力学量検出センサ
【課題】検出感度が高く、小型化可能な力学量検出センサを提供すること。
【解決手段】
矩形枠状の枠体１１と、枠体１１の内側に配置された変位部１２と、枠体１１の一辺から対向辺に向かって延在する長尺部１５と長尺部１５に連なり、変位部１２の四隅に接続される接続部１６とを有し、枠体１１の四辺と変位部１２とを接続する４つの梁部１３と、枠体１１との接続部分に位置する検出素子１７とを有し、梁部の１３の撓みを検出素子１７によって検出することにより、Ｘ軸、Ｙ軸及びＺ軸の３軸方向の加速度を検出する。
【解決手段】
矩形枠状の枠体１１と、枠体１１の内側に配置された変位部１２と、枠体１１の一辺から対向辺に向かって延在する長尺部１５と長尺部１５に連なり、変位部１２の四隅に接続される接続部１６とを有し、枠体１１の四辺と変位部１２とを接続する４つの梁部１３と、枠体１１との接続部分に位置する検出素子１７とを有し、梁部の１３の撓みを検出素子１７によって検出することにより、Ｘ軸、Ｙ軸及びＺ軸の３軸方向の加速度を検出する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、互いに直交するＸ軸、Ｙ軸及びＺ軸の３軸方向の加速度を検出可能な力学量検出センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、自動車産業や機械産業では、加速度を正確に検出できる小型の加速度センサの需要が高まっている。このような加速度センサとして、圧電素子等の検出素子を用いて互いに直交する３軸方向の加速度を検出する加速度センサが知られている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
図９は、特許文献１記載の加速度センサの検出原理を示す模式図である。かかる加速度センサは、枠体９１と、枠体９１の中央部に位置し、力（加速度）を受けて変位する錘部９２と、枠体９１と錘部９２との間に接続され、錘部９２を枠体９１に揺動自在に支持する梁部９３と、梁部９３の変位を電気信号に変換する検出素子９４とを備えて構成される。図９に示すように、加速度センサに加速度の力が作用した場合、Ｚ軸方向からの力であれば、錘部９２は、Ｚ軸方向（上方又は下方）に変位する。この錘部９２の変位を受けて梁部９３が撓み、この梁部９３の撓みを圧電素子等で構成された検出素子９４によって電気信号として取出す。
【０００４】
また、図中に示すように、梁部９３は、錘部９２の重心より上部であるＺ軸方向の上面と枠体９１との間に接続されている。このため、Ｙ軸方向から力（加速度）が作用した場合、錘部９２はＺ軸方向（上方又は下方）に変位する。この錘部９２の変位を受けて梁部９３が撓み、この梁９３の撓みを検出素子９４によって電気信号として取出す。
【０００５】
一方、Ｘ軸方向から力（加速度）が作用した場合、錘部９２はＺ軸方向には変位しないので、加速度を検出することができない。このため、特許文献１の加速度センサは、複数の梁部９３及び検出素子９４を互いの不感領域を補完するように配置して不感領域を無くし、３軸方向の加速度の作用を検出できるように構成されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００７−１０１５３１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、複数の梁部９３及び検出素子９４を用いた場合、錘部９２が放射状に四方に伸びる複数の梁部９３によって支持されるため、検出素子９３に加わる力が複数の検出素子９３に分散して検出感度が低下する。また、複数の梁部９３を四方に伸びるように配置するため、加速度センサ自体の小型化が難しいという問題があった。
【０００８】
本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、検出感度が高く、小型化可能な力学量検出センサを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の力学量検出センサは、収納空間が形成された枠体と、前記枠体の収納空間に収容された錘と、前記錘を揺動自在に支持する少なくとも４つの梁と、それぞれの梁に設けられており、前記梁の動きをそれぞれ検出する検出素子とを具備し、前記梁は、一端が前記枠体に固定され、他端が前記錘に固定されると共に、前記錘の外周面との間に所定の間隔をとって前記錘の外周面に沿って延設され、少なくとも４本の梁が前記錘の外周面の略全周に沿って延設されることを特徴とする。
【００１０】
この構成によれば、梁の全長を短縮することなく枠体内に梁を設けることができるので、梁の撓みを大きくすることができ、検出感度を向上できる。また、梁と錘との干渉を回避できるので、力学量検出センサを小型化できる。
【００１１】
本発明は、上記力学量検出センサにおいて、前記梁は、少なくとも１つの屈折部を有することが好ましい。
【００１２】
本発明の力学量検出センサは、収納空間が形成された枠体と、前記枠体の収納空間に収容された錘と、前記錘を揺動自在に支持する少なくとも２つの梁と、それぞれの梁に設けられており、前記梁の動きをそれぞれ検出する検出素子とを具備し、前記梁は、一端が前記枠体に固定され、他端が前記錘に固定されると共に、前記錘の外周面との間に所定の間隔をとって前記錘の外周面に沿って延設され、少なくとも２本の梁が前記錘の外周面の略全周に沿って延設されることを特徴とする。
【００１３】
この構成によれば、梁の長手方向の距離を延ばすことなく、梁の全長を延長できるので、梁の撓みを大きくすることができ、検出感度を更に向上できる。また、梁と錘の干渉を回避できるので、力学量検出センサを小型化できる。
【００１４】
本発明は、上記力学量検出センサにおいて、前記梁は、少なくとも２つの屈折部を有することが好ましい。
【００１５】
本発明の力学量検出センサは、収納空間が形成された枠体と、前記枠体の収納空間に収容された錘と、前記錘を揺動自在に支持する少なくとも１つの梁と、それぞれの梁に設けられており、前記梁の動きをそれぞれ検出する検出素子とを具備し、前記梁は、一端が前記枠体に固定され、他端が前記錘に固定されると共に、前記錘の外周面との間に所定の間隔をとって前記錘の外周面の少なくとも半周以上前記錘に沿って延設されることを特徴とする。
【００１６】
この構成によれば、梁の長手方向の距離を延ばすことなく、全長を更に延長できるので、梁の撓みを大きくすることができ、検出感度を特に向上できる。また、梁と錘の干渉を回避できるので、力学量検出センサを小型化できる。
【００１７】
本発明は、上記力学量検出センサにおいて、前記梁は、少なくとも３つの屈折部を有することが好ましい。
【００１８】
本発明は、上記力学量検出センサにおいて、前記検出素子は、Ｘ軸、Ｙ軸及びＺ軸の検出方向に応じて前記梁の対応する位置に設けられることを特徴とする。
【００１９】
この構成によれば、Ｘ軸、Ｙ軸及びＺ軸のそれぞれの検出方向に対して出力信号を得ることができるので、簡素な演算で力学量を算出することができる。
【００２０】
本発明は、上記力学量検出センサにおいて、前記検出素子は、梁のＸ軸、Ｙ軸及びＺ軸の３軸方向の力学量を共に検出できる位置に設けられることを特徴とする。
【００２１】
この構成によれば、Ｘ軸、Ｙ軸及びＺ軸方向の加速度を１つの検出素子で検出することができるので、力学量検出センサの構成が容易になると共に、各軸方向の力学量の合計を簡素な演算で算出することができる。
【００２２】
本発明は、上記力学量検出センサにおいて、前記検出素子は、平面視においてそれぞれの梁部の前記枠体側に設けられていることを特徴とする。
【００２３】
この構成によれば、撓みの大きい梁部の枠体側で力学量を検出できるので、錘部の形状、質量によらず、高い検出感度で力学量を検出することができる。
【００２４】
本発明は、上記力学量検出センサにおいて、前記検出素子は、圧電素子で構成されることを特徴とする。
【００２５】
この構成によれば、梁上に形成した圧電素子を検出素子に用いることができるので、検出素子の形成が容易になり、力学量検出素子の製造が容易となる。
【００２６】
本発明は、上記力学量検出センサにおいて、前記検出素子は、前記梁及び前記変位部上に形成された下部電極と、前記下部電極上に形成された圧電薄膜と、前記圧電薄膜上に部分的に形成された上部電極とで構成されることを特徴とする。
【００２７】
この構成によれば、力学量検出センサの製造工程において、検出素子の形成を梁及び変位部上に行うことができると共に、検出素子の形成を上部電極の形状によって制御することができるので、力学量検出センサの製造を容易にすることができる。
【００２８】
本発明の力学量検出センサは、収納空間が形成された枠体と、前記枠体の収納空間に収容された錘と、前記錘を揺動自在に支持する少なくとも４つの梁と、それぞれの梁に設けられており、前記梁の動きをそれぞれ検出する検出素子とを具備し、前記検出素子が前記梁及び前記錘部上に形成された下部電極と、前記下部電極上に形成された圧電薄膜と、前記圧電薄膜上に部分的に形成された上部電極とで構成されており、前記梁は、一端が前記枠体に固定され、他端が前記錘に固定されると共に、前記錘の外周面との間に所定の間隔をとって前記錘の外周面に沿って延設され、少なくとも４本の梁が前記錘の外周面の略全周に沿って延設されていることを特徴とする。
【００２９】
この構成によれば、梁の全長を短縮することなく枠体内に梁を設けることができるので、梁の撓みを大きくすることができ、検出感度を向上できる。また、梁と錘との干渉を回避できるので、力学量検出センサを小型化できる。
【００３０】
本発明の力学量検出センサは、収納空間が形成された枠体と、前記枠体の収納空間に収容された錘と、前記錘を揺動自在に支持する少なくとも２つの梁と、それぞれの梁に設けられており、前記梁の動きをそれぞれ検出する検出素子とを具備し、前記検出素子が前記梁及び前記錘上に形成された下部電極と、前記下部電極上に形成された圧電薄膜と、前記圧電薄膜上に部分的に形成された上部電極とで構成されており、前記梁は、一端が前記枠体に固定され、他端が前記錘に固定されると共に、前記錘の外周面との間に所定の間隔をとって前記錘の外周面に沿って延設されて、少なくとも２本の梁が前記錘の外周面の略全周に沿って延設されることを特徴とする。
【００３１】
この構成によれば、梁の長手方向の距離を延ばすことなく、全長を更に延長できるので、梁の撓みを大きくすることができ、検出感度を更に向上できる。また、梁と錘の干渉を回避できるので、力学量検出センサを小型化できる。さらに、力学量検出センサの製造工程において、検出素子の形成を梁及び変位部上に行うことができると共に、検出素子の形成を上部電極の形状によって制御することができるので、力学量検出センサの製造を容易にすることができる。
【００３２】
本発明の力学量検出センサは、収納空間が形成された枠体と、前記枠体の収納空間に収容された錘と、前記錘を揺動自在に支持する少なくとも１つの梁と、それぞれの梁に設けられており、前記梁の動きをそれぞれ検出する検出素子とを具備し、前記検出素子が前記梁及び前記錘上に形成された下部電極と、前記下部電極上に形成された圧電薄膜と、前記圧電薄膜上に部分的に形成された上部電極とで構成されており、前記梁は、一端が前記枠体に固定され、他端が前記錘に固定されると共に、前記錘の外周面との間に所定の間隔をとって前記錘の外周面の少なくとも半周以上前記錘に沿って延設されることを特徴とする。
【００３３】
この構成によれば、梁の長手方向の距離を延ばすことなく、全長を特に延長できるので、梁の撓みを大きくすることができ、検出感度を特に向上できる。また、梁と錘の干渉を回避できるので、力学量検出センサを小型化できる。さらに、力学量検出センサの製造工程において、検出素子の形成を梁及び変位部上に行うことができると共に、検出素子の形成を上部電極の形状によって制御することができるので、力学量検出センサの製造を容易にすることができる。
【発明の効果】
【００３４】
本発明によれば、検出感度が高く、小型化可能な力学量検出センサを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】本発明の実施の形態１に係る力学量センサを示す斜視図である。
【図２】本発明の実施の形態１に係る力学量センサの分解斜視図である。
【図３】（ａ）は、本発明の実施の形態に係る力学量検出センサを示す平面図であり、（ｂ）は、（ａ）に示す検出素子を示す図である。
【図４】（ａ）〜（ｄ）は、本発明の実施の形態に係る力学量検出センサの加工プロセスを示す図である。
【図５】（ａ）〜（ｃ）は、本発明の実施の形態に係る力学量検出センサの加工プロセスを示す図である。
【図６】（ａ）錘部がＸ軸及びＹ軸回りに回動する際の検出動作説明図であり、（ｂ）錘部がＺ軸方向に直動する際の検出動作説明図である。
【図７】（ａ）本発明の実施の形態２に係る力学量検出センサの構造を示す模式図であり、（ｂ）錘部がＹ軸回りに回動する際の検出動作説明図であり、（ｃ）錘部がＸ軸回りに回動する際の検出動作説明図であり、（ｄ）錘部がＺ軸方向に直動する際の検出動作説明図である。
【図８】（ａ）本発明の実施の形態３に係る力学量検出センサの構成を示す模式図であり、（ｂ）錘部がＹ軸回りに回動する際の検出動作説明図であり、（ｃ）錘部がＸ軸回りに回動する際の検出動作説明図であり、（ｄ）錘部がＺ軸方向に直動する際の検出動作説明図である。
【図９】従来技術の加速度検出装置の検出原理を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００３６】
以下、本発明の実施の形態について添付図面を参照して詳細に説明する。
【００３７】
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１に係る力学量検出センサ１の斜視図であり、図２は、力学量検出センサ１の分解斜視図である。
【００３８】
図１および図２に示すように、力学量検出センサ１は、第１の半導体基板２と第２の半導体基板３とを絶縁層４を介して接合して構成されている。力学量検出センサ１は、例えば、第１の半導体基板２をシリコン層、絶縁層４を酸化シリコン層、第２の半導体基板３をシリコン層とした３層構造をなすＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｏｎ Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）基板を用いて製造可能である。
【００３９】
第１の半導体基板２は、第２の半導体基板３と比較して相対的に薄板状のシリコン層で構成され、収納空間が形成された矩形枠状の枠体１１と、枠体１１の内側に配置された変位部１２と、枠体１１の枠内の隣接する二辺が交差する４つの角部（以下、単に角部という）と変位部１２とを接続する４つの梁部１３とが形成されている。枠体１１、変位部１２、梁部１３は、第１の半導体基板２をエッチングにより変位部１２の周囲に上面視Ｌ字状の４つの開口を設けることで形成される。
【００４０】
枠体１１は、Ｌ字状の４つの開口により変位部１２を囲うように形成されている。変位部１２は、略正方形状に形成され、枠体１１の枠内中央に配置されている。４つの梁部１３は、それぞれ枠体１１の一辺から対向辺に向かって延在する長尺部１５と、長尺部１５に連なり、変位部１２の４つの角部に接続される接続部１６とから構成される。このように、４つの梁部１３は、長尺部１５を有し、変位部１２（後述する錘部２２を含む）の略全周に沿って延在しているため、撓み易い構成となっている。尚、この場合の略全周とは、変位部１２の全周に沿って延設されているのみでなく、長尺部１５の撓みによって加速度を検出できる範囲内であれば、変位部１２の外周面の全周に沿っていなくとも良い。
【００４１】
各梁部１３の上面には、枠体１１との接続部分の近傍にそれぞれ検出素子１７が設けられており、この検出素子１７により各梁部１３の撓み量が検出される。検出素子１７は、いわゆる圧電素子であり、例えば、図示しない下地膜の上面に、下部電極、圧電体膜、上部電極の順に蒸着などにより成膜することで形成される。検出素子１７は、梁部１３に生じた撓みにより変形し、この変形による圧力を電圧に変換して出力する。
【００４２】
第２の半導体基板３には、第１の半導体基板２と比較して相対的に厚板状のシリコン層で構成され、矩形状の開口部２３を有する支持部２１と、開口部２３の内側に配置された錘部２２とが形成されている。支持部２１および錘部２２は、第２の半導体基板３をエッチングにより錘部２２の周囲に矩形枠状の開口を設けることで形成される。
【００４３】
支持部２１は、上面視において枠体１１に対応した形状を有しており、枠体１１の下面に絶縁層４を介して接合されている。錘部２２は、略直方体形状に形成されており、変位部１２の下面に絶縁層４を介して接合されている。このように、錘部２２は、枠体１１の収納空間及び支持部２１の開口部２３の内側において、変位部１２を介して４つの梁部１３により揺動自在に支持される。よって、錘部２２の重心位置に慣性力が作用すると、Ｘ軸回りの回動、Ｙ軸回りの回動、Ｚ軸方向の直動が可能となっている。
【００４４】
このように、梁部１３の構造を、枠体１１の角部から対向辺に向かって延在する長尺部１５と長尺部１５に連なる接続部１６とに分け、屈曲させて構成することにより、梁部１３の全長を短縮することなく、枠体１１の収納空間及び支持部２１の開口部２３内に設けることができると共に、梁部１３の錘部２２への干渉を最小限とすることができる。このため、梁部１３の全長を長くとることができると共に、錘部２２重量を低減しないので、力学量検出センサ１の検出感度を向上でき、装置を小型化することができる。
【００４５】
図３（ａ）は、本発明の実施の形態１に係る力学量検出センサ１を示す平面図である。図３（ａ）に示すように、梁１３は、一端（図中のＡ側〜Ｄ側）が枠体１１に固定されており、他端が変位部１２に固定されている。図３（ａ）においては、枠体１１を省略して図示している。梁１３は、それぞれ変位部１２の外周面との間に所定の間隔をとって変位部１２の外周面に沿って延設されている。
【００４６】
検出素子１７は、図３（ｂ）に示すように、梁１３及び変位部１２上に形成された下部電極２５と、この下部電極２５上に形成された圧電薄膜２６と、圧電薄膜２６上に部分的に形成された上部電極２７とで構成されている。上部電極２７は、下部電極２５／圧電薄膜２６の積層体のうち、力学量が加わったときに応力が集中する応力集中部分に形成する。このような構成によれば、応力集中部分に下部電極２５／圧電薄膜２６／上部電極２７の３層の積層体を形成する場合に比べて、アライメントずれなく、応力集中部分に上部電極２７を形成することが可能となる。
【００４７】
次に、図４及び図５を参照して、力学量検出センサの加工プロセスの一例について説明する。図４（ａ）〜（ｄ）及び図５（ａ）〜（ｃ）は、本発明の実施の形態に係る力学量検出センサの加工プロセスを示す図である。
【００４８】
図４（ａ）に示すように、第１の半導体基板２、絶縁層４、第２の半導体基板３を積層したＳＯＩ基板を準備し、第１の半導体基板２の上面にサポート基板３０が配置される。次に、図４（ｂ）に示すように、第２の半導体基板３の下面が研磨され薄化されると共に、第２の半導体基板３がフォトリソグラフィ及びエッチング（deep ＲＩＥ）により加工されて支持部２１及び錘部２２が形成される。
【００４９】
次に、図４（ｃ）に示すように、第３の基板３１がフォトリソグラフィ及びエッチングにより加工されて凹部３１ａが形成され、第２の半導体基板３の下面に接合される。次に、図４（ｄ）に示すように、第１の半導体基板２の上面からサポート基板３０が剥離され、第１の半導体基板２の上面が研磨されて所望の厚みに薄化される。
【００５０】
次に、図５（ａ）に示すように、第１の半導体基板２の上面にスパッタリングにより絶縁材料が被着される。次に、図５（ｂ）に示すように、絶縁層１８の梁部１３領域を含む領域上に、検出素子１７が形成される。検出素子１７は、梁１３及び変位部１２上に形成された下部電極２５と、下部電極２５上に形成された圧電薄膜２６と、圧電薄膜２６上に部分的に形成された上部電極２７とから構成されている。まず、梁１３及び変位部１２上に、スパッタリングにより下部電極２５用の金属材料、圧電材料及び上部電極２７用の金属材料をこの順で被着し、フォトリソグラフィ及びエッチングにより金属材料及び圧電材料をパターンニングして下部電極２５、圧電薄膜２６及び上部電極２７用の金属層を形成する。その後、再度フォトリソグラフィ及びエッチングにより上部電極２７用の金属層をパターンニングして上部電極２７を形成する。
【００５１】
次に、図５（ｃ）に示すように、第１の半導体基板２を絶縁層４，１８と共に部分的に除去することにより、梁部１３及び変位部１２を設ける。このようにして、図３に示す力学量検出センサ１を得ることができる。
【００５２】
次に、図６を参照して、力学量検出センサの動作について説明する。図６（ａ）は、錘部がＸ軸、Ｙ軸回りに回動する際の検出動作説明図であり、（ｂ）は錘部がＺ軸方向に直動する際の検出動作説明図である。
【００５３】
図６（ａ）に示すように、力学量検出センサ１に対して力（加速度）が作用して、錘部２２に対してＹ軸方向に慣性力が作用すると、錘部２２はＸ軸回りに回動する。このとき、梁部１３ａ、１３ｂの変位部１２側がＺ軸方向下方に移動して、梁部１３ａ、１３ｂの枠体１１側（検出素子１７ａ、１７ｂ側）にＺ軸方向上方の力が作用する。また、梁部１３ｃ、１３ｄの変位部１２側がＺ軸方向上方に移動して、梁部１３ｃ、１３ｄの枠体１１側（検出素子１７ｃ、１７ｄ側）にＺ軸方向下方の力が作用する。そして、梁部１３ａ、１３ｂの枠体１１側はＺ軸方向上方に膨らむように撓み、梁部１３ｃ、１３ｄの枠体１１側はＺ軸方向下方に沈むように撓む。
【００５４】
検出素子１７ａ、１７ｂは、それぞれ梁部１３ａ、１３ｂの枠体１１側の撓みに合わせてＺ軸方向上方に膨らむように変形し、変形を受けて電圧を出力する。また、検出素子１７ｃ、１７ｄは、それぞれ梁部１３ｃ、１３ｄの枠体１１側の撓みに合わせてＺ軸方向下方に沈むように変形し、変形を受けて電圧を出力する。各検出素子１７ａ、１７ｂ、１７ｃ、１７ｄから出力された電圧は、図示しない演算回路において演算され、加速度が算出される。
【００５５】
なお、力学量検出センサ１に対して力（加速度）が作用して、錘部２２に対してＸ軸方向に慣性力が作用すると、錘部２２はＹ軸回りに回動する。この場合には、梁部１３ｂ、１３ｃの枠体１１側にＺ軸方向上方に力が作用し、梁部１３ａ、１３ｄの枠体１１側にＺ軸方向下方に力が作用する。したがって、検出素子１７ｂ、ｃは、それぞれ梁部１３ｂ、１３ｃの枠体１１側の撓みに合わせてＺ軸方向上方に膨らむように変形し、検出素子１７ａ、１７ｄは、それぞれ梁部１３ａ、１３ｄの枠体１１側の撓みに合わせてＺ軸方向下方に沈むように変形する。
【００５６】
図６（ｂ）に示すように、力学量検出センサ１に対して力（加速度）が作用して、錘部２２に対してＺ軸方向に慣性力が作用すると、錘部２２はＺ軸方向下方に直動する。このとき、梁部１３ａ、１３ｂ、１３ｃ、１３ｄの変位部１２側がＺ軸方向下方に移動して、梁部１３ａ、１３ｂ、１３ｃ、１３ｄの枠体１１側にＺ軸方向上方に力が作用する。そして、梁部１３ａ、１３ｂ、１３ｃ、１３ｄの枠体１１側はＺ軸方向上方に膨らむように撓み、検出素子１７ａ、１７ｂ、１７ｃ、１７ｄもＺ軸方向上方に膨らむように変形する。各検出素子１７ａ、１７ｂ、１７ｃ、１７ｄの変形を受けて電圧を出力し、出力された電圧は、図示しない演算回路において演算され、加速度が算出される。
【００５７】
以上のように、力学量検出センサ１によれば、Ｘ軸、Ｙ軸方向からの力（加速度）の作用をそれぞれＹ軸、Ｘ軸の回動として、また、Ｚ軸方向からの力（加速度）の作用を直動としてそれぞれ錘部２２のＺ軸方向の変位に変換することができるので、各軸方向からの力（加速度）の作用を検出することができる。
【００５８】
また、力学量検出センサ１は、一端が枠体１１に固定され、他端が変位部１２に固定された梁部１３を有する。この梁部１３は、錘部２２の外周面との間に所定の間隔をとって錘部２２の外周面に延設されるので、梁部１３と錘部２２の干渉を低減でき、錘部２２の重量を低減することなく、梁部１３と錘部２２を配置することができる。また、梁部１３は、長尺部１５と接続部１６とを備え、屈曲された構造を有するので、梁部１３の全長を短縮することなく、梁部１３を枠体１１の枠内に配することができる。このため、力学量検出センサ１においては、高い検出感度が得られると共に、装置全体を小型化できる。
【００５９】
（実施の形態２）
次に、本発明の実施の形態２に係る力学量検出センサ４０について説明する。図７（ａ）は、力学量検出センサ４０の錘部４１（図示されない変位部を含む）、梁部４２の構造を示す模式図であり、説明の便宜上、枠体１１、支持部２１は省略している。尚、力学量センサ１と構成が同一の部分については、説明を省略する。
【００６０】
図７（ａ）に示すように、力学量検出センサ４０は、枠体１１と錘部４１とを接続する２つの梁部４２ａ、４２ｂを備えて構成される。梁部４２ａは、一端が枠体１１の角部に接続され、対向辺に向かって錘部４１に沿って延在する長尺部４３ａと、長尺部４３ａの他端に長尺部４３ａに略直交して一端が接続され、対向辺に向かって錘部４１に沿って延在する中尺部４４ａと、中尺部４４ａに連なり、錘部４１の角部に接続される接続部４５ａとから構成される。
【００６１】
梁部４２ｂは、一端が梁部４２ａの接続された枠体１１の角部と対角上の角部に接続され、対向辺に向かって錘部４１に沿って延在する長尺部４３ｂと、長尺部４３ｂの他端に長尺部４３ｂに略直交して一端が接続され、対向辺に向かって錘部４１に沿って延在する中尺部４４ｂと、中尺部４４ｂに連なり、接続部４５ａと対角上の角部に接続される接続部４５ｂとから構成される。すなわち、梁部４２ａ、４２ｂは、それぞれ互い違いに構成され、錘部４１の略全周に沿って延設されるように構成されている。
【００６２】
このように、２つの梁部４２ａ、４２ｂは、長尺部４３ａ、４３ｂと、中尺部４４ａ、４４ｂとを有し、錘部４１の略全周に沿って延設されているため、更に撓みやすい構成となっている。尚、この場合の略全周とは、錘部４１の全周に沿って延設されているのみでなく、長尺部４３ａ、４３ｂ及び中尺部４４ａ、４４ｂの撓みによって加速度を検出できる範囲内であれば、錘部４１の外周面の全周に沿っていなくとも良い。
【００６３】
梁部４２ａ、４２ｂの中尺部４４ａ、４４ｂそれぞれの中央部には、検出素子４６ａ、４６ｂが形成されている。梁部４２ａ、４２ｂの長尺部４３ａ、４３ｂそれぞれの中央部には、検出素子４７ａ、４７ｂが形成され、長尺部４３ｂの枠体１１との接続側（中尺部４４ｂと反対側）には、検出素子４８が形成されている。その他の構成に関しては、実施の形態１の力学量センサ１と同様に構成されるため、説明を省略する。
【００６４】
次に、力学量センサ４０の動作について説明する。図７（ｂ）は、錘部４１がＹ軸回りに回動する際の検出動作説明図であり、図７（ｃ）は、錘部４１がＸ軸回りに回動する際の検出動作説明図であり、図７（ｄ）は、錘部４１がＺ軸方向に直動する際の検出動作説明図である。
【００６５】
図７（ｂ）に示すように、力学量検出センサ４０に対して力（加速度）が働いて、錘部４１に対してＸ軸方向の慣性力が作用すると、錘部４１はＹ軸回りに回動する。このとき、梁部４２ａの接続部４５ａはＺ軸方向下方に移動して、梁部４２ａの中尺部４４ａにはＺ軸方向下方の力が作用する。また、梁部４２ｂの接続部４５ｂはＺ軸方向上方に移動して、梁部４２ｂの中尺部４４ｂにはＺ軸方向上方に力が作用する。そして、中尺部４４ａはＺ軸方向上方に撓み、中尺部４４ｂは、Ｚ軸方向下方に撓む。
【００６６】
検出素子４６ａは、中尺部４４ａの撓みに合わせてＺ軸方向上方に膨らむように変形し、変形を受けて電圧を出力する。また、検出素子４６ｂは、中尺部４４ｂの撓みに合わせてＺ軸方向下方に沈むように変形し、変形を受けて電圧を出力する。各検出素子４６ａ、４６ｂから出力された電圧は、図示しない演算回路において演算され、加速度が算出される。
【００６７】
図７（ｃ）に示すように、力学量検出センサ４０に対して力（加速度）が働いて、錘部４１に対してＹ軸方向の慣性力が作用すると、錘部４１はＸ軸回りに回動する。このとき、梁部４２ａの接続部４５ａはＺ軸方向上方に移動して、梁部４２ａの長尺部４３ａにはＺ軸方向上方の力が作用する。また、梁部４２ｂの接続部４５ｂは、Ｚ軸方向下方に移動して、梁部４２ｂの長尺部４３ｂにはＺ軸方向下方の力が作用する。そして、長尺部４３ａはＺ軸方向下方に撓み、長尺部４３ｂは、Ｚ軸方向上方に撓む。
【００６８】
検出素子４７ａは、長尺部４３ａの撓みに合わせてＺ軸方向下方に沈むように変形し、変形を受けて電圧を出力する。また、検出素子４７ｂは、長尺部４３ｂの撓みに合わせてＺ軸方向上方に膨らむように変形し、変形を受けて電圧を出力する。各検出素子４７ａ、４７ｂから出力された電圧は、図示しない演算回路において演算され、加速度が算出される。
【００６９】
次に図７（ｄ）に示すように、力学量検出センサ４０に対して力（加速度）が働いて、錘部４１に対してＺ軸方向の慣性力が作用すると、錘部４１はＺ軸方向に直動する。このとき、梁部４２ａ、４２ｂの接続部４５ａ、４５ｂはＺ軸方向下方に移動して、梁部４２ａ、４２ｂ全体にＺ軸方向上方に力が作用する。この場合、枠体１１に一端が接続された長尺部４３ａ、４３ｂに大きく力が作用し、長尺部４３ａ、４３ｂはＺ軸方向上方に変形する。そして、検出素子４７ａ、４７ｂは、それぞれの長尺部４３ａ、４３ｂに合わせてＺ軸方向上方に膨らむように変形し、変形を受けて電圧を出力する。各検出素子４７ａ、４７ｂから出力された電圧は、図示しない演算回路において演算され、加速度が算出される。
【００７０】
以上のようにして、力学量検出センサ４０によれば、２つの梁４２ａ、４２ｂ上に設けられた４つの検出素子４６ａ、４６ｂ、４７ａ及び４７ｂによってＸ軸、Ｙ軸及びＺ軸に対してそれぞれ電圧が出力されるので、Ｘ軸、Ｙ軸及びＺ軸方向の力（加速度）を検出することができる。また、同じ質量の錘４１を用いて構成された４つの梁１３ａ、１３ｂ、１３ｃ及び１３ｄを有する構成の実施の形態１の力学量検出センサ１と２つの梁４２ａ、４２ｂを有する力学量センサ４０とを比較した場合、力学量検出センサ４０は、１つあたりの梁部４２ａ、４２ｂに対する錘部４１の荷重が大きくできることに加え、梁部４２ａ、４２ｂの全長を梁部１３ａ、１３ｂ、１３ｃ及び１３ｄより長く構成することができるため、検出感度を増大させることができる。
【００７１】
また、力学量検出センサ４０の構成においては、検出素子４８のみを用いてＸ軸、Ｙ軸及びＺ軸方向の加速度を検出することもできる。この場合、上記した作用で、検出素子４８は、Ｘ軸方向及びＺの軸方向の慣性力に対しては、Ｚ軸方向下方に変形し、Ｙ軸方向の加速度に対してはＺ軸方向上方に変形する。このため、検出素子４８は、Ｘ軸、Ｙ軸及びＺ軸方向の加速度全てに対して変形し、変形を受けて電圧を出力することができる。また、この場合、Ｘ軸、Ｙ軸及びＺ軸の各軸方向からの力（加速度）が検出素子４８に集約されて出力されるので、簡素な演算処理で、Ｘ軸、Ｙ軸及びＺ軸方向の全ての方向に対して力（加速度）が検出できる。尚、検出素子４８は、梁４２ａの長尺部４３ａの枠体１１側に設けることもできる。
【００７２】
さらに、力学量検出センサ４０において、検出素子４８を用いた場合、錘部４１の質量、形状及び梁部４２ａ、４２ｂの形状、長尺部４３ａ、４３ｂ、中尺部４４ａ、４４ｂの長さを調整することにより、各軸方向の出力信号を調整することができる。このように各軸方向の出力を調整することにより、例えば、Ｘ軸、Ｙ軸及びＺ軸の各軸方向を問わず、所定の力（加速度）以上の作用を軽微な演算で検出できるように構成することもできる。
【００７３】
以上のように、本実施の形態に係る加速度センサ４０によれば、梁の数を２本に削減することができると共に、梁の長さを長く構成することができるので、加速度の検出感度を増大させることができる。また、検出素子の位置を調整することにより、軽微な演算処理で、力（加速度）の検出を行うこともできる。
【００７４】
（実施の形態３）
次に、本発明の実施の形態３に係る力学量検出センサ５０について説明する。図８（ａ）は、力学量検出センサ５０の錘部５１（図示されない変位部を含む）、梁部５２の構造を示す模式図であり、説明の便宜上、枠体１１、支持部２１は省略している。尚、力学量センサ１と構成が同一の部分については、説明を省略する。
【００７５】
図８（ａ）に示すように、力学量検出センサ５０においては、枠体１１と錘部５１とを接続する梁部５２を備えて構成される。梁部５２は、一端が枠体１１の角部に接続され、この角部の対向辺に向かって錘部５１に沿って延在する長尺部５３と、長尺部５３と略直交して長尺部５３の他端に一端が接続され、対向辺に向かって錘部５１に沿って延在する中尺部５４と、中尺部５４と略直交して中尺部５４の他端に一端が接続され、錘部１２に沿って延在する短尺部５５と、短尺部５５に連なって錘部５１と接続される接続部５６とを有する。このように、梁部５２は、長尺部５３と、中尺部５４と、短尺部５５を有し、錘部５１の外周面の半周以上に沿って形成されているため、特に撓みやすい構造となっている。
【００７６】
梁部５２の中尺部５４の中央には、検出素子５７が設けられている。梁部５２の長尺部５３の中央には検出素子５８が設けられ、梁部５２の枠体１１側には検出素子５９が設けられている。その他に関しては、実施の形態１の力学量検出センサ１及び実施の形態２の力学量検出センサ４０と同様に構成されるため、説明を省略する。
【００７７】
次に、力学量センサ５０の動作について説明する。図８（ｂ）は、錘部がＹ軸回りに回動する際の検出動作説明図であり、図８（ｃ）は、錘部がＸ軸回りに回動する際の検出動作説明図であり、図８（ｄ）は、錘部がＺ軸方向に直動する際の検出動作説明図である。
【００７８】
図８（ｂ）に示すように、力学量検出センサ５０に対して力（加速度）が働いて、錘部５１に対してＸ軸方向に慣性力が作用した場合、錘部５１はＹ軸回りに回動する。このとき、梁部５２の中尺部５４にはＺ軸方向上方に力が作用する。そして、中尺部５４はＺ軸方向下方に撓む。検出素子５７は、中尺部５４の撓みに合わせてＺ軸方向下方に沈むように変形し、変形を受けて電圧を出力する。このように、検出素子５７から出力された電圧は、図示しない演算回路で加速度が算出される。
【００７９】
図８（ｃ）に示すように、力学量検出センサ５０に対して力（加速度）が働いて、錘部５１に対してＹ軸方向に慣性力が作用すると、錘部５１はＸ軸回りに回動する。このとき、梁部５２の長尺部５３には、Ｚ軸方向下方に力が作用する。そして、長尺部５３はＺ軸方向上方に撓む。検出素子５８は、長尺部５３の撓みに合わせてＺ軸方向上方に膨らむように変形し、変形を受けて電圧を出力する。このように、検出素子５８から出力された電圧は、図示しない演算回路で加速度が算出される。
【００８０】
次に、図８（ｄ）に示すように、力学量検出しセンサ５０に対して力（加速度）が働いて、錘５１に対してＺ軸方向に慣性力が作用した場合、錘部５１はＺ軸方向に直動する。このとき、梁部５２の長尺部５３、中尺部５４、短尺部５５のそれぞれにＺ軸方向下方の力が作用する。この場合、枠体１１と接続された長尺部５３にＺ軸方向上方の力が強く作用し、Ｚ軸方向上方に撓みが生じる。そして、検出素子５９は、長尺部５３の撓みに合わせてＺ軸方向上方に膨らむように変形し、変形を受けて電圧を出力する。このように、検出素子５９から出力された電圧は、図示しない演算回路で加速度が算出される。
【００８１】
力学量検出センサ５０においては、３つの検出素子５７、５８、５９をＸ軸、Ｙ軸及びＺ軸の各軸方向の検出にそれぞれ分けて用いることができる。このため、各軸方向の加速度が独立して検出でき、各検出素子５７、５８、５９によって検出された電圧より、複雑な演算をすることなく、各軸方向の加速度を算出することができる。また、各軸方向の信号を合算することにより、Ｘ軸、Ｙ軸及びＺ軸方向の合計の加速度の合計を軽微な演算により求めることもできる。
【００８２】
また、同じ質量の錘５１を用いて実施の形態２の力学量検出センサ４０と本実施の形態に係る力学量検出センサ５０とを構成した場合、力学量検出センサ５０は、１梁あたりの梁部５２の荷重を増大させることができることに加え、梁部５２の全長を梁部４２ａ、４２ｂより長く構成できるため、検出感度を増大させることができる。
【００８３】
また、力学量検出センサ５０は、Ｚ軸方向の加速度検出において、梁部５２の長尺部５３、中尺部５４、短尺部５５のすべてにＺ軸方向の力が作用し得るため、検出素子５７、５８、５９の全てをＺ軸方向の加速度に対して検出感度を持たせるように構成することもできる。このため、例えば、一軸方向において、特に検出感度を向上させることもできる。
【００８４】
尚、力学量検出センサ１、４０及び５０においては、各錘部２２、４１、５１の質量、及び、梁部１３ａ、１３ｂ、１３ｃ、１３ｄ、４２ａ、４３ｂ、５２の長さ及び又は太さ、バネ定数を調整することにより、検出感度を任意に調整することができる。また、力学量検出センサ１、４０、５０において、各検出素子の配置は、各加速度検出センサ１、４０、５０の各梁部の任意の場所に設けることができる。
【００８５】
また、上記した実施の形態１〜３においては、検出素子として圧電素子を例示して説明したが、この構成に限定されるものではない。梁部の撓みに基づいて力学量に応じた信号を出力する構成であればよく、例えば、圧電素子の代わりにピエゾ抵抗素子を用いてもよい。
【００８６】
なお、本発明は上記実施例に限定されるものではない。例えば、錘は直方体に限らず多角柱、円柱等が使用することもできる。また、梁の形状に関しても、矩形状の形状以外にも多角柱、円柱等、種々形状の梁部を用いることができる。その他、本発明の要旨を逸脱しない範囲で変形実施可能である。
【産業上の利用可能性】
【００８７】
本発明は、エアバックを作動させるための加速度センサや、あるいは、携帯機器の加速度センサ等、互いに直交する３軸方向の力学量検出センサに有用である。
【符号の説明】
【００８８】
１、４０、５０ 力学量検出センサ
２ 第１の半導体基板
３ 第２の半導体基板
４ 絶縁層
１１ 枠体
１２ 変位部
１３、４２、５２ 梁部
１５、４３、５３ 長尺部
１６、４５、５６ 接続部
１７、４６、４７、４８、５７、５８、５９ 検出素子
１８ 絶縁層
２１ 支持部
２２、４１、５１ 錘部
２３ 開口部
２５ 下部電極
２６ 圧電薄膜
２７ 上部電極
３０ サポート基板
３１ 第３の基板
３１ａ 凹部
４４、５４ 中尺部
５５ 短尺部
【技術分野】
【０００１】
本発明は、互いに直交するＸ軸、Ｙ軸及びＺ軸の３軸方向の加速度を検出可能な力学量検出センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、自動車産業や機械産業では、加速度を正確に検出できる小型の加速度センサの需要が高まっている。このような加速度センサとして、圧電素子等の検出素子を用いて互いに直交する３軸方向の加速度を検出する加速度センサが知られている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
図９は、特許文献１記載の加速度センサの検出原理を示す模式図である。かかる加速度センサは、枠体９１と、枠体９１の中央部に位置し、力（加速度）を受けて変位する錘部９２と、枠体９１と錘部９２との間に接続され、錘部９２を枠体９１に揺動自在に支持する梁部９３と、梁部９３の変位を電気信号に変換する検出素子９４とを備えて構成される。図９に示すように、加速度センサに加速度の力が作用した場合、Ｚ軸方向からの力であれば、錘部９２は、Ｚ軸方向（上方又は下方）に変位する。この錘部９２の変位を受けて梁部９３が撓み、この梁部９３の撓みを圧電素子等で構成された検出素子９４によって電気信号として取出す。
【０００４】
また、図中に示すように、梁部９３は、錘部９２の重心より上部であるＺ軸方向の上面と枠体９１との間に接続されている。このため、Ｙ軸方向から力（加速度）が作用した場合、錘部９２はＺ軸方向（上方又は下方）に変位する。この錘部９２の変位を受けて梁部９３が撓み、この梁９３の撓みを検出素子９４によって電気信号として取出す。
【０００５】
一方、Ｘ軸方向から力（加速度）が作用した場合、錘部９２はＺ軸方向には変位しないので、加速度を検出することができない。このため、特許文献１の加速度センサは、複数の梁部９３及び検出素子９４を互いの不感領域を補完するように配置して不感領域を無くし、３軸方向の加速度の作用を検出できるように構成されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００７−１０１５３１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、複数の梁部９３及び検出素子９４を用いた場合、錘部９２が放射状に四方に伸びる複数の梁部９３によって支持されるため、検出素子９３に加わる力が複数の検出素子９３に分散して検出感度が低下する。また、複数の梁部９３を四方に伸びるように配置するため、加速度センサ自体の小型化が難しいという問題があった。
【０００８】
本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、検出感度が高く、小型化可能な力学量検出センサを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の力学量検出センサは、収納空間が形成された枠体と、前記枠体の収納空間に収容された錘と、前記錘を揺動自在に支持する少なくとも４つの梁と、それぞれの梁に設けられており、前記梁の動きをそれぞれ検出する検出素子とを具備し、前記梁は、一端が前記枠体に固定され、他端が前記錘に固定されると共に、前記錘の外周面との間に所定の間隔をとって前記錘の外周面に沿って延設され、少なくとも４本の梁が前記錘の外周面の略全周に沿って延設されることを特徴とする。
【００１０】
この構成によれば、梁の全長を短縮することなく枠体内に梁を設けることができるので、梁の撓みを大きくすることができ、検出感度を向上できる。また、梁と錘との干渉を回避できるので、力学量検出センサを小型化できる。
【００１１】
本発明は、上記力学量検出センサにおいて、前記梁は、少なくとも１つの屈折部を有することが好ましい。
【００１２】
本発明の力学量検出センサは、収納空間が形成された枠体と、前記枠体の収納空間に収容された錘と、前記錘を揺動自在に支持する少なくとも２つの梁と、それぞれの梁に設けられており、前記梁の動きをそれぞれ検出する検出素子とを具備し、前記梁は、一端が前記枠体に固定され、他端が前記錘に固定されると共に、前記錘の外周面との間に所定の間隔をとって前記錘の外周面に沿って延設され、少なくとも２本の梁が前記錘の外周面の略全周に沿って延設されることを特徴とする。
【００１３】
この構成によれば、梁の長手方向の距離を延ばすことなく、梁の全長を延長できるので、梁の撓みを大きくすることができ、検出感度を更に向上できる。また、梁と錘の干渉を回避できるので、力学量検出センサを小型化できる。
【００１４】
本発明は、上記力学量検出センサにおいて、前記梁は、少なくとも２つの屈折部を有することが好ましい。
【００１５】
本発明の力学量検出センサは、収納空間が形成された枠体と、前記枠体の収納空間に収容された錘と、前記錘を揺動自在に支持する少なくとも１つの梁と、それぞれの梁に設けられており、前記梁の動きをそれぞれ検出する検出素子とを具備し、前記梁は、一端が前記枠体に固定され、他端が前記錘に固定されると共に、前記錘の外周面との間に所定の間隔をとって前記錘の外周面の少なくとも半周以上前記錘に沿って延設されることを特徴とする。
【００１６】
この構成によれば、梁の長手方向の距離を延ばすことなく、全長を更に延長できるので、梁の撓みを大きくすることができ、検出感度を特に向上できる。また、梁と錘の干渉を回避できるので、力学量検出センサを小型化できる。
【００１７】
本発明は、上記力学量検出センサにおいて、前記梁は、少なくとも３つの屈折部を有することが好ましい。
【００１８】
本発明は、上記力学量検出センサにおいて、前記検出素子は、Ｘ軸、Ｙ軸及びＺ軸の検出方向に応じて前記梁の対応する位置に設けられることを特徴とする。
【００１９】
この構成によれば、Ｘ軸、Ｙ軸及びＺ軸のそれぞれの検出方向に対して出力信号を得ることができるので、簡素な演算で力学量を算出することができる。
【００２０】
本発明は、上記力学量検出センサにおいて、前記検出素子は、梁のＸ軸、Ｙ軸及びＺ軸の３軸方向の力学量を共に検出できる位置に設けられることを特徴とする。
【００２１】
この構成によれば、Ｘ軸、Ｙ軸及びＺ軸方向の加速度を１つの検出素子で検出することができるので、力学量検出センサの構成が容易になると共に、各軸方向の力学量の合計を簡素な演算で算出することができる。
【００２２】
本発明は、上記力学量検出センサにおいて、前記検出素子は、平面視においてそれぞれの梁部の前記枠体側に設けられていることを特徴とする。
【００２３】
この構成によれば、撓みの大きい梁部の枠体側で力学量を検出できるので、錘部の形状、質量によらず、高い検出感度で力学量を検出することができる。
【００２４】
本発明は、上記力学量検出センサにおいて、前記検出素子は、圧電素子で構成されることを特徴とする。
【００２５】
この構成によれば、梁上に形成した圧電素子を検出素子に用いることができるので、検出素子の形成が容易になり、力学量検出素子の製造が容易となる。
【００２６】
本発明は、上記力学量検出センサにおいて、前記検出素子は、前記梁及び前記変位部上に形成された下部電極と、前記下部電極上に形成された圧電薄膜と、前記圧電薄膜上に部分的に形成された上部電極とで構成されることを特徴とする。
【００２７】
この構成によれば、力学量検出センサの製造工程において、検出素子の形成を梁及び変位部上に行うことができると共に、検出素子の形成を上部電極の形状によって制御することができるので、力学量検出センサの製造を容易にすることができる。
【００２８】
本発明の力学量検出センサは、収納空間が形成された枠体と、前記枠体の収納空間に収容された錘と、前記錘を揺動自在に支持する少なくとも４つの梁と、それぞれの梁に設けられており、前記梁の動きをそれぞれ検出する検出素子とを具備し、前記検出素子が前記梁及び前記錘部上に形成された下部電極と、前記下部電極上に形成された圧電薄膜と、前記圧電薄膜上に部分的に形成された上部電極とで構成されており、前記梁は、一端が前記枠体に固定され、他端が前記錘に固定されると共に、前記錘の外周面との間に所定の間隔をとって前記錘の外周面に沿って延設され、少なくとも４本の梁が前記錘の外周面の略全周に沿って延設されていることを特徴とする。
【００２９】
この構成によれば、梁の全長を短縮することなく枠体内に梁を設けることができるので、梁の撓みを大きくすることができ、検出感度を向上できる。また、梁と錘との干渉を回避できるので、力学量検出センサを小型化できる。
【００３０】
本発明の力学量検出センサは、収納空間が形成された枠体と、前記枠体の収納空間に収容された錘と、前記錘を揺動自在に支持する少なくとも２つの梁と、それぞれの梁に設けられており、前記梁の動きをそれぞれ検出する検出素子とを具備し、前記検出素子が前記梁及び前記錘上に形成された下部電極と、前記下部電極上に形成された圧電薄膜と、前記圧電薄膜上に部分的に形成された上部電極とで構成されており、前記梁は、一端が前記枠体に固定され、他端が前記錘に固定されると共に、前記錘の外周面との間に所定の間隔をとって前記錘の外周面に沿って延設されて、少なくとも２本の梁が前記錘の外周面の略全周に沿って延設されることを特徴とする。
【００３１】
この構成によれば、梁の長手方向の距離を延ばすことなく、全長を更に延長できるので、梁の撓みを大きくすることができ、検出感度を更に向上できる。また、梁と錘の干渉を回避できるので、力学量検出センサを小型化できる。さらに、力学量検出センサの製造工程において、検出素子の形成を梁及び変位部上に行うことができると共に、検出素子の形成を上部電極の形状によって制御することができるので、力学量検出センサの製造を容易にすることができる。
【００３２】
本発明の力学量検出センサは、収納空間が形成された枠体と、前記枠体の収納空間に収容された錘と、前記錘を揺動自在に支持する少なくとも１つの梁と、それぞれの梁に設けられており、前記梁の動きをそれぞれ検出する検出素子とを具備し、前記検出素子が前記梁及び前記錘上に形成された下部電極と、前記下部電極上に形成された圧電薄膜と、前記圧電薄膜上に部分的に形成された上部電極とで構成されており、前記梁は、一端が前記枠体に固定され、他端が前記錘に固定されると共に、前記錘の外周面との間に所定の間隔をとって前記錘の外周面の少なくとも半周以上前記錘に沿って延設されることを特徴とする。
【００３３】
この構成によれば、梁の長手方向の距離を延ばすことなく、全長を特に延長できるので、梁の撓みを大きくすることができ、検出感度を特に向上できる。また、梁と錘の干渉を回避できるので、力学量検出センサを小型化できる。さらに、力学量検出センサの製造工程において、検出素子の形成を梁及び変位部上に行うことができると共に、検出素子の形成を上部電極の形状によって制御することができるので、力学量検出センサの製造を容易にすることができる。
【発明の効果】
【００３４】
本発明によれば、検出感度が高く、小型化可能な力学量検出センサを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】本発明の実施の形態１に係る力学量センサを示す斜視図である。
【図２】本発明の実施の形態１に係る力学量センサの分解斜視図である。
【図３】（ａ）は、本発明の実施の形態に係る力学量検出センサを示す平面図であり、（ｂ）は、（ａ）に示す検出素子を示す図である。
【図４】（ａ）〜（ｄ）は、本発明の実施の形態に係る力学量検出センサの加工プロセスを示す図である。
【図５】（ａ）〜（ｃ）は、本発明の実施の形態に係る力学量検出センサの加工プロセスを示す図である。
【図６】（ａ）錘部がＸ軸及びＹ軸回りに回動する際の検出動作説明図であり、（ｂ）錘部がＺ軸方向に直動する際の検出動作説明図である。
【図７】（ａ）本発明の実施の形態２に係る力学量検出センサの構造を示す模式図であり、（ｂ）錘部がＹ軸回りに回動する際の検出動作説明図であり、（ｃ）錘部がＸ軸回りに回動する際の検出動作説明図であり、（ｄ）錘部がＺ軸方向に直動する際の検出動作説明図である。
【図８】（ａ）本発明の実施の形態３に係る力学量検出センサの構成を示す模式図であり、（ｂ）錘部がＹ軸回りに回動する際の検出動作説明図であり、（ｃ）錘部がＸ軸回りに回動する際の検出動作説明図であり、（ｄ）錘部がＺ軸方向に直動する際の検出動作説明図である。
【図９】従来技術の加速度検出装置の検出原理を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００３６】
以下、本発明の実施の形態について添付図面を参照して詳細に説明する。
【００３７】
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１に係る力学量検出センサ１の斜視図であり、図２は、力学量検出センサ１の分解斜視図である。
【００３８】
図１および図２に示すように、力学量検出センサ１は、第１の半導体基板２と第２の半導体基板３とを絶縁層４を介して接合して構成されている。力学量検出センサ１は、例えば、第１の半導体基板２をシリコン層、絶縁層４を酸化シリコン層、第２の半導体基板３をシリコン層とした３層構造をなすＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｏｎ Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）基板を用いて製造可能である。
【００３９】
第１の半導体基板２は、第２の半導体基板３と比較して相対的に薄板状のシリコン層で構成され、収納空間が形成された矩形枠状の枠体１１と、枠体１１の内側に配置された変位部１２と、枠体１１の枠内の隣接する二辺が交差する４つの角部（以下、単に角部という）と変位部１２とを接続する４つの梁部１３とが形成されている。枠体１１、変位部１２、梁部１３は、第１の半導体基板２をエッチングにより変位部１２の周囲に上面視Ｌ字状の４つの開口を設けることで形成される。
【００４０】
枠体１１は、Ｌ字状の４つの開口により変位部１２を囲うように形成されている。変位部１２は、略正方形状に形成され、枠体１１の枠内中央に配置されている。４つの梁部１３は、それぞれ枠体１１の一辺から対向辺に向かって延在する長尺部１５と、長尺部１５に連なり、変位部１２の４つの角部に接続される接続部１６とから構成される。このように、４つの梁部１３は、長尺部１５を有し、変位部１２（後述する錘部２２を含む）の略全周に沿って延在しているため、撓み易い構成となっている。尚、この場合の略全周とは、変位部１２の全周に沿って延設されているのみでなく、長尺部１５の撓みによって加速度を検出できる範囲内であれば、変位部１２の外周面の全周に沿っていなくとも良い。
【００４１】
各梁部１３の上面には、枠体１１との接続部分の近傍にそれぞれ検出素子１７が設けられており、この検出素子１７により各梁部１３の撓み量が検出される。検出素子１７は、いわゆる圧電素子であり、例えば、図示しない下地膜の上面に、下部電極、圧電体膜、上部電極の順に蒸着などにより成膜することで形成される。検出素子１７は、梁部１３に生じた撓みにより変形し、この変形による圧力を電圧に変換して出力する。
【００４２】
第２の半導体基板３には、第１の半導体基板２と比較して相対的に厚板状のシリコン層で構成され、矩形状の開口部２３を有する支持部２１と、開口部２３の内側に配置された錘部２２とが形成されている。支持部２１および錘部２２は、第２の半導体基板３をエッチングにより錘部２２の周囲に矩形枠状の開口を設けることで形成される。
【００４３】
支持部２１は、上面視において枠体１１に対応した形状を有しており、枠体１１の下面に絶縁層４を介して接合されている。錘部２２は、略直方体形状に形成されており、変位部１２の下面に絶縁層４を介して接合されている。このように、錘部２２は、枠体１１の収納空間及び支持部２１の開口部２３の内側において、変位部１２を介して４つの梁部１３により揺動自在に支持される。よって、錘部２２の重心位置に慣性力が作用すると、Ｘ軸回りの回動、Ｙ軸回りの回動、Ｚ軸方向の直動が可能となっている。
【００４４】
このように、梁部１３の構造を、枠体１１の角部から対向辺に向かって延在する長尺部１５と長尺部１５に連なる接続部１６とに分け、屈曲させて構成することにより、梁部１３の全長を短縮することなく、枠体１１の収納空間及び支持部２１の開口部２３内に設けることができると共に、梁部１３の錘部２２への干渉を最小限とすることができる。このため、梁部１３の全長を長くとることができると共に、錘部２２重量を低減しないので、力学量検出センサ１の検出感度を向上でき、装置を小型化することができる。
【００４５】
図３（ａ）は、本発明の実施の形態１に係る力学量検出センサ１を示す平面図である。図３（ａ）に示すように、梁１３は、一端（図中のＡ側〜Ｄ側）が枠体１１に固定されており、他端が変位部１２に固定されている。図３（ａ）においては、枠体１１を省略して図示している。梁１３は、それぞれ変位部１２の外周面との間に所定の間隔をとって変位部１２の外周面に沿って延設されている。
【００４６】
検出素子１７は、図３（ｂ）に示すように、梁１３及び変位部１２上に形成された下部電極２５と、この下部電極２５上に形成された圧電薄膜２６と、圧電薄膜２６上に部分的に形成された上部電極２７とで構成されている。上部電極２７は、下部電極２５／圧電薄膜２６の積層体のうち、力学量が加わったときに応力が集中する応力集中部分に形成する。このような構成によれば、応力集中部分に下部電極２５／圧電薄膜２６／上部電極２７の３層の積層体を形成する場合に比べて、アライメントずれなく、応力集中部分に上部電極２７を形成することが可能となる。
【００４７】
次に、図４及び図５を参照して、力学量検出センサの加工プロセスの一例について説明する。図４（ａ）〜（ｄ）及び図５（ａ）〜（ｃ）は、本発明の実施の形態に係る力学量検出センサの加工プロセスを示す図である。
【００４８】
図４（ａ）に示すように、第１の半導体基板２、絶縁層４、第２の半導体基板３を積層したＳＯＩ基板を準備し、第１の半導体基板２の上面にサポート基板３０が配置される。次に、図４（ｂ）に示すように、第２の半導体基板３の下面が研磨され薄化されると共に、第２の半導体基板３がフォトリソグラフィ及びエッチング（deep ＲＩＥ）により加工されて支持部２１及び錘部２２が形成される。
【００４９】
次に、図４（ｃ）に示すように、第３の基板３１がフォトリソグラフィ及びエッチングにより加工されて凹部３１ａが形成され、第２の半導体基板３の下面に接合される。次に、図４（ｄ）に示すように、第１の半導体基板２の上面からサポート基板３０が剥離され、第１の半導体基板２の上面が研磨されて所望の厚みに薄化される。
【００５０】
次に、図５（ａ）に示すように、第１の半導体基板２の上面にスパッタリングにより絶縁材料が被着される。次に、図５（ｂ）に示すように、絶縁層１８の梁部１３領域を含む領域上に、検出素子１７が形成される。検出素子１７は、梁１３及び変位部１２上に形成された下部電極２５と、下部電極２５上に形成された圧電薄膜２６と、圧電薄膜２６上に部分的に形成された上部電極２７とから構成されている。まず、梁１３及び変位部１２上に、スパッタリングにより下部電極２５用の金属材料、圧電材料及び上部電極２７用の金属材料をこの順で被着し、フォトリソグラフィ及びエッチングにより金属材料及び圧電材料をパターンニングして下部電極２５、圧電薄膜２６及び上部電極２７用の金属層を形成する。その後、再度フォトリソグラフィ及びエッチングにより上部電極２７用の金属層をパターンニングして上部電極２７を形成する。
【００５１】
次に、図５（ｃ）に示すように、第１の半導体基板２を絶縁層４，１８と共に部分的に除去することにより、梁部１３及び変位部１２を設ける。このようにして、図３に示す力学量検出センサ１を得ることができる。
【００５２】
次に、図６を参照して、力学量検出センサの動作について説明する。図６（ａ）は、錘部がＸ軸、Ｙ軸回りに回動する際の検出動作説明図であり、（ｂ）は錘部がＺ軸方向に直動する際の検出動作説明図である。
【００５３】
図６（ａ）に示すように、力学量検出センサ１に対して力（加速度）が作用して、錘部２２に対してＹ軸方向に慣性力が作用すると、錘部２２はＸ軸回りに回動する。このとき、梁部１３ａ、１３ｂの変位部１２側がＺ軸方向下方に移動して、梁部１３ａ、１３ｂの枠体１１側（検出素子１７ａ、１７ｂ側）にＺ軸方向上方の力が作用する。また、梁部１３ｃ、１３ｄの変位部１２側がＺ軸方向上方に移動して、梁部１３ｃ、１３ｄの枠体１１側（検出素子１７ｃ、１７ｄ側）にＺ軸方向下方の力が作用する。そして、梁部１３ａ、１３ｂの枠体１１側はＺ軸方向上方に膨らむように撓み、梁部１３ｃ、１３ｄの枠体１１側はＺ軸方向下方に沈むように撓む。
【００５４】
検出素子１７ａ、１７ｂは、それぞれ梁部１３ａ、１３ｂの枠体１１側の撓みに合わせてＺ軸方向上方に膨らむように変形し、変形を受けて電圧を出力する。また、検出素子１７ｃ、１７ｄは、それぞれ梁部１３ｃ、１３ｄの枠体１１側の撓みに合わせてＺ軸方向下方に沈むように変形し、変形を受けて電圧を出力する。各検出素子１７ａ、１７ｂ、１７ｃ、１７ｄから出力された電圧は、図示しない演算回路において演算され、加速度が算出される。
【００５５】
なお、力学量検出センサ１に対して力（加速度）が作用して、錘部２２に対してＸ軸方向に慣性力が作用すると、錘部２２はＹ軸回りに回動する。この場合には、梁部１３ｂ、１３ｃの枠体１１側にＺ軸方向上方に力が作用し、梁部１３ａ、１３ｄの枠体１１側にＺ軸方向下方に力が作用する。したがって、検出素子１７ｂ、ｃは、それぞれ梁部１３ｂ、１３ｃの枠体１１側の撓みに合わせてＺ軸方向上方に膨らむように変形し、検出素子１７ａ、１７ｄは、それぞれ梁部１３ａ、１３ｄの枠体１１側の撓みに合わせてＺ軸方向下方に沈むように変形する。
【００５６】
図６（ｂ）に示すように、力学量検出センサ１に対して力（加速度）が作用して、錘部２２に対してＺ軸方向に慣性力が作用すると、錘部２２はＺ軸方向下方に直動する。このとき、梁部１３ａ、１３ｂ、１３ｃ、１３ｄの変位部１２側がＺ軸方向下方に移動して、梁部１３ａ、１３ｂ、１３ｃ、１３ｄの枠体１１側にＺ軸方向上方に力が作用する。そして、梁部１３ａ、１３ｂ、１３ｃ、１３ｄの枠体１１側はＺ軸方向上方に膨らむように撓み、検出素子１７ａ、１７ｂ、１７ｃ、１７ｄもＺ軸方向上方に膨らむように変形する。各検出素子１７ａ、１７ｂ、１７ｃ、１７ｄの変形を受けて電圧を出力し、出力された電圧は、図示しない演算回路において演算され、加速度が算出される。
【００５７】
以上のように、力学量検出センサ１によれば、Ｘ軸、Ｙ軸方向からの力（加速度）の作用をそれぞれＹ軸、Ｘ軸の回動として、また、Ｚ軸方向からの力（加速度）の作用を直動としてそれぞれ錘部２２のＺ軸方向の変位に変換することができるので、各軸方向からの力（加速度）の作用を検出することができる。
【００５８】
また、力学量検出センサ１は、一端が枠体１１に固定され、他端が変位部１２に固定された梁部１３を有する。この梁部１３は、錘部２２の外周面との間に所定の間隔をとって錘部２２の外周面に延設されるので、梁部１３と錘部２２の干渉を低減でき、錘部２２の重量を低減することなく、梁部１３と錘部２２を配置することができる。また、梁部１３は、長尺部１５と接続部１６とを備え、屈曲された構造を有するので、梁部１３の全長を短縮することなく、梁部１３を枠体１１の枠内に配することができる。このため、力学量検出センサ１においては、高い検出感度が得られると共に、装置全体を小型化できる。
【００５９】
（実施の形態２）
次に、本発明の実施の形態２に係る力学量検出センサ４０について説明する。図７（ａ）は、力学量検出センサ４０の錘部４１（図示されない変位部を含む）、梁部４２の構造を示す模式図であり、説明の便宜上、枠体１１、支持部２１は省略している。尚、力学量センサ１と構成が同一の部分については、説明を省略する。
【００６０】
図７（ａ）に示すように、力学量検出センサ４０は、枠体１１と錘部４１とを接続する２つの梁部４２ａ、４２ｂを備えて構成される。梁部４２ａは、一端が枠体１１の角部に接続され、対向辺に向かって錘部４１に沿って延在する長尺部４３ａと、長尺部４３ａの他端に長尺部４３ａに略直交して一端が接続され、対向辺に向かって錘部４１に沿って延在する中尺部４４ａと、中尺部４４ａに連なり、錘部４１の角部に接続される接続部４５ａとから構成される。
【００６１】
梁部４２ｂは、一端が梁部４２ａの接続された枠体１１の角部と対角上の角部に接続され、対向辺に向かって錘部４１に沿って延在する長尺部４３ｂと、長尺部４３ｂの他端に長尺部４３ｂに略直交して一端が接続され、対向辺に向かって錘部４１に沿って延在する中尺部４４ｂと、中尺部４４ｂに連なり、接続部４５ａと対角上の角部に接続される接続部４５ｂとから構成される。すなわち、梁部４２ａ、４２ｂは、それぞれ互い違いに構成され、錘部４１の略全周に沿って延設されるように構成されている。
【００６２】
このように、２つの梁部４２ａ、４２ｂは、長尺部４３ａ、４３ｂと、中尺部４４ａ、４４ｂとを有し、錘部４１の略全周に沿って延設されているため、更に撓みやすい構成となっている。尚、この場合の略全周とは、錘部４１の全周に沿って延設されているのみでなく、長尺部４３ａ、４３ｂ及び中尺部４４ａ、４４ｂの撓みによって加速度を検出できる範囲内であれば、錘部４１の外周面の全周に沿っていなくとも良い。
【００６３】
梁部４２ａ、４２ｂの中尺部４４ａ、４４ｂそれぞれの中央部には、検出素子４６ａ、４６ｂが形成されている。梁部４２ａ、４２ｂの長尺部４３ａ、４３ｂそれぞれの中央部には、検出素子４７ａ、４７ｂが形成され、長尺部４３ｂの枠体１１との接続側（中尺部４４ｂと反対側）には、検出素子４８が形成されている。その他の構成に関しては、実施の形態１の力学量センサ１と同様に構成されるため、説明を省略する。
【００６４】
次に、力学量センサ４０の動作について説明する。図７（ｂ）は、錘部４１がＹ軸回りに回動する際の検出動作説明図であり、図７（ｃ）は、錘部４１がＸ軸回りに回動する際の検出動作説明図であり、図７（ｄ）は、錘部４１がＺ軸方向に直動する際の検出動作説明図である。
【００６５】
図７（ｂ）に示すように、力学量検出センサ４０に対して力（加速度）が働いて、錘部４１に対してＸ軸方向の慣性力が作用すると、錘部４１はＹ軸回りに回動する。このとき、梁部４２ａの接続部４５ａはＺ軸方向下方に移動して、梁部４２ａの中尺部４４ａにはＺ軸方向下方の力が作用する。また、梁部４２ｂの接続部４５ｂはＺ軸方向上方に移動して、梁部４２ｂの中尺部４４ｂにはＺ軸方向上方に力が作用する。そして、中尺部４４ａはＺ軸方向上方に撓み、中尺部４４ｂは、Ｚ軸方向下方に撓む。
【００６６】
検出素子４６ａは、中尺部４４ａの撓みに合わせてＺ軸方向上方に膨らむように変形し、変形を受けて電圧を出力する。また、検出素子４６ｂは、中尺部４４ｂの撓みに合わせてＺ軸方向下方に沈むように変形し、変形を受けて電圧を出力する。各検出素子４６ａ、４６ｂから出力された電圧は、図示しない演算回路において演算され、加速度が算出される。
【００６７】
図７（ｃ）に示すように、力学量検出センサ４０に対して力（加速度）が働いて、錘部４１に対してＹ軸方向の慣性力が作用すると、錘部４１はＸ軸回りに回動する。このとき、梁部４２ａの接続部４５ａはＺ軸方向上方に移動して、梁部４２ａの長尺部４３ａにはＺ軸方向上方の力が作用する。また、梁部４２ｂの接続部４５ｂは、Ｚ軸方向下方に移動して、梁部４２ｂの長尺部４３ｂにはＺ軸方向下方の力が作用する。そして、長尺部４３ａはＺ軸方向下方に撓み、長尺部４３ｂは、Ｚ軸方向上方に撓む。
【００６８】
検出素子４７ａは、長尺部４３ａの撓みに合わせてＺ軸方向下方に沈むように変形し、変形を受けて電圧を出力する。また、検出素子４７ｂは、長尺部４３ｂの撓みに合わせてＺ軸方向上方に膨らむように変形し、変形を受けて電圧を出力する。各検出素子４７ａ、４７ｂから出力された電圧は、図示しない演算回路において演算され、加速度が算出される。
【００６９】
次に図７（ｄ）に示すように、力学量検出センサ４０に対して力（加速度）が働いて、錘部４１に対してＺ軸方向の慣性力が作用すると、錘部４１はＺ軸方向に直動する。このとき、梁部４２ａ、４２ｂの接続部４５ａ、４５ｂはＺ軸方向下方に移動して、梁部４２ａ、４２ｂ全体にＺ軸方向上方に力が作用する。この場合、枠体１１に一端が接続された長尺部４３ａ、４３ｂに大きく力が作用し、長尺部４３ａ、４３ｂはＺ軸方向上方に変形する。そして、検出素子４７ａ、４７ｂは、それぞれの長尺部４３ａ、４３ｂに合わせてＺ軸方向上方に膨らむように変形し、変形を受けて電圧を出力する。各検出素子４７ａ、４７ｂから出力された電圧は、図示しない演算回路において演算され、加速度が算出される。
【００７０】
以上のようにして、力学量検出センサ４０によれば、２つの梁４２ａ、４２ｂ上に設けられた４つの検出素子４６ａ、４６ｂ、４７ａ及び４７ｂによってＸ軸、Ｙ軸及びＺ軸に対してそれぞれ電圧が出力されるので、Ｘ軸、Ｙ軸及びＺ軸方向の力（加速度）を検出することができる。また、同じ質量の錘４１を用いて構成された４つの梁１３ａ、１３ｂ、１３ｃ及び１３ｄを有する構成の実施の形態１の力学量検出センサ１と２つの梁４２ａ、４２ｂを有する力学量センサ４０とを比較した場合、力学量検出センサ４０は、１つあたりの梁部４２ａ、４２ｂに対する錘部４１の荷重が大きくできることに加え、梁部４２ａ、４２ｂの全長を梁部１３ａ、１３ｂ、１３ｃ及び１３ｄより長く構成することができるため、検出感度を増大させることができる。
【００７１】
また、力学量検出センサ４０の構成においては、検出素子４８のみを用いてＸ軸、Ｙ軸及びＺ軸方向の加速度を検出することもできる。この場合、上記した作用で、検出素子４８は、Ｘ軸方向及びＺの軸方向の慣性力に対しては、Ｚ軸方向下方に変形し、Ｙ軸方向の加速度に対してはＺ軸方向上方に変形する。このため、検出素子４８は、Ｘ軸、Ｙ軸及びＺ軸方向の加速度全てに対して変形し、変形を受けて電圧を出力することができる。また、この場合、Ｘ軸、Ｙ軸及びＺ軸の各軸方向からの力（加速度）が検出素子４８に集約されて出力されるので、簡素な演算処理で、Ｘ軸、Ｙ軸及びＺ軸方向の全ての方向に対して力（加速度）が検出できる。尚、検出素子４８は、梁４２ａの長尺部４３ａの枠体１１側に設けることもできる。
【００７２】
さらに、力学量検出センサ４０において、検出素子４８を用いた場合、錘部４１の質量、形状及び梁部４２ａ、４２ｂの形状、長尺部４３ａ、４３ｂ、中尺部４４ａ、４４ｂの長さを調整することにより、各軸方向の出力信号を調整することができる。このように各軸方向の出力を調整することにより、例えば、Ｘ軸、Ｙ軸及びＺ軸の各軸方向を問わず、所定の力（加速度）以上の作用を軽微な演算で検出できるように構成することもできる。
【００７３】
以上のように、本実施の形態に係る加速度センサ４０によれば、梁の数を２本に削減することができると共に、梁の長さを長く構成することができるので、加速度の検出感度を増大させることができる。また、検出素子の位置を調整することにより、軽微な演算処理で、力（加速度）の検出を行うこともできる。
【００７４】
（実施の形態３）
次に、本発明の実施の形態３に係る力学量検出センサ５０について説明する。図８（ａ）は、力学量検出センサ５０の錘部５１（図示されない変位部を含む）、梁部５２の構造を示す模式図であり、説明の便宜上、枠体１１、支持部２１は省略している。尚、力学量センサ１と構成が同一の部分については、説明を省略する。
【００７５】
図８（ａ）に示すように、力学量検出センサ５０においては、枠体１１と錘部５１とを接続する梁部５２を備えて構成される。梁部５２は、一端が枠体１１の角部に接続され、この角部の対向辺に向かって錘部５１に沿って延在する長尺部５３と、長尺部５３と略直交して長尺部５３の他端に一端が接続され、対向辺に向かって錘部５１に沿って延在する中尺部５４と、中尺部５４と略直交して中尺部５４の他端に一端が接続され、錘部１２に沿って延在する短尺部５５と、短尺部５５に連なって錘部５１と接続される接続部５６とを有する。このように、梁部５２は、長尺部５３と、中尺部５４と、短尺部５５を有し、錘部５１の外周面の半周以上に沿って形成されているため、特に撓みやすい構造となっている。
【００７６】
梁部５２の中尺部５４の中央には、検出素子５７が設けられている。梁部５２の長尺部５３の中央には検出素子５８が設けられ、梁部５２の枠体１１側には検出素子５９が設けられている。その他に関しては、実施の形態１の力学量検出センサ１及び実施の形態２の力学量検出センサ４０と同様に構成されるため、説明を省略する。
【００７７】
次に、力学量センサ５０の動作について説明する。図８（ｂ）は、錘部がＹ軸回りに回動する際の検出動作説明図であり、図８（ｃ）は、錘部がＸ軸回りに回動する際の検出動作説明図であり、図８（ｄ）は、錘部がＺ軸方向に直動する際の検出動作説明図である。
【００７８】
図８（ｂ）に示すように、力学量検出センサ５０に対して力（加速度）が働いて、錘部５１に対してＸ軸方向に慣性力が作用した場合、錘部５１はＹ軸回りに回動する。このとき、梁部５２の中尺部５４にはＺ軸方向上方に力が作用する。そして、中尺部５４はＺ軸方向下方に撓む。検出素子５７は、中尺部５４の撓みに合わせてＺ軸方向下方に沈むように変形し、変形を受けて電圧を出力する。このように、検出素子５７から出力された電圧は、図示しない演算回路で加速度が算出される。
【００７９】
図８（ｃ）に示すように、力学量検出センサ５０に対して力（加速度）が働いて、錘部５１に対してＹ軸方向に慣性力が作用すると、錘部５１はＸ軸回りに回動する。このとき、梁部５２の長尺部５３には、Ｚ軸方向下方に力が作用する。そして、長尺部５３はＺ軸方向上方に撓む。検出素子５８は、長尺部５３の撓みに合わせてＺ軸方向上方に膨らむように変形し、変形を受けて電圧を出力する。このように、検出素子５８から出力された電圧は、図示しない演算回路で加速度が算出される。
【００８０】
次に、図８（ｄ）に示すように、力学量検出しセンサ５０に対して力（加速度）が働いて、錘５１に対してＺ軸方向に慣性力が作用した場合、錘部５１はＺ軸方向に直動する。このとき、梁部５２の長尺部５３、中尺部５４、短尺部５５のそれぞれにＺ軸方向下方の力が作用する。この場合、枠体１１と接続された長尺部５３にＺ軸方向上方の力が強く作用し、Ｚ軸方向上方に撓みが生じる。そして、検出素子５９は、長尺部５３の撓みに合わせてＺ軸方向上方に膨らむように変形し、変形を受けて電圧を出力する。このように、検出素子５９から出力された電圧は、図示しない演算回路で加速度が算出される。
【００８１】
力学量検出センサ５０においては、３つの検出素子５７、５８、５９をＸ軸、Ｙ軸及びＺ軸の各軸方向の検出にそれぞれ分けて用いることができる。このため、各軸方向の加速度が独立して検出でき、各検出素子５７、５８、５９によって検出された電圧より、複雑な演算をすることなく、各軸方向の加速度を算出することができる。また、各軸方向の信号を合算することにより、Ｘ軸、Ｙ軸及びＺ軸方向の合計の加速度の合計を軽微な演算により求めることもできる。
【００８２】
また、同じ質量の錘５１を用いて実施の形態２の力学量検出センサ４０と本実施の形態に係る力学量検出センサ５０とを構成した場合、力学量検出センサ５０は、１梁あたりの梁部５２の荷重を増大させることができることに加え、梁部５２の全長を梁部４２ａ、４２ｂより長く構成できるため、検出感度を増大させることができる。
【００８３】
また、力学量検出センサ５０は、Ｚ軸方向の加速度検出において、梁部５２の長尺部５３、中尺部５４、短尺部５５のすべてにＺ軸方向の力が作用し得るため、検出素子５７、５８、５９の全てをＺ軸方向の加速度に対して検出感度を持たせるように構成することもできる。このため、例えば、一軸方向において、特に検出感度を向上させることもできる。
【００８４】
尚、力学量検出センサ１、４０及び５０においては、各錘部２２、４１、５１の質量、及び、梁部１３ａ、１３ｂ、１３ｃ、１３ｄ、４２ａ、４３ｂ、５２の長さ及び又は太さ、バネ定数を調整することにより、検出感度を任意に調整することができる。また、力学量検出センサ１、４０、５０において、各検出素子の配置は、各加速度検出センサ１、４０、５０の各梁部の任意の場所に設けることができる。
【００８５】
また、上記した実施の形態１〜３においては、検出素子として圧電素子を例示して説明したが、この構成に限定されるものではない。梁部の撓みに基づいて力学量に応じた信号を出力する構成であればよく、例えば、圧電素子の代わりにピエゾ抵抗素子を用いてもよい。
【００８６】
なお、本発明は上記実施例に限定されるものではない。例えば、錘は直方体に限らず多角柱、円柱等が使用することもできる。また、梁の形状に関しても、矩形状の形状以外にも多角柱、円柱等、種々形状の梁部を用いることができる。その他、本発明の要旨を逸脱しない範囲で変形実施可能である。
【産業上の利用可能性】
【００８７】
本発明は、エアバックを作動させるための加速度センサや、あるいは、携帯機器の加速度センサ等、互いに直交する３軸方向の力学量検出センサに有用である。
【符号の説明】
【００８８】
１、４０、５０ 力学量検出センサ
２ 第１の半導体基板
３ 第２の半導体基板
４ 絶縁層
１１ 枠体
１２ 変位部
１３、４２、５２ 梁部
１５、４３、５３ 長尺部
１６、４５、５６ 接続部
１７、４６、４７、４８、５７、５８、５９ 検出素子
１８ 絶縁層
２１ 支持部
２２、４１、５１ 錘部
２３ 開口部
２５ 下部電極
２６ 圧電薄膜
２７ 上部電極
３０ サポート基板
３１ 第３の基板
３１ａ 凹部
４４、５４ 中尺部
５５ 短尺部
【特許請求の範囲】
【請求項１】
収納空間が形成された枠体と、前記枠体の収納空間に収容された錘と、前記錘を揺動自在に支持する少なくとも４つの梁と、それぞれの梁に設けられており、前記梁の動きをそれぞれ検出する検出素子とを具備し、前記梁は、一端が前記枠体に固定され、他端が前記錘に固定されると共に、前記錘の外周面との間に所定の間隔をとって前記錘の外周面に沿って延設され、少なくとも４本の梁が前記錘の外周面の略全周に沿って延設されることを特徴とする力学量検出センサ。
【請求項２】
前記梁は、少なくとも１つの屈折部を有することを特徴とする請求項１記載の力学量検出センサ。
【請求項３】
収納空間が形成された枠体と、前記枠体の収納空間に収容された錘と、前記錘を揺動自在に支持する少なくとも２つの梁と、それぞれの梁に設けられており、前記梁の動きをそれぞれ検出する検出素子とを具備し、前記梁は、一端が前記枠体に固定され、他端が前記錘に固定されると共に、前記錘の外周面との間に所定の間隔をとって前記錘の外周面に沿って延設され、少なくとも２本の梁が前記錘の外周面の略全周に沿って延設されることを特徴とする力学量検出センサ。
【請求項４】
前記梁は、少なくとも２つの屈折部を有することを特徴とする請求項３記載の力学量検出センサ。
【請求項５】
収納空間が形成された枠体と、前記枠体の収納空間に収容された錘と、前記錘を揺動自在に支持する少なくとも１つの梁と、それぞれの梁に設けられており、前記梁の動きをそれぞれ検出する検出素子とを具備し、前記梁は、一端が前記枠体に固定され、他端が前記錘に固定されると共に、前記錘の外周面との間に所定の間隔をとって前記錘の外周面の少なくとも半周以上前記錘に沿って延設されることを特徴とする力学量検出センサ。
【請求項６】
前記梁は、少なくとも３つの屈折部を有することを特徴とする請求項５記載の力学量検出センサ。
【請求項７】
前記検出素子は、Ｘ軸、Ｙ軸及びＺ軸の検出方向に応じて前記梁の対応する位置に設けられることを特徴とする請求項１から請求項６のいずれかに記載の力学量検出センサ。
【請求項８】
前記検出素子は、梁のＸ軸、Ｙ軸及びＺ軸の３軸方向の加速度を共に検出できる位置に設けられることを特徴とする請求項３または請求項４記載の力学量検出センサ。
【請求項９】
前記検出素子は、平面視においてそれぞれの梁部の前記枠体側に設けられていることを特徴とする請求項１または請求項２記載の力学量検出センサ。
【請求項１０】
前記検出素子は、圧電素子で構成されることを特徴とする請求項１から請求項９のいずれかに記載の力学量検出センサ。
【請求項１１】
前記検出素子は、前記梁及び前記変位部上に形成された下部電極と、前記下部電極上に形成された圧電薄膜と、前記圧電薄膜上に部分的に形成された上部電極とで構成されることを特徴とする請求項１から請求項１０のいずれかに記載の力学量検出センサ。
【請求項１２】
収納空間が形成された枠体と、前記枠体の収納空間に収容された錘と、前記錘を揺動自在に支持する少なくとも４つの梁と、それぞれの梁に設けられており、前記梁の動きをそれぞれ検出する検出素子とを具備し、前記検出素子が前記梁及び前記錘部上に形成された下部電極と、前記下部電極上に形成された圧電薄膜と、前記圧電薄膜上に部分的に形成された上部電極とで構成されており、前記梁は、一端が前記枠体に固定され、他端が前記錘に固定されると共に、前記錘の外周面との間に所定の間隔をとって前記錘の外周面に沿って延設され、少なくとも４本の梁が前記錘の外周面の略全周に沿って延設されていることを特徴とする力学量検出センサ。
【請求項１３】
収納空間が形成された枠体と、前記枠体の収納空間に収容された錘と、前記錘を揺動自在に支持する少なくとも２つの梁と、それぞれの梁に設けられており、前記梁の動きをそれぞれ検出する検出素子とを具備し、前記検出素子が前記梁及び前記錘上に形成された下部電極と、前記下部電極上に形成された圧電薄膜と、前記圧電薄膜上に部分的に形成された上部電極とで構成されており、前記梁は、一端が前記枠体に固定され、他端が前記錘に固定されると共に、前記錘の外周面との間に所定の間隔をとって前記錘の外周面に沿って延設されて、少なくとも２本の梁が前記錘の外周面の略全周に沿って延設されることを特徴とする力学量検出センサ。
【請求項１４】
収納空間が形成された枠体と、前記枠体の収納空間に収容された錘と、前記錘を揺動自在に支持する少なくとも１つの梁と、それぞれの梁に設けられており、前記梁の動きをそれぞれ検出する検出素子とを具備し、前記検出素子が前記梁及び前記錘上に形成された下部電極と、前記下部電極上に形成された圧電薄膜と、前記圧電薄膜上に部分的に形成された上部電極とで構成されており、前記梁は、一端が前記枠体に固定され、他端が前記錘に固定されると共に、前記錘の外周面との間に所定の間隔をとって前記錘の外周面の少なくとも半周以上前記錘に沿って延設されることを特徴とする力学量検出センサ。
【請求項１】
収納空間が形成された枠体と、前記枠体の収納空間に収容された錘と、前記錘を揺動自在に支持する少なくとも４つの梁と、それぞれの梁に設けられており、前記梁の動きをそれぞれ検出する検出素子とを具備し、前記梁は、一端が前記枠体に固定され、他端が前記錘に固定されると共に、前記錘の外周面との間に所定の間隔をとって前記錘の外周面に沿って延設され、少なくとも４本の梁が前記錘の外周面の略全周に沿って延設されることを特徴とする力学量検出センサ。
【請求項２】
前記梁は、少なくとも１つの屈折部を有することを特徴とする請求項１記載の力学量検出センサ。
【請求項３】
収納空間が形成された枠体と、前記枠体の収納空間に収容された錘と、前記錘を揺動自在に支持する少なくとも２つの梁と、それぞれの梁に設けられており、前記梁の動きをそれぞれ検出する検出素子とを具備し、前記梁は、一端が前記枠体に固定され、他端が前記錘に固定されると共に、前記錘の外周面との間に所定の間隔をとって前記錘の外周面に沿って延設され、少なくとも２本の梁が前記錘の外周面の略全周に沿って延設されることを特徴とする力学量検出センサ。
【請求項４】
前記梁は、少なくとも２つの屈折部を有することを特徴とする請求項３記載の力学量検出センサ。
【請求項５】
収納空間が形成された枠体と、前記枠体の収納空間に収容された錘と、前記錘を揺動自在に支持する少なくとも１つの梁と、それぞれの梁に設けられており、前記梁の動きをそれぞれ検出する検出素子とを具備し、前記梁は、一端が前記枠体に固定され、他端が前記錘に固定されると共に、前記錘の外周面との間に所定の間隔をとって前記錘の外周面の少なくとも半周以上前記錘に沿って延設されることを特徴とする力学量検出センサ。
【請求項６】
前記梁は、少なくとも３つの屈折部を有することを特徴とする請求項５記載の力学量検出センサ。
【請求項７】
前記検出素子は、Ｘ軸、Ｙ軸及びＺ軸の検出方向に応じて前記梁の対応する位置に設けられることを特徴とする請求項１から請求項６のいずれかに記載の力学量検出センサ。
【請求項８】
前記検出素子は、梁のＸ軸、Ｙ軸及びＺ軸の３軸方向の加速度を共に検出できる位置に設けられることを特徴とする請求項３または請求項４記載の力学量検出センサ。
【請求項９】
前記検出素子は、平面視においてそれぞれの梁部の前記枠体側に設けられていることを特徴とする請求項１または請求項２記載の力学量検出センサ。
【請求項１０】
前記検出素子は、圧電素子で構成されることを特徴とする請求項１から請求項９のいずれかに記載の力学量検出センサ。
【請求項１１】
前記検出素子は、前記梁及び前記変位部上に形成された下部電極と、前記下部電極上に形成された圧電薄膜と、前記圧電薄膜上に部分的に形成された上部電極とで構成されることを特徴とする請求項１から請求項１０のいずれかに記載の力学量検出センサ。
【請求項１２】
収納空間が形成された枠体と、前記枠体の収納空間に収容された錘と、前記錘を揺動自在に支持する少なくとも４つの梁と、それぞれの梁に設けられており、前記梁の動きをそれぞれ検出する検出素子とを具備し、前記検出素子が前記梁及び前記錘部上に形成された下部電極と、前記下部電極上に形成された圧電薄膜と、前記圧電薄膜上に部分的に形成された上部電極とで構成されており、前記梁は、一端が前記枠体に固定され、他端が前記錘に固定されると共に、前記錘の外周面との間に所定の間隔をとって前記錘の外周面に沿って延設され、少なくとも４本の梁が前記錘の外周面の略全周に沿って延設されていることを特徴とする力学量検出センサ。
【請求項１３】
収納空間が形成された枠体と、前記枠体の収納空間に収容された錘と、前記錘を揺動自在に支持する少なくとも２つの梁と、それぞれの梁に設けられており、前記梁の動きをそれぞれ検出する検出素子とを具備し、前記検出素子が前記梁及び前記錘上に形成された下部電極と、前記下部電極上に形成された圧電薄膜と、前記圧電薄膜上に部分的に形成された上部電極とで構成されており、前記梁は、一端が前記枠体に固定され、他端が前記錘に固定されると共に、前記錘の外周面との間に所定の間隔をとって前記錘の外周面に沿って延設されて、少なくとも２本の梁が前記錘の外周面の略全周に沿って延設されることを特徴とする力学量検出センサ。
【請求項１４】
収納空間が形成された枠体と、前記枠体の収納空間に収容された錘と、前記錘を揺動自在に支持する少なくとも１つの梁と、それぞれの梁に設けられており、前記梁の動きをそれぞれ検出する検出素子とを具備し、前記検出素子が前記梁及び前記錘上に形成された下部電極と、前記下部電極上に形成された圧電薄膜と、前記圧電薄膜上に部分的に形成された上部電極とで構成されており、前記梁は、一端が前記枠体に固定され、他端が前記錘に固定されると共に、前記錘の外周面との間に所定の間隔をとって前記錘の外周面の少なくとも半周以上前記錘に沿って延設されることを特徴とする力学量検出センサ。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【公開番号】特開２０１０−２１６８３５（Ｐ２０１０−２１６８３５Ａ）
【公開日】平成２２年９月３０日（２０１０．９．３０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−６０８６０（Ｐ２００９−６０８６０）
【出願日】平成２１年３月１３日（２００９．３．１３）
【出願人】（００００１００９８）アルプス電気株式会社 (4,263)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年９月３０日（２０１０．９．３０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年３月１３日（２００９．３．１３）
【出願人】（００００１００９８）アルプス電気株式会社 (4,263)
【Ｆターム（参考）】
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