JP2004251702A - 振動型圧電加速度センサ素子とこれを用いた振動型圧電加速度センサおよび振動型圧電加速度センサ装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】温度の影響を受けず高精度に加速度を検出する振動型圧電加速度センサ素子とそれを用いたセンサおよび装置を提供することを目的とする。
【解決手段】振動板１０と、この振動板１０を保持する支持体１１と、振動板１０の上に形成する下部電極１２と、この下部電極１２の上に形成する圧電薄膜１３と、この圧電薄膜１３の上に形成する上部電極１４において、圧電薄膜１３の長手方向の伸縮により厚み方向または幅方向に振動を発生させ、この振動の共振周波数から加速度を検出するようにした振動型圧電加速度センサ素子であり、加速度により高共振周波数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加速度を高精度に検出することができる。
【選択図】 図１
【解決手段】振動板１０と、この振動板１０を保持する支持体１１と、振動板１０の上に形成する下部電極１２と、この下部電極１２の上に形成する圧電薄膜１３と、この圧電薄膜１３の上に形成する上部電極１４において、圧電薄膜１３の長手方向の伸縮により厚み方向または幅方向に振動を発生させ、この振動の共振周波数から加速度を検出するようにした振動型圧電加速度センサ素子であり、加速度により高共振周波数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加速度を高精度に検出することができる。
【選択図】 図１
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は自動車の姿勢制御、制動システム、車両走行制御、衝突安全装置、ナビゲーションシステム等に用いる振動型圧電加速度センサ素子とこれを用いた振動型圧電加速度センサおよび振動型圧電加速度センサ装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
加速度を検出するものとして、図８に示すものがある。
【０００３】
図８は従来の加速度センサの断面図である。図８に示すようにダイヤフラム２が形成されたチップ１の表面のダイヤフラム２の部分に複数個の感歪抵抗３が設けられ、チップ１の表面の他の部分に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とが設けられ、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。そして加速度が加わると、ガラス製の重り６に応力が作用して、この応力による感歪抵抗３の変化により加速度が検出されるものである。
【０００４】
なお、この出願の発明に関連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。
【０００５】
【特許文献１】
特開平５−２８８７７１号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
このように構成された加速度センサでは加速度による抵抗変化率は通常０．１％程度、最大でも１％を越えることは稀であり、しかも信号処理回路や抵抗体等が温度の影響を受けるため、微小なアナログの抵抗変化を高精度に検出することは非常に困難であった。
【０００７】
本発明は温度の影響を受けず高精度に加速度を検出する振動型圧電加速度センサ素子とそれを用いた振動型圧電加速度センサおよび振動型圧電加速度センサ装置を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、以下の構成を有する。
【０００９】
本発明の請求項１に記載の発明は、振動板と、この振動板を保持する支持体と、前記振動板上に形成する下部電極と、この下部電極上に形成する圧電薄膜と、この圧電薄膜上に形成する上部電極からなり、前記圧電薄膜の長手方向の伸縮により厚み方向または幅方向に振動を発生させ、この振動の共振周波数から加速度を検出するようにした振動型圧電加速度センサ素子であり、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ず加速度が高精度で検出できる。
【００１０】
請求項２に記載の発明は、振動板を保持する支持体に前記振動板の両端部を接合して一体化した請求項１に記載の振動型圧電加速度センサ素子であり、過大な加速度に対応できると共に加速度が高い感度で検出できる。
【００１１】
請求項３に記載の発明は、振動板とこの振動板を保持する支持体として、前記振動板の振動部分の下面に間隙を設けた請求項１に記載の振動型圧電加速度センサ素子であり、過大な加速度に対して支持体と接触することがなくなるため、広範囲の加速度が検出できる。
【００１２】
請求項４に記載の発明は、間隙を振動板側に設けた請求項１に記載の振動型圧電加速度センサ素子であり、過大な加速度に対して支持体と接触することがなくなるため、広範囲の加速度が検出できる。
【００１３】
請求項５に記載の発明は、間隙を支持体側に設けた請求項１に記載の振動型圧電加速度センサ素子であり、過大な加速度に対して振動板が支持体と接触することがなくなるため、広範囲の加速度が検出できる。
【００１４】
請求項６に記載の発明は、振動板の支持体との間に形成する間隙の両端部に相当する位置に４箇所の幅方向に伸びた切り込み部を設けた請求項２に記載の振動型圧電加速度センサ素子であり、特定の振動のみを発生させることにより、機械的共振先鋭度が高くでき、加速度の分解能が高くできる。
【００１５】
請求項７に記載の発明は、振動板にスリットを設けた請求項１に記載の振動型圧電加速度センサ素子であり、スリットにより分割した振動板が互いに共振するため、機械的共振先鋭度が高くでき、加速度の分解能が高くできる。
【００１６】
請求項８に記載の発明は、振動板に設けるスリットを少なくとも長手方向または幅方向に設けた請求項７に記載の振動型圧電加速度センサ素子であり、スリットにより分割した振動板が互いに共振するため、機械的共振先鋭度が高くでき、加速度の分解能が高くできる。
【００１７】
請求項９に記載の発明は、振動板の幅方向にほぼ３等分するように長手方向にスリットを設け、それぞれの側部の中央部を開放するようにした請求項７に記載の振動型圧電加速度センサ素子であり、スリットにより分割した振動板が互いに共振して振動を助長するため、機械的共振先鋭度が高くでき、加速度の分解能が高くできる。
【００１８】
請求項１０に記載の発明は、スリットにより分割された振動板の厚み方向の共振周波数を同じとした請求項７に記載の振動型圧電加速度センサ素子であり、スリットにより分割した振動板が互いに共振するため、機械的共振先鋭度が高くでき、加速度の分解能が高くできる。
【００１９】
請求項１１に記載の発明は、スリットにより分割された振動板の幅方向の共振周波数を同じとした請求項７に記載の振動型圧電加速度センサ素子であり、スリットにより分割した振動板が互いに共振するため、機械的共振先鋭度が高くでき、加速度の分解能が高くできる。
【００２０】
請求項１２に記載の発明は、振動板上に振動を発生させる駆動部と振動の周波数を検知する検出部を設けた請求項１に記載の振動型圧電加速度センサ素子であり、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ず加速度の検出精度が高くできる。
【００２１】
請求項１３に記載の発明は、請求項１に記載の振動型圧電加速度センサ素子の長手方向の一方端を保持して取り付けて加速度を検出するようにした振動型圧電加速度センサであり、加速度の加重が高効率で検出することができる。
【００２２】
請求項１４に記載の発明は、請求項１に記載の振動型圧電加速度センサ素子の出力信号と走行距離から走行高さを得るようにした振動型圧電加速度センサ装置であり、新たなアプリケーションが付加できる。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下、実施の形態について図を用いて説明する。
【００２４】
図１は本発明の振動型圧電加速度センサ素子の斜視図である。図１に示すように中央部１０ｄに間隙１５を形成する支持体１１と振動板１０の両端部の基部１０ｅと接合して一体化する構造である。そして振動板１０は中央部１０ｄと基部１０ｅとの間に幅方向に伸びる切り込み部１８を設け、中央部１０ｄは基部１０ｅと一部分で支持される構造となっている。
【００２５】
また、この中央部１０ｄの振動板１０は長手方向の２本のスリット１７により幅方向を均等に３分割された振動板１０ａ、１０ｂ、１０ｃが形成され、そして振動板１０の主面上に下部電極１２が形成されている。ここで下部電極１２は外部と接続できるように電極端子１６ａ、１６ｂが両方の基部１０ｅの中央より少し端部に形成されている。そしてこの下部電極１２の上に圧電薄膜１３が形成されている。ここで圧電薄膜１３は振動板１０の中央部１０ｄおよび基部１０ｅの下部電極１２の電極端子１６ａ、１６ｂと異なる部分を覆うように形成されている。さらに圧電薄膜１３の上に上部電極１４が形成されている。ここで上部電極１４は２本のスリット１７で形成される２本の側部の振動板１０ａ、１０ｂと１本の中央の振動板１０ｃとを分離して形成されており、２本の側部の振動板１０ａ、１０ｂの上の上部電極１４は一方の基部１０ｅに引き出され、中央の振動板１０ｃの上の上部電極１４は他方の基部１０ｅに引き出され、さらに引き出されたそれぞれの上部電極１４の端部に外部と接続できるように電極端子１６ｃ、１６ｄが形成されている。
【００２６】
以下、製造方法について図を用いて説明する。
【００２７】
図２（ａ）〜（ｄ）は本発明の振動型圧電加速度センサの断面による工程図である。図２（ａ）に示すように振動板１０の上に下部電極１２として白金を形成し、この下部電極１２として白金の上に圧電薄膜１３としてチタン酸ジルコン酸鉛を形成し、図２（ｂ）に示すように圧電薄膜１３としてチタン酸ジルコン酸鉛の上に上部電極１４として金をスパッタリング、真空蒸着、ゾルゲル法などの通常の薄膜を形成する方法により形成する。ここで金からなる上部電極１４は均一の膜が形成でき安定した導通性が得られる。次に図２（ｃ）に示すように支持体１１をエッチング加工により中央部分全体に間隙を形成し、図２（ｂ）で形成した振動板１０と間隙１５を形成した支持体１１を接合して一体化する。そして図２（ｄ）に示すように上部電極１４の上にレジストマスク（図示せず）をフォトリソグラフィーによりパターンを形成してエッチングすることにより、幅方向を均等分するよう長手方向のスリット１７および振動板１０と支持体１１との間に設けた間隙１５の両端部に相当する位置に設けた４つの幅方向に伸びた切り込み部１８を形成する。
【００２８】
図３（ａ）、（ｂ）は振動板１０と支持体１１との接合を示す本発明の振動型圧電加速度センサ素子の断面図である。図３（ａ）、（ｂ）に示すように振動板１０または支持体１１に振動を疎外しない程度の間隙１５を設けることによりスムーズな動作ができ、過大な加速度に対して支持体１１と接触することがなくなるため、広範囲の加速度が検出できる。
【００２９】
図４（ａ）、（ｂ）は本発明のスリット１７を設けた振動板１０の上面図である。図４（ａ）、（ｂ）に示すように振動板１０は幅方向および長手方向それぞれの中心線に対して対称となる構成である。
【００３０】
図４（ａ）に示すように幅方向をほぼ均等になるように長手方向にスリット１７を設けた構成とすることにより、振動板１０ａ、１０ｂのそれぞれの厚み方向が同じ共振周波数であり、また幅方向を同じ共振周波数とすることができる。この構成は２つの振動板１０ａ、１０ｂが互いに共振し合うため機械的共振先鋭度が高くでき、加速度の分解能が高くできる。また図４（ｂ）に示すように振動板１０として、幅方向をほぼ３等分するように長手方向にスリット１７を設け、４つの側部の振動板１９ａ、１９ｃ、１９ｄ、１９ｅの中央部に端部を形成する振動型圧電加速度センサ素子であり、この４つの振動板１９ａ、１９ｃ、１９ｄ、１９ｅが互いに共振して振動を助長するため、機械的共振先鋭度が高くでき、加速度の分解能が高くできる。
【００３１】
以下、動作について図５を用いて説明する。
【００３２】
図５は本発明の振動型圧電加速度センサの回路ブロック図である。図５に示すように振動型圧電加速度センサ素子の一方の固定端部２６を取り付けて固定し、下部電極１２を外部と接続できるように電極端子１６ａ、１６ｂを設けＧＮＤに接地する。また圧電薄膜１３を下部電極１２と挟む上部電極２０、２１を外部と接続できるように電極端子１６ｃ、１６ｄを設ける。そして電極端子１６ｃから増幅器２２の入力側に接続し、この増幅器２２の出力の一方を電極端子１６ｄに接続する。そしてもう一方を周波数カウンター２３の一方の入力側に接続する。そしてこの周波数カウンター２３のもう一方の入力には基準信号が入力される。
【００３３】
そして、周波数カウンター２３からの出力はデジタル／アナログコンバータ２４を通してローパスフィルター２５に接続される。
【００３４】
振動型圧電加速度センサに電源が入力されると、何らかのノイズ等の信号が電極端子１６ｃから増幅器２２に入力され、このノイズ等の微小信号が増幅されて電極端子１６ｄに入力される。さらにこの増幅された信号は電極端子１６ｄを通して駆動部としての上部電極２０に印加され、圧電薄膜１３によりスリット１７により分割された上部電極２０の下部分の振動板１０ａ、１０ｂを振動させる。そしてこの振動はスリット１７で分割された中央の振動板１０ｃの上の圧電薄膜１３により検出部としての上部電極２１に電荷が誘起され、再び電極端子１６ｃを通して増幅器２２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。そして増幅器２２からの出力信号と基準信号は周波数カウンター２３に入力され、この２つの信号を比較して周波数差のデジタル信号としてデジタル／アナログコンバータ２４に入力される。デジタル／アナログコンバータ２４によりデジタル信号からアナログ信号に変換して高帯域の信号成分を阻止するローパスフィルター２５に入力され、直流成分の加速度信号が得られる。
【００３５】
また、図６は加速度と振動型圧電加速度センサの出力との関係を示す特性図である。図６に示すように加速度と振動型圧電加速度センサの出力との関係はほぼ直線性を有している。その結果振動型圧電加速度センサの出力はほとんど補正なく加速度に精度よく変換され算出できる。
【００３６】
また、図７は所定位置での加速度と走行高さの関係を示す模擬図である。図７に示すように本発明の振動型圧電加速度センサ装置を車に搭載して、走行高さＨを求めようとする場合、進んだ距離Ｌと振動型圧電加速度センサ出力Ｇｘより算出することができる。
【００３７】
重力Ｇと振動型圧電加速度センサ出力Ｇｘより傾斜角度θを求め、この求めたθより進んだ距離Ｌと傾斜角度θの余弦を乗算して走行高さＨが求められる。
【００３８】
実際には常にこの動作が繰り返されてリアルタイムで走行高さＨが求められることになる。
【００３９】
以上の構成により、加速度により高共振周波数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広範囲の加速度を高精度に検出できると共に特定の振動のみを発生させ機械的共振先鋭度を高くできるため加速度の高分解能の検出ができる。
【００４０】
【発明の効果】
以上のように本発明は、振動板と、この振動板を保持する支持体と、前記振動板上に形成する下部電極と、この下部電極上に形成する圧電薄膜と、この圧電薄膜上に形成する上部電極からなり、前記圧電薄膜の長手方向の伸縮により厚み方向または幅方向に振動を発生させ、この振動の共振周波数から加速度を検出するようにした振動型圧電加速度センサ素子であり、加速度により高共振周波数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加速度を高精度に検出することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の振動型圧電加速度センサ素子の斜視図
【図２】（ａ）〜（ｄ）本発明の振動型圧電加速度センサ素子の製造工程を示す断面図
【図３】（ａ）、（ｂ）本発明の振動型圧電加速度センサ素子の断面図
【図４】（ａ）、（ｂ）本発明のスリットを設けた振動板の上面図
【図５】本発明の振動型圧電加速度センサの回路ブロック図
【図６】加速度と本発明の振動型圧電加速度センサの出力の関係を示す特性図
【図７】加速度と高さ（海抜）の関係を示す模擬図
【図８】従来の加速度センサの断面図
【符号の説明】
１０ 振動板
１０ａ 振動板
１０ｂ 振動板
１０ｃ 振動板
１０ｄ 中央部
１０ｅ 基部
１１ 支持体
１２ 下部電極
１３ 圧電薄膜
１４ 上部電極
１５ 間隙
１６ 電極端子
１６ａ 電極端子
１６ｂ 電極端子
１６ｃ 電極端子
１６ｄ 電極端子
１７ スリット
１８ 切り込み部
１９ａ 振動板
１９ｂ 振動板
１９ｃ 振動板
１９ｄ 振動板
１９ｅ 振動板
２０ 駆動側の上部電極
２１ 検出側の上部電極
２２ 増幅器
２３ 周波数カウンター
２４ デジタル／アナログコンバータ
２５ ローパスフィルター
２６ 固定端部
【発明の属する技術分野】
本発明は自動車の姿勢制御、制動システム、車両走行制御、衝突安全装置、ナビゲーションシステム等に用いる振動型圧電加速度センサ素子とこれを用いた振動型圧電加速度センサおよび振動型圧電加速度センサ装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
加速度を検出するものとして、図８に示すものがある。
【０００３】
図８は従来の加速度センサの断面図である。図８に示すようにダイヤフラム２が形成されたチップ１の表面のダイヤフラム２の部分に複数個の感歪抵抗３が設けられ、チップ１の表面の他の部分に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とが設けられ、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。そして加速度が加わると、ガラス製の重り６に応力が作用して、この応力による感歪抵抗３の変化により加速度が検出されるものである。
【０００４】
なお、この出願の発明に関連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。
【０００５】
【特許文献１】
特開平５−２８８７７１号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
このように構成された加速度センサでは加速度による抵抗変化率は通常０．１％程度、最大でも１％を越えることは稀であり、しかも信号処理回路や抵抗体等が温度の影響を受けるため、微小なアナログの抵抗変化を高精度に検出することは非常に困難であった。
【０００７】
本発明は温度の影響を受けず高精度に加速度を検出する振動型圧電加速度センサ素子とそれを用いた振動型圧電加速度センサおよび振動型圧電加速度センサ装置を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、以下の構成を有する。
【０００９】
本発明の請求項１に記載の発明は、振動板と、この振動板を保持する支持体と、前記振動板上に形成する下部電極と、この下部電極上に形成する圧電薄膜と、この圧電薄膜上に形成する上部電極からなり、前記圧電薄膜の長手方向の伸縮により厚み方向または幅方向に振動を発生させ、この振動の共振周波数から加速度を検出するようにした振動型圧電加速度センサ素子であり、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ず加速度が高精度で検出できる。
【００１０】
請求項２に記載の発明は、振動板を保持する支持体に前記振動板の両端部を接合して一体化した請求項１に記載の振動型圧電加速度センサ素子であり、過大な加速度に対応できると共に加速度が高い感度で検出できる。
【００１１】
請求項３に記載の発明は、振動板とこの振動板を保持する支持体として、前記振動板の振動部分の下面に間隙を設けた請求項１に記載の振動型圧電加速度センサ素子であり、過大な加速度に対して支持体と接触することがなくなるため、広範囲の加速度が検出できる。
【００１２】
請求項４に記載の発明は、間隙を振動板側に設けた請求項１に記載の振動型圧電加速度センサ素子であり、過大な加速度に対して支持体と接触することがなくなるため、広範囲の加速度が検出できる。
【００１３】
請求項５に記載の発明は、間隙を支持体側に設けた請求項１に記載の振動型圧電加速度センサ素子であり、過大な加速度に対して振動板が支持体と接触することがなくなるため、広範囲の加速度が検出できる。
【００１４】
請求項６に記載の発明は、振動板の支持体との間に形成する間隙の両端部に相当する位置に４箇所の幅方向に伸びた切り込み部を設けた請求項２に記載の振動型圧電加速度センサ素子であり、特定の振動のみを発生させることにより、機械的共振先鋭度が高くでき、加速度の分解能が高くできる。
【００１５】
請求項７に記載の発明は、振動板にスリットを設けた請求項１に記載の振動型圧電加速度センサ素子であり、スリットにより分割した振動板が互いに共振するため、機械的共振先鋭度が高くでき、加速度の分解能が高くできる。
【００１６】
請求項８に記載の発明は、振動板に設けるスリットを少なくとも長手方向または幅方向に設けた請求項７に記載の振動型圧電加速度センサ素子であり、スリットにより分割した振動板が互いに共振するため、機械的共振先鋭度が高くでき、加速度の分解能が高くできる。
【００１７】
請求項９に記載の発明は、振動板の幅方向にほぼ３等分するように長手方向にスリットを設け、それぞれの側部の中央部を開放するようにした請求項７に記載の振動型圧電加速度センサ素子であり、スリットにより分割した振動板が互いに共振して振動を助長するため、機械的共振先鋭度が高くでき、加速度の分解能が高くできる。
【００１８】
請求項１０に記載の発明は、スリットにより分割された振動板の厚み方向の共振周波数を同じとした請求項７に記載の振動型圧電加速度センサ素子であり、スリットにより分割した振動板が互いに共振するため、機械的共振先鋭度が高くでき、加速度の分解能が高くできる。
【００１９】
請求項１１に記載の発明は、スリットにより分割された振動板の幅方向の共振周波数を同じとした請求項７に記載の振動型圧電加速度センサ素子であり、スリットにより分割した振動板が互いに共振するため、機械的共振先鋭度が高くでき、加速度の分解能が高くできる。
【００２０】
請求項１２に記載の発明は、振動板上に振動を発生させる駆動部と振動の周波数を検知する検出部を設けた請求項１に記載の振動型圧電加速度センサ素子であり、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ず加速度の検出精度が高くできる。
【００２１】
請求項１３に記載の発明は、請求項１に記載の振動型圧電加速度センサ素子の長手方向の一方端を保持して取り付けて加速度を検出するようにした振動型圧電加速度センサであり、加速度の加重が高効率で検出することができる。
【００２２】
請求項１４に記載の発明は、請求項１に記載の振動型圧電加速度センサ素子の出力信号と走行距離から走行高さを得るようにした振動型圧電加速度センサ装置であり、新たなアプリケーションが付加できる。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下、実施の形態について図を用いて説明する。
【００２４】
図１は本発明の振動型圧電加速度センサ素子の斜視図である。図１に示すように中央部１０ｄに間隙１５を形成する支持体１１と振動板１０の両端部の基部１０ｅと接合して一体化する構造である。そして振動板１０は中央部１０ｄと基部１０ｅとの間に幅方向に伸びる切り込み部１８を設け、中央部１０ｄは基部１０ｅと一部分で支持される構造となっている。
【００２５】
また、この中央部１０ｄの振動板１０は長手方向の２本のスリット１７により幅方向を均等に３分割された振動板１０ａ、１０ｂ、１０ｃが形成され、そして振動板１０の主面上に下部電極１２が形成されている。ここで下部電極１２は外部と接続できるように電極端子１６ａ、１６ｂが両方の基部１０ｅの中央より少し端部に形成されている。そしてこの下部電極１２の上に圧電薄膜１３が形成されている。ここで圧電薄膜１３は振動板１０の中央部１０ｄおよび基部１０ｅの下部電極１２の電極端子１６ａ、１６ｂと異なる部分を覆うように形成されている。さらに圧電薄膜１３の上に上部電極１４が形成されている。ここで上部電極１４は２本のスリット１７で形成される２本の側部の振動板１０ａ、１０ｂと１本の中央の振動板１０ｃとを分離して形成されており、２本の側部の振動板１０ａ、１０ｂの上の上部電極１４は一方の基部１０ｅに引き出され、中央の振動板１０ｃの上の上部電極１４は他方の基部１０ｅに引き出され、さらに引き出されたそれぞれの上部電極１４の端部に外部と接続できるように電極端子１６ｃ、１６ｄが形成されている。
【００２６】
以下、製造方法について図を用いて説明する。
【００２７】
図２（ａ）〜（ｄ）は本発明の振動型圧電加速度センサの断面による工程図である。図２（ａ）に示すように振動板１０の上に下部電極１２として白金を形成し、この下部電極１２として白金の上に圧電薄膜１３としてチタン酸ジルコン酸鉛を形成し、図２（ｂ）に示すように圧電薄膜１３としてチタン酸ジルコン酸鉛の上に上部電極１４として金をスパッタリング、真空蒸着、ゾルゲル法などの通常の薄膜を形成する方法により形成する。ここで金からなる上部電極１４は均一の膜が形成でき安定した導通性が得られる。次に図２（ｃ）に示すように支持体１１をエッチング加工により中央部分全体に間隙を形成し、図２（ｂ）で形成した振動板１０と間隙１５を形成した支持体１１を接合して一体化する。そして図２（ｄ）に示すように上部電極１４の上にレジストマスク（図示せず）をフォトリソグラフィーによりパターンを形成してエッチングすることにより、幅方向を均等分するよう長手方向のスリット１７および振動板１０と支持体１１との間に設けた間隙１５の両端部に相当する位置に設けた４つの幅方向に伸びた切り込み部１８を形成する。
【００２８】
図３（ａ）、（ｂ）は振動板１０と支持体１１との接合を示す本発明の振動型圧電加速度センサ素子の断面図である。図３（ａ）、（ｂ）に示すように振動板１０または支持体１１に振動を疎外しない程度の間隙１５を設けることによりスムーズな動作ができ、過大な加速度に対して支持体１１と接触することがなくなるため、広範囲の加速度が検出できる。
【００２９】
図４（ａ）、（ｂ）は本発明のスリット１７を設けた振動板１０の上面図である。図４（ａ）、（ｂ）に示すように振動板１０は幅方向および長手方向それぞれの中心線に対して対称となる構成である。
【００３０】
図４（ａ）に示すように幅方向をほぼ均等になるように長手方向にスリット１７を設けた構成とすることにより、振動板１０ａ、１０ｂのそれぞれの厚み方向が同じ共振周波数であり、また幅方向を同じ共振周波数とすることができる。この構成は２つの振動板１０ａ、１０ｂが互いに共振し合うため機械的共振先鋭度が高くでき、加速度の分解能が高くできる。また図４（ｂ）に示すように振動板１０として、幅方向をほぼ３等分するように長手方向にスリット１７を設け、４つの側部の振動板１９ａ、１９ｃ、１９ｄ、１９ｅの中央部に端部を形成する振動型圧電加速度センサ素子であり、この４つの振動板１９ａ、１９ｃ、１９ｄ、１９ｅが互いに共振して振動を助長するため、機械的共振先鋭度が高くでき、加速度の分解能が高くできる。
【００３１】
以下、動作について図５を用いて説明する。
【００３２】
図５は本発明の振動型圧電加速度センサの回路ブロック図である。図５に示すように振動型圧電加速度センサ素子の一方の固定端部２６を取り付けて固定し、下部電極１２を外部と接続できるように電極端子１６ａ、１６ｂを設けＧＮＤに接地する。また圧電薄膜１３を下部電極１２と挟む上部電極２０、２１を外部と接続できるように電極端子１６ｃ、１６ｄを設ける。そして電極端子１６ｃから増幅器２２の入力側に接続し、この増幅器２２の出力の一方を電極端子１６ｄに接続する。そしてもう一方を周波数カウンター２３の一方の入力側に接続する。そしてこの周波数カウンター２３のもう一方の入力には基準信号が入力される。
【００３３】
そして、周波数カウンター２３からの出力はデジタル／アナログコンバータ２４を通してローパスフィルター２５に接続される。
【００３４】
振動型圧電加速度センサに電源が入力されると、何らかのノイズ等の信号が電極端子１６ｃから増幅器２２に入力され、このノイズ等の微小信号が増幅されて電極端子１６ｄに入力される。さらにこの増幅された信号は電極端子１６ｄを通して駆動部としての上部電極２０に印加され、圧電薄膜１３によりスリット１７により分割された上部電極２０の下部分の振動板１０ａ、１０ｂを振動させる。そしてこの振動はスリット１７で分割された中央の振動板１０ｃの上の圧電薄膜１３により検出部としての上部電極２１に電荷が誘起され、再び電極端子１６ｃを通して増幅器２２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。そして増幅器２２からの出力信号と基準信号は周波数カウンター２３に入力され、この２つの信号を比較して周波数差のデジタル信号としてデジタル／アナログコンバータ２４に入力される。デジタル／アナログコンバータ２４によりデジタル信号からアナログ信号に変換して高帯域の信号成分を阻止するローパスフィルター２５に入力され、直流成分の加速度信号が得られる。
【００３５】
また、図６は加速度と振動型圧電加速度センサの出力との関係を示す特性図である。図６に示すように加速度と振動型圧電加速度センサの出力との関係はほぼ直線性を有している。その結果振動型圧電加速度センサの出力はほとんど補正なく加速度に精度よく変換され算出できる。
【００３６】
また、図７は所定位置での加速度と走行高さの関係を示す模擬図である。図７に示すように本発明の振動型圧電加速度センサ装置を車に搭載して、走行高さＨを求めようとする場合、進んだ距離Ｌと振動型圧電加速度センサ出力Ｇｘより算出することができる。
【００３７】
重力Ｇと振動型圧電加速度センサ出力Ｇｘより傾斜角度θを求め、この求めたθより進んだ距離Ｌと傾斜角度θの余弦を乗算して走行高さＨが求められる。
【００３８】
実際には常にこの動作が繰り返されてリアルタイムで走行高さＨが求められることになる。
【００３９】
以上の構成により、加速度により高共振周波数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広範囲の加速度を高精度に検出できると共に特定の振動のみを発生させ機械的共振先鋭度を高くできるため加速度の高分解能の検出ができる。
【００４０】
【発明の効果】
以上のように本発明は、振動板と、この振動板を保持する支持体と、前記振動板上に形成する下部電極と、この下部電極上に形成する圧電薄膜と、この圧電薄膜上に形成する上部電極からなり、前記圧電薄膜の長手方向の伸縮により厚み方向または幅方向に振動を発生させ、この振動の共振周波数から加速度を検出するようにした振動型圧電加速度センサ素子であり、加速度により高共振周波数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加速度を高精度に検出することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の振動型圧電加速度センサ素子の斜視図
【図２】（ａ）〜（ｄ）本発明の振動型圧電加速度センサ素子の製造工程を示す断面図
【図３】（ａ）、（ｂ）本発明の振動型圧電加速度センサ素子の断面図
【図４】（ａ）、（ｂ）本発明のスリットを設けた振動板の上面図
【図５】本発明の振動型圧電加速度センサの回路ブロック図
【図６】加速度と本発明の振動型圧電加速度センサの出力の関係を示す特性図
【図７】加速度と高さ（海抜）の関係を示す模擬図
【図８】従来の加速度センサの断面図
【符号の説明】
１０ 振動板
１０ａ 振動板
１０ｂ 振動板
１０ｃ 振動板
１０ｄ 中央部
１０ｅ 基部
１１ 支持体
１２ 下部電極
１３ 圧電薄膜
１４ 上部電極
１５ 間隙
１６ 電極端子
１６ａ 電極端子
１６ｂ 電極端子
１６ｃ 電極端子
１６ｄ 電極端子
１７ スリット
１８ 切り込み部
１９ａ 振動板
１９ｂ 振動板
１９ｃ 振動板
１９ｄ 振動板
１９ｅ 振動板
２０ 駆動側の上部電極
２１ 検出側の上部電極
２２ 増幅器
２３ 周波数カウンター
２４ デジタル／アナログコンバータ
２５ ローパスフィルター
２６ 固定端部
Claims (14)
- 振動板と、この振動板を保持する支持体と、前記振動板上に形成する下部電極と、この下部電極上に形成する圧電薄膜と、この圧電薄膜上に形成する上部電極からなり、前記圧電薄膜の長手方向の伸縮により厚み方向または幅方向に振動を発生させ、この振動の共振周波数から加速度を検出するようにした振動型圧電加速度センサ素子。
- 振動板を保持する支持体に前記振動板の両端部を接合して一体化した請求項１に記載の振動型圧電加速度センサ素子。
- 振動板とこの振動板を保持する支持体として、前記振動板の振動部分の下面に間隙を設けた請求項１に記載の振動型圧電加速度センサ素子。
- 間隙を振動板側に設けた請求項１に記載の振動型圧電加速度センサ素子。
- 間隙を支持体側に設けた請求項１に記載の振動型圧電加速度センサ素子。
- 振動板の支持体との間に形成する間隙の両端部に相当する位置に４箇所の幅方向に伸びた切り込み部を設けた請求項２に記載の振動型圧電加速度センサ素子。
- 振動板にスリットを設けて幅方向および長手方向の中心線に対して対称とした請求項１に記載の振動型圧電加速度センサ素子。
- 振動板に設けるスリットを長手方向または幅方向に設けた請求項７に記載の振動型圧電加速度センサ素子。
- 振動板の幅方向をほぼ３等分するように長手方向にスリットを設け、前記振動板の側部の中央部を開放するようにした請求項７に記載の振動型圧電加速度センサ素子。
- スリットにより分割された振動板の厚み方向を同じ共振周波数とした請求項７に記載の振動型圧電加速度センサ素子。
- スリットにより分割された振動板の幅方向を同じ共振周波数とした請求項７に記載の振動型圧電加速度センサ素子。
- 振動板上に振動を発生させる駆動部と振動の周波数を検知する検出部を設けた請求項１に記載の振動型圧電加速度センサ素子。
- 請求項１に記載の振動型圧電加速度センサ素子の長手方向の一方端を保持して取り付けて加速度を検出するようにした振動型圧電加速度センサ。
- 請求項１に記載の振動型圧電加速度センサ素子の出力信号と走行距離から走行高さを得るようにした振動型圧電加速度センサ装置。
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|---|---|---|---|---|
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| JP2010071714A (ja) * | 2008-09-17 | 2010-04-02 | Seiko Epson Corp | 振動型センサ |
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-
2003
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