加速度センサ
【課題】ＸＹ軸方向の加速度の検出感度に優れた加速度センサを提供する。
【解決手段】支持枠１１と、支持枠１１に対して変位可能に設けられた錘部１２と支持枠１１と錘部１２と支持する可撓性を有する梁部１３と、梁部１３に、梁部１３の幅方向の中心線上を含んで設けられている空隙部１４と、梁部１３に設けられているひずみ抵抗検出部Ｒとを備える加速度センサ１０を構成する。
【解決手段】支持枠１１と、支持枠１１に対して変位可能に設けられた錘部１２と支持枠１１と錘部１２と支持する可撓性を有する梁部１３と、梁部１３に、梁部１３の幅方向の中心線上を含んで設けられている空隙部１４と、梁部１３に設けられているひずみ抵抗検出部Ｒとを備える加速度センサ１０を構成する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、加速度センサに係わり、特に、シリコンひずみ抵抗素子を用いた３次元加速度センサに係わる。
【背景技術】
【０００２】
現在、シリコンひずみを用いた３次元加速度センサとしては、稼働部である錘の動きを３次元的に検出する加速度センサが開発されている（例えば、特許文献１参照）。
従来の加速度センサの構造の一例を図６に示す。図６Ａは、加速度センサのＸＹ軸方向の平面図であり、図６Ｂは、図６Ａに示す加速度センサのＢ−Ｂ’線断面図である。図６中において矢印は、加速度センサのＸ軸、Ｙ軸及びＺ軸方向を示している。
【０００３】
図６に示す加速度センサ１００は、シリコン基板を加工して形成された加速度センサであり、四角形状の支持枠１０１と、支持枠１０１から浮いた状態で指示される錘部１０２と、支持枠１０１と錘部１０２とを接続する可撓性を有する複数の梁部１０３とから形成されている。
また、梁部１０３の上面には、ピエゾ抵抗素子Ｒｘ、Ｒｙ、Ｒｚが形成されている。
【０００４】
また、図６Ｂに示すように、錘部１０２は、支持枠１０１及び梁部１０３と一体に形成されている錘支持部１０２Ａと、この錘支持部に接着されているガラス等からなる錘固着部１０２Ｂとから構成されている。
【０００５】
このような構成の加速度センサ１００では、所定の方向に加速度が加わると、錘部１０２が変位し、梁部１０３に弾性変形（たわみ）が生じる。このとき、梁部１０３に形成されているピエゾ抵抗素子Ｒｘ、Ｒｙ、Ｒｚの抵抗値が変化し、出力電圧が変化する。この出力電圧の変化を検知することにより、加速度センサに加えられた加速度を検出することができる。
上述の構成の加速度装置において、ＸＹ軸方向は、図７Ａ及び図７Ｂに示すように、４つの梁部２０３のたわみとして、ピエゾ抵抗素子Ｒｘ１、Ｒｘ２、Ｒｘ３、Ｒｘ４、又は、ピエゾ抵抗素子Ｒｙ１、Ｒｙ２、Ｒｙ３、Ｒｙ４により各々の軸の逆相成分を検出している。
また、Ｚ軸方向の加速度は、錘部１０２を支持している４つの梁部１０３により同相のたわみとして、ピエゾ抵抗素子Ｒｚ１、Ｒｚ２、Ｒｚ３、Ｒｚ４で検出している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００６−９０９７５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、上述の構成の加速度センサは、特に、ＸＹ軸方向の加速度が加えられたときに、ＸＹ軸方向成分の感度が低い。
例えば、図７Ａに示すように、Ｘ軸方向に加速度が加えられたときには、錘部１０２がＸ軸方向の加速度と逆相成分に変位する。このため、加速度方向の梁部１０３が、それぞれ伸縮する。また、錘部１０２は重心が梁部１０２との接続部分よりも下側にあるため、回転モーメントが発生する。そして、錘部図７Ｂに示すように、梁部１０３がそれぞれ、上下（Ｚ）方向にひずむ。
このように、錘部１０２がＸ軸方向に変位したとき、Ｙ軸方向の梁部１０３は、Ｘ軸方向に引っ張られると同時に、支持枠１０１と錘部１０２との間で、錘部１０２の回転によるねじり変形が発生する。
【０００８】
加速度センサ１００の梁部１０３は、例えばシリコン等からなり、支持枠１０１と錘部１０２とが一体に形成されている。このため、梁部１０３はねじれの許容範囲が小さく、梁部１０３がねじれた際の反力により、錘部１０２の変位の抵抗となる。例えば、上述のＸ軸方向に錘部１０２が変位した場合には、Ｙ軸方向の梁部１０３が抵抗となり、Ｘ軸方向の変位量が小さくなる。また、同様のことがＹ軸方向の加速度に対しても発生する。
【０００９】
このように、ＸＹ軸方向の加速度により錘部１０２が変位する際に、ねじれにくい構造の梁部１０３が錘部１０２の変位の抵抗となる。このため、加速度が加えられた方向の梁部にひずみが発生し難い。従って、Ｘ軸方向の加速度に対して、ピエゾ抵抗素子Ｒｘ１、Ｒｘ２、Ｒｘ３、Ｒｘ４の間での抵抗値の変化量が小さくなり、検出感度が低下する。
上述のように、従来の構造の加速度センサでは、構造上ＸＹ軸方向の検出感度を高くすることが困難であった。
【００１０】
上述した問題の解決のため、本発明においては、ＸＹ軸方向の加速度の検出感度に優れた加速度センサを提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明の加速度センサは、支持枠と、支持枠に対して変位可能に設けられた錘部と、支持枠と錘部とを支持する可撓性を有する梁部と、梁部の幅方向の中心線上を含んで梁部に設けられる空隙部と、梁部に設けられているひずみ抵抗検出部とを備えることを特徴とする。
【００１２】
本発明の加速度センサによれば、加速度センサの梁部において、梁部の幅方向の中心線上に空隙を設けることにより、ＸＹ軸成分を検出する際、梁部にねじれを許容する構成となる。このように、梁部のねじり変形が容易な構造とすることで、錘部のＸＹ軸方向の変位に対して梁部の抵抗が低減する。このため、特にＸＹ軸方向の加速度に対して検出感度を向上させることができる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、ＸＹ軸方向の検出感度に優れる加速度センサを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】Ａは本発明の加速度センサの実施の形態の構成を示す平面図である。Ｂは、本発明の加速度センサの実施の形態の構成を示す断面図である。
【図２】Ａ，Ｂは、本発明の実施例の加速度センサのシミュレーション結果である。
【図３】Ａ，Ｂは、比較例の加速度センサのシミュレーション結果である。
【図４】本発明の実施例の加速度センサのシミュレーション結果である。
【図５】本発明の実施例の加速度センサのシミュレーション結果である。
【図６】Ａ，Ｂは、従来の加速度センサの構成図である。
【図７】Ａ，Ｂは、従来の加速度センサの構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明を実施するための形態の例を説明する。
本実施の形態の加速度センサの構成図を図１に示す。図１Ａは、加速度センサのＸＹ軸方向の平面図であり、図１Ｂは、図１Ａに示す加速度センサのＡ−Ａ’線断面図である。図１では、図示するＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸からなるＸＹＺ三次元座標系を定義している。図１中において矢印は、加速度センサのＸ軸、Ｙ軸及びＺ軸方向を示している。
【００１６】
図１に示す加速度センサ１０は、シリコン基板を加工して形成された加速度センサであり、四角形状の支持枠１１と、支持枠１１から変位可能に浮いた状態で支持される錘部１２と、支持枠１１と錘部１２とを接続する可撓性を有する複数の梁部１３と、梁部１３の幅方向の中心線Ｃ上に形成されている空隙部１４とから構成されている。梁部１３には、ひずみ抵抗検出部としてピエゾ抵抗素子Ｒが設けられている。
【００１７】
加速度センサ１０は、例えばシリコン等からなり、支持枠１１、錘部１２、及び、梁部１３が一体に形成されている。
また、錘部１２は、図１Ｂに示すようにＺ軸方向の上面が、梁部１３及び支持枠１１と同一平面に形成され、Ｚ軸方向の下方が梁部１３に対して充分に深く形成されている。このため、錘部１２は、梁部１３と接続している位置よりも、充分に深い位置に重心を備えている。
【００１８】
梁部１３としては、錘部１２に対してＸＹ軸方向で対称な位置に、第１梁部１３Ａ、第２梁部１３Ｂ，第３梁部１３Ｃ，第４梁部１３Ｄが形成されている。第１〜第４梁部１３Ａ，１３Ｂ，１３Ｃ，１３Ｄは、それぞれ、支持枠１１と錘部１２との間において、直方体形状に形成されている。
また、梁部１３には、支持枠１１から錘部１２までの全域にわたって空隙部１４が形成され、さらに、Ｚ軸方向に貫通して空隙部１４が形成されている。このため、梁部１３は、空隙部１４により２本に分離されて構成されている。
【００１９】
梁部１３に設けられているピエゾ抵抗素子Ｒは、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向又はＺ軸方向の加速度を検知するためのひずみ抵抗素子からなる。第１梁部１３Ａ及び第２梁部１３Ｂの長手方向端部には、Ｘ軸方向の加速度を検知するためのピエゾ抵抗素子Ｒｘ１、Ｒｘ２、Ｒｘ３、Ｒｘ４が形成されている。第３梁部１３Ｃ及び第４梁部１３Ｄの長手方向端部には、Ｙ軸方向の加速度を検知するためのピエゾ抵抗素子Ｒｙ１、Ｒｙ２、Ｒｙ３、Ｒｙ４が形成されている。また、第３梁部１３Ｃ及び第４梁部１３Ｄの長手方向端部には、Ｚ軸方向の加速度を検知するためのピエゾ抵抗素子Ｒｚ１、Ｒｚ２、Ｒｚ３、Ｒｚ４が形成されている。
なお、Ｚ軸方向の加速度を検知するピエゾ抵抗素子は、Ｘ軸とＹ軸のどちらの梁部に形成してもよい。
【００２０】
上述の構成の加速度センサでは、外力（加速度）が加わることにより、錘部１２が変位し、第１〜第４梁部１３Ａ，１３Ｂ，１３Ｃ，１３Ｄが変形する。この梁部の変形によりピエゾ抵抗素子の電気抵抗が変化する。そして、各軸のピエゾ抵抗素子Ｒｘ，Ｒｙ，Ｒｚの４つの抵抗変化量の差により生じる電位差を検知することで加速度の値を検出することができる。
【００２１】
次に、梁部１３に設けられている空隙部１４について説明する。
空隙部１４は、梁部１３の中心線Ｃ上に形成され、ＸＹ平面上において、空隙部１４の長手方向と、梁部１３の長手方向が、ほぼ同一の方向となるように、平行に形成されている。また、空隙部１４は、梁部１３の幅方向の中心線Ｃ上であり、上述のピエゾ抵抗素子Ｒｘ、Ｒｙ、Ｒｚの形成領域外に設けられている。
【００２２】
また、図１Ａに示す加速度センサ１０のＸＹ軸平面上において、空隙部１４の幅方向の中心線と、梁部１３の幅方向の中心線とが同一線上にあり、この中心線が錘部１２の重心点を通ることが好ましい。つまり、図１Ａに示す、梁部１３の幅方向の中心線Ｃと、空隙部１４の幅方向の中心線が同じ位置であり、さらに、梁部１３の幅方向の中心線Ｃと、図１Ｂに示す錘部１２のＺ軸方向の重心線Ｇとが、交点を有することが好ましい。
【００２３】
上記の位置に空隙部１４を設けることにより、梁部１３がねじれを許容しやすい構造となる。つまり、錘部１２が外力により変位した際に、梁部１３がねじり変形を起こしやすくなる。このため、例えば、Ｘ軸方向に外力が加えられたときに、Ｙ軸方向の梁部による抵抗が減少し、Ｘ軸方向の梁部１３の引っ張り変形及び圧縮変形が大きくなる。この結果、梁部１３に形成されているピエゾ抵抗素子Ｒｘで検知する抵抗値の変位量が大きくなり、加速度センサ１０の感度が向上する。
【００２４】
なお、空隙部１４の幅方向の中心線と、梁部１３の幅方向の中心線とが厳密に同一線上にある必要はなく、ほぼ同じ方向で形成されていればよい。空隙部１４の幅方向の中心線と、梁部１３の幅方向の中心線とがほぼ同じ方向となるように形成されていれば、梁部１３において充分にねじれを許容することができる構造とすることができる。このため、上記の位置に空隙部１４を設けることによる感度向上が可能な加速度センサを構成することができる。
【００２５】
さらに、空隙部１４は、梁部１３において支持枠１１から錘部１２までの全域にわたって形成されていることが好ましい。さらに空隙部１４がＺ軸方向に貫通していることが好ましい。つまり、空隙部１４を、梁部１３において支持枠１１から錘部１２までの全域にわたって形成し、さらに、空隙部１４がＺ軸方向に貫通している構成とする。これにより、図１に示すように、梁部１３が、空隙部１４により、支持枠１１と錘部１２との間で分離された２本又は複数本に分離される構成となる。
また、空隙部１４が梁部１３のねじれ中心軸に形成されていることが好ましい。
【００２６】
支持枠１１と錘部１２との間で、空隙部１４により完全に分離された構成の梁部１３を構成することにより、梁部１３がねじり変形のより容易な構成となる。また、梁部１３のねじれ中心軸が空隙部１４となることにより、錘部１２が回転運動をした際に、梁部１３がねじれ中心軸に上下対称に変位しやすくなる。このため、梁部１３がねじり変形の容易な構成となる。
【００２７】
上述の構成の空隙部１４は、錘部１２と支持枠１１との間において、梁部１３のねじれを許容する構成である。図１に示す加速度センサにおいて、梁部１３の幅方向の中心線上に空隙部１４を設けることにより、Ｘ軸方向又はＹ軸方向に外力（加速度）が加わるとき、錘部がＸ軸又はＹ軸方向に変位した場合に、梁部１３のうち外力が加わる方向の一対の梁部は引っ張り又は圧縮変形をするが、他の一対の梁部は引っ張り変形と共に錘部１２の回転によるねじり変形をする。
このねじり変形をする際に、梁部１３にねじれを許容する構成の空隙部１４を設けておくことにより、梁部１３が容易にねじり変形を許容することができる。例えば、空隙部１４を挟んで梁部がそれぞれ上下に変位することができ、梁部１３が容易にねじり変形する。
【００２８】
このように、梁部をねじれやすい構造とすることにより、加速度センサに加わる外力が、外力が加わる方向以外の梁部のねじり変形の反力により吸収されず、錘部１２の変位に対する抵抗を減少させることができる。このため、ＸＹ軸方向の外力に対して、錘部１２の変位が大きくなり、ひずみ抵抗検出部において検知する抵抗値の変位量も大きくなる。従って、ＸＹ軸方向の加速度に対する加速度センサの感度を向上させることができる。
【００２９】
次に、上述の本実施の形態の加速度センサの製造方法について説明する。
まず、シリコン等の半導体基板を準備する。そして、半導体基板の一方の主面側にフォトリソグラフィを用いてレジストパターンを形成する。レジストパターンは、支持枠、錘部、及び、梁部を形成する部分を覆うパターンとする。そして、レジストパターンをマスクとして、ＲＩＥ（Reactive Ion Etching）等を用いて半導体基体をエッチングする。このときのエッチングは、梁部を形成する厚さと同じ深さまで行う。このエッチングにより、加速度センサの梁部を形成することができる。
【００３０】
次に、梁部に空隙部を形成する。
まず、フォトリソグラフィを用いて、半導体基体上にレジストパターンを形成する。このレジストパターンは、梁部に形成する空隙部以外を覆うパターンとする。そして、レジストパターンをマスクとして、ＲＩＥ（Reactive Ion Etching）などを用いて半導体基体をエッチングする。このときのエッチングは、空隙部を形成する所定の深さまで行う。
【００３１】
次に、加速度センサの所定の位置に、ひずみ抵抗検出部としてピエゾ抵抗素子を形成する。半導体基体に対してＰ型又はＮ型の不純物を注入して不純物ドープ層を形成する。この不純物ドープ層によりひずみ抵抗検出部（ピエゾ抵抗素子）を形成する。
なお、半導体基板の所定の領域に不純物ドープ層を形成する手法は、従来の半導体装置の製造方法と同様の方法により形成することができるため、詳細な説明は省略する。
【００３２】
次に、半導体基板の他方の主面側（裏面側）から、Ｄｅｅｐ ＲＩＥによるエッチングを行う。
まず、半導体基板の裏面側に、フォトリソグラフィを用いてレジストパターンを形成する。このとき形成するレジストパターンは、支持枠、及び、錘部を形成する部分を覆うパターンとする。
次に、レジストパターンをマスクとして、Ｄｅｅｐ ＲＩＥ法を用いて半導体基体をエッチングする。このときのエッチングは、上述の梁部を形成する工程において半導体基体をエッチングした位置まで行う。
Ｄｅｅｐ ＲＩＥは、エッチングステップとエッチング壁面保護ステップとを交互に行いながら、半導体基体をエッチングする方法である。エッチングステップは、例えば、主に六フッ化硫黄（ＳＦ６）を用いて等方エッチングを行う。また、保護ステップは、例えば、Ｃ４Ｆ８等のフッ素系ガスを用いて側壁を保護する。側壁を保護することで横方向のエッチングを抑制する。
この工程により、支持枠と錘部との間に、梁部を除く貫通穴を形成する。上述のＤｅｅｐ ＲＩＥ法によるエッチングは、半導体基体の一方の主面側から梁部の厚さまでと同じ深さまで行う。このエッチングにより、加速度センサの梁部を形成することができる。
【００３３】
以上の工程により、本実施の形態の加速度センサを製造することができる。
なお、空隙部を、梁部のＺ軸方向に貫通している構成とする場合には、上述の梁部を形成するためのエッチングと同時に行うことができる。例えば、半導体基板の一方の主面側にフォトリソグラフィを用いて支持枠、錘部、及び、梁部を形成する部分を覆い、空隙部を形成する部分が開口されたレジストパターンを形成する。そして、ＲＩＥ等を用いて梁部を形成する厚さと同じ深さまで半導体基体をエッチングする。この工程により、半導体基板の一方の主面側に、梁部と空隙部とを同時に形成することができる。そして、上述の製造方法と同じ工程により、本実施の形態の加速度センサを製造することができる。
【００３４】
また、梁部の厚さを正確に制御するためには、シリコン・オン・インシュレータ（ＳＯＩ）基板を用いる。ＳＯＩ基板は、シリコン基板上にインシュレータであるＳｉＯ２を約１−０．１μｍ形成され、さらに、ＳｉＯ２上に単結晶シリコンを積層された構成を有する。ＳｉＯ２上の単結晶シリコン層を活性層といい、この部分を梁部の形成に使用する。ＳＯＩ基板を用いることにより、シリコン層をどちらの面からエッチングしてもＳｉＯ２をストッパ層として使用できる。
【００３５】
まず、最初にＳＯＩ基板の活性層に支持部、梁部、鐘部、ひずみ抵抗検出部（ピエゾ抵抗素子）及び配線部を、エッチング等を用いて形成する。その後、シリコン基板側から支持部と錘部を残してｄｅｅｐ−ＲＩＥエッチングする。なお、ｄｅｅｐ−ＲＩＥエッチングでは、上述のようにＳｉＯ２を用いてストッパ層とすることができる。また、ＳＯＩ基板の活性層の厚さが梁部の厚さとなるので、活性層の厚さが重要である。
以上のように、ＳＯＩ基板を用いると精度良く加速度センサを製造することができる。
【００３６】
ひずみ抵抗検出部（ピエゾ抵抗素子）は、Ｂ（ボロン）等のシリコン半導体の不純物原子をイオンインプンテーショ法、又は、熱拡散法を用いて梁部にドープすることで、部分的にｐ型又はｎ型の半導体部分を作製する。そして、形成したｐ型又はｎ型の半導体部分の両端部に、電極を作製する。ひずみ抵抗検出部（ピエゾ抵抗素子）の抵抗値は１００Ωから５０Ω程度が望ましい。
【実施例】
【００３７】
以下、実施例により本発明を具体的に説明する。
（実施例１）
上述の実施の形態の加速度センサについて、以下の構成の加速度センサによるシミュレーションを行った。
錘部はＸＹ軸方向の長さが１００μｍの正方形であり、Ｚ軸方向の長さが５００μｍであり、梁部の長さが５０μｍであり、空隙が設けられている部分の梁部の幅は１０μｍであり、梁部の幅の合計は２０μｍであり、空隙部の幅方向の長さが１０μｍである。
また、比較として、図６に示す、梁部に空隙部を設けていない従来構造の加速度センサを作製した。作製した比較例の加速度センサの各構成のサイズを示す。錘部はＸＹ軸方向の長さが１００μｍの正方形であり、Ｚ軸方向の長さが５００μｍであり、錘部と梁部との距離が５０μｍであり、梁部の幅が２０μｍである。
【００３８】
上述の実施例及び比較例の加速度センサについて、加速度と梁部のひずみの関係についてシミュレーションを行った。加速度センサに対して加速度（１Ｇ）を加える方向を変化させたときの梁部１３Ａの各位置でのひずみを表したシミュレーションの結果を図２Ａに示している。シミュレーションでは、外力を加える方向を、Ｘ軸に平行な方向を０°とし、Ｙ軸に平行な方向を９０°とした。そして、Ｘ軸方向からＹ軸方向に９０°角度を変化させた後、さらにＹ軸方向からＸ軸方向に、９０°から１８０°まで角度を変化させた。
【００３９】
図２Ａにおいて、縦軸は、梁部１３Ａのひずみεを示している。また、横軸は、梁部１３Ａの支持枠１１において、支持枠１１側の接続部を０μｍ（０ｍ）とし、錘部１２側の接続分を５０μｍ（５０×１０−６ｍ）として表している。従って、梁部１３Ａの支持枠１１からの距離に対応する位置において、外力の角度により発生したひずみの量がわかる。
図２Ｂは、上記の実施例の加速度センサのシミュレーションにおいて、梁部１３Ａにおいて大きくひずみが発生した支持枠１１から１０μｍの位置と、４０μｍの位置でのひずみを表している。図２Ｂは、縦軸に梁部１３Ａのひずみεを示している。また、横軸に、加速度センサに加える外力の角度（位相）を示している。
また、比較例の加速度センサについて、上述の実施例の加速度センサと同様にシミュレーションを行った結果を図３Ａ，Ｂに示す。
【００４０】
図２及び図３に示す結果から、梁部に空隙部を設ける構成とした実施例の加速度センサの方が、比較例の加速度センサよりも、ＸＹ成分のひずみが１．５倍発生することがわかった。
梁部に空隙部を設ける構成とすることにより、加速度センサにＸＹ成分の加速度が加わると、錘部は回転運動をする。このとき、梁部に空隙部が設けられていると、この空隙部を中心軸として回転しやすくなる。つまり、加速度センサの４つの梁部に空隙部を設けることにより、この空隙部を中心軸としてＸＹ軸に回転しやすくなる。これをＸＹ成分に平行な梁でひずみを測るとシミュレーションでは、空隙部を設けない構成とした場合に比べ、約１．５倍のひずみが発生することが分かる。従って、梁部に空隙部を設ける構成とすることにより、非常に効果かがあることがわかる。
【００４１】
（実施例２）
加速度センサにおいて、空隙部の幅方向の長さを変化させたときのひずみεをシミュレーションを行った。実施例１と同様の図１に示す構成の加速度センサを、梁部の幅方向の空隙部の長さを変化させて作製した。
【００４２】
作製した加速度センサの各構成は、錘部はＸＹ軸方向の長さが１００μｍの正方形であり、Ｚ軸方向の長さが５００μｍであり、錘部と梁部との距離が５０μｍであり、空隙が設けられている部分の梁部の幅は１０μｍであり、梁部の幅の合計は２０μｍであり、幅方向の空隙部の長さは０〜８０μｍである。ここで、梁部の幅方向の空隙部の長さが０という構成は、空隙部を設けていない構成であり、図６に示す従来の加速度センサと同じ構成である。
【００４３】
上記の空隙部の長さが異なるそれぞれの加速度センサに対して、Ｘ軸方向に１Ｇの加速度を加えたときのシミュレーション結果を図４に示す。また、Ｚ軸方向に１Ｇの加速度を加えたときのシミュレーション結果を図５に示す。
【００４４】
図４に示す結果から、Ｘ軸方向に加速度を加えたときは、空隙部を設けない構成、つまり空隙部の長さが０の加速度センサに対して、空隙部を設けた加速度センサの方が、ひずみが大きくなった。この結果から、梁部に空隙部を設けることにより、梁部に発生するひずみが大きくなり、梁部に形成されているひずみ抵抗検出部（ピエゾ抵抗素子）で検知する抵抗値の変位量が大きくなる。従って、加速度センサの感度を向上させることができる。
【００４５】
また、図４から、空隙部は、梁部の幅方向の長さが小さいほど、ＸＹ軸方向に加速度が加えられた際に梁部に発生するひずみが大きくなる結果が得られた。梁部は、錘部の重心点に近く形成されている方が、ねじれ変形が起きやすく、錘部の重心点から離れて形成されるほど、ねじれ変形が起き難くなると考えられる。
【００４６】
また、図５に示す結果から、空隙部の長さが０の加速度センサに対して、空隙部を設けることによりＺ軸方向の加速度に対しても感度が向上することが分かる。そして、梁部の幅方向の長さを変えて空隙部を形成しても、Ｚ軸方向のひずみはほとんど変化していない。
このように、梁部に空隙部を設けることにより、Ｚ軸方向の加速度に対しても、加速度センサの検出感度を向上させることができる。
【００４７】
また、梁部に形成する空隙部の大きさを変えることにより、ＸＹ軸方向の加速度に対する梁部のひずみを制御することができるため、加速度センサのＸＹ軸方向の感度を任意に設定することができる。さらに、空隙部の大きさを変えた場合にも、Ｚ軸方向の加速度に対する感度は変化しない。このため、空隙部の構成を変化させることにより、ＸＹ軸方向の加速度に対する感度と、Ｚ軸方向の加速度に対する感度とを調整することが可能である。
【００４８】
なお、上述の実施の形態では、錘部の形状を正方形状として説明しているが、一般的に加速度センサに適用されている錘部の形状であれば、上記の正方形に限定されずに本発明に適用することができる。また、上述の実施の形態では、梁部を対称形状、直方体形状に形成しているが、一般的に加速度センサに適用されている錘部の形状であれば、上記の正方形に限定されずに本発明に適用することができる。特に、ＸＹ軸方向に外力が加わった際に、錘部の変位により梁部にねじり変形が発生する構造の加速度センサにおいて、本発明を好ましく適用することができる。
【００４９】
上述の梁部に空隙部を設けるのは、Ｘ，Ｙ，Ｚ軸のいずれか１軸を測定できる１軸加速度センサ、Ｘ，Ｙ，Ｚ軸のいずれか２軸を測定できる２軸加速度センサ、Ｘ，Ｙ，Ｚ軸の全てを測定できる３軸加速度センサに適用できる。
【００５０】
なお、本発明は上述の実施形態例において説明した構成に限定されるものではなく、その他本発明構成を逸脱しない範囲において種々の変形、変更が可能である。
【符号の説明】
【００５１】
１０，１００ 加速度センサ、１１，１０１ 支持枠、１２，１０２ 錘部、１３，１３Ａ，１３Ｂ，１３Ｃ，１３Ｄ，１０３ 梁部、１４ 空隙部、１０２Ａ 錘支持部、１０２Ｂ 錘固着部、Ｃ 中心線、Ｇ 重心線、Ｒ，Ｒｘ，Ｒｘ１，Ｒｘ２，Ｒｘ３，Ｒｘ４，Ｒｙ，Ｒｙ１，Ｒｙ２，Ｒｙ３，Ｒｙ４，Ｒｚ，Ｒｚ１，Ｒｚ２，Ｒｚ３，Ｒｚ４ ピエゾ抵抗素子
【技術分野】
【０００１】
本発明は、加速度センサに係わり、特に、シリコンひずみ抵抗素子を用いた３次元加速度センサに係わる。
【背景技術】
【０００２】
現在、シリコンひずみを用いた３次元加速度センサとしては、稼働部である錘の動きを３次元的に検出する加速度センサが開発されている（例えば、特許文献１参照）。
従来の加速度センサの構造の一例を図６に示す。図６Ａは、加速度センサのＸＹ軸方向の平面図であり、図６Ｂは、図６Ａに示す加速度センサのＢ−Ｂ’線断面図である。図６中において矢印は、加速度センサのＸ軸、Ｙ軸及びＺ軸方向を示している。
【０００３】
図６に示す加速度センサ１００は、シリコン基板を加工して形成された加速度センサであり、四角形状の支持枠１０１と、支持枠１０１から浮いた状態で指示される錘部１０２と、支持枠１０１と錘部１０２とを接続する可撓性を有する複数の梁部１０３とから形成されている。
また、梁部１０３の上面には、ピエゾ抵抗素子Ｒｘ、Ｒｙ、Ｒｚが形成されている。
【０００４】
また、図６Ｂに示すように、錘部１０２は、支持枠１０１及び梁部１０３と一体に形成されている錘支持部１０２Ａと、この錘支持部に接着されているガラス等からなる錘固着部１０２Ｂとから構成されている。
【０００５】
このような構成の加速度センサ１００では、所定の方向に加速度が加わると、錘部１０２が変位し、梁部１０３に弾性変形（たわみ）が生じる。このとき、梁部１０３に形成されているピエゾ抵抗素子Ｒｘ、Ｒｙ、Ｒｚの抵抗値が変化し、出力電圧が変化する。この出力電圧の変化を検知することにより、加速度センサに加えられた加速度を検出することができる。
上述の構成の加速度装置において、ＸＹ軸方向は、図７Ａ及び図７Ｂに示すように、４つの梁部２０３のたわみとして、ピエゾ抵抗素子Ｒｘ１、Ｒｘ２、Ｒｘ３、Ｒｘ４、又は、ピエゾ抵抗素子Ｒｙ１、Ｒｙ２、Ｒｙ３、Ｒｙ４により各々の軸の逆相成分を検出している。
また、Ｚ軸方向の加速度は、錘部１０２を支持している４つの梁部１０３により同相のたわみとして、ピエゾ抵抗素子Ｒｚ１、Ｒｚ２、Ｒｚ３、Ｒｚ４で検出している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００６−９０９７５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、上述の構成の加速度センサは、特に、ＸＹ軸方向の加速度が加えられたときに、ＸＹ軸方向成分の感度が低い。
例えば、図７Ａに示すように、Ｘ軸方向に加速度が加えられたときには、錘部１０２がＸ軸方向の加速度と逆相成分に変位する。このため、加速度方向の梁部１０３が、それぞれ伸縮する。また、錘部１０２は重心が梁部１０２との接続部分よりも下側にあるため、回転モーメントが発生する。そして、錘部図７Ｂに示すように、梁部１０３がそれぞれ、上下（Ｚ）方向にひずむ。
このように、錘部１０２がＸ軸方向に変位したとき、Ｙ軸方向の梁部１０３は、Ｘ軸方向に引っ張られると同時に、支持枠１０１と錘部１０２との間で、錘部１０２の回転によるねじり変形が発生する。
【０００８】
加速度センサ１００の梁部１０３は、例えばシリコン等からなり、支持枠１０１と錘部１０２とが一体に形成されている。このため、梁部１０３はねじれの許容範囲が小さく、梁部１０３がねじれた際の反力により、錘部１０２の変位の抵抗となる。例えば、上述のＸ軸方向に錘部１０２が変位した場合には、Ｙ軸方向の梁部１０３が抵抗となり、Ｘ軸方向の変位量が小さくなる。また、同様のことがＹ軸方向の加速度に対しても発生する。
【０００９】
このように、ＸＹ軸方向の加速度により錘部１０２が変位する際に、ねじれにくい構造の梁部１０３が錘部１０２の変位の抵抗となる。このため、加速度が加えられた方向の梁部にひずみが発生し難い。従って、Ｘ軸方向の加速度に対して、ピエゾ抵抗素子Ｒｘ１、Ｒｘ２、Ｒｘ３、Ｒｘ４の間での抵抗値の変化量が小さくなり、検出感度が低下する。
上述のように、従来の構造の加速度センサでは、構造上ＸＹ軸方向の検出感度を高くすることが困難であった。
【００１０】
上述した問題の解決のため、本発明においては、ＸＹ軸方向の加速度の検出感度に優れた加速度センサを提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明の加速度センサは、支持枠と、支持枠に対して変位可能に設けられた錘部と、支持枠と錘部とを支持する可撓性を有する梁部と、梁部の幅方向の中心線上を含んで梁部に設けられる空隙部と、梁部に設けられているひずみ抵抗検出部とを備えることを特徴とする。
【００１２】
本発明の加速度センサによれば、加速度センサの梁部において、梁部の幅方向の中心線上に空隙を設けることにより、ＸＹ軸成分を検出する際、梁部にねじれを許容する構成となる。このように、梁部のねじり変形が容易な構造とすることで、錘部のＸＹ軸方向の変位に対して梁部の抵抗が低減する。このため、特にＸＹ軸方向の加速度に対して検出感度を向上させることができる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、ＸＹ軸方向の検出感度に優れる加速度センサを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】Ａは本発明の加速度センサの実施の形態の構成を示す平面図である。Ｂは、本発明の加速度センサの実施の形態の構成を示す断面図である。
【図２】Ａ，Ｂは、本発明の実施例の加速度センサのシミュレーション結果である。
【図３】Ａ，Ｂは、比較例の加速度センサのシミュレーション結果である。
【図４】本発明の実施例の加速度センサのシミュレーション結果である。
【図５】本発明の実施例の加速度センサのシミュレーション結果である。
【図６】Ａ，Ｂは、従来の加速度センサの構成図である。
【図７】Ａ，Ｂは、従来の加速度センサの構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明を実施するための形態の例を説明する。
本実施の形態の加速度センサの構成図を図１に示す。図１Ａは、加速度センサのＸＹ軸方向の平面図であり、図１Ｂは、図１Ａに示す加速度センサのＡ−Ａ’線断面図である。図１では、図示するＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸からなるＸＹＺ三次元座標系を定義している。図１中において矢印は、加速度センサのＸ軸、Ｙ軸及びＺ軸方向を示している。
【００１６】
図１に示す加速度センサ１０は、シリコン基板を加工して形成された加速度センサであり、四角形状の支持枠１１と、支持枠１１から変位可能に浮いた状態で支持される錘部１２と、支持枠１１と錘部１２とを接続する可撓性を有する複数の梁部１３と、梁部１３の幅方向の中心線Ｃ上に形成されている空隙部１４とから構成されている。梁部１３には、ひずみ抵抗検出部としてピエゾ抵抗素子Ｒが設けられている。
【００１７】
加速度センサ１０は、例えばシリコン等からなり、支持枠１１、錘部１２、及び、梁部１３が一体に形成されている。
また、錘部１２は、図１Ｂに示すようにＺ軸方向の上面が、梁部１３及び支持枠１１と同一平面に形成され、Ｚ軸方向の下方が梁部１３に対して充分に深く形成されている。このため、錘部１２は、梁部１３と接続している位置よりも、充分に深い位置に重心を備えている。
【００１８】
梁部１３としては、錘部１２に対してＸＹ軸方向で対称な位置に、第１梁部１３Ａ、第２梁部１３Ｂ，第３梁部１３Ｃ，第４梁部１３Ｄが形成されている。第１〜第４梁部１３Ａ，１３Ｂ，１３Ｃ，１３Ｄは、それぞれ、支持枠１１と錘部１２との間において、直方体形状に形成されている。
また、梁部１３には、支持枠１１から錘部１２までの全域にわたって空隙部１４が形成され、さらに、Ｚ軸方向に貫通して空隙部１４が形成されている。このため、梁部１３は、空隙部１４により２本に分離されて構成されている。
【００１９】
梁部１３に設けられているピエゾ抵抗素子Ｒは、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向又はＺ軸方向の加速度を検知するためのひずみ抵抗素子からなる。第１梁部１３Ａ及び第２梁部１３Ｂの長手方向端部には、Ｘ軸方向の加速度を検知するためのピエゾ抵抗素子Ｒｘ１、Ｒｘ２、Ｒｘ３、Ｒｘ４が形成されている。第３梁部１３Ｃ及び第４梁部１３Ｄの長手方向端部には、Ｙ軸方向の加速度を検知するためのピエゾ抵抗素子Ｒｙ１、Ｒｙ２、Ｒｙ３、Ｒｙ４が形成されている。また、第３梁部１３Ｃ及び第４梁部１３Ｄの長手方向端部には、Ｚ軸方向の加速度を検知するためのピエゾ抵抗素子Ｒｚ１、Ｒｚ２、Ｒｚ３、Ｒｚ４が形成されている。
なお、Ｚ軸方向の加速度を検知するピエゾ抵抗素子は、Ｘ軸とＹ軸のどちらの梁部に形成してもよい。
【００２０】
上述の構成の加速度センサでは、外力（加速度）が加わることにより、錘部１２が変位し、第１〜第４梁部１３Ａ，１３Ｂ，１３Ｃ，１３Ｄが変形する。この梁部の変形によりピエゾ抵抗素子の電気抵抗が変化する。そして、各軸のピエゾ抵抗素子Ｒｘ，Ｒｙ，Ｒｚの４つの抵抗変化量の差により生じる電位差を検知することで加速度の値を検出することができる。
【００２１】
次に、梁部１３に設けられている空隙部１４について説明する。
空隙部１４は、梁部１３の中心線Ｃ上に形成され、ＸＹ平面上において、空隙部１４の長手方向と、梁部１３の長手方向が、ほぼ同一の方向となるように、平行に形成されている。また、空隙部１４は、梁部１３の幅方向の中心線Ｃ上であり、上述のピエゾ抵抗素子Ｒｘ、Ｒｙ、Ｒｚの形成領域外に設けられている。
【００２２】
また、図１Ａに示す加速度センサ１０のＸＹ軸平面上において、空隙部１４の幅方向の中心線と、梁部１３の幅方向の中心線とが同一線上にあり、この中心線が錘部１２の重心点を通ることが好ましい。つまり、図１Ａに示す、梁部１３の幅方向の中心線Ｃと、空隙部１４の幅方向の中心線が同じ位置であり、さらに、梁部１３の幅方向の中心線Ｃと、図１Ｂに示す錘部１２のＺ軸方向の重心線Ｇとが、交点を有することが好ましい。
【００２３】
上記の位置に空隙部１４を設けることにより、梁部１３がねじれを許容しやすい構造となる。つまり、錘部１２が外力により変位した際に、梁部１３がねじり変形を起こしやすくなる。このため、例えば、Ｘ軸方向に外力が加えられたときに、Ｙ軸方向の梁部による抵抗が減少し、Ｘ軸方向の梁部１３の引っ張り変形及び圧縮変形が大きくなる。この結果、梁部１３に形成されているピエゾ抵抗素子Ｒｘで検知する抵抗値の変位量が大きくなり、加速度センサ１０の感度が向上する。
【００２４】
なお、空隙部１４の幅方向の中心線と、梁部１３の幅方向の中心線とが厳密に同一線上にある必要はなく、ほぼ同じ方向で形成されていればよい。空隙部１４の幅方向の中心線と、梁部１３の幅方向の中心線とがほぼ同じ方向となるように形成されていれば、梁部１３において充分にねじれを許容することができる構造とすることができる。このため、上記の位置に空隙部１４を設けることによる感度向上が可能な加速度センサを構成することができる。
【００２５】
さらに、空隙部１４は、梁部１３において支持枠１１から錘部１２までの全域にわたって形成されていることが好ましい。さらに空隙部１４がＺ軸方向に貫通していることが好ましい。つまり、空隙部１４を、梁部１３において支持枠１１から錘部１２までの全域にわたって形成し、さらに、空隙部１４がＺ軸方向に貫通している構成とする。これにより、図１に示すように、梁部１３が、空隙部１４により、支持枠１１と錘部１２との間で分離された２本又は複数本に分離される構成となる。
また、空隙部１４が梁部１３のねじれ中心軸に形成されていることが好ましい。
【００２６】
支持枠１１と錘部１２との間で、空隙部１４により完全に分離された構成の梁部１３を構成することにより、梁部１３がねじり変形のより容易な構成となる。また、梁部１３のねじれ中心軸が空隙部１４となることにより、錘部１２が回転運動をした際に、梁部１３がねじれ中心軸に上下対称に変位しやすくなる。このため、梁部１３がねじり変形の容易な構成となる。
【００２７】
上述の構成の空隙部１４は、錘部１２と支持枠１１との間において、梁部１３のねじれを許容する構成である。図１に示す加速度センサにおいて、梁部１３の幅方向の中心線上に空隙部１４を設けることにより、Ｘ軸方向又はＹ軸方向に外力（加速度）が加わるとき、錘部がＸ軸又はＹ軸方向に変位した場合に、梁部１３のうち外力が加わる方向の一対の梁部は引っ張り又は圧縮変形をするが、他の一対の梁部は引っ張り変形と共に錘部１２の回転によるねじり変形をする。
このねじり変形をする際に、梁部１３にねじれを許容する構成の空隙部１４を設けておくことにより、梁部１３が容易にねじり変形を許容することができる。例えば、空隙部１４を挟んで梁部がそれぞれ上下に変位することができ、梁部１３が容易にねじり変形する。
【００２８】
このように、梁部をねじれやすい構造とすることにより、加速度センサに加わる外力が、外力が加わる方向以外の梁部のねじり変形の反力により吸収されず、錘部１２の変位に対する抵抗を減少させることができる。このため、ＸＹ軸方向の外力に対して、錘部１２の変位が大きくなり、ひずみ抵抗検出部において検知する抵抗値の変位量も大きくなる。従って、ＸＹ軸方向の加速度に対する加速度センサの感度を向上させることができる。
【００２９】
次に、上述の本実施の形態の加速度センサの製造方法について説明する。
まず、シリコン等の半導体基板を準備する。そして、半導体基板の一方の主面側にフォトリソグラフィを用いてレジストパターンを形成する。レジストパターンは、支持枠、錘部、及び、梁部を形成する部分を覆うパターンとする。そして、レジストパターンをマスクとして、ＲＩＥ（Reactive Ion Etching）等を用いて半導体基体をエッチングする。このときのエッチングは、梁部を形成する厚さと同じ深さまで行う。このエッチングにより、加速度センサの梁部を形成することができる。
【００３０】
次に、梁部に空隙部を形成する。
まず、フォトリソグラフィを用いて、半導体基体上にレジストパターンを形成する。このレジストパターンは、梁部に形成する空隙部以外を覆うパターンとする。そして、レジストパターンをマスクとして、ＲＩＥ（Reactive Ion Etching）などを用いて半導体基体をエッチングする。このときのエッチングは、空隙部を形成する所定の深さまで行う。
【００３１】
次に、加速度センサの所定の位置に、ひずみ抵抗検出部としてピエゾ抵抗素子を形成する。半導体基体に対してＰ型又はＮ型の不純物を注入して不純物ドープ層を形成する。この不純物ドープ層によりひずみ抵抗検出部（ピエゾ抵抗素子）を形成する。
なお、半導体基板の所定の領域に不純物ドープ層を形成する手法は、従来の半導体装置の製造方法と同様の方法により形成することができるため、詳細な説明は省略する。
【００３２】
次に、半導体基板の他方の主面側（裏面側）から、Ｄｅｅｐ ＲＩＥによるエッチングを行う。
まず、半導体基板の裏面側に、フォトリソグラフィを用いてレジストパターンを形成する。このとき形成するレジストパターンは、支持枠、及び、錘部を形成する部分を覆うパターンとする。
次に、レジストパターンをマスクとして、Ｄｅｅｐ ＲＩＥ法を用いて半導体基体をエッチングする。このときのエッチングは、上述の梁部を形成する工程において半導体基体をエッチングした位置まで行う。
Ｄｅｅｐ ＲＩＥは、エッチングステップとエッチング壁面保護ステップとを交互に行いながら、半導体基体をエッチングする方法である。エッチングステップは、例えば、主に六フッ化硫黄（ＳＦ６）を用いて等方エッチングを行う。また、保護ステップは、例えば、Ｃ４Ｆ８等のフッ素系ガスを用いて側壁を保護する。側壁を保護することで横方向のエッチングを抑制する。
この工程により、支持枠と錘部との間に、梁部を除く貫通穴を形成する。上述のＤｅｅｐ ＲＩＥ法によるエッチングは、半導体基体の一方の主面側から梁部の厚さまでと同じ深さまで行う。このエッチングにより、加速度センサの梁部を形成することができる。
【００３３】
以上の工程により、本実施の形態の加速度センサを製造することができる。
なお、空隙部を、梁部のＺ軸方向に貫通している構成とする場合には、上述の梁部を形成するためのエッチングと同時に行うことができる。例えば、半導体基板の一方の主面側にフォトリソグラフィを用いて支持枠、錘部、及び、梁部を形成する部分を覆い、空隙部を形成する部分が開口されたレジストパターンを形成する。そして、ＲＩＥ等を用いて梁部を形成する厚さと同じ深さまで半導体基体をエッチングする。この工程により、半導体基板の一方の主面側に、梁部と空隙部とを同時に形成することができる。そして、上述の製造方法と同じ工程により、本実施の形態の加速度センサを製造することができる。
【００３４】
また、梁部の厚さを正確に制御するためには、シリコン・オン・インシュレータ（ＳＯＩ）基板を用いる。ＳＯＩ基板は、シリコン基板上にインシュレータであるＳｉＯ２を約１−０．１μｍ形成され、さらに、ＳｉＯ２上に単結晶シリコンを積層された構成を有する。ＳｉＯ２上の単結晶シリコン層を活性層といい、この部分を梁部の形成に使用する。ＳＯＩ基板を用いることにより、シリコン層をどちらの面からエッチングしてもＳｉＯ２をストッパ層として使用できる。
【００３５】
まず、最初にＳＯＩ基板の活性層に支持部、梁部、鐘部、ひずみ抵抗検出部（ピエゾ抵抗素子）及び配線部を、エッチング等を用いて形成する。その後、シリコン基板側から支持部と錘部を残してｄｅｅｐ−ＲＩＥエッチングする。なお、ｄｅｅｐ−ＲＩＥエッチングでは、上述のようにＳｉＯ２を用いてストッパ層とすることができる。また、ＳＯＩ基板の活性層の厚さが梁部の厚さとなるので、活性層の厚さが重要である。
以上のように、ＳＯＩ基板を用いると精度良く加速度センサを製造することができる。
【００３６】
ひずみ抵抗検出部（ピエゾ抵抗素子）は、Ｂ（ボロン）等のシリコン半導体の不純物原子をイオンインプンテーショ法、又は、熱拡散法を用いて梁部にドープすることで、部分的にｐ型又はｎ型の半導体部分を作製する。そして、形成したｐ型又はｎ型の半導体部分の両端部に、電極を作製する。ひずみ抵抗検出部（ピエゾ抵抗素子）の抵抗値は１００Ωから５０Ω程度が望ましい。
【実施例】
【００３７】
以下、実施例により本発明を具体的に説明する。
（実施例１）
上述の実施の形態の加速度センサについて、以下の構成の加速度センサによるシミュレーションを行った。
錘部はＸＹ軸方向の長さが１００μｍの正方形であり、Ｚ軸方向の長さが５００μｍであり、梁部の長さが５０μｍであり、空隙が設けられている部分の梁部の幅は１０μｍであり、梁部の幅の合計は２０μｍであり、空隙部の幅方向の長さが１０μｍである。
また、比較として、図６に示す、梁部に空隙部を設けていない従来構造の加速度センサを作製した。作製した比較例の加速度センサの各構成のサイズを示す。錘部はＸＹ軸方向の長さが１００μｍの正方形であり、Ｚ軸方向の長さが５００μｍであり、錘部と梁部との距離が５０μｍであり、梁部の幅が２０μｍである。
【００３８】
上述の実施例及び比較例の加速度センサについて、加速度と梁部のひずみの関係についてシミュレーションを行った。加速度センサに対して加速度（１Ｇ）を加える方向を変化させたときの梁部１３Ａの各位置でのひずみを表したシミュレーションの結果を図２Ａに示している。シミュレーションでは、外力を加える方向を、Ｘ軸に平行な方向を０°とし、Ｙ軸に平行な方向を９０°とした。そして、Ｘ軸方向からＹ軸方向に９０°角度を変化させた後、さらにＹ軸方向からＸ軸方向に、９０°から１８０°まで角度を変化させた。
【００３９】
図２Ａにおいて、縦軸は、梁部１３Ａのひずみεを示している。また、横軸は、梁部１３Ａの支持枠１１において、支持枠１１側の接続部を０μｍ（０ｍ）とし、錘部１２側の接続分を５０μｍ（５０×１０−６ｍ）として表している。従って、梁部１３Ａの支持枠１１からの距離に対応する位置において、外力の角度により発生したひずみの量がわかる。
図２Ｂは、上記の実施例の加速度センサのシミュレーションにおいて、梁部１３Ａにおいて大きくひずみが発生した支持枠１１から１０μｍの位置と、４０μｍの位置でのひずみを表している。図２Ｂは、縦軸に梁部１３Ａのひずみεを示している。また、横軸に、加速度センサに加える外力の角度（位相）を示している。
また、比較例の加速度センサについて、上述の実施例の加速度センサと同様にシミュレーションを行った結果を図３Ａ，Ｂに示す。
【００４０】
図２及び図３に示す結果から、梁部に空隙部を設ける構成とした実施例の加速度センサの方が、比較例の加速度センサよりも、ＸＹ成分のひずみが１．５倍発生することがわかった。
梁部に空隙部を設ける構成とすることにより、加速度センサにＸＹ成分の加速度が加わると、錘部は回転運動をする。このとき、梁部に空隙部が設けられていると、この空隙部を中心軸として回転しやすくなる。つまり、加速度センサの４つの梁部に空隙部を設けることにより、この空隙部を中心軸としてＸＹ軸に回転しやすくなる。これをＸＹ成分に平行な梁でひずみを測るとシミュレーションでは、空隙部を設けない構成とした場合に比べ、約１．５倍のひずみが発生することが分かる。従って、梁部に空隙部を設ける構成とすることにより、非常に効果かがあることがわかる。
【００４１】
（実施例２）
加速度センサにおいて、空隙部の幅方向の長さを変化させたときのひずみεをシミュレーションを行った。実施例１と同様の図１に示す構成の加速度センサを、梁部の幅方向の空隙部の長さを変化させて作製した。
【００４２】
作製した加速度センサの各構成は、錘部はＸＹ軸方向の長さが１００μｍの正方形であり、Ｚ軸方向の長さが５００μｍであり、錘部と梁部との距離が５０μｍであり、空隙が設けられている部分の梁部の幅は１０μｍであり、梁部の幅の合計は２０μｍであり、幅方向の空隙部の長さは０〜８０μｍである。ここで、梁部の幅方向の空隙部の長さが０という構成は、空隙部を設けていない構成であり、図６に示す従来の加速度センサと同じ構成である。
【００４３】
上記の空隙部の長さが異なるそれぞれの加速度センサに対して、Ｘ軸方向に１Ｇの加速度を加えたときのシミュレーション結果を図４に示す。また、Ｚ軸方向に１Ｇの加速度を加えたときのシミュレーション結果を図５に示す。
【００４４】
図４に示す結果から、Ｘ軸方向に加速度を加えたときは、空隙部を設けない構成、つまり空隙部の長さが０の加速度センサに対して、空隙部を設けた加速度センサの方が、ひずみが大きくなった。この結果から、梁部に空隙部を設けることにより、梁部に発生するひずみが大きくなり、梁部に形成されているひずみ抵抗検出部（ピエゾ抵抗素子）で検知する抵抗値の変位量が大きくなる。従って、加速度センサの感度を向上させることができる。
【００４５】
また、図４から、空隙部は、梁部の幅方向の長さが小さいほど、ＸＹ軸方向に加速度が加えられた際に梁部に発生するひずみが大きくなる結果が得られた。梁部は、錘部の重心点に近く形成されている方が、ねじれ変形が起きやすく、錘部の重心点から離れて形成されるほど、ねじれ変形が起き難くなると考えられる。
【００４６】
また、図５に示す結果から、空隙部の長さが０の加速度センサに対して、空隙部を設けることによりＺ軸方向の加速度に対しても感度が向上することが分かる。そして、梁部の幅方向の長さを変えて空隙部を形成しても、Ｚ軸方向のひずみはほとんど変化していない。
このように、梁部に空隙部を設けることにより、Ｚ軸方向の加速度に対しても、加速度センサの検出感度を向上させることができる。
【００４７】
また、梁部に形成する空隙部の大きさを変えることにより、ＸＹ軸方向の加速度に対する梁部のひずみを制御することができるため、加速度センサのＸＹ軸方向の感度を任意に設定することができる。さらに、空隙部の大きさを変えた場合にも、Ｚ軸方向の加速度に対する感度は変化しない。このため、空隙部の構成を変化させることにより、ＸＹ軸方向の加速度に対する感度と、Ｚ軸方向の加速度に対する感度とを調整することが可能である。
【００４８】
なお、上述の実施の形態では、錘部の形状を正方形状として説明しているが、一般的に加速度センサに適用されている錘部の形状であれば、上記の正方形に限定されずに本発明に適用することができる。また、上述の実施の形態では、梁部を対称形状、直方体形状に形成しているが、一般的に加速度センサに適用されている錘部の形状であれば、上記の正方形に限定されずに本発明に適用することができる。特に、ＸＹ軸方向に外力が加わった際に、錘部の変位により梁部にねじり変形が発生する構造の加速度センサにおいて、本発明を好ましく適用することができる。
【００４９】
上述の梁部に空隙部を設けるのは、Ｘ，Ｙ，Ｚ軸のいずれか１軸を測定できる１軸加速度センサ、Ｘ，Ｙ，Ｚ軸のいずれか２軸を測定できる２軸加速度センサ、Ｘ，Ｙ，Ｚ軸の全てを測定できる３軸加速度センサに適用できる。
【００５０】
なお、本発明は上述の実施形態例において説明した構成に限定されるものではなく、その他本発明構成を逸脱しない範囲において種々の変形、変更が可能である。
【符号の説明】
【００５１】
１０，１００ 加速度センサ、１１，１０１ 支持枠、１２，１０２ 錘部、１３，１３Ａ，１３Ｂ，１３Ｃ，１３Ｄ，１０３ 梁部、１４ 空隙部、１０２Ａ 錘支持部、１０２Ｂ 錘固着部、Ｃ 中心線、Ｇ 重心線、Ｒ，Ｒｘ，Ｒｘ１，Ｒｘ２，Ｒｘ３，Ｒｘ４，Ｒｙ，Ｒｙ１，Ｒｙ２，Ｒｙ３，Ｒｙ４，Ｒｚ，Ｒｚ１，Ｒｚ２，Ｒｚ３，Ｒｚ４ ピエゾ抵抗素子
【特許請求の範囲】
【請求項１】
支持枠と、
前記支持枠に対して変位可能に設けられた錘部と
前記支持枠と前記錘部と支持する可撓性を有する梁部と、
前記梁部に、前記梁部の幅方向の中心線上を含んで設けられている空隙部と、
前記梁部に設けられているひずみ抵抗検出部とを備える
ことを特徴とする加速度センサ。
【請求項２】
前記梁部の幅方向の中心線と、前記空隙部の幅方向の中心線がほぼ同じ方向であるように前記空隙が設けられていることを特徴とする請求項１に記載の加速度センサ。
【請求項３】
前記空隙部の幅方向の中心線が、前記錘部の重心点を通るように前記空隙が設けられていること特徴とする請求項１又は２に記載の加速度センサ。
【請求項４】
前記空隙が、前記梁部のねじれ中心軸を含んで設けられていることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の加速度センサ。
【請求項５】
前記梁部が、前記空隙部により複数本に分離されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の加速度センサ。
【請求項６】
前記ひずみ抵抗検出部がピエゾ抵抗素子からなることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の加速度センサ。
【請求項１】
支持枠と、
前記支持枠に対して変位可能に設けられた錘部と
前記支持枠と前記錘部と支持する可撓性を有する梁部と、
前記梁部に、前記梁部の幅方向の中心線上を含んで設けられている空隙部と、
前記梁部に設けられているひずみ抵抗検出部とを備える
ことを特徴とする加速度センサ。
【請求項２】
前記梁部の幅方向の中心線と、前記空隙部の幅方向の中心線がほぼ同じ方向であるように前記空隙が設けられていることを特徴とする請求項１に記載の加速度センサ。
【請求項３】
前記空隙部の幅方向の中心線が、前記錘部の重心点を通るように前記空隙が設けられていること特徴とする請求項１又は２に記載の加速度センサ。
【請求項４】
前記空隙が、前記梁部のねじれ中心軸を含んで設けられていることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の加速度センサ。
【請求項５】
前記梁部が、前記空隙部により複数本に分離されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の加速度センサ。
【請求項６】
前記ひずみ抵抗検出部がピエゾ抵抗素子からなることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の加速度センサ。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２０１１−２３７３９０（Ｐ２０１１−２３７３９０Ａ）
【公開日】平成２３年１１月２４日（２０１１．１１．２４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−１１１４２４（Ｐ２０１０−１１１４２４）
【出願日】平成２２年５月１３日（２０１０．５．１３）
【出願人】（５０４１４５３６４）国立大学法人群馬大学 (352)
【出願人】（０００１５１５２０）株式会社東京測器研究所 (29)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年１１月２４日（２０１１．１１．２４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年５月１３日（２０１０．５．１３）
【出願人】（５０４１４５３６４）国立大学法人群馬大学 (352)
【出願人】（０００１５１５２０）株式会社東京測器研究所 (29)
【Ｆターム（参考）】
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