JP2009156581A - 傾斜検出素子 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、温度変化によって破損することのない加速度センサを提供しようとするものである。
【解決手段】本発明は以上のような課題を解決するため、固定部２に対して変位する変位部３を有し、重力加速度によって変位部３が変位し、これに伴う固定部２と変位部３との間の静電容量の変化で変位部３の変位量を測定するようにし、固定部２に複数の外部接続端子１１、１２を設け、その外部接続端子の１つ１２を固定部２に対し揺動可能にするようにした。これによって、加速度センサが実装される基板との間に、線膨張率の差があっても、外部接続端子１２が揺動し、大きな力が固定部２に加わることがなく、破損を免れる。
【選択図】図１

Description

本発明は、たとえば半導体工場のウェハーのハンドリングや精密な加工を行う加工装置の傾きを精密に測定する傾斜センサに関するものである。

傾斜センサはレーザを用いたものや質点の変位量を測定するもの等があるが、質点の変位量を測定するものは構造が簡単で、小型のものに多く用いられている。

このような技術として例えば特許文献１及び特許文献２に開示されたものがある。
特開２００６−１４５５０５号公報 特開２００２−３６５３０６号公報

特許文献１に開示されたものは水晶よりなる板をエッチング加工して、固定部と可動部とに櫛状部分を構成し、固定部と可動部との間の静電容量の変化を利用して傾きを精密に測定するようにしたものである。

しかし特許文献１に記載のものは、そのようにして作られたセンサをどのようにして機器に実装するか開示されていない。

また特許文献２に開示されたものも固定部と可動部とに櫛状部分を構成し、固定部と可動部との間の静電容量の変化を利用して傾きを精密に測定するようにしたものであるが、この文献にも、そのようにして作られた素子をどのようにして機器に実装するか開示されていない。

つまり、水晶などで精密に作られた傾斜センサをセラミック基板やガラス・エポキシ基板の上に実装する場合、傾斜センサの出力端子を基板の端子に接続する必要がある。

しかし、傾斜センサを構成する材料と、基板の材料との間に線膨張係数が異なっていた場合、温度変化に応じて傾斜センサが破損するか、端子の接続が外れるかの問題があった。例えばＺ軸で切り出した水晶板の熱線膨張率は１４ｐｐｍ／ｋであり、代表的なセラミック板の熱線膨張率は５．５ｐｐｍ/ｋである。

本発明はそのような傾斜センサの一種であり、極めて検出感度が高くかつ容易に量産が可能で、実装上の問題のないものを提供するものである。

本件発明は以上のような課題を解決するため、固定部に対して変位する変位部を有し、重力加速度によって変位部が変位し、これに伴う固定部と変位部との間の静電容量の変化で変位部の変位量を測定するようにし、固定部に複数の外部接続端子を設け、その外部接続端子の１つを固定部に対し揺動可能にするようにした。

傾斜検出素子に係る本発明の第１の構成は、固定部に対して変位する変位部を有し、重力加速度によって変位部が変位し、これに伴う固定部と変位部との間の静電容量の変化で変位部の変位量を測定するようにし、前記固定部に複数の外部接続端子を設け、その外部接続端子の１つ以外を前記固定部に対し揺動可能にしたことを特徴とする。

この構成によれば、固定部に対して変位する変位部を有し、重力加速度によって変位部が変位し、これに伴う固定部と変位部との間の静電容量の変化で変位部の変位量を測定するようにし、前記固定部に複数の外部接続端子を設け、その外部接続端子の１つ以外を前記固定部に対し揺動可能にしたため、固定部を基板などに装着した場合に、固定部と基板との線膨張率の差によって各外部接続端子間に力が加わっても、１つ以外の外部接続端子は固定部に対し揺動可能とされているので、これらの外部接続端子の遥動によって固定部の破損を防止できるという作用を有する。

傾斜検出素子に係る本発明の第２の構成は、前記第１の構成において、固定部の外部接続端子を３つ並列して設け、中央の外部接続端子を固定部に固定し、中央の外部接続端子の両側の外部接続端子を揺動可能にしたことを特徴とする。

これにより、固定部と基板との線膨張率の差によって、中央の外部接続端子とその左右の外部接続端子との間に力（固定部を曲げ又は引っ張る方向の力）が加わっても、左右の外部接続端子が揺動してこの力を解放するため、固定部の破損を防止できるという作用を有する。

傾斜検出素子に係る本発明の第３の構成は、前記第１又は２の構成において、固定部を構成する材料は単一の結晶板より固定部と変位部及び幅狭部はそれぞれ一体に形成されていることを特徴とする。

このように同一部材で一体構成とすることにより、外部からの温度変動などの影響を打ち消すことができる。

傾斜検出素子に係る本発明の第４の構成は、前記第１又は２の構成において、結晶板は三方晶系の結晶より形成されていることを特徴とする。

三方晶系の結晶は水晶などの結晶に対応し、絶縁性のの誘電体であることから、容量性ののセンサ構造を形成するのに有利である。

本発明の傾斜センサは上記の如く構成したので、感度を上げるために固定部や可動部の材料として薄い水晶板を用い、脆くなっても、傾斜センサを実装した基板との線膨張率の差による破損を防止することができる。

特に実装に際して、２００度〜４００度まで加熱し、ハンダ付けを行う場合があるが、このような温度まで加熱し、その後室温まで下げると大きな熱線膨張・収縮が起こり、水晶板が破損することが発生する場合がある。このような場合であっても破損を免れ、歩留まりが向上し生産性が高くなる。

また固定部と変位部および外部接続端子を一体に形成する場合には、例えば水晶板等をエッチングすることで、上記各部を一度に構成することができ、生産性を高めることができる。

以下、本発明を実施するための最良の形態について、図面を参照しながら説明する。

以下本発明の傾斜センサの実施例について図に沿って詳細に説明する。本発明の傾斜センサは、基本的に図１に示す構造である。つまり水晶等の基板１をエッチング加工して固定部２及び変位部３が形成されている。

また固定部２と変位部３とは幅狭部４によって連結され、この幅狭部４も固定部２及び変位部３とともに１枚の基板１をエッチング加工して作られている。すなわち、固定部２と変位部３及び幅狭部４は、水晶等の単一の結晶板材料よりそれぞれ一体に形成されている。このように、単一の結晶板より一体形成することで、温度変動などによる影響を軽減することができる。という効果がある。

尚、固定部２、変位部３及び幅狭部４は、特に、サファイア、鋼玉（酸化アルミニウム結晶）、タンタル酸リチウム、ニオブ酸リチウムのような三方晶系の結晶板で構成するのがよい。これらの材料は絶縁物であるため、キャパシタを簡単に形成できるからである。

固定部２と変位部３とに加速度が加わると、変位部３の質量によって幅狭部４が湾曲し、変位部３の下端が図１の矢印方向つまり左右に揺動する。

変位部３の下端には溝５が複数形成されており、この溝５内に挿入される櫛状の対向部６が固定部２に形成されている。さらに溝５の側面には図２に示すように変位電極７が形成されており、対向部６の側面には変位電極７と対向する固定電極８が形成されている。

また図１及び図２に示されるように、変位電極７と固定電極８にはそれぞれ導電薄膜９、１０が接続され、導電薄膜９，１０にはそれぞれ外部接続端子１１，１２が設けられている。

図１に示されるように、外部接続端子１１及び外部接続端子１２は固定部２に形成され、外部接続端子１２は狭幅部１３の端に形成されている。この狭幅部１３によって揺動可能である。

この実施例１の傾斜センサは重力が加わると、幅狭部４が湾曲し変位部３の下端が図１の矢印方向のいずれかに変位する。これによって変位電極７と固定電極８の間隔が変化し、その間の静電容量が変化する。この静電容量の変化を検出することによって変位電極７の変位量を検出することができ、変位部３の質量と幅狭部４のバネ定数によってセンサに加わった傾斜角度を検出することができる。

そして、この実施例１の傾斜センサは例えばセラミックス基板（図示せず）の上に実装され、外部接続端子１１及び外部接続端子１２がセラミックス基板の接続端子にハンダ付けされた場合、それぞれの線膨張率が異なると温度変化に伴って固定部２の伸縮量とセラミックス基板の伸縮量とが異なる。

この場合に、外部接続端子１１及び外部接続端子１２に力が加わるが、この力によって狭幅部１３が湾曲し、外部接続端子１２が揺動する。このため、固定部２には大きな力が加わらず、破損することはない。

また現実的には図３に示すように変位部３の下端の溝５をできるだけ多数設け、静電容量を増やす方が傾斜を高感度に検出し易い。なお、この図３では変位電極７、固定電極８、外部接続端子１１及び外部接続端子１２などは図を見易くするために省略している。この図３の等価回路は図４に示すように、変位電極７及び固定電極８間で構成されるコンデンサが多数並列に接続された状態となる。

次に本発明の実施例３について説明する。この実施例３のものは図５に示すように変位電極７の右部分と左部分とに、それぞれ接続された２つの外部接続端子１２及び外部接続端子１４を設け、さらにそれぞれに対応する狭幅部１３及び狭幅部１５が設けられている。つまり、外部接続端子１２は狭幅部１３の端に形成され、外部接続端子１４は狭幅部１５の端に形成されている。

そして揺動可能な外部接続端子１２と外部接続端子１４は、揺動しない外部接続端子１１の両側に形成されている。

この実施例３のものは、温度変化により固定部２と実装基板との間に、ずれが生じた場合、外部接続端子１２と外部接続端子１４に掛かる力が相殺しあうため、外部接続端子１１には殆ど力が加わることがない。このため、上記実施例１のものより信頼性は高くなる。

このように本発明は特許文献１に開示された発明をさらに改良したものであり、特許文献１に開示されたセンサを実装する場合の問題点を解消し、熱膨張による破損を防止している。

このため、このようなセンサを用いる環境として、例えば自動車の傾斜を測定する装置に組み込むことが可能になる。つまり自動車は北海道などで使用される場合には氷点下３０℃を想定する必要があり、その外気温であってもエンジンを始動して停止状態を維持すると、ボンネットの中は５０℃を越える場合もめずらしくない。本発明のものは、この温度差８０℃に耐えることができる。

航空機に応用した場合には、ジェット機の場合は巡航高度で外気が氷点下４０℃まで下がり、炎天下の滑走路に着陸すると５０℃を越える場合も想定される。このように航空機の場合にも、短時間で大きく温度が変動するが、本発明のものは、その温度変化に耐えることができる。

本発明は、量産性に優れ、半導体の製造プロセスを用いて量産可能で高感度な加速度センサを提供する。

本発明の加速度センサの実施例１を示す正面図である。 本発明の加速度センサの一部を示す拡大正面図である。 本発明の加速度センサの実施例２を示す正面図である。 本発明の加速度センサの等価回路を示す回路図である。 本発明の加速度センサの実施例３を示す正面図である。

符号の説明

１ 基板
２ 固定部
３ 変位部
４ 幅狭部
５ 溝
６ 対向部
７ 変位電極
８ 固定電極
９，１０ 導電薄膜
１１，１２，１４ 外部接続端子
１３，１５ 狭幅部

Claims (4)

1. 固定部に対して変位する変位部を有し、重力加速度によって変位部が変位し、これに伴う固定部と変位部との間の静電容量の変化で変位部の変位量を測定するようにし、前記固定部に複数の外部接続端子を設け、その外部接続端子の１つ以外を前記固定部に対し揺動可能にした傾斜検出素子。
2. 固定部の外部接続端子を３つ並列して設け、中央の外部接続端子を固定部に固定し、中央の外部接続端子の両側の外部接続端子を揺動可能にした請求項１記載の傾斜検出素子。
3. 固定部を構成する材料は単一の結晶板より固定部と変位部及び幅狭部はそれぞれ一体に形成されている請求項１又は２記載の傾斜検出素子。
4. 結晶板は三方晶系の結晶より形成されている請求項１又は２記載の傾斜検出素子。

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