JP4799533B2 - 半導体加速度センサ - Google Patents

Description

本発明は、自動車や航空機等の輸送機器や携帯電話等の携帯機器等の機器に搭載されてその加速度や衝突等の測定に用いられる半導体加速度センサに関する。

従来の半導体加速度センサは、シリコンからなる矩形の枠状の固定部に、十字状に配置された可撓部により、揺動可能に支持された重錘部と、固定部の４隅に形成され、重錘部の上方への移動を制限するストッパとを有するセンサチップを、枠状の有底のケースとその上面に取付けられた平板状の蓋とで形成される空間に収納して構成され、ストッパに重錘部を衝突させて、重錘部の上方への過大な変位を制限することにより、過大な加速度によるセンサチップの破損を防止している（例えば、特許文献１参照。）。

また、センサチップの加速度検出試験を行う場合に、重錘部の上方への移動を制限するためのストッパとして機能する制御部材の下面に電極層を形成すると共に、これに対向する可撓部の上面にも電極層を形成し、対向する電極層間に同極性または異極性の電化を印加し、これにより生ずるクーロン力による反発力または引力を利用して可撓部を変形させ、これによるセンサチップからの信号出力を用いてセンサチップの試験を行っているものがある（例えば、特許文献２参照。）。
特開２００２−１９８２４３号公報（主に第５頁段落００２０−００２５、第７頁段落００４１、００４４、第１図、第２図） 特開平３−２０００３８号公報（主に第８頁左上欄−第９頁右上欄、第９図、第１２図）

しかしながら、上述した従来の特許文献１の技術においては、固定部の４隅に設けたストッパに重錘部を衝突させて、重錘部の上方への過大な変位を防止しているため、半導体加速度センサに過大な加速度が印加されて重錘部がストッパに衝突したときに、重錘部とストッパとが凝着してしまう場合があり、凝着が生ずると、物理的な衝撃を加える以外に凝着状態を解除する手段がなく、センサチップからの信号出力が固定されて加速度の検出ができなくなるという問題がある。

本発明は、上記の問題点を解決するためになされたもので、半導体加速度センサに過大な加速度による重錘部とストッパとの凝着が生じたときに、その凝着状態を自動的に解除する手段を提供することを目的とする。

本発明は、上記課題を解決するために、有底のケースと、前記ケースの上面に取付けられた蓋と、前記ケースと蓋とにより形成された空間に収納され、枠状の固定部と、前記固定部の中央に可撓部により揺動可能に支持された重錘部と、前記重錘部の上方への移動を制限するストッパとを有するセンサチップと、を備えた半導体加速度センサであって、前記蓋を磁性材料で形成すると共に、前記蓋の周囲を少なくとも１巻する第１のコイルを設け、前記蓋の下面に対向する前記重錘部の上面の中央部に、１以上の巻数を有する第２のコイルを設けたことを特徴とする。

これにより、本発明は、重錘部とストッパとの間に凝着が生じた場合に、第１および第２のコイルに電流を流して、重錘部とストッパとの間に反発力を生じさせることができ、半導体加速度センサに過大な加速度による重錘部とストッパとの凝着が生じたときに、反発力を用いて凝着状態を自動的に解除することができるという効果が得られる。

以下に、図面を参照して本発明による半導体加速度センサの実施例について説明する。

図１は実施例の半導体加速度センサの断面を示す説明図、図２は実施例の半導体加速度センサの組立状態を示す説明図、図３は実施例のセンサチップの上面を示す説明図、図４は実施例の半導体加速度センサの制御系統を示す説明図である。
なお、図１に示すセンサチップの断面は、図３に示すＡ−Ａ断面線に沿った断面で示してある。

図１、図２において、１は半導体加速度センサである。
２はケースであり、セラミック材料等で形成された底板３を有する有底の枠状部材であって、矩形の底板３の周囲を囲う枠状に形成された側壁４には、その開口側の上面４ａから、底板３側に形成された内部端子５に達するスルーホールに埋込まれた導電プラグ６が形成されており、底板３と側壁４とで囲まれた内側の空間がセンサチップ１０や制御チップ２０を収納するチップ収納空間として機能する。

７は蓋であり、磁性材料の薄板で形成された板状部材であって、ケース２の側壁４の上面４ａに接着剤等の接合部材で接合されており、その周囲の側面には、エナメル線等の被服導線が巻き付けられて、１巻の第１のコイル８が形成され、その両端部はそれぞれケース２の側壁４の上面４ａに露出している導電プラグ６の端面（図２参照）に電気的に接続される。

これらの蓋７と第１のコイル８とにより、有心の第１の電磁石９ａが形成される。
上記のセンサチップ１０は、互いに直交するＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸からなる３軸の加速度成分をピエゾ抵抗素子１１で形成されたブリッジ回路１２（図４参照）の平衡状態の変化を利用して出力するセンサである。
図３において、１３はセンサチップ１０の固定部であり、センサチップ１０の周縁部を形成するシリコン（Ｓｉ）からなる略正方形の有底の枠状部材であって、その内側には十字状に配置された薄いシリコンからなる可撓部１４に釣り下げられた重錘部１５が揺動可能に収容されている。

本実施例の重錘部１５は、固定部１３の内側の中央部に配置された略正方形の錘支持部１５ａの各隅部に、４つの錘部１５ｂを形成して構成され、その錘支持部１５ａは可撓部１４に接続して、その上面は固定部１３の上面、可撓部１４の上面と面一に形成されており、錘部１５ｂの上面は、錘支持部１５ａの上面より１段低く形成されている（図１参照）。

また、固定部１３の４つ辺の中央にそれぞれ固定された可撓部１４には、それぞれブリッジ回路１２を形成するためのピエゾ抵抗素子１１（図２における図示は省略）が形成されている。
１６はコアであり、重錘部１５の錘支持部１５ａの上面の中央部に接着等により取付けられた磁性材料からなる矩形の薄板であって、その周囲にはアルミニウム（Ａｌ）等の導電材料で形成されたメタル配線からなる１巻以上（本実施例では、２．５巻）の第２のコイル１７が形成され、その両端部はそれぞれ可撓部１４上に形成された接続配線１８に接続している。

これらのコア１６と第２のコイル１７とにより、有心の第２の電磁石９ｂが形成される。
本実施例の第２のコイル１７は、発生させる磁界に応じて、錘支持部１５ａの上面の一部または全部に形成される。
１９はストッパであり、固定部１３の内側の４つの隅部に、それぞれの隅を頂点とする直角３角形状に形成されており、図１に示すように、その下面は重錘部１５の錘部１５ｂの上面と、所定の隙間Ｃ（本実施例では、２〜５μｍ）を介して対向しており、センサチップ１０に印加された過大な加速度により、重錘部１５が上方に移動したときに、１ないし４の錘部１５ｂが衝突させて、可撓部１４に過大な変形が生じることを防止する。

図１、図４において、２０はＬＳＩ（Ｌａｒｇｅ Ｓｃａｌｅ Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ ｃｉｒｃｕｉｔ）等の制御チップであり、ケース２の底板３上に接着剤等により形成された接着層２１により接合され、その上面にはセンサチップ１０の下面が接着剤等により形成された接着層２２により接合されている。
図４において、２３は制御チップ２０の制御部であり、制御チップ２０内の各部を制御して凝着解除処理等を実行する。

２４は記憶部であり、制御部２３が実行するプログラムやそれに用いる各種のデータおよび制御部２３による処理結果等が格納される。
２５は時計部であり、水晶発振器等を有する周波数発生器等を備えており、発生した周波数を基に時間を計数して制御部２３へ出力する機能を有している。
２６は増幅器であり、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向、Ｚ軸方向のそれぞれの加速度検出用に形成されたブリッジ回路１２が内部接続され、これらの信号出力を増幅する機能を有しており、ＤＡコンバータ２７、ＡＤコンバータ２８を介して制御部２３に接続している。

また、制御部２３には、外部端子２９（図２参照）を介して外部との信号の送受を行うためのインタフェース回路３１や、第１のコイル８および第２のコイル１７へ電流を供給するための電流発生回路３２が接続している。
更に、制御部２３は、本実施例の半導体加速度センサ１を搭載した上位装置として図示しない機器の主制御部と通信可能に接続されている。

上記の構成の半導体加速度センサ１を組立てる場合は、図１、図２に示すように、制御チップ２０の下面をケース２の底板３上の中央部に接着層２１により接合し、その制御チップ２０の上面にセンサチップ１０を接着層２２により接合して積層し、ワイヤボンディングにより、制御チップ２０の図示しないパッドと、内部端子５および外部端子２９に接続する図示しない内部端子とを金（Ａｕ）等の導電材料で形成されたワイヤ３４で電気的に接続して、ケース２のチップ収納空間にセンサチップ１０を積層した制御チップ２０を設置し、ケース２の側壁４の上面４ａに、周囲に、第１のコイル８を形成した蓋７の下面を接合部材で接合して取付け、第１のコイル８の両端部を、それぞれケース２の側壁４の上面４ａの導電プラグ６の端面に半田等によりに電気的に接続する。

これにより、図１に示す、蓋７の下面と、重錘部１５の錘支持部１５ａの上面とが所定の間隔Ｋ（本実施例では、３０〜２００μｍ）を介して対向する半導体加速度センサ１が組立てられると共に、図４に示す制御系統が結線される。
上記の制御チップ２０の記憶部２４には、センサチップ１０からのＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸用のブリッジ回路１２の信号出力を検出して、そのいずれかの信号出力が、正負の接近判定値の範囲外となったときに、信号出力が範囲外となっている維持時間を計測し、計測した維持時間が異常判定時間以上となった場合に、重錘部１５とストッパ１９との凝着を判定して、第１および第２のコイル８、１７に、互いを反発させる方向に磁界を形成する電流を供給する機能を有する凝着解除処理プログラムが予め格納されており、制御部２３が実行する凝着解除処理プログラムのステップにより本実施例の半導体加速度センサ１のハードウェアとしての各機能手段が形成される。

また、記憶部２４には、重錘部１５のストッパ１９への接近を検出するための接近判定値、重錘部１５の上面とストッパの下面とが凝着したことを判定するための異常判定時間、および凝着が解除されないことを判定するための不解除判定時間が予め設定されて格納されている。
本実施例では、接近判定値として、重錘部１５の上面とストッパの下面とが当接したときの最大信号出力の７０〜９０％の範囲の加速度の正負の信号出力（本実施例では約±８０％に相当する±２．５Ｇ）が設定され、異常判定時間として１秒、不解除判定時間として１秒が設定されている。

以下に、図５にＳで示すステップに従って、本実施例の半導体加速度センサにおける凝着解除処理の作動について説明する。
制御チップ２０へ電源が投入されると、制御チップ２０の記憶部２４に格納されている凝着解除処理プログラムが自動的に起動される。
Ｓ１、凝着解除処理プログラムが起動すると、制御部２３は、記憶部２４に格納されている接近判定値を読出し、センサチップ１０からの信号出力を検出しながら、検出した信号出力と、正負の接近判定値とを比較し、信号出力が正負いずれかの接近判定値を超える接近判定値の範囲外（正の接近判定値以上、負の接近判定値以下の領域をいう。）となるのを待って待機し、信号出力が接近判定値の範囲外となったときにステップＳ２へ移行する。

信号出力が接近判定値の範囲内の場合は、前記の待機を継続する。
Ｓ２、信号出力が正負いずれかの接近判定値を超えたことを認識した制御部２３は、記憶部２４に格納されている異常判定時間を読出すと共に、時計部２５により、信号出力が接近判定値の範囲外となったときからの維持時間Ｔの計測を開始してステップＳ３へ移行する。

Ｓ３、維持時間Ｔの計測を開始した制御部２３は、時計部２５により、信号出力が接近判定値の範囲外となっている維持時間Ｔを計測しながら、計測した維持時間Ｔが読出した異常判定時間以上となるのを待って待機し、維持時間Ｔが異常判定時間以上となったときに、重錘部１５とストッパ１９との間に凝着が生じたことを判定してステップＳ４へ移行する。

維持時間Ｔが異常判定時間に達する前に、信号出力が、範囲外となったときに超えた正または負の接近判定値を通過して、接近判定値の範囲内になった場合は、正常作動と判定してステップＳ１へ戻って、上記の処理を継続する。
この様子を、図６に示す時間経過に伴う信号出力の変化のグラフを用いて説明すると、運転の開始後に、最初に正の接近判定値を超えた場合の維持時間Ｔ１と、次に負の接近判定値を超えた場合の維持時間Ｔ２とは、ともに異常判定時間未満であるので、正常運転と判定され、維持時間Ｔ２を計測した後に、再び正の接近判定値を超えた場合の維持時間Ｔは異常判定時間以上であるので、凝着が生じたと判定される。

このような凝着は、例えば、図７に示すように、Ｘ軸方向またはＹ軸方向に過大な加速度が印加され、重錘部１５の錘部１５ｂの固定部１３側の角部が、ストッパ１９の下面に衝突したとき等に生ずる。
Ｓ４、凝着が生じたことを判定した制御部２３は、電流発生回路３２により、蓋７の周囲に形成された第１のコイル８および重錘部１５の錘支持部１５ａの上面のコア１６の周りに形成された第２のコイル１７へ、互いを反発させる方向に磁界を形成するための電流、例えば、図２に示す第１のコイル８には、上面から見て時計方向に、第２のコイル１７には、上面から見て反時計方向に流れるように電流を供給する。

これにより第１および第２のコイル８、１７の間に生じた反発力を用いて、重錘部１５とストッパ１９との凝着は解除可能となる。
この場合に、制御チップ２０の凝着解除処理に用いない演算回路等は、その作動を停止させるようにするとよい。このようにすれば、第１および第２のコイル８、１７による磁界により発生する電磁誘導による電流の影響を抑制することが可能になる。

そして、制御部２３は、記憶部２４に格納されている不解除判定時間を読出し、時計部２５により、凝着を判定したときからの経過時間を計測しながら、計測した経過時間が読出した不解除判定時間以上となるのを待って待機し、経過時間が不解除判定時間以上となったときに、重錘部１５とストッパ１９との凝着の解除不能を判定してステップＳ６へ移行する。

経過時間が不解除判定時間に達する前に、信号出力が、接近判定値の範囲外となったときに超えた正または負の接近判定値を通過して、接近判定値の範囲内になった場合は、凝着が解除されたことを判定して、第１および第２のコイル８、１７への電流の供給を停止し、ステップＳ１へ戻って上記の処理を継続する。
Ｓ６、凝着の解除不能を判定した制御部２３は、第１および第２のコイル８、１７への電流の供給を停止すると共に、凝着発生の旨を記した凝着発生通知を図示しない上位装置の主制御部へ送信して、凝着解除処理を終了させる。

このようにして、本実施例の凝着解除処理が実行される。
以上説明したように、本実施例では、ケースの上面に取付けられた磁性材料からなる蓋の周囲に第１のコイルを設けると共に、ケースと蓋とにより形成されたチップ収納空間に収納されたセンサチップの、蓋の下面に対向する重錘部の上面の中央部に第２のコイルを設けたことによって、重錘部とストッパとの間に凝着が生じた場合に、第１および第２のコイルに電流を流して、重錘部とストッパとの間に反発力を生じさせることができ、半導体加速度センサに過大な加速度による重錘部とストッパとの凝着が生じたときに、反発力を用いて凝着状態を自動的に解除することができる。

また、センサチップからの信号出力が接近判定値の範囲外となったときに、接近判定値の範囲外となっている維持時間Ｔを計測し、その維持時間Ｔが異常判定時間以上となった場合に、重錘部とストッパとの間に凝着が生じたことを判定するので、瞬間的な異常状態を排除して、凝着状態を容易に、かつ確実に判定することができる。
なお、上記実施例においては、重錘部の上面の第２のコイルに囲まれた領域に磁性材料からなるコアを設けるとして説明したが、コアの設置を省略するようにしてもよい。

また、上記実施例においては、第１のコイルは１巻であるとして説明したが、２巻以上であってもよい。
更に、制御チップは、ケースの内部に配置するとして説明したが、ケース外に制御チップを配置して、外部端子を介して信号出力の検出や、第１および第２のコイルへの電流の供給を行うようにしてもよい。

実施例の半導体加速度センサの断面を示す説明図 実施例の半導体加速度センサの組立状態を示す説明図 実施例のセンサチップの上面を示す説明図 実施例の半導体加速度センサの制御系統を示す説明図 実施例の凝着解除処理を示すフローチャート 実施例のセンサチップの信号出力の変化を示すグラフ 実施例のセンサチップの凝着状態を示す説明図

符号の説明

１ 半導体加速度センサ
２ ケース
３ 底板
４ 側壁
４ａ 上面
５ 内部端子
６ 導電プラグ
７ 蓋
８ 第１のコイル
９ａ 第１の電磁石
９ｂ 第２の電磁石
１０ センサチップ
１１ ピエゾ抵抗素子
１２ ブリッジ回路
１３ 固定部
１４ 可撓部
１５ 重錘部
１５ａ 錘支持部
１５ｂ 錘部
１６ コア
１７ 第２のコイル
１８ 接続配線
１９ ストッパ
２０ 制御チップ
２１、２２ 接着層
２３ 制御部
２４ 記憶部
２５ 時計部
２６ 増幅器
２７ ＤＡコンバータ
２８ ＡＤコンバータ
２９ 外部端子
３１ インタフェース回路
３２ 電流発生回路
３４ ワイヤ

Claims (4)

1. 有底のケースと、
   前記ケースの上面に取付けられた蓋と、
   前記ケースと蓋とにより形成された空間に収納され、枠状の固定部と、前記固定部の中央に可撓部により揺動可能に支持された重錘部と、前記重錘部の上方への移動を制限するストッパとを有するセンサチップと、を備えた半導体加速度センサであって、
   前記蓋を磁性材料で形成すると共に、前記蓋の周囲を少なくとも１巻する第１のコイルを設け、
   前記蓋の下面に対向する前記重錘部の上面の中央部に、１以上の巻数を有する第２のコイルを設けたことを特徴とする半導体加速度センサ。
2. 請求項１において、
   前記ケースの底面と、前記センサチップとの間に、前記第１および第２のコイルへ供給する電流を制御する制御チップを配置したことを特徴とする半導体加速度センサ。
3. 有底のケースと、
   前記ケースの上面に取付けられた磁性材料からなる蓋と、
   前記蓋の周囲を少なくとも１巻する第１のコイルと、
   前記ケースと蓋とにより形成された空間に収納され、枠状の固定部と、前記固定部の中央に可撓部により揺動可能に支持された重錘部と、前記重錘部の上方への移動を制限するストッパと、前記蓋の下面に対向する前記重錘部の上面の中央部に、１以上の巻数を有する第２のコイルとを有するセンサチップと、
   前記ケースの底面と、前記センサチップとの間に配置され、前記第１および第２のコイルへ供給する電流を制御する制御チップと、を備えた半導体加速度センサであって、
   前記制御チップは、
   前記重錘部と、前記ストッパとの凝着を判定するための異常判定時間と、前記重錘部の、前記ストッパへの接近を検出するための正負の接近判定値とを格納する手段と、
   前記センサチップからの信号出力を検出する手段と、
   前記信号出力が、前記接近判定値の範囲外となったときに、前記接近判定値の範囲外となっている維持時間を計測する手段と、
   前記維持時間が、前記異常判定時間以上となった場合に、前記第１および第２のコイルに、互いを反発させる方向に磁界を形成する電流を供給する手段と、を備えることを特徴とする半導体加速度センサ。
4. 請求項１ないし請求項３のいずれか一項において、
   前記重錘部の上面の、第２のコイルに囲まれた領域に、磁性材料からなるコアを設けたことを特徴とする半導体加速度センサ。