JP2008107300A - Acceleration sensor - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、互いに直交するX軸方向とY軸方向とZ軸方向の三軸方向の加速度を検出することができる加速度センサに関するものである。 The present invention relates to an acceleration sensor capable of detecting accelerations in three axial directions, ie, an X-axis direction, a Y-axis direction, and a Z-axis direction, which are orthogonal to each other.
図15には加速度センサの一例が模式的な斜視図により示されている(例えば、特許文献1参照)。この加速度センサ40は、枠部41と、この枠部41の中央部に配置されている円柱状の重錘体42と、この重錘体42のX軸方向の両側からそれぞれX軸方向に沿って枠部41に向けて伸長形成されているX軸方向梁部43a,43bと、重錘体42のY軸方向の両側からそれぞれY軸方向に沿って枠部41に向けて伸長形成されているY軸方向梁部44a,44bと、重錘体42に連接されている4つの補助重錘体45a〜45dと、X軸方向梁部43a,43bに形成されている抵抗素子RX1〜RX4,RZ1〜RZ4と、Y軸方向梁部44a,44bに形成されている抵抗素子RY1〜RY4とを有して構成されている。
FIG. 15 shows an example of an acceleration sensor in a schematic perspective view (see, for example, Patent Document 1). The
図15に示される加速度センサ40の構成では、X軸方向梁部43a,43bの中心軸は、円柱状の重錘体42の中心軸を通ってX軸方向に沿って伸びる同一直線上に配置され、また、Y軸方向梁部44a,44bの中心軸は重錘体42の中心軸を通ってY軸方向に沿って伸びる同一直線上に配置されている。これらX軸方向梁部43a,43bおよびY軸方向梁部44a,44bは、それぞれ、撓み変形が可能な構成と成している。
In the configuration of the
抵抗素子RX1,RX2はX軸方向梁部43aにX軸方向に沿って配列配置され、抵抗素子RX3,RX4はX軸方向梁部43bにX軸方向に沿って配列配置されている。抵抗素子RY1,RY2はY軸方向梁部44aにY軸方向に沿って配列配置され、抵抗素子RY3,RY4はY軸方向梁部44bにY軸方向に沿って配列配置されている。抵抗素子RZ1,RZ2はX軸方向梁部43aにX軸方向に沿って配列配置され、抵抗素子RZ3,RZ4はX軸方向梁部43bにX軸方向に沿って配列配置されている。これら抵抗素子RX1〜RX4,RY1〜RY4,RZ1〜RZ4は、それぞれ、梁部43a,43b,44a,44bの撓み変形による梁部43a,43b,44a,44bの応力変化によって電気抵抗値が変化するものである。
The resistance elements R X1 and R X2 are arranged in the X-axis
4つの抵抗素子RX1〜RX4が、図16(a)に示されるようなブリッジ回路を、また、4つの抵抗素子RY1〜RY4が、図16(b)に示されるようなブリッジ回路を、さらに、4つの抵抗素子RZ1〜RZ4が、図16(c)に示されるようなブリッジ回路を、それぞれ、構成するための配線が梁部43a,43b,44a,44bや枠部41に設けられている。なお、図16(a)〜(c)に示されている符号Vccは、外部の電圧電源に接続される電圧電源入力部を示し、符号PX1,PX2,PY1,PY2,PZ1,PZ2は、それぞれ、電圧検出部を示している。
Four resistance elements R X1 to R X4 form a bridge circuit as shown in FIG. 16A, and four resistance elements R Y1 to R Y4 form a bridge circuit as shown in FIG. In addition, the four resistance elements R Z1 to R Z4 are connected to the
重錘体42および補助重錘体45a〜45dは、それぞれ、浮いた状態となっており、梁部43a,43b,44a,44bの撓み変形によって、変位が可能になっている。例えば、X軸方向の加速度に起因したX軸方向の力が重錘体42および補助重錘体45a〜45dに作用すると、その力によって重錘体42および補助重錘体45a〜45dはX軸方向に振れ変位する。また同様に、Y軸方向の加速度に起因したY軸方向の力が重錘体42および補助重錘体45a〜45dに作用すると、その力によって重錘体42および補助重錘体45a〜45dはY軸方向に振れ変位する。さらに同様に、Z軸方向の加速度に起因したZ軸方向の力が重錘体42および補助重錘体45a〜45dに作用すると、その力によって重錘体42および補助重錘体45a〜45dはZ軸方向に振れ変位する。このような重錘体42および補助重錘体45a〜45dの変位によって梁部43a,43b,44a,44bが撓み変形する。
Each of the
加速度センサ40では、上記のような梁部43a,43b,44a,44bの撓み変形による梁部43a,43b,44a,44bの応力発生によって抵抗素子RX1〜RX4,RY1〜RY4,RZ1〜RZ4の抵抗値が変化する。この抵抗素子の抵抗値の変化によって、図16(a)〜(c)の各ブリッジ回路の4つの抵抗素子の抵抗値のバランスが崩れて、X軸とY軸とZ軸との各軸方向の加速度の大きさを検出することができる。
In the
例えば、X軸方向の加速度が発生しているときには、図16(a)のブリッジ回路の電圧検出部PX1,PX2からそれぞれ出力される電圧に差が生じる。この電圧差を利用してX軸方向の加速度の大きさを検出することができる。また、Y軸方向の加速度が発生しているときには、図16(b)のブリッジ回路の電圧検出部PY1,PY2からそれぞれ出力される電圧に差が生じる。この電圧差を利用してY軸方向の加速度の大きさを検出することができる。さらに、Z軸方向の加速度が発生しているときには、図16(c)のブリッジ回路の電圧検出部PZ1,PZ2からそれぞれ出力される電圧に差が生じる。この電圧差を利用してZ軸方向の加速度の大きさを検出することができる。 For example, when acceleration in the X-axis direction is generated, a difference is generated between the voltages output from the voltage detection units P X1 and P X2 of the bridge circuit in FIG. The magnitude of acceleration in the X-axis direction can be detected using this voltage difference. Further, when acceleration in the Y-axis direction is generated, there is a difference between the voltages output from the voltage detection units P Y1 and P Y2 of the bridge circuit in FIG. The magnitude of acceleration in the Y-axis direction can be detected using this voltage difference. Furthermore, when acceleration in the Z-axis direction is generated, a difference is generated between the voltages output from the voltage detection units P Z1 and P Z2 of the bridge circuit in FIG. The magnitude of acceleration in the Z-axis direction can be detected using this voltage difference.
しかしながら、図15に示される加速度センサ40の構成では、直線状の梁部43a,43b,44a,44bが、重錘体42の四方にそれぞれ配置されて、重錘体42を枠部41に連結している。このため、熱応力によって枠部41に歪みが生じたときに、その枠部41の歪みに伴って梁部43a,43b,44a,44bに歪みが生じ当該梁部43a,43b,44a,44bには圧縮応力や引っ張り応力が発生する。
However, in the configuration of the
つまり、加速度を検出するための抵抗素子RX1〜RX4,RY1〜RY4,RZ1〜RZ4は、それぞれ、梁部43a,43b,44a,44bに設けられているために、加速度が生じていないのにも拘わらず、枠部41の熱応力による歪みに起因した梁部43a,43b,44a,44bの応力発生によって、抵抗素子RX1〜RX4,RY1〜RY4,RZ1〜RZ4の電気抵抗値が変化する。これにより、加速度が生じていないのにも拘わらず、図16(a)〜(c)のブリッジ回路から、加速度発生時の電圧が出力されてしまうことがある。
That is, since the resistance elements R X1 to R X4 , R Y1 to R Y4 , and R Z1 to R Z4 for detecting acceleration are respectively provided in the
また、加速度センサ40は、重錘体42の四方にそれぞれ伸長形成されている梁部43a,43b,44a,44bに、加速度検出用の抵抗素子RX1〜RX4,RY1〜RY4,RZ1〜RZ4を設ける構成であり、それら抵抗素子の配置位置は分散している。例えば、梁部43a,43b,44a,44bがシリコンにより構成されている場合には、各梁部43a,43b,44a,44bにおける抵抗素子配置位置に、リン(P)やボロン(B)をドープしてピエゾ抵抗である抵抗素子RX1〜RX4,RY1〜RY4,RZ1〜RZ4を形成する。
The
この場合に、抵抗素子配置位置が分散していると、各抵抗素子配置位置にリンやボロンを均等にドープすることが難しく、各抵抗素子配置位置のドープ濃度にばらつきが生じる。このため、図16(a)〜(c)に示す各ブリッジ回路の4つの抵抗素子の抵抗値のバランスを取ることが難しく、加速度検出の精度の向上を妨げるという問題が生じる。 In this case, if the resistance element arrangement positions are dispersed, it is difficult to dope phosphorus and boron uniformly to each resistance element arrangement position, and the doping concentration at each resistance element arrangement position varies. For this reason, it is difficult to balance the resistance values of the four resistance elements of each bridge circuit shown in FIGS. 16A to 16C, thereby causing a problem of preventing improvement in acceleration detection accuracy.
本発明は上記課題を解決するために成されたものであり、その目的は、熱応力の影響等を受けにくく、1つの素子でX軸方向とY軸方向とZ軸方向の三軸方向の加速度をそれぞれ高精度に検出することができる加速度センサを提供することにある。 The present invention has been made to solve the above-described problems, and the object thereof is not easily affected by thermal stress or the like, and is arranged in three axes of the X-axis direction, the Y-axis direction, and the Z-axis direction with one element. An object of the present invention is to provide an acceleration sensor capable of detecting each acceleration with high accuracy.
上記目的を達成するために、本発明は次に示す構成をもって上記課題を解決している。すなわち、この発明は、
基台と、
基台の面上に浮いた状態で配置される枠状の梁部と、
梁部から互いに直交するX軸とY軸とZ軸のうちのX軸方向に沿って梁部の両側にそれぞれ外向きに伸長形成されている支持部を介して梁部を前記基台に両持ち梁状に支持する梁部支持固定部と、
前記基台の面上に浮いた状態で梁部のY軸方向の両側からそれぞれY軸方向に沿って外向きに伸長形成されている連結部と、
各連結部の伸長先端部にそれぞれ連接された錘部と、
を有し、
前記錘部は、枠状の梁部の変形によりX軸方向とY軸方向とZ軸方向の三軸方向に変位可能な構成と成し、
前記梁部には、
錘部のX軸方向変位に起因した梁部の撓み変形に基づいてX軸方向の加速度を検出するためのX軸方向加速度検出部と、
錘部のY軸方向変位に起因した梁部の撓み変形に基づいてY軸方向の加速度を検出するためのY軸方向加速度検出部と、
錘部のZ軸方向変位に起因した梁部の撓み変形に基づいてZ軸方向の加速度を検出するためのZ軸方向加速度検出部と、
が設けられ、
さらに、枠状をした梁部には、当該梁部の中心のX軸およびY軸のそれぞれに対して互いに対称となる位置に、感度向上用のスリットが形成されていることを特徴としている。
In order to achieve the above object, the present invention solves the above problems with the following configuration. That is, this invention
The base,
A frame-shaped beam portion arranged in a floating state on the surface of the base;
The beam portion is attached to the base via support portions that are formed to extend outward on both sides of the beam portion along the X-axis direction of the X-axis, the Y-axis, and the Z-axis that are orthogonal to each other from the beam portion. A beam support and fixing portion that supports the beam,
A connecting portion that is formed to extend outward along the Y-axis direction from both sides in the Y-axis direction of the beam portion in a state of floating on the surface of the base;
A weight portion connected to the extending tip of each connecting portion;
Have
The weight portion is configured to be displaceable in three axial directions of the X-axis direction, the Y-axis direction, and the Z-axis direction by deformation of the frame-shaped beam portion,
In the beam part,
An X-axis direction acceleration detection unit for detecting an acceleration in the X-axis direction based on the bending deformation of the beam portion caused by the displacement of the weight portion in the X-axis direction;
A Y-axis direction acceleration detection unit for detecting an acceleration in the Y-axis direction based on a bending deformation of the beam part due to a displacement in the Y-axis direction of the weight part;
A Z-axis direction acceleration detection unit for detecting an acceleration in the Z-axis direction based on the bending deformation of the beam portion caused by the Z-axis direction displacement of the weight part;
Is provided,
Further, the frame-shaped beam portion is characterized in that a slit for improving sensitivity is formed at positions symmetrical to each other with respect to the X axis and the Y axis at the center of the beam portion.
この発明によれば、枠状の梁部は、X軸方向に沿って梁部の両側にそれぞれ外向きに伸長形成されている支持部を介して両持ち梁状に基台に支持されている構成とした。このため、例えば、熱応力によって基台に歪みが生じたときに、Y軸方向(例えば長手方向)の歪みは支持部の撓み変形により吸収される。また、X軸方向(例えば短手方向)の歪みは歪みによる絶対変位が小さい上に、支持部および連結部に連接されている梁部領域から離れた梁部領域がX軸方向の歪みに応じて変形して歪みが吸収される。このために、梁部における支持部との連接部位およびその隣接領域と、梁部における連結部との連接部位およびその隣接領域とに歪みが生じることを防止できる。 According to this invention, the frame-shaped beam portion is supported by the base in the form of a cantilever beam via the support portions that are formed to extend outward on both sides of the beam portion along the X-axis direction. The configuration. For this reason, for example, when the base is distorted by thermal stress, the distortion in the Y-axis direction (for example, the longitudinal direction) is absorbed by the bending deformation of the support portion. In addition, the distortion in the X-axis direction (for example, the short direction) is small in absolute displacement due to the distortion, and the beam part region separated from the beam part region connected to the support part and the connecting part responds to the distortion in the X-axis direction. It is deformed and the distortion is absorbed. For this reason, it can prevent that distortion arises in the connection site | part and its adjacent area | region with a support part in a beam part, and the connection site | part and its adjacent area | region with a connection part in a beam part.
例えば熱応力等によって基台の歪みが生じたときに当該基台の歪みに起因して歪みが発生しない上記のような梁部領域に、梁部の歪みに基づいて加速度を検出するためのX軸方向加速度検出部とY軸方向加速度検出部とZ軸方向加速度検出部を形成することにより、基台の熱応力による歪みに起因した加速度の誤検出の事態(つまり、加速度が発生していないのにも拘わらず、基台の熱応力による歪みに起因してX軸方向加速度検出部やY軸方向加速度検出部やZ軸方向加速度検出部により加速度が検出されてしまうという誤検出の事態)の発生を抑制することができる。 For example, when the base is distorted due to thermal stress or the like, an X for detecting acceleration based on the distortion of the beam in the above-described beam area where no distortion occurs due to the distortion of the base. By forming the axial direction acceleration detection unit, the Y-axis direction acceleration detection unit, and the Z-axis direction acceleration detection unit, a situation of erroneous detection of acceleration due to distortion due to thermal stress of the base (that is, no acceleration has occurred) Despite this, a false detection situation in which acceleration is detected by the X-axis direction acceleration detection unit, the Y-axis direction acceleration detection unit, and the Z-axis direction acceleration detection unit due to distortion due to thermal stress of the base) Can be suppressed.
また、この発明では、枠状の梁部が両持ち梁状に基台に支持され、その梁部に錘部が片持ち梁状に支持された簡単な構造であり、これにより、小型化を促進させることが容易である。 In addition, the present invention has a simple structure in which the frame-shaped beam portion is supported by the base in the form of a cantilever beam, and the weight portion is supported in a cantilever shape by the beam portion, thereby reducing the size. Easy to promote.
さらに、この発明では、錘部は枠状の梁部に片持ち梁状に連結する構成である。このため、加速度による錘部の変位が大きくなり、これにより、錘部の変位に起因した梁部の撓み変形が大きくなって、加速度検出の感度を高めることができる。 Further, according to the present invention, the weight portion is connected to the frame-like beam portion in a cantilever shape. For this reason, the displacement of the weight portion due to the acceleration is increased, whereby the bending deformation of the beam portion due to the displacement of the weight portion is increased, and the sensitivity of acceleration detection can be increased.
さらに、この発明では、梁部には感度向上用のスリットが形成されている。このため、スリット形成部分における梁部の実質的な梁幅が狭くなり、これにより、加速度発生による梁部の撓み変形がより大きくなるので、加速度検出の感度をより一層高めることができる。このように、梁部にスリットを形成するだけで加速度検出の感度を高めることができるので、加速度検出の感度を高めるために加速度センサを大型化しなくて済むし、加速度検出の感度ばらつきを抑制することができる。 Furthermore, in this invention, the slit for sensitivity improvement is formed in the beam part. For this reason, the substantial beam width of the beam portion in the slit forming portion is narrowed, and thereby the bending deformation of the beam portion due to the generation of acceleration is further increased, so that the sensitivity of acceleration detection can be further enhanced. As described above, since the sensitivity of acceleration detection can be increased simply by forming a slit in the beam portion, it is not necessary to increase the size of the acceleration sensor in order to increase the sensitivity of acceleration detection, and the variation in sensitivity of acceleration detection is suppressed. be able to.
さらに、この発明では、感度向上用のスリットは、梁部の中心のX軸およびY軸のそれぞれに対して互いに対称となる位置に設けられているので、感度向上用のスリットを設けたことで梁部の撓み変形が複雑化してしまうという問題を防止することができる。 Furthermore, in the present invention, the sensitivity improving slit is provided at a position symmetrical to each other with respect to the X axis and the Y axis at the center of the beam portion. The problem that the bending deformation of the beam portion becomes complicated can be prevented.
さらに、感度向上用のスリットが、梁部の連結部連接部位の両側にそれぞれ設けられている構成を備えることによって、梁部の耐久性を高めることができる。つまり、梁部の連結部連接部位の両側は錘部の変位に起因した梁部の歪みによる応力が集中する部分である。当該部分にスリットを形成することで当該部分の応力集中を緩和することができる。このため、応力集中に起因した梁部の連結部連接部位の両側部分における劣化を抑制することができて、梁部の耐久性を高めることができる。 Furthermore, the durability of a beam part can be improved by providing the structure where the slit for a sensitivity improvement is each provided in the both sides of the connection part connection site | part of a beam part. In other words, both sides of the connecting portion connecting portion of the beam portion are portions where stress due to distortion of the beam portion due to displacement of the weight portion is concentrated. By forming a slit in the part, stress concentration in the part can be relaxed. For this reason, it is possible to suppress deterioration in both side portions of the connecting portion connecting portion of the beam portion due to the stress concentration, and it is possible to improve the durability of the beam portion.
梁部に、導通路が互いに間隔を介し並んで配線されている部分がある場合に、感度向上用のスリットがそれら並んで配線されている導通路間に設けられることによって、それら並んで配線されている導通路間には空隙が設けられることになるので、それら導通路間の絶縁性を高めることができる。 When there are portions where the conductive paths are wired side by side with each other in the beam part, the slits for improving the sensitivity are provided between the conductive paths wired side by side so that they are wired side by side. Since a gap is provided between the conductive paths, the insulation between the conductive paths can be enhanced.
さらに、梁部のX軸方向の両側からそれぞれX軸方向に伸長形成されている各支持部の中心軸は同一直線上に配置され、また、梁部のY軸方向の両側からそれぞれY軸方向に伸長形成されている各連結部の中心軸は同一直線上に配置されており、梁部は、支持部の中心軸を通るX方向中心線に対して対称な形状であり、かつ、連結部の中心軸を通るY方向中心線に対しても対称な形状である構成を備えることによって、加速度発生に起因した梁部の撓み変形が単純化でき、梁部の撓み変形による応力変化を利用した加速度検出の精度の向上に寄与することができる。 Furthermore, the central axes of the support portions that are formed extending in the X-axis direction from both sides of the beam portion in the X-axis direction are arranged on the same straight line, and from both sides of the beam portion in the Y-axis direction, respectively in the Y-axis direction. The central axes of the connecting portions that are formed to extend in the same manner are arranged on the same straight line, and the beam portion has a symmetrical shape with respect to the X-direction center line passing through the central axis of the support portion, and the connecting portions By providing a configuration that is also symmetrical with respect to the Y-direction center line passing through the central axis of the beam, it is possible to simplify the bending deformation of the beam portion due to the occurrence of acceleration, and use the stress change due to the bending deformation of the beam portion. This can contribute to improving the accuracy of acceleration detection.
さらに、枠状の梁部の枠内空間には、梁部の両側の支持部を繋ぐ方向に伸長形成された補強部が配置されている構成を備えることによって、補強部によって梁部の剛性を高めることができ、例えば基台や固定部の歪みに起因した梁部の撓み変形を小さく抑制することができる。 Furthermore, by providing a structure in which a reinforcing portion that is formed to extend in a direction connecting the support portions on both sides of the beam portion is arranged in the frame space of the frame-shaped beam portion, the rigidity of the beam portion is increased by the reinforcing portion. For example, the bending deformation of the beam part due to distortion of the base or the fixing part can be suppressed to a small level.
さらに、梁部に設けられているZ軸方向加速度検出部とY軸方向加速度検出部とX軸方向加速度検出部は、それぞれ、梁部の変形による梁部の応力変化によって電気抵抗値が変化するピエゾ抵抗部を有して構成されている構成を備えることによって、ピエゾ抵抗部の電気抵抗値変化を検出することにより、容易に、かつ、的確に、X軸方向とY軸方向とZ軸方向のそれぞれの加速度を検出することができる。 Furthermore, each of the Z-axis direction acceleration detection unit, the Y-axis direction acceleration detection unit, and the X-axis direction acceleration detection unit provided in the beam part changes in electric resistance value due to a stress change of the beam part due to deformation of the beam part. By having a configuration configured to have a piezoresistive portion, it is possible to easily and accurately detect the change in the electric resistance value of the piezoresistive portion, in an X axis direction, a Y axis direction, and a Z axis direction. The acceleration of each can be detected.
以下に、この発明に係る実施形態例を図面に基づいて説明する。 Embodiments according to the present invention will be described below with reference to the drawings.
図1(a)には、本発明に係る加速度センサの一実施形態例が模式的な斜視図により示され、図1(b)には、図1(a)の加速度センサの模式的な平面図が、図1(a)の符号18で示す電極パッドを省略した状態で示されている。また、図2(a)には、図1(b)のa−a部分の模式的な断面図が示され、図2(b)には、図1(b)のb−b部分の模式的な断面図が示され、図2(c)には、図1(b)のc−c部分の模式的な断面図が示されている。さらに、図3(a)には、図1(b)のA−A部分の模式的な断面図が示され、図3(b)には、図1(b)のB−B部分の模式的な断面図が示され、図3(c)には、図1(b)のC−C部分の模式的な断面図が示されている。
1A is a schematic perspective view showing an embodiment of an acceleration sensor according to the present invention, and FIG. 1B is a schematic plan view of the acceleration sensor of FIG. The figure is shown with the electrode pad indicated by
この実施形態例の加速度センサ1は、互いに直交するX軸とY軸とZ軸の三軸方向の加速度をそれぞれ検出することができるものである。この加速度センサ1は基台2を有している。この基台2は、X軸およびY軸を含むXY平面に平行なXY基板面3を持ち、このXY基板面3の上方側には、枠状の梁部4が浮いた状態で配置されている。この枠状の梁部4はXY平面形状が略方形状と成し、当該梁部4のX軸方向の両側からそれぞれX軸方向に沿って外向きに支持部5(5a,5b)が伸長形成されている。
The
これら支持部5a,5bは、それぞれ、基台2に対して浮いた状態と成し、支持部5a,5bの各伸長先端部は梁(応力軽減梁)26により形成された弾性部25の長手方向中央部に連接されている。支持部5a,5bの梁部4への連接側は、梁部4側に向かうにつれて拡径するテーパ状に形成されており、支持部5a,5bは、枠状の梁部4に連接されている側の幅が梁部4からの伸長先端側(弾性部25に連接する側)の幅よりも広く形成されている。
These
また、弾性部25(25a,25b)を形成する梁26は、支持部5(5a,5b)の伸長形成方向(X軸方向)に交差する方向(この例では直交するY軸方向)に伸長形成され当該伸長先端側は固定部6に固定されている。その固定部6は、梁部4および後述する錘部7(7a,7b)の形成領域を間隔を介して囲む枠状の形態を有し、当該固定部6は基台2に固定されている。
Further, the
この実施形態例では、梁部4は、支持部5(5a,5b)と弾性部25を介して固定部6に固定されている。換言すれば、梁部4は、支持部5a,5bと弾性部25を介して基台2に両持ち梁状に支持固定されている。つまり、この実施形態例では、支持部5(5a,5b)と弾性部25と固定部6によって梁部支持固定部が構成されている。
In this embodiment, the
また、枠状の梁部4の枠内空間には、梁部4の両側の支持部5a,5bを繋ぐ方向に伸長形成された補強部20が配置され、当該補強部20の両端側がそれぞれ枠状の梁部4に連接されている。補強部20は、支持部5aが接続されている梁部4の部位M(図1(b)参照)と、支持部5bが接続されている梁部4の部位N(図1(b)参照)とを結ぶ直線に沿って伸長形成され、当該補強部20の両端はそれぞれ梁部4の内側縁部に接続されている。この実施形態例において、補強部20のY軸方向の幅は、支持部5a,5bの梁部4への連接側の幅と等しく形成されている。
Further, in the frame space of the frame-shaped
錘部7a,7bは、梁部4を間にしてY軸方向に配列配置され、かつ、基台2のXY基板面3の上方側に浮いた状態で配置されている。これら各錘部7a,7bは、それぞれ、梁部4のY軸方向の両側からそれぞれY軸方向に沿って外向きに伸長形成された連結部8(8a,8b)によって、梁部4に連接されている。連結部8(8a,8b)は基台2に対して浮いた状態と成し、錘部7a,7bは、梁部4の撓み変形によって、X軸方向とY軸方向とZ軸方向の三軸方向に変位可能な構成となっている。
The
この実施形態例では、各支持部5a,5bと補強部20のX軸方向に沿った中心軸は同一直線上に配置され、また、各連結部8a,8bのY軸方向に沿った中心軸は同一直線上に配置されている。梁部4は、支持部5a,5bの中心軸を通るX方向中心軸に対して対称な形状であり、かつ、連結部8a,8bの中心軸を通るY方向中心軸に対して対称な形状となっている。
In this embodiment example, the central axes along the X-axis direction of the
また、枠状の梁部4において、前記支持部5a,5bによる支持位置からY軸方向に伸長されたY軸方向伸長部位4a,4b(図4(a)の点線Y4で囲んだ領域を参照)は、伸長先端側の幅が伸長基端側の幅より狭く形成されている。さらに詳しく述べると、Y軸方向伸長部位4a,4bは、それぞれ、その基端側からY軸方向の伸長方向中央部付近までは梁部4の幅が広いストレート形状に形成され、このY軸方向の伸長方向中央部付近は、伸長先端側に向かうにつれて梁幅が狭くなるテーパ状に形成され、このテーパ状の先端からY軸方向の伸長先端部までは梁部4の幅が狭いストレート形状に形成されている。
Further, in the frame-shaped
この実施形態例では、梁部4において、連結部連結部位、つまり、各連結部8a,8bからそれぞれ連結部8の幅をもって梁部4の領域へY軸方向に延長した連結部側帯状梁部部位15(15a,15b)(図4(b)の点線Z15で囲んだ領域を参照)のZ軸方向の厚みは、連結部8のZ軸方向の厚みと同じ厚みとなっている。また、各支持部5a,5bからそれぞれ支持部5a,5bの基端側の幅をもって梁部4の領域へX軸方向に延長した支持部側帯状梁部部位16(16a,16b)(図4(b)の点線Z16で囲んだ領域を参照)のZ軸方向の厚みは、支持部5のZ軸方向の厚みと同じ厚みとなっている。
In this embodiment, in the
この実施形態例では、梁部4における連結部側帯状梁部部位15(15a,15b)および支持部側帯状梁部部位16(16a,16b)のZ軸方向の厚みが、例えば約400μm程度であるのに対して、梁部4のそれ以外の部分のZ軸方向の厚みは、例えば約5〜10μm程度というように、梁部4のそれ以外の部分のZ軸方向の厚みは、梁部4における連結部側帯状梁部部位15(15a,15b)および支持部側帯状梁部部位16(16a,16b)のZ軸方向の厚みよりも薄くなっている。
In this embodiment example, the thickness in the Z-axis direction of the connecting portion side belt-like beam portion 15 (15a, 15b) and the support portion side belt-like beam portion 16 (16a, 16b) in the
なお、梁部4において、連結部側帯状梁部部位15(15a,15b)の厚みを厚くせず、連結部側帯状梁部部位15(15a,15b)は、支持部側帯状梁部部位16(16a,16b)以外の部分のZ軸方向の厚みと同じ厚みとしてもよい。また、連結部8a,8bの厚みを、その支持部側帯状梁部部位16(16a,16b)以外の部分のZ軸方向の厚みと同じ薄さとしてもよい。このように、連結部8a,8bの厚みと連結部側帯状梁部部位15(15a,15b)の厚みを、例えば約5〜10μm程度というように、薄く形成した場合には、図1(b)のC−C部分の断面図は、図3(d)に示すようになる。
In addition, in the
この実施形態例では、補強部20のZ軸方向の厚み、および、梁26のZ軸方向の厚みも、支持部5a,5bや、梁部4における支持部側帯状梁部部位16と同様の厚みとなっている。
In this embodiment, the thickness of the reinforcing
さらに、この実施形態例では、錘部7のZ軸方向の厚みは、例えば約400μm程度というように、支持部5や連結部8のZ軸方向の厚みとほぼ同様な厚みとなっている。また、錘部7(7a,7b)の重心は、例えば図3(b)に示される点W7の位置であり、錘部7(7a,7b)を支える梁部4の支点は、例えば図3(b)に示される点W4の位置となっており、錘部7の重心位置と、錘部7(7a,7b)を支える梁部4の支点位置とは、高さ位置(Z軸方向の位置)がずれている。
Further, in this embodiment, the thickness of the
この実施形態例では、梁部4には、図4(a)、(b)の拡大図に示されるように、感度向上用のスリット17が、連結部連接部位である各連結部側帯状梁部部位15(15a,15b)のそれぞれの両側に、それぞれ、設けられている。つまり、この実施形態例では、各感度向上用のスリット17の形成位置および形状は、梁部4における支持部5a,5bの中心軸を通るX方向中心軸に対して対称な形状であり、かつ、連結部8a,8bの中心軸を通るY方向中心軸に対しても対称となっている。なお、図1と図5と図7〜図13には梁部4がそれぞれ示されているが、これらの図では感度向上用のスリット17の図示が省略されている。
In this embodiment, as shown in the enlarged views of FIGS. 4A and 4B, the
この実施形態例では、上述した梁部4と支持部5(5a,5b)と固定部6と錘部7(7a,7b)と連結部8(8a,8b)は、SOI(Silicon-On-Insulator)基板(つまり、Si層10とSiO2層11とSi層12が順に積層形成されている多層基板)13をマイクロマシニング技術を利用して加工して形作られたものである。
In this embodiment, the
この実施形態例では、Siにより構成される梁部4の次に示すような部位を加工して、加速度を検出するためのピエゾ抵抗部が設けられている。すなわち、図5の模式的な拡大図に示されるように、梁部4において、連結部側帯状梁部部位15aの帯幅両側にピエゾ抵抗部RX1,RX2がそれぞれ配設されている。また、連結部側帯状梁部部位15bの帯幅両側にピエゾ抵抗部RX3,RX4がそれぞれ配設されている。これら4つのピエゾ抵抗部RX1,RX2,RX3,RX4は、X軸方向の加速度を検出するためのX軸方向加速度検出部を構成している。
In this embodiment, a piezoresistive part for detecting acceleration by processing the following part of the
また、梁部4において、Y軸方向伸長部位4aの伸長先端側寄りにピエゾ抵抗部RY2,RY3がそれぞれ配設され、Y軸方向伸長部位4bの伸長先端側寄りにピエゾ抵抗部RY1,RY4がそれぞれ配設されている。これら4つのピエゾ抵抗部RY1,RY2,RY3,RY4は、Y軸方向の加速度を検出するためのY軸方向加速度検出部を構成している。
Further, in the
さらに、梁部4におけるY軸方向伸長部位4aの伸長基端側寄りである、支持部側帯状梁部部位16aの両端側にはピエゾ抵抗部RZ2,RZ3が形成され、Y軸方向伸長部位4bの伸長基端側寄りである、支持部側帯状梁部部位16bの両端側にはピエゾ抵抗部RZ1,RZ4が形成されている。これら4つのピエゾ抵抗部RZ1,RZ2,RZ3,RZ4は、Z軸方向の加速度を検出するためのZ軸方向加速度検出部を構成している。ピエゾ抵抗部RZ1,RZ3はX軸方向に沿って伸長形成された形状と成し、ピエゾ抵抗部RZ2,RZ4は、ピエゾ抵抗部RZ1,RZ3の伸長形成方向と直交するY軸方向に沿って伸長形成された形状と成している。
Further, piezoresistive portions R Z2 and R Z3 are formed on both ends of the support-side belt-
梁部4と支持部5(5a,5b)と補強部20と弾性部25と固定部6には、それぞれ、図6(a)に示されるような、ピエゾ抵抗部RX1,RX2,RX3,RX4によるブリッジ回路を構成するための配線パターンと、図6(b)に示されるような、ピエゾ抵抗部RY1,RY2,RY3,RY4によるブリッジ回路を構成するための配線パターンと、図6(c)に示されるような、ピエゾ抵抗部RZ1,RZ2,RZ3,RZ4によるブリッジ回路を構成するための配線パターンとが形成されている。
The
そして、この実施形態例では、加速度が発生していないときに、図6(a)〜(c)の各ブリッジ回路を構成している4つのピエゾ抵抗部の抵抗値が均衡状態となるようにピエゾ抵抗部が形成されている。 In this embodiment, when the acceleration is not generated, the resistance values of the four piezoresistors constituting each bridge circuit of FIGS. 6A to 6C are in an equilibrium state. A piezoresistive portion is formed.
例えば、図7(a)には、その配線パターンの一配線例が模式的に表されている。この例では、図7(b)の模式的な断面図に示されるような、例えばSOI基板13のSi層12にボロンやリン等をドープして形成された配線パターンLsと、SOI基板13の表面に蒸着やスパッタ等の成膜形成技術を利用して形成されたアルミニウム等の金属製の配線パターンLmとによって、ピエゾ抵抗部から成るブリッジ回路を構成している。なお、図7(a)では、配線パターンLsは実線により表され、配線パターンLmは破線により表されている。
For example, FIG. 7A schematically shows one wiring example of the wiring pattern. In this example, as shown in the schematic cross-sectional view of FIG. 7B, for example, a wiring pattern Ls formed by doping the
図7(a)の例では、配線パターンLsと、配線パターンLmとのそれぞれの特徴を利用した次に示すような特有な配線パターンLs,Lmの配線が成されている。つまり、図7(b)に示すように、SOI基板13のSi層12の表面には、配線パターンLsの形成後に、必然的に酸化膜21が形成されることから、この酸化膜21によって、配線パターンLsと、配線パターンLmとの絶縁を確保しながら、配線パターンLsと、配線パターンLmとのクロス配線が成されている。
In the example of FIG. 7A, the following unique wiring patterns Ls and Lm are formed using the characteristics of the wiring pattern Ls and the wiring pattern Lm. That is, as shown in FIG. 7B, an
また、配線パターンLsが形成されている部分の酸化膜21の一部が除去されて孔部22が形成され、この孔部22内に配線パターンLmの構成材料の導体材料が入り込んで配線パターンLsに接合することで、配線パターンLsと配線パターンLmが電気的に接続されている。
Further, a part of the
なお、この実施形態例においては、前記の如く、支持部5a,5bと、梁部4における連結部側帯状梁部部位15a,15bおよび支持部側帯状梁部部位16a,16bと、補強部20と、弾性部25とが、例えば約400μm程度の厚みである。これに対して、連結部側帯状梁部部位15a,15bおよび支持部側帯状梁部部位16a,16b以外の梁部4の部位は、例えば5〜10μm程度の厚みとなっている。このような梁部4の薄い部分の表面に、金属製の配線パターンLmを形成すると、その配線パターンLmの内部応力によって、梁部4の薄い部分が反ってしまう虞がある。これに対して、配線パターンLsは梁部4を構成しているSi層にボロンやリン等の不純物をドープして形成されるものであり、配線パターンLsの形成に因る梁部4の薄い部分の反り等の変形は殆ど発生しない。このことから、梁部4の薄い部分に金属製の配線パターンLmを形成することは避け、当該梁部4の薄い部分には、配線パターンLsが形成されている。
In this embodiment, as described above, the
つまり、図7(a)の例では、配線パターンLsと配線パターンLmのクロス配線が可能であることと、配線パターンLsと配線パターンLmの電気的な接続が容易であることとを利用し、梁部4の厚みが部分的に異なることも考慮した上で、配線パターンの配線構成の簡略化を図ることを思慮しながら、配線パターンLsおよび配線パターンLmの配線構成が設計されている。
That is, in the example of FIG. 7A, the wiring pattern Ls and the wiring pattern Lm can be cross-wired and the electrical connection between the wiring pattern Ls and the wiring pattern Lm is easy. The wiring configuration of the wiring pattern Ls and the wiring pattern Lm is designed in consideration of the simplification of the wiring configuration of the wiring pattern, considering that the thickness of the
この配線例において、連結部側帯状梁部部位15aの帯幅両側に配設されているピエゾ抵抗部RX1,RX2の一端側同士が、配線パターンLsによって電気的に接続されて電圧検出部PX1が形成されている。固定部6の表面には、図1(a)に示されるように、複数の外部接続用の電極パッド18が形成されている。電圧検出部PX1は、配線パターンLs,Lmによって、当該電圧検出部PX1に個別に対応する外部接続用の電極パッド18(VX1)に電気的に接続されている。同様に、連結部側帯状梁部部位15bの帯幅両側に配設されているピエゾ抵抗部RX3,RX4の一端側同士が、配線パターンLsによって電気的に接続されて電圧検出部PX2が形成され、この電圧検出部PX2は、配線パターンLs,Lmによって、当該電圧検出部PX2に個別に対応する外部接続用の電極パッド18(VX2)に電気的に接続されている。
In this wiring example, one end sides of the piezoresistive portions R X1 and R X2 disposed on both sides of the band width of the connecting portion
また、ピエゾ抵抗部RX2,RX4の他端側は、それぞれ、配線パターンLs,Lmによって、外部の電圧電源Vsに接続するための外部接続用の電極パッド18(VVS)に電気的に接続されている。さらに、ピエゾ抵抗部RX1,RX3の他端側は、それぞれ、配線パターンLs,Lmによって、外部のグランドGNDに接続するための外部接続用の電極パッド18(GND)に電気的に接続されている。 In addition, the other end sides of the piezoresistive portions R X2 and R X4 are electrically connected to an external connection electrode pad 18 (V VS ) for connection to an external voltage power source Vs by wiring patterns Ls and Lm, respectively. It is connected. Further, the other end sides of the piezoresistive portions R X1 and R X3 are electrically connected to an external connection electrode pad 18 (GND) for connection to an external ground GND by wiring patterns Ls and Lm, respectively. ing.
さらに、Y軸方向伸長部位4aの伸長先端側寄りに配設されているピエゾ抵抗部RY2,RY3の一端側同士が、配線パターンLs,Lmによって電気的に接続されて電圧検出部PY1が形成されている。この電圧検出部PY1は、配線パターンLmによって、当該電圧検出部PY1に個別に対応する外部接続用の電極パッド18(VY1)に電気的に接続されている。
Furthermore, the one end sides of the piezoresistive portions R Y2 and R Y3 arranged near the extending tip side of the Y-axis
同様に、Y軸方向伸長部位4bの伸長先端側寄りに配設されているピエゾ抵抗部RY1,RY4の一端側同士が、配線パターンLs,Lmによって電気的に接続されて電圧検出部PY2が形成されている。この電圧検出部PY2は、配線パターンLmによって、当該電圧検出部PY2に個別に対応する外部接続用の電極パッド18(VY2)に電気的に接続されている。
Similarly, one end sides of the piezoresistive portions R Y1 and R Y4 arranged near the extending tip side of the Y-axis
また、ピエゾ抵抗部RY2,RY4の他端側は、それぞれ、配線パターンLs,Lmによって、外部の電圧電源Vsに接続するための外部接続用の電極パッド18(VVS)に電気的に接続されている。さらに、ピエゾ抵抗部RY1,RY3の他端側は、それぞれ、配線パターンLs,Lmによって、外部のグランドGNDに接続するための外部接続用の電極パッド18(GND)に電気的に接続されている。 The other end sides of the piezoresistive portions R Y2 and R Y4 are electrically connected to an external connection electrode pad 18 (V VS ) for connection to an external voltage power source Vs by wiring patterns Ls and Lm, respectively. It is connected. Further, the other end sides of the piezoresistive portions R Y1 and R Y3 are electrically connected to an external connection electrode pad 18 (GND) for connection to an external ground GND by wiring patterns Ls and Lm, respectively. ing.
さらに、支持部側帯状梁部部位16aの両端側のピエゾ抵抗部RZ2,RZ3の一端側同士が、配線パターンLsによって、電気的に接続されて電圧検出部PZ1が形成されている。この電圧検出部PZ1は、配線パターンLmによって、当該電圧検出部PZ1に個別に対応する外部接続用の電極パッド18(VZ1)に電気的に接続されている。同様に、支持部側帯状梁部部位16bの両端側のピエゾ抵抗部RZ1,RZ4の一端側同士が、配線パターンLsによって、電気的に接続されて電圧検出部PZ2が形成されている。この電圧検出部PZ2は、配線パターンLによって、当該電圧検出部PZ2に個別に対応する外部接続用の電極パッド18(VZ2)に電気的に接続されている。
Furthermore, one end sides of the piezoresistive portions R Z2 and R Z3 on both ends of the support portion
また、ピエゾ抵抗部RZ2,RZ1の他端側は、配線パターンLs,Lmによって、それぞれ、外部の電圧電源Vsに接続するための外部接続用の電極パッド18(VVS)に電気的に接続されている。さらに、ピエゾ抵抗部RZ3,RZ4の他端側は、配線パターンLs,Lmによって、それぞれ、外部のグランドGNDに接続するための外部接続用の電極パッド18(GND)に電気的に接続されている。 Further, the other end sides of the piezoresistive portions R Z2 and R Z1 are electrically connected to an external connection electrode pad 18 (V VS ) for connection to an external voltage power source Vs by wiring patterns Ls and Lm, respectively. It is connected. Further, the other end sides of the piezoresistive portions R Z3 and R Z4 are electrically connected to an external connection electrode pad 18 (GND) for connection to an external ground GND by wiring patterns Ls and Lm, respectively. ing.
図7(a)の例では、梁部4には、X軸方向加速度検出部とY軸方向加速度検出部とZ軸方向加速度検出部を構成するための上記したようなピエゾ抵抗部のための導通路である配線パターンが設けられていると共に、ダミーパターン(ダミーの導通路)24が設けられている。そのダミーパターン24は、連結部側帯状梁部部位15(15a,15b)の両側の梁部領域における配線パターンのY方向中心軸に対する対称性を高めるために設けられている。これにより、後述するような加速度発生時の梁部4の撓み変形が、加速度検出のためのより好ましい状態となり、加速度検出の精度を高めることができる。
In the example of FIG. 7A, the
また、図7(a)の例では、連結部側帯状梁部部位15(15a,15b)の両側の梁部領域では、導通路である配線パターンLsが互いに間隔を介して並んで配線されている。その並んで配線されている配線パターンLs間に、感度向上用のスリット17が配設されている。これにより、並んで配線されている配線パターン間の絶縁性を高めることができる。
In the example of FIG. 7A, the wiring patterns Ls which are conductive paths are wired side by side at intervals in the beam region on both sides of the connecting portion side belt-like beam portion 15 (15a, 15b). Yes. Between the wiring patterns Ls wired side by side, a
この実施形態例の加速度センサ1は上記のように構成されており、次に述べるように加速度を検出することができる。例えば、X軸方向の加速度が発生すると、その加速度に起因したX軸方向の力が錘部7(7a,7b)に作用する。この錘部7へのX軸方向の作用力によって、錘部7(7a,7b)は、図8(a)のモデル図の点線に示される基準状態から、例えば図8(a)の実線および図8(b)の模式的な断面図に示されるように、X軸方向に振れ変位する。このような錘部7のX軸方向の変位によって連結部8を介して梁部4が撓み変形し、これにより、梁部4には次に示すような応力が発生する。
The
例えば、X軸方向の加速度発生によって錘部7が図8(a)の実線や図8(b)に示されるように変位した場合には、梁部4において、図8(c)のモデル図に示されるように、連結部側帯状梁部部位15aの左側ALには引っ張り応力が、また、連結部側帯状梁部部位15aの右側ARには圧縮応力が、さらに、連結部側帯状梁部部位15bの左側BLには引っ張り応力が、さらにまた、連結部側帯状梁部部位15bの右側BRには圧縮応力が、それぞれ、発生する。また、支持部側帯状梁部部位16aの両側CU,CDには、それぞれ、圧縮応力が発生し、支持部側帯状梁部部位16bの両側DU,DDには、それぞれ、引っ張り応力が発生する。
For example, when the
このように錘部7のX軸方向の加速度に起因して応力が発生する梁部4の各々の部分AL,AR,BL,BR,CU,CD,DU,DDには、それぞれ、ピエゾ抵抗部RX2,RX1,RX3,RX4,RZ2,RZ3,RZ1,RZ4が設けられている。これらピエゾ抵抗部RX2,RX1,RX3,RX4,RZ2,RZ3,RZ1,RZ4は、それぞれ、X軸方向の加速度に起因した応力発生によって、電気抵抗値が変化する。
In this way, each portion A L , A R , B L , B R , C U , C D , D U , D D of the
表1には、X方向の加速度が発生したときの各ピエゾ抵抗部RX1〜RX4,RY1〜RY4,RZ1〜RZ4の配設部分に生じる梁部4の応力と各ピエゾ抵抗部RX1〜RX4,RY1〜RY4,RZ1〜RZ4の抵抗値変化が、それぞれ、示されている。なお、表1および後述する表2と表3において、応力をマイナス(−)で示してあるところは圧縮応力が発生していることを示し、応力をプラス(+)で示してあるところは引っ張り応力が発生していることを示している。また、抵抗値変化の+と−の記号は、それぞれ抵抗値の変化の方向を示している。以下の説明において、各ピエゾ抵抗部の配設部分に発生する梁部4の応力と各ピエゾ抵抗部の抵抗値変化について、表1〜表3に基づいて詳述する。
Table 1 shows the stress of the
図6(a)のブリッジ回路(X軸ブリッジ)において、X軸方向の加速度が発生して、図8(a)、(b)に示すように錘部7および梁部4が動作しているときには、ピエゾ抵抗部RX1,RX4は、例えば圧縮応力(−)に基づいた抵抗値変化(−方向の抵抗値変化)を示し、また、ピエゾ抵抗部RX2,RX3は、例えば引っ張り応力(+)に基づいた抵抗値変化(+方向の抵抗値変化)を示す。このことから、図6(a)のブリッジ回路の抵抗値の均衡状態が崩れて、図6(a)のブリッジ回路の出力が変化し、X軸方向の加速度の大きさに応じて図6(a)のブリッジ回路の出力の変動幅が変化する。これにより、図6(a)のブリッジ回路の出力に基づいてX軸方向の加速度の大きさを検出することができる。
In the bridge circuit (X-axis bridge) of FIG. 6A, acceleration in the X-axis direction is generated, and the
なお、図8(a)、(b)に示すようにX軸方向の加速度が発生しているときには、表1に示すように、図6(c)のブリッジ回路(Z軸ブリッジ)を構成しているピエゾ抵抗部RZ2,RZ3は、例えば圧縮応力(−)に基づいた抵抗値変化を示し、ピエゾ抵抗部RZ1,RZ4は、例えば引っ張り応力(+)に基づいた抵抗値変化を示す。このとき、ピエゾ抵抗部RZ2と、ピエゾ抵抗部RZ3とは、ピエゾ抵抗部の伸長方向が互いに直交しているため、互いに逆向きに抵抗値が変化する(表1に示すように、ピエゾ抵抗部RZ2は(−)方向の抵抗値変化となり、ピエゾ抵抗部RZ3は(+)方向の抵抗値変化となる)。また、ピエゾ抵抗部RZ1とピエゾ抵抗部RZ4も同様の関係であり、ピエゾ抵抗部RZ1は(−)方向の抵抗値変化となり、ピエゾ抵抗部RZ4は(+)方向の抵抗値変化となる。つまり、ピエゾ抵抗部RZ1,RZ2が(−)、ピエゾ抵抗部RZ3,RZ4が(+)であり、互いに逆向きの抵抗値変化を示す。このため、ピエゾ抵抗部RZ2,RZ3,RZ1,RZ4の抵抗値変化は互いにキャンセルされ、これにより、図6(c)のブリッジ回路の出力には大きな変化が無い。 When acceleration in the X-axis direction is generated as shown in FIGS. 8A and 8B, the bridge circuit (Z-axis bridge) shown in FIG. 6C is configured as shown in Table 1. The piezoresistive portions R Z2 and R Z3 indicate a change in resistance value based on, for example, compressive stress (−), and the piezoresistive portions R Z1 and R Z4 indicate, for example, a change in resistance value based on tensile stress (+). Show. At this time, the piezoresistive portion R Z2 and the piezoresistive portion R Z3 have resistance values that change in opposite directions because the extending directions of the piezoresistive portions are orthogonal to each other (as shown in Table 1). The resistance portion R Z2 changes in resistance value in the (−) direction, and the piezo resistance portion R Z3 changes in resistance value in the (+) direction). Also, the piezoresistive portion R Z1 and the piezoresistive portion R Z4 have the same relationship, the piezoresistive portion R Z1 changes in resistance value in the (−) direction, and the piezoresistive portion R Z4 changes in resistance value in the (+) direction. It becomes. That is, the piezoresistive portions R Z1 and R Z2 are (−), and the piezoresistive portions R Z3 and R Z4 are (+), indicating resistance value changes in opposite directions. For this reason, the resistance value changes of the piezoresistive portions R Z2 , R Z3 , R Z1 , R Z4 are canceled each other, and there is no significant change in the output of the bridge circuit of FIG.
また、図6(b)のブリッジ回路(Y軸ブリッジ)を構成するピエゾ抵抗部RY1,RY2,RY3,RY4が設けられている梁部部分(Y軸方向伸長部位4a,4bの伸長先端部寄り)は、発生応力が小さい上に、ピエゾ抵抗部RY1〜RY4は梁部4の中心のX軸およびY軸に対して対称に配置されている。このため、表1に示すように、ピエゾ抵抗部RY2,RY3の抵抗値変化が(−)となり、ピエゾ抵抗部RY1,RY4の抵抗値変化が(+)となる。また、ピエゾ抵抗部RY2,RY3とピエゾ抵抗部RY1,RY4は、抵抗値が同程度に変化する。このことから、電気抵抗部PY1,PY2の電位が変化しない。このため、X軸方向の加速度が発生しているときには、図6(b)のブリッジ回路の抵抗値の均衡状態は維持されたままで、図6(b)のブリッジ回路の出力変化は殆ど無い。
Further, the beam portion (the Y-axis
Y軸方向の加速度が発生すると、その加速度に起因したY軸方向の力が錘部7(7a,7b)に作用する。この実施形態例では、錘部7の重心位置W7と、錘部7を支える梁部4の支点位置W4との高さ位置がずれているので、この重心W7と支点W4の位置ずれによって、錘部7(7a,7b)にY軸方向の力が作用すると、錘部7a,7bは、図9(a)のモデル図の点線に示される基準状態から、例えば図9(a)に示される実線および図9(b)の模式的な断面図に示されるように、錘部7a,7bの一方側(図9(a)および図9(b)の例では錘部7a)は基台2に近付きながらY軸方向に変位する。また、他方側(図9(a)および図9(b)の例では錘部7b)は基台2に対して持ち上がりながらY軸方向に変位する。これにより、連結部8および梁部4が撓み変形して、梁部4には次に示すような応力が発生する。
When acceleration in the Y-axis direction occurs, force in the Y-axis direction resulting from the acceleration acts on the weight portion 7 (7a, 7b). In this embodiment, the height position of the gravity center position W7 of the
例えば、錘部7が図9(a)、(b)に示されるように変位する場合には、梁4の面と錘7の重心位置との間のZ方向の距離(Ly)と慣性力(ma)の積からなるモーメントM(M=ma・Ly)により、梁部4において、Y軸方向伸長部位4aには、一様なモーメントが作用する。そして、図9(c)のモデル図に示されるように、Y軸方向伸長部位4aの図の上側の領域EUには引っ張り応力が、また、Y軸方向伸長部位4aの下側の領域EDには圧縮応力が、それぞれ、発生する。さらに、Y軸方向伸長部位4bの図の上側の領域FUには引っ張り応力が、Y軸方向伸長部位4bの下側の領域FDには圧縮応力が、それぞれ、発生する。
For example, when the
各ピエゾ抵抗部RY1〜RY4は、それぞれ、上記のようにY軸方向の加速度に起因して応力が発生する梁部4の各々の部分EU,ED,FU,FDの端部に設けられているので、各ピエゾ抵抗部RY1〜RY4は、それぞれ、Y軸方向の加速度に起因した応力発生によって、電気抵抗値が変化する。
Each piezoresistive portions R Y1 to R Y4, respectively, each of the portions E U of the
表2には、Y方向の加速度が発生したときの、ピエゾ抵抗部RY1〜RY4およびピエゾ抵抗部RZ1〜RZ4の配設部分に生じる梁部4の応力と各ピエゾ抵抗部RY1〜RY4,RZ1〜RZ4の抵抗値変化が、それぞれ、示されている。
図6(b)のブリッジ回路において、上記Y軸方向の加速度が発生しているときには、表2に示すように、ピエゾ抵抗部RY1,RY2は、例えば引っ張り応力(+)に基づいた抵抗値変化(+)を示し、また、ピエゾ抵抗部RY3,RY4は、例えば圧縮応力(−)に基づいた抵抗値変化(−)を示すことから、図6(b)のブリッジ回路の抵抗値の均衡状態が崩れて、図6(b)のブリッジ回路の出力が変化し、Y軸方向の加速度の大きさに応じて図6(b)のブリッジ回路の出力の変動幅が変化することから、図6(b)のブリッジ回路の出力に基づいてY軸方向の加速度の大きさを検出することができる。 In the bridge circuit of FIG. 6B, when the acceleration in the Y-axis direction occurs, as shown in Table 2, the piezoresistive portions R Y1 and R Y2 have resistances based on, for example, tensile stress (+). In addition, the piezoresistive portions R Y3 and R Y4 exhibit a change in resistance value (−) based on, for example, compressive stress (−), so that the resistance of the bridge circuit in FIG. The balance state of values collapses, the output of the bridge circuit of FIG. 6B changes, and the fluctuation range of the output of the bridge circuit of FIG. 6B changes according to the magnitude of acceleration in the Y-axis direction. Thus, the magnitude of acceleration in the Y-axis direction can be detected based on the output of the bridge circuit of FIG.
なお、この実施形態例では、Y軸方向伸長部位4aの伸長基端側にはピエゾ抵抗部RZ2,RZ3が、また、Y軸方向伸長部位4bの伸長基端側にはピエゾ抵抗部RZ1,RZ4が、それぞれ、配設されている。それらピエゾ抵抗部RZ2,RZ3,RZ1,RZ4も、Y軸方向の加速度に起因した梁部4の応力発生により、電気抵抗値が変化する。しかしながら、ピエゾ抵抗部RZ2,RZ1は例えば引っ張り応力(+)に基づいた抵抗値変化であり、ピエゾ抵抗部RZ3,RZ4は例えば圧縮応力(−)に基づいた抵抗値変化である。かつ、ピエゾ抵抗部RZ1,RZ3と、ピエゾ抵抗部RZ2,RZ4とは、互いに直交する方向に伸長しているため、応力に対する抵抗値変化の増減がほぼ反対になる。
In this embodiment, the piezoresistive portions R Z2 and R Z3 are provided on the extension base end side of the Y-axis
その結果、ピエゾ抵抗部RZ2とピエゾ抵抗部RZ4の抵抗値の変化が、加速度が無い状態での基準の抵抗値から正負逆向きに変化する。例えば、表2に示すように、ピエゾ抵抗部RZ2が(+)、ピエゾ抵抗部RZ4が(−)となる。また、ピエゾ抵抗部RZ1とピエゾ抵抗部RZ3の抵抗値の変化は、加速度が無い状態での基準の抵抗値から正負逆向きに変化する。例えば、表2に示すように、ピエゾ抵抗部RZ3が(+)、ピエゾ抵抗部RZ1が(−)となる。このようなことから、ピエゾ抵抗部RZ2,RZ4,RZ1,RZ3の抵抗値変化は互いにキャンセルされ、これにより、図6(c)のブリッジ回路の出力には大きな変化が無い。 As a result, the resistance values of the piezoresistive portion R Z2 and the piezoresistive portion R Z4 change in the positive and negative directions from the reference resistance value in the absence of acceleration. For example, as shown in Table 2, the piezoresistive portion R Z2 is (+) and the piezoresistive portion R Z4 is (−). Further, the change in the resistance value of the piezoresistive portion R Z1 and the piezoresistive portion R Z3 changes in the positive and negative directions from the reference resistance value in the absence of acceleration. For example, as shown in Table 2, the piezoresistive portion R Z3 is (+) and the piezoresistive portion R Z1 is (−). For this reason, the resistance value changes of the piezoresistors R Z2 , R Z4 , R Z1 , R Z3 are canceled each other, and there is no significant change in the output of the bridge circuit of FIG.
また、図6(a)のブリッジ回路を構成するピエゾ抵抗部RX1〜RX4は、Y軸方向の加速度が発生しているときに応力変化が殆ど無い部分に配設されている。このため、各ピエゾ抵抗部RX1〜RX4の電気抵抗値の変化は殆ど無く、図6(a)のブリッジ回路の出力にも大きな変化が無い。上記のように、Y軸方向の加速度が発生しているときには、図6(a)、(c)の各ブリッジ回路の出力が殆ど変化しないので、図6(b)のブリッジ回路の出力に基づくY軸方向の加速度検出を的確に行うことができる。 Further, the piezoresistive portions R X1 to R X4 constituting the bridge circuit of FIG. 6A are arranged in a portion where there is almost no stress change when acceleration in the Y-axis direction is generated. For this reason, there is almost no change in the electric resistance value of each of the piezoresistive portions R X1 to R X4 , and there is no great change in the output of the bridge circuit of FIG. As described above, when the acceleration in the Y-axis direction is generated, the outputs of the bridge circuits in FIGS. 6A and 6C hardly change, and therefore based on the output of the bridge circuit in FIG. It is possible to accurately detect acceleration in the Y-axis direction.
Z軸方向の加速度が発生すると、その加速度に起因したZ軸方向の力が錘部7(7a,7b)に作用する。この錘部7へのZ軸方向の作用力によって、錘部7(7a,7b)は、図10(a)のモデル図の点線に示される基準状態から、例えば図10(a)に示される実線および図10(b)の模式的な断面図に示されるように、錘部7(7a,7b)はZ軸方向に変位する。これにより、連結部8および梁部4が撓み変形し、梁部4には次に示すような応力が発生する。
When acceleration in the Z-axis direction occurs, a force in the Z-axis direction resulting from the acceleration acts on the weight portion 7 (7a, 7b). Due to the acting force in the Z-axis direction on the
例えば、錘部7が図10(a)や図10(b)に示されるように変位する場合には、図10(c)のモデル図に示されるように、重心と梁部4のY方向の距離(Lz)と慣性力の積からなる曲げモーメントM(M=ma・Lz)が発生するため、重心位置から距離が最も離れたY軸方向伸長部位4a,4bの伸長基端側(支持部側帯状梁部部位16a,16bのそれぞれの両側)で最大の曲げモーメントMを示す。そして、梁部4において、支持部側帯状梁部部位16a,16bのそれぞれの両側CU,CD,DU,DDには、それぞれ、引っ張り応力が発生する。
For example, when the
表3には、Y方向の加速度が発生したときのピエゾ抵抗部RY1〜RY4およびピエゾ抵抗部RZ1〜RZ4の配設部分に生じる梁部4の応力と各ピエゾ抵抗部RY1〜RY4,RZ1〜RZ4の電気抵抗値の変化が、それぞれ、示されている。表3に示すように、各ピエゾ抵抗部RZ1〜RZ4の梁部4の配設部分には、いずれも、引っ張り応力(+)が発生する。
Table 3 shows the stress of the
ピエゾ抵抗部RZ1,RZ3,はX軸方向に沿って伸長形成された形状と成し、ピエゾ抵抗部RZ2,RZ4は、ピエゾ抵抗部RZ1,RZ3,の伸長形成方向に直交するY軸方向に沿って伸長形成された形状と成している。このことから、梁部4に引っ張り応力(+)が発生すると、表3に示すように、Y方向に伸長したピエゾ抵抗部RZ2,RZ4の電気抵抗値と、X方向に伸長したピエゾ抵抗部RZ3,RZ1の電気抵抗値とは、互いにほぼ正負逆向きに変化する。例えば、Y方向に伸長したピエゾ抵抗部RZ2,RZ4は(+)となり、X方向に伸長したピエゾ抵抗部RZ3,RZ1は(−)となる。
The piezoresistive portions R Z1 , R Z3 , have a shape extending along the X-axis direction, and the piezoresistive portions R Z2 , R Z4 are orthogonal to the extending direction of the piezoresistive portions R Z1 , R Z3 , The shape is elongated along the Y-axis direction. From this, when tensile stress (+) is generated in the
これらのことから、Z軸方向の加速度が発生しているときには、図6(c)のブリッジ回路の抵抗値の均衡状態が崩れて、図6(c)のブリッジ回路の出力が変化する。Z軸方向の加速度の大きさに応じて図6(c)のブリッジ回路の出力の変動幅が変化することから、図6(c)のブリッジ回路の出力に基づいてZ軸方向の加速度の大きさを検出することができる。 For these reasons, when acceleration in the Z-axis direction occurs, the balance state of the resistance values of the bridge circuit in FIG. 6C is disrupted, and the output of the bridge circuit in FIG. 6C changes. Since the fluctuation range of the output of the bridge circuit in FIG. 6C changes according to the magnitude of the acceleration in the Z-axis direction, the magnitude of the acceleration in the Z-axis direction is based on the output of the bridge circuit in FIG. Can be detected.
なお、図6(a)のブリッジ回路を構成する各ピエゾ抵抗部RX1〜RX4が設けられている梁部部分は、Z軸方向の加速度に起因した応力が殆ど発生しない。このため、図6(a)のブリッジ回路の抵抗値の均衡状態は維持されたままで、図6(a)のブリッジ回路の出力変化は殆ど無い。また、図6(b)のブリッジ回路を構成する各ピエゾ抵抗部RY1〜RY4がそれぞれ設けられている各梁部部分(Y軸方向伸長部位4a,4bの伸長先端側寄りの部分)は、何れも同様の引っ張り応力(+)が発生する。このため、ピエゾ抵抗部RY1〜RY4は同様に電気抵抗値が全て(+)方向に変化する。これにより、Z軸方向の加速度が発生しているときには、図6(b)のブリッジ回路の抵抗値の均衡状態は維持されたままで、図6(b)のブリッジ回路の出力変化は殆ど無い。
It should be noted that in the beam portion provided with the piezoresistive portions R X1 to R X4 constituting the bridge circuit of FIG. 6A, almost no stress due to the acceleration in the Z-axis direction is generated. For this reason, the balanced state of the resistance value of the bridge circuit of FIG. 6A is maintained, and there is almost no change in the output of the bridge circuit of FIG. Further, each beam portion portion (the portion closer to the extending tip side of the Y-axis
上記のように、この実施形態例の加速度センサ1は、X軸方向とY軸方向とZ軸方向の三軸方向の加速度をそれぞれ別々に検出することが可能である。
As described above, the
この実施形態例では、梁部4において、連結部側帯状梁部部位(連結部連接部位)15a,15bの両側(換言すれば、X軸方向の加速度検出のためのピエゾ抵抗部RX1〜RX4の近傍)にそれぞれ感度向上用のスリット17を設けた。このため、X軸方向の加速度検出の感度をより高めることができると共に、梁部4の耐久性を高めることができる。このことは、本発明者の実験(シミュレーション)によって確認されている。そのシミュレーションでは、感度向上用のスリット17を持つ実施形態例の加速度センサ1(ここでは、便宜上、タイプBという)と、感度向上用のスリット17が無い以外は実施形態例の加速度センサ1と同じ構成の加速度センサ(ここでは、便宜上、タイプAという)とのそれぞれにおいて、X軸方向とY軸方向とZ軸方向とのそれぞれの方向の加速度発生時における連結部側帯状梁部部位15(15a,15b)の両側の梁部領域の最大応力値と、加速度検出の感度に関与する図6(a)〜(c)のブリッジ回路の出力電圧とを調べた。その応力に関する実験結果が表4に、また、感度に関する実験結果が表5にそれぞれ示されている。なお、この実験では、X軸方向とY軸方向とZ軸方向とのそれぞれの加速度は9.8m/s2とし、ブリッジ回路への電源電圧Vsは1Vとした。また、表4中の数値の単位はPaであり、表5中の数値の単位はmVである。
In this embodiment, in the
表5に示されるように、Y軸方向の加速度が発生したときに図6(b)のブリッジ回路から出力される電圧値と、Z軸方向の加速度が発生したときに図6(c)のブリッジ回路から出力される電圧値とには、タイプAとタイプBとの間に大きな差は無いものの(つまり、この実施形態例のように感度向上用のスリット17をX軸方向加速度検出部のピエゾ抵抗部RX1〜RX4の近傍に設けた構成の場合には、Y軸方向とZ軸方向の各加速度検出に関しては、感度向上用のスリット17を設けたことによる効果は小さいものの)、X軸方向の加速度が発生したときに図6(a)のブリッジ回路から出力される電圧値(つまり、X軸方向の加速度検出の感度)は、タイプAよりもタイプBの方が約16%も向上している。
As shown in Table 5, when the acceleration in the Y-axis direction occurs, the voltage value output from the bridge circuit in FIG. 6B, and in FIG. 6C when the acceleration in the Z-axis direction occurs. Although there is no significant difference between the type A and the type B in the voltage value output from the bridge circuit (that is, the
また、表4に示されるように、Z軸方向の加速度発生時において、連結部側帯状梁部部位15(15a,15b)の両側の梁部領域の最大応力値が25%も低下している。つまり、応力集中が緩和されている。 Further, as shown in Table 4, when the acceleration in the Z-axis direction is generated, the maximum stress value of the beam part region on both sides of the connecting part side band-like beam part part 15 (15a, 15b) is reduced by 25%. . That is, the stress concentration is relaxed.
このような実験結果にも示されるように、感度向上用のスリット17を設けることによって、加速度検出の感度を向上でき、また、梁部4の応力集中を緩和することができる。なお、この実施形態例では、X軸方向の加速度検出のためのピエゾ抵抗部RX1〜RX4の近傍に感度向上用のスリット17を設けたので、X軸方向の加速度検出の感度向上の効果が得られたが、Y軸方向の加速度検出のためのピエゾ抵抗部RY1〜RY4の近傍に感度向上用のスリット17を設けることにより、Y軸方向の加速度検出の感度向上の効果を得ることができるし、また、Z軸方向の加速度検出のためのピエゾ抵抗部RZ1〜RZ4の近傍に感度向上用のスリット17を設けることにより、Z軸方向の加速度検出の感度向上の効果を得ることができる。
As shown in such experimental results, the sensitivity detection sensitivity can be improved by providing the
この実施形態例の加速度センサ1においては、Y軸方向加速度発生時における前記曲げモーメントMは、錘部7の重心と、梁部4の梁面とのZ軸方向の距離Lyに依存する。また、Z軸方向加速度発生時における前記曲げモーメントMは、錘部7の重心と梁部4の梁面とのY軸方向の距離Lzに依存する。加速度センサ1の素子低背化を行うとLyが小さくなるので、Y軸方向加速度検出の感度が低下する傾向にあるが、これに対し、この実施形態例では、各ピエゾ抵抗部RY1〜RY4をそれぞれY軸方向伸長部位4a,4bの伸長先端側寄りに形成し、この形成部位の梁幅を狭くする構成としたので、Y軸方向の加速度検出感度の低下を抑制できる。
In the
一方、加速度センサ1の低背化を行っても、Z軸方向加速度検出に関しては質量の減少以外は影響しない。また、Z軸方向の加速度は、梁4のY軸方向伸長部位4a,4bの伸長基端側(支持部側帯状梁部部位16の両側)に大きな曲げモーメントMを発生する。このため、それら各部位にそれぞれピエゾ抵抗部RZ1〜RZ4を配置することにより、Z軸方向加速度検出の感度低下を抑制できる。なお、錘部7をY方向に長くするとLzが長くなり、Z軸方向の感度を高めることができるので、錘部7をY方向に長くすることにより、Z軸方向の感度をY軸方向の感度と同等の値に調整することができる。これにより、この実施形態例の加速度センサ1は、素子低背化を行っても、Y軸方向とZ軸方向の加速度検出の感度を合わせることができ、X軸方向とY軸方向とZ軸方向の三軸方向において、加速度検出の必要な感度を維持しつつ、低背化ができる。
On the other hand, even if the height of the
また、この実施形態例では、梁部4は支持部5(5a,5b)によって両持ち梁状に固定部6に支持され、また、錘部7(7a,7b)は連結部8(8a,8b)によって梁部4に片持ち梁状に支持されている構成である。このため、支持部5aが接続されている固定部6の部位と、支持部5bが接続されている固定部6の部位との間の距離を短く形成できる。これにより、基台2や固定部6が周囲の温度変化などによって歪んだとしても、その基台2や固定部6の歪みに起因した固定部部位間の歪みによる絶対変位が小さい。
In this embodiment, the
また、梁部4は枠状であり、当該枠状の梁部4が支持部5(5a,5b)によって両持ち梁状に固定部6に支持されているので、基台2や固定部6の歪みによってX軸方向の応力が発生した場合には、梁部4の角部領域が変形して応力を逃がすことができる。さらに、基台2や固定部6の歪みによってY軸方向の応力が発生した場合には、支持部5(5a,5b)が変形して応力を逃がすことができる。このようなことから、この実施形態例では、基台2や固定部6の歪みに起因した梁部4の撓み変形を緩和でき、周囲温度変動に起因した問題(例えば、温度変動によって図6(a)〜(c)の各ブリッジ回路の出力電圧値が変動してしまうという温度ドリフトの問題など)を小さく抑制することができる。
Further, the
また、この実施形態例では、錘部7a,7b間の領域に配置された梁部4に加速度を検出するためのピエゾ抵抗部を集約的に配設した。このため、全てのピエゾ抵抗部をほぼ設計通りに製造することが可能となって、図6(a)〜(c)に示されるブリッジ回路の出力のばらつき等を小さく抑えることが容易となる。つまり、梁部4を構成するSiにボロン(B)やリン(P)をドープしてピエゾ抵抗部を作製するが、ピエゾ抵抗部の配設位置が集約されていることにより、各ピエゾ抵抗部におけるボロンやリンのドープ濃度を均一にすることが容易にできることとなる。このため、各ブリッジ回路の抵抗値の均衡状態が取り易くなり、加速度検出の精度を高めることができる。
In this embodiment, piezoresistive portions for detecting acceleration are collectively arranged on the
さらに、この実施形態例では、全てのピエゾ抵抗部を集約的に配設したので、図6(a)〜(c)の各ブリッジ回路を構成するための配線パターンの引き回し経路を簡素化することができる。また、配線パターンLsと配線パターンLmとを有するクロス配線を設けて回路を形成することにより、より一層配線パターンの引き回し経路を簡素化することができる。 Further, in this embodiment example, all the piezoresistive portions are arranged in a concentrated manner, so that the routing route of the wiring pattern for constituting each bridge circuit of FIGS. 6A to 6C is simplified. Can do. Further, by forming a circuit by providing a cross wiring having the wiring pattern Ls and the wiring pattern Lm, the routing route of the wiring pattern can be further simplified.
さらに、この実施形態例では、梁部4における連結部側帯状梁部部位15(15a,15b)および支持部側帯状梁部部位16(16a,16b)は、梁部4の他の部分よりもZ軸方向の厚みが厚くなっている。この厚みの差のために、連結部側帯状梁部部位15(15a,15b)や支持部側帯状梁部部位16(16a,16b)と、梁部4の他の部分との境界部分における応力の強弱が明確となる。この実施形態例では、梁部4の応力変化を利用して加速度を検出していることから、そのように応力の強弱を明確にすることにより、X軸方向とY軸方向とZ軸方向の三軸方向のそれぞれの加速度をより明瞭に分離して検出することが可能となる。
Further, in this embodiment example, the connecting portion side belt-like beam portion 15 (15a, 15b) and the support portion side belt-like beam portion 16 (16a, 16b) in the
さらに、この実施形態例では、梁部4の枠内に補強部20を設けることによって、梁部4の剛性を高めることができて、例えば基台2や固定部6の歪みに起因した梁部4の撓み変形を小さく抑制することができる。これにより、基台2や固定部6の例えば熱応力による歪みに起因した加速度の誤検出を防止することができる。
Furthermore, in this embodiment, the rigidity of the
さらに、この実施形態例では、支持部5(5a,5b)は、それぞれ、梁26による弾性部25(25a,25b)を介して固定部6に連接されているので、梁26が、固定部6のX軸方向の歪みに応じて弾性変形し、この弾性変形によって、固定部6の歪みに起因して固定部6から支持部5に加えられる応力を軽減することができる。このように、この実施形態例では、例えば熱変動等による基台2や固定部6の歪みに起因した梁部4の歪みを小さく抑制することができるので、加速度検出のためのピエゾ抵抗部により構成されるブリッジ回路の出力の温度ドリフトを抑制することができ、これにより、加速度検出に対する信頼性を高めることができる。
Furthermore, in this embodiment, the support portions 5 (5a, 5b) are connected to the fixing
なお、この発明はこの実施形態例に限定されるものではなく、様々な実施の形態を採り得る。例えば、この実施形態例では、感度向上用のスリット17は、連結部連結部連接部位である連結部側帯状梁部部位15(15a,15b)の両側にそれぞれ設けられていたが、感度向上用のスリット17は、梁部4の中心のX軸およびY軸のそれぞれに対して互いに対称となる位置に設けられていれば、例えば梁部4の剛性や配線パターンの配線経路等を考慮しながら、加速度検出の感度を向上させるべく、連結部側帯状梁部部位15(15a,15b)の両側以外の梁部部分に設けてもよいし、連結部側帯状梁部部位15(15a,15b)の両側に設けると共に、他の梁部部位にも設けてよい。このように、感度向上用のスリット17の形成位置および形成数は、適宜設定されるものである。
In addition, this invention is not limited to this embodiment, Various embodiments can be taken. For example, in this embodiment example, the
また、この実施形態例では、梁部4には、ダミーパターン24が設けられていたが、連結部連接部位の両側の梁部領域における配線パターン(導通路)の対称性が梁部4の撓み変形に与える影響が小さいと想定される場合には、ダミーパターン24を省略してもよい。
Further, in this embodiment example, the
さらに、この実施形態例では、支持部5は、弾性部25を介して固定部6に支持固定されていたが、例えば、図11の平面図に示されるように、弾性部25を省略した加速度センサ1を形成してもよい。
Furthermore, in this embodiment, the
さらに、この実施形態例では、補強部20の幅は、支持部5(5a,5b)の梁部4への連接側の幅と等幅としたが、補強部20の幅は、支持部5(5a,5b)の幅より太くともよいし、細くともよい。また、補強部20のZ軸方向の厚みは、支持部5(5a,5b)の厚みと同様な厚みであってもよいし、支持部5(5a,5b)の厚みよりも薄くてもよい。このように、補強部20の幅や厚みは、梁部4自体の剛性等を考慮して適宜設計してよいものである。また、図12に示すように、補強部20を省略することもできる。
Furthermore, in this embodiment example, the width of the reinforcing
さらに、この実施形態例では、梁部4は、連結部側帯状梁部部位15(15a,15b)および支持部側帯状梁部部位16(16a,16b)が他の部分よりもZ軸方向の厚みが厚くなっている構成であったが、梁部4はそのZ軸方向の厚みが全体に渡って等しい又はほぼ等しい構成としてもよい。
Further, in this embodiment example, the
さらに、この実施形態例では、枠状の梁部4は四角形状であったが、円形状であってもよいし、楕円形状であってもよいし、多角形状であってもよく、四角形状に限定されない。また、枠状の梁部4は、X軸方向中心軸に対して対称な形状となり、かつ、Y軸方向中心軸に対して対称な形状となっていたが、枠状の梁部4は、X軸方向中心軸に対して非対称な形状であってもよいし、Y軸方向中心軸に対して非対称な形状であってもよい。
Further, in this embodiment example, the frame-shaped
さらに、この実施形態例では、支持部5a,5bは、梁部4との連接側を固定部6側よりも太く形成したが、支持部5a,5bは、太さを均一にしてもよい。支持部5a,5bの太さは適宜設定されるものであるが、その剛性が保てる範囲であれば、支持部5a,5bの太さは細い方が好ましい。
Furthermore, in this embodiment, the
さらに、この実施形態例では、梁部4のY軸方向の両側からそれぞれ1本ずつ連結部8が伸長形成されていたが、図13に示すように、梁部4のY軸方向の両側からそれぞれ複数ずつ連結部8が互いに間隔を介しながら伸長形成されていてもよい。なお、図13では、感度向上用のスリット17の図示が省略されている。
Further, in this embodiment, one connecting
さらに、この実施形態例では、加速度を検出するためのピエゾ抵抗部は、図5に示されるように配設されていたが、ピエゾ抵抗部の配置位置は、X軸方向の加速度と、Y軸方向の加速度と、Z軸方向の加速度とをそれぞれ梁部4の撓み変形による応力変化を利用して検出することができれば、図5の配置位置に限定されるものではなく、適宜に配設してよいものである。また、各ピエゾ抵抗部間を接続してブリッジ回路を構成する配線パターンの配線例も、適宜設定してよいものであり、図7の例に限定されるものではなく、例えばクロス配線のない配線パターンとしてもよい。
Further, in this embodiment example, the piezoresistive portion for detecting acceleration is arranged as shown in FIG. 5, but the arrangement position of the piezoresistive portion is the acceleration in the X axis direction and the Y axis. As long as the acceleration in the direction and the acceleration in the Z-axis direction can be detected using the change in stress caused by the bending deformation of the
また、例えば、Z軸方向加速度検出部は、加速度が発生したときに応力変化の無い別々の部分に形成された2つのピエゾ抵抗部と、各支持部側帯状梁部部位16a,16bの片側にそれぞれ形成されたピエゾ抵抗部(例えばピエゾ抵抗部RZ1,RZ3)との、合計4つのピエゾ抵抗部を有する構成としてもよい。そして、隣接配置されたピエゾ抵抗部同士を電気的に接続して2つの電圧検出部を形成し、この2つの電圧検出部からそれぞれ出力される電圧の差に基づいてZ軸方向の加速度を検出するためのブリッジ回路を構成することにより、Z軸方向の加速度を検出できるZ軸方向加速度検出部を形成することができる。なお、加速度が発生したときに応力変化の無い別々の部分とは、例えば補強部20や支持部側帯状梁部部位16や支持部5a,5bの適宜の部位であり、この部位に配置されるピエゾ抵抗部の電気抵抗値は加速度に対して殆ど変化しない。
Further, for example, the Z-axis direction acceleration detection unit is provided on one side of the two piezoresistive portions formed in different portions where there is no change in stress when the acceleration is generated, and on each support portion
さらに、この実施形態例では、ピエゾ抵抗部RX1,RX2同士を接続して電圧検出部PX1を形成し、ピエゾ抵抗部RX3,RX4同士を接続して電圧検出部PX2を形成したが、ピエゾ抵抗部RX2,RX4同士を接続して電圧検出部PX1を形成し、ピエゾ抵抗部RX1,RX3同士を接続して、電圧検出部PX2を形成してもよい。また、この実施形態例では、ピエゾ抵抗部RY2,RY3同士を接続して電圧検出部PY1を形成し、ピエゾ抵抗部RY1,RY4同士を接続して電圧検出部PY2を形成したが、ピエゾ抵抗部RY3,RY1同士を接続して電圧検出部PY1を形成し、ピエゾ抵抗部RY2,RY4同士を接続して、電圧検出部PY2を形成してもよい。さらに、この実施形態例では、ピエゾ抵抗部RZ2,RZ3同士を接続して電圧検出部PZ1を形成し、ピエゾ抵抗部RZ1,RZ4同士を接続して電圧検出部PZ2を形成したが、ピエゾ抵抗部RZ2,RZ1同士を接続して電圧検出部PZ1を形成し、ピエゾ抵抗部RZ3,RZ4同士を接続して、電圧検出部PZ2を形成してもよい。 Further, in this embodiment, the piezoresistive portions R X1 and R X2 are connected to form the voltage detecting portion P X1 , and the piezoresistive portions R X3 and R X4 are connected to form the voltage detecting portion P X2 . However, the voltage detecting unit P X1 may be formed by connecting the piezoresistive units R X2 and R X4 , and the voltage detecting unit P X2 may be formed by connecting the piezoresistive units R X1 and R X3. . In this embodiment, the piezoresistors R Y2 and R Y3 are connected to form a voltage detector P Y1 , and the piezoresistors R Y1 and R Y4 are connected to form a voltage detector P Y2 . However, the piezoresistive portions R Y3 and R Y1 may be connected to form the voltage detecting portion P Y1 , and the piezoresistive portions R Y2 and R Y4 may be connected to form the voltage detecting portion P Y2. . Further, in this embodiment, the piezoresistive portions R Z2 and R Z3 are connected to form the voltage detecting portion P Z1 , and the piezoresistive portions R Z1 and R Z4 are connected to form the voltage detecting portion P Z2 . However, the piezoresistive portions R Z2 and R Z1 may be connected to form the voltage detecting portion P Z1 , and the piezoresistive portions R Z3 and R Z4 may be connected to form the voltage detecting portion P Z2. .
さらに、X軸とY軸とZ軸との三軸方向の加速度検出の感度を揃えるために、ブリッジ回路内に加速度で電気抵抗値が変化しない抵抗部を形成することもできる。例えばZ軸の感度がX軸とY軸よりも大きい場合、図14に示すように、ブリッジ回路の電気抵抗値を調整するための感度調整用のピエゾ抵抗部Rz,Rz,Rz',Rz'をZ軸方向加速度検出用の各ピエゾ抵抗部RZ1,RZ2,RZ3,RZ4のそれぞれに直列に設けてもよい。なお、感度調整用のピエゾ抵抗部Rz,Rz,Rz',Rz'は、加速度が発生したときに応力変化の無い別々の部分に形成される。 Furthermore, in order to make the sensitivity of acceleration detection in the three-axis directions of the X axis, the Y axis, and the Z axis uniform, a resistance portion in which the electrical resistance value does not change due to the acceleration can be formed in the bridge circuit. For example, when the sensitivity of the Z-axis is larger than that of the X-axis and the Y-axis, as shown in FIG. 14, the sensitivity adjustment piezoresistors Rz, Rz, Rz ′, Rz ′ for adjusting the electrical resistance value of the bridge circuit. May be provided in series with each of the piezoresistive portions R Z1 , R Z2 , R Z3 , R Z4 for detecting the Z-axis direction acceleration. Note that the piezoresistive portions Rz, Rz, Rz ′, and Rz ′ for sensitivity adjustment are formed in separate portions where there is no change in stress when acceleration occurs.
このようにすると、ブリッジ回路の各辺の抵抗値変化は、ブリッジ回路の各辺にそれぞれピエゾ抵抗部RZ1,RZ2,RZ3,RZ4がただ一つしか設けられていない場合に比べて、小さくなる。これにより、Z軸方向の加速度の大きさに対するブリッジ回路の出力変動幅を、X軸方向やY軸方向の加速度の大きさに対するブリッジ回路の出力変動幅に揃えることが可能である。 In this way, the resistance value change of each side of the bridge circuit is compared with the case where only one piezoresistive portion R Z1 , R Z2 , R Z3 , R Z4 is provided on each side of the bridge circuit. , Get smaller. As a result, the output fluctuation range of the bridge circuit with respect to the magnitude of acceleration in the Z-axis direction can be made equal to the output fluctuation width of the bridge circuit with respect to the magnitude of acceleration in the X-axis direction and the Y-axis direction.
さらに、この実施形態例では、加速度を検出するX軸方向加速度検出部とY軸方向加速度検出部とZ軸方向加速度検出部は、それぞれ、ピエゾ抵抗部を有して構成されていたが、例えば、静電容量を利用して錘部7の変位を検出して、X軸方向の加速度と、Y軸方向の加速度と、Z軸方向の加速度とをそれぞれ検出する構成としてもよい。
Furthermore, in this embodiment, the X-axis direction acceleration detection unit, the Y-axis direction acceleration detection unit, and the Z-axis direction acceleration detection unit that detect acceleration are each configured to include a piezoresistive unit. Alternatively, the displacement of the
さらに、この実施形態例では、固定部6は、梁部4および錘部7の形成領域を間隔を介して囲む枠状の態様であったが、固定部6は、梁部4を支持部5a,5bによって両持ち梁状に基台2に固定させることができる形態であればよく、枠状でなくともよい。
Further, in this embodiment example, the fixing
さらに、この実施形態例では、梁部4と支持部5と固定部6と錘部7と連結部8はSOI基板により構成されていたが、それらはSOI基板で構成されていなくともよい。
Furthermore, in this embodiment, the
1 加速度センサ
2 基台
4 梁部
4a,4b Y軸方向伸長部位
5,5a,5b 支持部
6 固定部
7,7a,7b 錘部
8,8a,8b 連結部
15 連結部側帯状梁部部位
16 支持部側帯状梁部部位
17 感度向上用のスリット
20 補強部
25 弾性部
26 応力軽減梁
DESCRIPTION OF
Claims (7)
基台の面上に浮いた状態で配置される枠状の梁部と、
梁部から互いに直交するX軸とY軸とZ軸のうちのX軸方向に沿って梁部の両側にそれぞれ外向きに伸長形成されている支持部を介して梁部を前記基台に両持ち梁状に支持する梁部支持固定部と、
前記基台の面上に浮いた状態で梁部のY軸方向の両側からそれぞれY軸方向に沿って外向きに伸長形成されている連結部と、
各連結部の伸長先端部にそれぞれ連接された錘部と、
を有し、
前記錘部は、枠状の梁部の変形によりX軸方向とY軸方向とZ軸方向の三軸方向に変位可能な構成と成し、
前記梁部には、
錘部のX軸方向変位に起因した梁部の撓み変形に基づいてX軸方向の加速度を検出するためのX軸方向加速度検出部と、
錘部のY軸方向変位に起因した梁部の撓み変形に基づいてY軸方向の加速度を検出するためのY軸方向加速度検出部と、
錘部のZ軸方向変位に起因した梁部の撓み変形に基づいてZ軸方向の加速度を検出するためのZ軸方向加速度検出部と、
が設けられ、
さらに、枠状をした梁部には、当該梁部の中心のX軸およびY軸のそれぞれに対して互いに対称となる位置に、感度向上用のスリットが形成されていることを特徴とする加速度センサ。 The base,
A frame-shaped beam portion arranged in a floating state on the surface of the base;
The beam portion is attached to the base via support portions that are formed to extend outward on both sides of the beam portion along the X-axis direction of the X-axis, the Y-axis, and the Z-axis that are orthogonal to each other from the beam portion. A beam support and fixing portion that supports the beam,
A connecting portion that is formed to extend outward along the Y-axis direction from both sides in the Y-axis direction of the beam portion in a state of floating on the surface of the base;
A weight portion connected to the extending tip of each connecting portion;
Have
The weight portion is configured to be displaceable in three axial directions of the X-axis direction, the Y-axis direction, and the Z-axis direction by deformation of the frame-shaped beam portion,
In the beam part,
An X-axis direction acceleration detection unit for detecting an acceleration in the X-axis direction based on the bending deformation of the beam part caused by the displacement of the weight part in the X-axis direction;
A Y-axis direction acceleration detection unit for detecting an acceleration in the Y-axis direction based on a bending deformation of the beam part caused by a displacement in the Y-axis direction of the weight part;
A Z-axis direction acceleration detection unit for detecting an acceleration in the Z-axis direction based on the bending deformation of the beam part caused by the Z-axis direction displacement of the weight part;
Is provided,
Further, the frame-shaped beam portion has an acceleration slit formed at a position symmetrical to each other with respect to the X-axis and the Y-axis at the center of the beam portion. Sensor.
感度向上用のスリットは、その梁部に複数個設けられ、それら各感度向上用のスリットの形成位置および形状は、梁部におけるX方向中心軸に対して対称であり、かつ、Y方向中心軸に対しても対称であることを特徴とする請求項1又は請求項2記載の加速度センサ。 The central axis of each support part that is extended in the X-axis direction from both sides of the beam part in the X-axis direction is arranged on the same straight line, and extends in the Y-axis direction from both sides of the beam part in the Y-axis direction. The central axes of the formed connecting portions are arranged on the same straight line, and the beam portion has a symmetrical shape with respect to the X-direction center line passing through the central axis of the support portion, and the center of the connecting portion. The configuration is symmetrical with respect to the Y-direction center line passing through the axis,
A plurality of sensitivity improvement slits are provided in the beam portion, and the formation position and shape of each sensitivity improvement slit are symmetric with respect to the X direction central axis in the beam portion, and the Y direction central axis. 3. The acceleration sensor according to claim 1, wherein the acceleration sensor is symmetrical with respect to the acceleration sensor.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2006292858A JP2008107300A (en) | 2006-10-27 | 2006-10-27 | Acceleration sensor |
Applications Claiming Priority (1)
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JP2006292858A JP2008107300A (en) | 2006-10-27 | 2006-10-27 | Acceleration sensor |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2008107300A true JP2008107300A (en) | 2008-05-08 |
Family
ID=39440754
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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JP2006292858A Pending JP2008107300A (en) | 2006-10-27 | 2006-10-27 | Acceleration sensor |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP2008107300A (en) |
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US20090320597A1 (en) * | 2008-06-25 | 2009-12-31 | Yamaha Corportaion | Micro electro mechanical systems element for measuring three-dimensional vectors |
CN103159161A (en) * | 2013-04-01 | 2013-06-19 | 江苏久祥汽车电器集团有限公司 | Two-dimension tilt angle sensor |
CN104880571A (en) * | 2015-05-26 | 2015-09-02 | 陈莹莹 | Acceleration sensing device |
-
2006
- 2006-10-27 JP JP2006292858A patent/JP2008107300A/en active Pending
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