JP6020590B2 - 角加速度センサ - Google Patents

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Description

この発明は、梁部に生じる応力から角加速度を検出する角加速度センサに関する。
角加速度センサは、固定部と、錘部と、梁部と、検出部とを備える。錘部は、梁部によって固定部に対して弾性支持される。検出部は、錘部に作用する角加速度を、梁部に生じる応力から検出するように構成される。
ある種の角加速度センサは、錘部の重心位置を中心として回転バランスを取るために回転対称形で構成され、錘部の重心位置を中心に複数の梁部が配置される(例えば特許文献1および2参照。)。錘部の重心位置を中心として回転バランスを取ることにより、加速度の作用で梁部に生じる応力の影響を排除して、角加速度の作用で梁部に生じる応力を検出することができ、検出精度が向上する。
特許第2602300号公報 特開2010−139263号公報
しかしながら、角加速度センサを回転対称形とするために複数の梁部を設けると、角加速度によって錘部の受ける慣性力が、各梁部に分散して伝わってしまう。これにより、所定の固有振動数で角加速度センサを構成した場合に、梁部に発生する角加速度あたりの応力が小さくなり、角加速度の検出感度が低くなるという問題があった。
また、角加速度センサにおいては、固定部に撓みや捩じれが生じることにより、固定部の歪みが梁部に伝わり、角加速度が印加されていないにも関わらず、不要な検出信号が出力されて角加速度の検出精度が低くなるという問題がある。
本発明の目的は、錘部の重心位置を中心とした回転バランスを確保しながら、梁部に発生する応力を集中させ、また、固定部の歪みが梁部に伝わることを抑制し、高い検出感度と検出精度とを実現できる角加速度センサを提供することにある。
この発明は、平板面を有し、固定部と錘部と梁部と検出部とを備える角加速度センサに関する。錘部は、平板面において第1方向に凹む凹部を有している。固定部は、平板面において第1方向に突出し凹部に対向する凸部を有している。梁部は、平板面において第1方向に対して直交する第2方向に凸部から延伸し、第2方向側の端部で凹部に接続されている。検出部は梁部に生じる応力を検出する。そして、固定部は、平板面において第2方向に対して交差する方向に伸びるスリットが陥入している。
この構成では、固定部の凸部と錘部の凹部との間に梁部が配置されているので、梁部を錘部の重心位置の近傍に配置することができ、錘部の重心位置を中心とした回転バランスを取ることができる。さらには、錘部の重心位置を中心に複数の梁部を配置する必要が無く、梁部に応力が集中する。その上、固定部に凸部から第2方向に対して交差する方向に伸びるスリットが陥入しているので、固定部に撓みや捩じれが生じる場合にも、凸部に歪が発生し難くなり、梁部に伝わる歪を低減することができる。
上述の構成において、スリットは、平板面において、第1方向とは反対方向に伸びてもよく、第2方向とは反対方向に伸びてから屈曲し、第1方向とは反対方向に伸びてもよく、第1方向と第2方向とに交差する方向に伸びてもよい。
上述の構成において、固定部は、平板面において、錘部の周囲を取り囲む形状であると好適である。
この構成では、固定部に錘部が取り囲まれるので、固定部をパッケージ構造の一部として利用することが可能になる。また、この構成では、固定部が相対的に大きくなり、外部からの力を受けることで撓みや捩じれが起こり易くなる。したがって、固定部にスリットを設けて梁部への歪みの伝搬を抑制することによる効用が顕著なものになる。
この発明によれば、錘部に凹部を設け、凹部の内側に固定部の凸部と梁部とを配置するので、錘部の重心位置の近傍に梁部を配置することができ、錘部の重心位置を中心とした回転バランスを取ることができる。したがって、加速度の作用で梁部に生じる応力の影響を排除して、角加速度の作用で梁部に生じる応力を検出することができる。
また、錘部の重心位置を中心に複数の梁部を配置する必要が無いため、角加速度によって錘部の受ける慣性力が、凹部と凸部との間に設けた梁部に集中して伝わり、梁部に発生する応力が増大する。
また、固定部に凸部から第2方向に対して交差する方向に伸びるスリットが陥入するので、固定部に撓みや捩じれが生じる場合にも、凸部に歪が発生し難くなり、梁部に伝わる歪を低減することができる。したがって、固定部に撓みや捩じれが生じる場合に、角加速度が印加されていないにも関わらず、不要な検出信号が出力されることを抑制できる。
これらのことにより、角加速度の検出感度や検出精度を向上させることができる。
第1の実施形態に係る角加速度センサの構成を説明する図である。 第1の実施形態に係る角加速度センサの回路構成を説明する図である。 第2の実施形態に係る角加速度センサの構成を説明する図である。 第3の実施形態に係る角加速度センサの構成を説明する図である。 第4の実施形態に係る角加速度センサの構成を説明する図である。 固定部に捩りが印加された場合の、応力分布を説明する図である。
以下の説明では、角加速度センサの有する平板面に対して垂直な軸を直交座標系のZ軸とし、平板面における梁部の延伸方向に沿う軸を直交座標系のY軸とし、Z軸およびY軸に対して垂直な軸を直交座標系のX軸とする。
《第1の実施形態》
以下、本発明の第1の実施形態に係る角加速度センサ10について説明する。
図1(A)は、角加速度センサ10の斜視図である。
角加速度センサ10は、基板部11と、ピエゾ抵抗15A,15B,15C,15Dと、端子電極16A,16B,16C,16Dと、配線17A,17B,17C,17Dと、を備えている。なお、図1では、ピエゾ抵抗15A,15B,15C,15Dの図示を省略している。
基板部11は、Y軸に沿う方向を長手方向とし、X軸に沿う方向を短手方向とし、Z軸に沿う方向を厚み方向とする、矩形平板状に構成されている。基板部11では、Z軸方向において互いに対向する2つの面の間を貫通する開口部が形成されていることにより、固定部12と、錘部13と、梁部14とが構成されている。
また、基板部11は、SOI(Silicon On Insulator)基板を面加工することにより形成されたものであり、Z軸正方向側に位置するSOI層11Aと、Z軸負方向側に位置する基層11Bとを備えている。SOI基板の面加工は加工技術や加工装置の性能が成熟しており、複数の矩形板を効率的に高精度に製造することができる。SOI層11Aと基層11Bとは、絶縁膜により絶縁されている。SOI層11Aおよび基層11Bはいずれもシリコン系材料からなり、絶縁膜は例えば二酸化シリコン(SiO)のような絶縁材料からなる。
固定部12は、X−Y面において、基板部11の外周部に環状に設けられており、錘部13と梁部14とを囲んでいる。すなわち、錘部13と梁部14とは、固定部12の開口内に設けられている。固定部12は、図示しない筐体等に固定されている。
梁部14は、X−Y面において、Y軸に沿う方向を延伸方向とし、X軸に沿う方向を幅方向とする矩形状である。梁部14は、Y軸負方向側の端部で固定部12に接続され、Y軸正方向側の端部で錘部13に接続されており、図示しない筐体等から浮いた状態で固定部12に支持されている。
錘部13は、X−Y面において、X軸に沿う方向を短手方向とし、Y軸に沿う方向を長手方向としている。錘部13は、X−Y面において、図示しない筐体等から浮いた状態で、梁部14を介して変位可能に固定部12に支持されている。
より具体的には、錘部13は、X−Y面において、X軸正方向側の辺の中央が複数段(3段)にわたってX軸負方向側に凹んでおり、凹みの最深部に概略矩形状の凹部13Aが設けられている。X軸負方向は第1方向に相当する方向である。固定部12は、X−Y面において、錘部13のX軸正方向側の辺の3段の凹みに対向するように複数段(3段)にわたってX軸負方向側に突出しており、突出する領域の最頂部に概略矩形状の凸部12Aが設けられている。凹部13Aは、Y軸負方向側を向く壁面と、X軸正方向側を向く壁面と、Y軸正方向側を向く壁面とを有している。凸部12Aは、Y軸正方向側を向く壁面と、X軸負方向側を向く壁面と、Y軸負方向側を向く壁面とを有している。そして、凹部13Aの各壁面と、凸部12Aの各壁面とは、それぞれ開口部を隔てて対向している。梁部14は、凸部12AにおけるY軸正方向側を向く壁面からY軸正方向に延伸しており、凹部13AにおけるY軸負方向側を向く壁面に接続されている。Y軸正方向は第2方向に相当する方向である。
錘部13および固定部12を上述の形状とすることにより、錘部13のX−Y面における重心位置に、梁部14を配置することが可能になる。すると、Z軸を回転軸とする角加速度が錘部13に作用する場合に、錘部13が一つの梁部14によって支持されていても回転バランスをとることができ、全ての回転慣性力が梁部14に集中して梁部14が大きく撓むことになる。また、錘部13は、梁部14から離れた位置にあるY軸方向の両端部がX軸方向に幅広であって、Y軸方向の両端部に質量が集中しているため、Z軸を回転軸とする角加速度によって梁部14に作用する慣性モーメントが大きなものになる。これらにより、角加速度センサ10は、Z軸を回転軸とする角加速度によって梁部14の撓みが生じやすくなり、角加速度の検知感度が向上することになる。
端子電極16A,16B,16C,16Dは、固定部12のZ軸正方向側の面に設けられている。端子電極16Aと端子電極16Bとは、固定部12のX軸正方向側の辺に沿って配置されており、端子電極16Cと端子電極16Dとは、固定部12のX軸負方向側の辺に沿って配置されている。また、端子電極16Aは、固定部12のX軸正方向側の辺においてY軸負方向側に配置されており、端子電極16Bは、固定部12のX軸正方向側の辺においてY軸正方向側に配置されている。端子電極16Cは、固定部12のX軸負方向側の辺においてY軸負方向側に配置されており、端子電極16Dは、固定部12のX軸負方向側の辺においてY軸正方向側に配置されている。
配線17A,17B,17C,17Dは、固定部12と梁部14とのZ軸正方向側の面に設けられている。配線17Aの一端は端子電極16Aに接続されており、他端は後述するピエゾ抵抗15Aに接続されている。配線17Bの一端は端子電極16Bに接続されており、他端は後述するピエゾ抵抗15Bに接続されている。配線17Cの一端は端子電極16Cに接続されており、他端は後述するピエゾ抵抗15Cに接続されている。配線17Dの一端は端子電極16Dに接続されており、他端は後述するピエゾ抵抗15Dに接続されている。このため、端子電極16Aは配線17Aを介してピエゾ抵抗15Aと電気的に接続されており、端子電極16Bは配線17Bを介してピエゾ抵抗15Bと電気的に接続されており、端子電極16Cは配線17Cを介してピエゾ抵抗15Cと電気的に接続されており、端子電極16Dは配線17Dを介してピエゾ抵抗15Dと電気的に接続されている。
図1(B)は、基板部11における梁部14の周辺構造を示す斜視図である。
梁部14のX−Y面における中心位置(図中に×印で示す)は、錘部13の重心位置と一致している。また、梁部14は、応力中立面Pを境に面対称形状である。応力中立面Pは、梁部14の中心位置を通るY−Z面である。なお、梁部14は、中心位置を通るX−Z面を境にしても面対称形状である。
錘部13や固定部12は、完全な剛体ではないため、慣性力や重力の作用で若干の弾性変形が生じる。この弾性変形が梁部14に伝わることによって梁部14における応力の分布が崩れると、角加速度が印加されていないにも関わらずピエゾ抵抗から不要な出力が発生することになる。
そこで、ここでは固定部12の壁面により内壁面が構成されているスリット18を固定部12に設けている。スリット18Bは、X−Y面において、凸部12AのY軸正方向側を向く壁面のX軸正方向側の端から、Y軸負方向側に延伸し、Y軸負方向側の先端で屈曲してから、X軸正方向側に延伸している。
このようにスリット18をY軸負方向側に延伸して設けることにより、梁部14の近傍において、応力中立面Pを境に凸部12Aを面対称な形状としている。すると、固定部12に弾性変形が生じて梁部14に応力が発生することがあっても、梁部14における応力の分布が応力中立面Pを境に面対称になる。したがって、ピエゾ抵抗から不要な出力を発生することを防ぐことができる。
そして、このスリット18を、X軸正方向側に屈曲させて延伸していることにより、固定部12の全体に撓むような変形や、捩じるような変形が生じた場合でも、凸部12Aに歪みが伝達されることを抑制できる。これにより、梁部14に歪みが伝達されることを抑制でき、ひいては、ピエゾ抵抗15A〜15Dが、検出軸周りの角速度以外に起因する不要な電気信号を出力することを抑制できる。
また、錘部13の壁面により内壁面が構成されているスリット19を、錘部13に設けることにより、梁部14の近傍において、応力中立面Pを境に凹部13Aを面対称な形状としている。スリット19は、X−Y面において、凹部13AのY軸負方向側を向く壁面のX軸負方向側の端から、Y軸正方向側に延伸している。即ち、このスリット19は、凹部13Aから、Y軸正方向(第2方向)に陥入するスリットである。梁部14の中心を通る応力中立面Pを境に凹部13Aを面対称な形状とすることによって、錘部13に弾性変形が生じて梁部14に応力が発生することがあっても、梁部14における応力の分布が応力中立面Pを境に面対称になる。したがって、このことによってもピエゾ抵抗から不要な出力が発生することを防ぐことができる。
図2(A)は、梁部14に設けられているピエゾ抵抗15A,15B,15C,15Dについて説明する図である。
ピエゾ抵抗15A,15B,15C,15Dは、本実施形態における検出部を構成し、梁部14のZ軸正方向側の面に設けられている。上述のように、ピエゾ抵抗15Aは配線17Aと接続されており、ピエゾ抵抗15Bは配線17Bと接続されており、ピエゾ抵抗15Cは配線17Cと接続されており、ピエゾ抵抗15Dは配線17Dと接続されているが、図3では配線17A,17B,17C,17Dの図示を省略している。なお、ピエゾ抵抗15A,15B,15C,15Dは、梁部14において、SOI層11Aに対してp型の不純物を拡散(ドープ)させることによって形成されている。
ピエゾ抵抗15Aは、X−Y面において、梁部14のX軸正方向側の端部であって、Y軸方向の中央よりもY軸負方向側の位置に設けられている。ピエゾ抵抗15Bは、X−Y面において、梁部14のX軸正方向側の端部であって、Y軸方向の中央よりもY軸正方向側の位置に設けられている。ピエゾ抵抗15Cは、X−Y面において、梁部14のX軸負方向側の端部であって、Y軸方向の中央よりもY軸負方向側の位置に設けられている。ピエゾ抵抗15Dは、X−Y面において、梁部14のX軸負方向側の端部であって、Y軸方向の中央よりもY軸正方向側の位置に設けられている。
そして、ピエゾ抵抗15A,15B,15C,15Dは、梁部14の中央位置を通るY−Z面(応力中立面)を境に面対称、且つ、梁部14の中央位置を通るX‐Z面を境に面対称に配置されている。
図2(B)は、ピエゾ抵抗15A,15B,15C,15Dを用いて構成される検出回路の概略構成を説明する回路図である。
ピエゾ抵抗15Aとピエゾ抵抗15Dとは直列に接続されている。また、ピエゾ抵抗15Bとピエゾ抵抗15Cとは直列に接続されている。ピエゾ抵抗15A,15Dからなる直列回路と、ピエゾ抵抗15B,15Cからなる直列回路と、は互いに並列接続されている。そして、ピエゾ抵抗15Bとピエゾ抵抗15Dとの接続点は定電圧源の出力端子Vddに接続されており、ピエゾ抵抗15Aとピエゾ抵抗15Cとの接続点はグランドGNDに接続されている。また、ピエゾ抵抗15Aとピエゾ抵抗15Dとの接続点は出力端子OUTに接続されており、ピエゾ抵抗15Bとピエゾ抵抗15Cとの接続点は出力端子OUTに接続されている。
これにより、ピエゾ抵抗15A,15B,15C,15Dは、ホイートストンブリッジ回路を構成している。ホイートストンブリッジ回路において直列回路を構成するピエゾ抵抗15Aとピエゾ抵抗15D、および、直列回路を構成するピエゾ抵抗15Bとピエゾ抵抗15Cが、それぞれ、梁部14の中央を境に反対側に設けられている。したがって、梁部14のX軸に沿う撓みによって出力端子OUT,OUTからの出力信号の電位が互いに逆極性で変わるため、その電位差を利用してZ軸を回転軸とする角加速度を計測することが可能になる。ホイートストンブリッジ回路を構成することにより、角加速度センサ10の検出感度は、2つのピエゾ抵抗からなる抵抗分圧回路を用いて検出回路を構成した角加速度センサの検出感度よりも高いものにできる。
≪第2の実施形態≫
次に、本発明の第2の実施形態に係る角速度センサを構成する基板部21について説明する。
図4は、基板部21における梁部の周辺構造を示す斜視図である。
第2の実施形態では、第1の実施形態と同様に、基板部21は固定部22と錘部23と梁部24とを有し、固定部22は凸部22Aを有し、錘部23は凹部23Aとスリット29とを有している。
また、固定部22は、固定部22の壁面により内壁面が構成されているスリット28を有している。スリット28は、X−Y面において、凸部32AのY軸正方向側を向く壁面のX軸正方向側の端から、Y軸負方向側に延伸してから屈曲し、X軸正方向とY軸負方向との間を二分する方向に延伸している。即ち、スリット28Aは、Y軸負方向側に延伸してから屈曲し、X−Y面において、X軸およびY軸に対して交差する方向に延伸している。
このように、固定部22に、X軸およびY軸に対して交差する方向に延伸するスリット28を設けることによっても、固定部22の全体に撓むような変形や、捩じるような変形が生じた場合でも、凸部22Aに歪みが伝達されることを抑制できる。
≪第3の実施形態≫
次に、本発明の第3の実施形態に係る角速度センサを構成する基板部31について説明する。
図4は、基板部31における梁部の周辺構造を示す斜視図である。
第3の実施形態では、第1の実施形態と同様に、基板部31は固定部32と錘部33と梁部34とを有し、固定部32は凸部32Aを有し、錘部33は凹部33Aとスリット39とを有している。
また、固定部32は、固定部32の壁面により内壁面が構成されているスリット38A,38Bを有している。スリット38Aは、X−Y面において、凸部32AのY軸負方向側を向く壁面のX軸正方向側の端から、X軸正方向側に延伸している。即ち、スリット38は、凸部32Aから、X軸正方向(第1方向とは反対方向)に陥入している。スリット38Bは、X−Y面において、凸部32AのY軸正方向側を向く壁面のX軸正方向側の端から、Y軸負方向側に延伸している。即ち、スリット38Bは、凸部32Aから、Y軸負方向(第2方向とは反対方向)に陥入している。
このように、固定部32にY軸負方向(第2方向とは反対方向)に陥入するようにスリット38Bを設けることによって、梁部34の近傍において、梁部34の中心を通る応力中立面Pを境に凸部32Aを面対称な形状としている。したがって、凸部32Aに弾性変形が生じて梁部34に応力が発生することがあっても、梁部34における応力の分布が応力中立面Pを境に面対称にすることができる。そして、さらに固定部32にX軸正方向(第1方向とは反対方向)に陥入するスリット38Aを設けることによって、固定部32の全体に撓むような変形や、捩じるような変形が生じた場合でも、凸部32Aに歪みが伝達されることを抑制できる。
≪第4の実施形態≫
次に、本発明の第4の実施形態に係る角速度センサを構成する基板部41について説明する。
図5は、基板部41における梁部の周辺構造を示す斜視図である。
第4の実施形態では、第3の実施形態と同様に、基板部41は固定部42と錘部43と梁部44とを有し、固定部42は凸部42Aとスリット48Aとを有し、錘部43は凹部43Aとスリット49とを有している。
また、第1の実施形態と同様に固定部42は、スリット48Bを有している。
このように、凸部42Aから、X軸正方向(第1方向とは反対方向)に陥入するスリットを、複数備えていてもよい。
≪比較試験≫
次に、固定部における4つの外角部分に捩りを印加した場合に、基板部に作用する応力の分布について説明する。
図6は、梁部の周辺構造における応力分布を示すコンター図である。図6(A)は、X軸正方向(第1方向とは反対方向)側に陥入するスリットを凸部に設けていない比較構成に係る基板部51Aにおける応力分布を示している。図6(B)は、X軸正方向(第1方向とは反対方向)側に陥入するスリットを、凸部のY軸正方向側に設けた本願構成に係る基板部51Bにおける応力分布を示している。図6(A)は、X軸正方向(第1方向とは反対方向)側に陥入するスリットを、凸部のY軸負方向側に設けた本願構成に係る基板部51Cにおける応力分布を示している。
なお、図中の濃淡表示は、応力の絶対値の分布を概略的に示している。例えば、固定部において淡色表示の領域で区画されている2つの濃色表示されている領域では、応力の極性が反対であり、応力の絶対値は略等しくなっている。
比較構成に係る基板部51Aは、凸部52Aの内部にまで応力が分布しており、また、梁部54の端部近傍でも、部分的に応力が分布している。一方、本願構成に係る基板部51Bおよび基板部51Cは、凸部52Aの内部には部分的にしか応力が分布しておらず、梁部54の端部近傍には、ほとんど応力が分布していない。
このように、応力分布の比較試験からも、本願構成のようにX軸正方向(第1方向とは反対方向)側に陥入するスリットを凸部の近傍に設けることで、梁部に応力が伝わらず、ピエゾ抵抗から不要な出力が発生することを防ぐことができるということがわかる。
上述の実施形態では、各スリットを、直線状、あるいは屈曲形状とする構成例を示したが、スリットは、曲線状や、曲線を組み合わせた形状であってもよい。
10…角加速度センサ
11,21,31,41,51A,51B,51C…基板部
11A…SOI層
11B…基層
12,22,32,42…固定部
12A,22A,32A,42A,52A…凸部
13,23,33,43…錘部
13A,23A,33A,43A…凹部
14,24,34,44,54…梁部
15A,15B,15C,15D…ピエゾ抵抗
16A,16B,16C,16D…端子電極
17A,17B,17C,17D…配線
18,19,28,29,38,39,48A,48B,49…スリット

Claims (5)

  1. 平板面を有し、
    前記平板面において第1方向に凹む凹部を有する錘部と、
    前記平板面において前記第1方向に突出し前記凹部に対向する凸部を有する固定部と、
    前記平板面において前記第1方向に対して直交する第2方向に前記凸部から延伸し、前記第2方向側の端部で前記凹部に接続されている梁部と、
    前記梁部に生じる応力を検出する検出部と、
    を備え、
    前記固定部は、前記平板面において前記凸部に隣接する位置から、前記第2方向に対して交差する方向に沿って伸びる第1部分を有するスリットが陥入している、角加速度センサ。
  2. 前記スリットの前記第1部分は、前記平板面において前記第1方向とは反対方向に沿って伸びる、請求項1に記載の角加速度センサ。
  3. 前記スリットは、前記平板面において、前記第2方向とは反対方向に沿って伸びる第2部分をさらに有し、
    前記スリットにおいて前記第1部分と前記第2部分は、屈曲して繋がる、請求項1に記載の角加速度センサ。
  4. 前記スリットの前記第1部分は、前記平板面において、前記第1方向と前記第2方向とに対して交差する方向に沿って伸びる、請求項1に記載の角加速度センサ。
  5. 前記固定部は、前記平板面において、前記錘部の周囲を取り囲む形状である、請求項1〜4のいずれかに記載の角加速度センサ。
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