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加速度センサ、および加速度検出装置

国内特許コード P09A014455
整理番号 1391
掲載日 2009年5月8日
出願番号 特願2006-242852
公開番号 特開2008-064603
登録番号 特許第5034043号
出願日 平成18年9月7日(2006.9.7)
公開日 平成20年3月21日(2008.3.21)
登録日 平成24年7月13日(2012.7.13)
発明者
  • 土屋 智由
出願人
  • 国立大学法人京都大学
発明の名称 加速度センサ、および加速度検出装置
発明の概要

【課題】加速度センサの小型化を図りながら3軸方向の加速度検出を実現可能にする。
【解決手段】基板に垂直になるように第1主面と第2主面を配し、第1主面を基板に固定し、第2主面を一体的に3次元的に変位するように支持し、第1主面と第2主面の各々を上記基板に垂直な方向の長さに比べて上記基板の主面方向の長さが大きくなるように設け、各キャパシタにおいて上記第1主面の図心と上記第2主面の図心とが上記基板の主面に垂直な方向にずれるように上記第1主面と上記第2主面とを配した。
【選択図】図2

従来技術、競合技術の概要


近年、高機能な加速度検出装置として、3次元的に作用する加速度を検出可能な加速度センサを有する加速度検出装置が注目を集めている。それと共に当該加速度センサをさらに小型化しようとする傾向がある。加速度センサの作製には、小型化のためにMEMS(Micro Electro Mechanical System)技術が導入されている。



MEMS技術を導入した加速度センサは、ピエゾ抵抗素子を用いたものと静電容量素子を用いたものとに大別でき、開発の歴史的沿革からピエゾ抵抗素子を用いたものが主流であったが、小型化の要求に対して構造上の限界があり、また消費電力低減等の観点から現在では静電容量素子を用いたものが台頭しつつある。
小型の加速度センサを作製するためのMEMS技術には、大きく分けてバルクマイクロマシニング技術とサーフェスマイクロマシニング技術とがある。バルクマイクロマシニング技術を用いて作製された加速度センサでは3軸方向の各加速度成分を検出可能なものが提案されているが(特許文献1を参照。)、バルクマイクロマシニング技術を用いると小型化が困難であるので、更なる小型化の観点からサーフェスマイクロマシニング技術を用いて3軸方向の各加速度成分を検出可能なものが模索されている。



従来、サーフェスマイクロマシニング技術で作製された静電容量型の加速度センサでは、1軸方向の加速度成分を検出可能なもの(特許文献2を参照。)や基板主面方向の2軸の加速度成分を検出可能なもの(特許文献3を参照。)が提案されており、したがって、3次元的に作用する加速度を検出するには、単純にはこれらを3つあるいは2つ組み合わせればよいと考えられる。

【特許文献1】特開2005-017216号公報

【特許文献2】特開2003-337138号公報

【特許文献3】特表2000-512023号公報

産業上の利用分野


本発明は、いわゆるサーフェスマイクロマシニング技術で作製された静電容量型の加速度センサ、および当該加速度センサを備えた加速度検出装置に関する。

特許請求の範囲 【請求項1】
基板と、この基板に対しX,Y,Z軸方向に揺動自在な揺動体とを備え、
前記揺動体は第1揺動杆とこれに交差する第2揺動杆とを備え、
両揺動杆の交差部を中心として反対方向に伸びる、合計4つの揺動杆部材の夫々には複数の可動電極が形成され、前記基板側には前記可動電極の夫々に対向する固定電極が形成されて電極対が形成され、
前記第1揺動杆、第2揺動杆の夫々に形成された夫々の前記可動電極が、長尺状であって前記基板と並行し、これらに対向する前記固定電極が長尺状であって前記基板と並行しており、前記固定電極と前記可動電極とは夫々の軸が平行になるように対向しており、各揺動杆部材に設けられた複数の可動電極とそれに対向する基板上の固定電極は、前記交差部からの距離に比例して電極長が長くなるように構成され、且つ各可動電極とそれに対向する基板上の固定電極は、揺動杆の軸を基準に線対称になるように配され、
第1揺動杆を構成する一対の前記揺動杆部材の夫々の可動電極と、これらに対向する前記固定電極とによって形成されている電極対は、第1揺動杆の長手方向(X軸方向)の揺動に対し、一方の電極対の間隙が縮まり、他方の電極対の間隙が拡がるように設定され、
第2揺動杆を構成する一対の前記揺動杆部材の夫々の可動電極と、これらに対向する前記固定電極とによって形成された電極対は、第2揺動杆の長手方向(Y軸方向)の揺動に対し、一方の電極対の間隙が縮まり、他方の電極対の間隙が拡がるように設定され、
さらに、前記揺動体のZ軸方向の揺動に対し、第1揺動杆の電極対の静電容量の変化と第2揺動杆の電極対の静電容量の変化とが逆になるよう前記固定電極と可動電極の関係が設定されていることを特徴とする加速度センサ。

【請求項2】
加速度が作用していない状態において、前記第1揺動杆に形成された前記可動電極と前記基板上の前記固定電極とで構成される1対の電極対の静電容量、ならびに前記第2揺動杆に形成された前記可動電極と前記基板上の前記固定電極とで構成される1対の電極対の静電容量が夫々等しく設定されていることを特徴とする請求項1に記載の加速度センサ。

【請求項3】
2つの揺動杆の前記可動電極と前記基板上の前記固定電極との配設順序は、2つの揺動杆の交差部から見たとき、いずれの揺動杆部材に沿う方向においても同一の順序であ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。

【請求項4】
前記第1揺動杆の電極対の対向面における可動電極側の対向面の図心と固定電極側の対向面の図心との前記Z軸方向での順序が、前記第2揺動杆の電極対の対向面における可動電極側の対向面の図心と固定電極側の対向面の図心との前記Z軸方向での順序と、逆になっていることを特徴とする請求項1から3のいずれかに記載の加速度センサ。

【請求項5】
第1揺動杆と第2揺動杆とは、各杆の両端部が、基板に設けたばね部材で支持されていることにより、揺動自在な構成とされていることを特徴とする請求項1に記載の加速度センサ。

【請求項6】
加速度作用時において、前記第1揺動杆部の電極対が、以下の式(1)または(2)の関係を満たす静電容量変化を起こすキャパシタとして夫々形成され、前記第2揺動杆部の電極対が以下の式(3)または(4)の関係を満たす静電容量変化を起こすキャパシタとして夫々形成されていることを特徴とする請求項1からのいずれかに記載の加速度センサ。
(1) C1=Co+P△X+R△Z
(2) C2=Co-P△X+R△Z
(3) C3=Co+Q△Y-R△Z
(4) C4=Co-Q△Y-R△Z
但し、C1,C2,C3,C4:加速度が作用したときの各可変キャパシタの静電容量
Co:加速度が作用していないときの各可変キャパシタの静電容量(初期容量)
P,Q,R:係数
△X,△Y,△Z:各軸方向の変位

【請求項7】
請求項に記載の加速度センサと、加速度の作用に応じて前記X,Y,Zの夫々の軸方向成分値を出力する演算処理部とを備えており、
前記演算処理部は加速度の作用に応じて以下の式(5)から(7)を実行することを特徴とする加速度検出装置。
(5) (Co+P△X+R△Z)・(-Vr)+(Co-P△X+R△Z)・(+Vr)=Cf・Vx
(6) (Co+Q△Y-R△Z)・(-Vr)+(Co-Q△Y-R△Z)・(+Vr)=Cf・Vy
(7) (Co+P△X+R△Z)・(+Vr)+(Co-P△X+R△Z)・(+Vr)+(Co+Q△Y-R△Z)・(-Vr)+(Co-Q△Y-R△Z)・(-Vr)=Cf・Vz
但し、Co:加速度が作用していないときの各可変キャパシタの静電容量(初期容量)
P,Q,R:係数
△X,△Y,△Z:各軸方向の変位
+Vr,-Vr:当該加速度検出装置に対する入力電圧
Vx,Vy,Vz:当該加速度検出装置からの出力電圧
Cf:負帰還用キャパシタの静電容量
産業区分
  • 測定
  • 固体素子
国際特許分類(IPC)
Fターム
画像

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JP2006242852thum.jpg
出願権利状態 権利存続中
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