JP2024015689A - 物理量センサー及び慣性計測装置 - Google Patents

物理量センサー及び慣性計測装置 Download PDF

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Abstract

【課題】可動体の対称性に伴う不具合を回避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、固定部４０と支持梁４２と可動体ＭＢと第１固定電極部１０Ａ及び第２固定電極部５０Ａと、を含む。可動体ＭＢは、第１連結部３０と第１基部２３Ａと第１可動電極部２０Ａと第２連結部７０と第２基部６３Ａと第２可動電極部６０Ａと、を有する。第１基部２３Ａは、第１連結部３０に接続される。第１可動電極部２０Ａの第１可動電極２１は、第１基部２３Ａから第１方向ＤＲ１に延び、第１固定電極部１０Ａの第１固定電極１１と第２方向ＤＲ２において対向する。第２基部６３Ａは、第２連結部７０に接続される。第２可動電極部６０Ａの第２可動電極６１は、第２基部６３Ａから第１方向ＤＲ１に延び、第２固定電極部５０Ａの第２固定電極５１と第２方向ＤＲ２において対向する。【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。
特許文献１には、Ｚ方向の加速度を検出する物理量センサーが開示されている。当該物理量センサーにおいて、複数の第１電極の１つの第１方向に沿う第１電極の長さは、第１導電部の第１方向に沿う第１導電部の長さよりも短いことが開示されている。また当該物理量センサーにおいて、複数の第２電極の１つの第１方向に沿う第２電極の長さは、第２導電部の第１方向に沿う第２導電部の長さよりも短いことが開示されている。
特開２０２１－０３２８１９号公報
特許文献１に開示された物理量センサーでは、トーションバネである接続部から両側に設けられる櫛歯電極までの距離が異なり、正負の検出特性の線形性に不具合が生じるおそれがあった。
本開示の一態様は、互いに直交する３つの方向を第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、前記第２方向に沿って設けられる支持梁と、前記支持梁の他端に接続された可動体と、前記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、を含み、前記可動体は、前記支持梁の他端に接続され、前記支持梁から前記第１方向に延びる第１連結部と、前記第１連結部に接続され、前記第２方向に沿って設けられる第１基部と、前記第１基部から前記第１方向に延び、前記第１固定電極部の第１固定電極と前記第２方向において対向する第１可動電極を有する第１可動電極部と、前記支持梁の他端に接続され、前記支持梁から前記第１方向の反対方向である第４方向に延びる第２連結部と、前記第２連結部に接続され、前記第２方向に沿って設けられる第２基部と、前記第２基部から前記第１方向に延び、前記第２固定電極部の第２固定電極と前記第２方向において対向する第２可動電極を有する第２可動電極部と、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平面図。 本実施形態の物理量センサーの斜視図。 本実施形態の物理量センサーの検出部の斜視図。 本実施形態の物理量センサーの検出部の動作説明図。 本実施形態と従来例の可動体の平面形状を比較する概略図。 本実施形態と従来例の可動体の断面形状を比較する概略図。 第１詳細例の平面図。 第１詳細例の検出部の斜視図。 第１詳細例と従来例の可動体の平面形状を比較する概略図。 第１詳細例の変形例における検出部の斜視図。 第１詳細例の変形例における検出部の動作説明図。 第２詳細例の平面図。 第２詳細例の斜視図。 第３詳細例の平面図。 第３詳細例における検出部の動作説明図。 第４詳細例における検出部の斜視図。 第４詳細例における検出部の動作説明図。 第４詳細例の変形例における検出部の動作説明図。 本実施形態の第１変形例の平面図。 本実施形態の第２変形例の平面図。 本実施形態の第３変形例の平面図。 本実施形態の第３変形例の平面図。 本実施形態の第４変形例の平面図。 本実施形態の第４変形例の平面図。 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て説明する。図１は、本実施形態の物理量センサー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２～図２４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、また、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って説明するが、物理量は加速度に限定されず、速度、圧力、変位、姿勢、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、鉛直方向である。そして、第３方向ＤＲ３と反対の方向を第５方向ＤＲ５とする。また、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。そして、第１方向ＤＲ１の反対側の方向を第４方向ＤＲ４とし、第４方向ＤＲ４は、例えば－Ｘ軸方向である。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。
図１に示すように本実施形態の物理量センサー１は、固定部４０、支持梁４２、可動体ＭＢ、第１固定電極部１０Ａ及び第２固定電極部５０Ａを含む。可動体ＭＢは、第１連結部３０、第１基部２３Ａ、第１可動電極部２０Ａ、第２連結部７０、第２基部６３Ａ及び第２可動電極部６０Ａを含む。第１固定電極部１０Ａは複数の第１固定電極１１を有し、第２固定電極部５０Ａは複数の第２固定電極５１を有する。第１可動電極部２０Ａは複数の第１可動電極２１を有し、第２可動電極部６０Ａは複数の第２可動電極６１を有する。
そして、図１において破線の枠で示すように、物理量センサー１は検出部Ｚ１と検出部Ｚ２を有し、各検出部でＺ軸方向である第３方向ＤＲ３に沿う方向での加速度等の物理量を検出する。検出部Ｚ１、Ｚ２は、平面視において、それぞれ支持梁４２の第１方向ＤＲ１側と第４方向ＤＲ４側に設けられている。
支持梁４２の第１方向ＤＲ１側に設けられる検出部Ｚ１は、第１固定電極部１０Ａ、第１可動電極部２０Ａを含む。また支持梁４２の第４方向ＤＲ４側に設けられる検出部Ｚ２は、第２固定電極部５０Ａと第２可動電極部６０Ａを含む。
図２は本実施形態の物理量センサー１の斜視図である。固定部４０は、図３で後述する可動体ＭＢのシーソー運動におけるアンカーとしての役割を担う。固定部４０は、図２に示すように、基板２に設けられている。固定部４０は、支持梁４２の一端を、固定部４０を介して基板２に固定している。支持梁４２の他端は、可動体ＭＢの第１連結部３０及び第２連結部７０に連結されている。このように固定部４０は、支持梁４２を介して、可動体ＭＢを基板２に連結させる。
支持梁４２は、可動体ＭＢのシーソー運動において復元力を与える。図２に示すように、支持梁４２は、その一端が固定部４０の一部に接続されている。そして、支持梁４２の他端は、それぞれ第１連結部３０、第２連結部７０に接続されている。このように支持梁４２は、固定部４０と可動体ＭＢとを連結させている。支持梁４２は、例えば、捻れバネである。図１に示すように、支持梁４２は平面視において、例えば第２方向ＤＲ２を長手方向になるように設けられる。また、図２に示すように支持梁４２は、第１方向ＤＲ１での厚みが薄くなっており、図３で後述する可動体ＭＢのシーソー運動に対して、撓むようになっている。そして、第２方向ＤＲ２である例えばＹ軸上で捻れることで、可動体ＭＢのシーソー運動における復元力をもたらす。このように本実施形態では、支持梁４２は、第２方向ＤＲ２を回転軸として捻れる捻れバネである。このようにすれば、可動体ＭＢは第２方向ＤＲ２を回転軸として揺動運動をすることができる。
可動体ＭＢは、例えば第２方向ＤＲ２に沿う回転軸の回りでシーソー運動を行う。即ち、可動体ＭＢは、上述した支持梁４２の捻れを第２方向ＤＲ２の回りの回転運動における復元力としてシーソー運動を行う。これに伴って、可動体ＭＢの第１可動電極部２０Ａ、第２可動電極部６０Ａも可動になっており、物理量の検出が行われる。なお、以下においては、可動体ＭＢのシーソー運動のことを揺動運動とも記載する。
第１連結部３０は、支持梁４２の固定部４０と接続されていない他端と第１基部２３Ａと、を連結する。そして、第２連結部７０は、支持梁４２の当該他端と第２基部６３Ａと、を連結する。第１連結部３０は、支持梁４２の第１方向ＤＲ１側に延在しており、支持梁４２の第１方向ＤＲ１側において第１基部２３Ａと接続されている。そして、第２連結部７０は、支持梁４２の第４方向ＤＲ４側に延在しており、支持梁４２の第４方向ＤＲ４側において第２基部６３Ａと接続されている。このように、第１連結部３０と第２連結部７０は、それぞれ第１基部２３Ａと第２基部６３Ａを、可動体ＭＢの回転軸になる支持梁４２から一定の距離になるように連結する。
第１基部２３Ａは、第１可動電極部２０Ａの第１可動電極２１の基部をなしている。即ち、図１に示すように、平面視において、第１基部２３Ａの第１方向ＤＲ１側に、第１基部２３Ａを基部として複数の第１可動電極２１が延出している。そして、第１基部２３Ａは、可動体ＭＢの回転軸から一定の距離に位置するように第１連結部３０により、支持梁４２と連結されている。
第２基部６３Ａは、第２可動電極部６０Ａの第２可動電極６１の基部をなしている。第２基部６３Ａは、検出部Ｚ２において、検出部Ｚ１での第１基部２３Ａと同様な役割を担う。即ち、平面視において、第２基部６３Ａから第１方向ＤＲ１側に複数の第２可動電極６１が延出している。そして、第２基部６３Ａは、可動体ＭＢの回転軸から一定の距離に位置するように第２連結部７０により、支持梁４２と連結されている。
このような構成により、第１基部２３Ａは、第１連結部３０とともに、第１可動電極部２０Ａの第１可動電極２１を可動体ＭＢのシーソー運動における回転軸から一定の距離になるように連結する。そして、第２基部６３Ａは、第２連結部７０とともに、第２可動電極部６０Ａの第２可動電極６１をシーソー運動の回転軸から一定の距離になるように連結する。
また、図１に示すように、可動体ＭＢの回転軸にあたる支持梁４２から、第１可動電極部２０Ａの中心までの距離をΔｒとすると、支持梁４２から第２可動電極部６０Ａの中心までの距離もΔｒになっている。即ち、平面視において、支持梁４２を含むＹ軸に対して、第１可動電極部２０Ａと第２可動電極部６０Ａは対称な位置に配置されている。そして、第１可動電極部２０Ａの第１可動電極２１は、第１基部２３Ａから第１方向ＤＲ１に延出し、第２可動電極部６０Ａの第２可動電極６１も、第２基部６３Ａから第１方向ＤＲ１に延出している。このように、第１可動電極２１と第２可動電極６１は、各々の中心が支持梁４２から等しい距離にあり、また、各基部から同じ方向に延出するように設けられている。ここで、各電極部の中心とは、物理的な距離における中心位置、或いは各電極部の重心位置のことをいう。即ち、各電極部の物理的な距離における中心位置、或いは各電極部の重心位置が支持梁４２から等しくなっていればよい。なお、上記において、距離が等しいとは、略等しい状態も含む。例えば、半導体製造プロセスでエッチング加工処理を行う場合、同一の装置、条件のもとで処理を行っても、装置そのものに起因して仕上がり寸法にばらつきが現れることが通常だからである。
第１固定電極部１０Ａの第１固定電極１１と第１可動電極部２０Ａの第１可動電極２１は、検出部Ｚ１におけるプローブ電極である。第１固定電極部１０Ａの第１固定電極１１は、基板２に固定されたプローブ電極であり、第１可動電極部２０Ａの第１可動電極２１は、可動体ＭＢと一体となって動くことのできるプローブ電極である。そして、第１固定電極部１０Ａの第１固定電極１１と第１可動電極部２０Ａの第１可動電極２１により物理量の検出を行うことができる。
第１固定電極部１０Ａは、基板２に固定されている。図１、図２に示すように、第１固定電極部１０Ａは、第１基部２３Ａの第１方向ＤＲ１側に設けられている。そして、第１固定電極部１０Ａには、第４方向ＤＲ４側に延びる櫛歯状の第１固定電極１１が設けられている。第１可動電極部２０Ａは、第１基部２３Ａの第１方向ＤＲ１側に延びる櫛歯状の第１可動電極２１を有する。なお、以下において、第１固定電極１１、第２固定電極５１、第１可動電極２１及び第２可動電極６１を、適宜、総称してプローブ電極と表記する。
図３は、本実施形態の初期状態での検出部Ｚ１、検出部Ｚ２におけるプローブ電極の構成を示す斜視図である。ここで、初期状態とは、静止した状態、即ち、重力加速度を除いて加速度の生じていない状態をいう。図３の上図は、検出部Ｚ１における第１固定電極１１と第１可動電極２１の形状や位置関係を示している。検出部Ｚ１において、第１可動電極２１は、第２方向ＤＲ２において第１固定電極１１と対向するように交互に設けられている。なお、第１固定電極１１及び第１可動電極２１のそれぞれの電極の数は任意に設けることができる。また各プローブ電極の第３方向ＤＲ３での厚みに着目すると、第１可動電極２１の厚みは、第１固定電極１１の厚みよりも厚くなっている。ここで、厚みとは、例えば、素子の断面をＳＥＭ（Scanning Electron Microscope）等により測定した物理的な厚みに限らず、薄膜の屈折率等の光学的特性から見積もられる膜厚も含む。そして、第１可動電極２１及び第１固定電極１１の第５方向ＤＲ５における端部の位置は面一になっている。このため、第１可動電極２１の第３方向ＤＲ３側の端部の位置は、第１固定電極１１の第３方向ＤＲ３側の端部の位置よりも第３方向ＤＲ３側に位置している。即ち、検出部Ｚ１において、プローブ電極は、第３方向ＤＲ３側では第１可動電極２１の端部が第１固定電極１１の端部よりも凸になり、第５方向ＤＲ５側では第１可動電極２１の端部と第１固定電極１１の端部の位置が面一になる、片側オフセット構造になっている。
図３の下図は、検出部Ｚ２における第２固定電極部５０Ａの第２固定電極５１と第２可動電極部６０Ａの第２可動電極６１の形状や位置関係を示している。検出部Ｚ２においても、図３の上図に示す検出部Ｚ１と同様に片側オフセット構造のプローブ電極の構造になっている。検出部Ｚ２における第２固定電極５１、第２可動電極６１は、それぞれ検出部Ｚ１における第１固定電極１１、第１可動電極２１に対応しており、第２可動電極６１の厚みは、第２固定電極５１の厚みよりも厚くなっている。そして、第３方向ＤＲ３側で第２可動電極６１の端部が第２固定電極５１の端部よりも凸になる片側オフセット構造をなしている。また、検出部Ｚ１の場合と同様に、第２固定電極５１及び第２可動電極６１のそれぞれの櫛歯電極の数は任意に設けることができる。
即ち、本実施形態では、第１可動電極部２０Ａと第１固定電極部１０Ａの裏面の第３方向ＤＲ３での位置が一致しており、第２可動電極部６０Ａと第２固定電極部５０Ａの裏面の第３方向ＤＲ３での位置が一致している。
このようにすれば、第１可動電極２１、第１固定電極１１、第２可動電極６１及び第２固定電極５１の各々を構成する電極材料を同一のプロセスで形成することで、プローブ電極の裏面側が面一になる構成を実現できる。そして、各電極をエッチング等の加工により形成することができるため、製造プロセスを容易化できる。
図４は、本実施形態の物理量センサー１の検出部Ｚ１、Ｚ２の動作を説明する図である。具体的には、初期状態から加速度が生じた場合に、加速度の向きに対するプローブ電極の動きを第１方向ＤＲ１からの断面の概略図により示している。ここで初期状態とは、図３で説明した通り、重力加速度を除いて加速度の生じていない静止状態をいう。なお、検出部Ｚ１はプローブのＰ側に対応し、検出部Ｚ２はプローブのＮ側に対応している。
まず、図４の左列に示す初期状態においては、検出部Ｚ１の第１固定電極１１と第１可動電極２１は、第３方向ＤＲ３に沿って、その一部が重なるように対向して設けられている。具体的には、第１固定電極１１と第１可動電極２１は、第５方向ＤＲ５での端部の位置は一致しているが、第３方向ＤＲ３での端部の位置は第１可動電極２１の端部の方が、第１固定電極１１の端部よりも第３方向ＤＲ３側に位置している。初期状態では、このように第３方向ＤＲ３に沿って第１固定電極１１と第１可動電極２１の一部が重なった状態で静止している。また、検出部Ｚ２の第２固定電極５１と第２可動電極６１も、第３方向ＤＲ３に沿って、一部が重なるように対向して設けられており、第３方向ＤＲ３において第２固定電極５１の端部よりも第２可動電極６１の端部の方が、第３方向ＤＲ３側に位置している。
この初期状態において、検出部Ｚ１での第１固定電極１１と第１可動電極２１の対向面積に対応する物理量と、検出部Ｚ２での第２固定電極５１と第２可動電極６１の対向面積に対応する物理量とを合計した物理量が、初期状態における物理量になる。物理量としては、例えば静電容量等がある。
次に、図４の中央列に示すように第３方向ＤＲ３の加速度が生じた状態での動作を説明する。第３方向ＤＲ３の加速度が生じた状態では、検出部Ｚ２において第２可動電極６１は加速度の向きと逆向きの慣性力を受ける。このため、検出部Ｚ２の第２可動電極６１は第５方向ＤＲ５側、即ち－Ｚ方向に変位し、検出部Ｚ１の第１可動電極２１は、第２可動電極６１と逆方向の＋Ｚ方向に変位する。これにより検出部Ｚ２では、第２固定電極５１と第２可動電極６１の対向面積は維持され、検出部Ｚ１では、第１固定電極１１と第１可動電極２１の対向面積は減少する。従って、検出部Ｚ１での対向面積の減少による物理量の変化を検出することで、第３方向ＤＲ３の物理量を検出できる。
一方、図４の右列に示すように、初期状態から第５方向ＤＲ５の加速度が生じた状態では、第２可動電極６１は第３方向ＤＲ３の慣性力を受ける。このため検出部Ｚ２では第２可動電極６１は第３方向ＤＲ３に変位し、検出部Ｚ１の第１可動電極２１は、その反対方向である第５方向ＤＲ５側に変位する。これにより検出部Ｚ２では、第２固定電極５１と第２可動電極６１の対向面積は減少し、検出部Ｚ１では、第１固定電極１１と第１可動電極２１の対向面積が維持される。従って、検出部Ｚ２の対向面積の減少による物理量の変化を検出することで、第５方向ＤＲ５の物理量を検出できる。なお、物理量として静電容量の変化の検出する場合、例えば不図示の差動増幅回路に、第１固定電極１１、第２固定電極５１、第１可動電極２１、第２可動電極６１をそれぞれ配線及びパッドを介して接続することで静電容量を検出できる。ここで、第３方向ＤＲ３または第５方向ＤＲ５の加速度が生じ、加速度の向きと逆向きに変位するのは、検出部Ｚ２の第２可動電極６１である。これは、第４方向ＤＲ４側に設けられた可動体ＭＢ、即ち、検出部Ｚ２側の可動体ＭＢが、第１方向ＤＲ１側に設けられた可動体ＭＢ、即ち、検出部Ｚ１側の可動体ＭＢよりも重いからである。
本実施形態では、第１可動電極部２０Ａの第１可動電極２１の第３方向ＤＲ３での厚みは、第１固定電極部１０Ａの第１固定電極１１の第３方向ＤＲ３での厚みより大きく、第２可動電極部６０Ａの第２可動電極６１の第３方向ＤＲ３での厚みは、第２固定電極部５０Ａの第２固定電極５１の第３方向ＤＲ３での厚みより大きい。
このようにすれば、第３方向ＤＲ３の加速度が生じた場合、検出部Ｚ１では、第１固定電極１１と第１可動電極２１の対向面積が減少し、検出部Ｚ２では、第２固定電極５１と第２可動電極６１の対向面積は維持されるため、第３方向ＤＲ３の物理量の変化を検出できる。また、第５方向ＤＲ５の加速度が生じた場合、検出部Ｚ２では第２固定電極５１と第２可動電極６１の対向面積が減少し、検出部Ｚ１では第１固定電極１１と第１可動電極２１の対向面積は維持されるため、第５方向ＤＲ５の物理量の変化を検出できる。
図５は、本実施形態の物理量センサー１における可動体ＭＢの形状を比較例と対比して説明する概略図である。具体的には、本実施形態における支持梁４２、第１基部２３Ａ、第１可動電極部２０Ａ、第２基部６３Ａ及び第２可動電極部６０Ａ等の平面視における位置関係や各プローブ電極の延出する向きについて、比較例との構成の差異を示している。図５のＡ１、Ａ２及びＡ３に示す構成は、比較例の物理量センサー１の可動体の構成であり、Ｂ１に示す構成は本実施形態における可動体ＭＢの構成である。
物理量センサー１における物理量の検出手法については、図４において説明したが、可動体ＭＢの加速度に対する回転感度について、具体的に考察しておく。図６は、図５のＡ１～Ａ３及びＢ１に示す構成に対応する回転物理系を模式的に示している。図６のＡ１に示す構成例では、支持梁４２から第１方向ＤＲ１側にΔＬ１だけ離れた位置に質量Ｍ１の第１基部２３Ａが設けられ、また、支持梁４２から第４方向ＤＲ４側にも、ΔＬ１だけ離れた位置に同じ質量Ｍ１の第２基部６３Ａが設けられている。可動体ＭＢにおける支持梁４２の第１方向ＤＲ１側の慣性モーメントをＩＺ１とし、支持梁４２の第４方向ＤＲ４側の慣性モーメントをＩＺ２とすると、慣性モーメントＩＺ１、ＩＺ２は、ともにＭ１×ΔＬ１２となり、等しくなっている。ここで、例えば、第３方向ＤＲ３の加速度が生じた場合、第１基部２３Ａと第２基部６３Ｂは、第３方向ＤＲ３とは逆向きの慣性力ＦＩを受ける。しかし、第１基部２３Ａと、第２基部６３Ａのそれぞれの受ける慣性力ＦＩは、支持梁４２を含む回転物理系においては、互いにトルクを相殺し合う方向に作用することになる。そこで、支持梁４２の第１方向ＤＲ１側の慣性モーメントＩＺ１と支持梁４２の第４方向ＤＲ４側の慣性モーメントＩＺ２との差分を取ったものが、可動体ＭＢ全体としての正味の慣性モーメントＩになると考えられる。即ち、この正味の慣性モーメントであるＩＺ１－ＩＺ２が、可動体ＭＢ全体としての回転感度を示す指標になる。
図５のＡ１に示す構成例では、正味の慣性モーメントであるＩＺ１－ＩＺ２はゼロになるため、支持梁４２を回転軸として揺動運動をする可動体ＭＢに第３方向ＤＲ３に沿う慣性力が生じても、可動体ＭＢ全体としては動くことはできない。なお、支持梁４２の第１方向ＤＲ１側には、第１可動電極部２０Ａ及び第１連結部３０が設けられ、支持梁４２の第４方向ＤＲ４側には第２可動電極部６０Ａ及び第２連結部７０が設けられているが、これらも回転軸に対称に設けられているものとして考える。
このように、図５のＡ１に示す構成例では、正味の慣性モーメントＩがゼロになり、可動体ＭＢ全体としては動くことができないという問題がある。そこで、このような問題を解消するために、図５のＡ２及びＡ３に示すような構成例が考えられる。図５のＡ２及びＡ３に示す構成例では、支持梁４２の第１方向ＤＲ１側に質量部ＭＰを設けて、正味の慣性モーメントＩが０ではなくなるような構成になっている。図５のＡ２に示す構成例では、図６のＡ２に示すように、回転軸から距離ａの位置に質量部ＭＰが設けられており、ＩＺ１＝Ｍ１×ΔＬ１２＋Ｍ２×ａ２となる。このため、正味の慣性モーメントＩは、Ｍ２×ａ２になる。また、図５のＡ３に示す構成例では、図６のＡ３に示すように、回転軸から距離ｂの位置に質量部ＭＰが設けられており、ＩＺ１＝Ｍ１×ΔＬ１２＋Ｍ２×ｂ２となり、正味の慣性モーメントＩは、Ｍ２×ｂ２になる。このように、図５のＡ１の構成例を改良したＡ２、Ａ３の構成のいずれにおいても正味の慣性モーメントＩはゼロではなくなり、可動体ＭＢは一定の回転感度で揺動することができるようになる。しかし、これらの構成では、回転軸の両側に設けられる第１基部２３Ａと第２基部６３Ａの質量Ｍ１がキャンセルされる構造になっており、第１基部２３Ａと第２基部６３Ａの質量は可動体ＭＢの実質的な回転感度に寄与しない構成になっている。即ち、第１基部２３Ａと第２基部６３Ａ以外に質量部ＭＰを設けることによって、はじめて可動体ＭＢに回転感度がもたらされることになる。
このような構成では、確かに質量部ＭＰを設けることで、正味の慣性モーメントＩが０ではなくなるようにすることはできるが、既存の構成部である第１基部２３Ａや第２基部６３Ａを正味の慣性モーメントＩに寄与させることができないため、可動体ＭＢの回転感度を稼ぐには効率が悪くなる。また慣性モーメントＩは質量ｍに比例し、回転軸からの距離ｒの自乗に比例する。従って、回転軸から近い距離ａにある質量部ＭＰが正味の慣性モーメントＩになる図５のＡ２に示す構成では、質量部ＭＰの質量Ｍ２を、回転軸からの距離の近さを打ち消す程度まで大きくしないと、可動体ＭＢの十分な回転感度を得ることはできない。
一方、図５のＡ３に示す構成では、質量部ＭＰは第１基部２３Ａの外側に設けられており、回転軸からの距離ｂをある程度の大きさにすることができ、図５のＡ２に示す構成例のような問題は生じない。しかしながら、図５のＡ３に示す構成例では、可動体ＭＢの外側に質量部ＭＰを設けることになるため、余分なスペースを必要とし、物理量センサー１の小型化の観点からは望ましくない。また特許文献１に示す構成は、回転軸に対して質量を非対称にしているが、高感度化の観点では、必ずしも最適ではない。そして、回転軸に対して櫛歯状のプローブ電極が対称に配置されていないため、正負の検出特性の線形性も悪くなるという問題がある。このように図５のＡ１～Ａ３に示す構成は、いずれも図中の矢印で示すように、プローブ電極の向きが回転軸に対して逆向きになるように設けられており、既存の構成部である第１基部２３Ａや第２基部６３Ａ自体を正味の慣性モーメントＩに寄与させることが難しい構成になっている。
この点、図５のＢ１に示す本実施形態では、各プローブ電極の延出する向きを回転軸の両側で一致させ、既存の第１基部２３Ａと第２基部６３Ａの回転軸に対する位置関係を非対称になるように変更し、正味の慣性モーメントＩを生み出せるような構成になっている。このため、別途、質量部ＭＰは設けなくても正味の慣性モーメントＩを生み出せる。具体的には、図２で説明したように、第１可動電極部２０Ａと第２可動電極部６０Ａを、支持梁４２を含む回転軸に対して対称な位置に設け、第１可動電極２１と第２可動電極６１の延出する向きが同じになるように、第１基部２３Ａと第２基部６３Ａが配置されている。本実施形態では、回転軸の第１方向ＤＲ１側の慣性モーメントＩＺ１は、ＩＺ１＝Ｍ１×ΔＬ２２になり、第４方向ＤＲ４側の慣性モーメントＩＺ２は、ＩＺ２＝Ｍ１×ΔＬ１２になる。従って、正味の慣性モーメントＩは、式（１）で表される。
Figure 2024015689000002
図５のＡ２に示す構成例では、回転軸から質量部ＭＰまでの距離ａが近くなり、正味の慣性モーメントＩが十分に稼げなかったのに対して、本実施形態では、式（１）に示すように、第１方向ＤＲ１側での、回転軸から第１基部２３Ａまでの距離ΔＬ２を近くするほど、正味の慣性モーメントＩは大きくなることがわかる。このように、既存の第１基部２３Ａと第２基部６３Ａの配置を変更することで、正味の慣性モーメントＩを効率よく稼ぐことができ、可動体ＭＢの回転感度を得ることができる。また、新たに質量部ＭＰを設けなくても正味の慣性モーメントＩを稼ぐことが可能であり、、また、質量部ＭＰの追加するによる物理量センサー１の体積増加の問題も比較的生じにくい。
即ち、本実施形態の物理量センサー１は、互いに直交する３つの方向を第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での物理量を検出する物理量センサーである。本実施形態の物理量センサー１は、固定部４０と支持梁４２と可動体ＭＢと第１固定電極部１０Ａ及び第２固定電極部５０Ａと、を含む。固定部４０は、基板２に固定される。支持梁４２は、固定部４０に一端が接続され、第２方向ＤＲ２に沿って設けられる。可動体ＭＢは、支持梁４２の他端に接続される。第１固定電極部１０Ａ及び第２固定電極部５０Ａは、基板２に設けられる。可動体ＭＢは、第１連結部３０と第１基部２３Ａと第１可動電極部２０Ａと第２連結部７０と第２基部６３Ａと第２可動電極部６０Ａと、を有する。第１連結部３０は、支持梁４２の他端に接続され、支持梁４２から第１方向ＤＲ１に延びる。第１基部２３Ａは、第１連結部３０に接続され、第２方向ＤＲ２に沿って設けられる。第１可動電極部２０Ａの第１可動電極２１は、第１基部２３Ａから第１方向ＤＲ１に延び、第１固定電極部１０Ａの第１固定電極１１と第２方向ＤＲ２において対向する。第２連結部７０は、支持梁４２の他端に接続され、支持梁４２から第１方向ＤＲ１の反対方向である第４方向ＤＲ４に延びる。第２基部６３Ａは、第２連結部７０に接続され、第２方向ＤＲ２に沿って設けられる。第２可動電極部６０Ａの第２可動電極６１は、第２基部６３Ａから第１方向ＤＲ１に延び、第２固定電極部５０Ａの第２固定電極５１と第２方向ＤＲ２において対向する。
このようにすれば、第１可動電極２１と第２可動電極６１を、回転軸である支持梁４２に対して同じ方向に延出させることで、検出部Ｚ１は第１基部２３Ａに対して回転軸から遠い側に配置され、検出部Ｚ２は第２基部６３Ａに対して回転軸に近い側に配置されることになる。従って、第２基部６３Ａを、第１基部２３Ａよりも回転軸から遠い位置に配置することが容易になる。よって、慣性モーメントＩを効率的に稼ぐことができ、物理量センサー１の物理量の検出感度を高感度化できる。
このように本実施形態では、例えば、支持梁４２のバネ長方向が第２方向ＤＲ２に、プローブ電極の櫛歯長方向が第１方向ＤＲ１になっており、支持梁４２のバネ長方向とプローブ電極の櫛歯長方向と、が直交関係になっている。そして、平面視において、支持梁４２を含む回転軸の両側にあり、プローブ電極の設けられる領域の中心と当該回転軸までの距離の等しいプローブ電極同士を比較したとき、少なくとも一つの領域で可動のプローブ電極の根元から先端部への方向が一致する。このような構成により、本実施形態の物理量センサー１では、平面視において、支持梁４２を含む回転軸の両側にプローブ電極が設けられ、更に、可動体ＭＢの形状及び質量は非対称になる。これにより、物理量センサー１の高感度化と小型化が実現できる。
また本実施形態では、例えば図３で第１可動電極２１と第２可動電極６１の第３方向ＤＲ３での厚みを小さくすれば、初期状態での静電容量を小さくすることができ、出力電圧のＳＮ比向上というメリットもある。
即ち、本実施形態では、第１可動電極部２０Ａと第２可動電極部６０Ａは、支持梁４２に対して第１方向ＤＲ１において対称な位置に設けられる。
このようにすれば、各検出部は回転軸に対して対称に配置されるようになるため、正負の検出特性の線形性に優れた物理量センサー１を実現できる。
２．詳細な構成例
図７は、本実施形態の第１詳細例の平面図である。第１詳細例は、図１に示す構成例と同様に面外回転による面積変化型構造の物理量センサー１であるが、可動体ＭＢ全体の形状やプローブ電極の構成が図１に示す構成例と異なっている。第１詳細例では、可動体ＭＢは基板２に２つの固定部４０で連結されている。そして、第１詳細例では、物理量センサー１は、第１基部２３Ａに加えて第３基部２３Ｂを有している。第３基部２３Ｂは、第１基部２３Ａとともに、可動体ＭＢの２つの第１連結部３０を第２方向ＤＲ２で連結している。可動体ＭＢの２つの第１連結部３０は、図７のように、第１基部２３Ａ及び第３基部２３Ｂを挟んで両側に設けられている。
第１詳細例では、物理量センサー１は、第１固定電極部１０Ａ、第２固定電極部５０Ａに加えて、第３固定電極部１０Ｂ、第４固定電極部５０Ｂを有する。また、第１詳細例の可動体ＭＢは、第１可動電極部２０Ａ、第２可動電極部６０Ａに加えて、第３可動電極部２０Ｂ、第４可動電極部６０Ｂを有する。
第３固定電極部１０Ｂは、図７に示すように支持梁４２を含む回転軸の第１方向ＤＲ１側に、第１固定電極部１０Ａと第１方向ＤＲ１に沿って並んで設けられている。また、第３固定電極部１０Ｂは、第１固定電極部１０Ａの第１方向ＤＲ１側に設けられている。第３固定電極部１０Ｂは、櫛歯状の第３固定電極１２を有しており、第３固定電極１２は、第１固定電極１１と共通の基部から第１固定電極１１と反対側の第１方向ＤＲ１に延在している。
第３可動電極部２０Ｂは、支持梁４２を含む回転軸の第１方向ＤＲ１側に、第１可動電極部２０Ａと第１方向ＤＲ１に沿って並んで設けられている。また、第３可動電極部２０Ｂは、第１可動電極部２０Ａの第１方向ＤＲ１側に設けられている。第３可動電極部２０Ｂは、櫛歯状の第３可動電極２２を有しており、第３可動電極２２は、第３基部２３Ｂから第４方向ＤＲ４に延出している。そして、検出部Ｚ１において、第３可動電極２２は、第２方向ＤＲ２において第３固定電極１２と対向するように交互に設けられている。
第４固定電極部５０Ｂは、回転軸の第４方向ＤＲ４側に、第２固定電極部５０Ａと第１方向ＤＲ１に沿って並んで設けられている。また、第４固定電極部５０Ｂは、第２固定電極部５０Ａの第４方向ＤＲ４側に設けられている。第４固定電極部５０Ｂは、櫛歯状の第４固定電極５２を有しており、第４固定電極５２は、第４固定電極部５０Ｂの基部から第１方向ＤＲ１に延在している。
第４可動電極部６０Ｂは、回転軸の第４方向ＤＲ４側に、第２可動電極部６０Ａと第１方向ＤＲ１に沿って並んで設けられている。また、第４可動電極部６０Ｂは、第２可動電極部６０Ａの第４方向ＤＲ４側に設けられている。第４可動電極部６０Ｂは、櫛歯状の第４可動電極６２を有しており、第４可動電極６２は第４基部６３Ｂから第２可動電極６１と反対側の第４方向ＤＲ４に延出している。そして、検出部Ｚ２において、第４可動電極６２は、第２方向ＤＲ２において第４固定電極５２と対向するように交互に設けられている。ここで、第４基部６３Ｂは、前述した第２基部６３Ａと一体になっている。即ち、第２基部６３Ａと第４基部６３Ｂは一体になっており、当該一体になった部分の第１方向ＤＲ１側に第２可動電極６１が延出しており、第４方向ＤＲ４側に第４可動電極６２が延出している。また、第４基部６３Ｂは、第２基部６３Ａと別体になっていてもよい。
このように第１詳細例では、支持梁４２を含む回転軸の第１方向ＤＲ１側で、第１固定電極１１と第１可動電極２１が対向するように設けられたエリアと、第３固定電極１２と第３可動電極２２が対向するように設けられたエリアとが２列並んで設けられている。なお、以下においては、適宜、第１固定電極１１、第３固定電極１２を区別せずに固定電極１４と、第１可動電極２１、第３可動電極２２を区別せずに可動電極２４と、総称して表記する。また、第２固定電極５１、第４固定電極５２を区別せずに固定電極５４と、第２可動電極６１、第４可動電極６２を区別せずに可動電極６４と、総称して表記する。また、図７に示すように、第１基部２３Ａは、支持梁４２及び固定部４０と第１可動電極部２０Ａとの間を埋めるように構成してもよい。また、図７に示すように、支持梁４２及び固定部４０の第４方向ＤＲ４側に、支持梁４２を保護する保護部を配置してもよい。また、図７に示すように、第１基部２３Ａ及び第３基部２３Ｂは、一体となっている第２基部６３Ａ及び第４基部６３Ｂよりも幅広に構成されててもよい。
図８は、第１詳細例の各検出部のプローブ電極の構成を説明する図である。図８の上図は、検出部Ｚ１におけるプローブ電極の構成を示す。第１詳細例では、第１固定電極部１０Ａと第３固定電極部１０Ｂは、第４方向ＤＲ４側で第１可動電極部２０Ａと隣接し、第１方向ＤＲ１側では第３可動電極部２０Ｂと隣接する構成になっている。即ち、第１固定電極部１０Ａと第３固定電極部１０Ｂは、第１可動電極部２０Ａと第３可動電極部２０Ｂに囲まれた構成になっている。そして、図１の構成例と同様に、第１可動電極２１と第３可動電極２２の第３方向ＤＲ３での厚みは、第１固定電極１１、第３固定電極１２の厚みよりも厚くなっている。
図８の下図は、検出部Ｚ２におけるプローブ電極の構成を示す。検出部Ｚ２では、第２固定電極部５０Ａは、第４方向ＤＲ４側で第２可動電極部６０Ａと隣接し、第４固定電極部５０Ｂは、第１方向ＤＲ１側で第４可動電極部６０Ｂと隣接する構成になっている。そして、図１の構成例と同様に、第２可動電極６１と第４可動電極６２の第３方向ＤＲ３での厚みは、第２固定電極５１、第４固定電極５２の厚みよりも厚くなっている。
第１詳細例において、第３方向ＤＲ３または第５方向ＤＲ５の加速度が生じ、加速度の向きと逆向きに変位するのは、検出部Ｚ１の第１可動電極２１と第３可動電極２２である。これは、第１方向ＤＲ１側に設けられた可動体ＭＢ、即ち、検出部Ｚ１側の可動体ＭＢが、第４方向ＤＲ４側に設けられた可動体ＭＢ、即ち、検出部Ｚ２側の可動体ＭＢよりも重いからである。したがって、第１詳細例における検出部Ｚ１、Ｚ２の動作は、図４で説明した動作原理とは、第１可動電極２１及び第２可動電極６１の動く向きが逆である。このため、第３方向ＤＲ３の加速度が生じた場合にプローブ電極の対向面積の減少が生じるのは、検出部Ｚ１ではなく、検出部Ｚ２になる。また、第５方向ＤＲ５の加速度が生じた場合にプローブ電極の対向面積の減少が生じるのは、検出部Ｚ２ではなく、検出部Ｚ１になる。前述した通り、第１詳細例では、プローブ電極の設けられるエリアが、回転軸に近い側と遠い側に２列に積み重ねられた構成であるため、対向面積の変化はより大きく検出されることになる。また、可動電極２４及び可動電極６４の長手方向となる第１方向ＤＲ１あるいは第４方向ＤＲ４の加速度が生じた場合に可動体が第１方向ＤＲ１あるいは第４方向ＤＲ４への変位した場合、検出部Ｚ１、Ｚ２のそれぞれにおいて対向面積の変化を相殺できるため検出精度を向上させることができる。２列の他、偶数列であれば同様の効果が得られる。
以下において、第１詳細例に代表される、回転軸の両側にプローブ電極のエリアを２列以上設けた構成の作用効果について検討する。図１に示す構成例は、支持梁４２を含む回転軸の両側にプローブ電極のエリアがそれぞれ１列ずつ設けられた最も基本的な構成例である。しかし、本実施形態の実際の適用例としては、回転軸の両側にプローブ電極のエリアをそれぞれ２列以上設けた第１詳細例のような構成を採用する場合が多い。
図９は、第１詳細例に代表される構成例を一般化し、回転軸の両側にプローブ電極のエリアをそれぞれ２列以上設けた場合の可動体ＭＢの平面視での形状を示す概略図である。図９のＡ４に示す構成は、図５のＡ１に示す構成に対応しており、支持梁４２を含む回転軸の両側で可動体ＭＢの形状が対称になっている。この場合、回転軸の第１方向ＤＲ１側にある第１基部２３Ａ、第３基部２３Ｂ、・・・は、それぞれ回転軸からΔＬ１、２×ΔＬ１、・・・、Ｎ×ΔＬ１の距離だけ離れた位置に設けられている。ここで、Ｎは３以上の自然数とする。また、回転軸の第４方向ＤＲ４側にある第２基部６３Ａ、第４基部６３Ｂ、・・・、も同様に回転軸からΔＬ１、２×ΔＬ１、・・・、Ｎ×ΔＬ１の距離だけ離れた位置に設けられている。このため、図９のＡ４に示す構成では、可動体ＭＢの回転軸の第１方向ＤＲ１側の部分の慣性モーメントＩＺ１と、回転軸の第４方向ＤＲ４側の慣性モーメントＩＺ２は式（２）のように表される。
Figure 2024015689000003
従って、図９のＡ４に示す構成では、可動体ＭＢの正味の慣性モーメントＩは、ＩＺ１とＩＺ２が相殺されてゼロになり、加速度が生じても、可動体ＭＢ全体として回転軸の回りで揺動することはできない。なお、図５で前述したように、第１可動電極部２０Ａ、第３可動電極部２０Ｂ、・・・及び第１連結部３０と、第２可動電極部６０Ａ、第４可動電極部６０Ｂ、・・・及び第２連結部７０は、回転軸に対称に設けられており、式（２）では、これらの影響は考えなくてよいものとする。
一方、図９のＢ２に示す構成は、図５のＢ１に示す構成に対応しており、支持梁４２を含む回転軸の両側で可動体の形状が非対称になっている。図９に示すように、回転軸の第４方向ＤＲ４側では、Ａ４に示す構成とＢ２に示す構成とで、第２基部６３Ａ、第４基部６３Ｂ、・・・は、回転軸から同じ距離だけ離れた位置に設けられている。しかし、回転軸の第１方向ＤＲ１側では、矢印で示すように、Ｂ２に示す構成での第１基部２３Ａ、第３基部２３Ｂ、・・・は、Ａ４に示す構成での第１基部２３Ａ等よりも第４方向ＤＲ４側にΔＬ１／２だけずれた位置に設けられている。まず、可動体ＭＢの回転軸の第１方向ＤＲ１側の部分の慣性モーメントＩＺ１は、式（３）のように表される。
Figure 2024015689000004
そして、回転軸の第４方向ＤＲ４側での可動体ＭＢの慣性モーメントＩＺ２は、図９のＡ４とＢ２とで、第２基部６３Ａの配置位置は変わらないため、式（２）の右辺と同じになる。従って、図９のＢ２に示す構成における可動体ＭＢ全体での正味の慣性モーメントＩは、各基部の数にあたるＮが回転軸の両側で等しい場合には、式（４）のように求められる。ここで、回転軸の第４方向ＤＲ４側での可動体ＭＢの慣性モーメントＩＺ２は、回転軸の第１方向ＤＲ１側での可動体ＭＢの慣性モーメントＩＺ１よりも大きくなっている。
Figure 2024015689000005
また、回転軸の第１方向ＤＲ１側での基部の数にあたるＮが、回転軸の第４方向ＤＲ４側での基部の数よりも１つ多い場合には、式（５）のように求められる。
Figure 2024015689000006
式（４）又は式（５）より、図９のＢ２に示す構成においては、第１基部２３Ａ、第２基部６３Ａ、第３基部２３Ｂ、第４基部６３Ｂ、・・・の質量Ｍ１や、これらの間隔ΔＬ１が同一であれば、Ｎを大きくするほど、可動体ＭＢの正味の慣性モーメントＩの絶対値を大きくでき、可動体ＭＢの回転感度を向上できる。即ち、支持梁４２を含む回転軸の両側において、プローブ電極のエリアをより多く重ねた構成にすると、物理量センサー１の物理量の検出感度を向上できる。
なお、第１詳細例について補足すると、可動体ＭＢの長手方向を、支持梁４２を含む回転軸の方向と一致させることで、基板２の面内回転の首振りモードの共振周波数を検出モードの共振周波数から遠ざけることができ、高精度な物理量の検出が可能となる。即ち、プローブ電極の長手方向の不要な他軸感度を改善できる。また、支持梁４２の長手方向と各プローブ電極の長手方向は、直交関係にあり、各プローブ電極が長くならないことから耐衝撃性、プローブ電極同士の貼り付きを改善できる。また、各検出部Ｚ１、Ｚ２は回転軸に対称に配置されているため、正負の検出特性の線形性が優れる。そして、回転軸の両側に配置された検出部Ｚ１、Ｚ２において、プローブ電極対向領域の中心値と回転軸からの距離が等しいものを比較したときに、各領域での可動側のプローブ電極の根元から先端部の方向が一致している。そのため可動体ＭＢの形状を、支持梁４２を含む回転軸に対して、非対称にできるため、トルクを効率よく稼ぐことで、物理量の検出感度を高感度化でき、小型化にも繋がる。また、可動体ＭＢの各構成部の第３方向ＤＲ３の厚みは任意に設計できるが、各連結部３０、７０、各可動電極部２０Ａ、２０Ｂ、６０Ａ、６０Ｂ、支持梁４２を全て同一の厚みにすると、プローブ電極の櫛歯長方向の他軸感度を改善できる。
本実施形態では、基板２に設けられた第３固定電極部１０Ｂ及び第４固定電極部５０Ｂと、を含む。可動体ＭＢは、第３基部２３Ｂと第３可動電極部２０Ｂと第４基部６３Ｂと第４可動電極部６０Ｂと、を有する。第３基部２３Ｂは、第１連結部３０に接続され、第２方向ＤＲ２に沿って設けられる。第３可動電極部２０Ｂの第３可動電極２２は、第３基部２３Ｂから第４方向ＤＲ４に延び、第３固定電極部１０Ｂの第３固定電極１２と第２方向ＤＲ２において対向する。第４基部６３Ｂは、前記第２連結部７０に接続され、前記第２方向ＤＲ２に沿って設けられる。第４可動電極部６０Ｂの第４可動電極６２は、第２基部６３Ａから第４方向ＤＲ４に延び、第４固定電極部５０Ｂの第４固定電極５２と第２方向ＤＲ２において対向する。
このようにすれば、加速度に伴う可動体ＭＢの揺動運動に対して、回転軸の第１方向ＤＲ１側では、第１固定電極１１と第１可動電極２１の対向面積だけでなく、第３固定電極１２と第３可動電極２２の対向面積も変化する。また、回転軸の第４方向ＤＲ４側では、第２固定電極５１と第２可動電極６１の対向面積だけでなく、第４固定電極５２と第４可動電極６２の対向面積も変化する。従って、より多くのプローブ電極を用いて、物理量の変化の検出を行うことが可能になり、物理量センサー１の物理量検出感度を向上できる。また第３基部２３Ｂを、第１基部２３Ａや第２基部６３Ａよりも回転軸から離れた位置に設けることができ、可動体ＭＢの慣性モーメントＩをより多く稼ぐことができるようになり、物理量センサー１の高感度化を実現できる。
また本実施形態では、第３可動電極部２０Ｂと第４可動電極部６０Ｂは、支持梁４２に対して第１方向ＤＲ１において対称な位置に設けられる。
このようにすれば、支持梁４２を含む回転軸の第４方向ＤＲ４側に設けられる第２基部６３Ａを、回転軸に対して、第１基部２３Ａや第３基部２３Ｂと非対称に配置できるようになる。このため、可動体ＭＢ全体の慣性モーメントＩを、より少ないスペースで効率的に稼ぐことができる。従って、小型かつ高検出感度な物理量センサー１を実現できる。また、第３可動電極部２０Ｂと第４可動電極部６０Ｂについても回転軸に対して対称に配置されるようになるため、正負の検出特性の線形性に優れた物理量センサー１を実現できる。
また本実施形態では、第１可動電極部２０Ａの第１可動電極２１の第３方向ＤＲ３での厚みは、第１固定電極部１０Ａの第１固定電極１１の第３方向ＤＲ３での厚みと異なり、第２可動電極部６０Ａの第２可動電極６１の第３方向ＤＲ３での厚みは、第２固定電極部５０Ａの第２固定電極５１の第３方向ＤＲ３での厚みと異なる。
このようにすれば、第３方向及び第５方向の両方の物理量の変化を検出できる。また、断面視において、第１可動電極部２０Ａの第１可動電極２１と第１固定電極部１０Ａの第１固定電極１１を、いずれか一方の全体が他の一部と重なるように配置することができる。また、第２可動電極部６０Ａの第２可動電極６１と第２固定電極部５０Ａの第２固定電極５１についても、いずれか一方の全体が他の一部と重なるように配置することができる。
また図１に示す構成例において、第１可動電極部２０Ａの第１可動電極２１の第３方向ＤＲ３での厚みは、第１固定電極部１０Ａの第１固定電極１１の第３方向ＤＲ３での厚みより大きく、第２可動電極部６０Ａの第２可動電極６１の第３方向ＤＲ３での厚みは、第２固定電極部５０Ａの第２固定電極５１の第３方向ＤＲ３での厚みより大きい。
このようにすれば、図１に示す構成例において、断面視で第１可動電極２１と第１固定電極１１の裏面が面一になるように配置することで、第３方向ＤＲ３の加速度が生じた場合、第１可動電極２１は第３方向ＤＲ３に変位するため、第１可動電極２１と第１固定電極１１の対向面積は減少する。また第５方向ＤＲ５の加速度が生じた場合、第１可動電極２１は第５方向ＤＲ５に変位するため、第１可動電極２１と第１固定電極１１の対向面積は維持される。第２可動電極６１と第２固定電極５１については、裏面が面一になるように配置することで、第３方向ＤＲ３の加速度が生じた場合、第２可動電極６１は第５方向ＤＲ５に変位するため、第２可動電極６１と第２固定電極５１の対向面積は維持される。また第５方向ＤＲ５の加速度が生じた場合、第２可動電極６１は第３方向ＤＲ３に変位するため、第２可動電極６１と第２固定電極５１の対向面積は減少する。従って、第３方向ＤＲ３と第５方向ＤＲ５のいずれの方向の物理量も検出できる。
図１０は、第１詳細例の変形例を示す平面図である。図１０の変形例は、第１詳細例とプローブ電極の形状が異なっている。図１０の変形例では、図８に示す第１詳細例のプローブ電極の形状と比較して、検出部Ｚ１において、第１可動電極２１、第３可動電極２２の第３方向ＤＲ３での厚みが、第１固定電極１１、第３固定電極１２の第３方向ＤＲ３での厚みよりも薄くなっている。また、検出部Ｚ２においても、第２可動電極６１、第４可動電極６２の第３方向ＤＲ３での厚みが、第２固定電極５１、第４固定電極５２の第３方向ＤＲ３での厚みよりも薄くなっている。
図１１は、図１０に示す変形例を採用した際の検出部Ｚ１、Ｚ２の動作を説明する図である。図１０に示す変形例において、第３可動電極２２、第３基部２３Ｂ、及び第４可動電極６２が設けられているため、可動体ＭＢにおける検出部Ｚ１の質量と検出部Ｚ２の質量の関係が図１に示す構成例と逆になっている。したがって、図１０に示す変形例における検出部Ｚ１、Ｚ２の動作は、図４で説明した動作原理とは、可動電極２４及び可動電極６４の動く向きが逆である。そして、図１１に示すように、第３方向ＤＲ３の加速度が生じた場合にプローブ電極の対向面積の減少が生じるのは、検出部Ｚ１になる。また、第５方向ＤＲ５の加速度が生じた場合にプローブ電極の対向面積の減少が生じるのは、検出部Ｚ２になる。
図１２は、第２詳細例を示す平面図である。図７に示す第１詳細例と比較すると、支持梁４２を含む回転軸の第１方向ＤＲ１側では、第１固定電極部１０Ａ及び第３固定電極部１０Ｂが分断されている。そして、第３基部２３Ｂの一部に突起部ｃが設けられており、突起部ｃは分断されたスペースに延在している。また、回転軸の第４方向ＤＲ４側では、第２固定電極部５０Ａ、第４固定電極部５０Ｂ及び第２基部６３Ａが分断されている。図１３は、図１２に示す変形例の斜視図である。
図１２、図１３に示すような変形例を採用した場合、突起部ｃは第３基部２３Ｂの質量を大きくするため、図９で説明した正味の慣性モーメントＩを増やし、物理量センサー１の物理量の検出感度を向上させる効果を持つ。また、回転軸の第４方向ＤＲ４側では、第２固定電極部５０Ａ等が分断されているため、電極配線を当該分断されたスペースに設けることができ、ＳＯＩプロセスを採用した際のデバイス設計を容易化できる。この点、第２基部６３Ａ、第４基部６３Ｂ等の分断されていない第１詳細例は、可動体ＭＢの剛性が高く、変形しにくくなる。従って、耐衝撃性に優れ、正確な物理量検出ができるというメリットがある。
図１４は、本実施形態の第３詳細例の平面図である。第３詳細例は、図１２に示す第１詳細例の変形例とは、プローブ電極の構成や検出部の構成が異なっている。
第３詳細例では、第１固定電極部１０Ａは、第１固定電極群１０Ａ１と第２固定電極群１０Ａ２を有し、第１可動電極部２０Ａは、第１可動電極群２０Ａ１と第２可動電極群２０Ａ２を有する。第２固定電極部５０Ａは、第３固定電極群５０Ａ１と第４固定電極群５０Ａ２を有し、第２可動電極部６０Ａは、第３可動電極群６０Ａ１と第４可動電極群６０Ａ２を有する。また、第３固定電極部１０Ｂは、第５固定電極群１０Ｂ１と第６固定電極群１０Ｂ２を有し、第３可動電極部２０Ｂは、第５可動電極群２０Ｂ１と第６可動電極群２０Ｂ２を有する。第４固定電極部５０Ｂは、第７固定電極群５０Ｂ１と第８固定電極群５０Ｂ２を有し、第４可動電極部６０Ｂは、第７可動電極群６０Ｂ１と第８可動電極群６０Ｂ２を有する。
そして、第３詳細例では、支持梁４２の第１方向ＤＲ１側に検出部Ｚ１と検出部Ｚ２が、第２方向ＤＲ２に沿って並んで設けられており、支持梁４２の第４方向ＤＲ４側に検出部Ｚ１’と検出部Ｚ２’が、第２方向ＤＲ２に沿って並んで設けられている。また、検出部Ｚ１と検出部Ｚ２’は、支持梁４２を含む回転軸に対して対称な位置に設けられており、検出部Ｚ２と検出部Ｚ１’も、支持梁４２を含む回転軸に対して対称な位置に設けられている。
図１４に示すように、支持梁４２の第１方向ＤＲ１側にある検出部Ｚ１では、第１固定電極群１０Ａ１と第１可動電極群２０Ａ１が第２方向ＤＲ２で対向するように設けられており、第５固定電極群１０Ｂ１と第５可動電極群２０Ｂ１が第２方向ＤＲ２で対向するように設けられている。また、検出部Ｚ２では、第２固定電極群１０Ａ２と第２可動電極群２０Ａ２が第２方向ＤＲ２で対向するように設けられており、第６固定電極群１０Ｂ２と第６可動電極群２０Ｂ２が第２方向ＤＲ２で対向するように設けられている。
そして、支持梁４２の第４方向ＤＲ４側にある検出部Ｚ２’では、第３固定電極群５０Ａ１と第３可動電極群６０Ａ１が第２方向ＤＲ２で対向するように設けられており、第７固定電極群５０Ｂ１と第７可動電極群６０Ｂ１が第２方向ＤＲ２で対向するように設けられている。また、検出部Ｚ１’では、第４固定電極群５０Ａ２と第４可動電極群６０Ａ２が第２方向ＤＲ２で対向するように設けられており、第８固定電極群５０Ｂ２と第８可動電極群６０Ｂ２が第２方向ＤＲ２で対向するように設けられている。
図１５は、第３詳細例における各検出部でのプローブ電極の動作を説明する図である。図１５の上段は、回転軸の第１方向ＤＲ１側に設けられる検出部Ｚ１、Ｚ２におけるプローブ電極の動作を示し、図１５の下段は、回転軸の第４方向ＤＲ４側に設けられる検出部Ｚ１’、Ｚ２’におけるプローブ電極の動作を示している。図１５の左列に示すように、静止状態において、回転軸の第１方向ＤＲ１側にある検出部Ｚ１、Ｚ２で、固定側のプローブ電極の第３方向ＤＲ３での厚みは異なっており、検出部Ｚ２の第２固定電極群１０Ａ２、第６固定電極群１０Ｂ２の方が厚くなっている。そして、可動側のプローブ電極の第３方向ＤＲ３での厚みも、検出部Ｚ１、Ｚ２で異なっており、検出部Ｚ１の第１可動電極群２０Ａ１、第５可動電極群２０Ｂ１の方が厚くなっている。回転軸の第４方向ＤＲ４側にある検出部Ｚ１’、Ｚ２’では、検出部Ｚ２’の第３固定電極群５０Ａ１、第７固定電極群５０Ｂ１の方が薄くなっている。そして、可動側のプローブ電極の第３方向ＤＲ３での厚みも、検出部Ｚ１’、Ｚ２’で異なっており、検出部Ｚ２’の第３可動電極群６０Ａ１、第７可動電極群６０Ｂ１の方が厚くなっている。
図１５の中央列と右列には、第３詳細例を採用した場合において、加速度が生じた際のプローブ電極の動作が示されている。基本的には、図４、図１１で説明した動作と同様の動作になるが、第３詳細例では、回転軸の第１方向ＤＲ１側と第４方向ＤＲ４側のいずれかにおいて、加速度に伴うプローブ電極の対向面積の変化が生じるようになっている。
即ち、本実施形態では、第１固定電極部１０Ａは、第２方向ＤＲ２に沿って並んで配置される第１固定電極群１０Ａ１と第２固定電極群１０Ａ２と、を有する。第１可動電極部２０Ａは、第１固定電極群１０Ａ１と対向するように設けられる第１可動電極群２０Ａ１と、第２固定電極群１０Ａ２と対向するように設けられる第２可動電極群２０Ａ２と、を有する。第２固定電極部５０Ａは、第２方向ＤＲ２に沿って並んで配置される第３固定電極群５０Ａ１と第４固定電極群５０Ａ２と、を有する。第２可動電極部６０Ａは、第３固定電極群５０Ａ１と対向するように設けられる第３可動電極群６０Ａ１と、第４固定電極群５０Ａ２と対向するように設けられる第４可動電極群６０Ａ２と、を有する。第１可動電極群２０Ａ１の第３方向ＤＲ３の長さは、第２可動電極群２０Ａ２の第３方向ＤＲ３の長さと異なり、第３可動電極群６０Ａ１の第３方向ＤＲ３の長さは、第４可動電極群６０Ａ２の第３方向ＤＲ３の長さと異なる。
このようにすれば、各検出部を、支持梁４２を含む回転軸の両側に分散させて設けることができ、検出部の多様な配置バリエーションを実現できる。なお、可動体ＭＢの慣性モーメントIの対称性の観点から、各検出部の可動側のプローブ電極の厚みは、図１４にＤで示す一点鎖線に対して対称にすることが望ましい。
図１６は、本実施形態の第４詳細例におけるプローブ電極の構成を示す斜視図である。第４詳細例は、図７に示す第１詳細例とプローブ電極の形状を変更した構成例であり、その他の構成部は第１詳細例と同様の構成になっている。
第４詳細例は、図１６に示すようにプローブ電極の形状が両側オフセット形状になっている。図１６の上図に示すように、検出部Ｚ１の表面側、即ち第３方向ＤＲ３側では、第１可動電極２１及び第３可動電極２２は、第１固定電極１１及び第３固定電極１２よりも第３方向ＤＲ３側に突き出ており、面一になっていない。また検出部Ｚ１の裏面、即ち第５方向ＤＲ５側では、第１固定電極１１及び第３固定電極１２は、第１可動電極２１及び第３可動電極２２よりも第５方向ＤＲ５側に突き出ており、面一になっていない。このように第１固定電極１１及び第３固定電極１２と、第１可動電極２１及び第３可動電極２２は、第３方向ＤＲ３での厚みは等しくなっているが、第２方向ＤＲ２での断面視で、互いに一部が重なり合うように設けられており、検出部Ｚ１の表裏面で両側オフセット形状ができている。なお、検出部Ｚ１の各プローブ電極の第３方向ＤＲ３での厚みは異なっていてもよい。
また、図１６の下図に示すように、検出部Ｚ２の表面では、第２固定電極５１及び第４固定電極５２は、第２可動電極６１及び第４可動電極６２よりも第５方向ＤＲ５側に凹んでおり、面一になっていない。また検出部Ｚ２の裏面では、第２可動電極６１及び第４可動電極６２は、第２固定電極５１及び第４固定電極５２よりも第３方向ＤＲ３側に凹んでおり、面一になっていない。このように検出部Ｚ２の各プローブ電極の第３方向ＤＲ３での厚みは等しくなっているが、断面視において、一部が重なり合うように設けられており、検出部Ｚ２の表裏面で両側オフセット形状ができている。なお、検出部Ｚ２の各プローブ電極の第３方向ＤＲ３での厚みは異なっていてもよい。
図１７は、第４詳細例を採用した際の検出部Ｚ１、Ｚ２の動作を説明する図である。第４詳細例においても、基本的な動作は図４の場合と同様である。しかし、第４詳細例では、プローブ電極が両側オフセット形状になっているため、ある方向の加速度に対して、検出部Ｚ１、Ｚ２の両方で対向面積の変化が検出される。例えば、図１７の中列に示す第３方向ＤＲ３の加速度が生じた場合、検出部Ｚ１では、可動電極２４が第３方向ＤＲ３と反対方向側の慣性力を受けて、第５方向ＤＲ５側に変位する。このため、固定電極１４と可動電極２４の対向面積は増加する。また、これに伴って、検出部Ｚ２では、可動電極６４が第３方向ＤＲ３側に変位し、固定電極５４と可動電極６４の対向面積は減少する。
第５方向ＤＲ５の加速度が生じた場合には、図１７の右列に示すように、検出部Ｚ１では、可動電極２４が第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、固定電極１４と可動電極２４の対向面積は減少する。また、これに伴って、検出部Ｚ２の可動電極６４は、第５方向ＤＲ５側に変位し、固定電極５４と可動電極６４の対向面積は増加する。
即ち、本実施形態では、静止状態において、第１固定電極部１０Ａの第１固定電極１１の第３方向ＤＲ３における端部の位置は、第１可動電極部２０Ａの第１可動電極２１の第３方向ＤＲ３における端部と異なる。第１固定電極部１０Ａの第１固定電極１１の第３方向ＤＲ３の反対方向である第５方向ＤＲ５における端部の位置は、第１可動電極部２０Ａの第１可動電極２１の第５方向ＤＲ５における端部と異なる。第２固定電極部５０Ａの第２固定電極５１の第３方向ＤＲ３における端部の位置は、第２可動電極部６０Ａの第２可動電極６１の第３方向ＤＲ３における端部と異なる。第２固定電極部５０Ａの第２固定電極５１の第５方向ＤＲ５における端部の位置は、第２可動電極部６０Ａの第２可動電極６１の第５方向ＤＲ５における端部と異なる。
このようにすれば、第３方向ＤＲ３或いは、第５方向ＤＲ５の加速度に対して、いずれの検出部においても対向するプローブ電極間の対向面積の変化が検出される。従って、図１の構成例や第１詳細例等と比較して物理量の検出感度を２倍に高感度化できる。
なお、図１６に示す第４詳細例で、固定電極１４と可動電極２４の上下関係を逆にして、固定電極５４と可動電極６４の上下関係を逆にしてもよい。この場合も、図１８に示すように、第３方向ＤＲ３或いは第５方向ＤＲ５の加速度に対して、いずれの検出部でも対向面積の変化が検出される。図１７に示す場合との違いは、対向面積の増加、減少が、逆になる点である。
図１９は、本実施形態の第１変形例の平面図である。第１変形例は、図７に示す第１詳細例において、可動体ＭＢのシーソー運動におけるアンカー部にあたる固定部４０を外側に配置した例である。外側アンカー構造の第１変形例は、高感度化を維持しつつ、配線の引き回しが容易な点で望ましい。
図２０は、本実施形態の第２変形例の平面図である。第２変形例は、図１２で説明した第１詳細例の変形例と基本的には同じ構造であるが、固定部４０と、第１固定電極部１０Ａ及び第３固定電極部１０Ｂを基板２に固定する第１固定電極固定部３と、第２固定電極部５０Ａ及び第４固定電極部５０Ｂを基板２に固定する第２固定電極固定部４、５と、を基板２の中央に纏めて配置した構成である。
即ち、本実施形態では、第１固定電極固定部３と第１固定電極基部１３Ａと第２固定電極固定部４、５と第２固定電極基部５３Ａと、を含む。第１固定電極固定部３は、第１固定電極部１０Ａを基板２に固定する。第１固定電極基部１３Ａは、第１固定電極部１０Ａに設けられ、第１固定電極が延出する。第１固定電極基部１３Ａは、第１固定電極部１０Ａから第４方向ＤＲ４に延在して第１固定電極固定部３に固定される。第２固定電極固定部４、５は、第２固定電極部５０Ａを基板２に固定する。第２固定電極基部５３Ａは、第２固定電極部５０Ａに設けられ、第２固定電極が延出する。第２固定電極基部５３Ａは、第２固定電極部５０Ａから第１方向ＤＲ１に延在して第２固定電極固定部４、５に固定される。第１固定電極固定部３は、支持梁４２の第１方向ＤＲ１において、第１固定電極部１０Ａよりも固定部４０に近い位置に設けられ、第２固定電極固定部４、５は、支持梁４２の第４方向ＤＲ４において、第２固定電極部５０Ａよりも固定部４０に近い位置に設けられる。このため、基板２に反りが発生した場合でも、その影響を受け難くなる。従って、第２変形例によれば、物理量センサー１の外部応力や熱等に起因した出力変動を抑制でき、高精度な物理量の検出が可能になる。
また、可動体ＭＢと、各固定電極部１０Ａ、１０Ｂ、５０Ａ及び５０Ｂは、基板２の中央の近い位置に設けることで、基板２の反りが発生した場合に、その影響は均一に現れることになる。このため、基板２に反りが発生した場合でも、その影響を受け難くなる。従って、第２変形例によれば、物理量センサー１の外部応力や熱等に起因した出力変動を抑制でき、高精度な物理量の検出が可能になる。なお、図２０において、第１固定電極固定部３は左右に分かれた各固定電極部１０Ａ、１０Ｂを根元で１つに結合しているが、左右の構成部ごとに分割して設けてもよい。また、固定部４と固定部５は、それぞれ独立した固定部として設けられているが、結合させて１つの固定部にしてもよい。
図２１は本実施形態の第３変形例の平面図である。第３変形例は、図９において説明した、支持梁４２を含む回転軸の両側にプローブ電極の対向するエリアを複数設けた構成例で、回転軸の両側に当該エリアを４列設けた構成例である。第３変形例では、例えば回転軸の第１方向ＤＲ１側では、第１基部２３Ａ、第３基部２３Ｂ、第５基部２３Ｃが設けられており、これらの基部の両側に各プローブ電極が設けられている。同一素子サイズのもと、当該エリアの数を多くすると、各プローブ電極の第１方向に沿う長さを短くできるため、物理量センサー１の耐衝撃性を向上できる。なお、第３変形例は、図２２のような構成にすることもできる。図２２は、図２１と比較して、プローブ電極の対向するエリアが３列に減っている。また、各プローブ電極の延出する方向が図２１と逆方向になっている。例えば、図２１に示す第３変形例では、第１可動電極２１は第１方向ＤＲ１に延出しているが、図２２に示す構成例では、第１可動電極２１は第４方向ＤＲ４に延出している。このように、第３変形例において、プローブ電極の対向するエリアを何列設けるか、或いは各プローブ電極の延出する向きをいずれの方向にするかについてはバリエーションがある。
図２３は、本実施形態の第４変形例の平面図である。第４変形例は、可動体ＭＢの一部の溝部ＲＰが設けられている。溝部ＲＰは、可動体ＭＢの第２連結部７０の第３方向側の表面に設けられており、一部が凹んだ形状になっている。このように、可動体ＭＢのうち、支持梁４２を含む回転軸から第４方向ＤＲ４側に溝部ＲＰを設けることで、可動体ＭＢの回転軸から第４方向ＤＲ４側の慣性モーメントＩＺ２を減らすことができる。図６、図９で説明したように、本実施形態では、可動体ＭＢの第４方向ＤＲ４側の慣性モーメントＩＺ２が、第１方向ＤＲ１側の慣性モーメントＩＺ１よりも少なくなることで、可動体ＭＢ全体としての正味の慣性モーメントを生じさせる構成になっている。従って、第４変形例により、溝部ＲＰを設けることで、慣性モーメントＩＺ２を減らすことができ、可動体ＭＢ全体の正味の慣性モーメントを増やすことができる。よって、物理量センサー１の物理量の検出感度を向上させることができる。なお、溝部ＲＰの形状については、第２連結部７０のうち、支持梁４２を含む回転軸から遠い部分に設け、溝部ＲＰを深くすることで、慣性モーメントＩＺ２の低減効果を大きくすることができる。
また、第４変形例における溝部ＲＰ形状のバリエーションとして、図２４に示すような構成も考えられる。即ち、溝部ＲＰを第２連結部７０だけでなく第２基部６３Ａに設けることもできる。このようにすれば、可動体ＭＢの回転軸から第４方向ＤＲ４側の慣性モーメントＩＺ２を、図２３に示す構成に比べて更に減らすことができ、物理量センサー１の物理量の検出感度を更に向上させることができる。
即ち、本実施形態では、第２連結部７０は、平面視において第３方向ＤＲ３にくぼむ溝部ＲＰを有することを特徴とする物理量センサー。
このようにすれば、第２連結部７０の質量を減らすことができ、可動体ＭＢのうち、回転軸から第４方向ＤＲ４側の慣性モーメントＩＺ２を減らすことができる。これにより、可動体ＭＢ全体としての正味の慣性モーメントＩを増加させることができる。従って、第４変形例によれば、物理量センサー１の物理量の検出感度を向上させることができる。
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２５、図２６を用いて説明する。図２５に示す慣性計測装置２０００（ＩＭＵ：Inertial Measurement Unit）は、自動車やロボットなどの運動体の姿勢や挙動などの慣性運動量を検出する装置である。慣性計測装置２０００は、３軸に沿った方向の加速度ａｘ、ａｙ、ａｚを検出する加速度センサーと、３軸回りの角速度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２６に示すように、回路基板２３２０の上面には、コネクター２３３０、Ｚ軸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２５、図２６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３つの方向を第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する物理量センサーである。本実施形態の物理量センサーは、固定部と支持梁と可動体と第１固定電極部及び第２固定電極部と、を含む。固定部は、基板に固定される。支持梁は、固定部に一端が接続され、第２方向に沿って設けられる。可動体は、支持梁の他端に接続される。第１固定電極部及び第２固定電極部は、基板に設けられる。可動体は、第１連結部と第１基部と第１可動電極部と第２連結部と第２基部と第２可動電極部と、を有する。第１連結部は、支持梁の他端に接続され、支持梁から第１方向に延びる。第１基部は、第１連結部に接続され、第２方向に沿って設けられる。第１可動電極部の第１可動電極は、第１基部から第１方向に延び、第１固定電極部の第１固定電極と第２方向において対向する。第２連結部は、支持梁の他端に接続され、支持梁から第１方向の反対方向である第４方向に延びる。第２基部は、第２連結部に接続され、第２方向に沿って設けられる。第２可動電極部の第２可動電極は、第２基部から第１方向に延び、第２固定電極部の第２固定電極と第２方向において対向する。
このようにすれば、支持梁を含む回転軸の両側に設けられる第１基部及び第１可動電極部と第２基部及び第２可動電極部を回転軸に対して非対称な位置に配置することができ、可動体全体の慣性モーメントを稼ぐことができる。従って、物理量センサーの物理量の検出感度を容易に向上できる。
また本実施形態では、第１可動電極部と第２可動電極部は、支持梁に対して第１方向において対称な位置に設けられる。
このようにすれば、各検出部は回転軸に対して対称に配置されているため、正負の検出特性の線形性に優れた物理量センサーを実現できる。
また本実施形態では、本実施形態では、基板に設けられた第３固定電極部及び第４固定電極部と、を含む。可動体は、第３基部と第３可動電極部と第４基部と第４可動電極部と、を有する。第３基部は、第１連結部に接続され、第２方向に沿って設けられる。第３可動電極部の第３可動電極は、第３基部から第４方向に延び、第３固定電極部の第３固定電極と第２方向において対向する。第４基部は、前記第２連結部に接続され、前記第２方向に沿って設けられる。第４可動電極部の第４可動電極は、第４基部から第４方向に延び、第４固定電極部の第４固定電極と第２方向において対向する。
このようにすれば、加速度に伴う可動体の揺動運動に対して、回転軸の第１方向側では、第１固定電極と第１可動電極の対向面積だけでなく、第３固定電極と第３可動電極の対向面積も変化する。また、回転軸の第４方向側では、第２固定電極と第２可動電極の対向面積だけでなく、第４固定電極と第４可動電極の対向面積も変化する。従って、より多くのプローブ電極を用いて物理量の変化の検出を行うことが可能になり、物理量センサーの物理量検出感度を向上できる。また第３基部を、第１基部や第２基部よりも回転軸から離れた位置に設けることができ、可動体の慣性モーメントをより多く稼ぐことができるようになり、物理量センサーの高感度化を実現できる。
また本実施形態では、第３可動電極部と第４可動電極部は、支持梁に対して第１方向において対称な位置に設けられる。
このようにすれば、支持梁を含む回転軸の第４方向側に設けられる第２基部を、回転軸に対して、第１基部や第３基部と非対称に配置できるようになる。このため、可動体全体の慣性モーメントを、より少ないスペースで効率的に稼ぐことができる。従って、小型かつ高検出感度な物理量センサーを実現できる。また、第３可動電極部と第４可動電極部についても回転軸に対して対称に配置されるようになるため、正負の検出特性の線形性に優れた物理量センサーを実現できる。
また本実施形態では、第１可動電極部の第１可動電極の第３方向での厚みは、第１固定電極部の第１固定電極の第３方向での厚みと異なり、第２可動電極部の第２可動電極の第３方向での厚みは、第２固定電極部の第２固定電極の第３方向での厚みと異なる。
このようにすれば、第３方向及び第５方向の両方の物理量の変化を検出できる。
また本実施形態では、本実施形態では、第１可動電極部の第１可動電極の第３方向での厚みは、第１固定電極部の第１固定電極の第３方向での厚みより大きく、第２可動電極部の第２可動電極の第３方向での厚みは、第２固定電極部の第２固定電極の第３方向での厚みより大きい。
このようにすれば、第３方向及び第５方向の両方の物理量の変化を検出できる。
また、第１可動電極部の第３方向での厚みは、第１固定電極部の第３方向での厚みより小さくてもよいし、第２可動電極部の第３方向での厚みは、第２固定電極部の第３方向での厚みより小さくてもよい。
このようにすれば、第３方向及び第５方向の両方の物理量の変化を検出できる。
また本実施形態では、第１可動電極部と第１固定電極部の裏面の第３方向での位置が一致しており、第２可動電極部と第２固定電極部の裏面の第３方向での位置が一致している。
このようにすれば、第１可動電極部、第１固定電極部、第２可動電極部及び第２固定電極部の各々を構成する電極材料の同一のプロセスで形成することで、プローブ電極の裏面側が面一になる構成を実現できる。そして、各電極をエッチング等の加工により形成することができるため、製造プロセスを容易化できる。
また本実施形態では、第１固定電極部は、第２方向に沿って並んで配置される第１固定電極群と第２固定電極群と、を有する。第１可動電極部は、第１固定電極群と対向するように設けられる第１可動電極群と、第２固定電極群と対向するように設けられる第２可動電極群と、を有する。第２固定電極部は、第２方向に沿って並んで配置される第３固定電極群と第４固定電極群と、を有する。第２可動電極部は、第３固定電極群と対向するように設けられる第３可動電極群と、第４固定電極群と対向するように設けられる第４可動電極群と、を有する。第１可動電極群の第３方向の長さは、第２可動電極群の第３方向の長さと異なり、第３可動電極群の第３方向の長さは、第４可動電極群の第３方向の長さと異なる。
このようにすれば、各検出部を、支持梁を含む回転軸の両側に分散させて設けることができ、検出部の多様な配置バリエーションを実現できる。
即ち、本実施形態では、静止状態において、第１固定電極部の第１固定電極の第３方向における端部の位置は、第１可動電極部の第１可動電極の第３方向における端部と異なる。第１固定電極部の第１固定電極の第５方向における端部の位置は、第１可動電極部の第１可動電極の第５方向における端部と異なる。第２固定電極部の第２固定電極の第３方向における端部の位置は、第２可動電極部の第２可動電極の第３方向における端部と異なる。第２固定電極部の第２固定電極の第５方向における端部の位置は、第２可動電極部の第２可動電極の第５方向における端部と異なる。
このようにすれば、第３方向、或いは第５方向の加速度に対して、いずれの検出部においても対向するプローブ電極間の対向面積の変化を検出できる。従って、片側オフセット形状のプローブ電極を採用した場合にと比較して、物理量の検出感度を高感度化できる。
また本実施形態では、第２連結部は、平面視において第３方向にくぼむ溝部を有することを特徴とする物理量センサー。
このようにすれば、第２連結部の質量を減らすことができ、可動体のうち、回転軸から第４方向側の慣性モーメントを減らすことができる。これにより、可動体全体としての正味の慣性モーメントを増加させることができる。従って、第４変形例によれば、物理量センサーの物理量の検出感度を向上させることができる。
また本実施形態では、第１固定電極固定部と第１固定電極基部と第２固定電極固定部と第２固定電極基部と、を含む。第１固定電極固定部は、第１固定電極部を基板に固定する。第１固定電極基部は、第１固定電極固定部に接続され、第１固定電極が延出する。第２固定電極固定部は、第２固定電極部を基板に固定する。第２固定電極基部は、第２固定電極固定部に接続され、第２固定電極が延出する。第１固定電極固定部は、支持梁の第１方向において、第１固定電極部よりも固定部に近い位置に設けられ、第２固定電極固定部は、支持梁の第４方向において、第２固定電極部よりも固定部に近い位置に設けられる。
このようにすれば、可動体と各固定電極部は、基板の中央の近い位置に設けられているため、基板の反りが発生した場合に、その影響は均一に現れることになる。このため、基板に反りが発生した場合でも、その影響を受け難くなる。従って、物理量センサーの外部応力や熱等に起因した出力変動を抑制でき、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、支持梁は、第２方向を回転軸として捻れる捻れバネである。
このようにすれば、可動体は第２方向を回転軸として揺動運動をすることができる。
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、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…第１固定電極固定部、４…第２固定電極固定部、４…固定部、５…第２固定電極固定部、１０Ａ…第１固定電極部、１０Ａ１…第１固定電極群、１０Ａ２…第２固定電極群、１０Ｂ…第３固定電極部、１０Ｂ１…第５固定電極群、１０Ｂ２…第６固定電極群、１１…第１固定電極、１２…第３固定電極、１３Ａ…第１固定電極基部、１４…固定電極、２０Ａ…第１可動電極部、２０Ａ１…第１可動電極群、２０Ａ２…第２可動電極群、２０Ｂ…第３可動電極部、２０Ｂ１…第５可動電極群、２０Ｂ２…第６可動電極群、２１…第１可動電極、２２…第３可動電極、２３Ａ…第１基部、２３Ｂ…第３基部、２３Ｃ…第５基部、２４…可動電極、３０…第１連結部、４０…固定部、４２…支持梁、５０Ａ…第２固定電極部、５０Ａ１…第３固定電極群、５０Ａ２…第４固定電極群、５０Ｂ…第４固定電極部、５０Ｂ１…第７固定電極群、５０Ｂ２…第８固定電極群、５１…第２固定電極、５２…第４固定電極、５３Ａ…第２固定電極基部、５４…固定電極、６０Ａ…第２可動電極部、６０Ａ１…第３可動電極群、６０Ａ２…第４可動電極群、６０Ｂ…第４可動電極部、６０Ｂ１…第７可動電極群、６０Ｂ２…第８可動電極群、６０Ｄ…第４可動電極部、６１…第２可動電極、６２…第４可動電極、６３Ａ…第２基部、６３Ｂ…第４基部、６４…可動電極、７０…第２連結部、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…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、ＤＲ１…第１方向、ＤＲ２…第２方向、ＤＲ３…第３方向、ＤＲ４…第４方向、ＤＲ５…第５方向、I…慣性モーメント、ＩＣ２３６０…制御、ＩＺ１…慣性モーメント、ＩＺ２…慣性モーメント、Ｍ１…質量、Ｍ２…質量、ＭＢ…可動体、ＭＰ…質量部、ＲＰ…溝部、Ｚ１…検出部、Ｚ１'…検出部、Ｚ２…検出部、Ｚ２'…検出部、ａ…距離、ａｘ…加速度、ａｙ…加速度、ａｚ…加速度、ｂ…距離、ｃ…突起部、ｍ…質量、ｒ…距離、ΔＬ２…距離、ωｘ…角速度

Claims (14)

  1. 互いに直交する３つの方向を第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、前記第２方向に沿って設けられる支持梁と、
    前記支持梁の他端に接続された可動体と、
    前記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、
    を含み、
    前記可動体は、
    前記支持梁の他端に接続され、前記支持梁から前記第１方向に延びる第１連結部と、
    前記第１連結部に接続され、前記第２方向に沿って設けられる第１基部と、
    前記第１基部から前記第１方向に延び、前記第１固定電極部の第１固定電極と前記第２方向において対向する第１可動電極を有する第１可動電極部と、
    前記支持梁の他端に接続され、前記支持梁から前記第１方向の反対方向である第４方向に延びる第２連結部と、
    前記第２連結部に接続され、前記第２方向に沿って設けられる第２基部と、
    前記第２基部から前記第１方向に延び、前記第２固定電極部の第２固定電極と前記第２方向において対向する第２可動電極を有する第２可動電極部と、
    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、
    前記第１可動電極部と前記第２可動電極部は、前記支持梁に対して前記第１方向において対称な位置に設けら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、
    前記基板に設けられた第３固定電極部及び第４固定電極部と、
    を含み、
    前記可動体は、
    前記第１連結部に接続され、前記第２方向に沿って設けられる第３基部と、
    前記第３基部から前記第４方向に延び、前記第３固定電極部の第３固定電極と前記第２方向において対向する第３可動電極を有する第３可動電極部と、
    前記第２連結部に接続され、前記第２方向に沿って設けられる第４基部と、
    前記第４基部から前記第４方向に延び、前記第４固定電極部の第４固定電極と前記第２方向において対向する第４可動電極を有する第４可動電極部と、
    を含むことを特徴とする物理量センサー。
  4. 請求項３に記載の物理量センサーにおいて、
    前記第３可動電極部と前記第４可動電極部は、前記支持梁に対して前記第１方向において対称な位置に設けられ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、
    前記第１可動電極部の前記第１可動電極の前記第３方向での厚みは、前記第１固定電極部の前記第１固定電極の前記第３方向での厚みと異なり、
    前記第２可動電極部の前記第２可動電極の前記第３方向での厚みは、前記第２固定電極部の前記第２固定電極の前記第３方向での厚みと異なることを特徴とする物理量センサー。
  6. 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、
    前記第１可動電極部の前記第１可動電極の前記第３方向での厚みは、前記第１固定電極部の前記第１固定電極の前記第３方向での厚みより大きく、
    前記第２可動電極部の前記第２可動電極の前記第３方向での厚みは、前記第２固定電極部の前記第２固定電極の前記第３方向での厚みより大きいことを特徴とする物理量センサー。
  7. 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、
    前記第１可動電極部の前記第１可動電極の前記第３方向での厚みは、前記第１固定電極部の前記第１固定電極の前記第３方向での厚みより小さく、
    前記第２可動電極部の前記第２可動電極の前記第３方向での厚みは、前記第２固定電極部の前記第２固定電極の前記第３方向での厚みより小さいことを特徴とする物理量センサー。
  8. 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、
    前記第１可動電極部と前記第１固定電極部の裏面の前記第３方向での位置が一致しており、
    前記第２可動電極部と前記第２固定電極部の裏面の前記第３方向での位置が一致していることを特徴とする物理量センサー。
  9. 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、
    前記第１固定電極部は、前記第２方向に沿って並んで配置される第１固定電極群と第２固定電極群と、
    を有し、
    前記第１可動電極部は、前記第１固定電極群と対向するように設けられる第１可動電極群と、前記第２固定電極群と対向するように設けられる第２可動電極群と、
    を有し、
    前記第２固定電極部は、前記第２方向に沿って並んで配置される第３固定電極群と第４固定電極群と、
    を有し、
    前記第２可動電極部は、前記第３固定電極群と対向するように設けられる第３可動電極群と、前記第４固定電極群と対向するように設けられる第４可動電極群と、
    を有し、
    前記第１可動電極群の前記第３方向の長さは、前記第２可動電極群の前記第３方向の長さと異なり、
    前記第３可動電極群の前記第３方向の長さは、前記第４可動電極群の前記第３方向の長さと異なることを特徴とする物理量センサー。
  10. 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、
    静止状態において、前記第１固定電極部の前記第１固定電極の前記第３方向における端部の位置は、前記第１可動電極部の前記第１可動電極の前記第３方向における端部と異なり、
    前記第１固定電極部の前記第１固定電極の前記第３方向の反対方向である第５方向における端部の位置は、前記第１可動電極部の前記第１可動電極の前記第５方向における端部と異なり、
    前記第２固定電極部の前記第２固定電極の前記第３方向における端部の位置は、前記第２可動電極部の前記第２可動電極の前記第３方向における端部と異なり、
    前記第２固定電極部の前記第２固定電極の前記第５方向における端部の位置は、前記第２可動電極部の前記第２可動電極の前記第５方向における端部と異なることを特徴とする物理量センサー。
  11. 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、
    前記第２連結部は、平面視において前記第３方向にくぼむ溝部を有することを特徴とする物理量センサー。
  12. 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、
    前記第１固定電極部を前記基板に固定するための第１固定電極固定部と、
    前記第１固定電極基部に接続され、前記第１固定電極が延出する第１固定電極基部と、
    前記第２固定電極部を前記基板に固定するための第２固定電極固定部と、
    前記第２固定電極固定部に接続され、前記第２固定電極が延出する第２固定電極基部と、
    を含み、
    前記第１固定電極固定部は、前記支持梁の前記第１方向において、前記第１固定電極部よりも前記固定部に近い位置に設けられ、
    前記第２固定電極固定部は、前記支持梁の前記第４方向において、前記第２固定電極部よりも前記固定部に近い位置に設けられることを特徴とする物理量センサー。
  13. 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、
    前記支持梁は、前記第２方向を回転軸として捻れる捻れバネであることを特徴とする物理量センサー。
  14. 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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