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Info
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- G01P15/02—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses
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Landscapes
- Pressure Sensors (AREA)
- Micromachines (AREA)
Description
【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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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を
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を
【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。
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。
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は
周波数ｆX1，ｆX2は
【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。
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、
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。
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、
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、
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
る。
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)
- 【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。 - 【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。 - 【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。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP3223565A JP3051508B2 (ja) | 1991-08-09 | 1991-08-09 | 加速度検出方法および加速度センサ |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP3223565A JP3051508B2 (ja) | 1991-08-09 | 1991-08-09 | 加速度検出方法および加速度センサ |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0545377A JPH0545377A (ja) | 1993-02-23 |
| JP3051508B2 true JP3051508B2 (ja) | 2000-06-12 |
Family
ID=16800156
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP3223565A Expired - Fee Related JP3051508B2 (ja) | 1991-08-09 | 1991-08-09 | 加速度検出方法および加速度センサ |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3051508B2 (ja) |
Families Citing this family (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP4799533B2 (ja) * | 2007-11-19 | 2011-10-26 | Ｏｋｉセミコンダクタ株式会社 | 半導体加速度センサ |
| CN109991444A (zh) * | 2017-12-30 | 2019-07-09 | 大连良华科技有限公司 | 一种应变式加速度传感器 |
-
1991
- 1991-08-09 JP JP3223565A patent/JP3051508B2/ja not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH0545377A (ja) | 1993-02-23 |
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