(57)【要約】【課題】Ｘ軸方向（又はＹ軸方向）のピエゾ抵抗素子と、Ｚ軸方向のピエゾ抵抗素子とを、梁の長手方向の同位置に形成した場合でも、Ｘ軸方向（又はＹ軸方向）の加速度感度と、Ｚ軸方向の加速度感度とをほぼ等しくすることができる３軸加速度センサを提供すること。【解決手段】中心非可動部１５の長さ：梁１４の長さ＝１：２とし、又は中心非可動部１５の長さ：錘１３の高さ＝１：２とし、又は中心非可動部１５の長さ：梁１４の長さ：錘１３の高さ＝１：２：２とした。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
枠部と、前記枠部内に設けられた錘部と、各梁がピエゾ素子を有する可撓性部材でなり、前記枠部と前記錘部とを連結する十字梁と、を有し、
Ｚ軸方向の加速度を検出する前記ピエゾ素子と、Ｘ軸又はＹ軸方向の加速度を検出する前記ピエゾ素子とが、前記梁の長手方向の同位置に並列配置されており、
前記十字梁と前記錘部との連結部分である中心非可動部における対向する梁間の長さと、前記錘部の高さと、の比が、１：２とされている
３軸加速度センサ。
【請求項２】
さらに、前記中心非可動部における対向する梁間の長さと、前記十字梁を構成する各梁の長さと、の比が、１：２とされている
請求項１に記載の３軸加速度センサ。
【請求項３】
枠部と、前記枠部内に設けられた錘部と、各梁がピエゾ素子を有する可撓性部材でなり、前記枠部と前記錘部とを連結する十字梁と、を有し、
Ｚ軸方向の加速度を検出するピエゾ素子と、Ｘ軸又はＹ軸方向の加速度を検出するピエゾ素子とが、前記梁の長手方向の同位置に並列配置されており、
前記十字梁と前記錘部との連結部分である中心非可動部における対向する梁間の長さと、前記十字梁を構成する各梁の長さと、の比が、１：２とされている
３軸加速度センサ。
【請求項４】
枠部と、前記枠部内に設けられた錘部と、各梁がピエゾ素子を有する可撓性部材でなり、前記枠部と前記錘部とを連結する十字梁と、を有し、
Ｚ軸方向の加速度を検出するピエゾ素子と、Ｘ軸又はＹ軸方向の加速度を検出するピエゾ素子とが、前記梁の長手方向の同位置に並列配置されており、
前記十字梁と前記錘部との連結部分である中心非可動部における対向する梁間の長さと、前記中心非可動部から前記錘部の重心までの長さと、の比が、１：１とされている
３軸加速度センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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。
【背景技術】
【０００２】
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１７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。
【０００３】
図１８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１９に、図１８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２０に、梁４ａを拡大した平面図を示す。
【０００４】
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。
【０００５】
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。
【０００６】
ところで、図１８及び図２０に示したように、Ｘ軸方向（又はＹ軸方向）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。
【０００７】
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。
【０００８】
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、その分だけ回路構成が複雑化する問題がある。
【０００９】
これを解決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。この方法は、図２１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ものである。図２１は、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軸の感度を上げるようにした例である。
【特許文献１】特開２００３−１７２７４５号公報
【特許文献２】特開２００３−２７９５９２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかしながら、Ｘ軸方向（又はＹ軸方向）とＺ軸方向の加速度感度を等しくするために、Ｘ軸方向（又はＹ軸方向）のピエゾ抵抗素子と、Ｚ軸方向のピエゾ抵抗素子との梁の長手方向の相対的な配置位置をずらすと、配線等を含めた全体的な対称性が崩れ、これによる検出特性の劣化が懸念される。
【００１１】
本発明は、かかる点を考慮してなされたものであり、Ｘ軸方向（又はＹ軸方向）のピエゾ抵抗素子と、Ｚ軸方向のピエゾ抵抗素子とを、梁の長手方向の同位置に形成した場合でも、Ｘ軸方向（又はＹ軸方向）の加速度感度と、Ｚ軸方向の加速度感度とをほぼ等しくすることができる３軸加速度センサを提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明の３軸加速度センサの一つの態様は、枠部と、枠部内に設けられた錘部と、各梁がピエゾ素子を有する可撓性部材でなり、枠部と錘部とを連結する十字梁と、を有し、Ｚ軸方向の加速度を検出するピエゾ素子と、Ｘ軸又はＹ軸方向の加速度を検出するピエゾ素子とが、梁の長手方向の同位置に並列配置されており、十字梁と錘部との連結部分である中心非可動部における対向する梁間の長さと、錘部の高さと、の比が、１：２とされている構成を採る。
【００１３】
また、本発明の３軸加速度センサの一つの態様は、さらに、中心非可動部における対向する梁間の長さと、十字梁を構成する各梁の長さと、の比が、１：２とされている構成を採る。
【００１４】
また、本発明の３軸加速度センサの一つの態様は、十字梁と錘部との連結部分である中心非可動部における対向する梁間の長さと、十字梁を構成する各梁の長さと、の比が、１：２とされている構成を採る。
【００１５】
さらに、本発明の３軸加速度センサの一つの態様は、十字梁と錘部との連結部分である中心非可動部における対向する梁間の長さと、中心非可動部から錘部の重心までの長さと、の比が、１：１とされている構成を採る。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、Ｘ軸方向（又はＹ軸方向）のピエゾ抵抗素子と、Ｚ軸方向のピエゾ抵抗素子とを、梁の長手方向の同位置に形成した場合でも、Ｘ軸方向（又はＹ軸方向）の加速度感度と、Ｚ軸方向の加速度感度とをほぼ等しくすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
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。
【００１８】
図１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。
【００１９】
３軸加速度センサ１０は、十字梁１４の中心部分でクローバ状の錘１３と連結している。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。
【００２０】
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。
【００２１】
ピエゾ抵抗素子は、図２に示す位置に形成されている。本実施の形態の場合、Ｘ方向用、Ｙ軸方向用及びＺ軸方向用として、それぞれ４個のピエゾ抵抗素子ｘ１〜ｘ４，ｙ１〜ｙ４，ｚ１〜ｚ４が形成され、合計１２個のピエゾ抵抗素子が形成されている。
【００２２】
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。梁１４ａの部分を拡大して示した図４からも分かるように、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。
【００２３】
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。
【００２４】
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、図５に示すように、ホイートストンブリッジ接続されている。すなわち、Ｘ軸方向用の４個のピエゾ抵抗素子ｘ１〜ｘ４が図５のように電気的に接続されており、同様に、Ｙ軸方向用のピエゾ抵抗素子ｙ１〜ｙ４、Ｚ軸方向用のピエゾ抵抗素子ｚ１〜ｚ４も図５のように電気的に接続されている。そして、印加電圧Ｖin（又はＩin）が端子部１６を介して入力されると共に、出力１、出力２が端子部１６を介して出力される。
【００２５】
ここで、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６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２１に入力される。マルチプレクサ２１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２２に出力する。
【００２６】
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２２を共用している。このように、アンプ２２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。
【００２７】
図７及び図８を用いて、梁１４の変形について簡単に説明する。Ｘ軸方向の加速度を受けると、梁は図７のように変形する。Ｚ軸方向の加速度を受けると、梁は図８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、図５の出力１，２に電位差を発生させる。この出力差が感度出力となる。
【００２８】
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。
【００２９】
以下、本実施の形態の３軸加速度センサ１０における特徴的な構成について説明する。
【００３０】
本発明の発明者は、中心非可動部１５における対向する梁間の長さ（以下これを中心非可動部の長さと呼ぶ）は、Ｚ軸方向の感度にはほとんど影響を与えないが、Ｘ軸方向及びＹ軸方向の感度には大きな影響を与えるため、この中心非可動部１５の長さが重要なパラメータであると考えた。これは、Ｘ軸方向及びＹ軸方向の感度は、中心非可動部１５の端部の回転変位量によって変化するためである。
【００３１】
本実施の形態の３軸加速度センサ１０においては、十字梁１４を構成する各梁１４ａ〜１４ｄの長さＬ１と、錘１３の高さＴと、中心非可動部１５の長さＬ２との関係を、最適化することにより、各軸の加速度感度を等しくした。
【００３２】
本実施の形態の３軸加速度センサ１０は、
梁１４の長さＬ１：錘１３の高さＴ：中心非可動部１５の長さＬ２
＝２：２：１                ………（１）
の関係とされている。これにより、各軸の加速度感度を等しくできる。
【００３３】
次に、梁１４の長さＬ１、錘１３の高さＴ、中心非可動部１５の長さＬ２を上記（１）のように設定した理由について説明する。
【００３４】
本発明の発明者は、先ず、３軸加速度センサを構成する各部の寸法が、Ｘ（又はＹ）感度とＺ感度の感度比にどのような影響を与えるかを、実験により調べた。その実験結果を、図９〜図１３に示す。
【００３５】
図９は、上記（１）の関係のうち、Ｔ：Ｌ２＝２：１の関係を満たしながら、梁１４の長さＬ１を変化させた場合の感度比を調べたものである。図９から梁１４の長さによって感度比が変化することが分かる。図１０は、上記（１）の関係を満たしながら、梁１４の厚み（肉厚）を変化させた場合の感度比を調べたものである。図１０から梁１４の厚みによっては感度比が変化しないことが分かる。図１１は、上記（１）の関係を満たしながら、梁１４の幅Ｗを変化させた場合の感度比を調べたものである。図１１から梁１４の幅Ｗによっては感度比が変化しないことが分かる。図１２は、上記（１）の関係のうち、Ｌ１：Ｌ２＝２：１の関係を満たしながら、錘１３の高さＴを変化させた場合の感度比を調べたものである。図１２から錘１３の高さＴによって感度比が変化することが分かる。図１３は、上記（１）の関係のうち、Ｌ１：Ｔ＝２：２の関係を満たしながら、中心非可動部１５の長さＬ２を変化させた場合の感度比を調べたものである。図１３から中心非可動部１５の長さによって感度比が変化することが分かる。
【００３６】
本発明の発明者は、この実験結果から、感度差に影響を及ぼすパラメータは、梁１４の長さＬ１、錘１３の高さＴ、中心非可動部１５の長さＬ２であることを見出した。特に、中心非可動部１５の長さＬ２は、Ｘ軸（又はＹ軸）とＺ軸との感度差を無くす上で重要なパラメータであり、中心非可動部１５の長さＬ２と、梁１４の長さＬ１及び錘１３の高さＴとの関係を最適化すれば感度差をなくすことができる（すなわち感度比を１にできる）と考え、本発明に至った。
【００３７】
図１４に、梁１４の長さＬ１：錘１３の高さＴ：中心非可動部１５の長さＬ２＝２：２：１とした場合の実験結果を示す。この実験結果からも、上記（１）を満たすようにすれば、Ｘ（又はＹ）とＺとの感度比が１、すなわちＸ（又はＹ）とＺとの感度を等しくできることが分かる。
【００３８】
以上説明したように、本実施の形態によれば、梁１４の長さＬ１：錘１３の高さＴ：中心非可動部１５の長さＬ２＝２：２：１としたことにより、Ｘ，Ｙ，Ｚの感度が等しい３軸加速度センサ１０を実現できる。
【００３９】
これにより、感度差に応じてアンプの増幅率を変更する必要がなくなるので、図６に示したように各軸のアンプ２２を共用でき、増幅回路の回路規模を小さくできる。
【００４０】
また、本実施の形態の構成によれば、Ｘ軸方向（又はＹ軸方向）のピエゾ抵抗素子ｘ１〜ｘ４（ｙ１〜ｙ４）と、Ｚ軸方向のピエゾ抵抗素子ｚ１〜ｚ４とを、梁の長手方向の同位置に形成した場合でも、Ｘ，Ｙ，Ｚの感度を等しくできるので、ピエゾ抵抗素子の対称性を崩さずに済み、配線等を含めた全体的な対称性の崩れによる検出特性の劣化を回避できる。
【００４１】
なお、上述の実施の形態では、錘１３をクローバ状の４つの錘１３ａ〜１３ｄ（厳密には錘１３ａ〜１３ｄと中心非可動部１５直下の連結部）から構成した場合について述べたが、本発明はこれに限らず、例えば図１５及びそのＡ−Ａ’断面である図１６に示したように、１つの直方体形状の錘３１を中心非可動部１５の直下に設けるようにした場合でも、上述の関係式を満たすように構成すれば、実施の形態と同様の効果を得ることができる。
【００４２】
また、上述の実施の形態では、梁１４の長さＬ１：錘１３の高さＴ：中心非可動部１５の長さＬ２＝２：２：１とした場合について述べたが、本発明はこれに限らない。本発明で特に重要なのは、中心非可動部１５の長さＬ２と梁１４の長さＬ１との関係、及び、中心非可動部１５の長さＬ２と錘１３の高さＴとの関係である。
【００４３】
よって、中心非可動部１５の長さＬ２：錘１３の高さＴ＝１：２にするだけでも、感度比が等しくなる方向に改善できる。同様に、中心非可動部１５の長さＬ１：梁１５の長さＬ１＝１：２にするだけでも、感度比が等しくなる方向に改善できる。
【００４４】
さらに、原理的には、中心非可動部１５の長さＬ２：中心非可動部１５から錘１３の重心までの長さ＝１：１とすることが重要であり、錘１３の形状を多少変化させて実施する場合でも、この関係を満たしていれば、実施の形態と同様の効果を得ることができる。
【００４５】
因みに、梁１４の長さＬ１と、錘１３の高さＴと、中心非可動部１５の長さＬ２との関係は、上述した関係値を厳密に満たしている必要はなく、要は、アンプを共用化した場合に、実際上問題のない程度の感度比が得られる程度の関係値を有していればよい。
【産業上の利用可能性】
【００４６】
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。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【図１】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
【図２】実施の形態の３軸加速度センサの平面図
【図３】図２の３軸加速度センサをＡ−Ａ’で切った断面図
【図４】ピエゾ抵抗素子の形成位置の説明に供する梁の拡大図
【図５】ホイートストンブリッジを示す接続図
【図６】増幅回路の構成を示す接続図
【図７】Ｘ軸方向の加速度を受けた場合の梁の変形を示す図
【図８】Ｚ軸方向の加速度を受けた場合の梁の変形を示す図
【図９】梁の長さと感度比との関係を示す図
【図１０】梁の厚みと感度比との関係を示す図
【図１１】梁の幅と感度比との関係を示す図
【図１２】錘の高さと感度比との関係を示す図
【図１３】中心非可動部の長さと感度比との関係を示す図
【図１４】実施の形態の３軸加速度センサの感度比を示す図
【図１５】他の実施の形態の３軸加速度センサの構成を示す平面図
【図１６】図１５の３軸加速度センサをＡ−Ａ’で切った場合の断面図
【図１７】従来の３軸加速度センサの構成例を示す斜視図
【図１８】図１７の３軸加速度センサの平面図
【図１９】図１８の３軸加速度センサをＡ−Ａ’で切った断面図
【図２０】ピエゾ抵抗素子の形成位置の説明に供する梁の拡大図
【図２１】ピエゾ抵抗素子の形成位置の説明に供する梁の拡大図
【符号の説明】
【００４８】
１０  ３軸加速度センサ
１２  枠
１３（１３ａ〜１３ｄ）  錘
１４（１４ａ〜１４ｄ）  梁
１５  中心非可動部
１６（１６ａ〜１６ｄ）  端子部
ｘ１〜ｘ４  Ｘ軸方向用ピエゾ抵抗素子
ｙ１〜ｙ４  Ｙ軸方向用ピエゾ抵抗素子
ｚ１〜ｚ４  Ｚ軸方向用ピエゾ抵抗素子
２２  アンプ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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