WO2005085876A1

WO2005085876A1 - 振動型圧電加速度センサ

Info

Publication number: WO2005085876A1
Application number: PCT/JP2005/002126
Authority: WO
Inventors: Jiro Terada; Masaya Nakatani; Takami Ishida
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2004-03-02
Filing date: 2005-02-14
Publication date: 2005-09-15
Anticipated expiration: 2006-09-02
Also published as: US7587941B2; EP1691202A1; US20080223132A1; JP2005249446A; CN1926434A; EP1691202A4

Abstract

フレームに直線上に対向配置された１組の振動板と、この振動板を保持する支持体と、この支持体を直線方向に摺動自在に保持する保持部と、上記１組の振動板と直交するように１組の振動板を直線上に対向配置してＸ，Ｙ方向の２軸の加速度を検出する構成により、保持部を介して支持体に伝搬される加速度により振動板が伸縮して固有振動周波数が変化し、これにより加速度を検出して高い共振周波数の変化率を得ることができ、温度変化の影響を受けずに２軸の加速度検出が可能な振動型圧電加速度センサを提供する。

Description

明細書

振動型圧電加速度センサ

技術分野

[0001] 本発明は加速度、車両等の移動体の姿勢制御および制御システムに用いられる振動型圧電加速度センサ（以後 VASと、う）に関する。

背景技術

[0002] 図 7は従来の加速度センサの構成を示した断面図である。図 7に示すように、チップ 1には、その裏面にダイヤフラム 2が形成されると共に、ダイヤフラム 2が形成された部分の表面に複数個の感歪抵抗 3が設けられている。また、チップ 1の表面の他の部分には、加速度演算用の半導体集積回路と、この半導体集積回路の特性調整用の薄膜抵抗 4が設けられ、感歪抵抗 3の上を除き少なくとも薄膜抵抗 4の上を含む部分に保護膜 5が形成されている。チップ 1の裏面にはガラス製の重り 6が接合されている。

[0003] このように構成された従来の加速度センサは、加速度が加わると重り 6に応力が作用し、この応力による感歪抵抗 3の変化によって加速度を検出する。 2軸検知を行う場合には、同じものを 2個用いて直交配置することによって検知するようにして、る。なお、このような従来の加速度センサの例が特開平 5— 288771号公報 (文献 1)に開示されている。

[0004] また、他の従来の加速度センサの例力特開平 5— 80075号公報 (文献 2)に開示されている。図 8はその加速度センサの構成を示したブロック図である。図 8に示すように、加速度 Gに対応した信号を出力する圧電体素子 11、圧電体素子 11から出力された信号を変換するインピーダンス変換手段 12、インピーダンス変換手段 12から出力された信号の不要な信号を除去するフィルタ手段 13、フィルタ手段 13から出力された必要な信号を増幅する増幅手段 14、外部から入力されるタイミング信号の同期に同期した交流信号を出力する交流信号出力手段 16、交流信号出力手段 16と圧電体素子 11の間に直列接続されたコンデンサ 17など力も構成されている。

[0005] このように構成された従来の加速度センサから出力された電圧信号は、マイクロコンピュータカもなる測定 ·演算手段 18及び制御手段 15に取り込まれるように構成されている。 2軸検知を行う場合には、同じものを 2個用いて直交配置することによって検知するようにしている。

[0006] し力しながら文献 1の加速度センサでは、半導体抵抗歪式は数％の抵抗値の変化を判断するものであるが、抵抗値変動も大きいために信号処理回路の温度変化の影響を受けて正確な加速度検知ができな、と、う課題がある。

[0007] また、文献 2の圧電体素子を用いて変位速度を検出する構成のものでは、その検出構造力静的な重力加速度等の成分検出は困難であり、また、 2軸検知においては検知部を 2個用いることからコストアップやバラツキの要因になるという課題を有している。

発明の開示

[0008] 本発明は、フレームと、フレームに直線上に対向して設けられた 1組の振動板と、振動板上に順次積層形成された下部電極、圧電薄膜、上部電極と、各振動板の近接する一端側を夫々保持する支持体と、支持体を直線方向に摺動自在に保持する保持部からなる素子を有し、素子の保持部を介して支持体に伝搬される加速度により振動板が伸縮し、振動板の固有振動周波数の変化から加速度を検出するようにし、かつ、フレームに直線上に対応して設けられた 1組の振動板と直交するように 1組の振動板を直線上に対向して設けることにより、 2軸の加速度を検出するようにした振動型圧電加速度センサを提供する。このようにして、静及び動の加速度検知をノイズ等の環境変化を受けることなく安定した 2軸の加速度検出ができ、かつ厳しい温度変化の環境下においても高精度で制御することができる高信頼性の振動型圧電加速度センサを提供できる。

図面の簡単な説明

[0009] [図 1]図 1は本発明の実施の形態 1による振動型圧電加速度センサ (VAS)の素子の構成を示した平面図である。

[図 2]図 2は本発明の実施の形態 1による VASの振動板の構成を示す斜視図である

[図 3A]図 3Aは本発明の実施の形態 1による VASの構成を示す図である。

[図 3B]図 3Bは本発明の実施の形態 1による VASの構成を示す図である。 [図 3C]図 3Cは本発明の実施の形態 1による VASの構成を示す図である。

[図 3D]図 3Dは本発明の実施の形態 1による VASの構成を示す図である。

[図 4]図 4は本発明の実施の形態 1による VASの 2軸検知の構成を示す回路図である。

[図 5A]図 5Aは本発明の実施の形態 1による VASの製造方法を示す製造工程図である。

[図 5B]図 5Bは本発明の実施の形態 1による VASの製造方法を示す製造工程図である。

[図 5C]図 5Cは本発明の実施の形態 1による VASの製造方法を示す製造工程図である。

[図 5D]図 5Dは本発明の実施の形態 1による VASの製造方法を示す製造工程図である。

[図 5E]図 5Eは本発明の実施の形態 1による VASの製造方法を示す製造工程図である。

[図 5F]図 5Fは本発明の実施の形態 1による VASの製造方法を示す製造工程図である。

[図 6]図 6は本発明の実施の形態 2による VASを用いたエアーバック制御システムの構成を示す図である。

[図 7]図 7は従来の加速度センサの構成を示した断面図である。

[図 8]図 8は他の従来の加速度センサの構成を示したブロック図である。

符号の説明

20 Si層

21 基板

22 SiO層 (エッチングストッパー）

2

23 振動板

23a, 23b, 23c, 23d 振動板

23e, 23f, 23g, 23h, 23i アーム

24 下部電極 25 圧電薄膜

26 上部電極

26a 検出電極

26b 駆動電極

27 レジスト

28 側溝

29 ホール

30 側孔

31 フレーム

32, 32a, 32b, 32c, 32d 保持部

33 支持体

34 基部

35 VASの素子

36a 検出信号ライン

36b 駆動信号ライン

38 増幅回路

39 FZV変脇

40 AGC回路

41 VAS装置

41a, 41b, 41c, 41d VAS

42, 43 差動回路

44 車体

45, 46 エアーバック装置

47 エアーバック開口装置

48 運転者

49 進行方向

発明を実施するための最良の形態

以下、図面を用いて本発明の実施の形態を詳細に説明する。なお、図面は模式図であり各位置関係を寸法的に正しく示すものではない。

[0012] (実施の形態 1)

図 1、図 2に示すように、フレーム 31内には固有振動周波数を有する振動板 23a— 2 3dが設けられる。支持体 33は振動板 23a— 23dの固有振動周波数を変化させる。保持部 32a— 32dはつづら折り状に形成されて支持体 33を直線方向に摺動自在に保持する。このような構成にすることにより振動板 23a— 23dが伸縮自在になり、温度変化の影響を受けることなく加速度を高応答、かつ高精度で検出することができる。

[0013] また、振動板 23aは梁状に形成されて両端に基部 34を夫々有し、一方の基部 34 がフレーム 31に、他方の基部 34が支持体 33に支持される構造になっている。そして、支持体 33はつづら折り状に形成された保持部 32aを介してフレーム 31に支持されることにより、直線上を往復運動することができるように構成されている。なお、ここではフレーム 31内に設けられた 1つの振動板 23aを用いて説明して、るが、他の振動板 23b—23dについても同様であるため説明を省略する。

[0014] また、アーム 23iは基部 34から引き出されるように設けられる。アーム 23iを設けることにより共振先鋭度が少なくとも 2— 3倍増加し、この共振先鋭度の増加により検出精度を向上させることができる。また、加速度により高い共振周波数の変化率を得ることができるため、温度変化の影響を受けずに加速度を高精度で検出することができる。

[0015] 以下、図 2を用いて、振動板 23aを例にしてその構造を詳細に説明する。

[0016] 図 2に示すように、振動板 23aは SiO層 22の上に形成された Si層 20と、 Si層 20の

2

上に形成された下部電極 24と、下部電極 24の上に形成された圧電薄膜 25と、圧電薄膜 25の上に形成された上部電極とから構成されてヽる。上部電極は駆動電極 26 bと検出電極 26aとカゝら構成されている。そして、駆動電極 26b及び検出電極 26aは振動板 23aを構成する梁状の中央部に沿ってフレーム 31並びに支持体 33まで形成されている。この構成により、保持部 32aの中央部は最も振動が小さい部分で変位による起電力が発生せず、振動板 23aの共振周波数への変調信号が重畳されにくいため、振動板 23aのみの共振周波数の信号を検出することができる。

[0017] さらに、駆動電極 26b及び検出電極 26aはフレーム 31まで延びた所定部分に取り出し電極（図示せず)を設けて制御回路（図示せず）に取り出される構成としている。このように、振動しな、フレーム 31に取り出し電極を設けることにより振動板 23aの振動に影響を与えることがないため、温度変化の影響を受けることなく加速度を高精度で検出することができるようになる。

[0018] さらに、駆動電極 26b及び検出電極 26aは振動板 23aの長手方向と直交して振動板 23aを等分する中心軸と対称になるように配置した構成として、る。このようにして、振動板 23aの駆動及び振動板 23aからの検出を、振動板 23aの有効面積を等分することにより検出感度を最大にすることができる。

[0019] 次に、このように構成された本実施の形態による振動型圧電加速度センサ (VAS) の動作について説明する。図 3A— 3Dは本実施の形態による VASの構成を示し、それぞれ振動板 23aな、し 23dを示して、る。上記図 2で示した振動板 23aを用いた素子は等価回路 35で示して、る。

[0020] さらに、検出信号ライン 36a、駆動信号ライン 36b、微弱な信号の増幅及び素子 35 の振動板 23aを駆動する増幅回路 38、入力信号の周波数を電圧に変化させる FZ V変翻 39、増幅回路 38の出力信号の電圧レベルを制御する AGC回路 40などを有している。また、素子 35は本体（図示しない）に素子 35のフレーム 31を保持するように取り付けられている。

[0021] まず、 VAS41aに電源が入力されると、何らかのノイズ等の信号が増幅回路 38に入力されて増幅される。そしてこの増幅された信号は駆動信号ライン 36bを通して素子 35の駆動電極 26bに入力されて振動板 23aを振動させる。その結果、振動板 23a を形成する圧電薄膜 25から検出電極 26aに電荷が励起され、検出電極 26aから検出信号ライン 36aを通して増幅回路 38に入力される。そしてこの閉ループの動作を繰り返し、固有振動の共振周波数で安定した定常状態となる。その結果、この固有振動の共振周波数信号が FZV変 39に入力されて所定の電圧に変換される。ここで AGC回路 40は、増幅器 38から出力される電圧レベルが大きくなり、信号に歪が生じる場合に AGC回路 40が動作して誤差なく正確な FZV変換が行えるように制御する。

[0022] ここで、外部から加速度が加わると、フレーム 31から保持部 32aを介して保持された支持体 33が直線上を往復運動する慣性力が加わる。この往復運動により定常状態で振動する振動板 23aが伸縮し、振動板 23aの固有振動の共振周波数が変化することになり、この固有振動の共振周波数の変化が加速度に対応して検出されることになる。この構成により、加速度により高い共振周波数の変化率を得ることができるため、温度変化の影響を受けることなく加速度を高精度で検出することができるようになる。

[0023] なお、上記説明においては振動板 23aについてのみ説明した力他の振動板 23b —23dについては夫々図 3B— 3Dに対応しており、動作説明は同様であるために省略する。

[0024] また、図 4は VAS本体 41の構成を示している。 VAS41a— 41dの出力信号として差動回路 42、 43により差動出力を得て、 X軸方向及び Y軸方向の加速度の検出信号とする 2軸検知の構成である。差動回路 42、 43は各素子及び回路特性の変化を差動的にキャンセルするので、更なる安定ィ匕を図ることができる。

[0025] 次に、本実施の形態による VASの製造方法について説明する。図 5A-5Fは本実施の形態による VASの製造方法を示した製造工程図であり、振動板 23aの中央部を断面図で示したものである。

[0026] まず、図 5Aに示すように、 S もなる基板 21の上にエッチングをストップさせるための SiO力なるエッチングストッパー 22を形成し、エッチングストッパー 22の上に Si

2

層 20を形成する。なお、基板 21の厚みは 500 m、エッチングストッパー 22の厚みは 2 m、 Si層 20の厚みは 10 μ mとした。

[0027] 次に、図 5Bに示すように、 Si層 20の上に高周波スパッタリングを用いて厚み 50 A の Tiを形成し、さらに厚み 2000 Aの白金を形成して下部電極 24を構成する。そしてこの白金の上に PZT (Lead Zirconate Titanate)からなる圧電薄膜 25を厚み 25 μ m形成し、さらに所定のパターンになるようにメタルマスクを用いて圧電薄膜 25の上に蒸着により Ti層を厚み 100A形成し、同様にこの Ti層の上に蒸着により金を厚み 3000 A形成する。このようにして、所定のパターンを有する上部電極 26を形成する。そして、エッチング用のマスクとして金の上にレジスト 27を形成する。なお、 PZT を用いる理由は、加速度により共振周波数変化の高い変換を得ることができるためである。 [0028] 次に、図 5Cに示すようにエッチングにより側溝 28を形成する。なお、上記振動板 2 3以外に、支持体 33と保持部 32も Siにより構成することにより、加えた加速度の変化によって振動板 23に生じる応力に対応する共振周波数の変化の安定性を向上させることがでさるよう〖こなる。

[0029] 次に、図 5Dに示すように、基板 21の裏面に所定のパターンのレジスト 27を形成し、基板 21の裏面をエッチングすることによりホール 29を形成する。

[0030] 次に、図 5Eに示すように、レジスト 27の面から再びエッチングして側孔 30を形成した後、さらに裏面のレジスト 27を除去する。このようにして図 5Fに示すように、薄くかつ梁状に形成した振動板 23を作製することができる。

[0031] また、検出感度について、支持体 33の上部面または下部面に、更なる質量を付加することにより、支持体 33部分の質量が増加し、振動板 23aに受ける応力が増大し、加速度に対する振動周波数の変化度合いが大きくなり、検知感度を高めることができる。

[0032] (実施の形態 2)

図 6は本発明による VAS41を用いた応用例として、車のエアーバック制御システムを示している。 VAS41を、 X軸、 Y軸の方向に配置する。制御システムを、車体 44、フロントエアーバック 45、サイドエアーバック 46、エアーバック開口装置 47、運転者 4 8を用いて説明する。なお、矢印 49は進行方向を示している。

[0033] このように取り付けられた本発明の VAS41は、加速度を制御して車体 44の制御を行うものであり、加速度の値があるレベルを超えた場合、加速度の出力信号をエアーノック開口装置 47によりエアーバックを開口する信号を出力する。次に、この開口する信号をエアーバック装置 45, 46に伝送してエアーバックを開口させることにより安全な運転制御を可能にして、る。

[0034] 例えば、進行方向（X軸方向）の衝突時において加速度が発生した場合にはフロントエアーバック 45を開口させる。また、側部に加速度 (Y軸方向）が加わった場合には左右方向の加速度による信号でサイドエアーバック 46を開口させることによって人命事故を未然に防ぐことができる。フロントエアーバックとサイドエアーバックの検知を 2 軸の加速度検知で行って、るために、高、レベルの安全制御を可能にして、る。 [0035] なお、本実施の形態による VAS41は、車体 44に対して振動型圧電加速度センサ 41が受ける加速度は設置位置によって若干異なるため、振動型圧電加速度センサ 4 1の配置は平均的な加速度の検知を行うという観点から車体 44の中央に設けることが望ましい。従って、本実施の形態では VAS41を車の中央に塔載しているものである。また、車体内における運転者とエアーバック装置の位置関係は本実施の形態に限定されるものではない。例えば、運転者が進行方向に対して車体の左側に位置してヽても本発明の効果が発揮されることは、うまでもな!/、。

産業上の利用可能性

[0036] 本発明による VASは、加速度により高い共振周波数の変化率を得ることができるため、温度変化の影響を受けずに加速度を高精度で 2軸検出することができる。その結果、エアーバック制御システムの他に、地球上における重力を静止の加速度検知として利用することができる。そして、静止の加速度検知は傾斜角として検知するセンサとして用いることができ、傾斜角検知により高度を含めた 3次元立体型ナビゲーシヨン装置に用いることが可能である。

Claims

請求の範囲

[I] フレームと、前記フレームに直線上に対向して設けられた 1組の振動板と、前記振動板上に順次積層形成された下部電極、圧電薄膜、上部電極と、前記各振動板の近接する一端側を夫々保持する支持体と、前記支持体を直線方向に摺動自在に保持する保持部からなる素子を有し、前記素子の保持部を介して支持体に伝搬される加速度により前記振動板が伸縮し、前記振動板の固有振動周波数の変化から加速度を検出する振動型圧電加速度センサ。

[2] 前記フレームに直線上に対向して設けられた 1組の振動板と直交するように 1組の振動板を直線上に対向して設けることにより、 2軸の加速度を検出する請求項 1に記載の振動型圧電加速度センサ。

[3] 前記直線上に対向して設けられた 1組の振動板の固有振動周波数の差を加速度信号情報とした請求項 1に記載の振動型圧電加速度センサ。

[4] 前記保持部をつづら折り状の構造として可動自在とした請求項 1に記載の振動型圧電加速度センサ。

[5] 前記振動板、前記支持体、前記保持部を夫々シリコンで構成した請求項 1に記載の振動型圧電加速度センサ。

[6] 前記圧電薄膜を PZTで構成した請求項 1に記載の振動型圧電加速度センサ。

[7] 前記振動板を梁状とし、この一端を前記フレームに、他端を前記支持体に釣られるように保持させた請求項 1に記載の振動型圧電加速度センサ。

[8] 前記振動板上に形成する前記上部電極を前記保持部の梁状の中央部に沿わせて取り出した請求項 1に記載の振動型圧電加速度センサ。

[9] 前記振動板を支持する前記支持体に質量を付加した請求項 1に記載の振動型圧電加速度センサ。

[10] 前記振動板上に形成する上部電極として、検出用電極と駆動用電極を一対で設け、かつ、前記検出用電極と前記駆動用電極は前記振動板の長手方向と直交して前記振動板を等分する中心軸と対称になるように配置した請求項 1に記載の振動型圧電加速度センサ。

[II] 前記検出用電極と前記駆動用電極の取り出し電極を、前記フレーム上に設けた請求項 10に記載の振動型圧電加速度センサ。

前記素子を構成する前記フレームを保持するようにして本体を取り付けることにより、静及び動の加速度を検出するようにした請求項 1に記載の振動型圧電加速度センサ