JP6705168B2 - センサー用基板、物理量検出センサー、加速度センサー、電子機器、および移動体 - Google Patents
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Description
なお、上述の特許文献1および特許文献2の物理量検出センサーにおいて、ベース部、可動部、および支持部を有するセンサー用基板は、水晶やシリコンなどの単結晶材料をエッチング加工することにより一体に形成されている。
本適用例によれば、ベース部と接続された可動部と、ベース部から可動部に沿って延在する支持部との間に、突出部を有して且つ所定の間隔を有する第1ギャップ部が形成され、その第1ギャップ部よりベース部側に、第1ギャップ部の所定の間隔より広い間隔の第2ギャップ部が形成されている。この構成により、第1ギャップ部において、可動部および支持部のいずれか一方に凸条部が形成され、その凸条部は、第1ギャップ部よりも間隔の広い第2ギャップ部によって、第1ギャップ部へのエッチング液回りが良好となることから、所望の第1ギャップ部の形状を形成することが可能であることを発明者は見出した。このことから、第1ギャップ部の隙間を精度よく形成することができる。
これにより、可動部と支持部との面内方向の衝撃が加わったときに、所定の間隔が精度よく形成された第1ギャップ部において、過度に変位した可動部を支持部で規制する構造を実現でき、センサー用基板の破損を抑止することが可能になる。したがって、耐衝撃性および検出精度の高い物理量検出センサーを構成することが可能なセンサー用基板を提供することができる。
また、センサー用基板の厚み方向の切り出し角度と、センサー用基板に搭載される例えば物理量検出素子などの検出素子(センサー)の厚み方向の切り出し角度とを、同じZカットにすることで線膨張係数(熱膨張率)を近似させることができる。線膨張係数が近似した材料が用いられることで、センサー用基板と、検出素子との周囲の温度変化に伴う両者間の熱応力が抑制され、熱応力を抑制した検出精度の高い物理量の測定を行うことが可能な物理量検出センサーを提供するのに寄与できる。
以下、実施形態にかかる物理量検出センサーについて、図1、および図3を用いて説明する。
図1は、本実施形態にかかる物理量検出センサー100の構成を示す平面図である。図3は、物理量検出センサー100の構成を示す断面図であり、図1において線分A−A´で示す部分の断面図である。そして、図1、および図3では、互いに直交する3つの軸として、X軸、Y軸、Z軸を図示している。なお、Z軸は、重力が作用する方向を示す軸である。
なお、説明の便宜上、図1では、リッド103の図示を省略している。
本実施形態においては、Z軸方向から物理量検出センサー100を見ることを平面視として説明する。
ベース基板102は、凹部106を有し、物理量検出デバイス110が凹部106内に収容されている。ベース基板102の形状は、物理量検出デバイス110を凹部106内に収容していることができれば、特に限定されない。
本実施形態において、ベース基板102としては、センサー用基板としてのカンチレバー部101やリッド103の熱膨張係数と一致、あるいは極力近い熱膨張係数を備えた材料によって形成され、本例では、セラミックを用いている。しかし、これに限定されること無く、水晶、ガラス、シリコン等の材料を用いてもよい。
また、平面視において、段差部108aの+Z軸方向の面には、後述する第1固定部30aに含まれた内部端子34aが設けられており、段差部108bの+Z軸方向の面には、後述する第1固定部30bに含まれた内部端子34bが設けられている。
次に、物理量検出デバイス110について、図1から図7を用いて説明する。図2は、図1において線分B−B’で示す部分が拡大された断面図である。図4は、図1の物理量検出センサー100が備えている物理量検出デバイス110の構成を示す斜視図である。図5は、物理量検出デバイス110が備えているセンサー用基板としてのカンチレバー部101を示す平面図である。図6は、図5の線分d−d´における部分断面図である。また、図7は、図5におけるカンチレバー部101の第1ギャップ部を拡大して示す部分平面図である。
そして、図2、および図4から図7では、互いに直交する3つの軸として、X軸、Y軸、Z軸を図示している。なお、Z軸は、重力が作用する方向を示す軸である。
物理量検出素子70は、カンチレバー部101の内底面109a側に配置されている。
カンチレバー部101は、ベース部10と、継手部12と、可動部14と、支持部としての腕部20(20a,20b,20c,20d)と、第1固定部30(30a,30b,30c,30d)と、突出部45a,45bとを有している。
可動部14は、主面14a,14bと交差する方向(Z軸方向)に加わる物理量、たとえば、加速度α1,α2(図3参照)に応じて、継手部12を支点(回転軸)として主面14a,14bと交差する方向(Z軸方向)に変位が可能である。
質量部80,82の形状としては板状であり、たとえば、図1に示すように、平面視において長手方向の一方の辺の一部が対向する辺側にくぼんだ凹型の形状が用いられているのが好適である。なお、質量部80,82の形状は、可動部14が所定の動作を行うことが可能であれば、上述した形状に限定されるものではない。
腕部20aは、平面視において、腕部20aの先端と段差部108aとが重なっている位置の主面10b側に、第1固定部30aの設置領域を有している。第1固定部30aは、主面10b側に固定部接続端子36aと、接合材35と、段差部108aの内部端子34aとを含んで構成されている(図2参照)。また、固定部接続端子36aは、平面視において、接合材35を介して、内部端子34aと重なるように接続されている。
このことにより、腕部20a(カンチレバー部101)は、第1固定部30aを介して、段差部108a(ベース基板102)と接続されている。
腕部20bは、平面視において、腕部20bの先端と段差部108bとが重なっている位置の主面10b側に、第1固定部30bの設置領域を有している。第1固定部30bは、主面10b側に固定部接続端子36bと、接合材35と、段差部108bの内部端子34bとを含んで構成されている(構成は図2と略同一なため、図2を参照)。また、固定部接続端子36bは、平面視において、接合材35を介して、内部端子34bと重なるように接続されている。
このことにより、腕部20b(カンチレバー部101)は、第1固定部30bを介して、段差部108b(ベース基板102)と接続されている。
腕部20cは、平面視において、腕部20cの先端と段差部108aとが重なっている位置の主面10b側に、ベース接合材52の設置領域であるベース接合部50bを有している。ベース接合部50bに設けられているベース接合材52とベース接合部50bとを含んで、第1固定部30cは構成されている。
このことにより、腕部20c(カンチレバー部101)は、第1固定部30cを介して、段差部108a(ベース基板102)と接続されている。
腕部20dは、平面視において、腕部20dの先端と段差部108bとが重なっている位置の主面10b側に、ベース接合材52の設置領域であるベース接合部50aを有している。ベース接合部50aに設けられているベース接合材52とベース接合部50aとを含んで、第1固定部30dは構成されている。
このことにより、腕部20d(カンチレバー部101)は、第1固定部30dを介して、段差部108b(ベース基板102)と接続されている。
本説明では、平面視において、物理量検出素子70の2つの基部72の中心を通る第1の中心線L1と、第1の中心線L1と直交し、かつカンチレバー部101の中心を通る第2の中心線L2とを用いて説明する。
なお、説明の便宜上、図5の第1の中心線L1の+Y方向側を「上]、−Y方向側を「下」、第2の中心線L2の+X方向側を「左」、−X方向側を「右」という。
カンチレバー部101において、第2の中心線L2に対して、上側の領域を第1の領域S1、下側の領域を第2の領域S2、第1の中心線L1に対して、右側の領域を第3の領域S3、左側の領域を第4の領域S4とする。
第1の領域S1には、腕部20a、第1固定部30a、腕部20b、第1固定部30bが設けられ、第2の領域S2には、腕部20c、第1固定部30c、腕部20d、第1固定部30dが設けられている。
また、第3の領域S3には、腕部20b、第1固定部30b、腕部20d、第1固定部30dが設けられ、第4の領域S4には、腕部20a、第1固定部30a、腕部20c、第1固定部30cが設けられている。
ここで、第1固定部30aは、段差部108a(ベース基板102)と接続される主面10b側に、設けられている。第1固定部30aの固定部接続端子36aは、接合材35を介して、段差部108aの内部端子34aと平面視において重なるように接続されている。よって、段差部108aと、第1固定部30aとが接続される際に第1固定部30aは、主面10b側と、段差部108aとを選択的に接続させることができる。
なお、腕部20bの構造は、腕部20aと同一であるため、腕部20bの詳しい説明は省略する。また、第1固定部30bの構造も、第1固定部30aと同一であるため、第1固定部30bの詳しい説明は省略する。
なお、腕部20dの構造は、腕部20cと同一であるため、腕部20dの詳しい説明は省略する。また、第1固定部30dの構造も、第1固定部30cと同一であるため、第1固定部30dの詳しい説明は省略する。
図5に示すように、カンチレバー部101の厚み方向からみた平面視において、ベース部10から可動部14に沿って+Y方向に延在する支持部、即ち、腕部20aおよび腕部20bとの間には、突出部45a,45bを有して、且つ、所定の間隔G1を有する第1ギャップ部と、該第1ギャップ部よりベース部10側に位置し、第1ギャップ部の所定の間隔G1より広い間隔G2を有する第2ギャップ部とが形成されている。本実施形態では、カンチレバー部101のベース部10とは反対の端部側において、可動部14は、腕部20a側に突出する突出部45aを有し、腕部20bに、可動部14側に突出する突出部45bが形成されている。そして、突出部45a,45bの第1ギャップ部を形成する側面部には、水晶のエッチング残渣として形成されるひれ状の異形部である凸条部140を有している。
カンチレバー部101において、複数形成された突出部45a,45bは、同一方向(+X方向)に突出して形成されている。これにより、水晶基板(水晶Zカット板)をウェットエッチングすることにより第1ギャップ部を含むカンチレバー部101の外形を形成するときに、凸条部140は所定の結晶軸方向(+X結晶軸方向)に形成されることから、各々の第1ギャップ部の所定の間隔G1を略均一に精度よく形成することができる。
可動部14に対して、所定の間隔G1の第1ギャップ部を介してベース部10に配置される腕部20aおよび腕部20bは、可動部のX方向の変位を規制する規制部40a,40bとして機能する。つまり、第1ギャップ部の所定の間隔G1は、可動部14のX方向の変位が大き過ぎて破損するのを抑止するための、可動部14のX方向の変位の許容値を考慮して設定された間隔である。規制部40a,40bの作用については、後述する。
また、図7に示すように、第1ギャップ部の各凸条部140は、可動部14(カンチレバー部)101の厚み方向からみた平面視において、可動部14の突出部45aおよび腕部20bの突出部45bの基端部側から先端部側に向かって幅が狭くなる台形状を呈している。
これにより、第1ギャップ部において、可動部14および腕部20bに凸条部140が形成され、その凸条部140は、第1ギャップ部のギャップ幅(G1)よりも広い間隔G2を有する第2ギャップ部によって、水晶基板のウェットエッチングによるカンチレバー部101の外形形成の際に、第1ギャップ部へのエッチング液回りが良好となることから、所望の形状を形成することが可能である。
以上述べた本実施形態の構成により、第1ギャップ部の間隔G1を精度よく調整して形成することができる。
なお、第1ギャップ部の所定の間隔G1は、例えば、水晶基板の厚みが400μm〜500μmであった場合に、5μm〜15μmで形成されることにより、物理量検出センサー100の耐衝撃性がより高く確保されることを発明者は見出した。
図1、図3、および図4に示すように、物理量検出素子70は、2つの基部72(72a,72b)と、基部72a,72b間に設けられている振動梁部71(71a,71b)と、を有し、2つの基部72が、それぞれベース部10(主面10b)と、可動部14(主面14b)とに接続されることで、継手部12を跨いで設けられている。
本実施形態の物理量検出素子70は、たとえば、可動部14が物理量に応じて変位することで、振動梁部71a,71bに応力が生じ、振動梁部71a,71bに発生する物理量検出情報が変化する。換言すると、振動梁部71a,71bの振動周波数(共振周波数)が変化する。なお、本実施形態において物理量検出素子70は、2本の振動梁部71a,71bと、一対の基部72a,72bと、を有している双音叉素子(双音叉型振動素子)である。
引き出し電極は、たとえば、金(Au)、アルミニウム(Al)等の金属ワイヤー(図示省略)によって、ベース部10の主面10bに設けられている接続端子(図示省略)と電気的に接続されている。
規制部40a,40b(図1、図4、図5〜図7参照)は、たとえば図1において、物理量検出センサー100のX軸方向に所定の大きさより大きい衝撃が加えられた場合に、X軸方向に変位した可動部14と接触する。そのため、X軸方向の可動部14の変位は、規制部40a,40bによって所定の範囲内に規制されている。これにより、可動部14のX軸方向の過度の変位によって生じる、物理量検出デバイス110(カンチレバー部101)の破損が抑制される。
次に、物理量検出デバイス110の動作について、図3を用いて説明する。
図3では、互いに直交する3つの軸として、X軸、Y軸、Z軸を図示している。なお、Z軸は、重力が作用する方向を示す軸である。
図3において、たとえば、物理量検出デバイス110に、−Z軸方向に物理量としての加速度α1(重力方向に加えられる加速度)が加えられると、加速度α1に応じて、可動部14が継手部12を支点にして−Z軸方向に変位する。これにより、物理量検出素子70には、Y軸に沿って基部72aと、基部72bとに矢印β1(互いに離れる)方向の力(張力)が加えられ、振動梁部71a,71bには矢印β1方向の引っ張り応力が生じる。そのため、振動梁部71a,71bの振動周波数(共振周波数)は、高くなる。
このような物理量検出センサー100において、電子回路から内部端子34a,34bを経由して、物理量検出デバイス110の励振電極に駆動信号が与えられる。駆動信号が与えられると、物理量検出素子70の振動梁部71a,71bは、所定の周波数で屈曲振動(共振)する。そして、物理量検出センサー100は、印加される加速度α1,α2に応じて物理量検出素子70が変化する。変化することで物理量検出素子70から出力される共振周波数は、電子回路で増幅し、図示しない配線によって外部端子107a,107bから物理量検出センサー100の外部に出力される。
この構成によれば、水晶基板をウェットエッチングしてカンチレバー部101の外形を形成する際に、第1ギャップ部において、可動部14および腕部20のいずれか一方に形成された凸条部140は、第1ギャップ部の間隔G1よりも広い間隔G2を有する第2ギャップ部によって、第1ギャップ部へのエッチング液回りが良好となることから、所望の形状を精度よく形成することできる。
これにより、可動部14と腕部20(20a,20b)との面内方向(X方向)の衝撃が加わったときに、可動部14の変位が過剰にならないように規制する所定の間隔G1が精度よく形成された第1ギャップ部とすることができるので、可動部14の変位を腕部20(20a,20b)の規制部40a,40bで規制する構造を実現できる。
したがって、衝撃が加わったときに、カンチレバー部101や物理量検出素子70の破損が抑えられることが可能な耐衝撃性の高い物理量検出センサー100を提供することができる。
また、第1ギャップ部のギャップ長(G1)が設計値よりも小さくなることも抑えられるので、可動部14の変位範囲が設定よりも小さく規制されてしまうことによって、設定された加速度などの物理量検出範囲を満足できなくなる不具合を回避できるので、検出精度の高い物理量検出センサー100を提供することが可能になる。
これにより、水晶基板をウェットエッチングしてカンチレバー部101の外形を形成する際に、凸条部140は所定の結晶軸方向(+X結晶軸方向)に形成されることから、各突出部45a,45bを同一方向に突出させて設けることにより、各々の第1ギャップ部の所定の間隔G1を略均一に精度よく形成することができる。
また、凸条部140は、可動部14(カンチレバー部101)の厚み方向からみた平面視において、基端部側から先端部側に向かって幅が狭くなる台形状を呈している構成とした。
上述した形状の凸条部140が形成された第1ギャップ部は、可動部14のX方向の変位が過剰にならないように規制する適切な間隔G1となるように精度よく形成できることを発明者は見出した。
これにより、Y軸方向からの結晶面の影響が抑えられ、カンチレバー部101の厚み方向からみた平面視において、突出部45a,45bに形成される凸条部140の端面がフラットに形成され、第1ギャップ部を所望のギャップ幅G1にて精度よく形成できることを発明者は見出した。
また、水晶Zカット板は、その特性によりエッチング加工が比較的容易で、カンチレバー部101の第1ギャップ部などの外形をより精密に形成することができる。
また、カンチレバー部101の厚み方向の切り出し角度と、物理量検出素子70の厚み方向の切り出し角度とを、同じZカットにすることで、線膨張係数(熱膨張率)を近似させることができる。したがって、カンチレバー部101と、物理量検出素子70との周囲の温度変化に伴う両者間の熱応力が抑制され、熱応力を抑制した検出精度の高い物理量の測定を行うことが可能な物理量検出センサー100を提供するのに寄与できる。
図8は、物理量検出デバイスの変形例に係るカンチレバー部の平面図である。図9は、変形例に係る素子片を示す平面図である。また、図10Aは、変形例に係るカンチレバー部に素子片を接合した状態を示す平面図であり、図10Bは、カンチレバー部上の素子片の接続部を除去した状態を示す平面図である。
上記実施形態では、図5のように、カンチレバー部101の可動部14のX方向の変位を規制する規制部40a,40bを、カンチレバー部101自体に形成する構成について説明したが、この構成に限定するものではない。
以下、変形例に係る物理量検出センサーの構成について説明する。なお、上記実施形態と同一の構成部位については、同一の番号を附し、重複する説明は省略する。
このように、素子片740の一部をカンチレバー部101Aに接合した後で、図10B
に示すように、不要となった接続部74a〜74dは除去される。
本変形例では、水晶Z板により物理量検出素子70を形成する工程で、第2ギャップ部の間隔G2によるウェットエッチング処理の作用により所定の間隔G1の第1ギャップ部を有する突出部45Aa,45Abと規制部40Aa,40Abとを一体に形成した素子片740Aを作成した。そして、素子片740Aとカンチレバー部101Aとを接合し、不要な接続部74a〜74dを除去して、物理量検出デバイスを得た。
この構成により、X方向の衝撃が加わったときに、可動部14の過剰な変位を規制して
、カンチレバー部101Aや物理量検出素子70の破損が抑えられることが可能な耐衝撃
性の高い物理量検出デバイス(物理量検出センサー)を提供することができる。また、本
変形例によれば、物理量検出素子70と第1ギャップ部との位置精度を、素子片740Aに
て精度よく作り込むことができるという効果が得られる。
次いで、本発明の一実施形態にかかる物理量検出センサー100を適用した実施例について、図面に沿って説明する。
図11Aは、物理量検出センサー100が搭載されているビデオカメラを示す斜視図、図11Bは、物理量検出センサー100が搭載されている携帯電話を示す斜視図であり、図12は、物理量検出センサー100が搭載されている移動体である自動車を示す斜視図である。
図11A,図11Bに示すように、電子機器としてのビデオカメラ500、および携帯電話600は、本実施形態にかかる物理量検出センサー100が搭載されている。
最初に、図11Aに示すビデオカメラ500は、受像部501と、操作部502と、音声入力部503と、表示ユニット504と、が搭載されている。このビデオカメラ500は、物理量検出センサー100を備えており、たとえば、3つの物理量検出センサー100を備えていれば、X軸、Y軸、Z軸(不図示)の3方向の物理量、たとえば、加速度あるいは傾斜等を検出して、手ぶれ等を補正する機能を発揮できる。これにより、ビデオカメラ500は、鮮明な動画映像を記録することができる。
次に、物理量検出センサー100を用いた移動体について説明する。図12に示すように、移動体700は自動車であって、物理量検出センサー100が搭載されていている。移動体700において、物理量検出センサー100は、車体701に搭載されている電子制御ユニット(ECU:Electronic Control Unit)703に内蔵されている。電子制御ユニット703は、たとえば、物理量検出センサー100が加速度センサーや傾斜センサーとして車体701の状態を検出することにより、移動体700の姿勢や移動状況等を把握し、サスペンション704、およびタイヤ702等の制御を的確に行うことができる。これにより、移動体700は、安全で安定した移動をすることができる。
ystem)、エンジンコントロール、ハイブリッド自動車や電気自動車の電池モニター、車体姿勢制御システム等の電子制御ユニットに搭載でき、広範な分野に適用可能である。
Claims (11)
- ベース部と、
前記ベース部と接続されている可動部と、
前記可動部の厚み方向からみた平面視において、前記ベース部から前記可動部に沿って延在する支持部と、
前記平面視において、前記可動部と前記支持部とのいずれか一方が他方に向かって突出する突出部を有して、前記一方の突出部と前記他方との間に所定の間隔を有する第1ギャップ部と、
前記平面視において、前記第1ギャップ部より前記ベース部側に位置し、前記所定の間隔より広い間隔を有する第2ギャップ部と、を有し、
前記第1ギャップ部において、前記突出部は、前記支持部の延在方向に垂直な断面視において、前記第1ギャップ部に臨む側に凸条部を有していることを特徴とするセンサー用基板。 - 請求項1に記載のセンサー用基板において、
前記支持部は、前記平面視において、前記可動部を挟む両側に配置され、
前記第1ギャップ部および前記第2ギャップ部が前記可動部を挟む両側にそれぞれ形成され、
それぞれの前記突出部は、前記平面視において同一方向に突出していることを特徴とするセンサー用基板。 - 請求項1または2に記載のセンサー用基板において、
前記凸条部が、前記突出部の断面の略中央に形成されていることを特徴とするセンサー用基板。 - 請求項1〜3のいずれか一項に記載のセンサー用基板において、
前記凸条部は、前記平面視において、前記可動部または前記支持部の基端部側から先端部側に向かって幅が狭くなる台形状を呈していることを特徴とするセンサー用基板。 - 請求項1〜4のいずれか一項に記載のセンサー用基板において、
Zカットで切り出された水晶Zカット板を用いて形成されていることを特徴とするセンサー用基板。 - 請求項5に記載のセンサー用基板において、
前記突出部が、前記水晶Zカット板の+X結晶軸方向に突出していることを特徴とするセンサー用基板。 - 請求項1〜6のいずれか一項に記載のセンサー用基板において、
前記第1ギャップ部のギャップ幅方向と交差する方向の長さである第1ギャップ長よりも、前記第2ギャップ部のギャップ幅方向と交差する方向の長さである第2ギャップ長の方が長いことを特徴とするセンサー用基板。 - 請求項1〜7のいずれか一項に記載のセンサー用基板と、
一端部が前記ベース部に固定され、他端部が前記可動部に固定され、物理量を検出する物理量検出素子と、
を備えることを特徴とする物理量検出センサー。 - 請求項8に記載の物理量検出センサーを備え、該物理量検出センサーにより加速度が計測されることを特徴とする加速度センサー。
- 請求項8に記載の物理量検出センサーが搭載されていることを特徴とする電子機器。
- 請求項8に記載の物理量検出センサーが搭載されていることを特徴とする移動体。
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