JP2005283402A - 慣性センサ - Google Patents

Abstract

【課題】 高感度性と耐衝撃性とを両立可能とするビームを備えた慣性センサを提供すること。
【解決手段】 衝撃によってビームに生じる応力が集中する部分を避けて局所的に容易変形部（厚みが薄い凹部１５や穴など）を設けることとした。また、その凹部１５をビーム１３の中心を通る延在方向および当該延在方向と直角方向の直線に対して線対称に配置することとした。さらに、ビーム１３の根元部が錘１２および枠１４とは直角に接することなくより緩やかな角度となるように根元部を形成することとした。これにより、センサの耐衝撃性を低下させることなくセンサの感度を向上させること、および、ビーム根元部の応力集中エリアを分散させることが可能となり、センサの感度を犠牲にすることなくその耐衝撃性を向上させることが可能となる。
【選択図】 図３

Description

本発明は加速度センサやジャイロなどの慣性センサに関し、より詳細には、高感度性と耐衝撃性とに優れた慣性センサに関する。

近年の加速度センサやジャイロなどの慣性センサは、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical System）技術を応用した微細加工技術の発展により、小型化と高性能化および低価格化を同時に実現することが可能となった。このような背景の下に、ＭＥＭＳデバイスとしての慣性センサは、カーナビゲーション、車載エアバッグ制御、カメラやビデオの手ぶれ防止、携帯電話、ロボットの姿勢制御、ゲーム用ジェスチャー入力認識、ＨＤＤの回転・衝撃検知などを目的とするデバイスとして、動き検知を必要とするあらゆる機器に搭載されることが期待されており、これらの機器に搭載される慣性センサには更なる高感度化が求められている。

図１は、可動部である錘をビームで吊り下げる基本構成を有する一般的な慣性センサの主要構成例を説明するための図で、図１（ａ）はセンシング部の斜視図、図１（ｂ）はセンシング部の上平面図である。これらの図において、１０は慣性センサのセンシング部を作製するための基板、１１は基板１０に作り込まれたピエゾ抵抗、１２はセンシング部の可動部である錘、１３は錘１２の動きを支えるビームであって複数設けられている。また、１４は錘１２およびビーム１３を保持するための枠である。このビーム１３の幅はＷ、厚みはＴ、そして長さはＬである。可動部である錘１２が動くと、その動きはビーム１３の捩れや撓みとなりビーム１３上に設けられたピエゾ抵抗１１の抵抗値が変化し、この抵抗値の変化がホイーストン・ブリッジ回路の出力などの電気信号として得られる。

ところで、動きを検知する機器には、ときとして予想外の大きな衝撃が加わることがあり得るため、かかる機器に搭載されている慣性センサには大きな衝撃が印加される危険性がある。一般的な慣性センサは可動部である錘をビームで吊り下げる基本構成を有するため、偶発的に大きな衝撃が印加された場合にはビームが大きく変形したり破損したりしてセンサとして機能しなくなるなどの問題が知られている（特許文献１）。例えば、車載エアバッグなどの自動車用途では追突や横転などの場合に通常運転時には生じ得ない大きな衝撃が加わり得るし、モバイル機器などでは誤って機器を落下させた際の衝撃が予想される。また、ゲーム機などのホビー用途にあっては、ユーザが乱暴な取り扱いをした際には極めて大きな衝撃が生じ得る。このような突発的に加えられる偶発的衝撃は、３０００Ｇとも５０００Ｇとも言われており、これらの機器に搭載される慣性センサには高い耐衝撃性が要求されることとなる。
特開２０００−１８７０４１号公報

図１に示した一般的構成の慣性センサの感度を向上させるためには、ビーム１３の幅Ｗを狭く、厚みＴを薄く、長さＬを長くしたり、あるいは錘１２の重量を重くするという方法が考えられる。しかしながら、一般にセンサ感度と耐衝撃性とは逆比例の関係にあり、上記のような手法によりセンサ感度を高めた場合には、耐衝撃性が低下せざるを得ない。また逆に、センサの耐衝撃性を向上させるためにビーム１３の形状や錘１２の重量を設計するとセンサとしての感度が低下してしまう。このように、慣性センサの高感度性と耐衝撃性とを両立させることは困難であるという問題があった。

本発明はかかる問題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、高感度性と耐衝撃性とを両立可能とするビームを備えた慣性センサを提供することにある。

本発明はかかる課題を解決するために、請求項１に記載の発明は、可動部である錘を複数のビームで吊り下げる構成のセンシング部を有する慣性センサであって、前記ビームは局所的に容易変形部を有し、当該容易変形部は前記ビームの応力集中部位である端部を避けて設けられていることを特徴とする。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の慣性センサにおいて、前記容易変形部は局所的に厚みが薄い凹部であり、請求項３に記載の発明は、前記凹部は穴であることを特徴とする。

請求項４に記載の発明は、請求項１に記載の慣性センサにおいて、前記容易変形部は、前記ビームの一部領域に設けられた幅狭部であることを特徴とする。

請求項５に記載の発明は、請求項１乃至４の何れかに記載の慣性センサにおいて、前記容易変形部は複数設けられており、前記ビームの中心を通る延在方向および当該延在方向と直角方向の直線に対して線対称に配置されていることを特徴とする。

請求項６に記載の発明は、可動部である錘をビームで吊り下げる構成の慣性センサであって、前記ビームは、当該ビーム端部の輪郭の任意の箇所が直角より緩やかな角度を有する形状を有することを特徴とし、請求項７に記載の発明は、請求項６に記載の慣性センサにおいて、前記ビーム端部の輪郭は曲線であることを特徴とする。

請求項８に記載の発明は、請求項６または７に記載の慣性センサにおいて、前記ビームには、請求項１乃至５の何れかに記載の容易変形部が設けられていることを特徴とする。

請求項９に記載の発明は、請求項１乃至８の何れかに記載の慣性センサにおいて、前記センシング部の近傍には、前記錘の可動範囲を所定範囲に制限する錘ストッパが設けられていることを特徴とする。

本発明によれば、衝撃によってビームに生じる応力が集中する部分を避けて容易変形部（例えば、凹部や穴もしくは幅狭部）が設けられるとともにその容易変形部が適切に配置されることととしたので、センサの耐衝撃性を低下させることなくセンサの感度を向上させることが可能となる。

また、本発明によれば、ビームの根元部が錘および枠とは直角に接することなくより緩やかな角度となるように根元部を形成することとしたので、ビーム根元部の応力集中エリアを分散させることが可能となりセンサの感度を犠牲にすることなくその耐衝撃性を向上させることが可能となる。

このように、本発明によってセンサの高感度性と耐衝撃性の両立が可能となる。

以下に図面を参照して、本発明を実施するための最良の形態について説明する。なお、本発明の慣性センサのセンシング部の基本構造は図１に示したものと同様であり、シリコン基板内にＭＥＭＳ技術により作り込まれたものである。そして、このセンシング部をガラス基板などの固定部材上に載置してパッケージ内に封止して素子化されている。

慣性センサの感度を向上させるためには、ビームの幅を狭くしたり、厚みを薄くしたり、長さを長くしたり、あるいは錘の重量を重くする以外にも、ビームに穴を設けてその変形を容易化するという方法が考えられる。しかし、ビームが衝撃により変形することで生じる応力分布は一様ではないため、穴が応力集中部分に設けられるとビームの機械的強度が低下してしまうこととなる。したがって、本発明の慣性センサが備えるセンシング部のビームには、衝撃によって生じる応力が集中する部分を避けて容易変形部（厚みが薄く設定されている凹部など）が設けられるとともにその配置が工夫され、これにより高感度性と耐衝撃性との両立が図られている。

先ず、衝撃が印加された際にビームに生じる応力について説明する。センシング部に衝撃が加わるとその衝撃によってビームに大きな変形が生じ、内部に応力が発生する。

図２は慣性センサに衝撃が印加された際にビームが変形する様子を説明するための図で、図２（ａ）はｘ方向に衝撃が印加された状態でのセンシング部の斜視図、図２（ｂ）はｚ方向に衝撃が印加された状態でのセンシング部の斜視図である。ｘ方向に衝撃が加えられた場合には、ｙ方向に延在して設けられているビーム１３ｙを軸として錘１２が揺れ、ｘ方向に延在しているビーム１３ｘが大きく撓むこととなる。このときのビーム１３は、枠１４側の根元部分Ｒ１、Ｒ４および錘１２側の根元部分Ｒ２、Ｒ３が最も大きく撓み、これらの部分に応力が集中することとなる。また、ｚ方向に衝撃が加えられた場合には４つのビーム１３全てが撓み、このときもビーム１３は枠１４側の根元部分Ｒ１、Ｒ４および錘１２側の根元部分Ｒ２、Ｒ３が最も大きく撓み、これらの部分に応力が集中することとなる。

このように、外部からの衝撃が加わった場合に応力が集中するのはビーム１３の根元部分であり、衝撃によって破壊されやすい部分となる。したがって、本発明の慣性センサでは、これらの応力集中部分を避けた場所に容易変形部（ビームの厚みが局所的に薄く設定されている凹部など）が設けられる。このような容易変形部として凹部を設ける場合には、この凹部の厚みはビームの長さや幅、得るべき耐衝撃性、あるいは凹部の広さなどの諸条件を勘案して決定される。また、その厚みをゼロとして穴を設けることとしてもよい。以下の説明においてはこの凹部の厚みがゼロの場合を例に説明する。

図３は、本発明の慣性センサのセンシング部に設けられたビーム穴の様子を説明するための図で、図３（ａ）はセンシング部の斜視図、図３（ｂ）はビームに設けられた穴の様子を説明するためのビーム近傍の上平面図である。錘１２と枠１４との間に設けられているビーム１３には、その根元部を避けて穴１５が設けられており、ビーム１３が変形した際に応力集中が生じるビーム部分の機械的強度を落とすことなくビーム１３の容易な変形を可能とし、これにより耐衝撃性の低下を招くことなくセンサ感度が高められている。

このような穴は、全長Ｌのビーム１３の幅ｄの根元部を避けて設けられるとともに、好ましくはビーム１３の中線Ａ−ＡおよびＢ−Ｂを中心として線対称となるように配置される。なお、センサの感度向上の観点からは根元部を避ける幅ｄは可能な限り小さくとることが好ましいため、要求される耐衝撃性との関係を考慮して最小となるように決定される。また、図３にはこのような穴１５が６つ設けられているがこれは一例に過ぎず、穴の数やその大きさおよび形状はビーム１３上に設けられる配線などとの関係を考慮して設計され最適化される。

発明者らの確認実験によれば、ビーム穴が設けられていない同サイズのセンシング部を備えた慣性センサ（特に応力の変化を検出するピエゾ抵抗型加速度センサ）との比較において、上記のような穴を設けることにより感度が約２倍に向上すること及び穴の有無で耐衝撃性に差がないことが実験的に確かめられ、耐衝撃性を低下させることなく高感度化が図れることが確認された。なお、例えば図３（ｃ）に示すように、ビーム穴に代えて（あるいはビーム穴とともに）ビームの応力集中部位である端部を避け且つビームの中心を通る延在方向および当該延在方向と直角方向の直線に対して線対称位置に幅狭部１５´を設けることとしてもよい。幅狭部１５´を設けることにより、ｘ軸方向に加速度が作用した場合、ｙ軸方向にビームがねじれ易くなり、検出感度が向上するという効果が得られる。

実施例１ではビームの根元形状は従来のセンシング部の根元形状と同一であるものとして説明したが、耐衝撃性を向上させるという観点に絞れば、ビームの機械的強度を積極的に向上させる工夫が必要となる。本実施例では、ビームの機械的強度を上げる目的で、衝撃印加時に応力が集中する根元部分（端部）の形状を工夫することでセンサの耐衝撃性を向上させている。

図４は、本実施例のビーム根元部の形状を説明するための図で、図４（ａ）は根元部形状の第１例、図４（ｂ）は第２例、そして図４（ｃ）は従来の根元部形状を示す図である。従来のビームは、図４（ｃ）に示した実施例１の図３で例示したビームのように、錘１２および枠１４と接する根元部分が直角となる形状とされていたのに対して、本実施例においては、ビーム１３の根元部が錘１２および枠１４とは直角に接することなくより緩やかな角度となるように、テーパ（図４（ａ））やアール（図４（ｂ））をもたせた根元部が形成されている。このような根元部形状とすることで、ビーム根元部の応力集中エリアを分散させることが可能となり耐衝撃性を向上させることができる。

なお、図４（ａ）に示したように単に直角部分をなくした形状とすることでも耐衝撃性を向上させることが可能であるが、図４（ｂ）に示したようにアールを設けて輪郭が緩やかに変化する根元形状とすると耐衝撃性の向上にさらに有効である。

また、図５に示すように、例えばテーパＣ（ここでは５０μｍ）をもつ根元部形状とすることに加え、ビーム１３に設ける穴をアールＲ（ここでは２０μｍ）をもたせた形状とするとより効果的である。

なお、このような根元形状とすることにより得られる耐衝撃性の向上という効果はビームに穴を設けることによるセンサ感度向上という効果とは独立に得られるものであるから、ビーム穴を設けることなく、その輪郭に直角以上の角度をもたない根元形状とすることで耐衝撃性を向上させることができることは明らかである。また、このような根元形状の効果は、例えば図４（ｄ）に示すようにビーム穴に代えて（あるいはビーム穴とともに）幅狭部１５´を設けることとした場合にも同様に得られることはいうまでもない。

図６は、本発明の慣性センサが備えるビームの形状例を説明するための図である。ビーム１３にはこのビーム１３の中心を通る延在方向および当該延在方向と直角方向の直線に対して線対称に配置された穴１５が設けられており、この穴１５を避けてビーム１３上に設けられたピエゾ抵抗１１は、枠１４に設けられた電極２１と配線２２で接続されて錘１２の動きに起因する抵抗値の変化を図示しないホイーストン・ブリッジ回路などへと出力する。なお、これらの形状はあくまでも例示に過ぎず適宜変更され得ることはいうまでもない。

実施例１乃至実施例３で示したビームを備えた慣性センサの耐衝撃性をさらに高めるために、本実施例ではかかるセンシング部の錘の可動範囲を所定の範囲に制限するための錘ストッパを設ける。

図７は、本発明の慣性センサに備えられる錘ストッパの構成例で、これらの錘ストッパ１６はＭＥＭＳ技術により微細加工されてセンシング部近傍に一定のクリアランスをもって設けられる。このような錘ストッパ１６を設けると、センサの規定感度範囲に対応する変位量を超えて錘１２が動く場合には錘ストッパ１６によってその動きが妨げられるため、偶発的に大きな衝撃が印加された場合にもビーム１３が大きく変形したり破損したりしてセンサとして機能しなくなるなどの問題が回避されることとなる。

図８は、パッケージのキャップおよびパッケージの底面に上下の錘ストッパを形成した場合の慣性センサの断面図である。センシング部１７はパッケージ１８の底面部に接着剤２０で固定され、このパッケージ１８にキャップ１９が被せられて格納されている。パッケージ１８の底面部およびキャップ１９には図７に示したような錘ストッパが形成されている。

センシング部の錘１２の上下面は単純な平面としてもよいが、これらの面に凸部を設けることとしてもよい。このような凸部を設けた場合には、この凸部の先端面とこの凸部に対向する錘ストッパ面との間隔が実効的なクリアランスとなる。したがって、錘ストッパと錘との距離を比較的大きくとった場合であっても耐衝撃性を向上させることができるという利点がある。なお、これとは逆に錘ストッパの錘対向面に同様の凸部を設けることとしてもよいことはいうまでもない。

なお、これらの錘ストッパとセンシング部（錘）とのクリアランスを狭く取れば耐衝撃性は向上するが錘の可動範囲が狭くなってセンサのダイナミックレンジは低下する。一方、クリアランスを広く取れば錘の可動範囲が広くなってセンサのダイナミックレンジは広がるが広く取りすぎると錘ストッパが有効に機能せずに期待する耐衝撃性が得られない結果となる。したがって、本発明の慣性センサが備えるセンシング部と錘ストッパとの間のクリアランスは、センサのダイナミックレンジと付与したい耐衝撃性の双方を満足するように決定される。なお、クリアランスは可能な限り狭く取ることが好ましい。これは、クリアランスを必要以上に広く取ると、偶発的な衝撃により動き始めた錘がストッパによりその動きを制限されるまでの間に大きく加速されてしまい、ストッパに当たった時に破損などすることが考えられ得るからである。

本発明により、センサの耐衝撃性を低下させることなくセンサの感度を向上させること、および、センサの感度を犠牲にすることなくその耐衝撃性を向上させること、が可能となる。すなわち、本発明によってセンサの高感度性と耐衝撃性の両立が可能となる。

可動部である錘をビームで吊り下げる基本構成を有する一般的な慣性センサの主要構成例を説明するための図で、（ａ）はセンシング部の斜視図、（ｂ）はセンシング部の上平面図である。 慣性センサに衝撃が印加された際にビームが変形する様子を説明するための図で、（ａ）はｘ方向に衝撃が印加された状態でのセンシング部の斜視図、（ｂ）はｚ方向に衝撃が印加された状態でのセンシング部の斜視図である。 本発明の慣性センサのセンシング部に設けられたビーム穴の様子を説明するための図で、（ａ）はセンシング部の斜視図、（ｂ）はビームに設けられた穴の様子を説明するためのビーム近傍の上平面図、（ｃ）は幅狭部を設けたビーム近傍の上平面図である。 実施例２のビーム根元部の形状を説明するための図で、（ａ）は根元部形状の第１例、（ｂ）は第２例、（ｃ）は従来の根元部形状を示す図、そして（ｄ）は幅狭部を設けたビームの根元形状を示す図である。 テーパＣをもつ根元部形状とすることに加え、ビームに設ける穴をアールＲをもたせた形状としたビームを説明するための図である。 本発明の慣性センサが備えるビームの形状例を説明するための図である。 本発明の慣性センサに備えられる錘ストッパの構成例を説明するための図である。 パッケージのキャップおよびパッケージの底面に上下の錘ストッパを形成した場合の慣性センサの断面図である。

符号の説明

１０ 基板
１１ ピエゾ抵抗
１２ 錘
１３ ビーム
１４ 枠
１５ ビームに設けた穴
１５´ 幅狭部
１６ 錘ストッパ
１７ センシング部
１８ パッケージ
１９ キャップ
２０ 接着剤
２１ 電極
２２ 配線

Claims (9)

1. 可動部である錘を複数のビームで吊り下げる構成のセンシング部を有する慣性センサであって、
   前記ビームは局所的に容易変形部を有し、当該容易変形部は前記ビームの応力集中部位である端部を避けて設けられていることを特徴とする慣性センサ。
2. 前記容易変形部は局所的に厚みが薄い凹部であることを特徴とする請求項１に記載の慣性センサ。
3. 前記凹部は穴であることを特徴とする請求項２に記載の慣性センサ。
4. 前記容易変形部は、前記ビームの一部領域に設けられた幅狭部であることを特徴とする請求項１に記載の慣性センサ。
5. 前記容易変形部は複数設けられており、前記ビームの中心を通る延在方向および当該延在方向と直角方向の直線に対して線対称に配置されていることを特徴とする請求項１乃至４の何れかに記載の慣性センサ。
6. 可動部である錘をビームで吊り下げる構成の慣性センサであって、
   前記ビームは、当該ビーム端部の輪郭の任意の箇所が直角より緩やかな角度を有する形状を有することを特徴とする慣性センサ。
7. 前記ビーム端部の輪郭は曲線であることを特徴とする請求項６に記載の慣性センサ。
8. 前記ビームには、請求項１乃至５の何れかに記載の容易変形部が設けられていることを特徴とする請求項６または７に記載の慣性センサ。
9. 前記センシング部の近傍には、前記錘の可動範囲を所定範囲に制限する錘ストッパが設けられていることを特徴とする請求項１乃至８の何れかに記載の慣性センサ。
   
   

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