JP2009092396A - 振動式センサ - Google Patents

Abstract

【課題】本発明の課題は、外乱による共振周波数の変化を安定化して増幅し、外乱の物理量を検出可能である信頼性および検出精度に優れる振動式センサを提供することにある。
【解決手段】本発明に関わる振動式センサ１０は、梁１２における錘１１側付根領域と枠体１８側付根領域との両方、若しくは、その一方領域に梁１２の一部を貫通して形成され、梁１２の長手方向のそれぞれの両端で互いに接続される振動子１３(１３ａ、１３ｂ、１３ｃ、１３ｄ)と支持構造体１２ｓとを有し、梁１２の長手方向に垂直な切断面の面積が、振動子１３より支持構造体１２ｓの方が大きく、外乱に起因する力により変化する振動子１３の共振周波数から外乱の物理量を計測している。
【選択図】図１

Description

本発明は、構造体に歪を発生させる加速度や角加速度、接触力などの外乱の物理量を計測する振動式センサに関する。

従来、加速度や角加速度、接触力などを計測する手段として、半導体の加工技術を応用したセンサが開発されている。例えば、加速度の検出では、錘を梁で支えた構造を用いて加速度により錘に加わる慣性力を梁の歪みとして検出するピエゾ式や、錘の移動量を静電容量の変化として計測する容量式、梁に加わった歪により振動系の共振周波数が変化することを利用した振動式など様々な方式が開発されている。

これらの方式の中で、半導体の加工技術を用いてセンサを小さくしていった時に、センサを小さくするほど分解能が高くなる方式として振動式が注目されている。というのは、構造体の大きさが小さくなるほど共振周波数が高くなるため、その変化量から加速度の大きさを検出する振動式は小さくするほど他の方式に比べて優位になるためである。

例えば、特許文献１に記載された振動式センサは、単結晶シリコンの一体構造で作られた錘と梁からなる構造体を１軸方向のみに可動するように構成し、その可動方向の動きを拘束するように薄膜で振動子を製作している。この薄膜は静電気力で共振駆動し、無負荷時の振動子の共振周波数が２２ｋＨｚの時、１Ｇ当り４０Ｈｚの共振周波数が変化し、１２０Ｇ程度までの計測ができるとしている。

また、特許文献２によれば、薄膜振動子の欠点である信頼性を改善する手段として、単結晶シリコンで全ての構造体を加工する方法を提案している。この方法では、錘を支える梁の一方向の剛性を、梁を長くできる配置にすることで低くし、その梁の共振周波数（６４００Ｈｚ）の変化（±１０％）から加速度を計測している。
特開平７−１９１０５２号公報(段落００１４、００１５、図１、図３等) 特開平９−２５７８３０号公報(段落００３７、００４４、００４５、図１〜図６等)

ところで、上述の振動式センサでは、振動子に加わった外乱により、振動子の共振周波数を１０％程度まで変化させられることを利用している。
従って、計測精度の向上やサイズの小型化には、振動子の共振周波数を高くし、かつ、外乱印加時に錘に加わる力を効率的に振動子に伝えて振動子に発生する応力（歪み）を大きくすることが求められる。振動子の共振周波数は、その剛性の平方根に比例し、質量の平方根に反比例する。また、振動子に発生する応力（歪み）は、その剛性が低いほど大きくなる。

このため、特許文献１の振動式センサでは、単結晶シリコンの一体構造で作られた錘と梁からなる構造体を１軸方向のみに可動するように構成し、その可動方向の動きを拘束するように、単結晶シリコンと比較して共振周波数を高く、かつ、剛性を小さくできる薄膜で振動子を作成している。
この方式は、センサの大きさを小さくして錘に加わる力が小さくなっても感度の高いセンサを実現でき、センサの小型化と高感度化を両立できるが、その薄膜の信頼性が問題となる。

また、特許文献２では、薄膜振動子の欠点である信頼性を改善する手段として、単結晶シリコンで全ての構造体を加工する方法を提案している。この方法では、錘を支える梁の一方向の剛性を梁の長さを長くすることで小さくし、その梁の共振周波数の変化から加速度を計測する。このタイプの振動式加速度センサでは、錘の質量の平方根に反比例する共振周波数と、錘の質量に比例する梁に加わる歪とが一方を大きくするともう一方が小さくなる関係にあり、薄膜と同程度の検出感度を得るにはサイズを大きくする必要がある。
そのため、信頼性は高いが、検出感度では薄膜を用いた場合に劣るという欠点を有している。
本発明は上記実状に鑑み、外乱による共振周波数の変化を安定化して増幅し、外乱の物理量を検出可能である信頼性および検出精度に優れる振動式センサの提供を目的とする。

本発明に関わる振動式センサは、錘と計測対象物に固定される枠体と一方端部が前記錘に接続され他方端部が前記枠体に接続され前記錘を支持する一本以上の梁とを備え、計測対象物に加わった外乱によって錘が位置を変化させることを利用し外乱の大きさを計測する振動式センサであって、梁における錘側付根領域と枠体側付根領域との両方、若しくは、その一方領域に梁の一部を貫通して形成され、梁の長手方向のそれぞれの両端で互いに接続される振動子と支持構造体とを有し、梁の長手方向に垂直な切断面の面積が、振動子より支持構造体の方が大きく、外乱に起因する力により変化する振動子の共振周波数から外乱の物理量を計測している。

本発明によれば、信頼性を向上させるだけでなく、検出感度も薄膜を用いた同じ大きさのセンサに対して同等以上にすることが可能となる。また、単結晶シリコン単体で構成すれば、温度の影響も受けにくく、測定精度が温度に依存しない高感度センサを実現できる。

単結晶シリコンの一体構造として作られる振動式センサは、薄膜型に比べて検出感度で劣るが、センサで最も重要な信頼性に勝る。そのため、単結晶シリコンの一体構造で振動式センサを実現することが望ましい。単結晶シリコンの一体構造でできた振動式センサの感度が薄膜式に劣るのは、振動子に加わる負荷（加速度により発生する錘の慣性力）とその振動子の共振周波数（錘の質量の平方根に反比例）が依存しあっているためで、それを別々に制御できるようにすれば信頼性も検出感度も高い振動式センサを実現できる。
具体的には、加速度などの外乱を力に変換する錘と梁からなる構造そのものを振動子とするのではなく、梁の一部に単結晶シリコンの一体構造として共振周波数の高い微細構造を振動子として作り込み、その構造と対を成す支持構造体により振動子に発生する応力（歪み）を梁に発生する応力に対して増幅することで薄膜と同等以上の振動子の共振周波数の変化量を得られる。

以下、本発明の実施形態について添付図面を参照して説明する。
＜＜第１実施形態＞＞
図1(ａ)は、本発明を適用した振動式センサ１０の内部を示す上面図であり、図1(ｂ)は、図1(ａ)の振動式センサ１０の使用状態を示す右側面図である。
図１に示す振動式センサ１０は、測定対象物の構造体に固定されて使用され、構造体に加わる外乱による物理量、例えば、図３中の白抜き矢印の加速度ａ１、ａ２を、錘１１の変位から振動子１３(１３ａ、１３ｂ、１３ｃ、１３ｄ)の共振振動数の変化として取り出し、検出するセンサである。
なお、図３は、測定対象物の構造体に固定された振動式センサ１０の錘１１に、白抜き矢印の加速度ａ１、ａ２が加わった場合の振動式センサ１０の内部の上面図である。

図１(ａ)に示すように、振動式センサ１０は、加速度等の測定対象を錘１１の変位から振動子１３の共振振動数の変化に変換する振動変換構造体１０Ａと、振動変換構造体１０Ａの振動子１３を共振振動数で振動させ該共振振動数の変化を検知する共振回路等を備え構成されている。
ここで、振動式センサ１０は、振動子１３の周囲の気体の粘性減衰、音響減衰等の振動子１３の高振動数での振動への影響を防止するため、図1(ｂ)に示すように、ガラス、基板等で形成される蓋体１０Ｂ、１０Ｃで気密封止して使用される。
ここで、図１(ａ)に示す振動変換構造体１０Ａの錘１１および梁１２に対向する蓋体１０Ｂの央部域には、図1(ｂ)に示すように、測定対象の外乱による錘１１および梁１２の運動を阻害しないように、中繰り状の空間である振動スペースＰ(図1(ｂ)中の破線で示す)が形成されている。
なお、蓋体１０Ｂ、１０Ｃをガラスにて形成した場合には、振動式センサ１０内部を視認可能である点で、有利である。
図１(ａ)に示すように、振動変換構造体１０Ａは、単結晶シリコンで一体構造に製造され、中央部に形成され測定対象の加速度等により慣性力を発生させる錘１１と、この錘１１の４つの角部領域に一方端部が連結して形成され錘１１を支持する４本の梁１２と、これら４本の梁１２の他方端部が連結して形成され４本の梁１２および錘１１を支持する枠体１８とを備えている。

枠体１８は、４本の梁１２および錘１１を囲んで中刳り状の形状に形成され、枠体１８には、４本の梁１２の枠体への付根領域の他方端部に接近してそれぞれ４つの突出部１４ａが突設されている。枠体１８におけるそれぞれの突出部１４ａ上端面には、絶縁された固定電極１４が設けられ、また、枠体１８の外周縁部には、振動子用電極１５が設けられている。
また、枠体１８には、外乱が加わる方向(図１(ａ)の紙面の左右方向)に錘１１側に突出して一対のストッパ１６、１６が形成されており、測定対象である外乱によって錘１１に過負荷が加わった場合、錘１１がストッパ１６に衝突して停止し過大な慣性力を防いで、振動子１３に過負荷が加わらないように構成されている。

図１(ａ)のＤ部拡大図である図２(ａ)に示すように、梁１２は、枠体１８への付根領域である他方端部に、長手方向に沿った貫通孔１２nと貫通孔１２nの中央部に連続してその短手方向に沿った貫通孔１２mとが穿設されている。
そして、梁１２における貫通孔１２nの外側であって突出部１４ａに近接した領域が振動子１３ａを構成し、貫通孔１２nの内側であって突出部１４ａに離間した領域が支持構造体１２ｓを構成している。
また、図１(ａ)のＥ部拡大図である図２(ｂ)に示すように、梁１２は、枠体１８への付根領域である他方端部に、長手方向に沿った貫通孔１２nと貫通孔１２nの中央部に連続してその短手方向に沿った振幅増幅機構の貫通孔１２mとが穿設されている。そして、梁１２における貫通孔１２nの外側であって突出部１４ａに近接した領域が振動子１３ｂを構成し、貫通孔１２nの内側であって突出部１４ａに離間した領域が支持構造体１２ｓを構成している。

同様に、図１(ａ)における梁１２のＦ部には、図１(ａ)のＣ２−Ｃ２線に対して、図２(ａ)に示す振動子１３ａおよび支持構造体１２ｓと線対称に、枠体１８への付根領域の他方端部に振動子１３ｃおよび支持構造体１２ｓが形成されている。同様に、図１(ａ)における梁１２のＧ部には、図１(ａ)のＣ２−Ｃ２線に対して、図２(ｂ)に示す振動子１３ｂおよび支持構造体１２ｓと線対称に、枠体１８への付根領域の他方端部に振動子１３ｄおよび支持構造体１２ｓが形成されている。
なお、振動子１３と各支持構造体１２ｓとは、梁１２の長手方向のそれぞれの両端部で互いに接続されており、振動子１３と各支持構造体１２ｓとが並設されている。

ここで、本実施形態では、梁１２に穿設する貫通孔１２n、１２mとして、上面視でＴ字型様の貫通孔を例示したが、貫通孔１２n、１２mの端部を３つの頂点とする三角形様の貫通孔(図２(ａ)中、二点鎖線で示す)としてもよい。このように、支持構造体１２ｓは、その断面二次モーメントが梁１２の長手方向の位置により異なる構成とする。
なお、本実施形態で示すＴ字形様の貫通孔１２n、１２mは、Ｚ軸方向(図１(ａ)の紙面に垂直方向)の外乱に対して、強度が高く有利な構成である。

＜検出対象が加速度の場合の検出原理＞
前記したように、振動子１３および支持構造体１２ｓは、図３(ａ)に示すように、外乱による白抜き矢印の加速度ａ１が錘１１に働き慣性力が発生する場合、梁１２における曲げモーメントが最大となり、梁１２の位置変化、すなわち変位が少ない枠体１８の付根領域である他方端部に形成している。
図３(ａ)に示すように、振動式センサ１０の錘１１に、白抜き矢印の加速度ａ１が加わった場合、錘１１が枠体１８に対して加速度ａ１の向きに位置変化し、錘１１の慣性力が梁１２に加わる。

この際、図２(ａ)に示すように、振動子１３ａを有する梁１２にモーメントＭ１aが加わり、振動子１３ａにモーメントＭ１aによる引張力が加わる。
ここで、梁１２には、振幅増幅機構である貫通孔１２mが穿設されているため、貫通孔の支点１２m1を中心にモーメントＭ１aが振動子１３ａに集中し、振動子１３ａに加わる引張力が増加し、その変位が増幅されている。
同様に、図２(ｂ)に示すように、振動子１３ｂを有する梁１２にモーメントＭ１bが加わり、振動子１３ｂにモーメントＭ１bによる圧縮力が加わる。
ここで、梁１２には、振幅増幅機構である貫通孔１２mが穿設されているため、貫通孔の支点１２m1を中心にモーメントＭ１bが振動子１３ｂに集中し、振動子１３ｂに加わる圧縮力が増加し、その変位が増幅されている。

同様に、図３(ａ)に示すように、振動子１３ｃを有する梁１２に加わるモーメントにより、振動子１３ｃに引張力が加わり伸張変位し、また、振動子１３ｄを有する梁１２に加わるモーメントにより、振動子１３ｄに圧縮力が加わり短縮変位する。
これに対して、図３(ｂ)に示すように、振動式センサ１０に、白抜き矢印の加速度ａ２が加わった場合、錘１１が枠体１８に対して加速度ａ２の向きに変位し、振動子１３ａにモーメントに起因する圧縮力が加わり短縮変位する一方、振動子１３ｂにモーメントに起因する引張力が加わり伸張変位する。同様に、振動子１３ｃを有する梁１２に加わるモーメントにより、振動子１３ｃに圧縮力が加わり短縮変位し、振動子１３ｄを有する梁１２に加わるモーメントにより、振動子１３ｄに引張力が加わり伸張変位する。

このようにして、梁１２に加わる曲げモーメントを、振動子１３と支持構造体１２ｓに加わる引張圧縮力に変換しており、また、振幅増幅機構の貫通孔１２mにより、振動子１３に加わる引張力または圧縮力を増加させている。
次に、振動子１３(１３ａ、１３ｂ、１３ｃ、１３ｄ)をその共振周波数で駆動する方法の一例として静電駆動方式について説明する。
図４は、振動子１３を共振周波数で静電駆動方式で駆動する方法を示した概念図である。
静電駆動の場合、０．１Ωｃｍ程度の低抵抗の単結晶シリコン基板を用いればそのまま電極材料として用いることができる。

振動子１３を共振周波数で振動させる場合、図４に示すように、振動子１３と電気的に分離した固定電極１４を用い、振動子１３をアースに取り，固定電極１４に交流を印加することで振動子１３と固定電極１４の間に静電気力を加え、振動子を加振する。なお、振動子１３の電極として、図１(ａ)に示す振動子用電極１５を用いる。
そして、振動子１３の共振駆動は、自励回路、または振幅が最大になるように周波数をシフトさせ振動させるＰＬＬ（Phase Locked Loop）回路などを用いて行い、共振周波数をカウンタで取り出し、共振周波数の変化から後記の式(１)、(２)を用いて検出対象の加速度を算出する。

振動式センサ１０に負荷が加わらない場合の振動子１３の共振周波数ｆ_０は、(１)式で表される。

また、加速度が加わり振動子１３ａに引張力Ｆが加わった場合の共振周波数をｆ_αｔとし、振動子１３ｂに圧縮力Ｆが加わった場合の共振周波数をｆ_αｃとした場合、振動子１３の共振周波数の変動量Δｆは、(２)式で表される。

なお、Ｆ：振動子に加わる力(引張力・圧縮力)［Ｎ］、Ｌ：振動子長［ｍ］(図２(ａ)参照)、Ｅ：振動子ヤング率［Ｎ／ｍ^２］、ｂ：振動子厚［ｍ］(図２(ａ)参照)、ｈ：振動子幅［ｍ］(図２(ａ)の紙面に垂直方向の寸法)、Ｉ：振動子の断面二次モーメント、Ａ：振動子断面積(ｈ×ｂ)、ρ：振動子密度［ｋｇ／ｍ^３］

ここで、引張力Ｆが加わった振動子１３ａの共振周波数は高く変化し、圧縮力Ｆが加わった振動子１３ｂの共振周波数は低く変化することから、引張力Ｆが加わった場合のｆ_αｔと圧縮力Ｆが加わった場合のｆ_αｃとの差をとることで、変動量Δｆを、片持ち支持に形成した振動子の場合に比較して２倍の変化量として取り出すことができる。
(２)式から明らかなように、振動子１３の共振周波数は、振動子１３に加わった力Ｆに比例して変化するため、この共振周波数の変化から力Ｆを求め、力Ｆから検出対象の加速度を算出することができる。なお、この算出は、制御装置において制御プログラムを実行して演算される。
なお、本実施形態では、Ｈ型に配置した４本の梁１２により錘１１を支持しているが、１本の梁や２本以上の平行梁により支持してもよく、梁の数は任意に選択可能である。

この振動式センサ１０の加速度検出では、加速度により発生する錘１１の慣性力により振動子１３を歪ませて、その共振周波数の変化量Δｆから加速度の大きさを検出するため、慣性力や歪の大きさが重要となる。そのため、慣性力の基となる錘１１のサイズや歪の値を決める梁１２の長さが大きいほど感度が高くなることから、振動式センサ１０は、サブミリオーダー、すなわち、１ｍｍ以下の０．５、０．７ｍｍ等の大きさを有している。
しかし、このサイズでは共振周波数が数千Ｈｚオーダーにしかならないため、加速度検出範囲で±１％程度の共振周波数の変化を起こしても数百Ｈｚの共振周波数の変化しか得られない。

従って、破損しない歪の許容範囲で感度の向上を図るには、振動子１３の共振周波数ｆ_０を高くする必要がある。本実施形態の構造は、式(１)、(２)より、錘１１や梁１２のサイズとは無関係に振動子１３の共振周波数ｆ_０を、式(1)から設計できるため、錘１１や梁１２のサイズは変えずに振動子１３の共振周波数ｆ_０を２桁程度高くできる。
例えば、振動子１３の厚みｂ(図２(ａ)参照)を数μｍ以上とし、長さＬ(図２(ａ)参照)を数百μｍ以下まで短くし、かつ、両端固定とすることで、振動子１３の共振周波数ｆ_０として十万Ｈｚ以上を実現できる。

また、チップサイズ、すなわち振動式センサ１０の寸法を、錘１１を小さくかつ梁１２を短くして小さくすることから、小さな力または小さなモーメントを大きくする仕組みとして、振動子１３(後記の振動子２３、３３)と対の支持構造体１２ｓ(後記の支持構造体２２ｓ、３２ｓ)を成形している。この支持構造体１２ｓを設けることで、振動子１３の断面積を支持構造体１２ｓの断面積に比べて小さくするほど、振動子１３（後記の振動子２３、３３）に発生する応力（歪み）を大きくできる。
また、振動子１３(後記の振動子２３、３３)と支持構造体１２ｓ（後記の支持構造体２２ｓ、３２ｓ）の厚み方向の中心間距離ｓ(図２(ａ)参照)を長くするほど振動子１３（後記の振動子２３、３３）に加わる引張、圧縮力も大きくでき、共振周波数の変化量を大きくできる。

＜変形形態１＞
次に、図５に示す変形形態１の振動式センサの振動子２３について説明する。なお、図５(ａ)は、変形形態１の振動式センサの振動子２３を示した図１(ａ)のＤ部拡大図であり、図５(ｂ)は、図５(ａ)のＨ方向矢視図である。
図５に示す変形形態１の振動式センサにおける振動子２３や、後記の図７に示す変形形態２の振動式センサにおける振動子３３においては、振動子２３、３３を支持構造体２２ｓ、３２ｓに比べて薄くし、すなわち、式(１)のｂ(図２(ａ)参照)に相当するｂ２、ｂ３(図５(ａ)、図７(ａ)参照)を小さくするとともに、幅、すなわち、式(１)のｈ(図２(ａ)の紙面に垂直方向の振動子１３寸法)に相当するｈ２、ｈ３(図５(ｂ)、図７(ｂ)参照)を狭く小さくすることにより、式(１)の断面積Ａを小さくし、加速度が加わった際の振動子２３、３３に発生する応力（歪み）を大きくしている。

図５に示す変形形態１の振動式センサにおける振動子２３は、前記の第１実施形態の振動子１３(図１(ａ)、図２参照)の上面側および下面側を除去し振動子幅ｈ２(図５(ｂ)参照)を第１実施形態のものよりも薄くするとともに、厚さ寸法ｂ２(図５(ａ)参照)を小さく形成したものである。
その他の構成は、前記の第１実施形態の構成と同様であるから、同一の構成要素には、十の位の符号を二十の位の符号に変更して示し、詳細な説明は省略する。
図６は、振動変換構造体２０Ａの振動子２３を含む梁２２および錘２１を、振動変換構造体２０Ａの厚さ方向の中央部に設けた場合を示している。
なお、図６(ａ)は、変形形態１の振動式センサ２０の振動変換構造体２０Ａを蓋体２０Ｂ、２０Ｃで気密封止した状態を示す図１(ａ)のＡ−Ａ線断面図であり、図６(ｂ)は、図１(ａ)のＢ−Ｂ線断面図であり、図６(ｃ)は、図１(ａ)のＣ１−Ｃ１線断面図であり、図６(ｄ)は、図１(ａ)のＣ２−Ｃ２線断面図である。
図６に示すように、振動子２３を含む梁２２および錘２１を、振動変換構造体２０Ａの厚さ方向の中央部に設けた場合(特に、図６(ｂ)参照)には、梁２２および錘２１の振動用のスペースが、梁２２および錘２１の上方および下方の振動変換構造体２０Ａ内に形成されるため、振動変換構造体２０Ａを気密封止する両蓋体２０Ｂ、２０Ｃを平板状に形成することが可能である。この構成は、振動変換構造体２０Ａを、単結晶シリコンで形成し、蓋体２０Ｂ、２０Ｃをガラスで形成した場合、低コスト化が可能である。
なお、蓋体２０Ｂには、振動変換構造体２０Ａの固定電極２４、２４、２４、２４および振動子電極２５に対向して円錐状の結線用孔２７が穿設されている。

＜変形形態２＞
次に、図７に示す変形形態２の振動式センサの振動子３３について説明する。なお、図７(ａ)は、変形形態２の振動式センサの振動子３３を示した図１(ａ)のＤ部拡大図であり、図７(ｂ)は、図７(ａ)のＩ方向矢視図である。
図７に示す変形形態２の振動式センサにおける振動子３３は、前記の第１実施形態の振動子１３(図１(ａ)、図２参照)の上面側および下面側を除去し振動子幅ｈ３(図７(ｂ)参照)を第１実施形態のものよりも薄くするとともに、厚さ寸法ｂ３(図７(ａ)参照)を小さく形成し、かつ振幅増幅機構である貫通孔１２mを設けない構成である。その他の構成は、前記の第１実施形態の構成と同様であるから、同一の構成要素には、十の位の符号を三十の位の符号に変更して示し、詳細な説明は省略する。

変形形態２の振動子３３は、振幅増幅機構である貫通孔(図５(ａ)の２２ｍ)を設けないため、振動子３３の振幅が増幅されず、変形形態１の振動子２３の方がより望ましい。
ここで、具体例を挙げると、梁１２のサイズを幅＝２０μｍ、厚さ(図１(ａ)の紙面に垂直方向)＝１００μｍ、長さ＝６００μｍとした時に、枠体１８への付根領域の梁１２の他方端部に幅ｈ＝２０μｍ(図１(ａ)、図２(ａ)の紙面に垂直方向、梁にとっては厚み方向）、厚さｂ＝1μｍ（図２(ａ)参照、梁にとっては幅方向）、長さＬ＝１０μｍ（梁にとっても長さ方向）の振動子１３、３３を支持構造体１２ｓ、３２ｓとの中心間距離ｓ(図２(ａ)、図７(ａ)参照)が１７μｍとして形成した場合、錘１１の大きさが１ｍｍ角だったときの１Ｇ（Ｇ：重力加速度9.80665ｍ/s²）当りの共振周波数ｆ_０の変化量Δｆは２８kHzとなる。
カウンタにより周波数の変化を計測するとして、２００Hzの応答性を持たせると最小分解能は１／１４０Ｇとなる。なお、この場合の加速度検出範囲は±３Ｇである。

＜変形形態３＞
次に、変形形態３の振動式センサ１０’について、図８を用いて説明する。なお、図８は、変形形態３の振動式センサ１０’を示す上面図である。
図８に示す変形形態３の振動式センサ１０’は、その梁１２’の長さを第１実施形態の振動式センサ１０の梁１２の長さより長く形成したものである。これ以外の構成は、第１実施形態と同様であるから、同様の構成要素の符号に’(ダッシュ)を付して示し、詳細な説明は省略する。
変形形態３の振動式センサ１０’は、梁１２’を長くすることにより、梁１２’に加わる錘１１’の慣性力によるモーメントを大きくし、振動子１３’(１３ａ’、１３ｂ’、１３ｃ’、１３ｄ’)に加わる引張力、圧縮力を大きくできる効果がある。なお、梁１２’を長くした場合、錘１１’の変位が大きくなり、検出の安定度が低下する傾向にある。

＜振動式センサの製造方法＞
次に、振動式センサ１０の製造方法ついて簡単に説明する。
本実施形態は、バルクマイクロマシンと称されるプロセスで加工する。これは、単結晶シリコンを構造材料として加工するプロセスの総称であるが、単結晶シリコン材料の均質性と微細加工の再現性の良さ、すなわち、微細加工の精度の良さから、信頼性が求められる分野では、この技術が主流となっている。
本実施形態の構造は、ＳＯＩ（Silicon On Insulator）ウエハを用いる方法と単結晶シリコン基板を接合して製作する２つの方式がある。

ＳＯＩウエハを用いた方式では、Ｄeep−ＲＩＥ（Deep-Reaction Ion Etching）技術により錘１１や梁１２、枠体１８などの構造を加工し、錘１１、梁１２等の可動構造の下のＢｏｘ酸化膜を除去した後に、減圧雰囲気で別の基板を用いて蓋をして気密封止して製造する。
減圧雰囲気で気密封止するのは、振動子１３、２３、３３周囲の気体によって振動子１３、２３、３３の振動に加わる粘性減衰や音響減衰の影響を除外するためである。

従って、この気密性もセンサ性能の決め手になるため、ウエハレベルで気密封止するのではなく、金属パッケージで気密性を実現することも多いが、ウエハレベルで気密封止されていれば、樹脂モールディングなどの低コストのパッケージでも実現できるため、ウエハレベルパッケージングが望ましい。
ＳＯＩウエハを用いないプロセスとしては、単結晶シリコンウエハを用いて接合技術とウエハ研磨の技術を組み合わせる方法がある。この方法の利点は、接合する基板の両面に予め加工を施してから接合することで、より複雑な３次元構造が製作できる点にある。

その一例として、振動子２３、３３の幅ｈ２、ｈ３(図５(ｂ)、図７(ｂ)参照)を、支持構造体２２ｓ、３２ｓの幅ｋ2、ｋ3(図５(ａ)、図７(ａ)参照)に対して狭くする場合について説明する。このプロセスでは、錘や梁２２、３２、枠体２８、３８を加工形成する基板の部分に、予め振動子２３、３３の幅ｈ２、ｈ３が支持構造体２２ｓ、３２ｓに対して狭くなるように基板両面から加工を施す。この状態で、単結晶シリコン基板やパイレックス（登録商標）ガラス基板などと接合し、その接合基板に対して錘や梁２２、３２、枠体２８、３８構造などを振動子２３、３３や支持構造体２２ｓ、３２ｓとともに加工する。このプロセスのもう一つのメリットは、ＳＯＩ基板を用いた時に必要となるＢｏｘ酸化膜を除去（分離層エッチング）して錘や梁、枠体をシリコン基板から分離する工程が必要なくなる点である。これにより、錘、梁等の可動構造の製作で最も歩留まりを落とす分離層除去の工程を不要にできるばかりでなく、分離層除去工程の設備が不要となり、生産コストを低減できる。

＜＜第２実施形態＞＞
次に、第２実施形態の振動式センサについて、図９を用いて説明する。なお、図９ (ａ)は、第２実施形態の振動式センサの振動子４３を示す図１(ａ)のＤ部拡大図、および図９ (ｂ)は、図９ (ａ)のＪ方向矢視図である。
第２実施形態の振動式センサは、検出対象の加速度の検出軸方向が図９ (ａ)の紙面と垂直方向（錘と梁、枠がある平面に対して垂直方向）である。
第２実施形態の振動式センサの全体構成としては、図１(ａ)に示す振動式センサ１０と、後記の固定電極以外の構成は同様であって、梁４２に設ける振動子４３および支持構造体４２ｓに変更を加えた構成である。これ以外の構成は、第１実施形態の振動式センサと同様であるから、同様な構成要素には、第１実施形態の十の位の符号を四十の位の符号に変更して示し、詳細な説明は省略する。

第２実施形態の振動式センサの錘には、図９の紙面に垂直方向の加速度が加わることから、梁４２には図９の紙面に垂直方向の曲げモーメントが発生する。そのため、振動子４３と支持構造体４２ｓはウエハ厚方向に、この曲げモーメントに対して異なる力点を持つ必要がある。
図９に示す構成では、検出軸方向の各々異なる面、すなわち振動子下面４３ｂ側および支持構造体上面４２ｓ1、４２ｓ1側からそれぞれ振動子４３と支持構造体４２ｓを加工して厚みを薄くし、かつ、スリット状の貫通孔４２ｎを設けることで、振動子４３と支持構造体４２ｓとの分離構造を梁４２において実現している。

図９(ａ)に示すように、梁４２における短手方向の両端部を上方から加工して除去し、図９(ｂ)に示すように、梁上面４２aより低い支持構造体上面４２ｓ1、４２ｓ1をもつ支持構造体４２ｓ、４２ｓを形成する。また、図９(ａ)に示す梁４２における支持構造体４２ｓ、４２ｓに挟まれた箇所を下方から加工して除去し、図９(ｂ)に示す梁下面４２ｂより高い振動子下面４３ｂをもつ振動子４３を形成する。
このようにして、図９(ａ)に示すように、スリット状の貫通孔４２ｎ、４２ｎが形成されるとともに、振動子４３と支持構造体４２ｓの厚みが梁４２より薄く、かつ、振動子４３と支持構造体４２ｓとの分離構造が実現される。

また、静電駆動で図９(ａ)の紙面と垂直方向の加速度の検出を行う場合には、図２、図３に示すように、加速度検出方向に振動子４３を振動させるため、振動変換構造体４０Ａに図９(ａ)の紙面上側から接合する蓋体４０Ｂ(図１(ｂ)の１０Ｂに相当)側に固定電極４４(図１(ａ)の固定電極１４に相当)が必要になる。この場合には蓋体上に設けた絶縁膜の上に固定電極４４を形成する必要がある。
ここで、振動子４３のサイズが小さいため、その静電容量は小さく、固定電極４４部で発生する浮遊容量を小さくしないと振動子４３の静電容量の変化を検出できなくなるため、固定電極４４のサイズを小さくし、かつ、電極４４下の絶縁膜を厚くする設計が必要となる。
なお、第２実施形態では、振動子４３を梁下面４２ｂから加工して薄く形成し、支持構造体４２ｓを梁上面４２aから加工して薄く形成した場合を説明したが、逆に、振動子４３を梁上面４２aから加工して薄く形成し、支持構造体４２ｓを梁下面４２ｂから加工して薄く形成することも可能である。

以上、図１(ａ)の紙面に対して水平方向及び垂直方向の加速度を検出する振動式センサの構成を、第１実施形態、第２実施形態により説明した。
前記構成によれば、外乱によって最大歪みが発生する箇所に、歪増幅機構である振動子を成形したので、加速度による共振周波数の変化を安定して増幅して、検出可能で高感度である。
また、枠体にストッパが形成されるので、外乱による錘の過大な慣性力を、錘をストッパに当接させることによって防ぎ、振動子に過負荷が加わることを防止できる。

また、振動子に応力を集中させる構造により、一つ一つの機能を小さく実現して、多数のセンサを混載させ得る。
振動子は、その構造が異なるだけで、その加工プロセスは同じ製造装置で行えるため、例えば、一枚の基板の中に同時に多軸方向の物理量を検出する構成を作りこむことが可能である。そのため、１チップで複数の検出軸を持つ多軸の振動式センサを容易に作ることが可能であり、平面実装が容易に行える。
また、検出軸方向が異なっていても、振動式センサを積層し接合することにより、図１(ａ)の上面視のサイズを同じにできるので、実装面積の小さな多軸振動式センサを実現できる。

なお、前記実施形態では、振動子と支持構造体を梁の枠体側付根領域に形成した場合を例示したが、梁の枠体側付根領域と梁の錘側付根領域との両方、若しくは、梁の錘側付根領域にのみ形成してもよい。
また、前記実施形態では、振動式センサで加速度を検出する場合を例示して説明したが、加速度に限定されず、角加速度、圧力などの物理量を検出するセンサとして広汎に適用可能である。
従って、本発明によれば、外乱による共振周波数の変化を安定化して増幅し、外乱の物理量を検出可能である信頼性および検出精度に優れる振動式センサを実現できる。

(ａ)および(ｂ)は、本発明の第１実施形態の振動式センサを示す上面図および(ａ)図の振動式センサの使用状態を示す右側面図。 (ａ)および(ｂ)は、図1のＤ部拡大図および図1のＥ部拡大図。 白抜き矢印の加速度ａ１が錘に加わった場合の振動式センサ１０を示した上面図。 (ａ)および(ｂ)は、振動子を共振周波数で静電駆動方式で駆動する方法を示した概念図 (ａ)および(ｂ)は、変形形態１の振動式センサを示した図1のＤ部拡大図、および(ａ)図のＨ方向矢視図。 (ａ)は、変形形態１の振動式センサの振動変換構造体を蓋体で気密封止した状態を示す図1のＡ−Ａ線断面図であり、(ｂ)は、図1のＢ−Ｂ線断面図であり、(ｃ)は、図1のＣ１−Ｃ１線断面図であり、(ｄ)は、図1のＣ２−Ｃ２線断面図。 (ａ)および(b)は、変形形態２の振動式センサを示した図1のＤ部拡大図、および(ａ)図のＩ方向矢視図。 変形形態３の振動式センサ１０’を示す上面図。 (ａ)および(b)は、第２実施形態の振動式センサを示す図1のＤ部拡大図、および(ａ)図のＪ方向矢視図。

符号の説明

１０、１０’ 振動式センサ
１１ 錘
１２、２２、３２、４２、１２’ 梁
１２n、２２ｎ、３２ｎ貫通孔
１２n、１２ｍ、２２ｎ、２２ｍ 貫通孔(請求項６の貫通孔)
１２ｓ、２２ｓ、３２ｓ、４２ｓ、１２ｓ’支持構造体
１３(１３ａ、１３ｂ、１３ｃ、１３ｄ)、２３、３３、４３、１３’ 振動子
１８、２８、３８、４８、１８’ 枠体
４２ｎ 貫通孔(請求項３、請求項７の貫通孔)
４３ 振動子(請求項３、請求項７の振動子)

Claims (11)

1. 錘と計測対象物に固定される枠体と一方端部が前記錘に接続され他方端部が前記枠体に接続され前記錘を支持する一本以上の梁とを備え、前記計測対象物に加わった外乱によって前記錘が位置を変化させることを利用し外乱の大きさを計測する振動式センサであって、
   前記梁における前記錘側付根領域と前記枠体側付根領域との両方、若しくは、その一方領域に前記梁の一部を貫通して形成され、前記梁の長手方向のそれぞれの両端で互いに接続される振動子と支持構造体とを有し、
   前記梁の長手方向に垂直な切断面の面積が、前記振動子より前記支持構造体の方が大きく、
   前記外乱に起因する力により変化する前記振動子の共振周波数から前記外乱の物理量を計測する
   ことを特徴とする振動式センサ。
2. 前記錘、梁、および枠体は、同一材料から一体成形されている
   ことを特徴とする請求項１に記載の振動式センサ。
3. 前記外乱の検出軸方向は、前記錘、梁、および枠体を含む平面内で梁の長手方向と垂直であり、かつ、
   前記振動子と前記支持構造体とは、前記錘、梁、および枠体を含む平面に対して垂直方向に前記梁の一部を貫通した貫通孔により分離形成される
   ことを特徴とする請求項１に記載の振動式センサ。
4. 前記外乱の検出軸方向は、前記錘、梁、および枠体を含む平面に対して垂直であり、
   前記振動子と前記支持構造体とは、前記錘、梁、および枠体を含む平面に対して垂直方向に梁を貫通する貫通孔を形成することにより分離され、
   前記錘、梁、および枠体を含む平面の垂直方向に対して、前記振動子が、前記梁の一方面から加工して薄く形成される場合には前記支持構造体が前記梁の他方面から加工して薄く形成され、或いは、前記振動子が、前記梁の他方面から加工して薄く形成される場合には前記支持構造体が前記梁の一方面から加工して薄く形成される
   ことを特徴とする請求項１に記載の振動式センサ。
5. 前記貫通孔は、前記錘、梁、および枠体を含む平面に対して垂直方向に細長穴のスリット状に貫通し形成され、
   前記振動子と前記支持構造体とは、平行な板状構造である
   ことを特徴とする請求項３に記載の振動式センサ。
6. 前記貫通孔は、前記錘、梁、および枠体を含む平面に対して垂直方向に貫通し形成され、
   前記振動子は、板状構造を有し、
   前記支持構造体は、その断面二次モーメントが前記梁の長手方向の位置により異なる
   ことを特徴とする請求項３に記載の振動式センサ。
7. 前記貫通孔は、上面視でＴ字型様の形状である
   ことを特徴とする請求項６に記載の振動式センサ。
8. 前記振動子と前記支持構造体とは、前記貫通孔が前記梁の長手方向に平行な２本の細長穴のスリット状の形状を成すことにより分離され、かつ、
   前記錘、梁、および枠体を含む平面の垂直方向に対し、前記振動子が、前記梁の一方面から加工して薄く形成される場合には前記支持構造体が前記梁の他方面から加工して薄く形成され、或いは、前記振動子が、前記梁の他方面から加工して薄く形成される場合には前記支持構造体が前記梁の一方面から加工して薄く形成される
   ことを特徴とする請求項４に記載の振動式センサ。
9. 前記錘、梁、および枠体は、単結晶シリコンで製造される
   ことを特徴とする請求項１から請求項８のうちの何れか一項に記載の振動式センサ。
10. 前記錘、梁、および枠体を含む平面を共有し、異なる前記検出軸方向を有する前記振動式センサを同一基板上に一体形成し、多軸の検出を可能とした
    ことを特徴とする請求項１から請求項９のうちの何れか一項に記載の振動式センサ。
11. 前記検出軸方向の異なる前記振動式センサを積層して接合し、多軸の検出を可能とした
    ことを特徴とする請求項１から請求項９のうちの何れか一項に記載の振動式センサ。

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