JP2010164569A

JP2010164569A - 多軸加速度センサ

Info

Publication number: JP2010164569A
Application number: JP2010029787A
Authority: JP
Inventors: Michihiko Hayashi; 道彦林; Takami Ishida; 貴巳石田; Satoshi Ouchi; 智大内
Original assignee: Panasonic Corp
Current assignee: Panasonic Corp
Priority date: 2010-02-15
Filing date: 2010-02-15
Publication date: 2010-07-29

Abstract

【課題】質量部の変位感度比率を均一化することにより、Ｚ軸方向の加速度が加わってもＸＹ軸方向の加速度検出精度が悪くなってしまうことのない多軸加速度センサを提供することを目的とする。
【解決手段】ＸＹＺ座標系におけるＸＹ平面に沿って配置され加速度に応じて変位する質量部１２を複数の梁部１４を介して周囲の支持部１３に支持する可動基板１１と、この可動基板１１における支持部１３と接合され、かつ可動基板１１における質量部１２と所定間隔を有する固定電極１６を上面に設けた固定基板１５とを備え、前記複数の梁部１４を、支持部１３からＸ軸あるいはＹ軸と平行方向に延びた第１の梁部１７と、質量部１２に連結され、かつＸＹ軸と４５°方向に斜めに延びた第２の梁部１８とにより構成し、前記第２の梁部１８の長手方向と垂直な断面２次モーメントを第１の梁部１７の長手方向と垂直な断面２次モーメントより小さくしたものである。
【選択図】図１

Description

本発明は、特に車両、ロボット等の移動体の姿勢制御や精密機器の振動計測等に用いられ、多軸方向の加速度を検出する多軸加速度センサに関するものである。

従来のこの種の多軸加速度センサは、図１０に示すような構成を有していた。

図１０は従来の多軸加速度センサの分解斜視図を示したもので、この図１０において、１はシリコンなどの半導体基板からなる可動基板で、この可動基板１は、中央に所定厚みを有する円柱形状の質量部２とこの質量部２の底面側の周囲からＸＹ方向に４つに分割された羽根状肉薄の可動電極部３を有し、かつ加速度に応じて変位する質量体４と、この質量体４の周囲に位置する支持部５と、この支持部５と前記質量体４とを連結する４本の梁部６を有している。７はシリコンなどの半導体基板あるいはガラス基板などの絶縁性基板からなる固定基板で、この固定基板７は、前記可動電極部３と対向する位置に設けられる固定電極８と、この固定電極８の外周に位置する枠部９と、前記固定電極８の出力を外部出力する配線部１０を有している。また前記可動基板１の支持部５と固定基板７の枠部９は、可動電極部３と固定電極８との間に所定間隔を設けて接合されている。

以上のように構成されている従来の多軸加速度センサについて、次にその動作を説明する。

ＸＹ軸平面に多軸加速度センサを実装すると、Ｚ軸方向の重力により質量体４は一定量沈む方向に変位し、可動電極部３と固定電極８とのＺ軸方向の間隔が狭まった状態で静止している。この状態で、質量体４にＸ軸方向の加速度が加わると、この質量体４には加速度と質量との積からなる慣性力が働き、そしてこの質量体４は梁部６に４点支持された状態で可動電極部３とともにＸ軸方向の前後に所定角度で傾く。この傾きによりＸ軸方向に２分割配置した可動電極部３と固定電極８とのＺ軸方向の間隔が変化し、各々の静電容量が変化することになる。ここで、静電容量をＣ、誘電率をε、電極面積をＳ、電極間の間隔をｄとした場合、静電容量はＣ＝ε×Ｓ／ｄにより一般的に算出することができるもので、この場合、誘電率と電極面積は変化せず、Ｚ軸方向の電極間の間隔の変化に応じた各々の静電容量を処理回路（図示せず）で差動処理することにより加速度を検出していた。また、Ｙ軸方向の加速度についても、上記と同様の動作原理で加速度を検出していた。

なお、この出願の発明に関する先行技術文献情報としては、例えば、特許文献１が知られている。

特開２００３−１５２１６２号公報

しかしながら、上記従来の構成においては、Ｚ軸方向に一定の肉薄な厚みを有し、かつＸＹ軸面に一定の幅を有する梁部６により質量体４を支持しており、さらにこの質量体４は、Ｚ軸方向に肉薄な可動電極部３を設けた支持部５内の有効空間における質量体４の質量比率が小さくて重心も低くなるため、Ｚ軸方向の加速度に対する変位感度は、ＸＹ軸方向の加速度に対する変位感度より大きくなっている。さらに、ＸＹＺ軸の加速度成分はＺ軸方向の可動電極部３と固定電極８部との間隔の変化に伴う静電容量変化で検出するため、Ｚ軸方向の加速度による質量体４の変位が大きくなりすぎると、電極間の間隔が大きく変動し、電極間の間隔に反比例する静電容量において、ＸＹ軸平面内の加速度のみが加わった状態での加速度検出値より、ＸＹ軸方向の加速度検出精度が非直線性となって悪くなってしまうという課題を有していた。

本発明は上記従来の課題を解決するもので、ＸＹ軸方向とＺ軸方向の加速度に対して、質量部の変位感度比率を均一化することにより、Ｚ軸方向の加速度が加わってもＸＹ軸方向の加速度検出精度が悪くなってしまうことのない多軸加速度センサを提供することを目的とするものである。

上記目的を達成するために、本発明は以下の構成を有するものである。

本発明の請求項１に記載の発明は、ＸＹＺ座標系におけるＸＹ平面に沿って配置され加速度に応じて変位する質量部を複数の梁部を介して周囲の支持部に支持する可動基板と、この可動基板における支持部と接合され、かつ可動基板における質量部と所定間隔を有する固定電極を上面に設けた固定基板とを備え、前記複数の梁部を、前記支持部からＸ軸あるいはＹ軸と平行方向に延びた第１の梁部と、前記質量部に連結され、かつＸＹ軸と４５°方向に斜めに延びた第２の梁部とにより構成し、前記第２の梁部の長手方向と垂直な断面２次モーメントを前記第１の梁部の長手方向と垂直な断面２次モーメントより小さくしたもので、この構成によれば、ＸＹＺ座標系におけるＸＹ平面に沿って配置され加速度に応じて変位する質量部を周囲の支持部に支持する複数の梁部を、前記支持部からＸ軸あるいはＹ軸と平行方向に延びた第１の梁部と、前記質量部に連結され、かつＸＹ軸と４５°方向に斜めに延びた第２の梁部とにより構成し、前記第２の梁部の長手方向と垂直な断面２次モーメントを前記第１の梁部の長手方向と垂直な断面２次モーメントより小さくしているため、ＸＹ軸方向の加速度に対する質量部の変位感度に寄与する第２の梁部の弾性が高まることになり、これにより、ＸＹＺ軸方向における質量部の変位感度比率を均一化することができるため、Ｚ軸方向の加速度が加わってもＸＹ軸方向の加速度検出精度が悪くなってしまうことはないとともに、質量部における第２の梁部と連結される部分の近傍に上面から下面にわたって気体を逃がす縦溝を設けたため、第２の梁部の長さを質量部の中心まで長くすることができることとなり、ＸＹ軸方向の加速度に対する質量部の変位感度に寄与する第２の梁部の弾性が高まるから、ＸＹＺ軸方向における質量部の変位感度比率を均一化することができることとなり、これにより、Ｚ軸方向の加速度が加わってもＸＹ軸方向の加速度検出精度が悪くなってしまうことはなく、さらに、電極間の間隔が狭い空間の中で質量部が変位する場合に発生するスクイーズフィルムダンピングを抑制することができるため、印加された加速度に対する周波数応答性が向上するという作用効果を有するものである。

以上のように本発明の多軸加速度センサは、ＸＹＺ座標系におけるＸＹ平面に沿って配置され加速度に応じて変位する質量部を複数の梁部を介して周囲の支持部に支持する可動基板と、この可動基板における支持部と接合され、かつ可動基板における質量部と所定間隔を有する固定電極を上面に設けた固定基板とを備え、前記複数の梁部を、前記支持部からＸ軸あるいはＹ軸と平行方向に延びた第１の梁部と、前記質量部に連結され、かつＸＹ軸と４５°方向に斜めに延びた第２の梁部とにより構成し、前記第２の梁部の長手方向と垂直な断面２次モーメントを前記第１の梁部の長手方向と垂直な断面２次モーメントより小さくしたもので、この構成によれば、ＸＹＺ座標系におけるＸＹ平面に沿って配置され加速度に応じて変位する質量部を周囲の支持部に支持する複数の梁部を、前記支持部からＸ軸あるいはＹ軸と平行方向に延びた第１の梁部と、前記質量部に連結され、かつＸＹ軸と４５°方向に斜めに延びた第２の梁部とにより構成し、前記第２の梁部の長手方向と垂直な断面２次モーメントを前記第１の梁部の長手方向と垂直な断面２次モーメントより小さくしているため、ＸＹ軸方向の加速度に対する質量部の変位感度に寄与する第２の梁部の弾性が高まることになり、これにより、ＸＹＺ軸方向における質量部の変位感度比率を均一化することができるため、Ｚ軸方向の加速度が加わってもＸＹ軸方向の加速度検出精度が悪くなってしまうことはないとともに、質量部における第２の梁部と連結される部分の近傍に上面から下面にわたって気体を逃がす縦溝を設けたため、第２の梁部の長さを質量部の中心まで長くすることができることとなり、ＸＹ軸方向の加速度に対する質量部の変位感度に寄与する第２の梁部の弾性が高まるから、ＸＹＺ軸方向における質量部の変位感度比率を均一化することができることとなり、これにより、Ｚ軸方向の加速度が加わってもＸＹ軸方向の加速度検出精度が悪くなってしまうことはなく、さらに、電極間の間隔が狭い空間の中で質量部が変位する場合に発生するスクイーズフィルムダンピングを抑制することができるため、印加された加速度に対する周波数応答性が向上するという優れた効果を奏するものである。

本発明の実施の形態１における多軸加速度センサの斜視図同多軸加速度センサの上面図同多軸加速度センサにおける固定基板の上面図（ａ）（ｂ）図２のＡ−Ａ線断面図（ａ）（ｂ）図２のＢ−Ｂ線断面図方位の状態図シリコンの方位とヤング率との関係図本発明の実施の形態２における多軸加速度センサの質量部の形状を示す上面図本発明の実施の形態３における多軸加速度センサの駆動電極位置を示す断面図従来の多軸加速度センサの分解斜視図

（実施の形態１）
以下、本発明の実施の形態１における加速度センサについて、図面を参照しながら説明する。

図１は本発明の実施の形態１における多軸加速度センサの斜視図、図２は同多軸加速度センサの上面図、図３は同多軸加速度センサにおける固定基板の上面図、図４（ａ）（ｂ）は図２のＡ−Ａ線断面図、図５（ａ）（ｂ）は図２のＢ−Ｂ線断面図、図６は方位の状態図、図７はシリコンの方位とヤング率の関係図である。

図１〜図５において、１１はシリコン酸化膜などのエッチングストップ層を中間層に設けて両側にシリコン基板を接合したＳＯＩ基板からなり、ＸＹ平面に沿って配置された可動基板で、この可動基板１１は中央に加速度に応じて変位する質量部１２と、この質量部１２の外周囲に設けた支持部１３と、この支持部１３と前記質量部１２とを連結し、かつ前記質量部１２を変位可能とする４本の肉薄のシリコンからなる梁部１４とにより構成されている。１５はガラスなどの絶縁性材料からなる固定基板で、この固定基板１５は、上面にＸＹ軸方向に各々２つに分割されたＡｕなどの導電性材料からなる固定電極１６を設け、さらに前記質量部１２と梁部１４との間に所定間隔を設けて前記支持部１３と接合されているものである。

そして、前記梁部１４は支持部１３からＸ軸あるいはＹ軸と平行方向に延びた第１の梁部１７と、前記質量部１２に連結され、かつＸＹ軸と４５°方向に斜めに延びた第２の梁部１８とにより構成し、前記第２の梁部１８の長手方向と垂直な断面２次モーメントを前記第１の梁部１７の長手方向と垂直な断面２次モーメントより小さくしている。このような構成とすることにより、ＸＹ軸方向の加速度に対する前記質量部１２の変位感度に寄与する第２の梁部１８の弾性が高まることになり、これにより、ＸＹＺ軸方向における前記質量部１２の変位感度比率を均一化することができるため、Ｚ軸方向の加速度が加わってもＸＹ軸方向の加速度検出精度が悪くなってしまうことはないという効果を得ることができるものである。ここで、断面２次モーメントをＩ、梁部の長手方向の幅をｂ、梁部のＺ軸方向の厚みをｈとした場合、断面２次モーメントはＩ＝ｂ×ｈ³／１２の式から一般的に算出できるもので、図５（ａ）に示すように第２の梁部１８の長手方向の幅を小さくするか、あるいは厚みを薄くすることにより、第２の梁部１８の長手方向の断面２次モーメントを小さくすることができる。また、梁のたわみをＺ、印加された加速度での慣性力をＦ、梁の長さをＬ、ヤング率をＥとした場合、梁のたわみはＺ∝Ｆ×Ｌ³／Ｅ／Ｉの式か
ら一般的に算出できるもので、一定量の加速度による慣性力において、断面２次モーメントを小さくすることにより、梁のたわみ、すなわち質量部１２の変位を大きくすることができる。

また、前記梁部１４は面方位（１００）のシリコンからなり、前記第１の梁部１７を前記支持部１３からＸ軸あるいはＹ軸と平行方向に延びた方位＜１１０＞に配置し、かつ前記第２の梁部１８を前記質量部１２に連結するとともに、ＸＹ軸と４５°方向に斜めに延びた方位＜１００＞に配置しているもので、このような配置構成とすることにより、図６と図７に示すように、前記第２の梁部１８のヤング率は、前記第１の梁部１７のヤング率より小さくなるため、ＸＹ軸方向の加速度に対する前記質量部１２の変位感度に寄与する第２の梁部１８の弾性が高まることになり、これにより、ＸＹＺ軸方向における質量部１２の変位感度比率を均一化することができるため、Ｚ軸方向の加速度が加わってもＸＹ軸方向の加速度検出精度が悪くなってしまうことはなく、さらに、シリコンの方位角度ずれによるヤング率の変化も小さいため、加速検出精度も安定するという効果を有するものである。なお、面方位（１００）のシリコンのヤング率は９０°毎の方位周期となっており、方位＜１００＞、＜０１０＞、＜−１００＞、＜００１＞は表記上の違いはあるがヤング率は同一である。また、方位＜１１０＞、＜−１１０＞、＜１−１０＞、＜０１１＞も表記上の違いはあるがヤング率は同一である。

そしてまた、前記質量部１２には、上面から下面にわたって貫通孔１９を設けているもので、この貫通孔１９を設けることにより、電極間の間隔が狭い空間の中で質量部１２が変位する場合に気体の粘性抵抗、圧力勾配などから発生するスクイーズフィルムダンピングに対しても、前記貫通孔１９を介して気体を逃がし前記質量部１２の周囲の圧力を均一化させることができるため、そのダンピングを抑制することができ、これにより、印加された加速度に対する周波数応答性も向上するという効果が得られるものである。

以上のように構成された本発明の実施の形態１における多軸加速度センサについて、次にその製造方法を説明する。

まず、可動基板１１としてＳＯＩ基板（図示せず）を準備し、少なくともＳＯＩ基板の一面にフォトリソグラフィとウェットエッチングを施して所定深さの溝（図示せず）を形成し、その後、エッチングストップ層を利用して両側からフォトリソグラフィとウェットエッチングあるいはドライエッチングを施してＳＯＩ基板を所定形状に加工した後、エッチングストップ層を除去することにより質量部（図示せず）と、支持部（図示せず）および梁部（図示せず）を形成する。

次に、固定基板１５としてガラス基板（図示せず）を準備し、このガラス基板の上面に真空蒸着法あるいはスパッタ法によりＴｉなどの密着層を介してＡｕなどの導電性材料を用いて薄膜の導電膜（図示せず）を形成し、その後、フォトリソグラフィとウェットエッチングにより導電膜を所定形状に加工して固定電極（図示せず）と共通電極（図示せず）を形成する。

次に、前記可動基板１１における支持部と前記固定基板１５を陽極接合あるいは接着剤を介して接合するとともに、前記支持部と共通電極とを電気的に接続したセンサ基板（図示せず）を形成する。

最後に、センサ基板をダイシングあるいはレーザ加工によって分割することにより、複数個の多軸加速度センサ（図示せず）を生産するようにしている。

以上のようにして製造された本発明の実施の形態１における多軸加速度センサについて、次にその動作を説明する。

ＸＹ軸平面に多軸加速度センサを実装すると、Ｚ軸方向の重力により前記質量部１２が一定量沈む方向に変位し、この質量部１２と前記固定電極１６とのＺ軸方向の間隔が狭まった状態で静止している。この状態で前記質量部１２にＸ軸方向の加速度が加わると、この質量部１２には加速度と質量との積である慣性力が作用し、そしてこの質量部１２は前記支持部１３に連結する梁部１４に支持された状態で図４（ｂ）に示すようにＸ軸方向の前後に所定角度で傾く。この傾きによりＸ軸方向に２分割配置した前記固定電極１６と質量部１２とのＺ軸方向の間隔が変化し、各々の静電容量が変化することになる。ここで、静電容量をＣ、誘電率をε、電極面積をＳ、電極間の間隔をｄとした場合、静電容量はＣ＝ε×Ｓ／ｄの式から一般的に算出できるもので、誘電率と電極面積は変化せず、Ｚ軸方向の電極間の間隔の変化に応じた各々の静電容量を処理回路（図示せず）で差動処理することにより加速度を検出することができる。また、Ｙ軸方向の加速度についても、上記と同様の動作原理で加速度を検出することができる。

なお、ＸＹ軸方向の加速度に対して質量部１２の傾き変位が少ない質量部１２の中央と対向する固定基板１５の上面中央に検出電極（図示せず）を独立して追加配置したり、あるいはＸＹ軸方向に各々２つに分割された固定電極１６と質量部１２との間の各々の静電容量の変化を処理すれば、Ｚ軸方向の加速度を検出することができるものである。

（実施の形態２）
以下、本発明の実施の形態２における加速度センサについて、図面を参照しながら説明する。

図８は本発明の実施の形態２における多軸加速度センサの質量部の形状を示したもので、この実施の形態２においては、上記した本発明の実施の形態１における多軸加速度センサと同一の構成部品については同一番号を付し、本発明の実施の形態１と異なる点のみを説明する。

すなわち、本発明の実施の形態２は、図８に示すように、可動基板２１を、その中央に設けられた加速度に応じて変位する質量部２２と、この質量部２２の外周囲に設けた支持部２３と、この支持部２３と前記質量部２２とを連結し、かつ前記質量部２２を変位可能とする４本の肉薄のシリコンからなる梁部２４とにより構成するとともに、前記梁部２４は支持部２３からＸ軸あるいはＹ軸と平行方向に延びた第１の梁部２５と、前記質量部２２に連結され、かつＸＹ軸と４５°方向に斜めに延びた第２の梁部２６とにより構成し、さらに前記質量部２２における第２の梁部２６と連結される部分の近傍に上面から下面にわたって縦溝２７を設けたものである。

上記した本発明の実施の形態２においては、質量部２２における第２の梁部２６と連結される部分の近傍に上面から下面にわたって縦溝２７を設けているため、特に第２の梁部２６の長さを質量部２２の中心まで長くすることができ、これにより、ＸＹ軸方向の加速度に対する質量部２２の変位感度に寄与する第２の梁部２６の弾性が高まることになるため、ＸＹＺ軸方向における質量部２２の変位感度比率を均一化することができ、これにより、Ｚ軸方向の加速度が加わってもＸＹ軸方向の加速度検出精度が悪くなってしまうことはなく、さらに、電極間の間隔が狭い空間の中で質量部２２が変位する場合に気体の粘性抵抗、圧力勾配などから発生するスクイーズフィルムダンピングに対しても、前記縦溝２７を介して気体を逃がし前記質量部２２の周囲の圧力を均一化させることができるため、そのダンピングを抑制することができ、これにより、印加された加速度に対する周波数応答性も向上するという効果が得られるものである。

（実施の形態３）
以下、本発明の実施の形態３における多軸加速度センサについて、図面を参照しながら説明する。

図９は本発明の実施の形態３における多軸加速度センサの駆動電極の位置を示したもので、この実施の形態３においては、上記した本発明の実施の形態１における多軸加速度センサと同一の構成部品については同一番号を付し、本発明の実施の形態１と異なる点のみを説明する。

すなわち、本発明の実施の形態３は、図２、図３、図９に示すように、固定基板１５の上面における第１の梁部１７の特に第２の梁部１８の近傍と対向する側に駆動電極３１を質量部１２の中心対角に２つ設けたものである。

ここで、静電引力をＦ、誘電率をε、電極面積をＳ、電極間の間隔をｄ、印加電圧をＶとした場合、静電引力はＦ＝ε×Ｓ×Ｖ²／Ｄ²／２の式から一般的に算出できるもので、共通電極３２と駆動電極３１との間に所定電圧を印加すると、静電引力が発生するため、この静電引力により第１の梁部１７をＺ軸方向に引き寄せて質量部１２を変位させることができる。

そして、共通電極３２と２つの駆動電極３１における一方の駆動電極３１との間に所定電圧を印加、あるいは２つの駆動電極３１に異なった電圧を印加すると、図９に示すように質量部１２をＸＹＺ座標系に所定角度で傾斜させることができるもので、このときの質量部１２の傾斜による変位と、あらかじめ外部から印加された加速度に対する質量部１２の変位とにおける相互の静電容量を比較することにより、自己的に一度で多軸方向の故障診断ができるという効果が得られるものである。また、２つの駆動電極３１に同一の所定電圧を印加した場合は、質量部１２をＺ軸方向のみに変位させることができるため、これにより、Ｚ軸方向単独の故障診断もできるという効果が得られるものである。

なお、質量部１２の中心点対称の位置に４つの駆動電極（図示せず）を設けて、それぞれの駆動電極と共通電極３２との間に印加する電圧を調整することにより、質量部１２を変位させた場合でも、上記した本発明の実施の形態３と同様の効果を有するものである。

本発明にかかる多軸加速度センサは、加速度検出精度が良い多軸加速度センサを提供できるという効果を有し、車両、ロボット等の移動体の姿勢制御や精密機器の振動計測等に用いられる多軸方向の加速度を検出する多軸加速度センサとして有用である。

１１可動基板
１２質量部
１３支持部
１４梁部
１５固定基板
１６固定電極
１７第１の梁部
１８第２の梁部
１９貫通孔
２１可動基板
２２質量部
２３支持部
２４梁部
２５第１の梁部
２６第２の梁部
２７縦溝
３１駆動電極
３２共通電極

Claims

ＸＹＺ座標系におけるＸＹ平面に沿って配置され加速度に応じて変位する質量部を複数の梁部を介して周囲の支持部に支持する可動基板と、この可動基板における支持部と接合され、かつ可動基板における質量部と所定間隔を有する固定電極を上面に設けた固定基板とを備え、前記複数の梁部を、前記支持部からＸ軸あるいはＹ軸と平行方向に延びた第１の梁部と、前記質量部に連結され、かつＸＹ軸と４５°方向に斜めに延びた第２の梁部とにより構成し、前記第２の梁部の長手方向と垂直な断面２次モーメントを前記第１の梁部の長手方向と垂直な断面２次モーメントより小さくするとともに、質量部における第２の梁部と連結される部分の近傍に上面から下面にわたって気体を逃がす縦溝を設けた多軸加速度センサ。