(57)【要約】【課題】磁界発生用の固定側コイルが振り子側コイルより外側にはみ出さないようにし、その分、小型化を可能とする。【解決手段】振り子の変位による静電容量の変化を検出して、振り子の変位を拘束するために振り子側コイルに電流を流すサーボ型の加速度センサを、デバイス部３０とカバー部５０の接合により構成する。デバイス部３０は支持部４１と、矩形板状をなす導電性の振り子４２と、振り子４２をその板面方向に変位可能に支持部４１に支持する梁部４３と、振り子４２の側面との間で静電容量を形成する検出用電極４４，４５を具備する。カバー部５０は振り子４２の板面との対向面に振り子側コイル４８を駆動するための磁界を発生する固定側コイル５３ａ，５３ｂを具備する。振り子側コイル４８は振り子４２の前記板面に形成された高透磁率膜４６上に絶縁膜４７を介して形成され、渦巻状とされる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
振り子の変位による静電容量の変化を検出して、振り子の変位を拘束するために振り子側コイルに電流を流すサーボ型の加速度センサであって、
デバイス部とカバー部とが接合されて構成され、
前記デバイス部は支持部と、矩形板状をなす導電性の振り子と、その振り子をその板面方向に変位可能に前記支持部に支持する梁部と、前記振り子の側面との間で静電容量を形成する検出用電極とを具備し、
前記カバー部は前記振り子の板面との対向面に、前記振り子側コイルを駆動するための磁界を発生する固定側コイルを具備しており、
前記振り子の前記板面に高透磁率膜が形成され、その高透磁率膜上に絶縁膜を介して前記振り子側コイルが渦巻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】
請求項１記載の加速度センサにおいて、
前記固定側コイルは前記振り子の変位方向に配列された一対のコイルよりなり、
それらコイルは同じ方向に巻かれた渦巻状とされて、互いに逆向きに電流が流れるように接続されていることを特徴とする加速度センサ。
【請求項３】
請求項１または２記載の加速度センサと、
前記固定側コイルに定電流を供給する電源と、
前記静電容量の変化を検出する変位検出用回路と、
その変位検出用回路の検出出力に基づき、前記振り子側コイルに帰還電流を供給するサーボアンプとを具備することを特徴とするサーボ型加速度計。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は振り子の変位による静電容量の変化を検出して、振り子の変位を拘束するために振り子側コイルに電流を流すサーボ型の加速度センサ及びその加速度センサを備えたサーボ型加速度計に関する。
【背景技術】
【０００２】
図６はこの種の加速度センサの従来例として、特許文献１に記載されている構成を示したものである。
【０００３】
基板１１の凹所には固定電極１２が形成され、この固定電極１２と対向して静電容量を形成する可動電極１３が振り子１４に形成されている。振り子１４は振り子ばね１５で基板１１に連結されている。
【０００４】
固定電極１２の表面には絶縁被膜１６が設けられ、この絶縁被膜１６上に３個の磁界発生用コイル１７，１８，１９がそれぞれ渦巻状に形成されている。また、これら磁界発生用コイル１７〜１９と対向するように、振り子駆動用コイル２１が振り子１４上に設けられている。振り子駆動用コイル２１は可動電極１３の表面に設けられた絶縁被膜２２上に渦巻状に形成されている。
【０００５】
磁界発生用コイル１７〜１９は固定電極１２の中央に設けられた中央コイル１８と、中央コイル１８の両側にそれぞれ配置されて中央コイル１８へ磁束を向かわせるように設けられた側方コイル１７，１９とが基板１１内に設けられた端子２３を介して電源に結線されており、振り子駆動用コイル２１のコイル面に近似的に平行な磁束を発生するようになっている。
【０００６】
振り子１４の変位検出機構は固定電極１２及び可動電極１３が変位検出用集積回路２４に結線されることにより構成されており、振り子駆動用コイル２１は変位検出用集積回路２４に結線されたサーボアンプ集積回路２５に結線され、加速度検出時に、振り子１４の動きを拘束するための電流をサーボアンプ集積回路２５から受けるものとなっている。この電流は振り子１４を動かす加速度に比例し、従ってこの電流を計測することにより加速度が求められるものとなっている。
【特許文献１】特許第３８１８３９９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上述した特許文献１に記載されている加速度センサでは振り子１４はその板面と垂直な方向（Ｚ方向）に変位するものとなっており、この振り子１４の変位を拘束すべく、振り子駆動用コイル２１を駆動させる力は、磁界発生用コイル１７〜１９によって発生した側方コイル１７，１９から中央コイル１８に向かう（またはその逆に向かう）磁界のＸ方向成分に比例する。
【０００８】
このような磁界のＸ方向成分は各側方コイル１７，１９の外側部分（中央コイル１８と反対側部分）で小さく、中央コイル１８の中心と側方コイル１７，１９の中心とをそれぞれ結ぶ線のそれぞれ二等分線上で最大となる。従って、振り子駆動用コイル２１はその巻線が中央コイル１８と側方コイル１７，１９の各二等分線上に位置するように配置する必要がある。
【０００９】
しかしながら、このように配置すると、磁界発生用コイル１７〜１９のうちの側方コイル１７，１９が振り子駆動用コイル２１よりも外側に大きくはみ出す構造となってしまい、その分、加速度センサが大きくなり、小型化が阻害される要因となっていた。
【００１０】
この発明の目的はこのような問題に鑑み、固定側の磁界発生用コイルが、その磁界によって駆動される振り子側の振り子駆動用コイルより外側にはみ出さないようにすることができ、よって小型化を図ることができるようにした加速度センサを提供することにあり、さらにそのような加速度センサを備えたサーボ型加速度計を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
請求項１の発明によれば、振り子の変位による静電容量の変化を検出して、振り子の変位を拘束するために振り子側コイルに電流を流すサーボ型の加速度センサは、デバイス部とカバー部とが接合されて構成され、デバイス部は支持部と、矩形板状をなす導電性の振り子と、その振り子をその板面方向に変位可能に支持部に支持する梁部と、振り子の側面との間で静電容量を形成する検出用電極とを具備し、カバー部は振り子の板面との対向面に、振り子側コイルを駆動するための磁界を発生する固定側コイルを具備しており、振り子の前記板面に高透磁率膜が形成され、その高透磁率膜上に絶縁膜を介して振り子側コイルが渦巻状に形成されているものとされる。
【００１２】
請求項２の発明では請求項１の発明において、固定側コイルは振り子の変位方向に配列された一対のコイルよりなり、それらコイルは同じ方向に巻かれた渦巻状とされて、互いに逆向きに電流が流れるように接続されている。
【００１３】
請求項３の発明によれば、サーボ型加速度計は請求項１または２記載の加速度センサと、固定側コイルに定電流を供給する電源と、静電容量の変化を検出する変位検出用回路と、その変位検出用回路の検出出力に基づき、振り子側コイルに帰還電流を供給するサーボアンプとを具備する。
【発明の効果】
【００１４】
この発明によれば、振り子はその板面方向に変位可能とされ、その変位を拘束すべく、固定側コイルは振り子の板面に形成された振り子側コイルのコイル面に垂直に磁界をかけられるものとなっている。従って、振り子側コイルを固定側コイルの直下に配置することができ、つまり固定側コイルが振り子側コイルより外側にはみ出さないようにすることができるため、その分、加速度センサの小型化を図ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
この発明の実施形態を図面を参照して実施例により説明する。
図１はこの発明による加速度センサの一実施例の構成を示したものである。この例では加速度センサはデバイス部３０とカバー部５０とが接合されて構成されている。図２及び３はそれらデバイス部３０及びカバー部５０の構成をそれぞれ示したものである。
【００１６】
デバイス部３０はこの例ではＳＯＩ（Silicon on Insulator）基板を用いて作製されており、図１Ｂ中、３１〜３３はそれぞれＳＯＩ基板のハンドル層（Ｓｉ）、犠牲層（ＳｉＯ２）、デバイス層（Ｓｉ）を示す。
【００１７】
デバイス部３０は図２に示したように支持部４１と振り子４２と一対の梁部４３と一対の検出用電極４４，４５とを具備している。振り子４２は矩形板状をなし、その一辺の両端部が梁部４３により支持部４１に連結支持されている。振り子４２は一対の梁部４３が弾性変形することにより、その板面方向（Ｘ方向）に変位可能とされている。一対の検出用電極４４，４５はＸ方向において振り子４２を所定の間隙を介して挟むように配置されており、振り子４２の側面との間でそれぞれ静電容量を形成している。
【００１８】
振り子４２及び一対の梁部４３はＳＯＩ基板のデバイス層３３によって形成されており、即ちこれら振り子４２及び一対の梁部４３の部分の犠牲層３２、ハンドル層３１は除去されている。デバイス層３３の厚さは例えば１００μｍとされ、梁部４３の幅（Ｘ方向の厚さ）は例えば１〜５μｍ程度に設定される。梁の変位は厚さの３乗に比例するため、梁部４３の形状（断面形状）をこのように選定することにより、振り子４２がＸ方向に動きやすく、他の方向（Ｚ方向）には８，０００倍以上動きにくい構造とすることができる。
【００１９】
振り子４２の上面には図１Ｂに示したように高透磁率膜４６が全面に渡って形成され、この高透磁率膜４６上に絶縁膜４７を介して振り子側コイル４８が形成されている。高透磁率膜４６の材料としては例えば鉄、ケイ素鉄、パーマロイ、スーパーマロイなどの比透磁率が１０００を超えるものを使用する。
【００２０】
振り子側コイル４８は図２に示したように渦巻状に形成され、その両端はそれぞれ梁部４３を通って支持部４１に導出されている。支持部４１の端縁に導出された振り子側コイル４８の両端にはそれぞれ電極パッド４８ａ，４８ｂが形成されている。
【００２１】
なお、絶縁膜４７は一対の梁部４３上及び支持部４１上にも形成されており、これによりＳｉよりなる導電性を有するデバイス層３３と振り子側コイル４８との絶縁が確保されている。図２中、ハッチングは絶縁膜４７が形成されている領域を示す。また、図２では詳細図示を省略しているが、振り子側コイル４８自身の交差部にも短絡を防止すべく、絶縁膜が介在するように設けられている。図２中、４４ａ，４５ａ及び４１ａはそれぞれ検出用電極４４，４５及び支持部４１上に形成された電極パッドを示し、支持部４１の電極パッド４１ａが形成されている部分は絶縁膜４７に窓４７ａが形成され、支持部４１が露出されている。
【００２２】
次に、カバー部５０の構成について説明する。
カバー部５０はガラス基板５１を用いて作製される。ガラス基板５１の一方の板面には凹部５２が形成され、この凹部５２の底面に固定側コイル５３が形成されている。固定側コイル５３はこの例ではデバイス部３０の振り子４２の変位方向（Ｘ方向）に配列された一対のコイル５３ａ，５３ｂよりなり、それらコイル５３ａ，５３ｂは図３Ｂに示したように同じ方向に巻かれた渦巻状とされて、互いに逆向きに電流が流れるように渦巻の外側同士が接続されている。
【００２３】
各コイル５３ａ，５３ｂの中央部にはガラス基板５１を貫通する貫通電極５４ａ，５４ｂが形成されており、各コイル５３ａ，５３ｂの内端はこれら貫通電極５４ａ，５４ｂに接続されている。ガラス基板５１の他方の板面には図３Ａに示したように、各貫通電極５４ａ，５４ｂから端縁に延びる引き出し導体５５ａ，５５ｂが形成されており、これら引き出し導体５５ａ，５５ｂは端縁に形成された電極パッド５６ａ，５６ｂにそれぞれ接続されている。
【００２４】
なお、ガラス基板５１の凹部５２を囲む側壁部５７にはデバイス部３０に形成されている各電極パッド４１ａ，４４ａ，４５ａ，４８ａ，４８ｂの位置と対向して切欠き５８が５箇所に形成されており、またデバイス部３０の振り子側コイル４８の両端導出部分と対応する位置には溝（逃げ）５９がそれぞれ形成されている。
【００２５】
上記のような構成を有するデバイス部３０とカバー部５０とは振り子側コイル４８と固定側コイル５３ａ，５３ｂとが互いに対向するように接合一体化されて図１に示した加速度センサが形成される。デバイス部３０の各電極パッド４１ａ，４４ａ，４５ａ，４８ａ，４８ｂは図１Ａに示したようにガラス基板５１の切欠き５８が形成されている部分に位置し、外部に露出される。
【００２６】
上記のような構成とされた加速度センサはカバー部５０に設けられている固定側コイル５３ａ，５３ｂと対向する振り子４２の上面に高透磁率膜４６が配置された構成となっており、両固定側コイル５３ａ，５３ｂ間の距離より、固定側コイル５３ａ，５３ｂと高透磁率膜４６間の距離を十分近くなるように配置することにより、固定側コイル５３ａ→高透磁率膜４６→固定側コイル５３ｂ（逆も可）という高透磁率膜４６を通る磁気回路を構成することができる。
【００２７】
固定側コイル５３ａ，５３ｂには常に電流が流され、これら固定側コイル５３ａ，５３ｂは前述したように巻き方が同じであるが、互いに逆向きに電流が流れるように接続されているため、発生する磁界は互いに逆向きとなるので、上記のような配置により高透磁率膜４６を通る磁気回路を構成することができる。
【００２８】
このような構成により、固定側コイル５３ａと高透磁率膜４６との間に、及び固定側コイル５３ｂと高透磁率膜４６との間にＺ方向の磁界が発生し、振り子側コイル４８のコイル面に、図２中の磁界の向きで示したようにコイル面に垂直に、かつコイル面の左右で互いに逆向きに磁界をかけることができるものとなっている。従って、振り子側コイル４８に電流を流せば、フレミングの左手の法則に従い、電流に応じた力がＸ方向に働き、振り子４２を変位させることができる。
【００２９】
以上説明したように、固定側コイル５３ａ，５３ｂと高透磁率膜４６とによって、固定側コイル５３ａ ，５３ｂが発生する磁界を振り子側コイル４８のコイル面に対して垂直にかけられるものとなっているので、図１Ｂに示したように振り子側コイル４８を固定側コイル５３ａ，５３ｂの直下に配置することができ、これにより従来のような固定側コイルが振り子側コイルより外側にはみ出し、その分、加速度センサの小型化が阻害されるといった問題を解消することができる。
【００３０】
図４は上述した加速度センサ６０を具備するサーボ型加速度計の構成概要を示したものである。この例ではサーボ型加速度計は加速度センサ６０と変位検出用回路７０とサーボアンプ８０と電源９０とによって構成されている。変位検出用回路７０はデバイス部３０の電極パッド４４ａ，４５ａ，４１ａに接続され、即ち検出用電極４４，４５及び梁部４３を介して振り子４２と導通している支持部４１に接続されている。サーボアンプ８０は振り子側コイル４８の電極パッド４８ａ，４８ｂに接続され、電源９０は固定側コイル５３ａ，５３ｂと接続されている電極パッド５６ａ，５６ｂに接続されている。固定側コイル５３ａ，５３ｂには電源９０より定電流が供給される。
【００３１】
加速度入力による慣性力によって振り子４２が動き始めると、振り子４２と検出用電極４４，４５との相対的な変位が振り子４２と検出用電極４４，４５間の静電容量の変化として変位検出用回路７０によって検出される。サーボアンプ８０は変位検出用回路７０の検出出力に基づき、振り子４２の変位を拘束するために振り子側コイル４８に帰還電流を流す。この電流値に基づき、入力加速度が正確に求められる。
【００３２】
なお、この例では振り子４２のＸ方向両側に一対の検出用電極４４，４５を設け、静電容量変化を差動で検出する方式としているが、差動検出方式に限らず、例えば検出用電極を片方だけとしてもよい。
【００３３】
図５は図１〜３に示したような構成を有する加速度センサの作製方法を示したものであり、以下、図５を参照して作製方法の概要を工程順に説明する。
〈デバイス部３０〉
（１）ＳＯＩ基板を用意し、そのデバイス層３３の表面に高透磁率膜４６及び絶縁膜４７を順次、成膜する。成膜は例えば蒸着により行う。
（２）フォトリソグラフィ及びエッチングにより、絶縁膜４７上に振り子側コイル４８のパターンをＡｕで形成する。
（３）デバイス部３０のパターン（支持部４１、振り子４２、梁部４３及び検出用電極４４，４５の形状）をエッチングにより形成する。
（４）検出用電極４４，４５上の高透磁率膜４６及び絶縁膜４７をエッチング除去する。
（５）振り子４２及び梁部４３の部分のハンドル層３１をエッチング除去する。
（６）ハンドル層３１を除去した部分の犠牲層３２をエッチング除去する。これにより、デバイス部３０が完成する。
〈カバー部５０〉
（１’）ガラス基板５１を用意し、貫通電極５４ａ，５４ｂを形成する。
（２’）エッチングにより凹部５２を形成する。
（３’）フォトリソグラフィ及びエッチングにより、固定側コイル５３ａ，５３ｂのパターン及び引き出し導体５５ａ，５５ｂ等をＡｕで形成する。これにより、カバー部５０が完成する。
〈接合〉
（７）デバイス部３０とカバー部５０とを陽極接合により接合する。これにより、図１に示した加速度センサが完成する。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】この発明による加速度センサの一実施例の構成を示す図、Ａは平面図、ＢはそのＣＣ断面図。
【図２】図１におけるデバイス部の構成を示す平面図。
【図３】図１におけるカバー部の構成を示す図、Ａは平面図、Ｂは底面図。
【図４】この発明によるサーボ型加速度計の一実施例の構成概要を説明するための図。
【図５】図１に示した加速度センサの作製方法を説明するための工程図。
【図６】加速度センサの従来構成例を説明するための図、Ａは断面図、ＢはそのＥＥ矢視断面図、ＣはそのＦＦ矢視断面図。
【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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