JP2005249446A - 振動型圧電加速度センサ - Google Patents

Abstract

【課題】エアーバック制御システム等に使用される振動型圧電加速度センサに関し、温度変化により正確な加速度検知が困難という課題を解決し、温度変化の影響を受けず、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ことを目的とする。
【解決手段】フレーム３１に直線上に対向配置された１組の振動板２３と、この振動板２３を保持する支持体３３と、この支持体３３を直線方向に摺動自在に保持する保持部３２と、上記１組の振動板２３と直交するように１組の振動板２３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３２を介して支持体３３に伝搬される加速度により振動板２３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加速度を高精度で２軸検出できる。
【選択図】図１

Description

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に関するものである。

図７は従来の加速度センサの構成を示した断面図であり、図７において１はチップであり、このチップ１には裏面にダイヤフラム２が形成されると共に、このダイヤフラム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、上記感歪抵抗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。６は上記チップ１の裏面に接合されたガラス製の重りである。

このように構成された従来の加速度センサは、加速度が加わるとガラス製の重り６に応力が作用し、この応力による感歪抵抗３の変化による加速度が検出されるように構成されたものであり、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たものであった。

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。

また、図８は従来の他の加速度センサの構成を示したブロック図であり、図８において１１は加速度に対応した信号を出力する圧電体素子、１２はこの圧電体素子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、１３はこの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、１４はこのフィルタ手段１３から出力された必要な信号を増幅する増幅手段、１６は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、１７はこの交流信号出力手段１６と圧電体素子１１の間に直列接続されたコンデンサである。

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からなる測定・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たものであり、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たものであった。

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２が知られている。
特開平５−２８８７７１号公報 特開平５−８００７５号公報

しかしながら上記従来の特許文献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いという課題があった。

また、特許文献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、その検出構造から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た。

本発明はこのような従来の課題を解決し、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することを目的とするものである。

上記課題を解決するために本発明は、フレームと、この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、この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、上記各振動板の近接する一端側を夫々保持する支持体と、この支持体を直線方向に摺動自在に保持する保持部からなる素子を有し、この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上記振動板が伸縮し、この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、上記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ｘ−ｙ方向の２軸の加速度を検出するようにしたものである。

以上のように本発明による振動型圧電加速度センサは、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ようになるという格別の効果が得られるものである。

（実施の形態１）
以下、実施の形態１を用いて、本発明の全請求項に記載の発明について説明する。

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の素子の構成を示した平面図、図２は同振動板の構成を示した斜視図である。

図１、図２において３１はフレーム、２３ａ−１〜２３ａ−４はこのフレーム３１内に設けられた固有振動周波数を有する振動板である。３３はこの振動板２３ａ−１〜２３ａ−４の固有振動周波数を変化させる支持体、３２−１〜３２−４はつづら折り状に形成されて上記支持体３３を直線方向に摺動自在に保持する保持部であり、このような構成にすることにより上記振動板２３ａ−１〜２３ａ−４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ようにしたものである。

また、上記振動板２３ａ−１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が上記フレーム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、上記支持体３３は上記つづら折り状に形成された保持部３２−１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−１を用いて説明しているが、他の振動板２３ａ−２〜２３ａ−４についても同様であるために説明を省略する。

また、２３ｂは上記基部３４から引き出されるように設けられたアームであり、このアーム２３ｂ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。

以下、図２を用いて、振動板２３ａ−１を例にしてその構造を詳細に説明する。

図２に示すように、振動板２３ａ−１はＳｉＯ₂層２２の上に形成されたＳｉ層２３、そしてこのＳｉ層２３の上に形成された下部電極２４、この下部電極２４の上に形成された圧電薄膜２５、この圧電薄膜２５の上に形成された上部電極としての駆動電極２６ｂと検出電極２６ａから構成されている。そして上部電極としての駆動電極２６ｂ及び検出電極２６ａは振動板２３ａ−１を構成する梁状の中央部に沿ってフレーム３１あるいは支持体３３まで形成されている。この構成により保持部３２の中央部は最も振動が小さい部分であり、変位による起電力が発生せず、振動板２３ａ−１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−１のみの共振周波数の信号を検出することができる。

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ため、振動しないフレーム３１に取り出し電極を設けることにより振動板２３ａ−１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ものである。

さらに、駆動電極２６ｂ及び検出電極２６ａは振動板２３ａ−１の長手方向と直交して振動板２３ａ−１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たことにより、振動板２３ａ−１の駆動及び振動板２３ａ−１からの検出を振動板２３ａ−１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ものである。

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の動作について説明する。

図３（ａ）〜（ｄ）は本実施の形態による振動型圧電加速度センサの構成を示した模式図であり、同（ａ）〜（ｄ）は振動板２３ａ−１〜２３ａ−４を夫々示したもので、同図において３５は上記図２で示した振動板２３ａ−１を用いた素子を等価回路で示したものである。３６ａは検出信号ライン、３６ｂは駆動信号ライン、３８は微弱な信号の増幅及び素子３５の振動板２３ａ−１を駆動する増幅回路、３９は入力信号の周波数を電圧に変化させるＦ／Ｖ変換器、４０は増幅回路３８の出力信号の電圧レベルを制御するＡＧＣ回路である。また、上記素子３５は図示しない本体に素子３５のフレーム３１を保持するように取り付けられているものである。

まず、振動型圧電加速度センサ４１−１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−１を振動させる。その結果、振動板２３ａ−１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Ｆ／Ｖ変換器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Ｆ／Ｖ変換が行えるように制御するものである。

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３２−１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り、この往復運動により定常状態で振動する振動板２３ａ−１が伸縮し、この振動板２３ａ−１の固有侵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ものである。

なお、上記説明においては振動板２３ａ−１についてのみ説明したが、他の振動板２３ａ−１〜２３ａ−４については夫々図３（ｂ）〜（ｄ）に対応しており、動作説明は同様であるために省略する。

また、図４は上記振動型圧電加速度センサ４１−１〜４１−４の出力信号を差動回路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ようにしたものであり、上記差動回路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ことによって更なる安定化を図るようにしている。なお、４１は振動型圧電加速度センサの本体を示すものである。

次に、本実施の形態による振動型圧電加速度センサの製造方法について説明する。

図５（ａ）〜（ｆ）は本実施の形態による振動型圧電加速度センサの製造方法を示した製造工程図であり、同図においては上記振動板２３ａ−１の中央部を断面図で示したものである。

まず、図５（ａ）に示すように、Ｓｉからなる基板２１の上にエッチングをストップさせるためのＳｉＯ₂からなるエッチングストッパー２２を形成し、このエッチングストッパー２２の上にＳｉ層２３を形成する。なお、基板２１の厚みは５００μｍ、エッチングストッパー２２の厚みは２μｍ、Ｓｉ層２３の厚みは１０μｍとした。

次に、図５（ｂ）に示すように、Ｓｉ層２３の上に高周波スパッタリングを用いてＴｉを厚み５０Å形成し、さらに白金を厚み２０００Å形成して下部電極２４を形成する。そしてこの白金の上にチタン酸鉛・ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）からなる圧電薄膜２５を厚み２５μｍ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この圧電薄膜２５の上に蒸着によりＴｉ層を厚み１００Å形成し、同様にこのＴｉ層の上に蒸着により金を厚み３０００Å形成し、所定のパターンの上部電極２６を形成する。なお、上記チタン酸鉛・ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）を用いるのは、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。

次に、図５（ｃ）に示すように、エッチング用のマスクとして金の上にレジスト２７を形成し、エッチングにより側溝２８を形成する。なお、上記振動板２３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きるようになるものである。

次に、図５（ｄ）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を形成し、続いて図５（ｅ）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を除去し、最後に図５（ｆ）に示すように、振動板２３を薄く、かつ梁状に形成して振動板２３を作製するようにしたものである。

（実施の形態２）
図６は本発明による振動型圧電加速度センサを用いた応用例としてのエアーバック制御システムを示した模式図であり、同図において４１は本発明による振動型圧電加速度センサを示し、Ｘ軸、Ｙ軸の方向に配置する。４４は車体、４５はフロントエアーバック、４６はサイドエアーバック、４７はエアーバック開口装置、４８はドライバー、４９は進行方向である。

このように取り付けられた本発明の振動型圧電加速度センサ４１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バック開口装置４７によりエアーバックを開口する信号を出力し、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いるものである。

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を開口させ、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ものであり、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いるために高いレベルの安全制御を可能にしているものである。

なお、本実施の形態による振動型圧電加速度センサ４１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４１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、本実施の形態では振動型圧電加速度センサ４１を車の中央に塔載しているものである。

本発明による振動型圧電加速度センサは、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ようになるという効果を有し、エアーバック制御システムの他、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と共に、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、傾斜角検知は高度を含めた３次元立体型ナビゲーション装置を実用化させることも可能になるものである。

本発明の実施の形態１による振動型圧電加速度センサの素子の構成を示した平面図 同振動板の構成を示した斜視図 （ａ）〜（ｄ）同振動型圧電加速度センサの構成を示した模式図 同振動型圧電加速度センサの２軸検知の構成を示した回路図 （ａ）〜（ｆ）同振動型圧電加速度センサの製造方法を示した製造工程図 本発明の実施の形態２による振動型圧電加速度センサを用いたエアーバック制御システムの構成を示した模式図 従来の加速度センサの構成を示した断面図 従来の他の加速度センサの構成を示したブロック図

符号の説明

２１ 基板
２２ ＳｉＯ₂層
２３ Ｓｉ層
２３ａ−１，２３ａ−２，２３ａ−３，２３ａ−４ 振動板
２３ｂ−１，２３ｂ−２，２３ｂ−３，２３ｂ−４ 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
３２−１，３２−２，３２−３，３２−４ 保持部
３３ 支持体
３４ 基部
３５ 振動型圧電加速度センサの素子
３６ａ 検出信号ライン
３６ｂ 駆動信号ライン
３８ 増幅回路
３９ Ｆ／Ｖ変換器
４０ ＡＧＣ回路
４１ 振動型圧電加速度センサ装置
４１−１，４１−２，４１−３，４１−４ 振動型圧電加速度センサ
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 ドライバー
４９ 進行方向

Claims (12)

1. フレームと、この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、この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、上記各振動板の近接する一端側を夫々保持する支持体と、この支持体を直線方向に摺動自在に保持する保持部からなる素子を有し、この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上記振動板が伸縮し、この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た振動型圧電加速度センサ。
2. 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ｘ−ｙ方向の２軸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。
3. 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. 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. 振動板、支持体、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. 圧電薄膜をチタン酸鉛、ジルコン酸鉛（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. 振動板を梁状とし、この一端をフレームに、他端を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. 振動板上に形成する上部電極を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. 振動板を支持する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. 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、この検出用電極と駆動用電極は振動板の長手方向と直交して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。
11. 検出用電極と駆動用電極の取り出し電極を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。
12. 素子を構成する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。

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