KR20090010228A - 가속도 센서 - Google Patents

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KR20090010228A
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요이치 모치다
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가부시키가이샤 무라타 세이사쿠쇼
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Abstract

가속도 센서(1)는 베이스(2)의 XY기판면상에 뜬 상태로 배치되는 프레임 형상의 빔부(4)와, 빔부(4)를 지지부(5a, 5b)를 통해 베이스(2)에 양쪽 지지빔 형상으로 지지하는 빔부 지지 고정부를 가진다. 또한, 가속도 센서(1)는 베이스(2)의 XY기판면상에 뜬 상태로 배치되는 추부(7)와, 추부(7)를 빔부(4)에 캔틸레버 형상으로 지지하는 연결부(8)를 가진다. 추부(7)는 프레임 형상의 빔부(4)의 휨 변형에 의해 X축 방향과 Y축 방향과 Z축 방향의 3축 방향으로 변위 가능한 구성을 이룬다. 빔부(4)에는, X축 방향의 가속도를 검출하기 위한 X축 방향 가속도 검출부와, Y축 방향의 가속도를 검출하기 위한 Y축 방향 가속도 검출부와, Z축 방향의 가속도를 검출하는 Z축 방향 가속도 검출부를 형성한다. 빔부(4)의 Y축 방향 신장 부위(4a, 4b)에 있어서, 신장 기단측에 Z축 방향 가속도 검출부를, 선단측에 Y축 방향 가속도 검출부를 형성한다.
가속도 센서, 베이스, 빔부, 지지부, 연결부, 가속도 검출부

Description

가속도 센서{ACCELERATION SENSOR}
본 발명은 서로 직교하는 X축 방향과 Y축 방향과 Z축 방향의 3축 방향의 가속도를 검출할 수 있는 가속도 센서에 관한 것이다.
도 16에는 가속도 센서의 일례가 모식적인 사시도에 의해 나타나 있다(예를 들면, 특허문헌 1 참조). 이 가속도 센서(40)는 프레임부(41)와, 이 프레임부(41)의 중앙부에 배치되어 있는 원주 형상의 중추체(重錘體)(42)를 가지고 있다. 이 중추체(42)의 X축 방향의 양측으로부터 각각 X축 방향 빔부(beam portion)(43a, 43b)가 X축 방향을 따라 프레임부(41)를 향해 신장 형성되어 있다. 또한, 중추체(42)의 Y축 방향의 양측으로부터 각각 Y축 방향 빔부(44a, 44b)가 Y축 방향을 따라 프레임부(41)를 향해 신장 형성되어 있다. 중추체(42)에는 4개의 보조 중추체(45a∼45d)가 연결접속되어 있다. X축 방향 빔부(43a, 43b)에는 저항소자(Rx1∼Rx4, Rz1∼Rz4)가 형성되어 있다. Y축 방향 빔부(44a, 44b)에는 저항소자(Ry1∼Ry4)가 형성되어 있다.
도 16에 나타내는 가속도 센서(40)의 구성에서는, X축 방향 빔부(43a, 43b)의 중심축은 원주 형상의 중추체(42)의 중심축을 지나서 X축 방향을 따라 연장되는 동일 직선상에 배치되어 있다. 또한, Y축 방향 빔부(44a, 44b)의 중심축은 중추 체(42)의 중심축을 지나서 Y축 방향을 따라 연장되는 동일 직선상에 배치되어 있다. 이들 X축 방향 빔부(43a, 43b) 및 Y축 방향 빔부(44a, 44b)는 각각 휨 변형이 가능한 구성으로 이루어져 있다.
저항소자(Rx1, Rx2)는 X축 방향 빔부(43a)에 X축 방향을 따라 배열 배치되어 있다. 저항소자(Rx3, Rx4)는 X축 방향 빔부(43b)에 X축 방향을 따라 배열 배치되어 있다. 저항소자(Ry1, Ry2)는 Y축 방향 빔부(44a)에 Y축 방향을 따라 배열 배치되어 있다. 저항소자(Ry3, Ry4)는 Y축 방향 빔부(44b)에 Y축 방향을 따라 배열 배치되어 있다. 저항소자(Rz1, Rz2)는 X축 방향 빔부(43a)에 X축 방향을 따라 배열 배치되어 있다. 저항소자(Rz3, Rz4)는 X축 방향 빔부(43b)에 X축 방향을 따라 배열 배치되어 있다. 이들 저항소자(Rx1∼Rx4, Ry1∼Ry4, Rz1∼Rz4)는 각각 빔부(43a, 43b, 44a, 44b)의 휨 변형에 의한 빔부(43a, 43b, 44a, 44b)의 응력 변화에 의해 전기 저항값이 변화하는 것이다.
도 17a∼도 17c에 나타내는 것과 같은 브리지 회로를 저항소자(Rx1∼Rx4, Ry1∼Ry4, Rz1∼Rz4)에 의해 각각 구성하기 위한 배선이 빔부(43a, 43b, 44a, 44b)나 프레임부(41)에 형성되어 있다. 도 17a는 4개의 저항소자(Rx1∼Rx4)에 의해 구성되는 브리지 회로이다. 도 17b는 4개의 저항소자(Ry1∼Ry4)에 의해 구성되는 브리지 회로이다. 도 17c는 4개의 저항소자(Rz1∼Rz4)에 의해 구성되는 브리지 회로이다. 한편, 도 17a∼도 17c에 나타내고 있는 부호 Vcc는 외부의 전압 전원에 접속되는 전압 전원 입력부를 나타낸다. 또한, 부호 Px1, Px2, Py1, Py2, Pz1, Pz2는 각각 전압 검출부를 나타내고 있다.
중추체(42) 및 보조 중추체(45a∼45d)는 각각 뜬 상태로 되어 있으며, 빔부(43a, 43b, 44a, 44b)의 휨 변형에 의해 변위가 가능하게 되어 있다. 예를 들면, X축 방향의 가속도에 기인한 X축 방향의 힘이 중추체(42) 및 보조 중추체(45a∼45d)에 작용하면, 그 힘에 의해 중추체(42) 및 보조 중추체(45a∼45d)는 X축 방향으로 진동 변위한다. 또한 마찬가지로, Y축 방향의 가속도에 기인한 Y축 방향의 힘이 중추체(42) 및 보조 중추체(45a∼45d)에 작용하면, 그 힘에 의해 중추체(42) 및 보조 중추체(45a∼45d)는 Y축 방향으로 진동 변위한다. 또한 마찬가지로, Z축 방향의 가속도에 기인한 X축 방향의 힘이 중추체(42) 및 보조 중추체(45a∼45d)에 작용하면, 그 힘에 의해 중추체(42) 및 보조 중추체(45a∼45d)는 Z축 방향으로 진동 변위한다. 이러한 중추체(42) 및 보조 중추체(45a∼45d)의 변위에 의해 빔부(43a, 43b, 44a, 44b)가 휨 변형한다.
가속도 센서(40)에서는, 상기와 같은 빔부(43a, 43b, 44a, 44b)의 휨 변형에 의한 빔부(43a, 43b, 44a, 44b)의 응력 발생에 의해 저항소자(Rx1∼Rx4, Ry1∼Ry4, Rz1∼Rz4)의 저항값이 변화한다. 이 저항소자의 저항값의 변화에 의해 도 17a∼도 17c의 각 브리지 회로의 4개의 저항소자의 저항값의 밸런스가 무너져, X, Y, Z의 각 축 방향의 가속도의 크기를 검출할 수 있다.
예를 들면, X축 방향의 가속도가 발생하고 있을 때에는 도 17a의 브리지 회로의 전압 검출부(Px1, Px2)로부터 각각 출력되는 전압에 차이가 발생한다. 이 전압차를 이용하여 X축 방향의 가속도의 크기를 검출할 수 있다. 또한, Y축 방향의 가속도가 발생하고 있을 때에는 도 17b의 브리지 회로의 전압 검출부(Py1, Py2)로 부터 각각 출력되는 전압에 차이가 발생한다. 이 전압차를 이용하여 Y축 방향의 가속도의 크기를 검출할 수 있다. 또한, Z축 방향의 가속도가 발생하고 있을 때에는 도 17c의 브리지 회로의 전압 검출부(Pz1, Pz2)로부터 각각 출력되는 전압에 차이가 발생한다. 이 전압차를 이용하여 Z축 방향의 가속도의 크기를 검출할 수 있다.
[특허문헌 1] 일본국 공개특허공보 제2002-296293호
그러나 도 16에 나타내는 가속도 센서(40)의 구성에서는, 직선 형상의 빔부(43a, 43b, 44a, 44b)가 중추체(42)의 사방에 각각 배치되어 중추체(42)를 프레임부(41)에 연결하고 있다. 이 때문에 열응력에 의해 프레임부(41)에 일그러짐이 발생했을 때에, 그 프레임부(41)의 일그러짐에 따라 빔부(43a, 43b, 44a, 44b)에 일그러짐이 발생한다. 그러면 상기 빔부(43a, 43b, 44a, 44b)에는 압축응력이나 인장응력이 발생한다.
즉, 가속도 센서(40)에 있어서, 가속도를 검출하기 위한 저항소자(Rx1∼Rx4, Ry1∼Ry4, Rz1∼Rz4)는 각각 빔부(43a, 43b, 44a, 44b)에 형성되어 있다. 그 때문에, 가속도가 발생하고 있지 않음에도 불구하고, 프레임부(41)의 열응력에 의한 일그러짐에 기인한 빔부(43a, 43b, 44a, 44b)의 응력 발생에 의해, 저항소자(Rx1∼Rx4, Ry1∼Ry4, Rz1∼Rz4)의 전기 저항값이 변화한다. 이로 인해, 가속도가 발생하고 있지 않음에도 불구하고, 도 17a∼도 17c의 브리지 회로로부터 가속도 발생시의 전압이 출력되어 버리는 일이 있다.
또한, 가속도 센서(40)는 중추체(42)의 사방에 각각 신장 형성되어 있는 빔부(43a, 43b, 44a, 44b)에 가속도 검출용 저항소자(Rx1∼Rx4, Ry1∼Ry4, Rz1∼Rz4)를 형성하는 구성이다. 따라서, 저항소자의 배치 위치는 분산되어 있다.
피에조 저항인 저항소자(Rx1∼Rx4, Ry1∼Ry4, Rz1∼Rz4)는 예를 들면, 빔부(43a, 43b, 44a, 44b)가 실리콘에 의해 구성되어 있는 경우에는, 각 빔부(43a, 43b, 44a, 44b)에서의 저항소자 배치 위치에 인(P)이나 붕소(B)를 도핑하여 형성된다. 이 경우에, 저항소자 배치 위치가 분산되어 있으면, 각 저항소자 배치 위치에 인이나 붕소를 균등하게 도핑하는 것이 어려워, 각 저항소자 배치 위치의 도핑 농도에 편차가 발생한다.
그렇게 되면, 가속도 센서(40)에 있어서, 도 17a∼도 17c에 나타내는 각 브리지 회로의 4개의 저항소자의 저항값의 밸런스를 맞추는 것이 어려워, 가속도 검출의 정밀도의 향상에 지장이 생긴다는 문제가 발생한다.
본 발명은 상기 과제를 해결하기 위해 다음에 나타내는 것과 같은 구성을 가지고 있다.
즉, 이 발명은,
베이스(base)와, 이 베이스의 면상에 뜬 상태로 배치되는 프레임 형상의 빔부와, 이 빔부로부터 서로 직교하는 X축과 Y축과 Z축 중 X축 방향을 따라 빔부의 양측에 각각 외측으로 신장 형성되어 있는 지지부를 통해 빔부를 상기 베이스에 양쪽 지지빔 형상으로 지지하는 빔부 지지 고정부와, 상기 베이스의 면상에 뜬 상태로 상기 빔부의 Y축 방향의 양측으로부터 각각 Y축 방향을 따라 외측으로 신장 형성되어 있는 연결부와, 각 연결부의 신장 선단부에 각각 연결접속된 추부(錘部; weight portion)를 가지며,
상기 추부는 프레임 형상인 빔부의 변형에 의해 X축 방향과 Y축 방향과 Z축 방향의 3축 방향으로 변위 가능한 구성으로 이루어지고,
상기 빔부에는 추부의 X축 방향 변위에 기인한 빔부의 휨 변형에 기초하여 X축 방향의 가속도를 검출하기 위한 X축 방향 가속도 검출부와, 추부의 Y축 방향 변위에 기인한 빔부의 휨 변형에 기초하여 Y축 방향의 가속도를 검출하기 위한 Y축 방향 가속도 검출부와, 추부의 Z축 방향 변위에 기인한 빔부의 휨 변형에 기초하여 Z축 방향의 가속도를 검출하기 위한 Z축 방향 가속도 검출부가 형성되어 있으며,
상기 Z축 방향 가속도 검출부는 상기 프레임 형상의 빔부에 있어서 상기 지지부에 의한 지지 위치에서 Y축 방향으로 신장된 Y축 방향 신장 부위의 신장 기단측쪽에 형성되고, 상기 Y축 방향 가속도 검출부는 상기 Y축 방향 신장 부위의 신장 선단측쪽에 형성되어 있는 것을 특징으로 한다.
<발명의 효과>
이 발명에 있어서, 프레임 형상의 빔부는 X축 방향을 따라 빔부의 양측에 각각 외측으로 신장 형성되어 있는 지지부를 통해, 양쪽 지지빔 형상으로 베이스에 지지되어 있는 구성으로 하였다. 그 때문에, 예를 들면 열응력에 의해 베이스에 일그러짐이 발생했을 때에, Y축 방향(예를 들면 긴 길이 방향)의 일그러짐은 지지부의 휨 변형에 의해 흡수된다. 또한, X축 방향(예를 들면 짧은 길이 방향)의 일그러짐은 일그러짐에 의한 절대변위가 작은 동시에, 지지부 및 연결부에 연결접속되어 있는 빔부 영역으로부터 떨어진 빔부 영역이 X축 방향의 일그러짐에 따라 변형되어 흡수된다. 그 때문에, 이 발명은 빔부에서의 지지부와의 연결접속 부위 및 그 인접 영역과, 연결부와의 연결접속 부위 및 그 인접 영역에 일그러짐이 발생하는 것을 방지할 수 있다.
또한, 이 발명은 빔부의 일그러짐에 기초하여 가속도를 검출하기 위한, X축 방향 가속도 검출부와, Y축 방향 가속도 검출부와, Z축 방향 가속도 검출부를 빔부에 형성한다. 이 빔부 영역은 예를 들면 열응력 등에 의해 베이스의 일그러짐이 발생했을 때에, 상기 베이스의 일그러짐에 기인하여 일그러짐이 발생하지 않는, 또는 거의 발생하지 않는 영역이다. 이로 인해, 이 발명은 베이스의 열응력에 의한 일그러짐에 기인한 가속도의 오검출 사태의 발생을 억제할 수 있다. 한편, 상기 가속도의 오검출 사태란, 가속도가 발생하고 있지 않음에도 불구하고, 베이스의 열응력에 의한 일그러짐에 기인하여 X축 방향 가속도 검출부나 Y축 방향 가속도 검출부나 Z축 방향 가속도 검출부에 의해 가속도가 검출되어 버리는 사태이다.
또한, 이 발명에서는 프레임 형상의 빔부가 양쪽 지지빔 형상으로 베이스에 지지되고, 그 빔부에 추부가 캔틸레버 형상(cantilever shape)으로 지지된 간단한 구조이다. 이로 인해, 가속도 센서의 소형화를 촉진시키는 것이 용이하다.
또한, 이 발명에서는 추부는 프레임 형상의 빔부에 캔틸레버 형상으로 연결하는 구성이다. 이 때문에 가속도에 의한 추부의 변위가 커진다. 이로 인해, 추부의 변위에 기인한 빔부의 휨 변형이 커져 가속도 검출의 감도를 높일 수 있다.
또한, Y축 방향 가속도 검출부는 프레임 형상의 빔부에 있어서, 지지부에 의한 지지 위치에서 Y축 방향으로 신장된 Y축 방향 신장 부위의 신장 선단측쪽에 형성되어 있다. 이 Y축 방향 가속도 검출부의 배치 위치는, 가속도 검출부에 접속되는 배선의 밀도를 낮게 할 수 있으므로, 예를 들면 빔 폭을 좁게 할 수 있다. 그리고 Y축 방향 신장 부위의 신장 선단측쪽의 폭을 좁게 함으로써 Y축 방향 가속도 검출의 감도를 높일 수 있다. 한편 Z축 방향 가속도 검출부는 상기 Y축 방향 신장 부위의 신장 기단측쪽에 형성되어 있다. 이 Z축 방향 가속도 검출부의 배치 위치는 상기 배선 밀도가 높아진다. 그 때문에, Y축 방향 신장 부위의 신장 기단측쪽은 빔 폭을 Y축 방향 신장 부위의 신장 선단측과 같이 좁게 할 수 없다. 그러나 Y축 방향 신장 부위의 신장 기단측쪽은 굽힘 모멘트가 최대가 되는 위치이다. 따라서, 예를 들면 추의 형상을 Y축 방향으로 길게 하는 등에 의해, Z축 방향 가속도 검출의 감도를 Y축 방향 가속도 검출의 감도와 동등한 감도로 조정할 수 있다.
따라서, 이 발명에 의하면 가령 베이스상에 형성되는 구성 요소를 저배화(Z축 방향의 두께를 작게)하였더라도 X, Y, Z축 방향의 각각의 가속도 검출의 감도를 양호하게 갖춘 가속도 센서를 실현할 수 있다.
도 1a는 본 발명에 따른 가속도 센서의 하나의 실시예를 모식적으로 나타내는 사시도이다.
도 1b는 본 발명에 따른 가속도 센서의 하나의 실시예를 모식적으로 나타내는 평면도이다.
도 2a는 상기 실시예의 가속도 센서의 횡단면도이다.
도 2b는 상기 실시예의 가속도 센서의 횡단면도이다.
도 2c는 상기 실시예의 가속도 센서의 횡단면도이다.
도 3a는 상기 실시예의 가속도 센서의 종단면도이다.
도 3b는 상기 실시예의 가속도 센서의 종단면도이다.
도 3c는 상기 실시예의 가속도 센서의 종단면도이다.
도 3d는 다른 실시예의 가속도 센서의 종단면도이다.
도 4a는 상기 실시예의 가속도 센서를 구성하는 빔부의 폭에 관한 구성예를 설명하기 위한 도면이다.
도 4b는 상기 실시예의 가속도 센서를 구성하는 빔부의 두께에 관한 구성예를 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 상기 실시예의 가속도 센서의 빔부에 형성하는 피에조 저항부의 배치 위치의 일례를 설명하기 위한 도면이다.
도 6a는 상기 실시예의 가속도 센서의 X축 방향의 각 가속도 검출부를 구성하는 브리지 회로를 설명하기 위한 회로도이다.
도 6b는 상기 실시예의 가속도 센서의 Y축 방향의 각 가속도 검출부를 구성하는 브리지 회로를 설명하기 위한 회로도이다.
도 6c는 상기 실시예의 가속도 센서의 Z축 방향의 각 가속도 검출부를 구성하는 브리지 회로를 설명하기 위한 회로도이다.
도 7a는 빔부에 형성한 복수의 피에조 저항부를 접속하여 도 6에 나타내는 브리지 회로를 구성하기 위한, 배선 패턴의 하나의 배선예를 설명하기 위한 모식적인 평면도이다.
도 7b는 빔부에 형성한 복수의 피에조 저항부를 접속하여 도 6에 나타내는 브리지 회로를 구성하기 위한, 배선 패턴의 하나의 배선예를 설명하기 위한 모식적인 단면도이다.
도 8a는 상기 실시예의 가속도 센서에서의 X축 방향의 가속도에 기인한 추부의 변위예를 설명하기 위한 모식적인 사시 설명도이다.
도 8b는 상기 실시예의 가속도 센서에서의 X축 방향의 가속도에 기인한 추부의 변위예를 설명하기 위한 모식적인 단면 설명도이다.
도 8c는 상기 실시예의 가속도 센서에서의 X축 방향의 가속도에 기인한 추부의 변위예를 설명하기 위한 모식적인 평면 설명도이다.
도 9a는 상기 실시예의 가속도 센서에서의 Y축 방향의 가속도에 기인한 추부의 변위예를 설명하기 위한 모식적인 사시 설명도이다.
도 9b는 상기 실시예의 가속도 센서에서의 Y축 방향의 가속도에 기인한 추부의 변위예를 설명하기 위한 모식적인 단면 설명도이다.
도 9c는 상기 실시예의 가속도 센서에서의 Y축 방향의 가속도에 기인한 추부의 변위예를 설명하기 위한 모식적인 평면 설명도이다.
도 10a는 상기 실시예의 가속도 센서에서의 Z축 방향의 가속도에 기인한 추부의 변위예를 설명하기 위한 모식적인 사시 설명도이다.
도 10b는 상기 실시예의 가속도 센서에서의 Z축 방향의 가속도에 기인한 추부의 변위예를 설명하기 위한 모식적인 단면 설명도이다.
도 10c는 상기 실시예의 가속도 센서에서의 Z축 방향의 가속도에 기인한 추 부의 변위예를 설명하기 위한 모식적인 단면 설명도이다.
도 10d는 상기 실시예의 가속도 센서에서의 Z축 방향의 가속도에 기인한 추부의 변위예를 설명하기 위한 모식적인 평면 설명도이다.
도 11은 본 발명의 가속도 센서의 다른 실시예를 설명하기 위한 설명도이다.
도 12는 본 발명의 가속도 센서의 또 다른 실시예를 설명하기 위한 설명도이다.
도 13a는 본 발명의 가속도 센서의 더욱 또 다른 실시예를 설명하기 위한 설명도이다.
도 13b는 본 발명의 가속도 센서의 더욱 또 다른 실시예를 설명하기 위한 설명도이다.
도 14는 본 발명의 가속도 센서의 더욱 또 다른 실시예를 설명하기 위한 설명도이다.
도 15는 본 발명의 가속도 센서의 더욱 또 다른 실시예를 설명하기 위한 회로 구성도이다.
도 16은 가속도 센서의 하나의 종래예를 나타내는 모식적인 사시도이다.
도 17a는 도 16에 나타내는 가속도 센서에서의 X축 방향의 가속도를 검출하기 위한 브리지 회로를 설명하기 위한 회로도이다.
도 17b는 도 16에 나타내는 가속도 센서에서의 Y축 방향의 가속도를 검출하기 위한 브리지 회로를 설명하기 위한 회로도이다.
도 17c는 도 16에 나타내는 가속도 센서에서의 Z축 방향의 가속도를 검출하 기 위한 브리지 회로를 설명하기 위한 회로도이다.
<부호의 설명>
1 가속도 센서
2 베이스
4 빔부
4a, 4b Y축 방향 신장 부위
5, 5a, 5b 지지부
6 고정부
7, 7a, 7b 추부
8, 8a, 8b 연결부
15 연결부측 띠 형상 빔부 부위
16 지지부측 띠 형상 빔부 부위
20 보강부
25 탄성부
26 빔(응력 경감 빔)
이하, 이 발명의 실시예를 도면을 참조하여 설명한다.
도 1a에는 본 발명에 따른 가속도 센서의 하나의 실시예가 모식적인 사시도에 의해 나타나 있다. 도 1b에는 도 1a의 가속도 센서의 모식적인 평면도가 나타나 있다. 한편, 도 1b에서 도 1a의 부호 18로 나타내는 전극 패드는 생략되어 있다. 또한, 도 2a에는 도 1b의 a-a부분의 모식적인 단면도가 나타나 있다. 도 2b에는 도 1b의 b-b부분의 모식적인 단면도가 나타나 있다. 도 2c에는 도 1b의 c-c부분의 모식적인 단면도가 나타나 있다. 또한, 도 3a에는 도 1b의 A-A부분의 모식적인 단면도가 나타나 있다. 도 3b에는 도 1b의 B-B부분의 모식적인 단면도가 나타나 있다. 도 3c에는 도 1b의 C-C부분의 모식적인 단면도가 나타나 있다.
이 실시예의 가속도 센서(1)는 서로 직교하는 X축과 Y축과 Z축의 3축 방향의 가속도를 각각 검출할 수 있는 것이다. 이 가속도 센서(1)는 베이스(2)를 가지고 있다. 이 베이스(2)는 X축 및 Y축을 포함하는 XY평면에 평행한 XY기판면(3)을 가진다. 이 XY기판면(3)의 상방측에는 프레임 형상의 빔부(4)가 뜬 상태로 배치되어 있다. 이 프레임 형상의 빔부(4)는 XY평면 형상이 대략 사각형 형상을 이루고 있다. 지지부(5(5a, 5b))가 상기 빔부(4)의 X축 방향의 양측으로부터 각각 X축 방향을 따라 외측으로 신장 형성되어 있다.
이들 지지부(5a, 5b)는 각각 베이스(2)에 대하여 뜬 상태로 이루어져 있다. 지지부(5a, 5b)의 각 신장 선단부는 탄성부(25)의 길이방향 중앙부에 연결접속되어 있다. 탄성부(25)는 빔(응력 경감 빔)(26)에 의해 형성되어 있다. 지지부(5a, 5b)의 빔부(4)에의 연결접속측은 빔부(4)측을 향함에 따라 지름이 확대되는 테이퍼 형상으로 형성되어 있다. 지지부(5a, 5b)는 프레임 형상의 빔부(4)에 연결접속되어 있는 측의 폭이, 빔부(4)로부터의 신장 선단측(탄성부(25)에 연결접속하는 측)의 폭보다도 넓게 형성되어 있다.
또한, 탄성부(25(25a, 25b))를 형성하는 빔(26)은 지지부(5(5a, 5b))의 신장 형성 방향(X축 방향)에 교차하는 방향(이 예에서는 직교하는 Y축 방향)으로 신장 형성되고, 신장 선단측이 고정부(6)에 고정되어 있다. 상기 고정부(6)는 빔부(4) 및 후술하는 추부(7(7a, 7b))의 형성 영역을, 간격을 두고 둘러싸는 프레임 형상의 형태를 가지며, 고정부(6)는 베이스(2)에 고정되어 있다.
이 실시예에서는 빔부(4)는 지지부(5(5a, 5b))와 탄성부(25)를 통해 고정부(6)에 고정되어 있다. 바꾸어 말하면, 빔부(4)는 지지부(5a, 5b)와 탄성부(25)를 통해 베이스(2)에 양쪽 지지빔 형상으로 지지 고정되어 있다. 즉, 이 실시예에서는 지지부(5(5a, 5b))와 탄성부(25)와 고정부(6)에 의해 빔부 지지 고정부가 구성되어 있다.
또한, 프레임 형상의 빔부(4)의 프레임 내 공간에는 보강부(20)가 배치되어 있다. 보강부(20)는 빔부(4)의 양측의 지지부(5a, 5b)를 잇는 방향으로 신장 형성되어 있다. 상기 보강부(20)의 양 단측은 각각 프레임 형상의 빔부(4)에 연결접속되어 있다. 보강부(20)는 지지부(5a)가 접속되어 있는 빔부(4)의 부위(M)(도 1b 참조)와, 지지부(5b)가 접속되어 있는 빔부(4)의 부위(N)(도 1b 참조)를 연결하는 직선을 따라 신장 형성되어 있다. 보강부(20)의 양 단은 각각 빔부(4)의 내측 가장자리부에 접속되어 있다. 이 실시예에 있어서, 보강부(20)의 Y축 방향의 폭은 지지부(5a, 5b)의 빔부(4)에의 연결접속측의 폭과 동일하게 형성되어 있다.
상기 추부(7a, 7b)는 빔부(4)를 사이에 두고 Y축 방향으로 배열 배치되어 있다. 또한, 이들 추부(7a, 7b)는 베이스(2)의 XY기판면(3)의 상방측에 뜬 상태로 배치되어 있다. 이들 추부(7a, 7b)는 각각 연결부(8(8a, 8b))에 의해 빔부(4)에 연결 접속되어 있다. 연결부(8(8a, 8b))는 빔부(4)의 Y축 방향의 양측으로부터 각각 Y축 방향을 따라 외측으로 신장 형성되어 있다. 연결부(8(8a, 8b))는 베이스(2)에 대하여 뜬 상태로 이루어져 있다. 추부(7a, 7b)는 빔부(4)의 휨 변형에 의해 X축 방향과 Y축 방향과 Z축 방향의 3축 방향으로 변위 가능한 구성으로 되어 있다.
이 실시예에서는 각 지지부(5a, 5b)와 보강부(20)의 X축 방향을 따른 중심축은 동일 직선상에 배치되어 있다. 또한, 각 연결부(8a, 8b)의 Y축 방향을 따른 중심축은 동일 직선상에 배치되어 있다. 빔부(4)는 지지부(5a, 5b)의 중심축을 지나는 X방향 중심축에 대하여 대칭인 형상이다. 또한, 빔부(4)는 연결부(8a, 8b)의 중심축을 지나는 Y방향 중심축에 대하여 대칭인 형상이다.
또한, 프레임 형상의 빔부(4)에 있어서, 상기 지지부(5a, 5b)에 의한 지지 위치에서 Y축 방향으로 신장된 Y축 방향 신장 부위(4a, 4b)(도 4a의 점선(Y4)으로 둘러싼 영역을 참조)는 신장 선단측의 폭이 신장 기단측의 폭보다 좁게 형성되어 있다. 더욱 자세하게 기술하면, Y축 방향 신장 부위(4a, 4b)는 다음과 같이 형성되어 있다. 즉, Y축 방향 신장 부위(4a, 4b)는 각각 그 기단측에서 Y축 방향의 신장 방향 중앙부 부근까지는 빔부(4)의 폭이 넓은 스트레이트 형상으로 형성되어 있다. 그리고 이 Y축 방향의 신장 방향 중앙부 부근은 신장 선단측을 향함에 따라 빔 폭이 좁아지는 테이퍼 형상으로 형성되어 있다. 나아가, 이 테이퍼 형상의 선단에서 Y축 방향의 신장 선단부까지는 빔부(4)의 폭이 좁은 스트레이트 형상으로 형성되어 있다.
빔부(4)에 있어서, 연결부측 띠 형상 빔부 부위(15(15a, 15b))(도 4b의 점 선(Z15)으로 둘러싼 영역을 참조)는 각 연결부(8a, 8b)에서 각각 연결부(8a, 8b)의 폭을 가지고 빔부(4)의 영역에 Y축 방향으로 연장된 부위이다. 이 실시예에 있어서, 연결부측 띠 형상 빔부 부위(15(15a, 15b))의 Z축 방향의 두께는 연결부(8)의 Z축 방향의 두께와 동일한 두께로 되어 있다. 또한, 빔부(4)에 있어서, 지지부측 띠 형상 빔부 부위(16(16a, 16b))(도 4b 의 점선(Z16)으로 둘러싼 영역을 참조)는 각 지지부(5a, 5b)에서 각각 지지부(5a, 5b)의 기단측의 폭을 가지고 빔부(4)의 영역에 X축 방향으로 연장된 부위이다. 이 실시예에 있어서, 지지부측 띠 형상 빔부 부위(16(16a, 16b))의 Z축 방향의 두께는 지지부(5)의 Z축 방향의 두께와 동일한 두께로 되어 있다.
이 실시예에서는, 상기 빔부(4)에서의 연결부측 띠 형상 빔부 부위(15(15a, 15b)) 및 지지부측 띠 형상 빔부 부위(16(16a, 16b))의 Z축 방향의 두께가 예를 들면 약 400㎛ 정도이다. 그에 반해, 빔부(4)의 그 이외의 부분의 Z축 방향의 두께는 예를 들면 약 5∼10㎛ 정도이다. 즉, 빔부(4)에서의 연결부측 띠 형상 빔부 부위(15(15a, 15b)) 및 지지부측 띠 형상 빔부 부위(16(16a, 16b))의 Z축 방향의 두께보다도, 빔부(4)의 그 이외의 부분의 Z축 방향의 두께가 얇게 되어 있다.
또한, 빔부(4)에 있어서, 연결부측 띠 형상 빔부 부위(15(15a, 15b))의 두께를 두껍게 하지 않고, 지지부측 띠 형상 빔부 부위(16(16a, 16b)) 이외의 부분의 Z축 방향의 두께와 동일한 두께로 얇게(예를 들면 약 5∼10㎛ 정도로) 해도 된다. 또한, 연결부(8a, 8b)의 두께도 마찬가지로 얇은 두께로 해도 된다. 이와 같이, 연결부(8a, 8b)의 두께와 연결부측 띠 형상 빔부 부위(15(15a, 15b)의 두께를 예를 들면 약 5∼10㎛ 정도로 얇게 형성했을 경우, 도 1b의 C-C부분의 단면도는 도 3d에 나타내는 것과 같이 된다.
이 실시예에서는, 상기 보강부(20)의 Z축 방향의 두께 및, 상기 빔(26)의 Z축 방향의 두께도, 지지부(5a, 5b)나 빔부(4)에서의 지지부측 띠 형상 빔부 부위(16)와 동일한(동일 또는 거의 동일한) 400㎛ 정도의 두께로 되어 있다.
또한, 이 실시예에서는 추부(7)의 Z축 방향의 두께는 예를 들면 약 400㎛ 정도이다. 즉, 추부(7)의 Z축 방향의 두께는 지지부(5)나 연결부(8)의 Z축 방향의 두께와 거의 동일한 두께로 되어 있다. 또한, 추부(7(7a, 7b))의 중심(重心)은 예를 들면 도 3b에 나타내는 점(W7)의 위치이다. 추부(7(7a, 7b))를 지지하는 빔부(4)의 지점(支點)은 예를 들면 도 3b에 나타내는 점(W4)의 위치로 되어 있다. 추부(7)의 중심 위치와 추부(7(7a, 7b))를 지지하는 빔부(4)의 지점 위치는 높이 위치(Z축 방향의 위치)가 어긋나 있다.
이 실시예에서는 상술한 빔부(4)와 지지부(5(5a, 5b))와 고정부(6)와 추부(7(7a, 7b))와 연결부(8(8a, 8b))는 SOI(Silicon-On-Insulator)기판(13)을 마이크로머시닝(micromachining) 기술을 이용하여 가공하여 형성된 것이다. SOI기판(13)은 Si층(10)과 SiO2층(11)과 Si층(12)이 순서대로 적층 형성되어 있는 다층 기판이다.
이 실시예에서는, 빔부(4)는 Si에 의해 구성되고, 가속도를 검출하기 위한 피에조 저항부가 다음에 나타내는 것과 같은 부위를 가공하여 빔부(4)에 형성되어 있다. 도 5의 모식적인 확대도에 나타내는 바와 같이, 빔부(4)에 있어서, 피에조 저항부(RX1, RX2)가 각각 연결부측 띠 형상 빔부 부위(15a)의 띠 폭 양측에 배치되어 있다. 피에조 저항부(RX3, RX4)가 각각 연결부측 띠 형상 빔부 부위(15b)의 띠 폭 양측에 배치되어 있다. 이들 4개의 피에조 저항부(RX1, RX2, RX3, RX4)는 X축 방향의 가속도를 검출하기 위한 X축 방향 가속도 검출부를 구성하고 있다.
또한 빔부(4)에 있어서, 피에조 저항부(RY2, RY3)가 각각 Y축 방향 신장 부위(4a)의 신장 선단측쪽에 배치되어 있다. 피에조 저항부(RY1, RY4)가 각각 Y축 방향 신장 부위(4b)의 신장 선단측쪽에 배치되어 있다. 이들 4개의 피에조 저항부(RY1, RY2, RY3, RY4)는 Y축 방향의 가속도를 검출하기 위한 Y축 방향 가속도 검출부를 구성하고 있다.
또한, 피에조 저항부(RZ2, RZ3)가 빔부(4)에서의 Y축 방향 신장 부위(4a)의 신장 기단측쪽인, 지지부측 띠 형상 빔부 부위(16a)의 양 단측에 형성되어 있다. 피에조 저항부(RZ1, RZ4)가 Y축 방향 신장 부위(4b)의 신장 기단측쪽인, 지지부측 띠 형상 빔부 부위(16b)의 양 단측에 형성되어 있다. 이들 4개의 피에조 저항부(RZ1, RZ2, RZ3, RZ4)는 Z축 방향의 가속도를 검출하기 위한 Z축 방향 가속도 검출부를 구성하고 있다. 피에조 저항부(RZ1, RZ3)는 X축 방향을 따라 신장 형성된 형상을 이루고 있다. 피에조 저항부(RZ2, RZ4)는 피에조 저항부(RZ1, RZ3)의 신장 형성 방향과 직교하는 Y축 방향을 따라 신장 형성된 형상을 이루고 있다.
빔부(4)나 지지부(5(5a, 5b)), 보강부(20), 탄성부(25), 고정부(6)에는 도 6a, 도 6b, 도 6c에 각각 나타내는 것과 같은 배선 패턴이 형성되어 있다. 도 6a는 피에조 저항부(RX1, RX2, RX3, RX4)에 의한 브리지 회로를 구성하기 위한 배선 패턴을 나타낸다. 도 6b는 피에조 저항부(RY1, RY2, RY3, RY4)에 의한 브리지 회로를 구성하기 위한 배선 패턴을 나타낸다. 도 6c는 피에조 저항부(RZ1, RZ2, RZ3, RZ4)에 의한 브리지 회로를 구성하기 위한 배선 패턴을 나타낸다.
그리고 이 실시예에서는 가속도가 발생하고 있지 않을 때에 도 6a, 도 6b, 도 6c의 각 브리지 회로를 구성하고 있는 4개의 피에조 저항부의 저항값이 균형 상태가 되도록 피에조 저항부가 형성되어 있다.
예를 들면, 도 7a에는 상기 브리지 회로의 배선 패턴의 하나의 배선예가 모식적으로 나타나 있다. 이 예에서는, 배선 패턴(Ls)과 배선 패턴(Lm)에 의해, 상기 피에조 저항부로 이루어지는 브리지 회로를 구성하고 있다. 배선 패턴(Ls)은 도 7b의 모식적인 단면도에 나타내는 것과 같은, 예를 들면 SOI기판(13)의 Si층(12)에 붕소나 인 등을 도핑하여 형성되어 있다. 배선 패턴(Lm)은 예를 들면 SOI기판(13)의 표면에 증착이나 스퍼터 등의 성막 형성 기술을 이용하여 형성된 알루미늄 등의 금속에 의해 형성되어 있다. 한편, 도 7a에서는 배선 패턴(Ls)은 실선으로 나타나고, 배선 패턴(Lm)은 파선으로 나타나 있다.
도 7a의 예에서는, 배선 패턴(Ls)과 배선 패턴(Lm)의 각각의 특징을 이용한, 다음에 나타내는 것과 같은 특유의 배선 패턴(Ls, Lm)의 배선이 이루어져 있다. 도 7b에 나타내는 바와 같이, SOI기판(13)의 Si층(12)의 표면에는 배선 패턴(Ls)의 형성 후에 필연적으로 산화막(21)이 형성된다. 이로 인해, 이 산화막(21)에 의해 배선 패턴(Ls)과 배선 패턴(Lm)의 절연을 확보하면서, 배선 패턴(Ls)과 배선 패턴(Lm)의 크로스 배선이 이루어져 있다.
또한, 배선 패턴(Ls)이 형성되어 있는 부분의 산화막(21)의 일부가 제거되어 구멍부(22)가 형성되어 있다. 이 구멍부(22) 내에 배선 패턴(Lm)의 구성 재료의 도체재료가 들어가 배선 패턴(Ls)에 접합한다. 이 접합에 의해, 배선 패턴(Ls)과 배선 패턴(Lm)이 전기적으로 접속되어 있다.
또한, 이 실시예에서는 상기한 바와 같이 지지부(5a, 5b)와, 빔부(4)에서의 연결부측 띠 형상 빔부 부위(15a, 15b) 및 지지부측 띠 형상 빔부 부위(16a, 16b)와, 보강부(20)와, 탄성부(25)는 예를 들면 약 400㎛ 정도의 두께이다. 그에 반해, 연결부측 띠 형상 빔부 부위(15a, 15b) 및 지지부측 띠 형상 빔부 부위(16a, 16b) 이외의 빔부(4)의 부위는 예를 들면 5∼10㎛ 정도의 두께로 되어 있다. 이러한 빔부(4)의 얇은 부분의 표면에 금속제의 배선 패턴(Lm)을 형성하면, 그 배선 패턴(Lm)의 내부응력에 의해 빔부(4)의 얇은 부분이 휘어 버릴 우려가 있다.
그에 반해, 배선 패턴(Ls)은 빔부(4)를 구성하고 있는 Si층에 붕소나 인 등의 불순물을 도핑하여 형성되는 것이다. 그 때문에, 배선 패턴(Ls)의 형성에 의한 빔부(4)의 얇은 부분의 휨 등의 변형은 거의 발생하지 않는다. 이로 인해, 빔부(4) 의 얇은 부분에 금속제의 배선 패턴(Lm)을 형성하는 것은 피하여, 상기 빔부(4)의 얇은 부분에는 배선 패턴(Ls)이 형성되어 있다.
이상과 같이, 도 7a의 예에서는 배선 패턴(Ls)과 배선 패턴(Lm)의 크로스 배선이 가능한 것과, 배선 패턴(Ls)과 배선 패턴(Lm)의 전기적인 접속이 용이한 것을 이용하고 있다. 또한, 도 7a의 예는 빔부(4)의 두께가 부분적으로 다른 것도 고려하고 있다. 그 후에, 배선 패턴의 배선 구성의 간략화를 도모하는 것을 고려하면서, 배선 패턴(Ls) 및 배선 패턴(Lm)의 배선 구성이 설계되어 있다.
도 7a의 배선예에 있어서, 연결부측 띠 형상 빔부 부위(15a)의 띠 폭 양측에 배치되어 있는 피에조 저항부(RX1, RX2)의 일단측끼리가 배선 패턴(Ls)에 의해 전기적으로 접속되어 검출부(PX1)가 형성되어 있다. 또한, 도 1a에 나타내는 바와 같이, 고정부(6)의 표면에는 복수의 외부접속용 전극 패드(18)가 형성되어 있다. 전압 검출부(PX1)는 배선 패턴(Ls, Lm)에 의해 상기 전압 검출부(PX1)에 개별로 대응하는 외부접속용 전극 패드(18)(VX1)에 전기적으로 접속되어 있다. 마찬가지로, 연결부측 띠 형상 빔부 부위(15b)의 띠 폭 양측에 배치되어 있는 피에조 저항부(RX3, RX4)의 일단측끼리가 배선 패턴(Ls)에 의해 전기적으로 접속되어 전압 검출부(PX2)가 형성되어 있다. 이 전압 검출부(PX2)는 배선 패턴(Ls, Lm)에 의해 상기 전압 검출부(PX2)에 개별로 대응하는 외부접속용 전극 패드(18)(VX2)에 전기적으로 접속되어 있다.
또한, 피에조 저항부(RX2, RX4)의 타단측은 각각 배선 패턴(Ls, Lm)에 의해 외부의 전압 전원(Vs)에 접속하기 위한 외부접속용 전극 패드(18)(VVS)에 전기적으로 접속되어 있다. 나아가, 피에조 저항부(RX1, RX3)의 타단측은 각각 배선 패턴(Ls, Lm)에 의해, 외부의 그라운드(GND)에 접속하기 위한 외부접속용 전극 패드(18)(VGND)에 전기적으로 접속되어 있다.
또한, Y축 방향 신장 부위(4a)의 띠 폭 양측에 배치되어 있는 피에조 저항부(RY2, RY3)의 일단측끼리가 배선 패턴(Ls, Lm)에 의해 전기적으로 접속되어 전압 검출부(PY1)가 형성되어 있다. 이 전압 검출부(PY1)는 배선 패턴(Lm)에 의해, 상기 전압 검출부(PY1)에 개별로 대응하는 외부접속용 전극 패드(18)(VY1)에 전기적으로 접속되어 있다.
마찬가지로, Y축 방향 신장 부위(4b)의 띠 폭 양측에 배치되어 있는 피에조 저항부(RY1, RY4)의 일단측끼리가 배선 패턴(Ls, Lm)에 의해 전기적으로 접속되어 전압 검출부(PY2)가 형성되어 있다. 이 전압 검출부(PY2)는 배선 패턴(Lm)에 의해 상기 전압 검출부(PY2)에 개별로 대응하는 외부접속용 전극 패드(18)(VY2)에 전기적으로 접속되어 있다.
또한, 피에조 저항부(RY2, RY4)의 타단측은 각각 배선 패턴(Ls, Lm)에 의해 외부의 전압 전원(Vs)에 접속하기 위한 외부접속용 전극 패드(18)(VVS)에 전기적으로 접속되어 있다. 나아가, 피에조 저항부(RY1, RY3)의 타단측은 각각 배선 패턴(Ls, Lm)에 의해 외부의 그라운드(GND)에 접속하기 위한 외부접속용 전극 패드(18)(VGND)에 전기적으로 접속되어 있다.
또한, 지지부측 띠 형상 빔부 부위(16a)의 양 단측의 피에조 저항부(RZ2, RZ3)의 일단측끼리가 배선 패턴(Ls)에 의해 전기적으로 접속되어 전압 검출부(PZ1)가 형성되어 있다. 이 전압 검출부(PZ1)는 배선 패턴(Lm)에 의해 상기 전압 검출부(PZ1)에 개별로 대응하는 외부접속용 전극 패드(18)(VZ1)에 전기적으로 접속되어 있다. 마찬가지로, 지지부측 띠 형상 빔부 부위(16b)의 양 단측의 피에조 저항부(RZ1, RZ4)의 일단측끼리가 배선 패턴(Ls)에 의해 전기적으로 접속되어 전압 검출부(PZ2)가 형성되어 있다. 이 전압 검출부(PZ2)는 배선 패턴(L)에 의해 상기 전압 검출부(PZ2)에 개별로 대응하는 외부접속용 전극 패드(18)(VZ2)에 전기적으로 접속되어 있다.
또한, 피에조 저항부(RZ2, RZ1)의 타단측은 배선 패턴(Ls, Lm)에 의해, 각각 외부의 전압 전원(Vs)에 접속하기 위한 외부접속용 전극 패드(18)(VVS)에 전기적으로 접속되어 있다. 나아가, 피에조 저항부(RZ3, RZ4)의 타단측은 배선 패턴(Ls, Lm)에 의해, 각각 외부의 그라운드(GND)에 접속하기 위한 외부접속용 전극 패 드(18)(VGND)에 전기적으로 접속되어 있다.
이 실시예의 가속도 센서(1)는 상기한 바와 같이 구성되어 있으며, 다음에 기술하는 바와 같이 가속도를 검출할 수 있다. 예를 들면, X축 방향의 가속도가 발생하면, 그 가속도에 기인한 X축 방향의 힘이 추부(7(7a, 7b))에 작용한다. 이 추부(7)에의 X축 방향의 작용력에 의해, 추부(7(7a, 7b))는 도 8a의 모델도의 점선으로 나타내는 기준 상태로부터, 예를 들면 도 8a의 실선 및, 도 8b의 모식적인 단면도에 나타내는 바와 같이 X축 방향으로 진동 변위한다. 이러한 추부(7)의 X축 방향의 변위에 의해 연결부(8)를 통해 빔부(4)가 휨 변형하고, 이로 인해 빔부(4)에는 다음에 나타내는 것과 같은 응력이 발생한다.
추부(7)가 도 8a, 도 8b에 나타내는 것과 같이 변위한 경우에는, 도 8c의 모델도에 나타내는 바와 같이, 빔부(4)에 있어서, 연결부측 띠 형상 빔부 부위(15a)의 좌측(AL)에는 인장응력이 발생한다. 또한, 연결부측 띠 형상 빔부 부위(15a)의 우측(AR)에는 압축응력이 발생한다. 또한, 연결부측 띠 형상 빔부 부위(15b)의 좌측(BL)에는 인장응력이 발생한다. 더욱 또한, 연결부측 띠 형상 빔부 부위(15b)의 우측(BR)에는 압축응력이 발생한다. 또한 지지부측 띠 형상 빔부 부위(16a)의 양측(CU, CD)에는 각각 압축응력이 발생한다. 지지부측 띠 형상 빔부 부위(16b)의 양측(DU, DD)에는 각각 인장응력이 발생한다.
이와 같이, 빔부(4)에 있어서, 추부(7)의 X축 방향의 가속도에 기인하여 응 력이 발생하는 각각의 부분(AL, AR, BL, BR, CU, CD, DU, DD)에는 각각 피에조 저항부(RX2, RX1, RX3, RX4, RZ2, RZ3, RZ1, RZ4)가 형성되어 있다. 그 때문에, 이들 피에조 저항부(RX2, RX1, RX3, RX4, RZ2, RZ3, RZ1, RZ4)는 각각 X축 방향의 가속도에 기인한 응력 발생에 의해 전기 저항값이 변화한다.
표 1에는 이러한 X방향의 가속도가 발생했을 때의 각 피에조 저항부(RX1, RX2, RX3, RX4, RZ2, RZ3, RZ1, RZ4)의 배치부에 발생하는 응력과, 각 피에조 저항부의 저항값 변화가 각각 나타나 있다. 또한, 피에조 저항부(RY2, RY3, RY1, RY4)의 배치부에 발생하는 응력과, 각 피에조 저항부의 저항값 변화도 각각 나타나 있다. 한편, 표 1 및 후술하는 표 2, 표 3에서 응력을 마이너스(-)로 나타내고 있는 곳은 압축응력이 발생하고 있는 것을 나타낸다. 또한, 응력을 플러스(+)로 나타내고 있는 곳은 인장응력이 발생하고 있는 것을 나타낸다. 또한, 저항값 변화의 +와 -의 기호는 각각 저항값 변화의 방향을 나타내고 있다. 이하의 설명에 있어서, 각 피에조 저항부의 배치부에 발생하는 응력과 저항값 변화에 대하여 표 1∼표 3에 대응시켜 상세하게 기술한다.
X축 브리지 Y축 브리지 Z축 브리지
피에조 저항부 RX1 RX2 RX3 RX4 RY1 RY2 RY3 RY4 RZ1 RZ2 RZ3 RZ4
응력 - + + - + - - + + - - +
저항값 변화 - + + - + - - + + + - -
우선, 도 6a의 브리지 회로(X축 브리지)에 있어서 도 8a, 도 8b에 나타내는 바와 같이, X축 방향의 가속도가 발생하고 있을 때에 대하여 기술한다. 이때, 피에조 저항부(RX1, RX4)는 예를 들면 압축응력(-)에 기초한 저항값 변화(-방향의 저항값 변화)를 나타낸다. 또한, 피에조 저항부(RX2, RX3)는 예를 들면 인장응력(+)에 기초한 저항값 변화(+방향의 저항값 변화)를 나타낸다. 이로 인해, 도 6a의 브리지 회로의 저항값의 균형 상태가 무너지고 도 6a의 브리지 회로의 출력이 변화한다. 또한, X축 방향의 가속도의 크기에 따라 도 6a의 브리지 회로의 출력의 변동폭이 변화한다. 이로 인해, 도 6a의 브리지 회로의 출력에 기초하여 X축 방향의 가속도의 크기를 검출할 수 있다.
한편, 여기서 도 8a, 도 8b에 나타내는 바와 같이 X축 방향의 가속도가 발생하고 있을 때의, 도 6c의 브리지 회로(Z축 브리지)를 구성하고 있는 피에조 저항부에 대하여 기술한다. 표 1에 나타내는 바와 같이, 도 6c의 브리지 회로(Z축 브리지)를 구성하고 있는 피에조 저항부(RZ2, RZ3)는 예를 들면 압축응력(-)에 기초한 저항값 변화를 나타낸다. 또한, 피에조 저항부(RZ1, RZ4)는 예를 들면 인장응력(+)에 기초한 저항값 변화를 나타낸다. 이때, 피에조 저항부(RZ2)와 피에조 저항부(RZ3)는 피에조 저항의 신장 방향이 직교하고 있기 때문에 서로 반대방향으로 저항값이 변화한다.
즉, 표 1에 나타내는 바와 같이, 피에조 저항부(RZ2)는 (+), 피에조 저항부(RZ3)는 (-)방향의 저항값 변화가 된다. 또한, 피에조 저항부(RZ1) 피에조 저항부(RZ4)도 동일한 관계에 있다. 즉, 피에조 저항부(RZ1)는 (+), 피에조 저항부(RZ4)는 (-)방향의 저항값 변화가 된다. 이와 같이, 피에조 저항부(RZ1, RZ2)가 (+), 피에조 저항부(RZ3, RZ4)가 (-)로 서로 반대방향의 저항값 변화를 나타내고, 피에조 저항부(RZ2, RZ3, RZ1, RZ4)의 저항값 변화는 서로 캔슬(cancel)된다. 이로 인해, 도 6c의 브리지 회로의 출력에는 큰 변화가 없다.
또한, 도 6b의 브리지 회로(Y축 브리지)를 구성하는 피에조 저항부(RY1, RY2, RY3, RY4)가 형성되어 있는 빔부 부분에 대하여 기술한다. 이 빔부 부분은 Y축 방향 신장 부위(4a, 4b)의 신장 선단부쪽이며 발생 응력이 작다. 게다가, 대칭성으로 인해, 표 1에 나타내는 바와 같이 피에조 저항부(RY2, RY3)의 저항값 변화가 (-)이고 피에조 저항부(RY1, RY4)의 저항값 변화가 (+)가 된다. 즉, 피에조 저항부(RY2, RY3)의 저항값 변화와, 피에조 저항부(RY1, RY4)의 저항값 변화가 서로 정부(正負) 반대방향으로 저항값이 동일 정도로 변화한다. 따라서 전기저항부(PX1, PX2)의 전위가 변화하지 않는다. 이로 인해 X축 방향의 가속도가 발생하고 있을 때에는, 도 6b의 브리지 회로의 저항값의 균형 상태는 유지된 채로, 도 6b의 브리지 회로의 출력 변화는 거의 없다.
또한, 예를 들면 Y축 방향의 가속도가 발생하면, 그 가속도에 기인한 Y축 방향의 힘이 추부(7(7a, 7b))에 작용한다. 이 실시예에서는 추부(7)의 중심 위치와, 추부(7)를 지지하는 빔부(4)의 지점 위치의 높이 위치가 어긋나 있다. 그 때문에, 이 중심과 지점의 위치 어긋남에 의해, 추부(7(7a, 7b))에 Y축 방향의 힘이 작용하면, 추부(7a, 7b)는 도 9a의 모델도의 점선으로 나타내는 기준 상태로부터, 예를 들면 도 9a에 나타내는 실선 및, 도 9b의 모식적인 단면도에 나타내는 것과 같이 된다. 즉, 추부(7a, 7b)의 한쪽측(도 9a 및 도 9b의 예에서는 추부(7a))은 베이스(2)에 근접하면서 Y축 방향으로 변위한다. 그리고 다른쪽측(도 9a 및 도 9b의 예에서는 추부(7b))은 베이스(2)에 대하여 위로 올라가면서 Y축 방향으로 변위한다. 이로 인해, 연결부(8) 및 빔부(4)가 휨 변형하여 빔부(4)에는 다음에 나타내는 바와 같은 응력이 발생한다.
예를 들면, 추부(7)가 도 9a, 도 9b에 나타내는 바와 같이 변위하는 경우에 대하여 기술한다. 이 경우는, 빔(4)의 면과 추(7)의 중심 위치의 Z방향의 거리(Ly)와 관성력(ma)의 곱으로 이루어지는 모멘트(maLy)에 의해, 빔부(4)에 있어서, Y축 방향 신장 부위(4a)에는 똑같은 모멘트가 작용한다. 그리고 도 9c의 모델도에 나타내는 바와 같이, 도면의 위쪽의 Y축 방향 신장 부위(4a)의 영역(EU)에는 인장응력이 발생한다. 아래쪽의 Y축 방향 신장 부위(4a)의 영역(ED)에는 압축응력이 발생한다. 또한, 도면의 위쪽의 Y축 방향 신장 부위(4b)의 영역(FU)에는 인장응력이 발생한다. 아래쪽의 Y축 방향 신장 부위(4b)의 영역(FD)에는 압축응력이 발생한다.
이와 같이, 빔부(4)에 있어서, Y축 방향의 가속도에 기인하여 응력이 발생하는 각각의 부분(EU, ED, FU, FD)의 단부에는 각각 피에조 저항부(RY2, RY3, RY1, RY4)가 형성되어 있다. 그 때문에, 이들 피에조 저항부(RY2, RY3, RY1, RY4)는 각각 Y축 방향의 가속도에 기인한 응력 발생에 의해 전기 저항값이 변화한다.
표 2에는 이러한 Y방향의 가속도가 발생했을 때의, 피에조 저항부(RY2, RY3, RY1, RY4)의 배치부에 발생하는 응력과 저항값 변화가 나타나 있다. 또한, 피에조 저항부(RZ2, RZ3, RZ1, RZ4)의 배치부에 발생하는 응력과 저항값 변화가 나타나 있다.
Y축 브리지 Z축 브리지
피에조 저항부 RY1 RY2 RY3 RY4 RZ1 RZ2 RZ3 RZ4
응력 + + - - + + - -
저항값 변화 + + - - + - - +
도 6b의 브리지 회로에 있어서, 상기 Y축 방향의 가속도가 발생하고 있을 때에는 표 2에 나타내는 바와 같이, 피에조 저항부(RY1, RY2)는 예를 들면 인장응력(+)에 기초한 저항값 변화(+)를 나타낸다. 또한, 피에조 저항부(RY3, RY4)는 예를 들면 압축응력(-)에 기초한 저항값 변화(-)를 나타낸다. 이로 인해, 도 6b의 브리지 회로의 저항값의 균형 상태가 무너지고 도 6b의 브리지 회로의 출력이 변화한다. 그리고 Y축 방향의 가속도의 크기에 따라, 도 6b의 브리지 회로의 출력의 변동폭이 변화한다. 이로 인해, 도 6b의 브리지 회로의 출력에 기초하여 Y축 방향의 가속도의 크기를 검출할 수 있다.
또한 이 실시예에서는, Y축 방향 신장 부위(4a)의 신장 기단측에는 피에조 저항부(RZ2, RZ3)가 배치되어 있다. 또한, Y축 방향 신장 부위(4b)의 신장 기단측에는 피에조 저항부(RZ1, RZ4)가 배치되어 있다. 그 때문에, Y축 방향의 가속도에 기인한 빔부(4)의 응력 발생에 의해, 피에조 저항부(RZ2, RZ3, RZ1, RZ4)의 저항값도 변화한다. 그러나 피에조 저항부(RZ2, RZ1)는 예를 들면 인장응력(+)에 기초한 저항값 변화이다. 한편, 피에조 저항부(RZ3, RZ4)는 예를 들면 압축응력(-)에 기초한 저항값 변화이다. 또한, 피에조 저항부(RZ1, RZ3)와 피에조 저항부(RZ2, RZ4)의 피에조 저항이 서로 직교하는 방향으로 신장하고 있다. 그 때문에, 응력에 대한 저항값 변화의 증감이 거의 반대가 된다.
그 결과, 피에조 저항부(RZ2)와 피에조 저항부(RZ4)의 저항값은 가속도가 없는 상태에서의 기준 저항값에서 정부 반대방향으로 변화한다. 즉, 표 2에 나타내는 바와 같이, 피에조 저항부(RZ2)가 (+), 피에조 저항부(RZ4)가 (-)가 된다. 또한, 피에조 저항부(RZ1)와 피에조 저항부(RZ3)의 저항값은 가속도가 없는 상태에서의 기준 저항값에서 정부 반대방향으로 변화한다. 즉, 표 2에 나타내는 바와 같이, 피에조 저항부(RZ3)가 (-), 피에조 저항부(RZ1)가 (+)가 된다. 이로 인해, 피에조 저항부(RZ2, RZ4, RZ1, RZ3)의 저항값 변화는 서로 캔슬된다. 이로 인해, 도 6c의 브리지 회로의 출력에는 큰 변화가 없다.
또한, 도 6a의 브리지 회로를 구성하는 피에조 저항부(RX1, RX2, RX3, RX4)는 Y축 방향의 가속도가 발생하고 있을 때에 응력 변화가 거의 없는 부분에 배치되어 있다. 그 때문에, 그들 피에조 저항부(RX1, RX2, RX3, RX4)의 저항값의 변화는 거의 없으며, 도 6a의 브리지 회로의 출력에도 큰 변화가 없다. 따라서, 도 6b의 브리지 회로의 출력에 기초하는 Y축 방향의 가속도 검출을 정확하게 행할 수 있다.
또한, 예를 들면, Z축 방향의 가속도가 발생하면 그 가속도에 기인한 Z축 방향의 힘이 추부(7(7a, 7b))에 작용한다. 이 추부(7)에의 Z축 방향의 작용력에 의해, 추부(7(7a, 7b))는 도 10a의 모델도의 점선으로 나타내는 기준 상태로부터, 예를 들면 도 10a에 나타내는 실선 및, 도 10b의 모식적인 단면도에 나타내는 바와 같이 추부(7(7a, 7b))는 Z축 방향으로 변위한다. 이로 인해, 연결부(8) 및 빔부(4)가 휨 변형하여, 빔부(4)에는 다음에 나타내는 바와 같은 응력이 발생한다.
예를 들면, 추부(7)가 도 10a나 도 10b에 나타내는 것과 같이 변위하는 경우에 대하여 기술한다. 이 경우는 도 10c의 모델도에 나타내는 바와 같이, 중심과 빔부(4)의 Y방향의 거리(Lz)와 관성력의 곱으로 이루어지는 굽힘 모멘트(maLz)가 발생한다. 이로 인해, 중심 위치에서 거리가 가장 떨어진 Y축 방향 신장 부위(4a, 4b)의 신장 기단측(지지부측 띠 형상 빔부 부위(16a, 16b)의 각각의 양측)에서 최대의 굽힘 모멘트를 나타낸다. 그리고 빔부(4)에 있어서, 지지부측 띠 형상 빔부 부위(16a, 16b)의 각각의 양측(CU, CD, DU, DD)에는 각각 인장응력이 발생한다.
표 3에는 이러한 Y방향의 가속도가 발생했을 때의 피에조 저항부(RY2, RY3, RY1, RY4) 및, 피에조 저항부(RZ2, RZ3, RZ1, RZ4)의 배치부에 발생하는 응력과 저항값 변화가 각각 나타나 있다. 표 3에 나타내는 바와 같이, 피에조 저항부(RZ2, RZ3, RZ1, RZ4)의 배치부에는 모두 인장응력(+)이 발생한다.
Y축 브리지 Z축 브리지
피에조 저항부 RY1 RY2 RY3 RY4 RZ1 RZ2 RZ3 RZ4
응력 + + + + + + + +
저항값 변화 + + + + + - + -
피에조 저항부(RZ1, RZ3)는 X축 방향을 따라 신장 형성된 형상을 이루고, 피에조 저항부(RZ2, RZ4)는 피에조 저항부(RZ1, RZ3)의 신장 형성 방향과 직교하는 Y축 방향을 따라 신장 형성된 형상을 이루고 있다. 이로 인해, 상기한 바와 같이 빔부(4)에 인장응력(+)이 발생하면 표 3에 나타내는 바와 같이 저항값이 변화한다. 즉, Y방향으로 신장된 피에조 저항부(RZ2, RZ4)의 피에조 저항과, X방향으로 신장된 피에조 저항부(RZ3, RZ1)의 피에조 저항은 거의 정부 반대방향으로 저항값이 변화한다. 즉, 피에조 저항부(RZ2, RZ4)는 (-)가 되고, 피에조 저항과 X방향으로 신장된 피에조 저항부(RZ3, RZ1)는 (+)가 된다.
이것으로 보아, Z축 방향의 가속도가 발생하고 있을 때에는, 도 6c의 브리지 회로의 저항값의 균형 상태가 무너지고, 도 6c의 브리지 회로의 출력이 변화한다. 그리고 Z축 방향의 가속도의 크기에 따라 도 6c의 브리지 회로의 출력의 변동폭이 변화하므로, 도 6c의 브리지 회로의 출력에 기초하여 Z축 방향의 가속도의 크기를 검출할 수 있다.
한편, 도 6a의 브리지 회로를 구성하는 피에조 저항부(RX1, RX2, RX3, RX4)가 형성되어 있는 빔부 부분은 Z축 방향의 가속도에 기인한 응력이 거의 발생하지 않는다. 그 때문에, 도 6a의 브리지 회로의 저항값의 균형 상태는 유지된 채로, 도 6a의 브리지 회로의 출력 변화는 거의 없다. 또한, 도 6b의 브리지 회로를 구성하는 피에조 저항부(RY1, RY2, RY3, RY4)가 형성되어 있는 빔부 부분은 Y축 방향 신장 부위(4a, 4b)의 단부측이다. 이 부분은 모두 동일한 인장응력(표 3의 + 참조)이 발생한다. 그 때문에, 피에조 저항부(RY1, RY2, RY3, RY4)는 마찬가지로 저항값이 모두 +방향으로 변화한다. 따라서, Z축 방향의 가속도가 발생하고 있을 때에는 도 6b의 브리지 회로의 저항값의 균형 상태는 유지된 채로, 도 6b의 브리지 회로의 출력 변화는 거의 없다.
상기한 바와 같이, 이 실시예의 가속도 센서(1)는 X축 방향과 Y축 방향과 Z축 방향의 3축 방향의 가속도를 각각 따로따로 검출하는 것이 가능하다.
또한, 이 가속도 센서(1)는 빔부(4)에 형성되어 있는 Z축 방향 가속도 검출부와 Y축 방향 가속도 검출부와 X축 방향 가속도 검출부가 각각 빔부(4)의 변형에 의한 빔부(4)의 응력 변화에 의해 전기 저항값이 변화하는 피에조 저항부를 가지고 구성되어 있다. 이 구성에 의해, 이 가속도 센서(1)는 피에조 저항부의 전기 저항값 변화를 검출함으로써 용이하고도 정확하게 X, Y, Z축 방향의 각각의 가속도를 검출할 수 있다.
또한, 이 가속도 센서(1)는 X, Y, Z의 각각의 축 방향 가속도 검출부의 피에조 저항부에 의해 형성되는 2개의 전압 검출부에서 각각 출력되는 전압의 차이에 기초하여, 각 축 방향의 가속도를 검출하기 위한 브리지 회로를 구성하는 것이다. 그리고 이들 브리지 회로에 의해 용이하고도 정확하게 X, Y, Z의 각 축 방향의 가속도를 검출할 수 있다.
나아가, 이 가속도 센서(1)는 상기한 바와 같이, Y축 방향에 대한 굽힘 모멘트가 중심과 빔 면의 Z축 방향의 거리(Ly)에 의존한다. 또한, Z축 방향에 대한 굽힘 모멘트는 중심과 빔(4)의 Y축 방향의 거리(Lz)에 의존한다. 그 때문에, 가속도 센서(1)의 소자 저배화를 행하면, Ly가 작아져 Y축 방향의 감도가 저하하는 경향이 있다. 그러나 이 실시예에서는, 피에조 저항부(RY1, RY2, RY3, RY4)를 Y축 방향 신장 부위의 양 단측에 형성하고, 이 형성 부위의 빔 폭을 좁게 하는 구성으로 하였으므로, Y축 방향의 가속도 검출 감도의 저하를 억제할 수 있다.
한편, 가속도 센서(1)의 저배화를 행하더라도 Z방향은 질량(m)의 저하 이외에는 영향을 미치지 않는다. 또한, Z축 방향의 가속도는 빔(4)의 Y축 방향 신장 부위(4a, 4b)의 신장 기단측(지지부측 띠 형상 빔부 부위(16)의 양측)에 큰 굽힘 모멘트를 발생시킨다. 그 때문에, 이 부위에 피에조 저항부(RZ1, RZ2, RZ3, RZ4)를 배치함으로써 감도 저하를 억제할 수 있다. 한편, 추부(7)를 Y방향으로 길게 하면 Lz가 길어져 Z축 방향의 감도를 높일 수 있다. 따라서, 추부(7)를 Y방향으로 길게 함으로써 Z축 방향의 감도를 Y축 방향의 감도와 동등한 값으로 조정할 수 있다.
그 결과, 이 실시예의 가속도 센서(1)는 가령 소자 저배화를 행하더라도 Y축 방향과 Z축 방향의 감도를 맞출 수 있으며, X와 Y와 Z의 3축 방향에 있어서 필요한 감도를 유지하면서 저배화할 수 있다.
또한 이 실시예에서는, 빔부(4)는 지지부(5(5a, 5b))에 의해 양쪽 지지빔 형상으로 고정부(6)에 지지되어 있다. 또한, 추부(7(7a, 7b))는 연결부(8(8a, 8b))에 의해 빔부(4)에 캔틸레버 형상으로 지지되어 있는 구성이다. 이로 인해 지지부(5a)가 접속되어 있는 고정부(6)의 부위와, 지지부(5b)가 접속되어 있는 고정부(6)의 부위의 사이의 거리를 짧게 형성할 수 있다. 이로 인해, 베이스(2)나 고정부(6)가 주위의 온도변화 등에 의해 뒤틀어졌다고 하더라도, 그 베이스(2)나 고정부(6)의 일그러짐에 기인한 고정부 부위간의 일그러짐에 의한 절대변위가 작다.
또한, 빔부(4)는 프레임 형상으로서, 상기 프레임 형상의 빔부(4)가 지지부(5(5a, 5b))에 의해 양쪽 지지빔 형상으로 고정부(6)에 지지되어 있다. 그 때문에, 베이스(2)나 고정부(6)의 일그러짐에 의해 X축 방향의 응력이 발생했을 경우에, 빔부(4)의 모서리부 영역이 변형하여 응력을 빠져나가게 할 수 있다. 또한, 베이스(2)나 고정부(6)의 일그러짐에 의해 Y축 방향의 응력이 발생했을 경우에는 지지부(5(5a, 5b))가 변형하여 응력을 빠져나가게 할 수 있다. 이러한 것으로부터, 이 실시예는 베이스(2)나 고정부(6)의 일그러짐에 기인한 빔부(4)의 휨 변형을 완화할 수 있다. 따라서, 주위 온도 변동에 기인하는 문제를 작게 억제할 수 있다. 한편, 주위 온도 변동에 기인하는 문제란, 예를 들면 온도 변동에 의해 도 6a∼도 6c의 각 브리지 회로의 출력 전압값이 변동해 버리는 온도 드리프트(drift) 발생 등의 문제이다.
또한, 이 실시예에서는 추부(7a, 7b)간의 영역에 배치된 빔부(4)에 가속도를 검출하기 위한 피에조 저항부를 집약적으로 배치하였다. 이로 인해 모든 피에조 저항부를 거의 설계대로 제조하는 것이 가능해진다. 따라서, 이 실시예는 도 6a∼도 6c에 나타내는 브리지 회로의 출력의 편차 등을 작게 억제하는 것이 용이해진다. 즉, 이 실시예는 빔부(4)를 구성하는 Si에 붕소(B)나 인(P)을 도핑하여 피에조 저항부를 제작한다. 그리고 이 피에조 저항부의 배치 위치가 집약되어 있음으로 인해, 각 피에조 저항부에서의 붕소나 인의 도핑 농도를 균일하게 하는 것을 용이하게 할 수 있게 된다. 이로 인해 각 브리지 회로의 저항값의 균형 상태를 취하기 쉬워져, 가속도 검출의 정밀도를 높일 수 있다.
또한, 이 실시예에서는 모든 피에조 저항부를 집약적으로 배치했기 때문에, 도 6a∼도 6c의 각 브리지 회로를 구성하기 위한 배선 패턴의 드로잉 경로(drawing path)를 간소화할 수 있다. 또한, 배선 패턴(Ls)과 배선 패턴(Lm)을 가지는 크로스 배선을 형성하여 회로를 형성함으로써, 한층 더 배선 패턴의 드로잉 경로를 간소화할 수 있다.
또한, 이 실시예에서는 각 지지부(5a, 5b)의 X축 방향을 따른 중심축이 동일 직선상에 배치되고, 각 연결부(8a, 8b)의 Y축 방향을 따른 중심축이 동일 직선상에 배치되어 있다. 그리고 빔부(4)는 지지부(5a, 5b)의 X축 방향을 따른 중심축을 지나는 X축 방향 중심축에 대하여 대칭이고, 또한 연결부(8a, 8b)의 Y축 방향을 따른 중심축을 지나는 Y축 방향 중심축에 대하여 대칭인 형상이다. 이로 인해 가속도 발생에 기인한 빔부(4)의 휨 변형을 단순화할 수 있으며, 빔부(4)의 휨 변형에 의한 응력 변화를 이용한 가속도 검출의 정밀도 향상에 기여할 수 있다.
또한 이 실시예에서는, 빔부(4)에 있어서의 연결부측 띠 형상 빔부 부위(15(15a, 15b)) 및 지지부측 띠 형상 빔부 부위(16(16a, 16b))는 빔부(4)의 다른 부분보다도 Z축 방향의 두께가 두껍게 되어 있다. 이 두께의 차로 인해, 연결부측 띠 형상 빔부 부위(15(15a, 15b))나 지지부측 띠 형상 빔부 부위(16(16a, 16b))와, 빔부(4)의 다른 부분과의 경계부분에서의 응력의 강약이 명확해진다. 이 실시예에서는 빔부(4)의 응력 변화를 이용하여 가속도를 검출하고 있으므로, 이와 같이 응력의 강약을 명확히 함으로써 X축 방향과 Y축 방향과 Z축 방향의 3축 방향의 각각의 가속도를 보다 명료하게 분리하여 검출하는 것이 가능해진다.
또한 이 실시예에서는, 빔부(4)의 프레임 내에 보강부(20)를 형성함으로써 빔부(4)의 강성을 높일 수 있다. 그 때문에, 예를 들면 베이스(2)나 고정부(6)의 일그러짐에 기인한 빔부(4)의 휨 변형을 작게 억제할 수 있다. 이로 인해, 이 실시예는 베이스(2)나 고정부(6)의 예를 들면 열응력에 의한 일그러짐에 기인한 가속도의 오검출을 방지할 수 있다. 특히, 이 실시예에서는 보강부(20)의 Z축 방향의 두께를 빔부(4)에서의 지지부측 띠 형상 빔부 부위(16)와 동일한, 또는 거의 동일한 두께로 하고 있으며, 보강부(20)에 의해 빔부의 강성을 한층 더 높일 수 있다. 그 때문에, 베이스(2)나 고정부(6)의 일그러짐에 기인한 빔부(4)의 휨 변형을 한층 더 억제할 수 있으며 가속도의 오검출을 한층 더 방지할 수 있다.
또한, 이 실시예에서는 지지부(5(5a, 5b))는 각각 빔(26)에 의한 탄성부(25(25a, 25b))를 통해 고정부(6)에 연결접속되어 있다. 그 때문에, 빔(26)이 고정부(6)의 X축 방향의 일그러짐에 따라 탄성 변형한다. 이 탄성 변형에 의해, 고정부(6)의 일그러짐에 기인하여 고정부(6)로부터 지지부(5)에 가해지는 응력을 경감시킬 수 있다. 이와 같이, 이 실시예에서는 예를 들면 열변동 등에 의한 베이스(2)나 고정부(6)의 일그러짐에 기인한 빔부의 일그러짐을 작게 억제할 수 있다. 따라서, 가속도 검출을 위한 피에조 저항부에 의해 구성되는 브리지 회로의 출력의 온도 드리프트를 억제할 수 있다. 이로 인해, 이 실시예는 가속도 검출에 대한 신뢰성을 높일 수 있다.
또한 이 실시예에서는, 상기 탄성부(25)는 지지부(5)의 신장 형성 방향에 교차하는 방향으로 신장 형성되어 있는 빔(26)을 가지며, 이 탄성부(25)의 빔(26)의 양 단부가 각각 고정부(6)에 고정되어 있다. 그리고 지지부(5)가 상기 탄성부(25)의 빔(26)에 연결접속되어 고정부(6)에 지지되어 있으므로, 탄성부(25)를 빔(26)에 의해 용이하게 형성할 수 있어 상기 효과를 발휘할 수 있다.
한편, 이 발명은 상기 실시예에 한정되는 것이 아니며, 다양한 실시형태를 채용할 수 있다. 예를 들면, 도 11의 평면도에 나타내는 바와 같이 상기 실시예에 형성한 탄성부(25)를 생략하고 형성하여 가속도 센서(1)를 형성해도 된다.
또한 상기 실시예에서는, 보강부(20)의 폭은 지지부(5(5a, 5b))의 빔부(4)에의 연결접속측의 폭과 동일 폭으로 하였다. 그러나 보강부(20)의 폭은 지지부(5(5a, 5b))의 폭보다 굵어도 되고, 가늘어도 된다. 또한, 보강부(20)의 Z축 방향의 두께는 지지부(5(5a, 5b))의 두께와 동일한 두께이어도 되지만, 지지부(5(5a, 5b))의 두께보다 얇아도 된다. 이와 같이, 보강부(20)의 폭이나 두께는 빔부(4) 자체의 강성 등을 고려하여 적당히 설계해도 된다. 또한, 도 12에 나타내는 바와 같이 보강부(20)를 생략할 수도 있다.
또한 상기 실시예에서는, 빔부(4)는 연결부측 띠 형상 빔부 부위(15(15a, 15b)) 및 지지부측 띠 형상 빔부 부위(16(16a, 16b))가 다른 부분보다도 Z축 방향의 두께가 두껍게 되어 있는 구성으로 하였다. 그러나 빔부(4)는 그 Z축 방향의 두께가 전체에 걸쳐 동일 또는 거의 동일한 구성으로 해도 된다. 빔부(4)의 Z축 방향의 두께가 전체에 걸쳐 동일 또는 거의 동일한 것에 있어서는 빔부(5)를 한층 더 용이하게 형성할 수 있다.
또한 상기 실시예에서는, 프레임 형상의 빔부(4)의 Y축 방향 신장 부위(4a, 4b)는 스트레이트 형상의 부위와 테이퍼 형상의 부위를 가지는 구성으로 하였다. 그러나 예를 들면 도 13a에 나타내는 바와 같이, 신장 기단측에서 신장 선단측을 향함에 따라 폭이 좁아지는 테이퍼 형상으로 형성해도 된다. 또한, Y축 방향 신장 부위(4a, 4b)는 예를 들면 도 13b에 나타내는 바와 같이, Y축 방향을 거의 따른 양태의 곡선 형상으로 형성해도 된다.
또한 상기 실시예에서는, 빔부(4)의 Y축 방향 신장 부위(4a, 4b)는 그 신장 기단측보다도 선단측의 빔 폭을 좁게 형성하였다. 그러나 빔부(4)의 Y축 방향 신장 부위(4a, 4b)의 폭을 균일하게 하고, 그 두께를 신장 기단측보다도 선단측이 얇게 되도록 형성해도 된다.
또한 상기 실시예에서는, 프레임 형상의 빔부(4)는 X축 방향 중심축에 대하여 대칭인 형상으로 이루어지고, 또한 Y축 방향 중심축에 대하여 대칭인 형상으로 되어 있었다. 그러나 프레임 형상의 빔부(4)는 X축 방향 중심축에 대하여 비대칭인 형상이어도 된다. 또한, Y축 방향 중심축에 대하여 비대칭인 형상이어도 된다.
또한, 상기 실시예에서는 지지부(5a, 5b)는 빔부(4)의 연결접속측을 지지부(5a, 5b)의 신장 선단측보다도 굵게 형성하였다. 그러나 지지부(5a, 5b)는 예를 들면 도 13a의 파선(D)이나, 도 13b에 나타내는 바와 같이 굵기를 균일하게 해도 된다. 또한, 그 강성을 유지할 수 있는 범위라면 지지부(5a, 5b)의 굵기는 가는 쪽이 바람직하다.
또한, 도 14에 나타내는 바와 같이 연결부(8)는 서로 간격을 두고 빔부(4)로부터 2개이상 신장 형성해도 된다.
또한 상기 실시예에서는, 가속도를 검출하기 위한 피에조 저항부는 도 5에 나타내는 바와 같이 배치되어 있었다. 그러나 피에조 저항부는 도 5의 배치 위치에 한정되는 것이 아니라, 적절히 설정하면 된다. 즉, 피에조 저항부는 X축 방향의 가속도와, Y축 방향의 가속도와, Z축 방향의 가속도를 각각 빔부(4)의 휨 변형에 의한 응력 변화를 이용하여 검출할 수 있도록 배치된다. 또한, 피에조 저항부는 프레임 형상의 빔부에 있어서, Z축 방향 가속도 검출부가 Y축 방향 신장 부위의 신장 기단측쪽에 형성되고, Y축 방향 가속도 검출부가 Y축 방향 신장 부위의 신장 선단측쪽에 형성되도록 배치된다.
또한, 각 피에조 저항부간을 접속하여 브리지 회로를 구성하는 배선 패턴의 배선예도 적절히 설정하면 된다. 즉, 배선 패턴은 도 7a, 도 7b의 예에 한정되는 것이 아니라, 예를 들면 크로스 배선이 없는 배선 패턴으로 해도 된다.
또한, 예를 들면 Z축 방향 가속도 검출부는 이하에 기술하는 합계 4개의 피에조 저항부를 가지는 구성으로 해도 된다. 즉, 4개 중 2개는 가속도가 발생했을 때에 응력 변화가 없는 각각의 부분에 형성되는 2개의 피에조 저항부로 한다. 나머지 2개는 각 지지부측 띠 형상 빔부 부위(16a, 16b)의 한쪽(Y축 방향 신장 부위(4a, 4b)의 신장 기단측에 1개씩)에 각각 형성되는 피에조 저항부(예를 들면 피에조 저항부(RZ1, RZ3))로 한다. 그리고 인접 배치된 피에조 저항부끼리를 전기적으로 접속하여 2개의 전압 검출부를 형성한다.
이와 같이 하면, 이 2개의 전압 검출부에서 각각 출력되는 전압의 차이에 기초하여 Z축 방향의 가속도를 검출하기 위한 브리지 회로를 구성할 수 있다. 그리고 이 브리지 회로에 의해 Z축 방향의 가속도를 검출할 수 있는 Z축 방향 가속도 검출부를 형성할 수 있다. 한편, 가속도가 발생했을 때에 응력 변화가 없는 각각의 부분이란, 예를 들면 보강부(20)나 지지부측 띠 형상 빔부 부위(16), 지지부(5a, 5b)의 적절한 부위이다. 이 부위에 배치되는 피에조 저항부의 전기 저항값은 가속도에 대하여 거의 변화하지 않는다.
또한 상기 실시예에서는, 피에조 저항부(RX1, RX2)끼리를 접속하여 전압 검출부(PX1)를 형성하고, 피에조 저항부(RX3, RX4)끼리를 접속하여 전압 검출부(PX2)를 형성하였다. 그러나 피에조 저항부(RX2, RX4)끼리를 접속하여 전압 검출부(PX1)를 형성하고, 피에조 저항부(RX1, RX3)끼리를 접속하여 전압 검출부(PX2)를 형성해도 된다. 또한 상기 실시예에서는, 피에조 저항부(RY2, RY3)끼리를 접속하여 전압 검출부(PY1)를 형성하고, 피에조 저항부(RY1, RY4)끼리를 접속하여 전압 검출부(PY2)를 형성하였다. 그러나 피에조 저항부(RY3, RY1)끼리를 접속하여 전압 검출부(PY1)를 형성하고, 피에조 저항부(RY2, RY4)끼리를 접속하여 전압 검출부(PY2)를 형성해도 된다. 또한 상기 실시예에서는, 피에조 저항부(RZ2, RZ3)끼리를 접속하여 전압 검출부(PZ1)를 형성하고, 피에조 저항부(RZ1, RZ4)끼리를 접속하여 전압 검출부(PZ2)를 형성하였다. 그러나 피에조 저항부(RZ2, RZ1)끼리를 접속하여 전압 검출부(PZ1)를 형성하고, 피에조 저항부(RZ3, RZ4)끼리를 접속하여 전압 검출부(PZ2)를 형성해도 된다.
또한 X, Y, Z의 3축의 감도를 맞추기 위해 브리지 회로 내에 가속도로 변화하지 않는 저항을 형성할 수도 있다. 예를 들면 Z축의 감도가 X축, Y축보다도 클 경우, 도 15에 나타내는 것과 같이 해도 된다. 즉, 브리지 회로의 전기 저항값을 조정하기 위한 감도조정용 피에조 저항부(Rz, Rz, Rz', Rz')를 Z축 방향 가속도 검출용인 각 피에조 저항부(RZ1, RZ2, RZ3, RZ4)의 각각에 직렬로 형성해도 된다. 한편, 감도조정용 피에조 저항부(Rz, Rz, Rz', Rz')는 가속도가 발생했을 때에 응력 변화가 없는 각각의 부분에 형성된다.
이와 같이 하면, 브리지 회로의 각 변의 저항값 변화는 브리지 회로의 각 변에 각각 피에조 저항부(RZ1, RZ2, RZ3, RZ4)가 단 하나밖에 형성되어 있지 않은 경우에 비해 작아진다. 이로 인해, Z축 방향의 가속도의 크기에 대한 브리지 회로의 출력 변동폭을 X축 방향이나 Y축 방향의 가속도의 크기에 대한 브리지 회로의 출력 변동폭에 맞추는 것이 가능하다.
또한 상기 실시예에서는, 가속도를 검출하는 X축 방향 가속도 검출부와 Y축 방향 가속도 검출부와 Z축 방향 가속도 검출부는 각각 피에조 저항부를 가지고 구성되어 있었다. 그러나 예를 들면, 정전용량을 이용하여 추부(7)의 변위를 검출하여, X축 방향의 가속도와, Y축 방향의 가속도와, Z축 방향의 가속도를 각각 검출하는 구성으로 해도 된다.
또한 상기 실시예에서는, 고정부(6)는 빔부(4) 및 추부(7)의 형성 영역을 간격을 두고 둘러싸는 프레임 형상의 양태였다. 그러나 고정부(6)는 빔부(4)를 지지부(5a, 5b)에 의해 양쪽 지지빔 형상으로 베이스(2)에 고정시킬 수 있는 형태이면 되고, 프레임 형상이 아니어도 된다.
또한 상기 실시예에서는, 빔부(4)와 지지부(5)와 고정부(6)와 추부(7)와 연결부(8)는 SOI기판에 의해 구성되어 있었다. 그러나 그들은 SOI기판으로 구성되어 있지 않아도 된다.
본 발명의 가속도 센서는 열응력의 영향 등을 받기 어렵고, 1개의 소자로 X축 방향과 Y축 방향과 Z축 방향의 3축 방향의 가속도를 각각 고(高)정밀도로 검출 할 수 있으므로, 예를 들면 가속도 검출의 높은 정밀도를 요구하는 소형 장치에 형성하는 데에 유효하다.

Claims (12)

  1. 베이스(base)와, 상기 베이스의 면상에 뜬 상태로 배치되는 프레임 형상의 빔부(beam portion)와, 상기 빔부로부터 서로 직교하는 X축과 Y축과 Z축 중 X축 방향을 따라 빔부의 양측에 각각 외측으로 신장 형성되어 있는 지지부를 통해 빔부를 상기 베이스에 양쪽 지지빔 형상으로 지지하는 빔부 지지 고정부와, 상기 베이스의 면상에 뜬 상태로 상기 빔부의 Y축 방향의 양측으로부터 각각 Y축 방향을 따라 외측으로 신장 형성되어 있는 연결부와, 각 연결부의 신장 선단부에 각각 연결접속된 추부(錘部;weight portion)를 가지며,
    상기 추부는 프레임 형상인 빔부의 변형에 의해 X축 방향과 Y축 방향과 Z축 방향의 3축 방향으로 변위 가능한 구성을 이루고,
    상기 빔부에는, 추부의 X축 방향 변위에 기인한 빔부의 휨 변형에 기초하여 X축 방향의 가속도를 검출하기 위한 X축 방향 가속도 검출부와, 추부의 Y축 방향 변위에 기인한 빔부의 휨 변형에 기초하여 Y축 방향의 가속도를 검출하기 위한 Y축 방향 가속도 검출부와, 추부의 Z축 방향 변위에 기인한 빔부의 휨 변형에 기초하여 Z축 방향의 가속도를 검출하기 위한 Z축 방향 가속도 검출부가 형성되어 있으며,
    상기 Z축 방향 가속도 검출부는 상기 프레임 형상의 빔부에 있어서 상기 지지부에 의한 지지 위치에서 Y축 방향으로 신장된 Y축 방향 신장 부위의 신장 기단측쪽에 형성되고, 상기 Y축 방향 가속도 검출부는 상기 Y축 방향 신장 부위의 신장 선단측쪽에 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 가속도 센서.
  2. 제1항에 있어서,
    프레임 형상인 빔부의 Y축 방향 신장 부위는 신장 기단측의 폭보다도 신장 선단측의 폭이 좁은 것을 특징으로 하는 가속도 센서.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    빔부의 X축 방향의 양측으로부터 각각 X축 방향으로 신장 형성되어 있는 각 지지부의 중심축이 동일 직선상에 배치되고, 또한 빔부의 Y축 방향의 양측으로부터 각각 Y축 방향으로 신장 형성되어 있는 각 연결부의 중심축이 동일 직선상에 배치되어 있으며, 빔부는 지지부의 중심축을 지나는 X방향 중심선에 대하여 대칭인 형상이며, 또한 연결부의 중심축을 지나는 Y방향 중심선에 대해서도 대칭인 형상인 것을 특징으로 하는 가속도 센서.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    프레임 형상인 빔부에 있어서의 Z축 방향의 두께는 각 지지부로부터 각각 상기 지지부의 빔부에의 연결접속단측의 폭을 가지고 빔부의 영역에 X축 방향으로 연장한 지지부측 띠 형상 빔부 부위, 및, 각 연결부로부터 각각 상기 연결부의 폭을 가지고 빔부의 영역에 Y축 방향으로 연장한 연결부측 띠 형상 빔부 부위가 다른 부분보다도 두꺼운 것을 특징으로 하는 가속도 센서.
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    프레임 형상인 빔부의 프레임 내 공간에는 빔부의 양측의 지지부를 잇는 방향으로 신장 형성된 보강부가 배치되고, 상기 보강부의 양 단측이 각각 프레임 형상인 빔부에 연결접속되어 있는 것을 특징으로 하는 가속도 센서.
  6. 제5항에 있어서,
    보강부의 Z축 방향의 두께는 각 지지부로부터 각각 상기 지지부의 빔부에의 연결접속단측의 폭을 가지고 빔부의 영역에 X축 방향으로 연장한 지지부측 띠 형상 빔부 부위의 두께와 동일 또는 거의 동일한 것을 특징으로 하는 가속도 센서.
  7. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    프레임 형상의 빔부는 Z축 방향의 두께가 전체에 걸쳐 동일 또는 거의 동일한 것을 특징으로 하는 가속도 센서.
  8. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    빔부에 형성되어 있는 Z축 방향 가속도 검출부와 Y축 방향 가속도 검출부와 X축 방향 가속도 검출부는 각각 빔부의 변형에 의한 빔부의 응력 변화에 의해 전기 저항값이 변화하는 피에조 저항부를 가지고 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 가속도 센서.
  9. 제8항에 있어서,
    X축 방향 가속도 검출부는 각 연결부로부터 각각 상기 연결부의 폭을 가지고 빔부의 영역에 Y축 방향으로 연장한 연결부측 띠 형상 빔부 부위의 띠 폭 양측에 각각 배치된 합계 4개의 피에조 저항부를 가지며, 그 중의 2개를 쌍으로 한 피에조 저항부쌍의 사이에 각각 전압 검출부가 형성됨으로 인해 2개의 전압 검출부가 형성되어 있고, X축 방향 가속도 검출부의 4개의 피에조 저항부는 X축 방향의 가속도에 의해 빔부가 변형했을 때에 상기 2개의 전압 검출부에서 각각 출력되는 전압의 차이에 기초하여 X축 방향의 가속도를 검출하기 위한 브리지 회로를 구성하고 있으며,
    Y축 방향 가속도 검출부는 Y축 방향 신장 부위의 신장 선단측쪽에 각각 형성된 합계 4개의 피에조 저항부를 가지며, 그 중의 2개를 쌍으로 한 피에조 저항부쌍의 사이에 각각 전압 검출부가 형성됨으로 인해 2개의 전압 검출부가 형성되어 있고, Y축 방향 가속도 검출부의 4개의 피에조 저항부는 Y축 방향의 가속도에 의해 빔부가 변형했을 때에 상기 2개의 전압 검출부에서 각각 출력되는 전압의 차이에 기초하여 Y축 방향의 가속도를 검출하기 위한 브리지 회로를 구성하고 있으며,
    Z축 방향 가속도 검출부는 Y축 방향 신장 부위의 신장 기단측에 각각 형성된 합계 4개의 피에조 저항부를 가지며, 그 중의 2개를 쌍으로 한 피에조 저항부쌍의 사이에 각각 전압 검출부가 형성됨으로 인해 2개의 전압 검출부가 형성되어 있고, 상기 4개의 피에조 저항부는 Z축 방향의 가속도에 의해 빔부가 변형했을 때에 상기 2개의 전압 검출부에서 각각 출력되는 전압의 차이에 기초하여 Z축 방향의 가속도 를 검출하기 위한 브리지 회로를 구성하고 있는 것을 특징으로 하는 가속도 센서.
  10. 제8항에 있어서,
    X축 방향 가속도 검출부는 각 연결부로부터 각각 상기 연결부의 폭을 가지고 빔부의 영역에 Y축 방향으로 연장한 연결부측 띠 형상 빔부 부위의 띠 폭 양측에 각각 배치된 합계 4개의 피에조 저항부를 가지며, 그 중의 2개를 쌍으로 한 피에조 저항부쌍의 사이에 각각 전압 검출부가 형성됨으로 인해 2개의 전압 검출부가 형성되어 있고, X축 방향 가속도 검출부의 4개의 피에조 저항부는 X축 방향의 가속도에 의해 빔부가 변형했을 때에 상기 2개의 전압 검출부에서 각각 출력되는 전압의 차이에 기초하여 X축 방향의 가속도를 검출하기 위한 브리지 회로를 구성하고 있으며,
    Y축 방향 가속도 검출부는 Y축 방향 신장 부위의 신장 선단측쪽에 각각 형성된 합계 4개의 피에조 저항부를 가지며, 그 중의 2개를 쌍으로 한 피에조 저항부쌍의 사이에 각각 전압 검출부가 형성됨으로 인해 2개의 전압 검출부가 형성되어 있고, Y축 방향 가속도 검출부의 4개의 피에조 저항부는 Y축 방향의 가속도에 의해 빔부가 변형했을 때에 상기 2개의 전압 검출부에서 각각 출력되는 전압의 차이에 기초하여 Y축 방향의 가속도를 검출하기 위한 브리지 회로를 구성하고 있으며,
    Z축 방향 가속도 검출부는 가속도가 발생했을 때에 응력 변화가 없는 각각의 부분에 형성된 2개의 피에조 저항부와, Y축 방향 신장 부위의 신장 기단측의 어느 것의 위치에 배치된 2개의 피에조 저항부의, 합계 4개의 피에조 저항부를 가지며, 인접 배치되어 있는 상기 피에조 저항부끼리가 전기적으로 접속되어 2개의 전압 검출부가 형성되어 있으며, Z축 방향 가속도 검출부의 4개의 피에조 저항부는 Z축 방향의 가속도에 의해 빔부가 변형했을 때에 상기 2개의 전압 검출부에서 각각 출력되는 전압의 차이에 기초하여 Z축 방향의 가속도를 검출하기 위한 브리지 회로를 구성하고 있는 것을 특징으로 하는 가속도 센서.
  11. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    지지부는 탄성부를 통해 빔부 지지 고정부에 연결접속되어 있고, 상기 탄성부는 빔부 지지 고정부의 일그러짐에 따라 탄성 변형하여 빔부 지지 고정부의 일그러짐에 기인하여 빔부 지지 고정부로부터 지지부에 가해지는 응력을 경감시키는 것을 특징으로 하는 가속도 센서.
  12. 제11항에 있어서,
    탄성부는 지지부의 신장 형성 방향에 교차하는 방향으로 신장 형성되어 있는 빔을 가지며, 상기 탄성부의 빔의 양 단부가 각각 빔부 지지 고정부에 고정되어 있고, 지지부는 상기 탄성부의 빔에 연결접속되어 빔부 지지 고정부에 지지되어 있는 것을 특징으로 하는 가속도 센서.
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