JP2007017284A - Sensor - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、MEMS(Micro Electro Mechanical System)技術を用いた、いわゆる櫛歯型静電容量センサなどとして好適に実施され、板状の基板上に板状の可動部材を変位自在に支持し、その可動部材の面方向の変位を検出することで、加速度や角速度などの物理量を検出するようにしたセンサに関する。 The present invention is suitably implemented as a so-called comb-shaped electrostatic capacitance sensor using MEMS (Micro Electro Mechanical System) technology, and supports a plate-like movable member on a plate-like substrate so as to be displaceable. The present invention relates to a sensor that detects physical quantities such as acceleration and angular velocity by detecting displacement in the surface direction of a movable member.
図11は、典型的な従来技術の加速度センサ1の構造を示す正面図である。この加速度センサ1は、大略的に、平板状のシリコン基板から成る主基板1が、MEMS技術を用いたエッチングなどによってこの図11で示すような形状に彫り出され、平板状のガラス基板から成る支持基板に積層されて構成されている。主基板1は、支持基板に対して、たとえば陽極接合によって接合される。前記主基板1の略中央には、可動部材2が、図11の左右方向に変位自在となるように、その左右方向の両端面が撓み変形可能な梁3,4によって前記支持基板に支持されている。
FIG. 11 is a front view showing the structure of a typical prior art acceleration sensor 1. In this acceleration sensor 1, a main substrate 1 made of a flat silicon substrate is roughly carved into a shape as shown in FIG. 11 by etching using a MEMS technique, and is made of a flat glass substrate. It is configured by being laminated on a support substrate. Main substrate 1 is bonded to the support substrate by, for example, anodic bonding. At substantially the center of the main substrate 1, the
前記支持基板からはまた、可動部材2の一端側で、一対の支持柱5,6が立設されており、その支持柱5,6からは、可動部材2の他端側へ向けて、支持梁7,8が延設されている。前記支持梁7,8には、櫛歯状となるように、電極9,10が連設されている。これに対応して、可動部材2の図11の上下方向の両端面にも、櫛歯状の電極11,12が設けられている。したがって、可動部材2が前記左右方向に変位すると、電極9,10と電極11,12との間の静電容量が変化し、加速度を検知することができる。
From the support substrate, a pair of
上述のように構成される加速度センサ1において、前記梁3,4の形状によって、可動部材2の図11の上下方向の変位は抑制されている。一方、検知方向である図11の左右方向には変位自在であるけれども、過大変位を制限するために、ストッパ13,14が前記支持基板から立設されている。これらのストッパ13,14は、前記電極9,10;11,12の邪魔にならないように、可動部材2の他端部側に設けられている。たとえば、前記電極9,10と電極11,12との間の間隔は10〜15μmであり、ストッパ13,14と可動部材2との間の間隔は8〜10μmであり、したがって過大変位はストッパ13,14で阻止され、電極9,10と電極11,12とが接触して破損しないように構成されている。
In the acceleration sensor 1 configured as described above, the vertical displacement of the
一方、特許文献1は、貫通孔と、それを遊挿する棒とで過大変位を阻止しているが、同様に貫通孔は重りの先端に形成されている。
上述の各従来技術では、重心位置から外れたところにストッパを形成しているので、外部からの力に対して、可動部材とストッパとの動きが一致せず、可動部材がストッパの許容することができる衝撃力を超えて衝突してしまい、可動部材やストッパなどが破損するという問題がある。たとえば図11では、可動部材2の前記ストッパ13,14よりも他端部側の部分15,16が割れ落ちたり、ストッパ13,14の先端が割れ落ちたりしてしまう。
In each of the above-described conventional techniques, since the stopper is formed at a position deviating from the center of gravity position, the movement of the movable member and the stopper does not coincide with the external force, and the movable member allows the stopper. There is a problem that the movable member and the stopper are damaged due to collision exceeding the impact force that can be generated. For example, in FIG. 11, the
本発明の目的は、2次元的に様々な方向からの変位に対しても、可動部材やストッパの損傷を未然に防止することができるセンサを提供することである。 An object of the present invention is to provide a sensor capable of preventing damage to a movable member and a stopper in advance even when displacement is two-dimensionally from various directions.
本発明のセンサは、板状の基板上に板状の可動部材を変位自在に支持し、その可動部材の面方向の変位を検出することで物理量を検出するようにしたセンサにおいて、前記可動部材の厚み方向に貫通孔を穿設し、前記基板から立設され、前記貫通孔内を遊挿する過大変位制限用のストッパを備え、前記可動部材の重心と、ストッパの重心とを一致させることを特徴とする。 The sensor according to the present invention is a sensor in which a plate-like movable member is movably supported on a plate-like substrate, and a physical quantity is detected by detecting displacement in the surface direction of the movable member. A through-hole is formed in the thickness direction of the substrate, and an over-displacement limiting stopper that is erected from the substrate and loosely inserts into the through-hole is provided, and the center of gravity of the movable member and the center of gravity of the stopper are made to coincide with each other. It is characterized by that.
上記の構成によれば、板状の基板上に板状の可動部材を変位自在に支持し、その可動部材の面方向の変位を検出することで、加速度や角速度などの物理量を検出するようにしたセンサにおいて、該センサの破損を防止するための過大変位制限用のストッパを設けるにあたって、可動部材にはその厚み方向に貫通孔を穿設し、前記ストッパは前記基板から、前記貫通孔内を接触しない微小なギャップを保ちながら遊挿するように立設する。 According to the above configuration, the plate-like movable member is movably supported on the plate-like substrate, and a physical quantity such as acceleration or angular velocity is detected by detecting the displacement in the surface direction of the movable member. In order to provide an excessive displacement limiting stopper for preventing damage to the sensor, a through hole is formed in the movable member in the thickness direction, and the stopper is formed in the through hole from the substrate. Stand up so that it can be inserted loosely while maintaining a small gap that does not touch.
そしてさらに、前記可動部材の重心と、ストッパの重心とを一致させる。たとえば、前記貫通孔の中心が可動部材の重心と一致するように貫通孔を穿設し、前記ストッパの中心も前記貫通孔の中心と一致するように立設する。また、貫通孔を可動部材の重心に対して対称の位置に穿設した場合、前記ストッパもそれぞれの貫通孔内を遊挿して、該ストッパの中心が前記貫通孔の中心と一致するように立設する。 Further, the center of gravity of the movable member and the center of gravity of the stopper are matched. For example, the through hole is formed so that the center of the through hole coincides with the center of gravity of the movable member, and the center of the stopper is erected so as to coincide with the center of the through hole. In addition, when the through hole is drilled at a position symmetric with respect to the center of gravity of the movable member, the stopper is also loosely inserted in each through hole, and the center of the stopper stands so as to coincide with the center of the through hole. Set up.
したがって、ストッパは可動部材に重心が一致した状態で可動部材の過大変位を制限するので、2次元的(基板および可動部材の面方向)に様々な方向からの変位をバランスよく、安定的にストップし、可動部材やストッパを確実に保護することができる。 Therefore, since the stopper limits the excessive displacement of the movable member in a state where the center of gravity coincides with the movable member, the displacement from various directions is balanced in a two-dimensional manner (surface direction of the substrate and the movable member) in a stable manner. It can stop and can protect a movable member and a stopper reliably.
また、本発明のセンサは、前記可動部材を挟んでもう1枚の基板を設け、前記可動部材を基板間の内部空間に収納するセンサにおいて、前記ストッパの先端を、前記もう1枚の基板に接触するように延設することを特徴とする。 In the sensor of the present invention, another substrate is provided with the movable member interposed therebetween, and in the sensor that houses the movable member in an internal space between the substrates, the tip of the stopper is attached to the other substrate. It extends so that it may contact.
上記の構成によれば、モールド時の圧力などの基板および可動部材の厚み方向の外部荷重をストッパが支持するので、上下の基板が破損しないように保護することができる。 According to said structure, since a stopper supports the external load of the thickness direction of a board | substrate and movable members, such as the pressure at the time of molding, it can protect so that an upper and lower board | substrate may not be damaged.
さらにまた、本発明のセンサは、前記ストッパの外周または前記貫通孔の内周に緩衝バネを設けることを特徴とする。 Furthermore, the sensor of the present invention is characterized in that a buffer spring is provided on the outer periphery of the stopper or the inner periphery of the through hole.
上記の構成によれば、急峻な可動部材の変位に対しても、該可動部材とストッパとの間の衝撃を和らげることができる。 According to said structure, the impact between this movable member and a stopper can be relieve | moderated also with respect to the sudden displacement of a movable member.
本発明のセンサは、以上のように、板状の基板上に板状の可動部材を変位自在に支持し、その可動部材の面方向の変位を検出することで、加速度や角速度などの物理量を検出するようにしたセンサにおいて、該センサの破損を防止するための過大変位制限用のストッパを設けるにあたって、可動部材にはその厚み方向に貫通孔を穿設し、前記ストッパは前記基板から、前記貫通孔内を接触しない微小なギャップを保ちながら遊挿するように立設するとともに、前記可動部材の重心と、ストッパの重心とを一致させる。 As described above, the sensor of the present invention supports a plate-like movable member on a plate-like substrate so as to be displaceable, and detects physical displacement such as acceleration and angular velocity by detecting displacement in the surface direction of the movable member. In the sensor to be detected, when providing a stopper for restricting excessive displacement to prevent breakage of the sensor, the movable member is provided with a through hole in the thickness direction, and the stopper is formed from the substrate. While standing upright so that the gap which does not contact the inside of the through hole is maintained, the center of gravity of the movable member and the center of gravity of the stopper are matched.
それゆえ、ストッパは可動部材に重心が一致した状態で可動部材の過大変位を制限するので、2次元的に様々な方向からの変位をバランスよく、安定的にストップし、可動部材やストッパを確実に保護することができる。 Therefore, since the stopper limits the excessive displacement of the movable member in a state where the center of gravity coincides with the movable member, the displacement from various directions in a two-dimensional manner can be stably stopped in a balanced manner. It can be surely protected.
[実施の形態1]
図1は本発明の実施の第1の形態に係る加速度センサ21の構造を示す正面図であり、図2は図1の切断面線II−IIから見た断面図である。この加速度センサ21は、大略的に、平板状のシリコン基板から成る主基板22が、MEMS技術を用いたエッチングなどによって図1で示すような形状に彫り出され、平板状のガラス基板から成る支持基板23に積層されて構成されている。主基板22は、支持基板23に対して、たとえば陽極接合によって接合される。前記主基板22には、シリコン以外の半導体を用いることも可能である。前記主基板22の略中央には、可動部材24が、図1および図2の左右方向に変位自在となるように、その左右方向の両端面が撓み変形可能な矩形波状の梁25,26によって前記支持基板23に支持されている。
[Embodiment 1]
FIG. 1 is a front view showing the structure of the
前記支持基板23からはまた、可動部材24の一端側で、一対の支持柱27,28が立設されており、その支持柱27,28からは、可動部材24の他端側へ向けて、支持梁29,30が延設されている。前記支持梁29,30には、櫛歯状となるように、電極31,32が連設されている。これに対応して、可動部材24の図1の上下方向の両端面にも、櫛歯状の電極33,34が設けられている。したがって、可動部材24が前記左右方向に変位すると、電極31,32と電極33,34との間の静電容量が変化し、加速度を検知することができる。以上の点は、前述の図11で示す加速度センサ1と同様である。
From the
注目すべきは、本発明の加速度センサ21では、前記可動部材24の厚み方向に貫通孔35を穿設するとともに、前記支持基板23からは前記貫通孔35内を遊挿する過大変位制限用のストッパ36を立設し、両者の重心を、ストッパ36の中心37で一致させていることである。また、前記梁25,26の形状によって、可動部材24の図1の上下方向の変位は抑制されている。たとえば、前記電極31,32と電極33,34との間の間隔は10〜15μmであり、ストッパ36の外周面と貫通孔35の内周面との間隔は8〜10μmであり、したがって前記ストッパ36は前記貫通孔35内を接触しない微小なギャップを保ちながら遊挿しており、過大変位は該ストッパ36で阻止され、電極31,32と電極33,34とが接触して破損しないように構成されている。
It should be noted that in the
このように構成することで、ストッパ36は可動部材24の重心で該可動部材24の過大変位を制限するので、2次元的(基板22,23および可動部材24の面方向)に様々な方向からの変位をバランスよく、安定的にストップし、可動部材24やストッパ36を確実に保護することができる。
By configuring in this way, the
[実施の形態2]
図3は、本発明の実施の第2の形態に係る加速度センサ41の構造を示す正面図である。この加速度センサ41は、前述の加速度センサ21に類似し、対応する部分には同一の参照符号を付して示し、その説明を省略する。注目すべきは、この加速度センサ41では、主基板42から彫り出された可動部材44には、該可動部材44の重心47を挟んで対称な位置に、該可動部材44の厚み方向に貫通孔45a,45bが穿設されるとともに、前記支持基板23からは、前記貫通孔45a,45b内をそれぞれ遊挿する過大変位制限用のストッパ46a,46bが立設され、2つのストッパ46a,46bを合わせた重心が、前記可動部材44の重心47に一致していることである。ストッパ46a,46bの外周面と貫通孔45a,45bの内周面との間隔は、たとえば8〜10μmである。
[Embodiment 2]
FIG. 3 is a front view showing the structure of the acceleration sensor 41 according to the second embodiment of the present invention. The acceleration sensor 41 is similar to the
このように構成することで、ストッパ46a,46bは可動部材44に重心が一致した状態で該可動部材44の過大変位を制限するので、2次元的に様々な方向からの変位をバランスよく、安定的にストップし、可動部材44やストッパ46a,46bを確実に保護することができる。
By configuring in this way, the
[実施の形態3]
図4は、本発明の実施の第3の形態に係る加速度センサ51の構造を示す断面図である。この加速度センサ51も、前述の加速度センサ21に類似し、対応する部分には同一の参照符号を付して示し、その説明を省略する。注目すべきは、この加速度センサ51では、前記支持基板23から主基板21を挟んで、もう1枚の基板53が設けられており、前記可動部材24を基板23,53間の内部空間24に収納するセンサであり、これに対応して、ストッパ56は、その先端が前記もう1枚の基板53に接触するように延設されていることである。前記基板53もガラス基板から成り、主基板22に対して、陽極接合によって接合される。前記基板53には、前記電極31,32と、表面側の外部接続電極との間を接続する貫通配線59が形成されている。
[Embodiment 3]
FIG. 4 is a cross-sectional view showing the structure of an
これによって、図5で示すようなモールド時の圧力などの基板23,53および可動部材24の厚み方向の外部荷重をストッパ56が支持するので、上下の基板23,53が破損しないように保護することができる。
Accordingly, the
[実施の形態4]
図6〜図8は、本発明の実施の第4の形態に係る加速度センサ61,71,81の一部分の構造を示す正面図である。これらの図6〜図8は、可動部材64,74,84の貫通孔65の周辺を示すものであり、貫通孔65およびストッパ66は、各加速度センサ61,71,81間で共通に、矩形に形成される。加速度センサ61と71とでは、矩形波状の緩衝バネ67が可動部材64,74とストッパ66との間に介在される。前記緩衝バネ67は、加速度センサ61では貫通孔65の内周面に取付けられており、加速度センサ71ではストッパ66の外周面に取付けられている。
[Embodiment 4]
FIGS. 6-8 is a front view which shows the structure of a part of
一方、加速度センサ81では、アーチ状の緩衝バネ87が可動部材84とストッパ66との間に介在される。図8では、緩衝バネ87は貫通孔65の内周面に取付けられているけれども、ストッパ66の外周面に取付けられていてもよい。緩衝バネ67,87を設けるにあたって、貫通孔65およびストッパ66は、矩形に限らず、該緩衝バネ67,87を取付け可能であれば、曲面を有していてもよい。
On the other hand, in the
このように構成することで、可動部材64,74,84の急峻な変位に対しても、該可動部材64,74,84とストッパ66との間の衝撃を和らげることができる。また、ストッパ66側に緩衝バネ67,87を設けることで、万が一、これらの緩衝バネ67,87が破損した場合でも、可動部材74,84の重量には変わりなく、感度への影響が小さい。
With this configuration, it is possible to reduce the impact between the
[実施の形態5]
図9は本発明の実施の第5の形態に係る角速度センサ101の構造を示す正面図であり、図10は図9の切断面線IX−IXから見た断面図である。この角速度センサ101は、前述の加速度センサ51に類似し、対応する部分には同一の参照符号を付して示し、その説明を省略する。この角加速度センサ101でも、ストッパ36による可動部材104の過大変位抑制のメカニズムは同様である。
[Embodiment 5]
FIG. 9 is a front view showing the structure of an
角加速度検出のために、前記可動部材104は、該可動部材104の重心を通り、図9の上方側と下方側との重量を均等に分割する中心線107上に配置される棒状の梁105,106によって、前記支持基板23に支持されている。前記梁105,106は撓みおよびねじり変形可能であり、図9において参照符号108で示すように図9の上下方向および図10において参照符号109で示すように可動部材104の厚み方向に変位可能であるとともに、前記棒状の梁105,106回りでの変位が可能となっている。
For angular acceleration detection, the
この角加速度センサ101では、前記電極31,32;33,34は可動部材104のバイアス振動用に使用され、このため前記可動部材104およびもう一枚の基板53の対向面には、それぞれ検出電極111,112が形成されている。外部から加わる角速度によって、これら検出電極111,112間の間隔が変化して静電容量が変化し、角速度を検出することが可能となる。駆動用の電極31,32は前記貫通配線59によって外部へ引出され、検出用の電極112は貫通配線110によって外部へ引出される。
In this
このように構成することで、角速度を検出することができる。 With this configuration, the angular velocity can be detected.
なお、前記特許文献1には、過大変位を阻止するための貫通孔を重りに複数形成してもよいことが記載されているけれども、可動部材とストッパとの重心を一致させることは、記載も示唆もない。 Although Patent Document 1 describes that a plurality of through holes for preventing excessive displacement may be formed with a weight, it is described that the centers of gravity of the movable member and the stopper are matched. There is no suggestion.
21,41,51,61,71,81 加速度センサ
22,42 主基板
23 支持基板
24,44,64,74,84,104 可動部材
25,26;105,106 梁
27,28 支持柱
29,30 支持梁
31,32;33,34 電極
35;45a,45b;65 貫通孔
36;46a,46b;56;66 ストッパ
37 中心
47 重心
53 もう1枚の基板
59,110 貫通配線
67,87 緩衝バネ
101 角速度センサ
107 中心線
111,112 検出電極
21, 41, 51, 61, 71, 81
Claims (3)
前記可動部材の厚み方向に貫通孔を穿設し、
前記基板から立設され、前記貫通孔内を遊挿する過大変位制限用のストッパを備え、
前記可動部材の重心と、ストッパの重心とを一致させることを特徴とするセンサ。 In a sensor that supports a plate-like movable member on a plate-like substrate so as to be displaceable, and detects a physical quantity by detecting displacement in the surface direction of the movable member.
Drilling a through hole in the thickness direction of the movable member,
Provided with a stopper for restricting excessive displacement that is erected from the substrate and loosely inserts in the through hole;
A sensor characterized in that a center of gravity of the movable member and a center of gravity of a stopper are matched.
前記ストッパの先端を、前記もう1枚の基板に接触するように延設することを特徴とする請求項1記載のセンサ。 In the sensor for providing another substrate sandwiching the movable member, and storing the movable member in an internal space between the substrates,
The sensor according to claim 1, wherein a tip end of the stopper is extended so as to come into contact with the another substrate.
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