JP2012112817A - 加速度センサ - Google Patents

Abstract

【課題】ヒンジが熱応力の影響を受けないようにし、温度特性の向上を図る。
【解決手段】方形状の縁部２４を有する可動部２１が、可動部２１の内側に位置して可動部２１と同一材料で形成されたヒンジ２２により支持され、入力加速度に応じて可動部２１が変位する加速度センサにおいて、ヒンジ２２は縁部２４の一辺２４ａと平行に延伸されて一直線上に位置された一対のヒンジ２２よりなり、一対のヒンジ２２の各一端は縁部の対向二辺２４ｂ，２４ｃにそれぞれ連結され、一対のヒンジ２２の各他端はヒンジ２２と同一材料で形成された枠部３１及び接続部３２を介して固定部２３に支持される。枠部３１は固定部２３のまわりに位置し、接続部３２によって固定部２３と連結され、接続部３２はヒンジ２２の延伸方向と直交する方向に設けられる。
【選択図】図２

Description

この発明は加速度センサに関し、特に使用する材料の熱膨張係数の差によって生じる熱応力の影響を排除することができるようにし、温度特性の向上を図った加速度センサに関する。

図７は加速度センサの従来例として特許文献１に記載されている構成を示したものである。この例では可動電極１１は所定の間隔を空けて枠部１２に囲まれており、枠部１２は下部固定板１３に接合されている。可動電極１１の中央部には厚み方向（上下方向）に貫設孔１４が貫設されており、この貫設孔１４に略直方体状の支持部１５が配設されている。支持部１５の一端部は下部固定板１３に接合され、他端部は外部に臨むように位置されており、この支持部１５の他端部と可動電極１１の貫設孔１４の内周縁とを連結するようにしてビーム部１６ａ，１６ｂが一体形成されている。

可動電極１１と下部固定板１３とは離間されており、可動電極１１は一対のビーム部１６ａ，１６ｂによって揺動自在に支持されている。可動電極１１の下面における一対のビーム部１６ａ，１６ｂを結ぶ直線を境界線とした一方側には、加速度が入力された際にビーム部１６ａ，１６ｂを軸とした回転モーメントが可動電極１１に発生するように凹部１７が設けられている。

一方、可動電極１１の上面における一対のビーム部１６ａ，１６ｂを結ぶ直線を境界線とした一方側及び他方側にはそれぞれ固定電極（図示せず）が対向配置され、それら固定電極と可動電極１１間の静電容量の変化から入力加速度を検出するものとなっている。

この例では一対のビーム部１６ａ，１６ｂは可動電極１１の内側で支持部１５と可動電極１１とを連結しているため、可動電極１１と枠部１２との間及びビーム部１６ａ，１６ｂと枠部１２との間は分離され、よって下部固定板１３と枠部１２との接合部分での熱膨張差に起因する応力がビーム部１６ａ，１６ｂに伝達しないものとなっている。

特開２０１０−２１０４２９号公報

上述したように、図７に示した従来の加速度センサでは下部固定板１３と枠部１２との接合部分での異種材料の接合に起因する熱応力の影響をビーム部１６ａ，１６ｂは受けないものとなっている。しかしながら、支持部１５も枠部１２と同様に下部固定板１３に接合されているため、この部分での異種材料の接合に起因する熱応力の、ビーム部１６ａ，１６ｂに対する影響については排除することはできず、ビーム部１６ａ，１６ｂは熱応力の影響を受けうるものとなっていた。

この発明の目的はこの問題に鑑み、可動部を変位可能に支持するヒンジが熱応力の影響を受けないようにし、優れた温度特性を有する加速度センサを提供することにある。

請求項１の発明によれば、方形状の縁部を有する可動部が、その可動部の内側に位置して可動部と同一材料で形成されたヒンジにより変位可能に支持され、入力加速度に応じて可動部が変位する構造とされた加速度センサにおいて、ヒンジは前記縁部の一辺と平行に延伸されて一直線上に位置された一対のヒンジよりなり、一対のヒンジの各一端は前記縁部の、前記一辺と直交する対向二辺にそれぞれ連結され、一対のヒンジの各他端はヒンジと同一材料で形成された枠部及び接続部を介して固定部に支持され、枠部は固定部のまわりに位置し、接続部によって固定部と連結されており、接続部はヒンジの延伸方向と直交する方向に設けられているものとされる。

請求項２の発明では請求項１の発明において、枠部は方形状をなし、その二辺に接続部がそれぞれ設けられているものとされる。

請求項３の発明によれば、方形状の縁部を有する可動部が、その可動部の内側に位置して可動部と同一材料で形成されたヒンジにより変位可能に支持され、入力加速度に応じて可動部が変位する構造とされた加速度センサにおいて、ヒンジは前記縁部の一辺と平行に延伸されて、その両端が前記縁部の、前記一辺と直交する対向二辺に連結され、ヒンジはその延伸方向の中央が接続部を介して固定部に支持され、接続部はヒンジの延伸方向と直交する方向に設けられているものとされる。

請求項４の発明では請求項１乃至３のいずれかの発明において、接続部の接続方向の長さは、その接続方向と直交する方向の接続部の幅及び高さのいずれか大きい方より長くされている。

請求項５の発明では請求項１乃至４のいずれかの発明において、可動部によって可動電極が構成され、可動電極と対向して固定電極が設けられ、可動電極と固定電極との間の静電容量の変化から入力加速度を検出する構成とされる。

この発明によれば、可動部を変位可能に支持するヒンジは固定部に存在する異種材料の熱膨張係数の差によって生じる熱応力の影響を受けることはない。よって、この発明によれば、温度変化によって発生する熱応力によりヒンジが歪み、加速度の検出精度が損なわれるといった状況は発生せず、優れた温度特性を有する加速度センサを得ることができる。

なお、固定部の大きさや固定方法はヒンジに対する熱応力の影響を排除することとは無関係になるので、固定部の大きさや固定方法を任意に選定でき、これにより例えば耐衝撃性の向上を図ることも容易に行えるものとなる。

この発明が対象とする加速度センサの従来構成例を模式的に示した図。 この発明による加速度センサの一実施形態の構成を模式的に示した図。 接続部における固定部からの距離と伸びの関係を解析により求めた結果を示すグラフ、Ａ〜Ｃはそれぞれ接続部の高さが0.05ｍｍ，0.1ｍｍ，0.15ｍｍの場合を示す。 接続部と固定部が同一材で固定部の下面が異種材料に固定されている場合の、接続部における固定部からの距離と伸びの関係を解析により求めた結果を示すグラフ。 この発明による加速度センサの他の実施形態の構成を模式的に示した図。 この発明による加速度センサの具体的構成例を示す図、Ａは斜視図、Ｂは断面図。 加速度センサの従来例を示す図、Ａは平面図、ＢはＡのＤＤ断面図、ＣはＡのＥＥ断面図。

まず、最初にこの発明の原理を説明する。

この発明では方形状の縁部を有する可動部が、その可動部の内側に位置して可動部と同一材料で形成されたヒンジにより変位可能に支持され、入力加速度に応じて可動部が変位する構造を有する加速度センサを対象としており、図１はこのような加速度センサの構成を模式的に示したものである。図１中、２１は可動部を示し、２２はヒンジ、２３は固定部を示す。

可動部２１は図１では方形状をなす縁部２４のみを示しているが、実際には例えば縁部２４内に短冊状をなす複数の可動電極が配列されて縁部２４と一体に形成されているものとされる。可動電極はこの例では縁部２４の一辺２４ａと平行に形成されることになる。

ヒンジ２２は図１中、Ｘ方向において薄肉（幅狭）とされ、Ｘ方向に弾性変形可能とされている。ヒンジ２２は縁部２４の一辺２４ａと平行に延伸されて一対形成されており、一対のヒンジ２２は縁部２４のＸ方向中央において一直線上に位置されている。

一対のヒンジ２２の各一端は縁部２４の一辺２４ａと直交して互いに対向する二辺２４ｂ，２４ｃにそれぞれ連結されており、各他端は可動部２１の中央に位置する固定部２３に連結支持されている。

可動部２１、一対のヒンジ２２及び固定部２３は例えばエッチング加工等によって一体形成される。固定部２３はその下面が基板等に固定されており、Ｘ方向の入力加速度に応じて可動部２１がＸ方向に変位するものとなっている。

上記のような構成を有する加速度センサにおいて、温度変化に伴う熱膨張を考える。なお、ここでは簡略化のため、固定部２３は可動部２１、ヒンジ２２と異なる材料で形成されているものとする。

図１中に示したように、固定部２３を含まない長さ（可動部２１の長さ）Ｌ_Ａと、固定部２３を含む長さ（一対のヒンジ２２と固定部２３とよりなる長さ）Ｌ_Ｂ＝２Ｌ_ｂ＋Ｌ_ｃを考える。常温で両者の長さは等しく形成されている。
Ｌ_Ａ＝Ｌ_Ｂ＝２Ｌ_ｂ＋Ｌ_ｃ
この状態で、温度がΔＴ変化すると、Ｌ_Ａ，Ｌ_Ｂは、
Ｌ_Ａ’＝Ｌ_Ａ＋Ｌ_Ａ×Ｔ_ＣＡ×ΔＴ
Ｌ_Ｂ’＝（２Ｌ_ｂ＋２Ｌ_ｂ×Ｔ_ＣＡ×ΔＴ）＋（Ｌ_ｃ＋Ｌ_ｃ×Ｔ_ＣＣ×ΔＴ）
に変化する。Ｔ_ＣＡ，Ｔ_ＣＣはそれぞれヒンジ２２及び固定部２３の材料の熱膨張係数である。

この時、Ｔ_ＣＡ≠Ｔ_ＣＣなので、
Ｌ_Ａ’≠Ｌ_Ｂ’
となる。このため、例えば長さＬ_Ｂを構成する部分には温度の上昇によって、Ｔ_ＣＡ＞Ｔ_ＣＣならば引っ張り力、Ｔ_ＣＡ＜Ｔ_ＣＣならば圧縮力が加わることになり、変形しやすい薄肉のヒンジ２２に熱応力により歪みが生じることになる。

これに対し、図２は上述した図１のように一対のヒンジ２２の各他端（固定端）を固定部２３に直接連結するのではなく、枠部３１及び接続部３２を介して一対のヒンジ２２が固定部２３に支持されるようにした、この発明の一実施形態を示したものである。

枠部３１及び接続部３２はヒンジ２２と同一材料で形成され、ヒンジ２２と一体形成されている。枠部３１は方形状をなして固定部２３のまわりに位置しており、接続部３２によって固定部２３と連結されている。接続部３２はヒンジ２２の延伸方向（Ｙ方向）と直交する方向（Ｘ方向）に設けられており、図２では枠部３１の互いに対向する二辺３１ａ，３１ｂにそれぞれ接続部３２が設けられている。なお、一対のヒンジ２２は枠部３１の他の対向二辺３１ｃ，３１ｄに連結されている。

この図２の構成において、温度変化に伴う熱膨張を図１と同様に考えると、長さＬ_ｃ部分の変化は、
Ｌ_ｃ’＝Ｌ_ｃ＋Ｌ_ｃ×Ｔ_ＣＡ×ΔＴ
となるので、
Ｌ_Ｂ’＝（２Ｌ_ｂ＋２Ｌ_ｂ×Ｔ_ＣＡ×ΔＴ）＋（Ｌ_ｃ＋Ｌ_ｃ×Ｔ_ＣＡ×ΔＴ）
＝（２Ｌ_ｂ＋Ｌ_ｃ）＋（２Ｌ_ｂ＋Ｌ_ｃ）×Ｔ_ＣＡ×ΔＴ
＝Ｌ_Ａ＋Ｌ_Ａ×Ｔ_ＣＡ×ΔＴ
＝Ｌ_Ａ’
となり、長さＬ_Ａを構成する部分と、長さＬ_Ｂを構成する部分は温度変化があっても等しく変形することができる。よって、この図２に示した構成ではヒンジ２２に熱応力が加わることはなく、熱応力によってヒンジ２２が歪み、加速度検出の温度特性が悪化するといった現象は発生しない。

上述したように、枠部３１及び接続部３２を設け、ヒンジ２２の主たる熱膨張の方向（Ｙ方向）に対し、接続部３２の方向をＹ方向と直交するＸ方向としたことにより、ヒンジ２２は固定部２３の熱膨張の影響を基本的に受けないことになるが、接続部３２は固定部２３の近く（根元部分）では固定部２３の熱膨張の影響を受け、幅ｗの変化（Ｙ方向の伸び）が枠部３１の熱膨張に影響を与えてしまう。

この点については、接続部３２のＸ方向の長さｍを選定し、接続部３２の幅ｗの枠部３１に近い部分でのＹ方向の伸びが枠部３１の伸びと等しくなるようにすれば解決することができる。以下、接続部３２に要求される長さｍについて、解析を行った条件・結果について説明する。

解析条件は下記とした。
・接続部３２、枠部３１の材料 ：シリコン
・接続部３２の幅ｗ ：0.05ｍｍ
・接続部３２の高さ（シリコンの厚さ）：0.05ｍｍ，0.1ｍｍ，0.15ｍｍ
・温度範囲ΔＴ ：１００℃
・固定部２３は接続部３２のモデル端面を全拘束
・シリコンの熱膨張係数Ｔ_ＣＡ ：3.2×１０^−６［／℃］
・固定部２３の熱膨張係数 ：０

接続部３２の幅ｗが0.05ｍｍの場合、
ｗ×Ｔ_ＣＡ×ΔＴ＝1.6×１０^−５［ｍｍ］
となり、接続部３２の幅ｗの伸びが1.6×１０^−５ｍｍになれば、枠部３１は固定部２３の熱膨張の影響を受けないことになる。

図３Ａ〜Ｃはそれぞれ接続部３２の高さを0.05ｍｍ，0.1ｍｍ，0.15ｍｍとした場合の解析結果を示したものである。

図３Ａより、接続部３２の高さが0.05ｍｍの場合、固定部２３からの距離が0.065ｍｍ以上で接続部３２の伸びが1.6×１０^−５ｍｍになっていることがわかる。つまり、接続部３２の長さｍを0.065ｍｍ以上にすれば、枠部３１は固定部２３の影響を受けないことになる。

また、接続部３２の高さが0.1ｍｍの場合には図３Ｂより固定部２３からの距離が0.1239ｍｍ以上で接続部３２の伸びが1.6×１０^−５ｍｍとなり、さらに接続部３２の高さが0.15ｍｍの場合には図３Ｃより固定部２３からの距離が0.19ｍｍ以上で接続部３２の伸びが1.6×１０^−５ｍｍになっていることがわかる。

これらの解析結果より、枠部３１が固定部２３の熱膨張の影響を受けないようにするためには、接続部３２の接続方向の長さｍを、接続方向と直交する方向の接続部３２の幅ｗ及び高さのいずれか大きい方より長く設定すればよいことがわかる。

上述した解析は固定部２３の材料が接続部３２、枠部３１の材料と異なるものとし、かつ固定部２３の熱膨張係数Ｔ_ＣＣを０として、固定部２３が接続部３２のモデル端面を全拘束としているといった極端な条件で行ったものであり、このような条件下で得られた結果を基に接続部３２の長さｍを設定すれば、枠部３１が固定部２３の熱膨張の影響を受けない充分な性能を得ることができる。

一方、図２に示した構成において、可動部２１、ヒンジ２２、枠部３１、接続部３２及び固定部２３は、実際にはシリコン等のエッチング加工により一体形成され、固定部２３の下面が基板等に接合固定される。このような構成において解析を行った条件・結果について、以下、説明する。

解析条件は下記とした。
・接続部３２の幅ｗ ：0.03ｍｍ
・接続部３２の高さ ：0.15ｍｍ
・温度範囲ΔＴ ：１００℃
・接続部３２、枠部３１、固定部２３の熱膨張係数Ｔ_ＣＡ：4.0×１０^−６［／℃］
・固定部２３下の接合材料の熱膨張係数：0.4×１０^−６［／℃］

接続部３２の幅ｗが0.03ｍｍであるので、
ｗ×Ｔ_ＣＡ×ΔＴ＝1.2×１０^−５［ｍｍ］
となり、接続部３２の幅ｗの伸びが1.2×１０^−５ｍｍになれば、枠部３１は固定部２３の接合固定の影響を受けないことになる。

図４は解析結果を示したものであり、この条件では固定部２３の下面にしか異なる材料が存在しないので接続部３２の高さの影響は小さくなり、固定部２３からの距離が0.06ｍｍの位置で接続部３２の伸びが1.2×１０^−５ｍｍとなる。

以上説明したように、固定部２３を囲む枠部３１及び枠部３１と固定部２３を連結する接続部３２を介して、ヒンジ２２が固定部２３に支持されるようにし、接続部３２をヒンジ２２の延伸方向と直交する方向に設けることにより、固定部２３の存在によって生じる熱応力の、ヒンジ２２への影響を排除することができる。

熱応力の影響を排除する枠部３１及び接続部３２の構成は図２に示した構成に限らず、他の構成を採用することもできる。図５Ａ〜Ｃはその例を示したものであり、図２と対応する部分には同一符号を付してある。

図５Ａは接続部３２を図２のように２箇所に設けるのではなく、１箇所にのみ設けた実施形態を示したものである。図５Ｂは接続部３２を１箇所とし、枠部をその接続部３２側だけに設けた実施形態を示したものであり、枠部３１’は図５Ａに示した枠部３１の一半部が切除された形状となっている。

図５Ｃは枠部をなしとした実施形態を示したものである。この実施形態ではヒンジ２２’は可動部２１の縁部２４の一辺２４ａと平行に延伸されて、その両端が縁部２４の、一辺２４ａと直交する対向二辺２４ｂ，２４ｃに連結されており、即ちヒンジは一本とされている。

ヒンジ２２’はその延伸方向の中央が接続部３２を介して固定部２３に連結支持されている。接続部３２は図５Ｃに示したようにヒンジ２２’の延伸方向と直交する方向に設けられており、固定部２３はこの実施形態では可動部２１の中央からずれた位置に位置されている。

これら図５Ａ〜Ｃに示した構成も図２に示した構成と同様、固定部２３の存在によって生じる熱応力の、ヒンジ２２（２２’）への影響を排除することができ、よって温度変化によって生じる熱応力によりヒンジ２２（２２’）が歪んで加速度センサの温度特性が悪化するといった現象は発生せず、優れた温度特性を有する加速度センサを実現することができる。

次に、この発明による加速度センサの具体的実施例について説明する。
図６は一実施例として静電容量型の加速度センサの構成を示したものであり、図２と対応する部分には同一符号を付してある。

可動部２１の縁部２４内には縁部２４の一辺２４ａと平行に可動電極２５が配列形成されており、この例ではヒンジ２２を挟む各半部に３つずつ短冊状をなす可動電極２５が配列形成されている。なお、縁部２４の一辺２４ａ及びこの一辺２４ａと対向する他辺は可動電極２５として兼用されており、即ち最外の可動電極２５をなすものとされている。

可動電極２５を構成する可動部２１、ヒンジ２２、枠部３１、接続部３２及び固定部２３はこの例ではシリコン基板をエッチング加工することによって一体形成されている。可動電極２５と対向して静電容量を形成する固定電極４１はこの例ではガラス基板４２上に形成されている。ガラス基板４２の中央部には凸部４２ａが突出形成されており、この凸部４２ａ上に固定部２３が搭載固定されて加速度センサが構成されている。凸部４２ａと固定部２３とは例えば陽極接合によって接合固定される。

この図６に示した加速度センサでは、シリコンよりなる固定部２３がガラス基板４２の凸部４２ａに接合されるため、熱膨張係数の差によって熱応力が生じるものの、枠部３１及び接続部３２を介して固定部２３に支持されているヒンジ２２は熱応力の影響を受けることはない。

上述した例では加速度センサはシリコン基板とガラス基板を使用し、シリコンとガラスが接合される構成となっているが、この発明によれば、異種材料の接合に起因する熱応力の、ヒンジ２２への影響を排除することができるため、使用する材料に制約はなく、また接合状態・方法にも制約はない。

例えば、固定部２３が接着剤によって固定される場合でもよい。また、加速度センサが例えばＳＯＩ（Silicon on Insulator）基板を使用して形成され、シリコン層よりなる固定部２３がＢＯＸ（Buried Oxide）層（ＳｉＯ_２層）によって固定されている場合であってもよく、この発明によれば、ヒンジ２２への熱応力の影響を排除することができる。

なお、固定部２３の大きさや接合固定方法は、ヒンジ２２に熱応力が作用しないようにすることとは無関係になるので、例えば固定部２３の大きさや固定強度を所望の大きさや固定強度にすることができ、その点で例えば耐衝撃性等の向上を図ることも可能となる。

１１ 可動電極 １２ 枠部
１３ 下部固定板 １４ 貫設孔
１５ 支持部 １６ａ，１６ｂ ビーム部
１７ 凹部 ２１ 可動部
２２，２２’ ヒンジ ２３ 固定部
２４ 縁部 ２４ａ，２４ｂ，２４ｃ 辺
２５ 可動電極 ３１，３１’ 枠部
３１ａ，３１ｂ，３１ｃ，３１ｄ 辺 ３２ 接続部
４１ 固定電極 ４２ ガラス基板
４２ａ 凸部

Claims (5)

1. 方形状の縁部を有する可動部が、その可動部の内側に位置して可動部と同一材料で形成されたヒンジにより変位可能に支持され、入力加速度に応じて前記可動部が変位する構造とされた加速度センサであって、
   前記ヒンジは前記縁部の一辺と平行に延伸されて一直線上に位置された一対のヒンジよりなり、
   前記一対のヒンジの各一端は前記縁部の、前記一辺と直交する対向二辺にそれぞれ連結され、
   前記一対のヒンジの各他端はヒンジと同一材料で形成された枠部及び接続部を介して固定部に支持され、
   前記枠部は前記固定部のまわりに位置し、前記接続部によって前記固定部と連結されており、
   前記接続部は前記ヒンジの延伸方向と直交する方向に設けられていることを特徴とする加速度センサ。
2. 請求項１記載の加速度センサにおいて、
   前記枠部は方形状をなし、その二辺に前記接続部がそれぞれ設けられていることを特徴とする加速度センサ。
3. 方形状の縁部を有する可動部が、その可動部の内側に位置して可動部と同一材料で形成されたヒンジにより変位可能に支持され、入力加速度に応じて前記可動部が変位する構造とされた加速度センサであって、
   前記ヒンジは前記縁部の一辺と平行に延伸されて、その両端が前記縁部の、前記一辺と直交する対向二辺に連結され、
   前記ヒンジはその延伸方向の中央が接続部を介して固定部に支持され、
   前記接続部は前記ヒンジの延伸方向と直交する方向に設けられていることを特徴とする加速度センサ。
4. 請求項１乃至３記載のいずれかの加速度センサにおいて、
   前記接続部の接続方向の長さは、その接続方向と直交する方向の前記接続部の幅及び高さのいずれか大きい方より長くされていることを特徴とする加速度センサ。
5. 請求項１乃至４記載のいずれかの加速度センサにおいて、
   前記可動部によって可動電極が構成され、
   前記可動電極と対向して固定電極が設けられ、
   前記可動電極と前記固定電極との間の静電容量の変化から入力加速度を検出する構成とされていることを特徴とする加速度センサ。

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