JP2731825B2 - 加速度センサ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、圧力の作用で移動する
鋼球等の圧力応動体で可とう性を有する静水圧的圧力伝
達特性材に圧力を発生させ、この圧力をセンサチップに
伝達する構造の加速度センサに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、三次元加速度センサは一次元加速
度センサを立方体等のブロックの３方向に３つ取り付け
た構造や同一基板面上に三次元の加速度を検出する３素
子を配置した構造等が提案されている。この種の加速度
センサとしては、特開昭６３ー１１８６６７号公報、特
開昭６２ー１１８２６０号公報に開示されたものがあ
る。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】従来の多次元加速度セ
ンサは、センサの全体システムを構成する部品が多くか
つ複雑な調整を必要とするものであった。また形状が大
きいため、小型化も困難であった。更に構成部品は加工
精度が高く要求され、しかも部品点数が多いためその組
み付け性が悪くなり、センサのコストを高める要因とな
っていた。本発明の目的は、少ない部品構成で、かつ組
付・調整が容易であると共に、壊れにくい加速度センサ
を提供することである。

【０００４】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに、本発明の加速度センサは圧力変位により抵抗変化
を示すゲージ膜が形成されたダイヤフラムを有するシリ
コン半導体基板と、前記ダイヤフラムに対向させる開口
を有する圧力伝達部および該圧力伝達部に連通された支
持筒部からなるセンサボディと、該圧力伝達部および支
持筒部に充填され、前記ダイヤフラムに圧力を伝達させ
る可とう性の静水圧的圧力伝達特性材と、前記支持筒部
内の前記圧力伝達特性材に該支持筒部に非接触状態で保
持させ、加速度が加わったときに前記支持筒部内を移動
し、前記圧力伝達特性材に押圧力を与える圧力応動体と
を備え、前記静水圧的圧力伝達特性材はシリコンゲルに
より構成されている。

【０００５】

【作用】加速度が支持筒部の軸線に一致する方向に発生
すると、圧力応動体が筒軸方向に移動し、静水圧的圧力
伝達特性材を押圧する。この圧力応動体が圧力伝達部方
向に動いたときに前記圧力伝達特性材に発生される圧力
がセンサチップのダイヤフラムに伝達される。このと
き、ダイヤフラムは圧力に応じて変位し、この変位によ
りゲージ膜１２に加速度に応じた圧力値相当の抵抗変化
が起る。これを電気信号として取り出す。静水圧的圧力
伝達特性材としてシリコンゲルを用い、その自己形状保
持機能力を利用することにより、必ずしも密閉された容
器を必要としない為、構成を簡単にすることができると
ともに、取付姿勢にも制約がないから組付性が向上され
る。

【０００６】

【実施例】本発明の実施例を図面に基づいて説明する。
図１は本発明の一実施例である三次元加速度センサ１０
の構成を示す。三次元加速度センサ１０は、半導体製造
技術により作製されるシリコン半導体基板からなるセン
サチップ１および圧力を前記センサチップ１に伝達する
センサボディ２を備えている。センサチップ１は、同一
のシリコンウエハ上に形成される複数個、例えば３つの
センサチップ１ａ,１ｂ,１ｃにより構成されている。各
センサチップ１ａ,１ｂ,１ｃは、図２に示すように、加
振によって変位するダイヤフラム１１を有し、このダイ
ヤフラムの応力発生部位等に圧力変位により抵抗変化を
示すゲージ膜１２を設け、このゲージ膜１２を増幅回路
等の処理回路が設けられたハイブリッド集積回路（ＨＩ
Ｃ）基板２０にワイヤボンド２１するための配線、ボン
ディング用パッド等の電極パターン（図示せず）が設け
られている。ＨＩＣ基板２０は、増幅回路等の信号処理
回路が設けられており、ダイヤフラム１２に加わる圧力
に応じて電気的にブリッジ接続されたゲージ１２の抵抗
変化から得られる電気信号を処理してセンサ信号を出力
する。

【０００７】センサボディ２は、その内部にセンサチッ
プ１に圧力を伝える圧力伝達部２Ａ,２Ｂ,２Ｃおよび該
圧力伝達部に連通する支持筒部３Ａ,３Ｂ,３Ｃが設けら
れている。センサチップ２の一面はセンサチップ１に重
合され、この重合面には各センサチップ１のダイヤフラ
ムに独立して圧力を伝えるための圧力伝達部２Ａ,２Ｂ,
２Ｃの開口２ａ,２ｂ,２ｃが設けられている。各支持筒
部３Ａ,３Ｂ,３Ｃには加速度を受けると移動する圧力応
動部材としての鋼球４（以下「Ｇボール」という）が配
設される。このセンサボディ２は、金属、ガラスまたは
樹脂材が使用されるが、好ましくは樹脂成形により作製
される。

【０００８】圧力伝達部２Ａは 図１Ｂに示すように、
Ｇボール４が配設されるストレイト形の第１の支持筒部
３Ａに連通されており、この第１の支持筒部３Ａの開口
３ａは開口２ａと同軸上に設けられている。そして、圧
力伝達部２Ｂおよび２Ｃは、図１Ｃに示すように、開口
２ｂおよび２ｃの中心を通る線に直交する方向に開口３
ｂおよび３ｃをもつエルボ形の第２および第３の支持筒
部３Ｂおよび３Ｃに連通されている。第２の支持筒部３
Ｂおよび第３の支持筒部３Ｃは、９００異なる方向の圧
力を感知するように直交する面にその開口３ｂおよび３
ｃが設けられている。したがって、センサボディ２を図
示のように直方体で構成した場合は、センサチップ１と
の重合面の反対側の面に開口３ａ、重合面に直角な一つ
の面に開口３ｂおよび該一つの面と重合面の双方に直角
な他の面に開口３ｃをもつ支持筒部３Ａ，３Ｂ，３Ｃに
よって構成される。三次元加速度センサが図１Ｂに示す
状態で設置される場合、開口３ａおよび３ｃからシリコ
ンゲルが落ちるのを防止するために、蓋７が設けられ
る。特に、シリコンゲルには自己形状保持機能力がある
ので、密閉された容器内に必ずしもとじ込める必要はな
い。図１Ｃに示すように開放された空間に入れた場合、
取付姿勢を変えてもシリコンゲルが漏れ出ることはな
い。

【０００９】本実施例では可とう性を有する静水圧的圧
力伝達特性材として、シリコンゲルを用いているが、そ
の他の材料としては低硬度ゴム系弾性体が使用可能であ
る。センサチップ１とセンサボディ２との間にはスペー
サ５が介在されており、このスペーサ５には各センサチ
ップ１ａ,１ｂ,１ｃを独立して取り囲む窓５ａ,５ｂ,５
ｃが設けられている。スペーサ５はセンサチップ１とセ
ンサボディ２間の接着または接合を助けるための材質、
例えばゴムが選択される。加速度センサの組立は、セン
サチップ１とセンサボディ２をスペーサ５を介在させて
接着した後、開口３ａ,３ｂ,３ｃからスペーサ５の窓５
ａ,５ｂ,５ｃおよび各圧力伝達部２Ａ,２Ｂ,２Ｃにシリ
コンゲル６を充填させ、更に各支持筒３Ａ,３Ｂ,３Ｃに
注入されたシリコンゲル中にＧボール４を入れる。

【００１０】上記の構成において、加速度が支持筒部の
軸線に一致する方向に発生すると、当該支持筒部内のＧ
ボール４が図示（図１Ｂ,１Ｃ）の矢印方向に移動す
る。このＧボール４の移動において、圧力伝達部方向に
動いたときシリコンゲル６を押す。このとき、シリコン
ゲル６に圧力が発生し、この圧力をスペーサ内のシリコ
ンゲルに伝えて分散させ、センサチップのダイヤフラム
に伝達する。ダイヤフラムは圧力に応じて変位し、この
変位によりゲージ膜１２に加速度に応じた圧力値相当の
抵抗変化が起こり、これを電気信号として取り出す。本
実施例によれば、支持筒部を３軸方向に独立して設ける
ことにより、Ｇボールの動きを各軸方向のみに限定させ
ることができるから、他軸方向に加わる加速度による影
響を受けにくい。

【００１１】次に本発明の他の実施例を説明する。図２
はセンサボディをチューブ構造にした加速度センサの一
部断面を示す。ＨＩＣ基板に接着２２により取り付けら
れたセンサチップ１の上面にセンサボディとなるチュー
ブ３０が接着により取り付けられている。チューブ２は
センサチップ１側に位置させて圧力伝達部３２を、該圧
力伝達部３２に連通したＧボール４を収容する支持筒部
３３が設けられている。圧力伝達部３２は支持筒部３３
に連通する該支持筒部より幅が狭い、すなわちＧボール
４の径より小さい幅の圧力伝達前部３２ａと該圧力伝達
前部からセンサチップの周囲までラッパ状に拡がった圧
力伝達拡開部３２ｂによって構成されている。なお、チ
ューブを直角に曲げてエルボ形にし、一方の開口側を上
記と同じ圧力伝達部とし、他方の開口側をＧボールの支
持筒部として構成することもできる。この場合、ストレ
イト形およびエルボ形のチューブは、各センサチップが
それぞれ異なる方向の加速度を感知するように３軸方向
に組み合わせて配設される。

【００１２】本実施例では、圧力伝達部のセンサチップ
との対向側に圧力伝達拡開部３２ｂを設けたので、Ｇボ
ールにより押されて圧力伝達前部３２ａのシリコンゲル
に発生した圧力が圧力伝達拡開部３２ｂで分散され、セ
ンサチップ１のダイヤフラム１１全体に均一に圧力を作
用させることができる。図３および図４はＧボールの他
の実施例である。図３は円盤をもつＧボールとチューブ
構造を示す。Ｇボール４０はシリコンゲル６中に入れる
円盤４１および該円盤の中心から延びるガイド軸４２か
ら構成される。一方、チューブ５０は上部の開口をＧボ
ール４０のガイド軸４０が遊嵌状態で貫通するように狭
められている。図４は椀体をもつＧボールとチューブ構
造を示す。Ｇボール４００はシリコンゲル６で蓋をする
ようにしてシリコンゲル中に入れる椀体４１０と該椀体
の底から延びるガイド軸４２０から構成される。椀体４
１０は、その内部にシリコンゲルが充満させた状態で組
み付けられる。

【００１３】本実施例によれば、Ｇボールがセンサチッ
プのダイヤフラム方向に対してシリコンゲルの全幅に亘
って均等に押圧力を作用させることができるため、加速
度感度を上げることができる。このようにＧボールの形
状を替えることにより、加速度感度を変えることができ
る。本実施例は、本発明を三次元加速度センサに応用し
た場合であるが、１または２つのセンサチップの組み合
わせにより一次元または二次元加速度センサを構成する
こともできる。

【００１４】

【発明の効果】上述のとおり、本発明によれば、センサ
ボティに充填された可とう性の静水圧的圧力伝達特性材
に圧力応動体を保持させ、この圧力応動体の動きに応じ
た圧力をダイヤフラムに作用させるようにしたので、圧
力応動体の形状変更により加速度感度を容易に変えるこ
とができると共に、ダイヤフラム全体が前記圧力伝達特
性材により封止されているため、加速度センサの保護が
図られる。また静水圧的圧力伝達特性材としてシリコン
ゲルを用いたことにより、開放された容器の使用が可能
となる為、構成が簡単にでき、しかも取付姿勢にも制約
がないから組付性が向上される。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の圧力センサの一実施例である三次元加
速度センサで、図１Ａはセンサの全体構成を示す斜視
図、図１Ｂは圧力伝達部に直線的に配置されるＧボール
を収容する支持筒部をもつセンサの構成を示す断面図、
図１Ｃは圧力伝達部に直角的に配置されるＧボールを収
容する支持筒部をもつセンサの構成を示す断面図であ
る。

【図２】本発明の他の実施例である圧力センサの一部断
面を示す構成図である。

【図３】Ｇボールの他の実施例を示す断面図である。

【図４】Ｇボールの他の実施例を示す断面図である。

【符号の説明】

１ センサチップ（シリコン半導体基板） ２ センサボディ ２Ａ,２Ｂ,２Ｃ 圧力伝達部 ３Ａ,３Ｂ,３Ｃ 支持筒部 ４,４０,４００ Ｇボール（圧力応動体） ５ スペーサ ６ シリコンゲル（静水圧的圧力伝達特性材） ７ 蓋 １０ 三次元加速度センサ １１ ダイヤフラム １２ ゲージ膜 ２０ ＨＩＣ基板 ３０,５０ チューブ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 岩崎 幸雄 愛知県丹羽郡大口町大字豊田字野田１番 地 株式会社東海理化電機製作所内 (72)発明者 大瀧 清和 愛知県丹羽郡大口町大字豊田字野田１番 地 株式会社東海理化電機製作所内 (72)発明者 糸魚川 貢一 愛知県丹羽郡大口町大字豊田字野田１番 地 株式会社東海理化電機製作所内 (56)参考文献 特開 昭63−75568（ＪＰ，Ａ) 特開 平１−197663（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−20867（ＪＰ，Ａ) 実開 平４−1465（ＪＰ，Ｕ) 実開 平１−118367（ＪＰ，Ｕ) 特表 平３−501886（ＪＰ，Ａ)

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 圧力変位により抵抗変化を示すゲージ膜
   が形成されたダイヤフラムを有するシリコン半導体基板
   と、前記ダイヤフラムに圧力を作用させる開口を有する
   圧力伝達部および該圧力伝達部に連通された支持筒部か
   らなるセンサボディと、該圧力伝達部および支持筒部に
   充填され、前記ダイヤフラムに圧力を伝達させる可とう
   性の静水圧的圧力伝達特性材と、前記支持筒部内の前記
   圧力伝達特性材に該支持筒部に非接触状態で保持させ、
   加速度が加わったときに前記支持筒部内を移動し、前記
   圧力伝達特性材に押圧力を与える圧力応動体とを備え、
   前記静水圧的圧力伝達特性材はシリコンゲルにより構成
   されていることを特徴とする加速度センサ。