JPH03214064A

JPH03214064A - 加速度センサ

Info

Publication number: JPH03214064A
Application number: JP2009112A
Authority: JP
Inventors: Junichi Takahashi; 淳一高橋; Hiroyuki Horiguchi; 堀口　浩幸; Motomi Ozaki; 尾崎　元美
Original assignee: Ricoh Co Ltd
Current assignee: Ricoh Co Ltd
Priority date: 1990-01-18
Filing date: 1990-01-18
Publication date: 1991-09-19

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】産業上の利用分野本発明は、回転加速度と並進加速度を分離して検出する
加速度センサに関する。

従来の技術従来における加速度センサの第一の従来例を第１９図及
び第２０図に基づいて説明する。第１９図は加速度セン
サ本体の斜視図、第２０図はそのセンサがパッケージ内
に収納された場合における断面形状を示したものである
。起歪体１はＳｉ基板からなり、作用部２と支持部３と
は片持梁４により連設されている。この片持梁４の表面
には検出素子（ピエゾ抵抗）５が形成されている。前記
作用部２には肉厚の厚い重り６が設けられ、その上部に
付加重り７（ここでは、Ａｕ）が取付けられている。

この場合、加速度α又は角加速度乙により重り６部分に
力が加わり、この力により片持梁４が変形する。そして
、この片持梁４上に形成されたピエゾ抵抗５により、そ
の梁の歪（変形）を検出し、これにより加速度センサに
加わるα又は品を検出している。

次に、第二の従来例を第１８図に基づいて説明する。起
歪体ｌはＳｉ基板等からなるものであり、その中心部が
作用部２とされ、その周辺部が支持部３とされ、これら
両者間は検出面としての梁４により連設されている。そ
の梁４の表面には検出素子５が形成されている。また、
作用部２には肉厚の厚い重り６が形成され、その重り６
の下方にはさらに別体の付加重り７が取付けられている
。

さらに、支持部３の下方には台座８が設けられ、その上
部にはストッパー９が取付けられている。

そして、このように形成された起歪体１はパッケージ１
０内に収納されており、ボンディングワイヤ１１を介し
て、リードビン１２により外部に信号が取り出されるよ
うになっている。

このような構成において、加速度α又は角加速度品によ
り重り部分に力が加わり、この力により梁４が変形する
。この梁４に形成された検出素子５（ピエゾ抵抗）によ
り梁４の歪（変形）を検出することによって加速度α又
は角加速度ゐを測定することができる。

発明が解決しようとする課題上述したような第一の従来例の装置においては、重り６
の部分はＳｉ基板をエツチングすることにより形成され
ており、また、その付加重り７として用いられるＡｕは
重りの重心がピエゾ抵抗５が形成されている起歪体ｌの
表面と同一平面−Ｆにあるようにするために形成されて
いる。

この場合、重り６の表面方向の加速度βに対しては片持
梁４が曲がることがないために、その加速度βに対して
はセンサ出力は不感である。しかし、加速度０と角加速
度品の両者に対して、片持梁４は−様な変形を示す。こ
のため従来のような構成においては、加速度αと角加速
度ゐとを分離して検出することができない。

また、前述したような第二の従来例において、Ｘ軸方向
の加速度αＸによりＹ軸方向の回転力Ｍｙが生じ、片持
梁４が変形し、この変形を検出素子５により検出してα
Ｘを求めることができる。

しかし、この場合、Ｙ軸回りの角加速度Ｍｙが本加速度
センサに加わっても、梁４はαＸが加わった場合と同様
に変形するため、結局、αＸとδｙを分離して検出する
ことができない。

課題を解決するための手段そこで、このような問題点を解決するために、本発明は
、中心部に重りを有する作用部とその周辺部の支持部と
の間を肉厚の薄い検出面により連設して起歪体を形成し
、この検出面の機械的変形をその表面に形成された検出
素子により電気抵抗に変化させて検出する加速度センサ
において、前記作用部に前記検出面の厚みに関しての等
配分平面内に重心をもつ重りを設け、この重りの重心を
中心とした慣性モーメントが大きくなるように前記重り
の形状を設定した。

作用従って、作用部に検出面の厚みに関しての等配分平面内
に重心をもつ重りを設け、この重りの重心を中心とした
慣性モーメントが大きくなるように重りの形状を設定し
たことにより、検出面と平行な方向の加速度に対して不
感な状態で角加速度のみを分離して検出することができ
、また、これにより検出面に垂直な加速度も独立して検
出することができる。

実施例本発明の第一の実施例を第１図ないし第８図に基づいて
説明する。起歪体１３は、Ｓｉ単結晶基板により形成さ
れており、その中心は作用部１４とされ、その周辺は支
持部１５とされている。これら作用部１４と支持部１５
との間は肉厚の薄い検出面としての４本の梁１６により
連設されている。前記作用部１４には、その上下方向に
それぞれ重り１７ａ、１７ｂが形成されており、それら
市り１７ａ、１７ｂの先端にはさらに付加重りとしてＡ
ｕ１９が取付けられている。また、前記梁１６は、ｎ−
ｅｐｉ層により形成されており、その表面には検出素子
としてのピエゾ抵抗１８（Ｒｘ、　〜Ｒｘ、、Ｒｙ、−
Ｒｙ、）が形成されている。

この場合、前記作用部１７に設けられた重り１７ａ、１
７ｂは、前記梁１６の厚みに関しての等配分平面２０内
に重心をもつようになっており、重り１７ａ、１７ｂの
重心を中心としたモーメントが大きくなるようにそれら
重り１７ａ、１７ｂの形状が設定されている。

また、前記支持部１５の表面にはポンディングパッド２
１が形成され、このパッドはボンディングワイヤ２２を
介してリードビン２３と接続されている。前記支持ｓ１
５はその下方では台座２４に固定されている。

さらに、前記ピエゾ抵抗１８は、第６図に示すようなブ
リッジ回路２５を構成しており、増幅器２６により出ノ
Ｊが増幅される。この場合、増幅器２６としては、例え
ば、第７図に示すような構成のものを用いることができ
る。

このような構成において、第３図に示すように、梁１６
に平行でＸ軸方向の加速度αＸが加わったとしても１作
用部１４に設けられた重り１７ａ。

１７ｂの重心は等配分平面２０上に存在するので、梁１
６は何ら歪を生じない。従って、この場合、ピエゾ抵抗
ＲＸｌ　〜Ｒｘ４−　ＲＶ　ｔ　〜Ｒｙｓの抵抗値は変
化しない。このことは加速度αｙについても同じことが
言える。

次に、Ｙ軸回りの角加速度Ｍｙが加わった場合、第４図
に示すような歪が梁１６に生じ、これにより、Ｒｘ、、
Ｒｘ、は増加（＋ΔＲ）し、ＲｘＲ１Ｒｘ、は減少（−
ΔＲ）する。しかし、Ｒｙ＋〜Ｒｙ、は変化しない。従
って、この場合、第６図に示すようなＶＭｙだけがａｙ
を検出した信号として出力される。また、これと同様な
原理により、ｔｂｘに関しても、ＶｉｘだけがｔａＸを
検出した信号として出力される。

次に、α２が加わった時には、第５図に示すような歪が
梁１６に生じ、これによりＲｘ、、Ｒｘ４゜Ｒｙ、、Ｒ
Ｖ４は減少し、Ｒｘ、、Ｒｘ、、ＲＶ、。

ＲＶ　ｓは増加する。従って、この場合、第６図に示す
ような■α２のみがαＺを検出した信号として出力され
る。

上述したように、本実施例における加速度センサは、梁
１６に平行な加速度αＸ、ａｙには不感で、ｘ、Ｙ軸回
りの角加速度ａｘ、Ｍｙを分離して検出することができ
る。また、Ｌｘ、ａｙとは独立的に梁１６に垂直な方向
の加速度α２を検出することができる。

次に、本加速度センサを作成するプロセスを第８図に基
づいて説明する。起歪体１３の基板としては、Ｐ！５２
Ｓｉ上にｎ型エピタキシャル層を成長させたものを用い
る（ａ）、まず、この基板にイオン注入法、固相拡散法
等の選択拡散法により、ボロン等を拡散してピエゾ抵抗
１８をｎ型エピタキシャル層上に形成し、さらに、コン
タクトホールメタル配線等により第６図のブリッジ回路
を構成する（ｂ）。次に、電気化学エツチングによる結
晶軸異方性エツチング等によりＰ型Ｓｉを部分的にエツ
チング除去し、作用部１４の下部の重り１７ｂ、支持部
１５、梁１６の領域のみを残す（Ｃ）。

次に、上部の重り１７ａとなるものを単結晶基板Ｓｉを
異方性エツチングにより別途作製しておき、この重り１
７ａを陽極接合法或いは接着剤等により下部の重り１７
ｂの真上に接合する（ｄ）。これにより起歪体１３を作
成することができる。

次に、本発明の第二の実施例を第９図に基づいて説明す
る。前述した第一の実施例では、検出面としての梁１６
を４本用いたが、ここでは、その梁１６を２本にしてピ
エゾ抵抗Ｒｘ、〜Ｒｘ、のみを形成したものである。こ
れにより加速度αＺと角加速度ｍｙを検出することがで
きる。なお、その検出原理、回路構成、作製方法につい
ては、第一の実施例と同様に行うことができるのでここ
での説明は省略する。

次に、本発明の第三の実施例を第１０図に基づいて説明
する。これは、検出面をこれまで述べた梁１６としてで
はなく、ダイヤフラム２７として形成した場合の例であ
る。この場合、そのダイヤフラム２７上にピエゾ抵抗Ｒ
ｘ、〜Ｒｘ４．　Ｒｙ〜Ｒｙ４を形成することにより、
第一の実施例と同様に角加速度を分離して検出すること
ができる。

次に、本発明の第四の実施例を第１Ｉ図〜第１３図に基
づいて説明する。これは、第１２図に示すように、Ｐ’
ｌＳｉにピエゾ抵抗Ｒｘ、　〜Ｒｘ、。

Ｒｙ、〜Ｒｙ、を形成後、Ｓｉチップ両面から異方性エ
ツチングを行い、その中央部分に穴２８を開ける。そし
て、その基板に別途作成した上部の重り１７ａと下部の
重り１７ｂとをはめ込み接着剤等を用いて接合すること
により、第１１図（ａ）に示すようなセンサを作成する
ことができる。なお、本実施例も第一の実施例と同様な
効果を得ることができる。

次に、本発明の第五の実施例を第１４図に基づいて説明
する。この場合、第四の実施例で述べた第１２図と同様
なプロセスを行うことにより、検出面を梁１６上に形成
し、第１１図と同様に組立ててセンサを構成することが
できる。

次に、本発明の第六の実施例を第１５図に基づいて説明
する。起歪体であるＳｉチップは、第一の実施例で述べ
た第８図と同様なプロセスを行うことにより作成するこ
とができる。この場合、検出面は、第１６図に示すよう
に４本の梁１６として形成してもよいし、また、第１７
図に示すようにダイヤフラム２７として形成するように
してもよい。

最後に、これまで各実施例において述べた本発明に係る
加速度センサと従来技術において述べた第１８図に示す
ような加速度センサとを組合わせた場合について考える
。

まず、第１８図の加速度センサにおいて、Ｖｘ、＝Ａａ
ｘ十Ｂゐｙ　　・・・（１）Ｖ　ｙ　、　−Ｃｃｔｙ　
＋Ｄ　ｔ；＞　ｘ　　　−（２）の関係が成り立つ。

また１本発明に係る加速度センサにおいて、Ｖｘ２＝Ｅ
品ｙ　　　　　　　・・・（３）Ｖ　ｙ、＝ＦゐＸ　　
　　　　　・・・（４）の関係が成り立つ。

従って、これら（１）〜（４）式の関係から、Ｖｘ。

ゐｙ＝　　　　　　　　　　　　　　・・・（７）”ｊ
ｘゐＸ＝　　　　　　　　　　　　　　・・・（８）ただ
し、Ａ−Ｆは定数とする。

従って、これら（５）〜（８）式より、加速度と角加速
度を分離して検出することができることがわかる。この
ように従来の加速度センサと本発明に係る加速度センサ
とを組合わせることによってその測定の応用範囲を広げ
ることができる。

発明の効果本発明は、中心部に重りを有する作用部とその周辺部の
支持部との間を肉厚の薄い検出面により連設して起歪体
を形成し、この検出面の機械的変形をその表面に形成さ
れた検出素子により電気抵抗に変化させて検出する加速
度センサにおいて、前記作用部に前記検出面の厚みに関
しての等配分平面内に重心をもつ重りを設け、この重り
の重心を中心とした慣性モーメントが大きくなるように
前記重りの形状を設定したので、作用部に検出面の厚み
に関しての等配分平面内に重心をもつ重りを設け、この
重りの重心を中心とした慣性モーメントが大きくなるよ
うに重りの形状を設定したことにより、検出面と平行な
方向の加速度に対して不感な状態で角加速度のみを分離
して検出することができ、また、これにより検出面に垂
直な加速度も独立して検出することができるものである
。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第一の実施例を示す側面図、第２図（
ａ）はそのセンサ本体の上面図、第２図（ｂ）はそのセ
ンサ本体の下面図、第３図は加速度αＸが作用した時の
状態図、第４図は角加速度Ｍｙが作用した時の状態図、
第５図は加速度αＺが作用した時の状態図、第６図は検
出素子によりブリッジ回路を構成した時の様子を示す回
路図、第７図はその増幅器の一例を示す回路図、第８図
はプロセス図、第９図（ａ）は本発明の第二の実施例で
あるセンサ本体の上面図、第９図（ｂ）はそのセンサ本
体の下面図、第１０図（ａ）は本発明の第三の実施例で
あるセンサ本体の上面図、第１Ｏ図（ｂ）はそのセンサ
本体の下面図、第１１図（ａ）は本発明の第四の実施例
を示す上面図、第１１図（ｂ）はその側面図、第１２図
はそのプロセス図、第１３図（ａ）は第１１図のセンサ
本体の上面図、第１３図（ｂ）はそのセンサ本体の下面
図、第１４図は本発明の第五の実施例を示す平面図、第
１５図は本発明の第六の実施例を示す側面図、第１６図
（ａ）はそのセンサ本体の上面図、第１６図（ｂ）はそ
のセンサ本体の下面図、第１７図（ａ）は第１５図の検
出面をダイヤフラムとした場合におけるセンサ本体の上
面図、第１７図（ｂ）はそのセンサ本体の下面図、第１
８図（ａ）は第二の従来例を示す側面図、第１８図（ｂ
）はそのセンサ本体の平面図、第１９図は第一の従来例
であるセンサ本体を示す斜視図、第２０図はそのセンサ
本体がパッケージ内に収められた時の機側面図である。３・・・起歪体、１４・・・作用部、５・・・支持部、 ■ ６・・・検出面、１７ａ。１７ｂ・・・重り、 ■ ８・・・検出素子、２０・・・等配分平面出願人株式会社リコ１１」２図（ａ）（ｂ）」６」ヌＵ　図一下５ヌ、１７ｂｑ（ａ）（ａ）」８図（ｂ）図（ｂ） −第」」図（ａ）Ｊｌ　、１２図Ｊ５　Ｊ３図（ａ）（ｂ）Ｊ」は図」６１」７図（ａ）（ｂ）１（３」○図

Claims

【特許請求の範囲】

中心部に重りを有する作用部とその周辺部の支持部との
間を肉厚の薄い検出面により連設して起歪体を形成し、
前記検出面の機械的変形をその表面に形成された検出素
子により電気抵抗に変化させて検出する加速度センサに
おいて、前記作用部に前記検出面の厚みに関しての等配
分平面内に重心をもつ重りを設け、この重りの重心を中
心とした慣性モーメントが大きくなるように前記重りの
形状を設定したことを特徴とする加速度センサ。