JP2023066598A

JP2023066598A - 物理量センサー及び慣性計測装置

Info

Publication number: JP2023066598A
Application number: JP2021177278A
Authority: JP
Inventors: 悟田中; Satoru Tanaka
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 2021-10-29
Filing date: 2021-10-29
Publication date: 2023-05-16
Also published as: US20230136163A1; CN116068223A

Abstract

【課題】小型化と高精度化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、基板２に設けられた第１固定電極部１０及び第２固定電極部５０と、第１固定電極部１０の固定電極に可動電極が対向するように設けられる第１可動電極部２０と、第２固定電極部５０の固定電極に可動電極が対向するように設けられる第２可動電極部６０と、基板２に固定された第１固定部４０及び第２固定部８０と、第１固定部４０に一端が接続された第１支持梁４２と、第１支持梁の他端と第１可動電極部２０とを連結する第１連結部３０と、第２固定部８０に一端が接続された第２支持梁８２と、第２支持梁８２の他端と第２可動電極部６０とを連結する第２連結部７０を含む。基板２に直交する第３方向ＤＲ３での平面視において、第１可動電極部、第２固定部、第１固定部、第２可動電極部が、この順で第１方向ＤＲ１に沿って並んで配置される。
【選択図】図１

Description

本発明は、物理量センサー及び慣性計測装置等に関する。

従来より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、例えば特許文献１に開示されるセンサーがある。特許文献１には、各センサー素子が固定電極と可動電極を有し物理量を検出する複数のセンサー素子が配置された物理量センサーが開示されている。

特開２０２１－３２８２０号公報

特許文献１の物理量センサーでは、複数のセンサー素子がＹ軸方向に並列して配置されている。このためデッドスペースが生まれやすく小型化が困難であった。また各センサー素子の固定部が離れて配置されているため基板の反りの影響を受けやすく、高精度な検出が困難であった。

本開示の一態様は、基板に設けられた第１固定電極部及び第２固定電極部と、前記第１固定電極部の固定電極に可動電極が対向するように設けられる第１可動電極部と、前記第２固定電極部の固定電極に可動電極が対向するように設けられる第２可動電極部と、前記基板に固定された第１固定部及び第２固定部と、前記第１固定部に一端が接続された第１支持梁と、前記第１支持梁の他端と前記第１可動電極部とを連結する第１連結部と、前記第２固定部に一端が接続された第２支持梁と、前記第２支持梁の他端と前記第２可動電極部とを連結する第２連結部と、を含み、互いに直交する３つの方向を第１方向、第２方向、第３方向としたときに、前記基板に直交する前記第３方向での平面視において、前記第１可動電極部、前記第２固定部、前記第１固定部、前記第２可動電極部が、前記第１可動電極部、前記第２固定部、前記第１固定部、前記第２可動電極部の順で前記第１方向に沿って並んで配置される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。

本実施形態の物理量センサーの構成例を示す平面図。物理量センサーの配置説明図。検出部の動作説明図。検出部の動作説明図。検出部の動作説明図。物理量センサーの他の構成例を示す平面図。物理量センサーの他の構成例を示す平面図。物理量センサーの他の構成例を示す平面図。物理量センサーの他の構成例を示す平面図。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。

１．物理量センサー
本実施形態の物理量センサー１の構成例について、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を参照して説明する。図１は、物理量センサー１の基板２に直交する方向での平面視における平面図である。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や後述の図６～図９等では、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ており、全ての構成要素を示してはいない。例えば電極配線、電極端子等については図示を省略している。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、速度、圧力、変位、角速度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。また図１において互いに直交する方向を第１方向ＤＲ１、第２方向ＤＲ２、第３方向ＤＲ３としている。第１方向ＤＲ１、第２方向ＤＲ２、第３方向ＤＲ３は、各々、例えばＸ軸方向、Ｙ軸方向、Ｚ軸方向であるが、これに限定されない。例えばＺ軸方向に対応する第３方向ＤＲ３は、例えば物理量センサー１の基板２に直交する方向であり、例えば鉛直方向である。Ｘ軸方向に対応する第１方向ＤＲ１、Ｙ軸方向に対応する第２方向ＤＲ２は、第３方向ＤＲ３に直交する方向であり、第１方向ＤＲ１及び第２方向ＤＲ２に沿った面であるＸＹ平面は例えば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。

基板２は、例えば半導体シリコンで構成されたシリコン基板又はホウケイ酸ガラスなどのガラス材料で構成されたガラス基板などである。但し基板２の構成材料としては、特に限定されず、石英基板又はＳＯＩ（Silicon On Insulator）基板等を用いてもよい。

そして図１に示すように本実施形態の物理量センサー１は、第１固定電極部１０と第１可動電極部２０と第１連結部３０と第１固定部４０と第１支持梁４２を含む。これらの第１固定電極部１０、第１可動電極部２０、第１連結部３０、第１固定部４０、第１支持梁４２により、物理量センサー１の第１素子部９１が構成される。第１素子部９１は検出部Ｚ１において例えばＺ軸方向である第３方向ＤＲ３での加速度を検出する。

また物理量センサー１は、第２固定電極部５０と第２可動電極部６０と第２連結部７０と第２固定部８０と第２支持梁８２を含む。これらの第２固定電極部５０、第２可動電極部６０、第２連結部７０、第２固定部８０、第２支持梁８２により、物理量センサー１の第２素子部９２が構成される。第２素子部９２は検出部Ｚ２において例えばＺ軸方向である第３方向ＤＲ３での加速度を検出する。

第１固定電極部１０及び第２固定電極部５０は基板２に設けられる。具体的には第１固定電極部１０は固定部３、４により基板２に固定され、第２固定電極部５０は固定部５、６により基板に固定される。第１固定電極部１０及び第２固定電極部５０は、複数の固定電極を含む。これらの複数の固定電極は例えばＸ軸方向である第１方向ＤＲ１に沿って延在している。例えば第１固定電極部１０は第１固定電極群であり、第２固定電極部５０は第２固定電極群である。

第１可動電極部２０は、第１固定電極部１０の固定電極に可動電極が対向するように設けられる。第２可動電極部６０は、第２固定電極部５０の固定電極に可動電極が対向するように設けられる。第１可動電極部２０及び第２可動電極部６０は、複数の可動電極を含む。これらの複数の可動電極は例えばＸ軸方向である第１方向ＤＲ１に沿って延在している。例えば第１可動電極部２０は第１可動電極群であり、第２可動電極部６０は第２可動電極群である。具体的には、第１可動電極部２０の第１可動電極２１、第２可動電極２２は、Ｙ軸方向である第２方向ＤＲ２において第１固定電極部１０の第１固定電極１１、第２固定電極１２に対向している。第２可動電極部６０の第３可動電極６１、第４可動電極６２は、Ｙ軸方向である第２方向ＤＲ２において第２固定電極部５０の第３固定電極５１、第４固定電極５２に対向している。

例えば図１では、第１可動電極部２０及び第２可動電極部６０は、第３方向ＤＲ３の平面視において複数の可動電極が櫛歯配置される櫛歯可動電極群となっており、第１固定電極部１０及び第２固定電極部５０は、第３方向ＤＲ３の平面視において複数の固定電極が櫛歯配置される櫛歯固定電極群となっている。そして第１素子部９１の検出部Ｚ１では、第１可動電極部２０の櫛歯可動電極群の各可動電極と、第１固定電極部１０の櫛歯固定電極群の各固定電極とが、交互に対向するように配置される。また第２素子部９２の検出部Ｚ２では、第２可動電極部６０の櫛歯可動電極群の各可動電極と第２固定電極部５０の櫛歯固定電極群の各固定電極とが、交互に対向するように配置される。

第１固定部４０及び第２固定部８０は基板２に固定されている。そして第１支持梁４２は第１固定部４０に一端が接続されている。また第２支持梁８２は第２固定部８０に一端が接続されている。例えば第１支持梁４２は第１ねじりバネであり、第２支持梁８２は第２ねじりバネである。図１では、第１支持梁４２として、第１固定部４０から第２方向ＤＲ２側に延在する第１支持梁４２と、第１固定部４０から第２方向ＤＲ２の反対方向側に延在する第１支持梁４２というように、第２方向ＤＲ２に沿った２つの支持梁が設けられている。また第２支持梁８２として、第２固定部８０から第２方向ＤＲ２側に延在する第２支持梁８２と、第２固定部８０から第２方向ＤＲ２の反対方向側に延在する第２支持梁８２というように、第２方向ＤＲ２に沿った２つの支持梁が設けられている。

第１固定部４０は、第１可動電極部２０と第１連結部３０により構成される第１可動体のアンカーとして用いられる。そして第１可動電極部２０を有する第１可動体は、第１固定部４０を支点として、第２方向ＤＲ２に沿った回転軸回りにシーソー揺動する。例えば第１可動体は、第２方向ＤＲ２に沿った第１支持梁４２を回転軸として、第１支持梁４２を捩り変形させながら当該回転軸回りに揺動する。これにより片側シーソー構造の第１素子部９１が実現される。

第２固定部８０は、第２可動電極部６０と第２連結部７０により構成される第２可動体のアンカーとして用いられる。そして第２可動電極部６０を有する第２可動体は、第２固定部８０を支点として、第２方向ＤＲ２に沿った回転軸回りにシーソー揺動する。例えば第２可動体は、第２方向ＤＲ２に沿った第２支持梁８２を回転軸として、第２支持梁８２を捩り変形させながら当該回転軸回りに揺動する。これにより片側シーソー構造の第２素子部９２が実現される。

即ち、第１可動電極部２０を有する第１可動体は、第１可動電極部２０よりも第１方向ＤＲ１に位置する第１固定部４０を支点としてシーソー揺動するのに対し、第２可動電極部６０を有する第２可動体は、第２可動電極部６０よりも第１方向ＤＲ１の反対側に位置する第２固定部８０を支点としてシーソー揺動する。また、基板２に直交する第３方向ＤＲ３での平面視において、第１可動電極部２０、第１連結部３０、第１固定部４０が、第１可動電極部２０、第１連結部３０、第１固定部４０の順で第１方向ＤＲ１に沿って配置され、第２可動電極部６０、第２連結部７０、第２固定部８０が、第２可動電極部６０、第２連結部７０、第２固定部８０の順で第１方向ＤＲ１の反対方向に沿って配置される。従って、第１固定部４０と第２固定部８０との間の仮想点に対し、第１素子部９１は第２素子部９２と点対称に配置されている。具体的には、当該仮想点に対し、第１固定部４０は第２固定部８０と点対称に配置され、第１可動電極部２０は第２可動電極部６０と点対称に配置されている。

第１連結部３０は、第１支持梁４２の他端と第１可動電極部２０とを連結する。具体的には、一端が第１固定部４０に接続される２つの第１支持梁４２の他端が第１連結部３０に接続されている。第２連結部７０は、第２支持梁８２の他端と第２可動電極部６０とを連結する。具体的には、一端が第２固定部８０に接続される２つの第２支持梁８２の他端が第２連結部７０に接続されている。

第１連結部３０は、第１支持梁４２と並んで第２方向ＤＲ２に沿って配置される第１部分３１と、第１部分３１と第１可動電極部２０に接続され、第１方向ＤＲ１に沿って配置される第２部分３２を有する。また第１連結部３０は、第２部分３２に接続され、第２方向ＤＲ２に沿って配置される第３部分３３を有する。第１部分３１は、第１固定部４０が一端に接続される２つの第１支持梁４２の他端に接続される。第２部分３２の一端は、第１部分３１に接続され、第２部分３２の他端は、第３部分３３及び第１可動電極部２０に接続される。第１連結部３０の第１部分３１、第２部分３２、第３部分３３は、第１可動体の質量部として機能する。特に第１可動体の回転軸となる第１支持梁４２から遠い距離にある第３部分３３は、感度向上に効果的な質量部となる。

第２連結部７０は、第２支持梁８２と並んで第２方向ＤＲ２に沿って配置される第４部分７１と、第４部分７１と第２可動電極部６０に接続され、第１方向ＤＲ１に沿って配置される第５部分７２を有する。また第２連結部７０は、第５部分７２に接続され、第２方向ＤＲ２に沿って配置される第６部分７３を有する。第４部分７１は、第２固定部８０が一端に接続される２つの第２支持梁８２の他端に接続される。第５部分７２の一端は、第４部分７１に接続され、第５部分７２の他端は、第６部分７３及び第２可動電極部６０に接続される。第２連結部７０の第４部分７１、第５部分７２、第６部分７３は、第２可動体の質量部として機能する。特に第２可動体の回転軸となる第２支持梁８２から遠い距離にある第６部分７３は、感度向上に効果的な質量部となる。

以上のように本実施形態の物理量センサー１は、基板２に設けられた第１固定電極部１０及び第２固定電極部５０と、第１固定電極部１０の固定電極に可動電極が対向するように設けられる第１可動電極部２０と、第２固定電極部５０の固定電極に可動電極が対向するように設けられる第２可動電極部６０を含む。また物理量センサー１は、基板２に固定された第１固定部４０及び第２固定部８０と、第１固定部４０に一端が接続された第１支持梁４２と、第１支持梁４２の他端と第１可動電極部２０とを連結する第１連結部３０と、第２固定部８０に一端が接続された第２支持梁８２と、第２支持梁８２の他端と第２可動電極部６０とを連結する第２連結部７０を含む。そして図１、図２に示すように、基板２に直交する第３方向ＤＲ３での平面視において、第１可動電極部２０、第２固定部８０、第１固定部４０、第２可動電極部６０が、第１可動電極部２０、第２固定部８０、第１固定部４０、第２可動電極部６０の順で第１方向ＤＲ１に沿って配置される。

このような物理量センサー１によれば、第１素子部９１の第１固定部４０と第１可動電極部２０との間のスペースを利用して、第２素子部９２の第２固定部８０を配置できるようになる。また第２素子部９２の第２固定部８０と第２可動電極部６０との間のスペースを利用して、第１素子部９１の第１固定部４０を配置できるようになる。従って、第１可動電極部２０、第２固定部８０、第１固定部４０、第２可動電極部６０を、第１方向ＤＲ１に沿ってコンパクトに並べて配置することが可能になり、物理量センサー１の小型化を実現できる。また第１固定部４０と第２固定部８０を近づけて配置することが可能になり、物理量センサー１の基板２等の反りの影響による精度の悪化を抑制することができ、物理量センサー１の高精度化を実現できる。従って、物理量センサー１の小型化と高精度化を両立して実現することが可能になる。

また本実施形態の物理量センサー１によれば、質量部として機能する第１可動電極部２０を、第２固定部８０及び第２支持梁８２が配置されるスペースの幅の分だけ、第１固定部４０及び第１支持梁４２から離れて配置できるようになる。従って、加速度等が印加されたときの第１可動電極部２０の変位を大きくすることができ、第１素子部９１での加速度等の検出の高感度化を実現できる。また質量部として機能する第２可動電極部６０を、第１固定部４０及び第１支持梁４２が配置されるスペースの幅の分だけ、第２固定部８０及び第２支持梁８２から離れて配置できるようになる。従って、加速度等が印加されたときの第２可動電極部６０の変位を大きくすることができ、第２素子部９２での加速度等の検出の高感度化を実現できる。従って、物理量センサー１の小型化と高精度化と高感度化とを両立して実現することも可能になる。

更に具体的には図１、図２では、第３方向ＤＲ３での平面視において、第１可動電極部２０、第２固定部８０及び第２支持梁８２、第１固定部４０及び第１支持梁４２、第２可動電極部６０が、この順で第１方向ＤＲ１に沿って並んで配置される。このようにすれば、第１固定部４０及び第１支持梁４２と第１可動電極部２０との間のスペースを利用して、第２固定部８０及び第２支持梁８２を配置でき、第２固定部８０及び第２支持梁８２と第２可動電極部６０との間のスペースを利用して、第１固定部４０及び第１支持梁４２を配置できるようになる。従って、第１可動電極部２０、第２固定部８０及び第２支持梁８２、第１固定部４０及び第１支持梁４２、第２可動電極部６０を、第１方向ＤＲ１に沿ってコンパクトに並べて配置することが可能になり、物理量センサー１の小型化を実現できる。

例えば前述の特許文献１の物理量センサーでは、各々が片側シーソー構造となる第１素子部と第２素子部をＹ軸方向に並列して配置し、差動検出が可能になるように、可動電極と固定電極のＺ軸方向での厚みをそれぞれ設定している。この物理量センサーでは、片側シーソー構造の各素子部において、質量が片側に集中することで回転トルクが発生し易く、２素子構成にすることで高感度化を実現している。しかしながら、特許文献１のように第１素子部と第２素子部をＹ軸方向に並列して配置する構成では、デッドスペースが生まれ易く小型化が困難となる。またＸ軸方向等のＺ軸方向とは異なる他軸方向に加速度が印可された場合に、第１素子部、第２素子部の一方では可動電極と固定電極の対向面積が増加し、第１素子部、第２素子部の他方では対向面積が減少してしまうため、相殺することができず、他軸感度が悪化してしまう。また第１素子部の第１固定部と第２素子部の第２固定部の距離が離れているため、基板等の反りの影響を受けやすく、高精度な検出が難しい。

また本実施形態の第１比較例として、片側シーソー構造ではなく、可動電極と固定電極が対向する検出部を、回転軸の両側に設けるシーソー構造の物理量センサーが考えられる。しかしながら、この第１比較例では、片側シーソー構造と比較して、検出部を単純に２倍に増やしても変位が出にくいため、感度は単純に２倍にはならない。具体的には第１比較例のシーソー構造では、可動体において回転軸に対し対称領域では、質量×距離で表される回転トルクが相殺の関係にあり、非対称部分のみしか回転トルクに寄与できない。そこで感度を高める手法として、非対称部分を大きくする方法では、片側シーソー構造と同一面積で比較すると高感度化は難しい。別の手法として、ねじりバネのバネ剛性を弱めて変位を稼ぐ方法があるが、片側シーソー構造と同一感度で比較すると耐衝撃性が悪化してしまう。

また本実施形態の第２比較例として、第１固定部、第２可動電極部、第１可動電極部、第２固定部が、この順で第２方向に沿って並んで配置される物理量センサーが考えられる。しかしながら、この第２比較例では、第１固定部と第２固定部との間の距離が遠くなるため、応力により基板に反りが発生すると、第１固定部と第２固定部とで反りが与える影響が異なってしまい、個々の素子部の影響を相殺できない。従って、熱応力や外部応力の影響を受けやすくなってしまうという問題がある。

この点、本実施形態では、例えば異なる厚みの固定電極及び可動電極の面外可動による面積変化型構造の例えばＺ軸の加速度センサーにおいて、片側シーソー構造であり、ねじれバネである支持梁と可動電極部までの可動体の一部分を開口した構造を実現している。そして第１素子部９１、第２素子部９２というように２素子構成とし、一方の素子部の開口部に他方の素子部の固定部及び支持梁を配置する構成を採用する。また各片側シーソー構造において、回転軸と直交する面内方向の両側に可動電極を延出させている。

具体的には、図１に示す面積変化型のＺ軸の加速度センサーである物理量センサー１は、支持基板である基板２に固定された第１固定電極部１０、第２固定電極部５０、第１固定部４０及び第２固定部８０を含む。また物理量センサー１は、第１可動体である第１可動電極部２０及び第１連結部３０と、第２可動体である第２可動電極部６０及び第２連結部７０と、第１可動体の第１連結部３０と第１固定部４０に接続される第１支持梁４２と、第２可動体の第２連結部７０と第２固定部８０に接続される第２支持梁８２を含む。また第１可動電極部２０は、第１可動体の第１基部可動電極２３から第１方向ＤＲ１に沿って両側に延出した第１可動電極２１、第２可動電極２２を有する。また第２可動電極部６０は、第２可動体の第２基部可動電極６３から第１方向ＤＲ１に沿って両側に延出した第３可動電極６１、第４可動電極６２を有する。

そして図１の物理量センサー１では、Ｚ軸方向の加速度が印可されると、第１素子部９１の第１可動体は、ねじりバネである第１支持梁４２を回転軸として回転動作し、第２素子部９２の第２可動体は、ねじりバネである第２支持梁８２を回転軸として回転動作する。そして第１素子部９１の検出部Ｚ１と第２素子部９２の検出部Ｚ２の一方の検出部では、可動電極と固定電極の対向面積が減少し、他方の検出部では対向面積が一定又は増加する。後述の図５を例にとれば、Ｚ軸方向プラス側である第３方向ＤＲ３の加速度が印加されると、第２素子部９２の検出部Ｚ２の対向面積は減少し、第１素子部９１の検出部Ｚ１の対向面積は変化せず一定となる。一方、Ｚ軸方向マイナス側であり、第３方向ＤＲ３の反対方向である第４方向ＤＲ４の加速度が印加されると、第１素子部９１の検出部Ｚ１の対向面積は減少し、第２素子部９２の検出部Ｚ２の対向面積は変化せず一定となる。この可動電極と固定電極の対向面積の変化による静電容量の変化を検出することで、印加された加速度の大きさや方向を検出できる。

図１の物理量センサー１の構造の特徴として、支持梁から可動電極部までの可動体の一部分を開口した片側シーソー構造を採用している。例えば第１素子部９１は、第１支持梁４２から第１可動電極部２０までの第１可動体の一部分を開口した片側シーソー構造となっている。具体的には第１連結部３０の第１部分３１、第２部分３２、第３部分３３により囲まれた領域が開口部となり、この開口部に第２素子部９２の第２固定部８０や第２支持梁８２が配置される。また第２素子部９２は、第２支持梁８２から第２可動電極部６０までの第２可動体の一部分を開口した片側シーソー構造となっている。具体的には第２連結部７０の第４部分７１、第５部分７２、第６部分７３により囲まれた領域が開口部となり、この開口部に第１素子部９１の第１固定部４０や第１支持梁４２が配置される。

図１のような片側シーソー構造は、通常のシーソー構造と比較して、質量×距離で表される回転トルクとして、第１可動体、第２可動体の各可動体の全体が質量として寄与するため、変位を稼ぐことができ、高感度化の点で有利である。

また図１では、各可動体の一部分を開口しているが、回転トルクは距離が遠くにある質量ほど寄与率が大きいため、回転軸に近い質量が一部無くても、変位は大きく減少しないため、感度の低下は僅かである。例えば第１素子部９１では、第１連結部３０の第１部分３１、第２部分３２、第３部分３３で囲まれる部分が開口部となっており、質量が存在しないが、この開口部は、回転軸である第１支持梁４２から近い距離に位置するため、開口部を設けることによる感度の低下は僅かである。例えば第１素子部９１では、第１可動電極部２０や第３部分３３等が、回転軸である第１支持梁４２から遠い質量部として機能するため、高感度化を実現できる。また第２素子部９２では、第２連結部７０の第４部分７１、第５部分７２、第６部分７３で囲まれる部分が開口部となっており、質量が存在しないが、この開口部は、回転軸である第２支持梁８２から近い距離に位置するため、開口部を設けることによる感度の低下は僅かである。例えば第２素子部９２では、第２可動電極部６０や第６部分７３が、回転軸である第２支持梁８２から遠い質量部として機能するため、高感度化を実現できる。

そして図１では、このような構造の第１素子部９１、第２素子部９２を用い、一方の素子部の可動体の開口部に、他方の素子部の固定部や支持梁を配置する。例えば第１素子部９１の第１可動体の開口部である第１部分３１、第２部分３２、第３部分３３に囲まれる領域に、第２素子部９２の第２固定部８０や第２支持梁８２を配置する。また第２素子部９２の第２可動体の開口部である第４部分７１、第５部分７２、第６部分７３に囲まれる領域に、第１素子部９１の第１固定部４０や第１支持梁４２を配置する。このような構造にすることで、前述の特許文献１でデッドスペースとなっていたスペースを有効活用できるため、物理量センサー１の小型化を実現できるようになる。

また図１では、アンカーである第１固定部４０と第２固定部８０が近くに配置される。従って、応力により基板２の反りが発生しても、この反りが、各固定部に対して同様に影響するようになるため、個々の素子部での影響を相殺でき、熱応力や外部応力の影響を受けにくい構造を実現することが可能になる。

また図１では、可動電極部において、２つの可動電極が基部可動電極から両側に延出する構造となっているため、可動電極の長さ方向の他軸方向の加速度の印可に対し、可動電極と固定電極の対向面積が変化しないため、他軸感度の悪化を抑制できる。例えば第１可動電極部２０では、第２方向ＤＲ２に沿った方向に延在する第１基部可動電極２３から、第１方向ＤＲ１に沿って両側に、第１可動電極２１と第２可動電極２２が延出している。従って、Ｚ軸の他軸である例えばＸ軸の方向の加速度の印加に対して、第１可動電極２１、第２可動電極２２と第１固定電極１１、第２固定電極１２との間の対向面積が変化しないようになるため、他軸感度の悪化を抑制することが可能になる。また第２可動電極部６０では、第２方向ＤＲ２に沿った方向に延在する第２基部可動電極６３から、第１方向ＤＲ１に沿って両側に、第３可動電極６１と第４可動電極６２が延出している。従って、他軸である例えばＸ軸の方向の加速度の印加に対して、第３可動電極６１、第４可動電極６２と第３固定電極５１、第４固定電極５２との間の対向面積が変化しないようにため、他軸感度の悪化を抑制することが可能になる。

図３、図４、図５は、可動電極と固定電極が対向する検出部Ｚ１、Ｚ２の動作説明図である。これらの検出部Ｚ１、Ｚ２では、可動電極と固定電極の第３方向ＤＲ３での厚みが異なっている。具体的には、図３に示すように検出部Ｚ１では、第１可動電極部２０の可動電極２４の第３方向ＤＲ３での厚みの方が、第１固定電極部１０の固定電極１４の第３方向ＤＲ３での厚みよりも大きくなっている。一方、図４に示すように検出部Ｚ２では、第２可動電極部６０の可動電極６４の第３方向ＤＲ３での厚みの方が、第２固定電極部５０の固定電極５４の第３方向ＤＲ３での厚みよりも小さくなっている。ここで図３の可動電極２４は、図１の第１可動電極２１、第２可動電極２２に対応し、固定電極１４は第１固定電極１１、第２固定電極１２に対応する。また図４の可動電極６４は、図１の第３可動電極６１、第４可動電極６２に対応し、固定電極５４は第３固定電極５１、第４固定電極５２に対応する。

そして図５に示すように、初期状態では、第２方向ＤＲ２での側面視において、可動電極２４と固定電極１４の第４方向ＤＲ４側での端部の位置が一致して、面一になっており、可動電極６４と固定電極５４の第４方向ＤＲ４側での端部の位置も一致して、面一になっている。ここで、初期状態は、加速度が印加されていないときの状態であり、静止状態である。また第４方向ＤＲ４は第３方向ＤＲ３の反対方向であり、例えばＺ軸方向マイナス側の方向である。

この初期状態から第３方向ＤＲ３の加速度が印加されると、図５に示すように、可動電極２４、６４が、第３方向ＤＲ３の反対方向である第４方向ＤＲ４側に変位する。これにより検出部Ｚ２では、可動電極６４と固定電極５４の対向面積が減少して、検出部Ｚ１では、可動電極２４と固定電極１４の対向面積が一定に維持される。従って、検出部Ｚ２での対向面積の減少による静電容量の変化を検出することで、第３方向ＤＲ３の加速度を検出できる。一方、初期状態から第４方向ＤＲ４の加速度が印加されると、図５に示すように、可動電極２４、６４が、第３方向ＤＲ３側に変位する。これにより検出部Ｚ１では、可動電極２４と固定電極１４の対向面積が減少して、検出部Ｚ２では、可動電極６４と固定電極５４の対向面積が一定に維持される。従って、検出部Ｚ１での対向面積の減少による静電容量の変化を検出することで、第４方向ＤＲ４の加速度を検出できる。具体的には、例えば差動増幅用の第１入力端子に可動電極２４が電気的に接続され、差動増幅用の第２入力端子に可動電極６４が電気的に接続される差動検出回路が設けられ、この差動検出回路により第３方向ＤＲ３や第４方向ＤＲ４の加速度が検出される。差動検出回路の第１入力端子、第２入力端子の一方の入力端子は反転入力端子であり、他方の入力端子は非反転入力端子である。

なお図３～図５では、初期状態において、可動電極２４、６４と固定電極１４、５４の第４方向ＤＲ４側の端部が一致して面一であ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ない。例えば初期状態において、検出部Ｚ１においては、可動電極２４と固定電極１４の第３方向ＤＲ３側の一端及び第４方向ＤＲ４側の他端の両端が一致しないように、可動電極２４を第３方向ＤＲ３側にオフセット変位させ、検出部Ｚ２においては、可動電極６４と固定電極５４の第３方向ＤＲ３側の一端及び第４方向ＤＲ４側の他端の両端が一致しないように、可動電極６４を第４方向ＤＲ４側にオフセット変位させてもよい。このようにすれば、例えば第３方向ＤＲ３に加速度が印加されると、検出部Ｚ１では対向面積が増加して静電容量が増加し、検出部Ｚ２では対向面積が減少して静電容量が減少するようになる。一方、第４方向ＤＲ４に加速度が印加されると、検出部Ｚ１では対向面積が減少して静電容量が減少し、検出部Ｚ２では対向面積が増加して静電容量が増加するようになる。これにより、加速度の変化に対する静電容量の変化の割合が大きくなるため、より高感度な物理量センサー１の実現が可能になる。

以上のように本実施形態では、第１可動電極部２０の可動電極２４と、第１固定電極部１０の固定電極１４は、第２方向ＤＲ２において対向しており、第２可動電極部６０の可動電極６４と、第２固定電極部５０の固定電極５４は、第２方向ＤＲ２において対向している。例えば第１可動電極部２０の可動電極群の各可動電極と、第１固定電極部１０の固定電極群の各固定電極は、第２方向ＤＲ２において対向しており、第２可動電極部６０の可動電極群の各可動電極と、第２固定電極部５０の固定電極群の各固定電極は、第２方向ＤＲ２において対向している。

このようにすれば、例えば第２方向ＤＲ２に直交する第３方向ＤＲ３での加速度等の物理量の変化を、第１可動電極部２０と第１固定電極部１０の対向面積の変化による静電容量の変化や、第２可動電極部６０と第２固定電極部５０の対向面積の変化による静電容量の変化を検出することで、測定できるようになる。

また本実施形態では図１に示すように、第１可動電極部２０は、第１基部可動電極２３と、第１基部可動電極２３から第１方向ＤＲ１に延びる第１可動電極２１と、第１基部可動電極２３から第１方向ＤＲ１の反対方向に延びる第２可動電極２２を含む。また第１固定電極部１０は、第１可動電極２１に対向する第１固定電極１１と、第２可動電極２２に対向する第２固定電極１２を含む。第１基部可動電極２３は、例えば第１連結部３０の一端から例えば第２方向ＤＲ２に沿って延在する部分であり、第１可動電極部２０の可動電極群の基部となる部分である。

このようにすれば、他軸方向である例えば第１方向ＤＲ１での加速度等の物理量が変化した場合に、例えば第１可動電極２１と第１固定電極１１の対向面積と、第２可動電極２２と第２固定電極１２の対向面積のうちの一方の対向面積が減少し、他方の対向面積が増加するようになる。従って、他軸方向での加速度等の物理量が変化したときに対向面積の変化を相殺することが可能になり、他軸感度の悪化を抑制できるようになる。

また本実施形態では図１に示すように、第２可動電極部６０は、第２基部可動電極６３と、第２基部可動電極６３から第１方向ＤＲ１に延びる第３可動電極６１と、第２基部可動電極６３から第１方向ＤＲ１の反対方向に延びる第４可動電極６２を含む。また第２固定電極部５０は、第３可動電極６１に対向する第３固定電極５１と、第４可動電極６２に対向する第４固定電極５２を含む。第２基部可動電極６３は、例えば第２連結部７０の一端から例えば第２方向ＤＲ２に沿って延在する部分であり、第２可動電極部６０の可動電極群の基部となる部分である。

このようにすれば、他軸方向である例えば第１方向ＤＲ１での加速度等の物理量が変化した場合に、例えば第３可動電極６１と第３固定電極５１の対向面積と、第４可動電極６２と第４固定電極５２の対向面積のうちの一方の対向面積が減少し、他方の対向面積が増加するようになる。従って、他軸方向での加速度等の物理量が変化したときに対向面積の変化を相殺することが可能になり、他軸感度の悪化を抑制できるようになる。

また本実施形態では図５に示すように、第１可動電極部２０及び第２可動電極部６０が第３方向ＤＲ３に変位したときに、第１可動電極部２０と第１固定電極部１０との間の静電容量が減少する。具体的には、第４方向ＤＲ４側に加速度等が印加されて、第１可動電極部２０及び第２可動電極部６０が第３方向ＤＲ３に変位すると、第１可動電極部２０の可動電極２４と第１固定電極部１０の固定電極１４との間の対向面積が減少して、第１可動電極部２０と第１固定電極部１０との間の静電容量が減少する。このときに第２可動電極部６０と第２固定電極部５０との間の静電容量は、図５に示すように一定に維持されてもよいし、増加するようにしてもよい。

また図５に示すように、第１可動電極部２０及び第２可動電極部６０が第３方向ＤＲ３の反対方向の第４方向ＤＲ４に変位したときに、第２可動電極部６０と第２固定電極部５０との間の静電容量が減少する。具体的には、第３方向ＤＲ３側に加速度等が印加されて、第１可動電極部２０及び第２可動電極部６０が第４方向ＤＲ４に変位すると、第２可動電極部６０の可動電極６４と第２固定電極部５０の固定電極５４との間の対向面積が減少して、第２可動電極部６０と第２固定電極部５０との間の静電容量が減少する。このときに第１可動電極部２０と第１固定電極部１０との間の静電容量は、図５に示すように一定に維持されてもよいし、増加するようにしてもよい。

このようにすれば、第１可動電極部２０と第１固定電極部１０との間の静電容量の減少等を検出することで、第１可動電極部２０及び第２可動電極部６０が第３方向ＤＲ３に変位したことを検出できるようになる。また第２可動電極部６０と第２固定電極部５０との間の静電容量の減少等を検出することで、第１可動電極部２０及び第２可動電極部６０が第４方向ＤＲ４に変位したことを検出できるようになる。従って、第１可動電極部２０及び第２可動電極部６０の第３方向ＤＲ３や第４方向ＤＲ４の変位を高い感度等で検出することが可能になる。

２．他の構成例
次に本実施形態の種々の構成例について説明する。図６に物理量センサー１の他の構成例を示す。図１では基部可動電極から両側に可動電極が延出していたが、図６では基部固定電極から両側に固定電極が延出している。

具体的には図６では、第１固定電極部１０は、第１基部固定電極１３と、第１基部固定電極１３から第１方向ＤＲ１に延びる第１固定電極１１と、第１基部固定電極１３から第１方向ＤＲ１の反対方向に延びる第２固定電極１２を含む。また第１可動電極部２０は、第１固定電極１１に対向する第１可動電極２１と、第２固定電極１２に対向する第２可動電極２２を含む。第１基部固定電極１３は、例えば第１固定電極部１０の固定部３から例えば第２方向ＤＲ２に沿って延在する部分であり、第１固定電極部１０の固定電極群の基部となる部分である。例えば図１では、第１固定電極部１０が２つの固定部３、４により２点支持されていたが、図６では第１固定電極部１０が１つの固定部３により１点支持されている。

また図６では、第２固定電極部５０は、第２基部固定電極５３と、第２基部固定電極５３から第１方向ＤＲ１に延びる第３固定電極５１と、第２基部固定電極５３から第１方向ＤＲ１の反対方向に延びる第４固定電極５２を含む。また第２可動電極部６０は、第３固定電極５１に対向する第３可動電極６１と、第４固定電極５２に対向する第４可動電極６２を含む。第２基部固定電極５３は、例えば第２固定電極部５０の固定部５から例えば第２方向ＤＲ２に沿って延在する部分であり、第２固定電極部５０の固定電極群の基部となる部分である。例えば図１では、第２固定電極部５０が２つの固定部５、６により２点支持されていたが、図６では第２固定電極部５０が１つの固定部５により１点支持されている。

また図６では、第１固定電極部１０の両側に第１可動電極部２０が配置され、第２固定電極部５０の両側に第２可動電極部６０が配置されるようになる。従って、図１に比べて、第１可動電極部２０を有する第１可動体の質量や、第２可動電極部６０を有する第２可動体の質量を稼ぐことが可能になり、高感度化を実現できるようになる。特に第１可動電極部２０のうちの、第１固定電極部１０の第１方向ＤＲ１の反対方向側の部分や、第２可動電極部６０のうちの、第２固定電極部５０の第１方向ＤＲ１側の部分は、回転軸から遠い質量部として機能するため、物理量センサー１の高感度化に寄与できるようになる。

図７に物理量センサー１の他の構成例を示す。図１では、第１素子部９１の第１可動電極部２０及び第１固定電極部１０の配置領域に、図３で説明した検出部Ｚ１が１つ設けられ、第２素子部９２の第２可動電極部６０及び第２固定電極部５０の配置領域に、図４で説明した検出部Ｚ２が１つ設けられていた。これに対して図７では、第１可動電極部２０及び第１固定電極部１０の配置領域に、検出部Ｚ１及び検出部Ｚ２というように２つの検出部が設けられ、第２可動電極部６０及び第２固定電極部５０の配置領域に、検出部Ｚ１及び検出部Ｚ２というように２つの検出部が設けられている。

図５で説明したように、検出部Ｚ１は、例えば第４方向ＤＲ４の加速度が印加されたときに、可動電極２４が第３方向ＤＲ３に変位することで固定電極１４との対向面積が減少して、静電容量が減少する検出部である。検出部Ｚ２は、例えば第３方向ＤＲ３の加速度が印加されたときに、可動電極６４が第４方向ＤＲ４に変位することで固定電極５４との対向面積が減少して、静電容量が減少する検出部である。即ち検出部Ｚ１は、第４方向ＤＲ４の加速度により静電容量が減少し、検出部Ｚ２では第３方向ＤＲ３の加速度により静電容量が減少する。例えば図３に示すように検出部Ｚ１では、第３方向ＤＲ３での可動電極２４の厚さが固定電極１４の厚さよりも大きくなっており、図４に示すように検出部Ｚ２では、第３方向ＤＲ３での可動電極６４の厚さが固定電極５４の厚さよりも小さくなっている。

そして図７では第１可動電極部２０及び第１固定電極部１０の配置領域のうち、第１領域Ｒ１に検出部Ｚ１が配置され、第２領域Ｒ２に検出部Ｚ２が配置される。また第２可動電極部６０及び第２固定電極部５０の配置領域のうち、第３領域Ｒ３に検出部Ｚ２が配置され、第４領域Ｒ４に検出部Ｚ１が配置される。

従って図７では、例えば第４方向ＤＲ４の加速度等により、第１可動電極部２０及び第２可動電極部６０が第３方向ＤＲ３に変位したときに、第１可動電極部２０及び第１固定電極部の配置領域のうち、第１領域Ｒ１に配置される第１可動電極部２０と第１固定電極部１０の間の静電容量が減少する。また第２可動電極部６０と第２固定電極部５０の配置領域のうち、第４領域Ｒ４に配置される第２可動電極部６０と第２固定電極部５０の間の静電容量が減少する。

即ち図７に示すように、第１領域Ｒ１には、第１可動電極部２０が第３方向ＤＲ３に変化したときに第１固定電極部１０との間の対向面積が減少する検出部Ｚ１が配置される。例えば図３に示すように第３方向ＤＲ３での可動電極２４の厚さが固定電極１４の厚さよりも大きい検出部Ｚ１が配置される。従って、第１可動電極部２０が第３方向ＤＲ３に変化したときに、第１領域Ｒ１に配置される第１可動電極部２０と第１固定電極部１０の間の静電容量が減少することになる。また第４領域Ｒ４には、第２可動電極部６０が第３方向ＤＲ３に変化したときに第２固定電極部５０との間の対向面積が減少する検出部Ｚ１が配置される。従って、第２可動電極部６０が第３方向ＤＲ３に変化したときに、第４領域Ｒ４に配置される第２可動電極部６０と第２固定電極部５０の間の静電容量が減少することになる。

一方、例えば第３方向ＤＲ３の加速度等により、第１可動電極部２０及び第２可動電極部６０が第３方向ＤＲ３の反対方向の第４方向ＤＲ４に変位したときに、第１可動電極部２０及び第１固定電極部１０の配置領域のうち、第２領域Ｒ２に配置される第１可動電極部２０と第１固定電極部１０の間の静電容量が減少する。また第２可動電極部６０及び第２固定電極部５０の配置領域のうち、第３領域Ｒ３に配置される第２可動電極部６０と第２固定電極部５０の間の静電容量が減少する。

即ち図７に示すように、第２領域Ｒ２には、第１可動電極部２０が第４方向ＤＲ４に変化したときに第１固定電極部１０との間の対向面積が減少する検出部Ｚ２が配置される。例えば図４に示すように第３方向ＤＲ３での可動電極２４の厚さが固定電極１４の厚さよりも小さい検出部Ｚ２が配置される。従って、第１可動電極部２０が第４方向ＤＲ４に変化したときに、第２領域Ｒ２に配置される第１可動電極部２０と第１固定電極部１０の間の静電容量が減少することになる。また第３領域Ｒ３には、第２可動電極部６０が第４方向ＤＲ４に変化したときに第２固定電極部５０との間の対向面積が減少する検出部Ｚ２が配置される。従って、第２可動電極部６０が第４方向ＤＲ４に変化したときに、第３領域Ｒ３に配置される第２可動電極部６０と第２固定電極部５０の間の静電容量が減少することになる。

このようにすれば、検出部Ｚ１が配置される第１領域Ｒ１での第１可動電極部２０と第１固定電極部１０の間の静電容量の減少や、検出部Ｚ１が配置される第４領域Ｒ４での第２可動電極部６０と第２固定電極部５０の間の静電容量の減少等を検出することで、例えば第４方向ＤＲ４の加速度により、第１可動電極部２０及び第２可動電極部６０が第３方向ＤＲ３に変位したことを検出できるようになる。また検出部Ｚ２が配置される第２領域Ｒ２での第１可動電極部２０と第１固定電極部１０の間の静電容量の減少や、検出部Ｚ２が配置される第３領域Ｒ３での第２可動電極部６０と第２固定電極部５０の間の静電容量の減少等を検出することで、例えば第３方向ＤＲ３の加速度により、第１可動電極部２０及び第２可動電極部６０が第４方向ＤＲ４に変位したことを検出できるようになる。

また図３、図４に示すように、第３方向ＤＲ３での可動電極２４、６４の厚さを検出部Ｚ１と検出部Ｚ２とで異ならせる場合に、図７では、第１可動体の第１領域Ｒ１、第２領域Ｒ２に、各々、検出部Ｚ１、Ｚ２が配置され、第２可動体の第３領域Ｒ３、第４領域Ｒ４に、各々、検出部Ｚ２、Ｚ１が配置される。具体的には、例えば物理量センサー１の中央付近を基準として、第１領域Ｒ１の検出部Ｚ１と第４領域Ｒ４の検出部Ｚ１とが点対称に配置され、第２領域Ｒ２の検出部Ｚ２と第３領域Ｒ３の検出部Ｚ２とが点対称に配置される。従って、第１可動電極部２０を有する第１可動体の質量と、第２可動電極部６０を有する第２可動体の質量を同等にすることが可能になり、可動体の質量バランスが良いという利点がある。

また図７では第１領域Ｒ１及び第２領域Ｒ２は、第１可動電極部２０及び第１固定電極部１０の配置領域において第１方向ＤＲ１に沿って並ぶ領域になっている。また第３領域Ｒ３及び第４領域Ｒ４は、第２可動電極部６０及び第２固定電極部５０の配置領域において第１方向ＤＲ１に沿って並ぶ領域になっている。

このようにすれば、例えば他軸方向である第１方向ＤＲ１に、可動体である第１可動体及び第２可動体が動いた場合に、検出部Ｚ１が配置される第１領域Ｒ１での静電容量が減少する一方で、検出部Ｚ２が配置される第２領域Ｒ２での静電容量が増加するため、静電容量の変化が相殺されて、他軸感度の悪化を抑制できるようになる。また検出部Ｚ２が配置される第３領域Ｒ３での静電容量が減少する一方で、検出部Ｚ１が配置される第４領域Ｒ４での静電容量が増加するため、静電容量の変化が相殺されて、他軸感度の悪化を抑制できるようになる。

なお図７では、第１方向ＤＲ１に沿って、検出部Ｚ１、Ｚ２、Ｚ２、Ｚ１の順で検出部が配置されているが、第１方向ＤＲ１に沿って、例えば検出部Ｚ２、Ｚ１、Ｚ１、Ｚ２の順で検出部が配置されるようにしてもよい。

図８に物理量センサー１の他の構成例を示す。図８が図７と異なるのは、第１固定電極部１０の固定部３、４の位置である。図７では、第１固定電極部１０に対して、第２方向ＤＲ２の反対方向側に固定部３、４が配置されているが、図８では、第１固定電極部１０に対して、第２方向ＤＲ２側に固定部３、４が配置されている。このようにすれば、第１固定電極部１０の固定部３、４と、第２固定電極部５０の固定部５、６の両方が、第２方向ＤＲ２側に配置されるようになる。従って、固定部３、４からの固定電極用の電極配線と、固定部５、６からの固定電極用の電極配線とを、同じ第２方向ＤＲ２側に引き出すことが可能になり、効率的な電極配線の配線が可能になる。

図９に物理量センサー１の他の構成例を示す。図９では、第１領域Ｒ１及び第２領域Ｒ２は、第１可動電極部２０及び第１固定電極部１０の配置領域において第２方向ＤＲ２に沿って並ぶ領域になっている。また第３領域Ｒ３及び第４領域Ｒ４は、第２可動電極部６０及び第２固定電極部５０の配置領域において第２方向ＤＲ２に沿って並ぶ領域になっている。このような配置によっても、例えば第１素子部９１、第２素子部９２の各素子部内の検出部Ｚ１、Ｚ２内において、静電容量の変化を相殺して、他軸感度の悪化を抑制することが可能である。

また図７、図８、図９では、第１可動電極部２０は、第１基部可動電極２３と、第１基部可動電極２３から第１方向ＤＲ１に延びる第１可動電極２１と、第１基部可動電極２３から第１方向ＤＲ１の反対方向に延びる第２可動電極２２を含む。そして第１固定電極部１０は、第１可動電極２１に対向する第１固定電極１１と、第２可動電極２２に対向する第２固定電極１２を含む。また第２可動電極部６０は、第２基部可動電極６３と、第２基部可動電極６３から第１方向ＤＲ１に延びる第３可動電極６１と、第２基部可動電極６３から第１方向ＤＲ１の反対方向に延びる第４可動電極６２を含む。そして第２固定電極部５０は、第３可動電極６１に対向する第３固定電極５１と、第４可動電極６２に対向する第４固定電極５２を含む。

このようにすれば、他軸方向である例えば第１方向ＤＲ１での加速度等の物理量が変化した場合に、例えば第１可動電極２１と第１固定電極１１の対向面積と、第２可動電極２２と第２固定電極１２の対向面積のうちの一方の対向面積が減少し、他方の対向面積が増加するようになる。また第３可動電極６１と第３固定電極５１の対向面積と、第４可動電極６２と第４固定電極５２の対向面積のうちの一方の対向面積が減少し、他方の対向面積が増加するようになる。従って、他軸方向での加速度等の物理量が変化したときに対向面積の変化を相殺することが可能になり、他軸感度の悪化を抑制できるようになる。

なお図７、図８、図９において、図６と同様に、基部固定電極から両側に固定電極を延在させて、対応する可動電極と対向させるような電極配置にしてもよい。

３．慣性計測装置
次に、本実施形態の慣性計測装置２０００の一例について図１０、図１１を用いて説明する。図１０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軸回りの角速度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１１に示すように、回路基板２３２０の上面には、コネクター２３３０、Ｚ軸回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軸回りの角速度を検出する角速度センサー２３４０ｘ及びＹ軸回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。

なお慣性計測装置２０００は図１０、図１１の構成には限定されない。例えば慣性計測装置２０００に、角速度センサー２３４０ｘ、２３４０ｙ、２３４０ｚを設けずに、慣性センサーとして物理量センサー１だけを設ける構成としてもよい。この場合には、例えば物理量センサー１と、制御部を実現する制御ＩＣ２３６０を、収容容器であるパッケージに収容することで慣性計測装置２０００を実現すればよい。

以上に説明したように、本実施形態の物理量センサーは、基板に設けられた第１固定電極部及び第２固定電極部と、第１固定電極部の固定電極に可動電極が対向するように設けられる第１可動電極部と、第２固定電極部の固定電極に可動電極が対向するように設けられる第２可動電極部を含む。また物理量センサーは、基板に固定された第１固定部及び第２固定部と、第１固定部に一端が接続された第１支持梁と、第１支持梁の他端と第１可動電極部とを連結する第１連結部と、第２固定部に一端が接続された第２支持梁と、第２支持梁の他端と第２可動電極部とを連結する第２連結部とを含む。そして互いに直交する３つの方向を第１方向、第２方向、第３方向としたときに、基板に直交する第３方向での平面視において、第１可動電極部、第２固定部、第１固定部、第２可動電極部が、第１可動電極部、第２固定部、第１固定部、第２可動電極部の順で第１方向に沿って並んで配置される。

このような構成の物理量センサーによれば、第１固定部と第１可動電極部との間のスペースを利用して、第２固定部を配置できるようになり、第２固定部と第２可動電極部との間のスペースを利用して、第１固定部を配置できるようになる。従って、第１可動電極部、第２固定部、第１固定部、第２可動電極部を、第１方向に沿ってコンパクトに並べて配置することが可能になり、物理量センサーの小型化を実現できる。また第１固定部と第２固定部とを近づけて配置することが可能になり、物理量センサーの基板等の反りの影響による精度の悪化を最小限にすることができ、物理量センサーの小型化と高精度化を両立して実現することが可能になる。

また本実施形態では、第１可動電極部の可動電極と第１固定電極部の固定電極は、第２方向において対向しており、第２可動電極部の可動電極と第２固定電極部の固定電極は、第２方向において対向していてもよい。

このようにすれば、例えば第１可動電極部と第１固定電極部の対向面積の変化による静電容量の変化や、第２可動電極部と第２固定電極部の対向面積の変化による静電容量の変化を検出して、物理量を測定できるようになる。

また本実施形態では、第１可動電極部は、第１基部可動電極と、第１基部可動電極から第１方向に延びる第１可動電極と、第１基部可動電極から第１方向の反対方向に延びる第２可動電極とを含み、第１固定電極部は、第１可動電極に対向する第１固定電極と、第２可動電極に対向する第２固定電極とを含んでもよい。

このようにすれば、他軸方向での物理量が変化した場合に、例えば第１可動電極と第１固定電極の対向面積と、第２可動電極と第２固定電極の対向面積のうちの一方の対向面積が減少し、他方の対向面積が増加するようになり、他軸感度の悪化等を抑制できるようになる。

また本実施形態では、第２可動電極部は、第２基部可動電極と、第２基部可動電極から第１方向に延びる第３可動電極と、第２基部可動電極から第１方向の反対方向に延びる第４可動電極とを含み、第２固定電極部は、第３可動電極に対向する第３固定電極と、第４可動電極に対向する第４固定電極とを含んでもよい。

このようにすれば、他軸方向での物理量が変化した場合に、例えば第３可動電極と第３固定電極の対向面積と、第４可動電極と第４固定電極の対向面積のうちの一方の対向面積が減少し、他方の対向面積が増加するようになり、他軸感度の悪化等を抑制できるようになる。

また本実施形態では、第１固定電極部は、第１基部固定電極と、第１基部固定電極から第１方向に延びる第１固定電極と、第１基部固定電極から第１方向の反対方向に延びる第２固定電極とを含み、第１可動電極部は、第１固定電極に対向する第１可動電極と、第２固定電極に対向する第２可動電極とを含んでもよい。

また本実施形態では、第２固定電極部は、第２基部固定電極と、第２基部固定電極から第１方向に延びる第３固定電極と、第２基部固定電極から第１方向の反対方向に延びる第４固定電極とを含み、第２可動電極部は、第３固定電極に対向する第３可動電極と、第４固定電極に対向する第４可動電極とを含んでもよい。

また本実施形態では、第１可動電極部及び第２可動電極部が第３方向に変位したときに、第１可動電極部と第１固定電極部との間の静電容量が減少し、第１可動電極部及び第２可動電極部が第３方向の反対方向の第４方向に変位したときに、第２可動電極部と第２固定電極部との間の静電容量が減少してもよい。

このようにすれば、第１可動電極部と第１固定電極部との間の静電容量の減少等を検出することで、第１可動電極部及び第２可動電極部が第３方向に変位したことを検出できるようになる。また第２可動電極部と第２固定電極部との間の静電容量の減少等を検出することで、第１可動電極部及び第２可動電極部が第４方向に変位したことを検出できるようになる。

また本実施形態では、第１可動電極部及び第２可動電極部が第３方向に変位したときに、第１可動電極部及び第１固定電極部の配置領域のうち、第１領域に配置される第１可動電極部と第１固定電極部の間の静電容量が減少し、第２可動電極部及び第２固定電極部の配置領域のうち、第４領域に配置される第２可動電極部と第２固定電極部の間の静電容量が減少してもよい。また第１可動電極部及び第２可動電極部が第３方向の反対方向の第４方向に変位したときに、第１可動電極部及び第１固定電極部の配置領域のうち、第２領域に配置される第１可動電極部と第１固定電極部の間の静電容量が減少し、第２可動電極部及び第２固定電極部の配置領域のうち、第３領域に配置される第２可動電極部と第２固定電極部の間の静電容量が減少してもよい。

このようにすれば、第１領域での第１可動電極部と第１固定電極部の間の静電容量の減少や、第４領域での第２可動電極部と第２固定電極部の間の静電容量の減少等を検出することで、第１可動電極部及び第２可動電極部が第３方向に変位したことを検出できるようになる。また第２領域での第１可動電極部と第１固定電極部の間の静電容量の減少や、第３領域での第２可動電極部と第２固定電極部の間の静電容量の減少等を検出することで、第１可動電極部及び第２可動電極部が第４方向に変位したことを検出できるようになる。

また本実施形態では、第１領域及び第２領域は、第１可動電極部及び第１固定電極部の配置領域において第１方向に沿って並ぶ領域であり、第３領域及び第４領域は、第２可動電極部及び第２固定電極部の配置領域において第１方向に沿って並ぶ領域であってもよい。

このようにすれば、例えば他軸方向に第１可動電極部、第２可動電極部が動いた場合に、第１領域での静電容量が減少する一方で、第２領域での静電容量が増加するため、静電容量の変化が相殺されて、他軸感度の悪化等を抑制できるようになる。また第３領域での静電容量が減少する一方で、第４領域での静電容量が増加するため、静電容量の変化が相殺されて、他軸感度の悪化等を抑制できるようになる。

また本実施形態では、第１領域及び第２領域は、第１可動電極部及び第１固定電極部の配置領域において第２方向に沿って並ぶ領域であり、第３領域及び第４領域は、第２可動電極部及び第２固定電極部の配置領域において第２方向に沿って並ぶ領域であってもよい。

このような配置によっても、例えば各素子部内の検出部内において、静電容量の変化を相殺して他軸感度の悪化等を抑制することが可能になる。

また本実施形態では、第１可動電極部は、第１基部可動電極と、第１基部可動電極から第１方向に延びる第１可動電極と、第１基部可動電極から第１方向の反対方向に延びる第２可動電極とを含み、第１固定電極部は、第１可動電極に対向する第１固定電極と、第２可動電極に対向する第２固定電極とを含んでもよい。また第２可動電極部は、第２基部可動電極と、第２基部可動電極から第１方向に延びる第３可動電極と、第２基部可動電極から第１方向の反対方向に延びる第４可動電極とを含み、第２固定電極部は、第３可動電極に対向する第３固定電極と、第４可動電極に対向する第４固定電極とを含んでもよい。

このようにすれば、他軸方向での物理量が変化した場合に、例えば第１可動電極と第１固定電極の対向面積と、第２可動電極と第２固定電極の対向面積のうちの一方の対向面積が減少し、他方の対向面積が増加するようになる。また第３可動電極と第３固定電極の対向面積と、第４可動電極と第４固定電極の対向面積のうちの一方の対向面積が減少し、他方の対向面積が増加するようになり、他軸感度の悪化等を抑制できるようになる。

また本実施形態では、平面視において、第１可動電極部、第２固定部及び第２支持梁、第１固定部及び第１支持梁、第２可動電極部が、第１可動電極部、第２固定部及び第２支持梁、第１固定部及び第１支持梁、第２可動電極部の順で第１方向に沿って並んで配置されてもよい。

このようにすれば、第１固定部及び第１支持梁と第１可動電極部との間のスペースを利用して、第２固定部及び第２支持梁を配置でき、第２固定部及び第２支持梁と第２可動電極部との間のスペースを利用して、第１固定部及び第１支持梁を配置できるようになり、物理量センサーの小型化等を実現できるようになる。

また本実施形態は、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、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、４、５、６…固定部、１０…第１固定電極部、１１…第１固定電極、１２…第２固定電極、１３…第１基部固定電極、１４…固定電極、２０…第１可動電極部、２１…第１可動電極、２２…第２可動電極、２３…第１基部可動電極、２４…可動電極、３０…第１連結部、３１…第１部分、３２…第２部分、３３…第３部分、４０…第１固定部、４２…第１支持梁、５０…第２固定電極部、５１…第３固定電極、５２…第４固定電極、５３…第２基部固定電極、５４…固定電極、６０…第２可動電極部、６１…第３可動電極、６２…第４可動電極、６３…第２基部可動電極、６４…可動電極、７０…第２連結部、７１…第４部分、７２…第５部分、７３…第６部分、８０…第２固定部、８２…第２支持梁、９１…第１素子部、９２…第２素子部、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、２３４０ｙ、２３４０ｚ…角速度センサー、２３５０…加速度センサーユニット、２３６０…制御ＩＣ、
ＤＲ１…第１方向、ＤＲ２…第２方向、ＤＲ３…第３方向、ＤＲ４…第４方向、Ｒ１…第１領域、Ｒ２…第２領域、Ｒ３…第３領域、Ｒ４…第４領域、Ｚ１、Ｚ２…検出部、ａｘ…加速度、ａｙ、ａｚ…加速度、ωｘ…角速度

Claims

基板に設けられた第１固定電極部及び第２固定電極部と、
前記第１固定電極部の固定電極に可動電極が対向するように設けられる第１可動電極部と、
前記第２固定電極部の固定電極に可動電極が対向するように設けられる第２可動電極部と、
前記基板に固定された第１固定部及び第２固定部と、
前記第１固定部に一端が接続された第１支持梁と、
前記第１支持梁の他端と前記第１可動電極部とを連結する第１連結部と、
前記第２固定部に一端が接続された第２支持梁と、
前記第２支持梁の他端と前記第２可動電極部とを連結する第２連結部と、
を含み、
互いに直交する３つの方向を第１方向、第２方向、第３方向としたときに、前記基板に直交する前記第３方向での平面視において、前記第１可動電極部、前記第２固定部、前記第１固定部、前記第２可動電極部が、前記第１可動電極部、前記第２固定部、前記第１固定部、前記第２可動電極部の順で前記第１方向に沿って並んで配置されることを特徴とする物理量センサー。
請求項１に記載の物理量センサーにおいて、
前記第１可動電極部の前記可動電極と前記第１固定電極部の前記固定電極は、前記第２方向において対向しており、
前記第２可動電極部の前記可動電極と前記第２固定電極部の前記固定電極は、前記第２方向において対向していることを特徴とする物理量センサー。
請求項１又は２に記載の物理量センサーにおいて、
前記第１可動電極部は、第１基部可動電極と、前記第１基部可動電極から前記第１方向に延びる第１可動電極と、前記第１基部可動電極から前記第１方向の反対方向に延びる第２可動電極とを含み、
前記第１固定電極部は、前記第１可動電極に対向する第１固定電極と、前記第２可動電極に対向する第２固定電極とを含むことを特徴とする物理量センサー。
請求項３に記載の物理量センサーにおいて、
前記第２可動電極部は、第２基部可動電極と、前記第２基部可動電極から前記第１方向に延びる第３可動電極と、前記第２基部可動電極から前記第１方向の反対方向に延びる第４可動電極とを含み、
前記第２固定電極部は、前記第３可動電極に対向する第３固定電極と、前記第４可動電極に対向する第４固定電極とを含むことを特徴とする物理量センサー。
請求項１又は２に記載の物理量センサーにおいて、
前記第１固定電極部は、第１基部固定電極と、前記第１基部固定電極から前記第１方向に延びる第１固定電極と、前記第１基部固定電極から前記第１方向の反対方向に延びる第２固定電極とを含み、
前記第１可動電極部は、前記第１固定電極に対向する第１可動電極と、前記第２固定電極に対向する第２可動電極とを含むことを特徴とする物理量センサー。
請求項５に記載の物理量センサーにおいて、
前記第２固定電極部は、第２基部固定電極と、前記第２基部固定電極から前記第１方向に延びる第３固定電極と、前記第２基部固定電極から前記第１方向の反対方向に延びる第４固定電極とを含み、
前記第２可動電極部は、前記第３固定電極に対向する第３可動電極と、前記第４固定電極に対向する第４可動電極とを含むことを特徴とする物理量センサー。
請求項１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、
前記第１可動電極部及び前記第２可動電極部が前記第３方向に変位したときに、前記第１可動電極部と前記第１固定電極部との間の静電容量が減少し、
前記第１可動電極部及び前記第２可動電極部が前記第３方向の反対方向の第４方向に変位したときに、前記第２可動電極部と前記第２固定電極部との間の静電容量が減少することを特徴とする物理量センサー。
請求項１又は２に記載の物理量センサーにおいて、
前記第１可動電極部及び前記第２可動電極部が前記第３方向に変位したときに、前記第１可動電極部及び前記第１固定電極部の配置領域のうち、第１領域に配置される前記第１可動電極部と前記第１固定電極部の間の静電容量が減少し、前記第２可動電極部及び前記第２固定電極部の配置領域のうち、第４領域に配置される前記第２可動電極部と前記第２固定電極部の間の静電容量が減少し、
前記第１可動電極部及び前記第２可動電極部が前記第３方向の反対方向の第４方向に変位したときに、前記第１可動電極部及び前記第１固定電極部の前記配置領域のうち、第２領域に配置される前記第１可動電極部と前記第１固定電極部の間の静電容量が減少し、前記第２可動電極部及び前記第２固定電極部の前記配置領域のうち、第３領域に配置される前記第２可動電極部と前記第２固定電極部の間の静電容量が減少することを特徴とする物理量センサー。
請求項８に記載の物理量センサーにおいて、
前記第１領域及び前記第２領域は、前記第１可動電極部及び前記第１固定電極部の前記配置領域において前記第１方向に沿って並ぶ領域であり、
前記第３領域及び前記第４領域は、前記第２可動電極部及び前記第２固定電極部の前記配置領域において前記第１方向に沿って並ぶ領域であることを特徴とする物理量センサー。
請求項８に記載の物理量センサーにおいて、
前記第１領域及び前記第２領域は、前記第１可動電極部及び前記第１固定電極部の前記配置領域において前記第２方向に沿って並ぶ領域であり、
前記第３領域及び前記第４領域は、前記第２可動電極部及び前記第２固定電極部の前記配置領域において前記第２方向に沿って並ぶ領域であることを特徴とする物理量センサー。
請求項８乃至１０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可動電極部は、第１基部可動電極と、前記第１基部可動電極から前記第１方向に延びる第１可動電極と、前記第１基部可動電極から前記第１方向の反対方向に延びる第２可動電極とを含み、
前記第１固定電極部は、前記第１可動電極に対向する第１固定電極と、前記第２可動電極に対向する第２固定電極とを含み、
前記第２可動電極部は、第２基部可動電極と、前記第２基部可動電極から前記第１方向に延びる第３可動電極と、前記第２基部可動電極から前記第１方向の反対方向に延びる第４可動電極とを含み、
前記第２固定電極部は、前記第３可動電極に対向する第３固定電極と、前記第４可動電極に対向する第４固定電極とを含むことを特徴とする物理量センサー。
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、
前記平面視において、前記第１可動電極部、前記第２固定部及び前記第２支持梁、前記第１固定部及び前記第１支持梁、前記第２可動電極部が、前記第１可動電極部、前記第２固定部及び前記第２支持梁、前記第１固定部及び前記第１支持梁、前記第２可動電極部の順で前記第１方向に沿って並んで配置されることを特徴とする物理量センサー。
請求項１乃至１２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。