JP2011257209A - ３軸加速度センサ - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、他軸感度を発生せず、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸からなる３軸方向の加速度を正確に検出できる３軸加速度センサを提供することを目的とする。
【解決手段】本発明の３軸加速度センサは、基板２１の略中央部に設けられた錘部２３と、梁状可撓部２５，２５′，２６，２６′と、歪抵抗素子Ｒx21，Ｒx22等とを備え、前記歪抵抗素子Ｒx21，Ｒx22等を形成した梁状可撓部２５，２５′，２６，２６′と錘部２３との連結端部の幅寸法よりも幅寸法の小さいくびれ部２７，２７′，２８，２８′を前記梁状可撓部２５，２５′，２６，２６′内に設けたものである。
【選択図】図１

Description

本発明は自動車や航空機等の輸送機器や携帯端末等に搭載され、互いに直交するＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸からなる３軸方向の加速度を検出する３軸加速度センサに関する。

図６（ａ）は従来の加速度センサの検出素子の上面図、図６（ｂ）は図６（ａ）の検出素子のＸ軸に平行なＡ−Ａ線での断面図を示す（特許文献１参照）。

図６（ａ）（ｂ）において、１はＸＹ平面に平行に配置されたシリコン等からなる基板であり、該基板１の底面側をエッチング処理するとともに貫通孔２を形成することにより、厚肉部からなる錘部３とそれを囲むように配された固定部４と、薄肉で該錘部３および固定部４とを接続するＸ軸に平行な第１、第２の梁状可撓部５，５′と、薄肉で該錘部３および固定部４とを接続するＹ軸に平行な第３、第４の梁状可撓部６，６′と、が形成されている。前記第１の梁状可撓部５と固定部４との連結端部には歪抵抗素子Ｒx1を、前記第１の梁状可撓部５と錘部３との連結端部には歪抵抗素子Ｒx2を形成している。また、前記第２の梁状可撓部５′と錘部との連結端部には歪抵抗素子Ｒx3を、前記第２の梁状可撓部５′と固定部４との連結端部には歪抵抗素子Ｒx4を形成している。そして、前記歪抵抗素子Ｒx1，Ｒx2，Ｒx3，Ｒx4を前記第１、第２の梁状可撓部５，５′の中心線上に配置している。同様にして、前記第３の梁状可撓部６と固定部４との連結端部には歪抵抗素子Ｒy1，Ｒz1を、前記第３の梁状可撓部６と錘部３との連結端部には歪抵抗素子Ｒy2，Ｒz2を形成している。また、前記第３の梁状可撓部６′と錘部３との連結端部には歪抵抗素子Ｒy3，Ｒz3を、前記第３の梁状可撓部６′と固定部４との連結端部には歪抵抗素子Ｒy4，Ｒz4を形成している。そして、前記歪抵抗素子Ｒy1，Ｒy2，Ｒy3，Ｒy4と前記歪抵抗素子Ｒz1，Ｒz2，Ｒz3，Ｒz4とを前記第３、第４の梁状可撓部６，６′の中心線の両側にそれぞれ１列に配置している。

なお、この出願の発明に関する先行技術文献情報としては、例えば、特許文献１が知られている。

特開２００４−１８４３７３号公報

しかしながら、上記従来の加速度センサの検出素子においては、１つの軸方向のみに加速度が印加され錘部３にその軸方向の慣性力が働いた場合において、この軸方向の加速度の他に、他の軸方向の加速度も出力される、いわゆる他軸感度のために、加速度の検出精度が低下するという問題点があった。

以下に、この問題点について説明する。

図７(ａ)は前記第１、第２の梁状可撓部５，５′に形成した歪抵抗素子Ｒx1，Ｒx2，Ｒx3，Ｒx4により構成されるブリッジ回路である。図７（ａ）において、歪抵抗素子Ｒx1と歪抵抗素子Ｒx2との間に電源電圧(Ｖdd)が接続され、歪抵抗素子Ｒx3と歪抵抗素子Ｒx4との間にアース（Ｖss）が接続されて、歪抵抗素子Ｒx1と歪抵抗素子Ｒx4との中点電位（Ｖ1）と、歪抵抗素子Ｒx2と歪抵抗素子Ｒx3との中点電位（Ｖ2）との差が測定される。Ｘ軸方向の加速度が印加されていない場合には、歪抵抗素子Ｒx1，Ｒx2，Ｒx3，Ｒx4は平衡する（Ｒx1・Ｒx3＝Ｒx2・Ｒx4）ように構成されており、歪抵抗素子Ｒx1と歪抵抗素子Ｒx4との中点電位（Ｖ1）と、歪抵抗素子Ｒx3と歪抵抗素子Ｒx4との中点電位（Ｖ2）との差は零となっている。また、図７（ｂ）は前記第３、第４の梁状可撓部６，６′に形成した歪抵抗素子Ｒy1，Ｒy2，Ｒy3，Ｒy4により構成されるブリッジ回路である。図７（ｂ）において、歪抵抗素子Ｒy1と歪抵抗素子Ｒy2との間に電源電圧(Ｖdd)が接続され、歪抵抗素子Ｒy3と歪抵抗素子Ｒy4との間にアース（Ｖss）が接続されて、歪抵抗素子Ｒy1と歪抵抗素子Ｒy4との中点電位（Ｖ1）と、歪抵抗素子Ｒy2と歪抵抗素子Ｒy3との中点電位（Ｖ2）との差が測定される。Ｙ軸方向の加速度が印加されていない場合には、歪抵抗素子Ｒy1，Ｒy2，Ｒy3，Ｒy4は平衡する（Ｒy1・Ｒy3＝Ｒy2・Ｒy4）ように構成されており、歪抵抗素子Ｒy1と歪抵抗素子Ｒy4との中点電位（Ｖ1）と、歪抵抗素子Ｒy2と歪抵抗素子Ｒy3との中点電位（Ｖ2）との差は零となっている。さらにまた、図７（ｃ）は前記第３、第４の梁状可撓部６，６′に形成した歪抵抗素子Ｒz1，Ｒz2，Ｒz3，Ｒz4により構成されるブリッジ回路である。図７（ｃ）においては、歪抵抗素子Ｒz1と歪抵抗素子Ｒz2との間に電源電圧(Ｖdd)が接続され、歪抵抗素子Ｒz3と歪抵抗素子Ｒz4との間にアース（Ｖss）が接続されているが、歪抵抗素子Ｒz1と歪抵抗素子Ｒz3との中点電位（Ｖ1）と、歪抵抗素子Ｒz2と歪抵抗素子Ｒz4との中点電位（Ｖ2）との差が測定される点で図７（ａ）(ｂ)と異なっている。Ｚ軸方向の加速度が印加されていない場合には、歪抵抗素子Ｒz1，Ｒz2，Ｒz3，Ｒz4は平衡する（Ｒz1・Ｒz4＝Ｒz2・Ｒz3）ように構成されており、歪抵抗素子Ｒz1と歪抵抗素子Ｒz3との中点電位（Ｖ1）と、歪抵抗素子Ｒz2と歪抵抗素子Ｒz4との中点電位（Ｖ2）との差は零となっている。

図８（ａ）は従来の加速度センサの検出素子にＸ軸正方向の加速度が印加された時の上面図、図８（ｂ）は図８（ａ）のＸ軸に平行なＢ−Ｂ線での断面図である。図８（ｂ）において、錘部３はＸ軸の正方向に向く慣性力Ｆxにより回動し、歪抵抗素子Ｒx1，Ｒx3には引張歪が作用して抵抗値が上昇し、歪抵抗素子Ｒx2，Ｒx4には圧縮歪が作用して抵抗値が低下する。これにより、図７（ａ）のブリッジ回路の平衡が破れ、歪抵抗素子Ｒx1と歪抵抗素子Ｒx4との中点電位（Ｖ1）と、歪抵抗素子Ｒx2と歪抵抗素子Ｒx3との中点電位（Ｖ2）との電圧差がＸ軸方向の加速度として検出される。

図８（ｃ）は図８（ａ）の第４の梁状可撓部６′と錘部３との連結部近傍におけるＸ軸に平行なＣ−Ｃ線断面図、図８（ｄ）は第４の梁状可撓部６′と固定部４との中央部近傍におけるＸ軸に平行なＤ−Ｄ線断面図、図８（ｅ）は第４の梁状可撓部６′と固定部４との連結部近傍におけるＸ軸に平行なＤ−Ｄ線断面図ある。

Ｘ軸の正方向への錘部３の回動に伴い、図８（ｃ）（ｄ）（ｅ）に示すように、前記第４の梁状可撓部６′の断面は固定部４との連結部から錘部３との連結部までＺ軸周りに連続的に回転する、すなわち前記第４の梁状可撓部６′がねじられるためＲz3には引張歪が作用して抵抗値が上昇する。同様に、前記第３の梁状可撓部６もねじられるためＲz2には引張歪が作用して抵抗値が上昇する。これにより、図７（ｃ）のブリッジ回路の平衡が破れ、歪抵抗素子Ｒz1と歪抵抗素子Ｒz3との中点電位（Ｖ1）と、歪抵抗素子Ｒz2と歪抵抗素子Ｒz4との中点電位（Ｖ2）との電圧差が発生するため、あたかもＺ軸方向に加速度が印加されたかのような偽信号、すなわち他軸感度が発生することになる。なお、歪抵抗素子Ｒz1，Ｒz4は各々前記第３の梁状可撓部６と固定部４との連結端部、前記第３の梁状可撓部６′と固定部４との連結端部に形成されているため、前記第３、第４の梁状可撓部６，６′の捻れによる歪は実質的に作用せず、歪抵抗素子Ｒz1，Ｒz4の抵抗値は変化することはない。

また、図８（ｃ）に示すように、Ｘ軸の正方向への錘部３の回動に伴い、前記第３、第４の梁状可撓部６，６′が捻られるため、歪抵抗素子Ｒy2，Ｒy3には圧縮歪が作用して抵抗値が低下する。この時、図７(ｂ)のブリッジ回路は原理的には平衡状態を維持する。すなわち、歪抵抗素子Ｒy2，Ｒy3の抵抗値がともに△％だけ低下するとすれば、
Ｒy1・Ｒy3（1-△）−Ｒy4・Ｒy2（1-△）
＝（Ｒy1・Ｒy3−Ｒy2・Ｒy4）・（1−△）＝0
となるため、図７(ｂ)のブリッジ回路は平衡状態を維持し、歪抵抗素子Ｒy1と歪抵抗素子Ｒy4との中点電位（Ｖ1）と、歪抵抗素子Ｒy2と歪抵抗素子Ｒy3との中点電位（Ｖ2）とは同一電位となる。これにより、Ｘ軸方向の加速度によりＹ軸方向の他軸感度が発生することはない。しかしながら、歪抵抗素子Ｒy1，Ｒy2，Ｒy3，Ｒy4の形成位置のバラツキやエッチング加工後に梁状可撓部に作用する残留歪等により、歪抵抗素子Ｒy2，Ｒy3の抵抗値の変化率△が異なる場合がある。この場合には、図７(ｂ)のブリッジ回路は平衡が破れ、歪抵抗素子Ｒy1と歪抵抗素子Ｒy4との中点電位（Ｖ1）と、歪抵抗素子Ｒy2と歪抵抗素子Ｒy3との中点電位（Ｖ2）との電圧差が発生するため、あたかもＹ軸方向に加速度が印加されたかのような偽信号、すなわち他軸感度が発生することになる。

次に、従来の加速度センサの検出素子にＹ軸正方向の加速度が印加された時には、錘部３はＹ軸の正方向に向く慣性力Ｆyにより回動し、歪抵抗素子Ｒy2，Ｒy4には引張歪が作用して抵抗値が上昇し、歪抵抗素子Ｒy1，Ｒy3には圧縮歪が作用して抵抗値が低下する。これにより、図７（ｂ）のブリッジ回路の平衡が破れ、歪抵抗素子Ｒy1と歪抵抗素子Ｒy4との中点電位（Ｖ1）と、歪抵抗素子Ｒy2と歪抵抗素子Ｒy3との中点電位（Ｖ2）との電圧差がＹ軸方向の加速度として検出される。

また、Ｙ軸の正方向への錘部３の回動に伴い、前記第１、第２の梁状可撓部５，５′が捻られる。この時、歪抵抗素子Ｒx1，Ｒx2，Ｒx3，Ｒx4の形成位置が前記第１、第２の梁状可撓部５，５′の中心線上からずれていたり、エッチング加工後に梁状可撓部に残留歪が存在したりする場合には、図７(ａ)のブリッジ回路の平衡が破れ、歪抵抗素子Ｒx1と歪抵抗素子Ｒx4との中点電位（Ｖ1）と、歪抵抗素子Ｒx2と歪抵抗素子Ｒx3との中点電位（Ｖ2）との電圧差が発生するため、あたかもＸ軸方向に加速度が印加されたかのような偽信号、すなわち他軸感度が発生することになる。

本発明は上記従来の課題を解決するもので、歪抵抗素子の形成位置のバラツキやエッチング加工後に梁状可撓部に残留歪があったしても、他軸感度が発生せず、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸からなる３軸方向の加速度を正確に検出できる３軸加速度センサを提供するものである。

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。

請求項１に記載の発明は、ＸＹ平面に平行に置かれた基板と、前記基板の略中央部に設けられ加速度を受けて変位する錘部と、前記錘部を取り囲むように配置した固定部と、前記錘部と固定部とを連結するＸ軸に平行な一対の梁状可撓部と、前記錘部と固定部とを連結するＹ軸に平行な一対の梁状可撓部と、前記梁状可撓部上でかつ前記梁状可撓部と錘部との連結端部に形成した歪抵抗素子とを備え、前記歪抵抗素子を形成した梁状可撓部と錘部との連結端部の幅寸法よりも幅寸法の小さいくびれ部を前記梁状可撓部内に設けたもので、この構成によれば、Ｘ軸方向またはＹ軸方向のいずれか１つの軸方向の加速度が印加された時、この加速度が印加された軸に直交する他の梁状可撓部上で、前記歪抵抗素子を形成した梁状可撓部と錘部との連結端部の幅寸法よりも幅寸法の小さいくびれ部が捻れるため、前記梁状可撓部と錘部との連結端部に形成した歪抵抗素子に引張歪または圧縮歪が作用しないようにでき、これにより、他軸感度を発生させることなく、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸からなる３軸方向の加速度を正確に検出できるという作用効果を有するものである。

本発明の請求項２に記載の発明は、特に、Ｘ軸およびＹ軸方向の加速度を検出するための歪抵抗素子を前記梁状可撓部上でかつ前記梁状可撓部と錘部との連結端部に形成したもので、この構成によれば、歪抵抗素子を前記梁状可撓部内でもっとも大きな歪が発生する部分に配置しているため、加速度の印加による歪抵抗素子の抵抗値の変動を大きくでき、これにより、Ｘ軸およびＹ軸方向の加速度感度を向上することができるため、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸からなる３軸方向の加速度を正確に検出できるという作用効果を有するものである。

本発明の請求項３に記載の発明は、特に、Ｘ軸およびＹ軸方向の加速度を検出するための歪抵抗素子を前記梁状可撓部上でかつ前記梁状可撓部と固定部との連結端部に形成するとともに、Ｚ軸方向の加速度を検出するための歪検出素子を前記梁状可撓部上でかつ前記梁状可撓部と固定部との連結端部に形成したもので、この構成によれば、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向の加速度を検出するための歪抵抗素子を前記梁状可撓部内でＺ軸方向の加速度を検出するための歪抵抗素子に発生する歪とほぼ同一の歪が発生する部分に配置しているため、Ｘ軸、Ｙ軸方向およびＺ軸方向の加速度感度を略同一にすることができ、これにより、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸からなる３軸方向の加速度を簡便な回路構成で正確かつ安定に検出できるという作用効果を有するものである。

以上のように本発明の３軸加速度センサは、ＸＹ平面に平行に置かれた基板と、前記基板の略中央部に設けられ加速度を受けて変位する錘部と、前記錘部を取り囲むように配置した固定部と、前記錘部と固定部とを連結するＸ軸に平行な一対の梁状可撓部と、前記錘部と固定部とを連結するＹ軸に平行な一対の梁状可撓部と、前記梁状可撓部上でかつ前記梁状可撓部と錘部との連結端部に形成した歪抵抗素子とを備え、前記歪抵抗素子を形成した梁状可撓部と錘部との連結端部の幅寸法よりも幅寸法の小さいくびれ部を前記梁状可撓部内に設けたもので、Ｘ軸方向またはＹ軸方向のいずれか１つの軸方向の加速度が印加された時、この加速度が印加された軸に直交する他の梁状可撓部上で、前記歪抵抗素子を形成した梁状可撓部と錘部との連結端部の幅寸法よりも幅寸法の小さいくびれ部が捻れるため、前記梁状可撓部と錘部との連結端部に形成した歪抵抗素子に引張歪または圧縮歪が作用しないようにでき、これにより、他軸感度を発生させることなく、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸からなる３軸方向の加速度を正確に検出できるという優れた効果を奏するものである。

（ａ）本発明の実施の形態１における３軸加速度センサの検出素子の上面図、（ｂ）（ａ）におけるＥ−Ｅ線断面図 （ａ）本発明の実施の形態１における３軸加速度センサの検出素子にＸ軸正方向の加速度が印加された時の上面図、（ｂ）（ａ）のＥ−Ｅ線断面図、（ｃ）（ａ）のＦ−Ｆ線断面図、（ｄ）（ａ）のＧ−Ｇ線断面図、（ｅ）（ａ）のＨ−Ｈ線断面図、（ｆ）（ａ）のＩ−Ｉ線断面図 （ａ）本発明の実施の形態２における３軸加速度センサの検出素子の上面図、（ｂ）（ａ）におけるＪ−Ｊ線断面図 本発明の実施の形態２における３軸加速度センサの検出素子にＸ（Ｙ）軸方向、Ｚ軸方向に加速度が印加された時に梁状可撓部の表面に発生する歪をシミュレーションした計算結果を示す図 （ａ）本発明の実施の形態３における３軸加速度センサの検出素子の上面図、（ｂ）（ａ）におけるＫ−Ｋ線断面図 （ａ）従来の加速度センサの検出素子の上面図、（ｂ）図６（ａ）の検出素子におけるＡ−Ａ線断面図 （ａ）前記従来の加速度センサの検出素子に形成した歪抵抗素子Ｒx1，Ｒx2，Ｒx3，Ｒx4により構成されるブリッジ回路図、（ｂ）同検出素子に形成した歪抵抗素子Ｒy1，Ｒy2，Ｒy3，Ｒy4により構成されるブリッジ回路図、（ｃ）同検出素子に形成した歪抵抗素子Ｒz1，Ｒz2，Ｒz3，Ｒz4により構成されるブリッジ回路図 （ａ）従来の加速度センサの検出素子にＸ軸正方向の加速度が印加された時の上面図、（ｂ）（ａ）のＡ−Ａ線断面図、（ｃ）（ａ）のＢ−Ｂ線断面図、（ｄ）（ａ）のＣ−Ｃ線断面図、（ｅ）（ａ）のＤ−Ｄ線断面図

（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に記載の発明について説明する。図１（ａ）は本発明の実施の形態１における３軸加速度センサの検出素子の上面図、図１（ｂ）は図１（ａ）の検出素子におけるＸ軸に平行なＥ−Ｅ線断面図を示す。図１（ａ）（ｂ）において、２１はＸＹ平面に平行に配置されたシリコン単結晶基板であり、該基板２１の底面側をエッチング処理するとともに貫通孔２２を形成することにより、厚肉部からなる錘部２３とそれを囲むように配された固定部２４と、薄肉で該錘部２３および固定部２４とを接続するＸ軸に平行な第１、第２の梁状可撓部２５，２５′と、薄肉で該錘部３および固定部４とを接続するＹ軸に平行な第３、第４の梁状可撓部２６，２６′とが形成されている。前記第１の梁状可撓部２５と固定部２４との連結端部には歪抵抗素子Ｒx21を、前記第１の梁状可撓部２５と錘部２３との連結端部には歪抵抗素子Ｒx22を形成している。また、前記第２の梁状可撓部２５′と錘部２３との連結端部には歪抵抗素子Ｒx23を、前記第２の梁状可撓部２５′と固定部２４との連結端部には歪抵抗素子Ｒx24を形成している。そして、前記歪抵抗素子Ｒx21，Ｒx22，Ｒx23，Ｒx24を前記第１、第２の梁状可撓部２５，２５′の中心線上に配置している。同様にして、前記第３の梁状可撓部２６と固定部２４との連結端部には歪抵抗素子Ｒy21，Ｒz21を、前記第３の梁状可撓部２６と錘部２３との連結端部には歪抵抗素子Ｒy22，Ｒz22を形成している。また、前記第３の梁状可撓部２６′と錘部２３との連結端部には歪抵抗素子Ｒy23，Ｒz23を、前記第３の梁状可撓部２６′と固定部２４との連結端部には歪抵抗素子Ｒy24，Ｒz24を形成している。そして、前記歪抵抗素子Ｒy21，Ｒy22，Ｒy23，Ｒy24と前記歪抵抗素子Ｒz21，Ｒz22，Ｒz23，Ｒz24とを前記第３、第４の梁状可撓部２６，２６′の中心線の両側にそれぞれ１列に配置している。前記歪抵抗素子としてはシリコン単結晶基板の所定の位置にホウ素等の不純物をイオン注入して形成した半導体ピエゾ抵抗または酸化亜鉛、酸化クロム、酸化ルテニウムなどを蒸着して構成した酸化物抵抗を用いることができる。また、前記各歪抵抗素子は金属配線(図示せず)により図７に示したものと同様のブリッジ回路を構成している。２７は前記第１の梁状可撓部２５の略中央部に設けられ、その幅方向（Ｙ軸方向）寸法が前記歪抵抗素子Ｒx22を形成した領域の梁状可撓部の幅寸法よりも小さい第１のくびれ部である。また、２７′は前記第２の梁状可撓部２５′の略中央部に設けられ、その幅方向（Ｙ軸方向）寸法が前記歪抵抗素子Ｒx23を形成した領域の梁状可撓部の幅寸法よりも小さい第２のくびれ部である。同様にして、２８は前記梁状可撓部２６の略中央部に設けられ、その幅方向（Ｘ軸方向）寸法が前記歪抵抗素子Ｒy22、Ｒz22を形成した領域の梁状可撓部の幅寸法よりも小さい第３のくびれ部であり、２８′は前記梁状可撓部２６′の略中央部に設けられ、その幅方向（Ｘ軸方向）寸法が前記歪抵抗素子Ｒy23、Ｒz23を形成した領域の梁状可撓部の幅寸法よりも小さい第４のくびれ部である。

図２（ａ）は本発明の実施の形態１における３軸加速度センサの検出素子にＸ軸正方向の加速度が印加された時の上面図、図２（ｂ）は図２（ａ）のＸ軸に平行なＥ−Ｅ線での断面図である。図２（ｂ）において、錘部２３はＸ軸の正方向に向く慣性力Ｆxにより回動し、歪抵抗素子Ｒx21，Ｒx23には引張歪が作用して抵抗値が上昇し、歪抵抗素子Ｒx22，Ｒx24には圧縮歪が作用して抵抗値が低下する。これにより、歪抵抗素子Ｒx21，Ｒx22，Ｒx23，Ｒx24で構成されるブリッジ回路の平衡が破れ、歪抵抗素子Ｒx21と歪抵抗素子Ｒx24との中点電位と、歪抵抗素子Ｒx22と歪抵抗素子Ｒx23との中点電位との電圧差がＸ軸方向の加速度として検出される。

図２（ｃ）は図２（ａ）の第４の梁状可撓部２６′と錘部２３との連結部近傍におけるＸ軸に平行なＦ−Ｆ線断面図、図２（ｄ）は図２（ａ）の第４の梁状可撓部２６′と第４のくびれ部２８′との連結部近傍で錘部２３側におけるＸ軸に平行なＧ−Ｇ線断面図、図２（ｅ）は図２（ａ）の第４の梁状可撓部２６′と第４のくびれ部２８′との連結部近傍で固定部におけるＸ軸に平行なＨ−Ｈ線断面図、図２（ｆ）は第４の梁状可撓部２６′と固定部２４との連結部近傍におけるＸ軸に平行なＩ−Ｉ線断面図である。

図２（ｃ）（ｆ）に示すように錘部２３のＸ軸の正方向への回動に伴い第４の梁状可撓部２６′は錘部２３との連結部においてＹ軸の周りに回転するが、第４の梁状可撓部２６′は固定部２４との連結部においてはＹ軸の周りに回転することはない。これにより、第４の梁状可撓部２６′は錘部２３と固定部２４との間でねじれることになる。しかしながら、本発明の実施の形態１における３軸加速度センサの検出素子においては、第４の梁状可撓部２６′の略中央部に第４のくびれ部２８′を配置しているため、このねじれは第４のくびれ部２８′のみに発生し、第４の梁状可撓部２６′の第４のくびれ部２８′と錘部２３との間および第４のくびれ部２８′と固定部２４との間には発生することがない。そのため図２（ｃ）（ｄ）に示すように、第４の梁状可撓部２６′は錘部２３との連結部と第４のくびれ部２８′との連結部との間では同一の角度だけ回転することになる。また図２（ｅ）（ｆ）に示すように、第４の梁状可撓部２６′は固定部２４との連結部と第４のくびれ部２８′との連結部との間では回転しない。これにより、歪抵抗素子Ｒz23には引張または圧縮歪が作用せず抵抗値は変化することはない。同様に、前記第３の梁状可撓部２６上の歪抵抗素子Ｒz22にも引張または圧縮歪が作用せず抵抗値は変化することはない。これにより、歪抵抗素子Ｒz21，Ｒz22，Ｒz23，Ｒz24で構成されるブリッジ回路は平衡状態を維持するため、他軸感度が発生することがない。

また、図２（ｃ）（ｄ）に示すように、錘部２３がＸ軸の正方向へ回動しても、前記第３、第４の梁状可撓部２６，２６′上に形成した歪抵抗素子Ｒy22，Ｒy23には歪が作用しないため抵抗値は変化せず、これにより歪抵抗素子Ｒy21，Ｒy22，Ｒy23，Ｒy24の形成位置のバラツキやエッチング加工後に梁状可撓部に作用する残留歪等により、歪抵抗素子Ｒy22，Ｒy23の抵抗値の変化率△が異なったとしても歪抵抗素子Ｒy21，Ｒy22，Ｒy23，Ｒy24で構成されるブリッジ回路は平衡状態を維持し、他軸感度が発生することがない。

次に、本発明の実施の形態１における３軸加速度センサの検出素子にＹ軸正方向の加速度が印加された時には、錘部２３はＹ軸の正方向に向く慣性力Ｆyにより回動し、歪抵抗素子Ｒy22，Ｒy24には引張歪が作用して抵抗値が上昇し、歪抵抗素子Ｒy21，Ｒy23には圧縮歪が作用して抵抗値が低下する。これにより、歪抵抗素子Ｒy21，Ｒy22，Ｒy23，Ｒy24で構成されるブリッジ回路の平衡が破れ、歪抵抗素子Ｒy21と歪抵抗素子Ｒy24との中点電位と、歪抵抗素子Ｒy22と歪抵抗素子Ｒy23との中点電位との電圧差がＹ軸方向の加速度として検出される。

錘部２３がＹ軸の正方向へ回動しても、第１、第２の梁状可撓部２５，２５′の略中央部には第１、第２のくびれ部２７，２７′が設けられているため、本発明の実施の形態１における３軸加速度センサの検出素子にＹ軸正方向の加速度が印加された時と同様にして、第１、第２の梁状可撓部２５，２５′のねじれは前記第１、第２のくびれ部２７，２７′のみに発生し、前記第１、第２の梁状可撓部２５，２５′上に形成した歪抵抗素子Ｒx22，Ｒx23には歪が作用しないため抵抗値は変化せず、これにより歪抵抗素子Ｒx22，Ｒx23の形成位置のバラツキやエッチング加工後に梁状可撓部に作用する残留歪等により、歪抵抗素子Ｒx22，Ｒx23の抵抗値の変化率△が異なったとしても歪抵抗素子Ｒx21，Ｒx22，Ｒx23，Ｒx24で構成されるブリッジ回路は平衡状態を維持し、他軸感度が発生することがない。

このように、本発明の実施の形態１における３軸加速度センサの検出素子においては、Ｘ軸方向またはＹ軸方向のいずれか１つの軸方向の加速度が印加された時、この加速度が印加された軸に直交する他の梁状可撓部のねじれはこの梁状可撓部の略中央部に形成したくびれ部のみに発生し、前記梁状可撓部と錘部との連結端部に形成した歪抵抗素子に引張歪または圧縮歪が作用しないようにでき、これにより、他軸感度を発生させることなく、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸からなる３軸方向の加速度を正確に検出できる。

（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に記載の発明についてさらに説明する。図３（ａ）は本発明の実施の形態２における３軸加速度センサの検出素子の上面図、図３（ｂ）は図３（ａ）におけるＸ軸に平行なＪ−Ｊ線断面図である。なお、この本発明の実施の形態２においては、上記した本発明の実施の形態１の構成と同様の構成を有するものについては、同一符号を付しており、その説明は省略する。

図３（ａ）において、本発明の実施の形態２が上記した本発明の実施の形態１と相違する点は、歪抵抗素子Ｒx21，Ｒx22を第１の梁状可撓部２５と錘部２３との連結点に梁状可撓部２５の中心線に対して略対称の位置に配置し、歪抵抗素子Ｒx23，Ｒx24を第２の梁状可撓部２５′と錘部２３との連結点に梁状可撓部２５′の中心線に対して略対称の位置に配置するとともに、歪抵抗素子Ｒy21，Ｒy22を第３の梁状可撓部２６と錘部２３との連結点に梁状可撓部２６の中心線に対して略対称の位置に配置し、歪抵抗素子Ｒy23，Ｒy24を第４の梁状可撓部２６′と錘部２３との連結点に梁状可撓部２６′の中心線に対して略対称の位置に配置し、さらに歪抵抗素子Ｒz21，Ｒz22，Ｒz23，Ｒz24をそれぞれ第１、第２、第３、第４の梁状可撓部２５，２５′，２６，２６′と固定部２４との連結部に配置し、さらにまた前記歪抵抗素子Ｒz21，Ｒz22，Ｒz23，Ｒz24をすべてＸ軸方向に並行させた点である。

本発明の実施の形態２における３軸加速度センサにおいては、本発明の実施の形態１における３軸加速度センサと同様に他軸感度を発生させることがないとともに、さらにＸ軸およびＹ軸方向の加速度感度を向上することができ、これにより、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸からなる３軸方向の加速度を正確に検出できるものである。

以下に、この点について説明する。

図３（ａ）に示す本発明の実施の形態２において、Ｘ軸正方向の加速度が印加された時、本発明の実施の形態１における３軸加速度センサの検出素子の場合と同様にして、錘部２３のＸ軸の正方向への回動に伴い第３、第４の梁状可撓部２６，２６′は錘部２３との連結部においてＹ軸の周りに回転するが、第４の梁状可撓部２６，２６′は固定部２４との連結部においてはＸ軸の周りに回転することはない。これにより、第３、第４の梁状可撓部２６，２６′は錘部２３と固定部２４との間でねじれることになる。しかしながら、本発明の実施の形態２における３軸加速度センサの検出素子においては、第３、第４の梁状可撓部２６，２６′の略中央部に第３、第４のくびれ部２８，２８′を配置しているため、このねじれは第３、第４のくびれ部２８，２８′のみに発生し、第３、第４のくびれ部２８，２８′と錘部２３との間および第３、第４のくびれ部２８，２８′と固定部２４との間には発生することがない。そのため歪抵抗素子Ｒy21，Ｒy22，Ｒy23，Ｒy24には引張または圧縮歪が作用せず抵抗値は変化することはない。これにより、歪抵抗素子Ｒy21，Ｒy22，Ｒy23，Ｒy24で構成されるブリッジ回路は平衡状態を維持するため、他軸感度が発生することがない。

次に、図３（ａ）に示す本発明の実施の形態２において、Ｙ軸正方向の加速度が印加された時、錘部２３がＹ軸の正方向への回動に伴い、第１、第２の梁状可撓部２５，２５′は錘部２３との連結部においてＸ軸周りに回転するが、固定部２４との連結部においてはＸ軸の周りに回転することはない。これにより、第１、第２の梁状可撓部２５，２５′は錘部２３と固定部２４との間でねじれることになる。しかしながら、本発明の実施の形態２における３軸加速度センサの検出素子においては、第１、第２の梁状可撓部２５，２５′の略中央部に第１、第２のくびれ部２７，２７′を配置しているため、このねじれは第１、第２のくびれ部２７，２７′のみに発生し、第１、第２のくびれ部２７，２７′と錘部２３との間および第１、第２のくびれ部２７，２７′と固定部２４との間には発生することがない。そのため歪抵抗素子Ｒx21，Ｒx22，Ｒx23，Ｒx24には引張または圧縮歪が作用せず抵抗値は変化することはない。これにより、歪抵抗素子Ｒx21，Ｒx22，Ｒx23，Ｒx24で構成されるブリッジ回路は平衡状態を維持するため、他軸感度が発生することがない。

図４は図３（ａ）に示す本発明の実施の形態２における３軸加速度センサの検出素子にＸ（Ｙ）軸方向、Ｚ軸方向に加速度が印加された時に梁状可撓部の表面に発生する歪をシミュレーションした計算結果である。このシミュレーションは、錘部と固定部の厚みが５２５．２５μｍ、錘部の１辺の長さが１７０μｍ、梁状可撓部の厚み、長さが各々５．２５μｍ、３６５μｍ、固定部外形の１辺の長さが１８００μｍであるシリコンからなる３軸加速度センサの検出素子について実施したものである。図４において、横軸は前記梁状可撓部上で前記検出素子の中心からの距離を採り、縦軸は梁状可撓部の表面に発生する歪(ε)を採っている。そして、実線は錘部にＸ（Ｙ）軸方向に１Ｇの加速度が印加された時に、Ｘ（Ｙ）軸方向に伸びる梁状可撓部の表面に発生する歪を示し、点線はＺ軸方向に１Ｇの加速度が印加された時に、Ｘ（Ｙ）軸方向に伸びる梁状可撓部の表面に発生する歪を示す。

このグラフから、梁状可撓部の表面に発生する歪は梁状可撓部と錘部との連結部または梁状可撓部と固定部との連結部近傍で極大となること、Ｘ（Ｙ）軸方向に加速度が印加された時に梁状可撓部と錘部との連結部近傍に発生する歪は梁状可撓部と固定部との連結部近傍に発生する歪の約１．７５倍であること、Ｚ軸方向に加速度が印加された時に梁状可撓部と錘部との連結部近傍に発生する歪は梁状可撓部と固定部との連結部近傍に発生する歪と同一であり、Ｘ（Ｙ）軸方向に加速度が印加された時に梁状可撓部と固定部との連結部近傍に発生する歪とほぼ等しいことが分かる。このシミュレーション結果から、Ｘ（Ｙ）軸方向の加速度を検出する歪検出素子を梁状可撓部と錘部との連結部近傍に配置することによりＸ軸およびＹ軸方向の加速度感度を向上することができることが分かる。一方、Ｚ軸方向の加速度を検出する歪検出素子は梁状可撓部と固定部との連結部近傍または梁状可撓部と錘部との連結部近傍のいずれに配置しても良いが、本発明の実施の形態２における３軸加速度センサの検出素子においては、Ｘ（Ｙ）軸方向の加速度を検出する歪検出素子を梁状可撓部と錘部との連結部近傍に配置しており、さらにＺ軸方向の加速度を検出する歪検出素子を形成するスペース的な余裕がないため、梁状可撓部と固定部との連結部近傍に配置することが望ましい。但し、Ｚ軸方向の加速度を検出する歪検出素子を梁状可撓部と固定部との連結部近傍に配置する場合には、Ｚ軸方向の加速度が印加された時２つの歪検出素子には引張歪が、他の２つの歪検出素子に圧縮歪が印加されるように梁状可撓部に歪検出素子を配置する必要がある。図３に示した本発明の実施の形態２における３軸加速度センサの検出素子においては、Ｚ軸下方向の加速度が印加された時、歪抵抗素子Ｒz21，Ｒz23に引張歪が、歪抵抗素子Ｒz22，Ｒz24に圧縮歪が印加されるように、歪抵抗素子Ｒz21，Ｒz22，Ｒz23，Ｒz24をすべてＸ軸に並行するように形成している。

このように、本発明の実施の形態２における３軸加速度センサの検出素子においては、Ｘ軸方向またはＹ軸方向のいずれか１つの軸方向の加速度が印加された時、この加速度が印加された軸に直交する他の梁状可撓部のねじれはこの梁状可撓部の略中央部に形成したくびれ部のみに発生し、前記梁状可撓部と錘部との連結端部に形成した歪抵抗素子に引張歪または圧縮歪が作用しないようにでき、これにより、他軸感度を発生させることがなく、さらにＸ軸およびＹ軸方向の加速度感度を向上することができ、これにより、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸からなる３軸方向の加速度を正確に検出できるものである。

（実施の形態３）
以下、実施の形態３を用いて、本発明の特に請求項３に記載の発明についてさらに説明する。図５（ａ）は本発明の実施の形態３における３軸加速度センサの検出素子の上面図、図５（ｂ）は図５（ａ）におけるＸ軸に平行なＫ−Ｋ線断面図である。なお、この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の構成と同様の構成を有するものについては、同一符号を付しており、その説明は省略する。

図５（ａ）において、本発明の実施の形態３が上記した本発明の実施の形態１と相違する点は、歪抵抗素子Ｒx21，Ｒx22を第１の梁状可撓部２５と固定部２４との連結点に梁状可撓部２５の中心線に対して略対称の位置に配置し、歪抵抗素子Ｒx23，Ｒx24を第２の梁状可撓部２５′と固定部２４との連結点に梁状可撓部２５′の中心線に対して略対称の位置に配置するとともに、歪抵抗素子Ｒy21，Ｒy22を第３の梁状可撓部２６と固定部２４との連結点に梁状可撓部２６の中心線に対して略対称の位置に配置し、歪抵抗素子Ｒy23，Ｒy24を第４の梁状可撓部２６′と固定部２４との連結点に梁状可撓部２６′の中心線に対して略対称の位置に配置し、さらに歪抵抗素子Ｒz21，Ｒz22，Ｒz23，Ｒz24をそれぞれ第１、第２、第３、第４の梁状可撓部２５，２５′，２６，２６′と錘部２３との連結部に配置し、さらにまた前記歪抵抗素子Ｒz21，Ｒz22，Ｒz23，Ｒz24をすべてＸ軸方向に並行させた点である。

本発明の実施の形態３における３軸加速度センサにおいては、本発明の実施の形態１，２における３軸加速度センサと同様に他軸感度を発生させることがないとともに、さらにＸ軸、Ｙ軸方向およびＺ軸方向の加速度感度を略同一にすることができ、これにより、信号処理回路の回路構成を簡略化することにより、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸からなる３軸方向の加速度を簡便な回路構成で正確かつ安定に検出できるものである。

以下に、この点について説明する。

一般に、歪抵抗素子からなるブリッジ回路から得られる出力電圧は数ｍＶ程度であるため、その出力を増幅するアンプが必要となる。この時、加速度センサの検出素子のＸ軸、Ｙ軸方向およびＺ軸方向の加速度感度に差があると、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、その分だけ回路構成が複雑化することになり、特に携帯端末等の民生用の機器においては製造コスト面での課題となる。本発明の実施の形態３における３軸加速度センサの検出素子においては、図５（ａ）に示すように、Ｘ軸方向の加速度を検出するための歪抵抗素子Ｒx21，Ｒx22，Ｒx23，Ｒx24と、Ｙ軸方向の加速度を検出するための歪抵抗素子Ｒy21，Ｒy22，Ｒy23，Ｒy24をすべて梁状可撓部２５，２５′，２６，２６′と固定部２４との連結部近傍に配置することにより、Ｘ軸方向の加速度を検出するための歪抵抗素子Ｒx21，Ｒx22，Ｒx23，Ｒx24と、Ｙ軸方向の加速度を検出するための歪抵抗素子Ｒy21，Ｒy22，Ｒy23，Ｒy24とに印加される歪をＺ軸方向の加速度を検出するための歪抵抗素子Ｒz21，Ｒz22，Ｒz23，Ｒz24に印加される歪とをほぼ同一の値にすることにより、検出素子のＸ軸、Ｙ軸方向およびＺ軸方向の加速度感度を略同一にして前記課題を解決するものである。一方、Ｚ軸方向の加速度を検出する歪検出素子は梁状可撓部と錘部との連結部近傍に配置している。但し、Ｚ軸方向の加速度を検出する歪検出素子を梁状可撓部と固定部との連結部近傍に配置する場合には、Ｚ軸方向の加速度が印加された時２つの歪検出素子には引張歪が、他の２つの歪検出素子に圧縮歪が印加されるように梁状可撓部に歪検出素子を配置する必要がある。図５に示した本発明の実施の形態３における３軸加速度センサの検出素子においては、Ｚ軸下方向の加速度が印加された時、歪抵抗素子Ｒz21，Ｒz23に圧縮歪が、歪抵抗素子Ｒz22，Ｒz24に引張歪が印加されるように、歪抵抗素子Ｒz21，Ｒz22，Ｒz23，Ｒz24をすべてＸ軸に並行するように形成している。

このように、本発明の実施の形態３における３軸加速度センサにおいては、本発明の実施の形態１，２における３軸加速度センサと同様に他軸感度を発生させることがないとともに、さらにＸ軸、Ｙ軸方向およびＺ軸方向の加速度感度を略同一にすることができ、これにより、Ｘ軸、Ｙ軸方向およびＺ軸方向の加速度感度差に応じてアンプの増幅率を変更する必要がなく、たとえば単一のアンプを用いてＸ軸、Ｙ軸方向およびＺ軸方向の加速度を時分割で処理することで、信号処理回路の回路規模を小さくすることができ、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸からなる３軸方向の加速度を簡便な回路構成で正確かつ安定に検出できるものである。

本発明に係る３軸加速度センサは、ＸＹ平面に平行に置かれた基板と、前記基板の略中央部に設けられ加速度を受けて変位する錘部と、前記錘部を取り囲むように配置した固定部と、前記錘部と固定部とを連結するＸ軸に平行な一対の梁状可撓部と、前記錘部と固定部とを連結するＹ軸に平行な一対の梁状可撓部と、前記梁状可撓部上でかつ前記梁状可撓部と錘部との連結端部に形成した歪抵抗素子とを備え、前記歪抵抗素子を形成した梁状可撓部と錘部との連結端部の幅寸法よりも幅寸法の小さいくびれ部を前記梁状可撓部内に設けたもので、Ｘ軸方向またはＹ軸方向のいずれか１つの軸方向の加速度が印加された時、この加速度が印加された軸に直交する他の梁状可撓部上で、前記歪抵抗素子を形成した梁状可撓部と錘部との連結端部の幅寸法よりも幅寸法の小さいくびれ部が捻れるため、前記梁状可撓部と錘部との連結端部に形成した歪抵抗素子に引張歪または圧縮歪が作用しないようにでき、これにより、他軸感度を発生させることなく、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸からなる３軸方向の加速度を正確に検出できるという効果を有するものであり、ために、特に、自動車や航空機等の輸送機器や携帯端末等に用いてこれらの機器に働く互いに直交するＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸方向の加速度を検出する３軸加速度センサとして有用なものである。

２１ 基板
２３ 錘部
２４ 固定部
２５，２５′，２６，２６′ 梁状可撓部
Ｒx21〜Ｒx24，Ｒy21〜Ｒy24，Ｒz21〜Ｒz24 歪抵抗素子
２７，２７′，２８，２８′ くびれ部

Claims (3)

1. ＸＹ平面に平行に置かれた基板と、前記基板の略中央部に設けられ加速度を受けて変位する錘部と、前記錘部を取り囲むように配置した固定部と、前記錘部と固定部とを連結するＸ軸に平行な一対の梁状可撓部と、前記錘部と固定部とを連結するＹ軸に平行な一対の梁状可撓部と、前記梁状可撓部上でかつ前記梁状可撓部と錘部との連結端部に形成した歪抵抗素子とを備え、前記歪抵抗素子を形成した梁状可撓部と錘部との連結端部の幅寸法よりも幅寸法の小さいくびれ部を前記梁状可撓部内に設けた３軸加速度センサ。
2. Ｘ軸およびＹ軸方向の加速度を検出するための歪抵抗素子を前記梁状可撓部上でかつ前記梁状可撓部と錘部との連結端部に形成したことを特徴とする請求項１記載の３軸加速度センサ。
3. Ｘ軸およびＹ軸方向の加速度を検出するための歪抵抗素子を前記梁状可撓部上でかつ前記梁状可撓部と固定部との連結端部に形成するとともに、Ｚ軸方向の加速度を検出するための歪検出素子を前記梁状可撓部上でかつ前記梁状可撓部と固定部との連結端部に形成したことを特徴とする請求項１記載の３軸加速度センサ。

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