JP2023182910A - 加速度センサ - Google Patents

Abstract

【課題】従来よりも感度を向上させることができる加速度センサを提供する。【解決手段】加速度センサ１００，２００，３００、４００は、加速度が生じることで移動方向Ｚに移動する移動部１３３，４３３と、移動部と移動方向に間隙を存して対向配置された対向部１１３，２１３，３１３，１２２，２２２，３２２と、を備え、移動部は、対向部に対向する側に開口する穴部Ｄ１，Ｄ２，Ｄ３を有する。【選択図】図３

Description

本開示は、加速度センサに関する。

従来、可動電極部と固定電極板との間の電気容量変化を検出することで、可動電極部の固定電極板側への位置変位を加速度として検出する半導体容量型の加速度センサが開示されている（特許文献１参照）。

特開平３－９４１６８号公報

一般に、特許文献１に記載されたような半導体容量型（静電容量型）の加速度センサは、固定された電極と当該電極に対して移動する移動部（可動電極）との間に存在する流体が、電極に対して移動部が移動する際の抵抗になるため、加速度を検出する際の感度の向上が難しい。

本開示は、上記課題を解決するものであって、従来よりも感度を向上させることができる加速度センサを提供することを目的とする。

本開示に係る加速度センサは、加速度が生じることで移動方向に移動する移動部と、移動部と移動方向に間隙を存して対向配置された対向部と、を備え、移動部は、対向部に対向する側に開口する穴部を有する。
ことを特徴とする。

本開示によれば、加速度が生じることで移動する移動部が、対向部に対向する側に開口する穴部を有するので、対向部と移動部との間に流体が存在する場合であっても当該流体が移動しやすくなり、当該流体の影響を抑制して感度を向上させることができる。

実施の形態１に係る加速度センサの概略構成を示す平面図。 実施の形態１に係る加速度センサの概略構成を示す斜視図。 実施の形態１に係る加速度センサを示す分解図。 実施の形態１に係る加速度センサを示す断面図。 図５Ａは、実施の形態１においてＺ方向の加速度が生じている状態の可動電極基板を示す動作図、図５Ｂは、実施の形態１においてＸ方向の加速度が生じている状態の可動電極基板を示す動作図、図５Ｃは、実施の形態１においてＹ方向の加速度が生じている状態の可動電極基板を示す動作図。 実施の形態１に係る加速度センサと接続される処理回路を示すブロック図。 実施の形態２に係る加速度センサの概略構成を示す斜視図。 実施の形態２に係る加速度センサの構成を示す分解図。 実施の形態３に係る加速度センサの概略構成を示す斜視図。 実施の形態３に係る加速度センサの構成を示す分解図。 実施の形態４に係る加速度センサの構成を示す分解図。 実施の形態５に係る可動電極基板を示す平面図。 実施の形態６に係る加速度センサと接続される処理回路を示すブロック図。 実施の形態７に係る加速度センサと接続される処理回路を示すブロック図。

以下、本開示に係る実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。
実施の形態１．
まず、図１及び図２を参照して、実施の形態１に係る加速度センサ１００の概略構成について説明する。図１は、実施の形態１に係る加速度センサ１００の概略構成を示す平面図であり、図２は、実施の形態１に係る加速度センサ１００の概略構成を示す斜視図である。実施の形態１に係る加速度センサ１００は、印加された加速度に応じた電極間の静電容量の変化に基づいて、多方向の加速度を検出する静電容量型の多軸加速度センサである。

例えば、加速度センサ１００は、地震の振動を計測する感震器、並びに、自動車、ロボット、無人飛行体及び携帯用デバイスの加速度検出に用いられる。図１及び図２に示すように、加速度センサ１００は、第１固定電極基板１１０と、第２固定電極基板１２０と、印加される外力により振動する錘である可動電極１３３と前記可動電極１３３に繋がっているバネ部及び前記バネ部を通して前記可動電極１３３とメカ的及び電気的にも繋がっている固定電極１３２を含む可動電極基板１３０と、を備えている。例えば、第１固定電極基板１１０、第２固定電極基板１２０及び前記可動電極基板１３０は、それぞれ平衡平板状に形成されて、互いに略平衡平板になるように配置されている。なお、実施の形態１において、第１固定電極基板１１０は、第１基板を構成する。

第２固定電極基板１２０は、第１固定電極基板１１０の面と直交する方向（図１に示すＺ方向）に、第１固定電極基板１１０と間隙を存して配置されている。可動電極基板１３０は、第１固定電極基板１１０と第２固定電極基板１２０との間に配置されている。言い換えると、第２固定電極基板１２０は、可動電極基板１３０に対して第１固定電極基板１１０とは反対側に配置されている。このように、加速度センサ１００は、第１固定電極基板１１０、可動電極基板１３０及び第２固定電極基板１２０からなる３層構造になっている。

次に、図３及び図４を参照して、実施の形態１に係る加速度センサ１００の構成の詳細について説明する。図３は、実施の形態１に係る加速度センサ１００を示す分解図である。図３に示すように、第１固定電極基板１１０は、基板本体１１１と、複数の固定電極１１３と、複数の端子１１２と、を有している。例えば、基板本体１１１は、可動電極基板１３０と熱膨張係数が近い材質によって形成されている。具体的には、基板本体１１１は、ホウケイ酸ガラス系の基材、またはＬＴＣＣ（Ｌｏｗ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ Ｃｏ－ｆｉｒｅｄ Ｃｅｒａｍｉｃｓ：低温同時焼成セラミックス）等のセラミックス基材によって形成されている。また、例えば、基板本体１１１は、Ｚ方向から視て矩形となる平板状に形成されている。なお、実施の形態１において、Ｚ方向から視て矩形である基板本体１１１のいずれか１つの辺に沿う方向をＸ方向、Ｘ方向と直交する他の辺に沿う方向をＹ方向ともいう。また、実施の形態１において、固定電極１１３は、第１電極及び対向部を構成する。

複数の固定電極１１３は、例えば、内部応力を持たないある厚さの金属膜、或いは導電性を有する膜、若しくは高濃度不純物を拡散したシリコン材のある厚さを有する膜材でも良い。前記固定電極１１３は、静電容量の変化を検出するための電極であり、基板本体１１１の可動電極基板１３０の側の面に形成されている。なお、実施の形態１において、「基板本体１１１の可動電極基板１３０の側の面」を「基板本体１１１の下面」又は「第１固定電極基板１１０の下面」、「基板本体１１１の可動電極基板１３０とは反対側の面」を「基板本体１１１の上面」又は「第１固定電極基板１１０の上面」、「基板本体１１１の下面」及び「基板本体１１１の上面」のいずれか一方を指して「基板本体１１１の面」又は「第１固定電極基板１１０の面」ともいう。複数の固定電極１１３は、基板本体１１１の面が延在する方向（例えば、図１に示すＸ方向及びＹ方向）に互いに間隙を存して配置されている。例えば、第１固定電極基板１１０には、複数の固定電極１１３が、Ｚ方向から視て、基板本体１１１の中心に対して回転対称となるように配置されている。具体的には、第１固定電極基板１１０には、４つの固定電極１１３が、Ｚ方向から視て、基板本体１１１の中心に対して４回対称となるように形成されている。

複数の端子１１２は、基板本体１１１の面が延在する方向に互いに間隙を存して配置されており、複数の固定電極１１３と処理回路１５０（図６参照）とを電気的に接続する。例えば、複数の端子１１２は、基板本体１１１の上面に形成されており、複数の固定電極１１３と複数のスルーホール１１４によって電気的に接続されている。また、例えば、複数の端子１１２は、耐熱性及び耐環境性を有し、低抵抗率の貴金属膜によって形成されている。なお、複数の端子１１２は、処理回路１５０と直接連結される場合、ワイヤボンディングが可能な貴金属材、又はアルミ金属材の膜によって形成されていてもよい。

例えば、複数のスルーホール１１４は、電解溶液中の放電加工法、液中の超音波加工、微細砂分を用いるブラスト加工法、または、基板本体１１１の特定光吸収特性を用いたレーザ加工法等の加工法を用いた穴加工によって形成される。また、例えば、スルーホール１１４は、貴金属でスルーホール１１４を埋めるメッキ法、導電性を有する樹脂でスルーホール１１４を埋める方法、金属蒸着法、又はスパッタ法等によって導電性が付与されることで、複数の固定電極１１３と複数の端子１１２とを電気的に接続する。例えば、第１固定電極基板１１０には、複数のスルーホール１１４が、Ｚ方向から視て、基板本体１１１の中心に対して回転対称となるように配置されている。

なお、第１固定電極基板１１０は、スルーホール１１４を形成する代わりに、基板本体１１１に予め導電性の電柱を埋め込むことによって、複数の固定電極１１３と複数の端子１１２とを電気的に接続するように構成されていてもよい。また、第１固定電極基板１１０は、基板本体１１１としてＬＴＣＣ等のセラミックス基材を用いる場合、スルーホール１１４を形成する代わりに、基板本体１１１を低温で焼成を行う際に予め低抵抗導体とセラミックス基材とを一体形成して構成されていてもよい。

図３に示すように、第２固定電極基板１２０は、基板本体１２１と、複数の固定電極１２２と、複数の端子１２３と、を有している。例えば、基板本体１２１は、第１固定電極基板１１０の基板本体１１１と同様の材質によって形成されている。また、例えば、基板本体１２１は、外形が、Ｚ方向から視て、第１固定電極基板１１０の基板本体１１１の外形と重なるように形成されている。

複数の固定電極１２２は、前記固定電極１１３と同様な材質の電極で静電容量の変化を検出するための電極であり、基板本体１２１の可動電極基板１３０の側の面に形成されており、第１固定電極基板１１０の複数の固定電極１１３及び複数の端子１１２に対して電気的に絶縁されている。なお、実施の形態１において、「基板本体１２１の可動電極基板１３０の側の面」を「基板本体１２１の上面」又は「第２固定電極基板１２０の上面」、「基板本体１２１の可動電極基板１３０とは反対側の面」を「基板本体１２１の下面」又は「第２固定電極基板１２０の下面」、「基板本体１２１の上面」及び「基板本体１２１の下面」のいずれか一方を指して「基板本体１２１の面」又は「第２固定電極基板１２０の面」ともいう。複数の固定電極１２２は、基板本体１１１の面が延在する方向に互いに間隙を存して配置されている。例えば、第２固定電極基板１２０には、複数の固定電極１２２が、Ｚ方向から視て、基板本体１２１の中心に対して回転対称となるように形成されている。具体的には、第２固定電極基板１２０には、Ｚ方向から視て、外形が第１固定電極基板１１０の複数の固定電極１１３の外形と重なるように、複数の固定電極１１３が形成されている。なお、実施の形態１において、固定電極１２２は、第２電極及び対向部を構成する。

複数の端子１２３は、基板本体１２１の面が延在する方向に互いに間隙を存して配置されており、複数の固定電極１２２と処理回路１５０とを電気的に接続すると共に、第１固定電極基板１１０の複数の固定電極１１３及び複数の端子１１２に対して電気的に絶縁されている。例えば、複数の端子１２３は、複数の端子１１２と同様に、貴金属膜によって形成されている。また、例えば、複数の端子１２３は、基板本体１２１の下面に形成されており、複数の固定電極１２２と複数のスルーホール１２４によって電気的に接続されている。また、例えば、複数の端子１２３は、一部が第２固定電極基板１２０の下面に沿って配置されると共に、一部がＺ方向に延在する第２固定電極基板１２０の側面に沿って配置されている。このように、複数の端子１２３は、一部がＺ方向に沿って配置されていることにより、例えば、処理回路１５０と接続された状態において加速度センサ１００のＺ方向の位置が変化した場合であっても、安定して処理回路との接続を維持することが可能になる。

複数のスルーホール１２４の特徴は、複数のスルーホール１１４の特徴と同様であるため、説明を省略する。加速度センサ１００は、複数の固定電極１１３、複数の固定電極１２２、複数のスルーホール１１４及び複数のスルーホール１２４が、Ｚ方向から視て、基板本体１１１の中心に対して回転対称となるように配置されていることにより、加速度センサ１００に生じる内部応力を抑制している。

図３に示すように、可動電極基板１３０は、第１固定部１３１と、第２固定部１３２と、可動電極１３３と、バネ部としての複数の接続部１３４と、を有している。例えば、可動電極基板１３０は、シリコン等の基板材に高濃度不純物を拡散した基板材、或いはシリコン等の低抵抗の半導体によって形成されている。また、例えば、可動電極基板１３０は、絶縁層を持つＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ ｏｎ Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）基板を用いて形成されていても良い。また、例えば、可動電極基板１３０は、化学溶液を用いる異方性エッチング法や化学溶液中の陽極酸化法、或いは特定の不純物濃度で選択的にエッチングする方法、または、気相中の化学反応と加速イオンを用いる反応性イオンエッチング（Ｒｅａｃｔｉｖｅ ＩｏｎＥｔｃｈｉｎｇ； ＲＩＥ）や前記化学溶液を用いるエッチング法と前記気相中の反応性エッチング法を組み合わせた複合エッチング法等によって形成される。

第１固定部１３１及び第２固定部１３２は、第１固定電極基板１１０の下面と接合されて第１固定電極基板１１０に固定され、かつ第２固定電極基板１２０の上面と接合されて第２固定電極基板１２０に固定されている。言い換えると、第１固定部１３１及び第２固定部１３２は、第２固定電極基板１２０を第１固定電極基板１１０に保持させている。また、言い換えると、第２固定電極基板１２０は、第１固定部１３１及び第２固定部１３２を介して第１固定電極基板１１０に保持されている。例えば、第１固定電極基板１１０、第２固定電極基板１２０及び可動電極基板１３０は、陽極接合法または表面活性化技術を用いて接合される。なお、第１固定電極基板１１０、第２固定電極基板１２０及び可動電極基板１３０は、これらがいずれもシリコンによって形成されている場合、シリコン－シリコンの直接接合方法によって接合されていてもよい。

第１固定部１３１は、Ｚ方向から視て、可動電極基板１３０の外縁部に配置されている。例えば、第１固定部１３１は、Ｚ方向から視て、第１固定電極基板１１０及び第２固定電極基板１２０の外形に沿うように形成されて、第２固定部１３２及び可動電極１３３を囲うように配置されている。具体的には、第１固定部１３１は、Ｚ方向から視て、外形が第１固定電極基板１１０及び第２固定電極基板１２０の外形と重なる矩形状に形成されると共に、中央部にＺ方向に貫通する矩形状の貫通孔Ｄ１を有しており、当該貫通孔Ｄ１の内部に、第２固定部１３２及び可動電極１３３を収容している。このように構成されて、加速度センサ１００は、第１固定電極基板１１０、第２固定電極基板１２０及び第１固定部１３１によって形成される空間Ｓ（図４参照）と、加速度センサ１００の外部の空間と、が連通しないように区画している。これにより、加速度センサ１００は、可動電極１３３を収容する空間Ｓに埃、塵等の異物が侵入することを抑制している。なお、第１固定部１３１は、実施の形態１において、保持部を構成する。また、実施の形態１において、貫通孔Ｄ１は、第１穴部（穴部）を構成する。

加速度センサ１００は、空間Ｓが真空であることが望ましい。しかしながら、現実的には、空間Ｓが完全な真空になるように加速度センサ１００を生産することは難しく、加速度センサ１００は、外部の空間よりも負圧、かつ加速度センサ１００に要求される周波数特性に基づいた真空度となるように、空間Ｓ内の流体（例えば、乾燥空気、或いは不活性気体）の圧力が設定されている。このように空間Ｓの真空度を設定することにより、加速度センサ１００の用途に応じた特定の周波数帯の振動に対する感度を向上させることが可能になる。

第２固定部１３２、可動電極１３３及び複数の接続部１３４は、一体的に形成されている。第２固定部１３２は、Ｚ方向から視て、可動電極基板１３０の中央部に配置されている。例えば、第２固定部１３２は、Ｚ方向から視て、各辺が第１固定電極基板１１０及び第２固定電極基板１２０の外形に沿う方向に配置されている矩形状に形成されている。また、例えば、第２固定部１３２は、第１固定電極基板１１０の複数の端子１１２のうちのいずれかの端子１１２、及び第２固定電極基板１２０の複数の端子１２３のうちのいずれかの端子１２３と電気的に接続されている。なお、実施の形態１において、第２固定部１３２は、固定部を構成する。

可動電極１３３は、Ｚ方向から視て、第１固定部１３１と第２固定部１３２との間に配置されており、複数の接続部１３４によって第２固定部１３２と接続されている。言い換えると、可動電極１３３は、複数の接続部１３４によって、第２固定部１３２を介して第１固定電極基板１１０及び第２固定電極基板１２０と接続されている。また、言い換えると、可動電極１３３は、中央部に第１固定電極基板１１０及び第２固定電極基板１２０に対向するように開口する貫通孔Ｄ１を有しており、第２固定部１３２及び複数の接続部１３４は、貫通孔Ｄ１の内部に配置されている。また、言い換えると、可動電極１３３は、中央部に固定電極１１３及び固定電極１２２に対向する側に開口する貫通孔Ｄ１を有している。例えば、可動電極１３３は、Ｚ方向から視て、第１固定部１３１との距離が略一定、かつ第２固定部１３２との距離が略一定となるように形成されている。具体的には、可動電極１３３は、Ｚ方向から視て、外形の各辺が第１固定部１３１の矩形状の貫通孔の各辺の方向に沿うように配置されると共に、各辺が第２固定部１３２の外形の各辺の方向に沿うように配置された貫通孔Ｄ１を有している。

可動電極１３３は、Ｚ方向における一方側の面が固定電極１１３と近接して対向配置され、Ｚ方向における他方側の面が固定電極１２２と近接して対向配置されている。例えば、可動電極１３３は、Ｚ方向から視て、固定電極１１３及び固定電極１２２と重なるように配置されている。また、例えば、可動電極１３３は、Ｚ方向から視て、貫通孔Ｄ１が固定電極１１３及び固定電極１２２と重ならないように配置されている。

複数の接続部１３４は、それぞれ梁状に形成されており、第１固定部１３１と可動電極１３３とを複数個所で接続している。例えば、複数の接続部１３４は、Ｚ方向から視て、基板本体１１１の中心に対して回転対称となるように形成されている。具体的には、複数の接続部１３４は、Ｚ方向から視て、基板本体１１１の中心に対して４回対称となるように４本の接続部１３４によって構成されている。より具体的には、複数の接続部１３４は、Ｚ方向から視て、矩形状の第２固定部１３２の外形及び矩形状の貫通孔Ｄ１の各辺の方向に沿って鉤十字状に形成された４本の接続部１３４によって構成されている。

例えば、複数の接続部１３４のうち１つの接続部１３４ａは、一端が第２固定部１３２に接続され、他端が可動電極１３３に接続されており、接続部１３４ａの一端から接続部１３４ａの他端までの経路の長さ寸法が、接続部１３４ａの一端から接続部１３４ａの他端へ向かう方向と直交する方向の幅寸法よりも大きく形成されている。また、接続部１３４ａは、Ｚ方向から視て、接続部１３４ａの一端から接続部１３４ａの他端へ向かって第１方向に延在する第１接続部１３４ａ１と、第１接続部１３４ａ１の他端側の端部に接続され、第１方向とは異なる第２方向に延在する第２接続部１３４ａ２と、第２接続部１３４ａ２の他端側の端部に接続され、第２方向とは異なる第３方向に延在する第３接続部１３４ａ３と、を有している。

具体的には、接続部１３４ａは、Ｚ方向から視て、接続部１３４ａの一端から接続部１３４ａの他端へ向かってＸ方向に延在する第１接続部１３４ａ１と、第１接続部１３４ａ１の他端側の端部に接続され、Ｙ方向に延在する第２接続部１３４ａ２と、第２接続部１３４ａ２の他端側の端部に接続され、Ｘ方向に延在する第３接続部１３４ａ３と、を有している。言い換えると、接続部１３４ａは、Ｚ方向から視て、第２固定部１３２の外形に沿って複数回屈曲するように形成されている。このように形成されることで、接続部１３４ａは、Ｚ方向から視た際の大きさを抑制しつつ、一端から他端までの長さを大きくすることを可能にしている。なお、複数の接続部１３４のうち他の接続部１３４は、Ｚ方向から視て、基板本体１１１の中心に対して回転対称となるように、上記接続部１３４ａと同様の形状に形成されていることが望ましい。

図４は、実施の形態１に係る加速度センサ１００を示す、図１のＡ－Ａ断面図である。図４に示すように、複数の接続部１３４は、可動電極１３３の重心に対し、Ｚ方向にずれた位置で可動電極１３３と接続している。また、複数の接続部１３４は、Ｚ方向の寸法が、可動電極１３３よりも小さい寸法となるように形成されている。可動電極１３３は、Ｚ方向において、固定電極１１３と固定電極１２２との間に配置されており、固定電極１１３及び固定電極１１３のそれぞれと間隙を存して配置されている。このように構成されて、可動電極１３３は、加速度が生じることで、固定電極１１３と固定電極１２２との間で移動し、固定電極１１３及び固定電極１２２との距離が変化する方向に移動する際に、複数の接続部１３４を弾性変形させる。

次に、図５を参照して、印加される外力により加速度が生じた際の加速度センサ１００の動作について説明する。図５Ａは、実施の形態１においてＺ方向の加速度が生じている状態の可動電極基板１３０を示す動作図であり、図５Ｂは、実施の形態１においてＸ方向の加速度が生じている状態の可動電極基板１３０を示す動作図であり、図５Ｃは、実施の形態１においてＹ方向の加速度が生じている状態の可動電極基板１３０を示す動作図である。なお、図５Ａ乃至図５Ｃは、見やすさのため、可動電極１３３の移動量を誇張して実際の移動量よりも大きく表現しているが、実際には、可動電極１３３は、複数の固定電極１１３（図３参照）と複数の固定電極１２２との間で移動可能となっている。加速度センサ１００に加速度が生じた結果、第２固定部１３２に対して可動電極１３３に力が作用すると、可動電極１３３と各固定電極１１３及び固定電極１２２との距離が、作用した力の向き及び大きさに応じて変化する。このとき、可動電極１３３と固定電極との距離が小さくなると、可動電極１３３と固定電極との間の静電容量が増大し、可動電極１３３と固定電極との距離が大きくなると、可動電極１３３と固定電極との間の静電容量が減少する。

例えば、図５Ａに示すように、加速度センサ１００に加速度が生じた結果、第２固定部１３２に対するＺ方向の力が可動電極１３３に作用すると、可動電極１３３は、複数の接続部１３４を弾性変形させながら第２固定部１３２に対してＺ方向へ移動する。このとき、可動電極１３３は、各固定電極１１３との距離が均等に小さくなり、各固定電極１２２との距離が均等に大きくなる。

また、上述したように、複数の接続部１３４は、可動電極１３３の重心に対し、Ｚ方向にずれた位置で可動電極１３３と接続している。このため、例えば、図５Ｂに示すように、加速度センサ１００に加速度が生じた結果、第２固定部１３２に対するＸ方向の力が可動電極１３３に作用すると、可動電極１３３は、複数の接続部１３４を弾性変形させながらＺ方向及びＸ方向に対して傾動する。言い換えると、可動電極１３３は、複数の接続部１３４を弾性変形させながら第２固定部１３２に対してＹ方向に沿う仮想軸線を中心に回動する。このとき、可動電極１３３は、複数の固定電極１１３のうちＸ方向の側に配置されている固定電極１１３との距離が小さくなり、複数の固定電極１２２のうちＸ方向の側に配置されている固定電極１２２との距離が大きくなる。また、このとき、可動電極１３３は、複数の固定電極１１３のうちＸ方向とは反対側に配置されている固定電極１１３との距離が大きくなり、複数の固定電極１２２のうちＸ方向とは反対側に配置されている固定電極１２２との距離が小さくなる。

また、例えば、図５Ｃに示すように、加速度センサ１００に加速度が生じた結果、第２固定部１３２に対するＹ方向の力が可動電極１３３に作用すると、可動電極１３３は、複数の接続部１３４を弾性変形させながら第２固定部１３２に対してＸ方向に沿う仮想軸線を中心に傾動する。言い換えると、可動電極１３３は、複数の接続部１３４を弾性変形させながら第２固定部１３２に対してＸ方向に沿う仮想軸線を中心に回動する。このとき、可動電極１３３は、複数の固定電極１１３のうちＹ方向の側に配置されている固定電極１１３との距離が小さくなり、複数の固定電極１２２のうちＹ方向の側に配置されている固定電極１２２との距離が大きくなる。また、このとき、可動電極１３３は、複数の固定電極１１３のうちＹ方向とは反対側に配置されている固定電極１１３との距離が大きくなり、複数の固定電極１２２のうちＹ方向とは反対側に配置されている固定電極１２２との距離が小さくなる。このように、加速度センサ１００は、複数の固定電極１１３及び複数の固定電極１２２のうち、Ｚ方向から視て、互いに重なる位置に配置されている対になる固定電極において、一方の固定電極と可動電極１３３との距離が大きくなると、他方の固定電極と可動電極１３３との距離が小さくなるように構成されている。

次に、図６を参照して、実施の形態１に係る加速度センサ１００を用いて加速度を検出する処理回路１５０の具体例について説明する。図６は、実施の形態１に係る加速度センサと接続される処理回路１５０を示すブロック図である。例えば、処理回路１５０は、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）、ＲＯＭ（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）、ＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）、Ｉ／Ｏ（Ｉｎｐｕｔ／Ｏｕｔｐｕｔ）ポート等を有して構成されており、Ｚ，Ｘ，Ｙの各軸方向の加速度をそれぞれ独立して検出する。例えば、処理回路１５０は、Ｃ－Ｖ変換器１１Ｚ、Ｃ－Ｖ変換器１１Ｘ、Ｃ－Ｖ変換器１１Ｙ、Ｚ軸信号処理部１２Ｚ、Ｘ軸信号処理部１２Ｘ、Ｙ軸信号処理部１２Ｙ、Ｚ軸電圧信号変換部１３Ｚ、Ｘ軸電圧信号変換部１３Ｘ、Ｙ軸電圧信号変換部１３Ｙ、ノイズ除去信号処理フィルタ１４Ｚ、ノイズ除去信号処理フィルタ１４Ｘ及びノイズ除去信号処理フィルタ１４Ｙを備えている。なお、処理回路１５０は、ＣＰＵ、ＲＯＭ及びＲＡＭ等の代わりに、専用の回路によって構成されていてもよい。

処理回路１５０は、Ｃ－Ｖ変換器１１Ｚ、Ｚ軸信号処理部１２Ｚ、Ｚ軸電圧信号変換部１３Ｚ、ノイズ除去信号処理フィルタ１４Ｚによって、可動電極１３３と複数の固定電極との間の各静電容量Ｃ１～Ｃ４の変化を、Ｚ軸方位（方向）の加速度に対する電圧信号に変換し、アナログ信号として出力する。同様に、処理回路１５０は、Ｃ－Ｖ変換器１１Ｘ、Ｘ軸信号処理部１２Ｘ、Ｘ軸電圧信号変換部１３Ｘ、ノイズ除去信号処理フィルタ１４Ｘによって、可動電極１３３と複数の固定電極との間の各静電容量Ｃ５～Ｃ８の変化を、Ｘ軸方位（方向）の加速度に対する電圧信号に変換し、アナログ信号として出力する。同様に、処理回路１５０は、Ｃ－Ｖ変換器１１Ｙ、Ｙ軸信号処理部１２Ｙ、Ｙ軸電圧信号変換部１３Ｙ、ノイズ除去信号処理フィルタ１４Ｙによって、可動電極１３３と複数の固定電極との間の各静電容量Ｃ９～Ｃ１２の変化を、Ｙ軸方位（方向）の加速度に対する電圧信号に変換し、アナログ信号として出力する。

以上、実施の形態１に係る加速度センサ１００は、固定電極１１３が形成された第１固定電極基板１１０と、固定電極１１３と間隙を存して対向配置され、加速度が生じることで固定電極１１３との距離が変化する方向に移動する可動電極１３３と、を備え、可動電極１３３は、固定電極１１３及び固定電極１２２に対向する側に開口する貫通孔Ｄ１を有している。上述したように、貫通孔Ｄ１の内部空間である空間Ｓは、真空であることが望ましいが、完全な真空、即ち理想真空は現実的には難しくまたメカ的な共振特性が現しやすくなるので、空間Ｓにはわずかに乾燥空気、若しくは不活性気体等の流体が存在させ、メカ共振を抑えながら、帯域幅が広く平坦な特性が得られるように空間Ｓを調整している。このように、空間Ｓに流体が存在している状態で可動電極１３３が加速度等によって移動する際、可動電極１３３は、空間Ｓの流体によって抵抗を受ける。例えば、可動電極１３３は、比較的に周波数帯域幅が広く振動する際、当該流体が粘性による流体抵抗、若しくはばねのような役割を果たして反発するエア（或いは流体）ダンピング現象によって移動が抑制される。また、可動電極１３３は、エア（或いは流体）ダンピング現象が起きない程度の低周波数帯域で振動する場合であっても、流体の粘性によって移動（振動）が抑制される。

このような流体による影響は、低周波数帯域側で現れ易い流体の粘性、若しくは高周波帯域で影響が生じやすいエア（或いは流体）ダンピング現象など、スクイーズフィルム現象とも呼ばれ、幅広の面同士が小さい距離で対向している場合に発生しやすい。スクイーズフィルム現象が起きると、固定電極１１３及び固定電極１２２に対する可動電極１３３の移動が抑制されるため、加速度センサの感度向上、及び広帯域で平坦な特性を得ることが難しい。

実施の形態１に係る加速度センサ１００は、可動電極１３３が、固定電極１１３及び固定電極１２２に対向する側に開口する貫通孔Ｄ１を有しているため、可動電極１３３が固定電極１１３及び固定電極１２２に対して移動する際、可動電極１３３と固定電極１１３及び固定電極１２２との間の流体が移動しやすくなり、スクイーズフィルム現象を抑制して、従来よりも加速度を検出する際の感度を向上させることができる。また、静電容量型の加速度センサにおいて、加速度を検出する際の感度を向上させるためには、可動電極を大きくすることが求められるが、実施の形態１に係る加速度センサ１００は、可動電極１３３を大きくしても固定電極に近接する部分の幅を比較的に小さくすることが可能になるので、スクイーズフィルム現象を抑制して、従来よりも加速度を検出する際の感度を向上させることができる。なお、加速度センサは、空間Ｓの内部が真空又は真空に近い状態であるものに限らず、空間Ｓに窒素ガス等、所定の不活性気体が充填されているものであってもよい。

また、実施の形態１に係る加速度センサ１００は、加速度を検出する際の感度を向上させることができるので、消費電力を抑制することが可能になる。また、実施の形態１に係る加速度センサ１００は、加速度を検出する際の感度を向上させることができるので、可動電極１３３の大きさを従来よりも小さくすることで加速度センサ１００の小型化が可能になり、加速度センサ１００の各電極及び端子等に起因する寄生容量を低減し、更に感度を向上させることが可能になる。

また、実施の形態１に係る加速度センサ１００は、加速度を検出する際の感度を向上させることができるので、可動電極１３３、接続部１３４等の寸法の自由度が向上し、各部の寸法を調整して特性を変化させることにより、多様な目的に使用することが可能になる。特に、実施の形態１に係る加速度センサ１００は、スクイーズフィルム現象を抑制しつつ可動電極１３３を大きくすることが可能になるので、地震動等、低周波数の振動を検出する際の感度を向上させることが容易になる。

また、実施の形態１に係る加速度センサ１００は、スクイーズフィルム現象を抑制しつつ可動電極１３３を大きくすることが可能になるので、例えば、可動電極の厚さ方向に別の部品を接合して可動電極の質量を増大させる必要がないので、可動電極に別の部品を接合することによる製造コストの上昇、並びに内部応力に起因する歪み及び反りの発生による精度の低下を抑制することが可能になる。

また、実施の形態１に係る加速度センサ１００は、Ｚ方向から視て、複数の接続部１３４が第２固定部１３２の外形に沿って複数回屈曲するように形成されているので、加速度センサ１００の大型化を抑制しつつ、可動電極１３３が小さな加速度で移動可能になるように接続部１３４を細長く形成することができるので、従来よりも加速度を検出する際の感度を向上させることができる。

また、実施の形態１に係る加速度センサ１００は、可動電極１３３が、固定電極１１３が形成された第１固定電極基板１１０と、固定電極１２２が形成された第２固定電極基板１２０と、の間に間隙を存して対向配置されている。例えば、いずれかの固定電極１１３に交流電圧信号または直流電圧信号等の電圧信号を印加すると、可動電極１３３と当該固定電極１１３との間に静電引力を発生させて、可動電極１３３を移動させることができる。実施の形態１に係る加速度センサ１００は、このように電圧信号を固定電極に印加して可動電極１３３を移動させた際の、当該固定電極と対になる固定電極と可動電極１３３との間の静電容量の変化を検出することによって、加速度センサ１００が正常に作動するか否かを診断する自己診断機能を持たせることができる。また、実施の形態１に係る加速度センサ１００は、このような診断を行った結果に基づいて、ソフトウェア的な校正を行うことが可能になり、加速度を検出する際の感度を向上が可能になると共に、歩留まりの向上による製造コストの抑制が可能になる。

また、実施の形態１に係る加速度センサ１００は、電圧信号を固定電極に印加して可動電極１３３を移動させると共に、当該固定電極と対になる固定電極と可動電極１３３との間の静電容量の変化を検出することができるので、特定方向の加速度を検出する際の他の方向の加速度の干渉を抑制することが可能になる。例えば、加速度センサ１００に多方向の加速度が印加された状態で特定方向の加速度を検出する際、電圧信号を固定電極に印加して、検出する方向以外の加速度による可動電極１３３の移動を抑制することによって、他の方向の加速度の干渉を抑制し、加速度を検出する際の感度を向上させることができる。また、実施の形態１に係る加速度センサ１００は、加速度が生じた際に可動電極１３３が移動しないように電圧信号を固定電極に印加し、当該電圧信号に基づいて加速度を検出するサーボ型加速度センサとして用いることができる。

なお、実施の形態１において、加速度センサ１００は、第１固定電極基板１１０、可動電極基板１３０及び第２固定電極基板１２０からなる３層構造を有しているが、これに限定されない。加速度センサは、可動電極と固定電極との距離の変化に応じて、可動電極に生じている加速度を検出可能であればよい。例えば、加速度センサは、第１固定電極基板及び可動電極基板からなる２層構造であってもよいし、第１固定電極基板は、１つの固定電極のみが形成されているものであってもよいし、第１固定電極基板の固定電極の数と、第２固定電極基板の固定電極の数と、が異なっていてもよい。

また、実施の形態１において、可動電極１３３は、貫通孔Ｄ１を有していることによって、可動電極１３３が移動する際の周囲の流体が移動しやすくしているが、これに限定されない。可動電極は、固定電極に対向する側に開口する穴部を有するものであればよい。例えば、可動電極は、貫通孔の代わりに貫通しない穴、周囲の面よりも凹むように形成されている凹部、周囲の面よりも凹むように形成されている溝部等、加速度が生じていない状態で、可動電極が形成されている基板の面との距離が周囲と異なる部分が形成されていればよく、貫通孔以外にも多様な形状が考えられる。

また、実施の形態１において、加速度センサ１００は、Ｚ方向から視て、第２固定部１３２の外形に沿って複数回屈曲するように形成された４本の梁状の接続部１３４を備えているが、これに限定されない。加速度センサは、固定電極が形成された基板と可動電極とを接続する接続部を有しているものであればよく、例えば、加速度センサは、屈曲することなく直線状に形成された接続部を備えていてもよいし、固定部と可動電極との間に膜状に形成された接続部を備えていてもよいし、矩形の平板状に形成された接続部を備えていてもよいし、４以外の他の数の接続部を備えていてもよく、接続部の態様としては多様な構成が考えられる。

また、実施の形態１において、加速度センサ１００は、第２固定部１３２及び複数の接続部１３４が貫通孔Ｄ１の内部に配置されているが、これに限定されない。加速度センサは、Ｚ方向から視て、複数の接続部の少なくとも一部が可動電極の穴部の内部に配置されていればよく、第２固定部の一部または全部が貫通孔の外部に配置されていてもよいし、複数の接続部のうちいずれかの接続部が貫通孔の外部に配置されていてもよいし、いずれかの接続部の一部が貫通孔の外部に配置されていてもよい。

また、実施の形態１において、加速度センサ１００は、第１固定部１３１、第２固定部１３２及び可動電極１３３が同一の材質によって形成されているが、これに限定されない。第１固定部、第２固定部及び可動電極は、互いに異なる材質によって形成されていてもよい。ただし、基板本体、基板本体、第１固定部及び第２固定部は、互いに熱膨張係数が近い材質によって形成されていることが望ましい。

実施の形態２．
次に、図７及び図８を参照して、実施の形態２に係る加速度センサ２００について説明する。実施の形態２に係る加速度センサ２００は、実施の形態１に係る加速度センサ１００と比較して、固定電極の形状及び配置が異なるが、他の構成については同様であり、実施の形態１と同様の構成については、同一の符号を付して説明を省略する。

図７は、実施の形態２に係る加速度センサ２００の概略構成を示す斜視図であり、図８は、実施の形態２に係る加速度センサ２００の構成を示す分解図である。実施の形態２に係る加速度センサ２００は、第１固定電極基板２１０に形成された複数の固定電極２１３と、第２固定電極基板２２０に形成された複数の固定電極２２２と、を有している。複数の固定電極２１３及び複数の固定電極２２２は、Ｚ方向から視て、互いに隣接する固定電極の間の間隙が、矩形の可動電極１３３の対角線に沿って形成されている。このように、複数の固定電極の形状及び位置は、多様な構成が考えられる。なお、実施の形態２において、第１固定電極基板２１０及び第２固定電極基板２２０は、それぞれ、第１基板及び第２基板を構成する。なお、実施の形態２において、固定電極２１３は、第１電極及び対向部を構成する。また、実施の形態２において、固定電極２２２は、第２電極及び対向部を構成する。

実施の形態３．
次に、図９及び図１０を参照して、実施の形態３に係る加速度センサ３００について説明する。実施の形態３に係る加速度センサ３００は、実施の形態１に係る加速度センサ１００と比較して、固定電極の形状及び配置が異なるが、他の構成については同様であり、実施の形態１と同様の構成については、同一の符号を付して説明を省略する。

図９は、実施の形態３に係る加速度センサ３００の概略構成を示す斜視図であり、図１０は、実施の形態３に係る加速度センサ３００の構成を示す分解図である。実施の形態３に係る加速度センサ３００は、第１固定電極基板３１０に形成された８つの固定電極３１３と、第２固定電極基板３２０に形成された８つの固定電極３２２と、を有している。実施の形態３に係る加速度センサ３００は、実施の形態１に係る加速度センサ１００と比べて固定電極の数が多いため、実施の形態１に係る加速度センサ１００よりも加速度の方向を詳細に検出することが可能になる。なお、実施の形態３において、固定電極３１３は、第１電極及び対向部を構成する。また、実施の形態３において、固定電極３２２は、第２電極及び対向部を構成する。

実施の形態４．
次に、図１１を参照して、実施の形態４に係る加速度センサ４００について説明する。実施の形態４に係る加速度センサ４００は、実施の形態１に係る加速度センサ１００と比較して、可動電極の形状が異なるが、他の構成については同様であり、実施の形態１と同様の構成については、同一の符号を付して説明を省略する。

図１１は、実施の形態４に係る加速度センサ４００の構成を示す分解図である。実施の形態４に係る加速度センサ４００は、可動電極４３３を有する可動電極基板４３０を備えている。可動電極４３３は、Ｚ方向から視て、貫通孔Ｄ１と、可動電極４３３の周囲の空間と貫通孔Ｄ１とを接続する溝状の凹部Ｄ２を有している。凹部Ｄ２は、Ｚ方向から視て、複数の固定電極１１３のうち互いに隣接する固定電極の間の間隙と重なる位置に形成されている。これにより、可動電極４３３が移動する際、凹部Ｄ２を介して空間Ｓ（図４参照）の内部の流体がより移動しやすくなり、スクイーズフィルム現象を抑制することが可能になる。なお、可動電極は、第２固定電極基板１２０に対向する側の面にも同様の凹部が形成されていてもよいし、４以外の他の数の溝状の凹部及び複数の貫通孔が形成されていてもよい。また、凹部Ｄ２は、実施の形態４に係る第２穴部を構成する。

なお、上述したいずれの実施の形態においても、加速度センサは、Ｚ方向から視て、第２固定部１３２と接続部１３４とが貫通孔Ｄ１の内部に配置されているが、これに限定されない。接続部は、Ｚ方向から視て、可動電極を囲うように配置された固定部と可動電極とを接続するように、可動電極の周囲に配置されていてもよい。

実施の形態５．
次に、図１２を参照して、実施の形態５に係る加速度センサについて説明する。実施の形態５に係る加速度センサは、実施の形態１に係る加速度センサ１００と比較して、可動電極基板の形状が異なるが、他の構成については同様であり、実施の形態１と同様の構成については、同一の符号を付して説明を省略する。

図１２は、実施の形態５に係る加速度センサの可動電極基板５３０を示す平面図である。可動電極基板５３０は、Ｚ方向から視て、可動電極５３３の中央部に貫通孔Ｄ３が形成されている。また、可動電極基板５３０は、可動電極５３３を囲うように配置された固定部５３２と可動電極５３３とを接続する複数の接続部５３４を有している。複数の接続部５３４は、Ｚ方向から視て、可動電極５３３の周囲に配置されている。実施の形態５に係る加速度センサは、可動電極５３３が貫通孔Ｄ３を有しているので、可動電極５３３が移動する際に周囲の流体が移動しやすくなり、スクイーズフィルム現象を抑制することが可能になる。なお、実施の形態５において、貫通孔Ｄ３は、第１穴部（穴部）を構成する。

また、上述したいずれの実施の形態においても、加速度センサは、Ｚ方向から視て、固定電極の外形が可動電極の外形と重なるように形成されているものに限定されない。固定電極は、Ｚ方向から視て、少なくとも一部が貫通孔（穴部）と重ならない位置に形成されていればよい。図１２は、Ｚ方向から視て、固定電極５１３の外形が可動電極５３３の外形と重ならないように形成されている例を示す図である。なお、実施の形態５において、固定電極５１３は、第１電極及び対向部を構成する。

実施の形態６．
次に、図１３を参照して、実施の形態６に係る加速度センサについて説明する。実施の形態６に係る加速度センサは、実施の形態１に係る加速度センサ１００と比較して、処理回路の構成が異なるが、他の構成については同様であり、実施の形態１と同様の構成については、同一の符号を付して説明を省略する。

図１３は、実施の形態６に係る加速度センサと接続される処理回路６５０を示すブロック図である。処理回路６５０は、各Ｘ軸、Ｙ軸やＺ軸の独立的な方位に基づいて、例えば、Ｘ軸とＹ軸とのベクトル的な方位から受ける加速度に対して、加速度の詳細な方位を推定するための信号強度演算部を備えている。

実施の形態７．
次に、図１４を参照して、実施の形態７に係る加速度センサについて説明する。実施の形態７に係る加速度センサは、実施の形態１に係る加速度センサ１００と比較して、処理回路の構成が異なるが、他の構成については同様であり、実施の形態１と同様の構成については、同一の符号を付して説明を省略する。

図１４は、実施の形態７に係る加速度センサと接続される処理回路７５０を示すブロック図である。処理回路７５０は、高集積化デジタル処理回路によって構成されている。近年、高速信号処理技術の発達と半導体回路の高集積化技術とに基づき、高集積化デジタル処理回路によって加速度センサの出力信号を抽出することが可能になっている。実施の形態７に係る処理回路７５０は、上述した加速度センサによって加速度を検出することに特化した高集積化マイクロプロセッサ、又はマイコンを用いる構成であり、消費電力を抑制する回路構成及び機能を含むデジタル信号処理回路である。

なお、上述したいずれの実施の形態においても、加速度センサは、可動電極１３３と固定電極との間の静電容量の変化に基づいて加速度を検出する静電容量型の加速度センサに限定されない。加速度センサは、加速度が生じることで移動方向に移動する移動部（錘）と、移動部と移動方向に間隙を存して対向配置された対向部と、を備え、移動部は、対向部に対向する側に開口する穴部を有するものであればよく、例えば、加速度センサは、圧電効果を有する材料や同性質を持つ膜材を用いた圧電型加速度センサ、または半導体ひずみ抵抗を用いるピエゾ型加速度センサであってもよい。

なお、本開示は、各実施の形態の自由な組合せ、あるいは各実施の形態の任意の構成要素の変形、若しくは各実施の形態において任意の構成要素の省略が可能である。

１００，２００，３００，４００：加速度センサ
１１０，２１０，３１０：第１固定電極基板（第１基板、基板）
１１１ ：基板本体
１１２ ：端子
１１３，２１３，３１３，５１３：固定電極（第１電極、対向部）
１１４，１２４：スルーホール
１２０，２２０，３２０：第２固定電極基板（第２基板、基板）
１２１ ：基板本体
１２２，２２２，３２２：固定電極（第２電極、対向部）
１２３ ：端子
１３０，４３０，５３０：可動電極基板
１３１ ：第１固定部（固定部）
１３２ ：第２固定部（保持部）
１３３，４３３，５３３：可動電極（移動部）
１３４，１３４ａ，５３４：接続部
１３４ａ１ ：第１接続部
１３４ａ２ ：第２接続部
１３４ａ３ ：第３接続部
１５０，６５０，７５０：処理回路
５３２ ：固定部
Ｄ１，Ｄ３ ：貫通孔（第１穴部、穴部）
Ｄ２ ：凹部（第２穴部、穴部）
Ｓ ：空間

Claims (10)

1. 加速度が生じることで移動方向に移動する移動部と、
   前記移動部と前記移動方向に間隙を存して対向配置された対向部と、を備え、
   前記移動部は、前記対向部に対向する側に開口する穴部を有する
   ことを特徴とする加速度センサ。
2. 前記対向部は、基板上に形成された電極である
   ことを特徴とする請求項１記載の加速度センサ。
3. 前記電極は、前記基板の面と直交する方向から視て、少なくとも一部が前記穴部と重ならない位置に形成されている
   ことを特徴とする請求項２記載の加速度センサ。
4. 前記基板と前記移動部とを接続し、前記電極との距離が変化する方向に前記移動部が移動する際に弾性変形する接続部を備えた
   ことを特徴とする請求項２記載の加速度センサ。
5. 前記接続部は、前記基板の面と直交する方向から視て、少なくとも一部が前記穴部の内部に配置されている
   ことを特徴とする請求項４記載の加速度センサ。
6. 前記移動部及び前記接続部と一体的に形成されて、前記基板に固定された固定部を備え、
   前記固定部は、少なくとも一部が前記穴部の内部に配置されている
   ことを特徴とする請求項４記載の加速度センサ。
7. 前記接続部は、前記移動部の重心に対し、前記基板の面と直交する方向にずれた位置で前記移動部と接続している
   ことを特徴とする請求項４記載の加速度センサ。
8. 前記接続部は、一端が前記基板に接続され、他端が前記移動部に接続されており、前記一端から前記他端までの寸法が、前記一端から前記他端へ向かう方向と直交する方向の寸法よりも大きく形成されている
   ことを特徴とする請求項４記載の加速度センサ。
9. 前記接続部は、前記基板の面と直交する方向から視て、前記一端から前記他端へ向かって第１方向に延在する第１接続部と、前記第１接続部の前記他端の側の端部に接続され、前記第１方向とは異なる第２方向に延在する第２接続部と、前記第２接続部の前記他端の
   側の端部に接続され、前記第２方向とは異なる第３方向に延在する第３接続部と、を有する
   ことを特徴とする請求項８記載の加速度センサ。
10. 前記電極は、第１電極であり、
    前記基板は、第１基板であり、
    第２電極が形成され、前記移動部に対して前記第１基板とは反対側に配置された第２基板と、
    前記第１基板と前記第２基板との間に配置され、前記第２基板を前記第１基板に保持させる保持部と、を備え、
    前記移動部は、前記第２電極と間隙を存して対向配置されている
    ことを特徴とする請求項２乃至９のいずれか１項記載の加速度センサ。

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