JPWO2013105591A1 - 物理量センサ - Google Patents

Abstract

【課題】 特に高感度で検出安定性に優れた物理量センサを提供することを目的としている。【解決手段】 シリコン基板には、アンカ部６，７、可動部２、及びアンカ部と可動部とにばね部を介して回動自在に連結された支持部３，４，１３，１４が夫々分離して形成されている。可動部２の前後方向の両側に一対の第１のアンカ部が配置され、一対の第１のアンカ部に夫々、左右方向に延出する第１の支持部が回動自在に連結される。第１のアンカ部に対して第２のアンカ部が左右方向に配置され、一対の第２のアンカ部に夫々、前記左右方向に延出する第２の支持部が回動自在に連結される。第１の支持部には左方に向けて第１の脚部が形成され、第２の支持部には右方に向けて第２の脚部が設けられる。【選択図】図１

Description

本発明は、シリコン基板から切り出すなどして形成された可動部の高さ方向への変位量を検知し、これにより、外部から作用する加速度などの物理量の測定を可能とした物理量センサに関する。

例えば、物理量センサは、シリコン基板をエッチング処理して、高さ方向に変位可能に支持された可動部と、可動部の変位を検知するためのＺ方向検知部とを備える。

本出願人は、この種の物理量センサを過去において出願している（特許文献１〜３）。例えば特許文献１には可動部が高さ方向に変位すると、可動部の変位方向とは逆方向に脚部が突出する構成が開示されている。脚部は、前記可動部の高さ方向への変位量を規制する。

国際公開第２０１０／１４０４６８号のパンフレット 国際公開第２０１０／１４０５７４号のパンフレット 国際公開第２０１０／００１９４７号のパンフレット

本発明者らは、従来の構成よりも検出感度を高めることができるとともに検出安定性を向上させるべく鋭意研究を重ねた。

したがって本発明は、上記知見から得られたものであり、特に高感度で検出安定性に優れた物理量センサを提供することを目的としている。

本発明は、高さ方向に変位可能な可動部と、前記可動部の変位を検知するためのＺ方向検知部とを有して構成される物理量センサにおいて、
シリコン基板には、固定支持されるアンカ部、前記可動部、及び前記アンカ部と前記可動部とにばね部を介して回動自在に連結された支持部が夫々分離して形成されており、
前記シリコン基板の中央領域に前記可動部が配置され、前記可動部のＹ１−Ｙ２方向の両側に一対の第１のアンカ部が配置され、前記一対の第１のアンカ部に夫々、前記Ｙ１−Ｙ２方向に対して直交するＸ１−Ｘ２方向に延出する第１の支持部が回動自在に連結され、
前記一対の第１のアンカ部に対して前記Ｘ１−Ｘ２方向に並設された一対の第２のアンカ部が配置され、前記一対の第２のアンカ部に夫々、前記Ｘ１−Ｘ２方向に延出する第２の支持部が回動自在に連結されるとともに前記第１の支持部と並設されており、
各支持部には、前記支持部が回動して前記可動部が高さ方向に変位したときに前記可動部の変位方向に対し逆方向に変位する脚部が設けられており、
一対の前記第１の支持部に夫々設けられた第１の脚部は、前記第１のアンカ部からＸ１方向に向けて形成されており、一対の前記第２の支持部に夫々設けられた第２の脚部は、前記第２のアンカ部からＸ２方向に向けて形成されていることを特徴とするものである。

本発明によれば、高さ方向への検出モードと、前記検出モード以外のモードとの固有振動数の差を大きくできる。また可動部が高さ方向に変位したときに、可動部の変位方向とは逆方向に変位して突出する脚部を設けており、脚部により可動部の変位を抑制できる。そして脚部が対向面に接触した状態では、脚部により可動部の四隅付近が支えられる形態となる。またシリコン基板の中央領域に可動部を形成し、可動部の側方に支持部を設けることで、可動部の面積を広くすることができる。これにより高感度で且つ検出安定性を得ることが可能となる。

本発明では、前記第１のアンカ部と前記第２のアンカ部との間には、前記第１の支持部と前記第２の支持部との間を連結する連結ばねが設けられていることが好ましい。これにより可動部を高さ方向により安定して平行移動させることができ、検出安定性をより効果的に向上させることができる。

また本発明では、前記一対の第１の支持部は、前記可動部のＸ２側にて連結されて一体化しており、前記一対の前記第２の支持部は、前記可動部のＸ１側にて連結されて一体化していることが好ましい。これにより、一対の第１の支持部及び一対の前記第２の支持部を夫々、安定して回動させることができ、可動部を高さ方向により安定して平行移動させることができる。

また本発明では、前記可動部のＹ１側では、前記第１の支持部が前記第２の支持部よりも外側に位置しており、前記可動部のＹ２側では、前記第２の支持部が前記第１の支持部よりも外側に位置していることが好ましい。

また本発明では、前記可動部内には、前記可動部のＸ１−Ｘ２方向への変位を検知するためのＸ方向検知部が形成されることが好ましい。これにより、可動部の高さ方向（Ｚ）への検知とＸ方向への検知の双方を行うことができる。また、可動部の高さ方向への振動性能を損なうことがなく、安定した検出精度を得ることが可能となる。また小型化を実現できる。

また本発明では、前記Ｘ方向検知部は、前記可動部と一体に形成されたＸ検知可動電極と、前記可動部と分離して形成されたＸ検知固定電極とを有し、前記Ｘ検知可動電極と前記Ｘ検知固定電極とが前記シリコン基板を加工して形成されたものであり、前記Ｘ検知可動電極及び前記Ｘ検知固定電極には夫々、Ｙ１−Ｙ２方向にて間隔を空けて対向する複数の電極子がＸ１−Ｘ２方向に列を成して構成されていることが好ましい。本発明では、Ｘ検知可動電極の端部からＺ方向検知部の固定電極方向に向けて平面方向に広がる電界を発生させることができる。このためＺ方向検知部にて発生する静電容量を、可動部内にＸ方向検知部を形成しない形態と、可動部内にＸ方向検知部を形成した形態とで大差なく制御でき、良好な高さ方向への検出感度を得ることができる。また本発明でのＸ方向検知部は面積変化方式であり、これによりＸ方向の変位に対する静電容量の変化の出力を良好な線形性を有した状態で得られるため、高い検出精度を得ることができ、さらに、Ｘ方向への有効検出範囲（ダイナミックレンジ）を広くできる。

本発明の構成によれば、高さ方向への検出モードと、前記検出モード以外のモードとの固有振動数の差を大きくできる。また可動部が高さ方向に変位したときに、可動部の変位方向とは逆方向に変位して突出する脚部を設けており、脚部により可動部の変位を抑制できる。そして脚部が対向面に接触した状態では、脚部により可動部の四隅付近が支えられる形態となる。またシリコン基板の中央領域に可動部を形成し、可動部の側方に支持部を設けることで、可動部の面積を広くすることができる。これにより高感度で且つ検出安定性を得ることが可能となる。

図１は、本発明の第１の実施形態における物理量センサの平面図である。 図２は、本発明の第２の実施形態における物理量センサの平面図である。 図３は、本実施形態の物理量センサが静止している状態を示す斜視図である。 図４は、本実施形態の物理量センサが動作している状態を示す斜視図である。 図５は、本実施形態の物理量センサが図４とは逆向きに動作している状態を示す。 図６は、第１アンカ部及び第２アンカ部を拡大して示した部分拡大平面図である。 図７は、支持部と可動部との連結部分を拡大して示した部分拡大平面図である。 図８は、本実施形態における物理量センサの正面図である。 図９は、本実施形態におけるＸ方向検知部の部分拡大平面図である。 図１０は、Ｘ方向検知部を構成する一つの電極子とＺ方向検知部の固定電極との間で生じた電界を示す部分拡大縦断面図である。 図１１は、比較例の形態における物理量センサの平面図である。 図１２は、比較例の物理量センサが静止している状態を示す斜視図である。 図１３は、比較例の物理量センサが動作している状態を示す斜視図である。 図１４は、第１の実施形態と比較例における複数の異なるモード時の固有振動数を示すグラフである。 図１５は、第２の実施形態と比較例における複数の異なるモード時の固有振動数を示すグラフである。 図１６は、第１の実施形態と第２の実施形態のＺ方向検知部における、可動部（Ｚ方向可動電極）とＺ方向固定電極間のギャップと静電容量との関係を示すグラフである。

各図に示す物理量センサに関しては、Ｘ方向が左右方向であり、Ｘ１方向が左方向でＸ２方向が右方向、Ｙ方向が前後方向であり、Ｙ１方向が後方でＸ２方向が前方である。また、Ｙ方向とＸ方向の双方に直交する方向が上下方向（Ｚ方向；高さ方向）である。

図１，図２に示す物理量センサ１，１９は、長方形の平板状のシリコン基板８から形成されている。すなわち、シリコン基板８に、各部材の形状に対応する平面形状のレジスト層を形成し、レジスト層が存在していない部分で、シリコン基板をディープＲＩＥ（ディープ・リアクティブ・イオン・エッチング）などのエッチング工程で切断することで、各部材を分離している。したがって、物理量センサ１を構成する各部材は、シリコン基板の表面と裏面の厚みの範囲内で構成されている。

物理量センサ１は微小であり、例えば長方形の長辺１ａ，１ｂの長さ寸法は１ｍｍ以下であり、例えば短辺１ｃ，１ｄの長さ寸法は０．８ｍｍ以下である。さらに、厚み寸法は０．１ｍｍ以下である。

図１に示すように、物理量センサ１は、シリコン基板８の中央領域に形成された部分が可動部２である。

図１に示すように可動部２の前後方向（Ｙ１−Ｙ２）の両側に第１のアンカ部６，６が配置されている。一対の第１のアンカ部６，６は前後方向で対向している（前後方向の線上に一致している）。また各第１のアンカ部６，６の左側（Ｘ１）には夫々、第２のアンカ部７，７が配置されている。一対の第２のアンカ部７，７は前後方向で対向している（前後方向の線上に一致している）。

図１に示すように、一対の第１のアンカ部６，６には夫々、左右方向（Ｘ１−Ｘ２）に延出する第１の支持部３，４が第１のばね部１１，１１を介して回動自在に連結されている。ここで「左右方向に延出する」とは支持部３，４の基本的な延出方向を指し、第１の支持部３のように前後方向等に折り曲がる部分があってもよい。第１のアンカ部６，６には第１のばね部１１の形成領域に切欠部が形成され、その切欠部内に前後方向（Ｙ１−Ｙ２）に直線状に延びる第１のばね部１１が、第１のアンカ部６，６と第１の支持部３，４との間を連結している。第１のばね部１１は、第１のアンカ部６，６及び第１の支持部３，４と一体で形成される。第１のばね部１１は、第１の支持部３，４に比べて十分に狭い幅寸法で形成され、弾性変形可能な部分となっている。一方、第１の支持部３，４の剛性は高くなっている。

図１に示すように第１の支持部３，４の第１のアンカ部６よりも左方（Ｘ１）に第１の脚部３ａ，４ａが設けられている。第１の脚部３ａ，４ａは可動部２の高さ方向への変位を抑制する機能を備える。

図１に示すように、前方（Ｙ２）に位置する第１の支持部３は、第１のアンカ部６と可動部２との間を通るように折れ曲がりながら左右方向に延びて形成されている。また後方（Ｙ１）に位置する第１の支持部４は、第１のアンカ部６の外側を通って左右方向に直線状（帯状）に形成される。

図１に示すように一対の第１の支持部３，４は、可動部２の前方及び後方の各側方にて延在し、さらに可動部２の右側方（Ｘ２）にて前後方向（Ｙ１−Ｙ２）に延びる第１の連結部５に連結されて一体化している。

また図１に示すように一対の支持部３，４は夫々、可動部２と第２のばね部９，９を介して連結されている。第２のばね部９，９は、可動部２の前方側面の右側、及び後方側面の右側に夫々設けられている。

図７の部分拡大平面図で示すように、第２のばね部９は、可動部２に設けられた前後方向に細長い溝１０内に配置され、可動部２と第１の支持部３との間を連結している。第２のばね部９は、溝１０内で前後方向（Ｙ１−Ｙ２）に直線状に長く形成され、また折り返されて、可動部２と第１の支持部３との間を連結している。第２のばね部９は、第１の支持部３に比べて幅寸法が十分小さく、第２のばね部９は、弾性変形可能とされている。第２のばね部９は、可動部２及び第１の支持部３と一体に形成される。

このように第１の支持部３，４は、可動部２と第１のアンカ部６とにばね部９，１１を介して連結されている。ばね部９，１１は捩れ変形可能とされており、これにより第１の支持部３，３を高さ方向に回動させることが可能となっている。

また、図１に示すように、一対の第２のアンカ部７，７には夫々、左右方向（Ｘ１−Ｘ２）に延びる第２の支持部１３，１４が第３のばね部１５，１５を介して回動自在に連結されている。第２のアンカ部７，７には第３のばね部１５の形成領域に切欠部が形成され、その切欠部内に前後方向（Ｙ１−Ｙ２）に直線状に延びる第３のばね部１５が、第２のアンカ部７と第２の支持部１３，１４との間を連結している。第３のばね部１５は、第２のアンカ部７と第２の支持部１３，１４と一体で形成される。第３のばね部１５は、第２の支持部１３，１４に比べて十分に狭い幅寸法で形成され、弾性変形可能な部分となっている。一方、第２の支持部１３，１４の剛性は高くなっている。

図１に示すように第２の支持部１３，１４には第２のアンカ部７，７よりも右方（Ｘ２）に第２の脚部１３ａ，１４ａが設けられている。第２の脚部１３ａ，１４ａは可動部２の高さ方向への変位を抑制する機能を備える。

図１に示すように、可動部２の前方（Ｙ２）に位置する第２の支持部１３は、第２のアンカ部７の外側を通って左右方向（Ｘ１−Ｘ２）に直線状（帯状）に延出している。

また、可動部２の後方（Ｙ１）に位置する第２の支持部１４は、第２のアンカ部７と可動部２との間を通るように折れ曲がりながら左右方向に延びて形成されている。

可動部２の前方（Ｙ２）及び後方（Ｙ１）の夫々に形成された第１の支持部３，４と第２の支持部１３，１４は、第１のアンカ部６及び第２のアンカ部７が介在する領域を除き、微小隙間を介して相対向した状態で左右方向に延びている。

可動部２の前方（Ｙ２）に配置された第１の支持部３及び第２の支持部１３と、可動部２の後方（Ｙ１）に配置された第１の支持部４及び第２の支持部１４とは互いに、可動部２（シリコン基板８）の中心Ｏを中心軸として１８０度回転させた形態と同じとなっている。このため図１に示すように、第１の支持部３は、第２の支持部１４と可動部２（シリコン基板８）の中心Ｏを中心軸として１８０度回転させた形態と同じとなっており、また、第１の支持部４は、第２の支持部１３と可動部２（シリコン基板８）の中心Ｏを中心軸として１８０度回転させた形態と同じとなっている。

図１に示すように一対の第２の支持部１３，１４は、可動部２の前方及び後方の各側方にて左右方向に延在し、さらに可動部２の左側方（Ｘ１）にて前後方向（Ｙ１−Ｙ２）に延びる第２の連結部１６に連結されて一体化している。

また図１に示すように一対の第２の支持部１３，１４は夫々、可動部２と第４のばね部１７，１７を介して連結されている。第４のばね部１７の形態は図７と同様である。第４のばね部１７，１７は、可動部２の前方側面の左側、及び後方側面の左側に夫々設けられている。

このように第２の支持部１３，１４は、可動部２と第２のアンカ部７とにばね部１５，１７を介して連結されている。ばね部１５，１７は捩れ変形可能とされており、これにより第２の支持部１３，１４を高さ方向に回動させることが可能となっている。

図１，図６に示すように、第１のアンカ部６と第２のアンカ部７との間には左右方向（Ｘ１−Ｘ２）に間隔を空けて前後方向（Ｙ１−Ｙ２）に延びる隙間２０が形成されている。そして、この隙間２０内に、第１の支持部３と第２の支持部４との間を連結する連結ばね２１が設けられている。

図６に示すように連結ばね２１は前後方向（Ｙ１−Ｙ２）に直線状に細長く形成される。連結ばね２１は弾性変形可能とされている。

図１に示すように、連結ばね２１は、可動部２（シリコン基板８）の中心Ｏを通る前後方向（Ｙ１−Ｙ２）の線上に位置している。また、図１に示すように連結ばね２１と第１のばね部１１との間の左右方向（Ｘ１−Ｘ２）の距離、及び連結ばね２１と第３のばね部１５との間の左右方向（Ｘ１−Ｘ２）の距離は同じとなっている。

図１等で示した第１のアンカ部６及び第２のアンカ部７は、図８に示す固定部（支持基板）３０に固定支持される。この固定部３０は例えばシリコン基板であり、各アンカ部６、７と固定部３０との間には図示しない酸化絶縁層（ＳｉＯ₂層）が介在している。固定部３０、酸化絶縁層、及び図１に示す可動部２、支持部３，４，１３，１４、アンカ部６，７及び各ばねを構成するシリコン基板８は、例えばＳＯＩ基板である。

図１に示す可動部２、各支持部３，４，１３，１４及び各アンカ部６，７は夫々分離して形成されている。このうち、各アンカ部６，７と固定部３０との間には上記した酸化絶縁層が介在し、各アンカ部６，７が固定部３０に固定支持された状態になっているが、可動部２及び各支持部３，４，１３，１４と、固定部３０との間には酸化絶縁層は存在せず、可動部２及び各支持部３，４，１３，１４と固定部３０との間は空間となっている。

図８に示すように、物理量センサ１には、可動部２と高さ方向にて離れた一方に固定部３０と他方に対向部４０が設けられる。対向部４０の表面には固定電極４１が設けられる。固定電極４１と可動部２とは高さ方向（Ｚ）にて相対向している。

対向部４０は例えばシリコン基板であり、固定電極４１は、対向部４０の表面４０ａに絶縁層を介して導電性金属材料をスパッタしまたはメッキすることで形成されている。

また、可動部２の表面（下面）２ａには、固定電極４１に対面する可動電極（図示しない）が絶縁層を介してスパッタやメッキ工程で形成されている。あるいは、可動部２が、低抵抗シリコン基板などの導電性材料で形成されている場合には、可動部２それ自体を可動電極として使用することが可能である。

図１に示す実施形態では、可動部２内に可動部２の左右方向（Ｘ１−Ｘ２）への変位を検知するためのＸ方向検知部５０，５１が形成されている。

Ｘ方向検知部５０，５１について図９の部分拡大平面図を用いて説明する。図９は図１に示すＸ方向検知部５０の一部を拡大したものである。図１、図９（ａ）に示す符号５２は可動電極で、符号５３は固定電極である。

図１，図９（ａ）に示すように固定電極５３は固定支持されたアンカ部５４と、アンカ部５４の両側から左右方向（Ｘ１−Ｘ２）に延出する延出部５５，５５と、各延出部５５，５５の前後方向の両側から前後方向（Ｙ１−Ｙ２）に延出する複数本の支持部５６（図９（ａ）に符号を付した）と、各支持部５６から左方向（Ｘ１）に短く突出し、かつ前後方向（Ｙ１−Ｙ２）に所定の間隔を空けて配置された複数本の櫛歯状の固定電極子５７と、を有して構成される。アンカ部５４はアンカ部６，７と同様、固定部３０に支持固定されており、各延出部５５，５５から延出する支持部５５は、後述する高さ方向（Ｚ）への加速度が作用しても変位しない。なお図９（ａ）には、２本の固定電極子５７にのみ符号を付した。

また図１に示すように、可動部２と一体となって可動電極５２が形成されている。可動電極５２には、図９（ａ）に示すように、前後方向（Ｙ１−Ｙ２）に延出する複数の支持部６０が形成されている。各支持部６０は、可動部２の内側側面から一体となって且つ固定電極５３の各支持部５６と左右方向（Ｘ１−Ｘ２）に間隔を空けて配置されている。また図９（ａ）に示すように、各支持部６０の右側面から右方向（Ｘ２）に短く突出した複数本の可動電極子６１が固定電極子５７と前後方向（Ｙ１−Ｙ２）に交互に配置されている。なお図９（ａ）には、２本の可動電極子６１にのみ符号を付した。

図９（ｂ）は可動部２が左方向（Ｘ１）に移動した状態を示す。これにより、可動電極子６１と固定電極子５７との間の対向面積が図９（ａ）の基準状態よりも減少し、静電容量が小さくなる。

なお図１に示す実施形態では、図１の左側に配置されたＸ方向検知部５０と右側に配置されたＸ方向検知部５１とでは、可動電極子６１と固定電極子５７との位置関係が逆になっており、Ｘ方向検知部５０にて静電容量が増加すれば、Ｘ方向検知部５１にて静電容量が減少し、また、Ｘ方向検知部５１にて静電容量が増加すれば、Ｘ方向検知部５２にて静電容量が減少する。これにより、Ｘ方向検知部５０により得られた静電容量変化と、Ｘ方向検知部５１により得られた静電容量変化により差動出力を得ることができる。

図２は第２の実施形態における物理量センサ１９の平面図である。図２では、図１と異なって可動部２内にＸ方向検知部５０，５１が形成されておらず平面となっている。すなわち図１０の物理量センサは可動部２の高さ方向への変位のみを検出するものである。そのほか、図１と同じ符号が付された箇所は図１と同じ部分を指す。なお図２では各ばね部を簡易的に図示した。またばね部９，１７の形成位置は図１と異なった位置としたが、図１において図２のばね部９，１７の位置としてもよいし、図２において図１のばね部９，１７の位置としてもよい。

図３は図２に示す物理量センサの静止状態における斜視図であり、図４、図５は物理量センサに高さ方向への加速度が作用した際の動作状態における斜視図である。なお図１の物理量センサにおいても図３ないし図５と同様の静止状態、動作状態となる。

図３に示すように、物理量センサが静止状態のときに、表面全体と裏面全体が夫々、同一面上に位置しており、表面及び裏面から突出する部分がない図３に示す静止状態において可動部２と固定部３０との間の間隔は、例えば、１〜５μｍ程度である。また、可動部２と対向部４０との間の間隔は、可動部２と固定部３０との間の間隔と同程度かあるいはそれよりも狭く設定される。

本実施形態の物理量センサは、外部から力（加速度等）が作用していないときに、ばね部の弾性復元力により、図３に示すように、全ての部分の表面が同一平面となった状態を維持している。

物理量センサに外部から例えば加速度が高さ方向に与えられると、加速度は、可動部２及び各アンカ部６，７に作用する。このとき、可動部２は慣性力によって絶対空間内で留まろうとし、その結果、各アンカ部６，７に対して可動部２が加速度の作用方向と逆の方向へ相対的に移動する。

図４は、アンカ部６，７、固定部３０及び対向部４０に対して下向きの加速度が作用したときの動作を示している。このとき、可動部２は慣性力により図３の静止状態の位置から上方向へ向けて変位すべく、第１支持部３，４及び第２支持部１３，１４が高さ方向に回動する。この回動動作時、各ばね部が捩れ変形する。

図４に示すように、各支持部３，４，１３，１４の脚部３ａ，４ａ，１３ａ，１４ａは下方に変位し、各脚部３ａ，４ａ，１３ａ，１４ａの先端は可動部２よりも下方に突出する。

脚部３ａ，４ａ，１３ａ，１４ａの突出量が大きくなると、図８に示すように、可動部２が固定部３０の表面３０ａに当接するよりも先に、脚部３ａ，４ａ，１３ａ，１４ａの先端部が対向部４０の表面（ストッパ面）４０ａに当接し、可動部２が図８の状態よりもさらに上方に変位できなくなり、可動部２の変位が抑制される。このように各脚部３ａ，４ａ，１３ａ，１４ａと対向部４０の表面（ストッパ面）４０ａとで可動部２の変位を抑制するストッパ機構が構成されている。

図５は、アンカ部６，７、固定部３０及び対向部４０に対して上向きの加速度が作用したときの動作を示している。このとき、可動部２は慣性力により図３の静止状態の位置から下方向へ向けて変位すべく、第１支持部３，４及び第２支持部１３，１４が高さ方向に回動する。この回動動作時、各ばね部が捩れ変形する。

図５に示すように、各支持部３，４，１３，１４の脚部３ａ，４ａ，１３ａ，１４ａは上方に変位し、各脚部３ａ，４ａ，１３ａ，１４ａの先端は、可動部２よりも上方に突出する。

本実施形態では、可動部２と、対向部４０に設けられた固定電極４１との間の静電容量変化により、加速度等の物理量を検出することが可能となっている。

本実施形態の可動部２の支持機構により可動部２を高さ方向（Ｚ）に効果的に平行移動させることが出来る。

特に本実施形態によれば、高さ方向（Ｚ）への検出モードと、検出モード以外のモードとの固有振動数の差を効果的に大きくできる。ここで、「検出モード以外のモード」には、前後方向（Ｙ１−Ｙ２）への振動、前後方向や左右方向、さらには前後方向と左右方向の双方に対して斜めに傾く対角線方向を軸とした回転モード、面内回転モード等が含まれる。このように高さ方向（Ｚ）への検出モードと、検出モード以外のモードとの固有振動数の差を効果的に大きくできるから、検出モード時に、検出モード以外のモードが加わっても、可動部２を高さ方向に安定して平行移動させることができる。

また、本実施形態では、大きな加速度が作用した場合等に、各支持部３，４，１３，１４の各脚部３ａ，４ａ，１３ａ，１４ａを対向部４０の表面４０ａに当接させることができ、これにより可動部２の変位を抑制できる。そして本実施形態では、脚部３ａ，４ａ、１３ａ、１４ａの先端（対向部４０の表面４０ａとの当接部）が可動部２の四隅付近に位置するため、図８の当接状態において、可動部２の姿勢を安定にできる。

また本実施形態では、シリコン基板８の中央領域に可動部２を形成し、可動部２の側方に支持部３，４，１３，１４を設けた構成としたことで、可動部２の面積を広くできる。よって固定電極４１との間で生じる静電容量を大きくできる。また図８のように、各脚部３ａ，４ａ、１３ａ、１４ａの先端が対向部４０の表面４０ａに当接するため、脚部により、簡単なストッパ兼スティッキング防止構造を実現できる。

なお図８では、対向部４０の表面４０ａが平坦面となっているが、例えば、各脚部３ａ，４ａ、１３ａ、１４ａの先端が当接する位置の表面４０ａを突出させて可動部２の高さ方向（Ｚ）への変位量を規制したり、あるいは表面４０ａからの突起の面積を小さくするなどして、各脚部と対向部４０との接触面積がより小さくなるように構成することもできる。
以上により高感度で検出安定性に優れた物理量センサにできる。

また本実施形態では図１，図２，図６に示すように、可動部２の前方（Ｙ２）及び後方（Ｙ１）に形成された夫々の第１の支持部３，４と第２の支持部１３，１４同士が連結ばね２１によって連結されている。連結ばね２１を設けることで、連結ばね２１により連結された第１の支持部３，４と、第２の支持部１３，１４との間で回動状態が同等となるように規制でき、第１の支持部３，４に設けられた第１の脚部３ａ，４ａと、第２の支持部１３，１４に設けられた第２の脚部１３ａ，１４ａとを可動部２に対し上方あるいは下方の同方向に突出量のばらつきを小さく安定して突出させることができる。

また本実施形態では、図１，図２等に示すように一対の第１の支持部３，４が可動部２の右方側（Ｘ２）にて連結されて一体化しており、また、一対の第２の支持部１３，１４が可動部２の左方側（Ｘ１）にて連結されて一体化している。これにより、一対の第１の支持部３，４及び一対の第２の支持部１３，１４を夫々、一緒に回動させることができ、これにより可動部２を高さ方向に、より安定して平行移動させることができ、検出安定性をより効果的に向上させることができる。

また本実施形態では、可動部２の後方（Ｙ１）では、第１の支持部４が第２の支持部１４よりも外側に位置し、可動部２の前方（Ｙ２）では、第２の支持部１３が第１の支持部３よりも外側に位置している。上記したように、可動部２の後方（Ｙ１）に位置する第１の支持部４及び第２の支持部１４と、可動部２の前方（Ｙ２）に位置する第１の支持部３及び第２の支持部１３とでは互いに可動部２（シリコン基板８）の中心Ｏを中心軸として１８０度回転させた形状と一致している。これにより、シリコン基板８内に可動部２と、可動部２の両側に、アンカ部６，７、一対の第１の支持部３，４及び一対の第２の支持部１３，１４とを効率良く配置でき、物理量センサの小型化を実現できる。

また図１に示す実施形態では、可動部２内にＸ方向検知部５０，５１を設けたことで、可動部２の高さ方向（Ｚ）への変位の検知と、左右方向（Ｘ１−Ｘ２）への変位の検知の双方を小型の物理量センサにより得ることができる。なお本実施形態では、可動部２と各支持部３，４，１３，１４との間を連結するばね部９，１７が前後方向（Ｙ１−Ｙ２）に細長く形成されており、可動部２が前後方向に変位しにくくなっている。したがって図１に示す実施形態の物理量センサ１によれば、可動部２の高さ方向の変位と左右方向（Ｘ１−Ｘ２）の変位を安定して検知することが可能になっている。

また、可動部２内にＸ方向検知部５０，５１を設けたことで、可動部２の高さ方向への振動性能を損なうことがない。後述する実験では、検出モード以外のモードの固有振動数と高さ方向への検出モードの固有振動数との差を広げることができ、可動部２を安定して高さ方向や左右方向に変位させることができ、優れた検出安定性を得ることができる。

また図１０は可動電極子６１及びＺ方向検知部としての固定電極４１との部分縦断面図である。図１０には一つの可動電極子６１のみを図示した。図１０に示すように可動電極子６１の下面（端部）６１ａから所定のギャップＧを介して対向する固定電極４１に向けて電界Ｅが可動電極子６１の幅よりも広がって発生していることがわかる。このため図１や図９に示すように可動部２内にＸ方向検知部５０，５１を設けることで微小隙間が可動部２内に形成されるが、前記微小隙間内では、電界Ｅが固定電極４１に向けて広がって生じているために、可動部２内にＸ方向検知部が形成されていない形態と比べて、静電容量の低下を低く抑えることができ、あるいは、可動部２内にＸ方向検知部が形成されていない形態とほぼ同等の静電容量を得ることができる。

またＸ方向検知部５０，５１を平行平板式でなく、面積変化式による静電容量変化を捉えることで、左右方向（Ｘ１−Ｘ２）の変位に対する静電容量の変化の出力を良好な線形性を有した状態で得られるため、高い検出精度を得ることができ、さらに、左右方向（Ｘ１−Ｘ２）への有効検出範囲（ダイナミックレンジ）を広くできる。

特に、Ｘ方向検知部５０，５１では固定電極５３と可動電極５２において複数本の支持部５６，６０を設け、各支持部５６，６０から複数本の固定電極子５７及び複数本の可動電極子６１を設けることで、可動部２が左右方向（Ｘ１−Ｘ２）に移動した際の面積変化領域を増やすことができ、左右方向への検出感度を向上させることができる。

本実施形態では、可動部２と、対向部４０に設けられた固定電極４１との間の静電容量変化により、加速度等の物理量を検出することが可能であるが、検知部の構成は静電容量式に限定するものではない。ただし静電容量式としたことで簡単で且つ高精度な検知部の構成を実現できる。

本実施形態は加速度センサのみならず角速度センサ、衝撃センサ等、物理量センサ全般に適用可能である。

（実験１：実施例と比較例における複数モードでの固有振動数の実験）
図１１ないし図１３は比較例の物理量センサの構成である。図１１は平面図、図１２、図１３は斜視図である。

比較例に示す物理量センサ１００は、実施例（図１）の物理量センサ１と異なって可動部１０１の内側にアンカ部１０２〜１０４及び支持部１０５〜１０８が設けられている。可動部１０１、アンカ部１０２〜１０４及び支持部１０５〜１０８は夫々分離して形成されている。また符号１０９〜１２０はばね部である。

図１１に示すように、支持部１０５，１０７には夫々、脚部１０５ａ，１０７ａが設けられている。

図１２は静止状態であり、高さ方向に加速度が作用すると可動部１０１が高さ方向に変位し、図１３に示すように脚部１０５ａ，１０７ａが可動部１０１とは逆方向に変位して脚部１０５ａ，１０７ａの先端が突出する。

図１に示す実施例１と、上記した比較例を用いて、異なる複数モードにおける固有振動数（ＫＨｚ）を求めた。

実施例１及び比較例におけるモード１は高さ方向（Ｚ）への検出モードである。実施例１におけるモード２は左右方向（Ｘ１−Ｘ２）への検出モードである。また実施例１におけるモード３〜モード６は、検出モード以外のモードであり、前後方向（Ｙ１−Ｙ２）への振動モード、前後方向及び左右方向を軸とした回転モード、面内回転モードである。実施例１のモード３〜モード６については、固有振動数が低いモード順に並べた。

また、比較例におけるモード２〜モード６は、検出モード以外のモードであり、左右方向（Ｘ１−Ｘ２）及び前後方向（Ｙ１−Ｙ２）への振動モード、前後方向及び左右方向を軸とした回転モード、面内回転モードである。比較例のモード２〜モード６については、固有振動数が低いモード順に並べた。

実施例１は、高さ方向（Ｚ）及び左右方向（Ｘ）への可動部の変位を検出する構成である。図１４に示すように、比較例においても、検出モード以外であるモード２〜モード６での固有振動数は、検出モードであるモード１よりも高くなり、固有振動数差を得ることができるとわかった。よって比較例の構成においても、可動部の高さ方向への変位を適切に検出することができる。ただし実施例１のほうが比較例よりも検出モード以外であるモード３〜モード６での固有振動数は高くなり、検出モードとの固有振動数差を広げることができるとわかった。

また、実施例１では、左右方向（Ｘ）への検出モードであるモード２と、検出モード以外であるモード３〜モード６との固有振動数差を、モード１の場合と同様に大きくすることができた。

このように実施例１では、検出モードと検出モード以外のモードとの固有振動数差を大きくでき、優れた検出安定性を得ることができるとわかった。

続いて図１０に示す実施例２（高さ方向検知のみ）と、上記した比較例を用いて、異なる複数モードにおける固有振動数（ＫＨｚ）を求めた。

実施例２及び比較例におけるモード１は高さ方向（Ｚ）への検出モードである。また実施例２及び比較例におけるモード２〜モード６は、検出モード以外のモードであり、左右方向（Ｘ１−Ｘ２）及び前後方向（Ｙ１−Ｙ２）への振動モード、前後方向及び左右方向を軸とした回転モード、面内回転モードである。実施例２及び比較例のモード２〜モード６については、固有振動数が低いモード順に並べた。

図１５に示す比較例の結果は図１４と同じである。図１５に示すように、実施例２と比較例とを対比すると、検出モード以外であるモード２〜モード６での固有振動数はいずれも実施例１のほうが高いことがわかった。この結果、これら検出モード以外のモード２〜６と、高さ方向の検出モードであるモード１との固有振動数差は、実施例２のほうが比較例よりも大きくなることがわかった。

このように実施例２では、検出モードと検出モード以外のモードとの固有振動数差を大きくでき、優れた検出安定性を得ることができるとわかった。

（実験２：実施例１におけるギャップと静電容量の実験）
実験では図１に示す実施例１（高さ方向及び左右方向の検知部を備える）の物理量センサを用い、図１０に示すギャップＧを変化させてＺ方向検知部における静電容量を求めた。また図１０に示す実施例２（高さ方向の検知部のみ備える）の物理量センサを用い、図１０に示すギャップＧを変化させてＺ方向検知部における静電容量を求めた。

その実験結果が図１６に示されている。実施例１と実施例２との静電容量差は非常に小さく、実施例１のように、可動部内にＸ方向検知部を設けても、高さ方向（Ｚ）への検知を高感度で行うことが可能であるとわかった。

電界ベクトルを調べてみると、図１０のように電界が櫛歯状電極の下面から固定電極の方向に向って広がっていることがわかった。この結果、可動部２内にＸ方向検知部を設けることで微小隙間が形成されても、前記微小隙間内は櫛歯状電極の下面から広がった電界が作用して電荷密度を上げることができ、図１６のようにＸ方向検知部を備えない実施例２と大差ない静電容量が得られたものと考えられる。

ただしＸ方向検知部の構成としては、並行平板型などとすると可動部２内に形成される空間が大きくなったり、また前記空間内を電界の広がりでカバーしきれないことがある。したがって、図１，図９に示したように、Ｘ方向検知部の可動電極側と固定電極側とで多数の櫛歯状電極が微小隙間を空けて対向し、可動部２が左右方向に可動したときに櫛歯状電極間の対向面積の変化により静電容量が変化する構成とすることが、高感度にでき好適である。

１、１９ 物理量センサ
２ 可動部
３、４ 第１の支持部
３ａ、４ａ 第１の脚部
６、７ 第１のアンカ部
８ シリコン基板
９、１１，１５、１７ ばね部
１３、１４ 第２の支持部
１３ａ、１４ａ 第２の脚部
２１ 連結ばね
３０ 固定部
４０ 対向部
４１、５３ 固定電極
５０、５１ Ｘ方向検知部
５２ 可動電極
５４ アンカ部
５７ 固定電極子
６１ 可動電極子

Claims (6)

1. 高さ方向に変位可能な可動部と、前記可動部の変位を検知するためのＺ方向検知部とを有して構成される物理量センサにおいて、
   シリコン基板には、固定支持されるアンカ部、前記可動部、及び前記アンカ部と前記可動部とにばね部を介して回動自在に連結された支持部が夫々分離して形成されており、
   前記シリコン基板の中央領域に前記可動部が配置され、前記可動部のＹ１−Ｙ２方向の両側に一対の第１のアンカ部が配置され、前記一対の第１のアンカ部に夫々、前記Ｙ１−Ｙ２方向に対して直交するＸ１−Ｘ２方向に延出する第１の支持部が回動自在に連結され、
   前記一対の第１のアンカ部に対して前記Ｘ１−Ｘ２方向に並設された一対の第２のアンカ部が配置され、前記一対の第２のアンカ部に夫々、前記Ｘ１−Ｘ２方向に延出する第２の支持部が回動自在に連結されるとともに前記第１の支持部と並設されており、
   各支持部には、前記支持部が回動して前記可動部が高さ方向に変位したときに前記可動部の変位方向に対し逆方向に変位する脚部が設けられており、
   一対の前記第１の支持部に夫々設けられた第１の脚部は、前記第１のアンカ部からＸ１方向に向けて形成されており、一対の前記第２の支持部に夫々設けられた第２の脚部は、前記第２のアンカ部からＸ２方向に向けて形成されていることを特徴とする物理量センサ。
2. 前記第１のアンカ部と前記第２のアンカ部との間には、前記第１の支持部と前記第２の支持部との間を連結する連結ばねが設けられている請求項１記載の物理量センサ。
3. 前記一対の第１の支持部は、前記可動部のＸ２側にて連結されて一体化しており、前記一対の前記第２の支持部は、前記可動部のＸ１側にて連結されて一体化している請求項１又は２に記載の物理量センサ。
4. 前記可動部のＹ１側では、前記第１の支持部が前記第２の支持部よりも外側に位置しており、前記可動部のＹ２側では、前記第２の支持部が前記第１の支持部よりも外側に位置している請求項３記載の物理量センサ。
5. 前記可動部内には、前記可動部のＸ１−Ｘ２方向への変位を検知するためのＸ方向検知部が形成される請求項１ないし４のいずれか１項に記載の物理量センサ
6. 前記Ｘ方向検知部は、前記可動部と一体に形成されたＸ検知可動電極と、前記可動部と分離して形成されたＸ検知固定電極とを有し、前記Ｘ検知可動電極と前記Ｘ検知固定電極とが前記シリコン基板を加工して形成されたものであり、前記Ｘ検知可動電極及び前記Ｘ検知固定電極には夫々、Ｙ１−Ｙ２方向にて間隔を空けて対向する複数の電極子がＸ１−Ｘ２方向に列を成して構成されている請求項５記載の物理量センサ。

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