WO2010146818A1 - ３軸加速度センサ - Google Patents

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WO2010146818A1
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piezoresistive
axis direction
sensitivity
axis
piezoresistive elements
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永渡実
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ミツミ電機株式会社
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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 a three-axis acceleration sensor that detects acceleration in the X-, Y-, and Z-axis directions using a piezoresistive element.
  • the triaxial acceleration sensor 1 includes a frame 2, a weight 3 (3a to 3d) provided in the frame 2, and a cross beam 4 (4a to 4a) that connects the frame 2 and the weight 3. 4d).
  • the beams 4a to 4d constituting the cross beam 4 is a thin flexible member having a piezoresistive element.
  • the piezoresistive elements x1 to x4, y1 to y4, and z1 to z4 are formed on the beams 4a to 4d. Specifically, piezoresistive elements x1 to x4 for the X-axis direction and piezoresistive elements z1 to z4 for the Z-axis direction are formed on the beam 4a and the beam 4c opposite thereto. Also, Y-axis piezoresistive elements y1 to y4 are formed on the beam 4d and the beam 4b opposite to the beam 4d.
  • FIG. 3 shows an A-A ′ cross section (a cross section including the piezoresistive elements x1 to x4) in FIG.
  • FIG. 4 shows an enlarged plan view of the beam 4a.
  • the piezoresistive elements x1 to x4, y1 to y4, and z1 to z4 for each axis are respectively connected to a Wheatstone bridge, and the triaxial acceleration sensor 1 is connected to the resistance of the piezoresistive elements x1 to x4, y1 to y4, and z1 to z4. Based on the output of the Wheatstone bridge that changes accordingly, the acceleration in the X, Y, and Z axis directions is detected.
  • the beams 4a to 4d bend according to the inertial force received by the weight 3 due to the acceleration, and the piezoresistive elements x1 to x4 and y1 to be formed on the beams 4a to 4d according to this.
  • the resistances of y4, z1 to z4 change, and accelerations in the X, Y, and Z axis directions are detected according to the resistance change.
  • the piezoresistive elements x1 to x4 for the X-axis direction (or Y-axis direction) and the piezoresistive elements z1 to z4 for the Z-axis direction are made up of the beams 4a and 4c. It is arranged at the same position in the longitudinal direction.
  • the piezoresistive elements are simply arranged at the same position in the longitudinal direction of the beam, a difference in sensitivity occurs between the acceleration sensitivity in the X-axis direction and the Y-axis direction and the acceleration sensitivity in the Z-axis direction. This is because the deformation force to the beam in the X-axis direction and the Y-axis direction is given by the rotational moment, whereas the deformation force to the beam in the Z-axis direction is simply given by the mass x acceleration of the weight. is there.
  • the acceleration in the X-axis direction and the Y-axis direction are received by two beams, respectively, and appear as deformation amounts of the two beams, whereas the acceleration in the Z-axis direction is received by four beams, This is because it appears as a deformation amount.
  • the output obtained through the piezoresistive elements for the X-axis, Y-axis, and Z-axis directions is amplified by an amplifier. If there is a difference in acceleration sensitivity in the X, Y, and Z axis directions, the amplification factor of the amplifier for amplifying the output must be changed according to the axial direction. There is a problem that the circuit configuration becomes complicated by that amount. On the other hand, if the acceleration sensitivity of the piezoresistive elements for the X-axis, Y-axis, and Z-axis directions is substantially the same, there is no need to change the amplification factor of the amplifier, so only one amplifier is provided.
  • the amplifier can be shared in three axis directions, the circuit configuration can be simplified. Specifically, only one amplifier is obtained by sequentially inputting the output obtained through the piezoresistive elements for the X-axis, Y-axis, and Z-axis directions to one amplifier in time series using a multiplexer or the like. The detection output in three directions can be obtained.
  • equalizing the acceleration sensitivity of the piezoresistive elements for the X-axis, Y-axis, and Z-axis directions has an advantage of simplifying the circuit configuration.
  • Patent Document 2 There is a method disclosed in Patent Document 2 as one method for equalizing the acceleration sensitivity of the piezoresistive elements between the respective axial directions.
  • the method disclosed in Patent Document 2 is a beam 4 a made up of piezoresistive elements x1 and x2 in the X-axis direction (or Y-axis direction) and piezoresistive elements z1 and z2 in the Z-axis direction.
  • the acceleration sensitivity in the X-axis direction (or Y-axis direction) and the Z-axis direction are made equal by shifting the relative arrangement position in the longitudinal direction (that is, the output difference between the X-axis direction and the Z-axis direction is reduced). Is. FIG.
  • Patent Document 3 As another method, there is a method disclosed in Patent Document 3.
  • the method disclosed in Patent Document 3 reduces the average stress applied to the piezoresistive element by changing the length of the piezoresistive element, thereby equalizing the acceleration sensitivity of the piezoresistive element between the respective axial directions. It is.
  • Patent Document 2 and Patent Document 3 break the symmetry on the beam. For example, an unbalance of the temperature distribution due to heat generation occurs between the piezoresistive elements during energization. It is predicted that an offset will occur between piezoresistive elements. Further, since an offset correction circuit is separately required to correct the offset, the circuit configuration is complicated accordingly.
  • Patent Document 2 has a large difference in resistance value between the piezoresistive elements for each axial direction, so that a difference in flowing current becomes large and an unbalance in temperature distribution is more likely to occur. There is a fear.
  • the present invention has been made in consideration of such points, and provides a triaxial acceleration sensor with good characteristics that can adjust acceleration sensitivity in the X-axis, Y-axis, and Z-axis directions while suppressing the occurrence of offset. .
  • One aspect of the three-axis acceleration sensor of the present invention includes a frame portion, a weight portion, and a flexible member, and a beam portion that connects the frame portion and the weight portion, and each of the beam portions. It is formed over the longitudinal direction of the beam, and is formed over the X-axis direction, Y-axis direction and Z-axis direction acceleration detecting piezoresistive elements and in a direction substantially orthogonal to the longitudinal direction of the beam constituting the beam portion. And a sensitivity adjusting piezoresistive element electrically connected to the acceleration detecting piezo element.
  • the sensitivity can be adjusted efficiently while suppressing the occurrence of offset, so that a three-axis acceleration sensor with good characteristics can be obtained.
  • the perspective view which shows the external appearance structure of the triaxial acceleration sensor which concerns on embodiment of this invention Plan view showing schematic arrangement of piezoresistive elements on cross beam Connection diagram showing configuration example of amplifier circuit Cross-sectional view for explanation of beam deformation Cross-sectional view for explanation of beam deformation
  • positioning of the piezoresistive element and the sensitivity adjustment element in other embodiment The top view which shows arrangement
  • FIG. 6 shows an external configuration of the triaxial acceleration sensor according to the embodiment of the present invention.
  • the triaxial acceleration sensor 10 includes a frame 12, a weight 13 (13a to 13d) provided in the frame 12, and a cross beam 14 (14a to 14d) that connects the frame 12 and the weight 13.
  • Each of the beams 14a to 14d constituting the cross beam 14 is a thin flexible member having a piezoresistive element.
  • the cross beam 14 is connected to the clover-shaped weight 13 at the center. Since the thin and flexible cross beam 14 bends in response to acceleration, the center portion of the cross beam 14 does not bend while supporting the weight 13 even when acceleration is applied. Let's call it 15.
  • the frame 12 is formed with terminal portions 16 (16a to 16d) connected to the piezoresistive element, for applying a voltage to the piezoresistive element and taking out an output from the piezoresistive element.
  • FIG. 7 shows an outline of the position on the cross beam 14 where the piezoresistive elements for the X-axis, Y-axis, and Z-axis directions are arranged. The detailed arrangement of the piezoresistive elements will be described later.
  • the X-axis direction and Z-axis direction piezoresistive elements x1, x2, z1, and z2 are formed on the beam 14a.
  • piezoresistive elements x3, x4, z3, and z4 for the X-axis direction and the Z-axis direction are formed on the beam 14c.
  • the piezoresistive elements x1 to x4 for the X-axis direction and the piezoresistive elements z1 to z4 for the Z-axis direction are arranged in parallel at the same position in the longitudinal direction (X direction) of the beams 14a and 14c. Therefore, the symmetry is ensured.
  • Piezoresistive elements y1 to y4 for the Y-axis direction are formed on the beams 14d and 14b.
  • the piezoresistive elements x1 to x4, y1 to y4, and z1 to z4 are formed in the beam 14 in the vicinity of the frame 12 and in the vicinity of the center non-movable portion 15. That is, the piezoresistive elements x1 to x4, y1 to y4, and z1 to z4 are formed at the base portion of the beam 14 where the beam 14 is easily bent by acceleration.
  • the piezoresistive elements x1 to x4 for the X-axis direction and the piezoresistive elements z1 to z4 for the Z-axis direction are formed on the same beam, but the three-axis acceleration of the present embodiment Since the sensor 10 is structurally equivalent to the X axis and the Y axis, the piezoresistive elements y1 to y4 for the Y axis direction and the piezoresistive elements z1 to z4 for the Z axis direction are arranged in parallel at the same position on the same beam. May be.
  • the piezoresistive elements x1 to x4, y1 to y4, and z1 to z4 for each axial direction are connected to the Wheatstone bridge on the beam 14 or the frame 12 by metal wiring or high concentration diffusion wiring.
  • resistance changes corresponding to the amount of bending occur in the piezoresistive elements x1 to x4, y1 to y4, and z1 to z4.
  • the resistance change of the piezoresistive elements x1 to x4, y1 to y4, and z1 to z4 appears as a change in the output voltage of the Wheatstone bridge.
  • FIG. 8 shows the configuration of the amplifier circuit.
  • the output of each axis output from the terminal unit 16 is input to the multiplexer.
  • the multiplexer selects any one of the X output 1 and the X output 2, the Y output 1 and the Y output 2, and the Z output 1 and the Z output 2 in a time division manner and outputs them to the amplifier.
  • an amplifier that amplifies the sensor output of each axis is shared.
  • the amplifier can be shared because the triaxial acceleration sensor 10 of the present embodiment can equalize the acceleration sensitivity obtained on each axis. Its configuration will be described later.
  • the beam 14 is manufactured by a semiconductor process using a Si substrate as a material.
  • a Si substrate As the Si substrate, an SOI substrate in which a SiO 2 oxide film layer is sandwiched between Si is used.
  • the piezoresistive elements x1 to x4, y1 to y4, and z1 to z4 are formed by injecting impurities such as B (boron) or P (phosphorus) into the Si substrate by ion implantation. After forming a high-concentration diffusion wiring or a metal wiring (Al or the like), a structure is formed by dry etching.
  • FIG. 9 schematically illustrates the deformation in the X-axis direction and the Y-axis
  • FIG. 10 schematically illustrates the deformation in the Z-axis direction.
  • the beam 14 Upon receiving acceleration in the X-axis direction (or Y-axis direction), the beam 14 is deformed as shown in FIG.
  • the beam Upon receiving acceleration in the Z-axis direction, the beam deforms as shown in FIG.
  • bending stress is generated on the beam surface.
  • the bending stress generated on the beam surface changes the resistance value of the piezoresistive element.
  • FIG. 11A shows the arrangement of piezoresistive elements (hereinafter also referred to as acceleration detecting piezoresistive elements) and sensitivity adjusting elements (hereinafter also referred to as sensitivity adjusting piezoresistive elements) formed on the beam 14a. It is a thing.
  • FIG. 11B shows the arrangement of the piezoresistive elements and sensitivity adjusting elements formed on the beam 14c.
  • the diagram is simplified to show the approximate position of the piezoresistive element, but actually, the piezoresistive element of the present embodiment is arranged at the position shown in FIGS. 11A and 11B.
  • the piezoresistive element x1 in FIG. 7 corresponds to the piezoresistive elements x1-1 and x1-2 in FIG. 11A
  • the piezoresistive element z2 in FIG. 7 corresponds to the piezoresistive elements z2-1 and z2 in FIG.
  • the piezoresistive element x3 in FIG. 7 corresponds to the piezoresistive elements x3-1 and x3-2 in FIG. 11B
  • the piezoresistive element x4 in FIG. 7 corresponds to the piezoresistive elements x4-1 and x4-2 in FIG. 11B
  • the piezoresistive element z3 in FIG. 7 corresponds to the piezoresistive elements z3-1 and z3-2 in FIG. 11B
  • the piezoresistive element z4 in FIG. 7 corresponds to the piezoresistive elements z4-1 and z4-2 in FIG. Correspond.
  • the X-axis direction piezoresistive elements x1-1, x1-2, x2-1, x2-2, x3-1, x3-2, x4-1, x4-2, and the Z-axis direction Piezoresistive elements z1-1, z1-2, z2-1, z2-2, z3-1, z3-2, z4-1 and z4-2 are arranged along the longitudinal direction of the beams 14a and 14c. , 14c is formed so as to be parallel to the longitudinal direction.
  • the piezoresistive elements x1-1 and x1-2 are electrically connected in series via wiring, and one end is connected to terminals T1 and T4.
  • the piezoresistive elements x2-1 and x2-2 are electrically connected in series via wiring, and one end is connected to terminals T5 and T8.
  • the piezoresistive elements z1-1 and z1-2 are electrically connected in series via wiring, and one end is connected to terminals T2 and T3.
  • the piezoresistive elements z2-1 and z2-2 are electrically connected in series via wiring, and one end is connected to terminals T6 and T7.
  • the piezoresistive elements x3-1 and x3-2 are electrically connected in series via wiring, and one end is connected to terminals T9 and T12.
  • the piezoresistive elements x4-1 and x4-2 are electrically connected in series via wiring, and one end is connected to terminals T13 and T16.
  • the piezoresistive elements z3-1 and z3-2 are electrically connected in series via wiring, and one end is connected to terminals T10 and T11.
  • the piezoresistive elements z4-1 and z4-2 are electrically connected in series via wiring, and one end is connected to terminals T14 and T15.
  • the X-axis terminals T1, T4, T5, and T8 are X-axis direction piezoresistive elements x1-1, x1-2, x2-1, x2-2, x3-1, x3-2, and x4.
  • -1, x4-2 are connected by wiring (not shown) so that Wheatstone bridge connection is established.
  • the Z-axis terminals T2, T3, T6, and T7 are connected to the Z-axis direction piezoresistive elements z1-1, z1-2, z2-1, z2-2, z3-1, z3-2, and z4.
  • -1, z4-2 are connected by wiring (not shown) so that Wheatstone bridge connection is established.
  • the triaxial acceleration sensor 10 of the present embodiment is provided with piezoresistive elements 21, 22, 23, and 24 for sensitivity adjustment.
  • the sensitivity adjusting piezoresistive element 21 is electrically connected in series with the piezoresistive elements x1-1 and x1-2 between the piezoresistive element x1-1 and the piezoresistive element x1-2.
  • the sensitivity adjusting piezoresistive element 22 is electrically connected in series with the piezoresistive elements x2-1 and x2-2 between the piezoresistive element x2-1 and the piezoresistive element x2-2.
  • the sensitivity adjusting piezoresistive element 23 is electrically connected in series with the piezoresistive elements x3-1 and x3-2 between the piezoresistive element x3-1 and the piezoresistive element x3-2.
  • the piezoresistive element 24 for sensitivity adjustment is electrically connected in series with the piezoresistive elements x4-1 and x4-2 between the piezoresistive element x4-1 and the piezoresistive element x4-2.
  • the sensitivity adjusting piezoresistive elements 21, 22, 23, 24 are formed in a direction substantially orthogonal to the longitudinal direction of the beam.
  • the piezoresistive elements x1-1, x1-2, x2-1, x2-2, x3-1, x3-2, x4-1, x4-2 for the X-axis direction are beams 14a, 14c.
  • the piezoresistive elements 21, 22, 23, and 24 for sensitivity adjustment are piezoresistive elements x1 for the X-axis direction.
  • 1, x1-2, x2-1, x2-2, x3-1, x3-2, x4-1, x4-2 are formed in a direction substantially orthogonal to the direction in which they are formed. I can say that.
  • the piezoresistive elements 21, 22, 23, and 24 for sensitivity adjustment are arranged symmetrically with respect to the center line in the width direction of the beams 14a and 14c.
  • the sensitivity-adjusting piezoresistive elements 21 are the piezoresistive elements x1-1 and x1-2 for the X-axis direction, the piezoresistive elements z1-1 and z1-2 for the Z-axis direction, and the longitudinal direction of the beam 14a.
  • the center line Lc is preferably disposed at a position other than the longitudinal center line Lc of the beam 14a and as close to the frame 12 as possible.
  • the piezoresistive element 22 for sensitivity adjustment includes the piezoresistive elements x2-1 and x2-2 for the X-axis direction, the piezoresistive elements z2-1 and z2-2 for the Z-axis direction, and the longitudinal length of the beam 14a. It is preferably arranged between the center line Lc in the direction and at a position other than the center line Lc in the longitudinal direction of the beam 14a and as close to the center non-movable part 15 as possible.
  • the piezoresistive element 23 for sensitivity adjustment is arranged in the same manner as the piezoresistive element 22 for sensitivity adjustment, and the piezoresistive elements x3-1 and x3-2 for the X-axis direction and the piezoresistive element for the Z-axis direction.
  • Z3-1, z3-2 and the longitudinal center line Lc ′ of the beam 14c are arranged at positions other than the longitudinal center line Lc ′ of the beam 14c and as close to the center non-movable part 15 as possible. It is preferable that they are arranged at close positions.
  • the piezoresistive element 24 for sensitivity adjustment is arranged in the same manner as the piezoresistive element 21 for sensitivity adjustment, and the piezoresistive elements x4-1 and x4-2 for the X-axis direction and the piezoresistive element for the Z-axis direction.
  • Z4-1, z4-2 are arranged between the longitudinal direction center line Lc 'of the beam 14c and are located as close to the frame 12 as possible at positions other than the longitudinal center line Lc' of the beam 14c. It is preferable that they are arranged at different positions.
  • the sensitivity adjustment piezoresistive element is arranged between the center in the beam longitudinal direction and the acceleration detection piezoresistive element close to the frame part side and the weight part side, thereby providing a large sensitivity adjustment effect. Obtainable.
  • FIG. 12 shows a circuit image of the piezoresistive element for the X-axis direction in the present embodiment.
  • Piezoresistive bodies 31 to 34 indicated by large squares in the figure are the piezoresistive elements x1-1, x1-2, x2-1, x2-2, x3-1, x3-2, x4 in FIGS. 11A and 11B. 1, x4-2.
  • the piezoresistive body 31 shows piezoresistive elements x1-1 and x1-2
  • the piezoresistive body 32 shows piezoresistive elements x2-1 and x2-2
  • the piezoresistive body 33 shows a piezoresistive element x3.
  • the piezoresistive body 34 indicates piezoresistive elements x4-1 and x4-2.
  • the small squares in the figure indicate the sensitivity adjusting piezoresistive elements 21 to 24.
  • the sensitivity lowering effect represented by the formula (2) is a sensitivity lowering effect caused by connecting the piezoresistive element 21 for sensitivity adjustment in series to the piezoresistive body 31.
  • the piezoresistive element the vertical direction (longitudinal direction) stresses sigma l and transverse stress sigma t both superposition in the resistance change of the effect of the (width direction) (i.e. piezoresistive effect) is determined which acts on the element.
  • This state is expressed by the following equation (3) using longitudinal and lateral piezoresistance coefficients ⁇ l and ⁇ t , where ⁇ R / R is the rate of resistance change due to stress.
  • the piezoresistance coefficient ⁇ l in the vertical direction and the piezoresistance coefficient ⁇ t in the horizontal direction are ⁇ l ⁇ t ⁇ 44 / when a silicon wafer having a crystal plane (100) and orientation flat direction ⁇ 110> is used. 2 relationship.
  • a ⁇ 44 1.381e-3 [MPa -1].
  • the resistance change is reversed between the longitudinal stress acting in the direction of current flow of the piezoresistor and the stress acting in the direction perpendicular to it (lateral stress). That is, when longitudinal stress and lateral stress are generated simultaneously, the piezoresistive effects cancel each other.
  • the sensitivity adjusting piezoresistive element in addition to the sensitivity reduction effect due to the serial connection of the sensitivity adjusting piezoresistive element to the piezoresistive body, the sensitivity adjusting piezoresistive element is provided in a direction orthogonal to the piezoresistor body. The sensitivity reduction effect by this can be acquired.
  • the small resistance (sensitivity adjusting piezoresistive element) is arranged symmetrically with respect to the center line in the width direction of the flexible portion (beams 14a and 14c).
  • the occurrence of thermal imbalance can be further reduced, and a sensor having good characteristics in which the occurrence of offset is further suppressed can be obtained.
  • the beam is formed over the longitudinal direction of each of the beams 14a, 14b, 14c, and 14d, and the X-axis direction, the Y-axis direction, and the Z-axis.
  • Direction acceleration detecting piezoresistive elements x1 to x4, y1 to y4, z1 to z4 and the direction substantially orthogonal to the longitudinal direction of the beams 14a and 14c, and the acceleration detecting piezo elements x1 to x4 are electrically connected to each other. Since the sensitivity-adjusting piezoresistive elements 21 to 24 are connected to each other, the sensitivity can be adjusted efficiently while suppressing the occurrence of offset. Can be realized.
  • the acceleration detecting piezoresistive elements x1 to x4 for the X axis include sensitivity adjusting piezoresistive elements 21.
  • sensitivity adjusting piezoresistive elements 21 In order to reduce the sensitivity of the Y axis or the Z axis, acceleration detecting piezoresistive elements y1 to y4, z1 to z4 for the Y axis or Z axis are used.
  • a sensitivity adjusting piezoresistive element may be connected.
  • the arrangement of the acceleration detecting piezoresistive elements and the sensitivity adjusting piezoresistive elements is not limited to that shown in FIGS. 11A and 11B.
  • the acceleration detecting piezoresistive element pieoresistive body
  • the sensitivity adjusting piezoresistive element may be directly connected.
  • the sensitivity adjusting piezoresistive element is connected to the acceleration detecting piezoresistive element (piezoresistive main body) in a direction extending linearly. Since it is possible to obtain a sensitivity reduction effect due to the provision in the direction orthogonal to the resistor body, the length of the sensitivity adjusting piezoresistive element can be shortened.
  • the triaxial acceleration sensor of the present invention can be widely applied to various devices such as toys such as game controllers, automobile impact detection devices, hard disk drop detection devices, and mobile phone input devices.

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Abstract

　３軸加速度センサ１０のＸ軸方向、Ｙ軸方向及びＺ軸方向の加速度検出用ピエゾ抵抗素子ｘ１～ｘ４，ｙ１～ｙ４，ｚ１～ｚ４は、梁１４ａ，１４ｂ，１４ｃ，１４ｄの長手方向に亘って形成されている。これに加えて、感度調整用ピエゾ抵抗素子２１～２４が、梁１４ａ，１４ｃの長手方向にほぼ直交する方向に亘って形成されており、感度調整用ピエゾ抵抗素子２１～２４は、加速度検出用ピエゾ素子ｘ１～ｘ４に電気的に接続されている。

Description

３軸加速度センサ
　本発明は、ピエゾ抵抗素子を用いてＸ、Ｙ及びＺ軸方向の加速度を検出する３軸加速度センサに関する。
　従来、この種の３軸加速度センサとして、例えば特許文献１で開示されているものがある。図１に示すように、この３軸加速度センサ１は、枠２と、枠２内に設けられた錘３（３ａ～３ｄ）と、枠２と錘３とを連結する十字梁４（４ａ～４ｄ）と、を有する。十字梁４を構成する各梁４ａ～４ｄは、ピエゾ抵抗素子を有する肉薄の可撓性部材となっている。
　図２に示すように、ピエゾ抵抗素子ｘ１～ｘ４，ｙ１～ｙ４，ｚ１～ｚ４は、各梁４ａ～４ｄ上に形成されている。具体的には、梁４ａとそれに対向する梁４ｃには、Ｘ軸方向用のピエゾ抵抗素子ｘ１～ｘ４とＺ軸方向用のピエゾ抵抗素子ｚ１～ｚ４が形成されている。また、梁４ｄとそれに対向する梁４ｂにはＹ軸用のピエゾ抵抗素子ｙ１～ｙ４が形成されている。図３に、図２のＡ－Ａ’断面（ピエゾ抵抗素子ｘ１～ｘ４を含む断面）を示す。また図４に、梁４ａを拡大した平面図を示す。
　各軸用のピエゾ抵抗素子ｘ１～ｘ４，ｙ１～ｙ４，ｚ１～ｚ４はそれぞれホイートストンブリッジ接続されており、３軸加速度センサ１はピエゾ抵抗素子ｘ１～ｘ４，ｙ１～ｙ４，ｚ１～ｚ４の抵抗に応じて変化するホイートストンブリッジの出力に基づいて、Ｘ，Ｙ，Ｚ軸方向の加速度を検出するようになっている。
　つまり、３軸加速度センサ１においては、加速度によって錘３が受ける慣性力に応じて梁４ａ～４ｄが撓み、これに応じて梁４ａ～４ｄ上に形成されたピエゾ抵抗素子ｘ１～ｘ４，ｙ１～ｙ４，ｚ１～ｚ４の抵抗が変化し、この抵抗変化に応じてＸ，Ｙ，Ｚ軸方向の加速度を検出する。
　ところで、図２及び図４に示したように、Ｘ軸方向（又はＹ軸方向）用のピエゾ抵抗素子ｘ１～ｘ４と、Ｚ軸方向用のピエゾ抵抗素子ｚ１～ｚ４は、梁４ａ，４ｃの長手方向の同位置に配置されている。
　しかし、単純にピエゾ抵抗素子を梁の長手方向の同位置に配置すると、Ｘ軸方向及びＹ軸方向の加速度感度と、Ｚ軸方向の加速度感度との間に感度の差が生じてしまう。これは、Ｘ軸方向及びＹ軸方向での梁への変形力は回転モーメントによって与えるのに対して、Ｚ軸方向での梁への変形力は単純に錘の質量×加速度によって与えられるためである。また、Ｘ軸方向及びＹ軸方向の加速度はそれぞれ２つの梁で受けとめられ、２つの梁の変形量として現れるのに対して、Ｚ軸方向の加速度は４つの梁で受けとめられ、４つの梁の変形量として現れるためである。
　ところで、Ｘ軸，Ｙ軸，Ｚ軸方向用のピエゾ抵抗素子を介して得られた出力は、アンプによって増幅される。Ｘ，Ｙ，Ｚ軸方向の加速度感度に差が生じると、その出力を増幅するためのアンプの増幅率を軸方向に応じて変えなければならず、つまり軸方向毎に異なる増幅率のアンプを別々に設けなければならず、その分だけ回路構成が複雑化する問題がある。これに対して、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸方向用のピエゾ抵抗素子の加速度感度が略同じであれば、アンプの増幅率を変える必要がないので、１つのアンプのみを設け、この１つのアンプを３軸方向で共用することができるので、回路構成を簡単化できる。具体的には、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸方向用のピエゾ抵抗素子を介して得られた出力を、マルチプレクサ等を用いて時系列で１つのアンプに順次入力させることで、１つのアンプのみで３方向の検出出力を得ることができる。
　このように、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸方向用のピエゾ抵抗素子の加速度感度を等しくすることは、回路構成を簡単化できるメリットがある。
　各軸方向間のピエゾ抵抗素子の加速度感度を等しくする一つの方法として、特許文献２に開示されている方法がある。特許文献２に開示されている方法は、図５に示すように、Ｘ軸方向（又はＹ軸方向）のピエゾ抵抗素子ｘ１，ｘ２と、Ｚ軸方向のピエゾ抵抗素子ｚ１，ｚ２との梁４ａの長手方向の相対的な配置位置をずらすことにより、Ｘ軸方向（又はＹ軸方向）とＺ軸方向との加速度感度を等しくした（つまりＸ軸方向とＺ軸方向の出力差を小さくした）ものである。図５は、Ｚ軸方向のピエゾ抵抗素子ｚ１，ｚ２の感度がＸ軸方向のピエゾ抵抗素子ｘ１，ｘ２の感度よりも低い場合に、Ｚ軸方向用のピエゾ抵抗素子ｚ１，ｚ２を、より応力の高い梁４ａの付け根方向に配置することで、Ｚ軸の感度を上げて、Ｘ軸方向とＺ軸方向の出力差を小さくした例である。
　また、別の方法として、特許文献３に開示されている方法がある。特許文献３に開示されている方法は、ピエゾ抵抗素子の長さを変えることで、ピエゾ抵抗素子に加わる平均応力を低下させ、これにより各軸方向間のピエゾ抵抗素子の加速度感度を等しくするものである。
特開２００３－１７２７４５号公報 特開２００３－２７９５９２号公報 特開２００６－１７７８２３号公報
　ところで、特許文献２や特許文献３で開示された方法は、梁上の対称性を崩すので、例えば通電時にピエゾ抵抗素子間で発熱による温度分布のアンバランスが生じ、この温度分布のアンバランスによってピエゾ抵抗素子間でオフセットが発生することが予測される。また、オフセットを補正するためには、オフセット補正回路が別途必要となるので、この分だけ回路構成が複雑化する。
　また、特許文献２で開示された方法は、各軸方向用のピエゾ抵抗素子間での抵抗値の差が大きくなるので、流れる電流の差が大きくなり、温度分布のアンバランスがより生じ易くなるおそれがある。
　本発明は、かかる点を考慮してなされたものであり、オフセットの発生を抑制しつつ、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸方向の加速度感度を調整できる、特性の良い３軸加速度センサを提供する。
　本発明の３軸加速度センサの一つの態様は、枠部と、錘部と、可撓性部材でなり、前記枠部と前記錘部とを連結する梁部と、前記梁部を構成する各梁の長手方向に亘って形成され、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向及びＺ軸方向の加速度検出用ピエゾ抵抗素子と、前記梁部を構成する梁の長手方向に略直交する方向に亘って形成され、かつ前記加速度検出用ピエゾ素子に電気的に接続された感度調整用ピエゾ抵抗素子と、を具備する構成を採る。
　本発明によれば、オフセットの発生を抑制しつつ、効率的に感度の調整を行うことができるので、特性の良い３軸加速度センサを得ることができる。
従来の３軸加速度センサの外観構成を示す斜視図 ピエゾ抵抗素子の配置を示す平面図 ピエゾ抵抗素子の配置を示す断面図 ピエゾ抵抗素子の配置を示す平面図 ピエゾ抵抗素子の配置を示す平面図 本発明の実施の形態に係る３軸加速度センサの外観構成を示す斜視図 ピエゾ抵抗素子の十字梁での概略配置を示す平面図 増幅回路の構成例を示す接続図 梁の変形の説明に供する断面図 梁の変形の説明に供する断面図 ピエゾ抵抗素子及び感度調整素子の配置を示す平面図 ピエゾ抵抗素子及び感度調整素子の配置を示す平面図 Ｘ軸方向用のピエゾ抵抗素子の回路イメージを示す接続図 他の実施の形態における、ピエゾ抵抗素子及び感度調整素子の配置を示す平面図 他の実施の形態における、ピエゾ抵抗素子及び感度調整素子の配置を示す平面図
　以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。
　［１］全体構成
　図６に、本発明の実施の形態に係る３軸加速度センサの外観構成を示す。３軸加速度センサ１０は、枠１２と、枠１２内に設けられた錘１３（１３ａ～１３ｄ）と、枠１２と錘１３とを連結する十字梁１４（１４ａ～１４ｄ）と、を有する。十字梁１４を構成する各梁１４ａ～１４ｄは、ピエゾ抵抗素子を有する肉薄の可撓性部材となっている。
　十字梁１４は、中心部分でクローバ状の錘１３と連結されている。この十字梁１４の中心部分は、肉薄で可撓性の十字梁１４が加速度に応じて撓むのに対して、加速度が加わっても錘１３を支持して撓まないため、中心非可動部１５と呼ぶことにする。
　また、枠１２には、ピエゾ抵抗素子に接続され、当該ピエゾ抵抗素子に電圧を印加し及びピエゾ抵抗素子からの出力を取り出すための端子部１６（１６ａ～１６ｄ）が形成されている。
　図７に、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸方向用のピエゾ抵抗素子が、十字梁１４上のどの位置に配置されているかの概略を示す。なお、ピエゾ抵抗素子の詳細な配置については後述する。
　梁１４ａには、Ｘ軸方向用及びＺ軸方向用のピエゾ抵抗素子ｘ１，ｘ２，ｚ１，ｚ２が形成されている。同様に、梁１４ｃには、Ｘ軸方向用及びＺ軸方向用のピエゾ抵抗素子ｘ３，ｘ４，ｚ３，ｚ４が形成されている。
　Ｘ軸方向用のピエゾ抵抗素子ｘ１～ｘ４とＺ軸方向用のピエゾ抵抗素子ｚ１～ｚ４は、梁１４ａ，１４ｃの長手方向（Ｘ方向）の同位置に並列に配置されている。よって、その対称性が確保されている。
　梁１４ｄ，１４ｂには、Ｙ軸方向用のピエゾ抵抗素子ｙ１～ｙ４が形成されている。ここで各ピエゾ抵抗素子ｘ１～ｘ４，ｙ１～ｙ４，ｚ１～ｚ４は、梁１４における、枠１２の近傍位置と、中心非可動部１５の近傍位置に形成されている。つまり、ピエゾ抵抗素子ｘ１～ｘ４，ｙ１～ｙ４，ｚ１～ｚ４は、加速度によって梁１４が撓み易い、梁１４の付け根部分に形成されている。
　なお、本実施の形態では、Ｘ軸方向用のピエゾ抵抗素子ｘ１～ｘ４と、Ｚ軸方向用のピエゾ抵抗素子ｚ１～ｚ４を同一の梁上に形成したが、本実施の形態の３軸加速度センサ１０は構造上、Ｘ軸とＹ軸は等価なので、Ｙ軸方向用のピエゾ抵抗素子ｙ１～ｙ４とＺ軸方向用のピエゾ抵抗素子ｚ１～ｚ４を同一梁上の同位置に並列に配置してもよい。
　各軸方向用のピエゾ抵抗素子ｘ１～ｘ４，ｙ１～ｙ４，ｚ１～ｚ４は、梁１４上又は枠１２上で金属配線又は高濃度拡散配線によって、ホイートストンブリッジ接続されている。梁１４に撓みが生じると、ピエゾ抵抗素子ｘ１～ｘ４，ｙ１～ｙ４，ｚ１～ｚ４に撓み量に応じた抵抗変化が生じる。ピエゾ抵抗素子ｘ１～ｘ４，ｙ１～ｙ４，ｚ１～ｚ４の抵抗変化は、ホイートストンブリッジの出力電圧の変化として現れる。
　ホイートストンブリッジからの出力は、一般に加速度１Ｇに対して０．５～５［ｍＶ］と小さいため、一般にその出力を増幅する回路が必要となる。図８に、その増幅回路の構成を示す。端子部１６から出力された各軸の出力はマルチプレクサに入力される。マルチプレクサは、Ｘ出力１とＸ出力２、Ｙ出力１とＹ出力２、Ｚ出力１とＺ出力２のいずれかを時分割で選択してアンプに出力する。
　本実施の形態においては、各軸のセンサ出力を増幅するアンプを共用している。このように、アンプを共用できるのは、本実施の形態の３軸加速度センサ１０が、各軸で得られる加速度感度を等しくできるためである。その構成については、後述する。
　ここで、３軸加速度センサの製造方法自体は、既知の技術であるので詳述しないが、簡単に説明する。梁１４は、Ｓｉ基板を材料として、半導体プロセスにより製造される。Ｓｉ基板としては、ＳｉＯ２酸化膜層をＳｉで挟み込んだＳＯＩ基板を使用する。ピエゾ抵抗素子ｘ１～ｘ４，ｙ１～ｙ４，ｚ１～ｚ４はＢ（ボロン）又はＰ（リン）といった不純物を、イオン・インプランテーションによってＳｉ基板中に注入することで形成する。高濃度拡散配線や金属配線（Ａｌ等）を形成した後に、ドライ・エッチングによって構造体を形成する。
　次に、図９及び図１０を用いて、梁１４の変形について簡単に説明する。図９は、Ｘ軸方向及びＹ軸の変形の様子を模式的に示したものであり、図１０は、Ｚ軸方向の変形の様子を模式的に示したものである。Ｘ軸方向（又はＹ軸方向）の加速度を受けると、梁１４は図９のように変形する。Ｚ軸方向の加速度を受けると、梁は図１０のように変形する。このような梁の変形に伴って、梁表面に曲げ応力が発生する。梁表面に発生した曲げ応力は、ピエゾ抵抗素子の抵抗値を変化させる。
　図９から分かるように、３軸加速度センサ１０にＸ軸方向及びＹ軸方向の加速度が加えられると、錘１３は回転するような動きをするので、Ｘ軸方向及びＹ軸方向の加速度は、梁部１４にモーメントとして作用する。一方、３軸加速度センサ１０にＺ軸方向の加速度が加えられると、Ｚ軸方向の加速度は、梁部１４にモーメントではなく単純にＺ軸方向への力として作用する。よって、Ｘ軸方向及びＹ軸方向の加速度が加えられたときと、Ｚ軸方向の加速度が加えられたときとでは、梁部１４の撓み状態が異なる。この撓み状態の違いが、Ｘ軸方向及びＹ軸方向の感度（出力）と、Ｚ軸方向の感度（出力）とに差が生じる主原因である。
　［２］ピエゾ抵抗素子及び感度調整素子の詳細構成
　次に、本実施の形態のピエゾ抵抗素子及び感度調整素子の詳細構成を説明する。
　図１１Ａは梁１４ａに形成されたピエゾ抵抗素子（以下、加速度検出用ピエゾ抵抗素子と呼ぶこともある）及び感度調整素子（以下、感度調整用ピエゾ抵抗素子と呼ぶこともある）の配置を示したものである。図１１Ｂは梁１４ｃに形成されたピエゾ抵抗素子及び感度調整素子の配置を示したものである。
　なお、図７では、ピエゾ抵抗素子の大まかな位置を示すために図を簡単化しているが、実際には、本実施の形態のピエゾ抵抗素子は、図１１Ａ及び図１１Ｂに示す位置に配置される。具体的には、図７のピエゾ抵抗素子ｘ１は図１１Ａのピエゾ抵抗素子ｘ１－１，ｘ１－２に対応し、図７のピエゾ抵抗素子ｘ２は図１１Ａのピエゾ抵抗素子ｘ２－１，ｘ２－２に対応し、図７のピエゾ抵抗素子ｚ１は図１１Ａのピエゾ抵抗素子ｚ１－１，ｚ１－２に対応し、図７のピエゾ抵抗素子ｚ２は図１１Ａのピエゾ抵抗素子ｚ２－１，ｚ２－２に対応する。同様に、図７のピエゾ抵抗素子ｘ３は図１１Ｂのピエゾ抵抗素子ｘ３－１，ｘ３－２に対応し、図７のピエゾ抵抗素子ｘ４は図１１Ｂのピエゾ抵抗素子ｘ４－１，ｘ４－２に対応し、図７のピエゾ抵抗素子ｚ３は図１１Ｂのピエゾ抵抗素子ｚ３－１，ｚ３－２に対応し、図７のピエゾ抵抗素子ｚ４は図１１Ｂのピエゾ抵抗素子ｚ４－１，ｚ４－２に対応する。
　図からも分かるように、Ｘ軸方向用のピエゾ抵抗素子ｘ１－１，ｘ１－２，ｘ２－１，ｘ２－２，ｘ３－１，ｘ３－２，ｘ４－１，ｘ４－２及びＺ軸方向用のピエゾ抵抗素子ｚ１－１，ｚ１－２，ｚ２－１，ｚ２－２，ｚ３－１，ｚ３－２，ｚ４－１，ｚ４－２は、梁１４ａ，１４ｃの長手方向に亘って梁１４ａ，１４ｃの長手方向と平行となるように形成されている。
　図１１Ａに示すように、ピエゾ抵抗素子ｘ１－１，ｘ１－２は配線を介して電気的に直列に接続されていると共に、一端が端子Ｔ１，Ｔ４に接続されている。ピエゾ抵抗素子ｘ２－１，ｘ２－２は配線を介して電気的に直列に接続されていると共に、一端が端子Ｔ５，Ｔ８に接続されている。ピエゾ抵抗素子ｚ１－１，ｚ１－２は配線を介して電気的に直列に接続されていると共に、一端が端子Ｔ２，Ｔ３に接続されている。ピエゾ抵抗素子ｚ２－１，ｚ２－２は配線を介して電気的に直列に接続されていると共に、一端が端子Ｔ６，Ｔ７に接続されている。
　同様に、図１１Ｂに示すように、ピエゾ抵抗素子ｘ３－１，ｘ３－２は配線を介して電気的に直列に接続されていると共に、一端が端子Ｔ９，Ｔ１２に接続されている。ピエゾ抵抗素子ｘ４－１，ｘ４－２は配線を介して電気的に直列に接続されていると共に、一端が端子Ｔ１３，Ｔ１６に接続されている。ピエゾ抵抗素子ｚ３－１，ｚ３－２は配線を介して電気的に直列に接続されていると共に、一端が端子Ｔ１０、Ｔ１１に接続されている。ピエゾ抵抗素子ｚ４－１，ｚ４－２は配線を介して電気的に直列に接続されていると共に、一端が端子Ｔ１４，Ｔ１５に接続されている。
　ここで、Ｘ軸用の端子Ｔ１，Ｔ４，Ｔ５，Ｔ８は、Ｘ軸方向用のピエゾ抵抗素子ｘ１－１，ｘ１－２，ｘ２－１，ｘ２－２，ｘ３－１，ｘ３－２，ｘ４－１，ｘ４－２がホイーストンブリッジ接続されるように、図示しない配線によって接続されている。同様に、Ｚ軸用の端子Ｔ２，Ｔ３，Ｔ６，Ｔ７は、Ｚ軸方向用のピエゾ抵抗素子ｚ１－１，ｚ１－２，ｚ２－１，ｚ２－２，ｚ３－１，ｚ３－２，ｚ４－１，ｚ４－２がホイーストンブリッジ接続されるように、図示しない配線によって接続されている。
　かかる構成に加えて、本実施の形態の３軸加速度センサ１０は、感度調整用のピエゾ抵抗素子２１、２２、２３、２４が設けられている。具体的に説明する。感度調整用のピエゾ抵抗素子２１は、ピエゾ抵抗素子ｘ１－１とピエゾ抵抗素子ｘ１－２の間に、ピエゾ抵抗素子ｘ１－１，ｘ１－２と電気的に直列に接続されている。感度調整用のピエゾ抵抗素子２２は、ピエゾ抵抗素子ｘ２－１とピエゾ抵抗素子ｘ２－２の間に、ピエゾ抵抗素子ｘ２－１，ｘ２－２と電気的に直列に接続されている。感度調整用のピエゾ抵抗素子２３は、ピエゾ抵抗素子ｘ３－１とピエゾ抵抗素子ｘ３－２の間に、ピエゾ抵抗素子ｘ３－１，ｘ３－２と電気的に直列に接続されている。感度調整用のピエゾ抵抗素子２４は、ピエゾ抵抗素子ｘ４－１とピエゾ抵抗素子ｘ４－２の間に、ピエゾ抵抗素子ｘ４－１，ｘ４－２と電気的に直列に接続されている。
　感度調整用のピエゾ抵抗素子２１，２２，２３，２４は、梁の長手方向に略直交する方向に亘って形成されている。上述したように、Ｘ軸方向用のピエゾ抵抗素子ｘ１－１，ｘ１－２，ｘ２－１，ｘ２－２，ｘ３－１，ｘ３－２，ｘ４－１，ｘ４－２は、梁１４ａ，１４ｃの長手方向に亘って梁１４ａ，１４ｃの長手方向と平行となるように形成されているので、感度調整用のピエゾ抵抗素子２１，２２，２３，２４はＸ軸方向用のピエゾ抵抗素子ｘ１－１，ｘ１－２，ｘ２－１，ｘ２－２，ｘ３－１，ｘ３－２，ｘ４－１，ｘ４－２が形成された方向に対して、略直交する方向に向かって形成されていると言うことができる。
　また、各感度調整用のピエゾ抵抗素子２１，２２，２３，２４は、梁１４ａ，１４ｃの幅方向の中心線に対して対称に配置されている。
　なお、感度調整用のピエゾ抵抗素子２１は、Ｘ軸方向用のピエゾ抵抗素子ｘ１－１，ｘ１－２及びＺ軸方向用のピエゾ抵抗素子ｚ１－１，ｚ１－２と、梁１４ａの長手方向の中心線Ｌｃとの間に配置され、梁１４ａの長手方向の中心線Ｌｃ上以外の位置であってできるだけ枠１２に近接させた位置に配置されている方が好ましい。
　同様に、感度調整用のピエゾ抵抗素子２２は、Ｘ軸方向用のピエゾ抵抗素子ｘ２－１，ｘ２－２及びＺ軸方向用のピエゾ抵抗素子ｚ２－１，ｚ２－２と、梁１４ａの長手方向の中心線Ｌｃとの間に配置され、梁１４ａの長手方向の中心線Ｌｃ上以外の位置であってできるだけ中心非可動部１５側に近接させた位置に配置されている方が好ましい。
　感度調整用のピエゾ抵抗素子２３は、感度調整用のピエゾ抵抗素子２２と同様に配置されており、Ｘ軸方向用のピエゾ抵抗素子ｘ３－１，ｘ３－２及びＺ軸方向用のピエゾ抵抗素子ｚ３－１，ｚ３－２と、梁１４ｃの長手方向の中心線Ｌｃ’との間に配置され、梁１４ｃの長手方向の中心線Ｌｃ’以外の位置であってできるだけ中心非可動部１５側に近接させた位置に配置されている方が好ましい。
　感度調整用のピエゾ抵抗素子２４は、感度調整用のピエゾ抵抗素子２１と同様に配置されており、Ｘ軸方向用のピエゾ抵抗素子ｘ４－１，ｘ４－２及びＺ軸方向用のピエゾ抵抗素子ｚ４－１，ｚ４－２と、梁１４ｃの長手方向の中心線Ｌｃ’との間に配置され、梁１４ｃの長手方向の中心線Ｌｃ’上以外の位置であってできるだけ枠１２側に近接させた位置に配置されている方が好ましい。
　このように、感度調整用のピエゾ抵抗素子を、梁長手方向の中心と加速度検出用ピエゾ抵抗素子の間で、枠部側、錘部側に近接されて配置したことにより、大きな感度調整効果を得ることができる。
　［３］感度調整素子による電気的作用
　図１２に、本実施の形態におけるＸ軸方向用のピエゾ抵抗素子の回路イメージを示す。
　図中の大きな四角で示すピエゾ抵抗本体３１～３４は、図１１Ａ、図１１Ｂにおけるピエゾ抵抗素子ｘ１－１，ｘ１－２，ｘ２－１，ｘ２－２，ｘ３－１，ｘ３－２，ｘ４－１，ｘ４－２を示す。具体的には、ピエゾ抵抗本体３１はピエゾ抵抗素子ｘ１－１，ｘ１－２を示し、ピエゾ抵抗本体３２はピエゾ抵抗素子ｘ２－１，ｘ２－２を示し、ピエゾ抵抗本体３３はピエゾ抵抗素子ｘ３－１，ｘ３－２を示し、ピエゾ抵抗本体３４はピエゾ抵抗素子ｘ４－１，ｘ４－２を示す。
　また、図中の小さな四角は、感度調整用ピエゾ抵抗素子２１～２４を示す。
　ここで、図に示すように、回路に供給される電圧をＶ０、ピエゾ抵抗本体３１で生じる抵抗をＲ１、感度調整用ピエゾ抵抗素子２１で生じる抵抗をＲ２とすると、ピエゾ抵抗本体３１に印加される電圧Ｖ１は、次式で表される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
　よって、次式で示す分の感度低下効果が得られる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
　前記（２）式で表される感度低下効果は、ピエゾ抵抗本体３１に感度調整用ピエゾ抵抗素子２１を直列接続したことによる感度低下効果である。
　本実施の形態では、この感度低下効果に加えて、ピエゾ抵抗効果による感度低下効果も生じる。次に、このピエゾ抵抗効果による感度低下効果について説明する。
　ピエゾ抵抗素子では、素子に作用する縦方向（長さ方向）の応力σｌ及び横方向（幅方向）の応力σｔの両者の効果の重ね合わせで抵抗変化（すなわちピエゾ抵抗効果）が定まる。この様子は、ΔＲ／Ｒを応力による抵抗変化の割合とすれば、縦方向及び横方向のピエゾ抵抗係数πｌ、πｔを用いて、次式（３）で表される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000003
　因みに、縦方向のピエゾ抵抗係数πｌ及び横方向のピエゾ抵抗係数πｔは、結晶面（１００）及びオリフラ方向＜１１０＞のシリコンウェハを用いた場合、πｌ≒－πｔ≒π４４／２の関係となる。但し、π４４＝１．３８１ｅ－３［ＭＰａ－１］である。
　ここで、ピエゾ抵抗の電流の流れる方向に働く縦方向応力と、それに垂直な方向に働く応力（横方向応力）とでは、抵抗変化が正負逆となる。つまり、縦方向応力と横方向応力とが同時に生じた場合、ピエゾ抵抗効果は互いに打ち消し合うこととなる。
　本実施の形態では、ピエゾ抵抗本体３１（ｘ１－１，ｘ１－２），３２（ｘ２－１，ｘ２－２），３３（ｘ３－１，ｘ３－２），３４（ｘ４－１，ｘ４－２）それぞれに対して、直交する方向に感度調整用ピエゾ抵抗素子２１，２２，２３，２４を設けたことにより、付加した感度調整用ピエゾ抵抗素子２１，２２，２３，２４には横方向ピエゾ抵抗効果が生じるので、感度調整用ピエゾ抵抗素子２１，２２，２３，２４によって、ピエゾ抵抗本体３１（ｘ１－１，ｘ１－２），３２（ｘ２－１，ｘ２－２），３３（ｘ３－１，ｘ３－２），３４（ｘ４－１，ｘ４－２）による縦方向ピエゾ抵抗効果を打ち消すことができる。すなわち、感度調整用ピエゾ抵抗素子２１，２２，２３，２４によって効果的に感度を低下させることができる。
　つまり、本実施の形態では、感度調整用ピエゾ抵抗素子をピエゾ抵抗本体に直列接続したことによる感度低下効果に加えて、感度調整用ピエゾ抵抗素子をピエゾ抵抗本体に対して直交する方向に設けたことによる感度低下効果を得ることができる。
　本実施の形態では、このような２つの感度低下効果を得ることができるので、小さな抵抗（感度調整用ピエゾ抵抗素子）を付加するのみで、効率的に感度の調整を行うことが可能となる。また、小さな抵抗（感度調整用ピエゾ抵抗素子）を付加するのみなので、オフセットの発生が小さく、特性の良いセンサを得ることができる。
　また、本実施の形態では、小さな抵抗（感度調整用ピエゾ抵抗素子）を、可撓部（梁１４ａ，１４ｃ）の幅方向の中心線に対して対称に配置したので、可撓部上での熱的なアンバランスの発生を一段と少なくでき、オフセットの発生が一段と抑制された特性の良いセンサを得ることができる。
　［４］実施の形態の効果
　以上説明したように、本実施の形態によれば、各梁１４ａ，１４ｂ，１４ｃ，１４ｄの長手方向に亘って形成され、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向及びＺ軸方向の加速度検出用ピエゾ抵抗素子ｘ１～ｘ４，ｙ１～ｙ４，ｚ１～ｚ４と、梁１４ａ，１４ｃの長手方向に略直交する方向に亘って形成され、かつ加速度検出用ピエゾ素子ｘ１～ｘ４に電気的に接続された感度調整用ピエゾ抵抗素子２１～２４とを設けたことにより、オフセットの発生を抑制しつつ、効率的に感度の調整を行うことができるので、特性の良い３軸加速度センサ１０を実現できる。
　［５］他の実施の形態
　なお、上述の実施の形態では、例としてＸ軸の感度を低下させるために、Ｘ軸用の加速度検出用ピエゾ抵抗素子ｘ１～ｘ４に感度調整用ピエゾ抵抗素子２１～２４を接続した場合について述べたが、これに限らず、Ｙ軸又はＺ軸の感度を低下させるために、Ｙ軸用又はＺ軸用の加速度検出用ピエゾ抵抗素子ｙ１～ｙ４，ｚ１～ｚ４に、上述の実施の形態と同様に、感度調整用ピエゾ抵抗素子を接続してもよい。
　また、加速度検出用ピエゾ抵抗素子及び感度調整用ピエゾ抵抗素子の配置の仕方は、図１１Ａ及び図１１Ｂに示したものに限らない。
　例えば、図１３に示すように、加速度検出用ピエゾ抵抗素子（ピエゾ抵抗本体）と感度調整用ピエゾ抵抗素子とが直接繋がるように配置してもよい。
　また、図１４に示すように配置してもよい。この場合、加速度検出用ピエゾ抵抗素子（ピエゾ抵抗本体）から直線的に延長する方向に感度調整用ピエゾ抵抗素子を接続する場合と比較して、上述したように、感度調整用ピエゾ抵抗素子をピエゾ抵抗本体に対して直交する方向に設けたことによる感度低下効果を得ることができるので、感度調整用ピエゾ抵抗素子の長さを短くすることができる。
　２００９年６月１７日出願の特願２００９－１４４３９１の日本出願に含まれる明細書、図面及び要約書の開示内容は、すべて本願に援用される。
　本発明の３軸加速度センサは、例えばゲームコントローラ等の玩具や、自動車の衝撃検出装置、ハードディスクの落下検知装置、携帯電話機の入力装置等の種々の装置に広く適用し得る。
　１０　３軸加速度センサ
　１２　枠
　１３ａ～１３ｄ　錘
　１４ａ～１４ｄ　梁
　１６ａ～１６ｄ　端子部
　ｘ１～ｘ４　Ｘ軸方向用のピエゾ抵抗素子
　ｙ１～ｙ４　Ｙ軸方向用のピエゾ抵抗素子
　ｚ１～ｚ４　Ｚ軸方向用のピエゾ抵抗素子
　２１～２４　感度調整用ピエゾ抵抗素子

Claims (3)

  1. 　枠部と、
    　錘部と、
    　可撓性部材でなり、前記枠部と前記錘部とを連結する梁部と、
    　前記梁部を構成する各梁の長手方向に亘って形成され、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向及びＺ軸方向の加速度検出用ピエゾ抵抗素子と、
    　前記梁部を構成する梁の長手方向に略直交する方向に亘って形成され、かつ前記加速度検出用ピエゾ素子に電気的に接続された感度調整用ピエゾ抵抗素子と、
    　を具備する３軸加速度センサ。
  2. 　前記感度調整用ピエゾ抵抗素子は、前記梁の幅方向の中心線に対して線対称に形成されている、
    　請求項１に記載の３軸加速度センサ。
  3. 　前記感度調整用ピエゾ抵抗素子は、前記加速度検出用ピエゾ抵抗素子と前記梁の長手方向の中心線との間に配置され、枠部側又は錘部側に近接して配置されている、
    　請求項１に記載の３軸加速度センサ。
     
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JP2017191112A (ja) * 2017-07-26 2017-10-19 株式会社東芝 慣性センサ

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2006098321A (ja) * 2004-09-30 2006-04-13 Hitachi Metals Ltd 半導体型３軸加速度センサ
JP2007199081A (ja) * 2005-04-06 2007-08-09 Murata Mfg Co Ltd 加速度センサ

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2006098321A (ja) * 2004-09-30 2006-04-13 Hitachi Metals Ltd 半導体型３軸加速度センサ
JP2007199081A (ja) * 2005-04-06 2007-08-09 Murata Mfg Co Ltd 加速度センサ

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113933538A (zh) * 2021-09-18 2022-01-14 重庆邮电大学 一种压阻式高g值加速度计
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