JP2008107257A

JP2008107257A - 加速度センサ

Info

Publication number: JP2008107257A
Application number: JP2006291899A
Authority: JP
Inventors: Hideo Miwa; 秀郎三輪
Original assignee: Hitachi ULSI Systems Co Ltd
Current assignee: Hitachi Solutions Technology Ltd
Priority date: 2006-10-27
Filing date: 2006-10-27
Publication date: 2008-05-08

Abstract

【課題】加速度センサ自身を中心とした回転角加速度を検出できる加速度センサを提供する。
【解決手段】フレーム１０１と、フレーム１０１の中心部に設けられた重り１０２と、フレーム１０１と重り１０２とを接続する４本の架梁１０３と、Ｘ軸方向の加速度を検出するための第１のピエゾ抵抗素子群と、Ｙ軸方向の加速度を検出するための第２のピエゾ抵抗素子群と、Ｚ軸方向の加速度を検出するための第３のピエゾ抵抗素子群と、重り１０２の中心軸の回転角速度を検出するためのピエゾ抵抗素子ＲＡ，ＲＢ，ＲＣ，ＲＤからなる第４のピエゾ抵抗素子群とを有し、前記第４のピエゾ抵抗素子群を構成するピエゾ抵抗素子ＲＡ，ＲＢ，ＲＣ，ＲＤは、架梁１０３の根元部分に斜めに配置され、前記第１、第２、第３及び第４のピエゾ抵抗素子群は、それぞれブリッジ回路を構成することを特徴とする。
【選択図】図５

Description

本発明は、加速度センサに関し、特にピエゾ抵抗型の半導体加速度センサの構成に適用して有効な技術に関する。

本発明者が検討した技術として、例えば、加速度センサにおいては、以下の技術が考えられる。

加速度、圧力、流体の流量等の検出を行うセンサとして、可撓性の架梁に不純物の拡散によって１個以上のピエゾ抵抗素子が形成され、前記架梁に生じた機械的変形により引き起こされる前記ピエゾ抵抗素子の抵抗値の変化に基づいて、所定の検出を行うセンサがある。このようなセンサの一種として、例えば３次元方向の加速度を検出するためのピエゾ抵抗型３軸加速度センサなどがある。

なお、このような加速度センサに関する技術としては、例えば、特許文献１及び特許文献２に記載される技術などが挙げられる。
特開２００３−２７９５９２号公報特開２００３−２９４７８１号公報

ところで、前記のような加速度センサの技術について、本発明者が検討した結果、以下のようなことが明らかとなった。

例えば、加速度センサの応用製品（空中ペン等）では、回転を検出する角加速度センサと組み合わせて使用する例がある。

しかし、従来の３軸加速度センサは、３軸の加速度を検出できるが、加速度センサ自身の中心に垂直な回転の角速度は検出できない。

したがって、加速度センサ自身を中心とした回転角加速度を検出できれば、角加速度センサは不要となる。

そこで、本発明の目的は、加速度センサ自身を中心とした回転角加速度を検出できる加速度センサを提供することにある。

本発明の前記並びにその他の目的と新規な特徴は、本明細書の記述及び添付図面から明らかになるであろう。

本願において開示される発明のうち、代表的なものの概要を簡単に説明すれば、次のとおりである。

すなわち、本発明による加速度センサは、フレームと、前記フレームの中心部に設けられた重りと、前記フレームと前記重りとを接続する複数の架梁と、Ｘ軸方向の加速度を検出するための複数のピエゾ抵抗素子からなる第１のピエゾ抵抗素子群と、Ｙ軸方向の加速度を検出するための複数のピエゾ抵抗素子からなる第２のピエゾ抵抗素子群と、Ｚ軸方向の加速度を検出するための複数のピエゾ抵抗素子からなる第３のピエゾ抵抗素子群と、前記重りの中心軸の回転角速度を検出するための複数のピエゾ抵抗素子からなる第４のピエゾ抵抗素子群と、を有し、前記第１、第２及び第３のピエゾ抵抗素子群を構成する複数のピエゾ抵抗素子は、それぞれ前記架梁の上部に配置され、前記第４のピエゾ抵抗素子群を構成する複数のピエゾ抵抗素子は、前記架梁の根元部分に斜めに配置され、前記第１、第２、第３及び第４のピエゾ抵抗素子群は、それぞれブリッジ回路を構成することを特徴とするものである。

本願において開示される発明のうち、代表的なものによって得られる効果を簡単に説明すれば、以下のとおりである。

（１）従来のピエゾ抵抗型３軸加速度センサの盲点であった、加速度センサの中心に垂直な回転軸の角加速度を検出できる。

（２）本発明による加速度センサのみで盲点のないモーション・センシングを実現できるので、部品点数および製造コストを低減することができる。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、実施の形態を説明するための全図において、同一部材には原則として同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。

本発明の特徴を分かり易くするために、本発明の前提技術と比較して説明する。

（本発明の前提技術）
図１は本発明の前提技術によるピエゾ抵抗型３軸加速度センサの構造を示す斜視図、図２（ａ）はその平面図、図２（ｂ）は図２（ａ）中のＡ−Ａ切断面における断面図である。説明の便宜上、図１及び図２に示すように、互いに直交するＸ軸、Ｙ軸及びＺ軸を定義する。ＸＹ平面は、後述するシリコン基板の面と平行である。

まず、図１及び図２により、本発明の前提技術によるピエゾ抵抗型３軸加速度センサの構造を説明する。このピエゾ抵抗型３軸加速度センサは、例えば、シリコン基板により形成され、厚肉のフレーム（外枠）１０１と、フレーム１０１の中心部に位置する厚肉の重り１０２と、重り１０２を支える薄肉の４本の架梁（ビーム）１０３などから成る。４本の架梁１０３の上には、Ｘ軸方向にピエゾ抵抗素子ＲＸ１〜４，ＲＺ１〜４が、Ｙ軸方向にピエゾ抵抗素子ＲＹ１〜４が配列して形成されている。また、フレーム１０１の上には、ピエゾ抵抗素子ＲＸ１〜４，ＲＹ１〜４，ＲＺ１〜４と接続された複数の電極１０４が形成されている。架梁１０３の上に形成されたピエゾ抵抗素子ＲＸ１〜４，ＲＹ１〜４，ＲＺ１〜４が、架梁１０３の変形応力を検出する。

フレーム１０１は、重り１０２を取り囲むように配されている。架梁１０３は、薄肉部に貫通穴を設けることによって梁形状とされており、変形しやすく、高感度化に向いた構造となっている。ピエゾ抵抗素子ＲＸ１〜４，ＲＹ１〜４，ＲＺ１〜４は、半導体拡散抵抗などで形成される。

このピエゾ抵抗型３軸加速度センサにおける加速度の検出原理は、中央の重り１０２が加速度に比例した力を受けて変位したときの架梁１０３の撓みを、架梁１０３に形成されたピエゾ抵抗素子ＲＸ１〜４、ＲＹ１〜４、ＲＺ１〜４の抵抗値変化として検出することで３軸方向の加速度を検出するものである。ここで、架梁１０３上のピエゾ抵抗素子ＲＸ１〜４はＸ軸方向の加速度を、ピエゾ抵抗素子ＲＺ１〜４は素子面に垂直なＺ軸方向の加速度を、ピエゾ抵抗素子ＲＹ１〜４はＸ軸方向と直交するＹ軸方向の加速度を検出するように、それぞれ各軸４つのピエゾ抵抗素子ＲＸ１〜４、ＲＹ１〜４、ＲＺ１〜４は独立してブリッジ回路を構成するように結線されている。

このピエゾ抵抗型３軸加速度センサに加速度が印加されると、中心の重り１０２が変位するために、架梁１０３が変形し、その上に形成されたピエゾ抵抗素子ＲＸ１〜４，ＲＹ１〜４，ＲＺ１〜４の抵抗値が変化する。これらのピエゾ抵抗素子を使用したブリッジ回路により、各軸の加速度に応じた電圧出力が電極１０４を介して得られる。

また、Ｘ，Ｙ軸は出力検出原理、結線方法およびピエゾ抵抗素子の配置が同じであり、それぞれ他方の軸と入れ替えることができるため、以降、Ｘ軸及びＹ軸を、特に断りの無い限りＸ軸と表記することとする。

図３は、本発明の前提技術によるピエゾ抵抗型３軸加速度センサの電圧検出ブリッジ回路と架梁変形モデルを示す図である。図３（ａ）は、Ｘ軸方向の加速度を検出するための電圧検出ブリッジ回路である。図３（ｂ）は、Ｚ軸方向の加速度を検出するための電圧検出ブリッジ回路である。図３（ｃ）は、Ｘ軸方向に加速度が加わった場合の架梁変形モデルである。図３（ｄ）は、Ｚ軸方向に加速度が加わった場合の架梁変形モデルである。

次に、図３を用いて加速度の検出原理を説明する。Ｘ軸方向とＹ軸方向とは検出原理が同じなので、図３では、代表してＸ軸方向とＺ軸方向とを示す。

図３（ｃ）は、Ｘ軸方向の加速度による架梁１０３の変形の様子を模式的に示す断面図であり、ピエゾ抵抗素子ＲＸ１，ＲＸ３には引っ張り応力が、ピエゾ抵抗素子ＲＸ２，ＲＸ４には圧縮応力が加わっている。この時、ピエゾ抵抗素子ＲＸ１，ＲＸ３及びピエゾ抵抗素子ＲＸ２，ＲＸ４の抵抗値はそれぞれ増加および減少する（図中では＋／−と表記）。

すなわち、Ｘ軸方向の加速度により重り１０２にＦｘの力を受けた時、ピエゾ抵抗素子ＲＸ１及びＲＸ３はその値が増加し、ピエゾ抵抗素子ＲＸ２及びＲＸ４は減少する。この変化により、図３（ａ）に示す電圧検出ブリッジ回路により、Ｘ軸方向には電圧Ｖｏｕｔが出力される。この時の出力電圧Ｖｏｕｔは、以下の式で表される。

Ｖｏｕｔ＝｛ＲＸ４／（ＲＸ１＋ＲＸ４）−ＲＸ３／（ＲＸ２＋ＲＸ３）｝Ｖｉｎ
なお、Ｖｉｎは入力電圧である。

図３（ｄ）は、Ｚ軸方向の加速度による架梁１０３の変形の様子を模式的に示す断面図であり、ピエゾ抵抗素子ＲＺ２，ＲＺ３には引っ張り応力が、ピエゾ抵抗素子ＲＺ１，ＲＺ４には圧縮応力が加わっている。この時、ピエゾ抵抗素子ＲＺ２，ＲＺ３及びピエゾ抵抗素子ＲＺ１，ＲＺ４の抵抗値はそれぞれ増加および減少する（図中では＋／−と表記）。

すなわち、Ｚ軸方向の加速度によりＦｚの力を受けた時には、ピエゾ抵抗ＲＺ２及びＲＺ３はその値が増加し、ＲＺ１およびＲＺ３は減少する。この変化により、図３（ｂ）に示す電圧検出ブリッジ回路により、Ｚ方向には電圧Ｖｏｕｔが出力される。この時の出力電圧Ｖｏｕｔは、以下の式で表される。

Ｖｏｕｔ＝｛ＲＺ３／（ＲＺ１＋ＲＺ３）−ＲＺ４／（ＲＺ２＋ＲＺ４）｝Ｖｉｎ
なお、Ｖｉｎは入力電圧である。

このようにしてＸ軸、Ｙ軸及びＺ軸方向の３軸の加速度を検出できる。

（実施の形態１）
前記の前提技術によるピエゾ抵抗型３軸加速度センサの場合、図４に示すように、重り１０２の中心でかつ加速度センサに垂直な回転軸に対する回転加速度が発生しても、その加速度を検出できない。なぜなら、架梁１０３が垂直方向（Ｚ軸方向）に変形しないので抵抗値に変化が生じないからである。

そこで、本発明の実施の形態１では、前記のピエゾ抵抗素子ＲＸ１〜４、ＲＹ１〜４、ＲＺ１〜４に加えて、加速度センサに垂直な回転軸に対する回転加速度を検出するためのピエゾ抵抗素子ＲＡ，ＲＢ，ＲＣ，ＲＤを配置している。

図５は、本発明の実施の形態１によるピエゾ抵抗型加速度センサにおいて、回転加速度を検出するためのピエゾ抵抗素子の配置例を示す平面図であり、図５（ａ）は全体図、図５（ｂ）は図５（ａ）中の丸で囲んだ部分の拡大図を示す。なお、図５において、便宜上、Ｘ軸、Ｙ軸及びＺ軸方向の加速度検出用のピエゾ抵抗素子ＲＸ１〜４、ＲＹ１〜４、ＲＺ１〜４などは省略している。

図５に示すように、回転加速度検出用のピエゾ抵抗素子ＲＡ，ＲＢ，ＲＣ，ＲＤを架梁１０３の根元部分に斜めに配置する。例えば、ピエゾ抵抗素子ＲＡ，ＲＢ，ＲＣ，ＲＤの長手方向がＸ軸及びＹ軸方向に対して４５度の角度を持つように配置する。図５は、ピエゾ抵抗素子ＲＡ，ＲＢ，ＲＣ，ＲＤの配置の一例であり、これに限定されるものではなく、図５中の丸で囲んだ部分であれば他の箇所に配置してもよく、また、配置される角度は４５度に限らない。

このように、回転加速度検出用のピエゾ抵抗素子ＲＡ，ＲＢ，ＲＣ，ＲＤを新たに配置することにより、加速度センサが重り１０２を中心にした回転運動をする時、回転開始時（回転加速度が生じた時）に、架梁１０３は、５０１の方向に力を受ける。このため、ピエゾ抵抗素子ＲＡ，ＲＢ，ＲＣ，ＲＤを配置した架梁の付け根に圧縮と伸張の相反する応力が発生する。すなわち、加速度センサが回転する際、重り１０２の慣性によって、架梁１０３は水平方向の力を受ける。架梁１０３の上部に形成されたピエゾ抵抗素子ＲＸ１〜４、ＲＹ１〜４、ＲＺ１〜４の抵抗値は変化しないが、架梁１０３の根元は応力を受けるので、そこに形成したピエゾ抵抗素子ＲＡ，ＲＢ，ＲＣ，ＲＤの抵抗値が角加速度に応じて変化する。

例えば、図５（ｂ）において、架梁１０３が右方向に曲がろうとする力を受けると、Ｂ部には圧縮、Ａ部には伸張応力が発生する。ピエゾ抵抗素子ＲＡ，ＲＢは、この応力に対応して、ピエゾ抵抗素子ＲＢは抵抗値が減少し、ピエゾ抵抗素子ＲＢは抵抗値が増加する。

ピエゾ抵抗素子ＲＣ及びＲＤも同様である。これらの抵抗を組み合わせてブリッジ回路を構成することにより、回転加速度に応じた電圧出力を得ることができる。

図６は、本発明の実施の形態１によるピエゾ抵抗型加速度センサの等価回路図である。図６に示すように、Ｘ軸、Ｙ軸及びＺ軸の電圧検出ブリッジ回路に、架梁１０３の根元に形成したピエゾ抵抗素子ＲＡ，ＲＢ，ＲＣ，ＲＤからなる電圧検出ブリッジ回路６０１を加えて、４軸出力とする。図６のＸ軸出力、Ｙ軸出力、Ｚ軸出力及び回転加速度出力を各々測定し、処理することにより、盲点のない３次元モーション・センシングが可能となる。

したがって、本実施の形態１の加速度センサによれば、前提技術によるピエゾ抵抗型３軸加速度センサの盲点であった、加速度センサの中心に垂直な回転軸の角加速度を検出することができる。

また、本実施の形態１による加速度センサ１個で、盲点のないモーション・センシングを実現できるので、部品点数、及びコストを低減することができる。

（実施の形態２）
図７は、本発明の実施の形態２によるピエゾ抵抗型加速度センサにおいて、回転加速度を検出するためのピエゾ抵抗素子の配置例を示す平面図である。

本実施の形態２では、前記実施の形態１におけるピエゾ抵抗素子の配置を変更した例を示す。図７は、図５（ｂ）に対応する部分を示している。

図７に示すように、架梁１０３の根元部分をＹ字型の構造にして、ピエゾ抵抗素子ＲＡ，ＲＢ，ＲＣ，ＲＤを斜めに配置する。

このような構造にすることにより、回転方向の力が加わった時に、架梁１０３の撓み量が増加するため、回転加速度の検出感度が向上する。

また、図には示さないが、他の変形例として、架梁１０３の上部ではなく、架梁１０３の側面にピエゾ抵抗素子ＲＡ，ＲＢ，ＲＣ，ＲＤを配置することも考えられる。

以上、本発明者によってなされた発明をその実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることはいうまでもない。

本発明は、加速度センサ、加速度センサモジュール、空中ペン、携帯電話、ロボット、人体動作検出などに利用可能である。

本発明の前提技術によるピエゾ抵抗型３軸加速度センサの構造を示す斜視図である。本発明の前提技術によるピエゾ抵抗型３軸加速度センサの構造を示す図であり、（ａ）はその平面図、（ｂ）は（ａ）中のＡ−Ａ切断面における断面図である。本発明の前提技術によるピエゾ抵抗型３軸加速度センサの電圧検出ブリッジ回路と架梁変形モデルを示す図であり、（ａ）はＸ軸方向の加速度を検出するための電圧検出ブリッジ回路、（ｂ）はＺ軸方向の加速度を検出するための電圧検出ブリッジ回路、（ｃ）はＸ軸方向に加速度が加わった場合の架梁変形モデル、（ｄ）はＺ軸方向に加速度が加わった場合の架梁変形モデルである。本発明の前提技術によるピエゾ抵抗型３軸加速度センサの盲点を説明するための図である。本発明の実施の形態１によるピエゾ抵抗型加速度センサにおいて、回転加速度を検出するためのピエゾ抵抗素子の配置例を示す平面図であり、（ａ）は全体図、（ｂ）は（ａ）中の丸で囲んだ部分の拡大図である。本発明の実施の形態１によるピエゾ抵抗型加速度センサの等価回路図である。本発明の実施の形態２によるピエゾ抵抗型加速度センサにおいて、回転加速度を検出するためのピエゾ抵抗素子の配置例を示す平面図である。

符号の説明

１０１フレーム
１０２重り
１０３架梁（ビーム）
１０４電極
６０１電圧検出ブリッジ回路
ＲＸ１〜４，ＲＹ１〜４，ＲＺ１〜４，ＲＡ，ＲＢ，ＲＣ，ＲＤピエゾ抵抗素子

Claims

フレームと、
前記フレームの中心部に設けられた重りと、
前記フレームと前記重りとを接続する複数の架梁と、
Ｘ軸方向の加速度を検出するための複数のピエゾ抵抗素子からなる第１のピエゾ抵抗素子群と、
Ｙ軸方向の加速度を検出するための複数のピエゾ抵抗素子からなる第２のピエゾ抵抗素子群と、
Ｚ軸方向の加速度を検出するための複数のピエゾ抵抗素子からなる第３のピエゾ抵抗素子群と、
前記重りの中心軸の回転角速度を検出するための複数のピエゾ抵抗素子からなる第４のピエゾ抵抗素子群と、を有し、
前記第１、第２及び第３のピエゾ抵抗素子群を構成する複数のピエゾ抵抗素子は、それぞれ前記架梁の上部に配置され、
前記第４のピエゾ抵抗素子群を構成する複数のピエゾ抵抗素子は、前記架梁の根元部分に斜めに配置され、
前記第１、第２、第３及び第４のピエゾ抵抗素子群は、それぞれブリッジ回路を構成することを特徴とする加速度センサ。
請求項１記載の加速度センサにおいて、
前記第１、第２、第３及び第４のピエゾ抵抗素子群は、それぞれ４個ずつのピエゾ抵抗素子から成ることを特徴とする加速度センサ。
請求項１記載の加速度センサにおいて、
前記フレーム、前記重り及び前記複数の架梁は、半導体基板から形成されていることを特徴とする加速度センサ。
請求項１記載の加速度センサにおいて、
前記複数の架梁の少なくとも１つは、根元部分がＹ字型の形状となっていることを特徴とする加速度センサ。
請求項１記載の加速度センサにおいて、
前記第４のピエゾ抵抗素子群を構成する複数のピエゾ抵抗素子は、Ｘ軸及びＹ軸方向に対して４５度の角度を持って前記架梁の根元部分に斜めに配置されていることを特徴とする加速度センサ。