(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、
加速度に応じて前記基板に対して変位可能な質量部と、
前記質量部に一端が連結され、前記基板に対して変位可能な可動電極と、
前記可動電極の側面に対向して配置され、前記基板に固定された第１及び第２の固定電極と、
前記可動電極と前記第１の固定電極との間の第１の容量の変化と、前記可動電極と前記第２の固定電極との間の第２の容量の変化とを電気信号に変換する変換回路とを備え、
前記第１の固定電極は、前記第２の固定電極よりも前記可動電極に近く、前記可動電極の変位量を規制するストッパとして機能し、
前記第１の固定電極と前記質量部との距離は、前記第２の固定電極と前記質量部との距離とは異なることを特徴とする加速度センサ。
【請求項２】
前記可動電極が前記第１の固定電極に衝突すると前記第１の容量を前記変換回路から切り離すスイッチを更に備え、
前記第１の容量と前記第２の容量は前記変換回路に対して並列に接続されていることを特徴とする請求項１に記載の加速度センサ。
【請求項３】
前記スイッチは、前記変換回路の出力が所定値を超えると前記第１の容量を前記変換回路から切り離すことを特徴とする請求項２に記載の加速度センサ。
【請求項４】
前記第１の固定電極は前記第２の固定電極よりも前記質量部に近い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。
【請求項５】
前記可動電極の他端に設けられた錘を更に備えることを特徴とする請求項４に記載の加速度センサ。
【請求項６】
前記可動電極はくびれを有することを特徴とする請求項４又は５に記載の加速度センサ。
【請求項７】
前記第１の固定電極は前記第２の固定電極よりも前記質量部から遠い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、自動車のエアバッグシステム等に利用される加速度センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、カーナビゲーションや自動車のエアバッグシステム等において、傾斜や衝撃（加速度）を検知する加速度センサが利用される。このような加速度センサでは、一対の固定電極の間に位置する可動電極が加速度を受けて変位したことにより固定電極と可動電極との間で発生する容量変化を電気信号に変換して加速度を検出する（例えば、特許文献１〜３参照）。
【０００３】
加速度による可動部の変位量は梁部の寸法や質量部の重さにより決まるため、検知する加速度に対応したセンサ構造にする必要があった。例えば、傾斜を検知する場合には高感度なセンサ構造が必要となる。一方、衝撃を検知する場合には耐衝撃性の高い低感度なセンサ構造が必要となる。ここで言う感度とは、１重力加速度あたりのセンサ出力変化である。
【０００４】
加速度による質量部の変位を制限するために梁部にストッパを設けた加速度センサが提案されている（例えば、特許文献４参照）。梁部がストッパに衝突すると、質量部は慣性力により継続変位を続けようとするが、梁部の変位が制限されるため、質量部の変位量は小さくなる。即ち、センサ感度が低感度に変化する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００３−２４０７９７号公報
【特許文献２】特許第３４２６１０７号公報
【特許文献３】特開２００２−８２１２７号公報
【特許文献４】特開２００４−２８６６１５号公報（図５）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ストッパを設けた従来の加速度センサでは、質量部の荷重が２点のストッパに集中する。従って、梁部が細いと梁部が破損する可能性があり、信頼性が低いという問題があった。
【０００７】
本発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、その目的は加速度に応じて感度を変化させることができる信頼性の高い加速度センサを得るものである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明に係る加速度センサは、基板と、加速度に応じて前記基板に対して変位可能な質量部と、前記質量部に一端が連結され、前記基板に対して変位可能な可動電極と、前記可動電極の側面に対向して配置され、前記基板に固定された第１及び第２の固定電極と、前記可動電極と前記第１の固定電極との間の第１の容量の変化と、前記可動電極と前記第２の固定電極との間の第２の容量の変化とを電気信号に変換する変換回路とを備え、前記第１の固定電極は、前記第２の固定電極よりも前記可動電極に近く、前記可動電極の変位量を規制するストッパとして機能し、前記第１の固定電極と前記質量部との距離は、前記第２の固定電極と前記質量部との距離とは異なることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明により、加速度に応じて感度を変化させることができる信頼性の高い加速度センサを得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の実施の形態１に係る加速度センサのセンサチップを示す上面図である。
【図２】図１のＩ−ＩＩに沿った断面図である。
【図３】図１のＩＩＩ−ＩＶに沿った断面図である。
【図４】本発明の実施の形態１に係る加速度センサを示す回路図である。
【図５】図１のセンサチップの動作時の状態を示す上面図である。
【図６】高感度モードにおける図４のスイッチの切り替え動作を示す回路図である。
【図７】低感度モードにおける図４のスイッチの切り替え動作を示す回路図である。
【図８】本発明の実施の形態１に係る加速度センサのセンサ出力と加速度の関係を示す図である。
【図９】本発明の実施の形態２に係る加速度センサのセンサチップを示す上面図である。
【図１０】図９のセンサチップの動作時の状態を示す上面図である。
【図１１】本発明の実施の形態３に係る加速度センサのセンサチップを示す上面図である。
【図１２】図１１のセンサチップの動作時の状態を示す上面図である。
【図１３】本発明の実施の形態４に係る加速度センサのセンサチップを示す上面図である。
【図１４】図１３のセンサチップの動作時の状態を示す上面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
本発明の実施の形態に係る加速度センサについて図面を参照して説明する。同じ又は対応する構成要素には同じ符号を付し、説明の繰り返しを省略する場合がある。
【００１２】
実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１に係る加速度センサのセンサチップを示す上面図である。図２は図１のＩ−ＩＩに沿った断面図であり、図３は図１のＩＩＩ−ＩＶに沿った断面図である。
【００１３】
シリコン基板１の表面には酸化膜２が設けられている。シリコン基板１にアンカー部３が固定され、そのアンカー部３にループ状の梁部４が支持されている。梁部４に質量部５の両端が連結されている。質量部５に可動電極６の一端が連結されている。質量部５及び可動電極６は、加速度に応じてシリコン基板１に対して変位可能である。
【００１４】
固定電極７ａ，８ａが可動電極６の図中の左側の側面に対向して配置され、固定電極７ｂ，８ｂが可動電極６の図中の右側の側面に対向して配置され、それぞれシリコン基板１に固定されている。固定電極７ａ，７ｂは、固定電極８ａ，８ｂよりも可動電極６に近く、可動電極６の変位量を規制するストッパとして機能する。固定電極７ａ，７ｂは固定電極８ａ，８ｂよりも質量部５に近い。
【００１５】
可動電極６は、導電性の質量部５、梁部４、アンカー部３、及び配線９ａを介してＡｌパッド１０ａに接続されている。固定電極７ａ，７ｂ，８ａ，８ｂは、それぞれ配線９ｂ，９ｃ，９ｄ，９ｅを介してＡｌパッド１０ｂ，１０ｃ，１０ｄ，１０ｅに接続されている。質量部５、可動電極６、及び固定電極７ａ，７ｂ，８ａ，８ｂはキャップ１１により覆われている。なお、説明の簡略化のために、図１ではキャップ１１の一部を省略してその内部を示している。
【００１６】
図４は、本発明の実施の形態１に係る加速度センサを示す回路図である。加速度センサは、加速度を検出するセンサチップと、センサチップの出力信号を成形・増幅するＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）とを有する。
【００１７】
可動電極６と固定電極７ａとの間に容量Ｃ１１、可動電極６と固定電極８ａとの間に容量Ｃ１２、可動電極６と固定電極７ｂとの間に容量Ｃ２１、可動電極６と固定電極８ｂとの間に容量Ｃ２２がそれぞれ形成される。
【００１８】
容量Ｃ１１の一端はスイッチＳＷ１を介して容量・電圧変換回路１２の端子Ｄに接続され、容量Ｃ２１の一端はスイッチＳＷ２を介して容量・電圧変換回路１２の端子Ｇに接続されている。容量Ｃ１２の一端は容量・電圧変換回路１２の端子Ｄに直接に接続され、容量Ｃ２２の一端は容量・電圧変換回路１２の端子Ｇに直接に接続されている。容量Ｃ１１，Ｃ１２，Ｃ２１，Ｃ２２の他端は容量・電圧変換回路１２の端子Ｃに直接に接続されている。容量Ｃ１１と容量Ｃ１２は容量・電圧変換回路１２に対して並列に接続されている。同様に、容量Ｃ２１と容量Ｃ２２も容量・電圧変換回路１２に対して並列に接続されている。
【００１９】
容量・電圧変換回路１２は、容量Ｃ１１，Ｃ１２，Ｃ２１，Ｃ２２の容量変化を電気信号に変換する。コンパレータ１３ａは、容量・電圧変換回路１２の出力を参照電圧Ｒｅｆ１と比較してスイッチＳＷ１を制御する。コンパレータ１３ｂは、容量・電圧変換回路１２の出力を参照電圧Ｒｅｆ２と比較してスイッチＳＷ２を制御する。
【００２０】
ローパスフィルタ１４は、容量・電圧変換回路１２の出力をフィルタ処理する。特性調整回路１５は、ＥＰＲＯＭ１６に記憶されたデータに基づいて、ローパスフィルタ１４の出力のゲインやオフセットなどの特性を調整する。特性調整回路１５の出力がセンサ出力として外部に出力される。このように、加速度センサは、可動電極６の変位に基づく可動電極６と固定電極７ａ，７ｂ，８ａ，８ｂとの間の容量変化によって加速度を検出する。
【００２１】
続いて、本実施の形態に係る加速度センサの動作を説明する。図５は、図１のセンサチップの動作時の状態を示す上面図である。左方向に加速度が印加されると、図５の左図に示すように質量部５と可動電極６は左側に変位する。一方、右方向に加速度が印加されると、図５の右図に示すように質量部５と可動電極６は右側に変位する。可動電極６の変位量は、梁部４の寸法や質量部５の重さなどにより決まる。
【００２２】
可動電極６が固定電極７ａ，７ｂに衝突すると、質量部５の動きは止まるが、可動電極６の先端は慣性力により変位を続ける。ただし、固定電極７ａ，７ｂに動きが制限されているため、加速度あたりの変位量が小さくなる。即ち、センサ感度が低感度に変化する。
【００２３】
図６は、高感度モードにおける図４のスイッチの切り替え動作を示す回路図である。可動電極６が固定電極７ａ，７ｂに衝突していない高感度モードでは、スイッチＳＷ１は容量Ｃ１１をＤ点とＣ点に接続し、スイッチＳＷ２は容量Ｃ２１をＧ点とＣ点に接続する。加速度が印加されると、容量Ｃ１１，Ｃ１２の値が共に増加（減少）、容量Ｃ２１，Ｃ２２の値が共に減少（増加）する。これらの容量の容量変化を容量・電圧変換回路１２が電気信号に変換する。
【００２４】
図７は、低感度モードにおける図４のスイッチの切り替え動作を示す回路図である。可動電極６が固定電極７ａ，７ｂに衝突して容量・電圧変換回路１２の出力が所定値Ｒｅｆ１，Ｒｅｆ２を超える（上回る又は下回る）と、コンパレータ１３ａ，１３ｂはスイッチＳＷ１，ＳＷ２を低感度モードに切り替える。低感度モードでは、スイッチＳＷ１，ＳＷ２はそれぞれ容量Ｃ１１，Ｃ２１を容量・電圧変換回路１２から切り離す。従って、容量Ｃ１２，Ｃ２２のみの容量変化を容量・電圧変換回路１２が電気信号に変換する。
【００２５】
図８は、本発明の実施の形態１に係る加速度センサのセンサ出力と加速度の関係を示す図である。上記のスイッチＳＷ１，ＳＷ２の切り替え動作により、センサ出力が所定の範囲を超える（Ａを上回る又はＢを下回る）と、高感度モードから低感度モードに切り替わる。
【００２６】
続いて、本実施の形態の効果を説明する。本実施の形態では、固定電極を質量部５からの距離が異なる２つの部分に分割し、固定電極７ａ，７ｂを、固定電極８ａ，８ｂよりも可動電極６の近くに配置して、可動電極６の変位量を規制するストッパとして機能させる。可動電極６が固定電極７ａ，７ｂに衝突すると、質量部５の動きは止まるが、可動電極６の先端は慣性力により変位を続ける。この際に、加速度あたりの変位量が小さくなるため、センサ感度が低感度に変化する。従って、加速度に応じて感度を変化させることができる。
【００２７】
また、梁部４の構造は、質量部５や可動電極６の変位量に影響を与えるため、あまり頑丈に構成することはできない。従って、細い梁部４にストッパを設けた従来技術では、梁部４が破損するという問題があった。これに対して、本実施の形態では、頑丈に構成することができる固定電極７ａ，７ｂをストッパとしている。従って、信頼性の高い加速度センサを得ることができる。
【００２８】
また、可動電極６が固定電極７ａ，７ｂに衝突すると、容量Ｃ１１，２１はショートしてしまう。従って、容量Ｃ１１，２１と容量Ｃ１２，Ｃ２２が並列に接続されていると、容量Ｃ１２，Ｃ２２の容量値変化を正確に測定できなくなる。そこで、本実施の形態では、可動電極６が固定電極７ａ，７ｂに衝突して低感度モードになると、スイッチＳＷ１，ＳＷ２により容量Ｃ１１，２１を容量・電圧変換回路１２から切り離す。これにより、低感度モードにおける加速度を正確に測定することができる。
【００２９】
また、スイッチＳＷ１，ＳＷ２の切り替えは、容量・電圧変換回路１２の出力が所定値を超えるかどうかにより行う。これにより、スイッチＳＷ１，ＳＷ２の切り替えを簡単に制御することができる。
【００３０】
実施の形態２．
図９は、本発明の実施の形態２に係る加速度センサのセンサチップを示す上面図である。図１０は図９のセンサチップの動作時の状態を示す上面図である。可動電極６が固定電極７ａに衝突した後も可動電極６の先端は慣性力により変位を続ける。しかし、可動電極６の先端部の重量だけでは、慣性力を十分に得られないため、検出可能な加速度範囲が制限される。そこで、実施の形態２では、可動電極６の他端に錘１７を設ける。これにより、慣性力を向上させることができるため、検出可能な加速度範囲が拡大する。
【００３１】
実施の形態３．
図１１は、本発明の実施の形態３に係る加速度センサのセンサチップを示す上面図である。図１２は図１１のセンサチップの動作時の状態を示す上面図である。可動電極６はくびれ１８を有する。これにより、慣性力を向上させることができるため、検出可能な加速度範囲が拡大する。また、実施の形態２では錘１７と他の電極や配線との衝突を防ぐためにチップサイズの拡大が必要だが、実施の形態３ではチップサイズの拡大は不要である。なお、実施の形態２の錘１７と実施の形態３のくびれ１８を組み合わせてもよい。これにより、更に大きな慣性力を得ることができる。
【００３２】
実施の形態４．
図１３は、本発明の実施の形態４に係る加速度センサのセンサチップを示す上面図である。図１４は図１３のセンサチップの動作時の状態を示す上面図である。実施の形態１〜３とは異なり、固定電極７ａが固定電極８ａよりも質量部５から遠くに配置されている。即ち、固定電極７ａが可動電極６の先端側に配置されている。これにより、可動電極６がストッパである固定電極７ａに衝突した後も、質量部５の慣性力により可動電極６が固定電極８ａに対して変位する。このように質量部５の慣性力を利用することで検出可能な加速度範囲が拡大する。また、実施の形態３のようにくびれ１８を設ける必要が無いため、過大な加速度によりくびれ１８の部分で可動電極６が破損することもない。
【符号の説明】
【００３３】
１  シリコン基板（基板）
５  質量部
６  可動電極
７ａ  固定電極（第１の固定電極）
８ａ  固定電極（第２の固定電極）
１２  容量・電圧変換回路（変換回路）
１７  錘
１８  くびれ
Ｃ１１，Ｃ２１  第１の容量
Ｃ１２，Ｃ２２  第２の容量
ＳＷ１，ＳＷ２  スイッチ
【図１】
0005609801.tif 000002
【図２】
0005609801.tif 000003
【図３】
0005609801.tif 000004
【図４】
0005609801.tif 000005
【図５】
0005609801.tif 000006
【図６】
0005609801.tif 000007
【図７】
0005609801.tif 000008
【図８】
0005609801.tif 000009
【図９】
0005609801.tif 000010
【図１０】
0005609801.tif 000011
【図１１】
0005609801.tif 000012
【図１２】
0005609801.tif 000013
【図１３】
0005609801.tif 000014
【図１４】
0005609801.tif 000015