JP2011002300A

JP2011002300A - ３軸加速度センサ

Info

Publication number: JP2011002300A
Application number: JP2009144391A
Authority: JP
Inventors: Minoru Nagato; 実永渡
Original assignee: Mitsumi Electric Co Ltd
Current assignee: Mitsumi Electric Co Ltd
Priority date: 2009-06-17
Filing date: 2009-06-17
Publication date: 2011-01-06
Also published as: WO2010146818A1

Abstract

【課題】オフセットの発生を抑制しつつ、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸方向の加速度感度を調整できる、特性の良い３軸加速度センサを提供する。
【解決手段】Ｘ軸方向、Ｙ軸方向及びＺ軸方向の加速度検出用ピエゾ抵抗素子ｘ１〜ｘ４，ｙ１〜ｙ４，ｚ１〜ｚ４は、梁１４ａ，１４ｂ，１４ｃ，１４ｄの長手方向に亘って形成されている。これに加えて、感度調整用ピエゾ抵抗素子２１〜２４が、梁１４ａ，１４ｃの長手方向に略直交する方向に亘って形成されており、感度調整用ピエゾ抵抗素子２１〜２４は、加速度検出用ピエゾ素子ｘ１〜ｘ４に電気的に接続されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、ピエゾ抵抗素子を用いてＸ、Ｙ及びＺ軸方向の加速度を検出する３軸加速度センサに関する。

従来、この種の３軸加速度センサとして、例えば特許文献１で開示されているものがある。図１０に示すように、この３軸加速度センサ１は、枠２と、枠２内に設けられた錘３（３ａ〜３ｄ）と、枠２と錘３とを連結する十字梁４（４ａ〜４ｄ）と、を有する。十字梁４を構成する各梁４ａ〜４ｄは、ピエゾ抵抗素子を有する肉薄の可撓性部材となっている。

図１１に示すように、ピエゾ抵抗素子ｘ１〜ｘ４，ｙ１〜ｙ４，ｚ１〜ｚ４は、各梁４ａ〜４ｄ上に形成されている。具体的には、梁４ａとそれに対向する梁４ｃには、Ｘ軸方向用のピエゾ抵抗素子ｘ１〜ｘ４とＺ軸方向用のピエゾ抵抗素子ｚ１〜ｚ４が形成されている。また、梁４ｄとそれに対向する梁４ｂにはＹ軸用のピエゾ抵抗素子ｙ１〜ｙ４が形成されている。図１２に、図１１のＡ−Ａ’断面（ピエゾ抵抗素子ｘ１〜ｘ４を含む断面）を示す。また図１３に、梁４ａを拡大した平面図を示す。

各軸用のピエゾ抵抗素子ｘ１〜ｘ４，ｙ１〜ｙ４，ｚ１〜ｚ４はそれぞれホイートストンブリッジ接続されており、３軸加速度センサ１はピエゾ抵抗素子ｘ１〜ｘ４，ｙ１〜ｙ４，ｚ１〜ｚ４の抵抗に応じて変化するホイートストンブリッジの出力に基づいて、Ｘ，Ｙ，Ｚ軸方向の加速度を検出するようになっている。

つまり、３軸加速度センサ１においては、加速度によって錘３が受ける慣性力に応じて梁４ａ〜４ｄが撓み、これに応じて梁４ａ〜４ｄ上に形成されたピエゾ抵抗素子ｘ１〜ｘ４，ｙ１〜ｙ４，ｚ１〜ｚ４の抵抗が変化し、この抵抗変化に応じてＸ，Ｙ，Ｚ軸方向の加速度を検出する。

ところで、図１１及び図１３に示したように、Ｘ軸方向（又はＹ軸方向）用のピエゾ抵抗素子ｘ１〜ｘ４と、Ｚ軸方向用のピエゾ抵抗素子ｚ１〜ｚ４は、梁４ａ，４ｃの長手方向の同位置に配置されている。

しかし、単純にピエゾ抵抗素子を梁の長手方向の同位置に配置すると、Ｘ軸方向及びＹ軸方向の加速度感度と、Ｚ軸方向の加速度感度との間に感度の差が生じてしまう。これは、Ｘ軸方向及びＹ軸方向での梁への変形力は回転モーメントによって与えるのに対して、Ｚ軸方向での梁への変形力は単純に錘の質量×加速度によって与えられるためである。また、Ｘ軸方向及びＹ軸方向の加速度はそれぞれ２つの梁で受けとめられ、２つの梁の変形量として現れるのに対して、Ｚ軸方向の加速度は４つの梁で受けとめられ、４つの梁の変形量として現れるためである。

ところで、Ｘ軸，Ｙ軸，Ｚ軸方向用のピエゾ抵抗素子を介して得られた出力は、アンプによって増幅される。Ｘ，Ｙ，Ｚ軸方向の加速度感度に差が生じると、その出力を増幅するためのアンプの増幅率を軸方向に応じて変えなければならず、つまり軸方向毎に異なる増幅率のアンプを別々に設けなければならず、その分だけ回路構成が複雑化する問題がある。これに対して、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸方向用のピエゾ抵抗素子の加速度感度が略同じであれば、アンプの増幅率を変える必要がないので、１つのアンプのみを設け、この１つのアンプを３軸方向で共用することができるので、回路構成を簡単化できる。具体的には、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸方向用のピエゾ抵抗素子を介して得られた出力を、マルチプレクサ等を用いて時系列で１つのアンプに順次入力させることで、１つのアンプのみで３方向の検出出力を得ることができる。

このように、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸方向用のピエゾ抵抗素子の加速度感度を等しくすることは、回路構成を簡単化できるメリットがある。

各軸方向間のピエゾ抵抗素子の加速度感度を等しくする一つの方法として、特許文献２に開示されている方法がある。特許文献２に開示されている方法は、図１４に示すように、Ｘ軸方向（又はＹ軸方向）のピエゾ抵抗素子ｘ１，ｘ２と、Ｚ軸方向のピエゾ抵抗素子ｚ１，ｚ２との梁４ａの長手方向の相対的な配置位置をずらすことにより、Ｘ軸方向（又はＹ軸方向）とＺ軸方向との加速度感度を等しくした（つまりＸ軸方向とＺ軸方向の出力差を小さくした）ものである。図１４は、Ｚ軸方向のピエゾ抵抗素子ｚ１，ｚ２の感度がＸ軸方向のピエゾ抵抗素子ｘ１，ｘ２の感度よりも低い場合に、Ｚ軸方向用のピエゾ抵抗素子ｚ１，ｚ２を、より応力の高い梁４ａの付け根方向に配置することで、Ｚ軸の感度を上げて、Ｘ軸方向とＺ軸方向の出力差を小さくした例である。

また、別の方法として、特許文献３に開示されている方法がある。特許文献３に開示されている方法は、ピエゾ抵抗素子の長さを変えることで、ピエゾ抵抗素子に加わる平均応力を低下させ、これにより各軸方向間のピエゾ抵抗素子の加速度感度を等しくするものである。

特開２００３−１７２７４５号公報特開２００３−２７９５９２号公報特開２００６−１７７８２３号公報

ところで、特許文献２や特許文献３で開示された方法は、梁上の対称性を崩すので、例えば通電時にピエゾ抵抗素子間で発熱による温度分布のアンバランスが生じ、この温度分布のアンバランスによってピエゾ抵抗素子間でオフセットが発生することが予測される。また、オフセットを補正するためには、オフセット補正回路が別途必要となるので、この分だけ回路構成が複雑化する。

また、特許文献２で開示された方法は、各軸方向用のピエゾ抵抗素子間での抵抗値の差が大きくなるので、流れる電流の差が大きくなり、温度分布のアンバランスがより生じ易くなるおそれがある。

本発明は、かかる点を考慮してなされたものであり、オフセットの発生を抑制しつつ、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸方向の加速度感度を調整できる、特性の良い３軸加速度センサを提供する。

本発明の３軸加速度センサの一つの態様は、枠部と、錘部と、可撓性部材でなり、前記枠部と前記錘部とを連結する梁部と、前記梁部を構成する各梁の長手方向に亘って形成され、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向及びＺ軸方向の加速度検出用ピエゾ抵抗素子と、前記梁部を構成する梁の長手方向に略直交する方向に亘って形成され、かつ前記加速度検出用ピエゾ素子に電気的に接続された感度調整用ピエゾ抵抗素子と、を具備する構成を採る。

本発明によれば、オフセットの発生を抑制しつつ、効率的に感度の調整を行うことができるので、特性の良い３軸加速度センサを得ることができる。

本発明の実施の形態に係る３軸加速度センサの外観構成を示す斜視図ピエゾ抵抗素子の十字梁での概略配置を示す平面図増幅回路の構成例を示す接続図梁の変形の説明に供する断面図梁の変形の説明に供する断面図ピエゾ抵抗素子及び感度調整素子の配置を示す平面図ピエゾ抵抗素子及び感度調整素子の配置を示す平面図Ｘ軸方向用のピエゾ抵抗素子の回路イメージを示す接続図他の実施の形態における、ピエゾ抵抗素子及び感度調整素子の配置を示す平面図他の実施の形態における、ピエゾ抵抗素子及び感度調整素子の配置を示す平面図従来の３軸加速度センサの外観構成を示す斜視図ピエゾ抵抗素子の配置を示す平面図ピエゾ抵抗素子の配置を示す断面図ピエゾ抵抗素子の配置を示す平面図ピエゾ抵抗素子の配置を示す平面図

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。

［１］全体構成
図１に、本発明の実施の形態に係る３軸加速度センサの外観構成を示す。３軸加速度センサ１０は、枠１２と、枠１２内に設けられた錘１３（１３ａ〜１３ｄ）と、枠１２と錘１３とを連結する十字梁１４（１４ａ〜１４ｄ）と、を有する。十字梁１４を構成する各梁１４ａ〜１４ｄは、ピエゾ抵抗素子を有する肉薄の可撓性部材となっている。

十字梁１４は、中心部分でクローバ状の錘１３と連結されている。この十字梁１４の中心部分は、肉薄で可撓性の十字梁１４が加速度に応じて撓むのに対して、加速度が加わっても錘１３を支持して撓まないため、中心非可動部１５と呼ぶことにする。

また、枠１２には、ピエゾ抵抗素子に接続され、当該ピエゾ抵抗素子に電圧を印加し及びピエゾ抵抗素子からの出力を取り出すための端子部１６（１６ａ〜１６ｄ）が形成されている。

図２に、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸方向用のピエゾ抵抗素子が、十字梁１４上のどの位置に配置されているかの概略を示す。なお、ピエゾ抵抗素子の詳細な配置については後述する。

梁１４ａには、Ｘ軸方向用及びＺ軸方向用のピエゾ抵抗素子ｘ１，ｘ２，ｚ１，ｚ２が形成されている。同様に、梁１４ｃには、Ｘ軸方向用及びＺ軸方向用のピエゾ抵抗素子ｘ３，ｘ４，ｚ３，ｚ４が形成されている。

Ｘ軸方向用のピエゾ抵抗素子ｘ１〜ｘ４とＺ軸方向用のピエゾ抵抗素子ｚ１〜ｚ４は、梁１４ａ，１４ｃの長手方向（Ｘ方向）の同位置に並列に配置されている。よって、その対称性が確保されている。

梁１４ｄ，１４ｂには、Ｙ軸方向用のピエゾ抵抗素子ｙ１〜ｙ４が形成されている。ここで各ピエゾ抵抗素子ｘ１〜ｘ４，ｙ１〜ｙ４，ｚ１〜ｚ４は、梁１４における、枠１２の近傍位置と、中心非可動部１５の近傍位置に形成されている。つまり、ピエゾ抵抗素子ｘ１〜ｘ４，ｙ１〜ｙ４，ｚ１〜ｚ４は、加速度によって梁１４が撓み易い、梁１４の付け根部分に形成されている。

なお、本実施の形態では、Ｘ軸方向用のピエゾ抵抗素子ｘ１〜ｘ４と、Ｚ軸方向用のピエゾ抵抗素子ｚ１〜ｚ４を同一の梁上に形成したが、本実施の形態の３軸加速度センサ１０は構造上、Ｘ軸とＹ軸は等価なので、Ｙ軸方向用のピエゾ抵抗素子ｙ１〜ｙ４とＺ軸方向用のピエゾ抵抗素子ｚ１〜ｚ４を同一梁上の同位置に並列に配置してもよい。

各軸方向用のピエゾ抵抗素子ｘ１〜ｘ４，ｙ１〜ｙ４，ｚ１〜ｚ４は、梁１４上又は枠１２上で金属配線又は高濃度拡散配線によって、ホイートストンブリッジ接続されている。梁１４に撓みが生じると、ピエゾ抵抗素子ｘ１〜ｘ４，ｙ１〜ｙ４，ｚ１〜ｚ４に撓み量に応じた抵抗変化が生じる。ピエゾ抵抗素子ｘ１〜ｘ４，ｙ１〜ｙ４，ｚ１〜ｚ４の抵抗変化は、ホイートストンブリッジの出力電圧の変化として現れる。

ホイートストンブリッジからの出力は、一般に加速度１Ｇに対して０．５〜５［ｍＶ］と小さいため、一般にその出力を増幅する回路が必要となる。図３に、その増幅回路の構成を示す。端子部１６から出力された各軸の出力はマルチプレクサに入力される。マルチプレクサは、Ｘ出力１とＸ出力２、Ｙ出力１とＹ出力２、Ｚ出力１とＺ出力２のいずれかを時分割で選択してアンプに出力する。

本実施の形態においては、各軸のセンサ出力を増幅するアンプを共用している。このように、アンプを共用できるのは、本実施の形態の３軸加速度センサ１０が、各軸で得られる加速度感度を等しくできるためである。その構成については、後述する。

ここで、３軸加速度センサの製造方法自体は、既知の技術であるので詳述しないが、簡単に説明する。梁１４は、Ｓｉ基板を材料として、半導体プロセスにより製造される。Ｓｉ基板としては、ＳｉＯ_２酸化膜層をＳｉで挟み込んだＳＯＩ基板を使用する。ピエゾ抵抗素子ｘ１〜ｘ４，ｙ１〜ｙ４，ｚ１〜ｚ４はＢ（ボロン）又はＰ（リン）といった不純物を、イオン・インプランテーションによってＳｉ基板中に注入することで形成する。高濃度拡散配線や金属配線（Ａｌ等）を形成した後に、ドライ・エッチングによって構造体を形成する。

次に、図４及び図５を用いて、梁１４の変形について簡単に説明する。図４は、Ｘ軸方向及びＹ軸の変形の様子を模式的に示したものであり、図５は、Ｚ軸方向の変形の様子を模式的に示したものである。Ｘ軸方向（又はＹ軸方向）の加速度を受けると、梁１４は図４のように変形する。Ｚ軸方向の加速度を受けると、梁は図５のように変形する。このような梁の変形に伴って、梁表面に曲げ応力が発生する。梁表面に発生した曲げ応力は、ピエゾ抵抗素子の抵抗値を変化させる。

図４から分かるように、３軸加速度センサ１０にＸ軸方向及びＹ軸方向の加速度が加えられると、錘１３は回転するような動きをするので、Ｘ軸方向及びＹ軸方向の加速度は、梁部１４にモーメントとして作用する。一方、３軸加速度センサ１０にＺ軸方向の加速度が加えられると、Ｚ軸方向の加速度は、梁部１４にモーメントではなく単純にＺ軸方向への力として作用する。よって、Ｘ軸方向及びＹ軸方向の加速度が加えられたときと、Ｚ軸方向の加速度が加えられたときとでは、梁部１４の撓み状態が異なる。この撓み状態の違いが、Ｘ軸方向及びＹ軸方向の感度（出力）と、Ｚ軸方向の感度（出力）とに差が生じる主原因である。

［２］ピエゾ抵抗素子及び感度調整素子の詳細構成
次に、本実施の形態のピエゾ抵抗素子及び感度調整素子の詳細構成を説明する。

図６Ａは梁１４ａに形成されたピエゾ抵抗素子（以下、加速度検出用ピエゾ抵抗素子と呼ぶこともある）及び感度調整素子（以下、感度調整用ピエゾ抵抗素子と呼ぶこともある）の配置を示したものである。図６Ｂは梁１４ｃに形成されたピエゾ抵抗素子及び感度調整素子の配置を示したものである。

なお、図２では、ピエゾ抵抗素子の大まかな位置を示すために図を簡単化しているが、実際には、本実施の形態のピエゾ抵抗素子は、図６Ａ及び図６Ｂに示す位置に配置される。具体的には、図２のピエゾ抵抗素子ｘ１は図６Ａのピエゾ抵抗素子ｘ１−１，ｘ１−２に対応し、図２のピエゾ抵抗素子ｘ２は図６Ａのピエゾ抵抗素子ｘ２−１，ｘ２−２に対応し、図２のピエゾ抵抗素子ｚ１は図６Ａのピエゾ抵抗素子ｚ１−１，ｚ１−２に対応し、図２のピエゾ抵抗素子ｚ２は図６Ａのピエゾ抵抗素子ｚ２−１，ｚ２−２に対応する。同様に、図２のピエゾ抵抗素子ｘ３は図６Ｂのピエゾ抵抗素子ｘ３−１，ｘ３−２に対応し、図２のピエゾ抵抗素子ｘ４は図６Ｂのピエゾ抵抗素子ｘ４−１，ｘ４−２に対応し、図２のピエゾ抵抗素子ｚ３は図６Ｂのピエゾ抵抗素子ｚ３−１，ｚ３−２に対応し、図２のピエゾ抵抗素子ｚ４は図６Ｂのピエゾ抵抗素子ｚ４−１，ｚ４−２に対応する。

図からも分かるように、Ｘ軸方向用のピエゾ抵抗素子ｘ１−１，ｘ１−２，ｘ２−１，ｘ２−２，ｘ３−１，ｘ３−２，ｘ４−１，ｘ４−２及びＺ軸方向用のピエゾ抵抗素子ｚ１−１，ｚ１−２，ｚ２−１，ｚ２−２，ｚ３−１，ｚ３−２，ｚ４−１，ｚ４−２は、梁１４ａ，１４ｃの長手方向に亘って梁１４ａ，１４ｃの長手方向と平行となるように形成されている。

図６Ａに示すように、ピエゾ抵抗素子ｘ１−１，ｘ１−２は配線を介して電気的に直列に接続されていると共に、一端が端子Ｔ１，Ｔ４に接続されている。ピエゾ抵抗素子ｘ２−１，ｘ２−２は配線を介して電気的に直列に接続されていると共に、一端が端子Ｔ５，Ｔ８に接続されている。ピエゾ抵抗素子ｚ１−１，ｚ１−２は配線を介して電気的に直列に接続されていると共に、一端が端子Ｔ２，Ｔ３に接続されている。ピエゾ抵抗素子ｚ２−１，ｚ２−２は配線を介して電気的に直列に接続されていると共に、一端が端子Ｔ６，Ｔ７に接続されている。

同様に、図６Ｂに示すように、ピエゾ抵抗素子ｘ３−１，ｘ３−２は配線を介して電気的に直列に接続されていると共に、一端が端子Ｔ９，Ｔ１２に接続されている。ピエゾ抵抗素子ｘ４−１，ｘ４−２は配線を介して電気的に直列に接続されていると共に、一端が端子Ｔ１３，Ｔ１６に接続されている。ピエゾ抵抗素子ｚ３−１，ｚ３−２は配線を介して電気的に直列に接続されていると共に、一端が端子Ｔ１０、Ｔ１１に接続されている。ピエゾ抵抗素子ｚ４−１，ｚ４−２は配線を介して電気的に直列に接続されていると共に、一端が端子Ｔ１４，Ｔ１５に接続されている。

ここで、Ｘ軸用の端子Ｔ１，Ｔ４，Ｔ５，Ｔ８は、Ｘ軸方向用のピエゾ抵抗素子ｘ１−１，ｘ１−２，ｘ２−１，ｘ２−２，ｘ３−１，ｘ３−２，ｘ４−１，ｘ４−２がホイーストンブリッジ接続されるように、図示しない配線によって接続されている。同様に、Ｚ軸用の端子Ｔ２，Ｔ３，Ｔ６，Ｔ７は、Ｚ軸方向用のピエゾ抵抗素子ｚ１−１，ｚ１−２，ｚ２−１，ｚ２−２，ｚ３−１，ｚ３−２，ｚ４−１，ｚ４−２がホイーストンブリッジ接続されるように、図示しない配線によって接続されている。

かかる構成に加えて、本実施の形態の３軸加速度センサ１０は、感度調整用のピエゾ抵抗素子２１、２２、２３、２４が設けられている。具体的に説明する。感度調整用のピエゾ抵抗素子２１は、ピエゾ抵抗素子ｘ１−１とピエゾ抵抗素子ｘ１−２の間に、ピエゾ抵抗素子ｘ１−１，ｘ１−２と電気的に直列に接続されている。感度調整用のピエゾ抵抗素子２２は、ピエゾ抵抗素子ｘ２−１とピエゾ抵抗素子ｘ２−２の間に、ピエゾ抵抗素子ｘ２−１，ｘ２−２と電気的に直列に接続されている。感度調整用のピエゾ抵抗素子２３は、ピエゾ抵抗素子ｘ３−１とピエゾ抵抗素子ｘ３−２の間に、ピエゾ抵抗素子ｘ３−１，ｘ３−２と電気的に直列に接続されている。感度調整用のピエゾ抵抗素子２４は、ピエゾ抵抗素子ｘ４−１とピエゾ抵抗素子ｘ４−２の間に、ピエゾ抵抗素子ｘ４−１，ｘ４−２と電気的に直列に接続されている。

感度調整用のピエゾ抵抗素子２１，２２，２３，２４は、梁の長手方向に略直交する方向に亘って形成されている。上述したように、Ｘ軸方向用のピエゾ抵抗素子ｘ１−１，ｘ１−２，ｘ２−１，ｘ２−２，ｘ３−１，ｘ３−２，ｘ４−１，ｘ４−２は、梁１４ａ，１４ｃの長手方向に亘って梁１４ａ，１４ｃの長手方向と平行となるように形成されているので、感度調整用のピエゾ抵抗素子２１，２２，２３，２４はＸ軸方向用のピエゾ抵抗素子ｘ１−１，ｘ１−２，ｘ２−１，ｘ２−２，ｘ３−１，ｘ３−２，ｘ４−１，ｘ４−２が形成された方向に対して、略直交する方向に向かって形成されていると言うことができる。

また、各感度調整用のピエゾ抵抗素子２１，２２，２３，２４は、梁１４ａ，１４ｃの幅方向の中心線に対して対称に配置されている。

なお、感度調整用のピエゾ抵抗素子２１は、Ｘ軸方向用のピエゾ抵抗素子ｘ１−１，ｘ１−２及びＺ軸方向用のピエゾ抵抗素子ｚ１−１，ｚ１−２と、梁１４ａの長手方向の中心線Ｌｃとの間に配置され、梁１４ａの長手方向の中心線Ｌｃ上以外の位置であってできるだけ枠１２に近接させた位置に配置されている方が好ましい。

同様に、感度調整用のピエゾ抵抗素子２２は、Ｘ軸方向用のピエゾ抵抗素子ｘ２−１，ｘ２−２及びＺ軸方向用のピエゾ抵抗素子ｚ２−１，ｚ２−２と、梁１４ａの長手方向の中心線Ｌｃとの間に配置され、梁１４ａの長手方向の中心線Ｌｃ上以外の位置であってできるだけ中心非可動部１５側に近接させた位置に配置されている方が好ましい。

感度調整用のピエゾ抵抗素子２３は、感度調整用のピエゾ抵抗素子２２と同様に配置されており、Ｘ軸方向用のピエゾ抵抗素子ｘ３−１，ｘ３−２及びＺ軸方向用のピエゾ抵抗素子ｚ３−１，ｚ３−２と、梁１４ｃの長手方向の中心線Ｌｃ’との間に配置され、梁１４ｃの長手方向の中心線Ｌｃ’以外の位置であってできるだけ中心非可動部１５側に近接させた位置に配置されている方が好ましい。

感度調整用のピエゾ抵抗素子２４は、感度調整用のピエゾ抵抗素子２１と同様に配置されており、Ｘ軸方向用のピエゾ抵抗素子ｘ４−１，ｘ４−２及びＺ軸方向用のピエゾ抵抗素子ｚ４−１，ｚ４−２と、梁１４ｃの長手方向の中心線Ｌｃ’との間に配置され、梁１４ｃの長手方向の中心線Ｌｃ’上以外の位置であってできるだけ枠１２側に近接させた位置に配置されている方が好ましい。

このように、感度調整用のピエゾ抵抗素子を、梁長手方向の中心と加速度検出用ピエゾ抵抗素子の間で、枠部側、錘部側に近接されて配置したことにより、大きな感度調整効果を得ることができる。

［３］感度調整素子による電気的作用
図７に、本実施の形態におけるＸ軸方向用のピエゾ抵抗素子の回路イメージを示す。

図中の大きな四角で示すピエゾ抵抗本体３１〜３４は、図６Ａ、図６Ｂにおけるピエゾ抵抗素子ｘ１−１，ｘ１−２，ｘ２−１，ｘ２−２，ｘ３−１，ｘ３−２，ｘ４−１，ｘ４−２を示す。具体的には、ピエゾ抵抗本体３１はピエゾ抵抗素子ｘ１−１，ｘ１−２を示し、ピエゾ抵抗本体３２はピエゾ抵抗素子ｘ２−１，ｘ２−２を示し、ピエゾ抵抗本体３３はピエゾ抵抗素子ｘ３−１，ｘ３−２を示し、ピエゾ抵抗本体３４はピエゾ抵抗素子ｘ４−１，ｘ４−２を示す。

また、図中の小さな四角は、感度調整用ピエゾ抵抗素子２１〜２４を示す。

ここで、図に示すように、回路に供給される電圧をＶ_０、ピエゾ抵抗本体３１で生じる抵抗をＲ_１、感度調整用ピエゾ抵抗素子２１で生じる抵抗をＲ_２とすると、ピエゾ抵抗本体３１に印加される電圧Ｖ_１は、次式で表される。

よって、次式で示す分の感度低下効果が得られる。

前記（２）式で表される感度低下効果は、ピエゾ抵抗本体３１に感度調整用ピエゾ抵抗素子２１を直列接続したことによる感度低下効果である。

本実施の形態では、この感度低下効果に加えて、ピエゾ抵抗効果による感度低下効果も生じる。次に、このピエゾ抵抗効果による感度低下効果について説明する。

ピエゾ抵抗素子では、素子に作用する縦方向（長さ方向）の応力σ_ｌ及び横方向（幅方向）の応力σ_ｔの両者の効果の重ね合わせで抵抗変化（すなわちピエゾ抵抗効果）が定まる。この様子は、ΔＲ／Ｒを応力による抵抗変化の割合とすれば、縦方向及び横方向のピエゾ抵抗係数π_ｌ、π_ｔを用いて、次式（３）で表される。

因みに、縦方向のピエゾ抵抗係数π_ｌ及び横方向のピエゾ抵抗係数π_ｔは、結晶面（１００）及びオリフラ方向＜１１０＞のシリコンウェハを用いた場合、π_ｌ≒−π_ｔ≒π_４４／２の関係となる。但し、π_４４＝１．３８１ｅ−３［ＭＰａ^−１］である。

ここで、ピエゾ抵抗の電流の流れる方向に働く縦方向応力と、それに垂直な方向に働く応力（横方向応力）とでは、抵抗変化が正負逆となる。つまり、縦方向応力と横方向応力とが同時に生じた場合、ピエゾ抵抗効果は互いに打ち消し合うこととなる。

本実施の形態では、ピエゾ抵抗本体３１（ｘ１−１，ｘ１−２），３２（ｘ２−１，ｘ２−２），３３（ｘ３−１，ｘ３−２），３４（ｘ４−１，ｘ４−２）それぞれに対して、直交する方向に感度調整用ピエゾ抵抗素子２１，２２，２３，２４を設けたことにより、付加した感度調整用ピエゾ抵抗素子２１，２２，２３，２４には横方向ピエゾ抵抗効果が生じるので、感度調整用ピエゾ抵抗素子２１，２２，２３，２４によって、ピエゾ抵抗本体３１（ｘ１−１，ｘ１−２），３２（ｘ２−１，ｘ２−２），３３（ｘ３−１，ｘ３−２），３４（ｘ４−１，ｘ４−２）による縦方向ピエゾ抵抗効果を打ち消すことができる。すなわち、感度調整用ピエゾ抵抗素子２１，２２，２３，２４によって効果的に感度を低下させることができる。

つまり、本実施の形態では、感度調整用ピエゾ抵抗素子をピエゾ抵抗本体に直列接続したことによる感度低下効果に加えて、感度調整用ピエゾ抵抗素子をピエゾ抵抗本体に対して直交する方向に設けたことによる感度低下効果を得ることができる。

本実施の形態では、このような２つの感度低下効果を得ることができるので、小さな抵抗（感度調整用ピエゾ抵抗素子）を付加するのみで、効率的に感度の調整を行うことが可能となる。また、小さな抵抗（感度調整用ピエゾ抵抗素子）を付加するのみなので、オフセットの発生が小さく、特性の良いセンサを得ることができる。

また、本実施の形態では、小さな抵抗（感度調整用ピエゾ抵抗素子）を、可撓部（梁１４ａ，１４ｃ）の幅方向の中心線に対して対称に配置したので、可撓部上での熱的なアンバランスの発生を一段と少なくでき、オフセットの発生が一段と抑制された特性の良いセンサを得ることができる。

［４］実施の形態の効果
以上説明したように、本実施の形態によれば、各梁１４ａ，１４ｂ，１４ｃ，１４ｄの長手方向に亘って形成され、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向及びＺ軸方向の加速度検出用ピエゾ抵抗素子ｘ１〜ｘ４，ｙ１〜ｙ４，ｚ１〜ｚ４と、梁１４ａ，１４ｃの長手方向に略直交する方向に亘って形成され、かつ加速度検出用ピエゾ素子ｘ１〜ｘ４に電気的に接続された感度調整用ピエゾ抵抗素子２１〜２４とを設けたことにより、オフセットの発生を抑制しつつ、効率的に感度の調整を行うことができるので、特性の良い３軸加速度センサ１０を実現できる。

［５］他の実施の形態
なお、上述の実施の形態では、例としてＸ軸の感度を低下させるために、Ｘ軸用の加速度検出用ピエゾ抵抗素子ｘ１〜ｘ４に感度調整用ピエゾ抵抗素子２１〜２４を接続した場合について述べたが、これに限らず、Ｙ軸又はＺ軸の感度を低下させるために、Ｙ軸用又はＺ軸用の加速度検出用ピエゾ抵抗素子ｙ１〜ｙ４，ｚ１〜ｚ４に、上述の実施の形態と同様に、感度調整用ピエゾ抵抗素子を接続してもよい。

また、加速度検出用ピエゾ抵抗素子及び感度調整用ピエゾ抵抗素子の配置の仕方は、図６Ａ及び図６Ｂに示したものに限らない。

例えば、図８に示すように、加速度検出用ピエゾ抵抗素子（ピエゾ抵抗本体）と感度調整用ピエゾ抵抗素子とが直接繋がるように配置してもよい。

また、図９に示すように配置してもよい。この場合、加速度検出用ピエゾ抵抗素子（ピエゾ抵抗本体）から直線的に延長する方向に感度調整用ピエゾ抵抗素子を接続する場合と比較して、上述したように、感度調整用ピエゾ抵抗素子をピエゾ抵抗本体に対して直交する方向に設けたことによる感度低下効果を得ることができるので、感度調整用ピエゾ抵抗素子の長さを短くすることができる。

本発明の３軸加速度センサは、例えばゲームコントローラ等の玩具や、自動車の衝撃検出装置、ハードディスクの落下検知装置、携帯電話機の入力装置等の種々の装置に広く適用し得る。

１０３軸加速度センサ
１２枠
１３ａ〜１３ｄ錘
１４ａ〜１４ｄ梁
１６ａ〜１６ｄ端子部
ｘ１〜ｘ４Ｘ軸方向用のピエゾ抵抗素子
ｙ１〜ｙ４Ｙ軸方向用のピエゾ抵抗素子
ｚ１〜ｚ４Ｚ軸方向用のピエゾ抵抗素子
２１〜２４感度調整用ピエゾ抵抗素子

Claims

枠部と、
錘部と、
可撓性部材でなり、前記枠部と前記錘部とを連結する梁部と、
前記梁部を構成する各梁の長手方向に亘って形成され、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向及びＺ軸方向の加速度検出用ピエゾ抵抗素子と、
前記梁部を構成する梁の長手方向に略直交する方向に亘って形成され、かつ前記加速度検出用ピエゾ素子に電気的に接続された感度調整用ピエゾ抵抗素子と、
を具備する３軸加速度センサ。
前記感度調整用ピエゾ抵抗素子は、前記梁の幅方向の中心線に対して線対称に形成されている、
請求項１に記載の３軸加速度センサ。
前記感度調整用ピエゾ抵抗素子は、前記加速度検出用ピエゾ抵抗素子と前記梁の長手方向の中心線との間に配置され、枠部側又は錘部側に近接して配置されている、
請求項１に記載の３軸加速度センサ。