JP2022081956A - 物理量センサー、物理量センサーデバイス及び慣性計測装置 - Google Patents

物理量センサー、物理量センサーデバイス及び慣性計測装置 Download PDF

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Abstract

【課題】高感度化と耐衝撃性を両立して実現できる物理量センサー等の提供。【解決手段】物理量センサー１は、第１固定電極２４が設けられている基板２と、Ｙ軸に沿った回転軸ＡＹを中心として基板２に対して揺動可能に設けられている可動体３と、可動体３の回転を規制するストッパー１１、１２と、を含む。可動体３には、Ｚ軸方向から見た平面視において、ストッパー１１、１２に重なる位置に弾性部２００ａ、２００ｂが設けられている。第１質量部３４は、第１領域６１と、回転軸ＡＹから遠い第２領域６２を含む。第１領域６１での第１質量部３４と第１固定電極２４との間の第１空隙Ｑ１の第１ギャップ距離ｈ１は、第２領域６２での第１質量部３４と第１固定電極２４との間の第２空隙Ｑ２の第２ギャップ距離ｈ２よりも小さい。【選択図】 図１

Description

本発明は、物理量センサー、物理量センサーデバイス及び慣性計測装置等に関する。
従来、加速度等の物理量を検出する物理量センサーが知られている。このような物理量センサーとしては、例えばＺ軸方向の加速度を検出するシーソー型の加速度センサーなどが知られている。例えば特許文献１には、基板上の検出部に段差を設けることにより、複数の電極間ギャップを形成して、高感度化を実現する加速度センサーが開示されている。特許文献２には、可動体の裏面側に段差を設けることにより、複数の電極間ギャップを形成して、高感度化を実現する加速度センサーが開示されている。特許文献３には、可動体の弾性部を形成することで、耐衝撃性を実現する加速度センサーが開示されている。特許文献４には、可動体の断面において、検出電極に対向する領域を凹部形状にすることにより厚みを小さくし、上下の検出電極で可動体を挟むように構成してダンピングを小さくする加速度センサーが開示されている。特許文献５には、高感度、且つ、低ダンピングを実現するための規格化式である関数式について開示されている。
特開２０１３－０４０８５６号公報 特表２００８－５２９００１号公報 中国特許出願公開２１０６９０６２３号明細書 米国特許出願公開第２０１７／０３４１９２７号明細書 特開２０１９－１８４２６１号公報
特許文献１では、可動体の厚みが一様であり、貫通孔の深さが一様であるため、貫通孔の孔中ダンピングが大きくなりやすい。特許文献２、３では、可動体に貫通孔が無いため、ダンピングが非常に大きく、所望の周波数帯域を確保できない。特許文献４、５では、電極間ギャップの距離が一定であるため、更なる高感度化が難しい。このように特許文献１～５の構造では、ダンピングを低減しつつ、高感度と耐衝撃性とを両立する加速度センサーを実現することが困難であるという課題がある。
本開示の一態様は、互いに直交する３つの軸をＸ軸、Ｙ軸及びＺ軸としたときに、前記Ｚ軸に直交し、第１固定電極が設けられている基板と、前記Ｚ軸に沿ったＺ軸方向において前記第１固定電極に対向している第１質量部を含み、前記Ｙ軸に沿った回転軸を中心として前記基板に対して揺動可能に設けられている可動体と、前記回転軸を中心とする前記可動体の回転を規制するストッパーと、を含み、前記可動体には、前記Ｚ軸方向から見た平面視において、前記ストッパーに重なる位置に弾性部が設けられており、前記第１質量部は、第１領域と、前記第１領域よりも前記回転軸から遠い第２領域と、を含み、前記第１領域に第１貫通孔群が設けられ、前記第２領域に第２貫通孔群が設けられ、前記第１領域での前記第１質量部と前記第１固定電極との間の空隙である第１空隙の前記Ｚ軸方向での第１ギャップ距離は、前記第２領域での前記第１質量部と前記第１固定電極との間の空隙である第２空隙の前記Ｚ軸方向での第２ギャップ距離よりも小さい物理量センサーに関係する。
また本開示の他の態様は、上記に記載の物理量センサーと、前記物理量センサーに電気的に接続されている電子部品と、含む物理量センサーデバイスに関係する。
また本開示の他の態様は、上記に記載の物理量センサーと、前記物理量センサーから出力された検出信号に基づいて制御を行う制御部と、を含む慣性計測装置に関係する。
第１実施形態の物理量センサーの平面図。 図１のＡ－Ａ線における断面図。 図１のＢ－Ｂ線における断面図。 第１実施形態の物理量センサーを説明するための斜視図。 第１実施形態の物理量センサーを説明するための別の斜視図。 貫通孔の孔サイズとダンピングの関係を示すグラフ。 貫通孔の孔サイズとダンピングの関係を示すグラフ。 貫通孔の孔サイズとダンピングの関係を示すグラフ。 規格化貫通孔厚みと規格化ダンピングの関係を示すグラフ。 物理量センサーの振動周波数と変位の大きさの関係を示すグラフ。 第２実施形態の物理量センサーを説明するための斜視図。 第２実施形態の物理量センサーを説明するための別の斜視図。 第３実施形態の物理量センサーを説明するための断面図。 第３実施形態の物理量センサーを説明するための斜視図。 第４実施形態の物理量センサーの例を説明するための平面図。 第４実施形態の物理量センサーの別の例を説明するための平面図。 第４実施形態の物理量センサーの別の例を説明するための平面図。 第５実施形態の物理量センサーの平面図。 図１８のＡ－Ａ線における断面を説明するための図。 第６実施形態の物理量センサーを説明するための断面図。 第６実施形態の物理量センサーを説明するための斜視図。 物理量センサーの変形例を説明するための断面図。 物理量センサーの別の変形例を説明するための断面図。 物理量センサーデバイスの構成例。 物理量センサー有する慣性計測装置の概略構成を示す分解斜視図。 物理量センサーの回路基板の斜視図。
以下、本実施形態について説明する。なお、以下に説明する本実施形態は、特許請求の範囲の記載内容を不当に限定するものではない。また本実施形態で説明される構成の全てが必須構成要件であるとは限らない。また以下の各図面において、説明の便宜上、一部の構成要素を省略することがある。また各図面において、分かり易くするために各構成要素の寸法比率は実際とは異なっている。
１．第１実施形態
まず第１実施形態の物理量センサー１について、鉛直方向の加速度を検出する加速度センサーを一例として挙げ、図１、図２、図３等を参照して説明する。図１は第１実施形態の物理量センサー１の平面図である。図２は図１のＡ－Ａ線における断面図であり、図３は図１のＢ－Ｂ線における断面図である。物理量センサー１は、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）デバイスであり、例えば慣性センサーである。
なお図１では、物理量センサー１の内部の構成を説明する便宜上、図２、図３で示される基板２、蓋部５等の図示を省略している。また図１、図２、図３では、説明の便宜のために、各部材の寸法や部材間の間隔等は模式的に示されおり、後述する図４等の斜視図とは異なっている。また、図１では、説明の便宜のため、所定の構成の符号を省略している。所定の構成とは、図４、図５で後述する弾性体２１０ａ、２１０ｂや、可動部２２０ａ、２２０ｂや、剛体部２４０ａ、２４０ｂや、開口部２５０ａ、２５０ｂ、２６０ａ、２６０ｂ等である。また以下では、物理量センサー１が検出する物理量が加速度である場合を主に例にとり説明するが、物理量は加速度に限定されず、角速度、速度、圧力、変位又は重力等の他の物理量であってもよく、物理量センサー１はジャイロセンサー、圧力センサー又はＭＥＭＳスイッチ等として用いられるものであってもよい。また説明の便宜上、各図には互いに直交する３つの軸として、Ｘ軸、Ｙ軸、及びＺ軸を図示している。Ｘ軸に沿った方向を「Ｘ軸方向」、Ｙ軸に沿った方向を「Ｙ軸方向」、Ｚ軸に沿った方向を「Ｚ軸方向」と言う。ここで、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向、Ｚ軸方向は、各々、第１方向、第２方向、第３方向と言うこともできる。また各軸方向の矢印先端側を「プラス側」、基端側を「マイナス側」、Ｚ軸方向プラス側を「上」、Ｚ軸方向マイナス側を「下」とも言う。またＺ軸方向は鉛直方向に沿い、ＸＹ平面は水平面に沿っている。なお「直交」は、９０°で交わっているものの他、９０°から若干傾いた角度で交わっている場合も含むものとする。
図１～図３に示す物理量センサー１は、鉛直方向であるＺ軸方向の加速度を検出することができる。このような物理量センサー１は、基板２と、基板２に対向して設けられた可動体３と、基板２に接合され、可動体３を覆う蓋部５を有する。可動体３は揺動構造体又はセンサー素子と言うこともできる。
基板２は、図１に示すように、Ｘ軸方向及びＹ軸方向に広がりを有し、Ｚ軸方向を厚さとする。また基板２には、図２、図３に示すように、下面側に窪んでおり深さが異なる凹部２１及び凹部２１ａが形成されている。凹部２１ａの上面からの深さは、凹部２１よりも深い。凹部２１及び凹部２１ａは、Ｚ軸方向から見た平面視において、可動体３を内側に内包し、可動体３よりも大きく形成されている。凹部２１及び凹部２１ａは、可動体３と基板２との接触を抑制する逃げ部として機能する。また基板２には、凹部２１の底面に第１固定電極２４と第２固定電極２５とが配置され、凹部２１ａの底面にダミー電極２６ａが配置されている。第１固定電極２４、第２固定電極２５は、各々、第１検出電極、第２検出電極と言うこともできる。また凹部２１の底面にもダミー電極２６ｂ、２６ｃ、２６ｄが配置されている。第１固定電極２４と第２固定電極２５は、不図示のＱＶアンプにそれぞれ接続され、その静電容量差を差動検出方式により電気信号として検出する。従って、第１固定電極２４と第２固定電極２５とは、等しい面積であることが望ましい。そして基板２のマウント部２２ａ、２２ｂの上面に可動体３が接合されている。これにより可動体３を、基板２の凹部２１の底面から離間させた状態で基板２に固定できるようになる。
基板２としては、例えば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）又はテンパックス（登録商標）のガラスのようなホウケイ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。但し基板２の構成材料としては、特に限定されず、例えばシリコン基板、石英基板又はＳＯＩ（Silicon On Insulator）基板等を用いてもよい。
蓋部５には、図２、図３に示すように、上面側に窪む凹部５１が形成されている。蓋部５は、凹部５１内に可動体３を収納して基板２の上面に接合されている。そして、蓋部５及び基板２によって、その内側に、可動体３を収納する収納空間ＳＡが形成されている。収納空間ＳＡは、気密空間であり、窒素、ヘリウム又は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。但し、収納空間ＳＡ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。
蓋部５としては、例えばシリコン基板を用いることができる。但し、これに特に限定されず、例えば蓋部５としてガラス基板又は石英基板などを用いてもよい。また基板２と蓋部５との接合方法としては、例えば陽極接合、活性化接合やガラスフリット（粉末ガラス、低融点ガラスとも言う）等の接合材による接合などを用いることができるが、これには特に限定されず、基板２や蓋部５の材料によって適宜選択すればよい。
可動体３は、例えば、リン（Ｐ）、ボロン（Ｂ）又は砒素（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、特に深堀エッチング技術であるボッシュ・プロセスによって垂直加工することにより形成できる。
可動体３は、Ｙ軸方向に沿う回転軸ＡＹ回りに揺動可能になっている。可動体３は、固定部３２ａ、３２ｂと、支持梁３３と、第１質量部３４と、第２質量部３５と、トルク発生部３６と、弾性部２００ａ、２００ｂとを有している。なお、以降の説明において、第１質量部３４側に有る２つの弾性部２００ａと、第２質量部３４側に有る２つの弾性部２００ｂを、単に弾性部２００ａ、２００ｂと呼ぶことがある。後述する弾性体２１０ａ、２１０ｂや可動部２２０ａ、２２０ｂや剛体部２４０ａ、２４０ｂについても同様である。また、第１質量部３４側に有る２つの弾性部２００ａについて、Ｙ軸方向プラス側の弾性部２００ａとＹ軸方向マイナス側の弾性部２００ａを区別して示すことがある。トルク発生部３６は第３質量部と言うこともできる。Ｈ型の中央アンカーである固定部３２ａ、３２ｂは、基板２のマウント部２２ａ、２２ｂの上面に陽極接合等により接合されている。支持梁３３は、Ｙ軸方向に延在し、回転軸ＡＹを形成しており、ねじりバネとして用いられている。即ち物理量センサー１に加速度ａｚが作用すると、可動体３は、支持梁３３を回転軸ＡＹとして、支持梁３３を捩り変形させながら回転軸ＡＹ回りに揺動する。なお回転軸ＡＹは揺動軸と呼ぶこともでき、可動体３の回転軸ＡＹ回りの回転は、可動体３の揺動軸回りの揺動である。
可動電極である可動体３は、Ｚ軸方向から見た平面視において、Ｘ軸方向を長手方向とする長方形形状となっている。そして可動体３の第１質量部３４と第２質量部３５は、Ｚ軸方向から見た平面視において、Ｙ軸方向に沿う回転軸ＡＹを間に挟んで配置されている。具体的には可動体３は、第１質量部３４と第２質量部３５とが第１連結部４１によって連結され、第１質量部３４と第２質量部３５との間に第１開口部４５ａ、４５ｂを有する。そして第１開口部４５ａ、４５ｂ内に固定部３２ａ、３２ｂ及び支持梁３３が配置されている。このように、可動体３の内側に固定部３２ａ、３２ｂ及び支持梁３３を配置することにより、可動体３の小型化を図ることができる。またトルク発生部３６は、第２連結部４２により、Ｙ軸方向の両端で第１質量部３４に対して連結されている。そして第１質量部３４とトルク発生部３６との間には、第１質量部３４の面積と第２質量部３５の面積とを等しくするために第２開口部４６が設けられている。第１質量部３４及びトルク発生部３６は、回転軸ＡＹに対してＸ軸方向プラス側に位置し、第２質量部３５は、回転軸ＡＹに対してＸ軸方向マイナス側に位置する。また、第１質量部３４及びトルク発生部３６は、第２質量部３５よりもＸ軸方向に長く、Ｚ軸方向の加速度ａｚが加わったときの回転軸ＡＹ回りの回転モーメントが第２質量部３５よりも大きい。なお、Ｚ軸方向から見た平面視において、固定部３２ａ、３２ｂの大きさや第１開口部４５ａ、４５ｂの大きさは、図１に示す例に限られず、例えば、固定部３２ａ、３２ｂをより小さく、第１開口部４５ａ、４５ｂをより広くしてもよい。
この回転モーメントの差によって、Ｚ軸方向の加速度ａｚが加わった際に、可動体３が回転軸ＡＹ回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３４がＺ軸方向プラス側に変位すると、第２質量部３５がＺ軸方向マイナス側に変位し、反対に、第１質量部３４がＺ軸方向マイナス側に変位すると、第２質量部３５がＺ軸方向プラス側に変位することを意味する。
また可動体３では、Ｙ軸方向に並んだ第１連結部４１と、固定部３２ａ、３２ｂとが、Ｙ軸方向に延在する支持梁３３によって接続されている。そのため、支持梁３３を回転軸ＡＹとして、可動体３を回転軸ＡＹ回りにシーソー揺動で変位させることができる。
また可動体３は、その全域に複数の貫通孔を有する。この貫通孔により、可動体３のシーソー揺動の際の空気のダンピングが低減され、物理量センサー１を、より広い周波数範囲で適正に動作させることが可能になる。
次に、基板２の凹部２１の底面に配置された第１固定電極２４及び第２固定電極２５と、ダミー電極２６ａ、２６ｂ、２６ｃ、２６ｄについて説明する。
図１に示すように、Ｚ軸方向から見た平面視で、第１固定電極２４は、第１質量部３４と重なって配置され、第２固定電極２５は、第２質量部３５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軸方向の加速度ａｚが加わっていない自然状態で、図２に示す静電容量ＣＡ、ＣＢが等しくなるように、Ｚ軸方向から見た平面視で、回転軸ＡＹに対して略対称に設けられている。
第１固定電極２４と第２固定電極２５は、不図示の差動式のＱＶアンプに電気的に接続されている。物理量センサー１の駆動時において、可動体３に駆動信号が印加される。そして第１質量部３４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３５と第２固定電極２５との間に静電容量ＣＢが形成される。Ｚ軸方向の加速度ａｚ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。
物理量センサー１に加速度ａｚが加わると、可動体３が回転軸ＡＹを中心にしてシーソー揺動する。この可動体３のシーソー揺動により、第１質量部３４と第１固定電極２４との離間距離と、第２質量部３５と第２固定電極２５との離間距離と、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。これにより、物理量センサー１は、静電容量ＣＡ、ＣＢの容量値の差に基づいて加速度ａｚを検出することができる。
また基板面露出による帯電ドリフトや可動体形成後の陽極接合時の貼り付き防止のために、第１固定電極２４及び第２固定電極２５以外の基板２のガラス露出面には、ダミー電極２６ａ、２６ｂ、２６ｃが設けられている。ダミー電極２６ａは、第１固定電極２４よりもＸ軸方向プラス側に位置し、Ｚ軸方向から見た平面視においてトルク発生部３６に重なるように、トルク発生部３６の下方に設けられている。またダミー電極２６ｂは、支持梁３３の下方に設けられ、ダミー電極２６ｃは、第２質量部３５の左下方に設けられている。これらのダミー電極２６ａ、２６ｂ、２６ｃは、不図示の配線により電気的に接続されている。これによりダミー電極２６ａ、２６ｂ、２６ｃは同電位に設定される。そして支持梁３３の下方のダミー電極２６ｂは、可動電極である可動体３に電気的に接続されている。例えば基板２に不図示の突起が設けられ、ダミー電極２６ｂから延出した電極が当該突起の頂部を覆うように形成されて、当該電極が可動体３に接触することで、ダミー電極２６ｂが可動体３に電気的に接続される。これによりダミー電極２６ａ、２６ｂ、２６ｃは、可動電極である可動体３と同電位に設定される。
また図３に示すように、物理量センサー１には、回転軸ＡＹを中心とする可動体３の回転を規制するストッパー１１、１２が設けられている。図３では、ストッパー１１、１２は、基板２に設けられた突起部により実現されている。ストッパー１１、１２は、可動体３に過度なシーソー揺動が生じた際に、その頂部が可動体３と接触することにより、可動体３のそれ以上のシーソー揺動を規制する。このようなストッパー１１、１２を設けることにより、互いに電位が異なる可動体３と第１固定電極２４及び第２固定電極２５との過度な近接を防ぐことができる。一般に、電位が異なる電極間には静電引力が発生するため、過度な近接が起こると、可動体３と第１固定電極２４及び第２固定電極２５との間に生じる静電引力によって可動体３が第１固定電極２４や第２固定電極２５に引き付けられたまま戻らなくなる、所謂「スティッキング」現象を引き起こす。なお、「スティッキング」は、「張り付き」や「貼り付き」とも言う。このような状態では物理量センサー１は、正常な動作をしなくなってしまうため、ストッパー１１、１２を設けることにより、過度な近接をさせないことが重要である。
また可動体３と第１固定電極２４及び第２固定電極２５とは異なる電位を有しているため、図３に示すように、ストッパー１１、１２の頂部には、短絡を防ぐための保護膜としての電極２７ａ、２７ｃが、当該頂部を覆うように形成されている。具体的には図１、図３に示すように、ダミー電極２６ａからＸ軸方向マイナス側に、電極２７ａが引き出されて、引き出された電極２７ａの先端部がストッパー１１の頂部を覆うように設けられている。またダミー電極２６ｃからＸ軸方向プラス側に電極２７ｃが引き出されて、引き出された電極２７ｃの先端部がストッパー１２の頂部を覆うように設けられている。そしてダミー電極２６ａ、２６ｃは可動体３と同電位に設定されているため、可動体３がストッパー１１、１２に接触した場合にも、短絡が防止されるようになる。
なおストッパー１１、１２の頂部に、短絡防止用の酸化シリコン、窒化シリコン等の絶縁層を設けたり、異電位の電極を設けたりするなどの変形実施も可能である。また図３ではストッパー１１、１２が基板２に設けられているが、後述するように、可動体３に設けたり、蓋部５に設けたりするなどの変形実施も可能である。
以上のように、本実施形態の物理量センサー１は、互いに直交する３つの軸をＸ軸、Ｙ軸及びＺ軸としたときに、Ｚ軸に直交し、第１固定電極２４が設けられている基板２と、Ｚ軸方向において第１固定電極２４に対向している第１質量部３４を含み、Ｙ軸に沿った回転軸ＡＹを中心として基板２に対して揺動可能に設けられている可動体３と、回転軸ＡＹを中心とする可動体３の回転を規制するストッパー１１、１２を含む。
また、図１に示すように、可動体３は、弾性部２００ａ、２００ｂを含む。弾性部２００ａ、２００ｂは、Ｚ軸方向から見た平面視において、ストッパー１１、１２に重なる位置に設けられている。前述のように、可動体３は回転軸ＡＹの周りにシーソー揺動するが、第１質量部３４又は第２質量部３５がＺ軸方向マイナス側に大きく変位すると、ストッパー１１、１２と弾性部２００ａ、２００ｂが衝突するようになっている。シーソー揺動が強いと可動体３は、ストッパー１１、１２から強い衝撃を受けるが、衝撃を吸収する機構を持たないと破損する可能性が有る。それに対して、本実施形態の物理量センサー１の可動体３はストッパー１１、１２と衝突する弾性部２００ａ、２００ｂは弾性を有するため、衝突エネルギーを分散させることから、可動体３の耐衝撃性が向上している。なお、弾性の具体的な説明は後述する。以上のように、本実施形態の物理量センサー１は、Ｚ軸方向から見た平面視において、ストッパー１１、１２に重なる位置に弾性部２００ａ、２００ｂが設けられている。
また、図２、図３に示すように、本実施形態の物理量センサー１は、第１質量部３４は、第１領域６１と、第１領域６１よりも回転軸ＡＹから遠い第２領域６２を含む。即ち第１質量部３４には複数の領域が設定されており、これらの複数の領域のうち、回転軸ＡＹから近い領域を第１領域６１とし、第１領域６１に比べて回転軸ＡＹから遠い領域を第２領域６２とする。そして、前述のように、第１領域６１と第２領域６２には、ダンピング低減のための貫通孔が設けられている。例えば、第１領域６１には、例えば正方形の複数の貫通孔が第１貫通孔群７１として設けられ、第２領域６２にも、例えば正方形の複数の貫通孔が第２貫通孔群７２として設けられる。なお、貫通孔群の貫通孔の開口面積とは、貫通孔群を構成する１つの貫通孔の開口面積である。以上のように、本実施形態の物理量センサー１は、第１領域６１に第１貫通孔群７１が設けられ、第２領域６２に第２貫通孔群７２が設けられている。
なお、後述するように、貫通孔の開口形状は正方形には限定されず、正方形以外の多角形や、円形等であってもよい。また可動体３は、基板２側の面である第１面６と、第１面６に対する裏側の面である第２面７を含む。例えばＺ軸方向プラス側を上方向とし、Ｚ軸方向マイナス側を下方向とした場合に、第１面６は可動体３の下面であり、第２面７は可動体３の上面である。
また、本実施形態の物理量センサー１は、可動体３がシーソー揺動することから、第２領域６２は、第１領域６１と比べて回転軸ＡＹから遠いため、可動体３が所定の角度で回転した場合、第２領域６２は、第１領域６１よりもＺ軸方向マイナス側に大きく変位する。そのため、第１領域６１と、第２領域６２とで、可動体３と第１固定電極２４及び第２固定電極２５との距離を等しくすると、第１領域６１と第１固定電極２４との間隔が有効に活用できなくなる。そこで、第１ギャップ距離ｈ１を第２ギャップ距離ｈ２よりも小さくしてもよい。ここで第１ギャップ距離ｈ１は、第１領域６１での第１質量部３４と第１固定電極２４との間の空隙である第１空隙Ｑ１のＺ軸方向でのギャップ距離であり、第１空隙Ｑ１での第１質量部３４と第１固定電極２４の離間距離である。第２ギャップ距離ｈ２は、第２領域６２での第１質量部３４と第１固定電極２４との間の空隙である第２空隙Ｑ２のＺ軸方向でのギャップ距離であり、第２空隙Ｑ２での第１質量部３４と第１固定電極２４の離間距離である。具体的には、図２に示すように、基板２側に段差を設けることで、第１ギャップ距離ｈ１を第２ギャップ距離ｈ２よりも小さくすることが実現できるが、他の手法によって実現してもよく、詳細は第３実施形態で後述する。このように第１ギャップ距離ｈ１が小さくなることで、第１質量部３４の複数の領域のうち、回転軸ＡＹから近い側の領域である第１領域６１の狭ギャップ化を実現できるため、物理量センサー１の高感度化を実現できる。以上のように本実施形態では、第１領域６１での第１質量部３４と第１固定電極２４との間の空隙である第１空隙Ｑ１のＺ軸方向での第１ギャップ距離ｈ１は、第２領域６２での第１質量部３４と第１固定電極２４との間の空隙である第２空隙Ｑ２のＺ軸方向での第２ギャップ距離ｈ２よりも小さい。
ここで回転軸ＡＹに近い第１領域６１での第１ギャップ距離ｈ１を小さくしている理由は、回転軸ＡＹから遠い第２領域６２と比較して、可動体３の揺動時におけるＺ軸方向の変位が小さく、接触しづらいことを利用し、より狭ギャップ化することにより、静電容量を大きくすることができ、高感度を実現することが可能となるためである。即ち、可動体３の揺動時におけるＺ軸方向の変位は、回転軸ＡＹからの距離に比例する。このため、回転軸ＡＹに近い第１領域６１では、第１ギャップ距離ｈ１に対するＺ軸方向の変位が小さくなるため、第１固定電極２４に接触しづらい。従って、第１領域６１の第１面６と第１固定電極２４との間の第１空隙Ｑ１を狭ギャップ化することが可能になる。このように第１空隙Ｑ１を狭ギャップ化することにより、静電容量を大きくすることができ、物理量センサー１の感度は、静電容量が大きくなるほど高くなるため、高感度化を実現できるようになる。一方、回転軸ＡＹから遠い第２領域６２での第２ギャップ距離ｈ２を大きくすることにより、第２領域６２での第１固定電極２４との接触を抑制することができるようになり、可動体３の可動範囲を拡大できるようになる。
以上のように、本実施形態の物理量センサー１は、互いに直交する３つの軸をＸ軸、Ｙ軸及びＺ軸としたときに、基板２と、可動体３と、ストッパー１１、１２と、を含む。基板２は、Ｚ軸に直交し、第１固定電極２４が設けられている。可動体３は、Ｚ軸に沿ったＺ軸方向において第１固定電極２４に対向している第１質量部３４を含み、Ｙ軸に沿った回転軸ＡＹを中心として基板２に対して揺動可能に設けられている。ストッパー１１、１２は、回転軸ＡＹを中心とする可動体３の回転を規制する。また、可動体３には、Ｚ軸方向から見た平面視において、ストッパー１１、１２に重なる位置に弾性部２００ａ、２００ｂが設けられている。また、第１質量部３４は、第１領域６１と、第１領域６１よりも回転軸ＡＹから遠い第２領域６２と、を含む。また、第１領域６１に第１貫通孔群７１が設けられ、第２領域６２に第２貫通孔群７２が設けられている。また、第１領域６１での第１質量部３４と第１固定電極２４との間の空隙である第１空隙Ｑ１のＺ軸方向での第１ギャップ距離ｈ１は、第２領域６２での第１質量部３４と第１固定電極２４との間の空隙である第２空隙Ｑ２のＺ軸方向での第２ギャップ距離ｈ２よりも小さい。
本実施形態によれば、回転軸ＡＹを中心として揺動可能に設けられる可動体３の第１質量部３４は、第１貫通孔群７１が設けられる第１領域６１と、第２貫通孔群７２が設けられ、第１領域６１よりも回転軸から遠い第２領域６２を含む。また、可動体３は、Ｚ軸方向から見た平面視において、ストッパー１１、１２に重なる位置に弾性部２００ａ、２００ｂが設けられている。そして、第１領域の第１空隙Ｑ１での第１ギャップ距離ｈ１は、第２領域の第２空隙Ｑ２での第２ギャップ距離ｈ２よりも小さい。このように、第１領域６１での第１ギャップ距離ｈ１を、第２領域６２での第２ギャップ距離ｈ２よりも小さくすることで、第１領域６１を狭ギャップ化できることから、物理量センサーの高感度化を実現できる。また、第１貫通孔群７１及び第２貫通孔群７２を有することから、可動体３がシーソー揺動する際のダンピングを低減することができる。さらに、弾性部２００ａ、２００ｂを有することで、可動体３がストッパー１１、１２と強く接触しても、弾性部２００ａ、２００ｂによって衝突エネルギーが分散されるため、可動体３の耐衝撃性を向上させることができる。これにより、ダンピングを低減しつつ、高感度と耐衝撃性を両立した物理量センサー１を実現することができる。
また、例えば前述の特許文献１では、可動体厚みが一様であり、貫通孔の深さが一様であるため、貫通孔の深さに比例する孔中ダンピングが大きくなりやすいという問題がある。そして、仮に、貫通孔の一様な深さを小さくして、ダンピングを低減させようとした場合、可動体の剛性が低下するため、耐衝撃性が低下する虞がある。この点、本実施形態では、弾性部２００ａ、２００ｂを有している。具体的には、可動体３に、Ｚ軸方向から見た平面視において、ストッパー１１、１２に重なる位置に弾性部２００ａ、２００ｂが設けられている。可動体３がストッパー１１、１２と強く接触しても、弾性部２００ａ、２００ｂによって衝突エネルギーが分散されるため、可動体３の耐衝撃性を向上させることができる。即ち、耐衝撃性を向上させることができる。さらに、本実施形態では、第１領域６１での第１ギャップ距離ｈ１を、第２領域６２での第２ギャップ距離ｈ２よりも小さくすることで、第１領域６１を狭ギャップ化できることから、前述の耐衝撃性と高感度化を両立した物理量センサー１を実現することができる。
また、前述の特許文献２では、可動体の基板側の面に段差を設けているが、そもそも貫通孔が設けられていないため、ダンピングが非常に大きく、所望の周波数帯域を確保できないという問題がある。また仮に貫通孔を設けたとしても、剛性を確保する観点で厚みを一様に小さくすることは困難であるため、貫通孔の孔中ダンピングを小さくすることができない。これに対して本実施形態では、可動体３に、Ｚ軸方向から見た平面視において、ストッパー１１、１２に重なる位置に弾性部２００ａ、２００ｂが設けられている。可動体３がストッパー１１、１２と強く接触しても、弾性部２００ａ、２００ｂによって衝突エネルギーが分散されるため、可動体３の耐衝撃性を向上させることができる。即ち、耐衝撃性を向上させることができる。さらに、本実施形態では、第１領域６１での第１ギャップ距離ｈ１を、第２領域６２での第２ギャップ距離ｈ２よりも小さくすることで、第１領域６１を狭ギャップ化できることから、前述の耐衝撃性と高感度化を両立した物理量センサー１を実現することができる。
また前述の特許文献３では、ストッパーに対向した弾性機能を設けているが、そもそも貫通孔が設けられていないため、ダンピングが非常に大きく、所望の周波数帯域を確保できないという問題がある。また、可動体と基板側の検出電極とのギャップ距離が一様であることから、高感度化が難しい問題が有る。これに対して本実施形態では、第１領域６１に第１貫通孔群７１が設けられ、第２領域６２に第２貫通孔群７２が設けられていることから、ダンピングを低減することができる。さらに、本実施形態では、第１領域６１での第１ギャップ距離ｈ１を、第２領域６２での第２ギャップ距離ｈ２よりも小さくすることで、第１領域６１を狭ギャップ化できることから、ダンピングを低減しつつ、耐衝撃性と高感度化を両立した物理量センサー１を実現することができる。
また前述の特許文献４では、質量部における可動体断面を凹部形状にすることで厚みを小さくし、上下の固定電極で可動体を挟むように構成している。しかしながら、電極間の空隙のギャップ距離は一定であるため、高感度化が難しいという問題がある。これに対して本実施形態では、第１ギャップ距離ｈ１を第２ギャップ距離ｈ２よりも小さくすることにより、第１質量部３４の第１領域６１での狭ギャップ化を実現でき、静電容量を大きくできるため、高感度化の実現が可能になる。さらに、本実施形態では、第１領域６１での第１ギャップ距離ｈ１を、第２領域６２での第２ギャップ距離ｈ２よりも小さくすることで、第１領域６１を狭ギャップ化できることから、前述の耐衝撃性と高感度化を両立した物理量センサー１を実現することができる。
また前述の特許文献５では、高感度、且つ、低ダンピングを実現するための規格化式である関数式について開示されている。しかしながら、電極間の空隙のギャップ距離は一定であるため、更なる高感度化にあたっては課題があった。これに対して本実施形態では、第１ギャップ距離ｈ１を第２ギャップ距離ｈ２よりも小さくすることにより、第１質量部３４の第１領域６１での狭ギャップ化を実現でき、静電容量を大きくできるため、高感度化の実現が可能になる。さらに、本実施形態では、第１領域６１での第１ギャップ距離ｈ１を、第２領域６２での第２ギャップ距離ｈ２よりも小さくすることで、第１領域６１を狭ギャップ化できることから、前述の耐衝撃性と高感度化を両立した物理量センサー１を実現することができる。
また、図１～図３に示すように、本実施形態における物理量センサー１の第２貫通孔群７２の貫通孔の開口面積は、第１貫通孔群７１の貫通孔の開口面積よりも大きい。なお、前述のように、貫通孔群の貫通孔の開口面積とは、貫通孔群を構成する１つの貫通孔の開口面積である。このように、回転軸ＡＹから遠い第２貫通孔群７２の開口面積を、回転軸ＡＹから近い第１貫通孔群７１よりも大きくすることで、可動体３の低ダンピング化を実現できる貫通孔の寸法条件を満たすことが可能になり、物理量センサー１の低ダンピング化の実現が可能になる。更にトルク発生部３６の領域に設けられる第５貫通孔群７５の貫通孔の開口面積は、第１貫通孔群７１及び第２貫通孔群７２の貫通孔の開口面積よりも大きい。このように第１質量部３４よりも回転軸ＡＹからの距離が遠いトルク発生部３６での貫通孔の開口面積を大きくすることで、可動体３の低ダンピング化を実現できる貫通孔の寸法条件を満たすことが可能になり、物理量センサー１の更なる低ダンピング化の実現が可能になる。
貫通孔の寸法は、ギャップ距離、貫通孔の深さ、貫通孔の寸法／孔端部間距離の比のパラメーターで決まるダンピングの最小条件近辺の値を採用できる。具体的には、各領域でサイズが異なる正方形の貫通孔が設けられており、例えば回転軸ＡＹから近い第１領域６１の貫通孔の開口面積は、一例としては５μｍ×５μｍ程度であり、回転軸ＡＹから遠い第２領域６２での貫通孔の開口面積は、一例としては８μｍ×８μｍ程度である。また回転軸ＡＹから更に遠いトルク発生部３６での貫通孔の開口面積は、一例としては２０μｍ×２０μｍ程度である。
次に、前述の図１と、図４と、図５を用いて、本実施形態の弾性部２００ａについて詳細に説明する。なお、図４、図５においては、Ｙ軸マイナス方向側の弾性部２００ａについてのみ示し、他の弾性部２００ａや弾性部２００ｂについても同様であるため図示を省略する。また、図４、図５においては、説明の便宜上、第１貫通孔群７１及び第２貫通孔群７２の図示を省略している。弾性部２００ａは、弾性体２１０ａと可動部２２０ａを含む。弾性体２１０ａの両端は、可動体３の剛体部２４０ａに接続される。なお、弾性体２１０ａの弾性機能の実現方法については後述する。また、ここでの剛体部２４０ａは、可動体３のうち、ストッパー１１、１２との衝突等によって破損する可能性が低い箇所であるものとし、以降の説明においても同様であるものとする。可動部２２０ａは、弾性体２１０ａに接続され、Ｚ軸方向から見た平面視においてストッパー１１と重なる位置に設けられている。例えば物理量センサー１に加速度が作用して、可動体３が回転軸ＡＹを中心にシーソー揺動することで、可動体３の可動部２２０ａがストッパー１１の頂部に接触したとする。このときに、可動部２２０ａがＺ方向のプラス側である上方向に可動することで、接触の際の衝撃エネルギーが分散される。これにより、可動体３が破損する可能性は低減される。以上のように、本実施形態の物理量センサー１において、弾性部２００ａは、可動体３の剛体部２４０に接続されている弾性体２１０ａと、弾性体２１０ａに接続され、Ｚ軸方向から見た平面視においてストッパー１１と重なる位置に設けられている可動部２２０ａと、を含む。このような弾性体２１０ａと可動部２２０ａを含むことにより、可動体３がストッパー１１と衝突しても、弾性機能を発揮することで衝突エネルギーの分散が実現できるので、ダンピングを低減しつつ、高感度と耐衝撃性を両立することができる。
図１、図４、図５に示す例における弾性体２１０ａは、Ｘ軸方向を長手方向とする直方体形状であり、長手方向の両端が剛体部２４０と接続されている。より具体的には、図５に示すように、弾性体２１０ａとＹ軸方向に並んで設けられる開口部２５０ａ、２５０ｂはＺ軸方向に沿って貫通されており、Ｙ軸方向に弾性体２１０ａを支えるものは無く、長手方向に剛体部２４０と接続された両端のみによって支えられている。すなわち、弾性体２１０ａは支持梁であり、ねじりバネとしての役割を持つ。また、図１、図４、図５に示す例において、弾性体２１０ａのＺ軸方向の厚さＬ１は、可動部２２０ａの厚さと等しく、可動体３の最大厚さに相当する。以上のように、本実施形態の物理量センサー１における弾性体２１０ａ、２１０ｂは梁状である。これにより、例えば、可動体３の可動部２２０ａがストッパー１１の頂部に接触したときに、弾性体２１０ａがねじれることにより、可動部２２０ａがＺ方向のプラス側である上方向に可動するため、衝撃による可動体３の破損の可能性が低減する。このようにすることで、弾性体２１０ａに弾性機能を有することが実現できるので、物理量センサー１に耐衝撃性を持たせることができる。
また、図１、図４、図５に示す例における可動部２２０ａは、Ｙ軸方向を長手方向とする直方体形状であり、Ｙ軸方向の一端が弾性体２１０ａの長手方向の辺を含む部位と接続している。より具体的には、図４、図５に示すように、可動部２２０ａとＸ軸方向に並んで設けられる開口部２６０ａ、２６０ｂはＺ軸方向に沿って貫通されており、Ｘ軸方向に可動部２２０ａを支えるものは無く、長手方向の一端に接続された弾性体２１０ａによって支えられている。すなわち、可動部２２０ａは片持ち梁である。このようにすることで、可動部２２０ａがストッパー１１と衝突した際の衝突エネルギーをより分散させることができる。なお、弾性部２００ａは、図１、図４、図５に示す例に限られず、種々の変形実施が可能である。例えば、弾性体２１０ａ、２１０ｂを、Ｙ軸方向を長手方向とする直方体形状とし、可動部２２０ａ、２２０ｂを、Ｘ軸方向を長手方向とする直方体形状とし、可動部２２０ａ、２２０ｂのＸ軸方向の一端が弾性体２１０ａ、２１０ｂの長手方向の辺を含む部位と接続するようにしてもよく、詳細は第３実施形態で後述する。可動部２２０ａ、２２０ｂがストッパー１１、１２と衝突する限りは、同様の効果を得ることができる。以上のように本実施形態では、弾性体２１０ａ、２１０ｂは、Ｘ軸方向又はＹ軸方向の一方の軸方向に沿った梁状であり、可動部２２０ａ、２２０ｂは、Ｘ軸方向又はＹ軸方向の他方の軸方向に沿った片持ち梁状である。このようにすることで、物理量センサー１に耐衝撃性を持たせることができる。なお、以降は便宜上、開口部２５０ａ、２５０ｂ、２６０ａ、２６０ｂについては、説明及び図示を省略する。
また、前述のように可動部２２０ａ、２２０ｂは、Ｚ軸方向から見た平面視においてストッパー１１、１２と重なるように配置されるため、可動部２２０ａ、２２０ｂの配置される位置は、ストッパー１１、１２が配置される位置に依存する。ストッパー１１、１２がＸ軸方向において回転軸ＡＹに近過ぎると、可動体３の回転を強く規制する。また、ストッパー１１、１２がＸ軸方向において回転軸ＡＹから遠過ぎると、可動体３の回転の規制が弱くなり前述の「スティッキング」を起こし難くすることができない。そのため、可動体３の回転を適切に規制するために、ストッパー１１、１２は、Ｘ軸方向において第１領域６１と第２領域６２の間に配置し、これに対応するように可動部２２０ａ、２２０ｂを配置してもよい。以上のように、可動部２２０ａ、２２０ｂは、Ｚ軸方向から見た平面視において第１領域６１と第２領域６２の間に配置されている。このようにすることで、可動体３の回転を適切に規制しつつ、物理量センサー１に耐衝撃性を持たせることができる。
また、本実施形態の物理量センサー１は、第１貫通孔群７１及び第２貫通孔群７２のＺ軸方向での深さは、可動体３のＺ軸方向での最大厚みよりも小さくなるように、構成されている。なお、具体的な構成例については後述する。第１貫通孔群７１及び第２貫通孔群７２の貫通孔の深さが小さくなることで、これらの貫通孔での孔中ダンピング等を低減できる。これにより、本実施形態の物理量センサー１は、高感度化と耐衝撃性を両立するとともに、更に低ダンピング化を実現できる。
ここで第１貫通孔群７１の貫通孔は、第１貫通孔群７１を構成する貫通孔であり、第２貫通孔群７２の貫通孔は、第２貫通孔群７２を構成する貫通孔である。貫通孔のＺ軸方向の深さは、Ｚ軸方向での貫通孔の長さであり、貫通孔の厚みと言うこともできる。可動体３の最大厚みとは、可動体３においてＺ軸方向での厚みが最も大きい場所での可動体３の厚みである。例えばシリコン基板をエッチング等によりパターニングして可動体３を形成する場合には、可動体３の最大厚みは、例えばパターニング前のシリコン基板の厚みと言うこともできる。具体的には図１～図３に示すように、可動体３は、基板２に固定される固定部３２ａ、３２ｂと、固定部３２ａ、３２ｂと第１質量部３４を接続し、回転軸ＡＹとなる支持梁３３を含む。例えば可動体３の固定部３２ａ、３２ｂは、陽極接合等により基板２のマウント部２２ａ、２２ｂに接合されており、これにより可動体３の固定部３２ａ、３２ｂは基板２に固定される。また支持梁３３の一端が、第１連結部４１を介して第１質量部３４に接続され、支持梁３３の他端が、固定部３２ａ、３２ｂに接続されており、支持梁３３は、固定部３２ａ、３２ｂと第１質量部３４を接続している。そして固定部３２ａ、３２ｂが、基板２のマウント部２２ａ、２２ｂに接続されており、これにより捻れバネである支持梁３３を回転軸ＡＹとして、可動体３が回転軸ＡＹ回りに揺動する。この場合に可動体３の最大厚みは、例えば固定部３２ａ、３２ｂ及び支持梁３３の少なくとも一方のＺ軸方向での厚さである。例えば可動体３の最大厚みは、固定部３２ａ、３２ｂのＺ軸方向での厚さ、或いは支持梁３３のＺ軸方向での厚さである。或いは固定部３２ａ、３２ｂと支持梁３３の厚さが等しい場合には、可動体３の最大厚みは、固定部３２ａ、３２ｂ及び支持梁３３のＺ軸方向での厚さである。このようにすれば、第１貫通孔群７１及び第２貫通孔群７２の貫通孔のＺ軸方向での深さを、固定部３２ａ、３２ｂ及び支持梁３３の少なくとも一方のＺ軸方向での厚さよりも小さくできる。これにより、貫通孔の孔中ダンピング等を低減でき、物理量センサー１を、より広い周波数範囲で適正に動作させることが可能になる。
具体的には、図２、図３に示すように、可動体３の第２面７側において、第１貫通孔群７１が底面に配置される第１凹部８１を第１領域６１に設けることで、第１貫通孔群７１のＺ軸方向での深さが、可動体３のＺ軸方向での最大厚みよりも小さくなることを、実現することができる。即ち第１質量部３４の蓋部５側の面である第２面７には、Ｚ軸方向マイナス側に窪む第１凹部８１が第１領域６１に設けられている。このように、可動体３の第２面７には、第１貫通孔群７１が底面に配置される第１凹部８１が、第１領域６１に設けられている。図４に示すように、第１凹部８１では、第１貫通孔群７１の配置領域を囲むように複数の壁部、例えば４つの壁部が設けられ、これらの壁部により第１領域６１での剛性が確保される。即ち、前述のように第１貫通孔群７１の深さは、低ダンピング化のために可動体３の最大厚みよりも小さくなっている。このため、第１貫通孔群７１の配置領域での可動体３の厚みが薄くなってしまい、剛性が弱くなることで、破損等が発生する可能性が有る。しかし、本実施形態の物理量センサー１は、第１貫通孔群７１が底面に配置される第１凹部８１を第１領域６１に設けることで、第１領域６１が凹部形状となり、第１凹部８１の縁部である壁部によって第１領域６１での可動体３の剛性を高めることができる。これにより、可動体３の破損の可能性を低減することができる。
同様に、可動体３の第２面７には、第２貫通孔群７２が底面に配置される第２凹部８２が、第２領域６２に設けられている。即ち第１質量部３４の蓋部５側の面である第２面７には、Ｚ軸方向マイナス側に窪む第２凹部８２が第２領域６２に設けられている。つまり、第２凹部８２では、第２貫通孔群７２の配置領域を囲むように複数の壁部、例えば４つの壁部が設けられ、これらの壁部により第２領域６２での剛性が確保される。即ち、前述のように第２貫通孔群７２の深さは、低ダンピング化のために可動体３の最大厚みよりも小さくなっている。このため、第２貫通孔群７２の配置領域での可動体３の厚みが薄くなってしまうことにより、剛性が低下することで、破損等が発生する可能性が有る。しかし、本実施形態の物理量センサー１は、第２貫通孔群７２が底面に配置される第２凹部８２を第２領域６２に設けることで、第２領域６２が凹部形状となり、第２凹部８２の縁部である壁部によって第２領域６２での可動体３の剛性を高めることができる。これにより、可動体３の破損の可能性を低減することができる。
また本実施形態の物理量センサー１は、可動体３は、Ｚ軸方向から見た平面視において、第１質量部３４に対して回転軸ＡＹを挟んで設けられている第２質量部３５を含む。例えば回転軸ＡＹからＸ軸方向プラス側に第１質量部３４が配置され、回転軸ＡＹからＸ軸方向マイナス側に第２質量部３５が配置される。これらの第１質量部３４、第２質量部３５は、例えば回転軸ＡＹを対称軸として対称配置される。また基板２には、第２質量部３５に対向している第２固定電極２５が設けられている。
そして図２、図３に示すように、第２質量部３５は、第３領域６３と、第３領域６３よりも回転軸ＡＹから遠い第４領域６４を含む。即ち第２質量部３５には複数の領域から設定されており、これらの複数の領域のうち、回転軸ＡＹから近い領域を第３領域６３とし、第３領域６３に比べて回転軸ＡＹから遠い領域を第４領域６４とする。そして第３領域６３に第３貫通孔群７３が設けられ、第４領域６４に第４貫通孔群７４が設けられている。
また、前述の第１ギャップ距離ｈ１が第２ギャップ距離ｈ２よりも小さいことと同様に、第３ギャップ距離ｈ３は第４ギャップ距離ｈ４よりも小さい。ここで第３ギャップ距離ｈ３は、第３領域６３での第２質量部３５と第２固定電極２５との間の空隙である第３空隙Ｑ３のＺ軸方向でのギャップ距離であり、第３空隙Ｑ３での第２質量部３５と第２固定電極２５の離間距離である。第４ギャップ距離ｈ４は、第４領域６４での第２質量部３５と第２固定電極２５との間の空隙である第４空隙Ｑ４のＺ軸方向でのギャップ距離であり、第４空隙Ｑ４での第２質量部３５と第２固定電極２５の離間距離である。即ち第２質量部３５は、基板２に設けられている第２固定電極２５と対向しているが、第３領域６３での第３ギャップ距離ｈ３が、第４領域６４での第４ギャップ距離ｈ４よりも小さくなるようなっている。このように本実施形態では、可動体３は、Ｚ軸方向から見た平面視において、第１質量部３４に対して回転軸ＡＹを挟んで設けられている第２質量部３５を含む。また、基板２には、第２質量部３５に対向している第２固定電極２５が設けられている。また、第２質量部３５は、第３領域６３と、第３領域６３よりも回転軸ＡＹから遠い第４領域６４と、を含む。また、第３領域６３に第３貫通孔群７３が設けられ、第４領域６４に第４貫通孔群７４が設けられている。また、第３領域６３での第２質量部３５と第２固定電極２５との間の空隙である第３空隙Ｑ３のＺ軸方向での第３ギャップ距離ｈ３は、第４領域６４での第２質量部３５と第２固定電極２５との間の空隙である第４空隙Ｑ４のＺ軸方向での第４ギャップ距離ｈ４よりも小さい。このように第３ギャップ距離ｈ３が小さくなることで、第２質量部３５の複数の領域のうち、回転軸ＡＹから近い側の領域である第３領域６３の狭ギャップ化を実現できるため、物理量センサー１の高感度化を実現できる。
また、前述の第１貫通孔群７１及び第２貫通孔群７２と同様に、第３貫通孔群７３及び第４貫通孔群７４の貫通孔のＺ軸方向での深さは、可動体３のＺ軸方向での最大厚みよりも小さくなっている。このように第３貫通孔群７３及び第４貫通孔群７４の貫通孔の深さが小さくなることで、これらの貫通孔の孔中ダンピング等を低減でき、物理量センサー１の低ダンピング化を実現できる。
また、図１～図３に示すように、第４貫通孔群７４の貫通孔の開口面積は、第３貫通孔群７３の貫通孔の開口面積よりも大きい。なお、前述の第１貫通孔群７１の貫通孔の開口面積と第３貫通孔群７３の貫通孔の開口面積は等しく、同様に前述の第２貫通孔群７２の貫通孔の開口面積と第４貫通孔群７４の貫通孔の開口面積は等しい。このように、回転軸ＡＹから遠い第４貫通孔群７４の貫通孔の開口面積を、回転軸ＡＹから近い第３貫通孔群７３の貫通孔の開口面積よりも大きくすることで、可動体３の低ダンピング化を実現できる貫通孔の寸法条件を満たすことが可能になり、物理量センサー１の低ダンピング化の実現が可能になる。
また、可動体３の第２面７には、第３貫通孔群７３が底面に配置される第３凹部８３が、第３領域６３に設けられている。図４に示すように、第３凹部８３では、第３貫通孔群７３の配置領域を囲むように複数の壁部が設けられ、これらの壁部により第３領域６３での剛性が確保される。
また、可動体３の第２面７には、第４貫通孔群７４が底面に配置される第４凹部８４が、第４領域６４に設けられている。図４に示すように、第４凹部８４では、第４貫通孔群７４の配置領域を囲むように複数の壁部が設けられ、これらの壁部により第４領域６４での剛性が確保される。
また、本実施形態では、可動体３は、回転軸ＡＹ回りの回転トルクを発生させるためのトルク発生部３６を含み、トルク発生部３６には第５貫通孔群７５が設けられる。例えば第１質量部３４のＸ軸方向プラス側に、第３質量部であるトルク発生部３６が設けられる。そしてトルク発生部３６と基板２との間の空隙である第５空隙Ｑ５のＺ軸方向での第５ギャップ距離ｈ５は、第１ギャップ距離ｈ１及び第２ギャップ距離ｈ２よりも大きい。また第５ギャップ距離ｈ５は、第３ギャップ距離ｈ３及び第４ギャップ距離ｈ４よりも大きい。例えば図２、図３では、基板２を深掘りすることで、凹部２１よりもＺ軸方向での高さが低い凹部２１ａを形成することで、トルク発生部３６と基板２との間の第５空隙Ｑ５の第５ギャップ距離ｈ５を拡大している。これにより、ダンピングの低減化や、ダミー電極２６ａとの接触による貼り付き防止や、可動体３の可動範囲の拡大を実現できる。なおトルク発生部３６の厚みを、固定部３２ａ、３２ｂや支持梁３３の厚みより大きくしてもよい。このようにすれば、可動体３を回転させるための、より大きなトルクを発生させることが可能になり、更なる高感度化を実現できるようになる。
次に、貫通孔の設計について具体的に説明する。貫通孔は、可動体３が揺動する際の気体のダンピングをコントロールするために設けられている。このダンピングは、貫通孔内を通過する気体の孔中ダンピングと、可動体３と基板２との間でのスクイズフィルムダンピングとにより構成されている。
貫通孔を大きくするほど、貫通孔内を気体が通り易くなるため、孔中ダンピングを低減できる。また貫通孔の占有率を高くするほど、可動体３と基板２の実質的な対向面積が減少するため、スクイズフィルムダンピングを低減できる。しかし、貫通孔の占有率を高くすると、可動体３と第１固定電極２４、第２固定電極２５との対向面積の減少と、トルク発生部３６の質量の低下が生じるため、加速度の検出の感度が低下する。反対に、貫通孔を小さくするほど、即ち占有率を低くするほど、可動体３と第１固定電極２４、第２固定電極２５との対向面積が増加し、トルク発生部３６の質量が増加するため、加速度の検出の感度は向上するが、ダンピングが増大してしまう。このように、検出感度とダンピングとは、トレードオフの関係にあるため、これらを両立することが極めて困難であった。
このような問題に対して、本実施形態では、貫通孔の設計を工夫することにより、高感度化と低ダンピング化の両立を図っている。なお物理量センサー１の検出の感度は、（Ａ）可動体３と第１固定電極２４、第２固定電極２５との離間距離であるギャップ距離をｈとしたときの１／ｈ２、（Ｂ）可動体３と第１固定電極２４、第２固定電極２５との対向面積、（Ｃ）支持梁３３のばね剛性、及び、（Ｄ）トルク発生部３６の質量に比例する。物理量センサー１では、まずダンピングを無視した状態で、目的とする感度を得るために必要な、第１固定電極２４、第２固定電極２５との対向面積やギャップ距離等を決定する。言い換えると貫通孔の占有率を決定する。これにより、必要な大きさの静電容量ＣＡ、ＣＢが形成され、物理量センサー１は、十分な感度を得られる。
第１質量部３４や第２質量部３５での複数の貫通孔の占有率としては、特に限定されないが、例えば、７５％以上であることが好ましく、７８％以上であることがより好ましく、８２％以上であることが更に好ましい。これにより、高感度化と低ダンピング化の両立が図り易くなる。
このように、貫通孔の占有率を決定した後に、例えば第１領域６１、第２領域６２等の各領域に、ダンピングについての設計を行う。感度を変えずにダンピングを最小にする新たな技術思想として、物理量センサー１では、孔中ダンピングとスクイズフィルムダンピングとの差がなるべく小さくなるように、好ましくは、孔中ダンピングとスクイズフィルムダンピングとが等しくなるように複数の貫通孔を設計している。このように、孔中ダンピングとスクイズフィルムダンピングとの差をなるべく小さくすることにより、ダンピングを低減することができ、孔中ダンピングとスクイズフィルムダンピングとが等しい場合に、ダンピングが最小となる。これにより、感度を十分に高く維持しつつ、ダンピングを効果的に低減することが可能になる。
なお、各領域におけるダンピング設計の方法は、互いに同様であるため、以下では、第１領域６１のダンピング設計について代表して説明し、他の領域でのダンピング設計については、その説明を省略する。
第１領域６１に配置されている貫通孔のＺ軸方向の長さをＨ（μｍ）とし、第１質量部３４の第１領域６１のＹ軸方向に沿った長さの１／２の長さをａ（μｍ）とし、第１質量部３４の第１領域６１のＸ軸方向に沿った長さをＬ（μｍ）とする。また、第１空隙Ｑ１のギャップ距離であるＺ軸方向の長さをｈ（μｍ）とし、第１領域６１に配置されている貫通孔の一辺の長さをＳ０（μｍ）とし、隣り合う貫通孔の端部間距離をＳ１（μｍ）とし、第１空隙Ｑ１内にある気体、即ち収納空間ＳＡ内に充填されている気体の粘性係数である粘性抵抗をμ（ｋｇ／ｍｓ）とする。この場合に、第１領域６１に生じるダンピングをＣとしたとき、Ｃは、下式（１）で表される。なお、Ｘ軸方向において隣り合う貫通孔同士の間隔と、Ｙ軸方向において隣り合う貫通孔同士の間隔とが異なる場合は、Ｓ１は、それらの平均値とすることができる。
Figure 2022081956000002
 上式（１）で用いられるパラメーターは、下式（２）～（８）で表される。
Figure 2022081956000003
 ここで、上式（１）に含まれる孔中ダンピング成分は、下式（９）で表され、スクイズフィルムダンピング成分は、下式（１０）で表される。
Figure 2022081956000004
 従って、上式（９）と上式（１０）が等しくなる、つまり下式（１１）を満たすＨ、ｈ、Ｓ０、Ｓ１の寸法を用いることにより、ダンピングＣが最小となる。即ち、下式（１１）はダンピングを最小にする条件式である。
Figure 2022081956000005
 ここで、上式（１１）を満足する貫通孔の一辺の長さＳ０をＳ０ｍｉｎとし、隣り合う貫通孔同士の間隔Ｓ１をＳ１ｍｉｎとし、これらＳ０ｍｉｎおよびＳ１ｍｉｎを上式（１）に代入したときのダンピングＣであるダンピングＣの最小値をＣｍｉｎとする。物理量センサー１に求められる精度にもよるが、Ｈ、ｈを一定としたときのＳ０、Ｓ１の範囲が下式（１２）を満たすことにより、十分にダンピングを低減できる。即ち、ダンピングの最小値Ｃｍｉｎ＋５０％以内のダンピングであれば、十分にダンピングを低減することができるため、所望の周波数帯域内での検出の感度の維持を可能とし、ノイズを低減することができる。
Ｃ≦１．５×Ｃｍｉｎ （１２）
なお、下式（１３）を満たすことが好ましく、下式（１４）を満たすことがより好ましく、下式（１５）を満たすことが更に好ましい。これにより、上述の効果をより顕著に発揮することができる。
Ｃ≦１．４×Ｃｍｉｎ （１３）
Ｃ≦１．３×Ｃｍｉｎ （１４）
Ｃ≦１．２×Ｃｍｉｎ （１５）
図６は、貫通孔の一辺の長さＳ０とダンピングとの関係を示すグラフである。ここでは、Ｈ＝３０ｕｍ、ｈ＝２．３ｕｍ、ａ＝２１７．５ｕｍ、Ｌ＝７８５ｕｍとしている。また感度が一定となるようにＳ１／Ｓ０比は１とした。これは、Ｓ０の大きさを変えても開口率は変わらないということを示す。即ち、Ｓ１／Ｓ０比を１にすることで、Ｓ０の大きさを変えても開口率は変わらず、対向面積が変わらないことから、形成される静電容量は変わらず、感度が維持される。従って、感度を維持しながら、ダンピングが最小となるＳ０が存在することになる。なお開口率は、例えば領域の面積に対する、当該領域に配置される複数の貫通孔の開口面積の総和が占める率と言うことができる。
図６のグラフから、上式（１）のダンピングは、上式（９）の孔中のダンピングと、上式（１０）のスクイズフィルムダンピングに分離でき、Ｓ０がＳ０ｍｉｎより小さい領域では孔中ダンピングが支配的であり、Ｓ０がＳ０ｍｉｎより大きい領域ではスクイズフィルムダンピングが支配的であることが分かる。上式（１２）を満足するＳ０は、図６に示すように、Ｓ０ｍｉｎよりも小さい側のＳ０’からＳ０ｍｉｎよりも大きい側のＳ０”までの範囲となる。Ｓ０ｍｉｎからＳ０’の範囲は、Ｓ０ｍｉｎとＳ０”の範囲と比較すると、Ｓ０の寸法ばらつきに対するダンピングの変化が大きいために寸法精度が要求されるため、寸法精度が緩和できるＳ０ｍｉｎからＳ０”までの範囲でＳ０を採用するのが望ましい。上式（１３）～（１５）を満たす場合についても同様である。
また、Ｓ０、Ｓ１の関係としては、特に限定されないが、下式（１６）を満たすことが好ましく、下式（１７）を満たすことがより好ましく、下式（１８）を満たすことが更に好ましい。このような関係を満たすことにより、可動体３にバランスよく貫通孔を形成することができる。例えばＳ１／Ｓ０＞３では感度比の増加率は飽和傾向にあり、且つ、最小ダンピング比は大幅な増加傾向にあることから、下式（１６）～下式（１８）を満たすことにより、検出感度を十分に高くしつつ、ダンピングを十分に低減することができる。なお感度比とは、Ｓ１／Ｓ０＝１のときの感度との比であり、最小ダンピング比とは、Ｓ１／Ｓ０＝１のときの最小ダンピングとの比である。
０．２５≦Ｓ１／Ｓ０≦３．００ （１６）
０．６≦Ｓ１／Ｓ０≦２．４０ （１７）
０．８≦Ｓ１／Ｓ０≦２．００ （１８）
図６は、貫通孔の深さ、即ちＺ方向での長さがＨ＝３０μｍの場合のＳ０とダンピングとの関係を示すグラフであった。これに対して図７、図８は、各々、Ｈ＝１５μｍ、Ｈ＝５μｍの場合のＳ０とダンピングとの関係を示すグラフである。このように図６、図７、図８には、貫通孔の深さ以外の寸法は同一とし、貫通孔の深さであるＨを、それぞれ３０ｕｍ、１５ｕｍ、５ｕｍとしたときのダンピングの傾向が示されている。このように、貫通孔の深さを小さくすればするほど、スクイズフィルムダンピングはほぼ変わらないが、孔中ダンピングは小さくなり、結果的として、全体ダンピングの最小値がより小さくなることが分かる。そして本実施形態では、貫通孔の深さを、可動体３の最大厚みに比べて十分に小さくなるように、例えば図８に示すように５ｕｍというように大幅に小さくしているため、ダンピング低減効果は非常に大きい。
図９は、規格化貫通孔深さと規格化ダンピングの関係を示すグラフである。ここで規格化貫通孔深さは、例えば貫通孔の深さの基準を３０μｍとした場合に、この基準に対して規格化された貫通孔の深さである。貫通孔の深さの基準としては、例えば可動体３の最大厚みを採用できる。そして図９に示すように、規格化貫通孔深さが０．５の場合には、ダンピングを約３０％低減できる。従って、例えば貫通孔の深さを、貫通孔の深さの基準である可動体３の最大厚みの５０％未満とすることで、ダンピングを約３０％低減でき、低ダンピング化を実現できる。また規格化貫通孔深さが０．１７の場合には、ダンピングを約６０％低減できる。従って、例えば貫通孔の深さを、可動体３の最大厚みの１７％未満とすることで、ダンピングを約６０％低減でき、ダンピングを十分に低減することが可能になる。このように本実施形態では、第１貫通孔群７１及び第２貫通孔群７２等の貫通孔の深さを、可動体３の最大厚みの５０％未満とすることが望ましく、更に好ましくは可動体３の最大厚みの１７％未満とすることが望ましい。
また本実施形態では、図１～図４に示すように、第１質量部３４の第２領域６２の第２貫通孔群７２の貫通孔の開口面積を、第１領域６１の第１貫通孔群７１の貫通孔の開口面積よりも大きくしている。同様に第２質量部３５の第４領域６４の第４貫通孔群７４の貫通孔の開口面積を、第３領域６３の第３貫通孔群７３の貫通孔の開口面積よりも大きくしている。更にトルク発生部３６の第５貫通孔群７５の貫通孔の開口面積を、第１貫通孔群７１、第２貫通孔群７２等の貫通孔の開口面積よりも大きくしている。
例えばダンピングを最小にする条件式である上式（１１）では、分子にｒ０ ４＝（０．５４７×Ｓ０）４の項があり、分母にｈ３の項がある。従って、電極間のギャップ距離であるｈが大きくなった場合には、それに応じて貫通孔の一辺の長さＳ０を大きくすることで、ダンピングの最小条件を満たすことが可能になる。即ち、ギャップ距離であるｈが大きくなるにつれて、貫通孔の一辺の長さであるＳ０を大きくして、貫通孔の開口面積を大きくすることで、ダンピングを最小値に近づけることが可能になる。
そして本実施形態では、第２領域６２での第２ギャップ距離ｈ２は、第１領域６１での第１ギャップ距離ｈ１よりも大きい。従って、第２領域６２の第２貫通孔群７２の開口面積を、第１領域６１の第１貫通孔群７１の開口面積よりも大きくすることで、第１領域６１、第２領域６２の各領域におけるダンピングを、上式（１１）で表される最小値に近づけることが可能になる。同様に、第４領域６４での第４ギャップ距離ｈ４は、第３領域６３での第３ギャップ距離ｈ３よりも大きい。従って、第４領域６４の第４貫通孔群７４の開口面積を、第３領域６３の第３貫通孔群７３の開口面積よりも大きくすることで、第３領域６３、第４領域６４の各領域におけるダンピングを、上式（１１）で表される最小値に近づけることが可能になる。
またトルク発生部３６の領域での第５ギャップ距離ｈ５は、第１ギャップ距離ｈ１、第２ギャップ距離ｈ２等よりも大きい。従って、トルク発生部３６の領域の第５貫通孔群７５の開口面積を、第１貫通孔群７１、第２貫通孔群７２等の開口面積よりも大きくすることで、トルク発生部３６の領域でのダンピングを、上式（１１）で表される最小値に近づけることが可能になる。
また本実施形態では、高感度化と低ダンピング化を両立して実現している。例えば物理量センサー１のノイズである素子ノイズＢＮＥＡは、下式（１９）のように表される。また静電容量差を差動検出方式で検出する検出回路を有する回路装置のノイズであるＩＣ（Integrated Circuit）ノイズＣＮＥＡは、下式（２０）のように表される。そして素子ノイズＢＮＥＡとＩＣノイズＣＮＥＡのトータルノイズＴＮＥＡは、下式（２１）のように表される。ここでＫＢはボルマン定数、Ｔは絶対温度、Ｍは可動体質量、ω０は共振周波数、Ｓは感度、ΔＣｍｉｎは検出回路の容量分解能である。
Figure 2022081956000006
 上式（２０）に示すように、感度Ｓを大きくすることで、ＩＣノイズＣＮＥＡを低減でき、トータルノイズＴＮＥＡを低減できる。これによりＩＣチップである回路装置から出力されるセンサー出力信号のノイズを低減できる。
また上式（１９）に示すように、Ｑ値を大きくすることで、素子ノイズＢＮＥＡを低減でき、トータルノイズＴＮＥＡを低減できる。これにより回路装置から出力されるセンサー出力信号のノイズを低減できる。例えば図１０は物理量センサー１の振動周波数とシーソー揺動の変位の大きさの関係を示すグラフである。Ｑ値はダンピングに反比例し、ダンピングが小さいほどＱ値は大きくなる。そして図１０に示すように、ダンピングが小さいＱ＝０．５の場合には、ダンピングが大きいＱ＝０．２５の場合に比べて、広い周波数範囲で、変位の大きさに対応するゲインがフラット形状になる。即ち、ダンピングを小さくすることで、広い周波数範囲で、加速度に対するシーソー揺動の変位が一定になり、加速度に対して線形のセンサー出力信号を出力できるようになる。即ち、ダンピングを低減することで、所望の周波数帯域を確保することが可能になる。
なお本実施形態の物理量センサー１は、基板形成工程と、固定電極形成工程と、基板接合工程と、可動体形成工程と、封止工程を含む製造方法により製造できる。基板形成工程では、例えばガラス基板をフォトリソグラフィー技法及びエッチング技法を用いてパターニングすることで、可動体３を支持するためのマウント部２２ａ、２２ｂやストッパー１１、１２等が形成された基板２を形成する。固定電極形成工程では、基板２上に導電膜を形成して、導電膜をフォトリソグラフィー技法及びエッチング技法によりパターニングして、第１固定電極２４、第２固定電極２５などの固定電極を形成する。基板接合工程では、基板２とシリコン基板を陽極接合等により接合する。可動体形成工程では、シリコン基板を所定の厚さに薄膜化し、シリコン基板をフォトリソグラフィー技法及びエッチング技法を用いてパターニングすることで、可動体３を形成する。この場合に深堀エッチング技術であるボッシュ・プロセスなどを用いる。封止工程では、基板２に蓋部５を接合し、基板２と蓋部５により形成される空間に可動体３が収納される。なお本実施形態における物理量センサー１の製造方法は、上記のような製造方法には限定されず、例えば犠牲層を用いる製造方法などの種々の製造方法を採用できる。犠牲層を用いる製造方法では、犠牲層を形成させたシリコン基板と、支持基板である基板２とを、犠牲層を介して接合し、犠牲層に可動体３が揺動可能なキャビティーを形成する。具体的には、シリコン基板に可動体３を形成させた後、シリコン基板と基板２とに挟まれた犠牲層をエッチングして除去することでキャビティーを形成して、基板２から可動体３をリリースする。本実施形態では、このような製造方法により、基板２と可動体３を有する物理量センサー１を形成してもよい。
２．第２実施形態
次に、第２実施形態の物理量センサー１について説明する。ここでは第１実施形態と異なる点についてのみ説明する。図１１、図１２は、第２実施形態の物理量センサー１の弾性部２００ａについて説明する斜視図である。なお、第２実施形態の物理量センサー１の平面図及び断面図は、第１実施形態と共通するため、省略する。また、前述の図４、図５と同様に、図１１、図１２はＹ軸マイナス方向側の弾性部２００ａのみを図示し、他の弾性部２００ａ及び弾性部２００ｂについては図示及び説明を省略する。また、前述の図４、図５と同様に、図１１、図１２は説明の便宜上、第１貫通孔群７１及び第２貫通孔群７２の図示を省略している。
第２実施形態においては、図１１、図１２に示すように、弾性体２１０ａの厚さＬ２は、図４、図５で前述した厚さＬ１よりも薄い点で、第１実施形態と異なる。具体的には、前述の第１凹部８１及び第２凹部８２を形成するにあたり、弾性体２１０ａの領域を共にエッチングする等の手法により、薄い弾性体２１０ａの形成が実現できる。つまり、厚さＬ２は、前述の第１貫通孔群７１及び第２貫通孔群７２が形成される領域における可動体３の厚さと等しい。このように、弾性体２１０ａ、２１０ｂの厚さを薄くすることで、可動体３の可動部２２０ａがストッパー１１の頂部に接触したときに、弾性体２１０ａがよりねじれ易くなるため、衝突エネルギーがより分散されることから、可動体３の破損の可能性をより低減させることができる。これにより、高感度と耐衝撃性を両立する物理量センサー１を実現することができる。
ただし、弾性体２１０ａの厚さＬ２を薄くし過ぎると、弾性体２１０ａ自体が破損する可能性が有る。弾性体２１０ａの厚さＬ２は、支持梁３３の厚さの２０％以上あることが望ましい。更には、弾性体２１０ａの厚さＬ２は、支持梁３３の厚さの４０％以上あることがより望ましい。
なお、弾性体２１０ａの厚さを薄くする場合、第１凹部８１の第１貫通孔群７１の配置領域を囲む複数の壁部のうち、少なくとも１つの壁部を設けないようにしてもよい。同様に、第２凹部８２の第２貫通孔群７２の配置領域を囲む複数の壁部のうち、少なくとも１つの壁部を設けないようにしてもよい。例えば、図１１、図１２に示すように、不図示の第１貫通孔群７１及び第２貫通孔群７２がそれぞれ２つの壁部によって囲まれるようにしてもよい。このようにすることで、可動体３の剛性を確保しつつ、弾性体２１０ａの厚さを視認して可動体３を製造することができる。
なお、第２貫通孔群７２の貫通孔の開口面積を第１貫通孔群７１に比べて大きくしたり、第５貫通孔群７５の貫通孔の開口面積を、第１貫通孔群７１及び第２貫通孔群７２に比べて大きくしたりするなど、第１実施形態で説明した本実施形態の特徴は、第２実施形態でも同様に適用できる。以降に説明する各実施形態でも同様である。また、各領域での貫通孔の設計手法についても、第１実施形態の同様の手法を採用できる。これらの点についても、以降に説明する各実施形態においても同様である。
３．第３実施形態
次に、第３実施形態の物理量センサー１について説明する。ここでは、ここでは第１実施形態と異なる点についてのみ説明する。第３実施形態の物理量センサー１の平面図は、第１実施形態の図１と共通するため、図示を省略する。図１３は、図１のＢ－Ｂ線に対応する線における断面図である。なお、図１３では、便宜上蓋部５の図示を省略している。図１４は、第３実施形態の物理量センサー１の弾性部２００ａ付近について説明する斜視図である。また、前述の図４、図５と同様に、図１４はＹ軸マイナス方向側の弾性部２００ａのみを図示し、他の弾性部２００ａ及び弾性部２００ｂについては図示及び説明を省略する。また、前述の図４、図５と同様に、図１４は説明の便宜上、第１貫通孔群７１及び第２貫通孔群７２の図示を省略している。
第３実施形態では、更に、図１３に示すように、第１質量部３４の第１面６には、段差８が設けられている。具体的には、第１質量部３４の下面である第１面６には、第１ギャップ距離ｈ１を第２ギャップ距離ｈ２よりも小さくするための段差８が設けられている。即ち第１質量部３４は、基板２に設けられている第１固定電極２４と対向しているが、第１領域６１での第１ギャップ距離ｈ１が、第２領域６２での第２ギャップ距離ｈ２よりも小さくなるように、第１質量部３４の基板２側の面である第１面６に段差８が設けられている。段差８を設けることで、第１領域６１での第１面６よりも、第２領域６２での第１面６の方が、Ｚ軸方向プラス側に位置するようになる。これにより、第１領域６１での第１面６と第１固定電極２４との距離である第１ギャップ距離ｈ１に比べて、第２領域６２での第１面６と第１固定電極２４との距離である第２ギャップ距離ｈ２が大きくなる。このように第１ギャップ距離ｈ１が小さくなることで、第１質量部３４の複数の領域のうち、回転軸ＡＹから近い側の領域である第１領域６１の狭ギャップ化を実現できるため、物理量センサー１の高感度化を実現できる。なお、第２領域６２を含むＹ軸方向に沿った領域は全てエッチングされて段差８が形成されているものとする。
また、以上では、第１質量部３４に対して、隣り合う領域間に段差を有する２つの領域を設ける場合について説明したが、本実施形態はこれに限定されず、第１質量部３４に対して、隣り合う領域間に段差を有する３つ以上の領域を設けるようにしてもよい。例えば、隣り合う領域間に段差が設けられ、回転軸ＡＹから近い順に領域ＲＡ１から領域ＲＡｎへと配置される領域ＲＡ１～領域ＲＡｎを、第１質量部３４に設ける。ここでｎは２以上の整数である。そして領域ＲＡ１から領域ＲＡｎへと向かうにつれて、各領域での第１質量部３４と第１固定電極２４との間のギャップ距離が大きくなるように、第１面６において各領域間に段差を設ける。この場合には、第１領域６１は、領域ＲＡ１～領域ＲＡｎのうちの領域ＲＡｉであり、第２領域６２は、領域ＲＡ１～領域ＲＡｎのうちの領域ＲＡｊである。ここで、ｉ、ｊは、１≦ｉ＜ｊ≦ｎを満たす整数であり、領域ＲＡｊは領域ＲＡｉよりも回転軸ＡＹから遠い領域になる。そして領域ＲＡｊでの第１固定電極２４との間のギャップ距離は、領域ＲＡｉでのギャップ距離よりも大きくなる。
なお、第１質量部３４の第１面６にスロープを設けるようにしてもよい。つまり、第１質量部３４の第１面６には、第１領域６１での第１空隙Ｑ１の第１ギャップ距離ｈ１を、第２領域６２での第２空隙Ｑ２の第２ギャップ距離ｈ２よりも小さくするためのスロープを設けてもよい。例えば、図示は省略するが、図１に示すＹ軸方向からの断面視において、Ｘ軸方向に対して例えば反時計回りに所定の角度で傾斜するスロープが、第１質量部３４の下面である第１面６の所定の領域に設けられる。このようにすることで、段差を設ける場合に比べて、更なる高感度化の実現も可能になる。例えばスロープを設けた場合に、回転軸ＡＹから近い位置では、初期ギャップ距離は小さくなるが、ギャップ距離の変位も小さくなる。一方、回転軸ＡＹから遠い位置では、初期ギャップ距離が大きくなるが、ギャップ距離の変位も大きくなる。従って、スロープを設けることで、初期ギャップ距離ｈｉに対するギャップ距離の変位ｈｖの割合であるｈｖ／ｈｉを、より一様にすることが可能になる。これにより、回転軸ＡＹから近い位置から遠い距離までの間の各位置において、静電容量の電極間ギャップの変化を、より一様にすることが可能となり、更なる高感度化の実現が可能になる。以上のように、本実施形態の物理量センサー１の可動体３は、基板２側の面である第１面６と、第１面に対する裏側の面である第２面７と、を含み、第１質量部３４の第１面６には、第１領域６１での第１ギャップ距離ｈ１を、第２領域６２での第２ギャップ距離ｈ２よりも小さくするための段差又はスロープが設けられている。このようにすることで、更に高感度な物理量センサーの実現が可能になる。
また、前述した特許文献１等には、基板側に段差を設けることにより、ギャップ距離が異なる複数の空隙を形成しているが、基板の段差上に電極や配線を設けるため、プロセスリスクとして断線や短絡が発生しやすいという問題がある。この点、本実施形態では、可動体３側に段差８やスロープを設けて、ギャップ距離が異なる複数の空隙を形成しているため、このような断線や短絡などの問題が発生するのを抑制できる。
なお、第１領域６１はＺ軸プラス方向側からエッチングされているが、可動部２２０ａの厚さは第１実施形態における厚さＬ１と同様である。また、図１４に示すように、第１領域６１側に有る弾性体２１０ａの厚さは、第１実施形態における厚さＬ１と同様にしてもよい。
そして、同様に、第２質量部３５の下面である第１面６には、第３ギャップ距離ｈ３を第４ギャップ距離ｈ４よりも小さくするための段差９が設けられている。即ち、第２質量部３５は、基板２に設けられている第２固定電極２５と対向しているが、第３領域６３での第３ギャップ距離ｈ３が、第４領域６４での第４ギャップ距離ｈ４よりも小さくなるように、第２質量部３５の基板２側の面である第１面６に段差９が設けられている。なお、第４領域６４を含むＹ軸方向に沿った領域は全てエッチングされて段差９が形成されているものとする。このように第３ギャップ距離ｈ３が小さくなることで、第２質量部３５の複数の領域のうち、回転軸ＡＹから近い側の領域である第３領域６３の狭ギャップ化を実現できるため、物理量センサー１の高感度化を実現できる。
また、第２質量部３５に対しても、隣り合う領域間に段差を有する３つ以上の領域を設けるようにしてもよい。例えば、隣り合う領域間に段差が設けられ、回転軸ＡＹから近い順に領域ＲＢ１から領域ＲＢｎへと配置される領域ＲＢ１～領域ＲＢｎを、第２質量部３５に設ける。そして領域ＲＢ１から領域ＲＢｎへと向かうにつれて、各領域での第２質量部３５と第２固定電極２５との間のギャップ距離が大きくなるように、第１面６において各領域間に段差を設ける。この場合には、第３領域６３は、領域ＲＢ１～領域ＲＢｎのうちの領域ＲＢｉであり、第４領域６４は、領域ＲＢ１～領域ＲＢｎのうちの領域ＲＢｊであり、領域ＲＢｊは領域ＲＢｉよりも回転軸ＡＹから遠い領域になる。そして領域ＲＢｊでの第２固定電極２５との間のギャップ距離は、領域ＲＢｉでのギャップ距離よりも大きくなる。
なお、前述の第１質量部３４と同様に、第２質量部３５の第１面６にスロープを設けるようにしてもよい。つまり、第２質量部３５の第１面６には、第３領域６３での第３空隙Ｑ３の第３ギャップ距離ｈ３を、第４領域６４での第４空隙Ｑ４の第４ギャップ距離ｈ４よりも小さくするためのスロープを設けてもよい。例えば、図示は省略するが、図１に示すＹ軸方向からの断面視において、Ｘ軸方向に対して例えば時計回りに所定の角度で傾斜するスロープが、第２質量部３５の下面である第１面６の所定の領域に設けられる。これにより、段差を設ける場合に比べて、回転軸ＡＹから近い位置から遠い距離までの間の各位置において、静電容量の電極間ギャップの変化を、より一様にすることが可能となり、更なる高感度化の実現が可能になる。このようにすることで、高感度と耐衝撃性を両立しつつ、更に高感度な物理量センサーの実現が可能になる。
４．第４実施形態
次に、図１５、図１６、図１７の平面図を用いて、第４実施形態について説明する。ここでは第１実施形態～第３実施形態と異なる点についてのみ説明する。また、図１５、図１６、図１７は、弾性部２００ａについて示した図であり、弾性部２００ｂは、弾性部２００ａと回転軸ＡＹに対して対称であるため、図示及び説明を一部省略している。
前述のように、弾性部２００ａ、２００ｂは種々の変形実施が可能である。例えば、図１５に示すように、Ｘ方向を長辺方向とする可動部２２０ａと、Ｙ方向を長辺方向とし、可動部２２０ａの一端を支持する弾性体２１０ａを有するようにしてもよい。なお、図１５の例では、弾性部２００ａは第１領域６１と第２領域６２の間には存在しないが、Ｚ軸方向から見た平面視において、ストッパー１１に重なる位置に弾性部２００ａが設けられていれば、第１実施形態と同様の効果を得る事ができる。同様に、弾性部２００ｂは第３領域６３と第４領域６４の間には存在しないが、Ｚ軸方向から見た平面視において、ストッパー１２に重なる位置に弾性部２００ｂが設けられていれば、第１実施形態と同様の効果を得る事ができる。
また、図１や図１５等の例では、Ｚ軸方向から見た平面視において、１つのストッパー１１に対して、１つの可動部２２０ａが重なっているが、図１６に示すように、２つのストッパー１１に対して、１つの可動部２２０ａが重なるようにしてもよい。
また、図１７に示すように、弾性部２００ａを、渦巻きバネにより実現してもよい。具体的には、弾性部２００ａは、Ｚ軸方向から見た平面視においてストッパー１１の場所に位置する可動部２２０ａと、その一端において可動部２２０ａを支持し、他端が剛体部２４０ａに固定される螺旋形状の弾性体２１０ａを有する。そして例えば物理量センサー１に加速度が作用して、可動体３が回転軸ＡＹを中心にシーソー揺動することで、可動体３の弾性部２００ａがストッパー１１の頂部に接触したとする。このとき、渦巻きバネである弾性体２１０ａが変形し、可動部２２０ａが、Ｚ方向のプラス側である上方向に変位することで、接触の際の衝撃エネルギーが吸収される。これにより可動体３とストッパー１１との衝撃を軽減でき、可動体３の破損を防止することができる。以上のように本実施形態の物理量センサー１の弾性体２１０ａ、２１０ｂは、一端が可動部２２０ａ、２２０ｂに接続され、他端が剛体部２４０ａに接続される螺旋形状である。このようにすることで、可動体３とストッパー１１、１２との衝撃を軽減できるので、物理量センサー１に耐衝撃性を持たせることができる。
５．第５実施形態
次に、図１８、図１９を用いて、第５実施形態について説明する。ここでは第１実施形態～第４実施形態と異なる点についてのみ説明する。図１８は、第５実施形態の物理量センサー１の平面図であり、図１９は、図１８のＡ－Ａ線における断面を説明するための図である。
図１～図３等の第１実施形態では、回転トルクを発生させるために、第１質量部３４のＸ軸方向プラス側にトルク発生部３６を設けていた。即ち、可動体３の長手方向での長さを、回転軸ＡＹに対して非対称にしていた。これに対して第５実施形態では、可動体３の長手方向であるＸ軸方向での長さを、回転軸ＡＹに対して対称にしている。そして回転トルクを発生させるために、第１質量部３４と第２質量部３５とで、断面形状が意図的に異なるように設計している。具体的には、第２質量部３５では、第３領域６３及び第４領域６４において第１面６に第４凹部８４が形成されているが、第１質量部３４では、第１領域６１及び第２領域６２において第１面６に第１凹部８１及び第２凹部８２が形成されていない。このように第１領域６１及び第２領域６２に第１凹部８１及び第２凹部８２を形成しないことで、第１領域６１及び第２領域６２での質量が、第３領域６３及び第４領域６４での質量よりも重くなり、加速度が作用したときに、回転トルクを発生させることが可能になる。なお、図１９では、第１領域６１での質量は第３領域６３での質量より重く、かつ、第２領域６２での質量は第４領域６４での質量より重いようにしているが、いずれか一方が重くてもよい。ただし、第２領域６２での質量が第４領域６４での質量より重い方が、トルクが大きく発生するため望ましい。以上のように、第１質量部３４の第２領域６２は、回転軸ＡＹ回りの回転トルクを発生させるためのトルク発生部３７となっている。
このように第５実施形態では、可動体３のＸ軸方向での長さを回転軸ＡＹに対して対称とし、回転トルクが発生するように、意図的に可動体３の質量アンバランスを形成している。従って、第１実施形態と同様の効果を維持しつつ、小型化が可能となる。また第１実施形態のように、トルク発生部３６の直下において基板２の深堀が不要になるため、工程を簡略化でき、低コスト化の実現が可能になる。
なお図１８に示すように第５実施形態では、第１質量部３４のＸ軸方向プラス側にダミー電極２６ｄが配置される。そしてダミー電極２６ｄからＸ軸方向マイナス側に電極２７ｄが引き出されて、引き出された電極２７ｄの先端部がストッパー１１の頂部を覆うように設けられる。そしてダミー電極２６ｄは可動体３と同電位に設定されているため、可動体３がストッパー１１に接触した場合にも、短絡が防止されるようになる。
また、前述したように、第１質量部３４に設けられる領域の数は２つには限定されず、任意の領域の個数をトルク発生部としてもよい。また、第２質量部３５において、第２面７の任意の領域に凹部を形成してもよい。
６．第６実施形態
次に、第６実施形態について説明する。ここでは第１実施形態～第５実施形態と異なる点についてのみ説明する。第１～第５実施形態においては、ストッパー１１、１２は基板２側に設けられているが、これに限定されず、例えば、図２０のように、ストッパー３１１、３１２を可動体３に設けるようにしてもよい。より具体的には、弾性部２００ａ、２００ｂにおいて、第１面６にストッパー３１１、３１２が設けられる。そして、Ｚ軸方向から見た平面視において可動部２２０ａ、２２０ｂとストッパー３１１、３１２が重なる。このように、本実施形態の物理量センサー１では、ストッパー１１、１２、３１１、３１２は、基板２又は可動体３に設けられている。これにより、基板２にストッパー１１、１２を設けられていた場合と同様の効果を得ることができる。すなわち、可動体３が基板２と強く衝突しても、ストッパー３１１、３１２が存在するため、スティッキングを起こし難くすることができる。また、弾性部２００ａ、２００ｂによって衝突エネルギーが分散されるため、可動体３の耐衝撃性を向上させることができる。また、弾性部２００ａ、２００ｂの構造を変更することで、ストッパー１１、１２の位置を自由に変更することができる。
なお、第６実施形態に、第４実施形態で前述した弾性部２００ａ、２００ｂの例を組み合わせてもよい。例えば、図２１の斜視図で示したような、弾性部２００ａ及びストッパー３１１の組み合わせであってもよい。なお、図２１はＹ軸プラス側の弾性部２００ａとストッパー３１１の組み合わせについてのみ図示しているが、他の弾性部２００ａとストッパー３１１の組み合わせ及び弾性部２００ｂとストッパー３１２の組み合わせについても同様であるため、図示及び説明は省略する。
７．その他の変形例
その他の変形例について、前述の各実施形態と異なる箇所のみについて概略を説明する。図２２及び図２３の変形例にかかる物理量センサー１の平面図は、第１実施形態の図１と共通するため、図示を省略する。図２２は、図１のＢ－Ｂ線に対応する線における断面図である。図２３も同様である。図２２は、ストッパー４１１、４１２を蓋部５に設けることを示した図であり、図３を比較すると、可動体３の構造は第１実施形態と同様であるが、基板２と蓋部５の構造が異なる。なお、図２２は蓋部５の構造の特徴を主に説明するための図であるため、可動体３及び基板２の各構成の符号及び電極の符号は省略する。図２３においても同様である。より具体的には、図２２の変形例においては、基板２の可動体３側の面がフラットであり、蓋部５に凹部４２１ａを形成される点が異なる。これにより、基板２の可動体３側の面がフラットであっても、可動体３の可動範囲を大きくすることができる。また、図２２の物理量センサー１は、犠牲層４３０を介して基板２と蓋部５を接合する等の手法により、実現することができる。このようにすることで、可動体３が蓋部５と強く衝突しても、ストッパー４１１、４１２が存在するため、スティッキングを起こし難くすることができる。また、弾性部２００ａ、２００ｂによって衝突エネルギーが分散されるため、可動体３の耐衝撃性を向上させることができる。
また、図２３に示すように、基板側に前述のストッパー１１、１２を設けるとともに、さらに蓋部５にストッパー４１１、４１２を設けるようにしてもよい。図２３と図２２を比較すると、さらに基板２の構造が第１実施形態と同様となり、かつ、蓋部５の構造が共通するため、説明は省略する。このようにすることで、可動体３が蓋部５と強く衝突しても、ストッパー４１１、４１２が存在するため、可動体３と蓋部５のスティッキングを起こし難くすることができるとともに、可動体３が基板２と強く衝突しても、ストッパー１１、１２が存在するため、可動体３と基板２とのスティッキングを起こし難くすることができる。また、弾性部２００ａ、２００ｂによって衝突エネルギーが分散されるため、可動体３の耐衝撃性を向上させることができる。
なお、図１等に示す例では、第１貫通孔群７１、第２貫通孔群７２の開口形状は正方形であるが、貫通孔の開口形状は正方形には限定されない。その他の変形例として、図示は省略するが、第１貫通孔群７１、第２貫通孔群７２の開口形状は五角形や六角形等、正方形以外の多角形であってもよいし、長方形の形状としてもよく、また、円形であってもよい。第３貫通孔群７３、第４貫通孔群７４、第５貫通孔群７５についても同様である。なお、ここでの円形は、真円形状には限定されず、楕円形状などであってもよい。これらの形状についても、ダンピングに関しての効果としては同様の効果を得ることができる。
また、貫通孔の形状が正方形以外の場合に、上式（１）～（１１）等で説明したダンピングの最小化条件を適用した貫通孔寸法は、下記のように計算すればよい。例えば貫通孔の開口形状が、Ｚ軸方向から見た平面視で、正方形以外の多角形であったとする。この場合に、多角形の面積をＡ１、正方形の面積をＡ２としたとき、０．７５≦Ａ１／Ａ２≦１．２５を満たす場合には、貫通孔の開口形状を正方形とみなして貫通孔寸法を計算すればよい。またＺ軸方向から見た平面視で、貫通孔の開口形状が、真円の場合には、上式（７）のｒｃを、隣り合う貫通孔同士の中心間距離の１／２の長さとし、上式（８）のｒ０を、貫通孔の半径の長さとして、貫通孔寸法を計算すればよい。またＺ軸方向から見た平面視で、貫通孔の開口形状が楕円形であったとする。この場合には、楕円形の面積をＡ１、真円の面積をＡ２としたとき、０．７５≦Ａ１／Ａ２≦１．２５を満たす場合に、貫通孔の開口形状を真円とみなして貫通孔寸法を計算すればよい。
また、図１等の例では、第１貫通孔群７１、第２貫通孔群７２等の各貫通孔は正方格子状に配列されているが、貫通孔の配列方式はこれに限られない。例えば、図示は省略するが、第１貫通孔群７１、第２貫通孔群７２等の各貫通孔を斜方格子状に配列するようにしてもよい。さらに、貫通孔の形状を六角形とすることで、ハニカム配列とするようにしてもよい。第３貫通孔群７３、第４貫通孔群７４、第５貫通孔群７５についても同様である。このようにすることで、可動体３の強度をより高めることができる。
以上のように本実施形態の物理量センサー１として第１実施形態～第６実施形態及び変形例の物理量センサー１を説明したが、本実施形態の物理量センサー１はこれに限定されるものではなく、種々の変形実施が可能である。例えば本実施形態の物理量センサー１は、第１実施形態～第６実施形態及び変形例の少なくとも２つの実施形態を組み合わせた構成の物理量センサー１であってもよい。また、以上では、物理量センサー１が加速度センサーである場合を主に説明したが、本実施形態はこれに限定されず、物理量センサー１は、加速度以外の物理量である角速度、速度、圧力、変位又は重力等を検出するセンサーであってもよい。
８．物理量センサーデバイス
次に本実施形態の物理量センサーデバイス１００について図２４を用いて説明する。図２４は物理量センサーデバイス１００の断面図である。物理量センサーデバイス１００は、物理量センサー１と、電子部品としてのＩＣチップ１１０を含む。ＩＣチップ１１０は半導体チップと言うこともでき、半導体素子である。ＩＣチップ１１０は、接合部材であるダイアタッチ材ＤＡを介して、物理量センサー１の蓋部５の上面に接合されている。ＩＣチップ１１０は、ボンディグワイヤーＢＷ１を介して、物理量センサー１の電極パッドＰと電気的に接続されている。回路装置であるＩＣチップ１１０には、例えば物理量センサー１に駆動電圧を印加する駆動回路や、物理量センサー１からの出力に基づいて加速度を検出する検出回路や、検出回路からの信号を所定の信号に変換して出力する出力回路等が必要に応じて含まれている。このように本実施形態の物理量センサーデバイス１００は、物理量センサー１とＩＣチップ１１０を含んでいるため、物理量センサー１の効果を享受でき、高精度化等を実現できる物理量センサーデバイス１００を提供できる。
また物理量センサーデバイス１００は、物理量センサー１及びＩＣチップ１１０が収納される容器であるパッケージ１２０を含むことができる。パッケージ１２０は、ベース１２２とリッド１２４を含む。ベース１２２にリッド１２４が接合されることで気密封止される収納空間ＳＢに、物理量センサー１及びＩＣチップ１１０が収納される。このようなパッケージ１２０を設けることで、物理量センサー１及びＩＣチップ１１０を衝撃、埃、熱、湿気等から好適に保護することができる。
またベース１２２は、収納空間ＳＢ内に配置された複数の内部端子１３０と、底面に配置された外部端子１３２、１３４を含む。そしてボンディグワイヤーＢＷ１を介して、物理量センサー１とＩＣチップ１１０が電気的に接続されており、ボンディグワイヤーＢＷ２を介して、ＩＣチップ１１０と内部端子１３０とが電気的に接続されている。そして内部端子１３０は、ベース１２２内に設けられた不図示の内部配線を介して、外部端子１３２、１３４に電気的に接続されている。これにより物理量センサー１により検出された物理量に基づくセンサー出力信号を外部に出力することが可能になる。
なお以上では、物理量センサーデバイス１００に設けられる電子部品がＩＣチップ１１０である場合を例に説明したが、電子部品は、ＩＣチップ１１０以外の回路素子であってもよいし、物理量センサー１とは異なるセンサー素子であってもよいし、ＬＣＤ（Liquid Crystal Display）やＬＥＤ（Light Emitting Diode）などにより実現される表示素子などであってもよい。回路素子としては、例えばコンデンサーや抵抗などの受動素子やトランジスターなどの能動素子がある。センサー素子は、例えば物理量センサー１が検出する物理量とは異なる物理量をセンシングする素子である。またパッケージ１２０を設ける代わりにモールド実装としてもよい。
９．慣性計測装置
次に、本実施形態の慣性計測装置２０００について図２５、図２６を用いて説明する。図２５に示す慣性計測装置２０００（ＩＭＵ：Inertial Measurement Unit）は、自動車やロボットなどの運動体の姿勢や挙動などの慣性運動量を検出する装置である。慣性計測装置２０００は、３軸に沿った方向の加速度ａｘ、ａｙ、ａｚを検出する加速度センサーと、３軸周りの角速度ωｘ，ωｙ，ωｚを検出する角速度センサーと、を備えた、いわゆる６軸モーションセンサーである。
慣性計測装置２０００は、平面形状が略正方形の直方体である。また正方形の対角線方向に位置する２ヶ所の頂点近傍に、マウント部としてのネジ穴２１１０が形成されている。この２ヶ所のネジ穴２１１０に２本のネジを通して、自動車などの被装着体の被装着面に慣性計測装置２０００を固定することができる。なお、部品の選定や設計変更により、例えば、スマートフォンやデジタルカメラに搭載可能なサイズに小型化することも可能である。
慣性計測装置２０００は、アウターケース２１００と、接合部材２２００と、センサーモジュール２３００を有し、アウターケース２１００の内部に、接合部材２２００を介在させて、センサーモジュール２３００を挿入した構成となっている。センサーモジュール２３００は、インナーケース２３１０と回路基板２３２０を有している。インナーケース２３１０には、回路基板２３２０との接触を防止するための凹部２３１１や、後述するコネクター２３３０を露出させるための開口２３１２が形成されている。そしてインナーケース２３１０の下面には、接着剤を介して回路基板２３２０が接合されている。
図２６に示すように、回路基板２３２０の上面には、コネクター２３３０、Ｚ軸周りの角速度を検出する角速度センサー２３４０ｚ、Ｘ軸、Ｙ軸及びＺ軸の各軸方向の加速度を検出する加速度センサーユニット２３５０などが実装されている。また回路基板２３２０の側面には、Ｘ軸周りの角速度を検出する角速度センサー２３４０ｘ及びＹ軸周りの角速度を検出する角速度センサー２３４０ｙが実装されている。
加速度センサーユニット２３５０は、前述したＺ軸方向の加速度を測定するための物理量センサー１を少なくとも含み、必要に応じて、一軸方向の加速度を検出したり、二軸方向や三軸方向の加速度を検出したりすることができる。なお角速度センサー２３４０ｘ、２３４０ｙ、２３４０ｚとしては、特に限定されないが、例えばコリオリの力を利用した振動ジャイロセンサーを用いることができる。
また回路基板２３２０の下面には、制御ＩＣ２３６０が実装されている。物理量センサー１から出力された検出信号に基づいて制御を行う制御部としての制御ＩＣ２３６０は、例えばＭＣＵ（Micro Controller Unit）であり、不揮発性メモリーを含む記憶部や、Ａ／Ｄコンバーターなどを内蔵しており、慣性計測装置２０００の各部を制御する。なお、回路基板２３２０には、その他にも複数の電子部品が実装されている。
以上のように本実施形態の慣性計測装置２０００は、物理量センサー１と、物理量センサー１から出力された検出信号に基づいて制御を行う制御部としての制御ＩＣ２３６０を含む。この慣性計測装置２０００によれば、物理量センサー１を含む加速度センサーユニット２３５０を用いているため、物理量センサー１の効果を享受でき、高精度化等を実現できる慣性計測装置２０００を提供できる。
以上に説明したように、本実施形態の物理量センサーは、互いに直交する３つの軸をＸ軸、Ｙ軸及びＺ軸としたときに、基板と、可動体と、ストッパーと、を含む。基板は、Ｚ軸に直交し、第１固定電極が設けられている。可動体は、Ｚ軸に沿ったＺ軸方向において第１固定電極に対向している第１質量部を含み、Ｙ軸に沿った回転軸を中心として基板に対して揺動可能に設けられている。ストッパーは、回転軸を中心とする可動体の回転を規制する。また、可動体には、Ｚ軸方向から見た平面視において、ストッパーに重なる位置に弾性部が設けられている。また、第１質量部は、第１領域と、第１領域よりも回転軸から遠い第２領域と、を含む。また、第１領域に第１貫通孔群が設けられ、第２領域に第２貫通孔群が設けられている。また、第１領域での第１質量部と第１固定電極との間の空隙である第１空隙のＺ軸方向での第１ギャップ距離は、第２領域での第１質量部と第１固定電極との間の空隙である第２空隙のＺ軸方向での第２ギャップ距離よりも小さい。
本実施形態によれば、第１領域を狭ギャップ化できることから、物理量センサーの高感度化を実現できる。また、第１貫通孔群及び第２貫通孔群を有することから、可動体がシーソー揺動する際のダンピングを低減することができる。さらに、弾性部を有することで、可動体がと強く接触しても、弾性部によって衝突エネルギーが分散されるため、可動体の耐衝撃性を向上させることができる。このため、ダンピングを低減しつつ、高感度と耐衝撃性を両立した物理量センサーを実現することができる。
また本実施形態では、第２貫通孔群の貫通孔の開口面積は、第１貫通孔群の貫通孔の開口面積よりも大きくてもよい。
このようにすることで、可動体の低ダンピング化を実現できる貫通孔の寸法条件を満たすことが可能になり、物理量センサーの低ダンピング化の実現が可能になる。
また本実施形態では、弾性部は、可動体の剛体部に接続されている弾性体と、弾性体に接続され、Ｚ軸方向から見た平面視においてストッパーと重なる位置に設けられている可動部と、を含んでもよい。
このようにすることで、可動体がストッパーと衝突しても、弾性機能を発揮することで衝突エネルギーの分散が実現できるので、ダンピングを低減しつつ、高感度と耐衝撃性を両立することができる。
また本実施形態では、弾性体は梁状であってもよい。
このようにすることで、弾性体に弾性機能を有することが実現できるので、物理量センサーに耐衝撃性を持たせることができる。
また本実施形態では、弾性体は、Ｘ軸方向又はＹ軸方向の一方の軸方向に沿った梁状であり、可動部は、Ｘ軸方向又はＹ軸方向の他方の軸方向に沿った片持ち梁状であってもよい。
このようにすることで、物理量センサーに耐衝撃性を持たせることができる。
また本実施形態では、弾性体は、一端が可動部に接続され、他端が剛体部に接続される螺旋形状であってもよい。
このようにすることで、可動体とストッパーとの衝撃を軽減できるので、物理量センサーに耐衝撃性を持たせることができる。
また本実施形態では、可動部は、Ｚ軸方向から見た平面視において第１領域と第２領域の間に配置されていてもよい。
このようにすることで、可動体の回転を適切に規制しつつ、物理量センサーに耐衝撃性を持たせることができる。
また本実施形態では、第１貫通孔群及び第２貫通孔群の貫通孔のＺ軸方向での深さは、可動体のＺ軸方向での最大厚みよりも小さくてもよい。
このようにすることで、高感度化と耐衝撃性を両立するとともに、更に低ダンピング化を実現できる。
また本実施形態では、可動体は、基板に固定される固定部と、固定部と第１質量部を接続し、回転軸となる支持梁と、を含み、可動体の最大厚みは、固定部及び支持梁の少なくとも一方のＺ軸方向での厚さであるようにしてもよい。
このようにすることで、第１貫通孔群及び第２貫通孔群の貫通孔の深さを、固定部及び支持梁の少なくとも一方の厚さよりも小さくできるため、貫通孔の孔中ダンピング等を低減できるようになる。
また本実施形態では、可動体は、基板側の面である第１面と、第１面に対する裏側の面である第２面と、を含み、可動体の第２面には、第１貫通孔群が底面に配置される第１凹部が、第１領域に設けられているようにしてもよい。
このようにすることで、第１貫通孔群が底面に配置される第１凹部を第１領域に設けることで、第１領域が凹部形状となり、第１凹部の縁部である壁部によって第１領域での可動体の剛性を高めることができる。これにより、可動体の破損の可能性を低減することができる。
また本実施形態では、可動体の第２面には、第２貫通孔群が底面に配置される第２凹部が、第２領域に設けられているようにしてもよい。
このようにすることで、第２貫通孔群が底面に配置される第２凹部を第２領域に設けることで、第２領域が凹部形状となり、第２凹部の縁部である壁部によって第２領域での可動体の剛性を高めることができる。これにより、可動体の破損の可能性を低減することができる。
また本実施形態では、第１質量部の第２領域は、回転軸回りの回転トルクを発生させるためのトルク発生部であるようにしてもよい。
このようにすることで、第２領域をトルク発生部として利用できるようになり、物理量センサーの小型化等を実現できるようになる。
また本実施形態では、ストッパーは、基板又は可動体に設けられているようにしてもよい。
このようにすることで、可動体が基板と強く衝突しても、ストッパーが存在するため、スティッキングを起こし難くすることができる。また、弾性部によって衝突エネルギーが分散されるため、可動体の耐衝撃性を向上させることができる。
また本実施形態では、可動体は、基板側の面である第１面と、第１面に対する裏側の面である第２面と、を含み、第１質量部の第１面には、第１領域での第１ギャップ距離を、第２領域での第２ギャップ距離よりも小さくするための段差又はスロープが設けられているようにしてもよい。
このようにすることで、更に高感度な物理量センサーの実現が可能になる。
また本実施形態では、可動体は、Ｚ軸方向から見た平面視において、第１質量部に対して回転軸を挟んで設けられている第２質量部を含む。また、基板には、第２質量部に対向している第２固定電極が設けられている。また、第２質量部は、第３領域と、第３領域よりも回転軸から遠い第４領域と、を含む。また、第３領域に第３貫通孔群が設けられ、第４領域に第４貫通孔群が設けられる。そして、第３領域での第２質量部と第２固定電極との間の空隙である第３空隙のＺ軸方向での第３ギャップ距離は、第４領域での第２質量部と第２固定電極との間の空隙である第４空隙のＺ軸方向での第４ギャップ距離よりも小さくしてもよい。
このようにすることで、第３ギャップ距離が小さくなることで、第２質量部の複数の領域のうち、回転軸から近い側の領域である第３領域の狭ギャップ化を実現できるため、物理量センサーの高感度化を実現できる。
また本実施形態では、第３貫通孔群及び第４貫通孔群の貫通孔のＺ軸方向での深さは、可動体の最大厚みよりも小さくしてもよい。
このようにすれば、第３貫通孔群及び第４貫通孔群の貫通孔の深さが小さくなることで、これらの貫通孔の孔中ダンピング等を低減でき、物理量センサーの低ダンピング化を実現できる。
また本実施形態では、可動体は、回転軸回りの回転トルクを発生させるためのトルク発生部を含み、トルク発生部には、第５貫通孔群が設けられ、トルク発生部と基板との間の空隙である第５空隙のＺ軸方向での第５ギャップ距離は、第１ギャップ距離及び第２ギャップ距離よりも大きくしてもよい。
このようにすることで、ダンピングの低減化や、ダミー電極との接触による貼り付き防止や、可動体の可動範囲の拡大を実現できる。
また本実施形態は、上記に記載の物理量センサーと、物理量センサーに電気的に接続されている電子部品と、含む物理量センサーデバイスに関係する。
また本実施形態は、上記の物理量センサーと、物理量センサーから出力された検出信号に基づいて制御を行う制御部と、を含む慣性計測装置に関係する。
なお、上記のように本実施形態について詳細に説明したが、本開示の新規事項および効果から実体的に逸脱しない多くの変形が可能であることは当業者には容易に理解できるであろう。従って、このような変形例はすべて本開示の範囲に含まれるものとする。例えば、明細書又は図面において、少なくとも一度、より広義または同義な異なる用語と共に記載された用語は、明細書又は図面のいかなる箇所においても、その異なる用語に置き換えることができる。また本実施形態及び変形例の全ての組み合わせも、本開示の範囲に含まれる。また物理量センサー、物理量センサーデバイス、慣性計測装置の構成・動作等も本実施形態で説明したものに限定されず、種々の変形実施が可能である。
１…物理量センサー、２…基板、３…可動体、５…蓋部、６…第１面、７…第２面、８、９…段差、１１…ストッパー、１２…ストッパー、１４、１５…スロープ、１６、１７、１８、１９…段差、２１、２１ａ…凹部、２２ａ、２２ｂ…マウント部、２４…第１固定電極、２５…第２固定電極、２６ａ、２６ｂ、２６ｃ、２６ｄ…ダミー電極、２７ａ、２７ｃ、２７ｄ…電極、３２ａ、３２ｂ…固定部、３３…支持梁、３４…第１質量部、３５…第２質量部、３６、３７…トルク発生部、４１…第１連結部、４２…第２連結部、４５ａ、４５ｂ…第１開口部、４６…第２開口部、５１…凹部、６１…第１領域、６２…第２領域、６３…第３領域、６４…第４領域、７１…第１貫通孔群、７２…第２貫通孔群、７３…第３貫通孔群、７４…第４貫通孔群、７５…第５貫通孔群、７６、７７…貫通孔、７８、７９…凹部、８１…第１凹部、８２…第２凹部、８３…第３凹部、８４…第４凹部、８５、８６…凹部、８７…第１凹部、８８…第２凹部、８９…第３凹部、９０…第４凹部、１００…物理量センサーデバイス、１１０…ＩＣチップ、１２０…パッケージ、１２２…ベース、１２４…リッド、１３０、１３２…外部端子、１３４…外部端子、２００ａ、２００ｂ…弾性部、２１０ａ、２１０ｂ…弾性体、２２０ａ、２２０ｂ…可動部、２４０ａ、２４０ｂ…剛体部、２５０ａ、２５０ｂ、２６０ａ、２６０ｂ…開口部、３１１、３１２…ストッパー、４１１、４１２…ストッパー、４２１ａ…凹部、４３０…犠牲層、２０００…慣性計測装置、２１００…アウターケース、２１１０…ネジ穴、２２００…接合部材、２３００…センサーモジュール、２３１０…インナーケース、２３１１…凹部、２３１２…開口、２３２０…回路基板、２３３０…コネクター、２３４０ｘ…角速度センサー、２３４０ｙ…角速度センサー、２３４０ｚ…角速度センサー、２３５０…加速度センサーユニット、２３６０…制御ＩＣ、ＡＹ…回転軸、ＢＷ１、ＢＷ２…ボンディグワイヤー、ＤＡ…ダイアタッチ材、ＣＡ、ＣＢ…静電容量、Ｐ…電極パッド、Ｑ１…第１空隙、Ｑ２…第２空隙、Ｑ３…第３空隙、Ｑ４…第４空隙、Ｑ５…第５空隙、ＳＡ…収納空間、ＳＢ…収納空間、ｈ１…第１ギャップ距離、ｈ２…第２ギャップ距離、ｈ３…第３ギャップ距離、ｈ４…第４ギャップ距離、ｈ５…第５ギャップ距離

Claims (19)

  1. 互いに直交する３つの軸をＸ軸、Ｙ軸及びＺ軸としたときに、前記Ｚ軸に直交し、第１固定電極が設けられている基板と、
    前記Ｚ軸に沿ったＺ軸方向において前記第１固定電極に対向している第１質量部を含み、前記Ｙ軸に沿った回転軸を中心として前記基板に対して揺動可能に設けられている可動体と、
    前記回転軸を中心とする前記可動体の回転を規制するストッパーと、
    を含み、
    前記可動体には、
    前記Ｚ軸方向から見た平面視において、前記ストッパーに重なる位置に弾性部が設けられており、
    前記第１質量部は、
    第１領域と、前記第１領域よりも前記回転軸から遠い第２領域と、を含み、
    前記第１領域に第１貫通孔群が設けられ、前記第２領域に第２貫通孔群が設けられ、
    前記第１領域での前記第１質量部と前記第１固定電極との間の空隙である第１空隙の前記Ｚ軸方向での第１ギャップ距離は、前記第２領域での前記第１質量部と前記第１固定電極との間の空隙である第２空隙の前記Ｚ軸方向での第２ギャップ距離よりも小さいことを特徴とする物理量センサー。
  2. 請求項１に記載の物理量センサーにおいて、
    前記第２貫通孔群の貫通孔の開口面積は、前記第１貫通孔群の貫通孔の開口面積よりも大きいことを特徴とする物理量センサー。
  3. 請求項１又は２に記載の物理量センサーにおいて、
    前記弾性部は、
    前記可動体の剛体部に接続されている弾性体と、
    前記弾性体に接続され、前記Ｚ軸方向から見た平面視において前記ストッパーと重なる位置に設けられている可動部と、
    を含むことを特徴とする物理量センサー。
  4. 請求項３に記載の物理量センサーにおいて、
    前記弾性体は梁状であることを特徴とする物理量センサー。
  5. 請求項３又は４に記載の物理量センサーにおいて、
    前記弾性体は、前記Ｘ軸方向又はＹ軸方向の一方の軸方向に沿った梁状であり、
    前記可動部は、前記Ｘ軸方向又は前記Ｙ軸方向の他方の軸方向に沿った片持ち梁状であることを特徴とする物理量センサー。
  6. 請求項３に記載の物理量センサーにおいて、
    前記弾性体は、一端が前記可動部に接続され、他端が前記剛体部に接続される螺旋形状であることを特徴とする物理量センサー。
  7. 請求項３乃至６のいずれか一項に記載の物理量センサーにおいて、
    前記可動部は、前記Ｚ軸方向から見た平面視において前記第１領域と前記第２領域の間に配置されていることを特徴とする物理量センサー。
  8. 請求項１乃至７のいずれか一項に記載の物理量センサーにおいて、
    前記第１貫通孔群及び前記第２貫通孔群の貫通孔の前記Ｚ軸方向での深さは、前記可動体の前記Ｚ軸方向での最大厚みよりも小さいことを特徴とする物理量センサー。
  9. 請求項８に記載の物理量センサーにおいて、
    前記可動体は、
    前記基板に固定される固定部と、
    前記固定部と前記第１質量部を接続し、前記回転軸となる支持梁と、
    を含み、
    前記可動体の前記最大厚みは、前記固定部及び前記支持梁の少なくとも一方の前記Ｚ軸方向での厚さであることを特徴とする物理量センサー。
  10. 請求項８又は９に記載の物理量センサーにおいて、
    前記可動体は、
    前記基板側の面である第１面と、
    前記第１面に対する裏側の面である第２面と、
    を含み、
    前記可動体の前記第２面には、
    前記第１貫通孔群が底面に配置される第１凹部が、前記第１領域に設けられていることを特徴とする物理量センサー。
  11. 請求項１０に記載の物理量センサーにおいて、
    前記可動体の前記第２面には、
    前記第２貫通孔群が底面に配置される第２凹部が、前記第２領域に設けられていることを特徴とする物理量センサー。
  12. 請求項１乃至１１のいずれか一項に記載の物理量センサーにおいて、
    前記第１質量部の前記第２領域は、前記回転軸回りの回転トルクを発生させるためのトルク発生部であることを特徴とする物理量センサー。
  13. 請求項１至１２のいずれか一項に記載の物理量センサーにおいて、
    前記ストッパーは、前記基板又は前記可動体に設けられていることを特徴とする物理量センサー。
  14. 請求項１乃至１３のいずれか一項に記載の物理量センサーにおいて、
    前記可動体は、
    前記基板側の面である第１面と、
    前記第１面に対する裏側の面である第２面と、
    を含み、
    前記第１質量部の前記第１面には、
    前記第１領域での前記第１ギャップ距離を、前記第２領域での前記第２ギャップ距離よりも小さくするための段差又はスロープが設けられていることを特徴とする物理量センサー。
  15. 請求項１乃至１４のいずれか一項に記載の物理量センサーにおいて、
    前記可動体は、
    前記Ｚ軸方向から見た平面視において、前記第１質量部に対して前記回転軸を挟んで設けられている第２質量部を含み、
    前記基板には、
    前記第２質量部に対向している第２固定電極が設けられ、
    前記第２質量部は、
    第３領域と、
    前記第３領域よりも前記回転軸から遠い第４領域と、
    を含み、
    前記第３領域に第３貫通孔群が設けられ、前記第４領域に第４貫通孔群が設けられ、
    前記第３領域での前記第２質量部と前記第２固定電極との間の空隙である第３空隙の前記Ｚ軸方向での第３ギャップ距離は、前記第４領域での前記第２質量部と前記第２固定電極との間の空隙である第４空隙の前記Ｚ軸方向での第４ギャップ距離よりも小さいことを特徴とする物理量センサー。
  16. 請求項１５に記載の物理量センサーにおいて、
    前記第３貫通孔群及び前記第４貫通孔群の貫通孔の前記Ｚ軸方向での深さは、前記可動体の最大厚みよりも小さいことを特徴とする物理量センサー。
  17. 請求項１５又は１６に記載の物理量センサーにおいて、
    前記可動体は、
    前記回転軸回りの回転トルクを発生させるためのトルク発生部を含み、
    前記トルク発生部には、
    第５貫通孔群が設けられ、
    前記トルク発生部と前記基板との間の空隙である第５空隙の前記Ｚ軸方向での第５ギャップ距離は、前記第１ギャップ距離及び前記第２ギャップ距離よりも大きいことを特徴とする物理量センサー。
  18. 請求項１乃至１７のいずれか一項に記載の物理量センサーと、
    前記物理量センサーに電気的に接続されている電子部品と、
    含むことを特徴とする物理量センサーデバイス。
  19. 請求項１乃至１７のいずれか一項に記載の物理量センサーと、
    前記物理量センサーから出力された検出信号に基づいて制御を行う制御部と、
    を含むことを特徴とする慣性計測装置。
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