JP2023146375A - 物理量センサー及び慣性計測装置 - Google Patents

Abstract

【課題】クーロン力に起因した動作の不具合を低減した物理量センサー等を提供する。【解決手段】物理量センサー１は、基板２と、第１固定部４０と、第２固定部８０と、第１支持梁４２、第２支持梁８２と、第１可動体ＭＢ１と、第２可動体ＭＢ２と、シールド部Ｓと、を含む。基板２には第１固定電極１０Ａ及び第２固定電極１０Ｂが設けられている。第１可動体ＭＢ１は、第２方向ＤＲ２に沿った第１回転軸を中心として基板２に対して揺動可能に設けられている。第２可動体ＭＢ２は、第２方向ＤＲ２に沿った第２回転軸を中心として基板２に対して揺動可能に設けられている。シールド部Ｓは、第１可動体ＭＢ１と、第２可動体ＭＢ２と、の間に第１方向ＤＲ１に沿って設けられている。【選択図】 図２

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。

特許文献１には、基板と、基板の平坦面形成されたサスペンションアンカーと、第１可動素子と、第２可動素子と、を備える加速度センサーが開示されている。当該加速度センサーの第１可動素子と第２可動素子は同一の形状を有しており、基板において回転対称に配向される。

特開２０１２－１５４９１９号公報

特許文献１に開示される加速度センサーにおいては、２つの下部電極はそれぞれ別の電極となっている。そのため、２つの可動素子が可動した際の容量変動を一致させるためには、２つの可動素子の電位を異なったものにする必要がある。このように、２つの可動素子に異なる電位を印加して加速度の検出を行う場合、各可動素子の間に静電引力が発生し、当該静電引力は加速度センサーの検出感度を悪化させるおそれがある。

本開示の一態様は、互いに直交する方向を第１方向、第２方向及び第３方向としたとき、前記第３方向での物理量を検出する物理量センサーであって、基板に固定された固定部と、前記固定部に一端が接続された支持梁と、前記基板に設けられる固定電極部と、前記固定電極部の固定電極と対向する可動電極を有する可動電極部と、前記可動電極部と前記支持梁の他端とを連結するフレーム部と、を有する可動体と、前記フレーム部に接続され、前記支持梁と前記フレーム部に囲まれた領域に設けられ、前記第１方向における前記フレーム部の振動をダンピングするダンパー部と、を含む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第１構成例の平面図。 本実施形態の物理量センサーの第１構成例の斜視図。 本実施形態の物理量センサーの第１構成例の側面図。 本実施形態の物理量センサーの第１構成例の側面図。 本実施形態の物理量センサーの動作説明図。 第１可動体に入力される駆動信号の信号波形図。 第２可動体に入力される駆動信号の信号波形図。 物理量の検出回路図。 シールド部を設けない場合における第１可動体と第２可動体の間に発生する電界を説明する図。 第１可動体と第２可動体の間の経路を示す図。 シールド部を設けない場合における第１可動体と第２可動体の間の電位分布を示す図。 シールド部を設けた場合における第１可動体と第２可動体の間の電位分布を示す図。 シールド部を設けた場合における第１可動体と第２可動体の間に発生する電界を説明する図。 本実施形態の物理量センサーの第２構成例の平面図。 第１構成例におけるフリンジ電界の様子を説明する図。 第２構成例におけるフリンジ電界の様子を説明する図。 本実施形態の物理量センサーの第３構成例の平面図。 第３構成例におけるフリンジ電界の様子を説明する図。 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の第１構成例についての基板２に直交する方向での平面視における図である。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２～図５、図９、図１０、図１３～図１８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適宜、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。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。また、図５等に示す第４方向ＤＲ４は第３方向ＤＲ３の反対方向であり、例えばＺ軸のマイナス側の方向である。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」とは、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１０Ａと第２固定電極１０Ｂと第１可動体ＭＢ１と第２可動体ＭＢ２と固定部４０、８０と支持梁４２、８２とシールド部Ｓとを含む。そして、第１可動体ＭＢ１は、第１質量部ＭＰ１と第２質量部ＭＰ２とを含み、第２可動体ＭＢ２は、第３質量部ＭＰ３と第４質量部ＭＰ４とを含む。これらの第１固定電極１０Ａ、第２固定電極１０Ｂ、第１可動体ＭＢ１、第２可動体ＭＢ２、固定部４０、８０、支持梁４２、８２、シールド部Ｓにより物理量センサー１の検出素子１００が構成される。検出素子１００は、検出部ＺＡと検出部ＺＢにおいて、Ｚ軸方向である第３方向ＤＲ３での物理量を検出する。

第１固定電極１０Ａは、検出部ＺＡのプローブ電極であり、検出電極である。第１固定電極１０Ａは、平面視において、例えば第２方向ＤＲ２に沿う方向を長辺とする矩形形状になっている。図２は、図１に示す第１構成例の斜視図である。なお図２は第１構成例の概略的な斜視図であり、実際の構造とは異なっている部分がある。例えば実際には検出素子１００の四方を囲むように壁部が形成され、この四方の壁部により囲まれる凹部に、検出素子１００が配置されている。そしてシールド部Ｓは、例えばこの壁部と一体に形成されている。図２に示すように、第１固定電極１０Ａは、第１可動体ＭＢ１、第２可動体ＭＢ２及びシールド部Ｓの－Ｚ方向側に設けられている。このため、図１において第１固定電極１０Ａの可視部は実線で示され、第１可動体ＭＢ１、第２可動体ＭＢ２及びシールド部Ｓにより隠れている部分は破線で示されている。また、図２に示すように、第１固定電極１０Ａは、第１可動体ＭＢ１の設けられる領域では、第１可動体ＭＢ１の第２質量部ＭＰ２と第３方向ＤＲ３で対向するように配置されている。また、第２可動体ＭＢ２の設けられる領域では、第２可動体ＭＢ２の第４質量部ＭＰ４と第３方向ＤＲ３で対向するように配置されている。

第２固定電極１０Ｂは、検出部ＺＢのプローブ電極であり、検出電極である。第２固定電極１０Ｂも第１固定電極１０Ａと同様に、平面視において第２方向ＤＲ２に沿う方向を長辺とする矩形形状になっており、第１可動体ＭＢ１、第２可動体ＭＢ２及びシールド部Ｓの－Ｚ方向側に設けられている。そして、平面視において、第１可動体ＭＢ１、第２可動体及びシールド部Ｓに跨って設けられている。また、第２固定電極１０Ｂは、第１可動体ＭＢ１の設けられる領域では、第１可動体ＭＢ１の第１質量部ＭＰ１と第３方向ＤＲ３で対向するように配置され、第２可動体ＭＢ２の設けられる領域では、第２可動体ＭＢ２の第３質量部ＭＰ３と第３方向ＤＲ３で対向するように配置されている。

固定部４０は、支持梁４２の一端を基板２に連結することにより固定し、固定部８０は、支持梁８２の一端を基板２に連結することにより固定する。固定部４０、８０は、基板２に設けられている。図２に示すように、固定部４０、８０は、例えば基板２から第３方向ＤＲ３に延出する柱状の形状になっている。そして、固定部４０、８０は、平面視において第２方向ＤＲ２に沿って並んで配置されている。図２に示すように、固定部４０は延出した柱の先端付近で支持梁４２の一端と連結され、固定部８０も延出した柱の先端付近で支持梁８２の一端と連結されている。

支持梁４２、８２は、例えば捩れバネである。支持梁４２、８２は、図１に示すように、平面視において例えば第２方向ＤＲ２に沿った細線形状をなしており、第２方向ＤＲ２の軸において捩れることができる。支持梁４２の一端は、前述したように、固定部４０と連結されている。そして、支持梁４２の端部のうち、固定部４０と連結されていない他端は、第１可動体ＭＢ１と連結されている。具体的には、図２に示すように、第１可動体ＭＢ１の一部に開口部が設けられており、当該開口部の中で固定部４０と第１可動体ＭＢ１が支持梁４２を介して連結されている。支持梁８２についても支持梁４２と同様に、支持梁８２の端部のうち、固定部８０と連結されていない他端が、第２可動体ＭＢ２に設けられる開口部の中で第２可動体ＭＢ２と連結されている。このように支持梁４２、８２は、それぞれ第１可動体ＭＢ１、第２可動体ＭＢ２を固定部４０、８０に連結する。ここで、支持梁４２が捩れる軸を第１回転軸といい、支持梁８２が捩れる軸を第２回転軸という。図１、図２や後述する図１４等では、第１回転軸と第２回転軸はともにＹ軸に沿う軸であるが、Ｙ軸以外の軸であってもよい。

第１可動体ＭＢ１は、第１回転軸を中心として揺動運動を行う。図１に示すように、第１可動体ＭＢ１の第１質量部ＭＰ１と第２質量部ＭＰ２は、それぞれ支持梁４２に沿う第１回転軸の左右に設けられている。具体的には、平面視において、例えば第１回転軸から第１方向ＤＲ１側に第１質量部ＭＰ１が配置され、第１回転軸から第１方向ＤＲ１と反対方向側に第２質量部ＭＰ２が配置されている。また、第２質量部ＭＰ２は、図１に示すように第１質量部ＭＰ１に比べて第１方向ＤＲ１に沿って長くなっている。このため、第２質量部ＭＰ２の質量は、第１質量部ＭＰ１の質量よりも重くなっている。第１質量部ＭＰ１と第２質量部ＭＰ２は、それぞれ第１回転軸を中心とする回転運動系における質量部として役割を担う。このように第１可動体ＭＢ１は、第１回転軸の回りに第１質量部ＭＰ１と第２質量部ＭＰ２を有しており、第１回転軸を中心として揺動可能になっている。揺動とは、例えば回転軸の回りの回転軌道上における振動等の変位のことをいう。

また、第１質量部ＭＰ１と第２質量部ＭＰ２は、検出部ＺＢのプローブ電極としての役割も担う。即ち、第１質量部ＭＰ１は、第１質量部ＭＰ１と第３方向ＤＲ３において対向して配置される第２固定電極１０Ｂとともに静電容量キャパシタを構成する。そして、第２質量部ＭＰ２は第３方向ＤＲ３において対向して配置される第１固定電極１０Ａとともに静電容量キャパシタを構成する。これらの静電容量キャパシタの静電容量を検出することで加速度等の物理量が検出される。

第２可動体ＭＢ２は、第１可動体ＭＢ１同様に第２回転軸を中心として揺動運動を行う。第２可動体ＭＢ２の第３質量部ＭＰ３と第４質量部ＭＰ４は、それぞれ支持梁８２に沿う第２回転軸の左右に設けられ、例えば第２回転軸から第１方向ＤＲ１側に第３質量部ＭＰ３が配置され、第１回転軸から第１方向ＤＲ１と反対方向側に第４質量部ＭＰ４が配置されている。また、第３質量部ＭＰ３は、第４質量部ＭＰ４に比べて第１方向ＤＲ１に沿って長くなっており、第３質量部ＭＰ３の質量は、第４質量部ＭＰ４の質量よりも重くなっている。第３質量部ＭＰ３と第４質量部ＭＰ４は、それぞれ第２回転軸を中心とする回転運動系における質量部として役割を担う。このように第２可動体ＭＢ２は、第２回転軸の回りに第３質量部ＭＰ３と第４質量部ＭＰ４を有しており、第２回転軸を中心として揺動可能になっている。

また、第３質量部ＭＰ３と第４質量部ＭＰ４は、検出部ＺＡのプローブ電極としての役割も担う。即ち、第３質量部ＭＰ３は第３方向ＤＲ３において対向して配置される第２固定電極１０Ｂとともに静電容量キャパシタを構成し、第４質量部ＭＰ４は第３方向ＤＲ３において対向して配置される第１固定電極１０Ａとともに静電容量キャパシタを構成する。これらの静電容量キャパシタにより静電容量を検出することで加速度等の物理量が検出される。

検出部ＺＡ、ＺＢは、図１に示すように、それぞれ検出素子１００の一部をなす検出部である。具体的には、検出部ＺＡは、第１固定電極１０Ａと対向する第２質量部ＭＰ２及び第４質量部ＭＰ４の領域である。即ち、検出部ＺＡは、第１固定電極１０Ａを共通の固定電極として、第１可動体ＭＢ１の第２質量部ＭＰ２と対向する部分と第２可動体ＭＢ２の第４質量部ＭＰ４と対向する部分を含む。前述したように、第２質量部ＭＰ２と第４質量部ＭＰ４はともに第１固定電極１０Ａに対向しており、各々、静電容量キャパシタになっている。また、検出部ＺＢは、第２固定電極１０Ｂと対向する、第１質量部ＭＰ１及び第３質量部ＭＰ３の領域である。即ち、検出部ＺＢは、第２固定電極１０Ｂを共通の固定電極として、第１可動体ＭＢ１の第１質量部ＭＰ１と対向する部分と第２可動体ＭＢ２の第３質量部ＭＰ３と対向する部分を含む。図８において後述するように、検出部ＺＡ、ＺＢにおける電荷の変化は不図示の差動増幅回路ＱＶで検出される。

シールド部Ｓは、図１に示すように、平面視において第１可動体ＭＢ１と第２可動体ＭＢ２の間に設けられ、例えば第１方向ＤＲ１に沿う方向を長辺方向とする矩形形状をしている。なお実際には前述のように検出素子１００の四方を囲む４つの壁部のうち、検出素子１００の第１方向ＤＲ１側の第１壁部に、シールド部Ｓの一端が連結され、検出素子１００の第１方向ＤＲ１の反対方向側の第１壁部に、シールド部Ｓの他端が連結される。

図３は本実施形態の物理量センサー１を＋Ｙ方向から見た概略的な側面図である。図３に示すように、シールド部Ｓは、第１可動体ＭＢ１と第２可動体ＭＢ２の間の壁部として設けられており、物理量センサー１を＋Ｙ方向から見た場合、シールド部Ｓによって、第２可動体ＭＢ２は隠れて見えなくなっている。
壁部は、第１可動体ＭＢ１と第２可動体ＭＢ２を電気的、或いは磁気的に隔離する壁であり、第１可動体ＭＢ１と第２可動体ＭＢ２の間の空間を隔てる壁として、様々な形状を取り得る。具体的には、後述の図１４、図１７に示すような形状にすることができ、また、第３方向ＤＲ３における高さ等も図３、図４に示すものに限定されない。例えば、シールド部Ｓは第１可動体ＭＢ１と第２可動体ＭＢ２とほぼ同じ高さであってもよいし、第１可動体ＭＢ１と第２可動体ＭＢ２より高くてもよい。また、図４は本実施形態の物理量センサー１を－Ｙ方向から見た側面図である。図４に示すように、－Ｙ方向から見た場合、シールド部Ｓによって、第１可動体ＭＢ１は隠れて見えなくなっている。後述の図１１等で説明するように、シールド部Ｓは、第１可動体ＭＢ１と第２可動体ＭＢ２の相互間に生じる静電力を緩和する。

また、図１に示すように第１可動体ＭＢ１と第２可動体ＭＢ２の第２方向ＤＲ２に沿う短辺の長さは、それぞれＷ１、Ｗ２である。また、シールド部Ｓの第２方向ＤＲ２に沿う短辺の長さはＷｓであり、シールド部Ｓは、第１可動体ＭＢ１及び第２可動体ＭＢ２と第２方向ＤＲ２においてそれぞれＤ１、Ｄ２の距離で対向して配置されている。

次に、本実施形態の物理量センサー１の基本的な動作について説明する。図５は、検出素子１００における検出部ＺＡ、ＺＢの動作説明図である。図５は、左から初期状態、第３方向ＤＲ３の加速度が生じている場合、第４方向ＤＲ４の加速度が生じている場合のそれぞれについて、ＸＺ平面の断面図で検出部ＺＡ、ＺＢの位置関係を示している。なお、初期状態は、第３方向ＤＲ３に対して重力も含めた加速度が生じていない状態である。

まず初期状態では、図５の左側に示すように第２方向ＤＲ２での側面視で、第１可動体ＭＢ１の第１質量部ＭＰ１、第２質量部ＭＰ２は水平な状態で釣り合っている。また、第２可動体ＭＢ２の第３質量部ＭＰ３、第４質量部ＭＰ４も同様に水平な状態で釣り合っている。そして、第２質量部ＭＰ２と第１固定電極１０Ａの間の静電容量をＣ２、第４質量部ＭＰ４と第１固定電極１０Ａの間の静電容量をＣ４とすると、各静電容量キャパシタでの対向する電極間の距離は等しいため、検出部ＺＡでは各静電容量キャパシタに等しい電荷が蓄積されている。また、検出部ＺＢにおいても、第１質量部ＭＰ１と第２固定電極１０Ｂの間の静電容量をＣ１、第３質量部ＭＰ３と第２固定電極１０Ｂの間の静電容量をＣ３とすると、各静電容量キャパシタでの電極間の距離は等しいため、各静電容量キャパシタに等しい電荷が蓄積されている。

次に、第３方向ＤＲ３の加速度の生じた状態について説明する。図５の中央に示すように、第３方向ＤＲ３の加速度が生じた場合、検出部ＺＡでは、質量の重い第２質量部ＭＰ２が第３方向ＤＲ３と反対方向側の慣性力を受けて、第４方向ＤＲ４側に変位する。一方、検出部ＺＢでは、質量の重い第３質量部ＭＰ３が、同様に第４方向ＤＲ４の慣性力を受けて、第４方向ＤＲ４側に変位する。このため、検出部ＺＡでは、第１可動体ＭＢ１側の静電容量Ｃ２は、電極間の距離が近くなるため初期状態に比べて増加し、第２可動体ＭＢ２側の静電容量Ｃ４は電極間の距離が遠くなるため初期状態に比べて減少する。従って、検出部ＺＡでは静電容量Ｃ２と静電容量Ｃ４の差分Ｃ２－Ｃ４は正の値になる。検出部ＺＢでは、第１可動体ＭＢ１側の静電容量Ｃ１は電極間の距離が遠くなるため減少し、第２可動体ＭＢ２側の静電容量Ｃ３は電極間の距離が近くなるため増加する。従って、検出部ＺＢでも静電容量Ｃ１と静電容量Ｃ３の差分Ｃ３－Ｃ１は正の値になる。よって、検出部ＺＡと検出部ＺＢの全体では、（Ｃ２＋Ｃ３）－（Ｃ１＋Ｃ４）は正の値になり、第３方向ＤＲ３の加速度は当該静電容量の差分として検出される。

そして、第４方向ＤＲ４の加速度の生じた状態について説明する。図５の右側に示すように、第４方向ＤＲ４の加速度が生じた場合、検出部ＺＡでは、質量の重い第２質量部ＭＰ２が第４方向ＤＲ４と反対方向側の慣性力を受けて第３方向ＤＲ３側に変位する。一方、検出部ＺＢでは、質量の重い第３質量部ＭＰ３が、同様に第３方向ＤＲ３の慣性力を受けて、第３方向ＤＲ３側に変位する。このため、検出部ＺＡでは、第１可動体ＭＢ１側の静電容量Ｃ２は、電極間の距離が遠くなるため減少し、第２可動体ＭＢ２側の静電容量Ｃ４は電極間の距離が近くなるため増加する。従って、検出部ＺＡでは静電容量の差分Ｃ２－Ｃ４は負の値になる。検出部ＺＢでは、第１可動体ＭＢ１側の静電容量Ｃ１は電極間の距離が近くなるため増加し、第２可動体ＭＢ２側の静電容量Ｃ３は電極間の距離が遠くなるため減少する。従って、検出部ＺＢでも静電容量の差分Ｃ３－Ｃ１は負の値になる。従って、検出部ＺＡと検出部ＺＢの全体では、（Ｃ２＋Ｃ３）－（Ｃ１＋Ｃ４）は負の値になり、第４方向ＤＲ４の加速度は当該静電容量の差分として検出される。

次に静電容量の差分の検出手法についての詳細を説明する。図１に示す物理量センサー１の第１固定電極１０Ａは第１端子ＴＩ１に接続されており、第２固定電極１０Ｂは第２端子ＴＩ２に接続されている。また、第１可動体ＭＢ１は端子ＴＶ１に接続され、第２可動体ＭＢ２は端子ＴＶ２に接続されている。さらに、シールド部Ｓは端子ＴＳに接続されている。

図８に示すように物理量センサー１は、駆動回路２０と検出回路３０を含み、検出回路３０は増幅回路３２を含む。増幅回路３２は差動増幅回路である。駆動回路２０は第１駆動信号ＤＳ１を第１可動体ＭＢ１に出力する。具体的には駆動回路２０は端子ＴＶ１を介して第１駆動信号ＤＳ１を第１可動体ＭＢ１に出力する。また駆動回路２０は第２駆動信号ＤＳ２を第２可動体ＭＢ２に出力する。具体的には駆動回路２０は端子ＴＶ２を介して第２駆動信号ＤＳ２を第２可動体ＭＢ２に出力する。第１駆動信号ＤＳ１、第２駆動信号ＤＳ２は図６、図７に示すように例えば正弦波の駆動信号である。そして図６、図７に示すように、第２駆動信号ＤＳ２は、第１駆動信号ＤＳ１に対して１８０°位相がずれた信号となっており、例えば第１駆動信号ＤＳ１の反転信号になっている。

検出回路３０は、第１固定電極１０Ａが第１端子Ｉ１に接続され、第２固定電極１０Ｂが第２端子ＴＩ２に接続される増幅回路３２を含む。具体的には第１固定電極１０Ａは第１端子ＴＩ１を介して増幅回路３２の第１端子ＴＩ１に接続され、第２固定電極１０Ｂは第２端子ＴＩ２を介して増幅回路３２の第２端子ＴＩ２に接続される。増幅回路３２は、差動増幅回路であり、例えば加算回路と言うこともできる。増幅回路３２の第１端子ＴＩ１は例えば差動増幅回路の非反転端子であり、第２端子ＴＩ２は反転端子である。

図６、図７に示すように、第１駆動信号ＤＳ１、第２駆動信号ＤＳ２は、０～Ｖｄｄの振幅範囲の正弦波信号であり、正弦波の中心電位が、振幅範囲の中間電位であるＶｄｄ／２になっている。そしてシールド部Ｓは、この中間電位であるＶｄｄ／２に設定される。例えば端子ＴＳを用いて、シールド部Ｓの電位が中間電位であるＶｄｄ／２に設定される。また差動の増幅回路３２は、コモン電位がこの中間電位であるＶｄｄ／２になる。

図８の静電容量ＣＶ１、ＣＶ２が、各々、図５で説明した検出部ＺＡ、ＺＢでの静電容量となる。そして静電容量ＣＶ１、ＣＶ２の一端に、駆動回路２０からの第１駆動信号ＤＳ１、第２駆動信号ＤＳ２が接続され、静電容量ＣＶ１、ＣＶ２の他端が、検出回路３０の第１端子ＴＩ１、第２端子ＴＩ２に接続されることで、静電容量ＣＶ１、ＣＶ２の変化を検出できるようになる。即ち、図５において、第３方向ＤＲ３に加速度が働いたときの静電容量の差分である（Ｃ２＋Ｃ３）－（Ｃ１＋Ｃ４）や、第４方向ＤＲ４に加速度が働いたときの静電容量の差分である（Ｃ２＋Ｃ３）－（Ｃ１＋Ｃ４）を検出できるようになる。このように静電容量の差分であるＣＶ１－ＣＶ２が検出され、加速度を検出できるようになる。

また本実施形態では、シールド部Ｓの電位は、第１可動体ＭＢ１の第１電位と、前記第２可動体ＭＢ２の第２電位との中間電位に設定される。例えば図６、図７に示すように、第１可動体ＭＢ１に印加される第１駆動信号ＤＳ１と、第２可動体ＭＢ２に印加される第２駆動信号ＤＳ２は、位相が１８０°異なる正弦波信号となっている。従って、第１可動体ＭＢ１に印加される第１駆動信号ＤＳ１の第１電位と、第２可動体ＭＢ２に印加される第２駆動信号ＤＳ２の第２電位との中間電位が、Ｖｄｄ／２になる関係が成り立つようになる。このようにシールド部Ｓの電位が、第１駆動信号ＤＳ１と第２駆動信号ＤＳ２の中間電位に設定されることで、クーロン力による動作不具合の回避が可能になる。←この効果の部分の記載は、お任せします。もっと適切な用語に設定してください。

また本実施形態では、シールド部Ｓの電位は、例えば基板の電位と同じ電位に設定される。例えばシールド部Ｓは、検出素子１００が形成される基板に対して設けられており、これによりシールド部Ｓの電位は基板と同じ電位になる。具体的には、前述のように、検出素子１００の四方を囲むように、基板から第３方向ＤＲ３に突出する壁部が形成されており、シールド部Ｓはこの壁部に連結されており、これによりシールド部Ｓの電位は基板と同電位に設定される。具体的には、物理量センサー１の基板は、図６、図７で説明した第１駆動信号ＤＳ１、第２駆動信号ＤＳ２の中間電位であるＶｄｄ／２に設定されており、これによりシールド部Ｓの電位も中間電位であるＶｄｄ／２に設定される。

このようにして本実施形態の物理量センサー１では、第１可動体ＭＢ１と第２可動体ＭＢ２における静電容量の差分が検出される。ここで、図６、８で説明したように第１可動体ＭＢ１と第２可動体ＭＢ２には異なる電圧が印加されるため、両可動体の間でクーロン力が発生する。このクーロン力が各可動体の捩れ運動に影響しないかが問題になる。前述したように、第１可動体ＭＢ１と第２可動体ＭＢ２は、第３方向ＤＲ３の加速度を受けて第２方向ＤＲ２を回転軸とする自由な揺動運動を行うことができる。しかし、当該クーロン力により各可動体はその捩れ運動の干渉を受けることになる。

図９は、第１可動体ＭＢ１と第２可動体ＭＢ２の間に発生するクーロン力が各可動体の捩れ運動に与える影響について説明した図である。具体的には、図９は本実施形態の物理量センサー１を－Ｘ方向側から見た側面図であり、第３方向ＤＲ３の加速度が生じた場合を例にクーロン力の影響について示している。なお、図９では各可動体にかかるクーロン力の影響に着目するため、シールド部Ｓが設けられていない場合の側面図を示している。図５において説明した通り、第３方向ＤＲ３の加速度が生じた場合、第１可動体ＭＢ１は加速度の向きと反対方向の慣性力を受ける。図９の場合、第３方向ＤＲ３に加速度が生じているため、第１可動体ＭＢ１と第２可動体ＭＢ２はそれぞれ第４方向ＤＲ４の慣性力ＦＩを受ける。ここで第１可動体ＭＢ１の第１質量部ＭＰ１の運動に着目すると、第１質量部ＭＰ１は、第４方向ＤＲ４の慣性力ＦＩに加えて、クーロン力も受けることになる。クーロン力のうち、第２方向ＤＲ２において第１質量部ＭＰ１と並んで配置される第３質量部ＭＰ３との間に働くクーロン力ＦＣについて検討すると、図９に示すようにクーロン力ＦＣはＹＺ平面視において斜め方向に発生する。このため、第１質量部ＭＰ１の捩れ運動には、当該クーロン力ＦＣの第３方向ＤＲ３の成分であるＦＣｚが影響することになる。クーロン力ＦＣｚは、図９においては第４方向ＤＲ４に作用するため、第１質量部ＭＰ１は、第４方向ＤＲ４の慣性力ＦＩに加えて、同じ方向のクーロン力ＦＣｚも受ける。従って、第１質量部ＭＰ１は第４方向ＤＲ４により強い力で引かれることになる。一方、第２可動体ＭＢ２の第３質量部ＭＰ３に着目すると、クーロン力ＦＣの第３方向ＤＲ３の成分ＦＣｚは第３方向ＤＲ３であるため、第３質量部ＭＰ３は第４方向ＤＲ４の慣性力ＦＩと反対方向のクーロン力ＦＣｚを受ける。従って、第３質量部ＭＰ３に作用する慣性力ＦＩは、一部がクーロン力ＦＣｚにより打ち消され、第２可動体ＭＢ２は慣性力ＦＩよりも弱い力を受けることになる。また、上記では最近接である第１質量部ＭＰ１と第３質量部ＭＰ３について検討したが、第２近接の関係になる第１質量部ＭＰ１と第４質量部ＭＰ４についても検討すれば、第１質量部ＭＰ１は、より顕著にクーロン力ＦＣｚの影響を受けることになる。このような可動体の捩れ位置に応じて発生するクーロン力ＦＣｚは、各質量部の質量との関係で運動方程式から導かれる加速度を生じさせる。従って、物理量センサー１の外部から加わった第３方向ＤＲ３の力に伴う加速度とは別に、物理量センサー１の内部の状態によっても加速度を生じさせることになる。

図１０～図１３は、上述したクーロン力ＦＣの影響に対するシールド部Ｓの役割を説明した図である。図１０は、本実施形態の物理量センサー１の斜視図である。図９で説明したようにクーロン力ＦＣは第１可動体ＭＢ１と第２可動体ＭＢ２の間の電位差により発生する。そこで、図１０に示すａ、ｂ、ｃ、ｄ、ｅ、ｆを通る経路に沿う電位について検討する。

初めにシールド部Ｓが設けられていない場合について検討する。図１１は、シールド部Ｓが設けられていない場合についての当該経路に沿う電圧分布を示す。なお、シールド部Ｓが設けられていないため、ａ～ｆのうち、ｃ、ｄは無い。図１１の横軸はａ～ｆにより示された経路を示し、縦軸は当該経路の各位置における電位である。図５において説明したように、静止状態では、第１可動体ＭＢ１と第２可動体ＭＢ２はともに水平になり、例えば、第１可動体ＭＢ１の第１質量部ＭＰ１と第２可動体ＭＢ２の第３質量部ＭＰ３について可動体間の距離は最も近くなる。一方、第３方向ＤＲ３或いは第４方向ＤＲ４の加速度が生じている場合、第１可動体ＭＢ１と第２可動体ＭＢ２はそれぞれ逆の向きに傾く。この場合、例えば第１質量部ＭＰ１と第３質量部ＭＰ３の距離は遠くなる。図１１は、各可動体が水平状態にある場合における当該経路に沿う電位を実線で示し、第３方向ＤＲ３或いは第４方向ＤＲ４の加速度により、各可動体が互いに逆向きに傾いた場合の当該経路に沿う電位を破線で示している。図６、図７で説明したように、第１可動体ＭＢ１と第２可動体ＭＢ２には異なる電位である第１電位Ｖ１、第２電位Ｖ２が印加されている。図１１及び後述の図１２においては、第１可動体ＭＢ１の第１電位Ｖ１はＶｄｄ、第２可動体ＭＢ２の第２電位Ｖ２は０であるものとする。また、各可動体が水平状態にある場合の各座標をａ０、ｂ０、ｅ０、ｆ０とし、各可動体が逆向きに傾いている場合の各座標をａ１、ｂ１、ｅ１、ｆ１とする。まず、各可動体が水平状態にある場合、第１質量部ＭＰ１と第２質量部ＭＰ３の距離は最も近くなるため、ｂ０とｅ０の距離は最も近くなる。即ち、第１質量部ＭＰ１と第３質量部ＭＰ３の対向する部分が最も接近する。なお、当該最も近づいたときの距離は、図１に示す距離Ｄ１、Ｄ２、幅Ｗｓを用いて、Ｄ１＋Ｄ２＋Ｗｓと表される。このため、ｂ０～ｅ０間の電位勾配は、図１１の実線で示すように急峻になり、第１質量部ＭＰ１と第２質量部ＭＰ３には第１方向ＤＲ１に沿う強い電界が生じ、各可動体の受けるクーロン力ＦＣも大きくなる。一方、各可動体が互いに逆向きに傾いた場合、図１１の破線で示すようにｂ１～ｅ１間の電位勾配は緩やかになり、第１質量部ＭＰ１と第２質量部ＭＰ３の間の電界は小さくなる。このため、各可動体の受けるクーロン力ＦＣは小さくなる。しかし、各可動体が互いに逆向きに傾いた場合、図９で説明したようにクーロン力ＦＣのＺ方向に沿う成分ＦＣｚが生じることになる。このようにシールド部Ｓが設けられていない構成によると、各可動体の位置関係に応じてクーロン力ＦＣの大きさと向きが変動することになる。特にクーロン力ＦＣのＺ方向成分ＦＣｚの変動は各可動体の回転軸の回りの自由な揺動運動に干渉を与えることになる。

次にシールド部Ｓを設けた場合について検討する。図１２は、シールド部Ｓが設けられている場合のａ～ｆを通る経路に沿う電位分布を示す。図１１に示すグラフと異なり、シールド部Ｓが設けられているため、ａ、ｂ、ｅ及びｆに加えて、ｃ及びｄが表記されている。図１１と同様に、各可動体が水平状態にある場合の電位分布は実線、各可動体が互いに逆向きに傾いた場合の電位分布は破線で示されている。ここで、図６、図７で説明したように、シールド部Ｓには、第１電位Ｖ１と第２電位Ｖ２の中間電位が印加されいる。また、中間電位とは、例えば第１電位Ｖ１と第２電位Ｖ２を概略平均した電位であるが、第１電位Ｖ１と第２電位Ｖ２の間の電位に設定することができる。このため、第３方向ＤＲ３の加速度によって各可動体の位置関係が変化しても、各質量部の真横には、常時、中間電位であるシールド部Ｓが存在することになる。即ち、第１質量部ＭＰ１と第３質量部ＭＰ３の距離に関わらず、第１質量部ＭＰ１の－Ｙ方向側にシールド部Ｓがあり、第３質量部ＭＰ３の＋Ｙ方向側にもシールド部Ｓがある。従って、各可動体の位置関係に関わらず、各質量部とその真横にあるシールド部Ｓとの距離は一定に維持され、シールド部Ｓとの電位差と距離から求められる電界も一定になる。図１２に示すように、シールド部Ｓを設けた場合、実線で示される水平状態での電位分布と、破線で示される各可動体が逆向きに傾いた場合の電位分布は一致している。また、図１３に示す図は、シールド部Ｓを設けた場合に各質量部にどのようなクーロン力が発生するかを示す側面図である。図１３に示すようにクーロン力ＦＣは、常時、各可動体の真横にあるシールド部Ｓとの間で第２方向ＤＲ２に沿う方向に発生する。このように、シールド部Ｓを設けた場合、各質量部とシールド部Ｓとの間に発生するクーロン力ＦＣは、各可動体の位置関係によらず一定になり、かつ、第２方向ＤＲ２に沿う方向で発生する。そして、各質量部の間で直接クーロン力が作用することを回避できる。従って、図９で説明したような各可動体の自由な揺動運動を阻害するクーロン力ＦＣのＺ方向成分ＦＣｚは発生しなくなり、物理量センサー１は第３方向ＤＲ３に沿う加速度を高精度に検出することが可能になる。

また、シールド部Ｓを設けない場合、各可動体の位置関係に応じて電界が変動することになるが、このような電界の変動は磁場の発生をさせ、物理量の検出においてノイズ等の不具合を引き起こすおそれもある。この点、本実施形態では、各可動体とシールド部Ｓの間に発生する電界を一定に維持することができ、電界の変動による測定不具合を抑制できる。従って、本実施形態によれば、加速度等の物理量の検出精度を向上させることができる。

即ち、本実施形態の物理量センサー１は、互いに直交する方向を第１方向ＤＲ１、第２方向ＤＲ２及び第３方向ＤＲ３としたとき、第３方向ＤＲ３での物理量を検出し、基板２と、固定部４０、８０と、支持梁４２、８２と、第１可動体ＭＢ１と、第２可動体ＭＢ２と、シールド部Ｓと、を含む物理量センサー１に関係する。基板２は第３方向ＤＲ３に直交し、第１固定電極１０Ａ及び第２固定電極１０Ｂが設けられる。固定部４０、８０は基板２に固定されている。支持梁４２、８２は固定部４０、８０に一端が接続されている。第１可動体ＭＢ１は、第２方向ＤＲ２に沿った第１回転軸を中心として基板２に対して揺動可能に設けられ、第１回転軸の両側において第１固定電極１０Ａ及び第２固定電極１０Ｂに対向する。第２可動体ＭＢ２は、第２方向ＤＲ２に沿った第２回転軸を中心として基板２に対して揺動可能に設けられ、第２回転軸の両側において第１固定電極１０Ａ及び第２固定電極１０Ｂに対向する。シールド部Ｓは、第１可動体ＭＢ１と第２可動体ＭＢ２の間に第１方向ＤＲ１に沿って設けられる。

このようにすれば、物理量センサー１は第１可動体ＭＢ１と第２可動体ＭＢ２の揺動運動により物理量の検出が可能になる。また、第１可動体ＭＢ１と第２可動体ＭＢ２の間に設けられるシールド部Ｓにより、第１可動体ＭＢ１と第２可動体ＭＢ２とを隔離でき、各可動体が相互に干渉することを抑制できる。従って、第１可動体ＭＢ１と第２可動体ＭＢ２はそれぞれの回転軸の回りで自由な揺動運動を行うことができ、物理量センサー１は第３方向ＤＲ３の物理量を高精度に検出することが可能になる。

本実施形態によれば、物理量センサーは第１可動体と第２可動体の揺動運動により物理量の検出が可能になる。また、第１可動体と第２可動体の間に設けられるシールド部により、第１可動体と第２可動体とを隔離でき、各可動体が相互に干渉することを抑制できる。従って、第１可動体と第２可動体はそれぞれ自由な揺動運動を行うことができ、物理量センサーは第３方向の物理量を高精度に検出することが可能になる。

また本実施形態では、シールド部Ｓの電位は、第１可動体ＭＢ１の第１電位Ｖ１と、第２可動体ＭＢ２の第２電位Ｖ２との中間電位により設定されてもよい。このようにすれば、第１可動体ＭＢ１とシールド部Ｓの間に発生する電界の大きさと、第２可動体ＭＢ２とシールド部Ｓの間に発生する例えば電界等の大きさを同程度に調整することができる。

また本実施形態では、シールド部Ｓの電位は、基板の電位と同じ電位に設定されていてもよい。このようにすれば、基板２とシールド部Ｓの間の電界の発生を抑制できる。

また本実施形態では、シールド部Ｓは、基板２に設けられる壁部であってもよい。このようにすれば、第１可動体ＭＢ１と第２可動体ＭＢ２が隣接することを回避でき、各可動体はシールド部Ｓと常時一定の距離に維持される。このため、第１可動体ＭＢ１と第２可動体ＭＢ２の間に作用する電界を一定にでき、かつ、当該電界を第２方向ＤＲ２に沿う方向に制御できる。従って、第１可動体ＭＢ１と第２可動体ＭＢ２は第３方向ＤＲ３のクーロン力を受けず、物理量センサー１は高精度な物理量の検出が可能になる。

また本実施形態では、１回転軸と第２回転軸は、第２方向に沿っている。このようにすれば、第１可動体ＭＢ１と第２可動体ＭＢ２は、ともに第２方向ＤＲ２に沿う回転軸を中心として捩れ運動を行うことができる。このため、平面視において第１方向ＤＲ１方向を長辺とする矩形形状の第１可動体及び第２可動体を第２方向に沿って並べて配置させることが容易になる。また、これにより第１回転軸と第２回転軸を近い位置に設けることが可能になり、基板２が例えば応力等によって変形した場合に、各可動体における揺動運動への影響を同程度に調整することができ、物理量の検出精度を維持できる。

また本実施形態では、第１可動体は、第１回転軸から第１方向に設けられる第１質量部と、第１回転軸から第１方向と反対方向に設けられ第１質量部よりも重い第２質量部と、を有し、第２可動体は、第２回転軸から第１方向に設けられる第３質量部と、第２回転軸から第１方向と反対方向に設けられ第３質量部よりも軽い第４質量部と、を有していてもよい。

このようにすれば、第１回転軸から第１方向ＤＲ１と反対方向側に設けられる第２質量部ＭＰ２の質量は、第１回転軸から第１方向ＤＲ１に設けられる第１質量部ＭＰ１の質量よりも重くなる。従って、外部の加速度により、第１可動体ＭＢ１を含む回転運動系にはトルクが発生し、加速度等の物理量の検出が可能になる。また、第２回転軸から第１方向ＤＲ１と反対方向側に設けられる第４質量部ＭＰ４の質量は、第２回転軸から第１方向ＤＲ１に設けられる第３質量部ＭＰ３の質量よりも軽くなる。従って、外部の加速度により、第２可動体ＭＢ２を含む回転運動系にもトルクが発生し、加速度等の物理量の検出が可能になる。なお、第２質量部ＭＰ２が第１質量部ＭＰ１よりも重くなる態様としては、図１等に示す態様に限られない。例えば、第１質量部ＭＰ１と第２質量部ＭＰ２の第２方向ＤＲ２に沿う長さが等しくても、第２質量部ＭＰ２の第３方向ＤＲ３での厚みが大きいことにより、第２質量部ＭＰ２が第１質量部ＭＰ１よりも重くなる場合も考えられる。第３質量部ＭＰ３と第４質量部ＭＰ４についても同様である。

図１４は本実施形態の第２構成例の平面図である。図１に示す第１構成例とは、シールド部Ｓの形状が異なっている。具体的には、図１の構成例ではシールド部Ｓは平面視において第２方向ＤＲ２を長辺とする矩形形状であったが、第２構成例では、折れ曲がっており、第１方向ＤＲ１に沿う第１シールドＳ１と、第１シールドＳ１の一端から第２方向ＤＲ２に向かって延びる第２シールドＳ２と、第１シールドＳ１の他端から第２方向ＤＲ２と反対方向に向かって延びる第３シールドＳ３と、を含む。なお、シールド部Ｓは第２シールドＳ２、第３シールドＳ３のうち、いずれか一方のみを有していてもよい。

図１５は、第１構成例における電界の様子を平面視で示した概略図である。図９～図１３の説明では、各可動体の間に働くクーロン力ＦＣについて、対向して接する部分のみについて説明してきた。しかし、実際には図１５に示すように、第１可動体ＭＢ１と第２可動体ＭＢ２のそれぞれの第２方向ＤＲ２に沿う短辺からも電気力線は出ており、シールド部Ｓの外側を回り込むようにフリンジ電界Ｅｆが発生している。この場合、フリンジ電界Ｅｆの大きさや向きは、各可動体の揺動運動に伴って変化し、Ｚ方向成分のクーロン力ＦＣｚを生じさせることになる。このようなフリンジ電界Ｅｆは、シールド部Ｓの外側を長い距離で回り込むようにして発生することから、比較的緩やかな電界になる。しかし、各可動体の回転軸から最も距離の離れた部分に作用するため、回転軸からの距離と力の積により求められるトルクへの寄与は大きくなる。従って、フリンジ電界Ｅｆが各可動体の揺動運動に与える影響も大きくなる。

この点、第２構成例によれば、第１可動体ＭＢ１については、シールド部Ｓが第２シールドＳ２、第３シールドＳ３を有しており、フリンジ電界Ｅｆを遮蔽することができ、フリンジ電界Ｅｆによるクーロン力ＦＣの発生を抑制できる。図１６は、第２構成例を適用した場合における電界の様子を平面視で示した概略図である。第１可動体ＭＢ１の第１質量部ＭＰ１は第１方向ＤＲ１側にシールド部Ｓの第２シールドＳ２が対向して設けられており、電界が常時一定に維持される。また、第２可動体ＭＢ２の第４質量部ＭＰ４は第１方向ＤＲ１と反対方向側にシールド部Ｓの第３シールドＳ３が対向して設けられており、常時、電界は各可動体の位置関係によらず一定に維持される。従って、第１可動体ＭＢ１の第１質量部ＭＰ１と第２可動体ＭＢ２の第４質量部ＭＰ４は、クーロン力のＺ方向成分ＦＣｚによる干渉を受けることがなくなる。よって、第３方向ＤＲ３の物理量を高精度に検出できる。

即ち、本実施形態ではシールド部Ｓは、第１可動体ＭＢ１と第２可動体ＭＢ２の間において第１方向ＤＲ１に沿って延びる第１シールドＳ１と、第１シールドＳ１の一端から第１可動体ＭＢ１を囲むように第２方向ＤＲ２に延びる第２シールドＳ２と、を含む。このようにすれば、フリンジ電界Ｅｆの発生を抑制でき、第１可動体ＭＢ１の第１質量部ＭＰ１は、フリンジ電界ＥｆによるＺ方向成分のクーロン力ＦＣｚを受けにくくなり、第３方向ＤＲ３の物理量を高精度に検出できる。

また、本実施形態ではシールド部Ｓは、第１シールドＳ１の他端から第２可動体ＭＢ２を囲むように第２方向ＤＲ２の反対方向に延びる第３シールドＳ３を含む。このようにすれば、第１可動体ＭＢ１の第１質量部ＭＰ１に加えて第２可動体ＭＢ２の第４質量部ＭＰ４においても、フリンジ電界Ｅｆによるクーロン力ＦＣを受けないため、第３方向ＤＲ３の加速度を高精度に検出できる。

図１７は本実施形態の第３構成例の平面図である。図１４に示す第２構成例との違いは、シールド部Ｓが第４シールドＳ４と第５シールドＳ５を有する点である。シールド部Ｓは、第２シールドＳ２と第５シールドＳ５が第１可動体ＭＢ１の周りで連結し、また第３シールドＳ３と第４シールドＳ４も第２可動体ＭＢ２の周りで連結しており、第１可動体ＭＢ１と第２可動体ＭＢ２を囲うような枠形状をしていてもよい。図１８は、第３構成例における電界の様子を平面視で示した概略図である。第３構成例によれば、各可動体の第２方向ＤＲ２に沿う短辺はすべてシールド部Ｓと対向するように配置される。このため、図１８に示すように、いずれの質量部においても第２方向ＤＲ２に沿う短辺は、各質量部と対向するシールド部Ｓと等しい距離に維持され、一定のクーロン力ＦＣを受ける。そして、当該クーロン力ＦＣは第１方向ＤＲ１に沿う方向であり、Ｚ方向成分のクーロン力ＦＣｚを含まない。従って、第３構成例によれば、すべての質量部でフリンジ電界ＥｆによるＺ方向のクーロン力ＦＣｚを抑制でき、第３方向ＤＲ３の加速度を更に高精度に検出できる。

２．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１９、図２０を用いて説明する。図１９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２０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１９、図２０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、互いに直交する方向を第１方向、第２方向及び第３方向としたとき、第３方向での物理量を検出し、基板と、固定部と、支持梁と、第１可動体と、第２可動体と、シールド部と、を含む物理量センサーに関係する。基板は第３方向に直交し、第１固定電極及び第２固定電極が設けられる。固定部は基板に固定されている。支持梁は固定部に一端が接続されている。第１可動体は、第２方向に沿った第１回転軸を中心として基板に対して揺動可能に設けられ、第１回転軸の両側において第１固定電極及び第２固定電極に対向する。第２可動体は、第２方向に沿った第２回転軸を中心として基板に対して揺動可能に設けられ、第２回転軸の両側において第１固定電極及び第２固定電極に対向する。シールド部は、第１可動体と第２可動体の間に第１方向に沿って設けられる。

本実施形態によれば、物理量センサーは第１可動体と第２可動体の揺動運動により物理量の検出が可能になる。また、第１可動体と第２可動体の間に設けられるシールド部により、第１可動体と第２可動体とを隔離でき、各可動体が相互に干渉することを抑制できる。従って、第１可動体と第２可動体はそれぞれ自由な揺動運動を行うことができ、物理量センサーは第３方向の物理量を高精度に検出することが可能になる。

また本実施形態では、シールド部の電位は、第１可動体の第１電位と、第２可動体の第２電位との中間電位により設定されてもよい。

このようにすれば、第１可動体とシールド部の間に発生する電界等の大きさと、第２可動体とシールド部の間に発生する電界等の大きさを同程度に調整することができる。

また本実施形態では、シールド部の電位は、基板の電位と同じ電位に設定されていてもよい。

このようにすれば、基板とシールド部の間の電界の発生を抑制できる。

また本実施形態では、シールド部は、基板に設けられる壁部であってもよい。

このようにすれば、第１可動体と第２可動体が隣接することを回避でき、各可動体はシールド部と常時一定の距離に維持される。このため、第１可動体と第２可動体の間に作用する電界の大きさ一定にでき、かつ、第２方向に沿う方向に制御できる。従って、第１可動体と第２可動体は第３方向のクーロン力を受けず、物理量センサー１は高精度な物理量の検出が可能になる。

また本実施形態では、シールド部は、第１可動体と第２可動体の間において第１方向に沿って延びる第１シールドと、第１シールドの一端から第１可動体を囲むように第２方向に延びる第２シールドと、を含んでいてもよい。

このようにすれば、フリンジ電界に伴うクーロン力の発生を抑制でき、第１可動体の第１質量部にフリンジ電界に伴うクーロン力は作用しにくくなる。従って、物理量センサー１は第３方向の物理量を高精度に検出できる。

また本実施形態では、シールド部は、第１シールドの他端から第２可動体を囲むように第２方向の反対方向に延びる第３シールドを含んでいてもよい。

このようにすれば、第１可動体の第１質量部に加えて、第２可動体の第４質量部にもフリンジ電界によるクーロン力は作用しにくくなるため、第３方向ＤＲ３の物理量を更に高精度に検出できる。

また本実施形態では、１回転軸と第２回転軸は、第２方向に沿っていてもよい。

このようにすれば、第１可動体と第２可動体は、ともに第２方向に沿う回転軸を中心として捩れ運動を行うことができる。このため、平面視において第１方向を長辺とする矩形形状の第１可動体及び第２可動体を第２方向に沿って並べて配置させることが容易になる。

また本実施形態では、第１可動体は、第１回転軸から第１方向に設けられる第１質量部と、第１回転軸から第１方向と反対方向に設けられ第１質量部よりも重い第２質量部と、を有し、第２可動体は、第２回転軸から第１方向に設けられる第３質量部と、第２回転軸から第１方向と反対方向に設けられ第３質量部よりも軽い第４質量部と、を有していてもよい。

このようにすれば、第１回転軸から第１方向と反対方向に設けられる第２質量部の質量は、第１回転軸から第１方向に設けられる第１質量部の質量よりも重くなる。従って、外部の加速度により、第１可動体を含む回転運動系にはトルクが発生し、物理量の検出が可能になる。また、第２回転軸から第１方向と反対方向に設けられる第４質量部の質量は、第２回転軸から第１方向に設けられる第３質量部の質量よりも軽くなる。従って、外部の加速度により、第２可動体を含む回転運動系にもトルクが発生し、物理量の検出が可能になる。

また本実施形態では、第１可動体に第１駆動信号を出力し、第１駆動信号とは位相が異なる第２駆動信号を出力する駆動回路と、第１固定電極が第１端子に接続され、第２固定電極が第２端子に接続される差動の増幅回路を有する検出回路と、を含んでいてんもよい。

このようにすれば、駆動回路により第１可動体と第２可動体に異なる電位を印加できる。従って、第１固定電極と第２固定電極からの異なる電気信号を差動の増幅回路に入力することで、物理量を電気的な検出が可能になる。

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、本開示の新規事項及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及び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、１０Ａ…第１固定電極、１０Ｂ…第２固定電極、４０…固定部、４２…支持梁、８０…固定部、８２…支持梁、１００…検出素子、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、Ｃ１…静電容量、Ｃ２…静電容量、Ｃ３…静電容量、Ｃ４…静電容量、Ｄ１…距離、Ｄ２…距離、ＤＲ１…第１方向、ＤＲ２…第２方向、ＤＲ３…第３方向、ＤＲ４…第４方向、ＤＳ１…第１駆動信号、ＤＳ２…第２駆動信号、ＤＴＣ…検出回路、ＤＶＣ…駆動回路、Ｅｆ…フリンジ電界、ＦＣ…クーロン力、ＦＣｚ…クーロン力、ＦＩ…慣性力、ＩＣ２３６０…制御、ＭＢ１…第１可動体、ＭＢ２…第２可動体、ＰＩ１…パッド、ＰＩ２…パッド、ＰＳ…パッド、ＰＶ１…パッド、ＰＶ２…パッド、ＱＶ…差動増幅回路、Ｓ…シールド部、Ｓ１…第１シールド、Ｓ２…第２シールド、Ｓ３…第３シールド、Ｓ４…第４シールド、Ｓ５…第５シールド、ＴＩ１…第１端子、ＴＩ２…第２端子、ＴＳ…端子、ＴＶ１…端子、ＴＶ２…端子、Ｖ１…第１電位、Ｖ２…第２電位、ＺＡ…検出部、ＺＢ…検出部、ａｘ…加速度、ａｙ…加速度、ａｚ…加速度、ωｘ…角速度

特許文献１には、基板と、基板の平坦面に形成されたサスペンションアンカーと、第１可動素子と、第２可動素子と、を備える加速度センサーが開示されている。当該加速度センサーの第１可動素子と第２可動素子は同一の形状を有しており、基板において回転対称に配向される。

特許文献１に開示される加速度センサーにおいては、２つの下部電極はそれぞれ別の電極となっている。そのため、２つの可動素子が可動した際に生じる容量の変動を一致させるためには、２つの可動素子の電位を異ならせる必要がある。このように、２つの可動素子に異なる電位を印加して加速度の検出を行う場合、２つの可動素子の間に静電引力が発生し、当該静電引力は加速度センサーの検出感度を悪化させるおそれがある。

本開示の一態様は、互いに直交する方向を第１方向、第２方向及び第３方向としたとき、基板と、前記基板の前記第３方向と直交し、前記第１方向及び前記第２方向に沿った面に設けられ、前記第１方向に沿って並んでいる第１固定電極及び第２固定電極と、前記第２方向に沿った第１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、前記第１固定電極及び前記第２固定電極に対向している第１可動体と、前記第２方向に沿った第２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、前記第１固定電極及び前記第２固定電極に対向している第２可動体と、を含み、前記第３方向からの平面視で、前記第１回転軸は、前記第１固定電極と前記第２固定電極との間に配置され、前記第２回転軸は、前記第１固定電極と前記第２固定電極との間に配置され、前記第１可動体と、前記第２可動体と、の間に前記第１方向に沿って、シールド部が設けられている物理量センサーに関係する。

第２固定電極１０Ｂは、検出部ＺＢのプローブ電極であり、検出電極である。第２固定電極１０Ｂも第１固定電極１０Ａと同様に、平面視において第２方向ＤＲ２に沿う方向を長辺とする矩形形状になっており、第１可動体ＭＢ１、第２可動体ＭＢ２及びシールド部Ｓの－Ｚ方向側に設けられている。そして、平面視において、第１可動体ＭＢ１、第２可動体ＭＢ２及びシールド部Ｓに跨って設けられている。また、第２固定電極１０Ｂは、第１可動体ＭＢ１の設けられる領域では、第１可動体ＭＢ１の第１質量部ＭＰ１と第３方向ＤＲ３で対向するように配置され、第２可動体ＭＢ２の設けられる領域では、第２可動体ＭＢ２の第３質量部ＭＰ３と第３方向ＤＲ３で対向するように配置されている。

シールド部Ｓは、図１に示すように、平面視において第１可動体ＭＢ１と第２可動体ＭＢ２の間に設けられ、例えば第１方向ＤＲ１に沿う方向を長辺方向とする矩形形状をしている。なお実際には前述のように検出素子１００の四方を囲む４つの壁部のうち、検出素子１００の第１方向ＤＲ１側の第１壁部に、シールド部Ｓの一端が連結され、検出素子１００の第１方向ＤＲ１の反対方向側の第２壁部に、シールド部Ｓの他端が連結される。

検出回路３０は、第１固定電極１０Ａが第１端子ＴＩ１に接続され、第２固定電極１０Ｂが第２端子ＴＩ２に接続される増幅回路３２を含む。具体的には第１固定電極１０Ａは第１端子ＴＩ１を介して増幅回路３２の第１端子ＴＩ１に接続され、第２固定電極１０Ｂは第２端子ＴＩ２を介して増幅回路３２の第２端子ＴＩ２に接続される。増幅回路３２は、差動増幅回路であり、例えば加算回路と言うこともできる。増幅回路３２の第１端子ＴＩ１は例えば差動増幅回路の非反転端子であり、第２端子ＴＩ２は反転端子である。

また本実施形態では、シールド部Ｓの電位は、第１可動体ＭＢ１の第１電位と、前記第２可動体ＭＢ２の第２電位との中間電位に設定される。例えば図６、図７に示すように、第１可動体ＭＢ１に印加される第１駆動信号ＤＳ１と、第２可動体ＭＢ２に印加される第２駆動信号ＤＳ２は、位相が１８０°異なる正弦波信号となっている。従って、第１可動体ＭＢ１に印加される第１駆動信号ＤＳ１の第１電位と、第２可動体ＭＢ２に印加される第２駆動信号ＤＳ２の第２電位との中間電位が、Ｖｄｄ／２になる関係が成り立つようになる。このようにシールド部Ｓの電位が、第１駆動信号ＤＳ１と第２駆動信号ＤＳ２の中間電位に設定されることで、クーロン力による動作不具合の回避が可能になる。

また本実施形態では、第１回転軸と第２回転軸は、第２方向に沿っている。このようにすれば、第１可動体ＭＢ１と第２可動体ＭＢ２は、ともに第２方向ＤＲ２に沿う回転軸を中心として捩れ運動を行うことができる。このため、平面視において第１方向ＤＲ１を長辺とする矩形形状の第１可動体及び第２可動体を第２方向に沿って並べて配置させることが容易になる。また、これにより第１回転軸と第２回転軸を近い位置に設けることが可能になり、基板２が例えば応力等によって変形した場合に、各可動体における揺動運動への影響を同程度に調整することができ、物理量の検出精度を維持できる。

また本実施形態では、第１回転軸と第２回転軸は、第２方向に沿っていてもよい。

また本実施形態は、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。

Claims (10)

1. 互いに直交する方向を第１方向、第２方向及び第３方向としたとき、前記第３方向での物理量を検出する物理量センサーであって、
   前記第３方向に直交し、第１固定電極及び第２固定電極が設けられる基板と、
   前記基板に固定された固定部と、
   前記固定部に一端が接続された支持梁と、
   前記第２方向に沿った第１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、前記第１回転軸の両側において前記第１固定電極及び前記第２固定電極に対向する第１可動体と、
   前記第２方向に沿った第２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、前記第２回転軸の両側において前記第１固定電極及び前記第２固定電極に対向する第２可動体と、
   前記第１可動体と前記第２可動体の間に前記第１方向に沿って設けられるシールド部と、
   を含む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、
   前記シールド部の電位は、前記第１可動体の第１電位と、前記第２可動体の第２電位との中間電位に設定されることを特徴とする物理量センサー。
3. 請求項２に記載の物理量センサーにおいて、
   前記シールド部の電位は、
   前記基板の電位と同じ電位に設定されることを特徴とする物理量センサー。
4. 請求項１乃至３のいずれか一項に記載の物理量センサーにおいて、
   前記シールド部は、前記基板に設けられる壁部であることを特徴とする物理量センサー。
5. 請求項１乃至４のいずれか一項に記載の物理量センサーにおいて、
   前記シールド部は、
   前記第１可動体と前記第２可動体の間において前記第１方向に沿って延びる第１シールドと、
   前記第１シールドの一端から前記第１可動体を囲むように前記第２方向に延びる第２シールドと、
   を含むことを特徴とする物理量センサー。
6. 請求項５に記載の物理量センサーにおいて、
   前記シールド部は、
   前記第１シールドの他端から前記第２可動体を囲むように前記第２方向の反対方向に延びる第３シールドを含むことを特徴とする物理量センサー。
7. 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回転軸と前記第２回転軸は、前記第２方向に沿っ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可動体は、
   前記第１回転軸から前記第１方向に設けられる第１質量部と、
   前記第１回転軸から前記第１方向と反対方向に設けられ前記第１質量部よりも重い第２質量部と、
   を有し、
   前記第２可動体は、
   前記第２回転軸から前記第１方向に設けられる第３質量部と、
   前記第２回転軸から前記第１方向と反対方向に設けられ前記第３質量部よりも軽い第４質量部と、
   を有することを特徴とする物理量センサー。
9. 請求項１乃至８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可動体に第１駆動信号を出力し、前記第１駆動信号とは位相が異なる第２駆動信号を出力する駆動回路と、
   前記第１固定電極が第１端子に接続され、前記第２固定電極が第２端子に接続される差動の増幅回路を有する検出回路と、
   を含むことを特徴とする物理量センサー。
10. 請求項１乃至９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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