JP3968877B2 - 容量式物理量検出装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、加速度、角速度、圧力等の物理量を検出する容量式物理量検出装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来、この種の容量式物理量検出装置として、加速度等の物理量によって変位するマス部を支持基板の上に所定の間隔をおいて支持し、マス部の両側に棒状の可動電極をそれぞれ複数配置するとともに、それぞれの可動電極の両側に棒状の固定電極を対向して配置し、可動電極とその両側の固定電極間のそれぞれの容量の差に基づいて物理量を検出するようにしたものが種々提案されている。その中でも、例えば特開平7−209330号公報などに開示されている構造は、マス部の検出軸方向の中心軸に対して一方の側に一方の固定電極を可動電極の一方の面に近接して配置し、他方の側に他方の固定電極を可動電極の他方の面に近接して配置することにより、可動電極の両側に固定電極を配置する場合に比べて構造を簡素化している。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
上記した装置においては、基板に平行で検出軸とは垂直な方向にマスが動いた場合でも可動電極と固定電極の対向面積が変化し、容量の差が生じてしまうため、検出軸以外の方向の加速度に対してはマスを動きにくくする必要がある。このため2軸を検出するには、上記した装置を2個用いて、各々の検出軸が検出したい2方向と一致するように配置する必要がある。この場合には、上記した装置が2個必要となるため、装置寸法が大きくなるという問題がある。
【0004】
そこで、上記した装置のように簡単な電極構造で、且つ、1個のマスで2軸を検出する装置を考えた。図5に、このものを加速度検出装置に適用した場合の平面構成を示す。なお、この加速度検出装置は、x軸方向およびy軸方向の加速度を検出できるように構成されている。また、図中の参照符号は後述する実施形態と対応させてある。
【0005】
この図5において、加速度を受けて変位するマス部5には、可動電極7a〜7dが設けられており、可動電極7a〜7dと対向するように固定電極8a〜8dが配置されている。ここで、可動電極7aと固定電極8aからなる第1の容量と可動電極7bと固定電極8bからなる第2の容量は、差動の容量を形成しており、同様に、可動電極7cと固定電極8cからなる第1の容量と可動電極7dと固定電極8dからなる第2の容量は、差動の容量を形成している。
【0006】
このような構成において、図中に示すx軸方向に加速度が生じると、マス部6がx軸方向に変位するため、可動電極7aと固定電極8aからなる第1の容量と可動電極7bと固定電極8bからなる第2の容量のいずれか一方が小さく、他方が大きくなり、その容量差からx軸方向に加速度が生じたことが検出される。また、y軸方向に加速度が生じると、マス部6がy軸方向に変位するため、可動電極7cと固定電極8cからなる第1の容量と可動電極7dと固定電極8dからなる第2の容量のいずれか一方が小さく、他方が大きくなり、その容量差からy軸方向に加速度が生じたことが検出される。
【0007】
本発明者らが上記した加速度検出装置において更に検討を進めたところ、検出軸方向以外の方向の変位によって検出誤差が大きく発生していることがわかった。例えば、x軸方向に加速度が生じてマス部6がx軸方向に変位したとき、可動電極7cと固定電極8cからなる第1の容量と可動電極7dと固定電極8dからなる第2の容量においても容量差が生じるため、検出誤差が発生する。以下、この点について説明する。
【0008】
図6に、図5中の点線の枠で示した電極部11の拡大図を示す。加速度の検出のための主となる容量部分は、可動電極7dと固定電極8dの近接した部分であり、幅がW、電極間隔がd1である。それ以外の部分に形成される容量は、検出誤差となるため、固定電極8dと下側の可動電極7dとの電極間隔d2を電極間隔d1より十分広い間隔としている。可動電極7dと固定電極8dの検出軸方向はy軸方向である。
【0009】
ここで、可動電極7dが、検出軸方向でないx軸方向に変位したとき、例えば図の右側に変位したとき、可動電極7dと固定電極8dの対向する部分の幅Wが大きくなるため、可動電極7dと固定電極8dからなる容量が大きくなる。逆に、マス部6の左側においては、可動電極7cが右側に変位するため、可動電極7cと固定電極8cの対向する部分の幅が小さくなり、可動電極7cと固定電極8cからなる容量が小さくなる。従って、可動電極7cと固定電極8cからなる第1の容量と可動電極7dと固定電極8dからなる第2の容量に差が生じ、これが検出誤差になる。
【0010】
本発明は、上記した検出軸方向以外の方向の変位による検出誤差を小さくすることを目的とする。
【0011】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、 請求項1に記載の発明においては、マス部に突出して設けられた第1、第2の可動電極に第1、第2の固定電極をそれぞれ対向して配置し、検出軸方向に加速度が生じたとき、第1の可動電極と第1の固定電極からなる第1の容量と、第2の可動電極と第2の固定電極からなる第2の容量の差に基づいて加速度を検出するようにしている。
【0012】
このように差動容量によって加速度検出を行う構成でありながら、1つの可動電極に1つの固定電極を対向配置した構成であるので、固定電極の数を少なくすることができる。また、第1の固定電極は、その先端部が根本部よりも第1の可動電極に近接した位置で対向するように折り曲げた形状になっており、この第1の固定電極の折り曲げ形状により、該第1の固定電極の根本部と第1の可動電極との電極間隔が該第1の固定電極の先端部と第1の可動電極との電極間隔より大きく、マス部が所定方向に変位したとき、該第1の固定電極の先端部と第1の可動電極とが対向する部分の幅は変化せず、該第1の固定電極の根元部と第1の可動電極とが対向する部分の幅が変化するようになっており、第2の固定電極は、その先端部が根本部よりも第2の可動電極に近接した位置で対向するように折り曲げた形状になっており、この第2の固定電極の折り曲げ形状により、該第2の固定電極の根本部と第2の可動電極との電極間隔が該第2の固定電極の先端部と第2の可動電極との電極間隔より大きく、マス部が所定方向に変位したとき、該第2の固定電極の先端部と第2の可動電極とが対向する部分の幅は変化せず、該第2の固定電極の根元部と第2の可動電極とが対向する部分の幅が変化するようになっている。
【0013】
このことにより、マス部が検出軸方向以外の方向に変位したとき、第1、第2の固定電極の先端部と第1、第2の可動電極の近接関係は変わらず、先端部よりも第1、第2の固定電極と対向する位置が離れた根本部において第1、第2の可動電極と対向する部分の面積が変化する。しかしながら、第1、第2の固定電極の根本部は、第1、第2の可動電極と近接していないため、その部分による容量変化は小さく、従って両者の容量差によって生じる検出誤差を少なくすることができる。
【0014】
また、請求項2に記載の発明においては、第1の可動電極は、その先端部が根本部よりも第1の固定電極に近接した位置で対向するように折り曲げた形状になっており、この第1の可動電極の折り曲げ形状により、該第1の可動電極の根本部と第1の固定電極との電極間隔が該第1の可動電極の先端部と第1の固定電極との電極間隔より大きく、マス部が所定方向に変位したとき、該第1の可動電極の先端部と第1の固定電極とが対向する部分の幅は変化せず、該第1の可動電極の根元部と第1の固定電極とが対向する部分の幅が変化するようになっており、第2の可動電極は、その先端部が根本部よりも第2の固定電極に近接した位置で対向するように折り曲げた形状になっており、この第2の可動電極の折り曲げ形状により、該第2の可動電極の根本部と第2の固定電極との電極間隔が該第2の可動電極の先端部と第2の固定電極との電極間隔より大きく、マス部が所定方向に変位したとき、該第2の可動電極の先端部と第2の固定電極とが対向する部分の幅は変化せず、該第2の可動電極の根元部と第2の固定電極とが対向する部分の幅が変化するようになっていることを特徴としている。この発明においても、請求項1に記載の発明と同様、検出軸方向以外の方向の変位による検出誤差を小さくすることができる。
【0015】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を図に示す実施形態について説明する。
図1に本発明の一実施形態にかかる容量式加速度検出装置の平面構成を示す。また、図2に図1中のA−A断面図を示す。
この容量式加速度検出装置においては、SOI(Silicon On Insulator)基板のように、支持基板1上に酸化膜等の絶縁膜2を介して半導体層3を積層もしくは貼り合わせた構造の基板を用いて構成されている。そして、半導体層3および絶縁膜2がエッチングにより部分的に除去されて、可動電極の支持部4、梁部5、マス部(質量部)6、可動電極7a〜7d、固定電極8a〜8d、固定電極の配線兼支持部9a〜9dが形成されている。
【0016】
ここで、マス部6は、加速度を受けてx軸方向、y軸方向に変位するように支持基板1上に所定の空隙をおいて支持されており、可動電極7a〜7dは、長方形状のマス部6の各辺からそれぞれ突出して設けられている。固定電極8a〜8dは可動電極7a〜7dのそれぞれの一方の側面に対向して配置されている。なお、固定電極8aは可動電極7aの左側、固定電極8bは可動電極7bの右側に配置され、マス部6のx軸方向の変化に対して、それぞれの容量が互いに異なる方向に増減変化するようになっている。同様に、固定電極8c、8d、可動電極7c、7dも、マス部6のy軸方向の変化に対して、それぞれの容量が互いに異なる方向に増減変化するようになっている。
【0017】
また,固定電極の配線兼支持部9a〜9dおよび可動電極の支持部4には、図示しない回路チップ(後述する検出回路を構成するもの)との接続のための電極パッド10が設けてある。
上記した構成の加速度検出装置においては、図5に示すものと同様、x軸方向に加速度が生じると、マス部6がx軸方向に変位し、可動電極7aと固定電極8aからなる第1の容量と可動電極7bと固定電極8bからなる第2の容量に差が生じる。そして、その容量差に基づき、図示しない検出回路によってx軸方向に加速度が生じたことが検出される。また、y軸方向に加速度が生じると、マス部6がy軸方向に変位し、可動電極7cと固定電極8cからなる第1の容量と可動電極7dと固定電極8dからなる第2の容量に差が生じ、図示しない検出回路によってy軸方向に加速度が生じたことが検出される。
【0018】
ここで、本実施形態においては、固定電極部8a〜8dの形状を、先端部では可動電極部7a〜7dと近接した位置で対向し、その先端部から支持部9a〜9dに向かう部分(以下、根元部という)では可動電極7a〜7dから離れた位置で対向するように、折り曲げた形状としている。
このように固定電極部8a〜8dを折り曲げ形状とすることにより、マス部6が検出軸方向以外の方向に変位したときの検出誤差を少なくすることができる。以下、この点について説明する。
【0019】
図3に、図1中の点線の枠で示した電極部11の拡大図を示す。固定電極部8dの先端部では可動電極7dと近接しており、幅がW1、電極間隔がd1となっている。また、固定電極部8dの根元部においては、可動電極7dと対向する部分は、幅がW2、電極間隔がd3となっている。
ここで、可動電極7dが、検出軸方向でないx軸方向に変位したとき、例えば図の右側に変位したとき、その変位する範囲において固定電極8dの先端部と可動電極7dとが対向する部分の幅W1は変化せず、固定電極部8dの根元部と可動電極7dとが対向する部分の幅W2が変化する。すなわち、固定電極部8dの根元部と可動電極7dとが対向する部分の面積が変化する。固定電極部8dの根元部と可動電極7dの間隔d3は、固定電極8dの先端部と可動電極7dの間隔d1より大きいため、固定電極部8dの根元部と可動電極7dとが対向する部分の幅W2が変化しても、それによる容量変化は、図5、図6に示すもののように固定電極8dを直線状にしたものに比べて小さいものとなる。同様に、マス部6の左側においても、固定電極8cを折り曲げた形状にしているため、検出軸方向でないx軸方向に変位したときの容量変化は、固定電極8cを直線状にしたものに比べて小さいものとなる。従って、それぞれの容量変化を小さくすることができるため、両者の容量差から生じる検出誤差を少なくすることができる。
【0020】
また、固定電極8a、8bにおいても折り曲げた形状としているため、可動電極7a、7bが、検出軸方向でないy軸方向に変位したときの検出誤差を少なくすることができる。
なお、上記した実施形態においては、固定電極8a〜8dを折り曲げた形状とするものを示したが、図4に示すように、可動電極7a〜7dを折り曲げた形状としてもよい。また、可動電極7a〜7dと固定電極8a〜8dの両方をそれぞれの先端部において互いに近接するように折り曲げた形状としてもよい。この場合には、可動電極又は固定電極の一方の近接する部分の幅を他方の幅より広くすることにより検出軸でない方向に変位したときの検出誤差を少なくすることができる。
【0021】
また、上記した実施形態においては、x軸方向とy軸方向について加速度検出を行うものを示したが、支持基板1とマス部6で形成される容量変化を検出するようにすれば、3軸方向の加速度を検出することができる。また、本発明は、そのような多軸方向の加速度を検出するものに限らず、1軸方向の加速度を検出するものにも適用することができる。
【0022】
さらに、本発明は加速度検出装置以外に、角速度、圧力等の物理量を検出する容量式物理量検出装置に適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施形態を示す容量式加速度検出装置の平面構成を示す図である。
【図2】図1中のA−A断面図である。
【図3】図1中の電極部11の拡大図である。
【図4】本発明の他の実施形態を示す容量式加速度検出装置の平面構成を示す図である。
【図5】本発明の課題を説明するための容量式加速度検出装置の平面構成を示す図である。
【図6】図5中の電極部11の拡大図である。
【符号の説明】
1…支持基板、4…可動電極の支持部、5…梁部、6…マス部、
7a〜7d…可動電極、8a〜8d…固定電極、
9…固定電極の配線兼支持部。
Claims (2)
- 加速度、角速度及び圧力のいずれかの物理量によって変位するマス部と、
前記マス部の両側から所定方向にそれぞれ突出した第1、第2の可動電極と、
前記第1の可動電極の一方の側面に対向して配置された第1の固定電極と、
前記第2の可動電極の一方の側面に対向して配置された第2の固定電極とを備え、
前記マス部が前記所定方向に対して垂直な方向に変位したとき、前記第1の可動電極と前記第1の固定電極からなる第1の容量と前記第2の可動電極と前記第2の固定電極からなる第2の容量に差が生じるようになっており、
その容量の差に基づいて物理量を検出するようにした容量式物理量検出装置であって、
前記第1の固定電極は、その先端部が根本部よりも前記第1の可動電極に近接した位置で対向するように折り曲げた形状になっており、この第1の固定電極の折り曲げ形状により、該第1の固定電極の根本部と前記第1の可動電極との電極間隔が該第1の固定電極の先端部と前記第1の可動電極との電極間隔より大きく、前記マス部が前記所定方向に変位したとき、該第1の固定電極の先端部と前記第1の可動電極とが対向する部分の幅は変化せず、該第1の固定電極の根元部と前記第1の可動電極とが対向する部分の幅が変化するようになっており、
前記第2の固定電極は、その先端部が根本部よりも前記第2の可動電極に近接した位置で対向するように折り曲げた形状になっており、この第2の固定電極の折り曲げ形状により、該第2の固定電極の根本部と前記第2の可動電極との電極間隔が該第2の固定電極の先端部と前記第2の可動電極との電極間隔より大きく、前記マス部が前記所定方向に変位したとき、該第2の固定電極の先端部と前記第2の可動電極とが対向する部分の幅は変化せず、該第2の固定電極の根元部と前記第2の可動電極とが対向する部分の幅が変化するようになっていることを特徴とする容量式物理量検出装置。 - 加速度、角速度及び圧力のいずれかの物理量によって変位するマス部と、
前記マス部の両側から所定方向にそれぞれ突出した第1、第2の可動電極と、
前記第1の可動電極の一方の側面に対向して配置された第1の固定電極と、
前記第2の可動電極の一方の側面に対向して配置された第2の固定電極とを備え、
前記マス部が前記所定方向に対して垂直な方向に変位したとき、前記第1の可動電極と前記第1の固定電極からなる第1の容量と前記第2の可動電極と前記第2の固定電極からなる第2の容量に差が生じるようになっており、
その容量の差に基づいて物理量を検出するようにした容量式物理量検出装置であって、
前記第1の可動電極は、その先端部が根本部よりも前記第1の固定電極に近接した位置で対向するように折り曲げた形状になっており、この第1の可動電極の折り曲げ形状により、該第1の可動電極の根本部と前記第1の固定電極との電極間隔が該第1の可動電極の先端部と前記第1の固定電極との電極間隔より大きく、前記マス部が前記所定方向に変位したとき、該第1の可動電極の先端部と前記第1の固定電極とが対向する部分の幅は変化せず、該第1の可動電極の根元部と前記第1の固定電極とが対向する部分の幅が変化するようになっており、
前記第2の可動電極は、その先端部が根本部よりも前記第2の固定電極に近接した位置で対向するように折り曲げた形状になっており、この第2の可動電極の折り曲げ形状により、該第2の可動電極の根本部と前記第2の固定電極との電極間隔が該第2の可動電極の先端部と前記第2の固定電極との電極間隔より大きく、前記マス部が前記所定方向に変位したとき、該第2の可動電極の先端部と前記第2の固定電極とが対向する部分の幅は変化せず、該第2の可動電極の根元部と前記第2の固定電極とが対向する部分の幅が変化するようになっていることを特徴とする容量式物理量検出装置。
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