JP2013152111A - 加速度センサ - Google Patents

Abstract

【課題】 低加速度域において高い検出分解能を有するとともに、検出範囲が広い加速度センサを得る。
【解決手段】 間隔ｄ１１（第１の間隔）を隔てて検出フレーム７と対向するように設けられ、電圧が印加されることによって検出フレーム７を駆動する一対の第１駆動電極１１ａ，１１ｂと、間隔ｄ１２（第２の間隔）を隔てて検出フレーム７と対向するように設けられ、電圧が印加されることによって検出フレーム７を駆動する一対の第２駆動電極１２ａ，１２ｂと、検出フレーム７の変位を検出する容量−電圧変換回路２０（検出手段）と、容量−電圧変換回路２０の出力に応じて、第１駆動電極１１ａ，１１ｂまたは第２駆動電極１２ａ，１２ｂに電圧を印加し、検出フレーム７を所定位置に駆動するように制御するサーボ制御回路３０（制御手段）とを備え、検出フレーム７を所定位置に駆動するように印加した電圧に基づいて、印加された加速度を検出するものである。
【選択図】 図１

Description

この発明は、加速度センサに関する。

従来の加速度センサとして、加速度の印加に伴って生じる静電容量の変化により、印加された加速度を検出する静電容量型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、可動電極と基板の接触による動作不良あるいは破損を防止するために、当該加速度センサをサーボ型として使用するものが提案されている（例えば、特許文献１参照）。

サーボ型の加速度センサでは、印加された加速度によって可動電極がねじれ梁の周りにねじれて静電容量に不均衡が生じた場合に、この不均衡量をフィードバックし、不均衡量に応じた電圧を駆動電極に印加するようにしている。そして、印加した電圧によって可動電極と駆動電極との間に生じる静電引力で可動電極のねじれを平衡位置に戻し、可動電極を平衡位置に戻すために駆動電極に印加した電圧に基づき、印加された加速度を求める。

国際公開第０３／０４４５３９号（７−８頁、図８−１０）

上記の加速度センサにおいては、可動電極と駆動電極の間隔を狭くして電極間に生じる静電引力を大きくすることにより、加速度の検出範囲を拡大することができる。ところが、検出範囲は検出分解能とトレードオフの関係にあるため、可動電極と駆動電極の間隔を狭くする方法では、広範囲の加速度を検出しようとすると検出分解能が低下してしまうという問題点があった。

この発明は、上述のような点に着目してなされたもので、検出分解能の低下の影響が大きい低加速度域において高い検出分解能を有するとともに、検出範囲が広い加速度センサを得ることを目的とするものである。

この発明に係る加速度センサは、基板と、基板上に固定されたアンカーと、アンカーに支持され、加速度が印加されることによって変位する慣性質量体と、慣性質量体の変位に応じて変位可能な可動電極と、第１の間隔を隔てて可動電極と対向するように設けられ、電圧が印加されることによって可動電極との間に発生する静電力により可動電極を駆動する一対の第１駆動電極と、第１の間隔とは異なる第２の間隔を隔てて可動電極と対向するように設けられ、電圧が印加されることによって可動電極との間に発生する静電力により可動電極を駆動する一対の第２駆動電極と、加速度が印加されることによって生じる可動電極の変位を検出する検出手段と、検出手段が検出した可動電極の変位に応じて、第１駆動電極または第２駆動電極に電圧を印加し、可動電極を所定位置に駆動するように制御する制御手段とを備え、可動電極を所定位置に駆動するように印加した電圧に基づいて、印加された加速度を検出するものである。

この発明によれば、可動電極との間隔が互いに異なる第１駆動電極および第２駆動電極を備え、可動電極の変位に応じて、第１駆動電極または第２駆動電極に電圧を印加し、印加した電圧に基づいて加速度を検出するようにしているので、低加速度域での分解能が向上するとともに、検出範囲を拡大することができる。

実施の形態１に係る加速度センサの構成を示すブロック図である。 実施の形態１に係る加速度センサの素子構造体の上面図である。 図２から変位部材を除いた上面図である。 図２のＡ−Ａ断面図である。 実施の形態１に係る加速度センサで形成される静電容量を示す断面図である。 実施の形態１に係る加速度センサの容量−電圧変換回路を示す図である。 実施の形態１に係る加速度センサの製造工程の一部を示す断面図である。 実施の形態１に係る加速度センサの製造工程の一部を示す断面図である。 実施の形態１に係る加速度センサの製造工程の一部を示す断面図である。 実施の形態１に係る加速度センサの製造工程の一部を示す断面図である。 実施の形態１に係る加速度センサの製造工程の一部を示す断面図である。 実施の形態１に係る加速度センサの製造工程の一部を示す断面図である。 実施の形態１に係る加速度センサの製造工程の一部を示す断面図である。 実施の形態１に係る加速度センサの製造工程の一部を示す断面図である。 実施の形態１に係る加速度センサの製造工程の一部を示す断面図である。 実施の形態１に係る加速度センサの製造工程の一部を示す断面図である。 比較例の加速度センサで形成される静電容量を示す断面図である。 比較例の加速度センサに正方向の加速度が印加された状態を示す断面図である。 比較例の加速度センサに正方向の加速度が印加された状態を示す断面図である。 比較例の加速度センサに正方向の加速度が印加された状態を示す断面図である。 比較例の加速度センサにおいて、印加された加速度と、印加された加速度によって生じた変位を０にする電圧との関係を示す図である。 実施の形態１の加速度センサに正方向の加速度が印加された状態を示す断面図である。 実施の形態１の加速度センサに正方向の加速度が印加された状態を示す断面図である。 実施の形態１の加速度センサに正方向の加速度が印加された状態を示す断面図である。 実施の形態１の加速度センサにおいて、印加された加速度と、印加された加速度によって生じた変位を０にするために第１駆動電極に印加する電圧との関係を示す図である。 実施の形態１の加速度センサに正方向の加速度が印加された状態を示す断面図である。 実施の形態１の加速度センサにおいて、印加された加速度と、印加された加速度によって生じた変位を０にするために第２駆動電極に印加する電圧との関係を示す図である。 実施の形態１の加速度センサに印加できる電圧の上限値を示す図である。 実施の形態１の加速度センサの検出分解能を示す図である。 実施の形態１に係る加速度センサにおいて、検出モード１と検出モード２の切り替えを説明するための図である。 実施の形態１の加速度センサに負方向の加速度が印加された状態を示す断面図である。 実施の形態１に係る加速度センサの変形例を示す断面図である。 実施の形態１に係る加速度センサの変形例を示す断面図である。 実施の形態２に係る加速度センサの構成を示すブロック図である。 実施の形態３に係る加速度センサの素子構造体の断面図である。 実施の形態３の加速度センサで形成される静電容量を示す断面図である。 実施の形態４に係る加速度センサの素子構造体の上面図である。 図３７のＢ−Ｂ断面図である。 実施の形態４の加速度センサで形成される静電容量を示す、図３８の一部を拡大した断面図である。

実施の形態１．
図１ないし４は、実施の形態１に係る加速度センサの構成を示すものであって、図１は構成を示すブロック図、図２は素子構造体を示す上面図、図３は図２から変位部材を除いた上面図、図４は図２のＡ−Ａ断面図である。なお、以下の各図において、同一符号は同一または相当の構成を示す。

実施の形態１の加速度センサは、図１に示すように、素子構造体１０と、容量−電圧変換回路２０（検出手段）と、サーボ制御回路３０（制御手段）と、自己診断回路４０とを備えている。

素子構造体１０について図２ないし４を用いて説明する。図２および４に示すように、素子構造体１０は、基板１と、基板１上に絶縁体９を介して固定されたアンカー５と、アンカー５に支持される変位部材２とを備えている。変位部材２は、ねじれ梁６、検出フレーム７、リンク梁４および慣性質量体３を備えている。ねじれ梁６は、アンカー５に接続されており、ねじれ軸６ａを中心にねじれることができる。検出フレーム７は、ねじれ軸６ａを中心として回転可能に、ねじれ梁６に支持されている。リンク梁４は、ねじれ梁６と離れた位置において、検出フレーム７の両端に接続されている。慣性質量体３は、リンク梁４を介して検出フレーム７に連結されており、加速度が印加されることによって基板１に対して垂直方向に変位する。なお、検出軸ＤＡは加速度の検出方向を示す。また、実施の形態１では、検出フレーム７がこの発明の「可動電極」として機能する。

図３に示すように、素子構造体１０は、一対の第１駆動電極１１ａ，１１ｂ、一対の第２駆動電極１２ａ，１２ｂ、一対の検出電極１３ａ，１３ｂおよび自己診断電極１４を備えている。図４に示すように、第１駆動電極１１ａ,１１ｂは、間隔ｄ１１（第１の間隔）を隔てて検出フレーム７と対向するように設けられ、電圧が印加されることによって発生する静電力により検出フレーム７を駆動する。第２駆動電極１２ａ，１２ｂは、間隔ｄ１１とは異なる間隔ｄ１２（第２の間隔）を隔てて検出フレーム７と対向するように設けられ、電圧が印加されることによって発生する静電力により検出フレーム７を駆動する。実施の形態１では、検出フレーム７の基板１と相対する面に設けた凸部１５を第２駆動電極１２ａ，１２ｂに対向させることにより、間隔ｄ１２を間隔ｄ１１の１／２となるようにしている。また、第１駆動電極１１ａ，１１ｂと検出フレーム７とが対向する面積は、第２駆動電極１２ａ，１２ｂと検出フレーム７とが対向する面積と同じである。

なお、基板１としては、シリコン基板やガラス基板を用いることができる。また、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、第１駆動電極１１ａ，１１ｂ、第２駆動電極１２ａ，１２ｂ、検出電極１３ａ、１３ｂ、自己診断電極１４としては、導電性ポリシリコン膜を用いることができる。ポリシリコン膜は低応力で、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。

また、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は、それぞれ等電位になるように電気的に接続されている。基板１、第１駆動電極１１ａ，１１ｂ、第２駆動電極１２ａ，１２ｂ、検出電極１３ａ，１３ｂおよび自己診断電極１４は、アンカー５、ねじれ梁６、検出フレーム７、リンク梁４および慣性質量体３のいずれの部位とも電気的に接続されていない。

ここで、図５を用いて実施の形態１の加速度センサで形成される静電容量について説明する。図５は、実施の形態１に係る加速度センサで形成される静電容量を示す断面図である。図５に示すように、検出電極１３ａ，１３ｂと検出フレーム７との間には、それぞれ静電容量Ｃｄ１，Ｃｄ２が形成される。同様に、第１駆動電極１１ａ，１１ｂと検出フレーム７との間には、それぞれ静電容量Ｃｓ１１ａ，Ｃｓ１１ｂが形成され、第２駆動電極１２ａ，１２ｂと検出フレーム７との間には、それぞれ静電容量Ｃｓ１２ａ，Ｃｓ１２ｂが形成される。また、自己診断電極１４と慣性質量体３との間には静電容量Ｃａ１４が形成される。

図１において、容量−電圧変換回路２０は、静電容量Ｃｄ１，Ｃｄ２に差が生じた場合に、差分に応じた電圧を出力する。ここで、図６を用いて容量−電圧変換回路２０の動作を説明する。図６は、実施の形態１に係る加速度センサの容量−電圧変換回路を示す図である。図６に示すように、静電容量Ｃｄ１，Ｃｄ２は、直列に接続されている。そして、静電容量Ｃｄ１の一端には一定電位Ｖｄが印加され、静電容量Ｃｄ２の一端は接地されている。また、静電容量Ｃｄ１と静電容量Ｃｄ２との接続部には端子が設けられている。この端子の出力電位Ｖｏｕｔは次の（１）式で表される。

検出フレーム７がねじれ軸６ａを中心として回転変位すると、静電容量Ｃｄ１，Ｃｄ２は、その増減の方向が互いに異なるように変化する。すなわち、回転変位によって、Ｃｄ１が増加すればＣｄ２は減少し、Ｃｄ１が減少すればＣｄ２は増加する。検出電極１３ａ，１３ｂと検出フレーム７の間隔に対して検出フレーム７の変位が充分小さい領域では、（Ｃｄ１＋Ｃｄ２）は一定であるとともに、（Ｃｄ１−Ｃｄ２）は変位に比例して変化するため、検出フレーム７の回転変位に応じたＶｏｕｔを得ることできる。このＶｏｕｔが容量−電圧変換回路２０の出力となる。

図１において、サーボ制御回路３０は、印加電圧制御部３１、スイッチ３２（切替手段）および電源３３を備える。印加電圧制御部３１は、容量−電圧変換回路２０の出力に応じて、第１駆動電極１１ａ，１１ｂまたは第２駆動電極１２ａ，１２ｂのどちらの電極に電圧を印加するかを選択するとともに、印加する電圧の値を算出する。そして、印加電圧制御部３１は、選択した電極を示す信号をスイッチ３２に出力するとともに、算出した電圧の値を電源３３に出力する。電源３３は印加電圧制御部３１からの出力に基づいて電圧を出力し、スイッチ３２は印加電圧制御部３１からの出力に基づいて電源３３によって電圧が印加される電極を切り替える。

実施の形態１の加速度センサは、容量−電圧変換回路２０の出力Ｖｏｕｔを目標値とし、第１駆動電極１１ａ，１１ｂまたは第２駆動電極１２ａ，１２ｂに印加する電圧を制御量とするサーボ制御を適用し、印加した電圧に基づいて加速度を検出する。このようなサーボ制御方式を適用することで、検出フレーム７が基板１に接触することによる動作不良や構造の破損を防止し、信頼性を高めることができる。なお、サーボ制御回路３０の制御速度は印加される加速度の周波数よりも充分に高速であるため、サーボ制御回路３０は、加速度の印加に応じて即座に第１駆動電極１１ａ，１１ｂまたは第２駆動電極１２ａ，１２ｂに電圧を印加し、印加した電圧に基づいて印加された加速度を求めることができる。

自己診断回路４０は、電源４１を備えている。ここでは図示しない制御手段によって電源４１を制御し、自己診断電極１４と慣性質量体３との間に電圧を印加することによって、静電力を発生させ、慣性質量体３を基板１側に変位させる。加速度が印加されていない場合でも、強制的に慣性質量体３を変位させることによって、慣性質量体３と連結する検出フレーム７を変位させ、加速度が印加された場合と同様にして静電容量Ｃｄ１，Ｃｄ２に変化を発生させることができる。そして、発生した静電容量の変化を検出することで加速度センサが破壊されていないか、特性に変動がないかなど、その機能を自己診断することができる。

なお、加速度センサの使用においては、静電容量の電圧への変換や、各電極への電圧印加のために、素子構造体１０と、容量−電圧変換回路２０、サーボ制御回路３０および自己診断回路４０とを電気的に接続する。図２ないし４では図示していないが、この電気的な接続は、アンカー５、第１駆動電極１１ａ，１１ｂ、第２固定電極１２ａ，１２ｂ、検出電極１３ａ，１３ｂ等に接続されたボンディングワイヤや、基板１上の配線パターンなどを用いて可能である。

次に、実施の形態１の加速度センサの素子構造体１０の製造方法を、図７ないし１６を用いて説明する。図７ないし１６は、実施の形態１の加速度センサの素子構造体の製造工程の一部を示す断面図である。実施の形態１の加速度センサの素子構造１０は、シリコン基板上に成膜、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、半導体微細加工技術、ＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍｓ）デバイス製造技術によって製造する。

まず、図７に示すように、基板１上にＬＰＣＶＤ（Ｌｏｗ Ｐｒｅｓｓｕｒｅ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法により酸化シリコンによる絶縁膜１７を成膜する。次に、図８に示すように、絶縁膜１７上に導電性ポリシリコン膜１８を成膜する。そして、図９に示すように、成膜した導電性ポリシリコン膜１８のパターニング、エッチングを行う。

次に、図１０に示すように、ＰＳＧ（Ｐｈｏｓｐｈｏｓｉｌｉｃａｔｅ Ｇｌａｓｓ）膜１９を成膜し、図１１に示すように、ＰＳＧ膜１９のパターニング、エッチングを行う。さらに、図１２に示すように、再度ＰＳＧ膜１９を成膜し、図１３に示すように、パターニング、エッチングを行う。

次に、図１４に示すように、パターニング、エッチングされた後のＰＳＧ膜１９の上に、導電性ポリシリコン膜１８を成膜し、図１５に示すように、成膜した導電性ポリシリコン膜１８のパターニング、エッチングを行う。

最後に、図１６に示すように、ＰＳＧ膜１９をエッチングにより除去する。これにより、図２ないし４に示される加速度センサの素子構造１０が製造される。なお、図１６の導電性ポリシリコン膜１８は、図２ないし４のアンカー５、ねじれ梁６、検出フレーム７、リンク梁４、慣性質量体３、第１駆動電極１１ａ，１１ｂ、第２駆動電極１２ａ，１２ｂ、検出電極１３ａ，１３ｂ、自己診断電極１４の各部に対応する。また、図１６の絶縁膜１７は、図２ないし４の絶縁体９に対応する。

次に、実施の形態１に係る加速度センサの動作を、従来の加速度センサ（以下、比較例の加速度センサと称する）と比較して説明する。

図１７は、比較例の加速度センサで形成される静電容量を示す断面図である。実施の形態１の加速度センサは第１駆動電極１１ａ，１１ｂおよび第２駆動電極１２ａ，１２ｂを備えるのに対して、比較例の加速度センサは駆動電極２１ａ，２１ｂのみを備える。この駆動電極２１ａ，２１ｂと検出フレーム７との間には、それぞれ静電容量Ｃｓ２１ａ，Ｃｓ２１ｂが形成される。検出フレーム７と駆動電極２１ａ，２１ｂの間隔ｄ２１は、実施の形態１の加速度センサにおける検出フレーム７と第１駆動電極１１ａ，１１ｂの間隔ｄ１１と等しい。また、駆動電極２１ａ，２１ｂと検出フレーム７とが対向する面積と、第１駆動電極１１ａ，１１ｂと検出フレーム７とが対向する面積と第２駆動電極１２ａ，１２ｂと検出フレーム７とが対向する面積との和は同じである。上記以外の構成については、実施の形態１の加速度センサと同様であるので説明を省略する。

比較例の加速度センサの動作を、図１８ないし２０を用いて説明する。図１８ないし２０は比較例の加速度センサに正方向の加速度が印加された状態を示す断面図である。

比較例の加速度センサに正方向２２の加速度が印加されると、図１８に示すように、慣性質量体３は慣性力Ｆａを受けて基板１から離れる方向（負方向）に変位する。このとき、リンク梁４は慣性質量体３とともに負方向に変位する。検出フレーム７は、リンク梁４の変位により負方向の力を受け、リンク梁４およびねじれ梁６の変形による復元力とつりあうように、ねじれ軸６ａを軸として回転変位する。回転変位により検出フレーム７と検出電極１３ａ，１３ｂの間隔がそれぞれ変化すると、Ｃｄ１は減少し、Ｃｄ２は増加する。容量−電圧変換回路２０は、Ｃｄ１，Ｃｄ２の変化に基づき、検出フレーム７の変位を検出する。

ここで、駆動電極２１ａに電圧Ｖｓ２１ａを印加すると、図１９に示すように、静電力Ｆｓ２１ａが生じる。静電力Ｆｓ２１ａは、印加電圧Ｖｓ２１ａ、間隔ｄ２１、駆動電極２１ａが検出フレーム７と対向する面積Ｓ２１ａを用いて次の（２）式で表される。ここでεは誘電率である。

印加電圧Ｖｓ２１ａを変化させることにより、発生する静電力Ｆｓ２１ａを変化させることできるので、検出フレーム７の変位を０とするようにＶｓ２１ａを制御することができる。ここで、検出フレーム７の変位を０にする印加電圧をＶｓ２１ａ０、このときに発生する静電力をＦｓ２１ａ０とする。Ｖｓ２１ａ０は検出フレーム７の変位に対して単調関数であり、検出フレーム７の変位は印加された加速度に対して単調関数であるので、印加された加速度に対してＶｓ２１ａ０は一意に定まる。図２０に示すように、静電力Ｆｓ２１ａ０により、ねじれ軸６ａを軸とした回転変位をもとに戻す方向に検出フレーム７は回転する。その結果、検出フレーム７は、静電力Ｆｓ２１ａ０と、リンク梁４およびねじれ梁６の復元力と、慣性力Ｆａとがつりあう位置に変位し、平衡位置に戻る。そして、Ｖａ２１ａ０に基づき、印加された加速度を検出する。

図２１は、比較例の加速度センサにおいて、印加された加速度と、印加された加速度によって生じた変位を０にする電圧との関係を示す図である。図２１において、横軸は加速度センサに印加された加速度、縦軸は変位を０にする印加電圧を示している。静電力Ｆｓ２１ａ０の大きさは印加電圧Ｖｓ２１ａ０の２乗に比例するから、印加された加速度と、変位を０にする印加電圧との関係は、概ね図２１に示すようなものとなる。

次に、実施の形態１の加速度センサの動作を説明する。
図２２ないし２４は、実施の形態１の加速度センサに正方向の加速度が印加された状態を示す断面図である。実施の形態１の加速度センサに正方向２２の加速度が印加されると、図２２に示すように、検出フレーム７は回転変位する。図２３に示すように、第１駆動電極１１ａに印加電圧Ｖｓ１１ａを印加すると、静電力Ｆｓ１１ａを発生させることができる。このとき、変位を０にする印加電圧であるＶｓ１１ａ０を印加すると、図２４に示すように、静電力Ｆｓ１１ａ０により検出フレーム７は平衡位置に戻る。そして、実施の形態１の加速度センサは、Ｖｓ１１ａ０に基づき、印加された加速度を検出する。

図２５は、実施の形態１の加速度センサにおいて、印加された加速度と、印加された加速度によって生じた変位を０にするために第１駆動電極に印加する電圧との関係を示す図である。図２５において、横軸は加速度センサに印加された加速度、縦軸は変位を０にする印加電圧を示している。また、実線は実施の形態１の加速度センサのものを示し、破線は上述した比較例の加速度センサのものを示している。図２５において、第１駆動電極１１ａと検出フレーム７とが対向する面積は、駆動電極２１ａと検出フレーム７とが対向する面積の１／２であるため、印加される加速度が同じである場合、変位を０にする印加電圧は、比較例の加速度センサよりも実施の形態１の加速度センサの方が大きくなる。以下、第１駆動電極１１ａ，１１ｂに印加した電圧に基づいて加速度を検出するモードを、検出モード１と称する。

図２６は、実施の形態１の加速度センサに正方向の加速度が印加された状態を示す断面図である。図２６に示すように、第２駆動電極１２ａに電圧Ｖｓ１２ａを印加しても、静電力Ｆｓ１２ａを発生させることができる。そして、実施の形態１の加速度センサは、検出フレーム７の変位を０にする印加電圧に基づき、印加された加速度を検出する。ここで、検出フレーム７の変位を０とする印加電圧をＶｓ１２ａ０、このときに発生する静電力をＦｓ１２ａ０とする。

図２７は、実施の形態１の加速度センサにおいて、印加された加速度と、印加された加速度によって生じた変位を０にするために第２駆動電極に印加する電圧との関係を示す図である。図２７において、横軸は加速度センサに印加された加速度、縦軸は変位を０にする印加電圧を示している。

駆動電極と検出フレームの間に発生する静電力は、駆動電極が検出フレームと対向する面積に比例して増加するとともに、駆動電極と検出フレームの間隔の２乗に反比例して増加する。第２駆動電極１２ａと検出フレーム７とが対向する面積は、駆動電極２１ａと検出フレーム７とが対向する面積の１／２であり、第２駆動電極１２ａと検出フレーム７の間隔ｄ１２は、駆動電極２１ａと検出フレーム７の間隔ｄ２１の１／２である。よって、実施の形態１の加速度センサで発生できる静電力は比較例の加速度センサよりも大きい。すなわち、実施の形態１の加速度センサの検出範囲は比較例の加速度センサよりも広い。以下、第２駆動電極１２ａ，１２ｂに印加した電圧に基づいて加速度を検出するモードを、検出モード２と称する。

図２８は、実施の形態１の加速度センサに印加できる電圧の上限値を示す図である。加速度センサの素子構造体１０に接続する容量−電圧変換回路２０やサーボ制御回路３０、自己診断回路４０等で使用する電圧の制約から、電極に印加可能な電圧には上限がある。この印加可能な電圧の上限をＶｓｍａｘとすると、Ｖｓｍａｘに対応する加速度が、加速度センサの検出範囲の上限となる。Ｇｍａｘが比較例の加速度センサの検出範囲の上限、Ｇｍａｘ１およびＧｍａｘ２がそれぞれ検出モード１および検出モード２の検出範囲の上限である。図２８に示すように、Ｇｍａｘ２はＧｍａｘよりも大きいため、検出モード２によって加速度を検出する場合、実施の形態１の加速度センサは、比較例の加速度センサよりも検出範囲が広い。

図２９は、実施の形態１の加速度センサの検出分解能を示す図である。ΔＶｓは、加速度の変化量ΔＧに対するＶｓ２１ａ０の変化量を示している。また、ΔＶｓ１およびΔＶｓ２は、それぞれΔＧに対するＶｓ１１ａ０およびＶｓ１２ａ０の変化量を示している。ΔＧに対する電圧の変化量が大きいほど検出分解能が高く、図２９に示すように、ΔＶｓ１はΔＶｓよりも大きいため、検出モード１によって加速度を検出する場合、実施の形態１の加速度センサは、比較例の加速度センサよりも検出分解能が高い。

図３０は、実施の形態１の加速度センサにおいて、検出モード１と検出モード２の切り替えを説明するための図である。実施の形態１の加速度センサは、図３０に示すように、印加された加速度がＧｍａｘ１以下の場合は検出モード１で加速度を検出し、Ｇｍａｘ１を超える場合は検出モード２で加速度を検出する。このようにすることで、低加速度域では検出分解能を向上させ、高加速度域では検出範囲を拡大できる。なお、検出モード１と検出モード２の切り替えは、印加電圧制御部３１が、スイッチ３２および電源３３を制御することにより実行される。

図３１は、実施の形態１の加速度センサに負方向の加速度が印加された状態を示す断面図である。上記では正方向２２の加速度を検出する場合について説明したが、図３１に示すように、負方向２３の加速度が印加され、慣性質量体３が基板１に近づく方向に慣性力Ｆａを受けて変位する場合でも、第１駆動電極１１ｂおよび第２駆動電極１２ｂを用いて、上述の検出モード１および検出モード２を実現できる。この動作は上記と同様であるので説明を省略する。

実施の形態１によれば、検出フレーム７との間隔が互いに異なる第１駆動電極１１ａ，１１ｂおよび第２駆動電極１２ａ，１２ｂを備え、印加された加速度が低い域では検出フレーム７との間隔が広い第１駆動電極１１ａ，１１ｂを用いて加速度を検出し、印加された加速度が高い域では検出フレーム７との間隔が狭い第２駆動電極１２ａ，１２ｂを用いて加速度を検出するようにしているので、低加速度域での検出分解能が向上するとともに、検出範囲を拡大することができる。

また、第１駆動電極１１ａ，１１ｂおよび第２駆動電極１２ａ，１２ｂに印加可能な電圧の上限値Ｖｓｍａｘに基づいて加速度を検出するために用いる電極を決定しているので、最大限の範囲で検出分解能を向上することができる。

また、印加電圧制御部３１と、スイッチ３２と、電源３３とを用いて検出モード１と検出モード２とを切り替えるようにしているので、必要な電源の数が少なく、加速度センサを安価に製造できる。

また、検出フレーム７の基板１と相対する面に設けた凸部１５を用い、間隔ｄ１１と間隔ｄ１２とが異なる間隔となるようにしているので、素子構造体１０を簡単に製造することができる。

また、変位部材２を、ねじれ梁６、検出フレーム７、リンク梁４および慣性質量体３で構成しているので、第１駆動電極１１ａ，１１ｂおよび第２駆動電極１２ａ，１２ｂを基板１の一方の面だけに配置することができ、素子構造体１０を精度よく製造できる。

なお、実施の形態１では、図２ないし４に示したように、検出電極１３ａ，１３ｂの内側に第２駆動電極１２ａ，１２ｂを配置し、第２駆動電極１２ａ，１２ｂの内側に第１駆動電極１１ａ，１１ｂを配置しているようにしているが、検出電極１３ａ，１３ｂ、第１駆動電極１１ａ，１１ｂおよび第２駆動電極１２ａ，１２ｂは、検出フレーム７との間に静電力を発生させることができればよく、位置や配置によらない。

図３２は、実施の形態１の加速度センサの変形例を示す断面図である。実施の形態１では、検出フレーム７の第２駆動電極１２ａ，１２ｂと対向する部分に凸部１５を設け、間隔ｄ１１と間隔ｄ１２とが異なる間隔となるようにしていたが、図３２に示すように、基板１上の絶縁体９に凸部１５ｂを設けるようにしてもよい。また、第２駆動電極１２ａ，１２ｂを厚く形成することにより間隔ｄ１１と間隔ｄ１２とが異なる間隔となるようにしてもよい。いずれの場合も、半導体微細加工技術、ＭＥＭＳデバイス製造技術によって製造することができる。

図３３は、実施の形態１の加速度センサの変形例を示す断面図である。実施の形態１では、検出フレーム７との間隔が互いに異なる第１駆動電極１１ａ，１１ｂおよび第２駆動電極１２ａ，１２ｂの２種類の電極を設けているが、図３３に示すように、第３駆動電極１６ａ，１６ｂをさらに設けるようにしてもよい。第３駆動電極１６ａ，１６ｂは、検出フレーム７と間隔ｄ１３を有して配置されており、間隔ｄ１３は間隔ｄ１１および間隔ｄ１２とそれぞれ異なる。このようにしても、実施の形態１と同様の効果を得ることができる。また、４種類以上の駆動電極を設けるようにしても実施の形態１と同様の効果を得ることができる。

また、実施の形態１の加速度センサでは、印加された加速度がＧｍａｘ１以下の場合は検出モード１で加速度を検出し、Ｇｍａｘ１を超える場合は検出モード２で加速度を検出するようにしていたが、検出モード１から検出モード２を切り替えはＧｍａｘ１よりも低い加速度としてもよい。また、検出モード１から検出モード２へ切り替える際の加速度の値と、検出モード２から検出モード１へ切り替える際の加速度の値とが異なっていてもよい。

また、実施の形態１では、容量−電圧変換回路２０を用い、検出フレーム７と検出電極１３ａ，１３ｂとの間の形成された静電容量の差を電圧に変換することで、検出フレーム７の変位を検出するものを示したが、これは、変位に応じた信号が得られれば、回路方式、検出方式等に依らない。

また、自己診断電極１４および自己診断回路４０を設けるようにしているが、これらは設けなくてもよい。その場合、第１駆動電極１１ａ，１１ｂや第２駆動電極１２ａ，１２ｂに電圧を印加することで発生する静電力によって，慣性質量体３を変位させ、加速度センサが破壊されていないかを自己診断するようにしてもよい。

実施の形態２．
図３４は、実施の形態２の加速度センサの構成を示すブロック図である。実施の形態１においては、印加電圧制御部３１と、スイッチ３２と、電源３３とでサーボ制御回路３０を構成するものを示した。これに対して実施の形態２では、印加電圧制御部３１ｂと、第１駆動電極１１ａ，１１ｂにそれぞれ電圧を印加する電源３５ａ，３５ｂ（第１の電源）と、第２駆動電極１２ａ，１２ｂにそれぞれ電圧を印加する電源３６ａ，３６ｂ（第２の電源）とでサーボ制御回路３０ｂを構成している。

印加電圧制御部３１ｂは、容量−電圧変換回路２０の出力に応じて、第１駆動電極１１ａ，１１ｂまたは第２駆動電極１２ａ，１２ｂに電圧を印加するように、電源３５ａ，３５ｂおよび電源３６ａ，３６ｂを制御する。また、印加電圧制御部３１ｂは、電圧を印加しない電極には０［Ｖ］を明示的に印加する。これは、電圧を印加しない電極と検出フレーム７とを電気的に短絡するようにしてもよい。なお、上記以外の構成は実施の形態１と同様であるのでその説明を省略する。

このようにすることで、開放された駆動電極のチャージアップ等による不用意な静電力の発生を防ぐことができ、実施の形態１の効果に加え、より確実にセンサの動作を行うことができる。

実施の形態３．
図３５は、実施の形態３に係る加速度センサの素子構造体を示す断面図である。実施の形態３に係る加速度センサの素子構造体１０ｂは、図３５に示すように、基板１と、基板１と所定間隔を隔てて設けられた基板１ｂと、基板１，１ｂに絶縁体９を介して固定されたアンカー５と、アンカー５に支持される変位部材２ｂとを備えている。変位部材２ｂは、支持梁５１と、慣性質量体３ｂとを備えている。なお、基板１がこの発明の「第１の基板」に対応し、基板１ｂがこの発明の「第２の基板」に対応する。

支持梁５１はアンカー５に接続されている。慣性質量体３ｂは、基板１と基板１ｂとの間に位置するように支持梁５１に支持されており、加速度が印加されることによって基板１，１ｂに対して垂直方向に変位する。そして、基板１には第１駆動電極１１ａ、第２駆動電極１２ａおよび検出電極１３ａが設けられており、基板１ｂには第１駆動電極１１ｂ、第２駆動電極１２ｂおよび検出電極１３ｂが設けられている。

図３６は、実施の形態３に係る加速度センサで形成される静電容量を示す断面図である。実施の形態３では、慣性質量体３ｂがこの発明の「可動電極」として機能し、検出電極１３ａ，１３ｂと慣性質量体３ｂとの間には、それぞれ静電容量Ｃｄ１，Ｃｄ２が形成される。同様に、第１駆動電極１１ａ，１１ｂと慣性質量体３ｂとの間には静電容量Ｃｓ１１ａ，Ｃｓ１１ｂが形成され、第２駆動電極１２ａ，１２ｂとの間には静電容量Ｃｓ１２ａ，Ｃｓ１２ｂが形成される。

なお、実施の形態３では、実施の形態１で示した自己診断電極１４および自己診断回路４０を設けていない。上記以外の構成については実施の形態１と同様であるので説明を省略する。

また、実施の形態３に係る加速度センサの素子構造体１０ｂは、実施の形態１で上述した半導体微細加工技術、ＭＥＭＳデバイス製造技術に加え、基板貼り合わせまたは基板接合技術を用いて製造することができる。

このように構成された加速度センサに加速度が印加されると、慣性質量体３ｂが基板１，１ｂに対して垂直方向に変位し、静電容量Ｃｄ１，Ｃｄ２に変化が生じる。この変化に応じて、第１駆動電極１１ａ，１１ｂまたは第２駆動電極１２ａ，１２ｂに電圧を印加し、印加した電圧に基づいて加速度を検出する。低加速度域は検出モード１で加速度を検出し、高加速度域は検出モード２で加速度を検出することで、実施の形態１と同様の効果を得ることができる。

実施の形態４．
図３７および３８は実施の形態４に係る加速度センサの構成を示すものであって、図３７は素子構造体を示す上面図、図３８は図３７のＢ−Ｂ断面図を示している。

実施の形態４に係る加速度センサの素子構造体１０ｃは、図３７および３８に示すように、基板１と、基板１に絶縁体９を介して固定されたアンカー５と、アンカー５に支持される変位部材２ｃとを備えている。変位部材２ｃは、支持梁５２と、慣性質量体３ｃとを備えている。

支持梁５２はアンカー５に接続されている。慣性質量体３ｃは、支持梁５２に支持されており、加速度が印加されることによって基板１に対して面内方向に変位する。また、慣性質量体３ｃは、複数の可動電極部８を有している。実施の形態４では、可動電極部８がこの発明の「可動電極」として機能する。基板１には、第１駆動電極１１ａ，１１ｂ、第２駆動電極部１２ａ，１２ｂおよび検出電極１３ａ，１３ｂが、可動電極部８と対向するようにそれぞれ櫛歯状に設けられている。第２駆動電極１２ａ，１２ｂと可動電極部８の間隔は、第１駆動電極１１ａ，１１ｂと可動電極部８の間隔よりも狭い。また、第１駆動電極１１ａ，１１ｂが可動電極部８と対向する面積と、第２駆動電極１２ａ，１２ｂが可動電極部８と対向する面積とは等しい。

なお、図３７および３８においては、作図の都合上、各電極をそれぞれ分離して示しているが、同一符号の電極は、基板１上に設けた配線パターン等（図示せず）により、電気的に等電位になるように接続している。

図３９は、実施の形態４の加速度センサで形成される静電容量を示す、図３８の一部を拡大した断面図であって、図３９（ａ）は検出電極と可動電極部の間に形成される静電容量を、図３９（ｂ）は第１駆動電極と可動電極部の間に形成される静電容量を、図３９（ｃ）は第２駆動電極と可動電極部の間に形成される静電容量を示している。実施の形態４の加速度センサでは、可動電極部８がこの発明の「可動電極」として機能し、検出電極１３ａ，１３ｂと可動電極部８との間にはそれぞれ静電容量Ｃｄ１，Ｃｄ２が形成される。同様に、第１駆動電極１１ａ，１１ｂと可動電極部８との間には、それぞれ静電容量Ｃｓ１１ａ，１１ｂが形成され、第２駆動電極１２ａ，１２ｂと可動電極部８との間には、それぞれ静電容量Ｃｓ１２ａ，Ｃｓ１２ｂが形成される。

なお、実施の形態４では、実施の形態１で示した自己診断電極１４および自己診断回路４０を設けていない。上記以外の構成については実施の形態１と同様であるので説明を省略する。

また、実施の形態４に係る加速度センサの素子構造体１０ｃは、実施の形態１で上述した半導体微細加工技術、ＭＥＭＳデバイス製造技術を用いて製造することができる。

このように構成した加速度センサに加速度が印加されると、慣性質量体３ｃが基板１に対して面内方向に変位し、静電容量Ｃｄ１，Ｃｄ２に変化が生じる。この変化に応じて、第１駆動電極１１ａ，１１ｂまたは第２駆動電極１２ａ，１２ｂに電圧を印加し、印加した電圧に基づいて基板１に対して面内方向の加速度を検出する。低加速度域では検出モード１で加速度を検出し、高加速度域では検出モード２で加速度を検出することで、実施の形態１と同様の効果を得ることができる。

なお、実施の形態４では、検出電極１３ａ，１３ｂの外側に第２駆動電極１２ａ，１２ｂを配置し、第２駆動電極の１２ａ，１２ｂの外側に第１駆動電極１１ａ，１１ｂを配置しているが、検出電極１３ａ，１３ｂ、第１駆動電極１１ａ，１１ｂおよび第２駆動電極１２ａ，１２ｂは、可動電極部８との間に静電力を発生させることができればよく、位置や配置に依らない。また、変位部材２ｃは、印加された加速度に応じて基板に対して面内方向の加速度が検出できればよく、支持梁の形態や、慣性質量体の支持方法によらない。

以上、実施の形態１ないし４について説明した。これらの実施の形態およびその変形例は互いに組み合わせることができる。

１、１ｂ 基板
２、２ｂ、２ｃ 変位部材
３、３ｂ、３ｃ 慣性質量体
４ リンク梁
５ アンカー
６ ねじれ梁
６ａ ねじれ軸
７ 検出フレーム
８ 可動電極部
９ 絶縁体
１０、１０ｂ、１０ｃ 素子構造体
１１ａ、１１ｂ 第１駆動電極
１２ａ、１２ｂ 第２駆動電極
１３ａ、１３ｂ 検出電極
１４ 自己診断電極
１５、１５ｂ 凸部
１６ａ、１６ｂ 第３駆動電極
１７ 絶縁膜
１８ 導電性ポリシリコン膜
１９ ＰＳＧ膜
２０ 容量−電圧変換回路
２１ａ、２１ｂ 駆動電極
２２ 正方向
２３ 負方向
３０、３０ｂ サーボ制御回路
３１、３１ｂ 印加電圧制御部
３２ スイッチ
３３、３５ａ，３５ｂ、３６ａ，３６ｂ 電源
４０ 自己診断回路
４１ 電源
５１、５２ 支持梁

Claims (12)

1. 基板と、
   前記基板上に固定されたアンカーと、
   前記アンカーに支持され、加速度が印加されることによって変位する慣性質量体と、
   前記慣性質量体の変位に応じて変位可能な可動電極と、
   第１の間隔を隔てて前記可動電極と対向するように設けられ、電圧が印加されることによって前記可動電極との間に発生する静電力により前記可動電極を駆動する一対の第１駆動電極と、
   前記第１の間隔とは異なる第２の間隔を隔てて前記可動電極と対向するように設けられ、電圧が印加されることによって前記可動電極との間に発生する静電力により前記可動電極を駆動する一対の第２駆動電極と、
   加速度が印加されることによって生じる前記可動電極の変位を検出する検出手段と、
   前記検出手段が検出した前記可動電極の変位に応じて、前記第１駆動電極または前記第２駆動電極に電圧を印加し、前記可動電極を所定位置に駆動するように制御する制御手段とを備え、
   前記可動電極を所定位置に駆動するように印加した電圧に基づいて、印加された加速度を検出する加速度センサ。
2. 前記慣性質量体と前記可動電極とを同一部材で構成したことを特徴とする請求項１の加速度センサ。
3. 前記可動電極と対向するように設けられ、前記可動電極との間に静電容量を形成する一対の検出電極を備え、
   前記検出手段は、前記可動電極と前記検出電極との間に形成された静電容量の変化に基づいて、前記変位部材の変位を検出することを特徴とする請求項１または２に記載の加速度センサ。
4. 基板と、
   前記基板上に固定されたアンカーと、
   前記アンカーに接続され、ねじれ軸を中心としてねじれるねじれ梁と、
   前記ねじれ軸を中心として回転可能に、前記ねじれ梁に支持される検出フレームと、
   前記検出フレームの両端において、前記ねじれ梁と所定間隔を隔てた位置に接続されるリンク梁と、
   前記リンク梁を介して前記検出フレームに連結され、加速度が印加されることによって前記基板に対して垂直方向に変位する慣性質量体と、
   第１の間隔を隔てて前記検出フレームと対向するように前記基板上に設けられ、電圧が印加されることによって前記検出フレームとの間に発生する静電力により前記検出フレームを駆動する一対の第１駆動電極と、
   前記第１の間隔とは異なる第２の間隔を隔てて前記検出フレームと対向するように前記基板上に設けられ、電圧が印加されることによって前記検出フレームとの間に発生する静電力により前記検出フレームを駆動する一対の第２駆動電極と、
   加速度が印加されることによって生じる前記検出フレームの変位を検出する検出手段と、
   前記検出手段が検出した前記検出フレームの変位に応じて、前記第１駆動電極または前記第２駆動電極に電圧を印加し、前記検出フレームを所定位置に駆動するように制御する制御手段とを備え、
   前記検出フレームを所定位置に駆動するように印加した電圧に基づいて、前記基板に対して垂直方向に印加された加速度を検出する加速度センサ。
5. 前記検出フレームと対向するように前記基板上に設けられ、前記検出フレームとの間に静電容量を形成する一対の検出電極を備え、
   前記検出手段は、前記検出フレームと前記検出電極との間に形成された静電容量の変化に基づいて、前記検出フレームの変位を検出することを特徴とする請求項４に記載の加速度センサ。
6. 第１の基板と、
   前記第１の基板と所定間隔を隔てて設けられた第２の基板と、
   前記第１の基板および前記第２の基板に固定されたアンカーと、
   前記第１の基板と前記第２の基板との間に位置するように、前記アンカーに接続された支持梁に支持され、加速度が印加されることによって前記第１の基板および前記第２の基板に対して垂直方向に変位する慣性質量体と、
   第１の間隔を隔てて前記慣性質量体と対向するように前記第１の基板および前記第２の基板上にそれぞれ設けられ、電圧が印加されることによって前記慣性質量体との間に生じる静電力により前記慣性質量体を駆動する一対の第１駆動電極と、
   前記第１の間隔とは異なる第２の間隔を隔てて前記慣性質量体と対向するように前記第１の基板および前記第２の基板上にそれぞれ設けられ、電圧が印加されることによって前記慣性質量体との間に生じる静電力により前記慣性質量体を駆動する一対の第２駆動電極と、
   加速度が印加されることによって生じる前記慣性質量体の変位を検出する検出手段と、
   前記検出手段が検出した前記慣性質量体の変位に応じて、前記第１駆動電極または前記第２駆動電極に電圧を印加し、前記慣性質量体を所定位置に駆動するように制御する制御手段とを備え、
   前記慣性質量体を所定位置に駆動するように印加した電圧に基づいて、前記第１の基板および前記第２の基板に対して垂直方向に印加された加速度を検出する加速度センサ。
7. 前記慣性質量体と対向するように前記第１の基板および前記第２の基板上にそれぞれ設けられ、前記慣性質量体との間に静電容量を形成する一対の検出電極を備え、
   前記検出手段は、前記慣性質量体と前記検出電極との間に形成された静電容量の変化に基づいて、前記慣性質量体の変位を検出することを特徴とする請求項６に記載の加速度センサ。
8. 基板と、
   前記基板上に固定されたアンカーと、
   複数の可動電極部を有するとともに、前記アンカーに接続された支持梁に支持され、加速度が印加されることによって前記基板に対して面内方向に変位する慣性質量体と、
   第１の間隔を隔てて前記可動電極部と対向するように前記基板上に設けられ、電圧が印加されることによって前記可動電極部との間に生じる静電力により前記慣性質量体を駆動する一対の第１駆動電極と、
   前記第１の間隔とは異なる第２の間隔を隔てて前記可動電極部と対向するように前記基板上に設けられ、電圧が印加されることによって前記可動電極部との間に生じる静電力により前記慣性質量体を駆動する一対の第２駆動電極と、
   加速度が印加されることによって生じる前記慣性質量体の変位を検出する検出手段と、
   前記検出手段が検出した前記慣性質量体の変位に応じて、前記第１駆動電極または前記第２駆動電極に電圧を印加し、前記慣性質量体を所定位置に駆動するように制御する制御手段とを備え、
   前記慣性質量体を所定位置に駆動するように印加した電圧に基づいて、前記基板に対して面内方向に印加された加速度を検出する加速度センサ。
9. 前記可動電極部と対向するように前記基板上に設けられ、前記可動電極部との間に静電容量を形成する一対の検出電極を備え、
   前記検出手段は、前記可動電極部と前記検出電極との間に形成された静電容量の変化に基づいて、前記慣性質量体の変位を検出することを特徴とする請求項８に記載の加速度センサ。
10. 前記制御手段は、
    前記第１駆動電極または前記第２駆動電極に接続される電源と、
    前記第１駆動電極および前記第２駆動電極のうち、前記電源に接続される電極を切り替える切替手段と、
    前記検出手段の検出値に応じて、前記第１駆動電極または前記第２駆動電極に電圧を印加するように、前記電源および前記切替手段を制御する印加電圧制御部とを備えることを特徴とする請求項１ないし９のいずれか一項に記載の加速度センサ。
11. 前記制御手段は、
    前記第１駆動電極に接続される第１の電源と、
    前記第２駆動電極に接続される第２の電源と、
    前記検出手段の検出値に応じて、前記第１駆動電極または前記第２駆動電極に電圧を印加するように、前記第１の電源および前記第２の電源を制御する印加電圧制御部とを備えることを特徴とする請求項１ないし９のいずれか一項に記載の加速度センサ。
12. 前記制御手段は、前記第１駆動電極および前記第２駆動電極に印加可能な電圧の上限値に基づいて、前記第１駆動電極および前記第２駆動電極のうち電圧を印加する電極を決定することを特徴とする請求項１ないし１１のいずれか一項に記載の加速度センサ。

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