(57)【要約】【課題】本発明は航空機、車両などの移動体の姿勢制御やナビゲーションシステムにおける位置補正、携帯端末やゲーム機のモーション検知等に用いられる加速度センサにおいて、耐衝撃性を向上することを目的とする。【解決手段】この目的を達成するために、加速度センサ１０は、固定部１１と、一端が固定部１１に接続された梁部１２と、梁部１２の他端に接続された錘部１３と、を備え、錘部１３は、梁部１２に接続された薄肉領域１３ａと、この薄肉領域１３ａに接続された厚肉領域１３ｂと、から成り、薄肉領域１３ａの幅は梁部１２の幅よりも大きく、かつ、薄肉領域１３ａの厚みは厚肉領域１３ｂの厚みよりも小さい構成とする。【選択図】図１
2014132233.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
固定部と、
一端が前記固定部に接続された梁部と、
前記梁部の他端に接続された錘部と、を備え、
前記錘部は、前記梁部に接続された薄肉領域と、この薄肉領域に接続された厚肉領域と、から成り、
前記薄肉領域の幅は前記梁部の幅よりも大きく、かつ、前記薄肉領域の厚みは前記厚肉領域の厚みよりも小さい加速度センサ。
【請求項２】
前記薄肉領域と前記梁部とが接続された接続部分の両側のコーナー部を円弧状とした請求項１に記載の加速度センサ。
【請求項３】
前記厚肉領域は前記薄肉領域の下方に突出した突出部を有した請求項１に記載の加速度センサ。
【請求項４】
固定部と、
一端が前記固定部に接続された梁部と、
前記梁部の他端に接続された錘部と、を備え、
前記固定部は、前記梁部に接続された薄肉領域と、この薄肉領域に接続された厚肉領域と、から成り、
前記薄肉領域の幅は前記梁部の幅よりも大きく、かつ、前記薄肉領域の厚みは前記厚肉領域の厚みよりも小さい加速度センサ。
【請求項５】
前記薄肉領域と前記梁部とが接続された接続部分の両側のコーナー部を円弧状とした請求項４に記載の加速度センサ。
【請求項６】
前記厚肉領域は前記薄肉領域の下方に突出した突出部を有した請求項４に記載の加速度センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、航空機、車両などの移動体の姿勢制御やナビゲーションシステムにおける位置補正、携帯端末やゲーム機のモーション検知等に用いられる加速度センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
図１１に示すように、従来の加速度センサ１は、半導体基板２の中心部に錘部３が形成され、錘部３は薄肉の起歪部４によって周囲の外枠部５に揺動自在に支持され、起歪部４の表面あるいは裏面には粘弾性体６を付設していた。
【０００３】
なお、この出願の発明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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００７−８５８００号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
従来の加速度センサ１において、落下時や衝突時等に大きな衝撃が加速度センサ１に加わった際、薄肉の起歪部４と錘部３との接続部分に応力が集中し、この接続部分を起点として加速度センサ１が破損していた。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
そこで、本発明の加速度センサは、固定部と、一端が前記固定部に接続された梁部と、前記梁部の他端に接続された錘部と、を備え、前記錘部は、前記梁部に接続された薄肉領域と、この薄肉領域に接続された厚肉領域と、から成り、前記薄肉領域の幅は前記梁部の幅よりも大きく、かつ、前記薄肉領域の厚みは前記厚肉領域の厚みよりも小さい構成とする。
【発明の効果】
【０００７】
上記構成により、本発明の加速度センサは、梁部と錘部との接続部分に加わる応力を分散させることができるため、落下時や衝突時等の過大な衝撃が加わっても加速度センサの破損を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】実施の形態１における加速度センサの上面図および断面図
【図２】実施の形態１における加速度センサの他の構成例を示す図
【図３】実施の形態１における梁部への応力分布を示す図
【図４】実施の形態１における加速度センサの最大応力を示すグラフ
【図５】実施の形態１における加速度センサの他の構成例を示す図
【図６】実施の形態１における加速度センサの他の構成例を示す図
【図７】実施の形態１における梁部への応力分布を示す図
【図８】実施の形態２における加速度センサの上面図
【図９】実施の形態２における加速度センサの断面図
【図１０】実施の形態２における加速度センサの検出方法の説明図
【図１１】従来の加速度センサの断面図
【発明を実施するための形態】
【０００９】
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。
【００１０】
（実施の形態１）
図１（ａ）は本実施の形態における加速度センサの上面図であり、（ｂ）は（ａ）のＡＡ一点鎖線における断面図である。図１（ａ）（ｂ）において、加速度センサ１０は、固定部１１と、一端が固定部１１に接続された梁部１２と、梁部１２の他端に接続された錘部１３と、を備えている。この構成により、厚み方向（Ｚ軸方向）の加速度を検出することができる。
【００１１】
ここで、錘部１３は、梁部１２と接続された薄肉領域１３ａと、この薄肉領域１３ａに接続された厚肉領域１３ｂと、から成る。薄肉領域１３ａの幅（Ｙ軸方向の長さ）Ｗ２は梁部１２の幅Ｗ１よりも大きい。また、薄肉領域１３ａの厚み（Ｚ軸方向の長さ）Ｄ２は厚肉領域１３ｂの厚みＤ３よりも小さい。
【００１２】
この構成により、落下時や衝突時等に大きな衝撃が加速度センサ１０に加わった際、錘部１３の変位による応力は薄肉領域１３ａに分散し、従来構成のように梁部１２と錘部１３の接続部分に局所的に応力が集中しない。これは、薄肉領域１３ａの厚みＤ２が厚肉領域１３ｂの厚みＤ３よりも小さいため撓みやすく、また、薄肉領域１３ａの幅Ｗ２が梁部１２の幅Ｗ１よりも大きいため撓みによる応力が薄肉領域１３ａの幅方向に分散されるためである。したがって、加速度センサ１０の耐衝撃性が向上し、衝撃印加時の破損を低減できるのである。
【００１３】
なお、本構成では厚肉領域１３ｂの幅Ｗ３は薄肉領域１３ａの幅Ｗ２と同じとし、薄肉領域１３ａの厚みＤ２は梁部１２の厚みＤ１と同じとした。
【００１４】
図２は本実施の形態における他の構成例である。図２に示す加速度センサ１５は、図１の構成に加え、固定部１１にも薄肉領域１１ａと、この薄肉領域１１ａに接続された厚肉領域１１ｂを形成している。この固定部１１に形成した薄肉領域１１ａの幅（Ｙ軸方向の長さ）Ｗ４は梁部１２の幅Ｗ１よりも大きい。また、薄肉領域１１ａの厚み（Ｚ軸方向の長さ）Ｄ４は厚肉領域１１ｂの厚みＤ５よりも小さい。この構成により、梁部１２が根本（固定部１１との接続部分）から折れることを防ぐことができる。なお、錘部１３には薄肉領域１３ａを設けずに、固定部１１のみに薄肉領域１１ａを設けても耐衝撃性を向上させる効果がある。しかし、図２に示すように、錘部１３と固定部１１の両方に薄肉領域１３ａ、１１ａを形成することにより、梁部１２の根本（固定部１１との接続部分）および錘支持部（錘部１３との接続部分）の両方の応力集中を緩和でき、耐衝撃性を大幅に向上させることができる。
【００１５】
図３は梁部１２への応力分布を示した図である。図３（ａ）は従来構成、図３（ｂ）は図２に示した加速度センサ１５の構成（錘部１３および固定部１１に薄肉領域を設けた構成）であり、それぞれ外部から同一の加速度を印加した際に発生する応力の分布を示している。濃い色ほど、大きな応力が発生している箇所である。図３（ａ）に示すように、従来構成においては、梁部と錘部との接続領域、および梁部と固定部との接続領域に応力が集中している（特に接続領域の両側のコーナー部）。一方、図３（ｂ）に示すように、本実施例では錘部１３の薄肉領域１３ａに応力が分散し、その結果として梁部１２と錘部１３との接続領域への応力集中が緩和されている。また固定部１１の薄肉領域１１ａに応力が分散し、その結果として梁部１２と固定部１１との接続領域への応力集中が緩和されている。したがって、図３（ｂ）の実施例は、図３（ａ）の従来構成に比べて、衝撃印加による加速度センサ１０の破損が抑制される。
【００１６】
図４は図２の加速度センサ１５において、所定の衝撃を外部から加えた際に、梁部１２や薄肉領域１３ａに発生する最大応力を示したグラフである。ここで、横軸は薄肉領域１３ａの長さ（梁部１２から厚肉領域１３ｂまでの距離）であり、縦軸は所定の衝撃を外部から加えた際に、梁部１２又は薄肉領域１３ａに発生する最大応力である。縦軸は、薄肉領域１３ａの長さが０（薄肉領域なし）のときの最大応力を基準として比で表記している。このグラフから分かるように、薄肉領域１３ａの長さを長くするほど、最大応力は小さくなる。一方、薄肉領域１３ａの長さを長くするほど、錘部１３の質量が小さくなるため、加速度の検出感度が小さくなってしまう。
【００１７】
そこで、図５の加速度センサ１６のように、錘部１３の厚肉領域１３ｂにおいて、薄肉領域１３ａの下方に突出した突出部１３ｃを形成するのが好ましい。この構成により、薄肉領域１３ａの長さを長くするとともに、錘部１３の質量を大きくすることができるため、薄肉領域１３ａによる耐衝撃性と、加速度の検出感度向上を両立することができる。
【００１８】
図６は本実施の形態における他の構成例である。図６に示す加速度センサ１７は、図２の構成に加え、梁部１２と錘部１３とが接続された接続領域の両側のコーナー部Ｐ１、Ｐ２を円弧状に形成した。また、梁部１２と錘部１１とが接続された接続領域の両側のコーナー部Ｐ３、Ｐ４を円弧状に形成した。
【００１９】
図７は梁部への応力分布を示した図である。図７（ａ）は図２に示した加速度センサ１５の構成（錘部１３および固定部１１に薄肉領域を設けた構成）、図７（ｂ）は図６に示した加速度センサ１７の構成（錘部１３および固定部１１に薄肉領域を設けた、かつ、コーナー部Ｐ１〜Ｐ４を円弧状とした構成）であり、それぞれ外部から同一の加速度を印加した際に発生する応力の分布を示している。濃い色ほど、大きな応力が発生している箇所である。図７（ａ）に示すように、応力はコーナー部に集中しているが、図７（ｂ）に示すように、コーナー部を円弧状とすることにより応力が分散されている。したがって、コーナー部Ｐ１〜Ｐ４を円弧状とすることにより、さらに、衝撃印加による加速度センサ１７の破損が抑制される。
【００２０】
（実施の形態２）
図８は本実施の形態における加速度センサの上面図であり、図９は、図８のＢＢ一点鎖線における断面図である。
【００２１】
図８、図９に示すように、加速度センサ２０は、中空領域２１ａを有する固定部２１と、中空領域２１ａに面する固定部２１の４つの内縁から中空領域２１ａに向かって延出した４つの梁部２２と、この梁部２２の他端に接続された４つの錘部２３と、を備えている。この構成により、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸の３軸方向の加速度を検出することができる。
【００２２】
ここで、錘部２３は、梁部２２と接続された薄肉領域２３ａと、この薄肉領域２３ａに接続された厚肉領域２３ｂと、から成り、図８に示すように、薄肉領域２３ａの幅（Ｙ軸方向の長さ）Ｗ６は梁部２２の幅Ｗ５よりも大きい。また、図９に示すように、薄肉領域２３ａの厚み（Ｚ軸方向の長さ）Ｄ６は厚肉領域２３ｂの厚みＤ７よりも小さい。
【００２３】
この構成により、落下時や衝突時等に大きな衝撃が加速度センサ２０に加わった際、錘部２３の変位による応力は薄肉領域２３ａに分散する。これは、薄肉領域２３ａの厚みＤ６が厚肉領域２３ｂの厚みＤ７よりも小さいため撓みやすく、また、薄肉領域２３ａの幅Ｗ６が梁部２２の幅Ｗ５よりも大きいため撓みによる応力が薄肉領域２３ａの幅方向に分散されるためである。したがって、加速度センサ２０の耐衝撃性が向上し、衝撃印加時の破損を低減できる。
【００２４】
なお、厚肉領域２３ｂの幅Ｗ７は薄肉領域２３ａの幅Ｗ６より大きくし、厚肉領域２３ｂの厚みＤ７は薄肉領域２３ａの厚みＤ６より厚くした。
【００２５】
以下、加速度センサ２０の構成について詳細に説明する。
【００２６】
固定部２１は上面からみて四角形状であり、中心部に中空領域２１ａが形成されている。この中空領域２１ａは四角形や円状でも良い。
【００２７】
ここで、図８に示す如く、中空領域２１ａの外縁が４つの長辺と４つの短辺からなる八角形とし、４つの長辺をそれぞれ固定部２１の角部２１ｂに対向するように形成することが好ましい。これにより、４つの長辺と角部２１ｂとの間の領域に、対向基板（図示せず）を接着するための接着領域２１ｃを設けることができる。この結果、対向基板の面積を固定部２１の面積よりも小さくできるため、固定部２１の端部を対向基板から露出させ、固定部２１の端部に設けた電極パッド２１ｄとパッケージ（図示せず）又はＩＣ（図示せず）との接続を容易に行うことができる。
【００２８】
また、中空領域２１ａの４つの短辺に梁部２２を接続することが好ましい。この構成により、固定部２１の端部に設けた電極パッド２１ｄと梁部２２の上に形成した検出部２２ａとの配線距離を短くすることができ、配線へのノイズの混入を低減することができる。
【００２９】
また、４つの梁部２２にはスリット２２ｂを設けてもよい。この構成により、梁部２２の撓み量を大きくすることができ、加速度の検出感度を向上させることができる。
【００３０】
錘部２３は凸部を有し、中空領域２１ａの中心において、４つの錘部２３の凸部が互いに対向するように形成することが好ましい。この構成により、４つの錘部２３を互いに近接して形成することができる。これにより、４つの錘部２３の質量を大きくして感度を大きくするとともに、加速度センサ２０を小型化することができる。
【００３１】
固定部２１、梁部２２、錘部２３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できる。
【００３２】
検出部２２ａとして、歪抵抗方式や静電容量方式などを用いることができる。歪抵抗方式としてピエゾ抵抗を用いることにより、加速度センサ２０の感度を向上させることができる。また、歪抵抗方式として酸化膜歪み抵抗体を用いた薄膜抵抗方式を用いることにより、加速度センサ２０の温度特性を向上させることができる。
【００３３】
図１０は加速度の検出方法を説明するための回路例である。図１０（ａ）に示す如く、梁部２２の上部に検出部２２ａとして歪抵抗Ｒ１〜Ｒ８を配置している。また、固定部２１の上に歪抵抗Ｒ９、Ｒ１０を配置している。
【００３４】
図１０（ｂ）はＸ軸方向の加速度を検出する場合の回路例である。Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４をブリッジ接続し、対向する一対の接続点ＶｄｄとＧＮＤと間に電圧を印加し、他の一対の接続点ＶｘＰとＶｘＭと間の電位差（ＶｘＰ−ＶｘＭ）を検出することにより、Ｘ軸方向の加速度を検出することができる。
【００３５】
図１０（ｃ）はＹ軸方向の加速度を検出する場合の回路例である。Ｒ５、Ｒ６、Ｒ７、Ｒ８をブリッジ接続し、対向する一対の接続点ＶｄｄとＧＮＤと間に電圧を印加し、他の一対の接続点ＶｙＰとＶｙＭと間の電位差（ＶｙＰ−ＶｙＭ）を検出することにより、Ｙ軸方向の加速度を検出することができる。
【００３６】
図１０（ｄ）はＺ軸方向の加速度を検出する場合の回路例である。Ｒ５、Ｒ１０、Ｒ６、Ｒ９をブリッジ接続し、対向する一対の接続点ＶｄｄとＧＮＤと間に電圧を印加し、他の一対の接続点ＶｚＰとＶｚＭと間の電位差（ＶｚＰ−ＶｚＭ）を検出することにより、Ｚ軸方向の加速度を検出することができる。
【００３７】
以上説明した加速度センサ２０において、錘部２３に薄肉領域２３ａを設けることにより、図３に示した応力分布と同様に、梁部２２と錘部２３の接続部分に局所的に応力が集中しない。したがって、落下時や衝突時等に大きな衝撃が加速度センサ２０に加わった際、錘部２３の変位による応力は薄肉領域２３ａに分散し、加速度センサ２０の破損を抑制することができる。
【００３８】
なお、固定部２１に薄肉領域（図示せず）と、この薄肉領域に接続された厚肉領域（図示せず）を形成し、この固定部２１に形成した薄肉領域の幅を梁部２２の幅よりも大きくし、薄肉領域の厚みを梁部２２の厚みと同じにしてもよい。この構成により、梁２２が根本（固定部２１との接続部分）から折れることを防ぐことができる。そして、図２と同様に、固定部２１と錘部２３の両方に薄肉領域を形成することにより、梁２２の根本（固定部２１との接続部分）および錘支持部（錘部２３との接続部分）の両方の応力集中を緩和でき、耐衝撃性を大幅に向上させることができる。
【００３９】
なお、図５と同様に、錘部２３の厚肉領域２３ｂにおいて、薄肉領域２３ａの下方に突出した突出部（図示せず）を形成するのが好ましい。この構成により、薄肉領域２３ａの長さを長くするとともに、錘部２３の質量を大きくすることができるため、薄肉領域２３ａによる耐衝撃性と、加速度の検出感度向上を両立することができる。
【００４０】
なお、図６と同様に、梁部２２と錘部２３とが接続された接続領域の両側のコーナー部や、梁部２２と固定部２１とが接続された接続領域の両側のコーナー部を円弧状に形成してもよい。この構成により、図７に示した応力分布と同様に、コーナー部への応力集中を分散させ、耐衝撃性をさらに向上させることができる。
【産業上の利用可能性】
【００４１】
本発明の加速度センサは、感度ばらつきを抑制し、また、感度の経時変化を抑制することができるので、車両や携帯端末等に用いられる加速度センサとして有用である。
【符号の説明】
【００４２】
１  加速度センサ
２  半導体基板
３  錘部
４  起歪部
５  外枠部
６  粘弾性体
１０、１５、１６、１７、２０  加速度センサ
１１、２１  固定部
１１ａ  薄肉領域
１１ｂ  厚肉領域
１２、２２  梁部
１３、２３  錘部
１３ａ、２３ａ  薄肉領域
１３ｂ、２３ｂ  厚肉領域
２１ａ  中空領域
２１ｂ  角部
２１ｃ  接着領域
２１ｄ  電極パッド
２２ａ  検出部
２２ｂ  スリット
【図１】
2014132233.tif 000003
【図２】
2014132233.tif 000004
【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図８】
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【図９】
2014132233.tif 000009
【図１０】
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【図１１】
2014132233.tif 000011
【図３】
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【図７】
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