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JP3135181U - Sensor that detects both acceleration and angular velocity - Google Patents

Sensor that detects both acceleration and angular velocity Download PDF

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JP3135181U
JP3135181U JP2007004793U JP2007004793U JP3135181U JP 3135181 U JP3135181 U JP 3135181U JP 2007004793 U JP2007004793 U JP 2007004793U JP 2007004793 U JP2007004793 U JP 2007004793U JP 3135181 U JP3135181 U JP 3135181U
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piezoelectric element
axis
detection
angular velocity
detecting
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JP2007004793U
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Japanese (ja)
Inventor
和廣 岡田
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Wacoh Corp
Original Assignee
Wacoh Corp
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Publication date
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Abstract

【課題】 単純な構造を採りながら、静的・動的な加速度と角速度とを検出する。
【解決手段】 本体基板100の下面には、ドーナツ状の環状溝140が掘られ、肉厚が薄い環状中間部120が形成される。内側部110の下方には重錘体210が接合される。環状中間部120は可撓性を有し、重錘体210は、外側部130に対して変位可能である。環状中間部120の表層内部には、ピエゾ抵抗素子Pが埋め込まれており、その上面には、圧電素子D1,D2,E1,E2が固着されている。加速度により重錘体210が変位すると、環状中間部120が撓み、ピエゾ抵抗素子Pの電気抵抗の変化として加速度検出がなされる。圧電素子E1,E2に交流信号を供給して重錘体210を振動させた状態で、角速度に基づくコリオリ力により重錘体210が変位すると、環状中間部120が撓み、圧電素子D1,D2に生じる電荷により角速度検出がなされる。
【選択図】図2
PROBLEM TO BE SOLVED: To detect static and dynamic acceleration and angular velocity while adopting a simple structure.
A doughnut-shaped annular groove 140 is dug on the lower surface of a main substrate 100 to form an annular intermediate portion 120 having a small thickness. A weight body 210 is joined below the inner portion 110. The annular intermediate part 120 has flexibility, and the weight body 210 can be displaced with respect to the outer part 130. A piezoresistive element P is embedded in the surface layer of the annular intermediate portion 120, and piezoelectric elements D1, D2, E1, and E2 are fixed to the upper surface thereof. When the weight body 210 is displaced by acceleration, the annular intermediate portion 120 is bent, and acceleration is detected as a change in the electric resistance of the piezoresistive element P. When the weight body 210 is displaced by the Coriolis force based on the angular velocity in the state in which the weight body 210 is vibrated by supplying an AC signal to the piezoelectric elements E1 and E2, the annular intermediate portion 120 is bent, and the piezoelectric elements D1 and D2 are deformed. Angular velocity is detected by the generated charge.
[Selection] Figure 2

Description

本考案は、加速度と角速度との双方を検出するセンサ、特に、重錘体に作用する力に基づいて加速度および角速度の検出を行うセンサに関する。   The present invention relates to a sensor that detects both acceleration and angular velocity, and more particularly to a sensor that detects acceleration and angular velocity based on a force acting on a weight body.

産業機械や電子機器などでは、加速度や角速度といった物理量を検出する装置が組み込まれることが多い。このため、小型で高精度な加速度センサや角速度センサが多数開発されてきている。特に、二次元あるいは三次元方向の加速度を検出できる多軸加速度センサや、二軸あるいは三軸まわりの角速度を検出できる多軸角速度センサの需要が高まってきている。たとえば、最近のデジタルカメラには、手振れ制御を行うために、多軸加速度センサや多軸角速度センサなどを内蔵したものが少なくない。このような用途では、センサの小型化が重要な課題であり、1つの小型の装置でありながら、加速度と角速度との双方を検出することが可能な兼用センサ(一般に、モーションセンサと呼ばれている)が望まれている。   Industrial machines and electronic devices often incorporate devices that detect physical quantities such as acceleration and angular velocity. For this reason, many small and highly accurate acceleration sensors and angular velocity sensors have been developed. In particular, there is an increasing demand for multi-axis acceleration sensors that can detect acceleration in two or three dimensions and multi-axis angular velocity sensors that can detect angular velocities around two or three axes. For example, many recent digital cameras incorporate a multi-axis acceleration sensor, a multi-axis angular velocity sensor, or the like in order to perform camera shake control. In such applications, downsizing of the sensor is an important issue, and a single-purpose device that can detect both acceleration and angular velocity (generally called a motion sensor). Is desired).

本願考案者は、このような要望に応えるために、加速度と角速度との双方を検出することが可能なセンサを提案している。たとえば、下記の特許文献1および2には、加速度もしくは角速度の作用によって生じる重錘体(振動子)の変位を圧電素子の撓みとして電気的に検出することにより、加速度と角速度との双方を検出するセンサが開示されている。また、特許文献3には、重錘体(振動子)の変位を静電容量素子の静電容量値の変化として電気的に検出することにより、加速度と角速度との双方を検出するセンサが開示されている。
特開平8−068636号公報 特開2002−350138号公報 特開2005−031096号公報
In order to meet such a demand, the inventor of the present application has proposed a sensor capable of detecting both acceleration and angular velocity. For example, in Patent Documents 1 and 2 below, both acceleration and angular velocity are detected by electrically detecting displacement of a weight body (vibrator) caused by the action of acceleration or angular velocity as bending of a piezoelectric element. A sensor is disclosed. Patent Document 3 discloses a sensor that detects both acceleration and angular velocity by electrically detecting displacement of a weight body (vibrator) as a change in capacitance value of a capacitance element. Has been.
JP-A-8-068636 JP 2002-350138 A JP 2005-031096 A

前述した圧電素子を利用したタイプのセンサは、機械的な変形が加えられると電荷が生じるという圧電素子の性質を利用するものである。そのため、「重錘体の動的な変位(過渡的な運動)」の検出は可能であるが、「重錘体の静的な変位(定位置からのずれ量)」を検出することはできない。したがって、重錘体を運動させることを前提とする角速度検出に関しては、静的な角速度(常に一定方向に一定速度で回転し続ける運動の角速度)も、動的な角速度(回転方向や速度が時間的に変動する運動の角速度)も検出可能であるが、加速度検出に関しては、動的な加速度(加速度の大きさや方向の時間的な変化)の検出は可能であるが、静的な加速度(たとえば、重力加速度のように一定の加速度)の検出を行うことはできない。たとえば、圧電素子に力を加えると、過渡応答として当初は所定の電荷が発生することになるが、加えた力が一定であれば、測定系が安定した後は、電荷の発生は得られなくなる。したがって、重力加速度のように常に一定の加速度(静的加速度)の検出を行うことはできない。   The above-mentioned type of sensor using a piezoelectric element utilizes the property of a piezoelectric element that an electric charge is generated when mechanical deformation is applied. Therefore, “dynamic displacement of the weight body (transient movement)” can be detected, but “static displacement of the weight body (deviation amount from the fixed position)” cannot be detected. . Therefore, with regard to angular velocity detection based on the assumption that the weight body is moved, static angular velocity (angular velocity of motion that always rotates at a constant speed in a constant direction) is also dynamic angular velocity (rotation direction and speed is time Can be detected, but with regard to acceleration detection, dynamic acceleration (change in the magnitude and direction of acceleration over time) can be detected, but static acceleration (for example, In other words, it is impossible to detect constant acceleration (such as gravitational acceleration). For example, when a force is applied to the piezoelectric element, a predetermined charge is initially generated as a transient response. However, if the applied force is constant, no charge can be generated after the measurement system is stabilized. . Therefore, constant acceleration (static acceleration) cannot be detected as in the case of gravitational acceleration.

一方、前述した静電容量素子を利用したタイプのセンサは、重錘体の変位そのものを静電容量素子の静電容量値(電極間距離)として検出することができるので、静的な角速度、動的な角速度、静的な加速度、動的な加速度のいずれも検出可能である。しかしながら、静電容量素子を構成する一対の電極のそれぞれに対して配線を施す必要があるため、センサ全体の構造が複雑にならざるを得ない。特に、精度の高い検出値を得るために、重錘体の周囲からダンパーとして機能する空気を除去し、内部を真空にする構成を採る場合、真空状態を維持しつつ内部の電極に対する配線を行う必要が生じるので、非常に複雑な構造が要求される。   On the other hand, the above-mentioned type of sensor using the capacitive element can detect the displacement of the weight body itself as the capacitance value (distance between electrodes) of the capacitive element. Any of dynamic angular velocity, static acceleration, and dynamic acceleration can be detected. However, since it is necessary to provide wiring for each of the pair of electrodes constituting the capacitance element, the structure of the entire sensor must be complicated. In particular, in order to obtain a highly accurate detection value, when air that functions as a damper is removed from the periphery of the weight body and the inside is evacuated, wiring is performed to the internal electrodes while maintaining a vacuum state. Since a need arises, a very complex structure is required.

そこで本考案は、単純な構造を採りながら、静的および動的な角速度と、静的および動的な加速度とのいずれをも検出可能なセンサを提供することを目的とする。   Accordingly, an object of the present invention is to provide a sensor capable of detecting both static and dynamic angular velocities and static and dynamic acceleration while adopting a simple structure.

(1) 本考案の第1の態様は、加速度と角速度との双方を検出するセンサを、
下面に環状溝が形成され、環状溝形成領域の内側に位置する内側部と、環状溝形成領域の外側に位置する外側部と、環状溝形成領域に位置する環状中間部と、を有し、環状中間部は、内側部が外側部に対して変位可能となるように可撓性を有している本体基板と、
内側部の下面に接続された重錘体と、
重錘体の周囲を取り囲むように、外側部の下面に接続され、装置筐体に固定された台座と、
環状中間部に埋め込まれたピエゾ抵抗素子と、
環状中間部の表面に固着された駆動用圧電素子および検出用圧電素子と、
ピエゾ抵抗素子の電気抵抗の変化に基づいて作用した加速度を検出する加速度検出回路と、
駆動用圧電素子に交流信号を供給して環状中間部を周期的に変形させ重錘体に周期的な運動を生じさせながら、検出用圧電素子に生じる信号に基づいて作用した角速度を検出する角速度検出回路と、
によって構成するようにしたものである。
(1) The first aspect of the present invention is a sensor that detects both acceleration and angular velocity.
An annular groove is formed on the lower surface, and has an inner part located inside the annular groove forming area, an outer part located outside the annular groove forming area, and an annular intermediate part located in the annular groove forming area, The annular intermediate portion is flexible so that the inner portion can be displaced with respect to the outer portion, and
A weight body connected to the lower surface of the inner part;
A pedestal connected to the lower surface of the outer portion and fixed to the apparatus housing so as to surround the weight body;
A piezoresistive element embedded in the annular intermediate part;
A driving piezoelectric element and a detecting piezoelectric element fixed to the surface of the annular intermediate portion;
An acceleration detection circuit for detecting an acceleration acting based on a change in electrical resistance of the piezoresistive element;
An angular velocity that detects the angular velocity acting on the basis of the signal generated in the detecting piezoelectric element while supplying an alternating current signal to the driving piezoelectric element to periodically deform the annular intermediate portion and causing the weight body to periodically move. A detection circuit;
It is made up by.

(2) 本考案の第2の態様は、上述の第1の態様に係る加速度と角速度との双方を検出するセンサにおいて、
加速度検出回路は、ピエゾ抵抗素子の電気抵抗の変化を示す信号に含まれる高周波成分をカットする低域通過フィルタ回路を有し、この低域通過フィルタ回路を通過した信号成分を加速度の検出値として出力し、
角速度検出回路は、駆動用圧電素子に交流信号を供給して重錘体の周期的な運動を制御する駆動制御回路と、検出用圧電素子に生じる交流信号に含まれる低周波成分をカットする高域通過フィルタ回路と、この高域通過フィルタ回路を通過した交流信号に対して、駆動制御回路から与えられる検波信号に基づく同期検波を行う同期検波回路と、を有し、同期検波回路による検波結果を角速度の検出値として出力するようにしたものである。
(2) A second aspect of the present invention is a sensor for detecting both acceleration and angular velocity according to the first aspect described above,
The acceleration detection circuit has a low-pass filter circuit that cuts a high-frequency component included in a signal indicating a change in the electrical resistance of the piezoresistive element, and the signal component that has passed through the low-pass filter circuit is used as an acceleration detection value. Output,
The angular velocity detection circuit supplies an AC signal to the drive piezoelectric element to control the periodic movement of the weight body, and a high frequency cut off low frequency component included in the AC signal generated in the detection piezoelectric element. A detection result by the synchronous detection circuit, and a synchronous detection circuit that performs synchronous detection based on a detection signal given from the drive control circuit with respect to the AC signal that has passed through the high-pass filter circuit. Is output as a detected value of angular velocity.

(3) 本考案の第3の態様は、上述の第1または第2の態様に係る加速度と角速度との双方を検出するセンサにおいて、
重錘体を本体基板の上面に垂直投影したときの投影像の輪郭線が、本体基板の内側部よりも外側に位置するようにしたものである。
(3) A third aspect of the present invention is a sensor that detects both acceleration and angular velocity according to the first or second aspect described above,
The contour line of the projected image when the weight body is vertically projected onto the upper surface of the main body substrate is positioned outside the inner portion of the main body substrate.

(4) 本考案の第4の態様は、上述の第1〜第3の態様に係る加速度と角速度との双方を検出するセンサにおいて、
環状溝を本体基板の上面に垂直投影したときの投影像の内側輪郭線および外側輪郭線が同心円をなし、
重錘体が、「本体基板の上面に直交し、上記同心円の中心を通る軸」を中心軸とした柱状形状をなすようにしたものである。
(4) A fourth aspect of the present invention is a sensor for detecting both acceleration and angular velocity according to the first to third aspects described above,
When the annular groove is vertically projected on the upper surface of the main body substrate, the inner contour line and the outer contour line of the projected image form concentric circles,
The weight body has a columnar shape having a central axis at “an axis orthogonal to the upper surface of the main body substrate and passing through the center of the concentric circle”.

(5) 本考案の第5の態様は、上述の第1〜第4の態様に係る加速度と角速度との双方を検出するセンサにおいて、
ピエゾ抵抗素子、駆動用圧電素子、検出用圧電素子が、環状溝形成領域の内側輪郭線もしくは外側輪郭線に接する位置に配置されているようにしたものである。
(5) A fifth aspect of the present invention is a sensor for detecting both acceleration and angular velocity according to the first to fourth aspects described above,
The piezoresistive element, the driving piezoelectric element, and the detecting piezoelectric element are arranged at positions in contact with the inner contour line or the outer contour line of the annular groove forming region.

(6) 本考案の第6の態様は、上述の第1〜第5の態様に係る加速度と角速度との双方を検出するセンサにおいて、
本体基板が、1枚のシリコン基板もしくはSOI基板によって構成されており、ピエゾ抵抗素子が、本体基板の表層部分に形成されたシリコンの不純物含有層によって構成されているようにしたものである。
(6) A sixth aspect of the present invention is a sensor for detecting both acceleration and angular velocity according to the first to fifth aspects described above,
The main body substrate is constituted by a single silicon substrate or SOI substrate, and the piezoresistive element is constituted by a silicon impurity-containing layer formed on the surface layer portion of the main body substrate.

(7) 本考案の第7の態様は、上述の第1〜第6の態様に係る加速度と角速度との双方を検出するセンサにおいて、
本体基板上面の内側部の中心に原点Oが位置し、本体基板の上面にXY平面が位置するようなXYZ三次元座標系を定義し、環状中間部に所属する部分のうち、内側輪郭線の近傍部分を内側近傍領域、外側輪郭線の近傍部分を外側近傍領域と定義したときに、
正のX軸上の外側近傍領域に第1のX軸検出用ピエゾ抵抗素子が配置され、正のX軸上の内側近傍領域に第2のX軸検出用ピエゾ抵抗素子が配置され、負のX軸上の内側近傍領域に第3のX軸検出用ピエゾ抵抗素子が配置され、負のX軸上の外側近傍領域に第4のX軸検出用ピエゾ抵抗素子が配置され、
正のY軸上の外側近傍領域に第1のY軸検出用ピエゾ抵抗素子が配置され、正のY軸上の内側近傍領域に第2のY軸検出用ピエゾ抵抗素子が配置され、負のY軸上の内側近傍領域に第3のY軸検出用ピエゾ抵抗素子が配置され、負のY軸上の外側近傍領域に第4のY軸検出用ピエゾ抵抗素子が配置され、
外側近傍領域の任意の位置に第1のZ軸検出用ピエゾ抵抗素子が配置され、内側近傍領域の任意の位置に第2のZ軸検出用ピエゾ抵抗素子が配置され、内側近傍領域の任意の位置に第3のZ軸検出用ピエゾ抵抗素子が配置され、外側近傍領域の任意の位置に第4のZ軸検出用ピエゾ抵抗素子が配置され、
加速度検出回路が、第1のX軸検出用ピエゾ抵抗素子および第3のX軸検出用ピエゾ抵抗素子を第1の対辺とし、第2のX軸検出用ピエゾ抵抗素子および第4のX軸検出用ピエゾ抵抗素子を第2の対辺とするブリッジ回路のブリッジ電圧に基づいてX軸方向に作用した加速度の検出を行い、第1のY軸検出用ピエゾ抵抗素子および第3のY軸検出用ピエゾ抵抗素子を第1の対辺とし、第2のY軸検出用ピエゾ抵抗素子および第4のY軸検出用ピエゾ抵抗素子を第2の対辺とするブリッジ回路のブリッジ電圧に基づいてY軸方向に作用した加速度の検出を行い、第1のZ軸検出用ピエゾ抵抗素子および第4のZ軸検出用ピエゾ抵抗素子を第1の対辺とし、第2のZ軸検出用ピエゾ抵抗素子および第3のZ軸検出用ピエゾ抵抗素子を第2の対辺とするブリッジ回路のブリッジ電圧に基づいてZ軸方向に作用した加速度の検出を行うようにしたものである。
(7) A seventh aspect of the present invention is a sensor for detecting both acceleration and angular velocity according to the first to sixth aspects described above,
An XYZ three-dimensional coordinate system is defined such that the origin O is located at the center of the inner part of the upper surface of the main body substrate and the XY plane is located on the upper surface of the main body substrate. When defining the neighborhood part as the inner neighborhood area and the neighborhood part of the outer contour line as the outer neighborhood area,
A first X-axis detection piezoresistive element is disposed in the outer vicinity region on the positive X-axis, and a second X-axis detection piezoresistive element is disposed in the inner vicinity region on the positive X-axis. A third X-axis detection piezoresistive element is disposed in the inner vicinity region on the X-axis, and a fourth X-axis detection piezoresistive element is disposed in the outer vicinity region on the negative X-axis;
A first Y-axis detection piezoresistive element is disposed in the outer vicinity region on the positive Y-axis, and a second Y-axis detection piezoresistive element is disposed in the inner vicinity region on the positive Y-axis. A third Y-axis detecting piezoresistive element is disposed in the inner vicinity region on the Y-axis, and a fourth Y-axis detecting piezoresistive element is disposed in the outer vicinity region on the negative Y-axis,
A first Z-axis detection piezoresistive element is disposed at an arbitrary position in the outer vicinity area, and a second Z-axis detection piezoresistive element is disposed at an arbitrary position in the inner vicinity area. A third Z-axis detecting piezoresistive element is disposed at a position, and a fourth Z-axis detecting piezoresistive element is disposed at an arbitrary position in the outer vicinity region;
The acceleration detection circuit has the first X-axis detection piezoresistive element and the third X-axis detection piezoresistive element as the first opposite side, and the second X-axis detection piezoresistive element and the fourth X-axis detection. The first Y-axis detecting piezoresistive element and the third Y-axis detecting piezo element are detected by detecting acceleration acting in the X-axis direction based on the bridge voltage of the bridge circuit having the piezoresistive element as the second opposite side. Acting in the Y-axis direction based on the bridge voltage of the bridge circuit having the resistance element as the first opposite side and the second Y-axis detection piezoresistance element and the fourth Y-axis detection piezoresistance element as the second opposite side The first Z-axis detecting piezoresistive element and the fourth Z-axis detecting piezoresistive element are set as the first opposite sides, and the second Z-axis detecting piezoresistive element and the third Z-axis detecting element are detected. The axis detecting piezoresistive element is connected to the second opposite side. That on the basis of the bridge voltage of the bridge circuit is obtained so as to detect the acceleration applied in the Z-axis direction.

(8) 本考案の第8の態様は、上述の第1〜第7の態様に係る加速度と角速度との双方を検出するセンサにおいて、
本体基板上面の内側部の中心に原点Oが位置し、本体基板の上面にXY平面が位置するようなXYZ三次元座標系を定義し、環状中間部に所属する部分のうち、内側輪郭線の近傍部分を内側近傍領域、外側輪郭線の近傍部分を外側近傍領域と定義したときに、
内側近傍領域および外側近傍領域のいずれか一方を駆動用圧電素子配置領域とし、他方を検出用圧電素子配置領域とするように定め、
駆動用圧電素子配置領域の正のX軸上に第1の駆動用圧電素子が配置され、負のX軸上に第2の駆動用圧電素子が配置され、正のY軸上に第3の駆動用圧電素子が配置され、負のY軸上に第4の駆動用圧電素子が配置され、
検出用圧電素子配置領域の正のX軸上に第1の検出用圧電素子が配置され、負のX軸上に第2の検出用圧電素子が配置され、正のY軸上に第3の検出用圧電素子が配置され、負のY軸上に第4の検出用圧電素子が配置され、
角速度検出回路が、各駆動用圧電素子に、位相がπ/2ずつずれた交流信号を供給することにより、重錘体をXY平面に平行な平面内で円運動させながら、重錘体がXZ平面を通過する時点における第1の検出用圧電素子に生じる信号と第2の検出用圧電素子に生じる信号との差に基づいてZ軸まわりの角速度を検出し、重錘体がXZ平面を通過する時点における第3の検出用圧電素子に生じる信号と第4の検出用圧電素子に生じる信号との和に基づいてX軸まわりの角速度を検出し、重錘体がYZ平面を通過する時点における第3の検出用圧電素子に生じる信号と第4の検出用圧電素子に生じる信号との和に基づいてY軸まわりの角速度を検出するようにしたものである。
(8) An eighth aspect of the present invention is a sensor for detecting both acceleration and angular velocity according to the first to seventh aspects described above,
An XYZ three-dimensional coordinate system is defined such that the origin O is located at the center of the inner part of the upper surface of the main body substrate and the XY plane is located on the upper surface of the main body substrate. When defining the neighborhood part as the inner neighborhood area and the neighborhood part of the outer contour line as the outer neighborhood area,
One of the inner vicinity area and the outer vicinity area is set as a driving piezoelectric element arrangement area, and the other is set as a detection piezoelectric element arrangement area,
The first driving piezoelectric element is arranged on the positive X axis in the driving piezoelectric element arrangement region, the second driving piezoelectric element is arranged on the negative X axis, and the third driving piezoelectric element is arranged on the positive Y axis. A driving piezoelectric element is disposed, and a fourth driving piezoelectric element is disposed on the negative Y-axis,
The first detection piezoelectric element is arranged on the positive X axis in the detection piezoelectric element arrangement region, the second detection piezoelectric element is arranged on the negative X axis, and the third detection piezoelectric element is arranged on the positive Y axis. A detection piezoelectric element is disposed, and a fourth detection piezoelectric element is disposed on the negative Y axis.
The angular velocity detection circuit supplies an alternating current signal whose phase is shifted by π / 2 to each driving piezoelectric element, thereby causing the weight body to move in a plane parallel to the XY plane while the weight body is XZ. Based on the difference between the signal generated in the first detection piezoelectric element and the signal generated in the second detection piezoelectric element at the time of passing through the plane, the angular velocity around the Z axis is detected, and the weight body passes through the XZ plane. The angular velocity around the X axis is detected based on the sum of the signal generated in the third detection piezoelectric element and the signal generated in the fourth detection piezoelectric element at the time when the weight body passes through the YZ plane. The angular velocity around the Y axis is detected based on the sum of the signal generated in the third detection piezoelectric element and the signal generated in the fourth detection piezoelectric element.

(9) 本考案の第9の態様は、上述の第1〜第7の態様に係る加速度と角速度との双方を検出するセンサにおいて、
本体基板上面の内側部の中心に原点Oが位置し、本体基板の上面にXY平面が位置するようなXYZ三次元座標系を定義し、環状中間部に所属する部分のうち、内側輪郭線の近傍部分を内側近傍領域、外側輪郭線の近傍部分を外側近傍領域と定義したときに、
内側近傍領域および外側近傍領域のいずれか一方を駆動用圧電素子配置領域とし、他方を検出用圧電素子配置領域とするように定め、
駆動用圧電素子配置領域の正のX軸上に第1の駆動用圧電素子が配置され、負のX軸上に第2の駆動用圧電素子が配置され、
検出用圧電素子配置領域の正のX軸上に第1の検出用圧電素子が配置され、負のX軸上に第2の検出用圧電素子が配置され、正のY軸上に第3の検出用圧電素子が配置され、負のY軸上に第4の検出用圧電素子が配置され、
角速度検出回路が、第1の駆動用圧電素子および第2の駆動用圧電素子に対して、互いに位相がπ/2だけずれた交流信号を供給することにより、重錘体をXZ平面内で円運動させながら、重錘体がZ軸方向へ運動している時点における第1の検出用圧電素子に生じる信号と第2の検出用圧電素子に生じる信号との差に基づいてY軸まわりの角速度を検出し、重錘体がZ軸方向へ運動している時点における第3の検出用圧電素子に生じる信号と第4の検出用圧電素子に生じる信号との差に基づいてX軸まわりの角速度を検出し、重錘体がX軸方向へ運動している時点における第3の検出用圧電素子に生じる信号と第4の検出用圧電素子に生じる信号との差に基づいてZ軸まわりの角速度を検出するようにしたものである。
(9) A ninth aspect of the present invention is a sensor for detecting both acceleration and angular velocity according to the first to seventh aspects described above,
An XYZ three-dimensional coordinate system is defined such that the origin O is located at the center of the inner part of the upper surface of the main body substrate and the XY plane is located on the upper surface of the main body substrate. When defining the neighborhood part as the inner neighborhood area and the neighborhood part of the outer contour line as the outer neighborhood area,
One of the inner vicinity area and the outer vicinity area is set as a driving piezoelectric element arrangement area, and the other is set as a detection piezoelectric element arrangement area,
A first driving piezoelectric element is disposed on the positive X axis in the driving piezoelectric element arrangement region, and a second driving piezoelectric element is disposed on the negative X axis;
The first detection piezoelectric element is arranged on the positive X axis in the detection piezoelectric element arrangement region, the second detection piezoelectric element is arranged on the negative X axis, and the third detection piezoelectric element is arranged on the positive Y axis. A detection piezoelectric element is disposed, and a fourth detection piezoelectric element is disposed on the negative Y axis.
The angular velocity detection circuit supplies an alternating current signal whose phase is shifted by π / 2 to the first driving piezoelectric element and the second driving piezoelectric element, whereby the weight body is circular in the XZ plane. The angular velocity about the Y axis based on the difference between the signal generated in the first detection piezoelectric element and the signal generated in the second detection piezoelectric element when the weight body moves in the Z-axis direction while moving. And the angular velocity around the X axis based on the difference between the signal generated in the third detection piezoelectric element and the signal generated in the fourth detection piezoelectric element at the time when the weight body moves in the Z-axis direction. And the angular velocity around the Z axis based on the difference between the signal generated in the third detection piezoelectric element and the signal generated in the fourth detection piezoelectric element when the weight body moves in the X-axis direction. Is to be detected.

(10) 本考案の第10の態様は、上述の第1〜第7の態様に係る加速度と角速度との双方を検出するセンサにおいて、
本体基板上面の内側部の中心に原点Oが位置し、本体基板の上面にXY平面が位置するようなXYZ三次元座標系を定義し、環状中間部に所属する部分のうち、内側輪郭線の近傍部分を内側近傍領域、外側輪郭線の近傍部分を外側近傍領域と定義したときに、
内側近傍領域および外側近傍領域のいずれか一方を駆動用圧電素子配置領域とし、他方を検出用圧電素子配置領域とするように定め、
駆動用圧電素子配置領域にZ軸をとり囲むような環状の駆動用圧電素子が配置され、
検出用圧電素子配置領域の正のX軸上に第1の検出用圧電素子が配置され、負のX軸上に第2の検出用圧電素子が配置され、正のY軸上に第3の検出用圧電素子が配置され、負のY軸上に第4の検出用圧電素子が配置され、
角速度検出回路が、駆動用圧電素子に対して、単一の交流信号を供給することにより、重錘体をZ軸方向に振動させながら、第1の検出用圧電素子に生じる信号と第2の検出用圧電素子に生じる信号との差に基づいてY軸まわりの角速度を検出し、第3の検出用圧電素子に生じる信号と第4の検出用圧電素子に生じる信号との差に基づいてX軸まわりの角速度を検出するようにしたものである。
(10) A tenth aspect of the present invention is a sensor for detecting both acceleration and angular velocity according to the first to seventh aspects described above,
An XYZ three-dimensional coordinate system is defined such that the origin O is located at the center of the inner part of the upper surface of the main body substrate and the XY plane is located on the upper surface of the main body substrate. When defining the neighborhood part as the inner neighborhood area and the neighborhood part of the outer contour line as the outer neighborhood area,
One of the inner vicinity area and the outer vicinity area is set as a driving piezoelectric element arrangement area, and the other is set as a detection piezoelectric element arrangement area,
An annular driving piezoelectric element surrounding the Z axis is arranged in the driving piezoelectric element arrangement region,
The first detection piezoelectric element is arranged on the positive X axis in the detection piezoelectric element arrangement region, the second detection piezoelectric element is arranged on the negative X axis, and the third detection piezoelectric element is arranged on the positive Y axis. A detection piezoelectric element is disposed, and a fourth detection piezoelectric element is disposed on the negative Y axis.
The angular velocity detection circuit supplies a single alternating current signal to the driving piezoelectric element, so that the signal generated in the first detection piezoelectric element and the second are generated while vibrating the weight body in the Z-axis direction. An angular velocity around the Y axis is detected based on the difference between the signal generated in the detection piezoelectric element and X based on the difference between the signal generated in the third detection piezoelectric element and the signal generated in the fourth detection piezoelectric element. The angular velocity around the axis is detected.

(11) 本考案の第11の態様は、上述の第1〜第7の態様に係る加速度と角速度との双方を検出するセンサにおいて、
本体基板上面の内側部の中心に原点Oが位置し、本体基板の上面にXY平面が位置するようなXYZ三次元座標系を定義したときに、
正のX軸上に第1の駆動用圧電素子が配置され、負のX軸上に第2の駆動用圧電素子が配置され、正のY軸上に第1の検出用圧電素子が配置され、負のY軸上に第2の検出用圧電素子が配置され、
角速度検出回路が、第1の駆動用圧電素子および第2の駆動用圧電素子に対して、互いに逆位相の交流信号を供給することにより、重錘体をX軸方向に振動させながら、第1の検出用圧電素子に生じる信号と第2の検出用圧電素子に生じる信号との差に基づいてZ軸まわりの角速度を検出することを特徴とする加速度と角速度との双方を検出するようにしたものである。
(11) An eleventh aspect of the present invention is a sensor for detecting both acceleration and angular velocity according to the first to seventh aspects described above,
When an XYZ three-dimensional coordinate system is defined such that the origin O is located at the center of the inner side of the upper surface of the main body substrate and the XY plane is located on the upper surface of the main body substrate,
A first drive piezoelectric element is disposed on the positive X axis, a second drive piezoelectric element is disposed on the negative X axis, and a first detection piezoelectric element is disposed on the positive Y axis. , A second detection piezoelectric element is disposed on the negative Y-axis,
The angular velocity detection circuit supplies alternating current signals having opposite phases to the first driving piezoelectric element and the second driving piezoelectric element, thereby vibrating the weight body in the X-axis direction. Both the acceleration and the angular velocity are characterized in that the angular velocity around the Z-axis is detected based on the difference between the signal generated in the first detecting piezoelectric element and the signal generated in the second detecting piezoelectric element. Is.

(12) 本考案の第12の態様は、上述の第1〜第11の態様に係る加速度と角速度との双方を検出するセンサにおいて、
駆動用圧電素子および検出用圧電素子の下面には下方電極、上面には上方電極がそれぞれ形成されており、これら各圧電素子の下方電極の下面が環状中間部の上面に絶縁層を介して固着されており、
角速度検出回路は、駆動用圧電素子の上方電極と下方電極との間に交流電圧を印加して重錘体に周期的な運動を生じさせながら、検出用圧電素子の上方電極と下方電極との間に生じる交流電圧に基づいて作用した角速度の検出を行うことを特徴とする加速度と角速度との双方を検出するようにしたものである。
(12) A twelfth aspect of the present invention is a sensor for detecting both acceleration and angular velocity according to the first to eleventh aspects described above,
A lower electrode is formed on the lower surface of the driving piezoelectric element and the detecting piezoelectric element, and an upper electrode is formed on the upper surface. The lower electrode of each piezoelectric element is fixed to the upper surface of the annular intermediate portion via an insulating layer. Has been
The angular velocity detection circuit applies an AC voltage between the upper electrode and the lower electrode of the driving piezoelectric element to cause a periodic motion in the weight body, while the upper electrode and the lower electrode of the detection piezoelectric element Both the acceleration and the angular velocity, which are characterized by detecting the angular velocity acting based on the AC voltage generated between them, are detected.

(13) 本考案の第11の態様は、上述の第12の態様に係る加速度と角速度との双方を検出するセンサにおいて、
複数の圧電素子の下方電極が物理的に単一の共通導電層によって構成されているようにしたものである。
(13) An eleventh aspect of the present invention is a sensor for detecting both acceleration and angular velocity according to the twelfth aspect,
The lower electrodes of the plurality of piezoelectric elements are physically constituted by a single common conductive layer.

(14) 本考案の第14の態様は、上述の第12または第13の態様に係る加速度と角速度との双方を検出するセンサにおいて、
複数の圧電素子が物理的に単一の共通圧電素子層によって構成されているようにしたものである。
(14) A fourteenth aspect of the present invention is a sensor that detects both acceleration and angular velocity according to the twelfth or thirteenth aspect described above,
A plurality of piezoelectric elements are physically constituted by a single common piezoelectric element layer.

(15) 本考案の第15の態様は、上述の第12の態様に係る加速度と角速度との双方を検出するセンサにおいて、
本体基板の上面に共通絶縁層が形成され、この共通絶縁層の上面に下部共通導電層が形成され、この下部共通導電層の上面にそれぞれ個別圧電素子層が形成され、各個別圧電素子層の上面にそれぞれ上部個別導電層が形成され、
各上部個別導電層によって、各駆動用圧電素子および各検出用圧電素子の上方電極が構成され、各個別圧電素子層によって、各駆動用圧電素子および各検出用圧電素子が構成され、下部共通導電層の個々の部分によって、各駆動用圧電素子および各検出用圧電素子の下方電極が構成されており、
下部共通導電層の上面には、各上方電極に対する配線路に沿ってパターニングされた圧電素子パターニング層が形成されており、
各ピエゾ抵抗素子に対する配線層は、共通絶縁層内に埋め込まれており、
各上方電極に対する配線層は、圧電素子パターニング層の上面に形成されているようにしたものである。
(15) A fifteenth aspect of the present invention is a sensor that detects both acceleration and angular velocity according to the twelfth aspect described above,
A common insulating layer is formed on the upper surface of the main substrate, a lower common conductive layer is formed on the upper surface of the common insulating layer, and individual piezoelectric element layers are formed on the upper surface of the lower common conductive layer. Each upper individual conductive layer is formed on the upper surface,
Each upper individual conductive layer constitutes an upper electrode of each drive piezoelectric element and each detection piezoelectric element, and each individual piezoelectric element layer constitutes each drive piezoelectric element and each detection piezoelectric element, and the lower common conductive layer. The individual parts of the layer constitute the lower electrode of each driving piezoelectric element and each detecting piezoelectric element,
On the upper surface of the lower common conductive layer, a piezoelectric element patterning layer patterned along the wiring path for each upper electrode is formed,
The wiring layer for each piezoresistive element is embedded in the common insulating layer,
The wiring layer for each upper electrode is formed on the upper surface of the piezoelectric element patterning layer.

(16) 本考案の第16の態様は、上述の第12の態様に係る加速度と角速度との双方を検出するセンサにおいて、
本体基板の上面に共通絶縁層が形成され、この共通絶縁層の上面に下部共通導電層が形成され、この下部共通導電層の上面に共通圧電素子層が形成され、この共通圧電素子層の上面にそれぞれ上部個別導電層が形成され、
各上部個別導電層によって、各駆動用圧電素子および各検出用圧電素子の上方電極が構成され、共通圧電素子層の個々の部分によって、各駆動用圧電素子および各検出用圧電素子が構成され、下部共通導電層の個々の部分によって、各駆動用圧電素子および各検出用圧電素子の下方電極が構成されており、
各ピエゾ抵抗素子に対する配線層は、絶縁層内に埋め込まれており、
各上方電極に対する配線層は、共通圧電素子層の上面に形成されているようにしたものである。
(16) A sixteenth aspect of the present invention is a sensor for detecting both acceleration and angular velocity according to the twelfth aspect,
A common insulating layer is formed on the upper surface of the main substrate, a lower common conductive layer is formed on the upper surface of the common insulating layer, a common piezoelectric element layer is formed on the upper surface of the lower common conductive layer, and an upper surface of the common piezoelectric element layer. In each case, an upper individual conductive layer is formed,
Each upper individual conductive layer constitutes an upper electrode of each drive piezoelectric element and each detection piezoelectric element, and each drive piezoelectric element and each detection piezoelectric element is constituted by an individual portion of the common piezoelectric element layer, The lower electrode of each driving piezoelectric element and each detecting piezoelectric element is constituted by individual portions of the lower common conductive layer,
The wiring layer for each piezoresistive element is embedded in the insulating layer,
The wiring layer for each upper electrode is formed on the upper surface of the common piezoelectric element layer.

(17) 本考案の第17の態様は、上述の第1〜第16の態様に係る加速度と角速度との双方を検出するセンサにおいて、
一部の領域において、ピエゾ抵抗素子と圧電素子とが、少なくとも絶縁層を挟んで積層状態となるように形成されているようにしたものである。
(17) A seventeenth aspect of the present invention is a sensor for detecting both acceleration and angular velocity according to the first to sixteenth aspects described above,
In some regions, the piezoresistive element and the piezoelectric element are formed so as to be in a laminated state with at least an insulating layer interposed therebetween.

本考案に係るセンサでは、下面に環状溝が形成された本体基板の内側部に重錘体が接続され、この重錘体は可撓性をもった環状中間部によって周囲から支持される。そして、この重錘体の変位を検出することにより、作用した加速度もしくは角速度の検出が行われる。しかも、加速度の検出は、環状中間部に形成されたピエゾ抵抗素子の電気抵抗の変化に基づいて行われ、角速度の検出は、環状中間部に形成された圧電素子によって行われる。ピエゾ抵抗素子も圧電素子も環状中間部に形成されているため、センサ全体の構造を単純化することができる。また、ピエゾ抵抗素子や圧電素子を用いた検出を行う場合、容量素子を用いた検出のように微小な電極間隔の変化を測定する必要がないため、振動子の周囲を真空に維持する必要はない。しかも、ピエゾ抵抗素子は、静的な加速度(たとえば、重力加速度)が加わっている状態においても、当該静的な加速度を電気抵抗値として検出することが可能なので、この電気抵抗値に基づいて静的な加速度の検出を行うことができる。このように、本考案に係るセンサでは、単純な構造を採りながら、静的および動的な角速度と、静的および動的な加速度とのいずれをも検出することが可能になる。   In the sensor according to the present invention, a weight body is connected to the inner side portion of the main body substrate having an annular groove formed on the lower surface, and the weight body is supported from the periphery by an annular intermediate portion having flexibility. The detected acceleration or angular velocity is detected by detecting the displacement of the weight body. In addition, the acceleration is detected based on a change in electrical resistance of the piezoresistive element formed in the annular intermediate portion, and the angular velocity is detected by a piezoelectric element formed in the annular intermediate portion. Since both the piezoresistive element and the piezoelectric element are formed in the annular intermediate portion, the structure of the entire sensor can be simplified. In addition, when performing detection using a piezoresistive element or a piezoelectric element, it is not necessary to measure a minute change in electrode spacing as in the case of detection using a capacitive element. Absent. Moreover, the piezoresistive element can detect the static acceleration as an electric resistance value even in a state where static acceleration (for example, gravitational acceleration) is applied. Acceleration can be detected. As described above, the sensor according to the present invention can detect both static and dynamic angular velocities and static and dynamic acceleration while adopting a simple structure.

以下、本考案を図示する実施形態に基づいて説明する。   Hereinafter, the present invention will be described based on the illustrated embodiment.

<<< §1.基本的実施形態に係るセンサの構造 >>>
図1は、本考案の基本的実施形態に係るセンサの一例を示す上面図である。図示のとおり、正方形状の本体基板100の上面に、それぞれ扇形状をした8枚の圧電素子D1〜D4,E1〜E4が配置されている状態が示されている。ここでは、説明の便宜上、この本体基板100の上面中心位置に原点Oをとり、図1の右方向にX軸、上方向にY軸、紙面垂直上方にZ軸をとり、XYZ三次元直交座標系を定義する。図1に破線で示されている構成要素は、この本体基板100の上面に埋め込まれているピエゾ抵抗素子Pであり、その配置については後に詳述する。また、図1に示すXa軸,Xb軸は、X軸の両脇に定義された補助軸であり、一部のピエゾ抵抗素子Pは、これらの補助軸に沿って配置されている。
<<< §1. Structure of sensor according to basic embodiment >>
FIG. 1 is a top view showing an example of a sensor according to a basic embodiment of the present invention. As shown in the figure, a state is shown in which eight fan-shaped piezoelectric elements D1 to D4 and E1 to E4 are arranged on the upper surface of the square main body substrate 100, respectively. Here, for convenience of explanation, the origin O is set at the center position of the upper surface of the main body substrate 100, the X axis is set in the right direction in FIG. Define the system. 1 is a piezoresistive element P embedded in the upper surface of the main body substrate 100, and its arrangement will be described in detail later. Further, the Xa axis and the Xb axis shown in FIG. 1 are auxiliary axes defined on both sides of the X axis, and some of the piezoresistive elements P are disposed along these auxiliary axes.

図2は、図1に示すセンサをXZ平面で切断した側断面図である。図示のとおり、このセンサの基本構造体は、本体基板100、補助基板200、支持基板300の3枚の基板によって構成されている。ここに示す実施形態の場合、本体基板100はシリコン基板によって構成され、補助基板200はガラス基板によって構成され、支持基板300はシリコン基板によって構成されている。このセンサを、切断線3−3に沿って切断した平断面図を図3に示し、切断線4−4に沿って切断した平断面図を図4に示す。   FIG. 2 is a sectional side view of the sensor shown in FIG. 1 taken along the XZ plane. As shown in the figure, the basic structure of the sensor is composed of three substrates: a main substrate 100, an auxiliary substrate 200, and a support substrate 300. In the embodiment shown here, the main body substrate 100 is formed of a silicon substrate, the auxiliary substrate 200 is formed of a glass substrate, and the support substrate 300 is formed of a silicon substrate. FIG. 3 shows a cross-sectional view of the sensor cut along the cutting line 3-3, and FIG. 4 shows a cross-sectional view cut along the cutting line 4-4.

本体基板100は、内側部110、環状中間部120、外側部130の3つの部分から構成されている正方形状の基板であり、その下面には、環状溝140が形成されている。環状溝140は、図3の平断面図に明瞭に示されているように、ワッシャ状の空隙部であり、この環状溝140形成領域の内側に位置する部分が円柱状の内側部110となり、外側に位置する部分が外側部130となる。環状溝140は、本体基板100の下面側に掘られている円環状の溝であり、図2に示すように、この環状溝140の真上に位置する環状中間部120は肉厚が薄くなり、ダイアフラムとして機能する。別言すれば、環状中間部120は、環状溝形成領域に位置する肉厚の薄い構造体(その平面図は、図3に示す環状溝140の平面図と同一形状である)であり、内側部110が外側部130に対して変位可能となるように可撓性を有している。なお、環状溝140は方環状の溝にすることも可能である。   The main body substrate 100 is a square substrate composed of three parts, an inner part 110, an annular intermediate part 120, and an outer part 130, and an annular groove 140 is formed on the lower surface thereof. As clearly shown in the plan sectional view of FIG. 3, the annular groove 140 is a washer-like gap portion, and a portion located inside the annular groove 140 formation region becomes a cylindrical inner portion 110, The portion located outside becomes the outer portion 130. The annular groove 140 is an annular groove dug on the lower surface side of the main body substrate 100. As shown in FIG. 2, the annular intermediate portion 120 located immediately above the annular groove 140 is thin. It functions as a diaphragm. In other words, the annular intermediate portion 120 is a thin-walled structure (its plan view is the same as the plan view of the annular groove 140 shown in FIG. 3) located in the annular groove forming region, The portion 110 is flexible so that it can be displaced with respect to the outer portion 130. The annular groove 140 can also be a toroidal groove.

一方、補助基板200は、図4に示されているとおり、断面が正方形をなす角柱状の重錘体210と、この重錘体210の周囲を取り囲むような台座220とによって構成されている。図2に示されているように、重錘体210の上面には、内側部110と同径の円柱状突起部(厚みd1)が形成されており、この円柱状突起部の上面は、内側部110の下面に接続されている。また、台座220の上面は、外側部130の下面に接続されており、台座220の下面は、支持基板300の上面に接続されている。支持基板300は、図2に示す構成要素全体を包み込む装置筐体(図示されていない)に固定される。結局、台座220は、支持基板300を介して装置筐体に固定されていることになる。   On the other hand, as shown in FIG. 4, the auxiliary substrate 200 includes a prismatic weight body 210 having a square cross section and a pedestal 220 surrounding the weight body 210. As shown in FIG. 2, a cylindrical protrusion (thickness d1) having the same diameter as that of the inner portion 110 is formed on the upper surface of the weight body 210. It is connected to the lower surface of the part 110. Further, the upper surface of the pedestal 220 is connected to the lower surface of the outer portion 130, and the lower surface of the pedestal 220 is connected to the upper surface of the support substrate 300. The support substrate 300 is fixed to an apparatus housing (not shown) that encloses the entire components shown in FIG. Eventually, the pedestal 220 is fixed to the apparatus housing via the support substrate 300.

図2に示されているとおり、重錘体210の上面と外側部130の下面との間には空隙寸法d1が確保されており、重錘体210の外周面と台座220の内周面との間には空隙寸法d2が確保されており(図4も参照)、重錘体210の下面と支持基板300の上面との間には空隙寸法d3が確保されている。したがって、何ら力が作用していない状態では、重錘体210は、内側部110を介して上方から宙吊りになっている。   As shown in FIG. 2, a gap dimension d <b> 1 is secured between the upper surface of the weight body 210 and the lower surface of the outer portion 130, and the outer peripheral surface of the weight body 210 and the inner peripheral surface of the base 220. A gap dimension d2 is secured between them (see also FIG. 4), and a gap dimension d3 is secured between the lower surface of the weight body 210 and the upper surface of the support substrate 300. Therefore, in a state where no force is applied, the weight body 210 is suspended from above via the inner portion 110.

図2において、本体基板100の上面に配置されている構成要素D1,D2,E1,E2は、図1に示す8枚の圧電素子D1〜D4,E1〜E4の一部である。また、図2において、本体基板100の上面の表層部分に埋め込まれて配置されている構成要素は、前述したピエゾ抵抗素子Pである。   2, constituent elements D1, D2, E1, and E2 disposed on the upper surface of the main body substrate 100 are a part of the eight piezoelectric elements D1 to D4 and E1 to E4 shown in FIG. In FIG. 2, the constituent element embedded in the surface layer portion on the upper surface of the main substrate 100 is the piezoresistive element P described above.

図5は、ピエゾ抵抗素子Pの平面的な配置を明瞭に示すために、図1に示すセンサから、各圧電素子D1〜D4,E1〜E4を取り除いた状態を示す上面図である。図の破線の円は、環状溝140の内側輪郭線C1および外側輪郭線C2であり、内側輪郭線C1の更に内側が内側部110、内側輪郭線C1と外側輪郭線C2との間(環状溝形成領域)が環状中間部120、外側輪郭線C2の更に外側が外側部130ということになる。   FIG. 5 is a top view showing a state where the piezoelectric elements D1 to D4 and E1 to E4 are removed from the sensor shown in FIG. 1 in order to clearly show the planar arrangement of the piezoresistive elements P. The broken-line circles in the figure are the inner contour line C1 and the outer contour line C2 of the annular groove 140, and the inner side of the inner contour line C1 is the inner portion 110, between the inner contour line C1 and the outer contour line C2 (annular groove). The formation region) is the annular intermediate portion 120, and the outer side of the outer contour line C2 is the outer portion 130.

図示のとおり、本体基板100の上面には、合計12組のピエゾ抵抗素子Px1〜Px4,Py1〜Py4,Pz1〜Pz4が埋め込まれているが、いずれも環状中間部120の部分(環状溝形成領域)に配置されている。しかも、環状中間部120に所属する部分のうち、内側輪郭線C1の近傍部分を内側近傍領域、外側輪郭線C2の近傍部分を外側近傍領域と定義すると、6組のピエゾ抵抗素子Px2,Px3,Py2,Py3,Pz2,Pz3は、内側近傍領域に配置され、その内側端は内側輪郭線C1に接しており、残りの6組のピエゾ抵抗素子Px1,Px4,Py1,Py4,Pz1,Pz4は、外側近傍領域に配置され、その外側端は外側輪郭線C2に接している。このように、各ピエゾ抵抗素子を、内側近傍領域および外側近傍領域に配置するのは、後述するように重錘体210に外力が加わったときに、これらの領域に応力が集中するためである。すなわち、応力が最も集中しやすい箇所に各ピエゾ抵抗素子を配置することにより、検出感度を高めているのである。   As illustrated, a total of 12 sets of piezoresistive elements Px1 to Px4, Py1 to Py4, and Pz1 to Pz4 are embedded on the upper surface of the main body substrate 100, all of which are portions of the annular intermediate portion 120 (annular groove forming region). ). Moreover, among the parts belonging to the annular intermediate portion 120, if the vicinity of the inner contour line C1 is defined as the inner vicinity region, and the vicinity of the outer contour line C2 is defined as the outer vicinity region, six sets of piezoresistive elements Px2, Px3, Py2, Py3, Pz2, Pz3 are arranged in the inner vicinity region, the inner end thereof is in contact with the inner contour line C1, and the remaining six sets of piezoresistive elements Px1, Px4, Py1, Py4, Pz1, Pz4 are It arrange | positions at an outer side vicinity area | region, and the outer side edge has touched the outer side outline C2. The reason why the piezoresistive elements are arranged in the inner vicinity area and the outer vicinity area is that stress is concentrated in these areas when an external force is applied to the weight body 210 as will be described later. . That is, the detection sensitivity is increased by arranging each piezoresistive element at a location where stress is most likely to be concentrated.

なお、ピエゾ抵抗素子Px1〜Px4は、X軸方向に作用した加速度を検出するために用いられるため、ここではX軸検出用ピエゾ抵抗素子と呼ぶことにする。同様に、ピエゾ抵抗素子Py1〜Py4は、Y軸方向に作用した加速度を検出するために用いられるため、ここではY軸検出用ピエゾ抵抗素子と呼び、ピエゾ抵抗素子Pz1〜Pz4は、Z軸方向に作用した加速度を検出するために用いられるため、ここではZ軸検出用ピエゾ抵抗素子と呼ぶことにする。   The piezoresistive elements Px1 to Px4 are used to detect acceleration acting in the X-axis direction, and are referred to as X-axis detecting piezoresistive elements here. Similarly, since the piezoresistive elements Py1 to Py4 are used to detect acceleration acting in the Y-axis direction, they are referred to herein as Y-axis detecting piezoresistive elements, and the piezoresistive elements Pz1 to Pz4 are referred to as the Z-axis direction. Since it is used to detect the acceleration acting on the, it will be referred to as a Z-axis detecting piezoresistive element here.

図5に示す個々のピエゾ抵抗素子の配置をより具体的に説明すると、次のようになる。すなわち、図示のとおり、本体基板100上面の内側部110の中心に原点Oが位置し、本体基板100の上面にXY平面が位置するようなXYZ三次元座標系を定義し、環状中間部120に所属する部分のうち、内側輪郭線C1の近傍部分を内側近傍領域、外側輪郭線C2の近傍部分を外側近傍領域と定義すると、正のX軸上の外側近傍領域に第1のX軸検出用ピエゾ抵抗素子Px1が配置され、正のX軸上の内側近傍領域に第2のX軸検出用ピエゾ抵抗素子Px2が配置され、負のX軸上の内側近傍領域に第3のX軸検出用ピエゾ抵抗素子Px3が配置され、負のX軸上の外側近傍領域に第4のX軸検出用ピエゾ抵抗素子Px4が配置されている。このように、X軸上に配置された4組のピエゾ抵抗素子Px1〜Px4によって、X軸方向に作用した加速度の検出が行われる。   The arrangement of the individual piezoresistive elements shown in FIG. 5 will be described more specifically as follows. That is, as shown in the drawing, an XYZ three-dimensional coordinate system is defined such that the origin O is located at the center of the inner part 110 on the upper surface of the main body substrate 100 and the XY plane is located on the upper surface of the main body substrate 100. Of the belonging parts, if the vicinity of the inner contour line C1 is defined as the inner vicinity region, and the vicinity of the outer contour line C2 is defined as the outer vicinity region, the first X axis detection for the outer vicinity region on the positive X axis The piezoresistive element Px1 is disposed, the second X-axis detecting piezoresistive element Px2 is disposed in the inner vicinity region on the positive X-axis, and the third X-axis detecting element is disposed in the inner vicinity region on the negative X-axis. A piezoresistive element Px3 is arranged, and a fourth X-axis detecting piezoresistive element Px4 is arranged in the outer vicinity region on the negative X-axis. In this way, the acceleration acting in the X-axis direction is detected by the four sets of piezoresistive elements Px1 to Px4 arranged on the X-axis.

同様に、Y軸検出用ピエゾ抵抗素子については、正のY軸上の外側近傍領域に第1のY軸検出用ピエゾ抵抗素子Py1が配置され、正のY軸上の内側近傍領域に第2のY軸検出用ピエゾ抵抗素子Py2が配置され、負のY軸上の内側近傍領域に第3のY軸検出用ピエゾ抵抗素子Py3が配置され、負のY軸上の外側近傍領域に第4のY軸検出用ピエゾ抵抗素子Py4が配置されている。このように、Y軸上に配置された4組のピエゾ抵抗素子Py1〜Py4によって、Y軸方向に作用した加速度の検出が行われる。   Similarly, for the Y-axis detecting piezoresistive element, the first Y-axis detecting piezoresistive element Py1 is arranged in the outer vicinity region on the positive Y-axis, and the second in the inner vicinity region on the positive Y-axis. Y-axis detecting piezoresistive element Py2 is arranged, a third Y-axis detecting piezoresistive element Py3 is arranged in the inner vicinity region on the negative Y-axis, and the fourth in the outer neighboring region on the negative Y-axis. Y-axis detecting piezoresistive element Py4 is arranged. As described above, the acceleration acting in the Y-axis direction is detected by the four sets of piezoresistive elements Py1 to Py4 arranged on the Y-axis.

また、Z軸検出用ピエゾ抵抗素子については、X軸の両脇に、X軸に平行な補助軸Xa,Xbを定義し、正のXb軸上の外側近傍領域に第1のZ軸検出用ピエゾ抵抗素子Pz1が配置され、正のXb軸上の内側近傍領域に第2のZ軸検出用ピエゾ抵抗素子Pz2が配置され、負のXa軸上の内側近傍領域に第3のZ軸検出用ピエゾ抵抗素子Pz3が配置され、負のXa軸上の外側近傍領域に第4のZ軸検出用ピエゾ抵抗素子Pz4が配置されている。   For the Z-axis detecting piezoresistive element, auxiliary axes Xa and Xb parallel to the X-axis are defined on both sides of the X-axis, and the first Z-axis detecting element is located in the outer vicinity region on the positive Xb-axis. The piezoresistive element Pz1 is disposed, the second Z-axis detecting piezoresistive element Pz2 is disposed in the inner vicinity region on the positive Xb axis, and the third Z-axis detecting element is disposed in the inner vicinity region on the negative Xa axis. A piezoresistive element Pz3 is disposed, and a fourth Z-axis detecting piezoresistive element Pz4 is disposed in the outer vicinity region on the negative Xa axis.

このように、図示の例では、Z軸検出用ピエゾ抵抗素子Pz1〜Pz4を、X軸の両脇に定義した補助軸Xa,Xb上に配置しているが、これらZ軸検出用ピエゾ抵抗素子Pz1〜Pz4は、必ずしもX軸の両脇に配置する必要はない。原理的には、第1のZ軸検出用ピエゾ抵抗素子Pz1は、外側近傍領域の任意の位置に配置し、第2のZ軸検出用ピエゾ抵抗素子Pz2は、内側近傍領域の任意の位置に配置し、第3のZ軸検出用ピエゾ抵抗素子Pz3は、内側近傍領域の任意の位置に配置し、第4のZ軸検出用ピエゾ抵抗素子Pz4は、外側近傍領域の任意の位置に配置すればよい。   Thus, in the illustrated example, the Z-axis detection piezoresistive elements Pz1 to Pz4 are arranged on the auxiliary axes Xa and Xb defined on both sides of the X-axis. Pz1 to Pz4 are not necessarily arranged on both sides of the X axis. In principle, the first Z-axis detection piezoresistive element Pz1 is arranged at an arbitrary position in the outer vicinity area, and the second Z-axis detection piezoresistive element Pz2 is set at an arbitrary position in the inner vicinity area. The third Z-axis detecting piezoresistive element Pz3 is arranged at an arbitrary position in the inner vicinity area, and the fourth Z-axis detecting piezoresistive element Pz4 is arranged at an arbitrary position in the outer neighboring area. That's fine.

なお、検出感度を高める上では、各ピエゾ抵抗素子は、原点Oを中心とした放射状の方向(円C2の半径方向)にほぼ沿って伸びる細長い形状のものにするのが好ましい。後述する加速度検出回路は、これらピエゾ抵抗素子の電気抵抗の変化に基づいて作用した加速度を検出することになる。   In order to increase the detection sensitivity, each piezoresistive element is preferably an elongated shape extending substantially along a radial direction centered on the origin O (radial direction of the circle C2). An acceleration detection circuit, which will be described later, detects acceleration that has acted on the basis of changes in the electrical resistance of these piezoresistive elements.

一方、図1に示す8組の圧電素子D1〜D4,E1〜E4は、環状中間部120の表面に固着されている。しかも、圧電素子D1〜D4は、内側近傍領域に配置され、その内周縁は内側輪郭線C1(図5参照)に接している。また、圧電素子E1〜E4は、外側近傍領域に配置され、その外周縁は外側輪郭線C2(図5参照)に接している。このような配置を採るのは、やはり重錘体210に外力が加わったときに、これらの領域に応力が集中するためである。   On the other hand, eight sets of piezoelectric elements D1 to D4 and E1 to E4 shown in FIG. 1 are fixed to the surface of the annular intermediate portion 120. Moreover, the piezoelectric elements D1 to D4 are disposed in the inner vicinity region, and the inner peripheral edge thereof is in contact with the inner contour line C1 (see FIG. 5). Further, the piezoelectric elements E1 to E4 are arranged in the outer vicinity region, and the outer peripheral edge thereof is in contact with the outer contour line C2 (see FIG. 5). The reason why such an arrangement is adopted is that stress is concentrated in these areas when an external force is applied to the weight body 210.

この8組の圧電素子は、いずれも物理的には全く同一の構成をもった素子であるが、ここでは、その用途を考慮して、検出用圧電素子D1〜D4と駆動用圧電素子E1〜E4に分けて取り扱うことにする。後に詳述するとおり、図1に示すセンサの場合、内側近傍領域に配置された4組の圧電素子D1〜D4が検出用圧電素子となり、外側近傍領域に配置された4組の圧電素子E1〜E4が駆動用圧電素子となる。後述する角速度検出回路は、駆動用圧電素子E1〜E4に交流信号を供給して、環状中間部120を周期的に変形させ、重錘体210に周期的な運動を生じさせながら、検出用圧電素子D1〜D4に生じる信号に基づいて作用した角速度を検出する。   The eight sets of piezoelectric elements are elements having the same physical configuration, but here, in consideration of the use, the detection piezoelectric elements D1 to D4 and the driving piezoelectric elements E1 to E1 are used. It will be divided into E4. As will be described in detail later, in the case of the sensor shown in FIG. 1, the four sets of piezoelectric elements D1 to D4 arranged in the inner vicinity area serve as detection piezoelectric elements, and the four sets of piezoelectric elements E1 to E1 arranged in the outer vicinity area. E4 is a driving piezoelectric element. An angular velocity detection circuit, which will be described later, supplies an alternating current signal to the driving piezoelectric elements E1 to E4, periodically deforms the annular intermediate portion 120, and causes periodic motion in the weight body 210, while detecting piezoelectricity. An angular velocity acting on the basis of signals generated in the elements D1 to D4 is detected.

なお、検出用圧電素子D1〜D4と駆動用圧電素子E1〜E4の位置は入れ替えてもかまわない。すなわち、図1に示されている検出用圧電素子D1〜D4をそのまま駆動用圧電素子E1〜E4として用い、図1に示されている駆動用圧電素子E1〜E4をそのまま検出用圧電素子D1〜D4として用いてもよい。   The positions of the detecting piezoelectric elements D1 to D4 and the driving piezoelectric elements E1 to E4 may be interchanged. That is, the detection piezoelectric elements D1 to D4 shown in FIG. 1 are used as drive piezoelectric elements E1 to E4 as they are, and the drive piezoelectric elements E1 to E4 shown in FIG. 1 are used as they are as detection piezoelectric elements D1 to D4. It may be used as D4.

要するに、内側近傍領域および外側近傍領域のいずれか一方を駆動用圧電素子配置領域とし、他方を検出用圧電素子配置領域とするように定め(図1の例は、内側近傍領域を検出用圧電素子配置領域と定め、外側近傍領域を駆動用圧電素子配置領域と定めた例である)、駆動用圧電素子配置領域の正のX軸上に第1の駆動用圧電素子E1が配置され、負のX軸上に第2の駆動用圧電素子E2が配置され、正のY軸上に第3の駆動用圧電素子E3が配置され、負のY軸上に第4の駆動用圧電素子E4が配置されるようにし、検出用圧電素子配置領域の正のX軸上に第1の検出用圧電素子D1が配置され、負のX軸上に第2の検出用圧電素子D2が配置され、正のY軸上に第3の検出用圧電素D3が配置され、負のY軸上に第4の検出用圧電素子D4が配置されるようにすればよい。   In short, one of the inner vicinity region and the outer vicinity region is set as a driving piezoelectric element arrangement region, and the other is set as a detection piezoelectric element arrangement region (in the example of FIG. 1, the inner vicinity region is set as a detection piezoelectric element. In this example, the outer vicinity region is determined as the driving piezoelectric element arrangement region), the first driving piezoelectric element E1 is arranged on the positive X axis of the driving piezoelectric element arrangement region, and the negative A second driving piezoelectric element E2 is arranged on the X axis, a third driving piezoelectric element E3 is arranged on the positive Y axis, and a fourth driving piezoelectric element E4 is arranged on the negative Y axis. The first detection piezoelectric element D1 is arranged on the positive X axis in the detection piezoelectric element arrangement region, the second detection piezoelectric element D2 is arranged on the negative X axis, and the positive The third detection piezoelectric element D3 is disposed on the Y axis, and the fourth detection piezoelectric element is disposed on the negative Y axis. 4 it suffices to be placed.

なお、検出用圧電素子D1〜D4および駆動用圧電素子E1〜E4は、環状中間部120の上面に生じた撓みが各圧電素子に伝達され、逆に、各圧電素子に生じた撓みが環状中間部120の上面に伝達されるように、環状中間部120の表面の所定位置に固着されていればよい。したがって、各圧電素子は、環状中間部120の表面に直接固着されていてもよいし、何らかの別な部材を介して間接的に固着されていてもよい。ここに述べる実施例の場合、各圧電素子の上面には上方電極が形成され、下面には下方電極が形成され、各圧電素子は、下方電極を介して、環状中間部120の表面に間接的に固着されているが、図2では、図が繁雑になるため、上方電極および下方電極の図示は省略されている。   In the piezoelectric elements for detection D1 to D4 and the piezoelectric elements for driving E1 to E4, the bending generated on the upper surface of the annular intermediate portion 120 is transmitted to each piezoelectric element, and conversely, the bending generated in each piezoelectric element is annular intermediate. What is necessary is just to adhere to the predetermined position of the surface of the cyclic | annular intermediate part 120 so that it may be transmitted to the upper surface of the part 120. FIG. Accordingly, each piezoelectric element may be directly fixed to the surface of the annular intermediate portion 120, or may be indirectly fixed via some other member. In the embodiment described here, an upper electrode is formed on the upper surface of each piezoelectric element, and a lower electrode is formed on the lower surface. Each piezoelectric element is indirectly connected to the surface of the annular intermediate portion 120 via the lower electrode. In FIG. 2, the illustration of the upper electrode and the lower electrode is omitted because the drawing becomes complicated.

<<< §2.基本的実施形態に係るセンサの各部の撓み >>>
続いて、図2に示すセンサの重錘体210に対して、各座標軸方向への力が作用した場合に、環状中間部120の各部分にどのような撓みが生じるかを検討しよう。具体的には、このセンサについて、重錘体210の重心Gに対して各座標軸方向の力が作用した場合に、構造がどのように変形するかを考えてみる。まず、X軸正方向の力+Fxが作用したときの変形状態を、図6の側断面図に示し、X軸負方向の力−Fxが作用したときの変形状態を、図7の側断面図に示す。なお、ここでは、本体基板100の各部のうち、内側部110および外側部130は十分な剛性を有しているのに対して、肉厚が薄い環状中間部120は、可撓性を有しているため、変形はほぼ環状中間部120に集中するものと仮定した図が示されている。厳密に言えば、内側部110および外側部130の部分にも若干の変形が生じることになるが、環状中間部120の厚みが十分に薄ければ、実用上は、変形はほぼ環状中間部120に集中するものと考えて問題はない。たとえば、本体基板100をシリコン基板によって構成した場合、基板全体の厚み(内側部110および外側部130の厚み)を0.3mm程度、環状中間部120の厚みを、10μm程度に設定すると、変形はほぼ環状中間部120に集中する。
<<< §2. Deflection of each part of sensor according to basic embodiment >>>
Next, let us examine what kind of bending occurs in each portion of the annular intermediate portion 120 when a force in the direction of each coordinate axis acts on the weight body 210 of the sensor shown in FIG. Specifically, let us consider how the structure of the sensor deforms when a force in the direction of each coordinate axis acts on the center of gravity G of the weight body 210. First, the deformation state when the force + Fx in the X-axis positive direction is applied is shown in the side sectional view of FIG. 6, and the deformation state when the force -Fx in the negative direction of the X-axis is applied is shown in the side sectional view of FIG. Shown in Here, among the portions of the main body substrate 100, the inner portion 110 and the outer portion 130 have sufficient rigidity, whereas the thin annular intermediate portion 120 has flexibility. Therefore, a diagram assuming that the deformation is concentrated on the annular intermediate portion 120 is shown. Strictly speaking, the inner portion 110 and the outer portion 130 are slightly deformed. However, if the annular intermediate portion 120 is sufficiently thin, in practice, the deformation is substantially the annular intermediate portion 120. There is no problem considering that it concentrates on. For example, when the main body substrate 100 is formed of a silicon substrate, if the thickness of the entire substrate (the thickness of the inner portion 110 and the outer portion 130) is set to about 0.3 mm and the thickness of the annular intermediate portion 120 is set to about 10 μm, the deformation is It concentrates on the substantially annular intermediate part 120.

ここでは、X軸に沿った各部の撓みに着目してみよう。特に、図5に示したX軸検出用ピエゾ抵抗素子Px1〜Px4の長手方向に関する伸び縮みに着目してみる。図6および図7において、環状中間部120の上方に記載されている各矢印は、この伸縮状態を示している。外側へ向かう一対の矢印は、当該領域が通常状態(力が作用していない状態)に比べて伸びることを示し、内側へ向かう一対の矢印は、当該領域が通常状態に比べて縮むことを示している。   Here, let's focus on the bending of each part along the X axis. In particular, attention is paid to the expansion and contraction in the longitudinal direction of the X-axis detection piezoresistive elements Px1 to Px4 shown in FIG. 6 and 7, each arrow described above the annular intermediate portion 120 indicates this stretched state. A pair of arrows pointing outward indicates that the region extends compared to a normal state (a state where no force is applied), and a pair of arrows pointing inward indicates that the region contracts compared to a normal state. ing.

たとえば、図6に示すとおり、重心Gに対してX軸正方向の力+Fxが作用した場合は、ピエゾ抵抗素子Px1,Px3は縮み、Px2,Px4は伸びる。逆に、X軸負方向の力−Fxが作用した場合は、図7に示すとおり、ピエゾ抵抗素子Px1,Px3は伸び、Px2,Px4は縮む。このとき、Y軸上に配置されたピエゾ抵抗素子Py1〜Py4は、幅方向に関して捩れる変形が生じることになるが、長手方向に関して顕著な変形は生じない。また、ピエゾ抵抗素子Pz1〜Pz4の伸び縮みは、ピエゾ抵抗素子Px1〜Px4の伸び縮みとほぼ同じになる。   For example, as shown in FIG. 6, when a force + Fx in the positive direction of the X axis acts on the center of gravity G, the piezoresistive elements Px1 and Px3 contract and Px2 and Px4 expand. On the contrary, when the force -Fx in the negative direction of the X-axis acts, as shown in FIG. 7, the piezoresistive elements Px1 and Px3 expand and Px2 and Px4 contract. At this time, the piezoresistive elements Py1 to Py4 arranged on the Y axis are deformed to be twisted in the width direction, but are not significantly deformed in the longitudinal direction. The expansion and contraction of the piezoresistive elements Pz1 to Pz4 is substantially the same as the expansion and contraction of the piezoresistive elements Px1 to Px4.

次に、重心Gに対してY軸正方向の力+FyおよびY軸負方向の力−Fyが作用した場合を考えてみよう。図5に示すとおり、X軸とY軸とは直交しており、この本体基板100を原点Oを中心に90°回転させても、形状は全く同じである。したがって、上述したX軸方向に関する力が作用したときの変形態様は、Y軸方向に関する力が作用したときの変形態様にもそのまま適用することができる。すなわち、Y軸方向に関する力が作用したときのピエゾ抵抗素子Py1〜Py4の伸び縮みは、上述したX軸方向に関する力が作用したときのピエゾ抵抗素子Px1〜Px4の伸び縮みと同じになる。また、Y軸方向に関する力が作用したとき、X軸上に配置されたピエゾ抵抗素子Px1〜Px4は、幅方向に関して捩れる変形が生じることになるが、長手方向に関して顕著な変形は生じない。同じくY軸方向に関する力が作用したときのピエゾ抵抗素子Pz1〜Pz4の伸び縮みは、ピエゾ抵抗素子Px1〜Px4の伸び縮みとほぼ同じであり、長手方向に関して顕著な変形は生じない。   Next, let us consider a case where a force + Fy in the positive Y-axis direction and a force −Fy in the negative Y-axis direction are applied to the center of gravity G. As shown in FIG. 5, the X axis and the Y axis are orthogonal to each other, and the shape is exactly the same even if the main body substrate 100 is rotated by 90 ° about the origin O. Therefore, the deformation mode when the force related to the X-axis direction is applied can be applied as it is to the deformation mode when the force related to the Y-axis direction is applied. That is, the expansion and contraction of the piezoresistive elements Py1 to Py4 when the force related to the Y-axis direction is applied is the same as the expansion and contraction of the piezoresistive elements Px1 to Px4 when the force related to the X-axis direction is applied. Further, when a force related to the Y-axis direction is applied, the piezoresistive elements Px1 to Px4 arranged on the X-axis are deformed to be twisted with respect to the width direction, but are not significantly deformed with respect to the longitudinal direction. Similarly, the expansion and contraction of the piezoresistive elements Pz1 to Pz4 when a force in the Y-axis direction is applied is substantially the same as the expansion and contraction of the piezoresistive elements Px1 to Px4, and no significant deformation occurs in the longitudinal direction.

続いて、重心Gに対してZ軸方向に関する力が作用した場合を考える。図8は、Z軸正方向の力+Fzが作用したときの変形状態を示す側断面図である。重錘体210が上方へと移動することにより、内側近傍領域に配置されているピエゾ抵抗素子Px2,Px3,Py2,Py3,Pz2,Pz3は伸び、外側近傍領域に配置されているピエゾ抵抗素子Px1,Px4,Py1,Py4,Pz1,Pz4は縮む。一方、図9は、Z軸負方向の力−Fzが作用したときの変形状態を示す側断面図である。重錘体10が下方へと移動することにより、内側近傍領域に配置されているピエゾ抵抗素子Px2,Px3,Py2,Py3,Pz2,Pz3は縮み、外側近傍領域に配置されているピエゾ抵抗素子Px1,Px4,Py1,Py4,Pz1,Pz4は伸びる。   Next, consider a case where a force in the Z-axis direction is applied to the center of gravity G. FIG. 8 is a side sectional view showing a deformed state when a force + Fz in the positive direction of the Z-axis is applied. As the weight body 210 moves upward, the piezoresistive elements Px2, Px3, Py2, Py3, Pz2, and Pz3 disposed in the inner vicinity region are extended, and the piezoresistive elements Px1 disposed in the outer vicinity region. , Px4, Py1, Py4, Pz1, Pz4 shrink. On the other hand, FIG. 9 is a side sectional view showing a deformed state when a force -Fz in the Z-axis negative direction is applied. When the weight body 10 moves downward, the piezoresistive elements Px2, Px3, Py2, Py3, Pz2, and Pz3 arranged in the inner vicinity area contract, and the piezoresistive elements Px1 arranged in the outer vicinity area. , Px4, Py1, Py4, Pz1, Pz4 extend.

なお、図2に示すように、重錘体210の周囲には、空隙寸法d1,d2,d3が確保されているので、各軸方向への変位量がこれらの寸法範囲内であれば、重錘体210は自由に変位することができるが、それ以上の変位が生じようとすると、重錘体210の上面が外側部130の下面に当接したり、重錘体210の外周面が台座220の内周面に当接したり、重錘体210の底面が支持基板300の上面に当接したりして、変位は抑制されることになる。すなわち、重錘体210に過度の外力が加わっても、重錘体210に生じる変位は所定範囲内に抑制されることになる。このような仕組は、過度の外力の作用によって、重錘体210の支持構造が破損することを防ぐために有用である。たとえば、空隙寸法d1,d2,d3を10μm程度に設定しておけば、3,000〜10,000G程度の衝撃にも耐えることができる。   As shown in FIG. 2, since the gap dimensions d1, d2, and d3 are secured around the weight body 210, if the amount of displacement in each axial direction is within these dimension ranges, the weight The weight body 210 can be freely displaced, but if a further displacement is to be generated, the upper surface of the weight body 210 abuts on the lower surface of the outer portion 130, or the outer peripheral surface of the weight body 210 is the pedestal 220. The displacement is suppressed by abutting on the inner peripheral surface or the bottom surface of the weight body 210 abutting on the upper surface of the support substrate 300. That is, even if an excessive external force is applied to the weight body 210, the displacement generated in the weight body 210 is suppressed within a predetermined range. Such a structure is useful for preventing the support structure of the weight body 210 from being damaged by the action of an excessive external force. For example, if the gap dimensions d1, d2, and d3 are set to about 10 μm, it is possible to withstand an impact of about 3,000 to 10,000 G.

さて、図6〜図9に示す検討結果を踏まえて、図2に示すセンサの重錘体210に、各座標軸方向の力が作用したときの環状中間部120の上面各部における長手方向に関する伸縮状態を図10〜図15の上面図にまとめて示す。すなわち、図10はX軸正方向の力+Fxが作用した状態を示す上面図、図11はX軸負方向の力−Fxが作用した状態を示す上面図、図12はY軸正方向の力+Fyが作用した状態を示す上面図、図13はY軸負方向の力−Fyが作用した状態を示す上面図、図14はZ軸正方向の力+Fzが作用した状態を示す上面図、図15はZ軸負方向の力−Fzが作用した状態を示す上面図である。   Now, based on the examination results shown in FIG. 6 to FIG. 9, the stretched state in the longitudinal direction at each part of the upper surface of the annular intermediate part 120 when forces in the coordinate axis directions are applied to the weight body 210 of the sensor shown in FIG. 2. Are collectively shown in the top views of FIGS. That is, FIG. 10 is a top view showing a state in which an X-axis positive direction force + Fx is applied, FIG. 11 is a top view showing a state in which an X-axis negative direction force −Fx is applied, and FIG. 12 is a Y-axis positive direction force. FIG. 13 is a top view showing a state where a force −Fy in the Y-axis negative direction is applied, and FIG. 14 is a top view showing a state where a force + Fz in the Z-axis positive direction is applied. 15 is a top view showing a state in which a negative force -Fz in the Z-axis is applied.

いずれの図においても、外側へ向かう一対の矢印は、当該部分が通常状態(力が作用していない状態)に比べて伸びることを示し、内側へ向かう一対の矢印は、当該部分が通常状態に比べて縮むことを示している。なお、ここで考慮している伸縮は、あくまでも各部分の座標軸に沿った方向(矢印で示す方向)に関する伸縮である。矢印の付されていないバーは、当該バーに沿った方向に関して有意な伸縮が生じないことを示している。また、ここで示した伸縮結果は、環状中間部120の上面における伸縮の結果であり、内部や下面における伸縮結果ではない。   In either figure, a pair of arrows pointing outward indicates that the part extends compared to a normal state (a state where no force is applied), and a pair of arrows pointing inward indicates that the part is in a normal state. Compared to the shrinkage. In addition, the expansion / contraction considered here is an expansion / contraction about the direction (direction shown by the arrow) along the coordinate axis of each part to the last. Bars without arrows indicate that no significant expansion or contraction occurs in the direction along the bar. Moreover, the expansion / contraction result shown here is a result of expansion / contraction on the upper surface of the annular intermediate portion 120, and is not a result of expansion / contraction on the inside or the lower surface.

<<< §3.ピエゾ抵抗素子および圧電素子の詳細構造 >>>
図16は、各ピエゾ抵抗素子P(図5に示す12組のピエゾ抵抗素子Px1〜Px4,Py1〜Py4,Pz1〜Pz4の1つ)の形成部分の拡大側断面図である。既に述べたとおり、ピエゾ抵抗素子Pは、本体基板100の上面表層部分に埋め込まれている。ここに示す実施例の場合、本体基板100はN型シリコン基板によって構成されており、ピエゾ抵抗素子Pは、このN型シリコン基板の一部に形成されたP型不純物含有層によって構成されている。もちろん、P型シリコン基板の表層部分に形成されたN型不純物含有層によりピエゾ抵抗素子を構成することも可能である。
<<< §3. Detailed structure of piezoresistive element and piezoelectric element >>
FIG. 16 is an enlarged side sectional view of a portion where each piezoresistive element P (one of the twelve sets of piezoresistive elements Px1 to Px4, Py1 to Py4, Pz1 to Pz4 shown in FIG. 5) is formed. As described above, the piezoresistive element P is embedded in the upper surface layer portion of the main body substrate 100. In the embodiment shown here, the main body substrate 100 is constituted by an N-type silicon substrate, and the piezoresistive element P is constituted by a P-type impurity-containing layer formed on a part of the N-type silicon substrate. . Of course, the piezoresistive element can be constituted by an N-type impurity-containing layer formed in the surface layer portion of the P-type silicon substrate.

なお、図16には、端子T1,T2から伸びる配線が線で示されているが、これは、ピエゾ抵抗素子Pの左右両端と端子T1,T2との間に配線がなされることを便宜上示したものである。実際には、アルミニウムなどの金属を用いて、このような配線層が形成されることになる。   In FIG. 16, the wiring extending from the terminals T1 and T2 is shown by lines, but this indicates that the wiring is formed between the left and right ends of the piezoresistive element P and the terminals T1 and T2. It is a thing. In practice, such a wiring layer is formed using a metal such as aluminum.

ピエゾ抵抗素子Pは、機械的な伸縮状態に応じて電気抵抗が増減する性質をもった素子であるので、図16に示す例において、本体基板100の上面部分に加えられた応力によって、ピエゾ抵抗素子Pがその長手方向(図の左右方向)に伸縮すると、両端子T1,T2間の電気抵抗に変化が生じることになる。後述するように、加速度検出は、この電気抵抗の変化を電気的に検出することにより行われる。   The piezoresistive element P is an element having the property that the electrical resistance increases or decreases according to the mechanical expansion / contraction state. Therefore, in the example shown in FIG. When the element P expands and contracts in the longitudinal direction (left and right direction in the figure), the electrical resistance between the terminals T1 and T2 changes. As will be described later, acceleration detection is performed by electrically detecting this change in electrical resistance.

一方、図17は、圧電素子F(図1に示す圧電素子D1〜D4,E1〜E4の1つ)の形成部分の拡大側断面図である。既に述べたとおり、圧電素子Fは、本体基板100の上面に固着されている。図示の例では、圧電素子Fは板状形態をしており、その上面に上方電極UEが固着され、下面に下方電極LEが固着されている。そして、下方電極LEの下面は、本体基板100の上面に固着されているので、結局、圧電素子Fは下方電極LEを介して間接的に本体基板100の上面に固着されていることになる。その結果、本体基板100(環状中間部120)の上面に生じた撓み(機械的な変形)は圧電素子Fへと伝達され、逆に、圧電素子Fに生じた撓みは本体基板100(環状中間部120)の上面へと伝達されることになる。   On the other hand, FIG. 17 is an enlarged side cross-sectional view of a portion where the piezoelectric element F (one of the piezoelectric elements D1 to D4 and E1 to E4 shown in FIG. 1) is formed. As already described, the piezoelectric element F is fixed to the upper surface of the main body substrate 100. In the example shown in the figure, the piezoelectric element F has a plate shape, and the upper electrode UE is fixed to the upper surface thereof, and the lower electrode LE is fixed to the lower surface thereof. Since the lower surface of the lower electrode LE is fixed to the upper surface of the main substrate 100, the piezoelectric element F is eventually fixed to the upper surface of the main substrate 100 indirectly via the lower electrode LE. As a result, the bending (mechanical deformation) generated on the upper surface of the main body substrate 100 (annular intermediate portion 120) is transmitted to the piezoelectric element F. Conversely, the bending generated in the piezoelectric element F is the main body substrate 100 (annular intermediate portion). Transmitted to the upper surface of the portion 120).

ここに示す実施例の場合、前述したように、本体基板100はN型シリコン基板によって構成されており、圧電素子Fは、PZT(チタン酸ジルコン酸鉛)によって構成されており(窒化アルミニウムなど、他の圧電素子を用いてもよい)、上方電極UEおよび下方電極LEは金属層によって構成されている。なお、図17には、端子U,Lから伸びる配線が線で示されているが、これは、端子Uと上方電極UEとの間および端子Lと下方電極LEとの間に、それぞれ配線がなされることを便宜上示したものである。実際には、金属を用いて、このような配線層が形成されることになる。   In the embodiment shown here, as described above, the main body substrate 100 is made of an N-type silicon substrate, and the piezoelectric element F is made of PZT (lead zirconate titanate) (such as aluminum nitride). Other piezoelectric elements may be used), and the upper electrode UE and the lower electrode LE are formed of a metal layer. In FIG. 17, wirings extending from the terminals U and L are indicated by lines. This is because wirings are connected between the terminal U and the upper electrode UE and between the terminal L and the lower electrode LE, respectively. This is done for the sake of convenience. Actually, such a wiring layer is formed using metal.

一般に、圧電素子は、応力が加えられると電圧が発生し、逆に、電圧が加えられると応力が生じる性質を有している。図17に示す圧電素子Fは、図の横方向(本体基板100の上面に平行な方向)に伸縮させる応力が加えられると、上方電極UEと下方電極LEとの間に電圧が生じる性質をもっている。生じる電圧の極性は、加えられた応力の向き(横方向に伸ばす方向か、縮ませる方向か)に依存して決まり、生じる電圧の大きさは、加えられた応力の大きさに依存して決まる。また、この圧電素子Fは、上方電極UEと下方電極LEとの間に電圧を印加すると、図の横方向に伸縮変形する性質をもっている。伸びるか縮むかは、印加電圧の極性に依存して決まり、伸縮変形の量は、印加電圧の大きさに依存して決まる。   In general, a piezoelectric element has a property that a voltage is generated when a stress is applied, and a stress is generated when a voltage is applied. The piezoelectric element F shown in FIG. 17 has a property that a voltage is generated between the upper electrode UE and the lower electrode LE when a stress for expanding and contracting in the horizontal direction (direction parallel to the upper surface of the main body substrate 100) is applied. . The polarity of the generated voltage depends on the direction of the applied stress (in the direction of stretching or contracting in the lateral direction), and the magnitude of the generated voltage depends on the magnitude of the applied stress. . The piezoelectric element F has a property of expanding and contracting in the horizontal direction in the figure when a voltage is applied between the upper electrode UE and the lower electrode LE. Whether to stretch or contract depends on the polarity of the applied voltage, and the amount of expansion / contraction deformation depends on the magnitude of the applied voltage.

<<< §4.加速度検出の原理 >>>
ここでは、図1および図2に示した基本的実施形態に係るセンサの加速度検出の原理を述べる。既に述べたとおり、環状中間部120の上面には、図5に示すように、合計12組のピエゾ抵抗素子Pが埋め込まれており、これらピエゾ抵抗素子Pの電気抵抗の変化に基づいて作用した加速度の検出が行われる。各ピエゾ抵抗素子Pは、いずれも全く同じサイズの同じ材料からなる素子であり、その配置位置のみが異なる。
<<< §4. Principle of acceleration detection >>>
Here, the principle of acceleration detection of the sensor according to the basic embodiment shown in FIGS. 1 and 2 will be described. As described above, a total of 12 sets of piezoresistive elements P are embedded in the upper surface of the annular intermediate portion 120 as shown in FIG. 5 and acted on the basis of the change in electrical resistance of these piezoresistive elements P. Acceleration is detected. Each of the piezoresistive elements P is an element made of the same material having the same size, and only the arrangement position thereof is different.

図18は、このセンサに用いる加速度検出回路の一例を示す回路図である。図18(a) は作用した加速度のX軸方向成分αxの検出を行う回路、図18(b) は作用した加速度のY軸方向成分αyの検出を行う回路、図18(c) は作用した加速度のZ軸方向成分αzの検出を行う回路である。これらの回路における1組のピエゾ抵抗素子は、図16に示すピエゾ抵抗素子Pから構成されており、図16に示す両端子T1,T2が、図18の各回路図に示す黒丸点に対応する。いずれの回路も、4組のピエゾ抵抗素子Pからなるブリッジ回路を含み、これら各ブリッジ回路には、直流電源50から常に一定の電圧が印加されている。   FIG. 18 is a circuit diagram showing an example of an acceleration detection circuit used in this sensor. 18A is a circuit that detects the X-axis direction component αx of the applied acceleration, FIG. 18B is a circuit that detects the Y-axis direction component αy of the applied acceleration, and FIG. 18C is operated. This circuit detects the Z-axis direction component αz of acceleration. A set of piezoresistive elements in these circuits is composed of a piezoresistive element P shown in FIG. 16, and both terminals T1 and T2 shown in FIG. 16 correspond to black circles shown in each circuit diagram of FIG. . Each circuit includes a bridge circuit composed of four sets of piezoresistive elements P, and a constant voltage is always applied to each bridge circuit from the DC power supply 50.

まず、図18(a) に示すブリッジ回路は、図5のX軸上に配置された4組のピエゾ抵抗素子Px1〜Px4によって構成されており、そのブリッジ電圧Vxは電位差計51によって測定される。何ら力が作用していない状態では、これら4組のピエゾ抵抗素子Pの電気抵抗は互いに等しいので、ブリッジ回路は平衡状態を維持し、電位差計51によって測定されるブリッジ電圧Vxは0になる。ところが、重錘体210にX軸方向に関する力が作用すると、図10または図11に示す伸縮状態が生じることになる。ピエゾ抵抗素子Pは、機械的な伸縮状態に応じて電気抵抗が増減する性質をもった素子であるので、図10または図11に示す伸縮状態が生じると、図18(a) に示すブリッジ回路の平衡状態が崩れ、電位差計51によって測定されるブリッジ電圧Vxは正または負の値となる。   First, the bridge circuit shown in FIG. 18A is composed of four sets of piezoresistive elements Px1 to Px4 arranged on the X axis in FIG. 5, and the bridge voltage Vx is measured by a potentiometer 51. . In the state where no force is applied, the electric resistances of these four sets of piezoresistive elements P are equal to each other. Therefore, the bridge circuit maintains an equilibrium state, and the bridge voltage Vx measured by the potentiometer 51 becomes zero. However, when a force related to the X-axis direction acts on the weight body 210, the stretched state shown in FIG. 10 or FIG. 11 occurs. The piezoresistive element P is an element having the property that the electrical resistance increases or decreases according to the mechanical expansion / contraction state. Therefore, when the expansion / contraction state shown in FIG. 10 or FIG. 11 occurs, the bridge circuit shown in FIG. Thus, the bridge voltage Vx measured by the potentiometer 51 becomes a positive or negative value.

図18(a) に示すブリッジ回路において、対辺を構成する一対のピエゾ抵抗素子Px1,Px3は、X軸方向に関する力の作用に対して同じ伸縮状態をとる関係(一方が伸びれば他方も伸び、一方が縮めば他方も縮む関係)にあり、同様に、別な対辺を構成する一対のピエゾ抵抗素子Px2,Px4も、X軸方向に関する力の作用に対して同じ伸縮状態をとる関係にあるので、電位差計51によって測定されるブリッジ電圧Vxは、作用したX軸方向に関する力の方向と大きさとを示す値になり、加速度のX軸方向成分αxを示す値になる。   In the bridge circuit shown in FIG. 18 (a), the pair of piezoresistive elements Px1 and Px3 constituting the opposite side have the same expansion / contraction state with respect to the action of the force in the X-axis direction (if one extends, the other extends, Similarly, if one side contracts, the other also contracts, and similarly, the pair of piezoresistive elements Px2 and Px4 forming another opposite side also have the same expansion / contraction state with respect to the action of the force in the X-axis direction. The bridge voltage Vx measured by the potentiometer 51 is a value indicating the direction and magnitude of the force with respect to the applied X-axis direction, and is a value indicating the X-axis direction component αx of the acceleration.

なお、Y軸方向に関する力が作用した場合は、図12および図13に示すとおり、図18(a) に示すブリッジ回路を構成する4組のピエゾ抵抗素子Px1〜Px4には、有意な伸縮は生じないので、ブリッジ電圧Vxには有意な変動は生じない。これに対して、Z軸方向に関する力が作用した場合は、図14および図15に示すとおり、図18(a) に示すブリッジ回路を構成する4組のピエゾ抵抗素子Px1〜Px4に、有意な伸縮が生じることになる。しかしながら、このブリッジ回路の対辺を構成する一対のピエゾ抵抗素子Px1,Px3は、Z軸方向に関する力の作用に対して相反する伸縮状態をとる関係(一方が伸びれば他方は縮み、一方が縮めば他方は伸びる関係)にあり、同様に、別な対辺を構成する一対のピエゾ抵抗素子Px2,Px4も、Z軸方向に関する力の作用に対して相反する伸縮状態をとる関係にあるので、Z軸方向に関する力の作用によるブリッジ電圧Vxの変動は相殺されてしまう。結局、図18(a) に示すブリッジ回路は、作用した加速度のX軸方向成分αxのみを独立して検出することができる。   When a force in the Y-axis direction is applied, as shown in FIGS. 12 and 13, significant expansion and contraction is not caused in the four sets of piezoresistive elements Px1 to Px4 constituting the bridge circuit shown in FIG. Since it does not occur, there is no significant variation in the bridge voltage Vx. On the other hand, when a force related to the Z-axis direction is applied, as shown in FIGS. 14 and 15, the four piezoresistive elements Px1 to Px4 constituting the bridge circuit shown in FIG. Expansion and contraction will occur. However, the pair of piezoresistive elements Px1 and Px3 constituting the opposite sides of the bridge circuit have a relationship of taking a stretched state opposite to the action of the force in the Z-axis direction (if one stretches, the other shrinks and one shrinks). Similarly, the pair of piezoresistive elements Px2 and Px4 constituting another opposite side are also in a relationship of taking expansion and contraction that is opposite to the action of force in the Z-axis direction. Variations in the bridge voltage Vx due to the action of force in the direction are canceled out. As a result, the bridge circuit shown in FIG. 18A can independently detect only the X-axis direction component αx of the applied acceleration.

一方、図18(b) に示すブリッジ回路は、図5のY軸上に配置された4組のピエゾ抵抗素子Py1〜Py4によって構成されており、そのブリッジ電圧Vyは電位差計52によって測定される。何ら力が作用していない状態では、これら4組のピエゾ抵抗素子Pの電気抵抗は互いに等しいので、ブリッジ回路は平衡状態を維持し、電位差計52によって測定されるブリッジ電圧Vyは0になる。ところが、重錘体210にY軸方向に関する力が作用すると、図12または図13に示す伸縮状態が生じることになり、ブリッジ回路の平衡状態が崩れる。結局、電位差計52によって測定されるブリッジ電圧Vyが、加速度のY軸方向成分αyを示す値になる。   On the other hand, the bridge circuit shown in FIG. 18 (b) is composed of four sets of piezoresistive elements Py1 to Py4 arranged on the Y axis in FIG. 5, and the bridge voltage Vy is measured by a potentiometer 52. . In the state where no force is applied, the electric resistances of these four sets of piezoresistive elements P are equal to each other. Therefore, the bridge circuit maintains an equilibrium state, and the bridge voltage Vy measured by the potentiometer 52 becomes zero. However, when a force in the Y-axis direction acts on the weight body 210, the expansion / contraction state shown in FIG. 12 or FIG. 13 occurs, and the equilibrium state of the bridge circuit is lost. Eventually, the bridge voltage Vy measured by the potentiometer 52 becomes a value indicating the Y-axis direction component αy of acceleration.

この図18(b) に示すブリッジ回路の場合、X軸方向に関する力が作用した場合は、ブリッジ電圧Vyには有意な変動は生じない。また、Z軸方向に関する力が作用した場合は、対辺を構成する一対のピエゾ抵抗素子が相反する伸縮状態をとる関係にあるので、Z軸方向に関する力の作用によるブリッジ電圧Vyの変動は相殺されてしまう。したがって、図18(b) に示すブリッジ回路は、作用した加速度のY軸方向成分αyのみを独立して検出することができる。   In the case of the bridge circuit shown in FIG. 18 (b), when a force in the X-axis direction is applied, no significant fluctuation occurs in the bridge voltage Vy. In addition, when a force related to the Z-axis direction is applied, the pair of piezoresistive elements that constitute the opposite side are in a contradictory expansion / contraction state, so that fluctuations in the bridge voltage Vy due to the action of the force related to the Z-axis direction are canceled out. End up. Therefore, the bridge circuit shown in FIG. 18 (b) can independently detect only the Y-axis direction component αy of the applied acceleration.

また、図18(c) に示すブリッジ回路は、図5のXa軸もしくはXb軸上に配置された4組のピエゾ抵抗素子Pz1〜Pz4によって構成されており、そのブリッジ電圧Vzは電位差計53によって測定される。何ら力が作用していない状態では、これら4組のピエゾ抵抗素子Pの電気抵抗は互いに等しいので、ブリッジ回路は平衡状態を維持し、電位差計53によって測定されるブリッジ電圧Vzは0になる。ところが、重錘体210にZ軸方向に関する力が作用すると、図14または図15に示す伸縮状態が生じることになり、ブリッジ回路の平衡状態が崩れる。結局、電位差計53によって測定されるブリッジ電圧Vzが、加速度のZ軸方向成分αzを示す値になる。   Further, the bridge circuit shown in FIG. 18 (c) is composed of four sets of piezoresistive elements Pz1 to Pz4 arranged on the Xa axis or Xb axis of FIG. Measured. In the state where no force is applied, the electric resistances of these four sets of piezoresistive elements P are equal to each other. Therefore, the bridge circuit maintains an equilibrium state, and the bridge voltage Vz measured by the potentiometer 53 becomes zero. However, when a force in the Z-axis direction is applied to the weight body 210, the stretched state shown in FIG. 14 or FIG. 15 occurs, and the balanced state of the bridge circuit is lost. Eventually, the bridge voltage Vz measured by the potentiometer 53 becomes a value indicating the Z-axis direction component αz of acceleration.

この図18(c) に示すブリッジ回路の場合、対辺を構成する一対のピエゾ抵抗素子は、いずれも内側近傍領域に配置された素子の組合わせか、いずれも外側近傍領域に配置された素子の組合わせか、になっている。したがって、Z軸方向に関する力が作用した場合は、対辺を構成する一対のピエゾ抵抗素子が同じ伸縮状態をとり、ブリッジ電圧Vzに変動が生じることになるが、X軸方向もしくはY軸方向に関する力が作用した場合は、対辺を構成する一対のピエゾ抵抗素子が相反する伸縮状態をとるので、X軸方向もしくはY軸方向に関する力の作用によるブリッジ電圧Vzの変動は相殺されてしまう。したがって、図18(c) に示すブリッジ回路は、作用した加速度のZ軸方向成分αzのみを独立して検出することができる。   In the case of the bridge circuit shown in FIG. 18 (c), the pair of piezoresistive elements constituting the opposite side is either a combination of elements arranged in the inner vicinity area, or both of the elements arranged in the outer vicinity area. It is a combination. Therefore, when a force related to the Z-axis direction is applied, the pair of piezoresistive elements constituting the opposite side take the same expansion / contraction state, and the bridge voltage Vz varies, but the force related to the X-axis direction or the Y-axis direction. When this occurs, the pair of piezoresistive elements constituting the opposite sides take opposite stretched states, so that the fluctuation in the bridge voltage Vz due to the action of the force in the X-axis direction or the Y-axis direction is canceled out. Therefore, the bridge circuit shown in FIG. 18 (c) can independently detect only the Z-axis direction component αz of the applied acceleration.

結局、この基本的実施形態に係るセンサに用いられる加速度検出回路は、第1のX軸検出用ピエゾ抵抗素子Px1および第3のX軸検出用ピエゾ抵抗素子Px3を第1の対辺とし、第2のX軸検出用ピエゾ抵抗素子Px2および第4のX軸検出用ピエゾ抵抗素子Px4を第2の対辺とするブリッジ回路のブリッジ電圧Vxに基づいてX軸方向に作用した加速度αxの検出を行い、第1のY軸検出用ピエゾ抵抗素子Py1および第3のY軸検出用ピエゾ抵抗素子Py3を第1の対辺とし、第2のY軸検出用ピエゾ抵抗素子Py2および第4のY軸検出用ピエゾ抵抗素子Py4を第2の対辺とするブリッジ回路のブリッジ電圧Vyに基づいてY軸方向に作用した加速度αyの検出を行い、第1のZ軸検出用ピエゾ抵抗素子Pz1および第4のZ軸検出用ピエゾ抵抗素子Pz4を第1の対辺とし、第2のZ軸検出用ピエゾ抵抗素子Pz2および第3のZ軸検出用ピエゾ抵抗素子Pz3を第2の対辺とするブリッジ回路のブリッジ電圧Vzに基づいてZ軸方向に作用した加速度αzの検出を行うことになる。   Eventually, the acceleration detection circuit used in the sensor according to this basic embodiment uses the first X-axis detection piezoresistive element Px1 and the third X-axis detection piezoresistive element Px3 as the first opposite side, and the second The acceleration αx acting in the X-axis direction is detected based on the bridge voltage Vx of the bridge circuit having the X-axis detection piezoresistive element Px2 and the fourth X-axis detection piezoresistive element Px4 as the second opposite side, The first Y-axis detecting piezoresistive element Py1 and the third Y-axis detecting piezoresistive element Py3 are the first opposite sides, and the second Y-axis detecting piezoresistive element Py2 and the fourth Y-axis detecting piezoresistive element are used. Based on the bridge voltage Vy of the bridge circuit having the resistance element Py4 as the second opposite side, the acceleration αy acting in the Y-axis direction is detected, and the first Z-axis detection piezoresistance element Pz1 and the fourth Z-axis detection are detected. The bridge voltage Vz of the bridge circuit having the outgoing piezoresistive element Pz4 as the first opposite side and the second Z-axis detecting piezoresistive element Pz2 and the third Z-axis detecting piezoresistive element Pz3 as the second opposite side. Based on this, the acceleration αz acting in the Z-axis direction is detected.

なお、§1でも述べたとおり、Z軸方向に関する力の検出に利用される4組のピエゾ抵抗素子の配置は、図5に示す配置に限定されるものではなく、ピエゾ抵抗素子Pz1,Pz4を外側近傍領域の任意の位置に配置し、ピエゾ抵抗素子Pz2,Pz3を内側近傍領域の任意の位置に配置すればよい(感度を高めるためには、なるべく、原点Oから放射状に向かう方向が長手方向となる配置が好ましい)。これは、Z軸正方向に関する力+Fzが作用した場合は、図14に示すように、内側近傍領域の上面には原点Oから放射状に向かう方向に関して伸びる力が加わり、外側近傍領域の上面には原点Oから放射状に向かう方向に関して縮む力が加わり、逆に、Z軸負方向に関する力−Fzが作用した場合は、図15に示すように、内側近傍領域の上面には原点Oから放射状に向かう方向に関して縮む力が加わり、外側近傍領域の上面には原点Oから放射状に向かう方向に関して伸びる力が加わるためである。   As described in §1, the arrangement of the four sets of piezoresistive elements used for detecting the force in the Z-axis direction is not limited to the arrangement shown in FIG. 5, and the piezoresistive elements Pz1 and Pz4 are It is only necessary to arrange the piezoresistive elements Pz2 and Pz3 at arbitrary positions in the outer vicinity area (in order to increase sensitivity, the direction from the origin O to the radial direction is preferably the longitudinal direction). Is preferred). This is because, when a force + Fz in the positive direction of the Z-axis is applied, as shown in FIG. 14, a force extending in a radial direction from the origin O is applied to the upper surface of the inner vicinity region, and When a force contracting in the radial direction from the origin O is applied, and conversely, when a force -Fz in the negative Z-axis direction is applied, as shown in FIG. This is because a force contracting in the direction is applied, and a force extending in the radial direction from the origin O is applied to the upper surface of the outer vicinity region.

<<< §5.角速度検出の原理 >>>
続いて、図1および図2に示した基本的実施形態に係るセンサの角速度検出の原理を述べる。既に述べたとおり、環状中間部120の上面には、図1に示すように、合計8組の圧電素子が配置されている。各圧電素子は、いずれも物理的には全く同一の構成をもった素子であるが、大きさおよび配置が若干異なる(厚みはすべて同じである)。すなわち、内側近傍領域に配置された4組の圧電素子D1〜D4は、相互に同じ形状・大きさをもった圧電素子であり、その配置位置のみが異なる。同様に、外側近傍領域に配置された4組の圧電素子E1〜E4も、相互に同じ形状・大きさをもった圧電素子であり、その配置位置のみが異なる。また、4組の圧電素子D1〜D4と4組の圧電素子E1〜E4を比べると、形状・大きさが異なっており、平面的な面積は、後者の方が大きい。これは、内側近傍領域に比べて外側近傍領域の方が面積が大きいためである。
<<< §5. Principle of angular velocity detection >>>
Next, the principle of angular velocity detection of the sensor according to the basic embodiment shown in FIGS. 1 and 2 will be described. As already described, a total of eight sets of piezoelectric elements are arranged on the upper surface of the annular intermediate portion 120 as shown in FIG. Each piezoelectric element is an element having a physically identical configuration, but is slightly different in size and arrangement (all have the same thickness). That is, the four sets of piezoelectric elements D1 to D4 arranged in the inner vicinity region are piezoelectric elements having the same shape and size, and only the arrangement positions thereof are different. Similarly, the four sets of piezoelectric elements E1 to E4 arranged in the outer vicinity region are also piezoelectric elements having the same shape and size, and only their arrangement positions are different. Further, when the four sets of piezoelectric elements D1 to D4 and the four sets of piezoelectric elements E1 to E4 are compared, the shape and size are different, and the latter has a larger planar area. This is because the outer vicinity region has a larger area than the inner vicinity region.

図1の上面図を見ればわかるとおり、各圧電素子は、いずれもX軸もしくはY軸の上に配置されており、しかもその形状は、配置軸に関して線対称となっている。また、各圧電素子の全体の配置パターンもX軸およびY軸に関して線対称となっているため、結局、図1に示す圧電素子の輪郭パターンは、X軸に関しても、Y軸に関しても対称性を有している。このような対称性は、後述する重錘体の駆動や力検出の便宜を図る上で重要である。   As can be seen from the top view of FIG. 1, each piezoelectric element is arranged on the X axis or the Y axis, and the shape thereof is line-symmetric with respect to the arrangement axis. Further, since the entire arrangement pattern of each piezoelectric element is also line symmetric with respect to the X axis and the Y axis, the contour pattern of the piezoelectric element shown in FIG. 1 is eventually symmetrical with respect to both the X axis and the Y axis. Have. Such symmetry is important for the convenience of driving a weight body and force detection described later.

ここでは、各圧電素子の用途を考慮して、重錘体210に加わった力の検出に利用される圧電素子を検出用圧電素子Dと呼び、重錘体210の駆動に利用される圧電素子を駆動用圧電素子Eと呼ぶことにする。また、検出用圧電素子Dと駆動用圧電素子Eとを区別せずに言及する場合には、単に「圧電素子F」と呼ぶことにする。圧電素子Fの詳細な構造は図17に示すとおりであり、実際には、その上面に上方電極UEが固着され、下面に下方電極LEが固着されている。   Here, in consideration of the use of each piezoelectric element, the piezoelectric element used for detecting the force applied to the weight body 210 is called a detection piezoelectric element D, and the piezoelectric element used for driving the weight body 210. Is called a driving piezoelectric element E. Further, when the detection piezoelectric element D and the drive piezoelectric element E are referred to without distinction, they are simply referred to as “piezoelectric elements F”. The detailed structure of the piezoelectric element F is as shown in FIG. 17, and actually, the upper electrode UE is fixed to the upper surface and the lower electrode LE is fixed to the lower surface.

既に述べたとおり、この圧電素子Fは、応力が加えられると電圧が発生し、逆に、電圧が加えられると応力が生じる性質を有している。このような圧電素子Fの性質を利用すれば、重錘体210を駆動することができる。すなわち、駆動用圧電素子E1〜E4に交流信号を供給して、環状中間部120を周期的に変形させれば、重錘体210に周期的な運動を生じさせることができる。   As described above, the piezoelectric element F has a property that a voltage is generated when a stress is applied, and a stress is generated when a voltage is applied. By utilizing such a property of the piezoelectric element F, the weight body 210 can be driven. That is, if an alternating current signal is supplied to the driving piezoelectric elements E1 to E4 and the annular intermediate portion 120 is periodically deformed, the weight body 210 can be caused to periodically move.

たとえば、図1に示す駆動用圧電素子E1の上下両電極間に第1の極性をもった電圧を印加して、XY平面に沿った方向に縮むように変形させるとともに、駆動用圧電素子E2の上下両電極間に第2の極性をもった電圧を印加して、XY平面に沿った方向に伸びるように変形させれば、図6に示すような変形態様が得られることになり、重錘体210の重心GはX軸正方向に移動する。また、各駆動用圧電素子E1,E2に対する印加電圧の極性を逆にすれば、図7に示すような変形態様が得られることになり、重錘体210の重心GはX軸負方向に移動する。   For example, a voltage having a first polarity is applied between the upper and lower electrodes of the driving piezoelectric element E1 shown in FIG. 1 so as to be contracted in a direction along the XY plane, and the driving piezoelectric element E2 is If a voltage having the second polarity is applied between both electrodes and is deformed so as to extend in the direction along the XY plane, a deformation mode as shown in FIG. 6 is obtained. The center of gravity G of 210 moves in the positive direction of the X axis. Further, if the polarity of the voltage applied to each of the driving piezoelectric elements E1 and E2 is reversed, a deformation mode as shown in FIG. 7 can be obtained, and the gravity center G of the weight body 210 moves in the negative direction of the X axis. To do.

結局、図19に示すような交流の駆動信号S1,S2(互いに逆位相の一対の正弦波信号)を用意し、各駆動用圧電素子の下方電極LEを接地レベルに保ち、図1に示す駆動用圧電素子E1の上方電極UEには駆動信号S1を供給し、駆動用圧電素子E2の上方電極UEには駆動信号S2を供給すれば、重錘体210の重心GをX軸方向に単振動させることができる。たとえば、上方電極UEに正の電圧を印加すると圧電素子は伸び、負の電圧を印加すると圧電素子が縮む特性を有していたとすると(圧電素子によっては、逆の特性の場合もあるが、本願明細書では、便宜上、上述のような特性の圧電素子が用いられているものとする)、期間t1,t3では、重錘体210をX軸負方向に移動させるための働きかけが行われ、期間t2,t4では、重錘体210をX軸正方向に移動させるための働きかけが行われる。   Eventually, AC drive signals S1 and S2 (a pair of sine wave signals having opposite phases to each other) as shown in FIG. 19 are prepared, and the lower electrode LE of each drive piezoelectric element is kept at the ground level, and the drive shown in FIG. If the drive signal S1 is supplied to the upper electrode UE of the piezoelectric element E1 and the drive signal S2 is supplied to the upper electrode UE of the drive piezoelectric element E2, the center of gravity G of the weight body 210 is simply oscillated in the X-axis direction. Can be made. For example, when a positive voltage is applied to the upper electrode UE, the piezoelectric element expands, and when a negative voltage is applied, the piezoelectric element contracts. (Depending on the piezoelectric element, the reverse characteristic may be present. In the specification, for the sake of convenience, it is assumed that the piezoelectric element having the characteristics as described above is used), and in the periods t1 and t3, an action is performed to move the weight body 210 in the negative direction of the X axis. At t2 and t4, an action for moving the weight body 210 in the X-axis positive direction is performed.

同様に、重錘体210の重心GをY軸方向に単振動させるのであれば、各駆動用圧電素子の下方電極LEを接地レベルに保ち、図1に示す駆動用圧電素子E3の上方電極UEには駆動信号S1を供給し、駆動用圧電素子E4の上方電極UEには駆動信号S2を供給すればよい。また、重錘体210の重心GをZ軸方向に単振動させるのであれば、図14に示す変形態様と図15に示す変形態様とが交互に繰り返されるようにすればよい。したがって、各駆動用圧電素子の下方電極LEを接地レベルに保ち、各圧電素子E1〜E4の上方電極UEに駆動信号S1(もしくは駆動信号S2)を供給すればよい。このように、特定の駆動用圧電素子Eに対して、特定の駆動信号を供給することにより、重錘体210の重心Gを、X軸、Y軸もしくはZ軸方向に単振動させることができる。   Similarly, if the center of gravity G of the weight body 210 is simply oscillated in the Y-axis direction, the lower electrode LE of each driving piezoelectric element is kept at the ground level, and the upper electrode UE of the driving piezoelectric element E3 shown in FIG. Is supplied with the drive signal S1, and the drive signal S2 may be supplied to the upper electrode UE of the drive piezoelectric element E4. Further, if the center of gravity G of the weight body 210 is simply vibrated in the Z-axis direction, the deformation mode shown in FIG. 14 and the deformation mode shown in FIG. 15 may be alternately repeated. Therefore, the lower electrode LE of each driving piezoelectric element may be kept at the ground level, and the driving signal S1 (or driving signal S2) may be supplied to the upper electrode UE of each piezoelectric element E1 to E4. Thus, by supplying a specific drive signal to a specific drive piezoelectric element E, the center of gravity G of the weight body 210 can be oscillated in the X-axis, Y-axis, or Z-axis direction. .

また、図20に示すような4通りの駆動信号SS1〜SS4(位相がπ/2ずつずれた正弦波信号)を用意すれば、重錘体210の重心Gを円運動させることも可能である。たとえば、重心GをXY平面に平行な平面内で円運動させるのであれば、各駆動用圧電素子E1〜E4の下方電極LEを接地レベルに保ち、各上方電極UEにそれぞれ駆動信号SS1〜SS4を供給すればよい。具体的には、圧電素子E1の上方電極UEには駆動信号SS1を与え、圧電素子E3の上方電極UEには駆動信号SS2を与え、圧電素子E2の上方電極UEには駆動信号SS3を与え、圧電素子E4の上方電極UEには駆動信号SS4を与えればよい。期間t1では、重錘体210をX軸負方向に移動させるための働きかけが行われ、期間t1〜t2の遷移期では、重錘体210をY軸負方向に移動させるための働きかけが行われ、期間t2では、重錘体210をX軸正方向に移動させるための働きかけが行われ、期間t2〜t3の遷移期では、重錘体210をY軸正方向に移動させるための働きかけが行われ、... 以下同様である。   Further, if four kinds of drive signals SS1 to SS4 (sine wave signals whose phases are shifted by π / 2) as shown in FIG. 20 are prepared, the center of gravity G of the weight body 210 can be circularly moved. . For example, if the center of gravity G is circularly moved in a plane parallel to the XY plane, the lower electrodes LE of the driving piezoelectric elements E1 to E4 are kept at the ground level, and the driving signals SS1 to SS4 are respectively applied to the upper electrodes UE. What is necessary is just to supply. Specifically, the drive signal SS1 is given to the upper electrode UE of the piezoelectric element E1, the drive signal SS2 is given to the upper electrode UE of the piezoelectric element E3, and the drive signal SS3 is given to the upper electrode UE of the piezoelectric element E2. The drive signal SS4 may be given to the upper electrode UE of the piezoelectric element E4. In the period t1, an action for moving the weight body 210 in the negative direction of the X axis is performed, and in a transition period of the periods t1 to t2, an action for moving the weight body 210 in the negative direction of the Y axis is performed. In the period t2, an action for moving the weight body 210 in the positive direction of the X axis is performed, and in a transition period of the periods t2 to t3, an action for moving the weight body 210 in the positive direction of the Y axis is performed. I ... and so on.

こうして、各駆動用圧電素子E1〜E4に供給する駆動信号を適宜選択すれば、重心Gを、XZ平面内やYZ平面内で円運動させることも可能である。なお、上述の説明では、各駆動用圧電素子E1〜E4の下方電極LEを共通の接地レベルに保ち、個々の上方電極UEに個別の駆動信号を供給する例を述べたが、逆に、各駆動用圧電素子E1〜E4の上方電極UEを共通の接地レベルに保ち、個々の下方電極ULに個別の駆動信号を供給するようにしてもかまわない。また、図19および図20には、駆動信号として正弦波信号を用いた例を示したが、駆動用圧電素子に供給する信号は交流信号であればよいので、たとえば、矩形波信号を用いることも可能である。   In this way, if a drive signal supplied to each of the driving piezoelectric elements E1 to E4 is appropriately selected, the center of gravity G can be circularly moved in the XZ plane or the YZ plane. In the above description, the example in which the lower electrodes LE of the driving piezoelectric elements E1 to E4 are kept at a common ground level and individual driving signals are supplied to the individual upper electrodes UE has been described. The upper electrodes UE of the driving piezoelectric elements E1 to E4 may be kept at a common ground level, and individual driving signals may be supplied to the individual lower electrodes UL. 19 and 20 show an example in which a sine wave signal is used as a drive signal. However, since the signal supplied to the drive piezoelectric element may be an AC signal, for example, a rectangular wave signal is used. Is also possible.

続いて、検出用圧電素子D1〜D4の機能について説明する。検出用圧電素子D1〜D4には、各部の伸縮に基づく電気信号が発生するので、これを利用すれば、重錘体210に作用した各軸方向の力を検出することができる。   Next, functions of the detection piezoelectric elements D1 to D4 will be described. Since electrical signals based on the expansion and contraction of each part are generated in the detection piezoelectric elements D1 to D4, by using this, it is possible to detect the force in each axial direction acting on the weight body 210.

たとえば、重錘体210に対してX軸正方向の力+Fxが作用すると、環状中間部120の上面には、図10に示すような伸縮が生じる。また、X軸負方向の力−Fxが作用すると、環状中間部120の上面には、図11に示すような伸縮が生じる。いずれの場合も、検出用圧電素子D1とD2の伸縮状態は正反対になるので、検出用圧電素子D1に発生する電気信号の極性と検出用圧電素子D2に発生する電気信号の極性とは逆になる。したがって、両者の差を求めれば、重錘体210に作用した力のX軸方向成分を検出することができる(差の符号が力の向きを示し、差の絶対値が力の大きさを示す)。   For example, when a force + Fx in the positive direction of the X-axis acts on the weight body 210, expansion and contraction as shown in FIG. Further, when a force −Fx in the negative X-axis direction is applied, expansion and contraction as shown in FIG. In either case, the expansion and contraction states of the detection piezoelectric elements D1 and D2 are opposite to each other, so that the polarity of the electrical signal generated in the detection piezoelectric element D1 is opposite to the polarity of the electrical signal generated in the detection piezoelectric element D2. Become. Therefore, if the difference between the two is obtained, the X-axis direction component of the force acting on the weight body 210 can be detected (the sign of the difference indicates the direction of the force, and the absolute value of the difference indicates the magnitude of the force. ).

また、重錘体210に対してY軸正方向の力+Fyが作用すると、環状中間部120の上面には、図12に示すような伸縮が生じ、Y軸負方向の力−Fyが作用すると、環状中間部120の上面には、図13に示すような伸縮が生じる。いずれの場合も、検出用圧電素子D3とD4の伸縮状態は正反対になるので、検出用圧電素子D3に発生する電気信号の極性と検出用圧電素子D4に発生する電気信号の極性とは逆になる。したがって、両者の差を求めれば、重錘体210に作用した力のY軸方向成分を検出することができる(差の符号が力の向きを示し、差の絶対値が力の大きさを示す)。   Further, when a force + Fy in the Y-axis positive direction acts on the weight body 210, expansion and contraction as shown in FIG. 12 occurs on the upper surface of the annular intermediate portion 120, and a force -Fy in the Y-axis negative direction acts. The upper and lower surfaces of the annular intermediate portion 120 expand and contract as shown in FIG. In either case, the expansion and contraction states of the detection piezoelectric elements D3 and D4 are opposite to each other, so that the polarity of the electric signal generated in the detection piezoelectric element D3 is opposite to the polarity of the electric signal generated in the detection piezoelectric element D4. Become. Therefore, if the difference between the two is obtained, the Y-axis direction component of the force acting on the weight body 210 can be detected (the sign of the difference indicates the direction of the force, and the absolute value of the difference indicates the magnitude of the force. ).

一方、重錘体210に対してZ軸正方向の力+Fzが作用すると、環状中間部120の上面には、図14に示すような伸縮が生じ、Z軸負方向の力−Fzが作用すると、環状中間部120の上面には、図15に示すような伸縮が生じる。いずれの場合も、検出用圧電素子D1〜D4の伸縮状態は同じになるので、各検出用圧電素子D1〜D4に発生する電気信号の極性は同じになる。したがって、たとえば、圧電素子D1に発生する電気信号と圧電素子D2に発生する電気信号の和や、圧電素子D3に発生する電気信号と圧電素子D4に発生する電気信号の和を求めれば(全圧電素子D1〜D4に発生する電気信号の総和を求めてもよい)、重錘体210に作用した力のZ軸方向成分を検出することができる(和の符号が力の向きを示し、和の絶対値が力の大きさを示す)。   On the other hand, when a force + Fz in the positive direction of the Z axis acts on the weight body 210, expansion and contraction as shown in FIG. 14 occurs on the upper surface of the annular intermediate portion 120, and a force −Fz in the negative direction of the Z axis acts. The expansion and contraction as shown in FIG. In either case, the expansion and contraction states of the detection piezoelectric elements D1 to D4 are the same, so the polarities of the electrical signals generated in the detection piezoelectric elements D1 to D4 are the same. Therefore, for example, if the sum of the electrical signal generated in the piezoelectric element D1 and the electrical signal generated in the piezoelectric element D2 or the sum of the electrical signal generated in the piezoelectric element D3 and the electrical signal generated in the piezoelectric element D4 is obtained (total piezoelectricity). The sum of the electrical signals generated in the elements D1 to D4 may be obtained), and the Z-axis direction component of the force acting on the weight body 210 can be detected (the sign of the sum indicates the direction of the force, Absolute value indicates the magnitude of the force).

このように、圧電素子D1,D2からの信号の差によって重錘体210に作用したX軸方向の力を検出し、圧電素子D3,D4からの信号の差によって重錘体210に作用したY軸方向の力を検出し、圧電素子D1,D2(もしくは、D3,D4)からの信号の和によって重錘体210に作用したZ軸方向の力を検出すると、他軸力成分の干渉を抑制した検出値を得ることができる。   In this way, the force in the X-axis direction acting on the weight body 210 is detected based on the difference between the signals from the piezoelectric elements D1 and D2, and Y acting on the weight body 210 based on the difference between the signals from the piezoelectric elements D3 and D4. If the axial force is detected and the Z-axis direction force acting on the weight body 210 is detected by the sum of signals from the piezoelectric elements D1, D2 (or D3, D4), interference of other axial force components is suppressed. The detected value can be obtained.

たとえば、重錘体210に対してY軸方向の力が作用した場合は、環状中間部120の上面には、図12もしくは図13に示すような伸縮が生じる。すなわち、Y軸上には軸方向の伸縮が生じるが、X軸上には軸方向の伸縮は全く生じない。ただ、図1に示されているとおり、圧電素子D1,D2は、Y軸方向にも広がりをもった素子であるため、Y軸方向の伸縮の影響を受けることになり、Y軸方向の力が作用した場合であっても、部分ごとにそれぞれ電荷が発生する。しかしながら、圧電素子D1,D2の形状は、X軸に関して線対称であるため、対称軸(X軸)について上半分の領域で発生した電荷と下半分で発生した電荷とが打ち消し合い、圧電素子D1からトータルで出力される出力値や、圧電素子D2からトータルで出力される出力値は0になる。したがって、圧電素子D1,D2からの信号の差によって重錘体210に作用したX軸方向の力を検出するようにすれば、検出値にY軸方向の力成分が混じることはない。   For example, when a force in the Y-axis direction is applied to the weight body 210, expansion and contraction as shown in FIG. That is, axial expansion and contraction occurs on the Y axis, but no axial expansion and contraction occurs on the X axis. However, as shown in FIG. 1, since the piezoelectric elements D1 and D2 are elements that also spread in the Y-axis direction, they are affected by expansion and contraction in the Y-axis direction, and force in the Y-axis direction Even when this occurs, electric charges are generated for each portion. However, since the shapes of the piezoelectric elements D1 and D2 are line symmetric with respect to the X axis, the charges generated in the upper half region and the charges generated in the lower half of the symmetry axis (X axis) cancel each other, and the piezoelectric element D1 The output value output in total from the output value and the output value output in total from the piezoelectric element D2 are zero. Therefore, if the force in the X-axis direction applied to the weight body 210 is detected based on the difference between the signals from the piezoelectric elements D1 and D2, the force component in the Y-axis direction is not mixed with the detected value.

また、重錘体210に対してZ軸方向の力が作用した場合は、環状中間部120の上面には、図14もしくは図15に示すような伸縮が生じる。しかしながら、この場合、圧電素子D1から出力される出力値と圧電素子D2から出力される出力値とは等しくなるため、圧電素子D1,D2からの信号の差によって重錘体210に作用したX軸方向の力を検出するようにすれば、検出値にZ軸方向の力成分が混じることはない。   In addition, when a force in the Z-axis direction is applied to the weight body 210, expansion and contraction as shown in FIG. However, in this case, since the output value output from the piezoelectric element D1 and the output value output from the piezoelectric element D2 are equal, the X axis acting on the weight body 210 due to the difference between the signals from the piezoelectric elements D1 and D2. If the force in the direction is detected, the force component in the Z-axis direction is not mixed with the detected value.

結局、圧電素子D1,D2からの信号の差によって重錘体210に作用したX軸方向の力を検出するようにすれば、検出値は、Y軸方向の力やZ軸方向の力に影響されない正しい値になる。同様の理由により、圧電素子D3,D4からの信号の差によって重錘体210に作用したY軸方向の力を検出するようにすれば、検出値は、X軸方向の力やZ軸方向の力に影響されない正しい値になる。また、圧電素子D1,D2(もしくは、D3,D4)からの信号の和によって重錘体210に作用したZ軸方向の力を検出するようにすれば、X軸方向の力やY軸方向の力が作用したとしても、和をとることによって相殺されるため、検出値は、やはりX軸方向の力やY軸方向の力に影響されない正しい値になる。   After all, if the force in the X-axis direction applied to the weight body 210 is detected by the difference between the signals from the piezoelectric elements D1 and D2, the detected value affects the force in the Y-axis direction and the force in the Z-axis direction. The correct value will not be. For the same reason, if the Y-axis direction force acting on the weight body 210 is detected by the difference in the signals from the piezoelectric elements D3 and D4, the detected value is the X-axis direction force or the Z-axis direction force. The correct value is not affected by force. Further, if the Z-axis direction force acting on the weight body 210 is detected by the sum of the signals from the piezoelectric elements D1, D2 (or D3, D4), the X-axis direction force and the Y-axis direction force can be detected. Even if a force is applied, it is canceled out by taking the sum, so that the detected value is a correct value that is not influenced by the force in the X-axis direction or the force in the Y-axis direction.

ところで、ある物体が三次元直交座標系内の第1の座標軸方向に速度Vで運動している状態において、この物体に第2の座標軸まわりの角速度ωが作用すると、この物体には第3の座標軸方向にコリオリ力Fcが作用することになり、角速度ωは、Fc/Vに比例した値になる。本考案に係るセンサは、この原理を利用して、所望の座標軸まわりの角速度を検出する機能を有している。   By the way, when an object is moving at a velocity V in the direction of the first coordinate axis in the three-dimensional orthogonal coordinate system, when an angular velocity ω around the second coordinate axis acts on this object, The Coriolis force Fc acts in the coordinate axis direction, and the angular velocity ω becomes a value proportional to Fc / V. The sensor according to the present invention has a function of detecting an angular velocity around a desired coordinate axis using this principle.

たとえば、前述した方法で、重錘体210をX軸方向に単振動させ、その状態において、前述した方法で、重錘体210に作用したY軸方向の力(コリオリ力)Fcを検出すれば、当該検出値に基づいて、重錘体210に作用したZ軸まわりの角速度ωzを求めることができる。この場合、たとえば「重錘体210の重心Gが単振動の中心位置(YZ平面)を通過する瞬間のタイミングで、力Fcの検出を行う」というように定めておけば、測定タイミングにおける重錘体210のX軸方向に関する速度Vは常に一定(単振動の最大速度)になるので、力Fcの検出値をそのまま角速度ωzに比例する量として取り扱うことができる。   For example, if the weight body 210 is simply vibrated in the X-axis direction by the above-described method, and the Y-axis direction force (Coriolis force) Fc acting on the weight body 210 is detected by the above-described method in that state. Based on the detected value, the angular velocity ωz around the Z-axis acting on the weight body 210 can be obtained. In this case, for example, if it is determined that “the force Fc is detected at the moment when the center of gravity G of the weight body 210 passes the center position (YZ plane) of the simple vibration”, the weight at the measurement timing is determined. Since the velocity V in the X-axis direction of the body 210 is always constant (maximum velocity of simple vibration), the detection value of the force Fc can be handled as an amount proportional to the angular velocity ωz as it is.

同様に、重錘体210をX軸方向に単振動させた状態で、Z軸方向に作用するコリオリ力Fcを検出すれば、Y軸まわりの角速度ωyの検出が可能である。あるいは、重錘体210をY軸方向に単振動させた状態で、Z軸方向に作用するコリオリ力Fcを検出すれば、X軸まわりの角速度ωxの検出が可能である。要するに、この基本的実施形態に係るセンサでは、重錘体210をX軸,Y軸,Z軸の所望の方向に運動させることができ、その状態において、重錘体210に作用したX軸,Y軸,Z軸方向のコリオリ力を検出することができるので、駆動軸および検出軸を適宜組み合わせることにより、X軸,Y軸,Z軸まわりの角速度の検出が可能になる。   Similarly, the angular velocity ωy around the Y axis can be detected by detecting the Coriolis force Fc acting in the Z axis direction in a state where the weight body 210 is simply vibrated in the X axis direction. Alternatively, the angular velocity ωx around the X axis can be detected by detecting the Coriolis force Fc acting in the Z axis direction in a state where the weight body 210 is simply vibrated in the Y axis direction. In short, in the sensor according to this basic embodiment, the weight body 210 can be moved in desired directions of the X axis, the Y axis, and the Z axis, and in this state, the X axis acting on the weight body 210, Since the Coriolis force in the Y-axis and Z-axis directions can be detected, the angular velocities around the X-axis, Y-axis, and Z-axis can be detected by appropriately combining the drive axis and the detection axis.

<<< §6.三次元の角速度検出 >>>
上述した§5では、角速度の検出原理を述べたが、ここでは、重錘体210を円運動させることにより、X軸まわりの角速度ωx,Y軸まわりの角速度ωy,Z軸まわりの角速度ωzのすべてを検出することが可能な三次元の角速度検出の具体的な方法を説明する。
<<< §6. Three-dimensional angular velocity detection >>>
In §5 described above, the principle of detecting the angular velocity is described, but here, the weight body 210 is moved in a circular motion, whereby the angular velocity ωx around the X axis, the angular velocity ωy around the Y axis, and the angular velocity ωz around the Z axis are calculated. A specific method of three-dimensional angular velocity detection capable of detecting all will be described.

§5でも述べたとおり、図20に示すような4通りの駆動信号SS1〜SS4(位相がπ/2ずつずれた正弦波信号)を用いれば、重錘体210をXY平面に平行な平面内で円運動させることができる。ここでは、重錘体210がこのような円運動を行っている状態において、三次元の角速度ωx,ωy,ωzを検出する方法を考えてみる。   As described in §5, if four drive signals SS1 to SS4 (sine wave signals whose phases are shifted by π / 2) as shown in FIG. 20 are used, the weight body 210 is placed in a plane parallel to the XY plane. You can make a circular motion with. Here, a method of detecting the three-dimensional angular velocities ωx, ωy, and ωz in a state where the weight body 210 performs such a circular motion will be considered.

ここでは、説明の便宜上、図21に示すようなXYZ三次元座標系において、重錘体の重心GがXY平面内で円運動している場合を考える(実際は、重錘体の重心Gは、XY平面に平行な平面内で円運動することになるが、ここでは、便宜上、重心Gの運動がXY平面上での円運動であるものとする)。図21に示す円軌道Hは、原点Oを中心としてXY平面上に描かれた円であり、この重錘体の運動軌跡に相当する。   Here, for convenience of explanation, in the XYZ three-dimensional coordinate system as shown in FIG. 21, consider the case where the gravity center G of the weight body is circularly moving in the XY plane (actually, the gravity center G of the weight body is Although the circular motion is performed in a plane parallel to the XY plane, it is assumed here that the motion of the center of gravity G is a circular motion on the XY plane for convenience. A circular orbit H shown in FIG. 21 is a circle drawn on the XY plane with the origin O as the center, and corresponds to the motion locus of this weight body.

このような円運動において、重心Gが図示の点Q1,Q3を通過する瞬間に着目してみる。点Q1は、重心Gが正のY軸方向を向いた速度VyをもってXZ平面を通過する瞬間の位置であり、点Q3は、重心Gが負のY軸方向を向いた速度−VyをもってXZ平面を通過する瞬間の位置である。いずれの位置においても、重錘体210はY軸方向に運動していることになるので、この瞬間にX軸方向に作用したコリオリ力を検出すれば、Z軸まわりの角速度を求めることができ、この瞬間にZ軸方向に作用したコリオリ力を検出すれば、X軸まわりの角速度を求めることができる。   In such a circular motion, attention is paid to the moment when the center of gravity G passes through the points Q1 and Q3 shown in the figure. Point Q1 is a position at the moment when the center of gravity G passes through the XZ plane with a velocity Vy directed in the positive Y-axis direction, and point Q3 is an XZ plane with a velocity −Vy where the center of gravity G is directed in the negative Y-axis direction. It is the position at the moment of passing. At any position, the weight body 210 is moving in the Y-axis direction, and if the Coriolis force acting in the X-axis direction at this moment is detected, the angular velocity around the Z-axis can be obtained. If the Coriolis force acting in the Z-axis direction at this moment is detected, the angular velocity around the X-axis can be obtained.

同様に、このような円運動において、重心Gが図示の点Q2,Q4を通過する瞬間に着目してみる。点Q2は、重心Gが負のX軸方向を向いた速度−VxをもってYZ平面を通過する瞬間の位置であり、点Q4は、重心Gが正のX軸方向を向いた速度VxをもってYZ平面を通過する瞬間の位置である。いずれの位置においても、重錘体210はX軸方向に運動していることになるので、この瞬間にY軸方向に作用したコリオリ力を検出すれば、Z軸まわりの角速度を求めることができ、この瞬間にZ軸方向に作用したコリオリ力を検出すれば、Y軸まわりの角速度を求めることができる。   Similarly, attention is paid to the moment when the center of gravity G passes through the illustrated points Q2 and Q4 in such a circular motion. Point Q2 is the momentary position when the center of gravity G passes through the YZ plane with a velocity −Vx directed in the negative X-axis direction, and point Q4 is the YZ plane with velocity Vx where the center of gravity G faces in the positive X-axis direction. It is the position at the moment of passing. At any position, the weight body 210 moves in the X-axis direction. Therefore, if the Coriolis force acting in the Y-axis direction is detected at this moment, the angular velocity around the Z-axis can be obtained. If the Coriolis force acting in the Z-axis direction at this moment is detected, the angular velocity around the Y-axis can be obtained.

重錘体210に作用した各座標軸方向の力は、既に述べたとおり、各検出用圧電素子D1〜D4を利用して検出することができる。そこで、図22に示すような検出回路を用意した場合を考えてみる。図22の上段回路は作用した力のX軸方向成分の検出を行う回路、下段回路は作用した力のZ軸方向成分の検出を行う回路である。この回路では、各検出用圧電素子Dの下方電極LEを共通の接地レベルに保ち、個々の上方電極UEに生じる電圧値に基づくアナログ演算の結果を端子Tx,Tzに出力するようにしている。   As already described, the force in the direction of each coordinate axis acting on the weight body 210 can be detected using each of the detection piezoelectric elements D1 to D4. Consider a case where a detection circuit as shown in FIG. 22 is prepared. The upper circuit in FIG. 22 is a circuit that detects the X-axis direction component of the applied force, and the lower circuit is a circuit that detects the Z-axis direction component of the applied force. In this circuit, the lower electrode LE of each detection piezoelectric element D is maintained at a common ground level, and the result of analog calculation based on the voltage value generated at each upper electrode UE is output to the terminals Tx and Tz.

すなわち、図22の上段に示す回路は、図1に示すX軸上の検出用圧電素子D1,D2についての演算回路であり、検出用圧電素子D1の上方電極D1Uの電圧値と検出用圧電素子D2の上方電極D2Uの電圧値との差を求める演算器61によって構成されている。求めた差の値を示す電圧値は、重錘体210に作用した力のX軸方向成分の検出値として、出力端子Txへ出力される。同様に、図22の下段に示す回路は、図1に示すY軸上の検出用圧電素子D3,D4についての演算回路であり、検出用圧電素子D3の上方電極D3Uの電圧値と検出用圧電素子D4の上方電極D4Uの電圧値との和を求める演算器62によって構成されている。求めた和の値を示す電圧値は、重錘体210に作用した力のZ軸方向成分の検出値として、出力端子Tzへ出力される。   That is, the circuit shown in the upper part of FIG. 22 is an arithmetic circuit for the detection piezoelectric elements D1 and D2 on the X axis shown in FIG. 1, and the voltage value of the upper electrode D1U of the detection piezoelectric element D1 and the detection piezoelectric element. It is comprised by the calculator 61 which calculates | requires the difference with the voltage value of upper electrode D2U of D2. The voltage value indicating the obtained difference value is output to the output terminal Tx as a detected value of the X-axis direction component of the force acting on the weight body 210. Similarly, the circuit shown in the lower part of FIG. 22 is an arithmetic circuit for the detection piezoelectric elements D3 and D4 on the Y axis shown in FIG. 1, and the voltage value of the upper electrode D3U of the detection piezoelectric element D3 and the detection piezoelectric element. It is comprised by the calculator 62 which calculates | requires the sum with the voltage value of the upper electrode D4U of the element D4. The voltage value indicating the obtained sum value is output to the output terminal Tz as a detected value of the Z-axis direction component of the force acting on the weight body 210.

図22に示す角速度検出回路を用いれば、次のようなタイミングで、三次元の角速度ωx,ωy,ωzを検出することができる。すなわち、図21に示す図において、重錘体210の重心Gが点Q1および点Q3を通過する瞬間のタイミング(重錘体がY軸方向へ運動してXZ平面を通過するタイミング)において、出力端子Txに出力されるX軸方向成分の力の検出値は、Z軸まわりの角速度ωzに応じた値になり、出力端子Tzに出力されるZ軸方向成分の力の検出値は、X軸まわりの角速度ωxに応じた値になる。また、重錘体210の重心Gが点Q2および点Q4を通過する瞬間のタイミング(重錘体がX軸方向へ運動してYZ平面を通過するタイミング)において、出力端子Tzに出力されるZ軸方向成分の力の検出値は、Y軸まわりの角速度ωyに応じた値になる。   If the angular velocity detection circuit shown in FIG. 22 is used, the three-dimensional angular velocities ωx, ωy, and ωz can be detected at the following timing. That is, in the diagram shown in FIG. 21, output is performed at the moment when the center of gravity G of the weight body 210 passes through the points Q1 and Q3 (timing when the weight body moves in the Y-axis direction and passes through the XZ plane). The detected value of the force of the X-axis direction component output to the terminal Tx is a value corresponding to the angular velocity ωz around the Z-axis, and the detected value of the force of the Z-axis direction component output to the output terminal Tz is the X-axis It becomes a value according to the surrounding angular velocity ωx. In addition, Z is output to the output terminal Tz at the moment when the center of gravity G of the weight body 210 passes through the points Q2 and Q4 (timing when the weight body moves in the X-axis direction and passes through the YZ plane). The detected value of the axial component force is a value corresponding to the angular velocity ωy about the Y axis.

かくして、出力端子Tx,Tzの出力値を所定タイミングで取り出せば、三次元の角速度ωx,ωy,ωzの検出が可能になる。なお、重錘体210の重心Gが、各点Q1,Q2,Q3,Q4を通過するタイミングは、図20に示す駆動信号SS1〜SS4の位相に基づいて決定することができる。実際には、このような駆動信号SS1〜SS4を供給してから、重錘体210が所定の運動を行うまでの間には、物理的構造体からなる系に固有の時間遅れが生じるので、実用上は、重錘体210の運動を実測するなどして、適切なタイミングを決定するようにするのが好ましい。   Thus, the three-dimensional angular velocities ωx, ωy, and ωz can be detected by extracting the output values of the output terminals Tx and Tz at a predetermined timing. Note that the timing at which the center of gravity G of the weight body 210 passes through the points Q1, Q2, Q3, and Q4 can be determined based on the phases of the drive signals SS1 to SS4 shown in FIG. Actually, a time delay inherent in the system composed of the physical structure occurs between the time when the driving signals SS1 to SS4 are supplied and the weight body 210 performs a predetermined motion. In practice, it is preferable to determine an appropriate timing by actually measuring the motion of the weight body 210.

結局、上述の検出原理に基づく角速度検出回路は、各駆動用圧電素子E1〜E4に、位相がπ/2ずつずれた交流信号を供給することにより、重錘体210をXY平面に平行な平面内で円運動させながら、重錘体210がXZ平面を通過する時点における第1の検出用圧電素子D1に生じる信号と第2の検出用圧電素子D2に生じる信号との差に基づいてZ軸まわりの角速度ωzを検出し、重錘体210がXZ平面を通過する時点における第3の検出用圧電素子D3に生じる信号と第4の検出用圧電素子D4に生じる信号との和に基づいてX軸まわりの角速度ωxを検出し、重錘体がYZ平面を通過する時点における第3の検出用圧電素子D3に生じる信号と第4の検出用圧電素子D4に生じる信号との和に基づいてY軸まわりの角速度ωyを検出することになる。   After all, the angular velocity detection circuit based on the above-described detection principle supplies the alternating current signal whose phase is shifted by π / 2 to each of the driving piezoelectric elements E1 to E4, so that the weight body 210 is a plane parallel to the XY plane. Based on the difference between the signal generated in the first detection piezoelectric element D1 and the signal generated in the second detection piezoelectric element D2 when the weight body 210 passes through the XZ plane while being circularly moved in the Z axis. A surrounding angular velocity ωz is detected, and X is determined based on the sum of a signal generated in the third detection piezoelectric element D3 and a signal generated in the fourth detection piezoelectric element D4 when the weight body 210 passes through the XZ plane. The angular velocity ωx around the axis is detected, and Y is determined based on the sum of the signal generated in the third detection piezoelectric element D3 and the signal generated in the fourth detection piezoelectric element D4 when the weight passes through the YZ plane. The angular velocity ωy around the axis It will be out.

以上述べた例は、4組の駆動用圧電素子E1〜E4に、図20に示す4組の駆動信号SS1〜SS4を供給し、重錘体210をXY平面に平行な平面内で円運動させる例であったが、重錘体210をXZ平面もしくはYZ平面内で円運動させて、三次元の角速度ωx,ωy,ωzの検出を行うことも可能である。たとえば、XZ平面内で円運動させる場合は、図23に示すような2種類の駆動信号SSS1,SSS2を用意する。駆動信号SSS2は、駆動信号SSS1に対して、位相がπ/2だけ遅れている。   In the example described above, four sets of driving signals SS1 to SS4 shown in FIG. 20 are supplied to the four sets of driving piezoelectric elements E1 to E4, and the weight body 210 is circularly moved in a plane parallel to the XY plane. As an example, the three-dimensional angular velocities ωx, ωy, and ωz can be detected by circularly moving the weight body 210 in the XZ plane or the YZ plane. For example, when circular motion is performed in the XZ plane, two types of drive signals SSS1 and SSS2 as shown in FIG. 23 are prepared. The phase of the drive signal SSS2 is delayed by π / 2 with respect to the drive signal SSS1.

ここで、駆動信号SSS1を駆動用圧電素子E1に供給し、駆動信号SSS2を駆動用圧電素子E2に供給する。具体的には、駆動用圧電素子E1,E2の下方電極LEを接地レベルに保ち、圧電素子E1の上方電極UEには駆動信号SSS1を与え、圧電素子E2の上方電極UEには駆動信号SSS2を与えればよい。ここで述べる駆動方法では、圧電素子E3,E4は用いられない。図23の時間軸上における期間t1では、重錘体210をX軸負方向に移動させるための働きかけが行われる。しかも、この期間t1の後半部分に着目すると、駆動信号SSS1,SSS2がともに正の値を示しているため、圧電素子E1,E2が両方とも伸びる方向に変形し、図9に示すように、重錘体210をZ軸負方向に移動させるための働きかけが行われる。そして、期間t2では、重錘体210をX軸正方向に移動させるための働きかけが行われるが、この期間t2の後半部分に着目すると、駆動信号SSS1,SSS2がともに負の値を示しているため、圧電素子E1,E2が両方とも縮む方向に変形し、図8に示すように、重錘体210をZ軸正方向に移動させるための働きかけが行われる。   Here, the drive signal SSS1 is supplied to the drive piezoelectric element E1, and the drive signal SSS2 is supplied to the drive piezoelectric element E2. Specifically, the lower electrode LE of the driving piezoelectric elements E1 and E2 is kept at the ground level, the driving signal SSS1 is given to the upper electrode UE of the piezoelectric element E1, and the driving signal SSS2 is given to the upper electrode UE of the piezoelectric element E2. Give it. In the driving method described here, the piezoelectric elements E3 and E4 are not used. In a period t1 on the time axis in FIG. 23, an action for moving the weight body 210 in the negative direction of the X axis is performed. Moreover, focusing on the latter half of the period t1, since the drive signals SSS1 and SSS2 both show positive values, both the piezoelectric elements E1 and E2 are deformed in the extending direction, and as shown in FIG. An action for moving the weight body 210 in the negative Z-axis direction is performed. In the period t2, an action for moving the weight body 210 in the positive direction of the X-axis is performed. When attention is paid to the latter half of the period t2, the drive signals SSS1, SSS2 both show negative values. Therefore, both the piezoelectric elements E1 and E2 are deformed in the contracting direction, and an action for moving the weight body 210 in the positive Z-axis direction is performed as shown in FIG.

かくして、重錘体210はXZ平面内で円運動することになる。同様にして、駆動信号SSS1,SSS2を圧電素子E3,E4に供給すると、重錘体210はYZ平面内で円運動することになる。このように、重錘体210の円運動平面が、XZ平面であったり、YZ平面であったりしても、図21に示す角速度検出の基本原理は同じである。たとえば、重錘体210をXZ平面内で円運動させる場合には、図24に示すような検出回路を用意しておけばよい。   Thus, the weight body 210 moves circularly in the XZ plane. Similarly, when the drive signals SSS1 and SSS2 are supplied to the piezoelectric elements E3 and E4, the weight body 210 moves circularly in the YZ plane. Thus, even if the circular motion plane of the weight body 210 is the XZ plane or the YZ plane, the basic principle of angular velocity detection shown in FIG. 21 is the same. For example, when the weight body 210 is circularly moved in the XZ plane, a detection circuit as shown in FIG. 24 may be prepared.

図24の上段回路は作用した力のX軸方向成分の検出を行う回路、下段回路は作用した力のY軸方向成分の検出を行う回路である。この回路では、各検出用圧電素子Dの下方電極LEを共通の接地レベルに保ち、個々の上方電極UEに生じる電圧値に基づくアナログ演算の結果を端子Tx,Tyに出力するようにしている。   The upper circuit in FIG. 24 is a circuit that detects the X-axis direction component of the applied force, and the lower circuit is a circuit that detects the Y-axis direction component of the applied force. In this circuit, the lower electrode LE of each detection piezoelectric element D is maintained at a common ground level, and the result of analog calculation based on the voltage value generated in each upper electrode UE is output to the terminals Tx and Ty.

すなわち、図24の上段に示す回路は、図22の上段に示す回路と実質的に同じであり、図1に示すX軸上の検出用圧電素子D1,D2についての演算回路であり、検出用圧電素子D1の上方電極D1Uの電圧値と検出用圧電素子D2の上方電極D2Uの電圧値との差を求める演算器63によって構成されている。求めた差の値を示す電圧値は、重錘体210に作用した力のX軸方向成分の検出値として、出力端子Txへ出力される。同様に、図24の下段に示す回路は、図1に示すY軸上の検出用圧電素子D3,D4についての演算回路であり、検出用圧電素子D3の上方電極D3Uの電圧値と検出用圧電素子D4の上方電極D4Uの電圧値との差を求める演算器64によって構成されている。求めた差の値を示す電圧値は、重錘体210に作用した力のY軸方向成分の検出値として、出力端子Tyへ出力される。   That is, the circuit shown in the upper part of FIG. 24 is substantially the same as the circuit shown in the upper part of FIG. 22, and is an arithmetic circuit for the detection piezoelectric elements D1 and D2 on the X axis shown in FIG. The calculator 63 is configured to obtain a difference between the voltage value of the upper electrode D1U of the piezoelectric element D1 and the voltage value of the upper electrode D2U of the detecting piezoelectric element D2. The voltage value indicating the obtained difference value is output to the output terminal Tx as a detected value of the X-axis direction component of the force acting on the weight body 210. Similarly, the circuit shown in the lower part of FIG. 24 is an arithmetic circuit for the detection piezoelectric elements D3 and D4 on the Y axis shown in FIG. 1, and the voltage value of the upper electrode D3U of the detection piezoelectric element D3 and the detection piezoelectric element. It is comprised by the calculator 64 which calculates | requires the difference with the voltage value of the upper electrode D4U of the element D4. The voltage value indicating the obtained difference value is output to the output terminal Ty as the detected value of the Y-axis direction component of the force acting on the weight body 210.

図24に示す回路を用いれば、次のような方法で、三次元の角速度ωx,ωy,ωzを検出することができる。すなわち、第1の駆動用圧電素子E1および第2の駆動用圧電素子E2に対して、図23に示すように、互いに位相がπ/2だけずれた交流信号SSS1,SSS2を供給することにより、重錘体210をXZ平面内で円運動させながら、重錘体210がZ軸方向へ運動している時点における第1の検出用圧電素子D1に生じる信号と第2の検出用圧電素子D2に生じる信号との差(図24の出力端子Txに出力されるX軸方向の力の検出値)に基づいてY軸まわりの角速度ωyを検出し、同じく重錘体210がZ軸方向へ運動している時点における第3の検出用圧電素子D3に生じる信号と第4の検出用圧電素子D4に生じる信号との差(図24の出力端子Tyに出力されるY軸方向の力の検出値)に基づいてX軸まわりの角速度ωxを検出し、重錘体210がX軸方向へ運動している時点における第3の検出用圧電素子D3に生じる信号と第4の検出用圧電素子D4に生じる信号との差(図24の出力端子Tyに出力されるY軸方向の力の検出値)に基づいてZ軸まわりの角速度ωzを検出すればよい。   If the circuit shown in FIG. 24 is used, the three-dimensional angular velocities ωx, ωy, and ωz can be detected by the following method. That is, by supplying AC signals SSS1 and SSS2 whose phases are shifted from each other by π / 2 to the first driving piezoelectric element E1 and the second driving piezoelectric element E2, as shown in FIG. While the weight body 210 is circularly moved in the XZ plane, the signal generated in the first detection piezoelectric element D1 and the second detection piezoelectric element D2 when the weight body 210 moves in the Z-axis direction. The angular velocity ωy around the Y axis is detected based on the difference from the generated signal (the detected value of the force in the X axis direction output to the output terminal Tx in FIG. 24), and the weight body 210 similarly moves in the Z axis direction. The difference between the signal generated in the third detection piezoelectric element D3 and the signal generated in the fourth detection piezoelectric element D4 at the time (the detected value of the force in the Y-axis direction output to the output terminal Ty in FIG. 24) Detects angular velocity ωx around the X axis based on The difference between the signal generated in the third detection piezoelectric element D3 and the signal generated in the fourth detection piezoelectric element D4 when the weight body 210 moves in the X-axis direction (at the output terminal Ty in FIG. 24). The angular velocity ωz around the Z axis may be detected based on the output detection value of the force in the Y axis direction.

<<< §7.ピエゾ抵抗素子および圧電素子の配線を含めた構成例 >>>
既に§3で述べたとおり、本考案の基本的実施形態に係るセンサに用いられるピエゾ抵抗素子Pは、図16の拡大側断面図に示すように、N型シリコン基板からなる本体基板100の表層部分に形成されたP型不純物含有層からなる。また、本考案の基本的実施形態に係るセンサに用いられる圧電素子Fは、図17の拡大側断面図に示すように、N型シリコン基板からなる本体基板100の上面に配置された板状のPZTからなる。
<<< §7. Example of configuration including wiring of piezoresistive element and piezoelectric element >>
As already described in §3, the piezoresistive element P used in the sensor according to the basic embodiment of the present invention is a surface layer of the main body substrate 100 made of an N-type silicon substrate, as shown in the enlarged side sectional view of FIG. It consists of a P-type impurity content layer formed in the part. Further, the piezoelectric element F used in the sensor according to the basic embodiment of the present invention is a plate-like element disposed on the upper surface of the main body substrate 100 made of an N-type silicon substrate, as shown in the enlarged side sectional view of FIG. It consists of PZT.

ただ、図1の上面図を見ればわかるとおり、各ピエゾ抵抗素子の配置は、各圧電素子の配置と平面的に重なっている。これは、環状中間部120上の応力が集中しやすい箇所、すなわち、内側近傍領域(図5に示す内側輪郭線C1の外側直近の領域)と外側近傍領域(図5に示す外側輪郭線C2の内側直近の領域)に、各ピエゾ抵抗素子および各圧電素子を配置して、検出感度を高めるためである。もちろん、三次元的に見れば、図2の側断面図に示されているとおり、ピエゾ抵抗素子Pは、本体基板100の上層内部に埋め込まれており、圧電素子は、その上方に形成されることになる。また、ピエゾ抵抗素子Pには、その両端部分に対する配線が必要であり、圧電素子には、上方電極UE,下方電極LEを形成するとともに、これら電極に対する配線も必要になる。更に、必要に応じて、電極や配線相互を絶縁するための絶縁層も必要になる。そこで、以下、ピエゾ抵抗素子および圧電素子の配線を含めた構成例を述べることにする。   However, as can be seen from the top view of FIG. 1, the arrangement of the piezoresistive elements overlaps the arrangement of the piezoelectric elements in a plane. This is because the stress on the annular intermediate portion 120 tends to concentrate, that is, the inner vicinity region (the region immediately outside the inner contour line C1 shown in FIG. 5) and the outer vicinity region (the outer contour line C2 shown in FIG. 5). This is because each piezoresistive element and each piezoelectric element are arranged in the region closest to the inside to increase detection sensitivity. Of course, when viewed three-dimensionally, as shown in the side sectional view of FIG. 2, the piezoresistive element P is embedded in the upper layer of the main body substrate 100, and the piezoelectric element is formed thereabove. It will be. In addition, the piezoresistive element P requires wiring to both ends thereof, and the piezoelectric element needs to form the upper electrode UE and the lower electrode LE and also have wiring to these electrodes. Furthermore, if necessary, an insulating layer for insulating the electrodes and wiring from each other is also required. Therefore, hereinafter, a configuration example including wiring of the piezoresistive element and the piezoelectric element will be described.

図25は、図1および図2に示すセンサの本体基板100上面付近におけるピエゾ抵抗素子および圧電素子の重畳形成部分の拡大側断面図である。前述したとおり、本体基板100は、N型シリコン基板によって構成されており、ピエゾ抵抗素子Pは、このN型シリコン基板の表層部分に形成されたP型不純物含有層からなる。図示のとおり、本体基板100の上面には、絶縁層511,512,513(たとえば、酸化シリコン膜や窒化シリコン膜)が形成されている。絶縁層511の上部に形成されている配線層521および絶縁層512の上部に形成されている配線層522は、ピエゾ抵抗素子Pの両端部に対する配線を行うための層(たとえば、アルミニウム層)であり、端子T1,T2への配線の用に供される。   FIG. 25 is an enlarged side cross-sectional view of the overlapping formation portion of the piezoresistive element and the piezoelectric element in the vicinity of the upper surface of the main body substrate 100 of the sensor shown in FIGS. 1 and 2. As described above, the main body substrate 100 is composed of an N-type silicon substrate, and the piezoresistive element P is composed of a P-type impurity-containing layer formed on the surface layer portion of the N-type silicon substrate. As illustrated, insulating layers 511, 512, and 513 (for example, a silicon oxide film or a silicon nitride film) are formed on the upper surface of the main body substrate 100. The wiring layer 521 formed on the insulating layer 511 and the wiring layer 522 formed on the insulating layer 512 are layers (for example, aluminum layers) for wiring to both ends of the piezoresistive element P. Yes, and used for wiring to the terminals T1 and T2.

絶縁層513の上面に形成されている共通金属層LEは、すべての圧電素子Fについて共通して用いられる下方電極として機能し、この共通金属層LEの上面の所定箇所に、個別の圧電素子F(たとえば、PZT)が形成され、更にその上面に個別の上方電極UEが形成される。このように、圧電素子Fおよび上方電極UEは、図1に示されている合計8組の圧電素子D1〜D4,E1〜E4を構成するためにそれぞれ個別に配置されることになるが、下方電極LEは、個々の圧電素子Fごとに個別のものを形成する代わりに、1枚の共通金属層LEによって代用している。 The common metal layer LE * formed on the upper surface of the insulating layer 513 functions as a lower electrode used in common for all the piezoelectric elements F, and individual piezoelectric layers are formed at predetermined positions on the upper surface of the common metal layer LE *. An element F (for example, PZT) is formed, and an individual upper electrode UE is formed on the upper surface thereof. As described above, the piezoelectric element F and the upper electrode UE are individually arranged to form a total of eight sets of piezoelectric elements D1 to D4 and E1 to E4 shown in FIG. Instead of forming an individual electrode LE for each individual piezoelectric element F, the electrode LE is replaced by one common metal layer LE * .

このような構成を採ると、§5の角速度検出の原理で述べたように、すべての下方電極LEを共通の接地電位に接続して検出を行うような場合に、配線を省略することができるので便利である。図25の例では、共通金属層の端子Lを接地電位に接続すれば、すべての下方電極LEに対する配線が完了する。要するに、複数の圧電素子の下方電極を物理的に単一の共通導電層(共通金属層LE)によって構成することにより、配線を単純化するメリットが得られることになる。もちろん、共通金属層LEを用いずに、個々の圧電素子Fの下部の領域のみに、それぞれ個別の金属層を形成するようにしてもよい。 If such a configuration is adopted, as described in the principle of angular velocity detection in §5, wiring can be omitted when detection is performed by connecting all the lower electrodes LE to a common ground potential. So convenient. In the example of FIG. 25, wiring to all the lower electrodes LE is completed by connecting the terminal L * of the common metal layer to the ground potential. In short, the advantage of simplifying the wiring can be obtained by physically configuring the lower electrodes of the plurality of piezoelectric elements with a single common conductive layer (common metal layer LE * ). Of course, the individual metal layers may be formed only in the regions below the individual piezoelectric elements F without using the common metal layer LE * .

一方、図26は、図1および図2に示すセンサの本体基板100上面付近における圧電素子のみを形成する部分の拡大側断面図である。本体基板100の上面には、絶縁層513(たとえば、酸化シリコン膜や窒化シリコン膜)が形成されており、その上の層構成は、図25に示すものと全く同一である。別言すれば、図25に示す絶縁層511,512,513と図26に示す絶縁層513とは、実質的には同一の層であり、図25に示す配線層521,522は、この同一の絶縁層内に埋め込まれた配線である。また、図25に示す共通金属層LEと図26に示す共通金属層LEも実質的には同一の層である。 On the other hand, FIG. 26 is an enlarged side sectional view of a portion where only the piezoelectric element is formed in the vicinity of the upper surface of the main body substrate 100 of the sensor shown in FIGS. An insulating layer 513 (for example, a silicon oxide film or a silicon nitride film) is formed on the upper surface of the main body substrate 100, and the layer structure thereon is exactly the same as that shown in FIG. In other words, the insulating layers 511, 512, and 513 shown in FIG. 25 and the insulating layer 513 shown in FIG. 26 are substantially the same layer, and the wiring layers 521 and 522 shown in FIG. Wiring embedded in the insulating layer. Further, the same layer in the common metal layer LE * is also substantially shown in a common metal layer LE * and 26 shown in FIG. 25.

このように、ここで述べる実施形態では、各圧電素子の下面には下方電極LE、上面には上方電極UEがそれぞれ形成されており、これら各圧電素子の下方電極LEの下面は環状中間部120の上面に絶縁層513を介して固着されていることになる。そして、既に述べたとおり、角速度検出回路は、駆動用圧電素子E1〜E4の上方電極UEと下方電極LEとの間に交流電圧を印加して重錘体120に周期的な運動を生じさせながら、検出用圧電素子D1〜D4の上方電極と下方電極との間に生じる交流電圧に基づいて作用した角速度の検出を行うことになる。   Thus, in the embodiment described here, the lower electrode LE is formed on the lower surface of each piezoelectric element, and the upper electrode UE is formed on the upper surface, and the lower surface of the lower electrode LE of each piezoelectric element is the annular intermediate portion 120. It is fixed to the upper surface of the insulating layer 513 with an insulating layer 513 interposed therebetween. As described above, the angular velocity detection circuit applies an AC voltage between the upper electrode UE and the lower electrode LE of the driving piezoelectric elements E1 to E4 to cause the weight body 120 to generate periodic motion. The angular velocity acting on the basis of the alternating voltage generated between the upper electrode and the lower electrode of the detecting piezoelectric elements D1 to D4 is detected.

なお、ピエゾ抵抗素子および圧電素子は、いずれも環状中間部120に配置されることになるので、理論的には、絶縁層513や共通金属層LEは、環状中間部120の上面にのみ形成すれば十分である。しかしながら、実用上は、本体基板100の上面全体に、絶縁層513および共通金属層LEを形成する構造を採ると、製造プロセスを単純化することが可能になる。したがって、実用上は、まず、本体基板100の上面に、図5に示すように、12組のピエゾ抵抗素子Pを埋め込む工程を行った後、その上面全面に、各ピエゾ抵抗素子Pに対する配線層521,522が埋め込まれた状態の絶縁層513を形成し、この絶縁層513の上面全面に共通金属層LEを形成し、その上面の所定箇所に個別の圧電素子Fを形成し、更に、その上面に個別の上方電極UEを形成するようにすればよい。 Since both the piezoresistive element and the piezoelectric element are disposed in the annular intermediate portion 120, the insulating layer 513 and the common metal layer LE * are theoretically formed only on the upper surface of the annular intermediate portion 120. It is enough. However, practically, if the structure in which the insulating layer 513 and the common metal layer LE * are formed on the entire upper surface of the main body substrate 100, the manufacturing process can be simplified. Therefore, practically, first, after performing a process of embedding 12 sets of piezoresistive elements P on the upper surface of the main body substrate 100 as shown in FIG. 5, a wiring layer for each piezoresistive element P is formed on the entire upper surface. An insulating layer 513 in which 521 and 522 are embedded is formed, a common metal layer LE * is formed on the entire upper surface of the insulating layer 513, individual piezoelectric elements F are formed at predetermined positions on the upper surface, An individual upper electrode UE may be formed on the upper surface.

こうして、一部の領域においては、図25に示すように、ピエゾ抵抗素子と圧電素子とが、絶縁層を挟んで積層状態となるように形成されるが、別な一部の領域においては、図26に示すように、圧電素子のみが絶縁層の上に形成されることになる。   Thus, in some regions, as shown in FIG. 25, the piezoresistive element and the piezoelectric element are formed so as to be in a laminated state with the insulating layer interposed therebetween, but in another part of the region, As shown in FIG. 26, only the piezoelectric element is formed on the insulating layer.

下方電極として機能する共通金属層LEや個別の上方電極UEの材質は、電極として機能することが可能な導電層を形成できる材料であれば、どのような材質のものを用いてもかまわない。一般的には、アルミニウムなどの金属を用いればよい。ただ、ここで示す実施例では、共通金属層LEとして、下層がチタン、上層が白金からなる2層膜を用いている。これは、共通金属層LEの下方に位置する絶縁層513を酸化シリコン膜や窒化シリコン膜で構成し、共通金属層LEの上方に位置する圧電素子FをPZTで構成した場合に、界面の適合性を向上させるための配慮である。すなわち、共通金属層LEの下層をチタンにしておくと、酸化シリコン膜や窒化シリコン膜からなる絶縁層513に対する接合性に優れ、共通金属層LEの上層を白金にしておくと、PZTからなる圧電素子Fに対する接合性に優れるというメリットが得られる。同様の理由により、上方電極UEとして、下層が白金、上層がアルミニウムからなる2層膜を用いている。 The material of the common metal layer LE * functioning as the lower electrode and the individual upper electrode UE may be any material as long as it can form a conductive layer that can function as an electrode. . In general, a metal such as aluminum may be used. However, in the embodiment shown here, as the common metal layer LE * , a two-layer film having a lower layer made of titanium and an upper layer made of platinum is used. This is because the insulating layer 513 located below the common metal layer LE * is composed of a silicon oxide film or a silicon nitride film, and the piezoelectric element F located above the common metal layer LE * is composed of PZT. This is a consideration to improve the suitability of. That is, if the lower layer of the common metal layer LE * is made of titanium, the bonding property to the insulating layer 513 made of a silicon oxide film or a silicon nitride film is excellent, and if the upper layer of the common metal layer LE * is made of platinum, PZT is used. The merit that it is excellent in the bondability to the piezoelectric element F is obtained. For the same reason, a two-layer film in which the lower layer is made of platinum and the upper layer is made of aluminum is used as the upper electrode UE.

図25に示す例において、ピエゾ抵抗素子Pに対する配線層521,522は、絶縁層513内に埋め込まれた状態となっているので、配線用端子T1,T2と接続するためには、共通金属層LEおよび絶縁層523の所定箇所にコンタクトホールを開口すればよい。また、圧電素子Fに対する配線のうち、下方電極LEに対する配線は、共通金属層LEと配線用端子Lとをいずれかの箇所で接続すれば足りる。ところが、圧電素子Fに対する配線のうち、上方電極UEに対する配線は、8組の圧電素子ごとに別個独立して行う必要がある(すなわち、図25に示す上方電極の配線用端子Uは、個々の圧電素子ごとに別個独立したものになる)。ここで、8組の各圧電素子の上方電極UEと各配線用端子Uとの間の配線は、共通金属層LEの上方に配置する必要があるが、共通金属層LEは導電層であるため、その上に何らかの絶縁層を形成する必要がある。 In the example shown in FIG. 25, since the wiring layers 521 and 522 for the piezoresistive element P are embedded in the insulating layer 513, a common metal layer is used for connection to the wiring terminals T1 and T2. A contact hole may be opened at a predetermined portion of LE * and the insulating layer 523. In addition, among the wirings for the piezoelectric element F, the wiring for the lower electrode LE is sufficient if the common metal layer LE * and the wiring terminal L * are connected at any point. However, among the wiring to the piezoelectric element F, the wiring to the upper electrode UE needs to be performed separately for each of the eight sets of piezoelectric elements (that is, the upper electrode wiring terminal U shown in FIG. (Each piezoelectric element is independent and independent.) The wiring between the eight sets of upper electrodes UE and the wiring terminal U of the piezoelectric element, it is necessary to place over the common metal layer LE *, the common metal layer LE * is a conductive layer Therefore, it is necessary to form some kind of insulating layer thereon.

このような絶縁層として、圧電素子の層を利用すると、製造プロセスを簡略化するメリットが得られる。もともとPZTなどの圧電素子は、それ自体が絶縁体の性質を有しているので、圧電素子形成層をそのまま絶縁層として利用することが可能である。しかも、図25や図26の側断面図を見ればわかるとおり、圧電素子Fは、共通金属層LEの上面に形成される構成要素であるから、この圧電素子Fを形成するプロセスと同時に、圧電素子Fと全く同じ材料からなる絶縁層を形成してしまえば、その上面に上方電極UEに対する配線層を形成することが可能になる。 The use of a piezoelectric element layer as such an insulating layer provides the advantage of simplifying the manufacturing process. Originally, a piezoelectric element such as PZT itself has an insulating property, so that the piezoelectric element forming layer can be used as an insulating layer as it is. Moreover, as can be seen from the side sectional views of FIGS. 25 and 26, since the piezoelectric element F is a component formed on the upper surface of the common metal layer LE * , simultaneously with the process of forming the piezoelectric element F, If an insulating layer made of the same material as the piezoelectric element F is formed, a wiring layer for the upper electrode UE can be formed on the upper surface thereof.

具体的には、本体基板100の上面全面に絶縁層513および共通金属層LEを形成した後、全面にPZTからなる圧電素子層を形成し、この圧電素子層をパターニングして、図27にドットによるハッチングを施した領域のみを残すようにすればよい(図27のハッチングは、パターニング後の圧電素子層の残存領域を示すものであり、断面を示すものではない)。図27に示す圧電素子層の残存領域は、図1に示す8組の圧電素子を形成するための圧電素子形成領域A1に、更に、配線形成領域A2とボンディングパッド形成領域A3を付け加えたものである。 Specifically, after forming the insulating layer 513 and the common metal layer LE * on the entire upper surface of the main body substrate 100, a piezoelectric element layer made of PZT is formed on the entire surface, and this piezoelectric element layer is patterned, and FIG. It suffices to leave only the area hatched with dots (the hatching in FIG. 27 indicates the remaining area of the piezoelectric element layer after patterning, not the cross section). The remaining area of the piezoelectric element layer shown in FIG. 27 is obtained by adding a wiring formation area A2 and a bonding pad formation area A3 to the piezoelectric element formation area A1 for forming the eight sets of piezoelectric elements shown in FIG. is there.

この図27に示す圧電素子層の残存領域の上面に、金属等の導電層を形成すれば、図28に示すような構造が得られる。図28に斜線によるハッチングを施した領域は、導電層が形成された領域である(図28のハッチングは、導電層形成領域を示すものであり、断面を示すものではない)。図27に示す圧電素子形成領域A1の上面部分に形成された導電層は、圧電素子用の上方電極UEになり、配線形成領域A2の上面部分に形成された導電層は、この上方電極UEに対する配線層UWになり、ボンディングパッド形成領域A3の上面部分に形成された導電層は、上方電極UE用のボンディングパッドUB(図25,図26に示す上方電極の配線用端子Uに対応)になる。なお、図28に示すボンディングパッドLBは、共通金属層LEの上面に直接形成されたボンディングパッドであり、図25,図26に示す共通金属層LEの配線用端子Lに対応するものである。 If a conductive layer of metal or the like is formed on the upper surface of the remaining region of the piezoelectric element layer shown in FIG. 27, a structure as shown in FIG. 28 is obtained. A hatched area in FIG. 28 is an area where a conductive layer is formed (the hatching in FIG. 28 indicates a conductive layer forming area, not a cross section). The conductive layer formed on the upper surface portion of the piezoelectric element formation region A1 shown in FIG. 27 becomes the upper electrode UE for the piezoelectric element, and the conductive layer formed on the upper surface portion of the wiring formation region A2 corresponds to the upper electrode UE. The conductive layer which is the wiring layer UW and is formed on the upper surface portion of the bonding pad formation region A3 becomes the bonding pad UB for the upper electrode UE (corresponding to the upper electrode wiring terminal U shown in FIGS. 25 and 26). . Incidentally, the bonding pad LB shown in FIG. 28 is a bonding pad formed directly on the upper surface of the common metal layer LE *, 25, which corresponds to the common metal layer LE * of the wiring terminals L * shown in FIG. 26 It is.

結局、図25,図26に示す構造を採ったセンサでは、本体基板100の上面に共通絶縁層513が形成され、この共通絶縁層513内には、各ピエゾ抵抗素子Pに対する配線層が埋め込まれ、この共通絶縁層513の上面には下部共通導電層LEが形成され、この下部共通導電層LEの上面にそれぞれ個別圧電素子層Fが形成され、各個別圧電素子層Fの上面にそれぞれ上部個別導電層UEが形成されることになり、各上部個別導電層UEによって、各駆動用圧電素子E1〜E4および各検出用圧電素子D1〜D4の上方電極が構成され、各個別圧電素子層Fによって、各駆動用圧電素子E1〜E4および各検出用圧電素子D1〜D4が構成され、下部共通導電層LEの個々の部分によって、各駆動用圧電素子E1〜E4および各検出用圧電素子D1〜D4の下方電極が構成されることになる。 25 and 26, a common insulating layer 513 is formed on the upper surface of the main body substrate 100, and a wiring layer for each piezoresistive element P is embedded in the common insulating layer 513. A lower common conductive layer LE * is formed on the upper surface of the common insulating layer 513, and individual piezoelectric element layers F are formed on the upper surface of the lower common conductive layer LE *. The upper individual conductive layer UE is formed, and the upper individual conductive layers UE form the upper electrodes of the driving piezoelectric elements E1 to E4 and the detection piezoelectric elements D1 to D4, and the individual piezoelectric element layers. by F, the driving piezoelectric element E1~E4 and the detecting piezoelectric elements D1~D4 is constituted by individual parts of the lower common conductive layer LE *, the piezoelectric element E1~E4 and each for each drive Lower electrodes of the piezoelectric element D1~D4 for out will be configured.

しかも、個々の上部電極UEに対する配線を行うために、図27,図28に示す構造を採った場合、下部共通導電層LEの上面には、各上方電極UEに対する配線路(配線形成領域A2)に沿ってパターニングされた圧電素子パターニング層が形成されており、各上方電極UEに対する配線層は、この圧電素子パターニング層の上面に形成されていることになる。 In addition, when the structure shown in FIGS. 27 and 28 is adopted to perform wiring for each upper electrode UE, a wiring path (wiring forming region A2) for each upper electrode UE is provided on the upper surface of the lower common conductive layer LE *. ), And a wiring layer for each upper electrode UE is formed on the upper surface of the piezoelectric element patterning layer.

別な実施形態として、個々の下方電極LEを単一の共通金属層LEによって代用することができるのと同様に、個々の圧電素子Fを単一の共通圧電素子Fによって代用することもできる。図29および図30は、このように複数の圧電素子Fを、物理的に単一の共通圧電素子Fによって構成した例を示す拡大側断面図である。図29は、ピエゾ抵抗素子Pと圧電素子Fとの双方を配置する必要がある領域についての図であり、図30は、圧電素子Fのみを配置すれば足りる領域についての図である。図25,図26に示す例では、個々の領域に個別の圧電素子Fが形成されていたのに対し、図29,図30に示す例では、単一の共通圧電素子Fが、本体基板100の上面全面(下部共通導電層LEの上面)に形成されている。このように、単一の共通圧電素子Fを形成したとしても、上方電極UEがそれぞれ個別に形成されていれば、単一の共通圧電素子Fの個々の部分(個別の上方電極UEの直下部分)がそれぞれ独立した圧電素子Fとしてのふるまいをするため、センサの動作には、何ら支障は生じない。 In another embodiment, the individual piezoelectric elements F can be replaced by a single common piezoelectric element F * in the same way that the individual lower electrodes LE can be replaced by a single common metal layer LE * . it can. FIG. 29 and FIG. 30 are enlarged side sectional views showing an example in which a plurality of piezoelectric elements F are physically configured by a single common piezoelectric element F * . FIG. 29 is a diagram regarding a region where both the piezoresistive element P and the piezoelectric element F need to be disposed, and FIG. 30 is a diagram regarding a region where only the piezoelectric element F needs to be disposed. In the examples shown in FIGS. 25 and 26, the individual piezoelectric elements F are formed in the individual regions, whereas in the examples shown in FIGS. 29 and 30, a single common piezoelectric element F * is formed on the main body substrate. 100 is formed on the entire upper surface of 100 (the upper surface of lower common conductive layer LE * ). Thus, even if the single common piezoelectric element F * is formed, if the upper electrodes UE are individually formed, individual portions of the single common piezoelectric element F * (individual upper electrode UE's) Since the immediately lower portion behaves as an independent piezoelectric element F, there is no problem in the operation of the sensor.

図31は、図5に示す本体基板100(表層部分に12組のピエゾ抵抗素子Pが形成されたもの)の上面全面に、絶縁層513(各ピエゾ抵抗素子Pに対する配線層が埋め込まれている)および下部共通導電層LEを形成し、その上面全面に、PZTなどからなる単一の共通圧電素子Fを形成した状態を示す上面図である。図にドットによるハッチングを施した部分が、圧電素子層の形成領域である(図31におけるドットによるハッチングは、断面を示すものではない)。なお、図示のとおり、共通圧電素子Fの一部には配線用開口部WWが設けられている。この配線用開口部WWの内部は、下層に位置する下部共通導電層LEの上面が露出した状態になっており、コンタクトホールとして機能する。共通圧電素子Fは、PZTからなる板状部材を予め用意しておき、これを下部共通導電層LEの上面に貼り付ける工程で形成してもよいし、下部共通導電層LE(前述したように、下層がチタン、上層が白金の二層構造体を用いるのが好ましい)の上面に、PZTをスパッタリング法によって付着させ、微結晶化したPZT薄膜を形成するようにしてもよい。 In FIG. 31, an insulating layer 513 (a wiring layer for each piezoresistive element P is embedded on the entire upper surface of the main body substrate 100 (with 12 sets of piezoresistive elements P formed on the surface layer portion) shown in FIG. And a lower common conductive layer LE * is formed, and a single common piezoelectric element F * made of PZT or the like is formed on the entire upper surface of the lower common conductive layer LE * . The portion hatched with dots in the figure is the formation region of the piezoelectric element layer (the hatching with dots in FIG. 31 does not indicate a cross section). As shown in the drawing, a wiring opening WW is provided in a part of the common piezoelectric element F * . Inside the wiring opening WW, the upper surface of the lower common conductive layer LE * located in the lower layer is exposed and functions as a contact hole. Common piezoelectric element F * is prepared in advance a plate member made of PZT, which to a may be formed in the step of attaching the upper surface of the lower common conductive layer LE *, the lower common conductive layer LE * (above As described above, PZT may be deposited by sputtering on the upper surface of a two-layer structure in which the lower layer is made of titanium and the upper layer is made of platinum to form a microcrystallized PZT thin film.

図32は、図31に示す共通圧電素子Fの上面に、上方電極UE、上方電極用配線層UW、上方電極用ボンディングパッドUBを形成し、更に、配線用開口部WW内に下方電極用ボンディングパッドLBを形成した状態を示す上面図である。実際には、共通圧電素子Fの上面全面に導電層を形成し、この導電層をパターニングして必要な部分のみを残す処理を行えばよい。図32に斜線のハッチングを施した部分は、このパターニング後の導電層の残存領域を示し、ドットのハッチングを施した部分は、導電層が除去されて、共通圧電素子Fの上面が露出した領域を示す(図32における斜線およびドットによるハッチングは、断面を示すものではない)。 32, the upper electrode UE, the upper electrode wiring layer UW, and the upper electrode bonding pad UB are formed on the upper surface of the common piezoelectric element F * shown in FIG. 31, and the upper electrode bonding pad UB is further formed in the wiring opening WW. It is a top view which shows the state in which the bonding pad LB was formed. In practice, a conductive layer may be formed on the entire upper surface of the common piezoelectric element F * , and the conductive layer may be patterned to leave only necessary portions. The hatched portion in FIG. 32 shows the remaining region of the conductive layer after this patterning, and the dot-hatched portion has the conductive layer removed and the upper surface of the common piezoelectric element F * is exposed. A region is shown (hatching by hatching and dots in FIG. 32 does not indicate a cross section).

上述したように、PZTなどの圧電素子は、それ自体が絶縁体の性質を有しているので、図31に示す単一の共通圧電素子Fの層は、それ自身が絶縁層としての機能を果たす。したがって、図32に示すように、その上面に直接、上方電極UE、上方電極用配線層UW、上方電極用ボンディングパッドUBを形成しても、これらが相互に短絡することはない。また、上方電極UEが形成されている部分が、それぞれ個別の圧電素子として機能することになるため、実質的に、図1に示す基本的実施形態と同等の機能を果たすセンサが得られる。 As described above, since a piezoelectric element such as PZT itself has an insulating property, the layer of the single common piezoelectric element F * shown in FIG. 31 itself functions as an insulating layer. Fulfill. Therefore, as shown in FIG. 32, even if the upper electrode UE, the upper electrode wiring layer UW, and the upper electrode bonding pad UB are directly formed on the upper surface thereof, they are not short-circuited with each other. Moreover, since the part in which the upper electrode UE is formed functions as an individual piezoelectric element, a sensor having substantially the same function as the basic embodiment shown in FIG. 1 can be obtained.

結局、図29,図30に示す構造を採ったセンサでは、本体基板100の上面に共通絶縁層513が形成され、この共通絶縁層513内には、各ピエゾ抵抗素子Pに対する配線層が埋め込まれ、この共通絶縁層513の上面には下部共通導電層LEが形成され、この下部共通導電層LEの上面に共通圧電素子層Fが形成され、この共通圧電素子層Fの上面にそれぞれ上部個別導電層UEが形成されることになり、各上部個別導電層UEによって、各駆動用圧電素子E1〜E4および各検出用圧電素子D1〜D4の上方電極が構成され、共通圧電素子層Fの個々の部分によって、各駆動用圧電素子E1〜E4および各検出用圧電素子D1〜D4が構成され、下部共通導電層LEの個々の部分によって、各駆動用圧電素子E1〜E4および各検出用圧電素子D1〜D4の下方電極が構成されることになる。しかも、図31,図32に示す構造を採った場合、個々の上部電極UEに対する配線層UWは、絶縁層として機能する共通圧電素子層Fの上面に直接形成されていることになる。 After all, in the sensor having the structure shown in FIGS. 29 and 30, a common insulating layer 513 is formed on the upper surface of the main body substrate 100, and a wiring layer for each piezoresistive element P is embedded in the common insulating layer 513. , on the upper surface of the common insulating layer 513 is formed lower common conductive layer LE *, on the upper surface of the lower common conductive layer LE * is common piezoelectric element layer F * is formed on the upper surface of the common piezoelectric element layer F * The upper individual conductive layers UE are formed, and the upper individual conductive layers UE form the upper electrodes of the drive piezoelectric elements E1 to E4 and the detection piezoelectric elements D1 to D4, respectively. the individual parts of F *, the driving piezoelectric element E1~E4 and the detecting piezoelectric elements D1~D4 is constituted by individual parts of the lower common conductive layer LE *, the piezoelectric element E1~ for each drive 4 and the lower electrode of each detecting piezoelectric element D1~D4 is to be configured. In addition, when the structure shown in FIGS. 31 and 32 is adopted, the wiring layer UW for each upper electrode UE is directly formed on the upper surface of the common piezoelectric element layer F * functioning as an insulating layer.

<<< §8.一次元や二次元の加速度/角速度検出 >>>
これまで述べた実施形態に係るセンサは、X軸方向の加速度αx、Y軸方向の加速度αy、Z軸方向の加速度αzという3軸方向に関する加速度を独立して検出することが可能な三次元加速度センサとしての機能と、X軸まわりの角速度ωx、Y軸まわりの角速度ωy、Z軸まわりの角速度ωzという3軸まわりに関する角速度を独立して検出することが可能な三次元角速度センサとしての機能と、を備えており、いわば6軸型のモーションセンサと呼ぶべき機能をもった装置である。
<<< §8. One-dimensional and two-dimensional acceleration / angular velocity detection >>>
The sensors according to the embodiments described so far are capable of independently detecting accelerations in the three axis directions of the acceleration αx in the X-axis direction, the acceleration αy in the Y-axis direction, and the acceleration αz in the Z-axis direction. A function as a sensor and a function as a three-dimensional angular velocity sensor capable of independently detecting angular velocities about three axes, an angular velocity ωx around the X axis, an angular velocity ωy around the Y axis, and an angular velocity ωz around the Z axis. Is a device having a function to be called a 6-axis motion sensor.

しかしながら、実用上は、必ずしも三次元の加速度と三次元の角速度とのすべての検出が必要になるわけではないので、用途に応じて必要な軸方向の加速度、必要な軸まわりの角速度を検出可能なセンサを用いるようにすればよい。   However, in practice, it is not always necessary to detect all three-dimensional acceleration and three-dimensional angular velocity, so it is possible to detect the required axial acceleration and the necessary angular velocity around the axis according to the application. A simple sensor may be used.

たとえば、加速度検出については、図5に示されている12組のピエゾ抵抗素子および図18に示されている3組のブリッジ回路の中から、必要な検出軸についての構成要素のみを取捨選択して、センサの構成要素として盛り込むようにすればよい。   For example, for acceleration detection, only the components for the required detection axis are selected from the 12 sets of piezoresistive elements shown in FIG. 5 and the 3 sets of bridge circuits shown in FIG. Thus, it may be included as a component of the sensor.

一方、角速度検出については、2軸もしくは1軸まわりの角速度を検出する機能があれば足りる場合には、重錘体の運動をより単純化することが可能である。すなわち、§6では、三次元の角速度検出を行うために、重錘体を所定平面内で円運動させる例を述べたが、二次元の角速度や一次元の角速度を検出すれば足りる場合は、重錘体を円運動させる必要はなく、1軸方向に単振動させるだけでよい。   On the other hand, regarding the angular velocity detection, if a function for detecting angular velocities around two axes or one axis is sufficient, the motion of the weight body can be further simplified. That is, in §6, in order to detect the three-dimensional angular velocity, an example in which the weight body is circularly moved in a predetermined plane has been described. However, if it is sufficient to detect a two-dimensional angular velocity or a one-dimensional angular velocity, There is no need to circularly move the weight body, and it is sufficient to simply vibrate in one axial direction.

図33は、角速度の検出機能に関しては、2軸まわりの検出機能しかもたないセンサの上面図である(加速度の検出機能は、1軸、2軸、3軸のいずれでもよい)。図にハッチングを施して示す領域は、本体基板100の上面に形成された圧電素子を示している(ハッチングは断面を示すものではない)。図33に示す4組の検出用圧電素子D11〜D14は、図1に示す基本的実施形態に係るセンサにおける検出用圧電素子D1〜D4と全く同一のものである。ところが、図33に示す駆動用圧電素子E10は、ワッシャ状の圧電素子であり、図1に示す4組の駆動用圧電素子E1〜E4を相互に連結した形態を有する。   FIG. 33 is a top view of a sensor having a detection function around two axes with respect to the angular velocity detection function (the acceleration detection function may be either one, two, or three axes). A region shown by hatching in the figure indicates a piezoelectric element formed on the upper surface of the main body substrate 100 (hatching does not indicate a cross section). The four sets of detection piezoelectric elements D11 to D14 shown in FIG. 33 are exactly the same as the detection piezoelectric elements D1 to D4 in the sensor according to the basic embodiment shown in FIG. However, the drive piezoelectric element E10 shown in FIG. 33 is a washer-like piezoelectric element, and has a form in which the four sets of drive piezoelectric elements E1 to E4 shown in FIG. 1 are connected to each other.

この図33に示すセンサによる角速度検出は、次のようにして行われる。まず、駆動用圧電素子E10に正弦波信号や矩形波信号などの交流信号を与えると、本体基板100は、図8に示す変形状態と図9に示す変形状態を交互にとることになり、重錘体210はZ軸方向に単振動する。そこで、図24に示すような検出回路を用意しておき、所定のタイミングにおいて(たとえば、単振動の振幅の中心点を通過する時点)、出力端子Tx,Tyに出力される信号を検出する。すると、端子Txに出力される信号は、重錘体210に作用したX軸方向の力成分(コリオリ力)であるから、Y軸まわりの角速度ωyに応じた値になり、端子Tyに出力される信号は、重錘体210に作用したY軸方向の力成分(コリオリ力)であるから、X軸まわりの角速度ωxに応じた値になる。   The angular velocity detection by the sensor shown in FIG. 33 is performed as follows. First, when an AC signal such as a sine wave signal or a rectangular wave signal is given to the driving piezoelectric element E10, the main body substrate 100 alternately takes the deformed state shown in FIG. 8 and the deformed state shown in FIG. The weight body 210 simply vibrates in the Z-axis direction. Therefore, a detection circuit as shown in FIG. 24 is prepared, and signals output to the output terminals Tx and Ty are detected at a predetermined timing (for example, when passing through the center point of the amplitude of simple vibration). Then, since the signal output to the terminal Tx is a force component (Coriolis force) acting on the weight body 210 in the X-axis direction, the signal has a value corresponding to the angular velocity ωy around the Y-axis and is output to the terminal Ty. Since this signal is a force component (Coriolis force) in the Y-axis direction that has acted on the weight body 210, it has a value corresponding to the angular velocity ωx around the X-axis.

かくして、X軸まわりの角速度ωxとY軸まわりの角速度ωyとの双方を検出することが可能になる。もちろん、図1に示すセンサを用いて、4組の駆動用圧電素子E1〜E4に単一の交流信号を与えた場合も、重錘体210をZ軸方向に単振動させることができるので、図33に示すセンサと同様に二次元角速度センサとして動作させることができる。   Thus, both the angular velocity ωx around the X axis and the angular velocity ωy around the Y axis can be detected. Of course, even when a single AC signal is given to the four sets of driving piezoelectric elements E1 to E4 using the sensor shown in FIG. 1, the weight body 210 can be made to vibrate in the Z-axis direction. Similar to the sensor shown in FIG. 33, the sensor can be operated as a two-dimensional angular velocity sensor.

図示の例では、検出用圧電素子D11〜D14を環状中間部120の内側近傍領域に配置し、駆動用圧電素子E10を環状中間部120の外側近傍領域に配置しているが、内側・外側の配置を逆にしてもかまわない。要するに、内側近傍領域および外側近傍領域のいずれか一方を駆動用圧電素子配置領域とし、他方を検出用圧電素子配置領域とするように定め、駆動用圧電素子配置領域にZ軸をとり囲むような環状の駆動用圧電素子E10が配置され、検出用圧電素子配置領域の正のX軸上に第1の検出用圧電素子D11が配置され、負のX軸上に第2の検出用圧電素子D12が配置され、正のY軸上に第3の検出用圧電素子D13が配置され、負のY軸上に第4の検出用圧電素子D14が配置されるようにし、角速度検出回路が、駆動用圧電素子E10に対して、単一の交流信号を供給することにより、重錘体210をZ軸方向に振動させながら、第1の検出用圧電素子D11に生じる信号と第2の検出用圧電素子D12に生じる信号との差に基づいてY軸まわりの角速度ωyを検出し、第3の検出用圧電素子D13に生じる信号と第4の検出用圧電素子D14に生じる信号との差に基づいてX軸まわりの角速度ωxを検出するようにすればよい。   In the illustrated example, the detection piezoelectric elements D11 to D14 are disposed in the region near the inner side of the annular intermediate portion 120, and the driving piezoelectric element E10 is disposed in the region near the outer side of the annular intermediate portion 120. The arrangement may be reversed. In short, one of the inner vicinity region and the outer vicinity region is set as a driving piezoelectric element arrangement region, and the other is set as a detection piezoelectric element arrangement region, and the driving piezoelectric element arrangement region surrounds the Z axis. An annular driving piezoelectric element E10 is arranged, the first detecting piezoelectric element D11 is arranged on the positive X axis in the detecting piezoelectric element arrangement region, and the second detecting piezoelectric element D12 is arranged on the negative X axis. Is arranged, the third detection piezoelectric element D13 is arranged on the positive Y axis, and the fourth detection piezoelectric element D14 is arranged on the negative Y axis. By supplying a single AC signal to the piezoelectric element E10, the signal generated in the first detection piezoelectric element D11 and the second detection piezoelectric element while vibrating the weight body 210 in the Z-axis direction. Y based on the difference from the signal generated at D12 If the angular velocity ωy around is detected, and the angular velocity ωx around the X axis is detected based on the difference between the signal generated in the third detecting piezoelectric element D13 and the signal generated in the fourth detecting piezoelectric element D14. Good.

一方、図34は、角速度の検出機能に関しては、1軸まわりの検出機能しかもたないセンサの上面図である(加速度の検出機能は、1軸、2軸、3軸のいずれでもよい)。図にハッチングを施して示す領域は、本体基板100の上面に形成された圧電素子を示している(ハッチングは断面を示すものではない)。図34に示す4組の検出用圧電素子D21,D22,E21,E22は、図1に示す基本的実施形態に係るセンサにおける検出用圧電素子D1〜D4と全く同一のものである。ただ、圧電素子D21,D22は検出用圧電素子であるのに対して、圧電素子E21,E22は駆動用圧電素子になる。   On the other hand, FIG. 34 is a top view of a sensor having only a detection function around one axis with respect to the detection function of angular velocity (the acceleration detection function may be either one axis, two axes, or three axes). A region shown by hatching in the figure indicates a piezoelectric element formed on the upper surface of the main body substrate 100 (hatching does not indicate a cross section). The four sets of detection piezoelectric elements D21, D22, E21, and E22 shown in FIG. 34 are exactly the same as the detection piezoelectric elements D1 to D4 in the sensor according to the basic embodiment shown in FIG. However, while the piezoelectric elements D21 and D22 are detection piezoelectric elements, the piezoelectric elements E21 and E22 are driving piezoelectric elements.

この図34に示すセンサによる角速度検出は、次のようにして行われる。まず、駆動用圧電素子E21には図19に示す駆動信号S1を与え、駆動用圧電素子E22には図19に示す駆動信号S2を与える(駆動信号は、矩形波でもよい)。すると、本体基板100は、図6に示す変形状態と図7に示す変形状態を交互にとることになり、重錘体210はX軸方向に単振動する。そこで、図24の下段に示すような検出回路を用意しておき(上方電極D3Uの部分には、圧電素子D21の上方電極を接続し、上方電極D4Uの部分には、圧電素子D22の上方電極を接続する)、所定のタイミングにおいて(たとえば、単振動の振幅の中心点を通過する時点)、出力端子Tyに出力される信号を検出する。すると、端子Tyに出力される信号は、重錘体210に作用したY軸方向の力成分(コリオリ力)であるから、Z軸まわりの角速度ωzに応じた値になり、Z軸まわりの角速度ωzを検出することが可能になる。   The angular velocity detection by the sensor shown in FIG. 34 is performed as follows. First, a drive signal S1 shown in FIG. 19 is given to the drive piezoelectric element E21, and a drive signal S2 shown in FIG. 19 is given to the drive piezoelectric element E22 (the drive signal may be a rectangular wave). Then, the main body substrate 100 takes the deformation state shown in FIG. 6 and the deformation state shown in FIG. 7 alternately, and the weight body 210 vibrates in the X-axis direction. Therefore, a detection circuit as shown in the lower part of FIG. 24 is prepared (the upper electrode D3U is connected to the upper electrode of the piezoelectric element D21, and the upper electrode D4U is connected to the upper electrode of the piezoelectric element D22). Is connected), a signal output to the output terminal Ty is detected at a predetermined timing (for example, when passing through the center point of the amplitude of simple vibration). Then, since the signal output to the terminal Ty is a force component (Coriolis force) in the Y-axis direction that acts on the weight body 210, it becomes a value corresponding to the angular velocity ωz around the Z-axis, and the angular velocity around the Z-axis. It becomes possible to detect ωz.

要するに、正のX軸上に第1の駆動用圧電素子E21が配置され、負のX軸上に第2の駆動用圧電素子E22が配置され、正のY軸上に第1の検出用圧電素子D21が配置され、負のY軸上に第2の検出用圧電素子D22が配置されるようにし、角速度検出回路が、第1の駆動用圧電素子E21および第2の駆動用圧電素子E22に対して、互いに逆位相の交流信号を供給することにより、重錘体210をX軸方向に振動させながら、第1の検出用圧電素子D21に生じる信号と第2の検出用圧電素子D22に生じる信号との差に基づいてZ軸まわりの角速度ωzを検出すればよい。   In short, the first driving piezoelectric element E21 is disposed on the positive X axis, the second driving piezoelectric element E22 is disposed on the negative X axis, and the first detecting piezoelectric element is disposed on the positive Y axis. The element D21 is arranged so that the second detection piezoelectric element D22 is arranged on the negative Y axis, and the angular velocity detection circuit is connected to the first drive piezoelectric element E21 and the second drive piezoelectric element E22. On the other hand, by supplying AC signals having opposite phases to each other, the signal generated in the first detection piezoelectric element D21 and the second detection piezoelectric element D22 are generated while vibrating the weight body 210 in the X-axis direction. The angular velocity ωz around the Z axis may be detected based on the difference from the signal.

<<< §9.本体基板にSOI基板を利用した例>>>
これまで述べた基本的実施形態では、本体基板100としてN型シリコン基板を用いていたが、ここでは、N型シリコン基板の代わりに、SOI(Silicon On Insulator)基板を利用した例を述べる。なお、シリコン基板やSOI基板を用いたセンサは、MEMS技術を利用して量産することができ、小型化に最適である。
<<< §9. Example of using an SOI substrate for the main substrate >>>
In the basic embodiment described so far, an N-type silicon substrate is used as the main body substrate 100. Here, an example in which an SOI (Silicon On Insulator) substrate is used instead of the N-type silicon substrate will be described. Note that a sensor using a silicon substrate or an SOI substrate can be mass-produced using the MEMS technology, and is optimal for miniaturization.

図35は、一般に市販されているSOI基板の一例を示す側断面図である。図示のSOI基板600は、N型シリコンからなる上層610、酸化シリコンもしくは窒化シリコンの絶縁膜からなる中層620、ベースとなるN型もしくはP型のシリコンからなる下層630の3層構造を有するSOI基板である。図36は、図35に示すSOI基板の下層630を下面側からエッチングして、環状溝635を形成した状態を示す側断面図である。環状溝635の内側には内側部631が形成され、外側には外側部632が形成されている。この後、上層610の上面表層部分の所定箇所に、P型不純物を注入して、埋め込み式のピエゾ抵抗素子Pを形成し、更にその上面に圧電素子を形成することにより、本考案に用いる本体基板100を形成することができる。   FIG. 35 is a side cross-sectional view showing an example of a generally available SOI substrate. The illustrated SOI substrate 600 is an SOI substrate having a three-layer structure of an upper layer 610 made of N-type silicon, an intermediate layer 620 made of an insulating film of silicon oxide or silicon nitride, and a lower layer 630 made of N-type or P-type silicon serving as a base. It is. FIG. 36 is a side cross-sectional view showing a state where an annular groove 635 is formed by etching the lower layer 630 of the SOI substrate shown in FIG. 35 from the lower surface side. An inner portion 631 is formed inside the annular groove 635, and an outer portion 632 is formed outside. Thereafter, a P-type impurity is implanted into a predetermined portion of the upper surface layer portion of the upper layer 610 to form an embedded piezoresistive element P, and further, a piezoelectric element is formed on the upper surface thereof, thereby the main body used in the present invention. A substrate 100 can be formed.

このように、SOI基板を用いて本体基板100を構成する第1のメリットは、上層610と下層630とが、絶縁層からなる中層620によって分離されるため、各素子の電気的な挙動を安定させることができるようになる点である。ピエゾ抵抗素子Pを、N型シリコン層に形成されたP型不純物含有層によって構成した場合、その境界面にはPN接合による電位障壁が形成されるため、一応、電気的に独立した素子形成が可能になる。しかしながら、実用上は、PN接合を通したリーク電流が避けられず、このリーク電流が台座220を通って装置筐体側へ流れると、正しい検出を行うことができない。SOI基板を用いると、図36に示すように、ピエゾ抵抗素子Pが形成されている上層610と、台座220に接合される下層632とが、絶縁層からなる中層620によって電気的に分離されるため、上述したリーク電流による悪影響を防ぐことができる。   Thus, the first merit of configuring the main body substrate 100 using the SOI substrate is that the upper layer 610 and the lower layer 630 are separated by the middle layer 620 made of an insulating layer, so that the electrical behavior of each element is stabilized. It is a point that can be made to. When the piezoresistive element P is constituted by a P-type impurity-containing layer formed in an N-type silicon layer, a potential barrier due to a PN junction is formed at the boundary surface. It becomes possible. However, in practice, leakage current through the PN junction is unavoidable, and if this leakage current flows through the pedestal 220 to the apparatus housing side, correct detection cannot be performed. When the SOI substrate is used, as shown in FIG. 36, the upper layer 610 on which the piezoresistive element P is formed and the lower layer 632 joined to the pedestal 220 are electrically separated by the middle layer 620 made of an insulating layer. Therefore, adverse effects due to the above-described leakage current can be prevented.

SOI基板を用いる第2のメリットは、ダイアフラムとして機能する環状中間部120の厚みの制御を容易に行うことができる点である。下層630を構成するシリコンと、中層620を構成する酸化シリコン(もしくは窒化シリコン)とは、エッチング特性が異なる。したがって、SOI基板の下面側からエッチングにより環状溝635を掘る場合、中層620がエッチストッパとして機能し、環状溝635の深さを下層630の厚みに正確に制御することができる。そのため、環状中間部120の厚みは、いずれの部分についても、上層610の厚みと中層620の厚みとの和に正確に一致する。   A second advantage of using the SOI substrate is that the thickness of the annular intermediate portion 120 that functions as a diaphragm can be easily controlled. Silicon constituting the lower layer 630 and silicon oxide (or silicon nitride) constituting the middle layer 620 have different etching characteristics. Therefore, when the annular groove 635 is dug by etching from the lower surface side of the SOI substrate, the middle layer 620 functions as an etch stopper, and the depth of the annular groove 635 can be accurately controlled to the thickness of the lower layer 630. Therefore, the thickness of the annular intermediate portion 120 exactly matches the sum of the thickness of the upper layer 610 and the thickness of the middle layer 620 for any portion.

なお、図36に示す構造の場合、ダイアフラムとして機能する環状中間部120が、上層610と中層620との二層構造体になるため、両者の熱膨張係数の相違により、温度特性が悪化する可能性がある。たとえば、センサを使用する環境の温度に変化が生じると、当該温度変化に基づいて二層構造をもった環状中間部120に応力が生じ、測定値に影響を与える場合がある。このような影響を防ぐためには、図36に示す環状溝635の部分から、中層620に対するエッチングを行い、図37に示すように、環状溝635内の中層620を除去し、内側部641、外側部642、環状溝645を形成すればよい。そうすれば、ダイアフラムとして機能する環状中間部120は、上層610のみから構成される。もちろん、中層620に対するエッチングを行う際には、エッチング特性が異なる上層610がエッチストッパとして機能するので、環状中間部120の厚みは、いずれの部分についても、上層610の厚みに正確に一致する。   In the case of the structure shown in FIG. 36, since the annular intermediate portion 120 functioning as a diaphragm is a two-layer structure of the upper layer 610 and the middle layer 620, the temperature characteristics may be deteriorated due to the difference in thermal expansion coefficient between them. There is sex. For example, when a change occurs in the temperature of the environment in which the sensor is used, a stress may be generated in the annular intermediate portion 120 having a two-layer structure based on the change in temperature, thereby affecting the measurement value. In order to prevent such influence, the middle layer 620 is etched from the annular groove 635 shown in FIG. 36, and the middle layer 620 in the annular groove 635 is removed as shown in FIG. A portion 642 and an annular groove 645 may be formed. Then, the annular intermediate portion 120 that functions as a diaphragm is configured only from the upper layer 610. Of course, when etching the middle layer 620, the upper layer 610 having different etching characteristics functions as an etch stopper, so that the thickness of the annular intermediate portion 120 exactly matches the thickness of the upper layer 610 in any portion.

もっとも、上層610の上面に絶縁層513を積層させることを考えると、図36に示すように、環状中間部120を二層構造体のままにしておいた方が、かえって良好な温度特性が得られる場合もある。したがって、実用上は、ケースバイケースで、図36に示す構造を採るか、図37に示す構造を採るかを決めればよい。   However, considering that the insulating layer 513 is laminated on the upper surface of the upper layer 610, better temperature characteristics can be obtained if the annular intermediate portion 120 is left as a two-layer structure as shown in FIG. Sometimes. Therefore, in practice, it may be determined on a case-by-case basis whether to adopt the structure shown in FIG. 36 or the structure shown in FIG.

<<< §10.加速度検出と角速度検出の干渉を防ぐ工夫 >>>
本考案に係るセンサは、加速度と角速度との双方を検出する機能を有している。しかしながら、両者を同時に検出しようとすると、相互の干渉が生じ、正しい検出値が得られない可能性がある。たとえば、加速度の検出は、加速度に基づく重錘体の変位を検出することによって行われるが、角速度検出のために重錘体を駆動させていると、この駆動による変位が誤って加速度として検出されてしまう可能性がある。また、角速度の検出は、コリオリ力に基づく重錘体の変位を検出することによって行われるが、加速度に基づく変位が誤って角速度として検出されてしまう可能性がある。
<<< §10. Device to prevent interference between acceleration detection and angular velocity detection >>>
The sensor according to the present invention has a function of detecting both acceleration and angular velocity. However, if both are detected simultaneously, there is a possibility that mutual interference occurs and a correct detection value cannot be obtained. For example, acceleration is detected by detecting the displacement of the weight body based on the acceleration. If the weight body is driven for angular velocity detection, the displacement due to this drive is erroneously detected as acceleration. There is a possibility that. The angular velocity is detected by detecting the displacement of the weight body based on the Coriolis force, but the displacement based on the acceleration may be erroneously detected as the angular velocity.

このように、加速度検出と角速度検出との相互干渉を防ぐためには、加速度の検出対象周波数帯域よりも十分に高い周波数で重錘体を駆動し(たとえば、単振動や円運動)、加速度検出回路と、角速度検出回路とに、それぞれ不要な信号成分をカットするフィルタ回路を設けるようにすればよい。   As described above, in order to prevent mutual interference between the acceleration detection and the angular velocity detection, the weight body is driven at a frequency sufficiently higher than the acceleration detection target frequency band (for example, simple vibration or circular motion), and the acceleration detection circuit. And the angular velocity detection circuit may be provided with a filter circuit for cutting unnecessary signal components.

一般的な用途では、加速度の検出対象周波数帯は、数十Hz程度あれば十分である。そこで、重錘体の駆動周波数(図19に示す駆動信号S1,S2、図20に示す駆動信号SS1〜SS4、図23に示す駆動信号SSS1,SSS2の周波数)を数十kHzに設定すれば、加速度検出に必要な周波数帯域と角速度検出に必要な周波数帯域とをフィルタ回路により分離することができる。たとえば、重錘体の駆動周波数を20kHzに設定し、加速度検出回路には、100Hz以上の高周波成分をカットするフィルタ回路を設けて、重錘体の振動に起因する信号ノイズ成分を除外するようにし、角速度検出回路には、100Hz以下の低周波成分をカットするフィルタ回路を設けて、加速度に起因する信号ノイズ成分を除外するようにすればよい。   In general applications, it is sufficient that the acceleration detection target frequency band is about several tens of Hz. Therefore, if the driving frequency of the weight body (the driving signals S1 and S2 shown in FIG. 19, the driving signals SS1 to SS4 shown in FIG. 20, and the driving signals SSS1 and SSS2 shown in FIG. 23) is set to several tens of kHz, The frequency band necessary for acceleration detection and the frequency band necessary for angular velocity detection can be separated by a filter circuit. For example, the driving frequency of the weight body is set to 20 kHz, and the acceleration detection circuit is provided with a filter circuit that cuts high frequency components of 100 Hz or more so as to exclude signal noise components caused by vibration of the weight body. The angular velocity detection circuit may be provided with a filter circuit that cuts low frequency components of 100 Hz or less so as to exclude signal noise components caused by acceleration.

図38は、このようなフィルタ回路を採用した検出回路を示す回路図であり、図1に示すセンサに用いる加速度および角速度の検出回路に相当する。図の上段が加速度検出回路710、図の下段が角速度検出回路720である。加速度検出回路710の各端子T11〜T13は、それぞれX軸方向の加速度αx、Y軸方向の加速度αy、Z軸方向の加速度αzの初期検出値を示す電圧が与えられる端子である。すなわち、端子T11,T12,T13には、図18に示す電位差計51,52,53からの出力電圧が与えられる。これらの出力電圧は、アンプ回路71,72,73で増幅された後、フィルタ回路81,82,83を通って、端子Tαx,Tαy,Tαzに与えられる。これらの端子Tαx,Tαy,Tαzから出力される信号は、それぞれX軸方向の加速度αx、Y軸方向の加速度αy、Z軸方向の加速度αzの検出値を示すものになる。   FIG. 38 is a circuit diagram showing a detection circuit employing such a filter circuit, and corresponds to an acceleration and angular velocity detection circuit used in the sensor shown in FIG. The upper part of the figure is the acceleration detection circuit 710, and the lower part of the figure is the angular velocity detection circuit 720. The terminals T11 to T13 of the acceleration detection circuit 710 are terminals to which voltages indicating initial detection values of the acceleration αx in the X-axis direction, the acceleration αy in the Y-axis direction, and the acceleration αz in the Z-axis direction are respectively applied. That is, the output voltages from the potentiometers 51, 52, and 53 shown in FIG. 18 are given to the terminals T11, T12, and T13. These output voltages are amplified by the amplifier circuits 71, 72, 73, passed through the filter circuits 81, 82, 83, and given to the terminals Tαx, Tαy, Tαz. The signals output from these terminals Tαx, Tαy, and Tαz indicate the detected values of the acceleration αx in the X-axis direction, the acceleration αy in the Y-axis direction, and the acceleration αz in the Z-axis direction, respectively.

ここで、フィルタ回路81,82,83は、たとえば、100Hz以上の高周波成分をカットする低域通過フィルタ回路であり、ピエゾ抵抗素子の電気抵抗の変化を示す信号に含まれる高周波成分がカットされる。したがって、図18に示す電位差計51,52,53からの出力電圧に、重錘体の駆動周波数帯域のノイズ信号が含まれていたとしても、端子Tαx,Tαy,Tαzから出力される検出信号には、そのようなノイズ信号は含まれていない。   Here, the filter circuits 81, 82, 83 are, for example, low-pass filter circuits that cut high-frequency components of 100 Hz or higher, and high-frequency components included in signals indicating changes in the electrical resistance of the piezoresistive elements are cut. . Therefore, even if the output voltage from the potentiometers 51, 52, 53 shown in FIG. 18 includes a noise signal in the driving frequency band of the weight body, the detection signal output from the terminals Tαx, Tαy, Tαz. Does not contain such noise signals.

一方、角速度検出回路720には、端子T14,T15に与えられる電圧を増幅するアンプ回路74,75と、フィルタ回路84,85と、同期検波回路91と、駆動制御回路92と、最終段のアンプ回路76,77,78と、が設けられている。ここに示す回路は、図1に示すセンサの重錘体210をXY平面に平行な平面内で円運動させながら、X軸まわりの角速度ωx,Y軸まわりの角速度ωy,Z軸まわりの角速度ωzを検出する機能を有している。駆動制御回路92は、各駆動用圧電素子E1〜E4に図20に示すような交流駆動信号SS1〜SS4を供給して、重錘体210を円運動させる機能を有する。駆動制御回路92から同期検波回路91に対しては、駆動信号SS1〜SS4に同期した検波信号が与えられる。同期検波回路91は、この検波信号に基づいて、検波のタイミングを認識することができる。逆に、同期検波信号91から駆動制御回路92に対しては、フィードバック信号が与えられ、駆動制御回路92は、必要に応じて、このフィードバック信号に基づく駆動補正を行うことができる。   On the other hand, the angular velocity detection circuit 720 includes amplifier circuits 74 and 75 that amplify voltages applied to the terminals T14 and T15, filter circuits 84 and 85, a synchronous detection circuit 91, a drive control circuit 92, and a final-stage amplifier. Circuits 76, 77, 78 are provided. In the circuit shown here, while the weight body 210 of the sensor shown in FIG. It has a function to detect. The drive control circuit 92 has a function of supplying the AC drive signals SS1 to SS4 as shown in FIG. 20 to the drive piezoelectric elements E1 to E4 to cause the weight body 210 to move circularly. A detection signal synchronized with the drive signals SS1 to SS4 is given from the drive control circuit 92 to the synchronous detection circuit 91. The synchronous detection circuit 91 can recognize the detection timing based on this detection signal. Conversely, a feedback signal is given from the synchronous detection signal 91 to the drive control circuit 92, and the drive control circuit 92 can perform drive correction based on this feedback signal as necessary.

端子T14には、図22に示す回路の端子Txの電圧値(重錘体210に作用したX軸方向の力を示す値)が与えられ、端子T15には、図22に示す回路の端子Tzの電圧値(重錘体210に作用したZ軸方向の力を示す値)が与えられる。端子T14,T15に与えられた検波対象信号は、アンプ回路74,75で増幅された後、フィルタ回路84,85を通って同期検波回路91に与えられる。ここで、フィルタ回路84,85は、検出用圧電素子D1〜D4に生じる交流信号に含まれる低周波成分をカットする高域通過フィルタ回路である。たとえば、100Hz以下の低周波成分をカットする高域通過フィルタ回路を用いれば、一般的な用途における加速度に起因した信号成分を除去することができる。   The voltage value of the terminal Tx of the circuit shown in FIG. 22 (value indicating the force in the X-axis direction acting on the weight body 210) is given to the terminal T14, and the terminal Tz of the circuit shown in FIG. Voltage value (value indicating the force in the Z-axis direction acting on the weight body 210) is given. The detection target signals given to the terminals T14 and T15 are amplified by the amplifier circuits 74 and 75, and then given to the synchronous detection circuit 91 through the filter circuits 84 and 85. Here, the filter circuits 84 and 85 are high-pass filter circuits that cut low-frequency components included in AC signals generated in the detection piezoelectric elements D1 to D4. For example, if a high-pass filter circuit that cuts a low frequency component of 100 Hz or less is used, a signal component caused by acceleration in a general application can be removed.

同期検波回路91は、この高域通過フィルタ回路84,85を通過した交流信号に対して、駆動制御回路92から与えられる検波信号に基づく同期検波を行う回路である。具体的には、検波信号に基づいて、重錘体210がXZ平面を通過した瞬間(重錘体がY軸方向の速度成分をもって運動している瞬間)を検知し、その時点の検波対象信号(端子T14からの重錘体に作用したX軸方向の力を示す信号、および端子T15からの重錘体に作用したZ軸方向の力を示す信号)に基づいて、Z軸まわりの角速度ωzおよびX軸まわりの角速度ωxを求めることができる。また、重錘体210がYZ平面を通過した瞬間(重錘体がX軸方向の速度成分をもって運動している瞬間)を検知し、その時点の検波対象信号(端子T15からの重錘体に作用したZ軸方向の力を示す信号)に基づいて、Y軸まわりの角速度ωyを求めることができる。   The synchronous detection circuit 91 is a circuit that performs synchronous detection based on the detection signal supplied from the drive control circuit 92 with respect to the AC signal that has passed through the high-pass filter circuits 84 and 85. Specifically, based on the detection signal, the moment when the weight body 210 passes through the XZ plane (the moment when the weight body moves with the velocity component in the Y-axis direction) is detected, and the detection target signal at that time point is detected. Based on (a signal indicating the X-axis direction force acting on the weight body from the terminal T14 and a signal indicating the Z-axis direction force acting on the weight body from the terminal T15), the angular velocity ωz around the Z axis And the angular velocity ωx about the X axis can be obtained. Further, the moment when the weight body 210 passes through the YZ plane (the moment when the weight body moves with the velocity component in the X-axis direction) is detected, and the detection target signal at that time (the weight body from the terminal T15 is applied to the weight body). The angular velocity ωy about the Y axis can be obtained based on the signal indicating the applied Z-axis direction force.

かくして、同期検波回路91で求められた角速度ωx,ωy,ωzを示す信号は、それぞれアンプ回路76,77,78で増幅された後、端子Tωx,Tωy,Tωzから出力されることになる。   Thus, the signals indicating the angular velocities ωx, ωy, and ωz obtained by the synchronous detection circuit 91 are amplified by the amplifier circuits 76, 77, and 78, and then output from the terminals Tωx, Tωy, and Tωz.

なお、同期検波回路91は、検波対象信号に基づいて、重錘体が正しい振幅(円運動の場合は半径)をもって運動しているか否かをモニターし、その結果をフィードバック信号として駆動制御回路92に与える。駆動制御回路92は、このフィードバック信号に基づいて、各駆動信号SS1〜SS4の振幅を適正に制御する。   The synchronous detection circuit 91 monitors whether or not the weight body is moving with a correct amplitude (radius in the case of circular movement) based on the detection target signal, and the result is used as a feedback signal to drive control circuit 92. To give. The drive control circuit 92 appropriately controls the amplitudes of the drive signals SS1 to SS4 based on the feedback signal.

<<< §11.本考案に係るセンサの特徴 >>>
最後に、本考案に係るセンサの個々の特徴を述べておく。本考案に係るセンサの最も重要な特徴は、加速度の検出をピエゾ抵抗素子によって行い、角速度の検出を圧電素子によって行う点である。ここで、ピエゾ抵抗素子の電気抵抗の変化は静的な物理現象であり、たとえば、図6に示すように、常に一定の力+Fxが作用し続け、環状中間部120が常に一定の変形状態を維持していたとしても、この環状中間部120に形成されたピエゾ抵抗素子の電気抵抗は、当該変形状態に依存した一定の値に維持される。したがって、重力加速度のように定常的な加速度が作用している状態でも検出することができる。
<<<< §11. Features of the sensor according to the present invention >>>
Finally, individual characteristics of the sensor according to the present invention will be described. The most important feature of the sensor according to the present invention is that acceleration is detected by a piezoresistive element and angular velocity is detected by a piezoelectric element. Here, the change in the electrical resistance of the piezoresistive element is a static physical phenomenon. For example, as shown in FIG. 6, a constant force + Fx continues to act, and the annular intermediate portion 120 always has a constant deformation state. Even if maintained, the electrical resistance of the piezoresistive element formed in the annular intermediate portion 120 is maintained at a constant value depending on the deformation state. Therefore, it can be detected even in a state where steady acceleration is acting like gravitational acceleration.

このように、ピエゾ抵抗素子は、静的な状態検出が可能になるというメリットを有しているが、駆動素子として用いることはできない。角速度の検出を行うには、前述したとおり、重錘体を所定方向に運動させる必要があり、駆動素子が必要になる。そこで、この駆動素子として圧電素子が採用されている。圧電素子は、環状中間部120の変形に応じて電圧を発生させる検出素子としての機能を果たすことができるとともに、駆動信号を供給することにより変位を生じる駆動素子としての機能も果たすことができる。   As described above, the piezoresistive element has an advantage that static state detection is possible, but cannot be used as a drive element. In order to detect the angular velocity, as described above, it is necessary to move the weight body in a predetermined direction, and a driving element is required. Therefore, a piezoelectric element is employed as the driving element. The piezoelectric element can function as a detection element that generates a voltage in response to deformation of the annular intermediate portion 120, and can also function as a drive element that generates displacement by supplying a drive signal.

ただし、圧電素子は、ピエゾ抵抗素子のように、静的な変形状態の検出を行うことはできず、その検出素子としての機能は、動的な過渡現象の検出に限定されることになる。たとえば、力+Fxの作用により、重錘体210が図6に示すようにX軸正方向に移動した場合、環状中間部120の上面に固着されている圧電素子には、その過渡的な変形によって一時的に電荷が発生するが、重錘体210が図6に示す位置で静止し、環状中間部120が図示の変形状態を維持していると、圧電素子内で電荷は発生しなくなる。   However, a piezoelectric element cannot detect a static deformation state unlike a piezoresistive element, and its function as a detection element is limited to detection of a dynamic transient phenomenon. For example, when the weight body 210 is moved in the positive direction of the X axis as shown in FIG. 6 by the action of force + Fx, the piezoelectric element fixed to the upper surface of the annular intermediate portion 120 is subjected to its transient deformation. Charges are temporarily generated. However, when the weight body 210 is stationary at the position shown in FIG. 6 and the annular intermediate portion 120 is maintained in the deformed state shown in the figure, no charge is generated in the piezoelectric element.

このように、圧電素子の検出機能は動的な変形状態の検出に限定されることになるが、角速度の検出を行う際には、そのような限定的な検出機能だけで十分である。前述したとおり、重錘体210は単振動や円運動を行うように駆動させられるが、これらの運動は重錘体210の速度Vの大きさもしくは方向が時間的に変化する運動である。したがって、重錘体210に作用するコリオリ力Fcの大きさや方向も時間的に変化することになり、結局、検出対象となるコリオリ力Fcは、静的な量として検出されるわけではなく、動的な過渡現象として検出されることになる。したがって、検出素子として圧電素子を用いても何ら問題はない。   As described above, the detection function of the piezoelectric element is limited to detection of a dynamic deformation state, but such a limited detection function is sufficient when the angular velocity is detected. As described above, the weight body 210 is driven to perform a simple vibration or a circular motion. These motions are motions in which the magnitude or direction of the velocity V of the weight body 210 changes with time. Therefore, the magnitude and direction of the Coriolis force Fc acting on the weight body 210 also change with time, and eventually the Coriolis force Fc to be detected is not detected as a static amount, It will be detected as a transient phenomenon. Therefore, there is no problem even if a piezoelectric element is used as the detection element.

本考案において、加速度の検出をピエゾ抵抗素子によって行い、角速度の検出を圧電素子によって行っているのは、このような事情を考慮したためである。また、ピエゾ抵抗素子および圧電素子は、環状中間部120の上面に形成することができるので、配線が簡素化されるというメリットも得られる。たとえば、検出素子や駆動素子として容量素子を用いた場合、容量素子を構成する一対の電極のうちの一方は、重錘体側に設ける必要があり、個々の電極に対する配線は複雑にならざるを得ない。また、容量素子を用いる場合、微小な電極間距離の変化に基づく検出が必要になるため、実用上は、重錘体の運動が空気によって妨げられないように内部を真空に維持する必要がある。検出素子として、ピエゾ抵抗素子や圧電素子を用いた場合、内部を真空に維持する必要はなくなり、構造を単純化することができる。   In the present invention, the reason why acceleration is detected by a piezoresistive element and angular velocity is detected by a piezoelectric element is due to such circumstances. In addition, since the piezoresistive element and the piezoelectric element can be formed on the upper surface of the annular intermediate portion 120, there is an advantage that the wiring is simplified. For example, when a capacitive element is used as a detection element or a drive element, one of a pair of electrodes constituting the capacitive element needs to be provided on the weight body side, and wiring for each electrode must be complicated. Absent. In addition, when a capacitive element is used, detection based on a minute change in the distance between the electrodes is necessary. Therefore, in practice, it is necessary to maintain the inside in a vacuum so that the movement of the weight body is not hindered by air. . When a piezoresistive element or a piezoelectric element is used as the detection element, it is not necessary to maintain the inside in a vacuum, and the structure can be simplified.

また、本考案に係るセンサは、たとえば図2に示すように、本体基板100の内側部110の下面に重錘体210を接合した構造を有している。ここで重要な点は、上方から見たときに、重錘体210の平面形状が内側部110の平面形状に比べて大きくなっている、という点である。別言すれば、重錘体210を本体基板100の上面に垂直投影したときの投影像の輪郭線が、本体基板100の内側部110よりも外側に位置する構造になっており、いわば、内側部110の下面に大きな塊状の重錘体210が接合されていることになる。   Further, the sensor according to the present invention has a structure in which a weight body 210 is joined to the lower surface of the inner portion 110 of the main body substrate 100 as shown in FIG. The important point here is that the planar shape of the weight body 210 is larger than the planar shape of the inner portion 110 when viewed from above. In other words, the contour line of the projection image when the weight body 210 is vertically projected onto the upper surface of the main body substrate 100 has a structure located outside the inner portion 110 of the main body substrate 100, so to speak, A large block-like weight body 210 is joined to the lower surface of the portion 110.

このような構造の第1のメリットは、重錘体210の質量を十分に確保できる点である。重錘体210を大きな塊によって構成し、それだけ大きな質量を確保するようにすれば、微小な加速度の作用や微小なコリオリ力の作用によっても、環状中間部120に十分な変形を生じさせることが可能になり、センサの感度を向上させることができる。   The first merit of such a structure is that the mass of the weight body 210 can be sufficiently secured. If the weight body 210 is constituted by a large lump and a large mass is secured, sufficient deformation of the annular intermediate portion 120 can be caused by the action of minute acceleration or the action of minute Coriolis force. Thus, the sensitivity of the sensor can be improved.

そして、第2のメリットは、実用上最適な共振周波数をもった構造体を設計することが容易になる点である。角速度検出を行うためには、重錘体210に単振動や円運動のような周期的な運動を行わせる必要があるが、その駆動周波数は、実用上、15kHz以上に設定するのが好ましい。これは、駆動周波数がそれより低くなると、人間の可聴周波数域に重なってくるため、重錘体210の駆動音が騒音として聞こえてくるためである。一方、加速度や角速度のセンサは、様々な装置に内蔵されることになるので、常に小型化の要求に応じざるを得ない。たとえば、現在、産業界の要求に合致したセンサを作るには、平面サイズを3〜5mm角程度、厚みを0.3〜1mm程度、ダイアフラムとして機能する環状中間部120の厚みを5〜10μm程度に設計する必要がある。このような寸法条件に合致し、かつ、共振周波数が15kHz以上の機械的構造体を設計する上では、内側部110の下面に大きな塊状の重錘体210を接合した構造は極めて有利である。   The second merit is that it becomes easy to design a structure having a practically optimal resonance frequency. In order to detect the angular velocity, it is necessary to cause the weight body 210 to perform a periodic motion such as a simple vibration or a circular motion. However, the driving frequency is preferably set to 15 kHz or more in practice. This is because when the driving frequency is lower than that, the driving sound of the weight body 210 is heard as noise because it overlaps the human audible frequency range. On the other hand, since acceleration and angular velocity sensors are built in various devices, they must always meet demands for miniaturization. For example, to make a sensor that meets the demands of the industry, the planar size is about 3 to 5 mm square, the thickness is about 0.3 to 1 mm, and the thickness of the annular intermediate portion 120 that functions as a diaphragm is about 5 to 10 μm. It is necessary to design to. In designing a mechanical structure that meets such dimensional conditions and has a resonance frequency of 15 kHz or more, a structure in which a large block of weight 210 is joined to the lower surface of the inner portion 110 is extremely advantageous.

また、角速度センサについては、その検出感度を向上させるために、重錘体の運動方向に関する共振周波数とコリオリ力の発生方向に関する共振周波数とが一致するという条件(一般に、「双共振」と呼ばれている)を満たす構造体を用いることが必要とされている。通常、この2方向の共振周波数の差が1%程度になるような設計がなされている。内側部110の下面に大きな塊状の重錘体210を接合するという手法は、このような双共振の条件を満たす構造体を設計する上でも有利である。   In addition, in order to improve the detection sensitivity of the angular velocity sensor, the condition that the resonance frequency related to the moving direction of the weight body and the resonance frequency related to the direction of Coriolis force generation (generally called “bi-resonance”). It is necessary to use a structure satisfying the above. Usually, the design is such that the difference between the resonance frequencies in the two directions is about 1%. The technique of joining a large block-like weight body 210 to the lower surface of the inner portion 110 is advantageous in designing a structure that satisfies such a dual resonance condition.

特に、基本的実施形態として示したセンサの構造体は、環状溝140を本体基板100の上面に垂直投影したときの投影像の内側輪郭線C1および外側輪郭線C2が同心円をなし(図5参照)、重錘体120が、「本体基板100の上面に直交し、同心円C1,C2の中心を通る軸」を中心軸とした柱状形状(実施例では角柱状をしているが、円柱状の重錘体を用いてもよい)をなしている。このような構造は、双共振の条件を満たす上で非常に好ましい。   In particular, in the sensor structure shown as the basic embodiment, the inner contour line C1 and the outer contour line C2 of the projected image when the annular groove 140 is vertically projected onto the upper surface of the main body substrate 100 are concentric (see FIG. 5). ), The weight body 120 is a columnar shape having a central axis of “an axis orthogonal to the upper surface of the main body substrate 100 and passing through the centers of the concentric circles C1 and C2” (in the embodiment, the columnar shape is a prismatic column, A weight body may be used). Such a structure is very preferable in satisfying the condition of dual resonance.

また、基本的実施形態として示したセンサでは、ピエゾ抵抗素子P、駆動用圧電素子E1〜E4、検出用圧電素子D1〜D4が、環状溝形成領域の内側輪郭線C1もしくは外側輪郭線C2に接する位置に配置されている。これは検出感度や駆動効率を高めるために極めて有効である。図6〜図9に示すような環状中間部120の変形において、応力が最も集中する箇所が、内側輪郭線C1もしくは外側輪郭線C2の部分(すなわち、ダイアフラムの付け根部分)である。したがって、この部分に各素子を配置することは、極めて理にかなっている。   In the sensor shown as the basic embodiment, the piezoresistive element P, the driving piezoelectric elements E1 to E4, and the detecting piezoelectric elements D1 to D4 are in contact with the inner contour line C1 or the outer contour line C2 of the annular groove forming region. Placed in position. This is extremely effective for increasing detection sensitivity and driving efficiency. In the deformation of the annular intermediate portion 120 as shown in FIGS. 6 to 9, the portion where the stress is most concentrated is the portion of the inner contour line C1 or the outer contour line C2 (that is, the base portion of the diaphragm). Therefore, it is very reasonable to place each element in this part.

更に、本考案に係るセンサでは、ワッシャ形状をした環状中間部120の上に扇状の圧電素子を、内側輪郭線C1もしくは外側輪郭線C2に沿って形成するようにしたため、圧電素子の平面的な面積を比較的広く確保できる。これは、圧電素子による検出感度や駆動効率を高めるために効果的である。圧電素子に発生する電荷は、その上下に形成された電極の面積が広ければ広いほど増えるので、圧電素子の平面的な面積が広ければ広いほど、検出感度や駆動効率が向上することになる。   Furthermore, in the sensor according to the present invention, the fan-shaped piezoelectric element is formed on the washer-shaped annular intermediate portion 120 along the inner contour line C1 or the outer contour line C2. A relatively large area can be secured. This is effective for increasing the detection sensitivity and driving efficiency of the piezoelectric element. The charge generated in the piezoelectric element increases as the area of the electrodes formed above and below it increases, so that the detection area and drive efficiency improve as the planar area of the piezoelectric element increases.

本考案の基本的実施形態に係るセンサの上面図である。1 is a top view of a sensor according to a basic embodiment of the present invention. 図1に示すセンサをXZ平面で切断した側断面図である。It is the sectional side view which cut | disconnected the sensor shown in FIG. 1 by XZ plane. 図2に示すセンサを切断線3−3に沿って切断した平断面図である。FIG. 3 is a plan sectional view of the sensor shown in FIG. 2 cut along a cutting line 3-3. 図2に示すセンサを切断線4−4に沿って切断した平断面図である。FIG. 4 is a plan sectional view of the sensor shown in FIG. 2 cut along a cutting line 4-4. 図1に示すセンサから、各圧電素子D1〜D4,E1〜E4を取り除いた状態を示す上面図である。It is a top view which shows the state which removed each piezoelectric element D1-D4, E1-E4 from the sensor shown in FIG. 図2に示すセンサの重錘体210に、X軸正方向の力+Fxが作用したときの変形状態を示す側断面図である。It is a sectional side view which shows a deformation | transformation state when the force + Fx of the X-axis positive direction acts on the weight body 210 of the sensor shown in FIG. 図2に示すセンサの重錘体210に、X軸負方向の力−Fxが作用したときの変形状態を示す側断面図である。It is a sectional side view which shows a deformation | transformation state when force -Fx of the X-axis negative direction acts on the weight body 210 of the sensor shown in FIG. 図2に示すセンサの重錘体210に、Z軸正方向の力+Fzが作用したときの変形状態を示す側断面図である。It is a sectional side view which shows a deformation | transformation state when force + Fz of the Z-axis positive direction acts on the weight body 210 of the sensor shown in FIG. 図2に示すセンサの重錘体210に、Z軸負方向の力−Fzが作用したときの変形状態を示す側断面図である。FIG. 3 is a side sectional view showing a deformed state when a force −Fz in the negative Z-axis direction acts on the weight body 210 of the sensor shown in FIG. 2. 図1に示すセンサの重錘体210に、X軸正方向の力+Fxが作用したときの環状中間部120の上面各位置における伸縮状態を示す上面図である。FIG. 3 is a top view showing a stretched state at each position on the top surface of the annular intermediate portion 120 when a force + Fx in the X-axis positive direction is applied to the weight body 210 of the sensor shown in FIG. 1. 図1に示すセンサの重錘体210に、X軸負方向の力−Fxが作用したときの環状中間部120の上面各位置における伸縮状態を示す上面図である。FIG. 3 is a top view showing a stretched state at each position on the top surface of the annular intermediate portion 120 when a force −Fx in the negative X-axis direction acts on the weight body 210 of the sensor shown in FIG. 1. 図1に示すセンサの重錘体210に、Y軸正方向の力+Fyが作用したときの環状中間部120の上面各位置における伸縮状態を示す上面図である。FIG. 3 is a top view showing an expanded / contracted state at each position on the upper surface of the annular intermediate portion 120 when a force + Fy in the positive direction of the Y-axis acts on the weight body 210 of the sensor shown in FIG. 1. 図1に示すセンサの重錘体210に、Y軸負方向の力−Fyが作用したときの環状中間部120の上面各位置における伸縮状態を示す上面図である。FIG. 3 is a top view illustrating a stretched state at each position on the top surface of the annular intermediate portion 120 when a force −Fy in the negative Y-axis direction is applied to the weight body 210 of the sensor illustrated in FIG. 1. 図1に示すセンサの重錘体210に、Z軸正方向の力+Fzが作用したときの環状中間部120の上面各位置における伸縮状態を示す上面図である。FIG. 3 is a top view showing a state of expansion and contraction at each position on the top surface of the annular intermediate portion 120 when a force + Fz in the positive direction of the Z axis is applied to the weight body 210 of the sensor shown in FIG. 1. 図1に示すセンサの重錘体210に、Z軸負方向の力−Fzが作用したときの環状中間部120の上面各位置における伸縮状態を示す上面図である。FIG. 3 is a top view showing a stretched state at each position on the top surface of the annular intermediate portion 120 when a force −Fz in the negative Z-axis direction acts on the weight body 210 of the sensor shown in FIG. 1. 図1に示すセンサのピエゾ抵抗素子の形成部分の拡大側断面図である。It is an expanded sectional side view of the formation part of the piezoresistive element of the sensor shown in FIG. 図1に示すセンサの圧電素子の形成部分の拡大側断面図である。It is an expanded sectional side view of the formation part of the piezoelectric element of the sensor shown in FIG. 図1に示すセンサに用いる加速度検出回路の一例を示す回路図である。It is a circuit diagram which shows an example of the acceleration detection circuit used for the sensor shown in FIG. 図1に示すセンサの重錘体210を振動させるために用いる駆動信号を示す波形図である。It is a wave form diagram which shows the drive signal used in order to vibrate the weight body 210 of the sensor shown in FIG. 図1に示すセンサの重錘体210をXY平面に平行な平面内で円運動させるために用いる駆動信号を示す波形図である。It is a wave form diagram which shows the drive signal used in order to carry out circular motion of the weight body 210 of the sensor shown in FIG. 1 within a plane parallel to XY plane. 重錘体がXY平面内で円運動している状態を示す斜視図である。It is a perspective view which shows the state which the weight body is carrying out the circular motion in XY plane. 図1に示すセンサの重錘体210に作用するX軸方向のコリオリ力FxおよびZ軸方向のコリオリ力Fzを検出する回路の一例を示す回路図である。FIG. 2 is a circuit diagram showing an example of a circuit that detects a Coriolis force Fx in the X-axis direction and a Coriolis force Fz in the Z-axis direction that act on the weight body 210 of the sensor shown in FIG. 1. 図1に示すセンサの重錘体210をXZ平面内で円運動させるために用いる駆動信号を示す波形図である。It is a wave form diagram which shows the drive signal used in order to circularly move the weight body 210 of the sensor shown in FIG. 1 within an XZ plane. 図1に示すセンサの重錘体210に作用するX軸方向のコリオリ力FxおよびY軸方向のコリオリ力Fyを検出する回路の一例を示す回路図である。FIG. 2 is a circuit diagram showing an example of a circuit that detects a Coriolis force Fx in the X-axis direction and a Coriolis force Fy in the Y-axis direction that act on the weight body 210 of the sensor shown in FIG. 1. 図1に示すセンサの本体基板100上におけるピエゾ抵抗素子および圧電素子の重畳形成部の拡大側断面図である。FIG. 2 is an enlarged side cross-sectional view of a superimposed formation portion of a piezoresistive element and a piezoelectric element on a main body substrate 100 of the sensor shown in FIG. 1. 図1に示すセンサの本体基板100上における圧電素子形成部の拡大側断面図である。FIG. 2 is an enlarged side sectional view of a piezoelectric element forming portion on a main body substrate 100 of the sensor shown in FIG. 1. 図25および図26に示す構造を有するセンサの各圧電素子層および圧電素子パターニング層をハッチング領域として示す上面図である(ハッチングは断面を示すものではない)。It is a top view which shows each piezoelectric element layer and piezoelectric element patterning layer of the sensor which has a structure shown in FIG. 25 and FIG. 26 as a hatching area | region (hatching does not show a cross section). 図27に示す各圧電素子層および圧電素子パターニング層の上面に形成された導電層をハッチング領域として示す上面図である(ハッチングは断面を示すものではない)。It is a top view which shows the conductive layer formed in the upper surface of each piezoelectric element layer and piezoelectric element patterning layer shown in FIG. 27 as a hatching area | region (hatching does not show a cross section). 図1に示すセンサの本体基板100上におけるピエゾ抵抗素子および圧電素子の重畳形成部の変形例を示す拡大側断面図である。It is an expanded sectional side view which shows the modification of the superimposition formation part of a piezoresistive element and a piezoelectric element on the main body board | substrate 100 of the sensor shown in FIG. 図1に示すセンサの本体基板100上における圧電素子形成部の変形例を示す拡大側断面図である。It is an expanded sectional side view which shows the modification of the piezoelectric element formation part on the main body board | substrate 100 of the sensor shown in FIG. 図29および図30に示す構造を有するセンサの圧電素子層をハッチング領域として示す上面図である(ハッチングは断面を示すものではない)。It is a top view which shows the piezoelectric element layer of the sensor which has a structure shown in FIG. 29 and FIG. 30 as a hatching area | region (hatching does not show a cross section). 図31に示す圧電素子層の上面に形成された導電層をハッチング領域として示す上面図である(ハッチングは断面を示すものではない)。FIG. 32 is a top view showing a conductive layer formed on the top surface of the piezoelectric element layer shown in FIG. 31 as a hatched region (hatching does not indicate a cross section). 2軸まわりの角速度検出を行う変形例に係るセンサの上面図である(ハッチングは断面を示すものではない)。It is a top view of the sensor which concerns on the modification which detects the angular velocity about 2 axes | shafts (hatching does not show a cross section). 1軸まわりの角速度検出を行う変形例に係るセンサの上面図である(ハッチングは断面を示すものではない)。It is a top view of the sensor which concerns on the modification which detects the angular velocity about 1 axis | shaft (hatching does not show a cross section). 図1に示すセンサの本体基板100を、SOI基板を利用して構成する製造プロセスの第1段階を示す側断面図である。FIG. 3 is a side sectional view showing a first stage of a manufacturing process in which the main body substrate 100 of the sensor shown in FIG. 1 is configured using an SOI substrate. 図1に示すセンサの本体基板100を、SOI基板を利用して構成する製造プロセスの第2段階を示す側断面図である。FIG. 4 is a side sectional view showing a second stage of a manufacturing process in which the main body substrate 100 of the sensor shown in FIG. 1 is configured using an SOI substrate. 図1に示すセンサの本体基板100を、SOI基板を利用して構成する製造プロセスの第3段階を示す側断面図である。FIG. 4 is a side sectional view showing a third stage of a manufacturing process in which the main body substrate 100 of the sensor shown in FIG. 1 is configured using an SOI substrate. 図1に示すセンサに用いる加速度および角速度の検出回路の一例を示す回路図である。It is a circuit diagram which shows an example of the detection circuit of the acceleration and angular velocity used for the sensor shown in FIG.

符号の説明Explanation of symbols

50:直流電源
51〜53:電位差計
61〜64:演算器
71〜78:アンプ回路
81〜85:フィルタ回路
91:同期検波回路
92:駆動制御回路
100:本体基板
110:内側部
120:環状中間部
130:外側部
140:環状溝
200:補助基板
210:重錘体
220:台座
300:支持基板
511,512,513:絶縁層
521,522:配線層
600:SOI基板
610:シリコン層
620:酸化シリコン層/窒化シリコン層
630:シリコン層
631:内側部
632:外側部
635:環状溝
641:内側部
642:外側部
645:環状溝
710:加速度検出回路
720:角速度検出回路
A1:圧電素子形成領域
A2:配線形成領域
A3:ボンディングパッド形成領域
C1:環状溝の内側輪郭線
C2:環状溝の外側輪郭線
d1〜d3:空隙寸法
D1〜D4,D11〜D14,D21,D22:検出用圧電素子
D1U〜D4U:検出用圧電素子の上方電極
E1〜E4,E10,E21,E22:駆動用圧電素子
F:圧電素子
:共通圧電素子層
+Fx:X軸正方向に作用した力
+Fy:Y軸正方向に作用した力
+Fz:Z軸正方向に作用した力
−Fx:X軸負方向に作用した力
−Fy:Y軸負方向に作用した力
−Fz:Z軸負方向に作用した力
G:重錘体の重心
H:円軌道
L:下方電極の配線用端子
:共通金属層の配線用端子
LB:下方電極用ボンディングパッド
LE:下方電極
LE:下方電極を構成する共通金属層
O:座標系の原点
P:ピエゾ抵抗素子
Px1〜Px4:X軸方向の加速度検出用のピエゾ抵抗素子
Py1〜Py4:Y軸方向の加速度検出用のピエゾ抵抗素子
Pz1〜Pz4:Z軸方向の加速度検出用のピエゾ抵抗素子
Q1〜Q4:円軌道上の通過点
S1,S2:駆動信号
SS1〜SS4:駆動信号
SSS1,SSS2:駆動信号
t:時間軸
t1〜t4:各期間
T1,T2,T11〜T15:配線用端子
Tx,Ty,Tz:出力端子
Tαx,Tαy,Tαz:加速度検出信号の出力端子
Tωx,Tωy,Tωz:角速度検出信号の出力端子
U:上方電極の配線用端子
UB:上方電極用ボンディングパッド
UE:上方電極
UW:上方電極用配線層
Vx,Vy,Vz:ブリッジ電圧/移動速度
WW:配線用開口部
X,Y,Z:三次元直交座標系の各座標軸
Xa,Xb:X軸に平行な補助軸
50: DC power supplies 51-53: potentiometers 61-64: calculators 71-78: amplifier circuits 81-85: filter circuit 91: synchronous detection circuit 92: drive control circuit 100: main body substrate 110: inner part 120: annular intermediate Part 130: outer part 140: annular groove 200: auxiliary substrate 210: weight body 220: pedestal 300: support substrate 511, 512, 513: insulating layer 521, 522: wiring layer 600: SOI substrate 610: silicon layer 620: oxidation Silicon layer / silicon nitride layer 630: silicon layer 631: inner part 632: outer part 635: annular groove 641: inner part 642: outer part 645: annular groove 710: acceleration detection circuit 720: angular velocity detection circuit A1: piezoelectric element formation region A2: Wiring forming area A3: Bonding pad forming area C1: Inner outline C2 of the annular groove C2: Outer outline d1 of the annular groove 3: pore size D1~D4, D11~D14, D21, D22: detecting piezoelectric elements D1U~D4U: upper electrode E1~E4 the detecting piezoelectric elements, E10, E21, E22: driving piezoelectric element F: a piezoelectric element F * : Common piezoelectric element layer + Fx: Force acting in the X-axis positive direction + Fy: Force acting in the Y-axis positive direction + Fz: Force acting in the Z-axis positive direction-Fx: Force acting in the X-axis negative direction-Fy: Force acting in the negative direction of the Y axis -Fz: Force acting in the negative direction of the Z axis G: Gravity center of the weight H: Circular orbit L: Terminal for wiring L * of the lower electrode: Terminal LB for wiring of the common metal layer: Lower electrode bonding pad LE: Lower electrode LE * : Common metal layer constituting lower electrode O: Origin of coordinate system P: Piezoresistive elements Px1 to Px4: Piezoresistive elements Py1 to Py4 for detecting acceleration in the X-axis direction: For acceleration detection in the Y-axis direction Piezoresistive elements Pz1 to Pz4: Piezoresistive elements Q1 to Q4 for detecting acceleration in the Z-axis direction: passing points S1 and S2 on a circular orbit: drive signals SS1 to SS4: drive signals SSS1 and SSS2: drive signal t: time axis t1 to t4: period T1, T2, T11 to T15: wiring terminals Tx, Ty, Tz: output terminals Tαx, Tαy, Tαz: acceleration detection signal output terminals Tωx, Tωy, Tωz: angular velocity detection signal output terminals U : Upper electrode wiring terminal UB: Upper electrode bonding pad UE: Upper electrode UW: Upper electrode wiring layer Vx, Vy, Vz: Bridge voltage / moving speed WW: Wiring openings X, Y, Z: Three-dimensional Each coordinate axis Xa, Xb in the Cartesian coordinate system: auxiliary axis parallel to the X axis

Claims (17)

下面に環状溝が形成され、前記環状溝形成領域の内側に位置する内側部と、前記環状溝形成領域の外側に位置する外側部と、前記環状溝形成領域に位置する環状中間部と、を有し、前記環状中間部は、前記内側部が前記外側部に対して変位可能となるように可撓性を有している本体基板と、
前記内側部の下面に接続された重錘体と、
前記重錘体の周囲を取り囲むように、前記外側部の下面に接続され、装置筐体に固定された台座と、
前記環状中間部に埋め込まれたピエゾ抵抗素子と、
前記環状中間部の表面に固着された駆動用圧電素子および検出用圧電素子と、
前記ピエゾ抵抗素子の電気抵抗の変化に基づいて作用した加速度を検出する加速度検出回路と、
前記駆動用圧電素子に交流信号を供給して前記環状中間部を周期的に変形させ前記重錘体に周期的な運動を生じさせながら、前記検出用圧電素子に生じる信号に基づいて作用した角速度を検出する角速度検出回路と、
を備えることを特徴とする加速度と角速度との双方を検出するセンサ。
An annular groove is formed on the lower surface, and an inner part located inside the annular groove forming area, an outer part located outside the annular groove forming area, and an annular intermediate part located in the annular groove forming area, The annular intermediate portion is flexible so that the inner portion can be displaced with respect to the outer portion; and
A weight body connected to the lower surface of the inner portion;
A pedestal connected to the lower surface of the outer portion and fixed to the apparatus housing so as to surround the weight body;
A piezoresistive element embedded in the annular intermediate portion;
A driving piezoelectric element and a detecting piezoelectric element fixed to the surface of the annular intermediate portion;
An acceleration detection circuit for detecting an acceleration acting based on a change in electrical resistance of the piezoresistive element;
An angular velocity applied based on a signal generated in the detecting piezoelectric element while supplying an alternating current signal to the driving piezoelectric element to periodically deform the annular intermediate portion and causing a periodic motion in the weight body An angular velocity detection circuit for detecting
A sensor that detects both acceleration and angular velocity.
請求項1に記載のセンサにおいて、
加速度検出回路は、ピエゾ抵抗素子の電気抵抗の変化を示す信号に含まれる高周波成分をカットする低域通過フィルタ回路を有し、この低域通過フィルタ回路を通過した信号成分を加速度の検出値として出力し、
角速度検出回路は、駆動用圧電素子に交流信号を供給して重錘体の周期的な運動を制御する駆動制御回路と、検出用圧電素子に生じる交流信号に含まれる低周波成分をカットする高域通過フィルタ回路と、この高域通過フィルタ回路を通過した交流信号に対して、前記駆動制御回路から与えられる検波信号に基づく同期検波を行う同期検波回路と、を有し、前記同期検波回路による検波結果を角速度の検出値として出力することを特徴とする加速度と角速度との双方を検出するセンサ。
The sensor according to claim 1, wherein
The acceleration detection circuit has a low-pass filter circuit that cuts a high-frequency component included in a signal indicating a change in the electrical resistance of the piezoresistive element, and the signal component that has passed through the low-pass filter circuit is used as an acceleration detection value. Output,
The angular velocity detection circuit supplies an AC signal to the drive piezoelectric element to control the periodic movement of the weight body, and a high frequency cut off low frequency component included in the AC signal generated in the detection piezoelectric element. A synchronous detection circuit that performs synchronous detection based on a detection signal supplied from the drive control circuit with respect to the AC signal that has passed through the high-pass filter circuit, and the synchronous detection circuit A sensor for detecting both acceleration and angular velocity, wherein the detection result is output as a detected value of angular velocity.
請求項1または2に記載のセンサにおいて、
重錘体を本体基板の上面に垂直投影したときの投影像の輪郭線が、本体基板の内側部よりも外側に位置することを特徴とする加速度と角速度との双方を検出するセンサ。
The sensor according to claim 1 or 2,
A sensor for detecting both an acceleration and an angular velocity, wherein a contour line of a projection image when a weight body is vertically projected onto an upper surface of a main body substrate is positioned outside an inner portion of the main body substrate.
請求項1〜3のいずれかに記載のセンサにおいて、
環状溝を本体基板の上面に垂直投影したときの投影像の内側輪郭線および外側輪郭線が同心円をなし、
重錘体が、「前記本体基板の上面に直交し、前記同心円の中心を通る軸」を中心軸とした柱状形状をなすことを特徴とする加速度と角速度との双方を検出するセンサ。
The sensor according to any one of claims 1 to 3,
When the annular groove is vertically projected on the upper surface of the main body substrate, the inner contour line and the outer contour line of the projected image form concentric circles,
A sensor for detecting both acceleration and angular velocity, wherein the weight body has a columnar shape centering on an "axis orthogonal to the upper surface of the main body substrate and passing through the center of the concentric circle".
請求項1〜4のいずれかに記載のセンサにおいて、
ピエゾ抵抗素子、駆動用圧電素子、検出用圧電素子が、環状溝形成領域の内側輪郭線もしくは外側輪郭線に接する位置に配置されていることを特徴とする加速度と角速度との双方を検出するセンサ。
The sensor according to any one of claims 1 to 4,
A sensor for detecting both acceleration and angular velocity, wherein the piezoresistive element, the driving piezoelectric element, and the detecting piezoelectric element are arranged at a position in contact with the inner contour line or the outer contour line of the annular groove forming region. .
請求項1〜5のいずれかに記載のセンサにおいて、
本体基板が、1枚のシリコン基板もしくはSOI基板によって構成されており、ピエゾ抵抗素子が、前記本体基板の表層部分に形成されたシリコンの不純物含有層によって構成されていることを特徴とする加速度と角速度との双方を検出するセンサ。
The sensor according to any one of claims 1 to 5,
The body substrate is composed of a single silicon substrate or SOI substrate, and the piezoresistive element is composed of a silicon impurity-containing layer formed on the surface layer portion of the body substrate. Sensor that detects both angular velocity.
請求項1〜6のいずれかに記載のセンサにおいて、
本体基板上面の内側部の中心に原点Oが位置し、前記本体基板の上面にXY平面が位置するようなXYZ三次元座標系を定義し、環状中間部に所属する部分のうち、内側輪郭線の近傍部分を内側近傍領域、外側輪郭線の近傍部分を外側近傍領域と定義したときに、
正のX軸上の外側近傍領域に第1のX軸検出用ピエゾ抵抗素子が配置され、正のX軸上の内側近傍領域に第2のX軸検出用ピエゾ抵抗素子が配置され、負のX軸上の内側近傍領域に第3のX軸検出用ピエゾ抵抗素子が配置され、負のX軸上の外側近傍領域に第4のX軸検出用ピエゾ抵抗素子が配置され、
正のY軸上の外側近傍領域に第1のY軸検出用ピエゾ抵抗素子が配置され、正のY軸上の内側近傍領域に第2のY軸検出用ピエゾ抵抗素子が配置され、負のY軸上の内側近傍領域に第3のY軸検出用ピエゾ抵抗素子が配置され、負のY軸上の外側近傍領域に第4のY軸検出用ピエゾ抵抗素子が配置され、
外側近傍領域の任意の位置に第1のZ軸検出用ピエゾ抵抗素子が配置され、内側近傍領域の任意の位置に第2のZ軸検出用ピエゾ抵抗素子が配置され、内側近傍領域の任意の位置に第3のZ軸検出用ピエゾ抵抗素子が配置され、外側近傍領域の任意の位置に第4のZ軸検出用ピエゾ抵抗素子が配置され、
加速度検出回路が、前記第1のX軸検出用ピエゾ抵抗素子および前記第3のX軸検出用ピエゾ抵抗素子を第1の対辺とし、前記第2のX軸検出用ピエゾ抵抗素子および前記第4のX軸検出用ピエゾ抵抗素子を第2の対辺とするブリッジ回路のブリッジ電圧に基づいてX軸方向に作用した加速度の検出を行い、前記第1のY軸検出用ピエゾ抵抗素子および前記第3のY軸検出用ピエゾ抵抗素子を第1の対辺とし、前記第2のY軸検出用ピエゾ抵抗素子および前記第4のY軸検出用ピエゾ抵抗素子を第2の対辺とするブリッジ回路のブリッジ電圧に基づいてY軸方向に作用した加速度の検出を行い、前記第1のZ軸検出用ピエゾ抵抗素子および前記第4のZ軸検出用ピエゾ抵抗素子を第1の対辺とし、前記第2のZ軸検出用ピエゾ抵抗素子および前記第3のZ軸検出用ピエゾ抵抗素子を第2の対辺とするブリッジ回路のブリッジ電圧に基づいてZ軸方向に作用した加速度の検出を行うことを特徴とする加速度と角速度との双方を検出するセンサ。
The sensor according to any one of claims 1 to 6,
An XYZ three-dimensional coordinate system is defined such that the origin O is located at the center of the inner side of the upper surface of the main body substrate and the XY plane is located on the upper surface of the main body substrate. When the neighborhood part of is defined as the inner neighborhood area and the neighborhood part of the outer contour line is defined as the outer neighborhood area,
A first X-axis detection piezoresistive element is disposed in the outer vicinity region on the positive X-axis, and a second X-axis detection piezoresistive element is disposed in the inner vicinity region on the positive X-axis. A third X-axis detection piezoresistive element is disposed in the inner vicinity region on the X-axis, and a fourth X-axis detection piezoresistive element is disposed in the outer vicinity region on the negative X-axis;
A first Y-axis detection piezoresistive element is disposed in the outer vicinity region on the positive Y-axis, and a second Y-axis detection piezoresistive element is disposed in the inner vicinity region on the positive Y-axis. A third Y-axis detecting piezoresistive element is disposed in the inner vicinity region on the Y-axis, and a fourth Y-axis detecting piezoresistive element is disposed in the outer vicinity region on the negative Y-axis,
A first Z-axis detection piezoresistive element is disposed at an arbitrary position in the outer vicinity area, and a second Z-axis detection piezoresistive element is disposed at an arbitrary position in the inner vicinity area. A third Z-axis detecting piezoresistive element is disposed at a position, and a fourth Z-axis detecting piezoresistive element is disposed at an arbitrary position in the outer vicinity region;
An acceleration detection circuit uses the first X-axis detection piezoresistive element and the third X-axis detection piezoresistive element as a first opposite side, the second X-axis detection piezoresistive element, and the fourth The acceleration acting in the X-axis direction is detected based on the bridge voltage of the bridge circuit having the X-axis detecting piezoresistive element as the second opposite side, and the first Y-axis detecting piezoresistive element and the third The bridge voltage of the bridge circuit having the Y-axis detecting piezoresistive element as the first opposite side and the second Y-axis detecting piezoresistive element and the fourth Y-axis detecting piezoresistive element as the second opposite side , The acceleration acting in the Y-axis direction is detected, the first Z-axis detecting piezoresistive element and the fourth Z-axis detecting piezoresistive element are set as the first opposite sides, and the second Z-axis is detected. Axis detection piezoresistive element and Both acceleration and angular velocity are detected by detecting acceleration acting in the Z-axis direction based on the bridge voltage of the bridge circuit having the third Z-axis detection piezoresistive element as the second opposite side. Sensor.
請求項1〜7のいずれかに記載のセンサにおいて、
本体基板上面の内側部の中心に原点Oが位置し、前記本体基板の上面にXY平面が位置するようなXYZ三次元座標系を定義し、環状中間部に所属する部分のうち、内側輪郭線の近傍部分を内側近傍領域、外側輪郭線の近傍部分を外側近傍領域と定義したときに、
前記内側近傍領域および前記外側近傍領域のいずれか一方を駆動用圧電素子配置領域とし、他方を検出用圧電素子配置領域とするように定め、
前記駆動用圧電素子配置領域の正のX軸上に第1の駆動用圧電素子が配置され、負のX軸上に第2の駆動用圧電素子が配置され、正のY軸上に第3の駆動用圧電素子が配置され、負のY軸上に第4の駆動用圧電素子が配置され、
前記検出用圧電素子配置領域の正のX軸上に第1の検出用圧電素子が配置され、負のX軸上に第2の検出用圧電素子が配置され、正のY軸上に第3の検出用圧電素子が配置され、負のY軸上に第4の検出用圧電素子が配置され、
角速度検出回路が、各駆動用圧電素子に、位相がπ/2ずつずれた交流信号を供給することにより、重錘体をXY平面に平行な平面内で円運動させながら、前記重錘体がXZ平面を通過する時点における第1の検出用圧電素子に生じる信号と第2の検出用圧電素子に生じる信号との差に基づいてZ軸まわりの角速度を検出し、前記重錘体がXZ平面を通過する時点における第3の検出用圧電素子に生じる信号と第4の検出用圧電素子に生じる信号との和に基づいてX軸まわりの角速度を検出し、前記重錘体がYZ平面を通過する時点における第3の検出用圧電素子に生じる信号と第4の検出用圧電素子に生じる信号との和に基づいてY軸まわりの角速度を検出することを特徴とする加速度と角速度との双方を検出するセンサ。
The sensor according to any one of claims 1 to 7,
An XYZ three-dimensional coordinate system is defined such that the origin O is located at the center of the inner side of the upper surface of the main body substrate and the XY plane is located on the upper surface of the main body substrate. When the neighborhood part of is defined as the inner neighborhood area and the neighborhood part of the outer contour line is defined as the outer neighborhood area,
One of the inner vicinity area and the outer vicinity area is set as a driving piezoelectric element arrangement area, and the other is set as a detection piezoelectric element arrangement area,
A first driving piezoelectric element is arranged on the positive X axis in the driving piezoelectric element arrangement region, a second driving piezoelectric element is arranged on the negative X axis, and a third on the positive Y axis. And a fourth driving piezoelectric element is arranged on the negative Y-axis,
A first detection piezoelectric element is arranged on the positive X axis in the detection piezoelectric element arrangement region, a second detection piezoelectric element is arranged on the negative X axis, and a third on the positive Y axis. Are arranged, and a fourth detection piezoelectric element is arranged on the negative Y-axis,
The angular velocity detection circuit supplies an alternating current signal whose phase is shifted by π / 2 to each driving piezoelectric element, thereby causing the weight body to move circularly within a plane parallel to the XY plane. An angular velocity around the Z axis is detected based on a difference between a signal generated in the first detection piezoelectric element and a signal generated in the second detection piezoelectric element at the time of passing through the XZ plane, and the weight body is detected in the XZ plane. The angular velocity around the X axis is detected based on the sum of the signal generated in the third detection piezoelectric element and the signal generated in the fourth detection piezoelectric element at the time of passing through, and the weight body passes through the YZ plane. The angular velocity around the Y axis is detected based on the sum of the signal generated in the third detection piezoelectric element and the signal generated in the fourth detection piezoelectric element at the time of The sensor to detect.
請求項1〜7のいずれかに記載のセンサにおいて、
本体基板上面の内側部の中心に原点Oが位置し、前記本体基板の上面にXY平面が位置するようなXYZ三次元座標系を定義し、環状中間部に所属する部分のうち、内側輪郭線の近傍部分を内側近傍領域、外側輪郭線の近傍部分を外側近傍領域と定義したときに、
前記内側近傍領域および前記外側近傍領域のいずれか一方を駆動用圧電素子配置領域とし、他方を検出用圧電素子配置領域とするように定め、
前記駆動用圧電素子配置領域の正のX軸上に第1の駆動用圧電素子が配置され、負のX軸上に第2の駆動用圧電素子が配置され、
前記検出用圧電素子配置領域の正のX軸上に第1の検出用圧電素子が配置され、負のX軸上に第2の検出用圧電素子が配置され、正のY軸上に第3の検出用圧電素子が配置され、負のY軸上に第4の検出用圧電素子が配置され、
角速度検出回路が、前記第1の駆動用圧電素子および前記第2の駆動用圧電素子に対して、互いに位相がπ/2だけずれた交流信号を供給することにより、重錘体をXZ平面内で円運動させながら、前記重錘体がZ軸方向へ運動している時点における第1の検出用圧電素子に生じる信号と第2の検出用圧電素子に生じる信号との差に基づいてY軸まわりの角速度を検出し、前記重錘体がZ軸方向へ運動している時点における第3の検出用圧電素子に生じる信号と第4の検出用圧電素子に生じる信号との差に基づいてX軸まわりの角速度を検出し、前記重錘体がX軸方向へ運動している時点における第3の検出用圧電素子に生じる信号と第4の検出用圧電素子に生じる信号との差に基づいてZ軸まわりの角速度を検出することを特徴とする加速度と角速度との双方を検出するセンサ。
The sensor according to any one of claims 1 to 7,
An XYZ three-dimensional coordinate system is defined such that the origin O is located at the center of the inner side of the upper surface of the main body substrate and the XY plane is located on the upper surface of the main body substrate. When the neighborhood part of is defined as the inner neighborhood area and the neighborhood part of the outer contour line is defined as the outer neighborhood area,
One of the inner vicinity area and the outer vicinity area is set as a driving piezoelectric element arrangement area, and the other is set as a detection piezoelectric element arrangement area,
A first driving piezoelectric element is disposed on the positive X axis of the driving piezoelectric element arrangement region, and a second driving piezoelectric element is disposed on the negative X axis;
A first detection piezoelectric element is arranged on the positive X axis in the detection piezoelectric element arrangement region, a second detection piezoelectric element is arranged on the negative X axis, and a third on the positive Y axis. Are arranged, and a fourth detection piezoelectric element is arranged on the negative Y-axis,
The angular velocity detection circuit supplies an AC signal whose phase is shifted by π / 2 to the first driving piezoelectric element and the second driving piezoelectric element, so that the weight body is placed in the XZ plane. Based on the difference between the signal generated in the first detection piezoelectric element and the signal generated in the second detection piezoelectric element when the weight body is moving in the Z-axis direction. X is determined based on a difference between a signal generated in the third detecting piezoelectric element and a signal generated in the fourth detecting piezoelectric element at a time when the surrounding angular velocity is detected and the weight body moves in the Z-axis direction. Based on a difference between a signal generated in the third detecting piezoelectric element and a signal generated in the fourth detecting piezoelectric element when the angular velocity around the axis is detected and the weight body moves in the X-axis direction. Acceleration characterized by detecting angular velocity around the Z axis A sensor for detecting both the angular velocity.
請求項1〜7のいずれかに記載のセンサにおいて、
本体基板上面の内側部の中心に原点Oが位置し、前記本体基板の上面にXY平面が位置するようなXYZ三次元座標系を定義し、環状中間部に所属する部分のうち、内側輪郭線の近傍部分を内側近傍領域、外側輪郭線の近傍部分を外側近傍領域と定義したときに、
前記内側近傍領域および前記外側近傍領域のいずれか一方を駆動用圧電素子配置領域とし、他方を検出用圧電素子配置領域とするように定め、
前記駆動用圧電素子配置領域にZ軸をとり囲むような環状の駆動用圧電素子が配置され、
前記検出用圧電素子配置領域の正のX軸上に第1の検出用圧電素子が配置され、負のX軸上に第2の検出用圧電素子が配置され、正のY軸上に第3の検出用圧電素子が配置され、負のY軸上に第4の検出用圧電素子が配置され、
角速度検出回路が、前記駆動用圧電素子に対して、単一の交流信号を供給することにより、重錘体をZ軸方向に振動させながら、第1の検出用圧電素子に生じる信号と第2の検出用圧電素子に生じる信号との差に基づいてY軸まわりの角速度を検出し、第3の検出用圧電素子に生じる信号と第4の検出用圧電素子に生じる信号との差に基づいてX軸まわりの角速度を検出することを特徴とする加速度と角速度との双方を検出するセンサ。
The sensor according to any one of claims 1 to 7,
An XYZ three-dimensional coordinate system is defined such that the origin O is located at the center of the inner side of the upper surface of the main body substrate and the XY plane is located on the upper surface of the main body substrate. When the neighborhood part of is defined as the inner neighborhood area and the neighborhood part of the outer contour line is defined as the outer neighborhood area,
One of the inner vicinity area and the outer vicinity area is set as a driving piezoelectric element arrangement area, and the other is set as a detection piezoelectric element arrangement area,
An annular driving piezoelectric element surrounding the Z axis is arranged in the driving piezoelectric element arrangement region,
A first detection piezoelectric element is arranged on the positive X axis in the detection piezoelectric element arrangement region, a second detection piezoelectric element is arranged on the negative X axis, and a third on the positive Y axis. Are arranged, and a fourth detection piezoelectric element is arranged on the negative Y-axis,
The angular velocity detection circuit supplies a single alternating current signal to the driving piezoelectric element, thereby causing a signal generated in the first detection piezoelectric element and the second while vibrating the weight body in the Z-axis direction. The angular velocity around the Y-axis is detected based on the difference between the signal generated in the detection piezoelectric element and the difference between the signal generated in the third detection piezoelectric element and the signal generated in the fourth detection piezoelectric element. A sensor for detecting both an acceleration and an angular velocity, characterized by detecting an angular velocity around an X axis.
請求項1〜7のいずれかに記載のセンサにおいて、
本体基板上面の内側部の中心に原点Oが位置し、前記本体基板の上面にXY平面が位置するようなXYZ三次元座標系を定義したときに、
正のX軸上に第1の駆動用圧電素子が配置され、負のX軸上に第2の駆動用圧電素子が配置され、正のY軸上に第1の検出用圧電素子が配置され、負のY軸上に第2の検出用圧電素子が配置され、
角速度検出回路が、前記第1の駆動用圧電素子および前記第2の駆動用圧電素子に対して、互いに逆位相の交流信号を供給することにより、重錘体をX軸方向に振動させながら、第1の検出用圧電素子に生じる信号と第2の検出用圧電素子に生じる信号との差に基づいてZ軸まわりの角速度を検出することを特徴とする加速度と角速度との双方を検出するセンサ。
The sensor according to any one of claims 1 to 7,
When defining an XYZ three-dimensional coordinate system in which the origin O is located at the center of the inner side of the upper surface of the main body substrate and the XY plane is located on the upper surface of the main body substrate
A first drive piezoelectric element is disposed on the positive X axis, a second drive piezoelectric element is disposed on the negative X axis, and a first detection piezoelectric element is disposed on the positive Y axis. , A second detection piezoelectric element is disposed on the negative Y-axis,
While the angular velocity detection circuit supplies alternating current signals having opposite phases to the first driving piezoelectric element and the second driving piezoelectric element, the weight body is vibrated in the X-axis direction, A sensor for detecting both acceleration and angular velocity, characterized by detecting an angular velocity around the Z axis based on a difference between a signal generated in the first detecting piezoelectric element and a signal generated in the second detecting piezoelectric element. .
請求項1〜11のいずれかに記載のセンサにおいて、
駆動用圧電素子および検出用圧電素子の下面には下方電極、上面には上方電極がそれぞれ形成されており、これら各圧電素子の下方電極の下面が環状中間部の上面に絶縁層を介して固着されており、
角速度検出回路は、駆動用圧電素子の上方電極と下方電極との間に交流電圧を印加して重錘体に周期的な運動を生じさせながら、検出用圧電素子の上方電極と下方電極との間に生じる交流電圧に基づいて作用した角速度の検出を行うことを特徴とする加速度と角速度との双方を検出するセンサ。
The sensor according to any one of claims 1 to 11,
A lower electrode is formed on the lower surface of the driving piezoelectric element and the detecting piezoelectric element, and an upper electrode is formed on the upper surface. The lower electrode of each piezoelectric element is fixed to the upper surface of the annular intermediate portion via an insulating layer. Has been
The angular velocity detection circuit applies an AC voltage between the upper electrode and the lower electrode of the driving piezoelectric element to cause a periodic motion in the weight body, while the upper electrode and the lower electrode of the detection piezoelectric element A sensor for detecting both an acceleration and an angular velocity, characterized in that an angular velocity acting on the basis of an alternating voltage generated therebetween is detected.
請求項12に記載のセンサにおいて、
複数の圧電素子の下方電極が物理的に単一の共通導電層によって構成されていることを特徴とする加速度と角速度との双方を検出するセンサ。
The sensor according to claim 12, wherein
A sensor for detecting both acceleration and angular velocity, wherein lower electrodes of a plurality of piezoelectric elements are physically constituted by a single common conductive layer.
請求項12または13に記載のセンサにおいて、
複数の圧電素子が物理的に単一の共通圧電素子層によって構成されていることを特徴とする加速度と角速度との双方を検出するセンサ。
The sensor according to claim 12 or 13,
A sensor for detecting both acceleration and angular velocity, wherein a plurality of piezoelectric elements are physically constituted by a single common piezoelectric element layer.
請求項12に記載のセンサにおいて、
本体基板の上面に共通絶縁層が形成され、この共通絶縁層の上面に下部共通導電層が形成され、この下部共通導電層の上面にそれぞれ個別圧電素子層が形成され、各個別圧電素子層の上面にそれぞれ上部個別導電層が形成され、
前記各上部個別導電層によって、各駆動用圧電素子および各検出用圧電素子の上方電極が構成され、前記各個別圧電素子層によって、各駆動用圧電素子および各検出用圧電素子が構成され、前記下部共通導電層の個々の部分によって、各駆動用圧電素子および各検出用圧電素子の下方電極が構成されており、
前記下部共通導電層の上面には、各上方電極に対する配線路に沿ってパターニングされた圧電素子パターニング層が形成されており、
各ピエゾ抵抗素子に対する配線層は、前記共通絶縁層内に埋め込まれており、
各上方電極に対する配線層は、前記圧電素子パターニング層の上面に形成されていることを特徴とする加速度と角速度との双方を検出するセンサ。
The sensor according to claim 12, wherein
A common insulating layer is formed on the upper surface of the main substrate, a lower common conductive layer is formed on the upper surface of the common insulating layer, and individual piezoelectric element layers are formed on the upper surface of the lower common conductive layer. Each upper individual conductive layer is formed on the upper surface,
Each upper individual conductive layer constitutes an upper electrode of each driving piezoelectric element and each detection piezoelectric element, and each individual piezoelectric element layer constitutes each driving piezoelectric element and each detection piezoelectric element, The lower electrode of each driving piezoelectric element and each detecting piezoelectric element is constituted by individual portions of the lower common conductive layer,
On the upper surface of the lower common conductive layer, there is formed a piezoelectric element patterning layer patterned along the wiring path for each upper electrode,
The wiring layer for each piezoresistive element is embedded in the common insulating layer,
A sensor for detecting both acceleration and angular velocity, wherein a wiring layer for each upper electrode is formed on an upper surface of the piezoelectric element patterning layer.
請求項12に記載のセンサにおいて、
本体基板の上面に共通絶縁層が形成され、この共通絶縁層の上面に下部共通導電層が形成され、この下部共通導電層の上面に共通圧電素子層が形成され、この共通圧電素子層の上面にそれぞれ上部個別導電層が形成され、
前記各上部個別導電層によって、各駆動用圧電素子および各検出用圧電素子の上方電極が構成され、前記共通圧電素子層の個々の部分によって、各駆動用圧電素子および各検出用圧電素子が構成され、前記下部共通導電層の個々の部分によって、各駆動用圧電素子および各検出用圧電素子の下方電極が構成されており、
各ピエゾ抵抗素子に対する配線層は、前記絶縁層内に埋め込まれており、
各上方電極に対する配線層は、前記共通圧電素子層の上面に形成されていることを特徴とする加速度と角速度との双方を検出するセンサ。
The sensor according to claim 12, wherein
A common insulating layer is formed on the upper surface of the main substrate, a lower common conductive layer is formed on the upper surface of the common insulating layer, a common piezoelectric element layer is formed on the upper surface of the lower common conductive layer, and an upper surface of the common piezoelectric element layer. In each case, an upper individual conductive layer is formed,
The upper individual conductive layers constitute upper electrodes of the drive piezoelectric elements and the detection piezoelectric elements, and the drive piezoelectric elements and the detection piezoelectric elements constitute the individual portions of the common piezoelectric element layer. The lower common conductive layer is composed of the lower electrode of each driving piezoelectric element and each detecting piezoelectric element,
A wiring layer for each piezoresistive element is embedded in the insulating layer,
A sensor for detecting both acceleration and angular velocity, wherein a wiring layer for each upper electrode is formed on an upper surface of the common piezoelectric element layer.
請求項1〜16のいずれかに記載のセンサにおいて、
一部の領域において、ピエゾ抵抗素子と圧電素子とが、少なくとも絶縁層を挟んで積層状態となるように形成されていることを特徴とする加速度と角速度との双方を検出するセンサ。
The sensor according to any one of claims 1 to 16,
A sensor for detecting both acceleration and angular velocity, wherein a piezoresistive element and a piezoelectric element are formed in a laminated state with at least an insulating layer interposed therebetween in a part of the region.
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