バネ構造体、物理量センサー、電子機器
【課題】枠体に支持された錘部に作用する複数の変位を許容できるバネ構造体、物理量センサー、電子機器を提供することを目的としている。
【解決手段】本発明のバネ構造体１０は、接続部１２と、前記接続部１２を中心に直交する軸を第１軸および第２軸としたときに、前記接続部から第１軸の方向に延出し、第１折曲部２４で折り返され、端部に第１支持部２６を有する第１バネ２０と、前記接続部１２から前記第２軸の方向に延出し、第２折曲部３４で折り返され、端部に第２支持部３６を有する第２バネ３０と、前記第１軸および前記第２軸に平面視で交差する方向であり且つ前記第１及び第２バネ２０，３０から離間する斜め方向に、前記接続部１２からビームが延出し、前記ビームは前記斜め方向に交差する方向に分岐され、一方のビームは第３折曲部４４で折り曲げられ第３支持部４５を端部に有し、他方のビームは第４折曲部４６で折り曲げられ第４支持部４７を端部に有する第３バネ４０と、を備えている。
【解決手段】本発明のバネ構造体１０は、接続部１２と、前記接続部１２を中心に直交する軸を第１軸および第２軸としたときに、前記接続部から第１軸の方向に延出し、第１折曲部２４で折り返され、端部に第１支持部２６を有する第１バネ２０と、前記接続部１２から前記第２軸の方向に延出し、第２折曲部３４で折り返され、端部に第２支持部３６を有する第２バネ３０と、前記第１軸および前記第２軸に平面視で交差する方向であり且つ前記第１及び第２バネ２０，３０から離間する斜め方向に、前記接続部１２からビームが延出し、前記ビームは前記斜め方向に交差する方向に分岐され、一方のビームは第３折曲部４４で折り曲げられ第３支持部４５を端部に有し、他方のビームは第４折曲部４６で折り曲げられ第４支持部４７を端部に有する第３バネ４０と、を備えている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、少なくとも２以上の方向に変位可能な錘を支持するバネ構造体、物理量センサー、電子機器に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ Ｅｌｅｃｔｒｏ−Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍｓ）技術を利用した検出素子が知られている。検出素子は、一例として、圧力センサー、加速度センサー、角速度センサーなどがある。また、モバイル機器に搭載し複雑な動きを検出するため、複数の軸を１つの素子で検出可能な多軸センサーがある。
【０００３】
このような検出素子として特許文献１には、第一の軸方向に延びる第一の梁部と、第二の軸方向に延びる第二の梁部と、第一及び第二の梁部に支持されて少なくとも２以上の方向に変位する錘部と、錘部の変位に基づいて錘部に作用する力学量を検出する検出部とを備え、錘部が第一の軸方向回りにおける回転し易さと第二の軸方向回りにおける回転し易さとに差が生じる態様で前記第一の梁部と、前記第二の梁部に支持されている検出素子が開示されている。
【０００４】
また特許文献２の角速度センサーは、平面振動体を直角四辺形状の枠体の内側に連結梁を介して錘振動体を連結した結合体により構成し、支持梁でＸ方向に振動可能に支持している。連結梁は錘振動体の検出振動方向となるＺ軸方向の剛性を平面振動体の振動方向であるＸ方向よりも小さく形成し、支持梁はＸ方向の剛性をＺ軸方向の剛性よりも小さく形成している。これにより、平面振動体をＸ方向に励振させてＹ軸回りの回転によりＺ軸方向のコリオリ力が発生したとき、平面振動体の錘振動体だけがＺ軸方向に振動し、Ｙ軸回りの角速度を検出している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１０−１６９４０１号公報
【特許文献２】特開平１１−６４００１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１，２に開示の検出素子は、いずれも錘部とそれを支える４本の梁部を基本構成としている。梁部は梁部幅又は梁厚みを制御してバネ定数を最適化している。
通常、梁部の厚みは錘部よりも薄く加工されている。１枚のシリコンウエハから厚みの異なる錘部と梁部をエッチングにより形成する場合、錘部と比べて極端に厚みの薄い梁部を均一の厚みで、バラツキなくエッチング調整することは困難であった。
【０００７】
また錘部を備えたウエハと梁部を備えたウエハを直接接合等により接合する場合、梁部を構成する数十μｍのウエハを取り扱う工程が複雑化し、歩留りの低下の虞があった。
また薄いＳｉ層と厚いＳｉ層の間にＳｉＯ２層を挿入したＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ ｏｎ Ｉｎｓｕｌａｔｅｒ）基板を用いて梁部の厚みを調整することができる。しかし、このＳＯＩ基板は高価であり量産化には適用できないという問題があった。
【０００８】
そこで上記従来技術の問題点を解決するため、本発明は枠体に支持された錘部に作用する複数の変位を許容できるバネ構造体、物理量センサー、電子機器を提供することを目的としている。また本発明は枠体に支持された錘部に作用する複数の変位を許容して物理量を高感度に検出できる物理量センサー、電子機器を提供することを目的としている。
また本発明は、枠体に支持される錘部を備えた物理量センサーを一体的に形成できる物理量センサー、電子機器を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の適用例として実現することが可能である。
［適用例１］接続部と、前記接続部を中心に直交する軸を第１軸および第２軸としたときに、前記接続部から前記第１軸の方向に延出し、第１折曲部で折り返され、端部に第１支持部を有する第１バネと、前記接続部から前記第２軸の方向に延出し、第２折曲部で折り返され、端部に第２支持部を有する第２バネと、前記第１軸および前記第２軸に平面視で交差する方向であり且つ前記第１及び第２バネから離間する斜め方向に、前記接続部からビームが延出し、前記ビームは前記斜め方向に交差する方向に分岐され、一方のビームは第３折曲部で折り曲げられ第３支持部を端部に有し、他方のビームは第４折曲部で折り曲げられ第４支持部を端部に有する第３バネと、を備えたことを特徴とするバネ構造体。
上記構成によれば、接続部を中心としてＸ，Ｙ，Ｚ軸方向の３軸の動きを許容することができる。また錘部と枠体と一体的に形成することができ、製造が容易で、かつバネ力の調整の容易なバネ構造体が得られる。
【００１０】
［適用例２］前記第３バネの前記ビームは、前記接続部から前記斜め方向に沿って分割していることを特徴とする適用例１に記載のバネ構造体。
上記構成によれば、Ｚ軸方向の変位に対して捩れ易くなり、この変位を許容することができる。
【００１１】
［適用例３］前記第１ないし第４折曲部の少なくとも１つは、複数有することを特徴とする適用例１又は適用例２に記載のバネ構造体。
上記構成によれば、応力に対して変位し易い構造とすることができる。
【００１２】
［適用例４］前記第１ないし第４折曲部の少なくとも１つは、曲線形状に折り曲げたことを特徴とする適用例１ないし適用例３のいずれか１例に記載のバネ構造体。
上記構成によれば、折り曲げ部分に局所的な応力が集中することを回避することができる。
【００１３】
［適用例５］適用例１ないし適用例４のいずれか１例に記載のバネ構造体と、枠体と、前記枠体の内部に複数の前記バネ構造体を介して取り付けられ、互いに直交する３軸方向に変位可能な錘部と、前記錘部の変位に基づいて前記錘部に作用する物理量を検出する検出部と、を備えたことを特徴とする物理量センサー。
上記構成によれば、バネ構造体により錘部に作用するＸ，Ｙ，Ｚ軸方向の３軸の動きを許容することができる。また錘部と枠体と一体的に形成することができ、製造が容易で小型かつ高精度な物理量センサーが得られる。
【００１４】
［適用例６］前記錘部は平面視して矩形であり、前記錘部の四隅と前記枠体の内側の四隅との間に前記バネ構造体を取り付けたことを特徴とする適用例５に記載の物理量センサー。
上記構成によれば、錘部と枠体との隙間を小さくすることができ、センサー全体の小型化を図ることができる。
【００１５】
［適用例７］適用例５又は適用例６に記載の物理量センサーを備えたことを特徴とする電子機器。
上記構成によれば、物理量を高精度で検出することができる物理量センサーを備えた電子機器が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】第１実施形態に係るバネ構造体の平面図である。
【図２】第１実施形態に係る物理量センサーの説明図であり、（１）は平面図、（２）は（１）のＡ−Ａ断面図である。
【図３】第３ビームの変形例の説明図である。
【図４】第１実施形態に係るバネ構造体の作用の説明図であり、（１）は＋Ｘ軸方向、（２）は＋Ｙ軸方向、（３）は−Ｚ軸方向の変位である。
【図５】第２実施形態に係るバネ構造体の説明図であり、（１）は鋭角に折り曲げたバネ構造体であり、（２）は鈍角に折り曲げたバネ構造体である。
【図６】第３実施形態に係るバネ構造体の説明図であり、（１）は第３及び第４折曲部を曲線形状に折り曲げたバネ構造体であり、（２）は（１）の構造に、さらに支持部と折曲部の間を曲線状に折り曲げたバネ構造体であり、（３）は第１〜第４折曲部を曲線形状に折り曲げたバネ構造体である。
【図７】第４実施形態に係るバネ構造体の説明図である。
【図８】第２実施形態に係る物理量センサーの平面図である。
【図９】第３実施形態に係る物理量センサーの平面図である。
【図１０】第４実施形態に係る物理量センサーの平面図である。
【図１１】本発明の物理量センサーを備える電子機器を適用した携帯電話機の説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
本発明のバネ構造体、物理量センサー、電子機器の実施形態を添付の図面を参照しながら以下詳細に説明する。図１は第１実施形態に係るバネ構造体の平面図である。図２は第１実施形態に係る物理量センサーの説明図であり、（１）は平面図、（２）は（１）のＡ−Ａ断面図である。図２に示すように、実施形態に係るバネ構造体１０は、略矩形の錘部６０と、前記錘部６０の外周を囲む枠体７０とを連結する部材である。またバネ構造体１０は枠体７０と錘部６０の同一平面上で錘部６０を支持する部材である。なお各図では、説明の便宜上、互いに直交する３つの軸として、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸を図示している。また以下では、Ｘ軸（第１軸）に平行な方向をＸ軸方向、Ｙ軸（第２軸）に平行な方向をＹ軸方向、Ｚ軸（第３軸）に平行な方向をＺ軸方向という。
【００１８】
バネ構造体１０は、略矩形の錘部６０の四隅と、前記錘部６０を囲む略矩形の枠体７０の内側４つの角部とを結ぶ直線方向、即ち錘部６０の四隅から、直交するＸ軸とＹ軸の角度を二分した対角線Ｌ方向に配置されている。
実施形態に係るバネ構造体１０は、接続部１２と、第１バネ２０と、第２バネ３０と、第３バネ４０とを主な基本構成としている。
【００１９】
接続部１２は、第１及び第２バネ２０，３０と、第３バネ４０の間に形成されている。接続部１２は第１〜第３バネ２０，３０，４０よりも幅を広く形成して互いに直交するＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸の３軸方向の応力によって、変形しない強度を備えている。接続部１２は、略矩形の錘部の四隅と、前記錘部を囲む略矩形の枠体の内側４つの角部とを結ぶ直線方向、即ち錘部の四隅から、直交するＸ軸とＹ軸の角度を二分した対角線Ｌ方向に配置させている。
【００２０】
第１バネ２０は、第１ビーム２２と、第１折曲部２４と、第１支持部２６とを主な基本構成とし、直交するＸ軸又はＹ軸の何れか一方の変位を許容している。図１に示す第１バネ部２０はＹ軸方向の変位を許容している。
第１ビーム２２は、一端を接続部１２に接続させて、他端を接続部１２から、接続部１２を中心に直交するＸ軸及びＹ軸のＸ軸方向に平行に延出させている。
【００２１】
第１折曲部２４は、一端を第１ビーム２２の他端と接続させて、他端を第１ビーム２２の端部からＹ軸方向に少なくとも１以上折り曲げている。図１に示す第１折曲部２４は、２回折り曲げている。
【００２２】
第１支持部２６は、一端を第１折曲部２４の端部と接続させて、他端をＹ軸方向へ延出させている。第１支持部２６の他端は、錘部６０の直交するＸ軸又はＹ軸のいずれか一方の側面と接続させている。図１に示す第１支持部２６は錘部６０のＸ軸方向の側面に接続させている。
【００２３】
第２バネ３０は、第２ビーム３２と、第２折曲部３４と、第２支持部３６とを主な基本構成とし、直交するＸ軸又はＹ軸の何れか他方の変位を許容している。図１に示す第２バネ部３０はＸ軸方向の変位を許容している。
第２ビーム３２は、一端を接続部１２に接続させて、他端を接続部１２から、接続部１２を中心に直交するＸ軸及びＹ軸のＹ軸方向に平行に延出させている。
【００２４】
第２折曲部３４は、一端を第２ビーム３２の他端と接続させて、他端を第２ビーム３２の端部からＸ軸方向に少なくとも１以上折り曲げた形状にしている。図１に示す第２折曲部３４は２回折り曲げた形状にしている。
【００２５】
第２支持部３６は、一端を第２折曲部３４の端部と接続させて、他端をＸ軸方向へ延出させている。第２支持部３６の他端は、錘部６０の直交するＸ軸又はＹ軸のいずれか他方の側面と接続させている。図１に示す第２支持部３６は錘部６０のＹ軸方向の側面に接続させている。
【００２６】
第３バネ４０は、第３ビーム４２と、第３及び第４折曲部４４、４５と、第３及び第４支持部４６，４７とを主な基本構成と、Ｚ軸方向の変位を許容している。
第３ビーム４２は、一端を接続部１２に接続させて、他端を接続部１２からＸ軸及びＹ軸の角度を二分した対角線Ｌ方向であって第１及び第２バネ２０，３０と離間する方向（反対側）に延出させている。バネ構造体１０の第３ビーム４２ａは、第３又は第４折曲部４４，４５に夫々接続するように２分割したスリット４３を形成している。このような構成によりＺ軸方向の応力に対して変位し易い構成とすることができる。
【００２７】
なお、図３に示すように、第３ビーム４２ａは、スリットを設けずに接続部１２から対角線方向に延出させるような構成とすることもできる。これにより第３ビーム４２ａの剛性を高めることができ、Ｚ軸方向の外力に対してのみ変位し難い構成とすることができる。
【００２８】
第３及び第４折曲部４４，４５は、一端を前記第３ビーム４２の端部に接続させて、他端を前記第３ビーム４２の端部から対角線Ｌと交差する方向Ｍに枝分かれ（分岐）して少なくとも１以上折り曲げた形状にしている。図１に示す第３及び第４折曲部４４，４５は、２回折り曲げた形状にしている。
【００２９】
第３支持部４６は、一端を前記第３折曲部４４の他端と接続させて、他端を対角線Ｌと交差する方向Ｍに延出させている。第３支持部４６の他端は、枠体７０の直交するＸ軸又はＹ軸のいずれか一方の側面と接続させている。図１に示す第３支持部４６は枠体７０のＸ軸方向の側面に接続させている。
【００３０】
第４支持部４７は、一端を前記第４折曲部４５の他端と接続させて、他端を対角線Ｌと交差する方向Ｍに延出させている。第４支持部４７の他端は、枠体７０の直交するＸ軸又はＹ軸のいずれか他方の側面と接続させている。図１に示す第４支持部４７は枠体７０のＹ軸方向の側面に接続させている。
【００３１】
このようなバネ構造体１１は、対角線Ｌを中心線として、第１及び第２バネ２０，３０が線対称となるように形成されている。また第３バネ４０の第３折曲部４４及び第３支持片４６と、第４折曲部４５及び第４支持部４７が線対称となるように形成されている。このような構成によりバネ間の変位量を合わせることができる。従って、外力が一部のバネに対して局所的に集中することを回避できる。
【００３２】
実施形態に係るバネ構造体の製造方法は、所定の厚みのウエハをエッチング加工して枠体７０と、バネ構造体１０と、錘部６０を一体に形成することができる。また錘部６０の厚みを厚くして質量を増加させて検出素子の感度を高める場合、バネ構造体１０の厚みも厚くなるが、バネ幅を狭めるなどによりバネ強度を調整することができる。
バネ構造体１０は、ビーム又は折曲部の長さ、幅を任意に変更して、バネ強度の調整を行うことができる。従って、バネ構造体１０の厚みのみの調整に拘束されることがない。
【００３３】
第１実施形態に係る物理量センサー１００は加速度センサーである。物理量センサー１００は、第１基板１１０と第２基板１２０から構成されている。第１基板１１０には、略矩形の錘部６０と、当該錘部６０を囲む枠体７０と、バネ構造体１０が形成されている。第２基板１２０には検出部８０が形成されている。
第１基板１１０の錘部６０はＺ軸を法線とする平面視において略矩形状に形成されている。錘部６０は厚み又は幅を調整することにより任意の質量に設定している。
【００３４】
枠体７０はＺ軸を法線とする平面視において前記錘部６０よりも大きい略矩形状に形成されて、前記錘部６０の外周を囲う部材である。
バネ構造体１０は、略矩形の錘部６０の四隅と、前記錘部６０を囲む略矩形の枠体７０の内側４つの角部とを結ぶ直線方向、即ち錘部６０の四隅から、直交するＸ軸とＹ軸の角度を二分した対角線方向に４つ配置されている。
【００３５】
第１及び第３バネ構造体１０ａ，１０ｃは、前記第１支持部２６を、Ｘ軸方向の前記錘部６０の側面と接続させている。第２支持部３６は、Ｙ軸方向の前記錘部６０の側面と接続させている。第３支持部４６は、Ｙ軸方向の前記枠体７０の側面と接続させている。第４支持部４７は、Ｘ軸方向の前記枠体７０の側面と接続させている。
【００３６】
第２及び第４バネ構造体１０ｂ，１０ｄは、前記第１支持部２６を、Ｙ軸方向の前記錘部６０の側面と接続させている。第２支持部３６は、Ｘ軸方向の前記錘部６０の側面と接続させている。第３支持部４６は、Ｘ軸方向の前記枠体７０の側面と接続させている。第４支持部４７は、Ｙ軸方向の前記枠体７０の側面と接続させている。
【００３７】
このような構成の錘部６０と枠体７０とバネ構造体１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，１０ｄは半導体からなる第１基板１１０上に一体的に形成されている。
第１基板１１０はシリコンを主材料として構成されていて、シリコン基板（シリコンウエハ）上に薄膜形成技術（例えば、エピタキシャル成長技術、化学気相成長技術等の堆積技術）や各種加工技術（例えばドライエッチング、ウェットエッチング等のエッチング技術）を用いて、所望の外形形状に加工することにより、前述した各部が一体的に形成されている。
【００３８】
第２基板１２０には検出部８０が形成されている。第２基板１２０は、一例としてガラス基板を用いることができる。検出部８０は、Ｚ軸を法線とする平面視において錘部６０よりも大きく、４つに分割した下部電極８２ａ，８２ｂ，８２ｃ，８２ｄから構成されている。検出部８０は錘部６０に作用する外力を静電容量の変化によって検出している。
【００３９】
第１基板１１０と第２基板１２０は、枠体７０と枠部１２２を接合手段により固定させている。また第１基板１１０の枠体７０と第２基板１２０の間にアンカーを用いて接続させるように構成してもよい。このとき検出部８０と錘部６０は互いに平行であって、静電容量が最適となる間隔で形成されている。
【００４０】
上記構成による第１実施形態に係る物理量センサー１００による加速度の検出は次のように行う。
図４は第１実施形態に係るバネ構造体の作用の説明図であり、（１）は＋Ｘ軸方向、（２）は＋Ｙ軸方向、（３）は−Ｚ軸方向の変位である。
【００４１】
図４（１）は、＋Ｘ軸方向に変位した場合の第１及び第４バネ構造体１０ａ，１０ｄの折れ曲がりを示した図である。図示のように錘部６０が＋Ｘ軸方向へ変位した場合、第１バネ構造体１０ａの第２ビーム３２が接続部１２を基点として＋Ｘ軸方向へ撓み、第２折曲部３４も縮小する。このとき第１バネ２０は＋Ｘ軸方向へ変位する錘部６０に伴って僅かに変形する。また第４バネ構造体１０ｄの第１ビーム２２が接続部１２を基点として＋Ｘ軸方向へ撓み、第１バネ２４も伸長する。このとき第２バネ２０は＋Ｘ軸方向へ変位する錘部６０に伴って僅かに変形する。
【００４２】
＋Ｘ軸方向へ錘部６０が変位すると検出部８０では、Ｚ軸を法線とする平面視において、錘部６０と下部電極８２ａ，８２ｂの投影面積が増加して静電容量が増加する。一方、下部電極８２ｃ，８２ｄでは前記投影面積が減少して静電容量が減少する。これにより＋Ｘ軸方向の加速度を検出することができる。なお、−Ｘ軸方向へ変位した場合には、第１及び第４バネ構造体１０ａ，１０ｄは正反対の動きをする。第２及び第３バネ構造体１０ｂ，１０ｃについても同様に変位する。
【００４３】
図４（２）は、＋Ｙ軸方向に変位した場合の第１及び第２バネ構造体１０ａ，１０ｂの折れ曲がりを示した図である。図示のように錘部６０が＋Ｙ軸方向へ変位した場合、第１バネ構造体１０ａの第１ビーム２２が接続部１２を基点として＋Ｙ軸方向へ撓み、第１バネ２４も縮小する。このとき第２バネ３０は＋Ｙ軸方向へ変位する錘部に伴って僅かに変形する。また第２バネ構造体１０ｂの第２ビーム３２が接続部１２を基点として＋Ｙ軸方向へ撓み、第２バネ３４も伸長する。このとき第１バネ２０は＋Ｙ軸方向へ変位する錘部６０に伴って僅かに変形する。
【００４４】
＋Ｙ軸方向へ錘部６０が変位すると検出部８０では、Ｚ軸を法線とする平面視において、錘部６０と下部電極８０ａ，８０ｄの投影面積が増加して静電容量が増加する。一方、下部電極８０ｂ，８０ｃでは前記投影面積が減少して静電容量が減少する。これにより＋Ｙ軸方向の加速度を検出することができる。なお−Ｙ軸方向へ変位した場合には、第１及び第２バネ構造体１０ａ，１０ｂは正反対の動きをする。第３及び第４バネ構造体１０ｃ，１０ｄについても同様に変位する。
【００４５】
図４（３）は、−Ｚ軸方向に変位した場合の第１バネ構造体１０ａの折れ曲がりを示した図である。錘部が−Ｚ軸方向へ変位した場合、枠体７０に接続する第３及び第４支持部４６，４７と、錘部６０と第１及び第２バネ２０，３０を介して接続する接続部１２の間で、第３及び第４折曲部４４，４５がＺ軸方向に捩れて伸長する。第３折曲部４４と接続する第３支持部４６の一端側も第３折曲部４４の伸長に伴って−Ｚ軸方向に撓み、第３ビーム４２も−Ｚ軸方向へ撓む。また第４折曲部４５と接続する第４支持部４７の一端側も第４折曲部４５の伸長に伴って−Ｚ軸方向に撓む。
【００４６】
−Ｚ軸方向へ錘部６０が変位すると検出部８０では、錘部６０と下部電極８２ａ〜８２ｄとの隙間が狭まって、静電容量が増加する。これにより−Ｚ軸方向の加速度を検出することができる。なお第２〜第４バネ構造体１０ｂ，１０ｃ，１０ｄについても同様の変位をする。
【００４７】
このような物理量センサー１００によれば、バネ構造体により錘部に作用するＸ，Ｙ，Ｚ軸方向の３軸の動きを許容することができる。錘部と枠体と一体的に形成することができ、製造が容易で小型かつ高精度な物理量センサーが得られる。
【００４８】
図５は第２実施形態に係るバネ構造体の説明図であり、（１）は鋭角に折り曲げたバネ構造体であり、（２）は鈍角に折り曲げたバネ構造体である。
図５（１）に示すように、バネ構造体１０１は、第３支持部４６と第３折曲部４４の間を鋭角に折り曲げている。また第４支持部４７と第４折曲部４５の間も鋭角に折り曲げている。これにより第３バネ４０の長さを短くすることができる。このような構成によれば、第３バネ４０の長さを短くして、Ｚ軸方向の応力に対して変位し難い構成とすることができる。
【００４９】
図５（２）に示すように、バネ構造体１０２は、第３支持部４６と第３折曲部４４の間を鈍角に折り曲げている。また第４支持部４７と第４折曲部４５の間も鈍角に折り曲げている。これにより第３バネ３０の長さを長くすることができる。このような構成によれば、第３バネ３０の長さを長くして、Ｚ軸方向の応力に対して変位し易い構成とすることができる。
【００５０】
このようにバネ構造体の第３支持部４６及び第３折曲部４４と、第４支持部４７及び第４折曲部４５の間を鈍角又は鋭角に折り曲げることにより、バネの剛性バランスを任意に制御することができる。
【００５１】
図６は第３実施形態に係るバネ構造体の説明図であり、（１）は第３及び第４折曲部を曲線形状に折り曲げたバネ構造体であり、（２）は（１）の構造に、さらに支持部と折曲部の間を曲線形状に折り曲げたバネ構造体であり、（３）は第１〜第４折曲部を曲線形状に折り曲げたバネ構造体である。
【００５２】
図６（１）に示すように、バネ構造体１０３は、第３及び第４折曲部４４ａ，４５ａを曲線形状に折り曲げている。このような構成によれば、第３及び第４折曲部４４，４５を直角に折り曲げている構成に比べて、応力が局所的に集中することを回避できる。
【００５３】
図６（２）に示すように、バネ構造体１０４は、第３支持部４６の一端と第３折曲部４４ｂの他端が接続する箇所を曲線形状に折り曲げている。また第４支持部４７の一端と第４折曲部４５ｂの他端が接続する箇所を曲線形状に折り曲げている。このような構成によれば、図６（１）に示すバネ構造体に比べて、さらに応力が局所的に集中することを回避できる。
【００５４】
図６（３）に示すように、バネ構造体１０５は、バネ構造体１０４に加えて、さらに第１及び第２折曲部２４ａ、３４ａを曲線形状に折り曲げている。すなわち第１〜第４折曲部２４ａ，３４ａ，４４ｂ，４５ｂをすべて曲線形状に折り曲げている。このような構成によれば、図６（２）に示すバネ構造体に比べて、さらに応力が局所的に集中することを回避でき、外力に対して変位し易い構造とすることができる。
【００５５】
図７は第４実施形態に係るバネ構造体の平面図である。図８は第２実施形態に係る物理量センサーの平面図である。
第２実施形態の物理量センサー２００は、基本構成は第１実施形態の物理量センサー１００と同一であるが、略矩形の錘部６０ａの四隅に切り欠き部６２ａ，６２ｂ，６２ｃ，６２ｄを形成している。第４実施形態のバネ構造体１１は、この切り欠き部６２ａ，６２ｂ，６２ｃ，６２ｄと、錘部６０ａを囲む略矩形の枠体７０の内側４つの角部を結ぶ直線方向、即ち錘部６０ａの四隅から、直交するＸ軸とＹ軸の角度を二分した対角線方向に配置されている。
【００５６】
第４実施形態のバネ構造体１１は、第１実施形態のバネ構造体１０と基本構成は同一であるが、第１及び第２折曲部２４０，３４０の折り曲げ数を増やしている。図７に示す第１及び第２折曲部２４０，３４０は、３回折り曲げている。そして第１支持部２６は、他端を切り欠き部６２ａのＹ軸方向の側面に接続させている。第２支持部３６は、他端を切り欠き部６２ａのＸ軸方向の側面に接続させている。
【００５７】
このような構成の第４実施形態に係るバネ構造体１１を用いた第２実施形態に係る物理量センサー２００は、第１実施形態に係る物理量センサー１００と同様にＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸の３方向の変位を許容して加速度を検出することができる。第２実施形態に係る物理量センサー２００は第１及び第２折曲部２４０，３４０を複数折り曲げているため、Ｘ軸方向又はＹ軸方向に曲がり易く、Ｘ軸方向又はＹ軸方向に作用する錘部６０ａの変位を感度良く検出することができる。
【００５８】
図９は第３実施形態に係る物理量センサーの平面図である。第３実施形態に係る物理量センサー３００はＸ軸又はＹ軸又はＺ軸のいずれか１軸まわりの角速度を検出可能なセンサーである。以下、一例として、Ｘ軸方向に沿って振動可能とし、Ｙ軸まわりに作用する回転を検出可能な角速度センサーの構成について説明する。
【００５９】
第３実施形態の物理量センサー３００は、振動部６４と、枠体７０と、バネ構造体１０と、駆動部９０と、検出部８０を主な基本構成としている。
振動部６４は、Ｚ軸を法線とする平面視において略矩形状に形成されている。振動部６４は厚み又は幅を調整することにより任意の質量に設定している。
【００６０】
枠部７０は、Ｚ軸を法線とする平面視において振動部６４よりも大きい略矩形状に形成されて、振動部６４の外周を囲う部材である。
バネ構造体１０は、略矩形の振動部６４の四隅と、振動部６４を囲む略矩形の枠体７０の内側４つの角部とを結ぶ直線方向、即ち振動部６４の四隅から、直交するＸ軸とＹ軸の角度を二分した対角線方向に４つ配置されている。
【００６１】
駆動部９０は、固定電極９２と、可動電極９４と、アンカー９６を主な基本構成としている。駆動部９０は振動部６４の外端部に形成している。本実施形態では、一例としてＸ軸方向に沿って一対形成している。可動電極９４は振動部６４の端部に櫛歯状に形成されている。固定電極９２は、アンカー９６から櫛歯状に形成されている。可動電極９４と固定電極９２はそれぞれ対をなし、振動部６４を静電力によってＸ軸方向に振動させることができる。本実施形態の駆動部９０は、Ｘ軸方向に沿って一対形成しているが、いずれか一方を形成するだけの構成でもよい。
このような構成の振動部６４と枠体７０とバネ構造体１０と駆動部９０は半導体からなる第１基板１１０上に一体的に形成されている。
【００６２】
第２基板には検出部８０が形成されている。第２基板は、一例としてガラス基板を用いることができる。検出部８０は、Ｚ軸を法線とする平面視において振動部６４よりも大きく、４つに分割した下部電極８２ａ，８２ｂ，８２ｃ，８２ｄから構成されている。検出部８０は振動部６４に作用する外力を静電容量の変化によって検出している。
【００６３】
第１基板１１０と第２基板は、枠体７０と枠部を接合手段により固定させている。このとき検出部８０と振動部６４は互いに平行であって、静電容量が最適となる間隔で形成されている。
【００６４】
上記構成による物理量センサー３００による角速度の検出は次のように行う。
振動部６４が駆動部９０により±Ｘ軸方向へ振動し、Ｙ軸まわりに角速度が入力された場合のコリオリ力Ｆｃｏｒｉは、
【数１】
であらわすことができる。
【００６５】
ここでｍ：質量、ｖ：速度、Ω：角速度をそれぞれ示している。コリオリ力によって振動部６４がＺ方向に変位する。振動部６４のＺ軸方向の変位は、バネ構造体１０の第３バネ４０によって許容される。そして振動部６４と下部電極８２ａ，８２ｂ，８２ｃ，８２ｄとの間の静電容量の変化に基づいてＹ軸回りの回転角速度を検出することができる。
【００６６】
図１０は第４実施形態に係る物理量センサーの平面図である。第４実施形態の物理量センサー４００は、基本構成は第３実施形態の物理量センサー３００と同一であるが、略矩形の振動部６４ａの四隅に切り欠き部６２ａ，６２ｂ，６２ｃ，６２ｄを形成している。バネ構造体１１は、この切り欠き部６２ａ，６２ｂ，６２ｃ，６２ｄと、前記振動部６４ａを囲む略矩形の枠体７０の内側４つの角部を結ぶ直線方向、即ち振動部６４ａの四隅から、直交するＸ軸とＹ軸の角度を二分した対角線方向に配置されている。
【００６７】
このような構成の第４実施形態に係る物理量センサー４００は、第３実施形態に係る物理量センサー３００と同様にＸ軸方向に振動させた状態で、Ｙ軸回りの回転角速度を検出することができる。第４実施形態に係る物理量センサー４００は第１及び第２折曲部を複数折り曲げているため、Ｘ軸方向又はＹ軸方向に曲がり易く、Ｘ軸方向又はＹ軸方向に作用する振動部の動きを許容することができる。
【００６８】
図１１は本発明の物理量センサーを備える電子機器を適用した携帯電話機の説明図である。図示のように携帯電話機５００は、複数の操作ボタン５０２、受話口５０４、および送信口５０６を備え、操作ボタン５０２と受話器５０４との間には、表示部５０８が配置されている。このような携帯電話機５００には加速度又は角速度の検出手段として機能する物理量センサー１００，２００，３００，４００が内蔵されている。
【符号の説明】
【００６９】
１０，１１，１０１，１０２，１０３，１０４，１０５………バネ構造体、１２………接続部、２０………第１バネ、２２………第１ビーム、２４………第１折曲部、２６………第１支持部、３０………第２バネ、３２………第２ビーム、３４………第２折曲部、３６………第２支持部、４０………第３バネ、４２………第３ビーム、４３………スリット、４４………第３折部、４５………第４折曲部、４６………第３支持部、４７………第４支持部、６０………錘部、６２………切り欠き部、６４………振動部、７０………枠体、８０………検出部、８２ａ，８２ｂ，８２ｃ，８２ｄ………下部電極、９０………駆動部、９２………固定電極、９４………可動電極、９６………アンカー、１００，２００，３００，４００………物理量センサー、１１０………第１基板、１２０………第２基板、１２２………枠部、５００………携帯電話機、５０２………操作ボタン、５０４………受話口、５０６………送信口、５０８………表示部。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、少なくとも２以上の方向に変位可能な錘を支持するバネ構造体、物理量センサー、電子機器に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ Ｅｌｅｃｔｒｏ−Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍｓ）技術を利用した検出素子が知られている。検出素子は、一例として、圧力センサー、加速度センサー、角速度センサーなどがある。また、モバイル機器に搭載し複雑な動きを検出するため、複数の軸を１つの素子で検出可能な多軸センサーがある。
【０００３】
このような検出素子として特許文献１には、第一の軸方向に延びる第一の梁部と、第二の軸方向に延びる第二の梁部と、第一及び第二の梁部に支持されて少なくとも２以上の方向に変位する錘部と、錘部の変位に基づいて錘部に作用する力学量を検出する検出部とを備え、錘部が第一の軸方向回りにおける回転し易さと第二の軸方向回りにおける回転し易さとに差が生じる態様で前記第一の梁部と、前記第二の梁部に支持されている検出素子が開示されている。
【０００４】
また特許文献２の角速度センサーは、平面振動体を直角四辺形状の枠体の内側に連結梁を介して錘振動体を連結した結合体により構成し、支持梁でＸ方向に振動可能に支持している。連結梁は錘振動体の検出振動方向となるＺ軸方向の剛性を平面振動体の振動方向であるＸ方向よりも小さく形成し、支持梁はＸ方向の剛性をＺ軸方向の剛性よりも小さく形成している。これにより、平面振動体をＸ方向に励振させてＹ軸回りの回転によりＺ軸方向のコリオリ力が発生したとき、平面振動体の錘振動体だけがＺ軸方向に振動し、Ｙ軸回りの角速度を検出している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１０−１６９４０１号公報
【特許文献２】特開平１１−６４００１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１，２に開示の検出素子は、いずれも錘部とそれを支える４本の梁部を基本構成としている。梁部は梁部幅又は梁厚みを制御してバネ定数を最適化している。
通常、梁部の厚みは錘部よりも薄く加工されている。１枚のシリコンウエハから厚みの異なる錘部と梁部をエッチングにより形成する場合、錘部と比べて極端に厚みの薄い梁部を均一の厚みで、バラツキなくエッチング調整することは困難であった。
【０００７】
また錘部を備えたウエハと梁部を備えたウエハを直接接合等により接合する場合、梁部を構成する数十μｍのウエハを取り扱う工程が複雑化し、歩留りの低下の虞があった。
また薄いＳｉ層と厚いＳｉ層の間にＳｉＯ２層を挿入したＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ ｏｎ Ｉｎｓｕｌａｔｅｒ）基板を用いて梁部の厚みを調整することができる。しかし、このＳＯＩ基板は高価であり量産化には適用できないという問題があった。
【０００８】
そこで上記従来技術の問題点を解決するため、本発明は枠体に支持された錘部に作用する複数の変位を許容できるバネ構造体、物理量センサー、電子機器を提供することを目的としている。また本発明は枠体に支持された錘部に作用する複数の変位を許容して物理量を高感度に検出できる物理量センサー、電子機器を提供することを目的としている。
また本発明は、枠体に支持される錘部を備えた物理量センサーを一体的に形成できる物理量センサー、電子機器を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の適用例として実現することが可能である。
［適用例１］接続部と、前記接続部を中心に直交する軸を第１軸および第２軸としたときに、前記接続部から前記第１軸の方向に延出し、第１折曲部で折り返され、端部に第１支持部を有する第１バネと、前記接続部から前記第２軸の方向に延出し、第２折曲部で折り返され、端部に第２支持部を有する第２バネと、前記第１軸および前記第２軸に平面視で交差する方向であり且つ前記第１及び第２バネから離間する斜め方向に、前記接続部からビームが延出し、前記ビームは前記斜め方向に交差する方向に分岐され、一方のビームは第３折曲部で折り曲げられ第３支持部を端部に有し、他方のビームは第４折曲部で折り曲げられ第４支持部を端部に有する第３バネと、を備えたことを特徴とするバネ構造体。
上記構成によれば、接続部を中心としてＸ，Ｙ，Ｚ軸方向の３軸の動きを許容することができる。また錘部と枠体と一体的に形成することができ、製造が容易で、かつバネ力の調整の容易なバネ構造体が得られる。
【００１０】
［適用例２］前記第３バネの前記ビームは、前記接続部から前記斜め方向に沿って分割していることを特徴とする適用例１に記載のバネ構造体。
上記構成によれば、Ｚ軸方向の変位に対して捩れ易くなり、この変位を許容することができる。
【００１１】
［適用例３］前記第１ないし第４折曲部の少なくとも１つは、複数有することを特徴とする適用例１又は適用例２に記載のバネ構造体。
上記構成によれば、応力に対して変位し易い構造とすることができる。
【００１２】
［適用例４］前記第１ないし第４折曲部の少なくとも１つは、曲線形状に折り曲げたことを特徴とする適用例１ないし適用例３のいずれか１例に記載のバネ構造体。
上記構成によれば、折り曲げ部分に局所的な応力が集中することを回避することができる。
【００１３】
［適用例５］適用例１ないし適用例４のいずれか１例に記載のバネ構造体と、枠体と、前記枠体の内部に複数の前記バネ構造体を介して取り付けられ、互いに直交する３軸方向に変位可能な錘部と、前記錘部の変位に基づいて前記錘部に作用する物理量を検出する検出部と、を備えたことを特徴とする物理量センサー。
上記構成によれば、バネ構造体により錘部に作用するＸ，Ｙ，Ｚ軸方向の３軸の動きを許容することができる。また錘部と枠体と一体的に形成することができ、製造が容易で小型かつ高精度な物理量センサーが得られる。
【００１４】
［適用例６］前記錘部は平面視して矩形であり、前記錘部の四隅と前記枠体の内側の四隅との間に前記バネ構造体を取り付けたことを特徴とする適用例５に記載の物理量センサー。
上記構成によれば、錘部と枠体との隙間を小さくすることができ、センサー全体の小型化を図ることができる。
【００１５】
［適用例７］適用例５又は適用例６に記載の物理量センサーを備えたことを特徴とする電子機器。
上記構成によれば、物理量を高精度で検出することができる物理量センサーを備えた電子機器が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】第１実施形態に係るバネ構造体の平面図である。
【図２】第１実施形態に係る物理量センサーの説明図であり、（１）は平面図、（２）は（１）のＡ−Ａ断面図である。
【図３】第３ビームの変形例の説明図である。
【図４】第１実施形態に係るバネ構造体の作用の説明図であり、（１）は＋Ｘ軸方向、（２）は＋Ｙ軸方向、（３）は−Ｚ軸方向の変位である。
【図５】第２実施形態に係るバネ構造体の説明図であり、（１）は鋭角に折り曲げたバネ構造体であり、（２）は鈍角に折り曲げたバネ構造体である。
【図６】第３実施形態に係るバネ構造体の説明図であり、（１）は第３及び第４折曲部を曲線形状に折り曲げたバネ構造体であり、（２）は（１）の構造に、さらに支持部と折曲部の間を曲線状に折り曲げたバネ構造体であり、（３）は第１〜第４折曲部を曲線形状に折り曲げたバネ構造体である。
【図７】第４実施形態に係るバネ構造体の説明図である。
【図８】第２実施形態に係る物理量センサーの平面図である。
【図９】第３実施形態に係る物理量センサーの平面図である。
【図１０】第４実施形態に係る物理量センサーの平面図である。
【図１１】本発明の物理量センサーを備える電子機器を適用した携帯電話機の説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
本発明のバネ構造体、物理量センサー、電子機器の実施形態を添付の図面を参照しながら以下詳細に説明する。図１は第１実施形態に係るバネ構造体の平面図である。図２は第１実施形態に係る物理量センサーの説明図であり、（１）は平面図、（２）は（１）のＡ−Ａ断面図である。図２に示すように、実施形態に係るバネ構造体１０は、略矩形の錘部６０と、前記錘部６０の外周を囲む枠体７０とを連結する部材である。またバネ構造体１０は枠体７０と錘部６０の同一平面上で錘部６０を支持する部材である。なお各図では、説明の便宜上、互いに直交する３つの軸として、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸を図示している。また以下では、Ｘ軸（第１軸）に平行な方向をＸ軸方向、Ｙ軸（第２軸）に平行な方向をＹ軸方向、Ｚ軸（第３軸）に平行な方向をＺ軸方向という。
【００１８】
バネ構造体１０は、略矩形の錘部６０の四隅と、前記錘部６０を囲む略矩形の枠体７０の内側４つの角部とを結ぶ直線方向、即ち錘部６０の四隅から、直交するＸ軸とＹ軸の角度を二分した対角線Ｌ方向に配置されている。
実施形態に係るバネ構造体１０は、接続部１２と、第１バネ２０と、第２バネ３０と、第３バネ４０とを主な基本構成としている。
【００１９】
接続部１２は、第１及び第２バネ２０，３０と、第３バネ４０の間に形成されている。接続部１２は第１〜第３バネ２０，３０，４０よりも幅を広く形成して互いに直交するＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸の３軸方向の応力によって、変形しない強度を備えている。接続部１２は、略矩形の錘部の四隅と、前記錘部を囲む略矩形の枠体の内側４つの角部とを結ぶ直線方向、即ち錘部の四隅から、直交するＸ軸とＹ軸の角度を二分した対角線Ｌ方向に配置させている。
【００２０】
第１バネ２０は、第１ビーム２２と、第１折曲部２４と、第１支持部２６とを主な基本構成とし、直交するＸ軸又はＹ軸の何れか一方の変位を許容している。図１に示す第１バネ部２０はＹ軸方向の変位を許容している。
第１ビーム２２は、一端を接続部１２に接続させて、他端を接続部１２から、接続部１２を中心に直交するＸ軸及びＹ軸のＸ軸方向に平行に延出させている。
【００２１】
第１折曲部２４は、一端を第１ビーム２２の他端と接続させて、他端を第１ビーム２２の端部からＹ軸方向に少なくとも１以上折り曲げている。図１に示す第１折曲部２４は、２回折り曲げている。
【００２２】
第１支持部２６は、一端を第１折曲部２４の端部と接続させて、他端をＹ軸方向へ延出させている。第１支持部２６の他端は、錘部６０の直交するＸ軸又はＹ軸のいずれか一方の側面と接続させている。図１に示す第１支持部２６は錘部６０のＸ軸方向の側面に接続させている。
【００２３】
第２バネ３０は、第２ビーム３２と、第２折曲部３４と、第２支持部３６とを主な基本構成とし、直交するＸ軸又はＹ軸の何れか他方の変位を許容している。図１に示す第２バネ部３０はＸ軸方向の変位を許容している。
第２ビーム３２は、一端を接続部１２に接続させて、他端を接続部１２から、接続部１２を中心に直交するＸ軸及びＹ軸のＹ軸方向に平行に延出させている。
【００２４】
第２折曲部３４は、一端を第２ビーム３２の他端と接続させて、他端を第２ビーム３２の端部からＸ軸方向に少なくとも１以上折り曲げた形状にしている。図１に示す第２折曲部３４は２回折り曲げた形状にしている。
【００２５】
第２支持部３６は、一端を第２折曲部３４の端部と接続させて、他端をＸ軸方向へ延出させている。第２支持部３６の他端は、錘部６０の直交するＸ軸又はＹ軸のいずれか他方の側面と接続させている。図１に示す第２支持部３６は錘部６０のＹ軸方向の側面に接続させている。
【００２６】
第３バネ４０は、第３ビーム４２と、第３及び第４折曲部４４、４５と、第３及び第４支持部４６，４７とを主な基本構成と、Ｚ軸方向の変位を許容している。
第３ビーム４２は、一端を接続部１２に接続させて、他端を接続部１２からＸ軸及びＹ軸の角度を二分した対角線Ｌ方向であって第１及び第２バネ２０，３０と離間する方向（反対側）に延出させている。バネ構造体１０の第３ビーム４２ａは、第３又は第４折曲部４４，４５に夫々接続するように２分割したスリット４３を形成している。このような構成によりＺ軸方向の応力に対して変位し易い構成とすることができる。
【００２７】
なお、図３に示すように、第３ビーム４２ａは、スリットを設けずに接続部１２から対角線方向に延出させるような構成とすることもできる。これにより第３ビーム４２ａの剛性を高めることができ、Ｚ軸方向の外力に対してのみ変位し難い構成とすることができる。
【００２８】
第３及び第４折曲部４４，４５は、一端を前記第３ビーム４２の端部に接続させて、他端を前記第３ビーム４２の端部から対角線Ｌと交差する方向Ｍに枝分かれ（分岐）して少なくとも１以上折り曲げた形状にしている。図１に示す第３及び第４折曲部４４，４５は、２回折り曲げた形状にしている。
【００２９】
第３支持部４６は、一端を前記第３折曲部４４の他端と接続させて、他端を対角線Ｌと交差する方向Ｍに延出させている。第３支持部４６の他端は、枠体７０の直交するＸ軸又はＹ軸のいずれか一方の側面と接続させている。図１に示す第３支持部４６は枠体７０のＸ軸方向の側面に接続させている。
【００３０】
第４支持部４７は、一端を前記第４折曲部４５の他端と接続させて、他端を対角線Ｌと交差する方向Ｍに延出させている。第４支持部４７の他端は、枠体７０の直交するＸ軸又はＹ軸のいずれか他方の側面と接続させている。図１に示す第４支持部４７は枠体７０のＹ軸方向の側面に接続させている。
【００３１】
このようなバネ構造体１１は、対角線Ｌを中心線として、第１及び第２バネ２０，３０が線対称となるように形成されている。また第３バネ４０の第３折曲部４４及び第３支持片４６と、第４折曲部４５及び第４支持部４７が線対称となるように形成されている。このような構成によりバネ間の変位量を合わせることができる。従って、外力が一部のバネに対して局所的に集中することを回避できる。
【００３２】
実施形態に係るバネ構造体の製造方法は、所定の厚みのウエハをエッチング加工して枠体７０と、バネ構造体１０と、錘部６０を一体に形成することができる。また錘部６０の厚みを厚くして質量を増加させて検出素子の感度を高める場合、バネ構造体１０の厚みも厚くなるが、バネ幅を狭めるなどによりバネ強度を調整することができる。
バネ構造体１０は、ビーム又は折曲部の長さ、幅を任意に変更して、バネ強度の調整を行うことができる。従って、バネ構造体１０の厚みのみの調整に拘束されることがない。
【００３３】
第１実施形態に係る物理量センサー１００は加速度センサーである。物理量センサー１００は、第１基板１１０と第２基板１２０から構成されている。第１基板１１０には、略矩形の錘部６０と、当該錘部６０を囲む枠体７０と、バネ構造体１０が形成されている。第２基板１２０には検出部８０が形成されている。
第１基板１１０の錘部６０はＺ軸を法線とする平面視において略矩形状に形成されている。錘部６０は厚み又は幅を調整することにより任意の質量に設定している。
【００３４】
枠体７０はＺ軸を法線とする平面視において前記錘部６０よりも大きい略矩形状に形成されて、前記錘部６０の外周を囲う部材である。
バネ構造体１０は、略矩形の錘部６０の四隅と、前記錘部６０を囲む略矩形の枠体７０の内側４つの角部とを結ぶ直線方向、即ち錘部６０の四隅から、直交するＸ軸とＹ軸の角度を二分した対角線方向に４つ配置されている。
【００３５】
第１及び第３バネ構造体１０ａ，１０ｃは、前記第１支持部２６を、Ｘ軸方向の前記錘部６０の側面と接続させている。第２支持部３６は、Ｙ軸方向の前記錘部６０の側面と接続させている。第３支持部４６は、Ｙ軸方向の前記枠体７０の側面と接続させている。第４支持部４７は、Ｘ軸方向の前記枠体７０の側面と接続させている。
【００３６】
第２及び第４バネ構造体１０ｂ，１０ｄは、前記第１支持部２６を、Ｙ軸方向の前記錘部６０の側面と接続させている。第２支持部３６は、Ｘ軸方向の前記錘部６０の側面と接続させている。第３支持部４６は、Ｘ軸方向の前記枠体７０の側面と接続させている。第４支持部４７は、Ｙ軸方向の前記枠体７０の側面と接続させている。
【００３７】
このような構成の錘部６０と枠体７０とバネ構造体１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，１０ｄは半導体からなる第１基板１１０上に一体的に形成されている。
第１基板１１０はシリコンを主材料として構成されていて、シリコン基板（シリコンウエハ）上に薄膜形成技術（例えば、エピタキシャル成長技術、化学気相成長技術等の堆積技術）や各種加工技術（例えばドライエッチング、ウェットエッチング等のエッチング技術）を用いて、所望の外形形状に加工することにより、前述した各部が一体的に形成されている。
【００３８】
第２基板１２０には検出部８０が形成されている。第２基板１２０は、一例としてガラス基板を用いることができる。検出部８０は、Ｚ軸を法線とする平面視において錘部６０よりも大きく、４つに分割した下部電極８２ａ，８２ｂ，８２ｃ，８２ｄから構成されている。検出部８０は錘部６０に作用する外力を静電容量の変化によって検出している。
【００３９】
第１基板１１０と第２基板１２０は、枠体７０と枠部１２２を接合手段により固定させている。また第１基板１１０の枠体７０と第２基板１２０の間にアンカーを用いて接続させるように構成してもよい。このとき検出部８０と錘部６０は互いに平行であって、静電容量が最適となる間隔で形成されている。
【００４０】
上記構成による第１実施形態に係る物理量センサー１００による加速度の検出は次のように行う。
図４は第１実施形態に係るバネ構造体の作用の説明図であり、（１）は＋Ｘ軸方向、（２）は＋Ｙ軸方向、（３）は−Ｚ軸方向の変位である。
【００４１】
図４（１）は、＋Ｘ軸方向に変位した場合の第１及び第４バネ構造体１０ａ，１０ｄの折れ曲がりを示した図である。図示のように錘部６０が＋Ｘ軸方向へ変位した場合、第１バネ構造体１０ａの第２ビーム３２が接続部１２を基点として＋Ｘ軸方向へ撓み、第２折曲部３４も縮小する。このとき第１バネ２０は＋Ｘ軸方向へ変位する錘部６０に伴って僅かに変形する。また第４バネ構造体１０ｄの第１ビーム２２が接続部１２を基点として＋Ｘ軸方向へ撓み、第１バネ２４も伸長する。このとき第２バネ２０は＋Ｘ軸方向へ変位する錘部６０に伴って僅かに変形する。
【００４２】
＋Ｘ軸方向へ錘部６０が変位すると検出部８０では、Ｚ軸を法線とする平面視において、錘部６０と下部電極８２ａ，８２ｂの投影面積が増加して静電容量が増加する。一方、下部電極８２ｃ，８２ｄでは前記投影面積が減少して静電容量が減少する。これにより＋Ｘ軸方向の加速度を検出することができる。なお、−Ｘ軸方向へ変位した場合には、第１及び第４バネ構造体１０ａ，１０ｄは正反対の動きをする。第２及び第３バネ構造体１０ｂ，１０ｃについても同様に変位する。
【００４３】
図４（２）は、＋Ｙ軸方向に変位した場合の第１及び第２バネ構造体１０ａ，１０ｂの折れ曲がりを示した図である。図示のように錘部６０が＋Ｙ軸方向へ変位した場合、第１バネ構造体１０ａの第１ビーム２２が接続部１２を基点として＋Ｙ軸方向へ撓み、第１バネ２４も縮小する。このとき第２バネ３０は＋Ｙ軸方向へ変位する錘部に伴って僅かに変形する。また第２バネ構造体１０ｂの第２ビーム３２が接続部１２を基点として＋Ｙ軸方向へ撓み、第２バネ３４も伸長する。このとき第１バネ２０は＋Ｙ軸方向へ変位する錘部６０に伴って僅かに変形する。
【００４４】
＋Ｙ軸方向へ錘部６０が変位すると検出部８０では、Ｚ軸を法線とする平面視において、錘部６０と下部電極８０ａ，８０ｄの投影面積が増加して静電容量が増加する。一方、下部電極８０ｂ，８０ｃでは前記投影面積が減少して静電容量が減少する。これにより＋Ｙ軸方向の加速度を検出することができる。なお−Ｙ軸方向へ変位した場合には、第１及び第２バネ構造体１０ａ，１０ｂは正反対の動きをする。第３及び第４バネ構造体１０ｃ，１０ｄについても同様に変位する。
【００４５】
図４（３）は、−Ｚ軸方向に変位した場合の第１バネ構造体１０ａの折れ曲がりを示した図である。錘部が−Ｚ軸方向へ変位した場合、枠体７０に接続する第３及び第４支持部４６，４７と、錘部６０と第１及び第２バネ２０，３０を介して接続する接続部１２の間で、第３及び第４折曲部４４，４５がＺ軸方向に捩れて伸長する。第３折曲部４４と接続する第３支持部４６の一端側も第３折曲部４４の伸長に伴って−Ｚ軸方向に撓み、第３ビーム４２も−Ｚ軸方向へ撓む。また第４折曲部４５と接続する第４支持部４７の一端側も第４折曲部４５の伸長に伴って−Ｚ軸方向に撓む。
【００４６】
−Ｚ軸方向へ錘部６０が変位すると検出部８０では、錘部６０と下部電極８２ａ〜８２ｄとの隙間が狭まって、静電容量が増加する。これにより−Ｚ軸方向の加速度を検出することができる。なお第２〜第４バネ構造体１０ｂ，１０ｃ，１０ｄについても同様の変位をする。
【００４７】
このような物理量センサー１００によれば、バネ構造体により錘部に作用するＸ，Ｙ，Ｚ軸方向の３軸の動きを許容することができる。錘部と枠体と一体的に形成することができ、製造が容易で小型かつ高精度な物理量センサーが得られる。
【００４８】
図５は第２実施形態に係るバネ構造体の説明図であり、（１）は鋭角に折り曲げたバネ構造体であり、（２）は鈍角に折り曲げたバネ構造体である。
図５（１）に示すように、バネ構造体１０１は、第３支持部４６と第３折曲部４４の間を鋭角に折り曲げている。また第４支持部４７と第４折曲部４５の間も鋭角に折り曲げている。これにより第３バネ４０の長さを短くすることができる。このような構成によれば、第３バネ４０の長さを短くして、Ｚ軸方向の応力に対して変位し難い構成とすることができる。
【００４９】
図５（２）に示すように、バネ構造体１０２は、第３支持部４６と第３折曲部４４の間を鈍角に折り曲げている。また第４支持部４７と第４折曲部４５の間も鈍角に折り曲げている。これにより第３バネ３０の長さを長くすることができる。このような構成によれば、第３バネ３０の長さを長くして、Ｚ軸方向の応力に対して変位し易い構成とすることができる。
【００５０】
このようにバネ構造体の第３支持部４６及び第３折曲部４４と、第４支持部４７及び第４折曲部４５の間を鈍角又は鋭角に折り曲げることにより、バネの剛性バランスを任意に制御することができる。
【００５１】
図６は第３実施形態に係るバネ構造体の説明図であり、（１）は第３及び第４折曲部を曲線形状に折り曲げたバネ構造体であり、（２）は（１）の構造に、さらに支持部と折曲部の間を曲線形状に折り曲げたバネ構造体であり、（３）は第１〜第４折曲部を曲線形状に折り曲げたバネ構造体である。
【００５２】
図６（１）に示すように、バネ構造体１０３は、第３及び第４折曲部４４ａ，４５ａを曲線形状に折り曲げている。このような構成によれば、第３及び第４折曲部４４，４５を直角に折り曲げている構成に比べて、応力が局所的に集中することを回避できる。
【００５３】
図６（２）に示すように、バネ構造体１０４は、第３支持部４６の一端と第３折曲部４４ｂの他端が接続する箇所を曲線形状に折り曲げている。また第４支持部４７の一端と第４折曲部４５ｂの他端が接続する箇所を曲線形状に折り曲げている。このような構成によれば、図６（１）に示すバネ構造体に比べて、さらに応力が局所的に集中することを回避できる。
【００５４】
図６（３）に示すように、バネ構造体１０５は、バネ構造体１０４に加えて、さらに第１及び第２折曲部２４ａ、３４ａを曲線形状に折り曲げている。すなわち第１〜第４折曲部２４ａ，３４ａ，４４ｂ，４５ｂをすべて曲線形状に折り曲げている。このような構成によれば、図６（２）に示すバネ構造体に比べて、さらに応力が局所的に集中することを回避でき、外力に対して変位し易い構造とすることができる。
【００５５】
図７は第４実施形態に係るバネ構造体の平面図である。図８は第２実施形態に係る物理量センサーの平面図である。
第２実施形態の物理量センサー２００は、基本構成は第１実施形態の物理量センサー１００と同一であるが、略矩形の錘部６０ａの四隅に切り欠き部６２ａ，６２ｂ，６２ｃ，６２ｄを形成している。第４実施形態のバネ構造体１１は、この切り欠き部６２ａ，６２ｂ，６２ｃ，６２ｄと、錘部６０ａを囲む略矩形の枠体７０の内側４つの角部を結ぶ直線方向、即ち錘部６０ａの四隅から、直交するＸ軸とＹ軸の角度を二分した対角線方向に配置されている。
【００５６】
第４実施形態のバネ構造体１１は、第１実施形態のバネ構造体１０と基本構成は同一であるが、第１及び第２折曲部２４０，３４０の折り曲げ数を増やしている。図７に示す第１及び第２折曲部２４０，３４０は、３回折り曲げている。そして第１支持部２６は、他端を切り欠き部６２ａのＹ軸方向の側面に接続させている。第２支持部３６は、他端を切り欠き部６２ａのＸ軸方向の側面に接続させている。
【００５７】
このような構成の第４実施形態に係るバネ構造体１１を用いた第２実施形態に係る物理量センサー２００は、第１実施形態に係る物理量センサー１００と同様にＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸の３方向の変位を許容して加速度を検出することができる。第２実施形態に係る物理量センサー２００は第１及び第２折曲部２４０，３４０を複数折り曲げているため、Ｘ軸方向又はＹ軸方向に曲がり易く、Ｘ軸方向又はＹ軸方向に作用する錘部６０ａの変位を感度良く検出することができる。
【００５８】
図９は第３実施形態に係る物理量センサーの平面図である。第３実施形態に係る物理量センサー３００はＸ軸又はＹ軸又はＺ軸のいずれか１軸まわりの角速度を検出可能なセンサーである。以下、一例として、Ｘ軸方向に沿って振動可能とし、Ｙ軸まわりに作用する回転を検出可能な角速度センサーの構成について説明する。
【００５９】
第３実施形態の物理量センサー３００は、振動部６４と、枠体７０と、バネ構造体１０と、駆動部９０と、検出部８０を主な基本構成としている。
振動部６４は、Ｚ軸を法線とする平面視において略矩形状に形成されている。振動部６４は厚み又は幅を調整することにより任意の質量に設定している。
【００６０】
枠部７０は、Ｚ軸を法線とする平面視において振動部６４よりも大きい略矩形状に形成されて、振動部６４の外周を囲う部材である。
バネ構造体１０は、略矩形の振動部６４の四隅と、振動部６４を囲む略矩形の枠体７０の内側４つの角部とを結ぶ直線方向、即ち振動部６４の四隅から、直交するＸ軸とＹ軸の角度を二分した対角線方向に４つ配置されている。
【００６１】
駆動部９０は、固定電極９２と、可動電極９４と、アンカー９６を主な基本構成としている。駆動部９０は振動部６４の外端部に形成している。本実施形態では、一例としてＸ軸方向に沿って一対形成している。可動電極９４は振動部６４の端部に櫛歯状に形成されている。固定電極９２は、アンカー９６から櫛歯状に形成されている。可動電極９４と固定電極９２はそれぞれ対をなし、振動部６４を静電力によってＸ軸方向に振動させることができる。本実施形態の駆動部９０は、Ｘ軸方向に沿って一対形成しているが、いずれか一方を形成するだけの構成でもよい。
このような構成の振動部６４と枠体７０とバネ構造体１０と駆動部９０は半導体からなる第１基板１１０上に一体的に形成されている。
【００６２】
第２基板には検出部８０が形成されている。第２基板は、一例としてガラス基板を用いることができる。検出部８０は、Ｚ軸を法線とする平面視において振動部６４よりも大きく、４つに分割した下部電極８２ａ，８２ｂ，８２ｃ，８２ｄから構成されている。検出部８０は振動部６４に作用する外力を静電容量の変化によって検出している。
【００６３】
第１基板１１０と第２基板は、枠体７０と枠部を接合手段により固定させている。このとき検出部８０と振動部６４は互いに平行であって、静電容量が最適となる間隔で形成されている。
【００６４】
上記構成による物理量センサー３００による角速度の検出は次のように行う。
振動部６４が駆動部９０により±Ｘ軸方向へ振動し、Ｙ軸まわりに角速度が入力された場合のコリオリ力Ｆｃｏｒｉは、
【数１】
であらわすことができる。
【００６５】
ここでｍ：質量、ｖ：速度、Ω：角速度をそれぞれ示している。コリオリ力によって振動部６４がＺ方向に変位する。振動部６４のＺ軸方向の変位は、バネ構造体１０の第３バネ４０によって許容される。そして振動部６４と下部電極８２ａ，８２ｂ，８２ｃ，８２ｄとの間の静電容量の変化に基づいてＹ軸回りの回転角速度を検出することができる。
【００６６】
図１０は第４実施形態に係る物理量センサーの平面図である。第４実施形態の物理量センサー４００は、基本構成は第３実施形態の物理量センサー３００と同一であるが、略矩形の振動部６４ａの四隅に切り欠き部６２ａ，６２ｂ，６２ｃ，６２ｄを形成している。バネ構造体１１は、この切り欠き部６２ａ，６２ｂ，６２ｃ，６２ｄと、前記振動部６４ａを囲む略矩形の枠体７０の内側４つの角部を結ぶ直線方向、即ち振動部６４ａの四隅から、直交するＸ軸とＹ軸の角度を二分した対角線方向に配置されている。
【００６７】
このような構成の第４実施形態に係る物理量センサー４００は、第３実施形態に係る物理量センサー３００と同様にＸ軸方向に振動させた状態で、Ｙ軸回りの回転角速度を検出することができる。第４実施形態に係る物理量センサー４００は第１及び第２折曲部を複数折り曲げているため、Ｘ軸方向又はＹ軸方向に曲がり易く、Ｘ軸方向又はＹ軸方向に作用する振動部の動きを許容することができる。
【００６８】
図１１は本発明の物理量センサーを備える電子機器を適用した携帯電話機の説明図である。図示のように携帯電話機５００は、複数の操作ボタン５０２、受話口５０４、および送信口５０６を備え、操作ボタン５０２と受話器５０４との間には、表示部５０８が配置されている。このような携帯電話機５００には加速度又は角速度の検出手段として機能する物理量センサー１００，２００，３００，４００が内蔵されている。
【符号の説明】
【００６９】
１０，１１，１０１，１０２，１０３，１０４，１０５………バネ構造体、１２………接続部、２０………第１バネ、２２………第１ビーム、２４………第１折曲部、２６………第１支持部、３０………第２バネ、３２………第２ビーム、３４………第２折曲部、３６………第２支持部、４０………第３バネ、４２………第３ビーム、４３………スリット、４４………第３折部、４５………第４折曲部、４６………第３支持部、４７………第４支持部、６０………錘部、６２………切り欠き部、６４………振動部、７０………枠体、８０………検出部、８２ａ，８２ｂ，８２ｃ，８２ｄ………下部電極、９０………駆動部、９２………固定電極、９４………可動電極、９６………アンカー、１００，２００，３００，４００………物理量センサー、１１０………第１基板、１２０………第２基板、１２２………枠部、５００………携帯電話機、５０２………操作ボタン、５０４………受話口、５０６………送信口、５０８………表示部。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
接続部と、
前記接続部を中心に直交する軸を第１軸および第２軸としたときに、前記接続部から前記第１軸の方向に延出し、第１折曲部で折り返され、端部に第１支持部を有する第１バネと、
前記接続部から前記第２軸の方向に延出し、第２折曲部で折り返され、端部に第２支持部を有する第２バネと、
前記第１軸および前記第２軸に平面視で交差する方向であり且つ前記第１及び第２バネから離間する斜め方向に、前記接続部からビームが延出し、前記ビームは前記斜め方向に交差する方向に分岐され、一方のビームは第３折曲部で折り曲げられ第３支持部を端部に有し、他方のビームは第４折曲部で折り曲げられ第４支持部を端部に有する第３バネと、
を備えたことを特徴とするバネ構造体。
【請求項２】
前記第３バネの前記ビームは、前記接続部から前記斜め方向に沿って分割していることを特徴とする請求項１に記載のバネ構造体。
【請求項３】
前記第１ないし第４折曲部の少なくとも１つは、複数有することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のバネ構造体。
【請求項４】
前記第１ないし第４折曲部の少なくとも１つは、曲線形状に折り曲げたことを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載のバネ構造体。
【請求項５】
請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載のバネ構造体と、
枠体と、
前記枠体の内部に複数の前記バネ構造体を介して取り付けられ、互いに直交する３軸方向に変位可能な錘部と、
前記錘部の変位に基づいて前記錘部に作用する物理量を検出する検出部と、
を備えたことを特徴とする物理量センサー。
【請求項６】
前記錘部は平面視して矩形であり、前記錘部の四隅と前記枠体の内側の四隅との間に前記バネ構造体を取り付けたことを特徴とする請求項５に記載の物理量センサー。
【請求項７】
請求項５又は請求項６に記載の物理量センサーを備えたことを特徴とする電子機器。
【請求項１】
接続部と、
前記接続部を中心に直交する軸を第１軸および第２軸としたときに、前記接続部から前記第１軸の方向に延出し、第１折曲部で折り返され、端部に第１支持部を有する第１バネと、
前記接続部から前記第２軸の方向に延出し、第２折曲部で折り返され、端部に第２支持部を有する第２バネと、
前記第１軸および前記第２軸に平面視で交差する方向であり且つ前記第１及び第２バネから離間する斜め方向に、前記接続部からビームが延出し、前記ビームは前記斜め方向に交差する方向に分岐され、一方のビームは第３折曲部で折り曲げられ第３支持部を端部に有し、他方のビームは第４折曲部で折り曲げられ第４支持部を端部に有する第３バネと、
を備えたことを特徴とするバネ構造体。
【請求項２】
前記第３バネの前記ビームは、前記接続部から前記斜め方向に沿って分割していることを特徴とする請求項１に記載のバネ構造体。
【請求項３】
前記第１ないし第４折曲部の少なくとも１つは、複数有することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のバネ構造体。
【請求項４】
前記第１ないし第４折曲部の少なくとも１つは、曲線形状に折り曲げたことを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載のバネ構造体。
【請求項５】
請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載のバネ構造体と、
枠体と、
前記枠体の内部に複数の前記バネ構造体を介して取り付けられ、互いに直交する３軸方向に変位可能な錘部と、
前記錘部の変位に基づいて前記錘部に作用する物理量を検出する検出部と、
を備えたことを特徴とする物理量センサー。
【請求項６】
前記錘部は平面視して矩形であり、前記錘部の四隅と前記枠体の内側の四隅との間に前記バネ構造体を取り付けたことを特徴とする請求項５に記載の物理量センサー。
【請求項７】
請求項５又は請求項６に記載の物理量センサーを備えたことを特徴とする電子機器。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【公開番号】特開２０１２−２２９９８９（Ｐ２０１２−２２９９８９Ａ）
【公開日】平成２４年１１月２２日（２０１２．１１．２２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−９８４１７（Ｐ２０１１−９８４１７）
【出願日】平成２３年４月２６日（２０１１．４．２６）
【出願人】（０００００２３６９）セイコーエプソン株式会社 (51,324)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１１月２２日（２０１２．１１．２２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年４月２６日（２０１１．４．２６）
【出願人】（０００００２３６９）セイコーエプソン株式会社 (51,324)
【Ｆターム（参考）】
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