JP4855078B2

JP4855078B2 - 振動検出器

Info

Publication number: JP4855078B2
Application number: JP2006004370A
Authority: JP
Inventors: 勇作吉田
Original assignee: Mitutoyo Corp
Current assignee: Mitutoyo Corp
Priority date: 2006-01-12
Filing date: 2006-01-12
Publication date: 2012-01-18
Anticipated expiration: 2026-01-12
Also published as: JP2007187494A

Description

本発明は、振動検出器に係り、特に、ＭＥＭＳ技術を用いて作られる、加速度センサ、速度センサあるいは変位センサとして用いるのに好適な、低ノイズの振動検出器に関する。

特許文献１に記載されているように、図１に示す如く、弾性部２２によって変位自在に支持された可動極板２１と、該可動極板２１と対面する位置に固定された固定極板１２、３２とを備え、前記可動極板２１と固定極板１２、３２で形成されるキャパシタの静電容量に基づいて可動極板２１を変位せしめる被測定体の変位、速度、加速度のいずれかを検出する振動検出器が知られている。この振動検出器は、例えば、地震計や自動車用エアバックの加速度センサ等として用いられる。

図において、２は、中央に配置されたシリコン基盤、１及び３は、該シリコン基盤２を上下両側から挟む２つの透光材としてのガラス基盤、２０は、前記シリコン基盤２の大部分を占める、板ばね状に形成された弾性部２２と、該弾性部２２によって厚さ方向に変位自在に支持された平面視円形の可動極板２１とがエッチングによって一体的に設けられた本体部、２３〜２６は、電極取出し用のシリコン製の島、２７は、ガス吸着剤としてのゲッタＧを受け入れる収容部、１１、３１は制動用極板、１３〜１７はテーパ状の貫通孔であるリード線取付部、１１ａ、３１ａは制動用電極、１２ａは検出用電極である。

この状態において、当該検出部に対して外部から振動が印加されると、当該振動に起因して、弾性部２２によって中立位置（平行位置）に支持された可動極板２１が、当該弾性部２２に拘束されながら板厚方向に変位する。これにより、上側の固定極板１２と可動極板２１によって形成される可変容量キャパシタの静電容量と、下側の固定極板３２と可動極板２１によって形成される可変容量キャパシタの静電容量とが相互に増減し、これに伴って両者の容量差が変動する。すると、図示しない制御部は、当該容量差の変動分に応じた電圧を、リード線取付部１３及び１４を通してボンディングされた各リード線（図示省略）を介して、制動用極板１１、３１に印加（フィードバック）することにより、当該各制動用極板１１、３１が生ぜしめる静電気力と、可動極板２１の慣性力とを相殺する制御を行なう。これにより、外部からの振動に起因する可動極板２１の変位を最小限に抑えることができる。その過程で、制御部は、各制動用極板１１、３１にフィードバックした電圧の大きさに基づいて、当該振動センサに印加された振動（例えば加速度）を検出し、外部に出力する。

このような振動検出器の分解能は、可動極板（振動子とも称する）２１の上下の隙間（サブミクロン〜５μｍ程度）に存在する気体分子の運動による熱雑音に起因している。

そこで、特許文献１には、ゲッタＧを設けて、気体分子の数を低減することが記載されている。

又、前記熱雑音は、次式で表わされる。

ａ＝√（４ｋ_ｂλＴ）／ｍ …（１）

ここで、ａは振動検出器の入力換算のノイズ、ｋ_ｂはボルツマン定数、λは減衰係数、Ｔは温度、ｍは振動子２１の質量である。

（１）式より、振動検出器の入力換算ノイズａは、減衰係数λに依存することが示されているが、この減衰係数λは、次式に示す如く、固定極板（固定電極とも称する）１２、３２と振動子２１により構成されるギャップの形状に依存する。

λ＝（μ_ｅｆｆＳ^２／ｄ_０ ^３）α …（２）

ここで、μ_ｅｆｆは有効粘性係数、Ｓは面積、ｄ_０はギャップ、αは圧力に依存する係数で、低周波域では定数である。

一般に、振動子２１が振動したときの内部圧が低くなるようにギャップの形状を決定すると、減衰係数λが小さくなり、気体分子の運動による熱雑音に起因した振動検出器の入力換算ノイズａを小さくすることができる。

そこで、特許文献１の図７には、内部圧が最も大きくなる振動子２１の中心に孔を開けることも記載されている。

特開２００４−１２３２６号公報（図１〜図３、図７）

しかしながら、前者のゲッタＧを設ける方法は、コストアップに繋がり、後者の振動子２１の中心に孔を開ける方法では、振動子２１の質量ｍも小さくなるため、振動検出器の入力換算ノイズａを小さくするための効率が良くないという問題点を有していた。

本発明は、前記従来の問題点を解消するべくなされたもので、コストアップを生じることなく低ノイズの振動検出器を提供することを課題とする。

本発明は、弾性部によって変位自在に支持された振動子と、該振動子と対面する位置に固定された固定電極とを備え、前記振動子と固定電極とで形成されるキャパシタの静電容量に基づいて被測定体の変位、速度、加速度の何れかを検出する振動検出器において、前記固定電極の中央部に、該固定電極中央部と前記振動子とのギャップを周辺部より大とするための凹部を設けることにより、前記課題を解決したものである。

又、前記振動子の中央部に凹部を設けたものである。

又、前記振動子の中央部に貫通孔を設けたものである。

本発明によれば、固定電極の中央部における振動子とのギャップを、周辺部より大とすることができ、振動子が振動した場合に該拡大されたギャップでの内部圧が低くなるため、減衰定数λが小さくなる。その結果、よりノイズレベルの低い振動検出器を得ることができ、周波数特性を向上することができる。この方法は、従来の方法と比較して、振動子の質量を減らさずに減衰係数λのみを小さくできるため、入力換算ノイズａを効果的に小さくできる。

なお、固定電極側だけでなく、振動子の中央部における固定電極とのギャップも周辺部より大とした場合には、該ギャップにおける内部圧を更に低めることができる。この場合には、更に入力換算ノイズを小さくすることができる。

以下図面を参照して、本発明の実施形態を詳細に説明する。

本発明の第１実施形態は、図２（分解斜視図）、図３（平面図）及び図４（図３のIV−IV線に沿う横断面図）に示す如く、従来例と同様の固定電極１２、３２を円環形状とし、その中央部１２ｃ、３２ｃを窪ませることにより、該中央部１２ｃ、３２ｃにおける振動子２１とのギャップｄ_０を、周辺部より大としたものである。

他の点については、配線パターン４１〜４３がガラス基盤１の上面にのみ設けられ、配線取出し用の島が２３、２４の２つのみとされている点を除き、図１に示した従来例と基本的に同じであるので、対応する部品には同じ符号を付して、詳細な説明は省略する。

本実施形態によれば、固定電極１２、３２が従来のように平坦であった場合には、図５の破線Ａに示す如くであった内部圧が、中央部１２ｃ、３２ｃを凹ませることにより、実線Ｂに示す如く低下し、減衰係数λが小さくなるため、ノイズレベルの低い加速度センサを得ることができる。例えば２μｍであったギャップを４μｍに拡げれば、中央部の内部圧を１／８にすることができる。

次に図６を参照して、参考形態を説明する。

本参考形態は、固定電極１２、３２の中央部に貫通孔１２ｈ、３２ｈを設けて、中央部における振動子２１とのギャップを周辺部より大としたものである。他の点については、第１実施形態と同様であるので、説明は省略する。

本参考形態によれば、中央部の内部圧をほぼ０（外気圧基準）にすることができ、第１実施形態よりも更に低くなるため、一層ノイズレベルの低い加速度センサを得ることができる。

次に図７を参照して、本発明の第２実施形態を説明する。

本実施形態は、第１実施形態と同様に固定電極１２、３２の中央部１２ｃ、３２ｃを凹ませるだけでなく、振動子２１の中央部２１ｃも凹ませたものである。他の点については、第１実施形態と同様であるので、説明は省略する。

本実施形態によれば、第１実施形態に比べて、ギャップを大きくすることができる。

次に図８を参照して、本発明の第３実施形態を詳細に説明する。

本実施形態は、第１実施形態と同様の加速度センサにおいて、振動子２１の中央部に貫通孔２１ｈを設けたものである。他の点については、第１実施形態と同様であるので、説明は省略する。

本実施形態によれば、第１、第２実施形態に比べて、中央部のギャップをより大きくすることができる。

又、前記実施形態においては、いずれも固定電極１２、３２が円環状とされていたが、固定電極の形状はこれに限定されず、例えば図９に示す第４実施形態のように、固定電極３２を矩形状とすることも可能である。又、振動子２１と固定電極１２、３２のいずれか一方を円形とし、他方を矩形としたり、更に他の形状とすることも可能である。

前記実施形態においては、いずれも、振動子２１の上下に固定電極１２、３２が設けられていたので、感度や温度特性が良好である。なお、上下のいずれか一方のみとすることも可能である。

前記実施形態においては、いずれも、シリコン基盤２をガラス基盤１、３で挟んでいたが、シリコンの表面を絶縁処理してガラス基盤１、３の代わりとし、シリコンを剥き出しとした部分を電極化して、全てシリコンで作ることも可能である。

なお、前記説明においては、いずれも、検出すべき振動の周波数が検出器の固有周波数よりも小さい加速度センサの場合で説明したが、検出すべき振動の周波数が検出器の固有周波数近傍の場合には速度センサ、検出すべき振動の周波数が検出器の固有周波数より大きい場合には変位センサとして用いることができる。

特許文献１に記載された従来の振動検出器の構成を示す分解斜視図本発明の第１実施形態の構成を示す分解斜視図同じく平面図同じく図３のIV−IV線に沿う横断面図本発明の原理を示す線図参考形態の要部構成を示す断面図本発明の第２実施形態の要部構成を示す断面図同じく第３実施形態の要部構成を示す断面図同じく第４実施形態の要部構成を示す平面図

符号の説明

１、３…ガラス基盤
２…シリコン基盤
１２、３２…固定電極
１２ｃ、２１ｃ、３２ｃ…中央部
２１ｈ…貫通孔
２１…振動子
２２…弾性部

Claims

弾性部によって変位自在に支持された振動子と、該振動子と対面する位置に固定された固定電極とを備え、前記振動子と固定電極とで形成されるキャパシタの静電容量に基づいて被測定体の変位、速度、加速度の何れかを検出する振動検出器において、
前記固定電極の中央部に、該固定電極中央部と前記振動子とのギャップを周辺部より大とするための凹部を設けたことを特徴とする振動検出器。
前記振動子の中央部に凹部を設けたことを特徴とする請求項１に記載の振動検出器。
前記振動子の中央部に貫通孔を設けたことを特徴とする請求項１に記載の振動検出器。