JP2890889B2 - 加速度センサ - Google Patents
加速度センサInfo
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- acceleration
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- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01P—MEASURING LINEAR OR ANGULAR SPEED, ACCELERATION, DECELERATION, OR SHOCK; INDICATING PRESENCE, ABSENCE, OR DIRECTION, OF MOVEMENT
- G01P15/00—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration
- G01P15/02—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses
- G01P15/08—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses with conversion into electric or magnetic values
- G01P2015/0805—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses with conversion into electric or magnetic values being provided with a particular type of spring-mass-system for defining the displacement of a seismic mass due to an external acceleration
- G01P2015/0822—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses with conversion into electric or magnetic values being provided with a particular type of spring-mass-system for defining the displacement of a seismic mass due to an external acceleration for defining out-of-plane movement of the mass
- G01P2015/084—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses with conversion into electric or magnetic values being provided with a particular type of spring-mass-system for defining the displacement of a seismic mass due to an external acceleration for defining out-of-plane movement of the mass the mass being suspended at more than one of its sides, e.g. membrane-type suspension, so as to permit multi-axis movement of the mass
Landscapes
- Force Measurement Appropriate To Specific Purposes (AREA)
- Pressure Sensors (AREA)
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は，３次元空間で物体に作
用する重力や運動力の方向を検出する加速度センサに関
する。
用する重力や運動力の方向を検出する加速度センサに関
する。
【０００２】
【従来の技術】従来加速度センサとしては，例えば図９
に断面図で示すような圧電部材と質量部材を用いたもの
や，図１０に断面図で示すようなシリコンにマイクロ加
工を施したセンサが知られている。図９において１は基
板，２は基板上に形成された圧電部材，３は圧電部材２
上に形成された質量部材であり，基板１に加速度が加わ
ると圧電部材２に対する質量部材３の荷重が変化する。
その荷重の変化に関連して変化する圧電部材２からの電
気信号の変化を検出して加速度を検出する。図１０にお
いて４はＳｉ基板，５は質量部材，６は質量部材５を支
持する片持ち梁であり，この梁６にはストレインゲ―ジ
７が形成されている。そしてＳｉ基板４に加速度が加わ
ると，その加速度に関連して梁６が撓みストレインゲ―
ジ７の電気抵抗が変化する。
に断面図で示すような圧電部材と質量部材を用いたもの
や，図１０に断面図で示すようなシリコンにマイクロ加
工を施したセンサが知られている。図９において１は基
板，２は基板上に形成された圧電部材，３は圧電部材２
上に形成された質量部材であり，基板１に加速度が加わ
ると圧電部材２に対する質量部材３の荷重が変化する。
その荷重の変化に関連して変化する圧電部材２からの電
気信号の変化を検出して加速度を検出する。図１０にお
いて４はＳｉ基板，５は質量部材，６は質量部材５を支
持する片持ち梁であり，この梁６にはストレインゲ―ジ
７が形成されている。そしてＳｉ基板４に加速度が加わ
ると，その加速度に関連して梁６が撓みストレインゲ―
ジ７の電気抵抗が変化する。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら，従来の
圧電部材を用いた加速度センサは，加速度の微分信号し
か検出できず，また一軸の信号しか検出できないという
問題があり，シリコンのマイクロ加工により加工した片
持ち梁構造のものは定常の加速度を検出可能であるが，
やはり一軸の信号しか検出できない。３軸方向の加速度
を検出する為に単体で作製した３個のセンサを３軸方向
に配置することも考えられるが，等感度に配置するのは
難しいという問題があった。本発明は上記従来技術の問
題を解決するためになされたもので，３個のセンサを一
体的に形成することにより，容易に３軸方向の加速度の
検出が可能な加速度センサを提供することを目的とす
る。
圧電部材を用いた加速度センサは，加速度の微分信号し
か検出できず，また一軸の信号しか検出できないという
問題があり，シリコンのマイクロ加工により加工した片
持ち梁構造のものは定常の加速度を検出可能であるが，
やはり一軸の信号しか検出できない。３軸方向の加速度
を検出する為に単体で作製した３個のセンサを３軸方向
に配置することも考えられるが，等感度に配置するのは
難しいという問題があった。本発明は上記従来技術の問
題を解決するためになされたもので，３個のセンサを一
体的に形成することにより，容易に３軸方向の加速度の
検出が可能な加速度センサを提供することを目的とす
る。
【０００４】
【課題を解決するための手段】上記課題を解決する為に
本発明は，請求項１においては，シリコンからなる立方
体の辺で構成される枠と，前記枠の中の中央付近に配置
され，前記辺の対向する枠に８箇所の頂部付近が支柱に
より支持された立方体からなる質量部材で構成され，前
記支柱は前記質量部材を３軸方向に移動可能に支持する
とともに伸縮部分にストレインゲ―ジを有することを特
徴とするものであり，請求項２においては，シリコンか
らなる立方体の辺で構成される枠と，前記枠の中の中央
付近に配置され，前記辺の対向する枠に８箇所の頂部付
近が支柱により支持された立方体からなる質量部材で構
成され，前記支柱は前記質量部材を３軸方向に移動可能
に支持するとともに前記質量部材の６つの面およびその
６つの面に対向して電極を設け，前記質量部材側を可動
電極，前記対向電極側を固定電極としたことを特徴とす
るものである。
本発明は，請求項１においては，シリコンからなる立方
体の辺で構成される枠と，前記枠の中の中央付近に配置
され，前記辺の対向する枠に８箇所の頂部付近が支柱に
より支持された立方体からなる質量部材で構成され，前
記支柱は前記質量部材を３軸方向に移動可能に支持する
とともに伸縮部分にストレインゲ―ジを有することを特
徴とするものであり，請求項２においては，シリコンか
らなる立方体の辺で構成される枠と，前記枠の中の中央
付近に配置され，前記辺の対向する枠に８箇所の頂部付
近が支柱により支持された立方体からなる質量部材で構
成され，前記支柱は前記質量部材を３軸方向に移動可能
に支持するとともに前記質量部材の６つの面およびその
６つの面に対向して電極を設け，前記質量部材側を可動
電極，前記対向電極側を固定電極としたことを特徴とす
るものである。
【０００５】
【作用】立方体の中央付近に，支柱により３軸方向に移
動可能に支持された立方体からなる質量部材は３軸方向
の加速度に対応して変位する。請求項１においてはその
変位を支持枠に形成されたストレインゲ―ジで抵抗変化
として検出し，請求項２においては質量部材の面に対向
して配置された電極の容量変化として検出する。
動可能に支持された立方体からなる質量部材は３軸方向
の加速度に対応して変位する。請求項１においてはその
変位を支持枠に形成されたストレインゲ―ジで抵抗変化
として検出し，請求項２においては質量部材の面に対向
して配置された電極の容量変化として検出する。
【０００６】
【実施例】図１は本発明の一実施例を示す加速度センサ
の斜視図，図２は図１のＡ−Ａ断面図である。これらの
図において１０ａ，１０ｂは側板，１１は中央板，１６
は質量部材，１７は支柱，１８はＡ部をくりぬいて形成
された枠であり，側板１０ａ，１０ｂは同一形状であ
る。この加速度センサの製造方法について説明する。始
めに図３（ａ）〜（ｇ）の断面図を用いて前記側板１０
ａ，１０ｂの製作工程例を簡単に説明する。 工程（ａ）；シリコン基板１０の両面に酸化膜１２ａを
形成する。 工程（ｂ）；酸化膜１２ａに正方形の５つの窓１３ａを
形成する。この窓１３はシリコン基板の一方の面に一つ
開け，他方の面にその窓の辺のそれぞれに対応して図１
に示すような方向に４つの窓を形成する。 工程（ｃ）；窓を開けた部分に後の工程で行うエッチン
グのストップ層として高濃度の不純物１４をイオン注入
や拡散により形成する。 工程（ｄ）；酸化膜１２ａを除去し，再び基板１０の両
面に酸化膜１２ｂを形成する。
の斜視図，図２は図１のＡ−Ａ断面図である。これらの
図において１０ａ，１０ｂは側板，１１は中央板，１６
は質量部材，１７は支柱，１８はＡ部をくりぬいて形成
された枠であり，側板１０ａ，１０ｂは同一形状であ
る。この加速度センサの製造方法について説明する。始
めに図３（ａ）〜（ｇ）の断面図を用いて前記側板１０
ａ，１０ｂの製作工程例を簡単に説明する。 工程（ａ）；シリコン基板１０の両面に酸化膜１２ａを
形成する。 工程（ｂ）；酸化膜１２ａに正方形の５つの窓１３ａを
形成する。この窓１３はシリコン基板の一方の面に一つ
開け，他方の面にその窓の辺のそれぞれに対応して図１
に示すような方向に４つの窓を形成する。 工程（ｃ）；窓を開けた部分に後の工程で行うエッチン
グのストップ層として高濃度の不純物１４をイオン注入
や拡散により形成する。 工程（ｄ）；酸化膜１２ａを除去し，再び基板１０の両
面に酸化膜１２ｂを形成する。
【０００７】工程（ｅ）；前記イオン注入した箇所の反
対の面に前記正方形の窓と同程度かやや大きめの窓１３
ｂを形成する。 工程（ｆ）；酸化膜１３ｂを保護膜として異方性エッチ
ングを行うと４角錐の途中を切断しその頂部にダイアフ
ラム１５を形成した様な形状となる。なお，この場合基
板の表面を（１００）面とし，（１１０）方向に４辺を
揃えておけば壁面には｛１１１｝面が現れてその面の角
度は垂直面に対して５４．７゜となる。本発明では酸化
膜の窓１３ｂを正確にエッチングすることにより，一方
の面に形成した４つの穴と他方の１つの穴により形成さ
れる隔壁ｔの厚さを例えば５０μｍ程度に形成する。 工程（ｇ）；酸化膜１３ｂを除去する。
対の面に前記正方形の窓と同程度かやや大きめの窓１３
ｂを形成する。 工程（ｆ）；酸化膜１３ｂを保護膜として異方性エッチ
ングを行うと４角錐の途中を切断しその頂部にダイアフ
ラム１５を形成した様な形状となる。なお，この場合基
板の表面を（１００）面とし，（１１０）方向に４辺を
揃えておけば壁面には｛１１１｝面が現れてその面の角
度は垂直面に対して５４．７゜となる。本発明では酸化
膜の窓１３ｂを正確にエッチングすることにより，一方
の面に形成した４つの穴と他方の１つの穴により形成さ
れる隔壁ｔの厚さを例えば５０μｍ程度に形成する。 工程（ｇ）；酸化膜１３ｂを除去する。
【０００８】図４は中央板１１と質量部材（形状は立方
体が望ましい）であり，シリコン基板等を用いてエッチ
ングや機械加工などを方法を用いて別々の部品として形
成する（なお，図４の中央板と質量部材は図１の様に固
着した場合の空間的配置を示している）。これら，中央
板１１および質量部材１６の両面に側板１０ａおよび１
０ｂを陽極接合やシリコン同士の直接接合等の方法によ
り固着する。
体が望ましい）であり，シリコン基板等を用いてエッチ
ングや機械加工などを方法を用いて別々の部品として形
成する（なお，図４の中央板と質量部材は図１の様に固
着した場合の空間的配置を示している）。これら，中央
板１１および質量部材１６の両面に側板１０ａおよび１
０ｂを陽極接合やシリコン同士の直接接合等の方法によ
り固着する。
【０００９】次に，前記図３で示す隔壁ｔのうち図１の
Ａで示す中央部分（側板１０ａ，１０ｂの合わせて８箇
所）のみをイオンビ−ムエッチング等の方法により取除
き，質量部材１６を支持する支柱１７を形成する（図１
参照）。この工程により質量部材１６は立方体の枠１８
と弾性を有する支柱１７により８箇所の頂部が支持され
た状態となる。なお，イオンビ―ムで８箇所の中央部分
を除去する際に支柱１７は加速度が加わった際に質量部
材１６を３軸方向に移動可能で，かつ，損傷しない程度
の強度に形成するが，例えば支柱１７の形状を図５に示
すように櫛歯状に形成すれば，３軸方向に対してより感
度の高いセンサを得ることができる。なお，支柱１７は
加工を容易にするために図５に示すように頂部から少し
ずれた位置であってもよい。また，シリコンの加工に際
し，酸化膜や窒化膜を形成するのでセンサはこれら化合
物を含んだものとなるが，本発明でいうシリコンとはこ
れらを含んだものである。
Ａで示す中央部分（側板１０ａ，１０ｂの合わせて８箇
所）のみをイオンビ−ムエッチング等の方法により取除
き，質量部材１６を支持する支柱１７を形成する（図１
参照）。この工程により質量部材１６は立方体の枠１８
と弾性を有する支柱１７により８箇所の頂部が支持され
た状態となる。なお，イオンビ―ムで８箇所の中央部分
を除去する際に支柱１７は加速度が加わった際に質量部
材１６を３軸方向に移動可能で，かつ，損傷しない程度
の強度に形成するが，例えば支柱１７の形状を図５に示
すように櫛歯状に形成すれば，３軸方向に対してより感
度の高いセンサを得ることができる。なお，支柱１７は
加工を容易にするために図５に示すように頂部から少し
ずれた位置であってもよい。また，シリコンの加工に際
し，酸化膜や窒化膜を形成するのでセンサはこれら化合
物を含んだものとなるが，本発明でいうシリコンとはこ
れらを含んだものである。
【００１０】図６は上記の加速度センサの質量部材１６
の支持部分を模式的に示す詳細図である。図において，
質量部材１６はＡ部をエッチングして加工された枠１８
および支柱１７に支持された状態となっている。１９は
支柱１７に形成されたストレインゲ−ジ（図示せず）の
出力を増幅するアンプである。上記の構成によれば，セ
ンサが加速度を受けると質量部材１６が変位し，その変
位に応じて支柱１７が歪み，その歪みの大きさに応じて
ストレインゲ―ジの出力が変化する。この出力信号は図
示しない演算装置に導かれ，演算装置は質量部材１６の
各点における変位ベクトルを基にして中心の変位方向と
変位量を基に加速度を検出する。
の支持部分を模式的に示す詳細図である。図において，
質量部材１６はＡ部をエッチングして加工された枠１８
および支柱１７に支持された状態となっている。１９は
支柱１７に形成されたストレインゲ−ジ（図示せず）の
出力を増幅するアンプである。上記の構成によれば，セ
ンサが加速度を受けると質量部材１６が変位し，その変
位に応じて支柱１７が歪み，その歪みの大きさに応じて
ストレインゲ―ジの出力が変化する。この出力信号は図
示しない演算装置に導かれ，演算装置は質量部材１６の
各点における変位ベクトルを基にして中心の変位方向と
変位量を基に加速度を検出する。
【００１１】ここで，支柱１７はねじれ剛性の影響を受
けないように支持することが重要であり，また，出力信
号を帰還してサ―ボと系とし，ダイナミックレンジを広
げる様にすることも可能である。図７は本発明の請求項
２の一実施例を示す断面図である。本実施例において
は，質量部材１６の６面に電極２３ａを形成するととも
に，中央板１１の内辺の４箇所に質量部材１６の４辺に
対応させ，その先端に電極２３ｂを有する矩形状の突起
２０を形成する。２１ａ，２１ｂは電極板であり，この
電極板に設けられた突起部２２ａ，２２ｂには電極２３
ｂが形成されている。なお，質量部材１６に形成された
電極２３ａと各突起部に形成された電極２３ｂはそれぞ
れ同一間隔に形成されている。
けないように支持することが重要であり，また，出力信
号を帰還してサ―ボと系とし，ダイナミックレンジを広
げる様にすることも可能である。図７は本発明の請求項
２の一実施例を示す断面図である。本実施例において
は，質量部材１６の６面に電極２３ａを形成するととも
に，中央板１１の内辺の４箇所に質量部材１６の４辺に
対応させ，その先端に電極２３ｂを有する矩形状の突起
２０を形成する。２１ａ，２１ｂは電極板であり，この
電極板に設けられた突起部２２ａ，２２ｂには電極２３
ｂが形成されている。なお，質量部材１６に形成された
電極２３ａと各突起部に形成された電極２３ｂはそれぞ
れ同一間隔に形成されている。
【００１２】図８は上記の加速度センサの質量部材１６
の支持部分を模式的に示す詳細図である。質量部材１６
がＡ部をエッチングして加工された支柱１７に支持され
た状態を示しており，２３ａ，２３ｂは質量部材１６と
それぞれの突起部に形成された電極，１９は電極間の容
量を検出する増幅するアンプである。上記の構成におい
て，加速度センサに加速度が加わると質量部材１６の位
置が変位する。そして対向した６つの電極間の静電容量
が加速度の向きおよび大きさによって変化する。それら
の信号を演算することによりＸ，Ｙ，Ｚ方向の加速度を
求めることができる。
の支持部分を模式的に示す詳細図である。質量部材１６
がＡ部をエッチングして加工された支柱１７に支持され
た状態を示しており，２３ａ，２３ｂは質量部材１６と
それぞれの突起部に形成された電極，１９は電極間の容
量を検出する増幅するアンプである。上記の構成におい
て，加速度センサに加速度が加わると質量部材１６の位
置が変位する。そして対向した６つの電極間の静電容量
が加速度の向きおよび大きさによって変化する。それら
の信号を演算することによりＸ，Ｙ，Ｚ方向の加速度を
求めることができる。
【００１３】
【発明の効果】以上実施例とともに具体的に説明した様
に，本発明の加速度センサはシリコンからなる立方体の
辺で構成される枠と，前記枠の中の中央付近に配置さ
れ，前記辺の対向する枠に８箇所の頂部付近が支柱によ
り支持された立方体からなる質量部材で構成され，前記
支柱は前記質量部材を３軸方向に移動可能に支持してい
るので，３次元空間で物体に作用する重力や運動力の方
向を容易に検出することが可能な加速度センサを実現す
ることができる。
に，本発明の加速度センサはシリコンからなる立方体の
辺で構成される枠と，前記枠の中の中央付近に配置さ
れ，前記辺の対向する枠に８箇所の頂部付近が支柱によ
り支持された立方体からなる質量部材で構成され，前記
支柱は前記質量部材を３軸方向に移動可能に支持してい
るので，３次元空間で物体に作用する重力や運動力の方
向を容易に検出することが可能な加速度センサを実現す
ることができる。
【図１】本発明の加速度センサの一実施例を示す回路図
である。
である。
【図２】図１のＡ−Ａ断面図である。
【図３】（ａ）〜（ｇ）は側板の製作工程の一例を示す
図である。
図である。
【図４】中央板と質量部材のを示す斜視図である。
【図５】支柱の形状の一例を示す斜視図である。
【図６】質量部材の支持部分を模式的に示す詳細図であ
る。
る。
【図７】請求項２の一実施例を示す断面図である。
【図８】請求項２の質量部材１６の支持部分を模式的に
示す詳細図である。
示す詳細図である。
【図９】従来例を示す断面図である。
【図１０】従来例を示す断面図である。
１０ａ，１０ｂ 側板 １１ 中央板 １６ 質量部材 １７ 支柱 １８ 枠 １９ アンプ ２０ 突起 ２３ａ，２３ｂ 電極
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.6，ＤＢ名) G01P 15/08 G01P 15/12 - 15/125
Claims (2)
- 【請求項１】 シリコンからなる立方体の辺で構成され
る枠と，前記枠の中の中央付近に配置され，前記辺の対
向する枠に８箇所の頂部付近が支柱により支持された立
方体からなる質量部材で構成され，前記支柱は前記質量
部材を３軸方向に移動可能に支持するとともに伸縮部分
にストレインゲ―ジを有することを特徴とする加速度セ
ンサ。 - 【請求項２】 シリコンからなる立方体の辺で構成され
る枠と，前記枠の中の中央付近に配置され，前記辺の対
向する枠に８箇所の頂部付近が支柱により支持された立
方体からなる質量部材で構成され，前記支柱は前記質量
部材を３軸方向に移動可能に支持するとともに前記質量
部材の６つの面およびその６つの面に対向して電極を設
け，前記質量部材側を可動電極，前記対向電極側を固定
電極としたことを特徴とする加速度センサ。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP3126150A JP2890889B2 (ja) | 1991-05-29 | 1991-05-29 | 加速度センサ |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP3126150A JP2890889B2 (ja) | 1991-05-29 | 1991-05-29 | 加速度センサ |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH04351967A JPH04351967A (ja) | 1992-12-07 |
| JP2890889B2 true JP2890889B2 (ja) | 1999-05-17 |
Family
ID=14927919
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP3126150A Expired - Lifetime JP2890889B2 (ja) | 1991-05-29 | 1991-05-29 | 加速度センサ |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2890889B2 (ja) |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| FI20135714L (fi) * | 2013-06-28 | 2014-12-29 | Murata Manufacturing Co | Kapasitiivinen mikromekaaninen kiihtyvyysanturi |
-
1991
- 1991-05-29 JP JP3126150A patent/JP2890889B2/ja not_active Expired - Lifetime
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH04351967A (ja) | 1992-12-07 |
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