JP5747836B2 - 加速度センサと加速度センサの自己診断方法 - Google Patents

Description

本発明は、加速度の検出に用いられる加速度センサと加速度センサの自己診断方法に関する。

特許文献１には、実際に加速度を与えることなく加速度センサの良否を診断する自己診断機能を有する加速度センサが開示されている。この加速度センサは、慣性質量体に対向して設けられたアクチュエーション電極に電圧を印加し、慣性質量体を強制的にアクチュエーション電極に近づけて加速度センサの良否を診断するものである。

国際公開ＷＯ２００９／１２５５１０号公報

加速度センサの実際の使用では慣性質量体がアクチュエーション電極に対して遠ざかることもある。従って、信頼性の高い自己診断をするためには、慣性質量体をアクチュエーション電極に近づける場合と慣性質量体をアクチュエーション電極から遠ざける場合の両方について良否を診断することが好ましい。しかしながら、特許文献１に開示の加速度センサでは、慣性質量体をアクチュエーション電極から遠ざけて検査することはできなかった。

本発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、信頼性の高い自己診断が可能な加速度センサと加速度センサの自己診断方法を提供することを目的とする。

本発明に係る加速度センサは、基板と、該基板上に形成された第１アクチュエーション電極と、該基板上に形成された検出電極と、該検出電極と離間しつつ対向する検出フレームと、該第１アクチュエーション電極の上方に形成された第２アクチュエーション電極と、表面が該第２アクチュエーション電極と離間しつつ対向し、裏面が該第１アクチュエーション電極と離間しつつ対向し、該検出フレームと接続された慣性質量体と、内壁に該第２アクチュエーション電極が固定され、該第１アクチュエーション電極、該検出電極、該検出フレーム、及び該慣性質量体を覆うように該基板に固定されたキャップと、を備える。そして、該慣性質量体は、該第１アクチュエーション電極又は該第２アクチュエーション電極に電圧を印加することで変位し該検出フレームに変位を与え、該第２アクチュエーション電極は、該検出フレームの一部の直上まで伸びるように形成されたことを特徴とする。

本発明に係る加速度センサの自己診断方法は、基板上に形成された第１検出電極及び第２検出電極と、該基板上に形成されたアクチュエーション電極と、該第１検出電極と離間しつつ対向する第１検出フレームと、該第２検出電極と離間しつつ対向し該第１検出フレームと逆方向に変位する第２検出フレームと、該アクチュエーション電極と離間しつつ対向し該第２検出フレームと接続された慣性質量体とを有し、該慣性質量体の変位により該第１検出フレームと該第２検出フレームが変位し、該第１検出フレームと該第１検出電極とで構成されるコンデンサの第１静電容量と、該第２検出フレームと該第２検出電極とで構成されるコンデンサの第２静電容量とを変化させる加速度センサの自己診断方法において、該アクチュエーション電極に電圧を印加し、加速度が加えられていない状態よりも該慣性質量体を該アクチュエーション電極に近づけた状態で該第１静電容量と該第２静電容量を検査する工程と、該第１検出電極に電圧を印加し該第１検出フレームを該第１検出電極に近づけるとともに該第２検出フレームを該第２検出電極から遠ざけ、加速度が加えられていない状態よりも該慣性質量体を該アクチュエーション電極から遠ざけた状態で該第１静電容量と該第２静電容量を検査する工程と、を備えたことを特徴とする。

本発明によれば、複数の方向に慣性質量体を変位させて加速度センサの自己診断を行うので、信頼性の高い自己診断ができる。

本発明の実施の形態１に係る加速度センサの断面図である。 本発明の実施の形態１に係る検出フレームと慣性質量体などを示す平面図である。 第１アクチュエーション電極に電圧を印加した状態を示す断面図である。 第２アクチュエーション電極に電圧を印加した状態を示す断面図である。 本発明の実施の形態２に係る加速度センサの断面図である。 本発明の実施の形態３に係る加速度センサの断面図である。 本発明の実施の形態４に係る加速度センサの断面図である。 本発明の実施の形態５に係る加速度センサの断面図である。 慣性質量体を下方に変位させたことを示す断面図である。 加速度センサの回路図である。 慣性質量体を上方に変位させたことを示す断面図である。 第２検査における加速度センサの回路図である。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１に係る加速度センサの断面図である。加速度センサ１０は、基板１２を有している。基板１２はシリコン層１２ａの上に絶縁膜１２ｂを有している。基板１２上には検出電極１４、１６が形成されている。検出電極１４は、第１検出電極１４ａと第２検出電極１４ｂを有している。検出電極１６は第１検出電極１６ａと第２検出電極１６ｂを有している。基板１２上にはさらに、第１アクチュエーション１８電極が形成されている。

加速度センサ１０は、検出フレーム２０、２２を有している。検出フレーム２０は第１検出フレーム２０ａと第２検出フレーム２０ｂを有している。第１検出フレーム２０ａと第２検出フレーム２０ｂは一体形成されており、軸Ｔ１を中心に回転する。第１検出フレーム２２ａと第２検出フレーム２２ｂも一体形成されており、軸Ｔ２を中心に回転する。検出フレーム２０、２２は、それぞれ検出電極１４、１６と離間しつつ対向している。

第１アクチュエーション電極１８の上方には第２アクチュエーション電極２６が形成されている。そして、第１アクチュエーション電極１８と第２アクチュエーション電極２６の間には慣性質量体２４が形成されている。慣性質量体２４の表面は第２アクチュエーション電極２６と離間しつつ対向し、裏面は第１アクチュエーション電極１８と離間しつつ対向している。慣性質量体２４は、検出フレーム２０、２２と接続されている。慣性質量体２４は、第１アクチュエーション電極１８又は第２アクチュエーション電極２６に電圧を印加することで変位し、検出フレーム２０、２２に変位を与える。

第１アクチュエーション電極１８、検出電極１４、１６、検出フレーム２０、２２、及び慣性質量体２４を覆うようにキャップ２８が形成されている。キャップ２８は基板１２に固定されている。キャップ２８は、例えば異物の混入を防ぐため、又は加速度センサ１０をモールドパッケージに封入するために形成される。キャップ２８は、例えばガラスやシリコンで形成される。第２アクチュエーション電極２６は、キャップ２８の内壁に固定されている。

図１には、静電容量が示されている。例えば第１検出電極１４ａと第１検出フレーム２０ａで構成されるコンデンサの静電容量はＣ１ａで示されている。またＣａｂは、慣性質量体２４と第１アクチュエーション電極１８で構成されるコンデンサの静電容量又は、慣性質量体２４と第２アクチュエーション電極２６で構成されるコンデンサの静電容量を示す。

図２は、本発明の実施の形態１に係る検出フレームと慣性質量体などを示す平面図である。アンカー５０は、基板１２に固定されている。アンカー５０には第１ねじれ梁５２が取り付けられている。第１ねじれ梁５２はＸ軸に沿った軸Ｔ１の周りにねじれることができる。第１ねじれ梁５２には検出フレーム２０が接続されている。検出フレーム２０は軸Ｔ１を境に第１検出フレーム２０ａと第２検出フレーム２０ｂに区別される。例えば、第１検出フレーム２０ａが下方に変位すれば、第１ねじれ梁５２がねじれることで第２検出フレーム２０ｂが上方に変位する。つまり、検出フレーム２０は、軸Ｔ１を中心に回転可能なように第１ねじれ梁５２に接続されている。

第１検出フレーム２０は、第１リンク梁５４を介して慣性質量体２４に接続されている。そのため、慣性質量体２４の変位が第１リンク梁５４を介して検出フレーム２０を変位させる。そして、検出電極１４を用いて静電容量を測定することで基板１２に対する検出フレーム２０の変位（角度）を検出する。

第２検出フレーム２２についても第１検出フレーム２０と同様に接続される。すなわち、第２検出フレーム２２は、第２ねじれ梁６２を介してアンカー６０と接続される。第２検出フレーム２２と慣性質量体２４は第２リンク梁６４を介して接続される。

第１ねじれ梁５２、第１リンク梁５４、第２ねじれ梁６２、第２リンク梁６４、検出電極１４、１６、第１アクチュエーション電極１８、検出フレーム２０、２２、慣性質量体２４、及び第２アクチュエーション電極２６の材質としては例えばポリシリコン膜を用いることができる。ポリシリコン膜としては低応力であり、かつ厚さ方向に応力分布がないことが望ましい。加速度センサ１０に実際に加速度を与えた場合の動作の詳細な説明は特許文献１に開示されている。なお、図２のＩ−Ｉ一点鎖線に沿った断面図が図１であるが、図１ではアンカーを単に軸Ｔ１Ｔ２に置き換え第２アクチュエーション電極は省略している。

次いで、本発明の実施の形態１に係る加速度センサ１０の自己診断方法を説明する。加速度センサ１０の自己診断は、加速度センサ１０に加速度を与えずに行う。まず、第１アクチュエーション電極１８に電圧を印加する。図３は、第１アクチュエーション電極に電圧を印加した状態を示す断面図である。図３における破線の枠はアクチュエーション電極１８に電圧を印加する前の検出フレーム２０、２２と慣性質量体２４の位置を示す（図４、図９、図１１でも同様である）。第１アクチュエーション電極１８に電圧を印加すると静電引力により慣性質量体２４が第１アクチュエーション電極１８に近づく。そして、検出フレーム２０、２２が回転変位する。こうして、慣性質量体２４が第１アクチュエーション電極１８側へ変位した場合に加速度センサ１０が機能することを自己診断できる。

次いで、第２アクチュエーション電極２６に電圧を印加する。図４は、第２アクチュエーション電極に電圧を印加した状態を示す断面図である。第２アクチュエーション電極２６に電圧を印加すると静電引力で慣性質量体２４が第２アクチュエーション電極２６に近づく。そして、検出フレーム２０、２２が回転変位する。こうして、慣性質量体２４が第２アクチュエーション電極２６側へ変位した場合に加速度センサ１０が機能することを自己診断できる。

このように、本発明の実施の形態１に係る加速度センサ１０は、慣性質量体２４の表面側に第２アクチュエーション電極２６を配置し、裏面側に第１アクチュエーション電極１８を配置することで、慣性質量体２４を２方向に強制的に変位させることができる。よって、信頼性の高い自己診断が可能となる。

ところで、慣性質量体２４を複数方向に強制変位させることができれば信頼性の高い自己診断が可能となる。よって、上述の加速度センサ１０は、この特徴を失わない限りにおいて様々な変形をなし得る。

実施の形態２．
図５は、本発明の実施の形態２に係る加速度センサの断面図である。実施の形態１に係る加速度センサとの相違点を中心に説明する。第１アクチュエーション電極１８から慣性質量体２４までの距離（ｚ２）と第２アクチュエーション電極２６から慣性質量体２４までの距離（ｚ１）は等しい。また、第１アクチュエーション電極１８の慣性質量体２４に対向する面の面積と、第２アクチュエーション電極２６の慣性質量体２４に対向する面の面積は等しい。ところで、２枚の電極間の静電引力Ｆは以下の式で表される。

ここで、εは誘電率であり、Ｓは電極の面積であり、Ｖは電圧であり、ｄは電極間距離である。本発明の実施の形態２に係る加速度センサでは第１アクチュエーション電極１８と第２アクチュエーション電極２６の面積を一致させ、かつｚ１とｚ２を一致させた。そのため、第１アクチュエーション電極１８にある電圧Ｖｘを印加したときの静電引力と、第２アクチュエーション電極２６に電圧Ｖｘを印加したときの静電引力を一致させることができる。よって、自己診断のための電圧源を共通化できる。

実施の形態３．
図６は、本発明の実施の形態３に係る加速度センサの断面図である。実施の形態１に係る加速度センサとの相違点を中心に説明する。第２アクチュエーション電極２７は、検出フレーム２０、２２の一部の直上まで伸びている。

実施の形態２に係る加速度センサのように慣性質量体を第１アクチュエーション電極と第２アクチュエーション電極の中央に配置するためには、キャップ２８の加工精度を高める必要がある。しかしながら、例えばキャップ２８をガラスで形成する場合はサンドブラスト加工を行うため、キャップ２８の加工精度を上げることは困難であった。そして、第１アクチュエーション電極１８と慣性質量体２４との距離と、第２アクチュエーション電極２６と慣性質量体２４との距離が一致しない場合は第１又は第２アクチュエーション電極へ印加する電圧を調整して所望の静電引力を実現する。所望の静電引力を実現するためには、電源電圧以上の電圧を必要とする場合があった。

しかしながら、本発明の実施の形態３に係る加速度センサによれば、第２アクチュエーション電極２７を検出フレーム２０、２２の一部の直上まで伸ばして形成したので、電源電圧を増加させることなく静電引力を大きくすることができる。従って例えばキャップ２８の形状がばらついて第２アクチュエーション電極２６と慣性質量体２４の距離が大きくなっても印加電圧を抑制できる。

実施の形態４．
図７は、本発明の実施の形態４に係る加速度センサの断面図である。実施の形態３に係る加速度センサとの相違点を中心に説明する。キャップ２８の内壁には、第２検出フレーム２０ｂ、２２ｂと対向するように固定された第３アクチュエーション電極１００が形成されている。

本発明の実施の形態４に係る加速度センサによれば、第２アクチュエーション電極２６と第３アクチュエーション電極１００の電圧を個別に調整できるので、電圧条件を変化させて信頼性の高い自己診断を行うことができる。

実施の形態５．
図８は、本発明の実施の形態５に係る加速度センサの断面図である。この加速度センサは、第２アクチュエーション電極を有しない点以外は図１の加速度センサと同様の構造である。すなわち、第２検出フレーム２０ｂ、２２ｂは、第２検出電極１４ｂ、１６ｂとそれぞれ離間しつつ対向し、かつ第１検出フレーム２０ａ、２２ａと逆方向に変位する。そして慣性質量体２４の変位により第１検出フレーム２０ａ、２２ａと第２検出フレーム２０ｂ、２２ｂが変位し、第１検出フレーム２０ａ、２２ａと第１検出電極１４ａ、１６ａとでそれぞれ構成されるコンデンサの第１静電容量と、第２検出フレーム２０ｂ、２２ｂと第２検出電極１４ｂ、１６ｂとでそれぞれ構成されるコンデンサの第２静電容量とを変化させる。

図８において、第１静電容量はＣ１ａ又はＣ２ａで示されている。一方、第２静電容量はＣ１ｂ又はＣ２ｂで示されている。また、アクチュエーション電極１８と慣性質量体２４の間の静電容量はＣａｂで示されている。

本発明の実施の形態５に係る加速度センサの自己診断方法は、慣性質量体２４を下方に変位させて行う検査（第１検査）と、慣性質量体２４を上方に変位させて行う検査（第２検査）を含む。まず、第１検査について説明する。

図９は、慣性質量体を下方に変位させたことを示す断面図である。第１検査では、アクチュエーション電極１８に電圧を印加し、加速度が加えられていない状態よりも慣性質量体２４をアクチュエーション電極１８に近づけた状態で第１静電容量と第２静電容量を検査する。図１０は、加速度センサの回路図である。図１０Ａは検査前の加速度センサの静電容量を示す図である。第１検査ではこの静電容量が図１０Ｂのように接続される。第１検査での出力電圧Ｖｏｕｔは、以下の式で与えられる。

図１１は、慣性質量体を上方に変位させたことを示す断面図である。第２検査では、第１検出電極１４ａ、１６ａに電圧を印加し第１検出フレーム２０ａ、２２ａを第１検出電極１４ａ、１６ａに近づけるとともに第２検出フレーム２０ｂ、２２ｂを第２検出電極１４ｂ、１６ｂから遠ざける。これにより、慣性質量体２４がアクチュエーション電極１８から遠ざかる。こうして、加速度が加えられていない状態よりも慣性質量体２４をアクチュエーション電極１８から遠ざけた状態で第１静電容量と第２静電容量を検査する。図１２は、第２検査における加速度センサの回路図である。第２検査での出力電圧Ｖｏｕｔは、以下の式で与えられる。

本発明の実施の形態５に係る加速度センサの自己診断方法によれば、検出電極１４、１６を自己診断のためのアクチュエーション電極として用いることで、慣性質量体２４を強制的に上方に変位させることができる。このように、加速度センサへの電圧の与え方を変更するだけで、慣性質量体２４を２方向に変位させることができる。よって、容易に信頼性の高い自己診断を行うことができる。

ところで、第２検査において慣性質量体を上方に変位させると静電容量Ｃａｂ、Ｃ１ｂ、及びＣ２ｂが減少する。これにより、自己診断動作前後でＶｏｕｔが変化しない可能性がある。このような場合には実施の形態１のように第２アクチュエーション電極を形成するとよい。

１０ 加速度センサ、 １２ 基板、 １２ａ シリコン層、 １２ｂ 絶縁膜、 １４ 検出電極、 １４ａ 第１検出電極、 １４ｂ 第２検出電極、 １６ 検出電極、 １６ａ 第１検出電極、 １６ｂ 第２検出電極、 １８ 第１アクチュエーション電極、 ２０ 検出フレーム、 ２０ａ 第１検出フレーム、 ２０ｂ 第２検出フレーム、 ２２ 検出フレーム、 ２２ａ 第１検出フレーム、 ２２ｂ 第２検出フレーム、 ２４ 慣性質量体、 ２６ 第２アクチュエーション電極、 ２８ キャップ、 ５０ アンカー、 ５２ 第１ねじれ梁、 ５４ 第１リンク梁、 ６０ アンカー、 ６２ 第２ねじれ梁、 ６４ 第２リンク梁、 １００ 第３アクチュエーション電極

Claims (2)

1. 基板と、
   前記基板上に形成された第１アクチュエーション電極と、
   前記基板上に形成された検出電極と、
   前記検出電極と離間しつつ対向する検出フレームと、
   前記第１アクチュエーション電極の上方に形成された第２アクチュエーション電極と、
   表面が前記第２アクチュエーション電極と離間しつつ対向し、裏面が前記第１アクチュエーション電極と離間しつつ対向し、前記検出フレームと接続された慣性質量体と、
   内壁に前記第２アクチュエーション電極が固定され、前記第１アクチュエーション電極、前記検出電極、前記検出フレーム、及び前記慣性質量体を覆うように前記基板に固定されたキャップと、を備え、
   前記慣性質量体は、前記第１アクチュエーション電極又は前記第２アクチュエーション電極に電圧を印加することで変位し前記検出フレームに変位を与え、
   前記第２アクチュエーション電極は、前記検出フレームの一部の直上まで伸びるように形成されたことを特徴とする加速度センサ。
2. 基板上に形成された第１検出電極及び第２検出電極と、前記基板上に形成されたアクチュエーション電極と、前記第１検出電極と離間しつつ対向する第１検出フレームと、前記第２検出電極と離間しつつ対向し前記第１検出フレームと逆方向に変位する第２検出フレームと、前記アクチュエーション電極と離間しつつ対向し前記第２検出フレームと接続された慣性質量体とを有し、前記慣性質量体の変位により前記第１検出フレームと前記第２検出フレームが変位し、前記第１検出フレームと前記第１検出電極とで構成されるコンデンサの第１静電容量と、前記第２検出フレームと前記第２検出電極とで構成されるコンデンサの第２静電容量とを変化させる加速度センサの自己診断方法において、
   前記アクチュエーション電極に電圧を印加し、加速度が加えられていない状態よりも前記慣性質量体を前記アクチュエーション電極に近づけた状態で前記第１静電容量と前記第２静電容量を検査する工程と、
   前記第１検出電極に電圧を印加し前記第１検出フレームを前記第１検出電極に近づけるとともに前記第２検出フレームを前記第２検出電極から遠ざけ、加速度が加えられていない状態よりも前記慣性質量体を前記アクチュエーション電極から遠ざけた状態で前記第１静電容量と前記第２静電容量を検査する工程と、を備えたことを特徴とする加速度センサの自己診断方法。

Images