JP2007271320A - 加速度・角速度検出素子およびその製造方法、ならびに加速度・角速度測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 小型で特性ばらつきの小さい３軸加速度および３軸角速度検出素子およびその製造方法を提供する。
【解決手段】 加速度・角速度測定素子１は、基体２と乗載体３との間に犠牲層８（図示しない）を介すれば、基体２から順に、基体側電極７、犠牲層８、重錘側電極６、支持梁５、板状部材４および重錘３を積上げることで形成可能な、積上げ形の構造である。従来構造のように、重錘３を支持するための筐体または枠体が設けられていないので、製造工程が簡単になり、小型で特性ばらつきの小さい加速度・角速度検出素子を提供することが可能となる。
【選択図】 図２

Description

本発明は、加速度・角速度センサとその製造方法に関するものであり、特に３軸加速度と３軸角速度が同時に測定可能な加速度・角速度センサと、ＭＥＭＳ（Micro Electro
Mechanical Systems）技術を用いた製造方法とに関する。

加速度センサおよび角速度センサは、サーボ形、圧電形、静電容量形、およびピエゾ抵抗形などがある。これまでは、主として、自動車の車載用として、たとえば、車両安定化用、またはエアバッグなどの安全用として用いられている。

近年、マイクロマシン（ＭＥＭＳ：Micro Electro Mechanical Systems）技術を用いて、小型の加速度センサおよび角速度センサが実現されるにつれ、一般の民生用機器にも用途が拡大している。たとえば、パソコンなどのディスク保護用、デジタルカメラにおける手ぶれ感知用、または携帯電話機の傾き検知用に応用されている。これらの民生機器ではより一層の小型化が要求されるとともに、空間の直交する３方向の検知が可能な３軸加速度センサおよび３軸角速度センサが望まれる。

従来の技術として、特許文献１では、１つの素子で加速度と角速度の双方が検出可能な装置が開示され、特許文献２では、重錘を所定軸周りに回転運動させることにより、多次元の角速度が同時に測定可能な角速度センサが開示されている。また、特許文献３には、ＭＥＭＳ技術を用いた半導体加速度センサの製造方法が開示されている。

特開平８−６８６３６号公報 特開２００６−３８８７９号公報 特許第３１９１７７０号公報

しかしながら、従来の技術の構成では、加速度・角速度検出素子の小型化という点で十分ではない。特許文献１および２の検出素子は、力検出用の重錘を支持するために筐体が必要な構造であるので、素子を作製するためには複数基板の貼り合せが必要であり（たとえば特許文献１の図４０および特許文献２の図１９を参照）、小型化が困難である。

また、特許文献３では、重錘と枠体とを切り離すために深いエッチングが必要であるので、製造プロセスが長時間になりコスト増加の要因となっている。また、必然的に加工精度が悪くなるので、寸法誤差が生じやすく特性のばらつきも大きい。

本発明の目的は、ＭＥＭＳ技術を用いる製造に好適な構造であり、かつ３軸加速度および３軸角速度が測定可能な構造であるような、小型で特性ばらつきの小さい加速度・角速度検出素子およびその製造方法、ならびに加速度・角速度測定装置を提供することにある。

本発明の加速度・角速度検出素子は、基体と、
重錘と、
前記基体と間隔を開けて設けられ、前記重錘が乗載される乗載体と、
前記基体上で前記乗載体を支持し、可撓性を有する支持体と、
前記乗載体に、前記基体に臨んで設けられる重錘側電極と、
前記基体に、前記重錘側電極と対向して設けられる基体側電極とを含むことを特徴とする。

また本発明の加速度・角速度測定装置は、前記加速度・角速度検出素子と、
前記重錘および乗載体に周期的な運動を与える駆動手段と、
前記重錘側電極および前記基体側電極間の静電容量を測定する測定手段とを含むことを特徴とする。

また本発明の加速度・角速度測定装置は、前記重錘側電極は、駆動用電極として用いられる重錘側駆動用電極と、測定用電極として用いられる重錘側測定用電極とを含み、
前記基体側電極は、前記重錘側駆動用電極に対向し、駆動用電極として用いられる基体側駆動用電極と、前記重錘側測定用電極に対向し、測定用電極として用いられる基体側測定用電極とを含み、
前記加速度・角速度検出素子と、
前記重錘側駆動用電極および前記基体側駆動用電極間に、交流電圧を印加する駆動手段と、
前記重錘側測定用電極および前記基体側測定用電極間の、静電容量を測定する測定手段とを含むことを特徴とする。

また本発明の加速度・角速度検出素子の製造方法は、基体の表面に基体側電極を形成する工程と、
前記基体側電極を覆うように犠牲層を形成する工程と、
前記犠牲層の表面上で、前記基体側電極と対向する位置に、重錘側電極を形成する工程と、
前記犠牲層および前記重錘側電極を覆うように被覆層を形成する工程と、
前記被覆層の外周部を、前記犠牲層に達するまで部分的に除去することによって、基体から立ち上がり、可撓性を有する支持体と、この支持体に連なる乗載体とを形成する工程と、
前記乗載体に重錘を形成する工程と、
前記犠牲層を除去する工程とを含むことを特徴とする。

本発明の加速度・角速度検出素子によれば、基体上に支持体があり、支持体で乗載体が支持され、乗載体に重錘が乗載されるというように、検出素子の各構成要素が基体から順に積上げ形の構造で形成される。また、基体と乗載体とが対向する面には、基体側電極と重錘側電極とがそれぞれ設けられる。ここで、支持体が可撓性を有していることから、支持体の撓みによって、支持体で支持される乗載体および重錘が所定位置から変位する。そして、この変位を測定することで、加速度および角速度の検出が行われる。

加速度の検出は、加速度によって重錘および乗載体に作用する力を検出することによる。すなわち、重錘および乗載体に力が加わると、可撓性を有する支持体が撓むことで、重錘および乗載体が所定位置から変位し、この変位が基体側および重錘側電極間の静電容量の変化として測定される。ここで、基体側および重錘側電極は、対向する電極が１組の測定用電極として用いられる。測定用電極が１組の場合は一方向の加速度が測定可能な１軸加速度センサとして機能し、２組の場合は２軸加速度センサとして機能し、３組以上の場合は３軸の加速度センサとして機能することになる。なお、２軸以上の場合は、基体側電極また重錘側電極のいずれか一方を共通電極とする構成であってもよい。

一方、角速度の検出は、予め周期的な運動を与えられている重錘が、その運動の方向と異なる方向に延びる軸線まわりに回転するときに生じるコリオリ力を検出することによって行われる。コリオリ力は、重錘の運動方向と回転軸の軸線方向との両方に垂直な方向に生じる。ここで、本発明の加速度・角速度検出素子では、重錘に周期的な運動を与えるために、対向する基体側および重錘側電極を１組の駆動用電極として使用すれば、この駆動用電極間に交流電圧を印加して、両駆動用電極間に発生するクーロン力を発生させることができる。この場合、駆動用電極と別に、コリオリ力による重錘および乗載体の変位を、静電容量の変化として測定するための測定用電極が必要となる。

駆動用電極が１組の場合は、重錘を一方向に励振させることができるので、その励振方向と垂直な２方向の軸線まわりに回転するときの角速度を検出できる。駆動用電極が２組の場合は、重錘を２方向に励振させることが可能であるので、励振方向を切替えれば、原理的には３方向の軸線まわりの角速度の測定が可能となる。駆動用電極を３組以上の構成にして、かつこれら３組の駆動用電極が所定の方向に一直線状に並ばないように配置すると、重錘を連続的に周回運動させることができるので、３軸の角速度を同時に測定できる。なお、駆動用電極の場合も、基体側電極または重錘側電極のいずか一方を共通電極とする構成にしてもよく、測定用電極の共通電極と共通にする構成にしてもよい。

このように、基体側電極および重錘側電極の少なくとも一方を複数有する構成とし、静電容量を測定する測定用電極、および重錘に周期的な運動を与える駆動用電極として用いることで、本発明に係る加速度・角速度検出素子は、加速度および角速度の検出が可能な検出用素子として機能する。

ここで、本発明の加速度・角速度検出素子は、積上げ形の構造であることから、ＭＥＭＳ技術を用いることで小型化が可能な素子構造となっている。すなわち、本発明の加速度・角速度検出素子は、基体と乗載体との間に犠牲層を介すれば、基体から順に、基体側電極、犠牲層、重錘側電極、支持体、乗載体および重錘を積上げることで、素子構造を形成することが可能である。従来構造のように、重錘および乗載体を支持するための筐体または枠体が設けられていないので、複数の基板を貼り合わせる工程、および重錘と枠体を切り離すための深いエッチング工程を必要としない。このように、製造工程が簡単になることから、製造上の寸法精度が増し、結果として、小型で特性ばらつきの小さい加速度・角速度検出素子を提供することが可能となる。

また本発明の加速度・角速度測定装置によれば、重錘および乗載体に周期的な運動を与える駆動手段と、重錘側電極および基体側電極間の静電容量を測定する測定手段を含むことから、加速度によって重錘に作用する力、および角速度によって重錘に生じるコリオリ力を、重錘側および基体側電極間の静電容量の変化として測定することができる。ここで、駆動手段としては、上述したように、駆動用電極として用いられる重錘側電極および基体側電極間に交流電圧を印加してクーロン力を発生させてもよく、別の手段によってもよい。本発明によれば、加速度・角速度測定装置に用いられる検出素子が前述したように小型で特性ばらつきが小さいものであることから、測定装置全体として、余分な補正回路等を必要とせず小型で高精度のものを実現できる。

また本発明の加速度・角速度測定装置によれば、駆動用電極として用いられる重錘側電極および基体側電極間に、交流電圧を印加する駆動手段と、測定用電極として用いられる重錘側電極および基体側電極間の、静電容量を測定する測定手段とを含むことから、駆動手段を用いて重錘および乗載体に周期的な運動を与えれば、加速度によって重錘に作用する力、および角速度によって重錘に生じるコリオリ力を、重錘側および基体側電極間の静電容量の変化として測定することができる。そして、加速度・角速度測定装置に用いられる検出素子が前述したように小型で特性ばらつきが小さいものであることから、測定装置全体として、余分な補正回路等を必要とせず小型で高精度のものを実現できる。

また本発明の加速度・角速度検出素子の製造方法によれば、検出素子の積上げ形の構造は、基体と被覆層との間に犠牲層を介することにより、基体から順に、基体側電極、犠牲層、重錘側電極、被覆層、および重錘を積層することで形成される。また、被覆層の外周部を犠牲層に達するまで部分的に除去することによって、基体から立ち上がる可撓性をもった支持体と、この支持体に連なる乗載体とが形成される。このように、ＭＥＭＳ技術を用いることで、小型化が可能な構造の加速度・角速度検出素子を簡単なプロセスで精度よく製造することが可能になる。

図１は、本発明の実施の一形態としての加速度・角速度検出素子１の基本的構成を模式的に示す平面図である。また、図２は、図１の切断面線ＩＩ−ＩＩから見た加速度・角速度検出素子１の基本的構成を模式的に示す断面図である。

図１および図２において、加速度・角速度検出素子１は、基体２と、重錘３と、基体２と間隔を開けて設けられ、突出部４ａを有し、重錘３が固着される板状部材４と、基体２上に設けられて、板状部材４の突出部４ａを支持する支持梁５と、基体２に臨んで、板状部材４に設けられる重錘側電極６と、重錘側電極６と対向して基体２に設けられる基体側電極７とを含んで構成される。ここで、重錘側電極６は重錘側検出電極６ａと重錘側駆動電極６ｂとで構成され、基体側電極７は、基体側検出電極７ａと基体側駆動電極７ｂとで構成される。これらの電極のうち、測定用電極として用いられるのが、重錘側測定用電極としての重錘側検出電極６ａと、基体側測定用電極としての基体側検出電極７ａとであり、重錘側検出電極６ａおよび基体側検出電極７ａ間の静電容量が測定される。また、駆動用電極として用いられるのが、重錘側駆動用電極としての重錘側駆動電極６ｂと、基体側駆動用電極としての基体側駆動電極７ｂとであり、重錘側駆動電極６ｂおよび基体側駆動電極７ｂ間に交流電圧が印加され、周期的なクーロン力が発生する。

基体２は、略平面状の主面２ａを有し、その主面２ａ上に、重錘３、板状部材４、支持梁５、重錘側電極６、および基体側電極７が形成される。基体２の材料は、シリコン、ガラス、石英、二酸化ケイ素、または樹脂などから選ばれる。

重錘３は、本実施の形態では円柱状の形状を有している。重錘３の材料は、シリコン、ガラス、石英、二酸化ケイ素、樹脂、または金属から選ばれる。重錘３の重量および形状は、後述する板状部材４の突出部４ａおよび支持梁５の形状および弾性率に応じて所望の共振周波数が得られるように設定される。なお、以下の説明において、重錘３の重心を通り、基体２の前記主面２ａに垂直な直線を、重錘３の軸線３ａという。

板状部材４は、本実施の形態では略円板状の形状を有している。板状部材４の材料は、シリコン、ガラス、石英、二酸化ケイ素、または樹脂などから選択される。本実施の形態では、板状部材４の面方向の端面に３個の突出部４ａが形成される。突出部４ａは、所定の突出長さの寸法Ｌ２、幅寸法Ｗ２および厚み寸法ｔ２をもった棒状の形状を有する。突出部４ａの厚み寸法ｔ２は板状部材４の厚み寸法に等しい。また、突出部４ａの弾性率は、板状部材４の材料で決まる所定の弾性率を有している。

支持梁５は、基体２の前記主面２ａ上に形成され、板状部材４の突出部４ａの先端部を支持する。支持梁５の材料は、シリコン、ガラス、石英、二酸化ケイ素、樹脂、または金属などから選択される。支持梁５は、前記主面２ａに垂直な方向の長さ寸法Ｌ１を有し、幅寸法Ｗ１および厚み寸法ｔ１を有する棒状に形成される。本実施の形態では、支持梁５の厚み寸法ｔ１と突出部４ａおよび板状部材４の厚み寸法ｔ２はほぼ等しい。また、支持梁５の弾性率は、その材料で決まる所定の弾性率を有している。

本実施の形態では、板状部材４の突出部４ａと支持梁５とで、略直角に曲がる梁が形成され、これら突出部４ａと支持梁５とが支持体を構成する。突出部４ａと支持梁５との少なくとも一方が撓むことで、重錘３を所定位置から任意の方向に変位させることができる。ここで、前述した突出部４ａと支持梁５の寸法および弾性率は、重錘３の重量に対応して、所望の共振周波数が得られるように設定される。たとえば、板状部材４および支持梁５の材料として二酸化ケイ素を選択し、重錘３の質量を１００μｇ〜１００ｍｇにするとき、突出部４ａと支持梁５を合わせた長さ寸法（Ｌ１＋Ｌ２）は、１０〜１０００μｍに選ばれ、突出部４ａおよび支持梁５の幅寸法（Ｗ１，Ｗ２）は、１〜１００μｍに選ばれ、突出部４ａおよび支持梁５の厚み寸法（ｔ１，ｔ２）は、０．１〜１００μｍに選ばれる。なお、本実施の形態では、板状部材４から突出部４ａを除く残余の部分が前記乗載体に対応する。

重錘側電極６は、板状部材４のうち、基体２の前記主面２ａに臨む表層部に形成される。本実施の形態では、重錘側電極６は、３個の重錘側検出電極６ａと３個の重錘側駆動電極６ｂとで構成され、重錘３の軸線３ａを中心にして対称な位置に配置されるように、また、重錘側検出電極６ａと重錘側駆動電極６ｂとが交互に並ぶように形成される。また、重錘側検出電極６ａが前述した突出部４ａの近傍に配置される。重錘側検出電極６ａおよび重錘側駆動電極６ｂの形状は、板状部材４の厚み方向からみて、略長方形状である。また、本実施の形態では、重錘側電極６は、基体２に対向する表面部を除いて板状部材４に埋め込まれて形成される。重錘側電極６の材料には、導電性のある材料として、銅、金、クロム、チタン、白金、アルミニウム、銀、およびニッケルなどの金属が選択される。また、電極の形成方法は、スパッタリング法、蒸着法、化学的気相成長（ＣＶＤ）法、メッキ法、および印刷法を用いることができる。この場合、単一の膜を形成してもよいし、異なる成分から成る複数の膜を積層して形成してもよい。

基体側電極７は、基体２の前記主面２ａに、重錘側電極６と対向する位置に形成される。本実施の形態では、基体側電極７は、３個の基体側検出電極７ａと３個の基体側駆動電極７ｂとで構成され、重錘３の軸線３ａを中心にして対称な位置に配置されるように、また、基体側検出電極７ａと基体側駆動電極７ｂとが前記重錘３の軸線３ａまわりに交互に並ぶように形成される。基体側電極７の材料および形成方法は、重錘側電極６と同様である。なお、本実施の形態では、重錘側電極６および基体側電極７は個別の電極で構成されるが、いずれか一方を共通の電極で構成してもよい。

次に、このような加速度・角速度検出素子１の製造方法について説明する。
図３は、本実施の形態の加速度・角速度検出素子の図１の切断面線ＩＩ−ＩＩでの製造工程を模式的に示す断面図である。なお、以下のプロセスでは犠牲層をシリコンによって形成しているので、シリコンのエッチャントとして、たとえばフッ化キセノン（ＸｅＦ_２）ガスを用いる場合には、基体２、重錘３、板状部材４、および支持梁５の材料には、ＸｅＦ_２ガスでエッチングされないように、たとえば二酸化ケイ素を用いることができる。

最初に、図３（１）に示すような基体側電極７を形成するために、基体２の主面２ａの全面に基体側電極７を構成する材料を成膜する。その後、通常のフォトリソグラフィプロセスおよびエッチングプロセスにより、成膜した膜を所望のパターンに加工して基体側電極７を形成する。

次に、図３（２）に示すように、たとえば、ＰＥ−ＣＶＤ（Plasma Enhanced Chemical
Vapor Deposition）法を用いてシリコンから成る厚みＬ１の犠牲層８を、基体側電極７を覆うように形成する。犠牲層８の厚みＬ１によって、支持梁５の長さＬ１が規定される。

次に、図３（３）に示すような重錘側電極６を形成するために、犠牲層８の表面上で、基体側電極７と対向する位置に、重錘側電極６を形成する材料を製膜する。その後、通常のフォトリソグラフィプロセスおよびエッチングプロセスにより、成膜を所望のパターンに加工して、基体側電極７に対向するように重錘側電極６を形成する。

次に、図３（４）に示すように、犠牲層８および重錘側電極６を覆うように、厚みｔ１（＝ｔ２）の被覆層９を形成する材料を、スパッタリング法またはＣＶＤ法などによって成膜する。被覆層９の厚みｔ１（＝ｔ２）によって、支持梁５の厚みｔ１および、突出部４ａの厚みｔ２が規定される。

次に、図３（５）に示すように、通常のフォトリソグラフィプロセスおよびエッチングプロセスにより、被覆層９の外周部を、犠牲層に達するまで部分的に除去する。この加工プロセスによって、支持梁５の幅寸法Ｗ１ならびに突出部４ａの長さ寸法Ｌ２および幅寸法Ｗ２が規定されるとともに、板状部材４の形状が規定される。なお、本実施の形態の加速度・角速度検出素子１の製造工程においては、板状部材４と支持梁５を一体で形成しているが、これらを別々に形成することもできる。

次に、図３（６）に示すように、重錘３を構成する材料をスパッタリング法、ＣＶＤ法、めっき法または印刷法などによって製膜し、所望の形状に加工することで、重錘３が形成される。なお、本実施の形態と異なり、重錘３を、被覆層９と一体で形成して、エッチングによって所望の形状になるように作製することもできる。

次に、図３（７）に示すように、犠牲層８を選択的にエッチング除去して、図１に示した構造の加速度・角速度検出素子１が得られる。ここで、シリコンから成る犠牲層８を選択的にエッチング除去するには、たとえば、フッ化キセノン（ＸｅＦ_２）ガスを用いてドライエッチングによって除去すればよい。

参考として、以上のプロセスによって、加速度・角速度検出素子１を作製する場合の、各層の材料および膜厚の一例を表１に示す。

以上のように、本実施の形態の加速度・角速度検出素子１の製造工程によれば、犠牲層８を用いた簡単なプロセスで加速度・角速度検出素子１を作成することが可能である。また、可撓性を有する突出部４ａと支持梁５の形状寸法は、膜厚およびフォトリソグラフィの精度によって決定されるので、制御性よく可撓性を有する支持体（突出部４ａと支持梁５）を形成することができる。したがって、小型で特性ばらつきの小さい加速度・角速度検出素子を提供することができ、測定装置全体としても、余分な補正回路等を必要とせず小型で高精度のものを実現できる。

次に、本実施の形態の加速度・角速度検出素子１を用いた加速度および角速度の測定について説明する。

図４は、本実施の形態の加速度・角速度検出素子を用いた加速度・角速度測定装置１５の構成を概略的に示すブロック図である。加速度・角速度測定装置１５は、前述した加速度・角速度検出素子１と、それを封止する封止手段１０と、重錘側駆動電極６ｂと基体側駆動電極７ｂとの間に交流電圧を印加するための駆動手段１１と、重錘側検出電極６ａと基体側検出電極７ａとの間の静電容量を測定するための測定手段１２と、測定手段１２による測定結果をもとに加速度および角速度を算出するデータ処理手段１３と、記憶手段１４とを含んで、構成される。

封止手段１０は、ガラス、シリコン、金属および樹脂などを用いた一体形のパッケージとして構成してもよいし、前記材料の１つを用いて貼り合わせによって形成することも可能である。封止手段１０によって、加速度・角速度検出素子１のうち、重錘３、板状部材４、支持梁５、重錘側電極６および基体側電極７は、真空中または窒素雰囲気中に保持される。

駆動手段１１は、互いに対向する重錘側駆動電極６ｂと基体側駆動電極７ｂとの間に交流電圧を印加するための電圧源を含んで構成される。本実施の形態では、駆動用電極は、３組の互いに対向する重錘側駆動電極６ｂと基体側駆動電極７ｂとで構成され、これらは、重錘３の軸線３ａまわりに１２０度の角度をもって放射状に配置される。この場合、１２０度ずつ位相の異なる３つの交流信号をそれぞれ与えることで、重錘３に首を回すような周回運動をさせることができる。対向する電極間に印加される交流信号の電圧として、たとえば０．０１〜１００Ｖが選ばれ、周波数として、たとえば２〜１００００Ｈｚが選択される。信号波形には矩形波または正弦波などが選ばれる。

測定手段１２は、互いに対向する重錘側検出電極６ａと基体側検出電極７ａとの間の静電容量を測定するための測定器を含んで構成される。測定器には、ＣＶ変換回路が内蔵され、容量が電圧に変換されて計測される。本実施の形態では、測定用電極は、独立した３組の互いに対向する重錘側検出電極６ｂと基体側検出電極７ｂとで構成され、これらは、重錘３の軸線３ａまわりに１２０度の角度をもって放射状に配置される。したがって、重錘３および板状部材４の任意の方向の変位を静電容量の変化として検出することができる。

データ処理手段１３は、独立した３組の互いに対向する重錘側検出電極６ｂと基体側検出電極７ｂとの間の静電容量を、測定器によって測定した測定結果をもとに、重錘３の所定位置からの変位を算出する。ここで、所定の方向に加速度を与えた場合、および、所定の軸方向のまわりに所定の角速度で回転させた場合の変位量を、記憶手段１４にテーブルとして予め記憶しておき、これらの記憶されたデータをもとに、データ処理手段１３は、加速度および角速度を決定する。データ処理手段１３は、たとえばマイクロコンピュータによって実現される。

このような加速度・角速度測定装置１５を用いた加速度および角速度の測定原理は概略次のようになる。

加速度の検出は、加速度によって重錘３に作用する力を検出することによる。重錘３に力が加わると、可撓性を有する支持体（突出部４ａおよび支持梁５）が撓むことで、重錘３が所定位置から変位し、この変位を基体側検出電極７ａおよび重錘側検出電極６ａ間の静電容量の変化として測定器によって測定する。本実施の形態では、独立した３組の互いに対向する基体側検出電極７ａおよび重錘側検出電極６ａがあるので、３軸の加速度の測定が可能である。

一方、角速度の検出は、予め周期的な運動を与えられている重錘３が、その運動の方向と異なる方向に延びる軸線まわりに回転するときに生じるコリオリ力を検出することによって行われる。コリオリ力は、重錘３の運動方向と回転軸の延びる方向との両方に垂直な方向に生じる。本実施の形態では、３組の独立した互いに対向する重錘側駆動電極６ｂと基体側駆動電極７ｂとの間に位相の異なる交流信号を与えることによって、重錘３を周回運動させることができる。この状態で、加速度・角速度検出素子１が、ある軸線まわりに回転すると、コリオリ力を受けて重錘３の周回軌道が変化することになるので、その変化分を独立した３組の基体側検出電極７ａおよび重錘側検出電極６ａを用いて測定することで、角速度の算出が可能になる。

なお、加速度による重錘３の変位は略定常的なものであるに対して、角速度にもとづく重錘３の変位は、重錘３の周回運動の周期に比例した周期的なものであるので、加速度と角速度とは独立して測定することが可能である。

次に本発明の他の実施の形態について説明する。
図５は、本発明の他の実施の形態の加速度・角速度検出素子１６ａ，１６ｂのうち、重錘側電極の構成を模式的に示す平面図であり、基体２の前記主面２ａ側から見た重錘側電極６の形状および配置を示している。本実施の形態の加速度・角速度検出素子１６ａ，１６ｂは、前述した図１および図２に示される加速度・角速度検出素子１について、重錘側電極６の形状および配置を変更したものである。図１および図２に示される実施の形態と対応する部分には同一の参照符号を付し、重複を避けて説明は省略する。

図５（１）に示す加速度・角速度検出素子１６ａは、重錘側検出電極６ａと重錘側駆動電極６ｂとを４個ずつ配置した構成を有する。重錘側検出電極６ａと重錘側検出電極６ａとは、重錘３の軸線３ａまわりに放射状に、かつ回転対称に形成される。また、重錘側検出電極６ａと重錘側駆動電極６ｂとは、重錘３の軸線３ａまわりに交互に配置される。このように電極の個数を増加させることで、重錘３に与える周回運動をより滑らかなものとすることができる。また、重錘３の変位量の測定精度も増す。なお、３軸加速度および３軸加速度を同時測定するには、最低３組の検出電極と駆動電極が必要である。

図５（２）に示す加速度・角速度検出素子１６ｂは、重錘側検出電極６ａと重錘側駆動電極６ｂとの形状を、図１に示した略長方形状の形状から、台形状の形状に変えた構成を有する。ここで、重錘側電極６は、上底が重錘３の軸線３ａ側に配置され、上底の中点と下底の中点を結ぶ直線が軸線３ａと交差するように形成される。台形以外にも扇形など種々の形状に任意に変更することができる。なお、図５においては、重錘側電極６において例示したが、基体側電極７についても同様である。

図６は、本発明の他の実施の形態として、加速度・角速度検出素子１７の支持体の構成を模式的に示す平面図である。本実施の形態の加速度・角速度検出素子１７は、前述した図１および図２に示される加速度・角速度検出素子１について、支持体の構成を変更したものである。図１および図２に示される実施の形態と対応する部分には同一の参照符号を付し、重複を避けて説明は省略する。

図１においては、支持体（突出部４ａと支持梁５）が３本の構成を例示したが、図６においては、支持体が４本の構成を例示している。支持体は、重錘３および板状部材４を支持するとともに、適度な可撓性によって重錘３を変位させる必要があるので、そのような効果がある範囲内で構成を変えることができる。たとえば、前述した実施の形態では、略直角に曲がった梁の形状を有していたが、鈍角に曲がった梁の形状とすることも可能である。また、板状部材４の周縁部の厚みを薄くすることで、板状部材４の周縁部全体に可撓性をもたせる構成も可能である。

図７は、本発明の他の実施の形態として、加速度・角速度検出素子１８ａ，１８ｂの重錘側電極と支持体の位置関係を模式的に示す平面図である。本実施の形態の加速度・角速度検出素子１８ａ，１８ｂは、前述した図１および図２に示される加速度・角速度検出素子１について、支持体の構成を変更したものである。図１および図２に示される実施の形態と対応する部分には同一の参照符号を付し、重複を避けて説明は省略する。

図１においては、重錘側電極６と支持体の位置関係は、重錘側検出電極６ａの近傍に突出部４ａを設け、支持梁５で支持する構成であるが、図７（１）のように、支持体（突出部４ａと支持梁５）が重錘側駆動電極６ｂの近傍に配置されるように形成してもよい。また、図７（２）のように、支持体（突出部４ａと支持梁５）が重錘側検出電極６ａと重錘側駆動電極６ｂとの間に配置されるように形成してもよいし、あるいは、任意の位置関係でもよい。

以上の実施の各形態は、本発明の例示に過ぎず、以上に例示した以外にも本発明の範囲内において構成を変更することができる。たとえば、駆動用の重錘側駆動電極６ｂおよび基体側駆動電極７ｂを設けずに、静電容量測定用の重錘側検出電極６ａおよび基体側検出電極７ａのみを設けた加速度のみの検出素子として構成することもできる。

また、重錘３に周期的な運動を与える駆動手段としては、静電力による方法以外に、電磁石を用いた電磁力によって重錘３に周期的な運動を与えることもできる。さらに、電気的な手段以外に熱的な手段も可能である。たとえば、ヒータを用いた熱膨張および熱収縮によって支持体を変形させて、重錘３に周期的な運動を与えることもできる。

また、駆動手段として重錘側駆動電極６ａと基体側駆動電極７ｂとによる静電力を用いる場合、重錘３の変位の検出手段としては、静電容量による方法に限らず、支持体に設けたピエゾ素子を変位検出手段として用いることもできる。

本発明の実施の一形態としての加速度・角速度検出素子１の基本的構成を模式的に示す平面図である。 図１の切断面線ＩＩ−ＩＩから見た加速度・角速度検出素子１の基本的構成を模式的に示す断面図である。 本実施の形態の加速度・角速度検出素子１の図１の切断面線ＩＩ−ＩＩでの製造工程を模式的に示す断面図である。 本実施の形態の加速度・角速度検出素子１を用いた加速度・角速度測定装置１５の構成を概略的に示すブロック図である。 本発明の他の実施の形態として、加速度・角速度検出素子１６ａ，１６ｂの重錘側電極の構成を模式的に示す平面図である。 本発明の他の実施の形態として、加速度・角速度検出素子１７の支持体の構成を模式的に示す平面図である。 本発明の他の実施の形態として、加速度・角速度検出素子１８ａ，１８ｂの重錘側電極と支持体の位置関係を模式的に示す平面図である。

符号の説明

１，１６ａ，１６ｂ，１７，１８ａ，１８ｂ 加速度・角速度検出素子
２ 基体
３ 重錘
４ 板状部材
４ａ 突出部
５ 支持梁
６ 重錘側電極
６ａ 重錘側検出電極
６ｂ 重錘側駆動電極
７ 基体側電極
７ａ 基体側検出電極
７ｂ 基体側駆動電極
８ 犠牲層
９ 被覆層
１１ 駆動手段
１２ 測定手段
１５ 加速度・角速度測定装置

Claims (4)

1. 基体と、
   重錘と、
   前記基体と間隔を開けて設けられ、前記重錘が乗載される乗載体と、
   前記基体上で前記乗載体を支持し、可撓性を有する支持体と、
   前記乗載体に、前記基体に臨んで設けられる重錘側電極と、
   前記基体に、前記重錘側電極と対向して設けられる基体側電極とを含むことを特徴とする加速度・角速度検出素子。
2. 請求項１記載の加速度・角速度検出素子と、
   前記重錘および乗載体に周期的な運動を与える駆動手段と、
   前記重錘側電極および前記基体側電極間の静電容量を測定する測定手段とを含むことを特徴とする加速度・角速度測定装置。
3. 前記重錘側電極は、駆動用電極として用いられる重錘側駆動用電極と、測定用電極として用いられる重錘側測定用電極とを含み、
   前記基体側電極は、前記重錘側駆動用電極に対向し、駆動用電極として用いられる基体側駆動用電極と、前記重錘側測定用電極に対向し、測定用電極として用いられる基体側測定用電極とを含み、
   請求項１記載の加速度・角速度検出素子と、
   前記重錘側駆動用電極および前記基体側駆動用電極間に、交流電圧を印加する駆動手段と、
   前記重錘側測定用電極および前記基体側測定用電極間の、静電容量を測定する測定手段とを含むことを特徴とする加速度・角速度測定装置。
4. 基体の表面に基体側電極を形成する工程と、
   前記基体側電極を覆うように犠牲層を形成する工程と、
   前記犠牲層の表面上で、前記基体側電極と対向する位置に、重錘側電極を形成する工程と、
   前記犠牲層および前記重錘側電極を覆うように被覆層を形成する工程と、
   前記被覆層の外周部を、前記犠牲層に達するまで部分的に除去することによって、基体から立ち上がり、可撓性を有する支持体と、この支持体に連なる乗載体とを形成する工程と、
   前記乗載体に重錘を形成する工程と、
   前記犠牲層を除去する工程とを含むことを特徴とする加速度・角速度検出素子の製造方法。

Images