JP3051508B2 - 加速度検出方法および加速度センサ - Google Patents

加速度検出方法および加速度センサ

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幹夫 松崎
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、力、加速度、磁気等の
加速度を検出できる加速度検出方法および加速度センサ
に関するものであり、更に加速度センサの自己診断機能
を有する加速度センサに関するものである。
【0002】
【従来の技術】従来よりロボットや飛行機等三次元で動
く物体や、自動車等二次元平面で移動する物体の力、加
速度、磁気などを検知し、物体の動き或いは物体に搭載
した各種機器を制御することが行われている。ところが
従来の力、加速度、磁気などのセンサは一次元の加速度
を検出するセンサを複数組み合わせ、これによって三次
元の加速度を検知するようにしていたため、加速度セン
サを取付ける大きなスペースが必要となり、更に加速度
センサを取付ける場所にも制約を受けるなど種々の不都
合があった。
【0003】このため半導体基板上に抵抗素子を形成
し、力、加速度、磁気等の作用によりこの抵抗素子に機
械的変形を生じさせ、この機械的変形を電気抵抗の変化
として検出する極めて小型の二次元加速度センサが提案
されている。例えば特開平3−2535号公報には抵抗
素子を用いた三次元の力、加速度、磁気の検出装置が開
示されている。
【0004】以下、従来例の一つを示す図面を参照して
特開平3−2535号公報に示された抵抗素子を用いた
加速度センサの構造を説明する。図10は加速度センサ
の構造断面図であり、このセンサの中枢ユニットとなる
のは、半導体ペレット100である。この半導体ペレッ
ト100の平面図を図11に示す。図10の中央部分に
示されている半導体ペレット100の断面は、図11を
X軸に沿って切断した断面に相当する。この半導体ペレ
ット100は、内側から外側に向かって順に、作用部1
11、可撓性部112、固定部113の三つの領域に分
けられる。図11に破線で示されているように、可撓部
112の下面には、環状に溝が形成されている。この溝
によって、可撓部112は肉厚が薄くなり、可撓性を持
つことになる。従って、固定部113を固定したまま作
用部111に力を作用させると、可撓部112が撓んで
機械的変形が生じる。可撓部112の上面には、図11
に示すように、抵抗素子RX1〜RX4、RY1〜RY4、RZ1
〜RZ4が所定向きに形成されている。
【0005】図10に示すように、作用部111の下方
には重錘体120が接合されており、固定部113の下
方には台座130が接合されている。台座130の底面
はパッケージ140の内側底面に接合されており、半導
体ペレット100及び重錘体120はこの台座130に
よって支持される。重錘体120は内部で宙吊りの状態
となっている。パッケージ140には蓋141が被せら
れる。半導体ペレット100に設けられたボンディング
パッド114は、各抵抗素子に対してペレット内で電気
的に接続されており、このボンディングパッド114と
パッケージ140側方に設けられたリード142とは、
ボンディングワイヤ115によって接続されている。
【0006】このセンサに加速度が加わると、重錘体1
20に外力が作用することになる。この外力は作用部1
11に伝達され、可撓部112に機械的変形が生じる。
これによって、抵抗素子の電気抵抗に変化が生じ、この
変化はボンディングワイヤ115及びリード142を介
して外部に取り出すことができる。作用部111に加わ
った力のX方向成分は抵抗素子抵抗素子RX1〜RX4の電
気抵抗の変化により、Y方向成分は抵抗素子RY1〜RY4
の電気的抵抗の変化により、Z方向成分は抵抗素子RZ1
〜RZ4の電気抵抗の変化によりそれぞれ検出される。な
お、前述の半導体ペレット100の製造方法は特開平3
−2535号公報に詳述されており、また本発明の本旨
ではないため、ここでは説明を省略する。また前述のよ
うな加速度センサを大量生産して市場に出す場合には、
加速度センサの信頼性の面から動的試験を行なう必要が
ある。このため、従来の加速度センサの試験は振動発生
装置を用いて加速度センサに実際に振動を与えて行なっ
ていた。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら前記のよ
うな構成の加速度センサでは、センサの精度を上げるた
めにブリッヂ回路の厳密な設定が必要となる上、温度の
変化によって生じる抵抗素子の伸縮に対する対策も必要
となり、精度のよい加速度センサを構成することが困難
であった。また前述のような加速度センサの試験は振動
発生装置を用いて加速度センサに実際に振動を与えて行
っているため、このような試験では試験装置が大掛かり
になる上、振動という動的加速度を実際に加速度センサ
に与えなければならないという問題がある。
【0008】こうしたことから、本発明はマイクロマシ
ニング技術によりSi基板に環状ダイヤフラムを形成
し、更にこの環状ダイヤフラムの中心部に重錘体(セン
シングマス)9を取付け、これら環状ダイヤフラムと重
錘体との間に静電容量部を形成し、加速度をこの静電容
量部の静電容量の変化として取り出すことができるよう
にして前記従来の加速度検出方法および加速度センサが
有している問題点を解決せんとするものである。更に本
発明は、加速度センサに自己診断コイルを設け、これに
よって簡単に加速度センサの診断を行なえるようにし
て、前記従来の加速度センサ自己診断方法が有している
問題点を解決せんとするものである。
【0009】
【課題を解決するための手段】このため本発明が講じた
課題解決のための技術的手段は、作用部、この作用部の
周囲に形成した可撓部、この可撓部の周囲に形成した固
定部の三つの領域から形成されているSi基板と、前記
作用部に接合した重錘体と、前記固定部と重錘体との対
向するそれぞれの面に設けた電極と、前記電極によって
構成された静電容量部と、前記静電容量部の静電容量の
変化から加速度を演算する演算部とからなる三次元加速
度センサであり、作用部、この作用部の周囲に形成した
可撓部、この可撓部の周囲に形成した固定部の三つの領
域から形成されているSi基板と、前記作用部に接合し
た重錘体と、前記固定部と重錘体との対向するそれぞれ
の面に設けた電極と、前記電極によって構成された静電
容量部と、前記静電容量部の静電容量の変化から加速度
を演算する演算部とからなる加速度センサにおいて、前
記作用部と前記加速度センサを支持する支持部のそれぞ
れに自己診断コイルを設けてなる自己診断機能を有する
加速度センサであり、作用部、この作用部の周囲に形成
した可撓部、この可撓部の周囲に形成した固定部の三つ
の領域から形成されているSi基板と、前記作用部に接
合した重錘体と、前記固定部と重錘体との対向するそれ
ぞれの面に設けた電極と、前記電極によって構成された
静電容量部と、前記静電容量部の静電容量の変化から加
速度を演算する演算部とからなる加速度センサにおい
て、前記作用部と前記加速度センサを支持する支持部の
いづれか一方に自己診断コイルを他方に磁性体を設けて
なる自己診断機能を有する加速度センサである。
【0010】
【作用】センサに加速度が加わると、重錘体20に外力
が作用することになる。この外力は作用部11に伝達さ
れ、可撓部12に機械的変形が生じる。これによって、
X軸方向及びY軸方向の半導体ペレット固定部に取付け
た電極X1 ,X2 と重錘体20の下面に取付けた電極X
1 ,X2 との間の距離(ギャップ)が変化し、両電極間
の静電容量が変化する。両電極間の距離(ギャップ)の
変化量ΔdX は各静電容量CX1 、CX2 によって生じ
る周波数fX1,fX2の差から求めることができる。そし
て予め求めておいた電極間の距離(ギャップ)の変化量
ΔdX と加速度とのグラフにより、その時の加速度を求
めることができる。
【0011】また加速度センサに取付けた自己診断コイ
ルA,Bに所定の電流が流れると自己診断コイルに磁力
が発生し、電流の流す方向によって自己診断コイル同士
が反発或いは吸引し合う。この外力は作用部11に伝達
され、可撓部12に機械的変形が生じる。これによっ
て、X軸方向及びY軸方向の半導体ペレット固定部に取
付けた電極と重錘体20の下面に取付けた電極との間の
距離(ギャップ)が変化し、両電極間の静電容量が変化
する。半導体ペレット固定部に取付けた電極と重錘体2
0の下面に取付けた電極との間の静電容量は予め自己診
断コイルA,Bに流す電流により求めて置くことができ
るので、求めておいた静電容量と実際の静電容量とを比
較し両者に差がなければ加速度センサに異常が無いと判
断できる。以上のようにして、自己診断コイルA,Bに
所定の電流を流すだけで加速度センサが正常か異常かを
簡単に判断することができる。
【0012】
【実施例】以下、図面に基づいて本発明の実施例を説明
する。図1は本発明の実施例に係る三次元加速度センサ
の断面図であり、図2は同三次元加速度センサの平面図
である。図1において、半導体ペレット10は、従来良
く知られているSi基板加工技術により加工されたもの
であり、この半導体ペレット10は内側から外側に向か
って順に、作用部11、可撓性部12、固定部13の三
つの領域から形成されている。図2に実線で示されてい
るように、可撓部12の上面には、環状に溝が形成され
ている。この溝によって、可撓部12は肉厚が薄くな
り、可撓性を持つダイヤフラムとしての機能を持つこと
ができるようになっている。また固定部13の上面には
図2に示すようにX軸方向及びY軸方向の静電容量部を
形成する一方のセンシング電極X1 ,X2 ,Y1 ,Y2
が取付けられている。更に前記固定部13は円環状に形
成されているガラスによって成形された台座30に固定
されており、台座30の底面はパッケージ40の内側底
面に接合されている。このため固定部13を固定したま
ま作用部11に力を作用させると、可撓部12が撓んで
機械的変形が生じることになる。
【0013】一方、図1に示すように、前記作用部11
の上方にはガラスによって成形された重錘体20が静電
融着により接合されており、半導体ペレット10及び重
錘体20は前述の台座30によって支持されている。重
錘体20は作用部11に接合されているため、加速度に
よって重錘体20に力が作用すると作用部11に力が作
用しダイヤフラムが変形し、重錘体20もこれと同時に
移動する。重錘体20の下面には、前記半導体ペレット
の固定部13の上面に取付けた静電容量部を形成する一
方のセンシング電極X1 ,X2 に対向してもう一方のセ
ンシング電極X1 ,X2 ,Y1 ,Y2 が取付けられてい
る。従って、図2に示す如くX軸線上及びY軸線上に半
導体ペレットの固定部13の上面に取付けたセンシング
電極と重錘体の下面に取付けたセンシング電極とによっ
て静電容量部CX1 ,CX2 ,CY1 ,CY2 が形成さ
れている。なお、前記センシング電極は加速度によって
対応位置がずれることが予想されるため、電極は上下で
面積差を付けて置くことが好ましい。またセンシング電
極を取付ける位置は図1、図2に示す位置の外に必要に
応じて電極取付け位置を変えてもよい。
【0014】半導体ペレット10に設けられた図示しな
いボンディングパッドは、前記各電極X1 ,X2 に対し
てペレット内で電気的に接続されており、このボンディ
ングパッドはリードを介して電源に接続されている。ま
た重錘体20の各電極もボンディングパッド、リードを
介して電源に接続されている。このセンサに加速度が加
わると、重錘体20に外力が作用することになる。この
外力は作用部11に伝達され、可撓部12に機械的変形
が生じる。これによって、X軸方向及びY軸方向の半導
体ペレット固定部に取付けた電極と重錘体20の下面に
取付けた電極との間の距離(ギャップ)が変化し、両電
極間の静電容量が変化する。本発明では、この静電容量
の変化をもとに以下に述べる方法で三次元方向の加速度
を検出するのである。
【0015】(X軸方向、Y軸方向の加速度検出)X軸
方向、Y軸方向の加速度の検出は全く同じ方法で行なう
ため、ここではX軸方向の加速度検出の方法について詳
述する。図2に示すように半導体ペレットの作用部の中
心点を対象点として静電容量部を形成する二つの電極X
1 ,X2 が配置されている。この電極X1 ,X2 はそれ
ぞれCX1 ,CX2 の静電容量を有している。ところで
一般に静電容量Cは、対向する電極間の断面積をS、対
向する電極間距離をdとし、真空誘電率ε0
【数1】 とすると、次の式で求めることができる。
【数2】 また、この静電容量部は図3に示す周知の発信回路に接
続されており、この発信回路の発信周波数fX1は以下の
式で求めることができる。
【数3】
【0016】従って、いま、図4に示す如くセンサに加
速度が加わり、重錘体20に外力が作用すると、この外
力は作用部11に伝達され、可撓部12に機械的変形が
生じる。これによって、半導体ペレット固定部に取付け
た電極と重錘体20の下面に取付けた電極との間の距離
(ギャップ)dがΔdX 変化すると、両電極間の静電容
量CX1 ,CX2 は以下の式となる。
【数4】 ここで変化した静電容量CX1 ,CX2 によって生じる
周波数fX1,fX2
【数5】 となる。両者の周波数の差を求めると、
【数6】 ここで定数項Kを
【数7】 とすると、
【数8】fX2−fX1=KΔdX となる。よって、
【数9】 以上のようにギャップの変位量ΔdX は|fX2−fX2
で求まり、このΔdX の変位量から予め求めてある図6
により加速度を求める。
【0017】以上のようにして、センサに加速度が加わ
った時の半導体ペレット固定部に取付けた電極と重錘体
20の下面に取付けた電極との間の距離(ギャップ)の
変化量ΔdX は各静電容量CX1 ,CX2 によって生じ
る周波数fX1,fX2の差から求めることができる。そし
て、予め求めておいた電極間の距離(ギャップ)の変化
量ΔdX と加速度とのグラフにより、その時のX軸方向
の加速度を簡単に求めることができる。なお、この時Z
軸方向の加速度があっても、
【数10】
【数11】 となり、この式からも理解できるようにZ軸方向の加速
度の影響を受けることがない。また、Y軸方向の加速度
もX軸方向の加速度と同様の方法で求めることができ
る。
【0018】(Z軸方向の加速度検出)Z軸方向の加速
度検出も上記のX軸方向の加速度検出と同様の方法で行
なうが、Z軸方向の加速度は、加速度が加わっていない
時の静電容量時の周波数fX1S ,fX2S を予め求めてお
き、この時の周波数と加速度が作用している時の周波数
の差から以下の手順で加速度を検出することになる。即
ち、加速度が加わっていない時の出力をfX1S ,fX2S
とすると、
【数12】
【数13】 次に、X軸方向の加速度が加わった時の出力をfX1, f
X2とすると、
【数14】
【数15】
【数16】 よって、X軸方向の加速度と同様に図6のグラフからZ
軸方向の加速度を求めることができる。
【0019】以上のようにして、Z軸方向の場合もX軸
方向の場合と同様に、半導体ペレットの固定部に取付け
た電極と重錘体20の下面に取付けた電極との間の距離
(ギャップ)の変化量ΔdX を周波数から求めることが
できる。そして、予め求めておいた電極間の距離(ギャ
ップ)の変化量ΔdXと加速度とのグラフにより、その
時のZ軸方向の加速度を求めることができる。
【0020】前述した方法で加速度を求める時のブロッ
ク線図を図5に示す。図5において、各電極によって決
定される静電容量部は発信回路に接続されており、静電
容量に対応した周波数を発信している。この発信回路で
発信される周波数は全体に電極間の静電容量が小さいた
め、100〜200KHZという高い周波数を発信して
いる。この周波数をそのまま演算回路に入力すると演算
回路の負荷が大きくなるため、分周回路を利用して適当
な周波数、例えば10KHZに分周しこれを演算回路に
入力するようにしている。演算回路では先に詳述した演
算を実行し加速度を求める。以上のようにして、本実施
例では加速度による電極間のギャップの変化を静電容量
の変化として検出し、これによって加速度を求めること
ができるため、精度の良いかつ構成が簡単な加速度セン
サを得ることができる。
【0021】続いて加速度センサの自己診断装置につい
て説明する。先にも述べた如く従来の加速度センサの診
断はセンサ本体に振動を与えるための試験装置が必要と
なり、試験装置が大掛かりになる上、加速度センサに実
際の振動を与えて試験をしなければならず、試験方法が
面倒であるなど不都合な点が多かった。またエアバッグ
等に装備された加速度センサはその診断を行なうのが実
際上困難である。
【0022】そこで本発明では、加速度センサに自己診
断コイルを設け、これによって簡単に加速度センサの診
断を行えるようにしたものである。以下、加速度センサ
の自己診断が行える加速度センサの実施例を説明すると
図7及び図8は、加速度センサの自己診断を行なうため
のコイルを内蔵した加速度センサの断面図であり、先述
した加速度センサと同一の構成であるため、構成の説明
は省略する。
【0023】またこの加速度センサは自己診断をするた
めの自己診断コイルA、自己診断コイルBを有してい
る。この自己診断コイルAは半導体ペレット10に形成
された作用部11の下面に図9に示すようなコイルを取
付けて構成されている。また自己診断コイルBは、半導
体ペレットをガラスを介して支持するベースの前記自己
診断コイルAに対向する位置に図9に示すようなコイル
を取付けて構成されている。これら自己診断コイルA,
Bはボンディングパッド、リードを介して電源に接続さ
れており、必要に応じて任意の電流を流すことができる
ようになっている。
【0024】従って、いまこれら自己診断コイルA,B
に所定の電流が流れると自己診断コイルに磁力が発生
し、電流の流す方向によって自己診断コイル同士が反発
或いは吸引し合う。この外力は作用部11に伝達され、
可撓部12に機械的変形が生じる。これによって、X軸
方向及びY軸方向の半導体ペレット固定部に取付けた電
極と重錘体20の下面に取付けた電極との間の距離(ギ
ャップ)が変化し、両電極間の静電容量が変化する。半
導体ペレット固定部に取付けた電極と重錘体20の下面
に取付けた電極との間の静電容量は予め自己診断コイル
A,Bに流す電流により求めて置くことができるので、
求めておいた静電容量と実際の静電容量とを比較し両者
に差がなければ加速度センサに異常が無いと判断でき
る。以上のようにして、自己診断コイルA,Bに所定の
電流を流すだけで加速度センサが正常か異常かを簡単に
判断することができる。また本実施例によればエアバッ
グ等に装備した加速度センサの診断や製造ライン上での
加速度センサの機能チェック等も簡単に行なうことがで
きる。
【0025】なお、前記実施例では、自己診断コイル
A,Bを加速度センサの中心部に配置した例について説
明したが、自己診断コイルA,Bを中心部から偏心して
取付けると重錘体を三次元方向に傾けることができ、こ
れによって三次元方向の加速度に対する自己診断を行な
うこともできる。また自己診断コイルBを磁性体に変更
することもでき、これによってコイルを一つ減らすこと
ができる。また加速度センサを使用している状態の時に
自己診断コイルA,Bに適当な電流を流すと、重錘体の
ダンパ機能を奏することもできる。
【0026】
【発明の効果】以上詳細に述べた如く本発明によれば、
半導体ペレット固定部に取付けた電極と重錘体20の下
面に取付けた電極との間の静電容量の変化を検出し、こ
の静電容量の変化を発信回路からの発信周波数に置き換
えて加速度を検出するようにしたため、精度の良いかつ
構成が簡単な加速度センサを得ることができる。また電
極間のエアギャップは温度による影響が少ないため、従
来の抵抗を利用した加速度センサに比較して温度補正等
の面倒な手間が要らない。更に一つの加速度センサで三
次元方向の加速度を検出できるため、加速度センサ取付
けスペースを少なくできる等の優れた効果を奏すること
ができる。
【0027】更に本発明の加速度センサの自己診断機能
によれば、自己診断コイルA,Bに所定の電流を流すだ
けで加速度センサが正常か異常かを簡単に判断すること
ができる上、自己診断コイルBを磁性体に変更すること
により、コイルを一つ減らすことができる。また加速度
センサを使用している状態の時に自己診断コイルA,B
に適当な電流を流すと、重錘体のダンパ機能を奏するこ
ともできる。更に、製品に搭載した加速度センサの診断
も簡単に行なうことができる等の優れた効果を奏するこ
ともできる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係る実施例としての三次元加速度セン
サの断面図である。
【図2】図1の三次元加速度センサの平面図である。
【図3】本実施例中で使用する発信回路図である。
【図4】本発明に係る実施例としての三次元加速度セン
サの作動状態を示す説明図である。
【図5】本実施例の三次元加速度センサの演算部を示す
ブロック図である。
【図6】静電容量部の変位量ΔdX と加速度との関係を
示すグラフである。
【図7】本発明に係る実施例としての自己診断機能を有
する三次元加速度センサの断面図である。
【図8】図7の自己診断機能を有する三次元加速度セン
サの平面図である。
【図9】図7の自己診断機能を有する三次元加速度セン
サに用いる自己診断コイルの図である。
【図10】従来の三次元加速度センサの断面図である。
【図11】図10の三次元加速度センサの平面図であ
る。
【符号の説明】
10 半導体ペレット 11 作用部 12 可撓部 13 固定部 20 重錘体 30 台座 40 パッケージ A,B 自己診断コイル
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) G01P 15/125 H01L 29/84

Claims (3)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】作用部、この作用部の周囲に形成した可撓
    部、この可撓部の周囲に形成した固定部の三つの領域か
    ら形成されているSi基板と、前記作用部に接合した重
    錘体と、前記固定部と重錘体との対向するそれぞれの面
    に設けた電極と、前記電極によって構成された静電容量
    部と、前記静電容量部の静電容量の変化から加速度を演
    算する演算部とからなる三次元加速度センサ。
  2. 【請求項2】作用部、この作用部の周囲に形成した可撓
    部、この可撓部の周囲に形成した固定部の三つの領域か
    ら形成されているSi基板と、前記作用部に接合した重
    錘体と、前記固定部と重錘体との対向するそれぞれの面
    に設けた電極と、前記電極によって構成された静電容量
    部と、前記静電容量部の静電容量の変化から加速度を演
    算する演算部とからなる加速度センサにおいて、前記作
    用部と前記加速度センサを支持する支持部のそれぞれに
    自己診断コイルを設けてなる自己診断機能を有する加速
    度センサ。
  3. 【請求項3】作用部、この作用部の周囲に形成した可撓
    部、この可撓部の周囲に形成した固定部の三つの領域か
    ら形成されているSi基板と、前記作用部に接合した重
    錘体と、前記固定部と重錘体との対向するそれぞれの面
    に設けた電極と、前記電極によって構成された静電容量
    部と、前記静電容量部の静電容量の変化から加速度を演
    算する演算部とからなる加速度センサにおいて、前記作
    用部と前記加速度センサを支持する支持部のいづれか一
    方に自己診断コイルを他方に磁性体を設けてなる自己診
    断機能を有する加速度センサ。
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