(57)【要約】【課題】  板状の基板上に板状の可動部材を変位自在に支持し、その可動部材の面方向の変位を検出することで、加速度や角速度などの物理量を検出するようにしたセンサにおいて、可動部材やストッパを、確実に損傷から保護する。【解決手段】  前記損傷を防止するための過大変位制限用のストッパ３６を設けるにあたって、可動部材２４にはその厚み方向に貫通孔３５を穿設し、前記ストッパ３６は、支持基板から、前記貫通孔３５内を接触しない微小なギャップを保ちながら遊挿するように立設するとともに、可動部材２４の重心と、ストッパ３６の重心とを一致させる。したがって、２次元的に様々な方向からの変位をバランスよく、安定的にストップし、可動部材２４やストッパ３６を、確実に損傷から保護することができる。【選択図】      図１
2007017284.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
板状の基板上に板状の可動部材を変位自在に支持し、その可動部材の面方向の変位を検出することで物理量を検出するようにしたセンサにおいて、
前記可動部材の厚み方向に貫通孔を穿設し、
前記基板から立設され、前記貫通孔内を遊挿する過大変位制限用のストッパを備え、
前記可動部材の重心と、ストッパの重心とを一致させることを特徴とするセンサ。
【請求項２】
前記可動部材を挟んでもう１枚の基板を設け、前記可動部材を基板間の内部空間に収納するセンサにおいて、
前記ストッパの先端を、前記もう１枚の基板に接触するように延設することを特徴とする請求項１記載のセンサ。
【請求項３】
前記ストッパの外周または前記貫通孔の内周に緩衝バネを設けることを特徴とする請求項１または２記載のセンサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical System）技術を用いた、いわゆる櫛歯型静電容量センサなどとして好適に実施され、板状の基板上に板状の可動部材を変位自在に支持し、その可動部材の面方向の変位を検出することで、加速度や角速度などの物理量を検出するようにしたセンサに関する。
【背景技術】
【０００２】
図１１は、典型的な従来技術の加速度センサ１の構造を示す正面図である。この加速度センサ１は、大略的に、平板状のシリコン基板から成る主基板１が、ＭＥＭＳ技術を用いたエッチングなどによってこの図１１で示すような形状に彫り出され、平板状のガラス基板から成る支持基板に積層されて構成されている。主基板１は、支持基板に対して、たとえば陽極接合によって接合される。前記主基板１の略中央には、可動部材２が、図１１の左右方向に変位自在となるように、その左右方向の両端面が撓み変形可能な梁３，４によって前記支持基板に支持されている。
【０００３】
前記支持基板からはまた、可動部材２の一端側で、一対の支持柱５，６が立設されており、その支持柱５，６からは、可動部材２の他端側へ向けて、支持梁７，８が延設されている。前記支持梁７，８には、櫛歯状となるように、電極９，１０が連設されている。これに対応して、可動部材２の図１１の上下方向の両端面にも、櫛歯状の電極１１，１２が設けられている。したがって、可動部材２が前記左右方向に変位すると、電極９，１０と電極１１，１２との間の静電容量が変化し、加速度を検知することができる。
【０００４】
上述のように構成される加速度センサ１において、前記梁３，４の形状によって、可動部材２の図１１の上下方向の変位は抑制されている。一方、検知方向である図１１の左右方向には変位自在であるけれども、過大変位を制限するために、ストッパ１３，１４が前記支持基板から立設されている。これらのストッパ１３，１４は、前記電極９，１０；１１，１２の邪魔にならないように、可動部材２の他端部側に設けられている。たとえば、前記電極９，１０と電極１１，１２との間の間隔は１０〜１５μｍであり、ストッパ１３，１４と可動部材２との間の間隔は８〜１０μｍであり、したがって過大変位はストッパ１３，１４で阻止され、電極９，１０と電極１１，１２とが接触して破損しないように構成されている。
【０００５】
一方、特許文献１は、貫通孔と、それを遊挿する棒とで過大変位を阻止しているが、同様に貫通孔は重りの先端に形成されている。
【特許文献１】特許第２５１３０８０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上述の各従来技術では、重心位置から外れたところにストッパを形成しているので、外部からの力に対して、可動部材とストッパとの動きが一致せず、可動部材がストッパの許容することができる衝撃力を超えて衝突してしまい、可動部材やストッパなどが破損するという問題がある。たとえば図１１では、可動部材２の前記ストッパ１３，１４よりも他端部側の部分１５，１６が割れ落ちたり、ストッパ１３，１４の先端が割れ落ちたりしてしまう。
【０００７】
本発明の目的は、２次元的に様々な方向からの変位に対しても、可動部材やストッパの損傷を未然に防止することができるセンサを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明のセンサは、板状の基板上に板状の可動部材を変位自在に支持し、その可動部材の面方向の変位を検出することで物理量を検出するようにしたセンサにおいて、前記可動部材の厚み方向に貫通孔を穿設し、前記基板から立設され、前記貫通孔内を遊挿する過大変位制限用のストッパを備え、前記可動部材の重心と、ストッパの重心とを一致させることを特徴とする。
【０００９】
上記の構成によれば、板状の基板上に板状の可動部材を変位自在に支持し、その可動部材の面方向の変位を検出することで、加速度や角速度などの物理量を検出するようにしたセンサにおいて、該センサの破損を防止するための過大変位制限用のストッパを設けるにあたって、可動部材にはその厚み方向に貫通孔を穿設し、前記ストッパは前記基板から、前記貫通孔内を接触しない微小なギャップを保ちながら遊挿するように立設する。
【００１０】
そしてさらに、前記可動部材の重心と、ストッパの重心とを一致させる。たとえば、前記貫通孔の中心が可動部材の重心と一致するように貫通孔を穿設し、前記ストッパの中心も前記貫通孔の中心と一致するように立設する。また、貫通孔を可動部材の重心に対して対称の位置に穿設した場合、前記ストッパもそれぞれの貫通孔内を遊挿して、該ストッパの中心が前記貫通孔の中心と一致するように立設する。
【００１１】
したがって、ストッパは可動部材に重心が一致した状態で可動部材の過大変位を制限するので、２次元的（基板および可動部材の面方向）に様々な方向からの変位をバランスよく、安定的にストップし、可動部材やストッパを確実に保護することができる。
【００１２】
また、本発明のセンサは、前記可動部材を挟んでもう１枚の基板を設け、前記可動部材を基板間の内部空間に収納するセンサにおいて、前記ストッパの先端を、前記もう１枚の基板に接触するように延設することを特徴とする。
【００１３】
上記の構成によれば、モールド時の圧力などの基板および可動部材の厚み方向の外部荷重をストッパが支持するので、上下の基板が破損しないように保護することができる。
【００１４】
さらにまた、本発明のセンサは、前記ストッパの外周または前記貫通孔の内周に緩衝バネを設けることを特徴とする。
【００１５】
上記の構成によれば、急峻な可動部材の変位に対しても、該可動部材とストッパとの間の衝撃を和らげることができる。
【発明の効果】
【００１６】
本発明のセンサは、以上のように、板状の基板上に板状の可動部材を変位自在に支持し、その可動部材の面方向の変位を検出することで、加速度や角速度などの物理量を検出するようにしたセンサにおいて、該センサの破損を防止するための過大変位制限用のストッパを設けるにあたって、可動部材にはその厚み方向に貫通孔を穿設し、前記ストッパは前記基板から、前記貫通孔内を接触しない微小なギャップを保ちながら遊挿するように立設するとともに、前記可動部材の重心と、ストッパの重心とを一致させる。
【００１７】
それゆえ、ストッパは可動部材に重心が一致した状態で可動部材の過大変位を制限するので、２次元的に様々な方向からの変位をバランスよく、安定的にストップし、可動部材やストッパを確実に保護することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
［実施の形態１］
図１は本発明の実施の第１の形態に係る加速度センサ２１の構造を示す正面図であり、図２は図１の切断面線II−IIから見た断面図である。この加速度センサ２１は、大略的に、平板状のシリコン基板から成る主基板２２が、ＭＥＭＳ技術を用いたエッチングなどによって図１で示すような形状に彫り出され、平板状のガラス基板から成る支持基板２３に積層されて構成されている。主基板２２は、支持基板２３に対して、たとえば陽極接合によって接合される。前記主基板２２には、シリコン以外の半導体を用いることも可能である。前記主基板２２の略中央には、可動部材２４が、図１および図２の左右方向に変位自在となるように、その左右方向の両端面が撓み変形可能な矩形波状の梁２５，２６によって前記支持基板２３に支持されている。
【００１９】
前記支持基板２３からはまた、可動部材２４の一端側で、一対の支持柱２７，２８が立設されており、その支持柱２７，２８からは、可動部材２４の他端側へ向けて、支持梁２９，３０が延設されている。前記支持梁２９，３０には、櫛歯状となるように、電極３１，３２が連設されている。これに対応して、可動部材２４の図１の上下方向の両端面にも、櫛歯状の電極３３，３４が設けられている。したがって、可動部材２４が前記左右方向に変位すると、電極３１，３２と電極３３，３４との間の静電容量が変化し、加速度を検知することができる。以上の点は、前述の図１１で示す加速度センサ１と同様である。
【００２０】
注目すべきは、本発明の加速度センサ２１では、前記可動部材２４の厚み方向に貫通孔３５を穿設するとともに、前記支持基板２３からは前記貫通孔３５内を遊挿する過大変位制限用のストッパ３６を立設し、両者の重心を、ストッパ３６の中心３７で一致させていることである。また、前記梁２５，２６の形状によって、可動部材２４の図１の上下方向の変位は抑制されている。たとえば、前記電極３１，３２と電極３３，３４との間の間隔は１０〜１５μｍであり、ストッパ３６の外周面と貫通孔３５の内周面との間隔は８〜１０μｍであり、したがって前記ストッパ３６は前記貫通孔３５内を接触しない微小なギャップを保ちながら遊挿しており、過大変位は該ストッパ３６で阻止され、電極３１，３２と電極３３，３４とが接触して破損しないように構成されている。
【００２１】
このように構成することで、ストッパ３６は可動部材２４の重心で該可動部材２４の過大変位を制限するので、２次元的（基板２２，２３および可動部材２４の面方向）に様々な方向からの変位をバランスよく、安定的にストップし、可動部材２４やストッパ３６を確実に保護することができる。
【００２２】
［実施の形態２］
図３は、本発明の実施の第２の形態に係る加速度センサ４１の構造を示す正面図である。この加速度センサ４１は、前述の加速度センサ２１に類似し、対応する部分には同一の参照符号を付して示し、その説明を省略する。注目すべきは、この加速度センサ４１では、主基板４２から彫り出された可動部材４４には、該可動部材４４の重心４７を挟んで対称な位置に、該可動部材４４の厚み方向に貫通孔４５ａ，４５ｂが穿設されるとともに、前記支持基板２３からは、前記貫通孔４５ａ，４５ｂ内をそれぞれ遊挿する過大変位制限用のストッパ４６ａ，４６ｂが立設され、２つのストッパ４６ａ，４６ｂを合わせた重心が、前記可動部材４４の重心４７に一致していることである。ストッパ４６ａ，４６ｂの外周面と貫通孔４５ａ，４５ｂの内周面との間隔は、たとえば８〜１０μｍである。
【００２３】
このように構成することで、ストッパ４６ａ，４６ｂは可動部材４４に重心が一致した状態で該可動部材４４の過大変位を制限するので、２次元的に様々な方向からの変位をバランスよく、安定的にストップし、可動部材４４やストッパ４６ａ，４６ｂを確実に保護することができる。
【００２４】
［実施の形態３］
図４は、本発明の実施の第３の形態に係る加速度センサ５１の構造を示す断面図である。この加速度センサ５１も、前述の加速度センサ２１に類似し、対応する部分には同一の参照符号を付して示し、その説明を省略する。注目すべきは、この加速度センサ５１では、前記支持基板２３から主基板２１を挟んで、もう１枚の基板５３が設けられており、前記可動部材２４を基板２３，５３間の内部空間２４に収納するセンサであり、これに対応して、ストッパ５６は、その先端が前記もう１枚の基板５３に接触するように延設されていることである。前記基板５３もガラス基板から成り、主基板２２に対して、陽極接合によって接合される。前記基板５３には、前記電極３１，３２と、表面側の外部接続電極との間を接続する貫通配線５９が形成されている。
【００２５】
これによって、図５で示すようなモールド時の圧力などの基板２３，５３および可動部材２４の厚み方向の外部荷重をストッパ５６が支持するので、上下の基板２３，５３が破損しないように保護することができる。
【００２６】
［実施の形態４］
図６〜図８は、本発明の実施の第４の形態に係る加速度センサ６１，７１，８１の一部分の構造を示す正面図である。これらの図６〜図８は、可動部材６４，７４，８４の貫通孔６５の周辺を示すものであり、貫通孔６５およびストッパ６６は、各加速度センサ６１，７１，８１間で共通に、矩形に形成される。加速度センサ６１と７１とでは、矩形波状の緩衝バネ６７が可動部材６４，７４とストッパ６６との間に介在される。前記緩衝バネ６７は、加速度センサ６１では貫通孔６５の内周面に取付けられており、加速度センサ７１ではストッパ６６の外周面に取付けられている。
【００２７】
一方、加速度センサ８１では、アーチ状の緩衝バネ８７が可動部材８４とストッパ６６との間に介在される。図８では、緩衝バネ８７は貫通孔６５の内周面に取付けられているけれども、ストッパ６６の外周面に取付けられていてもよい。緩衝バネ６７，８７を設けるにあたって、貫通孔６５およびストッパ６６は、矩形に限らず、該緩衝バネ６７，８７を取付け可能であれば、曲面を有していてもよい。
【００２８】
このように構成することで、可動部材６４，７４，８４の急峻な変位に対しても、該可動部材６４，７４，８４とストッパ６６との間の衝撃を和らげることができる。また、ストッパ６６側に緩衝バネ６７，８７を設けることで、万が一、これらの緩衝バネ６７，８７が破損した場合でも、可動部材７４，８４の重量には変わりなく、感度への影響が小さい。
【００２９】
［実施の形態５］
図９は本発明の実施の第５の形態に係る角速度センサ１０１の構造を示す正面図であり、図１０は図９の切断面線IX−IXから見た断面図である。この角速度センサ１０１は、前述の加速度センサ５１に類似し、対応する部分には同一の参照符号を付して示し、その説明を省略する。この角加速度センサ１０１でも、ストッパ３６による可動部材１０４の過大変位抑制のメカニズムは同様である。
【００３０】
角加速度検出のために、前記可動部材１０４は、該可動部材１０４の重心を通り、図９の上方側と下方側との重量を均等に分割する中心線１０７上に配置される棒状の梁１０５，１０６によって、前記支持基板２３に支持されている。前記梁１０５，１０６は撓みおよびねじり変形可能であり、図９において参照符号１０８で示すように図９の上下方向および図１０において参照符号１０９で示すように可動部材１０４の厚み方向に変位可能であるとともに、前記棒状の梁１０５，１０６回りでの変位が可能となっている。
【００３１】
この角加速度センサ１０１では、前記電極３１，３２；３３，３４は可動部材１０４のバイアス振動用に使用され、このため前記可動部材１０４およびもう一枚の基板５３の対向面には、それぞれ検出電極１１１，１１２が形成されている。外部から加わる角速度によって、これら検出電極１１１，１１２間の間隔が変化して静電容量が変化し、角速度を検出することが可能となる。駆動用の電極３１，３２は前記貫通配線５９によって外部へ引出され、検出用の電極１１２は貫通配線１１０によって外部へ引出される。
【００３２】
このように構成することで、角速度を検出することができる。
【００３３】
なお、前記特許文献１には、過大変位を阻止するための貫通孔を重りに複数形成してもよいことが記載されているけれども、可動部材とストッパとの重心を一致させることは、記載も示唆もない。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】本発明の実施の第１の形態に係る加速度センサの構造を示す正面図である。
【図２】図１の切断面線II−IIから見た断面図である。
【図３】本発明の実施の第２の形態に係る加速度センサの構造を示す正面図である。
【図４】本発明の実施の第３の形態に係る加速度センサの構造を示す断面図である。
【図５】図４で示す加速度センサのモールド時の様子を示す断面図である。
【図６】本発明の実施の第４の形態に係る加速度センサの一部分の構造を示す正面図である。
【図７】本発明の実施の第４の形態に係る加速度センサの一部分の構造を示す正面図である。
【図８】本発明の実施の第４の形態に係る加速度センサの一部分の構造を示す正面図である。
【図９】本発明の実施の第５の形態に係る角速度センサの構造を示す正面図である。
【図１０】図９の切断面線IX−IXから見た断面図である。
【図１１】典型的な従来技術の加速度センサの構造を示す正面図である。
【符号の説明】
【００３５】
２１，４１，５１，６１，７１，８１    加速度センサ
２２，４２    主基板
２３    支持基板
２４，４４，６４，７４，８４，１０４    可動部材
２５，２６；１０５，１０６    梁
２７，２８    支持柱
２９，３０    支持梁
３１，３２；３３，３４    電極
３５；４５ａ，４５ｂ；６５    貫通孔
３６；４６ａ，４６ｂ；５６；６６    ストッパ
３７    中心
４７    重心
５３    もう１枚の基板
５９，１１０    貫通配線
６７，８７    緩衝バネ
１０１  角速度センサ
１０７  中心線
１１１，１１２    検出電極
【図１】
2007017284.tif 000003
【図２】
2007017284.tif 000004
【図３】
2007017284.tif 000005
【図４】
2007017284.tif 000006
【図５】
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【図６】
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【図７】
2007017284.tif 000009
【図８】
2007017284.tif 000010
【図９】
2007017284.tif 000011
【図１０】
2007017284.tif 000012
【図１１】
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