JP2023047979A - 加速度センサ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】高精度に加速度を検出可能な加速度センサ装置を提供する。【解決手段】加速度センサ装置は、加速度センサと処理回路を備える。加速度センサは、マス部の第１方向における変位に対して電極間距離の変化の正負が逆である一対の第１変位検出電極部と、マス部の第１方向における変位に対して電極間距離の変化の正負が逆である一対の第１サーボ電極と、を有している。処理回路は、直流のオフセット電圧と交流の参照電圧を含む搬送波信号をマス部に入力する搬送波信号生成回路と、一対の第１変位検出電極の各々の容量変化の差に相当する第１電圧信号を出力する第１容量変換回路部と、第１電圧信号から参照電圧に同期した第１検出信号を検出する第１同期検波回路と、第１検出信号に基づいて一対の第１サーボ電極部に第１サーボ信号を入力する第１サーボ信号生成回路と、を有する。第１サーボ信号の正負が一対の第１固定サーボ電極の間で逆である。【選択図】図２

Description

本明細書が開示する技術は、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）構造を有する加速度センサ装置に関する。

ＭＥＭＳ構造を有する加速度センサ装置が知られている。この種の加速度センサ装置は、加速度によるマス部の変位に応じて電極間距離が変動するように構成された変位検出電極部を備えている。変位検出電極部の容量変化から加速度が検出される。

マス部が過大変位したとき、加速度センサ内の電極が衝突し、電極同士の固着又は電極の破損が発生する。このような過大変位の影響を改善するために、サーボ制御によってマス部の変位を抑制するように構成された加速度センサ装置が提案されており、その一例が非特許文献１に開示されている。また、マス部に自由振動が発生すると、加速度センサ装置の応答性が悪化する。このような応答性の悪化を改善するために、サーボ制御によってマス部の変位を抑制するように構成された加速度センサ装置が提案されている。このような加速度センサ装置では、マス部の変位を抑制するためのサーボ信号が出力となる。

S. Ko, et. al., "An Electrostatic Servo-Accelerometer with mG Resolution," T.IEE Japan, Vol. 119-E, No. 7, 1999

非特許文献１の加速度センサ装置は、マス部に対してサーボ信号を入力し、変位検出電極部の電極間にサーボ信号に応じた静電引力を作用させ、マス部の変位を抑制するように構成されている。非特許文献１の技術では、変位検出電極部がサーボ信号に応じた静電引力を作用させるためのサーボ電極部も兼用している。このため、サーボ信号が変位検出電極部にも伝達するので、サーボ信号が容量変換時にノイズ成分になってしまう。本明細書は、高精度に加速度を検出可能な加速度センサ装置を提供することを目的とする。

本明細書が開示する加速度センサ装置の一実施形態は、加速度センサと処理回路を備えることができる。前記加速度センサは、枠体と、マス部と、一対の第１変位検出電極部と、一対の第１サーボ電極部と、を有することができる。前記マス部は、前記枠体に対して少なくとも第１方向に揺動可能に構成されている。前記一対の第１変位検出電極部の各々は、第１可動検出電極と、第１固定検出電極と、を有している。前記第１可動検出電極と前記第１固定検出電極は前記第１方向に対向しており、前記第１可動検出電極が前記マス部に固定されており、前記第１固定検出電極が前記枠体に固定されている。前記マス部の前記第１方向における変位に対して前記第１可動検出電極と前記第１固定検出電極の電極間距離の変化の正負が前記一対の変位検出電極部の間で逆である。前記一対の第１サーボ電極部の各々は、第１可動サーボ電極と、第１固定サーボ電極と、を有している。前記第１可動サーボ電極と前記第１固定サーボ電極は前記第１方向に対向しており、前記第１可動サーボ電極が前記マス部に固定されており、前記第１固定サーボ電極が前記枠体に固定されている。前記マス部の前記第１方向における変位に対して前記第１可動サーボ電極と前記第１固定サーボ電極の電極間距離の変化の正負が前記一対の第１サーボ電極部の間で逆である。前記処理回路は、搬送波信号生成回路と、第１容量変換回路部と、第１同期検波回路と、第１サーボ信号生成回路と、を有している。前記搬送波信号生成回路は、前記マス部に搬送波信号を入力するための回路である。前記搬送波信号は、直流のオフセット電圧と交流の参照電圧を含む。前記第１容量変換回路部は、前記一対の第１変位検出電極部の各々の容量変化の差に相当する第１電圧信号を出力する。前記第１同期検波回路は、前記第１電圧信号から前記参照電圧に同期した第１検出信号を検出する。前記第１サーボ信号生成回路は、前記第１方向における前記マス部の変位を抑制するために、前記第１検出信号に基づいて前記一対の第１サーボ電極部の各々の前記第１固定サーボ電極に第１サーボ信号を入力する。前記第１サーボ信号の正負が前記一対の第１固定サーボ電極の間で逆である。この加速度センサ装置では、前記一対の第１変位検出電極部と前記一対の第１サーボ電極部が分離されているので、前記第１サーボ信号が前記一対の第１変位検出電極部に伝達することが抑えられている。このため、この加速度センサ装置は、高精度に加速度を検出可能である。

上記加速度センサ装置では、前記加速度センサがさらに、前記マス部を被覆するように前記枠体に固定されているキャップ層を有していてもよい。この場合、前記枠体と前記キャップ層で画定される空間内に前記マス部が配置されており、前記空間が真空である。この加速度センサ装置は、前記マス部が真空の空間内に配置されているので、高Ｑ値な特性を有することができる。このため、この加速度センサ装置では、メカノイズが低減される。一般的に、高Ｑ値な特性を有する加速度センサ装置では、加速度印加時にマス部の自由振動の振幅が減衰するまでに要する応答時間が増加し、応答性が悪化することが知られている。しかしながら、上記加速度センサ装置では、サーボ制御で前記マス部の変位を抑制するように動作するので、このような応答性の悪化が改善されている。上記加速度センサ装置は、低いメカノイズと高い応答性を両立することができる。

上記加速度センサ装置では、前記加速度センサがさらに、前記枠体に固定されているアンカ部と、前記マス部と前記アンカ部の間に接続されており、前記第１方向に弾性変形する第１梁部と、を有していてもよい。さらに、前記マス部に中央開口が形成されており、前記中央開口内に位置する前記マス部の対称中心に１つの前記アンカ部のみが配置されていてもよい。この場合、前記マス部は、前記第１方向に揺動可能となるように前記第１梁部を介して前記アンカ部に接続されていてもよい。この加速度センサ装置は、アンカロスが低減されるので、高Ｑ値で低メカノイズな特性を有することができる。

上記加速度センサ装置では、前記枠体と前記マス部と前記第１梁部が、下側半導体層と絶縁層と上側半導体層の積層基板によって形成されていてもよい。この場合、前記枠体は、前記下側半導体層と前記絶縁層と前記上側半導体層によって構成されている。前記マス部は、前記下側半導体層と前記絶縁層と前記上側半導体層によって構成されている。前記第１梁部は、前記上側半導体層によって構成されている。この加速度センサ装置では、前記マス部の質量が大きくなり、メカノイズが低減される。

上記加速度センサ装置では、前記マス部が、第１分割マス部と第２分割マス部を有していてもよい。前記第１分割マス部と前記第２分割マス部は絶縁分離した状態で接続されている。前記一対の第１変位検出電極部の各々の前記第１可動検出電極が前記第１分割マス部に固定されており、前記一対の第１サーボ電極部の各々の前記第１可動サーボ電極が前記第２分割マス部に固定されている。前記搬送波信号生成回路は、前記第１分割マス部に前記参照電圧を入力し、前記第２分割マス部に前記オフセット電圧を入力する。この加速度センサ装置では、前記参照電圧が前記一対の第１サーボ電極に伝達することが抑えられるので、高精度なサーボ制御と加速度検知が可能となる。

上記加速度センサ装置では、前記加速度センサがさらに、一対の第２変位検出電極部と、一対の第２サーボ電極部と、をさらに有していてもよい。前記一対の第２変位検出電極部の各々は、第２可動検出電極と、第２固定検出電極と、を有している。前記第２可動検出電極と前記第２固定検出電極は前記第１方向に直交する第２方向に対向しており、前記第２可動検出電極が前記マス部に固定されており、前記第２固定検出電極が前記枠体に固定されている。前記マス部の前記第２方向における変位に対して前記第２可動検出電極と前記第２固定検出電極の電極間距離の変化の正負が前記一対の第２変位検出電極部の間で逆である。前記一対の第２サーボ電極の各々は、第２可動サーボ電極と、第２固定サーボ電極と、を有している。前記第２可動サーボ電極と前記第２固定サーボ電極は前記第２方向に対向しており、前記第２可動サーボ電極が前記マス部に固定されており、前記第２固定サーボ電極が前記枠体に固定されている。前記マス部の前記第２方向における変位に対して前記第２可動サーボ電極と前記第２固定サーボ電極の電極間距離の変化の正負が前記一対の第２サーボ電極部の間で逆である。上記加速度センサ装置では、前記処理回路がさらに、第２容量変換回路部と、第２同期検波回路と、第２サーボ信号生成回路と、を有していてもよい。前記第２容量変換回路部は、前記一対の第２変位検出電極部の各々の容量変化の差に相当する第２電圧信号を出力する。前記第２同期検波回路は、前記第２電圧信号から前記参照電圧に同期した第２検出信号を検出する。前記第２サーボ信号生成回路は、前記第２方向における前記マス部の変位を抑制するために、前記第２検出信号に基づいて前記一対の第２サーボ電極部の各々の前記第２固定サーボ電極に第２サーボ信号を入力する。前記第２サーボ信号の正負が前記一対の第２固定サーボ電極の間で逆である。この加速度センサ装置は、多軸の加速度を検出することができる。

多軸の加速度を検出する上記加速度センサ装置では、前記加速度センサはさらに、前記枠体に固定されているアンカ部と、前記マス部と前記アンカ部の間に接続されており、前記第１方向に弾性変形する第１梁部と、前記マス部と前記アンカ部の間に接続されており、前記第２方向に弾性変形する第２梁部と、を有していてもよい。さらに、前記マス部に中央開口が形成されており、前記中央開口内に位置する前記マス部の対称中心に１つの前記アンカ部のみが配置されていてもよい。この場合、前記マス部は、前記第１方向に揺動可能となるように前記第１梁部を介して前記アンカ部に接続されているとともに、前記第２方向に揺動可能となるように前記第２梁部を介して前記アンカ部に接続されていてもよい。この加速度センサ装置は、アンカロスが低減されるので、高Ｑ値で低メカノイズな特性を有することができる。

多軸の加速度を検出する上記加速度センサ装置では、前記枠体と前記マス部と前記第１梁部と前記第２梁部が、下側半導体層と絶縁層と上側半導体層の積層基板によって形成されていてもよい。この場合、前記枠体は、前記下側半導体層と前記絶縁層と前記上側半導体層によって構成されている。前記マス部は、前記下側半導体層と前記絶縁層と前記上側半導体層によって構成されている。前記第１梁部は、前記上側半導体層によって構成されている。前記第２梁部は、前記上側半導体層によって構成されている。この加速度センサ装置では、前記マス部の質量が大きくなり、メカノイズが低減される。

多軸の加速度を検出する上記加速度センサ装置では、前記マス部が、第１分割マス部と第２分割マス部を有していてもよい。第１分割マス部と第２分割マス部は絶縁分離した状態で固定されている。前記一対の第１変位検出電極部の各々の前記第１可動検出電極及び前記一対の第２変位検出電極部の各々の前記第２可動検出電極が前記第１分割マス部に固定されており、前記一対の第１サーボ電極部の各々の前記第１可動サーボ電極及び前記一対の第２サーボ電極部の各々の前記第２可動サーボ電極が前記第２分割マス部に固定されている。前記搬送波信号生成回路は、前記第１分割マス部に前記参照電圧を入力し、前記第２分割マス部にオフセット電圧を入力する。この加速度センサ装置では、前記参照電圧が前記一対の第１サーボ電極部及び前記一対の第２サーボ電極部に伝達することが抑えられるので、高精度なサーボ制御と加速度検知が可能となる。

第１実施形態の加速度センサ装置に含まれる加速度センサの構成を概略して示す図である。 第１実施形態の加速度センサ装置の機能ブロック図を示す図である。 第２実施形態の加速度センサ装置に含まれる加速度センサの構成を概略して示す図である。 第２実施形態の加速度センサ装置の機能ブロック図を示す図である。 第１実施例の加速度センサの平面図であり、キャップ層を取り除いた状態の平面図を概略して示す図である。 第１実施例の加速度センサの断面図であり、図５のVI-VI線に対応した断面図を概略して示す図である。 第１実施例の変形例の加速度センサの断面図であり、図５のVI-VI線に対応した断面図を概略して示す図である。 第２実施例の加速度センサの平面図であり、キャップ層を取り除いた状態の平面図を概略して示す図である。 第２実施例の変形例の加速度センサの平面図であり、キャップ層を取り除いた状態の平面図を概略して示す図である。 第３実施例の加速度センサの平面図であり、キャップ層を取り除いた状態の平面図を概略して示す図である。 第４実施例の加速度センサの平面図であり、キャップ層を取り除いた状態の平面図を概略して示す図である。 第４実施例の変形例の加速度センサの平面図であり、キャップ層を取り除いた状態の平面図を概略して示す図である。 第５実施例の加速度センサの平面図であり、キャップ層を取り除いた状態の平面図を概略して示す図である。 第５実施例の加速度センサの断面図であり、図１３のXIV- XIV線に対応した断面図を概略して示す図である。 第６実施例の加速度センサの平面図であり、キャップ層を取り除いた状態の平面図を概略して示す図である。 ダブルフォールデッドビームを有する支持部の拡大平面図を概略して示す図である。

（第１実施形態の加速度センサ装置１）
図１及び図２を参照し、加速度センサ装置１の構成を説明する。図１は、加速度センサ装置１のうちの加速度センサ１００の構成を概略して示す図である。なお、図１では、加速度センサ装置１のうちの処理回路２００に含まれる一対の容量変換回路２１２，２１４も合わせて示されている。図２は、加速度センサ装置１の機能ブロック図である。

図１に示されるように、加速度センサ１００は、マス部１１２と、一対のｘ軸変位検出電極部１２２，１２４と、一対のｘ軸サーボ電極部１３２，１３４と、を有している。この例では、加速度センサ１００が搭載される基板面に平行な面がｘｙ平面であり、基板面に垂直な方向がｚ軸である。マス部１１２は、図示しない枠体（基板の一部によって構成される部分）に対してｘ軸方向に揺動可能に構成されている。マス部１１２には信号電圧印加部１１４が電気的に接続されており、後述するように、搬送波信号Ｖ_ｉｎが信号電圧印加部１１４に入力する。

一対のｘ軸変位検出電極部１２２，１２４の各々は、ｘ軸可動検出電極とｘ軸固定検出電極を有している。ｘ軸可動検出電極とｘ軸固定検出電極はｘ軸方向に対向しており、ｘ軸可動検出電極がマス部１１２に固定されており、ｘ軸固定検出電極が枠体に固定されている。この例では、マス部１１２自体がｘ軸可動検出電極として動作するように例示されている。ここで、一対のｘ軸変位検出電極部１２２，１２４のうちの一方を第１ｘ軸変位検出電極部１２２とし、他方を第２ｘ軸変位検出電極部１２４とする。この例では、マス部１１２がｘ軸方向において紙面右向きに変位した場合、第１ｘ軸変位検出電極部１２２のｘ軸可動検出電極とｘ軸固定検出電極の電極間距離が大きくなり、第２ｘ軸変位検出電極部１２４のｘ軸可動検出電極とｘ軸固定検出電極の電極間距離が小さくなる。このように、マス部１１２のｘ軸方向における変位に対して電極間距離の変化の正負が一対のｘ軸変位検出電極部１２２，１２４の間で逆である。マス部１１２が初期位置にあるとき、一対のｘ軸変位検出電極部１２２，１２４の各々の電極間距離は等しい。なお、後述するように、一対のｘ軸変位検出電極部１２２，１２４の各々は、櫛歯電極部によって構成されてもよい。

一対のｘ軸サーボ電極部１３２，１３４の各々は、ｘ軸可動サーボ電極とｘ軸固定サーボ電極を有している。ｘ軸可動サーボ電極とｘ軸固定サーボ電極はｘ軸方向に対向しており、ｘ軸可動サーボ電極がマス部１１２に固定されており、ｘ軸固定サーボ電極が枠体に固定されている。この例では、マス部１１２自体がｘ軸可動サーボ電極として動作するように例示されている。一対のｘ軸サーボ電極部１３２，１３４のうちの一方を第１ｘ軸サーボ電極部１３２とし、他方を第２ｘ軸サーボ電極部１３４とする。この例では、マス部１１２がｘ軸方向において紙面右向きに変位した場合、第１ｘ軸サーボ電極部１３２のｘ軸可動サーボ電極とｘ軸固定サーボ電極の電極間距離が大きくなり、第２ｘ軸サーボ電極部１３４のｘ軸可動サーボ電極とｘ軸固定サーボ電極の電極間距離が小さくなる。このように、マス部１１２のｘ軸方向における変位に対して電極間距離の変化の正負が一対のｘ軸サーボ電極部１３２，１３４の間で逆である。マス部１１２が初期位置にあるとき、一対のｘ軸サーボ電極部１３２，１３４の各々の電極間距離は等しい。なお、後述するように、一対のｘ軸サーボ電極部１３２，１３４の各々は、櫛歯電極部によって構成されてもよい。

次に、図２を参照して、加速度センサ装置１の処理回路２００の構成を説明する。処理回路２００は、ｘ軸容量変換回路部２１０と、搬送波信号生成回路２２０と、ｘ軸同期検波回路２３０と、ｘ軸サーボ信号生成回路２４０と、を有している。

ｘ軸容量変換回路部２１０は、一対の容量変換回路２１２，２１４と、差動回路２１６と、を有している。一対の容量変換回路２１２，２１４のうちの第１容量変換回路２１２は、第１ｘ軸変位検出電極部１２２の電極間の容量（Ｃ＋ΔＣ）を電圧（Ｖ_１）に変換するＣＶ変換回路である（図１参照）。同様に、一対の容量変換回路２１２，２１４のうちの第２容量変換回路２１４は、第２ｘ軸変位検出電極部１２４の電極間の容量（Ｃ－ΔＣ）を電圧（Ｖ_２）に変換するＣＶ変換回路である（図１参照）。差動回路２１６は、第１容量変換回路２１２の出力電圧Ｖ_１と第２容量変換回路２１４の出力電圧Ｖ_２の差に相当する差動電圧、即ち、一対のｘ軸変位検出電極部１２２，１２４の各々の容量変化の差（２ΔＣ）に相当する差動電圧を出力する。

搬送波信号生成回路２２０は、直流のオフセット電圧Ｖ_ｏと交流の参照電圧Ｖ_ｒｅｆを生成する電源回路である。オフセット電圧Ｖ_ｏは、後述するように、一対のｘ軸サーボ電極部１３２，１３４の各々の電極間に作用する静電引力に差を生じさせるために印加される電圧である。参照電圧Ｖ_ｒｅｆは、加速度センサ装置１の機械的な共振周波数よりも高い周波数の交流電圧である。搬送波信号生成回路２２０は、オフセット電圧Ｖ_ｏと参照電圧Ｖ_ｒｅｆを含む搬送波信号Ｖ_ｉｎを加速度センサ１００の信号電圧印加部１１４に入力する。搬送波信号生成回路２２０はさらに、参照電圧Ｖ_ｒｅｆをｘ軸同期検波回路２３０にも入力する。

ｘ軸同期検波回路２３０は、差動回路２１６から出力される差動電圧から参照電圧Ｖ_ｒｅｆに同期した検出信号を検出する。これにより、参照電圧Ｖ_ｒｅｆの周波数と異なるノイズ成分を除去し、一対のｘ軸変位検出電極部１２２，１２４の各々の容量変化の差（２ΔＣ）に相当した検出信号が得られる。検出信号は、ｘ軸サーボ信号生成回路２４０に入力される。

ｘ軸サーボ信号生成回路２４０は、ＰＩＤ制御器２４２と、正負反転回路２４４と、を有している。ＰＩＤ制御器２４２は、ｘ軸方向におけるマス部１１２の変位を抑制するために、即ち、マス部１１２を初期位置に維持するために、ｘ軸同期検波回路２３０から出力される検出信号に基づいて一対のｘ軸サーボ電極部１３２，１３４の各々の固定サーボ電極に入力するためのｘ軸サーボ信号を生成する回路である。即ち、ＰＩＤ制御器２４２は、ｘ軸同期検波回路２３０から出力される検出信号が「０」となるための操作量（ｘ軸サーボ信号）を生成する。また、この操作量（ｘ軸サーボ信号）がセンサ出力であり、加速度センサ装置１によって測定された加速度に相当する。正負反転回路２４４は、ＰＩＤ制御器２４２が出力するｘ軸サーボ信号（Ｖ_ｏｕｔ）を反転する。第１ｘ軸サーボ電極部１３２には、ＰＩＤ制御器２４２が出力するｘ軸サーボ信号（Ｖ_ｏｕｔ）がそのまま入力する。第２ｘ軸サーボ電極部１３４には、ＰＩＤ制御器２４２が出力するｘ軸サーボ信号（Ｖ_ｏｕｔ）が反転したｘ軸サーボ信号（－Ｖ_ｏｕｔ）が入力する。このように、一対のｘ軸サーボ電極部１３２，１３４の各々には、正負の異なるｘ軸サーボ信号（Ｖ_ｏｕｔ）が入力する。

次に、加速度センサ装置１の動作について説明する。まず、一対の容量変換回路２１２，２１４の各々の出力について説明する。

図１に示されるように、一対の容量変換回路２１２，２１４の各々は、一対のｘ軸変位検出電極部１２２，１２４のうちの対応する側のｘ軸変位検出電極部１２２，１２４に接続されている。具体的には、一対の容量変換回路２１２，２１４の各々は、オペアンプを有しており、そのオペアンプの反転入力端子（－）が対応する一対のｘ軸変位検出電極部１２２，１２４のｘ軸固定検知電極に接続されるとともに、オペアンプの反転入力端子（－）と出力端子の間に容量Ｃ_ｆを有するキャパシタと抵抗値Ｒ_ｆを有する抵抗素子が並列に接続されている。一対の容量変換回路２１２，２１４の各々のオペアンプの非反転入力端子（＋）はグランドに接続されている。一対の容量変換回路２１２，２１４の各々の出力電圧Ｖ_１，Ｖ_２を一般化して出力電圧Ｖとし、一対のｘ軸変位検出電極部１２２，１２４の電極間の容量を一般化して容量Ｃとすると、出力電圧Ｖは以下の数式で表すことができる。ωは参照電圧Ｖ_ｒｅｆの角周波数である。

オフセット電圧Ｖ_ｏは直流電圧であるから、ω＝０である。したがって、Ｖ＝０となり、直流成分は出力に影響しない。一方、参照電圧Ｖ_ｒｅｆは交流電圧であり、ωは１／ＣｆＲｆよりも十分に大きい（ω＞＞１／ＣｆＲｆ）。したがって、一対の容量変換回路２１２，２１４の各々では、参照電圧Ｖ_ｒｅｆのみが増幅される。この結果、一対の容量変換回路２１２，２１４の各々の出力電圧Ｖは以下の数式で表すことができる。

このように、一対のｘ軸変位検出電極部１２２，１２４の各々は、所謂ハイパスフィルタとして動作する。加速度センサ１００では、マス部１１２にオフセット電圧Ｖ_ｏと参照電圧Ｖ_ｒｅｆを合成した搬送波信号Ｖ_ｉｎが入力されるが、参照電圧Ｖ_ｒｅｆのみが増幅され、オフセット電圧Ｖ_ｏはＣＶ変換に影響を与えない。

次に、一対のｘ軸サーボ電極部１３２，１３４について説明する。マス部１１２の変位が微小であり、参照電圧Ｖ_ｒｅｆが無い場合、一対のｘ軸サーボ電極部１３２，１３４によってマス部１１２に作用する静電引力Ｆは、以下の数式で表される。ここで、εは一対のｘ軸サーボ電極部１３２，１３４の各々の電極間の誘電率であり、Ｓはその電極面積であり、ｄ_０はその電極間の初期ギャップである。また、第１ｘ軸サーボ電極部１３２の電極間に作用する静電引力をＦ_１とし、第２ｘ軸サーボ電極部１３４の電極間に作用する静電引力をＦ_２とする。

上記のように、マス部１１２に作用する静電引力Ｆは、オフセット電圧Ｖ_ｏを固定値とした場合、ｘ軸サーボ信号（Ｖ_ｏｕｔ）によって制御可能である。ここで、加速度センサ１００では、マス部１１２にオフセット電圧Ｖ_ｏと参照電圧Ｖ_ｒｅｆを合成した搬送波信号Ｖ_ｉｎが入力していることから、一対のｘ軸サーボ電極部１３２，１３４の各々のｘ軸可動サーボ電極に参照電圧Ｖ_ｒｅｆが加わっている。参照電圧Ｖ_ｒｅｆを考慮した場合、マス部１１２に作用する静電引力Ｆは、以下の数式で表される。

数式４の右辺の第１項は、サーボ発生力である。一方、数式４の右辺の第２項は、不要発生力である。ここで、参照電圧Ｖ_ｒｅｆを角周波数ωを持つ交流電圧Ｖ_ｒｅｆcosωｔと表し、加速度センサ１００の共振角周波数をω_ｎとすると、不要発生力による振動に関して以下の数式が成立する。ｍはマス部１１２の質量であり、ｘは不要発生力によるマス部１１２の振動振幅である。

ｘについて整理すると、以下の数式が得られる。

数式６に示されるように、不要発生力によるマス部１１２の振動振幅ｘは、参照電圧Ｖ_ｒｅｆの角周波数ωを加速度センサ１００の共振角周波ω_ｎよりも十分に高くすることで十分に小さくすることができる。

加速度センサ装置１では、マス部１１２のｘ軸方向の変位を検出するための一対のｘ軸変位検出電極部１２２，１２４と、マス部１１２に静電引力を作用させるための一対のｘ軸サーボ電極部１３２，１３４と、が独立して設けられている。これにより、ｘ軸サーボ信号Ｖｏｕｔに加えて参照電圧Ｖ_ｒｅｆに近い周波数のノイズがｘ軸サーボ電極部１３２，１３４に入力したとしても、一対のｘ軸変位検出電極部１２２，１２４においては参照電圧Ｖ_ｒｅｆのみが増幅され、高精度な変位検出が可能となっている。さらに、参照電圧Ｖ_ｒｅｆによる不要発生力の影響も十分に抑えることができるので、マス部１１２の高精度なサーボ制御が可能となっている。このように、加速度センサ装置１は、加速度検出とサーボ制御を高精度に実行することができる。また、加速度センサ装置１の技術は、後述するように、単一の参照電圧Ｖ_ｒｅｆで複数軸の加速度を検知する場合にも好適に利用可能である。後述の実施例では、第１実施形態の加速度センサ装置１に採用可能ないくつかの加速度センサを例示するが、いずれの加速度センサが作用された加速度センサ装置１においても、上記の高精度な加速度検出とサーボ制御の作用効果が発揮される。

（第２実施形態の加速度センサ装置２）
図３及び図４を参照し、加速度センサ装置２の構成を説明する。なお、図１及び図２に示す加速度センサ装置１と共通する構成については共通の符号を付し、その説明を省略する。

加速度センサ装置２の加速度センサ１００は、マス部１１２が第１分割マス部１１２ａと第２分割マス部１１２ｂを有していることを特徴とする。第１分割マス部１１２ａと第２分割マス部１１２ｂは、接続部１１３を介して接続されている。第１分割マス部１１２ａと接続部１１３の間は絶縁されており、第２分割マス部１１２ｂと接続部１１３の間も絶縁されている。したがって、第１分割マス部１１２ａと第２分割マス部１１２ｂは、絶縁分離した状態で接続部１１３を介して接続されている。第１分割マス部１１２ａには、一対のｘ軸変位検出電極部１２２，１２４の各々のｘ軸可動検出電極が固定されている。この例では、第１分割マス部１１２ａ自体がｘ軸可動検出電極として動作するように例示されている。第２分割マス部１１２ｂには、一対のｘ軸サーボ電極部１３２，１３４の各々のｘ軸可動サーボ電極が固定されている。この例では、第２分割マス部１１２ｂ自体がｘ軸可動サーボ電極として動作するように例示されている。

加速度センサ１００では、第１分割マス部１１２ａに参照電圧印加部１１４ａが電気的に接続されており、第２分割マス部１１２ｂにオフセット電圧印加部１１４ｂが電気的に接続されている。参照電圧印加部１１４ａには参照電圧Ｖ_ｒｅｆが入力し、オフセット電圧印加部１１４ｂにはオフセット電圧Ｖ_ｏが入力する。

この加速度センサ１００では、参照電圧Ｖ_ｒｅｆが入力する第１分割マス部１１２ａとオフセット電圧Ｖ_ｏが入力する第２分割マス部１１２ｂが絶縁分離されている。このため、参照電圧Ｖ_ｒｅｆが一対のｘ軸サーボ電極部１３２，１３４に伝達することが抑えられているので、数式６で示すような不要発生力の発生が抑えられる。したがって、マス部１１２の高精度なサーボ制御が可能となっている。また、加速度センサ装置２でも、加速度センサ装置１と同様に、マス部１１２のｘ軸方向の変位を検出するための一対のｘ軸変位検出電極部１２２，１２４と、マス部１１２に静電引力を作用させるための一対のｘ軸サーボ電極部１３２，１３４と、が独立して設けられている。このため、ｘ軸サーボ信号Ｖｏｕｔに加えて参照電圧Ｖ_ｒｅｆに近い周波数のノイズがｘ軸サーボ電極部１３２，１３４に入力したとしても、一対のｘ軸変位検出電極部１２２，１２４においては参照電圧Ｖ_ｒｅｆのみが増幅され、高精度な変位検出が可能となっている。さらに、参照電圧Ｖ_ｒｅｆによる不要発生力の影響も十分に抑えることができるので、マス部１１２の高精度なサーボ制御が可能となっている。また、第１分割マス部１１２ａには参照電圧Ｖ_ｒｅｆのみが印加されるので、この参照電圧Ｖ_ｒｅｆに起因して発生する静電引力は一対のｘ軸変位検出電極部１２２，１２４の間で釣り合うことができる。このため、マス部１１２に対して不要な力を作用させることがない。この点でも、マス部１１２の高精度なサーボ制御が可能となっている。後述の実施例では、第２実施形態の加速度センサ装置２に採用可能ないくつかの加速度センサを例示するが、いずれの加速度センサが作用された加速度センサ装置２においても、上記の高精度な加速度検出とサーボ制御の作用効果が発揮される。

以下、上記した第１実施形態及び第２実施形態の加速度センサ装置１，２に含まれる加速度センサ１００を具現化するために好適な加速度センサを例示する。なお、上記した第１実施形態及び第２実施形態の加速度センサ１００と共通する構成要素については共通の符号を付す。

（第１実施例の加速度センサ１１）
図５及び図６に示す加速度センサ１１は、上記した第１実施形態の加速度センサ１００を具現化した例である。加速度センサ１１は、下側半導体層２０と絶縁層３０と上側半導体層４０の積層基板を加工することによって形成されている。下側半導体層２０と上側半導体層４０は、例えばシリコン単結晶の半導体層である。上側半導体層４０は、不純物を高濃度に含んでおり、導電性を有している。絶縁層３０は、例えば酸化シリコンであり、下側半導体層２０と上側半導体層４０を電気的に絶縁している。下側半導体層２０と絶縁層３０と上側半導体層４０の積層基板は、所謂ＳＯＩ（Silicon on Insulator）基板である。

加速度センサ１１は、マス部１１２、各種支持部及び各種電極部等の周囲を囲むように形成された枠体１１０を備えている。枠体１１０は、下側半導体層２０と絶縁層３０と上側半導体層４０の積層基板の一部によって形成されており、積層基板のうちのマス部１１２、各種支持部及び各種電極部等を除く部分ということができる。この例では、枠体１１０には、マス部１１２の下方に配置される下側半導体層２０も含まれる。枠体１１０の上側半導体層４０の表面には、キャップ層５０が接合されるための接合領域１１１が確保されている。接合領域１１１は、マス部１１２、各種支持部及び各種電極部等の周囲を一巡するように位置している。

マス部１１２は、上側半導体層４０の一部によって形成されており、枠体１１０に対して浮遊している。マス部１１２は、平面視したときに（ｚ軸方向から観測したときに）、略矩形状の形態を有している。マス部１１２は、４つの角部の各々の近傍に設けられたｘ軸支持部１４０を介して枠体１１０に支持されている。

ｘ軸支持部１４０は、マス部１１２が枠体１１０に対してｘ軸方向に変位するのを許容するための支持構造体であり、アンカ部１４２と、ｘ軸梁部１４４と、を有している。アンカ部１４２は、下側半導体層２０と絶縁層３０と上側半導体層４０の積層基板によって形成されており、枠体１１０に固定されている部分である。ｘ軸梁部１４４は、上側半導体層４０の一部によって形成されている。ｘ軸梁部１４４と下側半導体層２０の間の絶縁層３０は除去されており、ｘ軸梁部１４４は枠体１１０に対して浮遊している。ｘ軸梁部１４４は、所謂フォールデッドビームとして構成されており、一端がマス部１１２に接続されており、他端がアンカ部１４２に接続されている。ｘ軸梁部１４４は、ｙ軸方向の伸びるビームが折り返すように構成されており、ｘ軸方向のばね定数が小さく、ｙ軸及びｚ軸方向のばね定数が大きい。このため、ｘ軸梁部１４４は、ｘ軸方向に弾性変形し易く、ｙ軸及びｚ軸には弾性変形しにくい。これにより、ｘ軸支持部１４０で支持されるマス部１１２は、ｘ軸梁部１４４がｘ軸方向に弾性変形することによって、枠体１１０に対してｘ軸方向に相対変位することができる。

一対のｘ軸検出電極部１２２，１２４及び一対のｘ軸サーボ電極部１３２，１３４の各々は、所謂櫛歯電極部によって構成されている。これら４つの電極部１２２，１２４，１３２，１３４は共通の構造を有している。したがって、以下では、第１ｘ軸検出電極部１２２のみを説明する。共通のルールで付された符号の構成要素は、共通の構造及び機能を有する構成要素である。

第１ｘ軸検出電極部１２２は、複数のｘ軸可動検出電極１２２ａと、複数のｘ軸固定検出電極１２２ｂと、を有している。複数のｘ軸可動検出電極１２２ａ及び複数のｘ軸固定検出電極１２２ｂの各々は、上側半導体層４０の一部によって形成されている。複数のｘ軸可動検出電極１２２ａの各々は、マス部１１２から伸びる延長部の側面に固定されている。これにより、複数のｘ軸可動検出電極１２２ａは、マス部１１２のｘ軸方向の変位に追随して変位することができる。複数のｘ軸固定検出電極１２２ｂの各々は、対応するｘ軸可動検出電極１２２ａに対してｘ軸方向に対向して配置されているとともに、枠体１１０に固定されている。複数のｘ軸固定検出電極１２２ｂは、キャップ層５０を貫通するシリコン貫通電極（TSV：Thorough Silicon Via）１２２ｃを介してキャップ層５０の表面に形成された接続電極１２２ｄに電気的に接続されている。シリコン貫通電極１２２ｃは、貫通孔の側面をＳｉＯ_２等で絶縁し、ドープドシリコン等を貫通孔内に充填することで形成される。キャップ層５０の表面はＳｉＯ_２等で絶縁され、接続電極１２２ｄとシリコン貫通電極１２２ｃは電気的に接続されている。第１ｘ軸検出電極部１２２の接続電極１２２ｄは、第１容量変換回路２１２の反転接続端子（－）に接続されている（図１参照）。

信号電圧印加部１１４は、キャップ層５０を貫通するシリコン貫通電極（図示省略）を介して、マス部１１２、各種支持部及び各種電極部等の周囲に配置された上側半導体層４０に電気的に接続されており、その上側半導体層４０はアンカ部１４２に連結している。これにより、信号電圧印加部１１４は、ｘ軸支持部１４０及びマス部１１２の上側半導体層４０を介して、４つの電極部１２２，１２４，１３２，１３４の各々の可動電極１２２ａ，１２４ａ，１３２ａ，１３４ａに電気的に接続されている。

加速度センサ１１では、枠体１１０とキャップ層５０で囲まれた空間内にマス部１１２が配置されている。例えば、半導体上層５０の接合領域１１１とキャップ層５０は、Ｓｉ－Ｓｉ又はＳｉ－ＳｉＯ_２直接接合によって接合されており、枠体１１０とキャップ層５０で囲まれた空間は真空である。即ち、加速度センサ１１は、ＷＬＰ（Wafer Level Package）された構造を有している。このため、加速度センサ１１は、小型化した状態で高Ｑ値な特性を有することができる。高Ｑ値な特性を有する加速度センサ１１は、以下の数式に示すように、気体分子のブラウン運動に起因するホワイトノイズであるメカノイズ（Ｎ_ｍｅｃｈ）が低減され、高精度に加速度を検出することができる。ここで、ｋ_Ｂはボルツマン定数であり、Ｔは絶対温度であり、ω_ｎは加速度センサ１１の共振角周波であり、ｍはマス部１１２の質量であり、Ｑは加速センサ振動Ｑ値である。

一般的には、高Ｑ値な特性を有する加速度センサは、加速度印加時にマス部において共振周波数の自由振動が発生し、振幅が減衰するまでの時間が長くなることが知られている。このため、高Ｑ値な特性を有する加速度センサは、応答性が悪くなることが知られている。しかしながら、加速度センサ１１は、サーボ制御によってマス部１１２の変位を抑えているので、このような応答性の悪化を抑えることができる。このように、加速度センサ１１は、高Ｑ値で低メカノイズな特性を有しながら、高い応答性を有することができる。

図７に、加速度センサ１１の変形例を示す。この例では、マス部１１２が下側半導体層２０と絶縁層３０と上側半導体層４０の積層基板によって形成されている。この例では、マス部１１２の質量が大きくなるので、メカノイズがさらに低減される。また、この例の加速度センサ１１は、下側半導体層２０の裏面に接合される下側キャップ層６０を備えている。枠体１１０と上側キャップ層５０と下側キャップ層６０によって、マス部１１２が存在する空間が真空に維持されている。このため、この変形例の加速度センサ１１も、高Ｑ値で低メカノイズな特性を有することができる。なお、マス部１１２が積層基板によって形成される技術は、他の実施例にも適用可能である。

（第２実施例の加速度センサ１２）
図８に示す加速度センサ１２は、上記した第１実施形態の加速度センサ１００を具現化した例である。この加速度センサ１２では、マス部１１２を支持するｘ軸支持部１４０がマス部１１２に囲まれていることを特徴としている。換言すると、マス部１１２の中心部に形成された中央開口内にｘ軸支持部１４０が配置されている。

ｘ軸支持部１４０では、マス部１１２に対して１つのアンカ部１４２のみが設けられている。マス部１１２は、１つのアンカ部１４２によって枠体１１０に対して支持されている。アンカ部１４２は、マス部１１２の対称中心となる位置を含むように配置され、加速度センサ１２の中心、即ち、センサ構造の対称中心に位置している。また、アンカ部１４２には、搬送波信号Ｖ_ｉｎが入力する信号電圧印加部も形成されている。ｘ軸梁部１４４は、所謂ストレートビームとして構成されており、一端がマス部１１２に接続されており、他端がアンカ部１４２に接続されている。ｘ軸梁部１４４は、ｙ軸方向の伸びる複数のビームで構成されており、ｘ軸方向のばね定数が小さく、ｙ軸及びｚ軸方向のばね定数が大きい。これにより、ｘ軸支持部１４０で支持されるマス部１１２は、ｘ軸梁部１４４がｘ軸方向に弾性変形することによって、枠体１１０に対してｘ軸方向に相対変位することができる。

この加速度センサ１２では、アンカ部１４２がマス部１１２の中央の１点で固定されているため、振動のエネルギーロスの１つであるアンカロスが小さくなる。このため、加速度センサ１２は、高Ｑ値で低メカノイズな特性を有することができる。

図９に示すように、ｘ軸梁部１４４が所謂フォールデッドビームとして構成されていてもよい。このようなフォールデッドビームのｘ軸梁部１４４は、残留する内部応力による影響を受け難い構造である。このため、この加速度センサ１２は、高い信頼性を有することができる。

（第３実施例の加速度センサ１３）
図１０に示す加速度センサ１３は、上記した第１実施形態の加速度センサ１００を具現化した例である。特に、この加速度センサ１３は、ｘ軸方向の加速度に加えて、ｙ軸方向の加速度も検出可能に構成されている。加速度センサ１３は、図５及び図６に示す第１実施例の加速度センサ１１の変形例ということもできる。

加速度センサ１３は、一対のｙ軸変位検出電極部３２２，３２４と、一対のｙ軸サーボ電極部３３２，３３４と、を有している。一対のｙ軸変位検出電極部３２２，３２４及び一対のｙ軸サーボ電極部３３２，３３４は、配向を除いて、一対のｘ軸変位検出電極部１２２，１２４及び一対のｘ軸サーボ電極部１３２，１３４と同一の構造を有しているので、その説明を省略する。また、加速度センサ１３はさらに、マス部１１２が枠体１１０に対してｙ軸方向に変位するのを許容するための４つのｙ軸支持部３４０を有している。ｙ軸支持部３４０も、配向を除いて、ｘ軸支持部１４０と同一の構造を有しているので、その説明を省略する。加速度センサ１３では、一対のｘ軸変位検出電極部１２２，１２４がセンサ構造の中心に対して対称な位置関係で配置されている。同様に、一対のｘ軸サーボ電極部１３２，１３４もセンサ構造の中心に対して対称な位置関係で配置され、一対のｙ軸変位検出電極部３２２，３２４もセンサ構造の中心に対して対称称な位置関係で配置され、一対のｙ軸サーボ電極部３３２，３３４もセンサ構造の中心に対して対称な位置関係で配置されている。

加速度センサ１３はさらに、４つのｙ軸ストレートビーム１４６と、一対のｘ軸フレーム１４８と、４つのｘ軸ストレートビーム３４６と、一対のｙ軸フレーム３４８と、を有している。

４つのｙ軸ストレートビーム１４６の各々は、上側半導体層４０の一部によって形成されており、枠体１１０に対して浮遊している。４つのｙ軸ストレートビーム１４６の各々は、ｘ軸方向に沿って伸びており、一端がマス部１１２に接続されており、他端が対応するｘ軸フレーム１４８に接続されている。４つのｙ軸ストレートビーム１４６の各々は、ｙ軸方向のばね定数が小さく、ｘ軸及びｚ軸方向のばね定数が大きい。このため、４つのｙ軸ストレートビーム１４６の各々は、ｙ軸方向に弾性変形し易く、ｘ軸及びｚ軸には弾性変形しにくい。一対のｘ軸フレーム１４８の各々は、上側半導体層４０の一部によって形成されており、枠体１１０に対して浮遊している。なお、一対のｘ軸フレーム１４８は、マス部１１２の一部と評価することができる。一対のｘ軸フレーム１４８のうちの一方のｘ軸フレーム１４８に、第１ｘ軸変位検出電極部１２２と第１ｘ軸サーボ電極部１３２と一対のｘ軸支持部１４０が配置されており、他方のｘ軸フレーム１４８に、第２ｘ軸変位検出電極部１２４と第２ｘ軸サーボ電極部１３４と一対のｘ軸支持部１４０が配置されている。マス部１１２がｙ軸方向に変位すると、４つのｙ軸支持部３４０の弾性変形に加え、４つのｙ軸ストレートビーム１４６も弾性変形することで、マス部１１２（及び一対のｙ軸フレーム３４８）のｙ軸方向への変位が許容される。仮に、４つのｙ軸ストレートビーム１４６が設けられていないとすると、４つのｘ軸支持部１４０によってマス部１１２のｙ軸方向への変位が禁止されてしまう。加速度センサ１３では、４つのｙ軸ストレートビーム１４６が設けられていることにより、４つのｘ軸支持部１４０が設けられていても、マス部１１２のｙ軸方向の変位を許容することができる。また、マス部１１２がｙ軸方向に変位したときに、４つのｙ軸ストレートビーム１４６がｙ軸方向に弾性変形することで、一対のｘ軸フレーム１４８のｙ軸方向への変位が抑えられる。このように、加速度センサ１３では、一対のｘ軸変位検出電極部１２２，１２４と一対のｘ軸サーボ電極部１３２，１３４がマス部１１２のｙ軸方向の変位から独立している。

４つのｘ軸ストレートビーム３４６の各々は、上側半導体層４０の一部によって形成されており、枠体１１０に対して浮遊している。４つのｘ軸ストレートビーム３４６の各々は、ｙ軸方向に沿って伸びており、一端がマス部１１２に接続されており、他端が対応するｙ軸フレーム３４８に接続されている。４つのｘ軸ストレートビーム３４６の各々は、ｘ軸方向のばね定数が小さく、ｙ軸及びｚ軸方向のばね定数が大きい。このため、４つのｘ軸ストレートビーム３４６の各々は、ｘ軸方向に弾性変形し易く、ｙ軸及びｚ軸には弾性変形しにくい。一対のｙ軸フレーム３４８の各々は、上側半導体層４０の一部によって形成されており、枠体１１０に対して浮遊している。なお、一対のｙ軸フレーム３４８は、マス部１１２の一部と評価することができる。一対のｙ軸フレーム３４８のうちの一方のｙ軸フレーム３４８に、第１ｙ軸変位検出電極部３２２と第１ｙ軸サーボ電極部３３２と一対のｙ軸支持部３４０が配置されており、他方のｙ軸フレーム３４８に、第２ｙ軸変位検出電極部３２４と第２ｙ軸サーボ電極部３３４と一対のｙ軸支持部３４０が配置されている。マス部１１２がｘ軸方向に変位すると、４つのｘ軸支持部１４０の弾性変形に加え、４つのｘ軸ストレートビーム３４６も弾性変形することで、マス部１１２（及び一対のｘ軸フレーム１４８）のｘ軸方向への変位が許容される。仮に、４つのｘ軸ストレートビーム３４６が設けられていないとすると、４つのｙ軸支持部３４０によってマス部１１２のｘ軸方向の変位が禁止されてしまう。加速度センサ１３では、４つのｘ軸ストレートビーム３４６が設けられていることにより、４つのｙ軸支持部３４０が設けられていても、マス部１１２のｘ軸方向の変位を許容することができる。また、マス部１１２がｘ軸方向に変位したときに、４つのｘ軸ストレートビーム３４６がｘ軸方向に弾性変形することで、一対のｙ軸フレーム３４８のｘ軸方向への変位が抑えられる。このように、加速度センサ１３では、一対のｙ軸変位検出電極部３２２，３２４と一対のｙ軸サーボ電極部３３２，３３４がマス部１１２のｘ軸方向の変位から独立している。

加速度センサ１３に接続される処理回路は、図２に示す処理回路２００と対比すると、一対のｙ軸変位検出電極部３２２，３２４に対応してｙ軸容量変換回路部とｙ軸同期検波回路が追加され、一対のｙ軸サーボ電極部３３２，３３４に対応してｙ軸サーボ信号生成回路部が追加されればよい。

加速度センサ１３では、１つの信号電圧印加部１１４のみが設けられている。このように、加速度センサ１３では、ｘ軸方向とｙ軸方向の各々の加速度検出及びサーボ制御に対して異なる搬送波信号を生成する必要がない。加速度センサ１３は、簡易な構成とすることができる。

上記したように、加速度センサ１３では、４つのｙ軸ストレートビーム１４６によって一対のｘ軸変位検出電極部１２２，１２４と一対のｘ軸サーボ電極部１３２，１３４がマス部１１２のｙ軸方向の変位から独立しており、同様に、４つのｘ軸ストレートビーム３４６によって一対のｙ軸変位検出電極部３２２，３２４と一対のｙ軸サーボ電極部３３２，３３４がマス部１１２のｘ軸方向の変位から独立している。このため、加速度センサ１３では、他軸への影響が抑えられているので、それぞれの軸方向において、加速度検出及びサーボ制御を高精度に実行することができる。

（第４実施例の加速度センサ１４）
図１１に示す加速度センサ１４は、上記した第１実施形態の加速度センサ１００を具現化した例である。特に、この加速度センサ１４は、ｘ軸方向の加速度に加えて、ｙ軸方向の加速度も検出可能に構成されている。さらに、この加速度センサ１４では、アンカ部１１８と一対のｘ軸支持部４４０と一対のｙ軸支持部５４０と各変位検出電極部１２２，１２４，３２２，３２４と各サーボ電極部１３２，１３４，３３２，３３４がマス部１１２に囲まれていることを特徴としている。換言すると、マス部１１２の中心部に形成された中央開口内に、これらセンサ構造が配置されている。この加速度センサ１４では、マス部１１２に対して１つのアンカ部１１８のみが設けられている。マス部１１２は、１つのアンカ部１１８によって枠体１１０に対して支持されている。アンカ部１１８は、マス部１１２の対称中心となる位置を含むように配置され、加速度センサ１４の中心、即ち、センサ構造の対称中心に位置している。アンカ部１１８には、搬送波信号Ｖ_ｉｎが入力する信号電圧印加部が形成されている。この例では、一対のｘ軸支持部４４０の各々が所謂ストレートビームで構成されており、一対のｙ軸支持部５４０の各々も所謂ストレートビームで構成されている。

４つのｙ軸ストレートビーム１４６の各々は、ｘ軸方向に沿って伸びており、一端がマス部１１２に接続されており、他端が対応するｘ軸フレーム１４８に接続されている。ｘ軸フレーム１４８とアンカ部１１８の間には、ｘ軸支持部４４０が接続されている。ｘ軸支持部４４０は、ｙ軸方向に伸びるストレートビームを有しており、ｘ軸方向に弾性変形し易く、ｙ軸及びｚ軸には弾性変形しにくい。一対のｘ軸フレーム１４８のうちの一方のｘ軸フレーム１４８に、第１ｘ軸変位検出電極部１２２と第１ｘ軸サーボ電極部１３２とｘ軸支持部４４０が配置されており、他方のｘ軸フレーム１４８に、第２ｘ軸変位検出電極部１２４と第２ｘ軸サーボ電極部１３４とｘ軸支持部４４０が配置されている。

４つのｘ軸ストレートビーム３４６の各々は、ｙ軸方向に沿って伸びており、一端がマス部１１２に接続されており、他端が対応するｙ軸フレーム３４８に接続されている。ｙ軸フレーム３４８とアンカ部１１８の間には、ｙ軸支持部５４０が接続されている。ｙ軸支持部５４０は、ｘ軸方向に伸びるストレートビームを有しており、ｙ軸方向に弾性変形し易く、ｘ軸及びｚ軸には弾性変形しにくい。一対のｙ軸フレーム３４８のうちの一方のｙ軸フレーム３４８に、第１ｙ軸変位検出電極部３２２と第１ｙ軸サーボ電極部３３２とｙ軸支持部５４０が配置されており、他方のｙ軸フレーム３４８に、第２ｙ軸変位検出電極部３２４と第２ｙ軸サーボ電極部３３４とｙ軸支持部５４０が配置されている。

マス部１１２がｙ軸方向に変位すると、４つのｙ軸支持部５４０の弾性変形に加え、４つのｙ軸ストレートビーム１４６も弾性変形することで、マス部１１２（及び一対のｙ軸フレーム３４８）のｙ軸方向への変位が許容される。また、マス部１１２がｙ軸方向に変位したときに、４つのｙ軸ストレートビーム１４６がｙ軸方向に弾性変形することで、一対のｘ軸フレーム１４８のｙ軸方向への変位が抑えられる。このように、加速度センサ１４では、一対のｘ軸変位検出電極部１２２，１２４と一対のｘ軸サーボ電極部１３２，１３４がマス部１１２のｙ軸方向の変位から独立している。

マス部１１２がｘ軸方向に変位すると、４つのｘ軸支持部４４０の弾性変形に加え、４つのｘ軸ストレートビーム３４６も弾性変形することで、マス部１１２（及び一対のｘ軸フレーム１４８）のｘ軸方向への変位が許容される。また、マス部１１２がｘ軸方向に変位したときに、４つのｘ軸ストレートビーム３４６がｘ軸方向に弾性変形することで、一対のｙ軸フレーム３４８のｘ軸方向への変位が抑えられる。このように、加速度センサ１４では、一対のｙ軸変位検出電極部３２２，３２４と一対のｙ軸サーボ電極部３３２，３３４がマス部１１２のｘ軸方向の変位から独立している。

上記したように、加速度センサ１４では、４つのｙ軸ストレートビーム１４６によって一対のｘ軸変位検出電極部１２２，１２４と一対のｘ軸サーボ電極部１３２，１３４がマス部１１２のｙ軸方向の変位から独立しており、同様に、４つのｘ軸ストレートビーム３４６によって一対のｙ軸変位検出電極部３２２，３２４と一対のｙ軸サーボ電極部３３２，３３４がマス部１１２のｘ軸方向の変位から独立している。このため、加速度センサ１４では、他軸への影響が抑えられているので、それぞれの軸方向において、加速度検出及びサーボ制御を高精度に実行することができる。さらに、加速度センサ装置１４では、アンカ部１１８がマス部１１２の中央の１点で固定されているため、振動のエネルギーロスの１つであるアンカロスが小さくなる。このため、加速度センサ１４は、高Ｑ値で低メカノイズな特性を有することができる。

図１２に示すように、ｘ軸支持部４４０とｙ軸支持部５４０の各々が所謂フォールデッドビームとして構成されていてもよい。このようなフォールデッドビームのｘ軸支持部４４０とｙ軸支持部５４０は、残留する内部応力による影響を受け難い構造である。このため、この加速度センサ１５は、高い信頼性を有することができる。

（第５実施例の加速度センサ１６）
図１３及び図１４に示す加速度センサ１６は、上記した第２実施形態の加速度センサ１００を具現化した例である。加速度センサ１６は、図５及び図６に示す第１実施例の加速度センサ１１の変形例ということもできる。なお、加速度センサ１６に適用される技術は、他の実施例にも適用可能である。

この加速度センサ１６では、マス部１１２が第１分割マス部１１２ａと第２分割マス部１１２ｂを有しており、第１分割マス部１１２ａと第２分割マス部１１２ｂが接続部１１３を介して接続されている。接続部１１３は、絶縁層とシリコン層が積層した構造であり、その絶縁層を介して第１分割マス部１１２ａと第２分割マス部１１２ｂに接合している。このため、第１分割マス部１１２ａと接続部１１３の間は絶縁されており、第２分割マス部１１２ｂと接続部１１３の間も絶縁されている。したがって、第１分割マス部１１２ａと第２分割マス部１１２ｂは、絶縁分離した状態で接続部１１３を介して接続されている。第１分割マス部１１２ａには、一対のｘ軸変位検出電極部１２２，１２４が設けられている。第２分割マス部１１２ｂには、一対のｘ軸サーボ電極部１３２，１３４が設けられている。

参照電圧印加部１１４ａは、第１分割マス部１１２ａに電気的に接続されており、これにより、一対のｘ軸変位検出電極部１２２，１２４の各々のｘ軸可動検出電極に電気的に接続されている。オフセット電圧印加部１１４ｂは、第２分割マス部１１２ｂに電気的に接続されており、これにより、一対のｘ軸サーボ電極部１３２，１３４の各々のｘ軸可動サーボ電極に電気的に接続されている。

上記したように、このような加速度センサ１６では、参照電圧Ｖ_ｒｅｆが入力する第１分割マス部１１２ａとオフセット電圧Ｖ_ｏが入力する第２分割マス部１１２ｂが絶縁分離されている。このため、参照電圧Ｖ_ｒｅｆが一対のｘ軸サーボ電極部１３２，１３４に伝達されるのが抑えられるので、数式６で示すような不要発生力の発生が抑えられる。マス部１１２の高精度なサーボ制御が可能となっている。また、第１分割マス部１１２ａには参照電圧Ｖ_ｒｅｆのみが印加されるので、この参照電圧Ｖ_ｒｅｆに起因して発生する静電引力は一対のｘ軸変位検出電極部１２２，１２４の間で釣り合うことができる。このため、マス部１１２に対して不要な力を作用させることがない。この点でも、マス部１１２の高精度なサーボ制御が可能となっている。

（第６実施例の加速度センサ１７）
図１５に示す加速度センサ１７は、上記した第２実施形態の加速度センサ１００を具現化した例である。加速度センサ１７は、図１０に示す第３実施例の加速度センサ１３の変形例ということもできる。なお、加速度センサ１７に適用される技術は、他の実施例にも適用可能である。

この加速度センサ１７では、マス部が４つの分割マス部に分割されている。４つの分割マス部のうち参照電圧印加部１１４ａを介して参照電圧Ｖ_ｒｅｆが印加される一対の分割マス部が第１分割マス部１１２ａである。４つの分割マス部のうちオフセット電圧印加部１１４ｂを介してオフセット電圧Ｖ_ｏが印加される一対の分割マス部が第２分割マス部１１２ｂである。これら４つの分割マス部は、絶縁分離した状態で接続部１１３を介して固定されている。一対のｘ軸フレーム１４８の各々も２つに分割されており、これら２つの分割フレームは絶縁分離した状態で接続部１４９を介して固定されている。同様に、一対のｙ軸フレーム３４８の各々も２つに分割されており、これら２つの分割フレームは絶縁分離した状態で接続部３４９を介して固定されている。

この加速度センサ１７では、参照電圧Ｖ_ｒｅｆが入力する第１分割マス部１１２ａとオフセット電圧Ｖ_ｏが入力する第２分割マス部１１２ｂが絶縁分離されている。このため、参照電圧Ｖ_ｒｅｆが一対のｘ軸サーボ電極部１３２，１３４及び一対のｙ軸サーボ電極部３３２，３３４に伝達されるのが抑えられるので、数式６で示すような不要発生力が発生しない。マス部１１２の高精度なサーボ制御が可能となっている。また、第１分割マス部１１２ａには参照電圧Ｖ_ｒｅｆのみが印加されるので、この参照電圧Ｖ_ｒｅｆに起因して発生する静電引力は一対のｘ軸変位検出電極部１２２，１２４の間及び一対のｙ軸変位検出電極部３２２，３２４の間で釣り合うことができる。このため、マス部１１２に対して不要な力を作用させることがない。この点でも、マス部１１２の高精度なサーボ制御が可能となっている。この加速度センサ１７では、２軸が独立した高精度な加速度検知ができる。

上記の実施例では、支持部の構造の一例としてフォールデッドビームが採用されていた。図１６に示すように、支持部の構造としてダブルフォールデッドビームが採用されてもよい。ダブルフォールデッドビームは、アンカ部とマス部又はフレームの間で複数回の折り返しを有する構造である。ダブルフォールデッドビームは、梁長さを長くしなくても、ばね定数を小さくすることができる。このため、ダブルフォールデッドビームを有する加速度センサでは、共振周波数が小さくなり、さらにメカノイズを低減することができる。

以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。

１：加速度センサ装置、 １００：加速度センサ、 １１４：信号電圧印加部、 １２２：第１ｘ軸検出電極部、 １２４：第２ｘ軸変位検出電極部、 １３２：第１ｘ軸サーボ電極部、 １３４：第２ｘ軸サーボ電極部、 ２００：処理回路、 ２１０：ｘ軸容量変換回路部、 ２１２：第１容量変換回路、 ２１４：第２容量変換回路、 ２１６：差動回路、 ２２０：搬送波信号生成回路、 ２３０：ｘ軸同期検波回路、 ２４０：ｘ軸サーボ信号生成回路、 ２４２：ＰＩＤ制御器、 ２４４：正負反転回路

Claims (11)

1. 加速度センサと処理回路を備えた加速度センサ装置であって、
   前記加速度センサは、
   枠体と、
   前記枠体に対して少なくとも第１方向に揺動可能に構成されているマス部と、
   一対の第１変位検出電極部であって、前記一対の第１変位検出電極部の各々が第１可動検出電極と第１固定検出電極を有しており、前記第１可動検出電極と前記第１固定検出電極は前記第１方向に対向しており、前記第１可動検出電極が前記マス部に固定されており、前記第１固定検出電極が前記枠体に固定されており、前記マス部の前記第１方向における変位に対して前記第１可動検出電極と前記第１固定検出電極の電極間距離の変化の正負が前記一対の第１変位検出電極部の間で逆である、一対の第１変位検出電極部と、
   一対の第１サーボ電極部であって、前記一対の第１サーボ電極部の各々が第１可動サーボ電極と第１固定サーボ電極を有しており、前記第１可動サーボ電極と前記第１固定サーボ電極は前記第１方向に対向しており、前記第１可動サーボ電極が前記マス部に固定されており、前記第１固定サーボ電極が前記枠体に固定されており、前記マス部の前記第１方向における変位に対して前記第１可動サーボ電極と前記第１固定サーボ電極の電極間距離の変化の正負が前記一対の第１サーボ電極の間で逆である、一対の第１サーボ電極部と、を有しており、
   前記処理回路は、
   前記マス部に搬送波信号を入力する搬送波信号生成回路であって、前記搬送波信号が直流のオフセット電圧と交流の参照電圧を含む、搬送波信号生成回路と、
   前記一対の第１変位検出電極部の各々の容量変化の差に相当する第１電圧信号を出力する第１容量変換回路部と、
   前記第１電圧信号から前記参照電圧に同期した第１検出信号を検出する第１同期検波回路と、
   前記第１方向における前記マス部の変位を抑制するために、前記第１検出信号に基づいて前記一対の第１サーボ電極部の各々の前記第１固定サーボ電極に第１サーボ信号を入力する第１サーボ信号生成回路であって、前記第１サーボ信号の正負が前記一対の第１固定サーボ電極の間で逆である、第１サーボ信号生成回路と、を有している、加速度センサ装置。
2. 前記加速度センサはさらに、
   前記マス部を被覆するように前記枠体に固定されているキャップ層、を有しており、
   前記枠体と前記キャップ層で画定される空間内に前記マス部が配置されており、
   前記空間が真空である、請求項１に記載の加速度センサ装置。
3. 前記加速度センサはさらに、
   前記枠体に固定されているアンカ部と、
   前記マス部と前記アンカ部の間に接続されており、前記第１方向に弾性変形する第１梁部と、を有している、請求項１又は２に記載の加速度センサ装置。
4. 前記マス部に中央開口が形成されており、
   前記中央開口内に位置する前記マス部の対称中心に１つの前記アンカ部のみが配置されており、
   前記マス部は、前記第１方向に揺動可能となるように前記第１梁部を介して前記アンカ部に接続されている、請求項３に記載の加速度センサ装置。
5. 前記枠体と前記マス部と前記第１梁部は、下側半導体層と絶縁層と上側半導体層の積層基板によって形成されており、
   前記枠体は、前記下側半導体層と前記絶縁層と前記上側半導体層によって構成されており、
   前記マス部は、前記下側半導体層と前記絶縁層と前記上側半導体層によって構成されており、
   前記第１梁部は、前記上側半導体層によって構成されている、請求項３又は４に記載の加速度センサ装置。
6. 前記マス部は、第１分割マス部と第２分割マス部を有しており、
   前記第１分割マス部と前記第２分割マス部は絶縁分離した状態で接続されており、
   前記一対の第１変位検出電極部の各々の前記第１可動検出電極が前記第１分割マス部に固定されており、
   前記一対の第１サーボ電極部の各々の前記第１可動サーボ電極が前記第２分割マス部に固定されており、
   前記搬送波信号生成回路は、前記第１分割マス部に前記参照電圧を入力し、前記第２分割マス部に前記オフセット電圧を入力する、請求項１～５のいずれか一項に記載の加速度センサ装置。
7. 前記加速度センサはさらに、
   一対の第２変位検出電極部であって、前記一対の第２変位検出電極部の各々が第２可動検出電極と第２固定検出電極を有しており、前記第２可動検出電極と前記第２固定検出電極は前記第１方向に直交する第２方向に対向しており、前記第２可動検出電極が前記マス部に固定されており、前記第２固定検出電極が前記枠体に固定されており、前記マス部の前記第２方向における変位に対して前記第２可動検出電極と前記第２固定検出電極の電極間距離の変化の正負が前記一対の第２変位検出電極部の間で逆である、一対の第２変位検出電極部と、
   一対の第２サーボ電極部であって、前記一対の第２サーボ電極部の各々が第２可動サーボ電極と第２固定サーボ電極を有しており、前記第２可動サーボ電極と前記第２固定サーボ電極は前記第２方向に対向しており、前記第２可動サーボ電極が前記マス部に固定されており、前記第２固定サーボ電極が前記枠体に固定されており、前記マス部の前記第２方向における変位に対して前記第２可動サーボ電極と前記第２固定サーボ電極の電極間距離の変化の正負が前記一対の第２サーボ電極部の間で逆である、一対の第２サーボ電極部と、をさらに有しており、
   前記処理回路はさらに、
   前記一対の第２変位検出電極部の各々の容量変化の差に相当する第２電圧信号を出力する第２容量変換回路部と、
   前記第２電圧信号から前記参照電圧に同期した第２検出信号を検出する第２同期検波回路と、
   前記第２方向における前記マス部の変位を抑制するために、前記第２検出信号に基づいて前記一対の第２サーボ電極部の各々の前記第２固定サーボ電極に第２サーボ信号を入力する第２サーボ信号生成回路であって、前記第２サーボ信号の正負が前記一対の第２固定サーボ電極の間で逆である、第２サーボ信号生成回路と、をさらに有している、請求項１又は２に記載の加速度センサ装置。
8. 前記加速度センサはさらに、
   前記枠体に固定されているアンカ部と、
   前記マス部と前記アンカ部の間に接続されており、前記第１方向に弾性変形する第１梁部と、
   前記マス部と前記アンカ部の間に接続されており、前記第２方向に弾性変形する第２梁部と、をさらに有している、請求項７に記載の加速度センサ装置。
9. 前記マス部に中央開口が形成されており、
   前記中央開口内に位置する前記マス部の対称中心に１つの前記アンカ部のみが配置されており、
   前記マス部は、前記第１方向に揺動可能となるように前記第１梁部を介して前記アンカ部に接続されているとともに、前記第２方向に揺動可能となるように前記第２梁部を介して前記アンカ部に接続されている、請求項８に記載の加速度センサ装置。
10. 前記枠体と前記マス部と前記第１梁部と前記第２梁部は、下側半導体層と絶縁層と上側半導体層の積層基板によって形成されており、
    前記枠体は、前記下側半導体層と前記絶縁層と前記上側半導体層によって構成されており、
    前記マス部は、前記下側半導体層と前記絶縁層と前記上側半導体層によって構成されており、
    前記第１梁部は、前記上側半導体層によって構成されており、
    前記第２梁部は、前記上側半導体層によって構成されている、請求項８又は９に記載の加速度センサ装置。
11. 前記マス部は、第１分割マス部と第２分割マス部を有しており、
    第１分割マス部と第２分割マス部は絶縁分離した状態で接続されており、
    前記一対の第１変位検出電極部の各々の前記第１可動検出電極及び前記一対の第２変位検出電極部の各々の前記第２可動検出電極が前記第１分割マス部に固定されており、
    前記一対の第１サーボ電極部の各々の前記第１可動サーボ電極及び前記一対の第２サーボ電極部の各々の前記第２可動サーボ電極が前記第２分割マス部に固定されており、
    前記搬送波信号生成回路は、前記第１分割マス部に前記参照電圧を入力し、前記第２分割マス部にオフセット電圧を入力する、請求項７～１０のいずれか一項に記載の加速度センサ装置。

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