(57)【要約】【課題】検出感度を低下させることなく耐衝撃性の向上を図る。【解決手段】ビーム部６，７は、複数の支柱部６０，７０と、複数の支柱部６０，７０の間に掛け渡された複数の桟部６１，７１とを有する格子状に形成されている。故に、角柱状に形成された従来のビーム部と比べ、ビーム部６，７のねじり剛性を維持しつつ、その引張り剛性や曲げ剛性を高めることができる。その結果、検出感度を低下させることなく耐衝撃性の向上が図れる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
一面に可動電極が設けられた重り部と、重り部の周囲を囲むフレーム部と、フレーム部に対して重り部を回動軸の回りに回動自在に支持するビーム部と、可動電極に対向して配置される固定電極とを備え、
ビーム部は、一端がフレーム部に結合されるとともに他端が重り部に結合された複数の支柱部と、これら複数の支柱部の間に掛け渡された複数の桟部とを有する格子状に形成されていることを特徴とする加速度センサ。
【請求項２】
ビーム部は、複数の桟部が互いに平行であるはしご形に形成されていることを特徴とする請求項１記載の加速度センサ。
【請求項３】
ビーム部は、一対の支柱部が互いに平行とならないように形成されていることを特徴とする請求項１又は２記載の加速度センサ。
【請求項４】
ビーム部は、支柱部と重り部又はフレーム部との結合部分若しくは支柱部と桟部との結合部分の少なくとも何れか一方における隅部にフィレットが形成されていることを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載の加速度センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、静電容量型の加速度センサに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、図１０に示すように可動電極を有する直方体形状の重り部１００と、重り部１００の長手方向における略中央において重り部１００を回動自在に支持する一対のビーム部１０１と、一対のビーム部１０１を結ぶ直線（ビーム軸）を境界線とした重り部１００の表面のそれぞれ一方側及び他方側に対し所定距離をあけて対向配置された第１及び第２の固定電極１０２，１０３とを備える加速度センサが知られている。この加速度センサは、ビーム軸を回動軸とした重り部１００の回動に伴う可動電極（重り部１００の固定電極１０２，１０３との対向部位）と第１および第２の固定電極１０２，１０３間の静電容量の変化を差動検出することにより、重り部１００に印加された加速度を検出する。このような加速度センサでは、加速度が印加された際にビーム軸を回動軸としたモーメントが重り部１００に発生するように、重り部１００の裏面のビーム軸を境界線とした一方側（図１０における右側）に凹部１０４を形成することにより、ビーム軸を境界線とした重り部１００の一方側（右側）と他方側（左側）とで重量が異なるようにしている（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特表２００８−５４４２４３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、上述のような構造の加速度センサの耐衝撃性を高くするには、例えば、ビーム部１０１を太くするなどして引張り剛性や曲げ剛性を向上させる必要がある。しかしながら、ビーム部１０１を太くすると引張り剛性や曲げ剛性だけでなくねじり剛性も向上してしまうため、検出感度の低下を招いてしまう。また、逆に検出感度を優先して、ビーム部１０１を細くしてしまうと、過大な衝撃が印加されたときにビーム部１０１が破損してしまう虞がある。
【０００５】
本発明は上記事情に鑑みて為されたものであり、その目的は、検出感度を低下させることなく耐衝撃性の向上が図れる加速度センサを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
請求項１の発明は、上記目的を達成するために、一面に可動電極が設けられた重り部と、重り部の周囲を囲むフレーム部と、フレーム部に対して重り部を回動軸の回りに回動自在に支持するビーム部と、可動電極に対向して配置される固定電極とを備え、ビーム部は、一端がフレーム部に結合されるとともに他端が重り部に結合された複数の支柱部と、これら複数の支柱部の間に掛け渡された複数の桟部とを有する格子状に形成されていることを特徴とする。
【０００７】
請求項１の発明によれば、ビーム部が、複数の支柱部と、複数の支柱部の間に掛け渡された複数の桟部とを有する格子状に形成されているので、ビーム部のねじり剛性を維持しつつ、その引張り剛性や曲げ剛性を高めることができ、その結果、検出感度を低下させることなく耐衝撃性の向上が図れる。
【０００８】
請求項２の発明は、請求項１の発明において、ビーム部は、複数の桟部が互いに平行であるはしご形に形成されていることを特徴とする。
【０００９】
請求項３の発明は、請求項１又は２の発明において、ビーム部は、一対の支柱部が互いに平行とならないように形成されていることを特徴とする。
【００１０】
請求項３の発明によれば、ビーム部の曲げ剛性を高めることができる。
【００１１】
請求項４の発明は、請求項１〜３の何れか１項の発明において、ビーム部は、支柱部と重り部又はフレーム部との結合部分若しくは支柱部と桟部との結合部分の少なくとも何れか一方における隅部にフィレットが形成されていることを特徴とする。
【００１２】
請求項４の発明によれば、結合部分の隅にかかる応力を分散して耐衝撃性の向上が図れる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、検出感度を低下させることなく耐衝撃性の向上が図れる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の実施形態を示し、（ａ）は分解斜視図、（ｂ）はビーム部の平面図である。
【図２】同上を示し、（ａ）はセンサチップの下面図、（ｂ）は断面図である。
【図３】（ａ）〜（ｅ）は同上の製造方法を説明するための断面図である。
【図４】可動電極（重り部）の振動モードとシミュレーションによって算出された共振周波数の関係を説明する説明図である。
【図５】（ａ），（ｂ）はビーム部の変形例を示す平面図である。
【図６】（ａ），（ｂ）はビーム部の変形例を示す平面図である。
【図７】ビーム部の変形例を示す平面図である。
【図８】同上の変形例を示す上面図である。
【図９】同上の変形例を示す上面図である。
【図１０】従来例を示し、（ａ）は断面図、（ｂ）は平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、図面を参照して本発明の実施形態を詳細に説明する。但し、以下の説明では図１（ａ）におけるｘ軸方向を縦方向、ｙ軸方向を横方向、ｚ軸方向を上下方向と定める。
【００１６】
本実施形態は、図１（ａ）に示すように外形が矩形平板状であるセンサチップ１と、センサチップ１の上面側に固定される上部固定板２ａと、センサチップ１の下面側に固定される下部固定板２ｂとを備えている。センサチップ１は、上下方向から見て矩形の２つの枠部３ａ，３ｂが長手方向（横方向）に並設されたフレーム部３と、枠部３ａ，３ｂの内周面に対して隙間を空けた状態で枠部３ａ，３ｂ内に配置された直方体形状の重り部４，５と、枠部３ａ，３ｂの内周面と重り部４，５の側面を連結してフレーム部３に対して重り部４，５を回動軸の回りに回動自在に支持する各一対のビーム部６，６及び７，７と、重り部４，５の上面に形成される可動電極４ａ，５ａとを備えている。
【００１７】
重り部４，５は、図２に示すように一面（下面）に開口する凹部１１，１３と凹部１１，１３を除く充実部１２，１４が一体に形成されている。凹部１１，１３は、開口面の法線方向（上下方向）から見て平面視四角形に形成されるとともに、凹部１１，１３の内壁面及び底壁面と結合され且つ上下方向から見てそれぞれ対角線上に配置されて互いに交差する２つの補強壁１６，１６が内部に設けられている。
【００１８】
一対のビーム部６，６は、横方向に対向する枠部３ａの内周面における縦方向の中央部に一端が連結され、重り部４の側面における凹部１１と充実部１２の境界付近に他端が連結されている。同じく一対のビーム部７，７は、横方向に対向する枠部３ｂの内周面における縦方向の中央部に一端が連結され、重り部５の側面における凹部１３と充実部１４の境界付近に他端が連結されている。つまり、一対のビーム部６，７をそれぞれ結ぶ直線が回動軸となり、回動軸の回りに各重り部４，５が回動することになる。また、センサチップ１は、後述するように半導体の微細加工技術によりシリコン基板（シリコンＳＯＩ基板）を加工して形成されるものであり、重り部４，５の上面を含む部分が可動電極４ａ，５ａとなる。尚、図１（ａ）では図示を省略しているが、重り部４，５の上面及び下面には、重り部４，５が上部固定板２ａ及び下部固定板２ｂに直接衝突することを防止するための突起部１５ａ〜１５ｇが突設されている（図２（ｂ）参照）。
【００１９】
上部固定板２ａは、石英ガラスなどの絶縁材料製であって、その下面には、上下方向に沿ってセンサチップ１の重り部４（可動電極４ａ）と対向する位置に第１の固定電極２０ａと第２の固定電極２０ｂが縦方向に並設されるとともに、上下方向に沿ってセンサチップ１の重り部５（可動電極５ａ）と対向する位置に第１の固定電極２１ａと第２の固定電極２１ｂが縦方向に並設されている。また、上部固定板２ａは、縦方向の一端側に５つの貫通孔２２ａ〜２２ｅが横方向に並べて貫設されている。さらに、上部固定板２ａの下面には各固定電極２０ａ，２０ｂ及び２１ａ，２１ｂと電気的に接続された複数の導電パターン（図示せず）が形成されている。
【００２０】
一方、センサチップ１の縦方向一端側にはフレーム部３から離間された合計４つの電極部８ａ，８ｂ，９ａ，９ｂが並設されている。これら４つの電極部８ａ，８ｂ，９ａ，９ｂは、上面における略中央に金属膜からなる検出電極８０ａ，８０ｂ，９０ａ，９０ｂがそれぞれ形成されるとともに、枠部３ａ，３ｂに臨む端部の上面に金属膜からなる圧接電極８１ａ，８１ｂ，９１ａ，９１ｂがそれぞれ形成されている。尚、フレーム部３上面の電極部８ｂ，９ａの間には接地電極１０が形成されている。そして、センサチップ１の上面に上部固定板２ａが接合されると、上部固定板２ａの下面に形成されている導電パターンと圧接電極８１ａ，８１ｂ，９１ａ，９１ｂが圧接接続されることで各検出電極８０ａ，８０ｂ，９０ａ，９０ｂが各固定電極２０ａ，２０ｂ，２１ａ，２１ｂと電気的に接続されるとともに、上部固定板２ａの貫通孔２２ａ〜２２ｄを通して各検出電極８０ａ，８０ｂ，９０ａ，９０ｂが外部に露出する（図２（ｂ）参照）。尚、接地電極１０も貫通孔２２ｅを通して外部に露出する。
【００２１】
下部固定板２ｂは、上部固定板２ａと同じく石英ガラスなどの絶縁材料製であって、その上面には上下方向に沿ってセンサチップ１の重り部４，５と対向する位置にそれぞれ付着防止膜２３ａ，２３ｂが形成されている。この付着防止膜２３ａ，２３ｂは、アルミニウム系合金等の固定電極２０ａ，…と同じ材料で形成されており、回動した重り部４，５の下面が下部固定板２ｂに付着することを防止している。
【００２２】
ここで、本実施形態では、枠部３ａ、重り部４、ビーム部６，６、可動電極４ａ、第１及び第２の固定電極２０ａ，２０ｂ、検出電極８０ａ，８０ｂと、枠部３ｂ、重り部５、ビーム部７，７、可動電極５ａ、第１及び第２の固定電極２１ａ，２１ｂ、検出電極８１ａ，８１ｂとで各々加速度センサが構成され、重り部４，５の向き（凹部１１，１３と充実部１２，１４の配置）を１８０度反転させた状態で２つの加速度センサが一体に形成されている。
【００２３】
次に、本実施形態の検出動作について説明する。
【００２４】
まず、一方の重り部４にｘ軸方向の加速度が印加された場合を考える。ｘ軸方向に加速度が印加されると重り部４が回動軸の回りに回動して可動電極４ａと第１の固定電極２０ａ並びに第２の固定電極２０ｂとの間の距離が変化し、その結果、可動電極４ａと各固定電極２０ａ，２０ｂとの間の静電容量Ｃ１，Ｃ２も変化する。ここで、ｘ軸方向の加速度が印加されていないときの可動電極４ａと各固定電極２０ａ，２０ｂとの間の静電容量をＣ０とし、加速度の印加によって生じる静電容量の変化分をΔＣとすれば、ｘ軸方向の加速度が印加されたときの静電容量Ｃ１，Ｃ２は、
Ｃ１＝Ｃ０−ΔＣ  …（１）
Ｃ２＝Ｃ０＋ΔＣ  …（２）
と表すことができる。
【００２５】
同様に、他方の重り部５にｘ軸方向の加速度が印加された場合、可動電極５ａと各固定電極２１ａ，２１ｂとの間の静電容量Ｃ３，Ｃ４は、
Ｃ３＝Ｃ０−ΔＣ  …（３）
Ｃ４＝Ｃ０＋ΔＣ  …（４）
と表すことができる。
【００２６】
ここで、静電容量Ｃ１〜Ｃ４の値は、検出電極８０ａ，８０ｂ及び８１ａ，８１ｂから取り出す電圧信号を演算処理することで検出することができる。そして、一方の加速度センサから得られる静電容量Ｃ１，Ｃ２の差分値ＣＡ（＝Ｃ１−Ｃ２）と、他方の加速度センサから得られる静電容量Ｃ３，Ｃ４の差分値ＣＢ（＝Ｃ３−Ｃ４）との和（±４ΔＣ）を算出すれば、この差分値ＣＡ，ＣＢの和に基づいてｘ軸方向に印加された加速度の向きと大きさを演算することができる。
【００２７】
次に、一方の重り部４にｚ軸方向の加速度が印加された場合を考える。ｚ軸方向に加速度が印加されると重り部４が回動軸の回りに回動して可動電極４ａと第１の固定電極２０ａ並びに第２の固定電極２０ｂとの間の距離が変化し、その結果、可動電極４ａと各固定電極２０ａ，２０ｂとの間の静電容量Ｃ１，Ｃ２も変化する。ここで、ｚ軸方向の加速度が印加されていないときの可動電極４ａと各固定電極２０ａ，２０ｂとの間の静電容量をＣ０とし、加速度の印加によって生じる静電容量の変化分をΔＣとすれば、ｚ軸方向の加速度が印加されたときの静電容量Ｃ１，Ｃ２は、
Ｃ１＝Ｃ０＋ΔＣ  …（５）
Ｃ２＝Ｃ０−ΔＣ  …（６）
と表すことができる。
【００２８】
同様に、他方の重り部５にｚ軸方向の加速度が印加された場合、可動電極５ａと各固定電極２１ａ，２１ｂとの間の静電容量Ｃ３，Ｃ４は、
Ｃ３＝Ｃ０−ΔＣ  …（７）
Ｃ４＝Ｃ０＋ΔＣ  …（８）
と表すことができる。
【００２９】
そして、一方の加速度センサから得られる静電容量Ｃ１，Ｃ２の差分値ＣＡ（＝Ｃ１−Ｃ２）と、他方の加速度センサから得られる静電容量Ｃ３，Ｃ４の差分値ＣＢ（＝Ｃ３−Ｃ４）との差（±４ΔＣ）を算出すれば、この差分値ＣＡ，ＣＢの差に基づいてｚ軸方向に印加された加速度の向きと大きさを演算することができる。尚、差分値ＣＡ，ＣＢの和と差に基づいてｘ軸方向及びｚ軸方向の加速度の向き及び大きさを求める演算処理については従来周知であるから詳細な説明を省略する。
【００３０】
次に、図３を参照して本実施形態の製造方法を説明する。
【００３１】
本実施形態は、図３（ａ）に示すように支持基板３０ａ及び中間酸化膜３０ｂ、活性層３０ｃからなるシリコンＳＯＩ基板を半導体の微細加工技術を利用して加工することにより形成される。まず、シリコンＳＯＩ基板の両面にシリコン酸化膜やフォトレジスト膜などのマスク材料３１を形成し、重り部４，５に対応する位置のマスク材料３１を除去した後、ＴＭＡＨ（テトラメチル水酸化アンモニウム溶液）やＫＯＨ（水酸化カリウム溶液）などを利用した湿式エッチング、あるいは反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）などの乾式エッチングを行うことにより、シリコンＳＯＩ基板の上面及び下面に重り部４，５が変位するための空間（凹所）３２ａ，３２ｂを形成する（図３（ｂ）参照）。
【００３２】
そして、凹所３２ａ，３２ｂの底面の所定位置にシリコン酸化膜又はカーボンナノチューブからなる突起部１５ａ〜１５ｇを形成する。このとき、スパッタリングや蒸着成膜を利用して金属膜からなる検出電極８０ａ，８０ｂ，９０ａ，９０ｂ並びに圧接電極８１ａ，８１ｂ，９１ａ，９１ｂを形成する（図３（ｃ）参照）。
【００３３】
続いて、支持基板３０ａ及び中間酸化膜３０ｂの順にシリコンＳＯＩ基板の下面をエッチングすることで重り部４，５（凹部１１，１３並びに充実部１２，１４、補助壁１６）を形成した後、付着防止膜２３ａ，２３ｂが上面に形成された下部固定板２ｂをシリコンＳＯＩ基板の下面に陽極接合する（図３（ｄ）参照）。
【００３４】
最後に、貫通孔２２ａ〜２２ｅ及び第１及び第２の固定電極２０ａ，２０ｂ，２１ａ，２１ｂが形成された上部固定板２ａをシリコンＳＯＩ基板の上面に陽極接合することにより、本実施形態の製造工程は完了する（図３（ｅ）参照）。
【００３５】
図４は、外部から印加される加速度によって振動する可動電極４ａ，５ａ（重り部４，５）の振動モードとシミュレーションによって算出した共振周波数との対応関係を示している。重り部４，５は一対のビーム部６，７により枠部３ａ，３ｂに対して支持されているので、ビーム部６，７の回動軸回りのねじれ変形による回動（図４における「ねじれモード」）のみならず、ビーム部６，７の伸縮変形や曲げ変形によって、図４に示す「面内平行移動モード」、「面内回転モード」、「面外平行移動モード」、「面外回転モード」で振動する。しかしながら、加速度を検出するために必要となるのは「ねじれモード」の振動のみであって、その他の振動モードは加速度検出においては不要である。つまり、外部から加速度が印加されたときに重り部４，５がねじれモードでのみ振動し、その他の振動モードでは可能な限り振動しないことが望ましい。一方、加速度の検出感度を向上するにはビーム部６，７のねじり剛性を下げることが有効である。すなわち、ビーム部６，７を、「ねじれモード」の共振周波数を所定レベル以下に抑えつつ、その他の振動モード（「面内平行移動モード」、「面内回転モード」、「面外平行移動モード」、「面外回転モード」）の共振周波数を高くするような構造とすればよい。
【００３６】
そこで本実施形態では、図１（ｂ）に示すように一端がフレーム部３（枠部３ａ，３ｂ）に結合されるとともに他端が重り部４，５に結合された一対の支柱部６０，７０と、これら一対の支柱部６０，７０の間に掛け渡された複数の桟部６１，７１とを有する格子状にビーム部６，７を形成している。ここで、格子状に形成された本実施形態におけるビーム部６，７と、角柱状に形成された従来のビーム部とについて、各振動モードにおける共振周波数をシミュレーションした結果を図４に示す。このシミュレーション結果より明らかなように、本実施形態のビーム部６，７の構造によれば、「ねじれモード」の共振周波数は従来例と同等に確保しながら、その他の振動モードでは従来例よりも共振周波数を高めることができる。
【００３７】
而して本実施形態によれば、ビーム部６，７が複数の支柱部６０，７０と、複数の支柱部６０，７０の間に掛け渡された複数の桟部６１，７１とを有する格子状に形成されているので、ビーム部６，７のねじり剛性を維持しつつ、その引張り剛性や曲げ剛性を高めることができ、その結果、検出感度を低下させることなく耐衝撃性の向上が図れる。尚、ビーム部６，７の形状は、図１（ｂ）に示すように一対の支柱部６０，７０が互いに平行であり且つ全ての桟部６１，７１が支柱部６０，７０と垂直になる形状（はしご形）に限定されるものではなく、例えば、図５（ａ），（ｂ）に示すように一対の支柱部６０，７０が互いに平行とならない形状（脚立形）であっても構わない。図５（ａ）又は（ｂ）で示す形状のビーム部６，７であれば、支柱部６０，７０が互いに平行である形状と比較して曲げ剛性をさらに高めることができる。
【００３８】
あるいは、図６（ａ），（ｂ）に示すように支柱部６０，７０と桟部６１，７１とが垂直に交わらない形状としてもよいし、さらに、図７に示すように対となる桟部６１，７１が支柱部６０，７０の間で互い交差する形状としてもよい。図６や図７に示した形状のビーム部６，７では、特に引張り剛性を高めることが可能である。尚、支柱部６０，７０の本数は２本に限定されるものではなく、３本以上であっても構わない。
【００３９】
ここで、ビーム部６，７における支柱部６０，７０と重り部４，５との結合部分や、フレーム部３（枠部３ａ，３ｂ）との結合部分、若しくは支柱部６０，７０と桟部６１，７１との結合部分の少なくとも何れか一方における隅部にフィレット６２，７２を形成すれば（図５〜図７参照）、結合部分の隅にかかる応力を分散してビーム部６，７の耐衝撃性を向上することができる。
【００４０】
尚、本実施形態はｘ軸とｚ軸の２軸方向の加速度を検出する加速度センサを例示したが、図８に示すように上述した加速度センサ１をｘｙ平面内で９０度回転対称に配置すれば、ｘ軸、ｚ軸にｙ軸を加えた３軸方向の加速度を検出する加速度センサが実現できる。あるいは、図９に示すように３つの加速度センサを同一チップ面内に配置し、第１の加速度センサＳ１に対して、第２及び第３の加速度センサＳ２，Ｓ３がチップ面内で９０度及び１８０度回転対称に配置しても、同様にｘ軸、ｚ軸にｙ軸を加えた３軸方向の加速度を検出する加速度センサが実現できる。
【符号の説明】
【００４１】
１  センサチップ
３  フレーム部
４，５  重り部
４ａ，５ａ  可動電極
６  ビーム部
７  ビーム部
６０  支柱部
６１  桟部
７０  支柱部
７１  桟部
２０ａ，２１ａ  第１の固定電極
２０ｂ，２１ｂ  第２の固定電極
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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