(57)【要約】【課題】１つの構造体でさまざまな周波数の加速度を高感度に測定可能な加速度センサを提供する。【解決手段】加速度センサＣＳは、加速度の印加により可動電極２２が変位したときの、可動電極２２と固定電極２３との間の静電容量変化から、当該加速度を検出する。このとき、バイアス電源１１から可動電極２２と固定電極２３との間に印加するバイアス電圧をスイープさせながら供給することで、可動電極２２の共振周波数を変化させ、当該共振周波数を印加された加速度の振動周波数を一致させた状態で加速度を検出する。【選択図】      図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板に支持され、加速度の変化に応じて変位する錘部および当該錘部に一体形成された可動電極からなる可動部と、前記可動電極に対向配置するように前記基板に支持された固定電極と、を備え、前記可動部の変位に応じた前記可動電極と前記固定電極との間の静電容量の変化に基づいて、加速度を測定する加速度センサであって、
前記可動電極と前記固定電極との間に印加するバイアス電圧を変化させるバイアス電圧印加手段を備え、
前記バイアス電圧印加手段で、前記可動部の共振周波数が、印加された加速度の振動周波数に一致するような前記バイアス電圧を印加した状態で、前記加速度を測定することを特徴とする加速度センサ。
【請求項２】
前記バイアス電圧印加手段は、前記共振周波数が所定の周波数幅を有する周波数帯域内を変化するように、前記バイアス電圧をスイープさせるものであって、
前記共振周波数をｆ0、前記周波数幅をΔｆ、共振のクオリティファクタをＱ、１０≦ｎ≦Ｑなる任意の定数をｎとしたとき、
ｔ＝（Δｆ／ｆ0）ｎＱ
で表されるスイープ時間ｔで前記バイアス電圧をスイープさせ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】
前記バイアス電圧印加手段による前記バイアス電圧の変化に対応して変化する前記共振周波数の可動範囲がそれぞれ異なる複数の前記可動部を、同一基板上に備えることを特徴とする請求項１又は２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、静電容量変化を用いて加速度を測定する加速度センサに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
加速度センサとして、静電容量変化を用いて加速度を測定する静電容量型加速度センサがある。この静電容量型加速度センサは、固定電極と、加速度が加わることにより揺動する錘に一体形成された可動電極とを備え、加速度の印加によって可動電極が変位したときの固定電極と可動電極との間の静電容量の変化を検出することで、加速度を求めるものである。
【０００３】
図６は、錘の変位量の加速度周波数依存性を示す図である。ここでは、共振周波数ｆ0＝１、共振のクオリティファクタＱ＝１０００の場合について示している。なお、加速度の振幅は一定値としている。この図６に示すように、共振周波数ｆ0で最大の変位量を示し、その値は低周波領域での変位量のＱ倍になる。
一般的な加速度センサでは、さまざまな周波数の加速度が印加されるので、周波数依存性を少なくするために、変位量が一定の値となっている共振周波数ｆ0以下の低周波領域を用いる。しかしながら、この低周波領域では、上記変位量が小さいためセンサ感度が低い。
【０００４】
高感度な加速度センサを実現するには、共振周波数近傍の大きな変位量を用いて加速度を測定するのが有利であるが、最大の欠点は測定可能な周波数帯域δｆが共振周波数ｆ0を中心に、δｆ＝ｆ0／Ｑに制限されてしまう点である。すなわち、高感度を求めると高いＱ値が必要になるが、それに伴い測定可能な周波数帯域が小さくなってしまう。
そこで、特許文献１に記載の技術が提案されている。この技術は、櫛歯構造の静電容量変化から変位量（加速度）を測定する容量型加速度センサにおいて、櫛歯１つ1つに異なる共振周波数を与えることで、高感度に加速度測定を行うことができる周波数帯域を広げるようにしたものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００４−１７０２６０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上記特許文献１に記載の加速度センサにあっては、１構造あたりでカバーできる周波数帯域が１Ｈｚであるため、測定周波数の幅を１００Ｈｚ程度確保しようとすると、およそ１００個の構造体が必要となる。その結果、センサの面積が大きくなってしまう。
また、Ｓｉ構造体の場合、Ｑは１万〜１０万が容易に得られるので、非常に高感度なセンサが実現可能だが、１万〜１０万もの構造体を構成するのは現実的に不可能である。
そこで、本発明は、１つの構造体でさまざまな周波数の加速度を高感度に測定可能な加速度センサを提供することを課題としている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するために、請求項１に係る加速度センサは、基板に支持され、加速度の変化に応じて変位する錘部および当該錘部に一体形成された可動電極からなる可動部と、前記可動電極に対向配置するように前記基板に支持された固定電極と、を備え、前記可動部の変位に応じた前記可動電極と前記固定電極との間の静電容量の変化に基づいて、加速度を測定する加速度センサであって、前記可動電極と前記固定電極との間に印加するバイアス電圧を変化させるバイアス電圧印加手段を備え、前記バイアス電圧印加手段で、前記可動部の共振周波数が、印加された加速度の振動周波数に一致するような前記バイアス電圧を印加した状態で、前記加速度を測定することを特徴としている。
【０００８】
対向する電極にバイアス電圧を加え、距離を変化させると電極間に加わる引力が変化する。これは見かけ上バネと同様な効果であり、バイアス電圧に依存した可変バネが可能となる。この可変バネを利用すれば共振周波数をシフトさせることが可能となる。
可動電極と固定電極との間に、可動部の共振周波数が印加された加速度の振動周波数と一致するようなバイアス電圧を印加した状態で当該加速度を測定することで、常に加速度の印加に応じた両電極間の静電容量変化（可動部の変位量）が最も大きくなる共振周波数での加速度測定が可能となるため、高感度に加速度を測定することができる。このように、１つの構造体で、さまざまな周波数の加速度を高感度に測定することができる。
【０００９】
また、請求項２に係る加速度センサは、請求項１に係る発明において、前記バイアス電圧印加手段は、前記共振周波数が所定の周波数幅を有する周波数帯域内を変化するように、前記バイアス電圧をスイープさせるものであって、前記共振周波数をｆ0、前記周波数幅をΔｆ、共振のクオリティファクタをＱ、１０≦ｎ≦Ｑなる任意の定数をｎとしたとき、ｔ＝（Δｆ／ｆ0）ｎＱで表されるスイープ時間ｔで前記バイアス電圧をスイープさせることを特徴としている。
【００１０】
これにより、測定していないデッドタイムを少なくすることができ、効率的に加速度測定を行うことができる。また、スイープ時間が短すぎることに起因してセンサの感度が非常に低くなってしまうのを防止することができる。
また、請求項３に係る加速度センサは、請求項１又は２に係る発明において、前記バイアス電圧印加手段による前記バイアス電圧の変化に対応して変化する前記共振周波数の可動範囲がそれぞれ異なる複数の前記可動部を、同一基板上に備えることを特徴としている。
これにより、高感度に加速度を測定することができる周波数帯域を、より広げることができる。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、可動電極と固定電極との間に印加するバイアス電圧を可変とすることで、可動部の共振周波数を変化可能に構成することができる。したがって、１つの構造体でさまざまな周波数の加速度を高感度に測定することができ、センサの大型化を伴うことなく、所定の周波数全域にわたって高感度な加速度測定が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明に係る加速度センサの構成を示すブロック図である。
【図２】検出素子部の概略構成を示す斜視図である。
【図３】周波数１４９３Ｈｚ、０．１ｍ／ｓｅｃ2の加速度を加えたときの測定結果を示す図である。
【図４】周波数１４５０Ｈｚ、０．１ｍ／ｓｅｃ2の加速度を加えたときの測定結果を示す図である。
【図５】共振周波数のバイアス電圧依存性を示す図である。
【図６】錘（可動電極）の変位量の加速度周波数依存性を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
（第１の実施形態）
（構成）
図１は、本発明に係る加速度センサの構成を示すブロック図である。
この図１に示すように、本実施形態の加速度センサＣＳは、検出素子部１０と、バイアス電源１１と、Ｑ値制限抵抗１２と、チャージアンプ１３と、フィルタ部１４と、ＦＦＴ部１５とを備えている。
【００１４】
図２は、検出素子部１０の概略構成を示す斜視図である。
検出素子部１０は、基板（不図示）に支持され加速度の印加に応じて変位する錘２１と、錘２１に一体形成された可動電極２２と、可動電極２２に対向配置された固定電極２３と、を備える。
可動電極２２は、端部の支持体２４により基板上に固定された可撓性の梁２５を介して、固定電極２３と所定のギャップＧ（例えば、１０μｍ）をおいて支持されている。この可動電極２２と固定電極２３とで、可変容量を構成している。
【００１５】
この構造体は、厚さ２０μｍのＳＯＩウェハをボッシュプロセスで切り出すことで作製する。錘２１の形状は、例えば、厚さ２０μｍで一辺８００μｍの正方形とし、梁２５の形状（長さ，厚さ，幅）は、例えば、（１０００μｍ，２０μｍ，２０μｍ）とする。
また、固定電極２３は、基板上に固定されている。この固定電極２３は、ガラス基板に金にて電極（例えば、一辺１ｍｍの正方形の電極）を作製することで形成する。
そして、固定電極２３はチャージアンプ１３に接続されており、支持体２４はバイアス電源１１に接続されている。
【００１６】
図１に戻って、バイアス電源１１は、可動電極２２と固定電極２３との間にバイアス電圧を印加するものである。本実施形態では、バイアス電源１１を可変直流電圧源とし、可動電極２２と固定電極２３との間に印加するバイアス電圧を可変とする。
検出素子部１０とチャージアンプ１３との間に介挿されるＱ値制限抵抗１２は、共振のクオリティファクタＱを制限するための抵抗である。ここでは、Ｑ＝１０００に制限するものとする。
また、チャージアンプ１３は、上記可変容量の変化を電圧に変換する。
フィルタ部１４は、４００Ｈｚ（１．３ｋＨｚ〜１．７ｋＨｚ）の帯域幅をもつバンドパスフィルタで構成する。
ＦＦＴ部１５は、チャージアンプ１３の出力をフィルタ部１４のバンドパスフィルタに通した結果を周波数分析する。
【００１７】
以上の構成により、加速度の印加によって可動電極２２が変位すると、可動電極２２と固定電極２３との間の距離が変化し、それに伴って両電極間の静電容量が変化する。この静電容量変化は、印加される加速度の振幅を一定とした場合、可動電極２２の共振周波数以下の低周波数帯域において一定量（静的振幅）となり、共振周波数においてピーク値となる。また、当該静電容量変化は、印加される加速度が大きいほど大きくなる。したがって、当該静電容量の変化を検出することで加速度を測定することができる。
【００１８】
本実施形態では、可動電極２２と固定電極２３との間に印加するバイアス電圧を可変とすることで、可動電極２２の共振周波数をシフト可能に構成する。そして、印加された加速度の振動周波数と可動電極２２の共振周波数とを一致させた状態で加速度測定を行う。すなわち、共振現象による可動電極２２の変位増幅を利用し、高感度な加速度測定を実現すると共に、１つの構造体で高感度に加速度測定が可能な周波数帯域を広げる。
【００１９】
図３は、周波数１４９３Ｈｚ、０．１ｍ／ｓｅｃ2の加速度を加えたときの測定結果を示す図である。この場合、直流バイアス電圧が５Ｖのときに、共振周波数と印加した加速度の振動周波数とが一致し、０．３Ｖの出力が得られた。
図４は、周波数１４５０Ｈｚ、０．１ｍ／ｓｅｃ2の加速度を加えたときの測定結果を示す図である。この場合、直流バイアス電圧が１０．３Ｖのときに、共振周波数と印加した加速度の振動周波数とが一致し、０．７Ｖの出力が得られた。
【００２０】
このように、可動電極２２と固定電極２３との間に印加するバイアス電圧を変えることで、さまざまな周波数にて高感度な加速度測定が可能となる。
なお、この加速度センサＣＳにおいては、フィルタ部１４に４００Ｈｚの帯域幅をもつバンドパスフィルタを適用したとき、トータルのノイズは１２μＶであったため、１０-6ｍ／ｓｅｃ2程度の微小な加速度も測定可能である。また、ＦＦＴ部１５は、バンド幅が０．１Ｈｚなので１０-8ｍ／ｓｅｃ2の測定が可能である。
【００２１】
図５は、共振周波数のバイアス電圧依存性を示す図である。
この図５からも明らかなように、バイアス電圧をスイープさせることで、約１００Ｈｚ幅の加速度測定が１つの構造体で可能であることがわかる。
ただし、スイープ時間が長いと、時間的に測定していないデットタイムが増えてしまう。また、共振器は一種の積分器として働いているので、測定したい加速度の周波数と共振周波数が一致して、ある程度の時間が経過したとき低周波領域のＱ倍の出力が得られる。逆に言うと、スイープした場合には、周波数の一致する時間が限られるので、Ｑ倍より小さな値が検出される。したがって、スイープ時間が短いと、センサ感度が低下してしまう。
【００２２】
そこで、本実施形態では、バイアス電圧のスイープ時間ｔ［ｓｅｃ］を、次式のように設定する。
ｔ＝（Δｆ／ｆ0）・ｎＱ  ………（１）
ここで、  ｆ0は共振周波数、Δｆは共振周波数を変化させる周波数幅、Ｑは共振のクオリティファクタ、ｎは１０≦ｎ≦Ｑとなる定数である。上記（１）式で表されるスイープ時間ｔは、低周波領域のｎ倍の感度が得られるスイープ時間である。すなわち、
ｔ＝（Δｆ／ｆ0）・Ｑ2  ………（２）
の時間でスイープさせたときが最も高感度になる。換言すると、それ以上の時間をかけても感度は上がらない。
ただし、Ｑが大きな値（１０万など）になると、Δｆの値によっては、上記（２）式は非常に長い時間になる。したがって、実用的にはｎ＝１００とした時間でスイープし、感度があった場合に、その周波数近傍で時間をかけた測定を行い、正確な加速度を得る方法が好ましい。
なお、図１において、バイアス電源１１がバイアス電圧印加手段に対応している。
【００２３】
（動作）
次に、本実施形態の動作について説明する。
今、周波数ｆα（＝１４９３Ｈｚ）の加速度が印加されているものとする。このとき、図１のバイアス電源１１にて、上記（１）式で表されるスイープ時間ｔで、可動電極２２と固定電極２３との間に印加するバイアス電圧を変化させながら、可動電極２２の変位（両電極間の静電容量変化）を監視する。
可動電極２２の共振周波数は、バネ（梁２５）のバネ定数と錘２１の質量とで決まるが、両電極間に印加するバイアス電圧を変化させると電極間に加わる引力が変化し、可動電極２２の共振周波数も変化することになる。
【００２４】
そして、バイアス電圧Ｖα（＝５Ｖ）において、可動電極２２の共振周波数と印加された加速度の周波数とが一致すると、共振現象により可動電極２２が大きく変位し、図３に示すように、可動電極２２の変位に応じた大きな静電容量変化が検出される。
したがって、このときの静電容量変化から加速度を測定することで、印加された加速度が周波数１４９３Ｈｚ、０．１ｍ／ｓｅｃ2の加速度であることを高感度に測定することができる。
【００２５】
一方、所定の周波数ｆβ（＝１４５０Ｈｚ）の加速度が印加された場合、バイアス電圧Ｖαとは異なるバイアス電圧Ｖβ（＝１０．３Ｖ）を両電極間に印加した場合に、可動電極２２の共振周波数と印加された加速度の周波数とが一致することになる。したがって、バイアス電圧Ｖβを印加したときに可動電極２２が大きく変位し、図４に示すように、可動電極２２の変位に応じた静電容量変化が検出される。
この場合にも、このときの静電容量変化から、印加された加速度が周波数１４５０Ｈｚ、０．１ｍ／ｓｅｃ2の加速度であることを高感度に測定することができる。
以上のように、バイアス電圧を可変とすることで可動電極２２の共振周波数を変化させることができ、１つの構造体でさまざまな周波数の加速度を高感度に測定することができる。
【００２６】
（効果）
このように、本実施形態では、加速度の印加に応じて可動電極が変位したときの、可動電極と固定電極との間の距離変化に伴う静電容量の変化に応じて、上記加速度を測定する際に、可動電極と固定電極との間に印加するバイアス電圧を可変とする。これにより、可動電極の共振周波数を可変とし、可動電極の共振周波数と印加された加速度の振動周波数とを一致させた状態で加速度測定を行う。そのため、１つの構造体でさまざまな周波数の加速度を高感度に測定することができる。したがって、多数の構造体を設けることなく高感度な加速度測定が可能な周波数帯域を広げることができ、加速度センサの面積増大を抑制することができる。
また、バイアス電圧のスイープ時間を、上記（１）式で示す時間に設定するので、測定していないデッドタイムを少なくすることができ、効率的に加速度測定を行うことができる。また、上記（１）式における定数ｎを１０以上に設定するので、少なくとも低周波領域の１０倍の感度を確保することができる。
【００２７】
（変形例）
なお、上記実施形態においては、基板上に１つの振動体のみを有する加速度センサＣＳについて説明したが、複数個の振動体を有するようにしてもよい。このとき、各構造体で、錘２１の質量や梁２５のバネ定数を異ならせることで、バイアス電圧をスイープさせたときに共振周波数が変化する周波数帯域（可動範囲）を異ならせることができるため、加速度センサＣＳ全体で高感度に加速度測定を行うことができる周波数帯域をより広げることができる。また、同一基板上に複数個の振動体を作製した場合には、それぞれのスイープ幅を制限したり、スイープさせる位相をずらすなどの工夫をしたりしてもよい。これにより、測定していないデットタイムを少なくすることが可能である。
【００２８】
さらに、上記実施形態においては、Ｑ値制限抵抗１２を挿入することでＱ値を１０００に制限する場合について説明したが、これは測定対象の加速度を０．１ｍ／ｓｅｃ2程度と想定した場合の値であり、Ｑ値の制限値は測定対象の加速度に応じて適宜設定可能である。
また、上記実施形態においては、Ｑ値制限抵抗１２を設けなくてもよい。この場合、例えばＱ値＝１０万の場合には、１０-10ｍ／ｓｅｃ2程度の極めて微小な加速度も測定可能となる。
【符号の説明】
【００２９】
１０…検出素子部、１１…バイアス電源、１２…Ｑ値制限抵抗、１３…チャージアンプ、１４…フィルタ部、１５…ＦＦＴ部、２１…錘、２２…可動電極、２３…固定電極、２４…支持体、２５…梁、ＣＳ…加速度センサ
【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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