JP2022175616A - 慣性センサー及び慣性計測装置 - Google Patents

慣性センサー及び慣性計測装置 Download PDF

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Abstract

Figure 2022175616000001
【課題】過度な衝撃に対する可動体の貼り付きを防止する慣性センサー及び慣性計測装置を提供する。
【解決手段】慣性センサー１は、互いに直交する３軸をＸ軸、Ｙ軸、及びＺ軸としたとき、Ｚ軸の変位に基づく物理量を検出する慣性センサー１であって、基板１０と、基板１０に固定され、Ｘ軸に沿う揺動軸Ｐまわりに揺動し、互いに対向する２つの平面２１ａ，２１ｂとその間を繋ぐ側面２１ｃ，２１ｄとを有する可動体２１と、基板１０に固定され、可動体２１の側面２１ｃ，２１ｄに対向する規制部１９と、を備え、可動体２１は、規制部１９に対向する部分に弾性部２５を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、慣性センサー及び慣性計測装置に関する。
近年、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）技術を用いて製造された慣性センサーが開発されている。このような慣性センサーとして、例えば特許文献１には、支持部および固定電極を備えたベースと、固定電極に主面を対向させて支持部に支持されている可動体と、可動体の外縁の少なくとも一部に相対し、主面の面内方向の回転変位を規制する当接部と、を含み、鉛直方向の加速度を検出することができるＭＥＭＳデバイスが記載されている。
特開２０１９－３９８０４号公報
しかしながら、特許文献１に記載された慣性センサーとしてのＭＥＭＳデバイスは、可動体が外部からの強い衝撃等により、主面の面内方向の過度の回転変位を生じると、可動体と当接部とが衝突し、可動体が１つの剛体として一定のエネルギーで衝突を繰り返すと、可動体と当接部との間で、スティクションと呼ばれる貼り付き現象が生じる虞があった。
慣性センサーは、互いに直交する３軸をＸ軸、Ｙ軸、及びＺ軸としたとき、前記Ｚ軸の変位に基づく物理量を検出する慣性センサーであって、基板と、前記基板に固定され、前記Ｘ軸に沿う揺動軸まわりに揺動し、互いに対向する２つの平面とその間を繋ぐ側面とを有する可動体と、前記基板に固定され、前記可動体の前記側面に対向する規制部と、を備え、前記可動体は、前記規制部に対向する部分に弾性部を備える。
慣性計測装置は、上記に記載の慣性センサーと、前記慣性センサーから出力された検出信号に基づいて制御を行う制御部と、を備える。
第１実施形態に係る慣性センサーの概略構造を示す平面図。 図１中のＡ－Ａ線における断面図。 図１中のＥ部を拡大した平面図。 慣性センサーの動作を説明する図１中のＢ－Ｂ線における断面図。 第２実施形態に係る慣性センサーの概略構造を示す平面図。 図５中のＦ部を拡大した平面図。 第３実施形態に係る慣性センサーの概略構造を示す平面図。 図７中のＣ－Ｃ線における断面図。 第４実施形態に係る慣性センサーの概略構造を示す断面図。 慣性センサーの製造方法を示す断面図。 慣性センサーの製造方法を示す断面図。 慣性センサーの製造方法を示す断面図。 慣性センサーの製造方法を示す断面図。 慣性センサーの製造方法を示す断面図。 慣性センサーの製造方法を示す断面図。 慣性センサーの製造方法を示す断面図。 慣性センサーの製造方法を示す断面図。 第５実施形態に係る慣性センサーの概略構造を示す平面図。 第６実施形態に係る慣性センサーを備える慣性計測装置の概略構成を示す分解斜視図。 図１９の基板の斜視図。
１．第１実施形態
先ず、第１実施形態に係る慣性センサー１について、鉛直方向の加速度を検出する加速度センサーを一例として挙げ、図１、図２、図３、及び図４を参照して説明する。
尚、図１において、慣性センサー１の内部の構成を説明する便宜上、蓋体５０を取り外した状態を図示している。また、図１、図２、及び図３において、基板１０に設けられている配線の図示を省略している。
また、説明の便宜上、以降の平面図、断面図、及び斜視図には互いに直交する３つの軸として、Ｘ軸、Ｙ軸、及びＺ軸を図示している。また、Ｘ軸に沿う方向を「Ｘ方向」、Ｙ軸に沿う方向を「Ｙ方向」、Ｚ軸に沿う方向を「Ｚ方向」と言う。また、各軸方向の矢印先端側を「プラス側」、基端側を「マイナス側」、Ｚ方向プラス側を「上」、Ｚ方向マイナス側を「下」とも言う。また、Ｚ方向は、鉛直方向に沿い、ＸＹ平面は、水平面に沿っている。また、本明細書では、プラスＺ方向とマイナスＺ方向とを合わせてＺ方向と呼ぶ。
図１及び図２に示す慣性センサー１は、センサー素子２０の鉛直方向であるＺ方向の加速度を物理量として検出することができる。このような慣性センサー１は、基板１０と、基板１０上に配置されたセンサー素子２０と、基板１０上に配置された規制部１９と、基板１０に接合され、センサー素子２０及び規制部１９を覆う蓋体５０と、を有する。
基板１０は、図１に示すように、Ｘ方向及びＹ方向に広がりを有し、Ｚ方向を厚さとする。また、基板１０は、図２に示すように、基板１０の上面１０ａから下方に窪む第１凹部１１と第１凹部１１の第１底面１２から下方に窪む第２凹部１３とが形成されている。この第１凹部１１及び第２凹部１３は、Ｚ方向からの平面視で、センサー素子２０を内側に内包し、センサー素子２０よりも大きく形成されている。第１凹部１１及び第２凹部１３は、センサー素子２０を揺動するための逃げ部として機能する。また、基板１０は、第１凹部１１の第１底面１２からセンサー素子２０側に突出している支持部１５を有し、支持部１５の上にセンサー素子２０を接合し固定している。これにより、センサー素子２０を、第１凹部１１の第１底面１２及び第２凹部１３の第２底面１４と離間させた状態で基板１０に固定することができる。
また、第１凹部１１の第１底面１２に、第１固定電極１６と第２固定電極１７とが配置され、第２凹部１３の第２底面１４に、ダミー電極となる第３固定電極１８が配置されている。第１固定電極１６と第２固定電極１７とは、略等しい面積を有する。また、第１固定電極１６と第２固定電極１７とは、図示しない外部装置のＱＶアンプにそれぞれ接続され、その静電容量差を差動検出方式により電気信号として検出する。従って、第１固定電極１６と第２固定電極１７とは、等しい面積であることが望ましい。
また、基板１０の第１凹部１１及び第２凹部１３が設けられてない領域の上面１０ａには、外部装置と第１～第３固定電極１６，１７，１８とを電気的に接続する接続端子４１，４２，４３が設けられている。接続端子４１は、図示しない配線により第１固定電極１６と電気的に接続され、接続端子４２は、図示しない配線により第２固定電極１７と電気的に接続され、接続端子４３は、図示しない配線により第３固定電極１８及び可動体２１と電気的に接続されている。
基板１０としては、例えば、Ｎａ+等の可動イオンであるアルカリ金属イオンを含むガラス材料、例えば、パイレックス（登録商標）ガラス、テンパックス（登録商標）ガラスのような硼珪酸ガラスで構成されたガラス基板を用いることができる。ただし、基板１０としては、特に限定されず、例えば、シリコン基板や石英基板を用いてもよい。
また、第１～第３固定電極１６，１７，１８としては、Ａｕ、Ｐｔ、Ａｇ、Ｃｕ、Ａｌ等の金属を用いることができる。
蓋体５０は、図２に示すように、上方に窪む凹部５１が基板１０の第１凹部１１及び第２凹部１３と重なる位置に形成されている。蓋体５０は、凹部５１内にセンサー素子２０を収容して基板１０の上に接合されている。そして、蓋体５０及び基板１０によって、その内側に、センサー素子２０を収容する内部空間Ｓが形成されている。
内部空間Ｓは、気密空間であり、窒素、ヘリウム、アルゴン等の不活性ガスが封入され、使用温度が－４０℃～１２５℃程度で、ほぼ大気圧となっていることが好ましい。ただし、内部空間Ｓの雰囲気は、特に限定されず、例えば、減圧状態であってもよいし、加圧状態であってもよい。
蓋体５０としては、例えば、シリコン基板を用いることができる。ただし、これに特に限定されず、例えば、ガラス基板や石英基板を用いてもよい。また、基板１０と蓋体５０との接合方法としては、特に限定されず、基板１０や蓋体５０の材料によって適宜選択すればよく、例えば、陽極接合、プラズマ照射によって活性化させた接合面同士を接合させる活性化接合、ガラスフリット等の接合材による接合、基板１０の上面１０ａ及び蓋体５０の下面５０ａに成膜した金属膜同士を接合する金属共晶接合等を用いることができる。
センサー素子２０は、例えば、リン（Ｐ）、ボロン（Ｂ）、砒素（Ａｓ）等の不純物がドープされた導電性のシリコン基板をエッチング、特に、深堀エッチング技術であるボッシュ・プロセスによって垂直加工することにより形成される。
センサー素子２０は、図１に示すように、支持部１５の上に接合され固定されている２つの固定部２７と、２つの固定部２７を連結する２つの支持梁部２８と、一方の支持梁部２８からプラスＸ方向に延在する懸架部２９と、他方の支持梁部２８からマイナスＸ方向に延在する懸架部２９と、２つの懸架部２９と第１連結部３０を介して連結している可動体２１と、を有する。可動体２１は、固定部２７に対して所定方向に変位可能であり、Ｚ方向に沿った加速度が作用すると、可動体２１が懸架部２９をＸ軸に沿う揺動軸Ｐとして、懸架部２９を捩り変形させながら、揺動軸Ｐまわりに揺動する。換言すれば、揺動軸Ｐを中心軸として、可動体２１が固定部２７に対して、シーソー揺動可能に構成されている。
可動体２１は、互いに対向する２つの平面２１ａ，２１ｂとその間を繋ぐ側面２１ｃ，２１ｄとを有し、Ｚ方向からの平面視で、Ｙ方向を長辺とする長方形状をなしている。そして、可動体２１は、揺動軸Ｐに対してＹ方向のプラス側に位置する第１可動電極２２と、揺動軸Ｐに対してＹ方向のマイナス側に位置する第２可動電極２３と、第２可動電極２３と連結する第３可動電極２４と、を有する。第１可動電極２２、第２可動電極２３、及び第３可動電極２４は、Ｚ方向からの平面視で、基板１０の第１底面１２に設けられた第１固定電極１６、第２固定電極１７、及び第３固定電極１８とそれぞれ重なって配置されている。
また、揺動軸Ｐに対してＹ方向のマイナス側に位置する可動体２１は、第２可動電極２３と第３可動電極２４とが連結しているため、揺動軸Ｐに対してＹ方向のプラス側に位置する可動体２１である第１可動電極２２よりもＹ方向に長く構成されている。従って、揺動軸Ｐに対してＹ方向のマイナス側に位置する可動体２１は、Ｚ方向からの平面視で、揺動軸Ｐに対してＹ方向のプラス側に位置する可動体２１よりも面積が大きくなり、質量が大きくなることから、加速度が加わったときの回転モーメントがＹ方向のプラス側に位置する可動体２１よりも大きい。この回転モーメントの差によって、Ｚ方向の加速度が加わると、可動体２１が揺動軸Ｐまわりにシーソー揺動する。尚、シーソー揺動とは、第１可動電極２２がプラスＺ方向に変位すると、第２可動電極２３がマイナスＺ方向に変位し、反対に、第１可動電極２２がマイナスＺ方向に変位すると、第２可動電極２３がプラスＺ方向に変位することを意味する。
慣性センサー１の駆動時、センサー素子２０に駆動信号が印加されることにより、第１可動電極２２と第１固定電極１６との間に静電容量Ｃａが形成される。同様に、第２可動電極２３と第２固定電極１７との間に静電容量Ｃｂが形成される。加速度が加わっていない自然状態では静電容量Ｃａ，Ｃｂが互いにほぼ等しい。
慣性センサー１にＺ方向の加速度が加わると、可動体２１が揺動軸Ｐを中心にしてシーソー揺動する。この可動体２１のシーソー揺動により、第１可動電極２２と第１固定電極１６とのギャップと、第２可動電極２３と第２固定電極１７とのギャップと、が逆相で変化し、これに応じて静電容量Ｃａ，Ｃｂが互いに逆相で変化する。そのため、慣性センサー１は、静電容量Ｃａ，Ｃｂの容量値の差に基づいてＺ方向の加速度を検出することができる。
また、可動体２１は、第１可動電極２２と第２可動電極２３との間に開口部３４を有し、開口部３４内に固定部２７、支持梁部２８、及び懸架部２９が配置されている。このような形状とすることにより、センサー素子２０の小型化を図ることができる。また、可動体２１の第１～第３可動電極２２，２３，２４及び弾性部２５，２６には、２つの平面２１ａ，２１ｂを貫通する複数の貫通孔３５が設けられている。そのため、可動体２１がＺ方向に変位する際に生じる空気抵抗を低減することができる。
第１可動電極２２は、揺動軸Ｐに対してＹ方向のプラス側の端部の中央からプラスＹ方向に延在する第２連結部３１を有し、第２連結部３１の先端部には、第３連結部３２を介して、第２連結部３１のＸ方向のプラス側及びマイナス側にそれぞれ弾性部２５が連結されている。弾性部２５は、規制部１９と対向する部分に設けられており、第３連結部３２を軸とし、可動体２１の平面２１ａ，２１ｂの面内方向に回転変位可能に構成されている。そのため、外部からの強い衝撃等により、面内方向の過度の回転変位を生じ、弾性部２５の規制部１９と対向し、Ｘ方向と直交する側面２１ｃが規制部１９に衝突しても、弾性部２５が変形する弾性機能により衝突による衝撃を弱めることができ、可動体２１と規制部１９とのスティクションと呼ばれる貼り付き現象を抑制することができる。
また、図３に示すように、弾性部２５の規制部１９と対向し、Ｙ方向と直交する側面２１ｄには、Ｙ方向に突出する突出部３６が設けられている。突出部３６は、側面２１ｄにおいて、第２連結部３１のＸ方向のプラス側に連結された弾性部２５のプラスＸ方向の端部と、第２連結部３１のＸ方向のマイナス側に連結された弾性部２５のマイナスＸ方向の端部と、に設けられており、第３連結部３２を軸とし、可動体２１の平面２１ａ，２１ｂの直交方向であるＺ方向に回転変位可能に構成されている。そのため、Ｚ方向の過度な加速度が加わった場合に、図４に示すように、矢印Ｇで示す揺動軸Ｐまわりに回転変位し、突出部３６の規制部１９と対向する当接面３６ｃが規制部１９に衝突しても、弾性部２５が変形する弾性機能により衝突による衝撃を弱めることができ、可動体２１と規制部１９との貼り付き現象を抑制することができる。
第２可動電極２３は、揺動軸Ｐに対してＹ方向のマイナス側の端部の中央からマイナスＹ方向に延在する第２連結部３１を有し、第２連結部３１には、第３連結部３２を介して、第２連結部３１のＸ方向のプラス側及びマイナス側にそれぞれ弾性部２６が連結されている。第２連結部３１のＸ方向のプラス側に連結された弾性部２６のプラスＸ方向の端部と、第２連結部３１のＸ方向のマイナス側に連結された弾性部２６のマイナスＸ方向の端部と、に第４連結部３３を介して、第３可動電極２４が連結されている。
規制部１９は、可動体２１の平面２１ａ，２１ｂの面内方向の回転変位と、揺動軸Ｐまわりの回転変位と、を規制するために設けられており、可動体２１の側面２１ｃ，２１ｄに対向して、基板１０の上面１０ａに接合され固定されている。
規制部１９は、センサー素子２０と同じ、リン（Ｐ）、ボロン（Ｂ）、砒素（Ａｓ）等の不純物がドープされた導電性のシリコン基板をセンサー素子２０とともに同時にエッチング、特に、深堀エッチング技術であるボッシュ・プロセスによって垂直加工することにより形成される。
本実施形態の慣性センサー１は、可動体２１が規制部１９に対向する部分に弾性部２５を備えているので、外部からの強い衝撃等により、面内方向の過度の回転変位を生じ、弾性部２５の側面２１ｃが規制部１９に衝突しても、弾性部２５が変形する弾性機能により衝突による衝撃を弱めることができ、可動体２１と規制部１９との貼り付き現象を抑制することができる。
また、弾性部２５は、Ｙ方向に突出する突出部３６を備えているので、Ｚ方向の過度な加速度が加わった場合に、突出部３６の規制部１９と対向する当接面３６ｃが規制部１９に衝突しても、弾性部２５が変形する弾性機能により衝突による衝撃を弱めることができ、可動体２１と規制部１９との貼り付き現象を抑制することができる。
また、弾性部２５は、２つの平面２１ａ，２１ｂを貫通する貫通孔３５を備えているので、弾性部２５においても可動体２１がＺ方向に変位する際に生じる空気抵抗を低減することができ、高感度の慣性センサー１を得ることができる。
２．第２実施形態
次に、第２実施形態に係る慣性センサー１ａについて、図５及び図６を参照して説明する。尚、図５は、説明する便宜上、蓋体５０を取り外した状態を図示している。また、図５において、基板１０に設けられている配線の図示を省略している。
本実施形態の慣性センサー１ａは、第１実施形態の慣性センサー１に比べ、センサー素子２０ａの弾性部２５ａの構造が異なること以外は、第１実施形態の慣性センサー１と同様である。尚、前述した第１実施形態との相違点を中心に説明し、同様の事項はその説明を省略する。
慣性センサー１ａは、図５及び図６に示すように、可動体２１１ａの弾性部２５ａの規制部１９と対向し、Ｘ方向と直交する側面２１ｃに、Ｘ方向に突出する突出部３７が設けられている。また、突出部３７は、第２連結部３１のＸ方向のプラス側に連結された弾性部２５ａの規制部１９と対向する側面２１ｃと、第２連結部３１のＸ方向のマイナス側に連結された弾性部２５ａの規制部１９と対向する側面２１ｃと、に設けられている。
突出部３７は、突出部３７の規制部１９と対向する当接面３７ｃと規制部１９とが接触することで、Ｘ方向の衝撃に対しても、弾性部２５ａの弾性機能による耐衝撃性を向上させることができる。
このような構成とすることで、Ｘ方向の過度な衝撃に対しても耐衝撃性を向上させることができ、第１実施形態の慣性センサー１と同等の効果を得ることができる。
３．第３実施形態
次に、第３実施形態に係る慣性センサー１ｂについて、図７及び図８を参照して説明する。尚、図７は、説明する便宜上、蓋体５０を取り外した状態を図示している。また、図７及び図８において、基板１０に設けられている配線の図示を省略している。
本実施形態の慣性センサー１ｂは、第１実施形態の慣性センサー１に比べ、センサー素子２０ｂの弾性部２５ｂ，２６ｂの構造が異なること以外は、第１実施形態の慣性センサー１と同様である。尚、前述した第１実施形態との相違点を中心に説明し、同様の事項はその説明を省略する。
慣性センサー１ｂは、図７及び図８に示すように、可動体２１１ｂの弾性部２５ｂの第１固定電極１６と対向する平面２１ｂに、Ｚ方向に突出する突出部３８が設けられている。また、突出部３８は、第２連結部３１のＸ方向のプラス側に連結された弾性部２５ｂの規制部１９に一番近い貫通孔３５とＹ方向に沿う位置と、第２連結部３１のＸ方向のマイナス側に連結された弾性部２５ｂの規制部１９に一番近い貫通孔３５とＹ方向に沿う位置と、に設けられている。また、突出部３８は、弾性部２６ｂの第２固定電極１７と対向する平面２１ｂにも設けられている。
第１固定電極１６上には、弾性部２５ｂの突出部３８と対向する位置に、第１固定電極１６と第１可動電極２２とのショートを防止するための絶縁膜４０が形成されている。また、第２固定電極１７上には、弾性部２６ｂの突出部３８と対向する位置に、第２固定電極１７と第２可動電極２３とのショートを防止するための絶縁膜４０が形成されている。
弾性部２５ｂ，２６ｂに設けられた突出部３８の当接面３８ｃと絶縁膜４０とが接触することで、Ｚ方向の衝撃に対しても、弾性部２５ｂ，２６ｂの弾性機能による耐衝撃性を向上させることができる。
このような構成とすることで、Ｚ方向の過度な衝撃に対しても、弾性部２５ｂに設けられた突出部３６とともに耐衝撃性を更に向上させることができ、第１実施形態の慣性センサー１と同等の効果を得ることができる。
４．第４実施形態
次に、第４実施形態に係る慣性センサー１ｃについて、図９を参照して説明する。尚、図９は、図１のＡ－Ａ線の位置に相当する部分の断面図であり、基板１００に設けられている配線の図示を省略している。
本実施形態の慣性センサー１ｃは、第１実施形態の慣性センサー１に比べ、センサー素子２０、規制部１９、及び蓋体５０を固定する基板１００の構造が異なること以外は、第１実施形態の慣性センサー１と同様である。尚、前述した第１実施形態との相違点を中心に説明し、同様の事項はその説明を省略する。
慣性センサー１ｃは、図９に示すように、センサー素子２０側に凹状に反っている基板１００を有している。基板１００は、シリコン基板で構成され、シリコン基板を熱酸化することで生成される酸化膜１０１を有している。酸化シリコン（ＳｉＯ2）である酸化膜１０１は、基板１００の可動体２１と対向する上面１００ａの反対側の面に配置されている。尚、基板１００のそりは、シリコン基板の一方の面だけに形成された酸化膜１０１の残留応力によって生じる。
基板１００のそりにより、基板１００の上面１００ａに形成された枠部１１２に接合し固定された規制部１９が可動体２１の側面２１ｄ側に傾き、側面２１ｄと規制部１９との間隔を狭めることができる。そのため、基板１００を反らすことにより、可動体２１と規制部１９との間隔が狭い慣性センサー１ｃを容易に製造することができる。
このような構成とすることで、可動体２１と規制部１９との間隔が狭い慣性センサー１ｃを得ることができ、第１実施形態の慣性センサー１と同等の効果を得ることができる。
次に、第４実施形態に係る慣性センサー１ｃの製造方法について、図１０～図１７を参照して説明する。
先ず、シリコン基板から構成される基板１００を熱酸化し、図１０に示すように、基板１００の上下両面に酸化シリコン（ＳｉＯ2）である酸化膜１０１を形成する。
次に、図１１に示すように、基板１００の上下面どちらか一方の面に形成された酸化膜１０１をエッチング等により除去する。
次に、酸化膜１０１が除去された上面１００ａにフォトリソグラフィー技術を用いて、図１２に示すように、第１～第３固定電極１６，１７，１８及び図示しない配線を形成する。
次に、図１３に示すように、第１～第３固定電極１６，１７，１８が形成された基板１００の上面１００ａ上に犠牲層となる酸化シリコン（ＳｉＯ2）の酸化膜１１１をＣＶＤ装置等で形成する。
次に、図１４に示すように、酸化膜１１１上に可動体２１及び規制部１９を形成するためのシリコン（Ｓｉ）の構造体膜２００をＣＶＤ装置等で形成する。その後、リン（Ｐ）、ボロン（Ｂ）、砒素（Ａｓ）等の不純物をドープし導電性の構造体膜２００とする。
次に、フォトリソグラフィー技術を用いて構造体膜２００を加工し、図１５に示すように、第１～第３可動電極２２，２３，２４や固定部２７等を含む可動体２１と、規制部１９と、を形成する。
次に、固定部２７が接合し固定されている支持部１１５と、規制部１９が接合し固定されている枠部１１２を含み、センサー素子２０を内側に内包する枠部１１２と、を除く酸化膜１１１を、図１６に示すように、フォトリソグラフィー技術を用いてエッチングし除去する。
次に、可動体２１と規制部１９とが形成された基板１００は、酸化膜１１１の一部が除去されることで、基板１００の上面１００ａと反対側の面に形成された酸化膜１０１の残留応力によって、図１７に示すように、センサー素子２０側に凹状に反る。
その後、基板１００に形成された枠部１１２上に接合部材６０を用いて蓋体５０を接合することにより、図９に示すように、基板１００がセンサー素子２０側に凹状にそり、可動体２１と規制部１９との間隔が狭い慣性センサー１ｃを製造することができる。
なお、製造方法については上記に限定されず、基板１００の上下面どちらか一方の面に形成された酸化膜１０１をエッチング等により一部除去し、上下面の酸化膜１０１の膜厚を異ならせる方法も考えられる。また、基板１００に成膜する膜については、酸化膜に限らず、シリコン窒化膜（Ｓｉ3Ｎ4）をＣＶＤ装置等で成膜する方法も考えられる。
５．第５実施形態
次に、第５実施形態に係る慣性センサー１ｄについて、図１８を参照して説明する。尚、図１８は、説明する便宜上、蓋体５０を取り外した状態を図示している。また、図１８において、基板１０に設けられている配線の図示を省略している。
本実施形態の慣性センサー１ｄは、第１実施形態の慣性センサー１に比べ、センサー素子２０ｄの第１可動電極２２ｄ、第２可動電極２３ｄ、及び弾性部２５ｄの構造が異なること以外は、第１実施形態の慣性センサー１と同様である。尚、前述した第１実施形態との相違点を中心に説明し、同様の事項はその説明を省略する。
慣性センサー１ｄは、図１８に示すように、可動体２１１ｄの第１可動電極２２ｄにプラスＸ方向とマイナスＸ方向にそれぞれ延在する弾性部２５ｄが設けられており、弾性部２５ｄには、規制部１９と対向し、Ｙ方向と直交する側面２１ｄに、Ｙ方向に突出する突出部３６ｄが設けられている。尚、弾性部２５ｄは、第１可動電極２２ｄの揺動軸Ｐに対してＹ方向のプラス側の端部の中央からプラスＹ方向に延在する第２連結部３１ｄの先端部に連結されている。そのため、第２連結部３１ｄの先端部を軸とし、可動体２１１ｄの平面２１ａ，２１ｂの面内方向に回転変位可能で且つ可動体２１１ｄの平面２１ａ，２１ｂの直交方向であるＺ方向に回転変位可能に構成されている。
また、第２可動電極２３ｄは、マイナスＹ方向の端部において、第４連結部３３を介して、第３可動電極２４と連結されている。
尚、弾性部２５ｄは、片持ち梁構造であるため、弾性機能部分の共振周波数が高い。そのため、振動試験等の周期的な振動に対する耐久試験に対して、共振が発生しセンサー素子２０ｄが破損する虞が小さく、より信頼性の高い慣性センサー１ｄを得ることができる。
このような構成とすることで、より信頼性を高めることができ、第１実施形態の慣性センサー１と同等の効果を得ることができる。
６．第６実施形態
次に、第６実施形態に係る慣性センサー１～１ｄを備える慣性計測装置２０００について、図１９及び図２０を参照して説明する。尚、以下の説明では、慣性センサー１を適用した構成を例示して説明する。
図１９に示す慣性計測装置２０００（ＩＭＵ：Inertial Measurement Unit）は、自動車や、ロボットなどの運動体の姿勢や、挙動などの慣性運動量を検出する装置である。慣性計測装置２０００は、３軸に沿った方向の加速度Ａｘ，Ａｙ，Ａｚを検出する加速度センサーと、３軸周りの角速度ωｘ，ωｙ，ωｚを検出する角速度センサーと、を備えた、いわゆる６軸モーションセンサーとして機能する。
慣性計測装置２０００は、平面形状が略正方形の直方体である。また、正方形の対角線方向に位置する２ヶ所の頂点近傍に、固定部としてのネジ穴２１１０が形成されている。この２ヶ所のネジ穴２１１０に２本のネジを通して、自動車などの被装着体の被装着面に慣性計測装置２０００を固定することができる。尚、部品の選定や設計変更により、例えば、スマートフォンやデジタルカメラに搭載可能なサイズに小型化することも可能である。
慣性計測装置２０００は、アウターケース２１００と、接合部材２２００と、センサーモジュール２３００と、を有し、アウターケース２１００の内部に、接合部材２２００を介在させて、センサーモジュール２３００を挿入した構成となっている。また、センサーモジュール２３００は、インナーケース２３１０と、基板２３２０と、を有する。
アウターケース２１００の外形は、慣性計測装置２０００の全体形状と同様に、平面形状が略正方形の直方体であり、正方形の対角線方向に位置する２ヶ所の頂点近傍に、それぞれネジ穴２１１０が形成されている。また、アウターケース２１００は、箱状であり、その内部にセンサーモジュール２３００が収容されている。
インナーケース２３１０は、基板２３２０を支持する部材であり、アウターケース２１００の内部に収まる形状となっている。また、インナーケース２３１０には、基板２３２０との接触を防止するための凹部２３１１や後述するコネクター２３３０を露出させるための開口２３１２が形成されている。このようなインナーケース２３１０は、接合部材２２００を介してアウターケース２１００に接合されている。また、インナーケース２３１０の下面には接着剤を介して基板２３２０が接合されている。
図２０に示すように、基板２３２０の上には、コネクター２３３０、Ｚ軸周りの角速度を検出す角速度センサー２３４０ｚ、Ｘ軸、Ｙ軸およびＺ軸の各軸方向の加速度を検出する加速度センサーユニット２３５０などが実装されている。また、基板２３２０の側面には、Ｘ軸周りの角速度を検出する角速度センサー２３４０ｘ及びＹ軸周りの角速度を検出する角速度センサー２３４０ｙが実装されている。
加速度センサーユニット２３５０は、前述したＺ方向の加速度を測定するための慣性センサー１を少なくとも含み、必要に応じて、一軸方向の加速度を検出したり、二軸方向や三軸方向の加速度を検出したりすることができる。尚、角速度センサー２３４０ｘ，２３４０ｙ，２３４０ｚとしては、特に限定されず、例えば、コリオリの力を利用した振動ジャイロセンサーを用いることができる。
また、基板２３２０の下面には、制御ＩＣ２３６０が実装されている。慣性センサー１から出力された検出信号に基づいて制御を行う制御部としての制御ＩＣ２３６０は、ＭＣＵ（Micro Controller Unit）であり、不揮発性メモリーを含む記憶部や、Ａ／Ｄコンバーターなどを内蔵しており、慣性計測装置２０００の各部を制御する。記憶部には、加速度、および角速度を検出するための順序と内容を規定したプログラムや、検出データをデジタル化してパケットデータに組込むプログラム、付随するデータなどが記憶されている。尚、基板２３２０には、その他にも複数の電子部品が実装されている。
このような慣性計測装置２０００は、慣性センサー１を含む加速度センサーユニット２３５０を用いているため、耐衝撃性に優れ、信頼性の高い慣性計測装置２０００が得られる。
１，１ａ，１ｂ，１ｃ…慣性センサー、１０…基板、１０ａ…上面、１１…第１凹部、１２…第１底面、１３…第２凹部、１４…第２底面、１５…支持部、１６…第１固定電極、１７…第２固定電極、１８…第３固定電極、１９…規制部、２０…センサー素子、２１…可動体、２１ａ，２１ｂ…平面、２１ｃ，２１ｄ…側面、２２…第１可動電極、２３…第２可動電極、２４…第３可動電極、２５，２６…弾性部、２７…固定部、２８…支持梁部、２９…懸架部、３０…第１連結部、３１…第２連結部、３２…第３連結部、３３…第４連結部、３４…開口部、３５…貫通孔、３６…突出部、３６ｃ…当接面、４１，４２，４３…接続端子、５０…蓋体、５０ａ…下面、５１…凹部、Ｇ…矢印、Ｐ…揺動軸、Ｓ…内部空間。

Claims (7)

  1. 互いに直交する３軸をＸ軸、Ｙ軸、及びＺ軸としたとき、
    前記Ｚ軸の変位に基づく物理量を検出する慣性センサーであって、
    基板と、
    前記基板に固定され、前記Ｘ軸に沿う揺動軸まわりに揺動し、互いに対向する２つの平面とその間を繋ぐ側面とを有する可動体と、
    前記基板に固定され、前記可動体の前記側面に対向する規制部と、を備え、
    前記可動体は、前記規制部に対向する部分に弾性部を備える、
    慣性センサー。
  2. 前記弾性部は、前記Ｙ軸に沿う方向に突出する突出部を備える、
    請求項１に記載の慣性センサー。
  3. 前記弾性部は、前記Ｘ軸に沿う方向に突出する突出部を備える、
    請求項１又は請求項２に記載の慣性センサー。
  4. 前記弾性部は、前記Ｚ軸に沿う方向に突出する突出部を備える、
    請求項１乃至請求項３の何れか一項に記載の慣性センサー。
  5. 前記弾性部は、前記２つの平面を貫通する貫通孔を備える、
    請求項１乃至請求項４の何れか一項に記載の慣性センサー。
  6. 前記基板は、前記可動体と対向する面の反対側の面に酸化膜を備える、
    請求項１乃至請求項５の何れか一項に記載の慣性センサー。
  7. 請求項１乃至請求項６の何れか一項に記載の慣性センサーと、
    前記慣性センサーから出力された検出信号に基づいて制御を行う制御部と、
    を備える、
    慣性計測装置。
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