JP2021173536A - 慣性センサー、電子機器、及び移動体 - Google Patents

慣性センサー、電子機器、及び移動体 Download PDF

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Abstract

【課題】可動体と突起との接触を感知できる慣性センサー、電子機器、及び移動体を提供する。【解決手段】慣性センサー１は、基板と、基板に配置される固定電極と、固定電極に対して変位可能で、第１部分と、固定電極に対向する第２部分と、に電極を有する可動体を含む素子部と、可動体の変位量を規制し、可動体の第１部分に対向する部分に検知電極を有する突起と、素子部に駆動信号を出力する駆動回路６８と、可動体の第１部分の電極と突起の検知電極との接触により検知信号を出力する接触検知回路８０と、接触検知回路から検知信号を受信すると、素子部にテスト信号を出力する自己診断回路８１と、素子部がテスト信号を受けて出力する信号のレベルが閾値を超えたかどうかを判定する判定回路８３と、を備える。【選択図】図４

Description

本発明は、慣性センサー、電子機器、及び移動体に関する。
近年、シリコンＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical System）技術で製造した加速度センサー素子や角速度センサー素子を備えた物理量センサーが開発されている。
例えば、特許文献１に、ロッカーレバー原理に従って構成され、鉛直方向に加わる加速度に伴って変化する静電容量から加速度を検出する物理量センサーが開示されている。この物理量センサーは、支持基板上に設けられた第１固定電極及び第２固定電極と、シリコン基板で形成されるねじれ梁の中心線に対して対称配置された可動電極となる可動体と、を有し、可動体の一方の側が第１固定電極に、その他方の側が第２固定電極に対向配置されている。また、可動体の端部が支持基板と接触することを防ぐために、可動体側に突出した突起が支持基板に設けられている。つまり、突起が可動体の変位を規制し、可動体と支持基板との接触を抑制している。
特開２０１９−４５１７２号公報
しかしながら、特許文献１に記載の物理量センサーは、過大な加速度が加わった際に、可動体の変位を規制するために可動体と突起とが接触することで、可動体が破損する虞があるが、可動体の状況を判定する機構がないことが課題であった。
慣性センサーは、基板と、前記基板に配置される固定電極と、前記固定電極に対して変位可能で、第１部分と、前記固定電極に対向する第２部分と、に電極を有する可動体を含む素子部と、前記可動体の変位量を規制し、前記可動体の前記第１部分に対向する部分に検知電極を有する突起と、前記素子部に駆動信号を出力する駆動回路と、前記可動体の前記第１部分の前記電極と前記突起の前記検知電極との接触により検知信号を出力する接触検知回路と、前記接触検知回路から前記検知信号を受信すると、前記素子部にテスト信号を出力する自己診断回路と、前記素子部が前記テスト信号を受けて出力する信号のレベルが閾値を超えたかどうかを判定する判定回路と、を備える。
慣性センサーは、基板と、前記基板に配置される固定電極及び検知電極と、前記固定電極に対して変位可能で、前記固定電極に対向する部分に電極を有する可動体と、前記可動体の変位量を規制し、前記検知電極に対向する部分に電極を有する突起と、を含む素子部と、前記素子部に駆動信号を出力する駆動回路と、前記突起の前記電極と前記固定電極との接触により検知信号を出力する接触検知回路と、前記接触検知回路から前記検知信号を受信すると、前記素子部にテスト信号を出力する自己診断回路と、前記素子部が前記テスト信号を受けて出力する信号のレベルが閾値を超えたかどうかを判定する判定回路と、を備える。
電子機器は、上記の慣性センサーを備えている。
移動体は、上記の慣性センサーを備えている。
第１実施形態に係る慣性センサーの構成を示す概略斜視図。 加速度センサー素子の構成を示す概略平面図。 図２のＡ−Ａ線での概略断面図。 慣性センサーの概略構成を示すブロック図。 駆動信号の波形を示す図。 テスト信号の波形を示す図。 駆動が正常な場合と異常な場合の出力レベルを示す図。 第２実施形態に係る慣性センサーの構成を示す概略断面図。 第３実施形態に係る慣性センサーの構成を示す概略平面図。 図９のＢ−Ｂ線での概略断面図。 第４実施形態に係る慣性センサーの構成を示す概略平面図。 図１１のＣ−Ｃ線での概略断面図。 第５実施形態に係る慣性センサーを備える電子機器としてのスマートフォンの構成を示す概略斜視図。 第６実施形態に係る慣性センサーを備える移動体としての自動車の構成を示す概略斜視図。
１．第１実施形態
先ず、第１実施形態に係る慣性センサー１について、図１〜図７を参照して説明する。なお、図２では、分かり易くするために、蓋体５０の図示を省略している。また、図１〜図３では、説明の便宜上、配線や端子など省略してあり、分かり易くするために、各構成要素の寸法比率は実際と異なる。また、図１〜図３及び以降の図８〜図１２中のＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸は、互いに直交する座標軸であり、Ｘ軸に沿う方向を「Ｘ方向」、Ｙ軸に沿う方向を「Ｙ方向」、Ｚ軸に沿う方向を「Ｚ方向」とし、矢印の方向がプラス方向である。また、Ｚ方向のプラス方向を「上」又は「上方」、Ｚ方向のマイナス方向を「下」又は「下方」として説明する。
図１〜図４に示す慣性センサー１は、Ｚ軸の加速度を検知することのできる加速度センサーとして利用可能であり、素子の異常を検出することができる。このような慣性センサー１は、パッケージ２と、パッケージ２内に収容された加速度センサー素子１０及びＩＣ（Integrated Circuit）６０と、を有している。
パッケージ２は、ベース部３と、蓋部４と、ベース部３と蓋部４とを接合する封止部材５と、を有する。ベース部３には、上方に開口する凹部６が設けられ、ベース部３の上方に封止部材５が配置されている。
凹部６には、加速度センサー素子１０と、加速度センサー素子１０上に積層され、接着剤等で接着されているＩＣ６０と、が配置され、凹部６の内底面にＩＣ６０が積層された加速度センサー素子１０のＩＣ６０が積層された面とは反対側の面が接着剤等を介して接着固定されている。また、凹部６の内部は、ベース部３の上方に配置された封止部材５により蓋部４を接合することによって、気密に封止されている。
加速度センサー素子１０は、ボンディングワイヤー７によりＩＣ６０と電気的に接続されている。また、ＩＣ６０は、ボンディングワイヤー８によりパッケージ２内に設けられた図示しない電極パットと電気的に接続されている。これにより、加速度センサー素子１０が検出した信号をＩＣ６０の物理量検出回路により加速度信号として出力することができ、ＩＣ６０の異常検出回路により加速度センサー素子１０の破損等による異常を検出することができる。
加速度センサー素子１０は、Ｚ方向の加速度を検出することができる。このような加速度センサー素子１０は、基板２０と、基板２０上に配置された素子部３０と、基板２０に接合され、素子部３０を覆う蓋体５０と、を有する。
基板２０は、図２に示すように、Ｘ方向及びＹ方向に広がりを有し、Ｚ方向を厚さとする。また、基板２０は、図３に示すように、上面側に開口する凹部２１が形成されている。この凹部２１は、Ｚ方向からの平面視で、素子部３０を内側に内包し、素子部３０よりも大きく形成されている。凹部２１は、素子部３０と基板２０との接触を抑制する逃げ部として機能する。また、基板２０は、凹部２１の底面から素子部３０側に突出している固定部２２と突起２３とを有し、凹部２１の底面に、Ｚ方向からの平面視で、素子部３０と重なっている第１固定電極２４、第２固定電極２５、及びダミー電極２６が配置されている。そして、固定部２２の上面に素子部３０が接合されている。また、突起２３は、Ｚ方向からの平面視で、後述する素子部３０の第１質量部３５及び第２質量部３６と重なる位置に配置されている。
また、基板２０には、凹部２１が形成されていない蓋体５０側の上面である端子配置部２８に、素子部３０、第１固定電極２４、第２固定電極２５、ダミー電極２６、及び後述する突起２３に形成された検知電極２７とそれぞれ電気的に接続する図示しない端子が設けられる。
突起２３は、可動体３１に過度なシーソー揺動が生じた際に可動体３１と接触することにより、可動体３１のそれ以上のシーソー揺動による変位量を規制するストッパーとして機能する。また、突起２３の素子部３０と対向する面には、検知電極２７が設けられている。このような突起２３を設けることにより、可動体３１に過度なシーソー揺動が生じた際に、検知電極２７と可動体３１とが接触することで、突起２３と可動体３１とが接触したことを検知するスイッチとして機能する。
基板２０としては、例えば、Ｎａ+等の可動イオンであるアルカリ金属イオンを含むガラス材料、例えば、パイレックス（登録商標）ガラス、テンパックス（登録商標）ガラスのような硼珪酸ガラスで構成されたガラス基板を用いることができる。ただし、基板２０としては、特に限定されず、例えば、シリコン基板やセラミックス基板を用いてもよい。
蓋体５０は、図３に示すように、下面側に開口する凹部５１が形成されている。蓋体５０は、凹部５１内に素子部３０を収納して基板２０の上面に接合されている。そして、蓋体５０及び基板２０によって、その内側に、素子部３０を収納する収納空間Ｓが形成されている。収納空間Ｓは、気密空間であり、窒素、ヘリウム、アルゴン等の不活性ガスが封入され、使用温度が−４０℃〜１２５℃程度で、ほぼ大気圧となっていることが好ましい。ただし、収納空間Ｓの雰囲気は、特に限定されず、例えば、減圧状態であってもよいし、加圧状態であってもよい。
蓋体５０としては、例えば、シリコン基板を用いることができる。ただし、これに特に限定されず、例えば、ガラス基板やセラミックス基板を用いてもよい。また、基板２０と蓋体５０との接合方法としては、特に限定されず、基板２０や蓋体５０の材料によって適宜選択すればよく、例えば、陽極接合、プラズマ照射によって活性化させた接合面同士を接合させる活性化接合、ガラスフリット等の接合材による接合、基板２０の上面及び蓋体５０の下面に成膜した金属膜同士を接合する拡散接合等を用いることができる。
素子部３０は、例えば、リン（Ｐ）、ボロン（Ｂ）、砒素（Ａｓ）等の不純物がドープされた導電性のシリコン基板をエッチング、特に、深溝エッチング技術であるボッシュ・プロセスによってパターニングすることにより形成される。なお、素子部３０の構成材料としては、シリコン基板に限定されず、例えば、ガラス基板やセラミックス基板を用いてもよい。しかし、非導電性であるガラス基板やセラミックス基板を用いる場合には、基板２０側の面の突起２３と対向する第１部分４２と、第１固定電極２４及び第２固定電極２５と対向する第２部分４３と、に電極を形成する必要がある。本実施形態では、素子部３０が導電性のシリコン基板であるため、第１部分４２と第２部分４３とが電極に相当するので、電極を形成する必要がない。
素子部３０は、図２に示すように、固定部２２の上面に接合されている保持部３２と、第１固定電極２４及び第２固定電極２５に対して変位可能な可動体３１と、可動体３１を保持部３２に対してＹ軸に沿う揺動軸としての回転軸Ｊ１まわりに変位可能とする第２支持梁３４と、第２支持梁３４と保持部３２とを接続する第１支持梁３３と、を有する。固定部２２と保持部３２とは、例えば、陽極接合されており、第１支持梁３３及び第２支持梁３４は、保持部３２を介して、可動体３１と固定部２２とを接続していることとなる。
可動体３１は、Ｚ方向からの平面視で、Ｘ方向を長手方向とする長方形形状となっている。また、可動体３１は、Ｚ方向からの平面視で、Ｙ軸に沿う回転軸Ｊ１を間に挟んで配置された第１質量部３５及び第２質量部３６と、第２質量部３６に接続されている第３質量部３７と、を有する。第１質量部３５は、回転軸Ｊ１に対してプラスＸ方向側に位置し、第２質量部３６及び第３質量部３７は、回転軸Ｊ１に対してマイナスＸ方向側に位置する。また、回転軸Ｊ１に対してマイナスＸ方向側に位置する第２質量部３６及び第３質量部３７のＸ方向の長さは、第１質量部３５よりも長く、Ｚ方向の加速度が加わったときの回転軸Ｊ１まわりの回転モーメントが回転軸Ｊ１に対してプラスＸ方向側に位置する第１質量部３５よりも大きい。
この回転モーメントの差によって、Ｚ方向の加速度が加わった際に可動体３１が回転軸Ｊ１まわりにシーソー揺動する。なお、シーソー揺動とは、第１質量部３５がプラスＺ方向に変位すると、第２質量部３６がマイナスＺ方向に変位し、反対に、第１質量部３５がマイナスＺ方向に変位すると、第２質量部３６がプラスＺ方向に変位することを意味する。
また、可動体３１は、第１質量部３５と第２質量部３６とが連結部３８によって連結され、第１質量部３５と第２質量部３６との間に位置する開口部４０を有する。そして、開口部４０内に保持部３２、第１支持梁３３、及び第２支持梁３４が配置されている。このように、可動体３１の内側に保持部３２、第１支持梁３３、及び第２支持梁３４を配置することにより、素子部３０の小型化を図ることができる。また、可動体３１は、その全域に均一に形成されている複数の貫通孔を有する。これにより、粘性によるダンピングを低減することができる。ただし、貫通孔は、省略してもよいし、その配置が均一でなくてもよい。
また、可動体３１は、Ｙ方向に並んだ連結部３８と保持部３２とが、第１支持梁３３及びＹ方向に延在する第２支持梁３４を介して接続されている。そのため、第２支持梁３４を回転軸Ｊ１として、可動体３１を回転軸Ｊ１まわりにシーソー揺動で変位させることができる。
次に、凹部２１の底面に配置された第１固定電極２４、第２固定電極２５、及びダミー電極２６について説明する。
図２及び図３に示すように、Ｚ方向からの平面視で、第１固定電極２４は、第１質量部３５と重なって配置され、第２固定電極２５は、第２質量部３６と重なって配置されている。これら第１固定電極２４及び第２固定電極２５は、Ｚ方向の加速度が加わっていない自然状態で後述する静電容量Ｃａ，Ｃｂが等しくなるように、Ｚ方向からの平面視で、回転軸Ｊ１に対して略対称に設けられている。
また、ダミー電極２６は、第２固定電極２５よりもマイナスＸ方向側に位置し、第３質量部３７と重なって設けられている。このように、凹部２１の底面をダミー電極２６で覆うことにより、基板２０中のアルカリ金属イオンの移動に伴う凹部２１の底面の帯電を抑制することができる。そのため、凹部２１の底面と第２質量部３６との間に可動体３１の誤作動に繋がるような意図しない静電引力が生じることを効果的に抑制することができる。そのため、Ｚ方向の加速度をより精度よく検出することのできる加速度センサー素子１０となる。
図示しないが、加速度センサー素子１０の駆動時には、図示しない配線を介して素子部３０に駆動電圧が印加され、第１固定電極２４とＱＶアンプとが、第２固定電極２５と別のＱＶアンプとが、それぞれ図示しない配線により接続される。これにより、第１質量部３５と第１固定電極２４との間に静電容量Ｃａが形成され、第２質量部３６と第２固定電極２５との間に静電容量Ｃｂが形成される。Ｚ方向の加速度が加わっていない自然状態では静電容量Ｃａ，Ｃｂが互いにほぼ等しい。
加速度センサー素子１０にＺ方向の加速度が加わると、可動体３１が回転軸Ｊ１を中心にしてシーソー揺動する。この可動体３１のシーソー揺動により、第１質量部３５と第１固定電極２４とのギャップと、第２質量部３６と第２固定電極２５とのギャップと、が逆相で変化し、これに応じて静電容量Ｃａ，Ｃｂが互いに逆相で変化する。そのため、加速度センサー素子１０は、静電容量Ｃａ，Ｃｂの変化に基づいてＺ方向の加速度を検出することができる。
次に、ＩＣ６０の構成と動作について説明する。
ＩＣ６０は、加速度等を検出する物理量検出回路と、可動体３１と突起２３との接触による異常を検出する異常検出回路と、を有する。
ＩＣ６０の物理量検出回路は、図４に示すように、Ｑ／Ｖアンプ（ＱＶＡ）６２、プログラマブルゲインアンプ（ＰＧＡ）６３、Ａ／Ｄ変換回路（ＡＤＣ）６４、デジタルフィルター６５、記憶部６６、インターフェイス回路６７、及び駆動回路６８を含んで構成されている。
駆動回路６８は、クロック信号に基づいて、図５に示す駆動信号を加速度センサー素子１０の素子部３０に印加する。その後、加速度センサー素子１０が検出した検出信号は、端子を介してＱ／Ｖアンプ６２に入力される。
Ｑ／Ｖアンプ６２は、加速度センサー素子１０から出力される電荷の差動信号対を電圧の差動信号対に変換して出力する。
プログラマブルゲインアンプ６３は、Ｑ／Ｖアンプ６２から出力される差動信号対、言い換えると差動の電圧信号が入力され、当該差動信号を増幅した差動信号対を出力する。
Ａ／Ｄ変換回路６４は、プログラマブルゲインアンプ６３から出力される差動信号対の電圧信号であるアナログ信号をデジタル信号に変換する。
デジタルフィルター６５は、クロック信号に基づいて、Ａ／Ｄ変換回路６４から出力されるデジタル信号に対してフィルタリング処理を行う。Ａ／Ｄ変換回路６４から出力されるデジタル信号には、Ａ／Ｄ変換回路６４のＡ／Ｄ変換処理により発生した高周波ノイズが重畳されているため、デジタルフィルター６５は、この高周波ノイズを低減させるローパスフィルターとして機能する。このデジタルフィルター６５から出力されるデジタル信号には、Ｚ軸加速度の大きさ及び向きに応じたデジタル値を有するＺ軸加速度信号が時分割に含まれている。従って、Ｑ／Ｖアンプ６２、プログラマブルゲインアンプ６３、Ａ／Ｄ変換回路６４、及びデジタルフィルター６５からなる回路は、Ｚ軸に対する加速度を検出する加速度センサー素子１０から出力される差動信号対に基づいて、Ｚ軸に対して検出された加速度の大きさに応じた加速度信号を生成する物理量信号生成回路となる加速度信号生成回路として機能する。
記憶部６６は、レジスター及び不揮発性メモリーを有している。不揮発性メモリーには、物理量検出回路に含まれる各回路に対する各種のデータ、例えば、プログラマブルゲインアンプ６３の利得調整データ、デジタルフィルター６５のフィルター係数等の各種の情報が記憶されている。不揮発性メモリーは、例えば、ＭＯＮＯＳ（Metal Oxide Nitride Oxide Silicon）型メモリーやＥＥＰＲＯＭ（Electrically Erasable Programmable Read Only Memory）として構成することができる。物理量検出回路の電源投入時に、不揮発性メモリーに記憶されている各種のデータがレジスターに転送されて保持され、レジスターに保持された各種のデータが各回路に供給される。
また、レジスターには、デジタルフィルター６５から出力される加速度信号が、ｎビットの加速度データとして記憶される。
インターフェイス回路６７は、上述したＺ軸に対して検出された加速度の大きさに応じたＺ軸加速度信号をデジタル信号としてシリアル通信用配線パターンを介して出力し、また、慣性センサー１の図示しない外部装置とシリアル通信用配線パターンを介して通信するための回路である。当該外部装置は、インターフェイス回路６７を介して、記憶部６６に対するデータの書き込みや読み出しを行うことができる。インターフェイス回路６７は、例えば、３端子や４端子のＳＰＩ（Serial Peripheral Interface）インターフェイス回路であってもよいし、２端子のＩ２Ｃ（Inter Integrated Circuit）インターフェイス回路であってもよい。例えば、外部装置は、記憶部６６のレジスターに記憶されている加速度データとフラグ情報とを読み出し、加速度データを使用して各種の処理を行うことができる。
次に、ＩＣ６０の異常検出回路は、図４に示すように、接触検知回路８０、自己診断回路８１、テストモード切替スイッチ８２、及び判定回路８３を含んで構成されている。
スイッチＳ１、Ｓ２は、加速度センサー素子１０の可動体３１と突起２３に設けられた検知電極２７とで構成され、可動体３１と検知電極２７とが接触することで導通する。接触検知回路８０は、スイッチＳ１又はスイッチＳ２が導通して伝わる駆動信号を検知した場合、検知信号を出力する。
なお、駆動回路６８は、接触検知回路８０から検知信号を受信した場合、駆動信号の出力を停止する。
自己診断回路８１は、接触検知回路８０から検知信号を受信すると、加速度センサー素子１０の素子部３０にテスト信号を出力する。なお、テスト信号は、駆動周波数や可動体３１が破損した場合の共振周波数に対応するために複数の周波数からなり、所謂、図６に示すチャープ信号である。
また、自己診断回路８１は、接触検知回路８０が駆動信号を検知してから所定時間、例えば１〜２秒間、テスト信号の出力を保留することで、可動体３１の破損等を正確に判定することができる。
テストモード切替スイッチ８２は、接触検知回路８０から検知信号を受信すると、テスト信号が印加されて素子部３０から出力された信号を判定回路８３に入力する。なお、テストモード切替スイッチ８２は、接触検知回路８０から検知信号を受信しない場合、つまり、可動体３１と検知電極２７とが接触しない場合には、正常駆動しているものとし、デジタルフィルター６５から出力される加速度信号を記憶部６６に記憶する。
判定回路８３は、素子部３０がテスト信号を受けて出力する信号のレベルが閾値を超えたかどうかを判定する。具体的には、テスト信号が印加されてデジタルフィルター６５から出力する信号は、時系列のデータであるため、判定回路８３において、高速フーリエ変換（Fast Fourier Transform）して周波数に変換した後に、記憶部６６に記憶されている出力特性の閾値の下限値Ｇ１及び上限値Ｇ２と変換した周波数とを比較する。図７に示すように、駆動が正常な出力レベルＲ１は、破線で示す閾値の下限値Ｇ１及び上限値Ｇ２の範囲内に収まっているが、可動体３１が破損し駆動が異常な出力レベルＲ２は、可動体３１の破損に伴い発生するノイズＮによって閾値の上限値Ｇ２を超えている。そのため、出力レベルＲ２は、異常と判断され異常検知フラグとして、記憶部６６のレジスターに記憶される。
また、判定回路８３は、出力レベルが正常と判断した場合には、自己診断回路８１にテスト信号停止信号を出力し、テスト信号の出力を停止する。判定回路８３からテスト信号停止信号を受信した自己診断回路８１は、駆動回路６８に駆動信号を出力する開始信号を出力し、駆動回路６８から駆動信号を出力する。
また、インターフェイス回路６７は、素子部３０がテスト信号を受けて出力する信号のレベルが閾値の下限値Ｇ１及び上限値Ｇ２の範囲を超えた時に、警告信号を出力する。
以上で述べたように、本実施形態の慣性センサー１は、基板２０と、基板２０に配置される固定電極２４，２５と、固定電極２４，２５に対して変位可能で、第１部分４２と、固定電極２４，２５に対向する第２部分４３と、に電極を有する可動体３１を含む素子部３０と、可動体３１の変位量を規制し、可動体３１の第１部分４２に対向する部分に検知電極２７を有する突起２３と、を含む加速度センサー素子１０を備えている。また、素子部３０に駆動信号を出力する駆動回路６８と、可動体３１の第１部分４２の電極と突起２３の検知電極２７との接触により検知信号を出力する接触検知回路８０と、接触検知回路８０から検知信号を受信すると、素子部３０にテスト信号を出力する自己診断回路８１と、素子部３０がテスト信号を受けて出力する信号のレベルが閾値を超えたかどうかを判定する判定回路８３と、を含む異常検出回路を有するＩＣ６０を備えている。そのため、加速度センサー素子１０の導電性の可動体３１と突起２３に設けられた検知電極２７とがスイッチとして機能し、ＩＣ６０の異常検出回路により可動体３１と突起２３とが接触した状 態にあることを検知することができる。また、異常検出回路を備えているので、可動体３１と突起２３とが接触した際に、可動体３１の状態が、破損が起きた状態であることによる異常を検出することができる。従って、可動体３１が破損したことを検知する機構を有する慣性センサー１を得ることができる。
２．第２実施形態
次に、第２実施形態に係る慣性センサー１ａについて、図８を参照して説明する。
本実施形態の慣性センサー１ａは、第１実施形態の慣性センサー１に比べ、加速度センサー素子１０ａの構造が異なること以外は、第１実施形態の慣性センサー１と同様である。なお、前述した第１実施形態との相違点を中心に説明し、同様の事項はその説明を省略する。
慣性センサー１ａは、図８に示すように、加速度センサー素子１０ａの蓋体５０ａの凹部５１に可動体３１側に突出する突起２３ａが設けられている。突起２３ａは、第１質量部３５及び第２質量部３６と対向し、Ｚ方向からの平面視で、第１質量部３５及び第２質量部３６と重なる位置に配置されている。また、突起２３ａの可動体３１と対向する面には、検知電極２７ａが設けられている。
このような構成とすることで、導電性の材料で構成された可動体３１と突起２３ａに設けられた検知電極２７ａとにより、突起２３ａと可動体３１とが接触したことを検知するスイッチとして機能し、第１実施形態と同様な効果を有する慣性センサー１ａを得ることができる。
３．第３実施形態
次に、第３実施形態に係る慣性センサー１ｂについて、図９及び図１０を参照して説明する。なお、図９は、説明の便宜上、蓋体５０と素子部３０ｂの図示を省略している。
本実施形態の慣性センサー１ｂは、第１実施形態の慣性センサー１に比べ、加速度センサー素子１０ｂの構造が異なること以外は、第１実施形態の慣性センサー１と同様である。なお、前述した第１実施形態との相違点を中心に説明し、同様の事項はその説明を省略する。
慣性センサー１ｂは、図９及び図１０に示すように、素子部３０ｂの可動体３１ｂの基板２０ｂ側の面に基板２０ｂ側に突出する突起２３ｂが設けられている。突起２３ｂは、第１質量部３５及び第２質量部３６に設けられており、Ｚ方向からの平面視で、基板２０ｂの凹部２１の底面で、第１固定電極２４ｂ及び第２固定電極２５ｂの開口部４４，４５内に設けられた検知電極２７ｂと重なる位置に配置されている。
このような構成とすることで、導電性の材料で構成された可動体３１ｂと基板２０ｂに設けられた検知電極２７ｂとにより、可動体３１ｂの突起２３ｂと基板２０ｂとが接触したことを検知するスイッチとして機能し、第１実施形態と同様な効果を有する慣性センサー１ｂを得ることができる。
４．第４実施形態
次に、第４実施形態に係る慣性センサー１ｃについて、図１１及び図１２を参照して説明する。なお、図１１は、説明の便宜上、蓋体５０ｃの図示を省略している。
本実施形態の慣性センサー１ｃは、第１実施形態の慣性センサー１に比べ、加速度センサー素子１０ｃの構造が異なること以外は、第１実施形態の慣性センサー１と同様である。なお、前述した第１実施形態との相違点を中心に説明し、同様の事項はその説明を省略する。
図１１及び図１２に示す加速度センサー素子１０ｃは、Ｘ方向の加速度を検出するセンサー素子である。加速度センサー素子１０ｃは、基板２０ｃと、基板２０ｃ上に配置された素子部３０ｃと、基板２０ｃに接合され、素子部３０ｃを覆う蓋体５０ｃと、を有する。
基板２０ｃは、図１１に示すように、Ｘ方向及びＹ方向に広がりを有し、Ｚ方向を厚さとする。また、基板２０ｃは、図１２に示すように、上面側に開口する凹部２１ｃが形成されている。この凹部２１ｃは、Ｚ方向からの平面視で、素子部３０ｃを内側に内包し、素子部３０ｃよりも大きく形成されている。凹部２１ｃは、素子部３０ｃと基板２０ｃとの接触を抑制する逃げ部として機能する。また、基板２０ｃは、凹部２１ｃの底面から素子部３０ｃ側に突出している複数のマウント部２２ａ，２２ｂ，２２ｃを有している。マウント部２２ａ，２２ｂは、Ｚ方向からの平面視で、凹部２１ｃの底面のＹ方向のプラス側とマイナス側に配置されている。マウント部２２ｃは、Ｚ方向からの平面視で、凹部２１ｃの底面のＸ方向のプラス側とマイナス側に配置されている。また、マウント部２２ｃの蓋体５０ｃ側の面には、Ｘ方向に延在する突起２３ｃが固定されている。突起２３ｃは、Ｘ方向からの断面視で、素子部３０ｃの可動体３１ｃと重なり、可動体３１ｃ側に突出している。なお、本実施形態では、突起２３ｃを基板２０ｃに固定しているが、これに限定させず、突起２３ｃを蓋体５０ｃに固定しても構わない。
突起２３ｃは、素子部３０ｃの可動体３１ｃに過度なＸ方向の加速度が加わった際に可動体３１ｃと接触することにより、可動体３１ｃのそれ以上のＸ方向の加速度による変位量を規制するストッパーとして機能する。また、突起２３ｃの素子部３０ｃと対向する面には、検知電極２７ｃが設けられている。このような突起２３ｃを設けることにより、可動体３１ｃに過度なＸ方向の加速度が加わった際に、検知電極２７ｃと可動体３１ｃとが接触することで、突起２３ｃと可動体３１ｃとが接触したことを検知するスイッチとして機能する。
蓋体５０ｃは、図１２に示すように、下面側に開口する凹部５１が形成されている。蓋体５０ｃは、凹部５１ｃ内に素子部３０ｃを収納して基板２０ｃの上面に接合されている。そして、蓋体５０ｃ及び基板２０ｃによって、その内側に、素子部３０ｃを収納する収納空間Ｓが形成されている。
素子部３０ｃは、図１１及び図１２に示すように、可動体３１ｃと、バネ部７２と、固定部７３と、固定検出電極７４，７５と、を備えている。
可動体３１ｃは、導電性のシリコン基板で形成されており、Ｘ方向に延在する基部７１と、基部７１からＹ方向両側に突出した複数の可動検出電極７６と、を有している。このような可動体３１ｃは、基部７１の両端部においてバネ部７２を介して固定部７３に接続されている。また、固定部７３は、凹部２１ｃの底面から突出したマウント部２２ａに固定されている。これにより、可動体３１ｃは、固定部７３に対してＸ方向に変位可能となる。また、固定検出電極７４，７５は、凹部２１ｃの底面から突出したマウント部２２ｂに固定されており、可動検出電極７６を間に挟んで設けられている。つまり、可動検出電極７６と固定検出電極７４，７５とが櫛歯形状に配置されている。
なお、図示しないが、基板２０ｃには、可動体３１ｃと電気的に接続された配線、固定検出電極７４と電気的に接続された配線、固定検出電極７５と電気的に接続された配線、及び検知電極２７ｃと電気的に接続された配線が設けられており、これら配線は、基板２０ｃの端子配置部２８まで延在している。また、可動体３１ｃ、固定検出電極７４及び固定検出電極７５には、前記配線を介してＩＣ６０から駆動信号が印加されており、可動検出電極７６と固定検出電極７４，７５との間に、それぞれ、静電容量が形成されている。
このような加速度センサー素子１０ｃは、次のようにしてＸ方向の加速度を検出することができる。加速度センサー素子１０ｃにＸ方向の加速度が加わると、加速度の大きさに基づいて、可動体３１ｃが、バネ部７２を弾性変形させながら、Ｘ方向に変位する。可動体３１ｃが変位することで、可動検出電極７６と固定検出電極７４とのギャップ及び可動検出電極７６と固定検出電極７５とのギャップが変化し、それに伴ってこれらの間の静電容量が変化する。そのため、この静電容量の変化量に基づいてＸ方向の加速度を検出することができる。
このような構成とすることで、導電性の材料で構成された可動体３１ｃと突起２３ｃに設けられた検知電極２７ｃとにより、可動体３１ｃと突起２３ｃとが接触したことを検知するスイッチとして機能し、第１実施形態と同様な効果を有するＸ方向の加速度を検出する慣性センサー１ｃを得ることができる。
５．第５実施形態
次に、第５実施形態に係る慣性センサー１，１ａ，１ｂ，１ｃを備えている電子機器の一例として、スマートフォン１２００を挙げ、図１３を参照して説明する。なお、以下の説明では、慣性センサー１を適用した構成を例示して説明する。
電子機器としてのスマートフォン１２００は、図１３に示すように、上述した慣性センサー１が組込まれている。慣性センサー１によって検出された加速度等の検出信号としての検出データは、スマートフォン１２００の制御部１２０１に送信される。制御部１２０１は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）を含んで構成されており、受信した検出データからスマートフォン１２００の姿勢や、挙動を認識して、表示部１２０８に表示されている表示画像を変化させたり、警告音や、効果音を鳴らしたり、振動モーターを駆動して本体を振動させることができる。換言すれば、スマートフォン１２００のモーションセンシングを行い、計測された姿勢や、挙動から、表示内容を変えたり、音や、振動などを発生させたりすることができる。特に、ゲームのアプリケーションを実行する場合には、現実に近い臨場感を味わうことができる。
なお、慣性センサー１，１ａ，１ｂ，１ｃは、前述したスマートフォン１２００の他にも、例えば、パーソナルコンピューター、デジタルスチールカメラ、タブレット端末、時計、スマートウォッチ、インクジェットプリンター、ラップトップ型パーソナルコンピューター、テレビ、スマートグラス、ＨＭＤ（ヘッドマウントディスプレイ）等のウェアラブル端末、ビデオカメラ、ビデオテープレコーダー、カーナビゲーション装置、ドライブレコーダー、ページャー、電子手帳、電子辞書、電子翻訳機、電卓、電子ゲーム機器、玩具、ワードプロセッサー、ワークステーション、テレビ電話、防犯用テレビモニター、電子双眼鏡、ＰＯＳ端末、医療機器、魚群探知機、各種測定機器、移動体端末基地局用機器、車両、鉄道車輌、航空機、ヘリコプター、船舶等の各種計器類、フライトシミュレーター、ネットワークサーバー等に適用することができる。いずれの場合にも、これらの電子機器は、上述した慣性センサー１，１ａ，１ｂ，１ｃを備えていることから、上記実施形態で説明した効果が反映され、性能に優れている。
６．第６実施形態
次に、第６実施形態に係る慣性センサー１，１ａ，１ｂ，１ｃを備えている移動体の一例として、自動車１５００を挙げ、図１４を参照して説明する。なお、以下の説明では、慣性センサー１を適用した構成を例示して説明する。
移動体としての自動車１５００は、図１４に示すように、慣性センサー１が内蔵されており、例えば、慣性センサー１によって車体１５０１の移動や姿勢を検出することができる。慣性センサー１の検出信号は、車体１５０１の移動や姿勢を制御する車体姿勢制御装置１５０２に供給され、車体姿勢制御装置１５０２は、その信号に基づいて車体１５０１の姿勢を検出し、検出結果に応じてサスペンションの硬軟を制御したり、個々の車輪１５０３のブレーキを制御したりすることができる。
なお、慣性センサー１，１ａ，１ｂ，１ｃは、他にもキーレスエントリーシステム、イモビライザー、カーナビゲーションシステム、カーエアコン、アンチロックブレーキシステム（ＡＢＳ）、エアバック、タイヤ・プレッシャー・モニタリング・システム（ＴＰＭＳ：Tire Pressure Monitoring System）、エンジンコントロールシステム（エンジンシステム）、自動運転用慣性航法の制御機器、ハイブリッド自動車や電気自動車の電池モニター等の電子制御ユニット（ＥＣＵ：Electronic Control Unit）等に広く適用できる。
また、慣性センサー１，１ａ，１ｂ，１ｃは、上記の例示の他にも、例えば、二足歩行ロボットや電車などの移動や姿勢制御、ラジコン飛行機、ラジコンヘリコプター、及びドローンなどの遠隔操縦あるいは自律式の飛行体の移動や姿勢制御、農業機械、もしくは建設機械などの移動や姿勢制御、ロケット、人工衛星、船舶、及びＡＧＶ（無人搬送車）などの制御において利用することができる。いずれの場合にも、上記実施形態で説明した効果が反映され、性能に優れた移動体を提供することができる。
１，１ａ，１ｂ，１ｃ…慣性センサー、２…パッケージ、３…ベース部、４…蓋部、５…封止部材、６…凹部、７，８…ボンディングワイヤー、１０…加速度センサー素子、２０…基板、２１…凹部、２２…固定部、２３…突起、２４…第１固定電極、２５…第２固定電極、２６…ダミー電極、２７…検知電極、２８…端子配置部、３０…素子部、３１…可動体、３２…保持部、３３…第１支持梁、３４…第２支持梁、３５…第１質量部、３６…第２質量部、３７…第３質量部、３８…連結部、４０…開口部、４２…第１部分、４３…第２部分、５０…蓋体、５１…凹部、６０…ＩＣ、６２…Ｑ／Ｖアンプ、６３…プログラマブルゲインアンプ、６４…Ａ／Ｄ変換回路、６５…デジタルフィルター、６６…記憶部、６７…インターフェイス回路、６８…駆動回路、８０…接触検知回路、８１…自己診断回路、８２…テストモード切替スイッチ、８３…判定回路、１２００…電子機器としてのスマートフォン、１５００…移動体としての自動車、Ｃａ，Ｃｂ…静電容量、Ｇ１…閾値の下限値、Ｇ２…閾値の上限値、Ｊ１…揺動軸としての回転軸、Ｒ１，Ｒ２…出力レベル、Ｓ１，Ｓ２…スイッチ。

Claims (12)

  1. 基板と、
    前記基板に配置される固定電極と、
    前記固定電極に対して変位可能で、第１部分と、前記固定電極に対向する第２部分と、に電極を有する可動体を含む素子部と、
    前記可動体の変位量を規制し、前記可動体の前記第１部分に対向する部分に検知電極を有する突起と、
    前記素子部に駆動信号を出力する駆動回路と、
    前記可動体の前記第１部分の前記電極と前記突起の前記検知電極との接触により検知信号を出力する接触検知回路と、
    前記接触検知回路から前記検知信号を受信すると、前記素子部にテスト信号を出力する自己診断回路と、
    前記素子部が前記テスト信号を受けて出力する信号のレベルが閾値を超えたかどうかを判定する判定回路と、を備える、
    慣性センサー。
  2. 前記接触検知回路は、前記可動体と前記突起との接触によって伝わる前記駆動信号を検知する、
    請求項１に記載の慣性センサー。
  3. 前記駆動回路は、前記接触検知回路が前記駆動信号を検知した場合に、前記駆動信号の出力を停止する、
    請求項２に記載の慣性センサー。
  4. 前記自己診断回路は、前記接触検知回路が前記駆動信号を検知してから所定時間、前記テスト信号の出力を保留する、
    請求項２又は請求項３に記載の慣性センサー。
  5. 前記テスト信号は、複数の周波数からなる、
    請求項１乃至請求項４の何れか一項に記載の慣性センサー。
  6. 前記テスト信号は、チャープ信号である、
    請求項５に記載の慣性センサー。
  7. インターフェイス回路を備え、
    前記インターフェイス回路は、前記素子部が前記テスト信号を受けて出力する前記信号のレベルが前記閾値を超えた時に、警告信号を出力する、
    請求項１乃至請求項６の何れか一項に記載の慣性センサー。
  8. 蓋体を備え、
    互いに直交するＸ軸、Ｙ軸、及びＺ軸を座標軸とすると、
    前記可動体は、前記Ｙ軸に沿う揺動軸まわりに揺動し、
    前記突起は、前記Ｚ軸に沿う方向からの平面視で、前記可動体と重なり、前記基板又は前記蓋体から前記可動体側に突出して設けられている、
    請求項１乃至請求項７の何れか一項に記載の慣性センサー。
  9. 互いに直交するＸ軸、Ｙ軸、及びＺ軸を座標軸とすると、
    前記可動体は、前記Ｘ軸に沿う方向に変位し、
    前記突起は、前記Ｘ軸に沿う方向からの断面視で、前記可動体と重なり、前記基板に固定され前記可動体側に突出して設けられている、
    請求項１乃至請求項７の何れか一項に記載の慣性センサー。
  10. 基板と、
    前記基板に配置される固定電極及び検知電極と、
    前記固定電極に対して変位可能で、前記固定電極に対向する部分に電極を有する可動体と、前記可動体の変位量を規制し、前記検知電極に対向する部分に電極を有する突起と、を含む素子部と、
    前記素子部に駆動信号を出力する駆動回路と、
    前記突起の前記電極と前記固定電極との接触により検知信号を出力する接触検知回路と、
    前記接触検知回路から前記検知信号を受信すると、前記素子部にテスト信号を出力する自己診断回路と、
    前記素子部が前記テスト信号を受けて出力する信号のレベルが閾値を超えたかどうかを判定する判定回路と、を備える、
    慣性センサー。
  11. 請求項１乃至請求項１０の何れか一項に記載の慣性センサーを備えている、
    電子機器。
  12. 請求項１乃至請求項１０の何れか一項に記載の慣性センサーを備えている、
    移動体。
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