JP6205582B2

JP6205582B2 - センサ

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Publication number: JP6205582B2
Application number: JP2014030314A
Authority: JP
Inventors: 理恵岡本; 剛阪上; 中塚　宏; 宏中塚
Original assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Current assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Priority date: 2014-02-20
Filing date: 2014-02-20
Publication date: 2017-10-04
Anticipated expiration: 2034-02-20
Also published as: JP2015155816A

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１４は従来のセンサの一例である加速度センサ１０の断面図である。図１４に示すように、従来の加速度センサ１０は、基板１２と、基板１２の上面に設けられた支持部１３と、基板１２の上面と対向する錘部１４と、一端が支持部１３に接続され、他端が錘部１４に接続された梁部１５と、錘部１４の下面に設けられた突起部１６と、を備えている。

なお、この従来の加速度センサ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１５は図１４のＡ方向から見た断面模式図であり、図１５（ａ）は加速度が印加されていない場合、図１５（ｂ）はＸ軸方向に過大な加速度が加わった場合の模式図である。図１５（ｂ）に示すように、Ｘ軸方向に過大な加速度が加わった場合、梁部１５に対してＹ軸を中心としたねじれが発生し、このねじれに起因して梁部１５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、第１の基板と、前記第１の基板に接続された支持部と、前記第１の基板と対向する錘部と、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、前記第１の基板に設けられた、第１、第２の突起部と、前記錘部に対向する第２の基板と、前記第２の基板に設けられた、第３、第４の突起部と、を備える。ここで、前記第１の突起部と前記第２の突起部との間隔は、前記第３の突起部と前記第４の突起部との間隔よりも小さいセンサとする。

この構成により、錘部のねじれによる梁部への応力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模式図同センサの回路例を示す図同センサの効果の説明図同センサの力の作用図実施の形態２における加速度センサの断面図実施の形態２における他の例の加速度センサの断面図実施の形態２における更に別の例の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模式図同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模式図実施の形態３における他の例の加速度センサの効果の説明図実施の形態４における加速度センサの模式図同センサの断面図従来の加速度センサの断面図従来の加速度センサの別の断面図

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１００の模式図である。図１（ａ）は加速度センサ１００の上面図、図１（ｂ）は図１（ａ）の加速度センサ１００をＸ軸正方向からＹＺ平面に投影した図である。ここで、梁部１０４が支持部１０２から延出する方向をＹ軸方向、梁部１０４が支持部１０２から延出する方向に垂直な方向をＸ軸方向、錘部１０３の厚み方向であり、Ｘ軸とＹ軸に垂直な方向をＺ軸方向、として表記する。なお、以降の全ての図面において、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸を決める方法は同じであるものとする。

加速度センサ１００は、基板１０１と、基板１０１の上面に設けられた支持部１０２と、基板１０１の上面と対向し、所定の空隙を設けて配置された錘部１０３と、一端が支持部１０２に接続され、他端が錘部１０３に接続された梁部１０４と、基板１０１の上面であって、錘部１０３の厚さ方向（別の表現では、図１（ａ）のＺ軸方向）の投影において、錘部１０３と重なるように設けられた突起部１０５、突起部１０６と、を備えている。ここで、錘部１０３の幅Ｄ１は梁部１０４の幅Ｄ２よりも大きい。突起部１０５と突起部１０６との距離Ｄ３（突起部１０５の錘部１０３のＸ軸正方向の端部寄りの面と、突起部１０６の錘部１０３のＸ軸負方向の端部よりの面との距離）は、梁部１０４の幅Ｄ２よりも大きく、かつ、錘部１０３の幅Ｄ１よりも小さい。

以上のように構成された加速度センサ１００の動作について説明を行う。

図２は、検出部１０７、１０８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１０７に対応する抵抗、Ｒ４は検出部１０８に対応する抵抗、Ｒ２およびＲ３は支持部１０２に設けられて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、対向する一対の接点ＶｄｄとＧＮＤとの間に電圧Ｖｉｎを印加し、他の一対の接点Ｖ１とＶ２の電位差Ｖｏｕｔを検出する。加速度センサ１００に加速度が印加されると、加速度に応じた電位差Ｖｏｕｔを出力し、これを検出することで加速度検出を行う。図３を参照して、本実施の形態における加速度センサ１００における耐衝撃性の改善効果について説明を行う。

図３（ａ）は図１（ｂ）の方向Ｃから見た加速度センサ１００の断面図である。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１０３の重心を通る軸Ｙ１を中心としてＲ方向にねじれる。この際、錘部１０３の下面１０３ａが突起部１０６に当接し、錘部１０３のＲ方向のねじれが規制される。ここで、突起部１０５と突起部１０６との間の距離Ｄ３（突起部１０５の錘部１０３のＸ軸正方向の端部寄りの面と、突起部１０６の錘部１０３のＸ軸負方向の端部よりの面との距離）は、梁部１０４の幅Ｄ２（図３では図示せず）よりも大きく、かつ、錘部１０３の幅Ｄ１よりも小さくしている。これにより、錘部１０３のねじれに起因する梁部１０４の応力を効果的に低減することができる。

一方、図３（ａ）と比較のため、突起部１６を錘部１０３の中央部下方に設けた構成の例として図３（ｂ）に加速度センサ２０を示す（従来の加速度センサ１０に相当）。

図３（ｂ）に示す加速度センサ２０では、Ｘ軸の正方向に衝撃（過大な加速度）が印加された場合、図３（ａ）と同様にＲ方向にねじれが発生する。このとき、錘部１０３は、下面１０３ａが突起部１６に当接するまで錘部１０３がねじれることとなる。この結果、Ｒ方向のねじれは図３（ａ）に示す加速度センサ１００と比較して大きくなり、錘部１０３を支持する薄肉の梁部１０４に過大な応力が発生する。

さらに、図１や図３（ａ）に示すように、錘部１０３の上面から見た上面視において、突起部１０５、突起部１０６が錘部１０３から露出していない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１０３の下面１０３ａが突起部１０５、突起部１０６の角部に当接させることができる。錘部１０３の下面１０３ａが突起部１０５、突起部１０６の角部に当接させることで、Ｒ方向のねじれに起因する錘部１０３がＸ軸の負方向へのずれることを防ぐことができ、効果的に錘部１０３のねじれを規制できる。

次に、加速度センサ１００の基板１０１、支持部１０２、錘部１０３、梁部１０４、突起部１０５、突起部１０６の材料としては、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容易となる。

基板１０１と支持部１０２とを接着する方法として、接着剤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、接着剤としてはエポキシ系樹脂やシリコン系樹脂等の接着剤が用いられる。接着剤として、弾性定数の小さいシリコ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という効果が得られる。

図４は、加速度センサ１００に対してＸ軸方向に過大な加速度が働いた際に、錘部１０３および突起部１０５、１０６に作用する力を表した図である。図４の（ｂ）は、加速度センサ１００の比較対象として、突起部１０５と突起部１０６の端部が錘部１０３の外側に出した加速度センサ１２０の模式断面図である。Ｘ軸の正方向に衝撃（過大な加速度）が印加された場合、図４（ｂ）の突起部１０６と錘部１０３の当接する点では、錘部１０３のＲ方向のねじれにより、錘部１０３に対してＸ軸方向に力ｆが働く。力ｆにより錘部１０３がＸ軸の負方向にずれる。一方、図４（ａ）に示すように、加速度センサ１００では、Ｘ軸の正方向に衝撃（過大な加速度）が印加された場合、突起部１０６と錘部１０３の当接する点では、錘部１０３のＲ方向のねじれにより、突起部１０６に対してＸ軸方向に力ｆが働く。また、錘部１０３に対して力ｆの反作用の力ｆ２が働くことにより錘部１０３がＸ軸の負方向にずれることを抑制することができる。

なお、本実施の形態では、梁部１０４に形成した加速度を検出する検出部１０７、１０８には、歪抵抗方式を用いた例をしたが、静電容量の変化を検出する静電容量方式の加速度センサであっても錘の変位を規定するための突起部を形成することで、同様の効果が得られることは言うまでもない。

（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２００の断面図である。図５（ａ）は加速度センサ２００をＸ軸の正方向から見た断面図であり、図５（ｂ）は方向Ｅからみた断面図である。実施の形態１と異なる点は、加速度センサ２００の上蓋２０１に突起部２０２、突起部２０３が設けられている点である。突起部２０２と突起部２０３との間隔Ｄ５（突起部２０２と突起部２０３の対向面間の距離）は、梁部１０４の幅Ｄ２よりも大きく、かつ、錘部１０３の間隔Ｄ１よりも小さい。別の表現では、基板１０１の上面からの投影視において、突起部２０２、突起部２０３の一部が錘部１０３から露出する。

基板１０１の上面に設けた突起部１０５、突起部１０６と錘部１０３、梁部１０４の関係は実施の形態１と同様である。

以上の構成により、錘部１０３の下面部が突起部１０５、突起部１０６に当接するとともに、錘部１０３の上側の角部が突起部２０２、突起部２０３と当接するため、より確実に錘部１０３のねじ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２０１の下面に突起部２０２、突起部２０３を設けたが、図６（ａ）のように、錘部１０３の上面（上蓋２０１との対向面）に突起部２３２、突起部２３３を設けても、同様の効果を得られる。この場合、錘部１０３の上面に設けた突起部２３２、突起部２３３と基板１０１の上面に設けた突起部１０５、突起部１０６の関係は、実施の形態１と同様であることが望ましい。

なお、実施の形態２では、上蓋２０１の下面に設けた突起部２０２、突起部２０３と基板１０１の上面に設けた突起部１０５、突起部１０６は同じ高さで形成した例を示したが、図７に示すように、基板１０１に設けられた突起部２２５と突起部２２６の厚み（Ｚ方向の長さ）は、上蓋２０１に形成された突起部２０２、突起部２０３よりも大きくなるように形成する方が望ましい。この構成により、錘部１０３がねじれの変位を行った場合において、錘部１０３の下面が突起部２２５、突起部２２６に当接する変位と、錘部１０３の上面が突起部２０２、突起部２０３に当接する変位とを同じにすることができ、不要なねじれの変位による応力を低減することができるという効果を有する。

（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８は、本実施の形態の加速度センサ３００の模式図である。図８（ａ）は加速度センサ３００の上面図（基板１０１は図示せず）、図８（ｂ）は図８（ａ）の加速度センサ３００をＸ軸正方向からＹＺ平面に投影した図である。

実施の形態１、２との相違点は、加速度センサ３００は、基板１０１の上面において、突起部１０５と突起部１０６の間に突起部３０１を備えている点である。この突起部３０１により、錘部１０３のＹ軸方向への過振幅を制御することができる。

また、図８（ａ）、（ｂ）に示されるように、突起部１０５、突起部１０６と支持部１０２との距離Ｄ６は、突起部３０１と支持部１０２との距離Ｄ７よりも大きい。このように突起部１０５、突起部１０６を錘部１０３の重心Ｇ近くに形成することにより、加速度センサ３００に衝撃が加わった際に、錘部１０３が突起部１０５、突起部１０６との当接に伴い重心Ｇ周りに回転し、薄肉の梁部１０４が破損することを防止することができる。なお、突起部１０５、突起部１０６を重心Ｇよりも錘部１０３の先端側に設けると、錘部１０３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１０２寄り）に設けることが好ましい。

前述したように、突起部１０５、突起部１０６はＸ軸方向の加速度による錘部１０３のねじれの変位に対する変位の抑制を行うのに対して、突起部３０１はＹ軸方向の加速度による錘部１０３の変位を抑制するという効果を有している。

図９（ａ）は加速度センサ３００に対してＹ軸の正方向に過大な衝撃が加わり、錘部１０３が変位した際の断面模式図である。このとき、錘部１０３の先端はＺ軸正方向に変位し、錘部１０３の根元側はＺ軸負方向に変位する。この場合、突起部３０１が錘部１０３の根元側に設けられていることにより、錘部１０３の角部が突起部３０１の上面に当接し、錘部１０３が過度に変位することを効果的に防ぐことができる。特に、Ｚ軸方向の変位の大きい錘部１０３の根元付近に突起部３０１を形成するこが効果的であり、突起部３０１は錘部１０３の支持部１０２側の主面を跨ぐように形成することで錘部１０３の根元側がＺ軸負方向へ変位することを確実に防ぐことができる。

一方、図９（ｂ）は、Ｚ軸の正方向に過大な衝撃が加わった場合を示している。図９（ｂ）に示すように、突起部１０５、突起部１０６が突起部３０１よりも重心Ｇ寄りに設け、過大な衝撃が加わり、錘部１０３の先端付近の下面が基板１０１に当接した場合においても、突起部１０５、突起部１０６、および突起部３０１に当接しないよう形成することが望ましい。さらに過大な加速度が加わった場合には、錘部１０３は突起部１０５、突起部１０６により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。

また、上記のように突起部を配置することで、過大な加速度に対して錘部１０３の先端が基板１０１に最初に当接するため、突起部１０５、突起部１０６、突起部３０１が通常の使用範囲（加速度検出範囲）で錘部１０３の動きを制限することなく、過大な加速度による錘部の変位のみを抑制することができ、錘部１０３の動作範囲を確保することが容易となり、大変効果的である。また、突起部１０５、突起部１０６、突起部３０１を同じ工程で作ることができ、工程を簡略化できるという効果がある。

図１０は、本実施の形態の他の例の加速度センサ３２０である。図１０（ａ）は加速度センサ３２０の上面図（基板１０１と上蓋２０１は記載せず）、図１０（ｂ）は図１０（ａ）の加速度センサ３２０をＸ軸正方向からＹＺ平面に投影した図である。図１０に示す如く、支持部１０２に上蓋２０１を形成し、この上蓋２０１が錘部１０３と対向する面に突起部２０２、突起部２０３を設けるとともに、突起部２０２と突起部２０３の間に突起部３２１を形成してもよい。上蓋２０１に形成された突起部３２１は、基板１０１に設けられた突起部３０１と対称な位置に設けられている。また、突起部２０２、突起部２０３は、突起部２０２と突起部２０３との間隔Ｄ５（突起部２０２と突起部２０３の対向面間の距離）は、梁部１０４の幅Ｄ２よりも大きく、かつ、錘部１０３の幅Ｄ１よりも小さい位置に設けられている。この構成により、錘部１０３の下側と上側にそれぞれＹ軸方向の衝撃による過振幅を抑制するための突起部（３０１、３２１）と、Ｘ軸方向のねじれを防止するための突起部（１０５、１０６、２０２、２０３）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、実施の形態２の図６のように、錘部１０３の上面（上蓋２０１との対向面）に突起部２０２、突起部２０３、突起部３２１を形成してもよい。

図１１は加速度センサ３２０に対してＹ軸の正方向に過大な衝撃が加わり、錘部１０３が変位した際の断面模式図である。この場合、錘部１０３の先端はＺ軸正方向に変位し、錘部１０３の根元側はＺ軸負方向に変位する。この時、図１１（ａ）のように錘部１０３の先端付近の上面が上蓋２０１に当接するが、突起部２０２と突起部２０３、および突起部３２１に当接しないように形成することがのぞましい。さらに過大な加速が加わり錘部１０３がＺ軸正方向に変位した場合、突起部２０２、突起部２０３によりＺ軸正方向に変位することを効果的に防ぐことができる。

一方、図１１（ｂ）は、Ｚ軸の負方向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３２１が錘部１０３の根元側に設けられていることにより、錘部１０３の根元部分が突起部３２１の下面に当接し、錘部１０３が過度に変位するのを効果的に防ぐことができる。

図１０のように配置することで、図９に示すように片方の基板にのみ突起部を形成した場合に比べ、過大な加速度による錘部１０３のＺ方向の変位をより確実に抑制することができるという点で優れている。

（実施の形態４）
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１２は本実施の形態の加速度センサ４００の模式図である。図１２（ａ）は加速度センサ４００の上面図（基板１０１は記載せず）、図１２（ｂ）は図１２（ａ）の加速度センサ４００をＸ軸正方向からＹＺ平面に投影した図である。実施の形態１から３と異なる点は、錘部４０１の形状が上面から見た場合、梁部に対して角度を有している。ここで、角度を有するとは、上面視において、錘部４０１が、梁部１０４の延出する方向であるＹ軸方向に対して、傾きを持つということである。

更に、突起部４０２の端部４０２ａと錘部４０１の端部４０１ａ、突起部４０３の端部４０３ａと錘部４０１の端部４０１ｂとが、交差するように形成されている点である。別の表現では、錘部４０１が梁部１０４の延出する方向（Ｙ軸方向）に対して傾きを有する端部４０１ａを有し、突起部４０３が梁部１０４の延出する方向（Ｙ軸方向）と同じ方向に延出する端部４０１ｂを有し、端部４０１ａと端部４０１ｂとが、錘部４０１の上面からの上面視において、交差するように構成されている。なお、ここでは、錘部４０１の端部４０１ａが傾きを有し、突起部４０３の端部４０１ｂが梁部と同じ方向に延びるとして説明したが、これに限らない。突起部４０３の端部４０１ｂが傾きを有し、錘部４０１の端部４０１ａが梁部と同じ方向に延びる構成でもよい。

詳細について、説明を行う。加速度センサ４００は基板１０１の上面と対向する錘部４０１と、基板１０１の上面に設けられた突起部４０２、突起部４０３を備えている。錘部４０１の端部４０１ａは突起部４０２の端部４０２ａとは並行ではない。錘部４０１の端部４０１ｂは突起部４０３の端部４０３ａと平行ではない。また、錘部４０１の端部４０１ａと錘部４０１の端部４０１ｂは平行ではない。突起部４０２、突起部４０３の支持部１０２寄りの端部と対向する錘部４０１の幅Ｄ８は梁部１０４の幅Ｄ２より大きく、突起部４０２と突起部４０３の反対向面間の幅Ｄ３よりも小さい。突起部４０２、突起部４０３の錘部４０１の先端寄りの端部と対向する錘部４０１の幅Ｄ９は突起部４０２と突起部４０３の反対向面間の幅Ｄ３よりも大きい。

次に、突起部４０２、突起部４０３の効果に関して、Ｘ軸の正方向に衝撃（過大な加速度）が印加された場合の錘部４０１の変位と各突起部の関係を、図１３を用いて説明を行う。図１３（ａ）は本実施の形態における加速度センサ４００であり、図１２（ｂ）の方向Ｎから見た、図１２（ａ）におけるＪ−Ｊ線の断面図である。Ｙ軸と平行であって錘部４０１の重心を通る軸Ｙ１を中心としてＲ方向ねじれが発生しているが、錘部４０１は突起部４０２、突起部４０３に当接しない。また、図１３（ｂ）は図１２（ｂ）の方向Ｎから見た、図１２（ａ）におけるＫ−Ｋ線の断面図である。図１３（ａ）と同様にＲ方向にねじれが発生しており、錘部４０１の端部４０１ｂが突起部４０３の端部４０３ａに当接し、錘部４０１のＲ方向のねじれの変位が規制されている様子を示す。図１３（ｃ）は図１２（ｂ）の方向Ｎから見た、図１２（ａ）におけるＭ−Ｍ線の断面図である。図１３（ａ）と同様にＲ方向にねじれが発生し、錘部４０１の下面４０１ｃが突起部４０３の端部４０３ａ（錘部４０１と突起部４０３の重なった領域に相当）に当接し、錘部４０１のＲ方向のねじれの変位が規制される。上述のように、突起部４０２、突起部４０３を形成することで、錘部４０１のねじれの変位を突起部４０２、突起部４０３の端部（錘部４０１と突起部４０３とが上面視で重なる領域）で接触することとなり、突起部４０２、突起部４０３のＸＹ平面で錘部４０１と接するように形成されている場合と比較して錘部のねじれの変位を規制が容易となる。さらに、上下の突起部４０２、突起部４０３との固着等も防ぐことができるなど、その効果は大きい。

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、加速度センサ、角速度センサ、歪センサ、気圧センサ、圧力センサなど、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、衝撃が生じた場合に、錘部のねじ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、歪センや気圧センサ等のセンサとして有用である。

１０、２０、１００、１２０、２００、３００、３２０、４００加速度センサ
１２、１０１基板
１３、１０２支持部
１４、１０３、４０１錘部
１５、１０４梁部
１６、１０５、１０６突起部
２０２、２０３、２２５、２２６、２３２、２３３突起部
３０１、３２１突起部
４０２、４０３突起部
１０７、１０８検出部
２０１上蓋

Claims

第１の基板と、
前記第１の基板に接続された支持部と、
前記第１の基板と対向する錘部と、
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、
前記第１の基板に設けられた、第１、第２の突起部と、
前記錘部に対向する第２の基板と、
前記第２の基板に設けられた、第３、第４の突起部と、を備え、
前記第１の突起部と前記第２の突起部との間隔は、前記第３の突起部と前記第４の突起部との間隔よりも小さく、
前記錘部の上面から見た上面視において、前記第１の突起部および前記第２の突起部が前記錘部から露出せず、前記第３の突起部の一部および前記第４の突起部の一部が前記錘部から露出するセンサ。
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い請求項１に記載のセンサ。
前記第３の突起部と前記第４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。
前記錘部は、前記梁部の延出する方向に対して傾きを有する第１の端部を有し、
前記第１の突起部は、前記梁部の延出する方向と同じ方向に延びる第２の端部を有し、
前記第１の端部と前記第２の端部とが、前記錘部の上面からの上面視において交差する請求項１に記載のセンサ。