JP2007255998A - 電気機械変換器およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】従来の電気機械変換器は、錘部と可撓部とを有しているが、感度を高くするために可撓部を細く、または薄く構成すると、強い加速度を受けた際に容易に破損するという問題があった。
【解決手段】本発明の電気変換器は、固定部と作用部との間を可撓部で接続する構成であり、作用部には錘部を有している。錘部は、低比重の材料からなる第１の錘と、この第１の錘よりも比重の重い材料からなる第２の錘とを有している。第１の錘は作用部に接して設けており、第２の錘はこの第１の錘に接して設けるとともに作用部とは離間している。このような構成にすることで、錘部の総重量が軽くても、錘部の重心を作用部の回転軸から離間して生じさせることができるため、検出感度を向上させることができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、被測定体に加わる二次元または三次元方向の加速度や傾斜角を検出し、これを電気的信号に変換する電気機械変換器に関し、特に携帯機器等に搭載が可能な小型の電気機械変換器に関する。

携帯型電子機器やロボット等の技術革新に伴って、これらに搭載する加速度を検出するセンサーとして機能する電気機械変換器に対する需要が高まっている。近年、これらの携帯型電子機器やロボット等の小型化の流れから、電気機械変換器の小型化の要求も高まってきているが、同時に、二次元または三次元方向の加速度成分を１つの電気機械変換機で検出できる技術も提案されてきている（例えば、特許文献１参照。）。

その構成と機能について図面に基づいて説明する。図５は、特許文献１に示した従来の技術における電気機械変換器１００の構造を示す断面図である。図５において、１０１は固定部、１０２は可撓部、１０３は作用部、１０４は錘である。
作用部１０３は、所定の位置に錘１０４が接続されている。可撓部１０２は、この作用部１０３と固定部１０１とを接続するとともに、図示しないピエゾ抵抗素子が形成されている。
加速度により力を受けると、作用部１０３が動き、可撓部１０２が撓む。この機械的な変形をピエゾ抵抗素子が電気的な抵抗値の変化として検出するのである。

また、特許文献１に示した従来技術の構成では、錘１０４に低融点金属を用いることで作用部上の所定位置に容易に形成することができるという利点があった。

特開平９−８００７０号公報（第７頁、第１−１２図）

近年、携帯型電子機器等では搭載部品のさらなる小型化が求められている。携帯電話等に搭載可能な小型の電気機械変換器を構成しようとすれば、必然的に錘を小さく形成することとなる。しかし、特許文献１に示した従来技術の構成において、錘１０４を小さく形成すると、小さい加速度では可撓部１０２を変形させるのに十分な作用が得られず。加速度センサーとしての感度が低下するという問題があった。

一方、感度を上げるために可撓部１０２の厚みを減らしたり、梁のような細い形状に形成し、微弱な加速度でも撓みが発生しやすい構成とすることも可能である。しかし、この場合には強い加速度を受けた際に可撓部１０２が容易に破損してしまうという問題を生ずるのである。

そこで本発明の目的は、上記の課題を解決して、小型であっても感度が高く、耐衝撃性の良好な電気機械変換器を提供することである。

上記課題を解決するために、本発明の電気変換器は、下記記載の構成を採用するものである。

枠部と、錘部が接合された作用部と、枠部と作用部とを接続する可撓部と、可撓部に変
換素子を有する電気機械変換器であって、
錘部は、互いに比重の異なる第１の錘と第２の錘とを有し、
第１の錘は、作用部に接して設け、
第２の錘は、第１の錘に接するとともに作用部とは離間して設け、
第２の錘は、第１の錘より大きい比重の材料からなることを特徴とする。

第１の錘は、樹脂材料からなり、第２の錘は、金属材料からなることを特徴とする。

枠部と、錘部が接合された作用部と、枠部と作用部とを接続する可撓部と、可撓部に変換素子を有する電気機械変換器であって、
錘部は、分散媒と分散媒より比重の大きい分散体とからなり、
錘部は、作用部に接する分散体の含有量の低い第１の層と、第１の層に接するとともに作用部と離間する分散体の含有量の高い第２の層とを有することを特徴とする。

錘部は金属材料を含有する硬化性の樹脂組成物からなり、
第１の層は、金属材料の含有量が少なく、
第２の層は、金属材料の含有量が多いことを特徴とする。

上記課題を解決するために、本発明の電気変換器は、下記記載の製造方法を採用するものである。

基板上の所定の位置に変換素子を形成する変換素子形成工程と
枠部と作用部と可撓部とを形成する形状形成工程と、
作用部の上層に錘部を構成する第１の錘となる樹脂材料層を形成する第１の錘の形成工程と、
樹脂材料層の上層に錘部を構成する第２の錘となる金属材料層を形成する第２の錘の形成工程とを有することを特徴とする。

基板上の所定の位置に変換素子を形成する変換素子形成工程と
枠部と作用部と可撓部とを形成する形状形成工程と、
作用部の上層に金属材料を含有する硬化性の樹脂組成物を形成する工程と、
硬化性の樹脂組成物が供給された面を下方に向けて、金属材料を沈降させながら硬化性の樹脂組成物を硬化させる工程とを有することを特徴とする。

本発明の電気変換器は、固定部と作用部との間を可撓部で接続する構成であり、作用部には錘部を有している。錘部は、低比重の材料からなる第１の錘と、この第１の錘よりも比重の重い材料からなる第２の錘とを有している。第１の錘は作用部に接して設けており、第２の錘はこの第１の錘に接して設けるとともに作用部とは離間している。
このような構成にすることで、錘部の総重量が軽くても、錘部の重心を作用部の回転軸から離間して生じさせることができるため、検出感度を向上させることができる。
このため、検出感度をさらに上げるために可撓部の厚みを減らしたりしても、これにより強い加速度を受けた際に可撓部が破損することがなく、小型で高感度、信頼性の高い電気変換器を携帯機器等に搭載することが可能となる。

以下図面を参照しながら本発明の最適な実施形態における電気機械変換器の構造と加速度検出作用ついて詳細に説明する。

［第１の実施形態の構成の説明：図１］
まず、本発明における電気機械変換器の第１の実施形態の構成について図１を用いて説明する。
図１（ａ）は本発明の第１の実施形態の電気機械変換器２０を上面から見た平面図であり、図１（ｂ）は本発明の電気機械変換器２０のＡ−Ａ面における断面図である。図１において、１は枠部、２は梁部、３は作用部、４は第１の錘、５は第２の錘、ＲＸ１〜ＲＸ４とＲＹ１〜ＲＹ４とはピエゾ抵抗素子である。第１の錘４と第２の錘５とで錘部を構成している。

図１（ａ），（ｂ）に示すように、本発明の電気機械変換器２０は、中央に開口を有する枠部１を設け、枠部１の開口のほぼ中央に加速度等の物理量変化によって受動する作用部３を設けている。枠部１と作用部３とを接合するように可撓性の梁部２設けている。図１に示す例では、作用部３は、４つの梁部２で枠部１に接続している。
この作用部３には、第１の錘４と第２の錘５とを設けている。これらの錘は、作用部３の近傍に第１の錘４を設け、その上層に作用部３と離間して、第１の錘４より比重の大きい材料からなる第２の錘５を設けている。

前述の枠部１としては、特に限定しないが、例えば、シリコン単結晶板やガラス板等を用いることができる。シリコン単結晶を用いると、フォトリソグラフィー技術や異方性ドライエッチング（Ｒｅａｃｔｉｖｅ Ｉｏｎ Ｅｔｃｈｉｎｇ：ＲＩＥ）技術等の知られている加工手段により、小型の電気機械変換器２０を形成することができる。
また、梁部２および作用部３の部材としてはシリコン単結晶、ガラスの他、窒化シリコン、酸化シリコン、ポリイミド樹脂、エポキシ樹脂等を用いることができる。

第１の錘４の材料としては、比較的比重の小さい樹脂材料が望ましく、特に限定しないが、ポリイミド樹脂、エポキシ樹脂、シリコン樹脂等を用いることができる。第２の錘５の材料は、第１の錘４の材料より比重の大きい材料を用いる。特に限定しないが、例えば、銅、銀、金、ハンダ等の金属類を用いることができる。

ピエゾ抵抗素子ＲＸ１〜ＲＸ４は、Ｘ軸方向の加速度を検出するためのものであって、同様に、ピエゾ抵抗素子ＲＹ１〜ＲＹ４は、Ｙ軸方向の加速度を検出するためのものである。
図１（ａ）において、図面の左右方向をＸ軸、上下方向をＹ軸と定義すると、ピエゾ抵抗素子ＲＸ１〜ＲＸ４は、Ｘ軸方向に配置した梁部２上に有しており、ピエゾ抵抗素子ＲＹ１〜ＲＹ４は、Ｙ軸方向に配置した梁部２上に有している。
この際、梁部２におけるピエゾ抵抗素子の設置場所は、第１の錘４と第２の錘５との動きに対して強く歪み応力がかかる部分であることが好ましく、例えば、枠部１と梁部２との接続部分である。

［ブリッジ回路の説明：図２］
また、本発明の電気機械変換器２０においては、例えば、図２（ａ）と図２（ｂ）とに示すように、前述の８個のピエゾ抵抗素子（ＲＸ１〜ＲＸ４，ＲＹ１〜ＲＹ４）を用いて２組のブリッジ回路を構成して変換器とすれば、加速度や傾斜や振動等の物理量を梁部２の機械的歪み量に変換し、さらに、その機械的歪み量を電圧変化に変換して検出することができる。ブリッジ回路の結線は枠部１上に配線を設けて行っても良いし、例えば、外部基板上で行うこともできる。

図２（ａ）はＸ軸方向の物理量変化を検出するための変換器を構成するブリッジ回路である。ＲＸ１とＲＸ３とからなる第１の直列接合と、ＲＸ２とＲＸ４とからなる第２の直列接合とを並列接続してＸ軸ブリッジ回路を構成している。
さらに、ＲＸ１，ＲＸ２の間とＲＸ３，ＲＸ４の間とに電源９ａを接続し、ＲＸ１，Ｒ
Ｘ３の間の接続点Ｐ１とＲＸ２，ＲＸ４の間の接続点Ｐ２との間に電圧計８ａを接続している。電圧計８ａは、電位差Ｖｘを測定する。

図２（ｂ）はＹ軸方向の物理量変化を検出するための変換器を構成するブリッジ回路である。ＲＹ１とＲＹ３とからなる第１の直列接合と、ＲＹ２とＲＹ４とからなる第２の直列接合とを並列接続してＹ軸ブリッジ回路を構成している。
さらに、ＲＹ１，ＲＹ２の間とＲＹ３，ＲＹ４の間とに電源９ｂを接続し、ＲＹ１，ＲＹ３の間の接続点Ｐ３とＲＹ２，ＲＹ４の間の接続点Ｐ４との間に電圧計８ｂを接続している。電圧計８ｂは、電位差ＶＹを測定する。

上述のように、Ｘ軸ブリッジ回路とＹ軸ブリッジ回路とを構成すればＸＹ座標系に係る加速度等の物理量変化を各軸ごとに分離して検出することができる。

［電気機械変換作用：図２，図３］
次に、本発明の電気機械変換器の電気機械変換作用について説明する。Ｘ軸方向の加速度を電気信号に変換する際の作用を例にして説明する。

図２（ａ）に示すＸ軸ブリッジ回路を構成する際に、例えば適当な抵抗値を有するピエゾ抵抗素子ＲＸ１〜ＲＸ４選定することで、接続点Ｐ１と接続点Ｐ２との間に次式に示す平行関係を形成し、接続点Ｐ１，Ｐ２間の電位差Ｖｘを０にすることができる。

（ＲＸ１／ＲＸ３）＝（ＲＸ２／ＲＸ４）

図３に示すように、電気機械変換器２０にＸ軸方向の加速度が加わった場合、第１の錘４と第２の錘５とにその加速度が作用し、梁部２を撓ませることとなる。この梁部２の撓みによりピエゾ抵抗素子ＲＸ１〜ＲＸ４には各々抵抗値の変化を生じ、その結果として、Ｘ軸方向の加速度をＸ軸ブリッジ回路の接続点Ｐ１，Ｐ２間の電位差Ｖｘとして読みとることが可能となるのである。

梁部２の撓みは、図３に示す作用部３の回転軸１０を中心とする回転運動に起因して発生する。本発明の電気機械変換器２０の構成においては、作用部３に第１の錘４と、作用部３と離間して第１の錘４を構成する材料より大きい比重を有する材料からなる第２の錘５とを設けている。このように構成すれば、図３に示す錘部の重心１１は、作用部３の回転軸１０と離間して位置するようにできる。
したがって、作用部３回転軸１０周りに回転運動に有効なモーメントを発生させ、微弱な加速度であっても容易に梁部２が撓むようにできるのである。

このため、電気機械変換器の外形を小さく構成し、必然的に錘部が小さくなっても、微弱な加速度であっても可撓部を変形させるのに十分な作用が得ら、加速度等の検出感度が低下することがないのである。

さらに、本発明の電気機械変換器２０においては、作用部３近傍には低比重の材料からなる第１の錘４を配し、その上層に作用部３と離間して第１の錘４より比重の大きい材料からなる第２の錘５を配して錘部の総重量を減少させるとともに、錘部の重心１１を作用部３の回転軸１０から離間して生じさせるという構成を採用している。このため、感度を上げるために梁部２（可撓部）の厚みを減らしたりしても、強い加速度を受けた際に梁部２が容易に破損する問題を生ずることがないのである。

［第２の実施形態の構成の説明：図４］
まず、本発明における電気機械変換器の第２の実施形態の構成について図４を用いて説
明する。
図４（ａ）は、本発明の第２の実施形態の電気機械変換器２０を上面から見た平面図であり、図４（ｂ）は本発明の電気機械変換器２０のＢ−Ｂ面における断面図である。図４において、４１は第１の層、５１は第２の層、５２は粒子材料である。すでに説明した構成には同一の番号を付与している。

図４に示すように、錘部は、第１の層４１と第２の層５１とを有している。これら２つの層は、分散媒（粒子が分散している媒質）とその分散媒より比重の大きい分散体とから構成することができる。粒子材料５２は、分散体である。
特に限定しないが、分散媒には、エポキシ樹脂、ポリイミド樹脂、シリコン樹脂等を用いることができる。同様に分散体としては、銅、銀、金、ハンダ等の金属粉類を用いることができる。
したがって、錘部は、金属粉類を分散して得られる樹脂組成物で構成している。

作用部３に接する側に分散体の含有量の低い第１の層５１を設け、この第１の層５１に接するとともに作用部３とは離間して分散体の含有量の高い第２の層５１とを設けている。第２の層５１は、粒子材料５２が詰まっている状態である。
このような構成とすることによって、本発明における電気機械変換器の第１の実施形態と同様に、錘部の重心を作用部３の回転軸から離間させることができる。

以上説明した本発明の電気機械変換器２０は、Ｘ軸方向とＹ軸方向との２つの回転軸に対応する例を示したが、もちろんそれに限定されない。例えば、Ｘ軸方向に備えるピエゾ抵抗素子ＲＸ１〜ＲＸ４と併設してＺ軸方向用のピエゾ抵抗素子を設けてもよい。このような構成にすることで、Ｚ軸方向も加えた３つの回転軸に対応することができるのである。

［第１の実施形態の製造方法の説明］
次に、本発明の電気機械変換器の第１の実施形態の製造方法について例示する。以下の説明では、シリコン単結晶基板を加工して電気機械変換器２０を形成する例を用いている。

変換素子形成工程は、シリコン単結晶基板において、知られている半導体製造技術により所定位置に選択的にピエゾ抵抗を形成する工程である。例えば、シリコン単結晶基板の梁部２を形成する領域にフォトレジストなどのマスクを用いて選択的に不純物をイオン注入し、ピエゾ抵抗素子（ＲＸ１〜ＲＸ４，ＲＹ１〜ＲＹ４）を所定の形状で形成する。所定の形状とは、図１に示すような短冊状の形状であっても、折り曲げられた形状でもよい。その形状は、ピエゾ抵抗素子の抵抗値などから自由に選択することができる。また、このピエゾ抵抗素子を配線するための領域も形成する。

形状形成工程は、枠部１と梁部２と作用部３とを形成する工程である。例えば、フォトレジストなどのマスクと異方性ドライエッチング（Ｒｅａｃｔｉｖｅ Ｉｏｎ Ｅｔｃｈｉｎｇ：ＲＩＥ）等の加工技術とを用いて選択的にシリコン単結晶基板から枠部１と梁部２と作用部３とを形成する。
もちろん、この形状形成工程は、変換素子形成工程の前に行ってもよい。

次に、第１の錘の形成工程を説明する。この工程は、作用部３の上層に第１の錘４となる樹脂材料層を形成するものである。
樹脂材料層の形成は、特に限定しないが、感光性樹脂材料を塗布し、その後、露光と現像とによりパターンを形成するフォトリソグラフィー手段を用いて所定の形状の第１の錘４を形成する。もちろん、作用部３の上層に熱硬化性の樹脂を供給した後、加熱硬化して
第１の錘４を形成することもできる。

次に、第２の錘の形成工程を説明する。この工程は、第１の錘４の上層に第２の錘５を形成するものである。
第１の錘４である樹脂材料層の上層に所定の形状で第２の錘５となる金属材料層を形成する。この金属材料層の形成は、特に限定しないが、メッキによる形成手段を用いることができる。もちろん、先に形成しておいた第２の錘５を位置決めして接着してもよい。

［第２の実施形態の製造方法の説明］
次に、本発明の電気機械変換器の第２の実施形態の製造方法について例示する。まず、作用部３の上層に粒子材料を含有する硬化性の樹脂組成物を形成する。この硬化性の樹脂組成物の形成にあっては、作用部３の所定の面に知られている塗布技術（例えば、ディスペンサーの使用等）を用いることができる。

硬化性の樹脂組成物は、例えば、エポキシ樹脂に粒子材料としてハンダの金属粉類を用いることができる。

その後、この硬化性の樹脂組成物が供給された面を下方に向ける。粒子材料は、例えばハンダの金属粉類であるから硬化性の樹脂組成物より重く、時間とともに沈降を開始する。そして、粒子材料を沈降させながら樹脂組成物を硬化させる。硬化手段としては樹脂組成物の化学構造により、熱硬化や光硬化を用いることができる。

このように製造すれば、図４に示すように、作用部３近傍には粒子材料５２の含有量が少ない第１の層４１が形成されるとともに、その上層に粒子材料５２の含有量の多い第２の層５１が形成されるのである。
粒子材料５２は、硬化性の樹脂組成物より重いから、作用部３より離間したところに錘部の重心がくる。これにより、すでに説明したとおり、微弱な加速度であっても容易に梁部２が撓むようにできるのである。

本発明の電気機械変換器は、微弱な加速度であっても容易に梁部が撓むようにできる。したがって、小型軽量な電子機器用の電気機械変換器として好適である。

本発明の電気機械変換器の第１の実施形態の構造を説明するための図である。 本発明の電気機械変換器において信号を検出するブリッジ回路を説明するための回路図である。 本発明の電気機械変換器の第１の実施形態の作用を説明するための図である。 本発明の電気機械変換器の第２の実施形態の構造を説明するための図である。 特許文献１に示した従来技術の構造を説明するための図である。

符号の説明

１ 枠部
２ 梁部
３ 作用部
４ 第１の錘
５ 第２の錘
１０ 回転軸
１１ 錘部の重心
２０ 電気機械変換器
ＲＸ１〜ＲＸ４，ＲＹ１〜ＲＹ４ ピエゾ抵抗素子

Claims (6)

1. 枠部と、錘部が接合された作用部と、該枠部と該作用部とを接続する可撓部と、該可撓部に変換素子を有する電気機械変換器であって、
   前記錘部は、互いに比重の異なる第１の錘と第２の錘とを有し、
   前記第１の錘は、前記作用部に接して設け、
   前記第２の錘は、前記第１の錘に接するとともに前記作用部とは離間して設け、
   前記第２の錘は、前記第１の錘より大きい比重の材料からなることを特徴とする電気機械変換器。
2. 前記第１の錘は、樹脂材料からなり、前記第２の錘は、金属材料からなることを特徴とする請求項１に記載の電気機械変換器。
3. 枠部と、錘部が接合された作用部と、該枠部と該作用部とを接続する可撓部と、該可撓部に変換素子を有する電気機械変換器であって、
   前記錘部は、分散媒と該分散媒より比重の大きい分散体とからなり、
   前記錘部は、前記作用部に接する前記分散体の含有量の低い第１の層と、該第１の層に接するとともに前記作用部と離間する前記分散体の含有量の高い第２の層とを有することを特徴とする電気機械変換器。
4. 前記錘部は金属材料を含有する硬化性の樹脂組成物からなり、
   前記第１の層は、前記金属材料の含有量が少なく、
   前記第２の層は、前記金属材料の含有量が多いことを特徴とする請求項３に記載の電気機械変換器。
5. 基板上の所定の位置に変換素子を形成する変換素子形成工程と
   枠部と作用部と可撓部とを形成する形状形成工程と、
   前記作用部の上層に錘部を構成する第１の錘となる樹脂材料層を形成する第１の錘の形成工程と、
   前記樹脂材料層の上層に錘部を構成する第２の錘となる金属材料層を形成する第２の錘の形成工程とを有することを特徴とする電気機械変換器の製造方法。
6. 基板上の所定の位置に変換素子を形成する変換素子形成工程と
   枠部と作用部と可撓部とを形成する形状形成工程と、
   前記作用部の上層に金属材料を含有する硬化性の樹脂組成物を形成する工程と、
   前記硬化性の樹脂組成物が供給された面を下方に向けて、前記金属材料を沈降させながら前記硬化性の樹脂組成物を硬化させる工程とを有することを特徴とする電気機械変換器の製造方法。

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