特開 2024-4653 物理量センサー及び慣性計測装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024004653

(43)【公開日】2024-01-17

(54)【発明の名称】物理量センサー及び慣性計測装置

(51)【国際特許分類】

   G01P 15/125 20060101AFI20240110BHJP

   G01P 15/08 20060101ALI20240110BHJP

【ＦＩ】

G01P15/125 Z

G01P15/08 101B

【審査請求】未請求

【請求項の数】10

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022104368

(22)【出願日】2022-06-29

(71)【出願人】

【識別番号】000002369

【氏名又は名称】セイコーエプソン株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100104710

【弁理士】

【氏名又は名称】竹腰 昇

(74)【代理人】

【識別番号】100090479

【弁理士】

【氏名又は名称】井上 一

(74)【代理人】

【識別番号】100124682

【弁理士】

【氏名又は名称】黒田 泰

(74)【代理人】

【識別番号】100166523

【弁理士】

【氏名又は名称】西河 宏晃

(72)【発明者】

【氏名】田中 悟

(57)【要約】

【課題】質量分布の不均衡に伴う不具合を回避できる物理量センサー、慣性計測装置の提供。
【解決手段】物理量センサー１は固定部４０Ａ、４０Ｂと支持梁４２Ａ、４２Ｂと可動体ＭＢと第１固定電極群１０Ａ、１０Ｂとを含む。可動体ＭＢは支持梁４２Ａ、４２Ｂの他端に接続され、第１固定電極群１０Ａ、１０Ｂは基板２に設けられ、支持梁４２Ａ、４２Ｂの第１方向ＤＲ１に配置される。可動体ＭＢは、第１連結部３０Ａ、３０Ｂと第１基部２３と第１可動電極群２０Ａ、２０Ｂを有する。第１可動電極群２０Ａ、２０Ｂは、第１固定電極群１０Ａ、１０Ｂと第２方向ＤＲ２において対向する。そして、可動体ＭＢの第３方向ＤＲ３での重心位置の高さをｈｍとし、支持梁４２Ａ、４２Ｂの回転中心の第３方向ＤＲ３での高さをｈｒとしたとき、ｈｍ＝ｈｒである。
【選択図】 図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

互いに直交する３つの方向を第１方向、第２方向及び第３方向としたとき、前記第３方向での物理量を検出する物理量センサーであって、
基板に固定された固定部と、
前記固定部に一端が接続され、前記第２方向に沿って設けられる支持梁と、
前記支持梁の他端に接続された可動体と、
前記基板に設けられ、前記支持梁の前記第１方向に配置される第１固定電極群と、
を含み、
前記可動体は、
前記支持梁の他端に接続され、前記支持梁から前記第１方向に延びる第１連結部と、
前記第１連結部に接続され、前記第２方向に沿って設けられる第１基部と、
前記第１基部に設けられ、前記第１固定電極群と前記第２方向において対向する第１可動電極群と、
を有し、
前記可動体の前記第３方向での重心位置の高さをｈｍとし、前記支持梁の回転中心の前記第３方向での高さをｈｒとしたとき、ｈｍ＝ｈｒであることを特徴とする物理量センサー。

【請求項2】

請求項１に記載の物理量センサーにおいて、
前記基板に設けられ、前記支持梁の前記第１方向に配置される第２固定電極群を含み、前記可動体は、
前記支持梁の他端に接続され、前記支持梁から前記第１方向に延びる第２連結部と、
前記第２連結部に接続され、前記第２方向に沿って設けられる第２基部と、
前記第２基部に設けられ、前記第２固定電極群と前記第２方向において対向する第２可動電極群と、
を含むことを特徴とする物理量センサー。

【請求項3】

請求項２に記載の物理量センサーにおいて、
前記第１可動電極群と前記第２可動電極群は、前記第１連結部と前記第２連結部の間に前記第２方向に沿って配置されることを特徴とする物理量センサー。

【請求項4】

請求項２に記載の物理量センサーにおいて、
前記第１可動電極群の前記第３方向での重心位置の高さをｈｍ１とし、前記第２可動電極群の前記第３方向での重心位置の高さをｈｍ２としたとき、
ｈｍ２＞ｈｒ＞ｈｍ１であることを特徴とする物理量センサー。

【請求項5】

請求項４に記載の物理量センサーにおいて、
前記第２可動電極群の前記第３方向での厚さは、前記第１可動電極群の前記第３方向での厚さより大きいことを特徴とする物理量センサー。

【請求項6】

請求項５に記載の物理量センサーにおいて、
初期状態において前記第１可動電極群の前記第３方向での裏面位置と、前記第２可動電極群の前記第３方向での裏面位置とが一致していることを特徴とする物理量センサー。

【請求項7】

請求項４に記載の物理量センサーにおいて、
前記第１可動電極群の前記第３方向での厚さと前記第２可動電極群の前記第３方向での厚さが等しいことを特徴とする物理量センサー。

【請求項8】

請求項７に記載の物理量センサーにおいて、
初期状態において前記第１可動電極群の前記第３方向での裏面位置と、前記第２可動電極群の前記第３方向での裏面位置とが一致していないことを特徴とする物理量センサー。

【請求項9】

請求項１乃至８のいずれか一項に記載の物理量センサーにおいて、
前記支持梁は、前記第２方向を回転軸として捻れる捻れバネであることを特徴とする物理量センサー。

【請求項10】

請求項１乃至８のいずれか一項に記載の物理量センサーと、
前記物理量センサーから出力された検出信号に基づいて制御を行う制御部と、
を含むことを特徴とする慣性計測装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、物理量センサー及び慣性計測装置等に関する。

【背景技術】

【0002】

特許文献１には、Ｚ方向の加速度を検出する物理量センサーが開示されている。当該物理量センサーにおいて、複数の第１電極の１つの第１方向に沿う第１電極の長さは、第１導電部の第１方向に沿う第１導電部の長さよりも短いことが開示されている。また当該物理量センサーにおいて、複数の第２電極の１つの第１方向に沿う第２電極の長さは、第２導電部の第１方向に沿う第２導電部の長さよりも短いことが開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２０２１－０３２８１９号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

特許文献１に開示された物理量センサーでは、検出対象であるＺ軸方向ではない櫛歯電極長方向へ加速度が印加されると、検出軸方向に加速度が印加されたときと同じシーソー動作が発生してしまい、他軸感度が増加するという不具合があった。

【課題を解決するための手段】

【0005】

本開示の一態様は、互いに直交する３つの方向を第１方向、第２方向及び第３方向としたとき、前記第３方向での物理量を検出する物理量センサーであって、基板に固定された固定部と、前記固定部に一端が接続され、前記第２方向に沿って設けられる支持梁と、前記支持梁の他端に接続された可動体と、前記基板に設けられ、前記支持梁の前記第１方向に配置される第１固定電極群と、を含み、前記可動体は、前記支持梁の他端に接続され、前記支持梁から前記第１方向に延びる第１連結部と、前記第１連結部に接続され、前記第２方向に沿って設けられる第１基部と、前記第１基部に設けられ、前記第１固定電極群と前記第２方向において対向する第１可動電極群と、を有し、前記可動体の前記第３方向での重心位置の高さをｈｍとし、前記支持梁の回転中心の前記第３方向での高さをｈｒとしたとき、ｈｍ＝ｈｒである物理量センサーに関係する。

【0006】

また本開示の他の態様は、上記に記載の物理量センサーと、前記物理量センサーから出力された検出信号に基づいて制御を行う制御部と、を含む慣性計測装置に関係する。

【図面の簡単な説明】

【0007】

【図1】本実施形態の物理量センサーの構成例。

【図2】本実施形態の物理量センサーの斜視図。

【図3】検出部の斜視図。

【図4】検出部の動作説明図。

【図5】本実施形態における各構成部の重心の位置関係を説明する図。

【図6】本実施形態を適用しない場合における可動体の重心と慣性力の関係を示す断面概略図。

【図7】本実施形態を適用した場合における可動体の重心と慣性力の関係を示す断面概略図。

【図8】本実施形態の第１詳細例の平面図。

【図9】本実施形態の第１詳細例の斜視図。

【図10】本実施形態の第１詳細例における検出部の斜視図。

【図11】本実施形態の第１詳細例における検出部の動作説明図。

【図12】本実施形態の第２詳細例の平面図。

【図13】本実施形態の第２詳細例の斜視図。

【図14】本実施形態の第３詳細例における検出部の斜視図。

【図15】本実施形態の第３詳細例における検出部の動作説明図。

【図16】本実施形態の第３詳細例における各構成部の重心の位置関係を説明する図。

【図17】第３詳細例における可動体の重心と慣性力の関係を示す断面概略図。

【図18】第３詳細例における固定電極と可動電極のＹＺ断面における配置パターンの例。

【図19】物理量センサー有する慣性計測装置の概略構成を示す分解斜視図。

【図20】物理量センサーの回路基板の斜視図。

【発明を実施するための形態】

【0008】

以下、本実施形態について説明する。なお、以下に説明する本実施形態は、特許請求の範囲の記載内容を不当に限定するものではない。また本実施形態で説明される構成の全てが必須構成要件であるとは限らない。

【0009】

１．物理量センサー
本実施形態の物理量センサー１について、鉛直方向の加速度を検出する加速度センサーを一例として挙げて説明する。図１は、本実施形態の物理量センサー１の基板２に直交する方向での平面視における平面図である。物理量センサー１は、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）デバイスであり、例えば慣性センサーである。

【0010】

なお、図１や後述の図２～図１８では、説明の便宜のために各部材の寸法や部材間の間隔等は模式的に示されており、また、全ての構成要素を示してはいない。例えば電極配線、電極端子等については図示を省略している。また以下では、物理量センサー１が検出する物理量が加速度である場合を主に例にとって説明するが、物理量は加速度に限定されず、速度、圧力、変位、姿勢、角速度又は重力等の他の物理量であってもよく、物理量センサー１は圧力センサー又はＭＥＭＳスイッチ等として用いられるものであってもよい。また図１において互いに直交する方向を第１方向ＤＲ１、第２方向ＤＲ２、第３方向ＤＲ３としている。第１方向ＤＲ１、第２方向ＤＲ２、第３方向ＤＲ３は、各々、例えばＸ軸方向、Ｙ軸方向、Ｚ軸方向であるが、これに限定されない。例えばＺ軸方向に対応する第３方向ＤＲ３は、例えば物理量センサー１の基板２に直交する方向であり、例えば鉛直方向である。そして、第３方向ＤＲ３と反対の方向を第５方向ＤＲ５とする。Ｘ軸方向に対応する第１方向ＤＲ１、Ｙ軸方向に対応する第２方向ＤＲ２は、第３方向ＤＲ３に直交する方向であり、第１方向ＤＲ１及び第２方向ＤＲ２に沿った面であるＸＹ平面は例えば水平面に沿っている。そして、第１方向ＤＲ１の反対の方向を第４方向ＤＲ４とし、第４方向は、例えば－Ｘ軸方向である。なお「直交」とは、９０°で交わっているものの他、９０°から若干傾いた角度で交わっている場合も含むものとする。

【0011】

基板２は、例えば半導体シリコンで構成されたシリコン基板又はホウケイ酸ガラスなどのガラス材料で構成されたガラス基板などである。但し基板２の構成材料としては、特に限定されず、石英基板又はＳＯＩ（Silicon On Insulator）基板等を用いてもよい。

【0012】

図１に示すように本実施形態の物理量センサー１は、固定部４０Ａ、４０Ｂ、支持梁４２Ａ、４２Ｂ、可動体ＭＢ及び第１固定電極群１０Ａ、１０Ｂを含む。可動体ＭＢは、第１連結部３０Ａ、３０Ｂ、第１基部２３及び第１可動電極群２０Ａ、２０Ｂを含む。第１固定電極群１０Ａは複数の第１固定電極１１Ａを有し、第１固定電極群１０Ｂは複数の第１固定電極１１Ｂを有する。第１可動電極群２０Ａは複数の第１可動電極２１Ａを有し、第１可動電極群２０Ｂは複数の第１可動電極２１Ｂを有する。

【0013】

そして、図１において破線の枠で示すように、物理量センサー１は検出部Ｚ１と検出部Ｚ２を有し、各検出部でＺ軸方向である第３方向ＤＲ３に沿う方向での加速度等の物理量を検出する。検出部Ｚ１とＺ２は、平面視において、それぞれ第１基部２３の第１方向ＤＲ１側と第４方向ＤＲ４側に設けられている。第１基部２３の第４方向ＤＲ４側に設けられる検出部Ｚ１は、第１固定電極群１０Ａ、第１可動電極群２０Ａを含む。また第１基部２３の第１方向ＤＲ１側に設けられる検出部Ｚ２は、第１固定電極群１０Ｂと第１可動電極群２０Ｂを含む。

【0014】

図２は本実施形態の物理量センサー１の斜視図である。固定部４０Ａ、４０Ｂは、図２に示すように基板２に設けられている。固定部４０Ａは、支持梁４２Ａの一端を基板２に固定し、可動体ＭＢの第１連結部３０Ａと連結されている。また固定部４０Ｂは、支持梁４２Ｂの一端に接続され、可動体ＭＢの第１連結部３０Ｂと連結されている。このようにして固定部４０Ａ、４０Ｂは、支持梁４２Ａ、４２Ｂを介して可動体ＭＢを基板２に連結される。そして、固定部４０Ａ、４０Ｂは後述の図４で説明する可動体ＭＢのシーソー運動におけるアンカーとしての役割を担う。

【0015】

支持梁４２Ａ、４２Ｂは、可動体ＭＢのシーソー運動における復元力を与える。図２に示すように、支持梁４２Ａ、４２Ｂは、それぞれの一端が固定部４０Ａ、４０Ｂの一部に接続されている。そして、支持梁４２Ａ、４２Ｂの各々の他端は、それぞれ第１連結部３０Ａ、３０Ｂに接続されている。このように支持梁４２Ａ、４２Ｂは、固定部４０Ａ、４０Ｂと可動体ＭＢとを連結させている。支持梁４２Ａ、４２Ｂは、例えば捻れバネである。図１に示すように、支持梁４２Ａ、４２Ｂは平面視において、例えば第２方向ＤＲ２を長手方向になるように設けられる。また支持梁４２Ａ、４２Ｂは第１方向ＤＲ１での厚みが薄くなっており、可動体ＭＢの動きに対して撓むようになっている。そして、第２方向ＤＲ２である例えばＹ軸上で捻れることで、可動体ＭＢのシーソー運動における復元力をもたらす。このように本実施形態では、支持梁４２Ａ、４２Ｂは、第２方向ＤＲ２を回転軸として捻れる捻れバネである。このようにすれば、可動体ＭＢは第２方向ＤＲ２を回転軸として揺動運動をすることができる。

【0016】

可動体ＭＢは、例えば第２方向ＤＲ２に沿った回転軸の回りに揺動する。即ち、可動体ＭＢは、上述した支持梁４２Ａ、４２Ｂの捻れを第２方向ＤＲ２の回りの回転運動における復元力としてシーソー運動を行う。そして、可動体ＭＢの第１可動電極群２０Ａ、２０Ｂをプローブ電極として物理量の検出が行われる。

【0017】

第１連結部３０Ａは、支持梁４２Ａの固定部４０Ａと接続されていない他端と第１基部２３を連結している。第１連結部３０Ｂは、支持梁４２Ｂの固定部４０Ｂと接続されていない他端と第１基部２３を連結している。このように第１連結部３０Ａ、３０Ｂは、可動体ＭＢの第１可動電極群２０Ａ、２０Ｂをシーソー運動の回転軸から一定の距離に位置するように連結する。

【0018】

第１基部２３は、第１連結部３０Ａと第１連結部３０Ｂとを接続し、また可動体ＭＢに設けられる第１可動電極群２０Ａ、２０Ｂを支持する基部になっている。具体的には、第１基部２３は、固定部４０Ａ、４０Ｂにそれぞれ連結され、第１連結部３０Ａ、３０Ｂを接続して可動体が一体としてシーソー運動ができるようにしている。そして、第１可動電極群２０Ａは、第１基部２３から第４方向ＤＲ４側に延出する複数の第１可動電極２１Ａを含むようにして構成され、第１可動電極群２０Ｂは、第１基部２３から第１方向ＤＲ１側に延出する複数の第１可動電極２１Ｂを含むようにして構成される。

【0019】

第１可動電極群２０Ａ、２０Ｂ、及び第１固定電極群１０Ａ、１０Ｂは、物理量を検出するプローブである。上述した通り、第１可動電極群２０Ａ、２０Ｂは、各々、第１基部２３の第４方向ＤＲ４側と第１方向ＤＲ１側に設けられている。第１固定電極群１０Ａ、１０Ｂは、固定部により基板２に固定されている。そして、第１固定電極群１０Ａ、１０Ｂにおいて、複数の第１固定電極１１Ａ、１１Ｂは例えば第１方向ＤＲ１に沿って延在するように設けられている。第１固定電極１１Ａ、１１Ｂは、それぞれ櫛歯状に並んで設けられる電極群を成している。なお、第１固定電極１１Ａ、１１Ｂの数は図１に示す４本に限られず、任意に設けることができる。第１可動電極２１Ａ、２１Ｂも同様に電極の数は任意に設けることができる。

【0020】

図１に示すように、第１可動電極群２０Ａの第１可動電極２１Ａは、第１固定電極群１０Ａの第１固定電極１１Ａと第２方向ＤＲ２において対向するように設けられている。また第１可動電極群２０Ｂの第１可動電極２１Ｂも、同様に第１固定電極群１０Ｂの第１固定電極１１Ｂと第２方向ＤＲ２で対向するように設けられている。このように第１可動電極２１Ａと第１固定電極１１Ａが対向して設けられる部分が検出部Ｚ１になる。また第１可動電極２１Ｂと第１固定電極１１Ｂが対向して設けられる部分が検出部Ｚ２になる。

【0021】

図３は、本実施形態の検出部Ｚ１、Ｚ２の電極の構造を斜視図で示した図である。図３に示すように、検出部Ｚ１において、第１固定電極１１Ａと第１可動電極２１Ａは、第３方向ＤＲ３での厚みが異なっている。また検出部Ｚ２においても第１固定電極１１Ｂと第１可動電極２１Ｂは、第３方向ＤＲ３での厚みが異なっている。具体的には、検出部Ｚ１では第１可動電極２１Ａの第３方向ＤＲ３での厚さが第１固定電極１１Ａの第３方向ＤＲ３での厚さよりも厚くなっている。一方、検出部Ｚ２では、第１可動電極２１Ｂの第３方向ＤＲ３での厚さが、第１固定電極１１Ｂの第３方向ＤＲ３での厚さよりも薄くなっている。そして、検出部Ｚ１の第１固定電極１１Ａと検出部Ｚ２の第１可動電極２１Ｂの第３方向ＤＲ３での厚さは等しく、検出部Ｚ１の第１可動電極２１Ａと検出部Ｚ２の第１固定電極１１Ｂの第３方向ＤＲ３での厚さは、第１基部２３の第３方向ＤＲ３での厚さと同じ厚さになっている。ここで、厚さとは、例えば素子の断面をＳＥＭ（Scanning Electron Microscope）等により測定した物理的な厚みに限らず、薄膜の屈折率等の光学的特性から見積もられる膜厚も含む。

【0022】

図４は、本実施形態の物理量センサー１の検出部Ｚ１、Ｚ２の動作を説明する図である。具体的には、初期状態から加速度が生じた場合に、加速度の向きに対するプローブ電極の動きを第１方向ＤＲ１からの断面の概略図で示している。ここで、初期状態とは、静止した状態、即ち、重力加速度を除いて加速度の生じていない状態をいう。なお、検出部Ｚ１はプローブのＰ側に対応し、検出部Ｚ２はプローブのＮ側に対応している。

【0023】

まず、図４の左側に示す初期状態においては、検出部Ｚ１の第１固定電極１１Ａと第１可動電極２１Ａは、第３方向ＤＲ３に沿って、その一部が重なるように対向して設けられている。具体的には、第１固定電極１１Ａと第１可動電極２１Ａは、第５方向ＤＲ５での端部の位置は一致しているが、第３方向ＤＲ３での端部の位置は第１可動電極２１Ａの端部の方が、第１固定電極１１Ａの端部よりも第３方向ＤＲ３側に位置している。初期状態では、このように第３方向ＤＲ３に沿って第１固定電極１１Ａと第１可動電極２１Ａの一部が重なった状態で静止している。また、検出部Ｚ２の第１固定電極１１Ｂと第１可動電極２１Ｂも、第３方向ＤＲ３に沿って、一部が重なるように対向して設けられている。検出部Ｚ２では、第３方向ＤＲ３において第１可動電極２１Ｂの端部よりも第１固定電極１１Ｂの端部の方が、第３方向ＤＲ３側に位置している。

【0024】

この初期状態において、検出部Ｚ１での第１固定電極１１Ａと第１可動電極２１Ａの対向面積に対応する物理量と、検出部Ｚ２での第１固定電極１１Ｂと第１可動電極２１Ｂの対向面積に対応する物理量とを合計した物理量が、初期状態における物理量になる。物理量としては、例えば静電容量等がある。

【0025】

次に、図４の中央に示すように第３方向ＤＲ３の加速度が生じた状態について説明する。第３方向ＤＲ３の加速度が生じた状態では、検出部Ｚ１、Ｚ２において第１可動電極２１Ａ、２１Ｂは加速度の向きと逆向きの慣性力を受ける。このため検出部Ｚ１の第１可動電極２１Ａは第５方向ＤＲ５側に変位し、検出部Ｚ２の第１可動電極２１Ｂも第５方向ＤＲ５側に変位する。これにより検出部Ｚ１では、図４に示すように第１固定電極１１Ａと第１可動電極２１Ａの対向面積は維持され、検出部Ｚ２では、第１固定電極１１Ｂと第１可動電極２１Ｂの対向面積は減少する。従って、検出部Ｚ２での対向面積の減少による物理量の変化を検出することで、第３方向ＤＲ３の物理量を検出できる。

【0026】

一方、図４の右側に示すように、初期状態から第５方向ＤＲ５の加速度が生じた状態では、検出部Ｚ１、Ｚ２で第１可動電極２１Ａ、２１Ｂは＋Ｚ方向の慣性力を受ける。このため検出部Ｚ１では第１可動電極２１Ａは第３方向ＤＲ３側、即ち＋Ｚ方向に変位し、検出部Ｚ２の第１可動電極２１Ｂも＋Ｚ方向に変位する。これにより検出部Ｚ１では、第１固定電極１１Ａと第１可動電極２１Ａの対向面積は減少し、検出部Ｚ２では、第１固定電極１１Ｂと第１可動電極２１Ｂの対向面積が維持される。従って、検出部Ｚ１での対向面積の減少による物理量の変化を検出することで、第５方向ＤＲ５の物理量を検出できる。なお、物理量として静電容量の変化の検出する場合、例えば不図示の差動増幅回路に、第１固定電極１１Ａ、１１Ｂ、第１可動電極２１Ａ、２１Ｂをそれぞれ配線及びパッドを介して接続することで静電容量を検出できる。

【0027】

図５は、本実施形態の第１可動電極群２０Ａ、２０Ｂ、第１基部２３、第１連結部３０Ａ、３０Ｂ及び支持梁４２Ａ、４２Ｂを第２方向ＤＲ２から見た断面の概略図である。なお、図５は各構成部の第３方向ＤＲ３での厚みの違いに着目しているため、各構成部は正確な寸法で記載されていない。

【0028】

本実施形態では、検出部Ｚ１の第１可動電極群２０Ａと第１基部２３と第１連結部３０Ａ、３０Ｂは、第３方向ＤＲ３での厚みが最も厚くなっている。そして、支持梁４２Ａ、４２Ｂ、第１可動電極群２０Ｂの順に第３方向ＤＲ３での厚みが薄くなっている。

【0029】

図５において、各構成部に記された黒い丸は、各構成部の重心位置を示す。ここで、第１可動電極群２０Ａの重心位置をＧ_Ｚ１、第１可動電極群２０Ｂの重心位置をＧ_Ｚ２、可動体ＭＢの重心位置をＧｍ、支持梁４２Ａ、４２Ｂの重心位置をＧｒとして表記している。例えば、図５の左側に表示される第１可動電極群２０Ａでは、第１可動電極群２０Ａに含まれる複数の第１可動電極２１Ａについて、第１可動電極群２０Ａ全体として見たときに第３方向ＤＲ３における中心の位置に、その重心位置Ｇ_Ｚ１があることを示している。第１可動電極群２０Ｂの第１可動電極２１Ｂは、図３で説明したように第３方向ＤＲ３での厚みが第１可動電極２１Ａよりも薄いため、その中心位置にある重心位置Ｇ_Ｚ２も第１可動電極群２０Ａの重心位置Ｇ_Ｚ１よりも第５方向ＤＲ側、即ち－Ｚ方向側に位置している。

【0030】

ここで重心とは、対象とする構成部分における質量分布の中心位置をいう。このため、対象とする構成部分における質量分布に均一性がない場合には、重心位置は必ずしも、上述したように各構成部の第３方向ＤＲ３における中央位置にならない場合もある。

【0031】

図５において、左から３つ目の可動体ＭＢには重心位置Ｇｍが表記されている。可動体ＭＢの重心位置Ｇｍは、可動体ＭＢを第１可動電極群２０Ａ、２０Ｂと第１基部２３と第１連結部３０Ａ、３０Ｂという複数の構成部が一体となった部材として見た場合の重心位置を示している。上述したように、第１可動電極群２０Ａの重心位置Ｇ_Ｚ１と第１可動電極群２０Ｂの重心位置Ｇ_Ｚ２は第３方向ＤＲ３においてずれているため、これらを含む可動体ＭＢの重心位置Ｇｍは、重心位置Ｇ_Ｚ１と重心位置Ｇ_Ｚ２の間に位置することになる。なお、可動体ＭＢについては複数の構成部の集合体であるため、図５において重心位置のみを表記している。そして、可動体ＭＢの重心位置Ｇｍの第３方向ＤＲ３における位置は、支持梁４２Ａ、４２Ｂの重心位置Ｇｒの第３方向ＤＲ３での位置と一致している。即ち、本実施形態では第１可動電極群２０Ａの重心位置Ｇ_Ｚ１、第１可動電極群２０Ｂの重心位置Ｇ_Ｚ２、可動体ＭＢの重心位置Ｇｍ、支持梁４２Ａ、４２Ｂの重心位置Ｇｒの第３方向ＤＲ３での位置関係は、Ｇ_Ｚ１＞Ｇｍ＝Ｇｒ＞Ｇ_Ｚ２という関係になっている。このように本実施形態では、各構成部の重心位置の第３方向ＤＲ３での位置関係がＧ_Ｚ１＞Ｇｍ＝Ｇｒ＞Ｇ_Ｚ２になるように、第１可動電極群２０Ｂや支持梁４２Ａ、４２Ｂの第３方向ＤＲ３の厚みを設計する。

【0032】

上述したように重心とは、対象とする構成部分における質量分布の中心位置をいうため、各構成部において質量分布が均一でない場合には、重心位置は必ずしも各構成部の中央にならない。従って、各構成部の第３方向ＤＲ３での厚み、或いは形状等に関わらず、可動体ＭＢの重心位置Ｇｍと支持梁４２Ａ、４２Ｂの重心位置Ｇｒの第３方向ＤＲ３での位置が一致する場合はある。そして、本実施形態では、各構成部の厚みや形状が図５に示すような大小関係になっていなくても、可動体ＭＢの重心位置Ｇｍと支持梁４２Ａ、４２Ｂの重心位置Ｇｒの第３方向ＤＲ３での位置が一致していればよい。

【0033】

また、上述した第３方向ＤＲ３での位置が一致する、とは略一致していることを意味する。例えば、半導体製造プロセスでエッチング加工処理を行う場合、同一の装置、条件のもとで処理を行っても、装置そのものに起因して仕上がり寸法にばらつきが現れる。このため、ターゲットとする加工寸法に対して一定のマージンを設けてプロセス管理を行うことが一般的である。このような理由から、可動体ＭＢの重心位置Ｇｍと支持梁４２Ａ、４２Ｂの重心位置Ｇｒの第３方向ＤＲ３での位置が完全には一致しないことが通常である。従って、上述した第３方向ＤＲ３での位置が一致する、とは略一致している場合を含む。

【0034】

図６、図７は、物理量センサー１を－Ｙ方向側から見た断面の概略図であり、物理量センサー１が第１方向ＤＲ１の慣性力ＦＩを受けた場合について説明する図である。なお、図６では第１連結部３０Ａ、３０Ｂ、固定部４０Ａ、４０Ｂ、基板２については表示を省略している。

【0035】

図６は、本実施形態を適用していない場合の物理量センサー１を示す。即ち、各構成部の重心の第３方向ＤＲ３での位置関係は、図５において説明したような、Ｇ_Ｚ１＞Ｇｍ＝Ｇｒ＞Ｇ_Ｚ２という関係にはなっていない。図６に示す物理量センサーでは、支持梁４２Ａ、４２Ｂの第３方向ＤＲ３での厚みが第１可動電極群２０Ａや不図示の第１連結部３０Ａ、３０Ｂ或いは第１基部２３と同じ厚みになっている。このため、各構成部の重心の第３方向ＤＲ３での位置関係は、Ｇ_Ｚ１＝Ｇｒ＞Ｇｍ＞Ｇ_Ｚ２という関係になっている。

【0036】

ここで、可動体ＭＢの重心位置Ｇｍ、検出部Ｚ１の重心位置Ｇ_Ｚ１、検出部Ｚ２の重心位置Ｇ_Ｚ２の各々の第３方向ＤＲ３での高さをｈｍ、ｈｍ１、ｈｍ２とする。また支持梁４２Ａ、４２Ｂの重心位置Ｇｒの第３方向ＤＲ３での高さをｈｒとする。なお、ここでいう高さとは、静止状態、即ち物理量センサー１の第１連結部３０Ａ、３０ＢがＸＹ平面に対し水平になっている状態において、支持梁４２Ａ、４２Ｂの第３方向ＤＲ３での下端を基準にした第３方向ＤＲ３における高さをいうものとする。そして、図５で説明した、各構成部の重心の第３方向ＤＲ３での位置関係がＧ_Ｚ１＝Ｇｒ＞Ｇｍ＞Ｇ_Ｚ２という関係がある場合、各構成部の重心位置の高さｈｍ、ｈｍ１、ｈｍ２、ｈｒには、ｈｍ１＝ｈｒ＞ｈｍ＞ｈｍ２という関係が成立する。

【0037】

以下では、物理量センサー１の各構成部が図６に示すような形状である場合について検討する。図６において、物理量センサー１に第４方向ＤＲ４、即ち－Ｘ方向の加速度が生じた場合、可動体ＭＢにはその反対方向である＋Ｘ方向の慣性力ＦＩが作用する。ここで可動体ＭＢは、支持梁４２Ａ、４２Ｂを回転軸として揺動する回転物理系と考えられるため、その回転軸である支持梁４２Ａ、４２Ｂの重心位置Ｇｒを原点Ｏとする。すると可動体ＭＢの重心位置Ｇｍは、その高さｈｍが原点Ｏの高さｈｒよりも低いため、＋Ｘ軸方向から角度θだけ傾いた位置ベクトルｒ_ｍ＝（ｒ_ｍｘ、０、ｒ_ｍｚ）で用いて表される。なお、Ｚ座標のｒ_ｍｚは負の値である。また可動体ＭＢに作用する慣性力Ｆは、原点Ｏから＋Ｘ方向を向いた慣性力ベクトルＦＩ＝（ＦＩ_ｘ、０、０）を用いて表される。一般的に、トルクＴは位置ベクトル（ｘ、ｙ、ｚ）と力ベクトル（Ｆ_ｘ、Ｆ_ｙ、Ｆ_ｚ）の外積により式（１）のように表される。

【数1】

【0038】

従って、式（１）に位置ベクトルｒ_ｍ＝（ｒ_ｍｘ、０、ｒ_ｍｚ）と慣性力ベクトルＦＩ＝（ＦＩ_ｘ、０、０）を代入すると、可動体ＭＢを含む回転物理系に発生するトルクＴは式（２）にように求められる。

【数2】

【0039】

上述した通りｒ_ｍｚ＜０であるから、式（２）より、位置ベクトルｒ_ｍが慣性力ベクトルＦＩと角度θだけずれている場合、トルクＴは－Ｙ方向を回転軸とし、ｒ_ｍｚＦＩ_ｘの大きさを持つベクトルになる。即ち、可動体ＭＢの第１可動電極群２０Ａ、２０Ｂは、Ｙ軸を回転軸とする円軌道上でＺ方向側に動こうとする。また式（２）のｒ_ｍｚＦＩ_ｘは角度θを用いると、式（３）のように求められる。

【数3】

【0040】

即ち、Ｘ軸方向に沿う慣性力ベクトルＦＩに対して、位置ベクトルｒ_ｍがＸ軸方向から傾いていると式（１）において外積はゼロにならず、必ずトルクＴが発生することになる。このように、可動体ＭＢの重心位置Ｇｍの高さｈｍと支持梁４２Ａ、４２Ｂの重心位置Ｇｒの高さｈｒが異なっていると、回転物理系における外積はゼロにならず、可動体ＭＢは支持梁４２Ａ、４２Ｂを中心とする円軌道上で揺動することになる。従って、物理量センサー１が、本来検出対象とする第３方向ＤＲ３以外の方向の加速度を第３方向ＤＲ３の加速度として検出することになる。

【0041】

このように物理量センサーが検出対象とする方向以外の物理量を、当該検出対象である方向における物理量として検出する感度を他軸感度という。物理量センサーにおいて、このような他軸感度が大きくなると、検出対象である物理量以外の物理量を検出対象の物理量として検出してしまうため、物理量センサーの検出精度を劣化させる要因になる。従って、できる限り他軸感度を抑制することが望ましい。なお、上記では物理量センサー１の各構成部の質量分布が均一な場合について検討したが、質量分布が不均一な場合であっても、図６に示すような重心の位置関係になっている場合には同様の結果が導かれる。

【0042】

前述の特許文献１に開示される物理量センサー１は、本実施形態の物理量センサー１と同様に固定電極と可動電極の面積変化型の物理量センサーであり、Ｚ軸方向の物理量を検出する。しかし、可動電極を構成する可動体の一部の厚みは出力信号のＳＮ比向上の観点から薄く設計されている。このため、支持梁４２Ａ、４２Ｂに相当する捻れバネの重心のＺ軸方向の高さは、可動電極を含む可動体全体の重心のＺ軸方向での高さと異なっている。従って、図６で説明した場合と同様に、回転軸に相当する捻れバネの重心から可動体の重心までの位置ベクトルは水平方向からずれてしまい、トルクＴを発生させ、他軸感度を増加させる結果になる。このように特許文献１では、可動電極のＺ軸方向での厚みを薄くすることで出力信号のＳＮ比を向上できる一方で、他軸感度の増加というデメリットが生じてしまう。

【0043】

図７は、本実施形態を適用した場合の物理量センサー１の各構成部の断面の概略図である。即ち、図５で説明したような重心位置の位置関係Ｇ_Ｚ１＞Ｇｍ＝Ｇｒ＞Ｇ_Ｚ２が成立している場合である。この場合、原点Ｏから可動体ＭＢの重心位置Ｇｍまでの位置ベクトルｒ_ｍは、第１方向ＤＲ１であるＸ軸方向と平行になっている。この場合、位置ベクトルｒ_ｍ＝（ｒ_ｍｘ、０、０）と慣性力ベクトルＦＩ＝（ＦＩ_ｘ、０、０）を式（１）に代入すると、位置ベクトルｒ_ｍはｘ座標成分以外がゼロであるため、トルクＴはゼロになる。即ち、Ｘ軸方向の慣性力ＦＩが作用しても、可動体ＭＢを含む回転物理系にトルクＴは発生しない。

【0044】

また本実施形態では、第１可動電極群２０Ａと第１可動電極群２０Ｂのいずれか一方の第３方向ＤＲ３での厚みを薄くすることで、特許文献１に開示される出力信号のＳＮ比向上というメリットも得られる。従って、物理量センサー１において出力信号のＳＮ比向上と他軸感度の抑制を両立して実現できる。

【0045】

即ち、本実施形態の物理量センサー１は、固定部４０Ａ、４０Ｂと支持梁４２Ａ、４２Ｂと可動体ＭＢと第１固定電極群１０Ａ、１０Ｂとを含む。固定部４０Ａ、４０Ｂは基板２に固定され、支持梁４２Ａ、４２Ｂは固定部４０Ａ、４０Ｂに一端が接続され、第２方向ＤＲ２に沿って設けられている。可動体ＭＢは、支持梁４２Ａ、４２Ｂの他端に接続され、第１固定電極群１０Ａ、１０Ｂは、基板２に設けられ、支持梁４２Ａ、４２Ｂの第１方向ＤＲ１に配置される。可動体ＭＢは、第１連結部３０Ａ、３０Ｂと第１基部２３と第１可動電極群２０Ａ、２０Ｂを有する。第１連結部３０Ａ、３０Ｂは、支持梁４２Ａ、４２Ｂの他端に接続され、支持梁４２Ａ、４２Ｂから第１方向ＤＲ１に延び、第１基部２３は、第１連結部３０Ａ、３０Ｂに接続され、第２方向ＤＲ２に沿って設けられ、第１基部２３に設けられる第１可動電極群２０Ａ、２０Ｂは、第１固定電極群１０Ａ、１０Ｂの第１固定電極１１Ａ、１１Ｂと第２方向ＤＲ２において対向する。そして、可動体ＭＢの第３方向ＤＲ３での重心位置の高さをｈｍとし、支持梁４２Ａ、４２Ｂの回転中心の第３方向ＤＲ３での高さをｈｒとしたとき、ｈｍ＝ｈｒである。

【0046】

本実施形態によれば物理量センサー１の他軸感度を抑制し、高精度な物理量の検出が可能になる。また第１可動電極群２０Ａと第１可動電極群２０Ｂのいずれか一方のＺ軸方向の厚みを薄くすることで、特許文献１に開示される出力信号のＳＮ比向上というメリットも維持できる。

【0047】

また本実施形態では、支持梁４２Ａ、４２Ｂに捻れバネを用いている。これにより、支持梁４２Ａ、４２Ｂの第３方向ＤＲ３の厚みによって剛性を調整できるため、面積を大きくすることなく容易に高感度化でき、小型化が可能となる。また、捻れバネ長方向の第２方向ＤＲ２と櫛歯長方向の第１方向ＤＲ１が直交関係にあるため、第１可動電極２１Ａ、２１Ｂの櫛歯長が長くならならず、耐衝撃性や電極同士の貼り付き等の不具合も改善できる。

【0048】

さらに本実施形態では、可動体ＭＢの長手方向、即ち第１基部２３の長手方向を、回転軸である第２方向ＤＲ２と同じ向きになるように設けている。このようにすれば、基板２の面内回転方向の首振り運動が発生しても、首振り運動の振動周波数と本物理量センサー１の検出モードの周波数を遠ざけることができ、共振現象を抑制できる。従って、首振りモードによる振動が物理量センサー１の検出に干渉を与えることを防ぐことができ、また他軸感度の増加を抑えることも可能になる。

【0049】

２．詳細な構成例
図８は、本実施形態の物理量センサー１の第１詳細例の平面図である。第１詳細例は、図１に示す物理量センサー１と同様に櫛歯電極を用いた面外回転による面積変化型構造の第３方向ＤＲ３の物理量センサーであるが、図１に示す構成例とは検出部Ｚ１、検出部Ｚ２の配置が異なっている。具体的には、図８に破線で示す検出部Ｚ１、検出部Ｚ２が図１に示す場合と異なり、第２方向ＤＲ２に沿って並んで配置されている。また、これに伴って第１詳細例に示す物理量センサー１は、第２連結部７０、第２基部６３、第２固定電極群５０及び第２可動電極群６０を有する。第２連結部７０、第２固定電極群５０及び第２可動電極群６０は、それぞれ図１の構成における第１連結部３０Ｂ、第１固定電極群１０Ｂ、第１可動電極群２０Ｂに相当する。なお、検出部Ｚ１がＮ側に、検出部Ｚ２がＰ側に対応している。

【0050】

検出部Ｚ１では、第１固定電極群において第１基部２３を隔てて第４方向ＤＲ４側に第１固定電極１１が設けられ、第１基部２３を隔てて第１方向ＤＲ１側に第１固定電極１２が設けられている。同じように第１可動電極群２０には、第１基部２３を隔てて第４方向ＤＲ４側に第１可動電極２１が設けられ、第１基部２３を隔てて第１方向ＤＲ１側に第１可動電極２２が設けられている。また検出部Ｚ２では、第２固定電極群には第２基部６３を隔てて第４方向ＤＲ４側に第２固定電極５１が設けられ、第２基部６３を隔てて第１方向ＤＲ１側に第２固定電極５２が設けられている。第２可動電極群６０には、第２基部６３を隔てて第４方向ＤＲ４側に第２可動電極６１が設けられ、第２基部６３を隔てて第１方向ＤＲ１側に第２可動電極６２が設けられている。なお、以下においては、適宜、第１固定電極１１、１２を第１固定電極１４と、第２固定電極５１、５２を第２固定電極５４と、第１可動電極２１、２２を第１可動電極２４と、第２可動電極６１、６２を第２可動電極６４と総称して表記する。そして、第１詳細例では、第１連結部３０と第２連結部７０は、第１基部２３と第２基部６３を介して接続されている。

【0051】

図９は第１詳細例の斜視図である。図９に示すように、第２方向ＤＲ２に沿って配置される検出部Ｚ１と検出部Ｚ２では電極櫛歯の第３方向ＤＲ３における厚みが異なっている。検出部Ｚ１では、第１固定電極群１０の厚みは第１可動電極群２０よりも厚くなっており、検出部Ｚ２では、第２固定電極群５０の厚みは第２可動電極群６０よりも薄くなっている。このため、図９の斜視図において、第３方向ＤＲ３での厚みの薄い第１可動電極群２０と第２固定電極５１、５２は隠れて見えなくなっている。

【0052】

図１０は第１詳細例の検出部Ｚ１、Ｚ２について、電極形状の詳細を示している。図１０の上図は、検出部Ｚ１の電極形状を示している。第１詳細例は、図１の構成例と異なり、第１可動電極２１と第１可動電極２２の第３方向ＤＲ３の厚みは等しくなっている。また第１固定電極１１と第１固定電極１２の厚みも等しくなっている。そして、＋Ｚ方向側で第１固定電極１１、１２と第１可動電極２１、２２の端部の位置がずれており、－Ｚ方向側では第１固定電極１１、１２と第１可動電極２１、２２の端部の位置は等しくなっている。即ち、片側オフセット構造になっている。

【0053】

図１０の下図は、第１詳細例の検出部Ｚ２の電極形状を示している。検出部Ｚ２も検出部Ｚ１と同様に、第２可動電極６１と第２可動電極６２の第３方向ＤＲ３の厚みは等しくなっており、第２固定電極５１と第２固定電極５２の厚みも等しくなっている。そして、検出部Ｚ１と同様に＋Ｚ方向側のみで第２固定電極５１、５２と第２可動電極６１、６２の端部の位置がずれた片側オフセット構造になっている。

【0054】

図１１は、第１詳細例の動作を説明する図である。第１詳細例における動作原理は、図４で説明した手法と同様であり、＋Ｚ方向或いは－Ｚ方向の加速度に対して検出部Ｚ１、Ｚ２のいずれかで櫛歯電極の対向面積が減少することで、物理量が検出されるようになっている。図１１において第３方向ＤＲ３の加速度が生じた場合、検出部Ｚ１では第１可動電極群２０は第５方向ＤＲ５、即ち－Ｚ方向の慣性力を受け、－Ｚ方向に変位する。このため、第１固定電極１４と第１可動電極２４の対向面積は減少する。一方、検出部Ｚ２では第２可動電極群６０が当該慣性力を受けて－Ｚ方向に変位しても、対向面積は変化しない。従って、検出部Ｚ１での対向面積の減少により、第３方向ＤＲ３の加速度を検出できる。そして、第５方向ＤＲ５、即ち－Ｚ方向の加速度が生じた場合、検出部Ｚ１では第１可動電極群２０は＋Ｚ方向の慣性力を受けて＋Ｚ方向に変位するが、第１固定電極１４と第１可動電極２４の対向面積は変化しない。一方、検出部Ｚ２では第２可動電極群６０が当該慣性力を受けて＋Ｚ方向に変位するため、第２固定電極５４と第２可動電極６４の対向面積が減少する。なお、第１詳細例では、検出部Ｚ１がプローブのＮ側、検出部Ｚ２がプローブのＰ側に対応している。

【0055】

即ち、図８に示すように本実施形態では、物理量センサー１は、基板２に設けられ、支持梁４２Ａ、４２Ｂの第１方向ＤＲ１に配置される第２固定電極群５０を含む。可動体ＭＢは第２連結部７０と第２基部６３と第２可動電極群６０と、を含む。第２連結部７０は支持梁４２Ａ、４２Ｂの他端に接続され、支持梁４２Ａ、４２Ｂから第１方向ＤＲ１に延びる。第２基部６３は第２連結部７０に接続され、第２方向ＤＲ２に沿って設けられる。第２可動電極群６０は第２基部６３に設けられ、第２固定電極群５０の第２固定電極５１、５２と第２方向ＤＲ２において対向する。

【0056】

このようにすれば、物理量センサー１に２つの検出部Ｚ１、検出部Ｚ２を設けることができ、検出部Ｚ１と検出部Ｚ２を可動体ＭＢの揺動運動の回転軸になる第２方向ＤＲ２に沿って、並んで配置することが可能になる。

【0057】

また本実施形態では、第１可動電極群２０と第２可動電極群６０は、第１連結部３０と第２連結部７０の間に第２方向ＤＲ２に沿って配置される。

【0058】

このようにすれば、平面視において物理量センサー１の第１連結部３０と第２連結部７０の間に、第２方向ＤＲ２に沿って検出部Ｚ１、Ｚ２を設けることができる。

【0059】

また図７に示すように、本実施形態では、第１可動電極群２０の第３方向ＤＲ３での重心位置の高さをｈｍ１とし、第２可動電極群６０の第３方向ＤＲ３での重心位置の高さをｈｍ２としたとき、ｈｍ２＞ｈｒ＞ｈｍ１である。

【0060】

このようにすれば、可動体ＭＢの重心位置Ｇｍと支持梁４２Ａ、４２Ｂの重心位置の第３方向ＤＲ３での高さを一致させつつ、第２可動電極群６０の第３方向ＤＲ３での厚みを支持梁４２Ａ、４２Ｂの回転中心の第３方向ＤＲ３での厚みよりも厚くすることができる。

【0061】

また本実施形態では、第２可動電極群６０の第３方向ＤＲ３での厚さは、第１可動電極群２０の第３方向ＤＲ３での厚さより大きい。

【0062】

このようにすれば、検出部Ｚ１では第１可動電極群２０の第３方向ＤＲ３での厚さを第１固定電極群１０の第３方向ＤＲ３での厚さよりも薄くすることが容易になる。また検出部Ｚ２においても第２可動電極群６０の第３方向ＤＲ３での厚さを第２固定電極群５０の第３方向ＤＲ３での厚さよりも厚くすることが容易になる。

【0063】

また本実施形態では、初期状態において第１可動電極群２０の第３方向ＤＲ３での裏面位置と、第２可動電極群６０の第３方向ＤＲ３での裏面位置とが一致している。

【0064】

このようにすれば、第１固定電極１１、１２と第１可動電極２１、２２からなる櫛歯電極のプローブを第３方向ＤＲ３でオフセットのついた片側オフセット形状にできる。また第２固定電極５１、５２と第２可動電極６１、６２からなる櫛歯電極のプローブを第３方向ＤＲ３でオフセットのついた片側オフセット形状にできる。

【0065】

図１２は本実施形態の物理量センサー１の第２詳細例の平面図である。第１詳細例とは、検出部Ｚ１、Ｚ２の配置パターンが異なっている。具体的には、図１２に示すように第３方向ＤＲ３での平面視において、第２方向ＤＲ２側から順に検出部Ｚ２、検出部Ｚ１、検出部Ｚ２の順に検出部が配置されている。このように、検出部Ｚ１、Ｚ２を複数設けて、第２方向ＤＲ２に沿って交互に配置することもできる。

【0066】

図１３は第２詳細例の斜視図である。検出部Ｚ１、Ｚ２の配置パターン以外は、図９と同様である。第２詳細例を第１詳細例と比較すると、図１３の中に一点鎖線で示すＸ軸に対して質量分布が対称に配置されている。このため、第２詳細例によれば、第３方向ＤＲ３の加速度が生じた時に、可動体MBの第３方向ＤＲ３の変位のばらつきを抑制できる。従って、物理量センサー１の検出精度を向上できる。そして、このような検出部Ｚ１、Ｚ２の配置パターンとして多様なバリエーションが考えられるので、物理量センサー１の櫛歯電極を配置できるスペースに合わせて、最適な配置パターンを選択できる。

【0067】

片側オフセット構造をとる第１詳細例についての変形例として幾つかの構成が考えられる。例えば、図１４で検出部Ｚ１の第１固定電極１４と検出部Ｚ２の第２可動電極６４の厚みが異なっていてもよいし、検出部Ｚ１の第１可動電極２４と検出部Ｚ２の第２固定電極５４の厚みが異なっていてもよい。可動体ＭＢの厚みについても、検出部Ｚ１の第１可動電極２４の厚みより小さくてもよいし、大きくてもよい。ここで、ねじりバネである支持梁４２Ａ、４２Ｂの厚みは、可動体ＭＢ、検出部Ｚ１、Ｚ２の可動電極の厚みの中で、最も薄い厚みより厚く、また最も厚い厚みよりも薄い範囲にある。また、上記では第１詳細例と第２詳細例について、櫛歯電極の裏面のみが面一になっている構成を例に説明したが、表面のみが面一になっていてもよい。以上に挙げた変形例は、いずれも図７で説明したように可動体ＭＢの重心位置Ｇｍの第３方向での位置と支持梁４２Ａ、４２Ｂの重心位置Ｇｒの第３方向ＤＲ３での位置が一致していればよく、このような重心の位置関係であれば、本実施形態の構成は上記に限られない。

【0068】

また第１詳細例、第２詳細例では、検出部Ｚ１、Ｚ２の櫛歯電極は片側オフセットの形状になっていたが、両側オフセットの形状にすることもできる。図１４は、第１詳細例、第２詳細例の櫛歯電極を両側オフセットの形状にした第３詳細例について、櫛歯電極部分の構成を示した概略図である。図１４の上図は検出部Ｚ１における櫛歯電極の形状を、下図は検出部Ｚ２における櫛歯電極の形状を示している。

【0069】

検出部Ｚ１では、第１可動電極２１、２２は第１固定電極１１、１２よりも第３方向ＤＲ３側にずれており、第２方向ＤＲ２から見ると、第１固定電極１１は第１可動電極２１とその一部が重なっており、第１固定電極１２は第１可動電極２２とその一部が重なっている。このようにして検出部Ｚ１の櫛歯電極は両側オフセットの形状になっている。検出部Ｚ２では、第２可動電極６１、６２は第２固定電極５１、５２よりも第５方向ＤＲ５側にずれており、第２方向ＤＲ２から見ると、第２固定電極５１は第２可動電極６１とその一部が重なっており、第２固定電極５２は第２可動電極６２とその一部が重なっている。このようにして検出部Ｚ２の櫛歯電極も両側オフセットの形状になっている。

【0070】

第３詳細例における各構成部の第３方向ＤＲ３での位置関係について補足する。なお、ここでは、第３方向ＤＲ３側の面を表面とし、第５方向ＤＲ５側の面を裏面として説明する。検出部Ｚ１では、第１可動電極２４の表裏面は、第１固定電極１４の表裏面よりそれぞれ＋Ｚ方向に位置し、検出部Ｚ２では逆で、第２可動電極６４の表裏面は、第２固定電極５４の表裏面よりそれぞれ－Ｚ方向に位置する。検出部Ｚ１の第１可動電極２４の表裏面と検出部Ｚ２の第２固定電極５４の表裏面はそれぞれ面一になっており、電極の厚みは同じである。検出部Ｚ１の第１固定電極１４と検出部Ｚ２の第２可動電極６４の表裏面もそれぞれ面一になっており、同じ厚みである。また検出部Ｚ１の第１可動電極２４の表面と第１固定電極１４の表面の第３方向ＤＲ３でのオフセット量は、検出部Ｚ２の第２可動電極６４の裏面と第２固定電極５４の裏面の第５方向ＤＲ５でのオフセット量と等しい。可動体ＭＢの第１連結部３０、第２連結部７０の表面は、検出部Ｚ１の第１可動電極２４、検出部Ｚ２の第２固定電極５４の表面と面一である。可動体ＭＢの第１連結部３０、第２連結部７０の裏面は、検出部Ｚ１の第１固定電極１４、検出部Ｚ２の第２可動電極６４の裏面と面一である。ねじりバネである支持梁４２Ａ、４２Ｂの表裏面は可動体ＭＢの表裏面と一致している。

【0071】

図１５は第３詳細例を適用した物理量センサー１の動作を説明する図である。図４で説明した動作の説明図と同様に、初期状態と加速度が印加された状態のそれぞれにおける櫛歯電極の動きが示されている。両側オフセット形状を適用した第３詳細例は、可動体ＭＢが支持梁４２Ａ、４２Ｂを回転軸として面外回転し、検出部Ｚ１、Ｚ２のいずれか一方では櫛歯電極の対向面積が増加し、他方では減少する。即ち、これまで説明してきた図１の構成例や第１詳細例、第２詳細例と異なり、第１可動電極２４、第２可動電極６４が第３方向ＤＲ３及び第５方向ＤＲ５のいずれの方向に変位しても櫛歯電極の対向面積の変化するため、物理量の検出感度としては、図１の構成例等と比較して２倍に増加する。従って、片側オフセット形状を適用した構成例と比べて、物理量検出の高感度化の点で有利である。

【0072】

即ち、本実施形態では、第１可動電極群２０の第３方向ＤＲ３での厚さと第２可動電極群６０の第３方向ＤＲ３での厚さが等しい。また本実施形態では、初期状態において第１可動電極群２０の第３方向ＤＲ３での裏面位置と、第２可動電極群６０の第３方向ＤＲ３での裏面位置とが一致していない。

【0073】

このようにすれば、第１固定電極１１、１２と第１可動電極２１、２２からなる櫛歯電極のプローブを第３方向ＤＲ３と第５方向ＤＲ５の両方でオフセットのついた両側オフセット形状にできる。また第２固定電極５１、５２と第２可動電極６１、６２からなる櫛歯電極のプローブを第３方向ＤＲ３と第５方向ＤＲ５の両方でオフセットのついた両側オフセット形状にできる。

【0074】

図１６は両側オフセット形状を適用した第３詳細例において、各構成部の重心の位置関係を示した断面の概略図である。図５で説明したように、本実施形態では、物理量センサー１の各構成部の重心位置をＧ_Ｚ１＞Ｇｍ＝Ｇｒ＞Ｇ_Ｚ２という関係になるように設計することで、第３方向ＤＲ３以外の第１方向ＤＲ１の加速度等に対してトルクが発生しないようにして、他軸感度を低減させることができる。

【0075】

この点、第３詳細例は、図１６の左側に示すように第２方向ＤＲ２から見て、第１可動電極２４と第２可動電極６４はその一部で重なっており、それぞれ同じ長さだけ第３方向ＤＲ３と第５方向ＤＲ５にずれている。このような櫛歯電極の位置関係から、可動部と支持梁４２Ａ、４２Ｂの第３方向における重心を一致させることが容易になる。例えば、支持梁４２Ａ、４２Ｂ、可動部、第１可動電極２４の第３方向ＤＲ３での位置と等しくし、支持梁４２Ａ、４２Ｂ、可動部、第２可動電極６４の第５方向ＤＲ５の位置と等しくすることで、必然的にＧ_Ｚ１＞Ｇｍ＝Ｇｒ＞Ｇ_Ｚ２という位置関係が実現できる。

【0076】

図１７は第３詳細例を適用した物理量センサー１の各構成部の断面の概略図である。上述した通り、Ｇ_Ｚ１＞Ｇｍ＝Ｇｒ＞Ｇ_Ｚ２という位置関係が実現されており、可動体ＭＢの重心位置の第３方向ＤＲ３での高さｈｍと支持梁４２Ａ、４２Ｂの重心位置の第３方向ＤＲ３での高さｈｒは等しくなっている。このため、位置ベクトルｒ_ｍは第１方向ＤＲ１と平行になる。従って、図７で説明したように、物理量センサー１に第１方向ＤＲ１の慣性力ＦＩが作用しても、可動体ＭＢの支持梁４２Ａ、４２Ｂを回転軸とする揺動運動に影響を与えることはなくなり、物理量センサー１の他軸感度の向上が図られる。

【0077】

前述した通り、第３詳細例においても各構成部の重心位置について、Ｇ_Ｚ１＞Ｇｍ＝Ｇｒ＞Ｇ_Ｚ２という位置関係が成立する。即ち、可動体ＭＢの第３方向ＤＲ３での厚み方向の重心位置Ｇｍと支持梁４２Ａ、４２Ｂの第３方向ＤＲ３での厚み方向の重心位置Ｇｒの第３方向ＤＲ３における位置が一致している。第３詳細例には、このような重心の位置関係を有する幾つかの変形例が考えられる。図１８は、図１４、図１５に示す櫛歯電極の構成以外の第３詳細例のバリエーションを示している。図１８に示すように、検出部Ｚ１の第１固定電極１４、第１可動電極２４、検出部Ｚ２の第２固定電極５４、第２可動電極６４の第３方向ＤＲ３における位置を示す等高線の数によって４つのバリエーションが考えられる。上段の左に示す櫛歯形状のパターンは、第１固定電極１４、第２固定電極５４、第１可動電極２４、第２可動電極６４のすべての表裏面の位置がずれているパターンであり、等高線の数が最も多い。そして、上段の中央、右、下段の順に等高線の数が減っている。そして、最も等高線の数が少ない形状パターンが、図１４に示す構成である。

【0078】

また、これ以外に可動体ＭＢや支持梁４２Ａ、４２Ｂの位置関係でのバリエーションも考えられる。例えば、可動体ＭＢの表面が検出部Ｚ１の第１可動電極２４、検出部Ｚ２の第２固定電極５４の表面と面一でないパターンや、可動体ＭＢの裏面が検出部Ｚ１の第１固定電極１４、検出部Ｚ２の第２固定電極５４の裏面と面一でない場合が考えられる。また支持梁４２Ａ、４２Ｂの表裏面が可動体ＭＢの表裏面のいずれか片面のみ、または両面共と面一でない場合も考えられる。この場合、支持梁４２Ａ、４２Ｂの第３方向での厚みは問わず、厚みが小さいと変位は大きくなり、物理量の検出感度を高感度化でき、有利である。

【0079】

３．慣性計測装置
次に、本実施形態の慣性計測装置２０００の一例について図１９、図２０を用いて説明する。図１９に示す慣性計測装置２０００（ＩＭＵ：Inertial Measurement Unit）は、自動車やロボットなどの運動体の姿勢や挙動などの慣性運動量を検出する装置である。慣性計測装置２０００は、３軸に沿った方向の加速度ａｘ、ａｙ、ａｚを検出する加速度センサーと、３軸回りの角速度ωｘ，ωｙ，ωｚを検出する角速度センサーと、を備えた、いわゆる６軸モーションセンサーである。

【0080】

慣性計測装置２０００は、平面形状が略正方形の直方体である。また正方形の対角線方向に位置する２ヶ所の頂点近傍に、マウント部としてのネジ穴２１１０が形成されている。この２ヶ所のネジ穴２１１０に２本のネジを通して、自動車などの被装着体の被装着面に慣性計測装置２０００を固定することができる。なお、部品の選定や設計変更により、例えば、スマートフォンやデジタルカメラに搭載可能なサイズに小型化することも可能である。

【0081】

慣性計測装置２０００は、アウターケース２１００と、接合部材２２００と、センサーモジュール２３００を有し、アウターケース２１００の内部に、接合部材２２００を介在させて、センサーモジュール２３００を挿入した構成となっている。センサーモジュール２３００は、インナーケース２３１０と回路基板２３２０を有している。インナーケース２３１０には、回路基板２３２０との接触を防止するための凹部２３１１や、後述するコネクター２３３０を露出させるための開口２３１２が形成されている。そしてインナーケース２３１０の下面には、接着剤を介して回路基板２３２０が接合されている。

【0082】

図２０に示すように、回路基板２３２０の上面には、コネクター２３３０、Ｚ軸回りの角速度を検出する角速度センサー２３４０ｚ、Ｘ軸、Ｙ軸及びＺ軸の各軸方向の加速度を検出する加速度センサーユニット２３５０などが実装されている。また回路基板２３２０の側面には、Ｘ軸回りの角速度を検出する角速度センサー２３４０ｘ及びＹ軸回りの角速度を検出する角速度センサー２３４０ｙが実装されている。

【0083】

加速度センサーユニット２３５０は、前述したＺ軸方向の加速度を測定するための物理量センサー１を少なくとも含み、必要に応じて、一軸方向の加速度を検出したり、二軸方向や三軸方向の加速度を検出したりすることができる。なお角速度センサー２３４０ｘ、２３４０ｙ、２３４０ｚとしては、特に限定されないが、例えばコリオリの力を利用した振動ジャイロセンサーを用いることができる。

【0084】

また回路基板２３２０の下面には、制御ＩＣ２３６０が実装されている。物理量センサー１から出力された検出信号に基づいて制御を行う制御部としての制御ＩＣ２３６０は、例えばＭＣＵ（Micro Controller Unit）であり、不揮発性メモリーを含む記憶部や、Ａ／Ｄコンバーターなどを内蔵しており、慣性計測装置２０００の各部を制御する。なお、回路基板２３２０には、その他にも複数の電子部品が実装されている。

【0085】

以上のように本実施形態の慣性計測装置２０００は、物理量センサー１と物理量センサー１から出力された検出信号に基づいて制御を行う制御部としての制御ＩＣ２３６０を含む。この慣性計測装置２０００によれば、物理量センサー１を含む加速度センサーユニット２３５０を用いているため、物理量センサー１の効果を享受でき、高精度化等を実現できる慣性計測装置２０００を提供できる。

【0086】

なお慣性計測装置２０００は図１９、図２０の構成には限定されない。例えば慣性計測装置２０００に、角速度センサー２３４０ｘ、２３４０ｙ、２３４０ｚを設けずに、慣性センサーとして物理量センサー１だけを設ける構成としてもよい。この場合には、例えば物理量センサー１と、制御部を実現する制御ＩＣ２３６０を、収容容器であるパッケージに収容することで慣性計測装置２０００を実現すればよい。

【0087】

以上に説明したように本実施形態の物理量センサーは、固定部と支持梁と可動体ＭＢと第１固定電極群とを含む。固定部は基板に固定され、支持梁は固定部に一端が接続され、第２方向に沿って設けられている。可動体は、支持梁の他端に接続され、第１固定電極群は、基板に設けられ、支持梁の第１方向に配置される。可動体は、第１連結部と第１基部と第１可動電極群を有する。第１連結部は、支持梁の他端に接続され、支持梁から第１方向に延び、第１基部は、第１連結部に接続され、第２方向に沿って設けられ、第１基部に設けられる第１可動電極群は、第１固定電極群と第２方向において対向する。そして、可動体の第３方向での重心位置の高さをｈｍとし、支持梁の回転中心の第３方向での高さをｈｒとしたとき、ｈｍ＝ｈｒである。

【0088】

本実施形態によれば、第１方向の加速度が生じても、これに伴う慣性力と、支持梁から可動体の重心位置までの位置ベクトルは平行になるため、トルクが発生することはなくなる。従って、検出対象である第３方向以外の第１方向の物理量が、第３方向の物理量として検出されることを防ぐことができる。従って、本実施形態によれば物理量センサーの他軸感度を抑制し、高精度な物理量の検出が可能になる。

【0089】

また本実施形態では、基板に設けられ、支持梁の第１方向に配置される第２固定電極群を含み、可動体は、支持梁の他端に接続され、支持梁から第１方向に延びる第２連結部と、第２連結部に接続され、第２方向に沿って設けられる第２基部と、第２基部に設けられ、第２固定電極群と第２方向において対向する第２可動電極群と、を含む。

【0090】

このようにすれば、物理量センサー１に２つの検出部を設けることができ、２つの検出部を可動体の揺動運動の回転軸になる第２方向に沿って、並んで配置することができる。

【0091】

また本実施形態では、第１可動電極群と第２可動電極群は、第１連結部と第２連結部の間に第２方向に沿って配置される。

【0092】

このようにすれば、平面視において物理量センサーの第１連結部と第２連結部の間に、第２方向に沿って２つの検出部を設けることができる。

【0093】

また本実施形態では、第１可動電極群の第３方向での重心位置の高さをｈｍ１とし、第２可動電極群の第３方向での重心位置の高さをｈｍ２としたとき、ｈｍ２＞ｈｒ＞ｈｍ１である。

【0094】

このようにすれば、可動体の重心位置と支持梁の重心位置の第３方向での高さを一致させつつ、第２可動電極群の第３方向での厚みを支持梁４２Ａ、４２Ｂの回転中心の第３方向ＤＲ３での厚みよりも厚くすることができる。

【0095】

また本実施形態では、第２可動電極群の第３方向での厚さは、第１可動電極群の第３方向での厚さより大きい。

【0096】

このようにすれば、第１可動電極群を含む検出部では、第１可動電極群の第３方向での厚さを第１固定電極群の第３方向での厚さよりも薄くすることが容易になる。また第２可動電極群を含む検出部では第２可動電極群の第３方向での厚さを第２固定電極群の第３方向での厚さよりも厚くすることが容易になる。

【0097】

また本実施形態では、初期状態において第１可動電極群の第３方向での裏面位置と、第２可動電極群の第３方向での裏面位置とが一致している。

【0098】

このようにすれば、第１固定電極と第１可動電極からなる櫛歯電極を第３方向でオフセットのついた片側オフセット形状にできる。また第２固定電極と第２可動電極からなる櫛歯電極を第３方向ＤＲ３でオフセットのついた片側オフセット形状にできる。

【0099】

また本実施形態では、第１可動電極群の第３方向での厚さと第２可動電極群の第３方向での厚さが等しい。

【0100】

また本実施形態では、初期状態において第１可動電極群の第３方向での裏面位置と、第２可動電極群の第３方向での裏面位置とが一致していない。

【0101】

このようにすれば、第１固定電極と第２可動電極からなる櫛歯電極を第３方向と第５方向の両方でオフセットのついた両側オフセット形状にできる。また第２固定電極と第２可動電極からなる櫛歯電極を第３方向と第５方向の両方でオフセットのついた両側オフセット形状にできる。

【0102】

このように本実施形態では、支持梁は、第２方向を回転軸として捻れる捻れバネである。このようにすれば、可動体は第２方向を回転軸とする揺動運動ができる。

【0103】

また本実施形態は、物理量センサーから出力された検出信号に基づいて制御を行う制御部と、を含む慣性計測装置に関係する。

【0104】

なお、上記のように本実施形態について詳細に説明したが、本開示の新規事項及び効果から実体的に逸脱しない多くの変形が可能であることは当業者には容易に理解できるであろう。従って、このような変形例はすべて本開示の範囲に含まれるものとする。例えば、明細書又は図面において、少なくとも一度、より広義または同義な異なる用語と共に記載された用語は、明細書又は図面のいかなる箇所においても、その異なる用語に置き換えることができる。また本実施形態及び変形例の全ての組み合わせも、本開示の範囲に含まれる。また物理量センサー、慣性計測装置の構成・動作等も本実施形態で説明したものに限定されず、種々の変形実施が可能である。

【符号の説明】

【0105】

１…物理量センサー、２…基板、１０…第１固定電極群、１０Ａ…第１固定電極群、１０Ｂ…第１固定電極群、１１…第１固定電極、１１Ａ…第１固定電極、１１Ｂ…第１固定電極、１２…第１固定電極、１４…第１固定電極、２０…第１可動電極群、２０Ａ…第１可動電極群、２０Ｂ…第１可動電極群、２１…第１可動電極、２１Ａ…第１可動電極、２１Ｂ…第１可動電極、２２…第１可動電極、２３…第１基部、２４…第１可動電極、３０…第１連結部、３０Ａ…第１連結部、３０Ｂ…第１連結部、４０Ａ…固定部、４０Ｂ…固定部、４２Ａ…支持梁、４２Ｂ…支持梁、５０…第２固定電極群、５１…第２固定電極、５２…第２固定電極、５４…第２固定電極、６０…第２可動電極群、６１…第２可動電極、６２…第２可動電極、６３…第２基部、６４…第２可動電極、７０…第２連結部、２０００…慣性計測装置、２１００…アウターケース、２１１０…ネジ穴、２２００…接合部材、２３００…センサーモジュール、２３１０…インナーケース、２３１１…凹部、２３１２…開口、２３２０…回路基板、２３３０…コネクター、２３４０ｘ…角速度センサー、２３４０ｙ…角速度センサー、２３４０ｚ…角速度センサー、２３５０…加速度センサーユニット、ＤＲ…第５方向、ＤＲ１…第１方向、ＤＲ２…第２方向、ＤＲ３…第３方向、ＤＲ４…第４方向、ＤＲ５…第５方向、Ｆ…慣性力、ＦＩ…慣性力、ＦＩ_ｘ…慣性力のｘ成分、ＦＩ_ｙ…慣性力のｙ成分、ＦＩ_ｚ…慣性力のｚ成分、Ｇ_Ｚ１…重心位置、Ｇ_Ｚ２…重心位置、Ｇｍ…重心位置、Ｇ_ｒ…重心位置、ＩＣ２３６０…制御、ＭＢ…可動体、Ｏ…原点、Ｔ…トルク、Ｚ１…検出部、Ｚ２…検出部、ａｘ…加速度、ａｙ…加速度、ａｚ…加速度、ｈｍ…高さ、ｈｒ…高さ、ｒ_ｍ…位置ベクトル、ｒ_ｍｘ…位置ベクトルｘ成分、ｒ_ｍｙ…位置ベクトルｙ成分、ｒ_ｍｚ…位置ベクトルｚ成分、θ…角度、ω_ｘ…角速度、ω_ｙ…角速度、ω_ｚ…角速度

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】

【図17】

【図18】

【図19】

【図20】