特許 7152752 角加速度センサ

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2022-10-04

(45)【発行日】2022-10-13

(54)【発明の名称】角加速度センサ

(51)【国際特許分類】

   G01P 15/02 20130101AFI20221005BHJP

   G01P 15/12 20060101ALI20221005BHJP

【ＦＩ】

G01P15/02 B

G01P15/12 D

【請求項の数】 4

(21)【出願番号】P 2018173104

(22)【出願日】2018-09-14

(65)【公開番号】P2020046233

(43)【公開日】2020-03-26

【審査請求日】2021-09-02

【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）平成３０年度、国立研究開発法人新エネルギー・産業技術総合開発機構、委託研究「人工知能技術適用によるスマート社会の実現／空間の移動分野／空間移動時のＡＩ融合高精度物体認識システムの研究開発」に係る産業技術力強化法第１９条の適用を受ける特許出願

(73)【特許権者】

【識別番号】504137912

【氏名又は名称】国立大学法人 東京大学

(74)【代理人】

【識別番号】110002675

【氏名又は名称】弁理士法人ドライト国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】下山 勲

(72)【発明者】

【氏名】▲高▼畑 智之

(72)【発明者】

【氏名】菅 哲朗

(72)【発明者】

【氏名】高橋 英俊

【審査官】森 雅之

(56)【参考文献】

【文献】特許第６５４８０６７（ＪＰ，Ｂ２）

【文献】米国特許出願公開第２０１５／０２６０５１８（ＵＳ，Ａ１）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｇ０１Ｐ１５

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

所定の検出軸まわりの角加速度を検出する角加速度センサにおいて、
管状に形成され、前記検出軸を周回して両端が接続したチャネル部と、
前記チャネル部を横断して設けられたカンチレバー部と、
前記チャネル部の内部に充填され、前記カンチレバー部により移動が制限された充填材と
を備え、
前記チャネル部は、前記検出軸と直交する平面上で渦巻き状に巻回されており、
前記充填材の慣性力により変形する前記カンチレバー部の変形量に基づいて前記角加速度を検出する角加速度センサ。

【請求項2】

前記チャネル部は、前記検出軸の軸方向において異なる位置に設けられており、巻回方向が互いに逆方向である第１チャネルと第２チャネルとを有し、
前記第１チャネルと前記第２チャネルとは、内側端部同士が接続し、外側端部同士が接続している請求項１に記載の角加速度センサ。

【請求項3】

所定の検出軸まわりの角加速度を検出する角加速度センサにおいて、
管状に形成され、前記検出軸を周回して両端が接続したチャネル部と、
前記チャネル部を横断して設けられたカンチレバー部と、
前記チャネル部の内部に充填され、前記カンチレバー部により移動が制限された充填材と
を備え、
前記チャネル部は、前記検出軸の軸方向に沿って螺旋状に巻回された構造を有し、前記検出軸の軸方向において異なる位置に設けられており、前記検出軸と直交する平面に対して面対称である第３チャネルと第４チャネルとを有し、
前記カンチレバー部は、前記第３チャネルと前記第４チャネルとのそれぞれに設けられており、
前記充填材の慣性力により変形する前記カンチレバー部の変形量に基づいて前記角加速度を検出する角加速度センサ。

【請求項4】

所定の検出軸まわりの角加速度を検出する角加速度センサにおいて、
管状に形成され、前記検出軸を周回して両端が接続したチャネル部と、
前記チャネル部を横断して設けられたカンチレバー部と、
前記チャネル部の内部に充填され、前記カンチレバー部により移動が制限された充填材と
を備え、
前記チャネル部は、前記検出軸を周回する巻回軸を中心として螺旋状に巻回された第５チャネルを有し、
前記充填材の慣性力により変形する前記カンチレバー部の変形量に基づいて前記角加速度を検出する角加速度センサ。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、角加速度センサに関するものである。

【背景技術】

【0002】

角加速度を検出する角加速度センサは、近年のＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）技術の進展によって小型化が進み、例えば、ロボットの運動制御、自動車のナビゲーションシステム、ゲーム機のモーションセンシング機能などの用途に急速に広がりつつある。

【0003】

近年では、非特許文献１，２に示すように、円環中の流体を利用した角加速度センサが提案されている。角加速度センサは、流体の経路を横切るようにピエゾ抵抗型カンチレバーが設けられている。流体が経路を流れることにより、カンチレバーが流体により押されて変形する。カンチレバーは、変形量に応じて電気抵抗値が変化する。このような構造の角加速度センサは、加速度の影響や他軸感度が小さく、また高周波領域での検出が可能であるため注目されている。

【先行技術文献】

【非特許文献】

【0004】

【文献】C.Andreou, Y.Pahitas, and J.Georgiou, “Bio-Inspired Micro-Fluidic Angular-Rate Sensor for Vestibular Prostheses”, Sensors, vol.14, 13173-13185, 2014.

【文献】S.Cheng, M.Fu, M.Wang, L.Ming, H.Fu, and T.Wang, “Dynamic Fluid in a Porous Transducer-Based Angular Accelerometer”, Sensors, vol.17, 416, 2017.

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

しかしながら、非特許文献１，２の角加速度センサは、小型化すると大きさの２乗に比例して感度が低下する。さらに、感度の低下に伴って他軸感度が相対的に増大する。

【0006】

本発明は、上記課題を鑑みてなされたものであり、小型化と高感度化とを実現できる角加速度センサを提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0007】

本発明の角加速度センサは、所定の検出軸まわりの角加速度を検出する角加速度センサにおいて、管状に形成され、前記検出軸を周回して両端が接続したチャネル部と、前記チャネル部を横断して設けられたカンチレバー部と、前記チャネル部の内部に充填され、前記カンチレバー部により移動が制限された充填材とを備え、前記充填材の慣性力により変形する前記カンチレバー部の変形量に基づいて前記角加速度を検出する。

【発明の効果】

【0008】

本発明の角加速度センサによれば、小型化と高感度化とを実現できる。

【図面の簡単な説明】

【0009】

【図1】第１実施形態の角加速度センサの概略図である。

【図2】第１実施形態の角加速度センサの分解斜視図である。

【図3】検知部の平面図である。

【図4】図３のＡ－Ａ線に沿った検知部の断面図である。

【図5】第１実施形態の角加速度センサの角加速度に対する応答結果を示すグラフである。

【図6】第１実施形態の角加速度センサの周波数応答と多軸感度を示すグラフである。

【図7】第２実施形態の角加速度センサの概略図である。

【図8】第２実施形態の角加速度センサの分解斜視図である。

【図9】第２実施形態の角加速度センサの側面図である。

【図10】ホイートストンブリッジ回路を説明する説明図である。

【図11】第２実施形態の角加速度センサの作用を説明する説明図である。図１１（ａ）は角加速度センサをｚ軸からみた図である。図１１（ｂ）は角加速度センサをｘ軸からみた図である。図１１（ｃ）は角加速度センサをｙ軸からみた図である。

【図12】第２実施形態の角加速度センサの角加速度に対する応答結果を示すグラフである。

【図13】第２実施形態の角加速度センサの周波数応答と多軸感度を示すグラフである。

【図14】チャネル部の変形例を説明する説明図である。

【図15】チャネル部の別の変形例を説明する説明図である。

【発明を実施するための形態】

【0010】

［第１実施形態］
図１は、角加速度センサ１０の概略図である。角加速度センサ１０は、所定の検出軸まわりの角加速度を検出するために用いられる。以下の説明では、角加速度センサ１０により角加速度を検出する検出軸を、互いに直交するｘ軸、ｙ軸、およびｚ軸のうち、ｚ軸とする。

【0011】

図１に示すように、角加速度センサ１０は、パッケージ１１と、センサ部１２と、回路基板１３とを備える。パッケージ１１とセンサ部１２と回路基板１３とは、例えばねじを用いて一体化されている。

【0012】

パッケージ１１は、蓋板１１ａと支持板１１ｂにより形成される。蓋板１１ａと支持板１１ｂは平板である。蓋板１１ａと支持板１１ｂの平面形状は、この例では、角を面取りした略矩形状とされている。蓋板１１ａと支持板１１ｂは、例えば、金属や樹脂などにより形成される。

【0013】

センサ部１２は、後述するカンチレバー部１５（図２参照）によって、検出軸まわりの角加速度を検出する。センサ部１２は、蓋板１１ａと支持板１１ｂの間に配置されている。なお、以下の説明では、蓋板１１ａ側を上側とし、支持板１１ｂ側を下側とする。センサ部１２は、管状に形成され、検出軸を周回して両端が接続したチャネル部１４を有する。詳しくは後述するが、本実施形態の場合、チャネル部１４は、検出軸と直交する平面上で渦巻き状に巻回されている。

【0014】

回路基板１３は、センサ部１２の下側に配置されており、図示しないケーブルを介して、センサ部１２と電気的に接続する。回路基板１３は、センサ部１２によって検出される角加速度に応じた検出信号を出力する検出回路を有する。検出回路として、例えば増幅回路やブリッジ回路などが設けられる。

【0015】

図２を用いて角加速度センサ１０の構成を詳細に説明する。角加速度センサ１０は、チャネル部１４と、カンチレバー部１５を有する検知部１６と、充填材１７とを備える。

【0016】

チャネル部１４は、第１チャネル２１と第２チャネル２２とを有する。第１チャネル２１と第２チャネル２２とは、検出軸の軸方向において異なる位置に設けられている。この例では、第１チャネル２１が上側に設けられ、第２チャネル２２が下側に設けられている。

【0017】

第１チャネル２１は、検出軸と直交する平面上で渦巻き状に巻回されている。第２チャネル２２も、検出軸と直交する平面上で渦巻き状に巻回されている。第１チャネル２１と第２チャネル２２とは、巻回方向が互いに逆方向である。この例では、第１チャネル２１の巻回方向は、内側端部から外側端部に向けて反時計回りである。したがって、第２チャネル２２の巻回方向は、内側端部から外側端部に向けて時計回りである。第１チャネル２１と第２チャネル２２の巻き数は、チャネル部１４の巻き数に対応する。

【0018】

第１チャネル２１は、例えば、Ｓｉ基板の表面に、フォトリソグラフィとＤＲＩＥ（Deep Reactive Ion Etching）により渦巻き状の溝を形成し、溝を覆うように上からガラス基板を貼り付けることにより形成される。第２チャネル２２の形成方法については、渦巻き状の溝を第１チャネル２１とは反対回りに形成すること以外は第１チャネル２１と同様にして形成されるので、説明を省略する。

【0019】

第１チャネル２１は、上部ハウジング２３に設けられている。上部ハウジング２３は、第１チャネル２１の内側端部に対応する位置に設けられた内側貫通孔２３ａと、第１チャネル２１の外側端部に対応する位置に設けられた外側貫通孔２３ｂとを有する。

【0020】

第２チャネル２２は、下部ハウジング２４に設けられている。下部ハウジング２４は、第２チャネル２２の内側端部に対応する位置に設けられた内側貫通孔２４ａと、第２チャネル２２の外側端部に対応する位置に設けられた外側貫通孔２４ｂとを有する。

【0021】

第１チャネル２１と第２チャネル２２とは、内側貫通孔２３ａと内側貫通孔２４ａを介して内側端部同士が接続し、外側貫通孔２３ｂと外側貫通孔２４ｂを介して外側端部同士が接続している。これにより、第１チャネル２１の内部と第２チャネル２２の内部とが連通する。

【0022】

検知部１６は、上部ハウジング２３と下部ハウジング２４の間に配置されている。検知部１６のカンチレバー部１５は、外側貫通孔２３ｂと外側貫通孔２４ｂの間に配置される。これにより、カンチレバー部１５は、チャネル部１４を横断して設けられている。

【0023】

図３および図４を用いて検知部１６を説明する。図３は、検知部１６の平面図である。図４は、図３のＡ－Ａ線に沿った断面図である。検知部１６は、開口２６が形成された基板２７に、開口２６を閉塞するように設けられている（図４）。検知部１６は、Ｓｉ層３１と、絶縁層３２と、上部Ｓｉ層３３と、ピエゾ抵抗層３４と、電極層３５とにより形成される。上部Ｓｉ層３３とピエゾ抵抗層３４とによりカンチレバー部１５が形成される。なお、図３では基板２７の図示を省略している。

【0024】

検知部１６は、厚さ方向に貫通する隙間３７を有する。検知部１６の厚さ方向は、Ｓｉ層３１、絶縁層３２、上部Ｓｉ層３３、ピエゾ抵抗層３４、および電極層３５の積層方向に沿った方向である。隙間３７は、カンチレバー部１５の一側と他側とを接続する。

【0025】

隙間３７は、後述する充填材１７の流通が抑制される大きさ（幅）に形成される。隙間３７の幅は、充填材１７の分子の平均自由行程の約１００倍以下であることが好ましい。隙間３７の幅が充填材１７の分子の平均自由行程の１００倍より大きいと、隙間３７において充填材１７の漏れが生じ感度が低下するからである。

【0026】

隙間３７は、カンチレバー部１５の外縁に形成されている（図３）。上部Ｓｉ層３３とピエゾ抵抗層３４とが隙間３７で画定されることにより、カンチレバー部１５が形成される。

【0027】

カンチレバー部１５は、平板状の受圧部３８と、受圧部３８の一側面に一体に形成されたヒンジ部３９とを有し、ヒンジ部３９が固定端とされ、受圧部３８が自由端とされている。カンチレバー部１５は、一側に生じる圧力と他側に生じる圧力との圧力差によって、ヒンジ部３９を中心に弾性変形する。

【0028】

充填材１７は、第１チャネル２１の内部と第２チャネル２２の内部、すなわちチャネル部１４の内部に充填されている（図２参照）。充填材１７は、チャネル部１４を横断するカンチレバー部１５により移動が制限されている。充填材１７としては、流体またはゲルが用いられる。流体は、液体または気体である。液体としては、例えば、水、シリコンオイル、イオン液体などが用いられる。気体としては、例えば、二酸化炭素、キセノンなどが用いられる。ゲルとしては、例えば、コラーゲン、アガロースゲルなどが用いられる。

【0029】

上記のように構成された角加速度センサ１０は、図１に示す矢印方向に回転すると、チャネル部１４の内部に充填された充填材１７がカンチレバー部１５によって押される。これによって、充填材１７は、チャネル部１４と一体的に回転する。カンチレバー部１５には、充填材１７をチャネル部１４と一体的に回転させるために必要な力、すなわち充填材１７の慣性力が作用する。このとき、カンチレバー部１５に生じる圧力ΔＰは、以下の数式（１）によって表される。

【0030】

【数1】

【0031】

ρは、充填材１７の密度である。α_ｚは、検出軸としてのｚ軸まわりの角加速度である。ｒは、チャネル部１４の所定位置における半径である。ｒは、以下の数式（２）によって表される。
ｒ＝ｒ_０（１－θ／θ_０） ・・・（２）

【0032】

ｒ_０は、チャネル部１４の外側端部における半径である。θは、チャネル部１４の所定位置における角度である。θ_０は、チャネル部１４の巻き数を決定する角度である。θは、０＜θ＜θ_０－πの範囲内である。θは、検出軸と直交する平面上において、チャネル部１４の内側端部と外側端部とを結ぶ直線と、チャネル部１４の内側端部と所定位置における点とを結ぶ直線とのなす角として表される。θ_０は、例えば、チャネル部１４の巻き数が１の場合は２πとされ、チャネル部１４の巻き数が２５の場合は５０πとされる。

【0033】

カンチレバー部１５は、作用する圧力ΔＰによってヒンジ部３９を中心として弾性変形する。そうすると、カンチレバー部１５は、変形量に応じて電気抵抗値が変化する。角加速度センサ１０は、カンチレバー部１５の抵抗変化率を測定することにより圧力ΔＰを計測し、これにより角加速度αを測定することができる。

【0034】

角加速度センサ１０は、チャネル部１４の巻き数に比例して充填材１７の慣性力が増大するので、小型化と高感度化とを実現できる。

【0035】

実際に、長さ８０μｍ、幅８０μｍ、厚さ０．１５μｍのカンチレバー部１５を有する角加速度センサ１０を製造し、検出軸まわりの角加速度に対する応答を計測した。隙間３７の幅は、１μｍとした。チャネル部１４は、管路の幅が４００μｍ、管路の高さが５００μｍであり、第１チャネル２１と第２チャネル２２のそれぞれの巻き数が２４である。充填材１７として、空気（ρ＝１．０ｋｇ／ｍ^３）を用いた。

【0036】

角加速度センサ１０を図示しない回転テーブルの上に固定し、振幅π／２［ｒａｄ／ｓ］、１［Ｈｚ］で正弦波駆動したときの角加速度に対する応答結果を図５に示す。図５は、縦軸が抵抗変化率ΔＲ／Ｒ、横軸が角加速度αである。図５より、角加速度センサ１０は、角加速度に対して線形に応答していることが確認できる。

【0037】

角加速度センサ１０の回転運動の周波数応答を計測した結果を図６に示す。図６は、縦軸が角加速度感度、横軸が周波数である。図６において、点線はｚ軸まわりの角加速度α_ｚの感度を示し、一点鎖線はｘ軸まわりの角加速度α_ｘの感度を示し、実線はｙ軸まわりの角加速度α_ｙの感度を示す。図６より、角加速度センサ１０は、ｚ軸まわりの角加速度に対し、１Ｈｚから１００Ｈｚにかけて一定の感度で応答していることが確認できる。さらに、角加速度センサ１０を、回転テーブルに対し９０°傾けて配置し、ｘ軸まわりの角加速度感度と、ｙ軸まわりの角加速度感度との評価を行った。図６より、ｘ軸まわりの角加速度感度とｙ軸まわりの角加速度感度とは、ｚ軸まわりの角加速度感度に対して、１／１００程度となることが確認できた。

【0038】

［第２実施形態］
図７に示す角加速度センサ４０は、チャネル部４２の構成が上記第１実施形態と異なる。チャネル部４２は第３チャネル４３と第４チャネル４４とを有する。本図では、第３チャネル４３が上側に設けられており、第４チャネル４４が下側に設けられている。以下の説明では、上記第１実施形態と同様の構成については説明を省略する。

【0039】

図８に示すように、第３チャネル４３は、上部ハウジング４６と下部ハウジング４７とにより形成されている。上部ハウジング４６と下部ハウジング４７は、例えばアルミニウムにより形成される。上部ハウジング４６は、半円形状の溝４９と、溝４９の一端に設けられた貫通穴５０と、溝４９の他端に設けられた貫通穴５１と、溝４９を塞ぐ蓋部材５２とを有する。溝４９は、上部ハウジング４６の上面に形成されている。下部ハウジング４７は、半円形状の溝５３と、溝５３の一端に設けられた貫通穴５４と、溝５３の他端に設けられた貫通穴５５と、溝５３を塞ぐ蓋部材５６とを有する。蓋部材５６は、例えばガラスにより形成される。溝５３は、下部ハウジング４７の下面に形成されている。貫通穴５０と貫通穴５４とが接続し、貫通穴５１と貫通穴５５とが接続する。第３チャネル４３は、上部の溝４９と下部の溝５３とが接続することにより、検出軸の軸方向に沿って螺旋状に巻回された構造を有する。本図では、第３チャネル４３の巻き数を１としてある。貫通穴５０と貫通穴５４との間にはカンチレバー部５８を有する検知部５９が配置されている。カンチレバー部５８は、カンチレバー部１５と同様の構成を有する。検知部５９は、検知部１６と同様の構成を有する。

【0040】

第４チャネル４４は、上部ハウジング６０と下部ハウジング６１とにより形成されている。上部ハウジング６０と下部ハウジング６１は、例えばアルミニウムにより形成される。上部ハウジング６０は、半円形状の溝６２と、溝６２の一端に設けられた貫通穴６３と、溝６２の他端に設けられた貫通穴６４と、溝６２を塞ぐ蓋部材６５とを有する。溝６２は、上部ハウジング６０の上面に形成されている。下部ハウジング６１は、半円形状の溝６６と、溝６６の一端に設けられた貫通穴６７と、溝６６の他端に設けられた貫通穴６８と、溝６６を塞ぐ蓋部材６９とを有する。蓋部材６９は、例えばガラスにより形成される。溝６６は、下部ハウジング６１の下面に形成されている。貫通穴６３と貫通穴６７とが接続し、貫通穴６４と貫通穴６８とが接続する。これにより、第４チャネル４４は、上部の溝６２と下部の溝６６とが接続することにより、検出軸の軸方向に沿って螺旋状に巻回された構造を有する。本図では、第４チャネル４４の巻き数を１としてある。貫通穴６３と貫通穴６７との間にはカンチレバー部７０を有する検知部７１が配置されている。カンチレバー部７０は、カンチレバー部１５と同様の構成を有する。検知部７１は、検知部１６と同様の構成を有する。

【0041】

図９に示すように、第３チャネル４３の溝４９は、第４チャネル４４の溝６６の上側に配置されている。第３チャネル４３の溝５３は、第４チャネル４４の溝６２の上側に配置されている。すなわち、チャネル部４２は、検出軸の軸方向において異なる位置に設けられており、検出軸と直交する平面Ｐに対して面対称である第３チャネル４３と第４チャネル４４とを有する。チャネル部４２の巻き数は、第３チャネル４３と第４チャネル４４の巻き数に対応する。図９は、角加速度センサ４０の一部の側面図であり、ｘ軸方向において、角加速度センサ４０をカンチレバー部５８，７０が設けられた面側（図８参照）からみた図である。

【0042】

第２実施形態では、回路基板１３は、図１０に示すホイートストンブリッジ回路７２を有する。ホイートストンブリッジ回路７２により、第３チャネル４３に設けられたカンチレバー部５８の電気抵抗値と、第４チャネル４４に設けられたカンチレバー部７０の電気抵抗値との差分値が、検出信号として出力される。

【0043】

図１１を用いて、角加速度センサ４０の作用を説明する。図１１（ａ）は、ｚ軸方向において、角加速度センサ４０を上側からみた図である。図１１（ｂ）は、ｘ軸方向において、角加速度センサ４０をカンチレバー部５８，７０が設けられた面側（図８参照）からみた図である。図１１（ｃ）は、ｙ軸方向において、角加速度センサ４０を溝５３，６２が設けられた面側からみた図である。図１１において、α_ｚはｚ軸まわりの角加速度を示し、α_ｘはｘ軸まわりの角加速度を示し、α_ｙはｙ軸まわりの角加速度を示す。なお、図１１では、第３チャネル４３の部分のみを示し、第４チャネル４４の部分は図示を省略している。

【0044】

角加速度センサ４０は、図１１（ａ）に示す矢印方向、すなわちｚ軸まわりに回転すると、チャネル部４２の内部に充填された充填材１７の慣性力によって、カンチレバー部５８，７０のそれぞれに圧力ΔＰが生じる。カンチレバー部５８，７０に生じる圧力ΔＰは、以下の数式（３）によって表される。ｒは、図１１（ａ）に示すリング構造、すなわちチャネル部４２の半径である。
ΔＰ＝２π・ρ・ｒ^２・α_ｚ ・・・（３）

【0045】

カンチレバー部５８は上側へ向けて弾性変形し、カンチレバー部７０は下側へ向けて弾性変形するので、ホイートストンブリッジ回路７２により出力される検出信号は倍増する。すなわち、角加速度センサ４０は、ｚ軸まわりの角加速度感度が倍増する。

【0046】

角加速度センサ４０は、図１１（ｂ）に示す矢印方向、すなわちｘ軸まわりに回転する場合、カンチレバー部５８，７０は弾性変形しないので、検出信号は出力されない。これは、ｘ軸まわりに回転した際に、充填材１７に慣性力を発生させるリング構造が存在しないからである。したがって、角加速度センサ４０は、ｘ軸まわりの角加速度感度をほぼ有しない。

【0047】

一方、角加速度センサ４０は、図１１（ｃ）に示す矢印方向、すなわちｙ軸まわりに回転する場合、充填材１７に慣性力を発生させるリング構造が存在するので、カンチレバー部５８，７０は弾性変形する。カンチレバー部５８，７０に生じる圧力ΔＰは、数式（３）に基づき計算することができる。この場合のｒは、図１１（ｃ）に示すリング構造の半径とされる。このため、充填材１７に発生する慣性力は、ｚ軸まわりに回転する場合と比較して小さい。さらに、カンチレバー部５８，７０は同じ方向に弾性変形する。この結果、ホイートストンブリッジ回路７２によりカンチレバー部５８，７０の各出力がキャンセルされる。したがって、角加速度センサ４０は、ｙ軸まわりの角加速度感度をほぼ有しない。

【0048】

角加速度センサ４０は、チャネル部４２の巻き数に比例して充填材１７の慣性力が増大するので、角加速度センサ１０と同様に、小型化と高感度化とを実現できる。さらに、角加速度センサ４０は、検出軸の出力が倍増し、他の軸の出力がキャンセルされるので、より高感度化が図れる。

【0049】

実際に、チャネル部４２の半径が１７．５ｍｍである角加速度センサ４０を製造し、検出軸まわりの角加速度に対する応答を計測した。チャネル部４２は、管路の幅が２ｍｍ、管路の高さが２ｍｍである。充填材１７として純水（ρ＝１０００ｋｇ／ｍ^３）を用いた。カンチレバー部５８，７０は、長さ１００μｍ、幅８０μｍ、厚さ０．３μｍである。カンチレバー部５８，７０の隙間３７は、１μｍとした。

【0050】

角加速度センサ４０を図示しない回転テーブルの上に固定し、振幅π／２［ｒａｄ／ｓ］、１［Ｈｚ］で正弦波駆動したときの角加速度に対する応答結果を図１２に示す。図１２は、縦軸が抵抗変化率ΔＲ／Ｒ、横軸が角加速度αである。図１２より、角加速度センサ４０は、角加速度に対して線形に応答していることが確認できる。

【0051】

角加速度センサ４０の回転運動の周波数応答を計測した結果を図１３に示す。図１３は、縦軸が角加速度感度、横軸が周波数である。図１３において、点線はｚ軸まわりの角加速度α_ｚの感度を示し、実線はｙ軸まわりの角加速度α_ｙの感度を示す。なお、ｘ軸まわりの角加速度感度は図示していない。図１３より、角加速度センサ４０は、ｚ軸まわりの角加速度に対し、０．１Ｈｚから１００Ｈｚにかけて一定の感度で応答していることが確認できる。さらに、角加速度センサ４０を、回転テーブルに対し９０°傾けて配置し、ｙ軸まわりの角加速度感度の評価を行った。図１３より、ｙ軸まわりの角加速度感度は、ｚ軸まわりの角加速度感度に対して、１／１００程度となることが確認できた。

【0052】

本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨の範囲内で適宜変更することが可能である。

【0053】

例えば、チャネル部１４の構成とチャネル部４２の構成を組み合わせてもよい。例えば、第１実施形態の角加速度センサ１０において、チャネル部１４の他、検出軸の軸方向において異なる位置に設けられており、検出軸と直交する平面に対して面対称であるチャネル部とを設けてもよい。

【0054】

第１実施形態の角加速度センサ１０において、第１チャネル２１と第２チャネル２２のセットを２以上設けてもよい。

【0055】

以下、チャネル部の変形例を説明する。チャネル部は、環状に形成された環状体と、この環状体の外周面に螺旋状に設けられた第５チャネルとにより構成してもよい。環状体は、例えば、中心曲線が半径Ｒの円（大円）であり、周方向に直交する断面形状が半径ｒの円（小円）であるトーラス形状とされる。第５チャネルは、環状体に沿って螺旋状に巻回しながら検出軸を周回している。すなわち、第５チャネルは、検出軸を周回する巻回軸を中心として螺旋状に巻回されている。第５チャネルは、両端が接続して閉曲線をなしている。

【0056】

第５チャネルの形状は、第５チャネル上の所定位置における点の位置ベクトルｃを表す以下の数式（４）によって表される。

【0057】

【数4】

【0058】

Ｒは、環状体の大円の半径である。ｒは、環状体の小円の半径である。ｍは、第５チャネルが螺旋状に巻回する巻回数である。ｎは、第５チャネルが検出軸を周回する周回数であり、チャネル部の巻き数に対応する。ｍとｎとは互いに素である。パラメータθは、０≦θ≦２πの範囲内である。

【0059】

チャネル部は、環状体に第５チャネルが設けられた構成を有するものに限られず、数式（４）により表される第５チャネルを有するものであればよい。すなわち、チャネル部は、環状体を有さずに、数式（４）により表される第５チャネルのみを有するものでもよい。環状体を有さない場合は、第５チャネルの内部にトーラス状の空間が形成される。数式（４）において、トーラス状の空間の大円の半径がＲとされ、トーラス状の空間の小円の半径がｒとされる。

【0060】

以下、図１４と図１５を用いて、環状体に第５チャネルが設けられた構成を有するチャネル部の具体例を説明する。

【0061】

図１４は、数式（４）においてｒ＝０．１Ｒ、ｎ＝３、ｍ＝２９としたときの第５チャネル７４を有するチャネル部７５の概略図である。図１４では環状体の図示を省略している。図１４では、第５チャネル７４が検出軸を１周するごとに濃淡を変えて示している。図１５は、数式（４）においてｒ＝０．１Ｒ、ｎ＝５、ｍ＝３としたときの第５チャネル７６を有するチャネル部７７の概略図である。図１５では環状体の図示を省略している。図１５では、第５チャネル７６が検出軸を１周するごとに濃淡を変えて示している。チャネル部７５とチャネル部７７は、ｎとｍが異なること以外は同じ構成を有する。以下、チャネル部７５について説明し、チャネル部７７の説明は省略する。

【0062】

チャネル部７５の形成方法の一例を説明する。チャネル部７５は、例えば、図示しない環状体と、管状に形成された第５チャネル７４とを準備し、環状体に沿って第５チャネル７４を巻き付けることにより形成される。環状体は、例えば、金属や樹脂などにより形成される。第５チャネル７４は、例えば、シリコーンチューブとすることにより管状に形成される。または、紫外線の照射により硬化する厚膜の感光性フィルムをチャネル部７５の断面形状となるようにフォトリソグラフィにより形成し、これを多層に繰り返すことでチャネル部７５を形成する。

【0063】

チャネル部７５を横断してカンチレバー部１５が設けられ、チャネル部７５の内部に充填材１７が充填されることにより、角加速度センサが形成される。以下、チャネル部７５を有する角加速度センサの作用について説明する。

【0064】

チャネル部７５を有する角加速度センサが図１４に示すｚ軸まわりに１回転したとき、カンチレバー部１５に生じる圧力ΔＰは、以下の数式（５）によって表される。

【0065】

【数5】

【0066】

数式（５）において、αは、角加速度ベクトルを示す。角加速度ベクトルαは、以下の数式（６）によって表される。

【0067】

【数6】

【0068】

ｔは、第５チャネル７４の接線ベクトルを示す。接線ベクトルｔは、以下の数式（７）によって表される。

【0069】

【数7】

【0070】

数式（５）において、α×ｃは、第５チャネル７４上の所定位置における点が受ける角加速度を表す。－ρ（α×ｃ）は、第５チャネル７４の内部の充填材１７が受ける体積あたりの慣性力を表す。

【0071】

チャネル部７５を有する角加速度センサは、数式（５）より、ｘ軸まわりの回転とｙ軸まわりの回転に対しては感度を有しておらず、ｚ軸まわりの回転にのみ感度を有する。チャネル部７５を有する角加速度センサの感度は、充填材１７の密度ρ、第５チャネル７４の形状を決める定数であるｎ，Ｒ，ｒにより表される。したがって、チャネル部７５を有する角加速度センサは、小型化と高感度化とを実現できる。

【0072】

チャネル部７７を有する角加速度センサについても、チャネル部７５を有する角加速度センサと同様に、ｚ軸まわりの回転にのみ感度を有する。チャネル部７７を有する角加速度センサの感度は、充填材１７の密度ρ、第５チャネル７６の形状を決める定数であるｎ，Ｒ，ｒにより表される。したがって、チャネル部７７を有する角加速度センサは、小型化と高感度化とを実現できる。

【0073】

チャネル部１４，４２，７５，７７の巻き数を適宜変更してもよい。チャネル部１４，４２，７５，７７の平面視における形状は、適宜変更することができ、例えば矩形状などとしてもよい。

【符号の説明】

【0074】

１０，４０ 角加速度センサ
１２ センサ部
１３ 回路基板
１４，４２，７５，７７ チャネル部
１５，５８，７０ カンチレバー部
１６，５９，７１ 検知部
１７ 充填材
２１ 第１チャネル
２２ 第２チャネル
３７ 隙間
４３ 第３チャネル
４４ 第４チャネル
７４，７６ 第５チャネル

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】