JPH0627134A - 加速度センサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 変位検出部によって可動部の変位を高精度に
検出し、加速度検出の検出精度や信頼性等を向上する。 【構成】 可動部としての片持梁２５の支持部２５Ａ上
に設けた圧電体２７と、該圧電体２７に隣接して支持部
２５Ａの突出端側に設けられ、圧電体２７から電極２８
を介して出力された電荷信号を電圧値に変換する変位検
出回路２９とによって変位検出部２６を形成し、変位検
出部２６からの変位検出信号に基づいて、駆動部３１の
静電駆動回路３４から各電極３２，３３に駆動電圧信号
を出力し、各電極３２，３３と質量部２５Ｂとの間に所
定の静電力を発生させることにより、駆動部３１で片持
梁２５の位置を制御する構成とした。これにより、片持
梁２５の振動による変位は、圧電体２７によって電荷信
号として検出され、この電荷信号は変位検出回路２９に
よって電圧信号に変換される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、例えば自動車等の運動
体の加速度を検出するのに用いて好適な加速度センサに
関し、特に、可動部の変位に応じて駆動部の信号をフィ
ードバック制御するサーボ型加速度センサに関する。

【０００２】

【従来の技術】一般に、加速度センサとしては、シリコ
ン材料から形成され、基端側が固定端となり先端側が質
量部となった可動部と、該可動部の変位を検出する変位
検出部と、該変位検出部からの変位検出信号に基づき、
可動部の変位が零となるように該可動部を復帰させる駆
動部とから構成され、前記変位検出部は静電容量変化に
基づいて可動部の変位を検出し、前記駆動部は静電力に
よって可動部を復帰させるようにしたものが知られてい
る。

【０００３】一方、この種の検出系，駆動系のいずれに
も静電力（静電容量）を利用した加速度センサにおいて
は、検出系と駆動系との間の寄生容量によって信号干渉
が生じ易く、加速度の検出精度が低いため、変位検出部
にピエゾ抵抗素子を用い、該ピエゾ抵抗素子の抵抗変化
に基づいて可動部の変位を検出するようにした加速度セ
ンサが例えば特開平１−２４０８６５号公報等によって
提案されている。

【０００４】そこで、図２に、この種の従来技術による
加速度センサとして、特開平１−２４０８６５号公報に
記載の加速度センサを例に挙げて説明する。

【０００５】図において、１は加速度センサのセンサ本
体を示し、該センサ本体１は、後述のスイッチング回路
９等と共に加速度センサを構成している。

【０００６】２はガラス材料等の絶縁材料から形成され
た下側基板、３は該下側基板２上に後述の片持梁５を介
して設けられ、ガラス材料等の絶縁性材料から形成され
た上側基板をそれぞれ示し、該各基板２，３間には片持
梁５が変位可能に設けられる空間４が画成されている。

【０００７】５は各基板２，３間に設けられ、単結晶シ
リコン材料から形成された可動部としての片持梁を示
し、該片持梁５は、基端側が各基板２，３間に挟持され
た厚肉な固定端となり、先端側が空間４内に延びる自由
端となった支持部５Ａと、該支持部５Ａの先端側に一体
形成され、所定の質量を有するように厚肉に形成された
質量部５Ｂとから構成されている。また、該片持梁５は
アースされている。そして、該片持梁５は、加速度が加
わると、この加速度に応じて質量部５Ｂが空間４内を
上，下方向に振動（変位）するものである。

【０００８】６は片持梁５の支持部５Ａに設けられた変
位検出部を示し、該変位検出部６はピエゾ抵抗素子から
構成され、後述の位相進み回路８に接続されている。そ
して、該変位検出部６は、加速度に応じて振動する片持
梁５の変位を支持部５Ａのひずみによる抵抗値変化とし
て検出し、これを位相進み回路８に出力するものであ
る。

【０００９】７は変位検出部６に接続されたアンプ、８
は該アンプ７を介して変位検出部６に接続された位相進
み回路、９は該位相進み回路８に接続されたスイッチン
グ回路をそれぞれ示し、これらアンプ７，位相進み回路
８，スイッチング回路９によってサーボ回路が形成され
ている。そして、変位検出部６からの抵抗値変化に基づ
く変位検出信号がアンプ７，位相進み回路８を介してス
イッチング回路９に入力されると、該スイッチング回路
９は、この変位検出信号に基づいた駆動電圧信号を後述
する下側駆動電極１０，上側駆動電極１１のいずれかに
選択的に出力するようになっている。

【００１０】１０は片持梁５の質量部５Ｂ下側に位置し
て下側基板２の上面側に設けられた下側駆動電極、１１
は該下側駆動電極１０と対向するように上側基板３の下
面側に設けられ、該下側駆動電極１０と共に静電型の駆
動部を構成する上側駆動電極をそれぞれ示し、該各電極
１０，１１はスイッチング回路９にそれぞれ接続されて
いる。そして、該各電極１０，１１はスイッチング回路
９から選択的に出力された駆動電圧信号によって、アー
スされた片持梁５の質量部５Ｂとの間に静電力を発生せ
しめ、この静電力によって片持梁５の変位を零、即ち無
振動状態（原点）に復帰させるものである。

【００１１】１２はスイッチング回路９に接続された演
算処理回路を示し、該演算処理回路１２は、スイッチン
グ回路９から各電極１０，１１に出力されたフィードバ
ック信号たる駆動電圧信号に基づき、外部のコントロー
ルユニット（図示せず）等に加速度検出信号を出力する
ようになっている。

【００１２】従来技術による加速度センサは上述の如き
構成を有するもので、センサ本体１に加速度が加わる
と、片持梁５の質量部５Ｂは支持部５Ａによって支持さ
れつつ空間４内を上，下方向に振動し、この振動によっ
て片持梁５の支持部５Ａには歪みが生じる。そして、変
位検出部６がこの歪みによる抵抗値変化を検出し、片持
梁５の変位検出信号を出力すると、この変位検出信号は
アンプ７，位相進み回路８を介してスイッチング回路９
に入力され、該スイッチング回路９は、片持梁５の変位
を零にすべく、変位検出信号に応じた駆動電圧信号を各
電極１０，１１に出力する。これにより、各電極１０，
１１と片持梁５の質量部５Ｂとの間には静電力が生じ、
この静電力によって片持梁５が復帰し、その位置が制御
される。

【００１３】

【発明が解決しようとする課題】ところで、上述した従
来技術による加速度センサでは、変位検出部６にピエゾ
抵抗素子を用い、該ピエゾ抵抗素子の抵抗変化に基づい
て片持梁５の変位を検出し、各電極１０，１１による静
電力によって該片持梁５を復帰させる構成であるから、
検出系（変位検出部６）と駆動系（各電極１０，１１）
との信号の種類が異なり、寄生容量による信号干渉の発
生を防止できるようになっている。

【００１４】しかし、一般に、ピエゾ抵抗素子は感度が
低いため、片持梁５の変位を高精度に検出することがで
きず、加速度検出の検出精度、信頼性等が低いという問
題がある。

【００１５】本発明は上述した従来技術の問題に鑑みな
されたもので、変位検出部によって可動部の変位を高精
度に検出することができ、加速度検出の検出精度や信頼
性等を向上できるようにした加速度センサを提供するこ
とを目的とする。

【００１６】

【課題を解決するための手段】上述した課題を解決する
ために、本発明が採用する構成は、シリコン材料または
一部がシリコンの化合物材料から形成され、基端側が固
定端となり先端側が加速度に応じて変位する質量部とな
った可動部と、該可動部の基端側に設けられた圧電体か
らなり、該可動部の変位を検出する変位検出部と、該変
位検出部からの変位検出信号に基づき、前記可動部の変
位が零となるように静電力を発生させて該可動部の位置
を制御する駆動部とからなる。

【００１７】

【作用】加速度が加わると、この加速度によって可動部
は変位し、変位検出部は該可動部の変位を圧電体に生じ
た電荷に基づいて検出する。そして、駆動部は、該変位
検出部からの変位検出信号に基づいて可動部の変位が零
となるように静電力を発生させ、該可動部の位置を制御
する。

【００１８】

【実施例】以下、本発明の実施例を図１に基づいて説明
する。

【００１９】図中、２１は本実施例による加速度センサ
のセンサ本体を示し、該センサ本体２１は後述の静電駆
動回路３４等と共に加速度センサを構成している。

【００２０】２２はガラス等の絶縁性材料から形成され
た下側基板、２３は該下側基板２２に後述の片持梁２５
を介して設けられ、ガラス等の絶縁性材料から形成され
た上側基板をそれぞれ示し、各基板２２，２３間には片
持梁２５が変位可能に設けられる空間２４が画成されて
いる。また、該下側基板２２の一端側（図中、左側）は
外部に突出して突出部２２Ａとなり、該突出部２２Ａ上
には後述の変位検出回路２９が形成されている。

【００２１】２５は各基板２２，２３間に設けられ、単
結晶シリコン材料から形成された可動部としての片持梁
を示し、該片持梁２５は、基端側が各基板２２，２３間
に挟持された固定端となり、先端側が空間２４内に延び
る自由端となった薄肉平板状の支持部２５Ａと、該支持
部２５Ａの先端側に一体形成され、所定の質量を有する
ように厚肉に形成された質量部２５Ｂとから構成され、
かつ該片持梁２５はアースされている。また、該片持梁
２５の突出端側は下側基板２２の突出部２２Ａ上に延設
され、変位検出回路２９が形成されている。そして、該
片持梁２５は、センサ本体２１に加速度が加わると、こ
の加速度に応じて質量部２５Ｂが空間２４内を上，下方
向に振動するものである。

【００２２】２６は本実施例による変位検出部を示し、
該変位検出部２６は、片持梁２５の支持部２５Ａ上に設
けられ、ＺｎＯ薄膜等の圧電材料から平板状に形成され
た圧電体２７と、該圧電体２７の上面側に設けられた電
極２８と、圧電体２７に隣接して片持梁２５の支持部２
５Ａ突出端側に設けられ、該電極２８を介して圧電体２
７に接続された電界効果型トランジスタ（ＦＥＴ）等か
らなる変位検出回路２９とから構成されている。ここ
で、該変位検出回路２９は、シリコン材料からなる片持
梁２５の支持部２５Ａ上にエッチング技術等の半導体製
造技術を用いて一体的に形成されるもので、圧電体２７
から出力された電荷を電圧値に変換する等の処理を行う
ものである。そして、該変位検出部２６は、空間２４内
を上，下に振動する片持梁２５の変位を、片持梁２５の
支持部２５Ａに生じた歪みにより圧電体２７に発生した
電荷に基づいて検出し、この電荷信号たる変位検出信号
を変位検出回路２９を介して信号処理回路３０に出力す
るものである。

【００２３】３１は本実施例による駆動部を示し、該駆
動部３１は、片持梁２５の質量部２５Ｂ下側に位置して
下側基板２２の上面側に設けられた下側駆動電極３２
と、該下側駆動電極３２に対向して上側基板２３の下面
側に設けられた上側駆動電極３３と、該各電極３２，３
３に接続された静電駆動回路３４とからなる静電力型の
駆動部として構成されている。そして、該駆動部３１
は、変位検出部２６から信号処理回路３０を介して出力
された変位検出信号に基づき、片持梁２５の変位を零に
すべく、駆動電圧信号を各電極３２，３３に選択的に出
力し、これにより、片持梁２５の質量部２５Ｂと各電極
３２，３３との間に所定の静電力を発生させて、該片持
梁２５の位置を制御するようになっている。

【００２４】３５は静電駆動回路３４に接続された演算
処理回路を示し、該演算処理回路３５は、静電駆動回路
３４から出力されたフィードバック信号たる駆動電圧信
号に基づき、外部のコントロールユニット（図示せず）
等に加速度検出信号を出力するものである。

【００２５】本実施例による加速度センサは上述の如き
構成を有するもので、センサ本体２１に加速度が加わる
と、片持梁２５の質量部２５Ｂは支持部２５Ａによって
支持されつつ空間２４内を上，下方向に振動し、この振
動によって該支持部２５Ａには応力（歪み）が発生す
る。そして、この支持部２５Ａに生じた応力は、圧電体
２７により片持梁２５の変位に応じた電荷信号に変換さ
れ、この電荷信号たる変位検出信号は変位検出回路２９
によって電圧値に変換された後、信号処理回路３０に出
力され、該信号処理回路３０から静電駆動回路３４に出
力される。

【００２６】次に、駆動部３１を構成する静電駆動回路
３４は、変位検出部２６からの変位検出信号に応じた駆
動電圧信号を各電極３２，３３に選択的に出力し、該各
電極３２，３３と質量部２５Ｂとの間に所定の静電力を
発生させ、該駆動部３１は片持梁２５の変位を無振動状
態（原点）に復帰させる。

【００２７】これにより、演算処理回路３５は、静電駆
動回路３４から出力された駆動電圧信号に基づき、コン
トロールユニット等に加速度検出信号を出力する。

【００２８】かくして、本実施例によれば、片持梁２５
の支持部２５Ａ上に設けた圧電体２７と、該圧電体２７
に隣接して支持部２５Ａ上に設けられ、圧電体２７から
電極２８を介して出力された電荷信号を電圧値に変換す
る変位検出回路２９とによって変位検出部２６を構成し
たから、圧電体２７の有する優れた電気量−機械量変換
特性を利用して、片持梁２５の変位を高感度で検出する
ことができる。

【００２９】この結果、変位検出部２６からの高感度な
変位検出信号に基づき、駆動部３１は正確に片持梁２５
の位置を制御することができ、加速度の検出精度や信頼
性等を大幅に向上することができる。

【００３０】また、片持梁２５の支持部２５Ａ基端側を
下側基板２２の突出部２２Ａ上まで延設し、該支持部２
５Ａの突出端側に半導体製造技術を用いてＦＥＴ等から
なる変位検出回路２９を一体形成する構成としたから、
圧電体２７からの電荷信号を速やかに電圧値に変換する
ことができる。この結果、変位検出信号に生じるノイズ
を効果的に低減して、加速度の検出精度を大幅に向上す
ることができ、低周波までの加速度検出を正確に行うこ
とができ、性能や信頼性等を向上することができる。

【００３１】さらに、変位検出部２６を圧電体２７等か
ら構成し、駆動部３１を各電極３２，３３等から静電力
型の駆動部として構成したから、検出系と駆動系との間
に寄生容量による信号干渉が生じるのを確実に防止し、
加速度の検出精度を大幅に向上することができる。

【００３２】なお、前記実施例では、圧電体２７はＺｎ
Ｏ圧電性薄膜から形成するものとして述べたが、本発明
はこれに限らず、例えばＰＺＴ薄膜，チタン酸鉛薄膜等
の圧電性薄膜や、ＰＺＴ，チタン酸鉛，ＺｎＯ等の圧電
セラミックス薄片を用いる構成としてもよい。

【００３３】また、前記実施例では、各基板２２，２３
はガラス等の絶縁性材料から形成するものとして述べた
が、本発明はこれに限らず、各基板および片持梁をシリ
コン材料から形成する構成としてもよい。この場合に
は、各電極と基板との間等に絶縁膜を形成すればよい。

【００３４】さらに、片持梁２５をシリコン材料から形
成するものとして述べたが、本発明はこれに限らず、片
持梁２５のうち変位検出回路２９を形成する部分を除く
残りの全体または一部を窒化シリコンや酸化シリコン等
のシリコン化合物材料で形成してもよい。この場合は、
シリコン化合物材料の表面にアース電極形成用の導電性
薄膜を形成する。

【００３５】さらにまた、前記実施例では、変位検出回
路２９のみを片持梁２５上に一体形成する場合を例に挙
げて説明したが、これに限らず、場合によっては信号処
理回路３０や静電駆動回路３４等の他の回路も片持梁２
５の突出端側に一体形成する構成としてもよい。また、
下側基板，上側基板をシリコン材料から形成する場合に
は、該各基板の表面にこれら変位検出回路２９等を一体
形成してもよい。

【００３６】

【発明の効果】以上詳述した通り、本発明によれば、シ
リコン材料から形成され、基端側が固定端となり先端側
が加速度に応じて変位する質量部となった可動部と、該
可動部の基端側に設けられた圧電体からなり、該可動部
の変位を検出する変位検出部と、該変位検出部からの変
位検出信号に基づき、前記可動部の変位が零となるよう
に静電力を発生させて該可動部の位置を制御する駆動部
とから構成したから、加速度が加わると、この加速度に
よって可動部は変位し、変位検出部は該可動部の変位を
圧電体に生じた電荷に基づいて検出し、駆動部は、該変
位検出部からの変位検出信号に基づいて可動部の変位が
零となるように静電力を発生させ、該可動部の位置を制
御することができる。この結果、圧電体の有する優れた
電気量−機械量変換特性を利用して、可動部の変位を高
感度で検出することができ、駆動部によって正確に可動
部の位置を制御することができ、加速度の検出精度や信
頼性等を向上することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例による加速度センサを示す全体
構成図である。

【図２】従来技術による加速度センサを示す全体構成図
である。

【符号の説明】

２５ 片持梁（可動部） ２５Ａ 支持部 ２５Ｂ 質量部 ２６ 変位検出部 ２７ 圧電体 ３１ 駆動部 ３２ 下側駆動電極 ３３ 上側駆動電極

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 シリコン材料または一部がシリコンの化
   合物材料から形成され、基端側が固定端となり先端側が
   加速度に応じて変位する質量部となった可動部と、該可
   動部の基端側に設けられた圧電体からなり、該可動部の
   変位を検出する変位検出部と、該変位検出部からの変位
   検出信号に基づき、前記可動部の変位が零となるように
   静電力を発生させて該可動部の位置を制御する駆動部と
   から構成してなる加速度センサ。