JP2007101413A - 加速度検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ピエゾ抵抗検出型の加速度検出装置において、装置の大型化を招来することなく検出感度を向上させるとともに、各ホイートストーンブリッジにおける抵抗特性のミスマッチの影響を軽減する。
【解決手段】１組のホイートストーンブリッジＸＷＢａ，ＸＷＢｂを、面内のある一方向（Ｘ方向）への加速度が加えられたときに、両ホイートストーンブリッジの出力信号Ｖａｘ，Ｖｂｘが互いに逆極性になり、上記面に垂直な方向（Ｚ方向）への加速度が加えられたときに、両ホイートストーンブリッジの出力信号Ｖａｘ，Ｖｂｘが互いに同極性になるように配置する。また、両ホイートストーンブリッジの出力信号同士を加算する加算器３０２と、両ホイートストーンブリッジの出力信号同士を減算する減算器３０３とを備える。
【選択図】図７

Description

本発明は、ピエゾ抵抗効果によって加速度を検出する加速度検出装置に関するものである。

ＭＥＭＳ（Micro Electro-Mechanical System、微小電子機械システム）ベースのセンサは、半導体集積回路の加工への適合性、および、プロセススケーリングおよび大量生産によるコスト低減の可能性のため、その応用分野が急速に成長している。

ＭＥＭＳに基づく加速度センサは、静電検出技術（Electrostatic sensing）およびピエゾ抵抗変化検出技術（piezoresistance change sensing）に基づいて開発されている。一般に、ＭＥＭＳ加速度計は、復元ばね（restoring springs）として作用する弾性ビーム（elastic beams）に支持された移動錘（moving mass）（プルーフマス（proof mass））によって構成される。力または加速度が加えられることにより、上記プルーフマスは、加えられた力または加速度に比例して平衡位置から移動し、その移動が支持ビームの撓みを発生させる。

図１は、非特許文献１に開示されている、静電検出型のＭＥＭＳ加速度計を示すものである。このデバイスは、固定された櫛歯型部材（stationary comb fingers）に対するプルーフマスの位置変化を静電容量の変化として検知する。

図２は、特許文献１に開示されている、ピエゾ抵抗検出型の３軸加速度計を示すものである。このデバイスは、クローバー型に成形された５つの領域（１４＋１２）を持つ、吊り下げられたプルーフマスを備えており、長さＬｃの４つの弾性ビームがプルーフマスを支持している。

各ビームの端部には、ピエゾ抵抗が、歪みが引き起こす抵抗値の変化（ΔＲ／Ｒ）を、
ΔＲ／Ｒ＝πｐ×σｘ
として検出するホイートストン回路を形成するように配置されている。ここで、πｐはビーム材料のピエゾ抵抗に関する係数であり、σｘは加えられた加速度によって引き起こされる材料応力を示す。そして、σｘ〜ａｘは、加えられた加速度ａｘに比例した応力となる。さらに、Ｚ方向およびＸ方向に加えられた加速度を検出するために、２組のピエゾ抵抗によるホイートストン回路が同一のビーム上に形成される。

図３は、図２に示した構造において、ビームの長さＬｃを増加させた場合の影響を示している。この図に示すように、信号の感度は、ビームの長さが長くなるのに伴って向上する。しかしながら、ビームの長さを長くすると、センササイズの増大およびコストの増大を招来する。したがって、デバイスサイズを増大させることなく、センサの感度を向上させることが望まれている。

図４および図５は、ピエゾ抵抗によって加速度の検出を行う３軸加速度計の他の例を示している。この３軸加速度計は、特許文献２に開示されているものである。この構成では、Ｘ方向およびＹ方向に直交する２組のビームが使用されている。
M. Lemkin and B.E.Boser, "A three-axis micromachined accelerometer with a CMOS position-sense interface and digital offset-trim electronics," IEEE Journal of Solid-State Circuits, Vol.14, No.4, pp.456-468, April 1999. 特開２００２−２９６２９３号公報（公開日２００２年１０月９日） 特開２００５−４９３２０号公報（公開日２００５年２月２４日）

上記したように、特許文献１に開示されている従来のＭＥＳＭ加速度計では、支持ビームの長さによって感度が決定される。このため、感度を向上させるためには支持ビームを長くする必要があり、デバイスサイズの増大を招来する。

さらに、上記従来のＭＥＳＭ加速度計は、互いに同じ方向に延びる２つのビームから構成されており、これらのビームはそれぞれの終端でクランプされている（フレーム１１およびコアマス１２）。Ｚ方向およびＸ方向に加えられた加速度を検出するために、Ｘ方向の検出用およびＺ方向の検出用に、２組のピエゾ抵抗ホイートストーンブリッジが１つのビームに設けられる。しかしながら、この構成では、ビームの軸に沿ったアライメントが困難であり、抵抗特性のミスマッチやオフセット電圧が発生してしまう。

本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、ピエゾ抵抗検出型の加速度検出装置において、装置の大型化を招来することなく検出感度を向上させるとともに、各ホイートストーンブリッジにおける抵抗特性のミスマッチの影響を軽減することにある。

本発明の加速度検出装置は、上記の課題を解決するために、錘部材と、支持部材と、上記錘部材と上記支持部材とを連結する可撓性部材と、上記可撓性部材に設けられる、抵抗素子からなるホイートストーンブリッジとを備え、上記錘部材の移動に起因する上記可撓性部材の機械的変形を上記ホイートストーンブリッジの出力信号の変化を用いて検出することによって加速度の大きさを検出する加速度検出装置であって、上記錘部材に第１方向への加速度が加えられたときに互いの出力信号が逆極性になり、上記第１方向に直交する第２方向への加速度が加えられたときに互いの出力信号が同極性となるように上記可撓性部材に備えられた、公称抵抗特性が互いに等しい少なくとも１組の第１ホイートストーンブリッジ対と、上記第１ホイートストーンブリッジ対を構成する各ホイートストーンブリッジの出力信号同士を加算する加算手段と、上記第１ホイートストーンブリッジ対を構成する各ホイートストーンブリッジのうち一方の出力信号から他方の出力信号を減算する減算手段と、を備えてなることを特徴としている。例えば、上記第１ホイートストーンブリッジ対を構成する各ホイートストーンブリッジは、上記第１方向および第２方向に直交する第３方向を軸として、互いに線対称となるように配置されている構成としてもよい。

上記の構成によれば、第１方向への加速度が加えられた場合には、上記第１ホイートストーンブリッジ対を構成する各ホイートストーンブリッジの出力信号は互いに逆極性となるので、減算手段の出力は各ホイートストーンブリッジの出力信号の２倍になり、加算手段の出力は０になる。また、第２方向への加速度が加えられた場合には、上記第１ホイートストーンブリッジ対を構成する各ホイートストーンブリッジの出力信号は互いに同極性となるので、加算手段の出力は各ホイートストーンブリッジの出力信号の２倍になり、減算手段の出力は０になる。

これにより、上記第１方向および第２方向についての加速度の検出感度を、可撓性部材の長さを長くすることなく、従来の加速度検出装置よりも向上させることができる。また、第１ホイートストーンブリッジ対によって第１方向および第２方向への加速度を互いに分離して検出できるので、上記２方向の加速度を検出するためのホイートストーンブリッジをそれぞれ別個に備える構成よりも装置サイズを小型化でき、製造コストを低減できる。また、検出感度が高いので、各ホイートストーンブリッジの出力信号の信号処理（例えば、増幅処理，演算処理など）を行う信号処理回路の消費電力を低減できる。また、共通のホイートストーンブリッジ（第１ホイートストーンブリッジ対）を用いて第１方向および第２方向の加速度を検出できるので、両方向について互いに同じ検出特性を実現できる。すなわち、抵抗特性のミスマッチの影響を軽減することができる。

また、上記の構成に加えて、上記第１方向および第２方向に直交する第３方向への加速度を検出するためのホイートストーンブリッジをさらに備えている構成としてもよい。これにより、第１方向〜第３方向の３方向についての加速度を検出する３軸加速度検出装置を実現できる。

この場合、上記第３方向への加速度を検出するためのホイートストーンブリッジを１つのみ備える構成であってもよい。これにより、簡単な構成で３軸加速度検出装置を実現できる。

また、上記錘部材に上記第３方向への加速度が加えられたときに互いの出力信号が逆極性になり、上記第２方向への加速度が加えられたときに互いの出力信号が同極性となるように上記可撓性部材に備えられた、公称抵抗特性が互いに等しい少なくとも１組の第２ホイートストーンブリッジ対と、上記第２ホイートストーンブリッジ対を構成する各ホイートストーンブリッジの出力信号同士を加算する加算手段と、上記ホイートストーンブリッジＢを構成する各ホイートストーンブリッジのうち一方の出力信号から他方の出力信号を減算する減算手段と、を備えてなる構成としてもよい。例えば、上記第２ホイートストーンブリッジ対を構成する各ホイートストーンブリッジは、上記第１方向を軸として、互いに線対称となるように配置されている構成としてもよい。

上記の構成によれば、上記第１方向および第２方向に加えて、上記第３方向についても、装置サイズの大型化を伴うことなく検出感度を向上させることができる。

また、この場合、上記第１ホイートストーンブリッジ対を構成する各ホイートストーンブリッジの公称抵抗特性と、上記第２ホイートストーンブリッジ対を構成する各ホイートストーンブリッジの公称抵抗特性とが等しい構成としてもよい。

上記の構成によれば、第１〜第３の各方向についての加速度の検出感度を揃えることができる。

また、上記抵抗素子は、ピエゾ抵抗材料を上記可撓性部材に取り付けたものであってもよい。

あるいは、上記可撓性部材は半導体材料からなり、上記抵抗素子は、上記可撓性部材と同じ半導体材料に埋め込まれてなる構成であってもよい。上記の半導体材料としては、例えばシリコンを用いることができる。

以上のように、本発明の加速度測定装置は、上記錘部材に第１方向への加速度が加えられたときに互いの出力信号が逆極性になり、上記第１方向に直交する第２方向への加速度が加えられたときに互いの出力信号が同極性となるように上記可撓性部材に備えられた、公称抵抗特性が互いに等しい少なくとも１組の第１ホイートストーンブリッジ対と、上記第１ホイートストーンブリッジ対を構成する各ホイートストーンブリッジの出力信号同士を加算する加算手段と、上記第１ホイートストーンブリッジ対を構成する各ホイートストーンブリッジのうち一方の出力信号から他方の出力信号を減算する減算手段と、を備えている。

それゆえ、加速度検出装置の大型化を招来することなく検出感度を向上させるとともに、抵抗特性のミスマッチの影響を軽減することができる。

本発明の一実施形態について説明する。なお、本実施形態では、本発明を図４に示したセンサ構造に適用する場合について説明するが、これに限るものではなく、本発明は任意の種類のピエゾ抵抗を用いたセンサ構造に適用できる。

図４は、本実施形態にかかる加速度計（加速度検出装置）に備えられるセンサ部の構成を示す斜視図である。この図に示すように本加速度計に備えられるセンサ部は、同じ材料からなるプルーフマス（錘部材）１０２および可撓性のビーム（可撓性部材）１０３〜１０６，２０３〜２０６とともにＳＯＩ（Silicon-On-Insulator）基板上に形成される。また、プルーフマス１０２の側方を取り囲むように支持フレーム１０１が設けられており、支持フレーム１０１とプルーフマス１０２とは、ビーム１０３〜１０６，２０３〜２０６によって連結されている。

上記ＳＯＩ基板は、上面のＳｉ層と、バリア酸化物（ＢＯＸ）層と、底面のＳｉ基板とから構成されている（いずれも図示せず）。ＳＯＩ基板における各層の厚みは、典型的には、上面のＳｉ層が２μｍ〜１０μｍ、ＢＯＸ層が０．５μｍ〜１μｍ、底面のＳｉ基板が５００μｍ〜６００μｍである。ただし、各層の厚みはこれに限るものではない。図５は、プルーフマス１０２およびビーム１０３〜１０６，２０３〜２０６の構成を示す斜視図である。

図５に示すように、プルーフマス１０２は断面が一辺の長さａの正方形で、高さがＴの角柱状の形状(prismatic shape )を有している。プルーフマス１０２の高さＴは、３００μｍ〜６５０μｍに設定されており、典型的には、基板の厚みと同じに設定されている。

ビーム１０３〜１０６，２０３〜２０６は、プルーフマス１０２の厚さＴよりも十分に薄く、プルーフマス１０２から突出するように取り付けられている。具体的には、プルーフマス１０２の上面がなす正方形の各辺の中心から、この上面に平行かつ各辺に直交する方向に突出する突出部が設けられており、各ビームは、一端がこの突出部に接続され、各辺に平行な方向に延在するように配設されている。また、各ビームの他端は、支持フレーム１０１に接続されている。ビーム１０３〜１０６，２０３〜２０６の厚さｔは、典型的には、３μｍ〜１０μｍであり、幅ｗは、典型的には、２０μｍ〜１００μｍである。ただし、厚さｔおよび幅ｗの値はこれに限るものではない。ビーム１０３〜１０６，２０３〜２０６の長さＬは、要求される機能の特性（例えば、感度）に従って設計される。典型的な長さＬの範囲は、１００μｍ〜１０００μｍである。なお、各ビーム１０３〜１０６，２０３〜２０６は、互いに同形状である。

また、図５に示すように、プルーフマス１０２の上面と各ビームの上面とは同一平面であり、プルーフマス１０２の重心は、ビーム１０３〜１０６，２０３〜２０６を含む平面から下方にずらされている。

支持フレーム（支持部材）１０１は、プルーフマス１０２の側方を取り囲んでいる。また、支持フレーム１０１には、上記したように各ビームの一端が接続されている。すなわち、支持フレーム１０１は、ビーム（サポートビーム）１０３〜１０６，２０３〜２０６の支持部材（anchor）として機能する。

図６は、ビーム１０３〜１０６，２０３〜２０６に備えられる、ピエゾ抵抗からなるホイートストーンブリッジを示す回路図である。加速度を検知するために、ピエゾ抵抗は、各ビームのクランプされた端部に設けられる。なお、これらの各ピエゾ抵抗は全て等しい公称抵抗値（nominal values）を有している。これらのピエゾ抵抗は、加速度が引き起こす変位（displacement）と機械的なストレス（応力）とを電気信号に変換するために、ホイートストーンブリッジを形成するように接続されている。

具体的には、図６に示すように、Ｘ方向の加速度を検出するために、ビーム１０３の両端部にピエゾ抵抗Ｒ２ａｘ，Ｒ４ａｘがそれぞれ設けられ、ビーム１０４の両端部にピエゾ抵抗Ｒ１ａｘ，Ｒ３ａｘがそれぞれ設けられている。ピエゾ抵抗Ｒ２ａｘの一端とピエゾ抵抗Ｒ４ａｘの一端とが互いに接続され、ピエゾ抵抗Ｒ１ａｘの一端とピエゾ抵抗Ｒ３ａｘの一端とが互いに接続されている。また、ピエゾ抵抗Ｒ１ａｘの他端およびピエゾ抵抗Ｒ４ａｘの他端には定電圧Ｖｃｃが供給され、ピエゾ抵抗Ｒ２ａｘの他端およびピエゾ抵抗Ｒ３ａｘの他端はグランド（ＧＮＤ）に接続されている。これにより、ホイートストーンブリッジＸＷＢａが形成され、ピエゾ抵抗Ｒ１ａｘ・Ｒ３ａｘ間の電位Ｖｏ１ａｘと、ピエゾ抵抗Ｒ２ａｘ・Ｒ４ａｘ間の電位Ｖｏ２ａｘとの電位差がこのホイートストーンブリッジＸＷＢａの出力信号Ｖａｘとなる。

同様に、ビーム１０５の両端部にピエゾ抵抗Ｒ１ｂｘ，Ｒ３ｂｘがそれぞれ設けられ、ビーム１０６の両端部にピエゾ抵抗Ｒ２ｂｘ，Ｒ４ｂｘがそれぞれ設けられ、これらのピエゾ抵抗によって出力信号Ｖｂｘを出力するホイートストーンブリッジＸＷＢｂが形成されている。

また、Ｙ方向の加速度を検出するために、ビーム２０５の両端部にピエゾ抵抗Ｒ１ｂｙ，Ｒ３ｂｙがそれぞれ設けられ、ビーム２０６の両端部にピエゾ抵抗Ｒ２ｂｙ，Ｒ４ｂｙがそれぞれ設けられ、これらのピエゾ抵抗によって出力信号Ｖａｙを出力するホイートストーンブリッジＹＷＢａが形成されている。同様に、ビーム２０３の両端部にピエゾ抵抗Ｒ２ａｙ，Ｒ４ａｙがそれぞれ設けられ、ビーム２０４の両端部にピエゾ抵抗Ｒ１ａｙ，Ｒ３ａｙがそれぞれ設けられ、これらのピエゾ抵抗によって出力信号Ｖｂｙを出力するホイートストーンブリッジＹＷＢｂが形成されている。

これにより、ホイートストーンブリッジＸＷＢａとホイートストーンブリッジＸＷＢｂとは、公称抵抗特性が等しく、Ｙ方向を軸として互いに線対称に配置される。また、ホイートストーンブリッジＹＷＢａとホイートストーンブリッジＹＷＢｂとは、公称抵抗特性が等しく、Ｘ方向を軸として互いに線対称に配置される。

また、上記の各ピエゾ抵抗は、ビーム１０３〜１０６，２０３〜２０６の半導体材料の表面に形成される。ピエゾ抵抗の形成方法は特に限定されるものではなく、従来からよく知られている技術を用いてもよい。

また、従来からよく知られているように、半導体基板，ビーム，Ｐ型導電性のピエゾ抵抗としてＳｉを用いる場合、各ピエゾ抵抗は＜１１０＞方向に配向（oriented）し、ピエゾ抵抗を流れる電流もまた＜１１０＞方向に流れる。その結果、ピエゾ抵抗効果の最大化が引き起こされる。特に、上記ＳＯＩの上面のＳｉ層が、（１００）面に結晶配向（crystallographic orientation）を有し、１０^１５ａｔ／ｃｍ^３〜１０^１６ａｔ／ｃｍ^３の濃度でドープされたｎ型導電性である場合にはピエゾ抵抗効果の最大化が引き起こされやすい。

ピエゾ抵抗は、１×１０^１７〜１×１０^１８ａｔ／ｃｍ^３の不純物ドーピング濃度でホウ素イオンを埋め込んでＰ型拡散抵抗を形成することによって構成される。図６に示したように、ピエゾ抵抗は、ホイートストーンブリッジを形成するように配置される。

なお、ビームおよびピエゾ抵抗をＮ型導電性シリコン上に＜１００＞または＜００１＞方向に配向するように形成してもよい。その場合、特許文献２に開示されているデバイスよりも約５０％高い感度を面積の増大を招来することなく提供できる。

本実施形態では、検出抵抗（sensing resistors）の配置方法および加速度の検出（retrieving）方法を紹介する。この技術により、
(a)「与えられたセンササイズにおいて、感度を向上させることができる」
(b)「Ｘ方向またはＹ方向の加速度検出のための抵抗と同じ抵抗を用いてＺ方向の加速度を検出できる」といった有利な効果が得られる。すなわち、Ｚ方向の加速度信号を感知するための個別のホイートストーンブリッジは必要ない。

図６に示したデバイス構造では、Ｘ方向の加速度検出とＹ方向の加速度検出のために、２組のビームが設けられており、その結果、ピエゾ抵抗からなる複数のホイートストーンブリッジが各方向のために配置されている。

Ｘ方向の加速度を検出するためのビームには、２組のホイートストーンブリッジ（ＸＷＢａ（Ｒ１ａｘ，Ｒ２ａｘ，Ｒ３ａｘ，Ｒ４ａｘ）およびＸＷＢｂ（Ｒ１ｂｘ，Ｒ２ｂｘ，Ｒ３ｂｘ，Ｒ４ｂｘ））が設けられている。また、Ｙ方向の加速度を検出するためのビームには、２組のホイートストーンブリッジ（ＹＷＢａ（Ｒ１ａｙ，Ｒ２ａｙ，Ｒ３ａｙ，Ｒ４ａｙ）およびＹＷＢｂ（Ｒ１ｂｙ，Ｒ２ｂｙ，Ｒ３ｂｙ，Ｒ４ｂｙ））が設けられている。

図７は、Ｘ方向の加速度を検出するためのダブルホイートストーンブリッジ（２組のホイートストーンブリッジ）、および、Ｘ方向およびＺ方向の信号を検出するためにピエゾ抵抗の不均衡を増幅する信号調整増幅回路（signal conditioning amplifiers、信号調整回路（signal conditioning circuit））３００の構成を示す回路図である。

この図に示すように、信号調整回路３００は、増幅器３０１ａ，３０１ｂ、加算器３０２、減算器３０３を備えている。増幅器３０１ａは、ホイートストーンブリッジＸＷＢａの出力信号Ｖａｘを増幅して得られる出力信号Ｖｏａを加算器３０２および減算器３０３に出力する。増幅器３０１ｂは、ホイートストーンブリッジＸＷＢｂの出力信号Ｖｂｘを増幅して得られる出力信号Ｖｏｂを加算器３０２および減算器３０３に出力する。また、加算器３０２はＶ０ａとＶｏｂとを加算して出力信号Ｖｏｘを出力し、減算器３０３はＶｏａからＶｏｂを減算して出力信号Ｖｏｂを出力する。

なお、これらの加算処理および減算処理は、アナログ領域で行ってもよく、デジタル領域で行ってもよい。後者の場合、増幅器３０１ａおよび３０１ｂのアナログ出力信号をＡ／Ｄ変換器によってデジタル信号に変換してから加算器３０２および減算器３０３に入力するようにすればよい。また、信号調整回路３００の構成は図７に示した構成に限定されるものではなく、例えば図８に示すように、上記の加算処理および減算処理を、オペアンプを用いて行う構成としてもよい。

ダブルホイートストーンブリッジＸＷＢａおよびＸＷＢｂによる検出動作についてより詳細に説明する。

各ホイートストーンブリッジＸＷＢａ（Ｒ１ａｘ、Ｒ２ａｘ、Ｒ３ａｘおよびＲ４ａｘ）およびＸＷＢｂ（Ｒ１ｂｘ、Ｒ２ｂｘ、Ｒ３ｂｘおよびＲ４ｂｘ）から出力される信号は、それぞれ、ＶａｘおよびＶｂｘである。ここで、ホイートストーンブリッジＸＷＢａおよびＸＷＢｂは、上記したように、公称抵抗特性が互いに等しく、かつ、Ｙ方向を軸として互いに線対称に配置されている。このため、Ｘ方向の力または加速度が加えられたとき、ホイートストーンブリッジＸＷＢａおよびＸＷＢｂの出力は、互いに同じ大きさで逆極性になる（Ｖａｘ＝−Ｖｂｘ）。また、Ｚ方向の力または加速度（stimulus）が加えられたとき、両抵抗ブリッジ（両ホイートストーンブリッジ）は、同じように曲がり(bend)、その結果、Ｖａｘ＝Ｖｂｘとなる。

図７に示す信号調整回路の第１段（Ａ１）（増幅器３０１ａおよび３０１ｂ）は、両抵抗ブリッジからの出力信号Ｖａｘ，Ｖｂｘを増幅する。これにより、第１段（Ａ１）の出力信号はＶｏａ＝Ａ１・Ｖａｘ、Ｖｏｂ＝Ａ１・Ｖｂｘとなる。

その後、これらの出力信号は、第２段（Ａ２）（加算器３０２および減算器３０３）において加算処理および減算処理される。つまり、第２段（Ａ２）の出力信号は、Ｖｏｘ＝Ａ１・（Ｖａｘ−Ｖｂｘ）、Ｖｏｚ＝Ａ１・（Ｖａｘ＋Ｖｂｘ）となる。

これにより、Ｘ方向の力または加速度が与えられた場合、Ｖａｘ＝−Ｖｂｘとなるので、第２段（Ａ２）の出力信号はＶｏｘ＝２・Ａ１・Ｖａｘ、Ｖｏｚ＝０となる。一方、Ｚ方向の力または加速度が与えられた場合、Ｖａｘ＝Ｖｂｘとなるので、第２段（Ａ２）の出力信号はＶｏｘ＝０、Ｖｏｚ＝２・Ａ１・Ｖａｘとなる。

したがって、Ｘ方向およびＺ方向に加えられる力および加速度を、ピエゾ抵抗からなる１組のホイートストーンブリッジＸＷＢａおよびＸＷＢｂで検出できる。すなわち、１組のホイートストーンブリッジＸＷＢａおよびＸＷＢｂと、信号調整回路３００とを用いることにより、Ｘ方向の加速度とＺ方向の加速度とを分離して検出できる。

なお、図７には、Ｘ方向およびＺ方向の信号検出を行うための構成を示したが、Ｙ方向（Ｙ方向およびＺ方向）の検出のためにも同様の構成が使用される。

以上のように、本実施形態にかかる加速度計は、１組のホイートストーンブリッジＸＷＢａ，ＸＷＢｂが、面内のある一方向（Ｘ方向）への加速度（または力）が加えられたときに、両ホイートストーンブリッジの出力信号Ｖａｘ，Ｖｂｘが互いに逆極性（antiphase）になり、上記面に垂直な方向（Ｚ方向）への加速度が加えられたときには、両ホイートストーンブリッジの出力信号Ｖａｘ，Ｖｂｘが互いに同極性（in-phase）になるように配置されている。また、両ホイートストーンブリッジの出力信号同士を加算する加算器３０２と、両ホイートストーンブリッジの出力信号同士を減算する減算器３０３とを備えている。

これにより、Ｘ方向への加速度が加えられた場合には、減算器３０３の出力信号Ｖｏｘは、各ホイートストーンブリッジの出力信号Ｖａｘ，Ｖｂｘに応じた信号（本実施形態では出力信号Ｖａｘ，Ｖｂｘを増幅したＶｏａ，Ｖｏｂ）の２倍になり、加算器３０２の出力信号Ｖｏｚは０になる。また、Ｚ方向への加速度が加えられた場合には、加算器３０２の出力信号Ｖｏｚは、各ホイートストーンブリッジの出力信号Ｖａｘ，Ｖｂｘに応じた信号の２倍になり、減算器３０３の出力信号Ｖｏｘは０になる。

このため、本実施形態にかかる加速度計によれば、以下に示す（１）〜（４）の効果を得ることができる。
（１）各方向についての検出感度を、ビームの長さを長くすることなく（センサの大型化を招来することなく）、従来の加速度センサよりも向上させることができる。
（２）１組のホイートストーンブリッジによって直交する２方向の加速度を互いに分離して検出することができるので、上記２方向の加速度を検出するためのホイートストーンブリッジをそれぞれ別個に備える構成よりも、センサの大きさを小型化することができる。また、それによって製造コストを低減できる。
（３）検出感度が高いので、信号処理回路の消費電力を低減できる。
（４）共通のホイートストーンブリッジ（ＸＷＢａおよびＸＷＢｂ）を用いてＸ方向およびＺ方向の加速度を検出できるので、両方向について互いに同じ応力（ストレス）−電気（出力信号）特性で検出できる。

また、本実施形態にかかる加速度計は、Ｙ方向の加速度を検出するために、ホイートストーンブリッジＸＷＢａ，ＸＷＢｂと同じ構成からなる１組のホイートストーンブリッジＹＷＢａ，ＹＷＢｂと、信号調整回路３００とを備えている。

このため、Ｙ方向についても、センサの大型化を伴うことなく検出感度を向上させることができる。また、Ｘ，Ｙ，Ｚの各方向についての検出感度を揃えることができる。

なお、本実施形態では、Ｙ方向（Ｙ方向およびＺ方向）の加速度を検出するために、１組のホイートストーンブリッジＹＷＢａ，ＹＷＢｂを備えているが、これに限るものではない。例えば、これらのホイートストーンブリッジおよびＹ方向用の信号調整回路を省略し、Ｘ方向およびＺ方向の２方向の加速度を検出する構成としてもよい。

また、ホイートストーンブリッジＹＷＢａ，ＹＷＢｂのいずれか一方を省略し、１つのホイートストーンブリッジを用いてＹ方向の加速度を検出する構成としてもよい。これにより、加速度計の構成を簡略化することができる。なお、この構成では、Ｙ方向用の信号調整回路は、加算器３０２および減算器３０３を備えない構成としてもよい。

また、本実施形態では、直交する２方向（Ｘ方向およびＺ方向）の加速度を検出するために、１組の（２つの）ホイートストーンブリッジを用いる構成について説明したが、これに限るものではない。本発明の概念は、２組以上のホイートストーンブリッジを用いて直交する２方向の加速度を検出する構成に拡張することもでき、その場合には、より強度な検出信号を得ることができる。この場合、各組のホイートストーンブリッジの出力信号同士を加算する加算器と、各組のホイートストーンブリッジのうち一方の出力信号から他方の出力信号を減算する減算器とを設け、各加算器および各減算器の演算結果を用いてＸ方向およびＹ方向の加速度を検出すればよい。また、Ｙ方向（Ｙ方向およびＺ方向）についても同様に、２組以上のホイートストーンブリッジを用いて加速度を検出する構成としてもよい。

また、本実施形態にかかる検出方法は、非半導体センサに適用することもできる。例えば、引張ゲージセンサなどに適用することもできる。

また、本実施形態にかかる加速度計（３軸ＭＥＭＳ加速度計デバイス）を実装するために、例えば、ＭＥＭＳの製造のために標準的に用いられる、従来の半導体ＩＣプロセスとディープＲＩＥプロセスとを組み合わせて用いてもよい。

また、本実施形態では、支持フレーム１０１およびプルーフマス１０２の平面形状を正方形としている。正方形形状とすることにより、Ｘ方向およびＹ方向の検出感度の均等化が容易であるといった利点があるものの、支持フレーム１０１およびプルーフマス１０２の形状はこれに限るものではなく、例えば矩形形状、平行四辺形、ひし形などにしてもかまわない。

また、本実施形態では、各ビームの形状や数についても、本実施形態に記載した例に限るものではない。ただし、少なくとも１組のホイートストーンブリッジについては、ある一方向への加速度が加えられたときに両ホイートストーンブリッジの出力信号が互いに逆極性になり、上記一方向に垂直な方向への加速度が加えられたときに両ホイートストーンブリッジの出力信号が互いに同極性になるように配置する必要がある。このため、上記少なくとも１組のホイートストーンブリッジが備えられる各ビームについては、互いに同形状・同材料で、かつ、互いに平行に配置されることが好ましい。

本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能である。すなわち、請求項に示した範囲で適宜変更した技術的手段を組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。

本発明は、ピエゾ抵抗効果によって加速度を検出する加速度検出装置に適用できる。本発明の加速度検出装置を用いて、例えば、加速度検出、方位検出(direction detection)などを行える。

従来の静電検出型のＭＥＭＳ加速度計の斜視図である。 従来のピエゾ抵抗検出型の３軸加速度計の一例を示す斜視図である。 図２に示した３軸加速度計において、ビームの長さを増加させた場合の感度の変化を示すグラフである。 従来のピエゾ抵抗検出型の３軸加速度計の他の例を示す斜視図である。 図４に示した３軸加速度計に備えられるプルーフマス（１０２）およびビーム（１０３，１０４，１０５，１０６，２０３，２０４，２０５，２０６）の詳細を示す斜視図であり、図４に示した構成からフレーム（１０１）を省略した図である。 本発明の加速度検出装置に備えられるピエゾ抵抗ダブルホイートストーンブリッジを示す回路図である。 本発明の加速度検出装置に備えられる信号調整回路の構成を示す回路図である。 本発明の加速度検出装置に備えられる信号調整回路の構成を示す回路図であり、オペアンプを用いて加算処理および減算処理を行う場合の回路図である。

符号の説明

１０１ 支持フレーム（支持部材）
１０２ プルーフマス（錘部材）
１０３〜１０６，２０３〜２０６ ビーム（可撓性部材）
３００ 信号調整回路
３０１ａ，３０１ｂ 増幅器
３０２ 加算器（加算手段）
３０３ 減算器（減算手段）
Ｒ１ａｘ〜Ｒ４ａｘ，Ｒ１ｂｘ〜Ｒ４ｂｘ ピエゾ抵抗（抵抗素子）
Ｒ１ａｙ〜Ｒ４ａｙ，Ｒ１ｂｙ〜Ｒ４ｂｙ ピエゾ抵抗（抵抗素子）
Ａ１ 第１段
Ａ２ 第２段
ＸＷＢａ，ＸＷＢｂ ホイートストーンブリッジ（第１ホイートストーンブリッジ対）
ＹＷＢａ，ＹＷＢｂ ホイートストーンブリッジ（第２ホイートストーンブリッジ対）

Claims (10)

1. 錘部材と、支持部材と、上記錘部材と上記支持部材とを連結する可撓性部材と、上記可撓性部材に設けられる、抵抗素子からなるホイートストーンブリッジとを備え、上記錘部材の移動に起因する上記可撓性部材の機械的変形を上記ホイートストーンブリッジの出力信号の変化を用いて検出することによって加速度の大きさを検出する加速度検出装置であって、
   上記錘部材に第１方向への加速度が加えられたときに互いの出力信号が逆極性になり、上記第１方向に直交する第２方向への加速度が加えられたときに互いの出力信号が同極性となるように上記可撓性部材に備えられた、公称抵抗特性が互いに等しい少なくとも１組の第１ホイートストーンブリッジ対と、
   上記第１ホイートストーンブリッジ対を構成する各ホイートストーンブリッジの出力信号同士を加算する加算手段と、
   上記第１ホイートストーンブリッジ対を構成する各ホイートストーンブリッジのうち一方の出力信号から他方の出力信号を減算する減算手段と、を備えてなることを特徴とする加速度検出装置。
2. 上記第１ホイートストーンブリッジ対を構成する各ホイートストーンブリッジは、
   上記第１方向および第２方向に直交する第３方向を軸として、互いに線対称となるように配置されていることを特徴とする請求項１に記載の加速度検出装置。
3. 上記第１方向および第２方向に直交する第３方向への加速度を検出するためのホイートストーンブリッジをさらに備えていることを特徴とする請求項１に記載の加速度検出装置。
4. 上記第３方向への加速度を検出するためのホイートストーンブリッジを１つのみ備えていることを特徴とする請求項３に記載の加速度検出装置。
5. 上記錘部材に上記第３方向への加速度が加えられたときに互いの出力信号が逆極性になり、上記第２方向への加速度が加えられたときに互いの出力信号が同極性となるように上記可撓性部材に備えられた、公称抵抗特性が互いに等しい少なくとも１組の第２ホイートストーンブリッジ対と、
   上記第２ホイートストーンブリッジ対を構成する各ホイートストーンブリッジの出力信号同士を加算する加算手段と、
   上記第２ホイートストーンブリッジ対を構成する各ホイートストーンブリッジのうち一方の出力信号から他方の出力信号を減算する減算手段と、を備えてなることを特徴とする請求項３に記載の加速度検出装置。
6. 上記第２ホイートストーンブリッジ対は、
   上記第１方向を軸として、互いに線対称となるように配置されていることを特徴とする請求項５に記載の加速度検出装置。
7. 上記第１ホイートストーンブリッジ対を構成する各ホイートストーンブリッジの公称抵抗特性と、上記第２ホイートストーンブリッジ対を構成する各ホイートストーンブリッジの公称抵抗特性とが等しいことを特徴とする請求項５に記載の加速度検出装置。
8. 上記抵抗素子は、ピエゾ抵抗材料を上記可撓性部材に取り付けたものであることを特徴とする請求項１に記載の加速度検出装置。
9. 上記可撓性部材は半導体材料からなり、
   上記抵抗素子は、上記可撓性部材と同じ半導体材料に埋め込まれてなることを特徴とする請求項１に記載の加速度検出装置。
10. 上記半導体材料は、シリコンであることを特徴とする請求項９に記載の加速度検出装置。

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