JPH0989927A

JPH0989927A - 多軸加速度センサ

Info

Publication number: JPH0989927A
Application number: JP7273755A
Authority: JP
Inventors: Notsutomaiyaa Kai; カイ・ノットマイヤー; Jun Mizuno; 潤水野
Original assignee: Zexel Corp
Current assignee: Bosch Corp
Priority date: 1995-09-28
Filing date: 1995-09-28
Publication date: 1997-04-04

Abstract

(57)【要約】【課題】同時に複数の軸における加速度及び角速度の
検出が可能なセンサを提供する。【解決手段】支持梁４ａの第１の軸５の両端が枠状に
形成された重り１ａの開口部２の内壁７ａ，７ｂに接合
される一方、第２の軸６の両端は、シリコン基板の上に
固設された支持突起８に、それぞれ接合されており、重
り１ａは、加速度又は角速度に起因してＸ，Ｙ，Ｚ軸方
向へ変位可能であると共に、Ｘ，Ｙ軸を中心として回動
による変位が可能となっている。そして、重り１ａの変
位は、重り１ａの外周に突出形成された電極片９と、重
り１ａの周囲に設けられた各Ｘ電極１０ａ〜１０ｆ及び
Ｙ電極１１ａ〜１１ｆ並びに重り１ａの下面と対向する
ようにシリコン基板上に設けられたＸ軸角速度電極１３
ａ，１３ｂ及びＹ軸角速度電極１４ａ，１４ｂとの間の
静電容量の変化として検出することができるようになっ
ている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、車両等の移動体に
おいて用いられる加速度センサに係り、特に、複数の軸
方向における加速度及び角速度の検出を可能とした多軸
加速度センサに関する。

【０００２】

【従来の技術】この種の加速度センサとしては、例え
ば、特開平５−２５９８７号公報や特開平４−２５２９
６１号公報等に示されたものがある。すなわち、前者に
おいては、カンチレバーの先端に重りを形成する一方、
この重りの平面部分と、この平面部分に対向する部位
に、それぞれ電極を設け、重りの変位に伴う電極間の容
量変化を捉えることで、一方向における加速度検出を可
能としたものが開示されている。

【０００３】また、後者においては、重りが取着され、
互いに直交する方向に配置された２軸を、それぞれ回動
可能に設け、それぞれの軸方向に作用する角速度による
それぞれの重り変位を、重りに取り付けた電極と、この
電極に対向するように設けられた対向電極との間の静電
容量の変化により、２軸方向における角速度を検出可能
としたものが開示されている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ところで、車両のエア
バック装置の制御等の各種制御において、より確実で精
度の高い制御を行うためには、３次元空間のＸ，Ｙ，Ｚ
各軸方向の加速度、角速度（又は角加速度）が必要とさ
れる。このため、上述した従来のセンサを用いて、所望
の軸方向での加速度や、角速度を得るには、複数のセン
サを用いなければならず、部品点数の増大を招くと共
に、取付作業の工程が増え、装置の高価格化を招く等の
問題が生ずるため、同時に複数の加速度、角速度の検出
が可能なセンサが所望されている。

【０００５】本発明は、上記実状に鑑みてなされたもの
で、同時に複数の軸における加速度及び角速度の検出を
可能とする多軸加速度センサを提供するものである。本
発明の他の目的は、いわゆるマイクロマシニング（Micr
omachining）技術による製造が可能な多軸加速度センサ
を提供することにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明に係る多軸加速度
センサは、直交する第１の軸と第２の軸とを有してなる
支持梁の前記第１の軸に重りを取り付ける一方、前記第
２の軸と前記基板との間に間隙が生ずるように前記第２
の軸を前記基板上に固設し、前記基板上において前記重
りを変位自在に保持すると共に、前記重りの外周には複
数の電極片を突設する一方、この電極片と平行する複数
の電極片を有してなる電極を前記重りの周囲において前
記基板上に固設し、前記重りの平面部分と対向する電極
を前記基板上に固設し、前記重りの電極片と前記各電極
との間の静電容量の変化により前記重りの変位を検知可
能としてなるものである。

【０００７】かかる構成においては、重りが支持される
支持梁の第１の軸と第２の軸とが直交するように設けら
れているため、第１の軸の撓みにより重りが第１の軸と
直交する方向に変位可能とされ、また、第１の軸を中心
に回動可能とされると共に、第１の軸に沿う方向におい
ては、第２の軸の撓みにより第１の軸と共に重りの変位
が可能となっている。さらに、第２の軸を中心とした重
りの回動も可能となっている。このため、多軸方向での
重りの変位を、重りの周辺に設けられた電極と重りとの
間における静電容量の変化として検出することができ、
この静電容量の変化から各軸方向における加速度、角速
度を知ることができるようになっているものである。

【０００８】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て、図１乃至図７を参照しつつ説明する。なお、以下に
説明する部材、配置等は本発明を限定するものではな
く、本発明の趣旨の範囲内で種々改変することができる
ものである。

【０００９】まず、第１の例について、図１乃至図３を
参照しつつ説明する。なお、説明の便宜上、図１におい
て、紙面左右方向をＸ軸方向、紙面上下方向をＹ軸方
向、紙面表裏方向をＺ軸方向とする。この多軸加速度セ
ンサは、ポリシリコンに異方性エッチングを施して重り
等を、シリコン基板上に形成してなるものである。すな
わち、ポリシリコンからなる重り１ａは、その平面形状
（ＸＹ平面における形状）が矩形枠状をなすもので、こ
の発明の実施の形態においては、その外縁形状が略正方
形をなすと共に、開口部２の形状も略正方形に形成され
たものとなっている（図１参照）。

【００１０】この重り１ａは、シリコン基板３ａ上に所
定間隔を隔てて位置するように、支持梁４ａにより支持
されている。支持梁４ａは、第１の軸５と第２の軸６と
が直交して十字状になるように、これら２つの軸５，６
が一体形成されてなるもので、第１の軸５の両端は、重
り１ａの開口部２の対向する内壁７ａ，７ｂの略中央に
接合される一方、第２の軸６の両端は、シリコン基板３
ａ上に垂直に設けれた柱状の支持突起８に接合されてな
るものである。すなわち、第１の軸５は、重り１ａの中
心線（図示せず）に一致するような位置に取り付けられ
ている。なお、第１の軸５及び第２の軸６の長さ、幅、
厚みを適宜に変えることにより、重り１ａの変位量を変
えることができ、いわゆるセンサ感度の調整を行うこと
ができる。

【００１１】また、重り１ａの外周面には、薄板状に形
成された電極片９が多数突出形成されており、後述する
ようにこれら電極片９の間に、Ｘ電極１０ａ〜１０ｆ及
びＹ電極１１ａ〜１１ｆの電極片１２ａが平行に対向す
るように配置されて静電容量が生ずるようになっている
ものである。この発明の実施の形態においては、重り１
ａの４つの外周面のそれぞれにおいて、電極片９が４個
単位で、等間隔を隔てて３つの集合をなすように配置さ
れている。また、１つの集合をなす４個の電極片９も等
間隔を隔てて設けられているものである。この電極片９
は、その側面形状（ＸＺ平面又はＸＹ平面における形
状）は長方形をなす一方、ＸＹ平面に現れる板厚が比較
的薄く形成された薄板状のものとなっている（図１参
照）。

【００１２】さらに、重り１ａの周囲においては、Ｘ電
極１０ａ〜１０ｆ及びＹ電極１１ａ〜１１ｆがシリコン
基板３ａ上に固設されている。すなわち、まず、重り１
ａの外周面の内、Ｙ軸方向に沿った２つの外周面の近傍
において、Ｙ軸方向に沿って、それぞれポリシリコンか
らなる第１乃至第３のＸ電極１０ａ〜１０ｃ、第４乃至
第６のＸ電極１０ｄ〜１０ｆが設けれられている。ま
た、重り１ａの外周面の内、Ｘ軸方向に沿う２つの外周
面の近傍においても同様に、Ｘ軸方向に沿って、それぞ
れ、ポリシリコンからなる第１乃至第３のＹ電極１１ａ
〜１１ｃ、第４乃至第６のＹ電極１１ｄ〜１１ｆが設け
られている。

【００１３】これら第１乃至第６のＸ電極１０ａ〜１０
ｆ及び第１乃至第６のＹ電極１１ａ〜１１ｆは、直方体
状に形成された基部１２の長手軸方向（第１乃至第６の
Ｘ電極１０ａ〜１０ｆについては、図１においてＹ軸方
向であり、第１乃至第６のＹ電極１１ａ〜１１ｆについ
ては図１においてＸ軸方向）に沿った一側面側に、３つ
の電極片１２ａが等間隔を隔てて突設されてなるもので
ある。この電極片１２ａの形状は、先の重り１ａの電極
片９と略同様なものとなっている。

【００１４】特に、３つの電極片１２ａは、重り１ａの
外周面に突出形成された電極片９の間にそれぞれ平行に
位置するようにＺ軸方向の適宜な位置に設けられている
（図１及び図２参照）。また、第１乃至第６のＸ電極１
０ａ〜１０ｆ及び第１乃至第６のＹ電極１１ａ〜１１ｆ
は、その電極片１２ａの先端が、重り１ａの外周面と適
宜な間隔を隔てるようにシリコン基板３ａ上の適宜な位
置で固設されている（図１及び図２参照）。

【００１５】したがって、第１乃至第６のＸ電極１０ａ
〜１０ｆ及び第１乃至第６のＹ電極１１ａ〜１１ｆと、
重り１ａの電極片９との間には、静電容量が生ずること
となり、後述するようなその変化を検出することにより
加速度、角速度が得られるようになっている。

【００１６】また、シリコン基板３ａ上には、上述した
重り１ａのＸ軸方向の平面部分と対向するように、ポリ
シリコンからなるＸ軸角速度電極１３ａ，１３ｂが、ま
た、重り１ａのＹ軸方向の平面部分と対向するように、
ポリシリコンからなるＹ軸角速度電極１４ａ，１４ｂ
が、それぞれ設けられており（図１参照）、重り１ａと
の間に静電容量が生じるようになっている。そして、後
述するようにして、この静電容量の変化により角速度を
知ることができるようになっている。

【００１７】次に、上記構成における動作について説明
する。まず、Ｚ軸方向（図１において紙面表裏方向）に
加速度が作用したとすると、重り１ａは、Ｚ軸方向にお
いて、加速度の方向とは逆方向に加速度の大きさに応じ
て変位することとなる。このため、重り１ａとＸ軸角速
度電極１３ａ，１３ｂとの間隔が変化し、重り１ａとＸ
軸角速度電極１３ａ，１３ｂとの間の静電容量が変化す
ることとなるので、外部の回路によりこの静電容量の変
化を検出することで、Ｚ軸方向の加速度の大きさを知る
ことができる。

【００１８】なお、重り１ａとＹ軸角速度電極１４ａ，
１４ｂとの間の間隔変化による静電容量の変化も、Ｘ軸
角速度電極１３ａ，１３ｂの場合と同一であるので、Ｙ
軸角速度電極１４ａ，１４ｂかＸ軸角速度電極１３ａ，
１３ｂのいずれかと重り１ａとの間の静電容量変化を検
出すればよいこととなる。

【００１９】ここで、加速度が、例えば図１において、
紙面表面方向から紙面裏面方向へ作用したとすると、重
り１ａは逆に紙面裏面方向から紙面表面方向へ変位する
ため、静電容量は定常状態における値に比して減少する
こととなる。一方、加速度が紙面裏面方向から紙面表面
方向へ作用したとすると、重り１ａは逆に紙面表面方向
から紙面裏面方向へ変位するため、静電容量は定常状態
における値に比して増加することとなる。したがって、
静電容量値の減少、増加を判別することにより、加速度
の方向を知ることができるようになっている。

【００２０】次に、加速度がＸ軸方向（図１において紙
面左右方向）において作用したとすると、この場合、支
持梁４ａの第１の軸５は、その軸方向に加速度が作用す
るために、殆ど撓むことはないが、第２の軸６が、全体
的に撓むこととなるために、重り１ａは、Ｘ軸方向にお
いて加速度の大きさに応じて変位することとなる。この
Ｘ軸方向における重り１ａの変位により、第１乃至第６
のＸ電極１０ａ〜１０ｆと、重り１ａの電極片９との間
の静電容量が変化することとなり、この変化を外部の回
路により検出することでＸ軸方向の加速度を知ることが
できるようになっている。

【００２１】例えば、加速度が図１において、紙面左方
向から紙面右方向へ作用したとすると、重り１ａはそれ
とは逆に紙面左方向へ加速度の大きさに応じて変位する
こととなり、第１乃至第３のＸ電極１０ａ〜１０ｃと、
重り１ａの電極片９との間の対向面積が増加することと
なるので、ここでの静電容量は増加する。一方、第４乃
至第６のＸ電極１０ｄ〜１０ｆと、重り１ａの電極片９
との対向面積は減るために、ここでの静電容量は増加す
ることとなる。したがって、この静電容量の増減の仕方
及びその値から、加速度の方向と大きさを知ることがで
きる。

【００２２】また、加速度が図１において、紙面右方向
から紙面左方向へ作用したとすると、重り１ａはそれと
は逆に紙面右方向へ加速度の大きさに応じて変位するこ
ととなり、第１乃至第３のＸ電極１０ａ〜１０ｃと、重
り１ａの電極片９との間の対向面積が減り、ここでの静
電容量は減少する一方、第４乃至第６のＸ電極１０ｄ〜
１０ｆと、重り１ａの電極片９との対向面積は増えて、
ここでの静電容量は増加することとなる。したがって、
この静電容量の増減の仕方及びその値とから加速度の方
向が上述した場合とは反対方向であることと、その大き
さを知ることができる。

【００２３】次に、Ｙ軸方向における加速度の作用につ
いて説明する。この場合、加速度の方向が上述したＸ軸
の場合と９０度異なることに伴い、重り１ａの変位方向
も９０度異なるだけで、基本的にはＸ軸方向に加速度が
作用した場合と同様であるので、結果についてのみ述べ
ることとする。まず、加速度が図１において、紙面下方
向から紙面上方向へ作用した場合、第１乃至第３のＹ電
極１１ａ〜１１ｃと、重り１ａの電極片９との静電容量
は増加する一方、第４乃至第６のＹ電極１１ｄ〜１１ｆ
と、重り１ａの電極片９との静電容量は減少することと
なる。

【００２４】また、加速度が図１において、紙面上方向
から紙面下方向へ作用した場合には、第１乃至第３のＹ
電極１１ａ〜１１ｃと、重り１ａの電極片９との静電容
量は減少する一方、第４乃至第６のＹ電極１１ｄ〜１１
ｆと、重り１ａの電極片９との静電容量は増加すること
となり、これらのことからＸ軸方向において加速度が作
用した場合と同様にして、加速度の方向と大きさを知る
ことができる。

【００２５】次に、角速度の検出について説明する。ま
ず、Ｘ軸周りの角速度ωxが作用した場合、重り１ａ
は、支持梁４ａの第１の軸５を中心として角速度の方向
とは逆方向へ回動変位し、Ｙ軸と重り１ａとの間には、
図３（ａ）に示された模式図のように傾斜角αxが生ず
ることとなる。なお、図３においてＸ軸は、紙面表裏方
向となる。このため、重り１ａの電極片９と、Ｘ軸角速
度電極１３ａ，１３ｂ及びＹ軸角速度電極１４ａ，１４
ｂとの間隔の変化に伴い、その静電容量が変化すること
となる。

【００２６】例えば、角速度ωxが図１において示され
た実線矢印方向に作用した場合、一方のＸ軸角速度電極
１３ａと対向する重り１ａの部位は、Ｘ軸角速度電極１
３ａ側へ変位する一方、他方のＸ軸角速度電極１３ｂと
対向する重り１ａの部位は、Ｘ軸角速度電極１３ｂから
より離れるように変位することとなる。したがって、一
方のＸ軸角速度電極１３ａと重り１ａとの間の静電容量
は増加する一方、他方のＸ軸角速度電極１３ｂと重り１
ａとの静電容量は減少することとなるので、これにより
角速度ωxの方向と大きさを知ることができる。

【００２７】また、角速度ωxが図１において示された
実線矢印方向とは逆方向に作用した場合は、上述とは逆
に、一方のＸ軸角速度電極１３ａと重り１ａとの静電容
量は減少する一方、他方のＸ軸角速度電極１３ｂと重り
１ａとの静電容量は増加することとなり、このため角速
度ωxの方向と大きさを知ることができる。

【００２８】次に、Ｙ軸周りの角速度ωyが作用した場
合について説明する。重り１ａは、図３（ｂ）に模式的
に示されたように、支持梁４ａの第２の軸６を中心にし
て回動変位し、Ｘ軸との間に傾斜角αyが生ずることと
なる。この重り１ａの変位の仕方は、上述したＸ軸周り
の角速度ωxが作用した場合と中心となる軸が異なるだ
けで、他は基本的には同様であるので、詳細な説明は省
略し、静電容量の変化についてのみ説明することとす
る。なお、図３（ｂ）において、Ｙ軸は紙面表裏方向と
なる。

【００２９】まず、支持梁４ａの第２の軸６を中心にし
て、図１において実線矢印で示された方向にＹ軸周りの
角速度ωyが作用した場合、一方のＹ軸角速度電極１４
ａと重り１ａとの間の静電容量は増加する一方、他方の
Ｙ軸角速度電極１４ｂと重り１ａとの間の静電容量は減
少することとなる。

【００３０】また、第２の軸６を中心にして、図１にお
いて実線矢印で示された方向と逆方向の角速度ωyが作
用した場合、上述とは逆に、一方のＹ軸角速度電極１４
ａと重り１ａとの間の静電容量は減少する一方、他方の
Ｙ軸角速度電極１４ｂと重り１ａとの静電容量は増加す
ることとなる。

【００３１】したがって、Ｙ軸角速度電極１４ａ，１４
ｂと重り１ａとの間の静電容量の増減と、その大きさと
から、角速度ωxの検出と同様にして角速度ωyの方向と
大きさとを知ることができるものである。

【００３２】上述した加速度、角速度の検出は、いずれ
かの軸方向に単独で生じた加速度又は角速度の検出に関
してであったが、複数の軸における加速度、角速度が同
時に加わる場合には、各軸方向における加速度成分又は
角速度成分に対しては、上述のような静電容量の変化が
検出されるので、例えば、予め各軸方向における加速度
が単位加速度となるような合成加速度が作用した場合の
各静電容量の変化を解析しておくことで、その解析結果
を基に複合の加速度が同時に作用した場合についても、
各軸方向の加速度の検出を行うことができる。これは、
角速度についても同様である。

【００３３】上述した第１の例においては、重り１ａと
各電極との間の静電容量の変化を、そのまま外部の回路
で検出するようにした、いわばパッシブセンシングとい
うべき検出方法を用いたが、これに代えて、いわゆるサ
ーボ検出方式を採るようにしてもよい。

【００３４】すなわち、第２及び第４のＸ電極１０ｂ，
１０ｅと、第２及び第４のＹ電極１１ｂ，１１ｅを、そ
れぞれ駆動電極とし、上述したようにして重り１ａの変
位に応じて他のＸ電極（又はＹ電極）により検出された
静電容量の変化に応じて、外部回路により第２及び第４
のＸ電極１０ｂ，１０ｅ又は第２及び第４のＹ軸電極１
１ｂ，１１ｅにいわゆるサーボ電圧が印加されるように
いわゆるフィードバックループ（サーボ回路）を構成し
て、重り１ａが中立位置に保持されるようにする。そし
て、加速度又は角速度は、サーボ電圧の大きさとして得
ることができる。

【００３５】次に、第２の例について図４乃至図７を参
照しつつ説明する。なお、説明の便宜上、図４において
は、紙面左右方向をＸ軸方向、紙面上下方向をＹ軸方向
とし、図５においては、紙面左右方向をＸ軸方向、紙面
上下方向をＺ軸方向とする。上述した第１の例は、支持
梁４ａの周囲に重り１ａを配した構成のものであるのに
対して、この第２の例は、重りを加速度センサの中心に
配して、その周辺に設けられた支持梁により、重りがシ
リコン基板との間に所定の間隔を隔てて保持されるよう
に構成されてなるものである。

【００３６】以下、図４及び図５を参照しつつ具体的構
成について説明する。ポリシリコンからなる重り１ｂ
は、その平面形状（ＸＹ平面における形状）が略正方形
に形成されており、外周面には、複数の電極片１５が所
定の間隔を隔てて突出形成されてなるものである（図４
及び図５参照）。

【００３７】電極片１５は、そのＸＺ平面又はＹＺ平面
に沿う側面形状が、長方形状をなす一方、ＸＹ平面に現
れる板厚が比較的薄く形成されたもので、その基本的形
状は、図１及び図２で説明された第１の例における電極
片９と同様のものである。

【００３８】重り１ｂのＹ軸方向に沿う２つの辺の略中
央部分には、支持梁４ｂを構成する第１の軸１６ａ，１
６ｂの一端がそれぞれ接合されており、重り１ｂが支持
梁４ｂによってシリコン基板３ｂに対して所定の間隔を
隔てて平行に対向するように支持されるようになってい
る。すなわち、この支持梁４ｂは、一方の第１の軸１６
ａと他方の第１の軸１６ｂがＸ軸方向に配置されるよう
にして、その一方の端部が、それぞれ重り１ｂのＹ軸方
向に沿う辺の略中央部分に接合される一方、それぞれの
他方の他端には、Ｙ軸方向に延びる第２の軸１７ａ，１
７ｂの略中央部が、それぞれ接合されてなるものであ
る。

【００３９】そして、第２の軸１７ａ，１７ｂのそれぞ
れの両端は、シリコン基板３ｂ上に設けられた柱状の支
持突起１８に、それぞれ接合されており（図４参照）、
第１の軸１６ａ，１６ｂ及び第２の軸１７ａ，１７ｂが
とシリコン基板３ｂとの間に所定の間隙が生ずるように
なっている（図５参照）。このため、重り１ｂは、Ｘ、
Ｙ、Ｚの各軸方向への変位及びＸ軸周りの回動が容易と
なっており、後述するようにして各軸方向の加速度及び
Ｘ軸周りの角速度の検出を可能としている。なお、第１
の軸１６ａ，１６ｂ及び第２の軸１７ａ，１７ｂの長
さ、幅、厚みを適宜に変えることにより、重り１ｂの変
位量を変えることができ、いわゆるセンサ感度の調整を
行うこと可能である。

【００４０】シリコン基板３ｂの上には、ポリシリコン
からなる重り１ｂを囲むように第１乃至第４のＸ電極１
９ａ〜１９ｄ及び第１乃至第４のＹ電極２０ａ〜２０ｄ
が基本的には図１及び図２で示された第１の例と同様に
設けられている。すなわち、第１乃至第４のＸ電極１９
ａ〜１９ｄ並びに第１乃至第４のＹ電極２０ａ〜２０ｄ
は、それぞれ、直方体状に形成された基部２１の長手軸
方向（第１乃至第４のＸ電極１９ａ〜１９ｄについて
は、図４においてＹ軸方向であり、第１乃至第４のＹ電
極２０ａ〜２０ｄについては図４においてＸ軸方向）に
沿った一側面側に、３つの電極片２１ａが等間隔を隔て
て突設されてなるものである。なお、電極片２１ａの形
状は、基本的には重り１ｂに設けられた電極片１５と同
一となっている。

【００４１】そして、各Ｘ電極１９ａ〜１９ｄ及びＹ電
極２０ａ〜２０ｄの３つの電極片２１ａは、重り１ｂの
外周面に突出形成された電極片１５の間にそれぞれ平行
に位置するようにＺ軸方向の適宜な位置に設けられてい
る（図４及び図５参照）。また、第１乃至第４のＸ電極
１９ａ〜１９ｄ及び第１乃至第４のＹ電極２０ａ〜２０
ｄは、その電極片２１ａの先端が、重り１ｂの外周面と
適宜な間隔を隔てるようにシリコン基板３ｂ上の適宜な
位置で固設されている（図４及び図５参照）。したがっ
て、第１乃至第４のＸ電極１９ａ〜１９ｄ及び第１乃至
第４のＹ電極２０ａ〜２０ｄと重り１ｂの電極片１５と
の間には、それぞれ静電容量が生ずるようになってい
る。

【００４２】さらに、シリコン基板３ｂ上には、重り１
ｂの平面部分と対向する部位に、ポリシリコンからなる
Ｘ軸角速度電極２２ａ，２２ｂがＹ軸方向に適宜な間隔
を隔てて設けられており、重り１ｂとの間に静電容量が
生ずるようになっている。

【００４３】次に、上記構成における多軸加速度の製造
プロセスの概略について、図６乃び図７を参照しつつ説
明する。この多軸加速度センサは、いわゆるマイクロマ
シニング（Micromachinig）技術を用いて次述するよう
な工程を基本として製造されるものである。まず、シリ
コン基板３ｂ上に、表面保護膜としての第１の窒化膜
（Ｓi₃Ｎ₄）３０を形成し、さらにポリシリコンからな
る第１のポリシリコン層３１を所定の範囲に積層形成す
る（図６（ａ）参照）。ここで、第１のポリシリコン層
３１は、後にＸ軸角速度電極２２ａ，２２ｂとなるもの
である。

【００４４】次いで、第１のポリシコン層３１を包み込
むようにＳiＯ₂による保護層３２ａを形成すると共に、
後の工程において設けられる支持梁４ｂとシリコン基板
３ｂとの間となる部位にも同様な保護層３２ｂを形成す
る（図６（ｂ）参照）。

【００４５】続いて、ポリシリコンからなる第２のポリ
シリコン層３３を、表面全体に積層形成する（図７
（ａ）参照）。ここで、第２のポリシコン層３３は、後
に重り１ｂ、Ｘ電極１９ａ〜１９ｄ、Ｙ電極２０ａ〜２
０ｄ等となるものである。そして、第２のポリシリコン
層３３に異方性エッチングを施して、重り１ｂ、Ｘ電極
１９ａ〜１９ｄ、Ｙ電極２０ａ〜２０ｄ等となる部分を
形成し、さらに、保護層３２ａ，３２ｂの部分を除去し
て一連の製造プロセスが終了することとなる。なお、図
１及び図２に示された第１の例における多軸加速度セン
サの製造プロセスは説明を省略したが、基本的にはこの
第２の例の製造プロセスと同様にして製造することがで
きるものである。

【００４６】次に、上記構成における動作について説明
する。まず、Ｚ軸方向（図４において紙面表裏方向）に
加速度が作用したとすると、重り１ｂは、Ｚ軸方向にお
いて、加速度の方向とは逆方向に加速度の大きさに応じ
て変位することとなる。

【００４７】例えば、重り１ｂが紙面裏面から表面方向
へ変位した場合、重り１ｂとＸ軸角速度電極２２ａ，２
２ｂとの間隔が大きくなるため、その静電容量は減少す
ることとなる。一方、重り１ｂが紙面表面から裏面方向
へ変位した場合、重り１ｂとＸ軸角速度電極２２ａ，２
２ｂと間隔が小さくなるため、その静電容量は増加する
こととなる。したがって、この静電容量の変化とその大
きさを外部の回路で検出することにより、Ｚ軸方向にお
ける加速度の方向及び大きさを知ることができる。

【００４８】次に、加速度がＸ軸方向において作用した
場合、支持梁４ｂの第２の軸１７ａ，１７ｂがその加速
度の方向と逆方向に撓み、重り１ｂも加速度の方向と逆
方向に変位することとなる。例えば、重り１ｂが図４に
おいて紙面右方向に変位した場合、第１及び第２のＸ電
極１９ａ，１９ｂと重り１ｂとの間の静電容量は減少す
る一方、第３及び第４のＸ電極１９ｃ，１９ｄと重り１
ｂとの間の静電容量は増加することとなる。また、重り
１ｂが図４において紙面左方向に変位した場合、第１及
び第２のＸ電極１９ａ，１９ｂと重り１ｂとの間の静電
容量は増加する一方、第３及び第４のＸ電極１９ｃ，１
９ｄと重り１ｂとの間の静電容量は減少することとな
る。したがって、これらの静電容量の変化とその大きさ
からＸ軸方向における加速度の方向及び大きさを知るこ
とができる。

【００４９】次に、加速度がＹ軸方向において作用した
場合、支持梁４ｂの第１の軸１６ａ，１６ｂがその加速
度の方向と逆方向に撓み、重り１ｂも加速度の方向と逆
方向に変位することとなる。例えば、重り１ｂが図４に
おいて紙面上方向に変位した場合、第１及び第２のＹ電
極２０ａ，２０ｂと重り１ｂとの間の静電容量は減少す
る一方、第３及び第４のＹ電極２０ｃ，２０ｄと重り１
ｂとの間の静電容量は増加することとなる。

【００５０】また、重り１ｂが図４において紙面下方向
に変位した場合、第１及び第２のＹ電極２０ａ，２０ｂ
と重り１ｂとの間の静電容量は減少する一方、第３及び
第４のＹ電極２０ｃ，２０ｄと重り１ｂとの間の静電容
量は増加することとなる。したがって、これらの静電容
量の変化とその大きさからＹ軸方向における加速度の方
向及び大きさを知ることができる。

【００５１】次に、Ｘ軸周りの角速度が作用した場合、
重り１ｂは、第１の軸１６ａ，１６ｂを中心にして角加
速度の作用した方向とは反対方向に回動により変位する
こととなる。例えば、第１の軸１６ａ，１６ｂを中心と
して、Ｘ軸角速度電極２２ａと対向する重り１ｂの部位
が紙面裏面から表面方向へ、Ｘ軸角速度電極２２ｂと対
向する重り１ｂの部位が紙面表面から裏面方向へ、それ
ぞれ変位するような角速度が作用した場合、Ｘ軸角速度
電極２２ａと重り１ｂとの間の静電容量は減少する一
方、Ｘ軸角速度電極２２ｂと重り１ｂとの間の静電容量
は増加することとなる。

【００５２】また、第１の軸１６ａ，１６ｂを中心とし
て、Ｘ軸角速度電極２２ａと対向する重り１ｂの部位が
紙面表面から裏面方向へ、Ｘ軸角速度電極２２ｂと対向
する重り１ｂの部位が紙面裏面から表面方向へ、それぞ
れ変位するような角速度が作用した場合、Ｘ軸角速度電
極２２ａと重り１ｂとの間の静電容量は増加する一方、
Ｘ軸角速度電極２２ｂと重り１ｂとの間の静電容量は減
少することとなる。したがって、これらの静電容量の変
化とその大きさからＸ軸周りの角速度の方向及び大きさ
を知ることができる。

【００５３】上述した加速度、角速度の検出は、いずれ
かの軸方向に単独で生じた加速度又は角速度の検出に関
してであった、複数の軸における加速度、角速度が同時
に加わる場合には、各軸方向における加速度成分又は角
速度成分に対しては、上述のような静電容量の変化が検
出されるので、例えば、予め各軸方向における加速度が
単位加速度となるような合成加速度が作用した場合の各
静電容量の変化を解析しておくことで、その解析結果を
基に複合加速度が作用した場合についても、各軸方向の
加速度の検出を行うことができる。これは、角速度につ
いても同様である。

【００５４】また、検出方法についても、第１の例で説
明したと同様に、いわゆるパッシブセンシングの他に、
サーボ検出を行うようにしてもよい。なお、サーボ検出
を用いる場合には、例えば、第２及び第４のＸ電極１９
ｂ，１９ｄと、第２及び第４のＹ電極２０ｂ，２０ｄ
を、それぞれいわゆる駆動電極としてサーボ電圧を印加
するようにし、重り１ｂを中立位置に保持するようにす
ればよい。

【００５５】

【発明の効果】以上、述べたように、本発明によれば、
重りを３次元空間の各軸方向に変位可能に設け、この変
位を静電容量の変化として検出できるように構成するこ
とにより、複数の軸における加速度、角速度を同時に検
出することができ、そのため、複数の軸における加速
度、角速度の情報が必要な場合に、従来と異なり複数の
加速度センサを設ける必要がなくなり、このようなセン
サを用いる装置の低価格化に寄与することとなるもので
ある。また、シリコン基板上に半導体部材を用いて製造
できるものであるので、いわゆるマイクロマシニング技
術を用いた製造が可能であり、小型化が容易である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態における第１の例における
多軸加速度センサの平面図である。

【図２】図１のＡＡ線断面の端面図である。

【図３】第１の例における重りへの角速度の作用に対す
る変位を様子を模式的に示す図であり、（ａ）はＸ軸を
中心とした重りの変位を示す模式図、（ｂ）はＹ軸を中
心とした重りの変位を示す模式図である。

【図４】本発明の第２の例における多軸加速度センサの
平面図である。

【図５】図４のＢＢ線断面の端面図である。

【図６】第２の例における多軸加速度センサの製造プロ
セスを模式的に表した模式図である。

【図７】第２の例における多軸加速度センサの製造プロ
セスを模式的に表した模式図である。

【符号の説明】

１ａ…重り（第１の例）１ｂ…重り（第２の例）２…開口部４ａ…支持梁（第１の例）４ｂ…支持梁（第２の例）５…第１の軸（第１の例）６…第２の軸（第１の例）９…電極片（第１の例）１０ａ〜１０ｆ…第１乃至第６のＸ電極（第１の例）１１ａ〜１１ｆ…第１乃至第６のＹ電極（第１の例）１２ａ…電極片（第１の例）１３ａ，１３ｂ…Ｘ軸角速度電極１４ａ，１４ｂ…Ｙ軸角速度電極１５…電極片（第２の例）１６ａ，１６ｂ…第１の軸（第２の例）１７ａ，１７ｂ…第２の軸（第２の例）１９ａ〜１９ｄ…第１乃至第４のＸ電極（第２の例）２０ａ〜２０ｄ…第１乃至第４のＹ電極（第２の例）２１ａ…電極片（第２の例）２２ａ，２２ｂ…Ｘ軸角速度電極

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】直交する第１の軸と第２の軸とを有して
なる支持梁の前記第１の軸に重りを取り付ける一方、前
記第２の軸と前記基板との間に間隙が生ずるように前記
第２の軸を前記基板上に固設し、前記基板上において前
記重りを変位自在に保持すると共に、前記重りの外周には複数の電極片を突設する一方、この
電極片と平行する複数の電極片を有してなる電極を前記
重りの周囲において前記基板上に固設し、前記重りの平
面部分と対向する電極を前記基板上に固設し、前記重り
の電極片と前記各電極との間の静電容量の変化により前
記重りの変位を検知可能としてなることを特徴とする多
軸加速度センサ。
【請求項２】第１の軸と第２の軸は、各々の長手軸方
向の中央部で直交するように一体形成されてなるもの
で、第１の軸の両端は、枠状に形成されてなる重りの開
口部の内壁に接合されてなることを特徴とする請求項１
記載の多軸加速度センサ。
【請求項３】第１の軸は、板状に形成された重りの中
心線に一致するようにして、かつ、重りの側部から突出
するように前記重りに接合されると共に、前記第１の軸
の両端には、それぞれ第１の軸に対して直交する方向に
位置するように第２の軸が接合されてなることを特徴と
する請求項１記載の多軸加速度センサ。