JP2013024765A - 静電容量式センサ - Google Patents

Abstract

【課題】スティッキングを抑制することができつつ、ストッパ部の破損を抑制することのできる静電容量式センサを得る。
【解決手段】錘部（可動電極）４３と固定電極４２の対向壁部４３ｅ、４２ｅどうし、錘部４３とばね部４４の対向壁部４３ｆ、４４ｆどうし若しくはばね部４４の対向壁部４４ｇ、４４ｇどうしのうち少なくとも何れか一つに、互いに相手側に向けて突出して錘部４３が動作した際に当該錘部４３の可動範囲を制限する一対のストッパ部５０，５０を設けるとともに、一対のストッパ部５０，５０を、線接触または面接触させるようにする。
【選択図】図５

Description

本発明は、静電容量式センサに関する。

従来より、間隙を介して対向配置される可動電極と固定電極との間に、一方の対向壁部から相手側に向けて突出したストッパ部を設けることで、可動電極の可動範囲を制限できるようにしたものが知られている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００７−２６３７４４号公報

しかしながら、上記従来の静電容量式センサのように、一方の対向壁部のみから突起状のストッパ部を突出させる構成では、接触面積を減少させてスティッキングを抑制することはできるのであるが、ストッパ部が破損してしまう恐れがあった。

そこで、本発明は、スティッキングを抑制することができつつ、ストッパ部の破損を抑制することのできる静電容量式センサを得ることを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明にあっては、可動電極と、当該可動電極を揺動自在に支持するばね部と、前記可動電極に間隙を介して対向配置される固定電極と、を備えた静電容量式センサにおいて、前記可動電極と前記固定電極の対向壁部どうし、前記可動電極と前記ばね部の対向壁部どうし若しくは前記ばね部の対向壁部どうしのうち少なくとも何れか一つに、互いに相手側に向けて突出して前記可動電極が動作した際に当該可動電極の可動範囲を制限する一対のストッパ部を設けるとともに、前記一対のストッパ部を、線接触または面接触させるようにしたことを特徴とする。

本発明の静電容量式センサによれば、対向配置される双方の対向壁部から、互いに相手側に向けて突出して可動電極が動作した際に当該可動電極の可動範囲を制限する一対のストッパ部を設けている。そのため、従来の片側一つのストッパ部で衝撃を受けとめる構成と比べて、ストッパ部が衝突した際の衝撃を一対のストッパ部のそれぞれに分散させて受けとめることができるようになるため、ストッパ部の破損を抑制することができる。また、このとき一対のストッパ部どうしを線接触または面接触させるようにしたので、接触面積を減少させてスティッキングを抑制することができる。

図１は、本発明の第１実施形態にかかる加速度センサの平面図である。 図２は、図１に示す加速度センサの断面図である。 図３は、図１のＡ−Ａ断面図である。 図４は、図１の可動電極、固定電極およびばね部を拡大して示した説明図である。 図５は、図４のＥ−Ｅ線断面図である。 図６は、図５に示す一対のストッパ部が衝突する際の説明図であって、（ａ）は接触前、（ｂ）は接触時を示した図である。 図７は、本発明の第１実施形態にかかる一対のストッパ部の変形例を示した図である。 図８は、本発明の第２実施形態にかかる加速度センサの可動電極、固定電極およびばね部を拡大して示した説明図である。

以下、本発明の実施形態について図面を参照しつつ詳細に説明する。以下では、静電容量式センサとして、加速度センサを例示する。なお、以下の複数の実施形態には、同様の構成要素が含まれている。よって、以下では、それら同様の構成要素には共通の符号を付与するとともに、重複する説明を省略する。

［第１実施形態］
本実施形態の加速度センサ１は、図１〜図３に示すように、半導体素子ディバイスを形成したシリコン基板４と、このシリコン基板４の上下両面４ａ、４ｂにそれぞれ接合される一対のガラス基板２，３と、を備えている。そして、本実施形態では、このシリコン基板４と第１のガラス基板２および第２のガラス基板３とを陽極接合により接合するようにしている。

シリコン基板４には、公知の半導体プロセスにより間隙５が形成されている。これにより、シリコン基板４には、周縁部に形成される略矩形状の枠部４１、固定電極４２、可動電極となる錘部４３および当該錘部４３を揺動自在に支持するばね部４４が形成されている。

間隙５は、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ：Reactive Ion Etching）などにより形成されている。反応性イオンエッチングとしては、例えば、誘導結合型プラズマ（ＩＣＰ：Inductively Coupled Plasma）を備えたエッチング装置によるＩＣＰ加工を利用することができる。

固定電極４２は、シリコン基板４のセンターラインＹを中心として左右２箇所に設けられており、複数の櫛歯状固定電極４２ｂの外側部が幹部４２ａによって連結されている。すなわち、複数の櫛歯状固定電極４２ｂは、幹部４２ａから所定間隔をもって平行に突設されている。

錘部４３は、左右に配置された固定電極４２の間に配置されており、センターラインＹに沿って配置される幹部４３ａと、この幹部４３ａから櫛歯状固定電極４２ｂの延在方向と平行に延設される複数の櫛歯状可動電極４３ｃを備えている。

そして、複数の櫛歯状可動電極４３ｃは、幹部４３ａから隣り合う２つの櫛歯状固定電極４２ｂ間に挿入されるように所定間隔をもって平行に突設されている。すなわち、櫛歯状固定電極４２ｂと櫛歯状可動電極４３ｃとは、それぞれが交互に配置されることになる。

幹部４３ａの両端部には、上述したばね部４４がそれぞれ連結されており、このばね部４４を介して錘部４３を支持する枠部４１が錘部４３および固定電極４２の周縁部に形成されている。

各ばね部４４は、連続する１本の細長い線状ばね４４ａを複数段のつづら折り状に折曲させた形状をしている。線状ばね４４ａの一端部４４ｂは、幅方向に延びる線状ばね４４ａの略中央部に設けられており、枠部４１の内壁部にそれぞれ連結されている。また、線状ばね４４ａの他端部４４ｃは、線状ばね４４ａの略中央部に設けられ、錘部４３の幹部４３ａにそれぞれ連結されている。

このように、ばね部４４を錘部４３と枠部４１に連結することで、ばね部４４が枠部４１に対して錘部４３を弾性的に可動支持するバネ要素として機能する。

これにより、本実施形態では、錘部４３に対し、バネ要素としてのばね部４４、ばね部４４に接続された枠部４１により支持される質量要素（マス）としての機能を与え、これらバネ要素と質量要素とによってバネ−マス系を構成している。そして、質量要素としての錘部４３の位置変位による錘部４３、固定電極４２間の静電容量値の変化を検出し、検出された静電容量値の変化に基づき加速度センサ１に加えられた加速度や角加速度（物理量）を検知するようになっている。

具体的には、この静電容量値の変化は、錘部４３、固定電極４２にそれぞれ形成された複数の櫛歯状可動電極４３ｃ、櫛歯状固定電極４２ｂからなる検出部４９ａ，４９ｂによって検出される。

例えば、図１に示すセンターラインＹ方向に加速度が与えられると、櫛歯状可動電極４３ｃがセンターラインＹ方向に変位する。そして、検出部４９ａの櫛歯状可動電極４３ｃ、櫛歯状固定電極４２ｂで検出される静電容量値と、検出部４９ｂの櫛歯状可動電極４３ｃ、櫛歯状固定電極４２ｂで検出される静電容量値とによって、センターラインＹ方向の加速度を検出することができる。

また、図２に示すように、錘部４３には櫛歯状可動電極４３ｃに電気的に接続される第１の導電層４６ａが設けられている。さらに、図２中４６ｂは、左側の固定電極４２の櫛歯状固定電極４２ｂに電気的に接続される第２の導電層であり、４６ｃは、右側の固定電極４２の櫛歯状固定電極４２ｂに電気的に接続される第３の導電層である。

そして、第１のガラス基板２の第１〜第３の導電層４６ａ〜４６ｃに対応する部位には、サンドブラスト加工等によってスルーホール２１が形成されている。そして、シリコン基板４上に設けられた第１〜第３の導電層４６ａ〜４６ｃを各スルーホール２１の奥にそれぞれ露出させている。そして、第１のガラス基板２の表面２ａ上から各スルーホール２１の内周面上にかけて電気的に接続された一連の導電性薄膜（図示せず）を成膜するようにして、各導電性薄膜から固定電極４２および錘部４３の電位を検出できるようにしている。なお、各導電性薄膜は、第１のガラス基板２の表面２ａ上に互いに接触しないように形成される。また、第１のガラス基板２の表面２ａ上は、樹脂層（図示せず）によって被覆（モールド成形）するのが好適である。

また、図３に示す図１のＡ−Ａ線断面図のように、シリコン基板４と第１のガラス基板２および第２のガラス基板３との接合面にはギャップ４７および３１がそれぞれ形成されている。すなわち、シリコン基板４の少なくとも錘部４３とガラス基板２、３との間にギャップ４７、３１が形成されており、これにより、シリコン基板４各部の絶縁性や錘部４３の動作性の確保が図られている。

なお、本実施形態では、シリコン基板４の上面４ａを、錘部４３およびバネ部４４の形成領域およびその周縁部を含めて凹設することで、錘部４３の上方への変位を許容するギャップ４７を形成している。また、第２のガラス基板３の上面３ａを、錘部４３の形成領域およびその周縁部を含めて凹設することで、錘部４３の下方への変位を許容するギャップ３１を形成している。

そして、第１のガラス基板２とシリコン基板４とを陽極接合するとともに、シリコン基板４と第２のガラス基板３とを陽極接合することにより、三層構造の加速度センサ１が形成される。

ところで、本実施形態の加速度センサ１にあっては、図１に示すように、錘部４３側の櫛歯状可動電極４３ｃと、固定電極４２側の櫛歯状固定電極４２ｂとが互いに近接して対向配置されている。そのため、所定値以上の過大な加速度が加速度センサ１に入力された際に、櫛歯状可動電極４３ｃと櫛歯状固定電極４２ｂとが衝突して、検出部４９ａ，４９ｂの検出性能が低下してしまう恐れがある。

そこで、本実施形態では、錘部（可動電極）４３と固定電極４２の対向壁部どうしに、互いに相手側に向けて突出して錘部４３が動作した際に当該錘部４３の可動範囲を制限する一対のストッパ部５０，５０を設けている。

具体的には、図４に示す説明図のように、本実施形態では、錘部４３の固定電極４２と対向する対向壁部４３ｅと、固定電極４２の錘部４３と対向する対向壁部４２ｅとの対向領域の全域に亘ってそれぞれストッパ部５０，５０を設けるようにしている。

さらにまた、本実施形態では、錘部４３とばね部４４の対向壁部４３ｆ、４４ｆどうし、そして、ばね部４４の対向壁部４４ｇ、４４ｇどうしにも、対向領域の全域に亘って同様のストッパ部５０，５０を設けるようにしている。

一対のストッパ部５０，５０は、図５に示す断面図のように、本実施形態では一方の対向壁部４３ｅ（４３ｆ、４４ｇ）と他方の対向壁部４２ｅ（４４ｆ、４４ｇ）の上下方向略中央部から互いに相手側に向けて略くの字状に突出した形となっている。このとき、一方のストッパ部５０の頂点ｔと他方のストッパ部５０の頂点ｔとを上下方向で一致させて線接触させるようにしてもよいが、一方のストッパ部の頂点ｔと他方のストッパ部５０の頂点ｔとを上下方向で若干オフセットさせるようにするとより好ましい。

こうすれば、図６（ａ）、（ｂ）に示すように、加速度センサ１に過大な加速度が入力された際に、一方のストッパ部５０の傾斜面５０ａと他方のストッパ部５０の傾斜面５０ｂとを面接触させることができるようになる。よって、衝撃を一対のストッパ部５０，５０の面どうしで受けとめることができるようになり、ストッパ部５０の破損をより効果的に抑制できるようになる。なお、この一方の対向壁部４３ｅ（４３ｆ、４４ｇ）と他方の対向壁部４２ｅ（４４ｆ、４４ｇ）とにストッパ部５０，５０が設けられる間隙５にあっては、上述したエッチング装置によるＩＣＰ加工で形成することができる。

以上の構成により、本実施形態の加速度センサ１によれば、錘部（可動電極）４３と固定電極４２の対向壁部４３ｅ、４２ｅどうしに、互いに相手側に向けて突出して錘部４３が動作した際に当該錘部４３の可動範囲を制限する一対のストッパ部５０を設けている。そのため、従来の片側一つのストッパ部で衝撃を受けとめる構成と比べて、ストッパ部５０が衝突した際の衝撃を一対のストッパ部５０，５０のそれぞれに分散させて受けとめることができるようになるため、ストッパ部５０の破損を抑制することができる。また、このとき一対のストッパ部５０，５０どうしを線接触または面接触させるようにしたので、接触面積を減少させてスティッキングを抑制することができる。

また、本実施形態では、一対のストッパ部５０，５０を、前記対向壁部４３ｅ、４２ｅの対向領域全域に亘って設けている。そのため、ストッパ部５０が衝突した際の衝撃をそのストッパ部５０，５０の延在方向に沿って分散させることができるので、ストッパ部５０の破損をより抑制することができるようになる。

また、本実施形態では、一対のストッパ部５０，５０を、上記一方の対向壁部４３ｅ（４３ｆ、４４ｇ）と他方の対向壁部４２ｅ（４４ｆ、４４ｇ）の対向領域のすべてに設けている。そのため、平面方向の何れの方向に過大な加速度が入力されたとしても、錘部４３の可動範囲を制限することができるという利点がある。

なお、本実施形態では、錘部４３と固定電極４２の対向壁部４３ｅ、４２ｅどうし、錘部４３とばね部４４の対向壁部４３ｆ、４４ｆどうし、ばね部４４の対向壁部４４ｇ、４４ｇどうしのすべてに一対のストッパ部５０，５０を設けるようにしている。しかしながら、本発明はこれに限定されず、一方の対向壁部４３ｅ（４３ｆ、４４ｇ）と他方の対向壁部４２ｅ（４４ｆ、４４ｇ）のうち、少なくとも何れか一つ（一対）に一対のストッパ部５０を設けることで検出部４９ａ、４９ｂの衝突を防げる構成であればよい。

また、本実施形態では、一対のストッパ部５０，５０を、互いに相手側に向けて略くの字状に突出した形としたが、例えば図７に示す変形例のように、互いに相手側に向けて略コの字状に突出したストッパ部５０Ａ，５０Ａとしてもよい。こうすれば、加速度センサ１に過大な加速度が入力された際に、一方のストッパ部５０Ａの平坦面５０ｃと他方のストッパ部５０Ａの平坦面５０ｄとを面接触させることができる。よって、一対のストッパ部５０Ａ，５０Ａどうしのスティッキングを抑制することができつつ、ストッパ部５０Ａの破損を抑制することができる。

［第２実施形態］
次に、本発明の第２実施形態について図面を参照して説明する。図８は、本実施形態にかかる加速度センサ１Ａを示した説明図である。

本実施形態の加速度センサ１Ａが上記第１実施形態の加速度センサ１と主に異なる点は、錘部（可動電極）４３の可動範囲を制限する第２のストッパ部６０を設けたことにある。

第２のストッパ部６０は、図８に示すように、対向配置される一方の対向壁部４３ｅ（４３ｆ、４４ｇ）と他方の対向壁部４２ｅ（４４ｆ、４４ｇ）のうちの少なくとも一方から他方へ向けて突出する突出部６０ａを備えている。そして、この突出部６０ａの根本側には、当該根本部分の略中心を開口させたスリット６０ｂが形成されており、これにより第２のストッパ部６０が衝突した際に、突出部６０ａの先端側を撓ませて当該ストッパ部６０の破損を抑制できるようにしたものである。

本実施形態では、第２のストッパ部６０は、対向配置される上記一方の対向壁部４３ｅ（４３ｆ、４４ｇ）と他方の対向壁部４２ｅ（４４ｆ、４４ｇ）とのうち、櫛歯状可動電極４３ｃと櫛歯状固定電極４２ｂとが対向する部分にのみ設けられている。その一方で、、錘部４３とばね部４４の対向壁部４３ｆ、４４ｆどうしおよびばね部４４の対向壁部４４ｇ、４４ｇどうしには、上記第１実施形態と同様に、対向領域の全域に亘って一対のストッパ部５０，５０が設けられている。

第２のストッパ部６０の突出部６０ａは、本実施形態では円弧状に突出している。このとき、スリット６０ｂは、突出部６０ａの突出面６０ｃに沿った形状として突出面６０ｃとスリット６０ｂとの間の厚みが周方向に均一となるように形成するのが好ましい。こうすれば、厚みの異なる部分に応力が集中してしまうのを防止でき、第２のストッパ部６０の強度を保つことができる。また、応力の集中を抑制するために、突出面６０ｃとスリット６０ｂとの間の部位を、突出部６０ａの断面方向に均一化（周方向に沿って）させるのも有効である。なお、第２のストッパ部６０のスリット６０ｂにあっては、上述したエッチング装置によるＩＣＰ加工で形成することができる。

以上の構成により、本実施形態の加速度センサ１Ａによれば、錘部（可動電極）４３の可動範囲を制限する第２のストッパ部６０を設けている。そして、この第２のストッパ部６０は、対向壁部のうちの少なくとも一方から他方へ向けて突出する突出部６０ａと、突出部６０ａの根本側の略中心を開口させたスリット６０ｂとを備えている。そのため、第２のストッパ部６０が衝突した際に、突出部６０ａの先端側を撓ませることができるので、当該ストッパ部６０の破損を抑制することができる。

また、本実施形態では、第２のストッパ部６０のスリット６０ｂを突出部６０ａの突出面６０ｃに沿って形成したので、第２のストッパ部６０の一部に応力が集中してしまうのを防止でき、第２のストッパ部６０の強度を保つことができる。

さらにまた、本実施形態では、突出部６０ａの突出面６０ｃとスリット６０ｂとの間の部位を、突出部６０ａの断面方向に均一化させている。そのため、このことによっても第２のストッパ部６０の一部に応力が集中してしまうのを防止でき、第２のストッパ部６０の強度を保つことができる。

なお、本実施形態では、第２のストッパ部６０を、対向配置される上記一方の対向壁部４３ｅ（４３ｆ、４４ｇ）と他方の対向壁部４２ｅ（４４ｆ、４４ｇ）とのうち、櫛歯状可動電極４３ｃと櫛歯状固定電極４２ｂとが対向する部分にのみ設けている。しかしながら、本発明はこれに限定されることなく、櫛歯状可動電極４３ｃと固定電極４２の幹部４２ａとが対向する部分に設けてもよい。また、錘部４３とばね部４４とが対向する部分に設けてもよいし、ばね部４４の対向壁部４４ｇ、４４ｇどうしが対向する部分に設けてもよい。

また、本実施形態では、第２のストッパ部６０を対向壁部の一方（４２ｅ）に設けるようにしたが、対向壁部の双方（４２ｅ、４３ｅ）に設けて対向配置させるようにしてもよい。

以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態には限定さ
れず、種々の変形が可能である。

例えば、上記実施形態の加速度センサは、錘部の水平変位によって加速度を検出するタイプのものであったが、錘部の上下変位によって加速度を検出するタイプの加速度センサにあっても本発明を適用することができる。

また、上記実施形態では、静電容量式センサとして加速度センサを例示したが、これに限ることなく、その他の静電容量式センサ、例えば角速度センサや振動センサ等にあっても本発明を適用することができる。

また、錘部、その他細部のスペック（形状、大きさ、レイアウト等）も適宜に変更可能である。

１、１Ａ 加速度センサ（静電容量式センサ）
５ 間隙
４２ 固定電極
４３ 錘部（可動電極）
４４ ばね部
４３ｅ、４３ｆ、４４ｇ 一方の対向壁部
４２ｅ、４４ｆ、４４ｇ 他方の対向壁部
５０ ストッパ部
６０ 第２のストッパ部

Claims (5)

1. 可動電極と、当該可動電極を揺動自在に支持するばね部と、前記可動電極に間隙を介して対向配置される固定電極と、を備えた静電容量式センサにおいて、
   前記可動電極と前記固定電極の対向壁部どうし、前記可動電極と前記ばね部の対向壁部どうし若しくは前記ばね部の対向壁部どうしのうち少なくとも何れか一つに、互いに相手側に向けて突出して前記可動電極が動作した際に当該可動電極の可動範囲を制限する一対のストッパ部を設けるとともに、
   前記一対のストッパ部を、線接触または面接触させるようにしたことを特徴とする静電容量式センサ。
2. 前記一対のストッパ部を、前記対向壁部の対向領域全域に亘って設けたことを特徴とする請求項１に記載の静電容量式センサ。
3. 前記可動電極の可動範囲を制限する第２のストッパ部を設けるとともに、
   前記第２のストッパ部は、前記対向壁部のうちの少なくとも一方から他方へ向けて突出する突出部と、前記突出部の根本側の略中心を開口させたスリットと、を備えることを特徴とする請求項１または２に記載の静電容量式センサ。
4. 前記スリットを、前記突出部の突出面に沿って形成したことを特徴とする請求項３に記載の静電容量式センサ。
5. 前記突出部の突出面と前記スリットとの間の部位を、前記突出部の断面方向に均一化させたことを特徴とする請求項３または４に記載の静電容量式センサ。

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