JP6167842B2 - 静電容量型センサ - Google Patents
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Description
以下、本発明を具体化した一実施例(第1実施例)について添付図面を参照しながら説明する。なお、添付図面は、説明の便宜上、実際の寸法・縮尺とは異なって図示されている部分がある。
図1は、MEMS(Micro Electro Mechanical Systems)技術を用いて製造した本実施例に係る静電容量型の加速度センサの概略構成を示す平面図である。同図1に示すように、静電容量型の加速度センサ(以下、「センサ」という)10は、可動部11と、基板12(図2参照)とを備えている。センサ10は、可動部11の外縁を取り囲むように枠部13が形成されている。枠部13は、基板12の基板平面に対して垂直な方向から視た平面視形状が長方形枠状に形成され、内壁が内側に設けられた可動部11の外周部分と離間している。なお、以下の説明では、図1に矢印で示すように、枠部13の長手方向に沿った方向をX方向、X方向に対して直角で枠部13の短手方向に沿った方向をY方向、X方向とY方向との両方に直角となる方向をZ方向と称し、説明する。
図3は、図2に示すセンサ10の模式図である。なお、以下の説明では、図3に示すように、可動部11が基板12から離れる方向を+Z方向、可動部11が基板12に近づく方向を−Z方向と称して説明する。センサ10は、Z方向の加速度が印加されない状態においては可動部11の可動電極36と固定電極25のZ方向における位置が一致している。センサ10は、この状態でZ方向に加速度が印加されると、基板12に固定されている固定電極25が変位しない一方で、アンカー14に対し第1バネ34を介して保持される本体部31及び可動電極36がZ方向に相対的に変位する。この際に、センサ10は、固定電極25と可動電極36との対向面積が減少し静電容量の値が減少することを検出することによってZ方向の加速度が検出される。しかしながら、センサ10は、図3に示すように可動電極36と固定電極25のZ方向における位置が一致している状態では、+Z方向と−Z方向のいずれの方向に加速度が印加された場合も静電容量の値が減少することとなる。即ち、センサ10は、静電容量の変化量に基づいて加速度の向き(+Z方向あるいは−Z方向)が判定できない。そこで、本実施例のセンサ10は、加速度の検出に先立ち、印加される加速度の向きを判定可能とするために可動部11の位置を変更する。
<効果1>センサ10は、可動電極36を備える本体部31のZ方向における位置をずらすための駆動電極27が基板12上に設けられている。可動部11は、駆動電極27と錘部32との間に駆動電圧が印加されると、静電気力によって可動電極36の固定電極25に対するZ方向に沿った相対的な位置がずれる。そして、静電気力によって変位する可動部11は、ストッパ29によって錘部32の移動が規制された位置が初期位置となる。この構成では、可動部11は、錘部32がストッパ29によって保持される初期位置がストッパ29及び錘部32の位置、形状等によって一義的に定まる。そして、センサ10は、駆動電極27と錘部32とに印加する駆動電圧を錘部32がストッパ29に当接する条件となる値が設定できる。換言すれば、初期位置を定める駆動電圧の電圧値は、錘部32がストッパ29に当接する電圧値以上の値であれば許容されることとなる。これにより、錘部32及び本体部31を含む可動部11を−Z方向に沿って所望の初期位置まで移動させる電圧制御が容易となり精度よく制御することが可能となる。結果として、センサ10は、可動電極36の初期位置のずれが防止されることによって加速度の検出精度の向上を図ることが可能となる。また、センサ10は、可動部11に加速度が印加された後に無負荷となり再び可動部11が初期位置まで戻る際に、錘部32とアンカー14とが固定された状態となっており可動電極36が正しい初期位置に戻ることによっても検出精度の向上を図ることが可能となる。
次に、図7を参照して第2実施例について説明する。なお、第1実施例と同様の構成のものについては同一符号を付し、その説明を適宜省略する。第2実施例に係るセンサ10Aは、第1バネ51と第2バネ52の構成が第1実施例と相違する。詳述すると、第1バネ51の各々は、平面視形状が蛇行した形状をなしており、X方向に蛇行しながらY方向に延びる形状をなしている。第1バネ51は、一端側の固定端51Aがアンカー14のX方向における側面に固定され、他端側の可動端51Bが第1接続部35のY方向における側面に接続されている。また、第2バネ52の各々は、第1バネ51と同様にX方向に蛇行しながらY方向に延びる形状をなしている。第2バネ52は、一端側の第1端部52Aが錘部32のX方向における側面に接続され、他端側の第2端部52Bが第2接続部42のY方向における側面に接続されている。第1及び第2バネ51,52は、Y方向及びZ方向の2方向に対する撓動性を備え、X方向に対する剛性を高めて伸縮が規制される構造となっている。また、固定電極25は、主面がZ方向に沿った略長方形板状に形成され、第1実施例とは異なり長辺がY方向に沿って形成されている。また、枠状電極部36A及び平板電極部36Bは、固定電極25とX方向で対向するようにして設けられている。このような構成のセンサ10Aにおいても、上記第1実施例のセンサ10と同様に、錘部32と駆動電極27との間に駆動電圧が印加されると、第1及び第2バネ51,52が弾性変形し本体部31及び錘部32がZ方向に変位することとなり、錘部32がストッパ29に当接して可動部11の初期位置が精度よく設定可能となる。
次に、図8を参照して第3実施例について説明する。なお、第1実施例と同様の構成のものについては同一符号を付し、その説明を適宜省略する。第3実施例に係るセンサ10Bは、第1バネ34がトーションバー61に変更されている構成が第1実施例と相違する。詳述すると、図8に示すセンサ10Bは、1つのアンカー62に対して接続されている一対のトーションバー61を備える。アンカー62は、基板12(図2参照)上のX方向における一端側においてY方向の中央部に形成されZ方向に沿って立設している。アンカー62は、Y方向における側面の各々にトーションバー61が形成されている。トーションバー61は、Y方向に沿って形成された棒状をなす。トーションバー61は、Y方向の一端部がアンカー62と接続され、他端部が本体部31の第1接続部63と接続されている。
次に、図9を参照して第4実施例について説明する。なお、第1実施例と同様の構成のものについては同一符号を付し、その説明を適宜省略する。第4実施例に係るセンサ10Cは、第1実施例のセンサ10が加速度センサとして構成されたのに対し、本体部31を振動させる振動部70が追加され角速度センサとして構成されている点が第1実施例と相違する。図9に示す角速度センサ10Cは、X方向及びZ方向の2方向に変位可能な可動部11(本体部31)をX方向に振動させた状態でY方向を回転軸としたY軸回転(図中の回転を示す矢印を参照)の角速度が作用したときに、本体部31及び可動電極36がコリオリ力(慣性力)によりZ方向に変位するのを利用して角速度を検出する構成となっている。
次に、図10及び図11を参照して第5実施例について説明する。なお、図7に示す第2実施例と同様の構成のものについては同一符号を付し、その説明を適宜省略する。第5実施例に係るセンサ10Dは、第2実施例のセンサ10Aが可動電極36及び固定電極25が1箇所に設けられた構成であったのに対し、可動電極36及び固定電極25が2箇所の対象な位置に設けられた点が第2実施例と相違する。図10に示すセンサ10Dは、錘部32を共有する2つの可動部81,82が設けられている。
例えば、上記した各実施例のセンサ10,10A〜10Dで検出される物理量(加速度及び角速度)及び当該物理量が検出可能な方向(Z方向など)は一例であり、適宜変更できる。
また、各部材の形状・構成等は一例であり、適宜変更してもよい。例えば、上記した各実施例では、ストッパ29を基板12上に設けたが、枠部13の内壁から突出形成してもよい。
Claims (5)
- 基板と、
前記基板から遊離して揺動可能に設けられる可動部と、
前記可動部に設けられる可動電極と、
前記基板に固定されて設けられ、前記基板の平面に平行な平面方向において離間して対向する前記可動電極との対向面積が前記可動部への物理量の印加によって変動し、前記対向面積の変動に応じて前記可動電極との静電容量が変動する固定電極と、
前記可動部との間に駆動電圧が印加され静電気力によって前記基板の平面に対して垂直な方向における前記可動部の位置を変位させ、前記固定電極に対する前記可動電極の相対的な位置をずらして前記静電容量を変動させる駆動電極と、
前記静電気力によって変位する前記可動部の被規制部の移動を規制し、前記可動部を初期位置に保持する規制部と、
を有することを特徴とする静電容量型センサ。 - 前記基板は、コア基板と、前記コア基板上に形成された絶縁層とを有し、
前記規制部は、前記基板の平面に対して垂直な方向において前記被規制部と対向する位置となる前記絶縁層上に設けられることを特徴とする請求項1に記載の静電容量型センサ。 - 前記可動部は、
前記可動電極が設けられる本体部と、
前記基板に固定されて設けられる固定部に前記本体部を接続し、前記本体部を前記固定部に対して前記基板の平面に対して垂直な方向に向かって揺動可能に保持する第1弾性部材と、
前記被規制部を前記本体部に接続し、前記被規制部を前記本体部に対して前記基板の平面に対して垂直な方向に向かって揺動可能に保持する第2弾性部材と、
を備えることを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の静電容量型センサ。 - 前記本体部は、前記基板の平面に対して垂直な方向から視た形状が長方形となる板状に形成され、長手方向の一端部側の短辺に前記第1弾性部材が接続され、長手方向の他端部側の短辺に前記第2弾性部材が接続され、
前記駆動電極は、前記基板の平面に対して垂直な方向において前記被規制部と対向する位置となる前記基板上に設けられ、前記被規制部との間に前記駆動電圧が印加されることを特徴とする請求項3に記載の静電容量型センサ。 - 前記基板の平面に平行な前記平面方向に沿って前記被規制部に対して対称となる位置の各々に設けられる前記本体部を少なくとも1組備え、
1組の前記本体部は、一方の前記本体部の前記可動電極が設けられる位置が、他方の前記本体部の前記可動電極が設けられる位置と前記被規制部に対して前記平面方向で対称となる位置に設けられ、
前記固定電極は、1組の前記本体部の各々の前記可動電極に対向して設けられることを特徴とする請求項3又は請求項4に記載の静電容量型センサ。
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