JP6437429B2 - 加速度センサ、受振器および地震探査システム - Google Patents

加速度センサ、受振器および地震探査システム Download PDF

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Description

本発明は、加速度センサ、受振器および地震探査システムに関し、例えば、微小な振動加速度を検出する加速度センサ、加速度センサを搭載した受振器、および、複数の受振器で構成される地震探査システムに適用して有効な技術に関する。
特表２０１０−５１７０１４号公報（特許文献１）には、シーソー構造を備える容量型加速度計に関する技術が記載されている。具体的には、感知電極を回転軸に対して対称に配置し、アクチュエーション電極を回転軸から見て遠方に配置する可動エレメント構造が記載されている。
特表２０１０−５１７０１４号公報
反射法地震探査は、地表で衝撃波または連続波を発生させることにより、地下の反射面（音響インピーダンスの変化する境界面）から反射して地上に戻ってくる反射波を、地表に展開した受振器で測定し、解析して地下反射面の深度分布や地下構造を探査する方法である。例えば、この反射法地震探査は、石油や天然ガスの主な探査方法として広く利用されている。特に、次世代の反射法地震探査用センサとして、重力加速度よりも遥かに微小な振動加速度を検知する加速度センサが注目されている。このような加速度センサを実用化するために、低ノイズで非常に高感度、かつ低消費電力な加速度センサの開発が望まれている。また、小型の装置内で動作させるために微小電気機械システム（ＭＥＭＳ；Micro Electrical Mechanical Systems）で実現することが望ましい。
本発明の目的は、高感度で低消費電力な加速度センサ、加速度センサを搭載した受振器、および、複数の受振器で構成される地震探査システムを提供することにある。
本発明の前記ならびにその他の目的と新規な特徴は、本明細書の記述および添付図面から明らかになるであろう。
本願において開示される発明のうち、代表的なものの概要を簡単に説明すれば、次のとおりである。
一実施の形態における加速度センサは、回転軸に対して第１方向に変位可能な質量体を備える加速度センサである。質量体は、回転軸の一方の方向に導体を含む第１可動部と、回転軸の他方の方向に導体を含み、第１可動部より面積が大きい第２可動部と、を有する。加速度センサは、第１可動部に形成される第１対称領域に対向配置された第１ＡＣサーボ制御用電極と、第２可動部に形成され、回転軸に対して第１対称領域と軸対称の関係にある第２対称領域に対向配置された第２ＡＣサーボ制御用電極と、第２可動部に形成され、第２対称領域外の領域である非対称領域に対向配置されたＤＣサーボ制御用電極と、を有する。そして、第１可動部と第１ＡＣサーボ制御用電極とによって第１ＡＣサーボ容量素子が形成され、第２可動部と第２ＡＣサーボ制御用電極とによって第２ＡＣサーボ容量素子が形成され、第２可動部とＤＣサーボ制御用電極とによってＤＣサーボ容量素子が形成される。さらに、質量体が一定の位置に制御される平衡力を提供するために、第１ＡＣサーボ制御用電極と第２ＡＣサーボ制御用電極とに交流電圧が印加され、ＤＣサーボ制御用電極に直流電圧が印加される。
一実施の形態における受振器は、回転軸に対して第１方向に変位可能な質量体を備える加速度センサを搭載した受振器である。加速度センサの質量体は、回転軸の一方の方向に導体を含む第１可動部と、回転軸の他方の方向に導体を含み、第１可動部より面積が大きい第２可動部と、を有する。加速度センサは、第２可動部と、第２可動部に形成され、第１可動部と第２可動部との対称領域外の領域である非対称領域に対向配置されたＤＣサーボ制御用電極と、によってＤＣサーボ容量素子が形成される。そして、ＤＣサーボ制御用電極に印加される直流電圧を用いて、第１方向と、質量体に印加される重力加速度の方向とがなす角度を計測する。
一実施の形態における地震探査システムは、回転軸に対して第１方向に変位可能な質量体を備える加速度センサを搭載した複数の受振器で構成される地震探査システムである。加速度センサの質量体は、回転軸の一方の方向に導体を含む第１可動部と、回転軸の他方の方向に導体を含み、第１可動部より面積が大きい第２可動部と、を有する。加速度センサは、第２可動部と、第２可動部に形成され、第１可動部と第２可動部との対称領域外の領域である非対称領域に対向配置されたＤＣサーボ制御用電極と、によってＤＣサーボ容量素子が形成される。そして、ＤＣサーボ制御用電極に印加される直流電圧を用いて、第１方向と、質量体に印加される重力加速度の方向とがなす角度を計測する。
本願において開示される発明のうち、代表的なものによって得られる効果を簡単に説明すれば以下の通りである。
一実施の形態によれば、高感度で低消費電力な加速度センサ、加速度センサを搭載した受振器、および、複数の受振器で構成される地震探査システムを提供することができる。
（ａ）は、実施の形態における加速度センサのセンサエレメントのデバイス構造の一例を示す平面図であり、（ｂ）は、図１（ａ）のＡ−Ａ線での断面図である。 （ａ）は、変形例におけるセンサエレメントのデバイス構造の一例を示す平面図であり、（ｂ）は、図２（ａ）のＡ−Ａ線での断面図である。 （ａ）は、別の変形例におけるセンサエレメントのデバイス構造の一例を示す平面図であり、（ｂ）は、図３（ａ）のＡ−Ａ線での断面図である。 実施の形態における加速度センサの構成の一例を示すブロック図である。 実施の形態における加速度センサの実装の一例を示す断面図である。 実施の形態における地震探査システムの一例を示す構成図である。 実施の形態における地震探査システムの受振器の構成の一例を示すブロック図である。 （ａ）（ｂ）は、実施の形態における地震探査システムの受振器の設置の一例を示す説明図である。 実施の形態における地震探査システムを利用した地震探査の一例を示すフローチャートである。
以下の実施の形態においては、便宜上その必要があるときは、複数のセクションまたは実施の形態に分割して説明するが、特に明示した場合を除き、それらは互いに無関係なものではなく、一方は他方の一部または全部の変形例、詳細、補足説明などの関係にある。
また、以下の実施の形態において、要素の数など（個数、数値、量、範囲などを含む）に言及する場合、特に明示した場合および原理的に明らかに特定の数に限定される場合などを除き、その特定の数に限定されるものではなく、特定の数以上でも以下でもよい。
さらに、以下の実施の形態において、その構成要素（要素ステップなども含む）は、特に明示した場合および原理的に明らかに必須であると考えられる場合などを除き、必ずしも必須のものではないことは言うまでもない。
同様に、以下の実施の形態において、構成要素などの形状、位置関係などに言及するときは、特に明示した場合および原理的に明らかにそうではないと考えられる場合などを除き、実質的にその形状などに近似または類似するものなどを含むものとする。このことは、上記数値および範囲についても同様である。
また、実施の形態を説明するための全図において、同一の部材には原則として同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。なお、図面をわかりやすくするために、平面図であってもハッチングを付す場合があり、また断面図であってもハッチングを省略する場合がある。
＜改善の余地＞
前述した特許文献１に記載された技術では、回転軸に対して感知電極が対称に配置され、一方の可動部の延在部にアクチュエーション電極が配置されている。これにより、特許文献１に記載された技術では、可動部の全表面積が有効利用され、小型化できる効果を得ている。ところが、この特許文献１に記載された技術では、延在部の一方の面（表面）と他方の面（裏面）との両面に容量を形成しなければ、可動部の双方向のアクチュエーションを実現できないおそれがある。また、両面に容量を形成する場合、可動部と表面側に形成される固定電極の距離と、可動部と裏面側に形成される固定電極の距離とを高精度に一致させないと加速度センサの動作に悪影響を与えるおそれがあり、製造上の問題につながる。
そこで、本実施の形態では、上述した関連技術に存在する改善の余地に対する工夫を施している。以下では、この工夫を施した本実施の形態における技術的思想について、図面を参照しながら説明する。
＜実施の形態における加速度センサエレメントの構成＞
図１は、本実施の形態における加速度センサのセンサエレメントのデバイス構造の一例を示す図である。図１において、図１（ａ）は、加速度センサのセンサエレメントのデバイス構造の一例を示す平面図であり、図１（ｂ）は、図１（ａ）のＡ−Ａ線での断面図である。図１（ａ）では、質量体１１の部分の平面図を示し、この質量体１１に対向する上部基板１２の各電極３１〜３５を破線で示している。
図１に示すように、本実施の形態における加速度センサエレメント１０は、質量体１１と上部基板１２と下部基板１３との３層で構成されており、外部から信号（加速度）が加わると、ｙ軸方向に形成された回転軸１４に対して、固定部１５で支持されたばね部１６を介して、質量体１１が振動する。例えば、図１（ｂ）では、質量体１１が＋ｚ方向と−ｚ方向とに振動する。すなわち、質量体１１は、加速度が加わると、回転軸１４に対して第１方向であるｚ方向に変位可能となっている。
質量体１１は、回転軸１４のｘ座標を０と置いた場合に、−ｘ方向に導体を含んで位置する第１可動部２１と、＋ｘ方向に導体を含んで位置する第２可動部２２とを有しており、第１可動部２１と第２可動部２２とでは質量が異なっている。さらに、第１可動部２１と第２可動部２２とは面積が異なる非対称構造であり、第１可動部２１を第１対称領域２３と定義した場合、第２可動部２２は、回転軸１４に対して第１対称領域２３と軸対称の関係にある第２対称領域２４と、第２対称領域２４以外の非対称領域２５とから構成される。図１では、非対称領域２５は、第２対称領域２４をｘ方向に延伸した領域に形成されているが、ｙ方向に延伸した領域に形成されていてもよい。あるいは、ｘ方向とｙ方向との両方に延伸した領域に形成されていてもよい。一般的には、面積が大きい第２可動部２２の方が、第１可動部２１よりも質量が大きいが、これに限らない。
上部基板１２のうち、第１対称領域２３と対向する領域には、第１信号検出用電極３１と２つの第１ＡＣサーボ制御用電極３３とが配置されており、第１可動部２１との間に第１信号検出容量素子４１と２つの第１ＡＣサーボ容量素子４３とが形成されている。第１信号検出容量素子４１と２つの第１ＡＣサーボ容量素子４３とは、上部基板１２の第１信号検出用電極３１と２つの第１ＡＣサーボ制御用電極３３とが固定電極となり、第１可動部２１が可動電極となる。なお、図１（ｂ）では、２つの第１ＡＣサーボ容量素子４３が不図示となっているが、第１ＡＣサーボ制御用電極３３の部分をＡ−Ａ線にした場合に図示されるものである。２つの第１ＡＣサーボ制御用電極３３のそれぞれは、ｙ方向において、第１信号検出用電極３１を挟んで配置されている。
また、上部基板１２のうち、第２対称領域２４と対向する領域には、第２信号検出用電極３２と２つの第２ＡＣサーボ制御用電極３４とが配置されており、第２可動部２２との間に第２信号検出容量素子４２と２つの第２ＡＣサーボ容量素子４４とが形成されている。第２信号検出容量素子４２と２つの第２ＡＣサーボ容量素子４４とは、上部基板１２の第２信号検出用電極３２と２つの第２ＡＣサーボ制御用電極３４とが固定電極となり、第２可動部２２が可動電極となる。なお、図１（ｂ）では、２つの第２ＡＣサーボ容量素子４４が不図示となっているが、第２ＡＣサーボ制御用電極３４の部分をＡ−Ａ線にした場合に図示されるものである。２つの第２ＡＣサーボ制御用電極３４のそれぞれは、ｙ方向において、第２信号検出用電極３２を挟んで配置されている。
また、上部基板１２のうち、非対称領域２５と対向する領域には、ＤＣサーボ制御用電極３５が配置されており、第２可動部２２との間にＤＣサーボ容量素子４５が形成されている。ＤＣサーボ容量素子４５は、上部基板１２のＤＣサーボ制御用電極３５が固定電極となり、第２可動部２２が可動電極となる。
この時、各容量を形成する電極は、ｘ方向の軸に対して、対称となるように配置されていることが望ましい。図１では、２つの第１ＡＣサーボ制御用電極３３が、ｘ方向の軸（Ａ−Ａ線）に対して、対称となるように配置されている。また、２つの第２ＡＣサーボ制御用電極３４が、ｘ方向の軸（Ａ−Ａ線）に対して、対称となるように配置されている。また、第１信号検出用電極３１、第２信号検出用電極３２、ＤＣサーボ制御用電極３５のそれぞれが、ｘ方向の軸（Ａ−Ａ線）に対して、対称となるように配置されている。
さらに、第１対称領域２３と第２対称領域２４とに形成する電極は、回転軸１４に対して、互いに対称となるように配置されていることが望ましい。図１では、第１信号検出用電極３１と第２信号検出用電極３２とが、回転軸１４に対して、互いに対称となるように配置されている。また、２つの第１ＡＣサーボ制御用電極３３と２つの第２ＡＣサーボ制御用電極３４とが、回転軸１４に対して、互いに対称となるように配置されている。
言い換えれば、このような配置関係であれば、第１信号検出用電極３１と第２信号検出用電極３２と第１ＡＣサーボ制御用電極３３と第２ＡＣサーボ制御用電極３４との配置関係は、図１に示された例に限られない。
例えば、図２のような配置関係であっても構わない。図２は、変形例におけるセンサエレメントのデバイス構造の一例を示す図であり、図２（ａ）は平面図であり、図２（ｂ）は図２（ａ）のＡ−Ａ線での断面図である。図２に示す例では、上部基板１２のうち、第１対称領域２３と対向する領域には、第１信号検出用電極３１と第１ＡＣサーボ制御用電極３３とがｙ方向に延伸して形成され、ｘ方向の軸（Ａ−Ａ線）に対して、対称となるように配置されている。この上部基板１２に形成された第１信号検出用電極３１および第１ＡＣサーボ制御用電極３３と、第１可動部２１との間に第１信号検出容量素子４１および第１ＡＣサーボ容量素子４３が形成されている。
また、上部基板１２のうち、第２対称領域２４と対向する領域には、第２信号検出用電極３２と第２ＡＣサーボ制御用電極３４とがｙ方向に延伸して形成され、ｘ方向の軸（Ａ−Ａ線）に対して、対称となるように配置されている。この上部基板１２に形成された第２信号検出用電極３２および第２ＡＣサーボ制御用電極３４と、第２可動部２２との間に第２信号検出容量素子４２および第２ＡＣサーボ容量素子４４が形成されている。
また、第１信号検出用電極３１と第２信号検出用電極３２とが、回転軸１４に対して、互いに対称となるように配置されている。また、第１ＡＣサーボ制御用電極３３と第２ＡＣサーボ制御用電極３４とが、回転軸１４に対して、互いに対称となるように配置されている。第１ＡＣサーボ制御用電極３３は、第１信号検出用電極３１よりも回転軸１４に近い位置に配置されている。第２ＡＣサーボ制御用電極３４は、第２信号検出用電極３２よりも回転軸１４に近い位置に配置されている。
また、図３に示すように、第１可動部２１にＤＣサーボ容量素子４５が形成されていても構わない。図３は、別の変形例におけるセンサエレメントのデバイス構造の一例を示す図であり、図３（ａ）は平面図であり、図３（ｂ）は図３（ａ）のＡ−Ａ線での断面図である。図３に示す例では、上部基板１２のうち、第１対称領域２３と対向する領域には、第１信号検出用電極３１と第１ＡＣサーボ制御用電極３３とに加えてＤＣサーボ制御用電極３５がｙ方向に延伸して形成され、ｘ方向の軸（Ａ−Ａ線）に対して、対称となるように配置されている。この上部基板１２に形成されたＤＣサーボ制御用電極３５と、第１可動部２１との間にＤＣサーボ容量素子４５が形成されている。ＤＣサーボ制御用電極３５は、第１信号検出用電極３１よりも回転軸１４に遠い位置に配置されている。
図１に戻り、第１信号検出容量素子４１と第２信号検出容量素子４２とは、それぞれ加速度の印加を検出するための容量である。すなわち、質量体１１に加速度が印加された場合に生じる、第１信号検出容量素子４１と第２信号検出容量素子４２との容量変化を検出することで、加速度を検出する。この時、ある加速度に対して、第１信号検出容量素子４１と第２信号検出容量素子４２との容量変化は逆相であるため、第１信号検出用電極３１と第２信号検出用電極３２とに逆相の検出電圧を印加することで、差動検出が可能となる。ただし、原理上は第１信号検出容量素子４１と第２信号検出容量素子４２とのうち、どちらか一方が存在していれば、加速度検出は可能であり、そのような構成であっても問題がないことは言うまでもない。
第１ＡＣサーボ容量素子４３と第２ＡＣサーボ容量素子４４とは、第１信号検出容量素子４１と第２信号検出容量素子４２とで検出する加速度のＡＣ成分（交流成分＝振動成分）の方向と逆向きの力を発生させるＡＣ成分のサーボ電圧印加用の容量である。これにより、フィードバック動作による加速度検出が可能となる。また、第１可動部２１と第２可動部２２との両方にＡＣサーボ容量素子を備えているため、第１ＡＣサーボ容量素子４３と第２ＡＣサーボ容量素子４４とを、上部基板１２か下部基板１３のどちらか一方に形成するだけで双方向のサーボ制御が可能となる。図１（図２、図３）では、上部基板１２に形成している。
これによる効果は、第１ＡＣサーボ容量素子４３と第２ＡＣサーボ容量素子４４との容量値の差異（ばらつき）を低減できることが大きい。通常、容量値のばらつきは、補償回路などを用いて補正する必要があり、大きな容量値のばらつきは、回路規模の増加（コスト増加）や動作上の悪影響を招くおそれがある。特に、容量値は、電極間の距離に反比例するため、電極間距離のばらつきは、そのまま容量値のばらつきに繋がる。このため、製造上の観点から、異なる基板内、すなわち、上部基板１２と下部基板１３との両面に容量対を形成するよりも、同一基板内、すなわち、上部基板１２か下部基板１３のどちらか一方に容量対を形成する方が、電極間距離のばらつき低減に有利であることは、当業者なら容易に理解できるであろう。
ＤＣサーボ容量素子４５は、第１信号検出容量素子４１と第２信号検出容量素子４２とで検出する加速度のＤＣ成分（直流成分＝重力成分）の方向と逆向きの力を発生させるＤＣ成分のサーボ電圧印加用の容量である。重力加速度の方向は不変であるため、加速度センサエレメント１０の設置を、第２可動部２２とＤＣサーボ制御用電極３５との位置関係に留意して行えば、双方向にサーボ制御する必要性は生じない。具体的には、第２可動部２２とＤＣサーボ制御用電極３５との配置関係が図１に示す場合であり、第２可動部２２の質量が第１可動部２１の質量より重い場合、重力加速度の方向が−ｚ方向となるように加速度センサエレメント１０を設置すればよい。このとき、重力加速度の方向ベクトルが厳密に−ｚ方向となっている必要はなく、方向ベクトルのｚ成分が負となるように配置されていればよい。
このように、双方向のサーボ制御が必要な第１ＡＣサーボ容量素子４３と第２ＡＣサーボ容量素子４４とを第１対称領域２３と第２対称領域２４とに配置し、片方向のサーボ制御のみで十分なＤＣサーボ容量素子４５だけを非対称領域２５に配置する。これにより、第１信号検出容量素子４１と第２信号検出容量素子４２との間の容量値ばらつき、および第１ＡＣサーボ容量素子４３と第２ＡＣサーボ容量素子４４との間の容量値ばらつきを効果的に低減し、かつ第１可動部２１と第２可動部２２との表面積を効率的に容量素子として利用できる効果がある。
＜実施の形態における加速度センサの動作＞
本実施の形態における加速度センサは、上記のような加速度センサエレメント１０を用いて構成されており、以下に、その動作について、図４を参照しながら説明する。
図４は、本実施の形態における加速度センサの構成の一例を示すブロック図である。図４では、上記の加速度センサエレメント（ＭＥＭＳ；Micro Electrical Mechanical Systems）とともに用いられるＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）の一例を示している。
ＡＳＩＣ１１０は、ドライバ１２１、１２２と、チャージアンプ１２３と、アンプ１２４と、アナログフィルタ１２５と、Ａ／Ｄ変換器１２６と、ＤＣサーボ制御部１２７と、復調器１２８と、ＡＣサーボ制御部１２９と、１ビット量子化器１３０と、１ビットＤ／Ａ変換器１３１と、ＤＬＰＦ（デジタルローパスフィルタ）１３２とを有している。
ドライバ１２１、１２２は、それぞれ逆相の非反転の変調クロック、反転の変調クロックを入力として、第１信号検出容量素子４１と第２信号検出容量素子４２との第１信号検出用電極３１と第２信号検出用電極３２とに電圧を印加する。
チャージアンプ１２３は、オペアンプ１２３ａと、オペアンプ１２３ａの入出力間に並列に接続された帰還容量１２３ｂ、および高抵抗１２３ｃからなるＣ／Ｖ変換回路である。オペアンプ１２３ａは、反転入力に質量体１１からの信号が入力され、非反転入力には基準電圧ＶＢが印加されている。このチャージアンプ１２３は、質量体１１の変位に比例した、第１信号検出容量素子４１と第２信号検出容量素子４２との容量変化値を電圧に変換し、チャージアンプ１２３の出力は、アンプ１２４に接続されている。
アンプ１２４は、一方の入力がチャージアンプ１２３に接続され、他方の入力には基準電圧ＶＢが印加され、出力がアナログフィルタ１２５に接続されている。このアンプ１２４は、チャージアンプ１２３で変換された電圧と、基準電圧ＶＢとを入力として、差動増幅して、アナログフィルタ１２５に出力する。
アナログフィルタ１２５は、入力がアンプ１２４に接続され、出力がＡ／Ｄ変換器１２６に接続されている。このアナログフィルタ１２５は、アンプ１２４で差動増幅された電圧を入力として、この電圧に含まれる雑音成分を除去して、Ａ／Ｄ変換器１２６に出力する回路である。
Ａ／Ｄ変換器１２６は、入力がアナログフィルタ１２５に接続され、出力がＤＣサーボ制御部１２７、および復調器１２８に接続されている。このＡ／Ｄ変換器１２６は、アナログフィルタ１２５で雑音除去されたアナログ電圧を入力として、このアナログ電圧をデジタル値に変換して、ＤＣサーボ制御部１２７、および復調器１２８に出力する回路である。
ＤＣサーボ制御部１２７は、入力がＡ／Ｄ変換器１２６に接続され、出力がＤＣサーボ容量素子４５に接続されている。このＤＣサーボ制御部１２７は、Ａ／Ｄ変換器１２６で変換されたデジタル値を入力として、このデジタル値に基づいて検出信号とは逆向きの力を発生させるサーボ電圧（ＤＣ成分）を決定し、このサーボ電圧をＤＣサーボ容量素子４５のＤＣサーボ制御用電極３５に印加する回路である。
ＤＣサーボ制御部１２７は、例えば、復調器１２８と同様な復調器、入力加速度のＤＣ成分だけを抽出する狭帯域デジタルローパスフィルタ、制御用信号処理部、制御用信号処理部のデジタル出力値をアナログ電圧に変換してサーボ電圧を供給する多ビットＤ／Ａ変換器などからなる。このＤ／Ａ変換器は、多ビットであるがＤＣ制御用の低速動作でよいため、消費電力増加や雑音増加にならない。このことは、ＤＣサーボの制御状態によって、消費電力や雑音が影響されないことを意味しており、例えば、重力加速度の方向が−ｚ方向からずれた状態で、加速度センサエレメント１０が設置されたとしても消費電力や雑音に影響しない。このことは、後述する地震探査システムにおいて、有利である。なお、−ｚ方向とは、図１−３のｚ方向を示す矢印の反対方向である。
また、ＤＣサーボの主目的は、センサモジュールが鉛直方向に置かれた時の重力加速度（鉛直方向から傾いている場合は、重力加速度のセンサ感度軸方向の成分）のキャンセルのためである。この成分は、静的、かつ片方向であるから、ＤＣサーボ制御部１２７によるサーボ電圧（ＤＣ成分）の決定動作は、例えば、加速度センサを設置して、ＡＣ加速度信号の計測を始める前に一回だけ行っておき、ＡＣ加速度信号の計測中は、決定されたサーボ電圧（ＤＣ成分）をＤＣサーボ容量素子４５に印加し続けておくだけでもよい。
復調器１２８は、２つの入力がそれぞれＡ／Ｄ変換器１２６とドライバ１２１の入力とに接続され、出力がＡＣサーボ制御部１２９に接続されている。この復調器１２８は、Ａ／Ｄ変換器１２６で変換されたデジタル値と、ドライバ１２１に入力される変調クロックとを入力として、このデジタル値と変調クロックとを乗算して、加速度の印加による質量体１１の変位に比例した容量変化値に復調して、ＡＣサーボ制御部１２９に出力する回路である。
ＡＣサーボ制御部１２９は、入力が復調器１２８に接続され、出力が１ビット量子化器１３０に接続されている。このＡＣサーボ制御部１２９は、復調器１２８で復調された容量変化値を入力として、この容量変化値に基づいて検出信号とは逆向きの力を発生させるサーボ値(ＡＣ成分)を決定し、１ビット量子化器１３０に出力する回路である。
１ビット量子化器１３０は、入力がＡＣサーボ制御部１２９に接続され、出力が１ビットＤ／Ａ変換器１３１に接続されている。この１ビット量子化器１３０は、ＡＣサーボ制御部１２９で決定されたサーボ値(ＡＣ成分)を入力として、このサーボ値を１ビットに量子化して、１ビットＤ／Ａ変換器１３１に出力する回路である。なお、１ビット量子化器１３０の出力は、ＤＬＰＦ（デジタルローパスフィルタ）１３２にも入力され、ＤＬＰＦ１３２により、高周波成分が抑圧され、ＤＬＰＦ１３２の出力が最終的な加速度センサの出力となる。
１ビットＤ／Ａ変換器１３１は、入力が１ビット量子化器１３０に接続され、出力が第１ＡＣサーボ容量素子４３の第１ＡＣサーボ制御用電極３３と、第２ＡＣサーボ容量素子４４の第２ＡＣサーボ制御用電極３４とに接続されている。この１ビットＤ／Ａ変換器１３１は、１ビット量子化器１３０で量子化された１ビットのデジタル値を入力とし、このデジタル値をアナログ値に変換し、このアナログ電圧を第１ＡＣサーボ容量素子４３の第１ＡＣサーボ制御用電極３３と、第２ＡＣサーボ容量素子４４の第２ＡＣサーボ制御用電極３４とに印加する回路である。
以上のように、第１ＡＣサーボ容量素子４３と第２ＡＣサーボ容量素子４４には、第１信号検出容量素子４１と第２信号検出容量素子４２とによる加速度の検出信号のＡＣ成分とは逆向きの力を発生させる電圧が、ＤＣサーボ容量素子４５には、第１信号検出容量素子４１と第２信号検出容量素子４２とによる加速度の検出信号のＤＣ成分とは逆向きの力を発生させる電圧が検出信号を検出している間印加されている。
これにより、本実施の形態では、信号検出とサーボ制御との同時動作方式を実現できる。さらに、第１ＡＣサーボ容量素子４３と第２ＡＣサーボ容量素子４４、およびＤＣサーボ容量素子４５には、それぞれ別個の電圧を印加できるので、サーボ電圧（ＤＣ成分）とＡＣ電圧（ＡＣ成分）との個別制御が可能となる。これにより、動的に制御するサーボ力が加速度のＡＣ成分のみとなり、動的に制御するサーボ力の絶対値を減らせるため、ＡＣサーボ用の１ビットＤ／Ａ変換器１３１の出力電圧を低減することができる。これにより、ＡＣサーボ制御に起因する雑音を抑制し、高感度化することができる。
あるいは、第１ＡＣサーボ容量素子４３と第２ＡＣサーボ容量素子４４との容量値を低減することができるため、第１ＡＣサーボ容量素子４３と第２ＡＣサーボ容量素子４４との充放電に費やす消費電力を低減できる。なお、ＤＣサーボ制御は静的であるため、ＤＣサーボ容量素子４５の定常的な充放電は行われない。あるいは、第１対称領域２３、および第２対称領域２４に配置する第１ＡＣサーボ制御用電極３３と第２ＡＣサーボ制御用電極３４との面積を低減でき、センサエレメントを小型化することができる。すなわち、加速度センサエレメント１０において、ＤＣサーボ容量素子４５を非対称領域２５に配置することにより、加速度センサの高感度化、低消費電力化、小型化を実現できる。本実施の形態においては、以上のような効果を得ることができる。
＜実施の形態におけるその他の効果＞
続いて、本実施の形態におけるその他の効果について説明する。上記のように、本実施の形態における加速度センサエレメント１０の特徴の１つは、各容量対の固定電極を上部基板１２、あるいは下部基板１３の一方に形成するだけで、双方向のサーボ制御機能を備える加速度センサの動作が可能な点である。これによるその他の効果は、固定電極を形成しない側の基板を質量体１１から十分離して形成できる点である。
以下に、図１に示す上部基板１２に各固定電極を形成した場合を例として、その効果を説明する。質量体１１と上部基板１２との間には、第１信号検出容量素子４１と、第２信号検出容量素子４２と、第１ＡＣサーボ容量素子４３と、第２ＡＣサーボ容量素子４４と、ＤＣサーボ容量素子４５との各容量が形成される。このとき、質量体１１と上部基板１２との各容量を形成する電極間距離は、一般的には３μｍ程度以下で形成される。一方、下部基板１３は、質量体１１を密閉封止することが主目的であるため、質量体１１と下部基板１３との間の距離は、例えば、５０μｍ程度以上とすることができ、質量体１１と上部基板１２との各容量を形成する電極間距離と比較して、十分大きくすることができる。
一般に、ＭＥＭＳで製造された加速度センサの検出分解能（感度）は、周辺気体分子の熱運動（Brownian Noise；ＢＮ）の影響を強く受ける。ＢＮは、以下の式で表される。
Figure 0006437429
ただし、ＫＢはボルツマン定数、Ｔは絶対温度、ｃは減衰係数、ｍは質量体の質量である。高感度な加速度センサを実現するには、ｃを小さくするか、ｍを大きくする必要がある。しかし、ｍを大きくするには、質量体１１を大きくする必要があるため、ダイ面積の増加、すなわちコストが増加する。一方、平行平板型の振動体の場合、ｃは振動体と固定電極との距離の３乗に反比例するため、ｃを小さくするには、質量体１１と上部基板１２、あるいは下部基板１３との距離を大きくすることが有効である。本実施の形態では、質量体１１と下部基板１３との距離を十分大きくすることができるため、検出分解能（感度）への下部基板１３の影響をほとんど無視できる利点がある。
また、本実施の形態の加速度センサエレメント１０には、実装上の利点もある。通常、加速度センサとして動作させるには、加速度センサエレメント１０とＡＳＩＣ１１０とをパッケージ材に実装する必要がある。ＭＥＭＳセンサの実装方法としては、実装面に直接接着固定する、あるいはダイアタッチフィルムで接合する、あるいはダイアタッチメタライズ層を介して接合する、などの方法が知られている。しかし、これらの材料は、ＭＥＭＳセンサを構成する材料（例えばシリコン）と線膨張率が異なるため、実装時に生じる熱応力の影響を受けやすい課題がある。その点、本実施の形態の加速度センサエレメント１０では、下部基板１３を実装面に利用することで、熱応力の影響を緩和できる効果がある。
以下に、この点について説明する。図５は、本実施の形態における加速度センサの実装の一例を示す断面図である。図５では、加速度センサエレメント１０とＡＳＩＣ１１０とをパッケージ２１０に実装した例を示している。パッケージ２１０は、底材２１１と、蓋材２１２と、リード線２１３と、封止材２１４とを有しており、例えばセラミックなどで構成されている。パッケージ２１０内部には、加速度センサエレメント１０とＡＳＩＣ１１０とが実装されており、接合材２１５を介してパッケージ２１０に接合されている。このとき、加速度センサエレメント１０は、下部基板１３を実装面として接合されている。また、加速度センサエレメント１０とＡＳＩＣ１１０とリード線２１３とは、必要に応じて、ワイヤ２１６で電気的に配線されている。なお、図５はパッケージを用いた実装の一例を示したにすぎず、パッケージの構成要素などの形状、位置関係などを限定するものではない。
接合材２１５には、例えば、エポキシ系ダイボンド樹脂、シリコン系ダイボンド樹脂などの接着剤、あるいはダイアタッチフィルム、あるいはメタライズ層を介した半田などが用いられる。このとき、加速度センサエレメント１０とＡＳＩＣ１１０とをパッケージ２１０に適切な強度で接合するには、加熱処理が不可避である。
一方、加熱処理を行った場合、接合材２１５と加速度センサエレメント１０とを構成する材料の線膨張係数が異なるため、熱応力が発生し、加速度センサエレメント１０が変形するおそれがある。このような変形が生じた場合には、加速度センサエレメント１０内に形成された各容量値が変化し、加速度センサの動作に悪影響を及ぼすおそれがある。他方で、加速度センサエレメント１０の実装面に下部基板１３を利用することで、熱応力による変形の影響を下部基板１３が吸収し、質量体１１、および上部基板１２に及びにくい効果が期待できる。これにより、加速度センサの性能に関係する、第１信号検出容量素子４１と、第２信号検出容量素子４２と、第１ＡＣサーボ容量素子４３と、第２ＡＣサーボ容量素子４４と、ＤＣサーボ容量素子４５との各容量値が影響されにくい効果がある。言い換えれば、本実施の形態によれば、実装時に発生する熱応力に対する耐性の高い加速度センサを提供することができるということができる。
また、パッケージに実装された加速度センサは、図５で示す−ｚ方向と重力加速度のｚ成分の方向とが一致する向きで使用される。すなわち、重力加速度の方向が厳密に−ｚ方向と一致する場合に限定されず、重力加速度のｚ成分が負である範囲において、ｘ方向とｙ方向に方向成分をもつ場合も含む事を意味している。なお、−ｚ方向とは、図５のｚ方向を示す矢印の反対方向であり、ｙ方向とは、図５の紙面に対して垂直方向である。この点でも前記の通り、ＤＣサーボ容量素子４５に印加されるサーボ電圧（ＤＣ成分）により発生するＤＣサーボ力の向きが、重力加速度をキャンセルする向きと一致しており、有利である。
＜実施の形態における地震探査システムの特徴＞
次に、本実施の形態における加速度センサを用いて構成された地震探査システムについて説明する。図６は、本実施の形態における地震探査システム３１０の一例を示す構成図である。
地震探査の一形態である反射法地震探査は、震源としてダイナマイトやバイブレータなど（図示せず）を用いて、地表で衝撃波または連続波を発生させることにより、地下の反射面から反射して地上に戻ってくる反射波を、地表に展開した受振器で測定し、解析して地下反射面の深度分布や地下構造を探査する方法である。このとき、地表に展開する受振器には、複数の受振器で構成された地震探査システムが利用される。
例えば、地震探査システム３１０は、図６に示すように、複数の受振器３１１と、複数の受振器３１１を直並列につなぎ、受振器３１１から得られた信号を伝送するためのケーブル３１２と、それらをつなぐ中間モジュール３１３と、得られた信号を収集するデータ収集装置３１４とを有している。受振器３１１には、加速度センサエレメント１０とＡＳＩＣ１１０とを用いて構成された加速度センサが利用されている。そのため、地表に設置された各受振器３１１によって検出された信号は、電気信号に変換され、ケーブル３１２を介して、中間モジュール３１３、あるいは直接データ収集装置３１４に伝送される。このとき、各受振器３１１からは、検出信号と共に、各受振器３１１を識別するために自身の位置情報も伝送される。
なお、各受振器３１１からのデータ伝送はケーブル３１２を介して有線通信で行う場合に限らず、ケーブル３１２の代わりに無線通信を用いてデータ伝送を行うことも可能である。あるいは、受振器３１１にデータ記録装置を備えておき、探査終了後に各受振器３１１からデータを直接回収することも可能である。
受振器３１１の一例を、図７を用いて説明する。図７は、本実施の形態における地震探査システム３１０の受振器３１１の構成の一例を示すブロック図である。受振器３１１は、加速度センサエレメント１０とＡＳＩＣ１１０とを用いて構成された加速度センサ５１１と、制御用ＩＣ（Integrated Circuit）５１２と、通信用ＩＣ５１３と、電源回路５１４と、データ記録部５１５と、ＧＰＳ（Global Positioning System）５１６とを有している。
制御用ＩＣ５１２は、受振器３１１の全体制御を司る集積回路であり、例えば、加速度センサ５１１によって検出された信号を電気信号に変換したり、この電気信号を通信用ＩＣ５１３を介してデータ収集装置３１４に伝送するなどの制御を行う。通信用ＩＣ５１３は、加速度センサ５１１によって検出されて電気信号に変換された信号をデータ収集装置３１４に伝送する集積回路である。電源回路５１４は、受振器３１１の各回路の動作に必要な電源を生成して各回路に供給する回路である。この電源回路５１４は、例えば受振器３１１が有線通信の場合はバッテリが不要であるが、無線通信の場合にはバッテリを含んで構成される。データ記録部５１５は、加速度センサ５１１によって検出された検出信号や、ＧＰＳ５１６により測定された位置情報などの各種データを記録する記録部である。ＧＰＳ５１３は、地表に展開した各受振器３１１において、地球上の現在位置を測定するためのシステムである。
地震探査システムは、規模の増大に応じて、受振器３１１の設置数が増大するため、設置効率が重要となる。
受振器３１１の設置の一例を、図８を用いて説明する。図８（ａ）（ｂ）は、本実施の形態における地震探査システム３１０の受振器３１１の設置の一例を示す説明図である。例えば、図８に示すように、受振器３１１は、一部が地上３２１に露出し、残りの一部が地中３２２に埋設されるように設置される。このとき、従来のコイル型の受振器では、図８（ａ）に示すように、設置現場で受振器３１１を水平に設置する必要があり、設置効率を下げる要因となりうる。一方、本実施の形態におけるＭＥＭＳ型の受振器３１１では、重力加速度を参照に受振器３１１の傾きを計測し、補正することが可能であるため、図８（ｂ）に示すように、設置時の傾斜はある程度許容され、設置効率の面で有利である。他方で、従来のＭＥＭＳ型加速度センサでは、ＤＣサーボ制御とＡＣサーボ制御との個別制御ができないため、設置時の傾斜（ＤＣサーボの制御状態）に応じて、検出分解能（感度）がばらつくおそれがある。
この点、本実施の形態における加速度センサエレメント１０とＡＳＩＣ１１０とを用いた受振器３１１では、設置時の傾斜角３２３に応じて変化する重力加速度の検出分解能（感度）への影響を受けずに計測することができる利点がある。すなわち、複数の受振器３１１の設置時の傾斜角３２３（０度〜２０度程度）が全て異なっていたとしても、検出分解能（感度）を損なうことなく計測することができる。
このように、本実施の形態における受振器３１１は、加速度センサエレメント１０の質量体１１に対して、上部基板１２が配置されている方向と、質量体１１に印加される重力加速度の方向とが、ある程度の許容範囲を有して、逆方向となるように設置されている。そして、設置時の傾斜を補正するために、ＤＣサーボ制御用電極３５に印加される直流電圧を用いて、質量体１１が回転軸１４に対して変位可能な第１方向と、質量体１１に印加される重力加速度の方向とがなす角度である傾斜角３２３を計測する。
図９は、本実施の形態における地震探査システム３１０を利用した地震探査の一例を示すフローチャートである。複数の受振器３１１を含む地震探査システム３１０は、計測開始前に各受振器３１１がそれぞれ所望の位置に設置される（ステップ４１１）。次に、各受振器３１１を起動し、個々の受振器３１１において、加速度計測を開始し、ＤＣサーボ電圧を決定する（ステップ４１２）。この時、各受振器３１１を起動するための指令は、例えば、図６に示したデータ収集装置３１４から与えられる。次に、個々の受振器３１１において、決定されたＤＣサーボ電圧から計測される各受振器３１１の傾斜角３２３のデータを記録する（ステップ４１３）。この傾斜角３２３のデータは、各受振器３１１のデータ記録部５１５に記録される。
その後、ダイナマイトやバイブレータなどの震源を用いて、地震探査を開始する（ステップ４１４）。この時、地震探査を開始するための指令は、例えば、図６に示したデータ収集装置３１４から各受振器３１１に与えられ、個々の受振器３１１において、データ記録部５１５に地震探査のデータを記録する。そして、地震探査のデータを取得する（ステップ４１５）。この地震探査のデータは、例えば、図６に示したデータ収集装置３１４で取得する。最後に、取得した地震探査データに基づきデータ解析が実施される（ステップ４１６）。このデータ解析は、例えば、図６に示したデータ収集装置３１４に接続可能な解析装置や、データ収集装置３１４とは別個に設けられた解析装置などを用いて実施される。
本実施の形態における地震探査システム３１０を利用した地震探査では、ステップ４１３で記録された各受振器３１１の傾斜角３２３のデータは、データ解析時の補正データとして利用してもよい。また、各受振器３１１が設置された後の各フローは、ソフトウェハ、あるいはハードウェア上に実装することができ、データ収集装置３１４上、あるいは別途構築されるオペレーションシステム上で動作させることができる。
以上、本発明者によってなされた発明をその実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることは言うまでもない。例えば、上記した実施の形態は、本発明を分かり易く説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、実施の形態の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。
１０ 加速度センサエレメント
１１ 質量体
１２ 上部基板
１３ 下部基板
１４ 回転軸
１５ 固定部
１６ ばね部
２１ 第１可動部
２２ 第２可動部
２３ 第１対称領域
２４ 第２対称領域
２５ 非対称領域
３１ 第１信号検出用電極
３２ 第２信号検出用電極
３３ 第１ＡＣサーボ制御用電極
３４ 第２ＡＣサーボ制御用電極
３５ ＤＣサーボ制御用電極
４１ 第１信号検出容量素子
４２ 第２信号検出容量素子
４３ 第１ＡＣサーボ容量素子
４４ 第２ＡＣサーボ容量素子
４５ ＤＣサーボ容量素子
３１０ 地震探査システム
３１１ 受振器

Claims (13)

  1. 回転軸に対して第１方向に変位可能な質量体を備える加速度センサであって、
    前記質量体は、
    前記回転軸の一方の方向に導体を含む第１可動部と、
    前記回転軸の他方の方向に導体を含み、前記第１可動部より面積が大きい第２可動部と、
    を有し、
    前記加速度センサは、
    前記第１可動部に形成される第１対称領域に対向配置された第１ＡＣサーボ制御用電極と、
    前記第２可動部に形成され、前記回転軸に対して前記第１対称領域と軸対称の関係にある第２対称領域に対向配置された第２ＡＣサーボ制御用電極と、
    前記第２可動部に形成され、前記第２対称領域外の領域である非対称領域に対向配置されたＤＣサーボ制御用電極と、
    を有し、
    前記第１可動部と前記第１ＡＣサーボ制御用電極とによって第１ＡＣサーボ容量素子が形成され、
    前記第２可動部と前記第２ＡＣサーボ制御用電極とによって第２ＡＣサーボ容量素子が形成され、
    前記第２可動部と前記ＤＣサーボ制御用電極とによってＤＣサーボ容量素子が形成され、
    前記質量体が一定の位置に制御される平衡力を提供するために、前記第１ＡＣサーボ制御用電極と前記第２ＡＣサーボ制御用電極とに交流電圧が印加され、前記ＤＣサーボ制御用電極に直流電圧が印加される、加速度センサ。
  2. 請求項１に記載の加速度センサにおいて、
    さらに、前記第１対称領域に対向配置された第１信号検出用電極、あるいは、前記第２対称領域に対向配置された第２信号検出用電極、あるいは、その両方を有し、
    前記第１可動部と前記第１信号検出用電極とによって第１信号検出容量素子が、あるいは、前記第２可動部と前記第２信号検出用電極とによって第２信号検出容量素子が、あるいは、その両方が形成され、
    前記第１信号検出容量素子、あるいは、前記第２信号検出容量素子、あるいは、その両方によって、加速度信号を検出する、加速度センサ。
  3. 請求項１に記載の加速度センサにおいて、
    前記第１可動部および前記第２可動部の同一方向に対向する位置に上部基板が配置され、
    前記第１可動部および前記第２可動部の他方向に対向する位置に下部基板が配置され、
    前記第１ＡＣサーボ制御用電極と、前記第２ＡＣサーボ制御用電極と、前記ＤＣサーボ制御用電極とが、前記上部基板にのみ形成されている、加速度センサ。
  4. 請求項３に記載の加速度センサにおいて、
    前記第１可動部および前記第２可動部と前記下部基板との間の距離が、前記第１可動部および前記第２可動部と前記上部基板との間の距離よりも大きくなるように配置されている、加速度センサ。
  5. 請求項３に記載の加速度センサにおいて、
    前記下部基板が実装面となって実装されている、加速度センサ。
  6. 請求項３に記載の加速度センサにおいて、
    前記質量体に対して、前記上部基板が配置されている方向と、前記質量体に印加される重力加速度の方向とが、逆方向となるように設置されている、加速度センサ。
  7. 請求項１に記載の加速度センサにおいて、
    前記ＤＣサーボ制御用電極に印加される直流電圧を用いて、前記第１方向と、前記質量体に印加される重力加速度の方向とがなす角度を計測する、加速度センサ。
  8. 回転軸に対して第１方向に変位可能な質量体を備える加速度センサを搭載した受振器であって、
    前記加速度センサの前記質量体は、
    前記回転軸の一方の方向に導体を含む第１可動部と、前記回転軸の他方の方向に導体を含み、前記第１可動部より面積が大きい第２可動部と、を有し、
    前記加速度センサは、
    前記第２可動部と、前記第２可動部に形成され、前記第１可動部と前記第２可動部との対称領域外の領域である非対称領域に対向配置されたＤＣサーボ制御用電極と、によってＤＣサーボ容量素子が形成され、
    前記ＤＣサーボ制御用電極に印加される直流電圧を用いて、前記第１方向と、前記質量体に印加される重力加速度の方向とがなす角度を計測する、受振器。
  9. 請求項８に記載の受振器において、
    前記加速度センサは、
    前記第１可動部および前記第２可動部の同一方向に対向する位置に上部基板が配置され、
    前記第１可動部および前記第２可動部の他方向に対向する位置に下部基板が配置され、
    前記ＤＣサーボ制御用電極が、前記上部基板にのみ形成され、
    前記質量体に対して、前記上部基板が配置されている方向と、前記質量体に印加される重力加速度の方向とが、逆方向となるように設置されている、受振器。
  10. 回転軸に対して第１方向に変位可能な質量体を備える加速度センサを搭載した複数の受振器で構成される地震探査システムであって、
    前記加速度センサの前記質量体は、
    前記回転軸の一方の方向に導体を含む第１可動部と、前記回転軸の他方の方向に導体を含み、前記第１可動部より面積が大きい第２可動部と、を有し、
    前記加速度センサは、
    前記第２可動部と、前記第２可動部に形成され、前記第１可動部と前記第２可動部との対称領域外の領域である非対称領域に対向配置されたＤＣサーボ制御用電極と、によってＤＣサーボ容量素子が形成され、
    前記ＤＣサーボ制御用電極に印加される直流電圧を用いて、前記第１方向と、前記質量体に印加される重力加速度の方向とがなす角度を計測する、地震探査システム。
  11. 請求項１０に記載の地震探査システムにおいて、
    前記加速度センサは、
    前記第１可動部および前記第２可動部の同一方向に対向する位置に上部基板が配置され、
    前記第１可動部および前記第２可動部の他方向に対向する位置に下部基板が配置され、
    前記ＤＣサーボ制御用電極が、前記上部基板にのみ形成され、
    前記質量体に対して、前記上部基板が配置されている方向と、前記質量体に印加される重力加速度の方向とが、逆方向となるように設置されている、地震探査システム。
  12. 請求項１１に記載の地震探査システムにおいて、
    前記複数の各受振器では、前記各受振器が設置されることで、前記各受振器の加速度計測を開始し、前記各受振器に搭載された前記加速度センサのＤＣサーボ電圧を決定し、前記各受振器が設置時の傾斜角を記録して、前記各受振器で地震探査を開始し、
    前記各受振器から前記地震探査のデータを取得するデータ収集装置を有する、地震探査システム。
  13. 請求項１２に記載の地震探査システムにおいて、
    前記データ収集装置で取得した前記地震探査のデータを解析する解析装置を有する、地震探査システム。
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