(57)【要約】  複数の測定レンジを持ちながらも小型化かつ高いＳＮＲを得ることが可能な加速度センサなどの慣性センサを提供するため、検出部の静電容量の変化に基づいて加速度の慣性力を検出する慣性センサにおいて、印加された慣性力と各検出部から発生する物理量との比で定義した感度が異なる複数の検出部Ｄ１〜Ｄ４を備え、複数の測定レンジを有する。または、Ｎ（２以上の自然数）個の可動部６ａ〜６ｃを備える場合に、（Ｎ＋１）個以上の測定レンジを有する。
2010026843.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に弾性体を介して懸架された可動部と、
前記可動部に形成された可動電極と前記基板上に設けられた固定電極とで構成される複数の検出部と、を備え、
前記複数の検出部の静電容量の変化に基づいて加速度の慣性力を検出する慣性センサであって、
前記複数の検出部は、印加された慣性力と各検出部から発生する物理量との比で定義した感度が異なり、
複数の測定レンジを有することを特徴とする慣性センサ。
【請求項２】
請求項１記載の慣性センサにおいて、
前記複数の検出部は、並行平板型の静電容量検出方式であり、各検出部の測定レンジごとに測定可能な最大加速度が印加された場合の静電容量の変化値が同じ値であることを特徴とする慣性センサ。
【請求項３】
請求項１記載の慣性センサにおいて、さらに、
前記複数の測定レンジのいずれかを選択するスイッチを備えていることを特徴とする慣性センサ。
【請求項４】
請求項１記載の慣性センサにおいて、さらに、
前記複数の検出部の静電容量の変化値を電圧値に変換する変換部と、
前記変換部からの出力値が一定範囲を超えているかどうかを判断する判断部と、
前記判断部からの出力信号に基づいて前記複数の検出部に印加する搬送波と前記複数の検出部からの信号とを切換えるスイッチと、を備えていることを特徴とする慣性センサ。
【請求項５】
基板上の固定部に弾性体を介して接続されたＮ（２以上の自然数）個の可動部と、
前記Ｎ個の各可動部の前記固定部に対する相対変位を検出する複数の第１の検出部と、
前記各可動部間の相対変位を検出する少なくとも１個の第２の検出部と、を備え、
（Ｎ＋１）個以上の測定レンジを有することを特徴とする慣性センサ。
【請求項６】
請求項５記載の慣性センサにおいて、
前記（Ｎ＋１）個以上の測定レンジは、測定レンジ間の比が１０以上であることを特徴とする慣性センサ。
【請求項７】
請求項５記載の慣性センサにおいて、
前記複数の第１の検出部および前記少なくとも１個の第２の検出部は、並行平板型の静電容量検出方式であり、各検出部の測定レンジごとに測定可能な最大加速度が印加された場合の静電容量の変化値が同じ値であることを特徴とする慣性センサ。
【請求項８】
請求項５記載の慣性センサにおいて、さらに、
前記（Ｎ＋１）個以上の測定レンジのいずれかを選択するスイッチを備えていることを特徴とする慣性センサ。
【請求項９】
請求項５記載の慣性センサにおいて、さらに、
前記複数の第１の検出部および前記少なくとも１個の第２の検出部の静電容量の変化値を電圧値に変換する変換部と、
前記変換部からの出力値が一定範囲を超えているかどうかを判断する判断部と、
前記判断部からの出力信号に基づいて前記複数の第１の検出部および前記少なくとも１個の第２の検出部に印加する搬送波と前記複数の第１の検出部および前記少なくとも１個の第２の検出部からの信号とを切換えるスイッチと、を備えていることを特徴とする慣性センサ。
【請求項１０】
基板上の固定部に第１の弾性体を介して接続された第１の可動部と、前記第１の可動部に第２の弾性体を介して接続された第２の可動部とを少なくとも含むＮ（２以上の自然数）個の可動部と、
前記Ｎ個の各可動部の前記固定部に対する相対変位を検出する複数の第１の検出部と、
前記各可動部間の相対変位を検出する少なくとも１個の第２の検出部と、を備え、
（Ｎ＋１）個以上の測定レンジを有することを特徴とする慣性センサ。
【請求項１１】
請求項１０記載の慣性センサにおいて、
前記第１の可動部は、機械的には連結され、電気的には絶縁膜を挟むことで分離されていることを特徴とする慣性センサ。
【請求項１２】
請求項１１記載の慣性センサにおいて、
前記絶縁膜は、少なくとも１回は折り曲がっていることを特徴とする慣性センサ。
【請求項１３】
請求項１０記載の慣性センサにおいて、
前記（Ｎ＋１）個以上の測定レンジは、測定レンジ間の比が１０以上であることを特徴とする慣性センサ。
【請求項１４】
請求項１０記載の慣性センサにおいて、
前記複数の第１の検出部および前記少なくとも１個の第２の検出部は、並行平板型の静電容量検出方式であり、各検出部の測定レンジごとに測定可能な最大加速度が印加された場合の静電容量の変化値が同じ値であることを特徴とする慣性センサ。
【請求項１５】
請求項１０記載の慣性センサにおいて、さらに、
前記（Ｎ＋１）個以上の測定レンジのいずれかを選択するスイッチを備えていることを特徴とする慣性センサ。
【請求項１６】
請求項１０記載の慣性センサにおいて、さらに、
前記複数の第１の検出部および前記少なくとも１個の第２の検出部の静電容量の変化値を電圧値に変換する変換部と、
前記変換部からの出力値が一定範囲を超えているかどうかを判断する判断部と、
前記判断部からの出力信号に基づいて前記複数の第１の検出部および前記少なくとも１個の第２の検出部に印加する搬送波と前記複数の第１の検出部および前記少なくとも１個の第２の検出部からの信号とを切換えるスイッチと、を備えていることを特徴とする慣性センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体微細加工技術（ｍｉｃｒｏｅｌｅｃｔｒｏｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  ｓｙｓｔｅｍｓ（ＭＥＭＳ）プロセス）により形成され、印加された加速度などの慣性力を静電容量の変化を検出することで測定する慣性センサに関し、特に、複数の測定レンジを選択可能とする技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、慣性センサに関して、一般的な加速度センサの用途をその測定レンジ別に整理してみると、以下のようになる。【０００３】
（１）±２Ｇ：乗り心地、身体の動揺、自動搬送車、静止状態での姿勢など、精度を要する測定であり、例えば、携帯電話機の姿勢測定、デジタルカメラの手ぶれ補正、傾斜計、自動車のサスペンション制御やＡＢＳ（Ａｎｔｉｌｏｃｋ  Ｂｒａｋｅ  Ｓｙｓｔｅｍ）など自動車のブレーキ制御などに採用。【０００４】
（２）±４Ｇ：四肢の動きなどの測定であり、例えば、ゲーム機のリモコンなどアミューズメントとコンピュータのヒューマンインタフェースに採用。【０００５】
（３）±３０Ｇ〜５０Ｇ：主に自動車のエアーバック用としてＥＣＵ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ  Ｃｏｎｔｒｏｌ  Ｕｎｉｔ）側に取り付けられるセンサとして採用。【０００６】
（４）±５０Ｇ〜２５０Ｇ：主に自動車のエアーバック用として車両の前方もしくは後方に取り付けられるセンサとして採用。【０００７】
上述のように加速度センサは様々な用途で夫々の測定レンジが必要とされる場合が多く、従来では出力レンジが異なる複数の加速度センサで対応してきた。しかし、最近は、省スペース、低コスト化の要求から、一つのセンサで複数の測定レンジを持つ加速度センサも開発されている。【０００８】
一つのセンサで複数の測定レンジを持つ加速度センサとしては、主に、電気的な信号処理によって測定レンジを調整もしくは選択する方法と、測定レンジが違う複数のセンサを一つのチップに集積し、周辺回路や基板などを共有する方法、一つのセンサで広い範囲のレンジを測定する方法が開発されている。【０００９】
例えば、特許文献１には、並行平板型の検出電極を用いて静電容量の変化を差動検出することで印加された加速度を測定する際、周波数が異なる複数の検波信号とそれに合わせたフィルタを使うことで、加速度の測定レンジが選択できる加速度計の制御方法についての記述がある。【００１０】
また、特許文献２には、測定レンジの大きく異なる複数の加速度センサを一つの枠の中に形成しているため、小型化ができることと、形成プロセス上複数の加速度センサはフォトリソグラフィやエッチングなどの工程で一つのチップに一括形成できるので製造コストが低く、かつ複数のセンサ素子の加速度検出軸をフォトリソグラフィのマスク精度で高精度に一致させることができることの記述がある。【００１１】
また、特許文献３には、加速度センサの可動部を複数の分割可動部から構成し、この分割可動部同士を弾性変形可能な梁で接続する。各分割可動部の可動範囲、質量、各梁の剛性等を調整する、または、加速度に対する感度領域の異なる複数の変形モードを併用することにより、加速度の検出感度を向上させるとともに加速度応答範囲を広げることの記述がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１２】
【特許文献１】特開２００４−１９８３１０号公報
【特許文献２】特開２００８−７０３１２号公報
【特許文献３】特開２００８−８８２０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
ところで、前述したような加速度センサに関して、本発明者が検討した結果、以下のようなことが明らかとなった。【００１４】
例えば、前記特許文献１などの従来技術の第１の問題点は、ＳＮＲ（ｓｉｇｎａｌ  ｔｏ  ｎｏｉｓｅ  ｒａｔｉｏ）の向上と、加速度出力の線形性向上の両立ができないことである。ここで、本発明者が本発明の前提として検討した一般的な加速度センサを示す図１〜図３を用いて説明する。【００１５】
一つの加速度検出部を用いて電気的な信号処理によって複数のレンジを持たせた場合、測定レンジが狭い方のＳＮＲが犠牲される。図１に示している並行平板型の加速度センサＳ１の場合、検出部Ｄ１は、可動電極Ｄ１ａと固定電極Ｄ１ｂ，Ｄ１ｃとで構成され、夫々の電極間の距離変動（可動電極Ｄ１ａの変位ｘ）に伴う静電容量の変化ΔＣを図２に示す電気回路（センサ制御・信号処理用ＩＣ１００）で差動検出することで、印加された加速度を電圧信号として出力する。印加される加速度ａと可動電極Ｄ１ａの変位ｘは下記式（１）の関係となり、線形である。【００１６】
【数１】
2010026843.tif 000003
【００１７】
式（１）において、
ｘ：可動電極Ｄ１ａ（可動部）の変位
ａ：印加される加速度
ｆ０：加速度センサＳ１の固有振動数
ｍ：可動部の質量
ｋ：可動部を懸架している支持梁のばね定数
を示す。【００１８】
しかし、並行平板型の検出部Ｄ１の場合、変位ｘに対しての静電容量の変化ΔＣ（ΔＣ＝Ｃ２−Ｃ１）は非線形性を持つ。式（２）は、変位ｘと静電容量の変化ΔＣの関係式であり、図３で、可動電極Ｄ１ａと固定電極Ｄ１ｂ，Ｄ１ｃ間の間隔ｇを３μｍと６μｍにした場合の変位ｘに対しての静電容量の変化ΔＣを示している。図３と下記式（２）から静電容量の変化ΔＣと変位ｘは非線形的な関係にあることがわかる。【００１９】
【数２】
2010026843.tif 000004
【００２０】
式（２）において、
ε：空気の誘電率
Ａ：固定電極Ｄ１ｂ，Ｄ１ｃと可動電極Ｄ１ａ間の面積
ｇ：固定電極Ｄ１ｂ，Ｄ１ｃと可動電極Ｄ１ａ間の間隔
を示す。【００２１】
加速度センサＳ１の出力Ｖｏは加速度ａの印加により発生する可動部６と可動電極Ｄ１ａの変位ｘに起因する静電容量の変化ΔＣと、検出部Ｄ１の固定電極Ｄ１ｂ，Ｄ１ｃに印加される搬送波１０１の振幅（電圧）Ｖｉと参照容量Ｃｆの関係式から得られる。式（３）に加速度センサＳ１の出力関係式を記述する。【００２２】
【数３】
2010026843.tif 000005
【００２３】
式（３）において、
Ｖｏ：加速度センサＳ１の出力電圧
ΔＣ：検出部Ｄ１の静電容量変化
Ｃｆ：参照容量
Ｖｉ：搬送波１０１の電圧
を示す。【００２４】
加速度センサＳ１のＳＮＲを最大にするためには、単位加速度当たりの機械的な変位Δｘを大きくする必要がある。これ以外にも、前記式（３）の搬送波の振幅Ｖｉを大きくするとか、参照容量Ｃｆを小さくする方法もあるが、これらは、あくまでも最適化の問題であり、一番支配的な因子は、単位加速度当たりの機械的な変位Δｘを大きくすることになる。【００２５】
従って、最大のＳＮＲを得るためには、測定したい加速度の範囲を±ａ、検出部Ｄ１の可動電極Ｄ１ａと固定電極Ｄ１ｂ，Ｄ１ｃの間隔をｇとした場合、±ａの加速度が印加された場合の変位ｘをぶつからない程度で限りなくｇに近い値にすればよい。しかし、前記図３と式（２）で説明したように並行平板型の検出部Ｄ１の場合、静電容量の変化ΔＣは変位ｘが間隔ｇに近くなるに従って極端に非線形となる。結局、変位ｘの最大値は、仕様上許容される非線形性の範囲と間隔ｇによって決まることとなる。【００２６】
一つの検出部Ｄ１を用いて電気的な信号処理によって複数の測定レンジを持たせた加速度センサの場合、変位ｘの最大値は非線形性の制限から複数の測定レンジの中で一番広いレンジに合わせて決める必要がある。そのため、狭い測定レンジの場合には変位ｘが小さくなりＳＮＲが低下する（犠牲になる）問題がある。【００２７】
また、前記特許文献２などの従来技術の第２の問題点は、大きく異なる測定レンジを持つ場合、プロセスに起因する寸法シフトによる性能バラツキが大きいために歩留まりが低下することと、小型化に不利であることである。【００２８】
複数の測定レンジを得るために複数個の振動系（独立した可動部とばねで構成される振動系）を一つの基板上に形成した場合、測定レンジの大きさによっては夫々の振動系を構成する可動部とばねの長さや幅が大きく異なる。プロセス的な加工誤差はセンサを構成する機械構造の詳細な形状に依存する場合もあるが、レイアウトルールを決めておけばウエハ面内で一律的な寸法シフトとして現れる場合が多い。【００２９】
この寸法シフトは各振動系を構成するばねの幅を設計値から一律的にシフトさせるため、測定レンジが狭いセンサ構造にはその影響が大きく、測定レンジが広いセンサ構造に対してはその影響が小さい。例えば、ウエハ内に一律的に−０．５μｍの寸法シフトが発生したとすると、幅３μｍの支持梁は２．５μｍとなり、幅６μｍの支持梁は５．５μｍとなる。従って、夫々のばね定数は各ばねを構成する支持梁の長さを一定だとすると、夫々４２％と２３％減少し、その減少量が異なる。構造ごとの影響度の差は結果的に歩留まりを低下させるため、プロセス管理が難しくなる。当然ながら、各振動系は互いに位置的に独立しているため、占有面積が大きくなり、小型化に不利である。【００３０】
また、前記特許文献３などの従来技術の第３の問題点は、複数の分割可動部を互いに連結し、測定レンジごとに分割可動部の一部の変位を止めることで測定レンジを拡大した場合、全測定範囲での線形性が悪化する点と、全測定範囲を数分割して夫々の振動系を構成して検出した場合より感度（感度＝出力／加速度）が低下する点である。【００３１】
そこで、本発明は上述のような問題点を解決して、その主な目的は、複数の測定レンジを持ちながらも小型化かつ高いＳＮＲを得ることが可能な加速度センサなどの慣性センサを提供することにある。【００３２】
具体的には、第１に、全ての測定レンジにおいて、ＳＮＲと加速度出力の線形性向上を両立させることができる慣性センサを提供することにある。第２に、大きく異なる測定レンジを持ちながらも、加工誤差にロバストで、小型化を実現することができる慣性センサを提供することにある。第３に、可動部とばねとで構成される振動系の数より多い出力レンジを得ることができる慣性センサを提供することにある。【００３３】
本発明の前記ならびにその他の目的と新規な特徴は、本明細書の記述および添付図面から明らかになるであろう。
【課題を解決するための手段】
【００３４】
本願において開示される発明のうち、代表的なものの概要を簡単に説明すれば、次のとおりである。【００３５】
すなわち、代表的なものの概要は、印加された慣性力と各検出部から発生する物理量との比で定義した感度が異なる複数の検出部を備え、複数の測定レンジを有することを特徴とするものである。または、Ｎ（２以上の自然数）個の可動部を備える場合に、（Ｎ＋１）個以上の測定レンジを有することを特徴とするものである。【００３６】
具体的には、第１に、基板上に弾性体を介して懸架された可動部と、可動部に形成された可動電極と基板上に設けられた固定電極とで構成される検出部とを備え、検出部の静電容量の変化に基づいて加速度の慣性力を検出する慣性センサであって、印加された慣性力と検出部から発生する物理量の比を感度として定義した場合、感度が異なる複数の検出部が設置され、複数のレンジ出力を得ることを特徴とするものである。【００３７】
また、第２に、複数の可動部と、各可動部の固定部に対する相対変位を検出する検出部と、各可動部間の相対変位を検出する検出部（少なくとも１個）とを備えることで、複数の出力レンジを持ちながらも、各測定レンジ間の比が１０以上と大きく離れていることを特徴とする。さらに、夫々の検出部は互いにその間隔などの形状が類似しているため、加工誤差による性能バラツキが少なく、歩留まりが高いため低コスト化に有利であることを特徴とするものである。【００３８】
また、第３に、Ｎ個の可動部と、各可動部の固定部に対する相対変位を検出する検出部と、各可動部間の相対変位を検出する検出部（少なくとも１個）とを備え、Ｎ＋１個以上のレンジ出力を得ることと、互いに可動部とばねを共有するために小型化に有利であることを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００３９】
本願において開示される発明のうち、代表的なものによって得られる効果を簡単に説明すれば以下のとおりである。【００４０】
すなわち、代表的なものによって得られる効果は、複数の測定レンジを持ちながらも小型化かつ高いＳＮＲを得ることが可能な加速度センサなどの慣性センサを提供することができる。【００４１】
具体的には、第１に、全ての測定レンジにおいて、ＳＮＲと加速度出力の線形性向上を両立させることができる。また、第２に、大きく異なる測定レンジを持ちながらも、加工誤差にロバストで、小型化を実現することができる。さらに、第３に、可動部とばねとで構成される振動系の数より多い出力レンジを得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】本発明の前提として検討した一般的な加速度センサの動作原理を示す説明図である。
【図２】本発明の前提として検討した一般的な加速度センサの信号処理を示す説明図である。
【図３】本発明の前提として検討した一般的な加速度センサの検出非線形性を示す説明図である。
【図４】本発明の実施例１における慣性センサの主要な構成の一例を示す平面図である。
【図５】図４のＡ−Ａ’線で切断した断面を示す断面図である。
【図６】本発明の実施例１における慣性センサを実装したパッケージ構造の一例を示す断面図である。
【図７】本発明の実施例１における慣性センサの振動系モデルを示す説明図である。
【図８】本発明の実施例１における慣性センサにおいて、変位に対する非線形性と静電容量変化を示すグラフである。
【図９】本発明の実施例１における慣性センサの電気的構成の一例を示す構成図である。
【図１０】本発明の実施例２における慣性センサの主要な構成の一例を示す平面図である。
【図１１】本発明の実施例２における慣性センサの振動系モデルを示す説明図である。
【図１２】本発明の実施例２における慣性センサの電気的構成の一例を示す構成図である。
【図１３】本発明の実施例３における慣性センサの主要な構成の一例を示す平面図である。
【図１４】本発明の実施例３における慣性センサの振動系モデルを示す説明図である。
【図１５】本発明の実施例３における慣性センサの電気的構成の一例を示す構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００４３】
以下の実施例においては便宜上その必要があるときは、複数のセクションまたは実施例に分割して説明するが、特に明示した場合を除き、それらは互いに無関係なものではなく、一方は他方の一部または全部の変形例、詳細、補足説明等の関係にある。
【００４４】
また、以下の実施例において、要素の数等（個数、数値、量、範囲等を含む）に言及する場合、特に明示した場合および原理的に明らかに特定の数に限定される場合等を除き、その特定の数に限定されるものではなく、特定の数以上でも以下でもよい。
【００４５】
さらに、以下の実施例において、その構成要素（要素ステップ等も含む）は、特に明示した場合および原理的に明らかに必須であると考えられる場合等を除き、必ずしも必須のものではないことは言うまでもない。
【００４６】
同様に、以下の実施例において、構成要素等の形状、位置関係等に言及するときは、特に明示した場合および原理的に明らかにそうではないと考えられる場合等を除き、実質的にその形状等に近似または類似するもの等を含むものとする。このことは、上記数値および範囲についても同様である。
【００４７】
また、実施例を説明するための全図において、同一の部材には原則として同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。なお、図面をわかりやすくするために平面図であってもハッチングを付す場合がある。
【実施例１】
【００４８】
本実施例１における慣性センサについて図面を参照しながら説明する。図４は、本実施例１における慣性センサの主要な構成の一例を示す平面図である。図５は、図４のＡ−Ａ’線で切断した断面を示す断面図である。【００４９】
まず、本実施例１における慣性センサの主要な構成（機械構造部）について説明する。図４および図５において、慣性センサＳ２は、例えば、ＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ  Ｏｎ  Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）基板１をフォトリソグラフィとＤＲＩＥ（Ｄｅｅｐ  Ｒｅａｃｔｉｖｅ  Ｉｏｎ  Ｅｔｃｈｉｎｇ）を用いて加工することで形成する場合を想定している。勿論ここではＳＯＩ基板１を使って製作する例を説明しているだけであって、本発明の概念はガラス・シリコン・ガラスの接合技術などのシリコン基板の表・裏面を加工することで構造を形成する所謂バルクＭＥＭＳプロセスを用いて製作してもよく、または、予めトランジスタなどの信号処理用の回路が形成されているシリコン基板の表面に薄膜を堆積し、堆積した薄膜をパターニングすることを繰り返すことで構造を形成する所謂表面ＭＥＭＳプロセスを用いて製作してもよい。【００５０】
ここで例として挙げているＳＯＩ基板１は、支持基板１ｂ上に中間絶縁層１ｃが形成されており、この中間絶縁層１ｃ上に活性層（導体層）１ａが形成されている。支持基板１ｂは、例えば、シリコン（Ｓｉ）より形成され、中間絶縁層１ｃは、例えば、酸化シリコン（ＳｉＯ２）より形成されている。さらに、中間絶縁層１ｃ上に形成されている活性層１ａは、例えば、導電性シリコンより形成されている。【００５１】
本実施例１の慣性センサＳ２は、前記支持基板１ｂに前記中間絶縁層１ｃを介して支持固定されている固定部２と、この固定部２に後述する可動部６を可動状態に支えている支持梁３と、この支持梁３に懸架され、加速度が印加された際にその加速度に追従して変位する可動部６と、この可動部６の変位量を検出するための検出部Ｄ１，Ｄ２と、ワイヤボンディング等により外部回路と信号のやり取りを行うための電極パッド２ｅ，Ｄ１ｂｅ，Ｄ１ｃｅ，Ｄ２ｂｅ，Ｄ２ｃｅとで構成されている。【００５２】
前記検出部Ｄ１は、可動電極Ｄ１ａと固定電極Ｄ１ｂ，Ｄ１ｃが並行平板状に配置され、夫々静電容量Ｃ１，Ｃ２を形成している。同様に、前記検出部Ｄ２は、可動電極Ｄ２ａと固定電極Ｄ２ｂ，Ｄ２ｃが並行平板状に配置され、夫々静電容量Ｃ３，Ｃ４を形成している。夫々の検出部Ｄ１，Ｄ２は差動検出ができるように構成され、例えば、検出部Ｄ１には可動部６が＋ｘ方向に変位した場合、静電容量が減少する静電容量Ｃ１と静電容量が増加する静電容量Ｃ２で構成される。同様に、検出部Ｄ２には可動部６が＋ｘ方向に変位した場合、静電容量が減少する静電容量Ｃ３と静電容量が増加する静電容量Ｃ４で構成される。これらの検出部Ｄ１，Ｄ２は、印加された加速度の慣性力と各検出部から発生する物理量の比で定義した感度（Ｓ）が異なる構成となっている。【００５３】
この慣性センサＳ２においては、可動部６をこの可動部６から４方向に延びる支持梁３で可動可能にＳＯＩ基板１に固定する４箇所の固定部２のうちの一つの固定部２の表面上に電極パッド２ｅが設けられている。なお、４箇所の固定部２に設けることも可能である。また、前記検出部Ｄ１の夫々の固定電極Ｄ１ｂ，Ｄ１ｃの外側端部の表面上に電極パッドＤ１ｂｅ，Ｄ１ｃｅが設けられている。同様に、前記検出部Ｄ２の夫々の電極パッドＤ２ｂ，Ｄ２ｃの外側端部の表面上に電極パッドＤ２ｂｅ，Ｄ２ｃｅが設けられている。【００５４】
図６は、本実施例１の慣性センサＳ２を実装したパッケージ構造の一例を示す断面図である。【００５５】
本実施例１の慣性センサＳ２を実装したパッケージ構造は、セラミックＰＫＧ（パッケージ）２００を用いている。まず、セラミックＰＫＧ２００の凹部の内側底面に、接着剤５０を介して、後述する図９に示すセンサ制御・信号処理用ＩＣ１００を実装する。さらに、センサ制御・信号処理用ＩＣ１００の上に、再び接着剤５０を介して前記慣性センサＳ２を実装する。その後、前記センサ制御・信号処理用ＩＣ１００と前記慣性センサＳ２間をワイヤボンディングによりワイヤ７０で電気的に接続する。最後に、前記センサ制御・信号処理用ＩＣ１００と前記セラミックＰＫＧ２００間をワイヤ８０で電気的に接続し、蓋６０で封止することで、パッケージ構造の慣性センサが完成する。【００５６】
次に、本実施例１（本発明）の特徴的構成についてさらに詳しく説明する。本発明の特徴は、複数のレンジを一つの振動系で測定するため、夫々のレンジに対応する複数の検出部を持っていることである。ここで、一つの振動系とは一つの可動部と一つのばね（支持梁に相当）で表現できる振動構造を意味する。例えば、前記図４に示している慣性センサＳ２を、ばね（ばね定数ｋ）、可動部、減衰（ｃ）と、機能説明の便宜上、検出部Ｄ１，Ｄ２で構成した振動系モデルに書き直せば図７となる。【００５７】
図７は、本実施例１の慣性センサＳ２の振動系モデルを示す説明図であり、実際の形状と対応するように同一部材には同一の符号を付している。この振動系モデルにおいて、主に前記可動部６と前記可動電極Ｄ１ａ，Ｄ２ａの質量が前記式（１）のｍとなり、前記支持梁３のばね定数の合計がｋとなる。従って、前記式（１）より前記慣性センサＳ２の固有振動数ｆ０と、検出方向（ｘ方向）に加速度ａが印加された場合の前記可動部６の変位ｘの変位量を求めることができる。【００５８】
変位ｘが発生すると、前記検出部Ｄ１とＤ２の夫々の、可動電極Ｄ１ａと固定電極Ｄ１ｂ，Ｄ１ｃ間、可動電極Ｄ２ａと固定電極Ｄ２ｂ，Ｄ２ｃ間の間隔が変動し、前記検出部Ｄ１の静電容量Ｃ１，Ｃ２、前記検出部Ｄ２の静電容量Ｃ３，Ｃ４は夫々変化する。この静電容量の変化は、後述する図９に示すセンサ制御・信号処理用ＩＣ１００で検出することができる。すなわち、静電容量の変化は、センサ制御・信号処理用ＩＣ１００から静電容量を検出するための搬送波１０１を前記検出部Ｄ１の電極パッドＤ１ｂｅ，Ｄ１ｃｅ、前記検出部Ｄ２の電極パッドＤ２ｂｅ，Ｄ２ｃｅに印加することで、前記可動部６に連結されている電極パッド（共通電極）２ｅを介して前記センサ制御・信号処理用ＩＣ１００のＣＶ変換部１０２に差動入力される。このＣＶ変換部１０２で、静電容量の変化は電圧信号に変換され、さらに同期検波回路１０３で必要な信号成分のみを取り出し、最後にＡ／Ｄ変換部１０４でデジタル値に変換した後、外部に出力する。【００５９】
次に、前記検出部Ｄ１，Ｄ２の設計に関してより詳しく説明する。ここでは、説明の便宜上、具体的な数値を用いるが、特に本実施例１（本発明）の効果を限定しているわけではなく、本発明の概念は一般的に適用可能である。【００６０】
例えば、加速度範囲±２Ｇと±４Ｇを±１％の検出非線形性で検出する加速度センサを想定する。そして、前記センサ制御・信号処理用ＩＣ１００のＣＶ変換部１０２が飽和する静電容量変化（ΔＣ）の入力を０．２５ｐＦとし、前記複数の検出部Ｄ１，Ｄ２の中で検出部Ｄ１の可動電極Ｄ１ａと固定電極Ｄ１ｂ，Ｄ１ｃ間の間隔ｇを３μｍとする。ここで、間隔ｇは、プロセス的な制約により決まる場合が多い。並行平板型の静電容量検出方式の検出部の場合、その初期容量は静電容量を形成する両電極の対抗面積Ａに比例し、両電極間の間隔ｇに反比例する。そのため、間隔ｇを狭く形成するほど、対抗面積Ａを小さくすることができ、結果的に小型化になる。【００６１】
以上で、設計に必要な前提条件もしくは仕様が揃ったので、本実施例１（本発明）の概念に基づき慣性センサＳ２の固有振動数ｆ０ともう一つの検出部Ｄ２を設計すればよい。まず、固有振動数ｆ０は検出部Ｄ１，Ｄ２の中で間隔ｇが狭い方（ここでは、検出部Ｄ１の間隔３μｍ）と非線形性仕様±１％により決まる。図８は、前記図３の一部を拡大した図に可動部６の変位ｘにおける検出非線形性を上乗せしたものである。すなわち、図８は、変位ｘに対する非線形性ＮＬと静電容量変化ΔＣを示すグラフである。【００６２】
ここで、非線形性ＮＬの定義は、変位ｘが０の時の検出部の容量変化率、つまり、前記式（２）を変位ｘに対して微分した式に変位ｘとして０を代入して得られる値（感度Ｓ）に変位ｘを掛けた理想的な容量変化直線に対して、実際に変位ｘによって得られる静電容量変化ΔＣの比である。下記の式（４）に感度Ｓの定義を示し、式（５）に非線形性ＮＬの定義を示す。【００６３】
【数４】
2010026843.tif 000006
【００６４】
式（４）において、
Ｓ：慣性センサの感度（ｘ＝０）
を示す。【００６５】
【数５】
2010026843.tif 000007
【００６６】
式（５）において、
Ｓ（０）：慣性センサの感度
ｘ：可動部６の変位
を示す。【００６７】
図８から、前記検出部Ｄ１の間隔ｇが３μｍの場合、非線形性ＮＬが±１％以下を満足する変位ｘは±０．３μｍであることがわかる。これは、検出部Ｄ１を用いて出力の非線形性が±１％を満足しながら最大のＳＮＲを得るためには加速度測定範囲である±２Ｇで可動部６を±０．３μｍ変位させる必要があることを意味する。勿論、信号成分以外の振動外乱等の影響により想定した静電容量変化ΔＣより大きいΔＣが発生するため、実際の設計時には非線形性にマージンを持った設計をする必要があるが、これは、本発明の本質とは関係がないために説明は省略する。しかし、この場合でも、本発明の基本概念は適用可能である。ここでは、信号成分以外の振動外乱等はないものと仮定し、説明を続ける。【００６８】
必要な変位量が決まれば、前記式（１）の変位ｘと固有振動数ｆ０の関係式から固有振動数ｆ０が決まる。ここで例として説明している慣性センサＳ２の場合、固有振動数ｆ０は１３００Ｈｚとなる。【００６９】
次に、前記検出部Ｄ２の設計について説明する。検出部Ｄ２で検出非線形性が±１％以下を満足しながら最大のＳＮＲを得るためには、加速度範囲が±４Ｇを検出非線形性ＮＬが±１％で検出できればよい。本慣性センサＳ２の固有振動数ｆ０は１３００Ｈｚであるため、±４Ｇ印加時の変位ｘは、前記式（１）から±０．６μｍになる。従って、変位ｘが±０．６μｍになった場合、非線形性ＮＬが±１％になる検出部Ｄ２の可動電極Ｄ２ａと固定電極Ｄ２ｂ，Ｄ２ｃ間の間隔ｇを決めればよく、本慣性センサＳ２では、６μｍとなる（図８参照）。【００７０】
しかし、ただ単に間隔だけを広くしただけでは、前記検出部Ｄ２の初期静電容量Ｃ３，Ｃ４も小さくなるため、±４Ｇ印加時のΔＣの絶対値も小さくなる。慣性センサＳ２の場合、±２Ｇ印加時の検出部Ｄ１の静電容量変化ΔＣと±４Ｇ印加時の検出部Ｄ２の静電容量変化ΔＣとの比は７．４３となる。従って、検出部Ｄ２の電極規模を検出部Ｄ１の７．４３倍にしてあげることで、ＣＶ変換部１０２を共有することができる。ここでは、電極間の対抗面積Ａを大きくすることで、検出部Ｄ２の規模を大きくしている。結果的に、検出部Ｄ１とＤ２は両方とも最大測定加速度（±２Ｇと±４Ｇ）に対して同じ静電容量変化ΔＣとなる。すなわち、各検出部Ｄ１，Ｄ２の測定レンジごとに測定可能な最大加速度が印加された場合の静電容量の変化値が同じ値である。【００７１】
図９は、本実施例１における慣性センサＳ２の電気的構成の一例を示す構成図である。図９では、各レンジの選択と選択されていない検出部の処理方法を説明する。【００７２】
本実施例１の慣性センサＳ２は、電気的構成において、前述したような検出部Ｄ１，Ｄ２と可動部６などからなる機械構造部に接続されるセンサ制御・信号処理用ＩＣ１００と、切換スイッチモニタ１０７などから構成され、また外部入力１０８が可能となっている。センサ制御・信号処理用ＩＣ１００には、検出部Ｄ１，Ｄ２の静電容量の変化値を電圧値に変換するＣＶ変換部１０２、ＣＶ変換部１０２からの出力を同期検波する同期検波回路１０３、同期検波回路１０３からの出力をアナログ／デジタル変換するＡ／Ｄ変換部１０４、ＣＶ変換部１０２からの出力値（具体的には同期検波およびアナログ／デジタル変換した後のＡ／Ｄ変換部１０４の出力値）が一定範囲を超えているかどうかを判断するオーバーレンジ判断部１０５、オーバーレンジ判断部１０５からの出力信号に基づいて検出部Ｄ１，Ｄ２に印加する搬送波１０１と検出部Ｄ１，Ｄ２からの信号とを切換えるレンジ切換スイッチ１０６などが設けられ、また、レンジ切換スイッチ１０６は、測定レンジのいずれかを選択するスイッチとしても機能している。【００７３】
本実施例１の慣性センサＳ２は、手動で測定レンジを切換える方法と、自動で測定レンジを切換える方法に対応できる。【００７４】
まず、自動で測定レンジを切換える方法から説明する。慣性センサＳ２の初期状態として、図９のレンジ切換スイッチ１０６はステート１に設定され、前記検出部Ｄ１（±２Ｇレンジ）に前記搬送波１０１が印加される。一方、前記検出部Ｄ２はコモン電位に接続され、可動部６のＤＣレベルと同じ電位となる。この状態で、±２Ｇ以上の加速度が印加されると、前記ＣＶ変換部１０２が飽和するか、もしくはＡ／Ｄ変換部１０４の出力端の電圧は一定値を超えることとなる。【００７５】
加速度が印加されると、可動部６は慣性の法則に従い加速度とは逆の方向に変位する。この時の検出部Ｄ１の可動電極Ｄ１ａと固定電極Ｄ１ｂ，Ｄ１ｃ間、検出部Ｄ２の可動電極Ｄ２ａと固定電極Ｄ２ｂ，Ｄ２ｃ間の静電容量の変化を、ＣＶ変換部１０２によって電圧値の変化に変換し、さらに同期検波回路１０３で同期検波した後に、Ａ／Ｄ変換部１０４によってアナログ値をデジタル値に変換する。【００７６】
そして、オーバーレンジ判断部１０５は、前記Ａ／Ｄ変換部１０４からの出力値に基づきオーバーレンジか否かを判断し、オーバーレンジの場合（ｙｅｓ）には、前記レンジ切換スイッチ１０６の状態を制御する信号を生成し、レンジ切換スイッチ１０６を切換えることでより広い測定レンジ（ステート１からステート２）に切換える。一方、オーバーレンジでない場合（ｎｏ）は、広い測定レンジに切換える必要がないので、ステート１のままとなる。また、前記レンジ切換スイッチ１０６は現在の状態を外部の切換スイッチモニタ１０７に出力することで、選択されている測定レンジを外部に通知する。【００７７】
一方、手動で測定レンジを切換える方法では、外部入力１０８により、レンジ切換スイッチ１０６をステート１からステート２に切換える。【００７８】
本実施例１の慣性センサＳ２では、±２Ｇと±４Ｇの測定レンジが選択できる。また、測定レンジは、前記慣性センサＳ２の固有振動数ｆ０と前記検出部Ｄ１とＤ２の中で可動電極と固定電極間の間隔が狭い方の間隔によって制限されるのであって、特に、±２Ｇと±４Ｇに限定しているわけではない。例えば、本実施例１の慣性センサＳ２の場合、前記検出部Ｄ１の可動電極Ｄ１ａと固定電極Ｄ１ｂ，Ｄ１ｃの間隔が３μｍであり、前記式（１）から２０Ｇの加速度が印加された場合に前記検出部Ｄ１の可動電極Ｄ１ａと固定電極Ｄ１ｂ，Ｄ１ｃが物理的に接触する。従って、前記慣性センサＳ２の測定限界は２０Ｇとなる。【００７９】
しかし、より広範囲の加速度を測定したい場合には前記固有振動数ｆ０を高くすればよい。前記式（１）の関係から、固有振動数ｆ０を５倍高くすれば、測定可能なレンジは２５倍となる。つまり、ｆ０が１３００Ｈｚの場合に±２Ｇと±４Ｇだった出力レンジがｆ０を６５００Ｈｚにすることで、±５０Ｇと±１００Ｇとなる。また、感度Ｓが異なる検出部を増設することで、選択できる測定レンジも増える。【００８０】
以上説明した本実施例１における慣性センサＳ２の設計の手順を実施することで、全ての測定レンジにおいて、最大のＳＮＲと規定値以下の加速度出力線形性が確保できる慣性センサを提供することができる。すなわち、印加された加速度と検出部から発生する物理量の比で定義した感度（Ｓ：式（４））が異なる複数の検出部Ｄ１，Ｄ２によって複数のレンジ出力が得られ、全ての測定レンジにおいて、ＳＮＲと加速度出力の線形性向上を両立させることができる。
【実施例２】
【００８１】
本実施例２における慣性センサの最大の特徴は、大きく異なる二つの測定レンジを持つことである。前記実施例１で説明した慣性センサは、複数のレンジを持つものの、現実的に一緒に製作可能な前記電極間の間隔ｇと、機械構造の大きさの制限から、各レンジ間の比は５以下が現実的であろう。【００８２】
本実施例２における慣性センサは、複数の可動部と、各可動部の固定部に対する相対変位を検出する検出部と、各可動部間の相対変位を検出する検出部（少なくとも１個）を備えることで、複数の出力レンジを持ちながらも、測定レンジ間の比が１０以上であることを特徴とする。さらに、夫々の検出部は互いにその間隔などの形状が類似しているため、加工誤差による性能バラツキが少なく、加工誤差にロバストである。【００８３】
以下に、本実施例２における慣性センサについて図面を参照しながら説明するが、前記実施例１と重複するところは同一の符号を付し、説明は省略する。図１０は、本実施例２における慣性センサの主要な構成の一例を示す平面図である。【００８４】
本実施例２の慣性センサＳ３は、支持基板１ｂに支持固定されている固定部２ａ，２ｂ，２ｃと、この固定部２ａ，２ｂ，２ｃの夫々に後述する可動部６ａ，６ｂ，６ｃを可動状態に支えている支持梁３ａ，３ｂ，３ｃと、この支持梁３ａ，３ｂ，３ｃの夫々に懸架され、加速度が印加された際にその加速度に追従して変位する可動部６ａ，６ｂ，６ｃと、この可動部６ａ，６ｂ，６ｃの変位量を検出するための検出部Ｄ１，Ｄ２，Ｄ３，Ｄ４と、ワイヤボンディング等により外部回路と信号のやり取りを行うための電極パッド（符号省略）とで構成されている。【００８５】
前記検出部Ｄ１は、可動部６ａの固定部２ａに対する相対変位を検出する検出部であり、可動電極Ｄ１ａと固定電極Ｄ１ｂ，Ｄ１ｃが並行平板状に配置されている。前記検出部Ｄ２は、可動部６ａと可動部６ｂ，６ｃ間の相対変位を検出する検出部であり、一方の可動電極Ｄ２ａと固定電極Ｄ２ｂ、他方の可動電極Ｄ２ａと固定電極Ｄ２ｃの夫々が並行平板状に配置されている。また、前記検出部Ｄ３は、前記検出部Ｄ１と同様に、可動部６ｂの固定部２ｂに対する相対変位を検出する検出部であり、可動電極Ｄ３ａと固定電極Ｄ３ｂ，Ｄ３ｃが並行平板状に配置されている。前記検出部Ｄ４も、可動部６ｃの固定部２ｃに対する相対変位を検出する検出部であり、可動電極Ｄ４ａと固定電極Ｄ４ｂ，Ｄ４ｃが並行平板状に配置されている。【００８６】
本実施例２の慣性センサＳ３の製造プロセスや実装形態などは前記実施例１と同じであるために説明を省略し、本実施例２の特徴である、大きく異なる測定レンジがなぜ可能であるのかと、なぜ間隔などの形状が類似した検出部で実現することができるのかを詳細に説明する。ここでも、前記実施例１と同様に限定するわけではないが、説明の便宜上、±２Ｇと±１００Ｇの具体的な測定レンジを例として説明する。【００８７】
図１０を振動系モデルとして書き直せば図１１となる。図１１は、本実施例２の慣性センサＳ３の振動系モデルを示す説明図であり、実際の形状と対応するように同一部材には同一の符号を付している。本実施例２の慣性センサＳ３は、三つの振動系として構成される。第１の振動系は可動部６ａとばね（支持梁３ａ）、検出部Ｄ１，Ｄ２とで構成され、第２の振動系は可動部６ｂとばね（支持梁３ｂ）、検出部Ｄ２，Ｄ３で構成され、第３の振動系は可動部６ｃとばね（支持梁３ｃ）、検出部Ｄ２，Ｄ４とで構成される。前記第１の振動系の変位ｘ１を狭い測定レンジ（例えば、±２Ｇ）の検出に用いる。また、前記第２と第３の振動系は同じ固有振動数ｆ２＝ｆ３を持つように形成されているため、前記式（１）からその単位加速度当たりの変位ｘ２，ｘ３もｘ２＝ｘ３になる。本実施例２の慣性センサＳ３では、前記変位ｘ１とｘ２もしくはｘ３との変位差を用いて広い測定レンジ（例えば、±１００Ｇ）の測定を行う。つまり、本実施例２の最大の特徴は複数の可動部６ａ，６ｂ間の相対変位（変位差）を用いることで広い測定レンジを測定していることである。【００８８】
次に、本実施例２の慣性センサＳ３の設計と機能に関して説明する。本実施例２でも前記実施例１と同様、センサ制御・信号処理用ＩＣ１００のＣＶ変換部１０２（後述する図１２参照）が飽和する静電容量変化（ΔＣ）の入力を０．２５ｐＦとし、プロセス的な制約から検出部の可動電極と固定電極間の間隔ｇを３μｍとする。また、出力非線形性も±１％以下とする。本慣性センサＳ３は、±１００Ｇの加速度を検出するため、±１００Ｇの加速度が印加されても全ての検出部Ｄ１，Ｄ２，Ｄ３，Ｄ４を構成する可動電極Ｄ１ａ，Ｄ２ａ，Ｄ３ａ，Ｄ４ａと固定電極Ｄ１ｂ，Ｄ１ｃ，Ｄ２ｂ，Ｄ２ｃ，Ｄ３ｂ，Ｄ３ｃ，Ｄ４ｂ，Ｄ４ｃが物理的に接触しないように第１から第３の各振動系の固有振動数ｆ１，ｆ２，ｆ３を設計する必要がある。【００８９】
前記式（１）から、±１００Ｇの加速度が印加された場合、変位ｘが３μｍとなる固有振動数は２８７７Ｈｚであり、本実施例２の慣性センサＳ３では前記第１の振動系の固有振動数ｆ１を３０００Ｈｚに設定している。固有振動数ｆ１を３０００Ｈｚにしたため、第１の振動系の可動部６ａの±２Ｇ印加時の変位量ｘ１は５５ｎｍとなり、図８で示しているように３００ｎｍ以下であるために非線形性が±１％以下を満足する。しかし、静電容量変化ΔＣを０．２５ｐＦとするためには、前記実施例１の慣性センサＳ２の検出部の５．３倍の電極規模が必要となる。活性層１ａの厚さなどによって変わるが、本実施例２の慣性センサＳ３では、活性層１ａの厚さは４０μｍであり、検出部Ｄ１の可動電極Ｄ１ａと固定電極Ｄ１ｂ，Ｄ１ｃとのオーバーラップを２００μｍにしているため、電極の本数を１４０本としている。前記検出部Ｄ１は並行平板型の静電容量検出方式であり、可動電極と固定電極を構成している櫛歯の幅を４μｍとすると、検出部Ｄ１を形成するために必要な長さは２９４０μｍとなり、可動部６ａの両側に電極を形成しているため、第１の振動系は概ね１．５ｍｍ×１．５ｍｍの大きさになる。慣性センサの大きさは前記検出部Ｄ１の間隔ｇと前記活性層１ａの厚さの比として定義されるアスペクト比が大きくできれば、もっと小型にすることができる。【００９０】
次に、前記第２と第３の振動系の固有振動数ｆ２，ｆ３について説明する。固有振動数ｆ２とｆ３は±１００Ｇ印加時に可動部６ａと６ｂもしくは６ｃ間の相対変位が、非線形性が±１％以下を満足しながら電極の規模をなるべく小さくするために、３００ｎｍになるように設計すればよい。前記式（１）から固有振動数ｆ２とｆ３を３１７８Ｈｚにすれば、±１００Ｇ印加時の可動部６ａと６ｂもしくは６ｃとの相対変位（ｘ１−ｘ２もしくはｘ１−ｘ３）は３００ｎｍとなり、非線形性が±１％以下の仕様を満足しながらも検出部Ｄ１のおおよそ５．３分の１の電極規模で静電容量変化ΔＣが０．２５ｐＦとなる検出部Ｄ２を形成することができる。【００９１】
ここでは、前記第１の振動系の固有振動数ｆ１を３０００Ｈｚとし、前記第２と第３の振動系の固有振動数ｆ２，ｆ３を３１７８Ｈｚとしているが、その逆である前記固有振動数ｆ１を３１７８Ｈｚとし、前記固有振動数ｆ２，ｆ３を３０００Ｈｚにしても構わない。この場合は、電極規模が大きい検出部Ｄ１を慣性センサＳ３の外回りに配置することができるため、小型化に有利となる。【００９２】
次に、検出部（固有振動数調整部の機能も具備、以下において固有振動数調整部と記載する）Ｄ３，Ｄ４について、後述する図１２を参照しながら説明する。本実施例２の慣性センサＳ３では、前記固有振動数調整部Ｄ３，Ｄ４の可動電極Ｄ３ａ，Ｄ４ａと固定電極Ｄ３ｂ，Ｄ３ｃ，Ｄ４ｂ，Ｄ４ｃの間にＤＣ電圧を印加することで、既に公知である静電ばね効果を用いて前記可動部６ｂと６ｃを含む前記第２と第３の振動系の固有振動数ｆ２，ｆ３を調整している。【００９３】
上述したように、±１００Ｇの測定には可動部６ａと可動部６ｂ，６ｃとの相対変位を用いている。従って、可動部６ｂと６ｃは単位加速度当たりの変位量が同じである必要がある。しかし、可動部６ｂと６ｃを含む第２と第３の振動系は場所的に離れ、独立した振動系として構成されているため、加工誤差の影響から各振動系の固有振動数をぴったり一致させることはほぼ不可能に近い。従って、固有振動数調整部Ｄ３，Ｄ４を設けることによって、第２と第３の振動系の固有振動数ｆ２，ｆ３を調整している。具体的には出荷時に前記慣性センサＳ３をＡＣ的に加振し、慣性センサＳ３のＤＣレベル出力が０となるように固有振動数調整部Ｄ３，Ｄ４に印加するＤＣ電圧１０９，１１０を調整する（図１２参照）。【００９４】
前記固有振動数調整部Ｄ３，Ｄ４は前記検出部Ｄ１と同じ構成となっているため、可動部６ｂ，６ｃの変位ｘ２，ｘ３を検出するために用いることも可能である。特に、各測定レンジ間の比が小さい慣性センサでは、第１の振動系の固有振動数ｆ１と第２と第３の振動系の固有振動数ｆ２，ｆ３間の固有振動数の差は大きくなるため、加工誤差による固有振動数のずれはほぼ無視でき、固有振動数調整部Ｄ３，Ｄ４を検出部として転用することで測定レンジ数を増やすことができる。【００９５】
図１２は、本実施例２の慣性センサＳ３における電気的構成であり、夫々、前記Ｄ３，Ｄ４を固有振動数調整部として使った場合を示す。図示はしないが、前記固有振動数調整部Ｄ３，Ｄ４を、可動部６ｂと６ｃの変位ｘ２，ｘ３を検出する検出部として使う場合は、搬送波１０１を固有振動数調整部Ｄ３，Ｄ４に印加すればよい。【００９６】
本実施例２でも、前記実施例１の慣性センサＳ２と同様、前記測定レンジは外部入力１０８を通じて手動で切換えることもできれば、オーバーレンジ判断部１０５を通じて自動で切換えることもできる。この測定レンジを切換える具体的な内容としては前記実施例１の慣性センサＳ２と同じであるため、説明は省略する。【００９７】
以上説明した本実施例２における慣性センサＳ３の設計の手順を実施することで、大きく異なる（±２Ｇと±１００Ｇ）測定レンジを持ちながらも、加工バラツキにロバストな慣性センサを提供することができる。すなわち、夫々の検出部Ｄ１，Ｄ２，Ｄ３，Ｄ４は互いにその間隔などの形状が類似し、各振動系を構成する可動部６ａ，６ｂ，６ｃとばね（支持梁３ａ，３ｂ，３ｃ）の形状をほぼ同じにできるので、加工誤差による性能バラツキへの影響は比較的に小さく、加工誤差にロバストとなり、また小型化を実現することができる。
【実施例３】
【００９８】
本実施例３は複数の測定レンジを持つ慣性センサであり、複数の可動部とばねで構成する複数の振動系が互いに連結され、夫々の振動系の可動部の基板に対する絶対変位と、各可動部間の相対変位を測定することで振動系の数＋１以上の測定レンジを持つことと、各振動系は互いに可動部とばねを共有するため、小型化に有利であることが特徴である。以下に、図面を参照しながら本実施例３を詳細に説明する。また、前記実施例１，２と重複する部分については同じ符号を付し、説明は省略する。【００９９】
図１３は、本実施例３における慣性センサの主要な構成の一例を示す平面図である。本実施例３の慣性センサＳ４は、支持基板１ｂに支持固定されている固定部２ａ，２ｂ，２ｃと、この固定部２ａ，２ｂ，２ｃに後述する可動部６ｂを可動状態に支えている支持梁３ｂと、この支持梁３ｂに懸架され、加速度が印加された際にその加速度に追従して変位する可動部６ｂと、この可動部６ｂに後述する可動部６ａを可動状態に支えている支持梁３ａと、この支持梁３ａに懸架され、加速度が印加された際にその加速度に追従して変位する可動部６ａと、可動部６ａ，６ｂの変位量を検出するための検出部Ｄ１，Ｄ２，Ｄ３と、ワイヤボンディング等により外部回路と信号のやり取りを行うための電極パッド（符号省略）とで構成されている。【０１００】
前記検出部Ｄ１は、一方の可動電極Ｄ１ａと固定電極Ｄ１ｂ、他方の可動電極Ｄ１ａと固定電極Ｄ１ｃの夫々が並行平板状に配置されている。同様に、前記検出部Ｄ２は、一方の可動電極Ｄ２ａと固定電極Ｄ２ｂ、他方の可動電極Ｄ２ａと固定電極Ｄ２ｃの夫々、前記検出部Ｄ３は、一方の可動電極Ｄ３ａと固定電極Ｄ３ｂ、他方の可動電極Ｄ３ａと固定電極Ｄ３ｃの夫々、が並行平板状に配置されている。【０１０１】
本実施例３の慣性センサＳ４は、二つの振動系として構成される慣性センサを示している。勿論、二つの振動系に限定するわけではなく、Ｎ個の振動系として構成してもよい。また、Ｎ個の振動系として構成した場合の測定レンジはＮ＋１個以上となる。【０１０２】
図１３を振動系モデルとして書き直せば図１４となる。図１４は、本実施例３の慣性センサＳ４の振動系モデルを示す説明図であり、実際の形状と対応するように同一部材には同一の符号を付している。本実施例３の慣性センサＳ４は、可動部６ａ（可動部ｍ１）とばね（支持梁３ａ）となる第１の振動系と、可動部６ｂ（可動部ｍ２）とばね（支持梁３ｂ）となる第２の振動系として構成される。特に、前記第２の振動系は前記可動部６ｂが絶縁物質となる絶縁膜７により３等分され、夫々の可動部６ｂ１，６ｂ２，６ｂ３は機械的には接続され、電気的には分離されている。【０１０３】
前記絶縁膜７は活性層１ａをＤＲＩＥで深堀し、厚膜ＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）等により酸化膜などの絶縁膜を埋め込むことにより形成される。さらに、前記絶縁膜７は可動部６ｂ１，６ｂ２，６ｂ３同士が絶縁膜７の界面で壁壊することを防ぐため、図１３に示しているように少なくとも１回（図１３では４回の例）は折り曲がった形状として形成されている。【０１０４】
本実施例３の慣性センサＳ４の測定レンジは、第１の可動部６ａの変位ｘ１と、第２の可動部６ｂの変位ｘ２と、可動部６ａ，６ｂの相対変位ｘｒを測定することで、三つを選択することができる。本実施例の慣性センサＳ４は、数ｋＨｚ帯域に二つの可動部６ａ，６ｂが同位相で振動する第１モード固有振動数を持つ。加速度センサは主に数１０〜１００Ｈｚ以下の周波数成分を測定する場合が多く、可動部６ａ，６ｂの変位の位相差は発生せず、可動部６ａの支持基板１ｂに対する変位ｘ１は可動部６ｂの変位ｘ２と可動部６ａと６ｂの相対変位ｘｒの和となる。従って、すべての加速度の印加に対してｘ１＞ｘ２の関係となる。【０１０５】
前記変位量ｘ１，ｘ２，ｘｒは前記式（１）を使うことで求めることができる。まず、可動部６ａと６ｂの相対変位ｘｒは、図１４で示している振動系モデルを二つの独立した１自由度系として見なした場合、可動部６ａと検出部Ｄ１とＤ２の可動電極Ｄ１ａ，Ｄ２ａの質量をｍとし、可動部６ａを支持している支持梁３ａのばね定数をｋとすることで求められる第１の固有振動数ｆ１を前記式（１）に代入することで求められる。【０１０６】
次に、変位量ｘ２は、可動部６ｂの変位であり、可動部６ｂとこの可動部６ｂに接続されて宙づりになっている支持梁３ａ、可動部６ａ、検出部Ｄ１の可動電極Ｄ１ａ、検出部Ｄ２の可動電極Ｄ２ａの質量をｍとし、可動部６ｂを支持している支持梁３ｂのばね定数をｋとすることで求められる第２の固有振動数ｆ２を前記式（１）に代入することで求められる。また、可動部６ａの支持基板１ｂに対する変位ｘ１は変位ｘ２とｘｒの和として求めることができる。以上の変位ｘ１，ｘｒ，ｘ２を夫々検出部Ｄ１，Ｄ２，Ｄ３を用いて検出することで、三つの測定レンジが得られる。【０１０７】
図１５は、本実施例３の慣性センサＳ４における電気的構成であり、前記三つの測定レンジはオーバーレンジ判断部１０５と、レンジ切換スイッチ１０６、外部入力１０８を用いることで、自動もしくは手動で切換えることができる。ここでは、前記実施例１の慣性センサＳ２と異なる内容を主として説明する。【０１０８】
レンジ切換スイッチ１０６は、測定レンジに合わせて三つのステートを持っている。まず、ステート１は、可動部６ｂ２を介して可動部６ａに搬送波１０１を印加し、検出部Ｄ１の固定電極Ｄ１ｂ，Ｄ１ｃからの出力をＣＶ変換部１０２に入力することで、可動部６ａの変位ｘ１を検出する。この際、他の検出部Ｄ２，Ｄ３と可動部６ｂ１，６ｂ３はＣＶ変換部１０２のＤＣバイアスに接続される。【０１０９】
次に、ステート２は、前記ステート１と同様に可動部６ｂ２を介して可動部６ａに搬送波１０１を印加し、検出部Ｄ２の固定電極Ｄ２ｂ，Ｄ２ｃからの出力を夫々可動部６ｂ１と６ｂ２を介してＣＶ変換部１０２に入力することで、可動部６ａと６ｂの相対変位ｘｒを検出する。この際、他の検出部Ｄ１とＤ３はＣＶ変換部１０２のＤＣバイアスに接続される。【０１１０】
最後に、ステート３は、搬送波１０１を可動部６ｂ１，６ｂ３に印加し、検出部（固有振動数調整部）Ｄ３の固定電極Ｄ３ｂ，Ｄ３ｃからの出力をＣＶ変換部１０２に入力することで、可動部６ｂの変位ｘ２を検出する。この際、可動部６ｂ２とその他の検出部Ｄ１はＣＶ変換部１０２のＤＣバイアスに接続される。【０１１１】
以上説明した本実施例３における慣性センサＳ４によれば、二つの振動系で三つの測定レンジを得ることができるように、Ｎ個の振動系を持ちながらも各振動系間の相対変位を測定することで、少なくともＮ＋１個の測定レンジが得られる。すなわち、可動部６ａ，６ｂとばね（支持梁３ａ，３ｂ）とで構成される振動系の数より多い出力レンジを得ることができる。【０１１２】
以上、本発明者によってなされた発明を実施例に基づき具体的に説明したが、本発明は前記実施例に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることはいうまでもない。
【産業上の利用可能性】
【０１１３】
本発明による慣性センサは、自動車、携帯用機器、アミューズメント機器、情報家電など、極めて多岐にわたって利用可能である。
【符号の説明】
【０１１４】
１  ＳＯＩ基板
１ａ  活性層
１ｂ  支持基板
１ｃ  中間絶縁層
２，２ａ，２ｂ，２ｃ  固定部
２ｅ  電極パッド
３，３ａ，３ｂ，３ｃ  支持梁
６，６ａ，６ｂ，６ｃ  可動部
７  絶縁膜
５０  接着剤
６０  蓋
７０，８０  ワイヤ
１００  センサ制御・信号処理用ＩＣ
１０１  搬送波
１０２  ＣＶ変換部
１０３  同期検波回路
１０４  Ａ／Ｄ変換部
１０５  オーバーレンジ判断部
１０６  レンジ切換スイッチ
１０７  切換スイッチモニタ
１０８  外部入力
１０９，１１０  ＤＣ電圧
２００  セラミックＰＫＧ
Ｄ１，Ｄ２，Ｄ３，Ｄ４  検出部
Ｄ１ａ，Ｄ２ａ，Ｄ３ａ，Ｄ４ａ  可動電極
Ｄ１ｂ，Ｄ１ｃ，Ｄ２ｂ，Ｄ２ｃ，Ｄ３ｂ，Ｄ３ｃ，Ｄ４ｂ，Ｄ４ｃ  固定電極
Ｄ１ｂｅ，Ｄ１ｃｅ，Ｄ２ｂｅ，Ｄ２ｃｅ  電極パッド
Ｓ１  加速度センサ
Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４  慣性センサ
【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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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【国際調査報告】
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