JP4394212B2

JP4394212B2 - 加速度センサ

Info

Publication number: JP4394212B2
Application number: JP26021899A
Authority: JP
Inventors: 哲男吉田
Original assignee: NEC Tokin Corp
Current assignee: Tokin Corp
Priority date: 1999-09-14
Filing date: 1999-09-14
Publication date: 2010-01-06
Anticipated expiration: 2019-09-14
Also published as: JP2001083176A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、自動車の振動や衝突時の加速度、電子機器類の携帯時の振動や加速度、さらには、モータや各種機械類の異常振動などを検出するために用いられる加速度センサに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、機械類の振動や衝撃を検出するために多くの種類の加速度センサが用いられている。加速度センサは、検出する加速度の大きさや周波数範囲により、用途に適合したものが使用され、例えば、自動車用のエンジンのノッキングにともなう振動や機械の振動検出には、図５に示すように、２枚の圧電円環５１，５２をそれぞれの分極の向きを逆向きにして重ね、おもりとなる金属中空円柱５３とを一緒にネジ５４により固定した構造の加速度センサ５０が使用され、数Ｇから数十Ｇの加速度の検出に使用されている。加速度センサ５０のケース５５は一般にアースに接続され、端子５６のアースとともに、取り付け用のネジ５７を介して、被検出体のアースに接続される。
【０００３】
図５の加速度センサにおいては、外部から加速度α_５が印加されると、圧電円環５１，５２には、Ｆ_５＝Ｍ_５α_５の力が加わる。ここで、Ｍ_５はおもりの質量である。圧電円環５１，５２は、字の如く圧力が加わると電圧を発生する素子であり、Ｖ＝ｋｇＦ_５で与えられる電圧を発生する。ここで、ｋは、加速度センサの形状、寸法によって定まる定数、ｇは圧電材料によつて定まる定数である。つまり、図５に示した加速度センサに代表される圧電型の加速度センサの動作原理は、印加加速度がおもり５３に作用して力を発生し、その力により圧電円環５１，５２が変形して電圧を発生するものである。
【０００４】
また、最近になって、半導微細加工技術を駆使して形成される、いわゆるマイクロマシン型の静電容量式加速度センサが開発されている。これは、直流的な加速度の検出が可能な上に、１Ｇ以下の小さい加速度から自動車の衝突時の数１０Ｇの大きい加速度まで広い範囲に、機械振動系の共振周波数や各部の機械強度を要求に合わせて設計することにより対応できる。
【０００５】
図６は、マイクロマシン技術を利用した静電容量型加速度センサの1つの例の構造の概略を示す斜視図である。この静電容量型加速度センサは、表面マイクロマシン技術により、Ｓｉ単結晶板６０の上に、アンカー６１に支持されたおもりとなる可動板６２に一体に形成された可動電極Ｘ６３とこの可動電極と対向して静電容量を形成する２つの固定電極Ｙ６４，Ｚ６５とから構成されている。図７は、図６に示した静電容量型加速度センサの動作説明図である。
【０００６】
以下、図６と図７を用いて加速度検出の原理を説明する。図６において、各々の電極Ｘ（６３），Ｙ（６４），Ｚ（６５）は、それぞれ共通に接続されているため、図７に示すように、対向電極Ｙ（６４），Ｚ（６５）の間に、もうーつの電極Ｘ（６３）が挿入された、２つのコンデンサが直列に接続された回路と考えられる。図６において、検出加速度の方向は、Ｘ，Ｙ，Ｚそれぞれの電極の長さ方向と直角な方向であるため、加速度α_６が印加されると、圧電型加速度センサの場合と同様に、Ｆ_６＝Ｍ_６α_６の力が発生する。この場合の質量Ｍ_６は可動電極Ｘ（６３）を含めた可動板６２の質量である。力Ｆ_６が発生すると、可動電極Ｘ（６３）はアンカー６２に固定された支持部６６のバネに釣り合う位置まで変位する。つまり、図６において、可動電極Ｘ（６３）が中央の位置から固定電極Ｙ（６４），Ｚ（６５）いずれかの方向にずれることになる。図６において、電極Ｙ（６４）とΖ（６５）に、互いに位相が１８０°異なり、振幅が同じ電圧６７，６８を印加すると、図７に示すように、可動電極Ｘ（６３）が固定電極Ｙ（６４）とＺ（６５）の中央に位置するときには、可動電極Ｘ（６３）の電圧７９は互いにキャンセルされてゼロであるが、加速度が印加されて、可動電極Ｘ（６３）が固定電極Ｙ（６４）とＺ（６５）の中央の位置からずれると、可動電極Ｘ（６３）に電圧７９が発生し、その電圧の大きさは可動電極Ｘ（６３）の変位量すなわち印加された加速度の大きさに比例する。従って可動電極Ｘ（６３）の電圧から印加された加速度を検出することが出来る。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
図５に示した、圧電型の加速度センサは、構造が簡単で原理的に電源が不要であると言う利点を有しているが、直流的な加速度すなわち一定の力が圧電素子に加わっている状態では、変形により発生した電荷が、検出用の電子回路や圧電材料の表面や内部を通して流れ出てしまうため、電圧が減少してしまい、印加されている加速度を正しく検出できないと言う欠点がある。
【０００８】
また、図６および図７に示した静電容量型の加速度センサにおいては、静電容量を構成するために、固定電極と可動電極が必要であり、印加された加速度は、まず、この固定電極と可動電極の間隔寸法の変化に変換され、その結果として静電容量の変化に変換される。従つて、固定電極と可動電極を精度良く作成するために、高い加工精度を出し得る高価な設備を必要とした。
【０００９】
それ故に本発明の課題は、直流的な加速度の検出が可能な静電容量型の加速度センサの長所を有し、しかも固定電極と可動電極と言う２つの電極を用いないで、加速度が印加された場合の弾性体の変形にともなう静電容量の変化を単一の素子から検出することが可能な加速度センサを提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、絶縁性を有する弾性体の表面に歪みにより誘電率が変化する膜層を形成し、前記膜層上に隣り合う線状指電極を形成することでこれらの線状指電極間に静電容量を持つ第１の静電容量素子を構成し、前記弾性体の端部を支持固定し、印加された加速度により生ずる前記弾性体の変形に伴う前記第１の静電容量素子の静電容量の変化から、印加された加速度を検出することを特徴とする加速度センサが得られる。
【００１１】
前記弾性体の支持固定されていない部分に質量を付加してもよい。
【００１２】
前記弾性体のうち印加された加速度により歪が発生しない領域に、前記第１の静電容量素子とほぼ同じ寸法、形状の第２の静電容量素子を設け、前記第２の静電容量素子により加速度検出の基準となる静電容量を得るようにしてもよい。
また、前記第１及び第２の静電容量素子の各々は、隣り合う線状指電極と、これらの線状指電極にそれぞれ接続された一対の端子とを含む交差指電極によって構成されてもよい。
【００１３】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の加速度センサの基本原理である、印加された歪により静電容量が変化する素子の説明図である。図１において、絶縁性材料からなる矩形板１１の一方の面に歪により誘電率が変化する強誘電体厚膜１２が形成され、さらにその表面に交差指電極１３が形成されている。交差指電極とは、図１に示すように、互いにーつ置きの線状指電極１４，１５がそれぞれ共通電極に接続されて構成される電極で、互いに隣り合う線状電極との間に静電容量を持つように一対の端子１６，１７を有している。図１に示した交差指電極が形成された基板１１を、線状指電極１４，１５の長さ方向と直角な方向に屈曲させると、互いに隣り合う線状電極の間の間隔が変化するとともに、電極面が凸となる変形の場合には誘電体層１２に伸び歪が発生し、電極面が凹となる変形の場合には誘電体層１２に圧縮歪が発生する。
【００１４】
図２は、絶縁性の矩形板２１として比較的可とう性に優れているジルコニア磁器板を用い、その表面に、セラミックコンデンサに使用されている鉛系の高誘電率誘電体厚膜層２２を形成し、さらにその上に指の方向がジルコニア磁器板の短辺に平行な交差指電極を形成したコンデンサ素子に対して、長方形のジルコニア磁器板の長さ方向両端部を支持した状態で、長方形のジルコニア磁器板の中央部をナイフエッジ状の加圧板でその短辺に平行に加圧した場合の加圧力と静電容量の関係の測定例を示している。
【００１５】
図２において、口印の線は、交差指電極面の裏側を加圧した場合であり、Δ印の線は、交差指電極面を加圧した場合の測定値である。図２から分かるように、口印の場合は、電極間隔が大きくなるような変形であるにもかかわらず、加圧力を大きくするにつれて静電容量の値が大きくなっており、逆に、Δ印の場合は、電極間隔が小さくなるような変形であるにもかかわらず、加圧力を大きくするにつれて静電容量の値が小さくなっており、誘電体層２２が、歪が印加された場合にその方向の誘電率が大きくなる、いわゆる「正歪一誘電率特性」を有していることを示している。
【００１６】
図３は、木発明の実施の形態に係る加速度センサを示す斜視図であり、ジルコニア基板３１の表面に、厚さがほぼ一様で歪みにより誘電率が変化する強誘電体厚膜層３２を形成し、この厚膜層３２の上のほぼ中央部に、線状指電極３４，３５の向きが前記被検出加速度により発生する歪みの方向に垂直あるいは平行の交差指電極３３が形成され、共通電極から第１の静電容量素子の端子３６，３７が引出されている。前記ジルコニア基板３１の一方の端部は、支持固定用のブロック３８により固定され、他方の端部にはおもり３９が付加されている。図３の加速度センサにおいて、ジルコニア基板３１の平面と直角な方向に加速度α_３が印加されると、おもり３９にＦ_３＝Ｍ_３α_３の力が作用し、ジルコニア基板３１はこの力Ｆ_３により屈曲するように変形する。その結果、端子３６，３７の静電容量の値が変化する。静電容量の変化は、図２に示したように印加された力すなわち印加された加速度に比例して変化するため、静電容量の変化から印加された加速度を検出することができる。
【００１７】
図４は、本発明の他の実施の形態に係る加速度センサを示す斜視図であり、ジルコニア基板４１の表面に、厚さがほぼ一様で歪みにより誘電率が変化する強誘電体厚膜層４２を形成し、この厚膜層４２の上のほぼ中央部に、線状指電極４４，４５の向きが前被検出加速度により発生する歪みの方向に垂直あるいは平行の交差指電極４３が形成され、共通電極から第ｌの静電容量素子の端子４６，４７が引出されている。前記ジルコニア基板４１の一方の端部は、支持固定用のブロック４８により固定され、他方の端部にはおもり４９が付加されている。さらに、前記ジルコニア基板４１が支持固定用のブロック４８と接合されている部分に、前記交差指電極４３と同じ形状寸法の線状指電極４４´，４５´を有する交差指電極４３´が形成され、それぞれの線状指電極の共通電極から第２の静電容量素子の端子４６´，４７´が引出されている。図４の加速度センサにおいても図３の場合と同様に、ジルコニア基板４１の平面と直角な方向に加速度α_４が印加されると、おもり４９にＦ_４＝Ｍ_４α_４の力が作用し、ジルコニア基板４１はこの力Ｆ_４により屈曲するように変形する。その結果、端子４６，４７の静電容量の値が変化する。一方、交差指電極４３´が形成された部分は、前記ジルコニア基板４１が支持固定用のブロック４８と接合されているため、印加された加速度によつて生ずる力Ｆ_４によってほとんど変形することが無い。したがって端子４６´，４７´の静電容量の値は、印加された加速度によつてほとんど変化しない。
【００１８】
図４の加速度センサにおいて、交差指電極４３及び４３´は、同じ材質の強誘電体厚膜の上に、ほぼ同じ形状寸法でごく近くに形成されるため、それぞれの交差指電極の静電容量は、周囲温度変化や電磁ノイズなどの加速度以外の環境条件に対しては同じように影響を受けることになり、このような場合の常套手段である差動増幅回路を用いることにより、それらの外乱をキャンセルすることができる。即ち、第２の静電容量素子により得た静電容量を加速度検出の基準として用いることができる。
【００１９】
以上の説明では、加速度センサの構造を一方の端部が固定された、いわゆる片持ち梁構造で先端部におもりを付加した場合について述べたが、矩形板の両端部を固定し、中央部におもりを付加した構造でも同様の効果を得ることができる。さらに、円形板あるいは正方形板上の基板を用いた場合には、その周辺部を固定し、中央部におもりを付加しても同様の効果が得られる。特に、基板の形状が円形あるいは正方形の場合、板面に垂直な方向の加速度が印加された場合に発生する歪はほぼ同心円状になるため、交差指電極の形状も、その歪分布に合わせて、同心円状にするのがより効果的である。
【００２０】
また、実施例では、絶縁基板として、ジルコニア基板を用い、強誘電体層を厚膜で形成したが、絶縁基板として、ガラスやＳｉ単結晶基板の表面にＳｉＯ_２膜を形成した基板の表面に、スパッタリング等により強誘電体薄膜層を形成しても良い。
【００２１】
また、実施例の説明では、おもりを付加した場合について述べたが、検出感度や共振周波数の条件によっては、特別のおもりを付加しないで、基板自身の質量をおもりとしても良い。
【００２２】
【発明の効果】
以上に示したように、本発明によれば、従来の圧電型加速度センサの、原理的に、直流的な加速度の検出ができないと言う欠点及び、従来の静電容量型加速度センサの、固定電極と可動電極が必要で、高い加工精度が必要と言う欠点を除去し、簡単な構造で、自分自身の変形にともなう静電容量の変化から印加された加速度を検出できるセンサを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の加速度センサの基本原理である、印加された歪により静電容量が変化する素子の説明図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は正面図である。
【図２】図１の構造の基板の中央部に力を加えた場合の加圧力と静電容量の関係の測定例を示している。
【図３】本発明の実施の形態に係る加速度センサを示す斜視図である。
【図４】本発明の他の実施の形態に係る加速度センサを示す斜視図である。
【図５】従来の圧電型加速度センサの構造を示す断面図である。
【図６】マイクロマシン技術を利用した静電容量型加速度センサの構造の概略を示す斜視図である。
【図７】図６に示した静電容量型加速度センサの動作説明図である。
【符号の説明】
１１絶縁性を有する矩形板
１２，３２，４２強誘電体厚膜層
１３，３３，４３，４３´交差指電極
１４，１５，３４，３５，４４，４５，４４´，４５´ 線状指電極
１６，１７，３６，３７，４６，４７，４６´，４７´ 静電容量子の端子
３１，４１ジルコニア基板
３８，４８支持固定用のブロック
３９，４９，５３おもり
５０加速度センサ
５１，５２圧電円環
５４ネジ
５５加速度センサのケース
５６端子
５７取り付け用のネジ
６１アンカー
６２おもりとなる可動板
６３可動電極Ｘ
６４固定電極Ｙ
６５固定電極Ｚ
６６支持部
７７，７８印加電圧
７９可動電極Ｘの電圧

Claims

絶縁性を有する弾性体の表面に歪みにより誘電率が変化する膜層を形成し、前記膜層上に隣り合う線状指電極を形成することでこれらの線状指電極間に静電容量を持つ第１の静電容量素子を構成し、前記弾性体の端部を支持固定し、印加された加速度により生ずる前記弾性体の変形に伴う前記第１の静電容量素子の静電容量の変化から、印加された加速度を検出することを特徴とする加速度センサ。
前記弾性体の支持固定されていない部分に質量を付加した、請求項１に記載の加速度センサ。
前記弾性体のうち印加された加速度により歪が発生しない領域に、前記第１の静電容量素子とほぼ同じ寸法、形状の第２の静電容量素子を設け、前記第２の静電容量素子により加速度検出の基準となる静電容量を得るようにした、請求項１又は２に記載の加速度センサ。
前記第１及び第２の静電容量素子の各々は、隣り合う線状指電極と、これらの線状指電極にそれぞれ接続された一対の端子とを含む交差指電極によって構成されている、請求項３に記載の加速度センサ。