JP5976893B1 - センサ - Google Patents

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Abstract

【課題】感度を向上できるセンサを提供する。【解決手段】実施形態によれば、センサは、構造体と、第１可撓部と、第１検出部と、を含む。前記構造体は、第１部分と、前記第１部分と繋がる第２部分と、を含む。前記第１部分は、前記第１部分と前記第２部分とを結ぶ方向と交差する第１方向に沿って変位する。前記第２部分は前記第１部分の前記変位に応じて前記第１方向と交差する第２方向に沿って変位する、前記第１可撓部は、前記第２部分の前記変位に応じて前記第２方向に沿って変形する。前記第１検出部は、前記第１可撓部の前記変形を検出する。【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、センサに関する。
例えば、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical System）を用いたセンサがある。センサにおいて、感度の向上が求められる。例えば、低周波数域（０．１Ｈｚ〜１０Ｈｚ程度）における感度を向上することで、センサの用途が拡大する。
特開平９−３１８６５４号公報
本発明の実施形態は、感度を向上できるセンサを提供する。
本発明の実施形態によれば、センサは、構造体と、第１可撓部と、第１検出部と、を含む。前記構造体は、第１部分と、前記第１部分と繋がる第２部分と、を含む。前記第１部分は、前記第１部分と前記第２部分とを結ぶ方向と交差する第１方向に沿って変位する。前記第２部分は前記第１部分の前記変位に応じて前記第１方向と交差する第２方向に沿って変位する、前記第１可撓部は、前記第２部分の前記第２方向に沿った変位に応じて前記第２方向に沿って変形する。前記第１検出部は、前記第１可撓部の前記変形を検出する。
図１（ａ）〜図１（ｃ）は、第１の実施形態に係るセンサを例示する模式的断面図である。 第１の実施形態に係る別のセンサを例示する模式的断面図である。 、第１の実施形態に係る別のセンサの一部を例示する模式的断面図である。 図４（ａ）及び図４（ｂ）は、第１の実施形態に係る別のセンサを例示する模式的断面図である。 図５（ａ）及び図５（ｂ）は、第１の実施形態に係る別のセンサを例示する模式的断面図である。 、第１の実施形態に係る別のセンサを例示する模式的断面図である。 第１の実施形態に係る別のセンサを例示する模式的断面図である。 第１の実施形態に係る別のセンサを例示する模式的断面図である。 図９（ａ）〜図９（ｃ）は、第２の実施形態に係る別のセンサを例示する模式的断面図である。 第２の実施形態に係る別のセンサを例示する模式的断面図である。 第３の実施形態に係る別のセンサを例示する模式的断面図である。 実施形態に係るセンサを例示する模式的断面図である。
以下に、各実施の形態について図面を参照しつつ説明する。
なお、図面は模式的または概念的なものであり、各部分の厚みと幅との関係、部分間の大きさの比率などは、必ずしも現実のものと同一とは限らない。また、同じ部分を表す場合であっても、図面により互いの寸法や比率が異なって表される場合もある。
なお、本願明細書と各図において、既出の図に関して前述したものと同様の要素には同一の符号を付して詳細な説明は適宜省略する。
（第１の実施形態）
図１（ａ）〜図１（ｃ）は、第１の実施形態に係るセンサを例示する模式的断面図である。
図１（ａ）は、１つの状態ＳＴ０（例えば初期状態）を例示している。図１（ｂ）は、第１状態ＳＴ１を例示している。図１（ｃ）は、第２状態ＳＴ２を例示している。
図１（ａ）に示すように、本実施形態に係るセンサ１１０は、構造体１０と、第１可撓部２１と、第１検出部３１と、を含む。この例では、センサ１１０は、支持部４０をさらに含む。
構造体１０は、第１部分１１と、第２部分１２と、第３部分１３と、を含む。第２部分１２は、第１部分１１と繋がる。この例では、第３部分１３は、第１部分１１と第２部分１２との間に設けられる。
第１部分１１は、第１方向Ｄ１に沿って変位する。この例では、第１方向Ｄ１は、実質的にＺ軸方向に対応する。Ｚ軸方向に対して垂直な１つの方向をＸ軸方向とする。Ｚ軸方向とＸ軸方向とに対して垂直な方向をＹ軸方向とする。
第１方向Ｄ１は、第１部分１１と第２部分１２とを結ぶ方向と交差する。図１（ａ）に示す状態ＳＴ０においては、第１部分１１と第２部分１２とを結ぶ方向は、実質的にＸ軸方向に沿っている。
この例では、支持部４０は、構造体１０の第３部分１３を支持している。例えば、支持部４０の一部と、第３部分１３と、を貫通するピン４０ｐが設けられている。ピン４０ｐを中心として、構造体１０は回転可能である。回転に伴って、第１部分１１は、第１方向Ｄ１に沿って変位する。構造体１０は、例えば、梃である。ピン４０ｐが支点に対応する。
第２部分１２は、第１部分１１の変位に応じて、第２方向Ｄ２に沿って変位する。第２方向Ｄ２は、第１方向Ｄ１と交差する。第２方向Ｄ２は、第１方向Ｄ１と非平行である。上記の構造体１０の回転により、第１部分１１が第１方向Ｄ１に沿って変位し、この変位に連動して、第２部分１２が第２方向Ｄ２に沿って変位する。
例えば、図１（ｂ）は、変位の１つの状態（第１状態ＳＴ１）を例示している。図１（ｃ）は、変位の別の１つの状態（第２状態ＳＴ２）を例示している。図１（ｂ）に示すように、例えば、第１状態ＳＴ１においては、第１部分１１が第１方向Ｄ１に沿って図中の下方向に向かって変位する。この変位に連動して、第２部分１２が、第２方向Ｄ２に沿った図中の左方向に向かって変位する。図１（ｃ）に示すように、例えば、第２状態ＳＴ２においては、第１部分１１が第１方向Ｄ１に沿って図中の上方向に向かって変位する。この変位に連動して、第２部分１２が、第２方向Ｄ２に沿った図中の右方向に向かって変位する。
第１可撓部２１は、上記の第２部分１２の第２方向Ｄ２に沿った変位に応じて、第２方向Ｄ２に沿って変形する。第２部分１２は、第２方向Ｄ２に沿って第１可撓部２１を押す。第２部分１２は、第２方向Ｄ２に沿って第１可撓部２１を引く。第１可撓部２１には、例えば、薄膜が用いられる。例えば、第１可撓部２１には、シリコン薄膜を用いても良い。第１可撓部２１の厚さ（第２方向Ｄ２に沿った長さ）は、例えば、０．０１μｍ（マイクロメートル）以上１０００μｍ以下である。これにより、適正な可撓性が得られる。
第１検出部３１は、第１可撓部２１の第２方向Ｄ２に沿ったこの変形を検出する。
この例では、第１検出部３１は、第１素子部３１ｇと、第１電極３１ｅと、第２電極３１ｆと、を含む。第１可撓部２１の変形に応じて、第１素子部３１ｇに応力が加わる。第１素子部３１ｇは、第１可撓部２１の変形に応じて、変形する。第１素子部３１ｇは、例えば、シリコン薄膜である。第１素子部３１ｇは、第１可撓部２１と連続していても良い。第１電極３１ｅは、第１素子部３１ｇと接続される。第２電極３１ｆは、第１素子部３１ｇと接続され、第１電極３１ｅと離間する。
第１電極３１ｅと第２電極３１ｆとの間の電気特性（例えば電気抵抗）は、第１可撓部２１の変形に応じて変化する。例えば、第１素子部３１ｇがシリコンである場合に、第１可撓部２１の変形に伴って第１素子部３１ｇが変形したときに、第１素子部３１ｇの電気抵抗（第１電極３１ｅと第２電極３１ｆとの間の電気特性）が変化する。第１素子部３１ｇとして、例えば圧電体が用いられる場合には、第１可撓部２１の変形に伴って第１素子部３１ｇが変形したときに、第１素子部３１ｇに生じる電位差（第１電極３１ｅと第２電極３１ｆとの間の電位差）が変化する。さらに、後述するように、第１検出部３１は、第１可撓部２１の第２方向Ｄ２に沿った変形に伴う静電容量を検出しても良い。実施形態において、第１可撓部２１の第２方向Ｄ２に沿った変形の検出の方法（及び構造）は任意である。
実施形態に係るセンサ１１０においては、第１部分１１が、第１方向Ｄ１に沿って変位し、第２部分１２が、第１部分１１の変位に応じて第２方向Ｄ２に沿って変位する。そして、第１可撓部２１は、第２部分１２の第２方向Ｄ２に沿った変位に応じて、第２方向Ｄ２に沿って変形する。このような第１可撓部２１の第２方向Ｄ２に沿ったこの変形が、第１検出部３１で検出される。これにより、例えば、センサ１１０に加わる加速度を高感度に検出できる。
すなわち、第１部分１１は例えば、おもりである。センサ１１０に加わる加速度により、第１部分１１は第１方向Ｄ１に沿って変位する。この第１部分１１に連動して、第２部分１２の変位を介して、第１可撓部２１は、第１方向Ｄ１とは異なる第２方向Ｄ２に沿って変位する。第１可撓部２１の変形は、第１可撓部２１の質量に伴う第１方向Ｄ１に沿った力の影響を受けにくい。第１可撓部２１の質量（第１可撓部２１の自重）の影響が抑制される。これにより、第１部分１１の第１方向Ｄ１に沿った変位が高感度に検出できる。すなわち、第１部分１１の第１方向Ｄ１に沿った加速度を高感度に検出できる。
例えば、参考例において、第１可撓部の変位方向と同じ方向に変位するおもりが、第１可撓部と組み合わせられる。この参考例においては、おもりに力（加速度）が加わった際に、おもりは第１方向に沿って変位し、この変位に伴って、第１可撓部も第１方向に沿って変位する。第１可撓部のこの第１方向の変位は、第１可撓部自身の質量の影響を受ける。
実施形態においては、第１部分１１（例えばおもり）の変位の方向（第１方向Ｄ１）と、第１可撓部２１の変形の方向（第２方向Ｄ２）が交差する。このため、第１方向Ｄ１に沿った加速度が第１可撓部２１に加わった場合においても、この加速度が第１可撓部２１に与える影響が抑制できる。これにより、感度を向上することができる。
第１部分１１は、おもりとして機能する。第１部分１１の質量は、第１可撓部２１の質量よりも大きい。第１部分１１の質量は、例えば、第１可撓部２１の質量の１０倍以上である。第１部分１１の質量は、第１可撓部２１の質量の１００倍以下である。
例えば、第１部分１１の質量は、第１可撓部２１のたわみ剛性の１倍以上１０６倍以下である。
例えば実施形態において、センサ１１０は、ピーク感度周波数を有する。センサ１１０の感度は、ピーク感度周波数において最高となる。実施形態において、ピーク感度周波数は、例えば１０Ｈｚ以下である。これにより、例えば、低周波数において、高い感度が得られる。実施形態において、ピーク感度周波数は、例えば０．１Ｈｚ以上である。第１検出部３１において検出される加速度のピーク感度周波数は、０．１Ｈｚ以上１０Ｈｚ以下である。第１検出部３１において検出される変位のピーク感度周波数は、０．１Ｈｚ以上１０Ｈｚ以下である。
実施形態において、構造体１０には、例えばアルミナ、シリコン、鉄またはステンレスなどが用いられる。第１部分１１と第２部分１２との間の距離は、例えば、０．０１ｍｍ以上１０ｍｍ以下程度である。第１部分１１の質量は、例えば、０．１ｇ以上１０ｇ以下である。
第１可撓部２１には、例えば、単結晶シリコンまたは多結晶シリコンなどが用いられる。第１可撓部２１の厚さは、０．０１ｍｍ以上１０ｍｍ以下である。第１可撓部２１の質量は、例えば、０．１μｇ以上１０ｇ以下である。
実施形態において、構造体１０及び第１可撓部２１に関する上記の材料、形状及び大きさについての記載は例であり、実施形態において、これらは、任意である。
図２は、第１の実施形態に係る別のセンサを例示する模式的断面図である。
図２に示すように、本実施形態に係る別のセンサ１１１においては、支持部４０に突起４０ｑが設けられている。突起４０ｑにより、構造体１０の第３部分１３が支持される。これ以外は、センサ１１０と同様である。センサ１１１においても、感度が向上できる。
図３は、第１の実施形態に係る別のセンサの一部を例示する模式的断面図である。
図３は、構造体１０の第２部分１２、第１可撓部２１、及び、支持部４０の一部を含む部分を拡大して示している。
図３に示すように、本実施形態に係る別のセンサ１１２は、中間層２５をさらに含む。中間層２５は、構造体１０の第２部分１２と、第１可撓部２１と、の間に設けられる。中間層２５には、柔軟な媒質が用いられる。中間層２５のヤング率は、例えば、第１可撓部２１のヤング率よりも低い。例えば、中間層２５のヤング率は、０．０１ＭＰａ程度以上１ＭＰａ程度以下である。
中間層２５は、例えば、液体を含む。液体は、例えば、シリコーンオイルまたは機械油などを含む。液体は、不揮発性（低揮発性）であることが望ましい。高保存性および高耐環境性が得られる。中間層２５は、例えば、高分子を含んでも良い。高分子は、例えば、天然ゴム、合成ゴムまたはエポキシ系樹脂などを含む。高分子は、例えばＰＤＭＳ（polydimethylsiloxane）の架橋体を含んでも良い。中間層２５は、弾性体を含んでも良い。
この例では、第２部分１２と中間層２５との間に、連結部２６が設けられている。連結部２６には、例えば、金属などが用いられる。連結部２６は第２部分１２に連結している。中間層２５に液体が用いられた場合に、連結部２６により、液体の流出が抑制される。例えば、第１可撓部２１と連結部２６とにより形成される空間に、液体の表面張力により、液体が保持される。
第２部分１２の第２方向Ｄ２の変位は、中間層２５を介して、第１可撓部２１に伝達される。中間層２５により、第１部分１１の変位に伴う第２部分１２の変位による力が緩和されて、第１可撓部２１に伝達される。例えば、第１可撓部２１の破壊が抑制される。
図４（ａ）及び図４（ｂ）は、第１の実施形態に係る別のセンサを例示する模式的断面図である。
図４（ａ）は、本実施形態に係る別のセンサ１１３を示す。図４（ｂ）は、センサ１１３の一部を示す。
図４（ａ）に示すように、本実施形態に係るセンサ１１３は、構造体１０、第１可撓部２１、第１検出部３１及び支持部４０に加えて、第１弾性部４１をさらに含む。構造体１０は、第１部分１１と第２部分１２との間の第３部分１３を含む。第１弾性部４１は、支持部４０と第３部分１３との間に設けられる。支持部４０は、第１弾性部４１を介して第３部分１３を支持する。これ以外は、センサ１１０と同様なので説明を省略する。
図４（ｂ）は、第１弾性部４１を例示している。第１弾性部４１は、変形可能である。第１弾性部４１は、Ｚ軸方向（第１方向Ｄ１）とは交差する方向において変形する。第１弾性部４１は、構造体１０の第１部分１１の変位の力を受ける。第１弾性部４１は、第１弾性部４１の変形により、この力を緩和する。第１弾性部４１を用いることで、例えば、構造体１０及び第１可撓部２１の少なくともいずれかの破壊が抑制される。
第１弾性部４１は、例えば平行ばねである。第１弾性部４１には、例えば、鉄、アルミニウム、ステンレス、シリコン及びアルミナの少なくともいずれかが用いられる。
図５（ａ）及び図５（ｂ）は、第１の実施形態に係る別のセンサを例示する模式的断面図である。
図５（ａ）は、本実施形態に係る別のセンサ１１４を示す。この例でも第１弾性部４１が設けられる。図５（ｂ）は、センサ１１４の一部（第１弾性部４１）を示す。
図５（ａ）及び図５（ｂ）に示すように、センサ１１４においては、第１弾性部４１は、例えば、弾性ヒンジである。第１弾性部４１において、第１領域４１ａと、第２領域４１ｂと、第３領域４１ｃと、が設けられる。第１領域４１ａと、構造体１０との間に、第２領域４１ｂが設けられる。第１領域４１ａと第２領域４１ｂとの間に第３領域４１ｃが設けられる。第３領域４１ｃのＸ軸方向（例えば、第１方向Ｄ１に対して垂直な方向）の幅は、第１領域４１ａのＸ軸方向の幅よりも狭く、第２領域４１ｂのＸ軸方向の幅よりも狭い。第１弾性部４１は、変形し易い。
この例においても、第１弾性部４１は、変形可能である。第１弾性部４１は、Ｚ軸方向（第１方向Ｄ１）とは交差する方向において変形する。第１弾性部４１を用いることで、例えば、構造体１０及び第１可撓部２１の少なくともいずれかの破壊が抑制される。
図６は、第１の実施形態に係る別のセンサを例示する模式的断面図である。
図６に示すように、本実施形態に係る別のセンサ１１５は、構造体１０、第１可撓部２１、第１検出部３１及び支持部４０に加えて、第２弾性部４２をさらに含む。第２弾性部４２は、支持部４０及び第２部分１２と接続される。第２弾性部４２は、例えば、ばねである。これ以外は、センサ１１０と同様なので説明を省略する。第２弾性部４２は、変形可能である。第２弾性部４２を用いることで、例えば、構造体１０及び第１可撓部２１の少なくともいずれかの破壊が抑制される。
図７は、第１の実施形態に係る別のセンサを例示する模式的断面図である。
図７に示すように、本実施形態に係る別のセンサ１１６は、構造体１０、第１可撓部２１、第１検出部３１及び支持部４０に加えて、ダンパ４３をさらに含む。ダンパ４３は、支持部４０及び第２部分１２と接続される。これ以外は、センサ１１０と同様なので説明を省略する。ダンパ４３は、変形可能である。ダンパ４３は、例えば、第２部分１２に加わる衝撃を吸収する。ダンパ４３は、例えば、第１可撓部２１に加わる衝撃を吸収する。ダンパ４３を用いることで、例えば、構造体１０及び第１可撓部２１の少なくともいずれかの破壊が抑制される。
ダンパ４３には、例えば、ＰＤＭＳ，合成ゴム、天然ゴム、または、シリコーンオイル（オイルダンパ）が用いられる。実施形態において、第２弾性部４２及びダンパ４３を設けても良い。
図８は、第１の実施形態に係る別のセンサを例示する模式的断面図である。
図８に示すように、本実施形態に係る別のセンサ１１７においては、第１検出部３１の構成が、センサ１１０における第１検出部３１の構成とは異なる。これ以外は、センサ１１０と同様である。
図８に示すように、第１検出部３１は、第１電極３１ｅと第２電極３１ｆと、を含む。第１電極３１ｅは、第１可撓部２１の少なくとも一部に設けられる。第１可撓部２１は、支持部４０に対向する面を有する。例えば、第１電極３１ｅは、第１可撓部２１のその面に設けられる。第２電極３１ｆは、第１電極３１ｅと離間する。第２電極３１ｆは、第１電極３１ｅと対向する。支持部４０は、第１可撓部２１に対向する面を有する。第２電極３１ｆは、支持部４０のその面に設けられる。第１可撓部２１の変形に応じて、第１電極３１ｅと第２電極３１ｆとの間の距離が変化する。第１電極３１ｅと第２電極３１ｆとの間の静電容量は、第１可撓部２１の変形に応じて変化する。この例では、第１検出部３１は、静電容量型である。センサ１１７においても、高い感度が得られる。
（第２の実施形態）
図９（ａ）〜図９（ｃ）は、第２の実施形態に係る別のセンサを例示する模式的断面図である。
図９（ａ）は、１つの状態ＳＴ０（例えば初期状態）を例示している。図９（ｂ）は、第１状態ＳＴ１を例示している。図９（ｃ）は、第２状態ＳＴ２を例示している。
図９（ａ）に示すように、本実施形態に係るセンサ１２０は、構造体１０と、第１可撓部２１と、第１検出部３１と、支持部４０と、を含む。
構造体１０は、第１部分１１と、第２部分１２と、第３部分１３と、を含む。第２部分１２は、第１部分１１と繋がる。この例では、第２部分１２は、第１部分１１と第３部分１３との間に設けられる。
図９（ｂ）及び図９（ｃ）に示すように、この場合も、第１部分１１は、第１方向Ｄ１に沿って変位する。第１方向Ｄ１をＺ軸方向とする。この場合も、第１方向Ｄ１は、第１部分１１と第２部分１２とを結ぶ方向と交差する。図９（ａ）に示す状態ＳＴ０においては、第１部分１１と第２部分１２とを結ぶ方向は、Ｘ軸方向に沿っている。
図９（ｂ）及び図９（ｃ）に示すように、第２部分１２は、第１部分１１の変位に応じて、第２方向Ｄ２に沿って変位する。第２方向Ｄ２は、第１方向Ｄ１と交差する。
支持部４０は、第３部分１３を支持する。例えば、支持部４０の一部と、第３部分１３と、を貫通するピン４０ｐが設けられている。ピン４０ｐを中心として、構造体１０は回転可能である。回転に伴って、第１部分１１は、第１方向Ｄ１に沿って、変位する。構造体１０は、例えば、梃である。ピン４０ｐが、支点に対応する。
第２部分１２は、第１部分１１の変位に応じて、第２方向Ｄ２に沿って変位する。すなわち、上記の構造体１０の回転により、第１部分１１が第１方向Ｄ１に沿って変位し、この変位に連動して、第２部分１２が第２方向Ｄ２に沿って変位する。センサ１２０においても、第１部分１１に加わる第１方向Ｄ１に沿った加速度が第１可撓部２１に加わった場合においても、この加速度が第１可撓部２１に与える影響が抑制できる。これにより、感度を向上することができる。
図１０は、第２の実施形態に係る別のセンサを例示する模式的断面図である。
図１０に示すように、本実施形態に係るセンサ１２１は、構造体１０、第１可撓部２１、第１検出部３１及び支持部４０に加えて、第１弾性部４１をさらに含む。第１弾性部４１は、例えば、平行ばね（図４（ｂ）参照）である。第１弾性部４１は、弾性ヒンジ（図５（ｂ）参照）でも良い。
このように、センサ１２１においては、支持部４０と、第１弾性部４１と、が設けられている。構造体１０の第２部分１２は、第１部分１１と第３部分１３との間に設けられる。第１弾性部４１は、支持部４０と第３部分１３との間に設けられる。支持部４０は、第１弾性部４１を介して第３部分１３を支持する。
センサ１２０及び１２１において、中間層２５（図３参照）をさらに設けても良い。連結部２６（図３参照）をさらに設けても良い。第２弾性部４２（図６参照）をさらに設けても良い。ダンパ４３（図７参照）をさらに設けても良い。センサ１２０及び１２１において、第１検出部３１は、静電容量型（図８参照）でも良い。
（第３の実施形態）
図１１は、第３の実施形態に係る別のセンサを例示する模式的断面図である。
図１１に示すように、本実施形態に係るセンサ１３０は、構造体１０、第１可撓部２１、第１検出部３１及び支持部４０に加えて、第２可撓部２２及び第２検出部３２を含む。構造体１０、第１可撓部２１、第１検出部３１及び支持部４０については、センサ１１０と同様であるので説明を省略する。
この例では、筐体５０が設けられている。筐体５０に支持部４０が固定される。筐体５０に第２可撓部２２が固定される。第２可撓部２２は、筐体５０から離間している。
第２可撓部２２は、第３方向Ｄ３に沿って変形する。第３方向Ｄ３は、第２方向Ｄ２と交差する。この例では、第３方向Ｄ３は、第１方向Ｄ１の成分を有する。例えば、第３方向Ｄ３は、第１方向Ｄ１に沿っている。
第２検出部３２は、第２可撓部２２の第３方向Ｄ３に沿った変形を検出する。
この例では、第２検出部３２は、第２素子部３２ｇと、第３電極３２ｅと、第４電極３２ｆと、を含む。第２可撓部２２の変形に応じて、第２素子部３２ｇに応力が加わる。第２素子部３２ｇは、第２可撓部２２の変形に応じて、変形する。第２素子部３２ｇは、例えば、シリコン薄膜である。第２素子部３２ｇは、第２可撓部２２と連続していても良い。第３電極３２ｅは、第２素子部３２ｇと接続される。第４電極３２ｆは、第２素子部３２ｇと接続され、第３電極３２ｅと離間する。
第３電極３２ｅと第４電極３２ｆとの間の電気特性（例えば電気抵抗）は、第２可撓部２２の変形に応じて変化する。第２素子部３２ｇとして、例えば圧電体が用いられる場合には、第２可撓部２２の変形に伴って第２素子部３２ｇが変形したときに、第２素子部３２ｇに生じる電位差（第３電極３２ｅと第４電極３２ｆとの間の電位差）が変化する。さらに、第２検出部３２は、第２可撓部２２の第３方向Ｄ３に沿った変形に伴う静電容量を検出しても良い。この場合、センサ１１７について説明したように、第３電極３２ｅは、第２可撓部２２の少なくとも一部に設けられる。第４電極３２ｆは、第３電極３２ｅと離間する。第４電極３２ｆは、第３電極３２ｅと対向する。第２可撓部２２の変形に応じて、第３電極３２ｅと第４電極３２ｆとの間の距離が変化する。第３電極３２ｅと第４電極３２ｆとの間の静電容量は、第２可撓部２２の変形に応じて変化する。実施形態において、第２可撓部２２の変形の検出の方法（及び構造）は任意である。
第２可撓部２２は、構造体１０に接続されていない。第２可撓部２２は構造体１０の第１部分に比べて動き易い。例えば、第２可撓部２２の質量は、構造体１０の第１部分１１の質量よりも小さい。例えば、第２可撓部２２の質量は、構造体１０の第１部分１１の質量の１０−６倍以上１倍以下である。
例えば、第２可撓部２２及び第２検出部３２は、高周波の加速度を検出する。例えば、第２検出部３２において検出される加速度のピーク感度周波数は、第１検出部３１において検出される加速度のピーク感度周波数よりも高い。第２検出部３２において検出される変位のピーク感度周波数は、第１検出部３１において検出される変位のピーク感度周波数よりも高い。第２検出部３２において検出される加速度のピーク感度周波数は、１０Ｈｚ以上１０ＭＨｚ以下である。第２検出部３２において検出される変位のピーク感度周波数は、１０Ｈｚ以上１０ＭＨｚ以下である。
センサ１３０においては、低周波数の加速度を第１可撓部２１及び第１検出部３１で検出し、高周波数の加速度を第２可撓部２２及び第２検出部３２で検出する。センサ１３０は便利である。センサの用途が拡大する。
本実施形態において、第２の実施形態について説明したように、構造体１０の第２部分１２は、第１部分１１と第３部分１３と間に設けられても良い。支持部４０は、このような第３部分１３を支持しても良い。本実施形態において、中間層２５（図３参照）をさらに設けても良い。連結部２６（図３参照）をさらに設けても良い。第２弾性部４２（図６参照）をさらに設けても良い。ダンパ４３（図７参照）をさらに設けても良い。
上記の第１及び第２の実施形態に係るセンサは、例えば、低周波帯域振動センサである。このセンサは、例えば、振動による慣性力を受けるおもりと、おもりに接続された梃と、梃を支える支点と、梃を介しておもりに接続された可撓部と、可撓部の一部に設けられた検出部と、を含む。おもりの慣性力により変形する可撓部の変位を、検出部で検出する。例えば、可撓部は、重力方向に対して垂直な方向に設置されても良い。例えば、可撓部は、加速度検出方向に対して垂直な方向に設置される。
ＭＥＭＳセンサは、小型化や低価格化などの点で有利である。用途によっては、圧電式センサの置き換えとして有力である。圧力センサや音響帯域（マイク）センサだけではなく、超音波帯域のセンサとしての用途もある。例えば、ＭＥＭＳによる加速度センサは、半導体プロセスによって形成される。このため、他のセンサ（例えば圧電式などのセンサ）に比べて、コストが低減できると考えられる。ＭＥＭＳ型の加速度センサでは、カンチレバーやダイヤフラムなどの可撓体が、例えば、シリコンプロセスにより形成される。可撓体のひずみが大きく生じる部分に、検出素子が配置される。検出素子に加わるひずみが、電圧に変換される。この電圧を検出することにより加速度が検出される。
加速度の検出は、可撓体の質量（自重）により可撓体が変形することを利用する。このようなセンサにおいては、低周波数域（０．１Ｈｚ〜１０Ｈｚ程度）の周波数においては、可撓体に加わる加速度が小さく、変形が小さくなり、検出が困難である。
実施形態においては、自重による可撓部のたわみが小さいことが改善される。可撓部に直接負荷を加える構造が採用される。加える負荷は、ＰＤＭＳ等の柔軟媒質、または、液体などの介在物を用いて、与えられても良い。負荷を加える手段として、梃が利用される。おもりの変位方向（自重方向）に対して直交する方向に、センサが配置される。
おもりの自重による負荷が、梃を介してカンチレバーに与えられる。このため、低周波数域においても、十分な可撓部の変形を得ることができる。直交方向に負荷を与えることにより、カンチレバー自身の自重の影響が抑制できる。そして、上記の介在物の自重の影響が抑制できる。おもり部の負荷のみを加えることが可能となる。センサ設計が容易になる。
図１２は、実施形態に係るセンサを例示する模式的断面図である。
図１２において、第１部分１１の質量を第１質量Ｍ１（単位：ｋｇ）とする。第１可撓部２１の第２方向Ｄ２に対するたわみ剛性を剛性Ｋｆ（単位：Ｎ／ｍ）とする。ピン４０ｐと、第１部分１１の重心との間の第２方向Ｄ２に沿った距離を第１距離Ｌ１（単位：ｍ）とする。ピン４０ｐと、第１可撓部２１との間の第１方向Ｄ１に沿った距離を第２距離Ｌ２（単位：ｍ）とする。ピン４０ｐにおける回転変位を角度θ（単位：ｒａｄ）とする。
角度θが小さい場合、以下となる。第１部分１１の第１方向Ｄ１に沿う変位は、Ｌ１・（ｓｉｎθ）であり、実質的にＬ１・θである。第１可撓部２１の第２方向Ｄ２に沿う変位は、Ｌ２・（ｓｉｎθ）であり、実質的にＬ２・θである。ピン４０ｐのまわりにおいて、モーメントのつり合いから、以下の第１式が導出される。

Ｍ１・Ｌ１・＜θ２＞＝Ｋｆ・Ｌ２・θ …（１）

第１式において、＜θ２＞は、θの２階微分である。
上記の第１式は、微小な角度θに関する単振動の方程式である。固有振動数（周波数）は、（１／２π）・{（Ｋｆ・Ｌ２）／（Ｍ１・Ｌ１）}１／２となる。
例えば、第１距離Ｌ１が第２距離Ｌ２と同じ場合において、第１質量Ｍ１が剛性Ｋｆの１０倍とする。質量と剛性とにおいて、単位系は異なるが、ここでは、単純に値を比較する。このとき、固有振動数は、（１／２π）・／（１０１／２）であり、第１質量Ｍ１が剛性Ｋｆに等しい場合と比較して、約０．３２倍になる。固有振動数以下の領域において、同じ加速度の入力が作用した際に発生する変位の値が、固有振動数が低下すると大きくなる。これにより、低周波数における感度が高まる。
例えば、第１可撓部２１の質量をＭｆとする。第１可撓部２１の剛性Ｋｆの値が第１可撓部２１の質量Ｍｆと同程度とする（単位系が異なるが、単純に値を比較する）。このとき、第１部分１１の質量が第１可撓部２１の質量の１０倍以上となる。第１可撓部２１の質量Ｍｆの値と、第１可撓部２１の剛性Ｋｆの値と、第１部分１１の第１質量Ｍ１の値と、が適切な値に設定される。これにより、高い感度の周波数を設計することができる。
実施形態において、ピーク感度周波数は、例えば１０Ｈｚ以下である。例えば、第１距離Ｌ１が第２距離Ｌ２と同じとする。例えば、第１質量Ｍ１（単位：ｋｇ）は、剛性Ｋｆ（単位：Ｎ／ｍ）の約２．５３×１０−４倍以上である。
実施形態において、ピーク感度周波数は、例えば０．１Ｈｚ以上である。例えば、第１距離Ｌ１が第２距離Ｌ２と同じとする。第１質量Ｍ１（単位：ｋｇ）は、剛性Ｋｆ（単位：Ｎ／ｍ）の約２．５３倍以下である。第１検出部３１において検出される加速度または変位のピーク感度周波数は、０．１Ｈｚ以上１０Ｈｚ以下である。
実施形態によれば、感度を向上できるセンサが提供される。
なお、本願明細書において、「垂直」及び「平行」は、厳密な垂直及び厳密な平行だけではなく、例えば製造工程におけるばらつきなどを含むものであり、実質的に垂直及び実質的に平行であれば良い。
以上、具体例を参照しつつ、本発明の実施の形態について説明した。しかし、本発明の実施形態は、これらの具体例に限定されるものではない。例えば、センサに含まれる構造体、可撓部、検出部、電極、素子部、支持部及び弾性部などの各要素の具体的な構成に関しては、当業者が公知の範囲から適宜選択することにより本発明を同様に実施し、同様の効果を得ることができる限り、本発明の範囲に包含される。
また、各具体例のいずれか２つ以上の要素を技術的に可能な範囲で組み合わせたものも、本発明の要旨を包含する限り本発明の範囲に含まれる。
その他、本発明の実施の形態として上述したセンサを基にして、当業者が適宜設計変更して実施し得る全てのセンサも、本発明の要旨を包含する限り、本発明の範囲に属する。
その他、本発明の思想の範疇において、当業者であれば、各種の変更例及び修正例に想到し得るものであり、それら変更例及び修正例についても本発明の範囲に属するものと了解される。
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
１０…構造体、 １１〜１３…第１〜第３部分、 ２１、２２…第１、第２可撓部、 ２５…中間層、 ２６…連結部、 ３１…第１検出部、 ３１ｅ…第１電極、 ３１ｆ…第２電極、 ３１ｇ…第１素子部、 ３２…第２検出部、 ３２ｅ…第３電極、 ３２ｆ…第４電極、 ３２ｇ…第２素子部、 ４０…支持部、 ４０ｐ…ピン、 ４０ｑ…突起、 ４１…第１弾性部、 ４１ａ〜４１ｃ…第１〜第３領域、 ４２…第２弾性部、 ４３…ダンパ、 ５０…筐体、 １１０〜１１７、１２０、１２１、１３０…センサ、 θ…角度、 Ｄ１〜Ｄ３…第１〜第３方向、 Ｌ１、Ｌ２…第１、第２距離、 ＳＴ０…状態、 ＳＴ１、ＳＴ２…第１、第２状態

Claims (13)

  1. 第１部分と、前記第１部分と繋がる第２部分と、を含み、前記第１部分は、前記第１部分と前記第２部分とを結ぶ方向と交差する第１方向に沿って変位し、前記第２部分は前記第１部分の前記変位に応じて前記第１方向と交差する第２方向に沿って変位する、構造体と、
    前記第２部分の前記第２方向に沿った変位に応じて前記第２方向に沿って変形する第１可撓部と、
    前記第１可撓部の前記変形を検出する第１検出部と、
    を備えたセンサ。
  2. 前記第１部分の質量は、前記第１可撓部の質量よりも大きい、請求項１記載のセンサ。
  3. 支持部をさらに備え、
    前記構造体は、前記第１部分と前記第２部分との間の第３部分をさらに含み、
    前記支持部は、前記第３部分を支持する、請求項１または２に記載のセンサ。
  4. 支持部をさらに備え、
    前記構造体は、第３部分をさらに含み、
    前記第２部分は、前記第１部分と前記第３部分と間に設けられ、
    前記支持部は、前記第３部分を支持する、請求項１または２に記載のセンサ。
  5. 支持部と、
    第１弾性部と、
    をさらに備え、
    前記構造体は、前記第１部分と前記第２部分との間の第３部分をさらに含み、
    前記第１弾性部は、前記支持部と前記第３部分との間に設けられ、
    前記支持部は、前記第１弾性部を介して前記第３部分を支持する、請求項１または２に記載のセンサ。
  6. 支持部と、
    第１弾性部と、
    をさらに備え、
    前記構造体は、第３部分をさらに含み、
    前記第２部分は、前記第１部分と前記第３部分との間に設けられ、
    前記第１弾性部は、前記支持部と前記第３部分との間に設けられ、
    前記支持部は、前記第１弾性部を介して前記第３部分を支持する、請求項１または２に記載のセンサ。
  7. 前記支持部及び前記第２部分と接続された第２弾性部をさらに備えた、請求項３〜６のいずれか１つに記載のセンサ。
  8. 前記支持部及び前記第２部分と接続されたダンパをさらに備えた、請求項３〜６のいずれか１つに記載のセンサ。
  9. 前記第２部分と前記第１可撓部との間に設けられた中間層をさらに備え、
    前記中間層のヤング率は、前記第１可撓部のヤング率よりも低い、請求項１〜８のいずれか１つに記載のセンサ。
  10. 前記第１検出部は、
    前記第１可撓部の変形に応じて変形する第１素子部と、
    前記第１素子部と接続された第１電極と、
    前記第１素子部と接続され前記第１電極と離間する第２電極と、
    を含み、
    前記第１電極と前記第２電極との間の電気特性は、前記第１可撓部の前記変形に応じて変化する、請求項１〜９のいずれか１つに記載のセンサ。
  11. 前記第１検出部は、
    前記第１可撓部の少なくとも一部に設けられた第１電極と、
    前記第１電極と離間する第２電極と、
    を含み、
    前記第１電極と前記第２電極との間の静電容量は、前記第１可撓部の前記変形に応じて変化する、請求項１〜９のいずれか１つに記載のセンサ。
  12. 前記第１検出部において検出される変位のピーク感度周波数は、０．１Ｈｚ以上１０Ｈｚ以下である、請求項１〜１１のいずれか１つに記載のセンサ。
  13. 前記第２方向と交差する第３方向に沿って変形する第２可撓部と、
    前記第２可撓部の前記第３方向に沿った変形を検出する第２検出部と、
    をさらに備え、
    前記第２可撓部の質量は、前記第１部分の前記質量よりも小さい、請求項２記載のセンサ。
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