JP2015114237A - 加速度センサ - Google Patents

Abstract

【課題】重力のような一定の加速度が印加された状態で、この一定の加速度以外の加速度の正負によらず、検出特性の対称性を向上することが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、アンカー５と、変位部材７と、第１および第２の駆動電極１１、２１と、容量−電圧変換回路（検出手段）１０２と、サーボ制御回路１０３（制御手段）とを備えている。第１の対向面積＞第２の対向面積かつ第１の間隔＞第２の間隔および第１の対向面積＜第２の対向面積かつ第１の間隔＜第２の間隔のいずれかの関係がある。
【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、基板に対して垂直方向の加速度を検出するセンサとして、慣性質量体の変位を回転変位に変換し、回転変位を静電容量変化として検出する加速度センサが提案されている。

たとえば、国際公開第０３／０４４５３９号（特許文献１）には、シリコン基板上にポリシリコンにより形成された慣性質量体、検出フレーム、リンク梁、ねじれ梁、アンカー部、検出電極から成る加速度センサが提案されている。アンカー部と検出フレームとはねじれ梁で接続されており、検出フレームと慣性質量体とはリンク梁で接続されている。また、検出電極は検出フレームと対向するように基板上に設けられている。

この加速度センサに、基板に対して垂直方向（面外方向）の加速度が印加されると、慣性質量体が面外方向に変位する。この面外方向変位は、リンク梁を介して、検出フレームのねじれ梁の軸を中心とした回転変位に変換される。この回転変位によって、検出フレームと検出電極との間隔が変化するので、検出フレームと検出電極との間に形成される静電容量が変化する。加速度の印加に対して、検出フレームとの間隔がそれぞれ増減するように配置された２つの検出電極の静電容量の差分が、容量−電圧変換回路により電圧に変換される。これにより、加速度に応じた電圧が得られ、この電圧に基づいて加速度を検出することができる。

さらに、電圧印加によって検出フレームと基板との間に静電力を発生させ得る駆動電極を有する、サーボ制御方式の加速度センサも提案されている。この加速度センサでは、加速度の印加によって変化する電極間距離を一定に制御するように駆動電極に電圧が印加され、この印加された電圧に基づいて加速度が検出される。

サーボ制御方式は変位を一定にするように制御するため、センサの動作において機械的な形状の変化が小さい。したがって、サーボ制御方式は、一般的に変位に伴う信号の変化の影響を小さく抑えやすい。たとえば出力線形性の向上や信号のダイナミックレンジ（検出可能な印加加速度の最小分解能に対する検出可能な最大印加加速度の比）の拡大が可能となる。また動作において形状の変化が小さいため、可動部と基板との接触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可能となる。

国際公開第０３／０４４５３９号

しかしながら、上記のサーボ制御方式の加速度センサが、加速度検出方向が基板に対して垂直方向の加速度センサの設計に適用され、このセンサによって物体の重力方向の運動が検出される場合、加速度センサには重力により常時＋１Ｇ（重力加速度）の加速度が印加される。したがって、重力以外の加速度が印加されない状態でも、加速度センサの慣性質量体は重力により変位し検出フレームも変位する。そのため、重力以外の印加加速度が同じ大きさでも、その重力以外の印加加速度の正負によって、サーボ制御のための印加電圧が異なる。これにより、加速度の検出特性の対称性が損なわれるという問題がある。なお、この問題は、センサの加速度検出範囲に対して１Ｇの加速度が相対的に大きな割合を占める低加速度センサで特に顕著になる。

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、重力のような一定の加速度が印加された状態で、この一定の加速度以外の加速度の正負によらず、加速度の検出特性の対称性を向上することが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、アンカーと、変位部材と、第１および第２の駆動電極と、検出手段と、制御手段とを備えている。アンカーは基板に支持されている。変位部材は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よう構成されている。第１および第２の駆動電極は、変位部材の変位方向に変位部材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、変位部材との間に発生する静電力により変位部材を駆動する。検出手段は、加速度が印加されることによって生じる変位部材の変位を検出するよう構成されている。制御手段は、検出手段が検出した変位部材の変位に応じて、第１および第２の駆動電極の少なくともいずれかに電圧を印加し、加速度検出方向に一定の加速度が印加されており、変位部材と第１および第２の駆動電極との間にそれぞれ電圧が印加されていない初期状態における初期位置に変位部材を駆動するように制御するよう構成されている。初期状態で、変位部材と第１の駆動電極との第１の対向面積と、変位部材と第２の駆動電極との第２の対向面積と、変位部材と第１の駆動電極との第１の間隔と、変位部材と第２の駆動電極との第２の間隔との間に、第１の対向面積＞第２の対向面積かつ第１の間隔＞第２の間隔および第１の対向面積＜第２の対向面積かつ第１の間隔＜第２の間隔のいずれかの関係がある。変位部材を初期位置に駆動するように制御手段によって印加された電圧に基づいて、印加された加速度が検出される。

本発明の加速度センサによれば、初期状態で、第１の対向面積＞第２の対向面積かつ第１の間隔＞第２の間隔および第１の対向面積＜第２の対向面積かつ第１の間隔＜第２の間隔のいずれかの関係がある。このため、重力のような一定の加速度以外の印加されている加速度について、その大きさの正負による加速度と印加電圧との関係の差異を小さくすることができる。これにより、重力のような一定の加速度が印加された状態で、この一定の加速度以外の加速度の正負によらず、加速度の検出特性の対称性を向上することができる。

本発明の実施の形態１の加速度センサの構成図である。 本発明の実施の形態１の加速度センサを構成するセンサ素子構造体の概略上面図である。 図２のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿う概略断面図である。 図２のＩＶ−ＩＶ線に沿う概略断面図である。 図３のＶ−Ｖ線に沿う概略断面図である。 本発明の実施の形態１の加速度センサのセンサ素子構造体の製造方法の一工程を示す、図２のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿う概略断面図である。 図６に示す工程の次工程を示す概略断面図である。 図７に示す工程の次工程を示す概略断面図である。 図８に示す工程の次工程を示す概略断面図である。 図９に示す工程の次工程を示す概略断面図である。 図１０に示す工程の次工程を示す概略断面図である。 図１１に示す工程の次工程を示す概略断面図である。 図１２に示す工程の次工程を示す概略断面図である。 本発明の実施の形態１の加速度センサのセンサ素子構造体において、第１および第２の検出電極と検出フレームとの間の静電容量と、検出フレームと第１および第２の駆動電極との間の静電容量とを示す概略断面図である。 本発明の実施の形態１の加速度センサを構成する、容量−電圧変換回路の構成を示す図である。 図５に相当する、比較例の加速度センサのセンサ素子構造体の概略断面図である。 図４に相当する、比較例の加速度センサのセンサ素子構造体の概略断面図である。 比較例の加速度センサのセンサ素子構造体に、紙面上向きの加速度が印加されたときの変位の様子を示す図である。 比較例の加速度センサのセンサ素子構造体に、紙面上向きの加速度が印加されたときに、慣性質量体に作用する慣性力と、駆動電極への電圧印加によって発生する静電力とを模式的に示す図である。 比較例の加速度センサのセンサ素子構造体に、紙面上向きの加速度が印加されたときに、第２の駆動電極への電圧印加によって発生する静電力により、検出フレームの回転変位を制御できることを示す図である。 比較例の加速度センサのセンサ素子構造体に印加された加速度と、その加速度によって生じた検出フレームの回転変位を０に戻すために必要な、第２の駆動電極への印加電圧との関係を示す図である。 比較例の加速度センサのセンサ素子構造体に印加された加速度と、その加速度によって生じた検出フレームの回転変位を０に戻すために必要な、第２の駆動電極への印加電圧との関係を、正負の印加加速度の範囲に広げて示す図である。 印加加速度と駆動電極への印加電圧との関係から、印加加速度に対する検出分解能の変化に注目した図である。 比較例の加速度センサを車両に取り付けた状態を、模式的に示した図である。 比較例の加速度センサのセンサ素子構造体の加速度検出軸方向に重力が印加されたときの変位の様子を示す図である。 図２２に示した、比較例の加速度センサのセンサ素子構造体に印加された加速度と、その加速度によって生じた検出フレームの回転変位を０に戻すために必要な、第２の駆動電極への印加電圧との関係において、重力が印加されている状態を示す図である。 本発明の実施の形態１の加速度センサのセンサ素子構造体の加速度検出軸方向に重力が印加されたときの変位の様子を示す図である。 本発明の実施の形態１の加速度センサにおいて、重力が印加されたときの変位をサーボ制御を適用した際の目標変位とした場合の、印加加速度と第２の駆動電極への印加電圧との関係を示す図である。 比較例の加速度センサにおいて、重力が印加されたときの変位をサーボ制御を適用した際の目標変位とした場合の、印加加速度と第２の駆動電極への印加電圧との関係を示す図である。 図２に相当する、本発明の実施の形態１の加速度センサのセンサ素子構造体の一変形例を示す、概略上面図である。 図３０のＸＸＸＩ−ＸＸＸＩ線に沿う概略断面図である。 図３１のＸＸＸＩＩ−ＸＸＸＩＩ線に沿う概略断面図である。 図５に相当する、本発明の実施の形態２の加速度センサのセンサ素子構造体の概略断面図である。 図４に相当する、本発明の実施の形態２の加速度センサのセンサ素子構造体の概略断面図である。 本発明の実施の形態２の加速度のセンサセンサ素子構造体の変形例１を示す概略断面図である。 本発明の実施の形態２の加速度センサのセンサ素子構造体の変形例２を示す概略断面図である。 本発明の実施の形態２の加速度センサのセンサ素子構造体の変形例３を示す概略断面図である。 図５に相当する、本発明の実施の形態３の加速度センサのセンサ素子構造体の概略断面図である。 本発明の実施の形態３の加速度センサの構成図である。 本発明の実施の形態４の加速度センサを構成するセンサ素子構造体の概略上面図である。 図４０のＸＸＸＸＩ−ＸＸＸＸＩ線に沿う概略断面図である。 本発明の実施の形態４の加速度センサを構成するセンサ素子構造体の一変形例を示す概略上面図である。

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、図１〜５を参照して、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２において、紙面に対して垂直方向が加速度センサの検出軸方向である。図３および図４において、上下方向が加速度センサの検出軸方向である。

図１を参照して、本実施の形態の加速度センサ１００は、センサ素子構造体１０１と、容量−電圧変換回路（検出手段）１０２と、サーボ制御回路１０３（制御手段）とを主に備えている。

さらに図２〜図４を参照して、センサ素子構造体１０１は、基板１と、アンカー５と、変位部材７と、検出電極８と、絶縁膜９と、第１の駆動電極１１と、第２の駆動電極２１とを主に有している。変位部材７は、慣性質量体３と、リンク梁４と、ねじれ梁６と、検出フレーム７０とを含んでいる。

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、リンク梁４、アンカー５、ねじれ梁６、検出フレーム７０、検出電極８、第１の駆動電極１１、第２の駆動電極２１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。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。また、絶縁膜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。

基板１上に絶縁膜９を介してアンカー５が支持されている。絶縁膜９は基板１上に設けられている。また、絶縁膜９は基板１の表面を覆うように設けられている。変位部材７はアンカー５に支持され、加速度が印加されることによって変位するように構成されている。ねじれ梁６はアンカー５に支持されている。ねじれ梁６はねじれ軸線Ｔを中心としてねじれることができる。アンカー５にねじれ梁６を介して検出フレーム７０が支持されている。検出フレーム７０は、ねじれ軸線Ｔを中心に基板１に対して回転可能にねじれ梁６に支持されている。検出フレーム７０は、基板１の表面に対して面外に変位可能に基板１に支持されている。ここで、基板１の表面に対して面外とは、基板１の表面に沿わない方向を意味する。

リンク梁４は平面視においてねじれ軸線Ｔからずれた仮想線上で検出フレーム７０に支持されている。慣性質量体３は、基板１と検出フレーム７０とが対向する方向に基板１に対して変位可能にリンク梁４に支持されている。慣性質量体３は基板１の厚み方向に変位可能に構成されている。

検出電極８は変位部材７と対向して配置されている。検出電極８は、変位部材７との間に静電容量を形成するように構成されている。そして、変位部材７と検出電極８との間の静電容量の変化によって変位部材７の変位が検出される。検出電極８は、検出フレーム７０に対向するように絶縁膜９を介して基板１上に配置されている。

検出電極８は、平面視においてねじれ軸線Ｔを挟んで配置された第１および第２の検出電極８１、８２を含んでいる。検出フレーム７０がねじれ梁６のねじれ軸線Ｔまわりに回転された場合、第１および第２の検出電極８１、８２は、検出フレーム７０の基板１と対向する面に、一方が接近するとともに、他方が遠ざかるように構成されている。平面視において第１および第２の検出電極８１、８２は等しい面積を有していてもよい。

第１および第２の駆動電極１１、２１は、変位部材７の変位方向に変位部材７と対向するように設けられている。具体的には、第１および第２の駆動電極１１、２１は、検出フレーム７０に対向するように絶縁膜９を介して基板１上に配置されている。第１および第２の駆動電極１１、２１は電圧が印加されることによって、変位部材７との間に発生する静電力により変位部材７を駆動するように構成されている。検出フレーム７０がねじれ梁６のねじれ軸線Ｔまわりに回転された場合、第１および第２の駆動電極１１、２１は、検出フレーム７０の基板１と対向する面に、一方が接近するとともに、他方が遠ざかるように構成されている。

ここで、第１の駆動電極１１は、第２の駆動電極２１よりも平面視における面積が小さく、検出フレーム７０との対向面積も小さくなるように設けられている。この対向面積は変位部材７に対向する第１および第２の駆動電極１１、２１の面積である。本実施の形態では、具体的には、検出フレーム７０に対向する第１および第２の駆動電極１１、２１の面積である。第１の駆動電極１１と検出フレーム７０との対向面積が第１の対向面積Ｓ１であり、第２の駆動電極２１と検出フレーム７０との対向面積が第２の対向面積Ｓ２である。

また、加速度検出軸方向に重力が印加されている状態での、検出フレーム７０と第１の駆動電極１１との距離が第１の間隔ｄｓ１ｏであり、検出フレーム７０と第２の駆動電極との距離が第２の間隔ｄｓ２ｏである。ここで、検出フレーム７０と第１および第２の駆動電極１１との距離は、第１および第２の駆動電極１１、２１のそれぞれの真ん中の位置での検出フレーム７０との距離である。

加速度検出方向に重力のような一定の加速度が印加されており、変位部材７と第１および第２の駆動電極１１、２１との間にそれぞれ電圧が印加されていない初期状態において、下記の式１を満たすように、第１の対向面積Ｓ１と第２の対向面積Ｓ２とが設定されている。つまり、第１の対向面積Ｓ１／第２の対向面積Ｓ２が、第１の間隔ｄｓ１ｏ／第２の間隔ｄｓ２ｏの２乗に等しいという関係がある。ここで、第１の対向面積Ｓ１／第２の対向面積Ｓ２と、第１の間隔ｄｓ１ｏ／第２の間隔ｄｓ２ｏの２乗との差が１％以下であれば上記関係に該当する。

また、第１の対向面積Ｓ１＞第２の対向面積Ｓ２かつ第１の間隔ｄｓ１ｏ＞第２の間隔ｄｓ２ｏおよび第１の対向面積Ｓ１＜第２の対向面積Ｓ２かつ第１の間隔ｄｓ１ｏ＜第２の間隔ｄｓ２ｏのいずれかの関係があればよい。ここで第１の対向面積Ｓ１と第２の対向面積Ｓ２との差および第１の間隔ｄｓ１ｏと第２の間隔ｄｓ２ｏとの差はそれぞれ１％以上であれば上記関係に該当する。

容量−電圧変換回路（検出手段）１０２は、加速度が印加されることによって生じる変位部材７の変位を検出するように構成されている。容量−電圧変換回路１０２は、第１および第２の検出電極８１、８２に接続されており、第１および第２の検出電極８１、８２と変位部材７との２つの静電容量の差分に応じた電圧を出力可能に構成されている。

サーボ制御回路（制御手段）１０３は、容量−電圧変換回路（検出手段）１０２が検出した変位部材７の変位に応じて、第１および第２の駆動電極１１、２１の少なくともいずれかに電圧を印加し、初期位置に変位部材７を駆動するように制御するよう構成されている。ここで初期位置は、初期状態における変位部材７の位置である。サーボ制御回路１０３は、容量−電圧変換回路１０２からの出力に基づき、第１および第２の駆動電極１１、２１に印加する電圧値を算出し、電源によって第１および第２の駆動電極１１、２１に電圧を印加可能に構成されている。

そして、本実施の形態の加速度センサ１００は、変位部材７を初期位置に駆動するようにサーボ制御回路（制御手段）１０３によって印加された電圧に基づいて、印加された加速度が検出される。なお、加速度センサの動作については後で詳しく説明する。

次に、図６〜図１３を参照して、本実施の形態の加速度センサのセンサ素子構造体１０１の製造工程の一例について説明する。上記構造は、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デバイス製造技術によって作製することができる。

図６〜図１３は、図３の断面位置に対応する製造工程における図である。図６を参照して、基板１の上にＬＰＣＶＤ（Ｌｏｗ Ｐｒｅｓｓｕｒｅ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法により酸化シリコンによる絶縁膜９が成膜される。図７を参照して、絶縁膜９の上に導電性ポリシリコン膜２０１が成膜される。図８を参照して、導電性ポリシリコン膜２０１のパターニング、エッチングが行われ、図３に示す第１および第２の駆動電極、第１および第２の検出電極となる部分が形成される。

図９を参照して、絶縁膜９および導電性ポリシリコン膜２０１の上にＰＳＧ（Ｐｈｏｓｐｈｏｓｉｌｉｃａｔｅ Ｇｌａｓｓ）膜２０２が成膜される。図１０を参照して、ＰＳＧ膜２０２のパターニング、エッチングが行われ、図３に示すアンカーが形成される部分に穴が形成される。図１１を参照して、この穴を埋め込むように絶縁膜９およびＰＳＧ膜２０２の上に導電性ポリシリコン膜２０３が成膜される。図１２を参照して、導電性ポリシリコン膜２０３のパターニング、エッチングが行われ、図３に示す慣性質量体、アンカー、検出フレームとなる部分が形成される。

図１３を参照して、最後にＰＳＧ膜２０２がエッチングにより除去され、本実施の形態の加速度センサが作製される。したがって、図１３に示す導電性ポリシリコン膜２０１、２０３は、図２および図３に示す慣性質量体３、リンク梁４、アンカー５、ねじれ梁６、検出フレーム７０、検出電極８、第１の駆動電極１１、第２の駆動電極２１の各部に対応する。

次に、本実施の形態の加速度センサを構成する部材間の電気的な接続について説明する。慣性質量体３、リンク梁４、アンカー５、ねじれ梁６、検出フレーム７０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。一方、基板１と、第１および第２の検出電極８１、８２、第１および第２の駆動電極１１、２１とは絶縁膜９を介しており、基板１は上記のいずれの部位とも電気的に接続されていない。

また、図１４を参照して、第１および第２の検出電極８１、８２と検出フレーム７０との間にはそれぞれ静電容量Ｃｄ１、Ｃｄ２が形成される。同様に、検出フレーム７０と第１の駆動電極１１との間には静電容量Ｃｓ１が、検出フレームと第２の駆動電極２１との間には静電容量Ｃｓ２が形成される。

ここで容量−電圧変換回路１０２についてさらに詳しく説明する。
図１５を参照して、センサ素子構造体１０１で形成される静電容量Ｃｄ１、Ｃｄ２と併せ、容量−電圧変換回路１０２は図に示すように構成される。図中Ｖｄに一定の電圧が印加されると、出力Ｖｏｕｔは次の式２で表される。

検出フレーム７０のねじれ軸線Ｔを中心とした回転変位によって静電容量Ｃｄ１、Ｃｄ２が変化すると、変位に対して（Ｃｄ１／（Ｃｄ１＋Ｃｄ２））は、比例して変化し、検出フレーム７０の回転変位に応じたＶｏｕｔを得ることができる。

そして、容量−電圧変換回路１０２の出力に基づき、検出フレーム７０の変位信号が一定の値となるように、第１および第２の駆動電極１１、２１の選択、印加電圧の算出、電圧印加がサーボ制御回路１０３よって行われる。

なお、本実施の形態の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、第１および第２の駆動電極１１、２１への電圧印加のために、センサ素子構造体１０１と容量−電圧変換回路１０２とサーボ制御回路１０３との電気的な接続が行われる。これらの接続は、アンカー５、第１および第２の検出電極８１、８２、第１および第２の駆動電極１１、２１等から基板１上の配線パターンやボンディングワイヤによって可能であり、図示しない。

次に、本実施の形態の加速度センサの動作および作用効果について、比較例の加速度センサと比較して説明する。

図１６および図１７を参照して、この比較例の加速度センサのセンサ素子構造体１０１では、第１および第２の駆動電極１１、２１は、それぞれ検出フレーム７０との対向面積Ｓ１、Ｓ２が等しくなるように設けられている。

図１８を参照して、紙面上向き（正方向）の加速度の印加により、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。このとき、図示しないリンク梁およびねじれ梁でそれぞれ慣性質量体３とアンカー５とに接続された検出フレーム７０は、リンク梁およびねじれ梁の変形による復元力とつりあうようにねじれ軸まわりに回転変位する。この回転変位により第１および第２の検出電極８１、８２と検出フレーム７０とのギャップ間隔がそれぞれ変化し、静電容量Ｃｄ１は増加、静電容量Ｃｄ２は減少し、容量−電圧変換回路の出力が変化し、検出フレーム７０の回転変位、さらに慣性質量体３の変位を知ることができる。

図１９を参照して、ここで第２の駆動電極２１に電圧Ｖｓ２１が印加されると、検出フレーム７０との間に形成されている静電容量Ｃｓ２１に静電力Ｆｓ２１が生じる。静電力Ｆｓ２１は、印加電圧Ｖｓ２１、検出フレームと駆動電極２１とのギャップ間隔ｄｓ２１、対向面積ｓ２１を用いて、次式で示される。ここでεは誘電率である。

静電力Ｆｓ２１により、ねじれ軸周りの回転を、もとに戻す方向に検出フレーム７０を回転させることができる。結果、図２０に示すように、印加加速度による慣性力Ｆａと、梁の復元力および電圧印加による静電力Ｆｓ２１とがつりあう位置に検出フレーム７０は変位する。印加電圧Ｖｓ２１により、発生する静電力Ｆｓ２１を変化させることできるので、検出フレーム７０の回転変位を０とするようにＶｓ２１を制御することができる。検出フレーム７０の回転変位を０にするための静電力Ｆｓ２１は、印加加速度の大きさに比例する。ここで、検出フレーム７０の回転変位を０とするような印加電圧Ｖｓ２１を印加電圧Ｖｓ２１ｏとする。印加電圧Ｖｓ２１ｏおよび検出フレーム７０の回転変位はいずれも印加加速度Ｇに対して単調関数であるから、印加加速度Ｇに対して、印加電圧Ｖｓ２１ｏは一意に定まる。すなわち、検出フレーム７０の変位に基づく容量−電圧変換回路の出力を目標値、印加電圧を制御量とするサーボ制御を適用し、印加電圧に基づき正方向の加速度検出を行うことができる。

図２１を参照して、印加加速度Ｇと、相当する第２の駆動電極２１への印加電圧Ｖｓ２１ｏとの関係は、式３に示すように、ギャップ間隔が一定のもとでは、発生する静電力の大きさは印加電圧Ｖｓの２乗に比例するから、概ね図に示すような関係となる。

また、図示しないが、紙面下向き（負方向）の加速度の印加により、慣性質量体３が基板１から離れる方向に慣性力Ｆａを受けて変位する場合にも、同様に、第１の駆動電極１１に対して電圧Ｖｓ１１を印加し、回転変位を０とする印加電圧Ｖｓ１１ｏに基づいた加速度検出を行うことができる。すなわち、図２２に示すように、加速度の正負にかかわらず、検出フレーム７０の回転変位を０にするように、電圧を印加する第１および第２の駆動電極１１、２１および印加電圧を制御することにより、加速度検出を行うことができる。

図２２に示す印加加速度Ｇと、変位を０にするための印加電圧Ｖｓとの関係において、その傾き、すなわち、印加加速度Ｇの変化ΔＧに対する、印加電圧Ｖｓの変化ΔＶｓに注目すると、図２３に示すように、絶対値が大きな印加加速度域では、相対的に、（ΔＶｓ／ΔＧ）が小さくなっていくことがわかる。これは、印加電圧に基づいて加速度を検出する方式では、絶対値が大きな印加加速度域では相対的に検出分解能が下がり、検出分解能が印加加速度域により変化することを意味している。

続いて、加速度センサに重力が作用する状態での比較例の加速度センサの動作を説明する。図２４を参照して、一例として、車両の上下方向の振動等を検出する目的で、この比較例の加速度センサを基板面を車両の底面とほぼ平行に、すなわち加速度の検出軸方向に重力が加わるように設置して使用する場合を想定する。

図２５を参照して、この加速度センサには、一定の加速度として重力が常時印加されているため、重力加速度＋１Ｇ（Ｇ：重力加速度９．８ｍ／ｓ²）により、センサ素子構造体１０１の慣性質量体３は、下方に変位する。

図２６を参照して、この状態で、車両の走行等によって、車両に上下方向の振動が加わり、この振動に伴う加速度を検出する場合には、重力加速度＋１Ｇ付近を基準に、振動等の運動に伴う加速度が加わることになる。

そのため、車両の上下方向の振動に伴う加速度を検出する際には、重力加速度分がオフセットとして加わっていることになり、物体が振動していない状態でも、加速度センサの慣性質量体３は変位し、検出フレーム７０は重力により水平にはならず、重力以外の物体の振動に伴う加速度が同じ大きさでも、その加速度の正負によって、サーボ制御のための印加電圧が異なり、検出特性の対称性が損なわれる。さらに、物体の振動に伴う加速度が同じ大きさでも、その正負によって、検出分解能が異なってしまうという問題がある。一般に、加速度検出範囲を低加速度域とする加速度センサでは、重力加速度による変位が、検出範囲に対して相対的に大きな割合を占めるようになるため、この問題の影響は低加速度域を検出する加速度センサで顕著となる。

これに対して、本実施の形態の加速度センサでは、比較例の加速度センサと同様に、検出フレームの変位に基づく容量−電圧変換回路の出力を目標値、印加電圧を制御量とするサーボ制御を適用し、印加電圧に基づき正方向の加速度検出を行うができる。そして、サーボ制御の際の目標とする、検出フレームの回転変位を、重力が印加されているときの変位とし、制御が行われる。本実施の形態の加速度センサについて以下に詳しく説明する。

図２７を参照して、本実施の形態の加速度センサが加速度検出軸方向に重力が加わるように設置されると、センサ素子構造体１０１の慣性質量体３は紙面下方に変位し、検出フレーム７０は紙面左回りに回転変位する。このときの変位をそれぞれ上下（直線）変位Ｚ１Ｇ、回転変位Ｒ１Ｇとし、このときの容量−電圧変換回路出力をＶｏｕｔ１Ｇとする。また、前述のように、このときの検出フレーム７０と第１の駆動電極１１との距離が第１の間隔ｄｓ１ｏであり、検出フレーム７０と第２の駆動電極２１との距離が第２の間隔ｄｓ２ｏである。また、検出フレーム７０と第２の駆動電極２１との対向面積は対向面積Ｓ２である。

この状態で、さらに加速度センサに、検出したい紙面上向きの加速度Ｇｂが印加されると、慣性質量体３はさらに下方に変位し、検出フレーム７０はさらに左に回転変位するが、第２の駆動電極２１に電圧を印加して発生する静電力により、容量−電圧変換回路出力をＶｏｕｔ１Ｇとするように検出フレーム７０の変位を回転変位Ｒ１Ｇに戻すことができる。発生する静電力Ｆｓ２１の大きさは、式３と同様に考えることができ、次の式４で与えられる。

検出フレーム７０の回転変位をＲ１Ｇにするための静電力は、印加加速度Ｇｂの大きさに比例する。ここで、検出フレーム７０の回転変位をＲ１Ｇに戻すような印加電圧Ｖｓ２１をＶｓ２１ｏとする。印加電圧Ｖｓ２１ｏおよび検出フレーム７０の回転変位はいずれも印加加速度Ｇｂに対して単調関数であるから、印加加速度に対して、Ｖｓ２１ｏは一意に定まる。すなわち、検出フレーム７０の変位に基づく容量−電圧変換回路の出力Ｖｏｕｔ１Ｇを目標値、印加電圧Ｖｓ２１を制御量とするサーボ制御を適用し、印加電圧Ｖｓ２１ｏに基づき正方向の加速度検出を行うことができる。

また、検出フレームの回転変位がＲ１Ｇの状態で、加速度センサに、紙面下向きの加速度Ｇｂが印加されると、慣性質量体３は上方に変位し、検出フレーム７０は右に回転変位するが、第１の駆動電極１１に電圧を印加して発生する静電力により、変位を回転変位Ｒ１Ｇに戻すことができる。前述のとおり、検出フレーム７０と第１の駆動電極１１との対向面積は対向面積Ｓ１である。発生する静電力Ｆｓ１１の大きさは、次の式５で与えられる。

この場合にも、同様に、第１の駆動電極１１に対して電圧Ｖｓ１１を印加し、回転変位をＲ１Ｇに戻すような印加電圧Ｖｓ１１ｏに基づいた加速度検出を行うことができる。したがって、印加加速度Ｇｂの正負にかかわらず、検出フレーム７０の回転変位をＲ１Ｇに戻すよう、電圧を印加する第１および第２の駆動電極１１、２１および印加電圧を制御することにより、印加加速度の検出を行うことができる。

ここで、上記式１に示す関係があるから、上記式４および上記式５での、印加電圧の２乗と発生する静電力の大きさとの間の比例定数は次の式６のように、それぞれ等しくなる。

図２８を参照して、本実施の形態の加速度センサでは、検出したい印加加速度Ｇｂと、相当する第２の駆動電極２１への印加電圧Ｖｓ２１ｏとの関係は、概ね図に示すような関係となる。ここで、横軸の印加加速度Ｇには重力加速度による＋１Ｇを含めた加速度として図示している。

図２８に示すように、本実施の形態の加速度センサによれば、印加加速度Ｇｂの正負によらず、大きさが同じであれば、サーボ制御のための印加電圧Ｖｓ１１、Ｖｓ２１は等しく、検出特性の対称性も確保できる。さらに、印加加速度Ｇｂの正負によらず、大きさが同じであれば、検出分解能も同一にできる。

つまり、本実施の形態の加速度センサによれば、第１の対向面積Ｓ１／第２の対向面積Ｓ２が、第１の間隔ｄｓ１ｏ／第２の間隔ｄｓ１ｏの２乗に等しいという関係がある。これにより、重力のような一定の加速度以外の印加されている加速度について、その大きさの正負によらず、加速度と印加電圧との関係が同じになるようにし、加速度の正負の検出特性を対称にすることができる。したがって、重力のような一定の加速度が印加された状態で、この一定の加速度以外の加速度の正負によらず、検出特性の対称性を確保することができる。

なお、本実施の形態の加速度センサとの対比のため、比較例の加速度センサにおいて、サーボ制御の際の目標とする検出フレームの回転変位をＲ１Ｇとした場合について検討する。

図２９を参照して、比較例の加速度センサにおいては、印加加速度Ｇｂと、相当する駆動電極への印加電圧Ｖｓ２１ｏとの関係は、概ね図に示すような関係となる。図２９には本実施の形態の加速度センサでの関係を併せて示されている。同じ回転変位Ｒ１Ｇを目標変位としているサーボ制御を行っており、第１の駆動電極１１と検出フレーム７０との対向面積Ｓ１および、第２の駆動電極２１と検出フレーム７０との対向面積Ｓ２とを同じにしているため、Ｖｓ２１ｏは同じ特性となる。

一方、比較例の駆動電極１１の面積は、本実施の形態の第１の駆動電極１１の面積に較べて大きく、検出フレーム７０との対向面積も大きい。このため、同じ電極間距離ｄｓ１ｏで同じ印加電圧でも、比較例の加速度センサの方が、本実施の形態の加速度センサに較べて、大きな静電力を生じさせる。そのため、図２９に示すように、比較例の加速度センサと本実施の形態の加速度センサとでは、Ｖｓ１１ｏの特性に差異が生じ、結果として、検出特性の対称性は確保できず、さらに検出分解能も同一にできない。

また、本実施の形態の加速度センサにおいては、第１の駆動電極１１と検出フレーム７０との第１の対向面積ｓ１と第２の駆動電極２１と検出フレーム７０との第２の対向面積ｓ２との比と、一定の力や加速度が印加されている状態での、検出フレーム７０と第１の駆動電極１１との距離である第１の間隔ｄｓ１ｏと検出フレーム７０と第２の駆動電極との距離である第１の間隔ｄｓ２ｏとの比の２乗とが等しくなるようにしている。しかし、第１の対向面積Ｓ１＞第２の対向面積Ｓ２、かつ第１の間隔ｄｓ１ｏ＞第２の間隔ｄｓ２ｏ、あるいは第１の対向面積Ｓ１＜第２の対向面積Ｓ２、かつ第１の間隔ｄｓ１ｏ＜第２の間隔ｄｓ２ｏであれば、印加される加速度の正負の検出特性を対称に近づけることができ、印加される加速度の正負の検出分解能の差異を小さくすることができる。

つまり、本実施の形態の加速度センサによれば、第１の対向面積Ｓ１＞第２の対向面積Ｓ２かつ第１の間隔ｄｓ１ｏ＞第２の間隔ｄｓ２ｏおよび第１の対向面積Ｓ１＜第２の対向面積Ｓ２かつ第１の間隔ｄｓ１ｏ＜第２の間隔ｄｓ２ｏのいずれかの関係がある。このため、重力のような一定の加速度以外の印加されている加速度について、その大きさの正負による加速度と印加電圧との関係の差異を小さくすることができる。これにより、重力のような一定の加速度が印加された状態で、この一定の加速度以外の加速度の正負によらず、加速度の検出特性の対称性を向上することができる。

また、本実施の形態の加速度センサによれば、一定の加速度は重力加速度（９．８ｍ／ｓ²）である。このため、重力が働くもとで、重力方向の振動等を測定する場合に、重力以外に印加される加速度の検出特性の対称性を確保することができる。そして、印加される加速度の正負によらず、大きさが同じであれば、検出分解能を同一にできる。

また、本実施の形態の加速度センサによれば、変位部材７と検出電極８との間に形成される静電容量の変化を用いて、変位部材７の変位を検出することができる。

また、本実施の形態の加速度センサによれば、加速度による慣性質量体３の変位を検出フレーム７０の回転変位に変換することによって、検出電極８を基板１側だけに配置することができる。したがって、いわゆる半導体微細加工技術により構造体を一体に精度良く作製できる。

また、本実施の形態の加速度センサにおいては、検出軸方向に重力が常時作用している場合の動作を説明したが、作用している重力の方向が検出軸方向でなくてもよい。重力のセンサの加速度検出軸方向の成分による変位を目標変位として設定し、この目標変位での、電極の距離、対向面積を上記式１を満たすようにすれば、作用している重力以外の、検出したい印加加速度の検出特性の対称性が確保できる。そして、印加される加速度の正負によらず、大きさが同じであれば、検出分解能を同一にできる。

また、本実施の形態の加速度センサにおいては、重力が常時作用している場合の動作を説明した。しかし、たとえば、一定の力や等加速度運動のような一定の加速度が作用しているもとであれば、同様に、駆動電極面積、サーボ制御の際の目標変位を設定することにより、常時作用している力や加速度以外に印加されている加速度の検出特性の対称性が確保できる。そして、印加される加速度の正負によらず、大きさが同じであれば、検出分解能を同一にできる。

また、本実施の形態の加速度センサにおいては、検出電極８の内側に第１の駆動電極１１、第２の駆動電極２１を配しているが、いずれも検出フレーム７０との間に静電容量を形成し静電力を発生させることができればよく、平面上の位置や配置に依らない。

また、本実施の形態の加速度センサにおいては、一つの検出フレーム７０を慣性質量体３が取り囲む構成であるが、複数の検出フレーム７０を慣性質量体３が囲む形態としてもよい。すなわち、図３０〜図３２を参照して、本実施の形態の一変形例では、慣性質量体３はたとえば２つの検出フレームを囲む。第１および第２のアンカー５ａ、５ｂに第１および第２の検出フレーム７ａ、７ｂが支持されている。第１および第２のねじれ梁６ａ、６ｂと第１および第２のリンク梁４ａ、４ｂとの相対的な位置関係を反対にすると、慣性質量体３が基板１の厚み方向に変位する場合には、第１および第２の検出フレーム７ａ、７ｂがそれぞれ逆向きに回転変位し、慣性質量体３が傾斜する。あるいは基板１に平行またはほぼ平行な方向（面内方向）に変位する場合には、第１および第２の検出フレーム７ａ、７ｂは、同じ方向に回転変位する。

そのため、第１および第２の検出フレーム７ａ、７ｂが互いに逆向きに回転変位する場合にのみ感度が高くなるように、第１の検出電極８１ａ、８１ｂと第２の検出電極８２ａ、８２ｂとを、それぞれ接続して静電容量Ｃｄ１、Ｃｄ２とすることで、検出軸方向以外の加速度に対する感度を抑制し、角速度や角加速度の影響を受けにくくすることができる。

また、本実施の形態の加速度センサにおいては、容量−電圧変換回路１０２により、検出フレーム７０と第１および第２の検出電極８１、８２との間の静電容量差を電圧に変換することで、検出フレーム７０の変位信号を得ているが、変位に応じた信号が得られればよく、回路方式、検出方式等に依らない。

また、本実施の形態の加速度センサにおいては、第１の駆動電極１１、第２の駆動電極２１、検出電極８を同一平面に作製しているため、実施の形態２にて説明する、上記各電極を同一平面に設けていない加速度センサに較べ、電極の作製のプロセスが簡易になるという効果もある。

（実施の形態２）
本発明の実施の形態２の加速度センサについて説明する。以下、特に説明しない限り、実施の形態１と同一の構成には同一の符号を付し、説明を繰り返さない。本実施の形態の加速度センサは、実施の形態１の加速度センサに対し、駆動電極と検出フレームとの対向面積、駆動電極と検出フレームとの距離に関して異なる形態である。

図３３に、本実施の形態の加速度センサのセンサ素子構造体の電極配置を示す、実施の形態１の加速度センサの図５に相当する断面図を示す。図３４に、本実施の形態の加速度センサのセンサ素子構造体の電極配置を示す、実施の形態１の加速度センサの図４に相当する断面図を示す。

図３３および図３４を参照して、本実施の形態の加速度センサのセンサ素子構造体では、第１の駆動電極１１と第２の駆動電極２１の面積を等しくし、第１および第２の駆動電極と検出フレーム７０との対向面積Ｓ１、Ｓ２が等しくなるように設定されている。また、一定の力や加速度が作用している状態での、第１の駆動電極１１と検出フレーム７０との距離である第１の間隔ｄｓ１ｏと第２の駆動電極２１と検出フレーム７０との距離である第２の間隔ｄｓ２ｏとが等しくなっている。

第１の駆動電極１１を作製する位置の基板１を凹ませているが、これは実施の形態１の加速度センサのセンサ素子構造体の製造工程において、絶縁膜９を成膜する工程の前に、基板１の第１の駆動電極１１に相当する箇所をエッチング等の処理を施すことで実現できる。

本実施の形態の加速度センサにおいても、検出したい印加加速度Ｇｂの正負によらず、印加電圧の２乗と発生する静電力の大きさとの間の比例定数は上記式６のように等しくすることができる。このため、印加加速度Ｇｂの正負によらず、大きさが同じであれば、サーボ制御のための印加電圧Ｖｓ１１、Ｖｓ２１は等しく、印加加速度Ｇｂの検出特性の対称性も確保できる。さらに、印加加速度Ｇｂの正負によらず、大きさが同じであれば、検出分解能も同一にできる。

さらに、本実施の形態の加速度センサによれば、図３３の上面図に示すように、実施の形態１の加速度センサ素子に較べ、第１の駆動電極１１が大きく、検出フレーム７０への静電力の印加に際して、より一様に力を加えることができる。

本実施の形態の加速度センサにおいては、第１の駆動電極１１を作製する位置の基板１を凹ませることによって、一定の力や加速度が作用している状態での、第１の駆動電極１１と検出フレーム７０との距離である第１の間隔ｄｓ１ｏと第２の駆動電極２１と検出フレーム７０との距離である第２の間隔ｄｓ２ｏとを等しくしている。しかし、図３５に示す本実施の形態の変形例１のように、第２の駆動電極２１を作製する位置の絶縁膜９の厚みを厚くすることによって実現してもよい。あるいは、第２の駆動電極２１を構成する材料である導電性ポリシリコン膜の厚みを厚くしてもよい。また、図３６に示す本実施の形態の変形例２のように、検出フレーム７０に凹凸を作製してもよい。さらに、これらの構造を併用してもよい。

上記の加速度センサにおいては、一定の力や加速度が作用している状態での、第１および第２の検出電極８１、８２と検出フレーム７０との距離ｄ１ｏ、ｄ２ｏは互いに異なっている。しかし、図３７に示す本実施の形態の変形例３のように、一定の力や加速度が作用している状態での、第１および第２の検出電極８１、８２の検出フレーム７０との距離ｄ１ｏ、ｄ２ｏが等しくなるようにしてもよい。サーボ制御の目標値となる回転変位において、静電容量Ｃｄ１とＣｄ２との差が０となり、サーボ制御を容易に行うことができ、電気回路への負担を小さくすることができる。

また、本実施の形態の加速度センサにおいても、第１および第２の検出電極８１、８２の内側に第１および第２の駆動電極１１、２１が配置されているが、いずれも検出フレーム７０との間に静電容量を形成し静電力を発生させることができればよく、平面上の位置や配置に依らない。

また、本実施の形態の加速度センサにおいても、一つの検出フレーム７０を慣性質量体３が取り囲む構成であるが、図３０に上面図を示す実施の形態１の形態と同様に、複数の検出フレームを囲む形態としてもよい。これにより、検出軸方向以外の加速度に対する感度を抑制し、角速度や角加速度の影響を受けにくくすることができる。

（実施の形態３）
以下に、本発明の実施の形態３の加速度センサについて説明する。

本実施の形態の加速度センサは、実施の形態１の加速度センサに対し、駆動電極およびサーボ制御回路の構成に関して異なる形態である。

図３８に、本実施の形態の加速度センサのセンサ素子構造の電極配置を示す、実施の形態１の加速度センサの図５に相当する断面図を示す。図３９に、本実施の形態の加速度センサの構成図を示す。

図３８および図３９を参照して、本実施の形態の加速度センサでは、第１の駆動電極１１は少なくとも１つの第１の電極部１１１〜１１８を含んでいる。第２の駆動電極２１は少なくとも１つの第２の電極部２１１〜２１８を含んでいる。第１および第２の駆動電極１１、２１は、第１の電極部１１１〜１１８に印加される電圧の合計と第２の電極部２１１〜２１８に印加される電圧の合計とが異なるように構成されている。

具体的には、第１の駆動電極１１および第２の駆動電極２１はそれぞれ、等しい面積を有する第１の電極部１１１〜１１８、第２の電極部２１１〜２１８を有している。言い換えると、第１の駆動電極１１および第２の駆動電極２１はそれぞれ、第１の電極部１１１〜１１８、第２の電極部２１１〜２１８に等分割されている。そして、第１の駆動電極１１および第２の駆動電極２１は、静電力を発生するための電圧印加を選択的に行えるように構成されている。これに対応して、サーボ制御回路１０３も、第１の電極部１１１〜１１８および第２の電極部２１１〜２１８に対して電圧を印加するか否かのオン、オフを選択できるスイッチの機能を有するように構成されている。オフを選択した第１および第２の電極部１１１〜１１８、２１１〜２１８は、検出フレーム７０と同じ電位となるようにして、検出フレーム７０との間に静電力が働かないように制御される。

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。第１および第２の電極部１１１〜１１８、２１１〜２１８と検出フレーム７０とが形成する静電容量をそれぞれ、Ｃｓ１１〜Ｃｓ１８、Ｃｓ２１〜Ｃｓ２８とする。実施の形態１において、たとえば、第１の駆動電極１１の検出フレーム７０との第１の対向面積Ｓ１が、第２の駆動電極２１と検出フレーム７０との第２の対向面積Ｓ２に対して５／８であったとすると、本実施の形態の加速度センサでは、第１の電極部１１１〜１１８のうちの５つ（たとえば第１の電極部１１１、１１２、１１５、１１７、１１８）をオンに、それ以外の３つの電極（たとえば第１の電極部１１３、１１４、１１６）をオフに、第２の駆動電極２１１〜２１８の８つすべてをオンにすることで、等価的に第１の駆動電極１１の面積が第２の駆動電極２１の面積に対して５／８となり、実施の形態１と同じ動作をさせることができる。

本実施の形態の加速度センサにおいても、印加加速度の正負によらず、印加電圧の２乗と発生する静電力の大きさとの間の比例定数は上記式６のように等しくすることができるため、印加加速度の正負によらず、大きさが同じであれば、サーボ制御のための印加電圧Ｖｓ１１、Ｖｓ２１は等しく、検出特性の対称性も確保できる。さらに、印加加速度Ｇｂの正負によらず、大きさが同じであれば、検出分解能も同一にできる。

さらに、本実施の形態の加速度センサによれば、センサ素子構造体の設置環境や設置場所、姿勢の変更により、作用する一定の力や加速度が変化した場合にも柔軟に対応し調整することができる。たとえば、分割した第１の駆動電極１１のうち、電圧を印加する電極の数を５から４とすることで、ｄｓ１ｏ／ｄｓ２ｏが０．７９（＝（５／８）^1/2）から０．７１（＝（４／８）^1/2）の変化に相当する、常時作用する一定の力や加速度の変化に対応できる。

本実施の形態の加速度センサにおいては、第１の駆動電極１１と第２の駆動電極２１とはそれぞれ８つに等分割されているが、分割数やそれぞれの電極面積の大きさに差異があってもよい。分割数を多くすることで、サーボ制御回路は規模が大きくなるが、より細かな調整が可能となる。

（実施の形態４）
以下に、本発明の実施の形態４の加速度センサについて説明する。

本実施の形態の加速度センサは、実施の形態１の加速度センサに対し、センサ素子構造体の構成に関して異なる形態である。

図４０および図４１を参照して、本実施の形態の加速度センサのセンサ素子構造体１０１は、基板１と、基板１に絶縁膜９を介して支持されたアンカー５と、アンカー５に支持された変位部材７とを備えている。変位部材７は、慣性質量体３と、支持梁６０と、可動電極７１とを備えている。

支持梁６０はアンカー５に接続されている。慣性質量体５は、支持梁６０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３は可動電極７１と接続されており、可動電極７１は慣性質量体３の変位により同じ方向に変位する。可動電極７１は慣性質量体３の対向する側面から外方に延在している。本実施の形態では、この可動電極７１が実施の形態１での「検出フレーム」として機能する。基板１には、第１の駆動電極１１、第２の駆動電極２１および検出電極８１、８２が可動電極７１と対向するように、慣性質量体３の対向する側面にそれぞれ櫛歯状に設けられている。なお、図４０および図４１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、同じハッチングで示している電極は、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されている。

ここで、櫛歯状の第１の駆動電極１１と可動電極７１との距離、第２の駆動電極２１と可動電極７１との距離はそれぞれ同じになるように作製されている。また第１の駆動電極１１は、第２の駆動電極２１よりも、可動電極７１とのそれぞれの対向面積の総和が小さくなるように設けられている。具体的には、第１の駆動電極１１と可動電極７１との対向面積の総和が対向面積Ｓ４１であり、第２の駆動電極２１と可動電極７１との対向面積の総和が対向面積Ｓ４２である。そして、加速度検出軸方向に重力が印加されている状態での、可動電極７１と第１の駆動電極１１との距離が第１の間隔ｄｓ１ｏであり、可動電極７１と第２の駆動電極２１との距離を第２の間隔ｄｓ２ｏである。このときに、次の式７を満たすように対向面積Ｓ４１、対向面積Ｓ４２とが設定されている。

本実施の形態の加速度センサのセンサ素子構造体では、実施の形態１と同様に、図４１に示すように、第１および第２の検出電極８１、８２と可動電極７１との間に静電容量Ｃｄ１、Ｃｄ２が、第１および第２の駆動電極１１、２１と可動電極７１との間に、それぞれ静電容量Ｃｓ１、Ｃｓ２が形成される。

本実施の形態の加速度センサにおいても、加速度検出軸方向に重力が加わるように設置し、加速度によって変化する、可動電極７１と第１および第２の駆動電極１１、２１との距離である第１および第２の間隔ｄｓ１、ｄｓ２がそれぞれｄｓ１ｏ、ｄｓ２ｏとなるように、第１および第２の駆動電極１１、２１への電圧印加による静電力によって制御することができる。

本実施の形態の加速度センサにおいても、実施の形態１の加速度センサと同様に、駆動電極面積、サーボ制御の際の目標変位を設定することにより、作用している一定の力や加速度以外に印加されている検出したい加速度について検出特性の対称性が確保でき、検出したい印加される加速度の正負によらず、大きさが同じであれば、検出分解能を同一にできる。

また、本実施の形態では、櫛歯状の第１の駆動電極１１と可動電極７１との距離、第２の駆動電極２１と可動電極７１との距離はそれぞれ同じになるように作製され、第１の駆動電極１１は第２の駆動電極２１よりも、可動電極７１とのそれぞれの対向面積の総和が小さくなるように設けられた。しかし、図４２を参照して、第１の駆動電極１１と可動電極７１との対向面積の総和と、第２の駆動電極２１と可動電極７１との対向面積の総和が同じになるように作製され、櫛歯状の第１の駆動電極１１と可動電極７１との距離、第２の駆動電極２１と可動電極７１との距離が異なるように作製されてもよい。上記式１の関係を満たせば、実施の形態１の加速度センサと同様に、駆動電極面積、サーボ制御の際の目標変位を設定することにより、常時作用している一定の力や加速度以外に印加されている加速度の検出特性の対称性が確保でき、印加される加速度の正負によらず、大きさが同じであれば、検出分解能を同一にできる。

また、本実施の形態では、慣性質量体３の対向する側面となる第１および第２の検出電極８１、８２の外側に第１および第２の駆動電極１１、２１を配置しているが、第１および第２の検出電極８１、８２、第１および第２の駆動電極１１、２１は可動電極７１との間に静電容量を形成し、静電力を発生させることができればよく、位置や配置、本数に依らない。また、変位部材７は印加された加速度に応じて基板１に対して面内方向に変位することできればよく、支持梁６０の形態や、慣性質量体３の形態、支持方法に依らない。

また、本実施の形態では、櫛歯状の第１および第２の駆動電極が複数個設けられているため、個々の第１および第２の駆動電極と可動電極７１との間に働く静電引力が小さくても、合成された静電引力が大きなものとなるため、低い電圧でも強い駆動力を発揮する。したがって、本実施の形態の加速度センサは、駆動力の増加、駆動電圧の低電圧化、駆動精度向上などの利点を有する。

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、３ 慣性質量体、４ リンク梁、４ａ 第１のリンク梁、４ｂ 第２のリンク梁、５ アンカー、５ａ 第１のアンカー、５ｂ 第２のアンカー、６ ねじれ梁、６ａ 第１のねじれ梁、６ｂ 第２のねじれ梁、７ 変位部材、７ａ 第１の検出フレーム、７ｂ 第２の検出フレーム、８ 検出電極、９ 絶縁膜、１１ 第１の駆動電極、１１ａ 第１の駆動電極、１１ｂ 第１の駆動電極、２１ 第２の駆動電極、２１ａ 第２の駆動電極、２１ｂ 第２の駆動電極、６０ 支持梁、７０ 検出フレーム、７１ 可動電極、８１ 第１の検出電極、８１ａ 第１の検出電極、８１ｂ 第１の検出電極、８２ 第２の検出電極、８２ａ 第２の検出電極、８２ｂ 第２の検出電極、１００ 加速度センサ、１０１ センサ素子構造体、１０２ 容量−電圧変換回路（検知手段）、１０３ サーボ制御回路（制御手段）、１１１〜１１８ 第１の電極部、２０１ 導電性ポリシリコン膜、２０２ ＰＳＧ膜、２０３ 導電性ポリシリコン膜、２１１〜２１８ 第２の電極部。

Claims (7)

1. 基板と、
   前記基板に支持されたアンカーと、
   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変位部材と、
   前記変位部材の変位方向に前記変位部材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、前記変位部材との間に発生する静電力により前記変位部材を駆動する第１および第２の駆動電極と、
   加速度が印加されることによって生じる前記変位部材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変位部材の変位に応じて、前記第１および第２の駆動電極の少なくともいずれかに電圧を印加し、加速度検出方向に一定の加速度が印加されており、前記変位部材と前記第１および第２の駆動電極との間にそれぞれ電圧が印加されていない初期状態における初期位置に前記変位部材を駆動するように制御する制御手段とを備え、
   前記初期状態で、前記変位部材と前記第１の駆動電極との第１の対向面積と、前記変位部材と前記第２の駆動電極との第２の対向面積と、
   前記変位部材と前記第１の駆動電極との第１の間隔と、前記変位部材と前記第２の駆動電極との第２の間隔との間に、
   前記第１の対向面積＞前記第２の対向面積かつ前記第１の間隔＞前記第２の間隔および
   前記第１の対向面積＜前記第２の対向面積かつ前記第１の間隔＜前記第２の間隔のいずれかの関係があり、
   前記変位部材を前記初期位置に駆動するように前記制御手段によって印加された電圧に基づいて、印加された加速度が検出される、加速度センサ。
2. 基板と、
   前記基板に支持されたアンカーと、
   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変位部材と、
   前記変位部材の変位方向に前記変位部材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、前記変位部材との間に発生する静電力により前記変位部材を駆動する第１および第２の駆動電極と、
   加速度が印加されることによって生じる前記変位部材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変位部材の変位に応じて、前記第１および第２の駆動電極の少なくともいずれかに電圧を印加し、加速度検出方向に一定の加速度が印加されており、前記変位部材と前記第１および第２の駆動電極との間にそれぞれ電圧が印加されていない初期状態における初期位置に前記変位部材を駆動するように制御する制御手段とを備え、
   前記初期状態で、前記変位部材と前記第１の駆動電極との第１の対向面積と、前記変位部材と前記第２の駆動電極との第２の対向面積と、
   前記変位部材と前記第１の駆動電極との第１の間隔と、前記変位部材と前記第２の駆動電極との第２の間隔との間に、
   前記第１の対向面積／前記第２の対向面積が、前記第１の間隔／前記第２の間隔の２乗に等しいという関係があり、
   前記変位部材を前記初期位置に駆動するように前記制御手段によって印加された電圧に基づいて、印加された加速度が検出される、加速度センサ。
3. 前記第１の対向面積と前記第２の対向面積とが等しく、前記第１の間隔と前記第２の間隔とが等しい、請求項２に記載の加速度センサ。
4. 前記第１の駆動電極は少なくとも１つの第１の電極部を含み、
   前記第２の駆動電極は少なくとも１つの第２の電極部を含み、
   前記第１および第２の駆動電極は、前記第１の電極部に印加される電圧の合計と前記第２の電極部に印加される電圧の合計とが異なるように構成されている、請求項１または２に記載の加速度センサ。
5. 前記一定の加速度は重力加速度である、請求項１〜４のいずれか１項に記載の加速度センサ。
6. 前記変位部材と対向して配置されており、前記変位部材との間に静電容量を形成する検出電極をさらに備え、
   前記変位部材と前記検出電極との間の静電容量の変化によって前記変位部材の変位が検出される、請求項１〜５のいずれか１項に記載の加速度センサ。
7. 前記変位部材は、
   前記アンカーに支持されており、かつ、ねじれ軸線を中心としてねじることができるねじれ梁と、
   前記ねじれ軸線を中心に前記基板に対して回転可能に前記ねじれ梁に支持された検出フレームと、
   平面視において前記ねじれ軸線からずれた仮想線上で前記検出フレームに支持されたリンク梁と、
   前記基板と前記検出フレームとが対向する方向に前記基板に対して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み、
   前記検出フレームに対向するように前記基板上に、前記第１および第２の駆動電極と前記検出電極とが配置されている、請求項６に記載の加速度センサ。

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