３軸加速度センサ
【課題】本発明は、他軸感度を発生せず、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸からなる３軸方向の加速度を正確に検出でき、かつ、加速度検知素子の小型化および低背化を実施してもセンサ感度を維持できる３軸加速度センサを提供することを目的とする。
【解決手段】本発明の３軸加速度センサは、基板２１の略中央部に設けられた第１の錘部２３と、支持枠部２４と、梁状可撓部２５，２５′，２６，２６′と、歪抵抗素子Ｒｘ２１，Ｒｘ２２等とを備え、前記支持枠部内に一対の梁状可撓部の中心軸に関して略対称で平行な一対の薄肉部２７，２７′，２８，２８′，２９，２９′，３０，３０′を設けることにより、第２、第３、第４、第５の錘部３１〜３４を形成したものである。
【解決手段】本発明の３軸加速度センサは、基板２１の略中央部に設けられた第１の錘部２３と、支持枠部２４と、梁状可撓部２５，２５′，２６，２６′と、歪抵抗素子Ｒｘ２１，Ｒｘ２２等とを備え、前記支持枠部内に一対の梁状可撓部の中心軸に関して略対称で平行な一対の薄肉部２７，２７′，２８，２８′，２９，２９′，３０，３０′を設けることにより、第２、第３、第４、第５の錘部３１〜３４を形成したものである。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は自動車や航空機等の輸送機器や携帯端末等に搭載され、互いに直交するＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸からなる３軸方向の加速度を検出する３軸加速度センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
図５（ａ）は従来の加速度センサの検出素子の上面図、図５（ｂ）は図５（ａ）の検出素子のＸ軸に平行なＡ−Ａ線での断面図を示す（特許文献１参照）。
【０００３】
図５（ａ）（ｂ）において、１はＸＹ平面に平行に配置されたシリコン等からなる基板であり、該基板１の底面側をエッチング処理するとともに貫通孔２を形成することにより、厚肉部からなる錘部３とそれを囲むように配された支持枠部４と、薄肉で該錘部３および支持枠部４とを接続するＸ軸に平行な第１、第２の梁状可撓部５，５′と、薄肉で該錘部３および支持枠部４とを接続するＹ軸に平行な第３、第４の梁状可撓部６，６′と、が形成されている。前記第１の梁状可撓部５と支持枠部４との連結端部には歪抵抗素子Ｒｘ１を、前記第１の梁状可撓部５と錘部３との連結端部には歪抵抗素子Ｒｘ２を形成している。また、前記第２の梁状可撓部５′と錘部との連結端部には歪抵抗素子Ｒｘ３を、前記第２の梁状可撓部５′と支持枠部４との連結端部には歪抵抗素子Ｒｘ４を形成している。そして、前記歪抵抗素子Ｒｘ１，Ｒｘ２，Ｒｘ３，Ｒｘ４を前記第１、第２の梁状可撓部５，５′の中心線上に配置している。同様にして、前記第３の梁状可撓部６と支持枠部４との連結端部には歪抵抗素子Ｒｙ１，Ｒｚ１を、前記第３の梁状可撓部６と錘部３との連結端部には歪抵抗素子Ｒｙ２，Ｒｚ２を形成している。また、前記第３の梁状可撓部６′と錘部３との連結端部には歪抵抗素子Ｒｙ３，Ｒｚ３を、前記第３の梁状可撓部６′と支持枠部４との連結端部には歪抵抗素子Ｒｙ４，Ｒｚ４を形成している。そして、前記歪抵抗素子Ｒｙ１，Ｒｙ２，Ｒｙ３，Ｒｙ４と前記歪抵抗素子Ｒｚ１，Ｒｚ２，Ｒｚ３，Ｒｚ４とを前記第３、第４の梁状可撓部６，６′の中心線の両側にそれぞれ１列に配置している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００４−１８４３７３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上記従来の加速度センサの検出素子においては、１つの軸方向のみに加速度が印加され錘部３にその軸方向の慣性力が働いた場合において、この軸方向の加速度の他に、他の軸方向の加速度も出力される、いわゆる他軸感度のために、加速度の検出精度が低下するという問題点があった。
【０００６】
以下に、この問題点について説明する。
【０００７】
図６（ａ）は前記第１、第２の梁状可撓部５，５′に形成した歪抵抗素子Ｒｘ１，Ｒｘ２，Ｒｘ３，Ｒｘ４により構成されるブリッジ回路である。図６（ａ）において、歪抵抗素子Ｒｘ１と歪抵抗素子Ｒｘ２との間に電源電圧（Ｖｄｄ）が接続され、歪抵抗素子Ｒｘ３と歪抵抗素子Ｒｘ４との間にアース（Ｖｓｓ）が接続されて、歪抵抗素子Ｒｘ１と歪抵抗素子Ｒｘ４との中点電位（Ｖ１）と、歪抵抗素子Ｒｘ２と歪抵抗素子Ｒｘ３との中点電位（Ｖ２）との差が測定される。Ｘ軸方向の加速度が印加されていない場合には、歪抵抗素子Ｒｘ１，Ｒｘ２，Ｒｘ３，Ｒｘ４は平衡する（Ｒｘ１・Ｒｘ３＝Ｒｘ２・Ｒｘ４）ように構成されており、歪抵抗素子Ｒｘ１と歪抵抗素子Ｒｘ４との中点電位（Ｖ１）と、歪抵抗素子Ｒｘ２と歪抵抗素子Ｒｘ３との中点電位（Ｖ２）との差は零となっている。また、図６（ｂ）は前記第３、第４の梁状可撓部６，６′に形成した歪抵抗素子Ｒｙ１，Ｒｙ２，Ｒｙ３，Ｒｙ４により構成されるブリッジ回路である。図６（ｂ）において、歪抵抗素子Ｒｙ１と歪抵抗素子Ｒｙ２との間に電源電圧（Ｖｄｄ）が接続され、歪抵抗素子Ｒｙ３と歪抵抗素子Ｒｙ４との間にアース（Ｖｓｓ）が接続されて、歪抵抗素子Ｒｙ１と歪抵抗素子Ｒｙ４との中点電位（Ｖ１）と、歪抵抗素子Ｒｙ２と歪抵抗素子Ｒｙ３との中点電位（Ｖ２）との差が測定される。Ｙ軸方向の加速度が印加されていない場合には、歪抵抗素子Ｒｙ１，Ｒｙ２，Ｒｙ３，Ｒｙ４は平衡する（Ｒｙ１・Ｒｙ３＝Ｒｙ２・Ｒｙ４）ように構成されており、歪抵抗素子Ｒｙ１と歪抵抗素子Ｒｙ４との中点電位（Ｖ１）と、歪抵抗素子Ｒｙ２と歪抵抗素子Ｒｙ３との中点電位（Ｖ２）との差は零となっている。さらにまた、図６（ｃ）は前記第３、第４の梁状可撓部６，６′に形成した歪抵抗素子Ｒｚ１，Ｒｚ２，Ｒｚ３，Ｒｚ４により構成されるブリッジ回路である。図６（ｃ）においては、歪抵抗素子Ｒｚ１と歪抵抗素子Ｒｚ２との間に電源電圧（Ｖｄｄ）が接続され、歪抵抗素子Ｒｚ３と歪抵抗素子Ｒｚ４との間にアース（Ｖｓｓ）が接続されているが、歪抵抗素子Ｒｚ１と歪抵抗素子Ｒｚ３との中点電位（Ｖ１）と、歪抵抗素子Ｒｚ２と歪抵抗素子Ｒｚ４との中点電位（Ｖ２）との差が測定される点で図６（ａ）（ｂ）と異なっている。Ｚ軸方向の加速度が印加されていない場合には、歪抵抗素子Ｒｚ１，Ｒｚ２，Ｒｚ３，Ｒｚ４は平衡する（Ｒｚ１・Ｒｚ４＝Ｒｚ２・Ｒｚ３）ように構成されており、歪抵抗素子Ｒｚ１と歪抵抗素子Ｒｚ３との中点電位（Ｖ１）と、歪抵抗素子Ｒｚ２と歪抵抗素子Ｒｚ４との中点電位（Ｖ２）との差は零となっている。
【０００８】
図７（ａ）は従来の加速度センサの検出素子にＸ軸方向の加速度が印加された時の上面図、図７（ｂ）は図７（ａ）のＸ軸に平行なＡ−Ａ線での断面図である。図７（ｂ）において、錘部３はＸ軸方向に向く慣性力Ｆｘにより回動し、歪抵抗素子Ｒｘ１，Ｒｘ３には引張歪が作用して抵抗値が上昇し、歪抵抗素子Ｒｘ２，Ｒｘ４には圧縮歪が作用して抵抗値が低下する。これにより、図６（ａ）のブリッジ回路の平衡が破れ、歪抵抗素子Ｒｘ１と歪抵抗素子Ｒｘ４との中点電位（Ｖ１）と、歪抵抗素子Ｒｘ２と歪抵抗素子Ｒｘ３との中点電位（Ｖ２）との電圧差が検出される。
【０００９】
図７（ｃ）は図７（ａ）の第４の梁状可撓部６′と錘部３との連結部近傍におけるＸ軸に平行なＢ−Ｂ線断面図、図７（ｄ）は第４の梁状可撓部６′と支持枠部４との中央部近傍におけるＸ軸に平行なＣ−Ｃ線断面図、図７（ｅ）は第４の梁状可撓部６′と支持枠部４との連結部近傍におけるＸ軸に平行なＤ−Ｄ線断面図である。
【００１０】
Ｘ軸の正方向への錘部３の回動に伴い、図７（ｃ）（ｄ）（ｅ）に示すように、前記第４の梁状可撓部６′の断面は支持枠部４との連結部から錘部３との連結部までＺ軸周りに連続的に回転する、すなわち前記第４の梁状可撓部６′が捻られるためＲｚ３には引張歪が作用して抵抗値が上昇する。同様に、前記第３の梁状可撓部６も捻られるためＲｚ２には引張歪が作用して抵抗値が上昇する。これにより、図６（ｃ）のブリッジ回路の平衡が破れ、歪抵抗素子Ｒｚ１と歪抵抗素子Ｒｚ３との中点電位（Ｖ１）と、歪抵抗素子Ｒｚ２と歪抵抗素子Ｒｚ４との中点電位（Ｖ２）との電圧差が発生するため、あたかもＺ軸方向に加速度が印加されたかのような偽信号、すなわち他軸感度が発生することになる。なお、歪抵抗素子Ｒｚ１，Ｒｚ４は各々前記第３の梁状可撓部６と支持枠部４との連結端部、前記第３の梁状可撓部６′と支持枠部４との連結端部に形成されているため、前記第３、第４の梁状可撓部６，６′の捻れによる歪は実質的に作用せず、歪抵抗素子Ｒｚ１，Ｒｚ４の抵抗値は変化することはない。
【００１１】
また、図７（ｃ）に示すように、Ｘ軸の正方向への錘部３の回動に伴い、前記第３、第４の梁状可撓部６，６′が捻られるため、歪抵抗素子Ｒｙ２，Ｒｙ３には圧縮歪が作用して抵抗値が低下する。この時、図６（ｂ）のブリッジ回路は原理的には平衡状態を維持する。すなわち、歪抵抗素子Ｒｙ２，Ｒｙ３の抵抗値がともに△％だけ低下するとすれば、
Ｒｙ１・Ｒｙ３（１−△）−Ｒｙ４・Ｒｙ２（１−△）
＝（Ｒｙ１・Ｒｙ３−Ｒｙ２・Ｒｙ４）・（１−△）＝０
となるため、図６（ｂ）のブリッジ回路は平衡状態を維持し、歪抵抗素子Ｒｙ１と歪抵抗素子Ｒｙ４との中点電位（Ｖ１）と、歪抵抗素子Ｒｙ２と歪抵抗素子Ｒｙ３との中点電位（Ｖ２）とは同一電位となる。これにより、Ｘ軸方向の加速度によりＹ軸方向の他軸感度が発生することはない。しかしながら、歪抵抗素子Ｒｙ１，Ｒｙ２，Ｒｙ３，Ｒｙ４の形成位置のバラツキやエッチング加工後に梁状可撓部に作用する残留歪等により、歪抵抗素子Ｒｙ２，Ｒｙ３の抵抗値の変化率△が異なる場合がある。この場合には、図６（ｂ）のブリッジ回路は平衡が破れ、歪抵抗素子Ｒｙ１と歪抵抗素子Ｒｙ４との中点電位（Ｖ１）と、歪抵抗素子Ｒｙ２と歪抵抗素子Ｒｙ３との中点電位（Ｖ２）との電圧差が発生するため、あたかもＹ軸方向に加速度が印加されたかのような偽信号、すなわち他軸感度が発生することになる。
【００１２】
次に、従来の加速度センサの検出素子にＹ軸方向の加速度が印加された時には、錘部３はＹ軸方向に向く慣性力Ｆｙにより回動し、歪抵抗素子Ｒｙ２，Ｒｙ４には引張歪が作用して抵抗値が上昇し、歪抵抗素子Ｒｙ１，Ｒｙ３には圧縮歪が作用して抵抗値が低下する。これにより、図６（ｂ）のブリッジ回路の平衡が破れ、歪抵抗素子Ｒｙ１と歪抵抗素子Ｒｙ４との中点電位（Ｖ１）と、歪抵抗素子Ｒｙ２と歪抵抗素子Ｒｙ３との中点電位（Ｖ２）との電圧差がＹ軸方向の加速度として検出される。
【００１３】
また、Ｙ軸方向への錘部３の回動に伴い、前記第１、第２の梁状可撓部５，５′が捻られる。この時、歪抵抗素子Ｒｘ１，Ｒｘ２，Ｒｘ３，Ｒｘ４の形成位置が前記第１、第２の梁状可撓部５，５′の中心線上からずれていたり、エッチング加工後に梁状可撓部に残留歪が存在したりする場合には、図６（ａ）のブリッジ回路の平衡が破れ、歪抵抗素子Ｒｘ１と歪抵抗素子Ｒｘ４との中点電位（Ｖ１）と、歪抵抗素子Ｒｘ２と歪抵抗素子Ｒｘ３との中点電位（Ｖ２）との電圧差が発生するため、あたかもＸ軸方向に加速度が印加されたかのような偽信号、すなわち他軸感度が発生することになる。
【００１４】
本発明は上記従来の課題を解決するもので、歪抵抗素子の形成位置のバラツキやエッチング加工後に梁状可撓部に残留歪があったしても、他軸感度が発生せず、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸からなる３軸方向の加速度を正確に検出できる３軸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】
【００１５】
上記目的を達成するために、本発明は以下の構成を有する。
【００１６】
請求項１に記載の発明は、ＸＹ平面に平行に置かれた基板と、前記基板の略中央部に設けられ加速度を受けて変位する第１の錘部と、前記第１の錘部を取り囲むように配置した支持枠部と、前記第１の錘部と支持枠部とを連結しＸ軸に平行な一対の梁状可撓部と、前記第１の錘部と支持枠部とを連結しＹ軸に平行な一対の梁状可撓部と、前記梁状可撓部上でかつ前記梁状可撓部と前記第１の錘部との連結端部に形成した歪抵抗素子とを備え、前記支持枠部内に、前記Ｘ軸に平行な一対の梁状可撓部の中心軸に関して略対称で、Ｘ軸に平行な一対の薄肉部を設けることにより、加速度を受けて変位する第２、第３の錘部を形成するとともに、前記支持枠部内に、前記Ｙ軸に平行な一対の梁状可撓部の中心軸に関して対称で、Ｙ軸に平行な一対の薄肉部を設けることにより、加速度を受けて変位する第４、第５の錘部を形成したもので、この構成によれば、Ｘ軸方向またはＹ軸方向のいずれか１つの軸方向の加速度が印加された時、この加速度が印加された軸に直交する梁状可撓部と、第２、第３または第４、第５の錘部が同方向に変位するため、前記梁状可撓部と錘部との連結端部に形成した歪抵抗素子に引張歪または圧縮歪が作用しないようにでき、これにより、他軸感度を発生させることなく、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸からなる３軸方向の加速度を正確に検出でき、かつ第１の錘部と、第２、第３または第４、第５の錘部が同方向に変位するため、加速度感度を向上させることができるという作用効果を有するものである。
【００１７】
本発明の請求項２に記載の発明は、特に、前記歪抵抗素子と電気的に接続された電極パッドを前記支持枠部の上面で、前記薄肉部および前記第２、第３、第４、第５の錘部以外の位置に設けたもので、この構成によれば、前記電極パッドと外部電極を接続する際、もしくは、他の基板等への実装・接着を行う際に応力が印加された時、前記薄肉部が撓むため、前記梁状可撓部および前記第２、第３、第４、第５の錘部への応力印加を妨げることができ、これにより、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸からなる３軸方向の加速度を正確に検出できるという作用効果を有するものである。
【００１８】
本発明の請求項３に記載の発明は、特に、前記薄肉部に切り欠き部を設けたもので、この構成によれば、前記薄肉部の剛性が下がるため、Ｘ軸方向またはＹ軸方向のいずれか１つの軸方向の加速度が印加された時、前記第２、第３、第４、第５の錘部の変位量を増加させることができ、これにより、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸からなる３軸方向の加速度感度をさらに向上させることができるという作用効果を有するものである。
【発明の効果】
【００１９】
以上のように本発明の３軸加速度センサは、ＸＹ平面に平行に置かれた基板と、前記基板の略中央部に設けられ加速度を受けて変位する第１の錘部と、前記第１の錘部を取り囲むように配置した支持枠部と、前記第１の錘部と支持枠部とを連結しＸ軸に平行な一対の梁状可撓部と、前記第１の錘部と支持枠部とを連結しＹ軸に平行な一対の梁状可撓部と、前記梁状可撓部上でかつ前記梁状可撓部と前記第１の錘部との連結端部に形成した歪抵抗素子とを備え、前記支持枠部内に、前記Ｘ軸に平行な一対の梁状可撓部の中心軸に関して略対称で、Ｘ軸に平行な一対の薄肉部を設けることにより、加速度を受けて変位する第２、第３の錘部を形成するとともに、前記支持枠部内に、前記Ｙ軸に平行な一対の梁状可撓部の中心軸に関して対称で、Ｙ軸に平行な一対の薄肉部を設けることにより、加速度を受けて変位する第４、第５の錘部を形成したもので、Ｘ軸方向またはＹ軸方向のいずれか１つの軸方向の加速度が印加された時、この加速度が印加された軸に直交する梁状可撓部と、第２、第３または第４、第５の錘部が同方向に変位するため、前記梁状可撓部と錘部との連結端部に形成した歪抵抗素子に引張歪または圧縮歪が作用しないようにでき、これにより、他軸感度を発生させることなく、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸からなる３軸方向の加速度を正確に検出できるとともに、第１の錘部と、第２、第３または第４、第５の錘部が同方向に変位するため、加速度感度を向上させることができるという優れた効果を奏するものである。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】（ａ）本発明の実施の形態１における３軸加速度センサの検出素子の上面図、（ｂ）（ａ）におけるａ−ａ線断面図、（ｃ）（ａ）におけるｂ−ｂ線断面図
【図２】（ａ）本発明の実施の形態１における３軸加速度センサの検出素子にＸ軸方向の加速度が印加された時の上面図、（ｂ）（ａ）のａ−ａ線断面図、（ｃ）（ａ）のｃ−ｃ線断面図、（ｄ）（ａ）のｄ−ｄ線断面図、（ｅ）（ａ）のｂ−ｂ線断面図
【図３】（ａ）本発明の実施の形態２における３軸加速度センサの検出素子の上面図、（ｂ）（ａ）において検出素子内部方向に応力が印加された時のｅ−ｅ線断面図
【図４】（ａ）−（ｃ）本発明の実施の形態３における３軸加速度センサの検出素子の上面図
【図５】（ａ）従来の加速度センサの検出素子の上面図、（ｂ）図５（ａ）の検出素子におけるＡ−Ａ線断面図
【図６】（ａ）前記従来の加速度センサの検出素子に形成した歪抵抗素子Ｒｘ１，Ｒｘ２，Ｒｘ３，Ｒｘ４により構成されるブリッジ回路図、（ｂ）同検出素子に形成した歪抵抗素子Ｒｙ１，Ｒｙ２，Ｒｙ３，Ｒｙ４により構成されるブリッジ回路図、（ｃ）同検出素子に形成した歪抵抗素子Ｒｚ１，Ｒｚ２，Ｒｚ３，Ｒｚ４により構成されるブリッジ回路図
【図７】（ａ）従来の加速度センサの検出素子にＸ軸正方向の加速度が印加された時の上面図、（ｂ）（ａ）のＡ−Ａ線断面図、（ｃ）（ａ）のＢ−Ｂ線断面図、（ｄ）（ａ）のＣ−Ｃ線断面図、（ｅ）（ａ）のＤ−Ｄ線断面図
【発明を実施するための形態】
【００２１】
（実施の形態１）
以下、実施の形態１を用いて、本発明の特に請求項１に記載の発明について説明する。図１（ａ）は本発明の実施の形態１における３軸加速度センサの検出素子の上面図、図１（ｂ）は図１（ａ）の検出素子におけるＸ軸に平行なａ−ａ線断面図、図１（ｃ）は図１（ａ）の検出素子におけるＸ軸に平行なｂ−ｂ線断面図を示す。図１（ａ）−（ｃ）において、２１はＸＹ平面に平行に配置されたシリコン単結晶基板であり、該基板２１の底面側をエッチング処理するとともに貫通孔２２を形成することにより、厚肉部からなる錘部２３とそれを囲むように配された支持枠部２４と、薄肉で該錘部２３および支持枠部２４とを接続するＸ軸に平行な第１、第２の梁状可撓部２５，２５′と、薄肉で該錘部３および支持枠部４とを接続するＹ軸に平行な第３、第４の梁状可撓部２６，２６′とが形成されている。前記第１の梁状可撓部２５と支持枠部２４との連結端部には歪抵抗素子Ｒｘ２１を、前記第１の梁状可撓部２５と錘部２３との連結端部には歪抵抗素子Ｒｘ２２を形成している。また、前記第２の梁状可撓部２５′と錘部２３との連結端部には歪抵抗素子Ｒｘ２３を、前記第２の梁状可撓部２５′と支持枠部２４との連結端部には歪抵抗素子Ｒｘ２４を形成している。そして、前記歪抵抗素子Ｒｘ２１，Ｒｘ２２，Ｒｘ２３，Ｒｘ２４を前記第１、第２の梁状可撓部２５，２５′の中心線上に配置している。同様にして、前記第３の梁状可撓部２６と支持枠部２４との連結端部には歪抵抗素子Ｒｙ２１，Ｒｚ２１を、前記第３の梁状可撓部２６と錘部２３との連結端部には歪抵抗素子Ｒｙ２２，Ｒｚ２２を形成している。また、前記第３の梁状可撓部２６′と錘部２３との連結端部には歪抵抗素子Ｒｙ２３，Ｒｚ２３を、前記第３の梁状可撓部２６′と支持枠部２４との連結端部には歪抵抗素子Ｒｙ２４，Ｒｚ２４を形成している。そして、前記歪抵抗素子Ｒｙ２１，Ｒｙ２２，Ｒｙ２３，Ｒｙ２４と前記歪抵抗素子Ｒｚ２１，Ｒｚ２２，Ｒｚ２３，Ｒｚ２４とを前記第３、第４の梁状可撓部２６，２６′の中心線の両側にそれぞれ１列に配置している。前記歪抵抗素子としてはシリコン単結晶基板の所定の位置にホウ素等の不純物をイオン注入して形成した半導体ピエゾ抵抗または酸化亜鉛、酸化クロム、酸化ルテニウムなどを蒸着して構成した酸化物抵抗を用いることができる。また、前記各歪抵抗素子は金属配線（図示せず）により図６に示したものと同様のブリッジ回路を構成している。２７，２７′，２８，２８′は前記支持枠部２４内に、前記Ｘ軸に平行な一対の梁状可撓部２５，２５′の中心軸に関して略対称で、Ｘ軸に平行に設けられた一対の薄肉部であり、３１，３２は前記薄肉部２７，２７′，２８，２８′を設けることによって形成された、加速度を受けて変位する第２、第３の錘部である。また、２９，２９′，３０，３０′は前記支持枠部２４内に、前記Ｙ軸に平行な一対の梁状可撓部２６，２６′の中心軸に関して略対称で、Ｙ軸に平行に設けられた一対の薄肉部であり、３３，３４は前記薄肉部２９，２９′，３０，３０′を設けることによって形成された、加速度を受けて変位する第４、第５の錘部である。
【００２２】
図２（ａ）は本発明の実施の形態１における３軸加速度センサの検出素子にＸ軸方向の加速度が印加された時の上面図、図２（ｂ）は図２（ａ）のＸ軸に平行なａ−ａ線での断面図である。図２（ｂ）において、錘部２３はＸ軸の正方向に向く慣性力Ｆｘにより回動し、歪抵抗素子Ｒｘ２１，Ｒｘ２３には引張歪が作用して抵抗値が上昇し、歪抵抗素子Ｒｘ２２，Ｒｘ２４には圧縮歪が作用して抵抗値が低下する。これにより、歪抵抗素子Ｒｘ２１，Ｒｘ２２，Ｒｘ２３，Ｒｘ２４で構成されるブリッジ回路の平衡が破れ、歪抵抗素子Ｒｘ２１と歪抵抗素子Ｒｘ２４との中点電位と、歪抵抗素子Ｒｘ２２と歪抵抗素子Ｒｘ２３との中点電位との電圧差がＸ軸方向の加速度として検出される。
【００２３】
図２（ｃ）は図２（ａ）の第４の梁状可撓部２６′と錘部２３との連結部近傍におけるＸ軸に平行なｃ−ｃ線断面図、図２（ｄ）は図２（ａ）の第４の梁状可撓部２６′と支持枠部２４との連結部近傍におけるＸ軸に平行なｄ−ｄ線断面図、図２（ｅ）は図２（ａ）の支持枠部２４上で、かつ、第４の薄肉部３０，３０′および第５の錘部３４におけるＸ軸に平行なｂ−ｂ線断面図である。
【００２４】
図２（ｃ）に示すように錘部２３のＸ軸の正方向への回動に伴い第４の梁状可撓部２６′は錘部２３との連結部においてＹ軸の周りに回転する。ここで、従来の加速度センサの検出素子においては、第４の梁状可撓部２６′は支持枠部２４との連結部近傍においてＹ軸の周りに回転することができない。これにより、第４の梁状可撓部２６′は錘部２３との接続部と、支持枠部２４との接続部との間で捻れることになる。しかしながら、本発明の実施の形態１における３軸加速度センサの検出素子においては、支持枠部２４に第４の薄肉部３０，３０′を設けているため、この第４の薄肉部３０，３０′が第１、第２の梁状可撓部２５，２５′と同方向に変位し、第１の錘部２３における上面と、第５の錘部３４における上面とが同一平面となるため、この捻れは第４の梁状可撓部２６′内で発生することがない。これにより、歪抵抗素子Ｒｚ２４には引張または圧縮歪が作用せず抵抗値は変化することはない。同様に、前記第３の梁状可撓部２６上の歪抵抗素子Ｒｚ２１にも引張または圧縮歪が作用せず抵抗値は変化することはない。これにより、歪抵抗素子Ｒｚ２１，Ｒｚ２２，Ｒｚ２３，Ｒｚ２４で構成されるブリッジ回路は平衡状態を維持するため、他軸感度が発生することがない。
【００２５】
また、図２（ｃ）−（ｅ）に示すように、錘部２３がＸ軸の正方向へ回動しても、前記第３、第４の梁状可撓部２６，２６′上に形成した歪抵抗素子Ｒｙ２１，Ｒｙ２４には歪が作用しないため抵抗値は変化せず、これにより歪抵抗素子Ｒｙ２１，Ｒｙ２２，Ｒｙ２３，Ｒｙ２４の形成位置のバラツキやエッチング加工後に梁状可撓部に作用する残留歪等により、歪抵抗素子Ｒｙ２１，Ｒｙ２４の抵抗値の変化率△が異なったとしても歪抵抗素子Ｒｙ２１，Ｒｙ２２，Ｒｙ２３，Ｒｙ２４で構成されるブリッジ回路は平衡状態を維持し、他軸感度が発生することがない。
【００２６】
また、図２（ｅ）に示すように、Ｘ軸方向の加速度が印加されると、第１の錘部２３がＸ軸方向に回動するとともに、支持枠部２４に形成された第５の錘部３４は、第１の錘部２３と同方向に変位するため、Ｘ軸に印加される単位加速度あたりに変位する錘部の質量が、第１の錘部２３のみの場合と比較して増加する。同様に、第４の錘部３３も、第１の錘部２３と同方向に変位する。それにより、加速度検出素子のＸ軸方向の加速度感度を向上させることができる。
【００２７】
次に、本発明の実施の形態１における３軸加速度センサの検出素子にＹ軸方向の加速度が印加されると、錘部２３はＹ軸方向に向く慣性力Ｆｙにより回動し、歪抵抗素子Ｒｙ２２，Ｒｙ２４には引張歪が作用して抵抗値が上昇し、歪抵抗素子Ｒｙ２１，Ｒｙ２３には圧縮歪が作用して抵抗値が低下する。これにより、歪抵抗素子Ｒｙ２１，Ｒｙ２２，Ｒｙ２３，Ｒｙ２４で構成されるブリッジ回路の平衡が破れ、歪抵抗素子Ｒｙ２１と歪抵抗素子Ｒｙ２４との中点電位と、歪抵抗素子Ｒｙ２２と歪抵抗素子Ｒｙ２３との中点電位との電圧差がＹ軸方向の加速度として検出される。
【００２８】
錘部２３がＹ軸の正方向へ回動しても、支持枠部２４には第１、第２の薄肉部２７，２７′，２８，２８′が設けられているため、本発明の実施の形態１における３軸加速度センサの検出素子にＸ軸正方向の加速度が印加された時と同様にして、第１、第２の梁状可撓部２５，２５′には捻れが発生することがなく、前記第１、第２の梁状可撓部２５，２５′上に形成した歪抵抗素子Ｒｘ２１，Ｒｘ２４には歪が作用しないため抵抗値は変化せず、これにより歪抵抗素子Ｒｘ２１，Ｒｘ２４の形成位置のバラツキやエッチング加工後に梁状可撓部に作用する残留歪等により、歪抵抗素子Ｒｘ２１，Ｒｘ２４の抵抗値の変化率△が異なったとしても歪抵抗素子Ｒｘ２１，Ｒｘ２２，Ｒｘ２３，Ｒｘ２４で構成されるブリッジ回路は平衡状態を維持し、他軸感度が発生することがない。
【００２９】
また、Ｙ軸方向の加速度が印加されると、第１の錘部２３がＹ軸方向に回動するとともに、支持枠部２４に形成された第２、第３の錘部３１，３２は、第１の錘部２３と同方向に変位するため、Ｙ軸に印加される単位加速度あたりに変位する錘部の質量が、第１の錘部２３のみの場合と比較して増加する。それにより、加速度検出素子のＹ軸方向の加速度感度を向上させることができる。
【００３０】
このように、本発明の実施の形態１における３軸加速度センサの検出素子においては、Ｘ軸方向またはＹ軸方向のいずれか１つの軸方向の加速度が印加された時、加速度が印加された軸方向に、支持枠部に設けられた薄肉部が変位することで、この加速度が印加された軸に直交する他の梁状可撓部には捻れが発生せず、前記梁状可撓部と錘部との連結端部に形成した歪抵抗素子に引張歪または圧縮歪が作用しないようにでき、これにより、他軸感度を発生させることなく、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸からなる３軸方向の加速度を正確に検出でき、かつ、支持枠部に形成された第２、第３、第４、第５の錘部が加速度印加方向に対して、第１の錘部と同方向に変位するため、Ｘ軸およびＹ軸方向の加速度感度を向上することができ、これにより、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸からなる３軸方向の加速度を正確に検出できるものである。
【００３１】
（実施の形態２）
以下、実施の形態２を用いて、本発明の特に請求項２に記載の発明についてさらに説明する。図３（ａ）は本発明の実施の形態２における３軸加速度センサの検出素子の上面図、図３（ｂ）は図３（ａ）におけるＸ軸に平行なｅ−ｅ線断面図である。なお、この本発明の実施の形態２においては、上記した本発明の実施の形態１の構成と同様の構成を有するものについては、同一符号を付しており、その説明は省略する。
【００３２】
図３（ａ）において、本発明の実施の形態２が上記した本発明の実施の形態１と相違する点は、歪抵抗素子と電気的に接続された電極パッド３５を支持枠部２４の上面で、薄肉部２７，２７′，２８，２８′，２９，２９′，３０，３０′および第２、第３、第４、第５の錘部３１〜３４以外の箇所に設けた点である。
【００３３】
本発明の実施の形態２における３軸加速度センサにおいては、本発明の実施の形態１における３軸加速度センサと同様に他軸感度を発生させることがなく、かつ、加速度感度を向上させることができるとともに、さらに梁状可撓部２５，２５′，２６，２６′および歪抵抗素子Ｒｘ２１〜Ｒｘ２４，Ｒｙ２１〜Ｒｙ２４，Ｒｚ２１〜Ｒｚ２４に応力を伝達させないようにでき、これにより、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸からなる３軸方向の加速度を正確に検出できるものである。
【００３４】
以下に、この点について説明する。
【００３５】
図３（ａ）に示す本発明の実施の形態２において、Ｘ軸方向の加速度が印加されると、本発明の実施の形態１における３軸加速度センサの検出素子の場合と同様にして、支持枠部２４に設けられた第３、第４の薄肉部２９，２９′，３０，３０′が第１、第２の梁状可撓部２５，２５′と同方向に変位し、第１の錘部２３における上面と、第４、第５の錘部３３，３４における上面とが同一平面となるため、第３、第４の梁状可撓部２６′内で捻れが発生することがない。これにより、歪抵抗素子Ｒｚ２１，Ｒｚ２４およびＲｙ２１，Ｒｙ２４には引張または圧縮歪が作用せず抵抗値は変化しない。これにより、歪抵抗素子Ｒｚ２１，Ｒｚ２２，Ｒｚ２３，Ｒｚ２４およびＲｙ２１，Ｒｙ２２，Ｒｙ２３，Ｒｙ２４で構成されるブリッジ回路は平衡状態を維持するため、他軸感度が発生することがない。
【００３６】
また、本発明の実施の形態２において、Ｙ軸正方向の加速度が印加された時も、本発明の実施の形態１における３軸加速度センサの検出素子の場合と同様にして、錘部２３がＹ軸の正方向へ回動しても、支持枠部２４には第１、第２の薄肉部２７，２７′，２８，２８′が設けられているため、第１、第２の梁状可撓部２５，２５′には捻れが発生することがなく、前記第１、第２の梁状可撓部２５，２５′上に形成した歪抵抗素子Ｒｘ２１，Ｒｘ２４には歪が作用しないため抵抗値は変化しない。これにより、歪抵抗素子Ｒｘ２１，Ｒｘ２２，Ｒｘ２３，Ｒｘ２４で構成されるブリッジ回路は平衡状態を維持し、他軸感度が発生することがない。
【００３７】
次に、Ｘ軸方向の加速度が印加され、第１の錘部２３がＸ軸方向に回動する際には、支持枠部２４に形成された第４、第５の錘部３３、３４が、第１の錘部２３と同方向に変位し、また、Ｙ軸正方向の加速度が印加され、第１の錘部２３がＹ軸正方向に回動する際には、支持枠部２４に形成された第２、第３の錘部３１，３２が、第１の錘部２３と同方向に変位するため、Ｘ、Ｙ各軸に印加される単位加速度あたりに変位する錘部の質量が、第１の錘部２３のみの場合と比較して増加する。それにより、加速度検出素子のＸ、Ｙ各軸方向の加速度感度を向上させることができる。
【００３８】
次に、本発明の実施の形態２における３軸加速度センサの検出素子は、検出素子上の電極パッドと外部電極間を金属ワイヤーを用いたワイヤーボンディング、もしくは、電極パッドと外部電極とをＡｕ−Ａｕ接合などによる金属接合やはんだなどによる共晶接合等の接合を用いて電気的に接続される。これにより、特に、接合を用いて接続を行う際には、熱膨張などによる他材料の変形や外乱応力の影響などによって発生した応力が、梁状可撓部２５，２５′，２６，２６′および歪抵抗素子Ｒｘ２１〜Ｒｘ２４，Ｒｙ２１〜Ｒｙ２４，Ｒｚ２１〜Ｒｚ２４に伝達しやすくなる。
【００３９】
図３（ａ）に示すように、本発明の実施の形態２における３軸加速度センサの検出素子においては、前記電気的接続に用いる電極パッド３５を薄肉部２７，２７′，２８，２８′，２９，２９′，３０，３０′および第２、第３、第４、第５の錘部３１〜３４以外の支持枠部の上面に設けることにより、電極パッド間の略中央部にはいずれかの薄肉部が設けられるようになる。それにより、図３（ｂ）に示すように、接合時および接合後の外乱・雰囲気変化によって発生する応力が、薄肉部が変位することで緩和され、それにより、梁状可撓部および歪抵抗素子に応力が伝達することを防ぐことができ、他軸感度が発生することがない。また、図３（ａ）に示す構成においては、電極パッドと外部電極との接合のみでなく、加速度検出素子を他の基板等に接着剤等を介して実装を行う際にもその効果を奏する。
【００４０】
このように、本発明の実施の形態２における３軸加速度センサの検出素子においては、Ｘ軸方向またはＹ軸方向のいずれか１つの軸方向の加速度が印加された時、加速度が印加された軸方向に、支持枠部に設けられた薄肉部が変位することで、この加速度が印加された軸に直交する他の梁状可撓部には捻れが発生せず、前記梁状可撓部と錘部との連結端部に形成した歪抵抗素子に引張歪または圧縮歪が作用しないようにでき、これにより、他軸感度を発生させることなく、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸からなる３軸方向の加速度を正確に検出でき、かつ、支持枠部に形成された第２、第３、第４、第５の錘部が加速度印加方向に対して、第１の錘部と同方向に変位するため、Ｘ軸およびＹ軸方向の加速度感度を向上することができるとともに、さらに、電極パッドを薄肉部および第２、第３、第４、第５の錘部以外の支持枠部の上面に設けることにより、外部電極との電気的接続時、もしくは、他の基板等への実装・接着時に発生する応力が、薄肉部が変位することで緩和され、梁状可撓部および歪抵抗素子に応力が伝達することを防ぐことができ、これにより、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸からなる３軸方向の加速度を正確に検出できるものである。
【００４１】
（実施の形態３）
以下、実施の形態３を用いて、本発明の特に請求項３に記載の発明についてさらに説明する。図４（ａ）−（ｃ）は本発明の実施の形態３における３軸加速度センサの検出素子の上面図である。なお、この本発明の実施の形態３においては、上記した本発明の実施の形態１の構成と同様の構成を有するものについては、同一符号を付しており、その説明は省略する。
【００４２】
図４（ａ）において、本発明の実施の形態３が上記した本発明の実施の形態１と相違する点は、支持枠部２４に設けられた薄肉部２７，２７′，２８，２８′，２９，２９′，３０，３０′に切り欠き部３６を設けた点である。
【００４３】
本発明の実施の形態３における３軸加速度センサにおいては、本発明の実施の形態１、２における３軸加速度センサと同様に他軸感度を発生させることがなく、かつ、加速度感度を向上させることができるとともに、さらに加速度感度の向上ができるものである。
【００４４】
以下に、この点について説明する。
【００４５】
図４（ａ）に示す本発明の実施の形態３において、Ｘ軸正方向の加速度が印加された時、本発明の実施の形態１、２における３軸加速度センサの検出素子の場合と同様にして、支持枠部２４に設けられた第３、第４の薄肉部２９，２９′，３０，３０′が第１、第２の梁状可撓部２５，２５′と同方向に変位し、第１の錘部２３における上面と、第４、第５の錘部３３，３４における上面とが同一平面となるため、第３、第４の梁状可撓部２６，２６′内で捻れが発生することがない。これにより、歪抵抗素子Ｒｚ２１，Ｒｚ２４およびＲｙ２１，Ｒｙ２４には引張または圧縮歪が作用せず抵抗値は変化しない。これにより、歪抵抗素子Ｒｚ２１，Ｒｚ２２，Ｒｚ２３，Ｒｚ２４およびＲｙ２１，Ｒｙ２２，Ｒｙ２３，Ｒｙ２４で構成されるブリッジ回路は平衡状態を維持するため、他軸感度が発生することがない。
【００４６】
また、本発明の実施の形態３において、Ｙ軸正方向の加速度が印加された時も、本発明の実施の形態１，２における３軸加速度センサの検出素子の場合と同様にして、錘部２３がＹ軸の正方向へ回動しても、支持枠部２４には第１、第２の薄肉部２７，２７′，２８，２８′が設けられているため、第１、第２の梁状可撓部２５，２５′には捻れが発生することがなく、前記第１、第２の梁状可撓部２５，２５′上に形成した歪抵抗素子Ｒｘ２１，Ｒｘ２４には歪が作用しないため抵抗値は変化しない。これにより、歪抵抗素子Ｒｘ２１，Ｒｘ２２，Ｒｘ２３，Ｒｘ２４で構成されるブリッジ回路は平衡状態を維持し、他軸感度が発生することがない。
【００４７】
次に、Ｘ軸正方向の加速度が印加され、第１の錘部２３がＸ軸正方向に回動する際には、支持枠部２４に形成された第４、第５の錘部３３、３４が、第１の錘部２３と同方向に変位し、また、Ｙ軸正方向の加速度が印加され、第１の錘部２３がＹ軸正方向に回動する際には、支持枠部２４に形成された第２、第３の錘部３１，３２が、第１の錘部２３と同方向に変位するため、Ｘ、Ｙ各軸に印加される単位加速度あたりに変位する錘部の質量が、第１の錘部２３のみの場合と比較して増加する。それにより、加速度検出素子のＸ、Ｙ各軸方向の加速度感度を向上させることができる。
【００４８】
さらに、図４（ａ）に示す本発明の実施の形態３においては、前記各薄肉部に切り欠き部３６を設け、前記各薄肉部の剛性を下げる構造となっているため、Ｘ、Ｙ各軸方向の加速度が印加された時、第２、第３、第４、第５の錘部３１〜３４の変位量を増大させることができ、これにより、加速度検出素子のＸ、Ｙ各軸方向の加速度感度をさらに向上させることができる。
【００４９】
図４（ｂ）、（ｃ）に示すように、前記切り欠き部の形状は一対の薄肉部内で同形状であれば、円形に限らず多角形のものでも構わない。また、前記各薄肉部に設ける前記切り欠き部の個数は複数でも良く、その配列方向はＸ軸方向、Ｙ軸方向どちらでも構わない。
【００５０】
このように、本発明の実施の形態３における３軸加速度センサにおいては、本発明の実施の形態１，２における３軸加速度センサと同様に他軸感度を発生させることがないとともに、薄肉部に切り欠き部を設けることにより、支持枠部に形成された第２、第３、第４、第５の錘部の変位量を増大させることができ、Ｘ軸およびＹ軸方向の加速度感度をさらに向上することができ、これにより、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸からなる３軸方向の加速度を正確に検出できるものである。
【産業上の利用可能性】
【００５１】
本発明に係る３軸加速度センサは、ＸＹ平面に平行に置かれた基板と、前記基板の略中央部に設けられ加速度を受けて変位する第１の錘部と、前記第１の錘部を取り囲むように配置した支持枠部と、前記第１の錘部と支持枠部とを連結しＸ軸に平行な一対の梁状可撓部と、前記第１の錘部と支持枠部とを連結しＹ軸に平行な一対の梁状可撓部と、前記梁状可撓部上でかつ前記梁状可撓部と前記第１の錘部との連結端部に形成した歪抵抗素子とを備え、前記支持枠部内に、前記Ｘ軸に平行な一対の梁状可撓部の中心軸に関して略対称で、Ｘ軸に平行な一対の薄肉部を設けることにより、加速度を受けて変位する第２、第３の錘部を形成するとともに、前記支持枠部内に、前記Ｙ軸に平行な一対の梁状可撓部の中心軸に関して対称で、Ｙ軸に平行な一対の薄肉部を設けることにより、加速度を受けて変位する第４、第５の錘部を形成したもので、Ｘ軸方向またはＹ軸方向のいずれか１つの軸方向の加速度が印加された時、この加速度が印加された軸に直交する他の梁状可撓部と、第２、第３または第４、第５の錘部が同方向に捻れるため、前記梁状可撓部と錘部との連結端部に形成した歪抵抗素子に引張歪または圧縮歪が作用しないようにでき、これにより、他軸感度を発生させることなく、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸からなる３軸方向の加速度を正確に検出でき、かつ第１の錘部と、第２、第３または第４、第５の錘部が同方向に変位するため、加速度感度を向上させることができるという効果を有するものであり、ために、特に、自動車や航空機等の輸送機器や携帯端末等に用いてこれらの機器に働く互いに直交するＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸方向の加速度を検出する３軸加速度センサとして有用なものである。
【符号の説明】
【００５２】
２１ 基板
２３ 第１の錘部
２４ 支持枠部
２５，２５′，２６，２６′ 梁状可撓部
Ｒｘ２１〜Ｒｘ２４，Ｒｙ２１〜Ｒｙ２４，Ｒｚ２１〜Ｒｚ２４ 歪抵抗素子
２７，２７′，２８，２８′，２９，２９′，３０，３０′ 薄肉部
３１〜３４ 第２，第３，第４，第５の錘部
３５ 電極パッド
３６ 切り欠き部
【技術分野】
【０００１】
本発明は自動車や航空機等の輸送機器や携帯端末等に搭載され、互いに直交するＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸からなる３軸方向の加速度を検出する３軸加速度センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
図５（ａ）は従来の加速度センサの検出素子の上面図、図５（ｂ）は図５（ａ）の検出素子のＸ軸に平行なＡ−Ａ線での断面図を示す（特許文献１参照）。
【０００３】
図５（ａ）（ｂ）において、１はＸＹ平面に平行に配置されたシリコン等からなる基板であり、該基板１の底面側をエッチング処理するとともに貫通孔２を形成することにより、厚肉部からなる錘部３とそれを囲むように配された支持枠部４と、薄肉で該錘部３および支持枠部４とを接続するＸ軸に平行な第１、第２の梁状可撓部５，５′と、薄肉で該錘部３および支持枠部４とを接続するＹ軸に平行な第３、第４の梁状可撓部６，６′と、が形成されている。前記第１の梁状可撓部５と支持枠部４との連結端部には歪抵抗素子Ｒｘ１を、前記第１の梁状可撓部５と錘部３との連結端部には歪抵抗素子Ｒｘ２を形成している。また、前記第２の梁状可撓部５′と錘部との連結端部には歪抵抗素子Ｒｘ３を、前記第２の梁状可撓部５′と支持枠部４との連結端部には歪抵抗素子Ｒｘ４を形成している。そして、前記歪抵抗素子Ｒｘ１，Ｒｘ２，Ｒｘ３，Ｒｘ４を前記第１、第２の梁状可撓部５，５′の中心線上に配置している。同様にして、前記第３の梁状可撓部６と支持枠部４との連結端部には歪抵抗素子Ｒｙ１，Ｒｚ１を、前記第３の梁状可撓部６と錘部３との連結端部には歪抵抗素子Ｒｙ２，Ｒｚ２を形成している。また、前記第３の梁状可撓部６′と錘部３との連結端部には歪抵抗素子Ｒｙ３，Ｒｚ３を、前記第３の梁状可撓部６′と支持枠部４との連結端部には歪抵抗素子Ｒｙ４，Ｒｚ４を形成している。そして、前記歪抵抗素子Ｒｙ１，Ｒｙ２，Ｒｙ３，Ｒｙ４と前記歪抵抗素子Ｒｚ１，Ｒｚ２，Ｒｚ３，Ｒｚ４とを前記第３、第４の梁状可撓部６，６′の中心線の両側にそれぞれ１列に配置している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００４−１８４３７３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上記従来の加速度センサの検出素子においては、１つの軸方向のみに加速度が印加され錘部３にその軸方向の慣性力が働いた場合において、この軸方向の加速度の他に、他の軸方向の加速度も出力される、いわゆる他軸感度のために、加速度の検出精度が低下するという問題点があった。
【０００６】
以下に、この問題点について説明する。
【０００７】
図６（ａ）は前記第１、第２の梁状可撓部５，５′に形成した歪抵抗素子Ｒｘ１，Ｒｘ２，Ｒｘ３，Ｒｘ４により構成されるブリッジ回路である。図６（ａ）において、歪抵抗素子Ｒｘ１と歪抵抗素子Ｒｘ２との間に電源電圧（Ｖｄｄ）が接続され、歪抵抗素子Ｒｘ３と歪抵抗素子Ｒｘ４との間にアース（Ｖｓｓ）が接続されて、歪抵抗素子Ｒｘ１と歪抵抗素子Ｒｘ４との中点電位（Ｖ１）と、歪抵抗素子Ｒｘ２と歪抵抗素子Ｒｘ３との中点電位（Ｖ２）との差が測定される。Ｘ軸方向の加速度が印加されていない場合には、歪抵抗素子Ｒｘ１，Ｒｘ２，Ｒｘ３，Ｒｘ４は平衡する（Ｒｘ１・Ｒｘ３＝Ｒｘ２・Ｒｘ４）ように構成されており、歪抵抗素子Ｒｘ１と歪抵抗素子Ｒｘ４との中点電位（Ｖ１）と、歪抵抗素子Ｒｘ２と歪抵抗素子Ｒｘ３との中点電位（Ｖ２）との差は零となっている。また、図６（ｂ）は前記第３、第４の梁状可撓部６，６′に形成した歪抵抗素子Ｒｙ１，Ｒｙ２，Ｒｙ３，Ｒｙ４により構成されるブリッジ回路である。図６（ｂ）において、歪抵抗素子Ｒｙ１と歪抵抗素子Ｒｙ２との間に電源電圧（Ｖｄｄ）が接続され、歪抵抗素子Ｒｙ３と歪抵抗素子Ｒｙ４との間にアース（Ｖｓｓ）が接続されて、歪抵抗素子Ｒｙ１と歪抵抗素子Ｒｙ４との中点電位（Ｖ１）と、歪抵抗素子Ｒｙ２と歪抵抗素子Ｒｙ３との中点電位（Ｖ２）との差が測定される。Ｙ軸方向の加速度が印加されていない場合には、歪抵抗素子Ｒｙ１，Ｒｙ２，Ｒｙ３，Ｒｙ４は平衡する（Ｒｙ１・Ｒｙ３＝Ｒｙ２・Ｒｙ４）ように構成されており、歪抵抗素子Ｒｙ１と歪抵抗素子Ｒｙ４との中点電位（Ｖ１）と、歪抵抗素子Ｒｙ２と歪抵抗素子Ｒｙ３との中点電位（Ｖ２）との差は零となっている。さらにまた、図６（ｃ）は前記第３、第４の梁状可撓部６，６′に形成した歪抵抗素子Ｒｚ１，Ｒｚ２，Ｒｚ３，Ｒｚ４により構成されるブリッジ回路である。図６（ｃ）においては、歪抵抗素子Ｒｚ１と歪抵抗素子Ｒｚ２との間に電源電圧（Ｖｄｄ）が接続され、歪抵抗素子Ｒｚ３と歪抵抗素子Ｒｚ４との間にアース（Ｖｓｓ）が接続されているが、歪抵抗素子Ｒｚ１と歪抵抗素子Ｒｚ３との中点電位（Ｖ１）と、歪抵抗素子Ｒｚ２と歪抵抗素子Ｒｚ４との中点電位（Ｖ２）との差が測定される点で図６（ａ）（ｂ）と異なっている。Ｚ軸方向の加速度が印加されていない場合には、歪抵抗素子Ｒｚ１，Ｒｚ２，Ｒｚ３，Ｒｚ４は平衡する（Ｒｚ１・Ｒｚ４＝Ｒｚ２・Ｒｚ３）ように構成されており、歪抵抗素子Ｒｚ１と歪抵抗素子Ｒｚ３との中点電位（Ｖ１）と、歪抵抗素子Ｒｚ２と歪抵抗素子Ｒｚ４との中点電位（Ｖ２）との差は零となっている。
【０００８】
図７（ａ）は従来の加速度センサの検出素子にＸ軸方向の加速度が印加された時の上面図、図７（ｂ）は図７（ａ）のＸ軸に平行なＡ−Ａ線での断面図である。図７（ｂ）において、錘部３はＸ軸方向に向く慣性力Ｆｘにより回動し、歪抵抗素子Ｒｘ１，Ｒｘ３には引張歪が作用して抵抗値が上昇し、歪抵抗素子Ｒｘ２，Ｒｘ４には圧縮歪が作用して抵抗値が低下する。これにより、図６（ａ）のブリッジ回路の平衡が破れ、歪抵抗素子Ｒｘ１と歪抵抗素子Ｒｘ４との中点電位（Ｖ１）と、歪抵抗素子Ｒｘ２と歪抵抗素子Ｒｘ３との中点電位（Ｖ２）との電圧差が検出される。
【０００９】
図７（ｃ）は図７（ａ）の第４の梁状可撓部６′と錘部３との連結部近傍におけるＸ軸に平行なＢ−Ｂ線断面図、図７（ｄ）は第４の梁状可撓部６′と支持枠部４との中央部近傍におけるＸ軸に平行なＣ−Ｃ線断面図、図７（ｅ）は第４の梁状可撓部６′と支持枠部４との連結部近傍におけるＸ軸に平行なＤ−Ｄ線断面図である。
【００１０】
Ｘ軸の正方向への錘部３の回動に伴い、図７（ｃ）（ｄ）（ｅ）に示すように、前記第４の梁状可撓部６′の断面は支持枠部４との連結部から錘部３との連結部までＺ軸周りに連続的に回転する、すなわち前記第４の梁状可撓部６′が捻られるためＲｚ３には引張歪が作用して抵抗値が上昇する。同様に、前記第３の梁状可撓部６も捻られるためＲｚ２には引張歪が作用して抵抗値が上昇する。これにより、図６（ｃ）のブリッジ回路の平衡が破れ、歪抵抗素子Ｒｚ１と歪抵抗素子Ｒｚ３との中点電位（Ｖ１）と、歪抵抗素子Ｒｚ２と歪抵抗素子Ｒｚ４との中点電位（Ｖ２）との電圧差が発生するため、あたかもＺ軸方向に加速度が印加されたかのような偽信号、すなわち他軸感度が発生することになる。なお、歪抵抗素子Ｒｚ１，Ｒｚ４は各々前記第３の梁状可撓部６と支持枠部４との連結端部、前記第３の梁状可撓部６′と支持枠部４との連結端部に形成されているため、前記第３、第４の梁状可撓部６，６′の捻れによる歪は実質的に作用せず、歪抵抗素子Ｒｚ１，Ｒｚ４の抵抗値は変化することはない。
【００１１】
また、図７（ｃ）に示すように、Ｘ軸の正方向への錘部３の回動に伴い、前記第３、第４の梁状可撓部６，６′が捻られるため、歪抵抗素子Ｒｙ２，Ｒｙ３には圧縮歪が作用して抵抗値が低下する。この時、図６（ｂ）のブリッジ回路は原理的には平衡状態を維持する。すなわち、歪抵抗素子Ｒｙ２，Ｒｙ３の抵抗値がともに△％だけ低下するとすれば、
Ｒｙ１・Ｒｙ３（１−△）−Ｒｙ４・Ｒｙ２（１−△）
＝（Ｒｙ１・Ｒｙ３−Ｒｙ２・Ｒｙ４）・（１−△）＝０
となるため、図６（ｂ）のブリッジ回路は平衡状態を維持し、歪抵抗素子Ｒｙ１と歪抵抗素子Ｒｙ４との中点電位（Ｖ１）と、歪抵抗素子Ｒｙ２と歪抵抗素子Ｒｙ３との中点電位（Ｖ２）とは同一電位となる。これにより、Ｘ軸方向の加速度によりＹ軸方向の他軸感度が発生することはない。しかしながら、歪抵抗素子Ｒｙ１，Ｒｙ２，Ｒｙ３，Ｒｙ４の形成位置のバラツキやエッチング加工後に梁状可撓部に作用する残留歪等により、歪抵抗素子Ｒｙ２，Ｒｙ３の抵抗値の変化率△が異なる場合がある。この場合には、図６（ｂ）のブリッジ回路は平衡が破れ、歪抵抗素子Ｒｙ１と歪抵抗素子Ｒｙ４との中点電位（Ｖ１）と、歪抵抗素子Ｒｙ２と歪抵抗素子Ｒｙ３との中点電位（Ｖ２）との電圧差が発生するため、あたかもＹ軸方向に加速度が印加されたかのような偽信号、すなわち他軸感度が発生することになる。
【００１２】
次に、従来の加速度センサの検出素子にＹ軸方向の加速度が印加された時には、錘部３はＹ軸方向に向く慣性力Ｆｙにより回動し、歪抵抗素子Ｒｙ２，Ｒｙ４には引張歪が作用して抵抗値が上昇し、歪抵抗素子Ｒｙ１，Ｒｙ３には圧縮歪が作用して抵抗値が低下する。これにより、図６（ｂ）のブリッジ回路の平衡が破れ、歪抵抗素子Ｒｙ１と歪抵抗素子Ｒｙ４との中点電位（Ｖ１）と、歪抵抗素子Ｒｙ２と歪抵抗素子Ｒｙ３との中点電位（Ｖ２）との電圧差がＹ軸方向の加速度として検出される。
【００１３】
また、Ｙ軸方向への錘部３の回動に伴い、前記第１、第２の梁状可撓部５，５′が捻られる。この時、歪抵抗素子Ｒｘ１，Ｒｘ２，Ｒｘ３，Ｒｘ４の形成位置が前記第１、第２の梁状可撓部５，５′の中心線上からずれていたり、エッチング加工後に梁状可撓部に残留歪が存在したりする場合には、図６（ａ）のブリッジ回路の平衡が破れ、歪抵抗素子Ｒｘ１と歪抵抗素子Ｒｘ４との中点電位（Ｖ１）と、歪抵抗素子Ｒｘ２と歪抵抗素子Ｒｘ３との中点電位（Ｖ２）との電圧差が発生するため、あたかもＸ軸方向に加速度が印加されたかのような偽信号、すなわち他軸感度が発生することになる。
【００１４】
本発明は上記従来の課題を解決するもので、歪抵抗素子の形成位置のバラツキやエッチング加工後に梁状可撓部に残留歪があったしても、他軸感度が発生せず、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸からなる３軸方向の加速度を正確に検出できる３軸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】
【００１５】
上記目的を達成するために、本発明は以下の構成を有する。
【００１６】
請求項１に記載の発明は、ＸＹ平面に平行に置かれた基板と、前記基板の略中央部に設けられ加速度を受けて変位する第１の錘部と、前記第１の錘部を取り囲むように配置した支持枠部と、前記第１の錘部と支持枠部とを連結しＸ軸に平行な一対の梁状可撓部と、前記第１の錘部と支持枠部とを連結しＹ軸に平行な一対の梁状可撓部と、前記梁状可撓部上でかつ前記梁状可撓部と前記第１の錘部との連結端部に形成した歪抵抗素子とを備え、前記支持枠部内に、前記Ｘ軸に平行な一対の梁状可撓部の中心軸に関して略対称で、Ｘ軸に平行な一対の薄肉部を設けることにより、加速度を受けて変位する第２、第３の錘部を形成するとともに、前記支持枠部内に、前記Ｙ軸に平行な一対の梁状可撓部の中心軸に関して対称で、Ｙ軸に平行な一対の薄肉部を設けることにより、加速度を受けて変位する第４、第５の錘部を形成したもので、この構成によれば、Ｘ軸方向またはＹ軸方向のいずれか１つの軸方向の加速度が印加された時、この加速度が印加された軸に直交する梁状可撓部と、第２、第３または第４、第５の錘部が同方向に変位するため、前記梁状可撓部と錘部との連結端部に形成した歪抵抗素子に引張歪または圧縮歪が作用しないようにでき、これにより、他軸感度を発生させることなく、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸からなる３軸方向の加速度を正確に検出でき、かつ第１の錘部と、第２、第３または第４、第５の錘部が同方向に変位するため、加速度感度を向上させることができるという作用効果を有するものである。
【００１７】
本発明の請求項２に記載の発明は、特に、前記歪抵抗素子と電気的に接続された電極パッドを前記支持枠部の上面で、前記薄肉部および前記第２、第３、第４、第５の錘部以外の位置に設けたもので、この構成によれば、前記電極パッドと外部電極を接続する際、もしくは、他の基板等への実装・接着を行う際に応力が印加された時、前記薄肉部が撓むため、前記梁状可撓部および前記第２、第３、第４、第５の錘部への応力印加を妨げることができ、これにより、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸からなる３軸方向の加速度を正確に検出できるという作用効果を有するものである。
【００１８】
本発明の請求項３に記載の発明は、特に、前記薄肉部に切り欠き部を設けたもので、この構成によれば、前記薄肉部の剛性が下がるため、Ｘ軸方向またはＹ軸方向のいずれか１つの軸方向の加速度が印加された時、前記第２、第３、第４、第５の錘部の変位量を増加させることができ、これにより、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸からなる３軸方向の加速度感度をさらに向上させることができるという作用効果を有するものである。
【発明の効果】
【００１９】
以上のように本発明の３軸加速度センサは、ＸＹ平面に平行に置かれた基板と、前記基板の略中央部に設けられ加速度を受けて変位する第１の錘部と、前記第１の錘部を取り囲むように配置した支持枠部と、前記第１の錘部と支持枠部とを連結しＸ軸に平行な一対の梁状可撓部と、前記第１の錘部と支持枠部とを連結しＹ軸に平行な一対の梁状可撓部と、前記梁状可撓部上でかつ前記梁状可撓部と前記第１の錘部との連結端部に形成した歪抵抗素子とを備え、前記支持枠部内に、前記Ｘ軸に平行な一対の梁状可撓部の中心軸に関して略対称で、Ｘ軸に平行な一対の薄肉部を設けることにより、加速度を受けて変位する第２、第３の錘部を形成するとともに、前記支持枠部内に、前記Ｙ軸に平行な一対の梁状可撓部の中心軸に関して対称で、Ｙ軸に平行な一対の薄肉部を設けることにより、加速度を受けて変位する第４、第５の錘部を形成したもので、Ｘ軸方向またはＹ軸方向のいずれか１つの軸方向の加速度が印加された時、この加速度が印加された軸に直交する梁状可撓部と、第２、第３または第４、第５の錘部が同方向に変位するため、前記梁状可撓部と錘部との連結端部に形成した歪抵抗素子に引張歪または圧縮歪が作用しないようにでき、これにより、他軸感度を発生させることなく、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸からなる３軸方向の加速度を正確に検出できるとともに、第１の錘部と、第２、第３または第４、第５の錘部が同方向に変位するため、加速度感度を向上させることができるという優れた効果を奏するものである。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】（ａ）本発明の実施の形態１における３軸加速度センサの検出素子の上面図、（ｂ）（ａ）におけるａ−ａ線断面図、（ｃ）（ａ）におけるｂ−ｂ線断面図
【図２】（ａ）本発明の実施の形態１における３軸加速度センサの検出素子にＸ軸方向の加速度が印加された時の上面図、（ｂ）（ａ）のａ−ａ線断面図、（ｃ）（ａ）のｃ−ｃ線断面図、（ｄ）（ａ）のｄ−ｄ線断面図、（ｅ）（ａ）のｂ−ｂ線断面図
【図３】（ａ）本発明の実施の形態２における３軸加速度センサの検出素子の上面図、（ｂ）（ａ）において検出素子内部方向に応力が印加された時のｅ−ｅ線断面図
【図４】（ａ）−（ｃ）本発明の実施の形態３における３軸加速度センサの検出素子の上面図
【図５】（ａ）従来の加速度センサの検出素子の上面図、（ｂ）図５（ａ）の検出素子におけるＡ−Ａ線断面図
【図６】（ａ）前記従来の加速度センサの検出素子に形成した歪抵抗素子Ｒｘ１，Ｒｘ２，Ｒｘ３，Ｒｘ４により構成されるブリッジ回路図、（ｂ）同検出素子に形成した歪抵抗素子Ｒｙ１，Ｒｙ２，Ｒｙ３，Ｒｙ４により構成されるブリッジ回路図、（ｃ）同検出素子に形成した歪抵抗素子Ｒｚ１，Ｒｚ２，Ｒｚ３，Ｒｚ４により構成されるブリッジ回路図
【図７】（ａ）従来の加速度センサの検出素子にＸ軸正方向の加速度が印加された時の上面図、（ｂ）（ａ）のＡ−Ａ線断面図、（ｃ）（ａ）のＢ−Ｂ線断面図、（ｄ）（ａ）のＣ−Ｃ線断面図、（ｅ）（ａ）のＤ−Ｄ線断面図
【発明を実施するための形態】
【００２１】
（実施の形態１）
以下、実施の形態１を用いて、本発明の特に請求項１に記載の発明について説明する。図１（ａ）は本発明の実施の形態１における３軸加速度センサの検出素子の上面図、図１（ｂ）は図１（ａ）の検出素子におけるＸ軸に平行なａ−ａ線断面図、図１（ｃ）は図１（ａ）の検出素子におけるＸ軸に平行なｂ−ｂ線断面図を示す。図１（ａ）−（ｃ）において、２１はＸＹ平面に平行に配置されたシリコン単結晶基板であり、該基板２１の底面側をエッチング処理するとともに貫通孔２２を形成することにより、厚肉部からなる錘部２３とそれを囲むように配された支持枠部２４と、薄肉で該錘部２３および支持枠部２４とを接続するＸ軸に平行な第１、第２の梁状可撓部２５，２５′と、薄肉で該錘部３および支持枠部４とを接続するＹ軸に平行な第３、第４の梁状可撓部２６，２６′とが形成されている。前記第１の梁状可撓部２５と支持枠部２４との連結端部には歪抵抗素子Ｒｘ２１を、前記第１の梁状可撓部２５と錘部２３との連結端部には歪抵抗素子Ｒｘ２２を形成している。また、前記第２の梁状可撓部２５′と錘部２３との連結端部には歪抵抗素子Ｒｘ２３を、前記第２の梁状可撓部２５′と支持枠部２４との連結端部には歪抵抗素子Ｒｘ２４を形成している。そして、前記歪抵抗素子Ｒｘ２１，Ｒｘ２２，Ｒｘ２３，Ｒｘ２４を前記第１、第２の梁状可撓部２５，２５′の中心線上に配置している。同様にして、前記第３の梁状可撓部２６と支持枠部２４との連結端部には歪抵抗素子Ｒｙ２１，Ｒｚ２１を、前記第３の梁状可撓部２６と錘部２３との連結端部には歪抵抗素子Ｒｙ２２，Ｒｚ２２を形成している。また、前記第３の梁状可撓部２６′と錘部２３との連結端部には歪抵抗素子Ｒｙ２３，Ｒｚ２３を、前記第３の梁状可撓部２６′と支持枠部２４との連結端部には歪抵抗素子Ｒｙ２４，Ｒｚ２４を形成している。そして、前記歪抵抗素子Ｒｙ２１，Ｒｙ２２，Ｒｙ２３，Ｒｙ２４と前記歪抵抗素子Ｒｚ２１，Ｒｚ２２，Ｒｚ２３，Ｒｚ２４とを前記第３、第４の梁状可撓部２６，２６′の中心線の両側にそれぞれ１列に配置している。前記歪抵抗素子としてはシリコン単結晶基板の所定の位置にホウ素等の不純物をイオン注入して形成した半導体ピエゾ抵抗または酸化亜鉛、酸化クロム、酸化ルテニウムなどを蒸着して構成した酸化物抵抗を用いることができる。また、前記各歪抵抗素子は金属配線（図示せず）により図６に示したものと同様のブリッジ回路を構成している。２７，２７′，２８，２８′は前記支持枠部２４内に、前記Ｘ軸に平行な一対の梁状可撓部２５，２５′の中心軸に関して略対称で、Ｘ軸に平行に設けられた一対の薄肉部であり、３１，３２は前記薄肉部２７，２７′，２８，２８′を設けることによって形成された、加速度を受けて変位する第２、第３の錘部である。また、２９，２９′，３０，３０′は前記支持枠部２４内に、前記Ｙ軸に平行な一対の梁状可撓部２６，２６′の中心軸に関して略対称で、Ｙ軸に平行に設けられた一対の薄肉部であり、３３，３４は前記薄肉部２９，２９′，３０，３０′を設けることによって形成された、加速度を受けて変位する第４、第５の錘部である。
【００２２】
図２（ａ）は本発明の実施の形態１における３軸加速度センサの検出素子にＸ軸方向の加速度が印加された時の上面図、図２（ｂ）は図２（ａ）のＸ軸に平行なａ−ａ線での断面図である。図２（ｂ）において、錘部２３はＸ軸の正方向に向く慣性力Ｆｘにより回動し、歪抵抗素子Ｒｘ２１，Ｒｘ２３には引張歪が作用して抵抗値が上昇し、歪抵抗素子Ｒｘ２２，Ｒｘ２４には圧縮歪が作用して抵抗値が低下する。これにより、歪抵抗素子Ｒｘ２１，Ｒｘ２２，Ｒｘ２３，Ｒｘ２４で構成されるブリッジ回路の平衡が破れ、歪抵抗素子Ｒｘ２１と歪抵抗素子Ｒｘ２４との中点電位と、歪抵抗素子Ｒｘ２２と歪抵抗素子Ｒｘ２３との中点電位との電圧差がＸ軸方向の加速度として検出される。
【００２３】
図２（ｃ）は図２（ａ）の第４の梁状可撓部２６′と錘部２３との連結部近傍におけるＸ軸に平行なｃ−ｃ線断面図、図２（ｄ）は図２（ａ）の第４の梁状可撓部２６′と支持枠部２４との連結部近傍におけるＸ軸に平行なｄ−ｄ線断面図、図２（ｅ）は図２（ａ）の支持枠部２４上で、かつ、第４の薄肉部３０，３０′および第５の錘部３４におけるＸ軸に平行なｂ−ｂ線断面図である。
【００２４】
図２（ｃ）に示すように錘部２３のＸ軸の正方向への回動に伴い第４の梁状可撓部２６′は錘部２３との連結部においてＹ軸の周りに回転する。ここで、従来の加速度センサの検出素子においては、第４の梁状可撓部２６′は支持枠部２４との連結部近傍においてＹ軸の周りに回転することができない。これにより、第４の梁状可撓部２６′は錘部２３との接続部と、支持枠部２４との接続部との間で捻れることになる。しかしながら、本発明の実施の形態１における３軸加速度センサの検出素子においては、支持枠部２４に第４の薄肉部３０，３０′を設けているため、この第４の薄肉部３０，３０′が第１、第２の梁状可撓部２５，２５′と同方向に変位し、第１の錘部２３における上面と、第５の錘部３４における上面とが同一平面となるため、この捻れは第４の梁状可撓部２６′内で発生することがない。これにより、歪抵抗素子Ｒｚ２４には引張または圧縮歪が作用せず抵抗値は変化することはない。同様に、前記第３の梁状可撓部２６上の歪抵抗素子Ｒｚ２１にも引張または圧縮歪が作用せず抵抗値は変化することはない。これにより、歪抵抗素子Ｒｚ２１，Ｒｚ２２，Ｒｚ２３，Ｒｚ２４で構成されるブリッジ回路は平衡状態を維持するため、他軸感度が発生することがない。
【００２５】
また、図２（ｃ）−（ｅ）に示すように、錘部２３がＸ軸の正方向へ回動しても、前記第３、第４の梁状可撓部２６，２６′上に形成した歪抵抗素子Ｒｙ２１，Ｒｙ２４には歪が作用しないため抵抗値は変化せず、これにより歪抵抗素子Ｒｙ２１，Ｒｙ２２，Ｒｙ２３，Ｒｙ２４の形成位置のバラツキやエッチング加工後に梁状可撓部に作用する残留歪等により、歪抵抗素子Ｒｙ２１，Ｒｙ２４の抵抗値の変化率△が異なったとしても歪抵抗素子Ｒｙ２１，Ｒｙ２２，Ｒｙ２３，Ｒｙ２４で構成されるブリッジ回路は平衡状態を維持し、他軸感度が発生することがない。
【００２６】
また、図２（ｅ）に示すように、Ｘ軸方向の加速度が印加されると、第１の錘部２３がＸ軸方向に回動するとともに、支持枠部２４に形成された第５の錘部３４は、第１の錘部２３と同方向に変位するため、Ｘ軸に印加される単位加速度あたりに変位する錘部の質量が、第１の錘部２３のみの場合と比較して増加する。同様に、第４の錘部３３も、第１の錘部２３と同方向に変位する。それにより、加速度検出素子のＸ軸方向の加速度感度を向上させることができる。
【００２７】
次に、本発明の実施の形態１における３軸加速度センサの検出素子にＹ軸方向の加速度が印加されると、錘部２３はＹ軸方向に向く慣性力Ｆｙにより回動し、歪抵抗素子Ｒｙ２２，Ｒｙ２４には引張歪が作用して抵抗値が上昇し、歪抵抗素子Ｒｙ２１，Ｒｙ２３には圧縮歪が作用して抵抗値が低下する。これにより、歪抵抗素子Ｒｙ２１，Ｒｙ２２，Ｒｙ２３，Ｒｙ２４で構成されるブリッジ回路の平衡が破れ、歪抵抗素子Ｒｙ２１と歪抵抗素子Ｒｙ２４との中点電位と、歪抵抗素子Ｒｙ２２と歪抵抗素子Ｒｙ２３との中点電位との電圧差がＹ軸方向の加速度として検出される。
【００２８】
錘部２３がＹ軸の正方向へ回動しても、支持枠部２４には第１、第２の薄肉部２７，２７′，２８，２８′が設けられているため、本発明の実施の形態１における３軸加速度センサの検出素子にＸ軸正方向の加速度が印加された時と同様にして、第１、第２の梁状可撓部２５，２５′には捻れが発生することがなく、前記第１、第２の梁状可撓部２５，２５′上に形成した歪抵抗素子Ｒｘ２１，Ｒｘ２４には歪が作用しないため抵抗値は変化せず、これにより歪抵抗素子Ｒｘ２１，Ｒｘ２４の形成位置のバラツキやエッチング加工後に梁状可撓部に作用する残留歪等により、歪抵抗素子Ｒｘ２１，Ｒｘ２４の抵抗値の変化率△が異なったとしても歪抵抗素子Ｒｘ２１，Ｒｘ２２，Ｒｘ２３，Ｒｘ２４で構成されるブリッジ回路は平衡状態を維持し、他軸感度が発生することがない。
【００２９】
また、Ｙ軸方向の加速度が印加されると、第１の錘部２３がＹ軸方向に回動するとともに、支持枠部２４に形成された第２、第３の錘部３１，３２は、第１の錘部２３と同方向に変位するため、Ｙ軸に印加される単位加速度あたりに変位する錘部の質量が、第１の錘部２３のみの場合と比較して増加する。それにより、加速度検出素子のＹ軸方向の加速度感度を向上させることができる。
【００３０】
このように、本発明の実施の形態１における３軸加速度センサの検出素子においては、Ｘ軸方向またはＹ軸方向のいずれか１つの軸方向の加速度が印加された時、加速度が印加された軸方向に、支持枠部に設けられた薄肉部が変位することで、この加速度が印加された軸に直交する他の梁状可撓部には捻れが発生せず、前記梁状可撓部と錘部との連結端部に形成した歪抵抗素子に引張歪または圧縮歪が作用しないようにでき、これにより、他軸感度を発生させることなく、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸からなる３軸方向の加速度を正確に検出でき、かつ、支持枠部に形成された第２、第３、第４、第５の錘部が加速度印加方向に対して、第１の錘部と同方向に変位するため、Ｘ軸およびＹ軸方向の加速度感度を向上することができ、これにより、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸からなる３軸方向の加速度を正確に検出できるものである。
【００３１】
（実施の形態２）
以下、実施の形態２を用いて、本発明の特に請求項２に記載の発明についてさらに説明する。図３（ａ）は本発明の実施の形態２における３軸加速度センサの検出素子の上面図、図３（ｂ）は図３（ａ）におけるＸ軸に平行なｅ−ｅ線断面図である。なお、この本発明の実施の形態２においては、上記した本発明の実施の形態１の構成と同様の構成を有するものについては、同一符号を付しており、その説明は省略する。
【００３２】
図３（ａ）において、本発明の実施の形態２が上記した本発明の実施の形態１と相違する点は、歪抵抗素子と電気的に接続された電極パッド３５を支持枠部２４の上面で、薄肉部２７，２７′，２８，２８′，２９，２９′，３０，３０′および第２、第３、第４、第５の錘部３１〜３４以外の箇所に設けた点である。
【００３３】
本発明の実施の形態２における３軸加速度センサにおいては、本発明の実施の形態１における３軸加速度センサと同様に他軸感度を発生させることがなく、かつ、加速度感度を向上させることができるとともに、さらに梁状可撓部２５，２５′，２６，２６′および歪抵抗素子Ｒｘ２１〜Ｒｘ２４，Ｒｙ２１〜Ｒｙ２４，Ｒｚ２１〜Ｒｚ２４に応力を伝達させないようにでき、これにより、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸からなる３軸方向の加速度を正確に検出できるものである。
【００３４】
以下に、この点について説明する。
【００３５】
図３（ａ）に示す本発明の実施の形態２において、Ｘ軸方向の加速度が印加されると、本発明の実施の形態１における３軸加速度センサの検出素子の場合と同様にして、支持枠部２４に設けられた第３、第４の薄肉部２９，２９′，３０，３０′が第１、第２の梁状可撓部２５，２５′と同方向に変位し、第１の錘部２３における上面と、第４、第５の錘部３３，３４における上面とが同一平面となるため、第３、第４の梁状可撓部２６′内で捻れが発生することがない。これにより、歪抵抗素子Ｒｚ２１，Ｒｚ２４およびＲｙ２１，Ｒｙ２４には引張または圧縮歪が作用せず抵抗値は変化しない。これにより、歪抵抗素子Ｒｚ２１，Ｒｚ２２，Ｒｚ２３，Ｒｚ２４およびＲｙ２１，Ｒｙ２２，Ｒｙ２３，Ｒｙ２４で構成されるブリッジ回路は平衡状態を維持するため、他軸感度が発生することがない。
【００３６】
また、本発明の実施の形態２において、Ｙ軸正方向の加速度が印加された時も、本発明の実施の形態１における３軸加速度センサの検出素子の場合と同様にして、錘部２３がＹ軸の正方向へ回動しても、支持枠部２４には第１、第２の薄肉部２７，２７′，２８，２８′が設けられているため、第１、第２の梁状可撓部２５，２５′には捻れが発生することがなく、前記第１、第２の梁状可撓部２５，２５′上に形成した歪抵抗素子Ｒｘ２１，Ｒｘ２４には歪が作用しないため抵抗値は変化しない。これにより、歪抵抗素子Ｒｘ２１，Ｒｘ２２，Ｒｘ２３，Ｒｘ２４で構成されるブリッジ回路は平衡状態を維持し、他軸感度が発生することがない。
【００３７】
次に、Ｘ軸方向の加速度が印加され、第１の錘部２３がＸ軸方向に回動する際には、支持枠部２４に形成された第４、第５の錘部３３、３４が、第１の錘部２３と同方向に変位し、また、Ｙ軸正方向の加速度が印加され、第１の錘部２３がＹ軸正方向に回動する際には、支持枠部２４に形成された第２、第３の錘部３１，３２が、第１の錘部２３と同方向に変位するため、Ｘ、Ｙ各軸に印加される単位加速度あたりに変位する錘部の質量が、第１の錘部２３のみの場合と比較して増加する。それにより、加速度検出素子のＸ、Ｙ各軸方向の加速度感度を向上させることができる。
【００３８】
次に、本発明の実施の形態２における３軸加速度センサの検出素子は、検出素子上の電極パッドと外部電極間を金属ワイヤーを用いたワイヤーボンディング、もしくは、電極パッドと外部電極とをＡｕ−Ａｕ接合などによる金属接合やはんだなどによる共晶接合等の接合を用いて電気的に接続される。これにより、特に、接合を用いて接続を行う際には、熱膨張などによる他材料の変形や外乱応力の影響などによって発生した応力が、梁状可撓部２５，２５′，２６，２６′および歪抵抗素子Ｒｘ２１〜Ｒｘ２４，Ｒｙ２１〜Ｒｙ２４，Ｒｚ２１〜Ｒｚ２４に伝達しやすくなる。
【００３９】
図３（ａ）に示すように、本発明の実施の形態２における３軸加速度センサの検出素子においては、前記電気的接続に用いる電極パッド３５を薄肉部２７，２７′，２８，２８′，２９，２９′，３０，３０′および第２、第３、第４、第５の錘部３１〜３４以外の支持枠部の上面に設けることにより、電極パッド間の略中央部にはいずれかの薄肉部が設けられるようになる。それにより、図３（ｂ）に示すように、接合時および接合後の外乱・雰囲気変化によって発生する応力が、薄肉部が変位することで緩和され、それにより、梁状可撓部および歪抵抗素子に応力が伝達することを防ぐことができ、他軸感度が発生することがない。また、図３（ａ）に示す構成においては、電極パッドと外部電極との接合のみでなく、加速度検出素子を他の基板等に接着剤等を介して実装を行う際にもその効果を奏する。
【００４０】
このように、本発明の実施の形態２における３軸加速度センサの検出素子においては、Ｘ軸方向またはＹ軸方向のいずれか１つの軸方向の加速度が印加された時、加速度が印加された軸方向に、支持枠部に設けられた薄肉部が変位することで、この加速度が印加された軸に直交する他の梁状可撓部には捻れが発生せず、前記梁状可撓部と錘部との連結端部に形成した歪抵抗素子に引張歪または圧縮歪が作用しないようにでき、これにより、他軸感度を発生させることなく、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸からなる３軸方向の加速度を正確に検出でき、かつ、支持枠部に形成された第２、第３、第４、第５の錘部が加速度印加方向に対して、第１の錘部と同方向に変位するため、Ｘ軸およびＹ軸方向の加速度感度を向上することができるとともに、さらに、電極パッドを薄肉部および第２、第３、第４、第５の錘部以外の支持枠部の上面に設けることにより、外部電極との電気的接続時、もしくは、他の基板等への実装・接着時に発生する応力が、薄肉部が変位することで緩和され、梁状可撓部および歪抵抗素子に応力が伝達することを防ぐことができ、これにより、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸からなる３軸方向の加速度を正確に検出できるものである。
【００４１】
（実施の形態３）
以下、実施の形態３を用いて、本発明の特に請求項３に記載の発明についてさらに説明する。図４（ａ）−（ｃ）は本発明の実施の形態３における３軸加速度センサの検出素子の上面図である。なお、この本発明の実施の形態３においては、上記した本発明の実施の形態１の構成と同様の構成を有するものについては、同一符号を付しており、その説明は省略する。
【００４２】
図４（ａ）において、本発明の実施の形態３が上記した本発明の実施の形態１と相違する点は、支持枠部２４に設けられた薄肉部２７，２７′，２８，２８′，２９，２９′，３０，３０′に切り欠き部３６を設けた点である。
【００４３】
本発明の実施の形態３における３軸加速度センサにおいては、本発明の実施の形態１、２における３軸加速度センサと同様に他軸感度を発生させることがなく、かつ、加速度感度を向上させることができるとともに、さらに加速度感度の向上ができるものである。
【００４４】
以下に、この点について説明する。
【００４５】
図４（ａ）に示す本発明の実施の形態３において、Ｘ軸正方向の加速度が印加された時、本発明の実施の形態１、２における３軸加速度センサの検出素子の場合と同様にして、支持枠部２４に設けられた第３、第４の薄肉部２９，２９′，３０，３０′が第１、第２の梁状可撓部２５，２５′と同方向に変位し、第１の錘部２３における上面と、第４、第５の錘部３３，３４における上面とが同一平面となるため、第３、第４の梁状可撓部２６，２６′内で捻れが発生することがない。これにより、歪抵抗素子Ｒｚ２１，Ｒｚ２４およびＲｙ２１，Ｒｙ２４には引張または圧縮歪が作用せず抵抗値は変化しない。これにより、歪抵抗素子Ｒｚ２１，Ｒｚ２２，Ｒｚ２３，Ｒｚ２４およびＲｙ２１，Ｒｙ２２，Ｒｙ２３，Ｒｙ２４で構成されるブリッジ回路は平衡状態を維持するため、他軸感度が発生することがない。
【００４６】
また、本発明の実施の形態３において、Ｙ軸正方向の加速度が印加された時も、本発明の実施の形態１，２における３軸加速度センサの検出素子の場合と同様にして、錘部２３がＹ軸の正方向へ回動しても、支持枠部２４には第１、第２の薄肉部２７，２７′，２８，２８′が設けられているため、第１、第２の梁状可撓部２５，２５′には捻れが発生することがなく、前記第１、第２の梁状可撓部２５，２５′上に形成した歪抵抗素子Ｒｘ２１，Ｒｘ２４には歪が作用しないため抵抗値は変化しない。これにより、歪抵抗素子Ｒｘ２１，Ｒｘ２２，Ｒｘ２３，Ｒｘ２４で構成されるブリッジ回路は平衡状態を維持し、他軸感度が発生することがない。
【００４７】
次に、Ｘ軸正方向の加速度が印加され、第１の錘部２３がＸ軸正方向に回動する際には、支持枠部２４に形成された第４、第５の錘部３３、３４が、第１の錘部２３と同方向に変位し、また、Ｙ軸正方向の加速度が印加され、第１の錘部２３がＹ軸正方向に回動する際には、支持枠部２４に形成された第２、第３の錘部３１，３２が、第１の錘部２３と同方向に変位するため、Ｘ、Ｙ各軸に印加される単位加速度あたりに変位する錘部の質量が、第１の錘部２３のみの場合と比較して増加する。それにより、加速度検出素子のＸ、Ｙ各軸方向の加速度感度を向上させることができる。
【００４８】
さらに、図４（ａ）に示す本発明の実施の形態３においては、前記各薄肉部に切り欠き部３６を設け、前記各薄肉部の剛性を下げる構造となっているため、Ｘ、Ｙ各軸方向の加速度が印加された時、第２、第３、第４、第５の錘部３１〜３４の変位量を増大させることができ、これにより、加速度検出素子のＸ、Ｙ各軸方向の加速度感度をさらに向上させることができる。
【００４９】
図４（ｂ）、（ｃ）に示すように、前記切り欠き部の形状は一対の薄肉部内で同形状であれば、円形に限らず多角形のものでも構わない。また、前記各薄肉部に設ける前記切り欠き部の個数は複数でも良く、その配列方向はＸ軸方向、Ｙ軸方向どちらでも構わない。
【００５０】
このように、本発明の実施の形態３における３軸加速度センサにおいては、本発明の実施の形態１，２における３軸加速度センサと同様に他軸感度を発生させることがないとともに、薄肉部に切り欠き部を設けることにより、支持枠部に形成された第２、第３、第４、第５の錘部の変位量を増大させることができ、Ｘ軸およびＹ軸方向の加速度感度をさらに向上することができ、これにより、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸からなる３軸方向の加速度を正確に検出できるものである。
【産業上の利用可能性】
【００５１】
本発明に係る３軸加速度センサは、ＸＹ平面に平行に置かれた基板と、前記基板の略中央部に設けられ加速度を受けて変位する第１の錘部と、前記第１の錘部を取り囲むように配置した支持枠部と、前記第１の錘部と支持枠部とを連結しＸ軸に平行な一対の梁状可撓部と、前記第１の錘部と支持枠部とを連結しＹ軸に平行な一対の梁状可撓部と、前記梁状可撓部上でかつ前記梁状可撓部と前記第１の錘部との連結端部に形成した歪抵抗素子とを備え、前記支持枠部内に、前記Ｘ軸に平行な一対の梁状可撓部の中心軸に関して略対称で、Ｘ軸に平行な一対の薄肉部を設けることにより、加速度を受けて変位する第２、第３の錘部を形成するとともに、前記支持枠部内に、前記Ｙ軸に平行な一対の梁状可撓部の中心軸に関して対称で、Ｙ軸に平行な一対の薄肉部を設けることにより、加速度を受けて変位する第４、第５の錘部を形成したもので、Ｘ軸方向またはＹ軸方向のいずれか１つの軸方向の加速度が印加された時、この加速度が印加された軸に直交する他の梁状可撓部と、第２、第３または第４、第５の錘部が同方向に捻れるため、前記梁状可撓部と錘部との連結端部に形成した歪抵抗素子に引張歪または圧縮歪が作用しないようにでき、これにより、他軸感度を発生させることなく、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸からなる３軸方向の加速度を正確に検出でき、かつ第１の錘部と、第２、第３または第４、第５の錘部が同方向に変位するため、加速度感度を向上させることができるという効果を有するものであり、ために、特に、自動車や航空機等の輸送機器や携帯端末等に用いてこれらの機器に働く互いに直交するＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸方向の加速度を検出する３軸加速度センサとして有用なものである。
【符号の説明】
【００５２】
２１ 基板
２３ 第１の錘部
２４ 支持枠部
２５，２５′，２６，２６′ 梁状可撓部
Ｒｘ２１〜Ｒｘ２４，Ｒｙ２１〜Ｒｙ２４，Ｒｚ２１〜Ｒｚ２４ 歪抵抗素子
２７，２７′，２８，２８′，２９，２９′，３０，３０′ 薄肉部
３１〜３４ 第２，第３，第４，第５の錘部
３５ 電極パッド
３６ 切り欠き部
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＸＹ平面に平行に置かれた基板と、
前記基板の略中央部に設けられ加速度を受けて変位する第１の錘部と、
前記第１の錘部を取り囲むように配置した支持枠部と、
前記第１の錘部と支持枠部とを連結しＸ軸に平行な一対の梁状可撓部と、
前記第１の錘部と支持枠部とを連結しＹ軸に平行な一対の梁状可撓部と、
前記梁状可撓部上でかつ前記梁状可撓部と前記第１の錘部との連結端部に形成した歪抵抗素子とを備え、
前記支持枠部内に、前記Ｘ軸に平行な一対の梁状可撓部の中心軸に関して略対称で、Ｘ軸に平行な一対の薄肉部を設けることにより、加速度を受けて変位する第２、第３の錘部を形成するとともに、
前記支持枠部内に、前記Ｙ軸に平行な一対の梁状可撓部の中心軸に関して略対称で、Ｙ軸に平行な一対の薄肉部を設けることにより、加速度を受けて変位する第４、第５の錘部を形成した３軸加速度センサ。
【請求項２】
前記歪抵抗素子と電気的に接続された電極パッドを前記支持枠部の上面で、前記薄肉部および前記第２、第３、第４、第５の錘部以外の位置に設けたことを特徴とする請求項１記載の３軸加速度センサ。
【請求項３】
前記薄肉部に切り欠き部を設けたことを特徴とする請求項１または２記載の３軸加速度センサ。
【請求項１】
ＸＹ平面に平行に置かれた基板と、
前記基板の略中央部に設けられ加速度を受けて変位する第１の錘部と、
前記第１の錘部を取り囲むように配置した支持枠部と、
前記第１の錘部と支持枠部とを連結しＸ軸に平行な一対の梁状可撓部と、
前記第１の錘部と支持枠部とを連結しＹ軸に平行な一対の梁状可撓部と、
前記梁状可撓部上でかつ前記梁状可撓部と前記第１の錘部との連結端部に形成した歪抵抗素子とを備え、
前記支持枠部内に、前記Ｘ軸に平行な一対の梁状可撓部の中心軸に関して略対称で、Ｘ軸に平行な一対の薄肉部を設けることにより、加速度を受けて変位する第２、第３の錘部を形成するとともに、
前記支持枠部内に、前記Ｙ軸に平行な一対の梁状可撓部の中心軸に関して略対称で、Ｙ軸に平行な一対の薄肉部を設けることにより、加速度を受けて変位する第４、第５の錘部を形成した３軸加速度センサ。
【請求項２】
前記歪抵抗素子と電気的に接続された電極パッドを前記支持枠部の上面で、前記薄肉部および前記第２、第３、第４、第５の錘部以外の位置に設けたことを特徴とする請求項１記載の３軸加速度センサ。
【請求項３】
前記薄肉部に切り欠き部を設けたことを特徴とする請求項１または２記載の３軸加速度センサ。
【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２０１２−２２５８１３（Ｐ２０１２−２２５８１３Ａ）
【公開日】平成２４年１１月１５日（２０１２．１１．１５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−９４６１０（Ｐ２０１１−９４６１０）
【出願日】平成２３年４月２１日（２０１１．４．２１）
【出願人】（０００００５８２１）パナソニック株式会社 (73,050)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１１月１５日（２０１２．１１．１５）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年４月２１日（２０１１．４．２１）
【出願人】（０００００５８２１）パナソニック株式会社 (73,050)
【Ｆターム（参考）】
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