JP2014071097A - 加速度センサ - Google Patents

Abstract

【課題】装置の小型化に寄与し形状の自由度を高めつつ、加速度の検出精度の向上が図れる加速度センサを提供すること。
【解決手段】第１のセンサ２１は、バネ４３がＹ，Ｚ方向の加速度に応じて伸縮しＸ方向の加速度に対する剛性を有し伸縮が規制されることで、加速度に応じて変動する錘部２４と第１〜第３固定電極２８，２９との静電容量の変化からＹ，Ｚ方向の加速度が検出される２軸加速度センサとして構成されている。加速度センサは、第２のセンサが第１のセンサ２１と同様の構成となっており、第２のセンサによりＸ，Ｚ方向の加速度が検出されることによって、３軸加速度センサとして構成される。
【選択図】図２

Description

本願に開示の技術は、特にＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）として構成される加速度センサに関するものである。

従来、ＭＥＭＳ技術を用いて製造される加速度センサには静電容量を用いるものがある。例えば、基板に対して固定された固定電極と、基板に対して相対的に変動可能な錘部に設けられた可動電極との間にコンデンサを構成し、該コンデンサの静電容量の変化によって加速度を検出する加速度センサがある（例えば、特許文献１など）。特許文献１に開示される加速度センサは、錘部のＸ方向の両端部が基板に固定された支承部と弾性部材（例えばバネ）を介して連結されており、錘部がＸ方向に変動するように構成された１軸加速度センサとして構成されている。このような１軸加速度センサに適用されるバネは、例えば互いになす角度が直角となる短辺と長辺とが交互に繋がって形成されており、伸縮する方向と直角をなす方向（上記文献ではＹ方向）に沿って長辺が延びるように形成されている。

また、上記したような１方向に作用する加速度を検出する１軸加速度センサに対し、ＸＹＺの各方向に作用する加速度を検出する３軸加速度センサがある（例えば、特許文献２〜７など）。例えば、特許文献２に開示される加速度センサでは、錘部が基板に固定された４つのアームの各々とバネを介して連結され加速度に応じてＸＹＺの各方向に変動する構成となっている。そして、錘部の可動電極と、各方向に対応して設けられた固定電極との距離の変動に応じた静電容量の変化から各方向に作用する加速度が検出される。このような３軸加速度センサに適用されるバネは、例えば、長辺と短辺とがほぼ等しい長さとなるような構造となっている。

特開平１１−３４４５０７号公報 特表２００５−５３４０１６号公報 特開平０６−２５８３４０号公報 特開平０５−３４０９６０号公報 特許第２７７３４９５号公報 特開平０７−２４５４１３号公報 特許第３３２７５９５号公報

上記した３軸加速度センサに用いられるバネは、ＸＹＺの各方向に作用する加速度に応じて変動するように錘部を保持するとともに、錘部が変動する方向に係わらず作用する加速度の大きさに応じて同様に変動する態様となる特性が必要となる。例えば、３軸加速度センサに用いられるバネは、３方向に対するバネ定数がほぼ同一となるような特性を有する。しかしながら、このような構成の加速度センサでは、例えばバネや錘部に対する製造工程の不具合、例えばバネや錘部を形成するエッチングにおいて生じるバネの太さや錘部の膜厚のバラツキにより、錘部の重心がずれ、錘部にねじれや回転が生じたような状態となる虞がある。このため、設定された検出方向に作用する加速度の他に、他の方向の加速度に対しても出力を生ずるような、いわゆる他軸感度が生じ検出精度が低下する、あるいは歩留まりが低下するという問題点があった。

また、３軸加速度センサでは、上記したように各方向に作用する加速度を大きさに応じて同様に検出することが要求されるために対称な構造とすることが望まれる。例えば、上記した特許文献２に示される３軸加速度センサでは、錘部を平面視した形状が略正方形状に構成されている。つまり、このような３軸加速度センサでは、良好な検出精度とするために錘部の形状の自由度が大きく制約される。

一方で、上記した１軸加速度センサを複数用いて３軸加速度センサを構成することが考えられる。例えば、１軸加速度をＸＹＺの各方向に対応して設ける構成として、複数の加速度センサを同一平面上に並べて配置した構成が考えられる。しかしながら、このような構成では装置の大型化を招くこととなる。

本願に開示される技術は、上記の課題に鑑み提案されたものである。装置の小型化に寄与し形状の自由度を高めつつ、加速度の検出精度の向上が図れる加速度センサを提供することを目的とする。

本願に開示される技術に係る加速度センサは、基板と、基板に一端が固定され、基板に沿う第１方向と基板に直交する第３方向との２方向の加速度に対して撓動する第１の弾性部材と、基板に一端が固定され、基板に沿い第１方向に直交する第２方向と第３方向との２方向の加速度に対して撓動する第２の弾性部材と、第１及び第２の弾性部材のそれぞれの他端に連結され基板から遊離して揺動可能に支持される複数の錘部と、第１乃至第３方向のそれぞれの加速度を錘部の揺動に応じて検出する第１乃至第３センサ部とを備える。

この加速度センサは、第１及び第３方向に可撓性を有する第１の弾性部材と、第２及び第３方向に可撓性を有する第２の弾性部材とを有する。複数の錘部は、このような２方向に対する可撓性を有する第１及び第２の弾性部材のどちらかにより基板から遊離して揺動可能に支持される。そして、第１乃至第３センサ部は、錘部の揺動に応じて第１乃至第３方向の加速度を検出する。
このような第１及び第２弾性部材は、３軸加速度センサに用いられるような３方向に対して伸縮し撓動する特性を有しておらず、基板に沿う２方向（第１方向及び第２方向）のうちのどちらか一方向に対する剛性を有している。従って、製造工程の不具合により錘部の重心がずれ、錘部にねじれや回転が生じたような状態となる虞がなく、検出精度の向上を図った加速度センサが構成できる。また、製造工程における加速度センサの特性のバラツキが抑制されるため、歩留まりの向上を図ることができる。

また、この加速度センサでは、錘部を第１及び第２の弾性部材のどちらかにより支持して２方向に揺動可能とする構成となっている。このような構成では、３軸加速度センサに用いる錘部に対して要求されるような構造上の制限、例えば３方向に作用する加速度を同様に検出するために平面視正方形状とする形状の制限をなくして形状の自由度を高めることができる。
また、３つの１軸加速度センサで３軸加速度センサを構成する場合に比べると、本発明の加速度センサによれば第１の弾性部材又は第２の弾性部材のどちらかを備える２つの２軸加速度センサを用いて３軸加速度センサと同等の機能が実現可能であり、デバイスの数を減らして装置の小型化が図れる。

また、本願に開示される技術に係る加速度センサにおいて、第１乃至第３センサ部は、各々、基板に設けられる固定電極と錘部に設けられる可動電極とを有する静電容量部を備え、第１センサ部は、静電容量部に備えられる固定電極及び可動電極が第２方向に沿う平板状に形成され、第２センサ部は、静電容量部に備えられる固定電極及び可動電極が第１方向に沿う平板状に形成され、第３センサ部は、静電容量部に備えられる固定電極及び可動電極が基板に沿う平板状に形成されてもよい。このような構成では、各方向の加速度を検出する第１乃至第３センサ部の各々に、各方向に応じた平板状の固定電極及び可動電極を備えた静電容量型の加速度センサが構成できる。

また、本願に開示される技術に係る加速度センサにおいて、静電容量部の固定電極と可動電極との距離の変動に応じた静電容量の変化に基づいて第３方向に作用する加速度を検出する第３センサ部を複数備え、第３方向の加速度を複数の第３センサ部の出力を合成した値に基づいて検出してもよい。
このような構成では、加速度センサが備える第３センサ部のすべてが第３方向の加速度の検出に寄与するため、３つの１軸加速度センサで３軸加速度センサを構成する場合と比較すると、小型化に優れた構造とできる。

また、本願に開示される技術に係る加速度センサにおいて、第１の弾性部材は、第２方向へのバネ定数が第１及び第３方向へのバネ定数より大きくされてなり、第２の弾性部材は、第１方向へのバネ定数が第２及び第３方向へのバネ定数より大きくされてもよい。この加速度センサでは、任意の２方向の加速度に対して撓動する第１及び第２の弾性部材を容易に構成できる。

また、本願に開示される技術に係る加速度センサにおいて、第３センサ部に備えられる静電容量部の容量値は、第１、第２センサ部に備えられる静電容量部の容量値より大きくしてもよい。このような条件に基づいた構成とすることで、本願発明の加速度センサを容易に構成することができる。

また、本願に開示される技術に係る加速度センサにおいて、第１乃至第３方向のそれぞれの加速度に対する感度が略同一となるように構成することで、汎用性を高めた加速度センサが構成できる。

また、本願に開示される技術に係る加速度センサにおいて、第１の弾性部材と第２の弾性部材とは同一の構造であり、更に、第１センサ部と第２センサ部とは同一の構造としてもよい。このような構成では、装置の小型化に寄与し形状の自由度を高めつつ、加速度の検出精度の向上が図れる加速度センサの製造工程の簡略化が図れる。

また、本願に開示される技術に係る加速度センサにおいて、第１の弾性部材は、第１方向に沿う第１辺と第２方向に沿う第２辺とが交互に繋がり第２方向に蛇行して延びるバネであり、第１の弾性部材の両端を結ぶ距離が第１辺の長さに比べて長く、第２の弾性部材は、第１方向に沿う第１辺と第２方向に沿う第２辺とが交互に繋がり第１方向に蛇行して延びるバネであり、第２の弾性部材の両端を結ぶ距離が第２辺の長さに比べて長くしてもよい。このような構成では、２方向の加速度に対して撓動する第１及び第２の弾性部材を容易に構成できる。

本願に開示される技術によれば、装置の小型化に寄与し形状の自由度を高めつつ、加速度の検出精度の向上が図れる加速度センサを提供することができる。

実施形態の加速度センサの概略構成を示す斜視図である。 （ａ）はセンサの平面図、（ｂ）は図２（ａ）のＡ−Ａ線端面図、（ｃ）は図２（ａ）のＢ−Ｂ線端面図である。 センサの電気的接続を示す図である。 （ａ）本実施形態のバネを説明するための模式図、（ｂ）（ｃ）は比較例のバネを説明するための模式図である。 折りたたみ回数とバネ定数との関係を示すグラフである。 （ａ）〜（ｃ）はセンサの製造工程を説明するための端面図である。 （ａ）〜（ｃ）はセンサの製造工程を説明するための端面図である。 別の加速度センサを説明するための平面図である。

以下、本発明を具体化した一実施形態について添付図面を参照しながら説明する。なお、添付図面は、説明の便宜上、実際の寸法・縮尺とは異なって図示されている部分がある。
図１は、本実施形態に係る静電容量型の加速度センサをＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）技術を用いて製造したチップの概略構成を示している。同図１に示すように、加速度センサ１０は、平面視略長方形板状に形成された基板１２を備える。加速度センサ１０は、基板１２の長辺に沿った方向に並設される２つのチップ領域の各々に第１のセンサ２１と第２のセンサ３１とが形成されている。なお、以下の説明では、同図１に示すように、加速度センサ１０の長辺に沿った方向（第１及び第２のセンサ２１，３１が並設される方向）をＸ方向、Ｘ方向に対して直角で加速度センサ１０の短辺に沿った方向をＹ方向、Ｘ方向とＹ方向との両方に直角となる方向（基板１２の基板平面に対して垂直な方向）をＺ方向と称し、説明する。

第１のセンサ２１は、枠部２３と、錘部２４と、一対のバネ部２６と、第１及び第２固定電極２８，２９とを備える。図２（ａ）に示すように、枠部２３は、平面視形状が四角枠状に形成され、その囲われた内側部分に錘部２４が設けられている。錘部２４は、平面視略正方形状をなす板状に形成されている。錘部２４は、Ｚ方向に貫通する貫通孔２４Ａが複数形成され、該貫通孔２４Ａが錘部２４に対してマトリックス状に形成されている。ちなみに、この貫通孔２４Ａは、錘部２４がＺ方向に移動する際の抵抗を減らす通気孔としての機能や後述する犠牲層をエッチングする際のエッチング液の導入口として機能するものである。

また、第１のセンサ２１は、Ｙ方向の両側部分にバネ部２６が各々設けられている。バネ部２６は、Ｘ方向の略中央部に設けられた梁部４１と、梁部４１におけるＸ方向の両側に設けられた一対のバネ４３とを備える。梁部４１は、平面視略長方形状の板状に形成され、長辺がＹ方向に沿って設けられている。錘部２４と梁部４１とは、各バネ４３を介して連結されている。バネ４３は、平面視形状が蛇行した形状をなしており、一端側の固定端４３Ａが梁部４１の側面に固定され、他端側の可動端４３Ｂが錘部２４に接続されている。なお、詳細については後述するが、バネ４３の蛇行した形状は、互いになす角度が直角となる短辺と長辺とが交互に繋がり、短辺がＸ方向に沿って設けられ長辺がＹ方向に沿って設けられるつづら折れ形状に形成されている。また、バネ４３は、梁部４１に固定される固定端４３Ａと、錘部２４に接続される可動端４３Ｂとの距離が長辺よりも長くなるように構成されており、Ｘ方向に対する剛性を高めて伸縮が規制される構造となっている。

図２（ｂ）は図２（ａ）のＡ−Ａ線端面図、図２（ｃ）は図２（ａ）のＢ−Ｂ線端面図である。図２（ｂ）に示すように、梁部４１は、基板１２上に立設されたアンカー部４５と一体形成され固定されている。このため、図２（ｃ）に示すように、錘部２４は、固定された梁部４１に対しバネ４３を介して支持されることによって、基板１２の上に浮いたような状態で保持されている。また、錘部２４と錘部２４を囲む枠部２３とは互いに離間している。

図２（ａ）に示すように、第１及び第２固定電極２８，２９は、第１のセンサ２１の略中央部に設けられている。第１のセンサ２１は、一対の第１及び第２固定電極２８，２９を複数組（本実施形態では６組）備える。第１及び第２固定電極２８，２９は、主面がＺ方向に沿った略長方形板状に形成され、長辺がＸ方向に沿って設けられている。第１及び第２固定電極２８，２９は、互いの主面が対向するようにＹ方向に沿って交互に設けられている。第１固定電極２８は、Ｘ方向の一端側（図における上側の３つは左側、下側の３つは右側）にスルーホール２８Ａが設けられ基板１２の上に形成された配線（図示略）と電気的に接続されている。また、第２固定電極２９は、第１固定電極２８とは反対のＸ方向の一端側（図における上側３つは右側、下側３つは左側）にスルーホール２９Ａが設けられ基板１２上に形成された配線（図示略）と電気的に接続されている。また、図２（ｂ）に示すように、第１及び第２固定電極２８，２９は、スルーホール２８Ａ，２９Ａが設けられた端部を除く部分が基板１２と離間するように形成されている。なお、第１及び第２固定電極２８，２９は、端部を含む全体が基板１２に接続された構成としてもよい。

図２（ｂ）に示すように、基板１２は、コア基板５１と、コア基板５１の上面を覆うように形成された絶縁層５３と、絶縁層５３の上に形成された第３固定電極５５とを備える。梁部４１と一体形成されたアンカー部４５はパッド５８と接続されており、錘部２４が配線（図示略）を介して外部端子と電気的に接続されている。第１のセンサ２１は、図３に示すように、錘部２４を可動電極として、錘部２４と第１及び第２固定電極２８，２９とで平行平板コンデンサＣ１，Ｃ２が構成される。平行平板コンデンサＣ１，Ｃ２は、第１のセンサ２１に対しＹ方向に作用する加速度に応じて静電容量が変化する。例えば、Ｙ方向の一方（図中の上方）に錘部２４が変動するのにともなって平行平板コンデンサＣ１の静電容量が減少する一方で、平行平板コンデンサＣ２の静電容量が増加する。このような錘部２４と第１及び第２固定電極２８，２９との間の距離の変動にともなって変化する平行平板コンデンサの静電容量を測定することによってＹ方向に対する加速度を検出することが可能となる。

例えば、錘部２４に接続される測定点６１における電圧を上記した外部端子から処理回路に出力しコンデンサＣ１,Ｃ２の電位差（静電容量の差）を検出して加速度を算出する。なお、図３に示すように、第１のセンサ２１は、静電容量の差の出力を大きくし感度を向上させるためにコンデンサＣ１，Ｃ２の各々を含むブリッジ回路が構成されている。また、このブリッジ回路を構成することで、非検出方向となるＸ方向に対する各コンデンサＣ１，Ｃ２の静電容量の変化を相殺し、いわゆる他軸感度の低減を図ることができる。また、第１のセンサ２１は、加速度が加わらない無負荷時の測定点６１におけるオフセット電圧をキャンセルするための補正回路を備えてもよい。

また、図２（ｂ）に示す第３固定電極５５は、錘部２４とＺ方向で対向するように絶縁層５３の上面の全域に広がって形成されている。第１のセンサ２１は、錘部２４と第３固定電極５５とでＺ方向で対向する平行平板コンデンサが構成される。この平行平板コンデンサは、第１のセンサ２１に対しＺ方向に作用する加速度に応じて静電容量が変化する。第１のセンサ２１では、錘部２４と第３固定電極５５との間の距離の変動にともなって変化する平行平板コンデンサの静電容量を測定することによってＺ方向に対する加速度が検出される。

第１のセンサ２１は、上記したようにＹ方向及びＺ方向に作用する加速度を検出する一方で、バネ４３（図２（ａ）参照）がＸ方向に対する伸縮が規制される構造となっており、錘部２４がＸ方向に撓動しないようになっている。従って、第１のセンサ２１は、Ｙ方向及びＺ方向の加速度が検出可能な２軸加速度センサとして構成されている。図１に示すように、加速度センサ１０が備える第２のセンサ３１は、第１のセンサ２１と同様の構成となっており、枠部２３と、錘部２４と、一対のバネ部２６と、第１及び第２固定電極２８，２９と、第３固定電極（図示略）とを備える。第２のセンサ３１は、Ｚ方向を回転軸として第１のセンサ２１を９０度回転した構造となっている。つまり、第２のセンサ３１は、Ｘ方向及びＺ方向に作用する加速度を検出する一方で、バネ部２６のバネ４３がＹ方向に対する伸縮が規制され、錘部２４がＹ方向に撓動しないようになっている。従って、第２のセンサ３１は、Ｘ方向及びＺ方向の加速度が検出可能な２軸加速度センサとして構成されている。

このように構成された加速度センサ１０では、第１及び第２のセンサ２１，３１の出力に基づいて３方向に対する加速度が検出される。また、加速度センサ１０では、Ｚ方向に対する加速度を第１及び第２のセンサ２１，３１の各々の錘部２４と第３固定電極５５との距離の変動に応じた静電容量の変化を測定し検出する。即ち、加速度センサ１０は、Ｚ方向に対する加速度を第１及び第２のセンサ２１，３１の両方の出力を合成した値を用いて検出する構成となっている。

次に、バネ４３の構造について説明する。
図４（ａ）に示すバネ１００は、バネ４３の一例である。バネ１００は、上述したように、互いになす角度が直角となる短辺１１１と長辺１１２とが交互に繋がる形状に構成されている。なお、以下の説明では、図４（ａ）〜（ｃ）に示すように、短辺１１１の長さをＬ１、長辺１１２の長さをＬ２と称し、説明する。また、図４（ａ）〜（ｃ）に示す方向はバネ１００，１００Ａ，１００Ｂが伸縮する方向を示している。

バネ１００は、長さＬ２が長さＬ１に比べて長く、錘部２４（図２（ａ）参照）と梁部４１（図２（ａ）参照）の各々に接続される両端の距離Ｌ３が長さＬ２よりも長くなるように構成されている。ここで、バネ１００において、Ｙ方向で往復する回数、換言すればＹ方向の一端側で折り返す回数（以下、「折りたたみ回数」という）をｎとする。図４（ａ）に示すバネ１００では、折りたたみ回数ｎは１５回となる。バネ１００は、折りたたみ回数ｎと、Ｘ，Ｙ，Ｚの各方向に対応するバネ定数Ｋｘ，Ｋｙ，Ｋｚが相関する関係にある。そこで、本発明者らは、バネ１００の折りたたみ回数ｎに対するバネ定数Ｋｘ，Ｋｙ，Ｋｚの変化について検討・シミュレーション等を重ねた結果、本発明をなすに至った。具体的には、図４（ａ）に示すように、例えば、Ｚ方向と直交する平面においてバネ１００が占有する領域Ｓ（図中のハッチングで囲む部分）の面積を一定として、折りたたみ回数ｎを変更しながらバネ定数Ｋｘ，Ｋｙ，Ｋｚの検討を行った。

図５は、折りたたみ回数ｎに対するバネ定数Ｋｘ，Ｋｙ，Ｋｚの値を示すグラフである。図５に示すように、Ｘ方向のバネ定数Ｋｘは、折りたたみ回数ｎの増加にともなって増加する。図中の実線で示すグラフは、バネ定数Ｋｘを試算した結果を示しており、折りたたみ回数ｎの増加にともなってＸ方向に対する剛性が高まり伸縮が規制されていくことがわかる。

一方で、Ｙ方向のバネ定数Ｋｙは、折りたたみ回数ｎの増加にともなって減少する。図中の破線で示すグラフは、バネ定数Ｋｙを試算した結果を示しており、折りたたみ回数ｎの増加にともなってＹ方向に対する剛性が低くなり撓動し易くなっていくことがわかる。同様に、Ｚ方向のバネ定数Ｋｚは、折りたたみ回数ｎの増加にともなって減少する。図中の一点鎖線で示すグラフは、バネ定数Ｋｚの試算結果を示し折りたたみ回数ｎの増加にともなってＺ方向に撓動し易くなっていくことがわかる。

以上の内容を踏まえ、図５に示すグラフを用いて、バネ定数Ｋｘ，Ｋｙ，Ｋｚによりバネ１００を３種類に分類する。例えば、各バネ定数Ｋｘ，Ｋｙ，Ｋｚが近似した値となる折りたたみ回数ｎを基準値ｎ１（例えばｎ１＝１０）とし、折りたたみ回数ｎが基準値ｎ１よりも小さくなるバネ１００を第１種類とする。この第１種類に分類されるバネ１００は、例えば、図４（ｂ）に示されるように折りたたみ回数ｎを５回として構成されたバネ１００Ａである。このバネ１００Ａは、バネ１００Ａの両端の距離Ｌ３が長さＬ２よりも短い。バネ１００Ａは、Ｘ方向に対して変位し易く、Ｙ，Ｚ方向に対する伸縮が規制される特性を有する。つまり、このようなバネ１００Ａは、１方向に対して伸縮する特性を有するものであり、例えば特開平１１−３４４５０７号公報（特許文献１）に示されるような１軸加速度センサに用いられるバネである。

次に、折りたたみ回数ｎを基準値ｎ１として各バネ定数Ｋｘ，Ｋｙ，Ｋｚがほぼ同一となるバネ１００を第２種類とする。この第２種類に分類されるバネ１００は、例えば、図４（ｃ）に示されるように折りたたみ回数ｎを１０回として構成されたバネ１００Ｂである。このバネ１００Ｂは、バネ１００Ｂの両端の距離Ｌ３が長さＬ２とほぼ等しく、Ｘ，Ｙ，Ｚの各方向に対して変位する。つまり、この種のバネ１００Ｂは、３方向に対して伸縮あるいは撓動する特性を有するものであり、例えば特表２００５−５３４０１６号公報（特許文献２）に示されるような３軸加速度センサに用いられるバネである。

そして、本実施形態の図４（ａ）に示されるバネ１００は、折りたたみ回数ｎが基準値ｎ１に比べて大きい第３種類に分類されるバネであり、２方向に対する撓動性を備えるものである。詳述すると、バネ１００は、短辺１１１と長辺１１２とが繋がり蛇行して延びるＸ方向に対する剛性が高く伸縮し難い。また、バネ１００は、蛇行して延びるＸ方向に対して直交するＹ方向に対する撓動性を有している。また、バネ１００は、バネ１００が占有する領域Ｓを設定した平面に対して垂直なＺ方向に対する撓動性を有している。従って、このような特性のバネ１００（バネ４３）を備える第１のセンサ２１では、Ｙ方向及びＺ方向に作用する加速度が検出される一方で、錘部２４がＸ方向に変動しないためＸ方向に対する他軸感度を抑制でき検出精度の向上を図ることが可能となる。

次に、このように構成された加速度センサ１０の感度について説明する。
加速度センサ１０は、Ｚ方向に対する加速度を第１及び第２のセンサ２１，３１の両方の出力を用いて検出する構成となっている。ここで、対向する電極の面積をS、電極の距離をｄ、誘電率をεとすると、静電容量Ｃは、次式で表される。
Ｃ＝εＳ／ｄ・・・・・・・・・（１）
錘部２４は、平面方向がＺ方向と直交する方向となる平板状に形成されており、Ｚ方向に対する加速度を検出する可動電極の面積Ｓを他の方向（Ｘ方向、Ｙ方向）に比べて大きくすることができる。そのため、本実施形態の第１及び第２のセンサ２１，３１は、Ｚ方向に作用する加速度を検出するために設けられる静電容量の大きさが他の２方向に対して大きくすることができる。

また、上記式（１）を用いて距離の変化量Δｄに対する静電容量の変化量ΔＣの大きさは次式で表される。
ΔＣ／Δｄ＝εＳ／ｄ^２・・・・（２）
また、錘部２４に作用する力は、運動方程式、弾性の法則から次式で表される。
F＝ｍａ＝ｋΔｄ（ｍ：錘部２４の質量、ａ：加速度、ｋ：バネ定数）・・（３）
上記式（２）、（３）から静電容量の変化量ΔＣは次式で表される。
ΔＣ＝（εＳ／ｄ^２＊ｍ／ｋ）ａ＝（Ｃ／ｋ＊ｍ／ｄ）ａ・・・・・・（４）

従って、上記式（４）より、本実施形態のような静電容量型の加速度センサ１０の加速度ａに対する感度（静電容量の変化量）を上げるには、重りとしての錘部２４の質量ｍを増加させる、あるいは錘部２４と第１〜第３固定電極２８，２９，５５の各々とで構成されるコンデンサの静電容量Ｃを増加させる、あるいはバネ定数Ｋｘ，Ｋｙ，Ｋｚを小さくすることが考えられる。質量ｍは錘部２４の大きさと相関する関係にある。静電容量Ｃは、Ｚ方向においては錘部２４のＺ方向と直交する方向の面積Ｓと相関する関係にある。加速度センサ１０は、図２（ａ）に示すように、平面視で見た場合には錘部２４が平面の大部分の領域を占めている。これに対し、例えば１軸加速度センサ（上記の特開平１１−３４４５０７号公報（特許文献１）に開示される加速度センサ等）をＸＹＺの各方向に対応して設ける構成として、複数の加速度センサを同一平面上に並べて配置した構成が考えられる。しかしながら、このような構成では、平面視で見た場合には、Ｚ軸方向に寄与する錘部が平面の一部の領域のみを占めることとなる。つまり、本実施形態の加速度センサ１０は、すべてのセンサ（第１及び第２のセンサ２１，３１）がＺ方向の加速度の検出に寄与するため、Ｚ方向に対して同一の感度となる３軸加速度センサを構成する場合を比較すると小型化に優れた構造となっている。

また、静電容量型の加速度センサの感度は、一般的にＸＹＺの各方向に対する感度が等しくなることが好ましい。上記式（４）に示すように、各方向に対する感度を同程度とするために各方向の静電容量Ｃとバネ定数ｋとの比を等しくすることが考えられる。例えば、上記した加速度センサ１０において、Ｘ方向の加速度を検出する第２のセンサ３１の錘部２４と第１及び第２固定電極２８，２９との電極間の静電容量をＣｘ、バネ４３のＸ方向に対するバネ定数をｋｘとする。また、Ｙ方向の加速度を検出する第１のセンサ２１の錘部２４と第１及び第２固定電極２８，２９との電極間の静電容量をＣｙ、バネ４３のＹ方向に対するバネ定数をｋｙとする。なお、本実施形態では第１及び第２のセンサ２１，３１が同一構造であるため、静電容量ＣｘとＣｙ、バネ定数ｋｘとｋｙは各々で同値となる。また、第１及び第２のセンサ２１，３１のＺ方向の加速度を検出する錘部２４と第３固定電極５５との電極間の静電容量の各々を静電容量Ｃｚ１，Ｃｚ２、各センサ２１，３１のバネ４３のＺ方向に対するバネ定数の各々をｋｚ１，ｋｚ２とする。なお、本実施形態では第１及び第２のセンサ２１，３１が同一構造であるため、静電容量Ｃｚ１，Ｃｚ２が同値となる。同様に、バネ定数ｋｚ１，ｋｚ２は同値となる。

そして、この場合における各方向の静電容量Ｃとバネ定数ｋとの比を等しくするためには、次式を満たすことが好ましい。
２＊Ｃｘ／ｋｚ＝２＊Ｃｙ／ｋｙ＝（Ｃｚ１／ｋｚ１＋Ｃｚ２／ｋｚ２）・・・・（５）
従って、上記式（５）の値を指標として設計することで、互い直交する３軸の各々の方向の加速度に対する感度を同等とすることができ、本実施形態の加速度センサ１０を容易に構成することが可能となる。なお、図３に示すように、本実施形態の第１及び第２のセンサ２１，３１の各々は、コンデンサＣ１，Ｃ２を含むブリッジ回路が構成され、各コンデンサＣ１，Ｃ２の静電容量の差を用いて加速度を算出する。従って、各センサ２１，３１の各方向に対する感度は、例えば、コンデンサＣ１，Ｃ２のうち一方のコンデンサの容量を２倍した値と相関することとなる。上記した式（５）は、このような静電容量型の加速度センサにおいて用いられるブリッジ回路を加味したものとなっている。

次に、第１のセンサ２１の製造方法の一例について説明する。なお、第２のセンサ３１の製造方法については第１のセンサ２１と同様であるため説明を省略する。
まず、図６（ａ）に示すコア基板２００を準備する。コア基板２００は、例えば単結晶シリコンからなるウェハである。第１のセンサ２１は、コア基板２００上に多数のセンサ素子を形成し、その後にダイシングを行って複数の第１のセンサ２１に個片化することにより製造される。

コア基板２００の表面に絶縁層２１０を形成する。絶縁層２１０は、例えば、窒化シリコン（ＳｉＮｘ）や、二酸化シリコンの膜の上に窒化シリコンを積層した膜を熱酸化法や堆積法を用いて形成する。次いで、絶縁層２１０の表面に、例えばフォトリソグラフィー技術を用いて任意にパターニングされた第３固定電極２１２、パッド２１４及び図示しない配線を形成する。第３固定電極２１２及び配線（図示略）等は、ポリシリコンなど、後述する犠牲層２１５のエッチングに対して耐性がある材料を用いる。なお、ＬＳＩ技術で一般的に用いられるアルミニウムを第３固定電極２１２及び図示しない配線に用いる場合は、当該アルミニウムの上に窒化シリコン膜を積層したり、前述した絶縁層２１０を複数層の積層膜で構成してその中に形成するなどして、犠牲層２１５のエッチングに対して耐性を上げることが好ましい。以上のように、絶縁層２１０、第３固定電極２１２及び配線（図示略）を複数層で構成してもよい。また、第３固定電極２１２及び配線（図示略）は、導電性を有する複数層で構成してもよい。

次いで、図６（ｂ）に示すように、絶縁層２１０及び第３固定電極２１２を覆うように犠牲層２１５を形成する。犠牲層２１５は、例えば化学気相成長（ＣＶＤ：Chemical Vapor Deposition）法により二酸化シリコンを成膜して形成する。犠牲層２１５の厚さは例えば２μｍ（マイクロメートル）である。次いで、図６（ｃ）に示すように、犠牲層２１５に対しパッド２１４の表面の一部が露出するようにコンタクトホール２１６を形成する。コンタクトホール２１６は、例えばフォトリソグラフィー技術を用いて形成する。

次いで、図７（ａ）に示すように、犠牲層２１５の上に電極層２１７を形成する。コンタクトホール２１６内には電極層２１７の一部が充填される。電極層２１７は、例えばＣＶＤ法によりポリシリコンを成膜して形成する。電極層２１７の厚さは例えば５〜１０μｍである。次いで、図７（ｂ）に示すように、電極層２１７に対してエッチングを施し、貫通孔２１９及び第１及び第２固定電極２２０，２２１を形成する。電極層２１７に対するエッチングは、例えば、フォトリソグラフィー技術を用いて任意のパターニングで形成されたレジスト（図示略）を電極層２１７の上に形成し、そのレジストの開口部から露出する領域に対しＤｅｅｐ−ＲＩＥ（Reactive Ion Etching）法を用いて異方性エッチングをする。なお、図示しないがバネ４３は、例えば、上記した第１及び第２固定電極２２０，２２１と同一工程にて形成される。

次いで、図７（ｃ）に示すように、犠牲層２１５をエッチングする。犠牲層２１５のエッチングは、例えば、電極層２１７に形成された貫通孔２１９等からエッチング液（例えばバッファードフッ酸（ＢＨＦ））を導入してエッチングする。このようにして、図１に示す第１のセンサ２１が形成される。

以上、上記した実施形態によれば、以下の効果を奏する。
（１）加速度センサ１０が備える第１のセンサ２１は、バネ４３がＹ，Ｚ方向の加速度に応じて伸縮しＸ方向の加速度に対する伸縮が規制されることで、加速度に応じて変動する錘部２４と第１〜第３固定電極２８，２９，５５との静電容量の変化からＹ，Ｚ方向の加速度が検出される。つまり、第１のセンサ２１は、バネ４３がＸ方向に対する剛性を有しており、２軸加速度センサとして構成されている。加速度センサ１０は、第２のセンサ３１が第１のセンサ２１と同様の構成となっており、第２のセンサ３１によりＸ，Ｚ方向の加速度が検出されることによって、３軸加速度センサとして構成されている。このような構成では、各センサ２１，３１のバネ４３が１方向に対する剛性を有しており、製造工程の不具合により錘部２４の重心がずれ回転が生じたような状態となる虞がなく、検出精度の向上を図った加速度センサ１０が構成できる。

（２）加速度センサ１０は、Ｚ方向に対する加速度を第１及び第２のセンサ２１，３１の両方の出力を用いて検出する構成となっている。これにより、加速度センサ１０は、すべてのセンサ（第１及び第２のセンサ２１，３１）がＺ方向の加速度の検出に寄与するため、３つの１軸加速度センサで３軸加速度センサを構成する場合と比較すると、小型化に優れた構造となっている。

（３）バネ４３は、可動端４３Ｂが固定端４３Ａに対して第１のセンサ２１を平面視した場合に外側に位置する構成となっている。このような構成では、錘部２４に作用する回転モーメントの影響が低減され、第１のセンサ２１の検出精度の向上を図ることができる。

尚、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内での種々の改良、変更が可能であることは言うまでもない。
例えば、上記実施形態では、第１のセンサ２１を平面視略正方形状に形成したが、これに限定されない。例えば、図８に示す第１及び第２センサ３０１，３０２は、平面視略長方形状に形成されている。第１及び第２センサ３０１，３０２は、長辺がＸ方向に沿って延びる平面視略長方形状に形成されている。第１センサ３０１のバネ３１１は、上記実施形態の第１のセンサ２１のバネ４３に比べてＸ方向の長さが長くＹ方向の長さが短くなっている。また、第２センサ３０２のバネ３１２は、上記実施形態の第２のセンサ３１のバネ４３に比べてＸ方向の長さが長くＹ方向の長さが短くなっている。このような構成においてもバネ３１１，３１２が１方向に対する剛性を有しており、第１及び第２センサ３０１，３０２が２軸加速度センサとして構成される。つまり、本実施形態の第１及び第２のセンサ２１，３１の構成によれば、構造上の制限を少なくでき形状の自由度を高めることができる。

また、上記実施形態では特に言及していないが、図８に示す第１及び第２センサ３０１，３０２では、錘部２４と各部材とのスティクションを防止するためのストッパー３２０が設けられている。ストッパー３２０は、基板１２（図１参照）に立設し錘部２４をＺ方向に貫通する柱状に形成されている。ストッパー３２０が錘部２４と係合することにより、錘部２４が他の部材、例えば第１固定電極２８に貼り付くのを防止することができる。また、図示しないが、ストッパー３２０の錘部２４と対向する面には、凸部が設けられており、ストッパー３２０と錘部２４との接触面積を少なくして効果的にスティクションを防止する構成となっている。また、このような凸部を、他の部材、例えばアンカー部４５の錘部２４と対向する面に設けてストッパー３２０として機能させてもよい。また、スティクションを防止する機構は、ストッパー３２０に限らず、例えば任意の部材の端面を疎水性とする表面加工を施してもよい。

また、上記実施形態では、錘部２４を可動電極として用いたが、錘部２４と一体、又は別体の可動電極を設けてもよい。
また、上記したバネ４３のような２方向に対して伸縮あるいは撓動する特性を有する弾性部材を用いてセンサ１０に作用する加速度の検出が可能であれば、静電容量以外の機構を用いて加速度を検出してもよい。
また、各部材の形状・構成等は一例であり、適宜変更してもよい。例えば、第１のセンサ２１と第２のセンサ３１は異なる構造でもよい。

ちなみに、加速度センサ１０は、加速度センサの一例として、錘部２４は、錘部及び可動電極の一例として、第１〜第３固定電極２８，２９，５５は、固定電極の一例として、バネ４３は、第１及び第２の弾性部材の一例として、長辺１１２及び短辺１１１は、第１辺及び第２辺の一例として、バネ定数Ｋｘ，Ｋｙ，Ｋｚは、バネ定数の一例として挙げられる。

次に、上記実施形態の内容から導き出される技術的思想について記載する。
（イ）
前記第３センサ部は、前記第１センサ部を有する第１センサに対応する第１静電容量部と、前記第２センサ部を有する第２センサに対応する第２静電容量部とを備え、
２＊｛（前記第１センサ部に備えられる前記静電容量部の容量値）／（前記第１の弾性部材の前記第１方向のバネ定数）｝、
２＊｛（前記第２センサ部に備えられる前記静電容量部の容量値）／（前記第２の弾性部材の前記第２方向のバネ定数）｝、及び
｛（前記第３センサ部に備えられる前記第１静電容量部の容量値）／（前記第１の弾性部材の前記第３方向のバネ定数）＋（前記第３センサ部に備えられる前記第２静電容量部の容量値）／（前記第２の弾性部材の前記第３方向のバネ定数）｝、
は、互いに同値に設計されることを特徴とする請求項２に記載の加速度センサ。

このような構成は、上記実施形態における式（５）を用いて説明した内容に対応し、第３センサ部は、第１センサに対応する第１静電容量部と、第２センサに対応する第２静電容量部とを備え、２＊｛（第１センサ部に備えられる静電容量部の容量値）／（第１の弾性部材の第１方向のバネ定数）｝、２＊｛（第２センサ部に備えられる静電容量部の容量値）／（第２の弾性部材の第２方向のバネ定数）｝、及び｛（第３センサ部に備えられる第１静電容量部の容量値）／（第１の弾性部材の第３方向のバネ定数）＋（第３センサ部に備えられる第２静電容量部の容量値）／（第２の弾性部材の第３方向のバネ定数）｝、が互いに同値に設計される。このような条件に基づいた構成とすることで、互い直交する３軸の各々の方向の加速度に対する感度を同等とする加速度センサを容易に構成することができる。

１０ 加速度センサ、１２ 基板、２１ 第１のセンサ、２４ 錘部、２６ バネ部、２８ 第１固定電極、２９ 第２固定電極、３１ 第２のセンサ、４３ バネ、５５ 第３固定電極、１１２ 長辺、１１１ 短辺、Ｋｘ，Ｋｙ，Ｋｚ バネ定数

Claims (8)

1. 基板と、
   前記基板に一端が固定され、前記基板に沿う第１方向と前記基板に直交する第３方向との２方向の加速度に対して撓動する第１の弾性部材と、
   前記基板に一端が固定され、前記基板に沿い前記第１方向に直交する第２方向と前記第３方向との２方向の加速度に対して撓動する第２の弾性部材と、
   前記第１及び第２の弾性部材のそれぞれの他端に連結され前記基板から遊離して揺動可能に支持される複数の錘部と、
   前記第１乃至第３方向のそれぞれの加速度を前記錘部の揺動に応じて検出する第１乃至第３センサ部とを備えることを特徴とする加速度センサ。
2. 前記第１乃至第３センサ部は、各々、前記基板に設けられる固定電極と前記錘部に設けられる可動電極とを有する静電容量部を備え、
   前記第１センサ部は、前記静電容量部に備えられる前記固定電極及び前記可動電極が前記第２方向に沿う平板状に形成され、
   前記第２センサ部は、前記静電容量部に備えられる前記固定電極及び前記可動電極が前記第１方向に沿う平板状に形成され、
   前記第３センサ部は、前記静電容量部に備えられる前記固定電極及び前記可動電極が前記基板に沿う平板状に形成されてなることを特徴とする請求項１に記載の加速度センサ。
3. 前記静電容量部の前記固定電極と前記可動電極との距離の変動に応じた静電容量の変化に基づいて前記第３方向に作用する加速度を検出する前記第３センサ部を複数備え、
   前記第３方向の加速度を複数の前記第３センサ部の出力を合成した値に基づいて検出することを特徴とする請求項２に記載の加速度センサ。
4. 前記第１の弾性部材は、前記第２方向へのバネ定数が前記第１及び第３方向へのバネ定数より大きくされてなり、
   前記第２の弾性部材は、前記第１方向へのバネ定数が前記第２及び第３方向へのバネ定数より大きくされてなることを特徴とする請求項１乃至３に記載の加速度センサ。
5. 前記第３センサ部に備えられる前記静電容量部の容量値は、前記第１、第２センサ部に備えられる前記静電容量部の容量値より大きいことを特徴とする請求項２に記載の加速度センサ。
6. 前記第１乃至第３方向のそれぞれの加速度に対する感度が略同一であることを特徴とする請求項１乃至５に記載の加速度センサ。
7. 前記第１の弾性部材と前記第２の弾性部材とは同一の構造であり、更に、前記第１センサ部と前記第２センサ部とは同一の構造であることを特徴とする請求項１乃至６の何れか１項に記載の加速度センサ。
8. 前記第１の弾性部材は、前記第１方向に沿う第１辺と前記第２方向に沿う第２辺とが交互に繋がり前記第２方向に蛇行して延びるバネであり、前記第１の弾性部材の両端を結ぶ距離が前記第１辺の長さに比べて長く、
   前記第２の弾性部材は、前記第１方向に沿う第１辺と前記第２方向に沿う第２辺とが交互に繋がり前記第１方向に蛇行して延びるバネであり、前記第２の弾性部材の両端を結ぶ距離が前記第２辺の長さに比べて長いことを特徴とする請求項１乃至７に記載の加速度センサ。

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