JP2011137824A - 力学量センサ - Google Patents

Abstract

【課題】力学量の印加により変位する可動部を有し、この可動部の変位量により力学量を検出する力学量センサにおいて、過大な力学量によって可動部が過大変位するのを防止する。
【解決手段】可動部３１が力学量によって変位する方向とは反対の方向に、可動部３１に対して加速度を加えるアクチュエータ４０を備え、可動部３１は、一方向に駆動振動するとともに角速度が印加されたときに、この駆動振動の方向とは直交する方向に印加されるコリオリ力によって検出振動する角速度検出素子として構成されており、駆動振動の方向に沿って可動部３１が力学量によって変位する方向とは反対の方向に、可動部３１に対してアクチュエータ４０による加速度の印加を行う。
【選択図】図１

Description

本発明は、力学量により変位する可動部を有する力学量センサに関する。

従来より、この種の力学量センサとしては、力学量の印加により変位する可動部を有し、この可動部の変位量に応じて、印加される力学量を検出するものが提案されている。具体的には、特許文献１および特許文献２などに記載されているような加速度センサなどが提案されている。

このような加速度センサにおいては、可動部は、力学量としての加速度が印加されたときに当該加速度の印加方向に変位する加速度検出素子である。そして、通常は、この可動部と対向して配置された固定部との間で容量が形成されており、可動部の変位に伴う可動部と固定部との当該容量変化に基づいて加速度の検出を行うものである。

特開２００３−２１６４７号公報 特開平９−２１１０２０号公報

しかしながら、上記したような力学量センサにおいては、外部から衝撃などの過大な力学量が加わったとき、可動部も過大な変位を起こし、当該可動部に対向している部分に衝突して、可動部がダメージを受けたり、可動部が相手側の部分に付着するスティッキング現象を起こしたりする恐れがある。

特に、この種の力学量センサでは、センサの特性向上のため、高感度化を行うべく、可動部を支持するバネを軟らかいものとすることが行われている。そのため、構造上の強度が低下し、可動部の過大な変位が起こりやすくなっており、上記した可動部の過大変位の問題が顕著となっている。

本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、力学量の印加により変位する可動部を有し、この可動部の変位量により力学量を検出する力学量センサにおいて、過大な力学量によって可動部が過大変位するのを防止することを目的とする。

上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明は、可動部（３１）が力学量によって変位する方向とは反対の方向に、可動部（３１）に対して加速度を加えるアクチュエータ（４０）を備え、可動部（３１）は、一方向に駆動振動するとともに角速度が印加されたときに、この駆動振動の方向とは直交する方向に印加されるコリオリ力によって検出振動する角速度検出素子として構成されており、駆動振動の方向に沿って可動部（３１）が力学量によって変位する方向とは反対の方向に、可動部（３１）に対してアクチュエータ（４０）による加速度の印加を行うことを、特徴とする。

それによれば、可動部（３１）に印加される力学量が過大であった場合、その過大な力学量によって可動部（３１）の変位も過大となるが、この過大な変位を打ち消すように、可動部（３１）に対してアクチュエータ（４０）から加速度が印加されるため、過大な力学量によって可動部（３１）が過大変位するのを防止することができる。

また、請求項１のように、上記したアクチュエータ（４０）による可動部（３１）への加速度印加を行う構成において、可動部（３１）が、一方向に駆動振動するとともに角速度が印加されたときに、この駆動振動の方向とは直交する方向に印加されるコリオリ力によって検出振動する角速度検出素子として構成されている場合には、駆動振動の方向に沿って可動部（３１）が力学量によって変位する方向とは反対の方向に、可動部（３１）に対してアクチュエータ（４０）による加速度の印加を行うことようにすればよい。

また、請求項２に記載の発明のように、可動部（３１）が角速度検出素子として構成されている場合には、コリオリ力の印加方向に沿って可動部（３１）が力学量によって変位する方向とは反対の方向に、可動部（３１）に対してアクチュエータ（４０）による加速度の印加を行うようにしてもよい。

また、請求項３に記載の発明のように、上記の各構成を有する力学量センサは、可動部（３１）に対して対向する第１の固定部（３２ａ）と、可動部（３１）に対して対向する第２の固定部（３２ｂ）とを備え、力学量の印加時には、可動部（３１）が両固定部（３２ａ、３２ｂ）の一方に近づくとともに他方からは遠ざかるように変位するものであり、可動部（３１）と第１の固定部（３２ａ）との間の容量と、可動部（３１）と第２の固定部（３２ｂ）との間の容量との差動容量をとることにより力学量を検出するもの、いわゆる差動型の力学量センサに用いて好ましい。

また、請求項４に記載の発明のように、上記の各構成においては、可動部（３１）を有するセンサチップ（３０）を、アクチュエータ（４０）の上に重ねて配置してもよい。この場合、体格の小型化が期待できる。

さらに、この場合には、請求項５に記載の発明のように、互いに重なって配置されている可動部（３１）とアクチュエータ（４０）との間に、弾性を有する接着部材（６０）を介在させ、可動部（３１）をこの接着部材（６０）を介してアクチュエータ（４０）上に支持するとともに、可動部（３１）にボンディングワイヤ（５０）を電気的に接続した構成とすることができる。

この場合、接着部材（６０）の弾性により可動部（３１）全体が動くことで、ボンディングワイヤ（５０）がダメージを受けやすいが、そのような場合でも、アクチュエータ（４０）による上記の過大変位の防止効果により、ボンディングワイヤ（５０）のダメージを抑制しやすい。

また、可動部（３１）をアクチュエータ（４０）上に重ねるだけでなく、請求項６に記載の発明のように、アクチュエータ（４０）を、可動部（３１）の周囲に平面的に配置してもよい。

また、請求項７に記載の発明のように、上記の各構成において、可動部（３１）と電気的に接続され可動部（３１）の信号が入力される回路部（２０）を備え、この回路部（２０）に入力された可動部（３１）の信号により、回路部（２０）がアクチュエータ（４０）を駆動させるようにすれば、回路構成の小型化が期待できる。

また、請求項８や請求項９に記載の発明のように、上記の各構成において、アクチュエータ（４０）としては、電圧信号により変位する圧電体を備えたものや、静電力により駆動される静電駆動型のものを採用することができる。

なお、特許請求の範囲およびこの欄で記載した各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示す一例である。

本発明の第１実施形態に係る力学量センサとしての加速度センサの概略構成を示す図であり、（ａ）は概略平面図、（ｂ）は概略断面図である。 図１（ａ）に示される加速度センサにおけるセンサチップの拡大平面図である。 図１に示される加速度センサにおける検出回路の一例を示す回路図である。 第１実施形態における加速度の検出機構およびアクチュエータの制御機構を示すブロック図である。 第１実施形態におけるアクチュエータのノンサーボ式の制御方法の一例を示す説明図である。 本発明の第２実施形態に係る力学量センサとしての加速度センサの概略構成を示す図であり、（ａ）は概略平面図、（ｂ）は概略断面図である。 本発明の第３実施形態に係る力学量センサとしての加速度センサにおける要部の概略平面構成を示す図である。 本発明の第３実施形態に係るアクチュエータおよびアクチュエータステージの概略平面図である。

以下、本発明の実施形態について図に基づいて説明する。なお、以下の各実施形態相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、説明の簡略化を図るべく、図中、同一符号を付してある。

（第１実施形態）
図１は、本発明の第１実施形態に係る力学量センサとしての加速度センサ１００の概略構成を示す図であり、（ａ）は概略平面図、（ｂ）は概略断面図である。また、図２は、図１（ａ）に示される加速度センサ１００におけるセンサチップ３０のより詳細な構成を示すための拡大平面図である。

この加速度センサ１００は、特に限定するものではないが、たとえば、エアバッグ、ＡＢＳ、ＶＳＣ等の作動制御を行うための自動車用加速度センサやジャイロセンサなどに適用することができる。

図１に示されるように、この加速度センサ１００は、大きくは、パッケージ１０と、パッケージ１０上に支持された回路チップ２０と、この回路チップ２０上に設けられたアクチュエータ４０と、このアクチュエータ４０の上に設けられたセンサチップ３０とを備えて構成されている。

パッケージ１０は、センサチップ３０、アクチュエータ４０および回路チップ２０を収納するものであって、加速度センサ１００の本体を区画形成する基部となるとともに、加速度センサ１００を被測定体の適所に取り付けるためのものである。このパッケージ１０は、特に限定するものではないが、セラミックや樹脂などからなる。

図１に示される例では、パッケージ１０は、アルミナなどのセラミック層が複数積層された積層基板として構成されており、このパッケージ１０における配線は、図示しないが、各セラミック層の表面や各セラミック層に形成されたスルーホールの内部などに形成されている。

そして、この配線を介して加速度センサ１００と外部とが電気的に接続可能となっている。また、パッケージ１０の開口部には蓋１１が溶接などにて取り付けられ、パッケージ１０内部を封止している。

回路部としての回路チップ２０は、このパッケージ１０の底面に搭載されており、エポキシ樹脂などよりなる図示しない接着剤を介して、回路チップ２０とパッケージ１０とは固定されている。

この回路チップ２０は、センサチップ３０からの出力信号を処理するための検出回路（後述の図３参照）などが形成されたものである。たとえば、回路チップ２０は、シリコン基板等の半導体基板に半導体プロセスを用いてＭＯＳトランジスタ素子などを形成し、回路を構成したものである。

この回路チップ２０の上には、アクチュエータ４０およびアクチュエータステージ４１を介してセンサチップ３０が搭載されている。ここで、これら回路チップ２０、アクチュエータ４０、アクチュエータステージ４１、センサチップ３０の各間は、図示しないエポキシ樹脂などよりなる接着剤を介して接着されている。

そして、センサチップ３０の各パッド３４（図２参照）、回路チップ２０のパッド２１、およびパッケージ１０における上記した図示しない配線は、金やアルミニウムなどのボンディングワイヤ５０を介して電気的に接続されている。また、アクチュエータ４０のパッド４０ａと回路チップ２０との間もボンディングワイヤ５０を介して電気的に接続されている。

センサチップ３０は、たとえば、第１のシリコン基板と第２のシリコン基板とを酸化膜を介して貼り合わせてなるＳＯＩ（シリコン−オン−インシュレータ）基板により構成されたものであり、可動電極と固定電極との間の容量変化に基づいて加速度を検出する静電容量式加速度センサチップを構成している。この静電容量式加速度センサチップは、周知のものであるため、ここではその概略を述べる。

図２に示されるように、センサチップ３０には、互いに対向する櫛歯状の可動電極３１と固定電極３２ａ、３２ｂとを備えた梁構造体３３が形成されており、図２中の矢印Ｘ方向に力学量としての加速度が印加されると、可動部としての可動電極３１がこの矢印Ｘ方向へ変位する。

そして、この変位量に基づいて両電極３１、３２ａ、３２ｂ間の静電容量信号が変化し、この容量信号は、上記ボンディングワイヤ５０から回路チップ２０へ取り出され、回路チップ２０にて電圧等の信号に変換される。

この変換された信号は、ボンディングワイヤ５０からパッケージ１０へ伝達され、パッケージ１０に備えられた上記配線から外部へ出力される。このようにして、本実施形態においては、矢印Ｘ方向に印加される加速度が検出されるようになっている。

つまり、本実施形態のセンサチップ３０においては、可動部としての可動電極３１は、力学量としての加速度が印加されたときに当該加速度の印加方向に変位する加速度検出素子として構成されている。言い換えれば、本実施形態の可動部３１は、一方向へ変位可能なものであって当該一方向への力学量としての加速度を検出するものとして構成されている。

特に、本実施形態では、可動部としての可動電極３１に対して対向する第１の固定部としての第１の固定電極３２ａと、可動電極３１に対して対向する第２の固定部としての第２の固定電極３２ｂとを備えている。そして、可動部３１の矢印Ｘ方向における加速度の印加時には、可動電極３１は両固定電極３２ａ、３２ｂの一方に近づくとともに他方からは遠ざかるように変位する。

そのため、本実施形態の加速度センサ１００は差動型の検出動作を行うようになっている。この検出動作について具体的に説明する。本加速度センサ１００においては、個々の可動電極３１の側面に対してそれぞれ各固定電極３２ａ、３２ｂの側面が対向して設けられており、これら両電極３１、３２ａ、３２ｂの側面の各対向間隔において、容量を検出するための検出間隔が形成されている。

ここで、図２中の左側に位置する第１の固定電極３２ａにおける図中の下側の側面と可動電極３１との間隔に、第１の容量ＣＳ１が形成されており、一方、右側に位置する第２の固定電極３２ｂにおける図中の上側の側面と可動電極３１との間隔に、第２の容量ＣＳ２が形成されているとする。

そして、図２中の矢印Ｘ方向へ加速度が印加されると、可動電極３１全体が一体的に当該矢印Ｘ方向へ変位し、この可動電極３１の変位に応じて上記各容量ＣＳ１、ＣＳ２が変化する。

たとえば、上記図１において、可動電極３１が、矢印Ｘ方向に沿って下方へ変位したときを考える。このとき、第１の固定電極３２ａと可動電極３１との間隔は広がり、一方、第２の固定電極３２ｂと可動電極３１との間隔は狭まる。そのため、上記第１の容量ＣＳ１は小さくなり、上記第２の容量ＣＳ２は大きくなり、これらの差動容量（ＣＳ１−ＣＳ２）をとることで検出感度が向上する。

こうして、本実施形態では、可動電極３１と各固定電極３２ａ、３２ｂによる差動容量（ＣＳ１−ＣＳ２）の変化に基づいて、矢印Ｘ方向の加速度を検出するようにしている。具体的には、この差動容量（ＣＳ１−ＣＳ２）に基づく信号が加速度センサ１００から出力信号として出力され、この信号は上記回路チップ２０にて処理され、最終的に出力される。

図３は、本加速度センサ１００における加速度を検出するための検出回路２００の一例を示す回路図である。この検出回路２００において、スイッチドキャパシタ回路（ＳＣ回路）２１０は、容量がＣｆであるコンデンサ２１１、スイッチ２１２および差動増幅回路２１３を備え、入力された上記差動容量（ＣＳ１−ＣＳ２）を電圧に変換するものとなっている。

そして、本加速度センサ１００においては、たとえば、第１の固定電極３２ａから振幅Ｖｃｃの搬送波１を入力し、第２の固定電極３２ｂから搬送波１と位相が１８０°ずれた搬送波２を入力し、ＳＣ回路２１０のスイッチ２１２を所定のタイミングで開閉する。そして、矢印Ｘ方向の印加加速度は、下記の数式１に示されるように、電圧値Ｖ０として出力される。

（数１）
Ｖ０＝（ＣＳ１−ＣＳ２）・Ｖｃｃ／Ｃｆ
このように、本実施形態の加速度センサ１００は、可動電極３１と第１の固定電極３２ａとの間の容量ＣＳ１と、可動電極３１と第２の固定電極３２ｂとの間の容量ＣＳ２との差動容量（ＣＳ１−ＣＳ２）をとることにより力学量としての加速度を検出するものである。

ここで、本実施形態の加速度センサ１００においては、上記アクチュエータ４０は、可動電極３１が加速度によって変位する方向とは反対方向に、可動電極３１に対して加速度を加えるものである。具体的には、アクチュエータ４０は、可動電極３１に対して上記図１、図２中の矢印Ｘ方向に沿った下方向きに検出対象となる加速度が印加されたとき、この矢印Ｘ方向に沿った上方向きにアクチュエータ４０からの加速度を印加するようになっている。

このアクチュエータ４０は、電圧印加により自身が変位するものであり、本実施形態では、ＰＺＴなどの圧電体よりなる。ここでは、アクチュエータ４０は、回路チップ２０からの電圧印加により伸縮するようになっており、この伸縮により、このアクチュエータ４０の上のアクチュエータステージ４１が矢印Ｘ方向に動くようになっている。

ここで、センサチップ３０はアクチュエータステージ４１に固定されているため、アクチュエータステージ４１とともに、センサチップ３０すなわち可動電極３１も、アクチュエータ４０によって矢印Ｘ方向に動く。このようにして、アクチュエータ４０は、検出対象となる加速度とは反対方向に、可動電極３１に対してアクチュエータ４０による加速度を印加するようにしている。

ここで、回路チップ２０、アクチュエータ４０、アクチュエータステージ４１、センサチップ３０の各間は、図示しないエポキシ樹脂などよりなる接着剤を介して接着されているものの、上記したようなアクチュエータ４０の変形によりセンサチップ３０が動くことが可能となっている。このことは、たとえば、アクチュエータ４０とその上下のアクチュエータステージ４１、回路チップ２０との接着を全面ではなく、一部を接着した形とするなどにより可能である。

このような圧電体よりなるアクチュエータ４０の動作およびそれを実現するための構成については、従来よりよく知られている圧電体の原理を用いて、容易に実現できることはいうまでもない。

また、アクチュエータステージ４１は、電気絶縁性のセラミックなどよりなる板状の部材により構成されている。なお、アクチュエータ４０のパッド４０ａは、アルミニウムの蒸着膜などよりなるものであり、上述したように、このパッド４０ａを介したワイヤボンディングを行うことにより回路チップ２０とアクチュエータ４０とが電気的に接続されている。

このアクチュエータ４０の作動について、図４、図５を参照して、具体的に述べる。図４は、本実施形態における加速度の検出機構およびアクチュエータ４０の制御機構を示すブロック図である。

図４に示されるように、回路部としての回路チップ２０は、上記図３に示した検出回路２００と、アクチュエータ４０の作動を制御するアクチュエータ制御回路３００とを備える。検出回路２００は、上述したように、センサチップ３０に発生した可動電極３１と固定電極３２ａ、３２ｂとの間の容量変化（ＣＳ１−ＣＳ２）を、電圧に変換してセンサ出力として出力するものである。

また、図４に示されるように、この容量変化（ＣＳ１−ＣＳ２）を電圧値に変換した信号である上記センサ出力は、アクチュエータ制御回路３００に入力され、この制御回路３００は、その入力されたセンサ出力に応じて、アクチュエータ４０に制御信号を与えるようになっている。

これにより、可動電極３１に加わる加速度が過大である場合、可動電極３１の矢印Ｘ方向とは反対方向にアクチュエータ４０を駆動することで、可動電極３１に加わる加速度を低減することが可能になる。

この場合、入力された加速度に対する可動電極３１の制御量は、原則的にはその変位を０とするように、アクチュエータ４０を駆動することが理想である。そして、この場合は、従来より一般的に知られた、その制御量が加速度と等価となるサーボ式の加速度センサとしての動作方法を採用することが考えられる。

しかし、このサーボ式の加速度センサの場合、可動電極を支持するバネが、当該可動電極のわずかな変位すなわち微小な加速度に追従するような軟らかさを必要とすることになり、そのため、可動部の支持部分などの構造強度が、外部衝撃などに対して弱いものとなってしまう。

本実施形態では、検出対象である加速度を可動電極３１の故障（固定電極３２ａ、３２ｂへの衝突やスティッキングなど）が生じないレベルにまで抑制できればよく、必ずしも、可動電極３１の制御量が、上記サーボ式の場合のように検出対象である加速度と等価とならなくてもよい。つまり、本実施形態では、アクチュエータ４０はノンサーボ式の制御でよい。この詳細は、図５に示される。

図５は、ノンサーボ式の制御方法の一例を示す説明図である。本実施形態は、容量式加速度センサであり、センサチップ３０に発生した可動電極３１と固定電極３２ａ、３２ｂとの間の容量変化を、電圧としてのセンサ出力に変換して出力するものである。図５では、横軸に加速度、縦軸に電圧値としてのセンサ出力を示している。

ここで、「加速度検出範囲」は、当該加速度センサ１００において可動電極３１の変位量により検出される加速度の検出範囲である。具体的には、加速度とセンサ出力とが直線性のよい関係にある範囲であり、この加速度検出範囲の上限のセンサ出力をＶｓとする。また、加速度検出範囲に対応する「センサ出力範囲」は、図５に示されている。

また、図５において、「変位量の上限値」として示している値は、可動電極３１の変位量の限界に相当するセンサ出力すなわち加速度の値である。ここで、可動電極３１の変位量の限界は、具体的には可動電極３１と各固定電極３２ａ、３２ｂとの距離であり、それ以上になると、可動電極３１が固定電極３２ａ、３２ｂに衝突して破損したり、スティッキングを起こす。

そして、本実施形態では、上述したように、回路チップ２０においては、上記検出回路２００からのセンサ出力をアクチュエータ制御回路３００に入力しているが、このセンサ出力が加速度検出範囲内すなわち加速度検出範囲の上限のセンサ出力Ｖｓ以下では、アクチュエータ４０を作動させないようにしている。

本実施形態では、上記加速度検出範囲の上限値Ｖｓと変位量の上限値との間に、アクチュエータを駆動させる閾値（アクチュエータ駆動閾値）Ｖａが設けられている。そして、センサ出力が、このアクチュエータ駆動閾値Ｖａ以上となったときに、アクチュエータ制御回路３００からの信号によりアクチュエータ４０が作動するようにしている。

そして、アクチュエータ４０は、アクチュエータ制御回路３００からの電圧信号を受けて、可動電極３１の検出対象となる加速度による矢印Ｘ方向とは反対方向に、可動電極３１に対して加速度を加える。このときアクチュエータ４０から加えられる加速度は、図５中に示すように、「アクチュエータ駆動加速度」として示されており、その大きさは、センサ出力にほぼ対応したものとしている。

また、アクチュエータ制御回路３００からのセンサ出力（電圧信号）を受けて、当該信号が図５中に示されるアクチュエータ停止閾値Ｖａ’以下となったときに、アクチュエータ制御回路３００は、アクチュエータ４０の作動を停止するようにしている。

このように、本実施形態では、アクチュエータ４０は、可動電極３１の検出対象となる加速度による変位方向とは反対の方向に、可動電極３１に対して加速度を加える。それにより、アクチュエータ４０は、可動電極３１の変位量により検出される加速度が所定値（本例ではアクチュエータ駆動閾値Ｖａ）以上となった場合に、可動電極３１の変位量を抑制して検出される加速度を当該所定値未満に抑制する。

このように、本実施形態では、ノンサーボ式のアクチュエータ４０による制御を行うことで、検出には影響を与えることはない。むしろ、ＤＳＰ（デジタルシグナルプロセッサ）などを用い、ＦＦＴなどの信号処理を行うことにより、センサ構造、あるいは実装構造の共振周波数などの特定の周波数に限りアクチュエータ４０を駆動するような制御も可能である。これにより、本来の加速度検出に影響を与えることなく、可動電極３１の保護が可能となる。

ところで、本実施形態によれば、力学量としての加速度の印加により変位する可動電極３１を有し、この可動電極３１の変位量に応じて加速度を検出する加速度センサ１００において、可動電極３１の加速度による変位の方向とは反対向きの方向に、可動電極３１に対して加速度を加えるアクチュエータ４０を備えている。

それによれば、可動電極３１に印加される加速度が過大であった場合、その過大な加速度によって可動電極３１の変位も過大となるが、この過大な変位を打ち消すように、可動電極３１に対してアクチュエータ４０から加速度が印加されるため、過大な加速度たとえば外部衝撃によって可動電極３１が過大変位するのを防止することができる。その結果、可動電極３１のダメージやスティッキングなどを防止できる。

言い換えれば、本実施形態では、可動電極３１の変位量により検出される加速度が所定値以上となった場合に、可動電極３１の変位量を抑制して検出される加速度を所定値未満に抑制するアクチュエータ４０を備えているため、過大な力学量によって可動電極３１が過大変位するのを防止することができる。

また、本実施形態では、上記図４に示されるように、回路チップ２０は、可動電極３１と電気的に接続され可動電極３１の信号が入力される検出回路２００を備えたものとして構成されているが、回路チップ２０は、さらにアクチュエータ制御回路３００を備えている。そして、回路チップ２０に入力された可動電極３１の信号により、回路チップ２０はアクチュエータ４０を駆動させるようになっている。

それにより、加速度センサ１００における回路チップ２０が１個のものでよい構成となり、小型化が可能となる。ただし、本実施形態においては、これに限定するものではなく、センサ出力用の回路部とアクチュエータ制御用の回路部とは別々でもよい。つまり、上記図４に示した検出回路２００とアクチュエータ制御回路３００とが別体の回路チップであってもよい。

（第２実施形態）
図６は、本発明の第２実施形態に係る力学量センサとしての加速度センサ１１０の概略構成を示す図であり、（ａ）は加速度センサ１１０の概略平面図、（ｂ）は加速度センサ１１０の概略断面図である。上記第１実施形態との相違点を中心に述べる。

図６に示されるように、本実施形態においても、上記第１実施形態と同様に、可動電極３１を有するセンサチップ３０は、アクチュエータ４０の上に重なって配置されている。そして、上記同様にアクチュエータ４０が作用することにより、本実施形態でも、過大な加速度によって可動電極３１が過大変位するのを防止することができる。

ここで、本実施形態では、上記第１実施形態の構成に加えて、センサチップ３０すなわち可動電極３１とアクチュエータ４０との間に、弾性を有する接着部材６０を介在させており、可動電極３１は、この接着部材６０を介してアクチュエータ４０上に支持されたものとしている。

具体的には、接着部材６０は、上記特許文献１に記載されているようなもの、たとえばシリコーン樹脂などの軟接着フィルムを採用することができる。そして、この接着部材６０を介して、アクチュエータステージ４１とセンサチップ３０とが接着により固定されている。

また、本実施形態の加速度センサ１１０においても、上記第１実施形態と同様に、可動部としての可動電極３１および各固定電極３２ａ、３２ｂには、パッド３４を介してボンディングワイヤ５０が電気的に接続されており、このボンディングワイヤ５０を介して、センサチップ３０の各電極３１、３２ａ、３２ｂと回路チップ２０との間の信号のやりとりが可能となっている。

ここで、本実施形態のように、センサチップ３０の下を低弾性率の接着部材６０により接着する方法を採用した場合、上記特許文献１にも記載されているように、センサチップ３０に加わる熱応力を、その低弾性な接着部材６０によって低減することができ、温度特性を良好にすることができる。

しかしながら、接着部材６０が低弾性であるがゆえに、その接着部材６０によるセンサチップ３０の支持構造における強度が低下し、過大な外部衝撃が印加されたときにセンサチップ３０全体が過大変位しやすいという問題がある。このような問題がある場合には、センサ本体の強度が保証できなくなったり、また、そのセンサチップ３０の過大変位によってボンディングワイヤ５０に対して過大な応力が加わり、製品としての寿命が低下したりする恐れがある。

その点、本第２実施形態においては、センサチップ３０を軟接着フィルムなどの接着部材６０により支持する構成としているものの、アクチュエータ４０により、可動電極３１が過大変位するのを防止できるだけでなく、センサチップ３０全体の変位を抑えることができる。

そのため、センサチップ３０の変位によるボンディングワイヤ５０の変形も抑えることができ、ボンディングワイヤ５０も含めた保護が可能となる。その結果、ボンディングワイヤ５０の断線などによる故障を防止することができる。

（第３実施形態）
図７は、本発明の第３実施形態に係る力学量センサとしての加速度センサにおける要部の概略平面構成を示す図であり、センサチップ３０に対するアクチュエータ４０の配置構成を示している。

上記各実施形態では、可動部としての可動電極３１は、アクチュエータ４０の上に重なって配置されていたが、本実施形態では、図７に示されるように、可動電極３１の周囲に平面的に配置してもよい。

具体的には、図７においても、上記図１中の回路チップ２０の上にセンサチップ３０を支持した状態で、上記矢印Ｘ方向に沿ったセンサチップ３０の両端に、アクチュエータ４０をそれぞれ配置する。これらアクチュエータ４０は、上記各実施形態と同様に、電圧信号によって変位し、その変位によりセンサチップ３０が押されるため、アクチュエータ４０による可動電極３１への加速度の印加が可能となっている。

このようにして、本実施形態においても、アクチュエータ４０は、可動電極３１の検出対象となる加速度による矢印Ｘ方向とは反対方向に、可動電極３１に対して加速度を加えることができ、過大な外部衝撃などによって可動電極３１が過大変位するのを防止することができる。

なお、図７に示される例では、アクチュエータ４０は、上記矢印Ｘ方向に沿ったセンサチップ３０の両端に配置されているが、図７において、アクチュエータ４０をセンサチップ３０の一端側にのみ配置してもよい。

（第４実施形態）
図８は、本発明の第３実施形態に係るアクチュエータ４０およびアクチュエータステージ４１の概略平面図である。上記各実施形態では、アクチュエータ４０として、電圧信号により変位する圧電体を備えるものであり、この圧電体の変位により可動部３１に加速度を加えるものであったが、本実施形態では、アクチュエータ４０は、静電駆動型のものである。

具体的には、本実施形態のアクチュエータ４０は、上記センサチップ３０と同様に、半導体チップよりなり、この半導体チップに対して半導体プロセスを用いることで作成可能なものである。そして、図８に示されるように、バネ部としての梁４２を介して半導体チップに支持されたアクチュエータステージ４１を、櫛歯状のアクチュエータ４０によって駆動するようになっている。

アクチュエータ４０は、対向する２つの櫛歯電極よりなるものであり、各櫛歯電極に対応するパッド４３は、上記回路チップ２０とボンディングワイヤなどを介して電気的に接続されている。

そして、このアクチュエータ２０には上記アクチュエータ制御回路３００から信号（電圧）を印加されるようになっており、それによって、アクチュエータ４０を構成する２つの櫛歯電極間に静電力が作用するようになっている。そして、このアクチュエータ４０の静電力により、アクチュエータステージ４１は、梁４２の作用によって矢印Ｘ方向に変位するようになっている。

そのため、本実施形態では、このアクチュエータステージ４１上にセンサチップ３０を搭載し、可動電極３１の検出対象となる加速度による変位の方向とは反対向きの方向に、可動電極３１に対してアクチュエータ４０からの加速度を加えるようにすることで、上記第１実施形態と同様の作用効果を得ることが可能となる。

（他の実施形態）
なお、上記各実施形態においては、可動部３１は加速度検出素子として構成されていたが、上記センサチップ３０に設けられている可動部３１は、力学量の印加により変位するものであればよく、一般に知られている角速度検出素子であってもよい。

この一般的な角速度検出素子としての可動部３１は、上記センサチップ３０に対して半導体プロセスにより形成されるものであり、櫛歯構造を有する梁構造体とすることができる。なお、角速度検出素子としての可動部３１の詳細な構成は、上記図２に示される加速度検出素子とは異なるものの公知であるため図示しない。

このような角速度検出素子としての可動部３１の一般的な作動について述べておく。たとえば上記図１において、励振機構によって可動部３１が矢印Ｘ方向に駆動振動しているときに角速度が印加されると、矢印Ｘ方向と直交する方向（上記図１では左右方向）へコリオリ力により、可動部３１は検出振動する。そして、この検出振動する可動部３１の変位を、静電容量変化として検出することにより、角速度検出が可能となる。

ここにおいて、アクチュエータ４０は、たとえば上記図１と同様に、センサチップ３０の下にアクチュエータステージ４１を介して設ける。そして、駆動振動の方向に沿って可動部３１が外部衝撃などの力学量によって変位する方向とは反対の方向、または、コリオリ力の印加方向に沿って可動部３１が外部衝撃などの力学量によって変位する方向とは反対の方向、あるいは、これら両反対の方向に、アクチュエータ４０から可動部３１に対して加速度の印加を行うようにすればよい。

なお、この角速度検出素子の場合にも、アクチュエータ４０による加速度印加を行えるならば、アクチュエータ４０は角速度検出素子としての可動部３１に対して平面的に配置してもよい。また、角速度検出素子の性質上、好ましくはコリオリ力の発生方向への衝撃力をアクチュエータ４０で緩和するようにした方が望ましい。

また、採用可能なアクチュエータ４０としては、上述した圧電体や静電駆動型のもの以外であってもよい。たとえば、従来の電磁力を用いたリニアソレノイド、リニアモータなどをアクチュエータ４０とすることも可能である。

２０…回路部としての回路チップ、３１…可動部としての可動電極、
３２ａ…第１の固定部としての第１の固定電極、
３２ｂ…第２の固定部としての第２の固定電極、４０…アクチュエータ、
６０…接着部材。

Claims (9)

1. 力学量の印加により変位する可動部（３１）を有し、この可動部（３１）の変位量に応じて前記力学量を検出する力学量センサにおいて、
   前記可動部（３１）が力学量によって変位する方向とは反対の方向に、前記可動部（３１）に対して加速度を加えるアクチュエータ（４０）を備え、
   前記可動部（３１）は、一方向に駆動振動するとともに角速度が印加されたときに、この駆動振動の方向とは直交する方向に印加されるコリオリ力によって検出振動する角速度検出素子として構成されており、
   前記駆動振動の方向に沿って前記可動部（３１）が力学量によって変位する方向とは反対の方向に、前記可動部（３１）に対して前記アクチュエータ（４０）による加速度の印加を行うことを特徴とする力学量センサ。
2. 力学量の印加により変位する可動部（３１）を有し、この可動部（３１）の変位量に応じて前記力学量を検出する力学量センサにおいて、
   前記可動部（３１）が力学量によって変位する方向とは反対の方向に、前記可動部（３１）に対して加速度を加えるアクチュエータ（４０）を備え、
   前記可動部（３１）は、一方向に駆動振動するとともに角速度が印加されたときに、この駆動振動の方向とは直交する方向に印加されるコリオリ力によって検出振動する角速度検出素子として構成されており、
   前記コリオリ力の印加方向に沿って前記可動部（３１）が力学量によって変位する方向とは反対の方向に、前記可動部（３１）に対して前記アクチュエータ（４０）による加速度の印加を行うことを特徴とする力学量センサ。
3. 前記可動部（３１）に対して対向する第１の固定部（３２ａ）と、前記可動部（３１）に対して対向する第２の固定部（３２ｂ）とを備え、
   前記力学量の印加時には、前記可動部（３１）は前記両固定部（３２ａ、３２ｂ）の一方に近づくとともに他方からは遠ざかるように変位するものであり、
   前記可動部（３１）と前記第１の固定部（３２ａ）との間の容量と、前記可動部（３１）と前記第２の固定部（３２ｂ）との間の容量との差動容量をとることにより前記力学量を検出するようになっていることを特徴とする請求項１または２に記載の力学量センサ。
4. 前記可動部（３１）を有するセンサチップ（３０）は、前記アクチュエータ（４０）の上に重なって配置されていることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１つに記載の力学量センサ。
5. 前記可動部（３１）と前記アクチュエータ（４０）との間には、弾性を有する接着部材（６０）が介在し、前記可動部（３１）はこの接着部材（６０）を介して前記アクチュエータ（４０）上に支持されており、
   前記可動部（３１）にはボンディングワイヤ（５０）が電気的に接続されていることを特徴とする請求項４に記載の力学量センサ。
6. 前記アクチュエータ（４０）は、前記可動部（３１）の周囲に平面的に配置されていることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１つに記載の力学量センサ。
7. 前記可動部（３１）と電気的に接続され前記可動部（３１）の信号が入力される回路部（２０）が備えられており、
   この回路部（２０）に入力された前記可動部（３１）の信号により前記回路部（２０）は前記アクチュエータ（４０）を駆動させるようになっていることを特徴とする請求項１ないし６のいずれか１つに記載の力学量センサ。
8. 前記アクチュエータ（４０）は、電圧信号により変位する圧電体を備えるものであることを特徴とする請求項１ないし７のいずれか１つに記載の力学量センサ。
9. 前記アクチュエータ（４０）は、静電力により駆動される静電駆動型のものであることを特徴とする請求項１ないし７のいずれか１つに記載の力学量センサ。

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