JP2009276305A - Ｍｅｍｓ加速度センサ - Google Patents

Abstract

【課題】小型であり、測定分解能が高いＭＥＭＳ加速度センサを提供することを目的とする。
【解決手段】ＭＥＭＳ加速度センサ１０は加速度の測定対象物に固定される。測定対象物の動きは可動錘２０に伝えられ、可動錘２０は測定対象物の動きに応じて変位する。これによって、下側容量電極２４と上側容量電極２６との間の静電容量が変化するため、静電容量またはそれに応じた電気物理量を測定することにより測定対象物の加速度を測定することができる。可動錘２０には、上側円板面から下側円板面へと可動錘２０を貫く高密度部材穴３６を円板面の中心に設ける。高密度部材穴３６には、高密度部材穴３６以外の部分を形成する基本部材よりも密度が高い高密度部材３４が充填される。
【選択図】図２

Description

本発明は、可動錘の動きに基づいて測定対象物の加速度を検出するＭＥＭＳ加速度センサに関する。

建造物の揺れの測定、装置の機械的強度の測定等には、測定対象物の振動加速度を測定する加速度センサが用いられる。また、可動部を有する各種機械装置には、可動部の加速度を検出し制御するものがある。このような機械装置にも加速度センサが用いられる。

加速度センサは、測定対象物への取り付けが容易となるよう小型化することが好ましい。そのため、加速度センサには、いわゆるＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍ）として構成されたＭＥＭＳ加速度センサが広く用いられる。ＭＥＭＳ加速度センサには、シリコン等で形成された錘を備え、錘の振動に応じて電気信号を発生させるものがある。

特開２００６−２４２５９４号公報

ＭＥＭＳ加速度センサの錘には、それを取り巻く気体分子が衝突する。これによって錘は振動し、測定対象物が加速度を発生していなくても、ＭＥＭＳ加速度センサからノイズが出力される。このノイズは、錘の質量が小さい程大きくなることが知られている。したがって、ＭＥＭＳ加速度センサを小型化させるために錘の体積を低減して錘を軽量化すると、このようなノイズのレベルが増加し、ＭＥＭＳ加速度センサの測定分解能が低下するという問題が生ずる。

本発明はこのような課題に対してなされたものである。すなわち、小型であり、測定分解能が高いＭＥＭＳ加速度センサを提供することを目的とする。

本発明は、与えられた加速度に応じて変位可能な可動錘を備え、当該可動錘の動きに応じた検出量を出力するＭＥＭＳ加速度センサにおいて、前記可動錘は、欠損部を有する基本部材と、前記欠損部に設けられ、前記基本部材よりも密度が高い高密度部材と、を備えることを特徴とする。

また、本発明に係るＭＥＭＳ加速度センサにおいては、前記基本部材が回転対称形状に形成され、前記可動錘が前記基本部材の回転対称軸方向に変位するよう、ばねを介して前記可動錘を支持する支持筐体を備えることが好適である。

また、本発明に係るＭＥＭＳ加速度センサにおいては、回転対称形状の板面を有する板状に前記基本部材が形成され、前記可動錘が前記基本部材の板面に垂直な方向に変位するよう、前記基本部材の周囲に設けられたばねを介して前記基本部材を支持する支持筐体を備えることが好適である。

また、本発明に係るＭＥＭＳ加速度センサにおいては、前記基本部材が板状に形成され、前記可動錘が前記基本部材の板面に垂直な方向に変位するよう、前記基本部材の周囲に設けられたばねを介して前記基本部材を支持する支持筐体と、前記基本部材の板面とその板面が対向し、前記基本部材の板面との間に空間を隔てて配置される筐体板と、を備え、前記欠損部は、前記筐体板を臨む面に開口を有し、前記高密度部材は、前記筐体板を臨む面に非充填空間が形成されるよう前記欠損部に充填されることが好適である。

また、本発明に係るＭＥＭＳ加速度センサにおいては、前記基本部材は、板面が回転対称形状となるよう形成されることが好適である。

また、本発明に係るＭＥＭＳ加速度センサにおいては、前記ばねは、板面が平行に重なるよう設けられた複数の板ばねを含み、前記支持筐体は、当該複数の板ばねの各板面に垂直な方向に前記可動錘が変位可能となるよう、当該複数の板ばねを介して前記可動錘を支持することが好適である。

また、本発明は、与えられた加速度に応じて変位可能な可動錘を備え、当該可動錘の動きに応じた検出量を出力するＭＥＭＳ加速度センサにおいて、前記可動錘は板状に形成された基本部材と、前記基本部材に層状に密着し前記基本部材よりも密度が高い高密度部材と、を備えることを特徴とする。

また、本発明に係るＭＥＭＳ加速度センサにおいては、板面が平行に重なるよう設けられた複数の板ばねと、当該複数の板ばねの各板面に垂直な方向に前記可動錘が変位可能となるよう、当該複数の板ばねを介して前記可動錘を支持する支持筐体と、を備えることが好適である。

また、本発明に係るＭＥＭＳ加速度センサにおいては、前記可動錘の重心は前記可動錘の三次元中心に一致していることが好適である。

また、本発明に係るＭＥＭＳ加速度センサにおいては、前記基本部材は、シリコンまたはガラスを含んで形成され、前記高密度部材は、金ゲルマニウム、金シリコン、金、白金、イリジウム、ニッケル、銅、タングステン、またはタンタルのうちいずれかを含んで形成されることが好適である。

本発明によれば、小型であり、測定分解能が高いＭＥＭＳ加速度センサを提供することができる。

図１に本発明の第１の実施形態に係るＭＥＭＳ加速度センサ１０の分解斜視図を示す。また、図２（ａ）に図１に示したセンサ本体部１２を上から見た図を、図２（ｂ）に、図２（ａ）の直線ＡＢでＭＥＭＳ加速度センサ１０を切断した場合の断面図を示す。

ＭＥＭＳ加速度センサ１０は、測定対象物の変位量を電気物理量に変換するものである。ＭＥＭＳ加速度センサ１０は加速度の測定対象物に固定される。測定対象物の動きは可動錘２０に伝えられ、可動錘２０は測定対象物の動きに応じて変位する。これによって、下側容量電極２４と上側容量電極２６との間の静電容量が変化するため、静電容量またはそれに応じた電気物理量を測定することにより測定対象物の加速度を測定することができる。

ＭＥＭＳ加速度センサ１０は、ＭＥＭＳ加速度センサ１０の筐体の一部をなす下側ガラス板１４および上側ガラス板１６、ならびに下側ガラス板１４および上側ガラス板１６に挟まれるセンサ本体部１２を備えて構成される。

センサ本体部１２は、内側壁面が円筒形状をなすセンサ筐体枠１８を備える。センサ筐体枠１８の材料にはシリコンを用いることができる。センサ筐体枠１８の枠内には円板形状の可動錘２０が設けられる。可動錘２０の上側円板面の周囲および下側円板面の周囲には、センサ筐体枠１８の内側壁面との間に橋渡される板ばね２２が等角度間隔で取り付けられる。各板ばね２２は、可動錘２０とセンサ筐体枠１８との間の隙間を斜めに横切るよう可動錘２０とセンサ筐体枠１８との間に橋渡される。また、可動錘２０の上側円板面に取り付けられる板ばね２２と、可動錘２０の下側円板面に取り付けられる各板ばね２２とは、互いに板面が向き合うよう平行に配置され、互いに板面を向き合わせて配置される一対の板ばね２２は平行板ばねを形成する。センサ筐体枠１８、可動錘２０、および板ばね２２は、シリコンによって一体形成することができる。可動錘２０には、ＭＥＭＳ加速度センサ１０の性能を向上させるための高密度部材３４が付加される。高密度部材３４、ＭＥＭＳ加速度センサ１０の性能向上等については後述する。

このような構成によれば、可動錘２０の円板面とセンサ筐体枠１８の枠開口面とが平行となるよう、可動錘２０をセンサ筐体枠１８の枠内に支持することができる。可動錘２０は、測定対象物が静止している場合には、板ばね２２の弾性力によってセンサ筐体枠１８の枠内の安定位置に支持される。そして、測定対象物が動いたときは、安定位置に戻される弾性力を板ばね２２から受けつつ、測定対象物の動きに応じて円板面に垂直な方向に変位する。

可動錘２０の上側円板面の周囲および下側円板面の周囲に等角度間隔で板ばね２２が取り付けられることで、可動錘２０の変位方向のぶれを小さくすることができる。また、可動錘２０とセンサ筐体枠１８との間の隙間を斜めに横切るよう板ばね２２を設けることで、板ばね２２を長くして板ばね２２のたわみを大きくすることができ、加速度の測定範囲を大きくすることができる。さらに、可動錘２０の上側円板面に取り付けられる板ばね２２と、可動錘２０の下側円板面に取り付けられる板ばね２２との対が平行板ばねを形成することにより、可動錘２０の変位方向を安定化させることができる。すなわち、円板面に垂直な方向以外の方向の加速度が可動錘２０に与えられたとしても、可動錘２０が円板面に垂直な方向以外の方向に変位することを回避することができる。

センサ本体部１２の底面には、センサ筐体枠１８の下側の開口面を塞ぐよう、下側ガラス板１４が取り付けられる。また、センサ本体部１２の上面には、センサ筐体枠１８の上側の開口面を塞ぐよう、上側ガラス板１６が取り付けられる。センサ筐体枠１８をシリコンで形成した場合、下側ガラス板１４および上側ガラス板１６の取り付けには、陽極接合法を用いることができる。このような構成よって、可動錘２０は、下側ガラス板１４、上側ガラス板１６、およびセンサ筐体枠１８によって密閉される。

下側ガラス板１４の可動錘２０を臨む側の面には、可動錘２０の下側円板面と対向する下側容量電極２４が設けられる。同様に、上側ガラス板１６の可動錘２０を臨む側の面には、可動錘２０の上側円板面と対向する上側容量電極２６が設けられる。

さらに、下側ガラス板１４の下側容量電極２４が設けられる面の反対面には下側端子電極２８が、上側ガラス板１６の上側容量電極２６が設けられる面の反対面には上側端子電極３０が、それぞれ設けられる。下側容量電極２４と下側端子電極２８とは、下側ガラス板１４に設けられたスルーホール３２によって電気的に接続される。同様に、上側容量電極２６と上側端子電極３０とは、上側ガラス板１６に設けられたスルーホール３２によって電気的に接続される。なお、スルーホールを設ける代わりに、下側ガラス板１４および上側ガラス板１６に、それぞれ、下側容量電極２４および上側容量電極２６から引き出される導体パターンを設け、導体パターンに接続される端子をＭＥＭＳ加速度センサ１０の外側表面に設ける構成としてもよい。

下側容量電極２４、上側容量電極２６、下側端子電極２８、上側端子電極３０等、下側ガラス板１４および上側ガラス板１６に付着させる導体薄膜は、蒸着、スパッタリング等によって形成することができる。材料としては、ガラスとの密着強度が強いチタン、酸化し難い白金等を用いることができる。例えば、ガラス面にチタンを付着させ、重ねて白金を付着させることで、ガラスとの密着性を高めると共に耐酸化性を高めることができる。

ＭＥＭＳ加速度センサ１０は、測定対象物の加速度測定方向と可動錘２０の変位方向とが一致するよう測定対象物に固定する。測定対象物が動くことにより、可動錘２０は図２（ｂ）の上方向または下方向に変位する。これによって、上側容量電極２６と下側容量電極２４との間の静電容量が変化し、上側端子電極３０および下側端子電極２８との間の静電容量が変化する。上側端子電極３０および下側端子電極２８に接続される測定装置は、上側端子電極３０および下側端子電極２８との間の静電容量の変化を測定し、測定結果に応じて測定対象物の加速度を測定する。

なお、本実施形態では、可動錘の形状を円板形状としたが、必ずしも円板形状とする必要はなく、一般的な多角形の板状に形成してもよい。この多角形は回転対称形状とし、可動錘が回転対称軸方向に変位するよう構成することが好ましい。センサ筐体枠の内側壁面の形状は、可動錘の形状に応じて決定すればよい。さらに、より一般的に、可動錘の形状を板状ではない回転対称な立体形状とし、可動錘を回転対称軸方向に変位するよう構成してもよい。

また、本実施形態では、センサ本体部１２を下側ガラス板１４および上側ガラス板１６で挟んだ構成を採用している。センサ本体部１２を挟む板状の部材としては、ガラス板の代わりにシリコンや金属板を用いてもよい。

次に、可動錘２０の詳細な構成について説明する。一般的なＭＥＭＳ加速度センサの内部空間には気体が存在し、可動錘には気体分子が衝突する。これによって可動錘は振動し、測定対象物が静止していてもＭＥＭＳ加速度センサからノイズが出力される。このノイズは、可動錘の質量が小さい程大きくなることが知られている。したがって、ＭＥＭＳ加速度センサを小型化させるために可動錘の体積を低減して錘を軽量化すると、このようなノイズのレベルが増加し、ＭＥＭＳ加速度センサの測定分解能が低下するという問題が生ずる。

そこで、本実施形態に係る可動錘２０は、体積を一定にしつつ質量を増加させる構成とする。可動錘２０には、上側円板面から下側円板面へと可動錘２０を貫く高密度部材穴３６を円板面の中心に設ける。また、高密度部材穴３６の形状は、円板面の垂直方向に延伸する円筒形状とする。

可動錘の板面を円形以外の一般的な回転対称形状とする場合には、高密度部材穴は、可動錘の板面の回転対称な位置に設けることが好ましい。また、高密度部材穴は、可動錘の回転対称軸上に可動錘の重心が位置するような立体的形状とすることが好ましい。

高密度部材穴３６には、基本部材よりも密度が高い高密度部材３４が充填される。ここで基本部材とは、高密度部材穴３６以外の可動錘２０の部分を形成する部材をいう。基本部材としてシリコンを用いた場合、高密度部材３４には、金ゲルマニウム、金シリコン、金、白金、イリジウム、ニッケル、銅、タングステン、タンタル等を用いることができる。

金ゲルマニウム（ゲルマニウム含有率１２％、密度１４．７ｇ／ｃｃ）、金シリコン（シリコン含有率１％、密度１８．０ｇ／ｃｃ）はシリコンより融点が低い。したがって、これらの材料は、溶融させることで高密度部材穴３６に充填することができる。

金（密度１９．３ｇ／ｃｃ）、白金（密度２１．５ｇ／ｃｃ）、イリジウム（密度２２．７ｇ／ｃｃ）、ニッケル（密度８．９ｇ／ｃｃ）、銅（８．９ｇ／ｃｃ）は、電解めっきまたは無電解めっきによってシリコンに付着させることができる。したがって、これらの材料は、電解めっきまたは無電解めっきによって高密度部材穴３６に充填することができる。

タングステン（密度１９．３ｇ／ｃｃ）、タンタル（密度１６．７ｇ／ｃｃ）は、蒸着、スパッタリング、ＣＶＤ等の気相蒸着によってシリコンに付着させることができる。したがって、これらの材料は、気相蒸着によって高密度部材穴３６に充填することができる。

なお、放電コーティングでシリコンに付着させることが可能であり、シリコンより密度が高い金属を高密度部材穴３６に充填する製造工程を採用してもよい。さらに、シリコンより密度が高い金属片を、高密度部材穴３６に挿入し、めっき、溶融金属充填等によってその金属片を高密度部材穴３６内に固定する製造工程を採用してもよい。

本実施形態に係るＭＥＭＳ加速度センサ１０によれば、可動錘の体積が一定であるという条件の下、シリコン単体で可動錘を形成した場合に比して、可動錘の質量を増加させることができる。これによって、気体分子の衝突による可動錘のノイズ振動を低減し、ＭＥＭＳ加速度センサ１０から出力されるノイズを低減することができる。したがって、加速度の測定分解能を向上させることができる。

また、可動錘の板面の回転対称位置に高密度部材穴を配置し、回転対称軸に重心が位置するよう可動錘を形成し、さらに、回転対称軸方向に変位するよう可動錘を支持する場合には、可動錘の変位方向のぶれを小さくすることができる。これによって、測定精度を向上させることができる。また、高密度部材が備えられた可動錘の重心が、可動錘の三次元中心（可動錘を形成する材料の密度が一様であると仮定した場合における重心）に一致している場合には、可動錘の変位方向に一致する方向に与えられた加速度によって回転モーメントが発生することがない。これによって、より正確な加速度が検出可能となるという優れた効果を発揮する。

図３（ａ）および（ｂ）に第１の実施形態の応用例に係るＭＥＭＳ加速度センサ３８の構成を示す。図３（ａ）はセンサ本体部４０を上から見た図を、図３（ｂ）は直線ＡＢでＭＥＭＳ加速度センサ３８を切断した場合の断面図を示す。図１および図２のＭＥＭＳ加速度センサ１０と同一の構成部については同一の符号を付してその説明を省略する。

ＭＥＭＳ加速度センサ３８は、複数の高密度部材穴３６を設けたものである。ここでは、可動錘４２の円板面の中心を垂直に貫く直線を回転対称軸とする回転対称な位置に、４個の高密度部材穴３６を設ける。各高密度部材穴３６は、可動錘４２の円板面に対して垂直な方向に延伸する円筒形状を有する。各高密度部材穴３６は、可動錘４２の上側円板面から下側円板面へと可動錘４２を貫く。各高密度部材穴３６には、高密度部材３４が充填される。

複数の高密度部材穴３６を設けることにより、気体分子の衝突による可動錘４２のノイズ振動を低減し、ＭＥＭＳ加速度センサ３８から出力されるノイズを低減する効果を高めることができる。

また、高密度部材穴３６としては、可動錘４２を貫通するものではなく、所定の深さを以て行き止まりとなる袋穴を採用してもよい。図３（ｃ）に袋穴を採用したＭＥＭＳ加速度センサ４４の構成を示す。このような構成によれば、高密度部材３４を充填する工程を迅速に完了させることができる。ここでは、複数の高密度部材穴３６を設けた場合について袋穴を採用したものとしたが、図１および図２に示す構成において袋穴を採用してもよい。

図４（ａ）および（ｂ）に本発明の第２の実施形態に係るＭＥＭＳ加速度センサ４６の構成を示す。図４（ａ）はセンサ本体部４８を上から見た図を、図４（ｂ）は直線ＡＢでＭＥＭＳ加速度センサ４６を切断した場合の断面図を示す。図１および図２のＭＥＭＳ加速度センサ１０と同一の構成部については同一の符号を付してその説明を省略する。

本実施形態は、気体分子の衝突に基づく可動錘のノイズ振動をさらに低減するものである。一般に、可動錘の周りの気体分子の衝突による可動錘のノイズ振動は、可動錘の周りの気体の圧力が小さい程小さくなる。したがって、可動錘の周りの気体の圧力を低減することによって、可動錘のノイズ振動を小さくし測定分解能を向上させることができる。

可動錘の周りの気体の圧力を低減するためには、可動錘の変位に対する気体体積の圧縮率を低減すればよい。そのためには、可動錘と下側ガラス板との間の距離、および可動錘と上側ガラス板との間の距離を大きくし、可動錘と下側容量電極との間に挟まれる気体の体積、および可動錘と上側容量電極との間に挟まれる気体の体積を大きくすることが考えられる。しかし、このような構成とすると、ＭＥＭＳ加速度センサが大型となってしまう。

そこで、第２の実施形態に係るＭＥＭＳ加速度センサ４６では、可動錘５０の板面の中心付近を凹ませた構成とし、可動錘５０の周りの気体の圧力の上昇を緩和する。図４（ａ）および（ｂ）に示すＭＥＭＳ加速度センサ４６の可動錘５０の基本部材は、図２（ａ）および（ｂ）に示すＭＥＭＳ加速度センサ１０の可動錘２０の基本部材と同一の形状を有するものとする。

高密度部材３４は、高密度部材穴３６の内部の全空間には充填せず、下側容量電極２４を臨む面、および上側容量電極２６を臨む面に非充填空間を残す。これによって、可動錘５０の各板面に凹みを設けることができる。

このような構成によれば、可動錘５０が下側容量電極２４に近づいたときの可動錘５０と下側ガラス板１４との間に挟まれる気体の圧力の上昇、および可動錘５０が上側容量電極２６に近づいたときの可動錘５０と上側ガラス板１６との間に挟まれる気体の圧力の上昇を緩和することができる。これによって、気体分子の衝突による可動錘５０のノイズ振動を小さくすることができ、測定分解能を向上させることができる。可動錘５０の凹みを板面の中心に設けることで、気圧上昇を緩和する効果を密閉空間に均等に及ぼしめることができるため、ノイズ振動の低減効果を高めることができる。

図４（ｃ）および（ｄ）に、第２の実施形態の応用例に係るＭＥＭＳ加速度センサ５２を示す。図４（ｃ）はセンサ本体部５４を上から見た図を、図４（ｄ）は直線ＡＢでＭＥＭＳ加速度センサ５２を切断した場合の断面図を示す。図１〜図３に示すＭＥＭＳ加速度センサと同一の構成部については同一の符号を付してその説明を省略する。

本応用例は、複数の高密度部材穴３６を設けると共に、可動錘５６の円板面の中心付近を凹ませた構成としたものである。可動錘５６の円板面の中心に設けられた高密度部材穴３６の内部の全空間には高密度部材３４を充填せず、下側容量電極２４を臨む面、および上側容量電極２６を臨む面に非充填空間を残す。可動錘５６の円板面の中心を取り囲んで設けられる高密度部材穴３６は袋穴とする。このような構成によれば、高密度部材３４を充填させる製造工程を迅速に完了させることができると共に、測定分解能が高いＭＥＭＳ加速度センサを構成することができる。

図５（ａ）および（ｂ）に、第３の実施形態に係るＭＥＭＳ加速度センサ５８の構成を示す。図５（ａ）はセンサ本体部６０を上から見た図を、図５（ｂ）は直線ＡＢでＭＥＭＳ加速度センサ５８を切断した場合の断面図を示す。図１〜図４に示すＭＥＭＳ加速度センサと同一の構成部については同一の符号を付してその説明を省略する。

上述の第１および第２の実施形態では、高密度部材穴に高密度部材を充填した構成を採用している。このような構成によれば、高密度部材を溶融させることによって迅速に製造工程を完了させることができる。しかし、めっき、気相蒸着等によって高密度部材を充填する場合には、溶融金属充填よりも工程を完了するまでに長時間を要することが多い。そこで、第３の実施形態に係る可動錘６２では、板状に形成した基本部材に高密度部材３４を層状に付着させる。

可動錘６２の各円板面には、めっき、気相蒸着等によって高密度部材３４を付着させる。高密度部材３４の材料として、金、白金、イリジウム、ニッケル、銅等を用いる場合には、電解めっきまたは無電解めっきを採用することができる。高密度部材３４の材料として、タングステン、タンタル等を用いる場合には、気相蒸着を採用することができる。このような構成によれば、めっき、気相蒸着等によって高密度部材穴に高密度部材を充填する構成に比して、製造に要する時間を短縮することができる。

図６（ａ）および（ｂ）に、第４の実施形態に係るＭＥＭＳ加速度センサ６６の構成を示す。図６（ａ）はセンサ本体部６８を上から見た図を、図６（ｂ）は直線ＡＢでＭＥＭＳ加速度センサ６６を切断した場合の断面図を示す。図１〜図５に示すＭＥＭＳ加速度センサと同一の構成部については同一の符号を付してその説明を省略する。本実施形態は、可動錘７０を２枚の基本部材７２を備えるものとし、２枚の基本部材７２の間に高密度部材３４を挟む構成としたものである。基本部材７２と高密度部材３４との間の境界は必ずしも化学物質として連続である必要はない。したがって、基本部材７２および高密度部材３４が一体化して変位するよう、基本部材７２および高密度部材３４が接合されていればよい。

図７（ａ）および（ｂ）に、第５の実施形態に係るＭＥＭＳ加速度センサ７４の構成を示す。図７（ａ）はセンサ本体部７６を上から見た図を、図７（ｂ）は直線ＡＢでＭＥＭＳ加速度センサ７４を切断した場合の断面図を示す。図１〜図６に示すＭＥＭＳ加速度センサと同一の構成部については同一の符号を付してその説明を省略する。

上述の第１〜第４の実施形態では、可動錘の変位に応じた、上側容量電極２６と下側容量電極２４との間の静電容量の変化に基づいて測定対象物の加速度を検出する。これに対し第５の実施形態では、板ばね２２にピエゾ抵抗素子７８を設け、板ばね２２の変形に応じたピエゾ抵抗素子７８の抵抗値の変化に基づいて測定対象物の加速度を検出する。

図７の可動錘２０の構成は、図２の可動錘２０と同一の構成を有する。板ばね２２には、ピエゾ抵抗材料をめっき、気相蒸着等により付着させることにより、ピエゾ抵抗素子７８を設ける。ピエゾ抵抗素子７８からは、ＭＥＭＳ加速度センサ７４の外側表面に導体パターン（図示せず。）が引き出される。そして、ＭＥＭＳ加速度センサ７４の外側表面には、導体パターンに電気的に接続される検出端子（図示せず。）を設ける。

ＭＥＭＳ加速度センサ７４は、測定対象物の加速度測定方向と可動錘２０の変位方向とが一致するよう測定対象物に固定する。測定対象物が動くことにより、可動錘２０は図７（ｂ）の上方向または下方向に変位する。これによって、板ばね２２が変形し、ピエゾ抵抗素子７８の抵抗値が変化する。検出端子に接続される測定装置は、ピエゾ抵抗素子７８の抵抗値の変化を測定し、測定結果に応じて測定対象物の加速度を測定する。

このように、ピエゾ抵抗素子を用いた場合であっても、静電容量電極を用いた場合と同様、気体分子の衝突による可動錘のノイズ振動を低減し、ＭＥＭＳ加速度センサから出力されるノイズを低減する効果を得ることができる。ここでは、第５の実施形態として、図２の可動錘２０と同一の構成を有する可動錘を用いた場合について説明したが、図３〜図６に示した各可動錘と同一の構成を有する可動錘を用いることもできる。

図８（ａ）および（ｂ）に、第６の実施形態に係るＭＥＭＳ加速度センサ８０の構成を示す。図８（ａ）はセンサ本体部８２を上から見た図を、図８（ｂ）は直線ＡＢでＭＥＭＳ加速度センサ８０を切断した場合の断面図を示す。図１〜図７に示すＭＥＭＳ加速度センサと同一の構成部については同一の符号を付してその説明を省略する。

第６の実施形態は、基本部材として、シリコンの他、パイレックス（登録商標）、テンパックス（登録商標）等のガラスを用いたものである。可動錘８４は、２枚の円板状シリコン板８６と、２枚の円板状シリコン板８６に挟まれた錘用ガラス８８を備えて構成される。可動錘８４には、上側円板面および下側円板面に垂直な方向に延伸し、上側円板面の中心から下側円板面の中心へと可動錘８４を貫く高密度部材穴３６を設ける。高密度部材穴３６には高密度部材３４を充填する。錘用ガラス８８と円板状シリコン８６とは、陽極接合法によって接合することができる。一般にガラスは弾力性が乏しいため、板ばね２２の材料としてはその他の材料を用いることが好ましい。そこで、本実施形態では、円板状シリコン８６と錘用ガラス８８とを重ね合わせることで、円板状シリコン８６と板ばね２２とを一体形成し、板ばね２２をシリコンによって形成する。これによって、可動錘８４の材料としてガラスを用いた場合であっても、センサ筐体枠１８の枠内の安定位置に可動錘８４を支持することができると共に、測定対象物の動きに応じて可動錘８４を弾性的に変位させることができる。

図９に設計参考資料として高密度部材充填率［％］を横軸にとり、体積一定条件下における、シリコン単体の質量に対する質量比［％］を縦軸にとった場合の特性を示す。ここで高密度部材充填率は、シリコンの全体積のうち高密度部材に置き換える部分の体積割合を示す。この図が示す特性は、可動錘の体積を一定としつつ質量を大きくする際の設計指標とすることができる。Ｐｔは白金の特性を、Ｗはタングステンの特性を、ＡｕＧｅは金ゲルマニウムの特性を、Ｎｉはニッケルの特性をそれぞれ示す。図９から、基本部材をシリコンで形成し、高密度部材を白金、タングステン、金ゲルマニウム、またはニッケルで形成した場合には、高密度部材充填率が大きい程、体積一定の条件の下での質量を大きくすることができることがわかる。また、図１０には設計参考資料として高密度部材充填率［％］を横軸にとり、質量一定条件下における、シリコン単体の体積に対する体積比［％］を縦軸にとった場合の特性を示す。この図が示す特性は、可動錘の質量を一定としつつ体積を小さくする際の設計指標とすることができる。図１０から、基本部材をシリコンで形成し、高密度部材を白金、タングステン、金ゲルマニウム、またはニッケルで形成した場合には、高密度部材充填率が大きい程、質量一定の条件の下での体積を低減することができることがわかる。

第１の実施形態に係るＭＥＭＳ加速度センサの分解斜視図である。 第１の実施形態に係るＭＥＭＳ加速度センサを示す図である。 第１の実施形態の応用例に係るＭＥＭＳ加速度センサを示す図である。 第２の実施形態に係るＭＥＭＳ加速度センサを示す図である。 第３の実施形態に係るＭＥＭＳ加速度センサを示す図である。 第４の実施形態に係るＭＥＭＳ加速度センサを示す図である。 第５の実施形態に係るＭＥＭＳ加速度センサを示す図である。 第６の実施形態に係るＭＥＭＳ加速度センサを示す図である。 体積一定条件下における、シリコン単体の質量に対する質量比と高密度部材充填率との関係を示す図である。 質量一定条件下における、シリコン単体の体積に対する体積比と高密度部材充填率との関係を示す図である。

符号の説明

１０，３８，４４，４６，５２，５８，６６，７４，８０ ＭＥＭＳ加速度センサ、１２，４０，４８，５４，６０，６８，７６，８２ センサ本体部、１４ 下側ガラス板、１６ 上側ガラス板、１８ センサ筐体枠、２０，４２，５０，５６，６２，７０，８４ 可動錘、２２ 板ばね、２４ 下側容量電極、２６ 上側容量電極、２８ 下側端子電極、３０ 上側端子電極、３２ スルーホール、３４ 高密度部材、３６ 高密度部材穴、７２ 基本部材、７８ ピエゾ抵抗素子、８６ 円板状シリコン板、８８ 錘用ガラス。

Claims (10)

1. 与えられた加速度に応じて変位可能な可動錘を備え、当該可動錘の動きに応じた検出量を出力するＭＥＭＳ加速度センサにおいて、
   前記可動錘は、
   欠損部を有する基本部材と、
   前記欠損部に設けられ、前記基本部材よりも密度が高い高密度部材と、
   を備えることを特徴とするＭＥＭＳ加速度センサ。
2. 前記基本部材が回転対称形状に形成される請求項１に記載のＭＥＭＳ加速度センサにおいて、
   前記可動錘が前記基本部材の回転対称軸方向に変位するよう、ばねを介して前記可動錘を支持する支持筐体を備えることを特徴とするＭＥＭＳ加速度センサ。
3. 回転対称形状の板面を有する板状に前記基本部材が形成される請求項１に記載のＭＥＭＳ加速度センサにおいて、
   前記可動錘が前記基本部材の板面に垂直な方向に変位するよう、前記基本部材の周囲に設けられたばねを介して前記基本部材を支持する支持筐体を備えることを特徴とするＭＥＭＳ加速度センサ。
4. 前記基本部材が板状に形成される請求項１に記載のＭＥＭＳ加速度センサにおいて、
   前記可動錘が前記基本部材の板面に垂直な方向に変位するよう、前記基本部材の周囲に設けられたばねを介して前記基本部材を支持する支持筐体と、
   前記基本部材の板面とその板面が対向し、前記基本部材の板面との間に空間を隔てて配置される筐体板と、
   を備え、
   前記欠損部は、
   前記筐体板を臨む面に開口を有し、
   前記高密度部材は、
   前記筐体板を臨む面に非充填空間が形成されるよう前記欠損部に充填されることを特徴とするＭＥＭＳ加速度センサ。
5. 請求項４に記載のＭＥＭＳ加速度センサにおいて、
   前記基本部材は、
   板面が回転対称形状となるよう形成されることを特徴とするＭＥＭＳ加速度センサ。
6. 請求項２から請求項５のいずれか１項に記載のＭＥＭＳ加速度センサにおいて、
   前記ばねは、板面が平行に重なるよう設けられた複数の板ばねを含み、
   前記支持筐体は、
   当該複数の板ばねの各板面に垂直な方向に前記可動錘が変位可能となるよう、当該複数の板ばねを介して前記可動錘を支持することを特徴とするＭＥＭＳ加速度センサ。
7. 与えられた加速度に応じて変位可能な可動錘を備え、当該可動錘の動きに応じた検出量を出力するＭＥＭＳ加速度センサにおいて、
   前記可動錘は板状に形成された基本部材と、
   前記基本部材に層状に密着し前記基本部材よりも密度が高い高密度部材と、
   を備えることを特徴とするＭＥＭＳ加速度センサ。
8. 請求項１または請求項７に記載のＭＥＭＳ加速度センサにおいて、
   板面が平行に重なるよう設けられた複数の板ばねと、
   当該複数の板ばねの各板面に垂直な方向に前記可動錘が変位可能となるよう、当該複数の板ばねを介して前記可動錘を支持する支持筐体と、
   を備えることを特徴とするＭＥＭＳ加速度センサ。
9. 請求項１から８のいずれか１項に記載のＭＥＭＳ加速度センサにおいて、
   前記可動錘の重心は前記可動錘の三次元中心に一致していることを特徴とするＭＥＭＳ加速度センサ。
10. 請求項１から請求項９のいずれか１項に記載のＭＥＭＳ加速度センサにおいて、
    前記基本部材は、
    シリコンまたはガラスを含んで形成され、
    前記高密度部材は、
    金ゲルマニウム、金シリコン、金、白金、イリジウム、ニッケル、銅、タングステン、またはタンタルのうちいずれかを含んで形成されることを特徴とするＭＥＭＳ加速度センサ。

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