加速度センサ及び加速度センサ装置
【課題】耐衝撃性を向上させた加速度センサ及び加速度センサ装置。
【解決手段】
固定部５０と、固定部５０に対して変位可能な重り部７と、固定部５０および重り部７を連結するとともに重り部７の変位に伴って撓む梁部５と、を含み、固定部５０および重り部７は、少なくとも一方の側面の梁部５との連結部１２外周に、梁部５の長手方向に沿って断面視凹曲線の内面６を有した溝部４を備えたことによって、耐衝撃性を向上させた加速度センサ及び加速度センサ装置を提供することができる。
【解決手段】
固定部５０と、固定部５０に対して変位可能な重り部７と、固定部５０および重り部７を連結するとともに重り部７の変位に伴って撓む梁部５と、を含み、固定部５０および重り部７は、少なくとも一方の側面の梁部５との連結部１２外周に、梁部５の長手方向に沿って断面視凹曲線の内面６を有した溝部４を備えたことによって、耐衝撃性を向上させた加速度センサ及び加速度センサ装置を提供することができる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、耐衝撃性を向上させた加速度センサ及び加速度センサ装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来の加速度センサは、重り部と、重り部を囲繞する枠状の固定部と、重り部と固定部とに連結される梁部とを有している。このような加速度センサは、加速度が加わると梁部が撓むため加速度検出が可能となっていた。ところで、梁部と固定部との連結部にはエッジが存在し、この部分に応力が集中しやすい。一方、梁部は薄く形成されているため、エッジ部分に集中する応力によって梁部に不具合が生じやすく、過度な加速度に対する耐衝撃性に問題があった。また、梁部と重り部との連結部においても同様の問題があった。
【０００３】
そこで、耐衝撃性を向上させた加速度センサとしては、例えば特許文献１のようなものがある。図１１に特許文献１に記載された従来の加速度センサ装置を示す。同図に示す加速度センサは、図１１に示すように重り部７１と、重り部７１を囲繞する枠状の固定部７０と、重り部７１と固定部７０とに連結される梁部７２とを備え、固定部７０と重り部７１とを連結する梁部７２の境界部分７３の外形が滑らかに連続した形状となるように付属部７４を有している。加速度センサをこのような構成にすることにより、梁部７２の下面と固定部７０との接合部および梁部７２の下面と重り部７１との接合部に集中する応力を緩和させることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００８−１２２３０１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、従来の加速度センサでは、境界部分７３における梁部７２の下面と固定部７０との接合部および梁部７２と重り部７１との接合部の外形を滑らかにするために、付属部７４を境界部分７３につけていた。そのため、付属部７４を取り付けた梁部７２の厚みが一部厚くなることから梁部７２が撓みにくくなり、加速度検出の感度が低下していた。
【０００６】
本発明は、以上のような諸事情を鑑みて案出されたものであり、集中する応力を緩和させつつ、感度の低下を抑えた加速度センサ及び加速度センサ装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の加速度センサ装置は、固定部と、前記固定部に対して変位可能な重り部と、前記固定部および前記重り部を連結するとともに前記重り部の変位に伴って撓む梁部と、を含み、前記固定部および前記重り部は、少なくとも一方の側面の前記梁部との連結部外周に、前記梁部の長手方向に沿って断面視凹曲線の内面を有した溝部を備えるようになっている。
【発明の効果】
【０００８】
本発明の加速度センサ装置によれば、梁部が連結された固定部および重り部の少なくとも一方の側面の梁部との連結部外周に、梁部の長手方向に沿って断面視凹曲線の内面を有した溝部を備えることを特徴とする。このように、梁部の長手方向に沿って断面視凹曲線の内面を有した溝部を備えることから、この溝部の内面に集中する応力を緩和することができる。さらに、梁部が延出された延出部の分だけ梁部の長さが長くなるため検出感度の向上が図れる。これらのことから、検出感度の低下を抑えながら耐衝撃性に優れた加速度センサ及び加速度センサ装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の第１の実施形態にかかる加速度センサ装置の斜視図である。
【図２】図１に示す加速度センサ装置の蓋を外した状態の平面図である。
【図３】図１に示す加速度センサ装置の断面図であり、（ａ）は図２のＡ−Ａ´線で切断したときの断面に、（ｂ）は図２のＢ−Ｂ´線で切断したときの断面にそれぞれ相当する。
【図４】本発明の第１の実施形態にかかる加速度センサの断面図である。
【図５】（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は本発明の第１の実施形態にかかる加速度センサの変形例を示す部分的な拡大断面図である。
【図６】本発明の第２の実施形態にかかる加速度センサを示す図であり、（ａ）は第２の実施形態にかかる加速度センサの平面図、（ｂ）は図６（ａ）のＣ−Ｃ´線で切断したときの断面に相当する図である。
【図７】本発明の第３の実施形態にかかる加速度センサを示す部分的な拡大斜視図である。
【図８】（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は本発明の第１の実施形態にかかる加速度センサの製造方法の一例を説明する断面図である。
【図９】図５（ｂ）に示す構造を有する加速度センサに加速度が印加された際のシミュレーション結果を示す図である。
【図１０】図４に示す加速度センサに加速度が印加された際のシミュレーション結果を示す図である。
【図１１】従来の加速度センサ装置を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下に図面を参照して、本発明にかかる加速度センサ及び加速度センサ装置の好適な実施の形態を詳細に説明する。なお、以下の実施の形態で用いられる図は模式的なものであり、図面上の寸法比率は現実のものとは必ずしも一致していない。また、本発明は以下の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々の変更、改良等が可能である。なお、本実施形態ではピエゾ抵抗効果を利用した三次元加速度センサ装置を例に説明する。
【００１１】
＜加速度センサ装置＞
［第１の実施形態］
図１は第１の実施形態にかかる加速度センサ装置１００の斜視図、図２は図１の加速度センサ装置１００の蓋１０を外した状態の平面図である。また、図３は図２に示す加速度センサ装置１００の断面図であり、図３（ａ）は図２のＡ−Ａ’線で切断したときの断面に相当し、図３（ｂ）は図２のＢ−Ｂ’線で切断したときの断面に相当する。これらの図に示すように第１の実施形態にかかる加速度センサ装置１００は、加速度センサ２０と基体１とから主に構成されている。
【００１２】
まず加速度センサ２０について説明する。図４は、図３（ａ）に示した加速度センサ装置１００から加速度センサ２０を抜き出した図である。図４に示すように加速度センサ２０は、固定部５０と、固定部５０に対し変位可能な重り部７と、固定部５０および重り部７を連結するとともに重り部の変位に伴って撓む梁部５とを備えている。また、固定部５０の梁部５との連結部１２外周に、梁部５の長手方向に沿って断面視凹曲線の内面６を有した溝部４が設けられていることにより、梁部５が固定部５０側および重り部７側に延出された延出部２５を有するように設けられている。
【００１３】
加速度センサ２０に加速度が加わると、加速度に応じた力がこの重り部７に作用し、重り部７が動くことで梁部５が撓むようになっている。第１の実施形態における重り部７には、その四隅に連結された４個の付属重り部７´が設けられている。付属重り部７´は、重り部７と一体形成されるものであり、付属重り部７´を設けることによって加速度に対する梁部５の撓みが大きくなり、加速度の検出感度を向上させることができる。なお、重り部７および付属重り部７´の構成、機能および形成方法は、同一又は類似することから、以下では、付属重り部７´の説明を省略することがある。
【００１４】
重り部７は、平面形状が略正方形をなし、その一辺の長さは例えば０．２５ｍｍ〜０．５ｍｍに設定される。また重り部７の厚みは例えば０．２ｍｍ〜０．６２５ｍｍに設定される。付属重り部７´は、重り部７と同様に平面形状が、略正方形をなし、その一辺の長さは例えば０．１ｍｍ〜０．４ｍｍに設定される。また付属重り部７´の厚みは、重り部７と同じ厚みを有するように例えば０．２ｍｍ〜０．６２５ｍｍに設定される。なお、重り部７および付属重り部７´の平面形状は正方形に限られず、円や長方形など任意の形状が可能である。なお、重り部７と付属重り部７´は、例えばＳＯＩ（Silicon on Insulator）基板を加工することにより一体的に形成されている。
【００１５】
このような重り部７および付属重り部７´を囲繞するようにして枠状の固定部５０が形成されている。固定部５０は、平面形状が略正方形をなし、中央部に重り部７および付属重り部７´より若干大きい略正方形の開口部を有している。固定部５０は、その一辺が例えば１．０ｍｍ〜３．０ｍｍに設定され、固定部５０を構成するアームの幅（アームの長手方向と直交する方向の幅）は例えば０．３ｍｍ〜１．８ｍｍに設定される。また固定部５０の厚みは、例えば０．２ｍｍ〜０．６２５ｍｍに設定される。この固定部５０の下面が接着剤１１によって基体１の主面１Ａに接合されることにより加速度センサ２０が基体１に固定されることとなる。
【００１６】
このような固定部５０と重り部７との間には図４に示されるように一定厚みの梁部５が設けられている。梁部５は、一方端が重り部７の側面の各辺の上面側中央部に連結され、他方端が固定部５０の側面の内周における各辺の上面側中央部に連結されている。また、図２にも示すように第１の実施形態における加速度センサ２０では、４本の梁部５が設けられている。
【００１７】
梁部５は可撓性を有し、加速度センサ２０に加速度が加わると重り部７が動き、重り部７の動きに伴って梁部５が撓むようになっている。梁部５は、例えば長手方向の長さが０．１５ｍｍ〜０．８ｍｍに設定され、幅（長手方向と直交する方向の長さ）が０．０４ｍｍ〜０．２ｍｍに設定され、厚みｔ１が５μｍ〜２０μｍに設定されている。このように梁部５を細長く且つ薄く形成することによって可撓性が発現される。
【００１８】
梁部５が連結された固定部５０の側面の連結部１２外周には、溝部４が設けられている。本実施形態において溝部４は梁部５の連結部下部に形成され、そのような溝部４は断面視凹曲線の内面６によって形成されている。ここで、断面視凹曲線とは、梁部５の厚み方向に溝部４を断面視した際の溝部４の曲線を指す。具体的には、溝部４の断面視凹曲線の内面６は、梁部５の長手方向に略平行な長軸３１を有し、溝部４が形成された固定部５０の側面上に短軸３０を有する楕円の一部により形成されている。
【００１９】
本実施形態では溝部４の断面視凹曲線の内面６全体が楕円から形成されている。このように梁部５が連結された固定部５０の連結部１２下部に、梁部５の長手方向に沿って溝部４を設けることによって、梁部５が延出部２５を有する構造となる。これにより延出部２５の分だけ梁部５の長さが長くなるため検出感度の向上が図れる。さらに、溝部４の断面視凹曲線の内面６全体が楕円の一部により形成されていることから、溝部４の内面６に集中する応力を緩和することができる。これにより、加速度センサの検出感度の低下を抑えながら耐衝撃性を向上させることができる。なお、このような楕円は、梁部５と略平行な仮想直線上の２定点からの距離の和が一定な曲線により形成され、その曲線が梁部５と固定部５０の連結部１２下部で、梁部５の長手方向と連続するように接続される。
【００２０】
本実施形態では重り部７側にも溝部４が設けられている。重り部７にも溝部４を形成することによって、梁部５が延出された延出部２５が重り部７にも形成される。このように梁部５が連結された重り部７の連結部１２下部にも溝部４を設けることによって、梁部５が固定部５０側と重り部７側の両方に延出部２５を有する構造となる。これにより重り部７に形成された延出部２５の分だけ梁部５の長さが長くなるため検出感度がより一層向上する。また、梁部５と重り部７との連結部１２下部においても、応力を緩和することができる。
【００２１】
溝部４は、梁部５と固定部５０との連結部１２下部および梁部５と重り部７との連結部１２下部に形成されている。溝部４は、平面視して梁部５の幅と略同一の幅で形成される。本実施形態では、断面視して溝部４全体が楕円により形成されており、溝部４の長軸３１の長軸半径は、剛性の観点から固定部５０の幅ｗ１が梁部５の厚みｔ１より厚くなるように形成される。なお、湾曲する外周面６の曲率半径は、半径が常に同じ円の曲率半径以上にすることが好ましい。その中でも、短軸３０の短軸半径と長軸３１の長軸半径とを等しくして、溝部４の断面視凹曲線の内面６全体を円の一部として形成した場合、集中する応力を溝部４全体で均一に緩和させることができる。
【００２２】
さらに、溝部４の短軸３０の短軸半径を、梁部５の厚みｔ１より大きくすることにより、梁部５と固定部５０との連結部１２下部に集中する応力を大きく緩和させることができる。
【００２３】
また、梁部５と固定部５０との連結部１２下部および梁部５と重り部７との連結部１２下部に溝部４を設けることによって、Ｚ軸方向に加速度がかかる場合、特に梁部５と固定部５０との連結部１２下部に応力が集中しやすいため効果的に集中する応力を緩和することができる。
【００２４】
梁部５の上面には、図２に示すように複数の抵抗素子９が形成されている。抵抗素子９は、より具体的には、シリコン基板にボロンを打ち込むことにより形成されたピエゾ抵抗素子である。ピエゾ抵抗素子は、ピエゾ抵抗素子にかかる応力の強さによって抵抗値が変化することから応力のかかりやすい位置に配置される。
【００２５】
このことから、ピエゾ抵抗素子は梁部５が撓んだ際に応力がかかりやすい梁部５と固定部５０との接合部上面および梁部５と重り部７との接合部上面の周縁に形成される。溝部４を設けて梁部５に延出部２５が形成されている場合、延出部２５の分だけ梁部５が長くなるため、延出部２５の周縁部上面に応力がよりかかりやすくなる。このことから、延出部２５の周縁部上面に抵抗素子９を形成することが好ましい。第１の実施形態では、３軸方向（図２に示した３次元直交座標系におけるＸ軸方向、Ｙ軸方向、Ｚ軸方向）の加速度を検出できるように梁部５の所定の位置にこれらの抵抗素子９が形成されている。例えば、Ｘ軸方向に伸びる２つの梁部５には、Ｘ軸方向の加速度を検出するための４個の抵抗素子９が設けられており、それぞれの梁部５に２個ずつ配置されている。これら４個の抵抗素子９のうち、固定部５０側に配された抵抗素子同士を直列に接続し、重り部７側に配された抵抗素子同士を直列に接続し、これらを並列に接続することでブリッジ回路を構成している。
【００２６】
またＹ軸方向に伸びる２つの梁部５には、Ｙ軸方向の加速度を検出するための４個の抵抗素子９が設けられており、これらの抵抗素子９を、Ｘ軸方向の加速度検出用の抵抗素子９と同様に配置し、抵抗素子同士の接続を行うことによってブリッジ回路を構成している。
【００２７】
また、Ｚ軸方向の加速度を検出するための４個の抵抗素子９が、Ｘ軸方向に伸びる２つの梁部５に、Ｘ軸方向の加速度を検出するための４個の抵抗素子９それぞれと並ぶようにして形成されている。このＺ軸方向の加速度検出用の抵抗素子９は、Ｘ軸方向の加速度検出用の抵抗素子９とは、抵抗素子同士の接続の仕方が異なっており、第１の実施形態では、Ｘ軸方向に伸びる２本の梁部５のうち一方の梁部５に設けられた固定部５０側の抵抗素子９と、他方の梁部５に設けられた重り部７側の抵抗素子９とを直列接続してブリッジ回路を構成している。なおＺ軸方向の加速度検出用の抵抗素子９は、Ｘ軸方向に伸びる梁部５に設けたのと同様にして、Ｙ軸方向に伸びる２つの梁部５に設けるようにしてもよい。
【００２８】
このようなブリッジ回路が組まれた加速度センサ２０に加速度が加わると、上述したように梁部５が撓み、この撓みに伴って抵抗素子９が変形するため、ブリッジ回路で検出する出力電圧が変化する。この抵抗値の変化に基づく出力電圧の変化を電気信号として取り出し、ＩＣチップ２３で演算処理することによって印加された加速度の方向並びに大きさを検知することができる。固定部５０の上面には、抵抗素子９と電気的に接続される素子側電極パッド１５が設けられており、この素子側電極パッド１５を介して抵抗素子同士の接続や抵抗素子９からの電気信号の外部への取り出しなどを行っている。
【００２９】
以上説明した通り、第１の実施形態の加速度センサ２０は、梁部５と固定部５０との連結部１２下部および梁部５と重り部７との連結部１２下部に、梁部５の長手方向に沿って溝部４を設けることにより、梁部５が固定部５０および重り部７に延出された延出部２５が形成される。このように溝部４を形成することによって、延出部２５の分だけ梁部５の長さを長くすることができる。
【００３０】
さらに、溝部４の断面視凹曲線の内面６全体が楕円により形成されていることから、溝部４の内面６に集中する応力を緩和することができる。このことから、従来の同サイズの加速度センサと比較した場合、梁部５の厚みを維持しつつ、固定部５０および重り部７の連結部１２下部において集中する応力を緩和させることができるので、加速度検出感度の低下を招きにくい。
【００３１】
さらに、溝部４を設けて延出部２５が形成されることにより、梁部５の長手方向の長さが延出部２５の分だけ長くなることから梁部５が撓みやすくなり、梁部５の上面にかかる応力を大きくすることができる。また、抵抗素子９を最大応力のかかる固定部５０と梁部５とが連結された周縁の位置および重り部７と梁部５とが連結された周縁の位置に配置した場合、同じ加速度の印加でも、従来の梁部５にかかる応力より大きな応力をかけることができるので加速度検出の感度を向上させることができる。
【００３２】
かかる加速度センサ２０は、図３（ａ）に示すように基体１に実装されている。基体１は加速度センサ２０を保護する機能を有し、内部には加速度センサ２０を収容するキャビティ８が設けられている。基体１は、例えば、セラミック材料などからなる４枚の絶縁層１a〜１ｄを積層することにより構成されている。絶縁層１ａは平板状の部材からなり、その主面１Ａに加速度センサ２０が載置される。絶縁層１ｂは加速度センサ２０より若干大きい開口部を有する枠状の部材であり、絶縁層１ａと接合されている。絶縁層１ｃは、絶縁層１ｂの開口部より広い開口部を有する枠状の部材であり、絶縁層１ｂの主面の一部が露出するようにして絶縁層１ｂと接合されている。さらに、絶縁層１ａの主面１Ａと対向する他方主面には絶縁層１ｄが接合されており、絶縁層１ｄは絶縁層１ｂと同様に孔部を有する枠状の部材からなる。このように形成された絶縁層１ｄの孔部にはＩＣチップ２３が収容される。
【００３３】
絶縁層１ｃの開口部から露出する絶縁層１ｂの主面には、複数の基板側電極パッド１６が形成されている。基板側電極パッド１６は金属細線１７によって加速度センサ２０の固定部５０上面に設けた素子側電極パッド１５と電気的に接続されている。また基体１の下面には、複数の外部端子１８が設けられており、外部端子１８は基体１の内部に設けたビアホール導体１９を介して基板側電極パッド１６と接続されている。すなわち、加速度センサ２０の電気信号は、素子側電極パッド１５、金属細線１７、基板側電極パッド１６、ビアホール導体１９、ＩＣチップ２３、外部端子１８などを介して外部へ取り出されることとなる。
【００３４】
このような基体１の主面１Ａに載置される加速度センサ２０は、図３（ｂ）に示すように、接着剤１１により絶縁層１ａに接合されている。接着剤１１は、例えば、シリコーン樹脂やエポキシ樹脂などを使用することができる。
【００３５】
接着剤１１には、重り部７の下面と基体１の主面１Ａとの間に所定の大きさのギャップが形成されるように、所定の径を有する球状のスペーサ部材２２が混合されている。すなわち、重り部７の下面と基体１の主面１Ａとの間のギャップの大きさをスペーサ部材２２によって制御することができる。スペーサ部材２２は、例えばシリカ、シリコン、ジビニルベンゼンなど所定の硬さを有する球状の部材であり、その直径は例えば２〜３０μｍである。
【００３６】
また、ＩＣチップ２３は基体１に設けたビアホール導体１９や配線導体（図示せず）などを介して加速度センサ２０及び外部端子１８と電気的に接続されている。ＩＣチップ２３は、例えば加速度センサ２０の出力信号を増幅する増幅回路、加速度センサ２０の温度特性を補正する温度補正回路、ノイズを除去するノイズ除去回路などが集積化されたものである。
【００３７】
第１の実施形態の加速度センサ２０のように梁部５が重り部７の上面四辺の中央部に連結されている場合、加速度センサ２０と基体１との接合は、固定部５０の四隅部において行うことが好ましい。これにより加速度センサ２０の基体１への接合箇所と梁部５との間の距離が離れるため、接着剤１１による接合に起因して発生し得る残留応力が梁部５に与える影響を小さくすることができ、加速度センサ装置１００の電気的な特性が劣化するのを抑えることができる。
【００３８】
加速度センサ２０が接合された基体１のキャビティ８の開口部を塞ぐようにして蓋１０が基体１の主面１Ａに固着されている。これにより加速度センサ２０がキャビティ８内に気密封止されることとなる。蓋１０は、例えば４２アロイやステンレスなどの金属板からなり、銀ロウやエポキシ樹脂などの接合剤により基体１に接合されている。
【００３９】
以上、本発明の加速度センサ装置１００によれば、接着剤１１の接着面積のばらつきを小さくすることができ、加速度センサ２０に不均一な残留応力が発生するのを抑制して電気的な特性が優れた加速度センサ装置１００となすことができる。
【００４０】
本実施形態では、ピエゾ抵抗効果を加速度検出に利用した加速度センサについて説明したが、静電容量効果を利用して加速度検出を行う加速度センサに適宜応用することができる。
【００４１】
（変形例）
図５は、溝部４の断面形状のパターンの一例を示す拡大断面図である。なお、図５では梁部５と固定部５０の一角のみを示している。図５（ａ）に示す図は、溝部４の一部が、楕円の一部と直線を組み合わせることにより形成されている。図５（ａ）は、溝部４の断面視凹曲線の内面６が、梁部５下部と連続する曲線と直線により形成されている。このように、溝部４は、円や直線など種々の形状を組み合わせることが可能である。
【００４２】
図５（ｂ）に示す図は、溝部４全体が半径Ｒ１の半円により形成されている。このように、溝部４の断面視凹曲線の内面６全体を半円で形成することにより、梁部５と固定部５０との連結部１２下部に集中する応力を断面視凹曲線の内面６で均一に緩和させることができる。
【００４３】
図５（ｃ）に示す図は、溝部４を深く形成して延出部２５が長手方向に長くなるように形成されている。図５（ｃ）の場合は、溝部４を形成することによって、断面視して梁部５から延出された延出部２５が梁部５と同じ厚みで一定距離形成される。このように延出部２５を長く形成することによって、耐衝撃性を向上させると共に、梁部５をより長くすることができるため加速度センサを大型化することなく加速度検出感度を向上させることができる。
【００４４】
［第２の実施形態］
次に、第２の実施形態にかかる加速度センサ２００について説明する。
第１の実施形態の加速度センサ２０と重複する部分については同一符号を付し、その説明を省略する。第１の実施形態の加速度センサ２０では、梁部５と固定部５０との連結部１２下部および梁部５と重り部７との連結部１２下部に溝部４を設けることにより延出部２５を形成していたが、第２の実施形態の加速度センサ２００では、溝部２０２を梁部５と固定部２０５との連結部２１０側面および梁部５と重り部２０７との連結部２１０側面に設けて延出部２２０を形成している。
【００４５】
図６（ａ）は第２の実施形態にかかる加速度センサ２００を示す平面図であり、図６（ｂ）は図６（ａ）のＣ−Ｃ´線で切断したときの断面に相当する。第２の実施形態の加速度センサ２００は、梁部５と固定部２０５との連結部２１０側面および梁部５と重り部２０７との連結部２１０側面に溝部２０２を設けている。溝部２０２は、図６（ｂ）が示すように、固定部５０を貫通するように形成されている。このように連結部２１０側面に溝部２０２を設けることにより、梁部５が固定部２０５側および重り部２０７側に延出された延出部２２０が形成され、延出部２２０の分だけ梁部５の長さを長くすることができる。さらに、溝部４が断面視凹曲線の内面６であることから、内面６に集中する応力を緩和することができる。ただし、本実施形態において断面視凹曲線とは、溝部４を梁部５の幅方向に断面視した際の溝部４の曲線を指す。
【００４６】
以上のことから、固定部２０５および重り部２０７の連結部２１０側面において集中する応力を緩和させることができ、耐衝撃性を向上させることができる。また、ＸＹ軸方向に加速度がかかる場合、特に梁部５と固定部５０との連結部２１０側面および梁部５と重り部２０７との連結部２１０側面に応力が集中しやすいため、このように溝部２０２を設けることによって集中する応力を効果的に緩和することができる。
【００４７】
［第３の実施形態］
次に、第３の実施形態にかかる加速度センサ３００について説明する。第１の実施形態の加速度センサ２０と重複する部分については同一符号を付し、その説明を省略する。図７は、第３の実施形態にかかる加速度センサ３００の要部を示す拡大斜視図である。図７では固定部５０と梁部５との連結部１２のみを示している。図７に示すように、本実施形態にかかる加速度センサ３００は、梁部５の連結部１２外周全部に断面視凹曲線の内面４１を有する溝部４０を形成したものである。このように連結部１２外周全部に溝部４０を有することによって、ＸＹＺ軸の３軸方向に加速度がかかった場合でも、応力を効果的に緩和することができる。なお、本実施形態では固定部５０と梁部５との連結部１２に溝部４０を設けることを説明したが、重り部７と梁部５との連結部１２全部にも同様の溝部４０を設けてもよい。
【００４８】
＜加速度センサ装置の製造方法＞
次に本発明の第１の実施形態にかかる加速度センサ装置の製造工程を図８を用いて説明する。図８は、加速度センサ２０の製造方法を説明する断面図である。
【００４９】
（工程Ａ）
図８（ａ）に示すように、まず重り部７と、重り部７を囲繞する枠状の固定部５０と、一方端が固定部５０の側面に連結され、且つ他方端が重り部７の側面に連結される梁部５と、梁部５に設けられる抵抗素子９と、を有する加速度センサ２０を準備する。一方で、シリコン層からなり、加速度センサ２０が載置される基体１を準備する。
【００５０】
加速度センサ２０は例えば、シリコン層の間にＳｉＯ２層３５を有するＳＯＩ基板３７を用いて作製される。まず、ＳＯＩ基板３７表面のシリコン層にイオン注入法によりボロンを注入することでピエゾ抵抗からなる抵抗素子９（図示せず）を形成する。抵抗素子９を形成した後、ピエゾ抵抗素子に連結する配線を金属スパッター、ドライエッチング装置を用いて作製する。次に、従来周知の半導体微細加工技術、例えばフォトリソグラフィ法やディープドライエッチングによりＳＯＩ基板３７の裏面側に穿孔部３６を設けることにより固定部５０および重り部７を形成し、その後、表面側から穿孔部３６まで貫通する加工を施すことにより梁部５を形成する。
【００５１】
（工程Ｂ）
さらに、工程Ａによって準備された加速度センサ２０の穿孔部３６が形成された裏面側からエッチングガスにフッ酸を用いて、固定部５０および重り部７のＳｉＯ２層３５をドライエッチングする。その後、図８（ｂ）に示すように、有機ケイ素化合物を用いて撥水性ドライコーティングを行うことにより、ドライエッチング後に残ったＳｉＯ２層３５の端部に撥水部３８を形成する。撥水部３８は、角などに多く形成されやすいため、ＳｉＯ２層３５の端部の上部と下部に撥水部３８が多く形成される。さらに、このドライエッチングと撥水性ドライコーティングを繰り返すことによって、ＳｉＯ２層３５側の端部の上部と下部がドライエッチングされにくいため、梁部５と固定部５０との連結部１２下部および梁部５と重り部７との連結部１２下部に溝部４が設けられる。このようにして図８（ｃ）に示すような加速度センサ２０が作製される。なお、加速度センサ２０を平面視して、梁部５と固定部５０との連結部１２側面および梁部５と重り部７との連結部１２側面に形成される溝部４は、上述のフォトリソグラフィ法やディープドライエッチング法により形成することができる。
【００５２】
（工程Ｃ）
一方、基体１はアルミナなどのセラミック材料からなる複数の絶縁層１ａ〜１ｄを積層することにより形成される。具体的には、主面１Ａを有する平板状の絶縁層１ａ、矩形状の開口部を有する絶縁層１ｂ、絶縁層１ｂの開口部より大きな開口部を有する絶縁層１ｃを順次積層し、絶縁層１ａの主面１Ａと対向する他方主面に絶縁層１ｄを接合することより基体１が作製される。
【００５３】
次に図３に示すように基体１の主面１Ａで且つ加速度センサ２０を載置したときに接着剤１１を塗布する。接着剤１１は硬化前のシリコーン樹脂やエポキシ樹脂であり、ディスペンサーなどを用いて基体１の主面１Ａに塗布される。接着剤１１には、シリカ、シリコン、ジビニルベンゼンなどからなる直径が２μｍ〜３０μｍ程度の球状のスペーサ部材２２が混合されており、このスペーサ部材２２が固定部５０の下面と基体１の主面１Ａとの間に介在されることにより基体１の主面１Ａと重り部７の下面との間に隙間を形成することができる。
【００５４】
次に加速度センサ２０を基体１の主面１Ａに載置させ、接着剤１１を硬化させることにより加速度センサ２０と基体１とを接合する。加速度センサ２０を基体１に接合した後、金、銅、アルミニウムなどからなる金属細線１７により加速度センサ２０に設けた素子側電極パッド１５と基体１に設けた基板側電極パッド１６とを接続する。最後に４２アロイなどからなる金属製の蓋１０を銀ロウやエポキシ樹脂などの接合剤により基体１の上面（絶縁層１ｃの上面）に接合することより製品としての加速度センサ装置１００が完成する。
【実施例１】
【００５５】
次に本発明の加速度センサ２０について、加速度が加わったときの状態を２次元有限要素法によるシミュレーションにより検証した。図９は、図５（ｂ）に示す溝部４を有する加速度センサ２０に加速度が印加された際の梁部５と固定部５０との連結部１２下部における応力集中係数を示すシミュレーション結果である。シミュレーションモデルを固定部５０の厚みｗ２を１００μｍとして、梁部５の厚みｔ１を５μｍ、１５μｍの２つの場合についてシミュレーションを行った。このモデルにおいて、梁部５と固定部５０との連結部１２から１５０μｍ離れた梁部５の下面からＺ軸の正の方向に１０μＮの力を印加したときに、溝部４の半径Ｒ１を変化させた場合の梁部５の下面と固定部５０との連結部１２における応力集中係数の変化を検証した。
【００５６】
図９のグラフは縦軸が応力集中係数を示し、横軸が半径Ｒ１を梁部５の厚みｔ１で割った値（Ｒ１／ｔ１）を示している。応力集中係数は、どれだけ応力が集中するかを表わす値であり、応力集中係数の値が大きくなればなる程、１点に集中する応力の割合が大きいことを表す。この図９のシミュレーション結果が示すように、溝部４により形成される断面視凹曲線の内面６の半径Ｒ１と梁部５の厚みｔ１の比を大きくしていくことによって、応力集中係数を１に近い値にすることができる。ここで応力集中係数が１とは、応力が一様に分布していることを示す。このように、内面６の半径Ｒ１を梁部５の厚みｔ１と同じ以上に大きくすることによって、梁部５と固定部５０との連結部１２に集中していた応力を緩和させることができる。このように応力が分散されることから、梁部５と固定部５０との連結部１２下部にかかる応力の大きさを大幅に低減させることがわかる。若しくは、内面６の半径Ｒ１に対して梁部５の厚みｔ１を薄くすることによって集中する応力を大幅に低減させることができる。
【実施例２】
【００５７】
さらに、実施例１と同じ条件で溝部４の断面形状が楕円により形成されている加速度センサ２０について加速度が加わったときの状態をシミュレーションにより検証した。以下、実施例１と異なる部分についてのみ説明する。図１０は、図４に示す溝部４を有する加速度センサ２０に加速度が印加された際の梁部５と固定部５０との連結部１２下部における応力集中係数を示すシミュレーション結果である。本実施例２のシミュレーションのモデルを、図４に示すような溝部４の断面視凹曲線の内面６が短軸３０および長軸３１を有するような楕円の一部とした。また、このモデルにおいて、楕円の長軸半径は短軸半径Ｒ２の２倍とし、梁部５の厚みｔ１を５μｍとした。なお、比較例は実施例１の梁部５の厚みｔ１が５μｍとしたシミュレーション結果である。この結果から、溝部４により形成される内面６の曲率半径を円より大きな楕円で形成することにより、より小さな半径Ｒ２で応力の集中を緩和することができることがわかる。
【符号の説明】
【００５８】
１ 基板
１ａ〜１ｄ 絶縁層
４ 溝部
５ 梁部
６ 内面
７ 重り部
７´ 付属重り部
８ キャビティ
９ 抵抗素子
１０ 蓋
１１ 接着剤
１２ 連結部
１５ 素子側電極パッド
１６ 基板側電極パッド
１７ 金属細線
１８ 外部端子
１９ ビアホール導体
２０ 加速度センサ
２２ スペーサ部材
２３ ＩＣチップ
２５ 延出部
３０ 短軸
３１ 長軸
３５ ＳｉＯ２層
３６ 穿孔部
３８ 撥水部
５０ 固定部
１００ 加速度センサ装置
Ｒ１ 半径
【技術分野】
【０００１】
この発明は、耐衝撃性を向上させた加速度センサ及び加速度センサ装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来の加速度センサは、重り部と、重り部を囲繞する枠状の固定部と、重り部と固定部とに連結される梁部とを有している。このような加速度センサは、加速度が加わると梁部が撓むため加速度検出が可能となっていた。ところで、梁部と固定部との連結部にはエッジが存在し、この部分に応力が集中しやすい。一方、梁部は薄く形成されているため、エッジ部分に集中する応力によって梁部に不具合が生じやすく、過度な加速度に対する耐衝撃性に問題があった。また、梁部と重り部との連結部においても同様の問題があった。
【０００３】
そこで、耐衝撃性を向上させた加速度センサとしては、例えば特許文献１のようなものがある。図１１に特許文献１に記載された従来の加速度センサ装置を示す。同図に示す加速度センサは、図１１に示すように重り部７１と、重り部７１を囲繞する枠状の固定部７０と、重り部７１と固定部７０とに連結される梁部７２とを備え、固定部７０と重り部７１とを連結する梁部７２の境界部分７３の外形が滑らかに連続した形状となるように付属部７４を有している。加速度センサをこのような構成にすることにより、梁部７２の下面と固定部７０との接合部および梁部７２の下面と重り部７１との接合部に集中する応力を緩和させることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００８−１２２３０１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、従来の加速度センサでは、境界部分７３における梁部７２の下面と固定部７０との接合部および梁部７２と重り部７１との接合部の外形を滑らかにするために、付属部７４を境界部分７３につけていた。そのため、付属部７４を取り付けた梁部７２の厚みが一部厚くなることから梁部７２が撓みにくくなり、加速度検出の感度が低下していた。
【０００６】
本発明は、以上のような諸事情を鑑みて案出されたものであり、集中する応力を緩和させつつ、感度の低下を抑えた加速度センサ及び加速度センサ装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の加速度センサ装置は、固定部と、前記固定部に対して変位可能な重り部と、前記固定部および前記重り部を連結するとともに前記重り部の変位に伴って撓む梁部と、を含み、前記固定部および前記重り部は、少なくとも一方の側面の前記梁部との連結部外周に、前記梁部の長手方向に沿って断面視凹曲線の内面を有した溝部を備えるようになっている。
【発明の効果】
【０００８】
本発明の加速度センサ装置によれば、梁部が連結された固定部および重り部の少なくとも一方の側面の梁部との連結部外周に、梁部の長手方向に沿って断面視凹曲線の内面を有した溝部を備えることを特徴とする。このように、梁部の長手方向に沿って断面視凹曲線の内面を有した溝部を備えることから、この溝部の内面に集中する応力を緩和することができる。さらに、梁部が延出された延出部の分だけ梁部の長さが長くなるため検出感度の向上が図れる。これらのことから、検出感度の低下を抑えながら耐衝撃性に優れた加速度センサ及び加速度センサ装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の第１の実施形態にかかる加速度センサ装置の斜視図である。
【図２】図１に示す加速度センサ装置の蓋を外した状態の平面図である。
【図３】図１に示す加速度センサ装置の断面図であり、（ａ）は図２のＡ−Ａ´線で切断したときの断面に、（ｂ）は図２のＢ−Ｂ´線で切断したときの断面にそれぞれ相当する。
【図４】本発明の第１の実施形態にかかる加速度センサの断面図である。
【図５】（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は本発明の第１の実施形態にかかる加速度センサの変形例を示す部分的な拡大断面図である。
【図６】本発明の第２の実施形態にかかる加速度センサを示す図であり、（ａ）は第２の実施形態にかかる加速度センサの平面図、（ｂ）は図６（ａ）のＣ−Ｃ´線で切断したときの断面に相当する図である。
【図７】本発明の第３の実施形態にかかる加速度センサを示す部分的な拡大斜視図である。
【図８】（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は本発明の第１の実施形態にかかる加速度センサの製造方法の一例を説明する断面図である。
【図９】図５（ｂ）に示す構造を有する加速度センサに加速度が印加された際のシミュレーション結果を示す図である。
【図１０】図４に示す加速度センサに加速度が印加された際のシミュレーション結果を示す図である。
【図１１】従来の加速度センサ装置を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下に図面を参照して、本発明にかかる加速度センサ及び加速度センサ装置の好適な実施の形態を詳細に説明する。なお、以下の実施の形態で用いられる図は模式的なものであり、図面上の寸法比率は現実のものとは必ずしも一致していない。また、本発明は以下の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々の変更、改良等が可能である。なお、本実施形態ではピエゾ抵抗効果を利用した三次元加速度センサ装置を例に説明する。
【００１１】
＜加速度センサ装置＞
［第１の実施形態］
図１は第１の実施形態にかかる加速度センサ装置１００の斜視図、図２は図１の加速度センサ装置１００の蓋１０を外した状態の平面図である。また、図３は図２に示す加速度センサ装置１００の断面図であり、図３（ａ）は図２のＡ−Ａ’線で切断したときの断面に相当し、図３（ｂ）は図２のＢ−Ｂ’線で切断したときの断面に相当する。これらの図に示すように第１の実施形態にかかる加速度センサ装置１００は、加速度センサ２０と基体１とから主に構成されている。
【００１２】
まず加速度センサ２０について説明する。図４は、図３（ａ）に示した加速度センサ装置１００から加速度センサ２０を抜き出した図である。図４に示すように加速度センサ２０は、固定部５０と、固定部５０に対し変位可能な重り部７と、固定部５０および重り部７を連結するとともに重り部の変位に伴って撓む梁部５とを備えている。また、固定部５０の梁部５との連結部１２外周に、梁部５の長手方向に沿って断面視凹曲線の内面６を有した溝部４が設けられていることにより、梁部５が固定部５０側および重り部７側に延出された延出部２５を有するように設けられている。
【００１３】
加速度センサ２０に加速度が加わると、加速度に応じた力がこの重り部７に作用し、重り部７が動くことで梁部５が撓むようになっている。第１の実施形態における重り部７には、その四隅に連結された４個の付属重り部７´が設けられている。付属重り部７´は、重り部７と一体形成されるものであり、付属重り部７´を設けることによって加速度に対する梁部５の撓みが大きくなり、加速度の検出感度を向上させることができる。なお、重り部７および付属重り部７´の構成、機能および形成方法は、同一又は類似することから、以下では、付属重り部７´の説明を省略することがある。
【００１４】
重り部７は、平面形状が略正方形をなし、その一辺の長さは例えば０．２５ｍｍ〜０．５ｍｍに設定される。また重り部７の厚みは例えば０．２ｍｍ〜０．６２５ｍｍに設定される。付属重り部７´は、重り部７と同様に平面形状が、略正方形をなし、その一辺の長さは例えば０．１ｍｍ〜０．４ｍｍに設定される。また付属重り部７´の厚みは、重り部７と同じ厚みを有するように例えば０．２ｍｍ〜０．６２５ｍｍに設定される。なお、重り部７および付属重り部７´の平面形状は正方形に限られず、円や長方形など任意の形状が可能である。なお、重り部７と付属重り部７´は、例えばＳＯＩ（Silicon on Insulator）基板を加工することにより一体的に形成されている。
【００１５】
このような重り部７および付属重り部７´を囲繞するようにして枠状の固定部５０が形成されている。固定部５０は、平面形状が略正方形をなし、中央部に重り部７および付属重り部７´より若干大きい略正方形の開口部を有している。固定部５０は、その一辺が例えば１．０ｍｍ〜３．０ｍｍに設定され、固定部５０を構成するアームの幅（アームの長手方向と直交する方向の幅）は例えば０．３ｍｍ〜１．８ｍｍに設定される。また固定部５０の厚みは、例えば０．２ｍｍ〜０．６２５ｍｍに設定される。この固定部５０の下面が接着剤１１によって基体１の主面１Ａに接合されることにより加速度センサ２０が基体１に固定されることとなる。
【００１６】
このような固定部５０と重り部７との間には図４に示されるように一定厚みの梁部５が設けられている。梁部５は、一方端が重り部７の側面の各辺の上面側中央部に連結され、他方端が固定部５０の側面の内周における各辺の上面側中央部に連結されている。また、図２にも示すように第１の実施形態における加速度センサ２０では、４本の梁部５が設けられている。
【００１７】
梁部５は可撓性を有し、加速度センサ２０に加速度が加わると重り部７が動き、重り部７の動きに伴って梁部５が撓むようになっている。梁部５は、例えば長手方向の長さが０．１５ｍｍ〜０．８ｍｍに設定され、幅（長手方向と直交する方向の長さ）が０．０４ｍｍ〜０．２ｍｍに設定され、厚みｔ１が５μｍ〜２０μｍに設定されている。このように梁部５を細長く且つ薄く形成することによって可撓性が発現される。
【００１８】
梁部５が連結された固定部５０の側面の連結部１２外周には、溝部４が設けられている。本実施形態において溝部４は梁部５の連結部下部に形成され、そのような溝部４は断面視凹曲線の内面６によって形成されている。ここで、断面視凹曲線とは、梁部５の厚み方向に溝部４を断面視した際の溝部４の曲線を指す。具体的には、溝部４の断面視凹曲線の内面６は、梁部５の長手方向に略平行な長軸３１を有し、溝部４が形成された固定部５０の側面上に短軸３０を有する楕円の一部により形成されている。
【００１９】
本実施形態では溝部４の断面視凹曲線の内面６全体が楕円から形成されている。このように梁部５が連結された固定部５０の連結部１２下部に、梁部５の長手方向に沿って溝部４を設けることによって、梁部５が延出部２５を有する構造となる。これにより延出部２５の分だけ梁部５の長さが長くなるため検出感度の向上が図れる。さらに、溝部４の断面視凹曲線の内面６全体が楕円の一部により形成されていることから、溝部４の内面６に集中する応力を緩和することができる。これにより、加速度センサの検出感度の低下を抑えながら耐衝撃性を向上させることができる。なお、このような楕円は、梁部５と略平行な仮想直線上の２定点からの距離の和が一定な曲線により形成され、その曲線が梁部５と固定部５０の連結部１２下部で、梁部５の長手方向と連続するように接続される。
【００２０】
本実施形態では重り部７側にも溝部４が設けられている。重り部７にも溝部４を形成することによって、梁部５が延出された延出部２５が重り部７にも形成される。このように梁部５が連結された重り部７の連結部１２下部にも溝部４を設けることによって、梁部５が固定部５０側と重り部７側の両方に延出部２５を有する構造となる。これにより重り部７に形成された延出部２５の分だけ梁部５の長さが長くなるため検出感度がより一層向上する。また、梁部５と重り部７との連結部１２下部においても、応力を緩和することができる。
【００２１】
溝部４は、梁部５と固定部５０との連結部１２下部および梁部５と重り部７との連結部１２下部に形成されている。溝部４は、平面視して梁部５の幅と略同一の幅で形成される。本実施形態では、断面視して溝部４全体が楕円により形成されており、溝部４の長軸３１の長軸半径は、剛性の観点から固定部５０の幅ｗ１が梁部５の厚みｔ１より厚くなるように形成される。なお、湾曲する外周面６の曲率半径は、半径が常に同じ円の曲率半径以上にすることが好ましい。その中でも、短軸３０の短軸半径と長軸３１の長軸半径とを等しくして、溝部４の断面視凹曲線の内面６全体を円の一部として形成した場合、集中する応力を溝部４全体で均一に緩和させることができる。
【００２２】
さらに、溝部４の短軸３０の短軸半径を、梁部５の厚みｔ１より大きくすることにより、梁部５と固定部５０との連結部１２下部に集中する応力を大きく緩和させることができる。
【００２３】
また、梁部５と固定部５０との連結部１２下部および梁部５と重り部７との連結部１２下部に溝部４を設けることによって、Ｚ軸方向に加速度がかかる場合、特に梁部５と固定部５０との連結部１２下部に応力が集中しやすいため効果的に集中する応力を緩和することができる。
【００２４】
梁部５の上面には、図２に示すように複数の抵抗素子９が形成されている。抵抗素子９は、より具体的には、シリコン基板にボロンを打ち込むことにより形成されたピエゾ抵抗素子である。ピエゾ抵抗素子は、ピエゾ抵抗素子にかかる応力の強さによって抵抗値が変化することから応力のかかりやすい位置に配置される。
【００２５】
このことから、ピエゾ抵抗素子は梁部５が撓んだ際に応力がかかりやすい梁部５と固定部５０との接合部上面および梁部５と重り部７との接合部上面の周縁に形成される。溝部４を設けて梁部５に延出部２５が形成されている場合、延出部２５の分だけ梁部５が長くなるため、延出部２５の周縁部上面に応力がよりかかりやすくなる。このことから、延出部２５の周縁部上面に抵抗素子９を形成することが好ましい。第１の実施形態では、３軸方向（図２に示した３次元直交座標系におけるＸ軸方向、Ｙ軸方向、Ｚ軸方向）の加速度を検出できるように梁部５の所定の位置にこれらの抵抗素子９が形成されている。例えば、Ｘ軸方向に伸びる２つの梁部５には、Ｘ軸方向の加速度を検出するための４個の抵抗素子９が設けられており、それぞれの梁部５に２個ずつ配置されている。これら４個の抵抗素子９のうち、固定部５０側に配された抵抗素子同士を直列に接続し、重り部７側に配された抵抗素子同士を直列に接続し、これらを並列に接続することでブリッジ回路を構成している。
【００２６】
またＹ軸方向に伸びる２つの梁部５には、Ｙ軸方向の加速度を検出するための４個の抵抗素子９が設けられており、これらの抵抗素子９を、Ｘ軸方向の加速度検出用の抵抗素子９と同様に配置し、抵抗素子同士の接続を行うことによってブリッジ回路を構成している。
【００２７】
また、Ｚ軸方向の加速度を検出するための４個の抵抗素子９が、Ｘ軸方向に伸びる２つの梁部５に、Ｘ軸方向の加速度を検出するための４個の抵抗素子９それぞれと並ぶようにして形成されている。このＺ軸方向の加速度検出用の抵抗素子９は、Ｘ軸方向の加速度検出用の抵抗素子９とは、抵抗素子同士の接続の仕方が異なっており、第１の実施形態では、Ｘ軸方向に伸びる２本の梁部５のうち一方の梁部５に設けられた固定部５０側の抵抗素子９と、他方の梁部５に設けられた重り部７側の抵抗素子９とを直列接続してブリッジ回路を構成している。なおＺ軸方向の加速度検出用の抵抗素子９は、Ｘ軸方向に伸びる梁部５に設けたのと同様にして、Ｙ軸方向に伸びる２つの梁部５に設けるようにしてもよい。
【００２８】
このようなブリッジ回路が組まれた加速度センサ２０に加速度が加わると、上述したように梁部５が撓み、この撓みに伴って抵抗素子９が変形するため、ブリッジ回路で検出する出力電圧が変化する。この抵抗値の変化に基づく出力電圧の変化を電気信号として取り出し、ＩＣチップ２３で演算処理することによって印加された加速度の方向並びに大きさを検知することができる。固定部５０の上面には、抵抗素子９と電気的に接続される素子側電極パッド１５が設けられており、この素子側電極パッド１５を介して抵抗素子同士の接続や抵抗素子９からの電気信号の外部への取り出しなどを行っている。
【００２９】
以上説明した通り、第１の実施形態の加速度センサ２０は、梁部５と固定部５０との連結部１２下部および梁部５と重り部７との連結部１２下部に、梁部５の長手方向に沿って溝部４を設けることにより、梁部５が固定部５０および重り部７に延出された延出部２５が形成される。このように溝部４を形成することによって、延出部２５の分だけ梁部５の長さを長くすることができる。
【００３０】
さらに、溝部４の断面視凹曲線の内面６全体が楕円により形成されていることから、溝部４の内面６に集中する応力を緩和することができる。このことから、従来の同サイズの加速度センサと比較した場合、梁部５の厚みを維持しつつ、固定部５０および重り部７の連結部１２下部において集中する応力を緩和させることができるので、加速度検出感度の低下を招きにくい。
【００３１】
さらに、溝部４を設けて延出部２５が形成されることにより、梁部５の長手方向の長さが延出部２５の分だけ長くなることから梁部５が撓みやすくなり、梁部５の上面にかかる応力を大きくすることができる。また、抵抗素子９を最大応力のかかる固定部５０と梁部５とが連結された周縁の位置および重り部７と梁部５とが連結された周縁の位置に配置した場合、同じ加速度の印加でも、従来の梁部５にかかる応力より大きな応力をかけることができるので加速度検出の感度を向上させることができる。
【００３２】
かかる加速度センサ２０は、図３（ａ）に示すように基体１に実装されている。基体１は加速度センサ２０を保護する機能を有し、内部には加速度センサ２０を収容するキャビティ８が設けられている。基体１は、例えば、セラミック材料などからなる４枚の絶縁層１a〜１ｄを積層することにより構成されている。絶縁層１ａは平板状の部材からなり、その主面１Ａに加速度センサ２０が載置される。絶縁層１ｂは加速度センサ２０より若干大きい開口部を有する枠状の部材であり、絶縁層１ａと接合されている。絶縁層１ｃは、絶縁層１ｂの開口部より広い開口部を有する枠状の部材であり、絶縁層１ｂの主面の一部が露出するようにして絶縁層１ｂと接合されている。さらに、絶縁層１ａの主面１Ａと対向する他方主面には絶縁層１ｄが接合されており、絶縁層１ｄは絶縁層１ｂと同様に孔部を有する枠状の部材からなる。このように形成された絶縁層１ｄの孔部にはＩＣチップ２３が収容される。
【００３３】
絶縁層１ｃの開口部から露出する絶縁層１ｂの主面には、複数の基板側電極パッド１６が形成されている。基板側電極パッド１６は金属細線１７によって加速度センサ２０の固定部５０上面に設けた素子側電極パッド１５と電気的に接続されている。また基体１の下面には、複数の外部端子１８が設けられており、外部端子１８は基体１の内部に設けたビアホール導体１９を介して基板側電極パッド１６と接続されている。すなわち、加速度センサ２０の電気信号は、素子側電極パッド１５、金属細線１７、基板側電極パッド１６、ビアホール導体１９、ＩＣチップ２３、外部端子１８などを介して外部へ取り出されることとなる。
【００３４】
このような基体１の主面１Ａに載置される加速度センサ２０は、図３（ｂ）に示すように、接着剤１１により絶縁層１ａに接合されている。接着剤１１は、例えば、シリコーン樹脂やエポキシ樹脂などを使用することができる。
【００３５】
接着剤１１には、重り部７の下面と基体１の主面１Ａとの間に所定の大きさのギャップが形成されるように、所定の径を有する球状のスペーサ部材２２が混合されている。すなわち、重り部７の下面と基体１の主面１Ａとの間のギャップの大きさをスペーサ部材２２によって制御することができる。スペーサ部材２２は、例えばシリカ、シリコン、ジビニルベンゼンなど所定の硬さを有する球状の部材であり、その直径は例えば２〜３０μｍである。
【００３６】
また、ＩＣチップ２３は基体１に設けたビアホール導体１９や配線導体（図示せず）などを介して加速度センサ２０及び外部端子１８と電気的に接続されている。ＩＣチップ２３は、例えば加速度センサ２０の出力信号を増幅する増幅回路、加速度センサ２０の温度特性を補正する温度補正回路、ノイズを除去するノイズ除去回路などが集積化されたものである。
【００３７】
第１の実施形態の加速度センサ２０のように梁部５が重り部７の上面四辺の中央部に連結されている場合、加速度センサ２０と基体１との接合は、固定部５０の四隅部において行うことが好ましい。これにより加速度センサ２０の基体１への接合箇所と梁部５との間の距離が離れるため、接着剤１１による接合に起因して発生し得る残留応力が梁部５に与える影響を小さくすることができ、加速度センサ装置１００の電気的な特性が劣化するのを抑えることができる。
【００３８】
加速度センサ２０が接合された基体１のキャビティ８の開口部を塞ぐようにして蓋１０が基体１の主面１Ａに固着されている。これにより加速度センサ２０がキャビティ８内に気密封止されることとなる。蓋１０は、例えば４２アロイやステンレスなどの金属板からなり、銀ロウやエポキシ樹脂などの接合剤により基体１に接合されている。
【００３９】
以上、本発明の加速度センサ装置１００によれば、接着剤１１の接着面積のばらつきを小さくすることができ、加速度センサ２０に不均一な残留応力が発生するのを抑制して電気的な特性が優れた加速度センサ装置１００となすことができる。
【００４０】
本実施形態では、ピエゾ抵抗効果を加速度検出に利用した加速度センサについて説明したが、静電容量効果を利用して加速度検出を行う加速度センサに適宜応用することができる。
【００４１】
（変形例）
図５は、溝部４の断面形状のパターンの一例を示す拡大断面図である。なお、図５では梁部５と固定部５０の一角のみを示している。図５（ａ）に示す図は、溝部４の一部が、楕円の一部と直線を組み合わせることにより形成されている。図５（ａ）は、溝部４の断面視凹曲線の内面６が、梁部５下部と連続する曲線と直線により形成されている。このように、溝部４は、円や直線など種々の形状を組み合わせることが可能である。
【００４２】
図５（ｂ）に示す図は、溝部４全体が半径Ｒ１の半円により形成されている。このように、溝部４の断面視凹曲線の内面６全体を半円で形成することにより、梁部５と固定部５０との連結部１２下部に集中する応力を断面視凹曲線の内面６で均一に緩和させることができる。
【００４３】
図５（ｃ）に示す図は、溝部４を深く形成して延出部２５が長手方向に長くなるように形成されている。図５（ｃ）の場合は、溝部４を形成することによって、断面視して梁部５から延出された延出部２５が梁部５と同じ厚みで一定距離形成される。このように延出部２５を長く形成することによって、耐衝撃性を向上させると共に、梁部５をより長くすることができるため加速度センサを大型化することなく加速度検出感度を向上させることができる。
【００４４】
［第２の実施形態］
次に、第２の実施形態にかかる加速度センサ２００について説明する。
第１の実施形態の加速度センサ２０と重複する部分については同一符号を付し、その説明を省略する。第１の実施形態の加速度センサ２０では、梁部５と固定部５０との連結部１２下部および梁部５と重り部７との連結部１２下部に溝部４を設けることにより延出部２５を形成していたが、第２の実施形態の加速度センサ２００では、溝部２０２を梁部５と固定部２０５との連結部２１０側面および梁部５と重り部２０７との連結部２１０側面に設けて延出部２２０を形成している。
【００４５】
図６（ａ）は第２の実施形態にかかる加速度センサ２００を示す平面図であり、図６（ｂ）は図６（ａ）のＣ−Ｃ´線で切断したときの断面に相当する。第２の実施形態の加速度センサ２００は、梁部５と固定部２０５との連結部２１０側面および梁部５と重り部２０７との連結部２１０側面に溝部２０２を設けている。溝部２０２は、図６（ｂ）が示すように、固定部５０を貫通するように形成されている。このように連結部２１０側面に溝部２０２を設けることにより、梁部５が固定部２０５側および重り部２０７側に延出された延出部２２０が形成され、延出部２２０の分だけ梁部５の長さを長くすることができる。さらに、溝部４が断面視凹曲線の内面６であることから、内面６に集中する応力を緩和することができる。ただし、本実施形態において断面視凹曲線とは、溝部４を梁部５の幅方向に断面視した際の溝部４の曲線を指す。
【００４６】
以上のことから、固定部２０５および重り部２０７の連結部２１０側面において集中する応力を緩和させることができ、耐衝撃性を向上させることができる。また、ＸＹ軸方向に加速度がかかる場合、特に梁部５と固定部５０との連結部２１０側面および梁部５と重り部２０７との連結部２１０側面に応力が集中しやすいため、このように溝部２０２を設けることによって集中する応力を効果的に緩和することができる。
【００４７】
［第３の実施形態］
次に、第３の実施形態にかかる加速度センサ３００について説明する。第１の実施形態の加速度センサ２０と重複する部分については同一符号を付し、その説明を省略する。図７は、第３の実施形態にかかる加速度センサ３００の要部を示す拡大斜視図である。図７では固定部５０と梁部５との連結部１２のみを示している。図７に示すように、本実施形態にかかる加速度センサ３００は、梁部５の連結部１２外周全部に断面視凹曲線の内面４１を有する溝部４０を形成したものである。このように連結部１２外周全部に溝部４０を有することによって、ＸＹＺ軸の３軸方向に加速度がかかった場合でも、応力を効果的に緩和することができる。なお、本実施形態では固定部５０と梁部５との連結部１２に溝部４０を設けることを説明したが、重り部７と梁部５との連結部１２全部にも同様の溝部４０を設けてもよい。
【００４８】
＜加速度センサ装置の製造方法＞
次に本発明の第１の実施形態にかかる加速度センサ装置の製造工程を図８を用いて説明する。図８は、加速度センサ２０の製造方法を説明する断面図である。
【００４９】
（工程Ａ）
図８（ａ）に示すように、まず重り部７と、重り部７を囲繞する枠状の固定部５０と、一方端が固定部５０の側面に連結され、且つ他方端が重り部７の側面に連結される梁部５と、梁部５に設けられる抵抗素子９と、を有する加速度センサ２０を準備する。一方で、シリコン層からなり、加速度センサ２０が載置される基体１を準備する。
【００５０】
加速度センサ２０は例えば、シリコン層の間にＳｉＯ２層３５を有するＳＯＩ基板３７を用いて作製される。まず、ＳＯＩ基板３７表面のシリコン層にイオン注入法によりボロンを注入することでピエゾ抵抗からなる抵抗素子９（図示せず）を形成する。抵抗素子９を形成した後、ピエゾ抵抗素子に連結する配線を金属スパッター、ドライエッチング装置を用いて作製する。次に、従来周知の半導体微細加工技術、例えばフォトリソグラフィ法やディープドライエッチングによりＳＯＩ基板３７の裏面側に穿孔部３６を設けることにより固定部５０および重り部７を形成し、その後、表面側から穿孔部３６まで貫通する加工を施すことにより梁部５を形成する。
【００５１】
（工程Ｂ）
さらに、工程Ａによって準備された加速度センサ２０の穿孔部３６が形成された裏面側からエッチングガスにフッ酸を用いて、固定部５０および重り部７のＳｉＯ２層３５をドライエッチングする。その後、図８（ｂ）に示すように、有機ケイ素化合物を用いて撥水性ドライコーティングを行うことにより、ドライエッチング後に残ったＳｉＯ２層３５の端部に撥水部３８を形成する。撥水部３８は、角などに多く形成されやすいため、ＳｉＯ２層３５の端部の上部と下部に撥水部３８が多く形成される。さらに、このドライエッチングと撥水性ドライコーティングを繰り返すことによって、ＳｉＯ２層３５側の端部の上部と下部がドライエッチングされにくいため、梁部５と固定部５０との連結部１２下部および梁部５と重り部７との連結部１２下部に溝部４が設けられる。このようにして図８（ｃ）に示すような加速度センサ２０が作製される。なお、加速度センサ２０を平面視して、梁部５と固定部５０との連結部１２側面および梁部５と重り部７との連結部１２側面に形成される溝部４は、上述のフォトリソグラフィ法やディープドライエッチング法により形成することができる。
【００５２】
（工程Ｃ）
一方、基体１はアルミナなどのセラミック材料からなる複数の絶縁層１ａ〜１ｄを積層することにより形成される。具体的には、主面１Ａを有する平板状の絶縁層１ａ、矩形状の開口部を有する絶縁層１ｂ、絶縁層１ｂの開口部より大きな開口部を有する絶縁層１ｃを順次積層し、絶縁層１ａの主面１Ａと対向する他方主面に絶縁層１ｄを接合することより基体１が作製される。
【００５３】
次に図３に示すように基体１の主面１Ａで且つ加速度センサ２０を載置したときに接着剤１１を塗布する。接着剤１１は硬化前のシリコーン樹脂やエポキシ樹脂であり、ディスペンサーなどを用いて基体１の主面１Ａに塗布される。接着剤１１には、シリカ、シリコン、ジビニルベンゼンなどからなる直径が２μｍ〜３０μｍ程度の球状のスペーサ部材２２が混合されており、このスペーサ部材２２が固定部５０の下面と基体１の主面１Ａとの間に介在されることにより基体１の主面１Ａと重り部７の下面との間に隙間を形成することができる。
【００５４】
次に加速度センサ２０を基体１の主面１Ａに載置させ、接着剤１１を硬化させることにより加速度センサ２０と基体１とを接合する。加速度センサ２０を基体１に接合した後、金、銅、アルミニウムなどからなる金属細線１７により加速度センサ２０に設けた素子側電極パッド１５と基体１に設けた基板側電極パッド１６とを接続する。最後に４２アロイなどからなる金属製の蓋１０を銀ロウやエポキシ樹脂などの接合剤により基体１の上面（絶縁層１ｃの上面）に接合することより製品としての加速度センサ装置１００が完成する。
【実施例１】
【００５５】
次に本発明の加速度センサ２０について、加速度が加わったときの状態を２次元有限要素法によるシミュレーションにより検証した。図９は、図５（ｂ）に示す溝部４を有する加速度センサ２０に加速度が印加された際の梁部５と固定部５０との連結部１２下部における応力集中係数を示すシミュレーション結果である。シミュレーションモデルを固定部５０の厚みｗ２を１００μｍとして、梁部５の厚みｔ１を５μｍ、１５μｍの２つの場合についてシミュレーションを行った。このモデルにおいて、梁部５と固定部５０との連結部１２から１５０μｍ離れた梁部５の下面からＺ軸の正の方向に１０μＮの力を印加したときに、溝部４の半径Ｒ１を変化させた場合の梁部５の下面と固定部５０との連結部１２における応力集中係数の変化を検証した。
【００５６】
図９のグラフは縦軸が応力集中係数を示し、横軸が半径Ｒ１を梁部５の厚みｔ１で割った値（Ｒ１／ｔ１）を示している。応力集中係数は、どれだけ応力が集中するかを表わす値であり、応力集中係数の値が大きくなればなる程、１点に集中する応力の割合が大きいことを表す。この図９のシミュレーション結果が示すように、溝部４により形成される断面視凹曲線の内面６の半径Ｒ１と梁部５の厚みｔ１の比を大きくしていくことによって、応力集中係数を１に近い値にすることができる。ここで応力集中係数が１とは、応力が一様に分布していることを示す。このように、内面６の半径Ｒ１を梁部５の厚みｔ１と同じ以上に大きくすることによって、梁部５と固定部５０との連結部１２に集中していた応力を緩和させることができる。このように応力が分散されることから、梁部５と固定部５０との連結部１２下部にかかる応力の大きさを大幅に低減させることがわかる。若しくは、内面６の半径Ｒ１に対して梁部５の厚みｔ１を薄くすることによって集中する応力を大幅に低減させることができる。
【実施例２】
【００５７】
さらに、実施例１と同じ条件で溝部４の断面形状が楕円により形成されている加速度センサ２０について加速度が加わったときの状態をシミュレーションにより検証した。以下、実施例１と異なる部分についてのみ説明する。図１０は、図４に示す溝部４を有する加速度センサ２０に加速度が印加された際の梁部５と固定部５０との連結部１２下部における応力集中係数を示すシミュレーション結果である。本実施例２のシミュレーションのモデルを、図４に示すような溝部４の断面視凹曲線の内面６が短軸３０および長軸３１を有するような楕円の一部とした。また、このモデルにおいて、楕円の長軸半径は短軸半径Ｒ２の２倍とし、梁部５の厚みｔ１を５μｍとした。なお、比較例は実施例１の梁部５の厚みｔ１が５μｍとしたシミュレーション結果である。この結果から、溝部４により形成される内面６の曲率半径を円より大きな楕円で形成することにより、より小さな半径Ｒ２で応力の集中を緩和することができることがわかる。
【符号の説明】
【００５８】
１ 基板
１ａ〜１ｄ 絶縁層
４ 溝部
５ 梁部
６ 内面
７ 重り部
７´ 付属重り部
８ キャビティ
９ 抵抗素子
１０ 蓋
１１ 接着剤
１２ 連結部
１５ 素子側電極パッド
１６ 基板側電極パッド
１７ 金属細線
１８ 外部端子
１９ ビアホール導体
２０ 加速度センサ
２２ スペーサ部材
２３ ＩＣチップ
２５ 延出部
３０ 短軸
３１ 長軸
３５ ＳｉＯ２層
３６ 穿孔部
３８ 撥水部
５０ 固定部
１００ 加速度センサ装置
Ｒ１ 半径
【特許請求の範囲】
【請求項１】
固定部と、前記固定部に対して変位可能な重り部と、前記固定部および前記重り部を連結するとともに前記重り部の変位に伴って撓む梁部と、を含み、
前記固定部および前記重り部は、少なくとも一方の側面の前記梁部との連結部外周に、前記梁部の長手方向に沿って断面視凹曲線の内面を有した溝部を備える加速度センサ。
【請求項２】
前記固定部および前記重り部は、両方の側面に、前記梁部との連結部外周に沿って前記溝部を有する請求項１に記載の加速度センサ。
【請求項３】
前記溝部の前記断面視凹曲線は、２定点からの距離の和が一定な曲線により形成されている請求項１または２に記載の加速度センサ。
【請求項４】
前記曲線全体が楕円の一部をなし、前記楕円の短軸は前記溝部が形成された前記側面と一致し、前記楕円の短軸の短軸半径が前記梁部の厚みより大きく形成されている請求項３に記載の加速度センサ。
【請求項１】
固定部と、前記固定部に対して変位可能な重り部と、前記固定部および前記重り部を連結するとともに前記重り部の変位に伴って撓む梁部と、を含み、
前記固定部および前記重り部は、少なくとも一方の側面の前記梁部との連結部外周に、前記梁部の長手方向に沿って断面視凹曲線の内面を有した溝部を備える加速度センサ。
【請求項２】
前記固定部および前記重り部は、両方の側面に、前記梁部との連結部外周に沿って前記溝部を有する請求項１に記載の加速度センサ。
【請求項３】
前記溝部の前記断面視凹曲線は、２定点からの距離の和が一定な曲線により形成されている請求項１または２に記載の加速度センサ。
【請求項４】
前記曲線全体が楕円の一部をなし、前記楕円の短軸は前記溝部が形成された前記側面と一致し、前記楕円の短軸の短軸半径が前記梁部の厚みより大きく形成されている請求項３に記載の加速度センサ。
【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２０１０−２５６２２１（Ｐ２０１０−２５６２２１Ａ）
【公開日】平成２２年１１月１１日（２０１０．１１．１１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−１０７９０５（Ｐ２００９−１０７９０５）
【出願日】平成２１年４月２７日（２００９．４．２７）
【出願人】（０００００６６３３）京セラ株式会社 (13,660)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年１１月１１日（２０１０．１１．１１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年４月２７日（２００９．４．２７）
【出願人】（０００００６６３３）京セラ株式会社 (13,660)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]