(57)【要約】  加速度センサは、基板（１）と、基板（１）に支持された複数の加速度検出部（１０）とを備えている。複数の加速度検出部（１０）の各々が、基板（１）に支持され、かつねじれ軸線（Ｔ１），（Ｔ２）を中心としてねじれるねじれ梁（１１），（１２）と、ねじれ軸線（Ｔ１），（Ｔ２）を中心に回転可能なようにねじれ梁（１１），（１２）に支持された検出フレーム（２１），（２２）と、検出フレーム（２１），（２２）と対向するように基板（１）上に形成された検出電極（４０）と、平面視においてねじれ軸線（Ｔ１），（Ｔ２）からずれた軸線上の位置において検出フレーム（２１），（２２）に支持されたリンク梁（３１），（３２）と、基板（１）の厚み方向に変位可能なようにリンク梁（３１），（３２）に支持された慣性質量体（２）とを有している。複数の加速度検出部（１０）は、第１および第２の加速度検出部（１０）を含んでいる。第１および第２の加速度検出部（１０）は、第１のねじれ軸線（Ｔ１）方向に沿って並んで配置されている。これにより、高周波高加速度の振動を抑制する高精度の加速度センサを得ることができる。
2010055716.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板（１）と、
前記基板（１）に支持された複数の加速度検出部（１０）とを備え、
前記複数の加速度検出部（１０）の各々が、
前記基板（１）に支持され、かつねじれ軸線（Ｔ１），（Ｔ２）を中心としてねじれるねじれ梁（１１），（１２）と、
前記ねじれ軸線（Ｔ１），（Ｔ２）を中心に回転可能なように前記ねじれ梁（１１），（１２）に支持された検出フレーム（２１），（２２）と、
前記検出フレーム（２１），（２２）と対向するように前記基板（１）上に形成された検出電極（４０）と、
平面視において前記ねじれ軸線（Ｔ１），（Ｔ２）からずれた軸線上の位置において前記検出フレーム（２１），（２２）に支持されたリンク梁（３１），（３２）と、
前記基板（１）の厚み方向に変位可能なように前記リンク梁（３１），（３２）に支持された慣性質量体（２）とを有し、
前記複数の加速度検出部（１０）は、第１および第２の加速度検出部（１０）を含み、
前記第１および第２の加速度検出部（１０）は、前記第１の加速度検出部（１０）の前記ねじれ軸線（Ｔ１）方向に沿って並んで配置されている、加速度センサ。
【請求項２】
前記第１の加速度検出部（１０）の前記リンク梁（３１）は前記第１の加速度検出部（１０）の前記ねじれ軸線（Ｔ１）に対して平面視において一方側に配置されており、前記第２の加速度検出部（１０）の前記リンク梁（３２）は前記第１の加速度検出部（１０）の前記ねじれ軸線（Ｔ１）に対して平面視において他方側に配置されている、請求の範囲第１項に記載の加速度センサ。
【請求項３】
前記複数の加速度検出部（１０）のそれぞれの前記ねじれ梁（１１），（１２）と前記リンク梁（３１），（３２）との間のオフセット量の寸法が互いに等しい、請求の範囲第１項に記載の加速度センサ。
【請求項４】
前記複数の加速度検出部（１０）のそれぞれの前記ねじれ軸線（Ｔ１），（Ｔ２）が互いに平行である、請求の範囲第１項に記載の加速度センサ。
【請求項５】
前記複数の加速度検出部（１０）は、第３および第４の加速度検出部（１０）をさらに含み、
前記第１〜第４の加速度検出部（１０）は、前記第１の加速度検出部（１０）の前記ねじれ軸線（Ｔ１）方向に並んで配置されている、請求の範囲第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、加速度センサに関し、特に静電容量型の加速度センサに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来の基板厚み方向の加速度を検出する加速度センサの原理のひとつとして、加速度にともなう静電容量の変化を検出する方法がある。この方法による加速度センサとしては、たとえば、主な構成部分として、ねじれ梁（撓み部）と、慣性質量体（重り）と、検出フレーム（エレメント）と、検出電極（検知電極）とを有する加速度センサ（加速度感知運動変換機）が知られている（たとえば、特開平５−１３３９７６号公報：特許文献１参照）。【０００３】
この特許文献１の加速度センサ（加速度感知運動変換機）は、基板と対向する面を有する１つの検出フレーム（エレメント）を有している。この検出フレーム（エレメント）の一方端部上に、慣性質量体（重り）が設けられている。また、この検出フレーム（エレメント）は、ねじれ梁（撓み部）を回転軸として回転することができるように、基板上に支持されている。また、この回転変位を検出するための検出電極（検知電極）が、検出フレーム（エレメント）の下方に設けられている。【０００４】
このように構成された加速度センサに対して基板厚み方向の加速度が加えられると、慣性質量体（重り）には基板厚み方向の慣性力が作用する。慣性質量体（重り）は一方端部上、すなわち上記回転軸から基板面内方向にずれを有する位置に設けられているため、この慣性力はねじれ梁（撓み部）周りのトルクとして検出フレーム（エレメント）に作用する。この結果、検出フレーム（エレメント）が回転変位する。【０００５】
この回転変位により、検出フレーム（エレメント）と検出電極（検知電極）との距離が変化するので、検出フレーム（エレメント）と検出電極（検知電極）とにより形成されているコンデンサの静電容量が変化する。この静電容量変化から加速度が測定される。【０００６】
また、慣性質量体が検出フレーム上ではなく、検出フレームと同一平面に配置され、リンク梁で接続されることでプロセスが簡略化された静電容量型の加速度センサが知られている。この加速度センサでは、複数の検出フレームの互いに逆向きの回転変位にのみ感受性が高くなるように検出電極が設けられている（たとえば、特開２００８−１３９２８２号公報：特許文献２参照）。これにより、この特許文献２の加速度センサは、検出対象でない方向の加速度に対する感度を抑制し、かつ角速度および角加速度の影響を受けにくくすることができる。すなわち、この特許文献２の加速度センサでは、検出フレームを複数用いることにより加速度の測定精度が向上している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開平５−１３３９７６号公報
【特許文献２】特開２００８−１３９２８２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
上記従来技術のように加速度センサに複数の検出フレームが用いられた場合、加速度センサの形状によりそれぞれの検出フレームの長さが短くなる。検出フレームの長さが短くなると検出フレームの慣性モーメントが小さくなる。それにより検出フレームの共振周波数が高くなる。これによりその検出フレームを備える加速度センサの共振周波数が高くなる。【０００９】
加速度センサの共振周波数を高くすると、周波数測定レンジを広くすることができる。しかしながら、加速度センサの共振周波数が必要以上に大きい場合には、物体の衝突時などに生じる高周波高加速度の振動が印加されたときに、その振動が減衰しないことがある。それにより高周波高加速度の振動が加速度センサの測定加速度範囲を超えてしまうことがある。これにより加速度センサにおいて出力誤差が発生することがある。【００１０】
検出フレームの共振周波数を低くするには、検出フレームのサイズを大きくすることが有効である。しかしながら、従来の特許文献１および２に開示されている検出フレームのサイズを単純に大きくすると、検出フレームの取れ数が減少するという問題、検出フレームを構成する膜に発生する残留応力による反りの影響が顕在化するという問題などの多くの問題がある。【００１１】
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、加速度センサのサイズを大型化させることなく、高周波高加速度の振動を抑制する高精度の加速度センサを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明の加速度センサは、基板と、基板に支持された複数の加速度検出部とを備えている。複数の加速度検出部の各々が、基板に支持され、かつねじれ軸線を中心としてねじれるねじれ梁と、ねじれ軸線を中心に回転可能なようにねじれ梁に支持された検出フレームと、検出フレームと対向するように基板上に形成された検出電極と、平面視においてねじれ軸線からずれた軸線上の位置において検出フレームに支持されたリンク梁と、基板の厚み方向に変位可能なようにリンク梁に支持された慣性質量体とを有している。複数の加速度検出部は、第１および第２の加速度検出部を含んでいる。第１および第２の加速度検出部は、第１の加速度検出部のねじれ軸線方向に沿って並んで配置されている。
【発明の効果】
【００１３】
本発明の加速度センサによれば、第１および第２の加速度検出部をねじれ軸線方向に沿って並べたから、各加速度検出部における検出フレームを、その軸線方向に直交する方向に並べる場合よりも加速度センサのサイズを大型化させることなく長くすることができる。このため、検出フレームの慣性モーメントを大きくすることが可能となる。それにより、共振周波数を低くすることができる。よって、高周波高加速度の振動を抑制しやすくすることができる。【００１４】
また、検出フレームが長いので、リンク梁の位置の自由度が大きくなる。これにより、加速度センサの設計自由度を上げることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の実施の形態１における加速度センサの構成を概略的に示す上面図である。
【図２】図１のＩＩ−ＩＩ線に沿う概略的な断面図である。
【図３】（Ａ）は、本発明の実施の形態１における加速度センサに対して基板の膜厚方向に沿って上方向に加速度が加えられた際の様子を概略的に示す断面図であって、図１のＩＩ−ＩＩ線に沿う断面に対応した図であり、（Ｂ）は、図１のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿う断面に対応した図である。
【図４】本発明の実施の形態１における加速度センサの第１および第２検出フレームと、検出電極とにより形成されるコンデンサの電気的接続を説明する回路図である。
【図５】本発明の実施の形態１における加速度センサの製造方法の第１工程を示す概略的な断面図であり、その断面位置は図２の断面位置に対応する。
【図６】本発明の実施の形態１における加速度センサの製造方法の第２工程を示す概略的な断面図であり、その断面位置は図２の断面位置に対応する。
【図７】本発明の実施の形態１における加速度センサの製造方法の第３工程を示す概略的な断面図であり、その断面位置は図２の断面位置に対応する。
【図８】本発明の実施の形態１における加速度センサの製造方法の第４工程を示す概略的な断面図であり、その断面位置は図２の断面位置に対応する。
【図９】本発明の実施の形態１における加速度センサの製造方法の第５工程を示す概略的な断面図であり、その断面位置は図２の断面位置に対応する。
【図１０】（Ａ）は、検出フレームの構造を示す概略図であって、従来の構造を示す図であり、（Ｂ）は、実施の形態１の構造を示す図である。
【図１１】従来の構造および実施の形態１の構造における周波数と振幅の関係を示す図である。
【図１２】（Ａ）は、本発明の実施の形態１における加速度センサに対して角加速度が加えられた際の様子を概略的に示す断面図であって、図１のＩＩ−ＩＩ線に沿う断面に対応した図であり、（Ｂ）は、図１のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿う断面に対応した図である。
【図１３】（Ａ）は、本発明の実施の形態１における加速度センサに対して角速度が加えられた際の様子を概略的に示す断面図であって、図１のＩＩ−ＩＩ線に沿う断面に対応した図であり、（Ｂ）は、図１のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿う断面に対応した図である。
【図１４】（Ａ）は、本発明の実施の形態１における加速度センサに対してＹ軸方向に加速度が加えられた際の様子を概略的に示す断面図であって、図１のＩＩ−ＩＩ線に沿う断面に対応した図であり、（Ｂ）は、図１のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿う断面に対応した図（Ｂ）である。
【図１５】本発明の実施の形態２における加速度センサの構成を概略的に示す上面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明の実施の形態について図に基づいて説明する。
（実施の形態１）
最初に、本実施の形態の加速度センサの主要な構成について説明する。
【００１７】
説明の便宜のため、座標軸Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸が導入されている。図１において、Ｘ軸は横方向に沿う右方向が正の向きの軸であり、Ｙ軸は縦方向に沿う上方向が正の向きの軸であり、Ｚ軸は紙面に垂直で紙面の上方が正の向きの軸である。なおＺ軸の方向は、本実施の形態の加速度センサが測定対象とする加速度方向に一致する。
【００１８】
図１および図２を参照して、本実施の形態の加速度センサは、基板１と、複数の加速度検出部１０とを主に有している。
【００１９】
基板１としては、シリコン基板を用いることができる。また、第１および第２のねじれ梁１１、１２、第１および第２の検出フレーム２１、２２、第１および第２のリンク梁３１、３２、慣性質量体２および検出電極４０、アクチュエーション電極５の材質としては、ポリシリコン膜を用いることができる。このポリシリコン膜は、低応力であり、かつ厚さ方向に応力分布がないことが望ましい。
【００２０】
複数の加速度検出部１０は、たとえば第１の加速度検出部１０と第２の加速度検出部１０とからなっている。第１および第２の加速度検出部１０は、基板１に支持されている。
【００２１】
第１の加速度検出部１０は、第１のねじれ梁１１と、第１の検出フレーム２１と、第１の検出電極４１と、第１のリンク梁３１と、慣性質量体２とを有している。
【００２２】
第１のねじれ梁１１は、Ｘ軸に沿った第１のねじれ軸線Ｔ１を中心としてねじれるように、基板１にアンカー９１により支持されている。
【００２３】
第１の検出フレーム２１は、第１のねじれ軸線Ｔ１を中心に回転可能なように、第１のねじれ梁１１を介して基板１に支持されている。また、第１の検出フレーム２１は、少なくともその一部が導電性を有している。
【００２４】
複数の検出電極４０は、第１および第２の検出電極４１、４２を有している。第１の検出電極４１は、基板１に対する第１の検出フレーム２１の角度を静電容量により検出することができるように、第１の検出フレーム２１と対向するように基板１上に絶縁膜３を介して形成されている。なお、絶縁膜３としては、低応力の窒化シリコン膜やシリコン酸化膜が好適である。
【００２５】
第１のリンク梁３１は、平面視においてねじれ軸線Ｔ１からずれた軸線上の位置において第１の検出フレーム２１に支持されている。さらに具体的には、第１のねじれ軸線Ｔ１が第１のねじれ軸線Ｔ１と交差する方向に沿って第１の検出フレーム２１の一方端部側にオフセットｅ１だけ平行移動された軸Ｌ１上の位置において第１の検出フレーム２１に設けられている。すなわち、オフセットｅ１の絶対値は第１のねじれ軸線Ｔ１と第１のリンク梁３１との間の寸法であり、その向きは第１のねじれ軸線Ｔ１と交差して第１のねじれ軸線Ｔ１から軸Ｌ１へ向かう方向である。
【００２６】
慣性質量体２は、第１のリンク梁３１を介して第１の検出フレーム２１に連結されることにより、基板１上で基板１の厚み方向に変位可能に支持されている。
【００２７】
第２の加速度検出部１０は、第１の加速度検出部１０と同様の構成を有している。つまり、第２の加速度検出部は、第２のねじれ梁１２と、第２の検出フレーム２２と、第２の検出電極４２と、第２のリンク梁３２と、慣性質量体２とを有している。
【００２８】
第２のねじれ梁１２は、Ｘ軸に沿った第２のねじれ軸線Ｔ２の周りにねじれるように、基板１にアンカー９２により支持されている。
【００２９】
第２の検出フレーム２２は、第２のねじれ軸線Ｔ２を中心に回転可能なように、第２のねじれ梁１２を介して基板１に支持されている。また、第２の検出フレーム２２は、少なくともその一部が導電性を有している。
【００３０】
第２の検出電極４２は、基板１に対する第２の検出フレーム２２の角度を静電容量により検出することができるように、第２の検出フレーム２２と対向するように基板１上に絶縁膜３を介して形成されている。
【００３１】
第２のリンク梁３２は、平面視においてねじれ軸線Ｔ２からずれた軸線上の位置において第２の検出フレーム２２に支持されている。さらに具体的には、第２のねじれ軸線Ｔ２が上記の移動の方向と逆方向すなわちオフセットｅ１と逆方向のオフセットｅ２だけ平行にずらされた軸Ｌ２上の位置において第２の検出フレーム２２に設けられている。すなわち、オフセットｅ２の絶対値は第２のねじれ軸線Ｔ２と第２のリンク梁３２との間の寸法であり、その向きはオフセットｅ１と逆方向である。
【００３２】
慣性質量体２は、第２のリンク梁３２を介して第２の検出フレーム２２に連結されることにより、基板１上で基板１の厚み方向に変位可能に支持されている。
【００３３】
第１の加速度検出部１０と第２の加速度検出部１０は、第１の加速度検出部１０の第１のねじれ軸線Ｔ１方向に沿って並んで配置されている。さらに具体的には、第１の加速度検出部１０の検出フレーム２１と第２の加速度検出部１０の検出フレーム２２の長辺同士が対向するように配置されている。なお、第１のねじれ軸線Ｔ１と直交する方向には他の加速度検出部１０がない。
【００３４】
第１の加速度検出部１０のリンク梁３１は、第１の加速度検出部１０のねじれ軸線Ｔ１に対して平面視において一方側に配置されており、第２の加速度検出部１０のリンク梁３２は、第１の加速度検出部１０のねじれ軸線Ｔ１に対して平面視において他方側に配置されていることが好ましい。
【００３５】
第１および第２のねじれ梁１１、１２と、第１および第２のリンク梁３１、３２とは、オフセットｅ１およびｅ２の絶対値が等量となるように配置されていることが好ましい。すなわち、それらのオフセット量の寸法が互いに等しくなるように配置されていることが好ましい。
【００３６】
第１の検出フレームと第２の検出フレームとは、平面視における中心線Ｂと交差する軸Ａに平行に配置されていることが好ましい。すなわち、第１および第２のねじれ軸線Ｔ１、Ｔ２が互い平行に配置されていることが好ましい。
【００３７】
第１のねじれ軸線Ｔ１と第２のねじれ軸線Ｔ２とは、平面視における慣性質量体２の重心Ｇを通るＹ軸方向の中心線Ａに対して線対称に配置されていることが好ましい。
【００３８】
第１のねじれ軸線Ｔ１と第２のねじれ軸線Ｔ２は、平面視における慣性質量体２の重心Ｇを通るＸ軸方向の中心線Ｂに沿うように配置されていることが好ましい。
【００３９】
さらに好ましくは、加速度センサの平面レイアウトは、平面視における慣性質量体２の重心Ｇに対して１８０度の回転対称な構造を有していることが好ましい。
【００４０】
なお、第１および第２の加速度検出部１０は慣性質量体２をそれぞれ有しているが、慣性質量体２は一体に形成されている。
【００４１】
また、アクチュエーション電極５が、慣性質量体２を静電気力により変位させることができるように、慣性質量体２に対向するように基板１上に絶縁膜３を介して形成されている。
【００４２】
続いて、上記の検出電極４０の構成の詳細と、この検出電極４０により第１および第２検出フレーム２１、２２のそれぞれの基板１に対する角度を検出することができる原理について説明する。
【００４３】
検出電極４０は第１の検出フレーム２１と対向する第１の検出電極４１を有している。この第１の検出電極４１は、第１のねじれ軸線Ｔ１を挟むように検出電極４１ａと４１ｂとを有している。検出電極４１ａは加速度センサのＹ軸正側（図１上側）に位置しており、検出電極４１ｂは加速度センサのＹ軸負側（図１下側）に位置している。検出電極４１ａと４１ｂとは、第１のねじれ軸線Ｔ１を挟むように設けられている。
【００４４】
第１の検出フレーム２１が第１のねじれ梁１１の周りに回転された場合、第１の検出フレーム２１の裏面（第１の検出電極４１と対向する面）は検出電極４１ａ、４１ｂの一方に接近するとともに、他方から遠ざかる。このため、第１の検出フレーム２１が検出電極４１ａと対向することで生じている静電容量と、第１の検出フレーム２１が検出電極４１ｂと対向することで形成している静電容量との差分を検出することにより、第１の検出フレーム２１の基板１に対する角度を検出することができる。
【００４５】
また検出電極４０は第２検出フレーム２２と対向する第２の検出電極４２を有している。この第２の検出電極４２は、第２のねじれ軸線Ｔ２を挟むように検出電極４２ａと４２ｂとを有している。検出電極４２ａは加速度センサのＹ軸負側（図１下側）に位置しており、検出電極４２ｂは加速度センサのＹ軸正側（図１上側）に位置している。検出電極４２ａと４２ｂとは、第２のねじれ軸線Ｔ２を挟むように設けられている。
【００４６】
第２の検出フレーム２２が第２ねじれ梁１２の周りに回転された場合、第２の検出フレーム２２の裏面（検出電極４２と対向する面）は検出電極４２ａ、４２ｂの一方に接近するとともに、他方から遠ざかる。このため、第２の検出フレーム２２が検出電極４２ａと対向することで生じている静電容量と、第２の検出フレーム２２が検出電極４２ｂと対向することで形成している静電容量との差分を検出することにより、第２の検出フレーム２２の基板１に対する角度を検出することができる。
【００４７】
続いて、本実施の形態の加速度センサの加速度の測定原理について説明する。
図３（Ａ）の断面位置は図２と同一である。また図３においては図を見易くするためにアンカー９１、９２は図示されていない。
【００４８】
図３（Ａ）および（Ｂ）を参照して、基板１の膜厚方向に沿って上方向、すなわちＺ軸の正方向（図中上方向）の加速度ａｚが加速度センサに加わると、慣性質量体２は慣性力により初期位置（図中破線で示す位置）からＺ軸の負方向（図中下方向）に沈み込むように変位する。慣性質量体２と連結されている第１および第２のリンク梁３１、３２も、慣性質量体２と一体となってＺ軸の負方向（図中下方向）に変位する。
【００４９】
第１リンク梁３１の変位により、第１の検出フレーム２１は、軸Ｌ１の部分でＺ軸の負方向（図中下方向）への力を受ける。この軸Ｌ１は、第１ねじれ軸線Ｔｌからオフセットｅ１だけ平行移動された位置にあるため、第１の検出フレーム２１にはトルクが作用する。この結果、第１の検出フレーム２１が回転変位する。
【００５０】
また、第２のリンク梁３２の変位により、第２の検出フレーム２２は、軸Ｌ２の部分でＺ軸の負方向（図中下方向）への力を受ける。この軸Ｌ２は、第２のねじれ軸線Ｔ２からオフセットｅ２だけ平行移動された位置にあるため、第２の検出フレーム２２にはトルクが作用する。この結果、第２の検出フレーム２２が回転変位する。
【００５１】
オフセットｅ１とｅ２とは逆向きであるため、第１の検出フレーム２１と第２の検出フレーム２２とは逆向きに回転する。すなわち、第１の検出フレーム２１の上面は加速度センサの一方端部側（図３（Ａ）の右側）を向き、第２の検出フレーム２２の上面は加速度センサの一方端部側（図３（Ｂ）の左側）を向くように、第１および第２の検出フレーム２１、２２が回転変位する。
【００５２】
この回転変位にともない、第１の検出フレーム２１と検出電極４１ａとにより構成されるコンデンサＣ１ａの静電容量Ｃ1aが増大し、第１の検出フレーム２１と検出電極４１ｂとにより構成されるコンデンサＣ１ｂの静電容量Ｃ1bが減少する。また第２の検出フレーム２２と検出電極４２ａとにより構成されるコンデンサＣ２ａの静電容量Ｃ2aが増大し、第２の検出フレーム２２と検出電極４２ｂとにより構成されるコンデンサＣ２ｂの静電容量Ｃ2bが減少する。
【００５３】
図４を参照して、コンデンサＣ１ａとＣ２ａとが並列接続され、コンデンサＣ１ｂとＣ２ｂとが並列接続されている。そして、これら２つの並列接続された部分がさらに直列に接続されている。このように形成された回路のコンデンサＣ１ａ、Ｃ２ａ側の端部には一定電位Ｖdが印加され、コンデンサＣ１ｂ、Ｃ２ｂ側の端部は接地されている。また、上記直列接続部には端子が設けられており、この端子の出力電位Ｖoutを測定することができる。この出力電位Ｖoutは、下記の値となる。
【００５４】
【数１】
2010055716.tif 000003
【００５５】
電位Ｖdは一定値であることから、出力電位Ｖoutを測定することにより、Ｚ軸方向の加速度ａｚを検知することができる。加速度が０、すなわち、変位がない場合はＣ1a＝Ｃ2a＝Ｃ1b＝Ｃ2bであるので、Ｖout＝Ｖd/2で表わされる。
【００５６】
続いて、本実施の形態の加速度センサの製造方法について説明する。
図５〜図９は、本発明の実施の形態１における加速度センサの製造方法の第１〜第５工程を順に示す概略的な断面図であり、その断面位置は図２の断面位置に対応する。以下では、慣性質量体２、第１のリンク梁３１、第１の検出フレーム２１、第１のねじれ梁１１およびアンカー９１の形成について説明するが、第２のリンク梁３２、第２の検出フレーム２２および第２のねじれ梁１２についても同様に形成される。
【００５７】
図５を参照して、シリコンからなる基板１上に、ＬＰＣＶＤ(Low  Pressure  Chemical  Vapor  Deposition)法により、絶縁膜３が堆積される。絶縁膜３としては、低応力の窒化シリコン膜やシリコン酸化膜などが適している。この絶縁膜３の上に、ＬＰＣＶＤ法により、たとえばポリシリコンからなる導電性の膜が堆積される。続いて、この導電性の膜がパターニングされて、検出電極４０、アクチュエーション電極５が形成される。その後、基板１上全体にＰＳＧ(Phosphosilicate  Glass)膜１０１が堆積される。
【００５８】
主に図６を参照して、アンカー９１（図２）が形成される部分のＰＳＧ膜１０１が選択的に除去される。
【００５９】
図７を参照して、基板１上全体に、ポリシリコン膜１０２が堆積される。続いてその表面にＣＭＰ(Chemical  Mechanical  Polishing)処理が施される。
【００６０】
図８を参照して、上記ＣＭＰ処理により、ポリシリコン膜１０２の表面が平坦化される。
【００６１】
図９を参照して、ポリシリコン膜１０２のＰＳＧ膜１０１の上面よりも上方の部分に対して、選択的なエッチングが行なわれる。これにより、慣性質量体２と、第１のリンク梁３１（図１）と、第１の検出フレーム２１と、第１のねじれ梁１１（図１）と、アンカー９１とが一括形成される。その後、ＰＳＧ膜１０１がエッチングにより除去され、図２に示される本実施の形態の加速度センサが得られる。
【００６２】
次に、本実施の形態の加速度センサの作用効果について説明する。
まず、本実施の形態の加速度センサの作用効果を説明するために、本実施の形態の加速度センサの共振周波数について説明する。
【００６３】
図１０（Ａ）および図１０（Ｂ）の両構造について、質量はｍで同一とし、厚さはＨ、幅は従来の検出フレームの構造についてはＷ、本実施の形態の検出フレームの構造については２Ｗとしている。一般的に回転する構造体の共振周波数ｆは次式で示される。
【００６４】
【数２】
2010055716.tif 000004
【００６５】
ここで、Ｋは梁の剛性、Ｉは構造体の重心を通りＨ×Ｗ面に垂直な軸Ｊまわりの慣性モーメントである。本実施の形態の加速度センサは２次のバネ−マス構造なので、実際には共振周波数は式（２）のように単純ではないが、簡易的に式（２）と同等として説明する。従来の検出フレームの構造の慣性モーメントＩ１および本実施の形態の検出フレームの構造の慣性モーメントＩ２は次式で示される。
【００６６】
【数３】
2010055716.tif 000005
【００６７】
【数４】
2010055716.tif 000006
【００６８】
式（３）および（４）より、厚さＨが幅Ｗに対して十分小さければ、本実施の形態の検出フレームの構造の慣性モーメントＩ２は従来の検出フレームの構造の慣性モーメントＩ１の４倍となる。この場合、式（２）より、本実施の形態の検出フレームの構造の共振周波数は、従来の検出フレームの構造の共振周波数の半分となる。
【００６９】
続いて、本実施の形態の加速度センサに対して、高周波高加速度の振動が印加された場合の例について説明する。
【００７０】
図１１は、共振周波数の違いによる入力加速度の周波数と出力振幅の関係を示している。
【００７１】
この場合の運動方程式は次式で示される。
【００７２】
【数５】
2010055716.tif 000007
【００７３】
ここで、Ｉは慣性モーメント、Ｋは梁の剛性、θは回転角、Ｃは減衰定数、Ｍは入力モーメントである。図１１においては、慣性モーメントＩ、入力モーメントＭ＝１、減衰定数Ｃ＝３、従来の構造における梁の剛性Ｋ＝４、本実施の形態の構造における梁の剛性Ｋ＝１としている。そして、図１１中の高共振周波数が従来の構造における入力加速度の周波数と出力振幅との関係を示し、低共振周波数が本実施の形態の構造におけるそれらの関係を示している。ここで、周波数１を高周波、振幅１をＤＣでの振幅としている。
【００７４】
図１１を参照して、加速度センサの測定範囲内では出力は−３デシベル（ｄＢ）以内に収まっている。通常、加速度センサはこの測定範囲内で仕様を満足すればよい。しかしながら、車載用センサのように車両が衝突する場合には、加速度センサに与える衝撃波（高周波高加速度）の影響を無視することができない。たとえば、図１１で高周波（周波数１）の加速度が入力された場合、従来の構造（高共振周波数）の加速度センサでは振幅は約０．９４であるが、本実施の形態の構造（低共振周波数）の加速度センサでは振幅は約０．３３となる。
【００７５】
すなわち、共振周波数が大きい加速度センサは、高周波数の入力に対する出力の差が小さい（つまり減衰しにくい）という特性がある。一方、共振周波数が小さい加速度センサは、高周波数の入力に対する出力の差が大きい（つまり減衰しやすい）という特性がある。
【００７６】
従来の構造（高共振周波数）であっても加速度が測定範囲内であれば問題はない。しかしながら、多くの場合、衝突時には測定範囲を超える加速度が印加される。そのため、従来の構造（高共振周波数）の加速度センサでは、その測定限界が超えられることになる。それが加速度センサの誤動作の原因になる。
【００７７】
一方、本実施の形態の構造（低共振周波数）の加速度センサは、周波数１（高周波）での加速度に対して数倍（本実施の形態では０．９４／０．３３＝約３倍）の余裕がある。したがって、許容加速度範囲が広い。すなわち、本実施の形態の構造（低共振周波数）の加速度センサでは、測定範囲外の入力があった場合に、出力の振幅が小さい（減衰しやすい）ことより、誤動作しない加速度の範囲が広い。
【００７８】
上記のように、本実施の形態の加速度センサによれば、従来の加速度センサと同じサイズで、共振周波数を小さくすることができる。これにより、高周波数の振動を減衰し、測定加速度範囲に含めるように、その振動を抑えることができる。したがって、加速度センサのサイズを大型化することなく誤動作しない加速度の測定範囲を広くすることができる。
【００７９】
また、本実施の形態の検出フレームは、従来の検出フレームに比べて長いため、リンク梁の接続範囲が広い。これにより、加速度センサの設計自由度を上げることができる。たとえば、リンク梁を検出フレームの端部に接続することで加速度の測定の感度を高くすることができる。また、リンク梁をねじれ梁の近くに接続することで加速度の測定の感度を低くすることができる。本実施の形態の検出フレームの構造におけるリンク梁の接続範囲は、従来の検出フレームの構造に比べて約２倍とすることができる。
【００８０】
次に、本実施の形態の加速度センサに対して角加速度が加えられた場合の検出誤差について説明する。
【００８１】
図１２（Ａ）、図１３（Ａ）および図１４（Ａ）は、図１のＩＩ−ＩＩ線に沿う概略的な断面図である。また図１２（Ｂ）、図１３（Ｂ）および図１４（Ｂ）は、図１のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿う概略的な断面図である。また、図１２（Ａ）〜図１４（Ｂ）においては図を見易くするためにアンカー９１、９２および中央の慣性質量体２は図示されていない。
【００８２】
図１２（Ａ）を参照して、慣性質量体２は、Ｘ軸方向の負の角加速度ａωを受けると、慣性モーメントのために初期位置（図中破線の位置）から角加速度ａωと逆向きに回転変位して傾斜する。この慣性質量体２の傾斜にともない、第１の検出フレーム２１は第１のリンク梁３１の軸Ｌ１の部分で持ち上げられ、第１のねじれ軸線Ｔ１を中心に回転される。また、図１２（Ｂ）を参照して、第２の検出フレーム２２は第２のリンク梁３２の軸Ｌ２の部分で押し下げられて、第２のねじれ軸線Ｔ２を中心に回転される。
【００８３】
この第１および第２の検出フレーム２１、２２の回転にともない、第１の検出フレーム２１と検出電極４１ａとにより構成されるコンデンサＣ１ａの静電容量Ｃ1aが減少し、第１の検出フレーム２１と検出電極４１ｂとにより構成されるコンデンサＣ１ｂの静電容量Ｃ1bが増大する。また第２の検出フレーム２２と検出電極４２ａとにより構成されるコンデンサＣ２ａの静電容量Ｃ2aが増大し、第２の検出フレーム２２と検出電極４２ｂとにより構成されるコンデンサＣ２ｂの静電容量Ｃ2bが減少する。
【００８４】
式（１）を参照して、上記の静電容量の変化が生じた場合、静電容量Ｃ1aの減少とＣ2aの増大とが相殺され、かつＣ1bの増大とＣ2bの減少とが相殺される。このため、この角加速度ａωが出力電位Ｖoutに対して及ぼす影響は抑制される。
【００８５】
次に、本実施の形態の加速度センサに対して角速度が加えられた場合の検出誤差について説明する。
【００８６】
図１３（Ａ）および（Ｂ）を参照して、角速度ωの回転にともなう遠心力が慣性質量体２に作用する。このため、慣性質量体２は、初期位置（図中破線の位置）から、慣性質量体２の端部が角速度ωの回転軸から遠ざかる向きに回転変位して傾斜する。
【００８７】
この慣性質量体２の傾斜は、前述した角加速度ａωが加えられた場合と同様である。このため、同様の原理により角速度ωが出力電位Ｖoutに対して及ぼす影響も抑制される。
【００８８】
次に、本実施の形態の加速度センサに対して他軸加速度が加えられた場合の検出誤差について、重力の影響を含めて説明する。
【００８９】
図１４（Ａ）および（Ｂ）を参照して、慣性質量体２には重力としてＺ軸方向の負の力が作用しており、慣性質量体２は初期位置（図中破線の位置）から下方（図中Ｚ軸の負の方向）に沈み込んだ状態となっている。
【００９０】
この状態のもとで加速度センサに対してＹ軸の負の向きに加速度ａｙが加わると、慣性質量体２にはＹ軸の正の向きの慣性力が加わる。この慣性力は、第１および第２のリンク梁３１、３２（図１）のそれぞれの軸Ｌ１、Ｌ２上の部分で、第１および第２の検出フレーム２１、２２の各々に伝達される。
【００９１】
重力の影響により軸Ｌ１の基板１からの高さは第１ねじれ軸線Ｔ１よりも低くなっている。このため、上記の軸Ｌ１の部分に伝達される力は、第１の検出フレーム２１に対して第１ねじれ軸線Ｔ１周りのトルクとして作用する。
【００９２】
また、重力の影響により軸Ｌ２の基板１からの高さは第２のねじれ軸線Ｔ２よりも低くなっている。このため、上記の軸Ｌ２の部分に伝達される力は、第２の検出フレーム２２に対して第２のねじれ軸線Ｔ２周りのトルクとして作用する。
【００９３】
ここで、上記の第１および第２ねじれ軸線Ｔ１、Ｔ２周りのトルクは、両方とも第１および第２ねじれ軸線Ｔ１、Ｔ２の下方に作用点を有している。また、この作用点に働く力は、両方ともＹ軸方向に正の向きである。この結果、第１検出フレーム２１の回転変位と、第２検出フレーム２２の回転変位とは同一の向きとなる。
【００９４】
回転変位の影響として、第１検出フレーム２１と検出電極４１ａとにより構成されるコンデンサＣ１ａの静電容量Ｃ1aが減少し、第１検出フレーム２１と検出電極４１ｂとにより構成されるコンデンサＣ１ｂの静電容量Ｃ1bが増大する。また、第２検出フレーム２２と検出電極４２ａとにより構成されるコンデンサＣ２ａの静電容量Ｃ2aが増大し、第２検出フレーム２２と検出電極４２ｂとにより構成されるコンデンサＣ２ｂの静電容量Ｃ2bが減少する。
【００９５】
式（１）を参照して、上記の静電容量の変化が生じた場合、静電容量Ｃ1aの減少とＣ2aの増大とが相殺され、かつＣ1bの増大とＣ2bの減少とが相殺される。このため、Ｙ軸方向の加速度ａｙがＺ軸方向の加速度検出のために測定される出力電位Ｖoutに対して及ぼす影響は抑制される。
【００９６】
本実施の形態によれば、角加速度、角速度および他軸加速度による検出誤差を抑制することができる。
【００９７】
本実施の形態において好ましくは、図１に示すオフセットｅ１とｅ２とは絶対値が等しくされる。また、図１に示す第１および第２ねじれ軸線Ｔ１、Ｔ２が互いに平行とされる。このため、第１および第２検出フレーム２１、２２のそれぞれの回転変位量が等しくなる。よって、図４に示すコンデンサＣ１ａ、Ｃ１ｂ、Ｃ２ａおよびＣ２ｂの静電容量変化がより精度よく行なわれる。このため、加速度センサの誤差をさらに抑制することができる。
【００９８】
本実施の形態によれば、図８および図９に示すように、可動部となる慣性質量体２と、第１リンク梁３１と、第１検出フレーム２１と、第１ねじれ梁１１とが、同一材料からなる膜から一括形成される。よって、可動部において異材料の接合部分がないため、異材料の熱膨張係数の差異により生じる歪の発生がない。このため、加速度センサの温度依存性を抑制することができる。
【００９９】
また、本実施の形態によれば、アクチュエーション電極５と慣性質量体２との間に電圧を印加することにより、慣性質量体２を基板１の方に引っ張る静電気力を発生することができる。すなわち慣性質量体２を基板１の膜厚方向に静電駆動することができる。この静電駆動により、加速度センサに基板１の膜厚方向の加速度ａｚが加わった場合の慣性質量体２の変位と同様の変位を発生させることができる。よって、実際に加速度センサに加速度ａｚを加えずにセンサが故障しているかどうか自己診断する機能を、加速度センサに持たせることができる。
【０１００】
（実施の形態２）
図１５を参照して、本実施の形態の加速度センサは、実施の形態１の構成と比較して、複数の加速度検出部の構成で主に異なっている。本実施の形態の加速度センサは、実施の形態１の構成に追加して、第３の加速度検出部１０および第４の加速度検出部１０を有している。
【０１０１】
第３の加速度検出部１０は、第３のねじれ梁１３と、第３の検出フレーム２３と、第３の検出電極４３と、第３のリンク梁３３と、慣性質量体２とを有している。
【０１０２】
第４の加速度検出部１０は、第４のねじれ梁１４と、第４の検出フレーム２４と、第４の検出電極４４と、第４のリンク梁３４と、慣性質量体２とを有している。
【０１０３】
第３のねじれ梁１３は、Ｘ軸に沿った第３のねじれ軸線Ｔ３を中心としてねじれるように、基板１にアンカー９３により支持されている。
【０１０４】
第３の検出フレーム２３は、第３のねじれ軸線Ｔ３を中心に回転可能なように、第３のねじれ梁１３を介して基板１に支持されている。また、第３の検出フレーム２３は、少なくともその一部が導電性を有している。
【０１０５】
第３の検出電極４３は、基板１に対する第３の検出フレーム２３の角度を静電容量により検出することができるように、第３の検出フレーム２３と対向するように基板１上に絶縁膜３を介して形成されている。この第３の検出電極４３は、第３のねじれ軸線Ｔ３を挟むように検出電極４３ａと４３ｂとを有している。
【０１０６】
第３リンク梁３３は、平面視においてねじれ軸線Ｔ３からずれた軸線上の位置において第３の検出フレーム２３に支持されている。さらに具体的には、第３のねじれ軸線Ｔ３が第３ねじれ軸線Ｔ３と交差する方向に沿って第３の検出フレーム２３の一方端部側にオフセットｅ３だけ平行移動された軸Ｌ３上の位置において第３の検出フレーム２３に設けられている。すなわち、オフセットｅ３の絶対値は第３のねじれ軸線Ｔ３と第３のリンク梁３３との間の寸法であり、その向きは第３ねじれ軸線Ｔ３と交差して第３のねじれ軸線Ｔ３から軸Ｌ３へ向かう方向である。
【０１０７】
慣性質量体２は、第３のリンク梁３３を介して第３の検出フレーム２３に連結されることにより、基板１上で基板１の厚み方向に変位可能に支持されている。
【０１０８】
第４の加速度検出部１０は、第３の加速度検出部１０と同様の構成を有している。つまり、第４の加速度検出部は、第４のねじれ梁１４と、第４の検出フレーム２４と、第４の検出電極４４と、第４のリンク梁３４と、慣性質量体２とを有している。
【０１０９】
第４のねじれ梁１４は、Ｘ軸に沿った第４のねじれ軸線Ｔ４の周りにねじれるように、基板１にアンカー９４により支持されている。
【０１１０】
第４の検出フレーム２４は、第４のねじれ軸線Ｔ４を中心に回転可能なように、第４のねじれ梁１４を介して基板１に支持されている。また、第４の検出フレーム２４は、少なくともその一部が導電性を有している。
【０１１１】
第４の検出電極４４は、基板１に対する第４の検出フレーム２４の角度を静電容量により検出することができるように、第４の検出フレーム２４と対向するように基板１上に絶縁膜３を介して形成されている。この第４の検出電極４４は、第４のねじれ軸線Ｔ４を挟むように検出電極４４ａと４４ｂとを有している。
【０１１２】
第４のリンク梁３４は、平面視においてねじれ軸線Ｔ４からずれた軸線上の位置において第４の検出フレーム２４に支持されている。さらに具体的には、第４のねじれ軸線Ｔ４が上記の移動の方向と逆方向すなわちオフセットｅ３と逆方向のオフセットｅ４だけ平行にずらされた軸Ｌ４上の位置において第４の検出フレーム２４に設けられている。すなわち、オフセットｅ４の絶対値は第４のねじれ軸線Ｔ４と第４のリンク梁３４との間の寸法であり、その向きはオフセットｅ３と逆方向である。
【０１１３】
慣性質量体２は、第４のリンク梁３４を介して第４の検出フレーム２４に連結されることにより、基板１上で基板１の厚み方向に変位可能に支持されている。
【０１１４】
第３の加速度検出部１０と第４の加速度検出部１０は、第１の加速度検出部１０の第１のねじれ軸線Ｔ１方向に並んで配置されている。
【０１１５】
本実施の形態の加速度センサの製造方法において、実施の形態１におけるポリシリコン膜１０２のＰＳＧ膜１０１の上面よりも上方の部分に対して、選択的なエッチングが行なわれることにより、第３、第４の検出フレーム２３、２４、第３、第４ねじれ梁１３、１４および第３、第４リンク梁３３、３４もあわせて一括形成される。
【０１１６】
なお、本実施の形態のこれ以外の構成および製造方法は上述した実施の形態１の構成と同様であるため、同一の要素については同一の符号を付し、その説明を省略する。
【０１１７】
本実施の形態によれば、基板１の厚さ方向の加速度が印加された場合に、第１、第２の検出フレーム２１、２２と第３、第４の検出フレーム２３、２４との角度が異なるため、それぞれの検出範囲を変えることができる。図１５を参照して、たとえば低加速度時には端部にリンク梁が接続されている第１、第２の検出フレーム２１、２２の角度の検出し、高加速度時には第３、第４の検出フレーム２３、２４の角度を検出することで、高精度な加速度検出範囲を広くすることができる。
【０１１８】
なお、上記の各実施の形態では、第１、第２のリンク梁３１、３２が、それぞれ第１、第２の検出フレーム２１、２２の長辺側の一方と他方に反対に配置されている場合を説明したが、第１、第２の検出フレーム２１、２２の長辺側の一方のみに配置されていてもよい。
【０１１９】
今回開示された各実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることを意図される。
【産業上の利用可能性】
【０１２０】
本発明は、静電容量型の加速度センサに特に有利に適用され得る。
【符号の説明】
【０１２１】
１  基板、２  慣性質量体、５  アクチュエーション電極、１１  第１ねじれ梁、１２  第２ねじれ梁、１３  第３ねじれ梁、１４  第４ねじれ梁、２１  第１検出フレーム、２２  第２検出フレーム、２３  第３検出フレーム、２４  第４検出フレーム、３１  第１リンク梁、３２  第２リンク梁、３３  第３リンク梁、３４  第４リンク梁、４０  検出電極、９１，９２，９３，９４  アンカー。
【図１】
2010055716.tif 000008
【図２】
2010055716.tif 000009
【図３】
2010055716.tif 000010
【図４】
2010055716.tif 000011
【図５】
2010055716.tif 000012
【図６】
2010055716.tif 000013
【図７】
2010055716.tif 000014
【図８】
2010055716.tif 000015
【図９】
2010055716.tif 000016
【図１０】
2010055716.tif 000017
【図１１】
2010055716.tif 000018
【図１２】
2010055716.tif 000019
【図１３】
2010055716.tif 000020
【図１４】
2010055716.tif 000021
【図１５】
2010055716.tif 000022
【手続補正書】
【提出日】平成23年4月21日(2011.4.21)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、加速度センサに関し、特に静電容量型の加速度センサに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来の基板厚み方向の加速度を検出する加速度センサの原理のひとつとして、加速度にともなう静電容量の変化を検出する方法がある。この方法による加速度センサとしては、たとえば、主な構成部分として、ねじれ梁（撓み部）と、慣性質量体（重り）と、検出フレーム（エレメント）と、検出電極（検知電極）とを有する加速度センサ（加速度感知運動変換機）が知られている（たとえば、特開平５−１３３９７６号公報：特許文献１参照）。
【０００３】
この特許文献１の加速度センサ（加速度感知運動変換機）は、基板と対向する面を有する１つの検出フレーム（エレメント）を有している。この検出フレーム（エレメント）の一方端部上に、慣性質量体（重り）が設けられている。また、この検出フレーム（エレメント）は、ねじれ梁（撓み部）を回転軸として回転することができるように、基板上に支持されている。また、この回転変位を検出するための検出電極（検知電極）が、検出フレーム（エレメント）の下方に設けられている。
【０００４】
このように構成された加速度センサに対して基板厚み方向の加速度が加えられると、慣性質量体（重り）には基板厚み方向の慣性力が作用する。慣性質量体（重り）は一方端部上、すなわち上記回転軸から基板面内方向にずれを有する位置に設けられているため、この慣性力はねじれ梁（撓み部）周りのトルクとして検出フレーム（エレメント）に作用する。この結果、検出フレーム（エレメント）が回転変位する。
【０００５】
この回転変位により、検出フレーム（エレメント）と検出電極（検知電極）との距離が変化するので、検出フレーム（エレメント）と検出電極（検知電極）とにより形成されているコンデンサの静電容量が変化する。この静電容量変化から加速度が測定される。
【０００６】
また、慣性質量体が検出フレーム上ではなく、検出フレームと同一平面に配置され、リンク梁で接続されることでプロセスが簡略化された静電容量型の加速度センサが知られている。この加速度センサでは、複数の検出フレームの互いに逆向きの回転変位にのみ感受性が高くなるように検出電極が設けられている（たとえば、特開２００８−１３９２８２号公報：特許文献２参照）。これにより、この特許文献２の加速度センサは、検出対象でない方向の加速度に対する感度を抑制し、かつ角速度および角加速度の影響を受けにくくすることができる。すなわち、この特許文献２の加速度センサでは、検出フレームを複数用いることにより加速度の測定精度が向上している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開平５−１３３９７６号公報
【特許文献２】特開２００８−１３９２８２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
上記従来技術のように加速度センサに複数の検出フレームが用いられた場合、加速度センサの形状によりそれぞれの検出フレームの長さが短くなる。検出フレームの長さが短くなると検出フレームの慣性モーメントが小さくなる。それにより検出フレームの共振周波数が高くなる。これによりその検出フレームを備える加速度センサの共振周波数が高くなる。
【０００９】
加速度センサの共振周波数を高くすると、周波数測定レンジを広くすることができる。しかしながら、加速度センサの共振周波数が必要以上に大きい場合には、物体の衝突時などに生じる高周波高加速度の振動が印加されたときに、その振動が減衰しないことがある。それにより高周波高加速度の振動が加速度センサの測定加速度範囲を超えてしまうことがある。これにより加速度センサにおいて出力誤差が発生することがある。
【００１０】
検出フレームの共振周波数を低くするには、検出フレームのサイズを大きくすることが有効である。しかしながら、従来の特許文献１および２に開示されている検出フレームのサイズを単純に大きくすると、検出フレームの取れ数が減少するという問題、検出フレームを構成する膜に発生する残留応力による反りの影響が顕在化するという問題などの多くの問題がある。
【００１１】
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、加速度センサのサイズを大型化させることなく、高周波高加速度の振動を抑制する高精度の加速度センサを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明の加速度センサは、基板と、基板に支持された複数の加速度検出部とを備えている。複数の加速度検出部の各々が、基板に支持され、かつねじれ軸線を中心としてねじれるねじれ梁と、ねじれ軸線を中心に回転可能なようにねじれ梁に支持された検出フレームと、検出フレームと対向するように基板上に形成された検出電極と、平面視においてねじれ軸線からずれた軸線上の位置において検出フレームに支持されたリンク梁と、基板の厚み方向に変位可能なようにリンク梁に支持された慣性質量体とを有している。複数の加速度検出部は、第１および第２の加速度検出部を含んでいる。第１および第２の加速度検出部は、第１の加速度検出部のねじれ軸線と第２の加速度検出部のねじれ軸線とが同一線上に配置されている。
【発明の効果】
【００１３】
本発明の加速度センサによれば、第１および第２の加速度検出部をねじれ軸線方向に沿って並べたから、各加速度検出部における検出フレームを、その軸線方向に直交する方向に並べる場合よりも加速度センサのサイズを大型化させることなく長くすることができる。このため、検出フレームの慣性モーメントを大きくすることが可能となる。それにより、共振周波数を低くすることができる。よって、高周波高加速度の振動を抑制しやすくすることができる。
【００１４】
また、検出フレームが長いので、リンク梁の位置の自由度が大きくなる。これにより、加速度センサの設計自由度を上げることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の実施の形態１における加速度センサの構成を概略的に示す上面図である。
【図２】図１のＩＩ−ＩＩ線に沿う概略的な断面図である。
【図３】（Ａ）は、本発明の実施の形態１における加速度センサに対して基板の膜厚方向に沿って上方向に加速度が加えられた際の様子を概略的に示す断面図であって、図１のＩＩ−ＩＩ線に沿う断面に対応した図であり、（Ｂ）は、図１のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿う断面に対応した図である。
【図４】本発明の実施の形態１における加速度センサの第１および第２検出フレームと、検出電極とにより形成されるコンデンサの電気的接続を説明する回路図である。
【図５】本発明の実施の形態１における加速度センサの製造方法の第１工程を示す概略的な断面図であり、その断面位置は図２の断面位置に対応する。
【図６】本発明の実施の形態１における加速度センサの製造方法の第２工程を示す概略的な断面図であり、その断面位置は図２の断面位置に対応する。
【図７】本発明の実施の形態１における加速度センサの製造方法の第３工程を示す概略的な断面図であり、その断面位置は図２の断面位置に対応する。
【図８】本発明の実施の形態１における加速度センサの製造方法の第４工程を示す概略的な断面図であり、その断面位置は図２の断面位置に対応する。
【図９】本発明の実施の形態１における加速度センサの製造方法の第５工程を示す概略的な断面図であり、その断面位置は図２の断面位置に対応する。
【図１０】（Ａ）は、検出フレームの構造を示す概略図であって、従来の構造を示す図であり、（Ｂ）は、実施の形態１の構造を示す図である。
【図１１】従来の構造および実施の形態１の構造における周波数と振幅の関係を示す図である。
【図１２】（Ａ）は、本発明の実施の形態１における加速度センサに対して角加速度が加えられた際の様子を概略的に示す断面図であって、図１のＩＩ−ＩＩ線に沿う断面に対応した図であり、（Ｂ）は、図１のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿う断面に対応した図である。
【図１３】（Ａ）は、本発明の実施の形態１における加速度センサに対して角速度が加えられた際の様子を概略的に示す断面図であって、図１のＩＩ−ＩＩ線に沿う断面に対応した図であり、（Ｂ）は、図１のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿う断面に対応した図である。
【図１４】（Ａ）は、本発明の実施の形態１における加速度センサに対してＹ軸方向に加速度が加えられた際の様子を概略的に示す断面図であって、図１のＩＩ−ＩＩ線に沿う断面に対応した図であり、（Ｂ）は、図１のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿う断面に対応した図（Ｂ）である。
【図１５】本発明の実施の形態２における加速度センサの構成を概略的に示す上面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明の実施の形態について図に基づいて説明する。
（実施の形態１）
最初に、本実施の形態の加速度センサの主要な構成について説明する。
【００１７】
説明の便宜のため、座標軸Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸が導入されている。図１において、Ｘ軸は横方向に沿う右方向が正の向きの軸であり、Ｙ軸は縦方向に沿う上方向が正の向きの軸であり、Ｚ軸は紙面に垂直で紙面の上方が正の向きの軸である。なおＺ軸の方向は、本実施の形態の加速度センサが測定対象とする加速度方向に一致する。
【００１８】
図１および図２を参照して、本実施の形態の加速度センサは、基板１と、複数の加速度検出部１０とを主に有している。
【００１９】
基板１としては、シリコン基板を用いることができる。また、第１および第２のねじれ梁１１、１２、第１および第２の検出フレーム２１、２２、第１および第２のリンク梁３１、３２、慣性質量体２および検出電極４０、アクチュエーション電極５の材質としては、ポリシリコン膜を用いることができる。このポリシリコン膜は、低応力であり、かつ厚さ方向に応力分布がないことが望ましい。
【００２０】
複数の加速度検出部１０は、たとえば第１の加速度検出部１０と第２の加速度検出部１０とからなっている。第１および第２の加速度検出部１０は、基板１に支持されている。
【００２１】
第１の加速度検出部１０は、第１のねじれ梁１１と、第１の検出フレーム２１と、第１の検出電極４１と、第１のリンク梁３１と、慣性質量体２とを有している。
【００２２】
第１のねじれ梁１１は、Ｘ軸に沿った第１のねじれ軸線Ｔ１を中心としてねじれるように、基板１にアンカー９１により支持されている。
【００２３】
第１の検出フレーム２１は、第１のねじれ軸線Ｔ１を中心に回転可能なように、第１のねじれ梁１１を介して基板１に支持されている。また、第１の検出フレーム２１は、少なくともその一部が導電性を有している。
【００２４】
複数の検出電極４０は、第１および第２の検出電極４１、４２を有している。第１の検出電極４１は、基板１に対する第１の検出フレーム２１の角度を静電容量により検出することができるように、第１の検出フレーム２１と対向するように基板１上に絶縁膜３を介して形成されている。なお、絶縁膜３としては、低応力の窒化シリコン膜やシリコン酸化膜が好適である。
【００２５】
第１のリンク梁３１は、平面視においてねじれ軸線Ｔ１からずれた軸線上の位置において第１の検出フレーム２１に支持されている。さらに具体的には、第１のねじれ軸線Ｔ１が第１のねじれ軸線Ｔ１と交差する方向に沿って第１の検出フレーム２１の一方端部側にオフセットｅ１だけ平行移動された軸Ｌ１上の位置において第１の検出フレーム２１に設けられている。すなわち、オフセットｅ１の絶対値は第１のねじれ軸線Ｔ１と第１のリンク梁３１との間の寸法であり、その向きは第１のねじれ軸線Ｔ１と交差して第１のねじれ軸線Ｔ１から軸Ｌ１へ向かう方向である。
【００２６】
慣性質量体２は、第１のリンク梁３１を介して第１の検出フレーム２１に連結されることにより、基板１上で基板１の厚み方向に変位可能に支持されている。
【００２７】
第２の加速度検出部１０は、第１の加速度検出部１０と同様の構成を有している。つまり、第２の加速度検出部は、第２のねじれ梁１２と、第２の検出フレーム２２と、第２の検出電極４２と、第２のリンク梁３２と、慣性質量体２とを有している。
【００２８】
第２のねじれ梁１２は、Ｘ軸に沿った第２のねじれ軸線Ｔ２の周りにねじれるように、基板１にアンカー９２により支持されている。
【００２９】
第２の検出フレーム２２は、第２のねじれ軸線Ｔ２を中心に回転可能なように、第２のねじれ梁１２を介して基板１に支持されている。また、第２の検出フレーム２２は、少なくともその一部が導電性を有している。
【００３０】
第２の検出電極４２は、基板１に対する第２の検出フレーム２２の角度を静電容量により検出することができるように、第２の検出フレーム２２と対向するように基板１上に絶縁膜３を介して形成されている。
【００３１】
第２のリンク梁３２は、平面視においてねじれ軸線Ｔ２からずれた軸線上の位置において第２の検出フレーム２２に支持されている。さらに具体的には、第２のねじれ軸線Ｔ２が上記の移動の方向と逆方向すなわちオフセットｅ１と逆方向のオフセットｅ２だけ平行にずらされた軸Ｌ２上の位置において第２の検出フレーム２２に設けられている。すなわち、オフセットｅ２の絶対値は第２のねじれ軸線Ｔ２と第２のリンク梁３２との間の寸法であり、その向きはオフセットｅ１と逆方向である。
【００３２】
慣性質量体２は、第２のリンク梁３２を介して第２の検出フレーム２２に連結されることにより、基板１上で基板１の厚み方向に変位可能に支持されている。
【００３３】
第１の加速度検出部１０と第２の加速度検出部１０は、第１の加速度検出部１０の第１のねじれ軸線Ｔ１方向に沿って並んで配置されている。さらに具体的には、第１の加速度検出部１０の検出フレーム２１と第２の加速度検出部１０の検出フレーム２２の長辺同士が対向するように配置されている。なお、第１のねじれ軸線Ｔ１と直交する方向には他の加速度検出部１０がない。
【００３４】
第１の加速度検出部１０のリンク梁３１は、第１の加速度検出部１０のねじれ軸線Ｔ１に対して平面視において一方側に配置されており、第２の加速度検出部１０のリンク梁３２は、第１の加速度検出部１０のねじれ軸線Ｔ１に対して平面視において他方側に配置されていることが好ましい。
【００３５】
第１および第２のねじれ梁１１、１２と、第１および第２のリンク梁３１、３２とは、オフセットｅ１およびｅ２の絶対値が等量となるように配置されていることが好ましい。すなわち、それらのオフセット量の寸法が互いに等しくなるように配置されていることが好ましい。
【００３６】
第１の検出フレームと第２の検出フレームとは、平面視における中心線Ｂと交差する軸Ａに平行に配置されていることが好ましい。すなわち、第１および第２のねじれ軸線Ｔ１、Ｔ２が互い平行に配置されていることが好ましい。
【００３７】
第１のねじれ軸線Ｔ１と第２のねじれ軸線Ｔ２とは、平面視における慣性質量体２の重心Ｇを通るＹ軸方向の中心線Ａに対して線対称に配置されていることが好ましい。
【００３８】
第１のねじれ軸線Ｔ１と第２のねじれ軸線Ｔ２は、平面視における慣性質量体２の重心Ｇを通るＸ軸方向の中心線Ｂに沿うように配置されていることが好ましい。
【００３９】
さらに好ましくは、加速度センサの平面レイアウトは、平面視における慣性質量体２の重心Ｇに対して１８０度の回転対称な構造を有していることが好ましい。
【００４０】
なお、第１および第２の加速度検出部１０は慣性質量体２をそれぞれ有しているが、慣性質量体２は一体に形成されている。
【００４１】
また、アクチュエーション電極５が、慣性質量体２を静電気力により変位させることができるように、慣性質量体２に対向するように基板１上に絶縁膜３を介して形成されている。
【００４２】
続いて、上記の検出電極４０の構成の詳細と、この検出電極４０により第１および第２検出フレーム２１、２２のそれぞれの基板１に対する角度を検出することができる原理について説明する。
【００４３】
検出電極４０は第１の検出フレーム２１と対向する第１の検出電極４１を有している。この第１の検出電極４１は、第１のねじれ軸線Ｔ１を挟むように検出電極４１ａと４１ｂとを有している。検出電極４１ａは加速度センサのＹ軸正側（図１上側）に位置しており、検出電極４１ｂは加速度センサのＹ軸負側（図１下側）に位置している。検出電極４１ａと４１ｂとは、第１のねじれ軸線Ｔ１を挟むように設けられている。
【００４４】
第１の検出フレーム２１が第１のねじれ梁１１の周りに回転された場合、第１の検出フレーム２１の裏面（第１の検出電極４１と対向する面）は検出電極４１ａ、４１ｂの一方に接近するとともに、他方から遠ざかる。このため、第１の検出フレーム２１が検出電極４１ａと対向することで生じている静電容量と、第１の検出フレーム２１が検出電極４１ｂと対向することで形成している静電容量との差分を検出することにより、第１の検出フレーム２１の基板１に対する角度を検出することができる。
【００４５】
また検出電極４０は第２検出フレーム２２と対向する第２の検出電極４２を有している。この第２の検出電極４２は、第２のねじれ軸線Ｔ２を挟むように検出電極４２ａと４２ｂとを有している。検出電極４２ａは加速度センサのＹ軸負側（図１下側）に位置しており、検出電極４２ｂは加速度センサのＹ軸正側（図１上側）に位置している。検出電極４２ａと４２ｂとは、第２のねじれ軸線Ｔ２を挟むように設けられている。
【００４６】
第２の検出フレーム２２が第２ねじれ梁１２の周りに回転された場合、第２の検出フレーム２２の裏面（検出電極４２と対向する面）は検出電極４２ａ、４２ｂの一方に接近するとともに、他方から遠ざかる。このため、第２の検出フレーム２２が検出電極４２ａと対向することで生じている静電容量と、第２の検出フレーム２２が検出電極４２ｂと対向することで形成している静電容量との差分を検出することにより、第２の検出フレーム２２の基板１に対する角度を検出することができる。
【００４７】
続いて、本実施の形態の加速度センサの加速度の測定原理について説明する。
図３（Ａ）の断面位置は図２と同一である。また図３においては図を見易くするためにアンカー９１、９２は図示されていない。
【００４８】
図３（Ａ）および（Ｂ）を参照して、基板１の膜厚方向に沿って上方向、すなわちＺ軸の正方向（図中上方向）の加速度ａｚが加速度センサに加わると、慣性質量体２は慣性力により初期位置（図中破線で示す位置）からＺ軸の負方向（図中下方向）に沈み込むように変位する。慣性質量体２と連結されている第１および第２のリンク梁３１、３２も、慣性質量体２と一体となってＺ軸の負方向（図中下方向）に変位する。
【００４９】
第１リンク梁３１の変位により、第１の検出フレーム２１は、軸Ｌ１の部分でＺ軸の負方向（図中下方向）への力を受ける。この軸Ｌ１は、第１ねじれ軸線Ｔｌからオフセットｅ１だけ平行移動された位置にあるため、第１の検出フレーム２１にはトルクが作用する。この結果、第１の検出フレーム２１が回転変位する。
【００５０】
また、第２のリンク梁３２の変位により、第２の検出フレーム２２は、軸Ｌ２の部分でＺ軸の負方向（図中下方向）への力を受ける。この軸Ｌ２は、第２のねじれ軸線Ｔ２からオフセットｅ２だけ平行移動された位置にあるため、第２の検出フレーム２２にはトルクが作用する。この結果、第２の検出フレーム２２が回転変位する。
【００５１】
オフセットｅ１とｅ２とは逆向きであるため、第１の検出フレーム２１と第２の検出フレーム２２とは逆向きに回転する。すなわち、第１の検出フレーム２１の上面は加速度センサの一方端部側（図３（Ａ）の右側）を向き、第２の検出フレーム２２の上面は加速度センサの一方端部側（図３（Ｂ）の左側）を向くように、第１および第２の検出フレーム２１、２２が回転変位する。
【００５２】
この回転変位にともない、第１の検出フレーム２１と検出電極４１ａとにより構成されるコンデンサＣ１ａの静電容量Ｃ1aが増大し、第１の検出フレーム２１と検出電極４１ｂとにより構成されるコンデンサＣ１ｂの静電容量Ｃ1bが減少する。また第２の検出フレーム２２と検出電極４２ａとにより構成されるコンデンサＣ２ａの静電容量Ｃ2aが増大し、第２の検出フレーム２２と検出電極４２ｂとにより構成されるコンデンサＣ２ｂの静電容量Ｃ2bが減少する。
【００５３】
図４を参照して、コンデンサＣ１ａとＣ２ａとが並列接続され、コンデンサＣ１ｂとＣ２ｂとが並列接続されている。そして、これら２つの並列接続された部分がさらに直列に接続されている。このように形成された回路のコンデンサＣ１ａ、Ｃ２ａ側の端部には一定電位Ｖdが印加され、コンデンサＣ１ｂ、Ｃ２ｂ側の端部は接地されている。また、上記直列接続部には端子が設けられており、この端子の出力電位Ｖoutを測定することができる。この出力電位Ｖoutは、下記の値となる。
【００５４】
【数１】
2010055716.tif 000023
【００５５】
電位Ｖdは一定値であることから、出力電位Ｖoutを測定することにより、Ｚ軸方向の加速度ａｚを検知することができる。加速度が０、すなわち、変位がない場合はＣ1a＝Ｃ2a＝Ｃ1b＝Ｃ2bであるので、Ｖout＝Ｖd/2で表わされる。
【００５６】
続いて、本実施の形態の加速度センサの製造方法について説明する。
図５〜図９は、本発明の実施の形態１における加速度センサの製造方法の第１〜第５工程を順に示す概略的な断面図であり、その断面位置は図２の断面位置に対応する。以下では、慣性質量体２、第１のリンク梁３１、第１の検出フレーム２１、第１のねじれ梁１１およびアンカー９１の形成について説明するが、第２のリンク梁３２、第２の検出フレーム２２および第２のねじれ梁１２についても同様に形成される。
【００５７】
図５を参照して、シリコンからなる基板１上に、ＬＰＣＶＤ(Low  Pressure  Chemical  Vapor  Deposition)法により、絶縁膜３が堆積される。絶縁膜３としては、低応力の窒化シリコン膜やシリコン酸化膜などが適している。この絶縁膜３の上に、ＬＰＣＶＤ法により、たとえばポリシリコンからなる導電性の膜が堆積される。続いて、この導電性の膜がパターニングされて、検出電極４０、アクチュエーション電極５が形成される。その後、基板１上全体にＰＳＧ(Phosphosilicate  Glass)膜１０１が堆積される。
【００５８】
主に図６を参照して、アンカー９１（図２）が形成される部分のＰＳＧ膜１０１が選択的に除去される。
【００５９】
図７を参照して、基板１上全体に、ポリシリコン膜１０２が堆積される。続いてその表面にＣＭＰ(Chemical  Mechanical  Polishing)処理が施される。
【００６０】
図８を参照して、上記ＣＭＰ処理により、ポリシリコン膜１０２の表面が平坦化される。
【００６１】
図９を参照して、ポリシリコン膜１０２のＰＳＧ膜１０１の上面よりも上方の部分に対して、選択的なエッチングが行なわれる。これにより、慣性質量体２と、第１のリンク梁３１（図１）と、第１の検出フレーム２１と、第１のねじれ梁１１（図１）と、アンカー９１とが一括形成される。その後、ＰＳＧ膜１０１がエッチングにより除去され、図２に示される本実施の形態の加速度センサが得られる。
【００６２】
次に、本実施の形態の加速度センサの作用効果について説明する。
まず、本実施の形態の加速度センサの作用効果を説明するために、本実施の形態の加速度センサの共振周波数について説明する。
【００６３】
図１０（Ａ）および図１０（Ｂ）の両構造について、質量はｍで同一とし、厚さはＨ、幅は従来の検出フレームの構造についてはＷ、本実施の形態の検出フレームの構造については２Ｗとしている。一般的に回転する構造体の共振周波数ｆは次式で示される。
【００６４】
【数２】
2010055716.tif 000024
【００６５】
ここで、Ｋは梁の剛性、Ｉは構造体の重心を通りＨ×Ｗ面に垂直な軸Ｊまわりの慣性モーメントである。本実施の形態の加速度センサは２次のバネ−マス構造なので、実際には共振周波数は式（２）のように単純ではないが、簡易的に式（２）と同等として説明する。従来の検出フレームの構造の慣性モーメントＩ１および本実施の形態の検出フレームの構造の慣性モーメントＩ２は次式で示される。
【００６６】
【数３】
2010055716.tif 000025
【００６７】
【数４】
2010055716.tif 000026
【００６８】
式（３）および（４）より、厚さＨが幅Ｗに対して十分小さければ、本実施の形態の検出フレームの構造の慣性モーメントＩ２は従来の検出フレームの構造の慣性モーメントＩ１の４倍となる。この場合、式（２）より、本実施の形態の検出フレームの構造の共振周波数は、従来の検出フレームの構造の共振周波数の半分となる。
【００６９】
続いて、本実施の形態の加速度センサに対して、高周波高加速度の振動が印加された場合の例について説明する。
【００７０】
図１１は、共振周波数の違いによる入力加速度の周波数と出力振幅の関係を示している。
【００７１】
この場合の運動方程式は次式で示される。
【００７２】
【数５】
2010055716.tif 000027
【００７３】
ここで、Ｉは慣性モーメント、Ｋは梁の剛性、θは回転角、Ｃは減衰定数、Ｍは入力モーメントである。図１１においては、慣性モーメントＩ、入力モーメントＭ＝１、減衰定数Ｃ＝３、従来の構造における梁の剛性Ｋ＝４、本実施の形態の構造における梁の剛性Ｋ＝１としている。そして、図１１中の高共振周波数が従来の構造における入力加速度の周波数と出力振幅との関係を示し、低共振周波数が本実施の形態の構造におけるそれらの関係を示している。ここで、周波数１を高周波、振幅１をＤＣでの振幅としている。
【００７４】
図１１を参照して、加速度センサの測定範囲内では出力は−３デシベル（ｄＢ）以内に収まっている。通常、加速度センサはこの測定範囲内で仕様を満足すればよい。しかしながら、車載用センサのように車両が衝突する場合には、加速度センサに与える衝撃波（高周波高加速度）の影響を無視することができない。たとえば、図１１で高周波（周波数１）の加速度が入力された場合、従来の構造（高共振周波数）の加速度センサでは振幅は約０．９４であるが、本実施の形態の構造（低共振周波数）の加速度センサでは振幅は約０．３３となる。
【００７５】
すなわち、共振周波数が大きい加速度センサは、高周波数の入力に対する出力の差が小さい（つまり減衰しにくい）という特性がある。一方、共振周波数が小さい加速度センサは、高周波数の入力に対する出力の差が大きい（つまり減衰しやすい）という特性がある。
【００７６】
従来の構造（高共振周波数）であっても加速度が測定範囲内であれば問題はない。しかしながら、多くの場合、衝突時には測定範囲を超える加速度が印加される。そのため、従来の構造（高共振周波数）の加速度センサでは、その測定限界が超えられることになる。それが加速度センサの誤動作の原因になる。
【００７７】
一方、本実施の形態の構造（低共振周波数）の加速度センサは、周波数１（高周波）での加速度に対して数倍（本実施の形態では０．９４／０．３３＝約３倍）の余裕がある。したがって、許容加速度範囲が広い。すなわち、本実施の形態の構造（低共振周波数）の加速度センサでは、測定範囲外の入力があった場合に、出力の振幅が小さい（減衰しやすい）ことより、誤動作しない加速度の範囲が広い。
【００７８】
上記のように、本実施の形態の加速度センサによれば、従来の加速度センサと同じサイズで、共振周波数を小さくすることができる。これにより、高周波数の振動を減衰し、測定加速度範囲に含めるように、その振動を抑えることができる。したがって、加速度センサのサイズを大型化することなく誤動作しない加速度の測定範囲を広くすることができる。
【００７９】
また、本実施の形態の検出フレームは、従来の検出フレームに比べて長いため、リンク梁の接続範囲が広い。これにより、加速度センサの設計自由度を上げることができる。たとえば、リンク梁を検出フレームの端部に接続することで加速度の測定の感度を高くすることができる。また、リンク梁をねじれ梁の近くに接続することで加速度の測定の感度を低くすることができる。本実施の形態の検出フレームの構造におけるリンク梁の接続範囲は、従来の検出フレームの構造に比べて約２倍とすることができる。
【００８０】
次に、本実施の形態の加速度センサに対して角加速度が加えられた場合の検出誤差について説明する。
【００８１】
図１２（Ａ）、図１３（Ａ）および図１４（Ａ）は、図１のＩＩ−ＩＩ線に沿う概略的な断面図である。また図１２（Ｂ）、図１３（Ｂ）および図１４（Ｂ）は、図１のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿う概略的な断面図である。また、図１２（Ａ）〜図１４（Ｂ）においては図を見易くするためにアンカー９１、９２および中央の慣性質量体２は図示されていない。
【００８２】
図１２（Ａ）を参照して、慣性質量体２は、Ｘ軸方向の負の角加速度ａωを受けると、慣性モーメントのために初期位置（図中破線の位置）から角加速度ａωと逆向きに回転変位して傾斜する。この慣性質量体２の傾斜にともない、第１の検出フレーム２１は第１のリンク梁３１の軸Ｌ１の部分で持ち上げられ、第１のねじれ軸線Ｔ１を中心に回転される。また、図１２（Ｂ）を参照して、第２の検出フレーム２２は第２のリンク梁３２の軸Ｌ２の部分で押し下げられて、第２のねじれ軸線Ｔ２を中心に回転される。
【００８３】
この第１および第２の検出フレーム２１、２２の回転にともない、第１の検出フレーム２１と検出電極４１ａとにより構成されるコンデンサＣ１ａの静電容量Ｃ1aが減少し、第１の検出フレーム２１と検出電極４１ｂとにより構成されるコンデンサＣ１ｂの静電容量Ｃ1bが増大する。また第２の検出フレーム２２と検出電極４２ａとにより構成されるコンデンサＣ２ａの静電容量Ｃ2aが増大し、第２の検出フレーム２２と検出電極４２ｂとにより構成されるコンデンサＣ２ｂの静電容量Ｃ2bが減少する。
【００８４】
式（１）を参照して、上記の静電容量の変化が生じた場合、静電容量Ｃ1aの減少とＣ2aの増大とが相殺され、かつＣ1bの増大とＣ2bの減少とが相殺される。このため、この角加速度ａωが出力電位Ｖoutに対して及ぼす影響は抑制される。
【００８５】
次に、本実施の形態の加速度センサに対して角速度が加えられた場合の検出誤差について説明する。
【００８６】
図１３（Ａ）および（Ｂ）を参照して、角速度ωの回転にともなう遠心力が慣性質量体２に作用する。このため、慣性質量体２は、初期位置（図中破線の位置）から、慣性質量体２の端部が角速度ωの回転軸から遠ざかる向きに回転変位して傾斜する。
【００８７】
この慣性質量体２の傾斜は、前述した角加速度ａωが加えられた場合と同様である。このため、同様の原理により角速度ωが出力電位Ｖoutに対して及ぼす影響も抑制される。
【００８８】
次に、本実施の形態の加速度センサに対して他軸加速度が加えられた場合の検出誤差について、重力の影響を含めて説明する。
【００８９】
図１４（Ａ）および（Ｂ）を参照して、慣性質量体２には重力としてＺ軸方向の負の力が作用しており、慣性質量体２は初期位置（図中破線の位置）から下方（図中Ｚ軸の負の方向）に沈み込んだ状態となっている。
【００９０】
この状態のもとで加速度センサに対してＹ軸の負の向きに加速度ａｙが加わると、慣性質量体２にはＹ軸の正の向きの慣性力が加わる。この慣性力は、第１および第２のリンク梁３１、３２（図１）のそれぞれの軸Ｌ１、Ｌ２上の部分で、第１および第２の検出フレーム２１、２２の各々に伝達される。
【００９１】
重力の影響により軸Ｌ１の基板１からの高さは第１ねじれ軸線Ｔ１よりも低くなっている。このため、上記の軸Ｌ１の部分に伝達される力は、第１の検出フレーム２１に対して第１ねじれ軸線Ｔ１周りのトルクとして作用する。
【００９２】
また、重力の影響により軸Ｌ２の基板１からの高さは第２のねじれ軸線Ｔ２よりも低くなっている。このため、上記の軸Ｌ２の部分に伝達される力は、第２の検出フレーム２２に対して第２のねじれ軸線Ｔ２周りのトルクとして作用する。
【００９３】
ここで、上記の第１および第２ねじれ軸線Ｔ１、Ｔ２周りのトルクは、両方とも第１および第２ねじれ軸線Ｔ１、Ｔ２の下方に作用点を有している。また、この作用点に働く力は、両方ともＹ軸方向に正の向きである。この結果、第１検出フレーム２１の回転変位と、第２検出フレーム２２の回転変位とは同一の向きとなる。
【００９４】
回転変位の影響として、第１検出フレーム２１と検出電極４１ａとにより構成されるコンデンサＣ１ａの静電容量Ｃ1aが減少し、第１検出フレーム２１と検出電極４１ｂとにより構成されるコンデンサＣ１ｂの静電容量Ｃ1bが増大する。また、第２検出フレーム２２と検出電極４２ａとにより構成されるコンデンサＣ２ａの静電容量Ｃ2aが増大し、第２検出フレーム２２と検出電極４２ｂとにより構成されるコンデンサＣ２ｂの静電容量Ｃ2bが減少する。
【００９５】
式（１）を参照して、上記の静電容量の変化が生じた場合、静電容量Ｃ1aの減少とＣ2aの増大とが相殺され、かつＣ1bの増大とＣ2bの減少とが相殺される。このため、Ｙ軸方向の加速度ａｙがＺ軸方向の加速度検出のために測定される出力電位Ｖoutに対して及ぼす影響は抑制される。
【００９６】
本実施の形態によれば、角加速度、角速度および他軸加速度による検出誤差を抑制することができる。
【００９７】
本実施の形態において好ましくは、図１に示すオフセットｅ１とｅ２とは絶対値が等しくされる。また、図１に示す第１および第２ねじれ軸線Ｔ１、Ｔ２が互いに平行とされる。このため、第１および第２検出フレーム２１、２２のそれぞれの回転変位量が等しくなる。よって、図４に示すコンデンサＣ１ａ、Ｃ１ｂ、Ｃ２ａおよびＣ２ｂの静電容量変化がより精度よく行なわれる。このため、加速度センサの誤差をさらに抑制することができる。
【００９８】
本実施の形態によれば、図８および図９に示すように、可動部となる慣性質量体２と、第１リンク梁３１と、第１検出フレーム２１と、第１ねじれ梁１１とが、同一材料からなる膜から一括形成される。よって、可動部において異材料の接合部分がないため、異材料の熱膨張係数の差異により生じる歪の発生がない。このため、加速度センサの温度依存性を抑制することができる。
【００９９】
また、本実施の形態によれば、アクチュエーション電極５と慣性質量体２との間に電圧を印加することにより、慣性質量体２を基板１の方に引っ張る静電気力を発生することができる。すなわち慣性質量体２を基板１の膜厚方向に静電駆動することができる。この静電駆動により、加速度センサに基板１の膜厚方向の加速度ａｚが加わった場合の慣性質量体２の変位と同様の変位を発生させることができる。よって、実際に加速度センサに加速度ａｚを加えずにセンサが故障しているかどうか自己診断する機能を、加速度センサに持たせることができる。
【０１００】
（実施の形態２）
図１５を参照して、本実施の形態の加速度センサは、実施の形態１の構成と比較して、複数の加速度検出部の構成で主に異なっている。本実施の形態の加速度センサは、実施の形態１の構成に追加して、第３の加速度検出部１０および第４の加速度検出部１０を有している。
【０１０１】
第３の加速度検出部１０は、第３のねじれ梁１３と、第３の検出フレーム２３と、第３の検出電極４３と、第３のリンク梁３３と、慣性質量体２とを有している。
【０１０２】
第４の加速度検出部１０は、第４のねじれ梁１４と、第４の検出フレーム２４と、第４の検出電極４４と、第４のリンク梁３４と、慣性質量体２とを有している。
【０１０３】
第３のねじれ梁１３は、Ｘ軸に沿った第３のねじれ軸線Ｔ３を中心としてねじれるように、基板１にアンカー９３により支持されている。
【０１０４】
第３の検出フレーム２３は、第３のねじれ軸線Ｔ３を中心に回転可能なように、第３のねじれ梁１３を介して基板１に支持されている。また、第３の検出フレーム２３は、少なくともその一部が導電性を有している。
【０１０５】
第３の検出電極４３は、基板１に対する第３の検出フレーム２３の角度を静電容量により検出することができるように、第３の検出フレーム２３と対向するように基板１上に絶縁膜３を介して形成されている。この第３の検出電極４３は、第３のねじれ軸線Ｔ３を挟むように検出電極４３ａと４３ｂとを有している。
【０１０６】
第３リンク梁３３は、平面視においてねじれ軸線Ｔ３からずれた軸線上の位置において第３の検出フレーム２３に支持されている。さらに具体的には、第３のねじれ軸線Ｔ３が第３ねじれ軸線Ｔ３と交差する方向に沿って第３の検出フレーム２３の一方端部側にオフセットｅ３だけ平行移動された軸Ｌ３上の位置において第３の検出フレーム２３に設けられている。すなわち、オフセットｅ３の絶対値は第３のねじれ軸線Ｔ３と第３のリンク梁３３との間の寸法であり、その向きは第３ねじれ軸線Ｔ３と交差して第３のねじれ軸線Ｔ３から軸Ｌ３へ向かう方向である。
【０１０７】
慣性質量体２は、第３のリンク梁３３を介して第３の検出フレーム２３に連結されることにより、基板１上で基板１の厚み方向に変位可能に支持されている。
【０１０８】
第４の加速度検出部１０は、第３の加速度検出部１０と同様の構成を有している。つまり、第４の加速度検出部は、第４のねじれ梁１４と、第４の検出フレーム２４と、第４の検出電極４４と、第４のリンク梁３４と、慣性質量体２とを有している。
【０１０９】
第４のねじれ梁１４は、Ｘ軸に沿った第４のねじれ軸線Ｔ４の周りにねじれるように、基板１にアンカー９４により支持されている。
【０１１０】
第４の検出フレーム２４は、第４のねじれ軸線Ｔ４を中心に回転可能なように、第４のねじれ梁１４を介して基板１に支持されている。また、第４の検出フレーム２４は、少なくともその一部が導電性を有している。
【０１１１】
第４の検出電極４４は、基板１に対する第４の検出フレーム２４の角度を静電容量により検出することができるように、第４の検出フレーム２４と対向するように基板１上に絶縁膜３を介して形成されている。この第４の検出電極４４は、第４のねじれ軸線Ｔ４を挟むように検出電極４４ａと４４ｂとを有している。
【０１１２】
第４のリンク梁３４は、平面視においてねじれ軸線Ｔ４からずれた軸線上の位置において第４の検出フレーム２４に支持されている。さらに具体的には、第４のねじれ軸線Ｔ４が上記の移動の方向と逆方向すなわちオフセットｅ３と逆方向のオフセットｅ４だけ平行にずらされた軸Ｌ４上の位置において第４の検出フレーム２４に設けられている。すなわち、オフセットｅ４の絶対値は第４のねじれ軸線Ｔ４と第４のリンク梁３４との間の寸法であり、その向きはオフセットｅ３と逆方向である。
【０１１３】
慣性質量体２は、第４のリンク梁３４を介して第４の検出フレーム２４に連結されることにより、基板１上で基板１の厚み方向に変位可能に支持されている。
【０１１４】
第３の加速度検出部１０と第４の加速度検出部１０は、第１の加速度検出部１０の第１のねじれ軸線Ｔ１方向に並んで配置されている。
【０１１５】
本実施の形態の加速度センサの製造方法において、実施の形態１におけるポリシリコン膜１０２のＰＳＧ膜１０１の上面よりも上方の部分に対して、選択的なエッチングが行なわれることにより、第３、第４の検出フレーム２３、２４、第３、第４ねじれ梁１３、１４および第３、第４リンク梁３３、３４もあわせて一括形成される。
【０１１６】
なお、本実施の形態のこれ以外の構成および製造方法は上述した実施の形態１の構成と同様であるため、同一の要素については同一の符号を付し、その説明を省略する。
【０１１７】
本実施の形態によれば、基板１の厚さ方向の加速度が印加された場合に、第１、第２の検出フレーム２１、２２と第３、第４の検出フレーム２３、２４との角度が異なるため、それぞれの検出範囲を変えることができる。図１５を参照して、たとえば低加速度時には端部にリンク梁が接続されている第１、第２の検出フレーム２１、２２の角度の検出し、高加速度時には第３、第４の検出フレーム２３、２４の角度を検出することで、高精度な加速度検出範囲を広くすることができる。
【０１１８】
なお、上記の各実施の形態では、第１、第２のリンク梁３１、３２が、それぞれ第１、第２の検出フレーム２１、２２の長辺側の一方と他方に反対に配置されている場合を説明したが、第１、第２の検出フレーム２１、２２の長辺側の一方のみに配置されていてもよい。
【０１１９】
今回開示された各実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることを意図される。
【産業上の利用可能性】
【０１２０】
本発明は、静電容量型の加速度センサに特に有利に適用され得る。
【符号の説明】
【０１２１】
１  基板、２  慣性質量体、５  アクチュエーション電極、１１  第１ねじれ梁、１２  第２ねじれ梁、１３  第３ねじれ梁、１４  第４ねじれ梁、２１  第１検出フレーム、２２  第２検出フレーム、２３  第３検出フレーム、２４  第４検出フレーム、３１  第１リンク梁、３２  第２リンク梁、３３  第３リンク梁、３４  第４リンク梁、４０  検出電極、９１，９２，９３，９４  アンカー。
【手続補正２】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板（１）と、
前記基板（１）に支持された複数の加速度検出部（１０）とを備え、
前記複数の加速度検出部（１０）の各々が、
前記基板（１）に支持され、かつねじれ軸線（Ｔ１），（Ｔ２）を中心としてねじれるねじれ梁（１１），（１２）と、
前記ねじれ軸線（Ｔ１），（Ｔ２）を中心に回転可能なように前記ねじれ梁（１１），（１２）に支持された検出フレーム（２１），（２２）と、
前記検出フレーム（２１），（２２）と対向するように前記基板（１）上に形成された検出電極（４０）と、
平面視において前記ねじれ軸線（Ｔ１），（Ｔ２）からずれた軸線上の位置において前記検出フレーム（２１），（２２）に支持されたリンク梁（３１），（３２）と、
前記基板（１）の厚み方向に変位可能なように前記リンク梁（３１），（３２）に支持された慣性質量体（２）とを有し、
前記複数の加速度検出部（１０）は、第１および第２の加速度検出部（１０）を含み、
前記第１および第２の加速度検出部（１０）は、前記第１の加速度検出部（１０）の前記ねじれ軸線（Ｔ１）と前記第２の加速度検出部（１０）の前記ねじれ軸線（Ｔ２）とが同一線上に配置されている、加速度センサ。
【請求項２】
前記第１の加速度検出部（１０）の前記リンク梁（３１）は前記第１の加速度検出部（１０）の前記ねじれ軸線（Ｔ１）に対して平面視において一方側に配置されており、前記第２の加速度検出部（１０）の前記リンク梁（３２）は前記第１の加速度検出部（１０）の前記ねじれ軸線（Ｔ１）に対して平面視において他方側に配置されている、請求項１に記載の加速度センサ。
【請求項３】
前記複数の加速度検出部（１０）のそれぞれの前記ねじれ梁（１１），（１２）と前記リンク梁（３１），（３２）との間のオフセット量の寸法が互いに等しい、請求項１に記載の加速度センサ。
【請求項４】
前記複数の加速度検出部（１０）のそれぞれの前記ねじれ軸線（Ｔ１），（Ｔ２）が互いに平行である、請求項１に記載の加速度センサ。
【請求項５】
前記複数の加速度検出部（１０）は、第３および第４の加速度検出部（１０）をさらに含み、
前記第１〜第４の加速度検出部（１０）は、前記第１の加速度検出部（１０）の前記ねじれ軸線（Ｔ１）方向に並んで配置されている請求項１に記載の加速度センサ。
【国際調査報告】
2010055716.tif 000028
2010055716.tif 000029
2010055716.tif 000030
2010055716.tif 000031