JP2009098007A - 物理量センサ - Google Patents

Abstract

【課題】検出錘の意図しない変位を低減し、検出精度の高い物理量センサを提供する。
【解決手段】慣性力により検出方向へ変異する検出錘１１は、検出方向と垂直は垂直方向の両端部に補助可動電極１４を有している。補助可動電極１４と補助固定電極１５との間には、補助コンデンサＣ３、Ｃ４が形成される。制限処理部３２は、検出錘１１に意図しない垂直方向の変位が生じ補助コンデンサＣ３、Ｃ４の容量が変化すると、補助固定電極１５へ印加する電圧をフィードバック制御し、検出錘１１の位置を一定に保持する。これにより、支持柱２１や梁２２に個体差がある場合でも、検出錘１１の垂直方向への変位が低減され、検出方向の検出精度が向上する。
【選択図】図１

Description

本発明は、物理量センサに関する。

従来、静電容量の変化を利用して加速度や角速度などの物理量を検出するＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）物理量センサが提案されている（例えば、特許文献１参照）。このような物理量センサは、加速度やコリオリ力などにより検出錘に慣性力による変位が生じると、その変位をコンデンサの静電容量の変化として検出する。そして、検出錘の変位を打ち消すように検出錘の可動電極とこれに対向する固定電極との間に電圧差を発生させる。この固定電極と可動電極との間の電圧差を発生させるために電極に印加した電圧に基づいて、検出錘に加わった物理量、すなわち加速度や角速度が検出される。
特許第３７２９１９１号明細書

従来の物理量センサの場合、検出錘は例えば検出方向の両端部が梁によって支持されている。これにより、検出錘は、物理量の検出方向への変位が許容されている。しかしながら、検出錘を支持している梁は、個々に精度のばらつきがある。そのため、検出錘は、検出方向だけでなく、意図しない方向にも変位するおそれがある。その結果、検出錘の検出方向だけでなく他の方向への移動もコンデンサの容量変化として検出され、検出ノイズが増大するという問題がある。

そこで、本発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、検出錘の意図しない変位を低減し、検出精度の高い物理量センサを提供することにある。

請求項１記載の発明では、検出錘は検出方向に概ね垂直な垂直方向の両端部にそれぞれ補助可動電極を有している。この補助可動電極は、対向する補助固定電極との間に補助コンデンサを形成している。制限処理部は、補助コンデンサの補助固定電極と補助可動電極との間に電圧差を発生させる。これにより検出錘が意図しない、すなわち検出方向とは垂直な垂直方向へ移動したとき、制限処理部は補助コンデンサの補助固定電極と補助可動電極の間に電圧差を発生させ、検出錘の垂直方向への移動を制限する。したがって、検出錘の意図しない変位が低減され、検出精度を高めることができる。

請求項２記載の発明では、補助可動電極は検出錘から垂直方向の外側へ突出している。これにより、補助固定電極は、検出錘から突出する補助可動電極に対向して設けられる。したがって、補助可動電極および補助固定電極を追加するだけでよく、簡単な構造にすることができる。
請求項３記載の発明では、補助可動電極は内側に開口を有する環状の検出錘から開口側へ突出している。これにより、補助可動電極に対向する補助固定電極は、検出錘の開口の内側に設けられる。そのため、補助可動電極および補助固定電極を設ける場合でも、検出錘の全体的な投影面積は変化しない。したがって、体格の小型化を図ることができる。

請求項４記載の発明では、補助可動電極および補助固定電極は垂直方向の両端部に複数設けられている。例えば、検出錘の垂直方向の端部にそれぞれ二つの補助可動電極を設ける場合、検出錘は四カ所で補助可動電極と補助固定電極とが対向する。これにより、検出錘が中心を軸として回転するとき、制限処理部は各補助コンデンサの補助固定電極と補助可動電極との間に電圧差を発生させる。その結果、検出錘は、垂直方向への移動だけでなく、検出錘の中心を軸とする回転も制限される。したがって、検出錘の意図しない変位が低減され、検出精度を高めることができる。
請求項５記載の発明では、補助可動電極および補助固定電極は、互いに所定の隙間を形成して噛み合う櫛歯状に形成してもよい。櫛歯形状にすることによって、平板型の電極よりも大きな変位幅の制御にも適し、静電気力が変位に対してリニアに変化するため制御しやすくなる。

請求項６記載の発明では、検出錘は検出方向の両端部にそれぞれ複数の可動電極を有している。この可動電極は、対向する固定電極との間にコンデンサを形成している。すなわち、検出錘の検出方向の両端部には、複数のコンデンサが形成されている。処理部は、各コンデンサの固定電極と可動電極との間に電圧差を発生させる。これにより、検出錘が意図しないすなわち検出錘の中心を軸とする回転をするとき、処理部は各コンデンサの固定電極と可動電極との間に電圧差を発生させ、検出錘の回転を制限する。したがって、検出錘の意図しない変位が低減され、検出精度を高めることができる。

以下、本発明による物理量センサの複数の実施形態を図面に基づいて説明する。なお、複数の実施形態において、実質的に同一の構成部位には同一の符号を付し、説明を省略する。
（第１実施形態）
本発明の第１実施形態による物理量センサを図１および図２に示す。
物理量センサ１０は、図１に示すように検出錘１１、支持部２０、可動電極１２、固定電極１３、補助可動電極１４、補助固定電極１５、処理部３１および制限処理部３２を備えている。物理量センサ１０を構成する検出錘１１、支持部２０、可動電極１２、固定電極１３、補助可動電極１４および補助固定電極１５は、図２に示すように例えば半導体からなる基板１６上に形成されており、一体のセンサチップを構成している。また、処理部３１および制限処理部３２は、例えばＣＰＵ、ＲＯＭおよびＲＡＭなどを有するマイクロコンピュータで構成されている。処理部３１および制限処理部３２は、物理量センサ１０を構成するセンサチップ上に形成してもよく、センサチップとは別体の他のチップに形成してもよい。

検出錘１１は、図１および図２に示すように支持部２０によって支持されている。支持部２０は、基板１６上に検出錘１１を支持している。検出錘１１は、支持部２０によって基板１６から所定の間隔で支持されている。支持部２０は、支持柱２１および梁２２を有している。支持柱２１は、基板１６から概ね垂直に立ち上がっている。梁２２は、両端部が支持柱２１に接続している。検出錘１１は、検出方向すなわち図１の上下方向の両端部がそれぞれ梁２２によって支持されている。つまり、検出錘１１は、検出方向の両端部が梁２２に結合している。これにより、検出錘１１は、図１の上下への変位が許容される。

可動電極１２は、梁２２とともに検出錘１１と一体に設けられている。可動電極１２は、検出錘１１の検出方向の両端部の梁２２にそれぞれ設けられている。可動電極１２は、検出錘１１の変位によって検出錘１１および梁２２と一体となって変位する。固定電極１３は、可動電極１２に対向して設けられている。これにより、検出錘１１の検出方向の両端部には、それぞれ一対の可動電極１２および固定電極１３が設けられている。可動電極１２と固定電極１３との間には、所定の隙間が形成されている。これにより、可動電極１２と固定電極１３との間には、それぞれ容量部すなわちコンデンサＣ１、Ｃ２が形成される。固定電極１３は、処理部３１と電気的に接続されている。

補助可動電極１４は、検出錘１１の検出方向に垂直な垂直方向すなわち図１の左右方向の両端部にそれぞれ設けられている。補助可動電極１４は、検出錘１１と一体に形成されている。補助固定電極１５は、これらの補助可動電極１４と対向して設けられている。これにより、検出錘１１の垂直方向の両端部には、それぞれ一対の補助可動電極１４および補助固定電極１５が設けられる。補助可動電極１４と補助固定電極１５との間には、所定の隙間が形成されている。これにより、補助可動電極１４と補助固定電極１５との間には、それぞれ容量部すなわち補助コンデンサＣ３、Ｃ４が形成される。補助固定電極１５は、制限処理部３２と電気的に接続されている。

検出錘１１は、支持柱２１および梁２２を経由して電源１７に接続されている。これにより、検出錘１１、可動電極１２および補助可動電極１４と、固定電極１３および補助固定電極１５との間には電位差が生じる。そのため、可動電極１２と固定電極１３との間に形成されるコンデンサＣ１、Ｃ２、および補助可動電極１４と補助固定電極１５との間に形成される補助コンデンサＣ３、Ｃ４には、電荷が蓄えられる。コンデンサＣ１、Ｃ２および補助コンデンサＣ３、Ｃ４は、可動電極１２と固定電極１３との間の距離、および補助可動電極１４と補助固定電極１５との間の距離が変化することにより容量が変化する。なお、コンデンサＣ１、Ｃ２を形成する可動電極１２と固定電極１３との間、および補助コンデンサＣ３、Ｃ４を形成する補助可動電極１４と補助固定電極１５との間には、空気を介在させるだけでなく、例えば気体、液体あるいは固体の誘電体を充填してもよい。

処理部３１は、例えばサーボ回路から構成されており、検出錘１１の検出方向への変位を制御する。処理部３１は、可動電極１２と固定電極１３との間に形成されたコンデンサＣ１、Ｃ２の容量が変化しようとすると、この容量の変化を打ち消すために固定電極１３と可動電極１２との間に電圧差を発生させる。実際にはそれぞれの電極の平均電圧（電圧のＤＣ成分）に差を発生させて静電引力を作用させるようにする。詳細には、物理量センサ１０に加速度やコリオリ力が加わると、検出錘１１は慣性力によって変位しようとする。処理部３１は、可動電極１２と固定電極１３との間に形成されたコンデンサＣ１、Ｃ２の容量の変化から検出錘１１の変位を検出する。そして、処理部３１は、検出した検出錘１１の変位に基づいて、検出錘１１の変位を打ち消すために固定電極１３の電圧のＤＣ成分をフィードバック制御する。これにより、検出錘１１は、加速度やコリオリ力が加わっても、所定の位置に静止する。このとき、固定電極１３に印加するＤＣ電圧は、検出錘１１に加わる力に比例する。したがって、処理部３１は、固定電極１３に印加するＤＣ電圧に基づいて検出錘１１に加わる力、すなわち加速度あるいはコリオリ力を検出する。

制限処理部３２は、処理部３１と同様に例えばサーボ回路から構成されており、検出錘１１の垂直方向への変位を制御する。制限処理部３２は、補助可動電極１４と補助固定電極１５との間に形成された補助コンデンサＣ３、Ｃ４の容量が変化しようとすると、この容量の変化を打ち消すために固定電極１５と可動電極１４との間に電圧差を発生させる。物理量センサ１０は、個体差によって支持柱２１や梁２２の形状あるいは位置にずれがある。このような支持柱２１や梁２２の形状あるいは位置のずれは、意図しない方向すなわち検出錘１１の垂直方向への変位を招く。検出錘１１が垂直方向へ変位すると、この変位にともなってコンデンサＣ１、Ｃ２の容量変化を生じるおそれがある。検出錘１１の垂直方向への変位によるコンデンサＣ１、Ｃ２の容量の変化は、物理量センサ１０に要求される検出方向の慣性力の検出について精度悪化の要因すなわちノイズとなる。

そこで、制限処理部３２は、補助可動電極１４と補助固定電極１５との間に形成された補助コンデンサＣ３、Ｃ４の容量の変化から検出錘１１の垂直方向への変位を検出する。そして、制限処理部３２は、検出した検出錘１１の垂直方向への変位に基づいて、検出錘１１の垂直方向への変位を打ち消すために補助固定電極１５の電圧のＤＣ成分をフィードバック制御する。これにより、制限処理部３２は、検出錘１１の垂直方向への変位を制限することができる。

第１実施形態では、検出錘１１は補助可動電極１４を有している。これにより、補助可動電極１４と補助固定電極１５との間には、補助コンデンサＣ３、Ｃ４が形成される。制限処理部３２は、検出錘１１に意図しない変位すなわち垂直方向の変位が生じ補助コンデンサＣ３、Ｃ４の容量が変化すると、補助固定電極１５へ印加するＤＣ電圧をフィードバック制御し、検出錘１１の位置を一定に保持する。すなわち、検出錘１１は、制限処理部３２によって垂直方向への変位が制限される。その結果、支持柱２１や梁２２に個体差がある場合でも、検出錘１１の垂直方向への変位が低減される。したがって、検出錘１１の検出方向における変位の検出精度を向上させることができる。

（第１実施形態の変形例）
第１実施形態では、制限処理部３２は、補助固定電極１５に印加するＤＣ電圧をフィードバック制御することにより、検出錘１１の位置を一定に保持する例について説明した。第１実施例の場合、制限処理部３２は、検出錘１１の位置を保持する制御を行うのみであり、補助固定電極１５に印加した電圧を検出していない。しかし、制限処理部３２は、補助固定電極１５に印加した電圧を検出する構成としてもよい。そして、処理部３１では、補助固定電極１５へ印加した電圧が所定の上限値よりも大きくなると、物理量の検出を停止する構成としてもよい。検出錘１１は、検出方向の両端部が支持部２０で支持されている。そのため、補助固定電極１５へ印加する電圧が過大な値となるとき、検出錘１１または検出錘１１を支持する支持部２０に異常が生じている可能性が高い。したがって、検出錘１１または支持部２０に異常が生じているとき、検出を停止することにより、異常な検出信号による他の制御系への影響を未然に防止することができる。

（第２実施形態）
本発明の第２実施形態による物理量センサを図３および図４に示す。
第２実施形態の場合、物理量センサ４０は、環状の検出錘４１を備えている。検出錘４１は、内側に開口４１１を有する環状に形成されている。補助可動電極４４は、環状に形成された検出錘４１の内周側に内側へ突出、すなわち開口４１１へ突出して設けられている。一方、補助固定電極４５は、検出錘４１の開口４１１側へ突出する補助可動電極４４と対向して設けられている。補助固定電極４５は、制限処理部３２に接続している。第２実施形態の場合、補助固定電極４５は、環状の検出錘４１の内側すなわち開口４１１に位置している。そのため、補助固定電極４５は、図４に示すように基板１６に形成された導電層部４８を経由して導通が確保されている。

第２実施形態では、環状の検出錘４１の開口４１１側へ突出する補助可動電極４４を設けることにより、図３の平面視における検出錘４１および補助可動電極４４の外形が第１実施例と比較して低減される。すなわち、第２実施形態では、補助可動電極４４が環状の検出錘４１の内側へ突出するため、補助可動電極４４を含めた検出錘４１の投影面積が低減される。したがって、体格の小型化を図ることができる。

（第３実施形態）
本発明の第３実施形態による物理量センサを図５に示す。
第３実施形態では、物理量センサ１０は、垂直方向の両端部にそれぞれ二カ所の補助可動電極１４を備えている。補助固定電極１５は、これらの補助可動電極１４に対向してそれぞれ設けられている。そのため、補助可動電極１４と補助固定電極１５との間には、四つの補助コンデンサＣ３、Ｃ４、Ｃ５、Ｃ６が形成される。その結果、検出錘１１には、四つの隅にそれぞれ補助コンデンサＣ３、Ｃ４、Ｃ５、Ｃ６が配置されている。各補助固定電極１５は、制限処理部３２に接続しており、制限処理部３２から電圧差を発生、すなわちＤＣ電圧値が調整される。

検出錘１１は、支持柱２１や梁２２の位置および形状精度によって、図５の左右方向で示される垂直方向だけでなく、中心Ｏを軸とする回転が生じるおそれがある。すなわち、検出錘１１は、図５の平面視における中心Ｏを軸として図５の時計方向または反時計方向へ回転することがある。第３実施形態の場合、検出錘１１に中心Ｏを軸とした回転が生じると、回転の方向に応じて対角線上に位置する補助コンデンサＣ３とＣ６との間、およびＣ４とＣ５との間で容量の変化が生じる。制限処理部３２は、容量の変化が生じた補助コンデンサＣ３、Ｃ４、Ｃ５、Ｃ６の補助固定電極１５に、この容量の変化を打ち消すため可動電極と固定電極との間に電圧差を発生させる。すなわち、制限処理部３２は、補助コンデンサＣ３、Ｃ４、Ｃ５、Ｃ６の容量の変化から検出した検出錘１１の回転に基づいて、検出錘１１の回転を打ち消すために補助固定電極１５に供給するＤＣ電圧、すなわち固定電極１３に印加する電圧をフィードバック制御する。これにより、制限処理部３２は、検出錘１１の回転を制限する。

第３実施形態では、検出錘１１の四つの隅にそれぞれ補助コンデンサＣ３、Ｃ４、Ｃ５、Ｃ６を配置し、これらの補助コンデンサＣ３、Ｃ４、Ｃ５、Ｃ６の容量を制御することにより、検出錘１１は垂直方向への移動だけでなく中心Ｏを軸とした回転も制限される。その結果、支持柱２１や梁２２に個体差がある場合でも、検出錘１１の垂直方向への変位および検出錘１１の回転が低減される。したがって、検出錘１１の検出方向における変位の検出精度を向上させることができる。

（第４実施形態）
本発明の第４実施形態による物理量センサを図６に示す。
第４実施形態では、物理量センサ５０は、検出錘５１の検出方向の両端部にそれぞれ二カ所の可動電極５２を備えている。固定電極５３は、これらの可動電極５２に対向してそれぞれ設けられている。そのため、可動電極５２と固定電極５３との間には、四つのコンデンサＣ１１、Ｃ１２、Ｃ２１、Ｃ２２が形成されている。固定電極５３は、処理部３１に接続しており、処理部３１から電圧差が発生、すなわちＤＣ電圧が調整される。

第３実施形態で説明したように検出錘５１は、図６の平面視における中心Ｏを軸として時計方向または反時計方向へ回転することがある。第４実施形態の場合、検出錘５１に中心Ｏを軸とした回転が生じると、回転の方向に応じて対角線上に位置するコンデンサＣ１１とＣ２２との間、およびＣ１２とＣ２１との間で容量の変化が生じる。処理部３１は、容量の変化が生じたコンデンサＣ１１、Ｃ１２、Ｃ２１、Ｃ２２の固定電極５３に、この容量の変化を打ち消すための可動電極と固定電極との間に電圧差を発生させる。すなわち、処理部３１は、コンデンサＣ１１、Ｃ１２、Ｃ２１、Ｃ２２の容量の変化から検出した検出錘５１の回転に基づいて、検出錘５１の回転を打ち消すために固定電極５３に印加するＤＣ電圧、すなわち固定電極５３に印加するＤＣ電圧をフィードバック制御する。これにより、処理部３１は、検出錘５１の回転を制限する。

第４実施形態では、検出錘５１の検出方向の両端部にそれぞれ二つのコンデンサＣ１１、Ｃ１２、Ｃ２１、Ｃ２２を配置し、これらのコンデンサＣ１１、Ｃ１２、Ｃ２１、Ｃ２２の容量を一定値に制御することにより、検出錘５１は中心Ｏを軸とした回転が制限される。すなわち、第４実施形態では、検出錘５１の垂直方向への移動の制限は困難であるものの、検出錘５１の回転が制限される。その結果、支持柱２１や梁２２に個体差がある場合でも、検出錘５１の回転を低減することができ、検出錘５１の検出方向における変位の検出精度を向上させることができる。

（その他の実施形態）
以上説明した第１実施形態では、コンデンサＣ３、Ｃ４を構成する一対の補助可動電極１４および補助固定電極１５を平板状に形成する例について説明した。しかし、図７に示すように、補助可動電極１４および補助固定電極１５は、互いに隙間を形成しつつ噛み合う櫛歯状に形成してもよい。また、第１実施形態で説明した補助可動電極１４および補助固定電極１５だけでなく、第２実施形態で説明した補助可動電極４４および補助固定電極４５、ならびに各実施形態で説明した可動電極１２、５２および固定電極１３、５３も平板状に限らず櫛歯状に形成してもよい。

以上説明した本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々の実施形態に適用可能である。

本発明の第１実施形態による物理量センサの構成を示す概略図 図１のＩＩ−ＩＩ線における断面図 本発明の第２実施形態による物理量センサの構成を示す概略図 図３のＩＶ−ＩＶ線における断面図 本発明の第３実施形態による物理量センサの構成を示す概略図 本発明の第４実施形態による物理量センサの構成を示す概略図 本発明の他の実施形態による物理量センサの構成を示す概略図

符号の説明

図面中、１０、４０、５０は物理量センサ、１１、４１、５１は検出錘、１２、５２は可動電極、１３、５３は固定電極、１４、４４は補助可動電極、１５、４５は補助固定電極、３１は処理部、３２は制限処理部、４１１は開口、Ｃ１、Ｃ２、Ｃ１１、Ｃ１２、Ｃ２１、Ｃ２２はコンデンサ、Ｃ３、Ｃ４、Ｃ５、Ｃ６は補助コンデンサを示す。

Claims (6)

1. 検出方向の両端部が支持されている検出錘と、
   前記検出錘の検出方向の両端部にそれぞれ設けられている可動電極と、
   前記可動電極にそれぞれ対向して設けられ、前記可動電極との間に電荷を蓄えるコンデンサを形成している固定電極と、
   前記コンデンサの容量の変化から前記検出錘の変位を検出する処理部と、
   前記検出錘の検出方向に対して概ね垂直な垂直方向の両端部にそれぞれ設けられている補助可動電極と、
   前記補助可動電極にそれぞれ対向して設けられ、前記可動電極との間に電荷を蓄える補助コンデンサを形成している補助固定電極と、
   前記補助コンデンサの前記補助固定電極と前記補助可動電極との間に電圧差を発生させ、前記検出錘の前記垂直方向への移動を制限する制限処理部と、
   を備えることを特徴とする物理量センサ。
2. 前記補助可動電極は、前記検出錘の前記垂直方向の両端部から外側に突出していることを特徴とする請求項１記載の物理量センサ。
3. 前記検出錘は内側に開口を有する環状に形成され、
   前記補助可動電極は、前記検出錘の検出方向に対し概ね垂直な方向の両端部から内側の前記開口へ突出していることを特徴とする請求項１記載の物理量センサ。
4. 前記補助可動電極および前記補助固定電極は、前記検出錘の前記垂直方向の両端部に複数設けられ、
   前記制限処理部は、前記補助コンデンサの前記補助固定電極と前記補助可動電極との間に電圧差を発生させ、前記検出錘の前記垂直方向への移動および前記検出錘の中心を軸とする回転を制限することを特徴とする請求項１、２または３記載の物理量センサ。
5. 前記補助可動電極および前記補助固定電極は、櫛歯状に形成され、互いに所定の隙間を形成して噛み合っていることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか一項記載の物理量センサ。
6. 検出方向の両端部が支持されている検出錘と、
   前記検出錘の検出方向の両端部にそれぞれ複数設けられている可動電極と、
   前記可動電極にそれぞれ対向して設けられ、前記可動電極との間に電荷を蓄えるコンデンサを形成している固定電極と、
   前記コンデンサの容量の変化から前記検出錘の変位を検出する処理部と、
   前記コンデンサの前記固定電極と前記可動電極との間に電圧差を発生させ、前記検出錘の中心を軸とする回転を制限する制限処理部と、
   を備えることを特徴とする物理量センサ。

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