JP2008286805A - 静電容量型加速度センサ - Google Patents

Abstract

【課題】過剰に加速度が印加されたときであっても電極が損傷しにくい構造の静電容量型加速度センサを実現する。
【解決手段】この静電容量型加速度センサ３０１は、基板１１と、前記基板上に形成された支持部１５ａ，１５ｂと、前記基板から浮遊した状態で前記支持部に支持された可動電極１７ａ，１７ｂと、前記基板上に形成された固定電極３１４とを備え、前記可動電極および前記支持部、または、前記固定電極のうち一方は、複数組存在するものである。
【選択図】図６

Description

この発明は、半導体マイクロマシニング技術を用いて形成される静電容量型加速度センサ、静電容量型角加速度センサおよび静電アクチュエータに関する。

図１２〜図１５に従来の静電容量型加速度センサ３００の構造を示す。なお、図１２は静電容量型加速度センサ３００の上面図であり、図１３は静電容量型加速度センサ３００の斜視図、図１４は図１２中の切断線Ｃ−Ｃにおける断面図、図１５は図１２中の切断線Ｄ−Ｄにおける断面図、である。

この静電容量型加速度センサ３００は、可動電極３０７および固定電極３０４の二つの電極間の静電容量の変化から加速度を検出する。固定電極３０４は、シリコン基板等の基板３０１上に形成された支持部３０４ｂと、支持部３０４ｂから複数突出した櫛歯状電極３０４ａとを備える。また、可動電極３０７は、棟部３０７ｂと、棟部３０７ｂから複数突出し、固定電極３０４の各櫛歯状電極３０４ａの間に交互に収まる櫛歯状電極３０７ａとを備える。そして、可動電極３０７は、基板３０１上の支持部３０２に連結された梁部３０３により、基板３０１から浮遊した状態で保持されている。

静電容量型加速度センサ３００が例えば図１２中のＹ方向の加速度を受けると、梁部３０３が弾性変形して可動電極３０７が移動する。そして、櫛歯状電極３０７ａおよび櫛歯状電極３０４ａの電極間距離が変化し、固定電極３０４と可動電極３０７との間の静電容量が変化する。よって、この静電容量の変化を外部より監視することで、加速度を定量的に検出することが可能となる。

なお、梁部３０３の横幅（図１２におけるＸ方向の長さ）が支持部３０２の横幅および可動電極３０７の棟部３０７ｂの横幅よりも大きく形成されているのは、梁部３０３の剛性を低くするためである（梁部３０３の剛性は、梁部３０３の形状に依存する）。剛性が低くなると梁部３０３の柔軟性が増し、可動電極３０７の加速度に対する感度が上昇する。

また、基板３０１上には、故障や動作の不具合等を診断するための診断用電極３０８も設けられている。この診断用電極３０８に電圧を印加すると、可動電極３０７の櫛歯状電極３０７ａに対する静電力が発生する。すると、可動電極３０７は静電力を受けて変位し、可動電極３０７が正常に機能するかどうかを診断することができる。

これら電極の各構造は、基板３０１上に積層されたポリシリコン等の導電性材料または単結晶シリコンに半導体マイクロマシニング技術を用いて加工を施すことによって形成される。

さて、上記の静電容量型加速度センサ３００では、過剰に加速度が印加されたときには可動電極３０７の櫛歯状電極３０７ａと固定電極３０４の櫛歯状電極３０４ａとが衝突して両方の電極が損傷してしまう場合があった。

また、このような問題は、静電容量型角加速度センサや静電アクチュエータにおいても起こりうる。

そこで、この発明の課題は、過剰に加速度が印加されたときであっても電極が損傷しにくい構造の静電容量型加速度センサを提供することにある。

請求項１に記載の発明は、基板と、前記基板上に形成された支持部と、前記基板から浮遊した状態で前記支持部に支持された可動電極と、前記基板上に形成された固定電極とを備え、前記可動電極および前記支持部、または、前記固定電極のうち一方は、複数組存在する静電容量型加速度センサである。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の静電容量型加速度センサであって、前記可動電極および前記支持部、または、前記固定電極のうち他方も、複数組存在する静電容量型加速度センサである。

請求項１に記載の発明によれば、可動電極および支持部、または、固定電極のうち一方が複数組存在するので、複数の電極のうちいずれかに他方の電極への短絡等の不具合が生じても、複数組中の残りの電極と他方の電極との間での静電容量の変化を検出することで加速度を検出することができる。よって、動作不良に対する信頼性が高い。

請求項２に記載の発明によれば、可動電極および支持部、または、固定電極のうち他方も複数組存在するので、例えば、一つの組の固定電極からの信号線が断線した場合であっても、その他の組からの信号を検出できるなど、一つの組に異常が生じたとしても、残りの組が加速度を検出できる。よって、動作不良に対する信頼性がより高い。

＜実施の形態１＞
本実施の形態は、従来の固定電極を可動電極に置き換えることにより、過剰に加速度が印加されたときであっても電極が損傷しにくい構造の静電容量型加速度センサを実現したものである。

図１〜図４に本実施の形態にかかる静電容量型加速度センサ１００の構造を示す。なお、図１は静電容量型加速度センサ１００の上面図であり、図２は静電容量型加速度センサ１００の斜視図、図３は図１中の切断線Ａ−Ａにおける断面図、図４は図１中の切断線Ｂ−Ｂにおける断面図、である。

この静電容量型加速度センサ１００は、第１の可動電極４および第２の可動電極７を備え、この二つの可動電極間の静電容量の変化から加速度を検出する。第１の可動電極４は、枠状部４ｂと枠状部４ｂから複数突出した櫛歯状電極４ａとを備える。そして、シリコン基板等の基板１上に形成された支持部２により梁部３を介して基板１から浮遊した状態で支持されている。また、第２の可動電極７は、棟部７ｂと、棟部７ｂから複数突出し、第１の可動電極４の各櫛歯状電極４ａの間に交互に収まる櫛歯状電極７ａとを備える。そして、基板１上に形成された支持部５により梁部６を介して基板１から浮遊した状態で支持されている。

なお、本実施の形態においては、第１および第２の可動電極４，７の電極の形状を櫛歯状としているが、これは、二枚の板状電極を単に対向させるものに比して、対向する電極の面積を比較的小さな空間で大きく確保するためである。

もちろん、本発明を他の電極形状を有する静電容量型加速度センサに適用することも可能である。

また、図１においては、第１および第２の可動電極４，７を、支持部２，５により両持ち梁（固定梁）形式で支持する場合を示しているが、他にも例えば片持ち梁形式で支持するようにしてもよい。

さて、静電容量型加速度センサ１００が例えば図１中のＹ方向の加速度を受けると、梁部３，６が弾性変形して第１および第２の可動電極４，７が移動する。そして、櫛歯状電極７ａおよび櫛歯状電極４ａの電極間距離が変化し、第１の可動電極４と第２の可動電極７との間の静電容量が変化する。よって、この静電容量の変化を外部より監視することで、加速度を定量的に検出することが可能となる。

なお、加速度が印加されたときの第１および第２の可動電極４，７の移動量がそれぞれ異なるように、両電極の梁部３，６の剛性は調節される。第１および第２の可動電極４，７の移動量が同じであれば、両電極間の距離が変化せず静電容量が変化しないからである。

梁部３，６の剛性は、梁部３，６の幅ｗ、長さｌ（＝ｌ１＋ｌ２）、厚み（図１のＺ方向の厚さ）および梁部３，６の構成素材のヤング率により決定される。よって、これら各パラメータを調節することで、第１および第２の可動電極のそれぞれの剛性を調節することができる。

このように、本実施の形態にかかる静電容量型加速度センサによれば、第１および第２の可動電極４，７を備え、加速度が印加された時の両可動電極の移動量がそれぞれ異なるので、固定電極と可動電極とを備える従来の静電容量型加速度センサの場合と同様に、第１および第２の可動電極間での静電容量の変化から加速度を検出することができる。

またさらに、従来の固定電極を可動電極に置き換えたので、過剰に加速度が印加されたときであっても両可動電極が衝突しにくく、そのため第１および第２の可動電極が損傷しにくい。

なお、基板１上には、故障や動作の不具合等を診断するための診断用電極８も設けられている。この診断用電極８に電圧を印加すると、第２の可動電極７の櫛歯状電極７ａに対する静電力が発生する。すると、第２の可動電極７は静電力を受けて変位し、第２の可動電極７が正常に機能するかどうかを診断することができる。

また、ここでは第２の可動電極７に主に静電力を及ぼす診断用電極８を示しているが、例えば櫛歯状電極７ａと櫛歯状電極４ａとの間に診断用電極８を配置して、第１の可動電極４にも静電力を及ぼすようにしてもよい。また、第１の可動電極４に主に静電力を及ぼすような位置に診断用電極８を配置してもよい。

ただし、診断用電極８と第１の可動電極４または第２の可動電極７との間の距離は、第１の可動電極４と第２の可動電極７との間の距離よりも大きくしておくことが望ましい。例えば、図１においては、第１の可動電極４の櫛歯状電極４ａと第２の可動電極７の櫛歯状電極７ａとの間の距離ｄ１ｂ，ｄ２ｂよりも、診断用電極８と第２の可動電極７の櫛歯状電極７ａとの間の距離ｄ１ａ，ｄ２ａの方が大きく設計されることが望ましい。すなわち、ｄ１ａ＞ｄ１ｂ，ｄ２ａ＞ｄ２ｂであればよい。

そうすれば、過剰に加速度が印加されたときに、第１および第２の可動電極４，７と診断用電極８とが衝突しにくく、そのため第１および第２の可動電極４，７と診断用電極８とが損傷しにくい。

なお、これら電極の各構造は、基板１上に積層されたポリシリコン等の導電性材料または単結晶シリコンに半導体マイクロマシニング技術を用いて加工を施すことによって形成される。基板１には、上述のように例えばシリコン基板が採用されるが、この他にも例えばガラス基板を採用してもよい。ガラス基板を採用すれば、シリコン基板の場合に比べ低コスト化を図ることができる。

＜実施の形態２＞
本実施の形態は、実施の形態１に係る静電容量型加速度センサの変形例である。本実施の形態においては、一方の可動電極を複数組、設けることにより、動作不良に対する信頼性の高い静電容量型加速度センサを実現する。

図５は、本実施の形態に係る静電容量型加速度センサ１０１を示す上面図である。この静電容量型加速度センサ１０１は、実施の形態１に係る静電容量型加速度センサ１００と同様、櫛歯状の第１の可動電極１４および櫛歯状の第２の可動電極１７ａ，１７ｂを備えている。ただし、本実施の形態においては、第２の可動電極１７ａ，１７ｂが二組設けられている。それに伴い、第１の可動電極１４の櫛歯状電極の形状も、静電容量型加速度センサ１００の場合とは若干異なっている。

そして、第１および第２の可動電極１４，１７ａ，１７ｂは、シリコン基板等の基板１１上に形成された支持部１２，１５ａ，１５ｂにより梁部１３，１６ａ，１６ｂを介してそれぞれ基板１１から浮遊した状態で支持されている。支持部１５ａ，１５ｂも、第２の可動電極１７ａ，１７ｂが二組存在することに対応して二組設けられている。

なお、静電容量型加速度センサ１０１は、診断用電極１８ａ，１８ｂも備えている。

このように、一方の可動電極を複数組設けると、複数組の可動電極のうちいずれかに不具合が生じても、複数組中の残りの可動電極と他方の可動電極との間での静電容量の変化を検出することができる。よって、動作不良に対する信頼性が高い。

例えば、図５に示すように異物ＦＢが混入して、第１の可動電極１４と第２の可動電極１７ｂとの間に短絡等の不具合が生じたとしても、第１の可動電極１４と第２の可動電極１７ａとの間での静電容量の変化を検出できる。

なお、一方の電極を複数組設けるという本実施の形態の考え方は、図１２〜図１５に示した従来の静電容量型加速度センサ３００にも適用することができる。すなわち、例えば図５における支持部１２、梁部１３および第１の可動電極１４の代わりに、図６に示す静電容量型加速度センサ３０１のように固定電極３１４を設ければよい。なお逆に、固定電極の方を複数設けてもよい。このように、従来の静電容量型加速度センサにおいても一方の電極を複数組設けると、複数組の電極のうちいずれかに不具合が生じても、複数組中の残りの電極と他方の電極との間での静電容量の変化を検出することができる。よって、動作不良に対する信頼性が高い。

＜実施の形態３＞
本実施の形態は、実施の形態２に係る静電容量型加速度センサの変形例である。本実施の形態においては、両方の可動電極を一組として複数組、設けることにより、動作不良に対する信頼性のより高い静電容量型加速度センサを実現する。

図７は、本実施の形態に係る静電容量型加速度センサ１０２を示す上面図である。この静電容量型加速度センサ１０２は、実施の形態１に係る静電容量型加速度センサ１００と同様、櫛歯状の第１の可動電極２４ａ，２４ｂおよび櫛歯状の第２の可動電極２７ａ，２７ｂを備えている。ただし、本実施の形態においては、第１および第２の可動電極を一組として、２０ａ，２０ｂの二組分、設けられている。

そして、第１および第２の可動電極２４ａ，２４ｂ，２７ａ，２７ｂは、シリコン基板等の基板２１上に形成された支持部２２ａ，２２ｂ，２５ａ，２５ｂにより梁部２３ａ，２３ｂ，２６ａ，２６ｂを介してそれぞれ基板２１から浮遊した状態で支持されている。支持部２２ａ，２２ｂ，２５ａ，２５ｂも、第１および第２の可動電極２４ａ，２４ｂ，２７ａ，２７ｂが二組存在することに対応して、それぞれ二組設けられている。

なお、静電容量型加速度センサ１０２は、診断用電極２８ａ，２８ｂも備えている。

このように、両方の可動電極を複数組設けると、複数組の第１および第２の可動電極のうちいずれかの組に不具合が生じても、複数組中の残りの第１および第２の可動電極間での静電容量の変化を検出することができる。

例えば、実施の形態２では、異物ＦＢが混入したときに第１の可動電極１４が動かなくなる場合も考えられる。第１の可動電極１４が動かなくなると、第１の可動電極１４と第２の可動電極１７ａとの間の静電容量が変化することはなく、加速度を検出できなくなってしまう。

しかし、本実施の形態に係る静電容量型加速度センサ１０２のように、両方の可動電極を一組として複数組、設けておれば、一つの組に異常が生じたとしても、残りの組が加速度を検出できる。よって、動作不良に対する信頼性が、実施の形態２の場合に比べより高い。

なお、第１および第２の可動電極２４ａ，２４ｂ，２７ａ，２７ｂからの信号線の取出は、各々の電極から独立に行うようにしてもよいし、第１の可動電極２４ａ，２４ｂからまとめて一本、第２の可動電極２７ａ，２７ｂからまとめて一本、合計２本を取り出すようにしてもよい。

ただし、信号線の断線や上記の短絡等の問題を考慮すれば、前者の取り出し方の方がよい。

なお、両方の電極を複数組設けるという本実施の形態の考え方は、図１２〜図１５に示した従来の静電容量型加速度センサ３００にも適用することができる。すなわち、図７における支持部２２ａ，２２ｂ、梁部２３ａ，２３ｂおよび第１の可動電極２４ａ，２４ｂの代わりに、図８に示す静電容量型加速度センサ３０２のように固定電極３２４ａ，３２４ｂを設ければよい。このように、従来の静電容量型加速度センサにおいても固定電極および可動電極を一組として複数組、設けておれば、一つの組に異常が生じたとしても、残りの組が加速度を検出できる。例えば、一つの組の固定電極からの信号線が断線した場合であっても、その他の組からの信号を検出できる。よって、動作不良に対する信頼性が、実施の形態２の場合に比べより高い。

＜実施の形態４＞
本実施の形態は、実施の形態３に係る静電容量型加速度センサの変形例である。図９に示すように、本実施の形態においては、両方の可動電極を一組として４組分、設けている。

すなわち、この静電容量型加速度センサ１０３は、櫛歯状の第１の可動電極３４ａ、櫛歯状の第２の可動電極３７ａ、基板３１上に形成された支持部３２ａ，３５ａ、梁部３３ａ，３６ａ、診断用電極３８ａを一組として、これを４組分（符号３０ａ〜３０ｄ）備えている。

本実施の形態に係る静電容量型加速度センサ１０３を用いれば、実施の形態３の場合に比べ、さらに多数の可動電極の組を有しているので、動作不良に対する信頼性が、実施の形態３の場合に比べより高い。

＜実施の形態５＞
本実施の形態も、実施の形態３に係る静電容量型加速度センサの変形例である。図１０に示すように、本実施の形態においては、両方の可動電極を一組として８組分、設けている。

すなわち、この静電容量型加速度センサ１０４は、櫛歯状の第１の可動電極４４ａ、櫛歯状の第２の可動電極４７ａ、基板４１上に形成された支持部４２ａ，４５ａ、梁部４３ａ，４６ａ、診断用電極４８ａを一組として、これを８組分（符号４０ａ〜４０ｈ）備えている。なお、図１０においては、左右に４列、上下に２列の組を並べて配置しており、上下の組で支持部を共通としている（符号４２ａｅ，４２ｂｆ，４２ｃｇ，４２ｄｈ）。

本実施の形態に係る静電容量型加速度センサ１０４を用いれば、実施の形態３の場合に比べ、さらに多数の可動電極の組を有しているので、動作不良に対する信頼性が、実施の形態３の場合に比べより高い。

＜実施の形態６＞
本実施の形態は、従来の固定電極を可動電極に置き換えるという本発明の思想を、角加速度を検出する静電容量型角加速度センサに適用したものである。

本実施の形態にかかる静電容量型角加速度センサ２００を図１１に示す。図１１において、この静電容量型角加速度センサ２００は、第１の可動電極５４および第２の可動電極５７を備え、この二つの可動電極間の静電容量の変化から角加速度を検出する。なお、図１１においては、第１の可動電極５４および第２の可動電極５７は図１１中の上下に一つずつ（すなわちＹ方向に２つ並ぶように）設けられている。そして、上下の第１の可動電極５４は短絡されている。

第１の可動電極５４は、棟部５４ｂと棟部５４ｂから複数突出した櫛歯状電極５４ａとを備える。そして、シリコン基板等の基板５１上に形成された支持部５２により梁部５３を介して基板５１から浮遊した状態で支持されている。また、第２の可動電極５７は、棟部５７ｂと、棟部５７ｂから複数突出し、第１の可動電極５４の各櫛歯状電極５４ａの間に交互に収まる櫛歯状電極５７ａとを備える。そして、上下の第２の可動電極５７はいずれも、基板５１上に形成された支持部５５により梁部５６を介して基板５１から浮遊した状態で支持されている。

さらに、図１１においては、上下の第２の可動電極５７に挟まれる位置に第３の可動電極６４も設けられている。第３の可動電極６４は、棟部６４ｂと棟部６４ｂから複数突出した櫛歯状電極６４ａとを備える。そして、基板５１上に形成された支持部６２により梁部６３を介して基板５１から浮遊した状態で支持されている。第３の可動電極６４は、第１の可動電極５４と短絡されており、第１の可動電極５４の第２の可動電極５７に対向する面積を大きく確保するために設けられる。よって、第３の可動電極６４は、第１の可動電極５４と一体とみなせる。また、第１の可動電極５４の上下いずれか、または、第３の可動電極６４が存在するだけでも、本実施の形態に係る静電容量型角加速度センサを機能させることが可能である。

さて、静電容量型角加速度センサ２００が図１１中のＸ方向の軸まわりの角加速度を受けると、梁部５６が弾性変形して上下２つの第２の可動電極５７が互いに逆方向にねじれる（図１１の場合、一方がＺ方向の力を受け、他方がそれと逆方向の力を受ける）。そして、それとともに上下２つの第２の可動電極５７が、遠心力を受けて図１１中のＹ方向に互いに離れる向きに移動する。

すると、櫛歯状電極５７ａおよび櫛歯状電極５４ａ，６４ａの電極間の対向面積が変化し、第１の可動電極５４および第３の可動電極６４と第２の可動電極５７との間の静電容量が変化する。よって、この静電容量の変化を外部より監視することで、角加速度を定量的に検出することが可能となる。

なお、従来の静電容量型角加速度センサにおいては、第１の可動電極５４が固定電極となっていた。本実施の形態に係る静電容量型角加速度センサではそれを可動電極としているので、角加速度が加わって上下２つの第２の可動電極５７がＹ方向の互いに離れる向きに移動したときであっても、上下の第１の可動電極５４も遠心力により同様にＹ方向の互いに離れる向きに移動するので、第１の可動電極５４と第２の可動電極５７とが衝突しにくく、そのため第１および第２の可動電極が損傷しにくい。なお、実施の形態１の場合と同様、角加速度が印加されたときの第１および第２の可動電極５４，５７の移動量がそれぞれ異なるように、両電極の梁部５３，５６の剛性を調節しておけばよい。

また、第３の可動電極６４についても、従来の静電容量型角加速度センサにおいては固定電極となっていたが、これをも可動電極とすることにより、例えば図１１中のＸ方向に過剰に加速度が印加されたときであっても、第１の可動電極５４および第３の可動電極６４と第２の可動電極５７とが衝突しにくく、そのため第１ないし第３の可動電極が損傷しにくい。

なお、第１の可動電極５４および第３の可動電極６４と第２の可動電極５７との間に交流電圧を印加するなどして電位差を与えることにより、第２の可動電極５７を静電力により駆動することもできる。すなわち、静電容量型角加速度センサ２００を静電アクチュエータとして機能させることも可能である。

実施の形態１に係る静電容量型加速度センサを示す上面図である。 実施の形態１に係る静電容量型加速度センサを示す斜視図である。 実施の形態１に係る静電容量型加速度センサを示す断面図である。 実施の形態１に係る静電容量型加速度センサを示す断面図である。 実施の形態２に係る静電容量型加速度センサを示す上面図である。 実施の形態２に係る静電容量型加速度センサの変形例を示す上面図である。 実施の形態３に係る静電容量型加速度センサを示す上面図である。 実施の形態３に係る静電容量型加速度センサの変形例を示す上面図である。 実施の形態４に係る静電容量型加速度センサを示す上面図である。 実施の形態５に係る静電容量型加速度センサを示す上面図である。 実施の形態６に係る静電容量型角加速度センサを示す上面図である。 従来の静電容量型加速度センサを示す上面図である。 従来の静電容量型加速度センサを示す斜視図である。 従来の静電容量型加速度センサを示す断面図である。 従来の静電容量型加速度センサを示す断面図である。

符号の説明

１，１１，２１，３１，４１，５１ 基板、２，１２，２２ａ，２２ｂ，３２ａ，４２ａ，４２ａｅ，４２ｂｆ，４２ｃｇ，４２ｄｈ，５２，６２，５，１５ａ，１５ｂ，２５ａ，２５ｂ，３５ａ，４５ａ，５５ 支持部、３，１３，２３ａ，２３ｂ，３３ａ，４３ａ，５３，６３，６，１６ａ，１６ｂ，２６ａ，２６ｂ，３６ａ，４６ａ，５６ 梁部、４，１４，２４ａ，２４ｂ，３４ａ，４４ａ，５４ 第１の可動電極、７，１７ａ，１７ｂ，２７ａ，２７ｂ，３７ａ，４７ａ，５７ 第２の可動電極、８，１８ａ，１８ｂ，２８ａ，２８ｂ，３８ａ，４８ａ 診断用電極。

Claims (2)

1. 基板と、
   前記基板上に形成された支持部と、
   前記基板から浮遊した状態で前記支持部に支持された可動電極と、
   前記基板上に形成された固定電極と
   を備え、
   前記可動電極および前記支持部、または、前記固定電極のうち一方は、複数組存在する
   静電容量型加速度センサ。
2. 請求項１に記載の静電容量型加速度センサであって、
   前記可動電極および前記支持部、または、前記固定電極のうち他方も、複数組存在する
   静電容量型加速度センサ。

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