JP2004069405A5 - - Google Patents

Claims (20)

1. 上層部、中層部、下層部の少なくとも３層構造を有するセンサ本体と、検出値を電気信号として取り出すための検出回路と、を備え、
   前記上層部の上面の中心位置に原点Ｏをとり、前記上層部の上面において互いに直交する方向にそれぞれＸ軸およびＹ軸をとり、前記上層部の上面に対して垂直な方向にＺ軸をとることにより、ＸＹＺ三次元直交座標系を定義したときに、
   前記上層部は、前記原点Ｏの近傍に配置された島状部と、前記島状部からＸ軸正方向に伸びる第１の橋梁部と、前記島状部からＹ軸正方向に伸びる第２の橋梁部と、前記島状部からＸ軸負方向に伸びる第３の橋梁部と、前記島状部からＹ軸負方向に伸びる第４の橋梁部と、の５つの部分を有する十字形部材と、ＸＹ座標における第１象限に位置する第１の固定部と、ＸＹ座標における第２象限に位置する第２の固定部と、ＸＹ座標における第３象限に位置する第３の固定部と、ＸＹ座標における第４象限に位置する第４の固定部と、の４つの部分を有する固定部材と、によって構成されており、前記十字形部材の周囲は前記固定部材によって取り囲まれ、前記各橋梁部の外側部分は前記固定部材に接続されており、
   前記下層部は、ＸＹ座標における第１象限に位置する第１の羽根部と、ＸＹ座標における第２象限に位置する第２の羽根部と、ＸＹ座標における第３象限に位置する第３の羽根部と、ＸＹ座標における第４象限に位置する第４の羽根部と、中央付近において前記第１の羽根部、前記第２の羽根部、前記第３の羽根部、前記第４の羽根部を互いに接続する羽根接合部と、を有する作用体と、この作用体に対して所定間隔をおきながら、その周囲を取り囲む台座と、によって構成されており、
   前記中層部は、前記島状部の下面と前記羽根接合部の上面とを接続する中央接続部と、前記台座の上面と前記固定部材の下面とを接続する周囲接続部と、によって構成されており、
   前記第１の羽根部の上面の外側の一部分は、前記第１の固定部の下面の内側の一部分に対向する制御面を構成し、前記第２の羽根部の上面の外側の一部分は、前記第２の固定部の下面の内側の一部分に対向する制御面を構成し、前記第３の羽根部の上面の外側の一部分は、前記第３の固定部の下面の内側の一部分に対向する制御面を構成し、前記第４の羽根部の上面の外側の一部分は、前記第４の固定部の下面の内側の一部分に対向する制御面を構成し、
   前記第１の橋梁部、前記第２の橋梁部、前記第３の橋梁部、前記第４の橋梁部は、前記作用体に外力が作用した場合に撓みを生じる性質を有し、前記撓みにより前記作用体が前記台座に対して変位を生じるように構成されており、
   前記第１の橋梁部、前記第２の橋梁部、前記第３の橋梁部、前記第４の橋梁部の所定箇所には、ピエゾ抵抗素子が配置されており、前記検出回路は、前記ピエゾ抵抗素子の抵抗値に基づいて、前記作用体に作用した外力を示す検出値を出力し、
   所定の許容範囲を越える外力が作用した場合に、少なくともいずれか１つの羽根部の上面が、対向する固定部の下面に接触して変位が制御されるように、前記中層部の厚みが設定されていることを特徴とする抵抗素子を用いた力センサ。
2. 請求項１に記載の力センサにおいて、
   上層部には、ＸＹ座標における第１象限、第２象限、第３象限、第４象限の所定位置にそれぞれ厚み方向に貫通する開口部が設けられており、これら開口部により、各橋梁部の側部が固定部材に対して物理的に分離されていることを特徴とする抵抗素子を用いた力センサ。
3. 請求項１または２に記載の力センサにおいて、
   上層部および下層部を構成する材料と中層部を構成する材料とが、互いにエッチング特性の異なる材料からなることを特徴とする抵抗素子を用いた力センサ。
4. 請求項３に記載の力センサにおいて、
   上層部および下層部を、シリコン層によって構成し、中層部を酸化シリコン層によって構成したことを特徴とする抵抗素子を用いた力センサ。
5. 請求項４に記載の力センサにおいて、
   センサ本体が、シリコン層／酸化シリコン層／シリコン層なる３層構造を有するＳＯＩ基板によって構成されていることを特徴とする抵抗素子を用いた力センサ。
6. 請求項４または５に記載の力センサにおいて、
   ピエゾ抵抗素子が、シリコン層からなる上層部に形成された不純物ドープ領域によって構成されていることを特徴とする抵抗素子を用いた力センサ。
7. 請求項１〜６のいずれかに記載の力センサにおいて、
   橋梁部の厚みが、固定部材の厚みよりも小さく設定されていることを特徴とする抵抗素子を用いた力センサ。
8. 請求項７に記載の力センサにおいて、
   各橋梁部の外側部分が、周囲接続部の上方部分まで伸びていることを特徴とする抵抗素子を用いた力センサ。
9. 請求項１〜８のいずれかに記載の力センサにおいて、
   第１の橋梁部の内側部分、第１の橋梁部の外側部分、第３の橋梁部の内側部分、第３の橋梁部の外側部分の各位置に配置された合計４組のピエゾ抵抗素子によりＸ軸方向成分検出手段が構成され、
   検出回路が、前記Ｘ軸方向成分検出手段を構成する各ピエゾ抵抗素子の抵抗値に基づいて、作用体に作用した外力のＸ軸方向成分を示す検出値を出力することを特徴とする抵抗素子を用いた力センサ。
10. 請求項９に記載の力センサにおいて、
    第２の橋梁部の内側部分、第２の橋梁部の外側部分、第４の橋梁部の内側部分、第４の橋梁部の外側部分の各位置に配置された合計４組のピエゾ抵抗素子によりＹ軸方向成分検出手段が構成され、
    検出回路が、前記Ｙ軸方向成分検出手段を構成する各ピエゾ抵抗素子の抵抗値に基づいて、作用体に作用した外力のＹ軸方向成分を示す検出値を出力する機能を有し、外力のＸＹ二次元方向成分を独立して検出することを特徴とする抵抗素子を用いた力センサ。
11. 請求項１０に記載の力センサにおいて、
    第１の橋梁部の内側部分、第１の橋梁部の外側部分、第３の橋梁部の内側部分、第３の橋梁部の外側部分の各位置に配置された合計４組のピエゾ抵抗素子、または、第２の橋梁部の内側部分、第２の橋梁部の外側部分、第４の橋梁部の内側部分、第４の橋梁部の外側部分の各位置に配置された合計４組のピエゾ抵抗素子によりＺ軸方向成分検出手段が構成され、
    検出回路が、前記Ｚ軸方向成分検出手段を構成する各ピエゾ抵抗素子の抵抗値に基づいて、作用体に作用した外力のＺ軸方向成分を示す検出値を出力する機能を有し、外力のＸＹＺ三次元方向成分を独立して検出することを特徴とする抵抗素子を用いた力センサ。
12. 請求項９〜１１のいずれかに記載の力センサにおいて、
    橋梁部の内側部分のピエゾ抵抗素子の内側端が、中央接続部の外側輪郭線に揃うように配置され、橋梁部の外側部分のピエゾ抵抗素子の外側端が、周囲接続部の内側輪郭線に揃うように配置されていることを特徴とする抵抗素子を用いた力センサ。
13. 請求項９〜１２のいずれかに記載の力センサにおいて、
    検出回路が、所定の座標軸方向成分を検出するための回路として、４組のピエゾ抵抗素子からなるブリッジ回路についてのブリッジ電圧を検出する回路を有することを特徴とする抵抗素子を用いた力センサ。
14. 請求項１〜１３のいずれかに記載の力センサを含み、作用体に作用した加速度に起因する力を検出することにより、検出回路から加速度の検出信号を出力させるようにしたことを特徴とする抵抗素子を用いた加速度センサ。
15. 請求項１４に記載の加速度センサにおいて、
    台座の底面に制御基板が接続されており、この台座の底面に対して作用体の底面が所定寸法だけ上方に位置し、前記作用体の底面と前記制御基板の上面との間に所定間隔が確保されるように、前記作用体の厚みが設定されており、
    作用した加速度の所定方向成分の大きさが所定の許容値を越えたときに、前記作用体の底面が前記制御基板の上面に接触して変位が制御されるように、前記所定間隔が設定されていることを特徴とする抵抗素子を用いた加速度センサ。
16. 請求項１〜１５のいずれかに記載の力センサもしくは加速度センサを製造する方法であって、
    上から順に、第１の層、第２の層、第３の層の３層を積層してなり、前記第１の層と前記第２の層とが互いにエッチング特性が異なり、前記第３の層と前記第２の層とが互いにエッチング特性が異なるような材料基板を用意する準備段階と、
    前記第１の層に対しては浸食性を有し、前記第２の層に対しては浸食性を有しないエッチング方法により、前記第１の層の所定領域に対して、前記第２の層の上面が露出するまで厚み方向へのエッチングを行い、前記第１の層に開口部を形成することにより、前記第１の層の一部からなる十字形部材と固定部材とを形成する上層部形成段階と、
    前記第３の層に対しては浸食性を有し、前記第２の層に対しては浸食性を有しないエッチング方法により、前記第３の層の所定領域に対して、前記第２の層の下面が露出するまで厚み方向へのエッチングを行い、前記第３の層を作用体と台座とに分離する下層部形成段階と、
    前記第２の層に対しては浸食性を有し、前記第１の層および前記第３の層に対しては浸食性を有しないエッチング方法により、前記第２の層に対して、その露出部分から厚み方向および層方向へのエッチングを行い、残存した部分により中央接続部および周囲接続部を形成する中層部形成段階と、
    前記十字形部材の一部をなす各橋梁部の所定箇所に、ピエゾ抵抗素子を形成する抵抗素子形成段階と、
    を有することを特徴とする力センサもしくは加速度センサの製造方法。
17. 請求項１６に記載のセンサの製造方法において、
    十字形部材の厚みが、固定部材の厚みよりも小さくなるように、上層部の十字形部材となるべき領域の上層部分をエッチング除去する厚み調整段階を更に有し、抵抗素子形成段階では、厚み調整がなされた十字形部材の所定箇所にピエゾ抵抗素子を形成することを特徴とする力センサもしくは加速度センサの製造方法。
18. 請求項１６または１７に記載の加速度センサの製造方法において、
    台座部分の厚みに比べて作用体部分の厚みが小さくなるように、下層部の作用体となるべき領域の下層部分をエッチング除去する厚み調整段階と、
    台座底面に制御基板を接合する制御基板接合段階と、
    を更に有することを特徴とする加速度センサの製造方法。
19. 請求項１６〜１８のいずれかに記載のセンサの製造方法において、
    上層部形成段階および下層部形成段階で、誘導結合型プラズマエッチング法を用いることにより、厚み方向へのエッチングを行うことを特徴とする力センサもしくは加速度センサの製造方法。
20. 上層部、中層部、下層部の少なくとも３層構造を有するセンサ本体と、検出値を電気信号として取り出すための検出回路と、を備え、
    前記上層部は、中心位置に配置された島状部と、この島状部から外側へと伸びる橋梁部と、固定部材と、を有し、
    前記下層部は、前記固定部材に対向する位置に配置された作用体と、この作用体に対して所定間隔をおくように配置された台座と、を有し、
    前記中層部は、前記島状部と前記作用体とを接続する中央接続部と、前記固定部材の外側部分および前記橋梁部の外側部分と前記台座とを接続する周囲接続部と、を有し、
    前記橋梁部は、前記作用体に外力が作用した場合に撓みを生じる性質を有し、この撓みにより前記作用体が前記台座に対して変位を生じるように構成されており、
    前記橋梁部の所定箇所には、ピエゾ抵抗素子が配置されており、前記検出回路は、前記ピエゾ抵抗素子の抵抗値に基づいて、前記作用体に作用した外力を示す検出値を出力し、
    所定の許容範囲を越える外力が作用した場合に、前記作用体の一部が対向する固定部材 の一部に接触して変位が制御されるように、前記中層部の厚みが設定されていることを特徴とする抵抗素子を用いた力センサ。