JP7176353B2 - 物理量センサー、電子機器および移動体 - Google Patents

Description

本発明は、物理量センサー、電子機器および移動体に関するものである。

特許文献１に記載されている物理量センサーは、加速度を検出可能な加速度センサーであり、基板と、基板に固定されたデバイス基板と、を有する。また、デバイス基板は、基板に固定された固定部と、固定部にばねを介して接続され、基板に対して回転方向に変位可能な可動部と、可動部に設けられた可動電極指と、基板に固定され、可動電極指と対向配置された固定電極指と、を有する。このような構成の物理量センサーでは、加速度が加わると可動部が回転方向に変位し、その変位に伴う可動電極指と固定電極指との間の静電容量の変化に基づいて、受けた加速度を検出することができる。

特開２０１７－６７５７９号公報

ここで、加速度の検出感度を高める方法として、加速度を受けたときに可動する部分すなわち可動部および可動電極指からなる可動体の質量を増加させる方法があり、可動体の質量を増加させる方法として、デバイス基板を厚くする方法がある。しかしながら、デバイス基板の厚さをその全域において一様に厚くしてしまうと、可動電極指および固定電極指までもが厚くなり、可動電極指と固定電極指と間の粘性抵抗が増大して可動電極指のダンピングが増大してしまう。そのため、可動体の質量増に伴う検出感度の向上が、可動電極指のダンピング増に打ち消されてしまい、検出感度を効果的に高めることができない。

本発明の物理量センサーは、互いに直行する３軸をＸ軸、Ｙ軸およびＺ軸としたとき、
Ｚ軸に沿う方向を厚さ方向とする基板と、
前記基板に設けられ、物理量を検出するセンサー素子と、を備え、
前記センサー素子は、
前記基板に対して前記物理量の検出軸である前記Ｘ軸に沿う方向に変位する可動部と、
前記基板に固定されている固定電極と、を備え、
前記可動部は、
前記固定電極と前記Ｘ軸に沿う方向に対向して配置されている可動電極と、
前記可動電極を支持し、前記可動電極よりも前記Ｚ軸に沿う方向の長さが長い質量部と、を備えていることを特徴とする。

本発明の第１実施形態に係る物理量センサーを示す平面図である。 図１中のＡ－Ａ線断面図である。 第１可動電極指および第１固定電極指を示す平面図である。 第２可動電極指および第２固定電極指を示す平面図である。 図１中のＢ－Ｂ線断面図である。 図１中のＣ－Ｃ線断面図である。 本発明の効果を説明するのに用いるモデルを示す斜視図である。 図１中のＤ－Ｄ線断面図である。 図１中のＥ－Ｅ線断面図である。 図１に示す物理量センサーの製造工程を示す図である。 図１に示す物理量センサーの製造方法を説明するための断面図である。 図１に示す物理量センサーの製造方法を説明するための断面図である。 図１に示す物理量センサーの製造方法を説明するための断面図である。 図１に示す物理量センサーの製造方法を説明するための断面図である。 本発明の第２実施形態に係る物理量センサーを示す断面図である。 本発明の第２実施形態に係る物理量センサーを示す断面図である。 本発明の第２実施形態に係る物理量センサーを示す断面図である。 本発明の第２実施形態に係る物理量センサーを示す断面図である。 本発明の第３実施形態に係る物理量センサーを示す断面図である。 本発明の第３実施形態に係る物理量センサーを示す断面図である。 本発明の第３実施形態に係る物理量センサーを示す断面図である。 本発明の第３実施形態に係る物理量センサーを示す断面図である。 本発明の第４実施形態に係る電子機器としてのスマートフォンを示す平面図である。 本発明の第５実施形態に係る電子機器としての慣性計測装置を示す分解斜視図である。 図２４に示す慣性計測装置が有する基板の斜視図である。 本発明の第６実施形態に係る電子機器としての移動体測位装置の全体システムを示すブロック図である。 図２６に示す移動体測位装置の作用を示す図である。 本発明の第７実施形態に係る移動体を示す斜視図である。

以下、本発明の物理量センサー、電子機器および移動体を添付図面に示す実施形態に基づいて詳細に説明する。

＜第１実施形態＞

図１は、本発明の第１実施形態に係る物理量センサーを示す平面図である。図２は、図１中のＡ－Ａ線断面図である。図３は、第１可動電極指および第１固定電極指を示す平面図である。図４は、第２可動電極指および第２固定電極指を示す平面図である。図５は、図１中のＢ－Ｂ線断面図である。図６は、図１中のＣ－Ｃ線断面図である。図７は、本発明の効果を説明するのに用いるモデルを示す斜視図である。図８は、図１中のＤ－Ｄ線断面図である。図９は、図１中のＥ－Ｅ線断面図である。図１０は、図１に示す物理量センサーの製造工程を示す図である。図１１および図１４は、それぞれ、図１に示す物理量センサーの製造方法を説明するための断面図である。

各図には、互いに直交する３軸であるＸ軸、Ｙ軸およびＺ軸を図示している。また、Ｘ軸に沿うすなわち平行な方向を「Ｘ軸方向」、Ｙ軸に沿うすなわち平行な方向を「Ｙ軸方向」、Ｚ軸に沿うすなわち平行な方向を「Ｚ軸方向」とも言う。また、各軸の矢印先端側を「プラス側」とも言い、反対側を「マイナス側」とも言う。また、Ｚ軸方向プラス側を「上」とも言い、Ｚ軸方向マイナス側を「下」とも言う。

また、本願明細書において、「直交」とは、９０°で交わっている場合の他、９０°から若干傾いた角度、例えば９０°±１０°以内の範囲で交わっている場合も含むものである。具体的には、Ｘ軸がＹＺ平面の法線方向に対して±１０°以内の範囲で傾いている場合、Ｙ軸がＸＺ平面の法線方向に対して±１０°以内の範囲で傾いている場合、Ｚ軸がＸＹ平面の法線方向に対して±１０°以内の範囲で傾いている場合についてもそれぞれ「直交」に含まれる。また、本願明細書において、「平行」とは、完全に平行となっている場合の他、一方が他方に対して若干、例えば±１０°以内の範囲で傾斜している場合も含むものである。

図１に示す物理量センサー１は、Ｘ軸方向の加速度Ａｘを検出することのできる加速度センサーである。この物理量センサー１は、基板２と、基板２上に配置されたセンサー素子３と、センサー素子３を覆うように基板２に接合された蓋８と、を有している。

－基板－
図１に示すように、基板２は、上面側に開放する凹部２１を有している。また、Ｚ軸方向からの平面視で、凹部２１は、センサー素子３よりも大きく形成され、その内側にセンサー素子３を内包している。また、基板２は、上面側に開放する３つの溝２５、２６、２７を有している。また、基板２は、凹部２１の底面に設けられた３つの突起状のマウント部２２、２３、２４を有している。マウント部２２には後述する第１固定電極４１が接合され、マウント部２３には後述する第２固定電極４６が接合され、マウント部２４には後述する固定部５１が接合されている。

基板２としては、アルカリ金属イオンを含むガラス材料、例えば、テンパックスガラス、パイレックスガラス（いずれも登録商標）のような硼珪酸ガラスで構成されたガラス基板を用いることができる。これにより、基板２の加工が容易となる。さらには、基板２とセンサー素子３とを陽極接合により接合することができ、これらを強固に接合することができる。また、光透過性を有する基板２が得られ、物理量センサー１の外側からセンサー素子３の状態を視認することができる。ただし、基板２としては、ガラス基板に限定されず、例えば、シリコン基板やセラミックス基板を用いてもよい。

また、図１に示すように、溝２５、２６、２７には配線７１、７２、７３が設けられている。配線７１、７２、７３の一端部は、それぞれ、蓋８の外側に露出し、外部装置との電気的な接続を行う端子として機能する。また、図２に示すように、配線７１の他端部は、マウント部２２上で第１固定電極４１と電気的に接続され、配線７２の他端部は、マウント部２３上で第２固定電極４６と電気的に接続され、配線７３は、マウント部２４上で固定部５１と電気的に接続されている。

－蓋－
図２に示すように、蓋８は、下面側に開放する凹部８１を有している。また、蓋８は、凹部８１内にセンサー素子３を収納するようにして、基板２の上面に接合されている。そして、蓋８および基板２によって、センサー素子３を気密的に収納する収納空間ＳＳが形成されている。このような蓋８は、シリコン基板で構成され、ガラスフリット８９を介して接合されている。ただし、蓋８の構成材料や蓋８と基板２との接合方法については、特に限定されない。

－センサー素子－
図１に示すように、センサー素子３は、基板２に固定された固定電極４と、基板２に固定された固定部５１と、固定部５１に対して加速度Ａｘの検出軸であるＸ軸方向に変位する可動部５２と、固定部５１と可動部５２とを連結するばね５３、５４と、を有している。また、可動部５２は、質量部としての基部５０と、基部５０に支持されている可動電極６と、を有している。センサー素子３は、リン（Ｐ）、ボロン（Ｂ）等の不純物がドープされたシリコン基板からなるセンサー基板３０をドライエッチングによってパターニングすることで形成することができる。また、センサー素子３は、陽極接合によってマウント部２２、２３、２４に接合されている。ただし、センサー素子３の材料や、センサー素子３と基板２との接合方法としては、特に限定されない。

図１に示すように、固定部５１は、Ｘ軸方向に延在する長手形状をなし、Ｘ軸方向のマイナス側の端部においてマウント部２４に接合されている。以下では、Ｚ軸方向からの平面視で、固定部５１を二等分し、Ｘ軸に沿った仮想軸をセンサー素子３の中心軸Ｃとも言う。

基部５０は、Ｚ軸方向からの平面視で、枠状をなし、固定部５１、ばね５３、５４および第１、第２固定電極４１、４６を囲んでいる。また、基部５０は、中心軸Ｃに対してＹ軸方向プラス側に位置し、その内側に第１固定電極４１が配置された第１開口部５２８と、中心軸Ｃに対してＹ軸方向マイナス側に位置し、その内側に第２固定電極４６が配置された第２開口部５２９と、を有している。

ばね５３、５４は、それぞれ、Ｘ軸方向に弾性変形可能であり、このばね５３、５４が弾性変形することにより、基部５０が固定部５１に対してＸ軸方向に変位する。ばね５３は、固定部５１のＸ軸方向プラス側において固定部５１と基部５０とを接続し、ばね５４は、固定部５１のＸ軸方向マイナス側において固定部５１と基部５０とを接続している。

また、固定電極４は、第１開口部５２８内に位置する第１固定電極４１と、第２開口部５２９に位置する第２固定電極４６と、を有している。

第１固定電極４１は、マウント部２２に接合された第１固定部４２と、第１固定部４２に支持された第１幹部４３と、第１幹部４３からＹ軸方向両側に延出した複数の第１固定電極指４４と、を有している。

第１幹部４３は、棒状をなし、その一端が第１固定部４２に接続され、他端が自由端となっている。また、第１幹部４３は、Ｚ軸方向からの平面視で、Ｘ軸およびＹ軸のそれぞれに対して傾斜した軸Ｑ１に沿って延在している。軸Ｑ１は、Ｘ軸方向プラス側ほど中心軸Ｃとの離間距離が大きくなるように傾斜している。これにより、第１固定部４２を固定部５１の近くに配置し易くなる。なお、Ｘ軸に対する軸Ｑ１の傾きとしては、特に限定されないが、例えば、１０°以上、４５°以下であることが好ましく、１０°以上、３０°以下であることがより好ましい。これにより、第１固定電極４１のＹ軸方向への広がりを抑制することができ、センサー素子３の小型化を図ることができる。

第１固定電極指４４は、第１幹部４３からＹ軸方向プラス側に延出した第１固定電極指４４１と、第１幹部４３からＹ軸方向マイナス側に延出した第１固定電極指４４２と、を含んでいる。このように、第１固定電極指４４を第１幹部４３からＹ軸方向の両側へ延出させる構成とすることにより、第１固定電極指４４を第１幹部４３の片側から延出させた場合と比べて、第１固定電極指４４の長さを短くすることができる。そのため、第１固定電極指４４が破損し難くなる。

また、第１固定電極指４４１、４４２は、それぞれ、Ｘ軸方向に沿って互いに離間して複数設けられている。また、第１固定電極指４４１は、Ｘ軸方向プラス側に位置するものほど短く、第１固定電極指４４２は、Ｘ軸方向プラス側に位置するものほど長い。

第２固定電極４６は、マウント部２３に固定された第２固定部４７と、第２固定部４７に支持された第２幹部４８と、第２幹部４８からＹ軸方向両側に延出した複数の第２固定電極指４９と、を有している。

第２幹部４８は、棒状をなし、その一端が第２固定部４７に接続され、他端が自由端となっている。また、第２幹部４８は、Ｚ軸方向からの平面視で、Ｘ軸およびＹ軸のそれぞれに対して傾斜した軸Ｑ２に沿って延在している。軸Ｑ２は、Ｘ軸方向プラス側ほど中心軸Ｃとの離間距離が大きくなるように傾斜している。これにより、第２固定部４７を固定部５１の近くに配置し易くなる。なお、Ｘ軸に対する軸Ｑ２の傾きとしては、特に限定されないが、例えば、１０°以上、４５°以下であることが好ましく、１０°以上、３０°以下であることがより好ましい。これにより、第２固定電極４６のＹ軸方向への広がりを抑制することができ、センサー素子３の小型化を図ることができる。

また、軸Ｑ２は、中心軸Ｃに対して軸Ｑ１と線対称である。言い換えると、第１幹部４３と第２幹部４８とは、中心軸ＣすなわちＸ軸に対して線対称に配置されている。これにより、第１固定電極４１および第２固定電極４６をセンサー素子３内にバランスよく配置することができる。なお、第１幹部４３および第２幹部４８の構成としては、特に限定されず、例えば、それぞれ、Ｘ軸方向に沿って延在していてもよいし、途中で屈曲または湾曲していてもよい。また、第１幹部４３と第２幹部４８は、中心軸Ｃに対して非対称であってもよい。

このように、第１幹部４３および第２幹部４８を傾斜させて、第１固定部４２および第２固定部４７を固定部５１の近傍に設けることにより、熱や残留応力等に起因して基板２に反りや撓みが生じた際の可動部５２と固定電極４とのＺ軸方向のずれの差、具体的には、第１可動電極指６４と第１固定電極指４４とのＺ軸方向のずれの差、第２可動電極指６９と第２固定電極指４９とのＺ軸方向のずれの差を効果的に抑制することができる。そのため、検出精度の高い物理量センサー１となる。

第２固定電極指４９は、第２幹部４８からＹ軸方向マイナス側に延出した第２固定電極指４９１と、第２幹部４８からＹ軸方向プラス側に延出した第２固定電極指４９２と、を含んでいる。このように、第２固定電極指４９を第２幹部４８からＹ軸方向の両側へ延出させることにより、第２固定電極指４９を第２幹部４８の片側から延出させた場合と比べて、第２固定電極指４９の長さを短くすることができる。そのため、第２固定電極指４９が破損し難くなる。

また、第２固定電極指４９１、４９２は、それぞれ、Ｘ軸方向に沿って互いに離間して複数設けられている。また、第２固定電極指４９１は、Ｘ軸方向プラス側に位置するものほど短く、第２固定電極指４９２は、Ｘ軸方向プラス側に位置するものほど長い。

また、図１に示すように、可動電極６は、第１開口部５２８内に位置し、可動部５２に支持された第１可動電極指６４と、第２開口部５２９内に位置し、可動部５２に支持された第２可動電極指６９と、を有している。

第１可動電極指６４は、第１幹部４３に対してＹ軸方向プラス側に位置し、第１固定電極指４４１とＸ軸に沿って対向する第１可動電極指６４１と、第１幹部４３に対してＹ軸方向マイナス側に位置し、第１固定電極指４４２とＸ軸に沿って対向する第１可動電極指６４２と、を有している。また、第１可動電極指６４１は、Ｘ軸方向に沿って互いに離間して複数設けられ、複数の第１固定電極指４４１と櫛歯状にかみ合っている。同様に、第１可動電極指６４２は、Ｘ軸方向に沿って互いに離間して複数設けられ、複数の第１固定電極指４４２と櫛歯状にかみ合っている。

また、第１可動電極指６４１は、Ｘ軸方向プラス側に位置するものほど短く、第１可動電極指６４２は、Ｘ軸方向プラス側に位置するものほど長い。これら各第１可動電極指６４は、対をなす第１固定電極指４４に対してＸ軸方向プラス側に位置し、第１固定電極指４４とギャップを介して対向している。

第１可動電極指６４は、そのＸ軸方向マイナス側において対をなす第１固定電極指４４と対向し、Ｘ軸方向プラス側において対をなさない、つまり、他の第１可動電極指６４と対をなす第１固定電極指４４と対向している。そして、図３に示すように、第１可動電極指６４は、対をなす第１固定電極指４４との離間距離Ｄ１が、対をなさない第１固定電極指４４との離間距離Ｄ２よりも小さくなるように配置されている。これにより、対をなす第１固定電極指４４との間に形成される静電容量をより大きくすることができ、対をなさない第１固定電極指４４との間に形成される静電容量をより小さくすることができる。

第２可動電極指６９は、第２幹部４８に対してＹ軸方向マイナス側に位置し、第２固定電極指４９１と対向する第２可動電極指６９１と、第２幹部４８に対してＹ軸方向プラス側に位置し、第２固定電極指４９２と対向する第２可動電極指６９２と、を有している。また、第２可動電極指６９１は、Ｘ軸方向に沿って互いに離間して複数設けられ、複数の第２固定電極指４９１と櫛歯状にかみ合っている。同様に、第２可動電極指６９２は、Ｘ軸方向に沿って互いに離間して複数設けられ、複数の第２固定電極指４９２と櫛歯状にかみ合っている。

また、第２可動電極指６９１は、Ｘ軸方向プラス側に位置するものほど短く、第２可動電極指６９２は、Ｘ軸方向プラス側に位置するものほど長い。これら各第２可動電極指６９は、対をなす第２固定電極指４９に対してＸ軸方向マイナス側に位置し、第２固定電極指４９とギャップを介して対向している。

第２可動電極指６９は、そのＸ軸方向プラス側において、対をなす第２固定電極指４９と対向し、Ｘ軸方向マイナス側において、対をなさない、つまり、他の第２可動電極指６９と対をなす第２固定電極指４９と対向している。そして、図４に示すように、第２可動電極指６９は、対をなす第２固定電極指４９との離間距離Ｄ３が、対をなさない第２固定電極指４９との離間距離Ｄ４よりも小さくなるように配置されている。これにより、対をなす第２固定電極指４９との間に形成される静電容量をより大きくすることができ、対をなさない第２固定電極指４９との間に形成される静電容量をより小さくすることができる。

以上、物理量センサー１の構成について簡単に説明した。このような物理量センサー１に加速度Ａｘが加わると、その加速度Ａｘの大きさに基づいて、可動部５２がばね５３、５４を弾性変形させながらＸ軸方向に変位する。このような変位に伴って、第１可動電極指６４と第１固定電極指４４とのギャップおよび第２可動電極指６９と第２固定電極指４９とのギャップがそれぞれ変化し、この変位に伴って、第１可動電極指６４と第１固定電極指４４との間の静電容量および第２可動電極指６９と第２固定電極指４９との間の静電容量の大きさがそれぞれ変化する。そのため、これら静電容量の変化に基づいて加速度Ａｘを検出することができる。

ここで、加速度Ａｘの検出感度を高める方法として、加速度Ａｘを受けたときに可動する部分すなわち可動部５２の質量を増加させる方法があり、可動部５２の質量を増加させる方法として、センサー素子３が形成されたセンサー基板３０の厚さｈ（Ｚ軸方向の長さ）を厚くする方法がある。しかしながら、センサー基板３０の厚さｈをその全域において一様に厚くしてしまうと、第１、第２可動電極指６４、６９および第１、第２固定電極指４４、４９までもが厚くなり、第１可動電極指６４と第１固定電極指４４との間の粘性抵抗および第２可動電極指６９と第２固定電極指４９との間の粘性抵抗が増大して可動部５２のダンピング特性が悪化してしまう。可動部５２のダンピング特性が悪化すると、Ｑ値の低下やブラウンノイズの増加が生じ、検出感度が低下する要因ともなる。そのため、可動部５２の質量増に伴う加速度Ａｘの検出感度の向上が可動部５２のダンピング特性の悪化に打ち消されてしまい、加速度Ａｘの検出感度を効果的に高めることができない。

そこで、本実施形態の物理量センサー１では、図５および図６に示すように、可動部５２において、第１、第２可動電極指６４、６９の厚さｈ１を厚くすることなく、つまり厚さｈ１を一定としつつ、基部５０の厚さｈ２だけを厚くしている。すなわち、ｈ１＜ｈ２の関係を満足している。このような関係を満足することにより、可動部５２のダンピング特性の悪化を抑制しつつ、可動部５２の質量を増加させることができる。そのため、加速度Ａｘの検出感度を効果的に高めることができ、優れた検出感度を有する物理量センサー１が得られる。ここで、第１、第２可動電極指６４、６９とは、対応する第１、第２固定電極指４４、４９との間に静電容量を形成する部分を言い、それ以外の部分が基部５０に相当する。

以下、上記の効果についてより詳細に説明する。以下では、説明の便宜上、図７に示すモデルを用いて説明する。また、センサー基板３０の厚さをｈとし、ばね５３、５４の幅をｗとし、ばね５３、５４のばね長をｂとし、第１、第２可動電極指６４、６９および第１、第２固定電極指４４、４９が対向している部分の長さをｌとし、第１、第２可動電極指６４、６９および第１、第２固定電極指４４、４９のギャップをｄとし、可動部５２のＺ軸方向からの平面視での面積をＡとする。さらには、センサー基板３０の構成材料のヤング率をＥとし、比重をａとする。また、第１、第２可動電極指６４、６９および第１、第２固定電極指４４、４９の間の誘電率をεとし、第１、第２可動電極指６４、６９および第１、第２固定電極指４４、４９の間に存在するガスの粘性係数をμとする。また、可動電極指と固定電極指とのペア数をｎとする。

まず、単純に、センサー基板３０の厚さｈを増加させた場合について説明する。可動電極指と固定電極指との間に生じるダンピング定数Ｄ（粘性定数）は、下記の式（１）で表される。ダンピング定数Ｄは、センサー基板３０の厚さｈの３乗に比例するが、可動電極指と固定電極指とのギャップである電極間ギャップｄの３乗に反比例する関係がある。式（１）から、厚さｈを単純に増加させると、厚さｈの３乗（ｈ^３）に比例してダンピング定数Ｄが増加し、ノイズ特性や周波数応答特性の悪化に直結することが分かる。

Ｑ値は、下記の式（２）で表される。なお、式（２）に含まれるバネ定数ｋとマス質量Ｍは、式（３）および式（４）で表され、どちらもセンサー基板３０の厚さｈに比例して増加することが分かる。さらに、式（２）に、式（３）および式（４）を代入すると式（２）の右辺となる。式（２）から、Ｑ値は、厚さｈの２乗（ｈ^２）に反比例することが分かる。つまり、厚さｈの増加に伴い、Ｑ値が低下し、大きく減衰することで帯域が低下すると言える。

また、このとき、センサー素子３が持つブラウンノイズＢＮＥＡは、下記の式（５）で表される。ダンピング定数Ｄは、センサー基板３０の厚さｈの３乗に比例し、マス質量Ｍは、構造体の厚さｈに比例する。そのため、ブラウンノイズＢＮＥＡは、厚さｈの平方根（√ｈ）に比例して増加することが分かる。

また、基板２に対して可動する部分（可動部５２とばね５３、５４の集合体）の共振角周波数ω_０は、下記の式（６）で表される。ばね定数ｋとマス質量Ｍは、センサー基板３０の厚さｈに比例することから、共振角周波数ω_０は、厚さｈには依存しないことが分かる。

また、検出の感度Ｓは、下記の式（７）で表される。マス質量Ｍとばね定数ｋは、センサー基板３０の厚さｈに比例するため、感度Ｓは、厚さｈに比例することが分かる。

以上、センサー基板３０の厚さｈを増加させた場合について説明した。まとめると、センサー基板３０の厚さｈだけを単純に増加させた場合、ダンピング定数Ｄは、厚さｈの３乗（ｈ^３）に比例して大きくなり、Ｑ値は、厚さｈの２乗（ｈ^２）に反比例して小さくなる。また、ブラウンノイズＢＮＥＡは、厚さｈの平方根（√ｈ）に比例して大きくなる。また、ばね定数ｋとマス質量Ｍは、厚さｈに比例するため、共振角周波数ω_０は、厚さｈの増加に関係なく一定値となる。最終的に、感度Ｓは、厚さｈに比例して大きくなるが、感度ＳとブラウンノイズＢＮＥＡの比Ｓ／Ｎは、√ｈとなる。

このように、センサー基板３０の厚さｈを単純に増加させると、Ｑ値の低下とブラウンノイズＢＮＥＡの増加を招くため、ダンピング定数ＤとＱ値とを一定に保ちつつ厚さｈを増加させるのが望ましい。ダンピング定数ＤとＱ値とを一定に保ちつつ厚さｈを変更した場合に、各特性が厚さｈに対してどのように依存するかを順に説明する。

ダンピング定数Ｄを一定に保つために、式（１）でセンサー基板３０の厚さｈを増加させる場合は、電極間ギャップｄも同じ比率で増加させる。これは、電極間ギャップｄが厚さｈに比例する、つまり、ｄ∝ｈの関係が成り立つためである。センサー素子３は、過度な共振・減衰特性を持たないのが望ましいため、一般的にはＱ値が常に１程度になるように設計する。ここで、上述の通り、ダンピング定数Ｄが一定になるように設計されているとすれば、式（２）においてマス質量Ｍとばね定数ｋの積Ｍ・ｋが常に一定になるようにする必要がある。マス質量Ｍは、センサー基板３０の厚さｈに比例するため、マス質量Ｍとばね定数ｋの積Ｍ・ｋを一定にするためには、ばね定数ｋが厚さｈに反比例するように設計する必要がある。したがって、下記の式（８）を満たすように、ばね幅ｗやばね長ｂを設計することにより、Ｑ値を一定にすることができる。

ダンピング定数Ｄは、センサー基板３０の厚さｈには依存せず、マス質量Ｍは、センサー基板３０の厚さｈに比例することから、下記の式（９）に示すように、ブラウンノイズＢＮＥＡは、センサー基板３０の厚さｈに反比例することが分かる。ここで、式（９）中のＴは絶対温度、ｋ_Ｂはボルツマン定数である。

また、上述した式（４）および式（８）の条件を満たす場合、共振角周波数ω_０は、下記の式（１０）に示すように、センサー基板３０の厚さｈに反比例する。つまり、厚さｈが増加すると、共振角周波数ω_０は、低下することが分かる。

また、感度Ｓは、下記の式（１１）で表される。電極間ギャップｄとマス質量Ｍは、センサー基板３０の厚さｈに比例し、ばね定数ｋは、センサー基板３０の厚さｈに反比例するため、感度Ｓは、厚さｈに比例することが分かる。

以上、ダンピング定数ＤとＱ値とを一定に保ちつつ厚さｈを増加させる場合について説明した。まとめると、センサー基板３０の厚さｈの増加に伴い電極間ギャップｄを比例させて増加させることにより、ダンピング定数Ｄを一定値とする。また、マス質量Ｍは、厚さｈに比例するが、ばね定数ｋを厚さｈに反比例する設計とすることによりＱ値を一定値とする。このとき、共振角周波数ω_０は、厚さｈに反比例し、ブラウンノイズＢＮＥＡは、厚さｈに反比例する。最終的に、感度Ｓは、厚さｈに比例して大きくなり、感度ＳとブラウンノイズＢＮＥＡの比Ｓ／Ｎは、厚さｈの２乗（ｈ^２）に比例する。このように、ダンピング定数ＤとＱ値とを一定に保ちつつ厚さｈを増加させる場合は、厚さｈだけを単純に増加させる場合と比べて、Ｓ／Ｎが大きくなると言える。

以上のように、センサー基板３０の厚さｈが均一である構成の場合、厚さｈを増加させて高感度化を試みた場合に、様々なトレードオフの関係により、感度ＳとブラウンノイズＢＮＥＡの比Ｓ／Ｎの大幅な増加が見込めない。つまり、（ａ）センサー基板３０の厚さｈのみを単純に増加させた場合は、ダンピング定数Ｄの増加により、ブラウンノイズＢＮＥＡや周波数特性の悪化を招くし、（ｂ）ダンピング定数ＤとＱ値とを一定に保ちつつセンサー基板３０の厚さｈを増加させた場合も、同様に、センサー基板３０の厚さｈに比例した感度Ｓの増加しか見込めない。さらに、ブラウンノイズＢＮＥＡもセンサー基板３０の厚さｈに比例して増加するため、感度ＳとブラウンノイズＢＮＥＡの比Ｓ／Ｎは、１のままである。

そこで、物理量センサー１では、前述したように、可動部５２において、第１、第２可動電極指６４、６９の厚さｈ１を一定としつつ、基部５０の厚さｈ２だけを厚くしている。この場合、可動電極指と固定電極指との間に生じるダンピング定数Ｄは、上述の式（１）に表したように、厚さｈ１の３乗（ｈ１^３）に比例し、電極間ギャップｄの３乗（ｄ^３）に反比例する。そして、厚さｈ１と電極間ギャップｄが一定であるため、ダンピング定数Ｄも一定となる。

また、基部５０の厚さｈ２の増加に伴い、Ｑ値が一定になるように設計すると、マス質量Ｍ、ばね定数ｋ、ブラウンノイズＢＮＥＡ、共振角周波数ω_０の各パラメータと、基部５０の厚さｈ２との比例関係は、前述した２つの従来構造における場合と同じ関係になる。感度Ｓは、下記の式（１２）に表される。電極間ギャップｄは一定であり、マス質量Ｍは、基部５０の厚さｈ２に比例し、ばね定数ｋは、基部５０の厚さｈ２に反比例するため、感度Ｓは、基部５０の厚さｈ２の２乗（ｈ２^２）に比例する。このように、感度Ｓが厚さｈ２の２乗に比例するのは、電極間ギャップｄが基部５０の厚さｈ２に依存しないため、ダンピング定数Ｄを増加させずに基部５０の厚さｈ２を増加させることができるためである。

まとめると、本実施形態によれば、電極間ギャップｄを一定にすればダンピング定数Ｄが一定となる。また、マス質量Ｍは、基部５０の厚さｈ２に比例するが、ばね定数ｋを厚さｈ２に反比例する設計とすることにより、Ｑ値が一定となる。このとき、共振角周波数ω_０は、厚さｈ２に反比例し、ブラウンノイズＢＮＥＡは、厚さｈ２に反比例する。そのため、最終的には、感度Ｓは、厚さｈ２の２乗（ｈ２^２）に比例し、感度ＳとブラウンノイズＢＮＥＡの比Ｓ／Ｎは、厚さｈ２の３乗（ｈ２^３）に比例して大きくなる。したがって、第１、第２可動電極指６４、６９の厚さｈ１を一定に保ったまま、基部５０の厚さｈ２を増加させることにより、前述した２つの従来構造と比べて、感度Ｓを大きく向上させることが可能となる。その結果、優れた検出感度を有する物理量センサー１となる。

なお、厚さｈ１、ｈ２は、ｈ１＜ｈ２の関係を満足していればよい。つまり、ｈ２／ｈ１＞１の関係を満足していればよいが、例えば、ｈ２／ｈ１＞１．５の関係を満足することが好ましく、ｈ２／ｈ１＞２の関係を満足することがより好ましく、ｈ２／ｈ１＞３の関係を満足することがさらに好ましい。これにより、第１、第２可動電極指６４、６９の厚さｈ１に対して、基部５０の厚さｈ２を十分に大きくすることができ、基部５０の質量を効果的に増加させることができる。そのため、上述した効果をより顕著に発揮することができる。なお、ｈ２／ｈ１の値は、各第１、第２可動電極指６４、６９でそれぞれ同一でも異なっていてもよい。さらには、１つの第１、第２可動電極指６４、６９でｈ２／ｈ１が異なる部位を有していてもよい。

また、ｈ１＜ｈ２の関係は、少なくとも１つの第１、第２可動電極指６４、６９が満足していればよいが、５０％以上の第１、第２可動電極指６４、６９が満足していることが好ましく、７５％以上の第１、第２可動電極指６４、６９が満足していることがより好ましく、９５％以上の第１、第２可動電極指６４、６９が満足していることがさらに好ましい。これにより、上述した効果をより顕著に発揮することができる。また、各第１、第２可動電極指６４、６９は、その長手方向の全域においてｈ１＜ｈ２の関係を満足していることが好ましいが、一部においてｈ１＜ｈ２の関係を満足していてもよい。

また、ｈ１＜ｈ２の関係は、少なくとも基部５０の一部の領域において満足していればよいが、基部５０の５０％以上の領域で満足していることが好ましく、７５％以上の領域で満足していることがより好ましく、９５％以上の領域で満足していることがさらに好ましい。これにより、基部５０の質量をより効果的に増加させることができ、上述した効果をより顕著に発揮することができる。

また、図５および図６に示すように、基部５０の厚さｈ２は、第１、第２固定電極指４４、４９の厚さｈ３よりも大きい。すなわち、基部５０は、第１、第２固定電極指４４、４９よりもＺ軸方向に沿う長さが長く、ｈ３＜ｈ２の関係を満足している。これにより、基部５０と第１、第２固定電極指４４、４９との対向面積を低減することができ、これらの間に存在するガスに起因したダンピング特性の悪化を抑制することができる。そのため、より優れた検出感度を有する物理量センサー１となる。

なお、厚さｈ２、ｈ３は、例えば、ｈ２／ｈ３＞１．５の関係を満足することが好ましく、ｈ２／ｈ３＞２の関係を満足することがより好ましく、ｈ２／ｈ３＞３の関係を満足することがさらに好ましい。これにより、第１、第２固定電極指４４、４９の厚さｈ３に対して、基部５０の厚さｈ２を十分に大きくすることができ、基部５０の質量を効果的に増加させることができる。そのため、上述した効果をより顕著に発揮することができる。

また、ｈ３＜ｈ２の関係は、少なくとも１つの第１、第２固定電極指４４、４９が満足していればよいが、５０％以上の第１、第２固定電極指４４、４９が満足していることが好ましく、７５％以上の第１、第２固定電極指４４、４９が満足していることがより好ましく、９５％以上の第１、第２固定電極指４４、４９が満足していることがさらに好ましい。これにより、上述した効果をより顕著に発揮することができる。また、各第１、第２固定電極指４４、４９は、その長手方向の全域においてｈ３＜ｈ２の関係を満足しているのが好ましいが、一部においてｈ３＜ｈ２の関係を満足していてもよい。

特に、本実施形態では、第１、第２固定電極指４４、４９の厚さｈ３が第１、第２可動電極指６４、６９の厚さｈ１と等しい。すなわち、ｈ１≒ｈ３、特にｈ１＝ｈ３の関係を満足している。また、第１、第２可動電極指６４、６９と第１、第２固定電極指４４、４９とがＺ軸方向において同じ高さに位置しており、Ｚ軸方向にずれることなくＸ軸方向に並んでいる。そのため、第１、第２可動電極指６４、６９と第１、第２固定電極指４４、４９との対向面積を最大限に大きくすることができる。また、第１、第２固定電極指４４、４９が第１、第２可動電極指６４、６９に対してＺ軸方向に突出し、当該突出した部分が基部５０と対向することによるダンピング特性の悪化を効果的に抑制することができる。そのため、より優れた検出感度を有する物理量センサー１となる。なお、ｈ１とｈ３が等しいとは、ｈ１とｈ２が一致する場合の他、例えば、±５％以内程度の製造上生じうる誤差を含む意味である。ただし、厚さｈ３としては、特に限定されず、ｈ３＜ｈ１であってもよいし、ｈ３＞ｈ１であってもよい。また、ｈ３＞ｈ１である場合には、例えば、ｈ３＝ｈ２であってもよい。

また、図８および図９に示すように、本実施形態では、ばね５３、５４の厚さｈ４は、基部５０の厚さｈ２よりも小さい。すなわち、ｈ４＜ｈ２の関係を満足している。このように、ばね５３、５４の厚さｈ４を基部５０の厚さｈ２と異ならせることにより、基部５０の厚さｈ２に関わらずにばね５３、５４の厚さｈ４を設計することができる。そのため、ばね５３、５４のばね定数の調整がより容易となる。

また、厚さｈ４は、例えば、１＞ｈ４／ｈ２≧０．３の関係を満足することが好ましく、１＞ｈ４／ｈ２≧０．４の関係を満足することがより好ましく、１＞ｈ４／ｈ２≧０．５の関係を満足することがさらに好ましい。このような関係を満足することにより、ばね５３、５４の厚さｈ４が過度に小さくなり、ばね５３、５４の機械的強度が過度に低下してしまうことを抑制することができる。そのため、十分な機械的強度を有する物理量センサー１が得られる。なお、厚さｈ４としては、特に限定されず、ｈ４＝ｈ２であってもよいし、ｈ４＞ｈ２であってもよい。

また、本実施形態では、センサー素子３の各部の上面が面一となっており、第１、第２可動電極指６４、６９、第１、第２固定電極指４４、４９およびばね５３、５４の下面が、それぞれ、その他の部分の下面に対して上側にずれている。このような構成とすることにより、後述する製造方法でも説明するように、センサー素子３の製造が容易となる。

以上、物理量センサー１について説明した。このような物理量センサー１は、前述したように、互いに直行する３軸をＸ軸、Ｙ軸およびＺ軸としたとき、Ｚ軸に沿う方向を厚さ方向とする基板２と、基板２に設けられ、物理量である加速度Ａｘを検出するセンサー素子３と、を備えている。また、センサー素子３は、基板２に対して加速度Ａｘの検出軸であるＸ軸に沿う方向に変位する可動部５２と、基板２に固定されている固定電極４と、を備え、可動部５２は、固定電極４とＸ軸に沿う方向に対向して配置されている可動電極６と、可動電極６を支持し、可動電極６よりもＺ軸に沿う方向の長さが長い質量部としての基部５０と、を備えている。より具体的には、物理量センサー１では、可動電極６が備える第１、第２可動電極指６４、６９の厚さｈ１よりも基部５０の厚さｈ２が大きくなっている。厚さｈ１、ｈ２がこのような関係を満足することにより、可動部５２のダンピング特性の悪化を抑制しつつ、可動部５２の質量を増加させることができる。そのため、加速度Ａｘの検出感度を効果的に高めることができ、優れた検出感度を有する物理量センサー１が得られる。

また、前述したように、基部５０は、固定電極４よりもＺ軸方向に沿う長さが長い。具体的には、基部５０の厚さｈ２は、固定電極４が有する第１、第２固定電極指４４、４９の厚さｈ３よりも大きい。このように、ばね５３、５４の厚さｈ４を基部５０の厚さｈ２と異ならせることにより、基部５０の厚さｈ２に関わらずにばね５３、５４の厚さｈ４を設計することができる。そのため、ばね５３、５４のばね定数の調整がより容易となる。

また、前述したように、可動電極６および固定電極４は、Ｚ軸方向に沿う長さが等しい。具体的には、可動電極６が有する第１、第２可動電極指６４、６９の厚さｈ１および固定電極４が有する第１、第２固定電極指４４、４９の厚さｈ３が等しい。そのため、第１、第２可動電極指６４、６９と第１、第２固定電極指４４、４９との対向面積を最大限に大きくしつつ、第１、第２固定電極指４４、４９が第１、第２可動電極指６４、６９に対してＺ軸方向に突出し、当該突出した部分が基部５０と対向することによるダンピング特性の悪化を効果的に抑制することができる。そのため、より優れた検出感度を有する物理量センサー１となる。

また、前述したように、センサー素子３は、基板２に固定されている固定部５１と、固定部５１と可動部５２とを接続するばね５３、５４と、を備えている。これにより、簡単な構成で、可動部５２を基板２に対してＸ軸方向に変位可能とすることができる。

また、前述したように、ばね５３、５４は、基部５０よりもＺ軸方向に沿う方向の長さが短い。すなわち、ばね５３、５４の厚さｈ４は、基部５０の厚さｈ２よりも小さい。このように、ばね５３、５４の厚さｈ４を基部５０の厚さｈ２と異ならせることにより、基部５０の厚さｈ２に関わらずにばね５３、５４の厚さｈ４を設計することができる。そのため、ばね５３、５４のばね定数の調整がより容易となる。

また、前述したように、固定電極４は、Ｙ軸に沿う方向に並んで配置されている第１固定電極４１および第２固定電極４６を備えている。また、第１固定電極４１は、第１幹部４３と、第１幹部４３からＹ軸に沿う方向の両側に延出している複数の第１固定電極指４４と、を備え、第２固定電極４６は、第２幹部４８と、第２幹部４８からＹ軸に沿う方向の両側に延出している複数の第２固定電極指４９と、を備えている。このような構成とすることにより、各第１、第２固定電極指４４、４９の長さを抑えつつ、可動電極６と固定電極４との間に形成される静電容量を大きくすることができる。そのため、優れた機械的強度と優れた感度とを有する物理量センサー１となる。

また、前述したように、第１幹部４３および第２幹部４８は、それぞれ、Ｘ軸およびＹ軸に対して傾斜した方向に沿って延在している。これにより、第１固定部４２および第２固定部４７を固定部５１の近傍に設けることができる。そのため、熱や残留応力等に起因して基板２に反りや撓みが生じた際の可動部５２と固定電極４とのＺ軸方向のずれの差、具体的には、第１可動電極指６４と第１固定電極指４４とのＺ軸方向のずれの差、第２可動電極指６９と第２固定電極指４９とのＺ軸方向のずれの差を効果的に抑制することができる。その結果、検出精度の高い物理量センサー１となる。

また、前述したように、第１幹部４３および第２幹部４８は、中心軸ＣすなわちＸ軸に対して線対称である。これにより、第１固定電極４１および第２固定電極４６をバランスよく配置することができる。

また、前述したように、第１幹部４３から第２幹部４８側（中心軸Ｃ側）に延出している第１固定電極指４４２および第２幹部４８から第１幹部４３側（中心軸Ｃ側）に延出している第２固定電極指４９２は、それぞれ、Ｘ軸に沿って複数配置され、Ｙ軸方向の長さがＸ軸方向プラス側（Ｘ軸に沿う方向の一方側）に向けて漸増している。反対に、第１幹部４３から第２幹部４８と反対側（中心軸Ｃと反対側）に延出している第１固定電極指４４１および第２幹部４８から第１幹部４３と反対側（中心軸Ｃと反対側）に延出している第２固定電極指４９２は、それぞれ、Ｘ軸に沿って複数配置され、Ｙ軸方向の長さがＸ軸方向マイナス側（Ｘ軸に沿う方向の他方側）に向けて漸増している。これにより、複数の第１固定電極指４４の中に、より短い第１固定電極指４４を含ませることができ、第１固定電極指４４全体として、より破損し難くなる。同様に、複数の第２固定電極指４９の中に、より短い第２固定電極指４９を含ませることができ、第２固定電極指４９全体として、より破損し難くなる。第１可動電極指６４および第２可動電極指６９についても同様である。そのため、電極指４４、４９、６４、６９の破損がより効果的に抑制され、優れた耐衝撃性を発揮することのできる物理量センサー１となる。

また、前述したように、Ｘ軸方向に隣り合う一対の第１固定電極指４４の間に第１可動電極指６４が位置し、対をなす一方の第１固定電極指４４と第１可動電極指６４との離間距離Ｄ１と、対をなさない他方の第１固定電極指４４と第１可動電極指６４との離間距離Ｄ２と、が異なっている。同様に、Ｘ軸方向に隣り合う一対の第２固定電極指４９の間に第２可動電極指６９が位置し、対をなす一方の第２固定電極指４９と第２可動電極指６９との離間距離Ｄ３と、対をなさない他方の第２固定電極指４９と第２可動電極指６９との離間距離Ｄ４と、が異なっている。これにより、対をなす第２固定電極指４９との間に形成される静電容量をより大きくすることができ、対をなさない第２固定電極指４９との間に形成される静電容量をより小さくすることができる。

次に、物理量センサー１の製造方法について説明する。図１０に示すように、物理量センサー１の製造方法は、基板２を形成する基板形成工程と、センサー基板３０に凹部を形成するセンサー基板加工工程と、センサー基板３０を基板２に接合する接合工程と、センサー基板３０をエッチングしてセンサー素子３を形成するセンサー素子形成工程と、基板２に蓋８を接合する蓋接合工程と、を有している。

（基板形成工程）
まず、ガラス基板で構成された基板２を準備し、フォトリソグラフィー技法とエッチング技法とを用いて、上面側に開放する凹部２１および溝２５、２６、２７と、マウント部２２、２３、２４と、を形成する。次に、溝２５、２６、２７内に配線７１、７２、７３を形成する。なお、エッチング技法としては、例えば、ウェットエッチング、ドライエッチング等を用いることができる。

（センサー基板形成工程）
次に、図１１に示すように、センサー素子３の母材であり、シリコン基板からなるセンサー基板３０を準備し、フォトリソグラフィー技法とエッチング技法とを用いて、基板２の下面側に開放する凹部３０１を形成する。ここで、凹部３０１は、第１、第２可動電極指６４、６９および第１、第２固定電極指４４、４９が形成される部分と、ばね５３、５４が形成される部分と、を含んで形成される。なお、エッチング技法としては、例えば、ウェットエッチング、ドライエッチング等を用いることができる。

（接合工程）
次に、図１２に示すように、センサー基板３０を凹部３０１が形成された面を基板２側に向けた姿勢で、基板２の上面に接合する。なお、接合方法としては、特に限定されず、例えば、陽極接合を用いることができる。

（センサー素子形成工程）
次に、必要に応じてＣＭＰ（化学機械研磨）等によってセンサー基板３０をその上面側から薄肉化し、センサー基板３０を所定の厚さとする。次に、図１３に示すように、フォトリソグラフィー技法とエッチング技法とを用いてセンサー基板３０をパターニングすることにより、センサー素子３を形成する。この際、凹部３０１と重なる部分から第１、第２可動電極指６４、６９、第１、第２固定電極指４４、４９およびばね５３、５４が形成される。なお、エッチング技法としては、例えば、ウェットエッチング、ドライエッチング等を用いることができる。

（蓋接合工程）
次に、図１４に示すように、蓋８を準備し、ガラスフリット８９を用いて蓋８を基板２の上面に接合する。これにより、収納空間ＳＳが形成されると共に、収納空間ＳＳにセンサー素子３が収納される。

以上の工程により、物理量センサー１が得られる。このような製造方法によれば、センサー基板３０の下面に凹部３０１を形成しているため、物理量センサー１の製造がより容易となる。具体的には、基板２の下面に凹部３０１を形成することにより、基板２の上面をフラットに保つことができる。そのため、センサー素子形成工程において、フォトリソグラフィー技法によって基板２の上面にエッチング耐性マスクを形成することが容易となると共にその精度も高くなる。そのため、物理量センサー１の製造がより容易となる。

＜第２実施形態＞
図１５ないし図１８は、それぞれ、本発明の第２実施形態に係る物理量センサーを示す断面図である。なお、図１５は、図１中のＢ－Ｂ線断面図に相当し、図１６は、図１中のＣ－Ｃ線断面図に相当し、図１７は、図１中のＤ－Ｄ線断面図に相当し、図１８は、図１中のＥ－Ｅ線断面図に相当する。

本実施形態に係る物理量センサー１は、主に、センサー素子３の構成が異なること以外は、前述した第１実施形態の物理量センサー１と同様である。以下の説明では、第２実施形態の物理量センサー１に関し、前述した第１実施形態との相違点を中心に説明し、同様の事項に関してはその説明を省略する。また、図１５ないし図１８では、前述した第１実施形態と同様の構成について、同一符号を付している。

図１５ないし図１８に示すように、本実施形態の物理量センサー１では、センサー基板３０の下面が面一となっており、第１、第２可動電極指６４、６９、第１、第２固定電極指４４、４９およびばね５３、５４の上面が、それぞれ、その他の部分の上面に対して下側にずれている。このような構成によっても、第１、第２可動電極指６４、６９の厚さｈ１、第１、第２固定電極指４４、４９の厚さｈ３およびばね５３、５４の厚さｈ４をそれぞれ基部５０の厚さｈ２よりも小さくすることができる。

このような第２実施形態によっても、前述した第１実施形態と同様の効果を発揮することができる。

＜第３実施形態＞
図１９および図２２は、それぞれ、本発明の第３実施形態に係る物理量センサーを示す断面図である。なお、図１９は、図１中のＢ－Ｂ線断面図に相当し、図２０は、図１中のＣ－Ｃ線断面図に相当し、図２１は、図１中のＤ－Ｄ線断面図に相当し、図２２は、図１中のＥ－Ｅ線断面図に相当する。

本実施形態に係る物理量センサー１は、主に、センサー素子３の構成が異なること以外は、前述した第１実施形態の物理量センサー１と同様である。以下の説明では、第３実施形態の物理量センサー１に関し、前述した第１実施形態との相違点を中心に説明し、同様の事項に関してはその説明を省略する。また、図１９ないし図２２では、前述した第１実施形態と同様の構成について、同一符号を付している。

図１９ないし図２２に示すように、本実施形態の物理量センサー１では、第１、第２可動電極指６４、６９、第１、第２固定電極指４４、４９およびばね５３、５４の上面が、それぞれ、その他の部分の上面（以下、「センサー基板３０の上主面」とも言う）に対して下側にずれ、第１、第２可動電極指６４、６９、第１、第２固定電極指４４、４９およびばね５３、５４の下面が、それぞれ、その他の部分の下面（以下、「センサー基板３０の下主面」とも言う）に対して上側にずれている。また、センサー基板３０の上主面に対する第１、第２可動電極指６４、６９、第１、第２固定電極指４４、４９およびばね５３、５４の上面のずれ量Ｄａと、センサー基板３０の下主面に対する第１、第２可動電極指６４、６９、第１、第２固定電極指４４、４９およびばね５３、５４の下面のずれ量Ｄｂと、が等しい。これにより、センサー素子３が上下対称の形状となり、優れた重量バランスを有するものとなる。したがって、基板２に対して可動部５２がよりスムーズに変位し、物理量センサー１の加速度Ａｘの検出感度がより向上する。ただし、ずれ量Ｄａ、Ｄｂは、互いに異なっていてもよい。

このような第３実施形態によっても、前述した第１実施形態と同様の効果を発揮することができる。

＜第４実施形態＞
図２３は、本発明の第４実施形態に係る電子機器としてのスマートフォンを示す平面図である。

図２３に示すスマートフォン１２００は、本発明の電子機器を適用したものである。スマートフォン１２００には、物理量センサー１と、物理量センサー１から出力された検出信号に基づいて制御を行う制御回路１２１０と、が内蔵されている。物理量センサー１によって検出された検出データは、制御回路１２１０に送信され、制御回路１２１０は、受信した検出データからスマートフォン１２００の姿勢や挙動を認識して、表示部１２０８に表示されている表示画像を変化させたり、警告音や効果音を鳴らしたり、振動モーターを駆動して本体を振動させることができる。

このような電子機器としてのスマートフォン１２００は、物理量センサー１を有している。そのため、前述した物理量センサー１の効果を享受でき、高い信頼性を発揮することができる。

なお、本発明の電子機器は、前述したスマートフォン１２００の他にも、例えば、パーソナルコンピューター、デジタルスチールカメラ、タブレット端末、時計、スマートウォッチ、インクジェットプリンタ、ラップトップ型パーソナルコンピューター、テレビ、ＨＭＤ（ヘッドマウントディスプレイ）等のウェアラブル端末、ビデオカメラ、ビデオテープレコーダー、カーナビゲーション装置、ページャ、電子手帳、電子辞書、電卓、電子ゲーム機器、ワードプロセッサー、ワークステーション、テレビ電話、防犯用テレビモニター、電子双眼鏡、ＰＯＳ端末、医療機器、魚群探知機、各種測定機器、移動体端末基地局用機器、車両、航空機、船舶等の各種計器類、フライトシミュレーター、ネットワークサーバー等に適用することができる。

＜第５実施形態＞
図２４は、本発明の第５実施形態に係る電子機器としての慣性計測装置を示す分解斜視図である。図２５は、図２４に示す慣性計測装置が有する基板の斜視図である。

図２４に示す電子機器としての慣性計測装置２０００（ＩＭＵ：Inertial Measurement Unit）は、自動車や、ロボットなどの被装着装置の姿勢や、挙動を検出する慣性計測装置である。慣性計測装置２０００は、３軸加速度センサーおよび３軸角速度センサーを備えた６軸モーションセンサーとして機能する。

慣性計測装置２０００は、平面形状が略正方形の直方体である。また、正方形の対角線方向に位置する２ヶ所の頂点近傍に固定部としてのネジ穴２１１０が形成されている。この２ヶ所のネジ穴２１１０に２本のネジを通して、自動車などの被装着体の被装着面に慣性計測装置２０００を固定することができる。なお、部品の選定や設計変更により、例えば、スマートフォンや、デジタルカメラに搭載可能なサイズに小型化することも可能である。

慣性計測装置２０００は、アウターケース２１００と、接合部材２２００と、センサーモジュール２３００と、を有し、アウターケース２１００の内部に、接合部材２２００を介在させて、センサーモジュール２３００を挿入した構成となっている。アウターケース２１００の外形は、前述した慣性計測装置２０００の全体形状と同様に、平面形状が略正方形の直方体であり、正方形の対角線方向に位置する２ヶ所の頂点近傍に、それぞれネジ穴２１１０が形成されている。また、アウターケース２１００は、箱状であり、その内部にセンサーモジュール２３００が収納されている。

センサーモジュール２３００は、インナーケース２３１０と、基板２３２０と、を有している。インナーケース２３１０は、基板２３２０を支持する部材であり、アウターケース２１００の内部に収まる形状となっている。また、インナーケース２３１０には、基板２３２０との接触を防止するための凹部２３１１や後述するコネクター２３３０を露出させるための開口２３１２が形成されている。このようなインナーケース２３１０は、接合部材２２００を介してアウターケース２１００に接合されている。また、インナーケース２３１０の下面には接着剤を介して基板２３２０が接合されている。

図２５に示すように、基板２３２０の上面には、コネクター２３３０、Ｚ軸まわりの角速度を検出する角速度センサー２３４０ｚ、Ｘ軸、Ｙ軸およびＺ軸の各軸方向の加速度を検出する加速度センサー２３５０などが実装されている。また、基板２３２０の側面には、Ｘ軸まわりの角速度を検出する角速度センサー２３４０ｘおよびＹ軸まわりの角速度を検出する角速度センサー２３４０ｙが実装されている。これら各センサー２３４０ｘ、２３４０ｙ、２３４０ｚ、２３５０として、本発明の物理量センサーを用いることができる。

また、基板２３２０の下面には、制御ＩＣ２３６０が実装されている。制御ＩＣ２３６０は、ＭＣＵ（Micro Controller Unit）であり、慣性計測装置２０００の各部を制御する。記憶部には、加速度および角速度を検出するための順序と内容を規定したプログラムや、検出データをデジタル化してパケットデータに組込むプログラム、付随するデータなどが記憶されている。なお、基板２３２０にはその他にも複数の電子部品が実装されている。

＜第６実施形態＞
図２６は、本発明の第６実施形態に係る電子機器としての移動体測位装置の全体システムを示すブロック図である。図２７は、図２６に示す移動体測位装置の作用を示す図である。

図２６に示す移動体測位装置３０００は、移動体に装着して用い、当該移動体の測位を行うための装置である。なお、移動体としては、特に限定されず、自転車、自動車、自動二輪車、電車、飛行機、船等のいずれでもよいが、本実施形態では移動体として四輪自動車を用いた場合について説明する。

移動体測位装置３０００は、慣性計測装置３１００（ＩＭＵ）と、演算処理部３２００と、ＧＰＳ受信部３３００と、受信アンテナ３４００と、位置情報取得部３５００と、位置合成部３６００と、処理部３７００と、通信部３８００と、表示部３９００と、を有している。なお、慣性計測装置３１００としては、例えば、前述した慣性計測装置２０００を用いることができる。

慣性計測装置３１００は、３軸の加速度センサー３１１０と、３軸の角速度センサー３１２０と、を有している。演算処理部３２００は、加速度センサー３１１０からの加速度データおよび角速度センサー３１２０からの角速度データを受け、これらデータに対して慣性航法演算処理を行い、移動体の加速度および姿勢を含む慣性航法測位データを出力する。

また、ＧＰＳ受信部３３００は、受信アンテナ３４００を介してＧＰＳ衛星からの信号を受信する。また、位置情報取得部３５００は、ＧＰＳ受信部３３００が受信した信号に基づいて、移動体測位装置３０００の位置（緯度、経度、高度）、速度、方位を表すＧＰＳ測位データを出力する。このＧＰＳ測位データには、受信状態や受信時刻等を示すステータスデータも含まれている。

位置合成部３６００は、演算処理部３２００から出力された慣性航法測位データおよび位置情報取得部３５００から出力されたＧＰＳ測位データに基づいて、移動体の位置、具体的には移動体が地面のどの位置を走行しているかを算出する。例えば、ＧＰＳ測位データに含まれている移動体の位置が同じであっても、図２７に示すように、地面の傾斜等の影響によって移動体の姿勢が異なっていれば、地面の異なる位置を移動体が走行していることになる。そのため、ＧＰＳ測位データだけでは移動体の正確な位置を算出することができない。そこで、位置合成部３６００は、慣性航法測位データを用いて、移動体が地面のどの位置を走行しているのかを算出する。

位置合成部３６００から出力された位置データは、処理部３７００によって所定の処理が行われ、測位結果として表示部３９００に表示される。また、位置データは、通信部３８００によって外部装置に送信されるようになっていてもよい。

＜第７実施形態＞
図２８は、本発明の第７実施形態に係る移動体を示す斜視図である。

図２８に示す自動車１５００は、本発明の移動体を適用した自動車である。この図において、自動車１５００は、エンジンシステム、ブレーキシステムおよびキーレスエントリーシステムの少なくとも何れかのシステム１５１０を含んでいる。また、自動車１５００には、物理量センサー１が内蔵されており、物理量センサー１によって車体１５０１の姿勢を検出することができる。物理量センサー１の検出信号は、制御装置１５０２に供給され、制御装置１５０２は、その信号に基づいてシステム１５１０を制御することができる。

このように、移動体としての自動車１５００は、物理量センサー１を有している。そのため、前述した物理量センサー１の効果を享受でき、高い信頼性を発揮することができる。

なお、物理量センサー１は、他にも、カーナビゲーションシステム、カーエアコン、アンチロックブレーキシステム（ＡＢＳ）、エアバック、タイヤ・プレッシャー・モニタリング・システム（ＴＰＭＳ：Tire Pressure Monitoring System）、エンジンコントロール、ハイブリッド自動車や電気自動車の電池モニター等の電子制御ユニット（ＥＣＵ：electronic control unit）に広く適用できる。また、移動体としては、自動車１５００に限定されず、例えば、飛行機、ロケット、人工衛星、船舶、ＡＧＶ（無人搬送車）、二足歩行ロボット、ドローン等の無人飛行機等にも適用することができる。

以上、本発明の物理量センサー、電子機器および移動体を図示の実施形態に基づいて説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、各部の構成は、同様の機能を有する任意の構成のものに置換することができる。また、本発明に、他の任意の構成物が付加されていてもよい。また、前述した実施形態を適宜組み合わせてもよい。

また、前述した実施形態では、物理量センサーとして加速度を検出する加速度センサーについて説明したが、物理量センサーが検出する物理量としては、加速度に限定されず、例えば、角速度、圧力等であってもよい。

１…物理量センサー、２…基板、２１…凹部、２２、２３、２４…マウント部、２５、２６、２７…溝、３…センサー素子、３０…センサー基板、３０１…凹部、４…固定電極、４１…第１固定電極、４２…第１固定部、４３…第１幹部、４４、４４１、４４２…第１固定電極指、４６…第２固定電極、４７…第２固定部、４８…第２幹部、４９、４９１、４９２…第２固定電極指、５０…基部、５１…固定部、５２…可動部、５２８…第１開口部、５２９…第２開口部、５３、５４…ばね、６…可動電極、６４、６４１、６４２…第１可動電極指、６９、６９１、６９２…第２可動電極指、７１、７２、７３…配線、８…蓋、８１…凹部、８９…ガラスフリット、１２００…スマートフォン、１２０８…表示部、１２１０…制御回路、１５００…自動車、１５０１…車体、１５０２…制御装置、１５１０…システム、２０００…慣性計測装置、２１００…アウターケース、２１１０…ネジ穴、２２００…接合部材、２３００…センサーモジュール、２３１０…インナーケース、２３１１…凹部、２３１２…開口、２３２０…基板、２３３０…コネクター、２３４０ｘ、２３４０ｙ、２３４０ｚ…角速度センサー、２３５０…加速度センサー、２３６０…制御ＩＣ、３０００…移動体測位装置、３１００…慣性計測装置、３１１０…加速度センサー、３１２０…角速度センサー、３２００…演算処理部、３３００…ＧＰＳ受信部、３４００…受信アンテナ、３５００…位置情報取得部、３６００…位置合成部、３７００…処理部、３８００…通信部、３９００…表示部、Ａ…面積、Ａｘ…加速度、Ｃ…中心軸、Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３、Ｄ４…離間距離、Ｄａ、Ｄｂ…ずれ量、ｈ、ｈ１～ｈ４…厚さ、ｌ…長さ、Ｑ１、Ｑ２…軸、ＳＳ…収納空間、ｂ…ばね長、ｄ…電極間ギャップ、ｗ…ばね幅

Claims (12)

1. 互いに直行する３軸をＸ軸、Ｙ軸およびＺ軸としたとき、
   Ｚ軸に沿う方向を厚さ方向とする基板と、
   前記基板に設けられ、物理量を検出するセンサー素子と、を備え、
   前記センサー素子は、
   前記基板に対して前記物理量の検出軸である前記Ｘ軸に沿う方向に変位する可動部と、
   前記基板に固定されている固定電極と、を備え、
   前記可動部は、
   前記固定電極と前記Ｘ軸に沿う方向に対向して配置されている可動電極と、
   前記可動電極を支持し、前記可動電極よりも前記Ｚ軸に沿う方向の長さが長い質量部と、を備え、
   前記可動電極の前記Ｚ軸に沿う方向の長さをｈ１、前記質量部の前記Ｚ軸に沿う方向の長さをｈ２としたとき、ｈ２／ｈ１＞３の関係を満足することを特徴とする物理量センサー。
2. 前記質量部は、前記固定電極よりも前記Ｚ軸方向に沿う長さが長い請求項１に記載の物理量センサー。
3. 前記可動電極および前記固定電極は、前記Ｚ軸方向に沿う長さが等しい請求項２に記載の物理量センサー。
4. 前記センサー素子は、
   前記基板に固定されている固定部と、
   前記固定部と前記可動部とを接続するばねと、を備えている請求項１ないし３のいずれか１項に記載の物理量センサー。
5. 前記ばねは、前記質量部よりも前記Ｚ軸方向に沿う方向の長さが短い請求項４に記載の物理量センサー。
6. 前記固定電極は、
   前記Ｙ軸に沿う方向に並んで配置されている第１固定電極および第２固定電極を備え、
   前記第１固定電極は、
   第１幹部と、
   前記第１幹部から前記Ｙ軸に沿う方向の両側に延出している複数の第１固定電極指と、を備え、
   前記第２固定電極は、
   第２幹部と、
   前記第２幹部から前記Ｙ軸に沿う方向の両側に延出している複数の第２固定電極指と、を備えている請求項１ないし５のいずれか１項に記載の物理量センサー。
7. 前記第１幹部および前記第２幹部は、それぞれ、前記Ｘ軸および前記Ｙ軸に対して傾斜した軸に沿って延在している請求項６に記載の物理量センサー。
8. 前記第１幹部および前記第２幹部は、前記Ｘ軸に対して線対称である請求項６または７に記載の物理量センサー。
9. 前記第１幹部から前記第２幹部側に延出している前記第１固定電極指および前記第２幹部から前記第１幹部側に延出している前記第２固定電極指は、それぞれ、前記Ｘ軸に沿って複数配置され、前記Ｙ軸方向の長さが前記Ｘ軸に沿う方向の一方側に向けて漸増し、
   前記第１幹部から前記第２幹部と反対側に延出している前記第１固定電極指および前記第２幹部から前記第１幹部と反対側に延出している前記第２固定電極指は、それぞれ、前記Ｘ軸に沿って複数配置され、前記Ｙ軸方向の長さが前記Ｘ軸に沿う方向の他方側に向けて漸増している請求項６ないし８のいずれか１項に記載の物理量センサー。
10. Ｘ軸方向に隣り合う一対の前記第１固定電極指の間に前記可動電極指が位置し、
    一方の前記第１固定電極指と前記可動電極指との離間距離と、他方の前記第１固定電極指と前記可動電極指との離間距離と、が異なり、
    Ｘ軸方向に隣り合う一対の前記第２固定電極指の間に前記可動電極指が位置し、
    一方の前記第２固定電極指と前記可動電極指との離間距離と、他方の前記第２固定電極指と前記可動電極指との離間距離と、が異なっている請求項９に記載の物理量センサー。
11. 請求項１ないし１０のいずれか１項に記載の物理量センサーを有することを特徴とする電子機器。
12. 請求項１ないし１０のいずれか１項に記載の物理量センサーを有することを特徴とする移動体。

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