(57)【要約】【課題】温度変化のある環境下においても安定した加速度の検出特性を得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と、第１の可動電極４０を揺動自在に支持する１対の第１のビーム部５ａ，５ｂと、第１の可動電極４０を所定の間隔を空けて囲む第１の枠部３０と、第１の可動電極４０の表面と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、第１の可動電極４０の裏面と離間して対向配置されるとともに第１の枠部３０が接合される下部固定板２ｂとを備え、一端部が下部固定板２ｂに接合されるとともに他端部が第１の可動電極４０に貫設された貫設孔４０ｃの内側に臨む支持部４０ｄを備え、１対の第１のビーム部５ａ，５ｂは、第１の可動電極４０と支持部４０ｄとを連結する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
可動電極と、可動電極を揺動自在に支持する１対のビーム部と、可動電極を所定の間隔を空けて囲む枠部と、可動電極の表面における１対のビーム部を結ぶ直線を境界線とした一方側及び他方側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、可動電極の裏面と離間して対向配置されるとともに枠部が接合される固定板とを備え、可動電極の裏面における１対のビーム部を結ぶ直線を境界線とした何れか一方の側に凹部が設けられ、ビーム部を軸とした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、一端部が固定板に接合されるとともに他端部が可動電極に貫設された貫設孔の内側に臨む支持部を備え、１対のビーム部は、可動電極と支持部とを連結する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２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２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２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２，３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２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３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３に示すように（図３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２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３に示すように（図３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、上記従来例では、第１のビーム部５ａ，５ｂ及び第２のビーム部５ｃ，５ｄがそれぞれ第１の枠部３０及び第２の枠部３１と一体に形成されている。このため、センサが温度変化のある環境下に配置された場合、図４に示すように、ガラス基板から成る下部固定板２ｂと、ＳＯＩ基板から成る第１の枠部３０及び第２の枠部３１との接合部分において両基板を構成するガラスとシリコンとの熱膨張差によって歪みが生じる。そして、この歪みによる応力が第１の枠部３０及び第２の枠部３１を介して第１のビーム部５ａ，５ｂ及び第２のビーム部５ｃ，５ｄに伝達することで、各ビーム部５ａ〜５ｄの捩り量が変化し、加速度の検出特性に影響を及ぼす虞があった。
【００１７】
本発明は、上記の点に鑑みて為されたもので、温度変化のある環境下においても安定した加速度の検出特性を得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、可動電極と、可動電極を揺動自在に支持する１対のビーム部と、可動電極を所定の間隔を空けて囲む枠部と、可動電極の表面における１対のビーム部を結ぶ直線を境界線とした一方側および他方側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、可動電極の裏面と離間して対向配置されるとともに枠部が接合される固定板とを備え、可動電極の裏面における１対のビーム部を結ぶ直線を境界線とした何れか一方の側に凹部が設けられ、ビーム部を軸とした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、一端部が固定板に接合されるとともに他端部が可動電極に貫設された貫設孔の内側に臨む支持部を備え、１対のビーム部は、可動電極と支持部とを連結することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、１対のビーム部が可動電極の内側で支持部と可動電極とを連結することから、可動電極と枠部との間、及びビーム部と枠部との間を完全に分離した状態で可動電極を揺動自在に支持することができる。したがって、固定板と枠部との接合部分での熱膨張差による応力がビーム部に伝達せず、ビーム部の捩り量が変化することがないので、温度変化のある環境下においても安定した加速度の検出特性を得ることができる。
【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を示す図で、（ａ）は平面図で、（ｂ）はＡ−Ａ’線断面矢視図で、（ｃ）はＢ−Ｂ’線断面矢視図で、（ｄ）は固定電極との位置関係を示す平面図である。
【図２】従来の加速度センサを示す分解斜視図である。
【図３】同上のｙｚ平面における断面図である。
【図４】同上の課題を説明する要部断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下、本発明に係る加速度センサの実施形態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２における上下を上下方向と定めるものとする。
【００２２】
本実施形態は、図１（ａ）〜（ｄ）に示すように、平面視略正方形状の第１の可動電極４０と、第１の可動電極４０を揺動自在に支持する１対の第１のビーム部５ａ，５ｂと、第１の可動電極４０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の可動電極４０の表面における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および他方側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対の第１の固定電極２０ａ及び第２の固定電極２０ｂと、第１の可動電極４０の裏面と離間して対向配置されるとともに第１の枠部３０が接合される下部固定板２ｂとを備える。
【００２３】
第１の可動電極４０の略中央部には、厚み方向（上下方向）に平面視略矩形状の貫設孔４０ｃが貫設されており、当該貫設孔４０ｃを介して一端部が下部固定板２ｂに接合された略直方体状の支持部４０ｄの他端部が外部を臨むように配設されている。そして、支持部４０ｄの他端部と第１の可動電極４０の貫設孔４０ｃ内周縁とを連結するようにして第１のビーム部５ａ，５ｂが一体に形成されている。
【００２４】
即ち、本実施形態では、図１（ｂ），（ｃ）に示すように、１対の第１のビーム部５ａ，５ｂが第１の可動電極４０の内側で支持部４０ｄと第１の可動電極４０とを連結することから、第１の可動電極４０と第１の枠部３０との間、及び第１のビーム部５ａ，５ｂと第１の枠部３０との間を完全に分離した状態で第１の可動電極４０を揺動自在に支持することができる。したがって、下部固定板２ｂと第１の枠部３０との接合部分でのガラスとシリコンとの熱膨張差に起因する応力が第１のビーム部５ａ，５ｂに伝達せず、第１のビーム部５ａ，５ｂの捩り量が変化することがないので、温度変化のある環境下においても安定した加速度の検出特性を得ることができる。
【００２５】
また、本実施形態では、１対の第１のビーム部５ａ，５ｂが第１の可動電極４０の内側に形成されているので、従来例のように第１の枠部３０と第１の可動電極４０との間の距離が第１のビーム部５ａ，５ｂの長さに依存することがない。而して、第１の枠部３０と第１の可動電極４０との間の距離を狭めることができ、全体としてセンサの小型化を図ることができる。
【００２６】
尚、本実施形態では、第１の枠部３０、第１の可動電極４０、第１のビーム部５ａ，５ｂに関する構成についてのみ記載しているが、従来例における第２の枠部３１、第２の可動電極４１、第２のビーム部５ｃ，５ｄに関する構成に対して本実施形態の構成を採用しても構わないことは言うまでもない。
【符号の説明】
【００２７】
２ｂ  下部固定板（固定板）
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
４０ｃ  貫設孔
４０ｄ  支持部
５ａ，５ｂ  第１のビーム部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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