JP2014115082A - 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】 可動部２と、可動部２の高さ方向への変位を検知するためのＺ方向検知部と、左右方向への変位を検知するための可動部２内に設けられた第２の電極部５０，５１及び第３の電極部２５〜２８と、を有し、可動部２の左右方向の両側に、可動部に作用する高さ方向へのモーメントの支点Ｓ１，Ｓ２が設けられており、支点の左右方向の外側に第３の電極部２５〜２８を構成する可動電極６２や錘部３１，３２が可動部と一体的に設けられている。
【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方向検知部とともに、可動部内にＸ方向検知部（Ｘ軸センサ）を備えた構成（後述する比較例を参照）では物理量の作用により、可動部の中央に強いモーメントが作用し可動部が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、可動部の剛性が弱まり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、
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の電極部と、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もしくは検査電圧を印加するために前記可動部内に設けられた第２の電極部及び第３の電極部と、を有し、
前記可動部の前記左右方向の両側に、前記可動部に作用する前記高さ方向へのモーメントの支点が設けられており、
前記支点の左右方向の外側に前記第３の電極部を構成する可動電極が前記可動部と一体的に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、モーメントの支点よりも外側に第３の電極部を設け、換言すれば、従来よりも可動部の支点を内側に配置することで、可動部の支点よりも内側と外側の双方に可動部に作用する高さ方向へのモーメントを作用させることができ、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、前記第２の電極部は、前記可動部の前記支点よりも左右方向内側に設けられ、前記第３の電極部は、前記可動部の前記支点よりも左右方向の外側に設けられ、前記第２の電極部及び第３の電極部を構成する前記可動電極が、前記可動部の前記支点よりも左右方向の内側及び外側の双方に前記可動部と一体的に設けられている構成に特に好ましく適用できる。

また本発明では、前記可動部には前記支点間を左右方向と平行な方向に繋ぐ梁部が設けられており、前記支点よりも左右方向の外側に前記梁部に連続する錘部が設けられており、前記梁部及び前記錘部の前後方向の両側に前記第２の電極部及び第３の電極部が設けられていることが好ましい。本発明によれば、左右方向に梁部を設け、さらに支点よりも外側に梁部に連続する錘部を設けることで、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。

また本発明では、前記錘部の前後方向への幅寸法は、前記梁部の前後方向への幅寸法に比べて大きいことが好ましい。高ダイナミックレンジに対応すべく、可動部の左右方向の長さ寸法を長くした際に、錘部の幅寸法を梁部の幅寸法よりも大きくすることで、可動部の支点よりも内側に作用するモーメントの大きさと外側に作用するモーメントの大きさとを略一致させやすく、これにより可動部の変形をより効果的に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よりも内側の位置が前記支点として機能することが好ましい。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で回動自在に連結した支持部を備え、前記支持部は、前記アンカ部の位置から前記可動部の左右方向の外側にかけて形成されていることが好ましい。これにより可動部を高さ方向に適切に平行移動させることができる。また可動部の左右方向の外側に位置する支持部の部分は、可動部が高さ方向に変位した際、可動部よりも更に高さ方向に突き出るストッパとして機能させることができる。

また本発明では、前記支持部と一体的に前記可動部の高さ方向への変位を規制する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）から支点までの長さ寸法を長く形成しても、支点の外側に第３の電極部を設けることで、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の電極部及び第３の電極部は、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る構成とすることができる。

また本発明では、前記第２の電極部は、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、前記第３の電極部は、検査電圧を印加して前記第２の電極部及び第３の電極部を構成する前記電極を変位させる検査部である構成とすることができる。

さらに本発明では、前記第２の電極部及び第３の電極部は、櫛歯状の前記可動電極と固定電極とを備える構成にできる。

本発明の構成によれば、モーメントの支点よりも外側に第３の電極部を設けることで、可動部の支点よりも内側と外側の双方にモーメントを作用させることができ、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。

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動作している状態を示す斜視図である。 図３は、本実施形態における物理量センサの正面図である。 図４は、物理量センサが図３とは逆方向に変位した際の正面図である。 図５は、比較例における物理量センサの平面図である。 図６（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６（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７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８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）。第１のアンカ部６及び第２のアンカ部７は物理量センサ１の左右方向（Ｘ１−Ｘ２）における略中央に配置される。

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４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４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３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（支持部の一部）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３，４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１４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１３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（支持部の一部）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。

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３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３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の電極部）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には左右方向（Ｘ１−Ｘ２）の両側に、可動部２に作用する高さ方向（Ｚ）へのモーメントの支点Ｓ１，Ｓ２が設けられている。支点Ｓ１は、第２のばね部９間を結ぶ前後方向（Ｙ１−Ｙ２）の略ラインＬ１上にあり、また支点Ｓ２は、第４のばね部１７間を結ぶ前後方向（Ｙ１−Ｙ２）の略ラインＬ２上にある。図１に示すように可動部２には、支点Ｓ１，Ｓ２間を左右方向（Ｘ１−Ｘ２）に結ぶ方向に向けて梁部２４が設けられている。梁部２４は、可動部２の中心Ｏを通る帯状で形成される。また梁部２４の左右方向（Ｘ１−Ｘ２）の外側、すなわち、支点Ｓ１，Ｓ２よりも外側に錘部３１，３２が梁部２４と一体となって形成されている。

また図１に示すように可動部２には、梁部２４の前後方向（Ｙ１−Ｙ２）の両側、及び錘部３１，３２の前後方向（Ｙ１−Ｙ２）の両側に、第２の電極部５０，５１，第３の電極部２５〜２８の各可動電極５２，６２が設けられている。

また図１に示すように、梁部２４と錘部３１，３２の間には、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に連結する連結腕３３，３４が設けられている。

図１に示すように前後方向（Ｙ１−Ｙ２）に所定の幅寸法を有して左右方向（Ｘ１−Ｘ２）に帯状に形成された梁部２４は、中央部２４ａでＴ１の幅寸法を有している。一方、錘部３１，３２の前後方向（Ｙ１−Ｙ２）への幅寸法はＴ２であり、幅寸法Ｔ２は幅寸法Ｔ１よりも大きくなっている。梁部２４の幅寸法Ｔ１は、５０〜１５０μｍ程度であり、錘部３１，３２の幅寸法Ｔ２は、１００〜２００μｍ程度である。また、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の前後方向（Ｙ１−Ｙ２）の両側に形成された第２の電極部５０，５１は、物理量センサ１の四隅に位置し、錘部３１、３２の前後方向（Ｙ１−Ｙ２）に設けられた第３の電極部２５〜２８よりも広い面積を有している。第３の電極部２５〜２８をＸ方向検知部として用いる場合、例えば、第２の電極部５０，５１の出力の和と第３の電極部２５〜２８の出力の和との差動出力をとってＸ方向の加速度を検知することが可能である。また、後述するように各第３の電極部２５〜２８はこれらの可動電極６２，６３に検査電圧を印加して第２の電極部５０，５１を検査する検査用電極部として用いることも可能であり、この場合、実際に生じた物理量の変化を測定するのは梁部２４の両側に設けられた第２の電極部５０，５１となっている。

図１に示すように、第２の電極部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）に延出する支持枝５６，６０と、各支持枝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、第２の電極部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に設けられた第３の電極部２５〜２８もまた、第２の電極部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）に延出する支持枝６５，６６と、各支持枝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。

ただし第３の電極部２５〜２８における可動電極６２及び固定電極６３の配置は、第２の電極部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、第２の電極部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、第３の電極部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。

第３の電極部２５〜２８は、第２の電極部（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部として使用することも可能である。この場合、第２の電極部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、可動電極５２及び固定電極５３に検査電圧を印加して第２の電極部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、第２の電極部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第３の電極部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は例えば次のように行う。すなわち、第２の電極部５０，５１の可動電極５２と固定電極５３の間に検査電圧を印加して可動電極５２と固定電極５３とが近づく方向へ変位させて可動電極５２と固定電極５３とが近づく方向の検査を行う。次に第３の電極部２５〜２８の可動電極６２と固定電極６３との間に検査電圧を印加して可動電極６２と固定電極６３とが近づく方向へ変位させ、可動電極５２と固定電極５３とを離す方向に変位させて、可動電極５２と固定電極５３とが離れる方向の検査とを行うことができる。

物理量センサが静止状態のとき、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。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、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。静止状態において可動部２と固定部３０（図３参照）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。

図２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。

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２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２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（図２には、脚部４ａ，１４ａのみが図示されている）、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。

脚部３ａ，４ａ，１３ａ，１４ａの突出量が大きくなると、図３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（図３には脚部４ａ，１４ａのみが図示されている）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３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。

一方、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（図４には脚部４ａ，１４ａのみが図示されている）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。

図４に示すように，可動部２（錘部３１，３２）の左右方向（Ｘ１−Ｘ２）外側に位置する支持部の位置（連結部５，１６）が可動部２よりも下方に突出するため、可動部２が対向部４０の表面４０ａに当接するよりも先に、連結部５，１６の位置が表面４０ａに当接し、連結部５，１６の位置がストッパとして機能している。したがって可動部２が高さ方向の上方及び下方のいずれの方向に変位したときでも可動部２が直接、対向部４０や固定部３０の表面に当接することはなくスティッキングを適切に防止することが可能になっている。

本実施形態では、図２ないし図４に示すように高さ方向（Ｚ）に変位する可動部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５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５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に作用するモーメントの支点Ｓ１，Ｓ２よりも外側に錘部３１，３２及び第３の電極部２５〜２８が設けられていたが、図５の比較例では可動部２の両端部２２，２３が支点Ｓ１，Ｓ２の位置とされ、両端部２２，２３よりも左右方向（Ｘ１−Ｘ２）の外側に錘部３１，３２や第３の電極部２５〜２８が設けられていない。

また図１では、左右方向（Ｘ１−Ｘ２）に梁部２４が形成されているが、図５の比較例では前後方向（Ｙ１−Ｙ２）に梁部１０１が設けられている。そして図５に示すように、梁部１０１の左右両側に第２の電極部５０，５１が設けられている。

今、図３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６（ａ）（ｂ）の模式図に示すように、可動部２の左右方向（Ｘ１−Ｘ２）の両側位置が可動部２に作用するモーメントＦの支点Ｓ１，Ｓ２となっている。モーメントＦは支点Ｓ１，Ｓ２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６（ａ）は、図５に示す比較例の模式図を示している。図５の比較例では可動部２の両端部２２，２３が支点Ｓ１，Ｓ２として機能する。このため、支点Ｓ１，Ｓ２よりも内側に位置する可動部２の中央部２ａに強いモーメントＦが作用しやすくなっている。特に比較例では図５に示すように可動部２は中央部２ａにおいて梁部１０１が存在するため図６（ａ）に示すように、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６（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６（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６（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おり、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６（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、支点Ｓ１，Ｓ２の外側に錘部３１，３２及び検査部２５〜２８の可動電極６２が配置されており、支点Ｓ１，Ｓ２は、可動部２の両端部２２，２３（錘部３１，３２の側端部に相当）よりも内側に位置している。このため、可動部２の支点Ｓ１，Ｓ２よりも内側と外側の双方にモーメントＦ１，Ｆ２，Ｆ３を作用させることができる。このため、可動部２の内側にて作用するモーメントＦ１と、外側にて作用するモーメントＦ２，Ｆ３が互いに打ち消し合い、比較例に比べて可動部２が変形しづらくなっている。また、図１に示す実施例では梁部２４を左右方向（Ｘ１−Ｘ２）に設けている。このため、図６（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６（ａ）の実施例では、図６（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。

また図１では、左右方向への長さ寸法が長い梁部２４の幅寸法Ｔ１よりも、左右方向への長さ寸法が梁部２４より短い錘部３１，３２の幅寸法Ｔ２を広く形成しており、これにより、可動部２の内側に作用するモーメントＦ１と、外側に作用するモーメントＦ２，Ｆ３の和をほぼ等しくでき、より効果的に可動部２の変形を抑制できる。また梁部２４に対して錘部３１，３２の左右方向への長さ寸法を短くでき、物理量センサを小型化できる。

図７の実験は、図１の実施例と図５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４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７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に対して大幅に低減できることがわかった。

図１や図５に示す物理量センサは高さ方向（Ｚ）への検知部（第１の電極部）を備えた構成であるが、その可動部２内にＸ方向への変位を検知もしくは検査電圧を印加するための第２の電極部及び第３の電極部を有しており、そのため、可動部２の形状全体を板状で形成できず、Ｘ方向検知部の形成領域を確保しなければならず、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。第１の電極部のみならず第２の電極部及び第３の電極部を有する構成において可動部２の高さ方向への変位に伴うモーメントの支点を両端部２２，２３に設定した比較例の構成では、支点Ｓ１，Ｓ２の内側の可動部２に大きなモーメントが作用し、その結果、可動部２が変形しやすくなっていた。また図５の比較例では、梁部１０１を前後方向（Ｙ１−Ｙ２）に形成しているため、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Ｓ１，Ｓ２となる両端部２２，２３から離れた可動部２の中央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がより変形しやすくなっていた。そこで、第１の電極部のみならず第２の電極部及び第３の電極部を有する構成において可動部２の支点Ｓ１，Ｓ２を図５よりも内側に移動させ、第３の電極部２５〜２８や錘部３１，３２を支点Ｓ１，Ｓ２の外側に配置したことで、可動部２の支点Ｓ１，Ｓ２よりも内側と外側の双方にモーメントを作用させることができ、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。

また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から支点Ｓ１，Ｓ２までの長さ寸法Ｌ（両支点間の長さ寸法は２Ｌ）を長くすることが必要になる。図５に示す比較例の構造では、可動部２の中心Ｏから支点Ｓ１，Ｓ２のある両端部２２，２３までの長さ寸法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、支点Ｓ１，Ｓ２を両端部２２，２３よりも内側にずらして支点Ｓ１，Ｓ２の外側に第３の電極部２５〜２８や錘部３１，３２を設け、好ましくは左右方向に梁部２４を設けることで可動部２の剛性を図５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８は、第２の実施形態の物理量センサの正面図である。図８において図１や図５と同じ部分については同じ符号を付した。

図８に示す実施形態は、図１と違って、検査電圧を印加するための検査部が形成されていない。図８に示す実施例は、図５の比較例の構成をもとに、支点Ｓ１，Ｓ２を内側に移動させた形態である。

すなわち図８では、可動部２を構成する梁部７０が、可動部２の中心（重心Ｏ）を通る前後方向（Ｙ１−Ｙ２）に形成されており、梁部７０の左右方向（Ｘ１−Ｘ２）の両側に第２の電極部５０，５１が形成されている。可動部２には梁部７０と連続しＸ方向検知部５０，５１の前後方向（Ｙ１−Ｙ２）の両側を囲むように配置された枠部７１，７２が設けられている。枠部７１，７２では、第２のばね部９及び第４のばね部１７を介して各支持部３，４，１３，１４と連結されている。各ばね部９，１７と連結した部分の前後方向（Ｙ−Ｙ２）に、可動部２が高さ方向に変位した際に作用するモーメントの支点Ｓ１，Ｓ２がある。

そして図８に示すように支点Ｓ１，Ｓ２よりも左右方向（Ｘ１−Ｘ２）の外側に第３の電極部９０，９１を構成する可動電極９２が可動部２の枠部７１，７２と繋がっている。

図８に示す実施例においても、図５の比較例と比べて支点Ｓ１，Ｓ２を可動部２の内側に移動させているので、図６（ｂ）に示すように、可動部２の内側と外側の双方でモーメントを生じさせることができ、可動部２の変形を抑制することができる。

図８では、図５の比較例と同様に梁部を前後方向（Ｙ１−Ｙ２）に設け、ただし支点Ｓ１，Ｓ２を可動部２の両端部から内側に移動させて、支点Ｓ１，Ｓ２の外側に第３の電極部９０，９１の可動電極９２を可動部２に一体的に形成する構成としても、図５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。しかしながら、図８のように梁部７０を前後方向に向けるよりも図１のように左右方向に梁部２４を形成することで、左右方向に可動部２の質量を適切に分配でき、可動部２の剛性を高めることができ、可動部２の変形をより効果的に抑制することができる。

図８の構成では、第２の電極部５０と第３の電極部９０とを共通の電極部とし、第２の電極部５１と第３の電極部９１とを共通の電極部として用いることができ、これにより、差動出力をとってＸ方向の加速度を検知することができる。

また、図１、図８の実施形態では、第２の電極部、あるいは第２の電極部及び第３の電極部によりＸ方向検知部を構成したが、Ｙ方向検知部としてもよい。

また図１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。かかる場合でも本実施形態では、可動部２の支点を内側に移動させたことで、高さ方向に変位する可動部２に対して、図６（ｂ）に示すように、可動部２の内側と外側の双方でモーメントを生じさせることができ、可動部２の変形を抑制することができる。

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。

Ｓ１、Ｓ２ 支点
１、１００ 物理量センサ
２ 可動部
３、４、１３、１４ 支持部
３ａ、４ａ、１３ａ、１４ａ 脚部
５、１６ 連結部（支持部の一部）
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、９０、９１ 第３の電極部
３０ 固定部
３１、３２ 錘部
４０ 対向部
４１、５３ 固定電極
５０、５１ 第２の電極部
５２、６２、９２ 可動電極
５７、６１ 櫛歯状電極子

Claims (10)

1. 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の電極部と、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もしくは検査電圧を印加するために前記可動部内に設けられた第２の電極部及び第３の電極部と、を有し、
   前記可動部の前記左右方向の両側に、前記可動部に作用する前記高さ方向へのモーメントの支点が設けられており、
   前記支点の左右方向の外側に前記第３の電極部を構成する可動電極が前記可動部と一体的に設けられていることを特徴とする物理量センサ。
2. 前記第２の電極部は、前記可動部の前記支点よりも左右方向内側に設けられ、前記第３の電極部は、前記可動部の前記支点よりも左右方向の外側に設けられ、前記第２の電極部及び第３の電極部を構成する前記可動電極が、前記可動部の前記支点よりも左右方向の内側及び外側の双方に前記可動部と一体的に設けられている請求項１記載の物理量センサ。
3. 前記可動部には前記支点間を左右方向と平行な方向に繋ぐ梁部が設けられており、前記支点よりも左右方向の外側に前記梁部に連続する錘部が設けられており、前記梁部及び前記錘部の前後方向の両側に前記第２の電極部及び前記第３の電極部が設けられている請求項２記載の物理量センサ。
4. 前記錘部の前後方向への幅寸法は、前記梁部の前後方向への幅寸法に比べて大きい請求項３記載の物理量センサ。
5. 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よりも内側の位置が前記支点として機能する請求項１ないし４のいずれか１項に記載の物理量センサ。
6. 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で回動自在に連結した支持部を備え、前記支持部は、前記アンカ部の位置から前記可動部の左右方向の外側にかけて形成されている請求項１ないし５のいずれか１項に記載の物理量センサ。
7. 前記支持部と一体的に前記可動部の高さ方向への変位を規制する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６記載の物理量センサ。
8. 前記第２の電極部及び第３の電極部は、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る請求項１ないし７のいずれか１項に記載の物理量センサ。
9. 前記第２の電極部は、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、前記第３の電極部は、検査電圧を印加して前記第２の電極部及び第３の電極部を構成する前記電極を変位させる検査部である請求項１ないし７のいずれか１項に記載の物理量センサ。
10. 前記第２の電極部及び第３の電極部は、櫛歯状の前記可動電極と固定電極とを備える請求項１ないし９のいずれかに１項に記載の物理量センサ。

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