WO2007086337A1 - 慣性力センサ - Google Patents

Abstract

　慣性力センサは、慣性力を検出するための検出素子を含み、検出素子は第１の直交アームと支持部とを有し、第１の直交アームは、第１アームと第２アームとが実質的に直交方向に連結され、支持部は第１アームを支持する。さらに、第２アームは折曲部を有する。この構成によって、互いに異なる複数の慣性力の検出と、複数の検出軸の慣性力の検出とを実現する、小型の慣性力センサを提供する。

Description

明 細 書

慣性力センサ

技術分野

[0001] 本発明は、航空機、自動車、ロボット、船舶、車両などの移動体の姿勢制御、また は、ナビゲーシヨン (navigation)装置などの各種電子機器に用いられる、慣性力を 検出するための慣性力センサに関する。

背景技術

[0002] 以下、従来の慣性力センサについて説明する。

[0003] 従来、角速度または加速度などの慣性力を検出するための慣性力センサが使用さ れている。従来の慣性力センサが使用される場合、角速度を検出するためには専用 の角速度センサが用いられ、加速度を検出するためには専用の加速度センサが用 いられている。また、互いに直交する X軸、 Y軸、 Z軸の、複数の検出軸に対応する角 速度と加速度とを検出する場合、検出軸の数に応じた、複数の角速度センサと加速 度センサとが用いられて 、る。

[0004] したがって、各種電子機器において、角速度と加速度とを複合して検出する場合、 または、複数の検出軸に対して角速度と加速度とを検出する場合、複数の角速度セ ンサと加速度センサとが電子機器の実装基板にそれぞれ実装される。

[0005] たとえば、角速度センサは、音さ形状、または、 H形状、 T形状などの、各種の形状 の検出素子を振動させて、コリオリカの発生に伴う検出素子の歪を電気的に検知し て角速度を検出する。また、たとえば、加速度センサは、錘部を有し、加速度に伴う 錘部の動きが、動作前と比較して検知され、加速度を検出する。

[0006] このような、従来の角速度センサと加速度センサなどの種々の慣性力センサは、検 出対象の慣性力または検出軸に応じて、車両などの移動体の姿勢制御装置または ナビゲーシヨン装置などに用いられて 、る。

[0007] なお、従来の慣性力センサは、たとえば、特開 2001— 208546号公報 (特許文献 1)、または、特開 2001— 74767号公報 (特許文献 2)などに開示されている。

特許文献 1：特開 2001— 208546号公報 特許文献 2：特開 2001 - 74767号公報

発明の開示

[0008] 本発明は、複数の慣性力センサを実装するための大きな実装面積が不要で、角速 度または加速度などの互いに異なる複数の慣性力または、複数の検出軸の慣性力 を検出することができる、小型の慣性力センサを提供する。

[0009] 本発明の慣性力センサは、慣性力を検出するための検出素子を含み、検出素子は 第 1の直交アームと支持部とを有し、第 1の直交アームは、第 1アームと第 2アームと が実質的に直交方向に連結され、支持部は第 1アームを支持する。さらに、第 2ァー ムは、折曲部を有する。この構成によって、互いに異なる複数の慣性力の検出と、複 数の検出軸の慣性力の検出とを実現する、小型の慣性力センサを提供する。

図面の簡単な説明

[0010] [図 1A]図 1Aは本発明の実施の形態 1における慣性力センサに用いられる検出素子 を示す平面図である。

[図 1B]図 1Bは図 1Aに示す検出素子の動作状態を示す動作状態図である。

[図 2A]図 2Aは本発明の実施の形態 1における別の態様による検出素子を示す平面 図である。

[図 2B]図 2Bは本発明の実施の形態 1におけるさらに別の態様による検出素子を示 す平面図である。

[図 3]図 3は本発明の実施の形態 2における慣性力センサの動作状態を示す動作状 態図である。

[図 4A]図 4Aは本発明の実施の形態 3における慣性力センサに用いられる検出素子 を示す平面図である。

[図 4B]図 4Bは図 4Aに示す検出素子の動作状態を示す動作状態図である。

[図 5A]図 5Aは本発明の実施の形態 3における別の態様による検出素子を示す平面 図である。

[図 5B]図 5Bは本発明の実施の形態 3におけるさらに別の態様による検出素子を示 す平面図である。

[図 6A]図 6Aは本発明の実施の形態 4における慣性力センサに用いられる検出素子 の平面図である。

[図 6B]図 6Bは図 6Aに示す検出素子の動作状態を示す動作状態図である。

[図 7A]図 7Aは本発明の実施の形態 4における別の態様による検出素子を示す平面 図である。

[図 7B]図 7Bは本発明の実施の形態 4におけるさらに別の態様による検出素子を示 す平面図である。

[図 8A]図 8Aは本発明の実施の形態 5における慣性力センサに用いられる検出素子 の平面図である。

[図 8B]図 8Bは図 8Aに示す検出素子の動作状態を示す動作状態図である。

[図 9]図 9は本発明の実施の形態 5における別の態様による検出素子を示す平面図 である。

[図 10]図 10は本発明の実施の形態 5におけるさらに別の態様による検出素子の斜視 図である。

[図 11]図 11は本発明の実施の形態 6における慣性力センサに用いられる検出素子 の平面図である。

[図 12]図 12は図 11に示す検出素子の動作状態を示す動作状態図である。

[図 13]図 13は本発明の実施の形態 6における別の態様による検出素子の平面図で ある。

[図 14A]図 14Aは本発明の実施の形態 6におけるさらに別の態様による検出素子の 平面図である。

[図 14B]図 14Bは本発明の実施の形態 6におけるさらに別の態様による検出素子の 平面図である。

符号の説明

1 検出素子

2 第 1アーム

4 第 2アーム

4a 折曲部 6 第 1の直交アーム

7 第 2の直交アーム

8 支持部

9 基部

10 固定用アーム

10b 端部

12 第 3アーム

14 第 4アーム

18 錘部

20 慣性力センサ

発明を実施するための最良の形態

[0012] (実施の形態 1)

図 1Aは本発明の実施の形態 1における慣性力センサに用いられる検出素子の平 面図であり、図 1Bは図 1Aに示す検出素子の動作状態図である。

[0013] 図 1Aにおいて、慣性力センサ 20は、慣性力を検出するための検出素子 1と処理回 路（図示せず）とを有している。検出素子 1は、 2つの第 1の直交アーム 6と支持部 8と を有する。第 1の直交アーム 6は、それぞれ、第 1アーム 2と第 2アーム 4とを有し、第 1 アーム 2が第 2アーム 4と実質的に直交方向に連結されて形成されている。支持部 8 は 2つの第 1アーム 2を支持する。支持部 8は、基部 9の役割も有する。検出素子 1が 実装基板 (図示せず）に実装される際、基部 9を用いて、検出素子 1が実装基板に固 定される。さらに、それぞれの第 2アーム 4が折曲部 4aで折曲され、第 2アーム 4のそ れぞれの端部 4bが第 1アーム 2を挟んで対向する。また、第 2アーム 4の端部 4bには 錘部 18が形成されている。

[0014] また、検出素子 1は、第 1アーム 2と支持部 8とが実質的に同一直線上に配置されて いる。互いに直交する X軸、 Y軸、 Z軸に対して、第 1アーム 2の長手方向が Y軸方向 に配置され、第 2アーム 4の長手方向が X軸方向に配置されて 、る。

[0015] さらに、検出素子 1は、シリコン基板を材料として一体成形されている。なお、シリコ ン基板の上の、駆動振動されるアームには駆動電極が配置され、歪が検知されるァ ームには検知電極が配置されている。なお、図 1Aに示す検出素子 1において、駆動 振動されるアームは第 2アーム 4の端部 4bであり、歪が検知されるアームは第 1ァー ム 2と第 2アーム 4とである。したがって、端部 4bに駆動電極（図示せず）が配置され、 第 1アーム 2と第 2アーム 4とに検知電極（図示せず）が配置されて ヽる。

[0016] 駆動電極と検知電極とは、たとえば、シリコン基板の上に、下部電極と圧電体と上 部電極とがそれぞれ積層されて形成される。下部電極は、たとえば、 Ptが高周波ス ノッタによって形成される。また、圧電体は、たとえば、下部電極の上部に高周波ス ノッタによって PZT圧電体が形成される。さら〖こ、上部電極は、たとえば、圧電体の 上部に Au蒸着によって形成される。

[0017] 下部電極と上部電極とに、検出素子 1を構成するシリコンが共振する共振周波数の 交流電圧を印加すると、駆動電極が配置されたアームが駆動振動される。また、角速 度と加速度とに起因してアームが歪むことによって、歪んだアームに配置される検知 電極から、歪に応じた電圧が出力される。検知電極から出力される出力電圧に基づ いて、処理回路が角速度と加速度とを検出する。

[0018] 上記の構成によって、角速度については、たとえば、図 1Bに示すように、第 2ァー ム 4の端部 4bを X軸方向に駆動振動すれば、 Z軸回りの角速度に起因した歪が第 2 アーム 4の Y軸方向に発生する。すなわち、駆動振動に対応したコリオリカ（Force de Coriolis)が第 2アーム 4の Y軸方向に発生するためである。同時に、 Υ軸回りの 角速度に起因した歪が第 2アーム 4の Ζ軸方向に発生する。同様に、駆動振動に対 応したコリオリカが第 2アーム 4の Ζ軸方向に発生するためである。したがって、少なく とも第 2アーム 4の Υ軸方向と Ζ軸方向とのいずれか一方に発生する歪が検知される ことによって、検出素子 1に生ずる角速度が検出される。なお、端部 4bの X軸方向の 駆動振動は、たとえば、図 1Bに示す、実線の矢印と点線の矢印とが交互に繰り返さ れる駆動振動である。

[0019] また、加速度については、たとえば、同様に、図 1Bに示すように、 X軸方向の加速 度に起因した歪が第 1アーム 2に発生する。すなわち、第 2アーム 4の自重に起因す る力が第 1アーム 2に加わるためである。同時に、 Y軸方向の加速度に起因した歪が 第 2アーム 4に発生する。すなわち、第 2アーム 4の自重に起因する力が第 2アーム 4 に加わるためである。したがって、少なくとも、第 1アーム 2と第 2アーム 4とのいずれか 1つのアームに発生する歪が検知されることによって、検出素子 1に生ずる加速度が 検出される。

[0020] 以上のことによって、検出素子 1に加わる、互いに異なる複数の慣性力が検出され る。また、検出素子 1に加わる、互いに異なる複数の検出軸の慣性力が検出される。 このようにして、実装面積が低減されて、小型化された検出素子 1が実現される。

[0021] なお、本発明の検出素子 1は、第 2アーム 4の端部 4bが駆動振動されるとともに、第 2アーム 4が折曲部 4aにおいて折曲された形状を有する。このことによって、実装面 積が小さく小型化された検出素子 1が実現される。さらに、駆動振動される第 2アーム 4の端部 4bと検出素子 1が固定される基部 9との距離が実質的に長くなる。このことに よって、各方向の角速度と加速度との検出感度が高められる。したがって、小型化さ れた検出素子 1を用いて、複数の異なる角速度と加速度とが高感度で検出される。

[0022] さらに、第 2アーム 4の端部 4bには、錘部 18が形成されている。錘部 18の質量の効 果によって、加速度の検出感度が向上する。同時に、駆動振動における端部 4bの振 幅が大きくなり、角速度の検出感度も向上する。これらの効果は、錘部 18によって、 積定数 (質量 X移動速度）が大きくなるため、駆動振動によって発生するコリオリカが 大きくなるからである。

[0023] なお、図 1Aに示す検出素子 1には、錘部 18が形成されている。しカゝしながら、錘部 18は、必ずしも必要ではない。錘部 18を設けることによって、錘部 18の質量の効果 が発揮され、加速度と角速度との検出感度が向上する。し力しながら、たとえば、図 2 Aに示すように、錘部 18を有さない検出素子 1であっても、本発明の作用と効果とは 発揮される。すなわち、検出素子 1は、第 1アーム 2と第 2アーム 4とが実質的に直交 方向に連結されることによって、第 1の直交アーム 6が形成される。さらに、第 2アーム 4が折曲部 4aで折曲されて、端部 4bが第 1アーム 2を挟んで対向する構成を有する。 この構成によって、複数の異なる角速度と加速度とが、簡単な構成の検出素子 1によ つて検出される。

[0024] また、第 2アーム 4は、複数の折曲部 4aで折曲されることによって、端部 4bが第 2ァ ーム 4と対向する構成であってもよい。さらにまた、図 2Bに示すように、複数の折曲部 4aでメアンダー (meander)状に折曲されて、端部 4bが第 2アーム 4と対向する構成 であってもよい。検出素子 1が、このように構成されることによって、駆動振動される第 2アーム 4の端部 4bと検出素子 1が固定される基部 9との距離が実質的に長くなる。こ のことによって、上記の作用と効果とがより向上する。したがって、実装面積が小さく 小型化され、高い検出感度を有する検出素子 1が実現される。

[0025] なお、検出素子 1に加えられる駆動振動の位置は、必ずしも、第 2アーム 4の端部 4 bに限らない。第 2アーム 4のその他の位置、またはその他のアームが駆動振動され てもよい。

[0026] (実施の形態 2)

本発明の実施の形態 2による慣性力センサとして、図 3に示すような構成であっても よい。実施の形態 2による慣性力センサにおいて、実施の形態 1による慣性力センサ と同様の構成については、同じ符号を付し、詳細な説明は省略する。

[0027] 図 3に示すように、検出素子 1は、 2つの第 1アーム 2を支持する支持部 8が 2つの固 定用アーム 10に連結されている。固定用アーム 10の端部 10bには、それぞれの基 部 9が形成されている。基部 9は、検出素子 1が実装される実装基板（図示せず）に固 定される。第 2アーム 4のそれぞれの端部 4bは、互いに固定用アーム 10とは遠ざ力る 側に、折曲部 4aで折曲された構成である。なお、図示しないが、第 2アーム 4の端部 4bに錘部 18が形成されてもょ 、。

[0028] 実施の形態 2による慣性力センサ 20は、実施の形態 1による慣性力センサ 20と同 様に、検出素子 1は、シリコン基板を材料として一体成形される。そして、駆動振動さ れるアームは第 2アーム 4の端部 4bであり、歪が検知されるアームは第 1アーム 2と第 2アーム 4と固定用アーム 10とである。したがって、端部 4bに駆動電極（図示せず）が 配置され、第 1アーム 2と第 2アーム 4と固定用アーム 10とに検知電極（図示せず）が 配置されている。

[0029] さらに、実施の形態 1と同様に、たとえば、図 3に示すように、実線の矢印と点線の 矢印とが交互に繰り返される駆動振動が端部 4bの X軸方向に加えられる。端部 4bの 駆動振動に対応したコリオリカによる歪が検出されることによって、角速度が検出され る。 [0030] なお、図 3に示す検出素子 1では、特に、 Y軸方向の加速度に起因した歪が固定用 アーム 10に発生する。固定用アーム 10に発生する歪が検知電極を用いて検知され ることによって、 Y軸方向の加速度の検出が可能である。したがって、実施の形態 1と 同様に、実装面積が低減されて、小型化された検出素子 1が実現される。

[0031] なお、検出素子 1に加えられる駆動振動の位置は、必ずしも、第 2アーム 4の端部 4 bに限らない。第 2アーム 4のその他の位置、またはその他のアームが駆動振動され てもよい。

[0032] (実施の形態 3)

図 4Aは本発明の実施の形態 3における慣性力センサに用いられる検出素子の平 面図であり、図 4Bは、図 4Aに示す検出素子の動作状態図である。なお、実施の形 態 3による慣性力センサにおいて、実施の形態 1または 2による慣性力センサと同様 の構成については、同じ符号を付し、詳細な説明は省略する。

[0033] 図 4Aにおいて、慣性力センサ 20は、慣性力を検出するための検出素子 1と処理回 路（図示せず）とを有している。検出素子 1は、 2つの第 1の直交アーム 6と支持部 8と 2つの固定用アーム 10とを有する。第 1の直交アーム 6は、それぞれ、第 1アーム 2と 第 2アーム 4とを有し、第 1アーム 2が第 2アーム 4と実質的に直交方向に連結されて 形成されている。支持部 8は 2つの第 1アーム 2を支持する。固定用アーム 10は、一 端が支持部 8に連結され、他端である端部 10bに基部 9が形成されている。基部 9は 、検出素子 1が実装される実装基板（図示せず）に固定されている。さらに、固定用ァ ーム 10は、それぞれ、第 3アーム 12と第 4アーム 14とを有し、第 3アーム 12が第 4ァ ーム 14と実質的に直交方向に連結されて形成されている。すなわち、固定用アーム 10は、第 3アーム 12と第 4アーム 14とによって構成された第 2の直交アーム 7を構成 する。なお、基部 9が形成されている固定用アーム 10の端部 10bは、第 4アーム 14の 端部でもあり、第 2の直交アーム 7の端部でもある。さらに、それぞれの第 2アーム 4が 折曲部 4aで折曲され、第 2アーム 4のそれぞれの端部 4bが第 1アーム 2と対向する。 なお、第 1アーム 2と第 2アーム 4の端部 4bとは、外観上、固定用アーム 10を間に挟 んで対向している。さらに、それぞれの第 2アーム 4が折曲部 4aで折曲されることによ つて、第 2アーム 4の端部 4bは別の第 2アーム 4の端部 4bとも対向して 、る。 [0034] また、検出素子 1は、第 1アーム 2と支持部 8とが実質的に同一直線上に配置されて いる。また、第 3アーム 12と支持部 8とが実質的に同一直線上に配置されている。さら に、第 1アーム 2と第 3アーム 12とが互いに実質的に直交方向に配置されている。な お、互いに直交する X軸、 Y軸、 Z軸に対して、第 1アーム 2の長手方向と第 4アーム 1 4の長手方向とが Y軸方向に配置され、第 2アーム 4の長手方向と第 3アーム 12の長 手方向とが X軸方向に配置されて！、る。

[0035] さらに、検出素子 1は、実施の形態 1と同様に、シリコン基板を材料として一体成形 されている。なお、図 4Aに示す検出素子 1において、駆動振動されるアームは第 2ァ ーム 4の端部 4bであり、歪が検知されるアームは、第 1アーム 2と第 2アーム 4と第 3ァ ーム 12と第 4アーム 14とである。したがって、端部 4bに駆動電極（図示せず）が配置 され、第 1アーム 2と第 2アーム 4と第 3アーム 12と第 4アーム 14とに検知電極（図示せ ず）が配置されている。なお、検知電極は、必ずしも、第 1アーム 2と第 2アーム 4と第 3 アーム 12と第 4アーム 14とのすベてのアームに設けられていなくてもよい。検知電極 は、歪を検知するべきアームに設けられて 、ればよ！/、。

[0036] 上記の構成によって、角速度については、たとえば、図 4Bに示すように、第 2ァー ム 4の端部 4bを X軸方向に駆動振動すれば、 Z軸回りの角速度に起因した歪が第 2 アーム 4の Y軸方向に発生する。すなわち、駆動振動に対応したコリオリカが第 2ァ ーム 4の Y軸方向に発生するためである。同時に、 Y軸回りの角速度に起因した歪が 第 2アーム 4の Z軸方向に発生する。すなわち、駆動振動に対応したコリオリカが第 2 アーム 4の Z軸方向に発生するためである。したがって、第 2アーム 4の Y軸方向と Z 軸方向とに発生する歪が検知されることによって、検出素子 1に生ずる角速度が検出 される。なお、端部 4bの X軸方向の駆動振動は、たとえば、図 4Bに示す、実線の矢 印と点線の矢印とが交互に繰り返される駆動振動である。

[0037] また、加速度については、たとえば、同様に、図 4Bに示すように、 X軸方向の加速 度に起因した歪が第 4アーム 14に発生する。すなわち、第 1アーム 2と第 2アーム 4と 第 3アーム 12との自重に起因する力が第 4アーム 14に加わるためである。同時に、 Y 軸方向の加速度に起因した歪が第 3アーム 12に発生する。すなわち、第 1アーム 2と 第 2アーム 4との自重に起因する力が第 3アーム 12に加わるためである。したがって、 少なくとも第 3アーム 12と第 4アーム 14とのいずれか 1つのアームに発生する歪が検 知されることによって、検出素子 1に生ずる加速度が検出される。

[0038] 以上のことによって、検出素子 1に加わる、互いに異なる複数の慣性力が検出され る。また、検出素子 1に加わる、互いに異なる複数の検出軸の慣性力が検出される。 このようにして、実装面積が低減されて、小型化された検出素子 1が実現される。

[0039] なお、本発明の検出素子 1は、第 2アーム 4の端部 4bが駆動振動されるとともに、第 2アーム 4が折曲部 4aにおいて折曲された形状を有する。このことによって、実装面 積が小さく小型化された検出素子 1が実現される。さらに、駆動振動される第 2アーム 4の端部 4bと検出素子 1が固定される基部 9との距離が実質的に長くなる。このことに よって、各方向の角速度と加速度との検出感度が高められる。したがって、小型化さ れた検出素子 1を用いて、各方向の角速度と加速度とが高感度で検出される。さらに 、本発明の検出素子 1は、複数の異なる第 1の直交アーム 6と第 2の直交アーム 7とを 有する。このことによって、実装面積が小さく検出感度の優れた検出素子 1が実現さ れる。

[0040] さらに、第 2アーム 4の端部 4bには、錘部 18が形成されている。錘部 18の質量の効 果によって、加速度の検出感度が向上する。同時に、駆動振動における端部 4bの振 幅が大きくなり、角速度の検出感度も向上する。なお、錘部 18が形成されることによ る効果は、実施の形態 1と同様である。

[0041] なお、図 4Aに示す検出素子 1には、錘部 18が形成されている。しカゝしながら、錘部 18は、必ずしも必要ではない。たとえば、図 5Aに示すように、錘部 18を有さない検 出素子 1であっても、本発明の作用と効果とは発揮される。すなわち、複数の異なる 角速度と加速度とが感度よく検出される。

[0042] また、第 2アーム 4は、複数の折曲部 4aで折曲されることによって、端部 4bが第 2ァ ーム 4と対向する構成であってもよい。さらにまた、図 5Bに示すように、第 2アーム 4は 、複数の折曲部 4aでメアンダー状に折曲されて、端部 4bが第 2アーム 4と対向する構 成であってもよい。検出素子 1が、このように構成されることによって、上記の作用と効 果とがより向上する。したがって、実装面積が小さく小型化され、高い検出感度を有 する検出素子 1が実現される。 [0043] なお、検出素子 1に加えられる駆動振動の位置は、必ずしも、第 2アーム 4の端部 4 bに限らない。第 2アーム 4のその他の位置、またはその他のアームが駆動振動され てもよい。

[0044] (実施の形態 4)

図 6Aは本発明の実施の形態 4における慣性力センサに用いられる検出素子の平 面図であり、図 6Bは図 6Aに示す検出素子の動作状態図である。なお、実施の形態 4による慣性力センサにおいて、実施の形態 1から 3による慣性力センサと同様の構 成については、同じ符号を付し、詳細な説明は省略する。

[0045] 図 6Aにおいて、慣性力センサ 20は、慣性力を検出するための検出素子 1と処理回 路（図示せず）とを有している。検出素子 1は、 2つの第 1の直交アーム 6と支持部 8と 2つの固定用アーム 10とを有する。第 1の直交アーム 6は、それぞれ、第 1アーム 2と 第 2アーム 4とを有し、第 1アーム 2が第 2アーム 4と実質的に直交方向に連結されて 形成されている。支持部 8は 2つの第 1アーム 2を支持する。固定用アーム 10は、一 端が支持部 8に連結され、他端である端部 10bに基部 9が形成されている。基部 9は 、検出素子 1が実装される実装基板（図示せず）に固定されている。さらに、それぞれ の第 2アーム 4が折曲部 4aで折曲され、第 2アーム 4のそれぞれの端部 4bが第 2ァー ム 4と対向する。また、第 2アーム 4の端部 4bには錘部 18が形成されている。

[0046] また、検出素子 1は、第 1アーム 2と支持部 8とが実質的に同一直線上に配置されて いる。また、固定用アーム 10と支持部 8とが実質的に同一直線上に配置されている。 さらに、第 1アーム 2と固定用アーム 10とが互いに実質的に直交方向に配置されてい る。なお、互いに直交する X軸、 Y軸、 Z軸に対して、第 1アーム 2の長手方向が Y軸 方向に配置され、第 2アーム 4の長手方向が X軸方向に配置されて 、る。

[0047] さらに、検出素子 1は、実施の形態 1と同様に、シリコン基板を材料として一体成形 されている。なお、図 6Aに示す検出素子 1において、駆動振動されるアームは第 2ァ ーム 4の端部 4bであり、歪が検知されるアームは、第 1アーム 2と第 2アーム 4と固定 用アーム 10とである。したがって、端部 4bに駆動電極（図示せず）が配置され、第 1 アーム 2と第 2アーム 4と固定用アーム 10とに検知電極（図示せず）が配置されて 、る 。なお、検知電極は、必ずしも、第 1アーム 2と第 2アーム 4と固定用アーム 10とのす ベてのアームに設けられていなくてもよい。検知電極は、歪を検知するべきアームに 設けられていればよい。

[0048] 上記の構成によって、角速度については、たとえば、図 6Bに示すように、第 2ァー ム 4の端部 4bを Y軸方向に駆動振動すれば、 Z軸回りの角速度に起因した歪が第 1 アーム 2の X軸方向に発生する。すなわち、駆動振動に対応したコリオリカが第 2ァー ム 4の X軸方向に発生するためである。同時に、 X軸回りの角速度に起因した歪が第 2アーム 4の Z軸方向に発生する。すなわち、駆動振動に対応したコリオリカが第 2ァ ーム 4の Z軸方向に発生するためである。したがって、第 1アーム 2の X軸方向と第 2ァ ーム 4の Z軸方向とに発生する歪が検知されることによって、検出素子 1に生ずる角 速度が検出される。なお、端部 4bの Y軸方向の駆動振動は、たとえば、図 6Bに示す 、実線の矢印と点線の矢印とが交互に繰り返される駆動振動である。

[0049] また、加速度については、たとえば、同様に、図 6Bに示すように、 X軸方向の加速 度に起因した歪が第 1アーム 2に発生する。すなわち、第 2アーム 4の自重に起因す る力が第 1アーム 2に加わるためである。同時に、 Y軸方向の加速度に起因した歪が 固定用アーム 10に発生する。すなわち、第 1アーム 2と第 2アーム 4との自重に起因 する力が固定用アーム 10に加わるためである。したがって、少なくとも第 1アーム 2と 固定用アーム 10とのいずれ力 1つのアームに発生する歪が検知されることによって、 検出素子 1に生ずる加速度が検出される。

[0050] 以上のことによって、検出素子 1に加わる、互いに異なる複数の慣性力が検出され る。また、検出素子 1に加わる、互いに異なる複数の検出軸の慣性力が検出される。 したがって、実装面積が低減されて、小型化された検出素子 1が実現される。

[0051] なお、検出素子 1は、第 2アーム 4が折曲部 4aにおいて折曲されて、第 2アーム 4が 相互に対向して配置されている。このことによって、実装面積が小さく小型化された 検出素子 1が実現される。さらに、第 2アーム 4の端部 4bが駆動振動されることによつ て、各アームの歪が検知される。すなわち、検出素子 1が、このように構成されること によって、駆動振動される第 2アーム 4の端部 4bと検出素子 1が固定される基部 9との 距離が実質的に長くなる。このことによって、駆動振動における端部 4bの振幅が大き くなり、角速度の検出感度が向上する。したがって、小型化された検出素子 1を用い て、複数の異なる角速度と加速度とが高感度で検出される。

[0052] さらに、第 2アーム 4の端部 4bには、錘部 18が形成されている。錘部 18の質量の効 果によって、加速度の検出感度が向上する。同時に、駆動振動における端部 4bの振 幅が大きくなり、角速度の検出感度も向上する。なお、錘部 18が形成されることによ る効果は、実施の形態 1と同様である。

[0053] なお、図 6Aに示す検出素子 1には、錘部 18が形成されている。しカゝしながら、錘部 18は、必ずしも必要ではない。たとえば、図 7Aに示すように、錘部 18を有さない検 出素子 1であっても、本発明の作用と効果とは発揮される。すなわち、複数の異なる 角速度と加速度とが感度よく検出される。

[0054] また、第 2アーム 4は、複数の折曲部 4aで折曲されることによって、端部 4bが第 2ァ ーム 4と対向する構成であってもよい。さらにまた、図 7Bに示すように、第 2アーム 4は 、複数の折曲部 4aでメアンダー状に折曲されて、端部 4bが第 2アーム 4と対向する構 成であってもよい。検出素子 1が、このように構成されることによって、角速度の検出 感度が向上する。したがって、実装面積が小さく小型化され、高い検出感度を有する 検出素子 1が実現される。

[0055] なお、検出素子 1に加えられる駆動振動の位置は、必ずしも、第 2アーム 4の端部 4 bに限らない。第 2アーム 4のその他の位置、またはその他のアームが駆動振動され てもよい。

[0056] (実施の形態 5)

図 8Aは本発明の実施の形態 5における慣性力センサに用いられる検出素子の平 面図であり、図 8Bは図 8Aに示す検出素子の動作状態図である。なお、実施の形態 5による慣性力センサにおいて、実施の形態 1から 4による慣性力センサと同様の構 成については、同じ符号を付し、詳細な説明は省略する。

[0057] 図 8Aにおいて、慣性力センサ 20は、慣性力を検出する検出素子 1と処理回路（図 示せず）とを有している。検出素子 1は、 2つの第 1の直交アーム 6と支持部 8と 2つの 固定用アーム 10とを有する。第 1の直交アーム 6は、それぞれ、第 1アーム 2と第 2ァ ーム 4とを有し、第 1アーム 2が第 2アーム 4と実質的に直交方向に連結されて形成さ れている。支持部 8は 2つの第 1アーム 2を支持する。固定用アーム 10は、一端が支 持部 8に連結され、他端である端部 10bに基部 9が形成されている。基部 9は、検出 素子 1が実装される実装基板（図示せず）に固定されている。さらに、固定用アーム 1 0は、それぞれ、第 3アーム 12と第 4アーム 14とを有し、第 3アーム 12が第 4アーム 14 と実質的に直交方向に連結されて形成されている。すなわち、固定用アーム 10は、 第 3アーム 12と第 4アーム 14とによって構成された第 2の直交アーム 7を構成する。な お、基部 9が形成されている固定用アーム 10の端部 10bは、第 4アーム 14の端部で もあり、第 2の直交アーム 7の端部でもある。さらに、第 3アーム 12の少なくとも一部が 第 1アーム 2を兼ねている。さらに、それぞれの第 2アーム 4が折曲部 4aで折曲され、 第 2アーム 4のそれぞれの端部 4bが第 2アーム 4と相互に対向している。さらに、それ ぞれの第 2アーム 4が折曲部 4aで折曲されることによって、第 2アーム 4の端部 4bは 第 4アーム 14とも対向して 、る。

[0058] また、検出素子 1は、第 3アーム 12と支持部 8とが実質的に同一直線上に配置され ている。言い換えると、第 1アーム 2と支持部 8とが実質的に同一直線上に配置されて いる。なお、互いに直交する X軸、 Y軸、 Z軸に対して、第 1アーム 2の長手方向と第 3 アーム 12の長手方向とが Y軸方向に配置され、第 2アーム 4の長手方向と第 4アーム 14の長手方向とが X軸方向に配置されて 、る。

[0059] さらに、検出素子 1は、実施の形態 1と同様に、シリコン基板を材料として一体成形 されている。なお、図 8Aに示す検出素子 1において、駆動振動されるアームは第 2ァ ーム 4の端部 4bであり、歪が検知されるアームは第 1アーム 2と第 2アーム 4と固定用 アーム 10とである。したがって、端部 4bに駆動電極（図示せず）が配置され、第 1ァ ーム 2と第 2アーム 4と第 3アーム 12と第 4アーム 14とに検知電極（図示せず）が配置 されている。なお、検知電極は、必ずしも、第 1アーム 2と第 2アーム 4と第 3アーム 12 と第 4アーム 14とのすベてのアームに設けられていなくてもよい。検知電極は、歪を 検知するべきアームに設けられて 、ればよ！/、。

[0060] 上記の構成によって、角速度については、たとえば、図 8Bに示すように、第 2ァー ム 4の端部 4bを Y軸方向に駆動振動すれば、 Z軸回りの角速度に起因した歪が第 3 アーム 12の X軸方向に発生する。すなわち、駆動振動に対応したコリオリカが第 2ァ ーム 4の X軸方向に発生するためである。同時に、 X軸回りの角速度に起因した歪が 第 2アーム 4と第 3アーム 12と第 4アーム 14との Z軸方向に発生する。すなわち、駆動 振動に対応したコリオリカが第 2アーム 4と第 3アーム 12と第 4アーム 14との Z軸方向 に発生するためである。したがって、第 2アーム 4の Y軸方向と、少なくとも第 2アーム 4と第 3アーム 12と第 4アーム 14とのいずれ力 1つのアームの Z軸方向と、に発生する 歪が検知されることによって、検出素子 1に生ずる角速度が検出される。なお、端部 4 bの Y軸方向の駆動振動は、たとえば、図 8Bに示す、実線の矢印と点線の矢印とが 交互に繰り返される駆動振動である。

[0061] また、加速度については、たとえば、同様に、図 8Bに示すように、 X軸方向の加速 度に起因した歪が第 3アーム 12に発生する。すなわち、第 2アーム 4の自重に起因す る力が第 3アーム 12に加わるためである。同時に、 Y軸方向の加速度に起因した歪 が第 4アーム 14に発生する。すなわち、第 2アーム 4と第 3アーム 12との自重に起因 する力が第 4アーム 14に加わるためである。したがって、少なくとも第 3アーム 12と第 4アーム 14との!/、ずれ力 1つのアームに発生する歪が検知されることによって、検出 素子 1に生ずる加速度が検出される。

[0062] 以上のことによって、検出素子 1に加わる、互いに異なる複数の慣性力が検出され る。また、検出素子 1に加わる、互いに異なる複数の検出軸の慣性力が検出される。 このようにして、実装面積が低減されて、小型化された検出素子 1が実現される。

[0063] なお、検出素子 1は、第 2アーム 4が折曲部 4aにおいて折曲されて、第 2アーム 4が 相互に対向して配置されている。このことによって、実装面積が小さく小型化された 検出素子 1が実現される。さらに、第 2アーム 4の端部 4bが駆動振動されることによつ て、各アームの歪が検知される。すなわち、検出素子 1が、このように構成されること によって、駆動振動される第 2アーム 4の端部 4bと検出素子 1が固定される基部 9との 距離が実質的に長くなる。このことによって、駆動振動における端部 4bの振幅が大き くなり、角速度の検出感度が向上する。したがって、小型化された検出素子 1を用い て、複数の異なる角速度と加速度とが高感度で検出される。

[0064] また、第 2アーム 4は、複数の折曲部 4aで折曲されることによって、端部 4bが第 2ァ ーム 4と対向する構成であってもよい。さらにまた、図 9に示すように、第 2アーム 4は、 複数の折曲部 4aでメアンダー状に折曲されて、端部 4bが第 2アーム 4と対向する構 成であってもよい。検出素子 1が、このように構成されることによって、角速度の検出 感度が向上する。したがって、実装面積が小さく小型化され、高い検出感度を有する 検出素子 1が実現される。

[0065] さらに、第 2アーム 4の端部 4bに、錘部 18が形成された場合、加速度の検出感度が より向上する。さらに、駆動振動における端部 4bの振幅が大きくなることによって、角 速度の検出感度も向上する。

[0066] したがって、図 10に示すように、第 2アーム 4が折曲部 4aで折曲され、端部 4bが第 2アーム 4と対向する構成であり、端部 4bに錘部 18が形成された場合、角速度とカロ 速度との両方の検出感度が向上する。

[0067] なお、検出素子 1に加えられる駆動振動の位置は、必ずしも、第 2アーム 4の端部 4 bに限らない。第 2アーム 4のその他の位置、またはその他のアームが駆動振動され てもよい。

[0068] (実施の形態 6)

図 11は本発明の実施の形態 6における慣性力センサに用いられる検出素子の平 面図であり、図 12は図 11に示す検出素子の動作状態図である。なお、実施の形態 6 による慣性力センサにおいて、実施の形態 1から 5による慣性力センサと同様の構成 については、同じ符号を付し、詳細な説明は省略する。

[0069] 図 11において、慣性力センサ 20は、慣性力を検出するための検出素子 1と処理回 路（図示せず）とを有している。検出素子 1は、 2つの第 1の直交アーム 6と支持部 8と 2つの固定用アーム 10とを有する。第 1の直交アーム 6は、それぞれ、第 1アーム 2と 第 2アーム 4とを有し、第 1アーム 2が第 2アーム 4と実質的に直交方向に連結されて 形成されている。支持部 8は 2つの第 1アーム 2を支持する。固定用アーム 10は、一 端が支持部 8に連結され、他端である端部 10bに基部 9が形成されている。基部 9は 、検出素子 1が実装される実装基板（図示せず）に固定されている。さらに、固定用ァ ーム 10の少なくとも一部が第 1アーム 2を兼ねている。

[0070] また、検出素子 1は、固定用アーム 10と支持部 8とが実質的に同一直線上に配置さ れている。言い換えると、第 1アーム 2と支持部 8とが実質的に同一直線上に配置され ている。また、互いに直交する X軸、 Y軸、 Z軸に対して、第 1アーム 2の長手方向と固 定用アーム 10の長手方向とが Y軸方向に配置され、第 2アーム 4の長手方向が X軸 方向に配置されている。

[0071] さらに、検出素子 1は、実施の形態 1と同様に、シリコン基板を材料として一体成形 されている。なお、図 11に示す検出素子 1において、駆動振動させるアームは第 2ァ ーム 4の端部 4bであり、歪が検知させるアームは、第 2アーム 4と固定用アーム 10と である。したがって、端部 4bに駆動電極（図示せず）が配置され、第 2アーム 4と固定 用アーム 10とに検知電極（図示せず）が配置されている。なお、検知電極は、必ずし も、第 1アーム 2と第 2アーム 4と固定用アーム 10とのすベてのアームに設けられて!/ヽ なくてもよい。検知電極は、歪を検知するべきアームに設けられていればよい。

[0072] 上記の構成によって、角速度については、たとえば、図 12に示すように、第 2アーム 4の端部 4bを Y軸方向に駆動振動すれば、 Z軸回りの角速度に起因した歪が固定用 アーム 10の X軸方向に発生する。すなわち、駆動振動に対応したコリオリカが第 2ァ ーム 4の X軸方向に発生するためである。同時に、 X軸回りの角速度に起因した歪が 固定用アーム 10と第 2アーム 4との Z軸方向に発生する。すなわち、駆動振動に対応 したコリオリカが第 2アーム 4と固定用アーム 10との Z軸方向に発生するためである。 したがって、固定用アーム 10の X軸方向と、少なくとも第 2アーム 4と固定用アーム 10 とのいずれ力 1つのアームの Z軸方向と、に発生する歪が検知されることによって、検 出素子 1に生ずる角速度が検出される。なお、端部 4bの Y軸方向の駆動振動は、た とえば、図 12に示す、実線の矢印と点線の矢印とが交互に繰り返される駆動振動で ある。

[0073] また、加速度については、たとえば、同様に、図 12に示すように、 X軸方向の加速 度に起因した歪が固定用アーム 10に発生する。すなわち、第 2アーム 4の自重に起 因する力が固定用アーム 10に加わるためである。同時に、 Y軸方向の加速度に起因 した歪が第 2アーム 4に発生する。すなわち、第 2アーム 4の自重に起因する力が第 2 アーム 4に加わるためである。したがって、少なくとも固定用アーム 10と第 2アーム 4と の!、ずれか 1つのアームに発生する歪が検知されることによって、検出素子 1に生ず る加速度が検出される。

[0074] 以上のことによって、検出素子 1に加わる、互いに異なる複数の慣性力が検出され る。また、検出素子 1に加わる、互いに異なる複数の検出軸の慣性力が検出される。 このようにして、実装面積が低減されて、小型化された検出素子 1が実現される。

[0075] さらに、図 13に示すように、第 2アーム 4の端部 4bに、錘部 18が形成された場合、 加速度の検出感度がより向上する。さらに、駆動振動における端部 4bの振幅が大き くなることによって、角速度の検出感度も向上する。

[0076] また、図 14Aに示すように、第 2アーム 4が複数の折曲部 4aで折曲されることによつ て、端部 4bが第 2アーム 4対向する構成であってもよい。さらにまた、図 14Bに示すよ うに、第 2アーム 4は、複数の折曲部 4aでメアンダー状に折曲されて、端部 4bが第 2 アーム 4と対向する構成であってもよい。検出素子 1が、このように構成されることによ つて、駆動振動における端部 4bの振幅が大きくなり角速度の検出感度が向上する。 したがって、実装面積が小さく小型化され、高い検出感度を有する検出素子 1が実 現される。

[0077] なお、検出素子 1に加えられる駆動振動の位置は、必ずしも、第 2アーム 4の端部 4 bに限らない。第 2アーム 4のその他の位置、またはその他のアームが駆動振動され てもよい。

産業上の利用可能性

[0078] 本発明に係る慣性力センサは、複数の慣性力の検出と、複数の検出軸の慣性力の 検出とが可能で、各種電子機器に適用される。

Claims

請求の範囲

[1] 慣性力を検出するための検出素子を備え、

前記検出素子は、

第 1アームと第 2アームとを有し、前記第 1アームと前記第 2アームとが実質的に直 交方向に連結されて形成された 2つの第 1の直交アームと、

前記第 1アームを支持する支持部と、を有し、

前記第 2アームは、前記第 2アームが折曲される折曲部を有する、

慣性力センサ。

[2] 前記第 2アームが前記折曲部で折曲されて、前記第 1アームと対向する、

請求項 1に記載の慣性力センサ。

[3] 前記第 1アームと前記支持部とが実質的に同一直線上に配置された、

請求項 2に記載の慣性力センサ。

[4] 前記第 2アームは、前記第 1アームと対向する方向に前記第 2アームの端部が駆動 振動され、

前記第 1アームまたは前記第 2アームの歪を検知することによって、角速度を検出す る、

請求項 2に記載の慣性力センサ。

[5] 前記第 1アームまたは前記第 2アームの歪を検知することによって、加速度を検出す る、

請求項 2に記載の慣性力センサ。

[6] 前記検出素子は、

前記第 2アームの端部に形成された錘部を、さらに備えた、

請求項 2に記載の慣性力センサ。

[7] 前記第 2アームの端部力 Sメアンダー状に折曲された、

請求項 2に記載の慣性力センサ。

[8] 前記検出素子は、

前記支持部に連結されるとともに、前記検出素子が実装される実装基板に固定さ れる 2つの固定用アームをさらに有し、 前記固定用アームは、

第 3アームと第 4アームとを有し、前記第 3アームと前記第 4アームとが実質的に直 交方向に連結されて形成された第 2の直交アームであって、

前記第 3アームが前記支持部によって支持され、

前記固定用アームが前記第 4アームによって前記実装基板に固定された、 請求項 1に記載の慣性力センサ。

[9] 前記第 2アームが前記折曲部で折曲されて、前記第 2アームと対向する、

請求項 8に記載の慣性力センサ。

[10] 前記第 1アームと前記支持部とが実質的に同一直線上に配置され、

前記第 3アームと前記支持部とが実質的に同一直線上に配置され、

前記第 1アームと前記第 3アームとが互いに実質的に直交方向に配置された、 請求項 8に記載の慣性力センサ。

[11] 前記第 2アームは、前記第 1アームと対向する方向に前記第 2アームの端部が駆動 振動され、

少なくとも前記第 1アームと前記第 2アームと前記第 3アームと前記第 4アームとのい ずれ力 1つのアームの歪を検知することによって、角速度を検出する、

請求項 8に記載の慣性力センサ。

[12] 少なくとも前記第 1アームと前記第 2アームと前記第 3アームと前記第 4アームとのい ずれ力 1つのアームの歪を検知することによって、加速度を検出する、

請求項 8に記載の慣性力センサ。

[13] 前記検出素子は、

前記第 2アームの端部に形成された錘部を、さらに備えた、

請求項 8に記載の慣性力センサ。

[14] 前記第 2アームの端部力^アンダー状に折曲された、

請求項 8に記載の慣性力センサ。

[15] 前記検出素子は、

前記支持部に連結されるとともに、前記検出素子が実装される実装基板に固定さ れる 2つの固定用アームをさらに有し、 前記第 2アームが前記折曲部で折曲されて、前記第 2アームと対向する、 請求項 1に記載の慣性力センサ。

[16] 前記第 1アームと前記支持部とが実質的に同一直線上に配置され、

前記固定用アームと前記支持部とが実質的に同一直線上に配置され、

前記第 1アームと前記固定用アームとが互いに実質的に直交方向に配置された、 請求項 15に記載の慣性力センサ。

[17] 前記第 2アームは、前記第 2アームと対向する方向に前記第 2アームの端部が駆動 振動され、

少なくとも前記第 1アームと前記第 2アームと前記固定用アームとのいずれか 1つのァ ームの歪を検知することによって、角速度を検出する、

請求項 15に記載の慣性力センサ。

[18] 少なくとも前記第 1アームと前記第 2アームと前記固定用アームとのいずれか 1つのァ ームの歪を検知することによって、加速度を検出する、

請求項 15に記載の慣性力センサ。

[19] 前記検出素子は、

前記第 2アームの端部に形成された錘部を、さらに備えた、

請求項 15に記載の慣性力センサ。

[20] 前記第 2アームの端部力^アンダー状に折曲された、

請求項 15に記載の慣性力センサ。

[21] 前記検出素子は、

前記支持部に連結されるとともに、前記検出素子が実装される実装基板に固定さ れる 2つの固定用アームをさらに有し、

前記固定用アームは、

第 3アームと第 4アームとを有し、前記第 3アームと前記第 4アームとが実質的に直 交方向に連結されて形成された第 2の直交アームであって、

前記第 3アームの少なくとも一部が前記第 1アームを兼ねており、

前記固定用アームが前記第 4アームによって前記実装基板に固定された、 請求項 1に記載の慣性力センサ。

[22] 前記第 2アームが前記折曲部で折曲されて、前記第 2アームと対向する、 請求項 21記載の慣性力センサ。

[23] 前記第 3アームと前記支持部とが実質的に同一直線上に配置された、

請求項 21記載の慣性力センサ。

[24] 前記第 2アームは、前記第 2アームと対向する方向に前記第 2アームの端部が駆動 振動され、

少なくとも前記第 1アームと前記第 2アームと前記第 3アームと前記第 4アームとのい ずれ力 1つのアームの歪を検知することによって、角速度を検出する、

請求項 21記載の慣性力センサ。

[25] 少なくとも前記第 1アームと前記第 2アームと前記第 3アームと前記第 4アームとのい ずれ力 1つのアームの歪を検知することによって、加速度を検出する、

請求項 21記載の慣性力センサ。

[26] 前記検出素子は、

前記第 2アームの端部に形成された錘部を、さらに備えた、

請求項 21記載の慣性力センサ。

[27] 前記第 2アームの端部をメアンダー状に折曲された、

請求項 21記載の慣性力センサ。

[28] 前記検出素子は、

前記支持部に連結されるとともに、前記検出素子が実装される実装基板に固定さ れる 2つの固定用アームをさらに有し、

前記固定用アームは、

前記固定用アームの少なくとも一部が前記第 1アームを兼ねた、

請求項 1に記載の慣性力センサ。

[29] 前記第 2アームが前記折曲部で折曲されて、前記第 2アームと対向する、

請求項 28記載の慣性力センサ。

[30] 前記固定用アームと前記支持部とが実質的に同一直線上に配置された、

請求項 28記載の慣性力センサ。

[31] 前記第 2アームは、前記第 2アームと対向する方向に前記第 2アームの端部が駆動 振動され、

少なくとも前記第 1アームと前記第 2アームと前記固定用アームとのいずれか 1つのァ ームの歪を検知することによって、角速度を検出する、

請求項 28記載の慣性力センサ。

[32] 少なくとも前記第 1アームと前記第 2アームと前記固定用アームとのいずれか 1つのァ ームの歪を検知することによって、加速度を検出する、

請求項 28記載の慣性力センサ。

[33] 前記検出素子は、

前記第 2アームの端部に形成された錘部を、さらに備えた、

請求項 28記載の慣性力センサ。

[34] 前記第 2アームの端部をメアンダー状に折曲された、

請求項 28記載の慣性力センサ。