JP5097986B2 - 液封センサ - Google Patents

Description

本発明は、封入された液体をセンシングに利用した液封センサに関する。

一般に、センサは、(圧)力や、変位、速度、加速度、角速度などの物理量（又はその変化）を検出し、その検出結果を電気信号に変換して出力するものであり、これらのセンサは、各種の電子機器等に組み込まれて、状態の検出や自動制御などに幅広く利用されている。

その中でも、半導体素子からなる半導体センサは、固体であるため振動や加速度等に強く信頼性が高いといった利点がある。このため、各種の民生機器や自動車等に搭載するための様々な半導体センサが開発されている（例えば、特許文献１などを参照。）。

しかしながら、半導体センサは、更なる小型化及び薄型化に伴って、半導体基板上に立体的に作り込んでいくことが困難となってきている。その結果、面内方向（Ｘ，Ｙ方向）に限らず、鉛直方向（Ｚ方向）や軸回り方向（θ方向）といった検出方向の自由度を高めることが困難となってきている。
特開平５−２６７５４号公報

そこで、本発明は、このような従来の事情に鑑みて提案されたものであり、検出方向の自由度を高めることができるセンサとして、封入された液体をセンシングに利用した新規な液封センサを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明に係る液封センサは、液体を封入する液封部と、液封部に封入された液体の変動を検出する検出部とを備え、前記液封部は、前記液体の液滴が形成された前記検出部のダイヤフラム面上を可撓性膜で覆うことにより、前記液体を液滴の状態で気密に封止してなり、前記可撓性膜が、化学気相成長法により形成したパラキシリレン系樹脂膜からなり、前記検出部は、前記ダイヤフラムの前記液封部とは反対側に、該ダイヤフラムの撓みを検出する複数の素子を備えることを特徴とする。
この液封センサでは、ある方向に加速度が加わった際に、液封部に封入された液体の変動を検出部が検出することによって、何れの方向においても加速度に対する感度を高めることができる。すなわち、この液封センサに加速度が加わったときには、加速度が加わる方向に液封部内の液体が移動する（偏る）ため、このような簡便な構成でありながら、検出方向の自由度を高めることが可能である。さらに、この液封センサでは、液封部に封入される液体の粘性を変えることによって、検出感度を容易且つ自由に設定することができる。

また、上記液封部は、液体の液滴が形成された前記検出部のダイヤフラム面上を可撓性膜で覆うことにより、液体を液滴の状態で気密に封止してなるので、上記液封部を簡便な構造としながら、小型且つ安価に製造することができる。

さらに、上記可撓性膜は、化学気相成長法により形成したパラキシリレン系樹脂膜からなるので、液体の液滴が形成された面上を化学気相成長法により形成したパラキシリレン系樹脂膜で覆うことにより、液体を液滴の状態で気密に封止することができる。したがって、この化学気相成長法により形成したパラキシリレン系樹脂膜は、上記可撓性膜として非常に適している。

また、上記液体は、シリコーンオイルからなることが好ましい。
この場合、耐熱性及び耐寒性に優れ、粘度の温度依存性も小さいことから、上記液封部に封入される液体として非常に適している。

また、前記液封部が、前記検出部を挟んだ両側に配置されていることとしてもよい。
また、上記検出部の素子には、接点素子、静電容量素子、圧電素子、抵抗素子、光検出素子及び感磁素子の何れかを用いることができる。

また本発明の液封センサは、液封部の液体中を移動自在に設けられる移動体と、移動した移動体を液封部の待機位置に戻すための制御部と、を備えることとしてもよい。
この場合、液封センサの液封部を形成する際、移動体が液体の表面張力を補助するようにして液体を保持するので、液封部の成形がより行いやすくなり形状の自由度が増す。

また、上記移動体は、液体より比重が大きいこととしてもよい。
この場合、液封センサに加速度が加わると、液体より比重の大きな移動体が液体中を移動することにより液体の変動が増大されるので、検出部の検出の感度が高まるとともに精度が向上する。また加えられた加速度が減じると、移動体は制御部によって元の待機位置に戻されるようになっているので、検出の精度が確保される。

また、上記移動体は、球状に形成されており、制御部は、移動体を保持可能な凹状に形成されていることとしてもよい。
この場合、移動体は、液体中の移動の抵抗が低減され、移動しやすくされているので、液体の変動をより確実に増大させるようになっている。従って、検出部の検出の精度がより向上する。また、制御部は、例えば略円錐穴状若しくは略すり鉢状からなる凹状に形成されており、移動した移動体を元の待機位置に自然に戻すようになっている。すなわち、制御部は、移動体を待機位置に戻すために特別な外部エネルギー等を必要とせず、簡便に構成されている。

また、上記移動体が、磁気的に吸引される性質の金属材料又は磁力を生じる磁性部材のうちいずれか一方からなり、制御部が、他方からなることとしてもよい。
この場合、例えば移動体が、鉄、コバルト、ニッケル又はガドリニウムやこれらを含有する合金等の、磁力に反応して吸引される性質の金属材料からなり、また制御部が、マグネット等の、磁力を発生する磁性部材で形成されている。そして、液封センサに加速度が加えられていない状態では、この移動体は制御部の生じる磁力により待機位置に保持されている。また、液封センサに加速度が加えられた状態では、移動体が前記磁力に抗して液封部の液体中を移動し、液体の変動を増大させるようになっている。また、加えられた加速度が減じた際には、制御部の吸引作用によって元の待機位置に迅速に戻されるようになっている。従って、多種多様な検出の要望に対応することが可能である。

また本発明の液封センサは、前記検出部のダイヤフラムの前記液封部とは反対側には、スペーサを介することにより空隙を設けて基板が貼り合わされており、前記検出部の素子は、前記基板と前記ダイヤフラムとの互いに対向する面に、対として設けられていることとしてもよい。
また、前記基板の上にパッケージを被せることによって、このパッケージと前記基板との間の密閉された空間内に前記液封部を封入したこととしてもよい。

以上のように、本発明によれば、検出方向の自由度を高めることができる小型の液封センサを安価に提供することが可能である。

以下、本発明を適用した液封センサについて、図面を参照して詳細に説明する。
なお、以下の説明で用いる図面は、特徴をわかりやすくするために、便宜上特徴となる部分を拡大して示している場合があり、各構成要素の寸法比率などが実際と同じであるとは限らない。

（第１の実施形態）
先ず、第１の実施形態として図１に示す液封センサ１について説明する。
この液封センサ１は、図１（ａ），（ｂ）に示すように、基板２上に配置された検出部３と、この検出部３上に配置された液封部４とを備え、この液封部４に封入された液体Ｌの変動を検出部３が検出し、その検出結果を電気信号に変換して出力するものである。

基板２には、例えばシリコン基板やガラス基板、プラスチック基板などを用いることができるが、これらの材料に必ずしも限定されるものではない。また、基板２は、後述する検出部３又はその一部を構成するものや、液封部４の一部を構成するものであってもよい。また、基板２には、検出部３と電気的に接続される配線等を形成してもよい。

検出部３は、液封部４に封入された液体Ｌの変動を検出するものとして、接点素子を用いている。具体的に、この検出部３は、基板２の上にスペーサ５を介してダイヤフラム６が貼り合わされることによって、基板２とダイヤフラム６との間に空隙が設けられた構造を有している。そして、基板２とダイヤフラム６との互いに対向する面には、相対する一対の接点電極７ａ，７ｂからなる接点素子７が設けられている。また、接点素子７は、基板２を平面視したときに、液封部４の中央部と、この中央部を挟んだ互いに直交する２方向の両側にそれぞれ配置されている。すなわち、この接点素子７は、検出部３の中央部と、この中央部を挟んだ四方の合計５箇所に配置されている。なお、接点素子７の配置や数については、このような構成に必ずしも限定されるものではなく、例えば接点素子７を中央部とこの中央部を挟んだ八方の合計９箇所に配置した構成や、接点素子７をアレイ状に複数並べて配置した構成としてもよい。

また、各接点素子７は、一対の接点電極７ａ，７ｂのうち、一方の接点電極７ａが基板２に埋め込み形成され、他方の接点電極７ｂがダイヤフラム６にパターン形成されてなるものの、このような構成に必ずしも限定されるものではない。なお、基板２及びダイヤフラム６には、図示を省略するものの、各接点電極７ａ，７ｂと電気的に接続される配線等が設けられている。

液封部４は、液体Ｌの液滴が形成された面上を可撓性膜８で覆うことにより、液体Ｌを液滴の状態で気密に封止した構造を有している。具体的に、この液封部４は、上記検出部３の上に液体Ｌを適量滴下し、この液体Ｌの液滴が形成された面上に、化学気相成長法（ＣＶＤ法）を用いてパラキシリレン系樹脂膜（パリレンという。）からなる可撓性膜８を形成することによって、液体Ｌを液滴の状態で気密に封止してなる。パラキシリレン系樹脂は、ガスバリア性や、耐薬品性、耐熱性、耐寒性などに優れており、このようなパラキシリレン系樹脂としては、例えば、ポリモノクロロパラキシリレン（パリレンＣ）や、ポリパラキシリレン（パリレンＮ）、ポリジクロロパラキシリレン（パリレンＤ）などを挙げることができる。そして、このＣＶＤ法により形成されるパリレンは、液体Ｌを液滴の状態で気密に封止することができ、微小化も容易なことから、上記可撓性膜８として非常に適している。

液体Ｌとしては、パリレンにより封入可能なものであればよく、例えば、シリコーンオイルや、キシレンオイル、グリスなどを用いることができる。その中でも、シリコーンオイルは、耐熱性及び耐寒性に優れ、粘度の温度依存性も小さいことから、上記液封部４に封入される液体Ｌとして非常に適している。

また、液封センサ１は、基板２の上にパッケージ９を被せることによって、このパッケージ９と基板２との間の密閉された空間内に上記液封部４を封入した構造となっている。

以上のような構造を有する液封センサ１は、例えば物体に加わる加速度を計測する加速度センサとして機能する。具体的に、この液封センサ１では、図２（ａ）〜（ｃ）に示すように、ある方向に加速度が加わった際に、液封部４内の液体Ｌが、この液封センサ１に加わる加速度の方向に移動しようとするため、その加速度が加わる方向において当該加速度の度合いに応じた液体Ｌの偏り（液体Ｌの重量分布の偏り）が発生する。このとき、検出部３では、液体Ｌの重量分布の偏りが生じた部分のダイヤフラム６が撓むことにより、この部分にある接点素子７の一対の接点電極７ａ，７ｂが接触することになる。これにより、検出部３では、液封部４に封入された液体Ｌの偏りの度合いと方向とを検出し、その検出結果を電気信号に変換して出力する。これにより、液封センサ１では、加速度の方向とその度合いを計測することが可能となっている。

以上のように、この液封センサ１では、ある方向に加速度が加わった際に、液封部４に封入された液体Ｌの変動を検出部３が検出することによって、何れの方向においても加速度に対する感度を高めることができる。すなわち、この液封センサ１に加速度が加わったときには、加速度が加わる方向に液封部４内の液体Ｌが移動する（偏る）ため、このような簡便な構成でありながら、検出方向の自由度を高めることが可能である。

また、この液封センサ１では、液封部４に封入される液体Ｌの粘性を変えることによって、検出感度を容易且つ自由に設定することが可能である。さらに、この液封センサ１では、液封部４に封入された液体Ｌの変動を検出部３が検出する構成のため、温度による特性の変化が小さく、その検出感度を安定化させることが可能である。

なお、本発明は、上記液封センサ１の構成に必ずしも限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。
例えば、上記液封センサ１は、液封部４に封入された液体Ｌの変動を検出するものとして、上記接点素子７の他にも、例えば、静電容量素子や、圧電素子、抵抗素子、光検出素子、感磁素子などを用いた構成としてもよい。

また、上記液封センサ１は、上述した加速度センサとして機能するものに限らず、例えば、物体に加わる角速度を計測する角速度センサ（ジャイロセンサ）や、物体に加わる圧力を計測する圧力センサ等として用いることができ、封入された液体をセンシングに利用したセンサとして幅広く利用することが可能である。

（第２の実施形態）
次に、第２の実施形態として図３に示す液封センサ２０について説明する。
この液封センサ２０は、図３（ａ）に示すように、基板２１の両面にスペーサ２２を介して一対のダイヤフラム２３ａ，２３ｂが貼り合わされることによって、基板２１と一対のダイヤフラム２３ａ，２３ｂとの間に空隙が設けられた構造を有している。また、一対のダイヤフラム２３ａ，２３ｂの互いに対向する面とは反対側の面には、それぞれ液体Ｌを封入する一対の液封部２４ａ，２４ｂが設けられている。

基板２１には、例えばシリコン基板やガラス基板、プラスチック基板などを用いることができるが、これらの材料に必ずしも限定されるものではない。また、基板２１は、後述する検出部２６又はその一部を構成するものや、液封部２４ａ，２４ｂの一部を構成するものであってもよい。また、基板２１には、検出部２６と電気的に接続される配線等を形成してもよい。

一対の液封部２４ａ，２４ｂは、上記液封部４と同様に、液体Ｌの液滴が形成された面上を可撓性膜２５で覆うことにより、液体Ｌを液滴の状態で気密に封止した構造を有している。具体的に、これら一対の液封部２４ａ，２４ｂは、それぞれのダイヤフラム２３ａ，２３ｂの上に液体Ｌを適量滴下し、この液体Ｌの液滴が形成された面上に、ＣＶＤ法を用いてパリレンからなる可撓性膜２５を形成することによって、液体Ｌを液滴の状態で気密に封止してなる。

この液封センサ２０は、一対の液封部２４ａ，２４ｂに封入された液体Ｌの変動を検出する検出部２６として、静電容量素子を用いている。具体的に、一方のダイヤフラム２３ａと基板２１との互いに対向する面には、相対する一対の電極２７ａ，２７ｂからなる第１の静電容量素子２７が設けられている。また、他方のダイヤフラム２３ｂと基板２１との互いに対向する面には、相対する一対の電極２８ａ，２８ｂからなる第２の静電容量素子２８が設けられている。

これら第１及び第２の静電容量素子２７，２８は、基板２１を平面視したときに、一対の液封部２４ａ，２４ｂの中央部と、この中央部を挟んだ互いに直交する２方向の両側にそれぞれ配置されている。すなわち、これら第１及び第２の静電容量素子２７，２８は、検出部２６の中央部と、この中央部を挟んだ四方の合計５箇所に配置されている。なお、第１及び第２の静電容量素子２７，２８の配置や数については、このような構成に必ずしも限定されるものではなく、例えば第１及び第２の静電容量素子２７，２８を中央部とこの中央部を挟んだ八方の合計９箇所に配置した構成や、第１及び第２の静電容量素子２７，２８をアレイ状に複数並べて配置した構成としてもよい。

また、各第１及び第２の静電容量素子２７，２８は、一対の電極２７ａ，２７ｂ及び一対の電極２８ａ，２８ｂのうち、一方の電極２７ａ，２８ａが基板２１に埋め込み形成され、他方の電極２７ｂ，２８ｂがダイヤフラム２３ａ，２３ｂにパターン形成されてなるものの、このような構成に必ずしも限定されるものではない。なお、基板２１及び一対のダイヤフラム２３ａ，２３ｂには、図示を省略するものの、各電極２７ａ，２７ｂ及び各電極２８ａ，２８ｂと電気的に接続される配線等が設けられている。

また、この液封センサ２０は、一対のダイヤフラム２３ａ，２３ｂの上にパッケージ２９を被せることによって、このパッケージ２９と一対のダイヤフラム２３ａ，２３ｂとの間の密閉された空間内に上記液封部２４ａ，２４ｂを封入した構造としてもよい。

以上のような構造を有する液封センサ２０は、例えば物体に加わる加速度を計測する加速度センサとして機能する。具体的に、この液封センサ２０では、ある方向に加速度が加わった際に、一対の液封部２４ａ，２４ｂ内の液体Ｌが、この液封センサ２０に加わる加速度の方向に移動しようとするため、その加速度が加わる方向において加速度の度合いに応じた液体Ｌの偏り（液体Ｌの重量分布の偏り）が発生する。このとき、検出部２６では、液体Ｌの重量分布の偏りが生じた部分の一対のダイヤフラム２３ａ，２３ｂが撓むことにより、この部分にある第１及び第２の静電容量素子２７，２８の静電容量が変化することになる。これにより、検出部２６では、一対の液封部２４ａ，２４ｂに封入された液体Ｌの偏りの度合いと方向とを検出し、その検出結果を電気信号に変換して出力する。これにより、液封センサ２０では、加速度の方向とその度合いを計測することが可能となっている。

特に、このような構造を有する液封センサ２０では、ダイヤフラム２３ａ，２３ｂと直交する方向（以下、鉛直方向という。）の加速度に対する感度を高めることができる。具体的に、この液封センサ２０では、図３（ｂ）に示すように、鉛直方向に加速度が加わった際に、一対の液封部２４ａ，２４ｂ内の液体Ｌが、この液封センサ２０に加わる加速度の方向に移動しようとする。すなわち、検出部２６では、一対の液封部２４ａ，２４ｂ内の液体Ｌが鉛直方向の一方側に移動しようとするため、ダイヤフラム２３ａ，２３ｂがそれぞれ同一方向に撓むことになる。例えば図３（ｂ）に示す場合には、第１の静電容量素子２７を構成する一対の電極２７ａ，２７ｂが離間する一方、第２の静電容量素子２８を構成する一対の電極２８ａ，２８ｂが近接することになる。この場合、第１及び第２の静電容量素子２７の静電容量の変化は正反対となる。これにより、液封センサ２０では、鉛直方向の加速度に対する感度を高めることが可能である。

以上のように、この液封センサ２０では、ある方向に加速度が加わった際に、一対の液封部２４ａ，２４ｂに封入された液体Ｌの変動を検出部２６が検出することによって、何れの方向においても加速度に対する感度を高めることができる。すなわち、この液封センサ２０に加速度が加わったときには、加速度が加わる方向に一対の液封部２４ａ，２４ｂ内の液体Ｌが移動する（偏る）ため、このような簡便な構成でありながら、検出方向の自由度を高めることが可能である。

また、この液封センサ２０では、一対の液封部２４ａ，２４ｂに封入される液体Ｌの粘性を変えることによって、検出感度を容易且つ自由に設定することが可能である。さらに、この液封センサ２０では、一対の液封部２４ａ，２４ｂに封入された液体Ｌの変動を検出部２６が検出する構成のため、温度による特性の変化が小さく、その検出感度を安定化させることが可能である。

なお、上記液封センサ２０は、上述した加速度センサとして機能するものに限らず、例えば、物体に加わる角速度を計測する角速度センサ（ジャイロセンサ）や、物体に加わる圧力を計測する圧力センサ等として用いることができ、封入された液体をセンシングに利用したセンサとして幅広く利用することが可能である。

（参考例）
次に、参考例として図４に示す液封センサ４０について説明する。
この液封センサ４０は、図４（ａ），（ｂ）に示すように、基板４１上に配置された検出部４２と、この検出部４２上に配置された液封部４３とを備え、この液封部４３に封入された液体Ｌの変動を検出部４２が検出し、その検出結果を電気信号に変換して出力するものである。

基板４１には、例えばシリコン基板やガラス基板、プラスチック基板などを用いることができるが、これらの材料に必ずしも限定されるものではない。また、基板４１は、後述する検出部４２又はその一部を構成するものや、液封部４３の一部を構成するものであってもよい。また、基板４１には、検出部４２と電気的に接続される配線等を形成してもよい。

検出部４２は、液封部４３に封入された液体Ｌの変動を検出するものとして、フォトディテクタなどの光検出素子を用いている。具体的に、この検出部４２は、基板４１の上に配置された複数の光検出素子４４を有し、この光検出素子４４は、基板４１を平面視したときに、液封部４３の中央部と、この中央部を挟んだ互いに直交する２方向の両側にそれぞれ配置されている。すなわち、この光検出素子４４は、検出部４２の中央部と、この中央部を挟んだ四方の合計５箇所に配置されている。また、基板４１には、図示を省略するものの、各光検出素子４４と電気的に接続される配線等が設けられている。なお、光検出素子４４の配置や数については、このような構成に必ずしも限定されるものではなく、例えば光検出素子４４を中央部とこの中央部を挟んだ八方の合計９箇所に配置した構成や、光検出素子４４をアレイ状に複数並べて配置した構成としてもよい。

液封部４３は、液体Ｌの液滴が形成された面上を可撓性膜４５で覆うことにより、液体Ｌを液滴の状態で気密に封止した構造を有している。具体的に、この液封部４３は、上記検出部４２の上に液体Ｌを適量滴下し、この液体Ｌの液滴が形成された面上に、ＣＶＤ法を用いてパリレンからなる可撓性膜４５を形成することによって、液体Ｌを液滴の状態で気密に封止してなる。

また、可撓性膜４５の上には、液封部４３を覆う遮光膜４６が設けられている。この遮光膜４６は、例えばＡｌ膜などからなり、ＣＶＤ法を用いて可撓性膜４５が形成された面上を覆うように形成されている。また、遮光膜４６には、開口部４６ａが設けられ、この開口部４６ａは、液封部４３の上部中央、すなわち、基板４１を平面視したときに、検出部４２の中央部に位置するように設けられている。

以上のような構造を有する液封センサ４０は、例えば物体に加わる加速度を計測する加速度センサとして機能する。具体的に、この液封センサ４０では、ある方向に加速度が加わった際に、液封部４３内の液体Ｌが、この液封センサ４０に加わる加速度の方向に移動しようとするため、その加速度が加わる方向において加速度の度合いに応じた液封部４３の歪みが発生し、その結果、遮光膜４６に設けられた開口部４６ａの位置がずれることになる。このとき、検出部４２では、開口部４６ａを通過する光を複数の光検出素子４４が受光しながら、受光する光の強度変化を検出する。これにより、液封センサ４０では、各光検出素子４４が出力する信号に基づいて、加速度の方向とその度合いを計測することが可能となっている。

以上のように、この液封センサ４０では、ある方向に加速度が加わった際に、液封部４３に封入された液体Ｌの変動を検出部４２が検出することによって、何れの方向においても加速度に対する感度を高めることができる。すなわち、この液封センサ４０に加速度が加わったときには、加速度が加わる方向に液封部４３内の液体Ｌが移動する（偏る）ため、このような簡便な構成でありながら、検出方向の自由度を高めることが可能である。

また、この液封センサ４０では、液封部４３に封入される液体Ｌの粘性を変えることによって、検出感度を容易且つ自由に設定することが可能である。さらに、この液封センサ４０では、液封部４３に封入された液体Ｌの変動を検出部４２が検出する構成のため、温度による特性の変化が小さく、その検出感度を安定化させることが可能である。

なお、参考例として示す液封センサ４０の構成に必ずしも限定されるものではなく、種々の変更を加えることが可能である。
例えば、上記液封センサ４０は、図５（ａ），（ｂ）に示すように、遮光膜４６に複数の開口部４６ａを設けた構成としてもよい。具体的に、これら複数の開口部４６ａは、上記各光検出素子４４の直上に位置するように上記遮光膜４６に形成されている。

この場合、検出部４２では、複数の開口部４６ａを通過する光を複数の光検出素子４４が受光しながら、各光検出素子４４が受光する光の強度が変化することになる。したがって、この場合も、各光検出素子４４が出力する信号から加速度の方向とその度合いを計測することが可能となっている。

なお、上記液封センサ４０は、上述した加速度センサとして機能するものに限らず、例えば、物体に加わる角速度を計測する角速度センサ（ジャイロセンサ）や、物体に加わる圧力を計測する圧力センサ等として用いることができ、封入された液体をセンシングに利用したセンサとして幅広く利用することが可能である。

（参考例）
次に、参考例として図６に示す液封センサ６０について説明する。
この液封センサ６０は、図６（ａ），（ｂ）に示すように、基板６１上に配置された検出部６２と、この検出部６２上に配置された液封部６３とを備え、この液封部６３に封入された液体Ｌの変動を検出部６２が検出し、その検出結果を電気信号に変換して出力するものである。

基板６１には、例えばシリコン基板やガラス基板、プラスチック基板などを用いることができるが、これらの材料に必ずしも限定されるものではない。また、基板６１は、後述する検出部６２又はその一部を構成するものや、液封部６３の一部を構成するものであってもよい。また、基板６１には、検出部６２と電気的に接続される配線等を形成してもよい。

検出部６２は、液封部６３に封入された液体Ｌの変動を検出するものとして、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）などからなる圧電素子を用いている。具体的に、この検出部６２は、基板６１の上に配置された複数の圧電素子６４を有し、この圧電素子６４は、基板６１を平面視したときに、液封部６３の中央部と、この中央部を挟んだ互いに直交する２方向の両側にそれぞれ配置されている。すなわち、この圧電素子６４は、検出部６２の中央部と、この中央部を挟んだ四方の合計５箇所に配置されている。また、基板６１には、各圧電素子６４が配置された位置の厚みを薄くするための複数の凹部６５が設けられている。また、基板６１には、図示を省略するものの、各圧電素子６４と電気的に接続される配線等が設けられている。なお、圧電素子６４の配置や数については、このような構成に必ずしも限定されるものではなく、例えば圧電素子６４を中央部とこの中央部を挟んだ八方の合計９箇所に配置した構成や、圧電素子６４をアレイ状に複数並べて配置した構成としてもよい。

液封部６３は、液体Ｌの液滴が形成された面上を可撓性膜６６で覆うことにより、液体Ｌを液滴の状態で気密に封止した構造を有している。具体的に、この液封部６３は、上記検出部６２の上に液体Ｌを適量滴下し、この液体Ｌの液滴が形成された面上に、ＣＶＤ法を用いてパリレンからなる可撓性膜６６を形成することによって、液体Ｌを液滴の状態で気密に封止してなる。

また、液封センサ６０は、基板６１の上にパッケージ６７を被せることによって、このパッケージ６７と基板６１との間の密閉された空間内に上記液封部６３を封入した構造となっている。

以上のような構造を有する液封センサ６０は、例えば物体に加わる加速度を計測する加速度センサとして機能する。具体的に、この液封センサ６０では、ある方向に加速度が加わった際に、液封部６３内の液体Ｌが、この液封センサ６０に加わる加速度の方向に移動しようとするため、その加速度が加わる方向において加速度の度合いに応じた液体Ｌの偏り（液体Ｌの重量分布の偏り）が発生する。このとき、検出部６２では、重量分布の偏りが生じた部分の圧電素子６４に対する圧力が増すことになる。これにより、検出部６２では、液封部６３に封入された液体Ｌの偏りの度合いと方向とを検出し、その検出結果を電気信号に変換して出力する。これにより、液封センサ６０では、加速度の方向とその度合いを計測することが可能となっている。

以上のように、この液封センサ６０では、ある方向に加速度が加わった際に、液封部６３に封入された液体Ｌの変動を検出部６２が検出することによって、何れの方向においても加速度に対する感度を高めることができる。すなわち、この液封センサ６０に加速度が加わったときには、加速度が加わる方向に液封部６３内の液体Ｌが移動する（偏る）ため、このような簡便な構成でありながら、検出方向の自由度を高めることが可能である。

また、この液封センサ６０では、液封部６３に封入される液体Ｌの粘性を変えることによって、検出感度を容易且つ自由に設定することが可能である。さらに、この液封センサ６０では、液封部６３に封入された液体Ｌの変動を検出部６２が検出する構成のため、温度による特性の変化が小さく、その検出感度を安定化させることが可能である。

なお、上記液封センサ６０は、上述した加速度センサとして機能するものに限らず、例えば、物体に加わる角速度を計測する角速度センサ（ジャイロセンサ）や、物体に加わる圧力を計測する圧力センサ等として用いることができ、封入された液体をセンシングに利用したセンサとして幅広く利用することが可能である。

（第３の実施形態）
次に、第３の実施形態として図７に示す液封センサ８０について説明する。
この液封センサ８０は、図７（ａ），（ｂ）に示すように、基板８１上に配置された検出部８２と、この検出部８２上に配置された液封部８３とを備え、この液封部８３に封入された液体Ｌの変動を検出部８２が検出し、その検出結果を電気信号に変換して出力するものである。

基板８１には、例えばシリコン基板やガラス基板、プラスチック基板などを用いることができるが、これらの材料に必ずしも限定されるものではない。また、基板８１は、後述する検出部８２又はその一部を構成するものや、液封部８３の一部を構成するものであってもよい。また、基板８１には、検出部８２と電気的に接続される配線等を形成してもよい。

検出部８２は、液封部８３に封入された液体Ｌの変動を検出するものとして、接点素子を用いている。具体的に、この検出部８２は、基板８１の上にスペーサ８４を介してダイヤフラム８５が貼り合わされることによって、基板８１とダイヤフラム８５との間に空隙が設けられた構造を有している。そして、基板８１とダイヤフラム８５との互いに対向する面には、相対する一対の接点電極８６ａ，８６ｂからなる接点素子８６が設けられている。また、接点素子８６は、基板８１を平面視したときに、液封部８３の中央部と、この中央部を挟んだ互いに直交する２方向の両側にそれぞれ配置されている。すなわち、この接点素子８６は、検出部８２の中央部と、この中央部を挟んだ四方の合計５箇所に配置されている。なお、接点素子８６の配置や数については、このような構成に必ずしも限定されるものではなく、例えば接点素子８６を中央部とこの中央部を挟んだ八方の合計９箇所に配置した構成や、接点素子８６をアレイ状に複数並べて配置した構成としてもよい。

また、各接点素子８６は、一対の接点電極８６ａ，８６ｂのうち、一方の接点電極８６ａが基板８１に埋め込み形成され、他方の接点電極８６ｂがダイヤフラム８５にパターン形成されてなるものの、このような構成に必ずしも限定されるものではない。なお、基板８１及びダイヤフラム８５には、図示を省略するものの、各接点電極８６ａ，８６ｂと電気的に接続される配線等が設けられている。

ダイヤフラム８５は、可撓性を有する例えばポリイミドフィルムやシリコン膜等により形成されている。またダイヤフラム８５の液体Ｌ側の面には、略円錐穴状若しくは略すり鉢状からなる凹状の制御部８７が形成されている。図７（ｂ）に示すように、この制御部８７は、その表面がダイヤフラム８５の周囲から略中央に向け漸次下方に傾斜するようにして形成されており、最深部分が前記略中央に設定されていて後述する移動体の待機位置とされている。なお、制御部８７は凹状に形成されていればよく、本実施形態に限らずに、例えば多段円柱穴状や碗状又はそれ以外の形状であっても構わない。またダイヤフラム８５をポリイミドフィルムで形成した場合には、制御部８７や接点電極８６ｂのパターン形成が容易となるのでより好ましい。

液封部８３は、球状の移動体８９の周囲を液体Ｌの液滴で覆い、さらに該液滴が形成された面上を可撓性膜８８で覆うことにより、液体Ｌを液滴の状態で気密に封止した構造を有している。具体的に、この液封部８３は、上記検出部８２の上に移動体８９を載置し、該移動体８９を覆うようにして液体Ｌを適量滴下し、この液体Ｌの液滴が形成された面上に、ＣＶＤ法を用いてパリレンからなる可撓性膜８８を形成することによって、液体Ｌを液滴の状態で気密に封止してなる。これによれば、移動体８９が液体Ｌの表面張力を補助するようにして液体を保持するので、液封部の成形がより行いやすくなり形状の自由度が増す。すなわち、例えば液封センサ８０のダイヤフラム８５と直交する鉛直方向（図７（ｂ）における上下方向）の液封部８３の厚みをより大きくすることも可能である。

液体Ｌとしては、パリレンにより封入可能なものであればよく、例えば、シリコーンオイルや、キシレンオイル、グリスなどを用いることができる。その中でも、シリコーンオイルは、耐熱性及び耐寒性に優れ、粘度の温度依存性も小さいことから、上記液封部８３に封入される液体Ｌとして非常に適している。

また、移動体８９は、液封部８３の可撓性膜８８内で液体Ｌ中を移動自在とされている。移動体８９は、液体Ｌよりも比重の大きい金属材料等で形成されている。また移動体８９は、ダイヤフラム８５の制御部８７に載置されており、この液封センサ８０に加速度が加わっていない状態では、制御部８７の最深部分（待機位置）に保持されている。

また、液封センサ８０は、基板８１の上にパッケージ９０を被せることによって、このパッケージ９０と基板８１との間の密閉された空間内に上記液封部８３を封入した構造となっている。

以上のような構造を有する液封センサ８０は、例えば物体に加わる加速度を計測する加速度センサとして機能する。具体的に、この液封センサ８０では、図８（ａ）〜（ｃ）に示すように、ある方向に加速度が加わった際に、液封部８３内の液体Ｌが、この液封センサ８０に加わる加速度の方向に移動しようとするため、その加速度が加わる方向において当該加速度の度合いに応じた液体Ｌの重量分布の偏りが発生する。さらに、本実施形態の液体Ｌ中には、該液体Ｌよりも比重の大きな移動体８９が移動自在に配置されているので、加速度が加わる方向に移動体８９も移動する。そして液体Ｌの重量分布の偏りに当該移動体８９の重量が加わって、前記偏りがより確実に生じるようになっている。

このとき、検出部８２では、液体Ｌの重量分布の偏りが生じた部分のダイヤフラム８５が撓むことにより、この部分にある接点素子８６の一対の接点電極８６ａ，８６ｂが接触することになる。これにより、検出部８２では、液封部８３に封入された液体Ｌの偏りの度合いと方向とを検出し、その検出結果を電気信号に変換して出力する。これにより、液封センサ８０では、加速度の方向とその度合いを計測することが可能となっている。
また、液封センサ８０に加えられた加速度が減じると、図８（ｂ）に示すように、移動体８９はダイヤフラム８５の制御部８７の傾斜に沿って最深部分（待機位置）へと戻り、保持される。

以上のように、この液封センサ８０では、ある方向に加速度が加わった際に、液封部８３に封入された液体Ｌの変動を検出部８２が検出することによって、何れの方向においても加速度に対する感度を高めることができる。すなわち、この液封センサ８０に加速度が加わったときには、加速度が加わる方向に液封部８３内の液体Ｌが移動する（偏る）ため、このような簡便な構成でありながら、検出方向の自由度を高めることが可能である。さらに本実施形態では、移動体８９の移動により液体Ｌの変動が増大されるので、検出部８２の検出の感度が高まるとともに精度が向上する。

また移動体８９は、球状に形成されているため、液体Ｌ中の移動の抵抗が低減されて、移動しやすくされているとともに、液体Ｌの変動をより確実に増大させるようになっている。従って、検出部８２の検出の精度がより向上する。
また加えられた加速度が減じると、移動体８９は制御部８７によって元の待機位置に戻されるようになっているので、検出の精度が確保されている。すなわち、制御部８７は、凹状に形成されているので、加えられた加速度が減じた際には、移動した移動体８９を元の待機位置に自然に戻すようになっている。従って、制御部８７は、移動体８９を待機位置に戻すために特別な外部エネルギー等を必要とせず、簡便に構成されている。

また、この液封センサ８０では、液封部８３に封入される液体Ｌの粘性を変えることによって、検出感度を容易且つ自由に設定することが可能である。さらに、この液封センサ８０では、液封部８３に封入された液体Ｌの変動を検出部８２が検出する構成のため、温度による特性の変化が小さく、その検出感度を安定化させることが可能である。

なお、本発明は、上記液封センサ８０の構成に必ずしも限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。
例えば、移動体８９は、その形状が本実施形態の球状に限定されるものではなく、略立方体状、略直方体状、略円盤状又は略円柱状等それ以外の形状であっても構わない。また、その数量も１つに限定されるものではなく、複数設けられていることとしてもよい。
また、移動体８９の比重は液体Ｌより大きいこととして説明したが、これに限られるものではない。
また、上記液封センサ８０は、液封部８３に封入された液体Ｌの変動を検出するものとして、上記接点素子８６の他にも、例えば、静電容量素子や、圧電素子、抵抗素子、感磁素子などを用いた構成としてもよい。
また、検出部８２は、液体Ｌの変動を検出する代わりに、移動体８９の変動を検出するように構成されていても構わない。この場合には、例えば移動体８９として磁性を有する金属材料を用いるとともに、検出部８２として磁気抵抗素子やホール素子等からなる感磁素子を用いて構成することができる。

また、上記液封センサ８０は、上述した加速度センサとして機能するものに限らず、例えば、物体に加わる角速度を計測する角速度センサ（ジャイロセンサ）や、物体に加わる圧力を計測する圧力センサ等として用いることができ、封入された液体をセンシングに利用したセンサとして幅広く利用することが可能である。

また、本発明の上記液封センサ８０は、図９（ａ），（ｂ）の変形例に示すように、制御部９１として、例えばＮｉ合金からなる渦巻き状の磁気コイル（磁性部材）９２を備えることとしてもよい。磁気コイル９２は、例えばポリイミドフィルムからなるダイヤフラム９３の略中央に配設され、図示しない配線等に電気的に接続されていて、電流を印加されて磁力を発生するようになっている。そして、磁気コイル９２の配置される前記略中央の部分が、移動体９４の待機位置に設定されている。

移動体９４は、鉄、コバルト、ニッケル又はガドリニウムやこれらを含有する合金等の、磁力に反応して吸引される性質の金属材料からなり、球状に形成されている。また移動体９４は、この液封センサ８０に加速度が加わった際には、磁気コイル９２の磁力に抗して液封部８３の液体Ｌ中を移動可能とされている。

すなわち、移動体９４は、加速度が加えられた際には液体Ｌ中を移動し液体Ｌの変動を増大させ、加えられた加速度が減じた際には、磁力を発生する制御部９１の吸引作用によって元の待機位置に迅速に戻されて、保持されるようになっている。従って、より多種多様な検出の要望に対応することが可能である。
なお、制御部９１としては、磁気コイル９２の代わりに常時磁力を発生するマグネット等を用いても構わない。
又、制御部９１を、磁力に反応して吸引される性質の金属材料で形成するとともに、移動体９４を、磁力を発生するマグネット等で形成することとしても構わない。

図１は、第１の実施形態として示す液封センサであり、（ａ）は、その平面図（ｂ）は、その断面図である。 図２は、図１に示す液封センサのセンシングを説明するための断面図であり、（ａ）は、一方の側に加速度が加わった状態、（ｂ）は、静止した状態、（ｃ）は、他方の側に加速度が加わった状態を示す図である。 図３は、第２の実施形態として示す液封センサであり、（ａ）は、その平面図（ｂ）は、その断面図である。 図４は、参考例として示す液封センサであり、（ａ）は、その平面図（ｂ）は、その断面図である。 図５は、参考例として示す液封センサの変形例であり、（ａ）は、その平面図（ｂ）は、その断面図である。 図６は、参考例として示す液封センサであり、（ａ）は、その平面図（ｂ）は、その断面図である。 図７は、第３の実施形態として示す液封センサであり、（ａ）は、その平面図（ｂ）は、その断面図である。 図８は、図７に示す液封センサのセンシングを説明するための断面図であり、（ａ）は、一方の側に加速度が加わった状態、（ｂ）は、静止した状態、（ｃ）は、他方の側に加速度が加わった状態を示す図である。 図９は、第３の実施形態として示す液封センサの変形例であり、（ａ）は、その平面図（ｂ）は、その断面図である。

符号の説明

１ 液封センサ（第１の実施形態）
２ 基板
３ 検出部
４ 液封部
５ スペーサ
６ ダイヤフラム
７ 接点素子
７ａ，７ｂ 接点電極
８ 可撓性膜
９ パッケージ
２０ 液封センサ（第２の実施形態）
２１ 基板
２２ スペーサ
２３ａ，２３ｂ 一対のダイヤフラム
２４ａ，２４ｂ 一対の液封部
２５ 可撓性膜
２６ 検出部
２７ 第１の静電容量素子
２７ａ，２７ｂ 一対の電極
２８ 第２の静電容量素子
２８ａ，２８ｂ 一対の電極
２９ パッケージ
４０ 液封センサ（参考例）
４１ 基板
４２ 検出部
４３ 液封部
４４ 光検出素子
４５ 可撓性膜
４６ 遮光膜
４６ａ 開口部
６０ 液封センサ（参考例）
６１ 基板
６２ 検出部
６３ 液封部
６４ 圧電素子
６５ 凹部
６６ 可撓性膜
６７ パッケージ
８０ 液封センサ（第３の実施形態）
８１ 基板
８２ 検出部
８３ 液封部
８４ スペーサ
８５，９３ ダイヤフラム
８６ 接点素子
８６ａ，８６ｂ 接点電極
８７，９１ 制御部
８８ 可撓性膜
８９，９４ 移動体
９０ パッケージ
９２ 磁気コイル
Ｌ 液体

Claims (10)

1. 液体を封入する液封部と、
   前記液封部に封入された液体の変動を検出する検出部とを備え、
   前記液封部は、前記液体の液滴が形成された前記検出部のダイヤフラム面上を可撓性膜で覆うことにより、前記液体を液滴の状態で気密に封止してなり、
   前記可撓性膜が、化学気相成長法により形成したパラキシリレン系樹脂膜からなり、
   前記検出部は、前記ダイヤフラムの前記液封部とは反対側に、該ダイヤフラムの撓みを検出する複数の素子を備えることを特徴とする液封センサ。
2. 前記液体が、シリコーンオイルからなることを特徴とする請求項１に記載の液封センサ。
3. 前記液封部が、前記検出部を挟んだ両側に配置されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の液封センサ。
4. 前記検出部の素子が、接点素子、静電容量素子、圧電素子、抵抗素子、光検出素子及び感磁素子の何れかであることを特徴とする請求項１〜３の何れか一項に記載の液封センサ。
5. 前記液封部の前記液体中を移動自在に設けられる移動体と、
   移動した前記移動体を前記液封部の待機位置に戻すための制御部と、を備えることを特徴とする請求項１〜４の何れか一項に記載の液封センサ。
6. 前記移動体は、前記液体より比重が大きいことを特徴とする請求項５に記載の液封センサ。
7. 前記移動体は、球状に形成されており、
   前記制御部は、前記移動体を保持可能な凹状に形成されていることを特徴とする請求項５又は６に記載の液封センサ。
8. 前記移動体が、磁気的に吸引される性質の金属材料又は磁力を生じる磁性部材のうちいずれか一方からなり、
   前記制御部が、他方からなることを特徴とする請求項５〜７の何れか一項に記載の液封センサ。
9. 前記検出部のダイヤフラムの前記液封部とは反対側には、スペーサを介することにより空隙を設けて基板が貼り合わされており、
   前記検出部の素子は、前記基板と前記ダイヤフラムとの互いに対向する面に、対として設けられていることを特徴とする請求項１〜８の何れか一項に記載の液封センサ。
10. 前記基板の上にパッケージを被せることによって、このパッケージと前記基板との間の密閉された空間内に前記液封部を封入したことを特徴とする請求項９に記載の液封センサ。

Images