JP2010164399A

JP2010164399A - 静電容量型センサ

Info

Publication number: JP2010164399A
Application number: JP2009006415A
Authority: JP
Inventors: Seiichi Kato; 静一加藤
Original assignee: Asahi Kasei Electronics Co Ltd
Current assignee: Asahi Kasei Electronics Co Ltd
Priority date: 2009-01-15
Filing date: 2009-01-15
Publication date: 2010-07-29

Abstract

【課題】重錘体に薄い板状の部材を形成して重錘体の上面の表面積を増加させ、重錘体と電極間の容量を増加させて素子の感度を上げることができるようにした静電容量型センサを提供すること。
【解決手段】第１の基板１１と第２の基板３１に挟まれた枠体２１と、この枠体２１に支持された変位可能な重錘体２２ａ乃至２２ｅと、この重錘体２２ａ乃至２２ｅに対応して基板１１，３１上に設けられた電極１２ａ乃至１２ｄ，１３，３２ａ乃至３２ｄ，３３とを備えている。重錘体２２ａ乃至２２ｅには、変形可能に設けられた梁部材２３ａｂと２３ｃｄと、この梁部材２３ａｂと２３ｃｄと離間して重錘体２２ａ乃至２２ｅに設けられた鍔部材２２ａａ乃至２２ｄｄとを備えている。
【選択図】図３

Description

本発明は、静電容量型センサに関し、より詳細には、変位可能な重錘体と、この重錘体に対向して配置された電極とを備え、重錘体と電極間の静電容量の変化を検出するようにした静電容量型センサに関する。

従来の静電容量型センサとしては、振動子に作用するコリオリ力を容量素子の静電容量の変化に基づいて検出するものがある。例えば、特許文献１に記載のものは、可撓性を有する円盤状の変位基板と剛性を有する固定基板とを対向させて装置筐体で支持し、変位基板と固定基板にそれぞれが対向するように電極を設けるとともに、変位基板に振動子を固着する。対抗する電極間に交流駆動信号を与え、クーロン力を利用して振動子を上下に振動させる。対向する電極により第１の容量素子及び第２の容量素子を構成し、角速度が作用すると、コリオリ力＋Ｆｘにより変位基板が傾斜し、振動子と電極間の静電容量の変化を検出するものである。

また、特許文献２に記載のものは、中間基板を構成する重錘体に４本の梁部材を直交して設けた構造の静電容量型センサである。

図１は、従来の静電容量型センサの中間基板の構成図で、特許文献２に記載されているものである。重錘体２１５は、上方から見ると４枚の羽状部分を備えた構造を有する。可撓部２２５は、この重錘体２１５の周囲を取り囲む板状枠体と、スリットＳＬによって隔てられた４本のビーム部ＢＭとによって構成されている。スリットＳＬは、重錘体２１５と可撓部２２５とを隔てる貫通溝をなしている。このように、スリットＳＬで重錘体２１５を物理的に隔絶するようにすると、重錘体２１５は、４本のビーム部ＢＭによってのみ支持された状態となるので、重錘体２１５がより変位しやすい構造が実現できる。

つまり、この特許文献２には、４本の梁部材が直交して設けられており、検出電極が梁部材に対して４５°傾いている（隣り合う２つの梁部材の間にある）構造の静電容量型センサが開示されている。

４本の梁部材で支えられている重錘体にかかるコリオリ力を重錘体の変位として検出しており、重錘体の変位の検出方法は、重錘体に対向して配置された検出電極と、重錘体の間の静電容量の変化を検出するものである。

このような構造の静電容量型センサでは、Ｘ軸及びＹ軸方向の力を各軸に設置された２つの検出電極を用いて、その容量変化の差からコリオリ力を検出する場合、４本の梁部材のバランスが取れていることが前提となっている。

また、非特許文献１に記載のものは、重錘体の形は上下対称であり、表面と裏面のどちらか、もしくは、両方で重錘体と電極間の変位を容量変化として検出するようになっている。

特開平１０−２２７６４４号公報特開２００７−４６９２７号公報

Yoshiyuki Watanabea, Toshiaki Mitsuia, Takashi Minetab, Yoshiyuki Matsuc and Kazuhiro Okada"SOI micromachined 5-axis motion sensor using resonant electrostatic drive and non-resonant capacitive detection mode" Sensors and Actuators A： Physical Volumes 130-131, 14 August 2006, Pages 116-123

しかしながら、上述した特許文献２においては、梁部材のバランスが狂うと、重錘体にかかるコリオリ力の方向と重錘体の変位の方向が一致せずに静電容量として変位を検出する加速度センサは、コリオリ力の向きに誤差を生じ、コリオリ力の方向を正確に検出できないという問題点があった。

また、バランスに影響を与える梁部材や重錘体の形状は加工精度上、製造ばらつきを有しており、すべての角速度センサにおいて、バランスがとれているわけでない。このバランスの狂いは、角速度センサの重要な特性である他軸感度不良として現れる。

このような構造の角速度センサは、製造上のばらつきにより、梁部材のバランスが狂うと他軸感度が敏感に現れてしまうという欠点を有している。

また、重錘体の形状を前提とした場合、重錘体の面積を大きくすると、必然的に重錘体の質量も大きくなってしまい、共振周波数が下がってしまう。つまり、素子の持つ共振周波数と重錘体の面積を自由に決めることが難しいという問題があった。

本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、重錘体に薄い板状の部材を形成して重錘体の上面の表面積を増加させ、重錘体と電極間の容量を増加させて素子の感度を上げることができるようにした静電容量型センサを提供することにある。

本発明は、このような目的を達成するためになされたもので、請求項１に記載の発明は、第１の基板と第２の基板に挟まれた枠体と、該枠体に支持された変位可能な重錘体と、前記重錘体に対応して前記基板上に設けられた電極とを備えた静電容量型センサにおいて、前記重錘体に変形可能に設けられた梁部材と、該梁部材と離間して前記重錘体に設けられた鍔部材とを備えたことを特徴とする。

また、請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記梁部材は、互いに交叉するようにして前記枠体に支持されていることを特徴とする。

また、請求項３に記載の発明は、請求項２に記載の発明において、前記重錘体は、前記梁部材の交点に配置された中心部を有するとともに、前記枠体と前記梁部材に沿って前記中心部からクローバ型に配置された周辺部を有することを特徴とする。

また、請求項４に記載の発明は、請求項２又は３に記載の発明において、前記梁部材は、前記重錘体の中心部から前記枠体の対角線方向に沿って、前記重錘体の隣接する前記周辺部に挟まれるように配置されていることを特徴とする。

また、請求項５に記載の発明は、請求項３又は４に記載の発明において、前記鍔部材は、前記重錘体の前記クローバ型の周辺部から庇状に延びた薄い板状の部材で、前記枠体と非接触であることを特徴とする。

また、請求項６に記載の発明は、請求項１乃至５のいずれかに記載の発明において、前記梁部材は、互いに直交して前記枠体に支持されていることを特徴とする。

本発明によれば、重錘体に変形可能に設けられた梁部材と、この梁部材と離間して重錘体に設けられた鍔部材とを備えたので、共振周波数を下げることなく、重錘体の面積を増加させることができ、重錘体と電極間の容量を増加させ、素子の感度を上げることができる。

従来の静電容量型センサの中間基板の構成図である。本発明に関連する静電容量型センサを説明するための構成図である。（ａ）乃至（ｃ）は、本発明に係る静電容量型センサの一実施例を説明するための構成図である。

図２は、本発明に関連する静電容量型センサを説明するための構成図である。この静電容量型センサは、変位可能な重錘体２２（２２ａ乃至２２ｅ）を保持する枠体２１と、重錘体２２ａ乃至２２ｅに対向するように、基板１１上に設けられた検出電極１２ａ乃至１２ｄとを備え、重錘体２２ａ乃至２２ｄと検出電極１２ａ乃至１２ｄ間の静電容量の変化を検出するように構成されている。

重錘体２２ａ乃至２２ｅは、梁部材２３ｄａ，２３ａｂ、２３ｂｃ，２３ｃｄを介して枠体２１によって保持されている。基板１１上に設けられた検出電極１２ａ乃至１２ｄは、重錘体２２ａ乃至２２ｄに対向して配置されたＸ軸用検出電極１２ａ，１２ｃと、Ｙ軸用検出電極１２ｂ，１２ｄとを備えている。なお、符号１３は、Ｘ軸用検出電極１２ａ，１２ｃとＹ軸用検出電極１２ｂ，１２ｄの中央部分に配置された駆動電極である。

また、検出電極１２ａ乃至１２ｄは、梁部材２３ｄａ乃至２３ｃｄの直上を覆うことなく、重錘体２２ａ乃至２２ｄのそれぞれに対向して配置されている。

なお、梁部材２３ｄａは、重錘体２２ｄと重錘体２２ａに挟まれ、梁部材２３ａｂは、重錘体２２ａと重錘体２２ｂに挟まれ、梁部材２３ｂｃは、重錘体２２ｂと重錘体２２ｃに挟まれ、梁部材２３ｃｄは、重錘体２２ｃと重錘体２２ｄに挟まれた梁部材である。

また、重錘体２２ａ乃至２２ｅは、梁部材２３ｄａ乃至２３ｃｄの交点に配置された中心部２２ｅを有するとともに、保持部材２１と梁部材２３ｄａ乃至２３ｃｄに沿って中心部２２ｅからクローバ型に配置された周辺部２２ａ乃至２２ｄを有している。

また、梁部材２３ｄａ乃至２３ｃｄは、重錘体２２の中心部２２ｅから保持部材２１の対角線上に沿って、重錘体の隣接する周辺部２２ａ乃至２２ｄに挟まれるように配置されている。また、検出電極１２ａ乃至１２ｄの形状は、中心から四方に連なるクローバ型に配置された重錘体の周辺部２２ａ乃至２２ｄに相似形の三角形である。

また、同様に、基板３１上に設けられた検出電極３２ａ乃至３２ｄとを備え、重錘体２２ａ乃至２２ｄと検出電極３２ａ乃至３２ｄ間の静電容量の変化を検出するように構成されている。なお、符号３３は、Ｘ軸用検出電極３２ａ，３２ｃとＹ軸用検出電極３２ｂ，３２ｄの中央部分に配置された駆動電極である。

このような構成において、Ｘ軸用検出電極１２ａからの出力信号をＡ、Ｙ軸用検出電極１２ｂからの出力信号をＢ、Ｘ軸用検出電極１２ｃからの出力信号をＣ、Ｙ軸用検出電極１２ｄからの出力信号をＤとすると、Ｘ軸方向のＹ軸回りの角速度成分により生じたコリオリ力が及ぼす容量変化はＸ＝Ａ−Ｃ、Ｙ軸方向のＸ軸回りの角速度成分により生じたコリオリ力が及ぼす容量変化はＹ＝Ｄ−Ｂとなる。この場合の検出方向は、梁部材２３ｄａ乃至２３ｃｄに対して４５°の傾きを有している。つまり、梁部材２３ｄａと２３ｂｃで構成される軸と、梁部材２３ａｂと２３ｃｄで構成される軸は、Ｘ軸用検出電極１２ａと１２ｃで構成される軸と、Ｙ軸用検出電極１２ｂと１２ｄで構成される軸とそれぞれ４５°の傾きを有している。基板３１についても同様である。

以下、図面を参照して本発明の実施例について説明する。
図３（ａ）乃至（ｃ）は、本発明に係る静電容量型センサの一実施例を説明するための構成図で、図３（ａ）は重錘体と梁部材及び鍔部材の関係を示す上面図、図３（ｂ）は図３（ａ）のＡ−Ａ線断面図、図３（ｃ）は図３（ａ）のＢ−Ｂ線断面図である。

本実施例の静電容量型センサは、第１の基板１１と第２の基板３１に挟まれた枠体２１と、この枠体２１に支持された変位可能な重錘体２２ａ乃至２２ｅと、この重錘体２２ａ乃至２２ｅに対応して基板１１，３１上に設けられた電極１２ａ乃至１２ｄ，１３，３２ａ乃至３２ｄ，３３とを備えている。

また、重錘体２２ａ乃至２２ｅには、変形可能に設けられた梁部材２３ａｂと２３ｃｄと、この梁部材２３ａｂと２３ｃｄと離間して重錘体２２ａ乃至２２ｅに設けられた変形しない鍔部材２２ａａ乃至２２ｄｄとを備えている。なお、本実施例における振動子は、重錘体２２ａ乃至２２ｅと梁部材２３ａｂと２３ｃｄと鍔部材２２ａａ乃至２２ｄｄとを含んでいる。

また、梁部材２３ａｂと２３ｃｄは、互いに交叉するようにして枠体２１に支持されており、互いに直交して枠体２１支持されていてもよい。

また、重錘体２２は、梁部材２３ａｂと２３ｃｄの交点に配置された中心部２２ｅを有するとともに、枠体２１と梁部材２３ａｂと２３ｃｄに沿って中心部２２ｅからクローバ型に配置された周辺部２２ａ乃至２２ｄを有している。

また、梁部材２３ａｂと２３ｃｄは、重錘体２２の中心部２２ｅから枠体２１の対角線方向に沿って、重錘体２２の隣接する周辺部２２ａ乃至２２ｄに挟まれるように配置されている。

また、鍔部材２２ａａ乃至２２ｄｄは、重錘体２２のクローバ型の周辺部２２ａ乃至２２ｄから庇状に延びた薄い板状の部材で、枠体２１と非接触に構成されている。

以下に示す表１は、鍔部材の有無による良否を示すシミュレーション値である。

この表１から、共振周波数はあまり変わっていなくても、信号（容量変化）の値が大きく増えていることが分かる。

このように、重錘体上に薄い板状の鍔部材を形成して上面の表面積を増加させる。この鍔部材の板の質量は小さいので、素子の共振周波数は変わらない。したがって、共振周波数を下げることなく、重錘体の面積を増加させることができ、重錘体と電極間の容量を増加させ、素子の感度を上げることができる。

１２ａ，１２ｃ，３２ａ，３２ｂＸ軸用検出電極
１２ｂ，１２ｄ，３２ｂ，３２ｄＹ軸用検出電極
１３，３３駆動電極
２１枠体
２２（２２ａ乃至２２ｅ）重錘体
２２ｅ重錘体の中心部
２２ａ乃至２２ｄ重錘体の周辺部
２２ａａ乃至２２ｄｄ鍔部材
２３ｄａ乃至２３ｃｄ梁部材
２１５重錘体
２２５可撓部
ＳＬスリット
ＢＭビーム部

Claims

第１の基板と第２の基板に挟まれた枠体と、該枠体に支持された変位可能な重錘体と、前記重錘体に対応して前記基板上に設けられた電極とを備えた静電容量型センサにおいて、
前記重錘体に変形可能に設けられた梁部材と、該梁部材と離間して前記重錘体に設けられた鍔部材とを備えたことを特徴とする静電容量型センサ。
前記梁部材は、互いに交叉するようにして前記枠体に支持されていることを特徴とする請求項１に記載の静電容量型センサ。
前記重錘体は、前記梁部材の交点に配置された中心部を有するとともに、前記枠体と前記梁部材に沿って前記中心部からクローバ型に配置された周辺部を有することを特徴とする請求項２に記載の静電容量型センサ。
前記梁部材は、前記重錘体の中心部から前記枠体の対角線方向に沿って、前記重錘体の隣接する前記周辺部に挟まれるように配置されていることを特徴とする請求項２又は３に記載の静電容量型センサ。
前記鍔部材は、前記重錘体の前記クローバ型の周辺部から庇状に延びた薄い板状の部材で、前記枠体と非接触であることを特徴とする請求項３又４に記載の静電容量型センサ。
前記梁部材は、互いに直交して前記枠体に支持されていることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の静電容量型センサ。