JP2001264355A - 加速度センサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 加速度感度を簡易に測定してその感度調整を
行うことができる加速度センサを提供する。 【解決手段】 振動子１１はシリコン基板１０に対して
浮動支持されている。振動子１１は、ｙ方向（変位方
向）に加速度が加えられると、同方向に変位する。この
振動子１１のｙ方向の変位は、変位信号として検出さ
れ、同変位信号に基づき加えられた加速度が検出され
る。この加速度センサは、振動子１１との間の静電引力
が変動するように駆動信号が入力されて同振動子１１を
ｙ方向に振動駆動する測定電極１６ａ，１６ｂを備えて
いる。測定電極１６ａ，１６ｂに入力される駆動信号及
び変位信号に基づき振動子１１のｙ方向の共振周波数が
測定される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、基板に対して浮動
支持された振動子を備え、該振動子の変位に基づき加速
度を検出する加速度センサに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、加速度センサとしては、例えば、
特開平１０−３３５６７５号公報に示されるように、所
定の変位方向を有して基板に対して浮動支持される振動
子を備えた構造のものがある。この加速度センサは、変
位方向に加速度が加えられると、同方向に変位する。加
速度センサは、この振動子の変位方向の変位に基づき加
えられた加速度を検出する。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】ところで、この種の加
速度センサにおいては、振動子の製造ばらつきによりそ
の感度（加速度感度）がばらつくことがある。このよう
な加速度感度のばらつきによりセンサの検出精度の低減
を余儀なくされるため、同センサの検出回路のゲインを
調整等することによって同感度を予め調整する必要があ
る。

【０００４】しかし、このような加速度感度のばらつき
を検出する手段がないため、同感度の調整においては、
振動子に実際に加速度を加えながら同センサの検出回路
のゲイン調整等により同感度の調整を行っていた。従っ
て、このような加速度を加えながらの感度調整の工程に
多大な時間が必要とされ、結果として製造コストが増大
することとなっていた。

【０００５】本発明の目的は、加速度感度を簡易に測定
してその感度調整を行うことができる加速度センサを提
供することにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記問題点を解決するた
めに、請求項１に記載の発明は、所定の変位方向を有し
て基板に対して浮動支持され、該変位方向に加速度が加
えられることにより該変位方向に変位する振動子と、該
振動子の変位信号を検出する変位検出手段とを備え、該
検出された振動子の変位信号に基づき加えられた加速度
を検出する加速度センサにおいて、前記振動子との間の
静電引力が変動するように駆動信号が入力されて該振動
子を変位方向に振動駆動する測定電極を備え、前記測定
電極に入力される駆動信号及び前記変位検出手段により
検出される変位信号に基づき、該振動子の変位方向の共
振周波数を測定することを要旨とする。

【０００７】請求項２に記載の発明は、請求項１に記載
の加速度センサにおいて、前記測定電極は、前記振動子
の変位方向一側に配置される第１測定電極と、該振動子
の変位方向他側に配置される第２測定電極であることを
要旨とする。

【０００８】請求項３に記載の発明は、請求項１に記載
の加速度センサにおいて、前記測定電極は、前記振動子
の変位方向一側において該変位方向と略直交し、且つ、
前記基板と略平行な方向に沿って並設される第１測定電
極及び第２測定電極であることを要旨とする。

【０００９】請求項４に記載の発明は、請求項１に記載
の加速度センサにおいて、前記測定電極は、前記振動子
の変位方向一側において該変位方向と略直交し、且つ、
前記基板と略平行な方向に交互に並設される複数の第１
測定電極及び第２測定電極であることを要旨とする。

【００１０】請求項５に記載の発明は、請求項１〜４の
いずれかに記載の加速度センサにおいて、前記変位検出
手段は、前記振動子との間の静電容量の変動を変位信号
として検出する加速度検出電極を備え、前記振動子の静
止状態において前記測定電極と該振動子との間の変位方
向の距離は、前記加速度検出電極と該振動子との間の変
位方向の距離よりも短く設定されていることを要旨とす
る。

【００１１】（作用）振動子に変位方向の加速度が加え
られると、同振動子は変位方向に変位する。この加速度
に対応する慣性力及び振動子の変位Δｙは、 Ｆｇ＝ｍｓ・ｇ＝ｋｓ・Δｙ…（１） の関係を有する。従って、 Δｙ＝ｍｓ／ｋｓ・ｇ…（２） と表される。ここで、Ｆｇは慣性力、ｍｓは振動子の質
量、ｋｓは振動子の変位方向のばね定数、ｇは加えられ
た加速度をそれぞれ示す。上記質量ｍｓ及びばね定数ｋ
ｓ間には、下記数式（３）にて表される関係を有するこ
とが一般に知られている。

【００１２】

【数１】 ここで、ｆｓは振動子の変位方向の共振周波数を示す。
上記数式（３）を数式（２）に代入することにより、変
位Δｙは下記数式（４）にて表される。

【００１３】

【数２】 従って、少なくとも共振周波数ｆｓが検出されれば、加
速度ｇに対する振動子の変位Δｙの勾配、すなわち加速
度センサの感度が予め確認される。

【００１４】請求項１に記載の発明によれば、振動子と
の間の静電引力が変動するように給電されて同振動子を
変位方向に振動駆動する測定電極を備えている。そし
て、この測定電極に入力される駆動信号及び変位検出手
段により検出される変位信号に基づき、振動子の変位方
向の共振周波数が測定される。これにより、加速度に対
する振動子の変位（Δｙ）の勾配、すなわち加速度セン
サの感度が簡易に確認される。従って、加速度を加える
ことなく、この確認された加速度感度に基づきセンサの
検出回路のゲイン調整等による感度調整が簡易に行いう
る。そして、加速度感度調整の工程に必要とされる時間
が低減されて製造コストも削減される。

【００１５】請求項２に記載の発明によれば、上記測定
電極は、振動子の変位方向一側に配置される第１測定電
極と、同振動子の変位方向他側に配置される第２測定電
極からなる。従って、これら第１及び第２測定電極に対
して、例えば同一の直流バイアス及び位相が互いに反転
した駆動信号を入力して同振動子を変位方向に駆動した
場合、上記変位検出手段の変位信号に重畳される同駆動
信号のノイズは低減しうるようになり、同振動子の変位
方向の共振周波数、すなわち加速度センサの感度がより
高精度に測定される。

【００１６】請求項３に記載の発明によれば、上記測定
電極は、振動子の変位方向一側において同変位方向と略
直交し、且つ、基板と略平行な方向に沿って並設される
第１測定電極及び第２測定電極からなる。従って、これ
ら第１及び第２測定電極に対して、例えば互いに逆向き
の直流バイアス及び位相が互いに反転した駆動信号を入
力して同振動子を変位方向に駆動した場合、上記変位検
出手段の変位信号に重畳される同駆動信号のノイズは低
減しうるようになり、同振動子の変位方向の共振周波
数、すなわち加速度センサの感度がより高精度に測定さ
れる。

【００１７】請求項４に記載の発明によれば、上記測定
電極は、振動子の変位方向一側において同変位方向と略
直交し、且つ、基板と略平行な方向に沿って交互に並設
される複数の第１測定電極及び第２測定電極からなる。
従って、これら複数の第１及び第２測定電極に対して、
例えば互いに逆向きの直流バイアス及び位相が互いに反
転した駆動信号を入力して同振動子を変位方向に駆動し
た場合、上記変位検出手段の変位信号に重畳される同駆
動信号及びその他の外部信号のノイズは低減しうるよう
になり、同振動子の変位方向の共振周波数、すなわち加
速度センサの感度がより高精度に測定される。

【００１８】請求項５に記載の発明によれば、振動子の
静止状態において上記測定電極と振動子との間の変位方
向の距離は、上記加速度検出電極と振動子との間の変位
方向の距離よりも短く設定されている。従って、加速度
の検出時において、これら振動子及び測定電極を等電位
に維持することで、例えば同振動子が外部からの衝撃等
により変位方向に過大に変位した場合には、同振動子が
加速度検出電極と接触する前に測定電極と接触する。こ
のように振動子の過大な変位を規制することで、上記振
動子及び加速度検出電極間の短絡、並びに振動子そのも
のの破壊が防止される。

【００１９】

【発明の実施の形態】（第１実施形態）以下、本発明を
具体化した加速度センサの第１実施形態を図１〜図１１
に従って説明する。

【００２０】図１に示されるように、絶縁層を形成する
基板としてのシリコン基板１０には、例えば導電性とす
るために不純物の添加されたポリシリコン（以下、「導
電性ポリシリコン」という）にて形成された振動子１
１、加速度検出電極１２ａ，１２ｂ、第１、第２測定電
極１６ａ，１６ｂ及び浮動体アンカーａ１１，ａ１２，
ａ１３，ａ１４が設けられている。なお、上記加速度検
出電極１２ａ，１２ｂ、第１、第２測定電極１６ａ，１
６ｂ及び浮動体アンカーａ１１〜ａ１４はシリコン基板
上に接合されている。

【００２１】上記振動子１１は略四角枠状に形成されて
おり、その内側はｘ方向に延びる渡し梁にてｙ方向に複
数（６つ）に均等に区画されている。なお、ｙ方向は振
動子１１の変位方向となっており、ｘ方向はｙ方向（変
位方向）と略直交し、且つ、シリコン基板１０と略平行
な方向となっている。

【００２２】この振動子１１の四隅はｙ方向に撓み性が
高くなるようにｘ方向外側に延びる導電性ポリシリコン
のばね梁２１，２２，２３，２４を介して上記浮動体ア
ンカーａ１１〜ａ１４にぞれぞれ連続している。これら
振動子１１及びばね梁２１〜２４は、例えばリソグラフ
による半導体プロセス加工にて、上記シリコン基板１０
から浮くように形成されており、同ばね梁２１〜２４
は、互いに同等の幅及び長さを有している。

【００２３】上記加速度検出電極１２ａ，１２ｂは、上
記振動子１１内に渡し梁にて区画された各空間内の一側
及び他側（図１の上側及び下側）において対向する渡し
梁に対して所定距離ｄ（図２参照）だけ離隔されてそれ
ぞれ形成されている（ただし、静止状態において）。こ
れら加速度検出電極１２ａ，１２ｂは、上記振動子１１
のｙ方向の変位に基づく同振動子１１との間の静電容量
の変動により、同振動子１１のｙ方向の変位を検出す
る。すなわち、振動子１１が一側（図１の上側）に移動
したときには、同振動子１１と加速度検出電極１２ａと
の間の静電容量が減少するとともに、振動子１１と駆動
検出電極１４ｂとの間の静電容量が増加する。また、振
動子１１が他側（図１の下側）に移動したときには、こ
れらの関係は逆となる。すなわち、上記加速度検出電極
１２ａ，１２ｂの静電容量の変動は、互いに逆向きとな
っている。

【００２４】上記第１、第２測定電極１６ａ，１６ｂ
は、振動子１１の一側及び他側（図１の上側及び下側）
の外側に同振動子１１を挟みこむようにして、それぞれ
ｘ方向に延びる態様で形成されている。そして、第１、
第２測定電極１６ａ，１６ｂは、振動子１１の静止状態
において、上記距離ｄよりも小さい距離ｌにて同振動子
１１からｙ方向に離隔されている。従って、上記振動子
１１が外部からの衝撃等によりｙ方向に過大に変位した
場合には、同振動子１１と加速度検出電極１２ａ，１２
ｂとが接触する前に、振動子１１と第１若しくは第２測
定電極１６ａ，１６ｂとが接触するようになっている。
これら第１、第２測定電極１６ａ，１６ｂは、後述する
態様で振動子１１をｙ方向に励振し、同振動子１１のｙ
方向の共振周波数を求めるためのものである。次に、こ
の加速度センサの加速度検出に係る電気的構成について
説明する。

【００２５】図１に示されるように、この加速度センサ
が備える検出回路部３１は、第１電源３２及び第２電源
３３と、チャージアンプ３４と、増幅器３５とを有して
いる。

【００２６】上記第１電源３２及び第２電源３３は、互
いに逆相となる交流電圧Ｖａ，Ｖｂ（＝−Ｖａ）を上記
加速度検出電極１２ａ，１２ｂにそれぞれ印加する。従
って、図３に等価回路が示されるように、振動子１１と
全加速度検出電極１２ａとで形成される静電容量Ｃ１及
び同振動子１１と全加速度検出電極１２ｂとで形成され
る静電容量Ｃ２には、互いに逆相となる電源電圧が印加
されている。従って、これら静電容量Ｃ１，Ｃ２の接続
点、すなわち振動子１１からは、同静電容量Ｃ１，Ｃ２
の容量偏差ΔＣに略比例した交流電流が検出される。

【００２７】ここで、振動子１１に加速度が加わると、
同振動子１１はｙ方向に変位することは既述のとおりで
ある。このときの振動子１１のｙ方向の変位Δｙは、加
えられた加速度との間に所定の関係を有している。ま
た、振動子１１のｙ方向の変位Δｙと上記容量偏差ΔＣ
との間には、下記数式（１）で示される関係を有してい
る。

【００２８】

【数３】 なお、ε０は真空の誘電率を示す。また、ｎは加速度検
出電極１２ａ，１２ｂの各数量（本実施形態では６
個）、Ｌは加速度検出電極１２ａ，１２ｂの長さ、Ｔは
加速度検出電極１２ａ，１２ｂの厚さをそれぞれ示す。
従って、ｎ・Ｌ・Ｔは加速度検出電極１２ａ，１２ｂの
総面積となる。

【００２９】ちなみに、上記変位Δｙに対する容量偏差
ΔＣの勾配は、加速度センサの感度のうち、特に電気的
感度に係る因子となっている。従って、上記加速度検出
電極１２ａ，１２ｂの総面積（数量ｎ、長さＬ、厚さ
Ｔ）及び距離ｄを測定することで、加速度センサの電気
的感度が検出される。これら加速度検出電極１２ａ，１
２ｂの総面積（数量ｎ、長さＬ、厚さＴ）及び距離ｄの
測定としては、例えば同一ウェハー内のサンプルを使用
し、例えば破壊測定、光学的測定若しくは電気的測定な
どの各種測定法を用いればよい。

【００３０】上記容量偏差ΔＣに略比例して検出された
交流電流は、上記チャージアンプ３４において電圧に変
換され、出力電圧Ｖｏｕｔとして出力される。なお、こ
の出力電圧Ｖｏｕｔは、下記数式（２）に示されるよう
に、入力電圧Ｖａに対して上記容量偏差ΔＣと容量Ｃ３
との比率に基づき、 Ｖｏｕｔ＝ΔＣ／Ｃ３・Ｖａ…（２） と表される。この出力電圧Ｖｏｕｔは、上記増幅器３５
において増幅され、加速度信号へと変換される。そし
て、この加速度信号に基づきｙ方向の加速度が検出され
る。

【００３１】なお、前記第１、第２測定電極１６ａ，１
６ｂは、上記振動子１１と短絡されて同振動子１１と等
電位にされている。次に、本実施形態の加速度センサの
感度を測定する装置の電気的構成について説明する。

【００３２】図４に示されるように、この測定装置は大
きくは駆動回路部６１と、検出回路部６２とを有してい
る。上記駆動回路部６１は、ファンクションジェネレー
タ６３及び反転回路６４を備えており、上記振動子１１
のｙ方向の共振周波数（共振周波数）ｆｓ［Ｈｚ］を検
出するために、駆動信号（電圧）の周波数（検出共振周
波数ｆ）を推移させて前記第１、第２測定電極１６ａ，
１６ｂに印加する。

【００３３】すなわち、上記ファンクションジェネレー
タ６３は、上記検出共振周波数ｆを推移しながらその発
生信号（電圧）をそのまま上記第２測定電極１６ｂに印
加し、また、同信号（電圧）を上記反転回路６４を介し
て逆相として第１測定電極１６ａに印加する。そして、
図５に示されるように、第１測定電極１６ａに直流電圧
と交流電圧からなる Ｖdc＋Ｖacｓｉｎ（２π・ｆ・ｔ＋π）［Ｖ］ を印加し、第２測定電極１６ｂに同様に直流電圧と交流
電圧からなる Ｖdc＋Ｖacｓｉｎ（２π・ｆ・ｔ）［Ｖ］ を印加する。ここで、Ｖdcは直流電圧を、Ｖacは振幅
（定数）を、ｆは検出共振周波数をそれぞれ示す。

【００３４】このような構成を有する駆動回路部６１に
より、上記振動子１１は検出共振周波数ｆにてｙ方向に
振動駆動される。なお、上記ファンクションジェネレー
タ６３の発生信号（電圧）は、信号端子Ａにおいてモニ
タしうるようになっている。

【００３５】上記検出回路部６２は、電荷−電圧変換回
路６５，６６及び差動増幅器６７を備えており、上記振
動子１１のｙ方向の振動状態を検出する。上記電荷−電
圧変換回路６５，６６はそれぞれ前記加速度検出電極１
２ａ，１２ｂに接続されており、同加速度検出電極１２
ａ，１２ｂとＧＮＤレベルにある振動子１１全体との間
での静電容量の振動に相当する電気信号（電圧）を発生
する。この電気信号（電圧）は、振動子１１のｙ方向の
振動に同期したレベル変化を示す交流信号となってい
る。なお、上記加速度検出電極１２ａ，１２ｂの静電容
量の振動は、互いに逆相となっているため、これら電荷
−電圧変換回路６５，６６においてそれぞれ発生する電
気信号（電圧）も、互いに逆相となっている。

【００３６】上記差動増幅器６７は電荷−電圧変換回路
６５，６６に接続されており、各電荷−電圧変換回路６
５，６６において互いに逆相に発生した電気信号（電
圧）を差動増幅する。そして、差動増幅器６７は、例え
ば上記第１、第２測定電極１６ａ，１６ｂに印加された
駆動信号（電圧）により上記加速度検出電極１２ａ，１
２ｂに重畳されたノイズの相殺された差動増幅信号（電
圧）を発生する。この差動増幅信号（電圧）は、信号端
子Ｂにおいてモニタしうるようになっている。

【００３７】ここで、上記信号端子Ａ，Ｂの各出力信号
間の位相差が９０度となるときの周波数を測定すること
により、精度よく共振周波数ｆｓ［Ｈｚ］が測定され
る。次に、上記検出された共振周波数ｆｓ［Ｈｚ］等に
基づく加速度センサの感度の算出態様について以下に説
明する。

【００３８】振動子１１にｙ方向の加速度ｇが加えられ
ると、同加速度ｇに基づき同振動子１１はｙ方向に変位
する。この加速度に対応する慣性力及び振動子の変位Δ
ｙは、 Ｆｇ＝ｍｓ・ｇ＝ｋｓ・Δｙ…（３） の関係を有する。従って、 Δｙ＝ｍｓ／ｋｓ・ｇ…（４） と表される。ここで、Ｆｇ［Ｎ］は慣性力、ｍｓ［ｋ
ｇ］は振動子の質量、ｋｓ［Ｎ／ｍ］は振動子の変位方
向のばね定数をそれぞれ示す。上記質量ｍｓ及びばね定
数ｋｓ間には、下記数式（５）にて表される関係を有す
ることが一般に知られている。

【００３９】

【数４】 ここで、ｆｓは振動子の変位方向の共振周波数を示す。
上記数式（５）を数式（４）に代入することにより、変
位Δｙは下記数式（６）にて表される。

【００４０】

【数５】 従って、上記数式（６）において、検出された共振周波
数ｆｓ［Ｈｚ］を代入することで、加速度ｇに対する振
動子１１のｙ方向の変位Δｙの勾配、すなわち加速度セ
ンサの感度が予め確認される。ちなみに、上記加速度ｇ
に対する変位Δｙの勾配は、加速度センサの感度のう
ち、特に機械的感度に係る因子となっている。なお、電
気的・機械的感度を含めた加速度センサとしての検出感
度は、前記数式（１）に数式（６）を代入することで、
下記数式（７）にて表される。

【００４１】

【数６】 従って、加速度検出電極１２ａ，１２ｂの総面積（数量
ｎ、長さＬ、厚さＴ）及び距離ｄ、並びに共振周波数ｆ
ｓ［Ｈｚ］を測定することで、加速度感度は高精度に検
出される。

【００４２】以上詳述したように、本実施形態によれ
ば、以下に示す効果が得られるようになる。 （１）本実施形態では、振動子１１の共振周波数ｆｓ
［Ｈｚ］を検出するための第１、第２測定電極１６ａ，
１６ｂを設けた。これら共振周波数ｆｓ［Ｈｚ］に基づ
き、加速度ｇに対する振動子１１のｙ方向の変位Δｙの
勾配、すなわち加速度センサの感度（機械的感度）が簡
易に確認される。また、加速度検出電極１２ａ，１２ｂ
の総面積（数量ｎ、長さＬ、厚さＴ）及び距離ｄの測定
により変位Δｙに対する容量偏差ΔＣの勾配、すなわち
加速度センサの感度（電気的感度）が併せ確認される。
従って、加速度を加えることなく、この確認された感度
に基づきセンサの検出回路のゲイン調整等による感度調
整を簡易に行うことができる。そして、加速度感度調整
の工程に必要とされる時間を低減して製造コストも削減
することができる。

【００４３】（２）本実施形態では、加速度検出電極１
２ａ，１２ｂの総面積（数量ｎ、長さＬ、厚さＴ）及び
距離ｄの測定により変位Δｙに対する容量偏差ΔＣの勾
配（加速度センサの電気的感度）を併せ測定した。従っ
て、この加速度センサの感度をより高精度に検出するこ
とができる。

【００４４】（３）本実施形態では、振動子１１の一側
及び他側（図１の上側及び下側）の外側に同振動子１１
を挟みこむようにして第１、第２測定電極１６ａ，１６
ｂを設けた。そして、これら第１、第２測定電極１６
ａ，１６ｂに対して、同一の直流バイアス及び位相が互
いに反転した駆動信号を入力して振動子１１をｙ方向に
振動駆動するようにした。従って、上記第１、第２測定
電極１６ａ，１６ｂに印加された駆動信号（電圧）によ
り上記加速度検出電極１２ａ，１２ｂに重畳されたノイ
ズは、差動増幅器６７により相殺される。このため、上
記振動子１１の共振周波数ｆｓ［Ｈｚ］、すなわち加速
度センサの感度をより高精度に測定することができる。

【００４５】（４）本実施形態では、振動子１１の静止
状態において、第１、第２測定電極１６ａ，１６ｂと振
動子１１との間のｙ方向の距離ｌを、加速度検出電極１
２ａ，１２ｂと振動子１１との間のｙ方向の距離ｄより
も短く設定した。従って、加速度の検出時において、こ
れら振動子１１及び第１、第２測定電極１６ａ，１６ｂ
を等電位に維持することで、例えば同振動子１１が外部
からの衝撃等によりｙ方向に過大に変位した場合、同振
動子１１は加速度検出電極１２ａ，１２ｂと接触する前
に第１若しくは第２測定電極１６ａ，１６ｂと接触す
る。このように振動子１１の過大な振動を規制すること
で、同振動子１１及び加速度検出電極１２ａ，１２ｂ間
の短絡、並びに振動子１１そのものの破壊を防止するこ
とができる。

【００４６】なお、図６に示されるように、上記駆動回
路部６１により上記第１測定電極１６ａに印加される信
号を直流電圧からなる Ｖdc［Ｖ］ とし、第２測定電極１６ｂに印加される信号を直流電圧
と交流電圧からなる Ｖdc＋Ｖacｓｉｎ（２π・ｆ・ｔ）［Ｖ］ としてもよい。この場合においても、差動増幅器６７
は、例えば上記第１、第２測定電極１６ａ，１６ｂに印
加された駆動信号（電圧）により上記加速度検出電極１
２ａ，１２ｂに重畳されたノイズをほぼ消去する。そし
て、同様に上記信号端子Ａ，Ｂの各出力信号間の位相差
が９０度となるときの周波数を測定することにより、共
振周波数ｆｓ［Ｈｚ］が測定される。

【００４７】また、図７に示されるように、上記駆動回
路部６１により上記第１測定電極１６ａに印加される信
号を直流電圧と交流電圧からなる Ｖdc＋Ｖacｓｉｎ（２π・ｆ・ｔ）［Ｖ］ とし、第２測定電極１６ｂに印加される信号を直流電圧
と交流電圧からなる −Ｖdc＋Ｖacｓｉｎ（２π・ｆ・ｔ）［Ｖ］ としてもよい。この場合においても、差動増幅器６７
は、例えば上記第１、第２測定電極１６ａ，１６ｂに印
加された駆動信号（電圧）により上記加速度検出電極１
２ａ，１２ｂに重畳されたノイズをほぼ消去する。そし
て、同様に上記信号端子Ａ，Ｂの各出力信号間の位相差
が９０度となるときの周波数を測定することにより、共
振周波数ｆｓ［Ｈｚ］が測定される。

【００４８】さらに、図８に示されるように、上記駆動
回路部６１により上記第１測定電極１６ａに印加される
信号を直流電圧からなる Ｖdc［Ｖ］ とし、第２測定電極１６ｂに印加される信号を直流電圧
と高周波の交流電圧を共振点付近の周波数でＡＭ変調し
た交流電圧からなる Ｖdc＋Ｖacｃｏｓ（２π・ｆ・ｔ＋θ１＋π）ｓｉｎ
（２π・ｆｈ・ｔ＋θ２）［Ｖ］ としてもよい。ここで、ｆは変調周波数を、ｆｈは搬送
波（高周波）の周波数を、θ１，θ２は任意の定数をそ
れぞれ示す。この場合、上記加速度検出電極１２ａ，１
２ｂに重畳された高周波ノイズをローパスフィルタで取
り除くことにより、共振周波数ｆｓ［Ｈｚ］が精度よく
測定される。

【００４９】さらにまた、図９に示されるように、上記
駆動回路部６１により上記第１測定電極１６ａに印加さ
れる信号を直流電圧と高周波の交流電圧を共振点付近の
周波数でＡＭ変調した交流電圧からなる Ｖdc＋Ｖacｃｏｓ（２π・ｆ・ｔ＋θ１）ｓｉｎ（２π
・ｆｈ・ｔ＋θ２）［Ｖ］ とし、第２測定電極１６ｂに印加される信号を直流電圧
と高周波の交流電圧を共振点付近の周波数でＡＭ変調し
た交流電圧からなる Ｖdc＋Ｖacｃｏｓ（２π・ｆ・ｔ＋θ１＋π）ｓｉｎ
（２π・ｆｈ・ｔ＋θ３）［Ｖ］ としてもよい。ここで、ｆは変調周波数を、ｆｈは搬送
波（高周波）の周波数を、θ１，θ２，θ３は任意の定
数をそれぞれ示す。この場合も、上記加速度検出電極１
２ａ，１２ｂに重畳された高周波ノイズをローパスフィ
ルタで取り除くことにより、共振周波数ｆｓ［Ｈｚ］が
精度よく測定される。

【００５０】また、図１０に示されるように、上記駆動
回路部６１により上記第１測定電極１６ａに印加される
信号を直流電圧からなる Ｖｂ［Ｖ］ とし、第２測定電極１６ｂに印加される信号を直流電圧
と予測される検出共振周波数の１／２の周波数の交流電
圧からなる Ｖｂ＋Ｖacｓｉｎ（２π・（１／２）ｆ・ｔ）［Ｖ］ としてもよい。ここで、Ｖｂは振動子１１と等電位（Ｇ
ＮＤ）となるような直流電圧を、ｆは予測される検出共
振周波数をそれぞれ示す。この場合、上記加速度検出電
極１２ａ，１２ｂに重畳された共振周波数の１／２の周
波数をハイパスフィルタで取り除くことにより、共振周
波数ｆｓ［Ｈｚ］が精度よく測定される。

【００５１】さらに、図１１に示されるように、上記駆
動回路部６１により上記第１測定電極１６ａに印加され
る信号を直流電圧と予測される検出共振周波数の１／２
の周波数の交流電圧からなる Ｖｂ＋Ｖacｓｉｎ（２π・（１／２）ｆ・ｔ）［Ｖ］ とし、第２測定電極１６ｂに印加される信号を直流電圧
と予測される検出共振周波数の１／２の周波数の交流電
圧からなる Ｖｂ＋Ｖacｓｉｎ（２π・（１／２）ｆ・ｔ＋π／２）
［Ｖ］ としてもよい。この場合も、上記加速度検出電極１２
ａ，１２ｂに重畳された共振周波数の１／２の周波数を
ハイパスフィルタで取り除くことにより、共振周波数ｆ
ｓ［Ｈｚ］が精度よく測定される。 （第２実施形態）以下、本発明を加速度センサに具体化
した第２実施形態を図１２〜図１６に従って説明する。
なお、第１実施形態においては、振動子１１の一側及び
他側（図１２の上側及び下側）の外側に同振動子１１を
挟みこむように配設される第１、第２測定電極１６ａ，
１６ｂを採用した。第２実施形態の加速度センサは、振
動子１１の一側（図１２の上側）の外側において、ｘ方
向に２分割されて同ｘ方向に延びる第１、第２測定電極
７０ａ，７０ｂを採用したことが第１実施形態と異な
る。そして、その他の構成及び加速度検出に係る電気的
構成は第１実施形態と同様であるためその詳細な説明は
省略する。

【００５２】本実施形態の加速度センサの感度を測定す
る際の電気的構成について図１２に基づき更に説明す
る。図１２に示されるように、この測定装置は大きくは
駆動回路部７１と、前記検出回路部６２とを有してい
る。

【００５３】上記駆動回路部７１は、ファンクションジ
ェネレータ７３を備えており、上記振動子１１の共振周
波数ｆｓ［Ｈｚ］を検出するために、駆動信号（電圧）
の周波数（検出共振周波数ｆ）を推移させて前記第１、
第２測定電極７０ａ，７０ｂに印加する。

【００５４】すなわち、上記ファンクションジェネレー
タ７３は、上記検出共振周波数ｆを推移しながらその発
生信号（電圧）をそのまま上記第１、第２測定電極７０
ａ，７０ｂにそれぞれ印加する。そして、図１３に示さ
れるように、第１、第２測定電極７０ａ，７０ｂに直流
電圧と交流電圧からなる Ｖdc＋Ｖacｓｉｎ（２π・ｆ・ｔ）［Ｖ］ を印加する。ここで、Ｖdcは直流電圧を、Ｖacは振幅
（定数）を、ｆは検出共振周波数をそれぞれ示す。

【００５５】このような構成を有する駆動回路部７１に
より、上記振動子１１は検出共振周波数ｆにてｙ方向に
振動駆動される。なお、上記ファンクションジェネレー
タ７３の発生信号（電圧）は、信号端子Ａにおいてモニ
タしうるようになっている。

【００５６】また、第１実施形態と同様に検出回路部６
２の差動増幅器６７は、例えば上記第１、第２測定電極
７０ａ，７０ｂに印加された駆動信号（電圧）により上
記加速度検出電極１２ａ，１２ｂに重畳されたノイズを
ほぼ消去した差動増幅信号（電圧）を発生する。この差
動増幅信号（電圧）は、信号端子Ｂにおいてモニタしう
るようになっている。そして、同様に上記信号端子Ａ，
Ｂの各出力信号間の位相差が９０度となるときの周波数
を測定することにより、共振周波数ｆｓ［Ｈｚ］が測定
される。

【００５７】以上詳述したように、本実施形態によれ
ば、前記第１実施形態における（１）〜（４）の効果と
同様の効果が得られるようになる。なお、図１４に示さ
れるように、上記駆動回路部７１により上記第１測定電
極７０ａに印加される信号を直流電圧と交流電圧からな
る Ｖdc＋Ｖacｓｉｎ（２π・ｆ・ｔ）［Ｖ］ とし、第２測定電極７０ｂに印加される信号を直流電圧
と交流電圧からなる −Ｖdc＋Ｖacｓｉｎ（２π・ｆ・ｔ＋π）［Ｖ］ としてもよい。この場合、検出回路部６２の差動増幅器
６７は、例えば上記第１、第２測定電極７０ａ，７０ｂ
に印加された駆動信号（電圧）により上記加速度検出電
極１２ａ，１２ｂに重畳されたノイズの相殺された差動
増幅信号（電圧）を発生する。そして、同様に上記信号
端子Ａ，Ｂの各出力信号間の位相差が９０度となるとき
の周波数を測定することにより、精度よく共振周波数ｆ
ｓ［Ｈｚ］が測定される。

【００５８】また、図１５に示されるように、上記駆動
回路部７１により上記第１測定電極７０ａに印加される
信号を直流電圧と高周波の交流電圧を共振点付近の周波
数でＡＭ変調した交流電圧からなる Ｖdc＋Ｖacｃｏｓ（２π・ｆ・ｔ＋θ１）・ｓｉｎ（２
π・ｆｈ・ｔ＋θ２）［Ｖ］ とし、第２測定電極７０ｂに印加される信号を直流電圧
と高周波の交流電圧を共振点付近の周波数でＡＭ変調し
た交流電圧からなる Ｖdc＋Ｖacｃｏｓ（２π・ｆ・ｔ＋θ１）・ｓｉｎ（２
π・ｆｈ・ｔ＋θ３）［Ｖ］ としてもよい。ここで、ｆは変調周波数を、ｆｈは搬送
波（高周波）の周波数を、θ１，θ２，θ３は任意の定
数をそれぞれ示す。この場合も、上記加速度検出電極１
２ａ，１２ｂに重畳された高周波ノイズをローパスフィ
ルタで取り除くことにより、共振周波数ｆｓ［Ｈｚ］が
精度よく測定される。

【００５９】さらに、図１６に示されるように、上記駆
動回路部７１により第１、第２測定電極７０ａ，７０ｂ
に印加される信号を直流電圧と予測される検出共振周波
数の１／２の周波数の交流電圧からなる Ｖｂ＋Ｖacｓｉｎ（２π・（１／２）ｆ・ｔ）［Ｖ］ としてもよい。ここで、Ｖｂは振動子１１と等電位（Ｇ
ＮＤ）となるような直流電圧を、ｆは予測される検出共
振周波数をそれぞれ示す。この場合、上記加速度検出電
極１２ａ，１２ｂに重畳された共振周波数の１／２の周
波数をハイパスフィルタで取り除くことにより、共振周
波数ｆｓ［Ｈｚ］が精度よく測定される。

【００６０】なお、本発明の実施の形態は上記実施形態
に限定されるものではなく、次のように変更してもよ
い。・前記第１実施形態において採用された測定装置に
代えて、図１７に示される測定装置を採用してもよい。
すなわち、この測定装置は前記検出回路部６２と駆動回
路部７５とを備えており、同駆動回路部７５は、移相器
７６、増幅器７７及び反転回路７８を有している。そし
て、上記移相器７６は前記差動増幅器６７に接続されて
おり、前記振動子１１のｙ方向の振動を共振点とするた
めに、上記差動増幅器６７において発生した差動増幅信
号を略９０度移相する。そして、前記第１、第２測定電
極１６ａ，１６ｂ、加速度検出電極１２ａ，１２ｂ、検
出回路部６２及び駆動回路部７５等によって形成される
ループの位相が２ｎπ（ｎは整数）となるようにする。

【００６１】上記増幅器７７は、移相器７６に接続され
ており、前記第１、第２測定電極１６ａ，１６ｂ、加速
度検出電極１２ａ，１２ｂ、検出回路部６２及び駆動回
路部７５等によって形成されるループゲインが１よりも
大きくなるように上記移相された差動増幅信号を増幅す
る。

【００６２】上記第２測定電極１６ｂにはこの増幅器７
７において増幅された信号（電圧）がそのままに印加さ
れ、第１測定電極１６ａには同信号（電圧）が上記反転
回路７８を介して逆相とされて印加される。すなわち、
上記駆動回路部７５により第１、第２測定電極１６ａ，
１６ｂに図５と同様の駆動信号（電圧）を印加する。

【００６３】このような構成を有する駆動回路部７５に
より、上記振動子１１は共振周波数ｆｓ［Ｈｚ］にてｙ
方向に振動駆動される（自励発振する）。そして、この
ときの差動増幅器６７からの出力信号に基づき共振周波
数ｆｓ［Ｈｚ］が測定される。

【００６４】なお、上記駆動回路部７５により、第１、
第２測定電極１６ａ，１６ｂに図６若しくは図７と同様
の駆動信号（電圧）を印加するようにしてもよい。・前
記第１実施形態においては、振動子１１の一側及び他側
（図１の上側及び下側）の外側にそれぞれ１本ずつ配設
される第１、第２測定電極１６ａ，１６ｂを採用した。
これに対して、図１８に示されるように、ｘ方向に複数
個（同図においては４つ）に分割されてｘ方向に交互に
配置される第１、第２測定電極９６，９７としてもよ
い。この場合、特に上記第１、第２測定電極９６，９７
を振動子１１の一側及び他側（図１８の上側及び下側）
に互い違いに配置して前記駆動回路部４１からの駆動信
号（電圧）を印加する。これにより、例えば上記第１、
第２測定電極９６，９７に印加された駆動信号（電圧）
及びその他の外部ノイズも均等に上記加速度検出電極１
２ａ，１２ｂに重畳される。従って、検出回路部６２の
差動増幅器６７（図３参照）は、上記加速度検出電極１
２ａ，１２ｂに重畳された均等なノイズを相殺し、更に
精度よく共振周波数ｆｓ［Ｈｚ］が測定される。

【００６５】また、このようにそれぞれ複数個の第１、
第２測定電極９６，９７を備える場合、上記加速度検出
電極１２ａ，１２ｂに混入されるノイズが全体として低
減されるように各測定電極９６，９７に印加される駆動
信号の、例えば振幅を電極ごとに個別に設定してもよ
い。

【００６６】・前記第２実施形態において採用された測
定装置に代えて、図１９に示される測定装置を採用して
もよい。すなわち、この測定装置は前記検出回路部６２
と駆動回路部１００とを備えており、同駆動回路部１０
０は、移相器１０１、増幅器１０２、反転回路１０３及
びバイアス設定回路１０４，１０５を有している。そし
て、上記移相器１０１は前記差動増幅器６７に接続され
ており、前記振動子１１のｙ方向の振動を共振点とする
ために、上記差動増幅器６７において発生した差動増幅
信号を略９０度移相する。そして、前記第１、第２測定
電極７０ａ，７０ｂ、加速度検出電極１２ａ，１２ｂ、
検出回路部６２及び駆動回路部１００等によって形成さ
れるループの位相が２ｎπ（ｎは整数）となるようにす
る。

【００６７】上記増幅器１０２は、移相器１０１に接続
されており、前記第１、第２測定電極７０ａ，７０ｂ、
加速度検出電極１２ａ，１２ｂ、検出回路部６２及び駆
動回路部１００等によって形成されるループゲインが１
よりも大きくなるように上記移相された差動増幅信号を
増幅する。

【００６８】上記第１測定電極７０ａにはこの増幅器１
０２において増幅された信号（電圧）が上記バイアス設
定回路１０４を介して直流電圧Ｖdcが加えられて印加さ
れ、第２測定電極７０ｂには同信号（電圧）が上記反転
回路１０３、バイアス設定回路１０５を介して直流電圧
−Ｖdcが加えられて逆相とされて印加される。すなわ
ち、上記駆動回路部１００により第１、第２測定電極７
０ａ，７０ｂに図１４と同様の駆動信号（電圧）を印加
する。

【００６９】このような構成を有する駆動回路部１００
により、上記振動子１１は共振周波数ｆｓ［Ｈｚ］にて
ｙ方向に振動駆動される（自励発振する）。そして、こ
のときの差動増幅器６７からの出力信号に基づき共振周
波数ｆｓ［Ｈｚ］が測定される。

【００７０】なお、上記駆動回路部１００により、第
１、第２測定電極７０ａ，７０ｂに図１３と同様の駆動
信号（電圧）を印加するようにしてもよい。・前記第２
実施形態においては、振動子１１の一側（図１２の上
側）の外側にそれぞれ１本ずつ配設される第１、第２測
定電極７０ａ，７０ｂを採用した。これに対して、図２
０に示されるように、ｘ方向に複数個（同図においては
４つ）に分割されて配設される第１、第２測定電極１１
５，１１６としてもよい。この場合、特に上記第１、第
２測定電極１１５，１１６を１つおきに配置して前記駆
動回路部７１からの駆動信号（電圧）を印加する。この
駆動信号（電圧）としては、例えば図１３若しくは図１
４に示される信号であってよい。これにより、例えば上
記第１、第２測定電極１１５，１１６に印加された駆動
信号（電圧）及びその他の外部ノイズも均等に上記加速
度検出電極１２ａ，１２ｂに重畳される。そして、検出
回路部６２の差動増幅器６７は、上記加速度検出電極１
２ａ，１２ｂに重畳された均等なノイズを相殺し、更に
精度よく共振周波数ｆｓ［Ｈｚ］が測定される。

【００７１】また、このようにそれぞれ複数個の第１、
第２測定電極１１５，１１６を備える場合、上記加速度
検出電極１２ａ，１２ｂに混入されるノイズが全体とし
て低減されるように各測定電極１１５，１１６に印加さ
れる駆動信号の、例えば振幅を電極ごとに個別に設定し
てもよい。

【００７２】・前記各実施形態においては、複数個の測
定電極１６ａ，１６ｂ，７０ａ，７０ｂ，９６，９７，
１１５，１１６を設けたが、振動子１１をｙ方向に振動
駆動しうるのであれば、１個だけであってもよい。

【００７３】・前記各実施形態においては、第１、第２
測定電極１６ａ，１６ｂ，７０ａ，７０ｂ，９６，９
７，１１５，１１６をｘ方向に延びる板状に形成した
が、例えばこれら測定電極を振動子１１，８５，１１０
に対して突出する櫛歯状とし、対向する振動子１１，８
３，１１０も互い違いとなるように突出する櫛歯状とし
てもよい。

【００７４】・第１、第２測定電極１６ａ，１６ｂ，７
０ａ，７０ｂ，９６，９７，１１５，１１６に対して互
いに逆相となる駆動信号を入力する場合、１出力のファ
ンクションジェネレータを使用する場合には、その出力
を２つに分岐してその一方に反転回路を介装すればよい
し、２出力のファンクションジェネレータを使用する場
合には、互いに逆相となる駆動信号をそれぞれ生成しす
ればよい。

【００７５】・前記各実施形態において採用された測定
装置の回路構成は一例であって、その他の回路構成を採
用してもよい。・前記各実施形態におけるシリコン基板
１０に代えて、例えば多結晶、単結晶、又は非晶質のＳ
ｉ，Ｇｅ，ＳｉＣ，ＳｉｘＧｅ1-x ，ＳｉｘＧｅｙＣ1-
x-y にて形成された基板としてもよい。

【００７６】・前記各実施形態において採用された加速
度センサの構造は一例であって、ｙ方向の振動に基づき
加速度を検出する構造であればその構造は任意である。
次に、以上の実施形態から把握することができる請求項
以外の技術的思想を、その効果とともに以下に記載す
る。

【００７７】（イ）請求項２に記載の加速度センサにお
いて、前記変位検出手段は、前記振動子との間の静電容
量の変動を変位信号として検出する第１及び第２加速度
検出電極と、各検出された変位信号を差動増幅する差動
増幅器とを備えたことを特徴とする加速度センサ。同構
成によれば、これら第１及び第２測定電極に対して、例
えば同一の直流バイアス及び位相が互いに反転した駆動
信号を入力して同振動子を変位方向に駆動した場合、上
記第１及び第２加速度検出電極により検出される変位信
号に重畳される同駆動信号のノイズは差動増幅器により
相殺され、同振動子の変位方向の共振周波数、すなわち
加速度センサの感度がより高精度に測定される。

【００７８】（ロ）請求項３又は４に記載の加速度セン
サにおいて、前記変位検出手段は、前記振動子との間の
静電容量の変動を変位信号として検出する第１及び第２
加速度検出電極と、各検出された変位信号を差動増幅す
る差動増幅器とを備えたことを特徴とする加速度セン
サ。同構成によれば、これら第１及び第２測定電極に対
して、例えば互いに逆向きの直流バイアス及び位相が互
いに反転した駆動信号を入力して同振動子を変位方向に
駆動した場合、上記第１及び第２加速度検出電極により
検出される変位信号に重畳される同駆動信号のノイズは
差動増幅器により相殺され、同振動子の変位方向の共振
周波数、すなわち加速度センサの感度がより高精度に測
定される。

【００７９】

【発明の効果】以上詳述したように、請求項１〜４に記
載の発明によれば、加速度感度を簡易に測定してその感
度調整を行うことができる。

【００８０】請求項５に記載の発明によれば、振動子の
過大な変位を規制することで、同振動子及び加速度検出
電極間の短絡、並びに振動子そのものの破壊を防止する
ことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る加速度センサの第１実施形態を示
す概略図。

【図２】同実施形態を拡大して示す拡大図。

【図３】同実施形態を示す回路図。

【図４】同実施形態の共振周波数の測定態様を示す概略
図。

【図５】同実施形態の測定電極に印加される駆動信号を
示すタイムチャート。

【図６】同実施形態の測定電極に印加される駆動信号の
別例を示すタイムチャート。

【図７】同実施形態の測定電極に印加される駆動信号の
別例を示すタイムチャート。

【図８】同実施形態の測定電極に印加される駆動信号の
別例を示すタイムチャート。

【図９】同実施形態の測定電極に印加される駆動信号の
別例を示すタイムチャート。

【図１０】同実施形態の測定電極に印加される駆動信号
の別例を示すタイムチャート。

【図１１】同実施形態の測定電極に印加される駆動信号
の別例を示すタイムチャート。

【図１２】本発明に係る加速度センサの第２実施形態及
びその共振周波数の測定態様を示す概略図。

【図１３】同実施形態の測定電極に印加される駆動信号
を示すタイムチャート。

【図１４】同実施形態の測定電極に印加される駆動信号
の別例を示すタイムチャート。

【図１５】同実施形態の測定電極に印加される駆動信号
の別例を示すタイムチャート。

【図１６】同実施形態の測定電極に印加される駆動信号
の別例を示すタイムチャート。

【図１７】第１実施形態の共振周波数の測定態様の別例
を示す概略図。

【図１８】第１実施形態の加速度センサの別例を示す概
略図。

【図１９】第２実施形態の共振周波数の測定態様の別例
を示す概略図。

【図２０】第２実施形態の加速度センサの別例を示す概
略図。

【符号の説明】

１０ 基板としてのシリコン基板 １１ 振動子 １２ａ，１２ｂ 加速度検出電極 １６ａ，７０ａ，９６，１１５ 第１測定電極 １６ｂ，７０ｂ，９７，１１６ 第２測定電極

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 所定の変位方向を有して基板に対して
   浮動支持され、該変位方向に加速度が加えられることに
   より該変位方向に変位する振動子と、該振動子の変位信
   号を検出する変位検出手段とを備え、該検出された振動
   子の変位信号に基づき加えられた加速度を検出する加速
   度センサにおいて、 前記振動子との間の静電引力が変動するように駆動信号
   が入力されて該振動子を変位方向に振動駆動する測定電
   極を備え、 前記測定電極に入力される駆動信号及び前記変位検出手
   段により検出される変位信号に基づき、該振動子の変位
   方向の共振周波数を測定することを特徴とする加速度セ
   ンサ。
2. 【請求項２】 請求項１に記載の加速度センサにおい
   て、 前記測定電極は、前記振動子の変位方向一側に配置され
   る第１測定電極と、該振動子の変位方向他側に配置され
   る第２測定電極であることを特徴とする加速度センサ。
3. 【請求項３】 請求項１に記載の加速度センサにおい
   て、 前記測定電極は、前記振動子の変位方向一側において該
   変位方向と略直交し、且つ、前記基板と略平行な方向に
   沿って並設される第１測定電極及び第２測定電極である
   ことを特徴とする加速度センサ。
4. 【請求項４】 請求項１に記載の加速度センサにおい
   て、 前記測定電極は、前記振動子の変位方向一側において該
   変位方向と略直交し、且つ、前記基板と略平行な方向に
   交互に並設される複数の第１測定電極及び第２測定電極
   であることを特徴とする加速度センサ。
5. 【請求項５】 請求項１〜４のいずれかに記載の加速
   度センサにおいて、 前記変位検出手段は、前記振動子との間の静電容量の変
   動を変位信号として検出する加速度検出電極を備え、 前記振動子の静止状態において前記測定電極と該振動子
   との間の変位方向の距離は、前記加速度検出電極と該振
   動子との間の変位方向の距離よりも短く設定されている
   ことを特徴とする加速度センサ。