(57)【要約】【課題】  大きな力（駆動電圧）を必要とすることなく、エアダンピングを調節できるようにして、破損を招くような過大な変位を防止する。【解決手段】  ダイアフラム２１とその周囲を支持するフレーム２２がシリコン基板より一体形成され、ダイアフラム２１の中央に質量部２５が設けられ、フレーム２２がベース２６の段部２７に搭載されてダイアフラム２１とベース２６の間に空隙３３が形成され、質量部２５の変位を静電容量の変化として検出する検出用電極３１がベース２６上に形成されている加速度センサにおいて、段部２７の一部を欠除してフレーム２２とベース２６との間に空隙３３に対するエア出入口３４を構成し、そのエア出入口３４に位置してフレーム２２の外側にエアダンピング調整用ダイアフラム２４をフレーム２２と一体に形成し、そのダイアフラム２４を静電駆動してエア出入口３４の断面積を変化させる駆動用電極３２をベース２６上に形成する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ダイアフラムと、そのダイアフラムの周囲を支持するフレームとがシリコン基板より一体形成され、上記ダイアフラムの中央に質量部が設けられ、上記フレームがベースの段部上に搭載されて上記ダイアフラムと上記ベースとの間に所定の空隙が形成され、上記質量部の変位を静電容量の変化として検出する検出用電極が上記ベース上に形成されている加速度センサにおいて、
上記段部の一部が欠除されて上記フレームと上記ベースとの間に上記空隙に対するエア出入口が構成され、
そのエア出入口に位置して上記フレームの外側にエアダンピング調整用ダイアフラムが上記フレームと一体に形成され、
上記エアダンピング調整用ダイアフラムを静電駆動して上記エア出入口の断面積を変化させる駆動用電極が上記ベース上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、
上記フレームが方形枠状とされ、
その方形の対向２辺に上記エア出入口が設けられて、それらエア出入口にそれぞれ上記エアダンピング調整用ダイアフラム及び駆動用電極が設けられていることを特徴とする加速度センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明はシリコンの微細加工を用いて作製される静電容量検出型の加速度センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
図４はこの種の加速度センサの従来構成例として特許文献１に記載されている構成を示したものであり、単結晶シリコン基板を加工することによってフレーム１１と質量部１２とビーム１３とが一体に形成されている。質量部１２は方形枠状をなすフレーム１１の枠内中央に位置し、弾性を有する４本のビーム１３によってその４隅がフレーム１１に支持されて変位可能とされている。
フレーム１１の上下面にはそれぞれガラス製のカバー１４，１５が配され、これらカバー１４，１５の内面には質量部１２の変位を可能とする凹部１４ａ，１５ａがそれぞれ設けられている。凹部１４ａの底面には質量部１２の変位を検出するための検出用電極１６が形成されており、一方、凹部１５ａの底面には質量部１２に静電吸引力を作用させて質量部１２を変位させるための駆動用電極１７が形成されている。
【０００３】
上記のような構成とされた加速度センサでは入力軸方向（Ｘ方向）に加速度が入力すると、質量部１２はその入力加速度に応じて慣性力により変位し、これにより質量部１２と検出用電極１６との間の距離が変化するため、質量部１２と検出用電極１６間の静電容量が変化し、この静電容量の変化を検出することによって入力加速度を検知することができる。図４中、１８はこの静電容量の変化を検出し、電圧の変化に変換して出力する検出回路を示す。
駆動回路１９は質量部１２と駆動用電極１７との間に電圧を印加するもので、例えば駆動用電極１７に電圧を印加し、質量部１２を静電駆動して強制的に変位させると同時にその変位を検出用電極１６で検出することにより、加速度センサの故障診断やキャリブレーションを行うことができるものとなっている。
【０００４】
また、駆動用電極１７に電圧を印加して質量部１２に静電吸引力を作用させることにより質量部１２の変位をダンピングすることができ、これにより質量部１２の過大な変位を抑制して、例えば衝撃等によって質量部１２が過大に変位してビーム１３が破損するといった障害の発生を防止することができるものとなっている。
【特許文献１】特開平５−１６４７７９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上述したように図４に示した従来の加速度センサでは検出用電極１６とは別に質量部１２と対向する駆動用電極１７を具備しており、この駆動用電極１７を使用して質量部１２に静電吸引力を作用させることによりビーム１３の破損といった重大な障害を引き起こす質量部１２の過大な変位や検出用電極１６等への衝突を防止することができるものとなっている。
しかしながら、この構造では質量部１２全体の動きを静電吸引力でダンピングするものとなっているため、例えば外部から大きな衝撃等が加わった場合にはそれによって発生する質量部１２の大きな慣性力に見合う静電吸引力を発生させなければならず、つまり大きな力（駆動電圧）が必要になる。
【０００６】
この発明の目的はこの問題に鑑み、大きな力を必要とすることなく、エアダンピングを調節できるようにして質量部の過大な変位を防止することができるようにし、よって耐衝撃性に優れ、かつ大きな駆動電圧を必要としない加速度センサを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
請求項１の発明によれば、ダイアフラムと、そのダイアフラムの周囲を支持するフレームとがシリコン基板より一体形成され、ダイアフラムの中央に質量部が設けられ、フレームがベースの段部上に搭載されてダイアフラムとベースとの間に所定の空隙が形成され、質量部の変位を静電容量の変化として検出する検出用電極がベース上に形成されている加速度センサにおいて、上記段部の一部が欠除されてフレームとベースとの間に上記空隙に対するエア出入口が構成され、そのエア出入口に位置してフレームの外側にエアダンピング調整用ダイアフラムがフレームと一体に形成され、そのエアダンピング調整用ダイアフラムを静電駆動してエア出入口の断面積を変化させる駆動用電極がベース上に形成されているものとされる。
【０００８】
請求項２の発明では請求項１の発明において、フレームが方形枠状とされ、その方形の対向２辺にエア出入口が設けられて、それらエア出入口にそれぞれエアダンピング調整用ダイアフラム及び駆動用電極が設けられているものとされる。
【発明の効果】
【０００９】
この発明によれば、エア出入口の断面積を変化させることによってエアダンピングを調節することができ、よってエア出入口の断面積を狭くしてエアダンピングを強めることにより、ダイアフラムの破損を招くような質量部の過大な変位を抑制することができ、耐衝撃性に優れた加速度センサを実現することができる。
また、エアダンピングの調節は質量部が設けられているダイアフラムとは別のエアダンピング調整用ダイアフラムを静電吸引力によって変位させることによって行うことができ、よって従来の加速度センサのような静電駆動するための大きな駆動電圧を必要とせず、その点で取扱い易いものとなる。
【００１０】
なお、通常の、つまり許容範囲内の入力加速度の場合は、エア出入口の断面積を最大の状態とすることにより、高い周波数応答性を実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
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を示したものであり、図２はそれを各部に分解して示したものである。まず、図２を参照して各部の構成を説明する。
図２Ｂに示したように、方形状をなすダイアフラム２１はその周囲が方形枠状のフレーム２２によって支持されており、ダイアフラム２１の中央には質量部を接合搭載するための接合部２３が肉厚とされて形成されている。フレーム２２の一辺にはその一辺に沿ってフレーム２２の外側に、つまりダイアフラム２１と反対側にエアダンピング調整用ダイアフラム２４が形成されており、エアダンピング調整用ダイアフラム２４は一辺の全長にわたって一定の幅で形成されている。これらダイアフラム２１、フレーム２２、接合部２３及びエアダンピング調整用ダイアフラム２４は単結晶シリコン基板をエッチング加工することによって一体に形成され、ダイアフラム２１及びエアダンピング調整用ダイアフラム２４は同様に肉薄とされて弾性変形可能とされている。
【００１２】
質量部２５は図２Ａに示したように直方体ブロック状をなすものとされ、図２Ａでは隠れて見えないがその底面中央にはわずかに突出した凸部２５ａ（図１Ｂ参照）が形成されている。質量部２５は例えばガラス製とされる。
ベース２６は図２Ｃに示したように矩形板状とされてガラス等の絶縁材料よりなるものとされ、その上面には段部２７に囲まれて段部２７よりわずかに低い凹部２８がエッチング加工等により形成されている。段部２７はベース２６の上面周縁の一方の短辺を除く３辺に形成されている。
【００１３】
ベース２６の凹部２８には図２Ｃに示したように検出用電極３１が形成され、さらに駆動用電極３２が形成されている。これら検出用電極３１及び駆動用電極３２は例えばスパッタにより形成される。なお、検出用電極３１及び駆動用電極３２にはそれぞれベース２６の段部２７が欠除されている端縁に至る引き出し線（引き出しパターン）３１ａ，３２ａが形成されている。
各部の組み立ては質量部２５を接合部２３に搭載固定し、フレーム２２の３辺をベース２６の段部２７上に搭載固定することによって行われ、これにより図１に示した加速度センサが完成する。質量部２５と接合部２３との固定及びフレーム２２と段部２７との固定には例えば陽極接合が用いられる。
【００１４】
ダイアフラム２１とベース２６との間にはベース２６に設けられている凹部２８によって所定の空隙３３が形成され、検出用電極３１は質量部２５が搭載されている接合部２３と対向される。
フレーム２２はその３辺が段部２７と接合されており、段部２７と接合されていない残る一辺においてフレーム２２とベース２６との間には空隙３３に対するエア出入口３４が構成され、空隙３３のなす空間はこのエア出入口３４を介して外部に開放されている。エアダンピング調整用ダイアフラム２４はこのエア出入口３４に位置しており、駆動用電極３２は図１Ｂに示したようにエア出入口３４に位置してエアダンピング調整用ダイアフラム２４と対向されている。
【００１５】
上記のような構成を有する加速度センサでは入力軸方向（Ｘ方向：ベース２６板面と垂直方向）に加速度が入力すると、質量部２５が入力加速度に応じて慣性力により変位し、これにより接合部２３と検出用電極３１間の距離が変化して静電容量が変化するため、図４に示した従来の加速度センサと同様、この静電容量の変化から入力加速度を検知することができる。
一方、この例ではダイアフラム２１とベース２６との間の空隙３３に対してエア出入口３４が設けられて、このエア出入口３４に位置するようにエアダンピング調整用ダイアフラム２４と駆動用電極３２とが形成されており、駆動用電極３２に電圧を印加してエアダンピング調整用ダイアフラム２４に静電吸引力を作用させ、エアダンピング調整用ダイアフラム２４を変位させることによってエア出入口３４の断面積を変化させることができるものとなっている。
【００１６】
従って、エアダンピング調整用ダイアフラム２４を静電駆動して駆動用電極３２に近づくように変位させ、エア出入口３４の断面積を狭くすれば、質量部２５の変位に対するエアダンピングを強めることができ、つまり過減衰にすることができ、これによって質量部２５の過大な変位を抑制することができるため、例えば衝撃等によって質量部２５が過大に変位してダイアフラム２１が破損するといった重大な障害の発生を防止することができるものとなっている。
このようなエアダンピングの調節は質量部２５の変位に基づいて行われる。以下、調節動作を具体的に説明する。
【００１７】
加速度入力による質量部２５の変位は静電容量の変化として検出され、検出回路３５はこの静電容量の変化を検出し、電圧の変化に変換して出力する。検出回路３５の出力は駆動回路３６に入力され、駆動回路３６は検出回路３５の出力電圧を所定のしきい値と比較し、出力電圧が所定のしきい値を超えた瞬間、駆動用電極３２に電圧を印加する。
つまり、大きな衝撃等が加わって質量部２５が過大に変位した時、検出回路３５の出力は所定のしきい値を超えることになり、これによりエアダンピング調整用ダイアフラム２４が静電駆動され、エア出入口３４が狭められてエアダンピングが強められるものとなる。
【００１８】
なお、通常の入力加速度の場合、即ちダイアフラム２１の破損が生じる虞れのない場合は検出回路３５の出力は所定のしきい値を超えず、この場合は駆動用電極３２には電圧が印加されず、よってエアダンピング調整用ダイアフラム２４は変位せず、エア出入口３４の断面積は最大の状態となってエアダンピングは弱くなる。これによって通常の入力加速度の場合には高い周波数応答性が得られるものとなる。
以上説明したように、この例によればエアダンピングを調節することができ、よって質量部２５の過大な変位を抑制することができるため、例えば衝撃等の印加によるダイアフラム２１の破損を防止することができ、その点で耐衝撃性に優れた加速度センサを得ることができる。なお、エアダンピングの調節は質量部２５が設けられているダイアフラム２１とは別のエアダンピング調整用ダイアフラム２４を静電駆動することによって行うことができ、よって図４に示した従来の加速度センサのように大きな力（駆動電圧）は必要としない。
【００１９】
上述した例では空隙３３がなす空間に対してエア出入口３４が１箇所設けられた構造となっているが、エア出入口３４を複数設け、それらエア出入口３４にそれぞれエアダンピング調整用ダイアフラム２４と駆動用電極３２とを配置するようにしてもよい。
図３は方形枠状をなすフレーム２２の対向２辺にエア出入口３４を設け、それら２箇所のエア出入口３４にエア出入口３４の断面積を変化させるためのエアダンピング調整用ダイアフラム２４及び駆動用電極３２をそれぞれ設けた例を示したものである。この例ではフレーム２２はエア出入口３４を構成しない残る２辺がベース２６の段部２７上に搭載されて接合されており、ベース２６の段部２７はその上面の対向２辺（２長辺）に設けられたものとなっている。
【００２０】
なお、図１及び３に示した加速度センサではいずれもダイアフラム２１の中央に接合部２３を設けて、その接合部２３に別部品の質量部２５を接合搭載する構造となっているが、このような質量部２５を別に用意することなく、図４に示した従来の加速度センサのようにシリコン基板によって質量部をダイアフラムと一体に形成するようにしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】この発明による加速度センサの一実施例を示す図、Ａは斜視図、Ｂは断面図。
【図２】図１に示した加速度センサの分解斜視図。
【図３】この発明による加速度センサの他の実施例を示す図、Ａは斜視図、Ｂは断面図。
【図４】加速度センサの従来構成例を示す断面図。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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