JP4092210B2 - センサ - Google Patents

Description

先行技術
本発明はセンサであって、センサのセンサ構造体がマイクロマシンによる構成エレメントにおいて実施されており、かつ構成エレメントの固定された基板に対して可動な部分を有している形式のものに関する。センサ構造体は少なくとも１つの片持ち梁式の振動質量体と、少なくとも１つのばねを備えたばね装置とを有しており、この振動質量体はばね装置を介して基板に結合されている。さらにセンサ構造体は、ばね装置若しくは振動質量体の変位を少なくとも一方向で制限するための過負荷防止装置を有している。さらに、センサはばね装置若しくは振動質量体の変位を検出するための手段を備えている。

実際に、加速度センサとして考案されたこのような形のセンサが公知である。片持ち梁式の振動質量体は、このために揺動体の形で形成されており、この揺動体は２つのねじりばねを介して、構成エレメントの固定された基板に機械的に結合されていて、かつ電気的にも接触している。揺動体の質量分配は、ねじりばねの配置に関連して非対称的になっているが、この揺動体は前記ばね装置に対して対称的に配置されて形成された２つの静電容量面を有している。これらの静電容量面は基板と共にそれぞれ１つの静電容量部を形成している。センサ構造体に作用する加速度は、ばね装置の周囲で揺動体のねじれ及び／又は傾倒、ひいてはこれらの両静電容量部の間の静電容量差の引き起こす。静電容量差の評価若しくは静電容量差の変化によって、センサ構造体に作用する加速度を特定することができる。公知の加速度センサは垂直方向の感度を有しているので、公知のセンサによって加速度はチップ平面に対して鉛直方向に検出することができる。

公知のセンサのセンサ構造体の可動な部分は、機械的な損傷、例えばばね破損又は電気的な短絡が生じることもなく所定の限界内でのみ変位し得る。過負荷加速度は、しかしながら可動な部分のより大きな変位、ひいてはこれに応じた損傷につながりかねない。それゆえ、公知の加速度センサはねじりばねのためのストッパを備えている。これらのストッパはそれぞれねじりばねと揺動体との間の結合範囲に配置されており、構成エレメントの基板に堅固に結合されていて、ねじりばねの変位若しくは揺動体の運動はｘ／ｙ平面すなわちチップ平面に対して平行に制限されている。ストッパの幾何学的配置は、ねじりばねの予想される変形や変位に適合しておらず、ストッパとねじりばねとは、相応の過負荷加速度が生じた場合に点状若しくは縁状にしか接触しない。

ｚ方向での加速度に関連して、２つの場合、すなわち基板内への加速度と基板からの加速度とが区別されなければならない。第１に挙げた場合には、ねじりばね若しくは振動質量体の運動は、単に電気的に中性的な基板箇所に設けられたストッパによって制限される。第２に挙げた場合に予想されるような基板からの振動質量体の運動は、これに対して簡単には制限できない。それゆえ、約１０μｍの構造高さにおける１０μｍ以上の変位が既に周辺レベルからの振動質量体の持ち上がり、ひいてはセンサ構造体のひっかかりにつながり得る。

公知の加速度センサによる無指向性落下試験では、ストッパの外側縁部及びねじりばねにおいて貝殻状欠落部（Ｍｕｓｃｈｅｌａｕｓｂｒｕｃｈ）が確認された。このような貝殻状欠落部はばね装置の機械的な性質を変化させるか、又はセンサ構造体の初期損傷としての亀裂成長につながりかねない。このようなことに基づいて、感度、オフセット及び試験信号などのセンサの特性が変化してしまうことがあり得る。さらに貝殻状欠落部は電気的な短絡、又は揺動体の機械的な閉塞の原因となり得る粒子の発生源である。総体的に見て前記貝殻状欠落部は一般にセンサ機能のクオリティに関連する損傷につながり、極端な場合にはセンサ機能の完全故障にさえつながりかねない。

発明の利点
そこで本発明によれば、冒頭で述べた形式のセンサにおいてストッパ力が軽減され得るような２つの構造的な手段が提案されており、これにより、貝殻状欠落部及びこれに基づくセンサ構造体の初期損傷並びに粒子形成が防止される。

このことは本発明によれば、一方では、センサ構造体の可動な部分のための過負荷防止装置として働くストッパが面状に形成されており、相応の過負荷加速度が生じた場合に、可動な部分がストッパに面状に接触することにより達成される。このようにしてストッパ力はセンサ構造体に一様に分配されており、このセンサ構造体によって受け止められる。

他方では、本発明によればセンサ構造体の可動な部分のための過負荷防止装置として働くストッパが、ばね弾性的に形成されていることが提案される。この場合、動的なエネルギが当接の間に少なくとも部分的にたわみエネルギに変換されることによりストッパ力が軽減される。動的エネルギのたわみエネルギへの変換は、ばね弾性的なストッパのデザインにより影響され得る。

この箇所では、上に説明した、ストッパ力を低減するための本発明による両手段を互いに無関係に実施することも、互いに組み合わせることもできることを指摘しておきたい。すなわち本発明の枠内には、面状のストッパを備えたセンサ構造体も、ばね弾性的なストッパを備えたセンサ構造体も、面状のストッパと合わせてばね弾性的なストッパをも有するセンサ構造体も、面状であってばね弾性的でもあるように形成されたストッパを備えたセンサ構造体も含まれる。

基本的には、本発明によるセンサのセンサ構造体における面状のストッパの実施若しくは配置のためには様々な可能性がある。

有利な１実施態様では、面状のストッパはばね装置の少なくとも１つのばねのためのストッパ面を形成するように配置されていて、すなわち、ばねの変位を制限する。このためには、面状のストッパはばねの変位の方向に傾斜しているか若しくは湾曲していてよい。面状のストッパの幾何学的配置がばねの曲げラインに適合している場合、特に有利であることが明らかである。この場合、前記ストッパのこのような形状は、ばねとストッパとの間の面状の接触を保証する。

本発明によるセンサのセンサ構造体におけるばね弾性的なストッパの形成及び配置のためにも基本的には様々な可能性がある。

センサ構造体における簡単な実施という観点から見れば、ばね弾性的なストッパが、一方の側が基板に結合された少なくとも１つのたわみばねを有していると有利である。動的エネルギのたわみエネルギへの変換に影響を及ぼす自由なデザインパラメータとしては、この場合、たわみばねの長さと幅とが挙げられる。センサ構造体の可動な部分を緩やかに徐々に制動させることは、有利には多段式に形成されたばね弾性的なストッパによって達成される。このストッパは、互いにほぼ平行に配置された複数のたわみばねを有している。達成したいばね作用に応じて、このような多段式のばね弾性的なストッパのたわみばねの長さ及び／又は幅は異なっていてよい。この場合、さらにばね作用は個々のたわみばねの間の間隔に関連している。すなわち、多段式のばね弾性的なストッパのたわみばねを、このストッパの隣接し合う複数のたわみばねを接触させることなしにどの程度変位させることができるかに関連している。この間隔は、個々のたわみばねの長さと幅とに関係なく、有利には個々のたわみばねの自由な端部の範囲に形成されている突起によって設けることができる。

本発明によるセンサの有利な１実施態様では、ばね装置の少なくとも１つのばねのために少なくとも１つのばね弾性的なストッパが設けられている。これに関連して、ばね弾性的なストッパの少なくとも１つのたわみばねが、ばねに対してほぼ平行に配置されていて、これにより振動質量体に結合されたばね端部とたわみばねの自由な端部とが同一方向に向いている場合、特に有利であることが判明した。ばねとたわみばばねとのこのような配置では、たわみばねはばねの運動に追従し、ばねの運動はこのようにして特に緩やかに制動される。

これに対して補足的に又は択一的にも、振動質量体のための少なくとも１つのばね弾性的なストッパが設けられていてよい。第１のセンサ実施態様では、ばね弾性的なストッパはこのために振動質量体の一方の側に対して単にほぼ平行に配置されていてよい。スペース上の理由から、振動質量体が少なくとも１つの切欠きを有しており、ばね弾性的なストッパの少なくとも１つのたわみばねがこの切欠きの少なくとも１つの側壁に対してほぼ平行に配置されていると有利である。前記切欠きが振動質量体の縁部範囲に設けられており、ばね弾性的なストッパの少なくとも１つのたわみばねが、このたわみばねの少なくとも１つの自由な縁部が切欠き内に突入しているように配置されている場合、特に良好な制動作用が得られる。

上に説明したような面状かつばね弾性的なストッパは、これらのストッパがばね装置若しくは振動質量体の変位をｘ／ｙ方向にのみ、すなわち変位を構成エレメントの主平面に対して平行に向けられた平面内にのみ制限することが望まれる場合には、有利には本発明によるセンサのマイクロマシンセンサ構造体内に組み込むことができる。貝殻状欠落部及びこれに結びついた粒子形成は、この場合、センサ構造体の角範囲の少なくと一部に湾曲部が設けられている、若しくは丸く切り取られていることによって、付加的に防止することができる。

上に既に詳細に論じたように、本発明の技術領域を有利に形成し、かつ発展させる様々な可能性がある。このために、請求項１及び請求項５に従属する請求項、及び図面につき次に詳しく説明する複数の実施例が示される。

実施例の説明
図１、図２、図３、図４及び図５に示したセンサ構造体は、それぞれマイクロマシンの構成エレメントにおいて実施されており、この構成エレメントの固定された基板に対して可動になっている部分、すなわち、片持ち梁式の振動質量体１と、少なくとも１つのばね２を備えたばね装置とを有している。この振動質量体１はばね装置を介して基板に結合されており、これにより、振動質量体１の質量分配はばね装置に関連して非対称的になっている。図１から図５までに示したセンサ構造体は全て、水平方向及び垂直方向の感度を備えた加速度センサにおいて使用するために設計されており、したがって、片持ち梁式の振動質量体１は揺動体の形で形成されていて、かつばね装置は少なくとも１つのねじりばね２を有している。センサ構造体に作用する加速度は、この場合、ばね装置若しくは振動質量体の対応する変位を介して検出され、特定される。

さらに、図１から図５までに示したセンサ構造体のそれぞれには、ばね装置若しくは振動質量体の変位を少なくとも一方向で制限するための過負荷防止装置が設けられている。

図１に示したセンサ構造体は、ねじりばね２のための過負荷防止装置として面状のストッパ３を有している。この面状のストッパ３は、基板に被着された固定の構造体として実施されており、ねじりばね２の変位をｘ／ｙ方向で、すなわち構成エレメントの主平面に対して平行に向けられた平面内に、制限する。ねじりばね２の縁接触による当接を回避し、面接触による当接を保証するために、ストッパ３は側面として形成されており、この側面の傾斜はねじりばね２の曲げラインから導き出されている。択一的に、面状のストッパは湾曲部、例えば双曲線状の湾曲部を有していてもよい。

図１に示したセンサ構造体のねじりばね２は、振動質量体１までの移行範囲にも、いわゆる大陸４、すなわち、ねじりばね２が構成エレメントの基板に結合されている範囲までの移行範囲にも湾曲部５，６を有している。これらの湾曲部５，６は、ねじりばね２が垂直方向に変位した場合、すなわち構成エレメントの主平面に対して鉛直方向に変位した場合に、応力低減のために働く。これにより、落下試験時に破損確率が低減され得る。

図１との関連でさらに述べておきたいのは、本発明の枠内でセンサ構造体の別の可動な部分、すなわち例えば振動質量体のためにも、過負荷防止装置として面状のストッパを設けることができることである。センサ構造体に設けられるこのようなストッパの配置のための異なる可能性を図３及び図５との関連で詳しく述べる。

図２には、ねじりばね２のために用いられる多段式のばね弾性的なストッパ７が示されている。このストッパ７は、図１に示した面状のストッパと全く同じように、ねじりばね２の変位をｘ／ｙ方向で制限する。このために、ばね弾性的なストッパは全部で４つのたわみばね８，９及び１０，１１を有している。これらのたわみばね８，９及び１０，１１は、ねじりばね２の両側に、このねじりばね２に対してほぼ平行に配置されている。たわみばね８，９及び１０，１１は、それぞれ一方の側で構成エレメントの基板に結合されていて、これらのたわみばね８，９及び１０，１１の自由な縁部と、ねじりばね２の、振動質量体１に結合された端部とは同一方向に向いている。上に述べたばね弾性的なストッパの個々のたわみばね８，９及び１０，１１は異なる長さを有している。したがって、ねじりばね２に直接に隣接している内側のたわみばね８，１０は両たわみばね９，１１よりも著しく長く形成されている。個々のたわみばね８，９及び１０，１１の変位は、たわみばね８，９及び１０，１１の自由な端部の範囲にそれぞれ形成されている突起１２により制限される。さらに、たわみばね８，９及び１０，１１の自由な端部には湾曲部１４が設けられており、これにより、これらの範囲における貝殻状欠落部が防止される。

内側の両たわみばね８，１０の間に設けられた中間通路１３は、基板平面からの振動質量体１の持ち上がりを引き起こす垂直方向の加速度時に、ねじりばね２のための案内部を形成する。前記中心通路１３は、このような場合に振動質量体１が出発位置に戻る際にひっかかることを防止する。それゆえ、中間通路１３には突起が突入していないことが望ましい。さらに、ねじりばね２がたわみばね８，１０に付着にないように作用させるためには、たわみばね８，９及び１０，１１が臨界曲げ剛性を超過しないことが望ましい。臨界曲げ剛性は一般に実験により特定されるが、この場合、比較可能な類似のセンサ構造体での経験が手がかりとなり得る。

図２に示したセンサ構造体の特に有利な実施態様では、たわみばね８，１０の、ねじりばね２に面した側は斜めに面取りされているので、ばね弾性的なストッパにおいても縁状ではなく面状の当接が得られる。

本発明によるセンサのセンサ構造体では、過負荷防止装置として働く既に説明したストッパに対して付加的又は択一的に、振動質量体のための面状及び／又はばね弾性的なストッパも設けられている。図３にはこのようなストッパの位置決めのための様々な可能性が示されている。このためには主に３つの範囲が問題となる。すなわち、ねじりばね２に直接に隣接した範囲に設けられるストッパ３１、振動質量体１の内側縁部の範囲に設けられるストッパ３２，そして振動質量体１の外側の範囲に設けられるストッパ３３である。

振動質量体１の外側縁部範囲に配置されたストッパ３３は、振動質量体１の運動が、回転加速時にわずかな変位が生じた場合に既にストッパ内で終了するという利点を有する。これに応じた衝撃伝達はわずかである。

既に述べたように、加速時に構成エレメントの主平面に対して垂直方向に、振動質量体がセンサ構造体から持ち上げられ、その結果、振動質量体の運動がこのｚ方向で制限されていない場合には、センサ構造体のひっかかりにつながることがあり得る。対応するｚ方向のストッパが存在しない場合には、複数のストッパが振動質量体の回転軸にできるだけ密に位置決めされていると有利である。なぜならば、センサ構造体のこの箇所での振動質量体の持ち上がりが最小限だからである。

図４には、振動質量体１においてばね弾性的なストッパを実施するための可能性が示されている。この場合、振動質量体は縁部範囲に２つの切欠き４１を備えている。それぞれの切欠き４１内には、両切欠き４１の側壁に対してそれぞれほぼ平行に配置された２つのたわみばね４２の自由な端部が突入している。このたわみばね４２の自由な端部並びに切欠き４１の前記側壁は突起を備えており、これによって、切欠き４１の内部のたわみばね４２と、対応する切欠き４１の側壁との間にもたらされるストッパ間隔は異なるように形成されている。このことにより段階的な当接が得られる。さらに、たわみばね４２のそれぞれの長さと幅とによって影響されるたわみばねの曲げ剛性は、これにより生ぜしめられる戻し力が、たわみばね４２が振動質量体１に付着することを防止できる程に十分に大きく選択されている。

さらに指摘しおきたいのは、振動質量体のための既に述べたばね弾性的なストッパを面状のストッパとして形成し、図１に関連して述べた、ねじりばね２の湾曲部と組み合わせることもできるということである。

基本的には、図５に示したようにストッパ５１，５２を振動質量体１の内部に位置決めするという可能性もある。ストッパ５１は容量面の懸架部内の、ねじりばね２の延長部に設けられている。この場合、この容量面を介して振動質量体の変位が特定される。ストッパ５１のこの配置は、単純な電気的な接触を可能にする。

本発明のセンサの一部であるようにストッパをセンサ構造体内に位置決めする際には、次のような観点が考慮されるべきである。

ばね装置の少なくとも１つのばねの運動をｘ／ｙ方向で制限するストッパは付加的にばねのための案内部としても作用し、振動質量体が垂直方向の加速度によりｘ／ｙ平面から持ち上げられた場合に、振動質量体が再び出発位置に滑り戻ることができるようようになっている。ｚ方向での過負荷加速度は、この実施態様においては必ずしもセンサ機能の故障にはつながらない。もちろんこのようなストッパは初期損傷を有する場合、センサ特性、例えば感度、試験信号、オフセットに重大な影響を及ぼしかねない。なぜならば、ばね装置のばねは、機械的に見て極めて高感度な構造体だからである。

これとは反対に、振動質量体の運動をｘ／ｙ方向で制限するストッパは、ばね装置の機械的特性及び機能性には関わりがない。もちろんこれらのストッパは、振動質量体がｚ方向に変位した場合には案内部として作用することもないので、この場合、振動質量体はひっかかりやすく、かつセンサ構造体に横たわったままになりかねない。このことはセンサ機能の故障に結びつく。さらに、この場合には微粒子形成によるセンサ構造体の初期損傷を検知することはできない。なぜならば、センサ特性若しくは特性線パラメータは変化を示さないからである。移動する微粒子に基づたセンサ機能の損傷も同様に検知することはできない。

本発明による第１のセンサの、面状のストッパを備えたセンサ構造体を断面して示す平面図である。

本発明による別のセンサの、ばね弾性的なストッパを備えたセンサ構造体を断面して示す平面図である。

本発明による１センサの振動質量体における種々異なるストッパ位置を示す図である。

本発明による別のセンサの、ばね弾性的なストッパを備えたセンサ構造体を断面して示す平面図である。

本発明によるセンサの振動質量体における別の可能なストッパ位置を示す図である。

Claims (10)

1. センサであって、該センサのセンサ構造体が、マイクロマシニング技術により製作されたマイクロマシン構成エレメントに実現されており、かつ該構成エレメントの固定された基板に対して可動な部分を有しており、当該センサが少なくとも、
   １つの片持ち梁式の振動質量体（１）を有しており、
   少なくとも１つのばね（２）を備えたばね装置を有しており、振動質量体（１）が、ばね装置を介して基板に結合されており、
   ばね装置若しくは振動質量体（１）の変位を、少なくとも一方向で制限するための過負荷防止装置を有しており、
   ばね装置若しくは振動質量体（１）の変位を検出するための手段を有している、
   形式のセンサにおいて、
   過負荷防止装置として、センサ構造体の少なくとも１つの可動な部分のための少なくとも１つのばね弾性的なストッパ（７）が設けられており、
   該ばね弾性的なストッパ（７）が、互いに対してほぼ平行に配置された少なくとも２つのたわみばね（８，９，１０，１１；４２）を有していることにより、該ばね弾性的なストッパ（７）が、ばね装置若しくは振動質量体（１）の変位を、少なくとも一方向で制限するために多段式に形成されており、
   前記少なくとも２つのたわみばね（８，９，１０，１１；４２）が、一方の側で基板に結合されている
   ことを特徴とするセンサ。
2. 多段式のばね弾性的なストッパ（７）のたわみばね（８，９，１０，１１）の長さ及び／又は幅が、互いに異なるように形成されている、請求項１記載のセンサ。
3. 前記少なくとも２つのたわみばね（８，９，１０，１１；４２）の自由な端部に、少なくとも１つの突起（１２）が形成されており、かつ該突起表面の少なくとも１つの範囲が、前記少なくとも２つのたわみばね（８，９，１０，１１；４２）のストッパ面を形成している、請求項１または２記載のセンサ。
4. 少なくとも１つのばね弾性的なストッパ（７）が、ばね装置の少なくとも１つのばね（２）のために設けられている、請求項１から３までのいずれか１項記載のセンサ。
5. ばね弾性的なストッパ（７）の少なくとも２つのたわみばね（８，９，１０，１１）が、ばね装置の前記ばね（２）に対してほぼ平行に配置されており、これにより、該ばね（２）の、振動質量体（１）に結合された端部と、前記少なくとも２つのたわみばね（８，９，１０，１１）の自由な端部とが同一方向に向いている、請求項１から４までのいずれか１項記載のセンサ。
6. 少なくとも１つのばね弾性的なストッパが、振動質量体（１）のために設けられている、請求項１から３までのいずれか１項記載のセンサ。
7. 振動質量体（１）が、少なくとも１つの切欠き（４１）を有しており、かつばね弾性的なストッパの前記少なくとも２つのたわみばね（４２）が、切欠き（４１）の少なくとも１つの側壁に対してほぼ平行に配置されており、前記切欠き（４１）が、振動質量体（１）の縁部範囲に設けられており、しかも前記少なくとも２つのたわみばね（４２）は、少なくとも該たわみばね（４２）の自由端部がそれぞれ前記切欠き（４１）内に突入するように配置されている、請求項１、２、３または６記載のセンサ。
8. ストッパ（７）が、ばね装置若しくは振動質量体（１）の変位をｘ／ｙ方向で、すなわち構成エレメントの主平面に対して平行に向けられた平面内に制限している、請求項１から７までのいずれか１項記載のセンサ。
9. センサ構造体の角張った範囲の少なくとも一部が、湾曲部（５，６；１４）を備えているか、若しくは丸く切り取られている、請求項８記載のセンサ。
10. 請求項１から請求項９までのいずれか１項記載のセンサにより形成された、水平方向及び垂直方向の感度を備えた加速度センサにおいて、片持ち梁式の振動質量体（１）が、揺動体として形成されており、かつばね装置が少なくとも１つのねじりばね（２）を有していることを特徴とする、加速度センサ。

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