JP4974359B2

JP4974359B2 - 力学量センサ

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Publication number: JP4974359B2
Application number: JP2007030282A
Authority: JP
Inventors: 光男鎗田; 武内山; 朗弘飯野
Original assignee: Seiko Instruments Inc
Current assignee: Seiko Instruments Inc
Priority date: 2007-02-09
Filing date: 2007-02-09
Publication date: 2012-07-11
Anticipated expiration: 2027-02-09
Also published as: JP2008196883A

Description

本発明は、例えば、加速度や角速度などの力学量を検出する力学量センサに関し、特に、静電容量の変化に基づいて作用する力学量を検出する力学量センサに関する。

ビデオカメラの手ぶれ補正装置や車載用のエアバッグ装置、ロボットの姿勢制御装置など広い分野において、加速度センサや角速度センサなどの力学量センサが用いられている。
力学量センサには、例えば、下記の特許文献１に示されているような、錘に設けられた可動電極と、可動電極と対向して設けられた固定電極との間の静電容量変化から錘の変位を検出し、この錘の変位に基づいて力学量を検出する静電容量検出型のセンサがある。
特開２００５−６９８５２公報

特許文献１には、センサの検出精度を向上させるために、半導体プロセスを用いて製造される容量型力学量センサにおける、電極間のギャップ（隙間）のばらつきを抑える技術が提案されている。

ところで、上述したような静電容量検出型の力学量センサでは、製造環境条件や使用環境条件など種々の原因により可動電極が固定電極に貼り付く現象が生じる場合がある。
例えば、エッチング工程においてエッチング液の表面張力によって電極が貼り付いたり、また、ダイシング工程やボンディング工程、センサの使用時などに生じる静電気の作用などによって電極が貼り付く場合がある。
このような電極の貼り付き（吸着）現象が生じている状態では、センサは正常に機能しない。
そのため、製造工程において電極の貼り付き現象が生じた場合には、速やかに次の検査工程を実施することができない。また、センサの使用時に電極の貼り付きが生じた場合には、適切に力学量を検出することができない。

そこで本発明は、錘と電極との貼り付きを速やかに解除することができる力学量センサを提供することを目的とする。

請求項１記載の発明では、力学量センサに、フレームと、錘と、前記フレームに一端が固定された、前記錘を支持する梁と、前記錘と隙間を介して対向する電極と、前記錘と前記電極との間の静電容量の変化に基づいて、力学量を検出する力学量検出手段と、圧電素子を有し、前記圧電素子を駆動させることにより、前記錘と前記電極との貼り付きを解除する解除手段と、前記フレームに固定された固定基板と、を備え、前記電極は、前記固定基板に固定され、前記圧電素子は、前記固定基板における前記錘との対向面、前記固定基板と前記電極との接合部、及び、前記固定基板と前記フレームとの接合部のうちの少なくともいずれかの部位に設けられていることにより前記目的を達成する。
請求項２記載の発明では、力学量センサに、フレームと、錘と、前記フレームに一端が固定された、前記錘を支持する梁と、前記錘と隙間を介して対向する電極と、前記錘と前記電極との間の静電容量の変化に基づいて、力学量を検出する力学量検出手段と、圧電素子を有し、前記圧電素子を駆動させることにより、前記錘と前記電極との貼り付きを解除する解除手段と、を備え、前記圧電素子は、前記フレームに固定された板状の部材からなり、前記電極は、前記圧電素子に固定されていることにより前記目的を達成する。
請求項３記載の発明では、請求項１又は請求項２記載の力学量センサにおいて、前記錘と前記電極との貼り付きを検出する貼り付き検出手段を備え、前記錘と前記電極との貼り付きが検出された場合、前記解除手段は、前記圧電素子を駆動させることを特徴とする。
請求項４記載の発明では、請求項３記載の力学量センサにおいて、前記貼り付き検出手段は、前記力学量検出手段の検出結果に基づいて、前記錘と前記電極との貼り付きを検出することを特徴とする。
請求項５記載の発明では、請求項１から請求項４のいずれか１の請求項に記載の力学量センサにおいて、前記解除手段は、前記圧電素子を振動駆動させることにより、前記錘と前記電極との貼り付きを解除することを特徴とする。
なお、請求項５記載の発明では、前記圧電素子の振動周波数は、例えば、前記梁の共振周波数に設定されていることが好ましい。

本発明によれば、解除手段における圧電素子に駆動電圧を印加するだけで、圧電素子の変位（歪み）の作用によって、錘と電極との貼り付きを強制的に解除することができる。

以下、本発明の好適な実施の形態について、図１〜図１０を参照して詳細に説明する。
（１）実施形態の概要
本実施の形態では、可撓性を有する梁によってフレームに支持された錘の姿勢状態の変位を固定電極と可動電極（＝錘）間の静電容量の変化量に基づいて検出し、この錘の姿勢状態の変位の検出結果に基づいて錘に作用する加速度を測定する加速度センサについて説明する。
この静電容量検出型の加速度センサでは、固定電極と可動電極との間に空隙（ギャップ）が形成されている。しかしながら、この空隙は微小であるため、センサ製造時やセンサの使用時に生じる静電気などの作用によって、固定電極と可動電極とが貼り付いてしまう場合がある。

このような電極の貼り付きが生じた場合、錘の姿勢状態の変化を検出することができなくなる。即ち、センサとして正常に機能しなくなる。
そこで、固定電極と可動電極との貼り付きを速やかに解消するために、錘や梁などの可動部に振動を与え、強制的に錘を固定電極から引き離すように加速度センサを構成する。
本実施形態では、駆動電極を介して高周波電圧を印加することにより圧電体を振動させ、その振動を可動部に伝えることによって錘を剥がす。これにより、加速度センサにおける検出精度の向上を適切に図ることができる。

（２）実施形態の詳細
本実施形態では、静電容量検出型の力学量センサの一例として、加速度を検出する加速度センサを例にとり説明する。
図１は、本実施形態に係る加速度センサの概略構成を示した図である。
図１に示すように、加速度センサは、センサ部１００と制御部２００を備えている。
制御部２００には、Ｃ／Ｖ（静電容量／電圧）変換部２０１、貼り付き検知部２０２、圧電体駆動部２０３が設けられている。なお、本実施形態では、Ｃ／Ｖ変換部２０１の出力信号が、センサ信号として加速度センサから出力される。

まず、加速度センサにおけるセンサ部１００の構成について説明する。
図２は、本実施の形態に係る加速度センサにおけるセンサ部１００の概略構造を示した斜視図である。
なお、図２では、加速度センサの構造をわかりやすく表現するために、各層の構造を離して表現しているが、実際は、各層が積層した状態で構成されている。
図２に示すように、加速度センサは、可動部構造体１０が上部基板２０及び下部基板３０の両ガラス基板によって上下方向から挟み込まれた３層構造となっている

図３（ａ）は、可動部構造体１０を上部基板２０側から見た平面図を示す。
図に示すように、可動部構造体１０は、シリコン基板をエッチングすることによって、フレーム１１、梁１２及び錘１３が形成されている。
フレーム１１は、錘１３を囲むように可動部構造体１０の周縁部に設けられた固定部であり、可動部構造体１０の枠組みを構成する。
梁１２は、錘１３の中心から放射方向に（フレーム１１の方向に）十字方向に延びる４つの帯状の薄部材であり、可撓性を有している。

錘１３は、中央部に位置する角柱状の錘部１３０、この錘部１３０の４隅にそれぞれバランスを保って配設された角柱状の錘部１３１〜１３４から構成されている。なお、錘部１３０〜１３４は、連続した固体として一体に形成されている。
錘１３は、４つの梁１２によってフレーム１１に固定された質量体である。錘１３は、梁１２の作用により、外部より加わる力により振動させたり、捩れる動きが可能となっている。錘１３は、導電性を有し、その表面は可動電極として機能する。

なお、可動部構造体１０のフレーム１１、梁１２、錘１３を形成する際には、シリコン基板をプラズマによる深いトレンチエッチングを施すＤ−ＲＩＥ（ディープ−リアクティブ・イオン・エッチング）技術を利用して行う。
また、本実施の形態に係る加速度センサでは、可動部構造体１０をシリコン基板を用いて形成しているが、可動部構造体１０の形成部材はこれに限られるものではない。例えば、シリコン基板の中間層に酸化膜を埋め込んだＳＯＩ（シリコン・オン・インシュレータ）基板を用いて形成してもよい。
この場合、中間の酸化膜層が梁１２や錘１３を加工する際のエッチング処理において、エッチング遮断層（ストップ層）として機能するため、厚み方向に対する加工精度を向上させることができる。

上部基板２０及び下部基板３０は、可動部構造体１０を封止するように接合された固定基板である。上部基板２０及び下部基板３０は、それぞれ、可動部構造体１０のフレーム１１において陽極接合によって接合されている。
陽極接合とは、ガラス基板（上部基板２０、下部基板３０）側に陰極電圧を与え、ガラス−シリコン間の静電引力を利用して接合する接合方法である。
なお、ガラス基板と可動部構造体１０との接合方法は、陽極接合に限定されるものではない。例えば、接合面に金属を積層させて接合する共晶接合等を用いるようにしてもよい。

上部基板２０及び下部基板３０には、錘１３の姿勢状態を検出するための複数の固定電極が設けられている。
図３（ｂ）は、上部基板２０における固定電極２１〜２４と圧電体２５の配置状態を示した図である。なお、図３（ｂ）では、説明の煩雑化を避けるため、センサ部１００の上部（外側）から見た上部基板２０の透過像を示す。
図３（ｂ）に示すように、上部基板２０には、錘部１３１と対向する部位に固定電極２１、錘部１３２と対向する部位に固定電極２２、錘部１３３と対向する部位に固定電極２３、錘部１３４と対向する部位に固定電極２４が設けられている。
固定電極２１〜２４は、例えば、銅やアルミニウムなどの金属を蒸着させることによって形成された金属電極である。

また、上部基板２０の錘１３と対向する面における、錘部１３０と対向する部位（領域）に圧電体２５が設けられている。即ち、上部基板２０の下部基板３０と対向する面の中央部に圧電体２５が設けられている。
図４は、圧電体２５の一例を示した図である。
図４に示すように、圧電体２５は、圧電素子２５１と駆動電極２５２を備えている。
圧電素子２５１は、ｚ軸方向に沿った分極方向（Ｐ）を有する、例えば、圧電セラミクスや水晶などの電歪素子（ピエゾ素子）である。なお、分極方向とは、電気双極子の方向、即ち自発分極方向を示す。
圧電体２５は、駆動電極２５２を介して電圧を加えると圧電素子２５１が歪む性質、即ち逆圧電効果を利用してｚ軸方向に振動駆動可能に構成されている。ここでｚ軸方向とは、可動部構造体１０、上部基板２０、下部基板３０の積層方向、即ち、上部基板２０、下部基板３０の厚み方向を示す。

圧電体２５は、錘１３と固定電極２１〜２４との貼り付きを解除させる解除手段の一部として機能する。
圧電体２５は、少なくとも一部が上部基板２０から錘１３の方向へ突出するように配設されている。
同様に、図２に示すように、下部基板３０には、錘部１３１と対向する部位に固定電極３１、錘部１３２と対向する部位に固定電極３２、錘部１３３と対向する部位に固定電極３３、錘部１３４と対向する部位に固定電極３４、錘部１３０と対向する部位に圧電体３５が設けられている。
なお、圧電体３５もまた、圧電体２５と同様の構成を有するため、説明は省略する。

図５（ａ）は、図３（ａ）、（ｂ）に示すＡ−Ａ’部における加速度センサの断面を示した図である。
図に示すように、梁１２及び錘１３の上面（上部基板２０との対向面）と上部基板２０との間には、錘１３を可動にするための可動隙間１４が形成されている。上部基板２０は、この可動隙間１４を封止するように接合されている。
梁１２の下面（下部基板３０との対向面）及び錘１３の底面即ち下面（下部基板３０との対向面）と下部基板３０との間、さらに錘１３の周部においても、錘１３を可動にするための可動隙間１５が形成されている。下部基板３０は、この可動隙間１５を封止するように接合されている。なお、可動隙間１４、１５は、真空状態とすることで、錘１３が動作する際の空気抵抗を低減することが可能である。

本実施の形態に係る加速度センサでは、固定電極２１と可動電極（錘１３）とでコンデンサ（静電容量素子）１Ａが構成され、固定電極２２と可動電極とでコンデンサ２Ａ、固定電極２３と可動電極とでコンデンサ３Ａ、固定電極２４と可動電極とでコンデンサ４Ａが構成されている。
同様に、固定電極３１と可動電極（錘１３）とでコンデンサ１Ｂ、固定電極３２と可動電極とでコンデンサ２Ｂ、固定電極３３と可動電極とでコンデンサ３Ｂ、固定電極３４と可動電極とでコンデンサ４Ｂが構成されている。
なお、上部基板２０及び下部基板３０には、図２に示すように、各電極の電位や錘１３の電位、圧電体２５、３５の接続配線を制御部２００へ引き出すための電極パッド４０が複数設けられている。
電極パッド４０は、図５（ａ）に示すように、各ガラス基板の厚み方向に貫通するスルーホールの内周壁に設けられた引き出し線を介して各電極など接続されている。そして、これらの電極パッド４０から引き出された配線は、制御部２００へ接続される。

図５（ｂ）は、錘１３の姿勢が変化した状態を示した図である。
例えば、錘１３の第１検出軸（ｘ軸）方向に加速度が作用すると、図５（ｂ）に示すように、錘１３の姿勢がｘ軸に対して傾く。すると、各固定電極と可動電極（錘１３）との距離が変化する。
詳しくは、固定電極２２と可動電極との間、及び固定電極３３と可動電極との間の距離が小さくなり、一方、固定電極３２と可動電極との間、及び固定電極２３と可動電極との間の距離が大きくなる。
このような、電極間の距離の変化は、電極間の静電容量の変化として現れるため、コンデンサ２Ａ、２Ｂ及びコンデンサ３Ａ、３Ｂの静電容量の変化に基づいて、錘１３の姿勢変化を検出することができる。

電極間の距離の変化、即ち電極間の静電容量の変化は、制御部２００におけるＣ／Ｖ変換部２０１によって電気的に検出することができる。
検出された錘１３の姿勢の変化（傾斜方向、傾斜度合い等）に基づいて、作用する加速度を算出（導出）する。つまり、制御部２００において、錘１３の姿勢の変化量を加速度に変換する。
ここでは、錘１３の第１検出軸（ｘ軸）方向に加速度が作用した場合について説明したが、錘１３の第２検出軸（ｙ軸）方向に加速度が作用した場合についても同様に、固定電極と可動電極間の距離の変化に基づいて錘１３の姿勢変化を検出することにより、作用する加速度を検出することができる。

次に、制御部２００における、錘１３の姿勢の変化量を電気的に検出する方法について説明する。
図６は、Ｃ／Ｖ変換部２０１における変換回路の一例を示した図である。
図６に示すように、変換回路では、静電容量素子Ｃ１、Ｃ２が直列接続され、その接続点（接合点）が演算増幅器ＩＣ１の反転入力端子（−）と接続されている。演算増幅器ＩＣ１の非反転入力端子（＋）は接地されている。
演算増幅器ＩＣ１の出力端子と反転入力端子との間に、帰還抵抗として機能する抵抗Ｒ１が接続されている。
変換回路には、高周波信号（キャリア信号）を発生させる交流電圧源Ｖｓ１、Ｖｓ２が設けられており、直列接続されたＣ１、Ｃ２に、それぞれ互いの位相が１８０°反転した高周波信号が印加されるように構成されている。

なお、本実施の形態で用いられる演算増幅器ＩＣ１は、アナログ集積回路であるオペアンプ（オペレーショナル・アンプリファイア）によって構成されている。
演算増幅器ＩＣ１の反転入力端子（−）は、ここに入力される信号が反転され、出力に増幅されて出てくる端子である。一方、非反転入力端子（＋）は、ここに入力される信号は反転されずに増幅されて出てくる端子である。
オペアンプの利得は極めて高く、また周波数特性の範囲も直流から数ＭＨｚまでの増幅が可能である。
図示していないが、演算増幅器ＩＣ１には、電源の端子が設けられており、この端子から動作用の電力が供給されるようになっている。
なお、演算増幅器ＩＣ１の出力の最大値は、演算増幅器ＩＣ１に供給される電圧を超えることはない。

図６に示すように、交流電圧源Ｖｓ１、Ｖｓ２から高周波（例えば、１ＭＨｚ）のキャリア信号が静電容量素子Ｃ１、Ｃ２に印加されると、静電容量素子Ｃ１に流れる電流Ｉ１及び静電容量素子Ｃ２に流れる電流Ｉ２の絶対値の差分に相当する電流Ｉ３が、演算増幅器ＩＣ１の反転入力端子（−）に流れ込む。即ち、静電容量素子Ｃ１、Ｃ２の静電容量の差分に相当する信号が、演算増幅器ＩＣ１に入力される。
演算増幅器ＩＣ１に入力された信号は、設定されたゲイン値に応じた増幅処理が施され、演算増幅器ＩＣ１の出力端子からＶｏｕｔ信号として出力される。
本実施形態のＣ／Ｖ変換部２０１では、図６に示すような変換回路を複数用いることによって各検出軸方向に作用する加速度を検出するように構成されている。
詳しくは、静電容量素子Ｃ１、Ｃ２を、それぞれ上述したコンデンサ１Ａ、１Ｂ、コンデンサ２Ａ、２Ｂ、コンデンサ３Ａ、３Ｂ、コンデンサ４Ａ、４Ｂで構成した４つの変換回路を用いて加速度の検出処理を行う。

図１の説明に戻り、本実施形態では、制御部２００に貼り付き検知部２０２が設けられている。
図７は、センサ部１００における錘１３が上部基板２０の固定電極２１〜２４に貼り付いた状態の一例を示した図である。
貼り付き検知部２０２では、錘１３が、図７に示すように上部基板２０に貼り付いた状態、また、下部基板３０に貼り付いた状態を検知する。
貼り付き検知部２０２では、図６に示す変換回路の出力信号（Ｖｏｕｔ）に基づいて、錘１３の固定電極２１〜２４、３１〜３４への貼り付き状態を検知（検出）する。
具体例を、図６に示す静電容量素子Ｃ１、Ｃ２をそれぞれコンデンサ２Ａ、２Ｂで構成した変換回路を用いて説明する。

図７に示すように、錘１３が固定電極２１〜２４に貼り付いた場合、静電容量素子Ｃ１は、電極間が短絡（ショート）状態となるため、静電容量素子としての機能がなくなる。一方、静電容量素子Ｃ２は、静電容量素子としての機能を有している。そのため、演算増幅器ＩＣ１には、キャリア信号より位相が９０°ずれた信号と、キャリア信号を重畳した信号が入力される。
貼り付き検知部２０２は、Ｖｓ１及びＶｓ２からキャリア信号を印加した際に、位相の異なる信号の重畳信号が変換回路の出力信号として現れた場合には、錘１３が上部基板２０又は下部基板３０の電極に貼り付いていると判断する。
また、変換回路における静電容量素子Ｃ１、Ｃ２を構成するコンデンサの組み合わせによっては、他の種類のエラー信号が出力信号として現れた場合に、錘１３と固定電極２１〜２４、３１〜３４とが貼り付いていると判断する。

本実施形態では、制御部２００に圧電体駆動部２０３が設けられている。
圧電体駆動部２０３は、センサ部１００に設けられている圧電体２５、３５を駆動させるための信号の発生器を備えている。この圧電体駆動部２０３の駆動信号の発生器の出力は、圧電体２５、３５の駆動電極２５２に接続されている電極パッド４０と外部配線を介して接続されている。
なお、圧電体駆動部２０３からは、高周波の駆動信号が出力されて、圧電体２５、３５に印加されるように構成されている。

次に、このように構成された加速度センサにおける初期設定処理について説明する。
図８は、本実施形態に係る加速度センサにおける初期設定処理の手順を示したフローチャートである。
初期設定処理が開始されると、加速度センサは、制御部２００の貼り付き検知部２０２において、錘１３と固定電極２１〜２４、３１〜３４との貼り付き、即ち、錘１３と固定電極２１〜２４、３１〜３４とが接触しているか否かを判断する（ステップ１１）。
貼り付き検知部２０２では、上述したように、Ｃ／Ｖ変換部２０１における変換回路の出力信号（Ｖｏｕｔ）に基づいて、錘１３と固定電極２１〜２４、３１〜３４とが接触しているか否かを判断する。
貼り付き検知部２０２において、錘１３と固定電極２１〜２４、３１〜３４とが接触していないと判断された場合（ステップ１１；Ｎ）、加速度センサは、そのまま初期設定処理を終了し、メインルーチンにリターンする。

貼り付き検知部２０２において、錘１３と固定電極２１〜２４、３１〜３４とが接触している、即ち、錘１３の貼り付き現象が生じていると判断された場合（ステップ１１；Ｙ）、加速度センサは、制御部２００の圧電体駆動部２０３から駆動信号を印加して、圧電体２５、３５を所定時間振動駆動させる（ステップ１２）。
加速度センサは、圧電体２５、３５を駆動させた後、再度、ステップ１１の処理に戻り、制御部２００の貼り付き検知部２０２において、錘１３と固定電極２１〜２４、３１〜３４とが接触しているか否かを判断する。

図示されていないが、ステップ１２の処理における圧電体２５、３５の振動駆動処理が所定回数に到達した場合には、制御部２００は、当該加速度センサが動作不良品であると判断し処理を終了する。制御部２００が動作不良品であると判断した場合、加速度センサは、例えば、所定のエラー発生信号を制御部２００から出力し、当該加速度センサの検査者（使用者）に対してエラーが発生したことを速やかに認識させるようにすることが望ましい。
上述した加速度センサにおける初期設定処理は、例えば、加速度センサの組立工程が終了した後や製品の出荷前の検査工程において実施される。
錘１３の貼り付き現象は、実際に加速度センサの使用時においても生じるおそれがある。そのため、上述した初期設定処理を、例えば、加速度センサを起動する都度に施すことにより加速度センサの検出精度をより向上させることができる。

また、貼り付き検知部２０２による検査によって、錘１３の貼り付き方向が特定可能な場合には、錘１３の貼り付き方向に応じて駆動する圧電体２５、３５を切り替えるようにしてもよい。
このように、駆動する圧電体２５、３５を切り替えることで、即ち、圧電体駆動部２０３から出力される駆動信号の印加先を絞り込むことで、錘１３の貼り付き状態を解除するために必要な圧電体２５、３５の駆動電力の消費を抑制することができる。
なお、錘１３の貼り付き方向が特定可能であるとは、錘１３と固定電極２１〜２４とが接触しているのか、錘１３と固定電極３１〜３４とが接触しているのかを特定することができること、即ち、錘１３が上部基板２０側に貼り付いているのか、下部基板３０側に貼り付いているのかを特定することができることを示す。

加速度センサでは、固定電極２１〜２４、３１〜３４と錘１３との間の空隙（ギャップ）が微小であるため、センサ製造時やセンサの使用時に生じる静電気など種々の原因により、固定電極２１〜２４、３１〜３４と可錘１３とが貼り付いてしまう場合がある。従来、このような貼り付きが生じた場合、センサの電源を切りしばらく放置させ、自然に錘１３が剥がれるまで待っていた。錘１３の貼り付き状態によっては、所定の放置時間内に錘１３の貼り付きが解消しない場合があった。

しかしながら、上述したように、本実施形態では、錘１３と固定電極２１〜２４、３１〜３４との貼り付きを容易に検出することができるだけでなく、圧電体２５、３５を振動させることにより、強制的に錘１３の貼り付きを剥がすことができる。即ち、速やかに錘１３の貼り付き現象を解除させることができる。これにより、加速度センサにおける検出精度の向上を適切に図ることができる。
なお、圧電体駆動部２０３から出力される駆動信号の周波数は、例えば、梁１２の共振周波数に設定されていることが望ましい。このように、圧電体を梁１２の共振周波数で振動させることにより梁１２の大きな変位量を得ることができるため、錘１３の貼り付きをより容易に解除することができる。

本実施形態では、梁１２で支持された錘１３の姿勢変化に基づいて物体に働く力学量を検出する力学量センサの一例として加速度センサについて説明したが、上述したような錘１３の貼り付きを解除する機能を備えた力学量センサは、これに限定されるものではない。例えば、物体に働く角速度を梁で支持された錘の姿勢変化に基づいて検出する角速度センサ（ジャイロセンサ）などに用いるようにしてもよい。
但し、角速度センサを構成する場合には、錘を振動駆動させるための駆動手段を設ける。そして、錘を上下方向（ｚ軸方向）に一次振動させ、この振動運動をしている錘にコリオリ力を生じさせることによって、第１検出軸（ｘ軸）及び第２検出軸（ｙ軸）回りに加わる角速度を検出する。

（変形例）
次に、上述した実施形態の変形例について説明する。
上述した実施形態では、錘１３の貼り付きを強制的に解除する（剥がす）ための方形の圧電体２５、３５をそれぞれ上部基板２０及び下部基板３０の中央に配置するように構成されている。
しかしながら、センサ部１００に設けられる振動を生じさせるための圧電体２５、３５の構成（形態）、配置場所などは、これに限定されるものではない。この変形例では、錘１３（電極）の貼り付き解除機能の他の例について説明する。

図９（ａ）、（ｂ）は、変形例における圧電体の配置状態を示した図である。なお、変形例では、上述した実施形態と重複する部位には、同一符号を付し詳細説明は省略する。
例えば、図９（ａ）に示すように、圧電体２５ａを隣接する固定電極２１〜２４との間、即ち、可動部構造体１０における梁１２と対向する部位に設けるようにしてもよい。
なお、この変形例では、梁１２と上部基板２０との間に圧電体２５ａを配設し、梁１２を強制的に振動させることによって、上部基板２０における固定電極２１〜２４に貼り付いた錘１３を剥がすことを目的としている。従って、下部基板３０には、上部基板２０と同様の圧電体を設ける必要はない。

図９（ｂ）に示すように、圧電体２５ｂを錘部１３０と対向する部位に、錘部１３０を中心としてｘ軸及びｙ軸に沿って十字方向に延びるように設けるようにしてもよい。なお、ここでは、圧電体２５ｂと同様の圧電体３５ｂを下部基板３０に設けるようにする。
この変形例では、上述した実施形態で用いた圧電体２５、３５よりも表面積の広い圧電体２５ｂ、３５ｂを用いることにより、より容易に錘１３の貼り付きを解除することができる。

図１０（ａ）〜（ｃ）は、変形例における圧電体の配置状態を示した図である。
図１０（ａ）に示すように、上部基板２０と固定電極２１〜２４との間に薄板状（薄膜状）の圧電体２５ｃを設け、同様に、下部基板３０と固定電極３１〜３４との間に圧電体３５ｃを設けるようにしてもよい。
このように、固定電極２１〜２４と圧電体２５ｃ、固定電極３１〜３４と圧電体３５ｃを積層することにより、錘１３が貼り付いている固定電極２１〜２４、３１〜３４を直接的に（ダイレクトに）振動させることができる。これにより、より容易に錘１３の貼り付きを解除することができる。

図１０（ｂ）に示すように、上部基板２０とフレーム１１との接合部に圧電体２５ｄを設け、下部基板３０とフレーム１１との接合部に圧電体３５ｄを設けるようにしてもよい。
このように、上部基板２０及び下部基板３０を、圧電体２５ｄ、３５ｄを介してフレーム１１に接合することにより、圧電体２５ｄ、３５ｄを駆動することによって、上部基板２０、下部基板３０だけでなく、フレーム１１を介して、梁１２や錘１３に振動を伝えることができる。
圧電体２５ｄ、３５ｄは、フレーム１１の端面に沿って配設される環状に形成されている。
なお、圧電体２５ｄ、３５ｄを介して、上部基板２０及び下部基板３０をフレーム１１に固定する場合には、上述したような陽極接合ではなく、接着剤などを用いて接合する。

図１０（ｃ）に示すように、圧電体で上部基板２０’及び下部基板３０’を構成し、圧電体を駆動することによって、固定電極２１〜２４、３１〜３４を直接振動させ、錘１３の貼り付きを解除するようにしてもよい。
なお、圧電体で上部基板２０’及び下部基板３０’を構成する場合には、上述したような陽極接合ではなく、接着剤などを用いて、上部基板２０’及び下部基板３０’をフレーム１１に接合する。
このように、圧電体で上部基板２０’及び下部基板３０’を構成する場合、例えば、圧電体駆動部２０３から出力される駆動信号の周波数は、各基板の共振周波数に設定されていることが望ましい。このように、各基板を共振周波数で振動させることにより大きな変位量を得ることができるため、錘１３の貼り付きをより容易に解除することができる。
なお、上述した実施形態及び変形例に示した錘１３（電極）の貼り付き解除構造を複数組み合わせて用いるようにしてもよい。

本実施形態及び変形例では、圧電体駆動部２０３から印加される駆動信号によってセンサ部１００に設けられた圧電体が駆動（振動）し、その振動作用によって、固定電極２１〜２４、３１〜３４に貼り付いた錘１３を引き剥がすように構成されている。
しかしながら、圧電体に印加する駆動信号は、交流電圧だけに限定されるものではなく、直流電圧を印加するようにしてもよい。
詳しくは、上部基板２０側では下部基板３０方向、下部基板３０側では上部基板２０方向、即ち、錘１３を貼り付いた電極から引き離す方向と、分極方向が一致するようにセンサ部１００に圧電体を配置し、この分極方向に直流電圧を印加する。
すると圧電体には、分極方向に伸びる変形が生じ、この変形によって、電極に貼り付いた錘１３を押し剥がすことができる。
但し、直流の駆動電圧を印加して圧電体を変形駆動させる場合には、上部基板２０における、錘１３や梁１２（即ち、可動部構造体１０における可動部）と対向する領域に圧電体を配設する。

本実施形態及び変形例では、分極方向に電気信号を加えるとそれと平行方向に歪み及び応力を生じさせる圧電体の圧電縦効果を利用して錘１３の貼り付きを解除する構成について説明した。
圧電体の利用方法は、圧電縦効果に限定されるものではなく、例えば、分極方向に電気信号を加えるとそれと垂直方向に歪み及び応力を生じさせる圧電体の圧電横効果を利用して錘１３の貼り付きを解除するようにしてもよい。
詳しくは、可動部構造体１０、上部基板２０、下部基板３０の積層方向、即ちｚ軸方向に対して垂直に分極方向が設けられるように圧電体２５、３５を配設する。分極方向に駆動信号を加えるため、ここでは、駆動電極が、上部基板２０及び下部基板３０に対して垂直に配置される。
このように、圧電体の圧電横効果を利用して錘１３の貼り付きを解除するように構成した場合、駆動電極を上部基板２０及び下部基板３０に対して垂直に設けることができるため、圧電体の圧電縦効果を利用した場合と比較して、駆動電極と電極パッド４０とを接続する配線の引き回しがより容易にできる。

また、本実施形態及び変形例において、錘１３の貼り付きを解除するために用いている圧電体をさらに別の用途に用いるようにしてもよい。
例えば、錘１３と固定電極２１〜２４、３１〜３４とのギャップ（空隙）のばらつきを補正するためのアクチュエータとして用いるようにしてもよい。
錘１３と固定電極２１〜２４、３１〜３４とのギャップにばらつきがある場合、加速度センサにおける検出感度（検出精度）もばらついてしまう。そこで、センサ部１００に設けた圧電体２５、３５にギャップの補正値に相当する変位を得るための直流電圧を印加して、錘１３と固定電極２１〜２４、３１〜３４とのギャップを調整する。
このように、錘１３と固定電極２１〜２４、３１〜３４とのギャップのばらつきを補正することにより、加速度センサにおける検出感度のばらつきを抑制することができる。
なお、このように、圧電体２５、３５を用いてギャップ補正を行う場合には、個々の圧電体２５、３５に対して独立した駆動信号を印加できるように、圧電体駆動部２０３に複数の駆動回路を設けるようにする。

本実施形態に係る加速度センサの概略構成を示した図である。本実施の形態に係る加速度センサにおけるセンサ部の概略構造を示した斜視図である。（ａ）は可動部構造体を上部基板側から見た平面図を示し、（ｂ）は上部基板における固定電極と圧電体の配置状態を示した図である。圧電体の一例を示した図である。（ａ）は図３に示すＡ−Ａ’部における加速度センサの断面を示した図であり、（ｂ）は錘の姿勢が変化した状態を示した図である。Ｃ／Ｖ変換部における変換回路の一例を示した図である。センサ部における錘が上部基板の固定電極に貼り付いた状態の一例を示した図である。本実施形態に係る加速度センサにおける初期設定処理の手順を示したフローチャートである。（ａ）、（ｂ）は、変形例における圧電体の配置状態を示した図である。（ａ）〜（ｃ）は、変形例における圧電体の配置状態を示した図である。

符号の説明

１０可動部構造体
１１フレーム
１２梁
１３錘
１４可動隙間
１５可動隙間
２０上部基板
２１〜２４固定電極
２５圧電体
３０下部基板
３１〜３４固定電極
３５圧電体
４０電極パッド
１００センサ部
１３０〜１３４錘部
２００制御部
２０１Ｃ／Ｖ変換部
２０２貼り付き検知部
２０３圧電体駆動部
２５１圧電素子
２５２駆動電極

Claims

フレームと、
錘と、
前記フレームに一端が固定された、前記錘を支持する梁と、
前記錘と隙間を介して対向する電極と、
前記錘と前記電極との間の静電容量の変化に基づいて、力学量を検出する力学量検出手段と、
圧電素子を有し、前記圧電素子を駆動させることにより、前記錘と前記電極との貼り付きを解除する解除手段と、
前記フレームに固定された固定基板と、
を備え、
前記電極は、前記固定基板に固定され、
前記圧電素子は、前記固定基板における前記錘との対向面、前記固定基板と前記電極との接合部、及び、前記固定基板と前記フレームとの接合部のうちの少なくともいずれかの部位に設けられていることを特徴とする力学量センサ。
フレームと、
錘と、
前記フレームに一端が固定された、前記錘を支持する梁と、
前記錘と隙間を介して対向する電極と、
前記錘と前記電極との間の静電容量の変化に基づいて、力学量を検出する力学量検出手段と、
圧電素子を有し、前記圧電素子を駆動させることにより、前記錘と前記電極との貼り付きを解除する解除手段と、
を備え、
前記圧電素子は、前記フレームに固定された板状の部材からなり、
前記電極は、前記圧電素子に固定されていることを特徴とする力学量センサ。
前記錘と前記電極との貼り付きを検出する貼り付き検出手段を備え、
前記錘と前記電極との貼り付きが検出された場合、
前記解除手段は、前記圧電素子を駆動させることを特徴とする請求項１又は請求項２記載の力学量センサ。
前記貼り付き検出手段は、前記力学量検出手段の検出結果に基づいて、前記錘と前記電極との貼り付きを検出することを特徴とする請求項３記載の力学量センサ。
前記解除手段は、前記圧電素子を振動駆動させることにより、前記錘と前記電極との貼り付きを解除することを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１の請求項に記載の力学量センサ。