(57)【要約】【課題】検出感度を落とすことなく衝撃に対する強度を高めることのできる加速度センサを提供する。【解決手段】第１の可動電極４０を２分割して成る第１の電極部４００及び第２の電極部４０１と、第１の電極部４００及び第２の電極部４０１を所定の間隔を空けて囲む第１の枠部３０と、各電極部４００，４０１と第１の枠部３０とをそれぞれ連結するとともに各電極部４００，４０１をそれぞれ第１の枠部３０に対して揺動自在に支持する１対の第１のビーム部５ａ，５ｂとを備え、第１のビーム部５ａ，５ｂは、それぞれ第１の枠部３０の対向する角部近傍に配設され、その軸部が第１の枠部３０の対角線と直交する方向に略一致し且つ軸方向における両端部が第１の枠部３０と一体に形成され、各ビーム部５ａ，５ｂの軸方向の略中央部において各電極部４００，４０１をそれぞれ一体に形成した。【選択図】図１
2010210428.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
可動電極を２分割して成る第１の電極部及び第２の電極部と、第１の電極部及び第２の電極部を所定の間隔を空けて囲む平面視略矩形状の枠部と、第１の電極部及び第２の電極部と枠部とをそれぞれ連結するとともに第１の電極部及び第２の電極部をそれぞれ枠部に対して揺動自在に支持する１対のビーム部と、第１の電極部及び第２の電極部に対してそれぞれ所定の間隔を空けて対向配置される１対の固定電極とを備え、可動電極の揺動に伴う可動電極と固定電極との間の静電容量の変化から加速度を検出する加速度センサであって、ビーム部は、その軸部が枠部の角部近傍において対角線と直交する方向に略一致し且つ軸方向における両端部が枠部と一体に形成され、各ビーム部の軸方向の略中央部において第１の電極部及び第２の電極部がそれぞれ一体に形成されたことを特徴とする加速度センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、可動電極の揺動に伴う可動電極と固定電極との間の静電容量の変化に基づいて加速度を検出する静電容量型の加速度センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、平面視矩形状の可動電極と、可動電極の対向する２辺の略中央において可動電極を揺動自在に支持する１対のビーム部と、可動電極の表面において１対のビーム部を結ぶ直線を境界線とした一方側と他方側のそれぞれに対して所定の距離を空けて対向配置された固定電極とを備え、可動電極の揺動に伴う可動電極と固定電極との間の静電容量の変化を検出することで加速度を検出する静電容量型の加速度センサが知られている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
以下、このような加速度センサの従来例について図面を用いて説明する。尚、以下の説明では、図３における上下を上下方向と定めるものとする。また、センサチップ１の短手方向と平行な方向をｘ方向、センサチップ１の長手方向と平行な方向をｙ方向、ｘ方向及びｙ方向に互いに直交する方向をｚ方向と定めるものとする。この従来例は、図３に示すように、ＳＯＩ（Silicon on Insulator）基板で形成されたセンサチップ１が上部固定板２ａと下部固定板２ｂとで挟持された構成となっている。センサチップ１は、２つの平面視略矩形状の第１の枠部３０及び第２の枠部３１を有するフレーム部３と、枠部３０，３１の側壁部に対して隙間を空けて各枠部３０，３１に囲まれた空間に配設される平面視略矩形状の２つの第１の可動電極４０及び第２の可動電極４１と、各可動電極４０，４１上面の対向する２辺の略中央部と各枠部３０，３１の側壁部とを連結することにより各可動電極４０，４１をフレーム部３に対して揺動自在に支持する２対のビーム部５ａ〜５ｄとを備える。
【０００４】
上部固定板２ａはガラス基板により形成され、図３に示すように、第１の可動電極４０と対向する下面には１対の第１のビーム部５ａ，５ｂを結ぶ直線を境界線として第１の固定電極２０ａ及び第２の固定電極２０ｂが設けられている。また、第２の可動電極４１と対向する下面には、１対の第２のビーム部５ｃ，５ｄを結ぶ直線を境界線として第３の固定電極２０ｃ及び第４の固定電極２０ｄが設けられている。各固定電極２０ａ〜２０ｄはアルミニウム系合金から形成されている。
【０００５】
下部固定板２ｂは、上部固定板２ａと同様にガラス基板により形成され、図３，４に示すように、各可動電極４０，４１と間隔を空けて付着防止膜２３ａ，２３ｂが配設されている。付着防止膜２３ａ，２３ｂは各固定電極２０ａ〜２０ｄと同じ材料から成り、各可動電極４０，４１が動作時に下部固定板２ｂに付着するのを防止する。また、測定レンジを超える過大な加速度が加えられた場合には、付着防止膜２３ａ，２３ｂによって各可動電極４０，４１と下部固定板２ｂとが直接接触するのを防ぐことから衝撃緩和の効果を奏する。
【０００６】
センサチップ１には、図３に示すように、第１の可動電極４０と各固定電極２０ａ，２０ｂとの間の静電容量Ｃ１，Ｃ２を各々検出する検出電極６ａ，６ｂと、第２の可動電極４１と各固定電極２０ｃ，２０ｄとの間の静電容量Ｃ３，Ｃ４を各々検出する検出電極６ｃ，６ｄと、接地電極７とが設けられている。上部固定板２ａの各検出電極６ａ〜６ｄ及び接地電極７と対向する部位にはスルーホール２１ａ〜２１ｄ，２２が貫設されており、当該スルーホール２１ａ〜２１ｄ，２２を介して各固定電極２０ａ〜２０ｄに各々接続された検出電極６ａ〜６ｄ、及び接地電極７の出力が取り出されるようになっている。また、検出電極６ａと検出電極６ｂとの間、検出電極６ｃと検出電極６ｄとの間、各検出電極６ａ〜６ｄとフレーム部３との間、各検出電極６ａ〜６ｄと各可動電極４０，４１との間には各々隙間が形成されている。このように構成することで、各検出電極６ａ〜６ｄが互いに電気的に絶縁されるので、各検出電極６ａ〜６ｄの寄生容量や電極間のクロストークを低減し、高精度な静電容量の検出を行うことができる。
【０００７】
第１の可動電極４０の下面における１対の第１のビーム部５ａ，５ｂを結ぶ直線を境界線とした一方側には、図４に示すように、厚み寸法が前記他方側の厚み寸法よりも小さくなるように凹部４０ａが設けられている。同様に、第２の可動電極４１の下面における１対の第２のビーム５ｃ，５ｄを結ぶ直線を境界線とした一方側にも、図示しないが、厚み寸法が前記他方側の寸法よりも小さくなるように凹部が設けられている。何れの凹部も、図４に示すように（図４では凹部４０ａのみ図示）、各可動電極４０，４１の重心位置Ｏとビーム部５ａ〜５ｄとが成す角度θが４５度となるように設けられている。このように構成することで、加速度が加えられた際にビーム部５ａ〜５ｄを軸とした回転モーメントが各可動電極４０，４１に発生し、ｘ方向及びｚ方向の検出感度が等価になる。尚、この従来例では、図３に示すように２つの加速度センサがｘｙ平面に配置され、一方の加速度センサが他方の加速度センサに対してｘｙ平面内で１８０度回転して配置されている。
【０００８】
各可動電極４０，４１の上部固定板２ａ及び下部固定板２ｂと対向する面には、図４に示すように（図４では第１の可動電極４０のみ図示）、シリコン又はシリコン酸化膜により形成された複数の突起部４０ｂが設けられている。このような突起部４０ｂを設けることにより、各可動電極４０，４１に測定レンジを超える過大な加速度が加えられた場合であっても、各可動電極４０，４１が対向する上部固定板２ａ及び下部固定板２ｂと直接衝突することがなく、センサチップ１の破損を防止することができる。尚、この従来例では各可動電極４０，４１の上部固定板２ａ及び下部固定板２ｂと対向する面に突起部４０ｂを設けているが、上部固定板２ａ及び下部固定板２ｂの各可動電極４０，４１と対向する面に突起部４０ｂを設けても構わない。
【０００９】
以下、上記従来例における加速度検出について説明する。先ず、ｘ方向における加速度の検出について説明する。第１の可動電極４０にｘ方向の加速度が加えられた場合、第１の可動電極４０と各固定電極２０ａ，２０ｂとの間の静電容量Ｃ１，Ｃ２は、それぞれ以下に示す数式で表される。尚、数式（１），（２）中のパラメータＣ０は、第１の可動電極４０にｘ方向の加速度が加えられていない状態における第１の可動電極４０と各固定電極２０ａ，２０ｂとの間の静電容量を示す。
【００１０】
Ｃ１＝Ｃ０−ΔＣ  …（１）
Ｃ２＝Ｃ０＋ΔＣ  …（２）
同様に、第２の可動電極４１にｘ方向の加速度が加えられた場合、第２の可動電極４１と各固定電極２０ｃ，２０ｄとの間の静電容量Ｃ３，Ｃ４は、それぞれ以下に示す数式で表される。尚、数式（３），（４）中のパラメータＣ０は、上記と同様に第２の可動電極４１にｘ方向の加速度が加えられていない状態における第２の可動電極４１と各固定電極２０ｃ，２０ｄとの間の静電容量を示す。
【００１１】
Ｃ３＝Ｃ０−ΔＣ  …（３）
Ｃ４＝Ｃ０＋ΔＣ  …（４）
而して、各検出電極６ａ〜６ｄを介して上記静電容量Ｃ１〜Ｃ４を検出し、ＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）等を利用して静電容量Ｃ１，Ｃ２の差分値ＣＡ（＝Ｃ１−Ｃ２）、及び静電容量Ｃ３，Ｃ４の差分値ＣＢ（＝Ｃ３−Ｃ４）を算出し、算出された差分値ＣＡ，ＣＢの和（±４ΔＣ）をＸ出力として出力することにより、静電容量の変化から第１の可動電極４０及び第２の可動電極４１に加えられたｘ方向の加速度を検出することができる。
【００１２】
次に、ｚ方向における加速度の検出について説明する。第１の可動電極４０にｚ方向の加速度が加えられた場合、第１の可動電極４０と各固定電極２０ａ，２０ｂとの間の静電容量Ｃ１，Ｃ２は、それぞれ以下に示す数式で表される。尚、数式（５），（６）中のパラメータＣ０は、第１の可動電極４０にｚ方向の加速度が加えられていない状態における第１の可動電極４０と各固定電極２０ａ，２０ｂとの間の静電容量を示す。
【００１３】
Ｃ１＝Ｃ０＋ΔＣ  …（５）
Ｃ２＝Ｃ０−ΔＣ  …（６）
同様に、第２の可動電極４１にｚ方向の加速度が加えられた場合、第２の可動電極４１と各固定電極２０ｃ，２０ｄとの間の静電容量Ｃ３，Ｃ４は、それぞれ以下に示す数式で表される。尚、数式（７），（８）中のパラメータＣ０は、上記と同様に第２の可動電極４１にｚ方向の加速度が加えられていない状態における第２の可動電極４１と各固定電極２０ｃ，２０ｄとの間の静電容量を示す。
【００１４】
Ｃ３＝Ｃ０−ΔＣ  …（７）
Ｃ４＝Ｃ０＋ΔＣ  …（８）
而して、各検出電極６ａ〜６ｄを介して上記静電容量Ｃ１〜Ｃ４を検出し、ＡＳＩＣ等を利用して静電容量Ｃ１，Ｃ２の差分値ＣＡ（＝Ｃ１−Ｃ２）、及び静電容量Ｃ３，Ｃ４の差分値ＣＢ（＝Ｃ３−Ｃ４）を算出し、算出された差分値ＣＡ，ＣＢの和（±４ΔＣ）をＺ出力として出力することにより、静電容量の変化から第１の可動電極４０及び第２の可動電極４１に加えられたｚ方向の加速度を検出することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１５】
【特許文献１】米国特許公開２００７−００００３２３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１６】
ところで、上記のような加速度センサでは、測定レンジを越えた過大な加速度が加えられる等の衝撃に対する強度は、可動電極４０，４１の質量とビーム部５ａ〜５ｄの剛性によって決定される。しかしながら、上記従来例では、衝撃に対する強度を高めるためにビーム部５ａ〜５ｄの剛性を高めると、可動電極４０，４１が揺動し難くなり、検出感度が落ちるという問題があった。
【００１７】
本発明は、上記の点に鑑みて為されたもので、検出感度を落とすことなく衝撃に対する強度を高めることのできる加速度センサを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
請求項１の発明は、上記目的を達成するために、可動電極を２分割して成る第１の電極部及び第２の電極部と、第１の電極部及び第２の電極部を所定の間隔を空けて囲む平面視略矩形状の枠部と、第１の電極部及び第２の電極部と枠部とをそれぞれ連結するとともに第１の電極部及び第２の電極部をそれぞれ枠部に対して揺動自在に支持する１対のビーム部と、第１の電極部及び第２の電極部に対してそれぞれ所定の間隔を空けて対向配置される１対の固定電極とを備え、可動電極の揺動に伴う可動電極と固定電極との間の静電容量の変化から加速度を検出する加速度センサであって、ビーム部は、その軸部が枠部の角部近傍において対角線と直交する方向に略一致し且つ軸方向における両端部が枠部と一体に形成され、各ビーム部の軸方向の略中央部において第１の電極部及び第２の電極部がそれぞれ一体に形成されたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、可動電極を２分割した電極部を両端部が枠部と一体に形成された１つのビーム部が揺動自在に支持するため、従来のように１つの可動電極を１対のビーム部で揺動自在に支持する場合と比較して１つのビーム部にかかる負荷が小さくなり、したがって検出感度を落とすことなく衝撃に対する強度を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明に係る加速度センサの実施形態１を示す図で、（ａ）は平面図で、（ｂ）はＡ−Ａ’線断面矢視図で、（ｃ）は固定電極との位置関係を示す平面図である。
【図２】本発明に係る加速度センサの実施形態２を示す図で、（ａ）は可動電極及びフレーム部の平面図で、（ｂ）は上部固定板の下面図である。
【図３】従来の加速度センサを示す分解斜視図である。
【図４】同上のｙｚ平面における断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
（実施形態１）
以下、本発明に係る加速度センサの実施形態１について図面を用いて説明する。但し、本実施形態の基本的な構成は従来例と共通であるので、共通する部位には同一の番号を付して説明を省略する。また、以下の説明では、従来例での説明と同様に、図３における上下を上下方向、センサチップ１の短手方向と平行な方向をｘ方向、センサチップ１の長手方向と平行な方向をｙ方向、ｘ方向及びｙ方向に互いに直交する方向をｚ方向と定めるものとする。
【００２２】
本実施形態は、図１（ａ）〜（ｃ）に示すように、平面視略正方形状の第１の可動電極４０を２分割して成る平面視略三角形状の第１の電極部４００及び第２の電極部４０１と、第１の電極部４００及び第２の電極部４０１を所定の間隔を空けて囲む平面視略正方形状の第１の枠部３０と、第１の電極部４００及び第２の電極部４０１と第１の枠部３０とをそれぞれ連結するとともに第１の電極部４００及び第２の電極部４０１をそれぞれ第１の枠部３０に対して揺動自在に支持する１対の第１のビーム部５ａ，５ｂと、第１の電極部４００及び第２の電極部４０１に対してそれぞれ所定の間隔を空けて対向配置される第１の固定電極２０ａ及び第２の固定電極２０ｂとを備える。
【００２３】
第１のビーム部５ａ，５ｂは、それぞれ第１の枠部３０の対向する角部近傍に配設され、その軸部が第１の枠部３０の対角線と直交する方向に略一致し且つ軸方向における両端部が第１の枠部３０と一体に形成されている。そして、一方の第１のビーム部５ａの軸方向の略中央部と第１の電極部４００の頂点部とが一体に形成され、また、他方の第１のビーム部５ｂの軸方向の略中央部と第２の電極部４０１の頂点部とが一体に形成されている。このため、各電極部４００，４０１は、第１のビーム部５ａ，５ｂの軸方向における略中央部をそれぞれ支点として揺動自在となっている。
【００２４】
而して、第１の可動電極４０を２分割した第１の電極部４００及び第２の電極部４０１を軸方向における両端部が第１の枠部２０と一体に形成された第１のビーム部５ａ，５ｂがそれぞれ揺動自在に支持するため、従来例のように１つの第１の可動電極４０を１対の第１のビーム部５ａ，５ｂで揺動自在に支持する場合と比較して第１のビーム部５ａ，５ｂ各々にかかる負荷が小さくなる。したがって、第１のビーム部５ａ，５ｂの剛性を高める必要が無く、検出感度を落とすことなく衝撃に対する強度を高めることができる。
【００２５】
また、本実施形態の構成では、各電極部４００，４０１のｘｙ平面における重心が第１のビーム部５ａ，５ｂと重ならないため、従来例のように各可動電極４０，４１の重心をずらすために凹部を設ける必要が無い（図１（ｂ）参照）。したがって、凹部を設ける場合に行っていたエッチングの深さの管理をする必要が無く、従来例と比較してセンサを容易に製造することができる。
【００２６】
（実施形態２）
以下、本発明に係る加速度センサの実施形態２について図面を用いて説明する。但し、本実施形態の基本的な構成は実施形態１と共通であるので、共通する部位には同一の番号を付して説明を省略する。また、以下の説明では、従来例での説明と同様に、図３における上下を上下方向、センサチップ１の短手方向と平行な方向をｘ方向、センサチップ１の長手方向と平行な方向をｙ方向、ｘ方向及びｙ方向に互いに直交する方向をｚ方向と定めるものとする。
【００２７】
本実施形態は、図２（ａ）に示すように、平面視略正方形状の第１の可動電極４０を２分割して成る略三角形状の第１の電極部４００及び第２の電極部４０１と、平面視略正方形状の第２の可動電極４１を２分割して成る略三角形状の第３の電極部４１０及び第４の電極部４１１と、各電極部４００，４０１を所定の間隔を空けて囲む平面視略正方形状の第１の枠部３０、並びに各電極部４１０，４１１を所定の間隔を空けて囲む平面視略正方形状の第２の枠部３１を有するフレーム部３とからセンサチップ１が構成されている（センサチップ１については図３参照）。
【００２８】
第１のビーム部５ａ，５ｂ、第１の枠部３０、第１の電極部４００及び第２の電極部４０１は、実施形態１と同様に構成されている。第２のビーム部５ｃ，５ｄは、それぞれ第２の枠部３１の対向する角部近傍に配設され、その軸部が第２の枠部３１の対角線と直交する方向に略一致し且つ軸方向における両端部が第２の枠部３１と一体に形成されている。そして、一方の第２のビーム部５ｃの軸方向の略中央部と第３の電極部４１０の頂点部とが一体に形成され、また、他方の第２のビーム部５ｄの軸方向の略中央部と第４の電極部４１１の頂点部とが一体に形成されている。このため、各電極部４１０，４１１は、第２のビーム部５ｃ，５ｄの軸方向における略中央部をそれぞれ支点として揺動自在となっている。
【００２９】
上部固定板２ａの第１の電極部４００及び第２の電極部４０１と対向する下面には、図２（ｂ）に示すように、略三角形状の第１の固定電極２０ａ及び第２の固定電極２０ｂがそれぞれ設けられている。また、第３の電極部４１０及び第４の電極部４１１と対向する下面には、第３の固定電極２０ｃ及び第４の固定電極２０ｄがそれぞれ設けられている。
【００３０】
以下、本実施形態における加速度検出について説明する。各電極部４００，４０１，４１０，４１１にｘ方向、ｙ方向の加速度が加えられた場合、各電極部４００，４０１，４１０，４１１と各固定電極２０ａ〜２０ｄとの間の静電容量Ｃ１〜Ｃ４は、それぞれ以下に示す表のようになる。尚、表中のパラメータＣ０は、各電極部４００，４０１，４１０，４１１に加速度が加えられていない状態における各電極部４００，４０１，４１０，４１１と各固定電極２０ａ〜２０ｄとの間の静電容量を示す。
【００３１】
【表１】
2010210428.tif 000003
【００３２】
而して、各検出電極６ａ〜６ｄを介して上記静電容量Ｃ１〜Ｃ４を検出し、ＡＳＩＣ等を利用して差分値ＣＡ（＝Ｃ１−Ｃ２），ＣＢ（＝Ｃ３−Ｃ４）を算出し、算出された差分値ＣＡ，ＣＢからＸ出力、Ｙ出力を求めることで、ｘ方向，ｙ方向の２軸の加速度を検出することができる。
【００３３】
尚、各電極部４００，４０１，４１０，４１１にｚ方向の加速度が加えられた場合の静電容量Ｃ１〜Ｃ４はそれぞれ以下に示す表のようになり、差分値ＣＡ，ＣＢが０となるために本実施形態ではｚ方向の加速度は検出することができない。したがって、本実施形態は、従来例のようなｘ方向，ｚ方向の２軸の加速度を検出する加速度センサではなく、ｘ方向，ｙ方向の２軸の加速度を検出する加速度センサである。
【００３４】
【表２】
2010210428.tif 000004
【００３５】
ここで、従来例の加速度センサは、２つの可動電極４０，４１を用いることでｘ方向，ｚ方向の２軸の加速度を検出する構成となっている。しかしながら、ｙ方向の加速度を検出するためには、２つの可動電極４０，４１の揺動する軸と直交する方向の軸を有する可動電極を更に設ける必要があり、センサが大型化するという問題があった。これに対して、本実施形態では従来例の可動電極４０，４１を各々２分割して４つの電極部４００，４０１，４１０，４１１を設けることで、実質的に４つの可動電極を利用してｘ方向，ｙ方向の加速度を検出する構成となっている。而して、新たに可動電極を設ける必要が無いために、センサを大型化することなくｙ方向の加速度を検出することができる。
【符号の説明】
【００３６】
２０ａ  第１の固定電極
２０ｂ  第２の固定電極
３０  第１の枠部
４０  第１の可動電極
４００  第１の電極部
４０１  第２の電極部
５ａ，５ｂ  第１のビーム部
【図１】
2010210428.tif 000005
【図２】
2010210428.tif 000006
【図３】
2010210428.tif 000007
【図４】
2010210428.tif 000008