JP2019100760A - 加速度センサ - Google Patents

Abstract

【課題】固定部とメンブレンとを連結する梁のねじれにより振動加速度を検出する加速度センサにおいて、梁の延長によるチップサイズの増大を防ぎつつ、梁のばね定数を低減することで、高感度でサイズの小さい加速度センサを低価格で提供する。【解決手段】容量検出型センサにおいて、２層以上の層から成る積層構造を有するメンブレン１と、メンブレン１を検出方向に可動させるように捻れることが可能な複数の梁とを有し、前記複数の梁のうち、第１梁をメンブレン１の上層または下層の一方と同じ層で構成し、第２梁を前記可動部の上層または下層の一方と同じ層で構成する。【選択図】図３

Description

本発明は、加速度センサに関し、特に、振動加速度を検出する加速度センサに関する。

地下資源探査の分野において、加速度センサを用いた反射法弾性波探査が行われている。反射法弾性波探査は、物理探査の一種であり、人工的に地震波を発生させ、地下から跳ね返ってくる反射波を地表に設置された受振器により捉え、その結果を解析して地下構造を解明する方法である。

反射法弾性波探査では、地表に設置された起振源から地中に弾性波を励振し、地層の境界で反射した弾性波を、地表に設置された受振器で受信（受振、センシング）する。様々な方向に励振された弾性波は、減衰の大きい地中を伝搬し、複数の地層で反射し、再び減衰の大きい地中を伝搬し、広い領域に拡散して地表に戻ってくる。

したがって、反射法弾性波探査に用いられる加速度センサは、鉛直方向、すなわち重力加速度と同じ方向に印加され、かつ、重力加速度より小さい加速度を検出する必要がある。すなわち、反射法弾性波探査に用いられる加速度センサでは、鉛直方向の加速度の感度を向上させる必要がある。

本技術分野の背景技術として、国際公開第２０１７／０４６８６６号（特許文献１）がある。この公報には、シーソー型構造のメンブレンを有し、メンブレンが捻れることを許す複数の梁がメンブレンと接続されている加速度センサが記載されている。

また、国際公開第２０１７／００９８８５号（特許文献２）には、加速度センサが４つの可変容量を有している場合に、感度を倍増することができる電気接続の態様が記載されている。

国際公開第２０１７／０４６８６６号 国際公開第２０１７／００９８８５号

反射法弾性波探査に用いられる加速度センサでは、加速度の感度を向上させるために、上記梁（ねじれバネ）のバネ定数は小さい値に設定されている。バネ定数を小さくするには、梁の幅（ｘ軸方向）を狭くするか、梁の厚さ（ｚ軸方向）を薄くするか、梁の長さ（ｙ軸方向）を長くすればよい。

しかし、梁の幅（ｘ軸方向）を狭くするには、高価な製造装置が必要になり、加速度センサの製造コストが上昇する。梁の厚さ（ｚ軸方向）は、特許文献１によると、メンブレンの厚さと一致させているため、薄くできない。そのため、梁を長く（ｙ軸方向）することでバネ定数を小さくし、感度を向上させることが考えられる。しかし梁が長くなるとチップサイズが大きくなり、製造コストが上昇する。そのため、高感度な加速度センサを低価格で提供することができない。

このため、梁の幅（ｘ軸方向）を狭くせず、かつ、短い梁（ｙ軸方向）で、小さいバネ定数の梁を実現することにより、低価格で高感度な加速度センサを実現することが求められる。

本発明の前記ならびにその他の目的と新規な特徴は、本明細書の記述および添付図面から明らかになるであろう。

本願において開示される実施の形態のうち、代表的なものの概要を簡単に説明すれば、次のとおりである。

一実施の形態である加速度センサは、容量検出型センサにおいて、積層構造を有するメンブレンと、メンブレンを検出方向に可動させるように捻れることが可能な複数の梁とを有し、前記複数の梁のうち、第１梁をメンブレンの上層または下層の一方と同じ層で構成し、第２梁を前記可動部の上層または下層の一方と同じ層で構成するものである。

本願において開示される発明のうち、代表的なものによって得られる効果を簡単に説明すれば以下のとおりである。

本発明によれば、加速度センサの性能を向上させることができる。特に、加速度センサの小型化および高感度化を実現することができる。

本実施の形態１である加速度センサを一部破断して示す斜視図である。 本実施の形態１である加速度センサを示す図であって、図５〜図８のＡ−Ａ線における断面図である。 本実施の形態１である加速度センサを示す図であって、図５〜図８のＢ−Ｂ線における断面図である。 本実施の形態１である加速度センサを示す図であって、図５〜図８のＣ−Ｃ線における断面図である。 本実施の形態１である加速度センサを示す図であって、図２〜図４のＤ−Ｄ線における平面図である。 本実施の形態１である加速度センサを示す図であって、図２〜図４のＧ−Ｇ線における平面図である。 本実施の形態１である加速度センサを示す図であって、図２〜図４のＥ−Ｅ線における平面図である。 本実施の形態１である加速度センサを示す図であって、図２〜図４のＦ−Ｆ線における平面図である。 本実施の形態１の変形例である加速度センサの断面図である。 本実施の形態２である加速度センサを示す図であって、図１２および図１３のＨ−Ｈ線における断面図である。 本実施の形態２である加速度センサを示す図であって、図１２および図１３のＩ−Ｉ線における断面図である。 本実施の形態２である加速度センサを示す図であって、図１０および図１１のＪ−Ｊ線における平面図である。 本実施の形態２である加速度センサを示す図であって、図１０および図１１のＫ−Ｋ線における平面図である。 本実施の形態３である加速度センサを示す平面図である。 本実施の形態３である加速度センサを示す平面図である。 本実施の形態３である加速度センサを示す図であって、図１５のＬ−Ｌ線における断面図である。 本実施の形態４である加速度センサを示す平面図である。 本実施の形態４である加速度センサを示す平面図である。 反射法弾性波探査の概要を示す地表の断面模式図である。 比較例である加速度センサの断面図である。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、実施の形態を説明するための全図において、同一の機能を有する部材には同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。また、以下の実施の形態では、特に必要なときを除き、同一または同様な部分の説明を原則として繰り返さない。

また、実施の形態で用いる図面においては、平面図であっても図面を見易くするためにハッチングを付す場合もある。

＜反射法弾性波探査法＞
初めに、地下資源探査の分野で行われる、加速度センサを用いた反射法弾性波探査について説明する。反射法弾性波探査は、物理探査の一種であり、人工的に地震波を発生させ、地下から跳ね返ってくる反射波を地表に設置した受振器により捉え、その結果を解析して地下構造を解明する方法である。

図１９は、反射法弾性波探査の概要を示す地表の断面模式図である。

図１９に示すように、反射法弾性波探査では、地表Ｇ３に設置された起振源Ｇ１から地中に弾性波を励振し、地層の境界Ｇ４ａ、Ｇ４ｂのいずれかで反射した弾性波を、地表Ｇ３に設置された受振器Ｇ２ａ、Ｇ２ｂ、Ｇ２ｃ、Ｇ２ｄまたはＧ２ｅのいずれかで受信（受振、センシング）する。以下の実施の形態で説明する加速度センサは、受振器Ｇ２ａ、Ｇ２ｂ、Ｇ２ｃ、Ｇ２ｄまたはＧ２ｅに用いられるものである。図１９では、弾性波を矢印で示している。

起振源Ｇ１は地表Ｇ３に対して垂直方向に発振するため、鉛直に近い方向にＰ波が効率よく励振される。そのため、反射法弾性波探査では、Ｐ波を用いる。また、再び地表Ｇ３に戻ってくる弾性波は、鉛直方向に近い方向から伝搬してくるＰ波であるため、受振器Ｇ２ａ、Ｇ２ｂ、Ｇ２ｃ、Ｇ２ｄおよびＧ２ｅでは、鉛直方向の弾性振動を検知する必要がある。様々な方向に励振された弾性波は、減衰の大きい地中を伝搬し、複数の地層の境界Ｇ４ａ、Ｇ４ｂで反射し、再び減衰の大きい地中を伝搬し、広い領域に拡散して地表Ｇ３に戻ってくる。

微弱な弾性振動を検知するため、受振器Ｇ２ａ、Ｇ２ｂ、Ｇ２ｃ、Ｇ２ｄおよびＧ２ｅのそれぞれには、鉛直方向の振動に対して高感度な加速度センサを用いる必要がある。したがって、受振器Ｇ２ａ、Ｇ２ｂ、Ｇ２ｃ、Ｇ２ｄまたはＧ２ｅとして、以下に説明する実施の形態の加速度センサを用いることが望ましい。

（実施の形態１）
＜本実施の形態の加速度センサの構造＞
本実施の形態１による加速度センサの構造について、図１〜図８を参照しながら説明する。

図１は、本実施の形態１である加速度センサを一部破断して示す斜視図である。図２〜図４は、本実施の形態１である加速度センサの断面図である。図５〜図８は、本実施の形態１である加速度センサの平面図である。

図２は、図５〜図８のＡ−Ａ線における断面図である。図３は、図５〜図８のＢ−Ｂ線における断面図である。図４は、図５〜図８のＣ−Ｃ線における断面図である。図５は、図２〜図４のＤ−Ｄ線における平面図であり、メンブレン層の上面を示す平面図である。図６は、図２〜図４のＧ−Ｇ線における平面図であり、メンブレン層の下面を示す平面図である。図７は、図２〜図４のＥ−Ｅ線における平面図であり、キャップ層の下面を示す平面図である。図８は、図２〜図４のＦ−Ｆ線における平面図であり、ベース層の上面を示す平面図である。

図１では、メンブレン上の２つの固定電極と、実装基板である絶縁層の上面上の接着剤層との図示を省略している。図５では、固定電極１２Ｌ、１２Ｒが平面視で重なる箇所を破線で示している。

図１に示すように、本実施の形態１による加速度センサＳ１は、ベース層ＢＬ、メンブレン層ＭＬおよびキャップ層ＣＬの積層構造により構成されており、実装基板層ＳＬ上に実装されている。加速度センサＳ１は、ベース層ＢＬおよびキャップ層ＣＬと、それらの間を接続する側部（外壁部）３５から成る容器（外枠）と、当該容器内に固定された２つの支柱である固定部３Ｔ１、３Ｔ２にねじれバネ（梁）２Ｔ１、２Ｔ２を介して接続されたメンブレン（質量体）１とを備えている。メンブレン１は、容器内において浮かぶように配置されている。ねじれバネ２Ｔ１、２Ｔ２は、メンブレン１と固定部３Ｔ１、３Ｔ２とを連結している。

以下の説明では、平面視において、互いに交差、好適には直交する２つの方向をｘ軸方向およびｙ軸方向とし、実装基板層ＳＬの主面に垂直な方向をｚ軸方向とする。また、「平面視において」とは、実装基板層ＳＬの主面としての上面に垂直な方向であるｚ軸方向または−ｚ軸方向から見た場合を意味する。また、本願でいう厚さ（膜厚）とは、層などの物体の上端から下端までのｚ軸方向の距離を指す。なお、図６および図７は加速度センサＳ１を下側から見た平面図（下面図）であるが、加速度センサＳ１を上から見た平面図（上面図）と同様に、常に、ｙ軸の正の方向の構造を図の上側に示し、ｙ軸の負の方向の構造を図の下側に示している。つまり、図６および図７では、ｙ軸方向に図が反転しているとも言える。このことは、後に示す図１３、図１５および図１８に示す平面図でも同様である。

図２〜図４および図７に示すように、キャップ層ＣＬは、絶縁層１１、空洞１３、固定電極１２Ｌおよび１２Ｒによって構成されている。絶縁層１１は、メンブレン層ＭＬの側部３５および固定部３Ｔ１、３Ｔ２（図５参照）との接合部以外の部分に、下面に凹部が形成されている。当該凹部内には空洞１３が存在し、さらに、当該凹部の上面、つまり絶縁層１１の下面に固定電極１２Ｌ、１２Ｒが設置されている。絶縁層１１は、メンブレン層ＭＬの上部に設置されており、空洞１３を密閉するキャップとして機能する。また、固定電極１２Ｌ、１２Ｒは、メンブレン層ＭＬに形成された逆方向に変位する２個の可動部（可動電極）１ＬＤ、１ＲＤと対になって可変容量の固定電極として機能する。

固定電極１２Ｌ、１２Ｒは、メンブレン１の直上に配置されている。具体的には、固定電極１２Ｌはメンブレン１を構成する可動部１ＬＤの直上に配置され、固定電極１２Ｒはメンブレン１を構成する可動部１ＲＤの直上に配置されている。固定電極１２Ｌ、１２Ｒは、平面視で固定部３Ｔ１、３Ｔ２を挟んでｘ軸方向に並んでいる。

図２〜図６に示すように、メンブレン層ＭＬは、メンブレン（質量体）１、ねじれバネ２Ｔ１、２Ｔ２、固定部３Ｔ１、３Ｔ２および側部３５で構成されている。側部３５は、空洞１３を密閉する側壁として機能する。

メンブレン１は、下側（絶縁層４１側）から順に積層された導電層１ＨＬ、絶縁層１ＩＬおよび導電層１ＤＬで構成されている。導電層１ＤＬおよび導電層１ＨＬのそれぞれは例えばＳｉ（シリコン）層から成り、絶縁層１ＩＬは例えば酸化シリコン層から成る。導電層１ＨＬの膜厚は例えば３８０μｍであり、絶縁層１ＩＬの膜厚は例えば１μｍであり、導電層１ＤＬの膜厚は例えば６０μｍである。

また、導電層１ＤＬは、可動部１ＬＤ、１ＲＤ、および、可動部１ＬＤ、１ＲＤを機械的かつ電気的に接続する連結部１ＭＴＤ１、１ＭＴＤ２により構成され、導電層１ＨＬは、可動部１ＬＨ、１ＲＨ、および、可動部１ＬＨ、１ＲＨを機械的かつ電気的に接続する連結部１ＭＴＨ１、１ＭＴＨ２により構成されており、それらは全て機械的に一体化されている。可動部１ＬＤ、１ＲＤ、連結部１ＭＴＤ１および１ＭＴＤ２は互いに接続され、環状の平面レイアウトを有している。同様に、可動部１ＬＨ、１ＲＨ、連結部１ＭＴＨ１および１ＭＴＨ２は互いに接続され、環状の平面レイアウトを有している。つまり、メンブレン１は環状に形成された矩形の平面レイアウトを有しており、中心付近に開口部を有している。

可動部１ＬＤ、１ＲＤは、キャップ層ＣＬに形成された固定電極１２Ｌ、１２Ｒと対になって可変容量の可動電極として機能する。可動部１ＬＨ、１ＲＨは、メンブレン１の機械的強度を高くする補強物として機能する。

なお、導電層１ＤＬ、絶縁層１ＩＬおよび導電層１ＨＬには、ｚ軸方向にそれらを貫通する開口部（孔部）が複数形成されている場合がある。これは、加速度センサＳ１内でメンブレン１が動く際に、その動きが加速度センサＳ１内の気体に阻害されることを防ぐためである。本実施の形態の加速度センサＳ１は、それらの複数の開口部の有無に関係なく効果を奏するため、以下の説明および図では開口部を省略する。

導電層１ＤＬ、１ＨＬは、メンブレン１の質量を大きくする機能を有する。そのため、メンブレン１自体が質量体として機能する。すなわち、メンブレン１がｘ軸方向の一方に偏った質量を有することで、加速度センサＳ１全体が振動した際にメンブレン１が揺れ、そのときに可変容量の値の変動を検知することで、弾性振動を検出することができる。可動部１ＬＨのｘ軸方向の幅よりも、可動部１ＲＨのｘ軸方向の幅が大きいため、メンブレン１の重心は、平面視でねじれバネ２Ｔ１、２Ｔ２が並ぶ回転軸よりもｘ軸方向において可動部１ＲＨ側に位置する。これにより、加速度センサＳ１全体が振動した際にメンブレン１が揺れるようにしている。本実施の形態１による加速度センサＳ１では、可動部１ＬＤのｘ軸方向の幅よりも、可動部１ＲＤのｘ軸方向の幅の方が大きい。

図では省略しているが、可変容量の一方の電極として機能する固定電極１２Ｌ、１２Ｒには、電気的な引き出し線が設置され、加速度センサＳ１の外部と電気的に接続されている。同様に可変容量の他方の電極として機能する可動部（可動電極）１ＬＤ、１ＲＤにも電気的な引き出し線が設置され、加速度センサＳ１の外部と電気的に接続されている。

本実施の形態１による加速度センサＳ１では、ねじれバネ２Ｔ１、２Ｔ２、固定部３Ｔ１および３Ｔ２は、導電体で形成されている。また、可動部（可動電極）１ＬＤ、１ＲＤと可動部（可動電極）１ＬＨ、１ＲＨとを電気的に接続するため、絶縁層１ＩＬに貫通導電体（図では非表示）が複数形成されている。そのため、ねじれバネ２Ｔ１、２Ｔ２、固定部３Ｔ１および３Ｔ２は、可動部（可動電極）１ＬＤ、１ＲＤの電気的な引き出し線としての機能も有している。なお、本実施の形態では互いに離間する２つの固定部３Ｔ１、３Ｔ２を有する加速度センサＳ１について説明しているが、１つの固定部（支柱）の両側にねじれバネ２Ｔ１、２Ｔ２が接続されていてもよい。これは、本実施の形態のメンブレン１の電極が全て一体となっており、複数の電気的な引き出し線として固定部（支柱）を複数配置する必要がないためである。

図３および図５〜図６に示すように、ねじれバネ２Ｔ１、２Ｔ２は、導電層１ＨＬで構成されている。言い換えれば、ねじれバネ２Ｔ１、２Ｔ２は、導電層１ＨＬと同じ層で構成されている。

ねじれバネ２Ｔ１、２Ｔ２のそれぞれは、ｘ軸方向（幅）に薄く、ｙ軸方向（長さ）に長い板状の形状をなしており、ｙ軸を回転軸とするねじれ運動を許すねじれバネとして機能する。さらに、ねじれバネ２Ｔ１、ねじれバネ２Ｔ２は、ｙ軸方向の一端がメンブレン１の下層の一部である連結部１ＭＴＨ１、１ＭＴＨ２に接続され、他端が固定部３Ｔ１、固定部３Ｔ２にそれぞれ接続されている。すなわち、ねじれバネ２Ｔ１、２Ｔ２は、いずれも導電層１ＨＬと一体となっている。また、ねじれバネ２Ｔ１は固定部３Ｔ１と一体になっており、ねじれバネ２Ｔ２は固定部３Ｔ２と一体となっている。そのため、ねじれバネ２Ｔ１、２Ｔ２は、メンブレン１に対してｙ軸を回転軸とするねじれ運動を許す機能を有している。さらに、ねじれバネ２Ｔ１、２Ｔ２は、ｙ軸方向の長さおよびｚ軸方向の厚さが、ｘ軸方向の幅より大きく設定されているため、メンブレン１はｙ軸を回転軸とするねじれ運動以外の回転運動および並進運動を抑圧する機能も有している。

ここでは、導電層１ＨＬは導電層１ＤＬの５倍以上厚いため、ねじれバネ２Ｔ１、２Ｔ２は、特にｙ軸を回転軸とするねじれ運動以外の回転運動および並進運動を強く抑圧することができる。なお、絶縁層１ＩＬは、導電層１ＤＬおよび導電層１ＨＬより充分薄い。例えば、絶縁層１ＩＬの膜厚は、導電層１ＤＬの膜厚の１／５以下である。このため、絶縁層１ＩＬの存在は、メンブレン１の機械的な挙動に殆ど影響を与えない。

ねじれバネ２Ｔ１、２Ｔ２は導電層１ＨＬと一体となっているため、ねじれバネ２Ｔ１、２Ｔ２は導電層１ＨＬと同様の厚さを有している。これに対し、ねじれバネ２Ｔ１、２Ｔ２の直上には絶縁層１ＩＬおよび導電層１ＤＬは形成されていない。このため、ねじれバネ２Ｔ１、２Ｔ２の厚さは、メンブレン１の厚さよりも薄い。

図３、図７および図８に示すように、固定部３Ｔ１、３Ｔ２は、キャップ層ＣＬおよびベース層ＢＬと機械的に強固に接続され、ねじれバネ２Ｔ１、２Ｔ２の端部を機械的に固定する固定部として機能する。また、固定部３Ｔ１、３Ｔ２は、キャップ層ＣＬの絶縁層１１の機械的強度を高くする補強物としても機能する。

図２〜図４および図８に示すように、ベース層ＢＬは、絶縁層２１および空洞１３によって構成されている。絶縁層２１は、メンブレン層ＭＬの側部３５と固定部３Ｔ１、３Ｔ２（図５参照）との接合部以外の部分に、上面に凹部が形成されている。当該凹部内には、空洞１３が存在している。絶縁層２１は、メンブレン層ＭＬの下部に設置されており、空洞１３を密閉する底部として機能する。また、絶縁層２１は、実装基板層ＳＬと機械的に接合する部分として機能する。

実装基板層ＳＬは、絶縁層４１およびその上面に設けられた接着剤層４２によって構成されている。絶縁層４１は、加速度センサＳ１を実装する基板であり、例えば樹脂若しくはセラミックスで成形されたパッケージ、回路基板またはマザーボードなどである。接着剤層４２は、加速度センサＳ１と絶縁層４１とを機械的に接合する接着物として機能する。

絶縁層１１、２１は、ガラスまたは高抵抗シリコンなどの抵抗値が大きい材料で形成されている。絶縁層１１、２１は、絶縁物から成る必要はなく、金属または低抵抗シリコンなどの抵抗値の小さい材料で形成されていてもよい。ただし、その場合は、絶縁層１１と固定電極１２Ｌ、１２Ｒとを電気的に絶縁するため、絶縁層１１と固定電極１２Ｌ、１２Ｒとの間に絶縁層を形成する必要がある。言い換えれば、固定電極１２Ｌが接続された部分の絶縁層１１と固定電極１２Ｒが接続された部分の絶縁層１１とを分離する絶縁層を設ける必要がある。

導電層１ＤＬ、１ＨＬは、金属（例えばＡｌ（アルミニウム）若しくはＡｕ（金））または低抵抗シリコンなどの抵抗値の小さい材料で形成されている。可動部１ＬＤ、１ＲＤを、導電層１ＤＬの一部をくり抜くことにより形成すると、可動部１ＬＤの厚さと可動部１ＲＤの厚さとを一致させることができるため、加速度センサＳ１の精度を高めることができる。同様に、可動部１ＬＨ、１ＲＨおよびねじれバネ２Ｔ１、２Ｔ２を、導電層１ＨＬの一部をくり抜くことにより形成すると、可動部１ＬＨ、１ＲＨの厚さとねじれバネ２Ｔ１、２Ｔ２の厚さとを一致させることができるため、加速度センサＳ１の精度を高めることができる。

また、メンブレン１を、例えばＳＯＩ（Silicon On Insulator）基板をくり抜くことにより形成すると、絶縁層１ＩＬの厚さを均一にすることができるため、加速度センサＳ１の精度をさらに高めることができる。なお、メンブレン１と側部３５と固定部３Ｔ１、３Ｔ２とのそれぞれは、同一の積層体を加工することで形成されるため、実際には側部３５、固定部３Ｔ１および３Ｔ２はメンブレン１と同様に導電層、絶縁層および導電層を順に積層した構造を有しているが、ここではそのような側部３５、固定部３Ｔ１および３Ｔ２の積層構造の図示を省略している。

＜本実施の形態の加速度センサの効果＞
以下に、比較例の加速度センサを示す図２０と比較して、本実施の形態の加速度センサの効果について説明する。図２０は、比較例である加速度センサを示す断面図であり、図３に対応する箇所の断面を示すものである。図２０に示す比較例の加速度センサＳＡは、積層構造から成るメンブレン１を有している点で本実施の形態と同様であるが、ねじれバネ２Ｔ１Ａが導電層１ＨＬ、絶縁層１ＩＬおよび導電層１ＤＬの積層膜により構成されている点で、本実施の形態と異なる。比較例では、図示していない他のねじれバネも、同様の積層膜により構成されている。つまり、全てのねじれバネ（梁）がメンブレン１と同じ厚さを有している。

反射法弾性波探査に用いられる加速度センサでは、加速度の感度を向上させるために、梁のバネ定数を小さい値に設定する。バネ定数を小さくするには、梁の幅（ｘ軸方向）を狭くするか、梁の厚さ（ｚ軸方向）を薄くするか、梁の長さ（ｙ軸方向）を長くすればよい。

しかし、梁の幅（ｘ軸方向）を狭くするには、高価な製造装置が必要になり、加速度センサの製造コストが上昇する。比較例のように、ねじれバネ（梁）２Ｔ１Ａの厚さがメンブレン１の厚さと一致している場合、梁の厚さ（ｚ軸方向）は薄くできない。そのため、梁を長く（ｙ軸方向）することでバネ定数を小さくし、感度を向上させることが考えられる。しかし梁が長くなるとチップサイズが大きくなり、かつ加速度センサの製造コストが上昇する。そのため、高感度な加速度センサを低価格で提供することができない問題がある。

これに対し、本実施の形態では、図３、図５および図６に示すように、ねじれバネ２Ｔ１、２Ｔ２は導電層１ＨＬのみで構成されている。このため、ねじれバネ２Ｔ１、２Ｔ２のそれぞれの厚さを、導電層１ＨＬ、絶縁層１ＩＬおよび導電層１ＤＬの積層膜により構成されたメンブレン１の厚さよりも小さくすることができる。つまり、梁の幅（ｘ軸方向）を狭くせず、梁の厚さ（ｚ軸方向）を薄くすることで、梁の長さ（ｙ軸方向）を長くすることなく、小さいバネ定数の梁を実現している。

このため、ｙ軸方向に短い梁を実現することで、加速度センサ（チップ）Ｓ１の微細化を実現し、かつ、梁のバネ定数を低減することで加速度センサＳ１の感度を高めることができるため、加速度センサの性能を向上させることができる。また、このような高感度化を加速度センサ（チップ）Ｓ１のサイズの増大を防ぎつつ実現することにより、加速度センサの製造コストを低減し、高感度な加速度センサを低価格で提供することができる。

また、ねじれバネ２Ｔ１、２Ｔ２は、導電層１ＨＬで構成されており、厚さを均一にすることができるため、加速度センサＳ１の精度を高めることができる。さらに、メンブレン１を、例えばＳＯＩ（Silicon On Insulator）基板をくり抜くことにより形成すると、ねじれバネ２Ｔ１、２Ｔ２をハンドル層で形成することができ、より厚さを均一にすることができるため、加速度センサＳ１の精度をさらに高めることができる。

以上のことを別の言葉で表現すると以下になる。つまり、本実施の形態１による加速度センサＳ１は、上層および下層を含む積層構造を有し、複数の可動部を備えたメンブレンと、固定部と、前記固定部と前記メンブレンとを連結し、前記複数の可動部のそれぞれを検出方向に可動させるように捻れることが可能な複数の梁と、を備えた容量検出型加速度センサを有している。前記梁は、幅が厚さより小さく、かつ、長さが前記厚さより大きいねじれバネであり、前記複数の梁のうち、第１梁は、前記上層または前記下層の一方と同じ層で構成されており、第２梁は、前記上層または前記下層の一方と同じ層で構成されている。これにより、メンブレン全体でばね定数を小さくすることが可能になるため、梁のｙ軸方向の長さを小さくすることができ、チップサイズを小型化できる。言い換えれば、高感度な加速度センサを低価格で提供することができる。

＜変形例＞
図９に、本実施の形態１の変形例である加速度センサの断面図を示す。図９は、図３に対応する箇所の断面を示すものである。

本変形例は、可動部１ＲＤのｘ軸方向の幅が可動部１ＬＤのｘ軸方向の幅と同じ大きさである点、および、固定電極１２Ｌ、１２Ｒ（図３参照）の代わりに絶縁層１１の一部が固定電極を構成している点において、図１〜図８を用いて説明した加速度センサと異なる。

図３に示すように、絶縁層１１の底面に接続された固定電極１２Ｌ、１２Ｒを形成することは実際には困難である場合がある。その場合には、図９に示すように、可動部１ＲＤと対向する固定電極１１Ｒと、可動部１ＬＤと対向する固定電極１１Ｌとを、絶縁層１１内に形成することが考えられる。固定電極１１Ｒ、１１Ｌは、Ｓｉ（シリコン）から成る絶縁層１１の抵抗を低減した領域であり、固定電極１１Ｒ、１１Ｌは、互いに絶縁層１１を貫通する絶縁層ＩＬにより絶縁されている。

また、本変形例では、可動部１ＲＤのｘ軸方向の幅と可動部１ＬＤのｘ軸方向の幅とが同じであり、可動部１ＲＤ、１ＬＤのそれぞれの面積が同じである。これは、図９において可動部１ＲＤ、１ＬＤと固定電極１１Ｒ、１１Ｌとの間に実線で示す可変容量のみにより振動の検出を行い、可動部１ＲＨの端部と絶縁層１１との間に破線で示す寄生容量に起因して加速度センサの感度が低下することを防ぐためである。つまり、幅が大きい可動部１ＲＨに合わせて可動部１ＲＤの幅を可動部１ＬＤの幅より大きくすると、破線で示す寄生容量の影響を大きく受けるため、正確な受振が行えなくなる虞がある。ここでいう寄生容量は、可動部１ＲＨの幅と可動部１ＬＤの幅とが同じである場合に、固定電極１１Ｒと平面視で重ならない位置の可動部１ＬＤと、絶縁層１１または固定電極１１Ｒなどとの間に生じる容量である。

そこで、本変形例では、ｘ軸方向において可動部１ＲＤの幅を可動部１ＲＨの幅よりも小さくしている。これにより可動部１ＲＤと固定電極１１Ｒとの間の可変容量と可動部１ＬＤと固定電極１１Ｌとの間の可変容量との変動幅を揃えることで、寄生容量の発生を防ぎ、加速度センサの感度を向上させることができる。

ただし、メンブレン１を質量体として機能させるため、メンブレン１全体では左右の質量のバランスを崩す必要がある。このため、本変形例は、導電層１ＤＬと、ｘ軸方向における幅が可動部１ＬＨよりも大きい可動部１ＲＨを備えた導電層１ＨＬとにより構成されている必要がある。言い換えれば、メンブレン１は積層構造を有している必要がある。

このような場合、ねじれバネ２Ｔ１および図示していないねじれバネ２Ｔ２は、導電層１ＨＬ上の絶縁層１ＩＬおよび導電層１ＤＬを除去することで、容易にメンブレン１よりも小さい厚さで形成することができる。これにより、図１〜図８を用いて説明した加速度センサの効果を得ることができ、かつ、可動部１ＲＤのｘ軸方向の幅を可動部１ＬＤのｘ軸方向の幅と同じ大きさとすることで、加速度センサの感度をより高めることができる。なお、このことは、キャップ層ＣＬが図３に示す構造と同様に絶縁層１１の下に固定電極１２Ｌ、１２Ｒを備えている場合であっても同様である。

（実施の形態２）
本実施の形態２による加速度センサの構成について、前記実施の形態１による加速度センサと異なる点を中心に、図１０〜図１３を参照しながら説明する。図１０および図１１は、本実施の形態２である加速度センサの断面図である。図１２および図１３は、本実施の形態２である加速度センサの平面図である。図１０は、図１２および図１３のＨ−Ｈ線における断面図である。図１１は、図１２および図１３のＩ−Ｉ線における断面図である。図１２は、図１０および図１１のＪ−Ｊ線における平面図であり、メンブレン層の上面を示す平面図である。図１３は、図１０および図１１のＫ−Ｋ線における平面図であり、メンブレン層の下面を示す平面図である。

本実施の形態２による加速度センサＳ２は、前記実施の形態１による加速度センサＳ１と同様に、ベース層ＢＬ、メンブレン層ＭＬおよびキャップ層ＣＬの積層構造により構成されており、実装基板層ＳＬ上に実装されている。

図１０〜図１３に示すように、メンブレン層ＭＬは、メンブレン（質量体）１、ねじれバネ２Ｔ３、バネ２Ｔ４、固定部３Ｔ１、３Ｔ２および側部３５で構成されている。側部３５は、空洞１３を密閉する側部として機能する。

図１０および図１３に示すように、ねじれバネ２Ｔ３は導電層１ＨＬで構成されている。ねじれバネ２Ｔ３は、ｘ軸方向（幅）に薄く、ｙ軸方向（長さ）に長い板状の形状を有しており、ｙ軸を回転軸とするねじれ運動を許すねじれバネとして機能する。さらに、ねじれバネ２Ｔ３は、一端がメンブレン１の下層の一部である連結部１ＭＴＨ１に、他端が固定部３Ｔ１にそれぞれ接続しているため、メンブレン１はｙ軸を回転軸とするねじれ運動を許す機能も有している。つまり、ねじれバネ２Ｔ３は導電層１ＨＬおよび固定部３Ｔ１と一体になっている。また、ねじれバネ２Ｔ３は、ｙ軸方向の長さおよびｚ軸方向の厚さが、ｘ軸方向の幅より大きく設定されているため、メンブレン１はｙ軸を回転軸とするねじれ運動以外の回転運動および並進運動を抑圧する機能も有している。

導電層１ＨＬは、金属または低抵抗シリコンなどの抵抗値の小さい材料で形成されている。可動部１ＬＨ、１ＲＨおよびねじれバネ２Ｔ３を、導電層１ＨＬの一部をくり抜くことにより形成すると、可動部１ＬＨ、１ＲＨの厚さとねじれバネ２Ｔ３の厚さとを一致させることができるため、加速度センサＳ２の精度を高めることができる。

図１１および図１２に示すように、バネ２Ｔ４は、前記実施の形態１による加速度センサＳ１とは異なり、導電層１ＤＬで構成されている。ｘ軸方向（幅）、ｚ軸方向（厚さ）より、ｙ軸方向（長さ）に長い棒状の形状をなしており、ｙ軸を回転軸とするねじれ運動を許すねじれバネとして機能する。さらに、バネ２Ｔ４は、一端がメンブレン１に接続し、他端が固定部３Ｔ２にそれぞれ接続しているため、メンブレン１のｙ軸を回転軸とするねじれ運動を許す機能も有している。

本実施の形態２による加速度センサＳ２では、バネ２Ｔ４は、ねじれバネ２Ｔ３と同様に、厚さ（ｚ軸方向）が幅（ｘ軸方向）より大きく、長さ（ｙ軸方向）が厚さ（ｚ軸方向）より大きい。そのため、バネ２Ｔ４はねじれバネである。ここで、バネ２Ｔ４は、ねじれバネ２Ｔ３とは異なり、ｙ軸を回転軸とするねじれ運動に対するバネ定数は小さく、またｙ軸を回転軸とするねじれ運動以外の回転運動および並進運動を抑圧する機能は弱いが、そのことは、本発明の目的の全てを否定することはない。なぜならば、それらの機能はねじれバネ２Ｔ３が備えているためである。本実施の形態の加速度センサＳ２を実現する構造の次善構造として、バネ２Ｔ４の厚さ（ｚ軸方向）は幅（ｘ軸方向）より小さくてもよい。そのことを明確にするため、ここでは２Ｔ４を「ねじれバネ」ではなく、「バネ」と呼ぶ。

なお、導電層１ＤＬを厚くして導電層１ＤＬの厚さと導電層１ＨＬの厚さとをほぼ一致させることで、ｙ軸を回転軸とするねじれ運動以外の回転運動および並進運動を抑圧する機能を最も強くすることができる。逆に、導電層１ＤＬと導電層１ＨＬの厚さの比を１より大きく、または１より小さくすることで、メンブレン全体でばね定数が小さくなるため、梁のｙ軸方向の長さを小さくすることができ、チップサイズを小型化できる。

導電層１ＤＬは、金属または低抵抗シリコンなどの抵抗値の小さい材料で形成されている。可動部１ＬＤ、１ＲＤおよびバネ２Ｔ４を、導電層１ＤＬの一部をくり抜くことにより形成すると、可動部１ＬＤ、１ＲＤの厚さとバネ２Ｔ４の厚さとを一致させることができるため、加速度センサＳ２の精度を高めることができる。

本実施の形態２による加速度センサＳ２でも、ねじれバネ２Ｔ３およびバネ２Ｔ４と固定部３Ｔ１、３Ｔ２とは導電体から成り、これらは可動部（可動電極）１ＬＤ、１ＲＤの電気的な引き出し線の機能を有している。

本実施の形態２による加速度センサＳ２では、図１１および図１２に示すように、ねじれバネ２Ｔ３は導電層１ＨＬで構成され、図１０および図１３に示すように、バネ２Ｔ４は導電層１ＤＬで構成されている。つまり、バネ２Ｔ４は導電層１ＤＬと一体となっている。そのため、前記実施の形態１の加速度センサＳ１よりさらに小さいバネ定数の梁を実現できる。本実施の形態２による加速度センサＳ２では、前記実施の形態１による加速度センサＳ１と感度を同じ値に設定しているため、図１２および図１３に示すように、前記実施の形態１による加速度センサＳ１より、さらにチップサイズが小さくなり、製造コストが下がり、その結果、高感度な加速度センサを低価格で提供することができる。

＜他の効果＞
前記実施の形態１による加速度センサＳ１と本実施の形態２による加速度センサＳ２は、ｚ軸方向の加速度を高感度に検出することを目的にしている。その場合、検出軸をｚ軸に合せることが望ましい。

前記実施の形態１による加速度センサＳ１では、メンブレン（質量体）１は主に導電層１ＤＬと導電層１ＨＬとで構成されており、ねじれバネ２Ｔ１、２Ｔ２は下層である導電層１ＨＬで構成されているため、メンブレン（質量体）１の重心のｚ軸座標より、ねじれバネ２Ｔ１、２Ｔ２のねじれ中心のｚ軸座標の方が低い。このため、検出軸がｘ軸方向に傾斜している。言い換えれば、他軸感度が劣化している。この場合、ｚ軸方向から加速度センサが外力を受けたときは、問題なく振動を検出することができる。しかし、ｘ軸方向から加速度センサが外力を受けたときにもメンブレンが揺れるため、ｘ軸方向の振動を誤ってｚ軸方向の振動として加速度センサが検出する問題が生じる。

一方、本実施の形態２による加速度センサＳ２では、メンブレン（質量体）１は主に導電層１ＨＬおよび導電層１ＤＬで構成されており、ねじれバネ２Ｔ３は導電層１ＨＬで構成され、バネ２Ｔ４は導電層１ＤＬで構成されている。このため、検出軸はｚ軸方向に向いている。つまり、メンブレン（質量体）１の重心のｚ軸座標が、ねじれバネ２Ｔ３およびバネ２Ｔ４のねじれ中心のｚ軸座標と同じ座標（高さ）に位置している。言い換えれば、他軸感度が優れている。このため、加速度センサＳ２がｘ軸方向から外力を受けても、メンブレン１は動かない。

なお、本実施の形態２による加速度センサＳ２では、導電層１ＤＬおよび導電層１ＨＬのそれぞれが、平面視で互いに重なる開口部を有しており、それらの開口部の内側を固定部３Ｔ１、３Ｔ２が通っている。ここで、図示はしていないが、導電層１ＨＬの開口部の方が導電層１ＤＬの開口部よりも面積が大きいため、バネ２Ｔ４は、ねじれバネ２Ｔ３よりｘ軸方向の幅を広く設定し、検出軸を正確にｚ軸方向と一致させている。

以上のことを別の言葉で表現すると以下になる。つまり、本実施の形態２による加速度センサＳ２は、上層および下層を含む積層構造を有し、複数の可動部を備えたメンブレンと、固定部と、前記固定部と前記メンブレンとを連結し、前記複数の可動部のそれぞれを検出方向に可動させるように捻れることが可能な複数の梁と、を備えた容量検出型加速度センサを有している。前記梁は、幅が厚さより小さく、かつ、長さが前記厚さより大きいねじれバネであり、前記複数の梁のうち、第１梁は、前記下層と同じ層で構成されており、第２梁は、前記上層と同じ層で構成されている。ここでは、メンブレン全体でばね定数を小さくすることが可能になるため、梁のｙ軸方向の長さを小さくすることができ、チップサイズを小型化できる。加えて、検出方向と直交するｘ軸方向の感度を向上することができる。言い換えれば、高感度であり、他軸感度が優れた加速度センサを低価格で提供することができる。

（実施の形態３）
本実施の形態３による加速度センサの構成について、前述の実施の形態２による加速度センサと異なる点を中心に、図１４〜図１６を参照しながら説明する。図１４および図１５は、本実施の形態３である加速度センサの平面図である。図１６は、本実施の形態３である加速度センサの断面図である。図１４は、本実施の形態３である加速度センサのメンブレン層の上面を示す平面図である。図１５は、本実施の形態３である加速度センサのメンブレン層の下面を示す平面図である。図１６は、図１５のＬ−Ｌ線における断面図である。

本実施の形態３による加速度センサＳ３は、前記実施の形態２による加速度センサＳ２と同様に、ベース層ＢＬ、メンブレン層ＭＬおよびキャップ層ＣＬの積層から構成されており、実装基板層ＳＬ上に実装されている（図２参照）。

図１４および図１５に示すように、メンブレン層ＭＬは、メンブレン（質量体）１（図２参照）、ねじれバネ２Ｔ３、バネ２Ｔ４、固定部３Ｔ１、３Ｔ２および側部３５で構成されている。前記実施の形態２による加速度センサＳ２と同様に、ねじれバネ２Ｔ３は、導電層１ＨＬで構成されており、バネ２Ｔ４は、導電層１ＤＬで構成されている。メンブレンは、導電層１ＤＬ、絶縁層１ＩＬおよび導電層１ＨＬで構成されている。ここでも、導電層１ＨＬは、導電層１ＤＬよりも厚い。

導電層１ＤＬは、可動部１ＬＴ１Ｄ、１ＲＴ１Ｄ、１ＬＴ２Ｄ、１ＲＴ２Ｄ、可動部１ＬＴ１Ｄと可動部１ＲＴ１Ｄとを機械的かつ電気的に接続する連結部１ＭＴＤ１、および、可動部１ＬＴ２Ｄと可動部１ＲＴ２Ｄとを機械的かつ電気的に接続する連結部１ＭＴＤ２により構成されている。

導電層１ＨＬは、可動部１ＬＴ１Ｈ、１ＲＴ１Ｈ、１ＬＴ２Ｈ、１ＲＴ２Ｈ、可動部１ＬＴ１Ｈと１ＲＴ１Ｈとを機械的かつ電気的に接続する連結部１ＭＴＨ１、および、可動部１ＬＴ２Ｈと可動部１ＲＴ２Ｈとを機械的かつ電気的に接続する連結部１ＭＴＨ２を有している。さらに導電層１ＨＬは、可動部（可動電極）１ＬＴ１Ｄと可動部（可動電極）１ＬＴ２Ｄとを電気的に絶縁し機械的に連結する機械的連結部１ＬＴ０Ｈ、および、可動部（可動電極）１ＲＴ１Ｄと可動部（可動電極）１ＲＴ２Ｄとを電気的に絶縁し機械的に連結する機械的連結部１ＲＴ０Ｈを有している。

導電層１ＤＬの構成物（可動部１ＬＴ１Ｄ、１ＲＴ１Ｄ、１ＬＴ２Ｄ、１ＲＴ２Ｄ、連結部１ＭＴＤ１、１ＭＴＤ２）および導電層１ＨＬの構成物（可動部１ＬＴ１Ｈ、１ＲＴ１Ｈ、１ＬＴ２Ｈ、１ＲＴ２Ｈ、連結部１ＭＴＨ１、１ＭＴＨ２、機械的連結部１ＬＴ０Ｈ、１ＲＴ０Ｈ）の全ては、１つのメンブレンとして機械的に一体化されている。つまり、それらの構成物は互いに固定されている。

可動部１ＬＴ１Ｄ、１ＲＴ１Ｄは、キャップ層ＣＬに形成された固定電極１２ＬＴ１、１２ＲＴ１と対になって可変容量の可動電極として機能する。可動部１ＬＴ１Ｈ、１ＲＴ１Ｈは、メンブレンの機械的強度を高くする補強物として機能する。

可動部１ＬＴ２Ｄ、１ＲＴ２Ｄは、キャップ層ＣＬに形成された固定電極１２ＬＴ２、１２ＲＴ２と対になって可変容量の可動電極として機能する。可動部１ＬＴ２Ｈ、１ＲＴ２Ｈは、メンブレンの機械的強度を高くする補強物として機能する。

可動部（可動電極）１ＬＴ１Ｄと可動部（可動電極）１ＲＴ１Ｄとは、それらの相互間の連結部１ＭＴＤ１で電気的に接続されている。また、可動部（可動電極）１ＬＴ２Ｄと可動部（可動電極）１ＲＴ２Ｄとは、それらの相互間の連結部１ＭＴＤ２で電気的に接続されている。一方、可動部（可動電極）１ＬＴ１Ｄ、１ＲＴ１Ｄと可動部（可動電極）１ＬＴ２Ｄ、１ＲＴ２Ｄとは、互いに分離され、電気的に絶縁されている。言い換えれば、可動部１ＬＴ１Ｄ、１ＲＴ１Ｄと可動部１ＬＴ２Ｄ、１ＲＴ２Ｄとは、直流電気的に分離している。つまり、可動部１ＬＴ１Ｄ、１ＲＴ１Ｄのそれぞれにより構成される容量素子と、可動部１ＬＴ２Ｄ、１ＲＴ２Ｄのそれぞれにより構成される容量素子とは、互いに接続されていてもよい。

本実施の形態３による加速度センサＳ３でも、ねじれバネ２Ｔ３、バネ２Ｔ４、固定部３Ｔ１および３Ｔ２を導電体で形成している。そのため、ねじれバネ２Ｔ３および固定部３Ｔ１は、可動部（可動電極）１ＬＴ１Ｄおよび可動部（可動電極）１ＲＴ１Ｄの電気的な引き出し線の機能を有している。また、バネ２Ｔ４および固定部３Ｔ２は、可動部（可動電極）１ＬＴ２Ｄおよび可動部（可動電極）１ＲＴ２Ｄの電気的な引き出し線の機能を有している。

図１６に示すように、導電層１ＤＬと導電層１ＨＬとは、それらの間の絶縁層１ＩＬにより機械的に接続されている。隣り合う可動部１ＲＴ２Ｈと機械的連結部１ＲＴ０Ｈとの間の領域、および、隣り合う可動部１ＲＴ１Ｈと機械的連結部１ＲＴ０Ｈとの間の領域のそれぞれの上で、絶縁層１ＩＬは除去されている。また、隣り合う可動部１ＲＴ１Ｄ、１ＲＴ２Ｄの相互間の領域の下で、絶縁層１ＩＬは除去されている。互いに離間する可動部１ＲＴ１Ｄ、１ＲＴ２Ｄのそれぞれは、それらの下に絶縁層１ＩＬを介して形成された機械的連結部１ＲＴ０Ｈにより、互いに固定されている。すなわち、本実施の形態のように、１つのメンブレンが互いに絶縁された可動電極を有する場合、互いに離間するそれらの可動電極をメンブレンに固定する支持層を要するため、メンブレンが積層構造を有している必要がある。

本実施の形態３による加速度センサＳ３でも、図１５に示すように、ねじれバネ２Ｔ３は導電層１ＨＬで構成され、図１４に示すように、バネ２Ｔ４は導電層１ＤＬで構成されている。そのため、加速度センサＳ１より小さいバネ定数の梁を実現できる。前記実施の形態２による加速度センサＳ２と同様に、前記実施の形態１による加速度センサＳ１よりもさらにチップサイズが小さくなり、製造コストが下がり、その結果、高感度な加速度センサを低価格で提供することができる。また、ねじれバネ２Ｔ３は導電層１ＨＬで構成され、バネ２Ｔ４は導電層１ＨＬで構成されているため、検出軸はｚ軸方向に向いている。言い換えれば、他軸感度が優れている。

本実施の形態３による加速度センサＳ３は、４つの可変容量（２組の独立な可変容量対）で構成されている。そのため、国際公開第２０１７／００９８８５号の実施の形態１の電気接続をすることにより、加速度センサの感度を２倍にすることができる。

（実施の形態４）
本実施の形態４による加速度センサの構成について、前述の実施の形態３による加速度センサと異なる点を中心に、図１７および図１８を参照しながら説明する。図１７および図１８は、本実施の形態４である加速度センサの平面図である。図１７は、本実施の形態４である加速度センサのメンブレン層の上面を示す平面図である。図１８は、本実施の形態４である加速度センサのメンブレン層の下面を示す平面図である。

本実施の形態４による加速度センサＳ４は、前記実施の形態３による加速度センサＳ３と同様に、ベース層ＢＬ、メンブレン層ＭＬおよびキャップ層ＣＬの積層から構成されており、実装基板層ＳＬ上に実装されている（図２参照）。

図１７および図１８に示すように、メンブレン層ＭＬは、メンブレン（質量体）１（図２参照）、ねじれバネ２Ｔ３、２Ｂ３、バネ２Ｔ４、２Ｂ４、固定部３Ｔ１、３Ｔ２、３Ｂ１、３Ｂ２および側部３５で構成されている。メンブレンは、導電層１ＤＬ、絶縁層１ＩＬおよび導電層１ＨＬで構成されている。前記実施の形態３による加速度センサＳ３と同様に、ねじれバネ２Ｔ３は導電層１ＨＬで構成されており、バネ２Ｔ４は導電層１ＤＬで構成されている。本実施の形態４による加速度センサＳ４のメンブレンは、前記実施の形態３による加速度センサＳ３のメンブレンを上下対称に２個並べた構造を成している。そのため、ねじれバネ２Ｂ３は導電層１ＨＬで構成されており、バネ２Ｂ４は導電層１ＤＬで構成されている。ここでも、導電層１ＨＬは、導電層１ＤＬよりも厚い。

導電層１ＤＬは、可動部１ＬＴ１Ｄ、１ＲＴ１Ｄ、１ＬＴ２Ｄ、１ＲＴ２Ｄ、１ＬＢ１Ｄ、１ＲＢ１Ｄ、１ＬＢ２Ｄおよび１ＲＢ２Ｄを有している。さらに、導電層１ＤＬは、可動部１ＬＴ１Ｄと１ＲＴ１Ｄとを機械的かつ電気的に接続する連結部１ＭＴＤ１、可動部１ＬＴ２Ｄと１ＲＴ２Ｄとを機械的かつ電気的に接続する連結部１ＭＴＤ２、可動部１ＬＢ１Ｄと１ＲＢ１Ｄとを機械的かつ電気的に接続する連結部１ＭＢＤ１、および、可動部１ＬＢ２Ｄと１ＲＢ２Ｄとを機械的かつ電気的に接続する連結部１ＭＢＤ２を有している。

導電層１ＨＬは、可動部１ＬＴ１Ｈ、１ＲＴ１Ｈ、１ＬＴ２Ｈ、１ＲＴ２Ｈ、１ＬＢ１Ｈ、１ＲＢ１Ｈ、１ＬＢ２Ｈおよび１ＲＢ２Ｈを有している。また、導電層１ＨＬは、可動部１ＬＴ１Ｈと１ＲＴ１Ｈとを機械的かつ電気的に接続する連結部１ＭＴＨ１、可動部１ＬＴ２Ｈと１ＲＴ２Ｈとを機械的かつ電気的に接続する連結部１ＭＴＨ２、可動部１ＬＢ１Ｈと１ＲＢ１Ｈとを機械的かつ電気的に接続する連結部１ＭＢＨ１、および、可動部１ＬＢ２Ｈと１ＲＢ２Ｈとを機械的かつ電気的に接続する連結部１ＭＢＨ２を有している。加えて、導電層１ＨＬは、可動部（可動電極）１ＬＴ１Ｄと可動部（可動電極）１ＬＴ２Ｄとを電気的に絶縁し機械的に連結する機械的連結部１ＬＴ０Ｈ、および、可動部（可動電極）１ＲＴ１Ｄと可動部（可動電極）１ＲＴ２Ｄとを電気的に絶縁し機械的に連結する機械的連結部１ＲＴ０Ｈを有している。さらに、導電層１ＨＬは、可動部（可動電極）１ＬＢ１Ｄと可動部（可動電極）１ＬＢ２Ｄとを電気的に絶縁し機械的に連結する機械的連結部１ＬＢ０Ｈ、および、可動部（可動電極）１ＲＢ１Ｄと可動部（可動電極）１ＲＢ２Ｄとを電気的に絶縁し機械的に連結する機械的連結部１ＲＢ０Ｈを有している。さらに、導電層１ＨＬは、図１８の上下に示す２つのメンブレンを電気的に絶縁し機械的に連結する機械的連結部１ＭＬＲ０Ｈを有している。

導電層１ＤＬの構成物（可動部１ＬＴ１Ｄ、１ＲＴ１Ｄ、１ＬＴ２Ｄ、１ＲＴ２Ｄ、１ＬＢ１Ｄ、１ＲＢ１Ｄ、１ＬＢ２Ｄ、１ＲＢ２Ｄ、連結部１ＭＴＤ１、１ＭＴＤ２、１ＭＢＤ１、１ＭＢＤ２）および導電層１ＨＬの構成物（可動部１ＬＴ１Ｈ、１ＲＴ１Ｈ、１ＬＴ２Ｈ、１ＲＴ２Ｈ、１ＬＢ１Ｈ、１ＲＢ１Ｈ、１ＬＢ２Ｈ、１ＲＢ２Ｈ、連結部１ＭＴＨ１、１ＭＴＨ２、１ＭＢＨ１、１ＭＢＨ２、機械的連結部１ＬＴ０Ｈ、１ＲＴ０Ｈ、１ＬＢ０Ｈ、１ＲＢ０Ｈ、１ＬＲＭ０Ｈ）は、全て機械的に一体化されている。

可動部１ＬＴ１Ｄ、１ＲＴ１Ｄと、可動部１ＬＴ２Ｄ、１ＲＴ２Ｄと、可動部１ＬＢ１Ｄ、１ＲＢ１Ｄと、可動部１ＬＢ２Ｄ、１ＲＢ２Ｄとは、互いに離間しており、互いに絶縁されている。つまり、可動部１ＬＴ１Ｄ、１ＲＴ１Ｄと、可動部１ＬＴ２Ｄ、１ＲＴ２Ｄと、可動部１ＬＢ１Ｄ、１ＲＢ１Ｄと、可動部１ＬＢ２Ｄ、１ＲＢ２Ｄとは、互いに直流電気的に分離している。

可動部１ＬＴ１Ｄ、１ＲＴ１Ｄは、キャップ層ＣＬ（図２参照）に形成された固定電極１２ＬＴ１、１２ＲＴ１と対になって可変容量の可動電極として機能する。可動部１ＬＴ２Ｄ、１ＲＴ２Ｄは、キャップ層ＣＬに形成された固定電極１２ＬＴ２、１２ＲＴ２と対になって可変容量の可動電極として機能する。可動部１ＬＴ１Ｈ、１ＲＴ１Ｈ、１ＬＴ２Ｈおよび１ＲＴ２Ｈは、メンブレンの機械的強度を高くする補強物として機能する。

可動部１ＬＢ１Ｄ、１ＲＢ１Ｄは、キャップ層ＣＬに形成された固定電極１２ＬＢ１、１２ＲＢ１と対になって可変容量の可動電極として機能する。可動部１ＬＢ２Ｄ、１ＲＢ２Ｄは、キャップ層ＣＬに形成された固定電極１２ＬＢ２、１２ＲＢ２と対になって可変容量の可動電極として機能する。可動部１ＬＢ１Ｈ、１ＲＢ１Ｈ、１ＬＢ２Ｈおよび１ＲＢ２Ｈは、メンブレンの機械的強度を高くする補強物として機能する。

本実施の形態４による加速度センサＳ４でも、ねじれバネ２Ｔ３、２Ｂ３、バネ２Ｔ４、２Ｂ４、固定部３Ｔ１、３Ｔ２、３Ｂ１および３Ｂ２を導電体で構成している。そのため、ねじれバネ２Ｔ３および固定部３Ｔ１は、可動部（可動電極）１ＬＴ１Ｄおよび可動部（可動電極）１ＲＴ１Ｄの電気的な引き出し線の機能を有している。また、バネ２Ｔ４および固定部３Ｔ２は、可動部（可動電極）１ＬＴ２Ｄおよび可動部（可動電極）１ＲＴ２Ｄの電気的な引き出し線の機能を有している。同様に、ねじれバネ２Ｂ３および固定部３Ｂ１は、可動部（可動電極）１ＬＢ１Ｄおよび可動部（可動電極）１ＲＢ１Ｄの電気的な引き出し線の機能を有している。また、バネ２Ｂ４および固定部３Ｂ２は、可動部（可動電極）１ＬＢ２Ｄおよび可動部（可動電極）１ＲＢ２Ｄの電気的な引き出し線の機能を有している。

本実施の形態４による加速度センサＳ４では、４つのバネ（梁）のうち２つのバネは導電層１ＨＬにより構成され、他の２つのバネは導電層１ＤＬにより構成されている。このため、前記実施の形態２による加速度センサＳ２と同様に、検出軸はｚ軸方向に向いている。言い換えれば、他軸感度が優れている。また、前記実施の形態３による加速度センサＳ３とは異なり、導電層１ＤＬから成るバネと導電層１ＨＬから成るバネとがｙ軸方向に対称であるため、ｙ軸方向の他軸感度も優れている。言い換えれば、導電層１ＤＬから成るバネと導電層１ＨＬから成るバネとは、ｘ軸を軸として線対称に配置されている。

つまり、積層構造を有するメンブレンの下層と同じ層により構成される第１梁と第４梁が、メンブレンの上層と同じ層により構成される第２梁と第３梁に対し、平面視で外側に配置されている。逆に、メンブレンの上層と同じ層により構成される第２梁と第３梁が、メンブレンの下層と同じ層により構成される第１梁と第４梁に対し、平面視で外側に配置されていても、ｙ軸方向の他軸感度が優れた加速度センサを実現できる。

ねじれバネは、ｘｙ面内におけるメンブレンの中心から離れた場所に配置することで、ｙ軸を回転軸とするねじれ運動以外の回転運動および並進運動を抑圧する機能が強くなる。本実施の形態４による加速度センサＳ４では、導電層１ＨＬを導電層１ＤＬより厚くし、そして外側のねじれバネ２Ｔ３、２Ｂ３は導電層１ＨＬで構成されている。そのため、加速度センサＳ４は、ｙ軸を回転軸とするねじれ運動以外の回転運動および並進運動を抑制することができる。

本実施の形態のように、メンブレンの上面において互いに電気的に分離された電極を４つ有している場合、電気的な引き出し線として機能する梁（バネ）を４つ設ける必要がある。梁の数が増大すると、メンブレン全体でのばね定数が高くなるため、各梁のばね定数の低減することが必要となる。ばね定数の低減を目的として梁をｙ軸方向に延長した場合、梁の数が多いことでチップサイズの増大も顕著となる。

本実施の形態では、各梁を導電層１ＨＬまたは導電層１ＤＬにより構成することで、各梁の長さを短く保ったままばね定数を低減することができる。ここでは、小さいチップに梁を４つ形成することができ、加速度センサＳ４のメンブレンを８つの可変容量（４組の独立な可変容量対）で構成することができる。すなわち、前記実施の形態３による加速度センサＳ３に比べ、電気接続の数を２倍にすることができるため、加速度センサＳ４の感度を４倍にすることができる。

以上のことを別の言葉で表現すると以下になる。つまり、上層および下層を含む積層構造を有し、複数の可動部を備えたメンブレンと、固定部と、前記固定部と前記メンブレンとを連結し、前記複数の可動部のそれぞれを検出方向に可動させるように捻れることが可能な複数の梁と、を備えた容量検出型加速度センサを有している。前記梁は、幅が厚さより小さく、かつ、長さが前記厚さより大きいねじれバネであり、前記複数の梁のうち、前記第１梁および第４梁は、前記下層と同じ層で構成されており、前記第２梁および第３梁は、前記上層と同じ層で構成されている。ここでは、メンブレン全体でばね定数を小さくすることが可能になるため、各梁のｙ軸方向の長さを小さくすることができ、チップサイズを大きくすることなく独立した容量対を３組以上形成でき、さらに感度を向上させることができる。加えて、検出方向と直交するｘ軸方向の感度の向上とｙ軸方向の感度の向上も可能になる。言い換えれば、高感度であり、他軸感度が優れた加速度センサを低価格で提供することができる。

本実施の形態４による加速度センサＳ４は、８つの可変容量（４組の独立な可変容量対）で構成されている。そのため、可変容量を直流電圧印加用サーボ容量素子、交流電圧印加用サーボ容量素子として用い、国際公開第２０１７／００９８８５号の実施の形態８の電気接続をすることにより、低ノイズで高感度な加速度センサを実現することができる。

サーボ容量素子はクローズドループ制御用動作部とも呼ばれる素子であり、前記実施の形態１〜３で説明した容量素子と同様にメンブレン上に離間して配置された固定電極と、メンブレンを構成する上層の可動電極とを有している。この場合、メンブレンを構成する上層の可動電極はサーボ電極と呼ばれる。サーボ電極は、メンブレンの揺れを抑えるために電圧が印加される電極である。サーボ容量素子では、サーボ電極に印加される当該電圧を計測することで振動加速度を検出することができる。サーボ容量素子ではメンブレンの振動を抑えることができるため、メンブレンが固定部（支柱）または容器（外枠）などにぶつかることを防ぐことができ、大きな振動が起こる場合にも加速度の測定を行うことができる。

本実施の形態では、例えば、可動部１ＬＴ１Ｄ、１ＲＴ１Ｄ、１ＬＢ１Ｄおよび１ＲＢ１Ｄのそれぞれにより構成される容量素子、つまり図１７に示すメンブレンのｙ軸方向の両端部に位置する４つの容量素子を、振動検出用の容量素子として使用することが考えられる。その場合、可動部１ＬＴ２Ｄ、１ＲＴ２Ｄ、１ＬＢ２Ｄおよび１ＲＢ２Ｄのそれぞれにより構成される容量素子、つまり図１７に示すメンブレンのｙ軸方向の中心側に位置する４つの容量素子を、サーボ容量素子として使用する。このとき、サーボ容量素子の電極である可動部１ＬＴ２Ｄ、１ＲＴ２Ｄ、１ＬＢ２Ｄおよび１ＲＢ２Ｄは、互いに電気的に接続されていてもよい。つまり、可動部１ＬＴ２Ｄ、１ＲＴ２Ｄと可動部１ＬＢ２Ｄ、１ＲＢ２Ｄとは、互いに一体となっていてもよい。

以上、本発明者らによってなされた発明を実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることはいうまでもない。

例えば、実施の形態１の変形例（図９参照）のように、実施の形態２〜４のメンブレンの上層の導電層１ＨＬから成る左右の可動電極のそれぞれの幅を揃えてもよい。

１ メンブレン
１ＤＬ、１ＨＬ 導電層
１ＩＬ 絶縁層
２Ｂ３、２Ｔ１、２Ｔ２、２Ｔ３ ねじれバネ
２Ｂ４、２Ｔ４ バネ
３Ｔ１、３Ｔ２、３Ｂ１、３Ｂ２ 固定部
１２Ｌ、１２Ｒ 固定電極
１３ 空洞

Claims (9)

1. 上層および下層を含む積層構造を有し、複数の可動部を備えたメンブレンと、
   固定部と、
   前記固定部と前記メンブレンとを連結し、前記複数の可動部のそれぞれを検出方向に可動させるように捻れることが可能な複数の梁と、
   を備えた容量検出型加速度センサを有し、
   前記梁は、幅が厚さより小さく、かつ、長さが前記厚さより大きいねじれバネであり、前記複数の梁のうち、第１梁は、前記上層または前記下層の一方と同じ層で構成されており、第２梁は、前記上層または前記下層の一方と同じ層で構成されている、加速度センサ。
2. 請求項１記載の加速度センサにおいて、
   前記第１梁は、前記下層と同じ層で構成されており、前記第２梁は、前記上層と同じ層で構成されている、加速度センサ。
3. 請求項１記載の加速度センサにおいて、
   前記複数の可動部は、互いに電気的に分離され、絶縁されている、加速度センサ。
4. 請求項３記載の加速度センサにおいて、
   前記複数の梁のうち、前記第１梁および第４梁は、前記下層と同じ層で構成されており、前記第２梁および第３梁は、前記上層と同じ層で構成されている、加速度センサ。
5. 請求項４記載の加速度センサにおいて、
   前記下層が前記上層より厚く、平面視で、前記第１梁および前記第４梁が、前記第２梁および前記第３梁より外側に配置されている、加速度センサ。
6. 請求項１記載の加速度センサにおいて、
   前記複数の梁は、平面視で第１方向に並んで配置されており、
   平面視で前記第１方向に直交する第２方向に並び、前記複数の梁を挟んで配置された２つの前記可動部の前記上層から成る第１電極および第２電極のそれぞれは、別々の可変容量素子を構成している、加速度センサ。
7. 請求項６記載の加速度センサにおいて、
   前記第１電極の前記第２方向の幅が、前記第１電極の直下の前記下層の前記第２方向の幅よりも小さい、加速度センサ。
8. 請求項１記載の加速度センサにおいて、
   前記上層と前記下層との間には、絶縁層が介在している、加速度センサ。
9. 請求項１記載の加速度センサにおいて、
   前記下層が前記上層より厚く、前記第１梁および前記第２梁は、いずれも前記下層で構成されている、加速度センサ。

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