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JP2011163967A - 加速度センサ - Google Patents

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JP2011163967A JP2010027728A JP2010027728A JP2011163967A JP 2011163967 A JP2011163967 A JP 2011163967A JP 2010027728 A JP2010027728 A JP 2010027728A JP 2010027728 A JP2010027728 A JP 2010027728A JP 2011163967 A JP2011163967 A JP 2011163967A
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Abstract

【課題】印加される加速度が大きい域で構成部材を接触させずに広い範囲の加速度を検出できる加速度センサを提供する。
【解決手段】加速度センサ100は、基板1と、基板1に対して基板1の厚み方向に変位可能に基板1の表面に支持され、かつ可動電極7を有する変位部材3と、可動電極7と対向するよう配置され、かつ可動電極7との間に静電力を発生させるための固定電極6とを備え、加速度が小さい域では、変位部材3が基板1の厚み方向に変位しても可動電極7と固定電極6との対向面積が一定であり、かつ加速度が大きい域で変位部材3が基板1の厚み方向に変位すると可動電極7と固定電極6との対向面積が変化するよう構成されている。
【選択図】図1

Description

本発明は、加速度センサに関し、特に、静電容量型の加速度センサに関するものである。
従来、加速度印加に伴う電極間の静電容量変化により加速度を検出する方式の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、広い範囲の加速度を検出するための加速度センサが提案されている。
たとえば、特開2004−286554号公報(特許文献1)には1つのセンサで広い加速度範囲を検出するための加速度センサが提案されている。この公報の加速度センサは、可動電極に接続され、加速度に応じて変位する複数の梁を有している。複数の梁のバネ定数はそれぞれ異なっている。バネ定数の異なる複数の梁として、長さの異なる3つの梁が形成されている。これら3つの梁はそれぞれ2枚構造で構成され、内部に間隔を有している。
この加速度センサでは加速度に応じて最も長い梁から変位する。低G(低い加速度)が印加された場合には最も長い梁が変位し、内部の間隔まで変位すると2枚の梁が接触するので、最も長い梁はそれ以上変位しない。低Gより加速度が高くなると2番目に長い梁が変位し、さらに加速度が高くなると最も短い梁が変位する。このように長さが異なる3つの梁がそれぞれ変位することにより、固定電極と可動電極との間の距離が低Gから高G(高い加速度)までの範囲で追従して変化する。これにより、小さなサイズで広範囲の加速度を検出できるとの記載が上記公報にはある。
特開2004−286554号公報
上記公報の加速度センサでは、広い範囲の加速度を検出するために、低Gより加速度が高くなると最も長い梁から梁の接触が生じる。梁が接触した場合、衝撃による破損および梁同士の吸着に起因する機能不良および性能不良が発生するという問題がある。
本発明は、上記課題を鑑みてなされたものであり、その目的は、印加される加速度が大きい域で構成部材を接触させずに広い範囲の加速度を検出できる加速度センサを提供することである。
本発明の加速度センサは、基板と、基板に対して基板の厚み方向に変位可能に基板の表面に支持され、かつ可動電極を有する変位部材と、可動電極と対向するよう配置され、かつ可動電極との間に静電力を発生させるための固定電極とを備え、加速度が小さい域では、変位部材が基板の厚み方向に変位しても可動電極と固定電極との対向面積が一定であり、かつ加速度が大きい域で変位部材が基板の厚み方向に変位すると可動電極と固定電極との対向面積が変化するよう構成されている。
本発明の加速度センサによれば、加速度が小さい域では、変位部材が基板の厚み方向に変位しても可動電極と固定電極との対向面積が一定であり、かつ加速度が大きい域で変位部材が基板の厚み方向に変位すると可動電極と固定電極との対向面積が変化するため、固定電極と可動電極との対向面積の変化による静電容量の変化に応じて発生する静電力によって、印加される加速度が大きい域で構成部材を接触させずに広い範囲の加速度を検出できる。
本発明の実施の形態1における加速度センサの概略平面図である。 図1のII−II線に沿う概略断面図である。 図1のIII−III線に沿う概略断面図である。 図1のIV−IV線に沿う概略断面図である。 本発明の実施の形態1における加速度センサの概略平面図であって、等電位の構成部材を同一のハッチングで示す概略平面図である。 図5のVI−VI線に沿う概略断面図である。 本発明の実施の形態1における加速度センサの製造方法の第1工程を示す概略断面図であって、(A)、(B)および(C)の断面位置は、それぞれ図2、図3および図4の断面位置に対応する。 本発明の実施の形態1における加速度センサの製造方法の第2工程を示す概略断面図であって、(A)、(B)および(C)の断面位置は、それぞれ図2、図3および図4の断面位置に対応する。 本発明の実施の形態1における加速度センサの製造方法の第3工程を示す概略断面図であって、(A)、(B)および(C)の断面位置は、それぞれ図2、図3および図4の断面位置に対応する。 本発明の実施の形態1における加速度センサの製造方法の第4工程を示す概略断面図であって、(A)、(B)および(C)の断面位置は、それぞれ図2、図3および図4の断面位置に対応する。 本発明の実施の形態1における加速度センサの製造方法の第5工程を示す概略断面図であって、(A)、(B)および(C)の断面位置は、それぞれ図2、図3および図4の断面位置に対応する。 本発明の実施の形態1における加速度センサの製造方法の第6工程を示す概略断面図であって、(A)、(B)および(C)の断面位置は、それぞれ図2、図3および図4の断面位置に対応する。 本発明の実施の形態1における加速度センサの製造方法の第7工程を示す概略断面図であって、(A)、(B)および(C)の断面位置は、それぞれ図2、図3および図4の断面位置に対応する。 本発明の実施の形態1における加速度センサの製造方法の第8工程を示す概略断面図であって、(A)、(B)および(C)の断面位置は、それぞれ図2、図3および図4の断面位置に対応する。 本発明の実施の形態1における加速度センサの製造方法の第9工程を示す概略断面図であって、(A)、(B)および(C)の断面位置は、それぞれ図2、図3および図4の断面位置に対応する。 本発明の実施の形態1における加速度センサの製造方法の第10工程を示す概略断面図であって、(A)、(B)および(C)の断面位置は、それぞれ図2、図3および図4の断面位置に対応する。 本発明の実施の形態1における加速度センサの製造方法の第11工程を示す概略断面図であって、(A)、(B)および(C)の断面位置は、それぞれ図2、図3および図4の断面位置に対応する。 本発明の実施の形態1における加速度センサに加速度が印加された状態を示す概略断面図であって、その断面位置は図3に対応する。 本発明の実施の形態1における加速度センサの固定電極と可動電極との配置を示す概略図である。 本発明の実施の形態1における加速度センサの固定電極と可動電極との相対的な位置関係を示す概略断面図であって、基板方向に可動電極が固定電極を超えて移動した状態(A)、基板方向に可動電極が固定電極を超えない範囲で移動した状態(B)、可動電極が移動しない状態(C)、基板と反対方向に可動電極が固定電極を超えない範囲で移動した状態(D)、基板と反対方向に可動電極が固定電極を超えて移動した状態(E)を示す概略断面図である。 本発明の実施の形態1における加速度センサの典型的な平行平板モデルで考えた場合の可動電極の変位に対する静電容量の傾向を示す図である。 本発明の実施の形態1における加速度センサの典型的な平行平板モデルで考えた場合の可動電極の変位に対する静電容量の変位微分および生じる静電力の傾向を示す図である。 本発明の実施の形態1における加速度センサの平板端部での電界分布の影響を考慮した場合の可動電極の変位に対する静電容量の傾向を示す図である。 本発明の実施の形態1における加速度センサの平板端部での電界分布の影響を考慮した場合の可動電極の変位に対する静電容量の変位微分および生じる静電力の傾向を示す図である。 本発明の実施の形態1における加速度センサの印加加速度と慣性質量体の変位との関係を示す図である。 本発明の実施の形態1における加速度センサの変形例1の概略平面図である。 本発明の実施の形態1における加速度センサの変形例2の概略断面図であって、その断面位置は図4の断面位置に対応する。 本発明の実施の形態1における加速度センサの変形例3の概略平面図である。 図28のXXIX−XXIX線に沿う概略断面図である。 本発明の実施の形態2における加速度センサの概略断面図であって、その断面位置は、図1のIV−IV線に沿う断面に対応する。 本発明の実施の形態2における加速度センサの固定電極部と可動電極部との配置を示す概略図である。 本発明の実施の形態2における加速度センサの固定電極部と可動電極部との相対的な位置関係を示す概略断面図であって、可動電極部と固定電極部との対向面積の合計が変化するまで可動電極が基板方向に移動した状態(A)、可動電極部と固定電極部との対向面積の合計が一定の範囲で可動電極部が基板方向に移動した状態(B)、可動電極部が移動しない状態(C)、可動電極部と固定電極部との対向面積の合計が一定の範囲で可動電極部が基板と反対方向に移動した状態(D)、可動電極部と固定電極部との対向面積の合計が変化するまで可動電極が基板と反対方向に移動した状態(E)を示す概略断面図である。 本発明の実施の形態3における加速度センサの概略平面図である。 図33のXXXIV−XXXIV線に沿う概略断面図である。 図33のXXXV−XXXV線に沿う概略断面図である。 本発明の実施の形態3における加速度センサに加速度が印加された状態を示す概略断面図であって、その断面位置は図35に対応する。 本発明の実施の形態3における加速度センサの概略断面図であって、検出電極がねじれ軸線を挟んで左右に配置された構成を示す概略断面図であり、その断面位置は図35に対応する。 本発明の実施の形態4における加速度センサの概略平面図である。 図38のXXXIX−XXXIX線に沿う概略断面図である。 図38のXL−XL線に沿う概略断面図である。 本発明の実施の形態4における加速度センサに加速度が印加された状態を示す概略断面図であって、その断面位置は図39に対応する。 本発明の実施の形態4における加速度センサの固定電極と可動電極との相対的な位置関係を示す概略断面図であって、検出フレーム部が回転移動した際、検出フレーム部の一方側および他方側の可動電極が移動した状態を上下に示す概略断面図であり、検出フレーム部が一方側に回転移動することにより可動電極と固定電極との対向面積が変化するまで可動電極が移動した状態(A)、検出フレーム部が一方側に回転移動することにより可動電極と固定電極との対向面積が一定の範囲で可動電極が移動した状態(B)、可動電極が移動しない状態(C)、検出フレーム部が他方側に回転移動することにより可動電極と固定電極との対向面積が一定の範囲で可動電極が移動した状態(D)、検出フレーム部が他方側に回転移動することにより可動電極と固定電極との対向面積が変化するまで可動電極が移動した状態(E)を示す概略断面図である。 本発明の実施の形態4における加速度センサの概略断面図であって、検出電極がねじれ軸線を挟んで左右に配置された構成を示す概略断面図であり、その断面位置は図39に対応する。 本発明の実施の形態5における加速度センサの概略平面図である。 図44のXLV−XLV線に沿う概略断面図である。 図44のXLVI−XLVI線に沿う概略断面図である。 本発明の実施の形態5のおける加速度センサの慣性質量体が電圧印加電極により移動された状態を示す概略断面図であって、その断面位置は図45に対応する。 本発明の実施の形態6における加速度センサの概略断面図であって、その断面位置は、図38のXL−XL線に沿う断面に対応する。 本発明の実施の形態6における加速度センサの固定電極部と可動電極部との相対的な位置関係を示す概略断面図であって、検出フレーム部が回転移動した際、検出フレーム部の一方側および他方側の可動電極部が移動した状態を上下に示す概略断面図であり、検出フレーム部が一方側に回転移動することにより可動電極部と固定電極部との対向面積が大きく変化するまで可動電極部が移動した状態(A)、検出フレーム部が一方側に回転移動することにより可動電極部と固定電極部との対向面積が小さく変化するまで可動電極部が移動した状態(B)、可動電極部が移動しない状態(C)、検出フレーム部が他方側に回転移動することにより可動電極部と固定電極部との対向面積が小さく変化するまで可動電極部が移動した状態(D)、検出フレーム部が他方側に回転移動することにより可動電極部と固定電極部との対向面積が大きく変化するまで可動電極部が移動した状態(E)を示す概略断面図である。
以下、本発明の実施の形態について図に基づいて説明する。
(実施の形態1)
最初に本発明の実施の形態1の加速度センサの構成について説明する。
図1および図2には、説明の便宜のため、紙面に対して垂直方向の検出軸DAが導入されている。検出軸DAの方向は、本実施の形態の加速度センサが対象とする加速度の方向と一致する。以下、図1および図2に対応する図についても同様とする。
図1を参照して、本実施の形態の加速度センサ100は、基板1と、固定部材2と、変位部材3と、アンカー部材5と、固定電極6と、検出電極8と、絶縁体9とを主に有している。
図1〜図4を参照して、基板1に固定部材2とアンカー部材5とが支持されている。基板1と固定部材2およびアンカー部材5との間には絶縁体9が介在している。
変位部材3は、基板1に対して基板1の厚み方向に変位可能に基板1の表面に支持されている。変位部材3は、梁部材4と、可動電極7と、慣性質量体31とを有している。変位部材3は、梁部材4によりアンカー部材5に支持されている。梁部材4は、アンカー部材5を介して基板1の表面に支持されている。梁部材4は、複数のばね部材を有している。平面視において一方向の慣性質量体31の一方端部および他方端部には、梁部材4の複数のばね部材によってアンカー部材5と慣性質量体31とがそれぞれ接続されている。
なお、平面視において一方向の慣性質量体31の一方端部および他方端部とアンカー部材5とを接続する梁部材4のばね部材の個数は、複数に限定されず、単数であってもよい。また、梁部材4の配置位置や形状は、慣性質量体31を基板1の厚み方向に移動可能に構成されていればよい。
慣性質量体31は基板1に対して基板1の厚み方向に変位可能に梁部材4に支持されている。慣性質量体31は可動電極7を有している。複数の可動電極7が平面視において上記の一方向と交差する他方向の慣性質量体31の一方端部および他方端部には、それぞれ複数の可動電極7が設けられている。複数の可動電極7は平面視において櫛歯形状に配置されていてもよい。
固定部材2は、平面視において慣性質量体31の外側に配置されている。固定部材2には複数の固定電極6が設けられている。複数の固定電極6は平面視において櫛歯形状に配置されていてもよい。固定電極6は、可動電極7と対向するよう配置されている。固定電極6は、可動電極7との間に静電力を発生させるために構成されている。固定電極6と可動電極7とは、互いの櫛歯形状が組み合うように配置されていてもよい。固定電極6と可動電極7とは、近接して等間隔に配置されていてもよい。可動電極7と固定電極6とは、基板1の表面に沿う方向に対向するよう配置されていてもよい。
固定電極6および可動電極7は、加速度が小さい域では、変位部材3が基板1の厚み方向に変位しても可動電極7と固定電極6との対向面積が一定であり、かつ加速度が大きい域で変位部材3が基板1の厚み方向に変位すると可動電極7と固定電極6との対向面積が変化するよう構成されている。対向面積は、図2に示すように、断面視において固定電極6と可動電極7とが互いに重なる面積である。
可動電極7の基板1の厚み方向の寸法Hmと固定電極6の基板1の厚み方向の寸法Hbとが異なる大きさに構成されている。固定電極6の基板1の厚み方向の寸法Hbが可動電極7の基板1の厚み方向の寸法Hmより大きくなっていてもよい。可動電極7の基板1の厚み方向の寸法Hmと固定電極6の基板1の厚み方向の寸法Hbとの差をΔHとする。よってΔH=(Hb−Hm)となる。固定電極6および可動電極7は、固定電極6の基板1側の端面と可動電極7の基板1側の端面との高さの差および固定電極6の基板1と反対側の端面と可動電極7の基板1の反対側の端面との高さの差がそれぞれΔH/2となるよう構成されていることが好ましい。
検出電極8は、変位部材3と対向するよう基板1の表面上に形成されている。基板1と検出電極8との間には絶縁体9が介在している。検出電極8は、変位部材3と静電容量Cdを構成している。変位部材3および検出電極8は、変位部材3の移動によって静電容量Cdが変化するよう構成されている。加速度センサ100は、この静電容量Cdの変化より加速度を検出するよう構成されている。
なお、固定電極6の基板1側の端面と可動電極7の基板1側の端面との高さの差と、固定電極6の基板1と反対側の端面と可動電極7の基板1の反対側の端面との高さの差とは、静電容量Ciの変位微分に差異が生じればよいため、異なっていてもよい。また、印加加速度に対する検出信号の変化率が変わる加速度の大きさを印加される加速度の両方向で同じにすることにより、印加される加速度が両方向で正確に検出される。そのため、固定電極6の基板1側の端面と可動電極7の基板1側の端面との高さの差と、固定電極6の基板1と反対側の端面と可動電極7の基板1の反対側の端面との高さの差とを等しくすることが好ましい。
基板1としては、シリコン基板を用いることができる。また、固定部材2、梁部材4、アンカー部材5、固定電極6、可動電極7、検出電極8、慣性質量体31としては、導電性ポリシリコン(多結晶シリコン)膜を用いることができる。この導電性ポリシリコン膜は低応力であり、かつ応力分布がないことが望ましい。絶縁体9としては、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。
なお、加速度センサ100は、固定部材2とアンカー部材5とへ電圧の印加、および変位部材3と検出電極8との間の静電容量Cdの電圧などへの信号変換のために、外部ICなどと電気的に接続されている。加速度センサ100と外部ICなどとは、固定部材2、アンカー部材5、検出電極8に接続された図示しないボンディングワイヤや基板1上の図示しない配線パターンなどで接続が可能である。
図5および図6を参照して、本実施の形態の加速度センサの構成部材間の電気的な接続について説明する。固定部材2と、固定電極6とは、等電位になるよう電気的に接続されている。梁部材4と、アンカー部材5、可動電極7と、慣性質量体31とは、等電位になるよう電気的に接続されている。基板1および検出電極8は、それぞれ上記のいずれの構成部材とも電気的に接続されていない。
次に、本実施の形態の加速度センサの製造方法について説明する。
上記の本実施の形態の加速度センサ100の構造は、たとえば、シリコン基板上に成膜、パターニング、エッチング、平坦化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デバイス技術によって製造可能である。固定電極6の高さと可動電極7の高さが異なる構造については、3段階の成膜、パターニング、エッチングにより製造可能である。
図7〜図17を参照して、それぞれ、(A)の断面位置は図2の断面位置に対応し、(B)の断面位置は図3の断面位置に対応し、(C)の断面位置は図4の断面位置に対応する。
図7(A)〜(C)を参照して、基板1にLPCVD(Low Pressure Chemical Vapor Deposition)法により、絶縁膜101が成膜される。基板1としては、たとえばシリコン基板が適している。絶縁膜101としては、たとえば窒化シリコン膜または酸化シリコン膜などが適している。この絶縁膜101は、図2〜図4に示される絶縁体9に対応する。
図8(A)〜(C)を参照して、絶縁膜101上に導電性ポリシリコン膜102が成膜される。成膜された導電性ポリシリコン膜102が選択的に除去される。この選択的に除去された導電性ポリシリコン膜102が図2〜図4に示される検出電極8に対応する。
図9(A)〜(C)を参照して、PSG(Phosphosilicate Glass)膜103が成膜される。図10(A)〜(C)を参照して、PSG膜103がパターニングおよびエッチングされる。このエッチングされたPSG膜103が図2〜図4に示される慣性質量体31と検出電極8との間の空間に対応する。
図11(A)〜(C)を参照して、導電性ポリシリコン膜102が成膜される。図12(A)〜(C)を参照して、導電性ポリシリコン膜102がCMP(Chemical Mechanical Polishing)処理により平坦化される。この平坦化された導電性ポリシリコン膜102の一部が図2〜図4に示される梁部材4に対応する。
図13(A)〜(C)を参照して、導電性ポリシリコン膜102がパターニング、およびエッチングされる。図14(A)〜(C)を参照して、PSG膜103が成膜される。その後、PSG膜13がエッチングにより平坦化される。
図15(A)〜(C)を参照して、導電性ポリシリコン膜102が成膜される。その後、導電性ポリシリコン膜102がパターニングおよびエッチングされる。このエッチングされた導電性ポリシリコン膜102が図2〜図4に示される可動電極7に対応する。続いて、PSG膜103が成膜される。その後、PSG膜がエッチングにより平坦化される。
図16(A)〜(C)を参照して、導電性ポリシリコン膜102が成膜される。その後、導電性ポリシリコン膜102がパターニングおよびエッチングされる。このエッチングされた導電性ポリシリコン膜102が図2〜図4に示される固定部材2、慣性質量体31、アンカー部材5および固定電極6に対応する。続いて、PSG膜103が成膜される。その後、PSG膜がエッチングにより平坦化される。
図17(A)〜(C)を参照して、PSG膜103がエッチングにより除去される。これにより、図2〜図4に示される本実施の形態の加速度センサ100が製造される。
次に、本実施の形態の加速度センサの動作について説明する。
本実施の形態の加速度センサでは、たとえば固定部材2とアンカー部材5との間に一定の直流電圧が印加されることにより、印加される加速度が大きい域すなわち変位部材3の変位が大きい域で、固定電極6と可動電極7との電位差による静電力に起因する復元力が得られる。これにより、等価的に梁部材4の復元力を増加すなわち剛性を高めることにより、印加される加速度の検出範囲を広げることができる。以下、詳細に説明する。
まず、変位部材3と検出電極8とによって加速度が検出される動作について説明する。図18を参照して、本実施の形態の加速度センサ100に対して検出軸DA方向の加速度AZが印加されると、梁部材4が変形し、加速度AZによって慣性質量体31に働く力と梁部材4のばね部材の復元力とがつりあう位置に慣性質量体31が変位する。
一般にばね部材の復元力と変位とは互いに比例するため、慣性質量体31の変位は印加された加速度AZに比例する。慣性質量体31の変位は、慣性質量体31と検出電極8との間の距離の変化による慣性質量体31と検出電極8との間に生ずる静電容量Cdの変化として検出される。この静電容量Cdの変化から印加された加速度AZが検出される。
続いて、固定電極6と可動電極7との電位差による静電力が変位部材3の変位に影響する動作について説明する。
図19を参照して、寸法Hmの可動電極7が2枚の寸法Hbの固定電極6に挟まれている。2枚の固定電極6の寸法Hbは可動電極7の寸法Hmより大きい。固定電極6と可動電極7とは一定の距離GAをあけて配置されている。
固定電極6は、図1に示すように固定部材2を介して基板1に接続されているため、位置が固定されている。可動電極7は、図1に示すように慣性質量体31、梁部材4を介してアンカー部材5に接続されているため、基板1の厚み方向(検出軸DA方向)に変位が可能である。また、たとえば固定部材2とアンカー部材5との間に一定の直流電圧が印加されることにより、2枚の固定電極6と可動電極7との間に電位差が生じている。
図20(A)〜(E)を参照して、一般に固定電極6と可動電極7との間に生ずる静電容量Ciは、典型的な平行平板モデルで考えれば、(対向面積/距離)に比例する。固定電極6と可動電極7との距離GAは一定であるため、静電容量Ciは、固定電極6と可動電極7との対向面積に比例する。なお、固定電極6と可動電極7の長さは等しい長さに構成されている。このため、固定電極6と可動電極7との対向面積は、可動電極7の基板1の厚み方向の寸法Hmに比例する。
そのため、図20(B)〜(D)に示すように可動電極7の変位Zが−ΔH/2≦Z≦+ΔH/2の域(加速度が小さい域)では、可動電極7が変位しても固定電極6と可動電極7との対向面積は一定であり変化しないため、可動電極7の変位Zに対する静電容量Ciは変化しない。なお、変位Zは、図中中心線から下側を負とし、上側を正としている。
図20(A)および(E)に示すように可動電極7の変位Zの絶対値がΔH/2を超える域(加速度が大きい域)では、可動電極7が変位すると固定電極6と可動電極7との対向面積が変化するため、静電容量Ciが変化する。一般に、変位に対して静電容量Ciが変化する系では、変位に対する静電容量Ciの変化、すなわち静電容量Ciの変位微分(∂Ci/∂Z)および電位差の2乗に比例する静電力Feleが発生する。なお、発生する静電力Feleは、平板配置の対称性から、基板厚み方向の成分のみを持っている。
図20(A)に示すように変位ZがZ<−ΔH/2の域では、(∂Ci/∂Z)>0である。図20(B)〜(D)に示すように変位Zが−ΔH/2≦Z≦+ΔH/2の域では、(∂Ci/∂Z)=0である。図20(E)に示すように変位ZがZ>+ΔH/2の域では静電容量の変位微分(∂Ci/∂Z)<0である。よって、図20(A)および(E)に示すように変位Zの絶対値がΔH/2を超える域では、可動電極7の変位Zの絶対値を小さくする方向に静電力が生ずる。
図21を参照して、典型的な平行平板モデルで考えた場合、可動電極7の変位Zに対する静電容量Ciは、変位Zの絶対値がΔH/2を超える域では減少し、変位Zが−ΔH/2≦Z≦+ΔH/2の域では一定となる傾向を示している。
図22を参照して、典型的な平行平板モデルで考えた場合、可動電極7の変位Zに対する静電容量の変位微分(∂Ci/∂Z)および生じる静電力Feleは、変位Zの絶対値がΔH/2を超える域では、静電容量の変位微分(∂Ci/∂Z)および生じる静電力Feleの絶対値が増加し、変位Zが−ΔH/2≦Z≦+ΔH/2の域では一定となる傾向を示している。
一般に、実際の有限の高さを持つ平板においては、2枚の平板間に生ずる静電容量Ciは、平板端部での電界分布の影響により、変位に対して緩やかに変化する。そのため、静電容量の変位微分(∂Ci/∂Z)および発生する静電力Feleは、変位Zが−ΔH/2、+ΔH/2付近で連続的に変化する。これにより、変位Zの絶対値が大きい域で、静電力Feleは、絶対値が徐々に増加する。
図23を参照して、平板端部での電界分布の影響を考慮した場合、可動電極7の変位Zに対する静電容量Ciは、変位Zの絶対値がΔH/2を超える域では、電極端部の電界分布の影響により徐々に傾きを大きくして減少していき、変位Zが−ΔH/2≦Z≦+ΔH/2の域では一定となる傾向を示している。
図24を参照して、平板端部での電界分布の影響を考慮した場合、可動電極7の変位Zに対する静電容量の変位微分(∂Ci/∂Z)および生じる静電力Feleは、変位Zの絶対値がΔH/2を超える域では、静電容量の変位微分(∂Ci/∂Z)および生じる静電力Feleの絶対値が徐々に増加し、変位Zが−ΔH/2≦Z≦+ΔH/2の域では一定となる傾向を示している。
発生する静電力Feleは、静電容量の変位微分(∂Ci/∂Z)、すなわち静電容量Ciの変化に応じて発生する。図23に示すように静電容量Ciは変位Zの絶対値がΔH/2よりも大きい域で電極端部の電界分布の影響により徐々に傾きを大きくして減少していくので、静電容量の変位微分(∂Ci/∂Z)は、変位Zの絶対値がΔH/2よりも大きい域で、絶対値が徐々に大きくなる。静電力Feleは静電容量Ciの変化に比例するので、静電力Feleは、変位Zの絶対値がΔH/2よりも大きい域で、絶対値が徐々に大きくなる。
以上に説明したように、変位部材3の変位Zの絶対値がΔH/2を超える域で、固定電極6と可動電極7との間の電位差に起因する静電力Feleの絶対値が徐々に増加する。これにより、静電力Feleに起因する復元力が増加する。
図25を参照して、変位部材3の変位Zの絶対値がΔH/2を超える域、すなわち印加加速度Gによる変位部材3の変位が大きい域で、静電力Feleに起因する復元力が梁部材4のばね部材による復元力に加わる。これにより、等価的に梁部材4の復元力が増加、すなわち剛性が高くなるため、変位部材3の変位が大きい域で、変位部材3の変位Zが−ΔH/2≦Z≦+ΔH/2の域、すなわち印加加速度Gによる変位部材3の変位が小さい域と比較して、変位部材3の変位の変化率が小さくなる。
したがって、本実施の形態の加速度センサ100では、たとえば固定電極6と可動電極7との間に一定の直流電圧を印加しない場合と比較して、印加加速度Gによる変位部材3の変位が大きい域で、変位部材3が同じ変位(図25中Zmax)になるまでに、より大きな加速度を印加することができる。
つまり、図25に示すように、変位Zmaxの場合の印加加速度Gについて、固定電極6と可動電極7との間に一定の直流電圧を印加しない場合の印加加速度Gmaxに対して、本実施の形態の加速度センサ100では、印加加速度Gmaxより大きな加速度である印加加速度Gmax newとなる。よって、本実施の形態の加速度センサ100では、印加加速度Gが大きい域で変位部材3の可動電極7に静電力Feleが作用することによって広い範囲の加速度を検出することができる。
なお、上記のように静電力Feleは固定電極6と可動電極7との間の電位差の2乗に比例するため、たとえば固定部材2とアンカー部材5との間に印加する電圧によって、検出可能な加速度の範囲を変化させることができる。つまり、印加する電圧を大きくすることにより加速度の検出範囲を大きくすることができる。
また、固定部材2とアンカー部材5との間に一定の直流電圧が印加されているが、固定電極6と可動電極7との間に電位差が与えられていればよく、固定部材2とアンカー部材5との間に交流電圧が印加されていてもよい。この場合、印加される交流電圧の周波数は、共振による破損などを防ぐため、本実施の形態の加速度センサ100の機械的な共振周波数よりも高い周波数とすることが望ましい。
次に、本実施の形態の加速度センサの作用効果について説明する。
本実施の形態の加速度センサ100によれば、加速度が小さい域では、変位部材3が基板1の厚み方向に変位しても可動電極7と固定電極6との対向面積が一定であり、かつ加速度が大きい域で変位部材3が基板1の厚み方向に変位すると可動電極7と固定電極6との対向面積が変化する。このため、可動電極7と固定電極6との対向面積の変化による静電容量Ciの変化に応じて発生する静電力Feleを加速度が小さい域で一定にし、加速度が大きい域で大きくすることができる。
これにより、加速度が大きい域で等価的に梁部材4の復元力が増加するため、加速度の印加による変位部材3の変位が大きい域で、変位部材3の変位が小さい域と比較して、変位部材3の変位の変化率が小さくなる。よって、広い範囲の加速度を検出することができる。
また、固定電極6と可動電極7との対向面積の変化による静電容量Ciの変化に応じて発生する静電力Feleによって、加速度の印加による変位部材3の変位が大きい域で、加速度センサ100の構成部材が互いに接触することを抑制できる。これにより、構成部材の接触による構成部材の破損および吸着に起因する機能不良および性能不良を抑制できる。
また、固定電極6と可動電極7との基板1の厚み方向の上面および下面の高さの差がそれぞれ等しくなるよう構成されていることが好ましい。これにより、加速度検出方向の両方向への加速度を正確に検出することができる。
本実施の形態の加速度センサ100によれば、可動電極7の基板1の厚み方向の寸法と固定電極6の基板1の厚み方向の寸法とが異なる大きさに構成されていてもよい。このため、加速度の印加による変位部材3の変位が大きい域で、可動電極7が可動電極7の基板1の厚み方向の寸法Hmと固定電極6の基板1の厚み方向の寸法Hbとの差よりも大きく移動した場合に、固定電極6と可動電極7との対向面積の変化による静電容量Ciの変化に応じて発生する静電力Feleが増加する。
よって、加速度が大きい域で変位部材3の変位の変化率を小さくすることにより、印加される加速度が大きい域で構成部材を接触させずに広い範囲の加速度を検出することができる。
本実施の形態の加速度センサ100によれば、可動電極7と固定電極6とは基板1の表面に沿う方向に対向するよう配置されていてもよい。このため、基板1の厚み方向に加速度が印加された場合、可動電極7と固定電極6とは加速度が印加される方向と交差する方向に対向するよう配置されている。これにより、印加される加速度が大きい域でも可動電極7が固定電極6に接触することが抑制される。
本実施の形態の加速度センサ100によれば、変位部材3と対向するように基板1の表面上に配置され、かつ変位部材と静電容量を構成する検出電極8をさらに備えている。このため、基板1の厚み方向に加速度が印加された場合、検出電極8は変位部材3と静電容量Cdを加速度検出方向に構成する。これにより、加速度をより正確に検出することができる。
なお、本実施の形態の変形例1として、梁部材4が片持ち梁として慣性質量体31の一方端部に配置されていてもよい。
図26を参照して、梁部材4が片持ち梁として慣性質量体31の一方端部に配置されている。これにより、梁部材4が慣性質量体31の一方端部および他方端部に配置されている場合と比較して、加速度センサ100のサイズを小さくすることができる。また、製造コストを含めた生産性を向上することができる。
また、本実施の形態の変形例2として、可動電極7の基板1の厚み方向の寸法Hmが固定電極6の基板1の厚み方向の寸法Hbより大きくてもよい。
図27を参照して、可動電極7の基板1の厚み方向の寸法Hmが固定電極6の基板1の厚み方向の寸法Hbより大きい。上記では、固定電極6の基板1の厚み方向の寸法Hbが可動電極7の基板1の厚み方向の寸法Hmより大きい場合について説明したが、可動電極7の基板1の厚み方向の寸法Hmが固定電極6の基板1の厚み方向の寸法Hbより大きくても、上記と同様に印加される加速度が大きい域で構成部材を接触させずに広い範囲の加速度を検出することができる。
また、本実施の形態の変形例3として、固定電極6と可動電極7とが櫛歯形状に構成されずに、固定部材2と変位部材3とを近接させることにより、固定部材2と変位部材3とに固定電極6と可動電極7との機能を併せ持たせていてもよい。
図28および図29を参照して、平面視における一方向において慣性質量体31が固定部材2の内側の近傍まで形成されている。これにより、固定部材2と慣性質量体31とが近接されている。この固定部材2と慣性質量体31との近接部分により静電容量Ciが構成されている。上記と異なり固定部材2と慣性質量体31とは単独では設けられていない。
上記では、加速度センサ100は、固定電極6と可動電極7とを櫛歯形状とすることで対向面積を大きくして、変位部材3の変位が大きい域での静電容量Ciの変位微分(∂Ci/∂Z)をより大きくすることにより発生する静電力の絶対値が効率よく大きくなるよう構成されている。しかし、変位部材3の変位が小さい域で、静電力Feleを生じる電極同士の対向面積が変化せずに、変位部材3の変位が大きい域で、静電力Feleを生じる電極同士の対向面積が変化すればよい。
したがって、固定電極6の機能を固定部材2に併せ持たせ、可動電極7の機能を変位部材3に併せ持たせることにより、固定部材2と変位部材3との対向面積の変化によって、変位部材3の変位が大きい域で、静電力Feleを増加させることができる。よって、上記と同様に広い範囲の加速度を検出することができる。
(実施の形態2)
本発明の実施の形態2の加速度センサは、実施の形態1の加速度センサと比較して、可動電極および固定電極の構成が主に異なっている。
図30を参照して、本実施の形態の加速度センサ100では、可動電極7は、互いに分離された複数の可動電極部71を有している。固定電極6は、互いに分離された複数の固定電極部61を有している。複数の可動電極部71および複数の固定電極部61は、互いに対向するように配置された可動電極部71と固定電極部61との組Pを複数個有している。
なお、組Pは、図30に示されるように2つの固定電極部61と1つの可動電極部71からなっていてもよく、また1つの固定電極部61と1つの可動電極部71とからなっていてもよい。
組Pにおける固定電極部61と可動電極部71とは基板1の表面からの高さが異なるように構成されている。組Pにおける固定電極部61および可動電極部71は、固定電極部61の基板1とは反対側の端面と、可動電極部71の基板1とは反対側の端面との間に基板1対する高さの差ΔPが生じるよう構成されている。なお、組Pにおける固定電極部61および可動電極部71は、固定電極部61の基板1側の端面と、可動電極部71の基板1側の端面との間にも同じく高さの差ΔPが生じるよう構成されている。
互いに隣り合う組Pの固定電極部61および可動電極部71の基板1の表面からの高さは、一方の組Pの固定電極部61の高さが他方の組Pの可動電極部71の高さと同一であり、一方の組Pの可動電極部71の高さが一方の組Pの固定電極部61の高さと同一であってもよい。
複数の可動電極部71および複数の固定電極部61は、加速度が小さい域では、変位部材3が基板1の厚み方向に変位しても複数個の組Pの可動電極部71と固定電極部61との対向面積の合計が一定であり、かつ加速度が大きい域で変位部材3が基板1の厚み方向に変位すると複数個の組Pの可動電極部71と固定電極部61との対向面積の合計が変化するよう構成されている。
図31を参照して、複数個の組Pでは、それぞれ寸法Hmの可動電極部71が2枚の寸法Hbの固定電極部61に挟まれている。以下では、2つの組Pを一例として説明するが、組Pは複数個であればよい。複数の固定電極部61の基板1の厚み方向の寸法Hbおよび複数の可動電極部71の基板1の厚み方向の寸法Hmは、同一の大きさに構成されている。
組Pには、固定電極部61に対して可動電極部71が基板1に向かって突出するよう配置されている組P(凹部)と、固定電極部61に対して可動電極部71が基板1と反対側に向かって突出するよう配置されている組P(凸部)とがある。第1の組P1は、基板1に対して可動電極部71が固定電極部61より下に位置するよう構成されている。第2の組P2は、基板1に対して可動電極部71が固定電極部61より上に位置するよう構成されている。
なお、本実施の形態のこれ以外の構成は、上述した実施の形態1の構成と同様であるため同一の要素については同一の符号を付し、その説明を繰り返さない。また、本実施の形態は、上述した実施の形態1と同様の製造方法で製造可能であるためその説明を繰り返さない。
続いて、固定電極部61と可動電極部71との電位差による静電力が変位部材3の変位に影響する動作について説明する。
図31に示すように、1つの固定電極部61と1つの可動電極部71とが対向している長さを対向長さHxとする。1つの組では、P1つの可動電極部71を2つの固定電極部61で挟んでいるため、1つの組Pにおける固定電極部61と可動電極部71との対向する長さは2Hxとなる。なお、固定電極部61と可動電極部71の長さは等しい長さに構成されている。このため、固定電極部61と可動電極部71との対向面積は2Hxに比例する。
図32(B)〜(D)を参照して、複数個の組Pは、可動電極部71の変位Zが−ΔP≦Z≦+ΔPの域(加速度が小さい域)において、可動電極部71が基板1の厚み方向に変位することによって可動電極部71と固定電極部61との対向面積が大きくなる組PLと、可動電極部71と固定電極部61との対向面積が小さくなる組PSとを有している。
可動電極部71の変位Zが−ΔP≦Z≦+ΔPの域(加速度が小さい域)では、組PLで固定電極部61と可動電極部71との対向面積が大きくなっても組PSでは固定電極部61と可動電極部71との対向面積が小さくなる。このため、可動電極部71の変位Zが−ΔP≦Z≦+ΔPの域(加速度が小さい域)では、可動電極部71が変位しても組PLと組PSからなる組Pにおいて固定電極部61と可動電極部71との対向面積の合計が一定であり変化しない。そのため、可動電極7の変位Zに対する静電容量Ciは変化しない。
図32(A)および(E)を参照して、可動電極部71の変位Zの絶対値がΔPを超える域(加速度が大きい域)では、可動電極部71が変位すると複数個の組Pにおいて可動電極部71と固定電極部61との対向面積の合計が変化するため、静電容量Ciが変化する。このため、静電容量Ciの変位微分(∂Ci/∂Z)および電位差の2乗に比例する静電力Feleが発生する。
次に、本実施の形態の加速度センサの作用効果について説明する。
本実施の形態の加速度センサ100によれば、複数の可動電極部71および複数の固定電極部61は、互いに対向するように配置された可動電極部71と固定電極部61との組Pを複数個有している。そして、加速度が小さい域では、変位部材3が基板1の厚み方向に変位しても複数個の組Pの可動電極部71と固定電極部61との対向面積の合計が一定であり、かつ加速度が大きい域で変位部材3が基板1の厚み方向に変位すると複数個の組Pの可動電極部71と固定電極部61との対向面積の合計が変化する。
このため、複数個の組Pの可動電極部71と固定電極部61との対向面積の合計の変化による静電容量Ciの変化に応じて発生する静電力Feleを加速度が小さい域で一定にし、加速度が大きい域で大きくすることができる。これにより、印加される加速度が大きい域で構成部材を接触させずに広い範囲の加速度を検出できる。
本実施の形態の加速度センサ100によれば、複数個の組Pは、加速度が小さい域において、可動電極部71が基板1の厚み方向に変位することによって可動電極部71と固定電極部61との対向面積が大きくなる組PLと、可動電極部71と固定電極部61との対向面積が小さくなる組PSとを有している。
このため、加速度が小さい域において可動電極部71が基板1の厚み方向に変位しても、複数個の組Pの可動電極部71と固定電極部61との対向面積の合計の変化による静電容量Ciの変化に応じて発生する静電力Feleを加速度が小さい域で一定にすることができる。
本実施の形態の加速度センサ100によれば、可動電極部71と固定電極部61との基板1の厚み方向の寸法が同一であり、複数個の組Pは、基板1に対して可動電極部71が固定電極部61より下に位置するよう構成された第1の組P1と、基板1に対して可動電極部71が固定電極部61より上に位置するよう構成された第2の組P2とを有している。
このため、第1の組P1および第2の組P2において可動電極部71と固定電極部61との対向面積の合計の変化による静電容量Ciの変化に応じて発生する静電力Feleを加速度が小さい域で一定にし、加速度が大きい域で大きくすることができる。
なお、上記では、第1の組P1と第2の組P2とが同じ個数の場合について説明したが、第1の組P1と第2の組P2とは個数が異なっていてもよい。第1の組P1と第2の組みP2との個数が異なる場合には、可動電極部71の変位Zが−ΔP≦Z≦+ΔPの域で、第1の組P1での静電容量Ciの変化と第2の組P2での静電容量Ciの変化とが等しくならないため、静電力Feleが発生する。しかし、可動電極部71の変位Zの絶対値がΔPを超える域では格段に大きい静電力Feleが生じる。加速度が小さい域と比較して加速度が大きい域で静電力Feleを格段に大きくすることができるため、第1の組P1と第2の組P2とは個数が異なっていても広範囲の加速度を検出できる。
(本実施の形態3)
本発明の実施の形態3の加速度センサは、実施の形態1の加速度センサと比較して、変位部材の構成が主に異なっている。
図33〜35を参照して、本実施の形態の加速度センサ100の変位部材3は、可動電極7と、慣性質量体31と、検出フレーム部32と、ねじれ梁33と、リンク梁34とを有している。
ねじれ梁33は、アンカー部材5を介して基板1に支持されている。ねじれ梁33は、ねじれ軸線Tを中心としてねじれるよう構成されている。検出フレーム部32は、ねじれ軸線Tを中心に回転可能なようにねじれ梁33に支持されている。リンク梁34は、平面視においてねじれ軸線Tからずれた仮想線L上の位置において検出フレーム部32に支持されている。
リンク梁34は、ねじれ梁33のねじれ軸線Tをねじれ軸線Tと交差しかつ検出フレーム部32の一方端部側に向かう方向にオフセットeだけ平行移動した仮想線L上の位置において検出フレーム部32と繋がっている。すなわち、オフセットeの絶対値はねじれ軸線Tと仮想線Lとの間の寸法である。
慣性質量体31は、基板1に対して基板1の厚み方向に変位可能にリンク梁34に支持されている。慣性質量体31は、可動電極7を有している。リンク梁34と慣性質量体31との接続部の変位とリンク梁34と検出フレーム部32との接続部の変位は同一になるよう構成されている。検出フレーム部32と対向する基板1上には、検出電極8が形成されている。図34に示されるように、検出電極8は、アンカー部材5に対して一方側に形成されている。
なお、本実施の形態のこれ以外の構成は、上述した実施の形態1の構成と同様であるため同一の要素については同一の符号を付し、その説明を繰り返さない。また、本実施の形態は、上述した実施の形態1と同様の製造方法で製造可能であるためその説明を繰り返さない。
次に、本実施の形態の加速度センサの動作について説明する。
図36を参照して、本実施の形態の加速度センサ100に対して検出軸DA方向の加速度AZが印加されると、ねじれ梁33が変形し、加速度AZによってねじれ梁33を除く変位部材3に働く力とねじれ梁33の復元力とがつりあう位置に慣性質量体31が変位する。慣性質量体31は、加速度AZの方向と反対方向に変位する。
図34および図36を参照して、慣性質量体31と連結されているリンク梁34も、慣性質量体31と一体となって加速度AZと反対方向に変位する。加速度AZに対するリンク梁34の変位により、検出フレーム部32は、リンク梁34の仮想線Lの部分で加速度AZと反対方向への力を受ける。この仮想線Lは、ねじれ梁33のねじれ軸線Tからオフセットeだけ平行移動された位置にあるため、検出フレーム部32にはトルクが作用する。この結果、検出フレーム部32が回転変位する。
すなわち、検出フレーム部32の上面が加速度センサ100の一方端部側(図36の左側)を向くように、検出フレーム部32が図中矢印R方向に回転変位する。検出フレーム部32の回転変位によって検出フレーム部32と検出電極8との距離が小さくなるため、検出フレーム部32と検出電極8とにより構成される静電容量Cdが増大する。この静電容量Cdの変化から加速度AZが検出される。
なお、固定電極6と可動電極7との電位差による静電力が変位部材3の変位に影響する動作については、上述した実施の形態1と同様であるためその説明を繰り返さない。
また、上記では、図34に示されるように検出電極8がアンカー部材5に対して一方側に形成されていたが、検出電極8はアンカー部材5に対して両側に形成されていてもよい。図37を参照して、アンカー部材5を挟むように検出フレーム部32と対向する基板1上に検出電極8Lと検出電極8Rとが形成されている。
このため、検出電極8Lと検出フレーム部32とにより構成される静電容量CdLと検出電極8Rと検出フレーム部32とにより構成される静電容量CdRとの差分から静電容量変化を検出することができる。加速度センサ100に対して検出軸DA方向の加速度AZが印加されると、検出フレーム部32はねじれ梁33のねじれ軸Tを中心に回転する。
そのため、静電容量CdLと静電容量CdRとは一方が大きくなり、他方が小さくなる。つまり、静電容量CdLおよび静電容量CdRの変化は互いに符号を異にするので、印加された加速度AZに対する感度を高くすることができる。
また、本実施の形態の固定電極6および可動電極7は、実施の形態2の固定電極6および可動電極7の構成を採用してもよい。
次に、本実施の形態の加速度センサの作用効果について説明する。
本実施の形態の加速度センサ100によれば、変位部材3は、基板1に支持され、かつねじれ軸線Tを中心としてねじれるねじれ梁33と、ねじれ軸線Tを中心に回転可能なようにねじれ梁33に支持された検出フレーム部32と、平面視においてねじれ軸線Tからずれた仮想線L上の位置において検出フレーム部32に支持されたリンク梁34と、基板1に対して基板1の厚み方向に変位可能にリンク梁34に支持され、かつ可動電極7を有する慣性質量体31とを含んでいる。
これにより、加速度に対する慣性質量体31の変位を大きくすることができるため、可動電極7の変位を大きくすることができる。そのため、広い範囲の加速度を検出することができる。
(実施の形態4)
本発明の実施の形態4の加速度センサは、実施の形態1の加速度センサと比較して、変位部材の構成が主に異なっている。
図38〜図40を参照して、本実施の形態の加速度センサ100の変位部材3は、可動電極7と、慣性質量体31と、検出フレーム部32と、ねじれ梁33と、リンク梁34とを有している。
ねじれ梁33は、アンカー部材5を介して基板1に支持されている。ねじれ梁33は、ねじれ軸線Tを中心としてねじれるよう構成されている。検出フレーム部32は、ねじれ軸線Tを中心に回転可能なようにねじれ梁33に支持されている。検出フレーム部32は、可動電極7を有している。リンク梁34は、平面視においてねじれ軸線Tからずれた仮想線L上の位置において検出フレーム部32に支持されている。
リンク梁34は、ねじれ梁33のねじれ軸線Tをねじれ軸線Tと交差しかつ検出フレーム部32の一方端部側に向かう方向にオフセットeだけ平行移動した仮想線L上の位置において検出フレーム部32と繋がっている。すなわち、オフセットeの絶対値はねじれ軸線Tと仮想線Lとの間の寸法である。
慣性質量体31は、基板1に対して基板1の厚み方向に変位可能にリンク梁34に支持されている。リンク梁34と慣性質量体31との接続部の変位とリンク梁34と検出フレーム部32との接続部の変位は同一になるよう構成されている。慣性質量体31は固定部材2および検出フレーム部32を取り囲むように構成されている。検出フレーム部32と対向する基板1上には、検出電極8が形成されている。図39に示されるように、検出電極8は、アンカー部材5に対して一方側に形成されている。
なお、本実施の形態のこれ以外の構成は、上述した実施の形態1の構成と同様であるため同一の要素については同一の符号を付し、その説明を繰り返さない。また、本実施の形態は、上述した実施の形態1と同様の製造方法で製造可能であるためその説明を繰り返さない。
次に、本実施の形態の加速度センサの動作について説明する。
図41を参照して、本実施の形態の加速度センサ100に対して検出軸DA方向の加速度AZが印加されると、ねじれ梁33が変形し、加速度AZによってねじれ梁33を除く変位部材3に働く力とねじれ梁33の復元力とがつりあう位置に慣性質量体31が変位する。慣性質量体31は、加速度AZの方向と反対方向に変位する。
慣性質量体31と連結されているリンク梁34も、慣性質量体31と一体となって加速度AZと反対方向に変位する。加速度AZに対するリンク梁34の変位により、検出フレーム部32は、リンク梁34の仮想線Lの部分で加速度AZと反対方向への力を受ける。この結果、検出フレーム部32が回転変位する。
すなわち、検出フレーム部32の上面が加速度センサ100の一方端部側(図41の左側)を向くように、検出フレーム部32が図中矢印R方向に回転変位する。検出フレーム部32の回転変位によって検出フレーム部32と検出電極8との距離が小さくなるため、検出フレーム部32と検出電極8とにより構成される静電容量Cdが増大する。この静電容量Cdの変化から加速度AZが検出される。また、検出フレーム部32の回転変位に伴って可動電極7が回転変位する。
続いて、固定電極6と可動電極7との電位差による静電力が変位部材3の変位に影響する動作について説明する。
検出フレーム部32の一方端側と他方端側で可動電極7と固定電極6とは対向しているため、固定電極6と可動電極7との対向面積は、可動電極7の基板1の厚み方向の寸法2Hmに比例する。
図42(A)〜(E)を参照して、各図の上段は検出フレーム部32の一方側の固定電極6と可動電極7との配置を示し、各図の下段は検出フレーム部32の他方側の固定電極6と可動電極7との配置を示している。検出フレーム部32の回転変位に伴って可動電極7が回転変位するため、検出フレーム部32の一方側の可動電極7と他方側の可動電極7とは逆方向に変位する。可動電極7の基板1の厚み方向の寸法Hmと固定電極6の基板1の厚み方向の寸法Hbとの差をΔHとする。固定電極6および可動電極7は、固定電極6の基板1側の端面と可動電極7の基板1側の端面との高さの差および固定電極6の基板1と反対側の端面と可動電極7の基板1の反対側の端面との高さの差はそれぞれΔH/2とする。
図42(B)〜(D)を参照して、検出フレーム部32の一方側の可動電極7の変位Zrが−ΔH/2≦Zr≦+ΔH/2の域(加速度が小さい域)では、検出フレーム部32の一方側および他方側の可動電極7が変位しても固定電極6と可動電極7との対向面積は一定であり変化しないため、可動電極7の変位Zrに対する静電容量Ciは変化しない。図42(A)および(E)を参照して、検出フレーム部32の一方側の可動電極7の変位Zrの絶対値がΔH/2を超える域(加速度が大きい域)では、可動電極7が変位すると固定電極6と可動電極7との対向面積が変化するため、静電容量Ciが変化する。このため、静電容量Ciの変位微分(∂Ci/∂Zr)および電位差の2乗に比例する静電力Feleが発生する。
また、上記では、図39に示されるように検出電極8がアンカー部材5に対して一方側に形成されていたが、検出電極8はアンカー部材5に対して両側に形成されていてもよい。図43を参照して、アンカー部材5を挟むように検出フレーム部32と対向する基板1上に検出電極8Lと検出電極8Rとが形成されている。
このため、検出電極8Lと検出フレーム部32とにより構成される静電容量CdLと検出電極8Rと検出フレーム部32とにより構成される静電容量CdRとの差分から静電容量変化を検出することができる。加速度センサ100に対して検出軸DA方向の加速度AZが印加されると、検出フレーム部32はねじれ梁33のねじれ軸Tを中心に回転する。
そのため、静電容量CdLと静電容量CdRとは一方が大きくなり、他方が小さくなる。つまり、静電容量CdLおよび静電容量CdRの変化は互いに符号を異にするので、印加された加速度AZに対する感度を高くすることができる。
また、本実施の形態の固定電極6および可動電極7は、実施の形態2の固定電極6および可動電極7の構成を採用してもよい。
次に、本実施の形態の加速度センサの作用効果について説明する。
本実施の形態の加速度センサ100によれば、変位部材3は、基板1に支持され、かつねじれ軸線Tを中心としてねじれるねじれ梁33と、ねじれ軸線Tを中心に回転可能なようにねじれ梁33に支持され、かつ可動電極7を有する検出フレーム部32と、平面視においてねじれ軸線Tからずれた仮想線L上の位置において検出フレーム部32に支持されたリンク梁34と、基板1に対して基板1の厚み方向に変位可能にリンク梁34に支持された慣性質量体31とを含んでいる。
これにより、加速度に対する慣性質量体31の変位を大きくすることができるため、可動電極7の変位を大きくすることができる。また、慣性質量体31を大きくすることができる。そのため、広い範囲の加速度を検出することができる。
(実施の形態5)
本発明の実施の形態5の加速度センサは、実施の形態1の加速度センサと比較して、慣性質量体を基板に対して移動させるための電圧印加電極をさらに備えている点で主に異なっている。
図44〜図46を参照して、慣性質量体31と対向するよう基板1の上に絶縁体9を介して電圧印加電極10が形成されている。電圧印加電極10は、変位部材3を基板1に対して基板1の厚み方向に移動させるために電圧を印加されるよう構成されている。固定電極6および可動電極7は、基板1の厚み方向の上面の高さが同一になるよう構成されている。つまり、可動電極7の基板1とは反対側の端面および固定電極6の基板1とは反対側の端面の基板1に対する高さが同一の高さになるよう構成されている。
なお、本実施の形態のこれ以外の構成は、上述した実施の形態1の構成と同様であるため同一の要素については同一の符号を付し、その説明を繰り返さない。
図47を参照して、電圧印加電極10と変位部材3との間に電圧が印加されることによって電圧印加電極10と変位部材3との間に静電容量Cvに起因する静電力が発生する。この静電力によって、加速度が印加されていない状態において固定電極6と可動電極7との上面および下面の高さの差がそれぞれΔH/2になるよう可動電極7が移動される。
本実施の形態の加速度センサ100によれば、変位部材3を基板1に対して基板1の厚み方向に移動させるために電圧を印加される電圧印加電極10をさらに備えているため、固定電極6および可動電極7の基板1の厚み方向の上面の高さが同一に形成されている場合でも、電圧印加電極10と変位部材3との間に静電容量Cvに起因する静電力を生じさせることで、加速度が印加されていない状態において固定電極6と可動電極7との上面および下面の高さの差を生じさせることができる。これにより、印加される加速度の両方向において、正確に加速度を検出できる。
固定電極6および可動電極7の基板1の厚み方向の上面の高さを同一に形成することができるため、固定電極6および可動電極7の基板1の厚み方向の上面の高さが異なる場合と比較して、製造工程において、成膜、パターニングおよびエッチングの回数を1回減らすことができるので、製造工程を簡易にすることができる。また、製造コストを含めた生産性を向上することができる。
(実施の形態6)
本発明の実施の形態6の加速度センサは、実施の形態4の加速度センサと比較して、固定電極および可動電極の構成が主に異なっている。
図48を参照して、本実施の形態の加速度センサ100では、可動電極7は、互いに分離された複数の可動電極部71を含んでいる。固定電極6は、互いに分離された複数の固定電極部61を含んでいる。複数の可動電極部71および複数の固定電極部61は、互いに対向するように配置された可動電極部71と固定電極部61との組Pを少なくとも2個有している。なお、組Pは、2つの固定電極部61と1つの可動電極部71からなっていてもよく、また1つの固定電極部61と1つの可動電極部71とからなっていてもよい。
複数の可動電極部71および複数の固定電極部61は、複数の可動電極部71の全ての基板1とは反対側の端面および複数の固定電極部61の全ての基板1とは反対側の端面の基板1に対する高さが同一の高さになるよう構成されている。また、複数の可動電極部71および複数の固定電極部61は、複数の可動電極部71の全ての基板1側の端面および複数の固定電極部61の全ての基板1側の端面の基板1に対する高さが同一の高さになるよう構成されていてもよい。
複数個の組Pは、加速度が小さい域において、変位部材3が基板1の厚み方向に変位すると少なくとも2個の組Pのうち、一方の組Pの可動電極部71と他方の組Pの可動電極部71とが基板1の厚み方向に互いに反対方向に変位することによって、加速度が小さい域において、一方の組Pでは可動電極部71と固定電極部61との対向面積が一定となり、かつ他方の組Pでは可動電極部71と固定電極部61との対向面積が変化するよう構成されている。
本実施の形態の加速度センサ100は、加速度が小さい域では、加速度が大きい域と比較して複数個の組Pの可動電極部71と固定電極部61との間の静電力の合計の変化が小さくなるよう構成されている。
なお、本実施の形態のこれ以外の構成は、上述した実施の形態4の構成と同様であるため同一の要素については同一の符号を付し、その説明を繰り返さない。また、本実施の形態は、上述した実施の形態1と同様の製造方法で製造可能であるためその説明を繰り返さない。
続いて、固定電極6と可動電極7との電位差による静電力が変位部材3の変位に影響する動作について説明する。
図49(A)〜(E)を参照して、各図の上段は検出フレーム部32の一方側の固定電極部61と可動電極部71との配置を示し、各図の下段は検出フレーム部32の他方側の固定電極部61と可動電極部71との配置を示している。検出フレーム部32の回転変位に伴って可動電極部71が回転変位するため、検出フレーム部32の一方側の可動電極部71と他方側の可動電極部71とは逆方向に変位する。固定電極部61および可動電極部71は、固定電極部61の基板1側の端面と、可動電極部71の基板1側の端面との間に基板1対する高さの差ΔPが生じるよう構成されている。
図49(C)に示すように、検出フレーム部32の一方側および他方側の可動電極部71のそれぞれの変位Zrが0のときには、検出フレーム部32の一方側および他方側の固定電極部61と可動電極部71との対向面積は一定であり変化しないため、可動電極7の変位Zrに対する静電容量Ciは変化しない。そのため、静電力は発生しない。
図49(B)および(D)に示すように、検出フレーム部32の一方側および他方側の可動電極7のそれぞれの変位Zrが−ΔP≦Zr≦+ΔPの域(加速度が小さい域)では、検出フレーム部32の一方側および他方側の可動電極7が変位しても、一方の組Pでは可動電極部71と固定電極部61との対向面積が一定となり変化しないため、可動電極7の変位Zrに対する静電容量Ciの変化は小さくなる。そのため、加速度が大きい域と比較して複数個の組Pの可動電極部71と固定電極部61との間の静電力の合計の変化が小さくなる。
図49(A)および(E)に示すように検出フレーム部32の一方側および他方側の可動電極7のそれぞれの変位Zrの絶対値がΔPを超える域(加速度が大きい域)では、可動電極7が変位すると、一方の組Pおよび他方の組Pの両方で固定電極部61と可動電極部71との対向面積が変化するため、可動電極7の変位Zrに対する静電容量Ciが変化する。このため、複数個の組Pの可動電極部71と固定電極部61との間の静電力の合計の変化が大きくなる。
本実施の形態の加速度センサ100によれば、複数の可動電極部71の全ての基板1とは反対側の端面および複数の固定電極部61の全ての基板1とは反対側の端面の基板1に対する高さ、および複数の可動電極部71の全ての基板1側の端面および複数の固定電極部61の全ての基板1側の端面の基板1に対する高さのいずれかが同一の高さになるよう構成されている。このため、固定電極部61および可動電極部71の基板1の厚み方向の端面の高さが異なる場合と比較して、製造工程において、成膜、パターニングおよびエッチングの回数を1回減らすことができるので、製造工程を簡易にすることができる。また、製造コストを含めた生産性を向上することができる。
また、複数個の組Pは、加速度が小さい域において、変位部材3が基板1の厚み方向に変位すると少なくとも2個の組Pのうち、一方の組Pの可動電極部71と他方の組Pの可動電極部71とが基板1の厚み方向に互いに反対方向に変位することによって、加速度が小さい域において、一方の組Pでは可動電極部71と固定電極部61との対向面積が一定となり、かつ他方の組Pでは可動電極部71と固定電極部61との対向面積が変化するよう構成されている。
このため、加速度の小さい域においては、一方の組Pでは可動電極部71と固定電極部61との対向面積が一定となり変化しないため、可動電極7の変位Zrに対する静電容量Ciの変化は小さくなる。そのため、加速度の小さい域においては、加速度が大きい域と比較して複数個の組Pの可動電極部71と固定電極部61との間の静電力の合計の変化が小さくなる。加速度の大きい域においては、一方の組Pおよび他方の組Pの両方で固定電極部61と可動電極部71との対向面積が変化するため、可動電極7の変位Zrに対する静電容量Ciが変化する。このため、複数個の組Pの可動電極部71と固定電極部61との間の静電力の合計の変化が大きくなる。そのため、加速度の大きい域では、加速度の小さい域より剛性が高くなるため、広い範囲の加速度を検出することができる。
本実施の形態の加速度センサ100によれば、変位部材3は、基板1に支持され、かつねじれ軸線Tを中心としてねじれるねじれ梁33と、ねじれ軸線Tを中心に回転可能なようにねじれ梁33に支持され、かつ可動電極7を有する検出フレーム部32と、平面視においてねじれ軸線Tからずれた仮想線L上の位置において検出フレーム部32に支持されたリンク梁34と、基板1に対して基板1の厚み方向に変位可能にリンク梁34に支持された慣性質量体31とを含んでいる。
これにより、加速度に対する慣性質量体31の変位を大きくすることができるため、可動電極7の変位を大きくすることができる。また、慣性質量体31を大きくすることができる。そのため、広い範囲の加速度を検出することができる。
上記の各実施の形態は、適時組み合わせることができる。
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることを意図される。
1 基板、2 固定部材、3 変位部材、4 梁部材、5 アンカー部材、6 固定電極、7 可動電極、8 検出電極、9 絶縁体、10 電圧印加電極、31 慣性質量体、61 可動電極部、71 固定電極部、100 加速度センサ、L 仮想線、P 組、P1 第1の組、P2 第2の組、T ねじれ軸線。

Claims (13)

  1. 基板と、
    前記基板に対して前記基板の厚み方向に変位可能に前記基板の表面に支持され、かつ可動電極を有する変位部材と、
    前記可動電極と対向するよう配置され、かつ前記可動電極との間に静電力を発生させるための固定電極とを備え、
    加速度が小さい域では、前記変位部材が前記基板の厚み方向に変位しても前記可動電極と前記固定電極との対向面積が一定であり、かつ
    加速度が大きい域で前記変位部材が前記基板の厚み方向に変位すると前記可動電極と前記固定電極との対向面積が変化するよう構成されている、加速度センサ。
  2. 前記可動電極の前記基板の厚み方向の寸法と前記固定電極の前記基板の厚み方向の寸法とが異なる大きさに構成されている、請求項1に記載の加速度センサ。
  3. 前記可動電極は、互いに分離された複数の可動電極部を含み、
    前記固定電極は、互いに分離された複数の固定電極部を含み、
    複数の前記可動電極部および複数の前記固定電極部は、互いに対向するように配置された前記可動電極部と前記固定電極部との組を複数個有し、
    加速度が小さい域では、前記変位部材が前記基板の厚み方向に変位しても複数個の前記組の前記可動電極部と前記固定電極部との対向面積の合計が一定であり、かつ
    加速度が大きい域で前記変位部材が前記基板の厚み方向に変位すると複数個の前記組の前記可動電極部と前記固定電極部との対向面積の合計が変化するよう構成されている、請求項1に記載の加速度センサ。
  4. 複数個の前記組は、加速度が小さい域において、前記可動電極部が前記基板の厚み方向に変位することによって
    前記可動電極部と前記固定電極部との対向面積が大きくなる組と、
    前記可動電極部と前記固定電極部との対向面積が小さくなる組とを有している、請求項3に記載の加速度センサ。
  5. 前記可動電極部と前記固定電極部との前記基板の厚み方向の寸法が同一であり、
    複数個の前記組は、
    前記基板に対して前記可動電極部が前記固定電極部より下に位置するよう構成された第1の組と、
    前記基板に対して前記可動電極部が前記固定電極部より上に位置するよう構成された第2の組とを有している、請求項4に記載の加速度センサ。
  6. 前記変位部材は、
    前記基板に支持された梁部材と、
    前記基板に対して前記基板の厚み方向に変位可能に前記梁部材に支持され、前記可動電極を有する慣性質量体とを含んでいる、請求項1〜5のいずれかに記載の加速度センサ。
  7. 前記変位部材は、
    前記基板に支持され、かつねじれ軸線を中心としてねじれるねじれ梁と、
    前記ねじれ軸線を中心に回転可能なように前記ねじれ梁に支持された検出フレーム部と、
    平面視において前記ねじれ軸線からずれた仮想線上の位置において前記検出フレーム部に支持されたリンク梁と、
    前記基板に対して前記基板の厚み方向に変位可能に前記リンク梁に支持され、かつ前記可動電極を有する慣性質量体とを含んでいる、請求項1〜5のいずれかに記載の加速度センサ。
  8. 前記変位部材は、
    前記基板に支持され、かつねじれ軸線を中心としてねじれるねじれ梁と、
    前記ねじれ軸線を中心に回転可能なように前記ねじれ梁に支持され、かつ前記可動電極を有する検出フレーム部と、
    平面視において前記ねじれ軸線からずれた仮想線上の位置において前記検出フレーム部に支持されたリンク梁と、
    前記基板に対して前記基板の厚み方向に変位可能に前記リンク梁に支持された慣性質量体とを含んでいる、請求項1〜5のいずれかに記載の加速度センサ。
  9. 前記可動電極の前記基板とは反対側の端面および前記固定電極の前記基板とは反対側の端面の前記基板に対する高さが同一の高さになるよう構成されており、
    前記変位部材と対向するように前記基板の上に形成され、かつ前記変位部材を前記基板に対して前記基板の厚み方向に移動させるために電圧を印加される電圧印加電極をさらに備えた、請求項1〜8のいずれかに記載の加速度センサ。
  10. 前記可動電極と前記固定電極とは前記基板の前記表面に沿う方向に対向するよう配置されている、請求項1〜9のいずれかに記載の加速度センサ。
  11. 前記変位部材と対向するよう前記基板の前記表面上に配置され、かつ前記変位部材と静電容量を構成する検出電極をさらに備えた、請求項1〜10のいずれかに記載の加速度センサ。
  12. 基板と、
    前記基板に対して前記基板の厚み方向に変位可能に前記基板の表面に支持され、かつ可動電極を有する変位部材と、
    前記可動電極と対向するよう配置され、かつ前記可動電極との間に静電力を発生させるための固定電極とを備え、
    前記可動電極は、互いに分離された複数の可動電極部を含み、
    前記固定電極は、互いに分離された複数の固定電極部を含み、
    複数の前記可動電極部および複数の前記固定電極部は、互いに対向するように配置された前記可動電極部と前記固定電極部との組を少なくとも2個有し、
    複数の前記可動電極部の全ての前記基板とは反対側の端面および複数の前記固定電極部の全ての前記基板とは反対側の端面の前記基板に対する高さ、および複数の前記可動電極部の全ての前記基板側の端面および複数の前記固定電極部の全ての前記基板側の端面の前記基板に対する高さのいずれかが同一の高さになるよう構成されており、
    複数個の前記組は、加速度が小さい域において、前記変位部材が前記基板の厚み方向に変位すると少なくとも2個の前記組のうち、一方の前記組の前記可動電極部と他方の前記組の前記可動電極部とが前記基板の厚み方向に互いに反対方向に変位することによって、加速度が小さい域において、一方の前記組では前記可動電極部と前記固定電極部との対向面積が一定となり、かつ他方の前記組では前記可動電極部と前記固定電極部との対向面積が変化するよう構成されており、
    加速度が小さい域では、加速度が大きい域と比較して複数個の前記組の前記可動電極部と前記固定電極部との間の静電力の合計の変化が小さくなるよう構成されている、加速度センサ。
  13. 前記変位部材は、
    前記基板に支持され、かつねじれ軸線を中心としてねじれるねじれ梁と、
    前記ねじれ軸線を中心に回転可能なように前記ねじれ梁に支持され、かつ前記可動電極を有する検出フレーム部と、
    平面視において前記ねじれ軸線からずれた仮想線上の位置において前記検出フレーム部に支持されたリンク梁と、
    前記基板に対して前記基板の厚み方向に変位可能に前記リンク梁に支持された慣性質量体とを含んでいる、請求項12に記載の加速度センサ。
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