(57)【要約】【課題】信頼性の高い加速度・角速度検出素子を提供する。【解決手段】  基体と、力の印加により形状または物性値が変化する支持体と、前記支持体上に配置された重錘体と、前記支持体の変形または物性値の変化に応じた信号を検出する検出電極と、を有し、その下面を前記基体上に接触させた状態で配置された検出部と、を有し、前記検出電極は、互いに離間して配置された第１検出電極と第２検出電極とで構成される、加速度・角速度検出素子。加速度・角速度検出素子である。これにより、信頼性の高い加速度・角速度検出素子を提供することができる。【選択図】  図１
2011137699.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基体と、
力の印加により形状が変化する支持体と、前記支持体上に配置された重錘体と、前記支持体の変形の変化に応じた信号を検出する検出電極と、を含む積層体であり、その積層体の下面を前記基体上に接触させた状態で配置された検出部と、を有し、
前記検出電極は、互いに離間して配置された第１検出電極と第２検出電極とで構成される加速度・角速度検出素子。
【請求項２】
前記支持体は、力の印加により変形する材料からなり、
前記第１および第２検出電極は、前記支持体を厚み方向に挟持する一対の対向電極で構成される、請求項１に記載の加速度・角速度検出素子。
【請求項３】
前記基体は、圧電材料からなり、
前記支持体は、力の印加による形状変化する弾性体であり、
前記検出電極は、前記基体を伝搬する音響波を検出するＩＤＴ電極であり、
前記検出部は、前記基体側から順に、前記検出電極，前記支持体，前記重錘体が積層されてなる、請求項１に記載の加速度・角速度検出素子。
【請求項４】
基体と、
力の印加により物性値が変化する支持体と、前記支持体上に配置された重錘体と、前記支持体の物性値の変化に応じた信号を検出する検出電極と、を含む積層体であり、その積層体の下面を前記基体上に接触させた状態で配置された検出部と、を有し、
前記検出電極は、互いに離間して配置された第１検出電極と第２検出電極とで構成される加速度・角速度検出素子。
【請求項５】
前記検出電極は、離間方向の異なる、前記第１検出電極と前記第２検出電極とを２組以上有する、請求項１乃至４のいずれかに記載の加速度・角速度検出素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、加速度・角速度検出素子に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
加速度センサおよび角速度センサは、サーボ形、圧電形、静電容量形、及びピエゾ抵抗形などがある。
【０００３】
近年、マイクロマシン（ＭＥＭＳ：Micro Electro Mechanical System）技術を用いて、小型の加速度センサおよび角速度センサが実現されるに連れ、その用途が拡大している。例えば、パソコンなどのディスク保護用、デジタルカメラにおける手振れ感知用、または携帯電話の傾き感知用等に応用されている。これらの用途には信頼性の高いセンサが要求されると共に、空間を直交する３方向の検知が可能な３軸加速度センサおよび３軸角速度センサが望まれる。
【０００４】
従来の技術として、特許文献１では、１つの素子で加速度と角速度の双方が検出可能な装置が開示され、特許文献２では、重錘を所定軸周りに回転運動させることにより、多次元の角速度が同時に測定可能な角速度センサが開示されている。また、特許文献３には、ＭＥＭＳ技術を用いた半導体加速度センサの製造方法が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平０８−６８６３６号公報
【特許文献２】特開２００６−３８８７９号公報
【特許文献３】特許第３１９１７７０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、従来の技術の構成では、重錘を基板に対して変位可能な状態で支持する細長い形状の構成部位（支持部）が必要となっており、この部位に応力が集中し、信頼性が低下する恐れがあった。また、信頼性を確保するために、その形状を幅広にしたり、重錘の質量を軽くしたりするなどして、センサとしての感度が低下する恐れがあった。
【０００７】
また、上述のように、重錘を支持部により基板等に対してぶらさげた構成であることから、これらを製造する際に、重錘などの変位する部分が基板等に貼り付く恐れや、製造後にいても水分が付着したり過度の外力を受けたりした場合に、加速度および角速度により変位する部分が基板等に貼り付いてしまう恐れもあり、十分な信頼性を得ることができなかった。
【０００８】
本発明は、以上のような従来の技術における問題点を解決すべく案出されたものであり、その目的は、信頼性の高い加速度・角速度センサ検出素子を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の加速度・角速度検出素子は、基体と、力の印加により形状が変化する支持体と、前記支持体上に配置された重錘体と、前記支持体の変形に応じた信号を検出する検出電極と、を有する積層体であり、その積層体の下面を前記基体上に接触させた状態で配置された検出部と、を有し、前記検出電極は、互いに離間して配置された第１検出電極と第２検出電極とで構成されるものである。
【００１０】
本発明の加速度・角速度検出素子は、基体と、力の印加により物性値が変化する支持体と、前記支持体上に配置された重錘体と、前記支持体の物性値の変化に応じた信号を検出する検出電極と、を有する積層体であり、その積層体の下面を前記基体上に接触させた状態で配置された検出部と、を有し、前記検出電極は、互いに離間して配置された第１検出電極と第２検出電極とで構成されるものである。
【発明の効果】
【００１１】
本発明の加速度・角速度検出素子によれば、基体の上面から連続的に積み上げた構成の支持体自体によって加速度・角速度を検出するように構成されており、従来のような重錘を支持するための細長い形状の構造体を必要としない。このことから、加速度および角速度による力を受けても故障する恐れの少ない、信頼性の高いものとすることができる。また、従来のように重錘を支持部により基板等に対してぶらさげた構成をとる必要がないことから、変位すべき部分が他の固定部に貼り付き変位不能となることによる信頼性の低下を招くことがないものを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の加速度・角速度検出素子の一例を示す断面図である。
【図２】（ａ）〜（ｃ）はそれぞれ、本発明の加速度・角速度検出素子の加速度検出方法を説明する図である。
【図３】（ａ），（ｂ）はそれぞれ、本発明の加速度・角速度検出素子の加速度検出方法を説明する図である。
【図４】（ａ）〜（ｃ）はそれぞれ、本発明の加速度・角速度検出素子の加速度検出方法を説明する図である。
【図５】（ａ）〜（ｃ）はそれぞれ、図１に示す加速度・角速度検出素子の変形例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明の加速度・角速度検出素子について、図面を参照しつつ詳細に説明する。なお、図面において同様の箇所には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。
【００１４】
図１は本発明の加速度・角速度検出素子の実施の形態の一例を示す図である。図面の左右方向をＸ軸方向とし、左を負，右を正とし、紙面に直交する方向をＹ軸方向とし、上下方向をＺ軸方とする。
【００１５】
図１において、１は基体、２は検出電極，３は支持体，４は重錘体，５は検出電極２，支持体３，重錘体４を含む検出部である。検出電極２は、基体１の厚み方向に直交する第１方向に互いに離間して配置される、第１および第２検出電極２ａ，２ｂを含む。ここで、検出電極２は、支持体３の変形や物性変化に応じた信号を検出する。
【００１６】
加速度の検出は、加速度によって重錘体４に作用する力を検出することによる。すなわち、重錘体４に力が加わると、その直下にある支持体３が変形・もしくは物性値を変化させ、それに応じた信号変化を２つの検出電極２ａ，２ｂでそれぞれ検出する。
【００１７】
例えば、支持体３が変形する場合には、検出電極２として弾性表面波を検出するものとして、２つの検出電極２ａ，２ｂで検出される弾性表面波の位相差を検出する。位相差は、支持体３の変形によりその直下にある検出電極２に伝達する応力の違いに起因して発生する。また、同様に支持体３が変形する場合には、この支持体３を厚み方向において挟持するような一対の対向電極で第１および第２検出電極２ａ，２ｂをそれぞれ形成し、それぞれの検出電極２ａ，２ｂで検出される静電容量の変化を検出すればよい。
【００１８】
支持体３の誘電率が変化する場合には、この支持体３を厚み方向において挟持するような一対の対向電極で第１および第２検出電極２ａ，２ｂをそれぞれ形成し、それぞれの検出電極２ａ，２ｂで検出される静電容量検出の変化を検出すればよい。また、支持体３の屈折率が変化する場合には、第１および第２電極２ａ，２ｂとして、光路長の変化を検出できるものを用いればよい。
【００１９】
一方、角速度の検出は、軸線周りに回転するときに生じる慣性力を検出することによる。力の検出方法は上述の加速度の検出と同様とする。
【００２０】
ここで、図１の例では、支持体３の変形に起因する信号の変化を静電容量により検出する場合を例に説明する。
【００２１】
基体１は、その上面に検出部５が配置される平面部を有する構成であり、その材料については特に限定されず、例えばシリコン、ガラス、石英、アルミナその他のセラミック材料、樹脂、金属材料等が用いられる。
【００２２】
検出電極２は、加速度または角速度による、支持部３の形状もしくは、厚み，屈折率，誘電率等の材料物性値の変化に応じた信号変化を検出可能であれば、その形状は特に限定はされないが、図１においては、支持体３を厚み方向に挟持する一対の電極対で構成される第１検出電極２ａおよび第２検出電極２ｂで構成される。これらを構成する材料としては導電性のある材料であれば特に限定されず、例えば銅（Ｃｕ），金（Ａｕ），クロム（Ｃｒ），チタン（Ｔｉ），白金（Ｐｔ），アルミニウム（Ａｌ），銀（Ａｇ），ニッケル（Ｎｉ）等の金属材料を用いて、スパッタリング法，蒸着法，ＣＶＤ法，メッキ法，印刷法等の成膜方法により、単一の膜を成膜して形成してもよいし、異なる成分から成る複数の膜を積層して形成してもよい。また、基体１にイオン注入を行うことで、選択的に導電性を持たせる方法により形成してもよい。
【００２３】
支持体３は、加速度または角速度が加わることで、厚み等の形状が変化したり、屈折率・誘電率等の材料物性値が変化したりする材料であれば特に限定はないが、例えば樹脂、結晶材料等が用いられる。図１に示す例では、加速度または角速度の印加に起因する力により、形状が変化する樹脂からなる弾性体を用いている。そして、この支持体３の厚み方向で上側に位置する重錘体４から力が加わるため、支持体３は主に厚み方向に変形し、第１および第２検出電極２ａ，２ｂ、それぞれの一対の電極間の距離を変化させることができる。
【００２４】
重錘体４は、支持体３の厚み方向上側に配置され、その材料は、加速度および角速度に起因する力の影響を大きくするために比重の大きい材料が好ましく、例えば、支持体３などに比べ比重の大きい材料を用いる。具体的にはシリコン、ガラス、石英、アルミナその他のセラミックス、樹脂、金属材料等が用いられ、支持体３上に、成膜または、貼り付け等により形成される。
【００２５】
このような、検出電極２，支持体３，重錘体４により検出部５が構成される。検出部５は、基体１側から順に、第１検出電極２ａおよび第２検出電極２ｂを構成する１対の電極のうち下側に位置する電極，支持体３，第１検出電極２ａおよび第２検出電極２ｂを構成する１対の電極のうち上側に位置する電極，重錘体４が隙間なく積み上げられて構成された積層体となっており、その下面が基体１に接するように配置されている。支持体３は、第１検出電極２ａおよび第２検出電極２ｂを構成する１対の電極のうち下側に位置する電極の上から、検出部５を配置する領域全面にかけて形成される。このため、検出部５を構成する積層体の下面は、具体的には、第１検出電極２ａおよび第２検出電極２ｂを構成する１対の電極のうち下側に位置する電極と、検出部５を配置する領域のうち検出電極２の配置されていない領域に存在する支持体３とで形成される。図１に示す例では、検出部５は直方体状の形状となっており、構造上特に応力が集中する脆弱な部位はない。また、基体１や、基体１を含む素子を収容する不図示のパッケージ等に対して、ぶらさげる（浮かす）べき構成がないため、ぶらさげる（浮かす）べき構成部が固定部（基体やパッケージ）に貼り付く恐れもない。
【００２６】
なお、図１において、基体１上には、上述のような構成を有する第１検出部５ａ，第２検出部５ｂが配置されている。第１検出部５ａと第２検出部５ｂとは、ほぼ同一の構成であるが、第１検出電極２ａと第２検出電極２ｂとの離間方向が異なる。すなわち、第１検出部５ａの検出電極２はＸ軸方向に離間しており、第２検出部５ｂの検出電極２ｂはＹ軸方向に離間している。このように、検出電極２の離間方向が異なる検出部５を設けることで、後述の通り、３軸の加速度を検出することができる。
【００２７】
以上のような構成を有する図１に示す加速度・角速度検出素子によれば、加速度または角速度発生時に前記重錘体４に加わる慣性力により、支持体３が変形をする。この結果、支持体３の厚みが変化し、検出電極２により、加速度・角速度に応じた力の検出が可能となり、加速度・角速度の検出が可能なものとなる。そして、加速度および角速度により変位する部分を固定部（基体１等）から浮かせる構成にする必要がないため、加工プロセスおよび形成後での基体１等への貼り付きのないものとなる。さらに、加速度および角速度により変位する部分を、固定部に対して浮かせる構成にするための脆弱な構成（細長い形状部等）が必要ないことから、故障の少ない、信頼性の高いものとすることができる。
【００２８】
次に、加速度・角速度検出素子の検知原理を図２〜４により説明する。
【００２９】
図２（ａ）〜（ｃ）は、加速度を検知する場合を示している。なお、図面の左右方向をＸ軸方向とし、左を負，右を正とし、紙面に直交する方向をＹ軸方向とし、上下方向をＺ軸方とする。
【００３０】
図２（ａ）は、Ｘ軸またはＹ軸方向からの加速度が加わった場合を示す。Ｘ軸およびＹ軸方向から加速度ａが加わる場合、質量ｍの重錘体４は、Ｆ＝ｍａなる慣性力Ｆを受ける。この力に応じて、重錘体４が変位しようとする力が、下側に位置する支持体３に伝達し、支持体３が変形され、その厚みが変化する。この変化を第１検出電極２ａ，第２検出電極２ｂでそれぞれ検出する。ここで、第１検出電極２ａ，第２検出電極２ｂの離間方向と同じ方向の加速度を検出することができる。図２において、検出電極２はＸ軸方向に離間して配置されており、かつ、左側に位置する第１検出電極２ａの静電容量値が距離の減少に伴い大きくなり、右側に位置する第２検出電極２ｂの静電容量値が距離の増加に伴い小さくなっている。これにより、Ｘ軸の負方向に加速度が加わっていることが分かり、静電容量値の変化の割合により、加速度の大きさを検出することができる。
【００３１】
次に、図２（ｂ），（ｃ）は、Ｚ軸方向からの加速度が加わった場合を示す。Ｚ軸の下から上方向に慣性力が加わる場合は、支持体３は図２（ｂ）の矢印で示すように上方向に慣性力が加わり、その結果厚みが変化する。ここで、第１検出電極２ａ，第２検出電極２ｂ共に、慣性力が加わっていないときの値（初期値）に比べて距離の増加に伴い小さくなっていることにより、Ｘ軸，Ｙ軸方向からの力と区別することができ、Ｚ軸方向からの加速度を検出可能となる。また、Ｚ軸の上から下方向に慣性力が加わる場合は、支持体３は図２（ｃ）の矢印で示すように下方向に慣性力が加わり、その結果厚みが変化する。ここで、第１検出電極２ａ，第２検出電極２ｂ共に、慣性力が加わっていないときの値（初期値）に比べて距離の減少に伴い大きくなっていることにより、Ｘ軸，Ｙ軸方向からの力と区別することができ、Ｚ軸方向からの加速度を検出可能となる。
【００３２】
第１検出部５ａにより、Ｘ軸方向とＺ軸方向の２軸の加速度を検出することができ、第１検出部５ａ，第２検出部５ｂとの両方を有する場合には、３軸の加速度を検出することができる。
【００３３】
次に図３（ａ），（ｂ）を用いて、素子内部を回転中心とする場合の角速度検知について説明する。図３（ａ），（ｂ）は回転方向を説明する図であり、簡略化のため基体１のみを表示し、検出部５は配置位置のみを記載し、その構成の図示を省略している。図３（ａ）に示すように、素子にＸ軸周りの角速度が加わる場合、回転軸を挟んで基体１のＹ軸方向に離間する２箇所では、慣性力の働く方向が異なる。具体的には、Ｚ軸方向の正方向と負方向となる。これによりＸ軸周りの角速度を検出できる。同様に、回転軸がＹ軸方向である場合には、複数の検出部５をＸ軸方向に離間して配置すればよい。
【００３４】
また、図３（ｂ）に示すように、Ｚ軸に平行な回転軸を有する場合（Ｚ軸周りに角速度が発生する場合）には、各部位でＺ軸に垂直であり、かつ、回転の法線方向である矢印方向に慣性力が発生するため、回転軸の周囲に複数の検出部５を配置すると各検出部で異なる方向の力に応じた信号を検出することとなり、角速度と判別し、その大きさを検出することができる。
【００３５】
次に図４（ａ）〜（ｃ）を用いて、素子の外部を回転中心とする場合の角速度検知について説明する。図４（ａ），（ｃ）は、回転方向を説明する図であり、簡略化のため基体１のみを表示し、検出部５は配置位置のみを記載し、その構成の図示を省略している。図４（ａ）に示すように、素子にＸ軸周りの角速度が加わる場合、図４（ｂ）に示すように、複数の検出部５を配置すると、各検出部５で検出される信号の向きは、回転中心からの距離に応じて異なるため、角速度を判別し検出することができる。また、Ｚ軸周りに角速度が発生する場合（回転軸がＺ軸と平行な場合）には、図４（ｃ）に示すように、慣性力の方向が回転中心からの距離および位置により基体１上の複数の検出部５間で異なり、回転軸を中心とする円弧の法線方向に働く。これにより、角速度を検出することができる。
【００３６】
このようにして、加速度・角速度を検出することができる。なお、検出部５の個数および配置は、加速度・角速度検出素子の検出すべき軸数,運動方向等により適宜決定すればよい。
【００３７】
次に、図５に、図１に示す加速度・角速度検出素子の変形例について説明する。
【００３８】
図１においては、検出電極２は、一方向（仮に第１方向とする）に離間する一組の第１検出電極２ａ,第２検出電極２ｂのみを有する構成としたが、図５（ａ）に示すように、第１検出電極２ａ,第２検出電極２ｂを二組以上設け、それぞれの組の電極が異なる方向に離間するものとしてもよい。図５（ａ）は、検出部５の構成を示す平面図であり、基板上に配置されている検出電極２の配置を明確にするために、その上部に位置する支持体３，重錘体４の表示を省略し、これらの配置位置を破線で示している。図５（ａ）においては、第１方向に離間する第１検出電極２ａ,第２検出電極２ｂと、第１方向と直交する第２方向に離間する第１検出電極２ａ’,第２検出電極２ｂ’との二組を設けている。このように、１つの検出部５において、二方向に離間する検出電極２を有することで、１つの検出部で３軸の加速度を検出できるものとなる。
【００３９】
また、図１においては、第１検出電極２ａ,第２検出電極２ｂとして、それぞれ支持体３を挟持する一対の電極を例に説明したが、図５（ｂ）に示すように、支持体３の下面にＩＤＴ電極からなる第１検出電極２ａ,第２検出電極２ｂを形成してもよい。この場合には、検出部５は、基体１側から順に、検出電極２,支持体３,重錘体４が隙間なく積層されて構成される。基体１は、弾性表面波を伝播する圧電基板であり、支持体３は加速度・角速度に起因する力を受けて変形し、その力に応じた圧力を検出電極２に伝達する弾性体等を用いる。第１検出電極２ａ,第２検出電極２ｂはそれぞれ弾性表面波の受信側と送信側のＩＤＴ電極を含み、圧力に起因して、伝播される弾性表面波に位相差が発生する。各検出電極２ａ,２ｂの受信側で検出する弾性表面波の、送信側における弾性表面波との位相差を確認することで、加速度・角速度を検出することができる。
【００４０】
また、図１に示す例では、支持体３は加速度・角速度に起因する力により変形するものとしたが、物性値が変化するものを用いてもよい。例えば、力の印加に起因して誘電率が変化するような材料を用いて支持体３を形成した場合には、図１と同様の構成の検出電極２を用いて、第１検出電極２ａ,第２検出電極２ｂとの距離に起因する静電容量の変化ではなく、誘電率の違いに起因する静電容量の違いを確認すればよい。
【００４１】
さらに、図５（ｃ）に示すように、図５（ａ）に示す検出部５を４個、基体１上に配置してもよい。具体的には、基体１の厚み方向（図の上下方向）をＺ軸とすると、図５（ａ）に示す構成の４つの検出部（第１検出部５ａ〜第４検出部５ｄ）を設け、第１検出部５ａ,第２検出部５ｂとはＸ軸方向に離間して配置させ、第１検出部５ａと第３検出部５ｃと、および第２検出部５ｂと第４検出部５ｄとをＹ軸方向に離間するように配置させている。これにより、３軸方向の加速度・角速度を検出することができるようになる。
【００４２】
なお、本発明の構造は上述の実施の形態の例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で種々の変更・改良を加えることができる。
【００４３】
例えば、図５（ａ）では、検出部５は第１検出電極２ａ，第２検出電極２ｂの組と、第１検出電極２ａ’，第２検出電極２ｂ’の組との２組の検出電極２を有する場合について説明したが、第１検出電極２ａ，第２検出電極２ｂに加え、第３検出電極を設け、この３つの電極を仮想同心円の円弧上に互いに離間して配置してもよい。例えば、仮想同心円の円弧上に等間隔に配置する。このように配置することで、３つの電極であっても３軸の加速度を検出できるものとなる。
【実施例】
【００４４】
次に、図５（ａ）に示す加速度・角速度検出素子の構成を例に本発明の実施例を説明する。
【００４５】
まず、ＬＴ基板からなる基体１上に、ＣｒおよびＡｕをスパッタリング法によりＣｒ／Ａｕの積層構造（各層の厚みは０．０１μｍ／０．１μｍである）の導電層を形成した。次に、通常のフォトリソグラフィプロセスにより、この導電層をＩＤＴ電極を構成するように、互いにかみ合うような櫛歯状の電極対にパターン加工して、ＳＡＷ共振子となる検出電極２とした。
【００４６】
次に、感光性ポリイミド樹脂材料をスピンコートしフォトリソ加工することで、２０μｍの厚みからなる支持部３を形成した。
【００４７】
最後に、別途形成した厚み０．５ｍｍのシリコンからなる重り部4を支持部３上に貼り合わせ加熱することにより、図５（ａ）に示す素子形状を得た。
【００４８】
この実施例の加速度・角速度検出素子を作製し、Ｘ軸およびＹ軸およびＺ軸方向の加速度を加えたところ、支持部３の変形に応じてＳＡＷ共振子の共振特性が変化し、加速度検出を確認した。
【００４９】
また、素子に長時間繰り返し力を印加させても、強い力を印加させても、検出部５が故障することはなかった。このように、従来の加速度・角速度検出素子に比べ、信頼性の高いものを提供することができた。
【００５０】
また加速度により変位する部分を基体１から浮かせる構成では無いため、加工プロセスおよび形成後での基体等への貼り付きは無い事を確認した。
【符号の説明】
【００５１】
１  基体
２  検出電極
２ａ  第１検出電極
２ｂ  第２検出電極
３  支持体
４  重錘体
５  検出部
【図１】
2011137699.tif 000003
【図２】
2011137699.tif 000004
【図３】
2011137699.tif 000005
【図４】
2011137699.tif 000006
【図５】
2011137699.tif 000007