JPWO2013089079A1 - 加速度センサ - Google Patents

Abstract

１つの軸に対して傾斜をもった方向を検出方向とする場合や、２つの軸方向を検出方向とする場合に、小型で高感度な加速度センサを提供する。錘（１１）と、錘（１１）と対向するように配置された支持部（１２）と、可撓性を有し、錘（１１）と支持部（１２）とを接続している梁（１３Ａ，１３Ｂ）と、梁（１３Ａ，１３Ｂ）に設けられたピエゾ抵抗素子（１４Ａ，１４Ｂ）とを備え、錘（１１）は梁（１３Ａ，１３Ｂ）の中央部を支点として振り子振動する、加速度センサ（１０）。

Description

本発明は、ピエゾ抵抗素子を用いた加速度センサに関する。

特許文献１には、１つの軸方向の加速度を検出する加速度センサが開示されている。ここで、１つの軸方向とは、加速度センサを構成する加速度センサ素子の厚み方向である。特許文献１に記載の加速度センサは、撓み部である梁によって支持枠に支持された錘を備えている。換言すれば、梁の一方の端部が支持枠に接続され、梁の他方の端部が錘に接続されている。特許文献１に記載の加速度センサは、ＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ−Ｅｌｅｃｔｒｏ−Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍｓ）ピエゾ抵抗型加速度センサが開示されている。

この加速度センサは、例えばハードディスクドライブ装置（ＨＤＤ）に搭載される。そして、ＨＤＤでは、衝撃によりＨＤＤが故障することを防ぐため、ＨＤＤに衝撃が加わった際にデータの書き込みや読み込みを停止する保護機能が働くようになっている。このような保護機能を実現するために、ＨＤＤに加わる加速度を検知する、加速度センサが搭載される。

特開２００９−１２８２６９号公報

ＨＤＤの保護機能において、第１の軸方向（ＨＤＤ及び加速度センサの平面方向。以下、Ｙ軸方向という）の加速度だけではなく、第２の軸方向（ＨＤＤ及び加速度センサの厚み方向。以下、Ｚ軸方向という）の加速度も検出することが必要となることがある。このような場合、Ｙ軸方向の加速度を検出する加速度センサと、Ｚ軸方向の加速度を検出する加速度センサとをＨＤＤに搭載することが考えられるが、部品点数が増加するという問題がある。そこで、Ｚ軸に対して所定の角度の傾斜を持った方向を検出方向とする加速度センサをＨＤＤに搭載することが考えられる。

しかしながら、特許文献１に記載の加速度センサでは、Ｚ軸に対して所定の角度傾斜した方向の加速度を検出しようとする場合、衝撃を検出するために必要な帯域と感度とを実現することが困難である。

そこで、本発明の第１の目的は、１つの軸に対して傾斜をもった方向を検出方向とすることができ、広い帯域で高い感度を実現することが可能な加速度センサを提供することにある。

また、本発明の第２の目的は、複数の軸に沿った方向を検出方向とする場合でも、小面積で高い感度を実現することが可能な加速度センサを提供することにある。

本発明に係る加速度センサは、錘と、錘と対向するように配置された支持部と、可撓性を有し、錘と支持部とを接続している梁と、梁に設けられたピエゾ抵抗素子とを備えている。 この構成では、加速度によって梁が変位する時に梁に応力を集中することができ、感度の高い加速度センサを実現することができる。

この構成では、支点と錘の重心位置とを結ぶ線分に対して直交する方向を検出方向とすることができる。

本発明に係る加速度センサにおいて、錘と支持部の一方が、錘と支持部の他方側に突出する凸部を有し、錘と支持部の他方が、凸部に対向している凹部を有しており、梁として、凸部と凹部との間に設けられている第１の梁と、凸部と凹部との間から外れて設けられている第２の梁とを備える構成が好ましい。

この構成では、支持部および錘の対向する部分を凹凸状にし、第１の梁と第２の梁とにより支持部と錘とを接続することで、梁に応力を集中することができ、より感度の高い加速度センサを実現することができる。

本発明に係る加速度センサにおいて、第１の梁に設けられている第１のピエゾ抵抗ブリッジと、第２の梁に設けられている第２のピエゾ抵抗ブリッジと、を備える構成が好ましい。

この構成では、第１のピエゾ抵抗ブリッジによる加速度の検出方向と、第２のピエゾ抵抗ブリッジによる加速度の検出方向がずれたものになる。このため、第１のピエゾ抵抗ブリッジからの出力と、第２のピエゾ抵抗ブリッジからの出力とに基づいて、２軸方向の加速度を分離して検出することが可能になる。

本発明に係る加速度センサにおいて、前記凸部が前記凹部の内側に位置している構成でもよい。

本発明に係る加速度センサにおいて、前記凸部が前記凹部の外側に位置している構成でもよい。

本発明によれば、梁に応力を集中させることができ、１つの軸に対して傾斜をもった方向を検出方向とする場合でも、高感度な加速度センサを実現することができる。また、複数の軸方向を検出方向とする場合でも、小面積で高感度な加速度センサを実現することができる。

本発明の実施形態１に係る加速度センサの模式的平面図および模式的側面断面図であり、図１（Ａ）は上面平面図であり、図１（Ｂ）は図１（Ａ）におけるＩ−Ｉ線における側面断面図である。 本発明の実施形態１に係る加速度センサにおける振り子振動の態様を説明するための模式的側面図である。 本発明の実施形態１に係る加速度センサの製造方法を説明するための断面図である。 本発明の実施形態２に係る加速度センサの模式的斜視図である。 本発明の実施形態２に係る加速度センサの模式的平面図および模式的側面断面図であり、図５（Ａ）は上面平面図であり、図５（Ｂ）は図５（Ａ）におけるＶＡ−ＶＡ線における側面断面図であり、図５（Ｃ）は図５（Ａ）におけるＶＢ−ＶＢ線における側面断面図である。 本発明の実施形態２に係る加速度センサにおける振り子振動時の支点とピエゾ抵抗素子の配置とを説明するための模式的平面図および回路図であり、図６（Ａ）は上面平面図であり、図６（Ｂ）は回路図である。 本発明の実施形態３に係る加速度センサの模式的平面図および模式的側面断面図であり、図７（Ａ）は上面平面図であり、図７（Ｂ）は図７（Ａ）におけるＶＡ−ＶＡ線における側面断面図であり、図７（Ｃ）は図７（Ａ）におけるＶＢ−ＶＢ線における側面断面図である。 本発明の実施形態３に係る加速度センサの出力例と加速度導出方法について説明する図であり、図８（Ａ）は第１のピエゾ抵抗ブリッジの出力を示す表であり、図８（Ｂ）は第２のピエゾ抵抗ブリッジの出力を示す表であり、図８（Ｃ）はピエゾ抵抗ブリッジの出力比と入力加速度方向との関係を示すグラフである。 本発明の実施形態４に係る加速度センサの模式的斜視図および模式的平面図であり、図８（Ａ）は模式的斜視図であり、図８（Ｂ）は上面平面図であり、図８（Ｃ）は下面平面図である。 本発明の実施形態２に係る加速度センサの第１の変形例の模式的斜視図である。 本発明の実施形態２に係る加速度センサの第２〜第５の変形例の模式的平面図である。 本発明の実施形態２に係る加速度センサの第６〜第９の変形例の模式的平面図である。

（実施形態１）
本発明の実施形態１に係る加速度センサ１０について、図を参照して説明する。図１は、本発明の実施形態１に係る加速度センサ１０の模式的平面図および模式的側面断面図である。図１（Ａ）は、加速度センサ１０の上面平面図である。図１（Ｂ）は、図１（Ａ）におけるＩ−Ｉ線における側面断面図である。図１（Ａ），（Ｂ）において、直交座標形のＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸が付記されている。

加速度センサ１０は、ＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ−Ｅｌｅｃｔｒｏ−ＭｅｃｈａｎｉｃａｌＳｙｓｔｅｍｓ）ピエゾ抵抗型加速度センサである。図１（Ａ），（Ｂ）に示すように、加速度センサ１０は、錘１１と、支持部１２と、梁１３Ａ，１３Ｂとを備えている。錘１１は、ＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｏｎ Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）基板に対してエッチング処理等の後述する微細加工を行うことで形成される。本実施形態においては、錘１１は、Ｘ−Ｙ軸平面において、長方形状を有している。また、錘１１は、Ｚ軸方向に所定の長さを有している。

錘１１は、Ｘ軸方向において、支持部１２と対向している。錘１１は、梁１３Ａ，１３Ｂにより、支持部１２と接続されている。また、支持部１２は、Ｚ軸方向に所定の長さを有している。

梁１３Ａ，１３Ｂは、可撓性を有する平板状であって、錘１１と支持部１２とを接続している。すなわち、加速度センサ１０は、錘１１が梁１３Ａ，１３Ｂによって支持された片持ち形状である。梁１３Ａ，１３Ｂは、錘１１と支持部１２とを接続している。

梁１３Ａ，１３Ｂにピエゾ抵抗素子１４Ａ，１４Ｂが設けられている。ピエゾ抵抗素子１４Ａ，１４Ｂは、梁１３Ａ，１３Ｂにかかる応力を検出する。具体的には、加速度センサ１０に加速度が加わると、加速度によって梁１３Ａ，１３Ｂが撓み、梁１３Ａ，１３Ｂに応力が加わる。梁１３Ａ，１３Ｂが撓むことによって、ピエゾ抵抗素子１４Ａ，１４Ｂに応力が加わり、ピエゾ抵抗素子１４Ａ，１４Ｂの抵抗値が変化する。このように、ピエゾ抵抗素子１４Ａ，１４Ｂの抵抗値の変化によって、梁１３Ａ，１３Ｂにかかる応力の大きさが検出され、ピエゾ抵抗素子１４Ａ，１４Ｂによる検出結果から加速度センサ１０に加わった加速度が計測される。

図２は、本発明の実施形態１に係る加速度センサ１０における加速度入力時の模式的側面断面図である。

加速度センサ１０においては、錘１１の重心Ｑと支点とを結ぶ線がなす角度が、１つの軸（Ｚ軸）に対する傾斜角となる。そして、加速度センサ１０は、１つの軸（Ｚ軸）に対して傾斜角の大きさで傾斜した方向に直交する方向（Ｘ軸方向およびＺ軸方向の成分を有する方向）が検出方向となる。このため、錘１１の重心Ｑと支点とを結ぶ線がなす角度を調整することによって、１つの軸（Ｚ軸）に対する傾斜角を所望の角度にすることができるため、検出方向を所望の方向にすることができる。

また、加速度センサ１０において、図２に示す錘１１の重心Ｑと支点とを結ぶ線が１つの軸（Ｚ軸）に対して傾斜角をなす。従って、加速度センサ１０は、Ｚ軸方向およびＸ軸方向の加速度を検出することができるため、１つの軸に対して傾斜をもった方向を検出方向とする高感度な一軸加速度センサを実現することができる。

次に、本発明の実施形態１に係る加速度センサ１０の製造方法について説明する。図３は、本発明の実施形態１に係る加速度センサ１０の製造方法を説明するための断面図である。図３に示す製造方法では、図１に示す加速度センサ１０を含む装置が製造される。また、図３に示す断面図は、上述の図１（Ｂ）に示す側面断面図に相当している。なお、以下では、梁１３Ａ，１３Ｂを代表して梁１３とし、ピエゾ抵抗素子１４Ａ，１４Ｂを代表してピエゾ抵抗素子１４と称して説明する。

まず、図３（Ａ）に示すように、ＳＯＩ基板１００を用意する。ＳＯＩ基板１００は、シリコン基板１０１とシリコン基板１０２と、これらの間に介在する、例えばＳｉＯ_２やＳｉＮからなる絶縁層１０３で構成されている。さらに、本実施形態では、シリコン基板１０１の表面に絶縁層１０４が形成されている。ここで、シリコン基板１０１および絶縁層１０３，１０４を重ねた厚みは、梁１３の厚みに略一致することが望ましい。

ＳＯＩ基板１００のシリコン基板１０１の表面側の、後に梁１３の中央部分となる位置に、フォトリソグラフィ技術およびドーピング技術を用いて、ピエゾ抵抗素子１４（ｐ＋層）を形成する。さらに、シリコン基板１０１の略同じ深さ位置に配線電極パターン１５となる低抵抗配線領域（ｐ＋＋層）を、所定パターンで形成する。

次に、図３（Ｂ）に示すように、フォトリソグラフィ技術およびエッチング技術を用いて、ＳＯＩ基板１００の裏面側（シリコン基板１０２側）からフッ素系ガス（ＣＦ_４，Ｃ_４Ｆ_８，ＳＦ_６等）や塩素系ガス（Ｃｌ_２）を用いたドライエッチングを行い、後に錘１１と支持部１２との間の空間となる空間１６、並びに、錘１１を振り子振動可能にする空間となる空間１７Ａを形成する。続いて、図３（Ｃ）に示すように、ＳＯＩ基板１００の裏面側（シリコン基板１０２側）に蓋材１８を接合する。なお、蓋材１８は、シリコン基板１０２と同じ材質であることが望ましい。

次に、図３（Ｄ）に示すように、フォトリソグラフィ技術およびエッチング技術を用いて、ＳＯＩ基板１００の表面側（絶縁層１０４側）からドライエッチングを行い、空間１７Ａに連通する空間１７Ｂを形成する。また、絶縁層１０４の表面、すなわちＳＯＩ基板１００の表面に、配線電極パターン１５Ａを形成する。この配線電極パターン１５Ａは、図示していないが、シリコン基板１０１の低抵抗配線領域と接続されているように形成されている。その後、ＳＯＩ基板１００の表面側から、後に錘１１、支持部１２および梁１３Ａ，１３Ｂに相当する部分を残すように、絶縁層１０４、シリコン基板１０１、絶縁層１０３の一部をドライエッチングで除去する。この工程により、錘１１が梁１３によって支持された構造が実現される。

（実施形態２）
次に、本発明の実施形態２に係る加速度センサ２０について説明する。図４は、本発明の実施形態２に係る加速度センサ２０の模式的斜視図である。図５は、本発明の実施形態２に係る加速度センサ２０の模式的平面図および模式的側面断面図である。図５（Ａ）は、加速度センサ２０の上面平面図である。図５（Ｂ）は、図５（Ａ）におけるＶＡ−ＶＡ線における側面断面図である。図５（Ｃ）は、図５（Ａ）におけるＶＢ−ＶＢ線における側面断面図である。図４と図５（Ａ）〜（Ｃ）には、図１と同様に、直交座標形のＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸が付記されている。

実施形態２に係る加速度センサ２０は、錘２１と、支持部２２と、梁２３Ａ，２３Ｂ，２３Ｃとを備えている。錘２１は、実施形態１と同様に、ＳＯＩ基板に対してパターンエッチング処理等の微細加工を行うことで形成される。本実施形態においては、錘２１は、Ｘ−Ｙ軸平面において、Ｙ軸方向に長辺を有する長方形状部分と、長方形状部分の長辺の略中央に設けられた凸部２１Ａとを有する凸形状となっている。凸部２１Ａは、支持部２２側に突出している。また、錘２１は、Ｚ軸方向に所定の長さを有している。以下の説明において、錘２１のＹ軸方向における凸部２１Ａを挟む２つの領域を領域２１Ｂ，２１Ｃという。なお、錘２１において、Ｘ，Ｙ，Ｚ軸方向の長さ、および凸部２１Ａの大きさ又は位置などは適宜設定される。

錘２１は、Ｘ軸方向において、支持部２２と対向している。錘２１は、梁２３Ａ，２３Ｂ，２３Ｃにより、支持部２２と接続されている。支持部２２は、Ｘ−Ｙ軸平面において、錘２１と略同じ長さとなる長辺をＹ軸方向に有する長方形状部分と、長方形状部分の長辺の両端に設けられた２つの凸部とを有する凹形状となっている。支持部２２は、Ｘ−Ｙ軸平面において、錘２１の凸部２１Ａに対向する部分に凹部２２Ａを有する凹部形状となっている。以下の説明において、支持部２２の凹部２２Ａを囲む部分を囲み部２２Ｂ，２２Ｃという。支持部２２は、この囲み部２２Ｂ，２２Ｃが錘２１の領域２１Ｂ，２１Ｃと対向するように配置されている。

梁２３Ａ，２３Ｂ，２３Ｃは、可撓性を有する平板状であって、錘２１と支持部２２とを接続している。すなわち、加速度センサ２０は、錘２１が梁２３Ａ，２３Ｂ，２３Ｃによって支持された片持ち形状となっている。梁２３Ａは、錘２１の凸部２１Ａと支持部２２の凹部２２Ａとを接続している。梁２３Ｂは、錘２１の領域２１Ｂと支持部２２の囲み部２２Ｂとを接続している。梁２３Ｃは、錘２１の領域２１Ｃと支持部２２の囲み部２２Ｃとを接続している。

また、錘２１は、支持部２２側にのみ凸部２１Ａが形成されているが、支持部２２とは反対側に凸部が形成された形状としてもよい。

実施形態２に係る加速度センサ２０において、錘２１および支持部２２は凹凸形状の平面形状を有しており、梁２３Ａによって錘２１が支持される位置と、梁２３Ｂ，２３Ｃによって錘２１が支持される位置とがずれている。また、錘２１の凸部２１Ａが支持部２２の凹部２２Ａに入り込まないように構成されている。そのため、直線Ｌ１，Ｌ２の間に応力が集中する。

そして、実施形態２に係る加速度センサ２０は、実施形態１と同様に、１つの軸に対して傾斜をもった方向（Ｘ軸方向およびＺ軸方向の成分を有する方向）が検出方向となる。なお、加速度センサ２０において、梁２３Ａ，２３Ｂ，２３Ｃの幅（Ｙ軸方向の長さ）の比率と、梁２３Ａ，２３Ｂ，２３Ｃの幅の中心部の位置と、錘２１の重心の位置とを調整することによって、１つの軸に対する傾斜角を所望の角度にすることができる。

図６（Ａ）に示すように、直線Ｌ１と直線Ｌ２とに挟まれて最大応力がかかる部分には、応力を検出するためのピエゾ抵抗素子２４Ａ，２４Ｂ，２４Ｃ，２４Ｄを設けている。

加速度センサ２０に加速度が加わると、加速度によって錘２１が変位し、梁２３Ａ，２３Ｂ，２３Ｃが撓み、梁２３Ａ、２３Ｂ、２３Ｃに応力が加わる。梁２３Ａ，２３Ｂ，２３Ｃが撓むことによって、ピエゾ抵抗素子２４Ａ〜２４Ｄに応力が加わると、ピエゾ抵抗素子２４Ａ〜２４Ｄの抵抗値が変化する。このピエゾ抵抗素子２４Ａ〜２４Ｄの抵抗値の変化によって、梁２３Ａ，２３Ｂ，２３Ｃにかかる応力の大きさが検出され、ピエゾ抵抗素子２４Ａ〜２４Ｄによる検出結果から加速度センサ２０に加わった加速度が計測される。

図６（Ｂ）は、ピエゾ抵抗素子２４Ａ〜２４Ｄを用いたピエゾ抵抗ブリッジの構成例を説明する回路図である。
ピエゾ抵抗素子２４Ａ〜２４Ｄは、ホイーストンブリッジ回路を構成するように接続されており、ピエゾ抵抗ブリッジ２４を構成している。具体的には、ピエゾ抵抗素子２４Ａとピエゾ抵抗素子２４Ｃとは直列に接続されている。また、ピエゾ抵抗素子２４Ｄとピエゾ抵抗素子２４Ｂとも直列に接続されている。ピエゾ抵抗素子２４Ａ，２４Ｃからなる直列回路と、ピエゾ抵抗素子２４Ｄ，２４Ｂからなる直列回路とは、ピエゾ抵抗素子２４Ａとピエゾ抵抗素子２４Ｄとで接続されている。また、ピエゾ抵抗素子２４Ｃとピエゾ抵抗素子２４Ｂとで接続されている。そして、ピエゾ抵抗素子２４Ａとピエゾ抵抗素子２４Ｄとの接続点と、ピエゾ抵抗素子２４Ｃとピエゾ抵抗素子２４Ｂとの接続点との間に定電圧源Ｖｄｄが接続されている。また、ピエゾ抵抗素子２４Ａとピエゾ抵抗素子２４Ｃとの接続点と、ピエゾ抵抗素子２４Ｄとピエゾ抵抗素子２４Ｂとの接続点との間に、電圧測定回路が接続されている。なお、定電圧源Ｖｄｄに代えて、定電流源を用いてもよい。

（実施形態３）
次に、本発明の実施形態３に係る加速度センサ３０について説明する。実施形態３に係る加速度センサ３０も、実施形態１，２と同様に、振動時における梁の実質の長さを、実際の梁の長さよりも短くし、感度の高い加速度センサを実現している。
なお、実施形態３に係る加速度センサ３０は、傾斜した１軸の加速度を検出するのではなく、２軸の加速度を検出するように構成している。

図７は、本発明の実施形態３に係る加速度センサ３０の模式的平面図および模式的側面断面図である。図７（Ａ）は、加速度センサ３０の上面平面図である。図７（Ｂ）は、図７（Ａ）におけるＶＡ−ＶＡ線における側面断面図である。図７（Ｃ）は、図７（Ａ）におけるＶＢ−ＶＢ線における側面断面図である。図７（Ａ）〜（Ｃ）には、直交座標形のＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸が付記されている。

加速度センサ３０は、錘３１と、支持部３２と、梁３３Ａ，３３Ｂ，３３Ｃとを備えている。錘３１は、実施形態２と同様に、Ｘ−Ｙ軸平面において、Ｙ軸方向に長辺を有する長方形状部分と、長方形状部分の長辺の略中央に設けられた凸部３１Ａとを有する凸形状となっている。凸部３１Ａは、支持部３２側に突出している。また、錘３１は、Ｚ軸方向に所定の長さを有している。以下の説明において、錘３１のＹ軸方向における凸部３１Ａを挟む２つの領域を領域３１Ｂ，３１Ｃという。なお、錘３１において、Ｘ，Ｙ，Ｚ軸方向の長さ、および凸部３１Ａの大きさ又は位置などは適宜設定される。

錘３１は、Ｘ軸方向において、支持部３２と対向している。錘３１は、梁３３Ａ，３３Ｂ，３３Ｃにより、支持部３２と接続されている。支持部３２は、Ｘ−Ｙ軸平面において、錘３１と略同じ長さとなる長辺をＹ軸方向に有する長方形状部分と、長方形状部分の長辺の両端に設けられた２つの凸部とを有する凹形状となっている。支持部３２は、Ｘ−Ｙ軸平面において、錘３１の凸部３１Ａに対向する部分に凹部３２Ａを有する凹部形状となっている。以下の説明において、支持部３２の凹部３２Ａを囲む部分を囲み部３２Ｂ，３２Ｃという。支持部３２は、この囲み部３２Ｂ，３２Ｃが錘３１の領域３１Ｂ，３１Ｃと対向するように配置されている。

加速度センサ３０の１次共振モードは、錘３１が振り子振動する振動モードである。図７（Ａ）には、梁３３Ａの中心を通るＹ軸方向に沿った直線Ｌ１、梁３３Ｂ，３３Ｃの中心を通るＹ軸方向に沿った直線Ｌ２をそれぞれ示している。

実施形態３に係る加速度センサ３０においては、図７（Ａ）に示すように、錘３１および支持部３２は凹凸形状の平面形状を有しており、梁３３Ａによって錘３１が支持される位置と、梁３３Ｂ，３３Ｃによって錘３１が支持される位置とがずれている。また、錘３１の凸部３１Ａは、支持部３２の凹部３２Ａに入り込むように構成されている。これにより、錘３１は、図７（Ａ）に示す直線Ｌ１，Ｌ２の間を支点として振り子振動し、錘３１の振り子振動時に、梁３３Ａ，３３Ｂ，３３Ｃは両端部が屈曲するように波状に変形する。そのため、梁３３Ａ，３３Ｂ，３３Ｃに応力が集中する。

実施形態３に係る加速度センサ３０では、図７（Ｂ）に示す梁３３Ａにおいて検出される加速度方向と、図７（Ｃ）に示す梁３３Ｂ，３３Ｃにおいて検出される加速度方向とがずれている。これにより、１つの軸（Ｚ軸）に対する傾斜角が相違する２つの検出方向を実現することができる。そして、ピエゾ抵抗素子の出力から、演算処理によってＸ軸方向の加速度とＺ軸方向の加速度とを分離することができる。

なお、この構成では、錘３１の重心位置と梁３３Ａ，３３Ｂ，３３Ｃとの角度設計を変えることにより、Ｘ軸方向からＺ軸方向まで検出方向を任意の傾斜角とすることができる。また、より多くの梁をＸ軸方向の位置をずらして設けることで、さらに多くの検出方向を実現することができる。また、錘３１を片持ち構造で支持するため、外部応力に対して影響を受けづらく、２軸方向の加速度を検出する加速度センサであっても、その面積を小さくできる。

ここでは、図７（Ａ）に示すように、錘３１が変位する際に梁３３Ａにおける最大応力がかかる部分には、第１の検出方向を実現するためのピエゾ抵抗素子３４Ａ，３４Ｂ，３４Ｃ，３４Ｄを設けている。また、梁３３Ｂ，３３Ｃにおける最大応力がかかる部分には、第２の検出方向を実現するためのピエゾ抵抗素子３５Ａ，３５Ｂ，３５Ｃ，３５Ｄを設けている。ピエゾ抵抗素子３４Ａ，３４Ｂ，３４Ｃ，３４Ｄは、実施形態２と同様の回路構成で、第１のピエゾ抵抗ブリッジを構成する。また、ピエゾ抵抗素子３５Ａ，３５Ｂ，３５Ｃ，３５Ｄは、実施形態２と同様の回路構成で、第２のピエゾ抵抗ブリッジを構成する。

ここで、第１のピエゾ抵抗ブリッジと第２のピエゾ抵抗ブリッジとの、具体的な出力例と、その出力例に基づく入力加速度の導出方法について説明する。

図８（Ａ）は、梁３３Ａに設けられる第１のピエゾ抵抗ブリッジの感度を説明する図である。図８（Ｂ）は、梁３３Ｂ，３３Ｃに設けられる第２のピエゾ抵抗ブリッジの感度を説明する図である。

図８（Ａ）に示すように、梁３３Ａに設けられる第１のピエゾ抵抗ブリッジにおいて、Ｘ軸方向の加速度（Ｘ軸加速度）に対する感度（Ｘ軸感度）は、４３．３０９μＶ／Ｇであり、Ｚ軸方向の加速度（Ｚ軸加速度）に対する感度（Ｚ軸感度）は、５８．７１６μＶ／Ｇであった。また、検出方向（主軸方向）の加速度に対する感度（主軸感度）は、７２．９６１μＶ／Ｇであった。なお、Ｚ軸感度は、Ｘ軸感度との軸比が約１．３５６倍であり、主軸感度は、Ｘ軸感度との軸比が１．６８５であった。

図８（Ｂ）に示すように、梁３３Ｂ，３３Ｃに設けられる第２のピエゾ抵抗ブリッジにおいて、Ｘ軸方向の加速度（Ｘ軸加速度）に対する感度（Ｘ軸感度）は、７９．３４２μＶ／Ｇであり、Ｚ軸方向の加速度（Ｚ軸加速度）に対する感度（Ｚ軸感度）は、４６．０９５μＶ／Ｇであった。また、検出方向（主軸方向）の加速度に対する感度（主軸感度）は、９１．７６０μＶ／Ｇであった。即ち、Ｚ軸感度は、Ｘ軸感度との軸比が約０．５８１倍であり、主軸感度は、Ｘ軸感度との軸比が１．１５７であった。

図８（Ｃ）は、第２のピエゾ抵抗ブリッジの出力に対する第１のピエゾ抵抗ブリッジの出力の比（出力比）と、Ｘ軸方向を０°、Ｚ軸方向を９０°とした入力加速度方向との関係を示すグラフである。入力加速度方向と出力比とは関係があり、第２のピエゾ抵抗ブリッジの出力と、第１のピエゾ抵抗ブリッジの出力とから、両者の出力比を算出することにより、算出した出力比に基づいて入力加速度方向を導出することができる。

したがって、第１のピエゾ抵抗ブリッジの出力感度と、第２のピエゾ抵抗ブリッジの出力感度とに基づいて、入力加速度方向、および、Ｘ軸加速度、ならびに、Ｙ軸加速度を導出することができる。

（実施形態４）
次に、本発明の実施形態４に係る加速度センサ４０について説明する。実施形態４に係る加速度センサ４０も、実施形態１，２，３と同様に、加速度入力に対して応力を集中することができ、感度の高い加速度センサの実現を可能としている。

図９は、本発明の実施形態４に係る加速度センサ４０の模式的斜視図および模式的平面図である。図９（Ａ）は、加速度センサ４０の模式的斜視図である。図９（Ｂ）は、加速度センサ４０の上面平面図である。図９（Ｃ）は、加速度センサ４０の下面平面図である。なお、図９（Ｂ）は説明の都合上、一部（梁４３Ａ，４３Ｂ）透過した図としてある。

実施形態４に係る加速度センサ４０は、錘４１と、支持部４２１，４２２と、梁４３Ａ，４３Ｂとを備えている。錘４１は、実施形態１，２，３と同様に、ＳＯＩ基板に対してパターンエッチング処理等の微細加工を行うことで形成される。本実施形態においては、錘４１は、Ｘ−Ｙ軸平面において、Ｙ軸方向に長辺を有する長方形状であって、支持部４２１，４２２に対向する側であって、Ｙ軸方向における両端部にはＶ字状に窪む凹部４１Ａ，４１Ｂが形成されている。また、錘４１は、Ｚ軸方向に所定の長さを有している。

錘４１は、Ｘ軸方向において、支持部４２１，４２２と対向している。錘４１は、梁４３Ａにより支持部４２１と接続されており、梁４３Ｂにより支持部４２２と接続されている。支持部４２１，４２２は、Ｚ軸方向において錘４１と略同じ長さを有する柱状であって、Ｘ−Ｙ軸平面において、錘４１側にＶ字状に突出した凸部を有している。以下、支持部４２１，４２２の突出した部分を凸部４２Ａ，４２Ｂという。支持部４２１，４２２は、凸部４２Ａ，４２Ｂがそれぞれ錘４１の凹部４１Ａ，４１Ｂに対向するように配置されている。

梁４３Ａ，４３Ｂは、可撓性を有する平板状であって、錘４１と支持部４２１，４２２とを接続している。梁４３Ａは、錘４１の凹部４１Ａおよび支持部４２１の凸部４２Ａの上面に設けられ、錘４１と支持部４２１とを接続している。梁４３Ｂは、錘４１の凹部４１Ｂおよび支持部４２２の凸部４２Ｂの上面に設けられ、錘４１と支持部４２２とを接続している。

ピエゾ抵抗素子は、梁４３Ａ，４３Ｂにかかる応力を検出し、ピエゾ抵抗素子による検出結果から加速度センサ４０に加わった加速度が計測される。

加速度センサ４０の１次共振モードは、振り子振動の振動モードである。実施形態４に係る加速度センサ４０において、錘４１および支持部４２１，４２２は凹凸形状となっているため、錘４１が変位する際に、支持部４２１の凸部４２Ａと梁４３Ａとの接続部、並びに、支持部４２２の凸部４２Ｂと梁４３Ｂとの接続部に最大応力がかかることとなる。従って、この接続部にピエゾ抵抗素子を形成することにより、加速度を高精度に検出することができる。

以上、本発明に係る加速度センサについて具体的に説明したが、加速度センサの具体的構成などは、適宜設計変更可能であり、上述の実施形態に記載されたものに限定されるものではない。

図１０は、本発明の実施形態２に係る加速度センサの第１の変形例である、加速度センサ２０Ａの模式的平面図である。図１１は、本発明の実施形態２に係る加速度センサの第２〜第５の変形例である、加速度センサ２０Ｂ〜２０Ｅの模式的平面図である。図１２は、本発明の実施形態２に係る加速度センサの第６〜第９の変形例である、加速度センサ２０Ｆ〜２０Ｉの模式的平面図である。図１１および図１２では、加速度センサの上面平面図を示している。

例えば、実施形態２において、凸部２１Ａと囲み部２２Ｂ，２２Ｃとの間に空間が形成されているが、図１０に示す加速度センサ２０Ａでは、錘２１の動きに伴う空気の抜け道をなくすために、凸部２１Ａと囲み部２２Ｂ，２２Ｃとの間の空間に別途梁を設けるようにしている。加速度センサ２０Ａでは、凸部２１Ａと囲み部２２Ｂ，２２Ｃとの間に、梁２３Ｄ，２３Ｅがさらに設けられている。これらの梁２３Ｄ，２３Ｅを設けることで、錘２１および支持部２２間の気体分子の粘性抵抗、すなわちダンピング効果によって、Ｑ値を低下させることができる。その結果、加速度センサ１０の後段に接続される回路において、ノッチフィルタなどのフィルタ回路が不要となる。なお、実施形態３においても、この変形例と同様に、梁３３Ａ，３３Ｂ，３３Ｃの間の空間に、追加の梁を設けるようにしてもよい。

また、実施形態２において、Ｘ−Ｙ軸平面において、錘２１は凸形状、支持部２２は凹形状としているが、図１１（Ａ）に示す加速度センサ２０Ｂのように、Ｘ−Ｙ軸平面において、錘２１が凹形状、支持部２２が凸形状であってもよい。また、図１１（Ｂ）に示す加速度センサ２０Ｃのように、凸部や囲み部の突出量を短くした構成であってもよい。そして、図１１（Ｃ）に示す加速度センサ２０Ｄのように、錘２１の凸部２１Ａの端部と、支持部２２の囲み部２２Ｂ，２２Ｃの端部とが、Ｙ軸方向に沿った同一直線上に位置する構成であってもよい。図１１（Ａ）〜（Ｃ）に示す加速度センサ２０Ｂ，２０Ｃ，２０Ｄでは、加速度入力に対して応力を集中させることができ、感度の高い加速度センサの実現が可能である。さらに、図１１（Ｄ）に示す加速度センサ２０Ｅのように、Ｘ−Ｙ軸平面において、錘２１の凸部２１Ａが支持部２２の囲み部２２Ｂ，２２Ｃ間に入り込むような構成であってもよい。なお、実施形態３においても、これらの変形例と同様に、凹凸を逆にしたり、凸部２１Ａと囲み部２３Ｂ，２３Ｃとの突出量を変更したりしてもよい。

また、図１２（Ａ）に示す加速度センサ２０Ｆのように、梁２３Ａ，２３Ｂ，２３Ｃは、それぞれ、二つ一組の梁から構成されていてもよいし、三つ以上の梁から構成されていてもよい。さらには、図１２（Ｂ）に示す加速度センサ２０Ｇのように、一つの梁２３により錘２１と支持部２２とを接続するように構成してもよい。また、図１２（Ｃ）に示す加速度センサ２０Ｈのように、錘２１は、複数の凸部２１Ａが形成されていてもよいし、支持部２２は、複数の凹部２２Ａが形成されていてもよい。この場合、錘２１および支持部２２を接続する追加の梁２３Ｄ，２３Ｅがさらに設けられる。図１２（Ａ）〜（Ｃ）に示す加速度センサ２０Ｆ〜２０Ｈでは、応力を集中することができ、感度の高い加速度センサの実現が可能である。なお、実施形態３においても、これらの変形例と同様に、梁の形状を様々に変更してもよい。

また、図１２（Ｄ）に示す加速度センサ２０Ｉのように、錘２１は、Ｘ−Ｙ軸平面において、略長方形であって、Ｙ軸方向の両端にＶ字状の凹部２１１，２１２が形成された構成とし、錘２１の凹部２１１，２１２に対向する部分に凸部２２１，２２２が形成された構成としてもよい。この場合、梁２３１，２３２が凹部２１１，２１２と凸部２２１，２２２との間に設けられている。Ｖ字状の凹凸を設けた構成とすることで、図１２（Ａ）〜（Ｃ）に示す構成よりも梁の数を少なくしつつ、同様の効果を得ることができる。

１０，２０，２０Ａ〜２０Ｉ，３０，４０−加速度センサ
１１，２１，３１，４１−錘
１２，２２，３２，４２１，４２２−支持部
１３Ａ，１３Ｂ，２３，２３Ａ，２３Ｂ，２３Ｃ，２３Ｄ，２３Ｅ，２３１，２３２，３３Ａ，３３Ｂ，３３Ｃ，４３Ａ，４３Ｂ−梁
２１Ａ，３１Ａ−凸部
２２Ａ，３２Ａ−凹部
２２Ｂ，２２Ｃ，３２Ｂ，３２Ｃ−囲み部
４１Ａ，４１Ｂ−凹部
４２Ａ，４２Ｂ−凸部

Claims (5)

1. 錘と、
   前記錘と対向するように配置された支持部と、
   可撓性を有し、前記錘と前記支持部とを接続している梁と、
   前記梁に設けられたピエゾ抵抗素子と、を備え、
   前記錘は加速度の入力に対して振り子の動きをする加速度センサ。
2. 前記錘と前記支持部の一方が、前記錘と前記支持部の他方側に突出する凸部を有し、
   前記錘と前記支持部の他方が、前記凸部に対向する凹部を有しており、
   前記梁として、前記凸部と前記凹部との間に設けられている第１の梁と、前記凸部と前記凹部との間から外れて設けられている第２の梁とを備えている、
   請求項１の加速度センサ。
3. 前記第１の梁に設けられている第１のピエゾ抵抗ブリッジと、
   前記第２の梁に設けられている第２のピエゾ抵抗ブリッジと、を備える、請求項２に記載の加速度センサ。
4. 前記凸部が前記凹部に入り込む内側に位置している、
   請求項２または３に記載の加速度センサ。
5. 前記凸部が前記凹部に入り込むこと無く外側に位置している、
   請求項２または３に記載の加速度センサ。