JP2010160050A - 傾斜センサ - Google Patents

Abstract

【課題】安定して被検知対象である傾斜を検知することができる傾斜センサを提供すること。
【解決手段】本発明の傾斜センサは、基材上に立設された導電性の複数の固定接点柱１１ｂと、前記固定接点柱１１ｂを受ける凹部１１ｆを外周面に有しており、前記凹部１１ｆに前記固定接点柱１１ｂが位置するように配置された状態で揺動可能である導電性の可動部材１１ｃと、を具備し、傾斜により前記可動部材１１ｃが揺動して前記可動部材１１ｃが２つの固定接点柱１１ｂに接触した際に前記傾斜を検出することを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、傾斜したことを検出する傾斜センサに関する。

従来より、アンカー部に梁を介して揺動可能に支持された錘を用いて力学量を検出する力学量センサが開発されている。このような力学量センサとして、例えば、特許文献１に開示された加速度センサがある。また、アンカー部に梁を介して揺動可能に支持された錘を用いて傾斜や振動を検出するセンサも開示されている（特許文献１）。このセンサは、図７に示すように、基材１の開口部１ａ内に螺旋状の支持アーム２を介して振動部（可動電極）３が揺動可能に支持されており、振動部３の中央の開口部３ａに感知部４（固定電極）が設けられている。このような構成のセンサが傾斜すると、螺旋状の支持アーム２に保持された振動部（可動電極）３が変位し、振動部３が感知部４に接触して通電状態となり、これにより傾斜を検知する。

意匠登録第１３４００２０号公報

しかしながら、特許文献１に開示された構成においては、可動接点と固定接点とをそれぞれ設け、両者が接触することにより通電状態とする構成であるので、被検知対象とならないセンサ内での動き（チャタリング）でも両者が接触して通電状態となってしまうことがあり、安定して被検知対象である傾斜を検知することができない。また、特許文献１に開示された構成では、傾斜があったことは検知できるが、傾斜方向を判定することはできない。

本発明はかかる点に鑑みてなされたものであり、安定して被検知対象である傾斜を検知することができる傾斜センサを提供することを目的とする。また、本発明は、安定して被検知対象である傾斜を検知すると共に傾斜方向をも判定することができる傾斜センサを提供することを目的とする。

本発明の傾斜センサは、基材上に立設された導電性の複数の接点部材と、前記接点部材を受ける凹部を外周面に有しており、前記凹部に前記接点部材が位置するように配置された状態で揺動可能である導電性の可動部材と、を具備し、傾斜により前記可動部材が揺動して前記可動部材が２つの接点部材に接触した際に前記傾斜を検出することを特徴とする。

この構成によれば、可動部材を接点部材で確実に保持して、可動部材が２つの接点部材に接触した際に傾斜を検出するので、被検知対象とならないセンサ内での動き（チャタリング）では傾斜を検知せず、安定して被検知対象である傾斜を検知することができる。

本発明の傾斜センサにおいては、前記基材は、前記接点部材の外側に枠材を有しており、前記可動部材は、前記枠材に梁により支持されていることが好ましい。この構成によれば、傾斜がないときに、可動部材１１ｃを基準位置（いずれの固定接点柱１１ｂにも接触しない位置）に戻すことができる。

本発明の傾斜センサにおいては、前記可動部材と前記接点部材とが接触する部分を含む前記凹部の領域及び前記接点部材の領域がそれぞれ曲率を有することが好ましい。この構成によれば、可動部材を接点部材でより確実に保持することができる。

本発明の傾斜センサにおいては、前記可動部材が２つの接点部材に接触した状態で傾斜方向を求める制御手段を具備することが好ましい。この構成によれば、傾斜を検知するだけでなく、傾斜方向も検出することが可能となる。

本発明の傾斜センサにおいては、前記接点部材は、前記可動部材と接触する突起を外周に有することが好ましい。この構成によれば、可動部材と接点部材の間に導通を阻害する物質が存在しても、突起により前記物質を押し退けて可動部材と接点部材とを導通させることができる。

本発明の傾斜センサは、基材上に立設された導電性の複数の接点部材と、前記接点部材を受ける凹部を外周面に有しており、前記凹部に前記接点部材が位置するように配置された状態で揺動可能である導電性の可動部材と、を具備し、傾斜により前記可動部材が揺動して前記可動部材が２つの接点部材に接触した際に前記傾斜を検出するので、安定して被検知対象である傾斜を検知することができる。

（ａ）は、本発明の実施の形態に係る傾斜センサを示す平面図であり、（ｂ）は、（ａ）におけるＩＢ−ＩＢ線に沿う断面図である。 （ａ）〜（ｃ）は、固定接点柱及び可動部材の形状を説明するための図である。 （ａ）〜（ｃ）は、本発明に係る傾斜センサの製造方法を説明するための図である。 （ａ）〜（ｃ）は、本発明に係る傾斜センサの製造方法を説明するための図である。 （ａ）は、第１基板に第２基板を接合し、梁を形成した状態の平面図であり、（ｂ）は、（ａ）におけるＶＢ−ＶＢ線に沿う断面図である。 （ａ）〜（ｄ）は、本発明に係る傾斜センサの製造方法を説明するための図である。 従来の傾斜センサの構成を示す図である。

以下、本発明の実施の形態について添付図面を参照して詳細に説明する。
図１（ａ）は、本発明の実施の形態に係る傾斜センサを示す平面図である。図１（ｂ）は、図１（ａ）におけるＩＢ−ＩＢ線に沿う断面図である。なお、図１（ａ）については、構成を説明するために、第３基板を透視して第１基板を図示している。

図１に示す傾斜センサは、枠体１１ａと、接点部材である複数の固定接点柱１１ｂと、可動部材１１ｃと、枠体１１ａに対して可動部材１１ｃを揺動可能に支持する梁１１ｄとを有する第１基板１１を備えている。ここでは、第１基板１１として、導電性を持つシリコンを使ったＳＯＩ（Silicon On Insulator）基板を用いている。図１（ａ）に示すように、可動部材１１ｃは、梁１１ｄを介して枠体１１ａに支持されている。このように梁１１ｄがあることにより、傾斜がないときに、可動部材１１ｃを基準位置（いずれの固定接点柱１１ｂにも接触しない位置）に戻すことができる。なお、枠体１１ａに対して可動部材１１ｃを揺動可能に支持できれば、梁１１ｄを用いない構造であっても良い。ここでは、固定接点柱１１ｂ、可動部材１１ｃ及び梁１１ｄは、枠体１１ａの内側に位置しており、梁１１ｄが固定接点柱１１ｂの外側に位置している。

図１（ｂ）に示すように、第１基板１１の一方の主面には、第２基板１２が接合されている。ここでは、第２基板１２として、導電性を持つシリコン基板を用いている。これにより、固定接点柱１１ｂは、第２基板１２を基材として、この基材上に立設されるように設けられている。第２基板１２において、第１基板１１の枠体１１ａの内側の領域であって固定接点柱１１ｂを立設する領域以外の領域には、凹部１２ａが設けられており、可動部材１１ｃが揺動した際に、可動部材１１ｃが第２基板１２に接触しないようになっている。なお、本実施の形態においては、第２基板１２に凹部１２ａを形成した構成について説明しているが、これに限定されず、可動部材１１ｃの厚さを薄くして、可動部材１１ｃが第２基板１２に接触しないように構成しても良い。

図１（ｂ）に示すように、第１基板１１の他方の主面には、第３基板１３が接合されている。ここでは、第３基板１３として、ガラス基板を用いている。第３基板における第１基板１１の接合領域には、金属層１３ｂが形成されており、一方、第１基板１１における第３基板１３の接合領域（枠体１１ａ、固定接点柱１１ｂ）にも、金属層１１ｅが形成されている。そして、金属層１１ｅ，１３ｂ同士を当接して接合する。第３基板１３において、第１基板１１の枠体１１ａの内側の領域であって固定接点柱１１ｂを立設する領域以外の領域には、凹部１３ｃが設けられており、可動部材１１ｃが揺動した際に、可動部材１１ｃが第３基板１３に接触しないようになっている。なお、本実施の形態においては、第３基板１３に凹部１３ｃを形成した構成について説明しているが、これに限定されず、可動部材１１ｃの厚さを薄くして、可動部材１１ｃが第３基板１３に接触しないように構成しても良い。

また、可動部材１１ｃ上にも金属層１１ｅが形成されている。これにより、可動部材１１ｃが固定接点柱１１ｂに接触した際に、可動部材１１ｃ上の金属層１１ｅと固定接点柱１１ｂ上の金属層とが接触することとなり、可動部材１１ｃと固定接点柱１１ｂとの間の導通の信頼性を向上させることができる。

第３基板１３には、導電性部材１３ａが埋設されており、第３基板１３の両主面で露出している。ここでは、導電性部材１３ａとしてシリコン製部材を用いている。第３基板１３の第１基板１１側の主面において、導電性部材１３ａと電気的に接続するように導電部１３ｅが形成されている。この導電部１３ｅは、固定接点柱１１ｂと電気的に接続されている。また、第３基板１３の第１基板１１側の主面の反対側の主面（外界側の主面）において、導電性部材１３ａと電気的に接続するように導電部１３ｄが形成されている。この導電部１３ｄは、制御部１４と電気的に接続されている。このような構成においては、導電性の固定接点柱１１ｂが金属層１１ｅ，１３ｂ、導電部１３ｅ、導電性部材１３ａ、及び導電部１３ｄを介して制御部１４に接続されている。

可動部材１１ｃは、図２（ａ）に示すように、固定接点柱１１ｂを受ける凹部１１ｆをその外周面に有している。その凹部１１ｆには、固定接点柱１１ｂが位置するようになっている。すなわち、固定接点柱１１ｂ間に可動部材１１ｃが延在している。可動部材１１ｃは、この状態で揺動可能である。したがって、このような配置構成においては、傾斜センサが傾斜して可動部材１１ｃが揺動したときに、固定接点柱１１ｂが可動部材１１ｃの凹部１１ｆに嵌り込むようにして可動部材１１ｃが２つの固定接点柱１１ｂで受けられる。このため、可動部材１１ｃの凹部１１ｆで固定接点柱１１ｂを確実に受けることができ、可動部材１１ｃを固定接点柱１１ｂで確実に保持することができる。このように、可動部材１１ｃを固定接点柱１１ｂで確実に保持して、可動部材１１ｃが２つの固定接点柱１１ｂに接触した際に傾斜を検出するので、被検知対象とならないセンサ内での動き（チャタリング）では傾斜を検知せず、安定して被検知対象である傾斜を検知することができる。

なお、本実施の形態では、凹部１１ｆの外周が平面視で円弧であり、固定接点柱１１ｂの外周が平面視で円である場合について説明しているが、凹部１１ｆの外周の平面視形状や固定接点柱１１ｂの外周の平面視形状はこれに限定されない。特に好ましくは、図２（ｂ）に示すように、可動部材１１ｃと固定接点柱１１ｂとが接触する部分を含む凹部１１ｆの領域（Ｅ）及び固定接点柱１１ｂの領域（Ｅ）がそれぞれ曲率を有することである。これにより、可動部材１１ｃを固定接点柱１１ｂでより確実に保持することができる。また、図２（ｃ）に示すように、固定接点柱１１ｂは、可動部材１１ｃと接触する突起１１ｇを外周に有していても良い。特に、突起１１ｇは鋭角部を有していることが好ましい。このような構成とすることにより、可動部材１１ｃと固定接点柱１１ｂの間に導通を阻害する物質が存在しても、突起１１ｇにより前記物質を押し退けて可動部材１１ｃと固定接点柱１１ｂとを導通させることができる。

このような構成を有する傾斜センサが傾斜すると、可動部材１１ｃが揺動して可動部材１１ｃが２つの固定接点柱１１ｂに接触した際に傾斜を検出する。この検出は、制御部１４で行う。すなわち、この傾斜センサは、可動部材１１ｃ及び固定接点柱１１ｂが導電性であり、固定接点柱１１ｂが導電部を介して制御部１４に電気的に接続されている。傾斜センサがある方向に傾斜すると、可動部材１１ｃが揺動して可動部材１１ｃが２つの固定接点柱１１ｂに接触する。このとき、可動部材１１ｃに接触した２つの固定接点柱１１ｂが可動部材１１ｃを介して導通状態となる。制御部１４において、この導通状態を検出することにより、傾斜を検知する。なお、制御部１４における導通状態の検出方法（検出回路）については特に制限はない。

このようにして傾斜を検出する場合、固定接点柱１１ｂの配置位置により傾斜方向を特定することが可能となる。図１（ａ）に示す例において、Ｘ方向に傾斜すると、可動部材１１ｃがＡとＢの固定接点柱１１ｂに接触して（ＯＮ状態）、ＡとＢの固定接点柱１１ｂが可動部材１１ｃを介して導通状態となる。したがって、制御部１４において、ＡとＢの固定接点柱１１ｂの導通状態が検出されると、Ｘ方向の傾斜であることが分かる。同様に、Ｙ方向に傾斜すると、可動部材１１ｃがＢとＣの固定接点柱１１ｂに接触して（ＯＮ状態）、ＢとＣの固定接点柱１１ｂが可動部材１１ｃを介して導通状態となる。したがって、制御部１４において、ＢとＣの固定接点柱１１ｂの導通状態が検出されると、Ｙ方向の傾斜であることが分かる。同様に、Ｚ方向に傾斜すると、可動部材１１ｃがＣとＤの固定接点柱１１ｂに接触して（ＯＮ状態）、ＣとＤの固定接点柱１１ｂが可動部材１１ｃを介して導通状態となる。したがって、制御部１４において、ＣとＤの固定接点柱１１ｂの導通状態が検出されると、Ｚ方向の傾斜であることが分かる。同様に、Ｗ方向に傾斜すると、可動部材１１ｃがＤとＡの固定接点柱１１ｂに接触して（ＯＮ状態）、ＤとＡの固定接点柱１１ｂが可動部材１１ｃを介して導通状態となる。したがって、制御部１４において、ＤとＡの固定接点柱１１ｂの導通状態が検出されると、Ｗ方向の傾斜であることが分かる。このようにして、ＯＮ状態とＯＦＦ状態の組み合わせで傾斜方向を検出することができる。

なお、図１（ａ）においては、固定接点柱１１ｂが等間隔で正方形状に配置された場合について説明している。この場合には、９０度毎の傾斜方向を検出することが可能となる。本発明はこれに限定されず、固定接点柱１１ｂの配置間隔、配置形状、配置本数を変えることにより、それに応じて種々の傾斜方向を検出することができる。

次に、本発明に係る傾斜センサの製造方法の一例について説明する。
図３（ａ）〜（ｃ）、図４（ａ）〜（ｃ）、図６（ａ）〜（ｄ）は、本発明に係る傾斜センサの製造方法を説明するための図である。

まず、第１基板１１を作製する工程について説明する。図３（ａ）に示すように、活性層２１ｃ、絶縁層２１ｂ及びベース層２１ａを有するＳＯＩ基板を準備する。次いで、図３（ｂ）に示すように、活性層２１ｃの第３基板１３との接合領域及び可動部材１１ｃの領域に金属層１１ｅを形成する。具体的には、活性層２１ｃ上にスパッタリングにより金属材料を被着し、フォトリソグラフィ及びエッチングによりパターニングする。次いで、図３（ｃ）に示すように、第１基板１１の枠体１１ａ、固定接点柱１１ｂ及び可動部材１１ｃを設けるために、ベース層２１ａをフォトリソグラフィ及びエッチングにより加工してそれぞれ凹部２１ｄを形成する。このとき、エッチングとしては、deepＲＩＥ（反応性イオンエッチング）などを用いる。

次に、第２基板１２を作製する工程について説明する。図４（ａ）に示すように、シリコン基板を準備する。次いで、図４（ｂ）に示すように、可動部材１１ｃなどの接触を防止するために、シリコン基板を加工して凹部１２ａを形成する。次いで、図４（ｃ）に示すように、このようにして得られた第２基板１２を、凹部１２ａがベース層２１ａと対向するようにして、第１基板１１に接合する。次いで、図５（ｂ）に示すように、梁１１ｄを設けるために、活性層２１ｃ及び絶縁層２１ｂをフォトリソグラフィ及びエッチングにより加工する。このとき、エッチングとしては、deepＲＩＥ（反応性イオンエッチング）などを用いる。図５（ａ）は、第１基板１１に第２基板１２を接合し、梁１１ｄを形成した状態の平面図であり、図５（ｂ）は、図５（ａ）におけるＶＢ−ＶＢ線に沿う断面図である。

次に、第３基板１３を作製する工程について説明する。図６（ａ）に示すように、シリコン基板２２の一方の主面にフォトリソグラフィ及びドライエッチングにより導電性部材１３ａとなる突出部２２ａを形成する。次いで、シリコン基板２２の突出部２２ａ上にガラス基板１３を載せ、図６（ｂ）に示すように、加熱しながら押圧してガラス基板１３に突出部２２ａを埋め込むようにして両基板を接合する。その後、図６（ｃ）に示すように、得られた複合体の両主面を研磨して、導電性部材１３ａを両主面で露出させ、一方の主面側に、可動部材１１ｃなどの接触を防止するために、複合体を加工して凹部１３ｆを形成する。図６（ｄ）に示すように、複合体の一方の主面側（凹部１３ｆ側）に導電部１３ｅを形成する。具体的には、複合体の一方の主面上にスパッタリングにより金属材料を被着し、フォトリソグラフィ及びエッチングによりパターニングする。一方、複合体の他方の主面側に導電部１３ｄを形成する。具体的には、複合体の一方の主面上にスパッタリングにより金属材料を被着し、フォトリソグラフィ及びエッチングによりパターニングする。

最後に、前記複合体の第１基板１１側に第３基板１３を接合する。この場合、導電部１３ｅが第１基板１１に対向するようにして複合体と第３基板１３とを接合する。このとき、陽極接合あるいは拡散接合により接合することが好ましい。このようにして、図１（ａ），（ｂ）に示す傾斜センサを得ることができる。

本発明は上記実施の形態に限定されず、種々変更して実施することができる。上記実施の形態においては、ガラス基板とシリコン基板を用いた場合について説明しているが、本発明においては、ガラス基板やシリコン基板以外の基板を用いても良い。また、センサにおける電極や各層の材質については本発明の効果を逸脱しない範囲で適宜設定することができる。また、上記実施の形態で説明したプロセスについてはこれに限定されず、工程間の適宜順序を変えて実施しても良い。その他、本発明の目的の範囲を逸脱しない限りにおいて適宜変更することが可能である。

本発明は、携帯端末などの小型デバイスに搭載可能な傾斜センサに有用である。

１１ 第１基板
１１ａ 枠体
１１ｂ 固定接点柱
１１ｃ 可動部材
１１ｄ 梁
１１ｅ，１３ｂ 金属層
１１ｆ，１２ａ，１３ｃ 凹部
１１ｇ 突起
１２ 第２基板
１３ 第３基板
１３ａ 導電性部材
１３ｄ，１３ｅ 導電部
１４ 制御部
２１ａ ベース層
２１ｂ 絶縁層
２１ｃ 活性層
２２ シリコン基板
２２ａ 突出部

Claims (5)

1. 基材上に立設された導電性の複数の接点部材と、前記接点部材を受ける凹部を外周面に有しており、前記凹部に前記接点部材が位置するように配置された状態で揺動可能である導電性の可動部材と、を具備し、傾斜により前記可動部材が揺動して前記可動部材が２つの接点部材に接触した際に前記傾斜を検出することを特徴とする傾斜センサ。
2. 前記基材は、前記接点部材の外側に枠材を有しており、前記可動部材は、前記枠材に梁により支持されていることを特徴とする請求項１記載の傾斜センサ。
3. 前記可動部材と前記接点部材とが接触する部分を含む前記凹部の領域及び前記接点部材の領域がそれぞれ曲率を有することを特徴とする請求項１又は請求項２記載の傾斜センサ。
4. 前記可動部材が２つの接点部材に接触した状態で傾斜方向を求める制御手段を具備することを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載の傾斜センサ。
5. 前記接点部材は、前記可動部材と接触する突起を外周に有することを特徴とする請求項１から請求項４のいずれかに記載の傾斜センサ。

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