JP7268696B2 - 物理量センサ装置 - Google Patents

Description

本明細書が開示する技術は、物理量センサ装置に関する。

非特許文献１及び非特許文献２は、一対の固定電極と可動電極を有するアクチュエーターを開示する。このアクチュエーターは、一方の固定電極に接触する第１状態と他方の固定電極に接触する第２状態とを交互に繰り返すような自励振動を可動電極に生じさせることにより、可動電極が揺動運動するように構成されている。

Z.Liu, et.al., "The electromechanical response of a self-exited MEMS Franklin oscillator", Proc. of IEEE Int. conf. MEMS 2018, pp. 588-591 S.Shmullevich, et.al, "Asymmetric charge transfer phenomenon and its mechanism in self-exited electrostatic acutuator", Proc. of IEEE Int. conf. MEMS 2015, pp. 41-44

非特許文献１及び非特許文献２が開示する技術は、可動電極が自励振動する現象を能動的に生じさせることにより、可動電極に揺動運動をさせることを特徴としている。本発明者らは、可動電極が自励振動する現象が他の用途にも適用でき得ることを見出した。本願明細書は、新規な物理量センサ装置を提供することを目的とする。

本明細書が開示する物理量センサ装置は、変換器と、物理量センサ素子と、電源と、検出回路と、を備えることができる。前記変換器は、検出対象の物理量をセンサ入力に変換するように構成されている。ここでいう物理量は、特に限定されるものではないが、例えば、圧力、加速度、角速度、温度、光等であってもよい。前記物理量センサ装置は、第１固定電極と第２固定電極と可動電極を有している。前記物理量センサ素子では、前記可動電極が、前記センサ入力が入力したときに、前記第１固定電極に接近又は接触する第１状態と前記第２固定電極に接近又は接触する第２状態とを交互に繰り返すような自励振動を生じるように構成されている。前記電源は、前記第１固定電極と前記第２固定電極の間に電圧を与えるように構成されている。前記検出回路は、前記可動電極の自励振動に同期した信号を検出するように構成されている。前記検出回路は、前記可動電極の自励振動に同期した信号の有無を検出するように構成されていてもよい。さらに、前記検出回路は、前記可動電極の自励振動の周波数を検出するように構成されていてもよい。前記変換器は、（１）前記電源が前記第１固定電極と前記第２固定電極の間に与える前記電圧と、（２）前記第１固定電極と前記第２固定電極のうちの少なくとも一方と前記可動電極の間に存在する容量と、（３）前記可動電極が静止状態における前記第１固定電極と前記第２固定電極のうちの少なくとも一方と前記可動電極の間の距離である電極間ギャップと、のうちの少なくとも１つを検出対象の物理量に応じて変化させることにより前記物理量センサ素子に前記センサ入力を入力するように構成されている。この物理量センサ装置では、前記センサ入力が入力すると、前記可動電極が自励振動を開始する。この物理量センサ装置は、前記センサ入力に応じて前記可動電極を受動的に自励振動させることにより、物理量を検出するセンサとして機能することができる。

上記物理量センサ装置では、前記電源が、前記第１固定電極に第１電位を出力し、前記第２固定電極に前記第１電位とは異なる第２電位を出力するように構成されていてもよい。また、前記第２電位が接地電位であってもよい。

上記物理量センサ装置では、前記物理量センサ素子が、前記第１電位が与えられる第３固定電極と前記第２電位が与えられる第４固定電極をさらに有していてもよい。この場合、前記可動電極は、揺動可能に構成されている。前記第１固定電極と前記第３固定電極は、前記可動電極の揺動中心に対して対向する位置関係であって、前記第１状態において前記可動電極が接近又は接触するように配置されている。前記第２固定電極と前記第４固定電極は、前記可動電極の揺動中心に対して対向する位置関係であって、前記第２状態において前記可動電極が接近又は接触するように配置されている。この物理量センサ装置では、前記可動電極が前記固定電極に付着するスティッキング現象が抑えられる。

上記物理量センサ装置では、前記物理量センサ素子が、前記可動電極に固定されている第１接触バネと第２接触バネのうちの少なくとも１つを有していてもよい。この場合、前記第１接触バネは、前記第１状態において前記可動電極が前記第１固定電極に接近したときに前記可動電極が前記第１固定電極に接触するよりも先に他の部材に接触して弾性変形するように構成されている。前記第２接触バネは、前記第２状態において前記可動電極が前記第２固定電極に接近したときに前記可動電極が前記第２固定電極に接触するよりも先に他の部材に接触して弾性変形するように構成されている。この物理量センサ装置では、接触ばねの復元力を利用することにより、前記可動電極が固定電極に付着するスティッキング現象が抑えられる。

上記物理量センサ装置では、前記電源が、前記第１固定電極と前記第２固定電極の間にゼロ電圧を間欠的に与えるように構成されていてもよい。この物理量センサ装置では、前記第１固定電極と前記第２固定電極の間にゼロ電圧を間欠的に与えることにより、自励振動のヒステリシスの影響を抑えることができる。

上記物理量センサ装置では、前記変換器が、上記（２）、即ち、前記第１固定電極と前記第２固定電極のうちの少なくとも一方と前記可動電極の間に存在する容量を検出対象の物理量に応じて変化させることにより前記物理量センサ素子に前記センサ入力を入力するように構成されていてもよい。この場合、前記電源は、前記第１固定電極と前記第２固定電極の間に与える前記電圧を変動させるように構成されている。例えば、前記第１固定電極と前記第２固定電極の間に与える前記電圧を一定にすると、検出対象の物理量に応じて前記容量を変動させても、前記可動電極の自励振動の周波数は概ね一定である。このため、前記第１固定電極と前記第２固定電極の間に与える前記電圧を一定にすると、検出対象の物理量の入力の有無は検出できるものの、検出対象の物理量の大きさを検出することが難しい。しかしながら、前記第１固定電極と前記第２固定電極の間に与える前記電圧を変動させれば、与えられる前記電圧と前記可動電極の自励振動の有無から、前記容量の大きさが特定できる。前記容量の大きさから検出対象の物理量の大きさを推定できる。

上記物理量センサ装置では、前記電源は、前記第１固定電極と前記第２固定電極の間にのこぎり波の電圧を与えるように構成されていてもよい。

物理量センサ装置の構成を概略的に示す図である。 物理量センサ素子の構成を概略的に示す図である。 押圧力に応じて直流電圧（Ｖ１－Ｖ２）の電圧値を変動させる変換器の一例を示す図である。 押圧力に応じて直流電圧（Ｖ１－Ｖ２）の電圧値を変動させる変換器の他の一例を示す図である。 光に応じて直流電圧（Ｖ１－Ｖ２）の電圧値を変動させる変換器の一例を示す図である。 押圧力に応じて電極間ギャップを変動させる変換器の一例を示す図である。 温度に応じて電極間ギャップを変動させる変換器の一例を示す図である。 温度に応じて電極間ギャップを変動させる変換器の一例を示す図である。 押圧力に応じて電極間容量を変動させる変換器の一例を示す図である。 位置検出回路の一例を示す図である。 位置検出回路の他の一例を示す図である。 変形例の物理量センサ素子の構成を概略的に示す図である。 物理量センサ素子の具体例の構成を概略的に示す斜視図である。 物理量センサ素子の具体例の構成を概略的に示す図であり、図１３のXIV-XIV線に対応した断面図である。 物理量センサ素子の具体例の構成を概略的に示す図であり、図１３のXV-XV線に対応した断面図である。 図１３～図１５に示す物理量センサ素子の直流電圧と自励振動周波数の関係を計算した結果を示す図である。 図１３～図１５に示す物理量センサ素子の電極間ギャップと自励振動周波数の関係を計算した結果を示す図である。 図１３～図１５に示す物理量センサ素子の電極間容量と自励振動周波数の関係を計算した結果を示す図である。 電圧源が第１固定電極と第２固定電極の間に与える直流電圧の一例を示す図である。 電圧源が第１固定電極と第２固定電極の間に与える直流電圧の他の一例を示す図である。 変形例の物理量センサ素子の具体例の構成を概略的に示す斜視図である。 図２１の物理量センサ素子が自励振動したときの挙動を示す図である。

（物理量センサ装置１の構成）
図１に示されるように、物理量センサ装置１は、物理量センサ素子２と、電圧源３Ａ，３Ｂと、変換器４と、位置検出回路５と、物理量検出回路６と、を備えている。

（物理量センサ素子２の構成）
物理量センサ素子２は、可動電極１０と、第１固定電極１１と、第２固定電極１２と、可動電極１０を支持する支持部１５と、を有している。物理量センサ素子２は、自励振動型の物理量センサ素子であり、検出対象の物理量に対応したセンサ入力が入力したときに、可動電極１０が自励振動するように構成されている。物理量の例としては、特に限定されるものではないが、例えば、圧力、加速度、角速度、温度、光等が例示される。後述するように、物理量センサ装置１は、変換器４を介してこのような物理量を物理量センサ素子２にセンサ入力として作用させることにより、物理量センサ素子２の各種パラメータの変動に基づいて可動電極１０の自励振動を開始させることができる。

第１固定電極１１と第２固定電極１２は、特に限定されるものではないが、例えば基板上に固定して配置されていてもよい。可動電極１０は、第１固定電極１１と第２固定電極１２との相対的な位置関係が変動するように構成されており、特に限定されるものではないが、例えば支持部１５を介して基板に支持されていてもよい。可動電極１０は、支持部１５によって並進運動、揺動運動、又は、それらを組合せた運動によって、第１固定電極１１に接近又は接触する第１状態（第２固定電極１２からは離反する状態）と、前記第２固定電極１２に接近又は接触する第２状態（第１固定電極１１からは離反する状態）と、の間で動くことが可能となるように構成されている。可動電極１０は、固定電極１１，１２に対して電位がフローティング状態又は高インピーダンス状態である。この例では、可動電極１０が静止している状態において、可動電極１０と第１固定電極１１の間の距離、及び、可動電極１０と第２固定電極１２の間の距離は等しい。本明細書では、この距離を電極間ギャップＤ１という。また、可動電極１０と第１固定電極１１の間に存在する容量を電極間容量Ｃ１という。

電圧源３Ａ，３Ｂは、第１電圧源３Ａと、第２電圧源３Ｂと、を有している。第１電圧源３Ａは、第１固定電極１１に接続されており、第１固定電極１１に正の第１直流電位Ｖ１を出力する。第２電圧源３Ｂは、第２固定電極１２に接続されており、第２固定電極１２に正の第２直流電位Ｖ２を出力する。第１直流電位Ｖ１は、第２直流電位Ｖ２よりも大きい電位である。このため、第１固定電極１１と第２固定電極１２の間には、直流電圧（Ｖ１－Ｖ２）が与えられている。なお、第２直流電位Ｖ２は、典型的には接地電位であってもよい。

物理量センサ素子２の可動電極１０は、直流電圧（Ｖ１－Ｖ２）の電圧値と、電極間ギャップＤ１と、電極間容量Ｃ１と、の３つのパラメータに依存する周波数で自励振動をすることができる。なお、電極間容量Ｃ１は、可動電極１０と第１固定電極１１の間の容量に代えて、可動電極１０と第２固定電極１２の間の容量であってもよい。

可動電極１０が自励振動して第１固定電極１１に接触すると（第１状態）、可動電極１０は電荷を充電し、可動電極１０の電位が上昇する。可動電極１０の電位が上昇すると、可動電極１０は第１固定電極１１から斥力を受けるとともに第２固定電極１２から引力を受ける。これにより、可動電極１０は、第２固定電極１２側へ移動を開始する。可動電極１０が第２固定電極１２に接触すると（第２状態）、可動電極１０は電荷を放電し、可動電極１０の電位が低下する。可動電極１０の電位が低下すると、可動電極１０は第２固定電極１２から斥力を受けるとともに第１固定電極１１から引力を受ける。これにより、可動電極１０は第１固定電極１１側へ移動を開始する。このように、物理量センサ素子２は、第１状態と第２状態を交互に繰り返すように自励振動することにより、可動電極１０を介して第１固定電極１１から第２固定電極１２に電荷を搬送することができる。なお、可動電極１０と固定電極１１，１２は、必ずしも接触する必要はない。例えば、物理量センサ素子２は、可動電極１０と固定電極１１，１２の間をトンネル現象によって電荷が移動できるように構成されていてもよい。この場合でも、可動電極１０は自励振動をすることができる。

図２に、物理量センサ素子２の一例を示す。この物理量センサ素子２は、可動電極１０が揺動可能に構成されている例である。このような物理量センサ素子２では、可動電極１０と第１固定電極１１と第２固定電極１２は、基板上にＭＥＭＳ技術を利用して形成されてもよい。可動電極１０は、第１固定電極１１と第２固定電極１２の各々の近傍に配置されており、静止状態において、第１固定電極１１と第２固定電極１２の各々に対して所定距離、即ち、電極間ギャップＤ１を隔てて対向するように配置されている。可動電極１０の両先端部の下方には、第１固定電極１１と第２固定電極１２が配置されている。物理量センサ素子２では、基板に対して揺動可能となるように、可動電極１０が支持部１５を介して基板に固定されている。このため、可動電極１０は、支持部１５を揺動中心としてシーソーのように揺動することができる。これにより、可動電極１０は、第１固定電極１１に接近又は接触する第１状態（第２固定電極１２からは離反する状態）と、前記第２固定電極１２に接近又は接触する第２状態（第１固定電極１１からは離反する状態）と、の間で動くことが可能となるように構成されている。

（変換器４の構成）
変換器４は、直流電圧（Ｖ１－Ｖ２）の電圧値と、電極間ギャップＤ１と、電極間容量Ｃ１と、のうちの少なくとも１つを検出対象の物理量に応じて変化させるように構成されている。

（直流電圧（Ｖ１－Ｖ２）の電圧値を変動させる変換器４の構成例）
例えば、電極間ギャップＤ１と電極間容量Ｃ１を固定した状態で直流電圧（Ｖ１－Ｖ２）の電圧値を変動させると、所定の電圧値以上となったときに可動電極１０が自励振動を開始し、その振動周波数は直流電圧（Ｖ１－Ｖ２）の電圧値に依存する。このため、変換器４によって検出対象の物理量に応じて直流電圧（Ｖ１－Ｖ２）の電圧値が変動するように構成すると、物理量センサ素子２は、センサ入力が入力していないときに可動電極１０の自励振動を停止し、センサ入力が入力したときに可動電極１０に自励振動を生じさせることができる。

図３に、第１電圧源３Ａが変換器４として機能する例を示す。この第１電圧源３Ａは、直列接続された固定抵抗素子Ｒ１０と可変抵抗素子Ｒ２０を有する分圧回路である。この分圧回路に直流電圧ＶＤが与えられている。固定抵抗素子Ｒ１０と可変抵抗素子Ｒ２０の接続点が第１電圧源３Ａの出力端子に接続されている。即ち、分圧回路の出力が第１直流電位Ｖ１として第１固定電極１１に入力する。可変抵抗素子Ｒ２０は、特に限定されるものではないが、例えば歪みによって電気抵抗値が変動する導電性ゴムであってもよい。この可変抵抗素子Ｒ２０に、検出対象の物理量である押圧力が作用する。可変抵抗素子Ｒ２０に押圧力が作用すると、固定抵抗素子Ｒ１０と可変抵抗素子Ｒ２０の分圧比に応じて第１電圧源３Ａの出力である第１直流電位Ｖ１が変動する。固定抵抗素子Ｒ１０と可変抵抗素子Ｒ２０を有する第１電圧源３Ａは、検出対象の押圧力に応じて直流電圧（Ｖ１－Ｖ２）の電圧値を変動させる変換器４として動作することができる。なお、このような分圧回路は、第１電圧源３Ａに代えて第２電圧源３Ｂに設けられていてもよい。

図４に、第１電圧源３Ａが変換器４として機能する他の例を示す。この第１電圧源３Ａは、直列接続された固定容量素子Ｃ１０と可変容量素子Ｃ２０を有する分圧回路である。この分圧回路に直流電圧ＶＤが与えられている。固定容量素子Ｃ１０と可変容量素子Ｃ２０の接続点が第１電圧源３Ａの出力端子に接続されている。即ち、分圧回路の出力が第１直流電位Ｖ１として第１固定電極１１に入力する。可変容量素子Ｃ２０は、特に限定されるものではないが、例えば導電体の間に弾性材料（例えばゴム）からなる誘電体が挟まれた構造であり、例えば歪みによって容量値が変動するような構造であってもよい。この可変容量素子Ｃ２０に、検出対象の物理量である押圧力が作用する。可変容量素子Ｃ２０に押圧力が作用すると、固定容量素子Ｃ１０と可変容量素子Ｃ２０の分圧比に応じて第１電圧源３Ａの出力である第１直流電位Ｖ１が変動する。固定容量素子Ｃ１０と可変容量素子Ｃ２０を有する第１電圧源３Ａは、検出対象の押圧力に応じて直流電圧（Ｖ１－Ｖ２）の電圧値を変動させる変換器４として動作することができる。なお、このような分圧回路は、第１電圧源３Ａに代えて第２電圧源３Ｂに設けられていてもよい。

図５に、第１電圧源３Ａが変換器４として機能する他の例を示す。この第１電圧源３Ａは、フォトダイオードＤ１０と容量素子Ｃ３０を有する受光素子である。フォトダイオードＤ１０は、第１固定電極１１と電源線の間に接続されており、アノードが第１固定電極１１に接続されており、カソードが電源線に接続されている。容量素子Ｃ３０は、フォトダイオードＤ１０のアノードと第１固定電極１１の間のラインとグランドの間に接続されている。フォトダイオードＤ１０に、検出対象の物理量である光が入力する。フォトダイオードＤ１０に光が入力すると、フォトダイオードＤ１０を介して電源線から容量素子Ｃ３０に電流が流れ、容量素子Ｃ３０に電荷が蓄積する。これにより、第１電圧源３Ａの出力である第１直流電位Ｖ１が変動する。フォトダイオードＤ１０と容量素子Ｃ３０を有する第１電圧源３Ａは、検出対象の光に応じて直流電圧（Ｖ１－Ｖ２）の電圧値を変動させる変換器４として動作することができる。なお、このような受光素子は、第１電圧源３Ａに代えて第２電圧源３Ｂに設けられていてもよい。

（電極間ギャップＤ１を変動させる変換器４の構成例）
例えば、直流電圧（Ｖ１－Ｖ２）の電圧値と電極間容量Ｃ１を固定した状態で電極間ギャップＤ１を変動させると、電極間ギャップＤ１が所定距離以下となったときに可動電極１０が自励振動を開始し、その振動周波数は電極間ギャップＤ１に依存する。このため、変換器４によって検出対象の物理量に応じて電極間ギャップＤ１が変動するように構成すると、物理量センサ素子２は、センサ入力が入力していないときに可動電極１０の自励振動を停止し、センサ入力が入力したときに可動電極１０に自励振動を生じさせることができる。

図６に示す物理量センサ素子２は、受圧板２０と並進運動部材２２を有している。物理量センサ素子２では、受圧板２０に対して揺動可能となるように、可動電極１０が支持部１５を介して受圧板２０に固定されている。受圧板２０は、並進運動部材２２を介して基板に固定されている。並進運動部材２２は、特に限定されるものではないが、例えば弾性部材であってもよい。並進運動部材２２は、受圧板２０が並進運動することが可能となるように構成されている。受圧板２０に、検出対象の物理量である押圧力が作用する。受圧板２０に押圧力が作用すると、受圧板２０が並進運動し、電極間ギャップＤ１が変動する。このように、受圧板２０と並進運動部材２２は、検出対象の押圧力に応じて電極間ギャップＤ１を変動させる変換器４として動作することができる。

図７及び図８に示す物理量センサ素子２は、多層構造で構成された可動電極１０を有している。可動電極１０は、固定電極１１，１２側に配置されている導電体の第１層１０Ａと、第１層１０Ａとは異なる線膨張係数を有する第２層１０Ｂと、を有している。第２層１０Ｂは、導電体であってもよく、絶縁体であってもよい。この例では、第２層１０Ｂの線膨張係数は、第１層１０Ａの線膨張係数よりも大きい。

図７及び図８に、検出対象の物理量である温度が可動電極１０に作用したときの挙動を示す。第２層１０Ｂの線膨張係数が第１層１０Ａの線膨張係数よりも大きいので、温度が増加すると、可動電極１０は熱応力差によって第２層１０Ｂ側が凸となるように変形し、電極間ギャップＤ１が小さくなるように変動する。なお、第１層１０Ａの線膨張係数が第２層１０Ｂの線膨張係数よりも大きければ、温度が増加すると、可動電極１０は熱応力差によって第１層１０Ａ側が凸となるように変形し、電極間ギャップＤ１が大きくなるように変動する。このように、可動電極１０は、検出対象の温度に応じて電極間ギャップＤ１を変動させる変換器４として動作することができる。

（電極間容量Ｃ１を変動させる変換器４の構成例）
例えば、直流電圧（Ｖ１－Ｖ２）の電圧値と電極間ギャップＤ１を固定した状態で電極間容量Ｃ１を変動させると、電極間容量Ｃ１が所定値以上となったときに可動電極１０が自励振動を開始し、その振動周波数は電極間容量Ｃ１に依存する。このため、変換器４によって検出対象の物理量に応じて電極間容量Ｃ１が変動するように構成すると、物理量センサ素子２は、センサ入力が入力していないときに可動電極１０の自励振動を停止し、センサ入力が入力したときに可動電極１０に自励振動を生じさせることができる。

図９に示す物理量センサ素子２は、可動電極１０と第１固定電極１１の間に接続されている可変容量素子Ｃ４０を有している。可変容量素子Ｃ４０は、特に限定されるものではないが、例えば導電体の間に弾性材料（例えばゴム）からなる誘電体が挟まれた構造であり、例えば歪みによって容量値が変動するような構造であってもよい。この可変容量素子Ｃ４０に、検出対象の物理量である押圧力が作用する。可変容量素子Ｃ４０に押圧力が作用すると、可変容量素子Ｃ４０の容量が変動する。このように、可変容量素子Ｃ４０は、検出対象の押圧力に応じて電極間容量Ｃ１を変動させる変換器４として動作することができる。

（位置検出回路５及び物理量検出回路６の構成）
図１に戻る。位置検出回路５は、可動電極１０の位置に応じた信号、即ち、可動電極１０の自励振動に同期した信号を出力するように構成されている。図１０に、位置検出回路５の一例であるトランスインピーダンスアンプを示す。入力端子は、第２固定電極１２に接続されている。上記したように、可動電極１０が自励振動を開始すると、第１固定電極１１から第２固定電極１２に電荷の搬送が行われる。このため、第２固定電極１２からは可動電極１０の自励振動に同期した電流が流れる。図１０のトランスインピーダンスアンプは、第２固定電極１２から流れてくる電流を電圧変換して出力する。このように、図１０のトランスインピーダンスアンプは、可動電極１０の自励振動に同期したアナログ信号を出力することができる。図１１に、位置検出回路５の他の一例である二値化回路を示す。入力端子は、第２固定電極１２に接続されている。図１１の二値化回路は、第２固定電極１２から流れてくる電流を電圧変換した後に、コンパレータを利用して閾値電圧と比較して二値化する。このように、図１１の二値化回路は、可動電極１０の自励振動に同期したパルス信号を出力することができる。

物理量検出回路６は、位置検出回路５の出力信号の有無を検出するように構成されていてもよい。これにより、物理量検出回路６は、可動電極１０の自励振動の有無、即ち、検出対象の物理量の入力の有無を検出することができる。物理量検出回路６はさらに、位置検出回路５の出力信号の周波数を検出するように構成されていてもよい。これにより、物理量検出回路６は、可動電極１０の自励振動の周波数、即ち、検出対象の物理量の大きさを検出することができる。

（物理量センサ装置１の動作）
物理量センサ装置１の動作を説明する。物理量センサ素子２の直流電圧（Ｖ１－Ｖ２）の電圧値と電極間ギャップＤ１と電極間容量Ｃ１の各々の初期値は、検出対象の物理量の入力がないときに、可動電極１０が自励振動しない値に設定されている。このため、物理量センサ素子２では、検出対象の物理量の入力がないときに、可動電極１０の自励振動が停止している。したがって、物理量センサ素子２は、センサ入力が入力しないときは静止状態であり、電力を消費しない。

検出対象の物理量が入力すると、変換器４は、直流電圧（Ｖ１－Ｖ２）の電圧値と、電極間ギャップＤ１と、電極間容量Ｃ１と、のうちの少なくとも１つを検出対象の物理量に応じて変化させる。これにより、物理量センサ素子２では、可動電極１０の自励振動が開始する。位置検出回路５及び物理量検出回路６によって可動電極１０の自励振動が検出され、検出対象の物理量の入力の有無、又は、検出対象の物理量の入力の大きさを検出することができる。

ここで、直流電圧（Ｖ１－Ｖ２）の電圧値と自励振動周波数の間に、ヒステリシスの関係が存在することがある。具体的には、電極間ギャップＤ１と電極間容量Ｃ１を一定とし、直流電圧（Ｖ１－Ｖ２）の電圧値を変動させる場合、直流電圧（Ｖ１－Ｖ２）の電圧値を増加させるモードで自励振動が開始するときの電圧値と、直流電圧（Ｖ１－Ｖ２）の電圧値を減少させるモードで自励振動が停止するときの電圧値が異なっている。このようなヒステリシスの関係があると、直流電圧（Ｖ１－Ｖ２）が両者の電圧値の間にある場合、自励振動の有無と物理量の入力の有無は、電圧値を増加させるモードと電圧値を減少させるモードで異なる。このため、物理量の正確な検出が困難となる。

このようなヒステリシスの関係による影響を回避するために、電圧源３Ａ，３Ｂは、ゼロ電圧を間欠的に与えるように構成されていてもよい。具体的には、電圧源３Ａ，３Ｂは、一定周波数の方形波を与えるように構成されていてもよい。これにより、間欠的に直流電圧（Ｖ１－Ｖ２）がゼロとなってリセットされるので、常に直流電圧（Ｖ１－Ｖ２）が増加するモードで自励振動の開始を検出することができる。

図１２に、変形例の物理量センサ素子８を示す。この物理量センサ素子８は、第３固定電極１３と第４固定電極をさらに備えていることを特徴としている。これら第３固定電極１３と第４固定電極も、半導体基板上にＭＥＭＳ技術を利用して形成されてもよい。第３固定電極１３は、第１電圧源３Ａに接続されており、第１固定電極１１と同じ第１直流電位Ｖ１が入力している。第４固定電極１４は、第２電圧源３Ｂに接続されており、第２固定電極１２と同じ第２直流電位Ｖ２が入力している。第１固定電極１１と第３固定電極１３は、可動電極１０の揺動中心に対して対向する位置関係に配置されている。第２固定電極１２と第４固定電極１４も、可動電極１０の揺動中心に対して対向する位置関係に配置されている。第１固定電極１１と第４固定電極１４は、可動電極１０を間に置いて対向する位置関係に配置されている。第２固定電極１２と第３固定電極１３も、可動電極１０を間に置いて対向する位置関係に配置されている。これにより、第１状態において、第１固定電極１１と第３固定電極１３は可動電極１０に接近又は接触するように、第２固定電極１２と第４固定電極１４は可動電極１０から離れるように配置されている。一方、第２状態において、第１固定電極１１と第３固定電極１３は可動電極１０から離れるように、第２固定電極１２と第４固定電極１４は可動電極１０に接近又は接触するように配置されている。

ここで、図２の物理量センサ素子２と図１２の物理量センサ素子８を対比する。図２の物理量センサ素子２では、支持部１５の構造によっては、可動電極１０が揺動運動だけでなく、その両端部において若干の並進運動を伴うことがある。このため、可動電極１０が第１固定電極１１及び第２固定電極１２に引き込まれるように平行移動し、可動電極１０が第１固定電極１１及び第２固定電極１２に付着するスティッキング現象が懸念される。一方、図１２の物理量センサ素子８では、例えば第１状態において、可動電極１０の一端が第１固定電極１１に接近又は接触するときは、可動電極１０の他端が第３固定電極１３にも接近又は接触する。このため、可動電極１０の一端が第１固定電極１１に引き込まれる力の向きと可動電極１０の他端が第３固定電極１３に引き込まれる力の向きが逆である。この結果、可動電極１０の両端部の並進運動が抑えられ、スティッキング現象が抑えられる。

図１３～図１５に、具体的な物理量センサ素子１０２の一例を示す。物理量センサ素子１０２は、半導体基板１００上にＭＥＭＳ技術を利用して形成されており、可動電極１１０と、第１固定電極１１１と、第２固定電極１１２と、支持部１１５と、を備えている。可動電極１１０は、板状部材であり、一方向（この例では、ｘ方向）に沿って長く伸びている。可動電極１１０の一端の下方には第１固定電極１１１が半導体基板１００上に配置されており、可動電極１１０の他端の下方には第２固定電極１１２が半導体基板１００上に配置されている。支持部１１５は、可動電極１１０の側面の各々からｙ方向に伸びる一対のトーションビーム式のバネを有している。その一対のトーションビーム式のバネの各々が、対応する固定部１１５Ａ，１１５Ｂを介して半導体基板１００に固定されている。これにより、可動電極１１０は、ｙ軸回りに揺動可能に構成されている。

可動電極１１０の揺動中心から端部までの長さ（図１４のＬ１１０）は５０μｍであり、可動電極の厚み（図１４のＴ１１０）は０．５μｍであり、可動電極の幅（図１５のＷ１１０）は１０μｍである。可動電極１１０の長手方向において、可動電極１１０の端部と第１固定電極１１１の重複する長さ（図１４のＬ１１０－１１１）は、１０μｍである。なお、可動電極１１０の端部と第２固定電極１１２の重複する長さも、これと同じである。支持部１１５のトーションビーム式のバネの幅（図１３のＷ１１５）は２μｍであり、支持部１１５のトーションビーム式のバネの厚み（図１５のＴ１１５）は５０ｎｍであり、可動電極１１０と固定部１１５Ａの間のトーションビーム式のバネの長さ（図１５のＬ１１５）は２０μｍである。なお、可動電極１１０と固定部１１５Ｂの間のトーションビーム式のバネの長さも、これと同じである。

図１６は、物理量センサ素子１０２において、第１固定電極１１１と第２固定電極１１２の間に与えられる直流電圧を変動させたときの可動電極１１０の自励振動の周波数を計算した結果である。第１固定電極１１１と第２固定電極１１２の間に与えられる直流電圧が所定値以上（この例では、約２．３Ｖ以上）のときに可動電極１１０は自励振動をしており、その振動周波数は直流電圧の電圧値に依存している。このため、検出対象の物理量に応じて第１固定電極１１１と第２固定電極１１２の間に与えられる直流電圧が変動するように構成すれば、物理量センサ素子１０２が検出対象の物理量を検出するセンサとして機能できることが示唆された。

図１７は、物理量センサ素子１０２において、電極間ギャップＤ１を変動させたときの可動電極１１０の自励振動の周波数を計算した結果である。電極間ギャップＤ１が所定距離以下（この例では、約０．７５μｍ以下）のときに可動電極１１０が自励振動をしており、その振動周波数は電極間ギャップＤ１に依存している。このため、検出対象の物理量に応じて電極間ギャップＤ１が変動するように構成すれば、物理量センサ素子１０２が検出対象の物理量を検出するセンサとして機能できることが示唆された。

図１８は、物理量センサ素子１０２において、第１固定電極１１１と可動電極１１０の間の電極間容量を変動させたときの可動電極１１０の自励振動の周波数を計算した結果である。電極間容量が所定値以上（この例では、約４ｆＦ以上）のときに可動電極１１０が自励振動をしており、その振動周波数は電極間容量に依存している。このため、検出対象の物理量に応じて電極間容量が変動するように構成すれば、物理量センサ素子１０２が検出対象の物理量を検出するセンサとして機能できることが示唆された。

図１８に示されるように、電極間容量を変動させたときの可動電極１１０の自励振動周波数は、概ね一定である。このため、第１固定電極１１１と第２固定電極１１２の間に与えられる直流電圧及び電極間ギャップＤ１を一定とし、検出対象の物理量に応じて電極間容量が変動するように構成した場合、検出対象の物理量の入力の有無を検出できるものの、その物理量の大きさを高精度に検出することが難しい。

この場合、検出対象の物理量の大きさを検出するために、第１固定電極１１１と第２固定電極１１２の間に与えられる直流電圧を変動させて、検出対象の物理量の大きさを検出する方法を採用してもよい。

図１９に、第１固定電極１１１と第２固定電極１１２の間に与えられる直流電圧を変動させる一例を示す。この直流電圧は、一定周波数の方形波であるとともに、各方形波の大きさが増加する例である。この検出方法では、特定の直流電圧（Ｖａ、Ｖｂ，Ｖｃ）を印加したときに可動電極１１０が自励振動するときの電極間容量の最小値を予め求めておく。例えば、直流電圧（Ｖａ）を印加したときに可動電極１１０が自励振動するときの電極間容量の最小値をＣａとする。同様に、直流電圧（Ｖｂ）のときの電極間容量の最小値がＣｂであり、直流電圧（Ｖｃ）のときの電極間容量の最小値がＣｃである。このような直流電圧と電極間容量の最小値の対応表は、物理量検出回路６（図１参照）に記憶されている。また、物理量検出回路６には、電極間容量（Ｃａ、Ｃｂ、Ｃｃ）と検出対象の物理量の対応表も記憶されている。

例えば、直流電圧（Ｖａ）を印加したときに可動電極１１０は自励振動をせず、直流電圧（Ｖｂ）及び直流電圧（Ｖｃ）を印加したときに可動電極１１０が自励振動したとすると、電極間容量はＣｂであると特定できる。これにより、電極間容量Ｃｂから検出対象の物理量の大きさを推定することができる。

図２０に示すように、第１固定電極１１１と第２固定電極１１２の間に与えられる直流電圧がのこぎり波であってもよい。図１９に示す例では、検出対象の物理量の推定値は、離散的な値となる。一方、図２０に示す例では、例えばのこぎり波を印加してからの経過時間と電極間容量の対応を示す関数を予め求めておけば、可動電極１１０が自励振動を開始した時間から電極間容量を求めることができ、検出対象の物理量の推定値は連続的な値となる。

図２１に、具体的な物理量センサ素子１０４の他の一例を示す。なお、図１３～図１５に示す物理量センサ素子１０２と共通する構成要素には共通の符号を付す。この物理量センサ素子１０４は、一対の第１接触バネ１１０ａと一対の第２接触バネ１１０ｂを備えていることを特徴としている。一対の第１接触バネ１１０ａは、可動電極１１０の一方の端部に対応して設けられている。一対の第１接触バネ１１０ａの各々は、可動電極１１０の長手方向、即ち、ｘ方向に沿って伸びた板バネであり、その一端が可動電極１１０の一方の端部付近に位置するとともに自由端であり、その他端が可動電極１１０の側面に固定されている。一対の第２接触バネ１１０ｂは、可動電極１１０の他方の端部に対応して設けられている。一対の第２接触バネ１１０ｂの各々は、可動電極１１０の長手方向、即ち、ｘ方向に沿って伸びた板バネであり、その一端が可動電極１１０の他方の端部付近に位置するとともに自由端であり、その他端が可動電極１１０に固定されている。

物理量センサ素子１０４はさらに、半導体基板１００がその表面に突出部１００ａを有している。突出部１００ａは、後述するように、可動電極１１０が自励振動をして固定電極１１１，１１２に接近したときに、可動電極１１０が固定電極１１１，１１２に接触するよりも先に接触バネ１１０ａ，１１０ｂに接触する部材である。

図２２に、物理量センサ素子１０４の可動電極１１０が自励振動するときの挙動を示す。図２２は、可動電極１１０が第１固定電極１１１に接近又は接触する第１状態の挙動を示している。図２２の（Ａ）は、可動電極１１０が静止状態である。図２２（Ｂ）に示すように、可動電極１１０が第１固定電極１１１に接近すると、可動電極１１０が第１固定電極１１１に接触するよりも先に第１接触バネ１１０ａが突出部１００ａに接触する。これにより、図２２の（Ｃ）に示すように、第１接触バネ１１０ａは弾性変形する。第１接触バネ１１０ａが弾性変形することにより、可動電極１１０は第１固定電極１１１に接触することができる。図２２の（Ｄ）に示すように、第１接触バネ１１０ａの復元力により、可動電極１１０は第１固定電極１１１から離反する。このように、接触バネ１１０ａ，１１０ｂが設けられていると、可動電極１１０が固定電極１１１，１１２に付着するスティッキング現象が抑えられる。

以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。また、本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。

１：物理量センサ装置
２：物理量センサ素子
３Ａ、３Ｂ：電圧源
４：変換器
５：位置検出回路
６：物理量検出回路
１０：可動電極
１１、１２：固定電極
１５：支持部
Ｃ１：電極間容量
Ｄ１：電極間ギャップ
Ｖ１：第１直流電位
Ｖ２：第２直流電位

Claims (8)

1. 検出対象の物理量をセンサ入力に変換するように構成されている変換器と、
   第１固定電極と第２固定電極と可動電極を有する物理量センサ素子であって、前記可動電極は、前記センサ入力が入力したときに、前記第１固定電極に接近又は接触する第１状態と前記第２固定電極に接近又は接触する第２状態とを交互に繰り返すような自励振動を生じるように構成されている、物理量センサ素子と、
   前記第１固定電極と前記第２固定電極の間に電圧を与えるように構成されている電源と、
   前記可動電極の自励振動に同期した信号を検出するように構成されている検出回路と、を備えており、
   前記変換器は、
   （１）前記電源が前記第１固定電極と前記第２固定電極の間に与える前記電圧と、
   （２）前記第１固定電極と前記第２固定電極のうちの少なくとも一方と前記可動電極の間に存在する容量と、
   （３）前記可動電極が静止状態における前記第１固定電極と前記第２固定電極のうちの少なくとも一方と前記可動電極の間の距離である電極間ギャップと、
   のうちの少なくとも１つを検出対象の物理量に応じて変化させることにより前記物理量センサ素子に前記センサ入力を入力するように構成されている、物理量センサ装置。
2. 前記電源は、前記第１固定電極に第１電位を出力し、前記第２固定電極に前記第１電位とは異なる第２電位を出力するように構成されている、請求項１に記載の物理量センサ装置。
3. 前記第２電位が接地電位である、請求項２に記載の物理量センサ装置。
4. 前記物理量センサ素子は、前記第１電位が与えられる第３固定電極と前記第２電位が与えられる第４固定電極をさらに有しており、
   前記可動電極は、揺動可能に構成されており、
   前記第１固定電極と前記第３固定電極は、前記可動電極の揺動中心に対して対向する位置関係であって、前記第１状態において前記可動電極が接近又は接触するように配置されており、
   前記第２固定電極と前記第４固定電極は、前記可動電極の揺動中心に対して対向する位置関係であって、前記第２状態において前記可動電極が接近又は接触するように配置されている、請求項２又は３に記載の物理量センサ装置。
5. 前記物理量センサ素子は、前記可動電極に固定されている第１接触バネと第２接触バネのうちの少なくとも１つを有しており、
   前記第１接触バネは、前記第１状態において前記可動電極が前記第１固定電極に接近したときに前記可動電極が前記第１固定電極に接触するよりも先に他の部材に接触して弾性変形するように構成されており、
   前記第２接触バネは、前記第２状態において前記可動電極が前記第２固定電極に接近したときに前記可動電極が前記第２固定電極に接触するよりも先に他の部材に接触して弾性変形するように構成されている、請求項１～４のいずれか一項に記載の物理量センサ装置。
6. 前記電源は、前記第１固定電極と前記第２固定電極の間にゼロ電圧を間欠的に与えるように構成されている、請求項１～５のいずれか一項に記載の物理量センサ装置。
7. 前記変換器は、上記（２）を検出対象の物理量に応じて変化させることにより前記物理量センサ素子に前記センサ入力を入力するように構成されており、
   前記電源は、前記第１固定電極と前記第２固定電極の間に与える前記電圧を変動させるように構成されている、請求項１～６のいずれか一項に記載の物理量センサ装置。
8. 前記電源は、前記第１固定電極と前記第２固定電極の間にのこぎり波の前記電圧を与えるように構成されている、請求項７に記載の物理量センサ装置。

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