JP2014115081A - 物理量センサ - Google Patents

Abstract

【目的】 特に可動部の構成を改良することで可動部の変形を抑制した物理量センサを提供することを目的としている。
【解決手段】 高さ方向に変位可能な可動部２と、可動部２の変位を検知するためのＺ方向検知部と、可動部２内に設けられたＺ方向検知部５０，５１とを有し、可動部２の左右方向（Ｘ１−Ｘ２）の両端部２２，２３は、可動部２に作用するモーメントの支点を構成しており、可動部２には両端部２２，２３を左右方向に繋ぐ梁部２４が設けられていることを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、シリコン基板から切り出すなどして形成された可動部の高さ方向への変位量を検知し、これにより、外部から作用する加速度などの物理量の測定を可能とした物理量センサに関する。

例えば、物理量センサは、シリコン基板をエッチング処理して、高さ方向に変位可能に支持された可動部と、可動部の変位を検知するためのＺ方向検知部とを備える。

本出願人は、この種の物理量センサを過去において出願している（特許文献１〜３）。これら特許文献では、可動部が高さ方向に平行移動可能に支持されている。

国際公開第２０１０／１４０４６８号のパンフレット 国際公開第２０１０／１４０５７４号のパンフレット 国際公開第２０１０／００１９４７号のパンフレット

Ｚ軸方向検知部とともに、可動部内にＸ軸検知部（Ｘ軸センサ）を備えた構成（後述する比較例を参照）では、可動部の剛性が低下し物理量の作用により変形しやすい問題があった。例えば、特許文献１に示すように可動部の高さ方向への変位を規制する脚部を設けた構成では、高ダイナミックレンジに対応するため脚部の長さ寸法を長くするには可動部の長さ寸法を長くすることが必要となり、その結果、可動部の剛性がますます低下して可動部がさらに変形しやすくなっていた。

このように可動部が変形することで感度に影響を与え、検出精度が低下する問題が生じた。

そこで本発明は、上記従来の課題を解決するためのものであって、特に可動部の構成を改良することで可動部の変形を抑制した物理量センサを提供することを目的としている。

本発明における物理量センサは、
変位可能な可動部と、前記可動部の高さ方向への変位を検知するための第１の検知部と、前記高さ方向に対して直交する前後方向あるいは左右方向への少なくともいずれか一方への変位を検知するための前記可動部内に設けられた第２の検知部と、を有し、
前記可動部の前記左右方向の両端部は、前記可動部に作用するモーメントの支点を構成しており、
前記可動部には前記両端部間を左右方向と平行な方向に繋ぐ梁部が設けられていることを特徴とするものである。

本発明によれば、左右方向に梁部を設けることで、モーメントの支点となる両端部間を繋ぐ左右方向に可動部の質量を適切に分配でき、これにより可動部の変形を適切に抑制することが可能になる。

本発明では、前記梁部の幅は、前記梁部の左右方向における中央部のほうが、前記中央部の両端部よりも細いことが好ましい。このように、支点から遠い中央部における梁部を細くして梁部の両端部よりも質量を小さくすることで、より効果的に可動部の変形を抑制することが可能になる。

また本発明では、前記可動部の前記高さ方向への変位に対して逆方向に変位して前記可動部の高さ方向への変位を規制する規制部を備え、前記可動部が前記規制部により規制された状態で前記可動部の両端部が前記支点として機能する構成にでき、この構成に対して特に可動部の変形を適切に抑制することができる。

また本発明では、前記可動部の前後方向の両側に固定支持されたアンカ部が設けられ、前記アンカ部と前記可動部との間に回動自在に連結した前記規制部としての脚部が前記左右方向に向けて設けられており、前記脚部は、前記可動部が高さ方向に変位したときに前記可動部の変位方向に対し逆方向に変位することが好ましい。本発明では高ダイナミックレンジに対応すべく、左右方向に向けて設けられた脚部の長さ寸法を長くすべく、可動部の中心（重心）から両端部までの長さ寸法を長く形成しても、梁部を左右方向に設けることで可動部の剛性を高めることができ、可動部の変形を抑制することが可能である。

また本発明では、前記第２の検知部は、前記左右方向への変位を検知するための左右方向検知部であり、前記左右方向検知部が前記梁部の前後方向の両側に配置されている構成にできる。

本発明の構成によれば、モーメントの支点となる両端部間を繋ぐ左右方向に可動部の質量を適切に分配でき、これにより可動部の変形を抑制することが可能になる。

図１は、本発明の第１の実施形態における物理量センサの平面図である。 図２は、本実施形態の物理量センサが静止している状態を示す斜視図である。 図３は、本実施形態の物理量センサが動作している状態を示す斜視図である。 図４は、本実施形態の物理量センサが図３とは逆向きに動作している状態を示す。 図５は、本実施形態における物理量センサの正面図である。 図６は、比較例における物理量センサの平面図である。 図７（ａ）は、比較例の物理量センサにおける支点及びモーメントを示す模式図であり、図７（ｂ）は、実施例の物理量センサにおける支点及びモーメントを示す模式図である。 図８は、実施例及び比較例における可動部（錘）の変形量を示すグラフである。 図９は、本発明の第２の実施形態における物理量センサの平面図である。

各図に示す物理量センサに関しては、Ｘ方向が左右方向であり、Ｘ１方向が左方向でＸ２方向が右方向、Ｙ方向が前後方向であり、Ｙ１方向が後方でＹ２方向が前方である。また、Ｙ方向とＸ方向の双方に直交する方向が上下方向（Ｚ方向；高さ方向）である。

図１に示す物理量センサ１は、長方形の平板状のシリコン基板８から形成されている。すなわち、シリコン基板８に、各部材の形状に対応する平面形状のレジスト層を形成し、レジスト層が存在していない部分で、シリコン基板をディープＲＩＥ（ディープ・リアクティブ・イオン・エッチング）などのエッチング工程で切断することで、各部材を分離している。したがって、物理量センサ１を構成する各部材は、シリコン基板の表面と裏面の厚みの範囲内で構成されている。

図１に示すように、物理量センサ１には、シリコン基板８の中央領域に可動部２が形成されている。

図１に示すように可動部２の前後方向（Ｙ１−Ｙ２）の両側に第１のアンカ部６，６が配置されている。一対の第１のアンカ部６，６は前後方向で対向している（前後方向の線上に一致している）。また各第１のアンカ部６，６の左側（Ｘ１）には夫々、第２のアンカ部７，７が配置されている。一対の第２のアンカ部７，７は前後方向で対向している（前後方向の線上に一致している）。

図１に示すように、一対の第１のアンカ部６，６には夫々、左右方向（Ｘ１−Ｘ２）に延出する第１の支持部３，４が第１のばね部１１，１１を介して回動自在に連結されている。ここで「左右方向に延出する」とは支持部３，４の基本的な延出方向を指し、第１の支持部３のように前後方向等に折り曲がる部分があってもよい。第１のアンカ部６，６には第１のばね部１１の形成領域に切欠部が形成され、その切欠部内に前後方向（Ｙ１−Ｙ２）に直線状に延びる第１のばね部１１が、第１のアンカ部６，６と第１の支持部３，４との間を連結している。第１のばね部１１は、第１のアンカ部６，６及び第１の支持部３，４と一体で形成される。第１のばね部１１は、第１の支持部３，４に比べて十分に狭い幅寸法で形成され、弾性変形可能な部分となっている。一方、第１の支持部３，４の剛性は高くなっている。

図１に示すように第１の支持部３，４の第１のアンカ部６よりも左方（Ｘ１）に第１の脚部３ａ，４ａが設けられている。第１の脚部３ａ，４ａは可動部２の高さ方向への変位を抑制する規制部として機能する。

図１に示すように、前方（Ｙ２）に位置する第１の支持部３は、第１のアンカ部６と可動部２との間を通るように折れ曲がりながら左右方向に延びて形成されている。また後方（Ｙ１）に位置する第１の支持部４は、第１のアンカ部６の外側を通って左右方向に直線状（帯状）に形成される。

図１に示すように一対の第１の支持部３，４は、可動部２の前方及び後方の各側方にて延在し、さらに可動部２の右側方（Ｘ２）にて前後方向（Ｙ１−Ｙ２）に延びる第１の連結部５に連結されて一体化している。

また図１に示すように一対の第１の支持部３，４は夫々、可動部２と第２のばね部９，９を介して連結されている。第２のばね部９，９は、可動部２の前方側面の右側、及び後方側面の右側に夫々設けられている。

第２のばね部９は、可動部２に設けられた前後方向に細長い溝内に配置され、可動部２と第１の支持部３との間を連結している。第２のばね部９は、前記溝内で前後方向（Ｙ１−Ｙ２）に直線状に長く形成され、また折り返されて、可動部２と第１の支持部３との間を連結している。第２のばね部９は、第１の支持部３に比べて幅寸法が十分小さく、第２のばね部９は、弾性変形可能とされている。第２のばね部９は、可動部２及び第１の支持部３と一体に形成される。

このように第１の支持部３，４は、可動部２と第１のアンカ部６とに夫々、ばね部９，１１を介して連結されている。ばね部９，１１は捩れ変形可能とされており、これにより第１の支持部３，３を高さ方向に回動させることが可能となっている。

また、図１に示すように、一対の第２のアンカ部７，７には夫々、左右方向（Ｘ１−Ｘ２）に延びる第２の支持部１３，１４が第３のばね部１５，１５を介して回動自在に連結されている。第２のアンカ部７，７には第３のばね部１５の形成領域に切欠部が形成され、その切欠部内に前後方向（Ｙ１−Ｙ２）に直線状に延びる第３のばね部１５が、第２のアンカ部７と第２の支持部１３，１４との間を連結している。第３のばね部１５は、第２のアンカ部７と第２の支持部１３，１４と一体で形成される。第３のばね部１５は、第２の支持部１３，１４に比べて十分に狭い幅寸法で形成され、弾性変形可能な部分となっている。一方、第２の支持部１３，１４の剛性は高くなっている。

図１に示すように第２の支持部１３，１４には第２のアンカ部７，７よりも右方（Ｘ２）に第２の脚部１３ａ，１４ａが設けられている。第２の脚部１３ａ，１４ａは可動部２の高さ方向への変位を抑制する機能を備える。

図１に示すように、可動部２の前方（Ｙ２）に位置する第２の支持部１３は、第２のアンカ部７の外側を通って左右方向（Ｘ１−Ｘ２）に直線状（帯状）に延出している。

また、可動部２の後方（Ｙ１）に位置する第２の支持部１４は、第２のアンカ部７と可動部２との間を通るように折れ曲がりながら左右方向に延びて形成されている。

可動部２の前方（Ｙ２）及び後方（Ｙ１）の夫々に形成された第１の支持部３，４と第２の支持部１３，１４は、第１のアンカ部６及び第２のアンカ部７が介在する領域を除き、微小隙間を介して相対向した状態で左右方向に延びている。

可動部２の前方（Ｙ２）に配置された第１の支持部３及び第２の支持部１３と、可動部２の後方（Ｙ１）に配置された第１の支持部４及び第２の支持部１４とは互いに、可動部２（シリコン基板８）の中心（重心）Ｏを中心軸として１８０度回転させた形態と同じとなっている。このため図１に示すように、第１の支持部３は、第２の支持部１４と可動部２（シリコン基板８）の中心Ｏを中心軸として１８０度回転させた形態と同じとなっており、また、第１の支持部４は、第２の支持部１３と可動部２（シリコン基板８）の中心Ｏを中心軸として１８０度回転させた形態と同じとなっている。

図１に示すように一対の第２の支持部１３，１４は、可動部２の前方及び後方の各側方にて左右方向に延在し、さらに可動部２の左側方（Ｘ１）にて前後方向（Ｙ１−Ｙ２）に延びる第２の連結部１６に連結されて一体化している。

また図１に示すように一対の第２の支持部１３，１４は夫々、可動部２と第４のばね部１７，１７を介して連結されている。第４のばね部１７，１７の形態は第２のばね部９，９と同様である。 第４のばね部１７，１７は、可動部２の前方側面の左側、及び後方側面の左側に夫々設けられている。

このように第２の支持部１３，１４は、可動部２と第２のアンカ部７とに夫々ばね部１５，１７を介して連結されている。ばね部１５，１７は捩れ変形可能とされており、これにより第２の支持部１３，１４を高さ方向に回動させることが可能となっている。

図１に示すように、第１のアンカ部６と第２のアンカ部７との間には左右方向（Ｘ１−Ｘ２）に間隔を空けて前後方向（Ｙ１−Ｙ２）に延びる隙間が形成され、この隙間内に、第１の支持部３と第２の支持部１３との間を連結する連結ばね２１が設けられている。また、同様に第１の支持部４と第２の支持部１４との間を連結する連結ばね２１が設けられている。

図１に示すように、連結ばね２１は、可動部２（シリコン基板８）の中心（重心）Ｏを通る前後方向（Ｙ１−Ｙ２）の線上に位置している。また、図１に示すように連結ばね２１と第１のばね部１１との間の左右方向（Ｘ１−Ｘ２）の距離、及び連結ばね２１と第３のばね部１５との間の左右方向（Ｘ１−Ｘ２）の距離は同じとなっている。

第１のアンカ部６及び第２のアンカ部７は、図５に示す固定部（支持基板）３０に固定支持される。この固定部３０は例えばシリコン基板であり、各アンカ部６、７と固定部３０との間には図示しない酸化絶縁層（ＳｉＯ_２層）が介在している。固定部３０、酸化絶縁層、及び図１に示す可動部２、支持部３，４，１３，１４、アンカ部６，７及び各ばねを構成するシリコン基板８は、例えばＳＯＩ基板である。

図１に示す可動部２、各支持部３，４，１３，１４及び各アンカ部６，７は夫々分離して形成されている。このうち、各アンカ部６，７と固定部３０との間には上記した酸化絶縁層が介在し、各アンカ部６，７が固定部３０に固定支持された状態になっているが、可動部２及び各支持部３，４，１３，１４と、固定部３０との間には酸化絶縁層は存在せず、可動部２及び各支持部３，４，１３，１４と固定部３０との間は空間となっている。

図５に示すように、物理量センサ１には、可動部２と高さ方向にて離れた一方に固定部３０と他方に対向部４０が設けられる。対向部４０の表面には固定電極４１が設けられる。固定電極４１と可動部２とは高さ方向（Ｚ）にて相対向している。可動部２と固定電極４１とでＺ方向検知部（第１の検知部）を構成している。

対向部４０は例えばシリコン基板であり、固定電極４１は、対向部４０の表面４０ａに絶縁層を介して導電性金属材料をスパッタしまたはメッキすることで形成されている。

また、可動部２の表面（下面）２ａには、固定電極４１に対面する可動電極（図示しない）が絶縁層を介してスパッタやメッキ工程で形成されている。あるいは、可動部２が、低抵抗シリコン基板などの導電性材料で形成されている場合には、可動部２それ自体を可動電極として使用することが可能である。

可動部２の構成について説明する。
可動部２は、図１に示すように、左右方向（Ｘ１−Ｘ２）の両側に位置する左端部２２及び右端部２３と、両端部２２，２３間を左右方向（Ｘ１−Ｘ２）と平行な方向に繋ぐ梁部２４と、梁部２４の前後方向（Ｙ１−Ｙ２）の両側に設けられたＸ方向検知部（第２の検知部）５０の可動電極５２と、を有して構成される。両端部２２，２３では、前後方向（Ｙ１−Ｙ２）に延出して第２のばね部９あるいは第４のばね部１７に連結する連結部２２ａ，２３ａが設けられている。

図１に示すように梁部２４は、前後方向（Ｙ１−Ｙ２）に所定の幅寸法を有して左右方向（Ｘ１−Ｘ２）に帯状に形成される。図１では梁部２４は、中央部２４ａでＴ１の幅寸法を有し、中央部２４ａの両側の両側部２４ｂ，２４ｂで、Ｔ１よりも大きい幅寸法Ｔ２を有している。梁部２４は可動部２の中で一番、幅寸法が広い部分となっている。梁部２４の幅寸法Ｔ１，Ｔ２は、５０〜２００μｍ程度であり、梁部２４の左右方向への長さ寸法は、２００〜７５０μｍ程度である。

図１に示すように梁部２４の中央部２４ａの前後方向（Ｙ１−Ｙ２）の両側にＸ方向検知部５０，５１が形成されている。梁部２４の両側部２４ｂ，２４ｂの前後方向（Ｙ１−Ｙ２）の両側には検査部２５〜２８が設けられている。

Ｘ方向検知部５０，５１は、複数本の可動電極５２と複数本の固定電極５３とで構成される。各可動電極５２は、梁部２４と一体となって形成されている。なお図１に示す全ての可動電極５２及び固定電極５３に対して符号を付していない。以下に説明する符号５６、５７、６０〜６３，６５〜６８についても同様である。

一方、各固定電極５３は、固定支持されたアンカ部５４、及びアンカ部５４から左右方向（Ｘ１−Ｘ２）に延出する延出部５５に一体となって形成されている。

図１に示すように各可動電極５２及び各固定電極５３は、前後方向（Ｙ１−Ｙ２）に延出する支持部５６，６０と、各支持部５６，６０から左方向（Ｘ１）あるいは右方向（Ｘ２）に短く突出する複数の櫛歯状電極子５７，６１とを有して構成される。可動電極５２を構成する櫛歯状電極子５７と、固定電極５３を構成する櫛歯状電極子６１とは、前後方向（Ｙ１−Ｙ２）に交互に配置されている。

なおＸ方向検知部５０，５１の構成は図１に限定されるものでなく、対向平板型として櫛歯状電極子がない構成等とすることも可能である。

可動部２が左右方向（Ｘ１−Ｘ２）に移動することで、Ｘ方向検知部５０，５１の可動電極５２も左右方向（Ｘ１−Ｘ２）に移動する。これにより可動電極５２と固定電極５３との間の静電容量が変化し、静電容量変化に基づいて左右方向に生じた加速度等を検出することができる。

図１に示すように、可動部２に設けられた検査部２５〜２８もまた、Ｘ方向検知部５０，５１と同様に、複数本の可動電極６２と複数本の固定電極６３とを有して構成される。各固定電極６３はアンカ部６４に支持されている。また検査部２５〜２８を構成する各可動電極６２及び各固定電極６３は、前後方向（Ｙ１−Ｙ２）に延出する支持部６５，６６と、各支持部６５，６６から左方向（Ｘ１）あるいは右方向（Ｘ２）に短く突出する櫛歯状電極子６７，６８を有して構成される。可動電極６２を構成する櫛歯状電極子６７と、固定電極６３を構成する櫛歯状電極子６８とは、前後方向（Ｙ１−Ｙ２）に交互に配置されている。

ただし検査部２５〜２８における可動電極６２及び固定電極６３の配置は、Ｘ方向検知部５０，５１における可動電極５２及び固定電極５３の配置と逆になっており、Ｘ方向検知部５０，５１における可動電極５２と固定電極５３とが近づく方向に移動した場合、検査部２５〜２８における可動電極６２と固定電極６３とは離れる方向に移動するようになっている。

検査部２５〜２８は、Ｘ方向検知部５０，５１に対するダイナミックレンジ及び感度を確認するための検査領域である。Ｘ方向検知部５０，５１における可動電極５２及び固定電極５３の配置は、差動出力型ではなく、すべてが同じ配置とされた単相型とされている。すなわち、すべての可動電極５２と固定電極５３とが離れる方向か、近づく方向に移動できるようになっている。よって、図１に示す構成では、検査電圧を印加してＸ方向検知部５０，５１におけるすべての可動電極５２と固定電極５３とをクーロン力で引っ張ることはできるが、可動電極と固定電極とを離す方向に移動させることはできないので、Ｘ方向検知部５０，５１における可動電極５２と固定電極５３との配置に対して逆の配置となる検査部２５〜２８を設けた。これにより、ダイナミックレンジ及び感度を確認する検査時、Ｘ方向検知部５０，５１にて可動電極５２と固定電極５３とが近づく方向への検査と、検査部２５〜２８にて可動電極６２と固定電極６３とが離れる方向への検査とを行うことができる。

図２は図１に示す物理量センサの静止状態における斜視図である。
図３、図４は物理量センサ１に高さ方向への加速度が作用した際の動作状態における斜視図である。

なお図２ないし図４において、各ばね部や各櫛歯状電極子については図面から省略した。

図２に示すように、物理量センサが静止状態のときに、表面全体と裏面全体が夫々、同一面上に位置しており、表面及び裏面から突出する部分がない。図２に示す静止状態において可動部２と固定部３０（図５参照）との間の間隔は、例えば、１〜５μｍ程度である。また、可動部２と対向部４０との間の間隔は、可動部２と固定部３０との間の間隔と同程度かあるいはそれよりも狭く設定される。

本実施形態の物理量センサ１は、外部から力（加速度等）が作用していないときに、ばね部の弾性復元力により、図２に示すように、全ての部分の表面が同一平面となった状態を維持している。

物理量センサ１に外部から例えば加速度が高さ方向に与えられると、加速度は、可動部２及び各アンカ部６，７に作用する。このとき、可動部２は慣性力によって絶対空間内で留まろうとし、その結果、各アンカ部６，７に対して可動部２が加速度の作用方向と逆の方向へ相対的に移動する。

図３は、アンカ部６，７、固定部３０及び対向部４０に対して下向きの加速度が作用したときの動作を示している。このとき、可動部２は慣性力により図２の静止状態の位置から上方向へ向けて変位すべく、第１支持部３，４及び第２支持部１３，１４が高さ方向に回動する。この回動動作時、各ばね部が捩れ変形する。

図３に示すように、各支持部３，４，１３，１４の脚部３ａ，４ａ，１３ａ，１４ａは下方に変位し、各脚部３ａ，４ａ，１３ａ，１４ａの先端は可動部２よりも下方に突出する。なお図３には脚部３ａ，１３ａが図示され、脚部４ａ，１４ａは見えていない。

脚部３ａ，４ａ，１３ａ，１４ａの突出量が大きくなると、図５に示すように、可動部２が固定部３０の表面３０ａに当接するよりも先に、脚部３ａ，４ａ，１３ａ，１４ａの先端部が対向部４０の表面（ストッパ面）４０ａに当接し、可動部２が図５の状態よりもさらに上方に変位できなくなり、可動部２の変位が抑制される。このように各脚部３ａ，４ａ，１３ａ，１４ａと対向部４０の表面（ストッパ面）４０ａとで可動部２の変位を抑制するストッパ機構が構成されている。

図４は、アンカ部６，７、固定部３０及び対向部４０に対して上向きの加速度が作用したときの動作を示している。このとき、可動部２は慣性力により図２の静止状態の位置から下方向へ向けて変位すべく、第１支持部３，４及び第２支持部１３，１４が高さ方向に回動する。この回動動作時、各ばね部が捩れ変形する。

図４に示すように、各支持部３，４，１３，１４の脚部３ａ，４ａ，１３ａ，１４ａは上方に変位し、各脚部３ａ，４ａ，１３ａ，１４ａの先端は、可動部２よりも上方に突出する。

本実施形態では、可動部２と、対向部４０に設けられた固定電極４１との間の静電容量変化により、高さ方向に生じた加速度等の物理量を検出することが可能となっている。

本実施形態の可動部２の支持機構により可動部２を高さ方向（Ｚ）に効果的に平行移動させることが出来る。

図６は比較例の物理量センサ１００を示している。図１と同じ部分については同じ符号を付した。

図６と図１とを比較すると両者は可動部２の形態が異なっている。すなわち図１では可動部２を構成する梁部２４が左右方向（Ｘ１−Ｘ２）に設けられていたが、図６の比較例では梁部１０１が前後方向（Ｙ１−Ｙ２）に設けられている。そして図６に示すように、梁部１０１の左右両側にＸ方向検知部５０，５１が設けられている。

今、図５に示すように、脚部３ａ，４ａ，１３ａ，１４ａの先端部が対向部４０の表面（ストッパ面）４０ａに当接し、可動部２の高さ方向（Ｚ）への変位が抑制された状態について考察すると、図７（ａ）（ｂ）の模式図に示すように、可動部２の左右方向（Ｘ１−Ｘ２）の両端部２２，２３が可動部２に作用するモーメントＦの支点Ｓとなっている。モーメントＦは支点Ｓから離れれば離れるほど及び、質量が大きくなるほど大きくなる。

図７（ａ）は、図６に示す比較例の模式図を示している。図７（ａ）に示すように可動部２は中央部２ａにおいて梁部１０１が存在するため質量が両側部２ｂに比べて大きくなっており、したがって図７（ａ）では可動部２の中央部２ａを両側部２ｂよりも厚く図示した。図７（ａ）に示した可動部２の厚さは、各位置における質量の大きさを示していると考えてよい。すなわち図７（ａ）に示すように比較例における物理量センサ１００では、可動部２の中央部２ａの質量が非常に大きくなってしまい、両側部２ｂに比べて中央部２ａに作用するモーメントＦは大きくなっている。

一方、図７（ｂ）は、図１に示す実施例の模式図を示している。図１に示す実施例では梁部２４を左右方向（Ｘ１−Ｘ２）に設けた。このため、図７（ａ）に示すように可動部２の質量を左右方向（Ｘ１−Ｘ２）に適切に（略均一に）分配でき、図７（ａ）の実施例では、図７（ｂ）の比較例に比べて、可動部２の中央部２ａに作用するモーメントＦを弱めることができる。換言すれば可動部２に作用するモーメントＦを左右方向に適切に分散させることができる。

図８の実験は、図１の実施例と図６の比較例とで可動部２を同じ質量とし、各物理量センサ１，１００に高さ方向への加速度を作用させた状態にて可動部に生じた最大変形量を測定した実験結果である。実験では、各物理量センサを図５の状態の状態からさらに７００Ｇの加速度を作用させたときに、可動部２に生じた最大変形量を測定した。

図８に示すように、実施例の物理量センサにて生じた可動部の変形量は、比較例の物理量センサにて生じた可動部の変形量の約半分に低減できることがわかった。

図１や図６に示す物理量センサは高さ方向（Ｚ）への検知部（第１の検知部）を備えた構成であるが、その可動部２内にＸ方向検知部（第２の検知部）を有しており、そのため、可動部２の形状全体を板状で形成できず、Ｘ方向検知部５０，５１の部分において空間（切欠部分）が多くなっており、そのため、可動部２の剛性は低下しやすい。特に後述のように高ダイナミックレンジに対応させるとますます剛性は低下することになる。Ｚ方向検知部のみならずＸ方向検知部を有する構成において可動部２の梁部１０１を図６のように、前後方向（Ｙ１−Ｙ２）に形成すると、可動部２の質量が左右方向（Ｘ１−Ｘ２）に対して中央部分に集中し、可動部２の作用するモーメントの支点となる両端部２２，２３から離れた梁部１０１の部分にモーメントが集中的に作用する。その結果、可動部２が変形しやすくなっていた。そこで、Ｚ方向検知部のみならずＸ方向検知部を有する構成において可動部２の梁部２４を図１のように、モーメントの支点となる両端部２２，２３の間を繋ぐように左右方向（Ｘ１−Ｘ２）に向けて形成することで、左右方向に可動部２の質量を適切に分配でき、その結果、図６の比較例に比べて可動部２の変形を抑制することができる。

高ダイナミックレンジに対応するには、脚部３ａ，４ａ，１３ａ，１４ａの左右方向（Ｘ１−Ｘ２）における長さ寸法を長くすることが必要になり、そのため、図１に示す可動部２の中心（重心）Ｏから各端部までの長さ寸法Ｌ（両端部間の長さ寸法は２Ｌ）を長くすることが必要になる。図６に示す比較例の構造では、長さ寸法Ｌを長く延ばすと可動部２の剛性がますます低下して、可動部２の変形がさらに大きくなる。これに対し、本実施形態のように、左右方向に梁部２４を設けることで可動部２の剛性を図６に比べて向上させることができ、可動部２の変形を抑制できる。したがって、良好な感度を維持しつつ高ダイナミックレンジに適切に対応することができる。

図９は、第２の実施形態の物理量センサの正面図である。図９において図１と同じ部分については同じ符号を付した。

図９に示す実施形態は、図１と違って検査部２５〜２８が形成されていない。また、図１では、梁部２４は、中央部２４ａの幅寸法Ｔ１よりも両側部２４ｂの幅寸法Ｔ２のほうが大きくなっていたが、図６では、梁部２４の幅寸法Ｔ３が一定とされている。

ただし梁部２４の幅寸法については図１のように中央部２４ａの幅寸法Ｔ１を両側部２４ｂの幅寸法Ｔ２よりも小さくすることが好ましい。このように、支点から遠い中央部２４ａにおける梁部２４を細くして梁部２４の両側部２４ｂよりも質量を小さくすることで、より効果的に可動部の変形を抑制することが可能になる。よって２段階以上の段差を有して、あるいは傾斜面にして、漸次的に、両側部２４ｂから中央部２４ａにかけて幅寸法が小さくなる梁部を構成してもよい。

また、図１、図９の実施形態では、第２の検知部としてＸ方向検知部５０，５１を構成したが、Ｙ方向検知部としてもよい。

また図１、図９と異なって、可動部２の高さ方向に対して逆方向に変位して可動部２の高さ方向への変位を規制する規制部（脚部３ａ，４ａ，１３ａ，１４ａ）が形成されていなくてもよい。可動部２の左右方向に向けて梁部２４を設けることで、可動部２の剛性を高め、両端部２２，２３を支点として可動部２に作用するモーメントを左右方向に適切に分散でき、高さ方向に移動する可動部２の変形を適切に抑制することが可能になる。

本実施形態における物理量センサは、加速度センサ、角速度センサ、衝撃センサ等、物理量センサ全般に適用可能であるが、本実施形態は、２軸の物理量を検出でき、例えば、Ｔｉｒｅ Ｐｒｅｓｓｕｒｅ Ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ（タイヤ空気圧監視システム）における加速度センサとして用いることができる。

１ 物理量センサ
２ 可動部
３、４、１３、１４ 支持部
３ａ、４ａ、１３ａ、１４ａ 脚部
６、７、５４ アンカ部
８ シリコン基板
９、１１，１５、１７ ばね部
２１ 連結ばね
２２、２３ 端部
２４ 梁部
２５〜２８ 検査部
３０ 固定部
４０ 対向部
４１、５３ 固定電極
５０、５１ Ｘ方向検知部
５２、６２ 可動電極
５７、６１ 櫛歯状電極子

Claims (5)

1. 変位可能な可動部と、前記可動部の高さ方向への変位を検知するための第１の検知部と、前記高さ方向に対して直交する前後方向あるいは左右方向への少なくともいずれか一方への変位を検知するための前記可動部内に設けられた第２の検知部と、を有し、
   前記可動部の前記左右方向の両端部は、前記可動部に作用するモーメントの支点を構成しており、
   前記可動部には前記両端部間を左右方向と平行な方向に繋ぐ梁部が設けられていることを特徴とする物理量センサ。
2. 前記梁部の幅は、前記梁部の左右方向における中央部のほうが、前記中央部の両側部よりも細い請求項１記載の物理量センサ。
3. 前記可動部の前記高さ方向への変位に対して逆方向に変位して前記可動部の高さ方向への変位を規制する規制部を備え、前記可動部が前記規制部により規制された状態で前記可動部の両端部が前記支点として機能する請求項１又は２に記載の物理量センサ。
4. 前記可動部の前後方向の両側に固定支持されたアンカ部が設けられ、前記アンカ部と前記可動部との間に回動自在に連結した前記規制部としての脚部が前記左右方向に向けて設けられており、前記脚部は、前記可動部が高さ方向に変位したときに前記可動部の変位方向に対し逆方向に変位する請求項１又は２に記載の物理量センサ。
5. 前記第２の検知部は、前記左右方向への変位を検知するための左右方向検知部であり、前記左右方向検知部が前記梁部の前後方向の両側に配置されている請求項１ないし４のいずれか１項に記載の物理量センサ。

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