JP4056591B2 - 加速度センサ - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、新規な構成からなる加速度センサに係り、製造上の加工精度がセンサの測定精度を支配し、かつ構造上の制約から直線性誤差が生じて複雑な補正が不可欠である従来の加速度センサの問題を解決するため、３電極構造の簡単な構成となした静電容量型を含む加速度センサに関する。
【０００２】
【従来の技術】
静電容量型加速度センサとして、例えば、特開平４−１４８８３３号、特開平４−３３７４３１号、特開平５−１８８０７９号には、固定基板と可撓基板との各対向面に電極を着設して対向配置される静電容量素子を複数対設け、該基板面に平行なＸＹ平面を設定しこれと直交するＺ軸のＸ，Ｙ，Ｚ軸３次元方向の加速度の変化を、複数対の静電容量素子間の静電容量変化に基づき各Ｘ，Ｙ，Ｚ軸方向成分の検出を行う構成が提案されている。
【０００３】
例えば、図１３Ｂの縦断面に示すごとく、円筒１０内に直径方向に配置された固定基板１１と、これに所定の間隔を設けて可撓基板１２を平行に配置し、固定基板１１の下面を示す図１３Ａに示すごとく、この固定基板１１と可撓基板１２との各対向面にそれぞれ電極１〜５を着設して静電容量素子Ｃ1〜Ｃ5を形成する構成からなる。可撓基板１２の下面には適当な質量を有して錘となる作動子１３を設けてある。
【０００４】
詳述するとここでは、該対向面間の外周部に４対、中央部に１対の電極を設けて、静電容量素子Ｃ1〜Ｃ5を形成した構成、すなわち、電極面にて直交するＸ，Ｙの２軸上に配置された各々２つの静電容量素子Ｃ1〜Ｃ4と、前２軸の中央に静電容量素子Ｃ5を配置した構成からなる。
【０００５】
上記の構成において、Ｘ軸方向に加速度が加わった場合、図１４Ａに示すごとく、作動子１３を有する可撓基板１２が変形することにより、固定基板１１と可撓基板１２との対向面間の各電極１〜５間距離が変化することから、各静電容量素子Ｃ1〜Ｃ4の静電容量が変化する。また、図１４Ｂに示すごとく、Ｚ軸方向に加速度が加わった場合も同様に各静電容量素子Ｃ1〜Ｃ4の静電容量が変化する。
【０００６】
静電容量の変化より加速度の各成分の検出は、例えば、Ｘ軸方向の加速度に対する出力として、静電容量素子Ｃ1とＣ3の静電容量差（Ｃ1−Ｃ3）、Ｙ軸方向の加速度に対する出力として、静電容量素子Ｃ2とＣ4の静電容量差（Ｃ2−Ｃ4）、Ｚ軸方向の加速度に対する出力として、静電容量素子Ｃ5の静電容量（Ｃ5）として検出する。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
上記構成の静電容量型加速度センサにおいて、静電容量素子Ｃ1〜Ｃ5の静電容量に比例した電気信号で演算したＸ，Ｙ，Ｚ軸の出力は、厳密には加速度に対し直線性を有しない問題がある。また、この場合、Ｘ，Ｙ軸出力の感度がＺ軸出力に依存することになる問題がある。また、温度変化等により電極ギャップの初期値ｄ0が変化した場合、Ｚ軸の０点シフトに加えＸ，Ｙ，Ｚ軸の感度シフトが発生する問題がある。
【０００８】
さらに、上記構成の静電容量型加速度センサにおいて、静電容量素子Ｃ1〜Ｃ5に逆比例した電気信号で演算する場合にも、センサの静電容量以外の浮遊容量が無視できないために、上述の各種問題が発生する。
【０００９】
以下に、４〜５電極方式での問題点を詳述する。Ｘ（Ｙ）軸加速度は、検出軸上に配置された２つの電極の静電容量の差から検出するとされているが、実際にはＣＶ変換した出力の差分を取ることになる。その場合、一般的に実現可能などんなＣＶ変換方式を採用しても、理論的には以下に示す直線性誤差が発生し、それによりＸ、Ｙ、Ｚを完全に独立に検出することが不可能になる。
【００１０】
【数１】
【００１１】
但しｄｏ： 初期ギャップ距離
ｄｘ： ｘ加速度による変化量（加速度と比例する量）
ｄｚ： ｚ加速度による変化量（加速度と比例する量）
【００１２】
このセンサにおいて、加速度に比例すると期待できる物理量は電極間距離の変化量であり、静電容量が加速度に対し直線的に変化することは期待できない。
【００１３】
直線性誤差の代表例１として、１／Ｃ→Ｖに変換する場合がある。現実的には、センサ容量Ｃとは、対向電極部容量（理論上のセンサ容量）だけでは無く、必ず有限の浮遊容量（センサ内部及び回路部）が存在することになり、その浮遊容量分との和としてＣＶ変換することになる。そのため、浮遊容量が非線形項となり、直線性誤差が発生する。Ｘ、Ｙ、Ｚ出力の直線性の劣化とＸ、Ｙの感度にＺ加速度が影響するという他軸干渉が発生する。
【００１４】
直線性誤差の代表例２として、ＣＶ比例変換の場合がある。上述した式に明らかなように加速度に比例する量は、Ｃの分母にあるためＣＶ比例変換の場合は、出力電圧が加速度に直線的に変化しない。そのため、Ｘ、Ｙ、Ｚ出力の直線性の劣化とＸ、Ｙの感度にＺ加速度が影響するという他軸干渉が発生する。
【００１５】
【数２】
【００１６】
【数３】
【００１７】
上述の２つの直線性誤差の問題があるため、精度を要求される場合にはその後の何らかの補正が必要になる。その補正に関しては、上記代表例１の場合、出力されたＸ、Ｙ、Ｚの出力から完全に真のＸ、Ｙ、Ｚ加速度を補正演算によって得ることは困難である。
【００１８】
また、上記代表例２の場合は、補正演算方法を提案（特開平８−３１３５５２号）したが、厳密に補正するには、非常に複雑な計算式となり、現実的に発生するその他の補正（調整）項である、加工誤差による他軸感度や主軸感度及び０点などを含めて、補正演算を実施する場合は特に複雑になり、例えば、社団法人電気学会の物理センサ研究会における資料（１９９６年１１月１１日、１２日発表の資料番号ＰＳ−９６−１５「静電容量型３軸加速度センサの補正について」）で報告されているごとく、近似式による補正演算を行うことになる。しかし、その場合、近似による誤差が無視できない場合があり、さらに高精度の要求に対しては、この方式では満足できない場合が生じる。
【００１９】
従来の加速度センサでは、Ｘ、Ｙ検出軸は４つの固定電極の配置により決まり、Ｚ軸は可動電極面の配置により決定される。また、加工誤差が他軸感度となって現れるため、非常に高精度の加工技術が要求される。
【００２０】
すなわち、従来の加速度センサでは、Ｘ、Ｙ検出軸は４つの固定電極の配置により、Ｚ軸は可動電極面の配置により決定されること、また、加工誤差が他軸感度となって現れるため、直線性誤差の問題が生じてしまい、何らかの補正が不可欠であり、補正に際しても複雑な演算が必要でセンサの製造加工に際する精度が厳しくかつ厳密な補正を行うにも限度があり、かかる加速度センサを安定的にかつ大量に製造ずることが極めて困難であった。
【００２１】
この発明は、従来の加速度センサが、構造上の制約から直線性誤差の問題が生じて、複雑な補正が不可欠であること、また、製造上の加工精度がセンサの測定精度を支配している現実に鑑み、直線性誤差の問題が生じ難く、製造上の加工精度がセンサの測定精度を決定することがないよう、新規な構成からなる静電容量型を含む加速度センサの提供を目的としている。
【００２２】
【課題を解決するための手段】
発明者は、直線性誤差の問題が生じ難く、製造上の加工精度がセンサの測定精度を決定することがない構成について種々検討した結果、３個の固定電極を持つセンサヘッドを用いて各電極からの信号をデジタル演算することにより、Ｘ、Ｙ、Ｚの直交した３軸方向の加速度の検出が可能であり、目的が達成できることを知見した。本発明は、「電極対が３組のみであり、各電極対の固定電極が同一平面内に配置され、センサ上に予め規定したＸ−Ｙ−Ｚ直交座標系に作用する３軸方向の加速度Ａｘ、Ａｙ、Ａｚに対して、それぞれ個別に感度を有する少なくとも１組の電極対をもつ加速度センサであって、加速度 Ax 、 Ay および Az を下記の三元一次連立方程式（Ａ）式に基づいて算出する加速度センサ。」を要旨とする。
ａ j Ａｚ＋ｂ j Ａｘ＋ｅ j Ａｙ＝ｆ j ・・・（Ａ）
ここで、ｆ j ＝ｃ j ／（Ｖ j −ｄ j ） （ｊ＝１，２，３）
但し、（Ａ）式式中の各記号の意味は下記の通りである。
aj 、 bj 、 cj 、 ej または dj ： Ax,Ay,Az に関する三元一次連立方程式の係数
fj ：ｃ j ／（Ｖ j −ｄ j ）の計算値
Vj ：各電極における出力電圧
【００２３】
また、発明者は、上記の構成からなる加速度センサにおいて、各電極の平面形状の図心がＸ−Ｙ座標系平面で同一直線上にない加速度センサ、各電極の平面形状の図心がＸ−Ｙ座標系平面にＺ軸中心に３等分された位置にそれぞれある加速度センサ、並びに、Ｘ−Ｙ座標系平面にＺ軸を中心にした所要半径の円周上に３等分して３電極を配置して、Ｚ軸方向に３つの電極対を対向配置したことを特徴とする加速度センサを併せて提案する。
【００２４】
さらに、発明者は、ビームによる支持構造を有する可撓基板の可動部下面に重錘体を設けて上面を固定基板と対向配置し、該可動部上面に電極を対向配置した可動電極を有するガラス板及び／又は半導体基板の積層構造からなり、可動電極の傾きを含めた初期位置からの相対位置を検出する手段を有し、電極の該位置情報より３軸方向の加速度Ａｘ、Ａｙ、Ａｚを求めることを特徴とする加速度センサを併せて提案する。
【００２５】
また、発明者らは、上記と同様の積層構造を静電容量型となした加速度センサにおいて、
ガラス層下面にメタル電極が所要パターンで３電極分が成膜された固定電極層と、周囲をビームで支持された半導体基板にパターンニングにより支持構造を設けて形成する可動部の厚みを相対的に厚くした重錘体を有する可撓基板層と、可撓基板層が載置され重錘体が過負荷時に当接してストッパーとなるシリコン層との３層構造からなる静電容量型加速度センサを併せて提案する。
【００２６】
また、発明者は、上記の静電容量型加速度センサにおいて、
ガラス層が所要パターンで設けた円錐や角錐状の貫通孔を有し、下面のメタル電極の導通が貫通孔を介して行われる構成、
所要パターンで設けた円錐や角錐状の貫通孔を有するガラス基板と半導体基板が貫通孔の円錐頂部側で接合された複合板の両面に所要パターンで設けた電極同士が上記貫通孔で半導体を介して導通した構成の複合板層を可撓基板層の上面に電極を対向配置して接合され、内部が密閉された構成の静電容量型加速度センサ
を併せて提案する。
【００２７】
さらに、発明者は、
ガラス層下面にメタル電極が所要パターンで３電極分が成膜された固定電極層と、周囲をビームで支持されて上面が前記電極に対して所定空隙を介して対向配置されて上下動可能に共通電極を構成するシリコン製の可動電極層と、可動電極の下に陽極接合にて接合された錘並びに可動電極層の周囲を支持する台座層と、可動電極層と接合された錘が過負荷時に当接してストッパーとなるシリコン層との４層構造からなる静電容量型加速度センサを併せて提案する。
【００２８】
【発明の実施の形態】
この発明による３軸加速度センサは、従来の４個又は５個の固定電極からの信号の差又は和を取ることによりＸ、Ｙ、Ｚの出力を得ていた方式に対して、各電極からの信号をデジタル演算することを前提として、３個の固定電極を持つセンサヘッドを使ってＸ、Ｙ、Ｚの直交した３軸方向の加速度の検出することを特徴としている。
【００２９】
固定電極の構造以外は、従来の３軸加速度センサと同じであり、同一平面内に配置された固定電極と、その固定電極とほぼ平行に配置された可動電極からなる。その可動電極には重錘体が形成されており、重心がずれた位置に配置されている。固定電極は、面重心が電極平面内の同一直線上にない３個で構成されている。全方向に対して均一な感度、精度を得るためには、１２０°間隔で配置された同じ大きさの扇型電極が望ましい。
【００３０】
以下では、同一形状、等間隔配置ではない図１に示すごとく一般化した電極構造の場合について考える。図ではＣ1，Ｃ2，Ｃ3の３個の電極、固定電極または可動電極を同一平面内で配置した一例を示す。各電極容量、ただしアライメントずれを考慮しない場合は以下の式で表される。
【００３１】
【数４】
【００３２】
【数５】
【００３３】
ここで
ε ： 誘電率
Ｓj ： 各電極の面積
ｄｏj ： 各電極の面重心での初期電極間距離
Ａｘ、Ａｙ、Ａｚ ： 各軸方向の加速度の大きさ
Ｋｚ ： Ｚ方向加速度に対する電極変位感度
Ｋｘj、Ｋｙj ： Ｘ又はＹ方向加速度に対する電極変位感度
αj ： 各電極中心の位置を極座標で表した時の角度（正のＸ軸を０°とし、ＣＣＷ方向の角度）
Ｃｐj ： 浮遊容量
【００３４】
次に、アライメントずれ及びＣＶ変換ゲインのばらつきを考慮したときの出力電圧をＶｊ、電極のＣＶ変換ゲインをＧｊとし、アライメントずれによる変換行列をＫｌｍ（ｌ、ｍ＝ｘ、ｙ、ｚ）とすると、下記Ｖｊ式となり、ｊ＝１、２、３で、係数を整理して下記の（４）式、すなわち、加わった加速度に対するセンサの出力電圧の関係式が得られた。
【００３５】
Ｖｊ＝Ｇj｛εＳｊ／（ｄｏ1＋Ｋｚ×（ＫｚｘＡｘ＋ＫｚｙＡｙ＋ＫｚｚＡｚ）＋Ｋｘｊ×（ＫｘｘＡｘ＋ＫｘｙＡｙ＋ＫｘｚＡｚ）×ｃｏｓαj＋Ｋｙj×（ＫｙｘＡｘ＋ＫｙｙＡｙ＋ＫｙｚＡｚ）×ｓｉｎαj）＋Ｃｐj｝
（ｊ＝１、２、３）
【００３６】
【数６】
【００３７】
また、出力電圧から速度を得る方法として、式（４）を変形すると次の式が得られる。
ａjＡｚ＋ｂjＡｘ＋ｅjＡｙ＝ｆj ・・・（５）
ここで、ｆj＝ｃj／（Ｖj−ｄj） と置いた。・・・（６）
【００３８】
出力電圧から加速度を知るというのは、代数的には（５）式の（Ａｘ、Ａｙ、Ａｚ）に関する三元一次方程式を３つ連立して解くということである。従って、未知数３つに対し、３つの式で、解くことができるのであるから、電極は３つで十分であることがわかる。
【００３９】
以下の連立方程式の解を求める。
ａ1Ａｚ＋ｂ1Ａｘ＋ｅ1Ａｙ＝ｆ1・・・（７）
ａ2Ａｚ＋ｂ2Ａｘ＋ｅ2Ａｙ＝ｆ2・・・（８）
ａ3Ａｚ＋ｂ3Ａｘ＋ｅ3Ａｙ＝ｆ3・・・（９）
【００４０】
（７）、（８）、（９）式より解を求め（解の公式より）、（６）式でＶｊの式に戻すと、下記式を得る。
Ａｘ＝｛（ａ2ｂ3−ａ3ｂ2）（ｃ1／（Ｖ1−ｄ1））＋（ａ1ｅ3−ａ3ｅ1）（ｃ2／（Ｖ2−ｄ2））＋（ａ2ｅ1−ａ1ｅ2）（ｃ3／（Ｖ3−ｄ3））−（ａ3ｅ2−ａ2ｅ3＋ａ1ｅ3−ａ3ｅ1＋ａ2ｅ1−ａ1ｅ2）｝／Ｄ・・・（１０）
Ａｙ＝｛（ａ2ｂ3−ａ3ｂ2）（ｃ1／（Ｖ1−ｄ1））＋（ａ3ｂ1−ａ1ｂ3）（ｃ2／（Ｖ2−ｄ2））＋（ａ1ｂ2−ａ2ｂ1）（ｃ3／（Ｖ3−ｄ3））−（ａ2ｂ3−ａ3ｂ2＋ａ3ｂ1−ａ1ｂ3＋ａ1ｂ2−ａ2ｂ1）｝／Ｄ・・・（１１）
Ａｚ＝｛（ｂ2ｅ3−ｂ3ｅ2）（ｃ1／（Ｖ1−ｄ1））＋（ｂ3ｅ1−ｂ1ｅ3）（ｃ2／（Ｖ2−ｄ2））＋（ｂ1ｅ2−ｂ2ｅ1）（ｃ3／（Ｖ3−ｄ3））−（ｂ2ｅ3−ｂ3ｅ2＋ｂ3ｅ1−ｂ1ｅ3＋ｂ1ｅ2−ｂ2ｅ1）｝／Ｄ・・・（１２）
【００４１】
【数７】
【００４２】
加速度算出に際して、式（１０）、（１１）、（１２）より係数をまとめると、下記式を得る。各センサ毎に、１５個の係数を予め決めてやることにより、出力電圧を上式で演算することで、３軸の加速度を得ることができる。
【００４３】
【数８】
【００４４】
この３軸加速度センサは、可動電極の位置、すなわち、傾きを含めた初期位置からの相対位置が任意の加速度ベクトル（Ｘ、Ｙ、Ｚ軸加速度）に対し一義的に決まることから、その可動電極の位置を検出することにより逆に加速度を得ようとするものである。可動電極の位置は、一直線上にない３点からの距離が決まれば決定できるので、このように３つの電極で十分であることがわかる。
【００４５】
従って、この発明による速度センサは、可動電極の位置を決定できる情報さえ得られれば良いことになる。可動電極の傾きを含めた初期位置からの相対位置を検出する手段としては、レーザー干渉法によるものや、近接させたプローブからのトンネル電流を検出する方法、あるいは可動電極を支持するビーム上に設けた圧電材料やピエゾ抵抗の変化を検出する方法等が適宜採用できる。
【００４６】
また、可動電極の位置を３点で決定する場合、各電極の平面形状の図心がＸ−Ｙ座標系平面にＺ軸中心を通る同一直線上にないことが必要であり、さらに好ましくは、実施例の図３のごとく、各電極の平面形状の図心がＸ−Ｙ座標系平面にＺ軸中心に３等分された位置にそれぞれある構成であり、最も誤差の少ないのは３点がなるべく等間隔で配置されている場合であり、１２０°間隔で配置するのが望ましい。
【００４７】
以下に、この発明による静電容量型加速度センサの種々の構成を図面に基づいて詳述する。図２、図３に示すごとく、ガラス基板の片面にメタル電極を成膜して固定電極層２０となし、Ｘ−Ｙ座標系平面にＺ軸を中心にした所要半径の円周上に３等分して３電極を配置して、Ｚ軸方向に３つの電極対を対向配置した構成からなる静電容量素子Ｃ1〜Ｃ3を形成するため、シリコン基板をバルク・マイクロマシニーング技術で加工して４本ビームで可動電極を支持する可撓基板層２１の構造となした。さらに、可動電極の下に陽極接合にて重錘体２３を接合し、重錘体２３の移動空間を確保するための台座層２２と過負荷時のストッパーとなるシリコン基板層２４を積層した４層構造からなる静電容量型加速度センサを作製した。
【００４８】
なお、図２に示す電極配置で、各静電容量素子Ｃ1〜Ｃ3の電極の平面形状における図心Ｐ1〜Ｐ3は、Ｘ−Ｙ座標系平面にＺ軸中心を通る同一直線上になく、かつＺ軸中心に３等分された位置にそれぞれ位置する構成である。
【００４９】
また、可撓基板層２１との各対向面に配置したガラス板の固定電極層２０は、対向面の電極より外部へリードするために、ここでは、周辺に設けた切り欠き隙間より可撓基板層２１上に電極取り出しパット２５を設けてリード２６を接続可能にしてある。
【００５０】
図４に示す静電容量型加速度センサは、ストッパーとなるシリコン基板層２４上に、シリコン基板厚みを利用して相対的に形成した重錘体２３を付設した可撓基板層２１と、所要半径の円周上に３等分して３電極２０ａ，２０ｂ（図示は２電極分のみ）を設けたガラス基板からなる固定電極層２０を順次積層した３層構造からなる。
【００５１】
図５に示す静電容量型加速度センサは、図４の３層構成を４層となして内部を密封可能にした構成であり、以下に製造過程を説明する。サンドブラスト加工などにて所要パターンで設けた円錐や角錐状の貫通孔を設けたガラス基板からなる固定電極層２０）と半導体基板３０を、貫通孔の円錐頂部側で陽極接合し、半導体基板３０の上面の全面に外部電極３１、固定電極層２０には所要パターンで電極２０ａ，２０ｂを設ける。すなわち、低抵抗のＢドープドシリコン基板などの半導体基板３０の上面全面には、Ａｌ，Ａｕ，Ｃｕなどの全面メタル形成、蒸着やめっき法により外部電極３１を設けることができ、下面のガラス基板側にはメタルマスク等を用いた蒸着パターニング等の手法により形成することができる。
【００５２】
別途、シリコン基板などの半導体基板に乾式又は湿式のエッチング技術にてビーム２１ａによる支持構造を設けて形成する可動部２１ｂの厚みを相対的に厚くして重錘体を設けた可撓基板層２１を作製する。可撓基板層２１上に前記のガラス複合板の固定電極層２０の対向電極２０ａ，２０ｂを対向させて積層して陽極接合する。図５に示すごとくいわゆるザグリを形成したシリコン基板層２４上に、この可撓基板層２１を積層し陽極接合するが、この際、接合時の雰囲気調整を行うことにより、積層体内部のガスを制御しておくことができる。
【００５３】
一体化された積層体の上面の外部電極３１および半導体基板３０の厚みに相当する深さで、例えばダイシングソーなどにて、図５に示すごとく絶縁溝３２を所要パターンで形成して、対向電極２０ａ，２０ｂと接続されている半導体基板３０部分を電気的に分離して、分離された半導体基板３０部分に設けられた上面の外部電極３１より対向電極２０ａ，２０ｂとの導通を確保する。
【００５４】
図４、図５の静電容量型加速度センサにおける可撓基板層２１は、１枚の半導体基板より作製したが、図６に示すごとく、２枚の半導体基板を接合した基板あるいは半導体基板２１とガラス基板２７を接合した基板よりエッチング技術にてビーム２１ａによる支持構造を設けて形成するに際し、半導体あるいはガラス基板１枚分の厚みを重錘体とすることも可能である。
【００５５】
【実施例】
上述の図２と同様の製造方法で、図７に示す異形の電極を、その電極の平面形状における図心Ｐ1〜Ｐ3がＸ−Ｙ座標系平面にＺ軸中心を通る同一直線上になく、かつＺ軸中心に３等分された位置にそれぞれ配置して、静電容量素子Ｃ1〜Ｃ3を有する４層構造からなる静電容量型加速度センサを作製した。
【００５６】
この発明による静電容量型加速度センサを使用し、前述した演算方法にて、設定したＸ−Ｙ−Ｚ座標系の各軸回りにセンサの姿勢を変化させた時の重力の加速度を測定した。図８〜図１０に軸回転角と測定電圧との関係を示すが、図８はＸ軸回転、図９はＹ軸回転、図１０はＺ軸回転を示す。なお、グラフ中、□印は静電容量素子Ｃ1、◇印は静電容量素子Ｃ2、△印は静電容量素子Ｃ3の測定電圧を示す。
【００５７】
入力した加速度の計算値と測定値との誤差は、各軸回りとも±１％以下であった。また、演算後の出力（加速度）を軸回転角との関係を図１１、補正演算後の出力（加速度）を実際の加速度との関係を図１２に示すが、入出力のリニアリティが極めてすぐれており、Ｚ軸加速度のｘ，ｙ出力感度への影響も全く観測されず、他軸感度もほとんど発生していないことが分かる。
【００５８】
【発明の効果】
この発明による３電極構成の静電容量型加速度センサは、可動電極の相対位置が任意のＸ、Ｙ、Ｚ軸加速度に対し一義的に決まるため、可動電極の位置を検出することにより加速度を得ることができる構成であり、この前提条件が崩れない範囲であれば、電極配置、面積、初期電極間距離及びアライメントの誤差は、性能には全く影響しない利点がある。
【００５９】
従って、製造に際しての固定電極のパターニングでのメタルマスク方式の採用や陽極接合でのアライメント精度の緩和等、プロセスの選択範囲が広がり、製造性が良く、安価に提供できる利点がある。また、従来の静電容量型に比較して電極数が少なく、チップサイズのシュリンク及びパッケージングが容易になり、安定した性能を有する加速度センサを安価に提供できる。
【００６０】
特に、演算システムにデジタル演算を採用する場合、従来の４個もしくは５個の電極で、差分出力としてＸ、Ｙ軸出力を得るという方法のメリットがなくなるのに対して、この発明の加速度センサを採用することは極めて有効である。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明による３電極を有する加速度センサの作動原理を説明するためのＸ−Ｙ座標説明図である。
【図２】この発明による静電容量型加速度センサの電極配置例を示すガラス基板の平面説明図である。
【図３】この発明による静電容量型加速度センサの縦断説明図である。
【図４】この発明による静電容量型加速度センサの他の構成を示す縦断説明図である。
【図５】この発明による静電容量型加速度センサの他の構成を示す縦断説明図である。
【図６】この発明による静電容量型加速度センサの他の構成を示す縦断説明図である。
【図７】この発明による静電容量型加速度センサの他の電極配置例を示すガラス基板の平面説明図である
【図８】この発明による静電容量型加速度センサの測定電圧をＸ軸回転角との関係で示すグラフである。
【図９】この発明による静電容量型加速度センサの測定電圧をＹ軸回転角との関係で示すグラフである。
【図１０】この発明による静電容量型加速度センサの測定電圧をＺ軸回転角との関係で示すグラフである。
【図１１】この発明による静電容量型加速度センサの測定に基づく演算後の出力（加速度）を軸回転角との関係で示すグラフであり、ＡはＸ軸回転、ＢはＹ軸回転、ＣはＺ軸回を示す。なお、グラフ中、実線がＸ軸、破線がＹ軸、一点鎖線がＺ軸の回転角を示す。
【図１２】この発明による静電容量型加速度センサの測定に基づく補正演算後の出力（加速度）を実際の加速度との関係で示すグラフであり、ＡはＸ軸回転、ＢはＹ軸回転、ＣはＺ軸回を示す。
【図１３】Ａは静電容量型加速度センサの固定基板の下面を示す説明図であり、Ｂは静電容量型加速度センサの縦断説明図である。
【図１４】ＡはＸ軸方向の加速度が作用した状態を示す静電容量型加速度センサの縦断説明図であり、ＢはＺ軸方向の加速度が作用した状態を示す静電容量型加速度センサの縦断説明図である。
【符号の説明】
１，２，３，４，５ 電極
１０ 円筒
１１ 固定基板
１２ 可撓基板
１３ 作動子
Ｃ1〜Ｃ5 静電容量素子
２０ 固定電極層
２０ａ，２０ｂ 電極
２１ 可撓基板層
２１ａ ビーム
２１ｂ 可動部
２２ 台座層
２３ 重錘体
２４ シリコン基板層
２５ 電極取り出しパット
２６ リード
２７ ガラス基板
３０ 半導体基板
３１ 外部電極
３２ 絶縁溝
【発明の属する技術分野】
この発明は、新規な構成からなる加速度センサに係り、製造上の加工精度がセンサの測定精度を支配し、かつ構造上の制約から直線性誤差が生じて複雑な補正が不可欠である従来の加速度センサの問題を解決するため、３電極構造の簡単な構成となした静電容量型を含む加速度センサに関する。
【０００２】
【従来の技術】
静電容量型加速度センサとして、例えば、特開平４−１４８８３３号、特開平４−３３７４３１号、特開平５−１８８０７９号には、固定基板と可撓基板との各対向面に電極を着設して対向配置される静電容量素子を複数対設け、該基板面に平行なＸＹ平面を設定しこれと直交するＺ軸のＸ，Ｙ，Ｚ軸３次元方向の加速度の変化を、複数対の静電容量素子間の静電容量変化に基づき各Ｘ，Ｙ，Ｚ軸方向成分の検出を行う構成が提案されている。
【０００３】
例えば、図１３Ｂの縦断面に示すごとく、円筒１０内に直径方向に配置された固定基板１１と、これに所定の間隔を設けて可撓基板１２を平行に配置し、固定基板１１の下面を示す図１３Ａに示すごとく、この固定基板１１と可撓基板１２との各対向面にそれぞれ電極１〜５を着設して静電容量素子Ｃ1〜Ｃ5を形成する構成からなる。可撓基板１２の下面には適当な質量を有して錘となる作動子１３を設けてある。
【０００４】
詳述するとここでは、該対向面間の外周部に４対、中央部に１対の電極を設けて、静電容量素子Ｃ1〜Ｃ5を形成した構成、すなわち、電極面にて直交するＸ，Ｙの２軸上に配置された各々２つの静電容量素子Ｃ1〜Ｃ4と、前２軸の中央に静電容量素子Ｃ5を配置した構成からなる。
【０００５】
上記の構成において、Ｘ軸方向に加速度が加わった場合、図１４Ａに示すごとく、作動子１３を有する可撓基板１２が変形することにより、固定基板１１と可撓基板１２との対向面間の各電極１〜５間距離が変化することから、各静電容量素子Ｃ1〜Ｃ4の静電容量が変化する。また、図１４Ｂに示すごとく、Ｚ軸方向に加速度が加わった場合も同様に各静電容量素子Ｃ1〜Ｃ4の静電容量が変化する。
【０００６】
静電容量の変化より加速度の各成分の検出は、例えば、Ｘ軸方向の加速度に対する出力として、静電容量素子Ｃ1とＣ3の静電容量差（Ｃ1−Ｃ3）、Ｙ軸方向の加速度に対する出力として、静電容量素子Ｃ2とＣ4の静電容量差（Ｃ2−Ｃ4）、Ｚ軸方向の加速度に対する出力として、静電容量素子Ｃ5の静電容量（Ｃ5）として検出する。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
上記構成の静電容量型加速度センサにおいて、静電容量素子Ｃ1〜Ｃ5の静電容量に比例した電気信号で演算したＸ，Ｙ，Ｚ軸の出力は、厳密には加速度に対し直線性を有しない問題がある。また、この場合、Ｘ，Ｙ軸出力の感度がＺ軸出力に依存することになる問題がある。また、温度変化等により電極ギャップの初期値ｄ0が変化した場合、Ｚ軸の０点シフトに加えＸ，Ｙ，Ｚ軸の感度シフトが発生する問題がある。
【０００８】
さらに、上記構成の静電容量型加速度センサにおいて、静電容量素子Ｃ1〜Ｃ5に逆比例した電気信号で演算する場合にも、センサの静電容量以外の浮遊容量が無視できないために、上述の各種問題が発生する。
【０００９】
以下に、４〜５電極方式での問題点を詳述する。Ｘ（Ｙ）軸加速度は、検出軸上に配置された２つの電極の静電容量の差から検出するとされているが、実際にはＣＶ変換した出力の差分を取ることになる。その場合、一般的に実現可能などんなＣＶ変換方式を採用しても、理論的には以下に示す直線性誤差が発生し、それによりＸ、Ｙ、Ｚを完全に独立に検出することが不可能になる。
【００１０】
【数１】
但しｄｏ： 初期ギャップ距離
ｄｘ： ｘ加速度による変化量（加速度と比例する量）
ｄｚ： ｚ加速度による変化量（加速度と比例する量）
【００１２】
このセンサにおいて、加速度に比例すると期待できる物理量は電極間距離の変化量であり、静電容量が加速度に対し直線的に変化することは期待できない。
【００１３】
直線性誤差の代表例１として、１／Ｃ→Ｖに変換する場合がある。現実的には、センサ容量Ｃとは、対向電極部容量（理論上のセンサ容量）だけでは無く、必ず有限の浮遊容量（センサ内部及び回路部）が存在することになり、その浮遊容量分との和としてＣＶ変換することになる。そのため、浮遊容量が非線形項となり、直線性誤差が発生する。Ｘ、Ｙ、Ｚ出力の直線性の劣化とＸ、Ｙの感度にＺ加速度が影響するという他軸干渉が発生する。
【００１４】
直線性誤差の代表例２として、ＣＶ比例変換の場合がある。上述した式に明らかなように加速度に比例する量は、Ｃの分母にあるためＣＶ比例変換の場合は、出力電圧が加速度に直線的に変化しない。そのため、Ｘ、Ｙ、Ｚ出力の直線性の劣化とＸ、Ｙの感度にＺ加速度が影響するという他軸干渉が発生する。
【００１５】
【数２】
【数３】
上述の２つの直線性誤差の問題があるため、精度を要求される場合にはその後の何らかの補正が必要になる。その補正に関しては、上記代表例１の場合、出力されたＸ、Ｙ、Ｚの出力から完全に真のＸ、Ｙ、Ｚ加速度を補正演算によって得ることは困難である。
【００１８】
また、上記代表例２の場合は、補正演算方法を提案（特開平８−３１３５５２号）したが、厳密に補正するには、非常に複雑な計算式となり、現実的に発生するその他の補正（調整）項である、加工誤差による他軸感度や主軸感度及び０点などを含めて、補正演算を実施する場合は特に複雑になり、例えば、社団法人電気学会の物理センサ研究会における資料（１９９６年１１月１１日、１２日発表の資料番号ＰＳ−９６−１５「静電容量型３軸加速度センサの補正について」）で報告されているごとく、近似式による補正演算を行うことになる。しかし、その場合、近似による誤差が無視できない場合があり、さらに高精度の要求に対しては、この方式では満足できない場合が生じる。
【００１９】
従来の加速度センサでは、Ｘ、Ｙ検出軸は４つの固定電極の配置により決まり、Ｚ軸は可動電極面の配置により決定される。また、加工誤差が他軸感度となって現れるため、非常に高精度の加工技術が要求される。
【００２０】
すなわち、従来の加速度センサでは、Ｘ、Ｙ検出軸は４つの固定電極の配置により、Ｚ軸は可動電極面の配置により決定されること、また、加工誤差が他軸感度となって現れるため、直線性誤差の問題が生じてしまい、何らかの補正が不可欠であり、補正に際しても複雑な演算が必要でセンサの製造加工に際する精度が厳しくかつ厳密な補正を行うにも限度があり、かかる加速度センサを安定的にかつ大量に製造ずることが極めて困難であった。
【００２１】
この発明は、従来の加速度センサが、構造上の制約から直線性誤差の問題が生じて、複雑な補正が不可欠であること、また、製造上の加工精度がセンサの測定精度を支配している現実に鑑み、直線性誤差の問題が生じ難く、製造上の加工精度がセンサの測定精度を決定することがないよう、新規な構成からなる静電容量型を含む加速度センサの提供を目的としている。
【００２２】
【課題を解決するための手段】
発明者は、直線性誤差の問題が生じ難く、製造上の加工精度がセンサの測定精度を決定することがない構成について種々検討した結果、３個の固定電極を持つセンサヘッドを用いて各電極からの信号をデジタル演算することにより、Ｘ、Ｙ、Ｚの直交した３軸方向の加速度の検出が可能であり、目的が達成できることを知見した。本発明は、「電極対が３組のみであり、各電極対の固定電極が同一平面内に配置され、センサ上に予め規定したＸ−Ｙ−Ｚ直交座標系に作用する３軸方向の加速度Ａｘ、Ａｙ、Ａｚに対して、それぞれ個別に感度を有する少なくとも１組の電極対をもつ加速度センサであって、加速度 Ax 、 Ay および Az を下記の三元一次連立方程式（Ａ）式に基づいて算出する加速度センサ。」を要旨とする。
ａ j Ａｚ＋ｂ j Ａｘ＋ｅ j Ａｙ＝ｆ j ・・・（Ａ）
ここで、ｆ j ＝ｃ j ／（Ｖ j −ｄ j ） （ｊ＝１，２，３）
但し、（Ａ）式式中の各記号の意味は下記の通りである。
aj 、 bj 、 cj 、 ej または dj ： Ax,Ay,Az に関する三元一次連立方程式の係数
fj ：ｃ j ／（Ｖ j −ｄ j ）の計算値
Vj ：各電極における出力電圧
【００２３】
また、発明者は、上記の構成からなる加速度センサにおいて、各電極の平面形状の図心がＸ−Ｙ座標系平面で同一直線上にない加速度センサ、各電極の平面形状の図心がＸ−Ｙ座標系平面にＺ軸中心に３等分された位置にそれぞれある加速度センサ、並びに、Ｘ−Ｙ座標系平面にＺ軸を中心にした所要半径の円周上に３等分して３電極を配置して、Ｚ軸方向に３つの電極対を対向配置したことを特徴とする加速度センサを併せて提案する。
【００２４】
さらに、発明者は、ビームによる支持構造を有する可撓基板の可動部下面に重錘体を設けて上面を固定基板と対向配置し、該可動部上面に電極を対向配置した可動電極を有するガラス板及び／又は半導体基板の積層構造からなり、可動電極の傾きを含めた初期位置からの相対位置を検出する手段を有し、電極の該位置情報より３軸方向の加速度Ａｘ、Ａｙ、Ａｚを求めることを特徴とする加速度センサを併せて提案する。
【００２５】
また、発明者らは、上記と同様の積層構造を静電容量型となした加速度センサにおいて、
ガラス層下面にメタル電極が所要パターンで３電極分が成膜された固定電極層と、周囲をビームで支持された半導体基板にパターンニングにより支持構造を設けて形成する可動部の厚みを相対的に厚くした重錘体を有する可撓基板層と、可撓基板層が載置され重錘体が過負荷時に当接してストッパーとなるシリコン層との３層構造からなる静電容量型加速度センサを併せて提案する。
【００２６】
また、発明者は、上記の静電容量型加速度センサにおいて、
ガラス層が所要パターンで設けた円錐や角錐状の貫通孔を有し、下面のメタル電極の導通が貫通孔を介して行われる構成、
所要パターンで設けた円錐や角錐状の貫通孔を有するガラス基板と半導体基板が貫通孔の円錐頂部側で接合された複合板の両面に所要パターンで設けた電極同士が上記貫通孔で半導体を介して導通した構成の複合板層を可撓基板層の上面に電極を対向配置して接合され、内部が密閉された構成の静電容量型加速度センサ
を併せて提案する。
【００２７】
さらに、発明者は、
ガラス層下面にメタル電極が所要パターンで３電極分が成膜された固定電極層と、周囲をビームで支持されて上面が前記電極に対して所定空隙を介して対向配置されて上下動可能に共通電極を構成するシリコン製の可動電極層と、可動電極の下に陽極接合にて接合された錘並びに可動電極層の周囲を支持する台座層と、可動電極層と接合された錘が過負荷時に当接してストッパーとなるシリコン層との４層構造からなる静電容量型加速度センサを併せて提案する。
【００２８】
【発明の実施の形態】
この発明による３軸加速度センサは、従来の４個又は５個の固定電極からの信号の差又は和を取ることによりＸ、Ｙ、Ｚの出力を得ていた方式に対して、各電極からの信号をデジタル演算することを前提として、３個の固定電極を持つセンサヘッドを使ってＸ、Ｙ、Ｚの直交した３軸方向の加速度の検出することを特徴としている。
【００２９】
固定電極の構造以外は、従来の３軸加速度センサと同じであり、同一平面内に配置された固定電極と、その固定電極とほぼ平行に配置された可動電極からなる。その可動電極には重錘体が形成されており、重心がずれた位置に配置されている。固定電極は、面重心が電極平面内の同一直線上にない３個で構成されている。全方向に対して均一な感度、精度を得るためには、１２０°間隔で配置された同じ大きさの扇型電極が望ましい。
【００３０】
以下では、同一形状、等間隔配置ではない図１に示すごとく一般化した電極構造の場合について考える。図ではＣ1，Ｃ2，Ｃ3の３個の電極、固定電極または可動電極を同一平面内で配置した一例を示す。各電極容量、ただしアライメントずれを考慮しない場合は以下の式で表される。
【００３１】
【数４】
【数５】
ここで
ε ： 誘電率
Ｓj ： 各電極の面積
ｄｏj ： 各電極の面重心での初期電極間距離
Ａｘ、Ａｙ、Ａｚ ： 各軸方向の加速度の大きさ
Ｋｚ ： Ｚ方向加速度に対する電極変位感度
Ｋｘj、Ｋｙj ： Ｘ又はＹ方向加速度に対する電極変位感度
αj ： 各電極中心の位置を極座標で表した時の角度（正のＸ軸を０°とし、ＣＣＷ方向の角度）
Ｃｐj ： 浮遊容量
【００３４】
次に、アライメントずれ及びＣＶ変換ゲインのばらつきを考慮したときの出力電圧をＶｊ、電極のＣＶ変換ゲインをＧｊとし、アライメントずれによる変換行列をＫｌｍ（ｌ、ｍ＝ｘ、ｙ、ｚ）とすると、下記Ｖｊ式となり、ｊ＝１、２、３で、係数を整理して下記の（４）式、すなわち、加わった加速度に対するセンサの出力電圧の関係式が得られた。
【００３５】
Ｖｊ＝Ｇj｛εＳｊ／（ｄｏ1＋Ｋｚ×（ＫｚｘＡｘ＋ＫｚｙＡｙ＋ＫｚｚＡｚ）＋Ｋｘｊ×（ＫｘｘＡｘ＋ＫｘｙＡｙ＋ＫｘｚＡｚ）×ｃｏｓαj＋Ｋｙj×（ＫｙｘＡｘ＋ＫｙｙＡｙ＋ＫｙｚＡｚ）×ｓｉｎαj）＋Ｃｐj｝
（ｊ＝１、２、３）
【００３６】
【数６】
また、出力電圧から速度を得る方法として、式（４）を変形すると次の式が得られる。
ａjＡｚ＋ｂjＡｘ＋ｅjＡｙ＝ｆj ・・・（５）
ここで、ｆj＝ｃj／（Ｖj−ｄj） と置いた。・・・（６）
【００３８】
出力電圧から加速度を知るというのは、代数的には（５）式の（Ａｘ、Ａｙ、Ａｚ）に関する三元一次方程式を３つ連立して解くということである。従って、未知数３つに対し、３つの式で、解くことができるのであるから、電極は３つで十分であることがわかる。
【００３９】
以下の連立方程式の解を求める。
ａ1Ａｚ＋ｂ1Ａｘ＋ｅ1Ａｙ＝ｆ1・・・（７）
ａ2Ａｚ＋ｂ2Ａｘ＋ｅ2Ａｙ＝ｆ2・・・（８）
ａ3Ａｚ＋ｂ3Ａｘ＋ｅ3Ａｙ＝ｆ3・・・（９）
【００４０】
（７）、（８）、（９）式より解を求め（解の公式より）、（６）式でＶｊの式に戻すと、下記式を得る。
Ａｘ＝｛（ａ2ｂ3−ａ3ｂ2）（ｃ1／（Ｖ1−ｄ1））＋（ａ1ｅ3−ａ3ｅ1）（ｃ2／（Ｖ2−ｄ2））＋（ａ2ｅ1−ａ1ｅ2）（ｃ3／（Ｖ3−ｄ3））−（ａ3ｅ2−ａ2ｅ3＋ａ1ｅ3−ａ3ｅ1＋ａ2ｅ1−ａ1ｅ2）｝／Ｄ・・・（１０）
Ａｙ＝｛（ａ2ｂ3−ａ3ｂ2）（ｃ1／（Ｖ1−ｄ1））＋（ａ3ｂ1−ａ1ｂ3）（ｃ2／（Ｖ2−ｄ2））＋（ａ1ｂ2−ａ2ｂ1）（ｃ3／（Ｖ3−ｄ3））−（ａ2ｂ3−ａ3ｂ2＋ａ3ｂ1−ａ1ｂ3＋ａ1ｂ2−ａ2ｂ1）｝／Ｄ・・・（１１）
Ａｚ＝｛（ｂ2ｅ3−ｂ3ｅ2）（ｃ1／（Ｖ1−ｄ1））＋（ｂ3ｅ1−ｂ1ｅ3）（ｃ2／（Ｖ2−ｄ2））＋（ｂ1ｅ2−ｂ2ｅ1）（ｃ3／（Ｖ3−ｄ3））−（ｂ2ｅ3−ｂ3ｅ2＋ｂ3ｅ1−ｂ1ｅ3＋ｂ1ｅ2−ｂ2ｅ1）｝／Ｄ・・・（１２）
【００４１】
【数７】
加速度算出に際して、式（１０）、（１１）、（１２）より係数をまとめると、下記式を得る。各センサ毎に、１５個の係数を予め決めてやることにより、出力電圧を上式で演算することで、３軸の加速度を得ることができる。
【００４３】
【数８】
この３軸加速度センサは、可動電極の位置、すなわち、傾きを含めた初期位置からの相対位置が任意の加速度ベクトル（Ｘ、Ｙ、Ｚ軸加速度）に対し一義的に決まることから、その可動電極の位置を検出することにより逆に加速度を得ようとするものである。可動電極の位置は、一直線上にない３点からの距離が決まれば決定できるので、このように３つの電極で十分であることがわかる。
【００４５】
従って、この発明による速度センサは、可動電極の位置を決定できる情報さえ得られれば良いことになる。可動電極の傾きを含めた初期位置からの相対位置を検出する手段としては、レーザー干渉法によるものや、近接させたプローブからのトンネル電流を検出する方法、あるいは可動電極を支持するビーム上に設けた圧電材料やピエゾ抵抗の変化を検出する方法等が適宜採用できる。
【００４６】
また、可動電極の位置を３点で決定する場合、各電極の平面形状の図心がＸ−Ｙ座標系平面にＺ軸中心を通る同一直線上にないことが必要であり、さらに好ましくは、実施例の図３のごとく、各電極の平面形状の図心がＸ−Ｙ座標系平面にＺ軸中心に３等分された位置にそれぞれある構成であり、最も誤差の少ないのは３点がなるべく等間隔で配置されている場合であり、１２０°間隔で配置するのが望ましい。
【００４７】
以下に、この発明による静電容量型加速度センサの種々の構成を図面に基づいて詳述する。図２、図３に示すごとく、ガラス基板の片面にメタル電極を成膜して固定電極層２０となし、Ｘ−Ｙ座標系平面にＺ軸を中心にした所要半径の円周上に３等分して３電極を配置して、Ｚ軸方向に３つの電極対を対向配置した構成からなる静電容量素子Ｃ1〜Ｃ3を形成するため、シリコン基板をバルク・マイクロマシニーング技術で加工して４本ビームで可動電極を支持する可撓基板層２１の構造となした。さらに、可動電極の下に陽極接合にて重錘体２３を接合し、重錘体２３の移動空間を確保するための台座層２２と過負荷時のストッパーとなるシリコン基板層２４を積層した４層構造からなる静電容量型加速度センサを作製した。
【００４８】
なお、図２に示す電極配置で、各静電容量素子Ｃ1〜Ｃ3の電極の平面形状における図心Ｐ1〜Ｐ3は、Ｘ−Ｙ座標系平面にＺ軸中心を通る同一直線上になく、かつＺ軸中心に３等分された位置にそれぞれ位置する構成である。
【００４９】
また、可撓基板層２１との各対向面に配置したガラス板の固定電極層２０は、対向面の電極より外部へリードするために、ここでは、周辺に設けた切り欠き隙間より可撓基板層２１上に電極取り出しパット２５を設けてリード２６を接続可能にしてある。
【００５０】
図４に示す静電容量型加速度センサは、ストッパーとなるシリコン基板層２４上に、シリコン基板厚みを利用して相対的に形成した重錘体２３を付設した可撓基板層２１と、所要半径の円周上に３等分して３電極２０ａ，２０ｂ（図示は２電極分のみ）を設けたガラス基板からなる固定電極層２０を順次積層した３層構造からなる。
【００５１】
図５に示す静電容量型加速度センサは、図４の３層構成を４層となして内部を密封可能にした構成であり、以下に製造過程を説明する。サンドブラスト加工などにて所要パターンで設けた円錐や角錐状の貫通孔を設けたガラス基板からなる固定電極層２０）と半導体基板３０を、貫通孔の円錐頂部側で陽極接合し、半導体基板３０の上面の全面に外部電極３１、固定電極層２０には所要パターンで電極２０ａ，２０ｂを設ける。すなわち、低抵抗のＢドープドシリコン基板などの半導体基板３０の上面全面には、Ａｌ，Ａｕ，Ｃｕなどの全面メタル形成、蒸着やめっき法により外部電極３１を設けることができ、下面のガラス基板側にはメタルマスク等を用いた蒸着パターニング等の手法により形成することができる。
【００５２】
別途、シリコン基板などの半導体基板に乾式又は湿式のエッチング技術にてビーム２１ａによる支持構造を設けて形成する可動部２１ｂの厚みを相対的に厚くして重錘体を設けた可撓基板層２１を作製する。可撓基板層２１上に前記のガラス複合板の固定電極層２０の対向電極２０ａ，２０ｂを対向させて積層して陽極接合する。図５に示すごとくいわゆるザグリを形成したシリコン基板層２４上に、この可撓基板層２１を積層し陽極接合するが、この際、接合時の雰囲気調整を行うことにより、積層体内部のガスを制御しておくことができる。
【００５３】
一体化された積層体の上面の外部電極３１および半導体基板３０の厚みに相当する深さで、例えばダイシングソーなどにて、図５に示すごとく絶縁溝３２を所要パターンで形成して、対向電極２０ａ，２０ｂと接続されている半導体基板３０部分を電気的に分離して、分離された半導体基板３０部分に設けられた上面の外部電極３１より対向電極２０ａ，２０ｂとの導通を確保する。
【００５４】
図４、図５の静電容量型加速度センサにおける可撓基板層２１は、１枚の半導体基板より作製したが、図６に示すごとく、２枚の半導体基板を接合した基板あるいは半導体基板２１とガラス基板２７を接合した基板よりエッチング技術にてビーム２１ａによる支持構造を設けて形成するに際し、半導体あるいはガラス基板１枚分の厚みを重錘体とすることも可能である。
【００５５】
【実施例】
上述の図２と同様の製造方法で、図７に示す異形の電極を、その電極の平面形状における図心Ｐ1〜Ｐ3がＸ−Ｙ座標系平面にＺ軸中心を通る同一直線上になく、かつＺ軸中心に３等分された位置にそれぞれ配置して、静電容量素子Ｃ1〜Ｃ3を有する４層構造からなる静電容量型加速度センサを作製した。
【００５６】
この発明による静電容量型加速度センサを使用し、前述した演算方法にて、設定したＸ−Ｙ−Ｚ座標系の各軸回りにセンサの姿勢を変化させた時の重力の加速度を測定した。図８〜図１０に軸回転角と測定電圧との関係を示すが、図８はＸ軸回転、図９はＹ軸回転、図１０はＺ軸回転を示す。なお、グラフ中、□印は静電容量素子Ｃ1、◇印は静電容量素子Ｃ2、△印は静電容量素子Ｃ3の測定電圧を示す。
【００５７】
入力した加速度の計算値と測定値との誤差は、各軸回りとも±１％以下であった。また、演算後の出力（加速度）を軸回転角との関係を図１１、補正演算後の出力（加速度）を実際の加速度との関係を図１２に示すが、入出力のリニアリティが極めてすぐれており、Ｚ軸加速度のｘ，ｙ出力感度への影響も全く観測されず、他軸感度もほとんど発生していないことが分かる。
【００５８】
【発明の効果】
この発明による３電極構成の静電容量型加速度センサは、可動電極の相対位置が任意のＸ、Ｙ、Ｚ軸加速度に対し一義的に決まるため、可動電極の位置を検出することにより加速度を得ることができる構成であり、この前提条件が崩れない範囲であれば、電極配置、面積、初期電極間距離及びアライメントの誤差は、性能には全く影響しない利点がある。
【００５９】
従って、製造に際しての固定電極のパターニングでのメタルマスク方式の採用や陽極接合でのアライメント精度の緩和等、プロセスの選択範囲が広がり、製造性が良く、安価に提供できる利点がある。また、従来の静電容量型に比較して電極数が少なく、チップサイズのシュリンク及びパッケージングが容易になり、安定した性能を有する加速度センサを安価に提供できる。
【００６０】
特に、演算システムにデジタル演算を採用する場合、従来の４個もしくは５個の電極で、差分出力としてＸ、Ｙ軸出力を得るという方法のメリットがなくなるのに対して、この発明の加速度センサを採用することは極めて有効である。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明による３電極を有する加速度センサの作動原理を説明するためのＸ−Ｙ座標説明図である。
【図２】この発明による静電容量型加速度センサの電極配置例を示すガラス基板の平面説明図である。
【図３】この発明による静電容量型加速度センサの縦断説明図である。
【図４】この発明による静電容量型加速度センサの他の構成を示す縦断説明図である。
【図５】この発明による静電容量型加速度センサの他の構成を示す縦断説明図である。
【図６】この発明による静電容量型加速度センサの他の構成を示す縦断説明図である。
【図７】この発明による静電容量型加速度センサの他の電極配置例を示すガラス基板の平面説明図である
【図８】この発明による静電容量型加速度センサの測定電圧をＸ軸回転角との関係で示すグラフである。
【図９】この発明による静電容量型加速度センサの測定電圧をＹ軸回転角との関係で示すグラフである。
【図１０】この発明による静電容量型加速度センサの測定電圧をＺ軸回転角との関係で示すグラフである。
【図１１】この発明による静電容量型加速度センサの測定に基づく演算後の出力（加速度）を軸回転角との関係で示すグラフであり、ＡはＸ軸回転、ＢはＹ軸回転、ＣはＺ軸回を示す。なお、グラフ中、実線がＸ軸、破線がＹ軸、一点鎖線がＺ軸の回転角を示す。
【図１２】この発明による静電容量型加速度センサの測定に基づく補正演算後の出力（加速度）を実際の加速度との関係で示すグラフであり、ＡはＸ軸回転、ＢはＹ軸回転、ＣはＺ軸回を示す。
【図１３】Ａは静電容量型加速度センサの固定基板の下面を示す説明図であり、Ｂは静電容量型加速度センサの縦断説明図である。
【図１４】ＡはＸ軸方向の加速度が作用した状態を示す静電容量型加速度センサの縦断説明図であり、ＢはＺ軸方向の加速度が作用した状態を示す静電容量型加速度センサの縦断説明図である。
【符号の説明】
１，２，３，４，５ 電極
１０ 円筒
１１ 固定基板
１２ 可撓基板
１３ 作動子
Ｃ1〜Ｃ5 静電容量素子
２０ 固定電極層
２０ａ，２０ｂ 電極
２１ 可撓基板層
２１ａ ビーム
２１ｂ 可動部
２２ 台座層
２３ 重錘体
２４ シリコン基板層
２５ 電極取り出しパット
２６ リード
２７ ガラス基板
３０ 半導体基板
３１ 外部電極
３２ 絶縁溝
Claims (10)
- 電極対が３組のみであり、各電極対の固定電極が同一平面内に配置され、センサ上に予め規定したＸ−Ｙ−Ｚ直交座標系に作用する３軸方向の加速度Ａｘ、Ａｙ、Ａｚに対して、それぞれ個別に感度を有する少なくとも１組の電極対をもつ加速度センサであって、加速度 Ax 、 Ay および Az を下記の三元一次連立方程式（Ａ）式に基づいて算出する加速度センサ。
ａ j Ａｚ＋ｂ j Ａｘ＋ｅ j Ａｙ＝ｆ j ・・・（Ａ）
ここで、ｆ j ＝ｃ j ／（Ｖ j −ｄ j ） （ｊ＝１，２，３）
但し、（Ａ）式式中の各記号の意味は下記の通りである。
aj 、 bj 、 cj 、 ej または dj ： Ax,Ay,Az に関する三元一次連立方程式の係数
fj ：ｃ j ／（Ｖ j −ｄ j ）の計算値
Vj ：各電極における出力電圧 - 請求項１において、各電極の平面形状の図心がＸ−Ｙ座標系平面で同一直線上にない加速度センサ。
- 請求項１において、各電極の平面形状の図心がＸ−Ｙ座標系平面にＺ軸中心に３等分された位置にそれぞれある加速度センサ。
- 請求項１において、Ｘ−Ｙ座標系平面にＺ軸を中心にした所要半径の円周上に３等分して３電極を配置して、Ｚ軸方向に３つの電極対を対向配置した構成からなる加速度センサ。
- 請求項１において、ビームによる支持構造を有する可撓基板の可動部下面に重錘体を設けて上面を固定基板と対向配置し、該可動部上面に電極を対向配置した可動電極を有するガラス板及び／又は半導体基板の積層構造からなり、可動電極の傾きを含めた初期位置からの相対位置を検出する手段を有し、電極の該位置情報より３軸方向の加速度Ａｘ、Ａｙ、Ａｚを求める加速度センサ。
- 請求項１において、ビームによる支持構造を有する可撓基板の可動部下面に重錘体を設けて上面に固定基板を対向配置し、該可動部上面に電極を対向配置した可動電極を有するガラス板及び／又は半導体基板の積層構造からなる静電容量型の加速度センサ。
- 請求項６において、ガラス層下面にメタル電極が所要パターンで３電極分が成膜された固定電極層と、周囲をビームで支持されて上面が前記電極に対して所定空隙を介して対向配置されて上下動可能に共通電極を構成するシリコン製の可動電極層と、可動電極の下に陽極接合にて接合された錘並びに可動電極層の周囲を支持する台座層と、可動電極層と接合された錘が過負荷時に当接してストッパーとなるシリコン層との４層構造からなる静電容量型の加速度センサ。
- 請求項６において、ガラス層下面にメタル電極が所要パターンで３電極分が成膜された固定電極層と、周囲をビームで支持された半導体基板にパターンニングにより支持構造を設けて形成する可動部の厚みを相対的に厚くした重錘体を有する可撓基板層と、可撓基板層が載置され重錘体が過負荷時に当接してストッパーとなるガラス層との３層構造からなる静電容量型の加速度センサ。
- 請求項８において、ガラス層が所要パターンで設けた円錐や角錐状の貫通孔を有し、下面のメタル電極の導通が貫通孔を介して行われる静電容量型の加速度センサ。
- 請求項８において、所要パターンで設けた円錐や角錐状の貫通孔を有するガラス基板と半導体基板が貫通孔の円錐頂部側で接合された複合板の両面に所要パターンで設けた電極同士が上記貫通孔で半導体を介して導通した構成の複合板層を可撓基板層の上面に電極を対向配置して接合され、内部が密閉された静電容量型の加速度センサ。
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