JPWO2008149821A1 - センサ装置 - Google Patents

Abstract

本発明は、小型で低背なセンサ装置に関する。基体１と、少なくとも一部が基体１と間隔を空けた状態で配置され、基体１に対して変位可能な乗載体３と、前記乗載体に取り付けられる重り部２と、乗載体３の変位に基づく電気信号を発生させるための変位検出部６と、を備え、重り部２は、変位検出部６からの電気信号を処理するＩＣ４を含むセンサ装置である。重り部２とＩＣ４が一体となっているため、従来のセンサ装置に比べ小型で低背なセンサ装置を提供することができる。

Description

本発明は、物体の変位を検出するセンサ装置に関するものである。

携帯型音楽プレイヤーやノート型パソコンなどのハードディスクドライブ搭載機器の落下保護、自動車のナビゲーションシステムにおける加速度検知などに、センサ装置が使用されている。このようなセンサ装置は、基本的には同じ構成のものを、検出信号の処理方法、駆動方法などにより、ショックセンサ、加速度センサ、角速度センサ等として用いることができる。
特開２００５−１６９５４１号公報には、従来の加速度センサ装置の一例が開示されている。
従来の加速度センサ装置は、特開２００５−１６９５４１号公報に開示されるように、通常、センサチップと、センサチップからの検出信号を処理する回路を有するＩＣチップとを備えている。センサチップは、加速度応じた力が作用する重り部と、重り部を囲む支持部と、一端が前記重り部に連結され、他端が前記支持部に連結された可動部とを有し、可動部にはピエゾ抵抗素子が設けられている。
センサ装置には、小型化が強く要望されているが、特開２００５−１６９５４１号公報に開示される加速度センサ装置では、ＩＣチップをセンサチップに直接実装することによって、小型化を図っている。
しかしながら特開２００５−１６９５４１号公報に開示された加速度センサ装置の場合、支持部にＩＣチップの実装領域と、ＩＣチップとセンサチップとをワイヤで接続するために必要な端子を設けるための領域とが必要になるため支持部の幅を大きくする必要がある。そのためセンサ装置の小型化が十分に図れないという問題があった。
またセンサ装置の中で比較的大きな体積を占める重り部を設ける必要があるため、これによってもセンサ装置の小型化が十分に図れないという問題があった。

本発明は、以上のような従来の技術における問題点を解決すべく案出されたものであり、その目的は、全体構造をより小型化することができるセンサ装置を提供することである。
本発明のセンサ装置は、基体と、少なくとも一部が前記基体と間隔を空けた状態で配置され、前記基体に対して変位可能な乗載体と、前記乗載体に取り付けられる重り部と、前記乗載体の変位に基づく電気信号を発生させるための変位検出部と、を備え、前記重り部は、前記変位検出部からの電気信号を処理するＩＣを含むものである。
本発明のセンサ装置は、重り部にＩＣが含まれた構造となっている。すなわち従来は重り部とＩＣとを別個に設けていたのに対し、本発明のセンサ装置ではＩＣが重り部としての機能も有している。したがって従来のセンサ装置の構造に比して重り部の分だけ体積を減らすことができセンサ装置を小型化することができる。
またＩＣが乗載体に取り付けられているため、従来のセンサ装置の支持部に相当する部分にＩＣを実装するためのスペースを確保する必要がなく、支持部に相当する部分の幅を小さくすることでき、これによってもセンサ装置を小型化することができる。

本発明の目的、特色、および利点は、下記の詳細な説明と図面とからより明確になるであろう。
本発明の第１の実施形態のセンサ装置を示す断面図である。 本発明の第１の実施形態のセンサ装置の他の例を示す断面図である。 本発明の第１の実施形態のセンサ装置のさらに他の例を示す断面図である。 本発明の第２の実施形態のセンサ装置を示す平面図である。 図２ＡのＡ−Ａ’線断面図である。 本発明の第３の実施形態のセンサ装置を示す断面図である。 図３Ａに示すセンサ装置の変形例を示す断面図である。 図３に示すセンサ装置の変形例を示す断面図である。 図３に示すセンサ装置の変形例を示す断面図である。 図３に示すセンサ装置の変形例を示す要部平面図である。 本発明の第４の実施形態のセンサ装置を示す断面図である。 本発明の第５の実施形態のセンサ装置を示す断面図である。 本発明の第６の実施形態のセンサ装置を示す断面図である。 本発明の第６の実施形態のセンサ装置における乗載体へ印加する力の大きさと変位量との関係を示す線図である。 本発明の第７の実施形態のセンサ装置を示す断面図である。 本発明の第８の実施形態のセンサ装置を示す断面図である。 基体の上面図である。 図２に示すセンサ装置を保護パッケージに収容した状態の断面図である。

以下、本発明の実施形態のセンサ装置について図面を参照にしつつ詳細に説明する。なお、以下に説明する図面において同一構成には同一符号を付すものとし、重複する説明を省略する。
〔第１の実施形態〕
図１Ａは、本発明の第１の実施形態にかかるセンサ装置を示す断面図である。
図１Ａにおいて、１は基体、２は重り部、３は乗載体、４はＩＣ、５は封止樹脂、６は変位検出部、７は基体側電極、８は乗載体側電極、９は接続配線である。
乗載体３は、少なくとも一部が基体１の主面と間隔を空けて設けられ、基体１に対して変位を生じるように構成されている。この乗載体３には、重り部２が設けられる。重り部２は、変位検出部６からの信号を処理するＩＣ４を含んでいる。変位検出部６は、基体１に対し乗載体３が変位したときに、その変位に応じた電気信号を発生させるためのものである。
このように重り部２にＩＣ４が含まれた構造を有しているので、従来のＩＣと重り部とを別個に設けたセンサ装置の構造に比して重り部の分だけ体積を減らすことができセンサ装置を小型化することができる。また、図１Ａに示すセンサ装置のように乗載部３ａの上面にＩＣ４を配置した場合は、基体１の上面と乗載部３ａの下面との間に空きスペースができるため、センサ装置を駆動させるのに必要な他の素子を基体１の上面に配置することも可能となる。このように基体１の上面と乗載部３ａの下面との間に形成される空きスペースを有効利用すれば、センサ装置をより小型化することができる。さらに従来のセンサ装置では、重り部とＩＣとを別個に設けているため重り部を形成するための複雑な工程が必要となるが、本実施形態にかかるセンサ装置は、重り部２にＩＣ４が含まれた構成であるため、乗載体３にＩＣ４を取り付けるのと同時に重り部２が形成されることとなり、センサ装置の生産性向上にも供することができる。
具体的には、基体１上に、片持ち梁状の乗載体３が形成されている。乗載体３は乗載部３ａと梁部３ｂとからなる。この乗載部３ａ上にＩＣ４とそれを保護する封止樹脂５からなる重り部２が設けられている。乗載部３ａは可撓性を有し、通常は基体１と一定間隔を保ち、衝撃、加速度、角速度等による力が加わったときには基体１に対して変位を生じる。ＩＣ４は導電性材料や樹脂材料などからなる接着剤２６により乗載部３ａに固定されている。ＩＣ４は、乗載体３が動いた場合でも乗載体３から剥がれないようにするため、その下面全体が接着剤２６により乗載部３ａに固定されていることが好ましい。この変位を検出するための変位検出部６は、乗載部３ａの基体１と対向する面に形成された乗載体側電極８と、この乗載体側電極８に対向するように基体１上に設けられた基体側電極７とで構成される。両電極間の静電容量の変化により、乗載体３の変位を検出することができる。これら電極７，８の配置位置は、特に限定されないが、乗載部３ａの変位の大きい箇所に設けることが好ましい。
そして、この基体側および乗載体側電極７，８で形成される静電容量の値（信号）を、ＩＣ４で処理する。なおＩＣ４は、変位検出部からの信号を増幅する増幅回路、センサ装置の温度特性を補正する温度補償回路、ノイズを除去するノイズ除去回路などが集積化されたものであり、これらの回路により変位検出部６で発生した電気信号に基づき、加速度の大きさや方向などに対応した電気信号が出力される。
乗載体側電極８とＩＣ４とはＩＣ側パッド１０、金属細線１９、乗載体側パッド２４、接続配線９、貫通導体２５などを介して電気的に接続されている。このＩＣ４は重り部２としても機能するものである。このＩＣ４を覆うように封止樹脂５が設けられている。封止樹脂５によりＩＣ４を保護できる。また封止樹脂５の樹脂量を変えることで、重り部２の重さを調整することができ、さらに重心を樹脂の搭載位置および樹脂量で調整することができるので、所望の重量と重心を有する重り部２を作製することができる。その結果、感度に優れたセンサ装置を提供することができる。
このような、図１Ａに示すセンサ装置においては、基体１は、特に限定はなく、アルミナ等のセラミックス基板や、Ｓｉ基板、サファイヤ等の単結晶基板や、ガラス、二酸化ケイ素、または樹脂、金属基板等を用いることができる。乗載体３は、シリコン、ガラス、石英、二酸化ケイ素、または樹脂などから選ばれる。乗載部３ａは、例えば、厚み０．５μｍ〜２００μｍ、幅および長さ０．１ｍｍ〜１０ｍｍの薄い直方体形状を有している。また、梁部３ｂは、厚みとして０．５μｍ〜２００μｍ、幅０．１μｍ〜２００μｍ、長さ１μｍ〜１０ｍｍの範囲で選択することができる。基体側電極７及び乗載体側電極８は、導電性を有する材料であれば特に限定はなく、Ａｕ、Ｃｕ、Ａｌ、Ｎｉ、それらの合金等を用いることができる。基体側電極７及び乗載体側電極８の厚みは、例えば、０．１μｍ〜５０μｍとすればよい。封止樹脂５は、ＩＣ４が発する熱に耐え、ＩＣ４を衝撃、薬品等から保護する材料を用いることが好ましく、例えば、エポキシ樹脂、ポリイミド樹脂、ＢＣＢ樹脂等を用いることができる。ここでＩＣ４の寸法は、特に規定はないが、例えば、厚み０．０１ｍｍ〜５ｍｍを選択することができ、幅および長さとしては乗載部３ａの平面寸法である、０．１ｍｍ〜１０ｍｍの範囲で選択することができる。
図１Ａに示すような構造のセンサ装置を作製するには、例えば、基体１と乗載体３との間に除去層を設けるようにすればよい。具体的には、基体１から順に、基体側電極７、除去層、乗載体側電極８、乗載体３および重り部２を積上げた後、除去層を除去することで、同図に示す構造のセンサ装置を作製することができる。
図１Ａに示す実施形態では、乗載体３が片持ち梁状であったが、図１Ｂに示すように、両持ち梁状であってもよい。この場合には、乗載部３ａをより安定して保持することができるので、信頼性の高いものとすることができる。このような両持ち梁状の形状の場合には、重り部２は、乗載部３ａの重心部に形成されることが好ましい。また、平面視で、乗載部３ａの重り部２を挟んで両側に変位検出部６を配置することが好ましい。変位検出部６は測定用電極として用いられるが、測定用電極が１つの場合は一方向のショック及び加速度が測定可能な１軸センサとして機能し、２つの場合は２軸センサとして機能する。
図１Ｂに示すように、ＩＣ４を乗載部３ａの基体１と相対する側の面に設けておけば、センサ装置をより低背化することができる。したがってセンサ装置を低背化させたい場合には、ＩＣ４を乗載部３ａの基体１と相対する側の面に設けることが好ましい。
図１Ａでは、変位検出部６として静電容量を用いる実施形態について説明したが、図１Ｂではピエゾ抵抗１１を用いている。
図１Ａおよび図１Ｂでは、変位検出部６を乗載体３の基体１と相対する面に配置しているが、図１Ｃに示すよう に、基体１と相対する面とは反対側の面に配置すれば、変位検出部６が図の上側に露出することとなり、センサ装置を組み立てた後でもトリミングなどを行うことによって変位検出部６を調整することができる。
また、図１Ａ〜図１Ｃに示す実施形態では、乗載部３ａが可撓性を有する実施形態について説明したが、梁部３ｂにその機能をもたせてもよい。また、変位検出部６として、弾性表面波の位相差を検出するようにしてもよい。この場合には、乗載体３として圧電性を有する材料を用い、平面視で重り部２の配置位置に近い部位と、梁部３ｂに近い位置とに対となる櫛歯状電極を設ければよい。
〔第２の実施形態〕
次に、図２を用いて本発明の第２の実施形態のセンサ装置について説明する。
図２Ａは本発明の第２の実施形態のセンサ装置を示す平面図であり、図２Ｂは、図２ＡのＡ−Ａ’線断面図である。なお図２Ａは、センサ装置を上面側から見た平面図であり、下面側に位置するＩＣ４および封止樹脂５の配置関係を示すため、図ではＩＣ４を点線で、封止樹脂５を二点鎖線で示している。
図２Ａおよび図２Ｂにおいて、基体１は枠状の形状をしており、その基体１の内部に乗載体３が配置されている。乗載体３は、基体１の内側の領域に配置された乗載部３ａと、この乗載部３ａを基体１に取り付ける、可撓性を有する梁部３ｂとからなる。平面視で、枠状の基体１の内部のうち、乗載部３ａ、梁部３ｂが配置されていない部位は空洞となっており、変位が生じやすい構成となっている。図２Ａおよび図２Ｂに示す実施形態では、基体１、乗載部３ａ、梁部３ｂは例えばシリコン基板を加工することで一体的に形成されている。また乗載体３ａの周囲に等間隔に（図では４つの）梁部３ｂが設けられている。梁部３ｂの形状は、可撓性を有するとともに、乗載部３ａを安定して保持することのできる範囲で感度を鑑みて設定する。基体１と乗載部３ａとの大きさとの比率によっても異なるが、具体的には、梁部３ｂは、厚み０．５μｍ〜２００μｍ、幅０．１μｍ〜２００μｍ、長さ１μｍ〜１０ｍｍの範囲で選択することができる。
この梁部３ｂのそれぞれには、ピエゾ抵抗１１が配置されている。これにより、乗載部３ｂの変位を検出することができる。また、乗載部３ａにはＩＣ４及びそれを保護する封止樹脂５とからなる重り部２が設けられている。重り部２は、枠状の基体１の内側の領域において、その中央部分と重り部２の重心部分が一致するように形成されることが望ましい。
このような、基体１、乗載体３はＳｉ基板やＳＯＩ基板をエッチングすることで、一体的に形成することが好ましい。なお、同一のＳｉ基板を用いて、基体１や乗載体３のみならずＩＣ４を一体的に形成することも可能である。
図２に示すセンサ装置において、基体１が従来の支持部に相当する部分である。本実施形態にかかるセンサ装置の場合、ＩＣ４が乗載部３ａに実装されているため、基体１にＩＣ４の実装領域を確保する必要がなく、基体１の幅を狭くすることができる。その結果、センサ装置の全体構造を小型化することができる。
なお、図２Ａおよび図２Ｂに示す実施形態では、変位検出部として、ピエゾ抵抗１１を用いたが、図１Ａに示すような静電容量や、弾性表面波の位相変化から検出してもよい。例えば、静電容量で検出する場合には、乗載部３ａと基体１との対向する部分（側面）に、それぞれ乗載体側電極、基体側電極を設ければよい。
図１１は、図２に示すセンサ装置を保護パッケージ３０に収容した状態を示す図である。保護パッケージ３０は、例えば、セラミックなどからなる複数の絶縁層を積層することにより形成される。保護パッケージ３０は、センサ装置を収容できるように、センサ装置より一回り大きいキャビティを有している。
センサ装置は、基体１の下面とキャビティ底面となる絶縁層の主面との間に介在された実装用接着剤２９により保護パッケージ３０に固定されている。
保護パッケージ３０の下面には外部端子３５が設けられており、外部端子３５とセンサ装置とは、装置側パッド３１、金属細線３２、パッケージ側パッド３３、ビア導体３４などを介して電気的に接続されている。
キャビティの開口面は封止蓋２７で塞がれており、これによってセンサ装置が保護パッケージ３０の内部に封止された状態で収容されることとなる。なお封止蓋２７は、エポキシ樹脂などの封止用接着剤２８により保護パッケージ３０に接合されている。
〔第３の実施形態〕
次に図３を用いて、本発明の第３の実施形態にかかるセンサ装置について説明する。
図３Ａは、本発明の第３の実施形態にかかるセンサ装置を示す断面図である。図３Ａに示すセンサ装置として、静電サーボ式の加速度センサを例に説明する。
図３Ａにおいて、１２は、乗載体３と基体１とを間隔を空けて対向配置させるためのスペーサであり、１３は、重り部２を封止するための筐体である。なお、本実施形態にかかる乗載体３は、平板状の可撓性を有する部材により構成されている。
乗載体３の基体１と対向する面と反対側の面には、ＩＣ４が配置されており、このＩＣ４をＩＣ封止部材１４で封止している。このＩＣ４とＩＣ封止部材１４とで重り部２を構成する。
図３Ａに示すセンサ装置は、第１駆動部を少なくとも２つ備えている。この第１駆動部は、基体１に配置された第１駆動電極２０（以下、電極２０ともいう）と、これに対向するように乗載体２に配置された第２駆動電極２１（以下、電極２１ともいう）とで構成されるものである。第１駆動部は、センサ装置を平面視したときに、少なくとも重り部２の両側に位置するように配される。この第１駆動部により変位を測定することができる。すなわち、図３Ａに示すセンサ装置では、第１駆動電極２０と第２駆動電極２１とで変位検出部が構成される。例えば、加速度の測定は以下のようにして行う。まずセンサ装置に加速度が印加されると、重り部２に加速度に応じた力が作用し、重り部２が動くことによって乗載体３が変形する。乗載体３の変形に伴って、第１駆動部の容量が変化する。その容量変化をＩＣ２で検出して、乗載体３が初期の位置に保持されるような電圧を第１駆動部にフィードバックする。これにより乗載体３が、初期位置に保持されるように制御され、その際の制御電圧から加速度を求めることができる。この方式は、ピエゾ抵抗型の加速度センサに比べて加速度検出時の周辺温度の影響が少ないため、温度特性に優れたセンサ装置となすことができる。
図３Ｂは、図３Ａに示したセンサ装置の変形例を示す断面図である。図３Ａに示すセンサ装置では、変位検出部がピエゾ抵抗１１からなり、図３Ａに示すセンサ装置で用いていた第１駆動電極２０と第２駆動電極２１とからなる第１駆動部は、乗載体３の位置を補正するために使用される。
乗載体３を筐体１３に収容した際、乗載体３が基体１に対して傾いた状態で固定される場合がある。このように乗載体３が傾いた状態で固定されると、重り部２の自重などにより加速度が印加されていない状態でも乗載体３が変形し、それに伴ってピエゾ抵抗１１も変形してしまう。そうすると、初期状態における加速度の検出電圧（ゼロＧ電圧）が、大きくなり検出感度の低下を招くこととなる。そこでゼロＧ電圧ができるだけ小さくなるように第１駆動部に所定の電圧を印加することで、検出感度の良いセンサ装置となすことができる。またＩＣ４を樹脂からなるＩＣ封止部材１４により封止した場合、ＩＣ封止樹脂部材１４が水分を吸収して重り部２の重さが変化し、これによってもゼロＧ電圧が大きくなる場合がある。このような場合にも、図３Ｂに示す第１駆動部を設けて補正を行うことにより、検出感度の良いセンサ装置となすことができる。
乗載体３および重り部２を筐体１３に収容した後で、所望の周波数特性、同調性を得るように調整を行なうためには、例えば、以下のような第１〜第３工程によりセンサ装置を作製すればよい。
第１工程：乗載体３および重り部２を筐体１３に収容する前の状態でセンサ装置に加速度を印加してＩＣ４から出力される信号を測定する。
第２工程：乗載体３および重り部２を筐体１３に収容した後に、ＩＣ４から出力される信号を測定する。
第３工程：第１駆動部に駆動信号を印加して乗載体３を変位させることにより、第２工程で測定した値が第１工程で測定した値と略同等となるように調整する。
以上の工程により、乗載体３および重り部２を筐体１３に収容した後においても、センサ装置としての機能を設計値（第１工程で測定される値）に調整することができ、特性の安定したセンサ装置が得られる。
図３に示すセンサ装置の場合、ＩＣ４からの発熱を、乗載体３を介して筐体１３に放熱することもできる。さらに、ＩＣ４と乗載体３とが接続されて一体となっている構造を有しており、ＩＣ４と乗載体３に設けられた変位検出部６との温度差を低く抑えることができるので、温度補償に優れた信頼性の高いセンサ装置を実現することができる。
なお、ＩＣ封止部材１４は、セラミックス、ガラス、シリコン、金属および樹脂などからなる。
スペーサ１２は、例えば、樹脂材料で形成する。スペーサ１２の厚みは、０．１μｍ〜２００μｍの範囲で選択することができるが、電極２０，２１への電圧印加による静電引力をより大きくするには、０．１μｍ〜２０μｍの範囲で選択することが望ましい。
また、図面には記載していないが、ＩＣ４から、筐体１３の外側あるいは基体１の外側まで導出される信号線を設けることで、センサ装置を外部回路に接続することができる。このような信号線は、例えば、基体１およびスペーサ１２を貫通する貫通導体を設け、貫通導体を介して基体１の表面（図の上面）まで導出すればよい。
なお、図３に示す実施形態では、変位検出部６としてピエゾ抵抗を用いた例について説明したが、図１Ａに示すように静電容量で検出してもよいし、弾性表面波の位相差で検出してもよい。
〔第４の実施形態〕
図４に本発明の第４の実施形態にかかるセンサ装置を示す。図４Ａに示すセンサ装置は、図２Ａおよび図２Ｂに示したセンサ装置と同様の構造からなる乗載部３ａと可撓性を有する梁部３ｂとからなる乗載体３を備えている。また、乗載部３ａを囲み、乗載部３ａと同程度の厚みからなる基体１が筐体１３の上面とスペーサ１２の下面とで挟持された構造となっている。スペーサ１２は枠状となっており、スペーサ１２の開口面を塞ぐように蓋体１７が設けられている。
乗載体３の蓋体１７と相対する面には、第１駆動電極２１が設けられており、蓋体１７の乗載体３と相対する面には、第１駆動電極２１と対向配置されるように第３駆動電極１８（以下、電極１８ともいう）が設けられている。
図４Ｂは、図４Ａに示したセンサ装置の変形例を示す図である。図４Ｂに示すセンサ装置は、筐体１３の底面に図２Ａおよび図２Ｂに示すセンサ装置を実装し、筐体１３の開放部側（上部）を蓋体１７で封止したものである。
〔第３、第４の実施形態の変形例〕
図３および図４Ａ、図４Ｂに示す実施形態では、第１駆動部として厚み方向（Ｚ軸方向：図４Ａ、図４Ｂの上下方向）に乗載体３を変位させる場合について説明したが、平面視で縦横方向（Ｘ軸方向、Ｙ軸方向：図４Ｃの左右方向、上下方向）に変位させるように電極を配置してもよい。図４Ｃに、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向に変位させる第１変位検出部を設けた場合の一例を平面図で示す。この図で、第１変位検出部は、Ｘ軸方向に乗載体３を変位させるための基体側第１駆動電極２０Ｘ及び乗載体側第１駆動電極２１Ｘと、Ｙ軸方向に乗載体３を変位させるための基体側第１駆動電極２０Ｙ及び乗載体側第１駆動電極２１Ｙと、を含んで構成される。
〔第５の実施形態〕
図５は、本発明の第５の実施形態にかかるセンサ装置を示す断面図である。図５に示すセンサ装置は、図３に示すセンサ装置とは変位検出部６の構成が異なっている。図５に示すセンサ装置は、第１駆動部を圧電方式で実現したものである。
図５において、３Ａ，３Ｂは圧電体、１０は電極層であり、圧電体３Ａ，３Ｂと電極層１０とで乗載体３が構成されている。より具体的には、図面の下側から順に電極層１０ｃ、圧電体３Ｂ、電極層１０ｂ、圧電体３Ａ、電極層１０ａが積層された構造となっている。この電極層１０ａ〜１０ｃは、圧電体３Ａ，３Ｂの全面を被覆する必要はない。また、圧電体３Ａの基体１と対向する側の面に配置される乗載体側電極８、電極層１０ａは互いに絶縁されるように個別に配置してもよいし、電気的に接続された状態、すなわち両者の役割を有する１つの電極で共用してもよい。ただし、電極層１０ａと乗載体側電極８とが電気的に接続されている場合には、電極層１０ｂに高電位を、電極層１０ａ，１０ｃに基準電位を印加することが必要である。
図５に示す実施形態では、圧電体３Ａ，３Ｂの分極方向が反対となるように積層している。そして、外部から力が加わったときに乗載体３が変位できるように、例えば、圧電体３Ａ，３Ｂの厚さを１０μｍとする。変位検出部６は、基体１に形成された基体側電極７と、乗載体３に形成され、基体側電極７と対向するように配置された乗載体側電極８と、からなる。そして、ＩＣ４で、変位検出部６により検出される容量を測定し、乗載体３の変位による容量の変動を補償するように、電極層１０に電圧を印加することができる。
このように、乗載体３の変位による容量変動（乗載体３と基体１とのギャップが変位することによる容量変動）を補償するように、乗載体３の電極層１０に電圧を印加しているので、変位の検出を高分解能で行なうことができる。また、乗載体３と基体１とが接触するような過度変位を防止することもできる。さらに、初期の乗載体３と基体１との貼合わせ精度が低く、例えば、重り部２の両側で（図の左右方向で）乗載体３と基体１との距離が異なる場合でも、電極層１０への電圧印加により圧電体３Ａ，３Ｂに歪みを発生させて重り部２の両側における容量バランスを調整することができる。そのため、貼り合わせ工程を簡略化することができる。
なお、図５では、重り部２として、ＩＣ４とそれを空隙を介して封止するＩＣ封止部材１４とで構成した実施形態について説明したが、図６に示すように、重り部２は、ＩＣ４と、それを保護する封止樹脂５と、からなるものとしてもよい。
なお、図５または図６に示すセンサ装置において、乗載体３は、好ましくはチタン酸ジルコン酸鉛やチタン酸鉛等の圧電セラミック材料を使用する。また、基体１の材料としてはＳｉやガラス、樹脂等を使用する。
以下に、図６に示すセンサ装置を例に、本発明のセンサの製造方法について説明する。
各圧電体３Ａ，３Ｂの作製には、圧電材料の原料粉末にバインダを加えてプレスする方法等によって形成した材料を、焼成炉により焼成後、ワイヤーカット等によりシート状に成形する。その後、表面を研磨機でラッピングする。
次に、真空蒸着法またはスパッタリング法または印刷法等を用いて、乗載体側電極８、電極層１０ａ等の各電極を圧電体の表面に成膜する。これら電極の材料としては、例えばアルミニウム、金、銀、銅、クロム、ニッケル、錫、鉛等の良導電性の金属を用いる。真空蒸着法またはスパッタリング法等により乗載体側電極８を成膜する場合には、乗載体側電極８を所定の形状に加工するため、レジストを印刷装置で印刷する方法で形成するか、または、スピンコート法により、レジストを圧電体３Ａの表面に塗布した後、フォトリソグラフィ法によりパターン形成する。次に、ウェットエッチング法により、所定の電極パターンを形成した後、レジストを有機溶剤で剥離し、洗浄・乾燥する。
次に、圧電体３Ａ，３Ｂに、３ｋＶ／ｍｍ〜１５ｋＶ／ｍｍの電圧を印加して分極処理する。
次に、シート状の接合樹脂を圧電体３Ａ，３Ｂ間に挟み圧電体３Ａ，３Ｂを仮接合し、真空オーブンにて加熱することで両者を接合する。
このようにして、圧電体３Ａ，３Ｂ、電極層１０からなる乗載体３が形成される。
次に、乗載体３の乗載体側電極８が形成された面と反対側の面（裏面）に接着材をポッティング等により塗布した後、ＩＣ４を乗載体３に搭載して接着材により接着固定する。続いて、Ａｕワイヤおよび圧電体３Ａ，３Ｂに設けられた貫通電極を介して乗載体側電極８とＩＣ４を接続する。
以上の製造方法により形成した基体１と、重り部２が配置された乗載体３とを、基体側電極７と乗載体側電極８とが対向するようにアライメントして、スペーサ１２を介して貼り合わせる。スペーサ１２としては、樹脂材料を用いることができる。
次に、乗載体３に、筐体１３を接着材にて接続して、図６に示すセンサ装置が完成する。
〔第６の実施形態〕
図７は、本発明の第６の実施形態にかかるセンサ装置を示す断面図である。図７に示す構成は、図３に示す構成とほぼ同様の構成であるが、第２駆動部をさらに備える点が異なる。
図７に示したセンサ装置は、電極２０，２１からなる第１駆動部に加え、乗載体３設けられた第３駆動電極２２（以下、電極２２ともいう）および筐体１３に設けられた第４駆動電極２３（以下、電極２３ともいう）で構成される第２駆動部を備えている。このような構造によって、乗載体３と基体１との間、乗載体３と筐体１３との間にそれぞれ静電引力を発生させることができる。より具体的には、電極２０、２１に所定の電圧を印加することにより両者の間に静電引力による第１引力を発生させる。一方、電極２２，２３に所定の電圧を印加することにより、筐体１３と乗載体３との間に第１引力とつりあうように静電引力による第２引力を発生させる。
このような構成とすることで、実装等を経た後にセンサ装置として周波数特性等の調整の必要性が生じたときに、この第１引力と第２引力とを調整して乗載体３を駆動することにより、周波数特性等の調整が可能となる。また、乗載体３の変位を補償するように、第１引力と第２引力とを調整することも可能である。すなわち電極２０，２１間、電極２２，２３間に電圧印加できる。これにより、変位の検出を高分解能で行なうことができる。
さらに、第１引力と第２引力とを一定とした場合においても、基体１と乗載体３との間隔が、外力が加わらない状態では常に初期値を保持できるので、本発明のセンサを実装しても周波数特性等が安定したものとすることができる。
また、同様に第１引力と第２引力とを一定とした場合において、感度の高いセンサ装置とすることができる。なぜならば、通常、乗載体３を変位させるためには、乗載体３の弾性による復元力に打ち勝つ力が必要となる。これに対して、図７に示す構成の場合には、変位量が発生したときに、乗載体３の弾性による復元力が、変位量に対して一次関数的に変位量と逆方向に働くのに対して、静電引力は変位量がゼロのときの基体１と乗載体３との距離から変位量を引いた値、すなわち基体１と乗載体３との距離の二乗に反比例して変位量と同じ方向に働く。このため、静電引力は変位量が大きくなるほど強くなり、弾性による復元力に打ち勝ち、乗載体３の変位に対する抵抗を少なくする効果（以下、アシスト効果という）を有するものとなり、乗載体３を変位させるために必要な力が小さくても、所望の変位量を実現できるものとなる。
ここで、図８によりアシスト効果について説明する。図８は、本発明の第４の実施形態のセンサ装置における乗載体３の変位量に対する弾性による復元力（弾性力）と静電引力との関係を示す線図である。図中において点線は弾性による復元力を、細い実線は静電引力を示す。図８からも明らかなように、変位量が大きくなると、弾性による復元力はこれに比例して大きくなる。この弾性による復元力が変位に対する抵抗となる。これに対して、静電引力は、弾性による復元力と反対の向きに働き、変位量が大きくなるにつれてその絶対値は大きくなる。図７に示すセンサは、乗載体３にこれら２つの力が加わっているので、乗載体３を変位させるために必要な力は、これらの力を足し合わせたものとなり、太い実線で示すものとなる。太い実線に示す関係からも明らかなように、図７に示すセンサによれば、変位に対する抵抗は殆どなくなり、容易に変位できるようアシスト効果を有するものとなっていることが確認できる。
なお、図７に示す実施形態では、第１引力、第２引力を静電引力により実現させた場合について説明したが、磁力により実現してもよい。この場合には、磁力を発生させる永久磁石や電磁石等を所定位置に配置すればよい。
〔第７の実施形態〕
次に、乗載体３に圧電体を用いたさらに他の例について図９を用いて説明する。図９は、本発明の第７の実施形態のセンサ装置を示す断面図である。
図９に示すセンサ装置は、変位検出部が圧電方式からなり圧電体３Ａ，３Ｂと、それを挟持する電極層１０とで構成される。
すなわち、外部から加速度に応じた力が加わり、乗載体３が変位すると圧電体３Ａ，３Ｂに歪みが生じる。この圧電体３Ａ，３Ｂに生じた歪みによる電荷を電極層１０ａ〜１０ｃで検出して、乗載体３の変位量を検出することができる。
電極層１０ａ〜１０ｃには乗載体３を駆動させるための電極としての機能も併せて持たせることもできる。すなわち、電極層１０ａ〜１０ｃに常時交流電界を印加して、上部に位置する圧電体３Ａの伸縮と下部に位置する圧電体３Ｂの伸縮とが逆位相となるようにすれば、乗載体３は図の上下方向に周期的に振動することとなる。この状態で、外部からの力による変位を検出することで、一定加速度を検出できるようになり、より汎用性の高いセンサとすることができる。なお、一定加速度を検出できるメカニズムは以下の通りである。通常、変位検出部として圧電方式を用いた場合には、加速度により発生する力を受けたときのみ電荷が発生し、その電荷はすぐなくなるので、一定加速度の場合には加速度が印加され続けていることを検知できなくなる。しかしながら、圧電体３Ａ，３Ｂを振動させ続けることで、継続して電荷が発生することとなり、一定加速度の場合であっても感知可能となる。
なお、上記の実施形態では圧電体３Ａ，３Ｂの２枚を貼り合せた構成となっているが、各圧電体の間にそれぞれ電極層を設けるとともに、上下に隣接する圧電体間で分極方向を反対となるように配置すれば、３枚以上積層した構成としてもよい。この場合には、各圧電体の厚みを薄くすることができるので、可撓性を向上させることができ変位量の大きい、高感度なセンサ装置とすることができる。
〔第８の実施形態〕
次に、本発明のセンサ装置を角速度センサとして用いた第８の実施形態について説明する。図１０Ａおよび図１０Ｂは、本発明の第８の実施形態のセンサ装置を示すものであり、図１０Ａは図１０ＢのＢ−Ｂ線断面図を、図１０Ｂは基体部分の上面図である。図１０Ｂにおいて、破線部は乗載体３が配置される部分を示しており、２ａは重り部２の重心軸を指すものとする。
図１０Ａおよび図１０Ｂに示されるセンサ装置の基本的な構成は、図１Ａの片持ち梁状のセンサ装置を両持ち梁状にしたものであり、図１Ａの構成に加え、第３駆動部として第５駆動電極１５（以下、電極１５ともいう）と第６駆動電極１６（以下、電極１６ともいう）とを設けたものである。
第３駆動部は、重り部２および乗載体３に周期的な運動を与えるものである。
角速度の検出は、予め周期的な運動を与えられている重り部２が、その運動の方向と異なる方向に延びる軸線まわりに回転するときに生じるコリオリ力を検出することによって行われる。コリオリ力は、重り部２の運動方向と回転軸の軸線方向との両方に垂直な方向に生じる。ここで、本実施形態の角速度センサでは、重り部２に周期的な運動を与えるために、電極１５，１６間に交流電圧を印加して、両第２駆動電極１５，１６間に発生するクーロン力を利用する。
これら電極１５，１６が１組の場合は、重り部２を一方向に励振させることができるので、その励振方向と垂直な２方向の軸線まわりに回転するときの角速度を検出できる。電極１５，１６が２組の場合は、重り部２を２方向に励振させることが可能であるので、励振方向を切替えれば、原理的には３方向の軸線まわりの角速度の測定が可能となる。電極１５，１６を３組以上の構成にして、かつこれら３組の電極１５，１６が所定の方向に一直線状に並ばないように配置すると、重り部２を連続的に周回運動させることができるので、３軸の角速度を同時に測定できる。
図１０Ａおよび図１０Ｂにおいては、電極１５と電極１６とを４組設けている。同様に、容量測定用の基体側電極７と乗載体側電極８とも４組設けている。具体的には、基体１上に、重り部２の重心軸２ａを中心にして対称な位置に（図では９０度毎に）配置されるように、また、電極１５、基体側電極７が交互に並ぶように、電極１５、基体側電極７が設けられている。すなわち、重り部２の重心軸２ａまわりに９０度の角度をもって放射状に配置される。この場合、９０度ずつ位相の異なる４つの交流信号をそれぞれ与えることで、重り部２に首を回すような周回運動をさせることができる。対向する電極間に印加される交流信号の電圧として、たとえば０．０１〜１００Ｖが選ばれ、周波数として、たとえば２〜１００００Ｈｚが選択される。信号波形には矩形波または正弦波などが選ばれる。
電極１６、乗載体側電極８についても同様の構成とする。なお、電極１５，１６は基体側電極７、乗載体側電極８と同様の材料を用いて、同様の工程で作製することができる。
このような構成とすることで、重り部２及び乗載体３を周回運動させ、３軸の角速度を検出できるようにすることができる。
なお、図９のように変位検出部６を圧電方式としたセンサにおいては、一定加速度の検知のために周期的な運動を加える必要があるが、この周期的な運動を与える第３駆動部として、図１０Ａおよび図１０Ｂに示すような第５駆動電極１５と第６駆動電極１６を用いてもよい。
以上の実施形態で述べた本発明にかかるセンサ装置によれば、全体構造が小型化されたセンサ装置を提供することができる。
本発明は以上の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変更を加えることは何ら差し支えない。
本発明は、その精神または主要な特徴から逸脱することなく、他のいろいろな形態で実施できる。したがって、前述の実施形態はあらゆる点で単なる例示に過ぎず、本発明の範囲は特許請求の範囲に示すものであって、明細書本文には何ら拘束されない。さらに、特許請求の範囲に属する変形や変更は全て本発明の範囲内のものである。

Claims (15)

1. 基体と、
   少なくとも一部が前記基体と間隔を空けた状態で配置され、前記基体に対して変位可能な乗載体と、
   前記乗載体の変位に基づく電気信号を発生させるための変位検出部と、
   前記乗載体に取り付けられ、前記変位検出部からの電気信号を処理するＩＣを含む重り部と、を備えたセンサ装置。
2. 前記重り部は、前記ＩＣを保護する封止樹脂をさらに含む請求項１記載のセンサ装置。
3. 前記変位検出部が、前記乗載体に配置されたピエゾ抵抗からなる請求項１記載のセンサ装置。
4. 前記ＩＣは、前記乗載体に対し前記基体側に取り付けられている請求項１記載のセンサ装置。
5. 前記変位検出部が、前記基体に配置された基体側電極および前記基体側電極と対向ようにして前記乗載体に配置された乗載体側電極からなる請求項１記載のセンサ装置。
6. 前記変位検出部が、前記変位前記基体に配置された第１駆動電極および前記第１駆動電極と対向するようにして前記乗載体に配置された第２駆動電極からなる第１駆動部により構成され、前記第１駆動部は前記重り部の両側に少なくとも２個設けられており、前記乗載体の初期位置が保持されるように前記第１駆動部に電圧が印加される請求項１記載のセンサ装置。
7. 前記変位前記基体に配置された第１駆動電極および前記第１駆動電極と相対するようにして前記乗載体に配置された第２駆動電極からなる第１駆動部をさらに含み、前記第１駆動部により乗載体の位置補正を行う請求項３記載のセンサ装置。
8. 前記乗載体は、厚み方向に分極した少なくとも２枚の圧電体と、前記圧電体のそれぞれを挟持する複数の電極層と、の積層構造としてなり、
   前記変位検出部は、前記複数の電極層を含んでなる請求項１記載のセンサ装置。
9. 前記乗載体は、一方端側が固定され、他方端側が自由端とされている請求項１記載のセンサ装置。
10. 前記乗載体は、両端側が固定されている請求項１記載のセンサ装置。
11. 前記基体は枠状に形成され、
    前記乗載体は、前記基体の内側の領域に配置される乗載部と、この乗載部を基体に取り付ける、可撓性を有する梁部とからなる請求項１記載のセンサ装置。
12. 前記変位検出部は、前記梁部に配置されたピエゾ抵抗からなる請求項１１記載のセンサ装置。
13. 前記ＩＣは、前記乗載部の前記基体と対向する面に取り付けられている請求項１１記載のセンサ装置。
14. 前記基体と前記乗載体とはスペーサを介して間隔を空けて対向して配置される請求項１記載のセンサ装置。
15. 前記ＩＣは、前記乗載体への実装面と反対側の面にＩＣ側パッドを有し、前記ＩＣ側パッドが、前記乗載体に設けた乗載体側パッドと電気的に接続されている請求項１記載のセンサ装置。

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