JP2008190892A

JP2008190892A - 加速度センサおよびそれを用いた電子機器

Info

Publication number: JP2008190892A
Application number: JP2007022888A
Authority: JP
Inventors: Ryoji Okada; 亮二岡田; Yoshiaki Takada; 良晶高田
Original assignee: Hitachi Metals Ltd
Current assignee: Proterial Ltd
Priority date: 2007-02-01
Filing date: 2007-02-01
Publication date: 2008-08-21

Abstract

【課題】本発明は、レベルが大きく異なる加速度を検出することができるとともに、小型かつ汎用性の高い加速度センサを提供する。
【解決手段】支持枠と、可撓性を有する第１の梁部を介して前記支持枠に保持される第１の錘部と、可撓性を有する第２の梁部を介して前記第１の錘部に保持される第２の錘部とを有し、前記第１の錘部は前記支持枠の内側に配置されるとともに前記第２の錘部は前記第１の錘部の内側に配置され、前記第１の梁部および第２の梁部に、それぞれ第１の加速度センサ部および第２の加速度センサ部が設けられた加速度センサことを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、広く電子機器に用いられる加速度センサに関し、例えば携帯電話や携帯情報端末などの携帯機器、カメラやビデオカメラなどの映像機器、ゲームコントローラやペットロボットなどの玩具、パーソナルコンピュータ、車載機器等に用いられる加速度センサに関する。

加速度センサは、自動車分野におけるエアバックや車両制御などの用途の他、携帯電話などの携帯機器への応用が期待されている。これらのうち、例えば携帯機器等の用途においては、３次元的な動きを検知するために、３軸加速度センサが必要とされる。また、携帯機器においては実装スペースが限られていることから、搭載される加速度センサには特に小型であることが要求される。前記用途においては、検出される加速度は人間の手の微小変位によるものなどで、その大きさは数Ｇ程度である。このような加速度を検知するための加速度センサとしては、検出原理の違いによって、ピエゾ抵抗型（例えば特許文献１、２）、圧電型（例えば特許文献３）、静電容量型などがある。

一方、携帯機器ではその性格上、誤って落下する危険性が高い。落下の衝撃に伴う加速度は数十から数百Ｇ以上の大きなものとなる。ノート型パソコンやハードディスクドライブ内蔵携帯情報端末のように磁気ディスクを内蔵するものは、特に衝撃に対して弱く、落下したときには修理を必要とする程度の損傷に至るケースが多い。この場合、落下した機器に目立った外傷がないことが多く、また機器が受けた衝撃の大きさも確認できないのが普通である。したがって、機器に故障が生じた場合、その故障の原因が落下等の衝撃によるものか否かを事後的に分析することが困難である。このことは、製品保証の判断を困難なものとしており、落下等によって受けた大きな衝撃、すなわち加速度の履歴を確認する必要性が生じていた。このように、加速度センサに対しては、数Ｇ程度の低加速度と数百Ｇ程度の高加速度のレベルの異なる加速度を検出する要求がある。

これに対して、特許文献２には、加速度センサの駆動電圧を切り換えるなどして、高感度検出出力と低感度検出出力を出力する加速度センサ装置が開示されている。該文献では、高感度出力で落下を検知し、低感度出力に切り換えて落下の衝撃を低感度検出加速度信号としてフラッシュメモリに記憶する旨が開示されている。

特開２００４−１９８２８０号公報特開２００５−２４１５０３号公報特開平７−８３６６７号公報

前記特許文献１の加速度センサでは、数Ｇ程度の低加速度は検出することができるが、その構成だけでは数百Ｇ以上の高い加速度を検出することはできない。また、特許文献２に記載の方法を適用する場合であっても、高感度検出出力に対する低感度検出出力のレベルにも限界があり、検出できる加速度の上限も必ずしも十分なものではなかった。また、レベルの異なる加速度を検出する加速度センサとして、落下以外の用途に適用するだけの汎用性に乏しい。これらレベルの異なる加速度を検出するためには、加速度センサを別個に２つ設けることも可能であるが、これではセンサ全体の占有部分が大きくなってしまい、小型化の要請と相容れないものとなってしまう。

特許文献３の角速度センサでは、内側ジンバルに設けた振動励起手段（圧電体薄膜）でジンバルを振動させ、外側ジンバルに発生するコリオリ力を外側ジンバルに設けた変位検出手段（圧電体薄膜）で検知する。内側ジンバルに加速度を検知するセンサ部が設けられておらず、レベルの異なる加速度を検出することはできない。

そこで本発明の目的は、レベルが大きく異なる加速度を検出することができるとともに、小型かつ汎用性の高い加速度センサを提供することを目的とする。

本発明の加速度センサは、支持枠と、可撓性を有する第１の梁部を介して前記支持枠に保持される第１の錘部と、可撓性を有する第２の梁部を介して前記第１の錘部に保持される第２の錘部とを有し、前記第１の錘部は前記支持枠の内側に配置されるとともに前記第２の錘部は前記第１の錘部の内側に配置され、前記第１の梁部および第２の梁部には、それぞれ第１の加速度センサ部および第２の加速度センサ部が設けられた加速度センサである。第１の錘部が第２の錘部に対する支持枠の機能も併せ持つので、加速度センサ全体の小型化を図ることができる。また、加速度センサ部が２つ設けられているので、レベルの異なる加速度領域を独立に検出することができる。

また、前記加速度センサにおいて、作用する加速度に対して前記第１の加速度センサ部が検出する第１の梁部の歪の大きさと、前記第２の加速度センサ部が検出する第２の梁部の歪の大きさが異なることが好ましい。作用する加速度に対して、第１の加速度センサ部が検出する第１の梁部の歪の大きさと第２の加速度センサ部が検出する第２の梁部の歪の大きさとが異なるので、歪の小さい方でより大きな加速度を、歪の大きい方でより小さな加速度を検出することができる。

さらに、前記第２の加速度センサ部が検出する第２の梁部の歪の大きさが、前記第１の加速度センサ部が検出する第１の梁部の歪の大きさよりも小さいことが好ましい。大きな加速度を検出するためには梁の剛性を高める必要があり、支える錘部の質量が大きくなればなるほどより高い剛性が必要とされる。第１の梁部は第１の錘部、第２の梁部および第２の錘部を合せた質量を支えるのに対し、第２の梁部は第２の錘部の質量を支える。したがって、第２の加速度センサ部に小さい歪、すなわち大加速度を検出させる構成にすることによって、同じ剛性であればより大きな加速度まで検出可能となる。

さらに、前記加速センサにおいて、前記第１の加速度センサ部が検出できる最大加速度の大きさと、前記第２の加速度センサ部が検出できる最大加速度の大きさとは、１００倍以上の差があることが好ましい。かかる構成とすることで、振れや揺れに伴う数Ｇ程度の加速度と、衝突や落下に伴う数百Ｇ程度の加速度とを１つの加速度センサで検出することができる。

また、本発明の電子機器は、前記加速度センサと、前記第１の加速度センサ部と第２の加速度センサ部のうち、少なくとも、より大きな加速度を検出できる加速度センサ部の検出出力を記憶する記憶部とを有することを特徴とする。該構成によれば、電子機器が受けた加速度のデータを保存しておくことができる。受けた加速度のうち、特に、大きな加速度の履歴を保存しておくことができるため、例えば携帯機器の故障原因の究明等にも寄与しうる。

本発明によれば、レベルが大きく異なる加速度を検出することができるとともに、小型の加速度センサを提供することができる。また、本発明の電子機器によれば、受けた加速のうち特に大きな加速度のデータを記憶し、受けた加速度の履歴を事後的に利用することができる。

以下、本発明の実施の形態を、図を参照しつつ説明する。なお、これら実施形態により本発明が限定されるものではない。

（センサ概要）
本発明の第1の実施の形態について図１を用いて説明する。図１の（ａ）は３軸加速度センサ素子の斜視図、（ｂ）はその上面図、（ｃ）は（ｂ）のＡ−Ａ’線に沿った断面図である。図１では、歪の検出による加速度検出に関わる部分を示してあり、保護ケースや配線等の要素は省略してある。これらの要素は、従来から周知の構成を用いることができる。図１の加速度センサ素子１では、略正方形形状の支持枠２の内側に、４つの可撓性を有する第１の梁部３を介して第１の錘部４が保持されている。さらに、前記第１の錘部４の内側に、４つの可撓性を有する第２の梁部５を介して第２の錘部６が保持されている。すなわち、２つの錘部が、いわゆる入れ子状に配置されている。正方形形状の支持枠２、第１の錘部４および第２の錘部６は、対向する各辺の長手方向中央で梁によって連結されている。なお、支持枠２に対しては、第１の錘部４だけでなく、その内側に位置する第２の梁部５や第２の錘部６も錘としての作用を及ぼすことになるが、ここでは、図１の符号４で表される枠体の部分を狭義の錘部として第１の錘部と称する。図１（ｃ）の断面図で明らかなように、梁部３、５の厚さは、支持枠２や錘部４，６の厚さよりも薄くしてあるため、加速度が作用したときに、梁部が撓む。第１の梁部３には第１の加速度センサ部７を、第２の梁部５には第２の加速度センサ部８が設けられている。該加速度センサ部が、梁部の歪み量を検出することによって加速度センサとしての機能を発揮する。図１の構成では、加速度センサ部が２つあるため、レベルの異なる加速度を検出することができる。さらに、１つの支持枠の内側に２つの加速度センサ部が設けらており、しかも第１の錘部が第２の錘部に対する支持枠の機能も兼ねているため、センサの大型化を回避して、小型の加速度センサを実現する。

図１の構成では、第１の梁部３の幅および厚さを第２の梁部５のそれよりも大きくすることにより、第２の梁部５の剛性よりも第１の梁部３の剛性の方が高い。該剛性との関係を加味して、作用する加速度に対して第１の加速度センサ部７が検出する第１の梁部３の歪の大きさと、第２の加速度センサ部８が検出する第２の梁部５の歪の大きさが異なったものになるように、第１の錘部３、第２の梁部５および第２の錘部６の質量の和と、第２の錘部６の質量を調整する。図１の構成であれば、同じ加速度に対し、梁部３の歪の大きさが、梁部５の歪の大きさよりも小さくなる。すなわち、第１の梁部３に設けられた第１の加速度センサ部の方が、第２の梁部５に設けられた第２の加速度センサ部よりも大きな加速度レベルまで検出することが可能となり、これによって異なるレベルの加速度を検出できる加速度センサが構成される。図１に示す実施形態では、第１の加速度センサ部７が相対的に大きな加速度を検出する低感度検出部、第２の加速度センサ部８が相対的に小さな加速度を検出する高感度検出部となる。

（梁の数・形）
図１では梁部３、５は、２対、すなわち４本の梁で構成されているが、これらの梁部はそれぞれ４対或いはそれ以上の梁で構成してもよい。また、図１の構成では、第１の錘部、第２の錘部とも正方形状のものを示しているが、細部の形状は限定するものではなく、要は図１で示したＸ方向、Ｙ方向に対する対称性が確保されていればよい。対称性を確保してＸの出力とＹの出力を同等のレベルとすることにより、ブリッジ回路のバランスが取り易くなり、検出回路を含めた全体も小型できる。

（拘束部材）
また、第１の錘部および第２の錘部には、過大な加速度が作用した場合に破損しないように、いわゆるストッパである拘束部材を設けて所定の範囲以上に変位しないようにする。拘束部材を設けないで、加速度センサを構成することもできるが、継続的な使用のためには拘束部材を設けることが好ましい。特に、第１の加速度センサが検出するような大加速度が作用した場合に破損しないように、少なくとも小加速度を検出する第２の加速度センサ部には、拘束部材を設けることが好ましい。例えば拘束部材は、第１の錘部および／または第２の錘部に対して、所定の間隔をあけて板状部材を設ける。拘束部材は、図１の板状の錘部の片面に設けてもよいが、破損を確実に防止するためには両面に設けることが好ましい。第１の錘部の拘束部材は支持枠に固定するなどして、第１の錘部は支持枠との関係において拘束される。一方、第２の錘部の拘束部材は前記第１の錘部の拘束部材と共通化することも可能であるが、各加速度センサ部同士の影響を抑制する観点からは、第２の錘部の拘束部材は、第１の錘部に固定して、第２の錘部は第１の錘部との関係において拘束されることが好ましい。

図４に拘束部材を設けた構成の例を示す。図４の（ａ）は、図１に示す加速度センサの構成、すなわち作用する同じ加速度に対し、第１の加速度センサ部が検出する第１の梁部の歪の大きさが、前記第２の加速度センサ部が検出する第２の梁部の歪の大きさよりも小さくなる加速度センサの構成を用いた例を示す。図１と共通の部材については、符号を省略してある。第１の錘部の拘束部材９は、スペーサ１３を介して支持枠２に固定されている。なお、拘束部材９の固定の際に用いる接着剤の表示は省略してある。さらに、第２の錘部の拘束部材１０は、第１の錘部に接着剤１２を介して固定される。拘束部材１０と一体となった第１の錘部と拘束部材９との間には所定の大きさのギャップＧａｐ２が形成されている。加速度が第２の加速度センサ部の検出範囲内の場合は、該ギャップの範囲内で第２の錘部が変位し、その際の梁部の歪が加速度出力として検出され、過大な加速度が作用した場合は拘束部材１０によって第２の錘部が拘束され破壊が回避される。一方、拘束部材９と第１の錘部との間にも所定の大きさのギャップＧａｐ１が形成されている。加速度が第２の加速度センサ部の検出範囲を超えた場合は、第２の錘部が拘束され、第１の錘部は、拘束部材１０とそれに拘束された前記第２の錘部と一体となって、該ギャップの範囲内で変位する。その際の梁部の歪が加速度出力として検出され、過大な加速度が作用した場合は拘束部材９によって第１の錘部が拘束され、破壊が回避される。すなわち、図４の（ａ）の構成では、各錘部毎に拘束部材が設けられているので、第２の錘部の姿勢状態の変化による第１の梁部の歪への影響が抑制される。

図４の（ｂ）では、作用する同じ加速度に対し、第１の加速度センサ部が検出する第１の梁部の歪の大きさが、前記第２の加速度センサ部が検出する第２の梁部の歪の大きさよりも大きくなる加速度センサの構成において、第２の錘部の拘束部材と、第１の錘部の拘束部材とが、拘束部材１４で共通化されている。拘束部材１４は、スペーサとしての役割を備える接着剤１２を介して支持枠２に固定されている。第１の錘部と拘束部材１４との間には所定の大きさのギャップＧａｐ１が形成されている。一方、拘束部材１４のうち、第２の錘部および第２の梁部に対向する部分は、内側が削り込み等によって、前記第１の錘部とのギャップＧａｐ１よりも、第２の錘部とのギャップＧａｐ２の方が大きくなるようにしてある。加速度が第１の加速度センサ部の検出範囲内の場合は、Ｇａｐ１の範囲内で第１の錘部が変位し、その際の梁部の歪が加速度出力として検出され、過大な加速度が作用した場合は拘束部材１４によって第１の錘部が拘束され破壊が回避される。加速度が第１の加速度センサ部の検出範囲を超えた場合は第１の錘部が拘束され、第２の錘部は、第１の錘部が拘束部材１４に拘束された状態で、さらにＧａｐ２の範囲内で変位する。その際の梁部の歪が加速度出力として検出され、過大な加速度が作用した場合は拘束部材１４によって第２の錘部が拘束され、破壊が回避される。

なお、図４（ｂ）では、各錘部に体対向する部分の拘束部材の厚さを変えて、Ｇａｐ１とＧａｐ２を異なるものとしているが、第１の錘部と第２の錘部の厚さを変えたり、他のスペーサ部材を用いてもよい。このように図４の（ｂ）の構成は、部品点数が減らせるなど、小型化・軽量化、工程の簡略化に寄与する。なお、拘束部材は、別個の拘束部材として設ける他、保護部材やベース基板等、他の機能を果たす部材で兼用させてもよい。拘束部材の役割は、錘部の変位を抑制し、梁部の変形量を規制することである。その結果、梁部の応力が規制され、梁部の破壊が回避される。従って、Ｇａｐ１、Ｇａｐ２は、梁部の最大応力が破壊応力以下になる寸法で無ければならない。梁部に生じる応力は、梁剛性、すなわち厚み、幅の寸法に依存するため、普遍的なＧａｐ１、Ｇａｐ２の定量規定は出来ない。定性的には、安全率を考慮して、梁部の最大応力が梁構成材料の破壊応力の１／数〜１／数十になる寸法範囲が望ましい。

（検出原理）
梁部の歪を検出する加速度センサ部には、ピエゾ抵抗、圧電効果、静電容量などを利用した素子を用いることができる。このうち、ピエゾ抵抗を利用したピエゾ抵抗素子は、半導体プロセスを用いて小型のものを簡易に製造することができるので好ましい。そこで、加速度センサ部としてピエゾ抵抗素子を用いた加速度センサについて以下説明する。まず、第１の加速度センサ部について説明する。図１では、加速度センサの中心を挟んでＸ軸方向に対置された一対の梁の各々に、Ｘ軸方向の加速度成分を検出するためのピエゾ抵抗素子７_Ｘ１および７_Ｘ２、７_Ｘ３および７_Ｘ４が設けられている。また、前記一対の梁には同様に、Ｚ軸方向の加速度成分を検出するためのピエゾ抵抗素子７_Ｚ１および７_Ｚ２、７_Ｚ３および７_Ｚ４が設けられている。一方、加速度センサの中心を挟んでＹ軸方向に対置された一対の梁の各々に、Ｙ軸方向の加速度成分を検出するためのピエゾ抵抗素子７_Ｙ１および７_Ｙ２、７_Ｙ３および７_Ｙ４が設けられている。各軸ともそれぞれ前記４つの素子でブリッジ回路を構成し（図２）、Ｘ軸、Ｙ軸およびＺ軸方向の加速度を下記の式で表される電圧として出力する。なお、ピエゾ抵抗素子７_Ｘ１、７_Ｘ２、７_Ｘ３および７_Ｘ４の抵抗値をＲ_Ｘ１、Ｒ_Ｘ２、Ｒ_Ｘ３およびＲ_Ｘ４とし、７_Ｙ１、７_Ｙ２、７_Ｙ３および７_Ｙ４の抵抗値をＲ_Ｙ１、Ｒ_Ｙ２、Ｒ_Ｙ３およびＲ_Ｙ４とし、７_Ｚ１、７_Ｚ２、７_Ｚ３および７_Ｚ４の抵抗値をＲ_Ｚ１、Ｒ_Ｚ２、Ｒ_Ｚ３およびＲ_Ｚ４とした。
Ｘ軸：Ｖ_ｏｕｔ＝［Ｒ_Ｘ４／（Ｒ_Ｘ１＋Ｒ_Ｘ４）―Ｒ_Ｘ３／（Ｒ_Ｘ２＋Ｒ_Ｘ３）］Ｖ_ｉｎ
Ｙ軸：Ｖ_ｏｕｔ＝［Ｒ_Ｙ４／（Ｒ_Ｙ１＋Ｒ_Ｙ４）―Ｒ_Ｙ３／（Ｒ_Ｙ２＋Ｒ_Ｙ３）］Ｖ_ｉｎ
Ｚ軸：Ｖ_ｏｕｔ＝［Ｒ_Ｚ３／（Ｒ_Ｚ１＋Ｒ_Ｚ３）―Ｒ_Ｚ４／（Ｒ_Ｚ２＋Ｒ_Ｚ４）］Ｖ_ｉｎ

すなわち３軸方向の加速度を検出する３軸加速度センサを実現される。また、同様にして第２の加速度センサ部にもピエゾ抵抗素子８_Ｘ１、８_Ｘ２、８_Ｘ３、８_Ｘ４、８_Ｙ１、８_Ｙ２、８_Ｙ３、８_Ｙ４、８_Ｚ１、８_Ｚ２、８_Ｚ３および８_Ｚ４を設けて、ブリッジ回路を構成し、Ｘ軸、Ｙ軸およびＺ軸方向の加速度を電圧として出力する。

上述のように図１の構成では、第１の梁部３に設けられた第１の加速度センサ部の方が、第２の梁部５に設けられた第２の加速度センサ部よりも大きな加速度レベルまで検出することが可能である。そこで、第１の加速度センサ部７が相対的に大きな加速度を検出する低感度検出部、第２の加速度センサ部８が相対的に小さい加速度を検出する高感度検出部として機能する態様を以下さらに詳細に説明する。例えば数Ｇ程度など、第２の加速度センサ部が検出可能な小さな加速度では、第２の錘部６の変位によって第２の梁部５が歪み、第２の加速度センサ部であるピエゾ抵抗素子に応力が働き、加速度の大きさを電圧として出力する。この場合、第１の錘部４は、それを支える第１の梁部３自体の剛性によって姿勢が保持される。第１の梁の剛性を第２の梁のそれに比べて十分大きければ、作用する加速度によって第１の梁部はほとんど歪むことなく、第２の梁部の歪みとして作用する加速度が検出される。第１の梁部の歪の大きさを検出できる場合は、その大きさを加速度の算出演算に組み込んでもよい。一方、例えば数百Ｇ程度など、第１の加速度センサ部が検出可能な大きな加速度では、第１の錘部４の変位によって第１の梁部３が歪み、第１の加速度センサ部であるピエゾ抵抗素子に応力が働き、加速度の大きさが電圧として出力される。この場合、第２の錘部には過大な加速度が作用するが、大きな第２の梁部が破壊されないように拘束部材で第２の錘部６が拘束されている。このようにして、レベルの異なる加速度を検出することが可能となる。

次に、本発明の第２の実施の形態について図３を用いて説明する。なお、図１の構成と同一の部材、部位については同じ符号を用いている。図３の（ａ）は３軸加速度センサ素子の斜視図、（ｂ）はその上面図、（ｃ）は（ｂ）のＡ−Ａ’線に沿った断面図である。図３の加速度センサ素子１１では、支持枠２、第１の梁部３、第１の錘部４、第２の梁部５および第２の錘部６の相互の位置関係は図１の加速度センサ素子１と同様である。

図３の構成では、第２の梁部５の幅および厚さを第１の梁部３のそれよりも大きくすることにより、第１の梁部３よりも第２の梁部５の方が剛性が高くなるようにしてある。図３の構成は、かかる点で図１の構成と異なる。該剛性との関係を加味して、作用する加速度に対して第１の加速度センサ部７が検出する第１の梁部３の歪の大きさと、第２の加速度センサ部８が検出する第２の梁部５の歪の大きさが異なったものになるように、第１の錘部３、第２の梁部５および第２の錘部６の質量の和と、第２の錘部６の質量を調整する。図３の構成であれば、作用する同じ加速度に対し、第１の加速度センサ部が検出する第１の梁部の歪の大きさが、前記第２の加速度センサ部が検出する第２の梁部の歪の大きさよりも大きくなる。すなわち、第２の梁部５に設けられた第２の加速度センサ部の方が、第１の梁部３に設けられた第１の加速度センサ部よりも大きな加速度レベルまで検出することが可能となり、これによって異なるレベルの加速度を検出できる加速度センサが構成される。図３に示す実施形態では、第１の加速度センサ部７が相対的に小さな加速度を検出する高感度検出部、第２の加速度センサ部８が相対的に大きな加速度を検出する低感度検出部となる。

さらに、図３の構成は、第１の加速度センサ部が検出する加速度レベルと、第２の加速度センサ部が検出する加速度レベルとが、大きく異なる場合の構成として好適である。大きな加速度を検出するためには、その加速度に耐えるため梁の剛性を高める必要があり、支える錘部の質量が大きくなればなるほどより高い剛性が必要とされる。一方、小さな加速度を検出するためには、錘部の質量を増やす、梁部の剛性を下げる等の手段が必要である。第１の梁部３は第１の錘部４、第２の梁部５および第２の錘部６を合せた質量を支えるのに対し、第２の梁部５は第２の錘部の質量を支える。第２の加速度センサ部は、より質量の小さい第２の錘部との関係を主に考慮すればよいので、梁部の歪の大きさも小さいものに設計しやすい。したがって、第２の加速度センサ部は低感度検出に向いている。換言すれば、第２の加速度センサ部に小さい歪、すなわち大加速度を検出させる構成にすることによって、例えば、同じ梁の剛性であればより大きな加速度まで検出可能となると言える。また、第１の加速度センサ部は、高感度検出に向いている。これは前記理由により、第１の梁部３が支える質量を大きくしやすいからである。

前記梁部と錘部の以外の構成・機能については、上述の第１の実施形態と同様とすればよい。なお、図３の構成は、拘束部材について言えば、第２の梁部５が支える質量は第２の錘部６なので、第２の加速度センサ部で大加速度を検出する場合でも、第１の錘部４の拘束状況に左右されにくいため、第２の錘部の拘束部材と前記第１の錘部の拘束部材とを共通化するうえで有利である。

上述の第１の実施形態、第２の実施形態では、梁部の幅、厚さおよび錘部等の質量等の要素を調整することにより、第１の梁部および第２の梁部の歪の大きさを変えているが、梁部の長さを変えてもよいことはもちろんである。これらの要素を変えることによって、支持枠と、可撓性を有する第１の梁部を介して前記支持枠に保持される第１の錘部と、可撓性を有する第２の梁部を介して前記第１の錘部に保持される第２の錘部とを有し、前記第１の錘部は前記支持枠の内側に配置されるとともに前記第２の錘部は前記第１の錘部の内側に配置され、前記第１の梁部および第２の梁部に、それぞれ第１の加速度センサ部および第２の加速度センサ部が設けられた加速度センサの態様の１つとして、以下の構成を採用することもできる。すなわち、作用する加速度に対して第１の加速度センサ部が検出する第１の梁の歪の大きさと、第２の加速度センサ部が検出する第２の梁の歪の大きさを等しいものとしても良い。この場合は、同じ検出加速度レベルの加速度センサ部が２つ存在することになるが、個々の各センサ部を駆動する回路の駆動電圧やアンプの倍率を変えるなどして感度を異なるものとすることによって、レベルの異なる加速度を検出することができ、また小型化の効果も併せ持つ。なお、上述の実施形態１、２は、加速度センサ部の構造自体が、異なる加速度レベルに対応しているので、レベルがより大きく異なる加速度を検出する点では、上述の実施形態１、２がより好ましい。また、上述の各センサ部を駆動する回路の駆動電圧やアンプの倍率を変えるなどして感度を変える手段は、実施形態１および２に適用できるのはもちろんであり、かかる構成は検出する加速度のレベルの差がより大きい場合に好適である。

上述の構成を用いて、第１の加速度センサ部が検出できる最大加速度の大きさと、前記第２の加速度センサ部が検出できる最大加速度の大きさとは１００倍以上の差を設けると、振れや揺れに伴うの加速度と、衝突や落下に伴う衝撃による加速度とを１つの加速度センサで検出できる加速度センサが実現できる。特に、作用する加速度に対して前記第１の加速度センサ部が検出する第１の梁部の歪の大きさと、前記第２の加速度センサ部が検出する第２の梁部の歪の大きさを異なるものとした実施形態１および２の構成の加速度センサは、検出しようとする最大加速度の差が特に大きい場合に好適であり、その差が１０００倍以上とすることで、高所からの落下或いは高速での衝突の用途にも適用できる。

（製造方法・作製手順）
図３および図４の（ａ）の構造を用いた加速度センサを例として、本発明に係る加速度センサの組立の概要を、図５を用いて説明する。保護ケース１８に、加速度センサ素子１７を硬質プラスチック球（例えばφ１０μｍ）を含有した接着剤（図示せず）で固着する。加速度センサ素子１７の第１の錘部の底面と拘束部材として機能する保護ケース１８の内底との間隔Ｇａｐ１は、硬質プラスチック球の球径である１０μｍ相当となる。この場合は、保護ケース１８の内底が拘束部材を兼ねる。加速度センサ素子１７の周辺部に形成された端子と、端子形成部１９に形成された保護ケース１８側の端子とはワイヤ（図示せず）で接続する。例えばφ２５μｍの金裸線ワイヤを用い、超音波ワイヤボンディングで接合すればよい。加速度センサ素子の上にφ１０μｍの硬質プラスチック球を含有した接着剤（図示せず）で拘束部材１６を固着する。拘束部材１６には、厚さ０．３ｍｍの青板ガラスを用いる。保護ケース蓋１５を保護ケース１８にエポキシ系の樹脂で固着して加速度センサを得る。加速度センサ素子１７は、図３のような形状に形成される。一方の面には複数個のピエゾ抵抗素子が形成される。配線パターンおよび端子の図示は省略した。加速度センサ素子は、支持枠、錘部、梁部を一体で形成してもよいし、錘部等の部材を別々に形成した後、それらの部材を接着して複合体を形成しても良い。

加速度センサ素子の製造方法についてさらに詳述する。例として、一体型の加速度センサ素子の製造方法を説明する。例えば、シリコン板にシリコン酸化層とシリコン層を有するＳＯＩウェファを使用する。フォトレジストでパターニングを行い、シリコン層にボロンを例えば１〜３×１０^１８原子／ｃｍ^３打ち込み、ピエゾ抵抗素子を作製する。ピエゾ抵抗素子を外部のイオンから保護するためと、シリコンと配線パターンおよび電極との絶縁を確保するため、０．２〜０．５μｍ厚の保護膜（ＳｉＯ_２）を被覆する（ステップ１）。ピエゾ抵抗素子に接続する配線パターンと電極を、金属スパッタ−装置とドライエッチング装置を用いて形成する（ステップ２）。フォトリソグラフィー装置とドライエッチング装置を用いて、シリコン層に、梁部、錘部および支持枠を形成する（ステップ３）。シリコン酸化層がエッチングストッパとなるため、エッチングされるのはシリコン層のみである。ピエゾ抵抗素子面を下にしてＳＯＩウェファをダミー基板に、熱伝導の高い金属粉末を樹脂に混練したもの等を用いて接着した。ＳＯＩウェファのシリコン板をドライエッチングするには、ＳＦ_６と酸素を導入したプラズマ内で行うため、被加工物の冷却が重要である。（ステップ４）ドライエッチングされるのはシリコン板のみで、シリコン酸化層は残っている。ダミー基板に付けたままウェファを弗酸溶液に浸け、シリコン酸化層を化学エッチングで除去する（ステップ５）。梁部等が形成されたＳＯＩウェファがダミー基板に接着された状態で、ＳＯＩウェファを切断機でチップ状に分離する。さらに溶剤を用いて接着樹脂を溶かし、加速度センサ素子をダミー基板から取り外すことによって加速度センサ素子を得る（ステップ６）。

また、複合体を形成して加速度センサを製造する場合は、例えば、ピエゾ抵抗素子を形成するまでは、上述の一体型の場合と同様の工程を適用する。錘部の裏側の肉厚の部分等を別個に作製し、接着剤でウェファに接着した後、切断して加速度センサ素子を得る。複合体による加速度センサ素子の形成は、複雑な形状や異材質を適用する場合に好適である。

（履歴保存の携帯機器）
携帯機器を、前記加速度センサと、前記第１の加速度センサ部と第２の加速度センサ部のうち、少なくとも、より大きな加速度を検出できる加速度センサ部の検出出力を記憶する記憶部とを有するものとすれば、携帯機器が受けた加速度のデータを保存しておくことができる。加速度のデータの保存は、以下のように行うことができる。第１の加速度センサ部および第２の加速度センサ部のうち、より小さな加速度を検出する加速度センサ部（以下、小加速度検出部とする）の出力に基づいて、大きな加速度を検出する加速度センサ部（以下、大加速度検出部とする）の検出出力の記憶を行う。例えば、小加速度検出部の出力と予め設定された閾値に基づき落下を判定する回路部によって、落下していると判断されて落下フラグを発生される。前記落下フラグはデータ保存を制御する制御部であるマイコンに入力され、前記マイコンは、大加速度検出部から得られる各軸の加速度信号（ＸＬ，ＹＬ，ＺＬ）を記憶部であるフラッシュメモリなどの不揮発性のメモリに書き込むように制御する。これにより、落下判定は小加速度検出部の検出加速度値に基づいて行われ、フラッシュメモリへの記録は大加速度検出部の検出加速度信号によって行われる。記録される加速度のデータは機器が受けた最大加速度を更新していくようしてもよいし、所定の閾値以上の加速度の作用回数を確認できるように記録してもよい。このようにして機器が受けた加速度、特に加速度の履歴を保存しておくことができるため、携帯機器等の機器の故障原因究明等にも供することができる。

（実施例５）
なお、本発明は広範囲の加速度を検出する加速度センサ素子構造に関するものであり、その検出方法は、ピエゾ方式に限定されるものではない。第１の錘と第２の錘について各々の変位を静電容量の変化で計測する方式でも良い。その一例を図６で説明する。図６の（ａ）は３軸加速度センサ素子用の基板の斜視図、（ｂ）は前記基板に電極膜を形成した様子を示す上面図、（ｃ）は（ｂ）に対向基板や拘束部材等を付加した３軸加速度センサ素子を（ｂ）のＡ−Ａ’線に沿ってみた断面図である。基板２１の構造は、図１（ａ）から加速度センサ部７及び８を除いたものと同じにした。まず、図６（ｂ）に示すように、基板２１の上面には電極膜２５，２６，２７及び２８と、前記電極膜に導通する配線膜（図示を省略）とを形成した。ついで、図６（ｃ）に示すように、スペーサ２４を介して対向基板２９を設け、錘側には他のスペーサ２３を介して拘束部材９を設けることで、加速度センサ素子を構成した。なお、スペーサ２４は電極膜に導通する配線膜の一部に跨るように設けるが、配線膜には予め酸化物保護膜を被覆しておき、前記酸化物保護膜とスペーサ２４間をＡｕＳｎ系ハンダで接合するようにした。また、対向基板２９には、予め選択的エッチングで貫通孔を形成し、前記貫通孔に導電材を埋め込んでビア電極３９を形成し、ついで各々のビア電極と導通するように対向電極膜３５，３６，３７及び３８を形成しておいた。ビア電極及び対向電極膜３５，３６，３７及び３８は、電極膜２５，２６，２７及び２８と対向させてキャパシタンスを形成するため、（ｂ）の電極膜のパターンとは鏡像対称のパターンとなるように対向基板２９に形成した。その結果、第２の錘部６には電極２６_ｚと電極３６による静電容量Ｃ５が形成され、第２の梁部５の各々には、電極２８_ｘ１と対向する電極３８による静電容量Ｃ１、電極２８_ｘ２と対向する電極３８による静電容量Ｃ２、電極２８_ｙ１と対向する電極による静電容量Ｃ３、電極２８_ｙ２と対向する電極による静電容量Ｃ４が形成され、Ｃ１〜Ｃ５の５個の静電容量で３軸を検知する第２の加速度センサ部を構成した。第１の錘部４には電極２５_ｚ１，２５_ｚ２，２５_ｚ３及び２５_ｚ４と対向する電極による静電容量Ｃ１０が形成され、第１の梁部３の各々には、電極２７_ｘ３と対向する電極３７による静電容量Ｃ６、電極２７_ｘ４と対向する電極３７による静電容量Ｃ７、電極２７_ｙ３と対向する電極による静電容量Ｃ８、電極２７_ｙ４と対向する電極による静電容量Ｃ９が形成され、Ｃ６〜Ｃ１０の５個の静電容量で３軸を検知する第１の加速度センサ部を構成した。基板２１を用いると、第１の梁部の幅が狭いために電極膜２８の面積を大きくすることはできない。したがって、電極膜２８と電極膜３８間における静電容量は、他の対向する電極膜間における静電容量よりも小さくなる。

（実施例６）
他の実施例として、第１の錘及び第２の錘について圧電体薄膜を用いて加速度を検知する方式の一例を図７に示す。図７の（ａ）は３軸加速度センサ素子用の基板の斜視図、（ｂ）は前記基板に共通電極膜と圧電体薄膜と複数の電極膜を形成した様子を示す上面図、（ｃ）は（ｂ）の錘部側に拘束部材を付加した３軸加速度センサ素子を（ｂ）のＡ−Ａ’線に沿ってみた断面図である。基板２１の構造は、図１（ａ）の構成から加速度センサ部７及び８を除いた基板だけの構成と同じである。ついで、図７（ｃ）に示すように、基板２１の上面には共通電極膜４４を全面に形成し、支持枠２の部分よりも内側となるように前記共通電極膜４４上に圧電体薄膜４９を形成し、ついで前記圧電体薄膜４９上に電極膜４５，４６，４７及び４８と、配線膜（図示を省略）とを形成した。さらに、基板２１の錘側にはスペーサ２３を介して拘束部材９を設けることで、加速度センサ素子を構成した。基板２１を用いると、第１の梁部の幅が狭いため、電極膜４８の面積を大きくできず、電極膜４８と共通電極膜４４とそれらに挟まれた部分の圧電体薄膜４９によって構成される圧電体素子は、他の電極膜と共通電極膜３４とそれらに挟まれた部分の圧電体薄膜４４によって構成される圧電体素子よりも小さくなる。

（比較例１）
比較例１について図８を用いて説明する。図８の（ａ）は２軸加速度センサ素子の斜視図、（ｂ）はその上面図、（ｃ）は（ｂ）のＡ−Ａ’線に沿った断面図である。図８の加速度センサ素子１１１では、略正方形形状の支持枠１０２の内側に、４つの可撓性を有する第１の梁部１０３を介して第１の錘部１０４が保持されている。さらに、前記第１の錘部１０４の内側に、４つの可撓性を有する第２の梁部１０５を介して第２の錘部１０６が保持されている。２つの錘部が、いわゆる入れ子状に配置されている。しかしながら、比較例１は次の点で実施例１とは異なる。すなわち、第１の梁部１０３のうち、対向する１対の梁部は幅が細いため、加速度センサ部１０７が設けられていない。第２の梁部１０５のうち、対向する１対の梁部は幅が細いため、加速度センサ部１０８が設けられていない。幅の狭い梁があるため、素子面積に制限があって検知軸が２軸となり、３軸加速度センサとしては使用できない。

（比較例２）
比較例２について図９を用いて説明する。図９の（ａ）は３軸加速度センサ素子の斜視図、（ｂ）はその上面図、（ｃ）は（ｂ）のＡ−Ａ’線に沿った断面図である。図９の加速度センサ素子２１１では、略正方形形状の支持枠２０２の内側に、４つの可撓性を有する第１の梁部２０３を介して第１の錘部２０４が保持されている。さらに、前記第１の錘部２０４の内側に、４つの可撓性を有する第２の梁部２０５を介して第２の錘部２０６が保持されている。２つの錘部が、いわゆる入れ子状に配置されている。しかしながら、比較例２は次の点で実施例１とは異なる。すなわち、加速度センサ部２０７を有する第１の梁部２０３のうち、対向する１対の梁部は幅が細く、幅が太い方の１対の梁部とは非対称になっている。加速度センサ部２０８を有する第２の梁部１０５のうち、対向する１対の梁部は幅が細く、幅が太い方の１対の梁部とは非対称になっている。梁の幅が非対称であるため、入れ子状の形状であっても、Ｘ軸とＹ軸の感度が異なり、実用的な低感度出力及び高感度出力を精度よく得ることが困難である。この３軸加速度センサ素子に出力の軸方向感度を校正する回路を付加すると、装置の小型化が困難であるだけでなく、センサ素子１個づつ感度調整することが必要となり実用的ではない。

実施例１〜６と比較例１，２の違いを表１に示す。実施例のようにＸ軸とＹ軸の幅を対称にすると（梁幅の対称性＝○）、低感度出力及び高感度出力ともに得ることができる（○）。これに対して、比較例１では狭い梁にピエゾ抵抗を形成できず（×）、比較例２ではＸ及びＹ軸方向で感度が異なる（△）。なお、実施例５及び６は、梁幅により素子面積が制限されるので出力信号を大きくすることが難しい。従って、十分な大きさの出力信号を得るには実施例１〜４を用いることが好ましい。

（実施例７，８）
実施例１における梁の厚さの関係のみを変えて実施例７及び実施例８の加速度センサを作製した。実施例7は第２の梁部の厚さを第１の梁部と同じ厚さとし、実施例８は第２の梁部の厚さを第１の梁部の厚さよりも薄くした。評価結果を表２に示す。実施例１の製造工程では、厚い第２の梁部を得るエッチングと、薄い第１の梁部を得るエッチングと、梁部を設ける基板を貫通するエッチングとを要するため、エッチングの工数が多くなってしまう。エッチング毎にレジスト形成等のプロセスも付随するため、全体の工数も急激に増大する。これに対して、実施例７の製造工程では、第２及び第１の梁部を得るエッチングと、梁部を設ける基板を貫通するエッチングとを要するが、実施例１よりも工数が少なくて済む。検出する加速度のレンジに広さや低感度域と高感度域分離について、実施例７は実施例１よりも劣るが実用可能な範囲である。実施例８はレンジが狭くなり、低感度域と高感度域の明確な分離が難しくなった。なお、表２において、狭幅梁厚＝広幅梁厚とは、第２の梁部と第１の梁部を１回のエッチングで同時に形成した構造であることを意味する。

本発明の加速度センサの実施形態を示す図である。本発明の加速度センサの検出回路を示す図である。本発明の加速度センサの他の実施形態を示す図である。本発明の加速度センサの一部の断面を示す図である。本発明の加速度センサの分解斜視図である。本発明の加速度センサの他の実施形態を示す図である。本発明の加速度センサの他の実施形態を示す図である。比較例の加速度センサを示す図である。他の比較例の加速度センサを示す図である。

符号の説明

１、１１、１７：加速度センサ素子
２：支持枠
３：第１の梁部
４：第１の錘部
５：第２の梁部
６：第２の錘部
７：第１の加速度センサ部
８：第２の加速度センサ部
９、１０、１４、１６：拘束部材
１２：接着剤
１３：スペーサ
１５：保護ケース蓋
１８：保護ケース
１９：端子形成部

Claims

支持枠と、可撓性を有する第１の梁部を介して前記支持枠に保持される第１の錘部と、可撓性を有する第２の梁部を介して前記第１の錘部に保持される第２の錘部とを有し、前記第１の錘部は前記支持枠の内側に配置されるとともに前記第２の錘部は前記第１の錘部の内側に配置され、前記第１の梁部および第２の梁部に、それぞれ第１の加速度センサ部および第２の加速度センサ部が設けられた加速度センサ。
作用する加速度に対して前記第１の加速度センサ部が検出する第１の梁部の歪の大きさと、前記第２の加速度センサ部が検出する第２の梁部の歪の大きさが異なることを特徴とする請求項１に記載の加速度センサ。
前記第１の加速度センサ部が検出する第１の梁部の歪の大きさが、前記第２の加速度センサ部が検出する第２の梁部の歪の大きさよりも大きいことを特徴とする請求項２に記載の加速度センサ。
前記第１の加速度センサ部が検出できる最大加速度の大きさと、前記第２の加速度センサ部が検出できる最大加速度の大きさとは１００倍以上の差があることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の加速度センサ。
請求項１〜４のいずれかに記載の加速度センサと、前記第１の加速度センサ部と第２の加速度センサ部のうち、少なくとも、より大きな加速度を検出できる加速度センサ部の検出出力を記憶する記憶部とを有する電子機器。