JP2010210431A - 加速度センサ - Google Patents

Abstract

【課題】測定レンジを超える過大な加速度が加えられた場合におけるビーム部の破損を防止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とを備え、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、第１の枠部３０における前記対角線と直交する対角線上の角部近傍にそれぞれ弾性を有する弾性部８ａ〜８ｄを設け、弾性部８ａ，８ｂ、及び弾性部８ｃ，８ｄを、それぞれ伸縮方向が互いに略直交するように配設した。
【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、測定レンジを超える過大な加速度が加えられた場合において、各ビーム部５ａ〜５ｄを軸とした回転方向に対しては、突起部４０ｂや付着防止膜２３ａ，２３ｂによって上部固定板２ａ及び下部固定板２ｂとセンサチップ１とが直接衝突するのを防ぐことでセンサチップ１の破損を防止している。しかしながら、ｘｙ平面における各ビーム部５ａ〜５ｄの軸と直交する方向に対しては何の手段も講じられていない。
このため、測定レンジを超える過大な加速度が加えられた場合において、各可動電極４０，４１が前記方向において過度に揺動することで各ビーム部５ａ〜５ｄに生じる曲げ応力によって各ビーム部５ａ〜５ｄが破損する虞があった。

本発明は、上記の点に鑑みて為されたもので、測定レンジを超える過大な加速度が加えられた場合におけるビーム部の破損を防止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、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、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、弾性を有し且つ枠部と可動電極とを連結するとともに可動電極の表面と平行する平面における可動電極の揺動を規制する弾性部を設け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、弾性部は、枠部の前記対角線とは異なる対角線上の各角部近傍において伸縮方向が互いに略直交するように１対ずつ設けられたことを特徴とする。

請求項３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、弾性部は、枠部の前記対角線と異なる対角線上に位置するように設けられたことを特徴とする。

請求項１の発明によれば、測定レンジを超える過大な加速度が加えられた場合において、可動電極の表面と平行する平面において可動電極が揺動するのを弾性部によって規制することができる。したがって、可動電極の過度の揺動によってビーム部に曲げ応力が発生するのを防ぐことができ、ビーム部の破損を防止することができる。

請求項２，３の発明によれば、測定レンジを超える過大な加速度が加えられた場合において、可動電極の表面と平行する平面上であってビーム部の軸方向、及び軸方向と直交する方向での可動電極の揺動を弾性部によって規制することができる。したがって、可動電極の過度の揺動によってビーム部に曲げ応力が発生するのを防ぐことができ、ビーム部の破損を防止することができる。

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）は平面図で、（ｂ）はＢ−Ｂ’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。 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方向と定めるものとする。

本実施形態は、図１（ａ）〜（ｃ）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。

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。そして、第１の枠部３０の前記対角線と直交する対角線上の各角部の近傍には、それぞれ弾性を有する弾性部８ａ〜８ｄが設けられている。弾性部８ａ〜８ｄは、それぞれ一端部が第１の枠部３０に連続一体に連結されるとともに、他端部が第１の可動電極４０に連続一体に連結されている。また、弾性部８ａ〜８ｄの一端部と他端部との間の部位は、ｘｙ平面において略Ｕ字状に湾曲しながら蛇行した形状に形成されている。また、弾性部８ａ，８ｂ、及び弾性部８ｃ，８ｄは、それぞれ伸縮方向が互いに略直交するように配設されている。

而して、測定レンジを超える過大な加速度が加えられた場合において、ｘｙ平面における第１のビーム部５ａ，５ｂの軸方向、及び軸方向と直交する方向での第１の可動電極４０の揺動を弾性部８ａ〜８ｄによって規制することができる。したがって、第１の可動電極４０の過度の揺動によって第１のビーム部５ａ，５ｂに曲げ応力が発生するのを防ぐことができ、第１のビーム部５ａ，５ｂの破損を防止することができる。

（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方向と定めるものとする。

本実施形態は、図２（ａ）〜（ｃ）に示すように、実施形態１の弾性部８ａ〜８ｄを設ける代わりに、第１の枠部３０における第１のビーム部５ａ，５ｂの軸方向と直交する対角線上に位置する各角部に弾性部８ｅ，８ｆを設けている。

而して、測定レンジを超える過大な加速度が加えられた場合において、ｘｙ平面における第１のビーム部５ａ，５ｂの軸方向、及び軸方向と直交する方向での第１の可動電極４０の揺動を弾性部８ｅ，８ｆによって規制することができる。したがって、実施形態１と同様に、第１の可動電極４０の過度の揺動によって第１のビーム部５ａ，５ｂに曲げ応力が発生するのを防ぐことができ、第１のビーム部５ａ，５ｂの破損を防止することができる。また、本実施形態では実施形態１と比較して弾性部の数を減らすことができるので、製造が容易であるとともに製造コストを低減することができる。

ところで、上記各実施形態では、センサチップ１が支持基板Ｃと活性層Ａにより酸化膜Ｂを挟持したＳＯＩ基板から成る。このため、図２（ｂ）に示すように（同図は実施形態２の構成）、弾性部８ａ〜８ｆを活性層Ａで形成すれば第１のビーム部５ａ，５ｂと同時に形成することが可能である。

尚、従来例のように第１の可動電極４０の対向する２辺の略中央部と第１の枠部３０の側壁部とを連結するように第１のビーム部５ａ，５ｂを形成した場合でも、第１のビーム部５ａ，５ｂの軸方向と直交する方向において第１の可動電極４０と第１の枠部３０とを連結する弾性部を設けることで、ｘｙ平面における第１のビーム部５ａ，５ｂの軸方向と直交する方向での第１の可動電極４０の揺動を規制することができる。また、本実施形態では、第１の枠部３０、第１の可動電極４０、第１のビーム部５ａ，５ｂに関する構成についてのみ記載しているが、従来例における第２の枠部３１、第２の可動電極４１、第２のビーム部５ｃ，５ｄに関する構成に対して上記各実施形態の構成を採用しても構わないことは言うまでもない。

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
８ａ〜８ｄ 弾性部

Claims (3)

1. 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、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、弾性を有し且つ枠部と可動電極とを連結するとともに可動電極の表面と平行する平面における可動電極の揺動を規制する弾性部を設け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、弾性部は、枠部の前記対角線とは異なる対角線上の各角部近傍において伸縮方向が互いに略直交するように１対ずつ設けられたことを特徴とする請求項１記載の加速度センサ。
3. 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、弾性部は、枠部の前記対角線と異なる対角線上に位置するように設けら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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