(57)【要約】【課題】従来に比べて高精度での製作及び組み立てが不要である加速度センサを提供する。【解決手段】基板１と、変位可能に基板に支持され可動電極１２を有する変位部材３，７と、可動電極との間に静電力を発生させる第１固定電極１１とを備えた加速度センサであって、上記第１固定電極は、基板の厚み方向に直交する方向において可動電極に対向して基板に支持され、加速度の作用により可動電極に対向する面積が変化する。【選択図】図１
2012163507.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、
上記基板の厚み方向に変位可能に基板に支持され、可動電極を有する変位部材と、
上記可動電極との間に静電力を発生させて上記変位部材の変位を制御する第１固定電極と、
を備た加速度センサであって、
上記第１固定電極は、基板の厚み方向に直交する方向において可動電極に対向して基板に支持され、加速度の作用により可動電極に対向する面積が変化する、
ことを特徴とする加速度センサ。
【請求項２】
基板の厚み方向において上記変位部材に対向して基板に配置され、変位部材との間に静電力を発生させて変位部材の変位を制御する第２固定電極をさらに備えた、請求項１記載の加速度センサ。
【請求項３】
上記第１固定電極は、基板の厚み方向において上記可動電極に対して反基板側に配置される、請求項１又は２に記載の加速度センサ。
【請求項４】
上記第１固定電極は、基板の厚み方向において上記可動電極に対して基板側に配置される、請求項１又は２に記載の加速度センサ。
【請求項５】
上記変位部材は、変位可能に当該変位部材を基板に支持する支持構造を有する、請求項１から４のいずれか１項に記載の加速度センサ。
【請求項６】
上記変位部材は、
上記直交方向に沿って延在し、ねじれ軸線を中心としてねじれ、かつ基板に支持されるねじれ梁と、
上記ねじれ軸線を中心として回転可能であり、上記ねじれ梁に支持される検出フレームと、
上記直交方向に沿って延在し、上記ねじれ軸線とは異なる位置で上記検出フレームに支持されるリンク梁と、
リンク梁に支持され、加速度の作用により基板の厚み方向に変位可能な慣性質量体と、を有する、請求項１から４のいずれか１項に記載の加速度センサ。
【請求項７】
基板の厚み方向において上記変位部材に対向して基板に配置され、変位部材との間に静電容量を形成して変位部材の変位を検出する検出電極をさらに備えた、請求項１から６のいずれか１項に記載の加速度センサ。
【請求項８】
上記検出電極は、同方向の加速度に対して、静電容量が増加する第１検出電極と、静電容量が減少する第２検出電極とを有する、請求項７記載の加速度センサ。
【請求項９】
基板の厚み方向において上記変位部材に対向して基板に配置され、変位部材との間に静電力を発生させて変位部材の変位を制御する第２固定電極をさらに備え、
第１検出電極及び第２検出電極は、加速度が作用せずかつ第２固定電極への電圧印加が無い状態において互いに異なる静電容量を有する、請求項８記載の加速度センサ。
【請求項１０】
基板の厚み方向において上記変位部材に対向して基板に配置され、変位部材との間に静電力を発生させて変位部材の変位を制御する第２固定電極と、
第２固定電極へ一定電圧を印加した状態での第１検出電極及び第２検出電極の各静電容量の差に相当する容量を有する固定容量と、をさらに備えた、請求項８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、詳しくは静電容量型の加速度センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、加速度が作用した際のセンサ内電極間における静電容量変化を検出することで、作用した加速度を求める加速度センサが知られている。この静電容量型の加速度センサにおいて、加速度作用時に電極間距離を一定にするように制御する電圧、電流等の物理量によって加速度を検出する、いわゆるサーボ方式を適用した加速度センサが提案されている。このようなサーボ方式では、電極の変位が一定になるように物理量を制御しているため、検出動作の際、センサ内の機械的形状の変化が小さく、一般に、変位に伴う信号変化の影響を小さく抑えやすい。その結果、例えば出力線形性の向上や、信号のダイナミックレンジ（検出可能な印加加速度の最小分解能に対する検出可能な最大印加加速度の比）の拡大が可能となる。また、上述のように機械的形状の変化が小さいため、壊れにくく信頼性を高めることができるという効果もある。
【０００３】
例えば特開平５−２６９０２号公報（特許文献１）には、基板に対して垂直方向の加速度を検出する、サーボ方式を適用した加速度センサが提案されている。特許文献１では、対向して配置された２つの固定電極の間に、加速度に応答して変位する可動電極を配置している。そして、加速度作用時に可動電極の変位が零になるように、固定電極と可動電極との間にパルス状に電圧を印加して静電引力を発生させ、この静電引力により可動電極の変位を一定に制御している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平５−２６９０２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１の加速度センサでは、シリコンのビームで支持された可動電極は、対向する２つのガラス基板上にそれぞれ作製された２つの固定電極で挟まれて配置されている。静電容量は、可動電極と固定電極との間のギャップに依存する。
【０００６】
このように従来の加速度センサでは、可動電極と固定電極とは異なる部材にて構成されている。さらに、印加加速度（作用する加速度）が零の状態において、可動電極と各固定電極との間の２つのギャップに形成される各静電容量を等しくするためには、２つのギャップ間隔が同じになるように、可動電極と２つの固定電極とを高い精度で製作し、かつ組み立てる必要があるという問題点がある。
【０００７】
本発明は、このような課題に鑑みてなされたものであり、従来に比べて高精度での製作及び組み立てが不要である加速度センサを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するため、本発明は以下のように構成する。
即ち、本発明の一態様における加速度センサは、基板と、上記基板の厚み方向に変位可能に基板に支持され、可動電極を有する変位部材と、上記可動電極との間に静電力を発生させて上記変位部材の変位を制御する第１固定電極と、を備えた加速度センサであって、上記第１固定電極は、基板の厚み方向に直交する方向において可動電極に対向して基板に支持され、加速度の作用により可動電極に対向する面積が変化することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明の一態様における加速度センサによれば、基板の厚み方向に変位可能に基板に支持される可動電極に対して、第１固定電極を、基板の厚み方向に直交する方向において対向して配置するように構成したことから、従来のような可動電極を挟んだ上下に電極等の部材を機械的に貼り合わせるプロセスは必要なくなる。したがって、当該加速度センサは、いわゆる半導体微細加工技術、つまりＭＥＭＳ技術によって一体で容易に製作することが可能となる。即ち、基板表面側からのみの一方向の成膜、パターニング、エッチングといったいわゆる半導体微細加工プロセスによって、大まかにはサブミクロンオーダの精度で作製することが可能となる。このように、従来に比べると、製作及び組み立てに高い精度を要せず、また、従来に比べて小型、軽量化を図ることが可能である。
【００１０】
また、第１固定電極を設けることで、基板の厚み方向の加速度印加による変位部材の変位に対し、この変位を規定の変位に戻す方向及び大きさの静電力を発生させるため、第１固定電極へ印加する電圧を制御するサーボ制御方式を適用することができる。このサーボ制御により、機械的形状部分の変位を小さくでき、一般に、変位に伴う信号変化の影響を小さくすることができる。よって、例えば出力線形性の向上や、信号のダイナミックレンジの拡大が可能となる。
【００１１】
また、機械的形状部分の変位が小さいため、壊れにくく信頼性を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の実施の形態１における加速度センサの概略の平面図である。
【図２】図１に示すＡ−Ａ線に沿う概略の断面図である。
【図３】図１に示すＢ−Ｂ線に沿う概略の断面図である。
【図４】図３に示すＣ−Ｃ線に沿う概略の断面図である。
【図５】図１に示す加速度センサの製造工程を説明するための断面図であり、図１のＡ−Ａ線に沿う部分における概略の断面図である。
【図６】図１に示す加速度センサの製造工程を説明するための断面図であり、図１のＡ−Ａ線に沿う部分における概略の断面図である。
【図７】図１に示す加速度センサの製造工程を説明するための断面図であり、図１のＡ−Ａ線に沿う部分における概略の断面図である。
【図８】図１に示す加速度センサの製造工程を説明するための断面図であり、図１のＡ−Ａ線に沿う部分における概略の断面図である。
【図９】図１に示す加速度センサの製造工程を説明するための断面図であり、図１のＡ−Ａ線に沿う部分における概略の断面図である。
【図１０】図１に示す加速度センサの製造工程を説明するための断面図であり、図１のＡ−Ａ線に沿う部分における概略の断面図である。
【図１１】図１に示す加速度センサの製造工程を説明するための断面図であり、図１のＡ−Ａ線に沿う部分における概略の断面図である。
【図１２】図１に示す加速度センサの製造工程を説明するための断面図であり、図１のＡ−Ａ線に沿う部分における概略の断面図である。
【図１３】図１に示す加速度センサの製造工程を説明するための断面図であり、図１のＡ−Ａ線に沿う部分における概略の断面図である。
【図１４】図１に示す加速度センサの製造工程を説明するための断面図であり、図１のＡ−Ａ線に沿う部分における概略の断面図である。
【図１５】図１に示す加速度センサにおいて、図１のＡ−Ａ線に沿う部分の断面で同電位にある部分を同じハッチングで表示した概略断面図である。
【図１６】図１に示す加速度センサにおいて、検出電極と検出フレームとの間の静電容量を説明した図である。
【図１７】図１に示す加速度センサにおいて、第２固定電極にオフセット電圧を印加した状態での、慣性質量体の変位を示した図である。
【図１８】図１に示す加速度センサにおいて、第２固定電極にオフセット電圧を印加し、第１固定電極に駆動電圧を印加したときの、慣性質量体の変位を示した図である。
【図１９】図１に示す加速度センサの一変形例を示す断面図である。
【図２０】図１に示す加速度センサの他の変形例を示す断面図である。
【図２１】図２０に示すＤ−Ｄ線に沿う概略の断面図である。
【図２２】図２０に示すＥ−Ｅ線に沿う概略の断面図である。
【図２３】図１に示す加速度センサの別の変形例を示す断面図である。
【図２４】図２３に示すＦ−Ｆ線に沿う概略の断面図である。
【図２５】本発明の実施の形態２の加速度センサにおける、図４に対応した概略の平面図である。
【図２６】本発明の実施の形態３の加速度センサにおける、図４に対応した概略の平面図である。
【図２７】図２６に示すＧ−Ｇ線に沿う概略の断面図である。
【図２８】本発明の実施の形態４の加速度センサにおいて、図１に示すＡ−Ａ線に相当する部分での概略の断面図である。
【図２９】本発明の実施の形態４の加速度センサにおいて、図１に示すＢ−Ｂ線に相当する部分での概略の断面図である。
【図３０】図２８及び図２９に示す加速度センサの一変形例における断面図で、図１に示すＡ−Ａ線に相当する部分での概略の断面図である。
【図３１】図２８及び図２９に示す加速度センサの一変形例における断面図で、図１に示すＢ−Ｂ線に相当する部分での概略の断面図である。
【図３２】本発明の実施の形態１〜４の加速度センサを備えた加速度検出装置の構成を示すブロック図である。
【図３３】実施の形態１の加速度センサにおいて、第１固定電極と可動電極との間に生じる静電力Ｆｍと、第１固定電極に印加する電圧との関係を説明するための図である。
【図３４】実施の形態１の加速度センサにおいて、第１固定電極と可動電極との間に生じる静電力Ｆｍと、第１固定電極に印加する電圧との関係を説明するための図である。
【図３５】実施の形態１の加速度センサにおいて、第１固定電極と可動電極との間に生じる静電力Ｆｍと、第１固定電極に印加する電圧との関係を説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
本発明の実施形態である加速度センサについて、図を参照しながら以下に説明する。尚、各図において、同一又は同様の構成部分については同じ符号を付している。
【００１４】
実施の形態１．
図１から図４は、本実施形態１における加速度センサ１０１の構成を示しており、図１及び図４において、紙面に対して垂直方向が当該加速度センサ１０１における加速度の検出軸方向１ａである。
【００１５】
まず、本実施形態１における加速度センサ１０１の主要構成について説明する。加速度センサ１０１は、基本的構成部分として、基板１と、変位部材と、第１固定電極１１とを備え、さらに任意の構成部分である、第２固定電極１３及び検出電極８１、８２（総括して検出電極８と記す場合もある）をも備えている。また、後述の製造方法からも明らかなように、加速度センサ１０１は、いわゆるＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）技術により形成することができる。以下には、加速度センサ１０１の各構成部分について説明する。
【００１６】
基板１は、本実施形態では半導体基板で例えばシリコン基板を用いる。尚、基板１は、シリコン基板に限定するものではなく、例えばガラス基板や有機材料基板等を用いることもできる。このような基板１に対して、変位部材、第１固定電極１１、第２固定電極１３、及び検出電極８１、８２は、導電性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、かつ特に厚み方向において応力分布がないことが望ましい。
【００１７】
基板１の厚み方向が、図２に示すように、加速度の検出軸方向１ａに対応する。また、説明の便宜上、図１に示すように、基板１の平面に沿いかつ互いに直交する２軸をＸ軸及びＹ軸とする。
【００１８】
変位部材は、当該加速度センサ１０１では、慣性質量体３、リンク梁４、アンカー５、ねじれ梁６、及び検出フレーム７から構成される。
アンカー５は、検出軸方向１ａに沿って基板１に絶縁体９を介して立設して形成される柱状の部材である。尚、絶縁体９は、窒化シリコン膜や酸化シリコン膜を用いることができる。ねじれ梁６は、２つ存在し、Ｙ軸方向において、アンカー５を中心として互いに逆方向へ同長にて延在する短冊状の梁部材であり、それぞれの一端がアンカー５に接続、支持されており、それぞれの他端が検出フレーム７に接続されている。これら２つのねじれ梁６は、Ｙ軸方向に沿ったねじれ軸６ａ上に位置し、このねじれ軸６ａを中心に軸周りにねじれることができる。
【００１９】
検出フレーム７は、図１に示すように板状で枠状の部材であり、導電性を有し、ねじれ軸６ａを中心に回転可能なようにして、ねじれ梁６及びアンカー５を介して基板１に支持されている。ねじれ梁６は、検出フレーム７のＸ軸方向における中央部に位置する。よって、検出フレーム７は、ねじれ軸６ａを中心に線対称な形状にてなる。
【００２０】
リンク梁４は、２つ存在し、短冊状でＹ軸方向に沿って延在し、それぞれの一端を検出フレーム７に他端を慣性質量体３に接続した梁である。これら２つのリンク梁４は、Ｙ軸方向に沿った軸４ａ上に位置する。ねじれ梁６のねじれ軸６ａと、リンク梁４の軸４ａとは、図示するように平行に位置するが、Ｘ軸方向において異なる位置に配置される。
【００２１】
慣性質量体３は、図１に示すように板状で枠状の部材であり、導電性を有し、軸４ａを介して基板１の厚み方向（加速度の検出軸方向１ａ）に変位可能であり、可動電極１２を有する。また、慣性質量体３は、ねじれ軸６ａを中心に線対称な形状にてなる。
【００２２】
可動電極１２は、本実施形態では板状で導電性の部材であり、慣性質量体３のＹ軸方向に平行な２つの側面３ａからＸ軸方向にそれぞれ突設され、また、各側面３ａに沿って一定間隔、本実施形態では等間隔、にて複数枚が櫛歯状に設置される。これらの可動電極１２は、慣性質量体３の変位に応じて慣性質量体３と共に移動することになる。各可動電極１２は、全て同形状で同じ大きさにてなる。
【００２３】
第１固定電極１１は、本実施形態では板状で導電性の部材であり、上述のように一定間隔で配列された可動電極１２の間に、可動電極１２に非接触で一定間隔、本実施形態では等間隔、にて複数枚が配列され、可動電極１２と互いに等間隔にて配置される。各第１固定電極１１は、全て同形状で同じ大きさであり、また、本実施形態では可動電極１２に対しても同形状で同じ大きさにてなる。このような各第１固定電極１１は、絶縁体９を介して基板１に立設された固定部２に接続されている。よって、第１固定電極１１は固定されており、基板１の厚み方向に直交する方向、つまりＸ軸及びＹ軸の方向、本実施形態ではＹ軸方向、において可動電極１２に対向する。また、慣性質量体３の変位に応じて可動電極１２が移動することから、第１固定電極１１が可動電極１２に対向する面積は、慣性質量体３の変位に応じて変化する。
【００２４】
図３２に示され、また後述するように、当該加速度センサ１０１は、サーボ制御及び加速度検出回路１１０と電気的に接続され、第１固定電極１１及び可動電極１２には電圧が印加可能である。よって、第１固定電極１１に電圧が印加されることで、第１固定電極１１は、可動電極１２との間に静電力を発生させ、この静電力により可動電極１２を介して慣性質量体３を駆動する。よって、以下の説明では、第１固定電極１１を駆動電極１１と記す場合もある。
【００２５】
第２固定電極１３は、基板１の厚み方向において慣性質量体３に対向して、図４に示すように、慣性質量体３と平面上同形状にて基板１に絶縁体９を介して形成される電極である。このような第２固定電極１３は、電圧が印加されることで、慣性質量体３との間に静電力を発生させ、慣性質量体３の変位を制御する電極である。よって、以下の説明では、第２固定電極１３をオフセット電極１３と呼ぶ場合もある。
【００２６】
検出電極８１、８２は、図４に示すように、基板１の厚み方向において、検出フレーム７に対向してＹ軸方向に沿ってＸ軸の２箇所で基板１に絶縁体９を介して形成される電極である。本実施形態では、図４に示すように、２箇所に設けられる検出電極８１、８２は、同形状で同じ大きさにてなる。このような検出電極８１，８２は、検出フレーム７との間に形成される静電容量を検出する電極である。
【００２７】
次に、本実施の形態１の加速度センサ１０１の製造方法の一例について、図５から図１４を参照して説明する。
加速度センサ１０１における上述した構成は、例えば、シリコン基板１上に成膜、パターニング、エッチングといったプロセスを繰り返し行う、いわゆる半導体微細加工技術、ＭＥＭＳ技術によって作製することができる。尚、図５から図１４は、図２に示す断面位置に対応した、製造工程における図である。
【００２８】
図５を参照して、基板１にＬＰＣＶＤ（Low Pressure Chemical Vapor Deposition）法により窒化シリコン膜あるいは酸化シリコン膜による絶縁体９を成膜する。次に、図６に示すように、絶縁体９の上に導電性ポリシリコン膜９１を成膜し、図７に示すように、導電性ポリシリコン膜９１のパターニング、エッチングを行い、第２固定電極１３及び検出電極８１、８２を形成する。次に、図８に示すように、ＰＳＧ（Phosphosilicate Glass）膜９２を成膜し、図９に示すようにＰＳＧ膜９２の平坦化研磨を行い、図１０に示すようにＰＳＧ膜９２のパターニングエッチングを行う。次に、図１１に示すように、ＰＳＧ膜９２上に、固定部２、慣性質量体３、リンク梁４、アンカー５、ねじれ梁６、検出フレーム７、固定電極１１、及び可動電極１２となる導電性ポリシリコン膜９３を成膜し、図１２に示すように導電性ポリシリコン膜９３の平坦化研磨を行い、図１３に示すように導電性ポリシリコン膜９３のパターニング、エッチングを行う。最後に、ＰＳＧ膜９２をエッチングにより除去し、図１４に示す本実施の形態１の加速度センサ１０１が作製される。
【００２９】
図１５を参照して、本実施の形態１の加速度センサ１０１の各構成部分間の電気的な接続について説明する。図１５は、互いに等電位となるように電気的に接続されている構成部材を同じハッチングで表示した、加速度センサ１０１の断面図である。
固定部２、第１固定電極１１（駆動電極１１）は、等電位になるように接続されている。
アンカー５、ねじれ梁６、検出フレーム７、リンク梁４、慣性質量体３、及び可動電極１２は、それぞれ等電位になるように接続されている。
基板１と、第２固定電極１３（オフセット電極１３）、検出電極８１，８２とは、絶縁体９を介して、それぞれ上述のいずれの構成部分とも電気的に接続されていない。
【００３０】
また、図１６に示すように、２つの検出電極８１，８２と、検出フレーム７との間にはそれぞれ静電容量Ｃ１、Ｃ２が形成される。ここで、静電容量差ΔＣ＝Ｃ１−Ｃ２を定義する。
【００３１】
また、以上のように構成される加速度センサ１０１は、図３２に示すように、サーボ制御及び加速度検出回路１１０と電気的に接続され、加速度センサ１０１、並びに、サーボ制御及び加速度検出回路１１０によって、加速度検出装置１５０を構成する。
【００３２】
固定部２、つまり第１固定電極１１（駆動電極１１）、
アンカー５部分、つまりねじれ梁６、検出フレーム７、リンク梁４、慣性質量体３、及び可動電極１２、並びに、
第２固定電極１３（オフセット電極１３）への電圧の印加のために、
さらに、検出フレーム７と、検出電極８１、８２との間に形成される静電容量値の電圧等への変換のために、各構成部分は、サーボ制御及び加速度検出回路１１０と電気的に接続される。
【００３３】
以下には、本実施の形態１における加速度センサ１０１の動作について、図１７及び図１８を参照して説明する。尚、以下の動作説明において、「アンカー５部分」は、上述のように互いに同電位にある、アンカー５、ねじれ梁６、検出フレーム７、リンク梁４、慣性質量体３、及び可動電極１２の構成部分を指す。
【００３４】
図１７に示すように、本実施の形態１の加速度センサ１０１において、第２固定電極（オフセット電極）１３に、アンカー５部分に対して一定の電圧Ｖｆを印加すると、第２固定電極１３と慣性質量体３との間に両者間の電位差によって静電力Ｆｆが生じる。この静電力Ｆｆは、電圧Ｖｆの２乗に比例し、第２固定電極１３と慣性質量体３との間の間隙に比例した静電力である。このような静電力Ｆｆと、ねじれ梁６及びリンク梁４の変形による復元力Ｆｂとがつり合うように、慣性質量体３は、基板１側に変位する。
【００３５】
慣性質量体３が変位することで、リンク梁４及びねじれ梁６により慣性質量体３とアンカー５とに接続された検出フレーム７は、リンク梁４及びねじれ梁６が変形して、ねじれ軸６ａの周りに回転変位する。よって、検出電極８１，８２と、検出フレーム７との間のギャップ間隔は、それぞれ変化し、静電容量ｃ１は増加し、静電容量ｃ２は減少する。慣性質量体３の変位に対して、静電容量Ｃ１、Ｃ２は単調関数であるので、サーボ制御及び加速度検出回路１１０にて静電容量差ΔＣを測定することにより、慣性質量体３の変位を知ることができる。一般に静電容量は、スイッチトキャパシタ回路との接続等によって電圧に変換し、容量値を知ることができる。
【００３６】
さらに、固定部２に、アンカー５に対して電圧Ｖｍを印加すると、アンカー５及び慣性質量体３が同電位、また、固定部２及び第１固定電極（駆動電極）１１が同電位であることから、第１固定電極１１と慣性質量体３との間に電位差が生じる。一方、上述のように、第１固定電極１１と可動電極１２とは、互いに櫛歯状に組み合うように、いわゆる櫛歯電極構造を構成しており、第１固定電極１１と可動電極１２との間に形成される静電容量は、慣性質量体３の変位によって減少する。よって、第１固定電極１１と可動電極１２との間に、静電容量が大きくなる方向、すなわち慣性質量体３を基板１から離れる方向に、静電力Ｆｍが発生する。ここで静電力Ｆｍは、第１固定電極１１と可動電極１２との対向面積の基板厚み方向微分値に比例し、電圧Ｖｍの２乗に比例した静電力であり、図１８に示すように慣性質量体３を引き上げる方向に発生する。したがってこのとき、慣性質量体３には、静電力Ｆｆ及び静電力Ｆｍと、ねじれ梁６及びリンク梁４の変形による復元力Ｆｂとが作用しており、これらがつり合う位置へ慣性質量体３は変位する。このようにつり合ったときの慣性質量体３の基板厚み方向の変位をＺｏ、静電容量差ΔＣを（ΔＣ）ｏとする。
【００３７】
この状態で、検出軸方向１ａの加速度Ａが作用すると、慣性質量体３は、加速度Ａによって力Ｆａを受け、力Ｆａ、復元力Ｆｂ、静電力Ｆｆ、静電力Ｆｍとがつりあう位置に変位する。正の方向の加速度（図中上向き）に対して、慣性質量体３は下方（基板１側へ）に、負の方向の加速度（図中下向き）に対して、慣性質量体３は上方（反基板１側）に変位する。ここで、静電容量差ΔＣが（ΔＣ）ｏになるように、電圧Ｖｍを調整することで、静電力Ｆｍを変化させ、慣性質量体３の変位をＺｏに制御することができる。
【００３８】
ここで、力Ｆａは、加速度Ａに比例する。慣性質量体３の変位に対して静電容量Ｃ１、静電容量Ｃ２、復元力Ｆｂは比例し、静電力Ｆｆは、電圧Ｖｆが一定下では慣性質量体３の変位に対して単調関数である。
また、図３３に示すように、可動電極１２及び第１固定電極１１の高さをｈ、基板１の厚み方向における、第１固定電極１１に対する可動電極１２の変位位置をＺ、両者が完全に対向しているときの変位位置Ｚを０としたとき、可動電極１２が第１固定電極１１に対して上方つまり基板１から離れる「反基板側」（Ｚ＞０）、あるいは下方つまり基板１に近づく「基板側」（Ｚ＜０）へ変位する場合（Ｚ≠０）には、変位位置Ｚに比例して両者の対向面積Ｓは小さくなる。よって、図３４に示すように、変位Ｚに対する対向面積Ｓは、Ｚ＝０をピークとして、Ｚ＞０、Ｚ＜０の域（電極間の重なりがなくなるまで）では、それぞれ一定の傾きをもって減少する。したがって、図３５に示すように、慣性質量体３が変位するとき、第１固定電極１１と可動電極１２との対向面積Ｓを変位Ｚで微分した値は、第１固定電極１１に対して可動電極１２が「反基板側」（ｈ＞Ｚ＞０）または「基板側」（０＜Ｚ＜−ｈ）に位置している場合には、それぞれ、変位位置に拘わらず、一定（∂Ｓ/∂Ｚ、「反基板側」の場合と「基板側」の場合では符号が逆）である。よって、電圧Ｖｍが一定の下では、静電力Ｆｍは、慣性質量体３の変位に依存せず一定となり、静電力Ｆｍは電圧Ｖｍの変化に対して単調関数である。
【００３９】
したがって、電圧Ｖｍの値によって加速度Ａを一意に知ることができ、目標値を（ΔＣ）ｏとし、電圧Ｖｍを制御量としたサーボ方式を適用することができる。
【００４０】
このようなサーボ方式を適用することにより、機械的な形状部分の変位が小さいため、変位に伴う信号変化の影響を小さくすることができ、例えば出力線形性の向上、信号のダイナミックレンジ（検出可能な印加加速度の最小分解能に対する検出可能な最大印加加速度の比）の拡大といった、良好な加速度検出特性を得ることができる。
【００４１】
また、機械的な形状部分の変位が小さく、可動部分が他の部分と接触する可能性を低く抑えることができるため、壊れにくく信頼性の高い加速度センサを得ることができる。
【００４２】
また、基板１に対する成膜、パターニング、エッチングといったプロセスを繰り返し行うことで作製できるため、高い精度での部材の組み立てを必要としないという利点がある。また、第１固定電極１１を、基板１の厚み方向に直交する方向において可動電極１２に対向して配置するように構成したことから、当該加速度センサは、上述のようにＭＥＭＳ技術によって一体で製作することができる。よって、従来に比べて高精度での製作及び組み立てが不要であり、また、センサの小型、軽量化が可能となる。
【００４３】
本実施の形態１の加速度センサ１０１においては、加速度が作用していない場合でも、第２固定電極（オフセット電極）１３に電圧を印加することにより、慣性質量体３を強制的に変位させることができる。よって、加速度センサ１０１は、当該加速度センサ１０１が破壊されているか否かを自己診断する機能をも併せ持つ。
【００４４】
また、本実施の形態１の加速度センサ１０１では、上述のように、電圧Ｖｆを一定とし、電圧Ｖｍを制御量としたサーボ方式を適用している。一方、上述のように、可動電極１２が第１固定電極（駆動電極）１１に対して、上方（反基板側）、下方（基板側）のいずれかに位置しているもとでは、慣性質量体３の変位に対する第１固定電極１１と可動電極１２との対向面積の微分値は、慣性質量体の変位に依らず一定である。よって、電圧Ｖｍを一定のもとでは、発生する静電力は、慣性質量体３の変位に依存しないため、サーボ制御が容易に行えるという利点がある。
【００４５】
また、本実施の形態１の加速度センサ１０１では、検出電極８を２つ設け、それらの静電容量差を、サーボ制御を行う際の目標値としている。２つの検出電極８１，８２の静電容量差をサーボ制御の目標とすることで、目標値の絶対値を小さくすることができることから、サーボ制御を容易に行うことができ、電気回路への負担を小さくすることができる。また、プロセスばらつき等に起因する、目標値のばらつきを小さく抑えることもできる。
【００４６】
また、本実施の形態１の加速度センサ１０１では、作用する加速度による慣性質量体３の変位を検出フレーム７の回転変位に変換して検出している。よって、正負いずれの方向の加速度に対しても、検出フレーム７と基板１との間の空気層が衝撃を緩和する緩衝材となる効果であるエアダンピング効果が生じ、素子構造を壊れにくくすることができる。
【００４７】
また、本実施の形態１の加速度センサ１０１では、電圧Ｖｆを一定とし、電圧Ｖｍを制御量としたサーボ方式を適用しているが、電圧Ｖｍを一定とし電圧Ｖｆを制御量としてもサーボ方式を適用した加速度センサを実現できる。
【００４８】
また、本実施の形態１の加速度センサ１０１では、第１固定電極１１と可動電極１２とを櫛歯状に構成しているが、図１９に示すように、櫛歯状の電極を設けず単に固定部２と慣性質量体３とが対向した構成としてもよい。固定部２と慣性質量体３との間に電圧Ｖｍを印加することで、慣性質量体３の変位によって基板厚み方向の静電力を得ることができ、サーボ方式を適用した加速度センサを実現できる。
【００４９】
また、本実施の形態１の加速度センサ１０１では、第１固定電極１１は、慣性質量体３等の可動部分に対して対向するようにして、ねじれ軸６ａに対して対称に配置しているが、第１固定電極１１を慣性質量体３の外周を取り囲むように配置しても、また、慣性質量体３の一部と対向するように配置してもよい。この構成でも、電圧Ｖｍを印加することで、慣性質量体３の変位によって基板厚み方向の静電力を得ることができ、サーボ方式を適用した加速度センサを実現できる。
【００５０】
また、本実施の形態１の加速度センサ１０１では、検出電極８を２つ設け、その静電容量差をサーボ制御の目標値としているが、検出電極８は一つでもよい。この構成では、電圧Ｖｆを印加したときの静電容量を目標値としてサーボ制御を行うことができる。
【００５１】
また、本実施の形態１の加速度センサ１０１では、加速度による慣性質量体３の変位を検出フレーム７の回転変位に変換して検出しているが、図２０から図２２に示すように、ねじれ梁６、検出フレーム７、及びリンク梁４を設けず、梁部材６１によって基板厚み方向に変位が可能な、可動電極１２を有する慣性質量体３とした構成でもよい。このような構成にあっても、電圧Ｖｍを印加することで、慣性質量体３の変位によって基板厚み方向の静電力を得ることができ、サーボ方式を適用した加速度センサを実現できる。
【００５２】
また、本実施の形態１の加速度センサ１０１では、電圧Ｖｆの印加により、静電容量Ｃ１が増加、静電容量Ｃ２が減少としているが、静電容量Ｃ１が減少、静電容量Ｃ２が増加としてもよい。また、制御する静電容量差ΔＣを（Ｃ１−Ｃ２）としているが、（Ｃ２−Ｃ１）としてもよい。
【００５３】
また、本実施の形態１の加速度センサ１０１では、一つの検出フレーム７を慣性質量体３が取り囲む構成であるが、複数の検出フレーム７を囲む形態としてもよい。即ち、図２３及び図２４に示すように、慣性質量体３は、例えば２つの検出フレーム７を囲む。２つの検出フレーム７において、ねじれ梁６とリンク梁４との相対的な位置関係を反対にすると、慣性質量体３が基板１の厚み方向に変位する場合には、２つの検出フレーム７がそれぞれ逆向きに回転変位し、慣性質量体３が傾斜する、あるいは基板１に平行又はほぼ平行な方向（面内方向）に変位する場合には、２つの検出フレーム７は、同じ方向に回転変位する。そのため、それぞれの検出フレーム７が互いに逆向きに回転変位する場合にのみ感度が高くなるように、検出電極８１と検出電極８４とを、検出電極８２と検出電極８３とを、それぞれ接続して静電容量Ｃ１、Ｃ２とすることで、検出軸方向１ａ以外の加速度に対する感度を抑制し、角速度や角加速度の影響を受けにくくすることができる。
【００５４】
実施の形態２．
次に、本発明の実施の形態２における加速度センサ１０２について、図２５を参照して説明する。尚、図２５において、同一又は同様の機能を果たす構成部分には、実施の形態１にて参照した図に付した符号と同じ符号を付し、以下では相違点のみについて説明を行う。
【００５５】
上述した実施の形態１の加速度センサ１０１では、図４に示すように、検出電極８１，８２は、同形状で同面積にて構成した。これに対し本実施の形態２の加速度センサ１０１では、図２５に示すように、第２固定電極（オフセット電極）１３に、アンカー５部分に対して一定の電圧Ｖｆを印加したときに、静電容量Ｃ１と静電容量Ｃ２とが等しくなるように、換言すると、加速度センサ１０２が非動作時における初期の静電容量がＣ１＜Ｃ２となるように、２つの検出電極８の面積を異ならせている。つまり、実施の形態２における加速度センサ１０２では、加速度センサ１０１の検出電極８１に対応した、加速度センサ１０２における検出電極について、８１−１と符番し、検出電極８２の面積に比べて検出電極８１−１の面積を小さくした。
【００５６】
このように構成することで、サーボ制御を行う際のΔＣの目標値を「０」にすることができ、サーボ制御を容易に行うことができ、電気回路への負担を小さくすることができる。
勿論、本実施の形態２の加速度センサ１０２においても、上述した実施の形態１の加速度センサ１０１が奏する効果を奏することができ、また、上述した各変形例についても加速度センサ１０２に適用することができる。
【００５７】
実施の形態３．
次に、本発明の実施の形態３の加速度センサ１０３について、図２６及び図２７を参照して説明する。尚、図面において、同一又は同様の機能を果たす構成部分には、実施の形態１にて参照した図に付した符号と同じ符号を付し、以下では相違点のみについて説明を行う。
【００５８】
サーボ制御を行う際のΔＣの目標値を「０」にする手法として、上述の実施の形態２の構成を挙げたが、本実施の形態３は、さらに別の手法を開示する。
即ち、上述したように、第２固定電極（オフセット電極）１３に、アンカー５部分に対して、一定の電圧Ｖｆを印加したときには、静電容量Ｃ１と静電容量Ｃ２とに差が生じる。本実施の形態３では、この差に等しい値の静電容量Ｃ３を有する固定容量２１を、基板１の絶縁体９上で、固定部２及び慣性質量体３等の検出部を形成した場所以外の箇所に形成している。つまり、絶縁体９に配線パターンにて、静電容量Ｃ２と静電容量Ｃ３とを並列に接続することで、静電容量差ΔＣ＝（Ｃ１）−（Ｃ２＋Ｃ３）とする。Ｃ２＋Ｃ３がＣ１に等しくなるように固定容量２１の静電容量Ｃ３を設定することで、サーボ制御を行う際のΔＣの目標値を「０」とすることができる。これにより、サーボ制御を容易に行うことができ、電気回路への負担を小さくすることができる。
【００５９】
ここで、固定容量２１は、静電容量Ｃ１、Ｃ２に関する第２固定電極１３、アンカー５部分等と同じ製造プロセスで作製することができることから、プロセスばらつき等は、静電容量Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３に対して同様に作用する。よって、プロセスばらつき等に起因する静電容量のばらつきを小さくすることが可能である。
【００６０】
また、本実施形態３では、静電容量Ｃ３を追加する手法として固定容量２１を基板１に形成する手法を採ったが、加速度センサ１０３外部に設置した静電容量の電圧変換回路への入力の前に、容量値がＣ１とＣ２との差に等しいキャパシタをＣ２と並列に接続してもよい。
【００６１】
勿論、本実施の形態３の加速度センサ１０３においても、上述した実施の形態１の加速度センサ１０１が奏する効果を奏することができ、また、上述した各変形例についても加速度センサ１０３に適用することができる。
【００６２】
実施の形態４．
次に、本発明の実施の形態４の加速度センサ１０４について、図２８から図３１を参照して説明する。尚、図面において、同一又は同様の機能を果たす構成部分には、実施の形態１にて参照した図に付した符号と同じ符号を付し、以下では相違点のみについて説明を行う。
【００６３】
本実施の形態４の加速度センサ１０４では、第２固定電極（オフセット電極）１３を設けない構成を採る。即ち、本実施の形態４の加速度センサ１０４では、図２８及び図２９に示すように、第１固定電極（駆動電極）１１が可動電極１２よりも反基板側（上側）に位置するように作製し、第２固定電極１３を設けない構成としている。このような構成により、オフセット用の電圧Ｖｆを第２固定電極１３に印加することなく、電圧Ｖｆの印加により慣性質量体３を変位させる場合と同じ効果がある。加速度検出域で、慣性質量体３及び検出フレーム７等の変位部材の変位範囲を、第１固定電極（駆動電極）１１の下方（基板側）に限定することができ、印加加速度と第１固定電極１１への印加電圧Ｖｍとを一意に対応させることができる。また、印加加速度零、第１固定電極１１への電圧印加が零の状態で検出容量差ΔＣを零とすることができるため、サーボ制御を行う際のΔＣの目標値を０とすることができ、サーボ制御を容易に行うことができ、電気回路への負担を小さくすることができる。
【００６４】
一方、これとは逆に、図３０及び図３１に示すように、第１固定電極１１が可動電極１２よりも基板側（下側）に位置するように作製し、第２固定電極（オフセット電極）１３を設けない構成としてもよい。このような構成にあっても、加速度検出域で、電圧Ｖｆを第２固定電極１３に印加することなく、慣性質量体３及び検出フレーム７等の変位部材の変位範囲を、第１固定電極（駆動電極）１１の上方（反基板側）に限定することができ、印加加速度と第１固定電極１１への印加電圧Ｖｍとを一意に対応させることができる。また、印加加速度零、第１固定電極１１への電圧印加が零の状態で検出容量差ΔＣを零とすることができるため、サーボ制御を行う際のΔＣの目標値を０とすることができ、サーボ制御を容易に行うことができ、電気回路への負担を小さくすることができる。
【００６５】
勿論、本実施の形態４の加速度センサ１０４においても、上述した実施の形態１の加速度センサ１０１が奏する効果を奏することができ、また、上述した各変形例についても加速度センサ１０４に適用することができる。
【符号の説明】
【００６６】
１  基板、３  慣性質量体、４  リンク梁、５  アンカー、６  ねじれ梁、
７  検出フレーム、８  検出電極、１１  第１固定電極、１２  可動電極、
１３  第２固定電極、２１  固定容量、
８１、８２  検出電極、
１０１〜１０４  加速度センサ、１１０  サーボ制御及び加速度検出回路、
１５０  加速度検出装置。
【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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３２】
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【図３３】
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【図３４】
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【図３５】
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