JP2010210427A - 加速度センサ - Google Patents

Abstract

【課題】小型化を図るとともに製造コストを低減することのできる加速度センサを提供する。
【解決手段】平面視略正方形状の第１の可動電極４０と、第１の可動電極４０を所定の間隔を空けて囲む平面視略正方形状の第１の枠部３０と、第１の可動電極４０と第１の枠部３０とを連結するとともに第１の可動電極４０を第１の枠部３０に対して揺動自在に支持する１対の第１のビーム部５ａ，５ｂと、第１の可動電極４０の上面と所定の間隔を空けて対向配置される第１の固定電極２０ａ及び第２の固定電極２０ｂとを備え、第１の可動電極４０の下面における前記境界線の一方の側に凹部４０ａが設けられ、第１のビーム部５ａ，５ｂを、その軸部が第１の枠部３０の対角線上に位置するように形成した。
【選択図】図１

Description

本発明は、可動電極の揺動に伴う可動電極と固定電極との間の静電容量の変化に基づいて加速度を検出する静電容量型の加速度センサに関する。

従来から、平面視矩形状の可動電極と、可動電極の対向する２辺の略中央において可動電極を揺動自在に支持する１対のビーム部と、可動電極の表面において１対のビーム部を結ぶ直線を境界線とした一方側と他方側のそれぞれに対して所定の距離を空けて対向配置された固定電極とを備え、可動電極の揺動に伴う可動電極と固定電極との間の静電容量の変化を検出することで加速度を検出する静電容量型の加速度センサが知られている（例えば、特許文献１参照）。

以下、このような加速度センサの従来例について図面を用いて説明する。尚、以下の説明では、図３における上下を上下方向と定めるものとする。また、センサチップ１の短手方向と平行な方向をｘ方向、センサチップ１の長手方向と平行な方向をｙ方向、ｘ方向及びｙ方向に互いに直交する方向をｚ方向と定めるものとする。この従来例は、図３に示すように、ＳＯＩ（Silicon on Insulator）基板で形成されたセンサチップ１が上部固定板２ａと下部固定板２ｂとで挟持された構成となっている。センサチップ１は、２つの平面視略矩形状の第１の枠部３０及び第２の枠部３１を有するフレーム部３と、枠部３０，３１の側壁部に対して隙間を空けて各枠部３０，３１に囲まれた空間に配設される平面視略矩形状の２つの第１の可動電極４０及び第２の可動電極４１と、各可動電極４０，４１上面の対向する２辺の略中央部と各枠部３０，３１の側壁部とを連結することにより各可動電極４０，４１をフレーム部３に対して揺動自在に支持する２対のビーム部５ａ〜５ｄとを備える。

上部固定板２ａはガラス基板により形成され、図３に示すように、第１の可動電極４０と対向する下面には１対の第１のビーム部５ａ，５ｂを結ぶ直線を境界線として第１の固定電極２０ａ及び第２の固定電極２０ｂが設けられている。また、第２の可動電極４１と対向する下面には、１対の第２のビーム部５ｃ，５ｄを結ぶ直線を境界線として第３の固定電極２０ｃ及び第４の固定電極２０ｄが設けられている。各固定電極２０ａ〜２０ｄはアルミニウム系合金から形成されている。

下部固定板２ｂは、上部固定板２ａと同様にガラス基板により形成され、図３，４に示すように、各可動電極４０，４１と間隔を空けて付着防止膜２３ａ，２３ｂが配設されている。付着防止膜２３ａ，２３ｂは各固定電極２０ａ〜２０ｄと同じ材料から成り、各可動電極４０，４１が動作時に下部固定板２ｂに付着するのを防止する。また、測定レンジを超える過大な加速度が加えられた場合には、付着防止膜２３ａ，２３ｂによって各可動電極４０，４１と下部固定板２ｂとが直接接触するのを防ぐことから衝撃緩和の効果を奏する。

センサチップ１には、図３に示すように、第１の可動電極４０と各固定電極２０ａ，２０ｂとの間の静電容量Ｃ１，Ｃ２を各々検出する検出電極６ａ，６ｂと、第２の可動電極４１と各固定電極２０ｃ，２０ｄとの間の静電容量Ｃ３，Ｃ４を各々検出する検出電極６ｃ，６ｄと、接地電極７とが設けられている。上部固定板２ａの各検出電極６ａ〜６ｄ及び接地電極７と対向する部位にはスルーホール２１ａ〜２１ｄ，２２が貫設されており、当該スルーホール２１ａ〜２１ｄ，２２を介して各固定電極２０ａ〜２０ｄに各々接続された検出電極６ａ〜６ｄ、及び接地電極７の出力が取り出されるようになっている。また、検出電極６ａと検出電極６ｂとの間、検出電極６ｃと検出電極６ｄとの間、各検出電極６ａ〜６ｄとフレーム部３との間、各検出電極６ａ〜６ｄと各可動電極４０，４１との間には各々隙間が形成されている。このように構成することで、各検出電極６ａ〜６ｄが互いに電気的に絶縁されるので、各検出電極６ａ〜６ｄの寄生容量や電極間のクロストークを低減し、高精度な静電容量の検出を行うことができる。

第１の可動電極４０の下面における１対の第１のビーム部５ａ，５ｂを結ぶ直線を境界線とした一方側には、図４に示すように、厚み寸法が前記他方側の厚み寸法よりも小さくなるように凹部４０ａが設けられている。同様に、第２の可動電極４１の下面における１対の第２のビーム５ｃ，５ｄを結ぶ直線を境界線とした一方側にも、図示しないが、厚み寸法が前記他方側の寸法よりも小さくなるように凹部４１ａが設けられている。何れの凹部４０ａ，４１ａも、図４に示すように、各可動電極４０，４１の重心位置Ｏとビーム部５ａ〜５ｄとが成す角度θが４５度となるように設けられている。このように構成することで、加速度が加えられた際にビーム部５ａ〜５ｄを軸とした回転モーメントが各可動電極４０，４１に発生し、ｘ方向及びｚ方向の検出感度が等価になる。尚、この従来例では、図３に示すように２つの加速度センサがｘｙ平面に配置され、一方の加速度センサが他方の加速度センサに対してｘｙ平面内で１８０度回転して配置されている。

各可動電極４０，４１の上部固定板２ａ及び下部固定板２ｂと対向する面には、図４に示すように（図４では第１の可動電極４０のみ図示）、シリコン又はシリコン酸化膜により形成された複数の突起部４０ｂが設けられている。このような突起部４０ｂを設けることにより、各可動電極４０，４１に測定レンジを超える過大な加速度が加えられた場合であっても、各可動電極４０，４１が対向する上部固定板２ａ及び下部固定板２ｂと直接衝突することがなく、センサチップ１の破損を防止することができる。尚、この従来例では各可動電極４０，４１の上部固定板２ａ及び下部固定板２ｂと対向する面に突起部４０ｂを設けているが、上部固定板２ａ及び下部固定板２ｂの各可動電極４０，４１と対向する面に突起部４０ｂを設けても構わない。

以下、上記従来例における加速度検出について説明する。先ず、ｘ方向における加速度の検出について説明する。第１の可動電極４０にｘ方向の加速度が加えられた場合、第１の可動電極４０と各固定電極２０ａ，２０ｂとの間の静電容量Ｃ１，Ｃ２は、それぞれ以下に示す数式で表される。尚、数式（１），（２）中のパラメータＣ０は、第１の可動電極４０にｘ方向の加速度が加えられていない状態における第１の可動電極４０と各固定電極２０ａ，２０ｂとの間の静電容量を示す。

Ｃ１＝Ｃ０−ΔＣ …（１）
Ｃ２＝Ｃ０＋ΔＣ …（２）
同様に、第２の可動電極４１にｘ方向の加速度が加えられた場合、第２の可動電極４１と各固定電極２０ｃ，２０ｄとの間の静電容量Ｃ３，Ｃ４は、それぞれ以下に示す数式で表される。尚、数式（３），（４）中のパラメータＣ０は、上記と同様に第２の可動電極４１にｘ方向の加速度が加えられていない状態における第２の可動電極４１と各固定電極２０ｃ，２０ｄとの間の静電容量を示す。

Ｃ３＝Ｃ０−ΔＣ …（３）
Ｃ４＝Ｃ０＋ΔＣ …（４）
而して、各検出電極６ａ〜６ｄを介して上記静電容量Ｃ１〜Ｃ４を検出し、ＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）等を利用して静電容量Ｃ１，Ｃ２の差分値ＣＡ（＝Ｃ１−Ｃ２）、及び静電容量Ｃ３，Ｃ４の差分値ＣＢ（＝Ｃ３−Ｃ４）を算出し、算出された差分値ＣＡ，ＣＢの和（±４ΔＣ）をＸ出力として出力することにより、静電容量の変化から第１の可動電極４０及び第２の可動電極４１に加えられたｘ方向の加速度を検出することができる。

次に、ｚ方向における加速度の検出について説明する。第１の可動電極４０にｚ方向の加速度が加えられた場合、第１の可動電極４０と各固定電極２０ａ，２０ｂとの間の静電容量Ｃ１，Ｃ２は、それぞれ以下に示す数式で表される。尚、数式（５），（６）中のパラメータＣ０は、第１の可動電極４０にｚ方向の加速度が加えられていない状態における第１の可動電極４０と各固定電極２０ａ，２０ｂとの間の静電容量を示す。

Ｃ１＝Ｃ０＋ΔＣ …（５）
Ｃ２＝Ｃ０−ΔＣ …（６）
同様に、第２の可動電極４１にｚ方向の加速度が加えられた場合、第２の可動電極４１と各固定電極２０ｃ，２０ｄとの間の静電容量Ｃ３，Ｃ４は、それぞれ以下に示す数式で表される。尚、数式（７），（８）中のパラメータＣ０は、上記と同様に第２の可動電極４１にｚ方向の加速度が加えられていない状態における第２の可動電極４１と各固定電極２０ｃ，２０ｄとの間の静電容量を示す。

Ｃ３＝Ｃ０−ΔＣ …（７）
Ｃ４＝Ｃ０＋ΔＣ …（８）
而して、各検出電極６ａ〜６ｄを介して上記静電容量Ｃ１〜Ｃ４を検出し、ＡＳＩＣ等を利用して静電容量Ｃ１，Ｃ２の差分値ＣＡ（＝Ｃ１−Ｃ２）、及び静電容量Ｃ３，Ｃ４の差分値ＣＢ（＝Ｃ３−Ｃ４）を算出し、算出された差分値ＣＡ，ＣＢの和（±４ΔＣ）をＺ出力として出力することにより、静電容量の変化から第１の可動電極４０及び第２の可動電極４１に加えられたｚ方向の加速度を検出することができる。

米国特許公開２００７−００００３２３号公報

ところで、上記従来例では、各可動電極４０，４１上面の対向する２辺の略中央部と各枠部３０，３１の側壁部とを２対のビーム部５ａ〜５ｄで連結する構成であるため、各枠部３０，３１と各可動電極４０，４１との間の距離がビーム部５ａ〜５ｄの長さに依存する。このため、加速度センサの小型化を図ろうとしてもビーム部５ａ〜５ｄの長さを確保するためには小型化に限界があり、また小型化できないことから製造コストを低減するのにも限界があった。

本発明は、上記の点に鑑みて為されたもので、小型化を図るとともに製造コストを低減することのできる加速度センサを提供することを目的とする。

請求項１の発明は、上記目的を達成するために、平面視略矩形状の可動電極と、可動電極を所定の間隔を空けて囲む枠部と、可動電極と枠部とを連結するとともに可動電極を枠部に対して揺動自在に支持する１対のビーム部と、可動電極の表面における１対のビーム部を結ぶ直線を境界線とした一方側および他方側に対してそれぞれ所定の間隔を空けて対向配置される１対の固定電極とを備え、可動電極の裏面における１対のビーム部を結ぶ直線を境界線とした何れか一方の側に凹部が設けられ、ビーム部を軸とした可動電極の揺動に伴う可動電極と固定電極との間の静電容量の変化から加速度を検出する加速度センサであって、ビーム部は、その軸部が可動電極と枠部との間の距離が最も長くなる部位に形成されたことを特徴とする。

請求項２の発明は、請求項１の発明において、枠部は平面視略矩形状であって、ビーム部は、その軸部が枠部の対角線上に位置するように形成されたことを特徴とする。

請求項１の発明によれば、可動電極と枠部との間の距離がビーム部の長さに依存するため、当該距離が最も長くなる部位上にビーム部を形成することで、他の部位における可動電極と枠部との間の距離を短くすることができる。したがって、全体としてセンサの小型化を図ることができ、また、センサの小型化に伴って製造コストを低減することができる。

請求項２の発明によれば、可動電極における１対のビーム部を結んだ直線を境界線とした一方側及び他方側の部位がそれぞれ略三角形状となるため、機械的強度を向上させることができる。また、枠部の任意の１辺と平行な方向及び当該方向と直交する方向における衝撃に対する強度のバランスをとることができる。

本発明に係る加速度センサの実施形態１を示す図で、（ａ）は平面図で、（ｂ）はＡ−Ａ’線断面矢視図で、（ｃ）は固定電極との位置関係を示す平面図である。 本発明に係る加速度センサの実施形態２を示す図で、（ａ）は可動電極及びフレーム部の平面図で、（ｂ）は上部固定板の下面図で、（ｃ）は検出電極及び接地電極の配置を示す平面図である。 従来の加速度センサを示す分解斜視図である。 同上のｙｚ平面における断面図である。

（実施形態１）
以下、本発明に係る加速度センサの実施形態１について図面を用いて説明する。但し、本実施形態の基本的な構成は従来例と共通であるので、共通する部位には同一の番号を付して説明を省略する。また、以下の説明では、従来例での説明と同様に、図３における上下を上下方向、センサチップ１の短手方向と平行な方向をｘ方向、センサチップ１の長手方向と平行な方向をｙ方向、ｘ方向及びｙ方向に互いに直交する方向をｚ方向と定めるものとする。

本実施形態は、図１（ａ），（ｂ）に示すように、平面視略正方形状の第１の可動電極４０と、第１の可動電極４０を所定の間隔を空けて囲む平面視略正方形状の第１の枠部３０と、第１の可動電極４０と第１の枠部３０とを連結するとともに第１の可動電極４０を第１の枠部３０に対して揺動自在に支持する１対の第１のビーム部５ａ，５ｂと、第１の可動電極４０の上面（表面）における１対の第１のビーム部５ａ，５ｂを結ぶ直線を境界線とした一方側および他方側に対してそれぞれ所定の間隔を空けて対向配置される第１の固定電極２０ａ及び第２の固定電極２０ｂとを備え、第１の可動電極４０の下面（裏面）における１対の第１のビーム部５ａ，５ｂを結ぶ直線を境界線とした一方の側に凹部４０ａが設けられている。

そして、第１のビーム部５ａ，５ｂは、図１（ａ）に示すように、その軸部が第１の枠部３０の対角線上に位置するように形成されている。即ち、第１のビーム部５ａ，５ｂは、第１の可動電極４０と第１の枠部との間の距離が最も長くなる部位に形成されている。したがって、従来例のように第１の可動電極４０上面の対向する２辺の略中央部と第１の枠部３０の側壁部とを１対のビーム部５ａ，５ｂで連結する場合と比較して、ビーム部５ａ，５ｂの長さが約√２倍となる。つまり、本実施形態では、ビーム部５ａ，５ｂの長さを従来例のビーム部５ａ，５ｂと同じ長さとなるように形成することで、第１の可動電極４０と第１の枠部３０との間の距離を約１／√２倍に短くすることができる。而して、従来例と比較して第１の枠部３０を小さく形成することができるので、全体としてセンサの小型化を図ることができる。また、センサの小型化に伴って製造コストを低減することができる。

また、第１の可動電極４０は１対の第１のビーム部５ａ，５ｂを結ぶ直線を軸として揺動するため、図１（ａ）に示すように当該軸を挟んだ両側の揺動する部位が何れも平面視略三角形状となる。このため、従来例のように揺動する部位が平面視略矩形状の場合と比較して機械的強度を向上させることができる。更に、従来例ではビーム部５ａ，５ｂがｘ方向に沿って形成されていたためにｘ方向とｙ方向とで衝撃に対する強度が異なっていたが、本実施形態ではｘ方向とｙ方向とで衝撃に対する強度のバランスをとることができる。

尚、上述のように第１の可動電極４０の揺動する部位が平面視略三角形状であることを受けて、上部固定板２ａの下面において第１の可動電極４０と対向配置される第１の固定電極２０ａ及び第２の固定電極２０ｂは、図１（ｃ）に示すように何れも平面視略三角形状に形成されている。

（実施形態２）
以下、本発明に係る加速度センサの実施形態２について図面を用いて説明する。但し、本実施形態の基本的な構成は実施形態１と共通であるので、共通する部位には同一の番号を付して説明を省略する。また、以下の説明では、従来例での説明と同様に、図３における上下を上下方向、センサチップ１の短手方向と平行な方向をｘ方向、センサチップ１の長手方向と平行な方向をｙ方向、ｘ方向及びｙ方向に互いに直交する方向をｚ方向と定めるものとする。

本実施形態は、図２（ａ）に示すように、平面視略正方形状の第１の可動電極４０及び第２の可動電極４１及び第３の可動電極４２と、各可動電極４０〜４２を所定の間隔を空けて囲む平面視略正方形状の第１の枠部３０及び第２の枠部３１及び第３の枠部３２を有するフレーム部３とからセンサチップ１が構成されている（センサチップ１については図３参照）。そして、実施形態１と同様に、第１の可動電極４０と第１の枠部３０とを連結する１対の第１のビーム部５ａ，５ｂは、その軸部が第１の枠部３０の対角線上に位置するように形成されている。また、第２の可動電極４１と第２の枠部３１とを連結する第２のビーム部５ｃ，５ｄは、その軸部が第２の枠部３１の対角線上に位置するように形成され、第３の可動電極４２と第３の枠部３２とを連結する第３のビーム部５ｅ，５ｆは、その軸部が第３の枠部３２の対角線上に位置するように形成されている。尚、第３のビーム部５ｅ，５ｆは、第１のビーム部５ａ，５ｂ及び第２のビーム部５ｃ，５ｄが形成される対角線とは異なる方向の対角線上に形成されている。また、各可動電極４０〜４２の下面において各ビーム部５ａ〜５ｆを結ぶ直線を境界線とした一方側には、それぞれ凹部４０ａ〜４２ａが設けられている。

上部固定板２ａの第１の可動電極４０と対向する下面には、図２（ｂ）に示すように、１対の第１のビーム部５ａ，５ｂを結ぶ直線を境界線として平面視略三角形状の第１の固定電極２０ａ及び第２の固定電極２０ｂが設けられている。また、第２の可動電極４１と対向する下面には、１対の第２のビーム部５ｃ，５ｄを結ぶ直線を境界線として平面視略三角形状の第３の固定電極２０ｃ及び第４の固定電極２０ｄが設けられ、第３の可動電極４２と対向する下面には、１対の第３のビーム部５ｅ，５ｆを結ぶ直線を境界線として平面視略三角形状の第５の固定電極２０ｅ及び第６の固定電極２０ｆが設けられている。

センサチップ１には、図２（ｃ）に示すように、第１の可動電極４０と各固定電極２０ａ，２０ｂとの間の静電容量Ｃ１，Ｃ２を各々検出する検出電極６ａ，６ｂと、第２の可動電極４１と各固定電極２０ｃ，２０ｄとの間の静電容量Ｃ３，Ｃ４を各々検出する検出電極６ｃ，６ｄと、第３の可動電極４２と各固定電極２０ｅ，２０ｆとの間の静電容量Ｃ５，Ｃ６を各々検出する検出電極６ｅ，６ｆと、接地電極７とが設けられている。上部固定板２ａの各検出電極６ａ〜６ｆ及び接地電極７と対向する部位には、図示しないが従来例と同様にスルーホールが貫設されており、当該スルーホールを介して各固定電極２０ａ〜２０ｆに各々接続された検出電極６ａ〜６ｆ、及び接地電極７の出力が取り出されるようになっている。

以下、本実施形態における加速度検出について説明する。各可動電極４０〜４２にｘ方向、ｙ方向、ｚ方向の加速度が加えられた場合、各可動電極４０〜４２と各固定電極２０ａ〜２０ｆとの間の静電容量Ｃ１〜Ｃ６は、それぞれ以下に示す表のようになる。尚、表中のパラメータＣ０は、各可動電極４０〜４２に加速度が加えられていない状態における各可動電極４０〜４２と各固定電極２０ａ〜２０ｆとの間の静電容量を示す。

ここで、静電容量Ｃ１，Ｃ２の差分値ＣＡ（＝Ｃ１−Ｃ２）、及び静電容量Ｃ３，Ｃ４の差分値ＣＢ（＝Ｃ３−Ｃ４）、及び静電容量Ｃ５，Ｃ６の差分値ＣＣ（＝Ｃ５−Ｃ６）は、ｘ方向の加速度を表すＸ出力、ｙ方向の加速度を表すＹ出力、ｚ方向の加速度を表すＺ出力を用いて次式で表される。

したがって、Ｘ出力、Ｙ出力、Ｚ出力は次式から算出される。

而して、各検出電極６ａ〜６ｆを介して上記静電容量Ｃ１〜Ｃ６を検出し、ＡＳＩＣ等を利用して差分値ＣＡ，ＣＢ，ＣＣを算出し、算出された差分値ＣＡ，ＣＢ，ＣＣからＸ出力、Ｙ出力、Ｚ出力を求めることで、ｘ方向，ｙ方向，ｚ方向の３軸の加速度を検出することができる。

２０ａ 第１の固定電極
２０ｂ 第２の固定電極
３０ 第１の枠部
４０ 第１の可動電極
５ａ，５ｂ 第１のビーム部

Claims (2)

1. 平面視略矩形状の可動電極と、可動電極を所定の間隔を空けて囲む枠部と、可動電極と枠部とを連結するとともに可動電極を枠部に対して揺動自在に支持する１対のビーム部と、可動電極の表面における１対のビーム部を結ぶ直線を境界線とした一方側および他方側に対してそれぞれ所定の間隔を空けて対向配置される１対の固定電極とを備え、可動電極の裏面における１対のビーム部を結ぶ直線を境界線とした何れか一方の側に凹部が設けられ、ビーム部を軸とした可動電極の揺動に伴う可動電極と固定電極との間の静電容量の変化から加速度を検出する加速度センサであって、ビーム部は、その軸部が可動電極と枠部との間の距離が最も長くなる部位に形成されたことを特徴とする加速度センサ。
2. 前記枠部は平面視略矩形状であって、ビーム部は、その軸部が枠部の対角線上に位置するように形成されたことを特徴とする請求項１記載の加速度センサ。

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