JPWO2011111539A1 - 物理量センサ - Google Patents

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尚信 大川
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久幸 矢澤
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亨 宮武
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亨 高橋
宜隆 宇都
宜隆 宇都
菊入 勝也
勝也 菊入
俊宏 小林
俊宏 小林
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Abstract

【課題】 特に、錘部の対向部に対する耐衝撃性及び耐スティッキング性を向上させることが可能な物理量センサを提供することを目的としている。【解決手段】 ばね部21と、前記ばね部21に連結されて高さ方向に変位可能に支持された錘部20と、前記錘部と高さ方向にて対向する対向部22と、を有し、前記対向部22と前記錘部20との間には、前記錘部20が高さ方向へ変位したときに前記錘部20と前記対向部21の間を段階的に当接可能とし、前記錘部と前記対向部の間を段階的に離間可能とする高さの異なる複数の突起部23,24が配置されている。【選択図】図1

Description

本発明は、シリコン基板から切り出すなどして形成された錘部の変位量を検知し、これにより、外部から作用する加速度などの物理量の測定を可能とした物理量センサに関する。
例えば、物理量センサは、シリコン基板をエッチング処理して、高さ方向に変位可能に支持された錘部を備える。かかる場合、例えば、下記の特許文献1ないし3のように、高さ方向に変位する錘部(マス部)は、ばね部により揺動自在に支持された構造である。
高さ方向に変位する錘部を備える物理量センサにあっては、耐スティッキング性を向上させるために、例えば、錘部と対向する対向部の表面に複数の突起状のストッパ部が設けられる。各ストッパ部の高さは平面方向に揃っている。
しかしながら特許文献1に示す構造では、錘部に強い物理量が作用等した場合に、十分な耐衝撃性を得ることができず、また、錘部が各ストッパ部に当接した状態から錘部を元の静止状態に戻すための剥がし力を十分に大きく出来なかった。
また特許文献4に記載された発明には、櫛歯形状の固定電極あるいは可動電極に高い突起部や低い突起部を設けた物理量センサの構造が開示されている。低い突起部は高い突起部が破壊されたときの保護用として設けており、よって低い突起部に当接する場合は高い突起部が破壊されたことを前提としている。すなわち、可動電極と固定電極間は、高い突起部か低い突起部かのどちらか一方を介して当接する構造となっている。したがって可動電極と固定電極間が高い突起部を介して当接する場合と、可動電極と固定電極間が低い突起部を介して当接する場合とでセンサ感度が変化する問題がある。また高い突起部が破壊された状態では、センサ感度にばらつきやノイズが生じやすく、センサ感度が不安定化する問題がある。
更に、特許文献2では、突起部を櫛歯状の可動電極と固定電極間に設けており、錘部に対して突起部を配置した構造ではない。よって錘部の対向部に対する耐衝撃性及び耐スティッキング性を向上させることができない。
特開2000−338126号公報 特開平9−61457号公報 特開平7−306222号公報 特開2002−228680号公報
そこで本発明は、上記従来の課題を解決するものであり、特に、錘部の対向部に対する耐衝撃性及び耐スティッキング性を向上させることが可能な物理量センサを提供することを目的としている。
本発明における物理量センサは、
ばね部と、前記ばね部に連結されて高さ方向に変位可能に支持された錘部と、前記錘部と高さ方向にて対向する対向部と、を有し、
前記対向部と前記錘部との間には、高さの異なる複数の突起部が配置されており、前記錘部が高さ方向へ変位したときに前記錘部と前記対向部の間が各突起部を介して段階的に当接可能とされ、前記錘部と前記対向部の間が段階的に離間可能とされていることを特徴とするものである。
このように本発明では錘部と対向部との間に、高さの異なる複数の突起部を介在させて、前記錘部と前記対向部との間を段階的に当接可能としている。これにより段階的に復元力に関するばね定数を上昇させることができる。したがって、耐衝撃性を向上させることができる。更に本発明では、錘部と対向部間を段階的に各突起部から離間可能となっている。これにより、剥がし力を大きくでき耐スティッキング性を効果的に向上させることができる。
本発明では、第1の突起部と、前記第1の突起部よりも高さが低い第2の突起部とを有し、前記錘部の平面の一方向に対する真ん中に、前記第1の突起部が配置され、その両側に間隔を空けて前記第2の突起部が配置されており、あるいは、前記真ん中に、前記第2の突起部が配置され、その両側に間隔を空けて前記第1の突起部が配置されていることが好ましい。
あるいは本発明では、第1の突起部と、前記第1の突起部よりも高さが低い第2の突起部とを有し、前記錘部の平面の一方向に対する両側に前記第1の突起部と前記第2の突起部とが夫々、配置されていることが好ましい。
また本発明では、前記突起部は、前記対向面の前記錘部と対向する表面に形成されていることが好ましい。
また本発明では、前記対向部の表面には、前記突起部が形成されていない領域に固定電極層が形成されており、前記固定電極層の表面は、最も低い高さで形成された前記突起部の表面よりも低く形成されていることが好ましい。
これにより、可動電極として機能する錘部と固定電極層間にて変化する静電容量に基づいて物理量変化を検知することが可能な物理量センサを構成できる。また本発明では、錘部が対向部方向へ撓み変形等しても、固定電極層と錘部間の最小距離を一定に保つことができるから、固定電極層と錘部間の電気ショートや、接近による電流リークの不具合を抑制することが可能である。
また本発明では、固定支持されるアンカ部と、前記アンカ部と前記錘部とに夫々、前記ばね部を介して回動自在に連結された支持部と、を有し、
前記支持部には、前記支持部が回動して前記錘部が高さ方向に変位したときに前記錘部の変位方向に対し逆方向に変位する一対の脚部が設けられており、
各脚部と前記対向部の間には、前記脚部が高さ方向へ変位したときに一対の脚部と前記対向部の間を段階的に当接可能とし、一対の脚部と前記対向部の間を段階的に離間可能とする高さの異なる複数の突起部が配置されることが好ましい。このとき、一方の前記脚部と前記対向部との間に高さの高い突起部が配置され、他方の前記脚部と前記対向部との間に高さの低い突起部が配置されることが好ましい。これにより、脚部の対向部に対する耐衝撃性及び耐スティッキング性を効果的に向上させることができる。
本発明の構成によれば、段階的に復元力に関するばね定数を上昇させることができるため、耐衝撃性を向上させることができ、更に剥がし力を大きくでき耐スティッキング性を効果的に向上させることができる。
第1の実施形態における物理量センサの縦断面を示す模式図、 第2の実施形態における物理量センサの縦断面を示す模式図、 第3の実施形態における物理量センサの縦断面を示す模式図、 図1ないし図3に示す実施形態を適用可能なより具体的な物理量センサの構造を示す平面図、 図4に示す物理量センサの脚部の変位を示す側面図、 図1ないし図3に示す実施形態を適用可能なより具体的な物理量センサの構造を示す平面図、 図1ないし図3に示す実施形態を適用可能なより具体的な物理量センサの構造を示す平面図。
図1は、第1の実施形態における物理量センサの縦断面を模式図で示したものである。図2は、第2の実施形態における物理量センサの縦断面を模式図で示したものである。図3は、第3の実施形態における物理量センサの縦断面を模式図で示したものである。図1(a)〜(c)の各図、及び図3(a)〜(c)の各図は、錘部に物理量が作用して変位する状態を示している。
図1(a)に示すように、錘部20はばね部21と連結し、高さ方向(Z)に変位可能に支持されている。錘部20及びばね部21は共にシリコンで形成される。ばね部21は捻りばね形状で形成されている。
図1(a)に示すように、錘部20の下方には高さ方向(Z)に間隔を空けて対向部22が設けられる。
図1(a)に示すように対向部22の表面22aには上方に向けて突出する複数の突起部23,24,24が形成されている。ここで突起部23を第1の突起部23と称し、突起部24を第2の突起部24と称する。
図1(a)に示すように第1の突起部23は第2の突起部24よりも高い。ここで高さの高低は、各突起部の表面高さにより決められる。図1(a)に示すように、第1の突起部23の表面23aの高さは、第2の突起部24の表面24aの高さよりも高い位置にある。
各表面23a,24aは錘部20に対するストッパ面である。また「表面」とは各突起部23,24にて最も高い位置にある面(最も突き出た面)を指す。
図1(a)に示すように、第1の突起部23は、錘部20の平面のX方向における真ん中に配置されている。また第2の突起部24,24は夫々、第1の突起部23の両側に間隔を空けて配置されている。このように、第1の突起部23及び第2の突起部24はX方向に間隔を空けて並設されている。
図1(a)に示すように、対向部22の表面22aには突起部23,24の形成領域以外の凹んだ凹部25内に固定電極層26が形成されている。固定電極層26はスパッタ等の既存の方法で形成される。また対向部22の表面22aはエッチング等により凹凸形状に形成される。
図1(a)に示すように、固定電極層26の表面26aは、突起部のうち、最も高さの低い第2の突起部24の表面24aよりも低い位置に形成される。
図1(a)は錘部20の静止状態を示している。物理量変化により図1(b)に示すように錘部20が下方向に変位する。このとき所定以上の物理量変化があると錘部20の表面(対向部22との対向面;下面)20aは真ん中に位置する高さの高い第1の突起部23の表面23aに当接する。
図1(a)に示すように、静止状態において、錘部20と第1の突起部23との間の高さ方向(Z)への間隔がd1であり、図1(b)に示すように、錘部20が第1の突起部23の表面23aに当接するまでのばね定数をk1とすると、錘部20が第1の突起部23に当接した段階での復元力は、k1・d1である。
図1(b)に示す状態から、更に所定以上の強い物理量変化が作用すると、錘部20は第1の突起部23との当接状態を維持しながら、前記第1の突起部23の位置を支点として、錘部20のX方向の両側が下方向に撓み変形して錘部20の表面20aが、第1の突起部23の両側に位置し第1の突起部23よりも高さの低い第2の突起部24の表面24aに当接する(図1(c))。このように錘部20は図1(c)の状態で撓み変形可能な剛性を有して形成されている。
図1(b)に示すように、第1の突起部23の表面23aから第2の突起部24の表面24aまでの高さ方向(Z)への間隔はd2である。更に錘部20が図1(b)のように第1の突起部23の表面23aに当接した状態から図1(c)に示すように第2の突起部24の表面24aに当接した状態になる際には錘部20の撓み変形等に基づくばね定数k2が加わる。よって図1(c)のように錘部20が第2の突起部24の表面24aに当接した段階での復元力は、k1(d1+d2)+k2・d2である。ここで、ばね定数k2は、ばね定数k1に対して非常に大きい。
このように本実施形態では、段階的に復元力に関するばね定数を上昇させることができる。よって錘部20を均一な高さの突起部にのみ当接させる場合よりも錘部20を高さの異なる突起部23,24に段階的に当接させることで耐衝撃性の向上を図ることができる。また錘部20が図1(c)の第1の突起部23の表面23a及び第2の突起部24の表面24aに当接した状態から図1(a)の元の静止状態に戻る際には、錘部20はまず第2の突起部24の表面24aから離れて撓み変形が戻って平板状になり、第1の突起部23の表面23aにのみ当接した状態になる(図1(b))。そして錘部20が第1の突起部23の表面23aから高さ方向に離れて図1(a)の元の静止状態に戻る。このとき、段階的に高さの異なる突起部23,24から離間していくことで、全ての突起部が同一高さである場合に比べて、一個当たりの突起部に対する剥がし力を大きくでき、耐スティッキング性の向上を効果的に図ることが出来る。
図2に示す実施形態のように、錘部20の平面のX方向の真ん中に高さの低い第2の突起部24を設け、第2の突起部24の両側に間隔を空けて、第2の突起部24よりも高さの高い第1の突起部23を配置することもできる。図2は、錘部20が両端に位置する第1の突起部23の表面23aに当接した後、各第1の突起部23aの位置を支点として、錘部20の真ん中が下方向に撓み変形して、第2の突起部24の表面24aに当接した状態を示している。
また各突起部23,24を錘部20側に設けることもできる。あるいは、突起部を錘部20の表面20a及び対向部22の表面22aの夫々に設けることもできる。例えば、第1の突起部23を対向部22の表面22aに形成し、第2の突起部24を錘部20の表面に形成することもできる。ただし、図1,図2に示すように、対向部22の表面22aに固定電極層26とともに突起部23,24を形成したほうが製造工程が容易となる。また、錘部20側に突起部を形成すると、高さ方向のみならず横方向にも強い衝撃等が加わった場合に、突起部が横方向にも振れて固定電極層26に接触し電気ショートを起こす危険性もある。よって固定電極層26を限定した範囲内で且つ高精度に形成することが必要となる。したがって、突起部23,24は対向部22の表面22aに形成することが好ましい。
また図1,図2に示すように、可動電極として機能する錘部20と高さ方向に対向する固定電極層26を設けることで、錘部20と固定電極層26間にて変化する静電容量に基づいて物理量変化を検知することが可能な物理量センサを構成できる。また図1に示すように固定電極層26の表面26aを突起部23,24のうち最も高さの低い第2の突起部24の表面24aよりも低い位置に形成している。よって、図1(c)に示すように錘部20が第2の突起部24の表面24aに当接した状態となっても、錘部20と固定電極層26が接触するのを防止でき、固定電極層26と錘部20間の最小距離を一定に保つことができる。よって固定電極層26と錘部20間の電気ショートや、接近による電流リークの不具合を抑制することが可能である。
図3に示す実施形態では、対向部22の表面22aに第1の突起部23と第2の突起部24とが錘部20の平面のX方向に離れて配置されている。図3(a)に示すように、第1の突起部23は、錘部20の真ん中よりもX2側に、第2の突起部24は、錘部20の真ん中よりもX1側に、夫々、配置されている。
図3(a)の静止状態から、物理量変化により図3(b)に示すように錘部20が下方向に変位する。このとき所定以上の物理量変化があると錘部20の表面(対向部22との対向面;下面)20aはX2側に配置された高さの高い第1の突起部23の表面23aに当接する。
図3(b)に示す状態から、更に所定以上の強い物理量変化が作用すると、錘部20は第1の突起部23との当接状態を維持しながら第1の突起部23の位置を支点として、錘部20全体が直線的に下方向に傾いて錘部20の表面20aが、X1側に配置された高さの低い第2の突起部24の表面24aに当接する(図3(c))。
錘部20が図3(c)の状態から図3(a)の状態に戻るには、図3(c)の状態から錘部20が第2の突起部24の表面24aから離れて図3(b)の状態になって錘部20が平行になり、そして錘部20が第1の突起部23の表面23aから上方に離れて図3(a)の状態にある。
図3に示す実施形態においても、錘部20と対向部22間を高さの異なる複数の突起部23,24を介して段階的に当接させることができる。これにより段階的に復元力に関するばね定数を上昇させることができる。したがって、耐衝撃性を向上させることができる。更に、錘部20と対向部22間を段階的に各突起部23,24から離間していくことができる。これにより、剥がし力を大きくでき耐スティッキング性を効果的に向上させることができる。
図1ないし図3に示す実施形態は、図4に示す物理量センサ1に適用される。
図4に示す物理量センサは、長方形の長辺1a,1bおよび短辺1c,1dで囲まれた外枠部分が錘部2である。
図4に示すように錘部2の内側には、2本の支持連結体3,4が設けられている。支持連結体3,4の平面形状はクランク状で形成されている。
図4に示すように第1支持連結体3は、前方(X1)に延びる第1連結腕3aと、後方(X2)に延びる脚部3bとが一体に形成されている。また図4に示すように第2支持連結体4は、後方(X2)に延びる第1連結腕4aと、前方(X1)に延びる脚部4bとが一体に形成されている。
図4に示すように、錘部2の内側には、第1のアンカ部5、第2のアンカ部6及び第3のアンカ部7がY1−Y2方向に間隔を空けて並設されている。
図4に示すように、第1支持連結体3の第1連結腕3aと錘部2とがばね部11aにおいて回動自在に連結されており、第2支持連結体4の第1連結腕4aと錘部2とがばね部11bにおいて回動自在に連結されている。
更に、第1支持連結体3は、ばね部12a,12bにおいて回動自在に連結されている。また図1に示すように、第2支持連結体4は、ばね部13a,13bにおいて回動自在に連結されている。
また図4に示すように、第2連結腕14及び第2連結腕15が設けられている。第2連結腕14,15は錘部2の内側に形成される。
図4に示すように第2連結腕14と錘部2とは、ばね部16aにおいて、回動自在に連結されている。また、第2連結腕15と錘部2とは、ばね部16bにおいて、回動自在に連結されている。また図4に示すように、第2連結腕14とアンカ部6とは、ばね部17aにおいて、回動自在に連結されている。また第2連結腕15とアンカ部7とは、ばね部17bにおいて、回動自在に連結されている。
更に図4に示すように、第1連結腕3aと第2連結腕14との間がばね部18aを介して連結されている。また図4に示すように、第1連結腕4aと第2連結腕15との間がばね部18bを介して連結されている。
錘部2と対向する対向部には、複数の突起部30〜39が設けられている。図4に示すように、突起部30,34,38は、X2側であって、Y1−Y2方向に間隔を空けて配置されている。また、突起部31,35,39は、X1側であって、Y1−Y2方向に間隔を空けて配置されている。突起部32,33,36,37は、突起部30,31,34,35,38,39よりも内側に位置している。X2側であってY1−Y2方向に並設された複数の突起部30,34,38のうち、真ん中の突起部34は、図1に示す高さの高い第1の突起部23であり、両側の突起部30,38は、図1に示す高さの低い第2の突起部24である。またX1側であってY1−Y2方向に並設された複数の突起部31,35,39のうち真ん中の突起部35は、図1に示す高さの高い第1の突起部23であり、両側の突起部31,39は、図1に示す高さの低い第2の突起部24である。そして残りの突起部32,33,36,37は、全て高さの低い第2の突起部24を構成している。
これにより図1で示したように錘部20の両側の撓み変形を利用して段階的に複数の突起部に当接させ、段階的に各突起部から離間させることができる。
あるいは、突起部34を図3に示す高さの高い第1の突起部23とし、他の突起部30,31,32,33,35、36、37、38、39を全て高さの低い第2の突起部24とすることもできる。これにより、図3で説明した錘部20の高さ方向への傾きを利用して段階的に複数の突起部に当接させ、段階的に各突起部から離間させることができる。
図4に示すように、対向部には各脚部3b,4bと対向する位置にも突起部40,41が形成されている。
図5(a)は静止状態であり、物理量変化の作用により錘部2が対向部42から離れる方向に変位すると一対の脚部3b,4bが対向部42に近づく方向に変位する。図5(b)に示すように、脚部3bに対向する突起部40の高さが高く、脚部4bに対向する突起部41の高さが低い。このため、脚部3b,4bの高さ方向への変位により図5(b)に示すように、まず脚部3bが突起部40に当接する。続いて、更に強い物理量変化が作用すると、脚部3bが撓み変形し、もう一方の脚部4bが高さの低い突起部41に当接する。
このように一対の脚部3b,4bに対しても高さの異なる突起部40,41を対向させることで耐衝撃性及び耐スティッキング性の向上を図ることができる。
図6に示す実施形態では、図4に示す突起部30,31,38,39を形成していない。一方、物理量センサ1の長辺1aと長辺1bとの中点においてY1−Y2方向に延びる線を横中心線Oxとしたときに、図6に示すように、横中心線Oxを通る錘部2の両側に突起部45,46が設けられている。
図6の実施形態においても、突起部34,35は、図1に示す高さの高い突起部23であり、残りの突起部32,33,36,37,45,46は、図1に示す高さの低い突起部24となっている。
あるいは、突起部34は図1に示す高さの高い突起部23であり、他の突起部32,33,35,36,37,45,46は、図1に示す高さの低い突起部24を構成している。
上記した突起部の高さの組み合わせは任意に決めることができる。また脚部3b,4bに対する突起部40,41に対しては、異なる高さの突起部としてもよいし、同じ高さの突起部とすることもできる。また脚部3bに対して、高さの異なる複数の突起部を配置し、同様に脚部4bに対して、高さの異なる複数の突起部を配置することもできる。
図7は、図1ないし図3に示す実施形態を利用した別の物理量センサを示す平面図である。
図7に示すように、中心位置OよりもY1側にアンカ部61、中心位置OよりもY2側にアンカ部62を備える。
図7に示すようにアンカ部61からばね部63を介してX1に向けて第1支持部64が延出して形成されている。またアンカ部61からばね部65を介してX2に向けて第2支持部66が延出して形成されている。
また図7に示すようにアンカ部62からばね部67を介してX1に向けて第3支持部68が延出して形成されている。また、図7に示すようにアンカ部62からばね部69を介してX2に向けて第4支持部70が延出して形成されている。
図7に示すように、各支持部64,66,68,70により囲まれた内側に内側錘部51aが設けられている。そして、各支持部64,66,68,70の先端位置と内側錘部51aの側部とがばね部52〜55を介して連結されている。
図7に示すように、内側錘部51aと一体となって、各支持部64,66,68,70の外側の位置に外側錘部51bが形成されている。内側錘部51aと外側錘部51bとで錘部51が構成される。
図7に示すように、錘部51と対向する対向部に複数の突起部71〜75が設けられる。例えば、錘部51の平面のX方向における真ん中に位置する突起部71は最も高さの高い突起部で、最も両側に位置する突起部74,75が最も高さの低い突起部で、突起部71と突起部74との間に位置する突起部72、及び突起部71と突起部75との間に位置する突起部73は、突起部71及び突起部74,75に対して中間の高さの突起部である。
このように図7では、突起部の高さが3段階となっている。図1ないし図6に示す実施形態においても3段階以上の突起部を設けることが可能である。
本実施形態は加速度センサのみならず角速度センサ、衝撃センサ等、物理量センサ全般に適用可能である。
1 物理量センサ
2、20、51 錘部
3b,4b 脚部
5〜7、61、62 アンカ部
16a、16b、17a、17b、18a、18b、21、63、65、67、69 ばね部
22、42 対向部
23 第1の突起部
24 第2の突起部
26 固定電極層
30〜41、45、46、71〜75 突起部

Claims (7)

  1. ばね部と、前記ばね部に連結されて高さ方向に変位可能に支持された錘部と、前記錘部と高さ方向にて対向する対向部と、を有し、
    前記対向部と前記錘部との間には、高さの異なる複数の突起部が配置されており、前記錘部が高さ方向へ変位したときに前記錘部と前記対向部の間が各突起部を介して段階的に当接可能とされ、前記錘部と前記対向部の間が段階的に離間可能とされていることを特徴とする物理量センサ。
  2. 第1の突起部と、前記第1の突起部よりも高さが低い第2の突起部とを有し、前記錘部の平面の一方向に対する真ん中に、前記第1の突起部が配置され、その両側に間隔を空けて前記第2の突起部が配置されており、あるいは、前記真ん中に、前記第2の突起部が配置され、その両側に間隔を空けて前記第1の突起部が配置されている請求項1記載の物理量センサ。
  3. 第1の突起部と、前記第1の突起部よりも高さが低い第2の突起部とを有し、前記錘部の平面の一方向に対する両側に前記第1の突起部と前記第2の突起部とが夫々、配置されている請求項1記載の物理量センサ。
  4. 前記突起部は、前記対向部の前記錘部と対向する表面に設けられる請求項1ないし3のいずれか1項に記載の物理量センサ。
  5. 前記対向部の表面には、前記突起部が形成されていない領域に固定電極層が形成されており、前記固定電極層の表面は、最も低い高さで形成された前記突起部の表面よりも低く形成されている請求項4記載の物理量センサ。
  6. 固定支持されるアンカ部と、前記アンカ部と前記錘部とに夫々、前記ばね部を介して回動自在に連結された支持部と、を有し、
    前記支持部には、前記支持部が回動して前記錘部が高さ方向に変位したときに前記錘部の変位方向に対し逆方向に変位する一対の脚部が設けられており、
    各脚部と前記対向部の間には、前記脚部が高さ方向へ変位したときに一対の脚部と前記対向部の間を段階的に当接可能とし、一対の脚部と前記対向部の間を段階的に離間可能とする高さの異なる複数の突起部が配置される請求項1ないし5のいずれか1項に記載の物理量センサ。
  7. 一方の前記脚部と前記対向部との間に高さの高い突起部が配置され、他方の前記脚部と前記対向部との間に高さの低い突起部が配置される請求項6記載の物理量センサ。
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