JP3087307U - 加速度センサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 より単純な構造で、耐衝撃性を維持する。 【解決手段】 シリコン基板１００の下面に環状の溝Ｇ
を堀って可撓部１２０を形成し、その内側を重錘体１１
０とし、その外側を固定部１３０とする。固定部１３０
の下面を副基板２００に接合する。可撓部１２０の上面
に抵抗素子Ｒを形成し、加速度の作用に基づく重錘体１
１０の変位を、応力が加わった抵抗素子Ｒの抵抗値の変
化として検出する。重錘体１１０と副基板２００との間
に、シリコンゲル３００を充填することにより、過度の
加速度が作用した場合の重錘体１１０の変位を制限す
る。装置筐体の一部を副基板２００として利用してもよ
い。シリコンゲル３００の接触面に、充填用溝や波状面
を形成しておくと、充填位置がずれるのを防ぐことがで
きる。

Description

【考案の詳細な説明】

【０００１】

【考案の属する技術分野】

本考案は加速度センサに関し、特に、重錘体の変位を電気的に検出することに より、作用した加速度を検出する加速度センサに関する。

【０００２】

【従来の技術】

産業機械、ロボット、車両などを制御するために、種々のタイプの加速度セン サが利用されている。最も一般的な加速度センサは、装置筐体内に収容された重 錘体の変位を電気的に検出するタイプのものである。重錘体を装置筐体に対して 所定の自由度をもって変位可能となるように、可撓性をもった支持手段で支持し た状態にしておけば、作用した加速度に応じて重錘体に変位が生じることになる 。この変位の向きおよび大きさを電気的に検出することにより、作用した加速度 の方向と大きさを求めることができる。

【０００３】 近年、小型で量産化に適した半導体加速度センサの需要が高まってきている。 たとえば、特許第２８９２７８８号公報には、半導体基板にダイシングブレード で溝を堀ることにより重錘体を形成し、この重錘体の変位を、同じ半導体基板上 に形成した抵抗素子の抵抗値の変化として検出することができる加速度センサが 開示されている。このように半導体基板を材料として用いた加速度センサは、汎 用の半導体加工プロセスを利用して生産することができるため、商業上の量産に 適し、しかも小型化しやすいというメリットがある。しかしながら、シリコンな どの半導体材料は、機械的構造体としては脆弱であるため、上述した半導体加速 度センサは、過度の加速度が作用した場合に破損しやすいというデメリットを併 せもつ。特に、重錘体を支持する可撓性支持手段がシリコンなどの半導体で構成 されている場合、大きな加速度の作用により重錘体が大幅に変位すると、可撓性 支持手段に弾性変形域を超えるような過度の力が加わり、亀裂が生じたり、破断 したりするおそれがある。

【０００４】 したがって、従来の一般的な半導体加速度センサでは、重錘体の変位を所定の 範囲内に制限するための制限部材が設けられている。大きな加速度が作用した場 合には、重錘体が制限部材に接触し、それ以上の変位を生じないように構成して おけば、この重錘体を支持している支持手段にも過度の力が加わることがなく、 破損を防ぐことができる。たとえば、前掲公報に開示されている半導体加速度セ ンサでは、重錘体の変位を制限するために、重錘体の近傍に制限部材として機能 する構造体が配置されている。

【０００５】

【考案が解決しようとする課題】

上述したように、加速度センサの耐衝撃性を維持するためには、重錘体の変位 を所定の範囲内に制限する必要がある。しかしながら、このような制限を行うた めに、重錘体の近傍に付加的な制限部材を配置する手法を採ると、装置全体の構 造が複雑になり、生産性やコストの面で問題が生じることになる。

【０００６】 そこで本考案は、より単純な構造で、耐衝撃性を維持することができる加速度 センサを提供することを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】

(1) 本考案の第１の態様は、装置筐体と、この装置筐体内に収容された重錘 体と、この重錘体を装置筐体に対して所定の自由度をもって変位可能となるよう に支持する支持手段と、重錘体の変位を検出する検出手段と、を備え、検出手段 による検出結果を、作用した加速度の検出値として出力する機能を有する加速度 センサにおいて、 装置筐体の一部から構成される固定部材もしくは装置筐体に固定された別部材 によって構成される固定部材と、重錘体と、の間に、ゲル状充填材料を充填し、 重錘体の変位が、ゲル状充填材料の変形を伴いながら生じるように構成し、過度 の衝撃が加わった場合にも、ゲル状充填材料が重錘体に対する衝撃緩衝体として 機能するようにしたものである。

【０００８】 (2) 本考案の第２の態様は、重錘体として機能する作用部と、この作用部を 周囲から支持する可撓性をもった可撓部と、この可撓部を周囲から支持する固定 部と、この固定部を支持するとともに作用部を収容する装置筐体と、作用部の変 位を検出する検出手段と、を備え、検出手段による検出結果を、作用した加速度 の検出値として出力する機能を有する加速度センサにおいて、 装置筐体の一部から構成される固定部材もしくは装置筐体に固定された別部材 によって構成される固定部材と、作用部と、の間に、ゲル状充填材料を充填し、 作用部の変位が、ゲル状充填材料の変形を伴いながら生じるように構成し、過度 の衝撃が加わった場合にも、ゲル状充填材料が重錘体に対する衝撃緩衝体として 機能するようにしたものである。

【０００９】 (3) 本考案の第３の態様は、上述の第２の態様に係る加速度センサにおいて 、 作用部、可撓部、固定部を、１枚の主基板によって構成し、固定部材として機 能する副基板を主基板に平行になるように配置し、固定部を副基板に固定すると ともに、副基板が装置筐体に固定されるようにし、作用部と副基板との間に空隙 部が形成されるようにし、この空隙部にゲル状充填材料を充填するようにしたも のである。

【００１０】 (4) 本考案の第４の態様は、上述の第３の態様に係る加速度センサにおいて 、 副基板を装置筐体の一部として組み込むようにしたものである。

【００１１】 (5) 本考案の第５の態様は、上述の第３または第４の態様に係る加速度セン サにおいて、 主基板の下面に環状溝を形成し、環状溝形成部が可撓部、環状溝形成部より内 側部分が作用部、環状溝形成部より外側部分が固定部、として機能するようにし 、かつ、固定部の厚みに比べて作用部の厚みを小さくすることにより、作用部と 副基板との間に空隙部が形成されるようにしたものである。

【００１２】 (6) 本考案の第６の態様は、上述の第３〜第５の態様に係る加速度センサに おいて、 主基板を半導体基板により構成し、可撓部に形成された抵抗素子を検出手段と して用いるようにし、抵抗素子の抵抗値の変化に基づいて作用部の変位を検出で きるようにしたものである。

【００１３】 (7) 本考案の第７の態様は、上述の第１〜第６の態様に係る加速度センサに おいて、 重錘体もしくは作用部側のゲル状充填材料に対する接触面と、固定部材側のゲ ル状充填材料に対する接触面とに、それぞれ充填用溝を形成し、ゲル状充填材料 の移動を阻止できるようにしたものである。

【００１４】 (8) 本考案の第８の態様は、上述の第１〜第７の態様に係る加速度センサに おいて、 重錘体もしくは作用部側のゲル状充填材料に対する接触面と、固定部材側のゲ ル状充填材料に対する接触面とに、それぞれ断面が波状の面を形成するようにし 、ゲル状充填材料の移動を阻止できるようにしたものである。

【００１５】 (9) 本考案の第９の態様は、上述の第１〜第８の態様に係る加速度センサに おいて、 ゲル状充填材料として、シリコンゲルを用いるようにしたものである。

【００１６】

【考案の実施の形態】

以下、本考案を図示する実施形態に基づいて説明する。図１は、本考案の一実 施形態に係る加速度センサの側断面図である。この加速度センサは、シリコンな どの半導体からなる主基板１００と、金属あるいは樹脂などからなる副基板２０ ０と、によって構成されている。主基板１００は、重錘体として機能する作用部 １１０と、この作用部１１０を周囲から支持する可撓性をもった可撓部１２０と 、この可撓部１２０を周囲から支持する固定部１３０と、の３つの部分から構成 されている。このような構造を有する主基板１００は、１枚の半導体基板を部分 的に切削（もしくはエッチングなどにより除去）することにより形成することが できる。図示の例の場合、主基板１００の下面には、方環状または円環状の溝Ｇ が形成されており（溝Ｇは、下面から見ると、方環状または円環状をしている） 、この溝Ｇの形成部が可撓部１２０、その内側部分が作用部１１０、外側部分が 固定部１３０となっている。また、作用部１１０の下面は所定寸法だけ削り出さ れており、固定部１３０の厚みに比べて、作用部１１０の厚みは小さく設定され ており、作用部１１０と副基板２００との間には、空隙部が形成されている。た だし、この空隙部には、図示のとおりゲル状充填材料３００が充填されている。

【００１７】 作用部１１０は、周囲を方環状または円環状の溝Ｇで囲まれた角柱状または円 柱状の構造体であり、この加速度センサにおける重錘体として機能する。この作 用部１１０を周囲から支持する可撓部１２０は、溝Ｇの上層部分から構成されて おり、もともと半導体基板の一部であるが、肉厚が薄いために可撓性を有してい る。固定部１３０は、溝Ｇの周囲部分であり、その底面は副基板２００の上面に 接合されている。副基板２００は、主基板１００に対して平行になるように配置 された平板状の基板であり、固定部材として機能する。この副基板２００を、図 示されていない装置筐体の底面に固定することにより、図１に示す構造体全体が 、装置筐体に収容されることになる。副基板２００および固定部１３０は、装置 筐体に対して固定された状態になるが、可撓部１２０は可撓性を有しているため 、作用部１１０は装置筐体内で宙吊りの状態のまま、作用した加速度に応じて変 位する。別言すれば、作用部１１０は重錘体として機能し、装置筐体に対して所 定の自由度をもって変位可能となるように、支持手段として機能する可撓部１２ ０によって支持されていることになる。

【００１８】 主基板１００の可撓部１２０の上面には、複数の抵抗素子Ｒ（半導体基板上に 形成された不純物層）が形成されており、これらの抵抗素子Ｒは、作用部１１０ の変位を検出する検出手段として機能する。すなわち、加速度の作用により、作 用部１１０が変位を生じると、可撓部１２０の部分に撓みを生じることになり、 抵抗素子Ｒには機械的な応力が加わることになる。このような応力歪みに基づい て、各抵抗素子Ｒの抵抗値は変化する。したがって、各抵抗素子Ｒの抵抗値の変 化を電気的に検出すれば、可撓部１２０に生じた応力を認識することができ、作 用部１１０の変位状態を認識することができ、結局、作用部１１０に作用した加 速度の向きと大きさを認識することができる。たとえば、各抵抗素子Ｒを用いて ブリッジ回路を構成しておけば、これを流れるブリッジ電流に基づいて、各抵抗 素子Ｒの抵抗値の変化を電気的に検出することができ、この検出値を作用した加 速度の検出値として出力することができる。このような具体的な加速度の検出方 法については、たとえば、前掲の特許第２８９２７８８号公報などに開示されて いる公知の方法であるため、ここでは詳しい説明は省略する。

【００１９】 本考案の特徴は、作用部１１０と副基板２００との間の空隙部に、ゲル状充填 材料３００を充填するようにした点にある。ゲル状充填材料３００は、ゲルの性 質上、任意の形状に形態を変えることができるため、作用部１１０は、ある程度 の自由度をもって変位することができる。すなわち、作用部１１０は、ゲル状充 填材料３００の変形を伴いながら変位することになる。したがって、作用部１１ ０は、加速度が作用した場合には、ゲル状充填材料３００の存在にもかかわらず 、ある程度の自由度をもって変位し、重錘体としての機能を果たすことになる。 つまり、図１に示す加速度センサは、ゲル状充填材料３００を用いない従来の加 速度センサと同様、重錘体（作用部１１０）の変位に基づいて、作用した加速度 を検出する機能を果たすことになる。

【００２０】 ただ、ゲル状充填材料３００を充填することにより、作用部１１０の変位は若 干の制約を受けることになる。特に、大きな加速度が作用したような場合には、 作用部１１０の変位はゲル状充填材料３００によって制限され、過度の変位は抑 制される。結局、ゲル状充填材料３００は、いわゆる「プヨプヨ感」をもったダ ンパー材としての機能を果たすことになり、耐衝撃性を向上させる働きをする。 これは、前掲の特許第２８９２７８８号公報などに開示されて従来の加速度セン サにおける制限部材としての働きと同じである。すなわち、このゲル状充填材料 ３００の働きにより、作用部１１０に過度の加速度が作用しても、その変位は抑 制され、可撓部１２０などに亀裂や破損が生じるのを防ぐことができる。

【００２１】 ここで留意すべき点は、従来の加速度センサで用いられていた制限部材は剛性 材料からなる機械的な構造体であり、設計段階から構造の一部に組み込んでおく 必要があるのに対し、本考案で用いられるゲル状充填材料３００は、ゲル状の物 質であるため、最後の組み立て段階で充填する作業を行えばよい点である。この ため、本考案に係る加速度センサでは、機械的な構造を単純にしたまま、耐衝撃 性を維持することが可能になる。実際、図１の構造を見れば、機械的な構造は極 めて単純であるにもかかわらず、十分な耐衝撃性が得られることがわかるであろ う。

【００２２】 また、このようなゲル状充填材料３００を作用部１１０に接触させた構造では 、加速度センサの周波数特性における固有の共振周波数のピークがなだらかにな る。そのため、作用部１１０が固有の共振周波数で振動している場合にも、各部 の破損が生じにくくなるという副次的なメリットも得られる。なお、作用部１１ ０には、常にゲル状充填材料３００が接触した状態になっているため、作用部１ １０の変位の過渡応答特性は緩慢にならざるを得ない。このため、本考案を適用 した場合、加速度センサとしての応答周波数は低下することになる。しかしなが ら、運動体の傾斜度の測定や、一般民生用の加速度測定に利用する限り、このよ うな応答周波数の低下による大きな問題は生じない。

【００２３】 この実施形態の場合、ゲル状充填材料３００として、シリコンゲルを用いてい る。上述したように、主基板１００はシリコンの基板であるため、シリコンゲル はシリコンからなる作用部１１０に馴染みやすい。また、シリコンゲルは、温度 が変化しても、その物理的な特性（粘度や硬さに基づくいわゆる「プヨプヨ感」 ）がほとんど変化しないため、シリコンゲルをゲル状充填材料３００として用い ると、加速度センサの使用環境の温度が変化したとしても、その周波数特性や耐 衝撃性に大きな変化が生じることはなく、常に安定した性能が得られることにな る。

【００２４】 なお、振動や衝撃が加わっても、ゲル状充填材料３００の充填位置が変化しな いようにするためには、重錘体として機能する作用部１１０側のゲル状充填材料 ３００に対する接触面と、固定部材として機能する副基板２００側のゲル状充填 材料３００に対する接触面とに、それぞれ充填用溝あるいは断面が波状の面を形 成しておくようにするのが好ましい。図２は、上記各接触面に充填用溝を形成し た例を示す側断面図であり、図３は、上記各接触面に断面が波状の面を形成した 例を示す側断面図である。

【００２５】 すなわち、図２に示す副基板２００Ａは、図１に示す副基板２００の上面に、 充填用溝２０１Ａを形成したものであり、図２に示す作用部１１０Ａは、図１に 示す作用部１１０の底面に充填用溝１１１Ａを形成したものである。ゲル状充填 材料３００Ａは、その上下が充填用溝２０１Ａ，１１１Ａに嵌合した状態になっ ているため、振動や衝撃により移動する可能性は少ない。図２の実施形態では、 充填用溝２０１Ａ，１１１Ａを形成するため、作用部１１０Ａの厚みは、図１に 示す作用部１１０の厚みよりも若干厚く設定されているが、その他の構成要素に ついては図１の実施形態と変わりはない。

【００２６】 一方、図３に示す副基板２００Ｂは、図１に示す副基板２００の上面に、波状 面２０１Ｂを形成したものであり、図３に示す作用部１１０Ｂは、図１に示す作 用部１１０の底面に波状面１１１Ｂを形成したものである。ゲル状充填材料３０ ０Ａは、その上下が波状面２０１Ｂ，１１１Ｂに接触した状態になっているため 、振動や衝撃により移動する可能性は少ない。図３の実施形態では、波状面２０ １Ｂ，１１１Ｂを形成するため、作用部１１０Ｂの厚みは、図１に示す作用部１ １０の厚みよりも若干厚く設定されているが、その他の構成要素については図１ の実施形態と変わりはない。

【００２７】 これまで述べてきた図１〜図３に示す構造体は、いずれも加速度センサの中枢 をなす構造部分であるが、実際には、これらの構造体は、図示されていない装置 筐体内に収容され、製品としての加速度センサが完成することになる。この場合 、固定部材として機能する副基板２００，２００Ａ，２００Ｂが装置筐体内に固 定されることになる。もっとも、本考案における固定部材は、必ずしも装置筐体 とは別部材によって構成する必要はなく、装置筐体の一部として構成してもかま わない。

【００２８】 図４は、固定部材を装置筐体の一部を利用して構成した実施形態の側断面図で ある。この実施形態の構造は、いわば、図１に示す副基板２００を装置筐体の一 部に組み込んだ構造というべきものである。すなわち、装置筐体４００の底部上 面に、図１に示す主基板１００が置かれており、固定部１３０の下面が装置筐体 ４００の底部上面に接合されている。装置筐体４００の内部から外部には、配線 用リード４０１，４０２が導かれている（実際には、より多数の配線用リードが 存在する）。この配線用リード４０１，４０２の内側端部は、ワイヤーＷ１，Ｗ ２によって、主基板１００上面の所定の配線用電極（図示されていない）に接続 されている。この配線用電極は、所定の抵抗素子Ｒに接続されている。結局、装 置筐体４００の外部に導出された多数の配線用リードを所定の電子回路に接続す ることにより、各抵抗素子Ｒの電気抵抗の変化を測定することができ、作用した 加速度を測定することができるようになっている。装置筐体４００の上面には、 蓋部５００が接合され、内部が密封されている。この図４に示す実施形態では、 図１に示す副基板２００は用いられていないが、装置筐体４００の底部が副基板 ２００と同様に固定部材として機能することになり、ゲル状充填材料３００は、 作用部１１０と装置筐体４００の底部上面との間に充填されている。

【００２９】 以上、本考案を図示するいくつかの実施形態に基づいて説明したが、本考案は 、これらの実施形態に限定されるものではなく、この他にも種々の態様で実施可 能である。特に、重錘体と、これを支持する支持手段の構造は、上述した実施形 態のように主基板に溝を形成した構造に限定されるものではなく、要するに、重 錘体が装置筐体に対して所定の自由度をもって変位可能となるように支持されて いれば、どのような構造にしてもかまわない。また、上述の実施形態では、重錘 体の変位を検出する検出素子として、抵抗素子Ｒを用いたが、容量素子や圧電素 子など、その他の検出素子を用いてもかまわない。更に、上述の実施形態では、 シリコンゲルをゲル状充填材料として用いたが、その他のゲルをゲル状充填材料 として用いてもかまわない。

【００３０】

【考案の効果】

以上のとおり本考案に係る加速度センサによれば、重錘体の変位を制御するた めにゲル状充填材料を用いるようにしたため、単純な構造で、耐衝撃性を維持す ることができるようになる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本考案の基本的な実施形態に係る加速度センサ
の中枢部を構成する構造体の側断面図である。

【図２】図１に示す実施形態の第１の変形例を示す側断
面図である。

【図３】図１に示す実施形態の第２の変形例を示す側断
面図である。

【図４】図１に示す構造体のうちの主基板１００の部分
を装置筐体４００内に収容して構成した加速度センサの
一例を示す側断面図である。

【符号の説明】

１００，１００Ａ，１００Ｂ…主基板 １１０，１１０Ａ，１１０Ｂ…作用部（重錘体） １１１Ａ…充填用溝 １１１Ｂ…波状面 １２０，１２０Ａ，１２０Ｂ…可撓部 １３０，１３０Ａ，１３０Ｂ…固定部 ２００，２００Ａ，２００Ｂ…副基板 ２０１Ａ…充填用溝 ２０１Ｂ…波状面 ３００，３００Ａ，３００Ｂ…ゲル状充填材料（シリコ
ンゲル） ４００…装置筐体 ４０１，４０２…配線用リード ５００…蓋部 Ｇ…方環状または円環状の溝 Ｒ…抵抗素子 Ｗ１，Ｗ２…ワイヤー

Claims (9)

【実用新案登録請求の範囲】
1. 【請求項１】 装置筐体と、この装置筐体内に収容され
   た重錘体と、前記重錘体を前記装置筐体に対して所定の
   自由度をもって変位可能となるように支持する支持手段
   と、前記重錘体の変位を検出する検出手段と、を備え、
   前記検出手段による検出結果を、作用した加速度の検出
   値として出力する機能を有する加速度センサにおいて、 前記装置筐体の一部もしくは前記装置筐体に固定された
   別部材によって構成される固定部材と、前記重錘体と、
   の間に、ゲル状充填材料を充填し、前記重錘体の変位
   が、前記ゲル状充填材料の変形を伴いながら生じるよう
   に構成したことを特徴とする加速度センサ。
2. 【請求項２】 重錘体として機能する作用部と、この作
   用部を周囲から支持する可撓性をもった可撓部と、この
   可撓部を周囲から支持する固定部と、この固定部を支持
   するとともに前記作用部を収容する装置筐体と、前記作
   用部の変位を検出する検出手段と、を備え、前記検出手
   段による検出結果を、作用した加速度の検出値として出
   力する機能を有する加速度センサにおいて、 前記装置筐体の一部もしくは前記装置筐体に固定された
   別部材によって構成される固定部材と、前記作用部と、
   の間に、ゲル状充填材料を充填し、前記作用部の変位
   が、前記ゲル状充填材料の変形を伴いながら生じるよう
   に構成したことを特徴とする加速度センサ。
3. 【請求項３】 請求項２に記載の加速度センサにおい
   て、 作用部、可撓部、固定部を、１枚の主基板によって構成
   し、固定部材として機能する副基板を前記主基板に平行
   になるように配置し、前記固定部を前記副基板に固定す
   るとともに、前記副基板が装置筐体に固定されるように
   し、前記作用部と前記副基板との間に空隙部が形成され
   るようにし、この空隙部にゲル状充填材料を充填したこ
   とを特徴とする加速度センサ。
4. 【請求項４】 請求項３に記載の加速度センサにおい
   て、 副基板を装置筐体の一部として用いるようにしたことを
   特徴とする加速度センサ。
5. 【請求項５】 請求項３または４に記載の加速度センサ
   において、 主基板の下面に環状溝が形成され、前記環状溝形成部が
   可撓部、前記環状溝形成部より内側部分が作用部、前記
   環状溝形成部より外側部分が固定部、として機能するよ
   うに構成され、かつ、前記固定部の厚みに比べて前記作
   用部の厚みを小さくすることにより、前記作用部と副基
   板との間に空隙部が形成されるようにしたことを特徴と
   する加速度センサ。
6. 【請求項６】 請求項３〜５のいずれかに記載の加速度
   センサにおいて、 主基板を半導体基板により構成し、可撓部に形成された
   抵抗素子を検出手段として用いるようにし、前記抵抗素
   子の抵抗値の変化に基づいて作用部の変位を検出できる
   ようにしたことを特徴とする加速度センサ。
7. 【請求項７】 請求項１〜６のいずれかに記載の加速度
   センサにおいて、 重錘体もしくは作用部側のゲル状充填材料に対する接触
   面と、固定部材側のゲル状充填材料に対する接触面と
   に、それぞれ充填用溝を形成したことを特徴とする加速
   度センサ。
8. 【請求項８】 請求項１〜７のいずれかに記載の加速度
   センサにおいて、 重錘体もしくは作用部側のゲル状充填材料に対する接触
   面と、固定部材側のゲル状充填材料に対する接触面と
   に、それぞれ断面が波状の面を形成したことを特徴とす
   る加速度センサ。
9. 【請求項９】 請求項１〜８のいずれかに記載の加速度
   センサにおいて、 ゲル状充填材料として、シリコンゲルを用いたことを特
   徴とする加速度センサ。