JP2007256236A - Acceleration sensor - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、主として自動車等のカーナビゲーションシステムや車両制御システム、あるいはカメラ等の手ブレ検知システム等に用いられる加速度センサに関するものである。 The present invention relates to an acceleration sensor mainly used in a car navigation system such as an automobile, a vehicle control system, or a camera shake detection system such as a camera.
片持ち梁の先端におもり部を設け、かつこの片持ち梁の上面にピエゾ抵抗素子を形成し、このピエゾ抵抗素子の抵抗値変化を検知することにより加速度を検出するようにした加速度センサは公知であり、そして片持ち梁部およびおもり部を2個設けた構成のものを公知である(特許文献1参照)。 An acceleration sensor is known in which a weight is provided at the tip of a cantilever and a piezoresistive element is formed on the upper surface of the cantilever, and the acceleration is detected by detecting a change in the resistance value of the piezoresistive element. And the thing of the structure which provided the two cantilever part and the weight part is well-known (refer patent document 1).
また、2軸方向の加速度を検出する加速度センサにおいて、片持ち梁部の断面形状を、ピエゾ抵抗素子を形成した面を底面とした三角形にしたり、ピエゾ抵抗素子を形成した面を上面としたアルファベットの「T」形状にしたりしたものも公知である(特許文献2参照)。
加速度センサの性能向上を左右する要素としては、感度と、出力変化の大きさがあるが、感度を向上させるためには、おもり部を保持する片持ち梁部の剛性を低下させればよく、この場合には、加速度を検知する方向の片持ち梁部の幅を狭くすることが有力な方法である。 Factors that influence the performance improvement of the acceleration sensor include sensitivity and the magnitude of output change, but in order to improve the sensitivity, the rigidity of the cantilever part holding the weight part may be reduced, In this case, it is an effective method to reduce the width of the cantilever portion in the direction in which acceleration is detected.
一方、出力変化を大きくするためには、片持ち梁部の撓みが同じであってもピエゾ抵抗素子の歪みが大きくなるようにすればよく、そのためには片持ち梁部の剛性を低下させる方法もあるが、それ以外には片持ち梁部の中で最も歪みの大きい場所にピエゾ抵抗素子を形成することも有力な方法である。片持ち梁部の中で、最も歪みの大きい場所は、片持ち梁部の長さ方向では、片持ち梁部の根元部である。また、片持ち梁部の幅方向では、片持ち梁の中立面から最も離れた部分である。それは、加速度検知方向に位置する片持ち梁部の側面が該当する。しかしながら、この側面にピエゾ抵抗素子を形成することは、特に、薄膜形成法で行う際には困難であるため、ピエゾ抵抗素子は片持ち梁部の上面または下面の端に形成するのが現実的である。この場合、出力変化を大きくするために、片持ち梁部の幅を広くすると、その分ピエゾ抵抗素子の歪みが大きくなるが、反面片持ち梁部の幅を広くすると剛性が向上してしまい、感度を低下させてしまうものである。 On the other hand, in order to increase the output change, it is only necessary to increase the distortion of the piezoresistive element even if the bending of the cantilever is the same. For this purpose, a method of reducing the rigidity of the cantilever However, other than that, it is also effective to form a piezoresistive element in a place where the strain is the largest in the cantilever portion. Among the cantilever portions, the place with the largest strain is the root portion of the cantilever portion in the length direction of the cantilever portion. Further, in the width direction of the cantilever portion, it is the portion farthest from the neutral surface of the cantilever. This corresponds to the side surface of the cantilever portion located in the acceleration detection direction. However, since it is difficult to form a piezoresistive element on this side, particularly when performing a thin film formation method, it is practical to form the piezoresistive element at the upper or lower end of the cantilever portion. It is. In this case, if the width of the cantilever portion is increased in order to increase the output change, the distortion of the piezoresistive element is increased accordingly, but if the width of the cantilever portion is increased, the rigidity is improved. Sensitivity is lowered.
特許文献2には、目的は異なるが、片持ち梁部の断面形状を三角形にしたり、ピエゾ抵抗素子を形成した面を上面としたアルファベットの「T」形状にする構成が開示されている。この構成においては、片持ち梁部の剛性の低下と、ピエゾ抵抗素子の歪みの増大が可能になると思われる。
しかしながら、このような断面形状の場合には、片持ち梁の上面部の剛性は高く、かつ下面部の剛性は低いため、加速度が加わったときに上面側の撓みは小さく、かつ下面側の撓みは大きくなってしまうもので、このように片持ち梁部は加速度の印加方向の撓みだけでなく、加速度の印加方向と直角な方向の撓みやねじれ等の変化も生じてしまい、検出精度の低下を招くことに繋がる。また、おもり部が加速度の印加方向と直角方向に変形することになるため、おもり部と周りの部品等との干渉も懸念されるものである。 However, in the case of such a cross-sectional shape, since the rigidity of the upper surface portion of the cantilever is high and the rigidity of the lower surface portion is low, the deflection on the upper surface side is small when acceleration is applied, and the deflection on the lower surface side is small. In this way, the cantilever part not only bends in the direction in which the acceleration is applied, but also changes in the direction perpendicular to the direction in which the acceleration is applied, such as bending and twisting, resulting in a decrease in detection accuracy. It leads to inviting. In addition, since the weight portion is deformed in a direction perpendicular to the direction in which the acceleration is applied, there is a concern about interference between the weight portion and surrounding components.
本発明は上記従来の課題を解決するもので、検出精度の劣化を低減または防止し、かつ周りの部品等との干渉の発生も低減または防止することができる加速度センサを提供することを目的とするものである。 SUMMARY OF THE INVENTION The present invention solves the above-described conventional problems, and an object thereof is to provide an acceleration sensor that can reduce or prevent deterioration of detection accuracy and can also reduce or prevent the occurrence of interference with surrounding components. To do.
上記目的を達成するために、本発明は以下の構成を有するものである。 In order to achieve the above object, the present invention has the following configuration.
本発明の請求項1に記載の発明は、固定部と、この固定部に接続された片持ち梁部と、この片持ち梁部の先端に形成されたおもり部と、前記片持ち梁部の上面に形成されたピエゾ抵抗素子とを備え、前記片持ち梁部が左右に撓むことにより加速度を検出する加速度センサにおいて、前記片持ち梁部の断面の高さ方向にx軸を設定し、前記片持ち梁部の断面の上端をx=0、前記片持ち梁部の断面の下端をx=hとし、かつ前記片持ち梁部の断面の幅をW(x)としたとき、前記片持ち梁部の断面形状を、0<x<hにおいて、W(x)≦W(0)またはW(x)≦W(h)が成立し、W(a)<W(0)かつW(a)<W(h)が成立する0<a<hなるaが存在するような形状にしたもので、この構成によれば、前記片持ち梁部の断面形状を、0<x<hにおいて、W(x)≦W(0)またはW(x)≦W(h)が成立し、W(a)<W(0)かつW(a)<W(h)が成立する0<a<hなるaが存在するような形状にしているため、片持ち梁部の上面の幅を広く取ることができ、これにより、ピエゾ抵抗素子の歪みが大きくなって出力変化を大きくすることができ、また片持ち梁部の上面と下面の間に、上面の幅および下面の幅より狭い部分を有しているため、その部分の剛性は低下することになり、これにより、感度を向上させることができ、さらに、下面の幅は片持ち梁部の断面幅の最狭部より広いため、下面部の剛性を向上させることができ、これにより、検出精度の低下の低減を図ることができるという作用効果を有するものである。 According to the first aspect of the present invention, there is provided a fixed portion, a cantilever portion connected to the fixed portion, a weight portion formed at a tip of the cantilever portion, and the cantilever portion. An acceleration sensor that includes a piezoresistive element formed on an upper surface, and detects acceleration by bending the cantilever portion to the left and right, and sets an x-axis in a height direction of a cross section of the cantilever portion; When the upper end of the cross section of the cantilever portion is x = 0, the lower end of the cross section of the cantilever portion is x = h, and the width of the cross section of the cantilever portion is W (x), the piece When the cross-sectional shape of the cantilever portion is 0 <x <h, W (x) ≦ W (0) or W (x) ≦ W (h) is established, and W (a) <W (0) and W ( a) <W (h) is satisfied and 0 <a <h is present, and according to this configuration, the cross-sectional shape of the cantilever portion , 0 <x <h, W (x) ≦ W (0) or W (x) ≦ W (h) holds, and W (a) <W (0) and W (a) <W (h) Since the shape of a <0 <a <h exists, the width of the upper surface of the cantilever portion can be increased, thereby increasing the distortion of the piezoresistive element and changing the output. Since there is a portion between the upper surface and the lower surface of the cantilever portion that is narrower than the width of the upper surface and the width of the lower surface, the rigidity of that portion will be reduced. , The sensitivity can be improved, and the lower surface width is wider than the narrowest part of the cross-sectional width of the cantilever part, so that the rigidity of the lower surface part can be improved, thereby reducing the decrease in detection accuracy. It has the effect that it can aim at.
本発明の請求項2に記載の発明は、特に、片持ち梁部の断面形状を上下対称に構成したもので、この構成によれば、片持ち梁部の剛性が上下対称となるため、検知方向に加速度が印加された際に、片持ち梁部に印加方向と垂直方向の撓みやねじりが発生するということは理論上なくなり、これにより、検出精度の低下を防止することができるという作用効果を有するものである。
In the invention according to
本発明の請求項3に記載の発明は、特に、片持ち梁部の断面形状を左右対称に構成したもので、この構成によれば、検知方向と垂直な方向の加速度が印加された場合に、片持ち梁部が検知方向へ撓むことはないため、このような場合の誤検出を防止することができるという作用効果を有するものである。
The invention according to
本発明の請求項4に記載の発明は、特に、おもり部の断面を直方体形状にしたもので、この構成によれば、片持ち梁部の断面の中央部に上端および下端よりも幅を狭くした部分を設けて剛性を低下させつつも、おもり部の断面を直方体形状にしているため、おもり部の質量を減少させることなく、片持ち梁部の剛性を低下させることができ、これにより、感度を向上させることができるという作用効果を有するものである。 In the invention according to claim 4 of the present invention, in particular, the cross section of the weight portion has a rectangular parallelepiped shape. According to this configuration, the width is narrower than the upper end and the lower end at the center of the cross section of the cantilever portion. Since the cross section of the weight part has a rectangular parallelepiped shape, the rigidity of the cantilever part can be reduced without reducing the mass of the weight part. The effect is that the sensitivity can be improved.
本発明の請求項5に記載の発明は、特に、固定部に、片持ち梁部およびおもり部を複数接続したもので、この構成によれば、フルブリッジ回路を構成することができるため、より大きな出力変化を得ることができるという作用効果を有するものである。
In the invention according to
以上のように本発明の加速度センサは、固定部と、この固定部に接続された片持ち梁部と、この片持ち梁部の先端に形成されたおもり部と、前記片持ち梁部の上面に形成されたピエゾ抵抗素子とを備え、前記片持ち梁部が左右に撓むことにより加速度を検出する加速度センサにおいて、前記片持ち梁部の断面の高さ方向にx軸を設定し、前記片持ち梁部の断面の上端をx=0、前記片持ち梁部の断面の下端をx=hとし、かつ前記片持ち梁部の断面の幅をW(x)としたとき、前記片持ち梁部の断面形状を、0<x<hにおいて、W(x)≦W(0)またはW(x)≦W(h)が成立し、W(a)<W(0)かつW(a)<W(h)が成立する0<a<hなるaが存在するような形状にしているため、出力変化が大きくなって感度を向上させることができ、かつ検出精度の低下の低減を図ることができるという優れた効果を奏するものである。 As described above, the acceleration sensor according to the present invention includes the fixed portion, the cantilever portion connected to the fixed portion, the weight portion formed at the tip of the cantilever portion, and the upper surface of the cantilever portion. An acceleration sensor that detects acceleration by bending the cantilever portion to the left and right, and sets the x-axis in the height direction of the cross section of the cantilever portion, When the upper end of the cross section of the cantilever portion is x = 0, the lower end of the cross section of the cantilever portion is x = h, and the width of the cross section of the cantilever portion is W (x), the cantilever When the cross-sectional shape of the beam portion is 0 <x <h, W (x) ≦ W (0) or W (x) ≦ W (h) is established, and W (a) <W (0) and W (a ) <W (h) is satisfied so that 0 <a <h exists so that the output change becomes large and the sensitivity is improved. It is intended to achieve the excellent effect that can be, and it is possible to reduce the lowering of detection accuracy.
(実施の形態1)
以下、実施の形態1を用いて、本発明の特に請求項1、3、4、5に記載の発明について説明する。
(Embodiment 1)
Hereinafter, the invention described in the first, third, fourth, and fifth aspects of the present invention will be described using the first embodiment.
図1は本発明の実施の形態1における加速度センサの平面図、図2は同加速度センサの片持ち梁部の断面図である。
FIG. 1 is a plan view of an acceleration sensor according to
図1において、1は固定部で、この固定部1はSiで構成された基板から形成されているものである。2は固定部1に形成された第1の片持ち梁部、3は固定部1に第1の片持ち梁部2と並ぶように形成された第2の片持ち梁部である。4は第1の片持ち梁部2の先端に形成された第1のおもり部、5は第2の片持ち梁部3の先端に形成された第2のおもり部で、この第2のおもり部5は第1のおもり部4と並ぶように形成されているものである。そして前記第1のおもり部4と第2のおもり部5の断面はそれぞれ直方体形状にしているものである。
In FIG. 1,
上記した固定部1、第1の片持ち梁部2、第2の片持ち梁部3、第1のおもり部4および第2のおもり部5は同一平面上に一体的に形成されているものである。また、前記第1の片持ち梁部2および第1のおもり部4と、第2の片持ち梁部3および第2のおもり部5は同じ向きに並べて構成されているものであり、さらに第1の片持ち梁部2と第2の片持ち梁部3、および第1のおもり部4と第2のおもり部5はそれぞれ形状が同一になるように構成されているものである。
The
6および7はそれぞれ第1の片持ち梁部2の上面に形成された第1のピエゾ抵抗素子および第2のピエゾ抵抗素子、8および9は第2の片持ち梁部3の上面に形成された第3のピエゾ抵抗素子および第4のピエゾ抵抗素子である。これらの第1のピエゾ抵抗素子6、第2のピエゾ抵抗素子7、第3のピエゾ抵抗素子8および第4のピエゾ抵抗素子9は、いずれも歪みが生じると抵抗値が変化する特性を有しているものである。
10は固定部1に形成された第1の印加電極、11は固定部1に形成された第1の中間電極、12は固定部1に形成された第1のグランド電極である。そして前記第1のピエゾ抵抗素子6は第1の印加電極10と第1の中間電極11との間に電気的に接続され、また第2のピエゾ抵抗素子7は第1の中間電極11と第1のグランド電極12との間に電気的に接続されるものである。
13は固定部1に形成された第2の印加電極、14は固定部1に形成された第2の中間電極、15は固定部1に形成された第2のグランド電極である。前記第3のピエゾ抵抗素子8は第2のグランド電極15と第2の中間電極14との間に電気的に接続され、また第4のピエゾ抵抗素子9は第2の中間電極14と第2の印加電極13との間に電気的に接続されるものである。
16は第1のピエゾ抵抗素子6〜第4のピエゾ抵抗素子9の各ピエゾ抵抗素子と第1の印加電極10〜第2のグランド電極15の各電極間を電気的に接続する導電体からなる配線である。
上記した本発明の実施の形態1における加速度センサにおいては、第1の印加電極10と第2の印加電極13を同電位にし、かつ第1のグランド電極12と第2のグランド電極15を同電位にしてフルブリッジ回路を構成し、そして第1の中間電極11と第2の中間電極14との差動出力を検出するように回路構成を行うとともに、加速度を印加しない状態での第1のピエゾ抵抗素子6〜第4のピエゾ抵抗素子9の各抵抗値を等しくしているものである。
In the acceleration sensor according to the first embodiment of the present invention described above, the
図2は第1の片持ち梁部2の断面のみを示しているが、第1の片持ち梁部2および第2の片持ち梁部3は、同一の断面形状を有するものである。
FIG. 2 shows only a cross section of the
図2において、X軸は、第1の片持ち梁部2および第2の片持ち梁部3の断面の上端を0として鉛直下方を正にした座標軸である。従って、第1の片持ち梁部2および第2の片持ち梁部3の断面の上端は、X=0となる。第1の片持ち梁部2および第2の片持ち梁部3の断面の下端はX=hとしている。
In FIG. 2, the X axis is a coordinate axis in which the upper end of the cross section of the
また、W(X)は、X座標上の点Xにおける第1の片持ち梁部2および第2の片持ち梁部3の断面の幅である。従って、第1の片持ち梁部2および第2の片持ち梁部3の断面の上端の幅は、W(0)、下面部の幅はW(h)となる。aは、X軸上で0<a<hなる点であり、W(a)は点aにおける断面の幅を示している。
W (X) is the width of the cross section of the
図2に示す断面図は、図示したように三角形の底面を第1の片持ち梁部2および第2の片持ち梁部3の断面の上端にし、三角形の頂点部に長方形を付けたような形状の構成である。言い換えると、第1の片持ち梁部2および第2の片持ち梁部3の断面の上面と下面の幅を広くして、上面と下面の間に断面幅を狭くした部分を設けた構成になっている。
In the cross-sectional view shown in FIG. 2, as shown, the bottom surface of the triangle is the upper end of the cross section of the
図2に示す断面図を数式化すると、
0<x<hにおいて、
W(x)≦W(0)またはW(x)≦W(h)が成立し、
0<a<hなるaにおいて、
W(a)<W(0)かつW(a)<W(h)
となるaが存在することである。
When the cross-sectional view shown in FIG.
For 0 <x <h,
W (x) ≦ W (0) or W (x) ≦ W (h) holds,
In a <0 <a <h,
W (a) <W (0) and W (a) <W (h)
Is a.
このように、上面の幅が広いことによって、第1のピエゾ抵抗素子6〜第4のピエゾ抵抗素子9を形成することのできる領域を広くすることができるため、これらの抵抗素子の配置が容易になり、さらに、第1の片持ち梁部2および第2の片持ち梁部3における変位は上面の幅の中央部で小さく、端部での変位がもっとも大きいため、これらの各抵抗素子に生じる歪みも大きくすることができ、これにより、各抵抗素子の抵抗値変化が大きくなるため、大きな出力変化を得ることができるものである。
Thus, since the area | region which can form the 1st piezoresistive element 6-the 4th
また、上下方向の中央部の幅を狭くしているため、剛性が低下して撓み易くなり、これにより、感度が向上することになる。 In addition, since the width of the central portion in the vertical direction is narrowed, the rigidity is lowered and the film is easily bent, thereby improving the sensitivity.
そしてまた、下面の端部の幅を広くしているため、下面の端部が中央部と同様に狭いものに比べ、断面の上下方向のバランスを向上させることができ、これにより、紙面横方向に対する加速度による第1の片持ち梁部2および第2の片持ち梁部3の上下方向への撓みやねじりを低減させることができるため、加速度センサの検出精度の低下の防止に役立つものとなる。
In addition, since the width of the end portion of the lower surface is increased, the balance of the vertical direction of the cross section can be improved compared to the case where the end portion of the lower surface is as narrow as the central portion, and thereby the lateral direction of the paper surface Since it is possible to reduce vertical deflection and torsion of the first
以上のように構成された加速度センサについて、以下にその製造方法を簡単に説明する。 A method for manufacturing the acceleration sensor configured as described above will be briefly described below.
Siからなる基板の上面に第1のピエゾ抵抗素子6〜第4のピエゾ抵抗素子9の各ピエゾ抵抗素子を構成する抵抗層をスパッタ等の薄膜工法で形成し、その後、第1の印加電極10〜第2のグランド電極15の各電極および配線16を構成する金属層をスパッタ等の薄膜工法で形成し、そしてこの金属層をエッチングにより所定形状にすることにより第1の印加電極10〜第2のグランド電極15の各電極および配線16を形成することができる。最後に、基板をエッチングにより所定形状に加工することにより所定形状の固定部1、第1の片持ち梁部2、第2の片持ち梁部3、第1のおもり部4および第2のおもり部5を有した加速度センサが得られる。
A resistance layer constituting each of the first to fourth
なお、図2に示す第1の片持ち梁部2および第2の片持ち梁部3の断面形状は、エッチングを表面側と裏面側の両面から行うことにより得ることができるものである。また、図2は、第1の片持ち梁部2の断面形状の特徴をわかり易く示したものであり、そしてこの図2における角部や隅部は、実際は曲線形状になっているものであり、また図2における垂直線や水平線も、実際は完全な垂直線や水平線ではなく傾いているものである。
In addition, the cross-sectional shape of the
以上のように構成され、かつ製造された加速度センサについて、以下にその動作を説明する。 The operation of the acceleration sensor configured and manufactured as described above will be described below.
図1において、例えば、紙面右向方向に正の加速度が加わった場合には、第1のおもり部4および第2のおもり部5が左方向に傾くように第1の片持ち梁部2および第2の片持ち梁部3が撓む。このとき、第1のピエゾ抵抗素子6と第3のピエゾ抵抗素子8には圧縮方向の歪みが生じ、第2のピエゾ抵抗素子7と第4のピエゾ抵抗素子9には引張り方向の歪みが生じる。ここで、第1の片持ち梁部2と第2の片持ち梁部3および第1のおもり部4と第2のおもり部5はそれぞれ同一形状に構成しているため、第1の片持ち梁部2と第2の片持ち梁部3の歪みは同じになる。これによりフルブリッジ回路を構成する対角位置の抵抗体が同じ抵抗値になるため、第1の中間電極11と第2の中間電極14の差動出力は、ハーフブリッジ回路の場合に比べ2倍の出力変化になるものである。
In FIG. 1, for example, when a positive acceleration is applied in the right direction on the paper surface, the
以上のように本発明の実施の形態1における加速度センサは、固定部1と、この固定部1に接続された第1の片持ち梁部2および第2の片持ち梁部3と、この第1の片持ち梁部2および第2の片持ち梁部3の先端に形成された第1のおもり部4および第2のおもり部5と、前記第1の片持ち梁部2および第2の片持ち梁部3の上面に形成された第1のピエゾ抵抗素子6〜第4のピエゾ抵抗素子9とを備え、前記第1の片持ち梁部2および第2の片持ち梁部3が左右に撓むことにより加速度を検出する加速度センサにおいて、前記第1の片持ち梁部2および第2の片持ち梁部3の断面の高さ方向にx軸を設定し、前記第1の片持ち梁部2および第2の片持ち梁部3の断面の上端をx=0、前記第1の片持ち梁部2および第2の片持ち梁部3の断面の下端をx=hとし、かつ前記第1の片持ち梁部2および第2の片持ち梁部3の断面の幅をW(x)としたとき、前記第1の片持ち梁部2および第2の片持ち梁部3の断面形状を、0<x<hにおいて、W(x)≦W(0)またはW(x)≦W(h)が成立し、W(a)<W(0)かつW(a)<W(h)が成立する0<a<hなるaが存在するような形状にしているため、第1の片持ち梁部2および第2の片持ち梁部3の断面の上面の幅を広く取ることができ、これにより、第1のピエゾ抵抗素子6〜第4のピエゾ抵抗素子9の歪みが大きくなって出力変化を大きくすることができ、また第1の片持ち梁部2および第2の片持ち梁部3の上面と下面の間に、上面の幅および下面の幅より狭い部分を有しているため、その部分の剛性は低下することになり、これにより、感度を向上させることができ、さらに、下面の幅は第1の片持ち梁部2および第2の片持ち梁部3の断面幅の最狭部より広いため、下面部の剛性を向上させることができ、これにより、検出精度の低下の低減を図ることができるものである。
As described above, the acceleration sensor according to the first embodiment of the present invention includes the fixed
また、第1のおもり部4および第2のおもり部5の断面は直方体形状にしているもので、この場合、第1の片持ち梁部2および第2の片持ち梁部3の断面の中央部に上端および下端よりも幅を狭くした部分を設けて剛性を低下させつつも、第1のおもり部4および第2のおもり部5の断面を直方体形状にしているため、第1のおもり部4および第2のおもり部5の質量を減少させることなく、第1の片持ち梁部2および第2の片持ち梁部3の剛性を低下させることができ、これにより、感度を向上させることができるものである。
The cross sections of the first weight part 4 and the
そしてまた、片持ち梁部は第1の片持ち梁部2と第2の片持ち梁部3の複数を有し、かつおもり部は第1のおもり部4と第2のおもり部5の複数を有しているため、フルブリッジ回路を構成することができ、これにより、大きな出力変化を得ることができるものである。
In addition, the cantilever portion has a plurality of
さらに、第1の片持ち梁部2および第2の片持ち梁部3の断面形状を左右対称に構成しているため、検知方向と垂直な方向、すなわち、図2における上下方向に加速度が印加された場合、第1の片持ち梁部2と第2の片持ち梁部3に印加方向と垂直な方向、すなわち、図2における左右方向の撓みやねじりが発生するということは理論上なくなり、これにより、検出精度の低下の防止を図ることができるものである。
Furthermore, since the cross-sectional shapes of the
さらにまた、第1の片持ち梁部2の中立面に対し等距離にかつ対向させて第1のピエゾ抵抗素子6と第2のピエゾ抵抗素子7を形成し、そしてこれと同様に第2の片持ち梁部3の中立面に対し等距離にかつ対向させて第3のピエゾ抵抗素子8と第4のピエゾ抵抗素子9を形成しているため、加速度が印加された場合に中立面に対し一方のピエゾ抵抗素子の伸びと、他方のピエゾ抵抗素子の縮みの絶対値は等しくなり、これにより、それぞれの抵抗値変化の絶対値も等しくなるため、ハーフブリッジ回路により中点電位を取り出す回路構成とすることにより、出力変化を大きくすることができるものである。
Furthermore, the first
また、第1の片持ち梁部2、第2の片持ち梁部3、第1のおもり部4および第2のおもり部5は同一平面上に同じ向きに並べて構成しているため、第1のピエゾ抵抗素子6〜第4のピエゾ抵抗素子9の形成位置が近くなり、これにより、これらのピエゾ抵抗素子6〜9の特性ばらつきを低減させることができるものである。
Since the
そしてまた、第1の片持ち梁部2と第2の片持ち梁部3および第1のおもり部4と第2のおもり部5はそれぞれ同一形状に構成しているため、第1の片持ち梁部2と第2の片持ち梁部3は同じ変形を行うことになり、またこれらの構成要素は同一平面上に同じ向きに並べて構成しているため、第1のおもり部4と第2のおもり部5は接触せず、互いに干渉することはない。この場合、現実には、製造上の形状のばらつきや、内部の組成のばらつき等により、第1の片持ち梁部2と第2の片持ち梁部3とが全く同じ変形をするものではないため、加速度が印加されていない状態で第1のおもり部4と第2のおもり部5間の間隔が狭ければ第1のおもり部4と第2のおもり部5が接触することもあり得る。しかしながら、本発明の実施の形態1における加速度センサの場合は、前述したように第1のおもり部4と第2のおもり部5が接触して互いに干渉するおそれは低いため、第1のおもり部4と第2のおもり部5間の間隔を狭くすることができ、これにより、加速度センサ全体の小型化が図れるものである。
Further, the
なお、上記本発明の実施の形態1における加速度センサにおいては、第1のピエゾ抵抗素子6〜第4のピエゾ抵抗素子9の各抵抗値を等しくしたものについて説明したが、第1の中間電極11の電位と、第2の中間電極14の電位がそれぞれの基準電位に対して互いに正負逆向きの変化をするように、第1のピエゾ抵抗素子6の抵抗値と第2のピエゾ抵抗素子7の抵抗値との比率と、第4のピエゾ抵抗素子9の抵抗値と第3のピエゾ抵抗素子8の抵抗値との比率とを等しくする構成にしてもよいものである。
In the acceleration sensor according to
また、W(0)とW(h)の関係は、W(0)=W(h)としたが、W(0)>W(h)にしてもよい。一方、W(0)<W(h)にしてもよいが、ピエゾ抵抗素子を形成する上面の幅を広くすることができるという点では、W(0)≧W(h)とするのが好ましい。 The relationship between W (0) and W (h) is W (0) = W (h), but it may be W (0)> W (h). On the other hand, W (0) <W (h) may be satisfied, but W (0) ≧ W (h) is preferable in that the width of the upper surface for forming the piezoresistive element can be increased. .
そしてまた、前記第1のおもり部4および第2のおもり部5の断面を直方体形状に形成しているが、第1のおもり部4および第2のおもり部5の側面、すなわち、第1のおもり部4および第2のおもり部5の断面における側端部の形状は第1の片持ち梁部2および第2の片持ち梁部3と同様の形状にすることができる。この場合、第1のおもり部4および第2のおもり部5の質量が減少してしまい、その分感度が低下するが、エッチングにより第1のおもり部4、第2のおもり部5、第1の片持ち梁部2および第2の片持ち梁部3を形成する工程を一つの工程で形成することができるため、製造が簡単になるものである。
In addition, the cross sections of the first weight part 4 and the
(実施の形態2)
以下、実施の形態2を用いて、本発明の特に請求項2〜4に記載の発明について説明する。
(Embodiment 2)
Hereinafter, the invention described in the second to fourth aspects of the present invention will be described using the second embodiment.
図3は本発明の実施の形態2における加速度センサの片持ち梁部の断面図である。また、図4〜図7は同加速度センサの片持ち梁部のバリエーションを示す断面図である。
FIG. 3 is a cross-sectional view of the cantilever portion of the acceleration sensor according to
本発明の実施の形態2における加速度センサが上記した本発明の実施の形態1における加速度センサと異なる点は、片持ち梁部の断面形状を、さらに上下対称に構成した点であり、すなわち、本発明の実施の形態2における加速度センサは、図3〜図7に示すように、第1の片持ち梁部2の断面形状を上下対称に構成したものである。なお、図3〜図7においては、第1の片持ち梁部2のみを示しているが、第2の片持ち梁部3の断面形状も第1の片持ち梁部2の断面形状と同一となっているものである。
The acceleration sensor according to the second embodiment of the present invention is different from the acceleration sensor according to the first embodiment of the present invention described above in that the cross-sectional shape of the cantilever is further symmetrically configured. As shown in FIGS. 3 to 7, the acceleration sensor according to the second embodiment of the present invention is configured such that the cross-sectional shape of the
上記した本発明の実施の形態2における加速度センサは、第1の片持ち梁部2および第2の片持ち梁部3の断面形状を上下対称に構成しているため、断面の上下方向のバランスがとれることになり、これにより、紙面横方向に対する加速度による第1の片持ち梁部2および第2の片持ち梁部3の上下方向への撓みやねじりを理論上なくすことができるため、加速度センサの検出精度の低下を防止することができるものである。
In the acceleration sensor according to the second embodiment of the present invention described above, the cross-sectional shapes of the
なお、本発明の実施の形態2における加速度センサの製造方法は、上記本発明の実施の形態1における加速度センサの製造方法と同様に、第1の片持ち梁部2および第2の片持ち梁部3の断面形状は、エッチングを表面側と裏面側の両面から行うことにより得ることができるものであり、また、エッチングの条件を変えることによって、それぞれの形状にすることが可能となるものである。
In addition, the manufacturing method of the acceleration sensor in
(実施の形態3)
図8は本発明の実施の形態3における加速度センサの平面図である。
(Embodiment 3)
FIG. 8 is a plan view of the acceleration sensor according to
本発明の実施の形態3においては、上記した本発明の実施の形態1と同一の構成部品については、同一番号を付しており、その説明は省略し、異なる点のみを説明する。 In the third embodiment of the present invention, the same components as those of the first embodiment of the present invention described above are denoted by the same reference numerals, description thereof will be omitted, and only different points will be described.
本発明の実施の形態3における加速度センサが上記した本発明の実施の形態1における加速度センサと異なる点は、第1の片持ち梁部2、第2の片持ち梁部3、第1のおもり部4および第2のおもり部5の周囲を固定部1とともに囲む第1のストッパ部17、第2のストッパ部18および連結部19を形成した点である。
The acceleration sensor according to the third embodiment of the present invention is different from the acceleration sensor according to the first embodiment of the present invention described above in that the
図8において、17は固定部1における第1の片持ち梁部2が形成された部分の外側に、第1のおもり部4と空間を挟んで対向するように形成された第1のストッパ部で、この第1のストッパ部17は固定部1と一体的に形成されている。18は固定部1における第2の片持ち梁部3が形成された部分の外側に、第2のおもり部5と空間を挟んで対向するように形成された第2のストッパ部で、この第2のストッパ部18は固定部1と一体的に形成されている。19は第1のストッパ部17と第2のストッパ部18を連結する連結部である。そして前記第1のストッパ部17、第2のストッパ部18および連結部19は、Siからなる基板をエッチングする際に得られるものである。
In FIG. 8,
上記した本発明の実施の形態3においては、第1のおもり部4および第2のおもり部5と空間を挟んで対向するように第1のストッパ部17および第2のストッパ部18を設けているため、過大な加速度が印加された場合、第1のおもり部4が第1のストッパ部17に当接、または第2のおもり部5が第2のストッパ部18に当接して第1の片持ち梁部2または第2の片持ち梁部3が過剰に撓むのを防止することができるため、過大な加速度が印加された場合、加速度センサが破損するのを防止することができるものである。
In the above-described third embodiment of the present invention, the
また、上記本発明の実施の形態3においては、連結部19によって第1のストッパ部17と第2のストッパ部18を連結しているため、第1のストッパ部17と第2のストッパ部18の剛性を高めることができ、これにより、第1のおもり部4または第2のおもり部5が当接することによる第1のストッパ部17と第2のストッパ部18の変形を低減させることができるため、第1のストッパ部17と第2のストッパ部18は効率的にストッパ機能を発揮させることができるものである。
In
(実施の形態4)
図9は本発明の実施の形態4における加速度センサの平面図である。
(Embodiment 4)
FIG. 9 is a plan view of an acceleration sensor according to Embodiment 4 of the present invention.
本発明の実施の形態4においては、上記した本発明の実施の形態3と同一の構成部品については、同一番号を付しており、その説明は省略し、異なる点のみを説明する。 In the fourth embodiment of the present invention, the same components as those in the third embodiment of the present invention described above are denoted by the same reference numerals, description thereof will be omitted, and only different points will be described.
本発明の実施の形態4における加速度センサが上記した本発明の実施の形態3における加速度センサと異なる点は、延設部が付加されている点である。 The difference between the acceleration sensor according to the fourth embodiment of the present invention and the acceleration sensor according to the third embodiment of the present invention described above is that an extending portion is added.
図9において、20は第1の片持ち梁部2または第2の片持ち梁部3と空間を挟んで対向するように形成された延設部で、この延設部20は第1のおもり部4または第2のおもり部5と一体的に、かつ固定部1側へ延設するように形成されているものである。また、この延設部20は第1のおもり部4に2箇所形成されるとともに、第2のおもり部5にも2箇所形成されており、さらにこれら4個の延設部20の形状は対象形状または同形状に構成されているものである。
In FIG. 9,
そしてまた、上記延設部20は、第1の片持ち梁部2との間隔、第2の片持ち梁部3との間隔、固定部1との間隔、第1のストッパ部17との間隔、第2のストッパ部18との間隔がすべて等しくなるように構成するとともに、第1のおもり部4と第1のストッパ部17との間隔、第2のおもり部5と第2のストッパ部18との間隔、第1のおもり部4と連結部19との間隔、第1のおもり部4と連結部19との間隔、および第1のおもり部4と第2のおもり部5との間隔もすべて等しくなるように構成しているものである。すなわち、固定部1、第1のストッパ部17、第2のストッパ部18および延設部20で囲まれた部分の空間部の距離がすべて等しくなるように構成したものである。
In addition, the
上記のように本発明の実施の形態4においては、第1の片持ち梁部2または第2の片持ち梁部3と空間を挟んで対向するように延設部20を形成し、かつこの延設部20は第1のおもり部4または第2のおもり部5より一体的に固定部1側へ延設するように形成しているため、この延設部20の存在により、第1の片持ち梁部2および第2の片持ち梁部3に接続される第1のおもり部4および第2のおもり部5の質量が増加するため、同じ加速度が印加された場合、第1の片持ち梁部2および第2の片持ち梁部3の撓みは大きくなり、これにより、加速度センサの感度が向上するものである。
As described above, in the fourth embodiment of the present invention, the extending
また、外形寸法を小さくしながら、第1のおもり部4および第2のおもり部5の質量を大きくする場合において、延設部20を設けない構成にするためには、第1の片持ち梁部2および第2の片持ち梁部3の長さを短くする必要が生じてくるが、延設部20を設けた場合には、その必要が生じない。そして、このような構成の加速度センサにおいては、第1のおもり部4および第2のおもり部5の質量が同じならば第1の片持ち梁部2および第2の片持ち梁部3の長さが長い方が第1の片持ち梁部2および第2の片持ち梁部3の根元部、すなわち、固定部1との接続部近傍の歪みが大きくなるため、加速度センサとしての感度が向上するものである。したがって、本発明の実施の形態4における加速度センサは、この点からも感度の向上を図ることができるものである。
Further, in order to increase the mass of the first weight part 4 and the
そしてまた、本発明の実施の形態4においては、固定部1、第1のストッパ部17、第2のストッパ部18および延設部20で囲まれた部分の空間部の距離をすべて等しくしているため、固定部1、第1の片持ち梁部2、第2の片持ち梁部3、第1のおもり部4、第2のおもり部5、第1のストッパ部17、第2のストッパ部18、連結部19および延設部20を所定形状に形成するためにSiからなる基板をエッチングで加工する際には、高精度で加工することができ、これにより、加速度センサの検出精度の向上を図ることができるものである。
In Embodiment 4 of the present invention, the distances of the space portions surrounded by the fixing
なお、上記本発明の実施の形態4における加速度センサにおいては、延設部20とともに、第1のストッパ部17、第2のストッパ部18および連結部19を設けた構成としているが、延設部20のみを設けて、第1のストッパ部17、第2のストッパ部18および連結部19は設けない構成にした場合でも、加速度センサの感度を向上させることができるという効果を奏するものである。
In the acceleration sensor according to Embodiment 4 of the present invention, the
上記した本発明の実施の形態1〜4における加速度センサは、いずれも、片持ち梁部とおもり部とをそれぞれ2個備えた構成になっている。このような構成の加速度センサは、おもり部および片持ち梁部を1個のみ有する構成のものに比べて、強度、出力の点で優れた作用効果を有するものである。すなわち、出力を上げるには片持ち梁部での歪みを大きくすることが有力な方法であるが、歪みが大きくなりすぎると片持ち梁部の破損を招くことも考えられる。これに対し、片持ち梁部およびおもり部をそれぞれ2個設けた構成のものは、フルブリッジ回路等によりそれぞれの出力の差動を取ることにより、それぞれの片持ち梁部からの出力を2倍にすることができるため、片持ち梁部での歪みが半分であっても、最終の出力をおもり部および片持ち梁部が1個のものと同等にすることができ、この点で、十分な強度を有したまま出力の向上を図ることができる。この場合、2つの片持ち梁部上に形成されるピエゾ抵抗素子の抵抗値などの特性のばらつきが大きくなると検出精度の低下を招いてしまうが、本発明の加速度センサにおいては、2つの片持ち梁部を同一平面上に同じ向きに並べているため、両者の間隔は短く、これによりピエゾ抵抗素子の特性ばらつきを低減させることが可能となるため、検出精度の向上を図ることができるものである。 Each of the above-described acceleration sensors according to the first to fourth embodiments of the present invention has a configuration including two cantilever portions and two weight portions. The acceleration sensor having such a configuration has superior effects in terms of strength and output as compared with a configuration having only one weight portion and one cantilever portion. That is, increasing the strain at the cantilever portion is an effective method for increasing the output, but if the strain becomes too large, the cantilever portion may be damaged. On the other hand, in the configuration with two cantilever parts and two weight parts, the output from each cantilever part is doubled by taking the differential of each output by a full bridge circuit etc. Therefore, even if the distortion at the cantilever part is half, the final output can be equivalent to one with one weight part and one cantilever part. The output can be improved while maintaining a sufficient strength. In this case, if the variation in characteristics such as resistance values of the piezoresistive elements formed on the two cantilever portions increases, the detection accuracy decreases. However, in the acceleration sensor of the present invention, the two cantilevers are Since the beam portions are arranged in the same direction on the same plane, the distance between the two is short, thereby making it possible to reduce variations in the characteristics of the piezoresistive elements, thereby improving detection accuracy. .
本発明に係る加速度センサは、固定部に接続された片持ち梁部の断面の高さ方向にx軸を設定し、前記片持ち梁部の断面の上端をx=0、前記片持ち梁部の断面の下端をx=hとし、かつ前記片持ち梁部の断面の幅をW(x)としたとき、前記片持ち梁部の断面形状を、0<x<hにおいて、W(x)≦W(0)またはW(x)≦W(h)が成立し、W(a)<W(0)かつW(a)<W(h)が成立する0<a<hなるaが存在するような形状にしたことにより、検出精度の向上が図れる加速度センサを得ることができるという効果を有するものであり、自動車等のカーナビゲーションシステムや車両制御システム、あるいはカメラ等の手ブレ検知システム等に使用される加速度センサに適用して有用なものである。 In the acceleration sensor according to the present invention, the x-axis is set in the height direction of the cross section of the cantilever part connected to the fixed part, the upper end of the cross section of the cantilever part is x = 0, and the cantilever part When the lower end of the cross section is x = h and the width of the cross section of the cantilever part is W (x), the cross-sectional shape of the cantilever part is W (x) when 0 <x <h. ≦ W (0) or W (x) ≦ W (h) is satisfied, and there is a where 0 <a <h where W (a) <W (0) and W (a) <W (h) are satisfied Therefore, it is possible to obtain an acceleration sensor capable of improving detection accuracy, such as a car navigation system such as an automobile, a vehicle control system, or a camera shake detection system such as a camera. It is useful when applied to an acceleration sensor used in the above.
1 固定部
2 第1の片持ち梁部
3 第2の片持ち梁部
4 第1のおもり部
5 第2のおもり部
6 第1のピエゾ抵抗素子
7 第2のピエゾ抵抗素子
8 第3のピエゾ抵抗素子
9 第4のピエゾ抵抗素子
DESCRIPTION OF
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