JPH095353A

JPH095353A - 加速度センサ

Info

Publication number: JPH095353A
Application number: JP5645296A
Authority: JP
Inventors: Hiroshi Shibatani; 博志柴谷; Tomoko Matsumoto; 朋子松本; Tadashi Sugihara; 忠杉原
Original assignee: Mitsubishi Materials Corp
Current assignee: Mitsubishi Materials Corp
Priority date: 1995-04-20
Filing date: 1996-03-13
Publication date: 1997-01-10

Abstract

(57)【要約】【課題】温度依存性がなく、しかも構造が簡単で故障
が少ない加速度センサーを提供する。【解決手段】加速度により変位する錘部２２と、この
錘部２２を梁部２３を介して支持する支持部２１とを具
備する加速度センサにおいて、該錘部２２を光透過性の
材料で構成すると共に、光束を該錘部に向けて照射する
光出射手段５と、この光出射手段５から照射されて錘部
２２を透過した透過光を検出する受光手段６とをそれぞ
れ錘部２２から離間して配設して光透過型とする。この
場合、錘部２２と梁部２３とをカバー３，４で封入する
と共に、光出射手段５及び受光手段６をカバー３，４に
設けるとよい。また、錘部２２を集光可能な形状にした
り、錘部２２に光を複数回透過させるリターン透過型に
することも可能である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、光学的手段により加速
度を検出する加速度センサーに関する。

【０００２】

【従来の技術】自動車等に搭載される加速度センサーと
して、従来多くの種類が知られている。例えば、図７に
示すようなピエゾ抵抗器を用いた片持梁式の加速度セン
サーがある。この加速度センサーは、３×２ｍｍ平面の
小型なセンサーで、その錘部と梁部と支持部とは一体に
シリコンで構成され、水酸化カリウムを用いたエッチン
グ（食刻）により形成されている。このセンサの梁部に
はピエゾ抵抗器が配設されている。この加速度センサで
は、加速度により錘部が変位するにつれて梁部が撓むと
ピエゾ抵抗器の抵抗が変化するので、その抵抗の変化を
加速度として検出する。

【０００３】また、光を用いた加速度センサとしては、
図８に示すようなものが提案されている（特開平６−５
０９８４号公報）。この加速度センサは、第１光ファイ
バａの端部がフレームｂから梁部ｃを通って錘部ｄに固
定され、フレームｂ上には第２光ファイバｅが第１光フ
ァイバａと向かい合わせに配置されている。この加速度
センサでは、錘部ｄに加速度が加わると、この加速度に
応じた量で第１光ファイバａも変位する。したがって、
第１光ファイバａから光を照射しておけば、受光側の第
２光ファイバｅで光の変動を加速度として検出できる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記ピ
エゾ抵抗器を用いた加速度センサは、ピエゾ抵抗器の抵
抗体自体の温度依存性が高い上、梁部構成材の熱による
膨張や収縮の影響を受けやすく、温度による補正が必要
であるという問題がある。

【０００５】また、上記光を用いた加速度センサは、第
１光ファイバａが梁部ｃから錘部ｄにかけて横たわるよ
うに配置されているため、第１光ファイバａが梁部ｃの
撓みに悪影響を及ぼし、加速度の高感度検出を阻害する
という問題があるほか、第１光ファイバａと第２光ファ
イバｅの位置ずれが起きたときは調整が困難であるとい
う問題もある。

【０００６】本発明は、このような実情に鑑みてなさ
れ、温度依存性がなく、しかも構造が簡単で故障が少な
い高感度な加速度センサーを提供することを目的とす
る。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明は、加速度により
変位する錘部と、この錘部を梁部を介して支持する支持
部とを具備する加速度センサに適用できる。上記した従
来技術の問題点を解決し、上記目的を達成するために、
本発明の加速度センサは、光出射手段から受光手段にい
たる光路途中に、光透過性の材料からなり加速度で変位
する錘部を介在させている。すなわち、本発明は、上記
錘部を光透過性の材料で構成するとともに、光を該錘部
に向けて照射する光出射手段と、この光出射手段から照
射されて該錘部を透過した透過光を検出する受光手段と
をそれぞれ該錘部から離間して配設したことを特徴とす
る。

【０００８】このような構成の加速度センサでは、錘部
の変位にともない錘部への光の入射角が変わることとな
り、これにより透過光の到達点（光点）の位置や光量等
が変化することから、この透過光の変化を加速度として
検出するものである。このような光透過型の加速度セン
サでは、光を利用しているため、環境温度の影響はな
い。また、錘部と梁部にはなんら付加的な部品を配設し
なくてもよいので、錘部の動きを拘束することがなく、
感度が良好である上、構造が簡単で故障が少ない。

【０００９】錘部の構成材料としてシリコンを選択する
ことができる。この場合、シリコンは赤外線透過性であ
るので、光出射手段からの光には、赤外線を含む必要が
ある。錘部のほかに、梁部や支持部をもシリコンで構成
させるとした場合、これらをシリコン単結晶ウェーハか
ら食刻により形成することが可能である。これにより、
半導体の微細加工技術を用いてセンサの小型化ができ、
信頼性がより向上する。

【００１０】このような加速度センサでは、錘部と梁部
とをカバーで封入する構造とすることもできる。これに
より、カバーに光出射手段と受光手段とを配設すること
ができるので、構造がより簡単で信頼性が高くなるとと
もに、光出射手段及び受光手段の位置決めが容易とな
り、この意味で好ましい。この場合、カバーをシリコン
で構成させると、受光手段としてＣＣＤを予めシリコン
に一体に作り込んでおくことができ、さらに信頼性が増
す。また、光出射手段又は受光手段をカバーの外側から
埋め込み或いは外付けすると、組立やリード線の引出し
が容易となる。

【００１１】錘部については、光を集光できるように構
成することができる。たとえば、錘部を凸レンズ状に形
成し、この錘部の透過光を受光手段に集光させることに
より、錘部の変位をより簡単に検出することもできる。
一方、光出射手段からの光路を折り曲げたリターン透過
型の加速度センサとしてもよい。これにより、光出射手
段及び受光手段を一方側に揃える等の配置の任意性が高
まる。この場合、光出射手段は、その出射光が錘部へ斜
めに入射可能に所定の角度づけがしてあることを他の特
徴とする。また、受光手段については、錘部を斜めに透
過した後に少なくとも１回、所定部位（例えばカバー内
側面）での反射と錘部への再入射及び透過と繰り返した
後の光を受光可能な位置に、該受光手段が配置してある
ことを他の特徴とする。光が反射するカバー内側面等に
反射膜を設けると、光の利用効率の面で好ましい。

【００１２】

【本発明の実施の形態】以下、本発明に係る加速度セン
サを、図面を参照しながら具体的に説明する。図１は本
発明の加速度センサの一構成例を示すもので、（Ａ）は
概略断面構造図、（Ｂ）はセンサ本体の平面図（下面
図）である。

【００１３】この加速度センサ１は、センサ本体２と、
これを上下から挟んで覆う上カバー３及び下カバー４と
を具備する。センサ本体２は、例えばシリコン単結晶で
一体に形成された片持梁式センサの動作部分である。具
体的に、センサ本体２は、支持部（例えば、上カバー３
及び下カバー４が取付け可能な枠状のフレーム２１）
と、フレーム２１の内方に位置する錘部２２と、この錘
部２２をフレーム２１の内周壁に接続して錘部２２を支
持する梁部２３とからなる。

【００１４】錘部２２は、加速度により、支持部（フレ
ーム２１）を支点として厚さ方向（図１（Ａ）において
上下方向）に変位する質量体である。錘部２２の材質
は、光透過性を有している以外、特に限定はない。錘部
２２を弾性変形可能に支える梁部２３の大きさや支持位
置は、その材質や錘部２２の質量を考慮して、梁部２３
の機械的強度に問題がない範囲で出来るだけ錘部２２の
変位が大きくなるように設計してある。本実施形態で
は、図示のように、錘部２２の一辺中央における厚み方
向上端側で、梁部２３が錘部２２を支持している。

【００１５】上カバー３と下カバー４の内側中央部は、
それぞれ錘部２２が変位したときに当たらないように凹
みが形成されている。そして、上下カバー３，４は、そ
の周辺の肉厚部からフレーム２１に固着されている。こ
れにより錘部２２及び梁部２３は、上下カバー３，４で
封入されている。

【００１６】上カバー３の内側には、光出射手段５が設
けられ、下方の錘部２２に向けて赤外線などを照射する
ようになっている。この一方、下カバー４の内側には、
光出射手段５から出射されて錘部２２を透過した透過光
を検知する受光手段６が設けられている。

【００１７】光出射手段５としては、例えば近年の小型
な半導体レーザー，発光ダイオードなどの種々な光源を
使用することができる。また、他の光源から光を誘導し
出射する光ファイバ端部を上カバー３又は下カバー４に
配設することもできる。この場合、他の光源として、光
電管などの光電子放出効果を利用したものを用いること
も可能である。錘部２２をシリコン単結晶で構成する場
合、シリコン単結晶は可視光は通さずに赤外線を通すの
で、波長がおよそ１μｍ以上の光を照射する光出射手段
５を選択する必要がある。

【００１８】また、受光手段６としては、各種のフォト
ディテクタ、例えばフォトダイオードやフォトトランジ
スタ、ＣｄＳやＣｄＳｅ等の光導電効果を利用したも
の、ＣＣＤ（電荷結合デバイス）に代表される撮像素子
等、幅広く使用することができる。

【００１９】受光手段６のうち、フォトダイオード，フ
ォトトランジスタ，ＣＣＤ等は、上下カバー３，４がシ
リコン製の場合、予め該シリコンに直接作り込んでおく
こともできる。この場合，上下カバー３，４に凹みを後
から形成するかわりに、これら受光素子を作り込んだ基
板から切り出したシリコン片をフレーム２１部分でスペ
ーサにより嵩上げして、錘部２２の動作空間を確保する
等の方法が考えられる。

【００２０】つぎに、本発明の透過型加速度センサによ
り、錘部２２の変位を測定する方法を具体的に説明す
る。図２に示すように、錘部２２が変位しない無加速度
状態（実線で示す）では、光出射出手段５からの光束Ｌ
が、錘部２２に直角方向に通過しＰ１に達する。この状
態で加速度が加わると、図中一点鎖線で示した如く、錘
部２２が変位して錘部２２への入射角が変わり、透過光
の到達点（以下、光点という）がＰ１からＰ２にずれ
る。この光点のずれを受光手段６によって検出すれば、
錘部２２の変位を測定できる。

【００２１】より具体的には、光出射手段５からの所定
光量の光を錘部２２に向けて照射し、このときの透過光
について、例えば無加速度状態で最大光量が得られるよ
うに受光手段６を配設しておき、光点のずれによる受光
手段６の受光量の低下を検出すれば、錘部２２の変位を
測定することができる。また、錘部２２の変位にともな
い透過光が横切るように受光手段６を配置し、受光量と
その増減方向により錘部２２の変位を測定することもで
きる。

【００２２】光点のずれが大きい場合は、その方向に受
光手段６を複数個配置するとよい。この場合、複数個並
べた受光手段６の中点に無加速度状態の受光位置を設定
しておけば、錘部２２の上下方向双方の変位に対応でき
る。受光手段６がフォトダイオードやフォトトランジス
タの場合には、単一の受光手段６内で、複数のフォトダ
イオードやフォトトランジスタをパターン配置すること
によっても、同様な効果が得られる。

【００２３】ＣＣＤのように多数の小さな受光素子を集
積化した撮像素子では、光点位置を直接測定でき、その
ずれ量を検知できる。この場合、光出射手段５として半
導体レーザを用いると、そのビーム径が比較的小さいこ
とから精度よく位置検出ができ、好ましい。

【００２４】一方、図３に示すように、錘部２２の上下
面にそれぞれ対応させて遮光部２２ａと透光部２２ｂを
交互に形成し、上下面の透光部２２ｂを透過した透過光
Ａの光量を検出する方法もある。錘部２２が変位して光
束に対して傾くと、上側の遮光部２２ａが下側の透光部
２２ｂにかかるので、透過光Ａの光量が減少する。この
光量の減少を検出することによって、錘部２２の変位を
測定することができる。

【００２５】つぎに、センサ本体２の製造方法である
が、これについてはシリコン単結晶で一体に形成した場
合を例として簡単に説明する。このセンサ本体２は、シ
リコンウェーハを用いてこれをエッチングにより錘部２
２，梁部２３，支持部（フレーム２１）を作り出すこと
で製造することができる。たとえば、（１００）面ウェ
ーハを用い、予め梁部２３となるべき部分に高濃度でホ
ウ素をドープする。その後、フレーム２１と錘部２２と
の境界部をパターニングで窓明けしたエッチングマスク
を形成した後、水酸化カリウムのような湿式エッチング
を行う。すると、この境界部に水平位置から５４．７４
°傾斜した溝を形成することができる。このときの梁部
２３は、ドープしたことで選択的にエッチングされない
ため、残存する。また、図３に示したような錘部２２に
遮光部２２ａを設ける場合は、通常のリソグラフィ技術
を用いて、例えば金，クロム等の金属膜をパターニング
することにより形成することができる。

【００２６】上下カバー３，４については、シリコンや
ガラス等で構成でき、常法に従って、これらのウェーハ
の中央部に凹みをエッチングなどにより形成する。そし
て、上下カバー３，４それぞれを、その周辺部に残った
厚肉部をフレーム２１に陽極接合などの手段により接合
し、センサ本体２に組み付ける。

【００２７】図４に示す加速度センサ１は、上下カバー
３，４をガラス、シリコン等の光透過性の材料で構成
し、光出射手段５と受光手段６とをカバー３，４の外面
に配置したもので、光出射手段５から出射された光は、
上カバー３，錘部２２，下カバー４を透過して受光手段
６に達するようになっている。

【００２８】このような加速度センサ１によれば、上下
カバー３，４にはなんら導線、光ファイバ等の導波管を
通すための穴を設ける必要がないので、構造がより簡単
であり、安価で信頼性が高く、その上、光出射手段５と
受光手段６の選択の自由度が高いという特徴がある。

【００２９】図５に示す加速度センサ１は、錘部２２を
凸レンズ状に形成し、光出射手段５から出射され錘部２
２を透過した透過光を受光手段６に集光させるようにし
たもので、これにより受光手段６による光点のずれ量又
は光量の測定がより容易になる。なお、錘部２２を凸レ
ンズ状に形成する代わりに錘部２２の光源側の光の入射
面に細かい凹凸を形成してフレネリレンズ状としても良
い。また、この加速度センサ１においては、ＣＣＤのよ
うな受光手段６をシリコン基板で構成された下カバー４
の内面に直接形成し、これをスペーサ７を介してフレー
ム２１に接合した構造であり、ＣＣＤ等の受光手段６を
簡便に組み付けることができる。

【００３０】図６に示す加速度センサ１は、光出射手段
５及び受光手段６を上下カバー３，４の一方に配設し、
他方の内側面等にはＡｕ等の反射膜８を設けたリターン
透過型である。この場合、図示のように、光出射手段５
の出射方向に角度を持たせる必要がある。このような加
速度センサ１によれば、光出射手段５及び受光手段６が
一方側にあり導線の取り出しが容易であるだけでなく、
予め光出射手段５の角度付けを行い受光手段６を一体に
組み込んだ光学部品が使用でき、検出精度や信頼性の向
上を図ることができる。

【００３１】この加速度センサ１において、光路のリタ
ーン回数に限定がないことは勿論、前記したと同様に、
光出射手段５を外付けすることもできる。この場合に光
出射手段５を角度付けする方法としては、図６（Ｂ）で
光ファイバ端部を拡大して例示するように、角度付けを
容易にするための角度付け用の透明部材９を用い、この
透明部材９を介して上カバー３の外側平面に光ファイバ
端部５を固定できる。この透明部材９には、垂直な断面
を有する光ファイバ端部５が挿入可能な斜めの溝を予め
有している。なお、特に図示しないが、接合による光損
失や耐久性の問題がなければ、光ファイバ端部５を外側
平面に対して所定の角度で近接させ、周囲を固定材で固
めるだけでもよい。

【００３２】また、同図（Ｃ）のように、上カバー３の
外側面等に角度を付けるための傾斜面を予め設けたり、
同図（Ａ）の凹みの傾斜面３ａを利用したり、また、特
に図示しないが、上カバー３の内側に傾斜面を有する凹
部又は凸部を形成してもよい。

【００３３】本発明は、上記説明に限定されるものでは
ない。たとえば、上記例では単体デバイスとしての加速
度センサを例示し、このためセンサ本体２の保護及び光
出射手段５や受光手段６の取付け部材として上下カバー
３，４を設けている。しかし、本発明における錘部２
２，梁部２３，支持部２１は、たとえば高機能センサの
一部として具備させることも可能なものである。この場
合、上下カバー３，４を省略し、光出射手段５や受光手
段６、或いは図６のリターン透過型における反射膜８を
該高機能センサの他の部位に設けることもできる。他の
部位が高反射率を有する場合では、反射膜８の省略も可
能である。

【００３４】また、上記例ではシリコンでセンサ本体２
を一体に形成したが、水晶やＭｇＯ等の他の材料で構成
してもよく、更にシリコンウェーハに窒化シリコンや酸
化シリコン等の膜を形成し、この膜を梁部２３として残
存させるようにしてもよい。さらに、光出射手段５や受
光手段６も、上記例に限定されず、更に、上記例では片
持梁で説明したが、これに限られるものではないことは
勿論であり、その他、本発明の要旨を逸脱しない範囲で
種々変更することができる。

【００３５】

【発明の効果】以上説明してきたように、本発明の加速
度センサによれば、透過型としたので、梁部にはなんら
の部品を付ける必要がなく、梁部の撓みを阻害すること
がなく、高感度である。また、環境温度が高くなっても
低くなっても影響を受けることがなく、精度に優れる。
さらに、構造が簡単で、半導体の微細加工技術を用いて
小型にすることができ、故障も少ないため、振動の多い
自動車用として特に好適である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の加速度センサの一例を示すもので、
（Ａ）は概略断面構造図、（Ｂ）はセンサ本体の平面図
（下面図）である。

【図２】錘部の変位を検出する様子を示す説明図であ
る。

【図３】錘部に遮光部を交互に形成した様子を示す模式
図である。

【図４】本発明の加速度センサの他の実施形態を示す概
略断面構造図である。

【図５】本発明の加速度センサの更に他の実施形態を示
す概略断面構造図である。

【図６】図６（Ａ）は、本発明の加速度センサの更に他
の実施形態を示す概略断面構造図である。同図（Ｂ），
（Ｃ）は光手射手段を外付けする場合の固定方法例を示
す要部拡大図である。

【図７】従来のピエゾ抵抗器を用いた加速度センサの一
例を示すもので、（ａ）は平面図、（ｂ）は断面図であ
る。

【図８】従来の光学型加速度センサの一例を示す斜視図
である。

【符号の説明】

１…加速度センサ，２…センサ本体，２１…フレーム（支持部），２２…錘部，２３…梁部，３…上カバー（カバー），３ａ…凹み傾斜面，４…下カバー（カバー），５…光出射手段，６…受光手段，７…スペーサー，８…反射膜，９…透明部材。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】加速度により変位する錘部と、この錘部
を梁部を介して支持する支持部とを具備する加速度セン
サにおいて、前記錘部を光透過性の材料で構成するとともに、該錘部
に向けて光を照射する光出射手段と、この光出射手段か
ら出射され該錘部を透過した透過光を検出する受光手段
とを、それぞれ該錘部から離間して配設したことを特徴
とする加速度センサ。
【請求項２】前記錘部をシリコンにより構成させると
ともに、前記光出射手段からの光には赤外線を含む請求
項１に記載の加速度センサ。
【請求項３】前記錘部と梁部と支持部とは、シリコン
単結晶基板から食刻により一体に形成してある請求項２
記載の加速度センサ。
【請求項４】前記錘部と梁部とをカバーで封入すると
ともに、前記光出射手段及び受光手段を該カバーに設け
た請求項１〜３のいずれか１項に記載の加速度センサ。
【請求項５】前記受光手段は、シリコン製の前記カバ
ーに一体に形成した電荷結合デバイスである請求項４に
記載の加速度センサ。
【請求項６】前記カバーを光透過性の材料で構成し、
前記光出射手段と受光手段とは、それぞれ該カバーに対
し外側から埋め込み或いは外付けしてある請求項４又は
５に記載の加速度センサ。
【請求項７】前記錘部を、光を集光できる形状にし、
該錘部からの透過光を前記受光手段に集光させるように
した請求項１〜６のいずれか１項に記載の加速度セン
サ。
【請求項８】前記光出射手段は、その出射光が前記錘
部へ斜めに入射可能に所定の角度づけがしてあり、前記受光手段は、錘部を斜めに透過した後に少なくとも
１回、所定部位での反射と該錘部への再入射及び透過と
を繰り返した後の光を受光可能な位置に、配置してある
請求項１〜６のいずれか１項に記載の加速度センサ。
【請求項９】前記所定部位は、前記カバーの内側面で
あり、光の反射位置を含む該カバーの内側面には反射膜
が設けてある請求項８に記載の加速度センサ。
【請求項１０】前記光出射手段により照射され前記錘
部を透過した光について、該透過光が前記受光手段に当
たる光点の位置又は光量の変化から錘部の変位を求め、
これにより加速度を検出する請求項１〜９のいずれか１
項に記載の加速度センサ。