WO2011024449A1

WO2011024449A1 - 加速度センサ

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Publication number: WO2011024449A1
Application number: PCT/JP2010/005235
Authority: WO
Inventors: 松本隆志; 手島康博
Original assignee: ミツミ電機株式会社
Priority date: 2009-08-27
Filing date: 2010-08-25
Publication date: 2011-03-03
Also published as: JP2011047821A

Abstract

　センサ感度を下げることなく、また交差部角にも応力を集中させずに最大応力を抑制して、耐衝撃性を上げることができる加速度センサを提供する。加速度センサ（１００）は、枠部（１１１）と、錘部（１１２）と、枠部（１１１）と錘部（１１２）とを連結する梁部（１１３）と、梁部（１１３）上に形成された加速度検出部と、梁部（１１３）と錘部（１１２）又は枠部（１１１）との連結部に近接するに従って広がるフィレット部（１１６）と、連結部（１１５）の下側に円弧状又は楕円形状で形成され、かつ連結部（１１５）から離れる方向に奥行きを有する応力緩和部（１１７）とを備え、応力緩和部（１１７）は、梁幅Ｗ、交差部幅Ｌ、奥行きＯとしたとき、Ｌ≧１００μｍ、３０μｍ≦Ｗ≦６０μｍ、１０μｍ≦Ｏ≦４０μｍに形成する。

Description

加速度センサ

　本発明は、ピエゾ抵抗素子を用いてＸ、Ｙ及びＺ軸方向の加速度を検出する加速度センサに関する。

　近年、自動車や家電製品など様々な分野において、加速度センサが用いられる。加速度センサは、ピエゾ抵抗効果型や圧電効果型、静電容量型等に大別されている。いずれも、加速度が加わった状態で変形する可撓部を有し、可撓部の変位量をピエゾ抵抗や圧電素子、静電容量の変化を電気信号として得ている。加速度センサの用途は、自動車分野におけるエアバックや車両制御など、平面方向の検出が主であった。これら用途の加速度センサとしては、検出方向は１軸もしくは２軸で済み、また、高加速度値の検出であるために高分解能が要求されることは少なかった。

　高感度型の加速度センサは、感度を確保するため可撓部が変形しやすくなるように作られている。このため、加速度センサに測定範囲を大きく外れるような衝撃力が加わると、可撓部が変形し過ぎて破壊することがあり、高感度と高耐衝撃性は相反する。

　特許文献１には、錘板部及び支持枠部に切り欠き部を設け、可撓部に錘板部及び可撓部に支持枠部が接しない構造とする加速度センサが記載されている。特許文献１に記載の加速度センサは、異常な衝撃力が作用しても、加速度センサ素子の作用部と可撓部及び固定部と可撓部の境界部分の耐破壊性を大きくすることができる。

特開２００４－１９８２８０号公報

　しかしながら、特許文献１記載の加速度センサは、耐衝撃性の対策として、梁部にフィレット形状がない（フィレット：Ｒ＝０）応力緩和構造であったため、フィレット部に応力が集中し最大応力を下げることはできない課題がある。

　図１は、加速度センサのフィレット形状がない（フィレット：Ｒ＝０）の梁の構造を示す図である。

　図１に示すように、特許文献１記載の加速度センサは、梁部１１にフィレット形状がない（フィレット：Ｒ＝０）。また、従来、梁部１１にフィレット形状を設けるものがある。図１は、フィレット：Ｒ＝３０の場合の交差部形状を示している。この交差部形状は、直線２１と円２２の組み合わせである。この梁部１１の交差部には、衝撃時に応力３１～３３が発生する。

　従来、加速度センサの最大応力を下げる方法としては、（１）錘を小さくする、（２）梁幅を広くする、（３）梁厚を厚くすることが考えられた。しかし、これらの方法はいずれもセンサ感度を下げることになり、高感度要求に相反する。また、図１に示すように、交差部幅、奥行きを広げることで応力３１，３２をある程度緩和することはできる。しかし、交差部形状は、直線２１と半円２２の組み合わせであり、特に直線２１の部分で応力３３が集中する結果になりあまり好ましい形状ではなかった。

　本発明の目的は、かかる点を考慮してなされたものであり、センサ感度を下げることなく、また交差部角にも応力を集中させずに最大応力を抑制して、耐衝撃性を上げることができる加速度センサを提供することである。

　本発明の加速度センサは、枠部と、錘部と、前記枠部と前記錘部とを連結する梁部と、前記梁部上に形成された加速度検出部と、前記梁部から前記錘部又は前記枠部に近接するに従って広がるフィレット部と、前記錘部又は前記枠部に円弧状又は楕円形状で形成されて前記梁部から離れる方向に奥行きを有する応力緩和部と、を有し、前記梁部と前記錘部又は前記枠部とを連結する連結部と、を備える構成を採る。

　本発明によれば、センサ感度を下げることなく、また交差部角にも応力を集中させずに最大応力を抑制して、耐衝撃性を上げることができる。

従来の加速度センサのフィレット形状がない（フィレット：Ｒ＝０）の梁の構造を示す図本発明の実施の形態に係る加速度センサの表面から見た斜視図上記実施の形態に係る加速度センサの裏面から見た斜視図上記実施の形態に係る加速度センサの交差部の拡大図上記実施の形態に係る加速度センサの交差部の構造を説明する片持梁としてのイメージ図上記実施の形態に係る加速度センサの梁部と錘部の交差部の構造を示す図上記実施の形態に係る加速度センサの梁幅と奥行きの関係を示す図上記実施の形態に係る加速度センサの錘部に加重が加わる場合の表面から見た斜視図上記実施の形態に係る加速度センサの交差部の拡大図上記実施の形態に係る加速度センサの交差部幅の違いによる応力変化を示す図上記実施の形態に係る加速度センサの奥行きの違いによる応力変化を示す図上記実施の形態に係る加速度センサの効果を説明する図他の実施の形態に係る加速度センサの交差部の拡大図

　以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。

　（実施の形態）
　図２は、本発明の実施の形態に係る加速度センサの表面から見た斜視図、図３は、上記加速度センサの裏面から見た斜視図である。図４は、図３Ａ部に示す加速度センサの交差部の拡大図である。図５は、加速度センサの交差部の構造を説明する片持梁としてのイメージ図である。本実施の形態は、３軸加速度センサに適用した例である。

　図２乃至図４に示すように、加速度センサ１００は、枠部１１１（１１１ａ～１１１ｄ）と、枠部１１１内に設けられた錘部１１２（１１２ａ～１１２ｄ）と、枠部１１１と錘部１１２とを連結する十字形状の梁部１１３（１１３ａ～１１３ｄ）と、梁部１１３上に形成された加速度検出素子を備える。

　錘部１１２は、中心非可動部１１４と連結される中心部１１２ｅ（図３）を有し、中心部１１２ｅに錘部１１２ａ～１１２ｂが連結されクローバ状に形成されている。

　梁部１１３を構成する各梁１１３ａ～１１３ｄは、ピエゾ抵抗素子を有する肉薄の可撓性部材となっている。梁部１１３は、中心部分でクローバ状の錘部１１２と連結されている。この梁部１１３の中心部分は、肉薄で可撓性の梁部１１３が加速度に応じて撓むのに対して、加速度が加わっても錘部１１２を支持して撓まないため、中心非可動部１１４と呼ぶことにする。

　梁部１１３は、錘部１１２ａと１１２ｂ、１１２ｂと１１２ｃ、１１２ｃと１１２ｄ、１１２ｄと１１２ａの間にそれぞれ配置されて中心非可動部１１４と連結されている。

　また、図５に示すように、加速度センサは、片持ち梁部１１３に錘部１１２が連結され、加重がかかると梁部１１３が撓む構造である。

　本実施の形態は、加速度センサ１００の梁部と錘部との連結部の構造に特徴がある。

　図６は、加速度センサ１００の梁部１１３と錘部１１２の交差部の構造を示す図である。

　図６に示すように、加速度センサ１００は、梁部１１３と錘部１１２の交差部である連結部１１５と、梁部１１３の両側に形成され、かつ梁部１１３と錘部１１２又は枠部１１１との連結部１１５に近接するに従って広がるフィレット部１１６と、フィレット部１１６と錘部１１２との交差部を円弧状とする凹状の応力緩和部１１７とを有する。

　応力緩和部１１７は、連結部１１５の下側に形成され、円弧状又は楕円形状で連結部１１５から離れる方向に奥行きをもっている。

　応力緩和部１１７の奥行きは、錘部１１２ａと１１２ｂの間の中心部１１２ｅを錘部１１２の下端面から中心非可動部１１４まで円弧状又は楕円形状に一様に削ることによって形成されている。錘部１１２ｂと１１２ｃ、１１２ｃと１１２ｄ、１１２ｄと１１２ａも同様に形成される。

　応力緩和部１１７を楕円形状に形成した場合、交差部幅は楕円の長軸、奥行きは楕円の短軸となる。応力緩和部１１７は、扇形状である。

　上記交差部幅とは、梁部１１３の終端と錘部１１２に接する幅のことであり、奥行きは、梁部１１３の終端から錘部１１２までの長さである。応力緩和部１１７の奥行きは、応力緩和部１１７の交差部幅より小さい。本実施の形態は、加速度センサ１００の梁幅に応じて適切な長さ交差部幅と奥行きを形成することを特徴とする。具体的には、応力緩和部１１７は、以下の形状に形成する。

　梁幅Ｗ、連結部１１５におけるフィレット部１１６と梁幅の大きさ交差部幅Ｌ、連結部１１５からの応力緩和部１１７の奥行きＯとしたとき、次式（１）を満たす形状とする。

　Ｌ≧１００μｍ
　３０μｍ≦Ｗ≦６０μｍ
　１０μｍ≦Ｏ≦４０μｍ　　　　　　　　　…（１）
　上記、Ｌ≧１００μｍは、Ｌ≧梁幅＋（フィレット×２）＋（誤差）×２から設定される。なお、この誤差は後述の製造精度に依存する。

　上記、３０μｍ≦Ｗ≦６０μｍの下限値３０μｍは、配線等の実装要求から設定される。また、上限値６０μｍは、感度等の要求精度から設定される。

　図７は、梁幅Ｗと奥行きＯの関係を示す図である。

　図７に示すように、梁幅Ｗと奥行きＯは、製造精度の最大値（ＭＡＸ）と最小値（ＭＩＮ）の範囲に収まる範囲の略中間値を最適値として設定する。

　製造精度（±５μｍ）を考慮すると製造精度（ＭＡＸ）と製造精度（ＭＩＮ）の間であればよい。また、交差部幅と奥行きを変更してもセンサ感度に影響を与えることはない。

　図６の応力緩和部１１７において、交差部幅が、梁幅＋フィレット×２＋５μｍ（製造精度）×２以上、つまりフィレット部１１６のカーブが終わり、直線部で交差するときに、奥行きＯを図７の最適値に示す長さに設定する。例えば、梁幅４０μｍ＋フィレット３０μｍ（片側）×２＋５μｍ（片側）×２（製造精度）＝１１０μｍのときに奥行きＯを図７の最適値に示す長さに設定する。これにより、図６のＡ地点の最大応力を緩和しつつ、角部である図６のＢ地点の応力も抑えることができる。加速度センサ１００の梁幅に応じて適切な長さの交差部幅と奥行きにすることによって応力を緩和し、耐衝撃性を上げることができる。すなわち、従来例の問題であったセンサ感度を下げることなく、また交差部角にも応力を集中させずに最大応力をさげて、耐衝撃性を上げることができる。

　図８は、加速度センサ１００の錘部１１２に加重が加わる場合の表面から見た斜視図である。図９は、図８Ａ部に示す加速度センサの交差部の拡大図である。

　図８に示すように、加速度センサ１００は、梁部１１３と錘部１１２からなり、高い加速度（例えば２０００Ｇ）がかかると、梁部１１３が撓んで錘部１１２側の梁終端部に最大応力が発生する。この梁部１１３の撓みが加速度検出素子（図示略）により加速度として検出される。

　しかし衝撃試験の結果も、錘部１１２側の梁終端部から破壊が起きており、この部分の応力緩和を行うと耐衝撃性が向上する。図９は、錘部１１２側の梁終端部の応力を示している。

　本発明者らは、交差部幅と奥行きを変えてシミュレーションを行った。その結果、梁幅毎に最適な長さがあることが分かった。梁幅４０μｍを例に採り説明する。

　シミュレーションはＡＮＳＹＳを使用し、条件は静解析、Ｘ軸方向２０００Ｇにより行った。

　図１０は、交差部幅（楕円の長軸）の違いによる応力変化を示す図であり、奥行きを２０μｍで固定して、交差部幅を変えて最大応力と最大応力に対する交差部角の応力の比率を示している。

　基本的に、交差部幅は広ければ広いほど良い。図１０に示すように、９０μｍから１１０μｍの間で最大応力が５０ＭＰａ変化し比率も９０％超えているのに対して、１１０μｍ以降は最大応力変化約２０ＭＰa、比率も急に低くなっており、変曲点が存在する。これは、交差部がフィレットのカーブではなく直線部に移ったことに起因している。このように、交差部幅は、梁幅４０μｍ＋フィレット３０μｍ×２＋５μｍ（片側）×２（製造精度）＝１１０μｍ以上であれば問題ない。

　図１１は、奥行き（楕円の短軸）の違いによる応力変化を示す図であり、交差部幅を１３０μｍに固定して奥行きを変化させたときの交差部角の応力の比率を示している。

　図１１に示すように、２５μｍから４０μｍで最大応力がボトムを持つことが分かる。応力的にはその範囲であれば良い。しかし比率を考慮に入れると、最適値は２５μｍになる。同様の解析を梁幅毎に行うことで、交差部幅と奥行きの最適値を決定することができる。

　図１２は、従来例と本実施の形態の効果を比較して説明する図であり、図１２（ａ）は、従来の加速度センサの交差部の拡大図、図１２（ｂ）は、本実施の形態の加速度センサ１００の交差部の拡大図である。なお、図１２（ａ）は、図１と同じ従来例である。

　図１２（ａ）に示すように、加速度センサの交差部形状が、直線２１と円２２の組み合わせである場合、梁１１の交差部には、衝撃時に応力３１～３３が発生する。特に、梁１１の直線２１の部分に応力３３が集中する。また、交差部角にも応力３１，３２が集中する。これに対して、本実施の形態では、図１２（ｂ）に示すように、加速度センサ１００は、扇形状の応力緩和部１１７を形成することで、交差部角にのみ従来例に比して格段に小さい応力１２１，１２２が生じるに過ぎない。

　図１２（ａ）に示すように、従来例では、梁幅４０μｍの場合、Ｘ軸２０００Ｇ解析において最大応力１５５９ＭＰａ、耐衝撃性１４００Ｇであった。

　これに対して、図１２（ｂ）に示すように、本実施の形態では、最適値の時、ここでは交差部幅１３０μｍでかつ奥行き２５μｍの場合、Ｘ軸２０００Ｇ解析において最大応力は１３５８ＭＰａとなり、従来例と比して約１０％の改善が見られる。応力値から耐衝撃性を考えると１６００Ｇと予想され、２００Ｇの耐衝撃性向上が得られる。

　交差部の応力緩和が起きるのは高い加速度の時であり、実際に使用する低い加速度では、交差部を変えても感度は変わらない。

　以上詳細に説明したように、本実施の形態の加速度センサ１００は、枠部１１１と、錘部１１２と、枠部１１１と錘部１１２とを連結する梁部１１３と、梁部１１３上に形成された加速度検出部と、梁部１１３と錘部１１２又は枠部１１１との連結部に近接するに従って広がるフィレット部１１６と、連結部１１５の下側に円弧状又は楕円形状で形成され、かつ連結部１１５から離れる方向に奥行きを有する応力緩和部１１７とを備え、応力緩和部１１７は、梁幅Ｗ、交差部幅Ｌ、奥行きＯとしたとき、Ｌ≧１００μｍ、３０μｍ≦Ｗ≦６０μｍ、１０μｍ≦Ｏ≦４０μｍに形成する。これにより、図６に示すように、図６のＡ地点の最大応力を緩和しつつ、角部である図６のＢ地点の応力も抑えることができる。その結果、センサ感度を下げることなく、また交差部角にも応力を集中させずに最大応力をさげて、耐衝撃性を上げることができる。

　（他の実施の形態）
　図１３は、他の実施の形態に係る加速度センサの交差部の拡大図である。

　図１３に示すように、加速度センサ１００の応力緩和部１１７Ａは、連結部１１５の下側に形成され、楕円と直線とを組み合わせた形状である。

　応力緩和部１１７Ａの奥行きが最適値であれば、楕円と直線とを組み合わせた形状を採ることができる。楕円と直線とを組み合わせた形状の応力緩和部１１７Ａを形成することで、交差部角と直線の部分に応力１３１～１３３が生じるものの、許容範囲に収まっている。

　以上、本発明の実施の形態について述べたが、本発明は上記実施の形態に限定されることなく、本発明の技術的思想に基づいて各種の変更が可能であり、本発明がこれらに及ぶことは当然である。

　上記実施の形態では、３軸加速度センサに適用した例であるが、同様の構成により、半導体加速度センサ全般に適用することができる。

　また、上記実施の形態では、加速度センサという名称を用いたが、これは説明の便宜上であり、３軸加速度センサ、半導体加速度センサ等であってもよい。

　２００９年８月２７日出願の特願２００９－１９７２１５の日本出願に含まれる明細書、図面及び要約書の開示内容は、すべて本願に援用される。

　本発明の加速度センサは、例えばゲームコントローラ等の玩具や、自動車の衝撃検出装置、ハードディスクの落下検知装置、携帯電話機の入力装置等の種々の装置に広く適用し得る。

　１００　加速度センサ
　１１１，１１１ａ～１１１ｄ　枠部
　１１２，１１２ａ～１１２ｄ　錘部
　１１３，１１３ａ～１１３ｄ　梁部
　１１５　連結部
　１１６　フィレット部
　１１７，１１７Ａ　応力緩和部

Claims

　枠部と、
　錘部と、
　前記枠部と前記錘部とを連結する梁部と、
　前記梁部上に形成された加速度検出部と、
　前記梁部から前記錘部又は前記枠部に近接するに従って広がるフィレット部と、前記錘部又は前記枠部に円弧状又は楕円形状で形成されて前記梁部から離れる方向に奥行きを有する応力緩和部と、を有し、前記梁部と前記錘部又は前記枠部とを連結する連結部と、
　を備えることを特徴とする加速度センサ。
　前記梁部の終端と前記錘部に接する幅を交差部幅とし、前記梁部の終端から前記錘部又は前記枠部までの長さを奥行きとするとき、前記奥行きは、前記交差部幅より小さい請求項１記載の加速度センサ。
　前記応力緩和部は、梁幅Ｗ、交差部幅Ｌ、奥行きＯとしたとき、下記を満たす形状とする
　Ｌ≧１００μｍ
　３０μｍ≦Ｗ≦６０μｍ
　１０μｍ≦Ｏ≦４０μｍ
　請求項２記載の加速度センサ。