JP2010276367A - 加速度角速度センサ - Google Patents

Abstract

【課題】角速度検出部の耐衝撃特性、及び加速度検出部の感度特性の低下が抑制された加速度角速度センサを提供する。
【解決手段】対をなす、第１固定電極、第１可動電極、錘部、及び該錘部が設けられ、第１可動電極を支持する第１支持部を有する加速度検出部と、対をなす、第２固定電極、第２可動電極、及び該第２可動電極を支持する第２支持部を有する角速度検出部と、対をなす第１支持部をＸ方向に逆位相で加振し、対をなす第２支持部をＸ方向に逆位相で加振する加振部と、を備え、第１支持部間は、Ｙ方向に変位可能な第１バネによって互いに連結され、第１支持部はＸ方向及びＹ方向に変位可能な第２バネによって基台に連結され、第２支持部の１つはＸ方向及びＹ方向に変位可能な第３バネによって第１支持部の１つと連結され、第２支持部と第２可動電極とは、Ｙ方向に変位可能な第４バネによって連結されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、加速度角速度センサに関するものである。

従来、例えば特許文献１に示されるように、駆動方向及び検出方向に変位可能な振動子と、該振動子を駆動方向に振動させる駆動部と、振動子の検出方向に対する変位を静電容量変化として検出する検出電極と、を有する加速度角速度センサが提案されている。

特開２００８−３９６１４号公報

ところで、特許文献１に示される加速度角速度センサでは、検出電極の静電容量変化を検出することで、加速度、及び角速度を検出している。このように、加速度、及び角速度いずれの物理量も、検出電極の静電容量変化に基づいて検出しているため、バネ定数の平方根に比例し、且つ質量の平方根に半比例する構造共振を、加速度、及び角速度それぞれに適した値に決定することが困難であった。

２つの検出電極は、検出方向に対して垂直な駆動方向に並列配置され、検出方向に変位可能な検出バネと、検出電極間を駆動方向において連結する連結リンクバネとによって互いに連結されている。

特許文献１の段落番号[００４４]〜[００４７]には、以下の記載がある。加速度の印加時に、検出バネが検出方向にて同位相で変位するために、加速度の共振周波数（構造共振）は検出バネに依存する。これに対して、角速度の印加時に、検出バネが検出方向にて逆位相で変位するために、角速度の構造共振は検出バネと連結リンクバネとに依存する。したがって、連結リンクバネのバネ定数を調整することで、加速度の構造共振と、角速度の構造共振とを分離することができる。

しかしながら、加速度の構造共振が、連結リンクバネに依存しないためには、加速度の印加時に、２つの検出電極が、理想的に同位相で検出方向に変位する必要がある。実際のセンサは、多少の製造ばらつきや、寸法ばらつきがあるために、２つの検出電極が理想的に同位相で変位する、ということは起こりえない。上記したばらつきのために２つの検出電極それぞれの変位量が異なると、２つの検出電極間は、連結リンクバネによって斜めに連結される。これにより、連結リンクバネの付勢力が検出方向に作用されるので、加速度の構造共振に、連結リンクバネが寄与することとなる。このように、加速度の構造共振は、実質的に、検出バネと連結リンクバネとに依存する構成となっている。

以上、示したように、特許文献１に示される加速度角速度センサにおいては、加速度の構造共振、及び角速度の構造共振それぞれは、検出バネと連結リンクバネとに依存するために、それぞれの構造共振を、加速度、及び角速度それぞれに適した値に決定することが困難であった。

例えば、構造共振を小さくする（バネ定数を小さくする）ことで、検出電極を慣性力によって変動し易くした場合、慣性力による静電容量の変化量が大きくなり、加速度センサの感度特性が高まる。しかしながら、この場合、外部応力によって検出電極が変位し易くなるので、角速度センサの耐衝撃性が低下する、という問題が生じる。これとは反対に、構造共振を大きくする（バネ定数を大きくする）ことで、検出電極を外部応力によって変動し難くした場合、外部応力による角速度センサへの影響が小さくなり、角速度センサの耐衝撃性が高まる。しかしながら、この場合、慣性力によって検出電極が変位し難くなるので、加速度センサの感度特性が低下する、という問題が生じる。

そこで、本発明は上記問題点に鑑み、加速度センサ（加速度検出部）の感度特性、及び角速度センサ（角速度検出部）の耐衝撃特性の低下が抑制された加速度角速度センサを提供することを目的とする。

上記した目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、対をなす、第１固定電極、第１可動電極、錘部、及び該錘部が設けられ、第１可動電極を支持する第１支持部を有する加速度検出部と、対をなす、第２固定電極、第２可動電極、及び該第２可動電極を支持する第２支持部を有する角速度検出部と、対をなす第１支持部をＸ方向に逆位相で加振し、対をなす第２支持部をＸ方向に逆位相で加振する加振部と、を備え、第１支持部間は、Ｘ方向に対して垂直な方向であるＹ方向に変位可能な第１バネによって互いに連結され、第１支持部それぞれは、Ｘ方向、及びＹ方向に変位可能な第２バネによって基台に連結され、第２支持部の１つは、Ｘ方向、及びＹ方向に変位可能な第３バネによって第１支持部の１つと連結され、第２支持部と第２可動電極とは、Ｙ方向に変位可能な第４バネによって連結されていることを特徴とする。

このように本発明によれば、第１可動電極を支持する第１支持部間は、Ｙ方向に変位可能な第１バネによって互いに連結され、第１支持部それぞれは、Ｘ方向、及びＹ方向に変位可能な第２バネによって基台に連結されている。これにより、加速度検出部の構造共振が、検出方向であるＹ方向に変位可能な第１バネと第２バネとに依存する構成となっている。また、本発明においては、第２支持部の１つは、Ｘ方向、及びＹ方向に変位可能な第３バネによって第１支持部の１つと連結され、第２支持部と第２可動電極とは、Ｙ方向に変位可能な第４バネによって連結されている。これにより、角速度検出部の構造共振が、Ｙ方向に変位可能な第３バネと第４バネとに依存する構成となっている。このように、加速度検出部の構造共振と、角速度検出部の構造共振とが分離されているので、第１バネ、第２バネ、第３バネ、及び第４バネそれぞれのバネ定数を調整することで、加速度、及び角速度の構造共振を、それぞれに適した値に設定することができる。例えば、第１バネ、及び第２バネのバネ定数を大きくすることで、加速度検出部の感度特性の低下を抑制し、第３バネ、及び第４バネのバネ定数を小さくすることで、角速度検出部の耐衝撃特性の低下を抑制することができる。以上から、本発明に係る加速度角速度センサは、加速度検出部の感度特性、及び角速度検出部の耐衝撃特性の低下が抑制された加速度角速度センサとなっている。

なお、厳密に言えば、角速度の構造共振は、第３バネと第４バネのバネ定数だけではなく、加速度の構造共振を決定する第２バネのバネ定数にも依存する。しかしながら、第３バネと第４バネのバネ定数を調整することで、加速度の構造共振と角速度の構造共振とを分離することができる。

また、本発明によれば、第２可動電極と基台とが、第４バネ、第２支持部、第３バネ、第１支持部、及び第２バネを介して連結されている。これにより、基台に印加された外部応力が第２可動電極に伝達されるまでに、第２バネ、第１支持部、第３バネ、第２支持部、及び第４バネによって低減される。したがって、本発明に係る構成は、特に、角速度の耐衝撃特性の低下が抑制された構成となっている。

請求項２に記載の発明の作用効果は、請求項１に記載の発明の作用効果と同様なので、その記載を省略する。

請求項３に記載のように、加速度は、慣性力による、第１固定電極と、第１可動電極とによって構成される第１コンデンサの静電容量変化に基づいて検出し、角速度は、慣性力による、第２固定電極と、第２可動電極とによって構成される第２コンデンサの静電容量変化に基づいて検出する構成を採用することができる。

請求項４に記載のように、第１固定電極、及び第１可動電極の形状は、櫛歯状が好ましい。これによれば、第１固定電極、及び第１可動電極が平板状であるのと比べて、対向面積を大きくすることができる。

請求項５に記載のように、第２固定電極、及び第２可動電極の形状は、櫛歯状が好ましい。これによれば、第２固定電極、及び第２可動電極が平板状であるのと比べて、対向面積を大きくすることができる。

請求項６に記載のように、加振部は、静電気力によって、対をなす第１支持部をＸ方向に逆位相で加振し、対をなす第２支持部をＸ方向に逆位相で加振する構成を採用することができる。この場合、例えば請求項７に記載のように、加振部が櫛歯電極を有する構成を採用することができる。

なお、請求項８に記載のように、加振部は、電磁力によって、対をなす第１支持部をＸ方向に逆位相で加振し、対をなす第２支持部をＸ方向に逆位相で加振する構成を採用することもできる。

請求項９に記載のように、加速度検出部、角速度検出部、及び加振部が、１つの半導体基板に集積された構成を採用することができる。これによれば、加速度検出部、及び角速度検出部それぞれが別の半導体基板に集積された加速度角速度センサと比べて、加速度角速度センサの体格を小さくすることができる。

請求項１０に記載のように、第１支持部の形状としては、コの字状を採用することができる。

請求項１１に記載のように、第２支持部の形状としては、枠形状を採用することができる。

第１実施形態に係る加速度角速度センサの概略構成を示す平面図である。 加速度角速度センサの変形例を示す平面図である。

以下、本発明の実施の形態を図に基づいて説明する。
（第１実施形態）
図１は、第１実施形態に係る加速度角速度センサの概略構成を示す平面図である。なお、本実施形態では、図１に示すように、加速度検出部１０と角速度検出部３０の振動方向をＸ方向、該Ｘ方向に対して垂直であり、慣性力の印加方向をＹ方向と示す。また、Ｘ方向及びＹ方向に垂直な方向をＺ方向と示す。

図１に示すように、加速度角速度センサ１００は、要部として、加速度を検出する加速度検出部１０と、角速度を検出する角速度検出部３０と、後述する駆動フレーム１１，３１をＸ方向に加振する加振部５０と、を有する。そして、加速度角速度センサ１００は、図１に一点鎖線で示すＸ方向に沿う対称線ｓを介して対称な構造となっている。本実施形態に係る加速度角速度センサ１００は、例えばＳＯＩ基板などの半導体基板を、周知の露光技術によって微細加工したＭＥＭＳ（微小電子機械システム）デバイスであり、上記した半導体基板に相当する基台７０に、加速度検出部１０と、角速度検出部３０と、加振部５０とが集積されたものである。

加速度検出部１０は、第１駆動フレーム１１と、該第１駆動フレーム１１に設けられた第１可動電極１２と、該第１可動電極１２とＹ方向にて対向する、基台７０の壁面７１に設けられた第１固定電極１３と、第１駆動フレーム１１に設けられた錘部１４と、を有する。

第１駆動フレーム１１は、Ｘ方向とＹ方向にて構成されるＸＹ平面に沿う断面形状がコの字状の２つの第１支持部１１ａ，１１ｂと、第１支持部１１ａの端部と第１支持部１１ｂの端部とを連結する、Ｙ方向に変位可能な第１バネ１１ｃと、を有する。第１支持部１１ａ，１１ｂは剛性を有し、第１支持部１１ａ，１１ｂを構成するＸ方向に沿う１つの部位それぞれに１つの錘部１４と、後述する第１加振部５１の延設部５１ａとが設けられ、第１支持部１１ａ，１１ｂを構成するＹ方向に沿う２つの部位それぞれに１つの第１可動電極１２が設けられている。第１駆動フレーム１１は、基台７０の壁面７１に連結された第２バネ１５によって、Ｘ方向及びＹ方向に対して変位可能となっており、第１支持部１１ａ，１１ｂにおけるＹ方向に沿う部位に設けられた第１可動電極１２が、基台７０の壁面７１（第１固定電極１３）に対して、Ｘ方向及びＹ方向に変位可能となっている。なお、第２バネ１５は、Ｘ方向に変位可能なバネ１５ａと、Ｙ方向に変位可能なバネ１５ｂとが合成されてなるものであり、本実施形態では、６つの第２バネ１５が壁面７１に設けられ、壁面７１と第１駆動フレーム１１とを連結している。

第１可動電極１２は、図１に示すように、Ｘ方向にて、第１支持部１１ａ，１１ｂから第１固定電極１３の方向へ延設された第１櫛部１２ａを有し、第１固定電極１３は、Ｘ方向にて、壁面７１から第１可動電極１２の方向へ延設された第２櫛部１３ａを有する。第１櫛部１２ａと第２櫛部１３ａとがＹ方向にて互いに対向することで、第１コンデンサＣ１ａ，Ｃ１ｂが構成される。これら第１コンデンサＣ１ａ，Ｃ１ｂは、対称線ｓを介して対称な構成となっている。

第１コンデンサＣ１ａ，Ｃ１ｂの構成要素である第１可動電極１２は、第１バネ１１ｃ及び第２バネ１５と連結されているので、壁面７１に対して、Ｘ方向及びＹ方向に変位可能となっている。第１可動電極１２における、Ｘ方向への変位は第２バネ１５に依存し、Ｙ方向への変位は第１バネ１１ｃと第２バネ１５とに依存する。これに対して、第１コンデンサＣ１ａ，Ｃ１ｂの構成要素である第１固定電極１３は、壁面７１に固定されているので、壁面７１に対して変位しない。以上により、第１コンデンサＣ１ａ，Ｃ１ｂの静電容量変化は、第１可動電極１２の変位に依存する。上記したように、第１可動電極１２のＸ方向への変位は第２バネ１５に依存するので、第１可動電極１２と第１固定電極１３との対向面積の変位による第１コンデンサＣ１ａ，Ｃ１ｂの静電容量変化は、バネ１１ｃ，１５に依存する。これに対して、第１可動電極１２のＹ方向への変位は第２バネ１５に依存するので、第１可動電極１２と第１固定電極１３との電極間隔の変位による第１コンデンサＣ１ａ，Ｃ１ｂの静電容量変化は、第２バネ１５に依存する。

なお、第１櫛部１２ａと壁面７１との間、及び第２櫛部１３ａと第１支持部１１ａ，１１ｂとの間には、第１駆動フレーム１１（第１可動電極１２）の振動振幅よりも長い隙間が形成されている。これにより、第１可動電極１２がＸ方向に振動した際に、第１櫛部１２ａと壁面７１、及び第２櫛部１３ａと第１支持部１１ａ，１１ｂとが衝突することが抑制された構成となっている。また、第１櫛部１２ａと第２櫛部１３ａとの電極間隔は、第１駆動フレーム１１（第１可動電極１２）のＹ方向への変位量よりも長く設計されている。これにより、第１可動電極１２がＹ方向へ変位した際に、第１櫛部１２ａと第２櫛部１３ａとが衝突することが抑制された構成となっている。さらに、第１駆動フレーム１１（第１可動電極１２）が振動していない状態における、第１櫛部１２ａと第２櫛部１３ａとの対向面積におけるＸ方向に沿う長さは、第１駆動フレーム１１（第１可動電極１２）の振動振幅よりも長く設計されている。これにより、第１可動電極１２がＸ方向に振動した際に、第１可動電極１２と第１固定電極１３との対向面積がゼロになることで、第１コンデンサＣ１ａ，Ｃ１ｂの静電容量が著しく低下することが抑制された構成となっている。

角速度検出部３０は、第１駆動フレーム１１によって囲まれた領域に配置された、第２駆動フレーム３１と、該第２駆動フレーム３１を第１駆動フレーム１１に連結する、Ｘ方向及びＹ方向に変位可能な第３バネ３２と、Ｙ方向に変位可能な第４バネ３３と、該第４バネ３３を介して、第２駆動フレーム３１に連結された第２可動電極３４と、基台７０の底部７２に設けられ、第２可動電極３４とＹ方向にて対向する第２固定電極３５と、を有する。

第２駆動フレーム３１は、対をなす第２支持部３１ａ，３１ｂを有し、第２支持部３１ａ，３１ｂそれぞれは、対称線ｓを介して対称となるように並列配置され、ＸＹ平面に沿う断面形状が枠形状となっている。第２支持部３１ａ，３１ｂは剛性を有し、第２支持部３１ａ，３１ｂの外環部におけるＹ方向に沿う部位に第３バネ３２が接続され、第２支持部３１ａ，３１ｂの内環部におけるＸ方向に沿う部位に第４バネ３３が接続されている。これにより、対をなす第２支持部３１ａ，３１ｂはＸ方向にて連成振動可能となっており、第２可動電極３４はＹ方向に変位可能となっている。

第２可動電極３４は、ＸＹ平面に沿う断面形状が枠形状の検出フレーム３４ａと、該検出フレーム３４ａの内環部におけるＹ方向に沿う部位から、検出フレーム３４ａの中央に向かって、Ｘ方向に延設された第３櫛部３４ｂと、を有する。図１に示すように、第２可動電極３４は対をなし、Ｙ方向において、対称線ｓを介して対称となるように並列配置されている。

第２固定電極３５は、Ｙ方向に延設された延設部３５ａと、該延設部３５ａに設けられ、Ｘ方向に延設された第４櫛部３５ｂと、を有する。図１に示すように、第２固定電極３５は対をなし、Ｙ方向において、対称線ｓを介して対称となるように並列配置されている。そして、第２可動電極３４の構成要素である第３櫛部３４ｂと、第２固定電極３５の構成要素である第４櫛部３５ｂとがＹ方向にて互いに対向することで、第２コンデンサＣ２ａ，Ｃ２ｂが構成される。これら第２コンデンサＣ２ａ，Ｃ２ｂは、対称線ｓを介して対称な構造となっている。

第２コンデンサＣ２ａ，Ｃ２ｂの構成要素である第２可動電極３４は、第４バネ３３と、第２駆動フレーム３１と、第３バネ３２と、第１駆動フレーム１１と、第２バネ１５と、を介して基台７０の壁面７１に連結されている。これにより、第２可動電極３４は、底部７２に対して、Ｘ方向及びＹ方向に変位可能となっており、Ｘ方向への変位がバネ３２，１５に依存し、Ｙ方向への変位が、バネ３２，３３に依存する構成となっている。これに対して、第２固定電極３５は、底部７２に固定されているので、底部７２に対して変位しない。以上により、第２コンデンサＣ２ａ，Ｃ２ｂの静電容量変化は、第２可動電極３４の変位に依存する。上記したように、第２可動電極３４のＸ方向への変位がバネ３２，１５に依存するので、第２可動電極３４と第２固定電極３５との対向面積の変位による第２コンデンサＣ２ａ，Ｃ２ｂの静電容量変化は、バネ３２，１５に依存する。これに対して、第２可動電極３４のＹ方向への変位がバネ３２，３３に依存するので、第２可動電極３４と第２固定電極３５との電極間隔の変位による第２コンデンサＣ２ａ，Ｃ２ｂの静電容量変化は、バネ３２，３３に依存する。なお、厳密に言えば、第２可動電極３４におけるＹ方向への変位は、第２バネ１５にも依存する。しかしながら、第２バネ１５による、第２可動電極３４のＹ方向への寄与は小さく、無視することができるので、第２可動電極３４のＹ方向への変位がバネ３２，３３に依存する、とみなすことができる。第２バネ１５は、主として、第１駆動フレーム１１をＹ方向に変位することに寄与する。

なお、第３櫛部３４ｂと延設部３５ａとの間、及び第４櫛部３５ｂと検出フレーム３４ａとの間には、第２支持部３１ａ，３１ｂ（第２可動電極３４）のＸ方向への振動振幅よりも長い隙間が形成されている。これにより、第２可動電極３４がＸ方向に振動した際に、第３櫛部３４ｂと延設部３５ａ、及び第４櫛部３５ｂと検出フレーム３４ａとが衝突することが抑制された構成となっている。また、第３櫛部３４ｂと第４櫛部３５ｂとの電極間隔は、第２支持部３１ａ，３１ｂ（第２可動電極３４）のＹ方向への変位量よりも長く設計されている。これにより、第２支持部３１ａ，３１ｂ（第２可動電極３４）がＹ方向へ変位した際に、第３櫛部３４ｂと第４櫛部３５ｂとが衝突することが抑制された構成となっている。さらに、第２支持部３１ａ，３１ｂ（第２可動電極３４）が振動していない状態における、第３櫛部３４ｂと第４櫛部３５ｂとの対向面積におけるＸ方向に沿う長さは、第２支持部３１ａ，３１ｂ（第２可動電極３４）の振動振幅よりも長く設計されている。これにより、第２可動電極３４がＸ方向に振動した際に、第２可動電極３４と第２固定電極３５との対向面積がゼロとなることで、第２コンデンサＣ２ａ，Ｃ２ｂの静電容量が著しく低下することが抑制された構成となっている。

加振部５０は、駆動フレーム１１，３１をＸ方向に加振するものである。加振部５０は、第１駆動フレーム１１の構成要素である対をなす第１支持部１１ａ，１１ｂ（錘部１４）を加振する第１加振部５１と、第２駆動フレーム３１の構成要素である対をなす第２支持部３１ａ，３１ｂを加振する第２加振部５２と、を有する。

第１加振部５１は、図１に示すように、錘部１４から第２駆動フレーム３１の方向へ、Ｙ方向に沿って延設された延設部５１ａと、該延設部５１ａに設けられ、Ｘ方向にて、紙面の左方向へ延設された第５櫛部５１ｂと、基台７０の底部７２において、Ｘ方向に延設された梁５１ｃと、該梁５１ｃに設けられ、Ｙ方向において壁面７１の方向へ延設された延設部５１ｄと、該延設部５１ｄに設けられ、Ｘ方向にて、紙面の右方向へ延設された第６櫛部５１ｅと、を有する。第１加振部５１は対をなし、図１に示すように、対称線ｓを介して対称な構造となっている。

第２加振部５２は、第２支持部３１ａ，３１ｂにおけるＸ方向に沿う部位から錘部１４の方向へ、Ｙ方向に沿って延設された延設部５２ａと、該延設部５２ａに設けられ、Ｘ方向にて、紙面の左方向に延設された第７櫛部５２ｂと、基台７０の底部７２において、Ｘ方向に延設された梁５２ｃと、該梁５２ｃに設けられ、Ｙ方向において第２支持部３１ａ，３１ｂの方向へ延設された延設部５２ｄと、該延設部５２ｄに設けられ、Ｘ方向にて、紙面の右方向へ延設された第８櫛部５２ｅと、を有する。第２加振部５２は対をなし、図１に示すように、対称線ｓを介して対称な構造となっている。なお、上記した梁５１ｃと梁５２ｃは、同一のものである。また、上記した櫛部５１ｂ，５１ｅ，５１ｂ，５１ｅが、特許請求の範囲に記載の櫛歯電極に相当する。

第１加振部５１に、極性が一定周期で変動する駆動電圧を印加すると、櫛部５１ｂ，５１ｅの間に発生する静電気力の極性が一定周期で変動する。この櫛部５１ｂ，５１ｅの間に発生した静電気力によって、延設部５１ａが設けられた錘部１４が一定周期でＸ方向に振動する。これにより、錘部１４が設けられた第１駆動フレーム１１も一定周期でＸ方向に振動する。また、第２加振部５２に、極性が一定周期で変動する駆動電圧を印加すると、櫛部５２ｂ，５２ｅの間に発生する静電気力の極性が一定周期で変動する。この櫛部５２ｂ，５２ｅの間に発生した静電気力によって、延設部５２ａが設けられた第２支持部３１ａ，３１ｂが一定周期でＸ方向に振動する。これにより、第２支持部３１ａ，３１ｂと第４バネ３３を介して連結された第２可動電極３４も一定周期でＸ方向に振動する。

第１加振部５１によって、錘部１４がＸ方向に振動すると、この錘部１４の振動が、第１駆動フレーム１１と第３バネ３２とを介して第２駆動フレーム３１（第２支持部３１ａ，３１ｂ）に伝達され、対をなす第２支持部３１ａ，３１ｂそれぞれがＸ方向に振動する。錘部１４が、Ｘ方向の一方向に変位した場合、錘部１４と隣接している第２支持部３１ａ，３１ｂは、錘部１４の変位に追随して、Ｘ方向の一方向に変位する。したがって、第１加振部５１の一方に、極性が一定周期で変動する駆動電圧を印加し、第１加振部５１の他方に、第１加振部５１の一方に印加した駆動電圧とは反対の極性を有する駆動電圧を印加した場合、錘部１４がＸ方向において逆位相で振動し、対をなす第２支持部３１ａ，３１ｂもＸ方向において逆位相で振動する。なお、この場合、錘部１４が設けられた第１支持部１１ａ，１１ｂも、Ｘ方向において逆位相で振動することは言うまでもない。本実施形態では、対をなす第１加振部５１それぞれに、極性が反対の駆動電圧を印加することで、錘部１４が設けられた第１支持部１１ａ，１１ｂをＸ方向にて逆位相で振動し、これによって対をなす第２支持部３１ａ，３１ｂをＸ方向にて逆位相で振動している。

上記したように、駆動電圧の印加によって、第２コンデンサＣ２ａを構成する第２可動電極３４と、第２コンデンサＣ２ｂを構成する第２可動電極３４とが、Ｘ方向において逆位相で振動するので、第２加振部５２の振動による、第１コンデンサＣ１ａ，Ｃ１ｂそれぞれの静電容量変化は同一となる。すなわち、第２可動電極３４のＸ方向への変位による、第２コンデンサＣ２ａ，Ｃ２ｂそれぞれの静電容量変化は同一となる。これにより、第２コンデンサＣ２ａの出力電圧と、第２コンデンサＣ２ｂの出力電圧とを比較する場合には、第２加振部５２の影響を考慮しなくとも良い。すなわち、第２可動電極３４と第２固定電極３５との対向面積の変化による、第２コンデンサＣ２ａ，Ｃ２ｂの静電容量変化を考慮しなくとも良い。

次に、加速度角速度センサ１００における加速度の検出原理を説明する。第１加振部５１によって、第２支持部３１ａと第２支持部３１ｂとが、Ｘ方向にて逆位相で振動している状態で、加速度角速度センサ１００にＹ方向の加速度が印加されると、加速度の慣性力によって、第１コンデンサＣ１ａを構成する第１可動電極１２と第１コンデンサＣ１ｂを構成する第１可動電極１２とが、第１駆動フレーム１１とともに、同位相でＹ方向に変位する。これにより、第１可動電極１２と第１固定電極１３との電極間隔が変化し、第１コンデンサＣ１ａの静電容量と、第１コンデンサＣ１ｂの静電容量とが変化する。静電容量の変化量は印加された加速度に比例するので、この第１コンデンサＣ１ａ，Ｃ１ｂの静電容量の変化量に基づいて、加速度を求めることができる。

次に、加速度角速度センサ１００における角速度の検出原理を説明する。加振部５１，５２によって、第２支持部３１ａと第２支持部３１ｂとが、Ｘ方向にて逆位相で振動している状態で、加速度角速度センサ１００にＺ方向の角速度が印加されると、振動している第２支持部３１ａ，３１ｂ、該第２支持部３１ａ，３１ｂと第４バネ３３を介して連結された第２可動電極３４それぞれに、振動速度と角速度の積に比例するコリオリ力がＹ方向に作用する。上記したように、第２コンデンサＣ２ａを構成する第２可動電極３４と、第２コンデンサＣ２ｂを構成する第２可動電極３４とは、Ｘ方向にて逆位相で振動しているので、第２コンデンサＣ２ａを構成する第２可動電極３４と、第２コンデンサＣ２ｂを構成する第２可動電極３４には、Ｙ方向において逆方向のコリオリ力が作用する。これにより、第２コンデンサＣ２ａを構成する第２可動電極３４と、第２コンデンサＣ２ｂを構成する第２可動電極３４とは、Ｙ方向において逆方向に変位する。これにより、第２可動電極３４と第２固定電極３５との電極間隔が変化し、第２コンデンサＣ２ａの静電容量と、第２コンデンサＣ２ｂの静電容量とが変化する。静電容量の変化量は、印加された角速度に比例するので、この第２コンデンサＣ２ａ，Ｃ２ｂの静電容量の変化量に基づいて、角速度を求めることができる。

次に、本実施形態に係る加速度角速度センサ１００の作用効果を説明する。上記したように、第１可動電極１２を支持する第１支持部１１ａ，１１ｂ間は、Ｙ方向に変位可能な第１バネ１１ｃによって互いに連結され、第１支持部１１ａ，１１ｂそれぞれは、Ｘ方向、及びＹ方向に変位可能な第２バネによって基台７０の壁面７１に連結されている。これにより、加速度検出部１０の構造共振が、検出方向であるＹ方向に変位可能な第１バネ１１ｃと第２バネ１５とに依存する構成となっている。これに対し、第２支持部３１ａ，３１ｂは、Ｘ方向、及びＹ方向に変位可能な第３バネ３２によって第１支持部１１ａ，１１ｂと連結され、第２支持部３１ａ，３１ｂと第２可動電極３４とは、Ｙ方向に変位可能な第４バネ３３を介して連結されている。これにより、角速度検出部３０の構造共振が、Ｙ方向に変位可能な第３バネ３２と第４バネ３３とに依存する構成となっている。このように、加速度検出部１０の構造共振と、角速度検出部３０の構造共振とが分離されているので、第１バネ１１ｃ、第２バネ１５、第３バネ３２、及び第４バネ３３それぞれのバネ定数を調整することで、加速度検出部１０、及び角速度検出部３０それぞれの構造共振を、それぞれに適した値に設定することができる。例えば、第１バネ１１ｃのバネ定数と第２バネ１５を構成するバネ１５ｂのバネ定数とを大きくすることで、加速度検出部１０の感度特性の低下を抑制し、第３バネ３２のバネ定数と第４バネ３３のバネ定数とを小さくすることで、角速度検出部３０の耐衝撃特性の低下を抑制することができる。以上から、本実施形態に係る加速度角速度センサ１００は、加速度検出部１０の感度特性の低下、及び角速度検出部３０の耐衝撃特性が抑制された加速度角速度センサとなっている。

なお、厳密に言えば、角速度検出部３０の構造共振は、第３バネ３２と第４バネ３３のバネ定数だけではなく、加速度検出部１０の構造共振を決定する第２バネ１５のバネ定数にも依存する。しかしながら、第３バネ３２と第４バネ３３のバネ定数を調整することで、加速度検出部１０の構造共振と角速度検出部３０の構造共振とを分離することができる。また、上記したように、第２バネ１５は、主として第１駆動フレーム１１をＹ方向に変位することに寄与するので、第２バネ１５による第２可動電極３４のＹ方向への寄与は小さく、無視することができる。

本実施形態では、角速度検出部３０の第２可動電極３４と基台７０の壁面７１とが、第４バネ３３、第２支持部３１ａ，３１ｂ、第３バネ３２、第１支持部１１ａ，１１ｂ、及び第２バネ１５を介して連結されている。これにより、基台７０に印加された外部応力が第２可動電極３４に伝達されるまでに、第４バネ３３、第２支持部３１ａ，３１ｂ、第３バネ３２、第１支持部１１ａ，１１ｂ、及び第２バネ１５によって低減される。したがって、本実施形態に係る加速度角速度センサ１００は、特に、角速度の耐衝撃特性の低下が抑制された構成となっている。

本実施形態では、第１可動電極１２が第１櫛部１２ａを有し、第１固定電極１３が第２櫛部１３ａを有する例を示した。これによれば、第１可動電極１２、及び第１固定電極１３それぞれが櫛部を有さず、それぞれの形状が平板状である構成と比べて、対向面積を大きくすることができる。

本実施形態では、第２可動電極３４が第３櫛部３４ｂを有し、第２固定電極３５が第４櫛部３５ｂを有する例を示した。これによれば、第２可動電極３４、及び第２固定電極３５それぞれが櫛部を有さず、それぞれの形状が平板状である構成と比べて、対向面積を大きくすることができる。

以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は上記した実施形態になんら制限されることなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲において、種々変形して実施することが可能である。

本実施形態では、対をなす第２支持部３１ａ，３１ｂが、Ｙ方向において、対称線ｓを介して対称となるように並列配置される例を示した。これに対して、例えば図２に示すように、対をなす第２支持部３１ａ，３１ｂが、Ｘ方向において、Ｙ方向に沿う対称線ｔ（図２に二点差線で示す線）を介して対称となるように並列配置された構成を採用することもできる。第１実施形態で示した加速度角速度センサ１００は、対称線ｓを介して対称な構造となっていたが、図２に示す加速度角速度センサ１００は、対称線ｔを介して対称な構造となっている。なお、この変形例の場合、第２支持部３１ａ，３１ｂ間は、Ｘ方向に変位可能な第５バネ３６を介して連結され、これによって、第２支持部３１ａ，３１ｂがＸ方向に連成振動可能となっている。図２は、加速度角速度センサの変形例を示す平面図である。

本実施形態では、第１可動電極１２が第１櫛部１２ａを有する、すなわち第１可動電極１２が櫛歯状である例を示した。しかしながら、第１可動電極１２は櫛歯状に限定されず、例えば平板状を採用することができる。

本実施形態では、第１固定電極１３が第２櫛部１３ａを有する、すなわち第１固定電極１３が櫛歯状である例を示した。しかしながら、第１固定電極１３は櫛歯状に限定されず、例えば平板状を採用することができる。

本実施形態では、第２可動電極３４が、検出フレーム３４ａと、第３櫛部３４ｂとを有する、すなわち第２可動電極３４が櫛歯状である例を示した。しかしながら、第２可動電極３４は櫛歯状に限定されず、例えば平板状を採用することができる。

本実施形態では、第２固定電極３５が、延設部３５ａと、第４櫛部３５ｂとを有する、すなわち第２固定電極３５が櫛歯状である例を示した。しかしながら、第２固定電極３５は櫛歯状に限定されず、例えば平板状を採用することができる。

本実施形態では、第１加振部５１が、延設部５１ａと、第５櫛部５１ｂと、梁５１ｃと、延設部５１ｄと、第６櫛部５１ｅと、を有する、すなわち、第１加振部５１が櫛歯状である例を示した。しかしながら、第１加振部５１は櫛歯状に限定されず、例えば平板状を採用することができる。

本実施形態では、第２加振部５２が、延設部５２ａと、第７櫛部５２ｂと、梁５２ｃと、延設部５２ｄと、第８櫛部５２ｅと、を有する、すなわち、第２加振部５２が櫛歯状である例を示した。しかしながら、第２加振部５２は櫛歯状に限定されず、例えば平板状を採用することができる。

本実施形態では、加振部５１，５２が、静電気力によって、駆動フレーム１１，３１を加振する例を示した。しかしながら、加振部５１，５２は、例えば電磁力によって、駆動フレーム１１，３１を加振しても良く、加振部５１，５２の加振方法は上記例に限定されない。

１０・・・加速度センサ
１１・・・第１駆動フレーム
１１ａ，１１ｂ・・・第１支持部
１２・・・第１可動電極
１３・・・第１固定電極
３０・・・角速度センサ
３１・・・第２駆動フレーム
３１ａ，３１ｂ・・・第２支持部
３４・・・第２可動電極
３５・・・第２固定電極
５０・・・加振部
７０・・・基台
１００・・・加速度角速度センサ

Claims (11)

1. 対をなす、第１固定電極、第１可動電極、錘部、及び該錘部が設けられ、前記第１可動電極を支持する第１支持部を有する加速度検出部と、
   対をなす、第２固定電極、第２可動電極、及び該第２可動電極を支持する第２支持部を有する角速度検出部と、
   対をなす前記第１支持部をＸ方向に逆位相で加振し、対をなす前記第２支持部をＸ方向に逆位相で加振する加振部と、を備え、
   前記第１支持部間は、Ｘ方向に対して垂直な方向であるＹ方向に変位可能な第１バネによって互いに連結され、
   前記第１支持部それぞれは、Ｘ方向、及びＹ方向に変位可能な第２バネによって基台に連結され、
   前記第２支持部の１つは、Ｘ方向、及びＹ方向に変位可能な第３バネによって、前記第１支持部の１つと連結され、
   前記第２支持部と前記第２可動電極とは、Ｙ方向に変位可能な第４バネによって連結されていることを特徴とする加速度角速度センサ。
2. 対をなす、第１固定電極、第１可動電極、及び該第１可動電極を支持する第１支持部を有する加速度検出部と、
   対をなす、第２固定電極、第２可動電極、及び該第２可動電極を支持する第２支持部を有する角速度検出部と、
   対をなす前記第１支持部をＸ方向に逆位相で加振し、対をなす前記第２支持部をＸ方向に逆位相で加振する加振部と、を備え、
   前記第１支持部間は、Ｘ方向に変位可能な第１バネによって互いに連結され、
   前記第１支持部それぞれは、Ｘ方向、及びＸ方向に対して垂直な方向であるＹ方向に変位可能な第１バネによって基台に連結され、
   前記第２支持部の１つは、Ｘ方向、及びＹ方向に変位可能な第３バネによって、前記第１支持部の１つと連結され、
   前記第２支持部と前記第２可動電極とは、Ｙ方向に変位可能な第４バネによって連結され、
   前記第２支持部間は、Ｘ方向に変位可能な第５バネによって互いに連結されていることを特徴とする加速度角速度センサ。
3. 慣性力による、前記第１固定電極と、前記第１可動電極とによって構成される第１コンデンサの静電容量変化に基づいて加速度を検出し、
   慣性力による、前記第２固定電極と、前記第２可動電極とによって構成される第２コンデンサの静電容量変化に基づいて角速度を検出することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の加速度角速度センサ。
4. 前記第１固定電極、及び前記第１可動電極の形状は、櫛歯状であることを特徴とする請求項１〜３いずれか１項に記載の加速度角速度センサ。
5. 前記第２固定電極、及び前記第２可動電極の形状は、櫛歯状であることを特徴とする請求項１〜４いずれか１項に記載の加速度角速度センサ。
6. 前記加振部は、静電気力によって、対をなす前記第１支持部をＸ方向に逆位相で加振し、対をなす前記第２支持部をＸ方向に逆位相で加振することを特徴とする請求項１〜５いずれか１項に記載の加速度角速度センサ。
7. 前記加振部は、櫛歯電極を有することを特徴とする請求項６に記載の加速度角速度センサ。
8. 前記加振部は、電磁力によって、対をなす前記第１支持部をＸ方向に逆位相で加振し、対をなす前記第２支持部をＸ方向に逆位相で加振することを特徴とする請求項１〜５いずれか１項に記載の加速度角速度センサ。
9. 前記加速度検出部、前記角速度検出部、及び前記加振部が、１つの半導体基板に集積されていることを特徴とする請求項１〜８いずれか１項に記載の加速度角速度センサ。
10. 前記第１支持部は、コの字状であることを特徴とする請求項１〜９いずれか１項に記載の加速度角速度センサ。
11. 前記第２支持部は、枠形状であることを特徴とする請求項１〜１０いずれか１項に記載の加速度角速度センサ。

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