JP2012137368A - 加速度センサ - Google Patents

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Abstract

【課題】本発明は、１つの加速度センサ素子で広範囲の加速度を検出できる加速度センサを提供することを目的とする。
【解決手段】本発明に係る加速度センサは、第一の梁３１で保持され加速度により変位可能な第一の質量体２１と、第一の質量体２１の変位を電気量に変換可能に配置された固定電極５１，５２と、第一の質量体２１の変位が所定の範囲を超えたときに、第一の質量体２１の変位容易度に変化をもたらす変位容易度変化部材２２，３２，８，９とを、備えている。
【選択図】図３

Description

本発明は、基板上に質量体を変位自在に支持し、当該質量体の変位を検出することで加速度や角速度などの物理量を検出する加速度センサに関する発明であり、たとえば、いわゆる櫛歯型静電容量センサなどに適用できる。
ＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍｓ）を用いた加速度センサが、存在する。
加速度センサでは、半導体基板から質量体や固定電極を作成し、これらの部材がガラス基板などで挟持されている。質量体は、アンカーで端部が固定された梁と結合しており、変位自在である。当該質量体と固定電極との間で生じる静電容量の変化を検出することにより、加速度センサでは、加速度を検知できる。
なお、加速度センサに関する先行技術として、複数の文献が存在する（たとえば、特許文献１、特許文献２）。
特開２００８−１９０８９２号公報 特開２００９−０１４５９８号公報
従来の加速度センサでは、様々な加速度検出範囲をカバーするためには、複数個の加速度センサ素子が必要となる。しかし、複数の加速度センサ素子が必要となると、検出加速度範囲毎に加速度センサ素子の設計・製造を行う必要があり、製造効率が悪く、管理が煩雑になるなどの問題があった。
また、高加速度検出用の加速度センサ素子で低加速度を検出することや、低加速度検出用の加速度センサ素子で高加速度を検出することも可能ではあった。しかし、前者の場合、低加速度を検出するために、制御回路で出力電圧を高くする必要があり、出力電圧と共にノイズも高くなり、Ｓ／Ｎ比が悪化していた。他方、後者の場合、低加速度検出用の素子では高加速度が入力されると、質量体の変位量が大きくなり、梁や質量体が破壊することがあった。
そこで、本発明は、１つの加速度センサ素子で広範囲の加速度を検出できる加速度センサを提供することを目的とする。
上記の目的を達成するために、本発明に係る加速度センサは、第一の梁で保持され加速度により変位可能な第一の質量体と、前記第一の質量体の前記変位を電気量に変換可能に配置された固定電極と、前記第一の質量体の前記変位が所定の範囲を超えたときに、前記第一の質量体の変位容易度に変化をもたらす変位容易度変化部材とを、備えている。
本発明に係る加速度センサは、第一の梁で保持され加速度により変位可能な第一の質量体と、前記第一の質量体の前記変位を電気量に変換可能に配置された固定電極と、前記第一の質量体の前記変位が所定の範囲を超えたときに、前記第一の質量体の変位容易度に変化をもたらす変位容易度変化部材とを、備えている。
したがって、１つの加速度センサ素子で広い範囲の加速度（低加速度の領域および高加速度の領域の両方）を検出することができる。
前提技術の加速度センサの構成を示す平面図である。 図１の切断面線Ａ−Ａから見た断面図である。 実施の形態１に係る加速度センサの構成を示す平面図である。 図４の切断面線Ｂ−Ｂから見た断面図である。 実施の形態１に係る加速度センサの他の構成例を示す拡大平面図である。 実施の形態２に係る加速度センサの構成を示す拡大平面図である。 本発明に係る加速度センサの加速度−出力感度特性を示す図である。 本発明に係る加速度センサの加速度−出力感度特性を示す図である。 実施の形態３に係る加速度センサの構成を示す拡大平面図である。 実施の形態３に係る加速度センサの他の構成例を示す拡大平面図である。 実施の形態３に係る加速度センサの他の構成例を示す拡大平面図である。 実施の形態４に係る加速度センサの構成を示す平面図である。 実施の形態４に係る加速度センサの他の構成例を示す平面図である。 実施の形態５に係る加速度センサの構成を示す平面図である。 実施の形態５に係る加速度センサの動作を説明するための拡大平面図である。 実施の形態５に係る加速度センサの他の構成例を示す拡大平面図である。 実施の形態６に係る加速度センサの構成を示す平面図である。 実施の形態６に係る加速度センサの動作を説明するための拡大平面図である。 実施の形態６に係る加速度センサの動作を説明するための拡大平面図である。 実施の形態６に係る加速度センサの他の構成例を示す平面図である。
まずはじめに、本願発明の前提となる技術（前提技術と称する）を、図面を用いて説明する。
図１は、当該前提技術の加速度センサの構成を示す平面図である。また、図２は、図１の切断面線Ａ−Ａから見た断面図である。ここで、図１では、図面簡略化のため、支持基板６２，６３の図示を省略している。
加速度センサ素子１５は、平板状のシリコン基板から成る主基板６１が、ＭＥＭＳ技術を用いてエッチングなどによって図１で示すような形状に加工されることにより、形成される。当該主基板６１は、平板状のガラス基板から成る支持基板６２、６３により、挟持されている（つまり、加速度センサは、支持基板６３、主基板６１および支持基板６２が当該順に積層した積層構造である）。
ここで、主基板６１は、支持基板６２，６３に対して、例えば陽極接合によって接合される。また、主基板６１には、シリコン以外の半導体が用いられることも可能である。また、支持基板６２，６３は、ガラス以外の材料が用いられることも可能である。
主基板６１は、アンカー３４、質量体２１、固定電極５１，５２および梁３１から構成される。
質量体２１は、弾性変形する複数の梁３１によって、加速度によって変位するように（可動できるように）支持されている。各梁３１は、質量体２１と固定端となる各アンカー３４とを結ぶ。各アンカー３４は、支持基板６２，６３に固定・支持されている。質量体２１には、対向する２辺から、櫛歯状の電極２１１，２１２が設けられている。また、電極２１１，２１２に対応して固定電極５１，５２から、櫛歯状の電極５１１，５２１が設けられている。固定電極５１，５２は、支持基板６２，６３の両方または一方で固定支持されている。
加速度センサ素子１５において加速度が入力されると、質量体２１が図１の上下方向に変位し、電極２１１と電極５１１との間の静電容量および電極２１２と電極５２１との間の静電容量が変化する。当該静電容量の変化を検出することにより、加速度センサは、当該入力された加速度を検知することができる。ここで、加速度に対する出力感度は、質量体２１の質量と梁３１の剛性（梁幅、梁長、梁厚、梁本数）とで決定できる。
前提技術の加速度センサにおいては、検出加速度範囲によって、加速度センサ素子１５を使い分けていた。
例えば２ｇ（ｇは重力加速度：ｍ／ｓ2）程度の低加速度検出では、検出感度を上げる必要があり、加速度センサ素子１５の可動部である質量体２１を重くするか、質量体２１を支持している梁３１の剛性を低くする（梁長を長くする、梁幅を細くするなど）。また、高加速度検出では、加速度センサ素子１５の可動部である質量体２１を軽くするか、質量体２１を支持している梁３１の剛性を高くする（梁長を短くする、梁幅を太くするなど）。
つまり、前提技術の加速度センサでは、様々な加速度検出範囲をカバーするためには、複数個の加速度センサ素子１５が必要になる。そうすると、検出加速度範囲毎に加速度センサ素子１５を設計・製造する必要があり、製造が煩雑となる。
以下、本発明に係る加速度センサを、その実施の形態を示す図面に基づいて具体的に説明する。
＜実施の形態１＞
図３は、本実施の形態に係る加速度センサの構成を示す平面図である。また、図４は、図３の切断面線Ｂ−Ｂから見た断面図である。ここで、図３では、図面簡略化のため、支持基板６２，６３の図示を省略している。
加速度センサにおける加速度センサ素子１１では、平板状のシリコン基板から成る主基板６１（図４参照）が、ＭＥＭＳ技術を用いてエッチングなどによって、図３で示すような形状に加工される。図４に示すように、当該加工された主基板６１は、平板状のガラス基板から成る支持基板に６２，６３により、挟持されている。つまり、図４に示すように、支持基板６３、主基板６１および支持基板６２は、当該順に、積層されて構成されている。
ここで、主基板６１は、支持基板６２，６３に対して、例えば陽極接合によって接合される。また、主基板６１には、シリコン以外の半導体が用いられることも可能である。また、支持基板６２，６３は、ガラス以外の材料が用いられることも可能である。
主基板６１は、アンカー３４、第一の質量体２１、固定電極５１，５２、第一の梁３１および第二の梁３２から構成される。
第一の質量体２１は、弾性変形する複数の第一の梁３１によって、入力される加速度によって変位するように（可動できるように）支持されている。ここで、図３の構成では、第一の梁３１および固定端となるアンカー３４は各々、４つである。各第一の梁３１は、第一の質量体２１とアンカー３４とを結ぶ。
各アンカー３４は、支持基板６２，６３に固定・支持されている。したがって、各第一の梁３１は、アンカー３４を介して支持基板６２，６３に支持される。
図３に示すように、第一の質量体２１には、対向する２辺から、櫛歯状の電極２１１，２１２が設けられている。また、固定電極５１は、第一の質量体２１に面する辺から、櫛歯状の電極５１１が設けられ、固定電極５２は、第一の質量体２１に面する辺から、櫛歯状の電極５２１が設けられている。
図３に示すように、櫛歯状の電極２１１に対応して、櫛歯状の電極５１１が設けられており、図３の上下方向に、櫛歯状の電極２１１と櫛歯状の電極５１１とが交互に並ぶ。なお、各櫛歯状の電極２１１のすぐ傍に各櫛歯状の電極５１１が配設されており、各櫛歯状の電極２１１と、櫛歯状の電極２１１すぐ傍に位置する櫛歯状の電極５１１とは各々、第一の所定の間隔だけ隔てて配設されている。
また、図３に示すように、櫛歯状の電極２１２に対応して、櫛歯状の電極５２１が設けられており、図３の上下方向に、櫛歯状の電極２１２と櫛歯状の電極５２１とが交互に並ぶ。なお、各櫛歯状の電極２１２のすぐ傍に各櫛歯状の電極５２１が配設されており、各櫛歯状の電極２１２、櫛歯状の電極２１２すぐ傍に位置する櫛歯状の電極５２１とは各々、第一の所定の間隔だけ隔てて配設されている。
また、固定電極５１，５２は、支持基板６２，６３の両方または一方で固定支持されている。固定電極５１，５２は、第一の質量体２１の変位を電気量に変換可能に配置されている。
また、本実施の形態では、図３，４に示すように、主電極６１において、二つの第二の質量体２２が配設されている。図３における第一の質量体２１の上部の辺に面して、一方の第二の質量体２２が配置され、図３における第一の質量体２１の下部の辺に面して、他方の第二の質量体２２が配置される。ここで、第一の質量体２１と第二の質量体２２とは各々、第二の所定の間隔だけ隔てて配置されている。
第二の質量体２２は、弾性変形する複数の第二の梁３２によって、入力される加速度によって変位するように（可動できるように）支持されている。ここで、図３の構成では、各第二の質量体２２に対して、二つの第二の梁３２が配設される。各第二の梁３２は、固定端となる各アンカー３４に、各々結合されている。各第二の梁３２は、第二の質量体２２とアンカー３４とを結ぶ。
上記のように、各アンカー３４は、支持基板６２，６３に固定・支持されている。したがって、各第二の梁３２は、アンカー３４を介して支持基板６２，６３に支持される。
本発明では、第一の質量体２１の変位が所定の範囲を超えたときに、第一の質量体２１の動きやすさ（変位容易度と称する）に変化をもたらす変位容易度変化部材を、備えている。
本実施の形態では、第二の梁３２で保持された状態で加速度により変位可能で、第一の質量体２１と第二の所定の間隔だけ隔てて配置された第二の質量体２２が、当該変位容易度変化部材である。
本実施の形態に係る加速度センサの加速度センサ素子１５において、加速度が入力される。すると、第一の質量体２１が図３の上下方向に変位し、電極２１１と電極５１１との間の静電容量および電極２１２と電極５２１との間の静電容量が変化する。当該静電容量の変化を検出することにより、当該加速度センサは、当該入力された加速度を検知することができる。ここで、加速度に対する出力感度は、質量体の質量と梁の剛性（梁幅、梁長、梁厚、梁本数）とで決定できる。
ここで注目すべきは、本実施の形態に係る加速度センサでは、質量体２１が低加速度の領域で変位するように、第一の梁３１のディメンジョン（梁の剛性であり、梁幅、梁長、梁厚および梁本数）を決める。
本実施の形態では、加速度センサ素子１１に高加速度が入力されると、第一の質量体２１は大きく可動し、第二の質量体２２に接触する。当該第一の質量体２１と第二の質量体２２との接触により、剛性の高い第二の梁３２が、第一の質量体２１の可動に影響を及ぼす。
つまり、本実施の形態に係る加速度センサは、低加速度の領域では、第一の質量体２１の質量と第一の梁３１の剛性とで出力感度が決定される。他方、高加速度の領域では、第一の質量体２１と第二の質量体２２との合計質量、および、第一の梁３１の剛性と第二の梁３２の剛性とで、出力感度が決定される。
以上のように、本実施の形態に係る加速度センサでは、第一の質量体２１の傍に、第二の梁３２で保持された第二の質量体２２が配設されている。
したがって、１つの加速度センサ素子１１で広い範囲の加速度（低加速度の領域および高加速度の領域の両方）を検出することができる。
なお、図３の構成と異なり、図５に示すように、第二の質量体２２に櫛歯状の電極２２１、２２２が設けられていても良い。なお、図５では、第一の質量体２１の下半分付近を図示しているが、第一の質量体２１の上部辺に面する第二の質量体２２においても同様である。図５に示すように、固定電極５１，５２には、櫛歯状の電極５１２，５２２が追加的に設けられている。固定電極５１，５２は、第二の質量体２２の変位を電気量に変換可能に配置されている。
図５に示すように、櫛歯状の電極２２１に対応して、櫛歯状の電極５１２が設けられており、図５の上下方向に、櫛歯状の電極２２１と櫛歯状の電極５１２とが交互に並ぶ。なお、各櫛歯状の電極２１１のすぐ傍に各櫛歯状の電極５２１が配設されており、各櫛歯状の電極２２１と、櫛歯状の電極２２１すぐ傍に位置する櫛歯状の電極５１２とは各々、微小な間隔だけ隔てて配設されている。
また、図５に示すように、櫛歯状の電極２２２に対応して、櫛歯状の電極５２２が設けられており、図５の上下方向に、櫛歯状の電極２２２と櫛歯状の電極５２２とが交互に並ぶ。なお、各櫛歯状の電極２２２のすぐ傍に各櫛歯状の電極５２２が配設されており、各櫛歯状の電極２２２、櫛歯状の電極２２２すぐ傍に位置する櫛歯状の電極５２２とは各々、微小な間隔だけ隔てて配設されている。
なお、図３に示す構成では、一つの第一の質量体２１と固定電極５１，５２との間のみにおける静電容量の変化を検知する。これに対して、図５の構成では、複数の質量体２１，２２と固定電極５１，５２との間の静電容量の変化を検知できる。
＜実施の形態２＞
実施の形態１では、第二の質量体２２は、第一の質量体２１の上下辺に面して、各々１個ずつ配設されていた。本実施の形態では、第一の質量体２１の上下辺に面して、各々複数個の第二の質量体２２（２２３，２２４，２２５，２２６）が配設されている。
図６は、本実施の形態に係る加速度センサの構成を示す平面図である。ここで、図６は、第一の質量体２１の下半分近辺のみを図示している。
図６の例では、第一の質量体２１の下辺に面して、４個の第二の質量体２２３，２２４，２２５，２２６が配設されている。なお、図６においては図示を省略しているが、第一の質量体２１の上辺に面して、同数の（図６の例では４個）の第二の質量体が、同様な配置にて配設されている。したがって、第一の質量体２１の下半分近辺について、以下構成説明するが、第一の質量体２１の上半分近辺においても、同様な構成が成立する。
隣接する第二の質量体２２３〜２２６は各々、間隔を設けて、図６の上下方向に並んで配置されている。各第二の質量体２２３〜２２６には、２本の第二の梁３２（３２１，３２２，３２３，３２４）が繋がっている。
具体的に、第二の質量体２２３には、２本（一対）の第二の梁３２１が繋がっており、第二の質量体２２４には、２本（一対）の第二の梁３２２が繋がっており、第二の質量体２２５には、２本（一対）の第二の梁３２３が繋がっており、第二の質量体２２６には、２本（一対）の第二の梁３２４が繋がっている。
各第二の梁３２１，３２２，３２３，３２４の一方端は、第二の質量体２２３〜２２６に繋がっているが、各第二の梁３２１，３２２，３２３，３２４の一方端は、固定端となるアンカー３４に繋がっている。各対の第二の梁３２１〜３２４において、一方の第二の梁３２１〜３２４は、一方のアンカー３４に接続され、他方の第二の梁３２１〜３２４は、他方のアンカー３４に接続される。なお、当該一方のアンカー３４には、１本の第一の梁３１も接続され、当該他方のアンカー３４には、他の１本の第一の梁３１も接続される。
上記以外の本実施の形態に係る加速度センサの構成は、実施の形態１に係る加速度センサと同じである。
ところで、加速度に対する加速度センサの出力感度は、図７の破線で示すように、直線的に変化することが望ましい。実施の形態１に係る加速度センサでは、第一の質量体２１の上下辺に面して、各１個の第二の質量体２２が配設されている。当該構成の場合には、第一の質量体２１が第二の質量体２２に接触した時点で梁の剛性が変化するため、図７の実線に示すような、加速度に対する加速度センサの出力感度の特性となる。なお、図７は、加速度センサにおける加速度−出力感度特性を示す図であり、縦軸は出力感度であり、横軸は加速度である。
これに対して、本実施の形態２に係る加速度センサでは、第一の質量体２１の上下辺に面して、各２以上の第二の質量体２２３〜２２６が配設されている。当該構成により、細やかな梁の剛性の調整が可能となる。したがって、図８の実線に示すような、加速度に対する加速度センサの出力感度の特性となる。つまり、図８に示すように、当該特性は、理想的な直線（破線）に近づけることができる。なお、図８も、加速度センサにおける加速度−出力感度特性を示す図であり、縦軸は出力感度であり、横軸は加速度である。
以上のように、本実施の形態では、第二の質量体２２（２２３〜２２６）の数を増加させている。したがって、理想的な出力特性が得られ、高精度の加速度センサを提供することができる。
なお、実施の形態１，２において、第二の質量体２２（２２３〜２２６）は同じ質量であっても良く、または各々異なる質量であっても良い。また、第二の梁３２（３２１〜３２４）の剛性は同一であっても良く、または各々の剛性が異なっていても良い。つまり、より理想的な出力特性になるように、各第二の質量体２２（２２３〜２２６）の質量および各第二の梁３２（３２１〜３２４）の剛性を設定することが望まれる。
図６に示す構成では、一つの第一の質量体２１と固定電極５１，５２との間のみにおける静電容量の変化を検知する。
＜実施の形態３＞
実施の形態１では、第一の質量体２１と対面する第二の質量体２２の面および第二の質量体２２と対面する第一の質量体２１の面は、各々平坦であった。本実施の形態では、第一の質量体２１と対面する第二の質量体２２の面および第二の質量体２２と対面する第一の質量体２１の面の少なくとも何れか一方に、突起が形成されている。
図９は、本実施の形態に係る加速度センサの特徴的部分（つまり、第一の質量体２１と第二の質量体２２とが対面する部分）近傍の構成を示す拡大平面図である。
図９に示す例では、断面が三角形状の複数の突起７が、第二の質量体２２と対面する第一の質量体２１の面に形成されている。なお、第二の質量体２２と対面する第一の質量体２１の面に形成される複数の突起７は、図１０に示すように、断面が台形形状であっても良い。または、第二の質量体２２と対面する第一の質量体２１の面に形成される複数の突起７は、図１１に示すように、断面が円形形状であっても良い。
また、図９，１０，１１に示す例では、各突起７は、第二の質量体２２と対面する第一の質量体２１の面に形成されているが、第一の質量体２１と対面する第二の質量体２２の面に、当該突起７が形成されていても良い。または、第一の質量体２１と対面する第二の質量体２２の面および第二の質量体２２と対面する第一の質量体２１の両方に、突起７が形成されていても良い。
高加速度が加速度センサに入力されると、第一の質量体２１と第二の質量体２２とは接触するため、スティックと呼ばれるはり付き現象が起こることが懸念される。そこで、本実施の形態では、第一の質量体２１と対面する第二の質量体２２の面および第二の質量体２２と対面する第一の質量体２１の面の少なくとも何れか一方に、突起７が形成されている。したがって、第一の質量体２１と第二の質量体２２との接触面積を下げることができ、結果としてスティックと呼ばれる現象を回避することができる。
＜実施の形態４＞
図１２は、本実施の形態に係る加速度センサの構成を示す平面図である。
本実施の形態では、加速度センサ素子１２の構成が、実施の形態１に係る加速度センサ素子１１の構成と異なる。なお、本実施の形態おいても、主基板は、上下方向から支持基板により挟持されているが、図１２では、図面簡略化のため、当該支持基板の図示を省略している。
図１２に示す、本実施の形態に係る加速度センサ素子１２において、前述の加速度センサ素子１１に類似し、対応する部分には、同一の符号を付して示し、当該同一符号の部材のここでの説明を省略する。
図３に示した加速度センサ素子１１と同様に、図１２に示す加速度センサ素子１２では、同様の形態で、第一の質量体２１（櫛歯状の電極２１１，２１２含む）および固定電極５１，５２（櫛歯状の電極５１１，５２１）が構成・配置されている。
本実施の形態に係る加速度センサ素子１２では、第一の質量体２１および固定電極５１，５２は、平面視において、矩形枠体状の第二の質量体２３により囲繞されている。ここで、第一の質量体２１と第二の質量体２３とは、４本の第一の梁３１により連結されている。具体的に、各第一の梁３１は、第一の質量体２１と第二の質量体２３の内周辺部とを、連結する。当該第一の梁３１を介して、第一の質量体２１および第二の質量体２３は、可動する（つまり、入力される加速度により変位可能である）。
さらに、図１２に示すように、図面左右における第二の質量体２３の外周辺部には、櫛歯状の電極２３２，２３１が各々設けられている。また、第二の質量体２３の枠体の外側には、二つの固定電極５３，５４が配設されている。固定電極５３には、櫛歯状の電極２３１に対応して、櫛歯状の電極５３１が設けられおり、固定電極５４には、櫛歯状の電極２３２に対応して、櫛歯状の電極５４１が設けられている。
ここで、櫛歯状の電極２３１と櫛歯状の電極５３１とは、図１２の上下方向に交互に、所望の間隔を隔てて配置されており、櫛歯状の電極２３２と櫛歯状の電極５４１とは、図１２の上下方向に、所望の間隔を隔てて配置されている。
固定電極５１，５２は、第一の質量体２１の変位を電気量に変換可能に配置されており、固定電極５３，５４は、第二の質量体２２の変位を電気量に変換可能に配置されている。
また、本実施の形態に係る加速度センサ素子１２では、第二の質量体２３の外周辺部と固定端となるアンカー３４とは、第二の梁３２より連結されている。つまり、第二の質量体２３は、アンカー３４を介して、入力される加速度により変位可能に支持されている。アンカー３４は、図３と同様、４個であり、各アンカー３４に対して、第二の質量体３２を支持する第二の梁３２が配設されている。
上記構成から分かるように、第一の質量体２１は、第一の梁３１、第二の質量体３２および第二の梁３２を介して、アンカー３４により、入力される加速度により変位できるように支持される。
図１２に示す本実施の形態に係る加速度センサ素子１２に加速度が入力されたときの動作、作用は、前述の加速度センサ素子１１と同様である。
つまり、当該加速度センサ素子１２に高加速度が入力されると、第一の質量体２１の上下辺部が、第二の質量体２３の内周辺部と接触する。これにより、第一の質量体２１の可動は、第二の質量体２３の質量および剛性の高い第二の梁３２の剛性が作用・影響する。つまり、加速度センサ素子１２は、高加速度領域では、第一の質量体２１と第二の質量体２２との合計質量、および、第一の梁３１の剛性と第二の梁３２の剛性とで、出力感度が決定される。これに対して、当該加速度センサ素子１２は、低加速度領域では、第一の質量体２１の質量と梁３１の剛性とで出力感度が決定される。
以上のように、本実施の形態に係る加速度センサでは、第一の質量体２１を囲繞するように、第二の梁３２で保持された第二の質量体２３が配設されている。
したがって、１つの加速度センサ素子１２で広い範囲の加速度（低加速度の領域および高加速度の領域の両方）を検出することができる。さらに、高加速度の領域で作用する第二の質量体２３の大きさを、第二の質量体２２よりも大きくできる。したがって、本実施の形態に係る加速度センサは、高加速度を、実施の形態１に係る加速度センサよりも、高精度に検出することができる。
なお、図１２に示す構成では、第一の梁３１は、第一の質量体２１と第二の質量体２３とを連結していた。これに対して、図１３に示す加速度センサ素子１２Ａを採用することもできる。
図１３に示す加速度センサ素子１２Ａでは、固定端となる４個のアンカー３５が別途設けられている。各アンカー３５は、主基板を挟持する支持基板により固定・支持されている。図１３に示す構成では、各第一の梁３１は、第一の質量体２１とアンカー３５とを連結する。つまり、図１３に示す構成では、第一の質量体２１は、入力される加速度により変位できるように、第一の梁３１およびアンカー３５を介して固定・支持されている。当該第一の梁３１の連結態様以外の構成は、図１２に示す構成と図１３に示す構成とで同じである。
当該図１３に示す加速度センサにおいても、図１２に示す加速度センサと同様な効果を奏する。
なお、図１２，１３の構成では、第一の質量体２１と固定電極５１，５２との間の静電容量の変化、および第二の質量体２３と固定電極５３，５４との間の静電容量の変化を検知できる。
また、図１２，１３に示す構成において、固定電極５３，５４を省略し、櫛歯状の電極２３１，２３２を省略することにより、一個の第一の質量体２１と固定電極５１，５２との間のみにおける静電容量の変化を検知できるようにしても良い。
＜実施の形態５＞
図１４は、本実施の形態に係る加速度センサの構成を示す平面図である。
本実施の形態では、加速度センサ素子１３の構成が、実施の形態１に係る加速度センサ素子１１の構成と異なる。なお、本実施の形態おいても、主基板は、上下方向から支持基板により挟持されているが、図１４では、図面簡略化のため、当該支持基板の図示を省略している。
図１４に示す、本実施の形態に係る加速度センサ素子１３において、前述の加速度センサ素子１１に類似し、対応する部分には、同一の符号を付して示し、当該同一符号の部材のここでの説明を省略する。
図３に示した加速度センサ素子１１と同様に、図１４に示す加速度センサ素子１３では、同様の形態で、第一の質量体２１（櫛歯状の電極２１１，２１２含む）および固定電極５１，５２（櫛歯状の電極５１１，５２１）が構成・配置されている。
本実施の形態に係る加速度センサ素子１３においても、第一の質量体２１と各アンカー３４とは、第一の梁３１により連結されており、第一の質量体２１は、入力される加速度により変位できるように、第一の梁３１を介して、アンカー３４によって支持されている。
本実施の形態に係る加速度センサ素子１３では、前述の加速度センサ素子１１と異なり、第二の質量体２２および第二の梁３２が省略されている。その代わりに、本実施の形態に係る加速度センサ素子１３では、支柱８が配設されている。図１４に示すように、各第一の梁３１に対応して、支柱８が各々配設されており、各支柱８は、各第一の梁３１の近傍に配置されている。
本実施の形態では、第一の梁３１の近傍に配置された支柱８が、実施の形態１で説明した変位容易度変化部材である。
なお、図１４の構成では、第一の梁３１の近傍に配設される支柱８は、第一の梁３１の途中の片側のみに配置されている。しかし、図１４の構成と異なり、各第一の梁３１の近傍に配設される支柱８は、当該第一の梁３１途中において、当該第一の梁３１の両側に各々配置されていても良い。
ここで、上記各支柱８は、図１４において図示を省略している支持基板の両方またはどちらか一方に、固定されている。
図１５は、第一の梁３１近傍の様子を示す拡大平面図である。図１５を用いて、本実施の形態に係る加速度センサの動作を説明する。
本実施の形態に係る加速度センサに対して加速度が入力されると、第一の質量体２１は、図１５の上下方向に変位する。ここで、一定以上の加速度が入力されると、第一の質量体２１は大きく変位し、第一の梁３１と、当該第一の梁３１の近傍に位置する支柱８とが接触する（図１５参照）。当該接触後では、第一の質量体２１の変位に影響する第一の梁３１は、接触していない場合と比較して、梁長が見かけ上短くなり、第一の梁３１の剛性は高くなる。
つまり、本実施の形態に係る加速度センサでは、低加速度領域では、第一の梁３１は支柱８に接触していなく、高加速度領域では、第一の梁３１は支柱８に接触し、第一の梁３１の剛性が高くなる。結果として、本実施の形態に係る加速度センサでは、高範囲の加速度を検出することができる。
なお、図１５の構成では、一本の第一の梁３１に対して、当該第一の梁３１の一の側面において、１個の支柱８のみが配設されていた。これに対して、図１６に示すように、一本の第一の梁３１に対して、当該第一の梁３１の一の側面において、複数（図１６では３個）の支柱８が第一の梁３１の延設方向に沿って配設されていても良い。
ここで、図１６では、第一の梁３１の一方の側面にのみ、複数の支柱８が配設されているが、第一の梁３１の両側面において、複数の支柱８が第一の梁３１の延設方向に沿って配設されていても良い。
また、図１５では、支柱８の平面視形状は三角形であるが、支柱８の平面視形状はこれに限らず、図１６に示すように円形であっても良い。
図１６に示すように、各第一の梁３１の近傍に配置される支柱８の数を増やすことにより、より細かな梁の剛性の調整が可能となる。したがって、図１６に示す構成を有する加速度センサでは、出力感度特性を、図８に示すように理想的な直線（破線）に近づけることができる。
＜実施の形態６＞
図１７は、本実施の形態に係る加速度センサの構成を示す平面図である。
本実施の形態では、加速度センサ素子１４の構成が、実施の形態１に係る加速度センサ素子１１の構成と異なる。なお、本実施の形態おいても、主基板は、上下方向から支持基板により挟持されているが、図１７では、図面簡略化のため、当該支持基板の図示を省略している。
図１７に示す、本実施の形態に係る加速度センサ素子１４において、前述の加速度センサ素子１１に類似し、対応する部分には、同一の符号を付して示し、当該同一符号の部材のここでの説明を省略する。
図３に示した加速度センサ素子１１と同様に、図１７に示す加速度センサ素子１４では、同様の形態で、第一の質量体２１（櫛歯状の電極２１１，２１２含む）および固定電極５１，５２（櫛歯状の電極５１１，５２１）が構成・配置されている。
本実施の形態に係る加速度センサ素子１４においても、第一の質量体２１と各アンカー３４とは、第一の梁３１により連結されており、第一の質量体２１は、入力される加速度により変位できるように、第一の梁３１を介して、アンカー３４によって支持されている。
本実施の形態に係る加速度センサ素子１４では、前述の加速度センサ素子１１と異なり、第二の質量体２２および第二の梁３２が省略されている。その代わりに、本実施の形態に係る加速度センサ素子１４では、第二の梁３３と梁囲繞部９とが配設されている。
図１７に示すように、本実施の形態に係る第二の梁３３の一端は、第一の質量体２１に接続されている。また、図１７に示すように、第一の質量体２１の静止状態において、第二の梁３３の他端は、平面視において、梁囲繞部９により囲繞されている。つまり、第一の質量体２１の静止状態において、第二の梁３３の他端は解放され、如何なる部材とも接触してない（換言すると、第二の梁３３の他端は、支持基板により支持も固定もされていない）。
図１７に示すように、梁囲繞部９の平面視形状は、コの字状であり、当該梁囲繞部９は、第二の梁３３の他端のみならず、当該他端と接続する当該第二の梁３３の両側面部も囲繞する。図１７の例では、第二の梁３３は、第一の質量体２１の左右側面部から１本ずつ配設されており、各第二の梁３３に対応して、梁囲繞部９が各々配設されている。
本実施の形態では、第二の梁３３の他端付近を囲繞する梁囲繞部９が、実施の形態１で説明した変位容易度変化部材である。
ここで、上記各梁囲繞部９は、図１７の表裏方向に延設されており、図１７において図示を省略している支持基板の両方またはどちらか一方に、固定されている。
図１８，１９は、第二の梁３３近傍の様子を示す拡大平面図である。図１８，１９を用いて、本実施の形態に係る加速度センサの動作を説明する。
本実施の形態に係る加速度センサに対して加速度が入力されていない、または低加速度が入力されているときには、図１８に示すように、第二の梁３３の他端は、梁囲繞部９から分離されており、自由端となっている。
本実施の形態に係る加速度センサに対して一定以上の加速度が入力されると、第一の質量体２１は、図１９の上下方向に大きく変位する。そして、図１９に示すように、第二の梁３３の他端は、梁囲繞部９と接触する。当該接触後では、第一の質量体２１の変位に影響する梁は、第一の梁３１と第二の梁３３の両方となり、梁全体の剛性が、前記接触前と比較して高くなる。
つまり、本実施の形態に係る加速度センサでは、低加速度領域では、第二の梁３３は梁囲繞部９に接触していなく、第一の質量体２１の変位に影響を及ぼす梁は、第一の梁３１のみである。他方、高加速度領域では、第二の梁３３は梁囲繞部９に接触し、第一の質量体２１の変位に影響を及ぼす梁は、第一の梁３１および第二の梁３３の両方となる。結果として、本実施の形態に係る加速度センサでは、高範囲の加速度を検出することができる。
なお、図１７の構成では、第二の梁３３は、第一の質量体２１の左右側面部から１本ずつ配設されていた。これに対して、図２０に示すように、第二の梁３３は、第一の質量体２１の左右側面部から複数本（図２０の例では３本）ずつ配設されており、各第二の梁３３に対応して、梁囲繞部９が各々配設されていても良い。
図２０に示すように、第二の梁３３と当該第二の梁３３に対応して配設される梁囲繞部９の数を増やすことにより、より細かな梁の剛性の調整が可能となる。したがって、図２０に示す構成を有する加速度センサでは、出力感度特性を、図８に示すように理想的な直線（破線）に近づけることができる。
７ 突起、８ 支柱、９ 梁囲繞部、１１，１２，１３，１４，１５ 加速度センサ素子、２１ 第一の質量体、２２，２２３，２２４，２２５，２２６ 第二の質量体、３１ 第一の梁、３２，３３，３２１，３２２，３２３，３２４ 第二の梁、３４，３５ アンカー、５１，５２，５３，５４ 固定電極、６１ 主基板、６２，６３ 支持基板、２１１，２１２，２２１，２２２ （第一の質量体の）櫛歯状の電極、５１１，５１２ （固定電極５１の）櫛歯状の電極、５２１，５２２ （固定電極５２の）櫛歯状の電極、５３１ （固定電極５３の）櫛歯状の電極、５４１ （固定電極５４の）櫛歯状の電極。

Claims (15)

  1. 第一の梁で保持され加速度により変位可能な第一の質量体と、
    前記第一の質量体の前記変位を電気量に変換可能に配置された固定電極と、
    前記第一の質量体の前記変位が所定の範囲を超えたときに、前記第一の質量体の変位容易度に変化をもたらす変位容易度変化部材とを、備えている、
    ことを特徴とする加速度センサ。
  2. 前記変位容易度変化部材は、
    第二の梁で保持され加速度により変位可能でし、前記第一の質量体と所定の間隔だけ隔てて配置された第二の質量体である、
    ことを特徴とする請求項１に記載の加速度センサ。
  3. 前記第二の梁および前記第二の質量体は、
    複数であり、
    各前記第二の質量体は、
    各々異なる前記第二の梁により保持されている、
    ことを特徴とする請求項２に記載の加速度センサ。
  4. 各前記第二の質量体は、
    同じ質量であり、
    各前記第二の梁は、
    同じ剛性である、
    ことを特徴とする請求項３に記載の加速度センサ。
  5. 各前記第二の質量体は、
    異なる質量であり、
    各前記第二の梁は、
    異なる剛性である、
    ことを特徴とする請求項３に記載の加速度センサ。
  6. 前記第一の質量体と対面する前記第二の質量体側、または、前記第二の質量体と対面する前記第一の質量体側に、突起が形成されている、
    ことを特徴とする請求項２に記載の加速度センサ。
  7. 前記第二の質量体は、
    平面視において、前記第一の質量体を囲繞する、
    ことを特徴とする請求項２に記載の加速度センサ。
  8. 前記第一の梁は、
    前記第一の質量体と前記第二の質量体とを結び、
    前記第二の梁は、
    前記第二の質量体と固定端となるアンカーとを結ぶ、
    ことを特徴とする請求項７に記載の加速度センサ。
  9. 前記第一の梁は、
    前記第一の質量体と固定端となる第一のアンカーとを結び、
    前記第二の梁は、
    前記第二の質量体と固定端となる第二のアンカーとを結ぶ、
    ことを特徴とする請求項７に記載の加速度センサ。
  10. 前記第一の質量体と前記固定電極との間のみにおける、静電容量の変化を検知する、
    ことを特徴とする請求項２に記載の加速度センサ。
  11. 前記固定電極は、
    前記第二の質量体の前記変位を電気量に変換可能に配置されており、
    前記第一の質量体と前記固定電極との間における静電容量の変化と、前記第二の質量体と前記固定電極との間における静電容量の変化との、両方を検知する、
    ことを特徴とする請求項２に記載の加速度センサ。
  12. 前記変位容易度変化部材は、
    前記第一の梁の傍に配置された支柱である、
    ことを特徴とする請求項１に記載の加速度センサ。
  13. 前記支柱は、
    前記第一の梁の配設方向に沿って、複数配置されている、
    ことを特徴とする請求項１２に記載の加速度センサ。
  14. 前記第一の梁は、
    前記第一の質量体と固定端となるアンカーとを結び、
    一端が、前記第一の質量体と結合した第二の梁を、さらに備えており、
    前記変位容易度変化部材は、
    前記第二の梁の他端および当該他端付近の前記第二の梁の側面部を囲繞する、梁囲繞部である、
    ことを特徴とする請求項１に記載の加速度センサ。
  15. 前記第二の梁および前記梁囲繞部は、
    複数であり、
    前記第二の梁の前記他端毎に、前記梁囲繞部が配設されている、
    ことを特徴とする請求項１４に記載の加速度センサ。
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