JPH04184263A - 加速度検出装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は最大破壊加速度の異なる複数のセンサを用いて
所定レベルのセンサ出力を得る加速度検出において、高
感度加速度センサに不具合が生じたときにも高い信頼性
を保つことができる加速度検出装置に関する。

〔従来技術とその課題〕

従来、半導体式加速度センサは単一のカンチレバービー
ムによって構成されており、その感度を向上させる為に
カンチレバービームの先端おもり部分を大きくしたり、
ビーム根本部分を細くしたり、また薄くする事を行って
いる。しかしながら、カンチレバービーム自体に上述の
設計変更を加えると、機械的強度の低下からビームがセ
ンサの取扱い時の衝撃などにより折れ易くなり、信頼性
を低下させる。また反対にビームを太くするなどしてビ
ーム強度を上げると、感度は大きく低下してＳ／Ｎ比を
悪化させると共に、増幅回路を備えいるものでは増幅率
のアップによる増幅器そのものの温度ドリフトなどの悪
化による温度特性の低下を引起こすなどの不具合が間旺
となっている。

本発明の目的は、高感度側のセンサ異常時に低感度側か
らセンサ出力を取り出すようにした加速度検出装置を提
供することである。

また他の目的は、最大破壊加速度が小さいセンサが異常
状態になったとき自動的に回路増幅率を変化させて最大
破壊加速度の大きいセンサにより所定レベルのセンサ出
力を得るようにした加速度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〕

上記の目的を達成するため、本発明の加速度検出装置は
同一振動を感知する高感度加速度センサ及び低感度加速
度センサと、前記高感度加速度センサの状態検出手段と
、前記センサ正常時には高感度側のセンサ入力を、一方
異常時には低感度側のセンサ入力を処理して所定レベル
のセンサ出力を取り出すセンサ出力処理手段とを具備す
るものである。

また他の加速度検出装置は、最大破壊加速度の小さい高
感度加速度センサと最大破壊加速度の大きい低感度加速
度センサのセンサ入力を差動増幅する回路と、該増幅回
路の増幅率を変化させる回路に挿入され、高感度加速度
センサの状態を検出する回路とを備え、高感度加速度セ
ンサが異常状態になったときに前記増幅回路の増幅率を
変化させ・て低感度加速度センサにより上記所定のセン
サ出力が得れるように構成されたものである。

更に他の加速度検出装置は、最大破壊加速度の小さい高
感度加速度センサからのセンサ入力を増幅する高感度側
増幅回路と、最大破壊加速度の大きい低感度加速度セン
サからのセンサ入力を増幅する低感度側増幅回路と、前
記高感度加速度センサの状態を検出する回路と、該検出
回路が高感度加速度センサ側の正常状態を検出している
ときに高感度加速度センサによるセンサ出力を取り出し
、一方異常状態を検出したときに低感度加速度センサに
よるセンサ出力を取り出すスイッチング回路とを具備す
るものである。

〔作　用〕

センサ出力処理手段は、状態検出手段からの高感度加速
度センサの状態検出信号により各センサ入力を所定レベ
ルのセンサ出力に処理する。

正常時には高感度側のセンサ入力を処理してセンサ出力
を取り出し、一方高感度加速度センサのカンチレバービ
ームが何らかの衝撃などによって折れた異常時では低感
度側のセンサ入力を処理して所定レベルのセンサ出力が
取り出される。

前記センサ出力制御手段が両センサ入力を差動増幅して
出力する回路で構成されている場合、センサ異常時には
増幅回路の増幅率を自動的に変化させ、低感度加速度セ
ンサの動作により正常時と同じレベルのセンサ出力が維
持される。

またセンサ出力制御手段が両センサ入力を切り替えて出
力する回路で構成されている場合、正常時にはスイッチ
ング回路が高感度側に動作して高感度側のセンサ出力を
取り出すが、何らかの衝撃で高感度側のカンチレバービ
ームが折れる等の異常時では、この状態を検出してスイ
ッチング回路により低感度側へ自動的に切り替わり、低
感度側のセンサ出力が取り出される。

このように高感度側のセンサ異常時において、センサ出
力を低感度側から取り出すことにより、通常時は高感度
でＳ／Ｎ比の優れた出力を取り出し、異常時においても
センサ出力を取り出すことができる６ 〔実施例〕 以下、本発明の実施例を図面を参照しながら説明する。

第１図及び第２図は加速度検出装置のセンサチップの異
なる実施例が示されている。尚、両センサチップの共通
部分には同じ符号を付けて重複説明を省略する。

半導体加速度センサは、１つのセンサチップ１内に形成
された異なるビーム破壊加速度特性をもつ複数のセンサ
を備えている。

センサは、例えば振動に対して大きく振れる第１カンチ
レバービーム２０から成る高感度加速度センサ２と小さ
く振れる第２カンチレバービーム３０から成る低感度加
速度センサ３から構成されている。

センサチップ１の製造は、半導体製造プロセスにより半
導体ひずみ抵抗Ｒ１〜Ｒ１２を形成した後に抵抗の配線
４及びパッド５が形成され、次いでケミカルエツチング
によりセンサチップ内に支持部をもつ第１カンチレバー
ビーム２０と第２カンチレバービーム３０が形成される
。

高感度加速度センサ２は、第４図に示すように、周囲が
チップ基部１０と間隙１１を設けて配置された第１カン
チレバービーム２０を有し、この第１カンチレバービー
ム２０は振動を感知するおもり部分２１と該おもり部分
とチップ基部とを連結するための支持ビーム部（ビーム
根本部分）２２により構成された片持構造になっている
。この支持ビーム部２２のビーム幅はおもり部分２１の
幅に比べて細くし、かつ肉厚は第５図に示すようにチッ
プの厚さより薄く形成されており、ビームが低加速度で
大きく振動する構造に作られている。

低感度加速度センサ３は、第４図に示すように複数の支
持ビーム部３２によりおもり部分３１が支持された第２
カンチレバービーム３０を有し、この第２カンチレバー
ビーム３０は、例えば２つの支持ビーム部３２Ａ、３２
Ｂによる両持構造になっており、両支持ビーム部３２の
ビーム幅はおもり部分の幅と等しく、かつ肉厚を第６図
に示すように薄く形成されている。ここで、第２カンチ
レバービーム３０の最大破壊加速度は第１カンチレバー
ビーム２０と比べると、例えば１０〜１００倍と大きく
設定され、同じ加速度では振動し難い構造になっている
。

最大破壊加速度を大きくするには、上記のように両持構
造にすることも一つの方法であるが、その他の方法とし
て、ビーム形状が同一の場合には支持ビーム部の肉厚を
厚くしたり、ビーム幅を広くしたり、あるいはおもり部
分の重量を小さくするなどの方法がある。またビーム形
状が弁間−の場合には、支持ビーム部の本数を例えば２
本から３本に増したり、支持ビーム部の長さを短くした
り、更には支持ビーム部の幅、厚を増して相対的におも
り部分の重量を支持ビーム部より小さくするなどの方法
が適宜選択される。

半導体ひずみ抵抗Ｒ１，Ｒ２は、第１カンチレバービー
ム２０の振動時に応力変化が大きいビーム根本部分２２
に形成される。尚、Ｒ３，Ｒ４はチップ基部１０内にお
けるひずみの加わらない部位に設けられた固定抵抗で、
ひずみ抵抗Ｒ１，Ｒ２とから高感度加速度センサの検出
回路であるホイートストンブリッジが構成される。

半導体ひずみ抵抗Ｒ５〜Ｒ８は、低感度加速度センサの
検出回路であるホイートストンブリッジを構成するもの
で、第２カンチレバービーム３０に配置されており、抵
抗Ｒ５，Ｒ６は第６図に示すようにビーム根本部分のチ
ップ基部側（周辺ゲージ）に、また抵抗Ｒ７，Ｒ８はビ
ーム根本部分のおもり部分ｌ１１（中央ゲージ）にそれ
ぞれ形成されている。

周辺ゲージＧ１および中央ゲージＧ２は、おもり部分３
１が振動したときにその振動方向により上記各ゲージに
異なった応力が作用する０例えば第７図に示す方向から
圧力Ｆが加わると、周辺ゲージＧ１には引張応力が作用
し、また中央ゲージＧ２には圧縮応力が作用する。そし
て逆向きの圧力が加わると、応力は反転する。

ところで、高感度加速度センサ２の第１カンチレバービ
ーム２０を監視するために、ひずみ抵抗Ｒ１，Ｒ２の両
側方のビーム根本部分２２に配線４Ａが施こされており
、このいずれがの配線が切断されることによって第１カ
ンチレバービーム２０の折れが検知される。第１カンチ
レバービーム２０の折れ検知方法は、第１カンチレバー
ビームの振動によって応力変形が起らない部位、例えば
第２図中に実録で示すように、第１カンチレバービーム
のおもり部分２１ａに抵抗Ｒ９，、ＲｌＯを形成し、こ
の抵抗Ｒ９，ＲＩＯにビーム根本部分を通る配！４Ａを
接続する。町な図中に破線で示すように、抵抗Ｒ９，Ｒ
ＩＯをチップ基部ｌｏ側に形成し、その配線のみをビー
ム根本部分に配線する構成にしても良い、更には一方の
抵抗をチップ基部側、他方の抵抗をおもり部分側に設け
ても良い、また第３図に示すセンサチップでは、ブリッ
ジを形成する抵抗Ｒ９〜Ｒ１２のうちＲ９の配線を上記
同様に設けることによって高感度側のセンサ異常が検出
できる。

各抵抗の両端は配線によってセンサチップ端に形成され
ているパッドに接続されている。このセンサチップはセ
ンサ基板（図示せず）に組み付けられ、バッドから該基
板に設けられた増幅器などの処理回路にワイヤボンディ
ングによって結縁される。

次に回路構成について説明する。第１図は本発明の基本
構成が示されている。

加速度検出装置は振動応答性を高くした高感度加速度セ
ンサ２、振動応答性を低くして最大破壊加速度が高感度
加速度センサ２より大きく設計された低感度加速度セン
サ３、高感度加速度センサ２の振動感知部分の異常ご検
出する高感度加速度センサ２の状態検出手段１１０及び
該検出手段１１０からの高感度加速度センサ２の状態信
号により両ゼンサ入力を処理するセンサ出力制御手段１
００とから構成されている。

センサ出力制御手段１００は、センサ正常時において高
感度側のセンサ入力を処理する一方、高感度側のセンサ
異常において低感度側のセンサ入力を処理して所定レベ
ルのセンサ出力を取り出すように構成されている。

以下、センサ出力制御手段の実施例を説明する。

第８図はセンサ異常において増幅器の増幅率を変化させ
、低感度側のセンサ入力を増幅して所定レベルのセンサ
出力を取り出すための回路構成が示されている。

抵抗Ｒ１〜Ｒ４は高感度加速度センサ２の検出回路４０
．Ｒ５−Ｒ８は低感度加速度センサ３の検出口ｊＩ８５
０をホイートストンブリッジによって構成しており、各
抵抗値は振動のない初期状態においてＲ２／Ｒ３＝Ｒ４
／Ｒ１及びＲ６／Ｒ７＝Ｒ８／Ｒ５になるように設定さ
れている。

各ブリッジには電圧源Ｖｃｃがら電源が供給されている
。この各ブリッジ出力は並列出力ｅｌ。

ｅ２としてオペアンプで構成された増幅回路６゜の入力
抵抗Ｒ１２〜Ｒ１４に結線されている。Ｒ９及びＲＩＯ
は高感度加速度センサの異常状態を検出する回路を構成
する抵抗で、オペアンプの増幅率を変化させることがで
きるようにＲ１１〜Ｒ１２と並列に挿入されている。

振動がない初期状態において、各抵抗値はＲ７／Ｒ３＝
Ｒ４／Ｒ１，Ｒ６／Ｒ７＝Ｒ８１５になる様に形成され
、かっｅｌ−ｅ２に設定されているので、この２つのブ
リッジが並列に設けられているか、ブリッジのバランス
はくずれない。

オペアンプの増幅率は、 Ｒ１３＝Ｒ１４゜ Ｒ９＋Ｒ１１ＲＩＯ−＋−Ｒ１２ とした時、−（Ａ／Ｒ１３）倍とＲ１３とＲ１４との間
の電位差が増幅される構成になっている。

但し、 Ａ＝（Ｒ９＊Ｒ１１）／（Ｒ９＋Ｒ１１）である。

このような回路構成において、加速度によって各ひずみ
抵抗が下記の様に変化した時 Ｒ１→Ｒ１’、Ｒ２→Ｒ２°、Ｒ５→Ｒ５“Ｒ６→Ｒ６
’、Ｒ７−Ｒ７”、Ｒ８→Ｒ８’ブリッジ出力電圧ｅ１
、ｅ２は Ｄ　　　　　　　　　　Ｄ′ ｅ　２　＝　−ｅ　　→　ｅ２°＝□、ｅＥ＋Ｄ　　　
　　　　　　Ｅ’十〇 と変化する。但し、 Ｂ＝　（Ｒ３＊Ｒ７）／　（Ｒ３中Ｒ７）ｃ−（Ｒ２＊
Ｒ６）／　（Ｒ２中Ｒ６）Ｄ＝　（Ｒ１＊Ｒ５）／’（
Ｒ１中Ｒ５）Ｅ＝　（Ｒ４＊Ｒ８）／　（Ｒ４中Ｒ８）
Ｂ’＝　（Ｒ３＊Ｒ７°）／（Ｒ３＋Ｒ７°）Ｃ’＝　
（Ｒ２’＊Ｒ６”）／　（Ｒ２°＋Ｒ６’）Ｄ’＝（Ｒ
１０＋Ｒ１２）／（Ｒ１０＋Ｒ１２）Ｅ’＝　（Ｒ４＊
Ｒ８°）／　（Ｒ４＋Ｒ８’）である。よって増幅後の
センサ出力Ｓ１は、５１＝−（Ａ／Ｒ１３）（ｅ２’−
ｅｌ’）となる、但し、初期はｅｌ＝ｅ２ 次に何らかの衝撃によって高感度側（破壊強度が小さい
）が折れた場合、オペアンプの出力はＲ９及びＲＩＯが
折れてなくなってしまった為、入力の電位差（ｅ２−ｅ
ｌ）の−（Ｒ１１／Ｒ１３）倍の出力が得られる。

この時、残っなＲ５−Ｒ８の抵抗値が加速度によってＲ
５→Ｒ５°、Ｒ６→Ｒ６°、Ｒ７→Ｒ７°、Ｒ８→Ｒ８
’に変化したとする。

この時のブリッジ出力は と変化する。よって増幅後のセンサ出力Ｓ２は、５２＝
−Ｒ１１＊　（ｅ２”−ｅｌ”）／Ｒ１３となる。

つまり、この出力電位Ｓ２が先に示した２個のカンチレ
バーがあった時の出力Ｓ１と等しくなる様に増幅調整用
の抵抗Ｒ１３とＲ９とＲ１１をＲ１３＝Ｒ１４ Ｒ９’１−Ｒｌｌ　　Ｒ１０＋Ｒ１２ となるように選択する。これによって、高感度側の加速
度センサ（カンチレバービーム）が折れてしまっても増
幅後のセンサ出力は変化しない。

次にセンサ出力処理手段の他の実施例を説明する。第９
図はセンサ異常時において低感度側に自動的に切り替え
られて低感度側のセンサ入力を処理する回路構成が示さ
れている。

差動増幅器７０Ａは検出回路４０の出力を電圧ｅ１に増
幅し、また差動増幅器７０Ｂは検出回路５０の出力を電
圧ｅ２に増幅して出力する。このとき第２カンチレバー
ビーム３０は第１カンチレバービーム２０に比べて低感
度に作製されているため、検出回路５０の出力も小さく
なる。そこで、増幅後に電圧ｅｌ＝ｅ２とするために、
差動増幅器７０Ｂの増幅率は大きく設定されている。す
なわち、増幅後のｅｌ、ｅ２は同じ加速度で同じ出力と
なるように調整される。

アナログ・スイッチＳＷは、例えばＣ−ＭＯＳタイプの
半導体スイッチによるスイッチング回路を構成しており
、一方の端子Ｔ１に差動増幅器６０の出力ｅ１を、他方
の端子Ｔ２に差動増幅器７０の出力ｅ２が入力され、こ
れらの出力をコンパレータ回路８０の出力信号により切
り替えて増幅回路９０に出力する。

コンパレータ回路８０は、抵抗Ｒ９を含んで構成された
ブリッジ回路８１とこのブリッジ（至）路の出力に応じ
てハイ信号またはロー信号をアナログ・スイッチＳＷに
出力するコンパレータ８２により構成されている。

増幅回路９０は、アナログ・スイッチｓｗを介して入力
される各差動増幅器の出力ｅｌ、ｅ２を所定レベルのセ
ンサ出力に増幅する。

次に上記実施例の動作を説明する。

正常時には、雨検出回路４０．５０からの出力を差動増
幅器６０．７０により増幅して同レベルのｅ　ｌ　、ｅ
　２を出力している。またコンパレータ回路８０は、検
出用抵抗Ｒ９が導通状態にあるために正規のブリッジ回
路８１を形成しており、このときのコンパレータ８２が
らのハイ信号によりアナログ・スイッチＳＷが端子Ｔ１
にＯＮされる。

したがって、高感度加速度センサ２によって得られた出
力ｅ１が増幅回路９０で増幅されてセンサ出力となる。

異常時には、第１カンチレバービーム２ｏが折れている
ので、Ｒ９は不導通になり、このときのコンパレータ８
２からのロー信号によりアナログ・スイッチＳＷが端子
Ｔ２に切り替わる。したがって、低感度加速度センサに
よって得られた出力ｅ２が増幅回路９０で増幅されてセ
ンサ出力となる。

したがって、半導体加速度センサは、通常時高感度のカ
ンチレバービームによってブリッジ出力電圧変化が見掛
は上大きくなってＳ／Ｎ比が良くなり、また増幅器のゲ
インも小さく、かつ温度ドリフトも小さくすることがで
きる。また何らかの異常衝撃などによって破壊強度の小
さい高感度側のカンチレバービームが折れてしまったと
しても、低感度側のカンチレバービームが作動していれ
ば、自動的に増幅回路の増幅率を増加させ、増幅後のセ
ンサ出力は、ビームが２ヶ作動してた時と同じ出力が発
生し、何ら出力変化はなくそのまま使用することができ
る。

本実施例では、カンチレバービームは高感度側か片持構
造で、低感度側がおもり部分を両端で保持する両持構造
であるが、２つのセンサのうち、片側をもう一方のセン
サより破壊強度を上げて製作すれば、片持、両持などの
形状に無関係である。

またセンサチップには、カンチレバービームだけが構成
され、増幅回路へワイヤボンディングによって結線され
ている構造となっているが、半導体ひずみゲージを形成
する半導体製造プロセスにより、同一チップ内にひずみ
ゲージと増幅回路を一体形成しても良い。

またＲ１〜ＲＩＯは半導体ひずみゲージが用いられてい
るが、一般的に知られている薄膜ひずみゲージを用いて
も同様な加速度センサを構成することができる。

更に加速度センサを小型化する為、１チツプ内に２ケ゛
のカンチレバービームを形成したが、これは別体で構成
しても良い。

〔発明の効果〕

上述のとおり、本発明によれば、センサ正常時には高感
度側のセンサ出力が取り出されるので、Ｓ／Ｎ比が良く
かつ増幅率も小さくなり、良い温度特性が得られる。ま
た高感度側のセンサ異常時には、低感度側のセンサ出力
が取り出されるので、加速度検出装置の信頼性が向上さ
れる。そして、両センサ入力を差動増幅によってセンサ
出力処理を行うものでは、高感度側のセンサ異常時に増
幅回路の増幅率を変化させて低感度加速度センサにより
センサ出力が得れるため、加速度検出装置の性能をその
まま維持でき、信頼性が向上される。

また両センサ入力の切り替えによってセンサ出力処理を
行うものでは、センサ異常時には自動的に高感度側から
低感度側のセンサ出力に切り替えて取り出されるので、
万一の場合においても引き続き加速度検出装置を使用す
ることができ、信頼性が向上される。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の基本構成を示すブロック図、第２図は
センサチップの平面図、第３図は他のセンサチップの平
面図、第４図はセンサチップの斜視図、第５図は第２図
Ａ−Ａ線に沿った断面図、第６図は第２図Ｂ−Ｂ線に沿
った断面図、第７図は振動時のビーム根本部分に発生す
る応力変化を説明する図、第８図はセンサ出力処理手段
の回路構成図、第９図はセンサ出力処理手段の他の回路
構成図である。 １・・・センサチップ、２・・・高感度加速度センサ、
３・・低感度加速度センサ、２０．３０・・・カンチレ
バービーム、２１．３１・・・おもり部分、２２．３２
　・ビーム根本部分、Ｒ１，Ｒ２，Ｒ５−Ｒ８・ひずみ
抵抗、Ｒ９，ＲＩＯ・・カンチレバービームの折れ検出
用抵抗、４０・・・高感度側の検出回路、５０・・・低
感度側の検出回路、６０．７０Ａ、７０Ｂ・・・差動増
幅回路、８０・・コンパレータ回路、９０・・・増幅器
、１００・・・センサ出力処理手段、１１０・・・高感
度加速度センサの状態検出手段。 出願人　株式会社　東海理化電機製作所代理人　弁理士
　中野仕置（はが１名）第１図 第　２図 第４図 第３　図 第７図 Ｆ 引張　　　　　　　　　引張 第８　図 ｃｃ

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）同一振動を感知する高感度加速度センサ及び低感
   度加速度センサと、前記高感度加速度センサの状態検出
   手段と、前記センサの正常時には高感度側のセンサ入力
   を、一方異常時には低感度側のセンサ入力を処理して所
   定レベルのセンサ出力を取り出すセンサ出力処理手段と
   を具備する加速度検出装置。
2. （２）最大破壊加速度の異なる複数のセンサを用いて所
   定のセンサ出力が得られるように構成された加速度検出
   装置であって、最大破壊加速度の小さい高感度加速度セ
   ンサと最大破壊加速度の大きい低感度加速度センサのセ
   ンサ入力を差動増幅する回路と、該増幅回路の増幅率を
   変化させる回路に挿入され、高感度加速度センサの状態
   を検出する回路とを備え、高感度加速度センサが異常状
   態になったときに前記増幅回路の増幅率を変化させて低
   感度加速度センサにより上記所定レベルのセンサ出力が
   得れるように構成された加速度検出装置。
3. （３）最大破壊加速度の異なる複数のセンサを用いて所
   定のセンサ出力が得られるように構成された加速度検出
   装置であって、最大破壊加速度の小さい高感度加速度セ
   ンサからのセンサ入力を増幅する高感度側増幅回路と、
   最大破壊加速度の大きい低感度加速度センサからのセン
   サ入力を増幅する低感度側増幅回路と、前記高感度加速
   度センサの状態を検出する回路と、該検出回路が高感度
   加速度センサ側の正常状態を検出しているときに高感度
   加速度センサによるセンサ出力を取り出し、一方異常状
   態を検出したときに低感度加速度センサによるセンサ出
   力を取り出すスイッチング回路とを具備する加速度検出
   装置。