JP6044607B2 - 振動式センサ装置 - Google Patents
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Description
上記課題を解決するために、第2発明に係る振動式センサ装置(1〜9)は、移動方向が第1方向(Z方向)に設定された可動部(11)と、前記第1方向と交差する第2方向(X方向)に延びて前記可動部と固定部(13)とに接続されており、前記可動部を前記固定部に対して前記第1方向に相対的に移動可能に支持する支持部(12、12a、12b、60)と、少なくとも一部が前記支持部に組み込まれており、前記第1,第2方向に交差する第3方向(Y方向)に振動する振動子(R1、R11、R12)とを備えることを特徴としている。
上記課題を解決するために、第2発明に係る振動式センサ装置(1〜9)は、移動方向が第1方向(Z方向)に設定された可動部(11)と、前記第1方向と交差する第2方向(X方向)に延びて前記可動部と固定部(13)とに接続されており、前記可動部を前記固定部に対して前記第1方向に相対的に移動可能に支持する支持部(12、12a、12b、60)と、少なくとも一部が前記支持部に組み込まれており、前記第2方向に引っ張り応力が付与されていて、前記第1,第2方向に交差する第3方向(Y方向)に振動する振動子(R1、R11、R12)とを備えることを特徴としている。
また、第1〜第3発明に係る振動式センサ装置は、前記可動部、前記固定部、前記支持部、及び前記振動子は、シリコン材料を用いて一体形成されていることを特徴としている。
また、第1〜第3発明に係る振動式センサ装置は、前記振動子が、前記シリコン材料を用いて前記第2方向に延びるように形成された梁状部材であり、少なくとも一部が前記支持部の内部に形成された空間(SP1)に、両端(e11、e12)が固定された状態で配置されていることを特徴としている。
また、第1,第3発明に係る振動式センサ装置は、前記振動子が、シリコン材料よりも原子半径の小さな不純物が拡散されていることを特徴としている。
また、第1〜第3発明に係る振動式センサ装置は、前記固定部に組み込まれており、温度を検出する温度検出用振動子(R2)を備えることを特徴としている。
また、第1〜第3発明に係る振動式センサ装置は、予め規定されたギャップ(G)をもって前記可動部に近接配置されたダンピング部材(20)を備えることを特徴としている。
また、第1〜第3発明に係る振動式センサ装置は、前記振動子が、真空封止されていることを特徴としている。
また、第1〜第3発明に係る振動式センサ装置は、前記振動子が、真空封止されており、前記振動子の封止圧と前記ギャップ内の圧力とが異なる圧力に設定されていることを特徴としている。
また、第1〜第3発明に係る振動式センサ装置は、前記振動子の少なくとも一部が組み込まれており、前記可動部と前記固定部とに接続される前記支持部を複数備えることを特徴としている。
また、第1〜第3発明に係る振動式センサ装置は、前記振動子が組み込まれておらず、前記可動部と前記固定部とに接続される補助支持部(51a、51b)を少なくとも1つ備えることを特徴としている。
また、第1〜第3発明に係る振動式センサ装置は、前記支持部には、前記第2方向に交差する方向に配列された複数の前記振動子の少なくとも一部が組み込まれていることを特徴としている。
また、第1〜第3発明に係る振動式センサ装置は、前記固定部が、前記第1方向に交差する面内において前記可動部の周囲を取り囲むように形成されていることを特徴としている。
ここで、第1〜第3発明に係る振動式センサ装置は、前記固定部と接合され、前記可動部、前記支持部、及び前記振動子を封止する封止部(40)を備えることを特徴としている。
或いは、第1〜第3発明に係る振動式センサ装置は、前記可動部が、前記第1方向に交差する面内において前記固定部の周囲を取り囲むように形成されていることを特徴としている。
また、第1〜第3発明に係る振動式センサ装置は、前記振動子が組み込まれた支持部材が、両端が前記可動部及び前記固定部にそれぞれ張り合わされていることを特徴としている。
また、本発明によれば、固定部に対して可動部を第1方向に相対的に移動可能に支持する支持部に、第1方向と支持部の延びる方向である第2方向とに交差する第3方向に振動する振動子の一部を組み込むようにしており、振動子を振動させるエネルギーが支持部に吸収されないため、振動子の共振周波数が支持部の固有周波数と一致したとしても、高い精度で加速度を測定することができるという効果がある。
〈振動式センサ装置〉
図1は、本発明の第1実施形態による振動式センサ装置の平面図である。また、図2は、図1中のA−A線に沿う断面矢視図である。これら図1,2に示す通り、本実施形態の振動式センサ装置1は、加速度検出基板10とダンピング部材20とを備えており、振動式センサ装置1に作用する加速度を測定する。尚、振動式センサ装置1は、Z方向の加速度の測定感度が最も高くなるように構成されている。
図3〜5は、本発明の第1実施形態による振動式センサ装置に設けられる加速度検出用振動子の断面図である。具体的に、図3は、図1中のB−B線に沿う断面矢視図であり、図4は、図3中のD−D線に沿う断面矢視図であり、図5は、図4中のE−E線に沿う断面矢視図である。
図6〜8は、本発明の第1実施形態による振動式センサ装置に設けられる温度検出用振動子の断面図である。具体的に、図6は、図1中のC−C線に沿う断面矢視図であり、図7は、図6中のF−F線に沿う断面矢視図であり、図8は、図7中のG−G線に沿う断面矢視図である。
次に、上述した振動式センサ装置1の動作について簡単に説明する。振動式センサ装置1にZ方向の加速度が作用すると、錘11は、固定フレーム13に対して+Z方向又は−Z方向に相対的に変位する。すると、バネ部12には、錘11と固定フレーム13との相対的な変位量に応じた撓みが生じ、振動式センサ装置1に作用する加速度に比例する歪が生ずる。バネ部12に生じた歪みは加速度検出用振動子R1に加わり、これにより加速度検出用振動子R1の共振周波数が変化する。
図10,11は、本発明の第1実施形態による振動式センサ装置の製造方法を示す工程図である。図10(a)に示す通り、振動式センサ装置1を製造するために、SOI(Silicon on Insulator)基板100が用意される。このSOI基板100は、シリコン基板101上に、BOX層(Buried Oxide層:埋め込み酸化膜層)102、及び活性層103が順に積層された基板である。例えば、BOX層102は、二酸化ケイ素(SiO2)により形成され、活性層103は、単結晶シリコンにより形成される。尚、シリコン基板101は、図3,5,6,8に示す基板31であり、BOX層102は、下部絶縁膜32(図3,5参照)として用いられる。また、加速度検出用振動子R1及び温度検出用振動子R2は、活性層103に形成される。
図16は、本発明の第2実施形態による振動式センサ装置を示す図であって、(a)は平面図であり、(b)は(a)中のH−H線に沿う断面矢視図である。尚、図16においては、図1,2に示す構成に相当する構成については同じ符号を付してある。図16に示す通り、本実施形態の振動式センサ装置2は、図1に示す振動式センサ装置1に封止部材40を設けて、錘11、バネ部12、及び加速度検出用振動子R1等を封止したものである。
図17は、本発明の第3実施形態による振動式センサ装置を示す断面図である。尚、図17においても、図1,2に示す構成に相当する構成については同じ符号を付してある。図17に示す通り、本実施形態の振動式センサ装置3は、錘11と固定フレーム13とを接続する2つのバネ部12a,12bをZ方向に並べて設け、バネ部12a,12bに加速度検出用振動子R11,R12をそれぞれ設けたものである。
図18は、本発明の第4実施形態による振動式センサ装置を示す平面図である。尚、図18においても、図1,2に示す構成に相当する構成については同じ符号を付してある。図18に示す通り、本実施形態の振動式センサ装置4は、錘11と固定フレーム13とを接続する2つのバネ部12a,12bをY方向に並べて設けるとともに、錘11と固定フレーム13とを接続する2つの補助バネ部51a,51b(補助支持部)をX方向に並べて設け、バネ部12a,12bに加速度検出用振動子R11,R12をそれぞれ設けたものである。
図19は、本発明の第5実施形態による振動式センサ装置を示す平面図である。尚、図19においては、図1,2,18に示す構成に相当する構成については同じ符号を付してある。図19に示す通り、本実施形態の振動式センサ装置5は、錘11と固定フレーム13とを接続する2つのバネ部12a,12bをX方向に延びる直線上に設けるとともに、錘11と固定フレーム13とを接続する2つの補助バネ部51a,51b(補助支持部)をY方向に延びる直線上に設け、バネ部12a,12bに加速度検出用振動子R11,R12をそれぞれ設けたものである。
図20は、本発明の第6実施形態による振動式センサ装置を示す平面図である。尚、図20においては、図1,2,18,19に示す構成に相当する構成については同じ符号を付してある。図20に示す通り、本実施形態の振動式センサ装置6は、図1に示す振動式センサ装置1において、錘11を支持するバネ部12に複数の加速度検出用振動子R11,R12を設けたものである。具体的に、加速度検出用振動子R11,R12は、バネ部12と固定フレーム13との接続部付近に、バネ部12が延びるX方向とは直交するY方向に配列されている。
図21は、本発明の第7実施形態による振動式センサ装置を示す図であって、(a)は平面図であり、(b)は(a)中のI−I線に沿う断面矢視図である。尚、図21においては、図18に示す構成に相当する構成については同じ符号を付してある。また、図21においては、図18中に示したアルミパッドPD11,PD12,PD2の図示を省略している。
図22は、本発明の第8実施形態による振動式センサ装置を示す図であって、(a)は平面図であり、(b)は(a)中のJ−J線に沿う断面矢視図である。尚、図22においては、図19に示す構成に相当する構成については同じ符号を付してある。図22に示す通り、本実施形態の振動式センサ装置8は、図21に示す振動式センサ装置7と同様に、錘11と固定フレーム13との位置関係を変えたものである。つまり、XY面内において固定フレーム13の周囲を取り囲むように錘11を四角環状に形成し、図19に示す振動式センサ装置5と同様に、バネ部12a,12b及び補助バネ部51a,51bによって錘11を支持するようにしたものである。
図23は、本発明の第9実施形態による振動式センサ装置を示す断面図である。尚、図23においては、図1,2に示す構成に相当する構成については同じ符号を付してある。図23に示す通り、本実施形態の振動式センサ装置9は、加速度検出用振動子R1が内部に組み込まれたバネ基板60(支持部材)を、錘11及び固定フレーム13に貼り合わせることによって、錘11をZ方向に移動可能に支持したものである。バネ基板60は、図1,2に示すバネ部12と同程度の厚みを有し、例えばシリコンによって形成された基板である。
11 錘
12 バネ部
12a,12b バネ部
13 固定フレーム
20 ダンピング部材
40 封止部材
51a,51b 補助バネ部
60 バネ基板
e1,e2 両端
G ギャップ
R1 加速度検出用振動子
R2 温度検出用振動子
R11,R12 加速度検出用振動子
SP1 真空室
Claims (15)
- 移動方向が第1方向に設定された可動部と、
前記第1方向と交差する第2方向に延びて前記可動部と固定部とに接続されており、前記可動部を前記固定部に対して前記第1方向に相対的に移動可能に支持する支持部と、
少なくとも一部が前記支持部に組み込まれており、シリコン材料よりも原子半径の小さな不純物が拡散され前記第2方向に引っ張り応力が付与されている振動子と
を備えることを特徴とする振動式センサ装置。 - 前記振動子は、前記第1,第2方向に交差する第3方向に振動することを特徴とする請求項1記載の振動式センサ装置。
- 前記可動部、前記固定部、前記支持部、及び前記振動子は、シリコン材料を用いて一体形成されていることを特徴とする請求項1又は請求項2記載の振動式センサ装置。
- 前記振動子は、前記シリコン材料を用いて前記第2方向に延びるように形成された梁状部材であり、少なくとも一部が前記支持部の内部に形成された空間に、両端が固定された状態で配置されていることを特徴とする請求項3記載の振動式センサ装置。
- 前記固定部に組み込まれており、温度を検出する温度検出用振動子を備えることを特徴とする請求項1から請求項4の何れか一項に記載の振動式センサ装置。
- 予め規定されたギャップをもって前記可動部に近接配置されたダンピング部材を備えることを特徴とする請求項1から請求項5の何れか一項に記載の振動式センサ装置。
- 前記振動子は、真空封止されていることを特徴とする請求項1から請求項6の何れか一項に記載の振動式センサ装置。
- 前記振動子は、真空封止されており、
前記振動子の封止圧と前記ギャップ内の圧力とが異なる圧力に設定されている
ことを特徴とする請求項6記載の振動式センサ装置。 - 前記振動子の少なくとも一部が組み込まれており、前記可動部と前記固定部とに接続される前記支持部を複数備えることを特徴とする請求項1から請求項8の何れか一項に記載の振動式センサ装置。
- 前記振動子が組み込まれておらず、前記可動部と前記固定部とに接続される補助支持部を少なくとも1つ備えることを特徴とする請求項9記載の振動式センサ装置。
- 前記支持部には、前記第2方向に交差する方向に配列された複数の前記振動子の少なくとも一部が組み込まれていることを特徴とする請求項1から請求項10の何れか一項に記載の振動式センサ装置。
- 前記固定部は、前記第1方向に交差する面内において前記可動部の周囲を取り囲むように形成されていることを特徴とする請求項1から請求項11の何れか一項に記載の振動式センサ装置。
- 前記固定部と接合され、前記可動部、前記支持部、及び前記振動子を封止する封止部を備えることを特徴とする請求項12記載の振動式センサ装置。
- 前記可動部は、前記第1方向に交差する面内において前記固定部の周囲を取り囲むように形成されていることを特徴とする請求項1から請求項11の何れか一項に記載の振動式センサ装置。
- 前記振動子が組み込まれた支持部材は、両端が前記可動部及び前記固定部にそれぞれ張り合わされていることを特徴とする請求項1から請求項14の何れか一項に記載の振動式センサ装置。
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