(57)【要約】  【課題】  他軸感度が低く、高い精度を有するセンサを提供する。  【解決手段】  センサは、上面視形状が四角形状の重錘体と、上面視したときに、重錘体と間隔をあけて重錘体を取り囲む枠体と、上面視したときに、重錘体の第１辺に沿って延びる第１部位を有するとともに第１辺に隣接する第２辺に沿って延びる第２部位を有する折れ曲がった棒状体であり、第１部位側の端部が重錘体に接続されているとともに第２部位側の端部が枠体に接続されている接続体と、重錘体に加わる上下方向の力を検出する第１検出部および第２検出部とを具備しており、第１検出部が第２部位における第１部位との接続部近傍に位置し、第２検出部が第２部位における枠体との接続部近傍に位置し、第２部位の上面視において、第１検出部よりも第２検出部の方が第２部位の重錘体側の側面に近い。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
上面視形状が四角形状の重錘体と、
上面視したときに、前記重錘体と間隔をあけて前記重錘体を取り囲む枠体と、
上面視したときに、前記重錘体の第１辺に沿って延びる第１部位を有するとともに前記第１辺に隣接する第２辺に沿って延びる第２部位を有する折れ曲がった棒状体であり、前記第１部位側の端部が前記重錘体に接続されているとともに前記第２部位側の端部が前記枠体に接続されている接続体と、
前記重錘体に加わる上下方向の力を検出する第１検出部および第２検出部とを具備しており、
前記第１検出部が前記第２部位における前記第１部位との接続部近傍に位置し、前記第２検出部が前記第２部位における前記枠体との接続部近傍に位置し、前記第２部位の上面視において、前記第１検出部よりも前記第２検出部の方が前記第２部位の前記重錘体側の側面に近いセンサ。
【請求項２】
前記第１検出部は、前記第２部位の前記重錘体とは反対側の側面寄りに位置している、請求項１に記載のセンサ。
【請求項３】
前記第２部位に位置しており、前記重錘体に加わる前記第２部位に沿った方向の力を検出する第３検出部および第４検出部をさらに具備している、請求項１または２に記載のセンサ。
【請求項４】
前記第３検出部および前記第４検出部は互いに近接している、請求項３に記載のセンサ。
【請求項５】
前記第３検出部および前記第４検出部は前記第１検出部と前記第２検出部との間に位置している、請求項３または４に記載のセンサ。
【請求項６】
前記第１部位に位置しており、前記重錘体に加わる前記第１部位に沿った方向の力を検出する第５検出部および第６検出部をさらに具備している、請求項１乃至５のいずれかに記載のセンサ。
【請求項７】
前記第５検出部および前記第６検出部は互いに近接している、請求項６に記載のセンサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、加速度、角速度等の物理量を検出するセンサに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、加速度や角速度等の物理量を検出するセンサが知られている。特許文献１には、半導体基板にピエゾ抵抗素子から成る検出素子を形成した加速度センサが記載されている。
【０００３】
このようなセンサは、重錘体と、その周囲を取り囲むフレーム部（枠体）との間を、可撓性をもった可撓部（接続体）で繋いだ構造をもつ。そして、検出素子は接続体に設けられており、重錘体の動きに応じて変形する接続体の変形量を検出素子で検出することによって、加速度や角速度等の物理量を測定することができる。
【０００４】
上記センサを３次元方向の動きを検出するセンサとして用いる場合、３軸（Ｘ軸、Ｙ軸およびＺ軸）のそれぞれの軸方向に対応した複数の検出素子が設けられている。つまり、センサには、Ｘ軸方向の動きを検出する検出素子、Ｙ軸方向の動きを検出する検出素子、およびＺ軸方向の動きを検出する検出素子のように、３種類の検出素子が設けられている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１０−２１６８３６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
電子機器等に搭載される上記センサは、さらなる高精度化が要求されている。センサの精度を高めるには、対象とする１つの軸方向の動きを検出する検出素子において、この対象とする軸方向に対する感度を高くするとともに、対象としない他の軸方向に対する感度（以下では、対象としない他の軸方向に対する感度のことを他軸感度という）を低くすることが有効である。特許文献１のような従来のセンサでは、例えばＺ軸方向の動きを検出する検出素子がＹ軸方向の動きも検出する傾向があり、他軸感度を低くするのが困難である。
【０００７】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、他軸感度を低くすることによって、センサの精度を高めることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の一態様に係るセンサは、上面視形状が四角形状の重錘体と、上面視したときに、前記重錘体と間隔をあけて前記重錘体を取り囲む枠体と、上面視したときに、前記重錘体の第１辺に沿って延びる第１部位を有するとともに前記第１辺に隣接する第２辺に沿って延びる第２部位を有する折れ曲がった棒状体であり、前記第１部位側の端部が前記重錘体に接続されているとともに前記第２部位側の端部が前記枠体に接続されている接続体と、前記重錘体に加わる上下方向の力を検出する第１検出部および第２検出部とを具備しており、前記第１検出部が前記第２部位における前記第１部位との接続部近傍に位置し、前記第２検出部が前記第２部位における前記枠体との接続部近傍に位置し、前記第２部位の上面視において、前記第１検出部よりも前記第２検出部の方が前記第２部位の前記重錘体側の側面に近い。
【発明の効果】
【０００９】
上記一態様のセンサによれば、他軸感度が低く、高い精度を有するセンサとすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の一実施形態に係るセンサの概略構成を示す上面図である。
【図２】図１のセンサのＩ−Ｉ線での断面図である。
【図３】図１のセンサのII−II線での断面図である。
【図４】図１のセンサにおける応力分布の様子を示す、要部上面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
本発明の実施形態について、図面を参照しながら説明する。なお、図１〜図４には、右手系のＸＹＺ座標系が付されており、以下では、便宜上、Ｚ軸方向を上下方向として説明をするが、センサの使用において必ずしも上下方向が重力の方向に限定されるわけではない。
【００１２】
＜センサの構成＞
図１は、一実施形態に係るセンサ１００の上面図であり、図２は図１のＩ−Ｉ線における断面図であり、図３は図１のII−II線における断面図である。センサ１００は、枠体１０と、枠体１０の内側に位置する重錘体２０と、枠体１０と重錘体２０とを接続する接続体３０と、加速度や角速度等の物理量を検出する検出素子Ｒｘ、Ｒｙ、Ｒｚとを有する。以下、各部位について詳述する。
【００１３】
センサ１００に加速度や角速度等が加わると、加速度や角速度等に応じた力が重錘体２０に作用し、重錘体２０が動くことで接続体３０が撓むようになっている。そして、接続体３０の撓み量に応じた電気信号を検出素子Ｒｘ、Ｒｙ、Ｒｚにより検出し、不図示の電気配線によりその電気信号を取出し演算することにより加速度を検出することができる。
【００１４】
重錘体２０は、平面視形状が正方形等の四角形状であり、四角形状の一辺の長さが例えば０．１ｍｍ〜０．７ｍｍに設定される。また、重錘体２０の厚みは、例えば０．０５ｍｍ〜０．７ｍｍに設定される。
【００１５】
そして、このような重錘体２０を囲繞するように枠状の枠体１０が設けられている。枠体１０は、平面視形状が正方形等の四角形状をなし、中央部に重錘体２０より若干大きい四角形状の開口部を有している。枠体１０は、その一辺の長さが例えば０．５ｍｍ〜３ｍｍに設定され、枠体１０を構成するアームの幅（アームの長手方向と直交する方向の幅）は例えば０．０５ｍｍ〜１．８ｍｍに設定される。また枠体１０の厚み（Ｚ軸方向の長さ）は、例えば０．２ｍｍ〜０．７ｍｍに設定される。
【００１６】
このような枠体１０と重錘体２０との間には図１に示すように接続体３０が設けられている。接続体３０は可撓性を有し、センサ１００に加速度や角速度等が加わると重錘体２０が動き、重錘体２０の動きに伴って接続体３０が撓むようになっている。ここで、接続体３０は、上面視したときに、四角形状の重錘体２０の第１辺２０ａに沿って延びる第１部位３０ａを有するとともに、第１辺２０ａに隣接する第２辺２０ｂに沿って延びる第２部位３０ｂを有する折れ曲がった棒状体である。そして、この接続体３０の第１部位３０ａ側の端部が重錘体２０に接続されているとともに第２部位３０ｂ側の端部が枠体１０に接続されている。つまり、接続体３０は、重錘体２０の側面と枠体１０の内側面との間を、重錘体２０と間隔をあけているとともに枠体１０と間隔をあけて延びている。また、接続体３０は重錘体２０の反対側の２辺に沿っても同じ形状の接続体３０が設けられており
、これら一対の接続体３０によって重錘体２０が枠体１０に接続されている。このように接続体３０を折れ曲がった棒状体とすることで、重錘体２０の動きに対する接続体３０の撓み量を大きくして感度を高めることができる。
【００１７】
接続体３０は、例えば、幅（長手方向と直交する方向の長さ）が０．０４ｍｍ〜０．２ｍｍに設定され、厚み（図２における接続体３０のＺ軸方向の長さ）が５μｍ〜２０μｍに設定されている。このように接続体３０を細長く且つ薄く形成することによって可撓性が発現される。
【００１８】
以上のような枠体１０、重錘体２０および接続体３０は、Ｓｉ等から成る基板を、従来周知の半導体微細加工技術、例えばフォトリソグラフィ法やディープドライエッチングを用いて所定の形状にパターニングすることによって形成することができる。
【００１９】
なお、上記基板はＳｉ等の単一材料から成るものに限らず、ＳＯＩ基板（Silicon on Insulator）のような、エッチング等の加工性が異なる材料の積層体であってもよい。その場合、基板材料の加工性の違いを利用して、より複雑なパターニングが容易となる。
【００２０】
接続体３０には少なくとも検出素子Ｒｚが配されている。検出素子Ｒｚは、重錘体２０に加わる上下方向（Ｚ軸方向）の力を検出するためのものである。この検出素子Ｒｚは1
つの接続体３０における第２部位３０ｂに一対の第１検出部Ｒｚ１および第２検出部Ｒｚ２を有している。第１検出部Ｒｚ１は、第２部位３０ｂにおける第１部位３０ａとの接続部近傍に位置している。また、第２検出部Ｒｚ２は、第２部位３０ｂにおける枠体１０との接続部近傍に位置している。同様に、重錘体２０の反対側にも同じ構成の接続体３０（第１部位３０ｃおよび第２部位３０ｄを有する）および検出素子Ｒｚ（第１検出部Ｒｚ３および第２検出部Ｒｚ４を有する）を有している。この反対側の接続体３０の第２部位３０ｄにおける第１部位３０ｃとの接続部近傍に第１検出部Ｒｚ３が位置しており、第２部位３０ｄにおける枠体１０との接続部近傍に第２検出部Ｒｚ４が位置している。これらの第１検出部Ｒｚ１、Ｒｚ３および第２検出部Ｒｚ２、Ｒｚ４は、ブリッジ回路を構成するように結線されており、重錘体２０の上下方向の動きに応じて接続体３０が撓み、その撓み量を精度よく測定することができる。
【００２１】
そして、接続体３０を上面視したときに、第１検出部Ｒｚ１よりも第２検出部Ｒｚ２の方が第２部位３０ｂの重錘体２０側の側面（第２部位３０ｂの＋Ｘ側の側面）に近い構成である。同様に、反対側の接続体３０を上面視したときに、第１検出部Ｒｚ３よりも第２検出部Ｒｚ４の方が第２部位３０ｄの重錘体２０側の側面（第２部位３０ｄの−Ｘ側の側面）に近い構成である。
【００２２】
このような構成によって、検出素子Ｒｚの他軸感度を低くすることができ、より精度を高めることができる。これは以下の理由による。第１検出部Ｒｚ１および第２検出部Ｒｚ２が第２部位３０ｂの両端部にそれぞれ位置する場合、第２部位３０ｂの両端部は変形量が大きいため、重錘体２０の上下方向（Ｚ軸方向）の動きに対する検出感度を高めることができる。ここで、第１検出部Ｒｚ１および第２検出部Ｒｚ２は、重錘体２０のＹ軸方向の動き（Ｚ軸方向の成分は０）に対する他軸感度は０に近い方がよい。しかし、接続部３０のように折れ曲がった構造では、重錘体２０に対してＹ軸方向に力が加わった場合（図４の矢印Ａで示す方向に力が加わっており、Ｚ軸方向の成分は０である）、第２部位３０ｂに加わる応力の分布が、図４に示すような状態となる傾向がある。図４において、第２部位３０ｂに加わる応力の大きさの違いに応じてハッチングの種類を変えており、同じハッチングの領域は、同程度の応力が加わっていることを示す。このように応力分布に対して、一対の第１検出部Ｒｚ１および第２検出部Ｒｚ２を、Ｙ軸方向に延びる直線上に配置（第１検出部Ｒｚ１および第２検出部Ｒｚ２を第２部位３０ｂの重錘体２０側の側面から
の距離が同じとなるように配置）すると、第１検出部Ｒｚ１および第２検出部Ｒｚ２は異なる応力の領域に位置することになる。その結果、重錘体２０に対して加わる力がＹ軸方向のみであり、Ｚ軸方向の成分は無いにもかかわらず、Ｚ軸方向の力が加わったものと認識してしまい、他軸感度を有するものとなる。これに対し、接続体３０を上面視したときに、第１検出部Ｒｚ１よりも第２検出部Ｒｚ２の方が第２部位３０ｂの重錘体２０側の側面に近い構成とすれば、図４に示すように第１検出部Ｒｚと第２検出部Ｒｚ２とを同程度の応力の領域に位置させることができる。よって、他軸感度を低くして、精度を高めることが可能となる。
【００２３】
Ｚ軸方向の感度をより高めるという観点からは、第１検出部Ｒｚ１を、第２部位３０ｂの重錘体２０とは反対側の側面（外側の側面）寄りに位置させてもよい。つまり、第１検出部Ｒｚ１と第２部位３０ｂの内側の側面との距離よりも、第１検出部Ｒｚ１と第２部位３０ｂの外側の側面との距離を短くしてもよい。このような構成によって、第２部位３０ｂの両端部において、第１検出部Ｒｚ１をより第１部位３０ａに近づけるとともに第２検出部Ｒｚ２をより枠体１０に近づけることができ、それぞれの検出部を変形量のより大きい位置に配置することができる。
【００２４】
また、重錘体２０に加わる力を多次元方向に検出するため、接続体３０にはＺ軸方向を検出する検出素子Ｒｚだけでなく、他の方向を検出する検出素子が配されていてもよい。例えば図１では、接続体３０の第２部位３０ｂに、重錘体２０に加わる第２部位３０ｂに沿った方向（Ｙ軸方向）の力を検出する検出素子Ｒｙが配されている。なお、この第２部位３０ｂにおける検出素子Ｒｙは一対の第３検出部Ｒｙ１および第４検出部Ｒｙ２を有している。同様に、反対側の接続体３０の第２部位３０ｄに、重錘体２０に加わる第２部位３０ｄに沿った方向（Ｙ軸方向）の力を検出する検出素子Ｒｙが配されている。なお、この第２部位３０ｄにおける検出素子Ｒｙは一対の第３検出部Ｒｙ３および第４検出部Ｒｙ４を有している。これらの第３検出部Ｒｙ１、Ｒｙ３および第４検出部Ｒｙ２、Ｒｙ４はブリッジ回路を構成するように結成されており、重錘体２０のＹ軸方向の動きに応じて接続体３０が撓み、その撓み量を精度よく測定することができる。
【００２５】
他軸感度をより低くするという観点からは、図１に示すように、第２部位３０ｂにおける一対の第３検出部Ｒｙ１および第４検出部Ｒｙ２同士を近接させてもよい。つまり、第２部位３０ｂの幅方向（Ｘ軸方向）において、第３検出部Ｒｙ１および第４検出部Ｒｙ２同士が対向するようにしてもよい。同様に、第２部位３０ｄにおける一対の第３検出部Ｒｙ３および第４検出部Ｒｙ４同士を近接させてもよい。このような構成にすることによって、重錘体２０に対してＹ軸方向以外のＸ軸方向やＺ軸方向に力が加わった場合に、一対の第３検出部Ｒｙ１および第４検出部Ｒｙ２同士に生じる応力差、ならびに、一対の第３検出部Ｒｙ３および第４検出部Ｒｙ４同士に生じる応力差を小さくすることができ、他軸感度を低減することができる。
【００２６】
センサの精度をより高めるという観点からは、第３検出部Ｒｙ１および第４検出部Ｒｙ２は第１検出部Ｒｚ１と第２検出部Ｒｚ２との間に位置していてもよい。同様に、第３検出部Ｒｙ３および第４検出部Ｒｙ４は第１検出部Ｒｚ３と第２検出部Ｒｚ４との間に位置していてもよい。このような構成にすることによって、他軸感度を低くしながら検出素子Ｒｚの配置をより感度が高くなる位置に配することが可能となる。
【００２７】
また、重錘体２０に加わる力を多次元方向に検出するため、例えば図１では、接続体３０の第１部位３０ａに、重錘体２０に加わる第１部位３０ａに沿った方向（Ｘ軸方向）の力を検出する検出素子Ｒｘが配されている。なお、この第１部位３０ａにおける検出素子Ｒｘは一対の第５検出部Ｒｘ１および第６検出部Ｒｘ２を有している。同様に、反対側の接続体３０の第１部位３０ｃに、重錘体２０に加わる第１部位３０ｃに沿った方向（Ｘ軸
方向）の力を検出する検出素子Ｒｘが配されている。なお、この第１部位３０ｃにおける検出素子Ｒｘは第５検出部Ｒｘ３および第６検出部Ｒｘ４を有している。これらの第５検出部Ｒｘ１、Ｒｘ３および第６検出部Ｒｘ２、Ｒｘ４はブリッジ回路を構成するように結成されており、重錘体２０のＸ軸方向の動きに応じて接続体３０が撓み、その撓み量を精度よく測定することができる。
【００２８】
他軸感度をより低くするという観点からは、図１に示すように、第１部位３０ａにおける一対の第５検出部Ｒｘ１および第６検出部Ｒｘ２同士を近接させてもよい。つまり、第１部位３０ａの幅方向（Ｙ軸方向）において、第５検出部Ｒｘ１および第６検出部Ｒｘ２同士が対向するようにしてもよい。同様に、第１部位３０ｃにおける一対の第５検出部Ｒｘ３および第６検出部Ｒｘ４同士を近接させてもよい。このような構成にすることによって、重錘体２０に対してＸ軸方向以外のＹ軸方向やＺ軸方向に力が加わった場合に、一対の第５検出部Ｒｘ１および第６検出部Ｒｘ２同士に生じる応力差、ならびに、一対の第５検出部Ｒｘ３および第６検出部Ｒｘ４同士に生じる応力差を小さくすることができ、他軸感度を低減することができる。
【００２９】
検出素子Ｒｘ、Ｒｙ、Ｒｚは、例えば、ピエゾ抵抗素子を用いることができる。このような検出素子Ｒｘ、Ｒｙ、Ｒｚは、例えば以下のようにして作製することができる。まず、上層部がＳｉから成る接続体３０の上面にレジストを被着し、このレジストに所望の形状の開口部を形成する。そして、この開口部内に露出したＳｉにボロン（Ｂ）を打ち込んで抵抗体を形成した後、レジストを除去することによって、所望の形状の検出素子Ｒｘ、Ｒｙ、Ｒｚを作製することができる。あるいは、検出素子Ｒｘ、Ｒｙ、Ｒｚの形状をより精度よく形成するという観点からは、上記の上層部がＳｉから成る接続体３０の表面に酸化膜（ＳｉＯ２膜）を形成しておいてもよい。この場合、この酸化膜の上面にレジストを被着し、このレジストに所望の形状の開口部を形成する。次に、この開口部内の酸化膜を除去して、酸化膜にも所望の形状の開口部を形成する。そして、このレジストおよび酸化膜の開口部内に露出したＳｉにボロンを打ち込んで抵抗体を形成した後、レジストを除去することによって、所望の形状の検出素子Ｒｘ、Ｒｙ、Ｒｚを作製することができる。また、検出素子Ｒｘ、Ｒｙ、Ｒｚは、以下のようにして作製してもよい。つまり、上層部がＳｉから成る接続体３０の表面全面にボロンを打ち込むことにより抵抗体膜を形成した後、抵抗体膜をエッチングなどにより所定の形状にパターニングすることによって所望の形状の検出素子Ｒｘ、Ｒｙ、Ｒｚを作製してもよい。
【００３０】
検出素子Ｒｘ、Ｒｙ、Ｒｚとしてピエゾ抵抗素子を用いた場合には、接続体３０の撓みに起因する変形に応じて抵抗値が変化し、この抵抗値の変化に基づく出力電圧の変化を電気信号として取り出し、これを外部のＩＣで演算処理することによって印加された加速度の方向並びに大きさや圧力の増減および大きさを検出することができる。
【００３１】
なお、検出素子Ｒｘ、Ｒｙ、Ｒｚから電気的に接続された配線（図示せず）および外部のＩＣ等へ取り出すためのパッド電極４０等が、枠体１０や接続体３０の上面に設けられており、これらを介して電気信号の外部への取り出しなどを行っている。
【００３２】
これらの配線やパッド電極４０等は、例えば、アルミニウム、アルミニウム合金などからなり、これらの材料をスパッタリングなどにより成膜した後、所定の形状にパターニングすることにより枠体１０，接続体３０の上面に形成される。
【００３３】
なお、本実施形態のセンサ１００において、角速度を検出するセンサとするためには、重錘体２０をＸＹ平面内で回旋運動させればよい。重錘体２０を回旋運動させるためには、例えば、互いに向き合う重錘体２０の側面と枠体１０の内周面とに電極を設けて静電引力により実現してもよいし、センサ１００の外側に磁力を発生させて実現してもよい。
【００３４】
本発明は上述の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々の変更、改良などが可能である。
【符号の説明】
【００３５】
１０：枠体
２０：重錘体
３０：接続体
３０ａ、３０ｃ：第１部位
３０ｂ、３０ｄ：第２部位
１００：センサ
Ｒｘ、Ｒｙ、Ｒｚ：検出素子
Ｒｚ１、Ｒｚ３：第１検出部
Ｒｚ２、Ｒｚ４：第２検出部
Ｒｙ１、Ｒｙ３：第３検出部
Ｒｙ２、Ｒｙ４：第４検出部
Ｒｚ１、Ｒｚ３：第５検出部
Ｒｚ２、Ｒｚ４：第６検出部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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