WO2006112051A1 - 加速度センサ - Google Patents

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WO2006112051A1
WO2006112051A1 PCT/JP2005/016542 JP2005016542W WO2006112051A1 WO 2006112051 A1 WO2006112051 A1 WO 2006112051A1 JP 2005016542 W JP2005016542 W JP 2005016542W WO 2006112051 A1 WO2006112051 A1 WO 2006112051A1
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acceleration
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piezoresistive
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Yoichi Mochida
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Murata Manufacturing Co., Ltd.
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    • G01P2015/0842—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses with conversion into electric or magnetic values being provided with a particular type of spring-mass-system for defining the displacement of a seismic mass due to an external acceleration for defining out-of-plane movement of the mass the mass being suspended at more than one of its sides, e.g. membrane-type suspension, so as to permit multi-axis movement of the mass the mass being of clover leaf shape

Definitions

  • the present invention relates to an acceleration sensor capable of detecting accelerations in three axial directions, ie, an X-axis direction, a Y-axis direction, and a Z-axis direction, which are orthogonal to each other.
  • FIG. 15a shows an example of an acceleration sensor in a schematic perspective view (see, for example, Patent Document 1).
  • the acceleration sensor 40 includes a frame portion 41, a cylindrical weight body 42 disposed in the center of the frame portion 41, and both side forces in the X-axis direction of the weight body 42, respectively.
  • X-axis direction beam parts 43a and 43b that are extended toward the frame part 41 along the Y-axis direction and the Y-axis direction of the weight body 42 from both sides in the Y-axis direction toward the frame part 41.
  • Y-axis beam portions 44a and 44b Y-axis beam portions 44a and 44b, four auxiliary weight bodies 45a to 45d connected to the weight body 42, and resistance elements formed on the X-axis beam portions 43a and 43b Rxl ⁇ : Rx4, Rzl ⁇ Rz4, and resistance elements Ryl ⁇ Ry4 formed on the Y-axis direction beam portions 44a, 44b.
  • the central axis of the X-axis direction beam portions 43a and 43b passes through the central axis of the cylindrical weight body 42 and extends along the X-axis direction.
  • the central axes of the Y-axis direction beam portions 44a and 44b are arranged on the same straight line extending along the Y-axis direction through the central axis of the weight body 42.
  • These X-axis direction beam portions 43a and 43b and Y-axis direction beam portions 44a and 44b are configured so as to be capable of stagnation deformation.
  • the resistance elements Rxl and Rx2 are arranged in the X-axis direction beam part 43a along the X-axis direction, and the resistance elements Rx3 and Rx4 are arranged in the X-axis direction beam part 43b along the X-axis direction.
  • the resistive elements Ryl and Ry2 are arranged in the Y-axis direction beam portion 44a along the Y-axis direction, and the resistive elements Ry3 and Ry4 are arranged in the Y-axis direction beam portion 44b along the Y-axis direction.
  • the resistance elements Rzl and Rz2 are arranged in the X-axis direction beam portion 43a along the X-axis direction, and the resistance elements Rz3 and Rz4 are arranged in the X-axis direction beam portion 43b along the X-axis direction.
  • These resistance elements Rxl to R x4, Ryl to Ry4, and Rzl to Rz4 are used for the sag deformation of the beams 43a, 43b, 44a, 44b, respectively.
  • the electrical resistance changes due to the stress change of the beam parts 43a, 43b, 44a, 44b.
  • resistance elements Rxl to Rx4 form a bridge circuit as shown in FIG. 15b
  • four resistance elements Ryl to Ry4 form a bridge circuit as shown in FIG. 15c
  • four resistance elements Rzl to Rz4 are provided in the frame 41 for the wiring force S beams 43a, 43b, 44a and 44b for configuring the bridge circuit as shown in FIG.
  • the symbol Vcc shown in FIGS. 15b to 15d indicates a voltage power input unit connected to an external voltage power source
  • the symbols Pxl, Px2, Pyl, Py2, Pzl, and Pz2 represent voltage detections, respectively. Shows the part.
  • Each of the weight body 42 and the auxiliary weight bodies 45a to 45d is in a floating state, and can be displaced by the bending deformation of the beam portions 43a, 43b, 44a, and 44b. Yes. For example, if a force in the X-axis direction due to acceleration in the X-axis direction acts on the weight body 42 and the auxiliary weight bodies 45a to 45d, the force body 42 and the auxiliary weight bodies 45a to 45d are Displaces in the direction. Similarly, when a force in the Y-axis direction caused by acceleration in the Y-axis direction acts on the weight body 42 and the auxiliary weight bodies 45a to 45d, the force body 42 and the auxiliary weight bodies 45a to 45d are caused by the force.
  • resistance elements Rxl ⁇ : Rx4, Ryl ⁇ Ry4 due to the stress generation of the beam parts 43a, 43b, 44a, 44b due to the stagnation deformation of the beam parts 43a, 43b, 44a, 44b as described above.
  • the resistance values of Rz l to Rz4 change. Due to this change in the resistance value of the resistance element, the balance of the resistance values of the four resistance elements of each bridge circuit in FIGS. 15b to 15d is lost.For example, when acceleration in the X-axis direction is generated, FIG. There is a difference between the voltages output from the voltage detectors Pxl and Px 2 of the bridge circuit.
  • the magnitude of acceleration in the X-axis direction can be detected.
  • acceleration in the Y-axis direction is generated, there is a difference between the voltages output from the voltage detection units Pyl and Py2 of the bridge circuit in FIG. 15c. Using this voltage difference, the magnitude of acceleration in the Y-axis direction can be detected.
  • a difference occurs in the voltages output from the voltage detection units Pzl and Pz2 of the bridge circuit in FIG. 15d. Using this voltage difference, the magnitude of acceleration in the Z-axis direction can be detected.
  • Patent Document 1 Japanese Patent Application Laid-Open No. 2002-296293
  • Patent Document 2 JP-A-8-160070
  • Patent Document 3 JP-A-6-82472
  • linear beam portions 43a, 43b, 44a, 44b are respectively arranged on four sides of the weight body 42, and the weight body 42 is attached to the frame portion 41. Is linked to. For this reason, when the frame 41 is distorted by thermal stress, the beam 41a, 43b, 44a, 44b is subjected to a strain S due to the distortion of the frame 41, and the beam ⁇ 43a, 43b, 44a, 44b. Compressive stress or tensile stress is generated. Resistive elements for detecting acceleration Rxl ⁇ Rx4, Ryl ⁇ Ry4, Rzl ⁇ : Rz4i, beam 43a, 43b, 44a, 44b, respectively.
  • acceleration detection resistance elements Rxl to Rx4, Ryl to Ry4, and Rzl to Rz4 are provided in the beam portions 43a, 43b, 44a, and 44b that are formed to extend in four directions of the weight body 42, respectively.
  • the arrangement positions of these resistive elements are dispersed.
  • the beam portions 43a, 43b, 44a, and 44b are made of silicon, phosphorus () and boron (B) are doped in the resistor element arrangement positions in the beam portions 43a, 43b, 44a, and 44b.
  • Resistive elements Rx1 to Rx4, Ryl to Ry4, and Rzl to Rz4 that are piezoresistors are formed.
  • the present invention has the following configuration in order to solve the above problems. That is, this invention
  • a base having an XY substrate surface parallel to the XY plane including the X axis and the Y axis of the X, Y, and Z axes orthogonal to each other;
  • a beam portion supporting and fixing portion that supports the beam portion in a doubly-supported manner on the base via support portions that extend outwardly from both sides of the beam portion along the X-axis direction from the beam portion;
  • a connecting portion that is formed to extend outwardly along the Y-axis direction on each side force in the Y-axis direction of the beam portion while floating on the XY substrate surface of the base;
  • the weight portion is configured to be displaceable in three axial directions of the X-axis direction, the Y-axis direction, and the z-axis direction by deformation of the frame-shaped beam portion,
  • the beam part includes an X-axis direction acceleration detection part for detecting an X-axis direction acceleration based on a stagnation deformation of the beam part caused by a displacement of the weight part in the X-axis direction, and a Y-axis direction displacement of the weight part.
  • a Z-axis direction acceleration detector for detecting the acceleration in the Z-axis direction.
  • the frame-shaped beam portion is supported in the form of a double-supported beam via the support portions that extend outwardly on both sides of the beam portion along the X-axis direction.
  • the configuration was supported and revered. For this reason, for example, when distortion occurs in the base due to thermal stress, the distortion in the Y-axis direction (for example, the longitudinal direction) is absorbed by the sag deformation of the support portion, and the X-axis direction (for example, the short direction). ) Strain is small in absolute displacement due to strain, and the beam region connected to the support and connecting portion is separated and absorbed according to the strain in the X-axis direction.
  • connection part of the beam part with the support part and its adjacent area and the connection part It is possible to prevent distortion from occurring in the part and its adjacent region.
  • X is used to detect the acceleration based on the beam distortion in the beam area where no distortion occurs due to the distortion of the base.
  • the axial acceleration detection unit, the Y-axis acceleration detection unit, and the z-axis acceleration detection unit By forming the axial acceleration detection unit, the Y-axis acceleration detection unit, and the z-axis acceleration detection unit, an erroneous detection of acceleration due to distortion due to thermal stress of the base (that is, no acceleration has occurred) Despite this, there is a false detection situation where the acceleration is detected by the X-axis direction acceleration detection unit, the Y-axis direction acceleration detection unit, or the z-axis direction acceleration detection unit due to distortion due to the thermal stress of the base ) Can be suppressed.
  • the frame-shaped beam portion is supported by the base in the form of a cantilever beam, and the weight portion is supported by the beam portion in the form of a cantilever beam. It is easy to promote downsizing.
  • the weight portion is configured to be connected to the frame-shaped beam portion in a cantilever shape. For this reason, the displacement of the weight portion due to the acceleration is increased, whereby the stagnation deformation of the beam portion due to the displacement of the weight portion is increased, and the sensitivity of acceleration detection can be increased.
  • FIG. 1 is a perspective view schematically showing a first embodiment of an acceleration sensor according to the present invention.
  • FIG. Lb is a schematic plan view of the acceleration sensor in FIG. La.
  • FIG. 2a is a schematic cross-sectional view of the aa portion shown in FIG. Lb.
  • FIG. 2b is a schematic cross-sectional view taken along line bb shown in FIG. Lb.
  • FIG. 2c is a schematic cross-sectional view of the part c c shown in FIG. Lb.
  • FIG. 3a is a schematic cross-sectional view taken along line AA shown in FIG. Lb.
  • FIG. 3b is a schematic cross-sectional view of the BB part shown in FIG. Lb.
  • FIG. 3c is a schematic cross-sectional view of the CC portion shown in FIG. Lb.
  • FIG. 4 is a diagram for explaining a configuration example relating to the thickness of the beam portion constituting the acceleration sensor of the first embodiment.
  • FIG. 5 is a diagram for explaining an example of an arrangement position of a piezoresistive portion provided in a beam portion.
  • FIG. 6a is a circuit diagram for explaining a bridge circuit constituting the X-axis direction acceleration detection unit of the acceleration sensor according to the first embodiment.
  • FIG. 6b is a circuit diagram for explaining a bridge circuit constituting the Y-axis direction acceleration detection unit of the acceleration sensor according to the first embodiment.
  • FIG. 6c is a circuit diagram for explaining a bridge circuit constituting the radial direction acceleration detection unit of the acceleration sensor according to the first embodiment.
  • FIG. 7 is a schematic diagram for explaining one wiring example of a wiring pattern for connecting a plurality of piezoresistive portions provided in a beam portion to form the bridge circuit shown in FIGS. 6a to 6c.
  • FIG. 8a is a schematic perspective view for explaining an example of displacement of the weight portion caused by acceleration in the X-axis direction in the acceleration sensor of the example.
  • FIG. 8b is a cross-sectional view for explaining an example of the displacement of the weight due to the acceleration in the X-axis direction in the acceleration sensor of the example.
  • FIG. 8c is a model diagram for explaining an example of the state of stress generated in the beam due to the stagnation deformation of the beam due to the acceleration in the X-axis direction.
  • FIG. 9a is a schematic perspective view for explaining an example of displacement of the weight portion caused by acceleration in the Y-axis direction in the acceleration sensor of the embodiment.
  • FIG. 9b is a cross-sectional view for explaining an example of displacement of the weight due to acceleration in the Y-axis direction in the acceleration sensor of the example.
  • FIG. 9c is a model diagram for explaining an example of the state of stress generated in the beam due to the stagnation deformation of the beam due to the acceleration in the Y-axis direction.
  • FIG. 10a is a schematic perspective view for explaining an example of displacement of the weight portion caused by the acceleration in the Z-axis direction in the acceleration sensor of the embodiment.
  • FIG. 10b is a cross-sectional view for explaining an example of displacement of the weight due to the acceleration in the Z-axis direction in the acceleration sensor of the example.
  • FIG. 10c is a model diagram for explaining an example of the state of stress generated in the beam due to the stagnation deformation of the beam due to the acceleration in the Z-axis direction.
  • FIG. 11 is a model diagram for explaining an acceleration sensor according to a second embodiment.
  • FIG. 12 is a model diagram for explaining an acceleration sensor according to a third embodiment.
  • FIG. 13a is a model diagram for explaining another example of the beam portion.
  • FIG. 13b is a model diagram for explaining still another embodiment of the beam portion.
  • FIG. 13c is a model diagram for explaining another example of the beam portion.
  • FIG. 14a is a schematic diagram for explaining another wiring example of a wiring pattern for connecting a plurality of piezoresistive portions provided in a beam portion to form a bridge circuit.
  • FIG. 14b is a circuit diagram showing a configuration example of a bridge circuit including the piezoresistive portion and the wiring pattern related to the Z-axis direction acceleration detection shown in FIG. 14a.
  • FIG. 14c is a schematic cross-sectional view for explaining an example of the wiring pattern shown in FIG. 14a.
  • FIG. 15a is a schematic perspective view showing a conventional example of an acceleration sensor.
  • FIG. 15b is a circuit diagram for explaining a bridge circuit for detecting acceleration in the X-axis direction in the acceleration sensor shown in FIG. 15a.
  • FIG. 15c is a circuit diagram for explaining a bridge circuit for detecting acceleration in the Y-axis direction in the acceleration sensor shown in FIG. 15a.
  • FIG. 15d is a circuit diagram for explaining a bridge circuit for detecting the acceleration in the Z-axis direction in the acceleration sensor shown in FIG. 15a.
  • Fig. La shows a schematic perspective view of a first embodiment of the acceleration sensor according to the present invention
  • Fig. Lb shows a schematic plan view of the acceleration sensor of Fig. La
  • Fig. 2a shows a schematic cross-sectional view of the a-a portion of Fig. Lb
  • Fig. 2b shows a schematic cross-sectional view of the b-b portion of Fig. Lb
  • Fig. 2c shows the diagram lb.
  • a schematic cross-sectional view of the cc portion is shown.
  • Fig. 3a shows a schematic cross-sectional view of the A-A portion of Fig. Lb
  • Fig. 3b shows a schematic cross-sectional view of the B-B portion of Fig. Lb
  • Fig. 3c shows the diagram lb.
  • a schematic cross-sectional view of the CC part of is shown.
  • the acceleration sensor 1 of the first embodiment is capable of detecting accelerations in the three axial directions of the X axis, the Y axis, and the Z axis that are orthogonal to each other.
  • This acceleration sensor 1 has a base 2.
  • the base 2 has an XY board surface 3 parallel to the XY plane including the X axis and the Y axis, and is arranged with a frame-shaped beam 4 floating above the XY board surface 3. ing.
  • This frame-shaped beam portion 4 has a rectangular shape, and support portions 5 (5a, 5b) extend outwardly along the X-axis direction from both sides of the beam portion 4 in the X-axis direction. .
  • the fixing portion 6 has a frame-like shape that surrounds the formation region of the beam portion 4 and a weight portion 7 (7a, 7b) to be described later with a space therebetween.
  • the fixing portion 6 is fixed to the base 2. Yes.
  • the beam portion 4 is supported and fixed in a doubly supported beam shape on the base 2 via the support portions 5a and 5b. That is, in the first embodiment, the beam support / fixing portion is constituted by the support portion 5 (5a, 5b) and the fixing portion 6.
  • the weight portions 7a and 7b are arranged and arranged in the Y-axis direction with the beam portion 4 interposed therebetween, and are arranged in a state of floating above the XY board surface 3 of the base 2.
  • Each of these weight portions 7a and 7b is connected to the beam portion 4 by connecting portions 8 (8a and 8b) formed outwardly extending along the Y-axis direction from both sides of the beam portion 4 in the Y-axis direction.
  • the connecting portion 8 (8a, 8b) is in a floating state with respect to the base 2, and the weight portions 7a, 7b are moved in the X-axis direction, the Y-axis direction, and the Z-axis direction by the bending deformation of the beam portion 4. It can be displaced in three axial directions.
  • the central axes along the X-axis direction of the support portions 5a and 5b are arranged on the same straight line, and the central axes along the Y-axis direction of the connection portions 8a and 8b. Are arranged on the same straight line ing.
  • the beam part 4 has a rectangular shape, and the beam part 4 has a symmetrical shape with respect to the central axis in the X direction passing through the central axis of the support parts 5a and 5b, and the central axis of the connecting parts 8a and 8b. It has a symmetric shape with respect to the Y axis center axis.
  • the connecting part side belt-like beam part part 15 extending from the connecting parts 8a and 8b to the region of the beam part 4 with the width of the connecting part 8 in the Y-axis direction.
  • the thickness in the Z-axis direction of (15a, 15b) is the same as the thickness of the connecting portion 8 in the Z-axis direction.
  • the width of the support portion 5 to the region of the beam portion 4 is extended in the X-axis direction to the support portion side belt-like beam portion 16 (16a, 16b) (enclosed by the dotted line Z16 in FIG. 4).
  • the thickness in the Z-axis direction is the same as the thickness of the support part 5 in the Z-axis direction.
  • the thickness force in the Z-axis direction of the connection-side belt-like beam part 15 (15a, 15b) and the support-side belt-like beam part 16 (16a, 16b) in the beam part 4 is about 400 m, for example.
  • the thickness of the other part of the beam part 4 in the Z-axis direction is approximately 5 to 10 / ⁇ ⁇ , for example, and the thickness of the other part of the beam part 4 in the negative axis direction Is thinner than the thickness in the Z-axis direction of the connecting portion side belt-like beam portion 15 (15a, 15b) and the support portion side belt-like beam portion 16 (16a, 16b) in the beam portion 4.
  • the thickness of the weight portion 7 in the Z-axis direction is substantially the same as the thickness of the support portion 5 and the connecting portion 8 in the Z-axis direction, for example, about 400 m. ing.
  • the center of gravity of the weight portion 7 (7a, 7b) is, for example, the position of the point W7 shown in FIG. 3b, and the fulcrum of the beam portion 4 that supports the weight portion 7 (7a, 7b) is shown in, for example, FIG. 3b.
  • the position of the point W4 is the center of gravity of the weight part 7 and the fulcrum position of the beam part 4 that supports the weight part 7 (7a, 7b) are shifted in height (position in the Z-axis direction). .
  • the beam part 4, the support part 5 (5a, 5b), the fixing part 6, the weight part 7 (7a, 7b), and the connection part 8 (8a, 8b) described above are SOI. (Silicon- On-Insulator) substrate (ie Si layer 10 and SiO
  • a piezoresistive portion for detecting acceleration is provided by processing the following portion of the beam portion 4 made of Si. That is, as shown in the schematic enlarged view of FIG. 5, in the beam portion 4, there are pipes on both sides of the band width of the connecting portion side beam portion 15a. Resistor resistance parts R and R are provided, respectively, and both sides of the band width of the connecting part side belt-like beam part 15b.
  • Piezoresistive portions R 1 and R 2 are respectively provided. These four piezoresistors R,
  • R, R, and R constitute the X-axis direction acceleration detector for detecting the X-axis direction acceleration
  • the beam part 4, the support part 5 (5a, 5b) and the fixed part 6 are connected to the piezoresistive parts R and R.
  • FIG. 7 schematically shows one wiring example of the wiring pattern.
  • the wiring pattern L electrically connects one end sides of the piezoresistive portions R and R arranged on both sides of the band width of the connecting portion side beam portion 15a, and the voltage detection portion P force S
  • XI X2 XL is formed. As shown in FIG. 1, a plurality of electrode pads 18 for external connection are formed on the surface of the fixing portion 6, and the voltage detection portion P
  • one end side of the piezoresistive portions R 1 and R 2 disposed on both sides of the band width of the connecting portion side beam portion 15b is electrically connected to form a voltage detecting portion P.
  • the voltage detector P is electrically connected to the electrode pad 18 for external connection corresponding to the voltage detector P individually by the wiring pattern L. Also, the piezoresistor R,
  • the piezoresistive portion R is provided on both sides of the band width of the support side belt-like beam portion portion 16a.
  • R are arranged on each side, and the piezoresistive parts are arranged on both sides of the band width of the support side belt-like beam part 16b
  • R 1 and R 2 are arranged respectively. These four piezoresistors R, R, R, R, R, R
  • the ⁇ -axis direction acceleration detector for detecting the ⁇ -axis direction acceleration is configured.
  • the beam part 4, the support part 5 (5a, 5b), and the fixed part 6 are formed by the piezoresistive parts R, R, R, R.
  • This voltage detector P is connected to an external connection corresponding to the voltage detector P by wiring pattern L.
  • the electrode pad 18 is electrically connected. Similarly, one end sides of the piezoresistive portions R and R arranged on both sides of the band width of the support side belt-like beam part 16 b are electrically connected to each other.
  • This voltage detector P is connected to the wiring pattern L.
  • the electrode pads 18 for external connection corresponding to the voltage detection parts P individually are electrically connected.
  • the electrode pad 18 is electrically connected to an external connection electrode pad 18 for connection to an external voltage power supply Vs.
  • Sarasuko the other end of the piezoresistor R, R
  • Yl Y3 is electrically connected to the external connection electrode pad 18 for connection to the external ground GND by the wiring pattern L !.
  • a piezoresistive portion R z is formed on each central axis along the X-axis direction of the support portions 5a and 5b, and one end side of the support portion side belt-like beam portion portion 16a in the beam portion 4 (FIG. 5).
  • the piezoresistive part R is formed on the upper side, and one end side of the support side belt-like beam part 16b (z2 in Fig. 5).
  • a piezoresistive section R is formed on the lower side in the example. These four piezoresistors R,
  • R, R, and R constitute the Z-axis direction acceleration detector for detecting the Z-axis direction acceleration z z2 z4
  • the beam part 4, the support part 5 (5a, 5b), and the fixed part 6 have the piezoresistive parts R, R, R z z z2
  • R forms a wiring pattern to construct a bridge circuit as shown in Figure 6c.
  • the wiring pattern L causes the piezoresistive portion R of the support portion 5a and the piezoresistor on one end side of the support portion side belt-like beam portion 16a.
  • One end side with the part R is electrically connected to form a voltage detection part P.
  • the voltage detector P individually corresponds to the voltage detector P by the wiring pattern L.
  • the electrode pad 18 for external connection is electrically connected.
  • one end side of the piezoresistive portion R of the support portion 5b and the piezoresistive portion R on one end side of the support portion side belt-like beam portion portion 16b are identical.
  • a voltage detector P is formed by electrically connecting the sensors. This voltage detector P is
  • Z2 Z2 Electrode for external connection individually corresponding to the voltage detection part P by wiring pattern L Electrically connected to Nod 18. Further, the wiring pattern L causes the other end side of the piezoresistive portion R and the other end side of the piezoresistive portion R of the support portion 5b to be respectively connected to the wiring pattern L.
  • the electrode pad 18 is electrically connected to an external connection electrode pad 18 for connection to an external voltage power supply Vs. Furthermore, by the wiring pattern L, the other end side of the piezoresistor R and
  • the other end side of the piezoresistive part R of the support part 5a is externally connected by the wiring pattern L.
  • the bridge circuits shown in FIGS. 6a to 6c are configured so that the resistance values of the four piezoresistive parts are in an equilibrium state. A piezoresistive part is formed.
  • the acceleration sensor 1 of the first embodiment is configured as described above, and can detect acceleration as described below. For example, when acceleration in the X-axis direction occurs, a force in the X-axis direction due to the acceleration acts on the weight portion 7 (7a, 7b). Due to the acting force in the X-axis direction on the weight part 7, the weight part 7 (7a, 7b) is, for example, from the reference state shown by the dotted line in the model diagram of FIG. As shown in the cross-sectional view, it swings and displaces in the X-axis direction. Due to such displacement of the weight portion 7 in the X-axis direction, the beam portion 4 is stagnate and deformed via the connecting portion 8, and as a result, the following stress is generated in the beam portion 4.
  • a compressive stress is generated on the right side B of the beam-like portion 15b. Also, support part side belt
  • Compressive stress is generated on both sides C and C of the beam part 16a.
  • R 1, R 2, R 3, and R are generated by the stress caused by the acceleration in the X axis direction.
  • the electrical resistance value changes.
  • the piezoresistive portions R 1 and R 2 change resistance values based on, for example, tensile stress.
  • the piezoresistive parts R and R have resistance values based on compressive stress, for example.
  • Y2 Y3 means that acceleration occurs, and the resistance value at the time of reference changes in resistance value in the opposite direction from each other.
  • the piezoresistive portion R is, for example, a resistance value change based on compressive stress.
  • the piezoresistive portion R indicates a change in resistance value based on tensile stress.
  • the bridge circuit of FIG. 6a! / the piezoresistive portions R 1 and R show a change in resistance value based on, for example, compressive stress
  • X2 X3 shows the resistance value change based on the tensile stress, for example, and the balanced state of the resistance value of the bridge circuit in FIG. 6a is lost, and the output of the bridge circuit in FIG. 6a changes. Since the fluctuation range of the output of the bridge circuit in Fig. 6a changes depending on the magnitude of the acceleration in the X-axis direction, the magnitude of the acceleration in the X-axis direction must be detected based on the output of the bridge circuit in Fig. 6a. Can do.
  • a force in the Y-axis direction resulting from the acceleration acts on the weight portion 7 (7a, 7b).
  • the height position of the center of gravity of the weight portion 7 and the fulcrum position of the beam portion 4 supporting the weight portion 7 are deviated from each other. 7
  • the weights 7a, 7b are moved from the reference state shown by the dotted line in the model diagram of Fig. 9a, for example, the solid line shown in Fig. 9a and the schematic diagram of Fig. 9b.
  • one side of the weights 7a and 7b (the weight 7a in the examples of FIGS. 9a and 9b) is displaced in the Y-axis direction while approaching the base 2, and the other side (FIG. 9a And the example in Figure 9b Then, the weight part 7b) is displaced in the Y-axis direction while being lifted with respect to the base 2.
  • the connecting portion 8 and the beam portion 4 are squeezed and deformed, and the following stress is generated in the beam portion 4.
  • Tensile stress and compressive stress are applied to the lower side C of the support-side belt-like beam part 16a.
  • the piezoresistive parts R 1, R 2, R 3, and R are respectively stress generations caused by acceleration in the Y-axis direction.
  • the electrical resistance value changes with life.
  • the piezoresistors R, R when acceleration in the Y-axis direction occurs, the piezoresistors R, R
  • Yl Y2 indicates the change in resistance value based on, for example, tensile stress, and the piezoresistive parts R and R
  • Y3 Y4 shows a change in resistance value based on, for example, compressive stress. Therefore, the balance state of the resistance value of the bridge circuit in FIG. 6b is lost, and the output of the bridge circuit in FIG. 6b changes. Since the fluctuation range of the output of the bridge circuit in Fig. 6b changes according to the magnitude of the acceleration in the Y-axis direction, the magnitude of the acceleration in the Y-axis direction must be detected based on the output of the bridge circuit in Fig. 6b. Can do.
  • a piezoresistor is provided on the upper side C of the support side belt-like beam part 16a.
  • Z2 Z4 Resistance value also changes, but the piezoresistive part Z2 is a resistance value change based on tensile stress, for example, and the piezoresistive part R is a resistance value based on compressive stress, for example.
  • the change in the resistance value of Z2 and Z4 changes in the direction of the resistance value of the reference in the absence of acceleration.
  • Fig. 6a shows that there is almost no change in the resistance values of these piezoresistive sections R, R, R, and R because they are arranged in areas where there is almost no stress change when axial acceleration occurs. There is no big change in the output of the bridge circuit.
  • the piezoresistive portions R and R disposed on one end sides of the support-side belt-like beam portions 16a and 16b, respectively.
  • the piezoresistive portion Rz is disposed in a portion where there is almost no change in stress due to acceleration in the Z-axis direction, and there is almost no electrical resistance value of the piezoresistive portion Rz.
  • the balance state of the resistance value of the bridge circuit in Fig. 6c breaks down and the output of the bridge circuit in Fig. 6c changes. Since the fluctuation range of the output of the bridge circuit in Fig. 6c changes according to the magnitude of the acceleration in the Z-axis direction, the magnitude of the acceleration in the Z-axis direction is detected based on the output of the bridge circuit in Fig. 6c. be able to.
  • R and R have similar resistance values. For this reason, acceleration in the Z-axis direction has occurred.
  • the acceleration sensor 1 of the first embodiment includes the X-axis direction, the Y-axis direction, and the Z-axis direction. It is possible to separately detect the accelerations in the three axis directions.
  • the beam portion 4 is supported by the support portion 5 (5a, 5b) in a doubly supported beam shape on the fixed portion 6, and the weight portion 7 (7a, 7b) is connected to the connecting portion 8 ( 8a and 8b) are supported in a cantilevered manner on the beam part 4.
  • the distance between the part of the fixed part 6 to which the support part 5a is connected and the part of the fixed part 6 to which the support part 5b is connected can be formed short.
  • the absolute displacement due to the distortion between the fixed parts caused by the distortion of the base 2 and the fixed part 6 is small.
  • the beam portion 4 has a frame shape, and the frame-shaped beam portion 4 is supported by the fixing portion 6 in a doubly supported beam shape by the support portions 5 (5a, 5b).
  • the corner area of the beam 4 can be deformed to release the stress.
  • the support portion 5 (5a, 5b) can be deformed to release the stress. For this reason, the stagnation deformation of the beam part 4 due to the distortion of the base 2 and the fixed part 6 can be mitigated. For this reason, problems caused by ambient temperature fluctuations (for example, temperature drift problems in which the output voltage values of the bridge circuits in FIGS. 6a to 6c fluctuate due to temperature fluctuations) can be reduced.
  • the piezoresistive portions for detecting the acceleration are collectively arranged on the beam portion 4 arranged in the region between the weight portions 7a and 7b. For this reason, it becomes possible to manufacture all the piezoresistive parts almost as designed, and it becomes easy to suppress variations in the output of the bridge circuit shown in FIGS. 6a to 6c.
  • piezoresistive parts are fabricated by doping boron (B) and phosphorus (P) into Si constituting the beam part 4, but the arrangement positions of the piezoresistive parts are integrated, so that each piezoresistive part is Therefore, it is easy to make the boron and phosphorus dope concentrations uniform. For this reason, the resistance value of each bridge circuit can be easily balanced, and the accuracy of acceleration detection can be improved.
  • all the piezoresistive portions are arranged in an intensive manner, so that the bow I of the wiring pattern for configuring each bridge circuit of Figs. 6a to 6c is simplified. It can be done.
  • the beam portion 4 has a symmetrical shape with respect to the central axis in the Y-axis direction passing through the central axis along the Y-axis direction of the connecting portions 8a and 8b, and is supported.
  • the shape is symmetrical with respect to the central axis in the X-axis direction passing through the central axis. For this reason, the bending deformation of the beam part 4 due to the occurrence of acceleration can be simplified, and it can contribute to the improvement of the accuracy of acceleration detection using the stress change caused by the bending deformation of the beam part 4.
  • the connecting portion side belt-like beam portion 15 (15a, 15b) and the support portion side belt-like beam portion 16 (16a, 16b) in the beam portion 4 The thickness in the Z-axis direction is thicker than this part. Due to this difference in thickness, the connecting part side belt-like beam part 15 (15a, 15b) and the support part side belt-like beam part 16 (16a, 16b) and the boundary part between the other parts of the beam part 4 The strength of the stress is clear.
  • the calorie velocity is detected by using the stress change of the beam part 4, so by clarifying the strength of the stress in this way, the X-axis direction, the Y-axis direction, and the Z-axis It becomes possible to detect each of the accelerations in the three axial directions more clearly.
  • a reinforcing portion 20 as shown in FIG. 11 may be provided on the frame-shaped beam portion 4.
  • the reinforcing portion 20 includes a portion M of the beam 4 to which the support 5 a is connected and a beam V 4 to which the support 5 b is connected.
  • the both ends of the reinforcing part 20 are connected to the inner edge of the beam part 4 respectively.
  • the width of the reinforcing portion 20 is equal to the width of the support portion 5 (5a, 5b), but the width of the reinforcing portion 20 is equal to the width of the support portion 5 (5a, 5b). It may be thicker or narrower than the width. Further, the thickness of the reinforcing portion 20 in the Z-axis direction may be the same as the thickness of the support portion 5 (5a, 5b) or may be thinner than the thickness of the support portion 5 (5a, 5b). Good. As described above, the width and thickness of the reinforcing portion 20 are appropriately designed in consideration of the rigidity of the beam portion 4 itself.
  • the third embodiment will be described below.
  • the same components as those in the first and second embodiments are denoted by the same reference numerals, and the duplicate description of the common portions is omitted.
  • the support portions 5 (5a, 5b) are connected to the fixed portion 6 via the elastic portions 25 (25a, 25b), respectively.
  • the configuration of the acceleration sensor of the third embodiment other than the above configuration is the same as that of the first or second embodiment.
  • the characteristic elastic portion 25 (25a, 25b) in the third embodiment is a direction (in this example, orthogonal to Y) that intersects the extension forming direction (X-axis direction) of the support portion 5 (5a, 5b).
  • the beam 26 is configured to extend in the axial direction (stress reducing beam) 26, and both ends of the beam 26 are fixed to the fixing portions 6.
  • the support 5 (5a, 5b) is connected to the center of the beam 26.
  • the beam 26 is elastically deformed according to the strain in the X-axis direction of the fixed portion 6, and this elastic deformation reduces the stress applied from the fixed portion 6 to the support portion 5 due to the strain of the fixed portion 6. Can do.
  • the beam 26 can be elastically deformed according to the strain of the fixed portion 6, its width and thickness in the Z-axis direction are not particularly limited. In this third embodiment, however, the beam 26 The thickness in the Z-axis direction is the same as that of the fixed part 6 and the support part side band-like beam part part 16 in the beam part 4.
  • the elastic portion 25 as described above, for example, in addition to the fixed portion 6 to the support portion 5 due to distortion of the base 2 and the fixed portion 6 due to thermal change.
  • the stress that is generated can be reduced.
  • the sample A having the configuration of the acceleration sensor shown in the first embodiment (see, for example, FIG. 1) and the reinforcing portion 20 shown in the second embodiment are provided in addition to the configuration of the sample A.
  • Sample B having the configuration shown in FIG. 11 and sample C having the configuration provided with the elastic portion 25 shown in the third embodiment (see FIG. 12) in addition to the configuration of sample B. Prepared.
  • the distortion of the beam part 4 due to the distortion of the base 2 and the fixing part 6 due to thermal fluctuation or the like can be suppressed to a small level, it is configured by a piezoresistive part for acceleration detection.
  • the temperature drift of the output of the bridge circuit can be suppressed. This can improve the reliability for acceleration detection.
  • the present invention is not limited to the forms of the first to third embodiments, and may take various forms.
  • the X-axis direction acceleration detection unit, the Y-axis direction acceleration detection unit, and the Z-axis direction acceleration detection unit that detect acceleration are each configured to have a piezoresistive unit.
  • the displacement of the weight part 7 is detected using capacitance, and the acceleration in the X-axis direction, the acceleration in the Y-axis direction, and the acceleration in the Z-axis direction are detected. It is good also as a structure.
  • the beam portion 4 includes a connecting portion side belt-like beam portion 15 (15a, 15b) and a support portion side belt-like beam portion 16 (16a, 16b).
  • the force beam portion 4 was configured such that the thickness in the Z-axis direction was thicker than the other portions, and the thickness in the Z-axis direction was equal or substantially equal throughout the entire Z-axis direction.
  • the frame-shaped beam portion 4 has a rectangular shape.
  • the frame-shaped beam portion 4 has a circular shape as shown in FIG. 13a.
  • the frame-shaped beam 4 is symmetric with respect to the central axis in the X-axis direction and is symmetric with respect to the central axis in the Y-axis, but the frame-shaped beam 4 is The shape may be asymmetric with respect to the central axis in the X-axis direction, or may be asymmetrical with respect to the central axis in the Y-axis direction.
  • the piezoresistive portion for detecting acceleration is arranged as shown in FIG. If the acceleration in the direction, the acceleration in the Y-axis direction, and the acceleration in the Z-axis direction can be detected using the change in the stress due to the bending deformation of the beam part 4, they are limited to the arrangement positions in FIG. It can be set as appropriate. In addition, wiring examples of wiring patterns that connect the piezoresistive portions to form a bridge circuit may be set as appropriate, and are not limited to the example of FIG.
  • FIG. 14a shows another arrangement example of the piezoresistive portion and the wiring pattern.
  • the beam portion 4 is provided with a reinforcing portion 20 as shown in the second embodiment.
  • the piezoresistive portions Rz ′ and Rz ′ are provided in the support portions 5a and 5b, respectively.
  • a piezoresistive portion R is provided on the lower side of the part side belt-like beam part 16a in the figure.
  • a piezoresistive portion R is provided on the upper side of the beam portion 16b.
  • the parts Rz ', Rz', R and R are the piezoresistive parts Rz, Rz, R zl z3 z which are also provided in the examples of Figs.
  • the zoresistors R, R, Rz, and Rz are formed to extend along the X-axis direction, and the piezo resistance zl z3
  • the resistance parts Rz ', Rz', R and R are perpendicular to the direction of elongation of the piezoresistive parts R, R, Rz and Rz z2 z4 zl z3
  • the piezoresistive part involved in the output constitutes a bridge circuit as shown in Fig. 14b with the following wiring pattern.
  • the Si layer 12 of the SOI substrate 13 is formed by doping boron, phosphorus or the like as shown in the schematic cross-sectional view of Fig. 14c.
  • a bridge circuit consisting of the wiring pattern Ls and the wiring pattern Lm made of metal such as aluminum formed on the surface of the SOI substrate 13 by using a film forming technique such as vapor deposition or sputtering. Is configured.
  • the wiring pattern Ls is represented by a dotted line
  • the wiring pattern Lm is represented by a solid line.
  • the following unique wiring patterns Ls and Lm are formed using the characteristics of the wiring pattern Ls and the wiring pattern Lm. That is, since the oxide film 21 is inevitably formed on the surface of the Si layer 12 of the SOI substrate 13 after the formation of the wiring pattern Ls, the wiring pattern Ls and the wiring pattern are formed by the oxide film 21. Cross wiring between the wiring pattern Ls and the wiring pattern Lm is made while ensuring insulation from the pattern Lm. In addition, a portion of the oxide film 21 where the wiring pattern Ls is formed is removed to form a hole 22, and the conductive material of the constituent material of the wiring pattern Lm enters the hole 22 and wiring is performed. By bonding to pattern Ls, wiring pattern Ls and wiring pattern Lm are electrically connected.
  • the support portions 5a and 5b, the connecting portion side belt-like beam portions 15a and 15b and the support portion side belt-like beam portions 16a and 16b in the beam portion 4, and the reinforcing portion 20 are
  • the thickness is about 400 m
  • the parts of the beam part 4 other than the connecting part side belt part parts 15a and 15b and the support part side belt part parts 16a and 16b are 5 to:
  • the thickness is about LO m. If the metal wiring pattern Lm is formed on the surface of the thin part of the beam part 4 in this way, the thin part of the beam part 4 may be warped by the internal stress of the wiring pattern Lm.
  • the wiring pattern Ls is formed by doping impurities such as boron and phosphorus into the Si layer constituting the beam part 4, and the beam part 4 is thin due to the formation of the wiring pattern Ls. Almost no deformation such as warping of the portion occurs. For this reason, it is avoided to form the metal wiring pattern Lm in the thin portion of the beam portion 4, and the wiring pattern Ls is formed in the thin portion of the beam portion 4.
  • the wiring pattern Ls and the wiring pattern Lm can be cross-wired.
  • the wiring pattern Ls and the wiring pattern Lm are considered in consideration of simplifying the wiring configuration of the wiring pattern by utilizing the fact that the electrical connection between the wiring pattern Ls and the wiring pattern Lm is easy.
  • the wiring configuration is designed. As a result, in the example of Fig. 14a, it is pulled out from the formation area of the beam 4! You can reduce the number of wiring patterns compared to the example in Fig. 7! /
  • the output of the bridge circuit consisting of the piezoresistive portion force for detecting the X-axis direction acceleration varies as in the first to third embodiments.
  • the magnitude of acceleration in the X-axis direction can be detected.
  • the output of the ply circuit consisting of the piezoresistive force for detecting the Y-axis direction acceleration fluctuates and the Y-axis direction The magnitude of acceleration can be detected.
  • the acceleration in the Z-axis direction can be detected as follows. That is, when acceleration in the Z-axis direction is generated, the weight portion 7 (7a, 7b) is displaced in the Z-axis direction as described above, and the connecting portion 8 and the beam portion 4 are stagnate and deformed. As a result, as shown in the model diagram of FIG. 9c, in the beam portion 4, tensile stress is generated on both sides C 1, C 2, D 3 and D 2 of the support-side belt-like beam portions 16a and 16b, respectively. . like this
  • the zl z3 and the piezoresistive portions R 1 and R z2 z4 have a shape that extends in a direction perpendicular to each other.
  • the electrical resistance values of the piezoresistive portions formed to extend in directions orthogonal to each other change in the positive and negative directions. Due to the characteristics of this piezoresistive section, the stress due to the acceleration applied in the z-axis direction causes both sides C,
  • Rz ', Rz' are arranged in the part where there is almost no stress change due to the acceleration in the axial direction. For these reasons, when acceleration in the axial direction occurs, the balance state of the resistance value of the bridge circuit in FIG. 14b is lost, and the output of the bridge circuit in FIG. 14b changes. Z-axis addition Since the fluctuation range of the output of the bridge circuit in FIG. 14b changes according to the speed, the magnitude of the acceleration in the Z-axis direction can be detected based on the output of the bridge circuit in FIG. 14b.
  • the amount of deformation of the beam 4 due to the acceleration in the Z-axis direction is larger than the amount of deformation of the beam 4 due to the acceleration in the Y-axis direction, for example.
  • all the piezoresistive portions are formed at the same time in order to suppress variations in the electric resistance values of a plurality of piezoresistive portions, all the piezoresistive portions have substantially the same electric resistance value.
  • the piezoresistive part is arranged as shown in FIG. 5 to form a bridge circuit as shown in FIGS. 6a to 6c, the bridge circuit of FIG. The output of is higher than the output of the bridge circuit in Fig.
  • the output fluctuation width of the ply circuit is almost equal to the magnitude of the acceleration in any of the X-axis direction, Y-axis direction, and Z-axis direction. I like it.
  • the electrical resistance value of the bridge circuit is set so that the magnitude of the output of the bridge circuit due to the acceleration in the Z-axis direction is the same as the magnitude of the output due to the acceleration in the Y-axis direction.
  • the piezoresistors Rz, Rz, Rz ', and Rz' for adjusting sensitivity do not change the electrical resistance value even if acceleration in the Z-axis direction occurs, so the bridge circuit when acceleration in the Z-axis direction occurs
  • the resistance value change of each side is piezoresistive part R, R, R zl z2 on each side of the bridge circuit.
  • R is smaller than when only one force is not provided.
  • the fixing portion 6 has a frame-like shape surrounding the formation region of the beam portion 4 and the weight portion 7 with a space therebetween. As long as the beam portion 4 can be fixed to the base 2 in a doubly-supported beam shape by the support portions 5a and 5b, it does not have to be a frame shape.
  • the beam portion 4, the support portion 5, the fixing portion 6, the weight portion 7, and the connecting portion 8 are composed of SOI substrates, they are composed of SOI substrates.
  • the acceleration sensor of the present invention can detect the accelerations in the three axial directions of the X-axis direction, the Y-axis direction, and the Z-axis direction with a single element with high accuracy, for example, requiring high accuracy of acceleration detection. It is effective to be provided in a small device.

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Abstract

　加速度センサ１は、ＸＹ平面に平行なＸＹ基板面を持つ基台２と、基台２のＸＹ基板面上に浮いた状態で配置される枠状の梁部４と、梁部４を支持部５ａ，５ｂを介して基台２に両持ち梁状に支持する梁部支持固定部と、基台２のＸＹ基板面上に浮いた状態で配置される錘部７（７ａ，７ｂ）と、錘部７（７ａ，７ｂ）を梁部４に片持ち梁状に支持する連結部８とを有して構成する。錘部７は、枠状の梁部４の撓み変形によってＸ軸方向とＹ軸方向とＺ軸方向の三軸方向に変位可能な構成と成す。梁部４には、Ｘ軸方向の加速度に起因した錘部７の変位に起因した梁部４の撓み変形に基づいて加速度を検出するためのＸ軸方向加速度検出部と、Ｙ軸方向の加速度に起因した錘部７の変位による梁部４の撓み変形に基づいたＹ軸方向加速度検出部と、Ｚ軸方向の加速度に起因した錘部７の変位による梁部４の撓み変形に基づいたＺ軸方向加速度検出部とを設ける。

Description

明 細 書
加速度センサ
技術分野
[0001] 本発明は、互いに直交する X軸方向と Y軸方向と Z軸方向の三軸方向の加速度を 検出することができる加速度センサに関するものである。
背景技術
[0002] 図 15aには加速度センサの一例が模式的な斜視図により示されている（例えば特 許文献 1参照)。この加速度センサ 40は、枠部 41と、この枠部 41の中央部に配置さ れて 、る円柱状の重錘体 42と、この重錘体 42の X軸方向の両側力 それぞれ X軸 方向に沿って枠部 41に向けて伸長形成されている X軸方向梁部 43a, 43bと、重錘 体 42の Y軸方向の両側からそれぞれ Y軸方向に沿って枠部 41に向けて伸長形成さ れている Y軸方向梁部 44a, 44bと、重錘体 42に連接されている 4つの補助重錘体 4 5a〜45dと、 X軸方向梁部 43a, 43bに形成されている抵抗素子 Rxl〜： Rx4, Rzl〜 Rz4と、 Y軸方向梁部 44a, 44bに形成されている抵抗素子 Ryl〜Ry4とを有して構 成されている。
[0003] 図 15aに示される加速度センサ 40の構成では、 X軸方向梁部 43a, 43bの中心軸 は、円柱状の重錘体 42の中心軸を通って X軸方向に沿って伸びる同一直線上に配 置され、また、 Y軸方向梁部 44a, 44bの中心軸は重錘体 42の中心軸を通って Y軸 方向に沿って伸びる同一直線上に配置されている。これら X軸方向梁部 43a, 43b および Y軸方向梁部 44a, 44bは、それぞれ、橈み変形が可能な構成と成している。
[0004] 抵抗素子 Rxl, Rx2は X軸方向梁部 43aに X軸方向に沿って配列配置され、抵抗 素子 Rx3, Rx4は X軸方向梁部 43bに X軸方向に沿って配列配置されている。抵抗 素子 Ryl, Ry2は Y軸方向梁部 44aに Y軸方向に沿って配列配置され、抵抗素子 Ry 3, Ry4は Y軸方向梁部 44bに Y軸方向に沿って配列配置されている。抵抗素子 Rzl , Rz2は X軸方向梁部 43aに X軸方向に沿って配列配置され、抵抗素子 Rz3, Rz4は X軸方向梁部 43bに X軸方向に沿って配列配置されている。これら抵抗素子 Rxl〜R x4, Ryl〜Ry4, Rzl〜Rz4は、それぞれ、梁部 43a, 43b, 44a, 44bの橈み変形に よる梁部 43a, 43b, 44a, 44bの応力変化によって電気抵抗値が変化するものであ る。
[0005] 4つの抵抗素子 Rxl〜Rx4が図 15bに示されるようなブリッジ回路を、また、 4つの抵 抗素子 Ryl〜Ry4が図 15cに示されるようなブリッジ回路を、さらに、 4つの抵抗素子 Rzl〜Rz4が図 15dに示されるようなブリッジ回路を、それぞれ、構成するための配線 力 S梁咅43a, 43b, 44a, 44bゃ枠咅41に設けられている。なお、図 15b〜図 15dに 示されている符号 Vccは、外部の電圧電源に接続される電圧電源入力部を示し、符 号 Pxl, Px2, Pyl, Py2, Pzl, Pz2は、それぞれ、電圧検出部を示している。
[0006] 重錘体 42および補助重錘体 45a〜45dは、それぞれ、浮!ヽた状態となっており、梁 部 43a, 43b, 44a, 44bの橈み変形によって、変位が可能になっている。例えば、 X 軸方向の加速度に起因した X軸方向の力が重錘体 42および補助重錘体 45a〜45d に作用すると、その力によって重錘体 42および補助重錘体 45a〜45dは X軸方向に 振れ変位する。また同様に、 Y軸方向の加速度に起因した Y軸方向の力が重錘体 4 2および補助重錘体 45a〜45dに作用すると、その力によって重錘体 42および補助 重錘体 45a〜45dは Y軸方向に振れ変位する。さらに同様に、 Z軸方向の加速度に 起因した X軸方向の力が重錘体 42および補助重錘体 45a〜45dに作用すると、その 力によって重錘体 42および補助重錘体 45a〜45dは Z軸方向に振れ変位する。この ような重錘体 42および補助重錘体 45a〜45dの変位によって梁部 43a, 43b, 44a, 44bが橈み変形する。
[0007] 加速度センサ 40では、上記のような梁部 43a, 43b, 44a, 44bの橈み変形による 梁部 43a, 43b, 44a, 44bの応力発生によって抵抗素子 Rxl〜： Rx4, Ryl〜Ry4, Rz l〜Rz4の抵抗値が変化する。この抵抗素子の抵抗値の変化によって、図 15b〜図 1 5dの各ブリッジ回路の 4つの抵抗素子の抵抗値のバランスが崩れて、例えば、 X軸 方向の加速度が発生しているときには、図 15bのブリッジ回路の電圧検出部 Pxl, Px 2からそれぞれ出力される電圧に差が生じる。この電圧差を利用して X軸方向の加速 度の大きさを検出することができる。また、 Y軸方向の加速度が発生しているときには 、図 15cのブリッジ回路の電圧検出部 Pyl, Py2からそれぞれ出力される電圧に差が 生じる。この電圧差を利用して Y軸方向の加速度の大きさを検出することができる。さ らに、 Z軸方向の加速度が発生しているときには、図 15dのブリッジ回路の電圧検出 部 Pzl, Pz2からそれぞれ出力される電圧に差が生じる。この電圧差を利用して Z軸 方向の加速度の大きさを検出することができる。
[0008] 特許文献 1：特開 2002— 296293号公報
特許文献 2 :特開平 8— 160070号公報
特許文献 3：特開平 6— 82472号公報
発明の開示
発明が解決しょうとする課題
[0009] 図 15aに示される加速度センサ 40の構成では、直線状の梁部 43a, 43b, 44a, 4 4bが、重錘体 42の四方にそれぞれ配置されて、重錘体 42を枠部 41に連結している 。このため、熱応力によって枠部 41に歪みが生じたときに、その枠部 41の歪みに伴 つて梁咅 43a, 43b, 44a, 44bに歪み力 S生じ当該梁咅43a, 43b, 44a, 44bに ίま圧 縮応力や引つ張り応力が発生する。加速度を検出するための抵抗素子 Rxl〜Rx4, Ryl~Ry4, Rzl〜： Rz4iま、それぞれ、梁咅43a, 43b, 44a, 44b【こ設 ίナられて!ヽるた めに、加速度が生じていないのにも拘わらず、枠部 41の熱応力による歪みに起因し た梁部 43a, 43b, 44a, 44bの応力発生によって、抵抗素子 Rxl〜Rx4, Ryl〜Ry4 , Rzl〜Rz4の電気抵抗値が変化する。これにより、加速度が生じていないのにも拘 わらず、図 15b〜図 15dのブリッジ回路から、加速度発生時の電圧が出力されてしま うことがある。
[0010] また、重錘体 42の四方にそれぞれ伸長形成されている梁部 43a, 43b, 44a, 44b に、加速度検出用の抵抗素子 Rxl〜Rx4, Ryl〜Ry4, Rzl〜Rz4を設ける構成であ り、それら抵抗素子の配置位置は分散している。例えば、梁部 43a, 43b, 44a, 44b がシリコンにより構成されている場合には、各梁部 43a, 43b, 44a, 44bにおける抵 抗素子配置位置に、リン )やボロン (B)をドープしてピエゾ抵抗である抵抗素子 Rx l〜Rx4, Ryl〜Ry4, Rzl〜Rz4を形成する。この場合に、抵抗素子配置位置が分散 していると、各抵抗素子配置位置にリンやボロンを均等にドープすることが難しぐ各 抵抗素子配置位置のドープ濃度にばらつきが生じる。このため、図 15b〜図 15dに 示す各ブリッジ回路の 4つの抵抗素子の抵抗値のバランスを取ることが難しく、加速 度検出の精度の向上を妨げるという問題が生じる。
課題を解決するための手段
[0011] 本発明は上記課題を解決するために次に示すような構成を有している。すなわち、 この発明は、
互いに直交する X軸と Y軸と Z軸のうちの X軸および Y軸を含む XY平面に平行な X Y基板面を持つ基台と、
この基台の XY基板面上に浮いた状態で配置される枠状の梁部と、
この梁部から X軸方向に沿って梁部の両側にそれぞれ外向きに伸長形成されてい る支持部を介して梁部を基台に両持ち梁状に支持する梁部支持固定部と、 前記基台の XY基板面上に浮いた状態で前記梁部の Y軸方向の両側力 それぞ れ Y軸方向に沿って外向きに伸長形成されて 、る連結部と、
各連結部の伸長先端部にそれぞれ連接された錘部とを有し、
前記錘部は、枠状の梁部の変形により X軸方向と Y軸方向と z軸方向の三軸方向 に変位可能な構成と成し、
前記梁部には、錘部の X軸方向変位に起因した梁部の橈み変形に基づいて X軸 方向の加速度を検出するための X軸方向加速度検出部と、錘部の Y軸方向変位に 起因した梁部の橈み変形に基づ 、て Y軸方向の加速度を検出するための Y軸方向 加速度検出部と、錘部の Z軸方向変位に起因した梁部の橈み変形に基づいて Z軸 方向の加速度を検出するための Z軸方向加速度検出部とが設けられていることを特 徴としている。
発明の効果
[0012] この発明によれば、枠状の梁部は、 X軸方向に沿って梁部の両側にそれぞれ外向 きに伸長形成されて ヽる支持部を介して両持ち梁状に基台に支持されて ヽる構成と した。このため、例えば、熱応力によって基台に歪みが生じたときに、 Y軸方向（例え ば長手方向）の歪みは支持部の橈み変形により吸収され、また、 X軸方向（例えば短 手方向）の歪みは歪みによる絶対変位が小さい上に、支持部および連結部に連接さ れている梁部領域力 離れた梁部領域が X軸方向の歪みに応じて変形して吸収され るため、梁部における支持部との連接部位およびその隣接領域と、連結部との連接 部位およびその隣接領域とに歪みが生じることを防止できる。例えば熱応力等によつ て基台の歪みが生じたときに当該基台の歪みに起因して歪みが発生しない梁部領 域に、梁部の歪みに基づいて加速度を検出するための X軸方向加速度検出部と Y 軸方向加速度検出部と z軸方向加速度検出部を形成することにより、基台の熱応力 による歪みに起因した加速度の誤検出の事態（つまり、加速度が発生していないの にも拘わらず、基台の熱応力による歪みに起因して X軸方向加速度検出部や Y軸方 向加速度検出部や z軸方向加速度検出部により加速度が検出されてしまうという誤 検出の事態）の発生を抑制することができる。
[0013] また、この発明では、枠状の梁部が両持ち梁状に基台に支持され、その梁部に錘 部が片持ち梁状に支持された簡単な構造であり、これにより、小型化を促進させるこ とが容易である。
[0014] さらに、この発明では、錘部は枠状の梁部に片持ち梁状に連結する構成である。こ のため、加速度による錘部の変位が大きくなり、これにより、錘部の変位に起因した梁 部の橈み変形が大きくなつて、加速度検出の感度を高めることができる。
図面の簡単な説明
[0015] [図 la]本発明に係る加速度センサの第 1実施例を模式的に表した斜視図である。
[図 lb]図 laの加速度センサの模式的な平面図である。
[図 2a]図 lbに示す a— a部分の模式的な断面図である。
[図 2b]図 lbに示す b— b部分の模式的な断面図である。
[図 2c]図 lbに示す c c部分の模式的な断面図である。
[図 3a]図 lbに示す A— A部分の模式的な断面図である。
[図 3b]図 lbに示す B— B部分の模式的な断面図である。
[図 3c]図 lbに示す C C部分の模式的な断面図である。
圆 4]第 1実施例の加速度センサを構成する梁部の厚みに関する構成例を説明する ための図である。
[図 5]梁部に設けるピエゾ抵抗部の配設位置の一例を説明するための図である。
[図 6a]第 1実施例の加速度センサの X軸方向加速度検出部を構成するブリッジ回路 を説明するための回路図である。 [図 6b]第 1実施例の加速度センサの Y軸方向加速度検出部を構成するブリッジ回路 を説明するための回路図である。
[図 6c]第 1実施例の加速度センサの Ζ軸方向加速度検出部を構成するブリッジ回路 を説明するための回路図である。
[図 7]梁部に設けた複数のピエゾ抵抗部を接続して図 6a〜図 6cに示したブリッジ回 路を構成するための配線パターンの一配線例を説明するための模式図である。
[図 8a]実施例の加速度センサにおける X軸方向の加速度に起因した錘部の変位例 を説明するための模式的な斜視図である。
[図 8b]実施例の加速度センサにおける X軸方向の加速度に起因した錘部の変位例 を説明するための断面図である。
[図 8c]X軸方向の加速度に起因した梁部の橈み変形によって梁部に発生する応力 の発生状態例を説明するためのモデル図である。
[図 9a]実施例の加速度センサにおける Y軸方向の加速度に起因した錘部の変位例 を説明するための模式的な斜視図である。
[図 9b]実施例の加速度センサにおける Y軸方向の加速度に起因した錘部の変位例 を説明するための断面図である。
[図 9c]Y軸方向の加速度に起因した梁部の橈み変形によって梁部に発生する応力 の発生状態例を説明するためのモデル図である。
[図 10a]実施例の加速度センサにおける Z軸方向の加速度に起因した錘部の変位例 を説明するための模式的な斜視図である。
[図 10b]実施例の加速度センサにおける Z軸方向の加速度に起因した錘部の変位例 を説明するための断面図である。
[図 10c]Z軸方向の加速度に起因した梁部の橈み変形によって梁部に発生する応力 の発生状態例を説明するためのモデル図である。
[図 11]第 2実施例の加速度センサを説明するためのモデル図である。
[図 12]第 3実施例の加速度センサを説明するためのモデル図である。
[図 13a]梁部のその他の形態例を説明するためのモデル図である。
[図 13b]梁部の更に別のその他の形態例を説明するためのモデル図である。 [図 13c]さらにまた、梁部のその他の形態例を説明するためのモデル図である。
[図 14a]梁部に設けた複数のピエゾ抵抗部を接続してブリッジ回路を構成するための 配線パターンのその他の配線例を説明するための模式図である。
[図 14b]図 14aに示した Z軸方向の加速度検出に関わるピエゾ抵抗部および配線パ ターンにより構成されるブリッジ回路の一構成例を表した回路図である。
[図 14c]図 14aに示した配線パターンの形態例を説明するための模式的な断面図で ある。
[図 15a]加速度センサの一従来例を表した模式的な斜視図である。
[図 15b]図 15aに示した加速度センサにおいて X軸方向の加速度を検出するための ブリッジ回路を説明するための回路図である。
[図 15c]図 15aに示した加速度センサにおいて Y軸方向の加速度を検出するための ブリッジ回路を説明するための回路図である。
[図 15d]図 15aに示した加速度センサにおいて Z軸方向の加速度を検出するための ブリッジ回路を説明するための回路図である。
符号の説明
1 加速度センサ
2 基台
3 XY基板面
4 梁部
5 支持部
6 固定部
7 錘部
8 連結部
15 連結部側帯状梁部部位
16 支持部側帯状梁部部位
20 補強部
25 弾性部
発明を実施するための最良の形態 [0017] 以下に、この発明に係る実施例を図面に基づいて説明する。
[0018] 図 laには本発明に係る加速度センサの第 1実施例が模式的な斜視図により示され 、図 lbには図 laの加速度センサの模式的な平面図が示されている。また、図 2aには 図 lbの a— a部分の模式的な断面図が示され、図 2bには図 lbの b— b部分の模式的 な断面図が示され、図 2cには図 lbの c c部分の模式的な断面図が示されている。 さらに、図 3aには図 lbの A— A部分の模式的な断面図が示され、図 3bには図 lbの B— B部分の模式的な断面図が示され、図 3cには図 lbの C C部分の模式的な断 面図が示されている。
[0019] この第 1実施例の加速度センサ 1は、互いに直交する X軸と Y軸と Z軸の三軸方向 の加速度をそれぞれ検出することができるものである。この加速度センサ 1は基台 2を 有している。この基台 2は、 X軸および Y軸を含む XY平面に平行な XY基板面3を持 ち、この XY基板面 3の上方側には、枠状の梁部 4が浮いた状態で配置されている。 この枠状の梁部 4は方形状と成し、当該梁部 4の X軸方向の両側からそれぞれ X軸方 向に沿って外向きに支持部 5 (5a, 5b)が伸長形成されている。これら支持部 5a, 5b は、それぞれ、基台 2に対して浮いた状態と成し、支持部 5a, 5bの各伸長先端部は 固定部 6に連接されている。この固定部 6は、梁部 4および後述する錘部 7 (7a, 7b) の形成領域を間隔を介して囲む枠状の形態を有し、当該固定部 6は基台 2に固定さ れている。換言すれば、梁部 4は、支持部 5a, 5bを介して基台 2に両持ち梁状に支 持固定されている。すなわち、この第 1実施例では、支持部 5 (5a, 5b)と固定部 6に よって梁部支持固定部が構成されて 、る。
[0020] 錘部 7a, 7bは、梁部 4を間にして Y軸方向に配列配置され、かつ、基台 2の XY基 板面 3の上方側に浮いた状態で配置されている。これら各錘部 7a, 7bは、それぞれ 、梁部 4の Y軸方向の両側からそれぞれ Y軸方向に沿って外向きに伸長形成された 連結部 8 (8a, 8b)によって、梁部 4に連接されている。連結部 8 (8a, 8b)は基台 2に 対して浮いた状態と成し、錘部 7a, 7bは、梁部 4の橈み変形によって、 X軸方向と Y 軸方向と Z軸方向の三軸方向に変位可能な構成となって 、る。
[0021] 第 1実施例では、各支持部 5a, 5bの X軸方向に沿った中心軸は同一直線上に配 置され、また、各連結部 8a, 8bの Y軸方向に沿った中心軸は同一直線上に配置され ている。梁部 4は方形状と成し、当該梁部 4は、支持部 5a, 5bの中心軸を通る X方向 中心軸に対して対称な形状であり、かつ、連結部 8a, 8bの中心軸を通る Y方向中心 軸に対して対称な形状となっている。
[0022] また、第 1実施例では、梁部 4において、各連結部 8a, 8bからそれぞれ連結部 8の 幅をもって梁部 4の領域へ Y軸方向に延長した連結部側帯状梁部部位 15 (15a, 15 b) (図 4の点線 Z15で囲んだ領域を参照）の Z軸方向の厚みは、連結部 8の Z軸方向 の厚みと同じ厚みとなっている。また、各支持部 5a, 5bからそれぞれ支持部 5の幅を もって梁部 4の領域へ X軸方向に延長した支持部側帯状梁部部位 16 (16a, 16b) ( 図 4の点線 Z16で囲んだ領域を参照）の Z軸方向の厚みは、支持部 5の Z軸方向の厚 みと同じ厚みとなっている。第 1実施例では、梁部 4における連結部側帯状梁部部位 15 (15a, 15b)および支持部側帯状梁部部位 16 (16a, 16b)の Z軸方向の厚み力 例えば約 400 m程度であるのに対して、梁部 4のそれ以外の部分の Z軸方向の厚 みは、例えば約 5〜10 /ζ πι程度というように、梁部 4のそれ以外の部分の Ζ軸方向の 厚みは、梁部 4における連結部側帯状梁部部位 15 (15a, 15b)および支持部側帯 状梁部部位 16 (16a, 16b)の Z軸方向の厚みよりも薄くなつている。
[0023] この第 1実施例では、錘部 7の Z軸方向の厚みは、例えば約 400 m程度というよう に、支持部 5や連結部 8の Z軸方向の厚みとほぼ同様な厚みとなっている。また、錘 部 7 (7a, 7b)の重心は、例えば図 3bに示される点 W7の位置であり、錘部 7 (7a, 7b )を支える梁部 4の支点は、例えば図 3bに示される点 W4の位置となっており、錘部 7 の重心位置と、錘部 7 (7a, 7b)を支える梁部 4の支点位置とは、高さ位置 (Z軸方向 の位置）がずれている。
[0024] この第 1実施例では、上述した梁部 4と支持部 5 (5a, 5b)と固定部 6と錘部 7 (7a, 7 b)と連結部 8 (8a, 8b)は、 SOI (Silicon- On- Insulator)基板（つまり、 Si層 10と SiO
2 層 11と Si層 12が順に積層形成されて 、る多層基板） 13をマイクロマシユング技術を 利用してカ卩ェして形作られたものである。
[0025] 第 1実施例では、 Siにより構成される梁部 4の次に示すような部位を加工して、加速 度を検出するためのピエゾ抵抗部が設けられている。すなわち、図 5の模式的な拡大 図に示されるように、梁部 4において、連結部側帯状梁部部位 15aの帯幅両側にピ ェゾ抵抗部 R , R がそれぞれ配設され、連結部側帯状梁部部位 15bの帯幅両側
X2
にピエゾ抵抗部 R , R がそれぞれ配設されている。これら 4つのピエゾ抵抗部 R ,
X3 X4 XI
R , R , R は、 X軸方向の加速度を検出するための X軸方向加速度検出部を構成
X2 X3 X4
している。梁部 4や支持部 5 (5a, 5b)や固定部 6には、それらピエゾ抵抗部 R , R
XI X2
, R , R による図 6aに示されるようなブリッジ回路を構成するための配線パターンが
X3 X4
形成されている。
[0026] 例えば、図 7には、その配線パターンの一配線例が模式的に表されている。この例 では、配線パターン Lによって、連結部側帯状梁部部位 15aの帯幅両側に配設され ているピエゾ抵抗部 R , R の一端側同士が電気的に接続されて電圧検出部 P 力 S
XI X2 xl 形成されている。固定部 6の表面には、図 1に示されるように、複数の外部接続用の 電極パッド 18が形成されており、電圧検出部 P は、配線パターン Lによって、当該電 xl
圧検出部 P に個別に対応する外部接続用の電極パッド 18に電気的に接続されて xl
いる。同様に、連結部側帯状梁部部位 15bの帯幅両側に配設されているピエゾ抵抗 部 R , R の一端側同士が電気的に接続されて電圧検出部 P が形成されている。こ
X3 X4 x2
の電圧検出部 P は、配線パターン Lによって、当該電圧検出部 P に個別に対応す る外部接続用の電極パッド 18に電気的に接続されている。また、ピエゾ抵抗部 R ,
X2
R の他端側は、それぞれ、配線パターン Lによって、外部の電圧電源 Vsに接続する
X4
ための外部接続用の電極パッド 18に電気的に接続されている。さらに、ピエゾ抵抗 部 R , R の他端側は、それぞれ、配線パターン Lによって、外部のグランド GNDに
XI X3
接続するための外部接続用の電極パッド 18に電気的に接続されて!ヽる。
[0027] また、梁部 4にお 、て、支持部側帯状梁部部位 16aの帯幅両側にピエゾ抵抗部 R
Y2
, R がそれぞれ配設され、支持部側帯状梁部部位 16bの帯幅両側にピエゾ抵抗部
Y3
R , R がそれぞれ配設されている。これら 4つのピエゾ抵抗部 R ，R ，R ， R は
Yl Y4 Υ1 Υ2 Υ3 Υ4
、 Υ軸方向の加速度を検出するための Υ軸方向加速度検出部を構成している。梁部 4や支持部 5 (5a, 5b)や固定部 6には、それらピエゾ抵抗部 R , R , R , R による
Yl Y2 Y3 Y4 図 6bに示されるようなブリッジ回路を構成するための配線パターンが形成されている
[0028] 例えば、図 7に表されている配線パターンの配線例では、配線パターン Lによって、 支持部側帯状梁部部位 16aの帯幅両側に配設されているピエゾ抵抗部 R , R の
Y2 Y3 一端側同士が電気的に接続されて電圧検出部 P
Y1が形成されている。この電圧検出 部 P は、配線パターン Lによって、当該電圧検出部 P に個別に対応する外部接続
Yl Y1
用の電極パッド 18に電気的に接続されている。同様に、支持部側帯状梁部部位 16 bの帯幅両側に配設されているピエゾ抵抗部 R , R の一端側同士が電気的に接続
Yl Y4
されて電圧検出部 P が形成されている。この電圧検出部 P は、配線パターン Lによ
Y2 Y2
つて、当該電圧検出部 P に個別に対応する外部接続用の電極パッド 18に電気的に
Y2
接続されている。また、ピエゾ抵抗部 R , R の他端側は、それぞれ、配線パターン L
Y2 Y4
によって、外部の電圧電源 Vsに接続するための外部接続用の電極パッド 18に電気 的に接続されている。さら〖こ、ピエゾ抵抗部 R , R の他端側
Yl Y3 は、それぞれ、配線パ ターン Lによって、外部のグランド GNDに接続するための外部接続用の電極パッド 1 8に電気的に接続されて!、る。
[0029] さらに、支持部 5a, 5bの X軸方向に沿う各中心軸上にはそれぞれピエゾ抵抗部 R z が形成され、梁部 4における支持部側帯状梁部部位 16aの片端側（図 5の例では上 側）にはピエゾ抵抗部 R が形成され、支持部側帯状梁部部位 16bの片端側（図 5の z2
例では下側）にはピエゾ抵抗部 R が形成されている。これら 4つのピエゾ抵抗部 R ,
R , R , R は、 Z軸方向の加速度を検出するための Z軸方向加速度検出部を構成し z z2 z4
ている。梁部 4や支持部 5 (5a, 5b)や固定部 6には、それらピエゾ抵抗部 R , R , R z z z2
, R による図 6cに示されるようなブリッジ回路を構成するための配線パターンが形成 z4
されている。
[0030] 例えば、図 7に表されている配線パターンの配線例では、配線パターン Lによって、 支持部 5aのピエゾ抵抗部 Rと、支持部側帯状梁部部位 16aの片端側のピエゾ抵抗
Z
部 R との一端側同士が電気的に接続されて電圧検出部 P が形成されている。この
Z2 Z1
電圧検出部 P は、配線パターン Lによって、当該電圧検出部 P に個別に対応する
Zl Z1
外部接続用の電極パッド 18に電気的に接続されている。同様に、支持部 5bのピエゾ 抵抗部 Rと、支持部側帯状梁部部位 16bの片端側のピエゾ抵抗部 R との一端側同
Z Z4
士が電気的に接続されて電圧検出部 P が形成されている。この電圧検出部 P は、
Z2 Z2 配線パターン Lによって、当該電圧検出部 P に個別に対応する外部接続用の電極 ノッド 18に電気的に接続されている。また、配線パターン Lによって、ピエゾ抵抗部 R の他端側と、支持部 5bのピエゾ抵抗部 Rの他端側とは、それぞれ、配線パターン L
Z2 Z
によって、外部の電圧電源 Vsに接続するための外部接続用の電極パッド 18に電気 的に接続されている。さら〖こ、配線パターン Lによって、ピエゾ抵抗部 R の他端側と、
Z4
支持部 5aのピエゾ抵抗部 Rの他端側とは、それぞれ、配線パターン Lによって、外
Z
部のグランド GNDに接続するための外部接続用の電極パッド 18に電気的に接続さ れている。
[0031] この第 1実施例では、加速度が発生していないときに図 6a〜図 6cの各ブリッジ回路 を構成して!/、る 4つのピエゾ抵抗部の抵抗値が均衡状態となるようにピエゾ抵抗部が 形成されている。
[0032] この第 1実施例の加速度センサ 1は上記のように構成されており、次に述べるように 加速度を検出することができる。例えば、 X軸方向の加速度が発生すると、その加速 度に起因した X軸方向の力が錘部 7 (7a, 7b)に作用する。この錘部 7への X軸方向 の作用力によって、錘部 7 (7a, 7b)は、図 8aのモデル図の点線に示される基準状態 から、例えば図 8aの実線および図 8bの模式的な断面図に示されるように、 X軸方向 に振れ変位する。このような錘部 7の X軸方向の変位によって連結部 8を介して梁部 4 が橈み変形し、これにより、梁部 4には次に示すような応力が発生する。
[0033] 例えば、錘部 7が図 8a、図 8bに示されるように変位した場合には、図 8cのモデル図 に示されるように、梁部 4において、連結部側帯状梁部部位 15aの左側 Aには引つ
し
張り応力が、また、連結部側帯状梁部部位 15aの右側 Aには圧縮応力が、さらに、
R
連結部側帯状梁部部位 15bの左側 Bには引っ張り応力が、さらにまた、連結部側帯
し
状梁部部位 15bの右側 Bには圧縮応力が、それぞれ、発生する。また、支持部側帯
R
状梁部部位 16aの両側 C , Cには、それぞれ、圧縮応力が発生し、支持部側帯状
U D
梁部部位 16bの両側 D , Dには、それぞれ、引っ張り応力が発生する。このように錘
U D
部 7の X軸方向の加速度に起因して応力が発生する梁部 4の各々の部分 A , A , B
し R し
， B ， C ， C ， D ， Dには、それぞれ、ピエゾ抵抗部 R ， R ， R ， R ， R ， R ， R
R U D U D X2 XI X3 X4 Y2 Y3
， R ， R ， R が設けられている。これらピエゾ抵抗部 R ， R ， R ， R ， R ， R
Yl Y4 Z2 Z4 X2 XI X3 X4 Y2 Y3
, R , R , R , R は、それぞれ、 X軸方向の加速度に起因した応力発生によって、 電気抵抗値が変化する。図 6bのブリッジ回路において、 X軸方向の加速度が発生し ているときには、ピエゾ抵抗部 R , R は、例えば引っ張り応力に基づいた抵抗値変
Yl Y4
化を示すのに対して、ピエゾ抵抗部 R , R は、例えば圧縮応力に基づいた抵抗値
Y2 Y3
変化を示すというように、ピエゾ抵抗部 R , R
Yl Y4と、ピエゾ抵抗部 R , R
Y2 Y3とは、加速 度が発生して 、な 、ときの基準の抵抗値力 互いに正負（増減)逆向きに抵抗値が 変化することから、ピエゾ抵抗部 R , R
Yl Y4と、ピエゾ抵抗部 R , R
Y2 Y3との抵抗値変化は 互いにキャンセルされ、これにより、図 6bのブリッジ回路の出力には大きな変化が無 い。
[0034] また、図 6cのブリッジ回路を構成しているピエゾ抵抗部 R , Rの配設部分の応力変
Z Z
化は殆ど無い。また、ピエゾ抵抗部 R は、例えば圧縮応力に基づいた抵抗値変化
Z2
を示し、ピエゾ抵抗部 R は、例えば引っ張り応力に基づいた抵抗値変化を示すとい
Z4
うように、加速度が発生して 、な 、ときの基準の抵抗値力 互いに正負（増減)逆向き に抵抗値が変化することから、ピエゾ抵抗部 R , R の抵抗値変化は互いにキャン
Z2 Z4 セ ルされ、これにより、図 6cのブリッジ回路の出力には大きな変化が無い。
[0035] これに対して、図 6aのブリッジ回路にお!、ては、 X軸方向の加速度が発生して！/、る ときには、ピエゾ抵抗部 R , R は、例えば圧縮応力に基づいた抵抗値変化を示し、
XI X4
また、ピエゾ抵抗部 R , R
X2 X3は、例えば引っ張り応力に基づいた抵抗値変化を示すこ と力ら、図 6aのブリッジ回路の抵抗値の均衡状態が崩れて、図 6aのブリッジ回路の 出力が変化する。 X軸方向の加速度の大きさに応じて図 6aのブリッジ回路の出力の 変動幅が変化することから、図 6aのブリッジ回路の出力に基づいて X軸方向の加速 度の大きさを検出することができる。
[0036] 例えば、 Y軸方向の加速度が発生すると、その加速度に起因した Y軸方向の力が 錘部 7 (7a, 7b)に作用する。この第 1実施例では、錘部 7の重心位置と、錘部 7を支 える梁部 4の支点位置との高さ位置がずれて 、るので、この重心と支点の位置ずれ によって、錘部 7 (7a, 7b)に Y軸方向の力が作用すると、錘部 7a, 7bは、図 9aのモ デル図の点線に示される基準状態から、例えば図 9aに示される実線および図 9bの 模式的な断面図に示されるように、錘部 7a, 7bの一方側（図 9aおよび図 9bの例では 錘部 7a)は基台 2に近付きながら Y軸方向に変位し、他方側（図 9aおよび図 9bの例 では錘部 7b)は基台 2に対して持ち上がりながら Y軸方向に変位する。これにより、連 結部 8および梁部 4が橈み変形して、梁部 4には次に示すような応力が発生する。
[0037] 例えば、錘部 7が図 9a、図 9bに示されるように変位する場合には、図 9cのモデル 図に示されるように、梁部 4において、支持部側帯状梁部部位 16aの上側 Cには引
U
つ張り応力が、また、支持部側帯状梁部部位 16aの下側 Cには圧縮応力が、それぞ
D
れ、発生する。さらに、支持部側帯状梁部部位 16bの上側 Dには引っ張り応力が、
U
また、支持部側帯状梁部部位 16bの下側 Dには圧縮応力が、それぞれ、発生する。
D
このように Y軸方向の加速度に起因して応力が発生する梁部 4の各々の部分 C , C
U D
, D , Dには、それぞれ、ピエゾ抵抗部 R , R , R , R が設けられている。これら
U D Y2 Y3 Yl Y4
ピエゾ抵抗部 R , R , R , R は、それぞれ、 Y軸方向の加速度に起因した応力発
Y2 Y3 Yl Y4
生によって、電気抵抗値が変化する。図 6bのブリッジ回路において、 Y軸方向の加 速度が発生しているときには、ピエゾ抵抗部 R , R
Yl Y2は、例えば引っ張り応力に基づ いた抵抗値変化を示し、また、ピエゾ抵抗部 R , R
Y3 Y4は、例えば圧縮応力に基づいた 抵抗値変化を示すことから、図 6bのブリッジ回路の抵抗値の均衡状態が崩れて、図 6bのブリッジ回路の出力が変化する。 Y軸方向の加速度の大きさに応じて図 6bのブ リッジ回路の出力の変動幅が変化することから、図 6bのブリッジ回路の出力に基づい て Y軸方向の加速度の大きさを検出することができる。
[0038] なお、この第 1実施例では、支持部側帯状梁部部位 16aの上側 Cにはピエゾ抵抗
U
部 R 1S また、支持部側帯状梁部部位 16bの下側 Dにはピエゾ抵抗部 R 力 それ
Z2 D Z4 ぞれ、配設されている。 Y軸方向の加速度に起因した梁部 4の応力発生により、ピエ ゾ抵抗部 R , R の R
Z2 Z4 抵抗値も変化するが、ピエゾ抵抗部 Z2は例えば引っ張り応力に 基づいた抵抗値変化であり、ピエゾ抵抗部 R は例えば圧縮応力に基づいた抵抗値
Z4
変化であるというように、ピエゾ抵抗部 R , R
Z2 Z4の抵抗値の変化は、加速度が無い状 態での基準の抵抗値力 正負逆向きに変化することから、ピエゾ抵抗部 R , R の抵
Z2 Z4 抗値変化は互いにキャンセルされ、これにより、図 6cのブリッジ回路の出力には大き な変化が無い。また、図 6aのブリッジ回路を構成するピエゾ抵抗部 R , R , R , R
XI X2 X3 X Y
4は、 軸方向の加速度が発生しているときに応力変化が殆ど無い部分に配設されて いるので、それらピエゾ抵抗部 R , R , R , R の抵抗値の変化は殆ど無ぐ図 6a のブリッジ回路の出力にも大きな変化が無 、。
[0039] 例えば、 Z軸方向の加速度が発生すると、その加速度に起因した Z軸方向の力が 錘部 7 (7a, 7b)に作用する。この錘部 7への Z軸方向の作用力によって、錘部 7 (7a , 7b)は、図 10aのモデル図の点線に示される基準状態から、例えば図 9aに示され る実線および図 10bの模式的な断面図に示されるように、錘部 7 (7a, 7b)は Z軸方 向に変位する。これにより、連結部 8および梁部 4が橈み変形し、梁部 4には次に示 すような応力が発生する。
[0040] 例えば、錘部 7が図 10aや図 10bに示されるように変位する場合には、図 10cのモ デル図に示されるように、梁部 4において、支持部側帯状梁部部位 16a, 16bのそれ ぞれの両側 C , C , D , Dには、それぞれ、引っ張り応力が発生する。このように梁
U D U D
部 4には応力が発生することから、支持部側帯状梁部部位 16a, 16bのそれぞれの 片端側に配設されたピエゾ抵抗部 R , R
z2 Z4は、引っ張り応力によって電気抵抗値が 変化する。また、この第 1実施例では、ピエゾ抵抗部 Rzは Z軸方向の加速度によって 応力変化が殆ど無い部分に配設されており、ピエゾ抵抗部 Rzの電気抵抗値は殆ど 無い。これらのことから、 Z軸方向の加速度が発生しているときには、図 6cのブリッジ 回路の抵抗値の均衡状態が崩れて、図 6cのブリッジ回路の出力が変化する。 Z軸方 向の加速度の大きさに応じて図 6cのブリッジ回路の出力の変動幅が変化することか ら、図 6cのブリッジ回路の出力に基づいて Z軸方向の加速度の大きさを検出すること ができる。
[0041] なお、図 6aのブリッジ回路を構成するピエゾ抵抗部 R , R , R , R が設けられて
XI X2 X3 X4
いる梁部部分は、 Z軸方向の加速度に起因した応力が殆ど発生しないので、図 6aの ブリッジ回路の抵抗値の均衡状態は維持されたままで、図 6aのブリッジ回路の出力 変化は殆ど無い。また、図 6bのブリッジ回路を構成するピエゾ抵抗部 R , R , R ,
Yl Y2 Y3
R が設けられている梁部部分は、何れも同様の応力が発生し、ピエゾ抵抗部 R , R
Y4 Y1
, R , R は同様に抵抗値が変化する。このため、 Z軸方向の加速度が発生してい
Y2 Y3 Y4
るときには、図 6bのブリッジ回路の抵抗値の均衡状態は維持されたままで、図 6bの ブリッジ回路の出力変化は殆ど無い。
[0042] この第 1実施例の加速度センサ 1は、上記のように、 X軸方向と Y軸方向と Z軸方向 の三軸方向の加速度をそれぞれ別々に検出することが可能である。
[0043] 第 1実施例では、梁部 4は支持部 5 (5a, 5b)によって両持ち梁状に固定部 6に支 持され、また、錘部 7 (7a, 7b)は連結部 8 (8a, 8b)によって梁部 4に片持ち梁状に支 持されている構成である。このため、支持部 5aが接続されている固定部 6の部位と、 支持部 5bが接続されている固定部 6の部位との間の距離を短く形成できる。これによ り、基台 2や固定部 6が周囲の温度変化などによって歪んだとしても、その基台 2や固 定部 6の歪みに起因した固定部部位間の歪みによる絶対変位が小さい。また、梁部 4は枠状であり、当該枠状の梁部 4が支持部 5 (5a, 5b)によって両持ち梁状に固定 部 6に支持されているので、基台 2や固定部 6の歪みによって X軸方向の応力が発生 した場合に、梁部 4の角部領域が変形して応力を逃がすことができる。さらに、基台 2 や固定部 6の歪みによって Y軸方向の応力が発生した場合には、支持部 5 (5a, 5b) が変形して応力を逃がすことができる。このようなことから、基台 2や固定部 6の歪み に起因した梁部 4の橈み変形を緩和できる。このため、周囲温度変動に起因した問 題 (例えば、温度変動によって図 6a〜図 6cの各ブリッジ回路の出力電圧値が変動し てしまうという温度ドリフトの問題など)を小さく抑制することができる。
[0044] また、この第 1実施例では、錘部 7a, 7b間の領域に配置された梁部 4に加速度を検 出するためのピエゾ抵抗部を集約的に配設した。このため、全てのピエゾ抵抗部をほ ぼ設計通りに製造することが可能となって、図 6a〜図 6cに示されるブリッジ回路の出 力のばらつき等を小さく抑えることが容易となる。つまり、梁部 4を構成する Siにボロン (B)やリン (P)をドープしてピエゾ抵抗部を作製するが、ピエゾ抵抗部の配設位置が 集約されていることにより、各ピエゾ抵抗部におけるボロンやリンのドープ濃度を均一 にすることが容易〖こできることとなる。このため、各ブリッジ回路の抵抗値の均衡状態 が取り易くなり、加速度検出の精度を高めることができる。
[0045] さらに、第 1実施例では、全てのピエゾ抵抗部を集約的に配設したので、図 6a〜図 6cの各ブリッジ回路を構成するための配線パターンの弓 Iき回し経路を簡素化するこ とがでさる。
[0046] さらに、第 1実施例では、梁部 4は、連結部 8a, 8bの Y軸方向に沿った中心軸を通 る Y軸方向中心軸に対して対称な形状であり、かつ、支持部 5a, 5bの X軸方向に沿 つた中心軸を通る X軸方向中心軸に対して対称な形状となっている。このため、加速 度発生に起因した梁部 4の橈み変形が単純ィ匕でき、梁部 4の橈み変形による応力変 化を利用した加速度検出の精度の向上に寄与することができる。
[0047] さらに、第 1実施例では、梁部 4における連結部側帯状梁部部位 15 (15a, 15b)お よび支持部側帯状梁部部位 16 (16a, 16b)は、梁部 4の他の部分よりも Z軸方向の 厚みが厚くなつている。この厚みの差のために、連結部側帯状梁部部位 15 (15a, 1 5b)や支持部側帯状梁部部位 16 (16a, 16b)と、梁部 4の他の部分との境界部分に おける応力の強弱が明確となる。第 1実施例では、梁部 4の応力変化を利用してカロ 速度を検出していることから、そのように応力の強弱を明確にすることにより、 X軸方 向と Y軸方向と Z軸方向の三軸方向のそれぞれの加速度をより明瞭に分離して検出 することが可能となる。
[0048] 以下に、第 2実施例を説明する。なお、この第 2実施例の説明において、第 1実施 例と同一構成部分には同一符号を付し、その共通部分の重複説明は省略する。
[0049] この第 2実施例では、第 1実施例の形態に加えて、枠状の梁部 4に図 11に示すよう な補強部 20を設けてもよい。この補強部 20は、枠状の梁部 4により囲まれている空間 部において、支持部 5aが接続されている梁部 4の部位 Mと、支持部 5bが接続されて V、る梁部 4の部位 Nとを結ぶ直線に沿って伸長形成され、当該補強部 20の両端はそ れぞれ梁部 4の内側縁部に接続されている。このような補強部 20を設けることによつ て、梁部 4の剛性を高めることができて、例えば基台 2や固定部 6の歪みに起因した 梁部 4の橈み変形を小さく抑制することができる。これにより、基台 2や固定部 6の例 えば熱応力による歪みに起因した加速度の誤検出を防止することができる。
[0050] なお、図 11の例では、補強部 20の幅は、支持部 5 (5a, 5b)の幅と等幅であるが、 補強部 20の幅は、支持部 5 (5a, 5b)の幅より太くともよいし、細くともよい。また、補 強部 20の Z軸方向の厚みは、支持部 5 (5a, 5b)の厚みと同様な厚みであってもよい し、支持部 5 (5a, 5b)の厚みよりも薄くてもよい。このように、補強部 20の幅や厚みは 、梁部 4自体の剛性等を考慮して適宜設計してょ 、ものである。
[0051] 以下に、第 3実施例を説明する。なお、この第 3実施例の説明では、第 1や第 2の各 実施例と同一構成部分には同一符号を付し、その共通部分の重複説明は省略する [0052] 第 3実施例では、図 12に示したように、支持部 5 (5a, 5b)は、それぞれ、弾性部 25 (25a, 25b)を介して固定部 6に連接されている。この第 3実施例の加速度センサに おける上記構成以外の構成は、第 1又は第 2の実施例と同様である。
[0053] この第 3実施例において特徴的な弾性部 25 (25a, 25b)は、支持部 5 (5a, 5b)の 伸長形成方向 (X軸方向）に交差する方向（この例では直交する Y軸方向）に伸長形 成されている梁 (応力軽減梁） 26を有して構成され、当該梁 26は、その両端部がそ れぞれ固定部 6に固定されている。この梁 26の中央部に支持部 5 (5a, 5b)が連接さ れている。当該梁 26は、固定部 6の X軸方向の歪みに応じて弾性変形し、この弾性 変形によって、固定部 6の歪みに起因して固定部 6から支持部 5に加えられる応力を 軽減することができる。なお、梁 26は固定部 6の歪みに応じて弾性変形することがで きれば、その幅や Z軸方向の厚みは特に限定されるものではないが、この第 3実施例 では、梁 26の Z軸方向の厚みは、固定部 6や、梁部 4における支持部側帯状梁部部 位 16と同様の厚みとなっている。
[0054] この第 3実施例では、弾性部 25を設けたことによって、上記したように、例えば熱変 動による基台 2や固定部 6の歪みに起因した固定部 6から支持部 5に加えられる応力 を軽減することができる。このことは、本発明者の実験 (シミュレーション）によって確 認されている。その実験では、第 1実施例に示した加速度センサの構成 (例えば図 1 参照）を持つサンプル Aと、このサンプル Aの構成にカ卩えて第 2実施例に示した補強 部 20が設けられている構成（図 11参照）を持つサンプル Bと、さらに、サンプル Bの構 成に加えて第 3実施例に示した弾性部 25が設けられている構成（図 12参照）を持つ サンプル Cとを用意した。そして、各サンプル A〜Cのそれぞれについて、梁部 4にお けるピエゾ抵抗部が設けられて 、る部位の応力をシミュレーションした。その結果が 表 1に表されている。ここでは、サンプル Aにおける梁部 4のピエゾ抵抗部の形成部 位の応力を 1.00とし、サンプル B, Cに関しては、サンプル Aに対する相対値で表され ている。
[0055] [表 1] 相対値
サンプル A 1.00
サンプル B 0.25
サンプル C 0.03
[0056] 表 1からも明らかなように、例えば熱変動等によって基台 2や固定部 6が歪んだとき に当該歪みに起因して固定部 6から支持部 5を介し梁部 4に加えられる応力を、第 1 実施例の構成のものよりも、補強部 20を設けたことにより、軽減できることが分かる。さ らに、弾性部 25を設けることにより、基台 2や固定部 6の歪みに起因した梁部 4の無 用な応力の発生をより一層軽減できることが分かる。なお、もちろん、第 1実施例の構 成においても、例えば図 15aに示されるような加速度センサに比べれば、基台や固 定部の歪みに起因した梁部の歪みを小さく抑制することができるものである。参考ま でに、図 15aに示される加速度センサについて、枠部 41の歪みに起因した梁部 43a , 43b, 44a, 44bのピエゾ抵抗部の形成部位の応力を上記同様にシミュレーション した。この結果をサンプル A (第 1実施例の構成のもの）に対する相対値で表すと、 7. 67となった。この結果力もも分力るように、第 1〜第 3の各実施例に示した構成を備え ることによって、従来の構成のものよりも、例えば熱変動等による基台や固定部の歪 みに起因した梁部の歪みを小さく抑制することができる。
[0057] 上記のように、熱変動等に因る基台 2や固定部 6の歪みに起因した梁部 4の歪みを 小さく抑えることができるので、加速度検出のためのピエゾ抵抗部により構成されるブ リッジ回路の出力の温度ドリフトを抑制することができる。これにより、加速度検出に対 する信頼性を高めることができる。
[0058] なお、この発明は第 1〜第 3の各実施例の形態に限定されるものではなぐ様々な 実施の形態を採り得る。例えば、第 1〜第 3の各実施例では、加速度を検出する X軸 方向加速度検出部と Y軸方向加速度検出部と Z軸方向加速度検出部は、それぞれ 、ピエゾ抵抗部を有して構成されていた力 例えば、静電容量を利用して錘部 7の変 位を検出して、 X軸方向の加速度と、 Y軸方向の加速度と、 Z軸方向の加速度とをそ れぞれ検出する構成としてもよい。 [0059] また、第 1〜第 3の各実施例では、梁部 4は、連結部側帯状梁部部位 15 (15a, 15 b)および支持部側帯状梁部部位 16 (16a, 16b)が他の部分よりも Z軸方向の厚み が厚くなつている構成であった力 梁部 4はその Z軸方向の厚みが全体に渡って等し V、又はほぼ等し 、構成としてもよ 、。
[0060] さらに、第 1〜第 3の各実施例では、枠状の梁部 4は方形状であつたが、例えば、枠 状の梁部 4は、図 13aに示されるような円形状であってもよいし、図 13bに示されるよ うな菱形状であってもよいし、図 13cに示されるような楕円形状であってもよい。また、 枠状の梁部 4は、 X軸方向中心軸に対して対称な形状となり、かつ、 Y軸方向中心軸 に対して対称な形状となっていたが、枠状の梁部 4は、 X軸方向中心軸に対して非対 称な形状であってもよ 、し、 Y軸方向中心軸に対して非対称な形状であってもよ 、。
[0061] さらに、第 1〜第 3の各実施例では、加速度を検出するためのピエゾ抵抗部は、図 5 に示されるように配設されていた力 ピエゾ抵抗部の配置位置は、 X軸方向の加速度 と、 Y軸方向の加速度と、 Z軸方向の加速度とをそれぞれ梁部 4の橈み変形による応 力変化を利用して検出することができれば、図 5の配置位置に限定されるものではな ぐ適宜設定してよいものである。また、各ピエゾ抵抗部間を接続してブリッジ回路を 構成する配線パターンの配線例も、適宜設定してよいものであり、図 7の例に限定さ れるものではない。
[0062] 例えば、図 14aにはピエゾ抵抗部および配線パターンのその他の配置例が表され ている。この例では、梁部 4には第 2実施例に示したような補強部 20が設けられてい る。また、この例では、図 5や図 7と同様にピエゾ抵抗部が設けられているのに加えて 、支持部 5a, 5bのそれぞれにピエゾ抵抗部 Rz'， Rz'が設けられ、また、支持部側帯 状梁部部位 16aの図の下側にはピエゾ抵抗部 R が設けられ、さらに、支持部側帯状 z3
梁部部位 16bの図の上側にはピエゾ抵抗部 R が設けられている。上記ピエゾ抵抗 zl
部 Rz'， Rz', R ， R は、図 5や図 7の例にも設けられているピエゾ抵抗部 Rz， Rz, R zl z3 z
, R と共に、 Z軸方向の加速度を検出するためのものである。図 14aの例では、ピエ
2 z4
ゾ抵抗部 R , R , Rz, Rzは X軸方向に沿って伸長形成された形状と成し、ピエゾ抵 zl z3
抗部 Rz', Rz', R , R は、ピエゾ抵抗部 R , R , Rz, Rzの伸長形成方向と直交す z2 z4 zl z3
る Y軸方向に沿つて伸長形成された形状と成して!/、る。それら Ζ軸方向の加速度検 出に関わるピエゾ抵抗部は、次に示すような配線パターンによって、図 14bに示され るようなブリッジ回路を構成する。
[0063] 図 14aに示される配線パターンの配線例では、図 14cの模式的な断面図に示され るような、例えば SOI基板 13の Si層 12にボロンやリン等をドープして形成された配線 パターン Lsと、 SOI基板 13の表面に蒸着ゃスパッタ等の成膜形成技術を利用して形 成されたアルミニウム等の金属製の配線パターン Lmとによって、ピエゾ抵抗部力ゝら成 るブリッジ回路を構成している。なお、図 14aでは、配線パターン Lsは点線により表さ れ、配線パターン Lmは実線により表されている。
[0064] 図 14aの例では、配線パターン Lsと、配線パターン Lmとのそれぞれの特徴を利用 した次に示すような特有な配線パターン Ls, Lmの配線が成されている。つまり、 SOI 基板 13の Si層 12の表面には、配線パターン Lsの形成後に、必然的に酸ィ匕膜 21が 形成されることから、この酸ィ匕膜 21によって、配線パターン Lsと、配線パターン Lmと の絶縁を確保しながら、配線パターン Lsと、配線パターン Lmとのクロス配線が成され ている。また、配線パターン Lsが形成されている部分の酸ィ匕膜 21の一部が除去され て孔部 22が形成され、この孔部 22内に配線パターン Lmの構成材料の導体材料が 入り込んで配線パターン Lsに接合することで、配線パターン Lsと配線パターン Lmが 電気的に接続されている。さらに、図 14aの例では、支持部 5a, 5bと、梁部 4におけ る連結部側帯状梁部部位 15a, 15bおよび支持部側帯状梁部部位 16a, 16bと、補 強部 20とは、例えば約 400 m程度の厚みであるのに対して、連結部側帯状梁部 部位 15a, 15bおよび支持部側帯状梁部部位 16a, 16b以外の梁部 4の部位は、例 えば 5〜： LO m程度の厚みとなっている。そのように梁部 4の薄い部分の表面に、金 属製の配線パターン Lmを形成すると、その配線パターン Lmの内部応力によって、梁 部 4の薄い部分が反ってしまう虞がある。これに対して、配線パターン Lsは梁部 4を構 成している Si層にボロンやリン等の不純物をドープして形成されるものであり、配線パ ターン Lsの形成による梁部 4の薄い部分の反り等の変形は殆ど発生しない。このこと から、梁部 4の薄い部分に金属製の配線パターン Lmを形成することは避け、当該梁 部 4の薄 、部分には、配線パターン Lsが形成されて 、る。
[0065] 図 14aの例では、配線パターン Lsと配線パターン Lmのクロス配線が可能であること と、配線パターン Lsと配線パターン Lmの電気的な接続が容易であることとを利用し、 配線パターンの配線構成の簡略ィ匕を図ることを思慮しながら、配線パターン Lsおよ び配線パターン Lmの配線構成が設計されている。これにより、図 14aの例では、梁 部 4の形成領域から外部に引き出されて！/、る配線パターンの本数を、図 7の例よりも 減少、させることができて!/、る。
[0066] 図 14aの例では、 X軸方向の加速度に対しては、第 1〜第 3の各実施例と同様に X 軸方向加速度検出用のピエゾ抵抗部力 成るブリッジ回路の出力が変動して、 X軸 方向の加速度の大きさを検出することができる。また、 Y軸方向の加速度に対しても、 第 1〜第 3の各実施例と同様に Y軸方向加速度検出用のピエゾ抵抗部力 成るプリ ッジ回路の出力が変動して、 Y軸方向の加速度の大きさを検出することができる。
[0067] さらに、 Z軸方向の加速度に対しては、次に示すように Z軸方向の加速度を検出す ることができる。つまり、 Z軸方向の加速度が発生すると、前述したように錘部 7 (7a, 7 b)が Z軸方向に変位して、連結部 8および梁部 4が橈み変形する。これにより、図 9c のモデル図に示されるように、梁部 4において、支持部側帯状梁部部位 16a, 16bの それぞれの両側 C , C , D , Dには、それぞれ、引っ張り応力が発生する。このよう
U D U D
に、支持部側帯状梁部部位 16a, 16bのそれぞれの両側 C , C , D , Dには同様
U D U D
の引っ張り応力が発生する。ところで、ピエゾ抵抗部 R , R
zl z3と、ピエゾ抵抗部 R , R z2 z4 とは、互いに直交する方向に伸長形成された形状と成している。〔110〕方向の P型ピ ェゾ抵抗部の場合には、このように互いに直交する方向に伸長形成されて 、る各ピ ェゾ抵抗部に、それぞれ、例えば、同じ応力が加えられた場合に、互いに直交する 方向に伸長形成されている各ピエゾ抵抗部の電気抵抗値は、それぞれ、互いに正 負逆向きに変化する。このピエゾ抵抗部の特性によって、 z軸方向の加速度印加に よる応力が梁部 4における支持部側帯状梁部部位 16a, 16bのそれぞれの両側 C ,
U
C , D , Dに上記の如く発生したときに、ピエゾ抵抗部 R , R と、ピエゾ抵抗部 R
D U D zl z3 z2
, R とは、互いに正負逆向きに電気抵抗値が変化する。また、ピエゾ抵抗部 Rz, Rz z4
, Rz', Rz'は Ζ軸方向の加速度によって応力変化が殆ど無い部分に配設されている 。これらのことから、 Ζ軸方向の加速度が発生したときに、図 14bのブリッジ回路の抵 抗値の均衡状態が崩れて、図 14bのブリッジ回路の出力が変化する。 Z軸方向の加 速度の大きさに応じて図 14bのブリッジ回路の出力の変動幅が変化することから、図 14bのブリッジ回路の出力に基づいて Z軸方向の加速度の大きさを検出することがで きる。
[0068] ところで、 Z軸方向の加速度発生による梁部 4の橈み変形量は、例えば Y軸方向の 加速度発生による梁部 4の橈み変形量よりも大きい。また、複数のピエゾ抵抗部の電 気抵抗値のばらつきを抑制するために全てのピエゾ抵抗部を同時に形成することに すると、全てのピエゾ抵抗部は電気抵抗値がほぼ等しいものとなる。この場合に、図 5 に示されるようにピエゾ抵抗部を配設して、図 6a〜図 6cに示されるようなブリッジ回路 を形成すると、 Z軸方向の加速度発生に起因した図 6cのブリッジ回路の出力は、カロ 速度の大きさが同じでも、 Y軸方向の加速度発生に起因した図 6bのブリッジ回路の 出力よりも大きくなる。加速度センサの利便性を高めるためには、 X軸方向と Y軸方向 と Z軸方向との何れの方向の加速度に対しても、その加速度の大きさに対するプリッ ジ回路の出力変動幅がほぼ等 、ことが好ま 、。
[0069] そこで、図 14aの例では、 Z軸方向の加速度発生によるブリッジ回路の出力の大き さが Y軸方向の加速度発生による出力の大きさと同様となるように、ブリッジ回路の電 気抵抗値を調整するための感度調整用のピエゾ抵抗部 Rz, Rz, Rz', Rz'が Z軸方 向加速度検出用の各ピエゾ抵抗部 R , R , R , R
zl z2 z3 z4のそれぞれに直列に設けられ ている。感度調整用のピエゾ抵抗部 Rz, Rz, Rz', Rz'は、 Z軸方向の加速度が発生 しても電気抵抗値は変化しないので、 Z軸方向の加速度が発生したときのブリッジ回 路の各辺の抵抗値変化は、ブリッジ回路の各辺にそれぞれピエゾ抵抗部 R , R , R zl z2
, R がただ一つし力設けられていない場合に比べて、小さくなる。これにより、 Z軸 z3 z4
方向の加速度の大きさに対するブリッジ回路の出力変動幅を、 X軸方向や Y軸方向 の加速度の大きさに対するブリッジ回路の出力変動幅に揃えることが可能である。
[0070] さらに、第 1〜第 3の各実施例では、固定部 6は、梁部 4および錘部 7の形成領域を 間隔を介して囲む枠状の態様であつたが、固定部 6は、梁部 4を支持部 5a, 5bによ つて両持ち梁状に基台 2に固定させることができる形態であればよぐ枠状でなくとも よい。
[0071] さらに、第 1〜第 3の各実施例では、梁部 4と支持部 5と固定部 6と錘部 7と連結部 8 は SOI基板により構成されて 、たが、それらは SOI基板で構成されて 、なくともよ 、。 産業上の利用可能性
本発明の加速度センサは、 1つの素子で X軸方向と Y軸方向と Z軸方向の三軸方 向の加速度をそれぞれ高精度に検出することができるので、例えば、加速度検出の 高い精度を要求する小型な装置に設けるのに有効である。

Claims

請求の範囲
[1] 互いに直交する X軸と Y軸と Z軸のうちの X軸および Y軸を含む XY平面に平行な X Υ基板面を持つ基台と、
この基台の ΧΥ基板面上に浮いた状態で配置される枠状の梁部と、
この梁部から X軸方向に沿って梁部の両側にそれぞれ外向きに伸長形成されてい る支持部を介して梁部を基台に両持ち梁状に支持する梁部支持固定部と、 前記基台の ΧΥ基板面上に浮いた状態で前記梁部の Υ軸方向の両側力 それぞ れ Υ軸方向に沿って外向きに伸長形成されて 、る連結部と、
各連結部の伸長先端部にそれぞれ連接された錘部とを有し、
前記錘部は、枠状の梁部の変形により X軸方向と Υ軸方向と ζ軸方向の三軸方向 に変位可能な構成と成し、
前記梁部には、錘部の X軸方向変位に起因した梁部の橈み変形に基づいて X軸 方向の加速度を検出するための X軸方向加速度検出部と、錘部の Υ軸方向変位に 起因した梁部の橈み変形に基づ 、て Υ軸方向の加速度を検出するための Υ軸方向 加速度検出部と、錘部の Ζ軸方向変位に起因した梁部の橈み変形に基づいて Ζ軸 方向の加速度を検出するための Ζ軸方向加速度検出部とが設けられていることを特 徴とする加速度センサ。
[2] 梁部の X軸方向の両側カゝらそれぞれ X軸方向に伸長形成されている各支持部の中 心軸は同一直線上に配置され、また、梁部の Υ軸方向の両側からそれぞれ Υ軸方向 に伸長形成されている各連結部の中心軸は同一直線上に配置されており、 梁部は、支持部の中心軸を通る X方向中心線に対して対称な形状であり、かつ、連 結部の中心軸を通る Υ方向中心線に対しても対称な形状であることを特徴とする請 求項 1記載の加速度センサ。
[3] 梁部に設けられている Ζ軸方向加速度検出部と Υ軸方向加速度検出部と X軸方向 加速度検出部は、それぞれ、梁部の変形による梁部の応力変化によって電気抵抗 値が変化するピエゾ抵抗部を有して構成されていることを特徴とする請求項 1記載の 加速度センサ。
[4] 梁部に設けられている Ζ軸方向加速度検出部と Υ軸方向加速度検出部と X軸方向 加速度検出部は、それぞれ、梁部の変形による梁部の応力変化によって電気抵抗 値が変化するピエゾ抵抗部を有して構成されていることを特徴とする請求項 2記載の 加速度センサ。
[5] X軸方向加速度検出部は、各連結部力 それぞれ当該連結部の幅をもって梁部の 領域へ Y軸方向に延長した連結部側帯状梁部部位の帯幅両側にそれぞれ配設され た合計 4つのピエゾ抵抗部を有し、各連結部側帯状梁部部位の帯幅両側に配置さ れている上記ピエゾ抵抗部同士が電気的に接続されて 2つの電圧検出部が形成さ れており、 X軸方向加速度検出部の 4つのピエゾ抵抗部は、 X軸方向の加速度によ つて梁部が変形したときに前記 2つの電圧検出部力 それぞれ出力される電圧の差 に基づいて X軸方向の加速度を検出するためのブリッジ回路を構成しており、
Y軸方向加速度検出部は、各支持部力 それぞれ当該支持部の幅をもって梁部の 領域へ X軸方向に延長した支持部側帯状梁部部位の帯幅両側にそれぞれ配設され た合計 4つのピエゾ抵抗部を有し、各支持部側帯状梁部部位の帯幅両側にそれぞ れ配置されている上記ピエゾ抵抗部同士が電気的に接続されて 2つの電圧検出部 が形成されており、 Y軸方向加速度検出部の 4つのピエゾ抵抗部は、 Y軸方向の加 速度によって梁部が変形したときに前記 2つの電圧検出部からそれぞれ出力される 電圧の差に基づいて Y軸方向の加速度を検出するためのブリッジ回路を構成してお り、
Z軸方向加速度検出部は、加速度が発生したときに応力変化の無い別々の部分に 形成された 2つのピエゾ抵抗部と、各支持部側帯状梁部部位の片側とにそれぞれ配 設された合計 4つのピエゾ抵抗部を有し、隣接配置されて ヽる上記ピエゾ抵抗部同 士が電気的に接続されて 2つの電圧検出部が形成されており、 Z軸方向加速度検出 部の 4つのピエゾ抵抗部は、 Z軸方向の加速度によって梁部が変形したときに前記 2 つの電圧検出部力 それぞれ出力される電圧の差に基づいて Z軸方向の加速度を 検出するためのブリッジ回路を構成していることを特徴とする請求項 3記載の加速度 センサ。
[6] X軸方向加速度検出部は、各連結部力 それぞれ当該連結部の幅をもって梁部の 領域へ Y軸方向に延長した連結部側帯状梁部部位の帯幅両側にそれぞれ配設され た合計 4つのピエゾ抵抗部を有し、各連結部側帯状梁部部位の帯幅両側に配置さ れている上記ピエゾ抵抗部同士が電気的に接続されて 2つの電圧検出部が形成さ れており、 X軸方向加速度検出部の 4つのピエゾ抵抗部は、 X軸方向の加速度によ つて梁部が変形したときに前記 2つの電圧検出部力 それぞれ出力される電圧の差 に基づいて X軸方向の加速度を検出するためのブリッジ回路を構成しており、
Y軸方向加速度検出部は、各支持部力 それぞれ当該支持部の幅をもって梁部の 領域へ X軸方向に延長した支持部側帯状梁部部位の帯幅両側にそれぞれ配設され た合計 4つのピエゾ抵抗部を有し、各支持部側帯状梁部部位の帯幅両側にそれぞ れ配置されている上記ピエゾ抵抗部同士が電気的に接続されて 2つの電圧検出部 が形成されており、 Y軸方向加速度検出部の 4つのピエゾ抵抗部は、 Y軸方向の加 速度によって梁部が変形したときに前記 2つの電圧検出部からそれぞれ出力される 電圧の差に基づいて Y軸方向の加速度を検出するためのブリッジ回路を構成してお り、
Z軸方向加速度検出部は、加速度が発生したときに応力変化の無い別々の部分に 形成された 2つのピエゾ抵抗部と、各支持部側帯状梁部部位の片側とにそれぞれ配 設された合計 4つのピエゾ抵抗部を有し、隣接配置されて ヽる上記ピエゾ抵抗部同 士が電気的に接続されて 2つの電圧検出部が形成されており、 Z軸方向加速度検出 部の 4つのピエゾ抵抗部は、 Z軸方向の加速度によって梁部が変形したときに前記 2 つの電圧検出部力 それぞれ出力される電圧の差に基づいて Z軸方向の加速度を 検出するためのブリッジ回路を構成していることを特徴とする請求項 4記載の加速度 センサ。
[7] 枠状の梁部は、 Z軸方向の厚みが全体に渡って等しい又はほぼ等しいことを特徴と する請求項 1記載の加速度センサ。
[8] 枠状の梁部は、 Z軸方向の厚みが全体に渡って等しい又はほぼ等しいことを特徴と する請求項 2記載の加速度センサ。
[9] 枠状の梁部は、 Z軸方向の厚みが全体に渡って等しい又はほぼ等しいことを特徴と する請求項 3記載の加速度センサ。
[10] 枠状の梁部は、 Z軸方向の厚みが全体に渡って等しい又はほぼ等しいことを特徴と する請求項 4記載の加速度センサ。
[11] 枠状の梁部は、 Z軸方向の厚みが全体に渡って等しい又はほぼ等しいことを特徴と する請求項 5記載の加速度センサ。
[12] 枠状の梁部は、 Z軸方向の厚みが全体に渡って等しい又はほぼ等しいことを特徴と する請求項 6記載の加速度センサ。
[13] 枠状の梁部における Z軸方向の厚みは、各支持部からそれぞれ当該支持部の幅を もって梁部の領域へ X軸方向に延長した支持部側帯状梁部部位、および、各連結部 からそれぞれ当該連結部の幅をもって梁部の領域へ Y軸方向に延長した連結部側 帯状梁部部位が他の部分よりも厚いことを特徴とする請求項 1記載の加速度センサ。
[14] 枠状の梁部における Z軸方向の厚みは、各支持部からそれぞれ当該支持部の幅を もって梁部の領域へ X軸方向に延長した支持部側帯状梁部部位、および、各連結部 からそれぞれ当該連結部の幅をもって梁部の領域へ Y軸方向に延長した連結部側 帯状梁部部位が他の部分よりも厚いことを特徴とする請求項 2記載の加速度センサ。
[15] 枠状の梁部における Z軸方向の厚みは、各支持部からそれぞれ当該支持部の幅を もって梁部の領域へ X軸方向に延長した支持部側帯状梁部部位、および、各連結部 からそれぞれ当該連結部の幅をもって梁部の領域へ Y軸方向に延長した連結部側 帯状梁部部位が他の部分よりも厚いことを特徴とする請求項 3記載の加速度センサ。
[16] 枠状の梁部における Z軸方向の厚みは、各支持部からそれぞれ当該支持部の幅を もって梁部の領域へ X軸方向に延長した支持部側帯状梁部部位、および、各連結部 からそれぞれ当該連結部の幅をもって梁部の領域へ Y軸方向に延長した連結部側 帯状梁部部位が他の部分よりも厚いことを特徴とする請求項 4記載の加速度センサ。
[17] 枠状の梁部における Z軸方向の厚みは、各支持部からそれぞれ当該支持部の幅を もって梁部の領域へ X軸方向に延長した支持部側帯状梁部部位、および、各連結部 からそれぞれ当該連結部の幅をもって梁部の領域へ Y軸方向に延長した連結部側 帯状梁部部位が他の部分よりも厚いことを特徴とする請求項 5記載の加速度センサ。
[18] 枠状の梁部における Z軸方向の厚みは、各支持部からそれぞれ当該支持部の幅を もって梁部の領域へ X軸方向に延長した支持部側帯状梁部部位、および、各連結部 からそれぞれ当該連結部の幅をもって梁部の領域へ Y軸方向に延長した連結部側 帯状梁部部位が他の部分よりも厚いことを特徴とする請求項 6記載の加速度センサ。
[19] 枠状の梁部の枠内空間には、梁部の両側の支持部を繋ぐ方向に伸長形成された 補強部が配置され、当該補強部の両端側がそれぞれ枠状の梁部に連接されている ことを特徴とする請求項 1記載の加速度センサ。
[20] 支持部は弾性部を介して梁部支持固定部に連接されており、上記弾性部は、梁部 支持固定部の歪みに応じて弾性変形し梁部支持固定部の歪みに起因して梁部支持 固定部から支持部に加えられる応力を軽減することを特徴とする請求項 1記載の加 速度センサ。
[21] 支持部は弾性部を介して梁部支持固定部に連接されており、前記弾性部は、梁部 支持固定部の歪みに応じて弾性変形し梁部支持固定部の歪みに起因して梁部支持 固定部から支持部に加えられる応力を軽減することを特徴とする請求項 19記載の加 速度センサ。
[22] 弾性部は、支持部の伸張形成方向に交差する方向に伸長形成されている梁を有し 、この弾性部の梁の両端部がそれぞれ梁部支持固定部に固定されており、支持部は 上記弾性部の梁に連接されて梁部支持固定部に支持されていることを特徴とする請 求項 20記載の加速度センサ。
[23] 弾性部は、支持部の伸張形成方向に交差する方向に伸長形成されている梁を有し 、この弾性部の梁の両端部がそれぞれ梁部支持固定部に固定されており、支持部は 上記弾性部の梁に連接されて梁部支持固定部に支持されていることを特徴とする請 求項 21記載の加速度センサ。
[24] X軸方向加速度検出部は、各連結部力 それぞれ当該連結部の幅をもって梁部の 領域へ Y軸方向に延長した連結部側帯状梁部部位の帯幅両側にそれぞれ配設され た合計 4つのピエゾ抵抗部を有し、各連結部側帯状梁部部位の帯幅両側に配置さ れている上記ピエゾ抵抗部同士が電気的に接続されて 2つの電圧検出部が形成さ れており、 X軸方向加速度検出部の 4つのピエゾ抵抗部は、 X軸方向の加速度によ つて梁部が変形したときに前記 2つの電圧検出部力 それぞれ出力される電圧の差 に基づいて X軸方向の加速度を検出するためのブリッジ回路を構成しており、 Y軸方向加速度検出部は、各支持部力 それぞれ当該支持部の幅をもって梁部の 領域へ X軸方向に延長した支持部側帯状梁部部位の帯幅両側にそれぞれ配設され た合計 4つのピエゾ抵抗部を有し、各支持部側帯状梁部部位の帯幅両側にそれぞ れ配置されている上記ピエゾ抵抗部同士が電気的に接続されて 2つの電圧検出部 が形成されており、 Y軸方向加速度検出部の 4つのピエゾ抵抗部は、 Y軸方向の加 速度によって梁部が変形したときに前記 2つの電圧検出部からそれぞれ出力される 電圧の差に基づいて Y軸方向の加速度を検出するためのブリッジ回路を構成してお り、
Z軸方向加速度検出部は、各支持部側帯状梁部部位の両側にそれぞれ配設され た 4つのピエゾ抵抗部を有し、各支持部側帯状梁部部位の両側にそれぞれ配設され ているピエゾ抵抗部同士が電気的に接続されて 2つの電圧検出部が形成されており 、前記 4つのピエゾ抵抗部は、 Z軸方向の加速度によって梁部が変形したときに前記 2つの電圧検出部力 それぞれ出力される電圧の差に基づいて Z軸方向の加速度を 検出するためのブリッジ回路を構成していることを特徴とする請求項 3記載の加速度 センサ。
X軸方向加速度検出部は、各連結部力 それぞれ当該連結部の幅をもって梁部の 領域へ Y軸方向に延長した連結部側帯状梁部部位の帯幅両側にそれぞれ配設され た合計 4つのピエゾ抵抗部を有し、各連結部側帯状梁部部位の帯幅両側に配置さ れている上記ピエゾ抵抗部同士が電気的に接続されて 2つの電圧検出部が形成さ れており、 X軸方向加速度検出部の 4つのピエゾ抵抗部は、 X軸方向の加速度によ つて梁部が変形したときに前記 2つの電圧検出部力 それぞれ出力される電圧の差 に基づいて X軸方向の加速度を検出するためのブリッジ回路を構成しており、
Y軸方向加速度検出部は、各支持部力 それぞれ当該支持部の幅をもって梁部の 領域へ X軸方向に延長した支持部側帯状梁部部位の帯幅両側にそれぞれ配設され た合計 4つのピエゾ抵抗部を有し、各支持部側帯状梁部部位の帯幅両側にそれぞ れ配置されている上記ピエゾ抵抗部同士が電気的に接続されて 2つの電圧検出部 が形成されており、 Y軸方向加速度検出部の 4つのピエゾ抵抗部は、 Y軸方向の加 速度によって梁部が変形したときに前記 2つの電圧検出部からそれぞれ出力される 電圧の差に基づいて Y軸方向の加速度を検出するためのブリッジ回路を構成してお り、
z軸方向加速度検出部は、各支持部側帯状梁部部位の両側にそれぞれ配設され た 4つのピエゾ抵抗部を有し、各支持部側帯状梁部部位の両側にそれぞれ配設され ているピエゾ抵抗部同士が電気的に接続されて 2つの電圧検出部が形成されており 、前記 4つのピエゾ抵抗部は、 Z軸方向の加速度によって梁部が変形したときに前記 2つの電圧検出部力 それぞれ出力される電圧の差に基づいて Z軸方向の加速度を 検出するためのブリッジ回路を構成していることを特徴とする請求項 4記載の加速度 センサ。
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