JP2004264053A - 加速度センサ及び傾斜検出方法 - Google Patents

加速度センサ及び傾斜検出方法 Download PDF

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Abstract

【課題】機器の傾斜角の検出精度を向上させること。
【解決手段】本発明の加速度センサは、所定物品の基本姿勢からの傾斜変位を検出する加速度センサにおいて、傾斜変位を検出する１軸又は交差する２軸の検出軸を含む検出面を有するセンサチップを備える。前記センサチップの前記検出面と直交する軸が、前記基本姿勢時の前記物品の基準面と平行になるように配置される。そして、前記センサチップは、前記基準面の傾斜変位に応じた出力信号を得る。
【選択図】 図６

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、所定物品の基本姿勢からの傾斜変位を検出する加速度センサに関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、可動構造部を備え、重力加速度を利用して機器の傾斜変位等の検出を行う加速度センサが開発されている。このような加速度センサは、一般に、半導体のピエゾ抵抗効果を利用している。例えば、シリコン基体に空洞部を形成し、その中に３次元方向に自由に動くことができる角型の可動構造部を収容している。可動構造部は架橋構造となるビームによりシリコン基体に連結されており、可動構造部の動きに対応した応力がピエゾ素子に加わるように構成されている。そして、ピエゾ素子に加わる応力の変化を抵抗の変化として検出する。なお、変位の検出素子としてピエゾ素子の他に可動構造部に設けられた容量素子を使用することもできる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
上記のような加速度センサにおいては、更なる検出精度の向上が要求されている。
【０００４】
従って、本発明の目的は、機器の傾斜角を高精度に検出可能な加速度センサを提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明の第１の態様に係る加速度センサは、所定物品の基本姿勢からの傾斜変位を検出する加速度センサにおいて、傾斜変位を検出する１軸又は交差する２軸の検出軸を含む検出面を有するセンサチップを備える。前記センサチップの前記検出面と直交する軸が、前記基本姿勢時の前記物品の基準面と平行になるように配置される。そして、前記センサチップは、前記基準面の傾斜変位に応じた出力信号を得る。
【０００６】
本発明の第２の態様に係る方法は、１軸又は交差する２軸の検出軸を含む検出面を有するセンサチップを用いて、所定物品の基本姿勢に対する傾斜変位を検出する方法において、前記検出面と直交する軸が前記物品の前記基本姿勢に対応する基準面と平行になると同時に、前記検出軸が前記基準面に対して所定角度傾くように前記センサチップを配置する。そして、前記検出軸方向の前記センサチップにおける変位に基づいて前記物品の傾斜変位を検出する。
【０００７】
上記各態様において、好ましくは、前記検出軸を、前記基準面に対して所定角度（４５°等）傾けて配置する。
【０００８】
本発明の第３の態様に係る実装基板は、加速度センサ用のセンサチップが実装された矩形の実装基板において、前記センサチップが、当該センサの検出軸が、前記基板の各辺に対して水平及び垂直から傾斜するように実装される。ここで、好ましくは、（１１０）面のシリコン基板で成形した半導体ピエゾ抵抗式のセンサチップを採用する。
【０００９】
【発明の実施の形態】
最初に、本発明の基礎となる原理について簡単に説明する。図１は、本発明の基礎となる加速度センサの概略構造を示す。シリコン基体１に空洞部を形成し、その中に３次元方向に自由に動くことができる角型の可動構造部２を収容している。可動構造部２は架橋構造となるビーム４によりシリコン基体１に連結されており、可動構造部２の動きに対応した応力がビーム４上に設けたピエゾ抵抗素子４に加わるように構成されている。そして、ピエゾ素子４に加わる応力の変化を抵抗の変化として検出する。
【００１０】
図１に示す加速度センサは、チップ表面（検出面）を機器の基本姿勢における基準面３と水平となるように設置される。別言すると、検出面と水平な軸Ｙが基準面３の回転軸として設置され、基準面３（３ａ）の傾斜によって生じる重力加速度の各軸ベクトル成分を出力する。図１は、１つのチップでＸ、Ｙ、Ｚ軸の加速度を検出できる３軸加速度センサであり、センサ構造上、Ｘ、Ｙ軸がチップ水平面（検出面）に、Ｚ軸がチップに垂直方向に取られる。ここで、機器の基準面３について、水平に対しＹ軸回転の傾斜角θが与えられたとすると、傾斜角θの相当する出力は、重力加速度のベクトル成分として、Ｘ軸出力としてＡｘ＝Ａ・ｓｉｎθ、Ｚ軸出力としてＡｚ＝Ａ・ｃｏｓθが現れる。
【００１１】
これらの出力は三角関数の出力であるため、傾斜精度（分解能）の観点から、傾斜角に対する出力変化が最大となるように、０゜近傍ではｓｉｎ関数であるＸ軸出力を、±９０゜近傍ではｃｏｓ関数となるＺ軸出力を用いることが望ましい。しかし、このように最大出力が得られる軸を選定した場合であっても、最大出力はセンサ感度で決まる値までしか得られず、高精度な傾斜角出力が必要とされる用途には不十分であった。また、用途によっては前記０゜や±９０゜近傍を検出したいとは限らず、例えば±４５゜近傍など任意の傾斜角を高精度に検出したいなどの用途が存在する。
【００１２】
以下、本発明の実施の形態について、機器の傾斜変位を検出する加速度センサを例にとって説明する。
【００１３】
図２は、本発明の第１実施例に係る加速度センサ１０の構造を示す平面図である。図３は、加速度センサ１０の内部構造を示す断面図である。本実施例に係る加速度センサ１０は、シリコン基体１２と、シリコン基体１２の中央付近において上下左右のあらゆる方向に移動可能に収容された可動構造部（可動マス）１４とを備えている。シリコン基体１２の中央には、箱形の空間が形成されており、その中に可動構造部１４が形成されている。可動構造部１４は、慣性力を向上させるために、４つの正方形を中央で連結した所謂クローバー型に成形されている。基本的に、可動構造部１４の上面は、シリコン基体１２の上面と同一面となるように設計されている。
【００１４】
センサ１０は、また、可動構造部１４とシリコン基体１２とを連結する４本のビーム（支持梁）１６と、それぞれのビーム１６の根元にピエゾ抵抗素子１８が設置され、１軸検出あたり４個のピエゾ抵抗素子１８によりホィートストーンブリッジを形成し、電圧信号として出力する。各ビーム１６は、可動構造部１４のクローバーの葉と葉の間に対応する位置に配置される。シリコン基体１２の上面には、電極パッド２０が形成されており、図示しない配線によってピエゾ抵抗素子１８と電気的に接続されている。図３に示すように、シリコン基体１２は、ダイボンド面２４上に固定されている。
【００１５】
本実施例に係る加速度センサ１０の製造に際しては、最初に、活性層（Ｓｉ）；埋め込み酸化膜層（ＳｉＯ２）；Ｓｉ基板からなるＳＯＩ基板を形成する。その後、ＳＯＩ基板の活性層上に半導体加工技術を用いてブリッジ回路を構成するように、ピエゾ抵抗素子１８、金属配線及び電極パッド２０を配列形成してセンサ回路を成形する。次に、Ｓｉ Ｄｅｅｐ ＲＩＥ （Ｒｅａｃｔｉｖｅ Ｉｏｎ Ｅｔｃｈｉｎｇ）によりビーム部１６を形成する。
【００１６】
その後、Ｓｉ基板側から同様に、Ｓｉ Ｄｅｅｐ ＲＩＥ によって可動構造部１４を形成し、埋め込み酸化膜をエッチングすることにより、可動構造部１４をリリースする。次に、ダイシングによってセンサチップに切断し、個々のセンサチップを成形する。
【００１７】
上記のように製造された加速度センサ１０は、例えば、図４に示すように矩形の実装基板１００上に実装される。実装基板１００は、図５に示すように、プロジェクタ、ヘッドマウントディスプレー、携帯ゲーム機器、ゲームのコントローラー等の機器２００に対して垂直方向に立てて使用される。実装基板１００上において、センサチップ１０は、直交する２本の検出軸が、基板１００の各辺に対して各々水平となるように実装される。
【００１８】
図６は、加速度センサ１０を機器に搭載する際の配置（向き）を概略的に示す。図において、ＳＰは当該センサ１０を搭載する機器の基本姿勢における基準面を示す。例えば、プロジェクタにおいては、好ましい使用状況（基本姿勢）では水平面が基準面ＳＰと一致することになる。センサ１０は、機器が基本姿勢にあるときには、検出面（１４）が垂直に立った状態となる。すなわち、検出面（１４）上の検出軸Ｘ，Ｙと直交する軸Ｚが、基本姿勢時の機器の基準面ＳＰと平行になるように配置される。
【００１９】
本発明において、「検出軸」とは、変位を検出する方向を意味し、必ずしも物理的な軸を意味するものではない。すなわち、本実施例のようにピエゾ抵抗素子を用いた場合には、当該素子が配置されるビームの方向が検出軸に一致することがある。しかし、可動構造部に容量素子を配置し、当該容量素子によって可動構造部の変位を計測する場合には、ビームの方向と検出軸とは一致しないことがある。
【００２０】
本実施例においては、検出軸Ｘの出力信号と、検出軸Ｙの出力信号の差又は和に基づいて、基準面ＳＰの傾斜変位を求め、必要に応じてこれを補正する。
【００２１】
この時のＸ軸、Ｙ軸、Ｙ軸−Ｘ軸、Ｙ軸＋Ｘ軸の傾斜角θに対する出力は図７に示すようになり、１゜当たりの出力変化は図８のようになる（重力加速度相当の出力をＡとする）。図８からわかるように、Ｙ軸−Ｘ軸の出力変化の絶対値は＋４５゜近傍で、Ｙ軸＋Ｘ軸の出力変化の絶対値は−４５゜近傍において、Ｘ軸、Ｙ軸のそれに比べて大きくなる。具体的には、Ｘ軸あるいはＹ軸の出力変化の絶対値が１２．２３×１０−３Ａ／°であるのに対し、Ｙ軸−Ｘ軸、Ｙ軸＋Ｘ軸の出力変化の絶対値は２４．６８×１０−３Ａ／°と約２倍となる。
【００２２】
このように、Ｘ軸、Ｙ軸の出力の和や差をとることで、例えば±４５゜近傍の傾斜角を高精度に検出することができる。特にＹ軸−Ｘ軸のように２軸出力の差分を取る方法は各々の軸出力が持つノイズ成分や温度特性成分をキャンセルすることが期待できるため、傾斜精度向上により望ましい効果が得られる。
【００２３】
図９は、本発明の第２の実施例に係る加速度センサ１１０を機器に搭載する際の配置（向き）を概略的に示す。本実施例のセンサ１１０は、基本的な構造は上述した第１実施例のセンサ１０と同じであるが、実装基板及び搭載する機器との相対的な位置関係が異なる。図において、ＳＰは当該センサ１１０を搭載する機器の基本姿勢における基準面を示し、符号１１２，１１４及び１１６は、第１実施例のシリコン基体１２，可動構造部１４，ビーム１６に各々対応する。センサ１１０は、機器が基本姿勢にあるときには、検出面（１１４）が垂直に立った状態となる。すなわち、検出面（１１４）上の検出軸Ｘ，Ｙと直交する軸Ｚが、基本姿勢時の機器の基準面ＳＰと平行になるように配置される。そして、検出軸出力信号と、検出軸Ｙ上の出力信号の差又は和に基づいて、基準面ＳＰの傾斜変位を求め、必要に応じてこれを補正する。
【００２４】
本実施例においては、互いに直交する検出軸Ｘ，Ｙが基準面ＳＰに対して各々４５゜の角度を成すように配置される。なお、検出軸Ｘ，Ｙの基準面ＳＰに対する角度は、４５°に限定されず、必要に応じて適宜変更可能である。
【００２５】
図１０は、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｙ軸−Ｘ軸、Ｙ軸＋Ｘ軸の傾斜角θに対する出力を示す。また、図１１は、重力加速度相当の出力をＡとした場合の１゜当たりの出力変化を示す。図１０からわかるように、±４５゜近傍におけるＸ軸、Ｙ軸の出力変化は、センサを４５゜傾けて設置することによって大きくなる。その結果、傾斜の検出精度を向上させることが可能となる。第１の実施例の場合には、Ｘ軸あるいはＹ軸の出力絶対値が１２．２３×１０−３Ａ／゜であるのに対し、本実施例においては、Ｘ軸あるいはＹ軸の出力絶対値は１７．６０×１０−３Ａ／゜となり、約１．４４倍となる。
【００２６】
更に、図１１からわかるように、０゜近傍における出力変化は、Ｙ軸−Ｘ軸が最も大きく、絶対値で２４．６８×１０−３Ａ／゜となり、Ｘ軸あるいはＹ軸の絶対値１２．４５×１０−３Ａ／゜の約２倍となる。また、±９０゜近傍における出力変化は、Ｙ軸＋Ｘ軸が最も大きく、絶対値で２４．６８×１０−３Ａ／゜となり、Ｘ軸あるいはＹ軸の絶対値１２．２３×１０−３Ａ／゜の約２倍となる。
【００２７】
以上のように、Ｘ軸、Ｙ軸の出力の和や差を取ることで、例えば０゜、±９０゜近傍の傾斜角を高精度に検出することができる。特に、Ｙ軸−Ｘ軸のように２軸出力の差分を取る方法は、各々の軸出力が持つノイズ成分や温度特性成分をキャンセルすることが期待でき、傾斜精度向上により望ましい効果が得られる。
【００２８】
本実施例に係る加速度センサ１１０は、図１２に示すように実装基板１００に実装される。そして、実装基板１００は、図１３に示すように、プロジェクタ、ヘッドマウントディスプレー、携帯ゲーム機器、ゲームのコントローラー等の機器２００に対して垂直方向に立てて使用される。実装基板１００上において、センサチップ１１０は、直交する２本の検出軸が、基板１００の各辺に対して水平及び垂直から４５°傾斜するように実装される。
【００２９】
図１４は、本発明の第３実施例に係る加速度センサ２１０の機器への搭載方向（向き）を示す概略図である。図において、ＳＰは当該センサ２１０を搭載する機器の基本姿勢における基準面を示し、符号２１２，２１４及び２１６は、第１実施例のシリコン基体１２，可動構造部１４，ビーム１６に各々対応する。センサ２１０は、機器が基本姿勢にあるときには、検出面（２１４）が垂直に立った状態となる。すなわち、検出面（２１４）上の検出軸Ｘ，Ｙと直交する軸Ｚが、基本姿勢時の機器の基準面ＳＰと平行になるように配置される。そして、検出軸Ｘの出力信号と、検出軸Ｙ上の出力信号の差又は和に基づいて、基準面ＳＰの傾斜変位を求め、必要に応じてこれを補正する。
【００３０】
機器の基準面ＳＰに対して４５゜の角度をなすように加速度センサを実装することは、プリント基板上での面積を広く占有したり、実装角度の精度の点で課題が生じる場合がある。そこで、図１４に示すように、（１１０）面のシリコン基板で作製した半導体式ピエゾ抵抗加速度センサを用いることでこの課題を解消することが可能となる。半導体式ピエゾ抵抗では、結晶面方位（１１０）面上の、＜００１＞軸あるいは＜１１０＞軸に対して４５゜の方向にピエゾ抵抗を形成すると、一般的な結晶面方位（１００）面上に＜１１０＞軸にピエゾ抵抗を形成する場合に比べてピエゾ抵抗係数が大きくなり、高感度な検出ができる。図１４に示すように、（１１０）面で形成したピエゾ抵抗は、チップの辺に対して、丁度４５゜の方向が検出軸となるため、チップ自体を傾けて実装する必要がない。
【００３１】
以上、本発明の実施例（実施形態、実施態様）について説明したが、本発明はこれらの実施例に何ら限定されるものではなく、特許請求の範囲に示された技術的思想の範疇において変更可能なものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、本発明が適用可能な加速度センサの原理を示す説明図（断面図）である。
【図２】図２は、本発明の第１実施例に係る加速度センサの構造を示す平面図である。
【図３】図３は、図２のＡ−Ａ‘方向の断面図であり、第１実施例に係る加速度センサの内部構造を示す。
【図４】図４は、第１実施例に係る加速度センサを実装した実装基板を示す概略斜視図である。
【図５】図５は、図４に示す実装基板を機器に搭載した様子を示す説明図（斜視図）である。
【図６】図６は、第１実施例に係る加速度センサの実際の使用状態（向き、配置）を示す説明図であり、搭載する機器の基準面との位置関係を示す。
【図７】図７は、機器（基準面）の傾斜角に対する第１実施例に係る加速度センサの出力を示すグラフである。
【図８】図８は、機器（基準面）の傾斜角に対する第１実施例に係る加速度センサの出力変化を示すグラフである。
【図９】図９は、本発明の第２実施例に係る加速度センサの実際の使用状態（向き、配置）を示す説明図であり、搭載する機器の基準面との位置関係を示す。
【図１０】図１０は、機器（基準面）の傾斜角に対する第２実施例に係る加速度センサの出力を示すグラフである。
【図１１】図１１は、機器（基準面）の傾斜角に対する第２実施例に係る加速度センサの出力変化を示すグラフである。
【図１２】図１２は、第２実施例に係る加速度センサを実装した実装基板を示す概略斜視図である。
【図１３】図１３は、図１２に示す実装基板を機器に搭載した様子を示す説明図（斜視図）である。
【図１４】図１４は、本発明の第３実施例に係る加速度センサの実際の使用状態（向き、配置）を示す説明図であり、搭載する機器の基準面との位置関係を示す。
【符号の説明】
１０、１１０，２１０ 加速度センサ
１２、１１２，２１２ シリコン基体
１４、１１４，２１４ 可動構造部（可動マス）
１６ ビーム（支持梁）
１８ ピエゾ抵抗素子
ＳＰ 基準面

Claims (20)

  1. 所定物品の基本姿勢からの傾斜変位を検出する加速度センサにおいて、
    傾斜変位を検出する１軸又は交差する２軸の検出軸を含む検出面を有するセンサチップを備え、
    前記センサチップの前記検出面と直交する軸が、前記基本姿勢時の前記物品の基準面と平行になるように配置され、
    前記センサチップは、前記基準面の傾斜変位に応じた出力信号を得ることを特徴とする加速度センサ。
  2. 前記センサチップは、少なくとも１次元方向に移動可能な可動構造部と；
    前記可動構造部を収容する基体と；
    前記可動構造部の変位に応じた信号を出力する検出部とを備えることを特徴とする請求項１に記載の加速度センサ。
  3. 前記検出軸は、前記基準面に対して所定角度傾いていることを特徴とする請求項２に記載の加速度センサ。
  4. 前記検出軸は、前記基準面に対して約４５°傾いていることを特徴とする請求項３に記載の加速度センサ。
  5. 前記センサチップは、（１１０）面のシリコン基板で成形した半導体ピエゾ抵抗式であることを特徴とする請求項４に記載の加速度センサ。
  6. 前記可動構造部は、少なくとも２次元方向に移動可能であることを特徴とする請求項２に記載の加速度センサ。
  7. 前記検出部は、前記基準面と平行に延びる第１の検出軸方向と、前記基準面に垂直に延びる第２の検出軸方向の変位を各々検出することを特徴とする請求項６に記載の加速度センサ。
  8. 前記検出部は、前記基準面から所定角度傾斜して延びる第１の検出軸方向と、前記基準面から所定角度傾斜して延びる第２の検出軸方向の変位を各々検出することを特徴とする請求項６に記載の加速度センサ。
  9. 前記第１の検出軸は、前記基準面から約４５°傾斜して延び、
    前記第２の検出軸は、前記基準面から約４５°傾斜し、前記第１の検出軸と直交することを特徴とする請求項８に記載の加速度センサ。
  10. 前記第１の検出軸方向の変位に対応する出力信号と、前記第２の検出軸方向の変位に対応する出力信号との差又は和に基づいて、前記基準面の傾斜変位を求めることを特徴とする請求項７，８又は９に記載の加速度センサ。
  11. 前記センサチップは、（１１０）面のシリコン基板で成形した半導体ピエゾ抵抗式であることを特徴とする請求項９又は１０に記載の加速度センサ。
  12. 所定機器の基本姿勢からの傾斜変位を検出する加速度センサにおいて、
    ２次元的な変位を検出する検出面を有するセンサチップを備え、
    前記センサチップの前記検出面と直交する軸が、前記基本姿勢時の前記機器の基準面と平行になるように配置され、
    前記センサチップは、前記検出面内において２次元方向に移動可能な可動構造部と；前記可動構造部を収容する基体と；前記可動構造部の変位に応じた信号を出力する検出部とを備え、
    前記センサチップの検出部は、前記基準面と平行な方向から約４５°傾斜して延びる第１の検出軸上と、前記基準面に垂直な方向から約４５°傾斜して延びる第２の検出軸上に配置され、
    前記第１の検出軸上の前記検出部と、前記第２の検出軸上の前記検出部との出力信号の差又は和に基づいて、前記基準面の傾斜変位を求めることを特徴とする加速度センサ。
  13. 前記センサチップは、（１１０）面のシリコン基板で成形した半導体ピエゾ抵抗式であることを特徴とする請求項１２に記載の加速度センサ。
  14. 請求項１２に記載の加速度センサを備えた前記機器。
  15. １軸又は交差する２軸の検出軸を含む検出面を有するセンサチップを用いて、所定物品の基本姿勢に対する傾斜変位を検出する方法において、
    前記検出面と直交する軸が前記物品の前記基本姿勢に対応する基準面と平行になると同時に、前記検出軸が前記基準面に対して所定角度傾くように前記センサチップを配置し、
    前記センサチップにおける前記検出軸方向の変位に基づいて前記物品の傾斜変位を検出することを特徴とする方法。
  16. 前記検出軸が前記基準面に対して約４５°傾くように前記センサチップを配置することを特徴とする請求項１５に記載の方法。
  17. 直交する第１及び第２の検出軸を含む検出面を有するセンサチップを用いて、所定機器の基本姿勢に対する傾斜変位を検出する方法において、
    前記検出面と直交する軸が前記機器の前記基本姿勢に対応する基準面と平行になると同時に、前記第１の検出軸が前記基準面から約４５°傾斜し、前記第２の検出軸が前記基準面から約４５°傾斜するように前記センサチップを配置し、
    前記第１の検出軸方向の変位に基づく出力信号と、前記第２の検出軸方向の変位に基づく出力信号との差又は和に基づいて、前記基準面の傾斜変位を求めることを特徴とする方法。
  18. 加速度センサ用のセンサチップが実装された矩形の実装基板において、
    前記センサチップは、当該センサの検出軸が、前記基板の各辺に対して水平及び垂直から傾斜するように実装されることを特徴とする実装基板。
  19. 前記センサチップの検出軸は、互いに直交する少なくとも２本であり、各検出軸が前記基板の各辺に対して約４５°の角度方向に延びることを特徴とする請求項１８に記載の実装基板。
  20. 前記センサチップは、（１１０）面のシリコン基板で成形した半導体ピエゾ抵抗式であることを特徴とする請求項１８又は１９に記載の実装基板。
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