JP5370610B1 - センサ - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、検出軸に対して垂直方向の衝撃が生じた場合に、錘部の捻れによる梁部の破断を効果的に抑制し、耐衝撃性を向上したセンサを提供することを目的とする。
【解決手段】この目的を達成するために、加速度センサ１０は、基板１１と、基板１１の上面に設けられた支持部１２と、基板１１の上面と対向する錘部１３と、一端が支持部１２に接続され、他端が錘部１３に接続された梁部１４と、基板１１の上面に設けられた突起部１５、１６と、を備え、錘部１３の幅Ｄ１は、梁部１４の幅Ｄ２よりも大きく、突起部１５と突起部１６との間隔Ｄ３は、梁部１４の幅Ｄ２よりも大きく、かつ、錘部１３の幅Ｄ１よりも小さい構成とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、車両やナビゲーション装置、携帯端末等に用いられる加速度センサや角速度センサ等の慣性力センサ、歪センサや気圧センサ等のセンサに関する。

図９は従来のセンサの一例である加速度センサ１の断面図である。図９に示すように、従来の加速度センサ１は、基板２と、基板２の上面に設けられた支持部３と、基板２の上面と対向する錘部４と、一端が支持部３に接続され、他端が錘部４に接続された梁部５と、錘部４の下面に設けられた突起部６と、を備えている。

なお、この出願の発明に関する先行技術文献情報としては、例えば、特許文献１が知られている。

特開２００７−１３２８６３号公報

図１０は、図９のＡ方向から見た断面模式図であり、（ａ）は加速度が印加されていない場合、（ｂ）はＸ軸方向に過大な衝撃が加わった場合の模式図である。同図（ｂ）に示すように、Ｘ軸方向に過大な衝撃が加わった場合、錘部４に対してＹ軸を中心とした捻れが発生し、この捻れに起因して薄肉の梁部５が折れてしまうという課題があった。

そこで、本発明のセンサは、基板と、前記基板の上面に設けられた支持部と、前記基板の上面と対向する錘部と、一端が前記支持部に接続され、他端が前記錘部に接続された梁部と、前記基板の上面又は前記錘部の下面に設けられた第１の突起部、第２の突起部および第３の突起部と、を備え、前記錘部の幅は、前記梁部の幅よりも大きく、前記第１の突起部と前記第２の突起部との間隔は、前記梁部の幅よりも大きく、かつ、前記錘部の幅よりも小さく、前記第３の突起部は、前記第１の突起部と前記第２の突起部との間であって、前記第１の突起部および前記第２の突起部よりも前記支持部に近い位置に形成され、前記錘部と前記梁部との境界は、前記第３の突起部の上部にある構成とする。

この構成により、検出軸に対して垂直方向の衝撃が生じた場合に、錘部の捻れによる梁部の破断を効果的に抑制できるため、センサの耐衝撃性を向上することができる。

実施の形態１における加速度センサの概略模式図 実施の形態１における加速度センサの回路例を示す図 実施の形態１における加速度センサの効果の説明図 実施の形態１における加速度センサの応力低減効果を示した図 実施の形態２における加速度センサの断面図 実施の形態３における加速度センサの概略模式図 実施の形態３における加速度センサの効果の説明図 実施の形態３における他の例の加速度センサの概略模式図 従来の加速度センサの断面図 従来の加速度センサの断面図

以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。

（実施の形態１）
図１は、実施の形態１における加速度センサ１０の概略模式図である。（ａ）は加速度センサ１０の上面図、（ｂ）はＢ−Ｂ線の断面図である。

図１に示すように、加速度センサ１０は、基板１１と、基板１１の上面に設けられた支持部１２と、基板１１の上面と対向する錘部１３と、一端が支持部１２に接続され、他端が錘部１３に接続された梁部１４と、基板１１の上面に設けられた突起部１５、１６と、を備えている。錘部１３の幅Ｄ１は、梁部１４の幅Ｄ２よりも大きい。突起部１５と突起部１６との間隔Ｄ３（突起部１５、１６の対向面間の距離）は、梁部１４の幅Ｄ２よりも大きく、かつ、錘部１３の幅Ｄ１よりも小さい。

以上の構成により、検出軸であるＺ軸方向に垂直なＸ軸方向に衝撃が生じた場合、錘部１３のＹ軸を中心とした捻れを突起部１５、１６により抑止し、これにより梁部１４の破断を防止できる。

以下、加速度センサ１０の構成について詳細に説明する。

基板１１、支持部１２、錘部１３、梁部１４、突起部１５、１６は、シリコン、溶融石英、アルミナ等を用いることができる。好ましくは、シリコンを用いて形成することにより、微細加工技術を用いて小型の加速度センサとすることができる。

基板１１と支持部１２とを接着する方法として、接着材による接着や金属接合、常温接合、陽極接合等を用いることができる。このうち、接着材としてはエポキシ系樹脂やシリコーン系樹脂等の接着剤が用いられる。接着剤として、シリコーン系樹脂を用いることにより、接着剤自身の硬化による応力を小さくすることができる。

梁部１４の厚み（Ｚ方向の長さ）は、錘部１３の厚みよりも小さい。これにより、外部から加速度が印加され、この加速度により錘部１３が変位した際に梁部１４に歪が発生し、この歪を検出することにより、加速度を検出することができる。

加速度を検出する検出部１７、１８は、梁部１４に形成される。検出部１７、１８による検出方式として、歪抵抗方式や静電容量方式などを用いることができる。歪抵抗方式としてピエゾ抵抗を用いることにより、加速度センサ１０の感度を向上させることができる。また、歪抵抗方式として酸化膜歪み抵抗体を用いた薄膜抵抗方式を用いることにより、加速度センサ１０の温度特性を向上させることができる。

図２は、検出部１７、１８として、歪抵抗方式を用いた場合の回路例である。Ｒ１は検出部１７に対応する抵抗、Ｒ４は検出部１８に対応する抵抗、Ｒ２およびＲ３は支持部１２に設けられた基準となる抵抗である。図２に示す如く、Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４をブリッジ型に接続し、対向する一対の接続点ＶｄｄとＧＮＤとの間に電圧を印加し、他の一対の接続点Ｖ１とＶ２との間の電圧Ｖｏｕｔを検出することにより、加速度センサ１０に印加された加速度を検出することができる。

図３は、本実施の形態における加速度センサ１０における耐衝撃性の改善効果の説明図である。

図３（ａ）は本実施の形態における加速度センサ１０であり、図１（ｂ）の方向Ｃから見た断面図である。Ｘ軸の正方向に衝撃（過大な加速度）が印加された場合、Ｙ軸と平行であって錘部１３の重心を通る軸Ｙ１を中心としてＲ方向に捻れる。この際、錘部１３の角部１３ａが突起部１６に当接し、錘部１３のＲ方向の捻れが規制される。

図３（ｂ）に示す加速度センサ１９は、突起部２０を錘部１３の中央部下方に設けた構成である（従来の加速度センサ１に相当）。Ｘ軸の正方向に衝撃（過大な加速度）が印加された場合、（ａ）と同様にＲ方向に捻れる。この際、錘部１３の下面１３ｂが突起部２０に当接するまで錘部１３が捻れる。この結果、錘部１３を支持する薄肉の梁部１４に過大な応力が発生し、折れてしまう。

ここで、突起部１５と突起部１６との間隔Ｄ３（突起部１５、１６の対向面間の距離）は、梁部１４の幅Ｄ２（図３では図示せず）よりも大きく、かつ、錘部１３の幅Ｄ１よりも小さくしている。これにより、錘部１３の捻れに起因する梁部１４の応力を効果的に低減することができる。

さらに、図１や図３（ａ）に示すように、錘部１３の上面から見た上面視において、突起部１５、１６が錘部１３から露出している構成とすることが好ましい。これにより、図３（ａ）に示すように、錘部１３の角部１３ａが突起部１５、１６の上面中央部に当接し、確実に錘部１３の捻れを規制できる。

図４は、本実施の形態における加速度センサ１０の応力低減効果を示した図である。横軸は、突起部ギャップ比であり、基板１１の上面と錘部１３の下面との距離（Ｈ１）に対する突起部１５、１６の上面と錘部１３の下面との距離（Ｈ２）の比（Ｈ２／Ｈ１）を表している。縦軸は、最大応力比であり、従来例（図３（ｂ）の加速度センサ１９）の梁部に発生する最大応力（Ｓ１）に対する実施例（図３（ａ）の加速度センサ１０）の梁部に発生する最大応力（Ｓ２）の比（Ｓ２／Ｓ１）を表している。この図からわかるように、突起部ギャップ比が０．４の場合、従来例と比べて梁部に加わる最大応力が約６０％となり、約４０％の応力低減効果であった。また、突起部ギャップ比を小さくするほど（すなわち、突起部の高さを高くするほど）応力低減効果が向上するが、加速度の検出範囲が狭くなるため、突起部ギャップ比は０．３〜０．５とすることが好ましい。

なお、本実施の形態においては、基板１１の上面に突起部１５、１６を設けたが、錘部１３の下面（基板１１との対向面）に突起部１５、１６を設けてもよい。この場合であっても、突起部１５と突起部１６との間隔を梁部１４の幅よりも大きく、かつ、錘部１３の幅よりも小さくすることにより、錘部１３の捻れに起因する梁部１４の応力を低減することができる。突起部１５、１６を錘部１３の下面に形成することにより、製造バラツキ等に起因して突起部１５、１６や錘部１３の形成位置が変化した場合であっても、突起部１５、１６と錘部１３の相対位置が変わらないため、確実に錘部１３の捻れや変位を抑止することができる。

（実施の形態２）
本発明の実施の形態の特徴部分について、実施の形態１との相違点を中心に説明する。

図５は、本実施の形態の加速度センサ２４の断面図である。（ａ）は加速度センサ２４をＸ軸の正方向から見た断面図であり、（ｂ）は方向Ｄから見た断面図である。加速度センサ２４は、上蓋２１が支持部１２に設けられており、この上蓋２１が錘部１３と対向する面に突起部２２、２３が設けられている。この突起部２２、２３は錘部１３に対し、基板１１に設けられた突起部１５、１６と対称位置に設けられている。すなわち、突起部２２と突起部２３との間隔Ｄ４（突起部２２、２３の対向面間の距離）は、突起部１５と突起部１６との間隔Ｄ３（突起部１５、１６の対向面間の距離）と同じである。また、突起部２２と突起部２３との間隔Ｄ４は、梁部１４の幅Ｄ２よりも大きく、かつ、錘部１３の幅Ｄ１よりも小さい。この構成により、錘部１３の下側の角部が突起部１５、１６に当接するとともに、錘部１３の上側の角部が突起部２２、２３と当接するため、より確実に錘部１３の捻れを抑制することができる。

なお、本実施の形態においては、上蓋２１の下面に突起部２２、２３を設けたが、錘部１３の上面（上蓋２１との対向面）に突起部２２、２３を設けてもよい。

（実施の形態３）
本発明の実施の形態の特徴部分について、実施の形態１との相違点を中心に説明する。

図６は、本実施の形態の加速度センサ３０の概略模式図である。（ａ）は加速度センサ３０の上面図（基板１１は記載せず）、（ｂ）はＥ−Ｅ線の断面図である。

加速度センサ３０は、基板１１の上面において、突起部１５と突起部１６の間に突起部３１を備えている。この突起部３１により、錘部１３のＺ軸方向への過振幅を抑制することができる。

また、図６（ａ）（ｂ）に示されるように、突起部１５、１６と支持部１２との距離Ｄ５は、突起部３１と支持部１２との距離Ｄ６よりも大きい。このように、突起部１５、１６を錘部１３の重心Ｇ近くに形成することにより、加速度センサ３０に衝撃が加わった際に、錘部１３が突起部１５、１６との当接に伴い重心Ｇ周りに回転し、薄肉の梁部１４が破損することを防止することができる。なお、突起部１５、１６を重心Ｇよりも錘部１３の先端側に設けると、錘部１３のＺ軸方向の可動域が狭くなるため、重心Ｇよりも根元側（支持部１２寄り）に設けることが好ましい。

さらに、突起部３１を突起部１５、１６よりも錘部１３の根元側（支持部１２寄り）に設けることにより、錘部１３のＺ軸方向への過振幅を確実に抑制することができる。

図７は、加速度センサ３０に対してＺ軸方向に過大な衝撃が加わり、錘部１３がＺ軸方向に変位した際の断面模式図である。図７（ａ）は、Ｚ軸の正方向（下から上）に過大な衝撃が加わった場合を示している。この場合、突起部３１が錘部１３の根元側に設けられていることにより、錘部１３の角部が突起部３１の上面に当接し、錘部１３が過度にＺ軸の正方向に変位することを効果的に防ぐことができる。図７（ｂ）は、Ｚ軸の負方向（上から下）に過大な衝撃が加わった場合を示している。この場合、突起部１５、１６が突起部３１よりも重心Ｇ寄りに設けられていることにより、錘部１３の下面が突起部１５、１６に当接し、錘部１３が過度にＺ軸の負方向に変位することを効果的に防ぐことができる。

なお、本実施の形態においては、基板１１の上面に突起部１５、１６、３１を設けたが、錘部１３の下面（基板１１との対向面）に突起部１５、１６、３１を設けてもよい。

図８は、本実施の形態の他の例の加速度センサ３３である。図８（ａ）は加速度センサ３３の上面図（基板１１と上蓋２１は記載せず）、（ｂ）はＦ−Ｆ線の断面図である。図８に示す如く、支持部１２に上蓋２１を形成し、この上蓋２１が錘部１３と対向する面に突起部２２、２３を設けるとともに、突起部２２と突起部２３の間に突起部３２を形成してもよい。上蓋２１に形成された突起部２２、２３、３２は、基板１１に設けられた突起部１５、１６、３１と対称位置に設けられている。この構成により、錘部１３の下側と上側にそれぞれＸ軸方向の衝撃による捻れ防止用の突起部（３１、３２）と、Ｚ軸方向の過振幅防止用の突起部（１５、１６、２２、２３）を形成できるため、耐衝撃性を大幅に向上することができる。

なお、錘部１３の下面（基板１１との対向面）に突起部１５、１６、３１を形成し、錘部１３の上面（上蓋２１との対向面）に突起部２２、２３、３２を形成してもよい。

なお、以上の実施の形態においては、センサの一例として加速度センサを用いて説明したが、錘部や可撓部の変位により物理量を検出するセンサであれば、角速度センサや歪センサなど、他の種類のセンサにも適用することができる。

本発明のセンサは、検出軸に対して垂直方向の衝撃が生じた場合に、錘部の捻れによる梁部の破断を効果的に抑制し、センサの耐衝撃性を向上することができるので、車両やナビゲーション装置、携帯端末等に用いられる加速度センサや角速度センサ等の慣性力センサ、歪センサや気圧センサ等のセンサとして有用である。

１０、１９、２４、３０ 加速度センサ
１１ 基板
１２ 支持部
１３ 錘部
１４ 梁部
１５、１６、２０、２２、２３、３１、３２ 突起部
１７、１８ 検出部
２１ 上蓋

Claims (8)

1. 基板と、
   前記基板の上面に設けられた支持部と、
   前記基板の上面と対向する錘部と、
   一端が前記支持部に接続され、他端が前記錘部に接続された梁部と、
   前記基板の上面又は前記錘部の下面に設けられた第１の突起部、第２の突起部および第３の突起部と、を備え、
   前記錘部の幅は、前記梁部の幅よりも大きく、
   前記第１の突起部と前記第２の突起部との間隔は、前記梁部の幅よりも大きく、かつ、前記錘部の幅よりも小さく、
   前記第３の突起部は、前記第１の突起部と前記第２の突起部との間であって、前記第１の突起部および前記第２の突起部よりも前記支持部に近い位置に形成され、
   前記錘部と前記梁部との境界は、前記第３の突起部の上部にあるセンサ。
2. 前記基板の上面と前記錘部の下面との距離（Ｈ１）に対する前記第１、第２の突起部の上面と前記錘部の下面との距離（Ｈ２）の比（Ｈ２／Ｈ１）で表される突起部ギャップ比は、０．３〜０．５とした請求項１に記載のセンサ。
3. 前記第１の突起部および前記第２の突起部は、前記錘部の重心よりも前記支持部に近い位置に形成された請求項１に記載のセンサ。
4. 前記錘部の上面から見た上面視において、前記第１の突起部の一部および前記第２の突起部の一部は、前記錘部から露出している請求項１に記載のセンサ。
5. 前記錘部の上面と対向する上部基板と、
   前記上部基板の下面又は前記錘部の上面に設けられた第４の突起部および第５の突起部と、をさらに備え、
   前記第４の突起部と前記第５の突起部との間隔は、前記梁部の幅よりも大きく、かつ、前記錘部の幅よりも小さい請求項１に記載のセンサ。
6. 第６の突起部をさらに備え、
   前記第６の突起部は、前記第４の突起部と前記第５の突起部との間であって、
   前記第４の突起部および前記第５の突起部よりも前記支持部に近い位置に形成された請求項５に記載のセンサ。
7. 前記第４の突起部および前記第５の突起部は、前記錘部の重心よりも前記支持部に近い位置に形成された請求項５に記載のセンサ。
8. 前記錘部の上面から見た上面視において、前記第４の突起部の一部および前記第５の突起部の一部は、前記錘部から露出している請求項５に記載のセンサ。

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