JP6661937B2 - 加速度補正データ算出装置及び加速度センサの製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、加速度補正データ算出装置及び加速度センサの製造方法に関する。

可動電極と固定電極との間の静電容量の変化に基づいて加速度を計測する静電容量型の加速度センサが知られている。静電容量型の加速度センサでは、温度変化によって構成部品が膨張又は収縮するように変形し、可動電極と固定電極との間の静電容量が変動して計測結果にばらつきが生じる場合がある。

そこで、異なる複数の温度雰囲気で加速度センサの感度・オフセットを計測し、計測値に基づく補正データを用いて加速度センサの出力を補正する方法が知られている（例えば、特許文献１参照）。

特開平６−３３１６４７号公報

しかしながら、加速度センサの感度・オフセットを異なる複数の温度雰囲気で計測して補正データを用意するには、多くの工数及び非常に長い時間を要する。そのため、加速度センサごとに異なる複数の温度雰囲気で感度・オフセットを計測して補正データを用意するには多大な労力が必要となり、製造コストの上昇を招いていた。

本発明は上記に鑑みてなされたものであって、静電容量型の加速度センサにおいて温度補正に用いられる補正データを容易に算出可能な加速度補正データ算出装置を提供することを目的とする。

本発明の一態様によれば、静電容量型の加速度センサにおいて温度補正に用いられる補正データを算出する加速度補正データ算出装置であって、基準温度において前記加速度センサに設けられている可動電極と固定電極との電極間隔を計測する電極間隔計測部と、前記基準温度から温度が変化した場合の前記可動電極及び前記固定電極の変形量を算出する変形量算出部と、前記電極間隔計測部によって計測された電極間隔及び前記変形量算出部によって算出された変形量に基づいて、前記可動電極と前記固定電極との間の静電容量を算出する静電容量算出部と、前記可動電極と前記固定電極との間の静電容量の変化に基づく加速度を算出する加速度算出部と、前記静電容量算出部によって算出された静電容量に基づいて、前記基準温度から温度が変化した場合における前記加速度の温度変化量を示すデータである補正データを算出する補正データ算出部と、前記補正データ算出部で算出された補正データを含む補正テーブルを記憶する補正データ記憶部と、前記加速度センサの周囲温度を検出する温度検出部と、前記周囲温度に対応する前記補正データを前記補正データ記憶部から取得し、前記加速度を前記補正データで補正する補正部と、を有する。

本発明の実施形態によれば、静電容量型の加速度センサにおいて温度補正に用いられる補正データを容易に算出可能な加速度補正データ算出装置が提供される。

実施形態における加速度センサ及び補正データ算出装置の構成を例示する図である。 実施形態におけるセンサ部の構成を例示する図である。 実施形態におけるセンサ部の構成を例示する断面図である。 実施形態における検出部の回路構成を例示する図である。 実施形態における補正データ算出処理のフローチャートを例示する図である。 実施形態における電極間隔の変化を説明する図である。 実施形態における加速度センサの補正データを例示する図である。 実施形態における補正テーブルを例示する図である。

以下、図面を参照して発明を実施するための形態について説明する。各図面において、同一構成部分には同一符号を付し、重複した説明を省略する場合がある。

＜加速度センサ及び補正データ算出装置の構成＞
図１は、実施形態における加速度センサ１００及び補正データ算出装置２００の構成を例示する図である。加速度センサ１００は、補正データ算出装置２００によって算出された補正データを用いて検出した加速度を補正して出力する。補正データ算出装置２００は、加速度センサ１００の製造時等に補正データを算出し、算出した補正データを含む補正テーブルを加速度センサ１００に記憶させる。

（加速度センサ）
加速度センサ１００は、センサ部１１０、検出部１３０、加速度算出部１４０、補正部１５０、補正データ記憶部１６０、温度検出部１７０を有する。

センサ部１１０は、可動電極及び固定電極等を有する。センサ部１１０に外力が加えられて加速度が生じると、可動電極と固定電極との間の静電容量が変化し、この静電容量の変化に基づいて加速度が検出される。

図２は、実施形態におけるセンサ部１１０の構成を例示する図である。また、図３は、図２のＡ−Ａ断面図である。なお、図２では、上部保護部材１２５の図示が省略されている。図２及び図３に示されているＸ方向及びＹ方向は、互いに直交する方向であり、それぞれ矩形の可動電極１１１の各辺に平行又は直交する方向である。また、Ｚ方向は、Ｘ方向及びＹ方向に直交するセンサ部１１０の高さ方向である。

図２及び図３に示されるように、センサ部１１０は、可動電極１１１、第１固定電極１１２ａ、第２固定電極１１２ｂ、第３固定電極１１２ｃ、第４固定電極１１２ｄ、上部固定電極１１３、支持体１１６、梁部材１１８、上部保護部材１２５、下部保護部材１２６を有する。以下の説明では、第１固定電極１１２ａ、第２固定電極１１２ｂ、第３固定電極１１２ｃ、及び第４固定電極１１２ｄを、単に固定電極１１２という場合がある。

可動電極１１１は、矩形平板状の形状を有し、梁部材１１８によって変位可能に支持されている。可動電極１１１は、Ｘ方向、Ｙ方向、及びＺ方向に変位可能に支持され、センサ部１１０に外力が加えられると何れかの方向、又はこれらの複合された方向に変位する。

第１固定電極１１２ａ、第２固定電極１１２ｂ、第３固定電極１１２ｃ、及び第４固定電極１１２ｄは、それぞれ矩形平板状の形状を有し、可動電極１１１の各辺に対向するように設けられている。

第１固定電極１１２ａと第２固定電極１１２ｂとは、可動電極１１１を間に挟んでＸ方向に対向するように設けられている。また、第３固定電極１１２ｃと第４固定電極１１２ｄとは、可動電極１１１を間に挟んでＹ方向に対向するように設けられている。第１固定電極１１２ａ、第２固定電極１１２ｂ、第３固定電極１１２ｃ、及び第４固定電極１１２ｄは、それぞれ可動電極１１１との間に所定の間隔を形成する。

なお、可動電極１１１は、各辺が櫛歯状に形成されてもよい。この場合、第１固定電極１１２ａ、第２固定電極１１２ｂ、第３固定電極１１２ｃ、及び第４固定電極１１２ｄは、それぞれ可動電極１１１に対向する辺が櫛歯状に形成され、可動電極１１１と櫛歯状の辺同士が噛み合うように配設される。

上部固定電極１１３は、可動電極１１１とＺ方向に対向するように、上部保護部材１２５の可動電極１１１との対向面に設けられている。上部固定電極１１３は、可動電極１１１の上面との間に所定の間隔を形成する。

支持体１１６は、矩形の開口を有し、可動電極１１１の周囲を囲むように設けられている。支持体１１６は、梁部材１１８を介して可動電極１１１を変位可能に支持する。

梁部材１１８は、伸縮可能なバネ状の形状を有し、一端が支持体１１６に連結され、他端が可動電極１１１に連結されている。本実施形態では、４本の梁部材１１８が可動電極１１１を変位可能に支持している。

可動電極１１１、固定電極１１２、及び梁部材１１８は、ＳＯＩ（Silicon On Insulator）基板１２０により形成されている。ＳＯＩ基板１２０は、シリコン支持層１２１、酸化シリコン層１２２、活性シリコン層１２３を有する。

シリコン支持層１２１及び酸化シリコン層１２２は、可動電極１１１に対向する部分がエッチングによって除去されている。可動電極１１１、固定電極１１２、及び梁部材１１８は、活性シリコン層１２３が異方性のドライエッチングによって部分的に除去されることで形成されている。

上部保護部材１２５は、テンパックスガラスにより形成され、可動電極１１１を覆うようにＳＯＩ基板１２０の上面に設けられている。下部保護部材１２６は、上部保護部材１２５と同様にテンパックスガラスにより形成され、シリコン支持層１２１から露出する可動電極１１１を覆うようにＳＯＩ基板１２０の下面に設けられている。

図４は、実施形態における検出部１３０の回路構成を例示する図である。

検出部１３０は、図４に示されるように、センサ部１１０に生じたＸ方向の加速度の検出に用いられるＸ方向検出回路１３１を有する。Ｘ方向検出回路１３１は、オペアンプＱ１，Ｑ２，Ｑ３，Ｑ４，Ｑ５を有し、第１固定電極１１２ａ及び第２固定電極１１２ｂに接続されている。第１固定電極１１２ａ及び第２固定電極１１２ｂに対向して設けられている可動電極１１１には、直流電源１８０から電圧Ｖが印加されている。

オペアンプＱ１は、負側の入力端子が第１固定電極１１２ａに接続され、正側の入力端子は接地されている。また、オペアンプＱ１の負側の入力端子と出力端子には、抵抗Ｒ１及びコンデンサＣ１が並列に接続されている。オペアンプＱ１、抵抗Ｒ１、及びコンデンサＣ１を含む回路は、電荷・電圧変換回路であり、接続されている第１固定電極１１２ａと可動電極１１１との間に蓄積される電荷を電圧信号Ｖ_Ｘ１に変換して出力する。

オペアンプＱ２は、負側の入力端子が第２固定電極１１２ｂに接続され、正側の入力端子は接地されている。また、オペアンプＱ２の負側の入力端子と出力端子には、抵抗Ｒ２及びコンデンサＣ２が並列に接続されている。オペアンプＱ２、抵抗Ｒ２、及びコンデンサＣ２を含む回路は、電荷・電圧変換回路であり、接続されている第２固定電極１１２ｂと可動電極１１１との間に蓄積される電荷を電圧信号Ｖ_Ｘ２に変換して出力する。

オペアンプＱ３は、負側の入力端子が抵抗Ｒ３を介してオペアンプＱ１の出力端子に接続され、正側の入力端子が抵抗Ｒ４を介してオペアンプＱ２の出力端子に接続されている。また、オペアンプＱ３は、負側の入力端子と出力端子との間に抵抗Ｒ５が接続され、正側の入力端子は抵抗Ｒ４との間で抵抗Ｒ６を介して接地されている。オペアンプＱ３及び抵抗Ｒ３，Ｒ４，Ｒ５，Ｒ６を含む回路は、差分演算回路であり、オペアンプＱ１から出力される電圧信号Ｖ_Ｘ１と、オペアンプＱ２から出力される電圧信号Ｖ_Ｘ２との差分である電圧信号Ｖ_Ｘ３を出力する。

オペアンプＱ４は、負側の入力端子が抵抗Ｒ７を介してオペアンプＱ５の出力端子に接続され、正側の入力端子が抵抗Ｒ８を介してオペアンプＱ３の出力端子に接続されている。また、オペアンプＱ４は、負側の入力端子と出力端子との間に抵抗Ｒ９が接続され、正側の入力端子は抵抗Ｒ８との間で抵抗Ｒ１０を介して接地されている。オペアンプＱ４及び抵抗Ｒ７，Ｒ８，Ｒ９，Ｒ１０を含む回路は、差分演算回路であり、オペアンプＱ３から出力される電圧信号Ｖ_Ｘ３と、オペアンプＱ５から出力される電圧信号Ｖ_Ｘ５との差分である電圧信号Ｖ_Ｘ４を出力する。

オペアンプＱ５は、正側の入力端子が、正電源Ｖ１と負電源Ｖ２とに接続されている可変抵抗ＶＲ１に接続され、負側の入力端子が出力端子に接続されている。オペアンプＱ５、正電源Ｖ１、負電源Ｖ２、及び可変抵抗ＶＲ１を含む回路は、ゼロ点調整回路であり、可変抵抗ＶＲ１の抵抗値により調整された調整電圧信号Ｖ_Ｘ５を出力する。

例えばセンサ部１１０に外力が加えられて可動電極１１１がＸ方向に変位すると、可動電極１１１と第１固定電極１１２ａとの電極間隔及び可動電極１１１と第２固定電極１１２ｂとの電極間隔が変化する。電極間隔に応じて可動電極１１１と各固定電極１１２との間の静電容量が変化することで、電圧信号Ｖ_Ｘ１及び電圧信号Ｖ_Ｘ２が変化し、電圧信号Ｖ_Ｘ１と電圧信号Ｖ_Ｘ２との差分である電圧信号Ｖ_Ｘ３が変化する。加速度センサ１００は、このように可動電極１１１のＸ方向の変位に応じて変化する電圧信号Ｖ_Ｘ３と調整電圧信号Ｖ_Ｘ５との差分である電圧信号Ｖ_Ｘ４に基づいて、センサ部１１０に生じたＸ方向の加速度ａ_Ｘを検出して出力する。

ここで、検出部１３０のＸ方向検出回路１３１は、基準温度Ｔ_ｓ（例えば２０℃）において、センサ部１１０に外力が加えられていない状態で、オペアンプＱ４から出力される電圧信号Ｖ_Ｘ４の値がゼロになるように調整されている。本実施形態におけるＸ方向検出回路１３１では、オペアンプＱ５から出力される調整電圧信号Ｖ_Ｘ５が、オペアンプＱ３から出力される電圧信号Ｖ_Ｘ３に等しくなり、オペアンプＱ４から出力される電圧信号Ｖ_Ｘ４の値がゼロになるように、可変抵抗ＶＲ１の抵抗値が調整されている。このように、基準温度Ｔ_ｓにおいて外力が加えられていない状態で回路からの出力値がゼロになるように調整することを、「ゼロ点調整」という。

また、Ｘ方向検出回路１３１は、基準温度Ｔ_ｓにおいて、センサ部１１０に外力が加えられてＸ方向の基準加速度ａ_Ｘｓ（例えば１Ｇ（＝９８０Ｇａｌ＝９．８ｍ／ｓ^２））が生じた場合に、オペアンプＱ４から出力される電圧信号Ｖ_Ｘ４が所定値Ｖ_Ｘｓになるように、コンデンサＣ１，Ｃ２の容量、直流電源１８０の電圧Ｖ等が設定されている。

加速度センサ１００の加速度算出部１４０は、上記したようにゼロ点調整等が行われたＸ方向検出回路１３１から出力される電圧信号Ｖ_Ｘ４に基づいて、センサ部１１０に生じたＸ方向の加速度ａ_Ｘを算出する。具体的には、加速度算出部１４０は、ゼロ点調整されたセンサ部１１０にＸ方向の基準加速度ａ_Ｘｓが生じた場合に検出部１３０から出力される所定値Ｖ_Ｘｓを用いて、以下の式（１）により加速度ａ_Ｘを算出する。

ここで、検出部１３０のＸ方向検出回路１３１は、上記したように、基準温度Ｔ_ｓにおいてゼロ点調整及びＸ方向に基準加速度ａ_Ｘｓが加えられた場合の出力Ｖ_Ｘ４が所定値Ｖ_Ｘｓになるように調整されている。しかし、加速度センサ１００の周囲の温度が変化すると、熱変形によって変化する可動電極１１１と固定電極１１２との間の静電容量に応じて検出部１３０の出力Ｖ_Ｘ４が変動し、同じ加速度が生じた場合でも温度によって算出される加速度ａ_Ｘの値が異なる場合がある。

そこで、加速度センサ１００では、補正部１５０が、加速度センサ１００の周囲温度に応じて加速度算出部１４０によって算出された加速度ａ_Ｘを補正する。補正部１５０は、温度検出部１７０によって検出された周囲温度に対応する補正データを補正データ記憶部１６０から取得し、加速度算出部１４０によって算出された加速度ａ_Ｘを補正する。補正データ記憶部１６０に記憶されている補正データ、補正部１５０による加速度の補正方法については後述する。

加速度センサ１００は、例えばＣＰＵ，ＲＯＭ，ＲＡＭ等を有し、ＣＰＵがＲＯＭに記憶されているプログラムをＲＡＭと協働して実行することで、加速度算出部１４０や補正部１５０等の機能が実現される。

温度検出部１７０は、例えばサーミスタを含み、加速度センサ１００周囲の温度を検出する。温度検出部１７０は、検出した温度を補正部１５０に送信する。補正データ記憶部１６０は、例えばＲＯＭ等のメモリであり、補正データ算出装置２００によって算出された補正データを含む補正テーブルを記憶している。

なお、検出部１３０は、図４に例示されているＸ方向検出回路１３１と同様の構成で、第３固定電極１１２ｃ及び第４固定電極１１２ｄに接続され、可動電極１１１のＹ方向の変位に応じて変化する電圧信号Ｖ_Ｙを出力するＹ方向検出回路を有する。また、検出部１３０は、上部固定電極１１３に接続され、可動電極１１１のＺ方向の変位に応じて変化する電圧信号Ｖ_Ｚを出力するＺ方向検出回路を有する。

Ｙ方向検出回路及びＺ方向検出回路は、基準温度Ｔ_ｓにおいて、外力が加えられていない状態で出力する電圧信号Ｖ_Ｙ，Ｖ_Ｚの値がゼロになるように、ゼロ点調整が行われている。また、Ｙ方向検出回路は、基準温度Ｔ_ｓにおいて、Ｙ方向の基準加速度ａ_Ｙｓが生じた場合に出力する電圧信号Ｖ_Ｙが所定値Ｖ_Ｙｓとなるように設定されている。同様に、Ｚ方向検出回路は、基準温度Ｔ_ｓにおいて、Ｚ方向の基準加速度ａ_Ｚｓが生じた場合に出力する電圧信号Ｖ_Ｚが所定値Ｖ_Ｚｓとなるように設定されている。

加速度算出部１４０は、Ｙ方向検出回路から出力される電圧信号Ｖ_Ｙに基づいて、Ｘ方向の加速度ａ_Ｘの算出と同様に、センサ部１１０に生じたＹ方向の加速度ａ_Ｙを算出する。また、加速度算出部１４０は、Ｚ方向検出回路から出力される電圧信号Ｖ_Ｚに基づいて、センサ部１１０に生じたＺ方向の加速度ａ_Ｚを算出する。

補正データ記憶部１６０には、Ｘ方向の加速度ａ_Ｘを補正する補正データを含む補正テーブルと共に、加速度算出部１４０によって算出されたＹ方向の加速度ａ_Ｙ及びＺ方向の加速度ａ_Ｚを補正する補正データを含む補正テーブルが記憶されている。補正部１５０は、補正データ記憶部１６０に記憶されている補正データを用いて、加速度算出部１４０によって算出された加速度ａ_Ｙ，ａ_Ｚを補正して出力する。

加速度センサ１００は、上記した構成を有し、センサ部１１０に生じたＸ方向、Ｙ方向、及びＺ方向の加速度ａ_Ｘ，ａ_Ｙ，ａ_Ｚを検出し、補正データを用いて補正した加速度ａ_Ｘ’，ａ_Ｙ’，ａ_Ｚ’を出力する。

なお、加速度センサ１００におけるセンサ部１１０の構成や各構成要素に用いられている材料、検出部１３０の回路構成等は、本実施形態に例示される構成に限られるものではない。

（補正データ算出装置）
次に、補正データ算出装置２００について説明する。補正データ算出装置２００は、例えば加速度センサ１００の製造時等に、加速度センサ１００において加速度の補正に用いられる補正データを算出して補正データ記憶部１６０に記憶させる。

補正データ算出装置２００は、図１に示されるように、電極間隔計測部２１０、変形量算出部２２０、静電容量算出部２３０、補正データ算出部２４０を有する。補正データ算出装置２００は、例えばＣＰＵ，ＲＯＭ，ＲＡＭを有し、ＣＰＵがＲＯＭに記憶されているプログラムをＲＡＭと協働して実行することで、各部の機能が実現される。

電極間隔計測部２１０は、例えば変位センサや測長センサ等のセンサを有し、基準温度Ｔ_ｓにおいて、可動電極１１１と固定電極１１２との電極間隔及び可動電極１１１と上部固定電極１１３との電極間隔を計測する。電極間隔計測部２１０は、可動電極１１１と固定電極１１２との間の静電容量を計測し、可動電極１１１と固定電極１１２とが対向する部分の面積である電極面積と、可動電極１１１及び固定電極１１２の誘電率とに基づいて電極間隔を求めてもよい。また、電極間隔計測部２１０は、顕微鏡で可動電極１１１と固定電極１１２との電極間隔を計測してもよい。

変形量算出部２２０は、加速度センサ１００の周囲温度が変化した場合における可動電極１１１及び固定電極１１２の変形量を算出する。

静電容量算出部２３０は、電極間隔計測部２１０によって計測された電極間隔と、変形量算出部２２０によって算出された変形量とに基づいて、加速度センサ１００の周囲温度が変化した場合における可動電極１１１と固定電極１１２との間の静電容量を算出する。

補正データ算出部２４０は、静電容量算出部２３０によって算出された温度変化時の可動電極１１１と固定電極１１２との間の静電容量に基づいて、加速度センサ１００において検出される加速度の補正データを算出する。

＜補正データ算出処理＞
次に、補正データ算出装置２００において実行される補正データ算出処理について説明する。図５は、実施形態における補正データ算出処理のフローチャートを例示する図である。

（ステップＳ１０１）
まずステップＳ１０１では、電極間隔計測部２１０が、基準温度Ｔ_ｓにおいて、加速度センサ１００のセンサ部１１０における可動電極１１１と固定電極１１２との電極間隔を計測する。電極間隔計測部２１０は、例えば図６（Ａ）に示すように、Ｘ方向における可動電極１１１と第１固定電極１１２ａとの電極間隔ｄ_ｘ１、Ｘ方向における可動電極１１１と第２固定電極１１２ｂとの電極間隔ｄ_ｘ２を計測する。

また、電極間隔計測部２１０は、Ｙ方向における可動電極１１１と第３固定電極１１２ｃとの電極間隔、Ｙ方向における可動電極１１１と第４固定電極１１２ｄとの電極間隔、及びＺ方向における可動電極１１１と上部固定電極１１３との電極間隔を計測する。

電極間隔計測部２１０は、例えばセンサの出力に基づいて各電極間隔を求めてもよく、顕微鏡等により電極間隔を計測してもよい。また、電極間隔計測部２１０は、上記したように、可動電極１１１と固定電極１１２との間の静電容量の計測値、可動電極１１１と固定電極１１２とが対向する部分の面積である電極面積、及び可動電極１１１と固定電極１１２との間の誘電率に基づいて電極間隔を求めてもよい。電極間隔ｄは、例えば以下の式（２）により求められる。

ここで、εは可動電極１１１と固定電極１１２との間の誘電率、Ｓは可動電極１１１と固定電極１１２とが対向する部分の面積、Ｃは可動電極１１１と固定電極１１２との間の静電容量の計測値である。電極間隔計測部２１０は、例えば上式（２）に基づいて、Ｘ方向、Ｙ方向、及びＺ方向における可動電極１１１と固定電極１１２との間の電極間隔ｄを求める。

（ステップＳ１０２）
次にステップＳ１０２では、変形量算出部２２０が、加速度センサ１００の周囲温度が基準温度Ｔ_ｓから変化した場合における可動電極１１１及び固定電極１１２の変形量を算出する。

可動電極１１１のＸ方向の変形量Δｄ_ｘは、単結晶シリコンの線膨張係数（３．９×１０^−６／℃）を用いて、以下の式（３）により求められる。

ここで、ｄ_ｘは可動電極１１１のＸ方向の幅であり、Δｔは基準温度Ｔ_ｓと周囲温度との温度差である。変形量算出部２２０は、例えば、後述する方法で補正データを算出するために、温度が−３０℃、６０℃の場合における変形量Δｄ_ｘを算出する。また、変形量算出部２２０は、Ｘ方向の変形量と同様に、可動電極１１１のＹ方向及びＺ方向における変形量も算出する。

また、変形量算出部２２０は、第１固定電極１１２ａ及び第２固定電極１１２ｂのＸ方向の変形量を算出する。ここで、第１固定電極１１２ａ及び第２固定電極１１２ｂは、可動電極１１１と同様に単結晶シリコンで形成されており、テンパックスガラスで形成されている上部保護部材１２５に接合されている。

テンパックスガラスの線膨張係数（３．２５×１０^−６／℃）は、単結晶シリコンの線膨張係数（３．９×１０^−６／℃）よりも低く、同じ温度変化に対する変形量は単結晶シリコンよりもテンパックスガラスの方が小さい。このため、単結晶シリコンで形成されている第１固定電極１１２ａ及び第２固定電極１１２ｂの変形量は、テンパックスガラスで形成されている上部保護部材１２５によって制限される。

したがって、第１固定電極１１２ａ及び第２固定電極１１２ｂの変形量は、上部保護部材１２５を形成するテンパックスガラスの線膨張係数（３．２５×１０^−６／℃）を上式（３）に代入して算出する。同様に、第３固定電極１１２ｃ及び第４固定電極１１２ｄの変形量は、上部保護部材１２５の線膨張係数を用いて算出する。

ここで、固定電極１１２の変形量を算出する場合には、固定電極１１２の弾性率と、固定電極１１２に接合されている上部保護部材１２５及び下部保護部材１２６の弾性率との差異を考慮して求めることが好ましい。弾性率は、同じ体積の物質に対して同じ力を加えた時の物質の変形量を表し、大きいほど変形し難く硬い物質であることを示す。

本実施形態では、固定電極１１２の弾性率（単結晶シリコンの弾性率＝１３０．２ＧＰａ）が、上部保護部材１２５及び下部保護部材１２６の弾性率（テンパックスガラスの弾性率＝６４ＧＰａ）の約２倍となっている。本実施形態における加速度センサ１００では、固定電極１１２の体積が上部保護部材１２５及び下部保護部材１２６の体積の約半分であることから、弾性率の差異による熱変形は相殺される。

したがって、本実施形態では、固定電極１１２と上部保護部材１２５及び下部保護部材１２６との弾性率の差異は考慮せずに固定電極１１２の変形量を求めることができる。ただし、弾性率の違いにより固定電極１１２の変形量が上部保護部材１２５及び下部保護部材１２６によって制限される場合には、弾性率の差異を考慮して各電極の変形量を算出することが好ましい。

（ステップＳ１０３）
ステップＳ１０３では、静電容量算出部２３０が、加速度センサ１００の周囲温度が基準温度Ｔ_ｓから変化した場合における可動電極１１１と固定電極１１２との間の静電容量を算出する。静電容量算出部２３０は、以下の式（４）により可動電極１１１と第１固定電極１１２ａとの間の静電容量Ｃ_Ｘ１を算出する。また、静電容量算出部２３０は、以下の式（５）により可動電極１１１と第２固定電極１１２ｂとの間の静電容量Ｃ_Ｘ２を算出する。

ここで、εは誘電率、Ｓ_Ｘ１は可動電極１１１と第１固定電極１１２ａとが対向する部分の面積である電極面積、ｄ_Ｘ１１は温度変化時における可動電極１１１と第１固定電極１１２ａとの電極間隔である。また、Ｓ_Ｘ２は可動電極１１１と第２固定電極１１２ｂとが対向する部分の面積である電極面積、ｄ_Ｘ２２は温度変化時における可動電極１１１と第２固定電極１１２ｂとの電極間隔である。

電極間隔ｄ_Ｘ１１は、電極間隔計測部２１０によって計測された基準温度Ｔ_ｓにおける電極間隔ｄ_Ｘ１と、変形量算出部２２０によって算出された温度変化時における可動電極１１１及び第１固定電極１１２ａの変形量に基づいて求められる。また、電極間隔ｄ_Ｘ２２は、電極間隔計測部２１０によって計測された基準温度Ｔ_ｓにおける電極間隔ｄ_Ｘ２と、変形量算出部２２０によって算出された温度変化時における可動電極１１１及び第２固定電極１１２ｂの変形量に基づいて求められる。

例えば基準温度Ｔ_ｓよりも高い温度では、図６（Ｂ）に示すように、可動電極１１１及び固定電極１１２が膨張し、電極間隔ｄ_Ｘ１１，ｄ_Ｘ２２は、それぞれ基準温度Ｔ_ｓにおける電極間隔ｄ_Ｘ１，ｄ_Ｘ２よりも小さくなる。また、例えば基準温度Ｔ_ｓよりも低い温度では、図６（Ｃ）に示すように、可動電極１１１及び固定電極１１２が収縮し、電極間隔ｄ_Ｘ１１，ｄ_Ｘ２２は、それぞれ基準温度Ｔｓにおける電極間隔ｄ_Ｘ１，ｄ_Ｘ２よりも大きくなる。

静電容量算出部２３０は、算出した温度変化時の電極間隔ｄ_Ｘ１１，ｄ_Ｘ２２を用いて、上式（４），（５）により温度変化時における可動電極１１１と固定電極１１２との間の静電容量Ｃ_Ｘ１，Ｃ_Ｘ２を算出する。

また、静電容量算出部２３０は、温度変化時における可動電極１１１と第３固定電極１１２ｃとの間の静電容量Ｃ_Ｙ１、可動電極１１１と第４固定電極１１２ｄとの間の静電容量Ｃ_Ｙ２、及び可動電極１１１と上部固定電極１１３との間の静電容量Ｃ_Ｚを算出する。

（ステップＳ１０４）
ステップＳ１０４では、補正データ算出部２４０が、加速度の補正データを算出して補正テーブルを作成する。

補正データ算出部２４０は、静電容量算出部２３０によって算出された温度変化時における可動電極１１１と固定電極１１２との間の静電容量Ｃ_Ｘ１，Ｃ_Ｘ２を用いて、加速度センサ１００において検出されるＸ方向の加速度を補正する補正データを算出する。

補正データ算出部２４０は、温度変化時に検出部１３０のＸ方向検出回路１３１から出力される電圧信号Ｖ_Ｘ１’を、以下の式（６）により算出する。また、補正データ算出部２４０は、温度変化時に検出部１３０のＸ方向検出回路１３１から出力される電圧信号Ｖ_Ｘ２’を、以下の式（７）により算出する。

ここで、Ｑ_Ｘ１は可動電極１１１と第１固定電極１１２ａとの間に蓄積される電荷量であり、静電容量算出部２３０によって算出された静電容量Ｃ_Ｘ１と直流電源１８０の電圧Ｖで表される。同様に、Ｑ_Ｘ２は可動電極１１１と第２固定電極１１２ｂとの間に蓄積される電荷量であり、静電容量算出部２３０によって算出された静電容量Ｃ_Ｘ２と直流電源１８０の電圧Ｖで表される。また、Ｃ_１はＸ方向検出回路１３１におけるコンデンサＣ１の静電容量、Ｃ_２はＸ方向検出回路１３１におけるコンデンサＣ２の静電容量である。

補正データ算出部２４０は、上式（６），（７）により求められるＶ_Ｘ１’，Ｖ_Ｘ２’の差分により、温度変化時にＸ方向検出回路１３１から出力される電圧信号Ｖ_Ｘ３’（＝Ｖ_Ｘ１’−Ｖ_Ｘ２’）を算出する。

補正データ算出部２４０は、算出した電圧信号Ｖ_Ｘ３’とゼロ点調整回路から出力される調整電圧信号Ｖ_Ｘ５との差分である電圧信号Ｖ_Ｘ４’を以下の式（８）に代入し、基準温度Ｔ_ｓとは異なる温度Ｔにおける補正データａ_ＸＴを算出する。

ここで、ａ_ＸｓはＸ方向の基準加速度であり、Ｖ_Ｘｓはゼロ点調整されたセンサ部１１０にＸ方向の基準加速度ａ_Ｘｓが生じた場合に検出部１３０から出力される所定値である。

上式（８）によって求められる補正データａ_ＸＴは、基準温度Ｔ_ｓとは異なる温度Ｔにおいて加速度センサ１００において検出される加速度ａ_Ｘの温度変化量である。補正データ算出部２４０は、例えば、加速度センサ１００の周囲温度Ｔが−３０℃、６０℃の場合における補正データａ_Ｘ−３０，ａ_Ｘ６０を求める。

ここで、基準温度Ｔ_ｓにおいて、可動電極１１１と第１固定電極１１２ａとの間隔ｄ_Ｘ１と、可動電極１１１と第２固定電極１１２ｂとの間隔ｄ_Ｘ２とが等しい場合には、温度変化による各電極の変形後の間隔ｄ_Ｘ１１，ｄ_Ｘ２２も等しく保たれる。したがって、間隔ｄ_Ｘ１，ｄ_Ｘ２が等しい場合には、加速度センサ１００において検出される加速度ａ_Ｘは温度によって変動しないため、全温度範囲において補正データａ_ＸＴの値はゼロとなる。

これに対して、可動電極１１１と第１固定電極１１２ａとの間隔ｄ_Ｘ１と、可動電極１１１と第２固定電極１１２ｂとの間隔ｄ_Ｘ２とが異なる場合には、温度変化時において間隔ｄ_Ｘ１１，ｄ_Ｘ２２の差異が変化する。したがって、間隔ｄ_Ｘ１，ｄ_Ｘ２が異なる場合には、加速度センサ１００において検出される加速度ａ_Ｘが温度によって変動するため、ゼロ点調整される基準温度Ｔ_ｓ以外では補正データａ_ＸＴはゼロとは異なる値になる。

図７は、実施形態における加速度センサの補正データを例示する図である。図７には、補正データ算出装置２００によって求められた加速度センサＡ〜Ｅの補正データａ_ＸＴが例示されている。

加速度センサＡ〜Ｅは、上記した加速度センサ１００と同様の構成を有する。加速度センサＡは、可動電極１１１と第１固定電極１１２ａとの間隔ｄ_Ｘ１と、可動電極１１１と第２固定電極１１２ｂとの間隔ｄ_Ｘ２とが等しい。加速度センサＢは、間隔ｄ_Ｘ１と間隔ｄ_Ｘ２との間隔差が１％である。加速度センサＣは、間隔ｄ_Ｘ１と間隔ｄ_Ｘ２との間隔差が２％である。加速度センサＤは、間隔ｄ_Ｘ１と間隔ｄ_Ｘ２との間隔差が４％である。加速度センサＥは、間隔ｄ_Ｘ１と間隔ｄ_Ｘ２との間隔差が８％である。なお、間隔ｄ_Ｘ１と間隔ｄ_Ｘ２との間隔差は、以下の式（９）により求められる値である。

図７に示されるように、補正データ算出装置２００によって求められる補正データａ_ＸＴの値は、間隔差が大きいほど大きくなる。なお、加速度センサＡ〜Ｅは、基準温度Ｔ_ｓ＝２０℃においてゼロ点調整が実行されており、２０℃において全ての加速度センサＡ〜Ｅにおける補正データａ_ＸＴの値がゼロになっている。

補正データ算出部２４０は、加速度センサごとに、例えば−３０℃、６０℃における補正データａ_Ｘ−３０，ａ_Ｘ６０を算出する。さらに、−３０℃と６０℃との間を、例えば１０℃間隔で補正データａ_Ｘ−２０，ａ_Ｘ−１０，ａ_Ｘ０，ａ_Ｘ１０，ａ_Ｘ３０，ａ_Ｘ４０，ａ_Ｘ５０を求めて補正テーブルを作成する。

図８は、実施形態における補正テーブルを例示する図である。

図８に示されるように、補正データ算出部２４０は、加速度センサ１００周囲の温度Ｔに対応する補正データａ_ＸＴで構成された補正テーブルを作成する。なお、補正データ算出部２４０が補正データを算出する温度間隔は１０℃に限られるものではなく、例えば１℃、５℃等の所定の温度間隔で補正データａ_ＸＴを算出して補正テーブルを作成してもよい。

また、補正データ算出部２４０は、加速度センサ１００において検出されるＹ方向の加速度ａ_Ｙの補正に用いられるＹ方向の補正テーブル、Ｚ方向の加速度ａ_Ｚの補正に用いられるＺ方向の補正テーブルを、Ｘ方向の補正テーブルと同様に作成する。

（ステップＳ１０５）
ステップＳ１０５では、補正データ算出部２４０が、作成した補正テーブルを加速度センサ１００の補正データ記憶部１６０に記憶させる。補正データ算出装置２００は、例えば加速度センサ１００の製造時等に補正テーブルを作成し、作成した補正テーブルを加速度センサ１００の補正データ記憶部１６０に記憶させる。

加速度センサ１００の補正部１５０は、加速度算出部１４０によって算出されたＸ方向の加速度ａ_Ｘを補正する場合には、温度検出部１７０によって検出された温度Ｔに対応する補正データａ_ＸＴを補正データ記憶部１６０から取得する。検出温度Ｔに対応する補正データａ_ＸＴが無い場合には、例えば補正テーブルの補正データから線形補間により検出温度Ｔに対応する補正データａ_ＸＴを求める。また、補正部１５０は、以下の式（１０）によって加速度ａｘを補正し、補正したＸ方向の加速度ａ_Ｘ’を出力する。

補正部１５０は、Ｘ方向の加速度ａ_Ｘと同様に、加速度算出部１４０によって算出されたＹ方向の加速度ａ_Ｙ及びＺ方向の加速度ａ_Ｚを、補正データ記憶部１６０に記憶されている補正テーブルの補正データａ_ＹＴ，ａ_ＺＴを用いて補正し、補正したＹ方向の加速度ａ_Ｙ’及びＺ方向の加速度ａ_Ｚ’を出力する。

以上で説明したように、本実施形態における加速度センサ１００は、補正データ算出装置２００によって算出された補正データを用いて、加速度算出部１４０によって算出された加速度を補正することで、より高精度に加速度を検出することができる。

また、本実施形態における補正データ算出装置２００は、温度変化時における可動電極１１１と固定電極１１２との電極間隔等を計算により求め、電極間隔の変化に起因する静電容量の変化に基づいて、温度変化時における補正データを算出する。したがって、補正データ算出装置２００は、実際に異なる温度雰囲気で加速度センサ１００の計測等を行う必要がなく、静電容量型の加速度センサ１００における温度補正に用いられる補正データを容易に算出できる。補正データ算出装置２００が補正データを短時間で算出できるため、加速度センサ１００の製造コスト低減を図ることが可能になる。

以上、実施形態に係る加速度補正データ算出装置及び加速度センサの製造方法について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の範囲内で種々の変形及び改良が可能である。

１００ 加速度センサ
１１０ センサ部
１１１ 可動電極
１１２ａ 第１固定電極
１１２ｂ 第２固定電極
１１２ｃ 第３固定電極
１１２ｄ 第４固定電極
２００ 補正データ算出装置
２１０ 電極間隔計測部
２２０ 変形量算出部
２３０ 静電容量算出部
２４０ 補正データ算出部

Claims (6)

1. 静電容量型の加速度センサにおいて温度補正に用いられる補正データを算出する加速度補正データ算出装置であって、
   基準温度において前記加速度センサに設けられている可動電極と固定電極との電極間隔を計測する電極間隔計測部と、
   前記基準温度から温度が変化した場合の前記可動電極及び前記固定電極の変形量を算出する変形量算出部と、
   前記電極間隔計測部によって計測された電極間隔及び前記変形量算出部によって算出された変形量に基づいて、前記可動電極と前記固定電極との間の静電容量を算出する静電容量算出部と、
   前記可動電極と前記固定電極との間の静電容量の変化に基づく加速度を算出する加速度算出部と、
   前記静電容量算出部によって算出された静電容量に基づいて、前記基準温度から温度が変化した場合における前記加速度の温度変化量を示すデータである補正データを算出する補正データ算出部と、
   前記補正データ算出部で算出された補正データを含む補正テーブルを記憶する補正データ記憶部と、
   前記加速度センサの周囲温度を検出する温度検出部と、
   前記周囲温度に対応する前記補正データを前記補正データ記憶部から取得し、前記加速度を前記補正データで補正する補正部と、
   を有することを特徴とする加速度補正データ算出装置。
2. 前記変形量算出部は、前記基準温度と周囲温度との温度差と前記可動電極及び前記固定電極の線膨張係数とに基づいて、前記可動電極及び前記固定電極の変形量を算出する
   ことを特徴とする請求項１に記載の加速度補正データ算出装置。
3. 前記変形量算出部は、前記可動電極及び前記固定電極の弾性率に基づいて、前記可動電極及び前記固定電極の変形量を算出する
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載の加速度補正データ算出装置。
4. 静電容量型の加速度センサを製造する加速度センサの製造方法であって、
   基準温度において前記加速度センサに設けられている可動電極と固定電極との電極間隔を計測する電極間隔計測ステップと、
   前記基準温度から温度が変化した場合の前記可動電極及び前記固定電極の変形量を算出する変形量算出ステップと、
   前記電極間隔計測ステップによって計測された電極間隔及び前記変形量算出ステップによって算出された変形量に基づいて、前記可動電極と前記固定電極との間の静電容量を算出する静電容量算出ステップと、
   前記静電容量算出ステップによって算出された静電容量に基づいて、前記基準温度から温度が変化した場合における、前記可動電極と前記固定電極との間の静電容量の変化に基づく加速度の温度変化量を示すデータである補正データを算出する補正データ算出ステップと、
   前記補正データ算出ステップによって算出された補正データを含む補正テーブルを前記加速度センサの記憶部に記憶させる補正データ記憶ステップと、
   前記補正データ記憶ステップで記憶された前記補正データの内、前記加速度センサの周囲温度に対応する補正データを取得して、前記加速度を前記補正データで補正する補正ステップと、
   を有する
   ことを特徴とする加速度センサの製造方法。
5. 前記電極間隔計測ステップは、センサ又は顕微鏡を用いて前記電極間隔を求める
   ことを特徴とする請求項４に記載の加速度センサの製造方法。
6. 前記電極間隔計測ステップは、前記可動電極と前記固定電極との間の静電容量の計測値、前記可動電極と前記固定電極とが対向する部分の面積である電極面積、及び前記可動電極と前記固定電極との間の誘電率に基づいて前記電極間隔を求める
   ことを特徴とする請求項４に記載の加速度センサの製造方法。

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