静電容量式センサ
【課題】出力特性の変動を低減することのできる静電容量式センサを提供する。
【解決手段】静電容量式センサは、外部から与えられた物理量に応じて可動する可動電極４，５と、可動電極４，５の一方面に対向して配置された上部固定板２ａと、可動電極４，５の他方面に対向して配置された下部固定板２ｂと、可動電極４，５をフレーム部に対して揺動自在に支持するビーム部６ａ，６ｂ，７ａ，７ｂと、上部固定板２ａの可動電極４，５と対向する側に配置された固定電極２０ａ，２１ａと、可動電極４，５と固定電極２０ａ，２１ａ間の静電容量の変化を検出する検出電極とを備え、可動電極４，５間にある中央部分のフレーム部である中央フレーム部２２の一部または全部は、上部固定板２ａ及び下部固定板２ｂのうちの少なくとも１つと結合されていない。
【解決手段】静電容量式センサは、外部から与えられた物理量に応じて可動する可動電極４，５と、可動電極４，５の一方面に対向して配置された上部固定板２ａと、可動電極４，５の他方面に対向して配置された下部固定板２ｂと、可動電極４，５をフレーム部に対して揺動自在に支持するビーム部６ａ，６ｂ，７ａ，７ｂと、上部固定板２ａの可動電極４，５と対向する側に配置された固定電極２０ａ，２１ａと、可動電極４，５と固定電極２０ａ，２１ａ間の静電容量の変化を検出する検出電極とを備え、可動電極４，５間にある中央部分のフレーム部である中央フレーム部２２の一部または全部は、上部固定板２ａ及び下部固定板２ｂのうちの少なくとも１つと結合されていない。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、可動電極と固定電極間の静電容量の変化を検出することにより、外部から与えられる物理量を検出する静電容量式センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、中央フレーム部の左右に重り部を設けた加速度センサが知られている（特許文献１参照）。この加速度センサは、ビーム軸を回転軸とした重り部の揺動に伴う可動電極と第１及び第２の固定電極間の静電容量の変化を差動検出することにより、重り部に印加された加速度を検出する。また、特許文献２には、圧力センサ及び加速度センサを一体化した静電容量型力学量センサが開示されている。さらに、特許文献３には、台座に対面する支持部の底面を、その底面形状の重心位置を中心として４分割した領域に分けて、そのうちの１つの領域にのみ、支持部の底面と台座とを接合する接合部を設けたマイクロ構造体が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１０−１２７６４８号公報
【特許文献２】特開２００７−０６４９１９号公報
【特許文献３】特開２００６−３０２９４３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、特許文献１に開示される加速度センサは、ガラス／シリコン／ガラスの３層構造であるため、温度変化により出力特性が変動する問題がある。すなわち、ガラス−シリコン間の線膨張係数の違いにより、結合部において応力が発生する場合がある。このように応力が発生すると、ビーム部が変形することにより電極間距離が変わり、出力特性が変動する。
【０００５】
特許文献２や３には、このような課題について開示も示唆もされていない。すなわち、出力特性の変動が問題となるのは、特許文献１に開示されるように、中央フレーム部の左右に重り部を設けた場合である。このような構成の加速度センサにおいて、出力特性の変動を低減する仕組みが必要である。
【０００６】
本発明は前記課題を解決するためになされたものであり、その目的は、出力特性の変動を低減することのできる静電容量式センサを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、静電容量式センサであって、外部から与えられた物理量に応じて可動する可動電極と、前記可動電極の一方面に対向して配置された第１のガラス基板と、前記可動電極の他方面に対向して配置された第２のガラス基板と、前記可動電極をフレーム部に対して揺動自在に支持するビーム部と、前記第１のガラス基板の前記可動電極と対向する側に配置された固定電極と、前記可動電極と前記固定電極間の静電容量の変化を検出する検出電極とを備え、前記可動電極間にある中央部分のフレーム部である中央フレーム部の一部または全部は、前記第１のガラス基板及び前記第２のガラス基板のうちの少なくとも１つと結合されていないことを特徴とする。
【０００８】
本発明は、静電容量式センサであって、外部から与えられた物理量に応じて可動する可動電極と、前記可動電極の一方面に対向して配置された第１のガラス基板と、前記可動電極の他方面に対向して配置された第２のガラス基板と、前記可動電極をフレーム部に対して揺動自在に支持するビーム部と、前記第１のガラス基板の前記可動電極と対向する側に配置された固定電極と、前記可動電極と前記固定電極間の静電容量の変化を検出する検出電極とを備え、前記可動電極の外周部分のフレーム部である外周フレーム部の一部または全部は、前記第１のガラス基板及び前記第２のガラス基板のうちの少なくとも１つと結合されていないことを特徴とする。
【０００９】
また、本発明において、前記第１のガラス基板及び前記第２のガラス基板のうちの少なくとも１つと結合されていない島を前記外周フレーム部とは別に設け、前記島が前記ビーム部を支持してもよい。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、出力特性の変動を低減することのできる静電容量式センサを提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】第１実施形態における加速度センサの分解斜視図である。
【図２】第１実施形態における加速度センサのセンサチップの下面図である。
【図３】第１実施形態における加速度センサの断面図である。
【図４】従来の加速度センサの構成図であり、（ａ）はＡ−Ａ断面図、（ｂ）はシリコン層上面図、（ｃ）は固定電極の上面図、（ｄ）はシリコン層下面図である。
【図５】第１実施形態における加速度センサの構成図であり、（ａ）はＡ−Ａ断面図、（ｂ）は上面図である。
【図６】第２実施形態における加速度センサの構成図であり、（ａ）はＡ−Ａ断面図、（ｂ）は下面図である。
【図７】第３実施形態における加速度センサの構成図であり、（ａ）はＡ−Ａ断面図、（ｂ）は上面図、（ｃ）は下面図である。
【図８】第４実施形態における加速度センサの構成図であり、（ａ）はＡ−Ａ断面図、（ｂ）は上面図である。
【図９】第５実施形態における加速度センサの構成図であり、（ａ）はＡ−Ａ断面図、（ｂ）は下面図である。
【図１０】第６実施形態における加速度センサの構成図であり、（ａ）はＡ−Ａ断面図、（ｂ）は上面図、（ｃ）は下面図である。
【図１１】第７実施形態における加速度センサの構成図であり、（ａ）はＡ−Ａ断面図、（ｂ）は上面図、（ｃ）は下面図である。
【図１２】第８実施形態における加速度センサの構成図であり、（ａ）はＡ−Ａ断面図、（ｂ）は上面図である。
【図１３】第９実施形態における加速度センサの構成図であり、（ａ）はＡ−Ａ断面図、（ｂ）は下面図である。
【図１４】第１０実施形態における加速度センサの構成図であり、（ａ）はＡ−Ａ断面図、（ｂ）は上面図、（ｃ）は下面図である。
【図１５】第１１実施形態における加速度センサの構成図であり、（ａ）はＡ−Ａ断面図、（ｂ）は上面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、本発明の実施形態について図面を参照して詳細に説明する。
【００１３】
（第１実施形態）
本発明の実施形態における加速度センサは、特許文献１に開示される加速度センサを改善したものである。以下、図面に従って、本加速度センサの構成を詳細に説明する。
【００１４】
〔加速度センサの構成〕
第１実施形態における加速度センサは、図１に示すように、シリコンＳＯＩ基板により形成されたセンサチップ１の上下面が上部固定板２ａと下部固定板２ｂにより挟持された構成となっている。センサチップ１は、２つの矩形枠３ａ，３ｂを有するフレーム部３と、矩形枠３ａ，３ｂの側壁部に対し隙間をあけた状態で矩形枠３ａ，３ｂ内に配置された矩形形状の２つの可動電極４，５とを備えている。また、センサチップ１は、可動電極４の表面の対向する２辺の略中央部と矩形枠３ａの側壁部とを連結することにより可動電極４をフレーム部３に対し揺動自在に支持するビーム部６ａ，６ｂと、可動電極５の表面の対向する２辺の略中央と矩形枠３ｂの側壁部とを連結することにより可動電極５をフレーム部３に対し揺動自在に支持するビーム部７ａ，７ｂとを備えている。さらに、センサチップ１は、フレーム部３，可動電極４，及び他の検出電極に対し離間配置された検出電極８ａ，８ｂと、フレーム部３、可動電極５、及び他の検出電極に対し離間配置された検出電極９ａ，９ｂと、検出電極８ｂと検出電極９ａ間のフレーム部３表面に形成された接地電極１０とを備えている。検出電極８ａ，８ｂ及び検出電極９ａ，９ｂは、それぞれ、後述する固定電極２０ａ，２０ｂ及び固定電極２１ａ，２１ｂと電気的に接続されている。
【００１５】
本実施形態では、図２に示すように、検出電極８ａと検出電極８ｂ間、検出電極９ａと検出電極９ｂ間、検出電極８ａ，８ｂとフレーム部３間、検出電極９ａ，９ｂとフレーム部３間、検出電極８ａ，８ｂと可動電極４間、及び検出電極９ａ，９ｂと可動電極５間には隙間が形成されている。このような構成によれば、各検出電極が電気的に絶縁されるようになるので、各検出電極の寄生容量や検出電極間のクロストークを低減し、高精度な容量検出を行うことが可能になる。なお、これらの隙間や矩形枠３ａ，３ｂ内は外部と隔離され、密封されている。
【００１６】
可動電極４の裏面のビーム部６ａ，６ｂを結ぶ直線を境界線とした一方側には、図２に示すように、補強部材１６により区画された第１の凹部としての凹部１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄが形成されている。また、可動電極４の裏面のビーム部６ａ，６ｂを結ぶ直線を境界線とした他方側には、第２の凹部としての凹部１２が形成されている。同様に、可動電極５の裏面のビーム部７ａ，７ｂを結ぶ直線を境界線とした一方側には、図２に示すように、補強部材１６により区画された第１の凹部としての凹部１３ａ，１３ｂ，１３ｃ，１３ｄが形成されている。また、可動電極５の裏面のビーム部７ａ，７ｂを結ぶ直線を境界線とした他方側には、第２の凹部としての凹部１４が形成されている。
【００１７】
本実施形態では、第１の凹部と第２の凹部を別体として形成したが、例えば第１の凹部を前記境界線を超えて他方側に拡大することにより第１の凹部と第２の凹部を一体として形成してもよい。また、第１の凹部の形状は、図２に示す三角形状に限定されることはなく、第２の凹部と同様の矩形形状としてもよい。さらに、第２の凹部を形成する位置は、図３に示すように、可動電極の重心位置Ｏとビーム部がなす角度θが４５度になることによりｘ方向とｚ方向の検出感度が等価になる位置であれば特に限定されることはない。境界線からより遠い側に第２の凹部を形成すれば、回転モーメントがより大きくなるので、加速度センサの検出感度を高めることができる。
【００１８】
可動電極４，５の上部固定板２ａ及び下部固定板２ｂと対向する面には、図３に示すように（図３では可動電極４についてのみ図示）、シリコン又はシリコン酸化膜により形成された複数の突起部１５ａ〜１５ｇが形成されている。このような突起部１５ａ〜１５ｇを形成することにより、可動電極４，５に測定レンジを超える大きな加速度が印加された場合であっても、可動電極４，５は対向する上部固定板２ａ及び下部固定板２ｂに直接衝突しないので、センサチップ１を破損を抑制できる。本実施形態では、可動電極４，５の上部固定板２ａ及び下部固定板２ｂと対向する面に突起部を形成したが、上部固定板２ａ及び下部固定板２ｂの可動電極４，５と対向する面に同様の突起部を形成するようにしてもよい。
【００１９】
上部固定板２ａはガラス基板により形成され、その可動電極４と対向する表面側には、ビーム部６ａとビーム部６ｂを結ぶ直線を境界線として固定電極２０ａ，２０ｂが設けられている。同様に、上部固定板２ａの可動電極５と対向する表面側には、ビーム部７ａとビーム部７ｂを結ぶ直線を境界線として固定電極２１ａ，２１ｂが設けられている。上部固定板２ａの検出電極８ａ，８ｂ，９ａ，９ｂ及び接地電極１０に対向する位置にはスルーホール２２ａ〜２２ｅが形成され、このスルーホール２２ａ〜２２ｅを介して固定電極２０ａ，２０ｂ及び固定電極２１ａ，２１ｂにそれぞれ接続された検出電極８ａ，８ｂ及び検出電極９ａ，９ｂと接地電極１０の出力が取り出されるようになっている。下部固定板２ｂはガラス基板により形成され、その可動電極４，５の裏面と対向する面側には、可動電極４，５の裏面に対し間隔をあけてアルミニウム系合金等の固定電極２０ａ，２０ｂ，２１ａ，２１ｂと同材料により形成された付着防止膜２３ａ，２３ｂが配置されている。このような付着防止膜２３ａ，２３ｂを設けることにより、可動電極４，５が動作時に下部固定板２ｂに付着することを防止できると共に、過大衝撃時でも可動電極４，５と下部固定板２ｂが直接接触しないため衝撃を緩和できる。
【００２０】
〔加速度センサの動作〕
次に、第１実施形態における加速度センサの動作を説明する。この加速度センサは、以下のようにしてセルフテストを行うと共にｘ方向及びｚ方向の加速度を検出する。
【００２１】
〔セルフテスト〕
可動電極４を動作させる場合は、固定電極２０ａ又は固定電極２０ｂと可動電極４間に吸引力を発生させる。同様に、可動電極５を動作させる場合は、固定電極２１ａ又は固定電極２１ｂと可動電極５間に吸引力を発生させる。付着防止膜２３ａ，２３ｂと可動電極４，５との間に吸引力を発生させて同様な動作確認を行ってもよい。これにより、可動電極４，５が揺動することにより固定電極２０ａ，２０ｂと可動電極４間及び固定電極２１ａ，２１ｂと可動電極５との間の静電容量が変化するので、加速度センサが正常に動作するか否かを確認できる。
【００２２】
〔ｘ方向の加速度検出〕
可動電極４にｘ方向の加速度が印加された場合、可動電極４と固定電極２０ａ，２０ｂ間の静電容量Ｃ１，Ｃ２はそれぞれ以下に示す数式（１），（２）のようになる。数式（１），（２）中、パラメータＣ０は、可動電極４にｘ方向の加速度が印加されていない状態での可動電極４と固定電極２０ａ，２０ｂ間の静電容量を示す。
【００２３】
Ｃ１＝Ｃ０−ΔＣ …（１）
Ｃ２＝Ｃ０＋ΔＣ …（２）
同様に、可動電極５にｘ方向の加速度が印加された場合、可動電極５と固定電極２１ａ，２１ｂ間の静電容量Ｃ３，Ｃ４はそれぞれ以下に示す数式（３），（４）のようになる。数式（３），（４）中、パラメータＣ０は、可動電極５にｘ方向の加速度が印加されていない状態での可動電極５と固定電極２１ａ，２１ｂ間の静電容量を示す。
【００２４】
Ｃ３＝Ｃ０−ΔＣ …（３）
Ｃ４＝Ｃ０＋ΔＣ …（４）
従って、検出電極８ａ，８ｂ及び検出電極９ａ，９ｂを介して静電容量Ｃ１〜Ｃ４を検出し、ＡＳＩＣ等を利用して静電容量Ｃ１と静電容量Ｃ２の差分値ＣＡ（＝Ｃ１−Ｃ２）と静電容量Ｃ３と静電容量Ｃ４の差分値ＣＢ（＝Ｃ３−Ｃ４）を算出する。そして、算出した差分値ＣＡと差分値ＣＢの和（±４ΔＣ）をＸ出力として出力する。これにより、静電容量の変化から可動電極４，５に加えられたｘ方向の加速度を検出できる。
【００２５】
〔ｚ方向の加速度検出〕
可動電極４にｚ方向の加速度が印加された場合、可動電極４と固定電極２０ａ，２０ｂ間の静電容量Ｃ１，Ｃ２はそれぞれ以下に示す数式（５），（６）のようになる。数式（５），（６）中、パラメータＣ０は、可動電極４にｚ方向の加速度が印加されていない状態での可動電極４と固定電極２０ａ，２０ｂ間の静電容量を示す。
【００２６】
Ｃ１＝Ｃ０＋ΔＣ …（５）
Ｃ２＝Ｃ０−ΔＣ …（６）
同様に、可動電極５にｚ方向の加速度が印加された場合、可動電極５と固定電極２１ａ，２１ｂ間の静電容量Ｃ３，Ｃ４はそれぞれ以下に示す数式（７），（８）のようになる。数式（７），（８）中、パラメータＣ０は、可動電極５にｚ方向の加速度が印加されていない状態での可動電極５と固定電極２１ａ，２１ｂ間の静電容量を示す。
【００２７】
Ｃ３＝Ｃ０−ΔＣ …（７）
Ｃ４＝Ｃ０＋ΔＣ …（８）
従って、検出電極８ａ，８ｂ及び検出電極９ａ，９ｂを介して静電容量Ｃ１〜Ｃ４を検出し、ＡＳＩＣ等を利用して静電容量Ｃ１と静電容量Ｃ２の差分値ＣＡ（＝Ｃ１−Ｃ２）と静電容量Ｃ３と静電容量Ｃ４の差分値ＣＢ（＝Ｃ３−Ｃ４）を算出する。そして、算出した差分値ＣＡと差分値ＣＢの和（±４ΔＣ）をＺ出力として出力する。これにより、静電容量の変化から可動電極４，５に加えられたｚ方向の加速度を検出できる。
【００２８】
〔出力特性変動の低減〕
次に、出力特性の変動を低減するための構成について説明する。
【００２９】
図４は、従来の加速度センサの構成図であり、（ａ）はＡ−Ａ断面図、（ｂ）はシリコン層上面図、（ｃ）は固定電極２０ａ，２０ｂ，２１ａ，２１ｂの上面図、（ｄ）はシリコン層下面図である。既に説明した通り、従来は、温度変化により出力特性が変動する問題があった。すなわち、ガラス−シリコン間の線膨張係数の違いにより、結合部３０において応力が発生する場合がある。このように応力が発生すると、ビーム部６ａ，６ｂ，７ａ，７ｂが変形することにより電極間距離が変わり、出力特性が変動する。
【００３０】
そこで、本実施形態では、図５に示すように、中央フレーム部３２の上部に間隙３２ａを設け、中央フレーム部３２が上部固定板２ａと結合しないようにしている。中央フレーム部３２とは、可動電極４と５の間にある中央部分のフレームである。これにより、中央フレーム部３２の結合部において発生する応力を小さくすることができる。なお、図５では、中央フレーム部３２の上部の全部が上部固定板２ａと結合しない構成を例示しているが、中央フレーム部３２の上部の一部が上部固定板２ａと結合しない構成を採用してもよい。
【００３１】
以上のように、第１実施形態における加速度センサでは、中央フレーム部３２が上部固定板２ａと結合しないようにしている。これにより、中央フレーム部３２の結合部において発生する応力を小さくすることができるので、出力特性の変動を低減することが可能となる。
【００３２】
（第２実施形態）
以下、第２実施形態を第１実施形態と異なる点のみ説明する。
【００３３】
図６は、第２実施形態における加速度センサの構成図であり、（ａ）はＡ−Ａ断面図、（ｂ）は下面図である。この図に示すように、第２実施形態では、中央フレーム部３２の下部に間隙３２ｂを設け、中央フレーム部３２が下部固定板２ｂと結合しないようにしている。これにより、中央フレーム部３２の結合部において発生する応力を小さくすることができる。なお、図６では、中央フレーム部３２の下部の全部が下部固定板２ｂと結合しない構成を例示しているが、中央フレーム部３２の下部の一部が下部固定板２ｂと結合しない構成を採用してもよい。
【００３４】
以上のように、第２実施形態における加速度センサでは、中央フレーム部３２が下部固定板２ｂと結合しないようにしている。これにより、中央フレーム部３２の結合部において発生する応力を小さくすることができるので、出力特性の変動を低減することが可能となる。
【００３５】
（第３実施形態）
以下、第３実施形態を第１〜第２実施形態と異なる点のみ説明する。
【００３６】
図７は、第３実施形態における加速度センサの構成図であり、（ａ）はＡ−Ａ断面図、（ｂ）は上面図、（ｃ）は下面図である。この図に示すように、第３実施形態では、中央フレーム部３２の上部及び下部に間隙３２ａ及び３２ｂを設け、中央フレーム部３２が上部固定板２ａ及び下部固定板２ｂと結合しないようにしている。これにより、中央フレーム部３２の結合部において発生する応力を小さくすることができる。
【００３７】
以上のように、第３実施形態における加速度センサでは、中央フレーム部３２が上部固定板２ａ及び下部固定板２ｂと結合しないようにしている。これにより、中央フレーム部３２の結合部において発生する応力を小さくすることができるので、出力特性の変動を低減することが可能となる。
【００３８】
（第４実施形態）
以下、第４実施形態を第１〜第３実施形態と異なる点のみ説明する。
【００３９】
図８は、第４実施形態における加速度センサの構成図であり、（ａ）はＡ−Ａ断面図、（ｂ）は上面図である。この図に示すように、第４実施形態では、外周フレーム部３１の上部に間隙３１ａを設け、外周フレーム部３１の一部が上部固定板２ａと結合しないようにしている。外周フレーム部３１とは、可動電極４の外周部分のフレームであって、ビーム部６ａの付根に位置するフレームである。また、外周フレーム部３３の上部に間隙３３ａを設け、外周フレーム部３３の全部が上部固定板２ａと結合しないようにしている。外周フレーム部３３とは、可動電極５の外周部分のフレームであって、ビーム部７ｂの付根に位置するフレームである。これにより、外周フレーム部３１及び３３の結合部において発生する応力を小さくすることができる。
【００４０】
なお、図８では、外周フレーム部３１の上部の一部が上部固定板２ａと結合しない構成を例示しているが、外周フレーム部３１の上部の全部が上部固定板２ａと結合しない構成を採用してもよい。このように全部を結合しない構成にすると、気密を確保することはできないが、より発生応力を小さくすることができる。
【００４１】
また、図８では、外周フレーム部３３の上部の全部が上部固定板２ａと結合しない構成を例示しているが、外周フレーム部３３の上部の一部が上部固定板２ａと結合しない構成を採用してもよい。このように一部を結合しない構成にすると、発生応力を小さくする効果は低減するが、気密を確保することができる。
【００４２】
以上のように、第４実施形態における加速度センサでは、外周フレーム部３１，３３が上部固定板２ａと結合しないようにしている。これにより、外周フレーム部３１，３３の結合部において発生する応力を小さくすることができるので、出力特性の変動を低減することが可能となる。
【００４３】
（第５実施形態）
以下、第５実施形態を第１〜第４実施形態と異なる点のみ説明する。
【００４４】
図９は、第５実施形態における加速度センサの構成図であり、（ａ）はＡ−Ａ断面図、（ｂ）は下面図である。この図に示すように、第５実施形態では、外周フレーム部３１の下部に間隙３１ｂを設け、外周フレーム部３１の一部が下部固定板２ｂと結合しないようにしている。また、外周フレーム部３３の下部に間隙３３ｂを設け、外周フレーム部３３の全部が下部固定板２ｂと結合しないようにしている。これにより、外周フレーム部３１及び３３の結合部において発生する応力を小さくすることができる。
【００４５】
なお、図９では、外周フレーム部３１の下部の一部が下部固定板２ｂと結合しない構成を例示しているが、外周フレーム部３１の下部の全部が下部固定板２ｂと結合しない構成を採用してもよい。また、外周フレーム部３３の下部の全部が下部固定板２ｂと結合しない構成を例示しているが、外周フレーム部３３の下部の一部が下部固定板２ｂと結合しない構成を採用してもよい。
【００４６】
以上のように、第５実施形態における加速度センサでは、外周フレーム部３１，３３が下部固定板２ｂと結合しないようにしている。これにより、外周フレーム部３１，３３の結合部において発生する応力を小さくすることができるので、出力特性の変動を低減することが可能となる。
【００４７】
（第６実施形態）
以下、第６実施形態を第１〜第５実施形態と異なる点のみ説明する。
【００４８】
図１０は、第６実施形態における加速度センサの構成図であり、（ａ）はＡ−Ａ断面図、（ｂ）は上面図、（ｃ）は下面図である。この図に示すように、第６実施形態では、外周フレーム部３１の上部及び下部に間隙３１ａ及び３１ｂを設け、外周フレーム部３１が上部固定板２ａ及び下部固定板２ｂと結合しないようにしている。また、外周フレーム部３３の上部及び下部に間隙３３ａ及び３３ｂを設け、外周フレーム部３３が上部固定板２ａ及び下部固定板２ｂと結合しないようにしている。これにより、外周フレーム部３１及び３３の結合部において発生する応力を小さくすることができる。
【００４９】
以上のように、第６実施形態における加速度センサでは、外周フレーム部３１，３３が上部固定板２ａ及び下部固定板２ｂと結合しないようにしている。これにより、外周フレーム部３１，３３の結合部において発生する応力を小さくすることができるので、出力特性の変動を低減することが可能となる。
【００５０】
（第７実施形態）
以下、第７実施形態を第１〜第６実施形態と異なる点のみ説明する。
【００５１】
図１１は、第７実施形態における加速度センサの構成図であり、（ａ）はＡ−Ａ断面図、（ｂ）は上面図、（ｃ）は下面図である。この図に示すように、第７実施形態では、中央フレーム部３２の上部及び下部に間隙３２ａ及び３２ｂを設け、中央フレーム部３２が上部固定板２ａ及び下部固定板２ｂと結合しないようにしている。また、外周フレーム部３１の上部及び下部に間隙３１ａ及び３１ｂを設け、外周フレーム部３１が上部固定板２ａ及び下部固定板２ｂと結合しないようにしている。さらに、外周フレーム部３３の上部及び下部に間隙３３ａ及び３３ｂを設け、外周フレーム部３３が上部固定板２ａ及び下部固定板２ｂと結合しないようにしている。これにより、中央フレーム部３２、外周フレーム部３１及び３３の結合部において発生する応力を小さくすることができる。
【００５２】
以上のように、第７実施形態における加速度センサでは、中央フレーム部３２及び外周フレーム部３１，３３が上部固定板２ａ及び下部固定板２ｂと結合しないようにしている。これにより、中央フレーム部３２及び外周フレーム部３１，３３の結合部において発生する応力を小さくすることができるので、出力特性の変動を低減することが可能となる。
【００５３】
（第８実施形態）
以下、第８実施形態を第１〜第７実施形態と異なる点のみ説明する。
【００５４】
図１２は、第８実施形態における加速度センサの構成図であり、（ａ）はＡ−Ａ断面図、（ｂ）は上面図である。この図に示すように、第８実施形態では、外周フレーム部３１，３３とは別に島３４，３５を設け、島３４，３５がビーム部６ａ，７ｂを支持している。島３４，３５の上部には間隙３４ａ，３５ａを形成し、島３４，３５と上部固定板２ａとを結合しない構造となっている。
【００５５】
以上のように、第８実施形態における加速度センサでは、上部固定板２ａと結合されていない島３４，３５を外周フレーム部３１，３３とは別に設け、島３４，３５がビーム部６ａ，７ｂを支持するようにしている。これにより、ビーム部６ａ，７ｂの近傍において発生する応力を小さくすることができるので、出力特性の変動を低減することが可能となる。また、外周フレーム３１，３３に間隙を設ける必要がないので、気密を確保することができる。
【００５６】
（第９実施形態）
以下、第９実施形態を第１〜第８実施形態と異なる点のみ説明する。
【００５７】
図１３は、第９実施形態における加速度センサの構成図であり、（ａ）はＡ−Ａ断面図、（ｂ）は下面図である。この図に示すように、第９実施形態では、外周フレーム部３１，３３とは別に島３４，３５を設け、島３４，３５がビーム部６ａ，７ｂを支持している。島３４，３５の下部には間隙３４ｂ，３５ｂを形成し、島３４，３５と下部固定板２ｂとを結合しない構造となっている。
【００５８】
以上のように、第９実施形態における加速度センサでは、下部固定板２ｂと結合されていない島３４，３５を外周フレーム部３１，３３とは別に設け、島３４，３５がビーム部６ａ，７ｂを支持するようにしている。これにより、ビーム部６ａ，７ｂの近傍において発生する応力を小さくすることができるので、出力特性の変動を低減することが可能となる。また、外周フレーム３１，３３に間隙を設ける必要がないので、気密を確保することができる。
【００５９】
（第１０実施形態）
以下、第１０実施形態を第１〜第９実施形態と異なる点のみ説明する。
【００６０】
図１４は、第１０実施形態における加速度センサの構成図であり、（ａ）はＡ−Ａ断面図、（ｂ）は上面図、（ｃ）は下面図である。この図に示すように、第１０実施形態では、外周フレーム部３１，３３とは別に島３４，３５を設け、島３４，３５がビーム部６ａ，７ｂを支持している。島３４，３５の上部には間隙３４ａ，３５ａを形成し、島３４，３５と上部固定板２ａとを結合しない構造となっている。また、島３４，３５の下部には間隙３４ｂ，３５ｂを形成し、島３４，３５と下部固定板２ｂとを結合しない構造となっている。
【００６１】
以上のように、第１０実施形態における加速度センサでは、上部固定板２ａ及び下部固定板２ｂと結合されていないフレーム部３から突出した島３４，３５を外周フレーム部３１，３３とは別に設け、島３４，３５がビーム部６ａ，７ｂを支持するようにしている。これにより、ビーム部６ａ，７ｂの近傍において発生する応力を小さくすることができるので、出力特性の変動を低減することが可能となる。また、外周フレーム３１，３３に間隙を設ける必要がないので、気密を確保することができる。
【００６２】
（第１１実施形態）
以下、第１１実施形態を第１〜第１０実施形態と異なる点のみ説明する。
【００６３】
図１５は、第１１実施形態における加速度センサの構成図であり、（ａ）はＡ−Ａ断面図、（ｂ）は上面図である。この図に示すように、第１１実施形態では、中央フレーム部３２の上部に間隙３２ａを設け、中央フレーム部３２が上部固定板２ａと結合しないようにしている。また、外周フレーム部３１，３３とは別に島３４，３５を設け、島３４，３５がビーム部６ａ，７ｂを支持している。島３４，３５の上部には間隙３４ａ，３５ａを形成し、島３４，３５と上部固定板２ａとを結合しない構造となっている。
【００６４】
以上のように、第１１実施形態における加速度センサでは、中央フレーム部３２が上部固定板２ａと結合しないようにしている。また、上部固定板２ａと結合されていない島３４，３５を外周フレーム部３１，３３とは別に設け、島３４，３５がビーム部６ａ，７ｂを支持するようにしている。これにより、中央フレーム部３２の結合部において発生する応力を小さくすることができるとともに、ビーム部６ａ，７ｂの近傍において発生する応力を小さくすることができるので、出力特性の変動を低減することが可能となる。また、外周フレーム３１，３３に間隙を設ける必要がないので、気密を確保することができる。
【００６５】
なお、以上では好適な実施形態について説明したが、本発明は前記実施形態に限定されず、種々の変形が可能である。例えば、図１５では、中央フレーム部３２の上部と島３４，３５の上部に間隙３２ａ，３４ａ，３５ａを設けることとしているが、中央フレーム部３２の下部と島３４，３５の下部に間隙を設けることも可能である。
【００６６】
また、ここでは、静電容量式センサの一例として加速度センサを例示したが、本発明はこれに限定されるものではない。すなわち、抵抗の変化により圧力を検出する圧力センサ等についても同様に本発明を適用することが可能である。
【符号の説明】
【００６７】
２ａ 上部固定板（第１のガラス基板）
２ｂ 下部固定板（第２のガラス基板）
４，５ 可動電極
３ フレーム部
３１，３３ 外周フレーム部
３２ 中央フレーム部
６ａ，６ｂ，７ａ，７ｂ ビーム部
８ａ，８ｂ，９ａ，９ｂ 検出電極
２０ａ，２０ｂ，２１ａ，２１ｂ 固定電極
３４，３５ 島
【技術分野】
【０００１】
本発明は、可動電極と固定電極間の静電容量の変化を検出することにより、外部から与えられる物理量を検出する静電容量式センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、中央フレーム部の左右に重り部を設けた加速度センサが知られている（特許文献１参照）。この加速度センサは、ビーム軸を回転軸とした重り部の揺動に伴う可動電極と第１及び第２の固定電極間の静電容量の変化を差動検出することにより、重り部に印加された加速度を検出する。また、特許文献２には、圧力センサ及び加速度センサを一体化した静電容量型力学量センサが開示されている。さらに、特許文献３には、台座に対面する支持部の底面を、その底面形状の重心位置を中心として４分割した領域に分けて、そのうちの１つの領域にのみ、支持部の底面と台座とを接合する接合部を設けたマイクロ構造体が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１０−１２７６４８号公報
【特許文献２】特開２００７−０６４９１９号公報
【特許文献３】特開２００６−３０２９４３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、特許文献１に開示される加速度センサは、ガラス／シリコン／ガラスの３層構造であるため、温度変化により出力特性が変動する問題がある。すなわち、ガラス−シリコン間の線膨張係数の違いにより、結合部において応力が発生する場合がある。このように応力が発生すると、ビーム部が変形することにより電極間距離が変わり、出力特性が変動する。
【０００５】
特許文献２や３には、このような課題について開示も示唆もされていない。すなわち、出力特性の変動が問題となるのは、特許文献１に開示されるように、中央フレーム部の左右に重り部を設けた場合である。このような構成の加速度センサにおいて、出力特性の変動を低減する仕組みが必要である。
【０００６】
本発明は前記課題を解決するためになされたものであり、その目的は、出力特性の変動を低減することのできる静電容量式センサを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、静電容量式センサであって、外部から与えられた物理量に応じて可動する可動電極と、前記可動電極の一方面に対向して配置された第１のガラス基板と、前記可動電極の他方面に対向して配置された第２のガラス基板と、前記可動電極をフレーム部に対して揺動自在に支持するビーム部と、前記第１のガラス基板の前記可動電極と対向する側に配置された固定電極と、前記可動電極と前記固定電極間の静電容量の変化を検出する検出電極とを備え、前記可動電極間にある中央部分のフレーム部である中央フレーム部の一部または全部は、前記第１のガラス基板及び前記第２のガラス基板のうちの少なくとも１つと結合されていないことを特徴とする。
【０００８】
本発明は、静電容量式センサであって、外部から与えられた物理量に応じて可動する可動電極と、前記可動電極の一方面に対向して配置された第１のガラス基板と、前記可動電極の他方面に対向して配置された第２のガラス基板と、前記可動電極をフレーム部に対して揺動自在に支持するビーム部と、前記第１のガラス基板の前記可動電極と対向する側に配置された固定電極と、前記可動電極と前記固定電極間の静電容量の変化を検出する検出電極とを備え、前記可動電極の外周部分のフレーム部である外周フレーム部の一部または全部は、前記第１のガラス基板及び前記第２のガラス基板のうちの少なくとも１つと結合されていないことを特徴とする。
【０００９】
また、本発明において、前記第１のガラス基板及び前記第２のガラス基板のうちの少なくとも１つと結合されていない島を前記外周フレーム部とは別に設け、前記島が前記ビーム部を支持してもよい。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、出力特性の変動を低減することのできる静電容量式センサを提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】第１実施形態における加速度センサの分解斜視図である。
【図２】第１実施形態における加速度センサのセンサチップの下面図である。
【図３】第１実施形態における加速度センサの断面図である。
【図４】従来の加速度センサの構成図であり、（ａ）はＡ−Ａ断面図、（ｂ）はシリコン層上面図、（ｃ）は固定電極の上面図、（ｄ）はシリコン層下面図である。
【図５】第１実施形態における加速度センサの構成図であり、（ａ）はＡ−Ａ断面図、（ｂ）は上面図である。
【図６】第２実施形態における加速度センサの構成図であり、（ａ）はＡ−Ａ断面図、（ｂ）は下面図である。
【図７】第３実施形態における加速度センサの構成図であり、（ａ）はＡ−Ａ断面図、（ｂ）は上面図、（ｃ）は下面図である。
【図８】第４実施形態における加速度センサの構成図であり、（ａ）はＡ−Ａ断面図、（ｂ）は上面図である。
【図９】第５実施形態における加速度センサの構成図であり、（ａ）はＡ−Ａ断面図、（ｂ）は下面図である。
【図１０】第６実施形態における加速度センサの構成図であり、（ａ）はＡ−Ａ断面図、（ｂ）は上面図、（ｃ）は下面図である。
【図１１】第７実施形態における加速度センサの構成図であり、（ａ）はＡ−Ａ断面図、（ｂ）は上面図、（ｃ）は下面図である。
【図１２】第８実施形態における加速度センサの構成図であり、（ａ）はＡ−Ａ断面図、（ｂ）は上面図である。
【図１３】第９実施形態における加速度センサの構成図であり、（ａ）はＡ−Ａ断面図、（ｂ）は下面図である。
【図１４】第１０実施形態における加速度センサの構成図であり、（ａ）はＡ−Ａ断面図、（ｂ）は上面図、（ｃ）は下面図である。
【図１５】第１１実施形態における加速度センサの構成図であり、（ａ）はＡ−Ａ断面図、（ｂ）は上面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、本発明の実施形態について図面を参照して詳細に説明する。
【００１３】
（第１実施形態）
本発明の実施形態における加速度センサは、特許文献１に開示される加速度センサを改善したものである。以下、図面に従って、本加速度センサの構成を詳細に説明する。
【００１４】
〔加速度センサの構成〕
第１実施形態における加速度センサは、図１に示すように、シリコンＳＯＩ基板により形成されたセンサチップ１の上下面が上部固定板２ａと下部固定板２ｂにより挟持された構成となっている。センサチップ１は、２つの矩形枠３ａ，３ｂを有するフレーム部３と、矩形枠３ａ，３ｂの側壁部に対し隙間をあけた状態で矩形枠３ａ，３ｂ内に配置された矩形形状の２つの可動電極４，５とを備えている。また、センサチップ１は、可動電極４の表面の対向する２辺の略中央部と矩形枠３ａの側壁部とを連結することにより可動電極４をフレーム部３に対し揺動自在に支持するビーム部６ａ，６ｂと、可動電極５の表面の対向する２辺の略中央と矩形枠３ｂの側壁部とを連結することにより可動電極５をフレーム部３に対し揺動自在に支持するビーム部７ａ，７ｂとを備えている。さらに、センサチップ１は、フレーム部３，可動電極４，及び他の検出電極に対し離間配置された検出電極８ａ，８ｂと、フレーム部３、可動電極５、及び他の検出電極に対し離間配置された検出電極９ａ，９ｂと、検出電極８ｂと検出電極９ａ間のフレーム部３表面に形成された接地電極１０とを備えている。検出電極８ａ，８ｂ及び検出電極９ａ，９ｂは、それぞれ、後述する固定電極２０ａ，２０ｂ及び固定電極２１ａ，２１ｂと電気的に接続されている。
【００１５】
本実施形態では、図２に示すように、検出電極８ａと検出電極８ｂ間、検出電極９ａと検出電極９ｂ間、検出電極８ａ，８ｂとフレーム部３間、検出電極９ａ，９ｂとフレーム部３間、検出電極８ａ，８ｂと可動電極４間、及び検出電極９ａ，９ｂと可動電極５間には隙間が形成されている。このような構成によれば、各検出電極が電気的に絶縁されるようになるので、各検出電極の寄生容量や検出電極間のクロストークを低減し、高精度な容量検出を行うことが可能になる。なお、これらの隙間や矩形枠３ａ，３ｂ内は外部と隔離され、密封されている。
【００１６】
可動電極４の裏面のビーム部６ａ，６ｂを結ぶ直線を境界線とした一方側には、図２に示すように、補強部材１６により区画された第１の凹部としての凹部１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄが形成されている。また、可動電極４の裏面のビーム部６ａ，６ｂを結ぶ直線を境界線とした他方側には、第２の凹部としての凹部１２が形成されている。同様に、可動電極５の裏面のビーム部７ａ，７ｂを結ぶ直線を境界線とした一方側には、図２に示すように、補強部材１６により区画された第１の凹部としての凹部１３ａ，１３ｂ，１３ｃ，１３ｄが形成されている。また、可動電極５の裏面のビーム部７ａ，７ｂを結ぶ直線を境界線とした他方側には、第２の凹部としての凹部１４が形成されている。
【００１７】
本実施形態では、第１の凹部と第２の凹部を別体として形成したが、例えば第１の凹部を前記境界線を超えて他方側に拡大することにより第１の凹部と第２の凹部を一体として形成してもよい。また、第１の凹部の形状は、図２に示す三角形状に限定されることはなく、第２の凹部と同様の矩形形状としてもよい。さらに、第２の凹部を形成する位置は、図３に示すように、可動電極の重心位置Ｏとビーム部がなす角度θが４５度になることによりｘ方向とｚ方向の検出感度が等価になる位置であれば特に限定されることはない。境界線からより遠い側に第２の凹部を形成すれば、回転モーメントがより大きくなるので、加速度センサの検出感度を高めることができる。
【００１８】
可動電極４，５の上部固定板２ａ及び下部固定板２ｂと対向する面には、図３に示すように（図３では可動電極４についてのみ図示）、シリコン又はシリコン酸化膜により形成された複数の突起部１５ａ〜１５ｇが形成されている。このような突起部１５ａ〜１５ｇを形成することにより、可動電極４，５に測定レンジを超える大きな加速度が印加された場合であっても、可動電極４，５は対向する上部固定板２ａ及び下部固定板２ｂに直接衝突しないので、センサチップ１を破損を抑制できる。本実施形態では、可動電極４，５の上部固定板２ａ及び下部固定板２ｂと対向する面に突起部を形成したが、上部固定板２ａ及び下部固定板２ｂの可動電極４，５と対向する面に同様の突起部を形成するようにしてもよい。
【００１９】
上部固定板２ａはガラス基板により形成され、その可動電極４と対向する表面側には、ビーム部６ａとビーム部６ｂを結ぶ直線を境界線として固定電極２０ａ，２０ｂが設けられている。同様に、上部固定板２ａの可動電極５と対向する表面側には、ビーム部７ａとビーム部７ｂを結ぶ直線を境界線として固定電極２１ａ，２１ｂが設けられている。上部固定板２ａの検出電極８ａ，８ｂ，９ａ，９ｂ及び接地電極１０に対向する位置にはスルーホール２２ａ〜２２ｅが形成され、このスルーホール２２ａ〜２２ｅを介して固定電極２０ａ，２０ｂ及び固定電極２１ａ，２１ｂにそれぞれ接続された検出電極８ａ，８ｂ及び検出電極９ａ，９ｂと接地電極１０の出力が取り出されるようになっている。下部固定板２ｂはガラス基板により形成され、その可動電極４，５の裏面と対向する面側には、可動電極４，５の裏面に対し間隔をあけてアルミニウム系合金等の固定電極２０ａ，２０ｂ，２１ａ，２１ｂと同材料により形成された付着防止膜２３ａ，２３ｂが配置されている。このような付着防止膜２３ａ，２３ｂを設けることにより、可動電極４，５が動作時に下部固定板２ｂに付着することを防止できると共に、過大衝撃時でも可動電極４，５と下部固定板２ｂが直接接触しないため衝撃を緩和できる。
【００２０】
〔加速度センサの動作〕
次に、第１実施形態における加速度センサの動作を説明する。この加速度センサは、以下のようにしてセルフテストを行うと共にｘ方向及びｚ方向の加速度を検出する。
【００２１】
〔セルフテスト〕
可動電極４を動作させる場合は、固定電極２０ａ又は固定電極２０ｂと可動電極４間に吸引力を発生させる。同様に、可動電極５を動作させる場合は、固定電極２１ａ又は固定電極２１ｂと可動電極５間に吸引力を発生させる。付着防止膜２３ａ，２３ｂと可動電極４，５との間に吸引力を発生させて同様な動作確認を行ってもよい。これにより、可動電極４，５が揺動することにより固定電極２０ａ，２０ｂと可動電極４間及び固定電極２１ａ，２１ｂと可動電極５との間の静電容量が変化するので、加速度センサが正常に動作するか否かを確認できる。
【００２２】
〔ｘ方向の加速度検出〕
可動電極４にｘ方向の加速度が印加された場合、可動電極４と固定電極２０ａ，２０ｂ間の静電容量Ｃ１，Ｃ２はそれぞれ以下に示す数式（１），（２）のようになる。数式（１），（２）中、パラメータＣ０は、可動電極４にｘ方向の加速度が印加されていない状態での可動電極４と固定電極２０ａ，２０ｂ間の静電容量を示す。
【００２３】
Ｃ１＝Ｃ０−ΔＣ …（１）
Ｃ２＝Ｃ０＋ΔＣ …（２）
同様に、可動電極５にｘ方向の加速度が印加された場合、可動電極５と固定電極２１ａ，２１ｂ間の静電容量Ｃ３，Ｃ４はそれぞれ以下に示す数式（３），（４）のようになる。数式（３），（４）中、パラメータＣ０は、可動電極５にｘ方向の加速度が印加されていない状態での可動電極５と固定電極２１ａ，２１ｂ間の静電容量を示す。
【００２４】
Ｃ３＝Ｃ０−ΔＣ …（３）
Ｃ４＝Ｃ０＋ΔＣ …（４）
従って、検出電極８ａ，８ｂ及び検出電極９ａ，９ｂを介して静電容量Ｃ１〜Ｃ４を検出し、ＡＳＩＣ等を利用して静電容量Ｃ１と静電容量Ｃ２の差分値ＣＡ（＝Ｃ１−Ｃ２）と静電容量Ｃ３と静電容量Ｃ４の差分値ＣＢ（＝Ｃ３−Ｃ４）を算出する。そして、算出した差分値ＣＡと差分値ＣＢの和（±４ΔＣ）をＸ出力として出力する。これにより、静電容量の変化から可動電極４，５に加えられたｘ方向の加速度を検出できる。
【００２５】
〔ｚ方向の加速度検出〕
可動電極４にｚ方向の加速度が印加された場合、可動電極４と固定電極２０ａ，２０ｂ間の静電容量Ｃ１，Ｃ２はそれぞれ以下に示す数式（５），（６）のようになる。数式（５），（６）中、パラメータＣ０は、可動電極４にｚ方向の加速度が印加されていない状態での可動電極４と固定電極２０ａ，２０ｂ間の静電容量を示す。
【００２６】
Ｃ１＝Ｃ０＋ΔＣ …（５）
Ｃ２＝Ｃ０−ΔＣ …（６）
同様に、可動電極５にｚ方向の加速度が印加された場合、可動電極５と固定電極２１ａ，２１ｂ間の静電容量Ｃ３，Ｃ４はそれぞれ以下に示す数式（７），（８）のようになる。数式（７），（８）中、パラメータＣ０は、可動電極５にｚ方向の加速度が印加されていない状態での可動電極５と固定電極２１ａ，２１ｂ間の静電容量を示す。
【００２７】
Ｃ３＝Ｃ０−ΔＣ …（７）
Ｃ４＝Ｃ０＋ΔＣ …（８）
従って、検出電極８ａ，８ｂ及び検出電極９ａ，９ｂを介して静電容量Ｃ１〜Ｃ４を検出し、ＡＳＩＣ等を利用して静電容量Ｃ１と静電容量Ｃ２の差分値ＣＡ（＝Ｃ１−Ｃ２）と静電容量Ｃ３と静電容量Ｃ４の差分値ＣＢ（＝Ｃ３−Ｃ４）を算出する。そして、算出した差分値ＣＡと差分値ＣＢの和（±４ΔＣ）をＺ出力として出力する。これにより、静電容量の変化から可動電極４，５に加えられたｚ方向の加速度を検出できる。
【００２８】
〔出力特性変動の低減〕
次に、出力特性の変動を低減するための構成について説明する。
【００２９】
図４は、従来の加速度センサの構成図であり、（ａ）はＡ−Ａ断面図、（ｂ）はシリコン層上面図、（ｃ）は固定電極２０ａ，２０ｂ，２１ａ，２１ｂの上面図、（ｄ）はシリコン層下面図である。既に説明した通り、従来は、温度変化により出力特性が変動する問題があった。すなわち、ガラス−シリコン間の線膨張係数の違いにより、結合部３０において応力が発生する場合がある。このように応力が発生すると、ビーム部６ａ，６ｂ，７ａ，７ｂが変形することにより電極間距離が変わり、出力特性が変動する。
【００３０】
そこで、本実施形態では、図５に示すように、中央フレーム部３２の上部に間隙３２ａを設け、中央フレーム部３２が上部固定板２ａと結合しないようにしている。中央フレーム部３２とは、可動電極４と５の間にある中央部分のフレームである。これにより、中央フレーム部３２の結合部において発生する応力を小さくすることができる。なお、図５では、中央フレーム部３２の上部の全部が上部固定板２ａと結合しない構成を例示しているが、中央フレーム部３２の上部の一部が上部固定板２ａと結合しない構成を採用してもよい。
【００３１】
以上のように、第１実施形態における加速度センサでは、中央フレーム部３２が上部固定板２ａと結合しないようにしている。これにより、中央フレーム部３２の結合部において発生する応力を小さくすることができるので、出力特性の変動を低減することが可能となる。
【００３２】
（第２実施形態）
以下、第２実施形態を第１実施形態と異なる点のみ説明する。
【００３３】
図６は、第２実施形態における加速度センサの構成図であり、（ａ）はＡ−Ａ断面図、（ｂ）は下面図である。この図に示すように、第２実施形態では、中央フレーム部３２の下部に間隙３２ｂを設け、中央フレーム部３２が下部固定板２ｂと結合しないようにしている。これにより、中央フレーム部３２の結合部において発生する応力を小さくすることができる。なお、図６では、中央フレーム部３２の下部の全部が下部固定板２ｂと結合しない構成を例示しているが、中央フレーム部３２の下部の一部が下部固定板２ｂと結合しない構成を採用してもよい。
【００３４】
以上のように、第２実施形態における加速度センサでは、中央フレーム部３２が下部固定板２ｂと結合しないようにしている。これにより、中央フレーム部３２の結合部において発生する応力を小さくすることができるので、出力特性の変動を低減することが可能となる。
【００３５】
（第３実施形態）
以下、第３実施形態を第１〜第２実施形態と異なる点のみ説明する。
【００３６】
図７は、第３実施形態における加速度センサの構成図であり、（ａ）はＡ−Ａ断面図、（ｂ）は上面図、（ｃ）は下面図である。この図に示すように、第３実施形態では、中央フレーム部３２の上部及び下部に間隙３２ａ及び３２ｂを設け、中央フレーム部３２が上部固定板２ａ及び下部固定板２ｂと結合しないようにしている。これにより、中央フレーム部３２の結合部において発生する応力を小さくすることができる。
【００３７】
以上のように、第３実施形態における加速度センサでは、中央フレーム部３２が上部固定板２ａ及び下部固定板２ｂと結合しないようにしている。これにより、中央フレーム部３２の結合部において発生する応力を小さくすることができるので、出力特性の変動を低減することが可能となる。
【００３８】
（第４実施形態）
以下、第４実施形態を第１〜第３実施形態と異なる点のみ説明する。
【００３９】
図８は、第４実施形態における加速度センサの構成図であり、（ａ）はＡ−Ａ断面図、（ｂ）は上面図である。この図に示すように、第４実施形態では、外周フレーム部３１の上部に間隙３１ａを設け、外周フレーム部３１の一部が上部固定板２ａと結合しないようにしている。外周フレーム部３１とは、可動電極４の外周部分のフレームであって、ビーム部６ａの付根に位置するフレームである。また、外周フレーム部３３の上部に間隙３３ａを設け、外周フレーム部３３の全部が上部固定板２ａと結合しないようにしている。外周フレーム部３３とは、可動電極５の外周部分のフレームであって、ビーム部７ｂの付根に位置するフレームである。これにより、外周フレーム部３１及び３３の結合部において発生する応力を小さくすることができる。
【００４０】
なお、図８では、外周フレーム部３１の上部の一部が上部固定板２ａと結合しない構成を例示しているが、外周フレーム部３１の上部の全部が上部固定板２ａと結合しない構成を採用してもよい。このように全部を結合しない構成にすると、気密を確保することはできないが、より発生応力を小さくすることができる。
【００４１】
また、図８では、外周フレーム部３３の上部の全部が上部固定板２ａと結合しない構成を例示しているが、外周フレーム部３３の上部の一部が上部固定板２ａと結合しない構成を採用してもよい。このように一部を結合しない構成にすると、発生応力を小さくする効果は低減するが、気密を確保することができる。
【００４２】
以上のように、第４実施形態における加速度センサでは、外周フレーム部３１，３３が上部固定板２ａと結合しないようにしている。これにより、外周フレーム部３１，３３の結合部において発生する応力を小さくすることができるので、出力特性の変動を低減することが可能となる。
【００４３】
（第５実施形態）
以下、第５実施形態を第１〜第４実施形態と異なる点のみ説明する。
【００４４】
図９は、第５実施形態における加速度センサの構成図であり、（ａ）はＡ−Ａ断面図、（ｂ）は下面図である。この図に示すように、第５実施形態では、外周フレーム部３１の下部に間隙３１ｂを設け、外周フレーム部３１の一部が下部固定板２ｂと結合しないようにしている。また、外周フレーム部３３の下部に間隙３３ｂを設け、外周フレーム部３３の全部が下部固定板２ｂと結合しないようにしている。これにより、外周フレーム部３１及び３３の結合部において発生する応力を小さくすることができる。
【００４５】
なお、図９では、外周フレーム部３１の下部の一部が下部固定板２ｂと結合しない構成を例示しているが、外周フレーム部３１の下部の全部が下部固定板２ｂと結合しない構成を採用してもよい。また、外周フレーム部３３の下部の全部が下部固定板２ｂと結合しない構成を例示しているが、外周フレーム部３３の下部の一部が下部固定板２ｂと結合しない構成を採用してもよい。
【００４６】
以上のように、第５実施形態における加速度センサでは、外周フレーム部３１，３３が下部固定板２ｂと結合しないようにしている。これにより、外周フレーム部３１，３３の結合部において発生する応力を小さくすることができるので、出力特性の変動を低減することが可能となる。
【００４７】
（第６実施形態）
以下、第６実施形態を第１〜第５実施形態と異なる点のみ説明する。
【００４８】
図１０は、第６実施形態における加速度センサの構成図であり、（ａ）はＡ−Ａ断面図、（ｂ）は上面図、（ｃ）は下面図である。この図に示すように、第６実施形態では、外周フレーム部３１の上部及び下部に間隙３１ａ及び３１ｂを設け、外周フレーム部３１が上部固定板２ａ及び下部固定板２ｂと結合しないようにしている。また、外周フレーム部３３の上部及び下部に間隙３３ａ及び３３ｂを設け、外周フレーム部３３が上部固定板２ａ及び下部固定板２ｂと結合しないようにしている。これにより、外周フレーム部３１及び３３の結合部において発生する応力を小さくすることができる。
【００４９】
以上のように、第６実施形態における加速度センサでは、外周フレーム部３１，３３が上部固定板２ａ及び下部固定板２ｂと結合しないようにしている。これにより、外周フレーム部３１，３３の結合部において発生する応力を小さくすることができるので、出力特性の変動を低減することが可能となる。
【００５０】
（第７実施形態）
以下、第７実施形態を第１〜第６実施形態と異なる点のみ説明する。
【００５１】
図１１は、第７実施形態における加速度センサの構成図であり、（ａ）はＡ−Ａ断面図、（ｂ）は上面図、（ｃ）は下面図である。この図に示すように、第７実施形態では、中央フレーム部３２の上部及び下部に間隙３２ａ及び３２ｂを設け、中央フレーム部３２が上部固定板２ａ及び下部固定板２ｂと結合しないようにしている。また、外周フレーム部３１の上部及び下部に間隙３１ａ及び３１ｂを設け、外周フレーム部３１が上部固定板２ａ及び下部固定板２ｂと結合しないようにしている。さらに、外周フレーム部３３の上部及び下部に間隙３３ａ及び３３ｂを設け、外周フレーム部３３が上部固定板２ａ及び下部固定板２ｂと結合しないようにしている。これにより、中央フレーム部３２、外周フレーム部３１及び３３の結合部において発生する応力を小さくすることができる。
【００５２】
以上のように、第７実施形態における加速度センサでは、中央フレーム部３２及び外周フレーム部３１，３３が上部固定板２ａ及び下部固定板２ｂと結合しないようにしている。これにより、中央フレーム部３２及び外周フレーム部３１，３３の結合部において発生する応力を小さくすることができるので、出力特性の変動を低減することが可能となる。
【００５３】
（第８実施形態）
以下、第８実施形態を第１〜第７実施形態と異なる点のみ説明する。
【００５４】
図１２は、第８実施形態における加速度センサの構成図であり、（ａ）はＡ−Ａ断面図、（ｂ）は上面図である。この図に示すように、第８実施形態では、外周フレーム部３１，３３とは別に島３４，３５を設け、島３４，３５がビーム部６ａ，７ｂを支持している。島３４，３５の上部には間隙３４ａ，３５ａを形成し、島３４，３５と上部固定板２ａとを結合しない構造となっている。
【００５５】
以上のように、第８実施形態における加速度センサでは、上部固定板２ａと結合されていない島３４，３５を外周フレーム部３１，３３とは別に設け、島３４，３５がビーム部６ａ，７ｂを支持するようにしている。これにより、ビーム部６ａ，７ｂの近傍において発生する応力を小さくすることができるので、出力特性の変動を低減することが可能となる。また、外周フレーム３１，３３に間隙を設ける必要がないので、気密を確保することができる。
【００５６】
（第９実施形態）
以下、第９実施形態を第１〜第８実施形態と異なる点のみ説明する。
【００５７】
図１３は、第９実施形態における加速度センサの構成図であり、（ａ）はＡ−Ａ断面図、（ｂ）は下面図である。この図に示すように、第９実施形態では、外周フレーム部３１，３３とは別に島３４，３５を設け、島３４，３５がビーム部６ａ，７ｂを支持している。島３４，３５の下部には間隙３４ｂ，３５ｂを形成し、島３４，３５と下部固定板２ｂとを結合しない構造となっている。
【００５８】
以上のように、第９実施形態における加速度センサでは、下部固定板２ｂと結合されていない島３４，３５を外周フレーム部３１，３３とは別に設け、島３４，３５がビーム部６ａ，７ｂを支持するようにしている。これにより、ビーム部６ａ，７ｂの近傍において発生する応力を小さくすることができるので、出力特性の変動を低減することが可能となる。また、外周フレーム３１，３３に間隙を設ける必要がないので、気密を確保することができる。
【００５９】
（第１０実施形態）
以下、第１０実施形態を第１〜第９実施形態と異なる点のみ説明する。
【００６０】
図１４は、第１０実施形態における加速度センサの構成図であり、（ａ）はＡ−Ａ断面図、（ｂ）は上面図、（ｃ）は下面図である。この図に示すように、第１０実施形態では、外周フレーム部３１，３３とは別に島３４，３５を設け、島３４，３５がビーム部６ａ，７ｂを支持している。島３４，３５の上部には間隙３４ａ，３５ａを形成し、島３４，３５と上部固定板２ａとを結合しない構造となっている。また、島３４，３５の下部には間隙３４ｂ，３５ｂを形成し、島３４，３５と下部固定板２ｂとを結合しない構造となっている。
【００６１】
以上のように、第１０実施形態における加速度センサでは、上部固定板２ａ及び下部固定板２ｂと結合されていないフレーム部３から突出した島３４，３５を外周フレーム部３１，３３とは別に設け、島３４，３５がビーム部６ａ，７ｂを支持するようにしている。これにより、ビーム部６ａ，７ｂの近傍において発生する応力を小さくすることができるので、出力特性の変動を低減することが可能となる。また、外周フレーム３１，３３に間隙を設ける必要がないので、気密を確保することができる。
【００６２】
（第１１実施形態）
以下、第１１実施形態を第１〜第１０実施形態と異なる点のみ説明する。
【００６３】
図１５は、第１１実施形態における加速度センサの構成図であり、（ａ）はＡ−Ａ断面図、（ｂ）は上面図である。この図に示すように、第１１実施形態では、中央フレーム部３２の上部に間隙３２ａを設け、中央フレーム部３２が上部固定板２ａと結合しないようにしている。また、外周フレーム部３１，３３とは別に島３４，３５を設け、島３４，３５がビーム部６ａ，７ｂを支持している。島３４，３５の上部には間隙３４ａ，３５ａを形成し、島３４，３５と上部固定板２ａとを結合しない構造となっている。
【００６４】
以上のように、第１１実施形態における加速度センサでは、中央フレーム部３２が上部固定板２ａと結合しないようにしている。また、上部固定板２ａと結合されていない島３４，３５を外周フレーム部３１，３３とは別に設け、島３４，３５がビーム部６ａ，７ｂを支持するようにしている。これにより、中央フレーム部３２の結合部において発生する応力を小さくすることができるとともに、ビーム部６ａ，７ｂの近傍において発生する応力を小さくすることができるので、出力特性の変動を低減することが可能となる。また、外周フレーム３１，３３に間隙を設ける必要がないので、気密を確保することができる。
【００６５】
なお、以上では好適な実施形態について説明したが、本発明は前記実施形態に限定されず、種々の変形が可能である。例えば、図１５では、中央フレーム部３２の上部と島３４，３５の上部に間隙３２ａ，３４ａ，３５ａを設けることとしているが、中央フレーム部３２の下部と島３４，３５の下部に間隙を設けることも可能である。
【００６６】
また、ここでは、静電容量式センサの一例として加速度センサを例示したが、本発明はこれに限定されるものではない。すなわち、抵抗の変化により圧力を検出する圧力センサ等についても同様に本発明を適用することが可能である。
【符号の説明】
【００６７】
２ａ 上部固定板（第１のガラス基板）
２ｂ 下部固定板（第２のガラス基板）
４，５ 可動電極
３ フレーム部
３１，３３ 外周フレーム部
３２ 中央フレーム部
６ａ，６ｂ，７ａ，７ｂ ビーム部
８ａ，８ｂ，９ａ，９ｂ 検出電極
２０ａ，２０ｂ，２１ａ，２１ｂ 固定電極
３４，３５ 島
【特許請求の範囲】
【請求項１】
外部から与えられた物理量に応じて可動する可動電極と、
前記可動電極の一方面に対向して配置された第１のガラス基板と、
前記可動電極の他方面に対向して配置された第２のガラス基板と、
前記可動電極をフレーム部に対して揺動自在に支持するビーム部と、
前記第１のガラス基板の前記可動電極と対向する側に配置された固定電極と、
前記可動電極と前記固定電極間の静電容量の変化を検出する検出電極とを備え、
前記可動電極間にある中央部分のフレーム部である中央フレーム部の一部または全部は、前記第１のガラス基板及び前記第２のガラス基板のうちの少なくとも１つと結合されていないことを特徴とする静電容量式センサ。
【請求項２】
外部から与えられた物理量に応じて可動する可動電極と、
前記可動電極の一方面に対向して配置された第１のガラス基板と、
前記可動電極の他方面に対向して配置された第２のガラス基板と、
前記可動電極をフレーム部に対して揺動自在に支持するビーム部と、
前記第１のガラス基板の前記可動電極と対向する側に配置された固定電極と、
前記可動電極と前記固定電極間の静電容量の変化を検出する検出電極とを備え、
前記可動電極の外周部分のフレーム部である外周フレーム部の一部または全部は、前記第１のガラス基板及び前記第２のガラス基板のうちの少なくとも１つと結合されていないことを特徴とする静電容量式センサ。
【請求項３】
前記第１のガラス基板及び前記第２のガラス基板のうちの少なくとも１つと結合されていない島を前記外周フレーム部とは別に設け、前記島が前記ビーム部を支持することを特徴とする請求項１または２記載の静電容量式センサ。
【請求項１】
外部から与えられた物理量に応じて可動する可動電極と、
前記可動電極の一方面に対向して配置された第１のガラス基板と、
前記可動電極の他方面に対向して配置された第２のガラス基板と、
前記可動電極をフレーム部に対して揺動自在に支持するビーム部と、
前記第１のガラス基板の前記可動電極と対向する側に配置された固定電極と、
前記可動電極と前記固定電極間の静電容量の変化を検出する検出電極とを備え、
前記可動電極間にある中央部分のフレーム部である中央フレーム部の一部または全部は、前記第１のガラス基板及び前記第２のガラス基板のうちの少なくとも１つと結合されていないことを特徴とする静電容量式センサ。
【請求項２】
外部から与えられた物理量に応じて可動する可動電極と、
前記可動電極の一方面に対向して配置された第１のガラス基板と、
前記可動電極の他方面に対向して配置された第２のガラス基板と、
前記可動電極をフレーム部に対して揺動自在に支持するビーム部と、
前記第１のガラス基板の前記可動電極と対向する側に配置された固定電極と、
前記可動電極と前記固定電極間の静電容量の変化を検出する検出電極とを備え、
前記可動電極の外周部分のフレーム部である外周フレーム部の一部または全部は、前記第１のガラス基板及び前記第２のガラス基板のうちの少なくとも１つと結合されていないことを特徴とする静電容量式センサ。
【請求項３】
前記第１のガラス基板及び前記第２のガラス基板のうちの少なくとも１つと結合されていない島を前記外周フレーム部とは別に設け、前記島が前記ビーム部を支持することを特徴とする請求項１または２記載の静電容量式センサ。
【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】
【公開番号】特開２０１３−３０３４（Ｐ２０１３−３０３４Ａ）
【公開日】平成２５年１月７日（２０１３．１．７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１３６０８１（Ｐ２０１１−１３６０８１）
【出願日】平成２３年６月２０日（２０１１．６．２０）
【出願人】（０００００５８２１）パナソニック株式会社 (73,050)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年１月７日（２０１３．１．７）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年６月２０日（２０１１．６．２０）
【出願人】（０００００５８２１）パナソニック株式会社 (73,050)
【Ｆターム（参考）】
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