JP2009257984A - 慣性力センサ - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、温度特性を良好にしつつ、低背化を可能とし、検出軸の方向のズレを小さくして検出精度を向上させる慣性力センサを提供することを目的とするものである。
【解決手段】本発明の慣性力センサは、パッケージ１と、パッケージ１上に取り付けられた慣性力センサ素子２とパッケージ１と慣性力センサ素子２とを接着する接着層３とを備え、接着層３はガラス転移温度が使用温度未満であり、かつその厚みが３５μｍ以上であるものである。また、接着層３に含有されるシリカの平均粒径を１５μｍ以上にしているものを用いることや、接着層３にフッ素系樹脂からなるスペーサが混入しているものを用いることも出来る。
【選択図】図１

Description

本発明は、加速度や角速度を検出する慣性力センサに関するものである。

一般にこの種の慣性力センサにおいては、セラミックパッケージ内に接着剤を用いて回路チップおよびセンサチップを取り付けている。そのような慣性力センサにおいて、セラミックパッケージ上に接着剤を介し回路チップを取り付け、この回路チップ上に接着フィルムを介しセンサチップを形成するものが知られている。そして、温度変化によってセンサチップの特性に変化が生じる原因は、接着フィルムのガラス転移温度周辺での接着フィルムの特性が急激に変化することであるとして、接着フィルムのガラス転移温度が−４０℃〜１２０℃の間にないようにして温度特性を良好にした慣性力センサは知られている（特許文献１参照。）。
特開２００３−０２１６４７号公報

上記特許文献に記載された従来の慣性力センサは、センサチップを直接セラミックパッケージ上に配置することはせずに、セラミックパッケージ上に配置した回路チップ上に配置している。このため、慣性力センサ全体としての高さが高くなってしまうという課題を有していた。またセラミックパッケージに対するセンサチップの取り付け誤差は、回路チップを配置する際の取り付け誤差を含んだ累積的な誤差になってしまうため、慣性力センサの検出軸の方向のズレが大きくなってしまうという課題も有していた。

本発明は上記従来の課題を解決するもので、温度特性を良好にしつつ、低背化を可能とし、検出軸の方向のズレを小さくして検出精度を向上させる慣性力センサを提供することを目的とするものである。

上記目的を達成するために、本発明は以下の構成を有するものである。

請求項１に記載の発明は、パッケージと、前記パッケージ上に取り付けられた慣性力センサ素子と、前記パッケージと前記慣性力センサ素子とを接着する接着層とを備え、前記接着層はガラス転移温度が使用温度未満の接着剤で構成され、かつその厚みが３５μｍ以上であるものである。

この構成によれば、請求項１に記載の発明は、前記接着層がガラス転移温度が使用温度未満の接着剤で構成されるため、低温における特性の急激な悪化が生じず、また、接着層の厚みが３５μｍ以上なので、温度変化によるパッケージと慣性力センサ素子との間の熱応力を緩和することができる。また、温度変化による出力が比較的線形に近い変化をするため、出力の変動を電気回路で容易に補償することができる。これにより慣性力センサ素子を熱膨張係数が大きく異なるパッケージ上に直接形成することが可能となり、慣性力センサ素子の取り付け時の誤差を低減させることができるため、慣性力センサとしての検出精度を向上させることができるという作用効果を有するものである。

請求項２に記載の発明は、特に、接着剤が、平均粒径が１５μｍ以上のシリカを含有しているものである。

この構成によれば、請求項２に記載の発明は、接着剤の平均粒径が１５μｍ以上のシリカを含有しているので、接着層の厚みを十分大きく確保することができるため、慣性力センサ素子を直接パッケージ上に形成することが可能となり、慣性力センサ素子の取り付け時の誤差を低減させることができるため、慣性力センサとしての検出精度を向上させることができるという作用効果を有するものである。

請求項３に記載の発明は、特に、接着層が、フッ素系樹脂で形成されたスペーサを備えたものである。

この構成によれば、請求項３に記載の発明は、接着層がフッ素系樹脂で形成されたスペーサを備えたものであるので、低温使用時におけるパッケージと慣性力センサ素子との間の熱膨張係数の差に起因する応力を緩和することができ、これにより慣性力センサ素子を直接パッケージ上に形成することが可能となり、慣性力センサ素子の取り付け時の誤差を低減させることができるため、慣性力センサとしての検出精度を向上させることができるという作用効果を有するものである。さらに、接着層にスペーサが混入されているので、複数の慣性力センサにおける接着層の厚みを一定にすることができ、また、一つの慣性力センサ内における接着層の厚みも一定にすることができるため、この点からも、慣性力センサとしての検出精度を向上させることができるという作用効果を有するものである。

以上のように本発明の慣性力センサは、前記接着層はガラス転移温度が使用温度未満であり、かつその厚みが３５μｍ以上であるので、低温における特性の劣化を防止しつつ、検出精度を向上させることができるという優れた効果を奏するものである。

（実施の形態１）
以下、特に請求項１および２に記載の発明について図面を参照しながら説明する。

図１は本発明の実施の形態１における慣性力センサの正面断面図である。

図１において、パッケージ１は、セラミックで構成されており、慣性力センサ素子２等を固定するものである。パッケージ１の形状には特に制限はなく、平板形状であってもよいし、慣性力センサ素子２等の機能素子を覆うように、中空の直方体形状であってもよいが、このような中空の直方体形状の場合には、パッケージ１内に慣性力センサ素子２を収容するために、パッケージ１を２個以上の部材で構成することが必要となる。慣性力センサ素子２には、加速度を検出する加速度センサ素子を用いており、主としてＳｉで構成されたものである。

接着層３は、シリコーン系の接着剤からなるもので、パッケージ１と慣性力センサ素子２とを接着している。慣性力センサの使用温度を−４０℃に設定しているので、この接着層３を構成する接着剤４には、ガラス転移温度が−４０℃未満であるものを用いている。

この接着層３の厚みは、３５μｍ以上の厚みにすることにより、慣性力センサ素子２の温度による特性の変化を少なくすることができる。この厚みの上限は、温度による特性変化の点からは特にないが、厚すぎると接着力の低下が生じるので、実用上は１５０μｍを上限とすることが好ましい。

枠部５は、加速度センサとしての慣性力センサ素子２の一部であって、慣性力センサ素子２の外形部分であり、Ｓｉで構成されている。質量部６は、一定の質量を有する部分であり、梁部７は、枠部５と質量部６とを連結しているもので、紙面左右方向に撓むことの
できるものである。第１の電極８は枠部５に設けられた電極で、第２の電極９は質量部６に設けられた電極であり、これらの第１の電極８と第２の電極９とは空間を隔てて対向している。同様に、第３の電極１０は枠部５に設けられた電極で、第４の電極１１は質量部６に設けられた電極であり、第３の電極１０と第４の電極１１とは空間を隔てて対向している。そして、加速度が印加されていない状態においては、質量部６を支持している梁部７は撓むことなく、第１の電極８と第２の電極９との間隔と、第３の電極１０と第４の電極１１との間隔は同じになるように構成されている。以上の枠部５、質量部６、梁部７、第１の電極８、第２の電極９、第３の電極１０および第４の電極１１は、いずれも慣性力センサ素子２を構成するものである。

ここで、上記した加速度センサとしての慣性力センサの検出原理について簡単に説明する。

図１の紙面左向きに正の加速度が印加された場合には、質量部６が図１の紙面右向きに傾く方向に梁部７が撓む。この時、第１の電極８と第２の電極９との間隔は広がり、第３の電極１０と第４の電極１１との間隔は狭まる。一般に対向する２つの電極間の距離が変化するとこの間の静電容量も変化するので、この場合においても、第１の電極８と第２の電極９間の静電容量と第３の電極１０と第４の電極１１間の静電容量はともに変化し、その変化は一方が増加し、一方が減少するものである。この静電容量の変化を利用すれば、加速度の方向と大きさを出力電圧として検出することができる。

このような動作原理において、加速度が印加されていない状態で、慣性力センサ素子２が歪むと、第１の電極８と第２の電極９との間隔と第３の電極１０と第４の電極１１との間隔が異なる間隔になり、慣性力センサからの出力電圧が加速度が印加されている場合の値と同じになってしまう。したがって、慣性力センサ素子２が歪まないようにする必要がある。

以上のような構成および動作原理の本発明の実施の形態１における慣性力センサの特性について、接着層３の厚みと温度特性の関係について図面を用いて説明をする。

接着層の厚みと温度特性の関係を（表１）に示す。図２は、（表１）の結果を図示したグラフである。

慣性力が印加されていない状態で、２５℃のときの出力電圧を基準電圧Ｖ₀とし、−４０℃のときの電圧をＶ_L、９０℃のときの電圧をＶ_Hとしたときに、
０点幅＝Ｖ_H−Ｖ_L
Ｕ字温特＝（Ｖ_H＋Ｖ_L）／２−Ｖ₀
と定義している。

上式に示すように、「０点幅」とは、最高温度である９０℃のときの出力電圧Ｖ_Hから最低温度である−４０℃のときの出力電圧Ｖ_Lを減じたものである。

また、「Ｕ字温特」は、最高温度である９０℃のときの出力電圧Ｖ_Hと最低温度である−４０℃のときの出力電圧Ｖ_Lとの平均値から、最高温度と最低温度の中央の温度である２５℃のときの出力電圧である基準電圧Ｖ₀を減じたものである。この「Ｕ字温特」は、温度による出力変化の直線性を示すものである。実験の結果、接着層３の厚みを変えた慣性力センサは、いずれも温度に対する出力電圧の関係が直線的か、上に凸の曲線か、または下に凸の曲線であったので、温度変化に対する出力変化の直線性を示す指標としては、この「Ｕ字温特」を用いることで十分である。もちろん、「Ｕ字温特」の値が小さい方が直線に近く、大きいと曲線の凸の程度が大きくなるものである。

ここで、慣性力センサとしては温度変化による出力変動がないことが理想的であり、最も好ましいものである。しかし、温度変化による出力変動を電気的に修正する温度補償を行うことも可能であり、この温度補償を行う際には、温度と出力の関係が直線的である方が、温度補償を行う電気回路あるいはプログラムが簡単になるため好ましい。

本発明は、この点に着目したものである。

（表１）、図２より、接着層３の厚みが２０μｍ〜３５μｍにおいては、Ｕ字温特の値がばらついているが、これはこの間に変極点が存在するからと考えられる。

この（表１）および図２から、接着層３の厚みを３５μｍ以上にすれば、Ｕ字温特の値も小さくなり、特性が好ましくなっていることがわかる。

また、（表１）からわかるように、０点幅の値のばらつきが大きいが、いずれも温度補償により対応できる程度の値まで低下することができているので問題はない。

なお、接着層３の厚みのコントロールは、接着層３を構成する接着剤を塗布する量をコントロールすることや、慣性力センサ素子２をパッケージ１へ押し付ける圧力をコントロールすることで可能となる。その他に、接着層３を構成する接着剤にはシリカがフィラーとして添加されているが、このシリカの平均粒径が１５μｍ以上であるようにする方法もある。シリカの平均粒径が大きい方が接着層３を厚くする点で有利であるが、接着層３が厚すぎると接着力が低下するため、その上限は１５０μｍまでにすることが好ましい。

以上のように本発明の実施の形態１における慣性力センサは、パッケージ１と、パッケージ１上に取り付けられた慣性力センサ素子２と、パッケージ１と慣性力センサ素子２とを接着する接着層３とを備え、接着層３はガラス転移温度が使用温度未満の接着剤で構成され、かつその厚みが３５μｍ以上であるもので、パッケージ１上に直接慣性力センサ素子２を配置する構成であるにも関わらず、温度特性を良好にしつつ、そして、パッケージ１上に直接慣性力センサ素子２を配置することにより、低背化を可能とし、検出軸の方向のズレを小さくして検出精度を向上させることができる。

ここで、接着剤４のガラス転移温度を慣性力センサの使用温度範囲未満になるようにする理由は、ガラス転移温度以下の温度においては接着剤４を構成する接着剤の流動性が極めて低下し、パッケージ１と慣性力センサ素子２の熱膨張係数の差による歪みが接着層３で吸収されず慣性力センサ素子２に熱応力が発生してしまい、慣性力センサ素子２の特性を悪化させてしまうためで、ガラス転移温度より高い温度で使用することで慣性力センサ素子２の特性の劣化を低減することを目的とするものである。

（実施の形態２）
以下、特に請求項３に記載の発明について図面を参照しながら説明する。

実施の形態２における慣性力センサは、実施の形態１における慣性力センサの接着層３の構成が異なるもので、その他の構成は実施の形態１における慣性力センサと同様である。

図３は、本発明の実施の形態２における慣性力センサの正面断面図である。

図３に示すように、接着層３は接着剤４にスペーサ１２を混入させたものである。この接着層３の厚みは、３５μｍ以上としており、実用上は１５０μｍを上限とすることが好ましい。また、接着剤４は、実施の形態１と同様にシリコーン系の接着剤を使用し、そのガラス転移温度を−４０℃未満にしている点も同様である。スペーサ１２は接着剤４中に混入されたもので、このスペーサ１２は、接着層３の厚みを一定範囲にするものである。スペーサ１２の具体的な形状としては、向きによらず一定の間隔を確保することができる球形状が好ましい。球形状の場合はスペーサ１２の製造も簡単であるという長所もある。スペーサ１２には、フッ素系樹脂が用いられる。フッ素系樹脂として好適なのは、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、テトラフルオロエチレン・パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体（ＦＥＰ）、テトラフルオロエチレン・エチレン共重合体（ＥＴＦＥ）、ポリビニリデンフルオライド（ＰＣＤＦ）、ポリクロロトリフルオロエチレン（ＰＣＴＦＥ）およびクロロトリフルオエチレン・エチレン共重合体（ＥＣＴＥＦ）などである。これらのフッ素系樹脂として、イー・アイ・デュポン・ドゥ・ヌムール・アンド・カンパニーの商品である「テフロン（登録商標）」を用いることができる。

以上のような構成および動作原理の本発明の一実施の形態における慣性力センサの特性について、比較例との対比をさせながら図面を用いて説明をする。

図４は本発明の実施の形態２における慣性力センサの温度特性グラフ、図５は比較例の温度特性グラフである。いずれのグラフも横軸が温度でその単位を℃とし、縦軸が温度特性としてのオフセットエラー電圧でその単位をｍＶとしている。オフセットエラー電圧とは、ここでは、温度が２５℃で慣性力が印加されていない状態における慣性力センサからの出力電圧値を基準電圧とし、各温度における出力電圧から基準電圧を減じた数値としている。理想的には０ｍＶであるが、この値が小さければ小さいほど好ましいものとなる。

比較例の構成は、本発明の一実施の形態における慣性力センサにおけるフッ素系樹脂のスペーサ１２の代わりにガラスビーズを用いた構成のものである。

図４の本実施の形態のグラフは、３個の慣性力センサについての実験データを示しており、オフセットエラー電圧が小さく、また、慣性力センサ素子間の特性のばらつきも小さく、さらに変化が直線的な変化であることが分かる。変化が直線的である場合には、ディジタル的なキャリブレーションを行い易いという利点がある。また、実験において、ヒステリシスが生じないことも確認した。

図５の比較例であるスペーサ１２の代わりにガラスビーズを用いた場合のグラフは、３個の慣性力センサ素子の実験データを示しており、この図から低温での特性の変化が急に大きくなることや、各慣性力センサ間のばらつきが大きいことが分かる。

図４および図５を比較すれば明らかな通り、本発明の実施の形態２における慣性力センサの温度特性は良好である。

このように、本発明の実施の形態２における慣性力センサの温度特性が良好になる理由は、以下の理由によるものと考えられる。

比較例はスペーサ１２の代わりにガラスビーズを用いたため、接着層３の厚みを一定にすることはできるものの、ガラスビーズ自体が硬いためパッケージ１の温度変化による応力を吸収できずに慣性力センサ素子２に伝達させてしまい、このため慣性力センサ素子２を歪ませてしまっていると考えられる。一方、本発明の実施の形態２における慣性力センサは、スペーサ１２としてガラスに比べて柔らかいフッ素系樹脂を用いているためパッケージ１の温度変化による応力を吸収することができ、このため慣性力センサ素子２に生じる歪みが小さく、これにより温度特性が良好になるのではないかと考えられる。

以上説明したように、本発明の実施の形態２における慣性力センサは、特に、接着層３が、さらにフッ素系樹脂で形成されたスペーサ１２を備えたもので、この構成によれば、接着層３はガラス転移温度が使用温度未満である接着剤４にフッ素系樹脂からなるスペーサ１２を混入させているので、低温使用時におけるパッケージ１と慣性力センサ素子２との間の熱膨張係数の差に起因する応力を緩和することができ、これにより慣性力センサ素子２を直接パッケージ１上に形成することが可能となり、慣性力センサ素子２の取り付け時の誤差を低減させることができるため、慣性力センサとしての検出精度を向上させることができるという作用効果を有するものである。

さらに、接着層３にスペーサが混入されているので、複数の慣性力センサ間における接着層３の厚みを一定にすることができ、これにより、製造上の品質管理を容易にすることができるという利点を得ることができる。また、一つの慣性力センサ内における接着層３の厚みも場所によらず一定にすることができるため、慣性力センサの方向を精度よく取り付けることが可能になり、さらに、接着層３がパッケージ１と慣性力センサ素子２との間の熱膨張係数に起因する熱応力を偏りなく緩和することができるため、低温における特性の変化を低減することができる。

そして、以上の作用効果は、パッケージ１上にＩＣなどの回路チップを介さず、接着層３のみを介して直接慣性力センサ素子２を接着する構成においても奏するものであるため、慣性力センサ素子２の取り付け精度を向上させることができ、また慣性力センサ素子の低背化も可能にすることができる。

なお、本発明の実施の形態１および２における慣性力センサとして加速度センサを例に挙げて説明したが、角速度を検出する角速度センサにも適用可能である。角速度センサとして、静電容量変化を利用した構成のもののみならず、圧電体を用いる構成のものであっても適用可能である。また、加速度と角速度の両方の検出を行うことができる複合的な素子を用いた複合センサへの適用も可能である。これらは、慣性力センサ素子で検出しようとする対象によって選択することができる。

本発明に係る車体の慣性力センサは、温度特性を良好にしつつ、低背化を可能とし、検出軸の方向のズレを小さくするという効果を有するもので角速度センサや加速度センサ、或いはこれらのセンサの機能を併せ持つ複合センサなどの慣性力センサに適用して有用となるものである。

本発明の実施の形態１における慣性力センサの正面断面図 接着層の厚みと温度特性の関係を示すグラフ 本発明の実施の形態２における慣性力センサの正面断面図 同慣性力センサの温度特性グラフ 比較例の温度特性グラフ

符号の説明

１ パッケージ
２ 慣性力センサ素子
３ 接着層
４ 接着剤
１２ スペーサ

Claims (3)

1. パッケージと、前記パッケージ上に取り付けられた慣性力センサ素子と、前記パッケージと前記慣性力センサ素子とを接着する接着層とを備え、前記接着層はガラス転移温度が使用温度未満の接着剤で構成され、かつその厚みが３５μｍ以上である慣性力センサ。
2. 前記接着剤は、平均粒径が１５μｍ以上のシリカを含有している請求項１記載の慣性力センサ。
3. 前記接着層は、フッ素系樹脂で形成されたスペーサを備えた請求項１記載の慣性力センサ。

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