JP6606601B2 - 加速度センサ - Google Patents

Description

本発明は、加速度センサに関する。

地下資源探査の分野において、加速度センサを用いた反射法弾性波探査が行われる。反射法弾性波探査とは、物理探査の一種であり、人工的に地震波を発生させ、地表に設置された受振器により地下から跳ね返ってくる反射波を捉え、その結果を解析して地下構造を解明する方法である。

反射法弾性波探査では、地表に設置された起振源から地中に弾性波を励振し、地層の境界で反射した弾性波を、地表に設置された受振器でセンシングする。さまざまな方向に励振された弾性波は、減衰の大きい地中を伝搬し、複数の地層で反射し、再び減衰の大きい地中を伝搬し、広い領域に拡散して地表に戻ってくる。

従って、反射法弾性波探査に用いられる加速度センサは、鉛直方向、すなわち重力加速度と同じ方向に印加され、かつ、重力加速度より小さい加速度を検出する必要がある。すなわち、反射法弾性波探査に用いられる加速度センサでは、鉛直方向の加速度の感度を向上させる必要がある。

本技術分野の背景技術として、特開２０１４−１６１７５号公報（特許文献１）および特開２０１０−１３３９３５号公報（特許文献２）がある。

特開２０１４−１６１７５号公報（特許文献１）には、回転軸を中心として回転する可動部が第１領域と第２領域とを具備し、回転軸から第１領域の端までの長さと、回転軸から第２領域の端までの長さとが異なる慣性センサが記載されている。

また、特開２０１０−１３３９３５号公報（特許文献２）には、ハウジングと、ねじれ屈曲部によりハウジング内に吊るされるプルーフマスと、ねじれ磁気再平衡要素として、プルーフマス上の平面コイルおよび磁石とを有するＭＥＭＳ加速度計が記載されている。

特開２０１４−１６１７５号公報 特開２０１０−１３３９３５号公報

反射法弾性波探査に用いられる加速度センサでは、加速度の感度を向上させるために、可動部の質量を大きくする、または、可動部が固定部に接続する弾性変形部のバネ定数を小さくすることがある。

しかし、固定部に接続された可動部は、自重により傾斜する。そして、可動部が自重により傾斜した状態で、鉛直方向に印加された重力加速度よりも小さい加速度を検出する場合には、加速度センサの消費電力が増大する、または、印加された加速度に対する加速度センサの出力の線形性が低下する。

そこで、本発明は、重力下において、感度が高く、消費電力が低く、印加された加速度に対する出力の線形性が高い加速度センサを提供する。

上記課題を解決するために、本発明による加速度センサは、第１基板と、第１基板から第１方向に離間して設けられた第２基板と、第１基板と第２基板との間に、第１方向と直交する第２方向に沿った回転軸を中心として回転する可動部と、を有する。可動部は、第１方向と第２方向に直交する第３方向に回転軸を挟んで設けられた第１可動電極と第２可動電極とを備え、第２基板は、第１可動電極に対向する第１検出電極と、第２可動電極に対向する第２検出電極と、を具備する。さらに、第１可動電極と第１検出電極との間で容量を検出する第１検出領域の第３方向の幅と、第２可動電極と第２検出電極との間で容量を検出する第２検出領域の第３方向の幅とが、互いに異なる。

本発明によれば、重力下において、感度が高く、消費電力が低く、印加された加速度に対する出力の線形性が高い加速度センサを提供することができる。さらに、サーボ電圧の低い加速度センサを提供することができる。

上記した以外の課題、構成および効果は、以下の実施の形態の説明により明らかにされる。

反射法弾性波探査の概要を示した地表の断面模式図である。 実施例１による加速度センサの断面図である。 実施例１による加速度センサの断面図である。 実施例１による加速度センサの平面図である。 実施例１による加速度センサの平面図である。 実施例１による加速度センサの断面図である。 比較例１による加速度センサの断面図である。 比較例１による加速度センサの平面図である。 比較例１による加速度センサの平面図である。 比較例１による加速度センサの断面図である。 比較例１による加速度センサにおける左可動電極と左上部電極との間の静電容量および右可動電極と右上部電極との間の静電容量の回転角度依存性を示すグラフ図である。 実施例１による加速度センサにおける左可動電極と左上部電極との間の静電容量および右可動電極と右上部電極との間の静電容量の回転角度依存性を示すグラフ図である。 実施例２による加速度センサの断面図である。 実施例２による加速度センサの断面図である。 実施例２による加速度センサの平面図である。 実施例２による加速度センサの平面図である。 実施例２による加速度センサの断面図である。 実施例２による加速度センサにおける左可動電極と左上部電極との間の静電容量および右可動電極と右上部電極との間の静電容量の回転角度依存性を示すグラフ図である。 実施例１、実施例２および比較例１によるそれぞれの加速度センサに加速度が印加されたときの出力の非線形性を示すグラフ図である。 実施例２の変形例による加速度センサの平面図である。

以下の実施の形態においては便宜上その必要があるときは、複数のセクションまたは実施の形態に分割して説明するが、特に明示した場合を除き、それらはお互いに無関係なものではなく、一方は他方の一部または全部の変形例、詳細、補足説明等の関係にある。

また、以下の実施の形態において、要素の数等（個数、数値、量、範囲等を含む）に言及する場合、特に明示した場合および原理的に明らかに特定の数に限定される場合等を除き、その特定の数に限定されるものではなく、特定の数以上でも以下でもよい。

さらに、以下の実施の形態において、その構成要素（要素ステップ等も含む）は、特に明示した場合および原理的に明らかに必須であると考えられる場合等を除き、必ずしも必須のものではないことはいうまでもない。

同様に、以下の実施の形態において、構成要素等の形状、位置関係等に言及するときは、特に明示した場合および原理的に明らかにそうでないと考えられる場合等を除き、実質的にその形状等に近似または類似するもの等を含むものとする。このことは、上記数値および範囲についても同様である。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、実施の形態を説明するための全図において、同一の機能を有する部材には同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。また、以下の実施の形態では、特に必要なとき以外は同一または同様な部分の説明を原則として繰り返さない。

＜反射法弾性波探査法＞
初めに、地下資源探査の分野で行われる、加速度センサを用いた反射法弾性波探査について説明する。反射法弾性波探査とは、物理探査の一種であり、人工的に地震波を発生させ、地表に設置した受振器により地下から跳ね返ってくる反射波を捉え、その結果を解析して地下構造を解明する方法である。

図１は、反射法弾性波探査の概要を示した地表の断面模式図である。

図１に示すように、反射法弾性波探査では、地表Ｇ３に設置された起振源Ｇ１から地中に弾性波（図１中に矢印で示す。）を励振し、地層の境界Ｇ４ａ，Ｇ４ｂのいずれかで反射した弾性波を、地表Ｇ３に設置された受振器Ｇ２ａ、Ｇ２ｂ、Ｇ２ｃ、Ｇ２ｄ，Ｇ２ｅのいずれかでセンシングする。

一般的な起振源Ｇ１は地表Ｇ３に対して垂直方向に発振するため、鉛直に近い方向にＰ波が効率よく励振される。そのため、反射法弾性波探査では、Ｐ波を用いる。また、再び地表Ｇ３に戻ってくる弾性波は、鉛直方向に近い方向から伝搬してくるＰ波であるため、受振器Ｇ２ａ、Ｇ２ｂ、Ｇ２ｃ、Ｇ２ｄ，Ｇ２ｅは鉛直方向の弾性振動を検知する必要がある。

さまざまな方向に励振された弾性波は、減衰の大きい地中を伝搬し、複数の地層の境界Ｇ４ａ，Ｇ４ｂで反射し、再び減衰の大きい地中を伝搬し、広い領域に拡散して地表Ｇ３に戻ってくる。

微弱な弾性振動を検知するため、受振器Ｇ２ａ、Ｇ２ｂ、Ｇ２ｃ、Ｇ２ｄ，Ｇ２ｅとして、鉛直方向に高感度な加速度センサを用いる必要がある。従って、受振器Ｇ２ａ、Ｇ２ｂ、Ｇ２ｃ、Ｇ２ｄ，Ｇ２ｅとして、以下に説明する本実施例１による加速度センサを用いることが望ましい。

＜加速度センサの構成＞
次に、本実施例１による加速度センサの構成について、図２〜図６を参照しながら説明する。

図２および図３は、本実施例１による加速度センサの断面図である。図４および図５は、本実施例１による加速度センサの平面図である。図６は、本実施例１による加速度センサの断面図である。

図２は、図４および図５のＡ−Ａ線に沿った断面図であり、図３および図６は、図４および図５のＢ−Ｂ線に沿った断面図である。図２および図３は、重力加速度がｚ軸方向に印加されていない状態を示し、図６は、重力加速度が−ｚ軸方向に印加されている状態を示す。すなわち、図６は、重力加速度により左可動電極および右可動電極が回転軸を中心として回転変位した状態を示す。

図４は、キャップ層の下面の状態を示している。図５は、キャップ層を除去して＋ｚ軸方向から透視した状態を示し、メンブレン層の状態を示している。

図２および図３に示すように、本実施例１による加速度センサ１は、ベース層ＢＬと、メンブレン層ＭＬと、キャップ層ＣＤと、を有する。

図２、図３および図４に示すように、ベース層ＢＬは、基体としてのベース基板１０と、ギャップ調整膜１２ａ，１２ｂと、左空間１３Ｌと、右空間１３Ｒと、を有する。

ベース基板１０は、ベース基板１０の主面としての上面の領域であって、ベース基板１０の中心側の中心領域としての領域ＡＲ１と、ベース基板１０の上面の領域であって、領域ＡＲ１よりもベース基板１０の周辺側の周辺領域としての領域ＡＲ２と、を有する。

なお、平面視において、互いに交差、好適には直交する２つの方向を、ｘ軸方向およびｙ軸方向とし、ベース基板１０の主面に垂直な方向をｚ軸方向とする。また、「平面視において」とは、ベース基板１０の主面としての上面に垂直な方向であるｚ軸方向から視た場合を意味する。

領域ＡＲ２では、ベース基板１０の上面上、すなわちベース基板１０上には、ギャップ調整膜１２ａが形成されている。また、領域ＡＲ１のうち一部の領域でも、ベース基板１０の上面上、すなわちベース基板１０上には、ギャップ調整膜１２ａと同層に、ギャップ調整膜１２ｂが形成されている。

一方、領域ＡＲ１のうちギャップ調整膜１２ｂが形成された領域以外の領域では、ベース基板１０の上面上、すなわちベース基板１０上には、ギャップ調整膜１２ｂは形成されていない。

ギャップ調整膜１２ａ，１２ｂが設置されているため、領域ＡＲ１のうち、ギャップ調整膜１２ｂが形成された領域以外の領域では、ベース基板１０上に、左空間１３Ｌおよび右空間１３Ｒが形成されている。すなわち、ギャップ調整膜１２ａ，１２ｂは、左空間１３Ｌおよび右空間１３Ｒを形成するためのものである。左空間１３Ｌおよび右空間１３Ｒは、大気圧より十分低い圧力の気体で充満されている。

ベース基板１０は、単結晶シリコン基板により形成されている。

図２、図３および図４に示すように、キャップ層ＣＤは、基体としてのキャップ基板２０と、左上部電極２１Ｌと、右上部電極２１Ｒと、ギャップ調整膜２２ａ，２２ｂと、左空間２３Ｌと、右空間２３Ｒと、を有する。

領域ＡＲ１は、領域ＡＲ１Ｌと領域ＡＲ１Ｒとに分けられる。領域ＡＲ１Ｌは、キャップ基板２０の主面としての下面の領域であって、キャップ基板２０の中心側の中心領域左半分としての領域でもある。また、領域ＡＲ１Ｒは、キャップ基板２０の主面としての下面の領域であって、キャップ基板２０の中心側の中心領域右半分としての領域でもある。

さらに、領域ＡＲ２は、キャップ基板２０の下面の領域であって、領域ＡＲ１Ｌ，ＡＲ１Ｒよりもキャップ基板２０の周辺側の周辺領域としての領域でもある。

領域ＡＲ２では、キャップ基板２０の下面下、すなわちキャップ基板２０下には、ギャップ調整膜２２ａが形成されている。また、領域ＡＲ１Ｌ，ＡＲ１Ｒのうち一部の領域でも、キャップ基板２０の下面下、すなわちキャップ基板２０下には、ギャップ調整膜２２ａと同層に、ギャップ調整膜２２ｂが形成されている。

一方、領域ＡＲ１Ｌのうちギャップ調整膜２２ｂが形成された領域以外の領域では、キャップ基板２０の下面下、すなわちキャップ基板２０下には、ギャップ調整膜２２ｂは形成されておらず、左上部電極２１Ｌが形成されている。左上部電極２１Ｌは、領域ＡＲ１Ｌで、平面視において、ｘ軸方向におけるギャップ調整膜２２ｂの一方の側（図４の紙面左側）に配置されている。左上部電極２１Ｌは、可動部としての左可動電極３１Ｌの上面と対向配置されている。

さらに、領域ＡＲ１Ｒのうちギャップ調整膜２２ｂが形成された領域以外の領域では、キャップ基板２０の下面下、すなわちキャップ基板２０下には、ギャップ調整膜２２ｂは形成されておらず、右上部電極２１Ｒが形成されている。右上部電極２１Ｒは、領域ＡＲ１Ｒで、平面視において、ｘ軸方向におけるギャップ調整膜２２ｂの一方の側（図４の紙面右側）に配置されている。右上部電極２１Ｒは、可動部としての右可動電極３１Ｒの上面と対向配置されている。

ギャップ調整膜２２ａ，２２ｂの厚さは、左上部電極２１Ｌの厚さよりも厚い。そのため、左領域ＡＲ１Ｌでは、左上部電極２１Ｌ下およびキャップ基板２０下に、左空間２３Ｌが形成されている。すなわち、ギャップ調整膜２２ａ，２２ｂは、左上部電極２１Ｌ下に左空間２３Ｌを形成するためのものである。左空間２３Ｌは、大気圧より十分低い圧力の気体で充満されている。

さらに、ギャップ調整膜２２ａ，２２ｂの厚さは、右上部電極２１Ｒの厚さよりも厚い。そのため、右領域ＡＲ１Ｒでは、右上部電極２１Ｒ下およびキャップ基板２０下に、右空間２３Ｒが形成されている。すなわち、ギャップ調整膜２２ａ，２２ｂは、右上部電極２１Ｒ下に右空間２３Ｒを形成するためのものである。右空間２３Ｒは、大気圧より十分低い圧力の気体で充満されている。

キャップ基板２０は、単結晶シリコン基板と、単結晶シリコン基板の表面に形成された酸化シリコン膜とにより形成されている。この酸化シリコン膜により、左上部電極２１Ｌおよび右上部電極２１Ｒは、キャップ基板２０の単結晶シリコン基板と電気的に絶縁されている。また、左上部電極２１Ｌおよび右上部電極２１Ｒはそれぞれ電気接続線（図示せず）を介して、例えば検出回路と電気的に接続されている。

図２、図３および図５に示すように、メンブレン層ＭＬは、可動部としての左可動電極３１Ｌと、可動部としての右可動電極３１Ｒと、左可動電極３１Ｌと右可動電極３１Ｒとを連結する連結部３８ａ，３８ｂと、ねじれバネ３２ａ，３２ｂと、固定部３３と、枠３４と、を有する。左可動電極３１Ｌ、右可動電極３１Ｒ、連結部３８ａ，３８ｂ、ねじれバネ３２ａ，３２ｂ、固定部３３および枠３４は、いずれも低抵抗の単結晶シリコン基板からなり、その単結晶シリコン基板を、例えば厚さ方向（ｚ軸方向）にＤＲＩＥ（Deep Reactive Ion Etching）によりエッチングして、単結晶シリコン基板を貫通する孔部を形成することにより、形成されている。

なお、左可動電極３１Ｌの外側面には、左空間３５Ｌが形成されている。また右可動電極３１Ｒの外側面には、右空間３５Ｒが形成されている。

固定部３３は、図２に示すように、ギャップ調整膜１２ｂとギャップ調整膜２２ｂとに挟まれている。固定部３３の下端は、ギャップ調整膜１２ｂに機械的に接続され、固定部３３の上端は、ギャップ調整膜２２ｂに機械的に接続されている。

ギャップ調整膜１２ｂは、ベース基板１０に機械的に接続されているため、結局、固定部３３は、ベース基板１０に機械的に固定されている。すなわち、固定部３３は、ベース基板１０の主面としての上面上に固定されている。また、ギャップ調整膜２２ｂは、キャップ基板２０に機械的に接続されているため、結局、固定部３３は、キャップ基板２０に機械的に固定されている。固定部３３は、電気接続線（図示せず）を介して、例えば検出回路と電気的に接続されている。

ねじれバネ３２ａは、ｙ軸方向に延在し、ねじれバネ３２ａのｙ軸方向における一方の側の端部３６ａは、固定部３３に接続され、ねじれバネ３２ａのｙ軸方向における他方の側の端部３７ａは、連結部３８ａに接続されている。また、ねじれバネ３２ｂは、ｙ軸方向に延在し、ねじれバネ３２ｂのｙ軸方向における一方の側の端部３６ｂは、固定部３３に接続され、ねじれバネ３２ｂのｙ軸方向における他方の側の端部３７ｂは、連結部３８ｂに接続されている。

ねじれバネ３２ａは、ねじれバネ３２ａが弾性変形して、端部３７ａが端部３６ａに対してねじれることにより、端部３７ａが、端部３６ａに対して、ねじれバネ３２ａの回転軸ＡＸ１と同一の回転軸ＡＸ１を中心として回転変位可能となるように、設けられている。また、ねじれバネ３２ｂは、ねじれバネ３２ｂが弾性変形して、端部３７ｂが端部３６ｂに対してねじれることにより、端部３７ｂが、端部３６ｂに対して、ねじれバネ３２ｂの回転軸ＡＸ１と同一の回転軸ＡＸ１を中心として回転変位可能となるように、設けられている。従って、ねじれバネ３２ａ，３２ｂは、弾性変形部である。

好適には、ねじれバネ３２ａのｚ軸方向の厚さは、ねじれバネ３２ａのｘ軸方向の幅よりも大きい。これにより、端部３７ａが端部３６ａに対して容易にねじれるようにすることができる。また、好適には、ねじれバネ３２ｂのｚ軸方向の厚さは、ねじれバネ３２ｂのｘ軸方向の幅よりも大きい。これにより、端部３７ｂが端部３６ｂに対して容易にねじれるようにすることができる。

左可動電極３１Ｌは、図５に示すように、領域ＡＲ１Ｌで、平面視において、ｘ軸方向における固定部３３の一方の側（図５の紙面左側）に配置されている。左可動電極３１Ｌの回転軸ＡＸ１側の端部６２には、ｙ軸方向に延在する回転軸ＡＸ１を中心として回転変位可能な２個のねじれバネ３２ａ，３２ｂが、連結部３８ａ，３８ｂを介してｙ軸方向で互いに離れて接続されている。そのため、左可動電極３１Ｌの固定部３３側の端部６２は、ねじれバネ３２ａ，３２ｂを介して、固定部３３に接続されている。また、左可動電極３１Ｌは、固定部３３に対して、ねじれバネ３２ａ，３２ｂの回転軸ＡＸ１を中心として、回転変位可能である。

右可動電極３１Ｒは、図５に示すように、領域ＡＲ１Ｒで、平面視において、ｘ軸方向における固定部３３の一方の側（図５の紙面右側）に配置されている。右可動電極３１Ｒの回転軸ＡＸ１側の端部６３には、ｙ軸方向に延在する回転軸ＡＸ１を中心として回転変位可能な２個のねじれバネ３２ａ，３２ｂが、連結部３８ａ，３８ｂを介してｙ軸方向で互いに離れて接続されている。そのため、右可動電極３１Ｒの固定部３３側の端部６３は、ねじれバネ３２ａ，３２ｂを介して、固定部３３に接続されている。また、右可動電極３１Ｒは、固定部３３に対して、ねじれバネ３２ａ，３２ｂの回転軸ＡＸ１を中心として、回転変位可能である。

さらに、左可動電極３１Ｌと右可動電極３１Ｒとは、連結部３８ａおよび３８ｂで、互いに連結されているため、同じ回転変位をする。

左可動電極３１Ｌは、ｚ軸方向から視たときに、例えば長方形の形状を有する。すなわち、左可動電極３１Ｌは、例えばｘ軸方向に垂直な側面ＳＭ１Ｌ，ＳＭ２Ｌおよびｙ軸方向に垂直な側面ＳＭ３Ｌ，ＳＭ４Ｌを有する。

側面ＳＭ１Ｌは、左可動電極３１Ｌの回転軸ＡＸ１側の端部６２であり、側面ＳＭ２Ｌは、左可動電極３１Ｌの回転軸ＡＸ１側と反対側の端部６１である。言い換えれば、側面ＳＭ１Ｌは、左可動電極３１Ｌのｘ軸方向における正側の端部６２であり、側面ＳＭ２Ｌは、左可動電極３１Ｌのｘ軸方向における負側の端部６１である。また、側面ＳＭ３Ｌは、左可動電極３１Ｌのｙ軸方向における負側の端部６５であり、側面ＳＭ４Ｌは、左可動電極３１Ｌのｙ軸方向における正側の端部６６である。

一例として、ｚ軸方向から視たときの左可動電極３１Ｌの平面寸法を、１６８４μｍ（ｘ軸方向）×２１３０μｍ（ｙ軸方向）とすることができる。また、ｚ軸方向における左可動電極３１Ｌの厚さを０．２５ｍｍとすることができる。

右可動電極３１Ｒは、ｚ軸方向から視たときに、例えば長方形の形状を有する。すなわち、右可動電極３１Ｒは、例えばｘ軸方向に垂直な側面ＳＭ１Ｒ，ＳＭ２Ｒおよびｙ軸方向に垂直な側面ＳＭ３Ｒ，ＳＭ４Ｒを有する。

側面ＳＭ１Ｒは、右可動電極３１Ｒの回転軸ＡＸ１側の端部６３であり、側面ＳＭ２Ｒは、右可動電極３１Ｒの回転軸ＡＸ１側と反対側の端部６４である。言い換えれば、側面ＳＭ１Ｒは、右可動電極３１Ｒのｘ軸方向における負側の端部６３であり、側面ＳＭ２Ｒは、右可動電極３１Ｒのｘ軸方向における正側の端部６４である。また、側面ＳＭ３Ｒは、右可動電極３１Ｒのｙ軸方向における負側の端部６７であり、側面ＳＭ４Ｒは、右可動電極３１Ｒのｙ軸方向における正側の端部６８である。

一例として、ｚ軸方向から視たときの右可動電極３１Ｒの平面寸法を、２８００μｍ（ｘ軸方向）×２１３０μｍ（ｙ軸方向）とすることができる。また、ｚ軸方向における右可動電極３１Ｒの厚さを０．２５ｍｍとすることができる。

左可動電極３１Ｌの回転軸ＡＸ１側の端部６２（側面ＳＭ１Ｌ）と、回転軸ＡＸ１との間のｘ軸方向の距離を、距離ＬＸＬｍｓとする。また、左可動電極３１Ｌの回転軸ＡＸ１側と反対側の端部６１（側面ＳＭ２Ｌ）と、回転軸ＡＸ１との間のｘ軸方向の距離を、距離ＬＸＬｍｅとする。このとき、距離ＬＸＬｍｓを２００μｍとし、距離ＬＸＬｍｅを１８８４μｍとすることができる。

右可動電極３１Ｒの回転軸ＡＸ１側の端部６３（側面ＳＭ１Ｒ）と、回転軸ＡＸ１との間のｘ軸方向の距離を、距離ＬＸＲｍｓとする。また、右可動電極３１Ｒの回転軸ＡＸ１側と反対側の端部６４（側面ＳＭ２Ｒ）と、回転軸ＡＸ１との間のｘ軸方向の距離を、距離ＬＸＲｍｅとする。このとき、距離ＬＸＲｍｓを２００μｍとし、距離ＬＸＲｍｅを３０００μｍとすることができる。

なお、本実施例１による加速度センサ１では、図５に示すように、右可動電極３１Ｒは、連結部３８ａを介してねじれバネ３２ａの端部３７ａと接続され、連結部３８ｂを介してねじれバネ３２ｂの端部３７ｂと接続されているが、ｘ軸方向における連結部３８ａ，３８ｂの長さを限りなく短くすることができる。このとき、右可動電極３１Ｒとねじれバネ３２ａ，３２ｂとの間、または、右可動電極３１Ｒと固定部３３との間には、ｘ軸方向における幅が非常に狭いスリットが形成されることになるので、距離ＬＸＲｍｓを、略０とみなすことができる。距離ＬＸＬｍｓも同様である。

また、右可動電極３１Ｒは、ねじれバネ３２ａ、３２ｂを介さずに固定部３３に接続することもできる。このような場合には、「右可動電極３１Ｒの回転軸ＡＸ１側」とは、「右可動電極３１Ｒの固定部３３側」に相当し、「右可動電極３１Ｒの回転軸ＡＸ１側と反対側」とは、「右可動電極３１Ｒの固定部３３側と反対側」に相当する。また、例えば「右可動電極３１Ｒの回転軸ＡＸ１側の端部６３（側面ＳＭ１Ｒ）と、回転軸ＡＸ１との間のｘ軸方向の距離」とは、「右可動電極３１Ｒの固定部３３側の端部６３（側面ＳＭ１Ｒ）と、固定部３３との間のｘ軸方向の距離」に相当する。さらに、「右可動電極３１Ｒの回転軸ＡＸ１側と反対側の端部６４（側面ＳＭ２Ｒ）と、回転軸ＡＸ１との間のｘ軸方向の距離」とは、「右可動電極３１Ｒの固定部３３側と反対側の端部６４（側面ＳＭ２Ｒ）と、固定部３３との間のｘ軸方向の距離」に相当する。左可動電極３１Ｌも同様である。

本実施例１による加速度センサ１は、ベース基板１０の上面またはキャップ基板２０の下面、すなわちｘｙ平面に垂直な方向（−ｚ軸方向）に、重力加速度ＧＲ（９．８ｍｓ^−２）が印加された状態で、±ｚ軸方向に印加される微小な振動加速度を、高精度に検出することができる。

図６に示すように、加速度センサ１を、ｚ軸方向が鉛直方向と平行になるように、つまり−ｚ軸方向が、重力加速度ＧＲが印加される方向と一致するように設置することにより、±ｚ軸方向の振動を、最も高精度に検出することができる。

本実施例１による加速度センサ１では、左可動電極３１Ｌおよび右可動電極３１Ｒの質量並びにねじれバネ３２ａ，３２ｂのバネ定数は、重力加速度ＧＲが印加されている状態で、右可動電極３１Ｒの回転軸ＡＸ１側と反対側の端部６４が、重力加速度ＧＲが印加されていない状態に比べ、ｚ軸方向において負側に約１．３μｍ変位するように、調整されている。

ギャップ長ＧＡＰＬは、左可動電極３１Ｌと左上部電極２１Ｌとの間に存在する左空間２３Ｌのｚ軸方向の厚さであり、左可動電極３１Ｌと左上部電極２１Ｌとの間のｚ軸方向の距離である。左可動電極３１Ｌが回転軸ＡＸ１を中心として回転変位することにより傾斜するため、左空間２３Ｌのｚ軸方向の厚さ、すなわち左可動電極３１Ｌと左上部電極２１Ｌとの間のｚ軸方向の距離は、ｘ軸方向の各位置によって異なる。

ここでは、ｘ軸方向の、左可動電極３１Ｌと左上部電極２１Ｌに挟まれた部分の左空間２３Ｌの中心位置における、左空間２３Ｌのｚ軸方向の厚さを、ギャップ長ＧＡＰＬとして定義する。すなわち、ｘ軸方向の、左可動電極３１Ｌと左上部電極２１Ｌとで構成される可変コンデンサの中心位置における、左可動電極３１Ｌと左上部電極２１Ｌとの間のｚ軸方向の距離を、ギャップ長ＧＡＰＬとして定義する。

ギャップ長ＧＡＰＲは、右可動電極３１Ｒと右上部電極２１Ｒとの間に存在する右空間２３Ｒのｚ軸方向の厚さであり、右可動電極３１Ｒと右上部電極２１Ｒとの間のｚ軸方向の距離である。右可動電極３１Ｒが回転軸ＡＸ１を中心として回転変位することにより傾斜するため、右空間２３Ｒのｚ軸方向の厚さ、すなわち右可動電極３１Ｒと右上部電極２１Ｒとの間のｚ軸方向の距離は、ｘ軸方向の各位置によって異なる。

ここでは、ｘ軸方向の、右可動電極３１Ｒと右上部電極２１Ｒに挟まれた部分の左空間２３Ｒの中心位置における、右空間２３Ｒのｚ軸方向の厚さを、ギャップ長ＧＡＰＲとして定義する。すなわち、ｘ軸方向の、右可動電極３１Ｒと右上部電極２１Ｒとで構成される可変コンデンサの中心位置における、右可動電極３１Ｒと右上部電極２１Ｒとの間のｚ軸方向の距離を、ギャップ長ＧＡＰＲとして定義する。

ギャップ調整膜１２ａ，１２ｂの厚さは、ギャップ調整膜２２ａ，２２ｂの厚さよりも十分厚い。本実施例１では、ギャップ調整膜１２ａ，１２ｂの厚さを１００μｍ、ギャップ調整膜２２ａ，２２ｂの厚さを３μｍにすることができる。

なお、距離ＬＺｔを、重力加速度ＧＲがｚ軸方向に印加されていない状態における左可動電極３１Ｌの上面と、左上部電極２１Ｌの下面との間のｚ軸方向の距離、または重力加速度ＧＲがｚ軸方向に印加されていない状態における右可動電極３１Ｒの上面と、右上部電極２１Ｒの下面との間のｚ軸方向の距離と定義する。

左上部電極２１Ｌと右上部電極２１Ｒは、図２、図３および図６に示すように、可変コンデンサの固定電極になるように配置されている。また、前述したように、左上部電極２１Ｌは、左可動電極３１Ｒの上面と対向配置され、右上部電極２１Ｒは、右可動電極３１Ｒの上面と対向配置されている。

左部電極２１Ｌは、図４に示すように、ｚ軸方向から視たときに、例えば長方形の形状を有する。すなわち、左上部電極２１Ｌは、例えばｘ軸方向に垂直な側面ＳＬ１，ＳＬ２およびｙ軸方向に垂直な側面ＳＬ３，ＳＬ４を有する。

側面ＳＬ１は、左上部電極２１Ｌの回転軸ＡＸ１側の端部４２であり、側面ＳＬ２は、左上部電極２１Ｌの回転軸ＡＸ１側と反対側の端部４１である。言い換えれば、側面ＳＬ１は、左上部電極２１Ｌのｘ軸方向における正側の端部４２であり、側面ＳＬ２は、左上部電極２１Ｌのｘ軸方向における負側の端部４１である。また、側面ＳＬ３は、左上部電極２１Ｌのｙ軸方向における負側の端部４５であり、側面ＳＬ４は、左上部電極２１Ｌのｙ軸方向における正側の端部４６である。

右上部電極２１Ｒは、図４に示すように、ｚ軸方向から視たときに、例えば長方形の形状を有する。すなわち、右上部電極２１Ｒは、例えばｘ軸方向に垂直な側面ＳＲ１，ＳＲ２およびｙ軸方向に垂直な側面ＳＲ３，ＳＲ４を有する。

側面ＳＲ１は、右上部電極２１Ｒの回転軸ＡＸ１側の端部４３あり、側面ＳＲ２は、右上部電極２１Ｒの回転軸ＡＸ１と反対側の端部４４である。言い換えれば、側面ＳＲ１は、右上部電極２１Ｒのｘ軸方向における負側の端部４３であり、側面ＳＲ２は、右上部電極２１Ｒのｘ軸方向における正側の端部４４である。また、側面ＳＲ３は、右上部電極２１Ｒのｙ軸方向における負側の端部４７であり、側面ＳＲ４は、右上部電極２１Ｒのｙ軸方向における正側の端部４８である。

左上部電極２１Ｌの回転軸ＡＸ１側の端部４２（側面ＳＬ１）と、回転軸ＡＸ１との間のｘ軸方向の距離を、距離ＬＸＬｔｓとする。また、左上部電極２１Ｌの回転軸ＡＸ１側と反対側の端部４１（側面ＳＬ２）と、回転軸ＡＸ１との間のｘ軸方向の距離を、距離ＬＸＬｔｅとする。このとき、距離ＬＸＬｔｓを２００μｍとし、距離ＬＸＬｔｅを１８８４μｍとすることができる。すなわち、距離ＬＸＬｔｅと距離ＬＸＬｔｓとの差を、１６８４μｍとすることができる。また、左上部電極２１Ｌのｙ軸方向の長さを、長さＬＹＬｔとすると、長さＬＹＬｔを２１３０μｍとすることができる。

右上部電極２１Ｒの回転軸ＡＸ１側の端部４３（側面ＳＲ１）と、回転軸ＡＸ１との間のｘ軸方向の距離を、距離ＬＸＲｔｓとする。また、右上部電極２１Ｒの回転軸ＡＸ１側と反対側の端部４４（側面ＳＲ２）と、回転軸ＡＸ１との間のｘ軸方向の距離を、距離ＬＸＲｔｅとする。このとき、距離ＬＸＲｔｓを２００μｍとし、距離ＬＸＲｔｅを２５６０μｍとすることができる。すなわち、距離ＬＸＲｔｅと距離ＬＸＲｔｓとの差を、２３６０μｍとすることができる。また、右上部電極２１Ｒのｙ軸方向の長さを、長さＬＹＲｔとすると、長さＬＹＲｔを２１３０μｍとすることができる。

本実施例１による加速度センサ１では、左可動電極３１Ｌおよび右可動電極３１Ｒは、−ｚ軸方向に重力加速度ＧＲが印加されているときに、重力加速度ＧＲとは別に印加される加速度であって、微小な振動成分からなる加速度を、高精度に検出するためのものである。加速度により左可動電極３１Ｌおよび右可動電極３１Ｒに印加される力が十分大きくなるように、左可動電極３１Ｌおよび右可動電極３１Ｒは、十分大きな質量差を有する。

微小な振動成分からなる加速度が左可動電極３１Ｌおよび右可動電極３１Ｒに印加されることにより、当該加速度により左可動電極３１Ｌおよび右可動電極３１Ｒに印加される力は、回転軸ＡＸ１を支点としたトルクとして左可動電極３１Ｌおよび右可動電極３１Ｒに作用し、回転軸ＡＸ１を中心として、左可動電極３１Ｌおよび右可動電極３１Ｒを回転変位させる。

左可動電極３１Ｌと左上部電極２１Ｌとにより、左空間２３Ｌを挟んで、非平行平板型コンデンサが形成される。図６に示すように、ｙ軸方向の負側から正側に向かって視た場合、左可動電極３１Ｌが時計方向に回転変位したときは、左可動電極３１Ｌと左上部電極２１Ｌとの間の非平行平板型コンデンサの静電容量ＣＬは、大きくなる。一方、ｙ軸方向の負側から正側に向かって視た場合、左可動電極３１Ｌが反時計方向に回転変位したときは、左可動電極３１Ｌと左上部電極２１Ｌとの間の非平行平板型コンデンサの静電容量ＣＬは、小さくなる。

左可動電極３１Ｌと左上部電極２１Ｌとの間の非平行平板型コンデンサは、左可動電極３１Ｌと左上部電極２１Ｌがｚ軸方向から視て交叉する領域である。また、右可動電極３１Ｒと右上部電極２１Ｒとの間の非平行平板型コンデンサは、右可動電極３１Ｒと右上部電極２１Ｒがｚ軸方向から視て交叉する領域である。

右可動電極３１Ｒと右上部電極２１Ｒとにより、右空間２３Ｒを挟んで、非平行平板型コンデンサが形成される。図６に示すように、ｙ軸方向の負側から正側に向かって視た場合、右可動電極３１Ｒが時計方向に回転変位したときは、右可動電極３１Ｒと右上部電極２１Ｒとの間の非平行平板型コンデンサの静電容量ＣＲは、静電容量ＣＬとは逆に、小さくなる。一方、ｙ軸方向の負側から正側に向かって視た場合、右可動電極３１Ｒが反時計方向に回転変位したときは、右可動電極３１Ｒと右上部電極２１Ｒとの間の非平行平板型コンデンサの静電容量ＣＲは、静電容量ＣＬとは逆に、大きくなる。

本実施例１による加速度センサ１に、重力加速度ＧＲより小さい鉛直方向の振動加速度が入力された場合、左可動電極３１Ｌおよび右可動電極３１Ｒは回転変位方向に振動する。そのため、静電容量ＣＬの容量値と、静電容量ＣＲの容量値とは、互いに逆位相に振動する。そのため、加速度センサ１は、検出回路により検出された静電容量ＣＬと、検出回路により検出された静電容量ＣＲとの容量差、すなわちΔＣ＝ＣＬ−ＣＲにより算出される出力ΔＣに基づいて、重力より小さい鉛直方向の加速度振動を検出する。すなわち、加速度センサ１は、静電容量ＣＬと静電容量ＣＲとに基づいて、加速度を検出する。
＜静止位置における重力加速度の影響について＞
次に、静止位置における重力加速度の影響について、図７〜図１３に示す比較例１と比較しながら説明する。

図７は、比較例１による加速度センサの断面図である。図８および図９は、比較例１による加速度センサの平面図である。図１０は、比較例１による加速度センサの断面図である。

図７および図１０は、図８および図９のＢ−Ｂ線に沿った断面図である。図７は、重力加速度がｚ軸方向に印加されていない状態を示し、図１０は、重力加速度が−ｚ軸方向に印加されている状態を示す。すなわち、図１０は、重力加速度により可動電極が回転軸を中心として回転変位した状態を示す。

図７に示すように、比較例１による加速度センサ１０１は、本実施例１による加速度センサ１と同様に、ベース層ＢＬと、メンブレン層ＭＬと、キャップ層ＣＤと、を有する。ベース層ＢＬは、ベース基板１０と、ギャップ調整膜１２ａ，１２ｂと、左空間１３Ｌと、右空間１３Ｒと、を有する。キャップ層ＣＤは、キャップ基板２０と、左上部電極２１Ｌと、右上部電極２１Ｒと、ギャップ調整膜２２ａ，２２ｂと、左空間２３Ｌと、右空間２３Ｒと、を有する。メンブレン層ＭＬは、左可動電極３１Ｌと、右可動電極３１Ｒと、ねじれバネ３２ａ，３２ｂと、固定部３３と、枠３４と、を有する。

図９に示すように、メンブレン層ＭＬに含まれる左可動電極３１Ｌは、本実施例１による加速度センサ１の左可動電極３１Ｌと同様に、低抵抗の単結晶シリコン基板からなり、ｚ軸方向から視たときに、例えば長方形の形状を有する。ｚ軸方向から視たときの左可動電極３１Ｌの平面寸法を、１６８４μｍ（ｘ軸方向）×２５００μｍ（ｙ軸方向）とすることができる。また、ｚ軸方向における左可動電極３１Ｌの厚さを０．２５ｍｍとすることができる。

図９に示すように、メンブレン層ＭＬに含まれる右可動電極３１Ｒは、本実施例１による加速度センサ１の右可動電極３１Ｒと同様に、低抵抗の単結晶シリコン基板からなり、ｚ軸方向から視たときに、例えば長方形の形状を有する。ｚ軸方向から視たときの右可動電極３１Ｒの平面寸法を、２８００μｍ（ｘ軸方向）×２５００μｍ（ｙ軸方向）とすることができる。また、ｚ軸方向における左可動電極３１Ｌの厚さを０．２５ｍｍとすることができる。

ギャップ長ＧＡＰＬは、図１０に示すように、左可動電極３１Ｌと左上部電極２１Ｌとの間に存在する左空間２３Ｌのｚ軸方向の厚さであり、左可動電極３１Ｌと左上部電極２１Ｌとの間のｚ軸方向の距離である。また、比較例１でも、本実施例１と同様に、ｘ軸方向の左上部電極２１Ｌの中心位置における、左空間２３Ｌのｚ軸方向の厚さを、ギャップ長ＧＡＰＬとして、定義する。

ギャップ長ＧＡＰＲは、図１０に示すように、右可動電極３１Ｒと右上部電極２１Ｒとの間に存在する右空間２３Ｒのｚ軸方向の厚さであり、右可動電極３１Ｒと右上部電極２１Ｒとの間のｚ軸方向の距離である。また、比較例１でも、本実施１と同様に、ｘ軸方向の右上部電極２１Ｒの中心位置における、右空間２３Ｒのｚ軸方向の厚さを、ギャップ長ＧＡＰＲとして、定義する。

左上部電極２１Ｌと右上部電極２１Ｒは、図７および図１０に示すように、同一平面内になるように配置されている。

図８に示すように、左上部電極２１Ｌの回転軸ＡＸ１側の端部４２（側面ＳＬ１）と、回転軸ＡＸ１との間のｘ軸方向の距離を、距離ＬＸＬｔｓとする。また、左上部電極２１Ｌの回転軸ＡＸ１側と反対側の端部４１（側面ＳＬ２）と、回転軸ＡＸ１との間のｘ軸方向の距離を、距離ＬＸＬｔｅとする。このとき、比較例１では、距離ＬＸＬｔｓを２００μｍとし、距離ＬＸＬｔｅを１８８４μｍとすることができる。

右上部電極２１Ｒの回転軸ＡＸ１側の端部４３（側面ＳＲ１）と、回転軸ＡＸ１との間のｘ軸方向の距離を、距離ＬＸＲｔｓとする。また、右上部電極２１Ｒの回転軸ＡＸ１側と反対側の端部４４（側面ＳＲ２）と、回転軸ＡＸ１との間の、ｘ軸方向の距離を、距離ＬＸＲｔｅとする。このとき、比較例１では、距離ＬＸＲｔｓを、距離ＬＸＬｔｓと等しい２００μｍとし、距離ＬＸＲｔｅを、距離ＬＸＬｔｅと等しい１８８４μｍとする。

比較例１による加速度センサ１０１でも、本実施例１による加速度センサ１と同様に、左可動電極３１Ｌおよび右可動電極３１Ｒの質量並びにねじれバネ３２ａ，３２ｂのバネ定数は、重力加速度ＧＲが印加されている状態で、右可動電極３１Ｒの回転軸ＡＸ１側と反対側の端部６４が、重力加速度ＧＲが印加されていない状態に比べ、ｚ軸方向において負側に約１.３μｍ移動するように、調整されている。

比較例１による加速度センサ１０１では、ギャップ調整膜１２ａ，１２ｂの厚さは、ギャップ調整膜２２ａ，２２ｂの厚さよりも十分厚い。比較例１では、ギャップ調整膜１２ａ，１２ｂの厚さを１００μｍ、ギャップ調整膜２２ａ，２２ｂの厚さを３μｍにすることができる。

図１１は、比較例１による加速度センサにおける左可動電極３１Ｌと左上部電極２１Ｌとの間の静電容量ＣＬおよび右可動電極３１Ｒと右上部電極２１Ｒとの間の静電容量ＣＲの回転角度依存性を示すグラフ図である。

図１１の横軸は、重力加速度ＧＲが−ｚ軸方向に印加され、かつ、左可動電極３１Ｌおよび右可動電極３１Ｒが振動していないとき、すなわち重力加速度ＧＲが印加された静止状態における左可動電極３１Ｌの回転角を基準とした、回転角の変化量ΔθＬ（反時計回りを正）を示す。また、図１１の横軸は、重力加速度ＧＲが−ｚ軸方向に印加され、かつ、左可動電極３１Ｌおよび右可動電極３１Ｒが振動していないとき、すなわち重力加速度ＧＲが印加された静止状態における右可動電極３１Ｒの回転角を基準とした、回転角の変化量ΔθＲ（時計回りを正）を示す。

言い換えれば、変化量ΔθＬは、重力加速度ＧＲが印加された静止状態から、左可動電極３１Ｌが回転軸ＡＸ１を中心として回転変位したときの、回転角のずれ量である。また、変化量ΔθＲは、重力加速度ＧＲが印加された静止状態から、右可動電極３１Ｒが回転軸ＡＸ１を中心として回転変位したときの、回転角のずれ量である。

図１１では、重力加速度ＧＲが印加された状態での、静電容量ＣＬの変化量ΔθＬ依存性（図１１では、「重力有でのＣＬ」と表記）を、実線で示し、静電容量ＣＲの変化量ΔθＲ依存性（図１１では、「重力有でのＣＲ」と表記）を、一点鎖線で示している。

なお、図１１では、重力加速度ＧＲが印加されていない状態での、静電容量ＣＬの左可動電極３１Ｌの回転角の変化量ΔθＬ依存性および静電容量ＣＲの右可動電極３１Ｒの回転角の変化量ΔθＲ依存性を、破線で示している（図１１では、「重力無でのＣＬ、ＣＲ」と表記）。

重力加速度ＧＲが印加されていない場合、図７に示すように、左可動電極３１Ｌおよび右可動電極３１Ｒは水平の位置で静止するため、静電容量ＣＬの回転角の変化量ΔθＬ依存性と、静電容量ＣＲの回転角の変化量ΔθＲ依存性とは、一致する。

鉛直方向（−ｚ軸方向）に重力加速度ＧＲが印加された場合、図１０に示すように、ｙ軸方向の負側から正側に向かって視たときに、左可動電極３１Ｌおよび右可動電極３１Ｒは反時計方向に回転変位し、ギャップ長ＧＡＰＬは約０.５μｍ減少し、ギャップ長ＧＡＰＲは約０.５μｍ増加する。そのため、ΔθＬ＝ΔθＲ＝０の場合、すなわち、重力加速度ＧＲが印加された静止状態における静電容量ＣＬの容量値と、静電容量ＣＲの容量値とが異なる。

前述したように、一般に、加速度センサは、静電容量ＣＬの容量値と、静電容量ＣＲの容量値との容量差に基づいて、加速度を検出する。すなわち、加速度センサの出力ΔＣは、静電容量ＣＬの容量値と、静電容量ＣＲの容量値との容量差であり、この出力ΔＣに基づいて、加速度を検出する。そのため、静電容量ＣＲの容量値と、静電容量ＣＬの容量値との容量差において、重力加速度ＧＲに相当する静電容量ＣＲの容量値と、重力加速度ＧＲに相当する静電容量ＣＬの容量値とがキャンセルされていることが望ましい。

すなわち、重力加速度ＧＲが印加され、かつ、重力加速度ＧＲより小さい鉛直方向の振動加速度が印加されていない状態で、左可動電極３１Ｌおよび右可動電極３１Ｒが静止状態であるときに、重力加速度ＧＲに相当する静電容量ＣＬの容量値と、重力加速度ＧＲに相当する静電容量ＣＲの容量値とが等しいことが、望ましい。

ここで、重力加速度ＧＲが印加され、かつ、重力加速度ＧＲより小さい鉛直方向の振動加速度が印加されていない状態で、左可動電極３１Ｌおよび右可動電極３１Ｒが静止状態であるときに、静電容量ＣＬの容量値と、静電容量ＣＲの容量値とがキャンセルされていないと、重力加速度ＧＲより小さい鉛直方向の振動加速度を検知する精度が著しく低下する。

例えば重力加速度ＧＲが印加され、かつ、重力加速度ＧＲより小さい鉛直方向の振動加速度が印加されていない状態で、左可動電極３１Ｌおよび右可動電極３１Ｒが静止状態であるときに、静電容量ＣＲの容量値と、静電容量ＣＬの容量値とが重力加速度ＧＲに対応した容量値だけ異なる場合を考える。このような場合であって、重力加速度ＧＲの１０００分の１、すなわちＧＲ／１０００の加速度に相当する振幅の振動を１％の測定精度で測定するときは、検出器として、（１＋１／１０００−１／１０００００）ＧＲと、（１＋１／１０００＋１／１０００００）ＧＲとを分離する必要があるため、６桁の測定精度を有する検出器が必要である。

一方、重力加速度ＧＲが印加され、かつ、重力加速度ＧＲより小さい鉛直方向の振動加速度が印加されていない状態で、左可動電極３１Ｌおよび右可動電極３１Ｒが静止状態であるときに、静電容量ＣＲの容量値と、静電容量ＣＬの容量値とが等しい場合を考える。すなわち、静電容量ＣＲの容量値と、静電容量ＣＬの容量値とがキャンセルされる場合を考える。

このような場合であって、重力加速度ＧＲの１０００分の１、すなわちＧＲ／１０００の加速度に相当する振幅の振動を１％の測定精度で測定するときは、検出器として、（０＋１／１０００−１／１０００００）ＧＲと、（０＋１／１０００＋１／１０００００）ＧＲとを分離するためには、３桁の測定精度を有する検出器を用いれば十分である。

すなわち、重力加速度ＧＲが印加された静止状態で、静電容量ＣＬの容量値と、静電容量ＣＲの容量値との容量差が増加すると、加速度センサのダイナミックレンジを大きくする必要があり、加速度センサの検出回路の消費電力が増加するおそれがある。一方、ダイナミックレンジを大きくすることができない場合には、加速度センサにおける加速度の測定精度が低下するか、または、加速度の感度が低下するおそれがある。

本発明者らは、本実施例１による加速度センサ１において、左可動電極３１Ｌおよび右可動電極３１Ｒの回転角度を回転角度θ（水平状態でゼロ、時計回りを正、図６参照）としたときに、左可動電極３１Ｌと左上部電極２１Ｌとの間の静電容量ＣＬの容量値および右可動電極３１Ｒと右上部電極２１Ｒとの間の静電容量ＣＲの容量値の回転角度θ依存性を、詳細に検討した。その結果、静電容量ＣＲの容量値および静電容量ＣＬの容量値が、下記式（１）〜式（５）を満たすことを見出した。

ここで、

であり、また、

である。

さらに、εは、左空間２３Ｌおよび右空間２３Ｒを占める気体の誘電率であり、ＳＬは、静電容量ＣＬに対応した有効電極面積であり、ＳＲは、静電容量ＣＲに対応した有効電極面積である。

本実施例１では、左上部電極２１Ｌの面積は、左可動電極３１Ｌの面積と等しいが、右上部電極２１Ｒの面積は、右可動電極３１Ｒの面積よりも小さい。そのため、静電容量ＣＬに対応した有効電極面積は、左上部電極２１Ｌの面積(ただし左可動電極３１Ｌの面積と等しい)であり、静電容量ＣＲに対応した有効電極面積は、右上部電極２１Ｒの面積である。

式（１）〜式（５）において、回転角度θを０に近づけたときに、式（１）に示す静電容量ＣＬの容量値および式（２）に示す静電容量ＣＲの容量値は、平行平板型コンデンサの静電容量の式に漸近する。そのため、式（１）〜式（５）は、左可動電極３１Ｌおよび右可動電極３１Ｒが傾斜することを考慮した式ということができる。

図１２は、本実施例１による加速度センサにおける左可動電極３１Ｌと左上部電極２１Ｌとの間の静電容量ＣＬおよび右可動電極３１Ｒと右上部電極２１Ｒとの間の静電容量ＣＲの回転角度依存性を示すグラフ図である。図１２の横軸は、図１１の横軸と同様に、回転角の変化量ΔθＬおよび回転角の変化量ΔθＲを示す。

図１２に示すように、本実施例１では、ΔθＬ＝ΔθＲ＝０の場合、静電容量ＣＬの容量値と、静電容量ＣＲの容量値とは等しい。しかし、ΔθＬ＝ΔθＲ≠０の場合、静電容量ＣＬの容量値と、静電容量ＣＲの容量値とは異なる。これは、ΔθＬ＝ΔθＲ＝０における静電容量ＣＬの１次導関数ＣＬ’と、静電容量ＣＲの１次導関数ＣＲ’とが等しくなく、かつ、ΔθＬ＝ΔθＲ＝０における静電容量ＣＲの２次導関数ＣＲ”と、静電容量ＣＬの２次導関数ＣＬ”とが等しくないことによる。

これは、前述した式（１）〜式（５）を用いて説明したように、本発明者らが、左可動電極３１Ｌおよび右可動電極３１Ｒが傾斜することを考慮したためであり、左可動電極３１Ｌおよび右可動電極３１Ｒが傾斜することに起因する現象である。

＜本実施例１による加速度センサの主要な特徴と効果＞
以上説明したように、本実施例１による加速度センサ１では、距離ＬＸＬｔｓと距離ＬＸＲｔｓとは等しく、かつ、距離ＬＸＬｔｅが距離ＬＸＲｔｅよりも小さい。

これにより、重力加速度ＧＲが印加され、かつ、重力加速度ＧＲより小さい鉛直方向の振動加速度が印加されていない状態で、左可動電極３１Ｌおよび右可動電極３１Ｒが静止状態であるときに、静電容量ＣＬの容量値と、静電容量ＣＲの容量値とが等しくなる。

従って、本実施例１によれば、重力加速度ＧＲより小さい鉛直方向の振動加速度を検知する精度が向上するので、感度が高く、消費電力が低い加速度センサを提供することができる。

＜加速度センサの構成＞
本実施例２による加速度センサの構成について、図１３〜図１７を参照しながら説明する。

図１３および図１４は、本実施例２による加速度センサの断面図である。図１５および図１６は、本実施例２による加速度センサの平面図である。図１７は、本実施例２による加速度センサの断面図である。

図１３は、図１５および図１６のＡ−Ａ線に沿った断面図であり、図１４および図１７は、図１５および図１６のＢ−Ｂ線に沿った断面図である。図１３および図１４は、重力加速度がｚ軸方向に印加されていない状態を示し、図１７は、重力加速度が−ｚ軸方向に印加されている状態を示す。すなわち、図１７は、重力加速度により左可動電極および右可動電極が回転軸を中心として回転変位した状態を示す。

図１５は、キャップ層の下面の状態を示している。図１６は、キャップ層を除去して＋ｚ軸方向から透視した状態を示し、メンブレン層の状態を示している。

図１３〜図１７に示すように、本実施例２による加速度センサ２０１は、前述の実施例１による加速度センサ１と同様に、ベース層ＢＬと、メンブレン層ＭＬと、キャップ層ＣＤと、を有する。ベース層ＢＬは、ベース基板１０と、ギャップ調整膜１２ａ，１２ｂと、左空間１３Ｌと、右空間１３Ｒと、を有する。キャップ層ＣＤは、キャップ基板２０と、左上部電極２１Ｌと、右上部電極２１Ｒと、ギャップ調整膜２２ａ，２２ｂと、左空間２３Ｌと、右空間２３Ｒと、を有する。メンブレン層ＭＬは、左可動電極３１Ｌと、右可動電極３１Ｒと、ねじれバネ３２ａ，３２ｂと、固定部３３と、枠３４と、を有する。

本実施例２による加速度センサ２０１と、前述の実施例１による加速度センサ１との相違点は、左上部電極２１Ｌの回転軸ＡＸ１側の端部４２（側面ＳＬ１）と、回転軸ＡＸ１との間のｘ軸方向の距離ＬＸＬｔｓと、右上部電極２１Ｒの回転軸ＡＸ１側の端部４３（側面ＳＲ１）と、回転軸ＡＸ１との間のｘ軸方向の距離ＬＸＲｔｓである。

すなわち、前述の実施例１による加速度センサ１では、距離ＬＸＬｔｓと距離ＬＸＲｔｓとは等しい。これに対して、本実施例２による加速度センサ２０１では、距離ＬＸＬｔｓが距離ＬＸＲｔｓよりも小さく、かつ、距離ＬＸＬｔｅが距離ＬＸＲｔｅよりも小さく、かつ、距離ＬＸＬｔｅと距離ＬＸＬｔｓとの差が、距離ＬＸＲｔｅと距離ＬＸＲｔｓとの差より小さい、ことを特徴とする。

本実施例２による加速度センサ２０１では、距離ＬＸＬｔｓを２００μｍとし、距離ＬＸＬｔｅを１８８４μｍとすることができる。すなわち、距離ＬＸＬｔｅと距離ＬＸＬｔｓとの差を、１６８４μｍとすることができる。

一方、距離ＬＸＲｔｓを５２９μｍとし、距離ＬＸＲｔｅを３０００μｍとすることができる。すなわち、距離ＬＸＲｔｅと距離ＬＸＲｔｓとの差を、２４７１μｍとすることができる。

図１８は、本実施例２による加速度センサにおける左可動電極３１Ｌと左上部電極２１Ｌとの間の静電容量ＣＬおよび右可動電極３１Ｒと右上部電極２１Ｒとの間の静電容量ＣＲの回転角度依存性を示すグラフ図である。図１８の横軸は、図１１の横軸と同様に、回転角の変化量ΔθＬおよび回転角の変化量ΔθＲを示す。

本実施例２による加速度センサ２０１では、距離ＬＸＬｔｓが距離ＬＸＲｔｓよりも小さく、かつ、距離ＬＸＬｔｅが距離ＬＸＲｔｅよりも小さく、かつ、距離ＬＸＬｔｅと距離ＬＸＬｔｓとの差が、距離ＬＸＲｔｅと距離ＬＸＲｔｓとの差より小さい。そのため、ΔθＬ＝ΔθＲ＝０を満たす位置、すなわち鉛直方向（−ｚ軸方向）に重力加速度ＧＲが印加されている状態における左可動電極３１Ｌおよび右可動電極３１Ｒの静止位置において、静電容量ＣＬの１次導関数ＣＬ’が静電容量ＣＲの１次導関数ＣＲ’と等しく、かつ、静電容量ＣＬの２次導関数ＣＬ”が静電容量ＣＲの２次導関数ＣＲ”と等しい。そのため、回転角の変化量ΔθＬおよび回転角の変化量ΔθＲの広い範囲で、静電容量ＣＬが静電容量ＣＲと等しくなる。

また、静電容量ＣＬの２次導関数ＣＬ”と、静電容量ＣＲの２次導関数ＣＲ”との間に差が生じると、加速度センサの静電容量ＣＬと静電容量ＣＲとの容量差に対応した出力ΔＣの、変化量ΔθＬおよびΔθＲに対する直線性が低下するおそれがある。

図１９は、前述の実施例１、本実施例２および比較例１によるそれぞれの加速度センサに加速度が印加されたときの出力ΔＣの非線形性を示すグラフ図である。図１９の横軸は、印加加速度を示す。図１９の縦軸は、出力ΔＣの非線形性を示す。

図１９に示すように、前述の実施例１による加速度センサにおける出力ΔＣの非線形性は、比較例１による加速度センサにおける出力ΔＣの非線形性よりも小さくなっている。さらに、本実施例２による加速度センサにおける出力ΔＣの非線形性は、前述の実施例１による加速度センサにおける出力ΔＣの非線形性よりも小さくなっている。これにより、前述の実施例１および本実施例２による加速度センサの効果は明白である。

＜本実施例２による加速度センサの主要な特徴と効果＞
以上説明したように、本実施例２による加速度センサ２０１では、距離ＬＸＬｔｓが距離ＬＸＲｔｓよりも小さく、かつ、距離ＬＸＬｔｅが距離ＬＸＲｔｅよりも小さく、かつ、距離ＬＸＬｔｅと距離ＬＸＬｔｓとの差が、距離ＬＸＲｔｅと距離ＬＸＲｔｓとの差より小さい。

これにより、重力加速度ＧＲが印加されているときの可動電極の静止位置において、静電容量ＣＬの１次導関数ＣＬ’を静電容量ＣＲの１次導関数ＣＲ’と等しく、かつ、静電容量ＣＬの２次導関数ＣＬ”を静電容量ＣＲの２次導関数ＣＲ”と等しくなる。

従って、本実施例２によれば、前述の実施例１による効果に加えて、線形性に優れた出力ΔＣを出力することができるので、感度が高く、消費電力が低く、印加された加速度に対する出力の線形性が高い加速度センサを提供することができる。

＜本実施例２の変形例＞
鉛直方向の加速度を高精度に測定する方法として、可動電極と固定電極との間に電圧を印加し、発生するクーロン力で可動電極の位置を制御するサーボ制御による方法が考えられる。以下では、サーボ制御による方法を用いて加速度を検出する加速度センサを、本実施例２の変形例として、以下に説明する。

図２０は、本実施例２の変形例による加速度センサの平面図である。

図２０に示すように、本実施例２の変形例による加速度センサ２０１ａでは、キャップ層ＣＤは、左上部電極２１Ｌおよび右上部電極２１Ｒに加え、左サーボ制御用上部電極２４Ｌと、右サーボ制御用上部電極２４Ｒと、を有する。

左サーボ制御用上部電極２４Ｌは、図１３に示した左上部電極２１Ｌと同様に、領域ＡＲ１Ｌのうちギャップ調整膜２２ｂが形成された領域以外の領域で、キャップ基板２０の下面下、すなわちキャップ基板２０下に形成されている。左サーボ制御用上部電極２４Ｌは、平面視において、左上部電極２１Ｌのｙ軸方向における一方の側に、配置されている。

右サーボ制御用上部電極２４Ｒは、図１３に示した右上部電極２１Ｒと同様に、領域ＡＲ１Ｒのうちギャップ調整膜２２ｂが形成された領域以外の領域で、キャップ基板２０の下面下、すなわちキャップ基板２０下に形成されている。右サーボ制御用上部電極２４Ｒは、平面視において、右上部電極２１Ｒのｙ軸方向における一方の側に、配置されている。

なお、本実施例２の変形例による加速度センサ２０１ａの構造を、前述の実施例１による加速度センサ１と同様な構造とし、左サーボ制御用上部電極および右サーボ制御用上部電極をそれぞれ左上部電極２１Ｌおよび右上部電極２１Ｒと兼用してもよい。または、本実施例２の変形例による加速度センサ２０１ａが、左可動電極３１Ｌおよび右可動電極３１Ｒに加え、左サーボ制御用可動電極と、右サーボ制御用可動電極と、を有してもよい。

すなわち、左サーボ制御用上部電極と、左上部電極２１Ｌとを別に設けても一体的に設けてもよく、また、右サーボ制御用上部電極と、右上部電極２１Ｒとを別に設けても一体的に設けてもよく、いずれの場合にも、同様の効果を有する。さらに、左サーボ制御用可動電極と、左可動電極３１Ｌとを別に設けても一体的に設けてもよく、また、右サーボ制御用可動電極と、右可動電極３１Ｒとを別に設けても一体的に設けてもよく、いずれの場合にも、同様の効果を有する。

サーボ制御で用いるクーロン力は、静電容量ＣＬの１次導関数ＣＬ’に比例し、静電容量ＣＲの１次導関数ＣＲ’に比例する。そのため、１次導関数ＣＬ’の変化量ΔθＬ依存性と１次導関数ＣＲ’の変化量ΔθＲ依存性とが異なる場合、左サーボ制御用上部電極２４Ｌと左上部電極２１Ｌとの間に印加するサーボ電圧と、右サーボ制御用上部電極２４Ｒと右上部電極２１Ｒとの間に印加するサーボ電圧とをそれぞれ異なる値に制御する必要が生じ、サーボ制御が煩雑になる。

また、１次導関数ＣＬ’と１次導関数ＣＲ’のうち、小さい方に合わせて最大サーボ電圧を決定する必要があるため、サーボ電圧が高電圧化するおそれがある。それに伴って、鉛直方向（−ｚ軸方向）に印加される微小な振動加速度を精度よく検出できない、または、加速度センサの消費電力が増大するおそれがある。

一方、本実施例２の変形例による加速度センサ２０１ａでも、本実施例２による加速度センサ２０１と同様に、距離ＬＸＬｔｓが距離ＬＸＲｔｓよりも小さく、かつ、距離ＬＸＬｔｅが距離ＬＸＲｔｅよりも小さく、かつ、距離ＬＸＬｔｅと距離ＬＸＬｔｓとの差が、距離ＬＸＲｔｅと距離ＬＸＲｔｓとの差より小さい。

従って、加速度センサ２０１ａにおける左可動電極３１Ｌと左上部電極２１Ｌとの間の静電容量ＣＬの容量値の回転角度依存性を、図１８に示した加速度センサ２０１における左可動電極３１Ｌと左上部電極２１Ｌとの間の静電容量ＣＬの容量値の回転角度依存性と、同様にすることができる。

また、加速度センサ２０１ａにおける右可動電極３１Ｒと右上部電極２１Ｒとの間の静電容量ＣＲの容量値の回転角度依存性を、図１８に示した本実施例２による加速度センサ２０１における右可動電極３１Ｒと右上部電極２１Ｒとの間の静電容量ＣＲの容量値の回転角度依存性と、同様にすることができる。

ここで、本実施例２に対する変形例の関係と同様に、比較例１および前述の実施例１に対して、左サーボ制御用上部電極および右サーボ制御用上部電極を形成したものを、それぞれ比較例２および比較例３とする。

分りやすいように、比較例２の左サーボ制御用上部電極および右サーボ制御用上部電極の面積は、比較例１の左上部電極および右上部電極の面積とそれぞれ同じに設定している。また、比較例３の左サーボ制御用上部電極および右サーボ制御用上部電極の面積は、前述の実施例１の左上部電極および右上部電極の面積とそれぞれ同じに設定している。

サーボ電圧を印加した時に左上部電極２１Ｌおよび右上部電極２１Ｒで発生するクーロン力の絶対値は、容量値とギャップ量の比で表される。従って例えばサーボ電圧１Ｖを印加した場合、比較例２でのクーロン力の絶対値は、左上部電極２１Ｌで２．３μＮ、右上部電極２１Ｒで０．８μＮとなり、比較例３でのクーロン力の絶対値は、左上部電極２１Ｌで１．５μＮ、右上部電極２１Ｒで１．２μＮとなる。

一方、本実施例２による変形例でのクーロン力の絶対値は、左上部電極２１Ｌで１．３μＮ、右上部電極２１Ｒで１．３μＮとなる。

このように、本実施例２による変形例では、例えばサーボ電圧１Ｖを印加した時に、左上部電極２１Ｌで発生するクーロン力が、右上部電極２１Ｒで発生するクーロン力と等しくなるため、サーボ制御が煩雑にならず、サーボ電圧を低電圧化することができる。

つまり、本実施例２による変形例でも、本実施例２と同様に、重力加速度ＧＲが印加されているときの左可動電極３１Ｌおよび右可動電極３１Ｒの静止位置において、静電容量ＣＬの１次導関数ＣＬ’を静電容量ＣＲの１次導関数ＣＲ’と等しく、静電容量ＣＬの２次導関数ＣＬ”を静電容量ＣＲの２次導関数ＣＲ”と等しくすることができる。

これにより、サーボ制御が煩雑にならず、サーボ電圧を低電圧化することができる。その結果、鉛直方向（−ｚ軸方向）に印加される微小な振動加速度を高精度で検出できる、または、加速度センサ２０１ａの消費電力を低減することができる。

以上、本発明者らによってなされた発明をその実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることはいうまでもない。

１ 加速度センサ
１０ ベース基板
１２ａ，１２ｂ ギャップ調整膜
１３Ｌ 左空間
１３Ｒ 右空間
２０ キャップ基板
２１Ｌ 左上部電極
２１Ｒ 右上部電極
２２ａ，２２ｂ ギャップ調整膜
２３Ｌ 左空間
２３Ｒ 右空間
２４Ｌ 左サーボ制御用上部電極
２４Ｒ 右サーボ制御用上部電極
３１Ｌ 左可動電極
３１Ｒ 右可動電極
３２ａ，３２ｂ ねじれバネ
３３ 固定部
３４ 枠
３５Ｌ 左空間
３５Ｒ 右空間
３６ａ，３６ｂ，３７ａ，３７ｂ 端部
３８ａ，３８ｂ 連結部
４１〜４８，６１〜６８ 端部
１０１，２０１，２０１ａ 加速度センサ
ＡＲ１，ＡＲ１Ｌ，ＡＲ１Ｒ，ＡＲ２ 領域
ＡＸ１ 回転軸
ＢＬ ベース層
ＣＤ キャップ層
Ｇ１ 起振源
Ｇ２ａ，Ｇ２ｂ，Ｇ２ｃ，Ｇ２ｄ，Ｇ２ｅ 受振器
Ｇ３ 地表
Ｇ４ａ，Ｇ４ｂ 地層の境界
ＧＡＰＬ，ＧＡＰＲ ギャップ長
ＧＲ 重力加速度
ＬＸＬｔｅ，ＬＸＬｔｓ，ＬＸＬｍｅ，ＬＸＬｍｓ 距離
ＬＸＲｔｅ，ＬＸＲｔｓ，ＬＸＲｍｅ，ＬＸＲｍｓ 距離
ＬＹＬｔ、ＬＹＲｔ 長さ
ＬＺｔ 距離
ＭＬ メンブレン層
ＳＬ１，ＳＬ２，ＳＬ３，ＳＬ４ 側面
ＳＲ１，ＳＲ２，ＳＲ３，ＳＲ４ 側面
ＳＭ１Ｌ，ＳＭ２Ｌ，ＳＭ３Ｌ，ＳＭ４Ｌ 側面
ＳＭ１Ｒ，ＳＭ２Ｒ，ＳＭ３Ｒ，ＳＭ４Ｒ 側面

Claims (10)

1. 第１基板と、
   前記第１基板から第１方向に離間して設けられた第２基板と、
   前記第１基板と前記第２基板との間に設けられた、前記第１方向と直交する第２方向に沿った回転軸を中心として回転する可動部と、
   を有し、
   前記可動部は、前記第１方向と前記第２方向に直交する第３方向に前記回転軸を挟んで設けられた、第１可動電極と第２可動電極と、を備え、
   前記第２基板は、前記第１可動電極に対向する第１検出電極と、前記第２可動電極に対向する第２検出電極と、を備え、
   前記第１可動電極と前記第１検出電極との間で容量を検出する第１検出領域の前記第３方向の幅と、前記第２可動電極と前記第２検出電極との間で容量を検出する第２検出領域の前記第３方向の幅とが互いに異なり、
   平面視において、前記回転軸から、前記第１検出電極の前記回転軸側の第１端部までの第１距離と、前記回転軸から、前記第２検出電極の前記回転軸側の第２端部までの第２距離とが互いに異なる、加速度センサ。
2. 請求項１記載の加速度センサにおいて、
   前記第１可動電極は、加速度が印加された際に第１の向きに変位し、
   前記第２可動電極は、前記加速度が印加された際に前記第１の向きと反対の第２の向きに変位する、加速度センサ。
3. 請求項１記載の加速度センサにおいて、
   前記第１検出電極の前記第２方向の長さと、前記第２検出電極の前記第２方向の長さとが同じである、加速度センサ。
4. 請求項１記載の加速度センサにおいて、
   平面視において、前記回転軸から、前記第１検出電極の前記回転軸側の第１端部までの第１距離が、前記回転軸から、前記第２検出電極の前記回転軸側の第２端部までの第２距離よりも小さく、
   平面視において、前記回転軸から、前記第１検出電極の前記回転軸側と反対側の第３端部までの第３距離が、前記回転軸から、前記第２検出電極の前記回転軸側と反対側の第４端部までの第４距離よりも小さく、
   前記第３距離と前記第１距離との差が、前記第４距離と前記第２距離との差よりも小さい、加速度センサ。
5. 請求項１記載の加速度センサにおいて、
   前記第１検出電極は、前記第２方向に互いに離間する第１電極部と、第２電極部と、から構成され、
   前記第２検出電極は、前記第２方向に互いに離間する第３電極部と、第４電極部と、から構成され、
   前記第１電極部と前記第１可動電極との間に第１電圧を印加し、
   前記第３電極部と前記第２可動電極との間に第２電圧を印加する、加速度センサ。
6. 請求項５記載の加速度センサにおいて、
   平面視において、前記回転軸から、前記第１検出電極の前記回転軸側の第１端部までの第１距離と、前記回転軸から、前記第２検出電極の前記回転軸側の第２端部までの第２距離とが互いに異なる、加速度センサ。
7. 請求項１記載の加速度センサにおいて、
   前記第１可動電極は、前記第２方向に互いに離間する第５電極部と、第６電極部と、から構成され、
   前記第２可動電極は、前記第２方向に互いに離間する第７電極部と、第８電極部と、から構成され、
   前記第１検出電極と前記第５電極部との間に第３電圧を印加し、
   前記第２検出電極と前記第７電極部との間に第４電圧を印加する、加速度センサ。
8. 請求項７記載の加速度センサにおいて、
   平面視において、前記回転軸から、前記第１検出電極の前記回転軸側の第１端部までの第１距離と、前記回転軸から、前記第２検出電極の前記回転軸側の第２端部までの第２距離とが互いに異なる、加速度センサ。
9. 請求項１記載の加速度センサにおいて、
   前記第１検出領域の平面視における第１面積と、前記第２検出領域の平面視における第２面積とが互いに異なる、加速度センサ。
10. 請求項１記載の加速度センサにおいて、
    前記第１基板、前記第２基板および前記可動部は、単結晶シリコンからなる、加速度センサ。

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