JP2012220461A - 加速度検出器、加速度検出デバイス及び電子機器 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】加速度検出器1は、ベース部10と、ベース部10に継ぎ手部11を介して接続された板状の可動部12と、ベース部10と可動部12とに掛け渡された加速度検出素子13と、を備え、可動部12は、両主面12a,12bの少なくとも一方に、質量部15が配置され、可動部12は、主面12aと交差する方向に加わる加速度に応じて、継ぎ手部11を支点にして主面12aと交差する方向に変位可能であり、質量部15は、主面12a側に突出する凸部15aを有し、凸部15aには、平面視において質量部15の重心gが収まり、凸部15aの先端部が可動部12の主面12aに接合材16を介して接合されていることを特徴とする。
【選択図】図2
Description
また、特許文献2には、ベースと、ベースにヒンジ継ぎ手によって接続され、このヒンジ継ぎ手を回転軸として回動できる振り子型回動質量と、この回動質量をベースに橋渡しするセンサー手段と、を備えた振り子型加速度計(以下、加速度検出器という)が開示されている。
しかしながら、上記加速度検出器は、梁の他端に配置された質量部が、例えば、接着剤などの接合材で梁の両面に広範囲に亘って接着されている構成となっている。
この結果、上記加速度検出器は、上記梁に熱応力に伴う歪みが生じることにより、加速度検出素子には、加速度に応じて生じる引っ張り応力や圧縮応力とは別に、上記歪みに起因する応力が加わることになり、加速度検出精度や温度特性などの加速度検出特性が劣化する虞がある。
このように、上記加速度検出器は、可動部の変位の規制が外部部材であるパッケージに依存することから、可動部(加速度検出素子)とパッケージの内面との隙間に関わる数々の寸法公差要因(例えば、パッケージを構成する各部品の寸法ばらつきや、パッケージへの加速度検出器の固定位置のばらつきなど)によって、可動部とパッケージの内面との隙間が、設定値に対して大きくばらつく虞がある。
また、上記加速度検出器は、可動部とパッケージの内面との隙間が設定値より更に大きい場合、加わる加速度の大きさによっては、可動部や加速度検出素子がパッケージの内面に衝突しなくても、強度の限界を超える変位により破損する虞がある。
一方、上記加速度検出器は、可動部とパッケージの内面との隙間が設定値より小さい場合、可動部の変位範囲が設定より小さくなることから、設定された加速度検出範囲を満足できない虞がある。
したがって、加速度検出器は、従来のような、質量部が接着剤などの接合材で梁(可動部に相当)の両面に広範囲に亘って接着されている構成と比較して、質量部の接合範囲を狭くできることから、熱応力に伴う可動部の歪みを抑制することができる。
この結果、加速度検出器は、上記歪みに起因する応力が低減され、加速度検出精度や温度特性などの加速度検出特性を向上させることができる。
このことから、加速度検出器は、加速度に応じて変位する可動部の変位を、可動部の主面に配置された質量部が隙間分変位したところで支持部と接触することによって、所定の範囲内に規制することができる。
この結果、加速度検出器は、自身に可動部の変位を規制する構成要素(以下、ストッパーという)を設けたことから、外部部材であるパッケージに依存することなく、可動部の変位を自身で規制することが可能となる。
したがって、加速度検出器は、例えば、パッケージの内面と加速度検出器との隙間を、質量部と支持部との隙間よりも十分に大きく設定することが可能となり、従来のような、パッケージの内面との衝突や強度の限界を超える変位による、可動部や加速度検出素子の破損を回避することができる。
このことから、加速度検出器は、質量部と支持部との隙間のばらつきを、従来のパッケージの内面と加速度検出器との隙間のばらつきよりも小さくすることが可能となる。
これにより、加速度検出器は、従来のような、可動部の変位が設定より狭い範囲に規制され、設定された加速度検出範囲を満足できないという不具合を回避することができる。
これにより、加速度検出器は、従来と比較して、良品率が格段に向上し、実使用時における破損などの不具合を低減することができる。
加えて、加速度検出器は、平面視において、支持部がベース部とによって可動部を囲む枠状に形成されていることから、例えば、支持部が可動部の両側に分割されている場合と比較して、形状がゆがむことなく安定した状態で、例えば、パッケージなどの外部部材に固定することができる。
これにより、加速度検出器は、例えば、パッケージなどの外部部材に固定する際の質量部と支持部との隙間のばらつきの変化を抑制することができる。
このことから、加速度検出器は、いずれかの方向へ傾くことなく安定した姿勢で、例えば、パッケージなどの外部部材に固定することができる。
このことから、加速度検出器は、いずれかの方向へ傾くことなく安定した姿勢で、例えば、パッケージなどの外部部材に固定することができる。
この結果、加速度検出器は、質量部と支持部との接触時の損傷を低減することができ、耐衝撃性能を向上させることが可能となる。
このことから、加速度検出器は、例えば、加わる加速度による可動部の変位に応じて振動梁が伸縮し、この際に生じる引っ張り応力、圧縮応力による振動梁の振動周波数の変化を加速度に変換するという構成が可能となる。
加速度検出器の可動部の変位を自身で規制する本構成は、この振動梁を備えた加速度検出素子に対する衝撃を緩和し、加速度検出素子の破損を回避するという観点において、より効果的であるといえる。
最初に、加速度検出器の一例について説明する。
図1は、第1実施形態の加速度検出器の部分展開模式斜視図である。図2は、第1実施形態の加速度検出器の概略構成を示す模式平断面図である。図2(a)は、平面図、図2(b)は、図2(a)のA−A線での断面図である。なお、各配線は省略してあり、各構成要素の寸法比率は実際と異なる。
そして、加速度検出器1は、平面視において、ベース部10から可動部12の両側に沿って延び、ベース部10とによって可動部12を囲む略矩形の枠状に形成されている平板状の支持部14、を備えている。
ベース部10、継ぎ手部11、可動部12、支持部14は、例えば、水晶の原石などから所定の角度で切り出された水晶基板を用いて一体で略平板状に形成されている。なお、可動部12と支持部14との間には、両者を分割するスリット状の孔が設けられている。
ベース部10、継ぎ手部11、可動部12、支持部14の外形形状は、フォトリソグラフィー、エッチングなどの技術を用いて精度よく形成されている。
溝部11aにより、継ぎ手部11のY軸方向に沿った断面形状(図2(b)の形状)は、略H字状に形成されている。
この継ぎ手部11により、可動部12は、主面12a(12b)と交差する方向(Z軸方向)に加わる加速度に応じて、継ぎ手部11を支点(回転軸)にして主面12aと交差する方向(Z軸方向)に変位(回動)可能となっている。
なお、凸部15aは、熱応力の抑制の観点から、可動部12への接合に必要な面積を確保しつつ、平面サイズを極力小さくすることが好ましい。
質量部15は、加速度検出器1の感度向上を図るべく平面サイズを極力大きくするために、可動部12における継ぎ手部11側とは反対側の自由端側から、加速度検出素子13を避けて二股状で継ぎ手部11近傍まで延び、平面視において、略U字状に形成されている。
質量部15には、例えば、Cu、Auなどの金属に代表される比較的比重の大きい材料が用いられている。
接合材16には、弾性に優れたシリコーン系樹脂(変成シリコーン樹脂など)を含む接着剤として、例えば、シリコーン系熱硬化型接着剤が用いられている。
加速度検出素子13は、2本の振動梁13a,13bと一対の基部13d,13eとで二組の音叉を構成することから、双音叉素子(双音叉型振動片)とも呼ばれている。
加速度検出素子13は、例えば、水晶の原石などから所定の角度で切り出された水晶基板を用いて、加速度検出部13cと基部13d,13eとが一体で略平板状に形成されている。また、加速度検出素子13の外形形状は、フォトリソグラフィー、エッチングなどの技術を用いて精度よく形成されている。
なお、加速度検出素子13と、ベース部10の主面10a及び可動部12の主面12aとの間には、可動部12の変位時に加速度検出素子13とベース部10及び可動部12とが互いに接触しないように、所定の隙間が設けられている。この隙間は、本実施形態では、接合部材17の厚さで管理されている。
具体的には、例えば、ベース部10及び可動部12と加速度検出素子13との間に、所定の隙間に相当する厚さに形成されたスペーサーを挟んだ状態で、ベース部10及び可動部12と加速度検出素子13とを接合部材17によって固定することで、隙間を所定の範囲内に管理することができる。
詳述すると、引き出し電極13fは、接続端子10bと接続され、引き出し電極13gは、接続端子10cと接続されている。
ベース部10の接続端子10b,10cは、図示しない配線によって支持部14の外部接続端子14e,14fと接続されている。詳述すると、接続端子10bは、外部接続端子14eと接続され、接続端子10cは、外部接続端子14fと接続されている。
なお、励振電極、引き出し電極13f,13g、接続端子10b,10c、外部接続端子14e,14fは、例えば、Crを下地層とし、その上にAuが積層された構成となっている。
なお、固定部が2箇所の場合には、固定部同士を結んだ直線上に重心Gが位置するように2箇所の固定部が配置されていればよい。
また固定部14b、14cは、ベース部10に形成されていてもよい。
図3は、加速度検出器の動作について説明する模式断面図である。図3(a)は、可動部が紙面下方(−Z方向)に変位した状態を示し、図3(b)は、可動部が紙面上方(+Z方向)に変位した状態を示す。
これにより、加速度検出器1は、例えば、巻き上げられた弦楽器の弦のように、加速度検出部13cの振動梁13a,13bの振動周波数(以下、共振周波数ともいう)が高くなる方に変化する。
これにより、加速度検出器1は、例えば、巻き戻された弦楽器の弦のように、加速度検出部13cの振動梁13a,13bの共振周波数が低くなる方に変化する。
これにより、加速度検出器1は、加速度+αに応じて−Z方向に変位する可動部12の変位を、所定の範囲(隙間Cに相当、図2(b)参照)内に規制する。
これにより、加速度検出器1は、加速度−αに応じて+Z方向に変位する可動部12の変位を、所定の範囲(隙間Cに相当、図2(b)参照)内に規制する。
したがって、加速度検出器1は、従来のような、質量部(重り)が接着剤などの接合材で梁の両面に広範囲に亘って接着されている構成と比較して、質量部15の姿勢のバランスを取りつつ、質量部15の接合範囲を狭くできることから、周囲の温度変化に起因する熱応力に伴う可動部12の歪みを抑制することができる。
この結果、加速度検出器1は、上記歪みに起因する応力が低減され、加速度検出精度や温度特性などの加速度検出特性を向上させることができる。
このことから、加速度検出器1は、加速度に応じてZ軸方向に変位する可動部12の変位を、可動部12の両主面12a,12bに固定された質量部15が隙間C分変位して支持部14と接触することによって、所定の範囲内に規制することができる。
したがって、加速度検出器1は、例えば、外部部材であるパッケージの内面と加速度検出器1との隙間を、質量部15と支持部14との隙間Cよりも十分に大きく設定することが可能となり、従来のような、パッケージの内面との衝突や強度の限界を超える変位による、可動部12や加速度検出素子13の破損を回避することができる。
このことから、加速度検出器1は、質量部15と支持部14との隙間Cのばらつきを、従来のパッケージ内面と加速度検出器との隙間のばらつきよりも小さくすることが可能となる。
これにより、加速度検出器1は、従来のような、可動部12の変位が設定より狭い範囲に規制され、設定された加速度検出範囲を満足できないという不具合を回避することができる。
これにより、加速度検出器1は、従来と比較して、良品率が格段に向上し、実使用時における破損などの不具合を低減することができる。
これにより、加速度検出器1は、例えば、パッケージなどの外部部材への固定時における質量部15と支持部14との隙間Cの変化を抑制することができる。換言すれば、加速度検出器1は、可動部12の変位を規制する規制範囲の変化を抑制することができる。
このことから、加速度検出器1は、いずれかの方向へ傾くことなく安定した姿勢で、例えば、パッケージなどの外部部材に固定可能である。
なお、加速度検出器1は、固定部が2箇所の場合には、固定部同士を結んだ直線上に重心Gが位置するように2箇所の固定部が配置されていれば、同様の効果を奏することができる。
この結果、加速度検出器1は、質量部15と支持部14との接触時の損傷を低減することができ、耐衝撃性能を向上させることが可能となる。
これによって、加速度検出器1は、Z軸方向に加わる加速度による可動部12のZ軸方向の変位に応じて振動梁13a,13bがY軸方向に伸縮し、この際に生じる引っ張り応力、圧縮応力による共振周波数の変化を加速度に変換するという検出感度の高い構成が可能となっている。
加速度検出器1の可動部12のZ軸方向の変位を自身で規制する本構成は、この振動梁13a,13bを備えた加速度検出素子13に対する衝撃を緩和し、加速度検出素子13の破損を回避するという観点において、より効果的であるといえる。
また、加速度検出器1は、加速度検出素子13を可動部12の主面12a側に代えて、主面12b側に備えてもよく、主面12a側及び主面12b側の両方に備えてもよい。
また、加速度検出器1は、加速度検出素子13の引き出し電極13f,13gが、ベース部10の接続端子10b,10cと、金属ワイヤー18に代えて導電性接着剤で接続されていてもよい。
なお、これらの付帯事項は、以下の変形例にも適用可能である。
次に、第1実施形態の変形例について説明する。
図4は、第1実施形態の変形例の加速度検出器の概略構成を示す模式平断面図である。図4(a)は、平面図、図4(b)は、図4(a)のD−D線での断面図、図4(c)は、図4(a)のE−E線での断面図である。なお、各配線は省略してあり、各構成要素の寸法比率は実際と異なる。
また、上記第1実施形態との共通部分には、同一符号を付して詳細な説明を省略し、上記第1実施形態と異なる部分を中心に説明する。
また、加速度検出器2は、支持部114の切り取られたスペースに可動部112の自由端側が延在している。
なお、質量部115は、可動部112の主面112b側でも2つに分割され、平面視において、主面112a側と重なるように配置されている。
質量部115は、可動部112の主面112a(112b)側に突出する円柱状(円板状)の凸部115aを有し、凸部115aには、平面視において質量部115の重心gが収まり、凸部115aの先端部が、可動部112の主面112a(112b)に接合材16を介して接合されている。
質量部115と支持部114とが重なる領域Bでは、図4(c)に示すように、質量部115と支持部114との間に隙間Cが設けられている。
なお、加速度検出器2の動作については、第1実施形態に準じるので説明を省略する。
このことから、加速度検出器2は、第1実施形態と比較して、Y軸方向のサイズを大きくすることなく、加速度検出素子113の加速度検出部113cの振動梁113a,113bを第1実施形態よりも長くすることが可能となる。
この結果、加速度検出器2は、第1実施形態と比較して、Y軸方向のサイズを大きくすることなく、加速度の検出感度を向上させることができる。
次に、上記第1実施形態及び変形例で述べた加速度検出器を備えた加速度検出デバイスについて説明する。
図5は、第2実施形態の加速度検出デバイスの概略構成を示す模式平断面図である。図5(a)は、リッド(蓋体)側から俯瞰した平面図であり、図5(b)は、図5(a)のF−F線での断面図である。なお、平面図では、リッドを省略してある。また、各配線は省略してある。
なお、上記第1実施形態との共通部分には、同一符号を付して詳細な説明を省略し、上記第1実施形態と異なる部分を中心に説明する。
パッケージ20は、平面形状が略矩形で凹部を有したパッケージベース21と、パッケージベース21の凹部を覆う平面形状が略矩形で平板状のリッド22と、を有し、略直方体形状に形成されている。
パッケージベース21には、セラミックグリーンシートを成形して積層し焼成した酸化アルミニウム質焼結体、水晶、ガラス、シリコンなどが用いられている。
リッド22には、パッケージベース21と同材料、または、コバール、42アロイ、ステンレス鋼などの金属が用いられている。
内部端子24,25は、加速度検出器1の支持部14に設けられた外部接続端子14e,14fと対向する位置(平面視において重なる位置)に設けられている。なお、外部接続端子14eは、ベース部10の接続端子10bと接続され、外部接続端子14fは、ベース部10の接続端子10cと接続されている。
なお、外部接続端子14e,14fは、支持部14の固定部14b,14cと平面視において重なる位置に設けられているのが好ましい。
外部端子27,28は、図示しない内部配線によって内部端子24,25と接続されている。例えば、外部端子27は、内部端子24と接続され、外部端子28は、内部端子25と接続されている。
内部端子24,25及び外部端子27,28は、Wなどのメタライズ層にNi、Auなどの各被膜をメッキなどの方法により積層した金属膜からなる。
封止部29は、パッケージベース21に形成された、外底面26側の孔径が内底面23側の孔径より大きい段付きの貫通孔29aに、Au/Ge合金、ハンダなどからなる封止材29bを投入し、加熱溶融後、固化させることでパッケージ20の内部を気密に封止する構成となっている。
ここで、固定部14b,14cが外部接続端子14e,14fと内部端子24,25とを接続する部分であることから、接着剤30には、例えば、金属フィラーなどの導電性物質が混合された導電性接着剤(例えば、シリコーン系導電性接着剤)が用いられている。なお、固定部14a,14dの固定には、金属フィラーなどの導電性物質を含まない接着剤(例えば、シリコーン系接着剤)を用いてもよい。
加速度検出デバイス3は、リッド22の接合後、パッケージ20の内部が減圧された状態(真空度の高い状態)で、封止部29の貫通孔29aに封止材29bが投入され、加熱溶融後、固化されることにより、パッケージ20の内部が気密に封止される。
なお、パッケージ20の内部は、窒素、ヘリウム、アルゴンなどの不活性ガスが充填されていてもよい。
なお、パッケージは、パッケージベース及びリッドの両方に凹部を有していてもよい。
そして、加速度検出デバイス3は、加わる加速度に応じて変化する加速度検出器1の共振周波数を出力信号として出力する。
なお、加速度検出デバイス3は、加速度検出器1に代えて加速度検出器2を備えた場合においても、上記と同様の効果及び加速度検出器2の特有の効果を奏する加速度検出デバイスを提供することができる。
次に、上記実施形態及び変形例で述べた加速度検出器を備えた電子機器としての傾斜計について説明する。
図6は、第3実施形態の傾斜計を示す模式斜視図である。図7は、傾斜計の内部に収容された傾斜センサーモジュールの概略構成を示す部分展開模式斜視図である。
図6、図7に示すように、傾斜計4は、上記第1実施形態で述べた加速度検出器1を、傾斜センサーモジュール5の傾斜センサーとして備えている。
図7に示すように、傾斜センサーモジュール5は、ベース基板201と、断熱基板202と、基台203と、加速度検出器1を備えた加速度検出デバイス3と、発振器204と、キャップ205と、を備え、傾斜計4の内部に収容されている。
矩形平板状の断熱基板202は、PBT(ポリブチレンテレフタレート)、LCP(液晶ポリマー)などの低熱伝導率で耐熱性、電気特性、寸法安定性などに優れた樹脂が用いられ、厚み方向に貫通して固定されている細いピン状(棒状)の複数の接続ピン202aによって、ベース基板201に隙間を有して接続されている。
基台203は、アルミニウム、アルミニウム合金、銅、銅合金などの金属を用いて、削り出しまたは板金加工により略直方体形状に形成され、断熱基板202に、例えば、接着剤などで固定されている。なお、基台203には、上記の樹脂や酸化アルミニウム質焼結体(セラミック類)などを用いてもよい。
発振器204は、基台203における一方の加速度検出デバイス3が固定された側面と対向する側面(換言すれば、他方の加速度検出デバイス3が固定された側面と隣り合う側面)に固定されている。
加速度検出デバイス3及び発振器204は、リード線206によって断熱基板202の接続ピン202aに接続され、接続ピン202aを経由してベース基板201に接続されている。
サーミスター3aは、上記加速度検出デバイス3及び発振器204と同様に、リード線206によって断熱基板202の接続ピン202aに接続され、接続ピン202aを経由してベース基板201に接続されている。
発振器204は、加速度検出時における加速度検出デバイス3(加速度検出器1)の共振周波数と比較する比較回路の基準周波数(基準共振周波数)発振源として備えられている。
このように、傾斜センサーモジュール5は、周囲の温度変化の加速度検出デバイス3への到達を遅延させることで、加速度検出デバイス3の温度変化をなだらかにすることが可能となることから、加速度検出デバイス3(加速度検出器1)の、例えば、加速度検出精度などの加速度検出特性を良好な状態に維持することができる。
そして、傾斜計4は、図示しない検出回路によって、傾斜センサーモジュール5(加速度検出器1)に加わる重力加速度に応じて変化する共振周波数から、傾斜計4の姿勢の変化(傾斜計4に対する重力加速度が加わる方向の変化)を検出し、それを角度に換算して、例えば、無線またはケーブル40などで基地局にデータ転送する。これにより、傾斜計4は、日常の管理や異常の早期発見に貢献することができる。
なお、傾斜計4は、加速度検出器1に代えて加速度検出器2を傾斜センサーとして備えていてもよい。また、質量部15,115に凸部15a,115aが一体化された構成の方が、質量部15,115と可動部12、112との搭載位置ズレによって搭載質量部の重心と凸部との位置関係が個体間でばらつくことはないが、このような心配が無い場合であれば、傾斜センサーモジュール5に用いられる加速度検出器1,2は、質量部15,115に凸部15a,115aがなくてもよい。
また、加速度検出素子の基材は、水晶に限定するものではなく、タンタル酸リチウム(LiTaO3)、四ホウ酸リチウム(Li2B4O7)、ニオブ酸リチウム(LiNbO3)、チタン酸ジルコン酸鉛(PZT)、酸化亜鉛(ZnO)、窒化アルミニウム(AlN)などの圧電材料、または酸化亜鉛(ZnO)、窒化アルミニウム(AlN)などの圧電材料を被膜として備えたシリコンなどの半導体材料であってもよい。
Claims (9)
- ベース部と、
該ベース部に継ぎ手部を介して接続された板状の可動部と、
前記ベース部と前記可動部とに掛け渡された加速度検出素子と、を備え、
前記可動部は、両主面の少なくとも一方に質量部が配置され、
前記可動部は、前記主面と交差する方向に加わる加速度に応じて、前記継ぎ手部を支点にして前記主面と交差する方向に変位可能であり、
前記質量部は、前記主面側に突出する凸部を有し、前記凸部の先端部が前記可動部の前記主面に接合材を介して接合されていることを特徴とする加速度検出器。 - 請求項1に記載の加速度検出器において、平面視で前記ベース部から前記可動部に沿って延びる部位を有した支持部を更に備え、
前記質量部は、平面視において一部が前記支持部と重なるように配置され、
前記質量部と前記支持部とが重なる領域では、前記質量部と前記支持部との間に隙間が設けられていることを特徴とする加速度検出器。 - 請求項2に記載の加速度検出器において、前記支持部は、平面視において、前記ベース部とによって前記可動部を囲む枠状に形成されていることを特徴とする加速度検出器。
- 請求項2または請求項3に記載の加速度検出器において、前記支持部は、3つ以上の固定部を有し、平面視において、隣り合う前記固定部同士を結んで囲んだ範囲内に、前記加速度検出器の重心が位置することを特徴とする加速度検出器。
- 請求項2または請求項3に記載の加速度検出器において、前記支持部は、2つの固定部を有し、平面視において、2つの前記固定部同士を結んだ直線上に、前記加速度検出器の重心が位置することを特徴とする加速度検出器。
- 請求項1ないし請求項5のいずれか一項に記載の加速度検出器において、前記接合材は、シリコーン系樹脂を含む接着剤であることを特徴とする加速度検出器。
- 請求項1ないし請求項6のいずれか一項に記載の加速度検出器において、前記加速度検出素子は、前記ベース部と前記可動部とを結ぶ方向に沿って延びる少なくとも一以上の振動梁を有する加速度検出部と、該加速度検出部の両端に接続された一対の基部と、を備え、
前記基部の一方が前記ベース部に固定され、前記基部の他方が前記可動部に固定されたことを特徴とする加速度検出器。 - 請求項1ないし請求項7のいずれか一項に記載の加速度検出器と、
前記加速度検出器を収容するパッケージと、を備えたことを特徴とする加速度検出デバイス。 - 請求項1ないし請求項7のいずれか一項に記載の加速度検出器を備えたことを特徴とする電子機器。
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