２軸加速度センサ
【課題】２方向の加速度を精度よく感知することができ、小型化及び製造コストの低減化を可能とする２軸加速度センサを提供することを目的とする。
【解決手段】本発明は、平板状の錘部、この錘部の側面を囲う枠部、上記錘部の側面と枠部の内面とを連結する１又は複数の梁部、及び上記梁部に付設される歪み感知手段を備える平板状の２軸加速度センサであって、上記梁部の厚さが幅より大きく、上記１又は複数の梁部が、厚さ方向と垂直な直交２方向の正負それぞれの加速度に対する撓みパターンの組合せが異なる少なくとも２つの変形領域を有し、上記歪み感知手段として、上記各変形領域の両端側かつその幅方向両側近傍に二対のピエゾ抵抗素子が配設されていることを特徴とする。
【解決手段】本発明は、平板状の錘部、この錘部の側面を囲う枠部、上記錘部の側面と枠部の内面とを連結する１又は複数の梁部、及び上記梁部に付設される歪み感知手段を備える平板状の２軸加速度センサであって、上記梁部の厚さが幅より大きく、上記１又は複数の梁部が、厚さ方向と垂直な直交２方向の正負それぞれの加速度に対する撓みパターンの組合せが異なる少なくとも２つの変形領域を有し、上記歪み感知手段として、上記各変形領域の両端側かつその幅方向両側近傍に二対のピエゾ抵抗素子が配設されていることを特徴とする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、梁の変形によって２軸方向の加速度を検出する２軸加速度センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
錘部に働く慣性力により生じる梁の歪みを、ピエゾ抵抗素子などで感知することで加速度を検出する加速度センサが様々な分野で用いられている。
【０００３】
このような加速度センサとしては、（１）錘部が直交する２つの梁によって支持される構造を有する３軸加速度センサ（特開平８−２８５８８３号公報参照）、（２）固定部と板状の錘とを接続する直線状の梁部を有し、梁部の厚みが錘の厚みと等しく、梁部の幅は錘より細い形状を有する片持梁式加速度センサ（特開平８−１６００６６号公報参照）などが開発されている。
【０００４】
上記（１）の３軸加速度センサは、２つの梁に対する直交方向の加速度も検知するものであるため、錘の厚さに比して、梁の厚さが薄い構造となっている。このため、センサ全体として厚さの異なる部分が生じるため、基板を貼り合わせて製造する必要があるなど、高コストとなる。また、梁の厚さが薄い構造となっているため、逆に２つの梁がなす平面方向への梁の歪みは生じにくく、この方向の加速度に対する感度は十分ではない。
【０００５】
また、上記（２）の片持梁式加速度センサは、幅の狭い形状の梁部を有しているため、この幅方向の加速度に対する梁の歪みが大きく、この方向の感度を高めることができる。しかし、２軸の加速度を検出するためには、少なくとも２つの錘が必要であるため、センサが大型化し、また、製造コストも増大するという不都合を有している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平８−２８５８８３号公報
【特許文献２】特開平８−１６００６６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、このような不都合に基づいてなされたものであり、２方向の加速度を精度よく感知することができ、小型化及び製造コストの低減化を可能とする２軸加速度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】
【０００８】
上記課題を解決するためになされた発明は、
平板状の錘部、
この錘部の側面を囲う枠部、
上記錘部の側面と枠部の内面とを連結する１又は複数の梁部、及び
上記梁部に付設される歪み感知手段
を備える平板状の２軸加速度センサであって、
上記梁部の厚さが幅より大きく、
上記１又は複数の梁部が、厚さ方向と垂直な直交２方向の正負それぞれの加速度に対する撓みパターンの組合せが異なる少なくとも２つの変形領域を有し、
上記歪み感知手段として、上記各変形領域の両端側かつその幅方向両側近傍に二対のピエゾ抵抗素子が配設されていることを特徴とする２軸加速度センサである。
【０００９】
当該２軸加速度センサは、梁部が少なくとも２つの変形領域を有している。この少なくとも２つの変形領域は、厚さ方向に垂直な直交２方向の正負それぞれの加速度に対する撓みパターンを有し、この４種の加速度毎の撓みパターンの各変形領域間の組み合わせが、４つ全て異なるように設けられている。また、この各変形領域の四隅にピエゾ抵抗素子が配設されている。従って当該２軸加速度センサによれば、各変形領域の撓みパターンをピエゾ抵抗素子で検知することで、１つの錘部で２方向の加速度を検出することができるため、センサ自体を小型化することができ、また、製造コストを抑えることができる。
【００１０】
また、当該２軸加速度センサは、梁部の幅がこの厚みより小さくなっているため、厚み方向の加速度に対して梁部が歪みにくい。従って、当該２軸加速度センサによれば、厚み方向の加速度の影響を抑え、この方向と垂直な平面における加速度を精度よく検出することができる。
【００１１】
さらに当該２軸加速度センサは、梁部の厚みに対して上限を設けていないため、錘部、枠部及び梁部の厚さを全て等しくすることができる。この場合、当該２軸加速度センサを高価なＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｏｎ Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）基板を用いることなく、１枚の基板から加工して成形することができ、製造コストを抑えることができるとともに構造がシンプルであるため梁部が破壊されにくい。さらには、このように１枚の基板から成形すると、工程中での破損が少なく、また、高精度な微細形状とすることで耐衝撃性を高めることができる。
【００１２】
また、当該２軸加速度センサによれば、２対の抵抗素子を変形領域に対して対称に配置することもでき、この場合、撓みにより各抵抗素子に生じる抵抗差が同程度となるため、より感度を高めることができる。さらには、当該２軸加速度センサによれば、これらのピエゾ抵抗素子を梁部の片面側に全て配設することができるため、製造工程を単純化し、製造コストをより抑えることができる。
【００１３】
上記１の梁部が、枠部の対向する内面間に架け渡されており、この１の梁部の中央に錘部が連結部を介して接続されているとよい。当該２軸加速度センサによれば、梁部をこのように構成することで、この１つの梁部が左右対称な２つの変形領域を有することができる。従って、当該２軸加速度センサにおいては、１の梁部に直交２方向に対応する２組の歪み感知手段を配置することができるため、構造がシンプルになり、製造コストをより抑えることができる。
【００１４】
上記複数の梁部として、長さ方向が上記直交２方向のうちの一方を向くｘ方向梁部と他方を向くｙ方向梁部とを備え、これらのｘ方向梁部とｙ方向梁部とが垂直に連結されているとよい。上記梁部が、このように垂直に連結された構造を有することによって、この梁部を厚さ方向に垂直な直交２方向のそれぞれの加速度に対して撓み可能な構造とすることができる。また、当該２軸加速度センサによれば、梁部が垂直に連結された部分を有することで、厚さ方向に垂直な２方向のそれぞれの加速度に対して、大きな変位を持って撓むことができるため、検出感度を高めることができる。
【００１５】
上記ｘ方向梁部及びｙ方向梁部を複数備え、上記歪み感知手段が、複数のｘ方向梁部及びｙ方向梁部にそれぞれ付設されているとよい。当該２軸加速度センサによれば、このように各方向の加速度に対応する歪み感知手段を、複数の梁部に複数配置することで、加速度に応じた歪みに対する出力を平均化することができ、検出精度をより高めることができる。また、当該２軸加速度センサによれば、例えば、これら複数の歪み感知手段の出力の差が大きい場合にエラー表示をする機能を設けることなどにより、センサの故障等を容易に把握することができる。
【００１６】
当該２軸加速度センサの平面形状が線対称又は点対称であるとよい。当該２軸加速度センサを線対称又は点対称の形状とすることで、錘部が正負の加速度に対し対称に移動し、それぞれの撓みパターンも対称性を有することができる。この際、歪み感知手段への入力パラメーターが正負の範囲で対称に変位する。従って、当該２軸加速度センサによれば、感知する２方向の加速度をより高精度で検出することができる。
【００１７】
当該２軸加速度センサが、上記歪み感知手段として、４個のピエゾ抵抗素子を連結するホイートストンブリッジ回路を備えているとよい。当該２軸加速度センサによれば、それぞれの加速度に対する歪みモードに応じた圧変化を、ブリッジ回路を組んだ４つの抵抗素子で感受することで、精度をより高めることができる。
【００１８】
ここで、「撓みパターン」とは、Ｓ字状などの点対称かつ非線対称な形状変化を有する撓み、弓状などの線対称かつ非線対称な形状変化を有する撓み、点対称かつ線対称な伸縮による撓み等の撓みの形状、その撓みの方向及び撓みそのものの有無などの撓みの形式をいう。なお、ある加速度に対して、他の変形領域において撓みが生じていれば、１の「変形領域」において撓みが生じていないという「撓みパターン」をとる場合もある。
【発明の効果】
【００１９】
以上説明したように、本発明の２軸加速度センサは、２方向の加速度を精度よく感知することができ、また小型化が可能で、製造コストも低減することができる。従って、本発明の２軸加速度センサは、各種家電製品、自動車部品、ロボット部品等に使用される各種加速度センサとして用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】（ａ）は本発明の第１実施形態に係る２軸加速度センサの模式的斜視図であり、（ｂ）はその平面図である。
【図２】（ａ）〜（ｄ）は図１の２軸加速度センサの作動状態を示す模式的平面図である。
【図３】図１の２軸加速度センサの梁部及び歪み感知手段を示す模式的拡大図である。
【図４】図１の２軸加速度センサの歪み感知手段の回路図である。
【図５】（ａ）は図１の２軸加速度センサの製造方法の第１工程を示す模式的平面図であり、（ｂ）はそのＡ−Ａ線矢視断面図である。
【図６】（ａ）は図１の２軸加速度センサの製造方法の第２工程を示す模式的平面図であり、（ｂ）はそのＡ−Ａ線矢視断面図である。
【図７】（ａ）は図１の２軸加速度センサの製造方法の第３工程を示す模式的平面図であり、（ｂ）はそのＡ−Ａ線矢視断面図である。
【図８】（ａ）は図１の２軸加速度センサの製造方法の第４工程を示す模式的平面図であり、（ｂ）はそのＡ−Ａ線矢視断面図である。
【図９】（ａ）は図１の２軸加速度センサの製造方法の第５工程を示す模式的平面図であり、（ｂ）はそのＡ−Ａ線矢視断面図である。
【図１０】（ａ）は図１の２軸加速度センサの製造方法の第６工程を示す模式的平面図であり、（ｂ）はそのＡ−Ａ線矢視断面図、（ｃ）はそのＢ−Ｂ線矢視断面図である。
【図１１】（ａ）は図１の２軸加速度センサの製造方法の第７工程を示す模式的平面図であり、（ｂ）はそのＡ−Ａ線矢視断面図、（ｃ）はそのＢ−Ｂ線矢視断面図である。
【図１２】（ａ）は本発明の第２実施形態に係る２軸加速度センサの模式的平面図であり、（ｂ）及び（ｃ）はその作動状態を示す模式的平面図である。
【図１３】（ａ）は本発明の第３実施形態に係る２軸加速度センサの模式的平面図であり、（ｂ）及び（ｃ）はその作動状態を示す模式的平面図である。
【図１４】第１〜３の実施形態とは異なる２軸加速度センサの模式的平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下、適宜図面を参照しつつ、本発明の２軸加速度センサの実施の形態を詳説する。
【００２２】
＜第１実施形態＞
図１の２軸加速度センサ１は、平面視で略正方形の平板状体である。この２軸加速度センサ１のサイズとしては特に限定されず、用途等に応じて適宜設定することができるが、例えば縦横（Ｘ及びＹ方向）の長さとしては、０．３ｍｍ以上２ｍｍ以下程度であり、０．５ｍｍ以上１ｍｍ以下が好ましい。また、この２軸加速度センサ１の厚さ（Ｚ方向の長さ）としては、例えば１．５ｍｍ以下であり、０．２ｍｍ以上１ｍｍ以下が好ましい。
【００２３】
当該２軸加速度センサ１は、平板状の錘部２、この錘部２の側面を囲う枠部３、上記錘部２の側面と枠部３の内面とを連結する梁部４、及び上記梁部４に付設される歪み感知手段６を備えている。この錘部２、枠部３及び梁部４は、後に製造方法の説明にて詳述するように、枠部３の外枠の大きさを有する均質な平板（基板）から、この平板に厚さ方向に貫通する溝部５を設けることによって形成されているものである。この溝部５の幅は、５μｍ〜５０μｍ程度である。
【００２４】
錘部２は、平面視で略正方形の板状体である。この錘部２が、厚さ方向と垂直な方向の加速度に対して移動する部分となる。この錘部２のサイズとしては、加速度に対して移動可能な質量を有すべく、枠部３のサイズ等と比して、一定の体積を有していれば特に限定されないが、例えば縦横（Ｘ方向及びＹ方向）の長さとして０．４ｍｍ以上０．８ｍｍ以下が好ましい。また、この錘部２の厚さ（Ｚ方向の長さ）は、上述したこの２軸加速度センサ１自体の厚さとなっている。
【００２５】
枠部３は、錘部２の側面を囲う４枚の帯状板材から形成されており、扁平な四角筒状に形成されている。この枠部３を形成する各帯状板材の幅としては、５０μｍ〜２００μｍ程度である。また、枠部３の厚さ（Ｚ方向の長さ）は、錘部２の厚さと等しい。
【００２６】
梁部４は、枠部３の対向する内面間、具体的には対向配設される一対の帯状板材の一端部近傍に、Ｘ軸方向に架け渡されている。この梁部４の中央の一側壁に、錘部２が連結部７を介して接続されている。
【００２７】
梁部４の幅（Ｙ方向の長さ）はこの厚み（Ｚ方向の長さ）より小さく形成されており、具体的な幅は、２μｍ以上１００μｍ以下程度であり、５μｍ以上２０μｍ以下が好ましい。なお、梁部４の厚さは、この２軸加速度センサ１自体の厚さと等しく、例えば１．５ｍｍ以下であり、０．２ｍｍ以上１ｍｍ以下が好ましい。
【００２８】
連結部７の幅（Ｘ方向の長さ）は、特に限定されないが、この厚みより小さく形成されていることが好ましい。なお、連結部７の厚さ（Ｚ方向の長さ）は、この２軸加速度センサ１自体の厚さと等しく、例えば１．５ｍｍ以下であり、０．２ｍｍ以上１ｍｍ以下が好ましい。また、連結部７は、溝部５によって分離された梁部４と錘部２との連結部分であるので、この連結部７の長さは、溝部５の幅となっている。
【００２９】
この２軸加速度センサ１は、２つの変形領域Ｄ１及びＤ２を有する。この２つの変形領域Ｄ１及びＤ２は、厚さ方向（Ｚ方向）に垂直な直交２方向（Ｘ及びＹ方向）の正負それぞれの加速度（αｘ−、αｘ＋、αｙー及びαｙ＋）に対する撓みパターンを有する。この加速度毎の撓みパターンの、２つの変形領域Ｄ１及びＤ２間の組み合わせは、４つ全て異なるように設けられている。以下、この撓みパターン及びその組み合わせについて、図２を参照に説明する。
【００３０】
図２（ａ）は、２軸加速度センサ１が、厚さ方向に垂直な方向でありかつ梁部４の長手方向である方向（Ｘ軸方向）の負方向（図２における左方向）へ加速度（αｘ−）が生じた際の、錘部２の移動及び梁部４の撓みパターンを表した模式図である。図２（ｂ）は、図２（ａ）とは逆方向へ加速度（αｘ＋）が生じた際の、錘部２の移動及び梁部４の撓みパターンを表した模式図である。図２（ｃ）は、２軸加速度センサ１が、厚さ方向及び上記Ｘ軸方向に垂直な方向である方向（Ｙ軸方向）の負方向（図２における下方向）へ加速度（αｙ−）が生じた際の、錘部２の移動及び梁部４の撓みパターンを表した模式図である。図２（ｄ）は、図２（ｃ）とは逆方向へ加速度（αｙ＋）が生じた際の、錘部２の移動及び梁部４の撓みパターンを表した模式図である。
【００３１】
図２（ａ）に示されるように、Ｘ軸に対するマイナス方向（図２（ａ）における左方向）に加速度（αｘ−）が生じると、錘部２は慣性力によって加速度の方向と反対の方向、すなわち、Ｘ軸に対するプラス方向（図２（ａ）における右側方向）に重心が移動する。この際、梁部４においては、連結部７が延出する中央部分の側面が、錘部２の移動と同方向を向くように撓む。梁部４の両端は、枠部３の内面によって固定されているため、梁部４は、連結部７を境にした２つの変形領域（図２における左側の変形領域をＤ１、右側の変形領域をＤ２とする。）が共にＳ字状に撓むこととなる。この際、変形領域Ｄ１及びＤ２は同じ方向のＳ字状撓みをとっている。すなわち、どちらの変形領域も、図２における左側かつ下側部分（ｄ１１及びｄ２１）及び右側かつ上側部分（ｄ１３及びｄ２３）が圧縮され、逆に右側かつ下側部分（ｄ１２及びｄ２２）及び左側かつ上側部分（ｄ１４及びｄ２４）が伸長している。なお、２軸加速度センサ１におけるこの方向のＳ字状の撓みパターンを「Ｓ＋」と略する。
【００３２】
図２（ｂ）に示されるように、Ｘ軸に対する＋方向（図２（ａ）における左方向）に加速度（αｘ＋）が生じると、２つの変形領域Ｄ１及びＤ２は、共に図２（ａ）とは逆方向のＳ字状の撓みパターン「Ｓ−」をとる。具体的には、どちらの変形領域も、図２における左側かつ下側部分（ｄ１１及びｄ２１）及び右側かつ上側部分（ｄ１３及びｄ２３）が伸長し、逆に右側かつ下側部分（ｄ１２及びｄ２２）及び左側かつ上側部分（ｄ１４及びｄ２４）が圧縮されている。
【００３３】
図２（ｃ）に示されるように、Ｙ軸に対するマイナス方向（図２（ｃ）における下方向）に加速度（αｙ−）が生じると、錘部２は慣性力によって加速度の方向と反対の方向、すなわち、Ｙ軸に対するプラス方向（図２（ｃ）における上側方向）に重心が移動する。この際、梁部４において、中央部分の側面が、連結部７を介して錘部２の移動によって押されて、上側に撓む。梁部４の両端は、枠部３の内面によって固定されているため、梁部４は、全体として弓状に撓む、すなわち、２つの変形領域Ｄ１及びＤ２は連結部７を対称軸として線対称に共にＳ字状に撓むこととなる。この際、変形領域Ｄ１は、「Ｓ−」の撓みパターン（ｄ１１及びｄ１３が伸長し、ｄ１２及びｄ１４が圧縮されている。）をとり、変形領域Ｄ２は、「Ｓ＋」の撓みパターン（ｄ２１及びｄ２３が圧縮され、ｄ２２及びｄ２４が伸長している。）をとる。
【００３４】
また、図２（ｄ）に示されるように、Ｙ軸に対して逆向き、すなわちプラス方向（図２（ｄ）における上方向）に加速度（αｙ＋）が生じると、図２（ｃ）とは逆に、変形領域Ｄ１は、「Ｓ＋」の撓みパターン（ｄ１１及びｄ１３が圧縮され、ｄ１２及びｄ１４が伸長している。）をとり、変形領域Ｄ２は、「Ｓ−」の撓みパターン（ｄ２１及びｄ２３が伸長し、ｄ２２及びｄ２４が圧縮されている。）をとる。
【００３５】
以上の、２軸加速度センサ１の撓みパターンの組み合わせをまとめると、以下の表１のとおりである。
【００３６】
【表１】
【００３７】
このように、当該２軸加速度センサ１によれば、４つの加速度（αｘ−、αｘ＋、αｙ−及びαｙ＋）毎の撓みパターンの、２つの変形領域Ｄ１及びＤ２間の４つの組み合わせが全て異なっている。
【００３８】
歪み感知手段６としては、２つの変形領域Ｄ１及びＤ２それぞれの両端側かつその幅方向両側近傍に二対の、計８つのピエゾ抵抗素子が配設されている。
【００３９】
Ｘ軸方向の加速度を感知する歪み感知手段として、図１（ｂ）にて図示するように、具体的に４つのピエゾ抵抗素子６ｘ１、６ｘ２、６ｘ３及び６ｘ４を有し、この４つの抵抗素子がホイートストンブリッジ回路を構成している。ピエゾ抵抗素子６ｘ１は、変形領域Ｄ１におけるｄ１１部分に、ピエゾ抵抗素子６ｘ２は、変形領域Ｄ１におけるｄ１２部分に、ピエゾ抵抗素子６ｘ３は、変形領域Ｄ２におけるｄ２１部分に、ピエゾ抵抗素子６ｘ４は、変形領域Ｄ２におけるｄ２２部分に配設されている。
【００４０】
Ｙ軸方向の加速度を感知する歪み感知手段として、図１（ｂ）にて図示するように、具体的に４つのピエゾ抵抗素子６ｙ１、６ｙ２、６ｙ３及び６ｙ４を有し、この４つの抵抗素子がホイートストンブリッジ回路を構成している。ピエゾ抵抗素子６ｙ１は、変形領域Ｄ１におけるｄ１４部分に、ピエゾ抵抗素子６ｙ２は、変形領域Ｄ１におけるｄ１３部分に、ピエゾ抵抗素子６ｙ３は、変形領域Ｄ２におけるｄ２３部分に、ピエゾ抵抗素子６ｙ４は、変形領域Ｄ２におけるｄ２４部分に配設されている。
【００４１】
なお、これらのいずれのピエゾ抵抗素子も、梁部４表面には露出しておらず、パッシベーション層によって被覆されている。
【００４２】
上述のように配設された各ピエゾ抵抗素子６ｘ１〜６ｘ４においては、Ｘ軸におけるマイナス方向の加速度（αｘ−）が生じた際には、６ｘ１及び６ｘ３には圧縮応力が生じ、６ｘ２及び６ｘ４には引っ張り応力が生じる（図２（ａ）参照）。逆に、Ｘ軸におけるプラス方向の加速度（αｘ＋）が生じた際には、６ｘ１及び６ｘ３には引っ張り応力が生じ、６ｘ２及び６ｘ４には圧縮応力が生じる（図２（ｂ）参照）。
【００４３】
また、上述のように配設された各ピエゾ抵抗素子６ｙ１〜６ｙ４においては、Ｙ軸におけるマイナス方向の加速度（αｙ−）が生じた際には、６ｙ１及び６ｙ３には圧縮応力が生じ、６ｙ２及び６ｙ４には引っ張り応力が生じる（図２（ｃ）参照）。逆に、ｙ軸におけるプラス方向の加速度（αｙ＋）が生じた際には、６ｙ１及び６ｙ３には引っ張り応力が生じ、６ｙ２及び６ｙ４には圧縮応力が生じる（図２（ｄ）参照）。
【００４４】
歪み感知手段６のそれぞれのピエゾ抵抗素子６ｘ１〜６ｘ４及び６ｙ１〜６ｙ４は、図３に示されるように、低抵抗層１２及び配線層２０によって配線され、ホイートストンブリッジ回路を構成する。当該２軸加速度センサ１によれば、Ｘ軸方向及びＹ軸方向いずれの加速度に対しても、各ピエゾ抵抗素子の電気抵抗の変化が図４に示すホイートストンブリッジ回路の電圧の変化として検出される。このため、当該２軸加速度センサ１によればそれぞれの加速度に対する歪みモードに応じた圧変化を、ブリッジ回路を組んだ４つの抵抗素子で感受することで、精度をより高めることができる。また、４つの抵抗素子を撓みパターンに対して対称に配置することで、歪みにより生じる抵抗差を同程度とすることができ、より感度を高めることができる。なお、図４において、Ｒ１は６ｘ１又は６ｙ１を表し、Ｒ２は６ｘ２又は６ｙ２を表し、Ｒ３は６ｘ３又は６ｙ３を表し、Ｒ４は６ｘ４又は６ｙ４を表している。
【００４５】
このように当該２軸加速度センサ１によれば、梁部４が２つの変形領域Ｄ１及びＤ２を有している。この２つの変形領域Ｄ１及びＤ２は、上述のように厚さ方向（Ｚ方向）に垂直な直交２方向（Ｘ及びＹ方向）の正負それぞれの加速度に対する撓みパターンを有し、表１のとおり加速度毎の撓みパターンの各変形領域間の組み合わせが、４つ全て異なるように設けられている。また、上述のようにこの変形領域Ｄ１及びＤ２の四隅にピエゾ抵抗素子が配設されている。従って当該２軸加速度センサによれば、各変形領域の撓みパターンを各ピエゾ抵抗素子で検知することで、１つの錘部で２方向の加速度を検出することができるため、センサ自体を小型化することができ、また、製造コストを抑えることができる。
【００４６】
また、当該２軸加速度センサ１は、上述のように梁部４の幅がこの厚みより小さくなっていることから、厚み方向（Ｚ軸方向）の加速度に対して梁部４が歪みにくい。従って、当該２軸加速度センサ１によれば、厚み方向の加速度の影響を抑え、この方向と垂直な平面（Ｘ軸及びＹ軸を含む平面）における加速度を精度よく検出することができる。
【００４７】
さらには、当該２軸加速度センサ１は、錘部２、枠部３及び梁部４の厚さを全て等しく設けているため、高価なＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｏｎ Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）基板を用いることなく、１枚の基板から加工して成形することができ、製造コストを抑えることができる。また、当該２軸加速度センサ１は、構造がシンプルであるため梁部４が破壊されにくい。さらには、１枚の基板から成形すると、工程中での破損が少なく、また、高精度な微細形状とすることもでき、この場合、耐衝撃性を高めることができる。
【００４８】
また、当該２軸加速度センサ１は、上述のように、梁部４が枠部３の対向する内面間に架け渡されており、この梁部４の中央の一側面に錘部２が連結部７を介して接続されている構造をとっている。当該２軸加速度センサ１によれば、梁部４をこのように構成することでこの１つの梁部４が左右対称な２つの変形領域Ｄ１及びＤ２を有することができる。従って当該２軸加速度センサ１においては、１の梁部４に直交２方向に対応する２組の歪み感知手段を配置することができるため、構造がシンプルになり、製造コストをより抑えることができる。また、当該２軸加速度センサ１は、各抵抗素子を変形領域Ｄ１及びＤ２に対して対称に配置しているため、撓みにより各抵抗素子に生じる抵抗差が同程度となって、より感度を高めることができる。
【００４９】
また、当該２軸加速度センサ１は、上述のとおり線対称形状を有している。このため、当該２軸加速度センサによれば、錘部２が正負の加速度に対し対称に移動し、それぞれの歪みモードも対称性を有することができ、歪み感知手段６への入力パラメーターが正負の範囲で対称に変位する。従って、当該２軸加速度センサ１によれば、感知する２軸に対して正負対称性高く、より高精度で加速度を検出することができる。
【００５０】
さらには、当該２軸加速度センサ１によれば、歪み感知手段を構成する各ピエゾ抵抗素子を梁部４の片面側に全て配設することもでき、製造工程を単純化し、コストをより抑えることができる。また、当該２軸加速度センサ１によれば、これらのピエゾ抵抗素子を備えるホイートストンブリッジ回路を、以下の製造方法で詳述するように、１層で配線することができる。従って、当該２軸加速度センサ１によれば、製造工程を単純化し、製造コストをより抑えることができる。
【００５１】
＜製造方法＞
当該２軸加速度センサ１の製造方法としては特に限定されず、公知の方法で製造することができるが、一例として、以下の第１〜第７工程を有するフォトレジストによる製造方法を示す。
【００５２】
（第１工程）
図５に示されるように、シリコン製の基板１１上に、第１フォトレジスト１３を形成する。このシリコン製の基板１１の厚さとしては、例えば、６２５μｍのものを用いることができる。この第１フォトレジスト１３で形成されるパターンをマスクとして、上記基板１１に不純物をイオン注入し、低抵抗層１２を形成する。この低抵抗層１２は、ピエゾ抵抗素子を電気的に接続する配線となる。この不純物イオンとしては、例えば、ホウ素イオンを２×１０２０／ｃｍ３の濃度でイオン注入する。次いで、第１フォトレジスト１３をマスクとして、上記基板１１をエッチングし、アライメントマークを形成する。その後、第１フォトレジスト１３を除去した後、ラピッドサーマルアニール処理等により、注入した不純物イオンを活性化させる。
【００５３】
（第２工程）
図６に示されるように、上記処理の後、基板１１上に第２フォトレジスト１５からなるパターンを形成する。上記第２フォトレジスト１５としては、例えば、厚さ１μｍのポジ型フォトレジストを用い、塗布、プリベーク後、マスクを用いて露光した後、ＴＭＡＨ（テトラメチルアンモニウムハイドロオキサイド）等の有機アルカリ現像液を用いて現像する。なお、ポジ型フォトレジストを用いる代わりに、ネガ型フォトレジストを用いても良い。
【００５４】
次いで、上記第２フォトレジスト１５をマスクとして、上記基板１１内に不純物をイオン注入し、ピエゾ抵抗層１７を形成する。このイオン注入としては、例えば、ホウ素イオンを２×１０１８／ｃｍ３の濃度で１５０ＫｅＶの加速電圧で行うことができる。イオン注入後、上記第２フォトレジスト１５を除去し、ラピッドサーマルアニール処理等により注入した不純物イオンを活性化させる。
【００５５】
（第３工程）
図７に示されるように、次いで、基板１１上に、絶縁層１４を形成する。この絶縁層１４の厚さは、例えば、１μｍとして設計する。また、絶縁層１４は、プラズマＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法によりＳｉＯ２やＳｉｘＮｙを用いて成膜する。また、ＬＰ（Ｌｏｗ Ｐｒｅｓｓｕｒｅ）−ＣＶＤによりＳｉＯｘＮｙを用いて成膜しても良い。
【００５６】
（第４工程）
次いで、上記記絶縁層１４上に第３フォトレジストからなるコンタクトホール用パターンを形成する。この第３フォトレジストからなるコンタクトホール用パターンをマスクとして、上記絶縁層１４をエッチングする。このエッチング方法としては、例えば、ＣＨＦ３をエッチングガスとして用いた反応性イオンエッチング法にて、ＳｉＯ２から形成されている上記絶縁層１４をエッチングし、上記基板１１を露出させ、第３フォトレジストを除去することで、コンタクトホール１９を完成させることができる（図８参照）。
【００５７】
（第５工程）
次いで、上記絶縁層１４及び基板１１上に配線層２０を成膜する。この配線層２０としては、例えば、厚さ０．６μｍのアルミニウムを用いることができる。なお、アルミニウムを成膜する前に、例えば、密着層として、厚さ３００Ａのチタンや、バリアメタルとして、ＴｉＮｘを成膜しても良い。また、アルミニウムのかわりにＡｌＳｉ、ＡｌＳｉＣｕなどを用いても良い。この配線層２０の成膜後、第４フォトレジストからなる配線層用パターンを設け、これをマスクとして、上記配線層２０をエッチングする。このエッチング方法としては、例えば、Ｃｌ２ガスを用いた反応性イオンエッチング法にて、アルミニウムからなる配線層２０をエッチングすることができる。なお、反応性イオンエッチング法のかわりに、リン酸、硝酸混合液からなるウェットエッチングを用いても良い。但し、絶縁層１４がＳｉｘＮｙから形成されている場合には一緒にエッチングされてしまうので、リン酸、硝酸混合液以外を用いることが好ましい。次いで、上記第４フォトレジストからなるパターンを除去することで、配線層２０が形成される（図９参照）。このパターン除去には、例えば、アセトン、ＮＭＰ（Ｎ−メチルジピロリドン）、アミン系剥離液、Ｏ２アッシング等を用いることができる。
【００５８】
（第６工程）
次いで、図１０に示されるように、上記絶縁層１４及び配線層２０上にパッシベーション層２１を成膜する。このパッシベーション層２１としては、例えば、厚さ０．５μｍのＳｉｘＮｙを用いることができる。なお、ＳｉｘＮｙを用いるかわりにＳｉＯ２、ＰＳＧ、ＢＳＧ、ＢＰＳＧ等を用いて成膜しても良い。
【００５９】
次いで、このパッシベーション層２１上に、第５フォトレジストパターンを形成後、この第５フォトレジストパターンをマスクとして、上記パッシベーション層２１をエッチングし、パッド電極開口２３を形成し、パッド電極２２を露出させる。このエッチング方法としては、例えば、ＣＨＦ３をエッチングガスとして用いた反応性イオンエッチング法にて、Ｓｉ３Ｎ４からなる上記パッシベーション層２１をエッチングすることができる。この第５フォトレジストパターンは、上述と同様な方法等により除去される。
【００６０】
（第７工程）
図１１にて示されるように、次いで、表面に第６フォトレジスト２４を形成する。この第６フォトレジスト２４をマスクにして、上記パッシベーション層２１及び絶縁層１４をエッチングする。このパッシベーション層２１及び絶縁層１４のエッチングとしては、例えば、ＣＨＦ３ガスを用いた反応性イオンエッチングを用いることができる。次いで、上記第６フォトレジスト２４、パッシベーション層２１及び絶縁層１４をマスクにして、基板１１をエッチング（ＤｅｅｐＲＩＥ）することで、溝部５を形成する。この基板１１のエッチング方法としては、例えば、パッシベーション（Ｃ４Ｆ８プラズマ）とエッチング（ＳＦ６プラズマ）とのステップを短く交互に繰り返す、いわゆるボッシュプロセスで行うことができる。基板１１のエッチング終了後、上記第６フォトレジストパターン２４を除去することで、２軸加速度センサ１を得ることができる。
【００６１】
なお、第６フォトレジスト２４を除去した後、上記パッシベーション層２１及び絶縁層１４をマスクとして基板１１をエッチングしても良い。
【００６２】
この製造方法によれば、当該２軸加速度センサの形状をエッチングによる微細加工で形成することができ、製造工程での破損が少ないため、歩留まりを向上させ、製造コストを抑えることができる。また、この製造方法によれば、エッチングにより溝部を微細な構造とすることができ、耐衝撃性に優れた構造を有する２軸加速度センサを容易に形成することができる。さらには、この製造方法によれば、複数層を有する高価なＳＯＩ基板等を用いず、単層のシリコン基板から形成することができるため、製造コストを抑えることができる。
【００６３】
＜第２実施形態＞
図１２の２軸加速度センサ３１も、平面視で略正方形の平板状体である。この２軸加速度センサ３１は、平面視で略正方形を有する平板状体であるの錘部３２、この錘部３２の側面を囲う枠部３３、上記錘部３２の側面と枠部３３の内面とを連結する計４本の梁部３４、及び上記梁部３４に付設される歪み感知手段３６を備えている。
【００６４】
この２軸加速度センサ３１は、４本の梁部３４として、枠部３３の内面からＸ方向に延出する２本のｘ方向梁部３４ｘと、錘部３２の側面からＹ方向に延出する２本のｙ方向梁部３４ｙとを備え、これらの２対のｘ方向梁部とｙ方向梁部とは両延出方向先端が垂直に連結されている。すなわち、ｘ方向梁部とｙ方向梁部とでＬ字状を形成し、錘部３２は計４本の梁部３４からなる２組のＬ字状構造体で支えられている。
【００６５】
当該２軸加速度センサ３１によれば、上記各２本の梁部３４が、このように垂直に連結された構造を有することによって、この梁部を厚さ方向に垂直な直交２方向のそれぞれの加速度に対して撓み可能な構造とすることができる。また、当該２軸加速度センサ３１によれば、梁部３４が垂直に連結された部分を有することで、厚さ方向に垂直な２方向のそれぞれの加速度に対して、大きな変位を持って撓むことができるため、検出感度を高めることができる。
【００６６】
この２軸加速度センサ３１においては、各ｙ方向梁部３４ｙ及びｘ方向梁部３４ｘが、それぞれ変形領域Ｄ３及びＤ４となる。また、ｙ及びｘ方向梁部はそれぞれ２本存在するため、各変形領域Ｄ３及びＤ４も２領域ずつ存在している。この２軸加速度センサ３１における各変形領域の撓みパターン及びその組み合わせについて、図１２（ｂ）及び（ｃ）を参照に説明する。
【００６７】
図１２（ｂ）に示されるように、Ｘ軸に対するマイナス方向（図１２（ｂ）における左方向）に加速度（αｘ−）が生じると、錘部３２は、Ｘ軸に対するプラス方向（図１２（ｂ）における右方向）に重心が移動する。この際、２本のｙ方向梁部３４ｙ、すなわち変形領域Ｄ３においては、それぞれＳ字状に撓むこととなる（２軸加速度センサ３１におけるこの撓みパターンを「Ｓ＋」とする。）。一方、Ｘ軸に対して上述と逆方向に加速度（αｘ＋）が生じると、２本のｙ方向梁部３４ｙ、すなわち変形領域Ｄ３は、それぞれ上述と逆向きのＳ字状に撓むこととなる（２軸加速度センサ３１におけるこの撓みパターンを「Ｓ−」とする。）。なお、Ｘ軸方向の加速度に対しては、ｘ方向梁部３４ｘ、すなわち変形領域Ｄ４は、撓みが生じない（この撓みパターンを「０」とする。）。
【００６８】
また、図１２（ｃ）に示されるように、Ｙ軸に対するマイナス方向（図１２（ｃ）における下方向）に加速度（αｙ−）が生じると、錘部３２は、Ｙ軸に対するプラス方向（図１２（ｃ）における上方向）に重心が移動する。この際、２本のｘ方向梁部３４ｘ、すなわち変形領域Ｄ４においては、それぞれＳ字状に歪むこととなる（２軸加速度センサ３１におけるこの撓みパターンを「Ｓ’＋」とする。）。一方、Ｙ軸に対して上述と逆方向に加速度（αｙ＋）が生じると、２本のｘ方向梁部３４ｘ、すなわち変形領域Ｄ４は、それぞれ上述と逆向きのＳ字状に撓むこととなる（２軸加速度センサ３１におけるこの撓みパターンを「Ｓ’−」とする。）。なお、Ｙ軸方向の加速度に対しては、ｙ方向梁部３４ｙ、すなわち変形領域Ｄ３は、撓みが生じない。
【００６９】
以上の、２軸加速度センサ３１の撓みパターンの組み合わせをまとめると、以下の表２のとおりである。
【００７０】
【表２】
【００７１】
このように、当該２軸加速度センサ３１も、４つの加速度（αｘ−、αｘ＋、αｙ−及びαｙ＋）毎の撓みパターンの、２つの変形領域Ｄ３及びＤ４間の４つの組み合わせが全て異なっている。
【００７２】
歪み感知手段３６としては、それぞれ２領域の変形領域Ｄ３及びＤ４それぞれの両端側かつその幅方向両側近傍に、計１６つのピエゾ抵抗素子が配設されている。これらのピエゾ抵抗素子は、各梁部３４毎に配設される４個の抵抗素子毎に４組のホイートストンブリッジ回路を形成する。
【００７３】
すなわち、２本のｘ方向梁部３４ｘに配設された２組のホイートストンブリッジ回路からなる２組の歪み感知手段３６がＹ方向の加速度を感知することができる。一方、２本のｙ方向梁部３４ｙに配設された２組のホイートストンブリッジ回路からなる２組の歪み感知手段３６がＸ方向の加速度を感知することができる。
【００７４】
当該２軸加速度センサ３１によれば、このように各方向（Ｘ方向及びＹ方向）の加速度に対応する歪み感知手段３６を、複数の梁部に複数配置することで、加速度に応じた歪みに対する出力を平均化することができ、検出精度をより高めることができる。また、当該２軸加速度センサによれば、例えば、これら複数の歪み感知手段３６の出力の差が大きい場合にエラー表示をする機能を設けることなどにより、センサの故障等を容易に把握することができる。
【００７５】
また、当該２軸加速度センサ３１は、点対称形状を有しており、錘部３２が正負の加速度に対し対称に移動し、それぞれの撓みパターンも対称性を有することができる。従って当該２軸加速度センサ３１によれば、感知する２方向の加速度をより高精度で検出することができる。
【００７６】
＜第３実施形態＞
図１３の２軸加速度センサ４１も、平面視で略正方形の平板状体である。この２軸加速度センサ４１は、平板状体の錘部４２、この錘部４２の側面を囲う枠部４３、上記錘部４２の側面と枠部４３の内面とを連結する２本の梁部４４、及び上記梁部４４に付設される歪み感知手段４６を備えている。
【００７７】
この２軸加速度センサ４１は、２本の梁部４４として、枠部４３の内面における対面する２面間をｘ方向に架け渡しているｘ方向梁部４４ｘと、このｘ方向梁部４４ｘの中央から延出し、錘部４２の一側面の中央に接続されるｙ方向梁部４４ｙとを備え、これら２本の梁部４４は垂直に連結されている。
【００７８】
当該２軸加速度センサ４１も、上記２本の梁部４４が、このように垂直に連結された構造を有することによって、この梁部を厚さ方向に垂直な直交２方向（Ｘ及びＹ方向）のそれぞれの加速度に対して撓み可能な構造とすることができる。また、当該２軸加速度センサ４１によれば、２本の梁部４４が垂直に連結された部分を有することで、厚さ方向に垂直な２方向のそれぞれの加速度に対して、大きな変位を持って歪むことができるため、検出感度を高めることができる。
【００７９】
この２軸加速度センサ４１においては、ｙ方向梁部４４ｙ及びｘ方向梁部４４ｘが、それぞれ変形領域Ｄ５及びＤ６となる。この２軸加速度センサ４１における各変形領域の撓みパターン及びその組み合わせについて、図１３（ｂ）及び（ｃ）を参照に説明する。
【００８０】
図１３（ｂ）に示されるように、Ｘ軸に対するマイナス方向（図１３（ｂ）における左方向）に加速度（αｘ−）が生じると、錘部４２は、Ｘ軸に対するプラス方向（図１３（ｂ）における右方向）に重心が移動する。この際、ｙ方向梁部４４ｙ、すなわち変形領域Ｄ５においては、Ｓ字状に撓むこととなる（２軸加速度センサ４１におけるこの撓みパターンを「Ｓ＋」とする。）。一方、Ｘ軸に対して上述と逆方向に加速度（αｘ＋）が生じると、ｙ方向梁部４４ｙ、すなわち変形領域Ｄ５は、逆向きのＳ字状に撓むこととなる（２軸加速度センサ４１におけるこの撓みパターンを「Ｓ−」とする。）。なお、Ｘ軸方向の加速度に対しては、ｘ方向梁部４４ｘ、すなわち変形領域Ｄ６は、撓みが生じない（この撓みパターンを「０」とする。）。
【００８１】
また、図１３（ｃ）に示されるように、Ｙ軸に対するマイナス方向（図１３（ｃ）における下方向）に加速度（αｙ−）が生じると、錘部４２は、Ｙ軸に対するプラス方向（図１３（ｃ）における上方向）に重心が移動する。この際、ｘ方向梁部４４ｘ、すなわち変形領域Ｄ６においては、上に沿った弓状に撓むこととなる（２軸加速度センサ４１におけるこの撓みパターンを「弓＋」とする。）。一方、Ｙ軸に対して上述と逆方向に加速度（αｙ＋）が生じると、ｘ方向梁部４４ｘ、すなわち変形領域Ｄ６は、下に沿った弓状に撓むこととなる（２軸加速度センサ４１におけるこの撓みパターンを「弓−」とする。）。なお、Ｙ軸方向の加速度に対しては、ｙ方向梁部４４ｙ、すなわち変形領域Ｄ５は、撓みが生じない。
【００８２】
以上の、２軸加速度センサ４１の撓みパターンの組み合わせをまとめると、以下の表３のとおりである。
【００８３】
【表３】
【００８４】
このように、当該２軸加速度センサ４１も、４つの加速度（αｘ−、αｘ＋、αｙ−及びαｙ＋）毎の撓みパターンの、２つの変形領域Ｄ５及びＤ６間の４つの組み合わせが全て異なっている。
【００８５】
歪み感知手段４６としては、変形領域Ｄ５及びＤ６それぞれの両端側かつその幅方向両側近傍に、計８つのピエゾ抵抗素子が配設されている。これらのピエゾ抵抗素子は、ｘ方向梁部４４ｘ及びｙ方向梁部４４ｙにそれぞれ配設される４つの抵抗素子毎に２組のホイートストンブリッジ回路を形成している。すなわち、ｘ方向梁部４４ｘに配設されたホイートストンブリッジ回路からなる歪み感知手段４６がＹ方向の加速度を感知することができる。一方、ｙ方向梁部４４ｙに配設されたホイートストンブリッジ回路からなる歪み感知手段４６がＸ方向の加速度を感知することができる。
【００８６】
＜その他の実施形態＞
本発明の２軸加速度センサは、上述の各実施形態に限定されるものではなく、例えば、図１４の２軸加速度センサ５１のように、２本の梁部５４が屈曲している部分を有していなくともよい。この２軸加速度センサ５１においては、Ｘ軸方向及びＹ軸方向の加速度に対して、２本の梁部５４に対応する２つの変形領域Ｄ７及びＤ８が、図１の２軸加速度センサ１の梁部４の変形領域Ｄ１及びＤ２と同様の撓みパターンをとることができる。よって、２軸加速度センサ５１においても、梁部５４の適当な位置に２つの歪み感知手段を配置することによって、２方向の加速度を感知することができる。
【００８７】
また、２軸加速度センサが備える梁部は曲線状であってもよい。梁部が曲線状であっても、特定の少なくとも２つの変形領域を有すれば、２軸加速度センサは、この２方向の加速度を感知することができる。
【００８８】
また、本発明の２軸加速度センサは、均質な素材から形成されていなくとも、例えば、異なる部材からなる錘部、枠部及び梁部を接合することによって形成されていてもよい。
【産業上の利用可能性】
【００８９】
以上のように、本発明の２軸加速度センサは、２方向の加速度を精度よく感知することができ、また、小型化が可能で、製造コストも低減することができる。従って、本発明の２軸加速度センサは、各種家電製品、自動車部品、ロボット部品等に使用される各種加速度センサとして用いることができる。
【符号の説明】
【００９０】
１、３１、４１、５１ ２軸加速度センサ
２、３２、４２ 錘部
３、３３、４３ 枠部
４、３４、４４、５４ 梁部
３４ｘ、４４ｘ ｘ方向梁部
３４ｙ、４４ｙ ｙ方向梁部
５ 溝部
６、３６、４６ 歪み感知手段
６ｘ１、６ｘ２、６ｘ３、６ｘ４、６ｙ１、６ｙ２、６ｙ３、６ｙ４ ピエゾ抵抗素子
７ 連結部
１１ 基板
１２ 低抵抗層
１３ 第１フォトレジスト
１４ 絶縁層
１５ 第２フォトレジスト
１７ ピエゾ抵抗層
１９ コンタクトホール
２０ 配線層
２１ パッシベーション層
２２ パッド電極
２３ パッド電極開口
２４ 第６フォトレジスト
Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３、Ｄ４、Ｄ５、Ｄ６、Ｄ７、Ｄ８ 変形領域
【技術分野】
【０００１】
本発明は、梁の変形によって２軸方向の加速度を検出する２軸加速度センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
錘部に働く慣性力により生じる梁の歪みを、ピエゾ抵抗素子などで感知することで加速度を検出する加速度センサが様々な分野で用いられている。
【０００３】
このような加速度センサとしては、（１）錘部が直交する２つの梁によって支持される構造を有する３軸加速度センサ（特開平８−２８５８８３号公報参照）、（２）固定部と板状の錘とを接続する直線状の梁部を有し、梁部の厚みが錘の厚みと等しく、梁部の幅は錘より細い形状を有する片持梁式加速度センサ（特開平８−１６００６６号公報参照）などが開発されている。
【０００４】
上記（１）の３軸加速度センサは、２つの梁に対する直交方向の加速度も検知するものであるため、錘の厚さに比して、梁の厚さが薄い構造となっている。このため、センサ全体として厚さの異なる部分が生じるため、基板を貼り合わせて製造する必要があるなど、高コストとなる。また、梁の厚さが薄い構造となっているため、逆に２つの梁がなす平面方向への梁の歪みは生じにくく、この方向の加速度に対する感度は十分ではない。
【０００５】
また、上記（２）の片持梁式加速度センサは、幅の狭い形状の梁部を有しているため、この幅方向の加速度に対する梁の歪みが大きく、この方向の感度を高めることができる。しかし、２軸の加速度を検出するためには、少なくとも２つの錘が必要であるため、センサが大型化し、また、製造コストも増大するという不都合を有している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平８−２８５８８３号公報
【特許文献２】特開平８−１６００６６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、このような不都合に基づいてなされたものであり、２方向の加速度を精度よく感知することができ、小型化及び製造コストの低減化を可能とする２軸加速度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】
【０００８】
上記課題を解決するためになされた発明は、
平板状の錘部、
この錘部の側面を囲う枠部、
上記錘部の側面と枠部の内面とを連結する１又は複数の梁部、及び
上記梁部に付設される歪み感知手段
を備える平板状の２軸加速度センサであって、
上記梁部の厚さが幅より大きく、
上記１又は複数の梁部が、厚さ方向と垂直な直交２方向の正負それぞれの加速度に対する撓みパターンの組合せが異なる少なくとも２つの変形領域を有し、
上記歪み感知手段として、上記各変形領域の両端側かつその幅方向両側近傍に二対のピエゾ抵抗素子が配設されていることを特徴とする２軸加速度センサである。
【０００９】
当該２軸加速度センサは、梁部が少なくとも２つの変形領域を有している。この少なくとも２つの変形領域は、厚さ方向に垂直な直交２方向の正負それぞれの加速度に対する撓みパターンを有し、この４種の加速度毎の撓みパターンの各変形領域間の組み合わせが、４つ全て異なるように設けられている。また、この各変形領域の四隅にピエゾ抵抗素子が配設されている。従って当該２軸加速度センサによれば、各変形領域の撓みパターンをピエゾ抵抗素子で検知することで、１つの錘部で２方向の加速度を検出することができるため、センサ自体を小型化することができ、また、製造コストを抑えることができる。
【００１０】
また、当該２軸加速度センサは、梁部の幅がこの厚みより小さくなっているため、厚み方向の加速度に対して梁部が歪みにくい。従って、当該２軸加速度センサによれば、厚み方向の加速度の影響を抑え、この方向と垂直な平面における加速度を精度よく検出することができる。
【００１１】
さらに当該２軸加速度センサは、梁部の厚みに対して上限を設けていないため、錘部、枠部及び梁部の厚さを全て等しくすることができる。この場合、当該２軸加速度センサを高価なＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｏｎ Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）基板を用いることなく、１枚の基板から加工して成形することができ、製造コストを抑えることができるとともに構造がシンプルであるため梁部が破壊されにくい。さらには、このように１枚の基板から成形すると、工程中での破損が少なく、また、高精度な微細形状とすることで耐衝撃性を高めることができる。
【００１２】
また、当該２軸加速度センサによれば、２対の抵抗素子を変形領域に対して対称に配置することもでき、この場合、撓みにより各抵抗素子に生じる抵抗差が同程度となるため、より感度を高めることができる。さらには、当該２軸加速度センサによれば、これらのピエゾ抵抗素子を梁部の片面側に全て配設することができるため、製造工程を単純化し、製造コストをより抑えることができる。
【００１３】
上記１の梁部が、枠部の対向する内面間に架け渡されており、この１の梁部の中央に錘部が連結部を介して接続されているとよい。当該２軸加速度センサによれば、梁部をこのように構成することで、この１つの梁部が左右対称な２つの変形領域を有することができる。従って、当該２軸加速度センサにおいては、１の梁部に直交２方向に対応する２組の歪み感知手段を配置することができるため、構造がシンプルになり、製造コストをより抑えることができる。
【００１４】
上記複数の梁部として、長さ方向が上記直交２方向のうちの一方を向くｘ方向梁部と他方を向くｙ方向梁部とを備え、これらのｘ方向梁部とｙ方向梁部とが垂直に連結されているとよい。上記梁部が、このように垂直に連結された構造を有することによって、この梁部を厚さ方向に垂直な直交２方向のそれぞれの加速度に対して撓み可能な構造とすることができる。また、当該２軸加速度センサによれば、梁部が垂直に連結された部分を有することで、厚さ方向に垂直な２方向のそれぞれの加速度に対して、大きな変位を持って撓むことができるため、検出感度を高めることができる。
【００１５】
上記ｘ方向梁部及びｙ方向梁部を複数備え、上記歪み感知手段が、複数のｘ方向梁部及びｙ方向梁部にそれぞれ付設されているとよい。当該２軸加速度センサによれば、このように各方向の加速度に対応する歪み感知手段を、複数の梁部に複数配置することで、加速度に応じた歪みに対する出力を平均化することができ、検出精度をより高めることができる。また、当該２軸加速度センサによれば、例えば、これら複数の歪み感知手段の出力の差が大きい場合にエラー表示をする機能を設けることなどにより、センサの故障等を容易に把握することができる。
【００１６】
当該２軸加速度センサの平面形状が線対称又は点対称であるとよい。当該２軸加速度センサを線対称又は点対称の形状とすることで、錘部が正負の加速度に対し対称に移動し、それぞれの撓みパターンも対称性を有することができる。この際、歪み感知手段への入力パラメーターが正負の範囲で対称に変位する。従って、当該２軸加速度センサによれば、感知する２方向の加速度をより高精度で検出することができる。
【００１７】
当該２軸加速度センサが、上記歪み感知手段として、４個のピエゾ抵抗素子を連結するホイートストンブリッジ回路を備えているとよい。当該２軸加速度センサによれば、それぞれの加速度に対する歪みモードに応じた圧変化を、ブリッジ回路を組んだ４つの抵抗素子で感受することで、精度をより高めることができる。
【００１８】
ここで、「撓みパターン」とは、Ｓ字状などの点対称かつ非線対称な形状変化を有する撓み、弓状などの線対称かつ非線対称な形状変化を有する撓み、点対称かつ線対称な伸縮による撓み等の撓みの形状、その撓みの方向及び撓みそのものの有無などの撓みの形式をいう。なお、ある加速度に対して、他の変形領域において撓みが生じていれば、１の「変形領域」において撓みが生じていないという「撓みパターン」をとる場合もある。
【発明の効果】
【００１９】
以上説明したように、本発明の２軸加速度センサは、２方向の加速度を精度よく感知することができ、また小型化が可能で、製造コストも低減することができる。従って、本発明の２軸加速度センサは、各種家電製品、自動車部品、ロボット部品等に使用される各種加速度センサとして用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】（ａ）は本発明の第１実施形態に係る２軸加速度センサの模式的斜視図であり、（ｂ）はその平面図である。
【図２】（ａ）〜（ｄ）は図１の２軸加速度センサの作動状態を示す模式的平面図である。
【図３】図１の２軸加速度センサの梁部及び歪み感知手段を示す模式的拡大図である。
【図４】図１の２軸加速度センサの歪み感知手段の回路図である。
【図５】（ａ）は図１の２軸加速度センサの製造方法の第１工程を示す模式的平面図であり、（ｂ）はそのＡ−Ａ線矢視断面図である。
【図６】（ａ）は図１の２軸加速度センサの製造方法の第２工程を示す模式的平面図であり、（ｂ）はそのＡ−Ａ線矢視断面図である。
【図７】（ａ）は図１の２軸加速度センサの製造方法の第３工程を示す模式的平面図であり、（ｂ）はそのＡ−Ａ線矢視断面図である。
【図８】（ａ）は図１の２軸加速度センサの製造方法の第４工程を示す模式的平面図であり、（ｂ）はそのＡ−Ａ線矢視断面図である。
【図９】（ａ）は図１の２軸加速度センサの製造方法の第５工程を示す模式的平面図であり、（ｂ）はそのＡ−Ａ線矢視断面図である。
【図１０】（ａ）は図１の２軸加速度センサの製造方法の第６工程を示す模式的平面図であり、（ｂ）はそのＡ−Ａ線矢視断面図、（ｃ）はそのＢ−Ｂ線矢視断面図である。
【図１１】（ａ）は図１の２軸加速度センサの製造方法の第７工程を示す模式的平面図であり、（ｂ）はそのＡ−Ａ線矢視断面図、（ｃ）はそのＢ−Ｂ線矢視断面図である。
【図１２】（ａ）は本発明の第２実施形態に係る２軸加速度センサの模式的平面図であり、（ｂ）及び（ｃ）はその作動状態を示す模式的平面図である。
【図１３】（ａ）は本発明の第３実施形態に係る２軸加速度センサの模式的平面図であり、（ｂ）及び（ｃ）はその作動状態を示す模式的平面図である。
【図１４】第１〜３の実施形態とは異なる２軸加速度センサの模式的平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下、適宜図面を参照しつつ、本発明の２軸加速度センサの実施の形態を詳説する。
【００２２】
＜第１実施形態＞
図１の２軸加速度センサ１は、平面視で略正方形の平板状体である。この２軸加速度センサ１のサイズとしては特に限定されず、用途等に応じて適宜設定することができるが、例えば縦横（Ｘ及びＹ方向）の長さとしては、０．３ｍｍ以上２ｍｍ以下程度であり、０．５ｍｍ以上１ｍｍ以下が好ましい。また、この２軸加速度センサ１の厚さ（Ｚ方向の長さ）としては、例えば１．５ｍｍ以下であり、０．２ｍｍ以上１ｍｍ以下が好ましい。
【００２３】
当該２軸加速度センサ１は、平板状の錘部２、この錘部２の側面を囲う枠部３、上記錘部２の側面と枠部３の内面とを連結する梁部４、及び上記梁部４に付設される歪み感知手段６を備えている。この錘部２、枠部３及び梁部４は、後に製造方法の説明にて詳述するように、枠部３の外枠の大きさを有する均質な平板（基板）から、この平板に厚さ方向に貫通する溝部５を設けることによって形成されているものである。この溝部５の幅は、５μｍ〜５０μｍ程度である。
【００２４】
錘部２は、平面視で略正方形の板状体である。この錘部２が、厚さ方向と垂直な方向の加速度に対して移動する部分となる。この錘部２のサイズとしては、加速度に対して移動可能な質量を有すべく、枠部３のサイズ等と比して、一定の体積を有していれば特に限定されないが、例えば縦横（Ｘ方向及びＹ方向）の長さとして０．４ｍｍ以上０．８ｍｍ以下が好ましい。また、この錘部２の厚さ（Ｚ方向の長さ）は、上述したこの２軸加速度センサ１自体の厚さとなっている。
【００２５】
枠部３は、錘部２の側面を囲う４枚の帯状板材から形成されており、扁平な四角筒状に形成されている。この枠部３を形成する各帯状板材の幅としては、５０μｍ〜２００μｍ程度である。また、枠部３の厚さ（Ｚ方向の長さ）は、錘部２の厚さと等しい。
【００２６】
梁部４は、枠部３の対向する内面間、具体的には対向配設される一対の帯状板材の一端部近傍に、Ｘ軸方向に架け渡されている。この梁部４の中央の一側壁に、錘部２が連結部７を介して接続されている。
【００２７】
梁部４の幅（Ｙ方向の長さ）はこの厚み（Ｚ方向の長さ）より小さく形成されており、具体的な幅は、２μｍ以上１００μｍ以下程度であり、５μｍ以上２０μｍ以下が好ましい。なお、梁部４の厚さは、この２軸加速度センサ１自体の厚さと等しく、例えば１．５ｍｍ以下であり、０．２ｍｍ以上１ｍｍ以下が好ましい。
【００２８】
連結部７の幅（Ｘ方向の長さ）は、特に限定されないが、この厚みより小さく形成されていることが好ましい。なお、連結部７の厚さ（Ｚ方向の長さ）は、この２軸加速度センサ１自体の厚さと等しく、例えば１．５ｍｍ以下であり、０．２ｍｍ以上１ｍｍ以下が好ましい。また、連結部７は、溝部５によって分離された梁部４と錘部２との連結部分であるので、この連結部７の長さは、溝部５の幅となっている。
【００２９】
この２軸加速度センサ１は、２つの変形領域Ｄ１及びＤ２を有する。この２つの変形領域Ｄ１及びＤ２は、厚さ方向（Ｚ方向）に垂直な直交２方向（Ｘ及びＹ方向）の正負それぞれの加速度（αｘ−、αｘ＋、αｙー及びαｙ＋）に対する撓みパターンを有する。この加速度毎の撓みパターンの、２つの変形領域Ｄ１及びＤ２間の組み合わせは、４つ全て異なるように設けられている。以下、この撓みパターン及びその組み合わせについて、図２を参照に説明する。
【００３０】
図２（ａ）は、２軸加速度センサ１が、厚さ方向に垂直な方向でありかつ梁部４の長手方向である方向（Ｘ軸方向）の負方向（図２における左方向）へ加速度（αｘ−）が生じた際の、錘部２の移動及び梁部４の撓みパターンを表した模式図である。図２（ｂ）は、図２（ａ）とは逆方向へ加速度（αｘ＋）が生じた際の、錘部２の移動及び梁部４の撓みパターンを表した模式図である。図２（ｃ）は、２軸加速度センサ１が、厚さ方向及び上記Ｘ軸方向に垂直な方向である方向（Ｙ軸方向）の負方向（図２における下方向）へ加速度（αｙ−）が生じた際の、錘部２の移動及び梁部４の撓みパターンを表した模式図である。図２（ｄ）は、図２（ｃ）とは逆方向へ加速度（αｙ＋）が生じた際の、錘部２の移動及び梁部４の撓みパターンを表した模式図である。
【００３１】
図２（ａ）に示されるように、Ｘ軸に対するマイナス方向（図２（ａ）における左方向）に加速度（αｘ−）が生じると、錘部２は慣性力によって加速度の方向と反対の方向、すなわち、Ｘ軸に対するプラス方向（図２（ａ）における右側方向）に重心が移動する。この際、梁部４においては、連結部７が延出する中央部分の側面が、錘部２の移動と同方向を向くように撓む。梁部４の両端は、枠部３の内面によって固定されているため、梁部４は、連結部７を境にした２つの変形領域（図２における左側の変形領域をＤ１、右側の変形領域をＤ２とする。）が共にＳ字状に撓むこととなる。この際、変形領域Ｄ１及びＤ２は同じ方向のＳ字状撓みをとっている。すなわち、どちらの変形領域も、図２における左側かつ下側部分（ｄ１１及びｄ２１）及び右側かつ上側部分（ｄ１３及びｄ２３）が圧縮され、逆に右側かつ下側部分（ｄ１２及びｄ２２）及び左側かつ上側部分（ｄ１４及びｄ２４）が伸長している。なお、２軸加速度センサ１におけるこの方向のＳ字状の撓みパターンを「Ｓ＋」と略する。
【００３２】
図２（ｂ）に示されるように、Ｘ軸に対する＋方向（図２（ａ）における左方向）に加速度（αｘ＋）が生じると、２つの変形領域Ｄ１及びＤ２は、共に図２（ａ）とは逆方向のＳ字状の撓みパターン「Ｓ−」をとる。具体的には、どちらの変形領域も、図２における左側かつ下側部分（ｄ１１及びｄ２１）及び右側かつ上側部分（ｄ１３及びｄ２３）が伸長し、逆に右側かつ下側部分（ｄ１２及びｄ２２）及び左側かつ上側部分（ｄ１４及びｄ２４）が圧縮されている。
【００３３】
図２（ｃ）に示されるように、Ｙ軸に対するマイナス方向（図２（ｃ）における下方向）に加速度（αｙ−）が生じると、錘部２は慣性力によって加速度の方向と反対の方向、すなわち、Ｙ軸に対するプラス方向（図２（ｃ）における上側方向）に重心が移動する。この際、梁部４において、中央部分の側面が、連結部７を介して錘部２の移動によって押されて、上側に撓む。梁部４の両端は、枠部３の内面によって固定されているため、梁部４は、全体として弓状に撓む、すなわち、２つの変形領域Ｄ１及びＤ２は連結部７を対称軸として線対称に共にＳ字状に撓むこととなる。この際、変形領域Ｄ１は、「Ｓ−」の撓みパターン（ｄ１１及びｄ１３が伸長し、ｄ１２及びｄ１４が圧縮されている。）をとり、変形領域Ｄ２は、「Ｓ＋」の撓みパターン（ｄ２１及びｄ２３が圧縮され、ｄ２２及びｄ２４が伸長している。）をとる。
【００３４】
また、図２（ｄ）に示されるように、Ｙ軸に対して逆向き、すなわちプラス方向（図２（ｄ）における上方向）に加速度（αｙ＋）が生じると、図２（ｃ）とは逆に、変形領域Ｄ１は、「Ｓ＋」の撓みパターン（ｄ１１及びｄ１３が圧縮され、ｄ１２及びｄ１４が伸長している。）をとり、変形領域Ｄ２は、「Ｓ−」の撓みパターン（ｄ２１及びｄ２３が伸長し、ｄ２２及びｄ２４が圧縮されている。）をとる。
【００３５】
以上の、２軸加速度センサ１の撓みパターンの組み合わせをまとめると、以下の表１のとおりである。
【００３６】
【表１】
【００３７】
このように、当該２軸加速度センサ１によれば、４つの加速度（αｘ−、αｘ＋、αｙ−及びαｙ＋）毎の撓みパターンの、２つの変形領域Ｄ１及びＤ２間の４つの組み合わせが全て異なっている。
【００３８】
歪み感知手段６としては、２つの変形領域Ｄ１及びＤ２それぞれの両端側かつその幅方向両側近傍に二対の、計８つのピエゾ抵抗素子が配設されている。
【００３９】
Ｘ軸方向の加速度を感知する歪み感知手段として、図１（ｂ）にて図示するように、具体的に４つのピエゾ抵抗素子６ｘ１、６ｘ２、６ｘ３及び６ｘ４を有し、この４つの抵抗素子がホイートストンブリッジ回路を構成している。ピエゾ抵抗素子６ｘ１は、変形領域Ｄ１におけるｄ１１部分に、ピエゾ抵抗素子６ｘ２は、変形領域Ｄ１におけるｄ１２部分に、ピエゾ抵抗素子６ｘ３は、変形領域Ｄ２におけるｄ２１部分に、ピエゾ抵抗素子６ｘ４は、変形領域Ｄ２におけるｄ２２部分に配設されている。
【００４０】
Ｙ軸方向の加速度を感知する歪み感知手段として、図１（ｂ）にて図示するように、具体的に４つのピエゾ抵抗素子６ｙ１、６ｙ２、６ｙ３及び６ｙ４を有し、この４つの抵抗素子がホイートストンブリッジ回路を構成している。ピエゾ抵抗素子６ｙ１は、変形領域Ｄ１におけるｄ１４部分に、ピエゾ抵抗素子６ｙ２は、変形領域Ｄ１におけるｄ１３部分に、ピエゾ抵抗素子６ｙ３は、変形領域Ｄ２におけるｄ２３部分に、ピエゾ抵抗素子６ｙ４は、変形領域Ｄ２におけるｄ２４部分に配設されている。
【００４１】
なお、これらのいずれのピエゾ抵抗素子も、梁部４表面には露出しておらず、パッシベーション層によって被覆されている。
【００４２】
上述のように配設された各ピエゾ抵抗素子６ｘ１〜６ｘ４においては、Ｘ軸におけるマイナス方向の加速度（αｘ−）が生じた際には、６ｘ１及び６ｘ３には圧縮応力が生じ、６ｘ２及び６ｘ４には引っ張り応力が生じる（図２（ａ）参照）。逆に、Ｘ軸におけるプラス方向の加速度（αｘ＋）が生じた際には、６ｘ１及び６ｘ３には引っ張り応力が生じ、６ｘ２及び６ｘ４には圧縮応力が生じる（図２（ｂ）参照）。
【００４３】
また、上述のように配設された各ピエゾ抵抗素子６ｙ１〜６ｙ４においては、Ｙ軸におけるマイナス方向の加速度（αｙ−）が生じた際には、６ｙ１及び６ｙ３には圧縮応力が生じ、６ｙ２及び６ｙ４には引っ張り応力が生じる（図２（ｃ）参照）。逆に、ｙ軸におけるプラス方向の加速度（αｙ＋）が生じた際には、６ｙ１及び６ｙ３には引っ張り応力が生じ、６ｙ２及び６ｙ４には圧縮応力が生じる（図２（ｄ）参照）。
【００４４】
歪み感知手段６のそれぞれのピエゾ抵抗素子６ｘ１〜６ｘ４及び６ｙ１〜６ｙ４は、図３に示されるように、低抵抗層１２及び配線層２０によって配線され、ホイートストンブリッジ回路を構成する。当該２軸加速度センサ１によれば、Ｘ軸方向及びＹ軸方向いずれの加速度に対しても、各ピエゾ抵抗素子の電気抵抗の変化が図４に示すホイートストンブリッジ回路の電圧の変化として検出される。このため、当該２軸加速度センサ１によればそれぞれの加速度に対する歪みモードに応じた圧変化を、ブリッジ回路を組んだ４つの抵抗素子で感受することで、精度をより高めることができる。また、４つの抵抗素子を撓みパターンに対して対称に配置することで、歪みにより生じる抵抗差を同程度とすることができ、より感度を高めることができる。なお、図４において、Ｒ１は６ｘ１又は６ｙ１を表し、Ｒ２は６ｘ２又は６ｙ２を表し、Ｒ３は６ｘ３又は６ｙ３を表し、Ｒ４は６ｘ４又は６ｙ４を表している。
【００４５】
このように当該２軸加速度センサ１によれば、梁部４が２つの変形領域Ｄ１及びＤ２を有している。この２つの変形領域Ｄ１及びＤ２は、上述のように厚さ方向（Ｚ方向）に垂直な直交２方向（Ｘ及びＹ方向）の正負それぞれの加速度に対する撓みパターンを有し、表１のとおり加速度毎の撓みパターンの各変形領域間の組み合わせが、４つ全て異なるように設けられている。また、上述のようにこの変形領域Ｄ１及びＤ２の四隅にピエゾ抵抗素子が配設されている。従って当該２軸加速度センサによれば、各変形領域の撓みパターンを各ピエゾ抵抗素子で検知することで、１つの錘部で２方向の加速度を検出することができるため、センサ自体を小型化することができ、また、製造コストを抑えることができる。
【００４６】
また、当該２軸加速度センサ１は、上述のように梁部４の幅がこの厚みより小さくなっていることから、厚み方向（Ｚ軸方向）の加速度に対して梁部４が歪みにくい。従って、当該２軸加速度センサ１によれば、厚み方向の加速度の影響を抑え、この方向と垂直な平面（Ｘ軸及びＹ軸を含む平面）における加速度を精度よく検出することができる。
【００４７】
さらには、当該２軸加速度センサ１は、錘部２、枠部３及び梁部４の厚さを全て等しく設けているため、高価なＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｏｎ Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）基板を用いることなく、１枚の基板から加工して成形することができ、製造コストを抑えることができる。また、当該２軸加速度センサ１は、構造がシンプルであるため梁部４が破壊されにくい。さらには、１枚の基板から成形すると、工程中での破損が少なく、また、高精度な微細形状とすることもでき、この場合、耐衝撃性を高めることができる。
【００４８】
また、当該２軸加速度センサ１は、上述のように、梁部４が枠部３の対向する内面間に架け渡されており、この梁部４の中央の一側面に錘部２が連結部７を介して接続されている構造をとっている。当該２軸加速度センサ１によれば、梁部４をこのように構成することでこの１つの梁部４が左右対称な２つの変形領域Ｄ１及びＤ２を有することができる。従って当該２軸加速度センサ１においては、１の梁部４に直交２方向に対応する２組の歪み感知手段を配置することができるため、構造がシンプルになり、製造コストをより抑えることができる。また、当該２軸加速度センサ１は、各抵抗素子を変形領域Ｄ１及びＤ２に対して対称に配置しているため、撓みにより各抵抗素子に生じる抵抗差が同程度となって、より感度を高めることができる。
【００４９】
また、当該２軸加速度センサ１は、上述のとおり線対称形状を有している。このため、当該２軸加速度センサによれば、錘部２が正負の加速度に対し対称に移動し、それぞれの歪みモードも対称性を有することができ、歪み感知手段６への入力パラメーターが正負の範囲で対称に変位する。従って、当該２軸加速度センサ１によれば、感知する２軸に対して正負対称性高く、より高精度で加速度を検出することができる。
【００５０】
さらには、当該２軸加速度センサ１によれば、歪み感知手段を構成する各ピエゾ抵抗素子を梁部４の片面側に全て配設することもでき、製造工程を単純化し、コストをより抑えることができる。また、当該２軸加速度センサ１によれば、これらのピエゾ抵抗素子を備えるホイートストンブリッジ回路を、以下の製造方法で詳述するように、１層で配線することができる。従って、当該２軸加速度センサ１によれば、製造工程を単純化し、製造コストをより抑えることができる。
【００５１】
＜製造方法＞
当該２軸加速度センサ１の製造方法としては特に限定されず、公知の方法で製造することができるが、一例として、以下の第１〜第７工程を有するフォトレジストによる製造方法を示す。
【００５２】
（第１工程）
図５に示されるように、シリコン製の基板１１上に、第１フォトレジスト１３を形成する。このシリコン製の基板１１の厚さとしては、例えば、６２５μｍのものを用いることができる。この第１フォトレジスト１３で形成されるパターンをマスクとして、上記基板１１に不純物をイオン注入し、低抵抗層１２を形成する。この低抵抗層１２は、ピエゾ抵抗素子を電気的に接続する配線となる。この不純物イオンとしては、例えば、ホウ素イオンを２×１０２０／ｃｍ３の濃度でイオン注入する。次いで、第１フォトレジスト１３をマスクとして、上記基板１１をエッチングし、アライメントマークを形成する。その後、第１フォトレジスト１３を除去した後、ラピッドサーマルアニール処理等により、注入した不純物イオンを活性化させる。
【００５３】
（第２工程）
図６に示されるように、上記処理の後、基板１１上に第２フォトレジスト１５からなるパターンを形成する。上記第２フォトレジスト１５としては、例えば、厚さ１μｍのポジ型フォトレジストを用い、塗布、プリベーク後、マスクを用いて露光した後、ＴＭＡＨ（テトラメチルアンモニウムハイドロオキサイド）等の有機アルカリ現像液を用いて現像する。なお、ポジ型フォトレジストを用いる代わりに、ネガ型フォトレジストを用いても良い。
【００５４】
次いで、上記第２フォトレジスト１５をマスクとして、上記基板１１内に不純物をイオン注入し、ピエゾ抵抗層１７を形成する。このイオン注入としては、例えば、ホウ素イオンを２×１０１８／ｃｍ３の濃度で１５０ＫｅＶの加速電圧で行うことができる。イオン注入後、上記第２フォトレジスト１５を除去し、ラピッドサーマルアニール処理等により注入した不純物イオンを活性化させる。
【００５５】
（第３工程）
図７に示されるように、次いで、基板１１上に、絶縁層１４を形成する。この絶縁層１４の厚さは、例えば、１μｍとして設計する。また、絶縁層１４は、プラズマＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法によりＳｉＯ２やＳｉｘＮｙを用いて成膜する。また、ＬＰ（Ｌｏｗ Ｐｒｅｓｓｕｒｅ）−ＣＶＤによりＳｉＯｘＮｙを用いて成膜しても良い。
【００５６】
（第４工程）
次いで、上記記絶縁層１４上に第３フォトレジストからなるコンタクトホール用パターンを形成する。この第３フォトレジストからなるコンタクトホール用パターンをマスクとして、上記絶縁層１４をエッチングする。このエッチング方法としては、例えば、ＣＨＦ３をエッチングガスとして用いた反応性イオンエッチング法にて、ＳｉＯ２から形成されている上記絶縁層１４をエッチングし、上記基板１１を露出させ、第３フォトレジストを除去することで、コンタクトホール１９を完成させることができる（図８参照）。
【００５７】
（第５工程）
次いで、上記絶縁層１４及び基板１１上に配線層２０を成膜する。この配線層２０としては、例えば、厚さ０．６μｍのアルミニウムを用いることができる。なお、アルミニウムを成膜する前に、例えば、密着層として、厚さ３００Ａのチタンや、バリアメタルとして、ＴｉＮｘを成膜しても良い。また、アルミニウムのかわりにＡｌＳｉ、ＡｌＳｉＣｕなどを用いても良い。この配線層２０の成膜後、第４フォトレジストからなる配線層用パターンを設け、これをマスクとして、上記配線層２０をエッチングする。このエッチング方法としては、例えば、Ｃｌ２ガスを用いた反応性イオンエッチング法にて、アルミニウムからなる配線層２０をエッチングすることができる。なお、反応性イオンエッチング法のかわりに、リン酸、硝酸混合液からなるウェットエッチングを用いても良い。但し、絶縁層１４がＳｉｘＮｙから形成されている場合には一緒にエッチングされてしまうので、リン酸、硝酸混合液以外を用いることが好ましい。次いで、上記第４フォトレジストからなるパターンを除去することで、配線層２０が形成される（図９参照）。このパターン除去には、例えば、アセトン、ＮＭＰ（Ｎ−メチルジピロリドン）、アミン系剥離液、Ｏ２アッシング等を用いることができる。
【００５８】
（第６工程）
次いで、図１０に示されるように、上記絶縁層１４及び配線層２０上にパッシベーション層２１を成膜する。このパッシベーション層２１としては、例えば、厚さ０．５μｍのＳｉｘＮｙを用いることができる。なお、ＳｉｘＮｙを用いるかわりにＳｉＯ２、ＰＳＧ、ＢＳＧ、ＢＰＳＧ等を用いて成膜しても良い。
【００５９】
次いで、このパッシベーション層２１上に、第５フォトレジストパターンを形成後、この第５フォトレジストパターンをマスクとして、上記パッシベーション層２１をエッチングし、パッド電極開口２３を形成し、パッド電極２２を露出させる。このエッチング方法としては、例えば、ＣＨＦ３をエッチングガスとして用いた反応性イオンエッチング法にて、Ｓｉ３Ｎ４からなる上記パッシベーション層２１をエッチングすることができる。この第５フォトレジストパターンは、上述と同様な方法等により除去される。
【００６０】
（第７工程）
図１１にて示されるように、次いで、表面に第６フォトレジスト２４を形成する。この第６フォトレジスト２４をマスクにして、上記パッシベーション層２１及び絶縁層１４をエッチングする。このパッシベーション層２１及び絶縁層１４のエッチングとしては、例えば、ＣＨＦ３ガスを用いた反応性イオンエッチングを用いることができる。次いで、上記第６フォトレジスト２４、パッシベーション層２１及び絶縁層１４をマスクにして、基板１１をエッチング（ＤｅｅｐＲＩＥ）することで、溝部５を形成する。この基板１１のエッチング方法としては、例えば、パッシベーション（Ｃ４Ｆ８プラズマ）とエッチング（ＳＦ６プラズマ）とのステップを短く交互に繰り返す、いわゆるボッシュプロセスで行うことができる。基板１１のエッチング終了後、上記第６フォトレジストパターン２４を除去することで、２軸加速度センサ１を得ることができる。
【００６１】
なお、第６フォトレジスト２４を除去した後、上記パッシベーション層２１及び絶縁層１４をマスクとして基板１１をエッチングしても良い。
【００６２】
この製造方法によれば、当該２軸加速度センサの形状をエッチングによる微細加工で形成することができ、製造工程での破損が少ないため、歩留まりを向上させ、製造コストを抑えることができる。また、この製造方法によれば、エッチングにより溝部を微細な構造とすることができ、耐衝撃性に優れた構造を有する２軸加速度センサを容易に形成することができる。さらには、この製造方法によれば、複数層を有する高価なＳＯＩ基板等を用いず、単層のシリコン基板から形成することができるため、製造コストを抑えることができる。
【００６３】
＜第２実施形態＞
図１２の２軸加速度センサ３１も、平面視で略正方形の平板状体である。この２軸加速度センサ３１は、平面視で略正方形を有する平板状体であるの錘部３２、この錘部３２の側面を囲う枠部３３、上記錘部３２の側面と枠部３３の内面とを連結する計４本の梁部３４、及び上記梁部３４に付設される歪み感知手段３６を備えている。
【００６４】
この２軸加速度センサ３１は、４本の梁部３４として、枠部３３の内面からＸ方向に延出する２本のｘ方向梁部３４ｘと、錘部３２の側面からＹ方向に延出する２本のｙ方向梁部３４ｙとを備え、これらの２対のｘ方向梁部とｙ方向梁部とは両延出方向先端が垂直に連結されている。すなわち、ｘ方向梁部とｙ方向梁部とでＬ字状を形成し、錘部３２は計４本の梁部３４からなる２組のＬ字状構造体で支えられている。
【００６５】
当該２軸加速度センサ３１によれば、上記各２本の梁部３４が、このように垂直に連結された構造を有することによって、この梁部を厚さ方向に垂直な直交２方向のそれぞれの加速度に対して撓み可能な構造とすることができる。また、当該２軸加速度センサ３１によれば、梁部３４が垂直に連結された部分を有することで、厚さ方向に垂直な２方向のそれぞれの加速度に対して、大きな変位を持って撓むことができるため、検出感度を高めることができる。
【００６６】
この２軸加速度センサ３１においては、各ｙ方向梁部３４ｙ及びｘ方向梁部３４ｘが、それぞれ変形領域Ｄ３及びＤ４となる。また、ｙ及びｘ方向梁部はそれぞれ２本存在するため、各変形領域Ｄ３及びＤ４も２領域ずつ存在している。この２軸加速度センサ３１における各変形領域の撓みパターン及びその組み合わせについて、図１２（ｂ）及び（ｃ）を参照に説明する。
【００６７】
図１２（ｂ）に示されるように、Ｘ軸に対するマイナス方向（図１２（ｂ）における左方向）に加速度（αｘ−）が生じると、錘部３２は、Ｘ軸に対するプラス方向（図１２（ｂ）における右方向）に重心が移動する。この際、２本のｙ方向梁部３４ｙ、すなわち変形領域Ｄ３においては、それぞれＳ字状に撓むこととなる（２軸加速度センサ３１におけるこの撓みパターンを「Ｓ＋」とする。）。一方、Ｘ軸に対して上述と逆方向に加速度（αｘ＋）が生じると、２本のｙ方向梁部３４ｙ、すなわち変形領域Ｄ３は、それぞれ上述と逆向きのＳ字状に撓むこととなる（２軸加速度センサ３１におけるこの撓みパターンを「Ｓ−」とする。）。なお、Ｘ軸方向の加速度に対しては、ｘ方向梁部３４ｘ、すなわち変形領域Ｄ４は、撓みが生じない（この撓みパターンを「０」とする。）。
【００６８】
また、図１２（ｃ）に示されるように、Ｙ軸に対するマイナス方向（図１２（ｃ）における下方向）に加速度（αｙ−）が生じると、錘部３２は、Ｙ軸に対するプラス方向（図１２（ｃ）における上方向）に重心が移動する。この際、２本のｘ方向梁部３４ｘ、すなわち変形領域Ｄ４においては、それぞれＳ字状に歪むこととなる（２軸加速度センサ３１におけるこの撓みパターンを「Ｓ’＋」とする。）。一方、Ｙ軸に対して上述と逆方向に加速度（αｙ＋）が生じると、２本のｘ方向梁部３４ｘ、すなわち変形領域Ｄ４は、それぞれ上述と逆向きのＳ字状に撓むこととなる（２軸加速度センサ３１におけるこの撓みパターンを「Ｓ’−」とする。）。なお、Ｙ軸方向の加速度に対しては、ｙ方向梁部３４ｙ、すなわち変形領域Ｄ３は、撓みが生じない。
【００６９】
以上の、２軸加速度センサ３１の撓みパターンの組み合わせをまとめると、以下の表２のとおりである。
【００７０】
【表２】
【００７１】
このように、当該２軸加速度センサ３１も、４つの加速度（αｘ−、αｘ＋、αｙ−及びαｙ＋）毎の撓みパターンの、２つの変形領域Ｄ３及びＤ４間の４つの組み合わせが全て異なっている。
【００７２】
歪み感知手段３６としては、それぞれ２領域の変形領域Ｄ３及びＤ４それぞれの両端側かつその幅方向両側近傍に、計１６つのピエゾ抵抗素子が配設されている。これらのピエゾ抵抗素子は、各梁部３４毎に配設される４個の抵抗素子毎に４組のホイートストンブリッジ回路を形成する。
【００７３】
すなわち、２本のｘ方向梁部３４ｘに配設された２組のホイートストンブリッジ回路からなる２組の歪み感知手段３６がＹ方向の加速度を感知することができる。一方、２本のｙ方向梁部３４ｙに配設された２組のホイートストンブリッジ回路からなる２組の歪み感知手段３６がＸ方向の加速度を感知することができる。
【００７４】
当該２軸加速度センサ３１によれば、このように各方向（Ｘ方向及びＹ方向）の加速度に対応する歪み感知手段３６を、複数の梁部に複数配置することで、加速度に応じた歪みに対する出力を平均化することができ、検出精度をより高めることができる。また、当該２軸加速度センサによれば、例えば、これら複数の歪み感知手段３６の出力の差が大きい場合にエラー表示をする機能を設けることなどにより、センサの故障等を容易に把握することができる。
【００７５】
また、当該２軸加速度センサ３１は、点対称形状を有しており、錘部３２が正負の加速度に対し対称に移動し、それぞれの撓みパターンも対称性を有することができる。従って当該２軸加速度センサ３１によれば、感知する２方向の加速度をより高精度で検出することができる。
【００７６】
＜第３実施形態＞
図１３の２軸加速度センサ４１も、平面視で略正方形の平板状体である。この２軸加速度センサ４１は、平板状体の錘部４２、この錘部４２の側面を囲う枠部４３、上記錘部４２の側面と枠部４３の内面とを連結する２本の梁部４４、及び上記梁部４４に付設される歪み感知手段４６を備えている。
【００７７】
この２軸加速度センサ４１は、２本の梁部４４として、枠部４３の内面における対面する２面間をｘ方向に架け渡しているｘ方向梁部４４ｘと、このｘ方向梁部４４ｘの中央から延出し、錘部４２の一側面の中央に接続されるｙ方向梁部４４ｙとを備え、これら２本の梁部４４は垂直に連結されている。
【００７８】
当該２軸加速度センサ４１も、上記２本の梁部４４が、このように垂直に連結された構造を有することによって、この梁部を厚さ方向に垂直な直交２方向（Ｘ及びＹ方向）のそれぞれの加速度に対して撓み可能な構造とすることができる。また、当該２軸加速度センサ４１によれば、２本の梁部４４が垂直に連結された部分を有することで、厚さ方向に垂直な２方向のそれぞれの加速度に対して、大きな変位を持って歪むことができるため、検出感度を高めることができる。
【００７９】
この２軸加速度センサ４１においては、ｙ方向梁部４４ｙ及びｘ方向梁部４４ｘが、それぞれ変形領域Ｄ５及びＤ６となる。この２軸加速度センサ４１における各変形領域の撓みパターン及びその組み合わせについて、図１３（ｂ）及び（ｃ）を参照に説明する。
【００８０】
図１３（ｂ）に示されるように、Ｘ軸に対するマイナス方向（図１３（ｂ）における左方向）に加速度（αｘ−）が生じると、錘部４２は、Ｘ軸に対するプラス方向（図１３（ｂ）における右方向）に重心が移動する。この際、ｙ方向梁部４４ｙ、すなわち変形領域Ｄ５においては、Ｓ字状に撓むこととなる（２軸加速度センサ４１におけるこの撓みパターンを「Ｓ＋」とする。）。一方、Ｘ軸に対して上述と逆方向に加速度（αｘ＋）が生じると、ｙ方向梁部４４ｙ、すなわち変形領域Ｄ５は、逆向きのＳ字状に撓むこととなる（２軸加速度センサ４１におけるこの撓みパターンを「Ｓ−」とする。）。なお、Ｘ軸方向の加速度に対しては、ｘ方向梁部４４ｘ、すなわち変形領域Ｄ６は、撓みが生じない（この撓みパターンを「０」とする。）。
【００８１】
また、図１３（ｃ）に示されるように、Ｙ軸に対するマイナス方向（図１３（ｃ）における下方向）に加速度（αｙ−）が生じると、錘部４２は、Ｙ軸に対するプラス方向（図１３（ｃ）における上方向）に重心が移動する。この際、ｘ方向梁部４４ｘ、すなわち変形領域Ｄ６においては、上に沿った弓状に撓むこととなる（２軸加速度センサ４１におけるこの撓みパターンを「弓＋」とする。）。一方、Ｙ軸に対して上述と逆方向に加速度（αｙ＋）が生じると、ｘ方向梁部４４ｘ、すなわち変形領域Ｄ６は、下に沿った弓状に撓むこととなる（２軸加速度センサ４１におけるこの撓みパターンを「弓−」とする。）。なお、Ｙ軸方向の加速度に対しては、ｙ方向梁部４４ｙ、すなわち変形領域Ｄ５は、撓みが生じない。
【００８２】
以上の、２軸加速度センサ４１の撓みパターンの組み合わせをまとめると、以下の表３のとおりである。
【００８３】
【表３】
【００８４】
このように、当該２軸加速度センサ４１も、４つの加速度（αｘ−、αｘ＋、αｙ−及びαｙ＋）毎の撓みパターンの、２つの変形領域Ｄ５及びＤ６間の４つの組み合わせが全て異なっている。
【００８５】
歪み感知手段４６としては、変形領域Ｄ５及びＤ６それぞれの両端側かつその幅方向両側近傍に、計８つのピエゾ抵抗素子が配設されている。これらのピエゾ抵抗素子は、ｘ方向梁部４４ｘ及びｙ方向梁部４４ｙにそれぞれ配設される４つの抵抗素子毎に２組のホイートストンブリッジ回路を形成している。すなわち、ｘ方向梁部４４ｘに配設されたホイートストンブリッジ回路からなる歪み感知手段４６がＹ方向の加速度を感知することができる。一方、ｙ方向梁部４４ｙに配設されたホイートストンブリッジ回路からなる歪み感知手段４６がＸ方向の加速度を感知することができる。
【００８６】
＜その他の実施形態＞
本発明の２軸加速度センサは、上述の各実施形態に限定されるものではなく、例えば、図１４の２軸加速度センサ５１のように、２本の梁部５４が屈曲している部分を有していなくともよい。この２軸加速度センサ５１においては、Ｘ軸方向及びＹ軸方向の加速度に対して、２本の梁部５４に対応する２つの変形領域Ｄ７及びＤ８が、図１の２軸加速度センサ１の梁部４の変形領域Ｄ１及びＤ２と同様の撓みパターンをとることができる。よって、２軸加速度センサ５１においても、梁部５４の適当な位置に２つの歪み感知手段を配置することによって、２方向の加速度を感知することができる。
【００８７】
また、２軸加速度センサが備える梁部は曲線状であってもよい。梁部が曲線状であっても、特定の少なくとも２つの変形領域を有すれば、２軸加速度センサは、この２方向の加速度を感知することができる。
【００８８】
また、本発明の２軸加速度センサは、均質な素材から形成されていなくとも、例えば、異なる部材からなる錘部、枠部及び梁部を接合することによって形成されていてもよい。
【産業上の利用可能性】
【００８９】
以上のように、本発明の２軸加速度センサは、２方向の加速度を精度よく感知することができ、また、小型化が可能で、製造コストも低減することができる。従って、本発明の２軸加速度センサは、各種家電製品、自動車部品、ロボット部品等に使用される各種加速度センサとして用いることができる。
【符号の説明】
【００９０】
１、３１、４１、５１ ２軸加速度センサ
２、３２、４２ 錘部
３、３３、４３ 枠部
４、３４、４４、５４ 梁部
３４ｘ、４４ｘ ｘ方向梁部
３４ｙ、４４ｙ ｙ方向梁部
５ 溝部
６、３６、４６ 歪み感知手段
６ｘ１、６ｘ２、６ｘ３、６ｘ４、６ｙ１、６ｙ２、６ｙ３、６ｙ４ ピエゾ抵抗素子
７ 連結部
１１ 基板
１２ 低抵抗層
１３ 第１フォトレジスト
１４ 絶縁層
１５ 第２フォトレジスト
１７ ピエゾ抵抗層
１９ コンタクトホール
２０ 配線層
２１ パッシベーション層
２２ パッド電極
２３ パッド電極開口
２４ 第６フォトレジスト
Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３、Ｄ４、Ｄ５、Ｄ６、Ｄ７、Ｄ８ 変形領域
【特許請求の範囲】
【請求項１】
平板状の錘部、
この錘部の側面を囲う枠部、
上記錘部の側面と枠部の内面とを連結する１又は複数の梁部、及び
上記梁部に付設される歪み感知手段
を備える平板状の２軸加速度センサであって、
上記梁部の厚さが幅より大きく、
上記１又は複数の梁部が、厚さ方向と垂直な直交２方向の正負それぞれの加速度に対する撓みパターンの組合せが異なる少なくとも２つの変形領域を有し、
上記歪み感知手段として、上記各変形領域の両端側かつその幅方向両側近傍に二対のピエゾ抵抗素子が配設されていることを特徴とする２軸加速度センサ。
【請求項２】
上記１の梁部が、枠部の対向する内面間に架け渡されており、
この１の梁部の中央に錘部が連結部を介して接続されている請求項１に記載の２軸加速度センサ。
【請求項３】
上記複数の梁部として、長さ方向が上記直交２方向のうちの一方を向くｘ方向梁部と他方を向くｙ方向梁部とを備え、
これらのｘ方向梁部とｙ方向梁部とが垂直に連結されている請求項１に記載の２軸加速度センサ。
【請求項４】
上記ｘ方向梁部及びｙ方向梁部を複数備え、
上記歪み感知手段が、複数のｘ方向梁部及びｙ方向梁部にそれぞれ付設されている請求項３に記載の２軸加速度センサ。
【請求項５】
平面形状が線対称又は点対称である請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の２軸加速度センサ。
【請求項６】
上記歪み感知手段として、４個のピエゾ抵抗素子を連結するホイートストンブリッジ回路を備えている請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の２軸加速度センサ。
【請求項１】
平板状の錘部、
この錘部の側面を囲う枠部、
上記錘部の側面と枠部の内面とを連結する１又は複数の梁部、及び
上記梁部に付設される歪み感知手段
を備える平板状の２軸加速度センサであって、
上記梁部の厚さが幅より大きく、
上記１又は複数の梁部が、厚さ方向と垂直な直交２方向の正負それぞれの加速度に対する撓みパターンの組合せが異なる少なくとも２つの変形領域を有し、
上記歪み感知手段として、上記各変形領域の両端側かつその幅方向両側近傍に二対のピエゾ抵抗素子が配設されていることを特徴とする２軸加速度センサ。
【請求項２】
上記１の梁部が、枠部の対向する内面間に架け渡されており、
この１の梁部の中央に錘部が連結部を介して接続されている請求項１に記載の２軸加速度センサ。
【請求項３】
上記複数の梁部として、長さ方向が上記直交２方向のうちの一方を向くｘ方向梁部と他方を向くｙ方向梁部とを備え、
これらのｘ方向梁部とｙ方向梁部とが垂直に連結されている請求項１に記載の２軸加速度センサ。
【請求項４】
上記ｘ方向梁部及びｙ方向梁部を複数備え、
上記歪み感知手段が、複数のｘ方向梁部及びｙ方向梁部にそれぞれ付設されている請求項３に記載の２軸加速度センサ。
【請求項５】
平面形状が線対称又は点対称である請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の２軸加速度センサ。
【請求項６】
上記歪み感知手段として、４個のピエゾ抵抗素子を連結するホイートストンブリッジ回路を備えている請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の２軸加速度センサ。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【公開番号】特開２０１２−１３５６２（Ｐ２０１２−１３５６２Ａ）
【公開日】平成２４年１月１９日（２０１２．１．１９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−１５０８５４（Ｐ２０１０−１５０８５４）
【出願日】平成２２年７月１日（２０１０．７．１）
【出願人】（０００００４０７５）ヤマハ株式会社 (5,930)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１月１９日（２０１２．１．１９）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年７月１日（２０１０．７．１）
【出願人】（０００００４０７５）ヤマハ株式会社 (5,930)
【Ｆターム（参考）】
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