(57)【要約】【課題】本発明は、静電容量型加速度センサの厚みを小さくすることを目的として可動電極の上方に位置する固定基板を削減した場合でも、サーボ制御することが可能となり、これにより、正確な加速度を検出できる静電容量型加速度センサを提供することを目的とするものである。【解決手段】可動電極１１と固定基板１６における第１のＸ軸方向固定電極１７、第２のＸ軸方向固定電極１８、第１のＹ軸方向固定電極および第２のＹ軸方向固定電極との間に予め電圧を印加することにより、可動電極１１と固定電極１６とが略平行でかつ所定の間隙になるように、可動電極１１を固定基板１６に向かって変位させる構成としたものである。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
質量部からなる可動電極と、この可動電極を上下方向に変位可能に支持する支持部材と、この支持部材を固着するとともに、前記可動電極と対向する固定電極を上面に設けた固定基板とを備え、前記可動電極と固定基板における固定電極との間に予め電圧を印加することにより、可動電極と固定基板とが略平行でかつ所定の間隙になるように、可動電極を固定基板に向かって変位させるようにサーボ制御回路を設けた静電容量型加速度センサ。
【請求項２】
固定基板における固定電極を、固定基板のＸ軸方向に連設する一対のＸ軸方向固定電極と、Ｙ軸方向に連設する一対のＹ軸方向固定電極とにより構成した請求項１記載の静電容量型加速度センサ。
【請求項３】
一対のＸ軸方向固定電極および一対のＹ軸方向固定電極の全ての電極にサーボ制御回路により加えられる電圧を積分する積分回路を設けた請求項２記載の静電容量型加速度センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、特に車両、ロボット等の移動体の姿勢制御や精密機器の振動計測等に用いられ、加速度を検出する静電容量型加速度センサに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来のこの種の静電容量型加速度センサは、図７に示すような構成を有していた。
【０００３】
図７は従来の静電容量型加速度センサの一部を断面で示した回路図である。
【０００４】
図７において、１はシリコン製の質量部からなる可動電極、２は前記可動電極１を上下方向に変位可能に支持するシリコン製の支持部材、３はガラスからなる第１の固定基板で、この第１の固定基板３の下面には前記可動電極１と対向するように第１の固定電極４を設けている。５はガラスからなる第２の固定基板で、この第２の固定基板５の上面には前記可動電極１と対向するように第２の固定電極６を設けている。７は増幅器で、この増幅器７は前記可動電極１、第１の固定電極４および第２の固定電極６と電気的に接続されているとともに、出力端子８に加速度信号としての出力信号を出力するものである。９は静電負帰還回路で、この静電負帰還回路９は前記増幅器７の出力信号が入力されるとともに、高圧ユニット１０を介して第１の固定電極４および第２の固定電極６に負帰還させる信号を入力させている。
【０００５】
以上のように構成されている従来の静電容量型加速度センサについて、次にその動作を説明する。
【０００６】
静電容量型加速度センサに下側に向かって加速度が加えられ、可動電極１が第２の固定基板５側に変位した場合を考えると、可動電極１と第１の固定電極４および第２の固定電極６との間には（数１）が発生する。
【０００７】
【数１】
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【０００８】
そして、この静電容量の差分ΔＣは増幅器７で増幅された後、静電負帰還回路９および高圧ユニット１０により昇圧させる。この場合、第１の固定基板３における第１の固定電極４にはＣ2＋ΔＣの電圧が印加され、一方、第２の固定基板５における第２の固定電極６にはＣ1−ΔＣの出力電圧が印加される。その結果、可動電極１はサーボ制御されて、電極間静電容量がＣ2＝Ｃ1すなわち、ΔＣ＝０となるような位置（初期位置）で平行状態を保つ。
【０００９】
さらに、この状態において、増幅器７から出力される静電容量の差分ＣΔをＣＶ変換回路（図示せず）により、出力電圧に変換し、そして出力端子８から出力信号として加速度に対応する信号を出力するようにしていた。
【００１０】
なお、この出願の発明に関する先行技術文献情報としては、例えば、特許文献１が知られている。
【特許文献１】特開平４−２９２２４２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
しかしながら、上記従来の構成においては、加速度センサの厚みを小さくすることを目的として、第１の固定電極４を設けた固定基板３を削減する構造とすると、加速度の加わり方により、可動電極１が上方に変位した場合には、可動電極１と第２の固定電極６との間に静電負帰還回路９から電位を付加することにより、可動電極１を初期位置にサーボ制御させることができる反面、可動電極１が下方に変位した場合には、可動電極１を初期位置にサーボ制御できないため、正確な加速度を検出できないという課題を有していた。
【００１２】
本発明は上記従来の課題を解決するもので、静電容量型加速度センサの厚みを小さくすることを目的として可動電極の上方に位置する固定基板を削減した場合でも、サーボ制御することが可能となり、これにより、正確な加速度を検出できる静電容量型加速度センサを提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上記目的を達成するために、本発明は以下の構成を有するものである。
【００１４】
本発明の請求項１に記載の発明は、質量部からなる可動電極と、この可動電極を上下方向に変位可能に支持する支持部材と、この支持部材を固着するとともに、前記可動電極と対向する固定電極を上面に設けた固定基板とを備え、前記可動電極と固定基板における固定電極との間に予め電圧を印加することにより、可動電極と固定基板とが略平行でかつ所定の間隙になるように、可動電極を固定基板に向かって変位させるようにサーボ制御回路を設けたもので、この構成によれば、可動電極と固定基板における固定電極との間に予め電圧を印加することにより、可動電極と固定基板とが略平行でかつ所定の間隙になるように、可動電極を固定基板に向かって変位させるようにサーボ制御回路を設けているため、予め印加した電圧よりも電圧を大きくすると、可動電極は下方に変位し、一方、予め印加した電圧よりも電圧を小さくすると、可動電極は上方に変位することになり、これにより、可動電極を初期位置にサーボ制御することが可能となるため、正確な加速度を検出できるという作用効果を有するものである。
【００１５】
本発明の請求項２に記載の発明は、特に、固定基板における固定電極を、固定基板のＸ軸方向に連設する一対のＸ軸方向固定電極と、Ｙ軸方向に連設する一対のＹ軸方向固定電極とにより構成したもので、この構成によれば、固定基板における固定電極を、固定基板のＸ軸方向に連設する一対のＸ軸方向固定電極と、Ｙ軸方向に連設する一対のＹ軸方向固定電極とにより構成しているため、一対のＸ軸方向固定電極の差動を検出することにより、Ｘ軸方向の加速度を検出することができるとともに、一対のＹ軸方向固定電極の差動を検出することにより、Ｙ軸方向の加速度を検出できるという作用効果を有するものである。
【００１６】
本発明の請求項３に記載の発明は、特に、一対のＸ軸方向固定電極および一対のＹ軸方向固定電極の全ての電極にサーボ制御回路により加えられる電圧を積分する積分回路を設けたもので、この構成によれば、一対のＸ軸方向固定電極および一対のＹ軸方向固定電極の全ての電極にサーボ制御回路により加えられる電圧を積分回路を設けているため、一対のＸ軸方向固定電極によりＸ軸方向の加速度を検出し、かつ一対のＹ軸方向固定電極によりＹ軸方向の加速度を検出し、さらに一対のＸ軸方向固定電極および一対のＹ軸方向固定電極の静電容量を検出して積分することにより、Ｚ軸方向の加速度を検出できるという作用効果を有するものである。
【発明の効果】
【００１７】
以上のように本発明の静電容量型加速度センサは、質量部からなる可動電極と、この可動電極を上下方向に変位可能に支持する支持部材と、この支持部材を固着するとともに、前記可動電極と対向する固定電極を上面に設けた固定基板とを備え、前記可動電極と固定基板における固定電極との間に予め電圧を印加することにより、可動電極と固定基板とが略平行でかつ所定の間隙になるように、可動電極を固定基板に向かって変位させるようにサーボ制御回路を設けているため、静電容量型加速度センサの厚みを小さくすることを目的として可動電極の上方に位置する固定基板を削減した場合でも、予め印加した電圧よりも電圧を大きくすると、可動電極は下方に変位し、一方、予め印加した電圧よりも電圧を小さくすると、可動電極は上方に変位することになり、これにより、可動電極を初期位置にサーボ制御することが可能となるため、正確な加速度を検出できる静電容量型加速度センサを提供することができるという優れた効果を奏するものである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、一実施の形態を用いて、本発明の特に請求項１〜３に記載の発明について説明する。
【００１９】
図１は本発明の一実施の形態における静電容量型加速度センサの分解斜視図、図２は同静電容量型加速度センサの斜視図、図３は同静電容量型加速度センサの側断面図、図４は同静電容量型加速度センサの回路図である。
【００２０】
図１〜図４において、１１は質量部からなるシリコン酸化膜などのエッチングストップ層を中間層に設け、かつ両側にシリコン基板を接合してなるＳＯＩ基板製の可動電極である。１２は支持部材で、この支持部材１２はＸＹ軸に４５°の方向に延びて前記可動電極１１と連結されている連結部１３と、この連結部１３に接続されるとともに可動電極１１の外周囲に設けた梁部１４と、この梁部１４を変位可能に支持している枠部１５とにより構成されている。１６はガラスなどの絶縁性材料からなる固定基板で、この固定基板１６は、上面にＴｉなどの密着層（図示せず）を介してＡｕなどの導電性薄膜からなるＸ軸方向に連接する第１のＸ軸方向固定電極１７と第２のＸ軸方向固定電極１８を設けるとともに、Ｙ軸方向に連接する第１のＹ軸方向固定電極１９と第２のＹ軸方向固定電極２０を設けている。そして、前記支持部材１２を固定基板１６に接合することにより、前記可動電極１１と、第１のＸ軸方向固定電極１７、第２のＸ軸方向固定電極１８、第１のＹ軸方向固定電極１９および第２のＹ軸方向固定電極２０との間には図３に示すように間隙が設けられるものである。
【００２１】
２１は第１のＣ−Ｖ変換回路で、この第１のＣ−Ｖ変換回路２１は可動電極１１と第１のＸ軸方向固定電極１７との間の静電容量を電圧に変換するものである。２２は第１の増幅器で、この第１の増幅器２２は前記第１のＣ−Ｖ変換回路２１の出力信号を増幅するものである。２３は第１のサーボ制御回路で、この第１のサーボ制御回路２３は第１の増幅器２２から出力される出力信号を基準電圧と比較することにより、固定基板１６における第１のＸ軸方向固定電極１７の上側に位置する可動電極１１を固定基板１６との間隙が所定の値となるように制御する電圧を可動電極１１と第１のＸ軸方向固定電極１７との間に付加するものである。
【００２２】
すなわち、上記第１のサーボ制御回路２３は、可動電極１１と固定基板１６における第１のＸ軸方向固定電極１７との間に予め電圧を印加することにより、可動電極１１と固定基板１６とが略平行でかつ所定の間隙になるように、可動電極１１を固定基板１６に向かって変位させているため、予め印加した電圧よりも電圧を大きくすると、可動電極１１は下方に変位し、一方、予め印加した電圧よりも電圧を小さくすると、可動電極１１は上方に変位することになり、これにより、可動電極１１を初期位置にサーボ制御することが可能となるものである。
【００２３】
２４は第２のＣ−Ｖ変換回路で、この第２のＣ−Ｖ変換回路２４は可動電極１１と第２のＸ軸方向固定電極１８との間の静電容量を電圧に変換するものである。２５は第２の増幅器で、この第２の増幅器２５は前記第２のＣ−Ｖ変換回路２４の出力信号を増幅するものである。２６は第２のサーボ制御回路で、この第２のサーボ制御回路２６は第２の増幅器２５から出力される出力信号を基準電圧と比較することにより、固定基板１６における第２のＸ軸方向固定電極１８の上側に位置する可動電極１１を固定基板１６との間隙が所定の値となるように制御する電圧を可動電極１１と第２のＸ軸方向固定電極１８との間に付加するものである。２７は第１の差動増幅器で、この第１の差動増幅器２７は固定基板１６における第１のＸ軸方向固定電極１７と第２のＸ軸方向固定電極１８との間に、上述したサーボ制御時に発生する出力電圧の差動をＸ軸出力端子２８に出力するものである。
【００２４】
２９は第３のＣ−Ｖ変換回路で、この第３のＣ−Ｖ変換回路２９は可動電極１１と第１のＹ軸方向固定電極１９との間の静電容量を電圧に変換するものである。３０は第３の増幅器で、この第３の増幅器３０は前記第３のＣ−Ｖ変換回路２９の出力信号を増幅するものである。３１は第３のサーボ制御回路で、この第３のサーボ制御回路３１は第３の増幅器３０から出力される出力信号を基準電圧と比較することにより、固定基板１６における第１のＹ軸方向固定電極１９の上側に位置する可動電極１１を固定基板１６との間隙が所定の値となるように制御する電圧を可動電極１１と第１のＹ軸方向固定電極１９との間に付加するものである。
【００２５】
３２は第４のＣ−Ｖ変換回路で、この第４のＣ−Ｖ変換回路３２は可動電極１１と第２のＹ軸方向固定電極２０との間の静電容量を電圧に変換するものである。３３は第４の増幅器で、この第４の増幅器３３は前記第４のＣ−Ｖ変換回路３２の出力信号を増幅するものである。３４は第４のサーボ制御回路で、この第４のサーボ制御回路３４は第４の増幅器３３から出力される出力信号を基準電圧と比較することにより、固定基板１６における第２のＹ軸方向固定電極２０の上側に位置する可動電極１１を固定基板１６との間隙が所定の値となるように制御する電圧を可動電極１１と第２のＹ軸方向固定電極２０との間に付加するものである。３５は第２の差動増幅器で、この第２の差動増幅器３５は固定基板１６における第１のＹ軸方向固定電極１９と第２のＹ軸方向固定電極２０との間に、上述したサーボ制御時に発生する出力電圧の差動をＹ軸出力端子３６に出力するものである。３７は積分回路で、この積分回路３７は前記第１のＸ軸方向固定電極１７、第２のＸ軸方向固定電極１８、第１のＹ軸方向固定電極１９および第２のＹ軸方向固定電極２０に、上述したサーボ制御時に発生する出力電圧を積分した後、Ｚ軸方向に加わる加速度としてＺ軸出力端子３８から出力するものである。
【００２６】
以上のように構成された本発明の一実施の形態における静電容量型加速度センサについて、次にその製造方法を説明する。
【００２７】
まず、ＳＯＩ基板（図示せず）を準備し、少なくともＳＯＩ基板の一面にフォトリソグラフィとウェットエッチングを施して所定深さの溝（図示せず）を形成し、その後、エッチングストップ層を利用して両側からフォトリソグラフィとウェットエッチングあるいはドライエッチングを施してＳＯＩ基板を所定形状に加工した後、エッチングストップ層を除去することにより可動電極１１および支持部材１２を形成する。
【００２８】
次に、ガラス基板（図示せず）を準備し、このガラス基板（図示せず）の上面に真空蒸着法あるいはスパッタ法によりＴｉなどの密着層を介してＡｕなどの導電性材料を用いて薄膜の導電膜（図示せず）を形成し、その後、フォトリソグラフィとウェットエッチングにより導電膜を所定形状に加工して第１のＸ軸方向固定電極１７、第２のＸ軸方向固定電極１８、第１のＹ軸方向固定電極１９および第２のＹ軸方向固定電極２０を形成する。
【００２９】
最後に、前記支持部材１２と固定基板１６を陽極接合あるいは接着剤を介して接合する。
【００３０】
以上のようにして製造された本発明の一実施の形態における静電容量型加速度センサについて、次にその動作を説明する。
【００３１】
まず、可動電極１１と固定基板１６における第１のＸ軸方向固定電極１７、第２のＸ軸方向固定電極１８、第１のＹ軸方向固定電極１９、第２のＹ軸方向固定電極２０との間に、予め、第１のサーボ制御回路２３、第２のサーボ制御回路２４、第３のサーボ制御回路３１および第４のサーボ制御回路３４により電圧を印加することにより、図３に示すように、可動電極１１と固定基板１６とが略平行でかつ所定の間隙になるように、可動電極１１を固定基板１６に向かって変位させる。
【００３２】
そして、この状態において、静電容量型加速度センサに例えば、図５に示すように、右側にＸ軸方向の加速度が加わった場合、本発明の一実施の形態における静電容量型加速度センサにおいては、可動電極１１における第１のＸ軸方向固定電極１７の上方に位置する部分が下方に向かって変位するとともに、第２のＸ軸方向固定電極１８の上方に位置する部分が上方に向かって変位する。そうすると、可動電極１１と第１のＸ軸方向固定電極１７との間に発生する静電容量は増加するため、第１のＣ−Ｖ変換回路２１および第１の増幅器２２を介して第１のサーボ制御回路２３により第１のＸ軸方向固定電極１７に加わる電圧は低下する。一方、可動電極１１と第２のＸ軸方向固定電極１８との間に発生する静電容量は減少するため、第２のＣ−Ｖ変換回路２４および第２の増幅器２５を介して第２のサーボ制御回路２６により第２のＸ軸方向固定電極１８に加わる電圧は上昇する。その結果、可動電極１１と固定基板１６とは略平行でかつ所定の間隙になるものである。そして、第１のサーボ制御回路２３と第２のサーボ制御回路２６との間の電圧の差を第１の差動増幅器２７からＸ軸出力端子２８にＸ軸方向の加速度として出力するものである。
【００３３】
上記と同様にして、可動電極１１と第１のＹ軸方向固定電極１９および第２のＹ軸方向固定電極２０との間の静電容量も検出し、第３のサーボ制御回路３１と第４のサーボ制御回路３４との間の電圧の差を第２の差動増幅器３５からＹ軸出力端子３６にＹ軸方向の加速度として出力するものである。
【００３４】
すなわち、上記した固定基板１６における固定電極は、固定基板１６のＸ軸方向に連設する第１のＸ軸方向固定電極１７および第２のＸ軸方向固定電極１８と、Ｙ軸方向に連設する第１のＹ軸方向固定電極１９および第２のＹ軸方向固定電極２０とにより構成しているため、第１のＸ軸方向固定電極１７と第２のＸ軸方向固定電極１８との差動を検出することにより、Ｘ軸方向の加速度を検出することができるとともに、第１のＹ軸方向固定電極１９と第２のＹ軸方向固定電極２０との差動を検出することにより、Ｙ軸方向の加速度を検出することができるものである。
【００３５】
次に、図６に示すように、静電容量型加速度センサにＺ軸方向に加速度が加わり、可動電極１１が全体的に下側に向かって変位した場合、本発明の一実施の形態における静電容量型加速度センサにおいては、可動電極１１と第１のＸ軸方向固定電極１７、第２のＸ軸方向固定電極１８、第１のＹ軸方向固定電極１９および第２のＹ軸方向固定電極２０との間に発生する静電容量が増加する。そうすると、第１のＣ−Ｖ変換回路２１、第２のＣ−Ｖ変換回路２４、第３のＣ−Ｖ変換回路２９および第４のＣ−Ｖ変換回路３２からの出力電圧が増加し、そして第１の増幅器２２、第２の増幅器２５、第３の増幅器３０および第４の増幅器３３を介して第１のサーボ制御回路２３、第２のサーボ制御回路２６、第３のサーボ制御回路３１および第４のサーボ制御回路３４から出力される出力信号は減少し、これにより、可動電極１１は固定基板１６に略平行でかつ所定の間隙になるように調整される。そして、この状態において、第１のサーボ制御回路２３、第２のサーボ制御回路２６、第３のサーボ制御回路３１および第４のサーボ制御回路３４により、第１のＸ軸方向固定電極１７、第２のＸ軸方向固定電極１８、第１のＹ軸方向固定電極１９および第２のＹ軸方向固定電極２０に加えられる出力電圧を積分回路３７により足し合わせることにより、Ｚ軸出力端子３８から静電容量型加速度センサに加わるＺ軸方向の加速度を検出するものである。
【００３６】
すなわち、上記本発明の一実施の形態においては、第１のＸ軸方向固定電極１７、第２のＸ軸方向固定電極１８、第１のＹ軸方向固定電極１９および第２のＹ軸方向固定電極２０の全ての電極に第１のサーボ制御回路２３、第２のサーボ制御回路２６、第３のサーボ制御回路３１および第４のサーボ制御回路３４により加えられる電圧を積分する積分回路３７を設けているため、第１のＸ軸方向固定電極１７および第２のＸ軸方向固定電極１９によりＸ軸方向の加速度を検出し、かつ第１のＹ軸方向固定電極１９および第２のＹ軸方向固定電極２０によりＹ軸方向の加速度を検出し、さらに第１のＸ軸方向固定電極１７、第２のＸ軸方向固定電極１８、第１のＹ軸方向固定電極１９および第２のＹ軸方向固定電極２０の静電容量を検出して積分することにより、Ｚ軸方向の加速度を検出することができるものである。
【産業上の利用可能性】
【００３７】
本発明に係る静電容量型加速度センサは、可動電極を初期位置にサーボ制御することが可能となって、正確な加速度を検出することができるという効果を有するものであり、特に車両、ロボット等の移動体の姿勢制御や精密機器の振動計測等における加速度を検出するのに有用なものである。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】本発明の一実施の形態における静電容量型加速度センサの分解斜視図
【図２】同静電容量型加速度センサの斜視図
【図３】同静電容量型加速度センサの側断面図
【図４】同静電容量型加速度センサの回路図
【図５】同静電容量型加速度センサにＸ軸方向の加速度が加わった状態を示す側断面図
【図６】同静電容量型加速度センサにＺ軸方向の加速度が加わった状態を示す側断面図
【図７】従来の静電容量型加速度センサの一部を断面で示した回路図
【符号の説明】
【００３９】
１１  可動電極
１２  支持部材
１６  固定基板
１７，１８  Ｘ軸方向固定電極
１９，２０  Ｙ軸方向固定電極
２３，２６，３１，３４  サーボ制御回路
３７  積分回路
【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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