力学量検出センサ
【課題】検出感度が高く、梁の破損を防止できる力学量検出センサを提供すること。
【解決手段】矩形枠状の枠体１１と、枠体１１の内側に配置された変位部１２と、枠体１２と変位部１２との間にそれぞれ位置し、変位部１２を揺動自在に支持する複数の梁部１３と、複数の梁部１３の撓み量に基づいて力学量に応じた信号を出力する複数の検出素子１７とを備え、平面視において、梁部１３の外側面と枠体１１との内側面との間隔が、それぞれ変位部１２と枠体１１との間に位置する梁部１３の揺動時の支点となる位置から離間方向に狭くなるように形成した。
【解決手段】矩形枠状の枠体１１と、枠体１１の内側に配置された変位部１２と、枠体１２と変位部１２との間にそれぞれ位置し、変位部１２を揺動自在に支持する複数の梁部１３と、複数の梁部１３の撓み量に基づいて力学量に応じた信号を出力する複数の検出素子１７とを備え、平面視において、梁部１３の外側面と枠体１１との内側面との間隔が、それぞれ変位部１２と枠体１１との間に位置する梁部１３の揺動時の支点となる位置から離間方向に狭くなるように形成した。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、互いに直交するＸ軸、Ｙ軸及びＺ軸の３軸方向の加速度を検出可能な力学量検出センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、自動車産業や機械産業では、加速度を正確に検出できる小型の加速度センサの需要が高まっている。このような加速度センサとして、梁部に支持された錘部の揺動に応じて加速度を検出する加速度センサが知られている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
かかる加速度センサは、開口部を有する支持部と、支持部の開口部の中に収納された錘部と、錘部を支持部の開口部内に間に揺動自在に支持する梁部とを備えて構成される。梁部には、梁部の撓みを受けて加速度を検出する検出素子が設けられている。
【０００４】
支持部の開口部及び開口部の内側に位置する錘部は、それぞれ平面視において、矩形状に形成され、錘部の外側面と開口部の内側面とが全周にわたって平行になるように形成されている。このように構成された加速度センサに加速度が作用した場合、慣性力の作用により、錘部が支持部の開口部内で揺動し、梁部が撓み変形して検出素子により加速度が検出される。加速度の検出感度は、梁部の撓みによって変化し、梁部の撓みを大きくすることにより、加速度の検出感度を向上させることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平２−９５２６４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特許文献１記載の加速度センサでは、大きな加速度が作用し、梁部が一定以上撓むと梁部が撓みの限界を超えて破損する問題があった。また、加速度の検出感度を上げるべく、梁部を薄くして梁部の撓みを増やした場合、梁部が更に破損しやすくなり、加速度検出感度の向上に限界があった。
【０００７】
本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、検出感度が高く、梁の破損を防止できる力学量検出センサを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の力学量検出センサは、開口部を有する支持部と、前記支持部の開口部の内側に位置し、前記支持部の内側面に対向する外側面を有する錘部と、対向する前記支持部の２以上の内側面と前記錘部の２以上の外側面との間に位置し、前記錘部を揺動自在に支持する複数の梁部と、前記複数の梁部の撓み量に基づいて力学量に応じた信号を出力する複数の検出素子とを備え、平面視において、少なくとも前記梁部が位置する前記梁部の各外側面と前記支持部の各内側面との間隔が、前記複数の梁部の揺動時の支点となる位置から離間方向に狭くなるようにそれぞれ形成されたことを特徴とする力学量検出センサ。
【０００９】
この構成によれば、力学量検出センサに力が作用して錘が変位した際、所定値以上の力学量が作用した場合には、梁部の撓みが制限されるので、梁部の破損を防止できる。また、梁部を薄く形成しても梁部の破損を防止できるので、検出感度が高い力学量検出センサを得ることができる。
【００１０】
本発明の力学量検出センサは、開口部を有する支持部と、前記支持部の開口部の内側に位置し、前記支持部の内側面に対向する外側面を有する錘部と、前記支持部の各内側面と前記錘部の各外側面との間において、前記錘部の外側面に沿って半周以上延在し、前記錘部を揺動自在に支持する１つの梁部と、前記１つの梁部の撓み量に基づいて力学量に応じた信号を出力する検出素子とを備え、平面視において、前記梁部は、前記錘部の２つの角部に対応する位置で屈折し、前記支持部との接続部分および屈折部分を支点として揺動するように構成され、少なくとも前記梁部が位置する前記梁部の各外側面と前記支持部の各内側面との間隔が、それぞれ前記錘部の外側面と前記支持部の内側面との間に位置する前記梁部の揺動時の支点となる位置から離間方向に狭くなるように形成されたことを特徴とする。
【００１１】
この構成によれば、力学量検出センサに力が作用して錘が変位した際、所定値以上の力学量が作用した場合には、梁部の撓みが制限されるので、梁部の破損を防止できる。また、梁部を薄く形成しても梁部の破損を防止できるので、検出感度が高い力学量検出センサを得ることができる。
【００１２】
本発明の力学量検出センサは、開口部を有する支持部と、前記支持部の開口部の内側に位置し、前記支持部の内側面に対向する外側面を有する錘部と、前記錘部を揺動自在に支持する１つの梁部と、前記梁部の変位量に基づいて力学量に応じた信号を出力する検出素子とを備え、平面視において、前記梁部と前記支持部の各内側面との間隔が、前記梁部と前記支持部の内側面との間に位置する前記梁部の変位時の支点となる位置から離間方向に狭くなるように形成されたことを特徴とする力学量検出センサ。
【００１３】
この構成によれば、力学量検出センサに力が作用して錘が変位した際、所定値以上の力学量が作用した場合には、梁部の撓みが制限されるので、梁部の破損を防止できる。また、梁部を薄く形成しても梁部の破損を防止できるので、検出感度が高い力学量検出センサを得ることができる。さらに、梁部の数を１つにすることにより、梁部の撓み量を大きくすることができるので、検出感度を向上させることができると共に、梁部の破損を防止できる。
【００１４】
本発明は、上記力学量検出センサにおいて、前記梁部の側面及び前記支持部の内側面の少なくともいずれか一方に前記梁部の撓み量を制限する凸状部が形成されたことを特徴とする。
【００１５】
この構成によれば、梁部の撓みを凸状部によって制限できるので、梁の破損を防止できると共に、検出感度が高い力学量検出センサを得ることができる。
【００１６】
本発明は、上記力学量検出センサにおいて、前記錘部の外側面に前記梁部の撓み量を制限する凸状部が形成されたことを特徴とする。
【００１７】
この構成によれば、錘の内側面に凸状部を設けることにより、梁の撓みを制限できるので、梁の破損を防止できると共に、検出感度が高い力学量検出センサを得ることができる。
【００１８】
本発明は、上記力学量検出センサにおいて、前記検出素子は、圧電素子であることが好ましい。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、検出感度が高く、梁の破損を防止できる力学量検出センサを提供することを目的とする。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の実施の形態に係る力学量検出センサの斜視図である。
【図２】本発明の実施の形態に係る力学量検出センサの分解斜視図である。
【図３】本発明の実施の形態に係る力学量検出センサの上面模式図である。
【図４】本発明の実施の形態に係る力学量検出センサの断面図である。
【図５】（ａ）錘部がＸ軸及びＹ軸回りに回動する際の検出動作説明図であり、（ｂ）錘部がＺ軸方向に直動する際の検出動作説明図である。
【図６】本発明の実施の形態に係る力学量検出センサの加工プロセスの一例を示す図である。
【図７】本発明の実施の形態に係る力学量検出センサのＹ軸方向に慣性力が作用した時の錘部の揺動状態の一例を示す図である。
【図８】本発明に係る力学量検出センサの変形例を示す図である。
【図９】本発明に係る力学量検出センサの他の変形例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下、本発明の実施の形態について添付図面を参照して詳細に説明する。図１は、本発明の実施の形態に係る力学量検出センサの斜視図である。図２は、本発明の実施の形態に係る力学量検出センサの分解斜視図である。
【００２２】
図１および図２に示すように、力学量検出センサ１は、第１の半導体基板２と第２の半導体基板３とを絶縁層４を介して接合して構成されている。力学量検出センサ１は、例えば、第１の半導体基板２をシリコン層、絶縁層４を酸化シリコン層、第２の半導体基板３をシリコン層とした３層構造をなすＳＯＩ（Silicon On Insulator）基板を用いて製造可能である。
【００２３】
第１の半導体基板２は、第２の半導体基板３と比較して相対的に薄板状のシリコン層で構成され、矩形枠状の枠体１１と、枠体１１の内側に配置された変位部１２と、枠体１１の四辺と変位部１２とを接続する４つの梁部１３とが形成されている。枠体１１、変位部１２及び梁部１３は、第１の半導体基板２をエッチングにより変位部１２の周囲に上面視略Ｌ字状の４つの開口を設けることで形成される。枠体１１と梁部１３の間隔は、梁部１３の枠体１１との接続部側の間隔より、梁部１３と変位部１２との接続側の間隔が狭くなるように、凸部１４が形成されている。
【００２４】
枠体１１は、略Ｌ字状の４つの開口により変位部１２を囲うように形成されている。変位部１２は、略正方形状に形成され、枠体１１の枠内中央に配置されている。４つの梁部１３は、それぞれ枠体１１の一辺から対向辺に向かって延在する長尺部１５と、長尺部１５に連なり、変位部１２の隣接する２辺の接合する角部に接続される接続部１６とから構成される。このように、４つの梁部１３は、長尺部１５を有しているため、撓み易い構成となっている。
【００２５】
各梁部１３の上面には、枠体１１との接続部分に位置してそれぞれ検出素子１７が設けられており、この検出素子１７により各梁部１３の撓み量が検出される。検出素子１７は、圧電素子で構成され、図示しない下地膜の上面に、下部電極、圧電体膜、上部電極の順に蒸着等により成膜することで形成される。検出素子１７は、梁部１３に生じた撓みにより変形し、この変形による圧力を電圧に変換して出力する。
【００２６】
第２の半導体基板３には、第１の半導体基板２と比較して相対的に厚板状のシリコン層で構成され、矩形状の開口部２３を有する支持部２１と、開口部２３の内側に配置される錘部２２とが形成されている。支持部２１および錘部２２は、第２の半導体基板３をエッチングにより錘部２２の周囲に矩形枠状の開口を設けることで形成される。
【００２７】
支持部２１は、上面視において枠体１１に対応した形状を有しており、枠体１１の下面に絶縁層４を介して接合されている。錘部２２は、略直方体形状に形成されており、変位部１２の下面に絶縁層４を介して接合されている。このように、錘部２２は支持部２１の開口部２３の内側において、変位部１２を介して４つの梁部１３により揺動自在に支持される。よって、錘部２２の重心位置に慣性力が作用すると、Ｘ軸回りの回動、Ｙ軸回りの回動、Ｚ軸方向の直動が可能となっている。
【００２８】
次に、図３および図４を参照して、力学量検出センサの構成について説明する。図３は、本発明の実施の形態に係る力学量検出センサの上面模式図であり、図４は、図３のＡ−Ａ線に沿う鉛直断面の模式図である。
【００２９】
図３に示すように、錘部２２は、変位部１２を介して４つの梁部１３により枠体１１に支持されており、梁部１３と枠体１１との４箇所の接続部分を支点として揺動可能に構成されている。この場合、水平面上において、錘部２２は、それぞれ対応する梁部１３と枠体１１との接続部分を支点として変位するため、この支点から離間するにつれて変位量が大きくなる。これに伴って、各梁部１３の撓みも枠体１１と梁部１３との接続部分から離間するにつれて大きくなる。したがって、水平面上において、梁部１３の撓み量は、梁部１３と枠体１１との接続部分から最も離間した位置で最大となる。
【００３０】
また、枠体１１の各内側面には、それぞれ対向する梁部１３に向かって凸部１４が形成されている。各凸部１４は、平面視において梁部１３に沿って延在し、この梁部１３の枠体１１との接続部分から離間するにつれて、梁部１３の外側面との間隔が狭くなるように形成されている。すなわち、水平面上において、各凸部１４は、梁部１３の撓み量が小さい側では小さく、梁部１３の撓み量が大きい側では、大きく形成されている。このように構成することにより、大きな加速度が作用し、梁部１３が撓み変形した際には、梁部１３と凸部１４とが接触する。このため、梁部１３の撓み量を梁部１３と凸部１４との接触によって制限することができ、梁部１３の撓みによる梁部１３の破損を防止することができる。特に梁部１３の撓み量が大きい側に凸部１４が大きく形成されているので、梁部１３が撓み変形した際には、大きく撓む部分が梁部１３に当接する。このため、破損しやすい梁部１３の撓む部分の破損を防止することができる。
【００３１】
尚、本実施の形態においては、凸部１４の形状を変更することにより、梁部１３の撓み量を調整することができる。例えば、凸部１４を梁部１３に対向する方向に大きく形成することにより、梁部１３の撓み量を小さく制限することができる。また、凸部１４を梁部１３に対向する方向に小さく形成することにより、加速度の検出範囲を拡大させることができる。
【００３２】
また、図４に示すように、錘部２２は、変位部１２を介して上端部分を梁部１３により支持され、梁部１３の枠体１１の内側面と対向する部分には凸部１４が形成されている。凸部１４の下面には、錘部２２が変位する開口部２３が形成されている。このように構成することにより、所定値以下の加速度が作用した場合には、錘部２２の揺動を制限することなく、梁部１３が撓んで加速度を検出することができ、所定値を超える加速度が作用した場合には、梁部１３が撓んで凸部１４と接触することにより梁部１３の撓み量が制限され、梁部１３の破損を防止することができる。
【００３３】
尚、本実施の形態においては、凸部１４を枠体１１の内側面に設ける構成としたが、梁部１３の撓み量を制限できる場所であれば凸部１４の位置は、特に制限されない。例えば、凸部１４を梁部１３上の枠体１１との対向面に設けることもできる。この場合、梁部１３上に形成された凸部１４と枠体１１とが接触することにより、梁部１３の撓みを制限し、梁部１３の破損を防止することができる。また、凸部１４を支持部２１と錘部２２との対向面の支持部２１側または錘部２２側に設けることもできる。この場合、支持部２１又は錘部２２上に形成された凸部１４が支持部２１または錘部２２と接触することにより、錘部２２の変位量を制限する。このように構成することにより、間接的に梁部１３の撓み量を制限できるので、梁部１３の破損を防止することができる。
【００３４】
このように、枠体１１の内側面には、梁部１３の撓み量に対応して凸部１４が形成されているため、大きな加速度が作用した際に、梁部１３の撓み量を梁部１３が破損しない一定量に制限でき、梁部１３の破損を防止することができる。また、梁部１３は、平面視において、枠体１１内側面の梁部１３と枠体１１との接続部分を避けるように形成されている（図３参照）。この構成により、枠体１１と、梁部１３と枠体１１との接続部分において支持部２１に対して枠体１１がはみ出ることを防止して、本来、バネとして機能しない枠体１１の一部が梁部１３と共にバネとして機能するのを防止し、センサ感度のばらつきを抑えることが可能となる。
【００３５】
次に、図５を参照して、力学量検出センサの動作について説明する。図５は、力学量検出センサの検出動作を示す模式図であり、（ａ）は錘部がＸ軸、Ｙ軸回りに回動する際の検出動作説明図であり、（ｂ）は錘部がＺ軸方向に直動する際の検出動作説明図である。
【００３６】
図５（ａ）に示すように、力学量検出センサ１に対して加速度が働いて、錘部２２に対してＹ軸方向に慣性力が作用すると、錘部２２はＸ軸回りに回動する。このとき、梁部１３ａ、１３ｂの変位部１２側がＺ軸方向下方に移動して、梁部１３ａ、１３ｂの枠体１１側（検出素子１７ａ、１７ｂ側）にＺ方向上方に力が作用する。また、梁部１３ｃ、１３ｄの変位部１２側がＺ軸方向上方に移動して、梁部１３ｃ、１３ｄの枠体１１側（検出素子１７ｃ、１７ｄ側）にＺ軸方向下方に力が作用する。そして、梁部１３ａ、１３ｂの枠体１１側はＺ軸方向上方に膨らむように撓み、梁部１３ｃ、１３ｄの枠体１１側はＺ軸方向下方に沈むように撓む。
【００３７】
検出素子１７ａ、１７ｂは、それぞれ梁部１３ａ、１３ｂの枠体１１側の撓みに合わせてＺ軸方向上方に膨らむように変形し、変形に応じた電圧を出力する。また、検出素子１７ｃ、ｄは、それぞれ梁部１３ｃ、１３ｄの枠体１１側の撓みに合わせてＺ軸方向下方に沈むように変形し、変形に応じた電圧を出力する。各検出素子１７ａ、１７ｂ、１７ｃ、１７ｄから出力された電圧は、図示しない演算回路において演算され、加速度が算出される。
【００３８】
なお、錘部２２に対してＸ軸方向に慣性力が作用し、錘部２２がＹ軸回りに回動する場合には、梁部１３ｂ、１３ｃの枠体１１側にＺ軸方向上方に力が作用し、梁部１３ａ、１３ｄの枠体１１側にＺ軸方向下方に力が作用する。したがって、検出素子１７ｂ、ｃは、それぞれ梁部１３ｂ、１３ｃの枠体１１側の撓みに合わせてＺ軸方向上方に膨らむように変形し、検出素子１７ａ、１７ｄは、それぞれ梁部１３ａ、１３ｄの枠体１１側の撓みに合わせてＺ軸方向下方に沈むように変形する。
【００３９】
図５（ｂ）に示すように、力学量検出センサ１に対して加速度が働いて、錘部２２に対してＺ軸方向下方に慣性力が作用すると、錘部２２はＺ軸方向下方に直動する。このとき、梁部１３ａ、１３ｂ、１３ｃ、１３ｄの変位部１２側がＺ軸方向下方に移動して、梁部１３ａ、１３ｂ、１３ｃ、１３ｄの枠体１１側にＺ軸方向上方に力が作用する。そして、梁部１３ａ、１３ｂ、１３ｃ、１３ｄの枠体１１側はＺ軸方向上方に膨らむように撓み、検出素子１７ａ、１７ｂ、１７ｃ、１７ｄもＺ軸方向上方に膨らむように変形する。そして、各検出素子１７ａ、１７ｂ、１７ｃ、１７ｄから出力された電圧は、図示しない演算回路において演算され、加速度が算出される。
【００４０】
次に、図６を参照して、力学量検出センサの加工プロセスの一例について説明する。図６は、本発明の実施の形態に係る加工プロセスの一例を説明するための図である。
【００４１】
図６（ａ）に示すように、第１の半導体基板２、絶縁層４、第２の半導体基板３を積層したＳＯＩ基板を準備し、第１の半導体基板２の上面にサポート基板３１が配置される。次に、図６（ｂ）に示すように、第２の半導体基板３の下面が研磨され薄化されると共に、第２の半導体基板３がフォトリソグラフィおよびエッチングにより加工されて支持部２１および錘部２２が形成される。
【００４２】
次に、図６（ｃ）に示すように、ベース基板３２がフォトリソグラフィおよびエッチングにより加工されてキャビティ３３が形成され、第２の半導体基板３の下面に接合される。次に、図６（ｄ）に示すように、第１の半導体基板２の上面からサポート基板３１が剥離され、第１の半導体基板２の上面が研磨されて所望の厚みに薄化される。次に、図６（ｅ）に示すように、第１の半導体基板２の上面にスパッタリングにより金属材および圧電材が被着され、フォトリソグラフィおよびエッチングによりパターンニングされて検出素子１７が形成される。
【００４３】
次に、図６（ｆ）に示すように、第１の半導体基板２および絶縁層４がフォトリソグラフィおよびエッチングにより加工されて枠体１１、変位部１２、梁部１３が形成される。このとき、枠体１１の梁部１３と対向する部分には、図３および図４に示す凸部１４が形成される。このようにして、図１に示す力学量検出センサ１を得ることが可能となる。
【００４４】
ここで、図７（ａ）、（ｂ）を参照して、Ｙ軸正方向に慣性力が作用したときの錘部２２の揺動状態について説明する。図７（ａ）、（ｂ）は、Ｙ軸方向に慣性力が作用したときの錘部２２の揺動状態の一例を示す平面図である。尚、ここでは、Ｙ軸正方向に慣性力が作用した場合を例示して説明するが、Ｘ軸正方向、Ｚ軸正方向に慣性力が作用した場合にも同様な効果を得ることができる。
【００４５】
図７（ａ）に示すように、錘部２２の揺動を水平面上でみた場合、錘部２２に対しＹ軸正方向に慣性力が作用すると、錘部２２はＹ軸正方向に揺動すると共に、Ｚ軸回りに僅かに回動する。この場合、各梁部１３ａ〜１３ｄは、対応する各梁部１３ａ〜１３ｄと枠体１１との接続部分を支点として図中の矢印の方向に撓むため、この支点から最も離間した位置において撓み量が最大となる。また、錘部２２にはＹ軸正方向に慣性力が作用しているため、梁部１３ａの図示左端が最も枠体１１に接近する。各梁部１３ａ〜１３ｄの側面に対向する枠体１１の各凸部１４ａ〜１４ｄは、図示左側において最も大きく形成されているため、所定値の加速度が作用した時に各梁部１３ａ〜１３ｄと各凸部１４ａ〜１４ｄとが接触し、各梁部１３ａ〜１３ｄの撓み量が制限される。
【００４６】
図７（ｂ）に示すように、錘部２２が所定値以上の加速度の作用を受けた場合、梁部１３ａがＹ軸方向に撓み、梁部１３ａと凸部１４ａとが接触する。このように、梁部１３ａと凸部１４とが接触することにより、梁部１３ａの接触が制限され、梁部１３ａの破損を防止することができる。また、同図に示すように各梁部１３ａ〜１３ｄと対応する各凸部１４ａ〜１４ｄとの間隔を各梁部１３ａ〜１３ｄの撓み量に合わせて変化させることにより、各梁部１３ａ〜１３ｄと各凸部１４ａ〜１４ｄとの接触点で行うことができる。このように形成することにより各梁部１３ａ〜１３ｄが各凸部１４ａ〜１４ｄに張り付くことを防止することができる。
【００４７】
以上のように、本実施の形態に係る力学量検出センサ１によれば、梁部１３と凸部１４との接触により、梁部１３の撓み量を制限することができるので、梁部１３の撓みによる梁部１３の破損を防止することができる。また、梁部１３の撓み量を所定の範囲に制限できるので、梁部１３を薄く形成した場合においても、所定値以上の加速度の作用による梁部１３の破損を防止でき、検出感度の高い力学量検出センサを構成することができる。
【００４８】
なお、上記した実施の形態においては、４つの梁を備えた力学量検出線センサを例示して説明したが、この構成に限定されるものではない。梁により錘部を支持する構成であればよく、例えば、図８（ａ）、（ｂ）に示すような１つの梁で構成された力学量検出センサに適用可能である。
【００４９】
図８（ａ）、（ｂ）に示すように、１つの梁で構成された力学量検出センサは、変位部４１（図示されない錘部を含む）の外周面に沿って変位部４１の外周面の半周以上延在され、変位部４１と枠体４２とを接続する梁部４３を備えて構成される。この構成において、変位部４１は、枠体４２と梁部４３の接続部分を支点として上下左右に揺動するように構成される。
【００５０】
図８（ａ）に示す例は、梁部４３の破損を防止するため、枠体４２の形状を調整した例である。本例においては、枠体４２の形状は、枠体４２と梁部４３との接続部分を有する内側面４４側から梁部４３が延在される方向に向かって枠体４２の内側面４４と梁部４３との間の間隔が狭くなるように形成されている。
【００５１】
一方、図８（ｂ）に示す例は、梁部４３の破損を防止するため、梁部４３の形状を調整した例である。本例においては、枠体４２の開口部４５が矩形状に形成される。梁部４３の形状は、枠体４２と梁部４３との接続部分から離れるにつれて、梁部４３の撓み量の大きい部分が枠体４２の開口部４５に接近するように形成されている。
【００５２】
このように構成することにより、１つの梁で構成された力学量検出センサにおいても、梁部４３の左右方向の撓み量が大きい側で梁部４３と枠体４２との間隔を狭くすることができる。このため、梁部４３の撓み量を枠体４２と梁部４３との接触により制限することができるので、梁部４３の撓みによる梁部４３の破損を防止することができる。また、図８（ｂ）に示す例では、枠体４２に凸部を設けることなく、枠体４２の形状を変更した例である。このように、梁部４３の撓み量の大きい側を枠体４２との間隔が狭くなるように、梁部４３を形成することによっても梁部４３の破損を防止することができる。
【００５３】
また、図９（ａ）、（ｂ）に示すように、本発明を２つの梁部７３により支持する二つの梁で構成された力学量検出センサに適用することもできる。図９（ａ）、（ｂ）に示す例は、変位部７１の外周面に沿って延在され、変位部７１（図示されない錘部を含む）と枠体７２とを接続する２つの梁部７３を備えて構成される。この構成において、変位部７１は、対向する２つの外周面を梁部７３によって支持され、枠体７２と梁部７３の接続部分を支点として上下左右に揺動するように構成される。
【００５４】
図９（ａ）に示す例は、梁部７３ａ、７３ｂの破損を防止するため、枠体７２の形状を調整した例である。本例においては、枠体７２と梁部７３ａ、７３ｂとの接続部分から離れるにつれて、枠体７２と梁部７３ａ、７３ｂとの間の間隔が狭くなるように、枠体７２上に凸部７４ａ、７４ｂが形成されている。
【００５５】
一方、図９（ｂ）に示す例は、梁部７３の破損を防止するため、梁部７３の形状を調整した例である。本例においては、枠体７２の開口部７５が矩形状に形成される。梁部７３の形状は、枠体７２と梁部７３との接続部分から離れるにつれて、枠体７２と梁部７３との間隔が狭くなるように形成される。
【００５６】
このように構成することにより、２つの梁で構成された力学量検出センサにおいても、梁部７３の左右方向の撓み量が大きい側で梁部７３と枠体７２との間隔を狭くすることができる。このため、梁部７３の撓み量を枠体４２と梁部７３との接触により制限することができるので、梁部７３の撓みによる梁部７３の破損を防止することができる。また、図９（ｂ）に示す例では、枠体７２に凸部を設けることなく、枠体７２の形状を任意に変更することにより、梁部７３の破損を防止することができる。尚、図９（ｂ）の構成は、４つの梁を備えた力学量検出センサに適用することもできる。
【００５７】
上記した実施の形態においては、枠体１１、４２、７２の内側面に凸部を形成して梁部１３、４３の破損を抑制する構成としたが、梁部１３、４３、７３の側面に凸部を形成する構成としても良い。また、梁部１３、４３、７３と枠体１１、４２、７２の双方に凸部を形成する構成としてもよい。
【００５８】
また、上記した実施の形態においては、水平面上において梁部１３、４３、７３の撓み量の大きさに合わせて、凸部を形成する構成としたが、この構成に限定されるものではない。梁部１３、４３、７３の側面の変位を規制して梁部１３、４３、７３の破損を回避可能な構成であればよく、例えば、変位部１２、４１、７１の変位を制限して間接的に梁部１３、４３、７３の破損を防止するように構成しても良い。
【００５９】
以上のように、本発明の実施の形態に係る力学量検出センサによれば、加速度の作用による梁部の撓みを梁部と枠体との接触によって制限できるので、梁部の撓みによる梁部の破損を防止できる。また、梁部の撓み量の最大値を制御でき、梁部を薄く形成しても梁部を破損することがないので、力学量検出センサの検出感度を向上させることができる。
【００６０】
なお、本発明は上記実施例に限定されるものではない。例えば、錘は直方体に限らず多角柱、円柱など、種々の形状を用いることができる。また、梁部の形状に関しても、矩形状の形状以外にも多角柱、円柱等、種々形状の梁部を用いることができる。その他、本発明の要旨を逸脱しない範囲で変形実施可能である。
【産業上の利用可能性】
【００６１】
本発明は、エアバックを作動させるための加速度センサや、あるいは、携帯機器の加速度センサ等、互いに直交する３軸方向の力学量検出センサに有用である。
【符号の説明】
【００６２】
１ 力学量検出センサ
２ 第１の半導体基板
３ 第２の半導体基板
４ 絶縁層
１１、４２、７２ 枠体
１２、４１、７１ 変位部
１３、４３、７３ 梁部
１５ 長尺部
１６ 接続部
１７ 検出素子
２１ 支持部
２２ 錘部
２３、４５、７５ 開口部
３１ サポート基板
３２ ベース基板
３３ キャビティ
【技術分野】
【０００１】
本発明は、互いに直交するＸ軸、Ｙ軸及びＺ軸の３軸方向の加速度を検出可能な力学量検出センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、自動車産業や機械産業では、加速度を正確に検出できる小型の加速度センサの需要が高まっている。このような加速度センサとして、梁部に支持された錘部の揺動に応じて加速度を検出する加速度センサが知られている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
かかる加速度センサは、開口部を有する支持部と、支持部の開口部の中に収納された錘部と、錘部を支持部の開口部内に間に揺動自在に支持する梁部とを備えて構成される。梁部には、梁部の撓みを受けて加速度を検出する検出素子が設けられている。
【０００４】
支持部の開口部及び開口部の内側に位置する錘部は、それぞれ平面視において、矩形状に形成され、錘部の外側面と開口部の内側面とが全周にわたって平行になるように形成されている。このように構成された加速度センサに加速度が作用した場合、慣性力の作用により、錘部が支持部の開口部内で揺動し、梁部が撓み変形して検出素子により加速度が検出される。加速度の検出感度は、梁部の撓みによって変化し、梁部の撓みを大きくすることにより、加速度の検出感度を向上させることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平２−９５２６４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特許文献１記載の加速度センサでは、大きな加速度が作用し、梁部が一定以上撓むと梁部が撓みの限界を超えて破損する問題があった。また、加速度の検出感度を上げるべく、梁部を薄くして梁部の撓みを増やした場合、梁部が更に破損しやすくなり、加速度検出感度の向上に限界があった。
【０００７】
本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、検出感度が高く、梁の破損を防止できる力学量検出センサを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の力学量検出センサは、開口部を有する支持部と、前記支持部の開口部の内側に位置し、前記支持部の内側面に対向する外側面を有する錘部と、対向する前記支持部の２以上の内側面と前記錘部の２以上の外側面との間に位置し、前記錘部を揺動自在に支持する複数の梁部と、前記複数の梁部の撓み量に基づいて力学量に応じた信号を出力する複数の検出素子とを備え、平面視において、少なくとも前記梁部が位置する前記梁部の各外側面と前記支持部の各内側面との間隔が、前記複数の梁部の揺動時の支点となる位置から離間方向に狭くなるようにそれぞれ形成されたことを特徴とする力学量検出センサ。
【０００９】
この構成によれば、力学量検出センサに力が作用して錘が変位した際、所定値以上の力学量が作用した場合には、梁部の撓みが制限されるので、梁部の破損を防止できる。また、梁部を薄く形成しても梁部の破損を防止できるので、検出感度が高い力学量検出センサを得ることができる。
【００１０】
本発明の力学量検出センサは、開口部を有する支持部と、前記支持部の開口部の内側に位置し、前記支持部の内側面に対向する外側面を有する錘部と、前記支持部の各内側面と前記錘部の各外側面との間において、前記錘部の外側面に沿って半周以上延在し、前記錘部を揺動自在に支持する１つの梁部と、前記１つの梁部の撓み量に基づいて力学量に応じた信号を出力する検出素子とを備え、平面視において、前記梁部は、前記錘部の２つの角部に対応する位置で屈折し、前記支持部との接続部分および屈折部分を支点として揺動するように構成され、少なくとも前記梁部が位置する前記梁部の各外側面と前記支持部の各内側面との間隔が、それぞれ前記錘部の外側面と前記支持部の内側面との間に位置する前記梁部の揺動時の支点となる位置から離間方向に狭くなるように形成されたことを特徴とする。
【００１１】
この構成によれば、力学量検出センサに力が作用して錘が変位した際、所定値以上の力学量が作用した場合には、梁部の撓みが制限されるので、梁部の破損を防止できる。また、梁部を薄く形成しても梁部の破損を防止できるので、検出感度が高い力学量検出センサを得ることができる。
【００１２】
本発明の力学量検出センサは、開口部を有する支持部と、前記支持部の開口部の内側に位置し、前記支持部の内側面に対向する外側面を有する錘部と、前記錘部を揺動自在に支持する１つの梁部と、前記梁部の変位量に基づいて力学量に応じた信号を出力する検出素子とを備え、平面視において、前記梁部と前記支持部の各内側面との間隔が、前記梁部と前記支持部の内側面との間に位置する前記梁部の変位時の支点となる位置から離間方向に狭くなるように形成されたことを特徴とする力学量検出センサ。
【００１３】
この構成によれば、力学量検出センサに力が作用して錘が変位した際、所定値以上の力学量が作用した場合には、梁部の撓みが制限されるので、梁部の破損を防止できる。また、梁部を薄く形成しても梁部の破損を防止できるので、検出感度が高い力学量検出センサを得ることができる。さらに、梁部の数を１つにすることにより、梁部の撓み量を大きくすることができるので、検出感度を向上させることができると共に、梁部の破損を防止できる。
【００１４】
本発明は、上記力学量検出センサにおいて、前記梁部の側面及び前記支持部の内側面の少なくともいずれか一方に前記梁部の撓み量を制限する凸状部が形成されたことを特徴とする。
【００１５】
この構成によれば、梁部の撓みを凸状部によって制限できるので、梁の破損を防止できると共に、検出感度が高い力学量検出センサを得ることができる。
【００１６】
本発明は、上記力学量検出センサにおいて、前記錘部の外側面に前記梁部の撓み量を制限する凸状部が形成されたことを特徴とする。
【００１７】
この構成によれば、錘の内側面に凸状部を設けることにより、梁の撓みを制限できるので、梁の破損を防止できると共に、検出感度が高い力学量検出センサを得ることができる。
【００１８】
本発明は、上記力学量検出センサにおいて、前記検出素子は、圧電素子であることが好ましい。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、検出感度が高く、梁の破損を防止できる力学量検出センサを提供することを目的とする。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の実施の形態に係る力学量検出センサの斜視図である。
【図２】本発明の実施の形態に係る力学量検出センサの分解斜視図である。
【図３】本発明の実施の形態に係る力学量検出センサの上面模式図である。
【図４】本発明の実施の形態に係る力学量検出センサの断面図である。
【図５】（ａ）錘部がＸ軸及びＹ軸回りに回動する際の検出動作説明図であり、（ｂ）錘部がＺ軸方向に直動する際の検出動作説明図である。
【図６】本発明の実施の形態に係る力学量検出センサの加工プロセスの一例を示す図である。
【図７】本発明の実施の形態に係る力学量検出センサのＹ軸方向に慣性力が作用した時の錘部の揺動状態の一例を示す図である。
【図８】本発明に係る力学量検出センサの変形例を示す図である。
【図９】本発明に係る力学量検出センサの他の変形例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下、本発明の実施の形態について添付図面を参照して詳細に説明する。図１は、本発明の実施の形態に係る力学量検出センサの斜視図である。図２は、本発明の実施の形態に係る力学量検出センサの分解斜視図である。
【００２２】
図１および図２に示すように、力学量検出センサ１は、第１の半導体基板２と第２の半導体基板３とを絶縁層４を介して接合して構成されている。力学量検出センサ１は、例えば、第１の半導体基板２をシリコン層、絶縁層４を酸化シリコン層、第２の半導体基板３をシリコン層とした３層構造をなすＳＯＩ（Silicon On Insulator）基板を用いて製造可能である。
【００２３】
第１の半導体基板２は、第２の半導体基板３と比較して相対的に薄板状のシリコン層で構成され、矩形枠状の枠体１１と、枠体１１の内側に配置された変位部１２と、枠体１１の四辺と変位部１２とを接続する４つの梁部１３とが形成されている。枠体１１、変位部１２及び梁部１３は、第１の半導体基板２をエッチングにより変位部１２の周囲に上面視略Ｌ字状の４つの開口を設けることで形成される。枠体１１と梁部１３の間隔は、梁部１３の枠体１１との接続部側の間隔より、梁部１３と変位部１２との接続側の間隔が狭くなるように、凸部１４が形成されている。
【００２４】
枠体１１は、略Ｌ字状の４つの開口により変位部１２を囲うように形成されている。変位部１２は、略正方形状に形成され、枠体１１の枠内中央に配置されている。４つの梁部１３は、それぞれ枠体１１の一辺から対向辺に向かって延在する長尺部１５と、長尺部１５に連なり、変位部１２の隣接する２辺の接合する角部に接続される接続部１６とから構成される。このように、４つの梁部１３は、長尺部１５を有しているため、撓み易い構成となっている。
【００２５】
各梁部１３の上面には、枠体１１との接続部分に位置してそれぞれ検出素子１７が設けられており、この検出素子１７により各梁部１３の撓み量が検出される。検出素子１７は、圧電素子で構成され、図示しない下地膜の上面に、下部電極、圧電体膜、上部電極の順に蒸着等により成膜することで形成される。検出素子１７は、梁部１３に生じた撓みにより変形し、この変形による圧力を電圧に変換して出力する。
【００２６】
第２の半導体基板３には、第１の半導体基板２と比較して相対的に厚板状のシリコン層で構成され、矩形状の開口部２３を有する支持部２１と、開口部２３の内側に配置される錘部２２とが形成されている。支持部２１および錘部２２は、第２の半導体基板３をエッチングにより錘部２２の周囲に矩形枠状の開口を設けることで形成される。
【００２７】
支持部２１は、上面視において枠体１１に対応した形状を有しており、枠体１１の下面に絶縁層４を介して接合されている。錘部２２は、略直方体形状に形成されており、変位部１２の下面に絶縁層４を介して接合されている。このように、錘部２２は支持部２１の開口部２３の内側において、変位部１２を介して４つの梁部１３により揺動自在に支持される。よって、錘部２２の重心位置に慣性力が作用すると、Ｘ軸回りの回動、Ｙ軸回りの回動、Ｚ軸方向の直動が可能となっている。
【００２８】
次に、図３および図４を参照して、力学量検出センサの構成について説明する。図３は、本発明の実施の形態に係る力学量検出センサの上面模式図であり、図４は、図３のＡ−Ａ線に沿う鉛直断面の模式図である。
【００２９】
図３に示すように、錘部２２は、変位部１２を介して４つの梁部１３により枠体１１に支持されており、梁部１３と枠体１１との４箇所の接続部分を支点として揺動可能に構成されている。この場合、水平面上において、錘部２２は、それぞれ対応する梁部１３と枠体１１との接続部分を支点として変位するため、この支点から離間するにつれて変位量が大きくなる。これに伴って、各梁部１３の撓みも枠体１１と梁部１３との接続部分から離間するにつれて大きくなる。したがって、水平面上において、梁部１３の撓み量は、梁部１３と枠体１１との接続部分から最も離間した位置で最大となる。
【００３０】
また、枠体１１の各内側面には、それぞれ対向する梁部１３に向かって凸部１４が形成されている。各凸部１４は、平面視において梁部１３に沿って延在し、この梁部１３の枠体１１との接続部分から離間するにつれて、梁部１３の外側面との間隔が狭くなるように形成されている。すなわち、水平面上において、各凸部１４は、梁部１３の撓み量が小さい側では小さく、梁部１３の撓み量が大きい側では、大きく形成されている。このように構成することにより、大きな加速度が作用し、梁部１３が撓み変形した際には、梁部１３と凸部１４とが接触する。このため、梁部１３の撓み量を梁部１３と凸部１４との接触によって制限することができ、梁部１３の撓みによる梁部１３の破損を防止することができる。特に梁部１３の撓み量が大きい側に凸部１４が大きく形成されているので、梁部１３が撓み変形した際には、大きく撓む部分が梁部１３に当接する。このため、破損しやすい梁部１３の撓む部分の破損を防止することができる。
【００３１】
尚、本実施の形態においては、凸部１４の形状を変更することにより、梁部１３の撓み量を調整することができる。例えば、凸部１４を梁部１３に対向する方向に大きく形成することにより、梁部１３の撓み量を小さく制限することができる。また、凸部１４を梁部１３に対向する方向に小さく形成することにより、加速度の検出範囲を拡大させることができる。
【００３２】
また、図４に示すように、錘部２２は、変位部１２を介して上端部分を梁部１３により支持され、梁部１３の枠体１１の内側面と対向する部分には凸部１４が形成されている。凸部１４の下面には、錘部２２が変位する開口部２３が形成されている。このように構成することにより、所定値以下の加速度が作用した場合には、錘部２２の揺動を制限することなく、梁部１３が撓んで加速度を検出することができ、所定値を超える加速度が作用した場合には、梁部１３が撓んで凸部１４と接触することにより梁部１３の撓み量が制限され、梁部１３の破損を防止することができる。
【００３３】
尚、本実施の形態においては、凸部１４を枠体１１の内側面に設ける構成としたが、梁部１３の撓み量を制限できる場所であれば凸部１４の位置は、特に制限されない。例えば、凸部１４を梁部１３上の枠体１１との対向面に設けることもできる。この場合、梁部１３上に形成された凸部１４と枠体１１とが接触することにより、梁部１３の撓みを制限し、梁部１３の破損を防止することができる。また、凸部１４を支持部２１と錘部２２との対向面の支持部２１側または錘部２２側に設けることもできる。この場合、支持部２１又は錘部２２上に形成された凸部１４が支持部２１または錘部２２と接触することにより、錘部２２の変位量を制限する。このように構成することにより、間接的に梁部１３の撓み量を制限できるので、梁部１３の破損を防止することができる。
【００３４】
このように、枠体１１の内側面には、梁部１３の撓み量に対応して凸部１４が形成されているため、大きな加速度が作用した際に、梁部１３の撓み量を梁部１３が破損しない一定量に制限でき、梁部１３の破損を防止することができる。また、梁部１３は、平面視において、枠体１１内側面の梁部１３と枠体１１との接続部分を避けるように形成されている（図３参照）。この構成により、枠体１１と、梁部１３と枠体１１との接続部分において支持部２１に対して枠体１１がはみ出ることを防止して、本来、バネとして機能しない枠体１１の一部が梁部１３と共にバネとして機能するのを防止し、センサ感度のばらつきを抑えることが可能となる。
【００３５】
次に、図５を参照して、力学量検出センサの動作について説明する。図５は、力学量検出センサの検出動作を示す模式図であり、（ａ）は錘部がＸ軸、Ｙ軸回りに回動する際の検出動作説明図であり、（ｂ）は錘部がＺ軸方向に直動する際の検出動作説明図である。
【００３６】
図５（ａ）に示すように、力学量検出センサ１に対して加速度が働いて、錘部２２に対してＹ軸方向に慣性力が作用すると、錘部２２はＸ軸回りに回動する。このとき、梁部１３ａ、１３ｂの変位部１２側がＺ軸方向下方に移動して、梁部１３ａ、１３ｂの枠体１１側（検出素子１７ａ、１７ｂ側）にＺ方向上方に力が作用する。また、梁部１３ｃ、１３ｄの変位部１２側がＺ軸方向上方に移動して、梁部１３ｃ、１３ｄの枠体１１側（検出素子１７ｃ、１７ｄ側）にＺ軸方向下方に力が作用する。そして、梁部１３ａ、１３ｂの枠体１１側はＺ軸方向上方に膨らむように撓み、梁部１３ｃ、１３ｄの枠体１１側はＺ軸方向下方に沈むように撓む。
【００３７】
検出素子１７ａ、１７ｂは、それぞれ梁部１３ａ、１３ｂの枠体１１側の撓みに合わせてＺ軸方向上方に膨らむように変形し、変形に応じた電圧を出力する。また、検出素子１７ｃ、ｄは、それぞれ梁部１３ｃ、１３ｄの枠体１１側の撓みに合わせてＺ軸方向下方に沈むように変形し、変形に応じた電圧を出力する。各検出素子１７ａ、１７ｂ、１７ｃ、１７ｄから出力された電圧は、図示しない演算回路において演算され、加速度が算出される。
【００３８】
なお、錘部２２に対してＸ軸方向に慣性力が作用し、錘部２２がＹ軸回りに回動する場合には、梁部１３ｂ、１３ｃの枠体１１側にＺ軸方向上方に力が作用し、梁部１３ａ、１３ｄの枠体１１側にＺ軸方向下方に力が作用する。したがって、検出素子１７ｂ、ｃは、それぞれ梁部１３ｂ、１３ｃの枠体１１側の撓みに合わせてＺ軸方向上方に膨らむように変形し、検出素子１７ａ、１７ｄは、それぞれ梁部１３ａ、１３ｄの枠体１１側の撓みに合わせてＺ軸方向下方に沈むように変形する。
【００３９】
図５（ｂ）に示すように、力学量検出センサ１に対して加速度が働いて、錘部２２に対してＺ軸方向下方に慣性力が作用すると、錘部２２はＺ軸方向下方に直動する。このとき、梁部１３ａ、１３ｂ、１３ｃ、１３ｄの変位部１２側がＺ軸方向下方に移動して、梁部１３ａ、１３ｂ、１３ｃ、１３ｄの枠体１１側にＺ軸方向上方に力が作用する。そして、梁部１３ａ、１３ｂ、１３ｃ、１３ｄの枠体１１側はＺ軸方向上方に膨らむように撓み、検出素子１７ａ、１７ｂ、１７ｃ、１７ｄもＺ軸方向上方に膨らむように変形する。そして、各検出素子１７ａ、１７ｂ、１７ｃ、１７ｄから出力された電圧は、図示しない演算回路において演算され、加速度が算出される。
【００４０】
次に、図６を参照して、力学量検出センサの加工プロセスの一例について説明する。図６は、本発明の実施の形態に係る加工プロセスの一例を説明するための図である。
【００４１】
図６（ａ）に示すように、第１の半導体基板２、絶縁層４、第２の半導体基板３を積層したＳＯＩ基板を準備し、第１の半導体基板２の上面にサポート基板３１が配置される。次に、図６（ｂ）に示すように、第２の半導体基板３の下面が研磨され薄化されると共に、第２の半導体基板３がフォトリソグラフィおよびエッチングにより加工されて支持部２１および錘部２２が形成される。
【００４２】
次に、図６（ｃ）に示すように、ベース基板３２がフォトリソグラフィおよびエッチングにより加工されてキャビティ３３が形成され、第２の半導体基板３の下面に接合される。次に、図６（ｄ）に示すように、第１の半導体基板２の上面からサポート基板３１が剥離され、第１の半導体基板２の上面が研磨されて所望の厚みに薄化される。次に、図６（ｅ）に示すように、第１の半導体基板２の上面にスパッタリングにより金属材および圧電材が被着され、フォトリソグラフィおよびエッチングによりパターンニングされて検出素子１７が形成される。
【００４３】
次に、図６（ｆ）に示すように、第１の半導体基板２および絶縁層４がフォトリソグラフィおよびエッチングにより加工されて枠体１１、変位部１２、梁部１３が形成される。このとき、枠体１１の梁部１３と対向する部分には、図３および図４に示す凸部１４が形成される。このようにして、図１に示す力学量検出センサ１を得ることが可能となる。
【００４４】
ここで、図７（ａ）、（ｂ）を参照して、Ｙ軸正方向に慣性力が作用したときの錘部２２の揺動状態について説明する。図７（ａ）、（ｂ）は、Ｙ軸方向に慣性力が作用したときの錘部２２の揺動状態の一例を示す平面図である。尚、ここでは、Ｙ軸正方向に慣性力が作用した場合を例示して説明するが、Ｘ軸正方向、Ｚ軸正方向に慣性力が作用した場合にも同様な効果を得ることができる。
【００４５】
図７（ａ）に示すように、錘部２２の揺動を水平面上でみた場合、錘部２２に対しＹ軸正方向に慣性力が作用すると、錘部２２はＹ軸正方向に揺動すると共に、Ｚ軸回りに僅かに回動する。この場合、各梁部１３ａ〜１３ｄは、対応する各梁部１３ａ〜１３ｄと枠体１１との接続部分を支点として図中の矢印の方向に撓むため、この支点から最も離間した位置において撓み量が最大となる。また、錘部２２にはＹ軸正方向に慣性力が作用しているため、梁部１３ａの図示左端が最も枠体１１に接近する。各梁部１３ａ〜１３ｄの側面に対向する枠体１１の各凸部１４ａ〜１４ｄは、図示左側において最も大きく形成されているため、所定値の加速度が作用した時に各梁部１３ａ〜１３ｄと各凸部１４ａ〜１４ｄとが接触し、各梁部１３ａ〜１３ｄの撓み量が制限される。
【００４６】
図７（ｂ）に示すように、錘部２２が所定値以上の加速度の作用を受けた場合、梁部１３ａがＹ軸方向に撓み、梁部１３ａと凸部１４ａとが接触する。このように、梁部１３ａと凸部１４とが接触することにより、梁部１３ａの接触が制限され、梁部１３ａの破損を防止することができる。また、同図に示すように各梁部１３ａ〜１３ｄと対応する各凸部１４ａ〜１４ｄとの間隔を各梁部１３ａ〜１３ｄの撓み量に合わせて変化させることにより、各梁部１３ａ〜１３ｄと各凸部１４ａ〜１４ｄとの接触点で行うことができる。このように形成することにより各梁部１３ａ〜１３ｄが各凸部１４ａ〜１４ｄに張り付くことを防止することができる。
【００４７】
以上のように、本実施の形態に係る力学量検出センサ１によれば、梁部１３と凸部１４との接触により、梁部１３の撓み量を制限することができるので、梁部１３の撓みによる梁部１３の破損を防止することができる。また、梁部１３の撓み量を所定の範囲に制限できるので、梁部１３を薄く形成した場合においても、所定値以上の加速度の作用による梁部１３の破損を防止でき、検出感度の高い力学量検出センサを構成することができる。
【００４８】
なお、上記した実施の形態においては、４つの梁を備えた力学量検出線センサを例示して説明したが、この構成に限定されるものではない。梁により錘部を支持する構成であればよく、例えば、図８（ａ）、（ｂ）に示すような１つの梁で構成された力学量検出センサに適用可能である。
【００４９】
図８（ａ）、（ｂ）に示すように、１つの梁で構成された力学量検出センサは、変位部４１（図示されない錘部を含む）の外周面に沿って変位部４１の外周面の半周以上延在され、変位部４１と枠体４２とを接続する梁部４３を備えて構成される。この構成において、変位部４１は、枠体４２と梁部４３の接続部分を支点として上下左右に揺動するように構成される。
【００５０】
図８（ａ）に示す例は、梁部４３の破損を防止するため、枠体４２の形状を調整した例である。本例においては、枠体４２の形状は、枠体４２と梁部４３との接続部分を有する内側面４４側から梁部４３が延在される方向に向かって枠体４２の内側面４４と梁部４３との間の間隔が狭くなるように形成されている。
【００５１】
一方、図８（ｂ）に示す例は、梁部４３の破損を防止するため、梁部４３の形状を調整した例である。本例においては、枠体４２の開口部４５が矩形状に形成される。梁部４３の形状は、枠体４２と梁部４３との接続部分から離れるにつれて、梁部４３の撓み量の大きい部分が枠体４２の開口部４５に接近するように形成されている。
【００５２】
このように構成することにより、１つの梁で構成された力学量検出センサにおいても、梁部４３の左右方向の撓み量が大きい側で梁部４３と枠体４２との間隔を狭くすることができる。このため、梁部４３の撓み量を枠体４２と梁部４３との接触により制限することができるので、梁部４３の撓みによる梁部４３の破損を防止することができる。また、図８（ｂ）に示す例では、枠体４２に凸部を設けることなく、枠体４２の形状を変更した例である。このように、梁部４３の撓み量の大きい側を枠体４２との間隔が狭くなるように、梁部４３を形成することによっても梁部４３の破損を防止することができる。
【００５３】
また、図９（ａ）、（ｂ）に示すように、本発明を２つの梁部７３により支持する二つの梁で構成された力学量検出センサに適用することもできる。図９（ａ）、（ｂ）に示す例は、変位部７１の外周面に沿って延在され、変位部７１（図示されない錘部を含む）と枠体７２とを接続する２つの梁部７３を備えて構成される。この構成において、変位部７１は、対向する２つの外周面を梁部７３によって支持され、枠体７２と梁部７３の接続部分を支点として上下左右に揺動するように構成される。
【００５４】
図９（ａ）に示す例は、梁部７３ａ、７３ｂの破損を防止するため、枠体７２の形状を調整した例である。本例においては、枠体７２と梁部７３ａ、７３ｂとの接続部分から離れるにつれて、枠体７２と梁部７３ａ、７３ｂとの間の間隔が狭くなるように、枠体７２上に凸部７４ａ、７４ｂが形成されている。
【００５５】
一方、図９（ｂ）に示す例は、梁部７３の破損を防止するため、梁部７３の形状を調整した例である。本例においては、枠体７２の開口部７５が矩形状に形成される。梁部７３の形状は、枠体７２と梁部７３との接続部分から離れるにつれて、枠体７２と梁部７３との間隔が狭くなるように形成される。
【００５６】
このように構成することにより、２つの梁で構成された力学量検出センサにおいても、梁部７３の左右方向の撓み量が大きい側で梁部７３と枠体７２との間隔を狭くすることができる。このため、梁部７３の撓み量を枠体４２と梁部７３との接触により制限することができるので、梁部７３の撓みによる梁部７３の破損を防止することができる。また、図９（ｂ）に示す例では、枠体７２に凸部を設けることなく、枠体７２の形状を任意に変更することにより、梁部７３の破損を防止することができる。尚、図９（ｂ）の構成は、４つの梁を備えた力学量検出センサに適用することもできる。
【００５７】
上記した実施の形態においては、枠体１１、４２、７２の内側面に凸部を形成して梁部１３、４３の破損を抑制する構成としたが、梁部１３、４３、７３の側面に凸部を形成する構成としても良い。また、梁部１３、４３、７３と枠体１１、４２、７２の双方に凸部を形成する構成としてもよい。
【００５８】
また、上記した実施の形態においては、水平面上において梁部１３、４３、７３の撓み量の大きさに合わせて、凸部を形成する構成としたが、この構成に限定されるものではない。梁部１３、４３、７３の側面の変位を規制して梁部１３、４３、７３の破損を回避可能な構成であればよく、例えば、変位部１２、４１、７１の変位を制限して間接的に梁部１３、４３、７３の破損を防止するように構成しても良い。
【００５９】
以上のように、本発明の実施の形態に係る力学量検出センサによれば、加速度の作用による梁部の撓みを梁部と枠体との接触によって制限できるので、梁部の撓みによる梁部の破損を防止できる。また、梁部の撓み量の最大値を制御でき、梁部を薄く形成しても梁部を破損することがないので、力学量検出センサの検出感度を向上させることができる。
【００６０】
なお、本発明は上記実施例に限定されるものではない。例えば、錘は直方体に限らず多角柱、円柱など、種々の形状を用いることができる。また、梁部の形状に関しても、矩形状の形状以外にも多角柱、円柱等、種々形状の梁部を用いることができる。その他、本発明の要旨を逸脱しない範囲で変形実施可能である。
【産業上の利用可能性】
【００６１】
本発明は、エアバックを作動させるための加速度センサや、あるいは、携帯機器の加速度センサ等、互いに直交する３軸方向の力学量検出センサに有用である。
【符号の説明】
【００６２】
１ 力学量検出センサ
２ 第１の半導体基板
３ 第２の半導体基板
４ 絶縁層
１１、４２、７２ 枠体
１２、４１、７１ 変位部
１３、４３、７３ 梁部
１５ 長尺部
１６ 接続部
１７ 検出素子
２１ 支持部
２２ 錘部
２３、４５、７５ 開口部
３１ サポート基板
３２ ベース基板
３３ キャビティ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
開口部を有する支持部と、前記支持部の開口部の内側に位置し、前記支持部の内側面に対向する外側面を有する錘部と、対向する前記支持部の２以上の内側面と前記錘部の２以上の外側面との間に位置し、前記錘部を揺動自在に支持する複数の梁部と、前記複数の梁部の撓み量に基づいて力学量に応じた信号を出力する複数の検出素子とを備え、
平面視において、少なくとも前記梁部が位置する前記梁部の各外側面と前記支持部の各内側面との間隔が、前記複数の梁部の揺動時の支点となる位置から離間方向に狭くなるようにそれぞれ形成されたことを特徴とする力学量検出センサ。
【請求項２】
開口部を有する支持部と、前記支持部の開口部の内側に位置し、前記支持部の内側面に対向する外側面を有する錘部と、前記支持部の各内側面と前記錘部の各外側面との間において、前記錘部の外側面に沿って半周以上延在し、前記錘部を揺動自在に支持する１つの梁部と、前記１つの梁部の撓み量に基づいて力学量に応じた信号を出力する検出素子とを備え、
平面視において、前記梁部は、前記錘部の２つの角部に対応する位置で屈折し、前記支持部との接続部分および屈折部分を支点として揺動するように構成され、少なくとも前記梁部が位置する前記梁部の各外側面と前記支持部の各内側面との間隔が、それぞれ前記錘部の外側面と前記支持部の内側面との間に位置する前記梁部の揺動時の支点となる位置から離間方向に狭くなるように形成されたことを特徴とする力学量検出センサ。
【請求項３】
開口部を有する支持部と、前記支持部の開口部の内側に位置し、前記支持部の内側面に対向する外側面を有する錘部と、前記錘部を揺動自在に支持する１つの梁部と、前記梁部の変位量に基づいて力学量に応じた信号を出力する検出素子とを備え、
平面視において、前記梁部と前記支持部の各内側面との間隔が、前記梁部と前記支持部の内側面との間に位置する前記梁部の変位時の支点となる位置から離間方向に狭くなるように形成されたことを特徴とする力学量検出センサ。
【請求項４】
前記梁部の側面及び前記支持部の内側面の少なくともいずれか一方に前記梁部の撓み量を制限する凸状部が形成されたことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載の力学量検出センサ。
【請求項５】
前記錘部の外側面に前記梁部の撓み量を制限する凸状部が形成されたことを特徴とする請求項１から請求項４のいずれかに記載の力学量検出センサ。
【請求項６】
前記検出素子は、圧電素子であることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれかに記載の力学量検出センサ。
【請求項１】
開口部を有する支持部と、前記支持部の開口部の内側に位置し、前記支持部の内側面に対向する外側面を有する錘部と、対向する前記支持部の２以上の内側面と前記錘部の２以上の外側面との間に位置し、前記錘部を揺動自在に支持する複数の梁部と、前記複数の梁部の撓み量に基づいて力学量に応じた信号を出力する複数の検出素子とを備え、
平面視において、少なくとも前記梁部が位置する前記梁部の各外側面と前記支持部の各内側面との間隔が、前記複数の梁部の揺動時の支点となる位置から離間方向に狭くなるようにそれぞれ形成されたことを特徴とする力学量検出センサ。
【請求項２】
開口部を有する支持部と、前記支持部の開口部の内側に位置し、前記支持部の内側面に対向する外側面を有する錘部と、前記支持部の各内側面と前記錘部の各外側面との間において、前記錘部の外側面に沿って半周以上延在し、前記錘部を揺動自在に支持する１つの梁部と、前記１つの梁部の撓み量に基づいて力学量に応じた信号を出力する検出素子とを備え、
平面視において、前記梁部は、前記錘部の２つの角部に対応する位置で屈折し、前記支持部との接続部分および屈折部分を支点として揺動するように構成され、少なくとも前記梁部が位置する前記梁部の各外側面と前記支持部の各内側面との間隔が、それぞれ前記錘部の外側面と前記支持部の内側面との間に位置する前記梁部の揺動時の支点となる位置から離間方向に狭くなるように形成されたことを特徴とする力学量検出センサ。
【請求項３】
開口部を有する支持部と、前記支持部の開口部の内側に位置し、前記支持部の内側面に対向する外側面を有する錘部と、前記錘部を揺動自在に支持する１つの梁部と、前記梁部の変位量に基づいて力学量に応じた信号を出力する検出素子とを備え、
平面視において、前記梁部と前記支持部の各内側面との間隔が、前記梁部と前記支持部の内側面との間に位置する前記梁部の変位時の支点となる位置から離間方向に狭くなるように形成されたことを特徴とする力学量検出センサ。
【請求項４】
前記梁部の側面及び前記支持部の内側面の少なくともいずれか一方に前記梁部の撓み量を制限する凸状部が形成されたことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載の力学量検出センサ。
【請求項５】
前記錘部の外側面に前記梁部の撓み量を制限する凸状部が形成されたことを特徴とする請求項１から請求項４のいずれかに記載の力学量検出センサ。
【請求項６】
前記検出素子は、圧電素子であることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれかに記載の力学量検出センサ。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【公開番号】特開２０１０−２１６８４２（Ｐ２０１０−２１６８４２Ａ）
【公開日】平成２２年９月３０日（２０１０．９．３０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−６０９０２（Ｐ２００９−６０９０２）
【出願日】平成２１年３月１３日（２００９．３．１３）
【出願人】（００００１００９８）アルプス電気株式会社 (4,263)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年９月３０日（２０１０．９．３０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年３月１３日（２００９．３．１３）
【出願人】（００００１００９８）アルプス電気株式会社 (4,263)
【Ｆターム（参考）】
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