(57)【要約】【課題】  特に、高さ方向（Ｚ軸方向）への検出レンジを広げることができ、さらに安定したセンサ感度を得ることが可能な薄型の物理量センサを提供することを目的としている。【解決手段】  固定支持されるアンカ部と、高さ方向に変位する可動部２と、弾性変形可能な連結部を介して回動自在に連結された支持部３，４と、可動部２の変位を検知するための検知部３６とを有している。支持部には、可動部２が高さ方向に変位したときに可動部２の変位方向に対し逆方向に変位する脚部３ｂ，４ｂが設けられている。脚部３ｂ，４ｂが前記可動部と高さ方向にて対向する対向部３０の表面３０ａに当接した状態から撓んで、可動部２が対向部の表面から更に離れる方向に変位可能なように、脚部３ｂ，４ｂが弾性変形可能に形成されている。【選択図】図６
2012078121.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
固定支持されるアンカ部と、高さ方向に変位する可動部と、前記アンカ部と前記可動部とに弾性変形可能な連結部を介して回動自在に連結された支持部と、前記可動部の変位を検知するための検知部とを有しており、
前記支持部には、前記支持部が前記連結部の変形により回動して前記可動部が高さ方向に変位したときに前記可動部の変位方向に対し逆方向に変位する脚部が設けられており、
前記脚部が前記可動部と高さ方向にて対向する対向部の表面に当接した状態から撓んで、前記可動部が前記対向部の表面から更に離れる方向に変位可能なように、前記脚部が弾性変形可能に形成されていることを特徴とする物理量センサ。
【請求項２】
前記支持部には、前記アンカ部と前記可動部間を前記連結部を介して連結する第１連結腕と、前記アンカ部から前記第１連結腕とは逆方向に延びる前記脚部とが形成されており、前記支持部が回動したときに前記アンカ部と前記第１連結腕間の前記連結部を中心として前記第１連結腕と前記脚部とが逆方向に変位する請求項１記載の物理量センサ。
【請求項３】
前記脚部を備える前記支持部は複数設けられ、一方の前記支持部に設けられた前記第１連結腕と、他方の前記支持部に設けられた前記第１連結腕とは、前記アンカ部を介して逆方向に延びており、一方の前記第１支持部に設けられた前記脚部と他方の前記第１支持部に設けられた前記脚部とは前記アンカ部を介して逆方向に延びている請求項２記載の物理量センサ。
【請求項４】
前記支持部とは別に、前記アンカ部から前記第１連結腕に対して逆方向に延び、前記アンカ部と前記可動部間を前記連結部を介して連結する第２連結腕が設けられている請求項２又は３に記載の物理量センサ。
【請求項５】
前記第１連結腕及び前記第２連結腕の前記可動部との連結位置とは逆側に位置する後端部同士が前記連結部を介して連結されている請求項４記載の物理量センサ。
【請求項６】
前記アンカ部、前記支持部及び前記第２連結腕はいずれも前記可動部の内側に前記可動部と分離して設けられ、
前記アンカ部は、左右方向（Ｙ）に間隔を空けて配置された左側アンカ部と、右側アンカ部とを有して構成され、
前記支持部は、前記左側アンカ部に前記連結部を介して連結され、前記左側アンカ部よりも前方（Ｘ１）に前記第１連結腕が延び後方（Ｘ２）に前記脚部が延びる第１支持部と、前記右側アンカ部に前記連結部を介して連結され、前記右側アンカ部よりも後方（Ｘ２）に前記第１連結腕が延び前方（Ｘ１）に前記脚部が延びる第２支持部とを有して構成され、
前記第２連結腕は、前記左側アンカ部と前記可動部の間に位置し、前記第１支持部の前記第１連結腕とは逆方向に延びる左側第２連結腕と、前記右側アンカ部と前記可動部の間に位置し、前記第２支持部の前記第１連結腕とは逆方向に延びる右側第２連結腕とを有して構成される請求項４又は５に記載の物理量センサ。
【請求項７】
前記左側アンカ部と前記右側アンカ部の間には中央アンカ部が設けられ、前記第１支持部は前記中央アンカ部及び前記左側アンカ部の双方に前記連結部を介して連結され、前記第２支持部は前記中央アンカ部及び前記右側アンカ部の双方に前記連結部を介して連結されている請求項６記載の物理量センサ。
【請求項８】
前記中央アンカ部、前記左側アンカ部及び前記右側アンカ部は、前記左右方向（Ｙ）に延びる同一線上に配置されており、前記可動部と高さ方向で対向し、前記対向部が設けられた側と逆側に、各アンカ部を固定支持する固定部が設けられている請求項７記載の物理量センサ。
【請求項９】
前記脚部が前記可動部の変位方向に対して逆方向に変位したときに前記脚部が接近する前記対向部と前記可動部の間に、静電容量式の前記検知部が設けられる請求項１ないし８のいずれか１項に記載の物理量センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、シリコン基板から切り出すなどして形成された可動部の変位量を検知し、これにより、外部から作用する加速度などの物理量の測定を可能とした物理量センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、物理量センサは、シリコン基板をエッチング処理して、高さ方向に変位可能に支持された可動部を備える。かかる場合、下記の特許文献１等のように、高さ方向に変位する可動部は、可動部の周囲に位置する枠体に変形可能なビーム部を介して揺動自在に支持された構造である。しかしながら、可動部に強い物理量が作用したり、あるいは物理量が長時間、作用すると、ビーム部への負担が大きく、ビーム部が損傷等し、また物理量の作用が無くなっても元の静止状態に復元できなくなる等してセンサ感度が低下しやすく、またセンサ寿命を効果的に延ばすことが出来なかった。
【０００３】
一方、特許文献３に記載された発明には、ダイナミックレンジを広げることが可能な加速度センサが開示されている。
【０００４】
しかしながら特許文献３に記載された発明では、可動部（重り部）はＸ軸、Ｙ軸の水平方向に変位可能に支持された構成であり、可動部をＺ軸方向（高さ方向）に変位させようとすると例えば特許文献３の図１に示す加速度センサを９０度立てた状態に保持しなければならない。よって特許文献３の構成では薄型のＺ軸加速度センサを得ることができない。
【０００５】
また、特許文献３に記載された発明では、非常に大きな加速度が印加された場合には、可動部（重り部）がストッパ面に衝突することがあり、これにより質量の大きい可動部が損傷を受ける可能性がある。よってセンサ感度が不安定化しやすい問題があった。
【０００６】
更に特許文献３に記載された発明では、可動部（重り部）が加速度を受けて変位すると、特許文献３の図１に示す符号３２の突起が符号３０のストッパに衝突する。このとき前記突起が撓む等しないように高い剛性で形成することが必要になる。そして、さらに大きな加速度が印加されると、可動部を更に変位させるために、前記突起と接触した前記ストッパを撓ませなければならないが、一本の細長い前記ストッパだけで前記突起の付いた可動部を支える構造であるから、前記ストッパが疲弊して例えば元の状態に適切に復元しない等、センサ感度が不安定化しやすいと考えられる。
【０００７】
また特許文献４に記載された発明にも、広いダイナミックレンジを得るための半導体ピエゾセンサが開示されている。
【０００８】
しかしながら特許文献４に記載された発明では、複数の可動部（第１突起ストッパ部及び第２突起ストッパ部）を直接、対向面に接触させる構成であるため、可動部が損傷を受けやすく、センサ感度が不安定化しやすい問題があった。
【０００９】
また特許文献４の第３図、第４図を参照すると、まず符号２２の第１起歪部が変形して符号２３の第１突起ストッパ部が対向面に接触した後、更に符号２４の第２起歪部が変形して符号２７の第２突起ストッパ部が一段下がった対向面に接触している。
【００１０】
しかしながら特許文献４の構成では、非常に大きい加速度が印加された場合等には、前記第１起歪部と前記第２起歪部が同時に変形する可能性があり、かかる場合、第２突起ストッパ部が一段下がった対向面に接触するタイミングが、第１突起ストッパ部が対向面に接触するタイミングとさほど変わらなくなってしまい、安定してダイナミックレンジを広げることができないと考えられる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】特開２００５−２８３３９３号公報
【特許文献２】国際公開第２００５／０９９１２５号のパンフレット
【特許文献３】特開平５−３４０９５５号公報
【特許文献４】特開平３−１１２１６８号公報
【特許文献５】国際公開第２００８／０２６３３１号のパンフレット
【特許文献６】国際公開第２０１０／０２６８４３号のパンフレット
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
そこで本発明は、上記従来の課題を解決するものであり、特に、高さ方向（Ｚ軸方向）への検出レンジを広げることができ、さらに安定したセンサ感度を得ることが可能な薄型の物理量センサを提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明における物理量センサは、
固定支持されるアンカ部と、高さ方向に変位する可動部と、前記アンカ部と前記可動部とに弾性変形可能な連結部を介して回動自在に連結された支持部と、前記可動部の変位を検知するための検知部とを有しており、
前記支持部には、前記支持部が前記連結部の変形により回動して前記可動部が高さ方向に変位したときに前記可動部の変位方向に対し逆方向に変位する脚部が設けられており、
前記脚部が前記可動部と高さ方向にて対向する対向部の表面に当接した状態から撓んで、前記可動部が前記対向部の表面から更に離れる方向に変位可能なように、前記脚部が弾性変形可能に形成されていることを特徴とするものである。
【００１４】
本発明では可動部を高さ方向に平行移動させることができ、このとき可動部の変位方向と逆方向に脚部を突出させる構造とした。
【００１５】
可動部の変位は、最初は主に、可動部と支持部の間や、支持部とアンカ部間を連結する連結部の弾性変形によりもたらされる（第１の変位）。そして可動部が連結部の弾性変形により高さ方向に変位すると、可動部の変位方向とは逆方向に脚部が変位し、このとき前記脚部は、対向部の表面に当接する位置まで変位可能となっている（可動部における第１の変位の終わり）。可動部の第１の変位を検知部により検知することが出来る。
【００１６】
本発明では、脚部を弾性変形可能に形成した。このため、脚部が対向面の表面に当接した状態から、更に大きい物理量が可動部に印加されると、脚部が撓み、可動部を前記対向面の表面から更に離れる方向に変位させることができる（第２の変位）。可動部の第２の変位を検知部により検知することが出来る。
【００１７】
このように、本発明では、連結部の弾性変形による可動部の変位（第１の変位）のみならず、脚部が対向部の表面に接触した後、脚部の弾性変形をも利用して可動部を更に高さ方向に変位させることができ（第２の変位）、したがって可動部の可動範囲を広げることができ、物理量変化に対する検出レンジ（測定レンジ）を広げることが可能である。
【００１８】
本発明では、可動部を高さ方向に平行移動させることができるものであり、高精度なセンサ感度を得ることができ、また薄型化を実現できる。更に可動部が高さ方向に変位しても可動部を脚部で支える構造であるため、可動部の可動範囲を中に浮いた状態にて安定して制御でき、質量の大きい可動部に対する損傷を抑制でき、安定したセンサ感度を得ることが出来る。
【００１９】
また本発明では、複数の脚部で支える構造とすることで、強い物理量が作用した状態でも複数の脚部に応力を分散でき、長寿命を実現できる。
【００２０】
本発明では、前記支持部には、前記アンカ部と前記可動部間を前記連結部を介して連結する第１連結腕と、前記アンカ部から前記第１連結腕とは逆方向に延びる前記脚部とが形成されており、前記支持部が回動したときに前記アンカ部と前記第１連結腕間の前記連結部を中心として前記第１連結腕と前記脚部とが逆方向に変位することが好ましい。これにより、簡単な機構で、可動部を高さ方向に変位させるとともに、可動部の変位方向に対し逆方向に脚部を変位させることが出来る。
【００２１】
また本発明では、前記脚部を備える前記支持部は複数設けられ、一方の前記支持部に設けられた前記第１連結腕と、他方の前記支持部に設けられた前記第１連結腕とは、前記アンカ部を介して逆方向に延びており、一方の前記第１支持部に設けられた前記脚部と他方の前記第１支持部に設けられた前記脚部とは前記アンカ部を介して逆方向に延びていることが好ましい。このように複数の支持部を設け、可動部を一方の支持部と他方の支持部とでアンカ部を介して対向する位置にて支持し、また脚部をアンカ部を介して逆方向に延出させることで、可動部を高さ方向へ平行移動させやすく、高精度なセンサ感度を得やすい。
【００２２】
また本発明では、前記支持部とは別に、前記アンカ部から前記第１連結腕に対して逆方向に延び、前記アンカ部と前記可動部間を前記連結部を介して連結する第２連結腕が設けられていることが好ましい。これにより、可動部に対する支持機構がより安定した構造となり、可動部を高さ方向により効果的に平行移動させやすく、より高精度なセンサ感度を得ることができる。
【００２３】
また本発明では、前記第１連結腕及び前記第２連結腕の前記可動部との連結位置とは逆側に位置する後端部同士が前記連結部を介して連結されていることが好ましい。これにより、第１連結腕と第２連結腕とが回動したときに、第１連結腕と第２連結腕との後端部に高さ方向へのばらつきが生じにくくなり、より安定して可動部を高さ方向に平行移動させることが出来る。
【００２４】
また本発明では、前記アンカ部、前記支持部及び前記第２連結腕はいずれも前記可動部の内側に前記可動部と分離して設けられ、
前記アンカ部は、左右方向（Ｙ）に間隔を空けて配置された左側アンカ部と、右側アンカ部とを有して構成され、
前記支持部は、前記左側アンカ部に前記連結部を介して連結され、前記左側アンカ部よりも前方（Ｘ１）に前記第１連結腕が延び後方（Ｘ２）に前記脚部が延びる第１支持部と、前記右側アンカ部に前記連結部を介して連結され、前記右側アンカ部よりも後方（Ｘ２）に前記第１連結腕が延び前方（Ｘ１）に前記脚部が延びる第２支持部とを有して構成され、
前記第２連結腕は、前記左側アンカ部と前記可動部の間に位置し、前記第１支持部の前記第１連結腕とは逆方向に延びる左側第２連結腕と、前記右側アンカ部と前記可動部の間に位置し、前記第２支持部の前記第１連結腕とは逆方向に延びる右側第２連結腕とを有して構成されることが好ましい。
【００２５】
また本発明では、前記左側アンカ部と前記右側アンカ部の間には中央アンカ部が設けられ、前記第１支持部は前記中央アンカ部及び前記左側アンカ部の双方に前記連結部を介して連結され、前記第２支持部は前記中央アンカ部及び前記右側アンカ部の双方に前記連結部を介して連結されていることが好ましい。このとき、前記中央アンカ部、前記左側アンカ部及び前記右側アンカ部は、前記左右方向（Ｙ）に延びる同一線上に配置されており、前記可動部と高さ方向で対向し、前記対向部が設けられた側と逆側に、各アンカ部を固定支持する固定部が設けられていることが好ましい。
【００２６】
本発明では、上記したように、中央アンカ部、左側アンカ部及び右側アンカ部が、左右方向（Ｙ）に延びる同一線上に配置されていることで、前記固定部に熱による歪みや外力による歪みが生じたときでも、可動部が適正に中立位置を保ちやすくなる。
【００２７】
また本発明では、前記脚部が前記可動部の変位方向に対して逆方向に変位したときに前記脚部が接近する前記対向部と前記可動部の間に、静電容量式の前記検知部が設けられることが好ましい。これにより簡単な構造の検知部を実現できるとともに、安定したセンサ感度を得ることが出来る。
【発明の効果】
【００２８】
本発明の構成によれば、高さ方向（Ｚ軸方向）への検出レンジを広げることができ、さらに安定したセンサ感度を得ることが可能な薄型の物理量センサにできる。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本発明の第１実施形態における物理量センサの平面図、
【図２】第１実施の形態の物理量センサが静止している状態を示す斜視図、
【図３】第１実施の形態の物理量センサが動作している状態を示す斜視図、
【図４】第１実施の形態の物理量センサが動作している状態を示す斜視図、
【図５】（ａ）は、図２の物理量センサの側面図、（ｂ）は、図３の物理量センサの側面図、
【図６】（ａ）は、図４の物理量センサの側面図、（ｂ）は（ａ）の状態から脚部が撓んで可動部が更に上方に変位した状態を示す物理量センサの側面図、
【図７】図１に示す連結部付近を示す部分拡大斜視図、
【図８】図１に示す一部を拡大して示した部分拡大平面図、
【図９】本発明の第２実施形態における物理量センサの平面図、
【図１０】本発明のストッパ構造を示す図であり（ａ）は部分拡大平面図、（ｂ）は（ａ）のａ−ａ線の断面図であり、脚部がストッパ面に当接した状態を示す部分断面図、（ｃ）は、可動部がストッパ面に当接した状態を示す部分断面図、
【図１１】（ａ）は本実施形態における物理量センサ（脚部付き）の加速度と静電容量との関係を示すグラフ、（ｂ）は比較例における物理量センサ（脚部無し）の加速度と静電容量との関係を示すグラフ。
【発明を実施するための形態】
【００３０】
各図に示す物理量センサに関しては、Ｙ軸方向が左右方向であり、Ｙ１方向が左方向でＹ２方向が右方向、Ｘ軸方向が前後方向であり、Ｘ１方向が前方でＸ２方向が後方である。また、Ｙ方向とＸ方向の双方に直交する方向が高さ方向（Ｚ軸方向）である。
【００３１】
図１に示す物理量センサ１は、例えば、長方形の平板であるシリコン基板から形成されている。すなわち、シリコン基板に、各部材の形状に対応する平面形状のレジスト層を形成し、レジスト層が存在していない部分で、シリコン基板をディープＲＩＥ（ディープ・リアクティブ・イオン・エッチング）などのエッチング工程で切断することで、各部材を分離している。したがって、物理量センサ１を構成する各部材は、シリコン基板の表面と裏面の厚みの範囲内で構成されている。図２に示すように、物理量センサが静止状態のときに、表面全体と裏面全体が夫々、同一面上に位置しており、表面及び裏面から突出する部分がない。
【００３２】
物理量センサ１は微小であり、例えば長方形の長辺１ａ，１ｂの長さ寸法は１ｍｍ以下であり、短辺１ｃ，１ｄの長さ寸法は０．８ｍｍ以下である。さらに、厚み寸法は０．１ｍｍ以下である。
【００３３】
図１と図２に示すように、物理量センサ１は、長方形の長辺１ａ，１ｂおよび短辺１ｃ，１ｄで囲まれた外枠部分が可動部２である。長辺１ａ，１ｂの延びる方向が前後方向であり、短辺１ｃ，１ｄの延びる方向が左右方向である。
【００３４】
図１，図２に示すように可動部２の内側には、２本の支持部３，４が設けられている。支持部３，４の平面形状はクランク状で形成されている。
【００３５】
図１に示すように第１支持部３は、前方（Ｘ１）に延びる第１連結腕３ａと、後方（Ｘ２）に延びる脚部３ｂとが一体に形成されている。なお、ここで、第１連結腕３ａは、中央アンカ部５及び左側アンカ部６との連結位置である連結部１２ａ，１２ｂから前方（Ｘ１）に位置する側であり、脚部３ｂは、前記連結部１２ａ，１２ｂから後方（Ｘ２）に位置する側と規定する。
【００３６】
また図１に示すように第２支持部４は、後方（Ｘ２）に延びる第１連結腕４ａと、前方（Ｘ１）に延びる脚部４ｂとが一体に形成されている。なお、ここで、第１連結腕４ａは、中央アンカ部５及び右側アンカ部７との連結位置である連結部１３ａ，１３ｂから後方（Ｘ２）に位置する側であり、脚部４ｂは、前記連結部１３ａ，１３ｂから前方（Ｘ１）に位置する側と規定する。
【００３７】
第１連結腕３ａ，４ａ及び脚部３ｂ，４ｂは各アンカ部５〜７から離れる方向であって、前後方向（Ｘ１−Ｘ２方向）に平行に所定の幅寸法にて延出する形状で形成されている。例えば、図１に示すように、各支持部３，４の第１連結腕３ａ，４ａ及び脚部３ｂ，４ｂの幅寸法（Ｙ１−Ｙ２方向への寸法）はほぼ同じとされている。
【００３８】
本実施形態では、脚部３ｂ，４ｂの幅は、後述する図６（ａ）の状態から図６（ｂ）に示すように脚部３ｂ，４ｂが弾性変形可能なように形成されている。
【００３９】
図１に示すように第１支持部３と第２支持部４は、点対称で形成されている。よって各アンカ部５〜７から見て、第１支持部３の第１連結腕３ａと第２支持部４の第１連結腕４ａの延出方向、及び第１支持部３の脚部３ｂと第２支持部４の脚部４ｂの延出方向がそれぞれ逆になっている。
【００４０】
図１に示すように、可動部２の内側には、中央アンカ部５、左側アンカ部６及び右側アンカ部７が設けられている。図１に示すように物理量センサ１の短辺１ｃと短辺１ｄとの中点において左右方向（Ｙ）に延びる線を横中心線Ｏｘとしたときに、中央アンカ部５、左側アンカ部６及び右側アンカ部７の夫々を前後方向に二分する中点が、前記横中心線Ｏｘ上に位置している。また中央アンカ部５、左側アンカ部６及び右側アンカ部７の前後方向（Ｘ）の幅寸法は略同一である。
【００４１】
例えば各アンカ部５〜７は図５（ａ）に示す固定部（支持基板）１０に固定支持される。この固定部１０は例えばシリコン基板であり、各アンカ部５〜７と固定部１０との間には図示しない酸化絶縁層（ＳｉＯ2層）が介在している。固定部１０、酸化絶縁層、及び図１に示す可動部２、支持部３，４及びアンカ部５〜７等を構成するシリコン基板は、例えばＳＯＩ基板である。図５（ａ）に示す静止状態において可動部２と固定部１０との間の間隔Ｔ１は、１〜５μｍ程度である。なお図５（ａ）においては、可動部２の厚みに対する間隔Ｔ１，Ｔ２を実際のスケールとは変えて図示している。
【００４２】
図１、図２に示すように、可動部２と、各支持部３，４及び各アンカ部５〜７は夫々分離して形成されている。このうち、各アンカ部５〜７と固定部１０との間には上記した酸化絶縁層が介在し、各アンカ部５〜７が固定部１０に固定支持された状態になっているが、可動部２及び各支持部３，４と、固定部１０との間には酸化絶縁層は存在せず、可動部２及び各支持部３，４と固定部１０との間は空間となっている（図５（ａ）参照）。
【００４３】
図１に示すように、第１支持部３の第１連結腕３ａの先端部と可動部２とが連結部１１ａにおいて回動自在に連結されており、第２支持部４の第１連結腕４ａの先端部と可動部２とが連結部１１ｂにおいて回動自在に連結されている。
【００４４】
また図１に示すように、第１支持部３の第１連結腕３ａは左側アンカ部６との近接位置で二股に分かれ、左側アンカ部６と中央アンカ部５との間に位置する部分と中央アンカ部５及び左側アンカ部６とが連結部１２ａ，１２ｂにおいて回動自在に連結されている。また図１に示すように、第２支持部４の第１連結腕４ａは、右側アンカ部７との近接位置で二股に分かれ、右側アンカ部７と中央アンカ部５との間に位置する部分と中央アンカ部５及び右側アンカ部７とが連結部１３ａ，１３ｂにおいて回動自在に連結されている。
【００４５】
また図１に示す実施形態では、左側アンカ部６の後方（Ｘ２）に、可動部２及び左側アンカ部６と分離して形成された左側第２連結腕１４が設けられ、右側アンカ部７の前方（Ｘ１）に、可動部２及び右側アンカ部７と分離して形成された右側第２連結腕１５が設けられている。左側第２連結腕１４及び右側第２連結腕１５は共に可動部２の内側に形成される。左側第２連結腕１４と右側第２連結腕１５は点対称で形成される。また、左側第２連結腕１４及び右側第２連結腕１５は、左側アンカ部６や右側アンカ部７から離れる方向であって、前後方向（Ｘ１−Ｘ２方向）に平行に所定幅にて延出して形成されている。左側第２連結腕１４及び右側第２連結腕１５の幅寸法（Ｙ１−Ｙ２方向への寸法）は、第１連結腕３ａ，４ａの幅寸法と同じであることが好ましい。
【００４６】
そして、図１に示すように左側第２連結腕１４の先端部と可動部２とは、連結部１６ａにおいて、回動自在に連結されている。また、右側第２連結腕１５の先端部と可動部２とは、連結部１６ｂにおいて、回動自在に連結されている。また図１に示すように、左側第２連結腕１４と左側アンカ部６とは、連結部１７ａにおいて、回動自在に連結されている。また右側第２連結腕１５と右側アンカ部７とは、連結部１７ｂにおいて、回動自在に連結されている。
【００４７】
図１に示すように、第１支持部３の第１連結腕３ａ及び左側第２連結腕１４はともに、左側アンカ部６よりも左側（Ｙ１）の位置にて延出する後端部３ｃ，１４ａを備えており、第１連結腕３ａの後端部３ｃと、左側第２連結腕１４の後端部１４ａとが所定の間隔を空けて対向配置されている。そして、第１連結腕３ａの後端部３ｃと左側第２連結腕１４の後端部１４ａとの間が連結部１８ａを介して連結されている。また図１に示すように、第２支持部４の第１連結腕４ａ及び右側第２連結腕１５はともに、右側アンカ部７よりも右側（Ｙ２）の位置にて延出する後端部４ｃ，１５ａを備えており、第１連結腕４ａの後端部４ｃと、右側第２連結腕１５の後端部１５ａとが所定の間隔を空けて対向配置されている。そして、第１連結腕４ａの後端部４ｃと右側第２連結腕１５の後端部１５ａとの間が連結部１８ｂを介して連結されている。
【００４８】
ここで、第１支持部３の第１連結腕３ａの先端部から後端部３ｃまでのＸ１−Ｘ２方向への長さ寸法、第２支持部４の第１連結腕４ａの先端部から後端部４ｃまでのＸ１−Ｘ２方向への長さ寸法、左側第２連結腕１４の先端部から後端部１４ａまでのＸ１−Ｘ２方向への長さ寸法、及び、右側第２連結腕１５の先端部から後端部１５ａまでのＸ１−Ｘ２方向への長さ寸法は、それぞれ同一寸法に調整されている。
【００４９】
図７は図１に示す連結部１６ｂ付近を拡大して示した部分拡大斜視図である。
図７に示すように、連結部１６ｂでは、可動部２に溝１９が形成されており、この溝１９の内部において、右側第２連結腕１５と、可動部２とを繋ぐ弾性変形可能なトーションバー（ばね部）２０ａが設けられている。このトーションバー２０ａは、可動部２および右側第２連結腕１５と同様にシリコンで形成されている。すなわち、長方形のシリコン基板をエッチングして、可動部２や右側第２連結腕１５を分離する際に、可動部２と右側第２連結腕１５とを連結するようにシリコン基板の一部を残しシリコンを角柱状に加工して、トーションバー２０ａが形成されている。すなわちトーションバー２０ａとなる部分のシリコン基板をエッチングにて幅細に切り出すことで、ばね性を持たせることが出来る。
【００５０】
図７に示す構造は、図１に示す各連結部１１ａ，１１ｂ，１６ａにおいても同様である。
【００５１】
また図８は、中央アンカ部５と右側アンカ部７、及びその周囲部を拡大して示した部分拡大平面図である。
【００５２】
図８に示すように、各連結部１２ａ，１３ａ，１３ｂ，１７ｂにおいても溝内に弾性変形可能なトーションバー２０ｂ〜２０ｅが設けられて各アンカ部５，７と第１連結腕３ａ，４ａ及び右側第２連結腕１５がトーションバー２０ｂ〜２０ｅを介して連結されている。また図示しなかった左側アンカ部６と第１連結腕３ａ及び左側第２連結腕１４との連結部１２ｂ，１７ａにおいても図７と同様の構造で形成されている。
【００５３】
図８に示すように、右側第２連結腕１５の後端部１５ａと第２支持部４の第１連結腕４ａの後端部４ｃ間に位置する連結部１８ｂには溝２１内に折り曲げ形成されたばね部２２が設けられ、ばね部２２の一方の端部が右側第２連結腕１５の後端部１５ａに、ばね部２２の他方の端部が第２支持部４の第１連結腕４ａの後端部４ｃに接続されている。ばね部２２が前後方向（Ｘ）に平行に伸びず迂回しているのは、幅細のばね部２２の長さ寸法を稼いでばね定数を小さくし、第１連結腕３ａ、４ａと第２連結腕間１４、１５を強固に結合しないためである。また、連結部１８ａ，１８ｂに設けられたばね部は、左右方向（Ｙ）において同軸上に設けられる。また、連結部１８ａに設けられたばね部と、連結部１８ｂに設けられたばね部とは点対称で形成される。
【００５４】
トーションバー２０ａ〜２０ｅ及びばね部２２が捻り変形することで、各連結腕を可動部２及び各アンカ部５〜７に対して回動させることが出来る。また、トーションバー２０ａ〜２０ｅ及びばね部２２を形成しているシリコンが弾性材料であるため、可動部２などに外力が作用していないときは、図１および図２に示すように、トーションバー２０ａ〜２０ｅ及びばね部２２の弾性復元力により、可動部２の表面と各連結腕及び各脚部の表面とが同一面となるように復元する。
【００５５】
図５（ａ）に示すように、物理量センサ１には、可動部２と高さ方向にて離れた一方に固定部１０と他方に対向部３０が設けられる。図５（ａ）の静止状態において、可動部２と対向部３０との間の間隔Ｔ２は、１〜５μｍ程度である。
【００５６】
また図５（ａ）には図示しないが、対向部３０の表面３０ａには、固定電極が設けられている。対向部３０は例えばシリコン基板であり、固定電極は、対向部３０の表面３０ａに絶縁層を介して導電性金属材料をスパッタしまたはメッキすることで形成されている。
【００５７】
また、可動部２の表面（下面）２ａには、対向部３０に形成された固定電極に対面する可動電極（図示しない）が絶縁層を介してスパッタやメッキ工程で形成されている。あるいは、可動部２が、低抵抗シリコン基板などの導電性材料で形成されている場合には、可動部２それ自体を可動電極として使用することも可能である。
【００５８】
この物理量センサ１は、外部から力（加速度等）が作用していないときに、それぞれの連結部に設けられたトーションバーやばね部の弾性復元力により、図２、図５（ａ）に示すように、全ての部分の表面が同一平面となった状態を維持している。
【００５９】
物理量センサ１に外部から例えば加速度が与えられると、加速度は、可動部２及び各アンカ部５〜７に作用する。このとき、可動部２は慣性力によって絶対空間内で留まろうとし、その結果、各アンカ部５〜７に対して可動部２が加速度の作用方向と逆の方向へ相対的に移動する。
【００６０】
図３及び図５（ｂ）は、アンカ部５〜７、固定部１０及び対向部３０に対して下向きの加速度が作用したときの動作を示している。このとき、可動部２は慣性力により図２及び図５（ａ）の静止状態の位置から上方向へ向けて変位すべく、第１支持部３が連結部１２ａ、１２ｂを中心に高さ方向に回動し、第２支持部４が連結部１３ａ，１３ｂを中心として高さ方向に回動し、左側第２連結腕１４が連結部１７ａを中心として高さ方向に回動し、右側第２連結腕１５が連結部１７ｂを中心として高さ方向に回動する。この回動動作時、各連結部１１ａ，１１ｂ，１２ａ，１２ｂ，１３ａ，１３ｂ，１６ａ，１６ｂ，１７ａ，１７ｂに設けられたトーションバーは捩れ変形（弾性変形）する。さらに、図１、図３、図５（ｂ）に示すように、左側第２連結腕１４の後端部１４ａと第１支持部３の第１連結腕３ａの後端部３ｃとの間がばね部（連結部１８ａ）により連結され、右側第２連結腕１５の後端部１５ａと第２支持部４の第１連結腕４ａの後端部４ｃとの間がばね部（連結部１８ｂ）により連結されている。よって、図３、図５（ｂ）に示すように可動部２が高さ方向へ変位したときに、ばね部の弾性変形により、各第２連結腕１４，１５の後端部１４ａ，１５ａと第１連結腕３ａ，４ａの後端部３ｃ，４ｃの高さ位置がばらつくのを抑制できる。
【００６１】
本実施形態の可動部２の支持機構により可動部２を高さ方向に効果的に平行移動させることが出来る。
【００６２】
本実施形態では、図３及び図５（ｂ）に示すように、第１支持部３が連結部１２ａ，１２ｂを中心として高さ方向に回動し、第２支持部４が連結部１３ａ，１３ｂを中心として高さ方向に回動したときに、第１連結腕３ａ，４ａの先端部は上方に向けて変位し、一方、脚部３ｂ，４ｂの先端部は下方に変位する。図３、図５（ｂ）に示すように、脚部３ｂ，４ｂの先端部３１，３２がアンカ部５〜７の位置よりも下方に向けて突出する。
【００６３】
さらに加速度が加わって可動部２が上方へ変位すると、第１支持部３及び第２支持部４の更なる回動動作により、脚部３ｂ，４ｂの先端部３１，３２のアンカ部５〜７からの突出量がさらに大きくなる（図４、図６（ａ）参照）。このとき可動部２が固定部１０の表面１０ａに当接するよりも先に、図６（ａ）に示すように脚部３ｂ，４ｂの先端部３１，３２が対向部３０の表面３０ａに当接する。すなわち、可動部２は固定部１０の表面１０ａに当接しない。
【００６４】
このように本実施形態では、図５（ａ）の状態から図６（ａ）の状態に示すように、可動部２と各支持部３，４、及び各支持部３，４と各アンカ部５〜７間を連結する各連結部での弾性変形により、可動部２が高さ方向（Ｚ軸方向）に変位すると、脚部３ｂ，４ｂは、可動部２の変位とは逆方向に変位し（第１の変位）、作用する加速度が大きくなることで、脚部３ｂ，４ｂの下方向への突出量が大きくなり、やがて脚部３ｂ，４ｂが対向部３０の表面３０ａに当接した状態になる（第１の変位の終わり）。可動部２の第１の変位は、可動部２と対向部３０の表面３０ａに設けられた固定電極とからなる検知部３６（図５（ａ）〜図６（ａ）参照）での静電容量変化に基づいて、検知することが出来る。
【００６５】
図１１（ａ）は本実施形態における物理量センサ１を用いて高さ方向（Ｚ軸方向）に加速度を作用させたときの加速度と検知部３６にて検出された静電容量との関係を示すグラフである。図１１（ｂ）は、比較例における物理量センサを用いて高さ方向（Ｚ軸方向）に加速度を作用させたときの加速度と検知部にて検出された静電容量との関係を示すグラフである。
【００６６】
ここで、図１１（ａ）、図１１（ｂ）の加速度に対する静電容量変化は一例である。また比較例は、本実施形態と異なって脚部３ｂ，４ｂのない構成（例えば特許文献１に示すような構成のもの）である。
【００６７】
図１１（ａ）に示すように、本実施形態では、加速度が徐々に大きくなると、図５（ａ）〜図６（ａ）に示すように可動部２が徐々に固定電極が設けられた対向部３０の表面３０ａから離れていき、静電容量が徐々に小さくなっていく。図１１（ｂ）に示すように、比較例においても、ここまでは、加速度に対する静電容量変化が図１１（ａ）の本実施形態と同じ挙動を示している。すなわち、本実施形態においては低下速度範囲では高精度でセンサ感度が高いため、この加速度範囲での加速度検知に必要な性能を有している。
【００６８】
しかしながら、比較例の場合、可動部２が一旦、図示しないストッパ面に当接した状態になるとそれ以上、加速度が増加しても可動部２は高さ方向に変位できないため、図１１（ｂ）に示すように脚部３ｂ，４ｂのない比較例では、静電容量変化をもたらす加速度の範囲が非常に狭い、すなわち検出レンジ（測定レンジ）が非常に狭くなっている。
【００６９】
これに対して、本実施形態では、図６（ａ）に示すように脚部３ｂ，４ｂが、対向部３０の表面３０ａに当接した状態から、更に大きい下向きの加速度が印加されると、可動部２が図示上方に持ち上がろうとするために支持部３，４が更に回動しようとする。このとき、各連結部での弾性変形のみならず、弾性変形可能に形成された脚部３ｂ，４ｂも図６（ｂ）に示すように撓むことで、支持部３，４が回動し、可動部２を図６（ａ）の高さ位置（図６（ｂ）の点線に示す位置）から更に上方に変位させることが可能になる（第２の変位）。そして本実施形態では、可動部２の第２の変位を、検知部３６での静電容量変化に基づいて、検知することが出来る。
【００７０】
このように本実施形態では、可動部２の高さ方向への変位を第１の変位のみならず、脚部３ｂ，４ｂが対向部３０の表面３０ａに接触した後、脚部３ｂ，４ｂの弾性変形も利用して可動部２を更に変位させることができ（第２の変位）、したがって可動部２の高さ方向への可動範囲を広げることができ、図１１（ａ）に示すように比較例に比べて、加速度の検出レンジ（測定レンジ）を広げることが出来る。
【００７１】
本実施形態では、静電容量変化を検出する制御部（図示しない）には、静電容量変化を受けて、加速度を算出する算出部を備えており、例えば図１１（ｂ）に示すように、静電容量変化に基づいて、例えば、第１の加速度範囲Ａと、第２の加速度範囲Ｂとを得ることが出来る。加速度の小さい第１の加速度範囲Ａは、図５（ｂ）、図６（ａ）に示すように、可動部２が上方に変位しながら脚部３ｂ，４ｂが下方に移動する可動範囲内での静電容量変化で得ることができ、一方、加速度の大きい第２の加速度範囲Ｂは、図６（ｂ）に示すように、弾性変形脚部３ｂ，４ｂが撓みながら可動部２が上方に変位する可動範囲内での静電容量変化で得ることが出来る。
【００７２】
また本実施形態では、図２〜図４、図５、図６に示すように可動部２を高さ方向（Ｚ）に平行移動させることができるものであり、高精度なセンサ感度を得ることができ、また薄型化を実現できる。
【００７３】
更に本実施形態では、図６（ａ）（ｂ）に示すように可動部２が高さ方向（Ｚ）に変位したときに可動部２を脚部３ｂ，４ｂで支える構造となっている。よって可動部２を対向部３０と固定部１０の間の空間に浮いた状態で留めることができ、質量の大きい可動部２に対する損傷を抑制することができ、安定したセンサ感度を得ることが出来る。
【００７４】
また図６（ａ）（ｂ）に示すように、本実施形態では、複数の脚部３ｂ，４ｂで可動部２を支える構造であるために、大きい加速度が印加された状態でも、複数の脚部３ｂ，４ｂに応力を分散でき、各脚部３ｂ，４ｂの損傷を抑制でき、長寿命を実現できる。
【００７５】
なお図１１（ａ）に示す静電容量変化のグラフの傾きや検出可能な加速度範囲（検出レンジ）は一例であり、脚部３ｂ，４ｂの幅や各連結部の弾性力、可動部２と対向部３０間の間隔Ｔ２等を変更することで、調整できる。
【００７６】
図１に示す実施形態では、中央アンカ部５と、左側アンカ部６と、右側アンカ部７とが設けられている。そして、各アンカ部５〜７の中心が左右方向（Ｙ）に延びる横中心線Ｏｘ上に配置されている。このため各連結部１２ａ，１２ｂ，１３ａ，１３ｂ，１７ａ，１７ｂが横中心線Ｏｘから前後方向に大きく離れていない。これにより、例えば、各アンカ部５〜７を固定支持する固定部１０に熱による歪みや外力による歪みが生じたときでも、各連結部１２ａ，１２ｂ，１３ａ，１３ｂ，１７ａ，１７ｂが上下に大きく動くのを抑えることが出来る。そのため、可動部２に加速度等が作用していない中立姿勢から上下方向にずれるのを抑制でき、オフセットノイズ（前記中立姿勢からのずれに基づく出力）を低減することが出来る。
【００７７】
また図９に示すようにアンカ部を、左側アンカ部６と右側アンカ部７だけにし、中央アンカ部５を省略してもよい。図９では図１と同じ部分に同じ符号を付している。
【００７８】
図１０には、本実施形態におけるストッパ機構を示す。図１０（ａ）は例えば脚部４ｂ付近を拡大して示した部分拡大平面図である。図１０（ｂ），（ｃ）は、図１０（ａ）をａ−ａ線に沿って切断し矢印方向から見た部分拡大断面図である。なお以下では、脚部４ｂのみについて説明するが、脚部３ｂ付近についても同様のストッパ機構が設けられている。
【００７９】
図１０（ａ）（ｂ）に示すように、対向部３０の表面３０ａには、一定領域に盛り上がる高さ調整用の基台４０の表面から突出する２つの突起部４１，４２が設けられる。そして各突起部４１，４２の表面４１ａ，４２ａがストッパ面（以下、ストッパ面４１ａ，４２ａと称する）となっている。
【００８０】
図１０（ａ）に示すようにストッパ面４１ａ，４２ａの幅寸法は、脚部４ｂの幅寸法よりも十分に小さく形成されている。図１０（ａ）ではストッパ面４１ａは略円形状であるが、ストッパ面４１ａの平面形状は特に限定されるものでない。ストッパ面４１ａの「幅寸法」とは、左右方向（Ｙ１−Ｙ２）に沿う脚部４ｂの幅寸法と同方向の寸法である。前記ストッパ面４１ａが図１０のように円形であれば直径を指す。前記ストッパ面４１ａの幅寸法は、数μｍ程度で形成できる。
【００８１】
基台４０及び突起部４１，４２の形成方法は限定されない。例えばエッチングにて対向部３０の表面３０ａを掘り込んで形成することができる。
【００８２】
図１０（ａ）及び図１０（ｂ）に示すように、２つあるストッパ面４１ａ，４２ａのうち一方のストッパ面４１ａは、脚部４ｂに対し、先端面３２ｂと下面（対向部３０との対向面）３２ｃとが交わる角部３２ａよりも内側に対向して形成されている。
【００８３】
このため図１０（ｂ）に示すように、脚部４ｂが下方向へ変位し、脚部４ｂがストッパ面４１ａに当接したとき、脚部４ｂの下面（対向部３０との対向面）３２ｃは、角部３２ａよりも内側の位置で前記ストッパ面４１ａに当接する。
【００８４】
図１０（ｃ）は、可動部２が、もう一方の突起部４２のストッパ面４２ａに当接する場合（可動部２が下方に変位し、脚部３ｂ，４ｂが上方に変位する）を示しているが、図１０（ｃ）においても、適切に可動部２とストッパ面４２ａとの接触面積を小さくすることが可能である。
【００８５】
図１０に示す突起状のストッパを対向部３０の表面３０ａではなく、あるいは対向部３０の表面３０ａとともに、脚部３ｂ，４ｂの下面３２ｃや可動部２の下面に設けることも出来る。
【００８６】
図１０に示す突起状のストッパを形成するかは任意であるが、突起状のストッパを設けることで、効果的に耐スティッキング性を向上させることが可能である。
【００８７】
本実施形態における検知部３６は静電容量式であったが、検知部の構成は静電容量式に限定するものではない。例えば、検知部はピエゾ抵抗式とすることが出来る。かかる場合、ピエゾ素子を少なくともいずれか一方の脚部３ｂ，４ｂの先端付近や、各連結部１１ａ，１１ｂ，１２ａ，１２ｂ，１３ａ，１３ｂ，１６ａ，１６ｂ，１７ａ，１７ｂ，１８ａ，１８ｂの少なくとも一つに設ける。ただし静電容量式としたことで簡単で且つ高精度な検知部の構成を実現できる。
【００８８】
本実施形態は加速度センサのみならず角速度センサ、衝撃センサ等、物理量センサ全般に適用可能である。
【符号の説明】
【００８９】
１  物理量センサ
２  可動部
３，４  支持部
３ａ，４ａ  第１連結腕
３ｂ，４ｂ  脚部
５  中央アンカ部
６  左側アンカ部
７  右側アンカ部
１０  固定部
１１ａ，１１ｂ，１２ａ，１２ｂ，１３ａ，１３ｂ，１６ａ，１６ｂ，１７ａ，１７ｂ，１８ａ，１８ｂ  連結部
１４、１５  第２連結腕
２０ａ〜２０ｅ  トーションバー（ばね部）
２２  ばね部
３０  対向部
３０ａ  対向部の表面
３１，３２  脚部の先端部
３６  検知部
４１  ４２  突起部
４１ａ、４２ａ  ストッパ面
【図１】
2012078121.tif 000003
【図２】
2012078121.tif 000004
【図３】
2012078121.tif 000005
【図４】
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【図５】
2012078121.tif 000007
【図６】
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【図７】
2012078121.tif 000009
【図８】
2012078121.tif 000010
【図９】
2012078121.tif 000011
【図１０】
2012078121.tif 000012
【図１１】
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