内側の輪郭が円形である環形の要素である。フレーム１６はモーションセンサ５によって加速度および角速度を検出しようとする物体に固定された剛体として振る舞う。 The frame 16 is fixed to the package 20 by a joining means. The frame 16 is an annular element having a substantially square outer contour and a circular inner contour in plan view. The frame 16 behaves as a rigid body fixed to an object whose acceleration and angular velocity are to be detected by the motion sensor 5.

フレーム１６の内側にはダイヤフラム１１が張り渡されている。ダイヤフラム１１は平面視が円形の薄い膜であって外周全体がフレーム１６に結合している。ダイヤフラム１１には圧電素子１３，１４が表面に設けられる薄肉部１１ｂとピエゾ抵抗素子Ｒが表層に設けられる厚肉部１１ａとが形成される。厚肉部１１ａはリブ状に形成される。厚肉部１１ａは、ダイヤフラム１１の中央部からフレーム１６にかけてダイヤフラム１１の径方向に平行な９０度間隔の４方向に延びている。ダイヤフラム１１が変形するとき、厚肉部１１ａの表層では薄肉部１１ｂの表層よりも歪み量が大きくなる。したがって厚肉部１１ａの表層にピエゾ抵抗素子Ｒを設けることにより、たとえダイヤフラム１１がビーム１５よりも柔軟性において劣るとしても加速度の十分な検出感度を実現することが可能になる。一方、ダイヤフラム１１の大部分を薄肉部１１ｂが占めており、厚肉部１１ａはピエゾ抵抗素子Ｒを設けられる程度の広さがあれば十分であるため、厚肉部１１ａによるダイヤフラム１１の剛性の高まりは限定的である。薄肉部１１ｂには第一実施形態と同様に検出用圧電素子１３と駆動用圧電素子１４とが設けられる。 A diaphragm 11 is stretched inside the frame 16. The diaphragm 11 is a thin film having a circular shape in plan view, and the entire outer periphery is coupled to the frame 16. The diaphragm 11 is formed with a thin portion 11b where the piezoelectric elements 13 and 14 are provided on the surface and a thick portion 11a where the piezoresistive element R is provided on the surface layer. The thick part 11a is formed in a rib shape. The thick part 11a extends from the center part of the diaphragm 11 to the frame 16 in four directions at intervals of 90 degrees parallel to the radial direction of the diaphragm 11. When the diaphragm 11 is deformed, the strain amount is larger in the surface layer of the thick portion 11a than in the surface layer of the thin portion 11b. Therefore, by providing the piezoresistive element R on the surface layer of the thick part 11a, it is possible to realize sufficient detection sensitivity of acceleration even if the diaphragm 11 is inferior in flexibility to the beam 15. On the other hand, since the thin part 11b occupies most of the diaphragm 11, and the thick part 11a only needs to be wide enough to provide the piezoresistive element R, the rigidity of the diaphragm 11 by the thick part 11a is sufficient. The rise is limited. The thin portion 11b is provided with a detection piezoelectric element 13 and a driving piezoelectric element 14 as in the first embodiment.

ダイヤフラム１１の厚肉部１１ａの幅、厚さ、長さ（ダイヤフラム１１の径方向の長さ）などは厚肉部１１ａによって増大するダイヤフラム１１の表層の歪み量と厚肉部１１ａによって低下するダイヤフラム１１の柔軟性とを加味して設計すればよい。例えば、薄肉部１１ｂの厚さを１０μｍ、厚肉部１１ａの厚さを１５μｍ、厚肉部１１ａの幅を１００μｍとし、ダイヤフラム１１の内錘１２が結合される領域の外周よりも内側からダイヤフラム１１とフレーム１６との境界よりも外側まで延びるリブ状に厚肉部１１ａを形成すればよい。ダイヤフラム１１の内錘１２が結合される領域の外周と、ダイヤフラム１１とフレーム１６との境界とを跨ぐように厚肉部１１ａを形成するのは、これらの境界領域にダイヤフラム１１の応力が集中しやすいからである。 The width, thickness, length (thickness in the radial direction of the diaphragm 11) of the thick part 11a of the diaphragm 11 and the like are increased by the thick part 11a, and the amount of distortion of the surface layer of the diaphragm 11 is reduced by the thick part 11a. The eleventh flexibility may be taken into consideration. For example, the thickness of the thin portion 11b is 10 μm, the thickness of the thick portion 11a is 15 μm, the width of the thick portion 11a is 100 μm, and the diaphragm 11 from the inner side of the outer periphery of the region where the inner weight 12 of the diaphragm 11 is coupled. What is necessary is just to form the thick part 11a in the shape of a rib extending outside the boundary between the frame 16 and the frame 16. The thick part 11a is formed so as to straddle the outer periphery of the area where the inner weight 12 of the diaphragm 11 is coupled and the boundary between the diaphragm 11 and the frame 16 because the stress of the diaphragm 11 is concentrated in these boundary areas. It is easy.

厚肉部１１ａと薄肉部１１ｂとは厚さだけが異なる同一の層構造で構成しても良いし、薄肉部１１ｂと厚肉部１１ａとの厚さの差に相当する層を厚肉部１１ａに追加しても良い。例えば、図５に示すようにピエゾ抵抗素子Ｒを形成する前に、薄いシリコン層１２０の薄肉部１１ｂに相当する領域の表層をエッチングしてもよいし、薄いシリコン層１２０の表面の厚肉部１１ａに相当する領域にシリコンを堆積しても良い。 The thick portion 11a and the thin portion 11b may be configured with the same layer structure that is different only in thickness, or a layer corresponding to the difference in thickness between the thin portion 11b and the thick portion 11a is formed as the thick portion 11a. It may be added to. For example, as shown in FIG. 5, before forming the piezoresistive element R, the surface layer in the region corresponding to the thin portion 11 b of the thin silicon layer 120 may be etched, or the thick portion on the surface of the thin silicon layer 120. Silicon may be deposited in a region corresponding to 11a.

ダイヤフラム１１の中央部には内錘１２が結合している。内錘１２は第一実施形態と同一の構成である。 An inner weight 12 is coupled to the center portion of the diaphragm 11. The inner weight 12 has the same configuration as that of the first embodiment.

本実施形態によると、加速度に伴う慣性力の作用点と角速度に伴うコリオリ力の作用点とはいずれも内錘１２の重心に一致する。また加速度を検出する手段としてピエゾ抵抗素子Ｒを用いるため静止状態における重力加速度の大きさと方向とを検出できる。すなわち加速度を検出する手段としてピエゾ抵抗素子Ｒを用いるためモーションセンサ１が固定された物体の姿勢を検出できる。また角速度を検出する手段として圧電素子１３を用いると共に圧電素子１３をダイヤフラム１１に設けるため、圧電素子１３をビームに設ける場合に比べて面積の広い圧電素子１３によって角速度を高い感度で検出できる。したがって、本実施形態のモーションセンサ１は、モーションセンサ１が固定される物体の特定の１点の３次元運動状態を表す加速度と角速度とを高感度に精度良く検出できるとともに物体の姿勢を検出できる。また本実施形態によると、角速度にともなうコリオリ力と加速度に伴う慣性力とを作用させる錘が１個の内錘１２によって構成されるとともに、ダイヤフラム１１の面積を増大させずに加速度の感度を高めることができるため、モーションセンサ１を小型化できる。 According to the present embodiment, the point of action of inertial force accompanying acceleration and the point of action of Coriolis force accompanying angular velocity coincide with the center of gravity of the inner weight 12. Since the piezoresistive element R is used as a means for detecting acceleration, the magnitude and direction of gravitational acceleration in a stationary state can be detected. That is, since the piezoresistive element R is used as a means for detecting acceleration, the posture of the object to which the motion sensor 1 is fixed can be detected. Further, since the piezoelectric element 13 is used as a means for detecting the angular velocity and the piezoelectric element 13 is provided on the diaphragm 11, the angular velocity can be detected with high sensitivity by the piezoelectric element 13 having a larger area compared to the case where the piezoelectric element 13 is provided on the beam. Therefore, the motion sensor 1 of the present embodiment can detect the acceleration and angular velocity representing the three-dimensional motion state of a specific one point of the object to which the motion sensor 1 is fixed with high sensitivity and can detect the posture of the object. . Further, according to the present embodiment, the weight that causes the Coriolis force accompanying the angular velocity and the inertial force accompanying the acceleration to be applied is constituted by the single inner weight 12, and the acceleration sensitivity is increased without increasing the area of the diaphragm 11. Therefore, the motion sensor 1 can be downsized.

６．他の実施形態
尚、本発明の技術的範囲は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。例えば、上記実施形態で示した材質や寸法や成膜方法やパターン転写方法はあくまで例示であるし、当業者であれば自明である工程の追加や削除や工程順序の入れ替えについては説明が省略されている。例えば、上述した製造工程において、膜の組成、成膜方法、膜の輪郭形成方法、工程順序などは、モーションセンサを構成しうる物性を持つ膜材料の組み合わせや、膜厚や、要求される輪郭形状精度などに応じて適宜選択されるものであって、特に限定されない。 6). Other Embodiments The technical scope of the present invention is not limited to the above-described embodiments, and it goes without saying that various modifications can be made without departing from the scope of the present invention. For example, the materials, dimensions, film forming methods, and pattern transfer methods shown in the above embodiments are merely examples, and descriptions of addition and deletion of processes and replacement of process orders that are obvious to those skilled in the art are omitted. ing. For example, in the manufacturing process described above, the film composition, film forming method, film contour forming method, process sequence, etc. are combinations of film materials having physical properties that can constitute a motion sensor, film thickness, and required contours. It is appropriately selected according to the shape accuracy and the like and is not particularly limited.

本発明の第一実施形態にかかる平面図。The top view concerning a first embodiment of the present invention. 本発明の第一実施形態にかかる断面図。Sectional drawing concerning 1st embodiment of this invention. 本発明の第一実施形態にかかる断面図。Sectional drawing concerning 1st embodiment of this invention. 本発明の第一実施形態にかかる断面図。Sectional drawing concerning 1st embodiment of this invention. 本発明の第一実施形態にかかる断面図。Sectional drawing concerning 1st embodiment of this invention. 本発明の第一実施形態にかかる断面図。Sectional drawing concerning 1st embodiment of this invention. 本発明の第一実施形態にかかる断面図。Sectional drawing concerning 1st embodiment of this invention. 本発明の第一実施形態にかかる断面図。Sectional drawing concerning 1st embodiment of this invention. 本発明の第一実施形態にかかる断面図。Sectional drawing concerning 1st embodiment of this invention. 本発明の第一実施形態にかかる断面図。Sectional drawing concerning 1st embodiment of this invention. 本発明の第一実施形態にかかる断面図。Sectional drawing concerning 1st embodiment of this invention. 本発明の第一実施形態にかかる断面図。Sectional drawing concerning 1st embodiment of this invention. 本発明の第一実施形態にかかる断面図。Sectional drawing concerning 1st embodiment of this invention. 本発明の第二実施形態にかかる平面図。The top view concerning 2nd embodiment of the present invention. 本発明の第二実施形態にかかる断面図。Sectional drawing concerning 2nd embodiment of this invention. 本発明の第二実施形態にかかる断面図。Sectional drawing concerning 2nd embodiment of this invention. 本発明の第二実施形態にかかる断面図。Sectional drawing concerning 2nd embodiment of this invention. 本発明の第三実施形態にかかる平面図。The top view concerning 3rd embodiment of the present invention. 本発明の第三実施形態にかかる断面図。Sectional drawing concerning 3rd embodiment of this invention. 本発明の第四実施形態にかかる平面図。The top view concerning 4th embodiment of the present invention. 本発明の第四実施形態にかかる断面図。Sectional drawing concerning 4th embodiment of this invention. 本発明の第五実施形態にかかる平面図。The top view concerning 5th embodiment of the present invention. 本発明の第五実施形態にかかる断面図。Sectional drawing concerning 5th embodiment of this invention.

符号の説明Explanation of symbols

１：モーションセンサ、２：モーションセンサ、３：モーションセンサ、４：モーションセンサ、５：モーションセンサ、１０：ダイ、１１：ダイヤフラム、１１ａ：厚肉部、１１ｂ：薄肉部、１２：内錘、１２ａ：接続部、１２ｂ：主部、１３：検出用圧電素子、１４：駆動用圧電素子、１５：ビーム、１５ａ：主部、１５ｂ：接続部、１６：フレーム、１７：可動リング、１８：フレーム、１９：外錘、２０：パッケージ、２１：接合手段、９９：犠牲基板、１００：シリコン層、１１０：エッチストッパ層、１２０：シリコン層、１３０：絶縁層、１４０：電極層、１５０：圧電層、１６０：電極層、１７０：ガラス層、１０００：ＳＯＩウエハ、Ｂ：固定手段、Ｈ：コンタクトホール、Ｎ：溝、Ｐ：フォトレジストマスク、Ｒ：ピエゾ抵抗素子 1: motion sensor, 2: motion sensor, 3: motion sensor, 4: motion sensor, 5: motion sensor, 10: die, 11: diaphragm, 11a: thick part, 11b: thin part, 12: inner weight, 12a : Connection part, 12b: main part, 13: piezoelectric element for detection, 14: piezoelectric element for driving, 15: beam, 15a: main part, 15b: connection part, 16: frame, 17: movable ring, 18: frame, 19: outer weight, 20: package, 21: bonding means, 99: sacrificial substrate, 100: silicon layer, 110: etch stopper layer, 120: silicon layer, 130: insulating layer, 140: electrode layer, 150: piezoelectric layer, 160: electrode layer, 170: glass layer, 1000: SOI wafer, B: fixing means, H: contact hole, N: groove, P: photoresist mask, R: pie Resistance element

Claims

加速度および角速度が検出される物体に固定されるフレームと、
一端が前記フレームに結合し他端が前記フレームの内側に突出している複数のビームと、
複数の前記ビームのそれぞれの前記他端に結合し複数の前記ビームによって前記フレームの内側において前記フレームに対して運動可能に支持されている環形の可動リングと、
前記可動リングに張り渡されたダイヤフラムと、
前記ダイヤフラムに結合し前記ダイヤフラムによって前記可動リングに対して運動可能に前記可動リングの内側において支持されている内錘と、
前記内錘を周回運動させるための駆動手段と、
前記ダイヤフラムに設けられ互いに直交する３軸の角速度成分を検出するための複数の圧電素子と、
複数の前記ビームに設けられ互いに直交する３軸の加速度成分を検出するための複数のピエゾ抵抗素子と、
を備えるモーションセンサ。 A frame fixed to the object whose acceleration and angular velocity are detected;
A plurality of beams having one end coupled to the frame and the other end projecting into the frame;
A ring-shaped movable ring coupled to the other end of each of the plurality of beams and supported movably relative to the frame inside the frame by the plurality of beams;
A diaphragm stretched over the movable ring;
An inner weight coupled to the diaphragm and supported by the diaphragm inside the movable ring so as to be movable with respect to the movable ring;
Drive means for orbiting the inner weight;
A plurality of piezoelectric elements provided on the diaphragm for detecting angular velocity components of three axes orthogonal to each other;
A plurality of piezoresistive elements for detecting three-axis acceleration components provided in the plurality of beams and orthogonal to each other;
Motion sensor with

加速度および角速度が検出される物体に固定されるフレームと、
両端が前記フレームに結合し前記フレームの内側に架設されている複数のビームと、
複数の前記ビームのそれぞれの中間部に結合し前記ビームによって前記フレームの内側において前記フレームに対して運動可能に支持されている環形の可動リングと、
前記可動リングに張り渡されたダイヤフラムと、
前記ダイヤフラムに結合し前記ダイヤフラムによって前記可動リングに対して運動可能に前記可動リングの内側において支持されている内錘と、
前記内錘を周回運動させるための駆動手段と、
前記ダイヤフラムに設けられ互いに直交する３軸の角速度成分を検出するための複数の圧電素子と、
複数の前記ビームに設けられ互いに直交する３軸の加速度成分を検出するための複数のピエゾ抵抗素子と、
を備えるモーションセンサ。 A frame fixed to the object whose acceleration and angular velocity are detected;
A plurality of beams having both ends coupled to the frame and installed inside the frame;
A ring-shaped movable ring coupled to an intermediate portion of each of the plurality of beams and supported by the beam movably with respect to the frame inside the frame;
A diaphragm stretched over the movable ring;
An inner weight coupled to the diaphragm and supported by the diaphragm inside the movable ring so as to be movable with respect to the movable ring;
Drive means for orbiting the inner weight;
A plurality of piezoelectric elements provided on the diaphragm for detecting angular velocity components of three axes orthogonal to each other;
A plurality of piezoresistive elements for detecting three-axis acceleration components provided in the plurality of beams and orthogonal to each other;
Motion sensor with

加速度および角速度が検出される物体に固定される環形のフレームと、
前記フレームに張り渡されたダイヤフラムと、
前記ダイヤフラムに結合し前記ダイヤフラムによって前記フレームに対して運動可能に前記フレームの内側において支持されている内錘と、
前記内錘を周回運動させるための駆動手段と、
前記ダイヤフラムに設けられ互いに直交する３軸の角速度成分を検出するための複数の圧電素子と、
一端が前記フレームに結合し他端が前記フレームの外側に突出している複数のビームと、
複数の前記ビームのそれぞれの前記他端に結合し前記ビームによって前記フレームの外側において前記フレームに対して運動可能に支持されている環形の外錘と、
複数の前記ビームに設けられ互いに直交する３軸の加速度成分を検出するための複数のピエゾ抵抗素子と、
を備え、
前記外錘の重心の位置と前記内錘の重心の位置とは、一致するか、少なくとも前記外錘の重心から前記ダイヤフラムに下ろした垂線の足の位置と前記内錘の重心から前記ダイヤフラムに下ろした垂線の足の位置とが一致する関係にある、
モーションセンサ。 An annular frame fixed to the object whose acceleration and angular velocity are detected;
A diaphragm stretched over the frame;
An inner weight coupled to the diaphragm and supported by the diaphragm on the inside of the frame so as to be movable with respect to the frame;
Drive means for orbiting the inner weight;
A plurality of piezoelectric elements provided on the diaphragm for detecting angular velocity components of three axes orthogonal to each other;
A plurality of beams having one end coupled to the frame and the other end projecting outside the frame;
An annular outer weight coupled to the other end of each of the plurality of beams and supported by the beam so as to be movable relative to the frame outside the frame;
A plurality of piezoresistive elements for detecting three-axis acceleration components provided in the plurality of beams and orthogonal to each other;
With
The position of the center of gravity of the outer weight coincides with the position of the center of gravity of the inner weight, or at least the position of the foot of the perpendicular line that is lowered from the center of gravity of the outer weight to the diaphragm and the center of gravity of the inner weight is lowered to the diaphragm. The position of the foot of the vertical line is in agreement,
Motion sensor.

加速度および角速度が検出される物体に固定される環形のフレームと、
前記フレームに張り渡されたダイヤフラムと、
前記ダイヤフラムに結合し前記ダイヤフラムによって前記フレームに対して運動可能に前記フレームの内側において支持されている内錘と、
前記内錘を周回運動させるための駆動手段と、
前記ダイヤフラムに設けられ互いに直交する３軸の角速度成分を検出するための複数の圧電素子と、
中間部が前記フレームに結合し両端が前記フレームの外側に突出している複数のビームと、
複数の前記ビームのそれぞれの前記両端に結合し前記フレームの外側において前記フレームに対して運動可能に支持されている環形の外錘と、
複数の前記ビームに設けられ互いに直交する３軸の加速度成分を検出するための複数のピエゾ抵抗素子と、
を備え、
前記外錘の重心の位置と前記内錘の重心の位置とは、一致するか、少なくとも前記外錘の重心から前記ダイヤフラムに下ろした垂線の足の位置と前記内錘の重心から前記ダイヤフラムに下ろした垂線の足の位置とが一致する、
モーションセンサ。 An annular frame fixed to the object whose acceleration and angular velocity are detected;
A diaphragm stretched over the frame;
An inner weight coupled to the diaphragm and supported by the diaphragm on the inside of the frame so as to be movable with respect to the frame;
Drive means for orbiting the inner weight;
A plurality of piezoelectric elements provided on the diaphragm for detecting angular velocity components of three axes orthogonal to each other;
A plurality of beams having an intermediate portion coupled to the frame and both ends projecting to the outside of the frame;
An annular outer weight coupled to each end of each of the plurality of beams and supported movably relative to the frame outside the frame;
A plurality of piezoresistive elements for detecting three-axis acceleration components provided in the plurality of beams and orthogonal to each other;
With
The position of the center of gravity of the outer weight coincides with the position of the center of gravity of the inner weight, or at least the position of the foot of the perpendicular line that is lowered from the center of gravity of the outer weight to the diaphragm and the center of gravity of the inner weight is lowered to the diaphragm. The position of the foot of the vertical line matches,
Motion sensor.

加速度および角速度が検出される物体に固定される環形のフレームと、
前記フレームに張り渡され薄肉部と前記薄肉部より狭く厚い厚肉部とからなるダイヤフラムと、
前記ダイヤフラムに結合し前記ダイヤフラムによって前記フレームに対して運動可能に前記フレームの内側において支持されている内錘と、
前記内錘を周回運動させるための駆動手段と、
前記薄肉部に設けられ互いに直交する３軸の角速度成分を検出するための複数の圧電素子と、
前記厚肉部の表層に設けられ互いに直交する３軸の加速度成分を検出するための複数のピエゾ抵抗素子と、
を備えるモーションセンサ。 An annular frame fixed to the object whose acceleration and angular velocity are detected;
A diaphragm comprising a thin part stretched over the frame and a thick part narrower and thicker than the thin part;
An inner weight coupled to the diaphragm and supported by the diaphragm on the inside of the frame so as to be movable with respect to the frame;
Drive means for orbiting the inner weight;
A plurality of piezoelectric elements for detecting three-axis angular velocity components provided in the thin-walled portion and orthogonal to each other;
A plurality of piezoresistive elements provided on the surface layer of the thick part for detecting three-axis acceleration components orthogonal to each other;
Motion sensor with