WO2012098901A1 - 加速度センサ - Google Patents

Abstract

　加速度センサは、内部に中空領域が形成された枠部と、枠部から中空領域に延伸した４つの梁部と、４つの梁部の他端にそれぞれ接続された４つの錘部と、４つの梁部にそれぞれ設けられた４つの検出部とを備える。２つの梁部の一端は、中空領域を挟んで互いに反対側の部分にそれぞれ接続されている。２つの錘部は中空領域の中心部を挟んで対向する。他の２つの梁部の一端は、中空領域を挟んで互いに反対側の部分にそれぞれ接続されている。他の２つの錘部と中空領域の中心部を挟んで対向する。この加速度センサは、感度ばらつきを抑制し、また、感度の経時変化を抑制することができる。

Description

加速度センサ

　本発明は、車両や携帯端末等に用いられる加速度センサに関する。

　図１９は特許文献１に記載されている従来の加速度センサ１の上面図である。図２０Ａと図２０Ｂは図１９に示す加速度センサ１の線２０Ａ－２０Ａにおける断面図である。加速度センサ１は、内部に中空領域２が形成された枠部３と、枠部３にそれぞれ一端が接続された梁部４、５、６、７と、梁部４、５、６、７の他端に接続された錘部８と、錘部８に接続された補助錘部９、１０、１１、１２と、梁部４、５、６、７上にそれぞれ設けられた検出部１３、１４、１５、１６とを備える。梁部４、５、６、７は枠部３から中空領域２に延伸する。

　加速度センサ１では、接着材１７を用いて枠部３を基板１８に接着した際に、応力が梁部４、５、６、７に残留し、この応力に起因して加速度センサ１の形状が変化する座屈現象が生じる場合がある。特に、錘部８が４つの梁部４、５、６、７により枠部３と接続されているので、４つの梁部４、５、６、７が互いに異なる座屈のモードで曲がる。座屈現象は検出部１３、１４、１５、１６で検出する加速度の感度に影響を与えるので、４つの梁部４、５、６、７の座屈のモードが異なることで加速度センサ１の信頼性が劣化する。

　図２０Ａと図２０Ｂは加速度センサ１の異なる座屈のモードを示す。接着材１７を用いて枠部３を基板１８に接着した際の応力が梁部４、５、６、７に残留して蓄積される。残留する応力に起因して、梁部４、５、６、７は、図２０Ａに示す如く錘部８の上面が枠部３の上面よりも上方に位置する座屈のモードと、図２０Ｂに示す如く錘部８の上面が枠部３の上面よりも下方に位置する座屈のモードとを有する。これらの座屈モードにより、検出部１３、１４、１５、１６で検出する加速度の感度がばらつく。また、加速度センサ１に対する衝撃の印加や、時間の経過による応力の開放により図２０Ａに示す座屈のモードと図２０Ｂに示す座屈のモードとが遷移し、感度が経時変化する。

　図２１は特許文献２に記載されている他の従来の加速度センサ１０１の上面図である。加速度センサ１０１は、枠部１０２と、枠部１０２に一端が接続された可撓部１０３と、枠部１０２に一端が接続された可撓部１０４と、可撓部１０３、１０４の上部にそれぞれ設けられた歪抵抗体１０５、１０６とを備える。可撓部１０３は枠部１０２からＹ軸の正方向に延伸している。可撓部１０４は、枠部１０２からＹ軸の負方向に延伸している。加速度センサ１０１は、歪抵抗体１０５、１０６に基づいてＹ軸方向の加速度を検出する。

　加速度センサ１０１では、歪抵抗体１０５、１０６の温度特性の差に起因して、加速度センサ１０１の温度特性が劣化する。

特開２００７－８５８００号公報 特開平４－１３０２７６号公報

　加速度センサは、内部に中空領域が形成された枠部と、枠部から中空領域に延伸した４つの梁部と、４つの梁部の他端にそれぞれ接続された４つの錘部と、４つの梁部にそれぞれ設けられた４つの検出部とを備える。２つの梁部の一端は、中空領域を挟んで互いに反対側の部分にそれぞれ接続されている。２つの錘部は中空領域の中心部を挟んで対向する。他の２つの梁部の一端は、中空領域を挟んで互いに反対側の部分にそれぞれ接続されている。他の２つの錘部と中空領域の中心部を挟んで対向する。

　この加速度センサは、感度ばらつきを抑制し、また、感度の経時変化を抑制することができる。

図１は本発明の実施の形態１における加速度センサの上面図である。 図２は実施の形態１における他の加速度センサの上面図である。 図３Ａは実施の形態１における加速度センサの上面図である。 図３Ｂは図３Ａに示す加速度センサの線３Ｂ－３Ｂにおける断面図である。 図３Ｃは図３Ａに示す加速度センサの線３Ｃ－３Ｃにおける断面図である。 図３Ｄは実施の形態１における加速度センサの回路図である。 図３Ｅは実施の形態１における加速度センサの回路図である。 図３Ｆは実施の形態１における加速度センサの回路図である。 図４は実施の形態１における加速度センサの衝撃印加時の出力変動を示す図である。 図５Ａは比較例の加速度センサの感度の経時変化を示す図である。 図５Ｂは実施の形態１における加速度センサの感度の経時変化を示す図である。 図６は実施の形態１におけるさらに他の加速度センサの上面図である。 図７は実施の形態１におけるさらに他の加速度センサの上面図である。 図８は実施の形態１におけるさらに他の加速度センサの上面図である。 図９は実施の形態１におけるさらに他の加速度センサの上面図である。 図１０は本発明の実施の形態２における加速度センサの上面図である。 図１１は本発明の実施の形態３における加速度センサの上面図である。 図１２は実施の形態３における加速度センサの特性を示す図である。 図１３は実施の形態３における他の加速度センサの上面図である。 図１４は実施の形態３におけるさらに他の加速度センサの上面図である。 図１５は実施の形態３におけるさらに他の加速度センサの上面図である。 図１６は実施の形態３におけるさらに他の加速度センサの上面図である。 図１７は実施の形態３におけるさらに他の加速度センサの上面図である。 図１８は実施の形態３におけるさらに他の加速度センサの上面図である。 図１９は従来の加速度センサの上面図である。 図２０Ａは図１９に示す従来の加速度センサの線２０Ａ－２０Ａにおける断面図である。 図２０Ｂは図１９に示す従来の加速度センサの線２０Ａ－２０Ａにおける断面図である。 図２１は他の従来の加速度センサの上面図である。

　（実施の形態１）
　図１は実施の形態１における加速度センサ２０の上面図である。加速度センサ２０は、内部に中空領域２１が形成された枠部２２と、枠部２２にそれぞれ一端が接続された梁部２３、２４、２５、２６と、梁部２３、２４、２５、２６の他端にそれぞれ接続された錘部２７、２８、２９、３０と、梁部２３、２４、２５、２６の上にそれぞれ設けられた検出部３１、３２、３３、３４とを備えている。梁部２３、２４、２５、２６は枠部２２から中空領域２１に延伸する。また、錘部２７と錘部２８とがＸ軸の方向で中空領域２１の中心部９１Ａを介して互いに対向し、錘部２９と錘部３０とがＹ軸の方向で中心部９１Ａを介して互いに対向している。枠部２２が基板１００２に固定されることにより、加速度センサ２０は基板１００２に固定されるように構成されている。錘部２７、２８、２９、３０は梁部２３、２４、２５、２６でのみ枠部２２に接続されている。

　この構成により、錘部２７、２８、２９、３０がそれぞれ梁部２３、２４、２５、２６により一方向からのみ支持されている。すなわち、錘部２７は梁部２３により枠部２２からＸ軸の正方向にのみ支持された片持ち梁構造を有する。錘部２８は梁部２４により枠部２２からＸ軸の負方向にのみ支持された片持ち梁構造を有する。錘部２９は梁部２５により枠部２２からＹ軸の負方向にのみ支持された片持ち梁構造を有する。錘部３０は梁部２６により枠部２２からＹ軸の正方向にのみ支持された片持ち梁構造を有する。したがって、異なる座屈のモードへの遷移を抑制することができ、感度ばらつきを抑制し、また、感度の経時変化を抑制することができる。

　枠部２２は上面からみて四角形状を有し、中心部に中空領域２１が形成されており、中空領域２１を囲む。中空領域２１は四角形状や円形状を有していても良い。

　梁部２３、２４の一端は、枠部２２の中空領域２１を挟んで互いに反対側の部分にそれぞれ接続されている。錘部２７、２８は中空領域２１の中心部９１Ａを挟んで対向する。

　梁部２５、２６の一端は、枠部２２の中空領域２１を挟んで互いに反対側の部分にそれぞれ接続されている。錘部２９、３０は中空領域２１の中心部９１Ａを挟んで対向する。

　図２は実施の形態１における他の加速度センサ３５の上面図である。図２において、図１に示す加速度センサ２０と同じ部分には同じ参照番号を付す。加速度センサ３５は、枠部２２の上部に設けられた上蓋３６と、錘部２７、２８、２９、３０の上面にそれぞれ設けられた対向電極２２７Ａ、２２８Ａ、２２９Ａ、２３０Ａと、上蓋３６の下面に設けられてかつ対向電極２２７Ａ、２２８Ａ、２２９Ａ、２３０Ａにそれぞれ対向する対向電極２２７Ｂ、２２８Ｂ、２２９Ｂ、２３０Ｂとをさらに備える。対向電極２２７Ａ、２２７Ｂ、２２８Ａ、２２８Ｂ、２２９Ａ、２２９Ｂ、２３０Ａ、２３０Ｂに電圧を印加することにより錘部２７、２８、２９、３０をＺ軸の方向に変位させ、加速度センサ３５及び検出回路の故障診断を行うことができる。

　加速度センサ３５では、中空領域２１の外縁は４つの長辺２１Ａ、２１Ｂ、２１Ｃ、２１Ｄを有する。４つの長辺２１Ａ、２１Ｂ、２１Ｃ、２１Ｄは枠部２２の角部２２Ａ、２２Ｂ、２２Ｃ、２２Ｄにそれぞれ対向することが好ましい。これにより、４つの長辺２１Ａ、２１Ｂ、２１Ｃ、２１Ｄと角部２２Ａ、２２Ｂ、２２Ｃ、２２Ｄとの間の領域に上蓋３６と接着する接着部３７Ａ、３７Ｂ、３７Ｃ、３７Ｄを設けることができ、この結果、上蓋３６の面積を枠部２２の面積よりも小さくすることができる。このように上蓋３６の面積を小さくして、枠部２２の端部を上蓋３６から露出させることにより、枠部２２の端部に設けた電極パッド３７を上蓋３６から露出させることができ、電極パッド３７とパッケージ又はＩＣとの接続を容易に行うことができる。

　中空領域２１の外縁は４つの長辺２１Ａ、２１Ｂ、２１Ｃ、２１Ｄと交互に設けられた４つの短辺２１Ｅ、２１Ｆ、２１Ｇ、２１Ｈを有する八角形形状を有することが好ましい。４つの短辺２１Ｅ、２１Ｆ、２１Ｇ、２１Ｈに梁部２３、２４、２５、２６を接続することが好ましい。この構成により、４辺に設けた電極パッド３７と検出部３１、３２、３３、３４との配線距離を短くすることができ、不要なノイズの混入を防ぐことができる。

　枠部２２と基板１００２又は上蓋３６とを接着する方法として、接着材による接着や金属接合、常温接合、陽極接合等を用いることができる。このうち、接着材としてはエポキシ系樹脂やシリコーン系樹脂等の接着剤が用いられる。ここで、製造工程において、この接着剤を加熱して硬化させる際に、接着剤自身の硬化や枠部２２と基板１００２又は上蓋３６との線膨張係数の差に起因する応力が発生する。この応力は梁部２３、２４、２５、２６に残留応力として蓄積される。実施の形態１における加速度センサ２０、３５では、錘部２７、２８、２９、３０がそれぞれ、梁部２３、２４、２５、２６により一方向からのみ支持されている片持梁構造を有するので、異なる座屈のモードへの遷移を抑制することができる。なお、接着剤として、シリコーン系樹脂を用いることにより、接着剤自身の硬化による応力を小さくすることができる。

　梁部２３、２４、２５、２６の厚みは、枠部２２の厚みよりも薄く、かつ、錘部２７、２８、２９、３０の厚みよりも薄くすることが好ましい。これにより、梁部２３、２４、２５、２６が撓み易くなり、加速度の検出感度を向上させることができる。

　錘部２７、２８、２９、３０は梁部２３、２４、２５、２６の他端にそれぞれ接続されている。錘部２７、２８、２９、３０は凸部２７Ａ、２８Ａ、２９Ａ、３０Ａをそれぞれ有する。凸部２７Ａと凸部２８Ａとが中心部９１Ａを介して互いに対向し、凸部２９Ａと凸部３０Ａとが中心部９１Ａを介して互いに対向することが好ましい。すなわち、中空領域２１の中心部９１Ａにおいて、凸部２７Ａ、２８Ａ、２９Ａ、３０Ａが互いに対向するように形成することが好ましい。この構成により、中空領域２１の中心部９１Ａに近接して４つの錘部２７、２８、２９、３０を形成し、中空領域２１の間隙部９１Ｂの面積を小さくすることができる。従って、４つの錘部２７、２８、２９、３０の質量を小さくすることなく、加速度センサ２０、３５を小型化することが可能となる。

　Ｚ軸の方向である上方から見て、中空領域２１は、錘部２７～３０で占められている部分と、錘部２７～３０で占められていない間隙部９１Ｂよりなる。間隙部９１Ｂの面積は、錘部２７、２８、２９、３０の上面の面積の総和よりも小さくすることが好ましい。この構成により、中空領域２１に占める錘部２７、２８、２９、３０の面積を増やすことができ、錘部２７、２８、２９、３０の質量を小さくすることなく、加速度センサ２０、３５を小型化することが可能となる。間隙部９１Ｂの幅は一定である。すなわち錘部２７～３０のそれぞれと枠部２２との間の距離Ｗ２７、Ｗ２８、Ｗ２９、Ｗ３０と、錘部２７、２９間の距離Ｄ２７と、錘部２８、２９間の距離Ｄ２９と、錘部２８、３０間の距離Ｄ２８と、錘部２７、３０間の距離Ｄ３０とは等しい。

　また、錘部２７、２８、２９、３０の枠部２２に対向する外縁の形状は、中空領域２１の外縁形状と相似とすることが望ましい。この構成により、更に、中空領域２１に占める錘部２７、２８、２９、３０の面積を増やすことができ、錘部２７、２８、２９、３０の質量を小さくすることなく、加速度センサ２０、３５を小型化することが可能となる。

　枠部２２、梁部２３～２６と錘部２７～３０は、シリコン、溶融石英、アルミナ等を用いることができる。好ましくは、シリコンを用いて形成することにより、微細加工技術を用いて小型の加速度センサ２０、３５とすることができる。

　検出部３１、３２、３３、３４として、歪抵抗方式や静電容量方式などを用いることができる。歪抵抗方式としてピエゾ抵抗を用いることにより、加速度センサ２０、３５の感度を向上させることができる。また、歪抵抗方式として酸化膜歪み抵抗体を用いた薄膜抵抗方式を用いることにより、加速度センサ２０、３５の温度特性を向上させることができる。

　図３Ａは検出部３１、３２、３３、３４として、歪抵抗方式を用いた場合の歪抵抗Ｒ１～Ｒ８の配置を示す加速度センサ２０の上面図である。検出部３１は、歪抵抗Ｒ２、Ｒ４で構成されている。検出部３２は歪抵抗Ｒ１、Ｒ３で構成されている。検出部３３は歪抵抗Ｒ５、Ｒ７で構成されている。検出部３４は歪抵抗Ｒ６、Ｒ８で構成されている。枠部２２の上には、歪抵抗Ｒ９、Ｒ１０でそれぞれ構成される検出部３８Ａ、３８Ｂが設けられている。検出部３８Ａ、３８Ｂは加速度で変形しない枠部２２上に設けられており、加速度でその抵抗値が変化しない固定抵抗として機能する。歪抵抗Ｒ１～Ｒ１０は同様の構造を有するので、温度や湿度等の外部環境の変化により互いに同様にその抵抗値が変化する。したがって、歪抵抗Ｒ１～Ｒ１０をブリッジ接続することで、それら外部環境による抵抗値の変化を相殺して外部環境に関わらず加速度高精度に検出することができる。歪抵抗Ｒ１～Ｒ１０は検出回路１００１に接続されるように構成されている。

　図３Ｂは図３Ａに示す加速度センサ２０の線３Ｂ－３Ｂにおける断面図である。図３Ｃは図３Ａに示す加速度センサ２０の線３Ｃ－３Ｃにおける断面図である。図３Ｄから図３Ｆは加速度を検出する加速度センサ２０の回路の回路図である。これらの回路は歪抵抗Ｒ１～Ｒ１０に接続された検出回路１００１で実現される。

　図３ＤはＸ軸の方向の加速度を検出する場合の回路を示す。図３Ｄに示すように、検出回路１００１は歪抵抗Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４をブリッジ接続する。図３Ｂにおいて、Ｘ軸の正方向の加速度が加速度センサ２０に印加されると、錘部２８がＺ軸の負方向に変位し、錘部２７がＺ軸の正方向に変位する。これにより歪抵抗Ｒ１、Ｒ３の抵抗値が増加し、歪抵抗Ｒ２、Ｒ４の抵抗値が減少する。Ｘ軸の負方向の加速度が加速度センサ２０に印加されると、錘部２７、２８は上記と逆の方向に変位し、歪抵抗Ｒ１～Ｒ４の抵抗値は上記と逆の方向に変化する。検出回路１００１は、対向する一対の接続点Ｖｄｄ、ＧＮＤ間に電圧を印加し、他の一対の接続点Ｖｘ１、Ｖｘ２間の電圧を検出することにより、Ｘ軸の方向の加速度を検出することができる。

　図３ＥはＹ軸の方向の加速度を検出する場合の回路を示す。図３Ｅに示すように、検出回路１００１は歪抵抗Ｒ５、Ｒ６、Ｒ７、Ｒ８をブリッジ接続する。図３Ｃにおいて、Ｙ軸の正方向の加速度が加速度センサ２０に印加されると、錘部２９がＺ軸の正方向に変位し、錘部３０がＺ軸の負方向に変位する。これにより歪抵抗Ｒ５、Ｒ７の抵抗値が増加し、歪抵抗Ｒ６、Ｒ８の抵抗値が減少する。Ｙ軸の負方向の加速度が加速度センサ２０に印加されると、錘部２９、３９は上記と逆の方向に変位し、歪抵抗Ｒ５～Ｒ８の抵抗値は上記と逆の方向に変化する。検出回路１００１は、対向する一対の接続点Ｖｄｄ、ＧＮＤ間に電圧を印加し、他の一対の接続点Ｖｙ１、Ｖｙ２間の電圧を検出することにより、Ｙ軸の方向の加速度を検出することができる。

　図３ＦはＺ軸の方向の加速度を検出する場合の回路を示す。図３Ｆに示すように、検出回路１００１は歪抵抗Ｒ５、Ｒ８、Ｒ９、Ｒ１０をブリッジ接続する。図３Ｂと図３Ｃにおいて、Ｚ軸の正方向の加速度が加速度センサ２０に印加されると、錘部２８～３０がＺ軸の正方向に変位する。これにより歪抵抗Ｒ１～Ｒ８の抵抗値が増加する。Ｚ軸の負方向の加速度が加速度センサ２０に印加されると、錘部２７～３０は上記と逆の方向に変位し、歪抵抗Ｒ１～Ｒ８の抵抗値は上記と逆の方向に変化する。歪抵抗Ｒ９、Ｒ１０の抵抗値は加速度で変化しないので、検出回路１００１は、対向する一対の接続点Ｖｄｄ、ＧＮＤ間に電圧を印加し、他の一対の接続点Ｖｚ１、Ｖｚ２間の電圧を検出することにより、Ｚ軸方向の加速度を検出することができる。

　なお、検出回路１００１は、同様に変化する歪抵抗を図３Ｄから図３Ｆと異なるようにブリッジ接続しても同様に加速度を検出することができる。

　図４は加速度センサ２０の衝撃印加時の出力変動を示す。特性４１は実施の形態１における加速度センサ２０の出力を示し、特性４２は図１９に示す従来の加速度センサ１の出力を示している。図４に示すように、印加する加速度が０Ｇの場合は、特性４１、４２ともに出力は０Ｇとなっている。加速度が－１Ｇの場合は、特性４１、４２ともに出力はほぼ１Ｇとなっている。しかし、加速度が－１Ｇの状態で衝撃を印加した場合には、特性４１は衝撃の影響を受けずに出力がほぼ１Ｇとなっているのに対し、特性４２の出力は９Ｇとなっている。従来の加速度センサ１では錘部８が４つの梁部４、５、６、７により複数の方向から支持されているので、衝撃の印加により梁部４、５、６、７が異なる座屈のモードへ遷移し、印加された加速度を正確に検出できない。一方、実施の形態１における加速度センサ２０は錘部２７～３０が一方向からのみ支持された片持梁構造を有しているので、衝撃が印加されても異なる座屈のモードへ遷移せず、出力が変動せずに加速度を正確に検出できる。

　図５Ａと図５Ｂはそれぞれ比較例である従来の加速度センサ１と実施の形態１における加速度センサ２０の感度のそれぞれ３つのサンプルの経時変化を示す。図５Ａに示すように、従来の加速度センサ１は時間が経つにつれて感度が変化し、最大で３％も変化している。この変化は、加速度センサ１の梁部４、５、６、７に蓄積された残留応力が時間と共に開放され、異なる座屈のモードへ遷移することに起因する。一方、実施の形態１における加速度センサ２０は、図５Ｂに示すように、同じ時間が経過しても感度の変化が最大で－０．２％である。加速度センサ２０は錘部２７～３０が一方向からのみ支持された片持梁構造を有するので、残留応力の開放による感度への影響が少ない。

　図６は実施の形態１におけるさらに他の加速度センサ７０の上面図である。図６において、図３Ａに示す加速度センサ２０と同じ部分には同じ参照番号を付す。加速度センサ７０は、枠部２２から中空領域２１に延びる梁部７１、７２をさらに備える。梁部７１、７２はそれぞれ枠部２２に接続された一端と、反対側の他端とを有する。梁部７１、７２の他端はどこにも接続されていない自由端である。梁部７１は梁部２５間に設けられ、梁部７２は梁部２６間に設けられている。

　加速度センサ７０では、歪抵抗Ｒ９、Ｒ１０でそれぞれ構成された検出部３８Ａ、３８Ｂは枠部２２ではなく梁部７１、７２にそれぞれ設けられている。枠部２２が基板１００２に固定される際に枠部２２に応力がかかり、歪抵抗Ｒ９、Ｒ１０よりなる検出部３８Ａ、３８Ｂに応力が蓄積される。図１と図３Ａに示す加速度センサ２０では、使用につれて歪抵抗Ｒ９、Ｒ１０に蓄積した応力が開放される。これにより、Ｚ軸の方向の加速度を高精度に検出できなくなる場合がある。図６に示す加速度センサ７０では、自由端である他端をそれぞれ有する梁部７１、７２には何ら応力が発生しないので、梁部７１、７２に設けられた歪抵抗Ｒ９、Ｒ１０よりなる検出部３８Ａ、３８Ｂには応力が作用しない。したがって、加速度センサ７０のＺ軸の方向の加速度に対する感度は径時変化しない。

　図７は実施の形態１におけるさらに他の加速度センサ７０Ａの上面図である。図７において、図１に示す加速度センサ２０と同じ部分には同じ参照番号を付す。図１に示す加速度センサ２０では歪抵抗Ｒ１～Ｒ１０に接続された電極パッド３７は、矩形状を有する枠部２２の４辺に沿って配置されている。図７に示す加速度センサ７０Ａでは、歪抵抗Ｒ１～Ｒ１０に接続された電極パッド３７は、矩形状を有する枠部２２の４辺のうちの互いに対向する一対の２辺のみに沿って配置されており、それら４辺のうちの互いに対向する他の一対の２辺に沿っては設けられていない。この配置により、互いに対向する２辺のみに沿って端子が配列されたパッケージに加速度センサ７０Ａを搭載した場合に、それらの端子から電極パッド３７に接続されるボンディングワイヤを短くすることができ、歪抵抗Ｒ１～Ｒ１０から出力される信号に加わるノイズを小さくすることができる。

　図８は実施の形態１におけるさらに他の加速度センサ７０Ｃの上面図である。図８において、図１に示す加速度センサ２０と同じ部分には同じ参照番号を付す。図８に示す加速度センサ７０Ｃでは、梁部２３、２５は枠部２２から中空領域２１に向かってＸ軸の正方向に延びる。梁部２４、２６は枠部２２から中空領域２１に向かってＸ軸の負方向に延びる。錘部２７、２８はＸ軸の方向に配列されている。錘部２９、３０はＸ軸の方向に配列されている。錘部２７、２９はＹ軸の方向に配列されている。錘部２８、３０はＹ軸の方向に配列されている。加速度センサ７０Ｃでは錘部２７～３０はＸ軸とＺ軸の方向の加速度により変位するが、Ｙ軸の方向の加速度では変位しにくい。したがって、加速度センサ７０ＣはＸ軸とＺ軸の方向の加速度に対する高い感度を確保しつつ、Ｙ軸の方向の加速度の感度を抑えることができる。

　図９は実施の形態１におけるさらに他の加速度センサ７０Ｄの上面図である。図９において、図８に示す加速度センサ７０Ｃと同じ部分には同じ参照番号を付す。加速度センサ７０Ｄでは、錘部２９、３０は錘部２７、２８より小さい。錘部２７、２８にそれぞれ接続された梁部２３、２４に設けられた検出部３１、３２によりＸ軸の方向の加速度を検出し、錘部２９、３０に接続された梁部２５、２６に設けられた検出部３３、３４によりＺ軸の方向の加速度を検出する。錘部２７～３０はＸ軸の方向よりＺ軸の方向の加速度で大きく変位するので、錘部２７～３０が同じ大きさを有する図８に示す加速度センサ７０ＣでのＸ軸の方向の加速度に対する感度はＺ軸の方向の加速度に対する感度より低くなる。図９に示す加速度センサ７０ＤではＺ軸の方向の加速度を検出するための錘部２９、３０をＸ軸の方向の加速度を検出するための錘部２７、２８より小さくすることで、Ｘ軸の方向の加速度に対する感度をＺ軸の方向の加速度に対する感度と同じにすることができる。

　（実施の形態２）
　図１０は実施の形態２における加速度センサ５０の上面図である。加速度センサ５０は、内部に中空領域５１が形成された枠部５２と、枠部５２に接続されて中空領域５１に延伸した梁部５３、５４と、梁部５３、５４にそれぞれ接続された錘部５５、５６と、梁部５３、５４上にそれぞれ設けられた検出部５７、５８とを備えている。梁部５３、５４のそれぞれの一端が枠部５２に接続される。錘部５５、５６は梁部５３、５４のそれぞれの他端に接続されている。また、錘部５５と錘部５６とが対向している。

　この構成により、錘部５５、５６がそれぞれ梁部５３、５４により一方向からのみ支持されているので、異なる座屈のモードへの遷移を抑制することができる。したがって、感度ばらつきを抑制し、また、感度の経時変化を抑制することができる。

　枠部５２は４辺５２Ａ～５２Ｄを有する矩形状を有する。辺５２Ａ、５２Ｃが中空領域５１を介して互いに対向し、辺５２Ｂ、５２Ｄが中空領域５１を介して互いに対向する。梁部５３、５４は辺５２Ａ、５２Ｃにそれぞれ接続されている。梁部５３が接続された辺５２Ａに電極パッド５９を設け、梁部５４が接続された辺５２Ｃに電極パッド６０を設けることが好ましい。この構成により、検出部５７と電極パッド５９との配線距離及び検出部５８と電極パッド６０との配線距離を短くすることができ、不要なノイズの混入を防ぐことができる。

　梁部５３、５４は中空領域５１に所定の軸５０Ｄに沿って延伸している。梁部５３、５４の一端は枠部５２の中心部すなわち中空領域５１の中心部５１Ｃを挟んで互いに反対側の部分にそれぞれ接続されている。錘部５５、５６は所定の軸５０Ｄに沿って対向している。

　中空領域５１において、錘部５５、５６及び梁部５３、５４で占められていない間隙部５１Ｂの面積は、錘部５５、５６の上面の面積の総和よりも小さい。錘部５５、５６を合わせた形状は、中空領域５１の形状と相似である。梁部５３、５４の厚みは枠部５２の厚みよりも小さく、錘部５５、５６の厚みよりも小さい。

　（実施の形態３）
　図１１は本発明の実施の形態３における加速度センサ１１０の上面図である。加速度センサ１１０は、原点Ｐ０で互いに直交するＸ軸とＹ軸とを含むＸＹ平面において、原点Ｐ０に設けられた固定部１１１と、固定部１１１に一端が接続された可撓部１１２と、固定部１１１に一端が接続された可撓部１１３と、固定部１１１に一端が接続された可撓部１１４と、固定部１１１に一端が接続された可撓部１１５と、可撓部１１２、１１３、１１４、１１５上にそれぞれ設けられた歪抵抗体１１６、１１７、１１８、１１９とを備えている。可撓部１１２は固定部１１１からＸ軸の正方向に延伸する。可撓部１１３は固定部１１１からＸ軸の負方向に延伸する。可撓部１１４は固定部１１１からＹ軸の正方向に延伸する。可撓部１１５は固定部１１１からＹ軸の負方向に延伸する。固定部１１１は基板１１１０に固定されるように構成されている。

　加速度センサ１１０において、歪抵抗体１１６と歪抵抗体１１７の抵抗値に基づいてＸ軸方向の加速度を検出し、歪抵抗体１１８と歪抵抗体１１９の抵抗値に基づいてＹ軸方向の加速度を検出することができる。また、歪抵抗体１１６、１１７、１１８、１１９はそれぞれ、可撓部１１２、１１３、１１４、１１５と固定部１１１とがそれぞれ接続されている接続点１２１、１２２、１２３、１２４上に設けられている。

　固定部１１１は、可撓部１１２～１１５を支持するとともに、下面で支持基板又は制御ＩＣに固定される。

　可撓部１１２は、梁部１１２Ａと錘部１１２Ｂから構成される。梁部１１２Ａの一端が固定部１１１に接続され、他端が錘部１１２Ｂに接続されている。錘部１１２Ｂは固定部１１１と実質的に同一の厚みであるが、梁部１１２Ａは錘部１１２Ｂ及び固定部１１１よりも薄い。これにより、Ｘ軸方向の加速度に対して梁部１１２Ａが撓みやすくなり検出感度を改善することができる。同様に、可撓部１１３は、梁部１１３Ａと錘部１１３Ｂから構成される。梁部１１３Ａの一端が固定部１１１に接続され、他端が錘部１１３Ｂに接続されている。錘部１１３Ｂは固定部１１１と実質的に同一の厚みであるが、梁部１１３Ａは錘部１１３Ｂ及び固定部１１１よりも薄い。これにより、Ｘ軸方向の加速度に対して梁部１１３Ａが撓みやすくなり検出感度を改善することができる。可撓部１１４は、梁部１１４Ａと錘部１１４Ｂから構成される。梁部１１４Ａの一端が固定部１１１に接続され、他端が錘部１１４Ｂに接続されている。錘部１１４Ｂは固定部１１１と実質的に同一の厚みであるが、梁部１１４Ａは錘部１１４Ｂ及び固定部１１１よりも薄い。これにより、Ｙ軸方向の加速度に対して梁部１１４Ａが撓みやすくなり検出感度を改善することができる。可撓部１１５は、梁部１１５Ａと錘部１１５Ｂから構成される。梁部１１５Ａの一端が固定部１１１に接続され、他端が錘部１１５Ｂに接続されている。錘部１１５Ｂは固定部１１１と実質的に同一の厚みであるが、梁部１１５Ａは錘部１１５Ｂ及び固定部１１１よりも薄い。これにより、Ｙ軸方向の加速度に対して梁部１１５Ａが撓みやすくなり検出感度を改善することができる。

　固定部１１１及び可撓部１１２～１１５は、例えば、シリコン（Ｓｉ）やステンレスなどの非圧電材料や、水晶、ニオブ酸リチウムなどの圧電材料を用いて形成することができる。実施の形態３においては、活性層と中間酸化膜とベース層から成るＳｉｌｉｋｏｎ－Ｏｎ－Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ（ＳＯＩ）基板を用いている。ＳＯＩ基板を用いることにより、裏面からベース層と中間酸化膜をエッチングにより除去して梁部１１２Ａ～１１５Ａを容易に形成することができる。

　歪抵抗体１１６～１１９は、コンスタンタン（銅、ニッケル合金）や、ダイヤモンド、酸化クロム、窒化アルミニウムなど、歪に応じて電気抵抗が変化する材料で形成されている。これらの材料をＳＯＩ基板の活性層表面に堆積させて薄膜を形成した後、表面からのエッチングによって所望のパターンが形成される。

　以下、図１１に示す加速度センサ１１０を用いた加速度の測定方法について説明する。

　加速度センサ１１０に対してＸ軸の正の方向に加速度が加わった場合には、錘部１１２ＢがＺ軸の負方向に変位して可撓部１１２はＺ軸の負方向に撓み、これにより可撓部１１２上に設けられた歪抵抗体１１６の抵抗値が増加する。一方、錘部１１３ＢがＺ軸の正方向に変位して可撓部１１３はＺ軸の正方向に撓み、これにより可撓部１１３上に設けられた歪抵抗体１１７の抵抗値が減少する。逆に、Ｘ軸方向の負の方向に加速度が加わった場合には、歪抵抗体１１６の抵抗値が減少し、歪抵抗体１１７の抵抗値が増加する。歪抵抗体１１６、１１７に電気的に接続された検出回路は、歪抵抗体１１６の抵抗値と歪抵抗体１１７の抵抗値の比に基づいてＸ軸方向の加速度を検出することができる。

　加速度センサ１１０に対してＹ軸の正の方向に加速度が加わった場合には、錘部１１４ＢがＺ軸の負方向に変位して可撓部１１４はＺ軸の負方向に撓み、これにより可撓部１１４上に設けられた歪抵抗体１１８の抵抗値が増加する。一方、錘部１１５ＢがＺ軸の正方向に変位して可撓部１１５はＺ軸の正方向に撓み、これにより可撓部１１５上に設けられた歪抵抗体１１９の抵抗値が減少する。逆に、Ｙ軸方向の負の方向に加速度が加わった場合には、歪抵抗体１１８の抵抗値が減少し、歪抵抗体１１９の抵抗値が増加する。歪抵抗体１１８、１１９に電気的に接続された検出回路は、歪抵抗体１１８の抵抗値と歪抵抗体１１９の抵抗値の比に基づいてＹ軸方向の加速度を検出することができる。

　図１２は加速度センサ１１０の温度特性Ｐ１１０を示す図である。図１２は図２１に示す従来の加速度センサ１０１の温度特性Ｐ１０１を併せて示す。図１２において、横軸は温度を示し、縦軸は加速度が加わっていない状態における加速度センサ１０１、１１０が出力するＸ軸方向の加速度の値（以下、０点出力）を示している。従来の加速度センサ１０１の温度特性Ｐ１０１では、温度が－４０℃のときの出力は－１．２４Ｇであり、温度が＋１４０℃での出力は＋１．５３Ｇとなっている。一方、実施の形態３における加速度センサ１１０の温度特性Ｐ１１０では、温度が－４０℃のときの出力は＋０．０２Ｇであり、温度が＋１４０℃で出力が＋０．０８Ｇとなっている。－４０℃～１４０℃の温度範囲における０点出力の変動量である０点変動量Ｄ１０１、Ｄ１１０を定義する。従来の加速度センサ１０１の温度特性Ｐ１０１の０点変動量Ｄ１０１は２．７７Ｇであるのに対し、実施の形態３における加速度センサ１１０の温度特性Ｐ１１０の０点変動量Ｄ１１０は０．１１Ｇとなっている。このように、実施の形態３における加速度センサ１１０の０点変動量Ｄ１１０は従来の加速度センサ１０１の０点変動量Ｄ１０１より大幅に小さくなって改善されている。この理由を以下に説明する。

　歪抵抗体１１６～１１９を形成するために、ＳＯＩ基板等の基板に歪抵抗体の材料を堆積させて薄膜を形成する。この薄膜の膜厚や膜構造を完全に均一に形成することは非常に困難であり、基板の表面内で膜厚や膜構造のばらつきが存在する。

　図２１に示す従来の加速度センサ１０１においては、歪抵抗体１０５と歪抵抗体１０６との距離が離れているので、基板の表面内の薄膜のばらつきに起因して歪抵抗体１０５と歪抵抗体１０６の特性の差が生じる。この結果、外部から加速度が加わっていないにも関わらず、歪抵抗体１０５の抵抗値と歪抵抗体１０６の抵抗値に差が生じる。検出回路は歪抵抗体１０５、１０６の抵抗値の差分に基づいて加速度を検出するので０点出力が生じる。さらに、歪抵抗体１０５と歪抵抗体１０６の抵抗値の温度依存性が異なるので０点変動量が大きくなる。

　一方、実施の形態３における加速度センサ１１０において、歪抵抗体１１６～１１９は、可撓部１１２～１１５と固定部１１１との接続点１２１～１２４を含むように設けられている。歪抵抗体１１６～１１９が互いに近接している。したがって、基板の表面での歪抵抗体１１６～１１９となる薄膜の膜厚や膜構造のばらつきが比較的小さくなるので、歪抵抗体１１６～１１９の抵抗値のばらつきが小さくなり、ひずみ抵抗特性の温度依存性の差も小さくなる。この結果、実施の形態３における加速度センサ１１０では従来の加速度センサ１０１よりも０点出力や０点変動量が小さくなる。

　従来の加速度センサ１０１は、枠部１０２の下面で支持基板又は検出回路を構成する制御ＩＣ等に固定される。この場合、枠部１０２の下面側に２つ以上の接着部を設けて固定されるため、２つの接着部の接着状態の差に起因して加速度センサ１０１に歪が生じ、感度の経時劣化の原因となる。一方、実施の形態３における加速度センサ１１０では、固定部１１１は下面側の１点で支持基板又は検出回路を構成する制御ＩＣ等に固定されるので、加速度センサ１１０に歪が生じにくく、感度の経時劣化が低減される。

　図１３は実施の形態３における他の加速度センサ１１０Ａの上面図である。図１３において、図１１に示す加速度センサ１１０と同じ部分には同じ参照番号を付す。加速度センサ１１０Ａは、内部に中空領域１２７を有する枠部１２５を備え、中空領域１２７に固定部１１１及び可撓部１１２～１１５を形成している。また、固定部１１１と枠部１２５とを連結する連結部１２６が設けられている。この構成により、枠部１２５に電極パッドを設けて制御ＩＣと接続したり、上蓋を接合したりすることが可能となる。

　図１４は実施の形態３におけるさらに他の加速度センサ１１０Ｂの上面図である。図１４において、図１３に示す加速度センサ１１０Ａと同じ部分には同じ参照番号を付す。加速度センサ１１０Ｂの中空領域１２７は方形形状を有する。中空領域１２７の方形形状の４つの角部１２７Ａ、１２７Ｂ、１２７Ｃ、１２７Ｄがそれぞれ枠部１２５の４辺１２５Ａ、１２５Ｂ、１２５Ｃ、１２５Ｄの中央部にそれぞれ近接する。この構成により、固定部１１１と枠部１２５との距離が短くなるので、連結部１２６の長さを短くすることができる。この結果、加速度センサ１１０Ｂの耐衝撃性を向上することができる。

　図１５は実施の形態３におけるさらに他の加速度センサ１１０Ｃの上面図である。図１５において、図１３に示す加速度センサ１１０Ａと同じ部分には同じ参照番号を付す。加速度センサ１１０Ｃは４つの連結部１２６を備え、４つの連結部１２６は枠部１２５の角部にそれぞれ接続されている。また、可撓部１１２～１１５は、枠部１２５と４本の連結部１２６により形成される４つの領域１２８Ａ～１２８Ｄにそれぞれ配置されている。この構成により、可撓部１１２～１１５及び枠部１２５をＸ軸に平行な軸Ａ１０及びＹ軸に平行な軸Ｂ１０に関して対称に固定部１１１に固定することができる。この結果、Ｘ軸方向の加速度に関して可撓部１１４、１１５が撓みにくくなり、Ｙ軸方向の加速度に関して可撓部１１２、１１３が撓みにくくなるので、加速度センサ１１０Ｃの他軸の方向の加速度に対する感度を抑制することができる。

　図１６は実施の形態３におけるさらに他の加速度センサ１１０Ｄの上面図である。図１６において、図１５に示す加速度センサ１１０Ｃと同じ部分には同じ参照番号を付す。加速度センサ１１０Ｄでは、錘部１２９Ａ、１２９Ｂ、１２９Ｃ、１２９Ｄの形状は、枠部１２５と連結部１２６と固定部１１１によって囲まれる領域１２８Ａ、１２８Ｂ、１２８Ｃ、１２８Ｄの形状と実質的に相似である。この構成により、枠部１２５を大きくせずに、錘部１２９Ａ、１２９Ｂ、１２９Ｃ、１２９Ｄを大きくすることができ、加速度センサ１１０Ｄの小型化と高感度化を両立させることができる。

　図１７は実施の形態３におけるさらに他の加速度センサ１１０Ｅの上面図である。図１７において、図１６に示す加速度センサ１１０Ｄと同じ部分には同じ参照番号を付す。加速度センサ１１０Ｅでは、枠部１２５と連結部１２６と固定部１１１によって囲まれる領域１２８Ａ、１２８Ｂ、１２８Ｃ、１２８Ｄの角部がそれぞれ枠部１２５の４辺の中央部に近接している。そして、錘部１２９Ａ、１２９Ｂ、１２９Ｃ、１２９Ｄの形状は領域１２８Ａ、１２８Ｂ、１２８Ｃ、１２８Ｄの形状と実質的に相似である。この構成により、固定部１１１と枠部１２５との距離が短くなるので、連結部１２６の長さを短くすることができる。この結果、加速度センサ１１０Ｅの耐衝撃性を向上することができる。

　電極パッド１３０を枠部１２５の角部に設けている。電極パッド１３０はそれぞれ、配線１３１により歪抵抗体１１６～１１９と電気的に接続されている。また、電極パッド１３０はワイヤボンディング等により検出回路を構成する制御ＩＣと電気的に接続されている。一般的に、電極パッド１３０は枠部１２５の各辺の中央付近に形成される。領域１２８Ａ、１２８Ｂ、１２８Ｃ、１２８Ｄの角部がそれぞれ枠部１２５の４辺の中央部に近接するように形成した場合には、電極パッド１３０を形成するために枠部１２５の各辺の幅を大きくする必要があり、加速度センサ１１０Ｅのサイズが大きくなる。電極パッド１３０を枠部１２５の角部に設けることで、加速度センサ１１０Ｅを小型化することができる。

　図１８は実施の形態３におけるさらに他の加速度センサ１１０Ｆの上面図である。図１８において、図１１に示す加速度センサ１１０と同じ部分には同じ参照番号を付す。加速度センサ１１０Ｆの可撓部１１２の錘部１１２Ｂは、２本の梁部１３２、１３３により固定部１１１に接続されている。同様に、可撓部１１３、１１４、１１５において、それぞれの錘は２本の梁部により固定部１１１に接続されている。この構成により、可撓部１１２～１１５のねじれを抑制することが可能である。すなわち、可撓部１１２、１１３においてはＹ軸方向への変位を抑制し、可撓部１１４、１１５においてはＸ軸方向への変位を抑制することができる。その結果、加速度センサ１１０Ｆの他軸感度を抑制することができる。また同時に、可撓部１１２～１１５の強度を向上することもできるため、加速度センサ１１０Ｆの耐衝撃性を向上することも可能となる。

　本発明における加速度センサは、感度ばらつきや感度の経時変化を抑制することができるので、車両や携帯端末等に用いられる加速度センサとして有用である。

２０　　加速度センサ
２１　　中空領域
２２　　枠部
２３　　梁部（第１の梁部）
２４　　梁部（第２の梁部）
２５　　梁部（第３の梁部）
２６　　梁部（第４の梁部）
２７　　錘部（第１の錘部）
２８　　錘部（第２の錘部）
２９　　錘部（第３の錘部）
３０　　錘部（第４の錘部）
３１　　検出部（第１の検出部）
３２　　検出部（第２の検出部）
３３　　検出部（第３の検出部）
３４　　検出部（第４の検出部）
３５　　加速度センサ
３８Ａ　　検出部
３８Ｂ　　検出部
５０　　加速度センサ
５０Ｄ　　所定の軸
５１　　中空領域
５１Ｃ　　中心部
５２　　枠部
５３　　梁部（第１の梁部）
５４　　梁部（第２の梁部）
５５　　錘部（第１の錘部）
５６　　錘部（第２の錘部）
５７　　検出部（第１の検出部）
５８　　検出部（第２の検出部）
７０　　加速度センサ
７０Ａ　　加速度センサ
７０Ｃ　　加速度センサ
７０Ｄ　　加速度センサ
９１Ａ　　中心部

Claims (9)

1. 　　　内部に中空領域が形成された枠部と、
   　　　前記枠部に接続された一端と、前記一端の反対側の他端とをそれぞれ有し、前記中空領域に延伸した第１、第２、第３、第４の梁部と、
   　　　前記第１、第２、第３、第４の梁部の前記他端にそれぞれ接続された第１、第２、第３、第４の錘部と、
   　　　前記第１、第２、第３、第４の梁部にそれぞれ設けられた第１、第２、第３、第４の検出部と、
   を備え、
   　　　前記第１の梁部と前記第２の梁部の前記一端は、前記中空領域を挟んで互いに反対側の部分にそれぞれ接続され、
   　　　前記第１の錘部と前記第２の錘部とは前記中空領域の中心部を挟んで対向し、
   　　　前記第３の梁部と前記第４の梁部の前記一端は、前記中空領域を挟んで互いに反対側の部分にそれぞれ接続され、
   　　　前記第３の錘部と前記第４の錘部とは前記中空領域の前記中心部を挟んで対向した、加速度センサ。
2. 　　　前記第１、第２、第３、第４の錘部はそれぞれ凸部を有し、
   　　　前記第１の錘部の凸部と前記第２の錘部の凸部とが前記中空領域の前記中心部を挟んで対向し、
   　　　前記第３の錘部の凸部と前記第４の錘部の凸部とが前記中空領域の前記中心部を挟んで対向した、請求項１に記載の加速度センサ。
3. 前記中空領域において、前記第１、第２、第３、第４の錘部及び前記第１、第２、第３、第４の梁部で占められていない間隙部の面積は、前記第１、第２、第３、第４の錘部の上面の面積の総和よりも小さい、請求項１に記載の加速度センサ。
4. 前記第１、第２、第３、第４の錘部を合わせた形状は、前記中空領域の形状と相似である、請求項１に記載の加速度センサ。
5. 前記第１、第２、第３、第４の梁部の厚みは前記枠部の厚みよりも小さく、かつ、前記第１、第２、第３、第４の錘部の厚みよりも小さい、請求項１に記載の加速度センサ。
6. 　　　内側に中空領域が形成された枠部と、
   　　　前記枠部に接続された一端と前記一端の反対側の他端とをそれぞれ有し、前記中空領域に所定の軸に沿って延伸した第１、第２の梁部と、
   　　　前記第１、第２の梁部の前記他端にそれぞれ接続された第１、第２の錘部と、
   　　　前記第１、第２の梁部にそれぞれ設けられた第１、第２の検出部と、
   を備え、
   　　　前記第１の梁部と前記第２の梁部の前記一端は前記枠部の中心部を挟んで互いに反対側の部分にそれぞれ接続され、
   　　　前記第１の錘部と前記第２の錘部とは前記所定の軸に沿って対向した、加速度センサ。
7. 前記中空領域において、前記第１、第２の錘部及び前記第１、第２の梁部で占められていない間隙部の面積は、前記第１、第２の錘部の上面の面積の総和よりも小さい、請求項６に記載の加速度センサ。
8. 前記第１、第２の錘部を合わせた形状は、前記中空領域の形状と相似である、請求項６に記載の加速度センサ。
9. 前記第１、第２の梁部の厚みは前記枠部の厚みよりも小さく、かつ、前記第１、第２の錘部の厚みよりも小さい、請求項６に記載の加速度センサ。

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