JP4568997B2

JP4568997B2 - Jerk sensor

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Publication number: JP4568997B2
Application number: JP2000370789A
Authority: JP
Inventors: 基弘藤吉; 厚志塚田; 裕野々村
Original assignee: Toyota Central R&D Labs Inc
Current assignee: Toyota Central R&D Labs Inc
Priority date: 2000-12-05
Filing date: 2000-12-05
Publication date: 2010-10-27
Anticipated expiration: 2020-12-05
Also published as: JP2002174640A

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、加加速度センサ、特に印加された加加速度を速度信号の微分の演算を実行することなく測定するセンサに関する。
【０００２】
【従来の技術】
図１３は、従来の加速度センサ６００及びこれを用いた加加速度検出方法を概念的に示している。加速度センサ６００は、慣性質量ｍを有する平板構造のマス部６０を有し、一端でアンカー６６によって基板６１に固定されたビーム６２により、このマス部６０が基板６１の上方に浮いた状態で支持されている。
【０００３】
このような構造において、図の矢印で示す方向に外力が印加されると、マス部６０は基板６１上で、外力方向（矢印方向）に変位する。このときマス部６０に生ずる加速度をアンカー６６に固定されたビーム６２の基部における歪みとして、この基部付近に取り付けられている歪ゲージ６４を用いて検出する。信号処理回路７０は、歪みゲージ６４からの信号を処理して加速度信号を算出し、微分回路７２はこの加速度信号を時間微分する事で加加速度を求め、得られた加加速度が表示部７４に表示される。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
以上のような構成では、まず、加速度センサ６００で検出された加速度信号から加加速度信号を得るために微分回路７２を設ける必要がある。また、加加速度を加速度から間接的に得るため、各部の高い応答性が必要とされ、回路構成が複雑になりやすい。
【０００５】
さらに、加加速度は、加速度信号の傾きから求めることになるので、図１４（ａ）に示すように、時間に比例して大きくなる加速度信号に電気ノイズが重畳した場合、このノイズの載った信号を微分すると大きな誤差信号となってしまうという問題がある。即ち、重畳した電気的ノイズのうち特に高い周波数性分のノイズが微分回路での微分処理によって非常に強くなり、大きなノイズとして現れる。その結果、マス部６０には、実際には、一定の加加速度が印加されているはずなのに図１４（ｂ）に示すように加加速度が変化したと誤認してしまう可能性がある。
【０００６】
例えば、従来のような加速度センサを用いた加加速度検出方法では、加速度センサからの出力をＶｇ（ｔ）で表すと、下記式（１）に示されるように、この加速度センサ出力（加速度成分）には、印加加速度Ａ（ｔ）の他、ｃ（ｔ）という時間依存の変数（ノイズ成分）が存在することとなる。
【０００７】
【数１】

このため上式（１）を微分して得た加加速度出力（加速度センサ出力の微分出力）：Ｖａ（ｔ）は、上式（２）に示されるように、ｃ（ｔ）を微分した項を含むこととなる。従って、このｃ（ｔ）の周波数が高い場合には微分値は特に大きくなり、誤差要因となってしまうのである。
【０００８】
以上のような理由により、図１３に示すような従来の加加速度検出システムでは、例えば、車両等に搭載されるエアバック用など、高い信頼性を必要とするシステムには利用することができない。
【０００９】
このようなノイズによる誤認識を低減するための手法として、不要な高周波成分を除去するフィルタ回路を設けることが考えられる。しかし、今度は、フィルタ回路での位相遅れが発生し、迅速な検出に支障を来す。また、フィルタ回路によって現実に生じた加加速度成分を除去してしまう可能性もある。
【００１０】
本発明は、エアバック用などの高い信頼性が要求される用途にも利用可能な電気ノイズの影響を受けない加加速度検出装置を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明に係るセンサは、外力によって変位する第１振動体と、マス部を介して前記第１振動体の動きを前記マス部の変位速度に応じて伝達する運動伝達部と、前記運動伝達部により変位可能であり、その質量が無視できるほど小さいか、質量が無視できず慣性力の影響を受ける場合においてはその共振周波数が前記運動伝達部によって与えられる前記外力の変化の周波数より高くなるように設定された第２振動体と、を備えることを特徴とする。
【００１２】
また、上記センサにおいて、前記運動伝達部は、前記マス部の変位速度に応じた粘性力を生じ、前記第１振動体の動きを粘性効果に前記第２振動体へ伝達することが好適である。
【００１３】
さらに、前記第２振動体の変位量を前記第１振動体の変位速度に応じた変位として検出することが好適である。
【００１４】
また、本発明の他の特徴は、マス部に印加された加速度に比例して変位する第１振動体と、印加された力に応じて変位する第２振動体と、前記第１振動体の変位端と、前記第２振動体の変位端との間に設けられ、前記第１振動体の変位速度に応じた粘性力を発生し、前記第２振動体に伝達する運動伝達部と、を備え、
前記運動伝達部からの粘性力が印加されて変位する第２振動体の変位量を検出し、該変位量に比例した加加速度を求めることを特徴とする。
【００１５】
第１振動体は、印加された加加速度に応じて変位し、この第１振動体の変位速度に応じた粘性効果が運動伝達部で発生する。これにより粘性効果に比例して第２振動体が変位する。従って、本発明において、センサ出力Ｖo（ｔ）は、次式（３）
【数２】
Ｖo（ｔ）＝ａ’Ａ（ｔ）＋ｃ’ ・・・（３）
但し、式中、Ａ（ｔ）：加速度、ａ’：比例定数、ｃ’比例定数
で表され、この比例定数ｃ’は、定数であって電気的に容易に除去でき、高精度な測定が可能となる。つまり、得られた加速度信号を微分して加加速度を求めるという電気的な微分処理を介在させることなく粘性効果を利用して加加速度を変位に変換しており、電気ノイズが発生しない。上述のように加速度信号を微分する場合には、処理回路に高い応答性は要求されるが、本発明では微分回路が不要であるからそれと比較すると、各回路にそれほど高い応答性は要求されず、この結果、回路の簡素化を図ることができる。また本発明のセンサは、構造が簡素であり、例えばシリコンを用いたマイクロマシニング技術を利用して製造することができる。
【００１６】
また、前記第１振動体は、ビームと前記マス部とで決まる共振周波数が前記外力の変化の周波数よりも高いことが好適である。
【００１７】
また、前記第２振動体の変位量から前記外力の時間変化を検出する変位検出部を備えることが好適である。
【００１８】
【本発明の好適な実施の形態】
以下、この発明の好適な実施の形態（以下実施形態という）について図面を用いて説明する。
【００１９】
＜実施形態１＞
図１は、本発明の実施形態１に係る加加速度センサ（検出装置）の構成を概念的に表している。加加速度センサは、第１振動体１００、運動伝達部２００、第２振動体３００及び第２振動体変位検出部４００を備える。第１振動体１００は、外力によって変位し、運動伝達部２００がこの第１振動体１００の動きを粘性効果により第２振動体に伝達する。そして、第２振動体３００は、運動伝達部２００における粘性効果により変位可能であり、変位検出部４００がこの第２振動体３００の変位量を検出し、その変位量に比例した加加速度を得ている。
【００２０】
第１振動体１００は、第１固定部と、一端がこの第１固定部に固定された第１バネ（バネ定数ｋ1）と、この第１バネの他端に接続されたマス部（質量ｍ）を有する。第１バネは図中ｘ方向以外の剛性が、該ｘ方向の剛性と比較して極めて高いので、ｘ方向のみに伸縮することができる。このため、マス部は、ｘ方向のみに変位可能に該第１バネに支持されている。ここで、第１振動体１００に印加された加速度の変化（加加速度）を検知するためには、第１バネとマス部で決まる第１振動体１００の共振周波数が、加速度の変化の周波数より高くなるように第１バネ及びマス部を決める必要がある。
【００２１】
運動伝達部２００は、第１振動体１００のマス部と、後述する第２振動体３００の第２バネとを、気体、液体又は固体（物体）が発生する粘性効果を用いて連結しており、その粘性係数はＣである。運動伝達部２００で発生する粘性力Ｆｃは、マス部から受ける力、つまりマス部の変位速度に応じた大きさであり、この粘性力Ｆcが第２振動体３００に伝達される。
【００２２】
第２振動体３００は、第２固定部と、一端がこの第２固定部に固定された第２バネ（バネ定数ｋ2）を備える。第２バネは、第１バネと同様に図中ｘ方向の剛性が、他のｙ、ｚ方向の剛性と比較して極めて低く、ｘ方向のみに伸縮することができる。第２振動体３００は、その質量が無視できるほど小さいため、第２バネは運動伝達部２００からの粘性力として印加される力のみによって伸縮するが、それ以外の慣性力の影響を受けない。なお、第２振動体３００の質量が無視できず、慣性力の影響を受ける場合においては、第２振動体３００の共振周波数が加速度の変化の周波数より高くなるように調整する必要がある。
【００２３】
第２振動体変位検出部４００は、このようにして運動伝達部２００からの粘性力によって変位する第２バネのｘ方向への変位量ｘ₂（ｔ）を検出する。
【００２４】
次に、以上のような構成の加加速度センサにおいて、印加された外力から加加速度を得る手順について図２を参照して説明する。
【００２５】
まず、外力が印加され（Ｓ１）、この外力によりｘ方向の加速度Ａ（ｔ）が発生すると（Ｓ２）、マス部の質量ｍ1と加速度Ａ（ｔ）に比例した慣性力“ｍ1・Ａ（ｔ）”が生ずる（Ｓ３）。
【００２６】
第１バネは、この慣性力によりｘ方向に伸縮し、これによりマス部が変位する（Ｓ４）。このとき生ずるマス部のｘ方向への変位量ｘ₁（ｔ）は、第１バネのバネ定数をｋ1とすると、次式（４）で表される。
【００２７】
【数３】

この式（４）を時間的に微分すると、マス部の変位速度Ｖ₁（ｔ）が得られ、これは式（５）で表すことができる。そして、運動伝達部２００では、図３におけるこのマス部１０の変位速度Ｖ₁（ｔ）に比例した粘性力Ｆｃ（ｔ）が発生する（Ｓ５）。このＦｃ（ｔ）は、第１振動体１００から第２振動体３００に伝達される粘性減衰による力（又はエネルギ損失による力）に相当するものであり、上記式（６）のように伝達部２００の粘性係数Ｃとマス部の変位速度Ｖ₁（ｔ）との積で表される大きさとなる。
【００２８】
運動伝達部２００に発生した上記粘性力Ｆｃは第２振動体３００の第２バネへと伝達される（Ｓ６）。このとき第２振動体３００の第２バネは、粘性力Ｆｃに応じて変位する。変位量をｘ₂（ｔ）とすると、これは、式（７）で示されるように、Ｆｃと第２バネのバネ定数ｋ2に応じた値であり、第２振動体変位検出部４００によりこの変位量が検出される（Ｓ７）。
【００２９】
ここで、上記変位量ｘ₂（ｔ）は、式（８）に示すように加加速度の関数として表すことができ、式（８）はさらに、式（１０）に定義したＢという比例定数を用いると、式（９）のように単純な形になる。つまり、この式（９）から第２振動体変位検出部４００において検出された第２振動体の変位量ｘ₂（ｔ）は、マス部（第１振動体）に印加された加加速度の大きさに比例していることがわかる。従って、第２振動体３００の変位ｘ₂（ｔ）を計測することで（Ｓ８）、これにより外力によって生じた加加速度を得ることができる（Ｓ９）。
【００３０】
以下に、図１に示したような原理構成を備えた本実施形態１の加加速度センサについて、その具体的な構成例について説明する。
【００３１】
図１の加加速度センサは、図３に示すような構造により実現でき、このセンサは、シリコン基板上にマイクロマシンニング技術を用いて作製されている。なお、図３において、図１と対応する部分には同一符号を付している。このセンサは、固定部であるアンカー部と、第２振動体変位検出部４００以外の部分はすべてシリコン基板１からフローティングで作られており、可動である。
【００３２】
第１振動体１００は、マス部１０、複数の第１ビーム１２（第１ビーム体１２ａ〜１２ｄ及びビーム枠部１２ｆ）及びアンカー１４を備える。第１ビーム１２は、マス部１０のｙ方向両側に配されており、各ビーム体１２ａ〜１２ｄは、それぞれｙ方向を長手方向として形成されている。ビーム体１２ａ，１２ｂは、その一端側がマス部１０に接続され、他端側はｘ方向に延びるビーム枠体ｆ１２を介して、該ビーム体１２ａ，ｂとそれぞれ平行に配されているビーム体１２ｃ，１２ｄの一端に連結されている。そして、このビーム体１２ｃ、１２ｄの他端はアンカーを介して基板１に固定されている。第１ビーム１２の各ビーム体１２はｘ方向の剛性が低いのでｘ方向に曲がることは可能であるが、ｙ方向、ｚ方向に対する剛性は高く、ｙ、ｚ方向には変位しない。
【００３３】
また、ビーム枠部１２ｆは、マス部１０の両側からそれぞれ±ｙ方向に延びる複数の第１ビーム体１２ａ〜１２ｄの片端を束ねるようにしてｘ方向に延びている。このビーム枠部１２ｆの剛性は、ｘ、ｙ、ｚ方向とも高く、いずれの方向にもそれ自体が曲がることはない。
【００３４】
マス部１０は、面積が大きく慣性質量（質量ｍ1）として機能する。そして、このマス部１０は、上記第１ビーム１２によって両側から空中に浮いて支持されているので、本センサに外力が印加され、マス部１０に加速度が加わると、ｘ方向にのみ曲がることのできる第１ビーム体１２ａ−１２ｄとビーム枠体１２ｆとの働きにより、該マス部１０はｘ方向のみにその変位が許容される。このときのマス部１０のｘ方向への変位量は、第１ビーム１２による復元力とマス部１０に発生する慣性力の関係を示した上式（４）に基づく。また、このときマス部１０の変位速度Ｖ₁（ｔ）は、上記（５）のように印加された加加速度に比例する。
【００３５】
図３において、運動伝達部２００は、クシ状の突起を交互に噛み合うように対向配置させた構成である。対向するクシ歯の一方は、マス部１０のｘ方向を横切る側面から突出した第１振動体突起部２１０であり、他方は、後述する第２振動体３００の第２マス部３０の第１振動体との対向側面から突出した第２振動体突起部２２０である。そして、第１振動体突起部２１０及び第２振動体突起部２２０の互いのクシ歯間には、ここでは、気体が存在している。このためマス部１０の変位により第１振動体突起部２１０がｘ方向に動くと、気体の粘性効果によりこの第１振動体の運動が粘性力として第２振動体突起部２２０に伝わる。粘性効果によって伝達される粘性力の方向はｘ方向であり、その大きさは第１振動体１００の変位速度、すなわち第１振動体１００に印加された加加速度に比例している。ここで粘性効果を発揮させる気体には制限はなく、どのような気体も利用できるが、運動伝達部２００で発生する気体の粘性力は第１振動体突起部２１０と第２振動体突起部２２０との間隙（ギャップ）に反比例し、向き合ったクシ（突起）の重なり面積と、利用する気体の粘性係数に比例する。
【００３６】
第２振動体３００は、第２振動体基部３０、第２ビーム３２及びアンカー３４を有する。第２振動体基部３０のマス部対向側面には、上記第２振動体突起部２２０を有し、この基部３０のｙ方向両側面からは第２ビーム３２が延びており、第２ビーム３２の他端側はアンカー３４によって基板１に固定されている。従って、第２振動体基部３０は、第２ビーム３２によってアンカー３４の部分から基板上、フローティングに支持されている。第２ビーム３２は、ｙ及びｚ方向の剛性がｘ方向よりも大きく形成されており、第１ビームと同様、ｘ方向のみに変位することができる。
【００３７】
第２振動体基部３０は、面積が小さく質量がほとんど無視できる大きさに設計されている。従って、この基部３０に働く慣性力は無視できるほど小さい。また、この基部３０は、ｘ，ｙ，ｚ全方向について剛性は高く、基部３０自体は変形しない。さらに、上述の通り第２振動体基部３０の突起部２２０の形成側面と対向する側面からは、この第２振動体基部３０の変位を検出するための後述する第２振動体変位検出部４００に向かって電極が突出形成されている。
【００３８】
上述のように運動伝達部２００からの粘性力が突起部２２０を介して第２振動体基部３０に伝わると、ｘ方向にのみ基部３０の変位を許容する第２ビーム３２により、該基部３０は、ｘ方向に変位する。このときのｘ方向への変位量は、上述の式（７）で示すｘ₂（ｔ）となり、変位量ｘ₂（ｔ）は式（９）で示すように本センサに印加される加加速度に比例した値となる。
【００３９】
第２振動体変位検出部４００は、狭いギャップを持ち互いに向き合った変位電極４１０と容量検出電極４２０とから構成されている。変位電極４１０は、上記基部３０から突出形成された電極であり、基部３０からｘ方向に延びた突出部の先端及び中間付近からｙ方向にそれぞれクシ歯が突出した形状を備える。また、容量検出電極４２０は、アンカーを兼ねた電極パッド４３０から変位電極４１０のクシ歯と噛み合うようにクシ歯がｙ方向に延びた形状を備える。
【００４０】
第２振動体基部３０がｘ方向に変位すると、これに応じて変位電極４１０のｙ方向に延びるクシ歯がｘ方向に変位する。容量検出電極４２０のｙ方向に延びたクシ歯は、この変位電極４１０のクシ歯と噛み合うように対向して設けられているので、第２振動体３００のｘ方向の変位を上記２つの電極４１０、４２０（両電極のクシ歯）間の静電容量（ｃ_s）の変化として計測することができる。この静電容量の変化は、図４に示すようなスイッチドキャパシタ型容量検出回路５００を用いて検出することができる。
【００４１】
スイッチドキャパシタ型容量検出回路５００において、アンプの負入力経路中に、上記電極パッド４３０と、電源ＶBとを所定タイミングで供給されるスイッチを設け、スイッチを所定タイミングで切り替えることで、図中式（１１）として示すように、センサ容量（静電容量）Ｃ_sとアンプ負入力・出力Ｖo間に接続された容量Ｃ1の比と、電源電圧ＶBとに応じた出力電圧Ｖoutを得る。なお、変位電極４１０と一体の第２振動体３００のアンカー３４はグランド電位とされており、等価回路的には回路５００のスイッチとグランドとの間に、変位電極４１０と容量検出電極４２０とを電極とする静電容量Ｃｓが接続される。
【００４２】
このように電極パッド４３０をスイッチドキャパシタ型容量検出回路５００に接続することで、第２振動体３００のｘ方向への変位を電圧変化に変換することができ、センサ（マス部１０）に印加された加加速度に比例した電圧出力Ｖoutを得ている。
【００４３】
ここで、上記説明では、図３及び図４に示す構成において、第１ビーム１２と第２ビーム３２の剛性はｘ方向のみに対して小さくしてある。しかし、核ビーム１２，３２について各ビーム剛性をｚ方向に対しても同様に小さくすれば、各ビームはｚ方向に変位することができるため、ｚ方向への加加速度も測定することが可能となる。
【００４４】
次に、図３及び図４に示した本実施形態に係る加加速度センサのビーム形状を変形した例について図５〜図７を参照して説明する。上述の図３に示すセンサ構造において、マス部１０の両側面からは、第１ビーム体１２ａ、１２ｂがそれぞれ両側に延び、同じ側の２本の第１ビーム体１２ａ、１２ｂは、ビーム枠部１２ｆによって連結されている。
【００４５】
これに対し、図５の第１ビーム１２は、マス部１０の各隅から２本ずつ第１ビーム体が延び（１２a1と１２a2、１２b1と１２b2）ている。そして第１ビーム体１２a1及び１２a2は、２つのアンカー１４からそれぞれ延びるビーム体１２c1及び１２c2によって支持され、また第１ビーム体１２b1及び１２b2は、ビーム体１２d1及び１２d2によって支持され、それぞれフォールディット型ビーム（折り畳みビーム）１３で構成されている。つまり、マス部１０からｙ方向にフローティングで延びる第１ビーム１２は、ｙ方向端部でそれぞれ折り返してマス部１０の近くに設けられたアンカー１４に戻りここで基板に固定されている。また、第２ビーム３２についても、図３のビーム３２と異なり、第１ビーム１２と同様にフォールディット型ビーム３３により構成されている。他の点は上述の図３とほぼ同等の構成である。
【００４６】
次に、図６に示すセンサでは、第１ビーム１２としてストレート型ビーム１５が用いられており、ビーム１５は、マス部１０の各隅からそれぞれｙ方向に一直線状に延びている。また、第２ビーム３２は、図３のセンサと同様、ストレート型ビーム３５である。ここで、図３の第２ビーム３２は、第２振動体基部３０からそれぞれｙ方向両側に延びる２本が共通のアンカー３４に接続されている。これに対し、図６の第２ビーム３２は、それぞれ個別に形成されたアンカー３４に接続されている。
【００４７】
図７に示すセンサでは、上記図５と同様に、第１ビーム１２及び第２ビーム３２の両方にそれぞれフォールディット型ビーム１３、３３を採用している。また、運動伝達部２００を構成する第１振動体突起部２１２及び第２振動体突起部２２２の形状が上述の各センサと異なっている。具体的には図７中に拡大して示すように、突起部２１２及び２２２の互いに噛み合うように配置されるクシ歯が、それぞれｙ方向に延びている点がそれぞれｘ方向に延びている他のセンサと相違する。
【００４８】
本実施形態においては、上述の図３及び図５〜図７に示すいずれのセンサ構造を採用してもよく、また、ビーム構造については、各図に示す第１及び第２ビーム構造をさらに別の組み合わせに代えてもよい。
【００４９】
本実施形態において、マス部１０を支持する第１ビーム１２は、変位に対する復元力が線形となることが好適である。従って、第１ビーム１２は、図３、又は図５及び図７に示すようなフォールディット型ビームとすることが好ましい。図６のようなストレート型ビーム５を採用することも可能であるが、ストレート型ビーム１５は、非線形バネであり、印加された加加速度の大きさと、ストレート型ビーム１５に支持されたマス部１０の変位速度とが比例関係にならないので、測定が複雑になるためである。
【００５０】
第２ビーム３２の形状は、その変位が大きい場合は、図５及び図７に示すようなフォールディッド型ビーム３３を採用することが好適である。変位が大きいと復元力が線形である方が精度を向上させる上で好適だからである。また運動伝達部２００については、図７に示すように、第１ビーム１２の長手方向と平行、別の言い方をすると、第１ビーム１２の変位方向（ｘ方向）に直交する方向に第１及び第２振動体突起部のクシ歯が延びる形状の方が好適である。これは、図７のような突起形状としたほうが、第１及び第２振動体突起部のｘ方向への変位を伝達する実面積が大きく、マス部１０の運動を効率よく第２振動体３００に伝えることが容易となるためである。
【００５１】
以上の説明において、運動伝達部２００における運動伝達は、気体を介在させることで実現する場合を例にあげている。しかし、気体に限らず、粘性効果を発生する他の方法、例えば、粘性を持つ液体、エネルギ損失を持つ固体材料などでもよい。
【００５２】
図８は運動伝達部２００に粘度をもつ液体を用いた例であるが、液体は、第１及び第２振動体突起部の少なくとも対向ギャップに存在していればよい。また粘性効果を発揮するという点だけを考慮すればいかなる液体でも使用可能であるが、運動伝達部２００で発生する粘性力は、第１及び第２振動体突起部２１０、２２０のクシ歯間のギャップに反比例しており、向き合ったクシ歯の重なり面積と、利用する液体の粘性係数に比例している。従って、検出する加加速度、センササイズなどを考慮して液体を選択することが好適である。また、センサ、特に第１及び第２振動体突起部を腐食させるなどの劣化を起こし難い液体を用いることが望ましい。
【００５３】
図９は、運動伝達部２００に、粘性効果を発する物質として、上記気体又は液体ではなく、エネルギ損失を持つ固体を用いた例を示している。この場合、伝達用の固体の一端にマス部１０を連結し、他端に第２振動体３０を連結する。この運動伝達固体の機能は、上述の気体、液体と同様に、マス部１０の変位速度ｖ₁（ｔ）に応じた粘性効果を発揮することであり、ゴムやプラスチックといった高分子材料が好適である。いかなる固体でも使用可能である。但し、粘性力（エネルギ損失）は、固体の型状および固体の粘性係数に対応するので、検出する加加速度、センササイズなどを考慮して適切な固体を選択することが好適である。また、製造工程、センササイズなどを考慮して適切な材料を用いることが望ましい。
【００５４】
また、第２振動体の変位検出手法として容量変化を用いるほかに、光、磁気、圧電、その他の方法を利用することも可能である。
【００５５】
次に、本実施形態にかかるセンサの製造工程の一例を図１０を参照して説明する。なお、図１０の工程図（ａ）〜（ｅ）は、図３のＡ−Ａ線に沿った断面における各工程での状態を示している。センサの材料としてはシリコン、ニッケル、鉄、その他の金属が使用可能である。以下では基板１として、シリコン基板を用い、マイクロマシニング技術を利用した製造方法について説明する。
【００５６】
（ｉ）シリコン基板１上に、酸化膜２を形成し、さらにその上層にシリコン活性層４を形成する（ａ）。ここで、シリコン基板の酸化膜上のシリコンを電極として用いるため活性層の抵抗値は１０Ω程度以下が望ましいが、第２振動体変位検出部４００、つまり第２振動体３００から延びる変位電極４１０と、容量検出電極４２０、さらに電極パッド４３０のみが、導電性であることが要求されるので、これらの形成領域のみシリコン層にイオン注入して部分的に低抵抗化してもよい。
【００５７】
（ii）次にシリコン活性層４の上にレジストを付け、露光、現像してマスクパターン６をシリコン活性層上に形成する（ｂ）。このマスクパターン６は、センサ各部のパターンに対応している。
【００５８】
（iii）シリコン活性層４上の上記レジストをマスクとし、シリコン活性層をエッチングし、マスクに覆われていない領域にあるシリコン活性層を除去する（ｃ）。
【００５９】
（iv）次に、フッ酸を用い、上記エッチングによってシリコン活性層が除去され露出した部分から、酸化膜２をフッ酸により除去する（ｄ）。これにより、それぞれシリコン活性層からなる第１振動体１００のマス部１０及び第１ビーム１２、第２振動体３００の基部３０および第２ビーム３２、運動伝達部２００の突起部２１０及び２２０の下層の酸化膜２が除去され、これらは基板１の表面から浮いた構造となる。図３のアンカー１４，３４及び電極パッド４３０部分では、酸化膜２は除去しない。
【００６０】
（ｖ）次に、電極パッド４３０の形成領域に、電極材料を形成する（ｅ）。
【００６１】
以上のような簡易な工程を経るだけで、本実施形態１に係る図３のような平面パターンのセンサが得られる。そして、得られたこのセンサに図４のように容量検出回路を接続すれば、加加速度データを得ることができる。
【００６２】
＜実施形態２＞
次に実施形態２に係る加加速度センサについて説明する。図１１は、このセンサを概念的に示している。動作原理は、上述の実施形態１に係るセンサと同じである。
【００６３】
第１ビーム１２は、ｙ方向を長手方向として延び、該第１ビーム１２のｙ方向での一端側はアンカー１４０を介して基板に固定され、他端側はマス部１０に連結されている。第１ビーム１２は、ｘ方向への剛性が低いためｘ方向に曲がることは可能であるが、ｙ方向及び紙面法線方向のｚ方向への剛性は高く、ｙ、ｚ方向には変位しない。
【００６４】
マス部１０は第１ビーム１２によって基板からフローティングに支持されているので、本センサにｘ方向の外力が印加されるとマス部１０に加速度が働きこのマス部はｘ方向のみに変位する。このときのマス部１０の変位量ｘ₁（ｔ）は、第１ビーム１２による復元力とマス部１０に発生する慣性力を示す上述の式（４）に一致する。
【００６５】
運動伝達部２００は、マス部１０に連結された第１振動体突起部２１０及び第２ビーム３２に連結された第２振動体突起部２２０を有し、突起部２１０及び２２０のクシ歯は共にｘ方向に延びて互いに噛み合うように配置されている。また、向き合った突起部２１０及び２２０のクシ歯の間には粘性液体が存在している。このため、マス部１０に接続されたクシが動くと、液体の粘性効果により第１ビーム１２の運動が粘性力として第２ビーム３２に伝わる。粘性効果によって伝達される粘性力の方向は、ｘ方向であり、その大きさは、マス部１０に印加された加加速度に比例している。ここで運動伝達部２００に用いる液体には制限はなく、どのような液体も利用できるが、運動伝達部２００で発生する液体の粘性力は、第１及び第２振動体突起部２１０、２２０のクシ歯間のギャップに反比例しており、向き合ったクシ歯の重なり面積と、利用する液体の粘性係数に比例している。従って、実施形態１と同様、検出する加加速度及びセンササイズなどを考慮して液体を選択することが好ましい。
【００６６】
第２ビーム３２は、上記第１ビーム１２と共通のアンカー１４０からｙ方向に延び上記第２振動体突起部２２０に連結され、この突起部２２０を支持している。第１ビーム１２と同様、ｘ方向のみ剛性が低く、ｙ方向及びｚ方向での剛性が高いため、ｘ方向のみに変位することができる。また第２ビーム３２の質量は無視できるほど小さく慣性力の影響を受けない。マス部１０に加加速度が印加されてこれに応じた粘性力が運動伝達部２００から第２振動体突起部２２０に伝達され、これに応じて第２ビーム３２は、ｘ方向に上式（７）に示すｘ₂（ｔ）だけ変位する。そして、この変位の大きさは、上式（９）で示すように本センサに印加される加加速度に比例している。従って、本実施形態２のような構成のセンサによっても加加速度を精度よく検出することが可能である。
【００６７】
第２振動体変位検出部４００では、上述の実施形態１にて図４を参照して説明した静電容量の変化を用いた構成のほか、磁界、光、超音波などのいかなる手法を用いてもよく、第２振動体（ここでは、第２ビーム３２）のｘ方向の変位を検出できればよい。
【００６８】
＜実施形態３＞
図１２を参照して実施形態３に係る加加速度センサについて説明する。なお、センサの動作原理は、上述の図４と同様で、上述の実施形態２と相違する点は、運動伝達部２００の構成である。
【００６９】
運動伝達部２００において、マス部１０からはｘ方向に突出部が延び、その先端に多数の孔を有してｙ方向広がる板（以下孔あき板）２１４が連結されている。また、内部に粘性液体が封入された筐体２２４に第２ビーム３２が連結されており、この筐体２２４内には、上記マス部１０に連結された孔あき板２１４が内部で摺動自在に配置されている。マス部が変位してこれに連結された孔あき板が動くと、液体の粘性効果により第１ビーム１２の運動が粘性力として筐体２２４を介して第２ビーム３２に伝わる。粘性効果によって伝達される粘性力の方向はｘ方向であり、その大きさはマス部の速度ｖ₁（ｔ）、即ちマス部に印加された加加速度に比例している。ここで用いられる液体は特に制限はなく、水、オイルをはじめ、どのような液体も利用できるが、運動伝達部２００で発生する液体の粘性力は、マス部１０に連結された孔あき板２１４の孔径と数に反比例し、利用する液体の粘性係数に比例している。よって、上述の実施形態同様に検出する加加速度、センササイズなどに応じて適切な液体を選択することが好適である。
【００７０】
マス部１０の変位量は第１ビームの１２復元力とマス部１０に発生する慣性力の上式（４）で表され、このマス部１０の変位速度に応じた力（粘性力）が運動伝達部２００を介して第２ビーム３２に伝達される。そして、その力に応じてこの第２ビーム３２は、ｘ方向に式（７）で決まるｘ₂（ｔ）だけ変位する。そして、既に説明したように、この変位量ｘ₂（ｔ）は、式（８）及び（９）に表されるとおり、本センサに印加される加加速度に比例している。従って、第２振動体変位検出部４００が第２ビーム３２の変位量を静電容量変化として、又は磁界、光、或いは超音波を用いた変位検出することにより、加加速度を求めることができる。
【００７１】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明に係る加加速度センサによれば運動伝達部における物体の粘性効果を用い、発生した加加速度に応じた粘性力により第２振動体を変位させる。よって、第２振動体の変位量は加加速度に比例した値となり、この変位量を測定することで、加速度信号を電気的に微分することなく加加速度を測定でき、電気ノイズの影響を受けず、簡易な回路構成で高精度な加加速度の検出が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の加加速度センサの原理を示す図である。
【図２】本発明の加加速度センサの測定手順を示す図である。
【図３】本発明の実施形態１に係る加加速度センサの構成例を示す図である。
【図４】図３に示す加速度センサから加加速度信号を得る検出回路構成を示す図である。
【図５】本発明の加加速度センサの図３と異なる構成例を示す図である。
【図６】本発明の加加速度センサの図３及び図５とはさらに異なる構成例を示す図である。
【図７】本発明の加加速度センサのさらに別の構成例を示す図である。
【図８】本発明の加加速度センサにおいて運動伝達部に液体を用いた例を示す図である。
【図９】本発明の加加速度センサにおいて運動伝達部に固体を用いた例を示す図である。
【図１０】本発明の加加速度センサの製造工程を示す工程図である。
【図１１】本発明の実施形態２に係る加加速度センサの構成を示す図である。
【図１２】本発明の実施形態３に係る加加速度センサの構成を示す図である。
【図１３】従来の加速度センサを用いた加加速度検出装置の構成を示す図である。
【図１４】従来の加加速度検出装置における不具合を説明する図である。
【符号の説明】
１基板、２絶縁膜、４シリコン層（シリコン活性層）、６マスクパターン（レジスト）、１２，１３，１５第１ビーム、１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄ第１ビーム体、１２ｆビーム枠部、１４，３４，１４０アンカー、３０第２振動体基部、３２，３３，３５第２ビーム、１００第１振動体、２００運動伝達部、２１０，２１２第１振動体突起部、２２０，２２２第２振動体突起部、３００第２振動体、４００第２振動体変位検出部、４１０変位電極、４２０容量検出電極、４３０電極パッド、５００信号処理回路（スイッチドキャパシタ型容量検出回路）。[0001]
[Industrial application fields]
The present invention relates to a jerk sensor, and more particularly to a sensor that measures an applied jerk without executing a differential operation of a speed signal.
[0002]
[Prior art]
FIG. 13 conceptually shows a conventional acceleration sensor 600 and a jerk detection method using the same. The acceleration sensor 600 has a flat mass portion 60 having an inertial mass m, and is supported in a state where the mass portion 60 is floated above the substrate 61 by a beam 62 fixed to the substrate 61 by an anchor 66 at one end. Has been.
[0003]
In such a structure, when an external force is applied in the direction indicated by the arrow in the figure, the mass portion 60 is displaced on the substrate 61 in the external force direction (arrow direction). At this time, the acceleration generated in the mass portion 60 is detected as a strain at the base portion of the beam 62 fixed to the anchor 66 by using a strain gauge 64 attached in the vicinity of the base portion. The signal processing circuit 70 processes the signal from the strain gauge 64 to calculate an acceleration signal, and the differentiating circuit 72 obtains jerk by differentiating the acceleration signal with respect to time, and the obtained jerk is displayed on the display unit 74. Is displayed.
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
In the configuration as described above, first, it is necessary to provide the differentiation circuit 72 in order to obtain the jerk signal from the acceleration signal detected by the acceleration sensor 600. Further, since the jerk is obtained indirectly from the acceleration, high responsiveness of each part is required, and the circuit configuration tends to be complicated.
[0005]
Further, since jerk is obtained from the slope of the acceleration signal, as shown in FIG. 14A, when electrical noise is superimposed on the acceleration signal that increases in proportion to time, the signal with this noise is placed. There is a problem that differentiating becomes a large error signal. That is, of the superimposed electrical noise, particularly high frequency noise becomes very strong by the differentiation process in the differentiation circuit and appears as a large noise. As a result, there is a possibility that the mass portion 60 may be misunderstood that the jerk has changed as shown in FIG. 14B although a certain jerk should be actually applied.
[0006]
For example, in a conventional jerk detection method using an acceleration sensor, when the output from the acceleration sensor is represented by Vg (t), this acceleration sensor output (acceleration component) is expressed by the following equation (1). In addition to the applied acceleration A (t), there is a time-dependent variable (noise component) called c (t).
[0007]
[Expression 1]

Therefore, jerk output (differential output of acceleration sensor output) obtained by differentiating the above equation (1): Va (t) is a term obtained by differentiating c (t) as shown in the above equation (2). Will be included. Accordingly, when the frequency of c (t) is high, the differential value becomes particularly large, which causes an error.
[0008]
For the above reasons, the conventional jerk detection system as shown in FIG. 13 cannot be used for a system that requires high reliability, for example, for an airbag mounted on a vehicle or the like.
[0009]
As a technique for reducing such erroneous recognition due to noise, it is conceivable to provide a filter circuit that removes unnecessary high-frequency components. However, this time, a phase delay occurs in the filter circuit, which hinders rapid detection. Further, there is a possibility that the jerk component actually generated by the filter circuit is removed.
[0010]
An object of the present invention is to provide a jerk detection device that is not affected by electrical noise and can be used for applications requiring high reliability such as for airbags.
[0011]
[Means for Solving the Problems]
Book Invention Ru The sensor includes a first vibrating body that is displaced by an external force, Through trout The movement of the first vibrating body Transmit according to the displacement speed of the mass section And a motion transmission unit for transmitting the motion Part More displaceable In the case where the mass is negligibly small or the mass is not negligible and is affected by the inertial force, the resonance frequency is set to be higher than the frequency of the change in the external force given by the motion transmission unit. The With the second vibrator The It is characterized by providing.
[0012]
In the above sensor, It is preferable that the motion transmission unit generates a viscous force corresponding to a displacement speed of the mass unit, and transmits the movement of the first vibrating body to the second vibrating body with a viscous effect. .
[0013]
further, Preferably, the displacement amount of the second vibrating body is detected as a displacement according to the displacement speed of the first vibrating body. It is.
[0014]
Another feature of the present invention is that the first vibrating body that is displaced in proportion to the acceleration applied to the mass portion, the second vibrating body that is displaced according to the applied force, and the first vibrating body A motion transmitting portion provided between a displacement end and a displacement end of the second vibrating body, and generating a viscous force according to a displacement speed of the first vibrating body and transmitting the viscous force to the second vibrating body; Prepared,
A displacement amount of the second vibrating body that is displaced by applying a viscous force from the motion transmission unit is detected, and a jerk proportional to the displacement amount is obtained.
[0015]
The first vibrating body is displaced according to the applied jerk, and a viscous effect according to the displacement speed of the first vibrating body is generated at the motion transmission unit. As a result, the second vibrating body is displaced in proportion to the viscosity effect. Therefore, in the present invention, the sensor output Vo (t) is expressed by the following equation (3).
[Expression 2]
Vo (t) = a′A (t) + c ′ (3)
Where A (t): acceleration, a ′: proportional constant, c ′ proportional constant
This proportionality constant c ′ is a constant and can be easily removed electrically, thereby enabling highly accurate measurement. In other words, the jerk is converted into displacement using the viscous effect without interposing an electrical differentiation process of obtaining the jerk by differentiating the obtained acceleration signal, and no electric noise is generated. When the acceleration signal is differentiated as described above, the processing circuit is required to have high responsiveness, but in the present invention, since the differentiation circuit is unnecessary, each circuit does not require so high responsiveness. As a result, the circuit can be simplified. In addition, the sensor of the present invention has a simple structure, and can be manufactured using, for example, a micromachining technique using silicon.
[0016]
Also, The first vibrating body preferably has a resonance frequency determined by a beam and the mass portion higher than a frequency of change of the external force. It is.
[0017]
In addition, it is preferable that a displacement detection unit that detects a time change of the external force from a displacement amount of the second vibrating body is preferable. .
[0018]
[Preferred embodiment of the present invention]
Hereinafter, preferred embodiments of the present invention (hereinafter referred to as embodiments) will be described with reference to the drawings.
[0019]
<Embodiment 1>
FIG. 1 conceptually shows the configuration of a jerk sensor (detection device) according to Embodiment 1 of the present invention. The jerk sensor includes a first vibrating body 100, a motion transmitting unit 200, a second vibrating body 300, and a second vibrating body displacement detecting unit 400. The first vibrating body 100 is displaced by an external force, and the motion transmitting unit 200 transmits the movement of the first vibrating body 100 to the second vibrating body by a viscous effect. The second vibrating body 300 can be displaced by the viscous effect in the motion transmitting unit 200, and the displacement detecting unit 400 detects the displacement amount of the second vibrating body 300 and obtains the jerk proportional to the displacement amount. ing.
[0020]
The first vibrating body 100 includes a first fixing portion, a first spring (spring constant k1) having one end fixed to the first fixing portion, and a mass portion (mass m) connected to the other end of the first spring. ). Since the rigidity of the first spring in the direction other than the x direction is extremely higher than the rigidity in the x direction, the first spring can be expanded and contracted only in the x direction. For this reason, the mass portion is supported by the first spring so as to be displaceable only in the x direction. Here, in order to detect a change in acceleration (jerk) applied to the first vibrating body 100, the resonance frequency of the first vibrating body 100 determined by the first spring and the mass portion is determined from the frequency of change in acceleration. It is necessary to determine the first spring and the mass portion so as to be higher.
[0021]
The motion transmission unit 200 connects the mass portion of the first vibrating body 100 and the second spring of the second vibrating body 300 described later using a viscous effect generated by gas, liquid, or solid (object). The viscosity coefficient is C. The viscous force Fc generated in the motion transmitting unit 200 has a magnitude corresponding to the force received from the mass part, that is, the displacement speed of the mass part, and this viscous force Fc is transmitted to the second vibrating body 300.
[0022]
The second vibrating body 300 includes a second fixing portion and a second spring (spring constant k2) having one end fixed to the second fixing portion. As with the first spring, the second spring has extremely high rigidity in the x direction compared to the rigidity in the other y and z directions. Low , And can be expanded and contracted only in the x direction. Since the mass of the second vibrating body 300 is negligibly small, the second spring expands and contracts only by the force applied as the viscous force from the motion transmitting unit 200, but is not affected by the inertial force other than that. When the mass of the second vibrating body 300 cannot be ignored and is affected by inertial force, it is necessary to adjust the resonance frequency of the second vibrating body 300 to be higher than the frequency of change in acceleration.
[0023]
The second vibrating body displacement detection unit 400 is configured so that the displacement amount x in the x direction of the second spring that is displaced by the viscous force from the motion transmission unit 200 in this way. ₂ (T) is detected.
[0024]
Next, a procedure for obtaining jerk from an applied external force in the jerk sensor configured as described above will be described with reference to FIG.
[0025]
First, when an external force is applied (S1) and an acceleration A (t) in the x direction is generated by this external force (S2), an inertial force “m1 · A (t) proportional to the mass m1 of the mass portion and the acceleration A (t). ) "Occurs (S3).
[0026]
The first spring expands and contracts in the x direction by this inertial force, and thereby the mass portion is displaced (S4). A displacement x in the x direction of the mass portion generated at this time ₁ (T) is expressed by the following equation (4), where k1 is the spring constant of the first spring.
[0027]
[Equation 3]

When this equation (4) is differentiated over time, the displacement speed V of the mass portion ₁ (T) is obtained, which can be represented by equation (5). And in the movement transmission part 200, the displacement speed V of this mass part 10 in FIG. ₁ A viscous force Fc (t) proportional to (t) is generated (S5). This Fc (t) corresponds to the force due to viscous damping (or the force due to energy loss) transmitted from the first vibrating body 100 to the second vibrating body 300, and is transmitted as shown in the above equation (6). 200 viscosity coefficient C and mass displacement speed V ₁ The size is represented by the product of (t).
[0028]
The viscous force Fc generated in the motion transmitting unit 200 is transmitted to the second spring of the second vibrating body 300 (S6). At this time, the second spring of the second vibrating body 300 is displaced according to the viscous force Fc. Displacement amount x ₂ Assuming that (t), this is a value corresponding to Fc and the spring constant k2 of the second spring, as shown in Expression (7), and this displacement amount is detected by the second vibrating body displacement detector 400. (S7).
[0029]
Here, the displacement x ₂ (T) can be expressed as a function of jerk as shown in Equation (8). Equation (8) can be further expressed by Equation (9) by using a proportional constant B defined in Equation (10). It will be as simple as that. That is, the displacement amount x of the second vibrating body detected by the second vibrating body displacement detector 400 from the equation (9). ₂ It can be seen that (t) is proportional to the magnitude of jerk applied to the mass portion (first vibrating body). Therefore, the displacement x of the second vibrating body 300 ₂ By measuring (t) (S8), it is possible to obtain jerk generated by an external force (S9).
[0030]
A specific configuration example of the jerk sensor according to the first embodiment having the principle configuration shown in FIG. 1 will be described below.
[0031]
The jerk sensor of FIG. 1 can be realized by a structure as shown in FIG. 3, and this sensor is manufactured on a silicon substrate by using a micromachining technique. In FIG. 3, parts corresponding to those in FIG. In this sensor, all the parts other than the anchor part which is a fixed part and the second vibrating body displacement detection part 400 are made floating from the silicon substrate 1 and are movable.
[0032]
The first vibrating body 100 includes a mass portion 10, a plurality of first beams 12 (first beam bodies 12 a to 12 d and a beam frame portion 12 f), and an anchor 14. The first beams 12 are arranged on both sides of the mass portion 10 in the y direction, and the beam bodies 12a to 12d are formed with the y direction as a longitudinal direction. The

beam bodies

12a and 12b are connected to the mass portion 10 at one end side, and the beam bodies 12c arranged at the other end side in parallel with the

beam bodies

12a and 12b via a beam frame body f12 extending in the x direction. , 12d. The other ends of the

beam bodies

12c and 12d are fixed to the substrate 1 via anchors. Since each beam body 12 of the first beam 12 has a low rigidity in the x direction, it can be bent in the x direction, but has a high rigidity in the y direction and the z direction and is not displaced in the y and z directions.
[0033]
Further, the beam frame portion 12f extends in the x direction so as to bundle one ends of the plurality of first beam bodies 12a to 12d extending in the ± y direction from both sides of the mass portion 10, respectively. The beam frame portion 12f has high rigidity in the x, y, and z directions and does not bend in any direction.
[0034]
The mass portion 10 has a large area and functions as an inertial mass (mass m1). Since the mass portion 10 is supported by floating in the air from both sides by the first beam 12, when an external force is applied to the sensor and acceleration is applied to the mass portion 10, the mass portion 10 can be bent only in the x direction. Due to the action of the first beam bodies 12a-12d and the beam frame body 12f that can be produced, the mass portion 10 is allowed to be displaced only in the x direction. The amount of displacement of the mass portion 10 in the x direction at this time is based on the above equation (4) showing the relationship between the restoring force of the first beam 12 and the inertial force generated in the mass portion 10. At this time, the displacement speed V of the mass portion 10 ₁ (T) is proportional to the jerk applied as in (5) above.
[0035]
In FIG. 3, the motion transmitting unit 200 has a configuration in which comb-like protrusions are arranged to face each other alternately. One of the opposing comb teeth is a first vibrating body protrusion 210 that protrudes from a side surface crossing the x direction of the mass portion 10, and the other is a first vibration of a second mass portion 30 of the second vibrating body 300 described later. It is the 2nd vibration body protrusion part 220 which protruded from the opposing side surface with a body. In addition, gas exists between the comb teeth of the first vibrating body projecting portion 210 and the second vibrating body projecting portion 220 here. Therefore, when the first vibrating body protrusion 210 moves in the x direction due to the displacement of the mass portion 10, the movement of the first vibrating body is transmitted to the second vibrating body protrusion 220 as a viscous force due to the gas viscosity effect. The direction of the viscous force transmitted by the viscous effect is the x direction, and the magnitude thereof is proportional to the displacement speed of the first vibrating body 100, that is, the jerk applied to the first vibrating body 100. Here, there is no limitation on the gas that exerts the viscous effect, and any gas can be used. However, the viscous force of the gas generated in the motion transmission unit 200 is the first vibrating body protruding portion 210 and the second vibrating body protruding portion 220. Is proportional to the overlap area of the combs (protrusions) facing each other and the viscosity coefficient of the gas used.
[0036]
The second vibrating body 300 includes a second vibrating body base 30, a second beam 32, and an anchor 34. The second vibrating body base 30 has the second vibrating body protrusion 220 on the side facing the mass portion, and the second beam 32 extends from both side surfaces of the base 30 in the y direction. The other end is fixed to the substrate 1 by an anchor 34. Therefore, the second vibrating body base 30 is supported by the second beam 32 in a floating manner on the substrate from the portion of the anchor 34. The second beam 32 is formed so that the rigidity in the y and z directions is larger than that in the x direction, and can be displaced only in the x direction, like the first beam.
[0037]
The second vibrating body base 30 is designed to have a small area and a negligible mass. Accordingly, the inertial force acting on the base 30 is negligibly small. Further, the base 30 has high rigidity in all the x, y, and z directions, and the base 30 itself is not deformed. Further, as described above, from the side surface of the second vibrating body base 30 that faces the side surface where the protrusion 220 is formed, the second vibrating body displacement detection unit 400 described later for detecting the displacement of the second vibrating body base 30 is provided. An electrode is formed so as to protrude.
[0038]
As described above, when the viscous force from the motion transmission unit 200 is transmitted to the second vibrating body base 30 via the protrusion 220, the base 30 is caused by the second beam 32 that allows the displacement of the base 30 only in the x direction. , Displaced in the x direction. The amount of displacement in the x direction at this time is x shown in the above equation (7). ₂ (T), displacement x ₂ (T) is a value proportional to the jerk applied to the sensor, as shown in equation (9).
[0039]
The second vibrating body displacement detection unit 400 includes a displacement electrode 410 and a capacitance detection electrode 420 that have a narrow gap and face each other. The displacement electrode 410 is an electrode formed to protrude from the base 30 and has a shape in which comb teeth protrude from the tip of the protrusion extending from the base 30 in the x direction and from the middle in the y direction. Further, the capacitance detection electrode 420 has a shape in which the comb teeth extend in the y direction so as to mesh with the comb teeth of the displacement electrode 410 from the electrode pad 430 that also serves as an anchor.
[0040]
When the second vibrating body base 30 is displaced in the x direction, the comb teeth extending in the y direction of the displacement electrode 410 are displaced in the x direction accordingly. Since the comb teeth extending in the y direction of the capacitance detection electrode 420 are provided so as to mesh with the comb teeth of the displacement electrode 410, the displacement of the second vibrating body 300 in the x direction is changed to the two electrodes 410. , 420 (comb teeth of both electrodes) (c _s ). This change in capacitance can be detected using a switched capacitor type capacitance detection circuit 500 as shown in FIG.
[0041]
In the switched capacitor type capacitance detection circuit 500, a switch for supplying the electrode pad 430 and the power source VB at a predetermined timing is provided in the negative input path of the amplifier, and the switch is switched at the predetermined timing. 11) As shown as sensor capacitance (capacitance) C _s The output voltage Vout corresponding to the ratio of the capacitor C1 connected between the amplifier negative input and output Vo and the power supply voltage VB is obtained. Note that the anchor 34 of the second vibrating body 300 integrated with the displacement electrode 410 is at a ground potential. In terms of an equivalent circuit, the displacement electrode 410 and the capacitance detection electrode 420 are provided between the switch of the circuit 500 and the ground. An electrostatic capacitance Cs as an electrode is connected.
[0042]
By connecting the electrode pad 430 to the switched capacitor type capacitance detection circuit 500 in this way, the displacement of the second vibrating body 300 in the x direction can be converted into a voltage change, which is applied to the sensor (mass unit 10). A voltage output Vout proportional to the jerk thus obtained is obtained.
[0043]
Here, in the above description, in the configuration shown in FIGS. 3 and 4, the rigidity of the first beam 12 and the second beam 32 is reduced only in the x direction. However, if each beam stiffness of the

nuclear beams

12 and 32 is similarly reduced in the z direction, each beam can be displaced in the z direction, so that jerk in the z direction can also be measured. Become.
[0044]
Next, an example in which the beam shape of the jerk sensor according to this embodiment shown in FIGS. 3 and 4 is modified will be described with reference to FIGS. In the sensor structure shown in FIG. 3 described above, the

first beam bodies

12a and 12b extend from both sides of the mass portion 10 to both sides, respectively, and the two

first beam bodies

12a and 12b on the same side are beam frame portions. 12f are connected.
[0045]
On the other hand, in the first beam 12 of FIG. 5, two first beam bodies extend from each corner of the mass portion 10 (12a1 and 12a2, 12b1 and 12b2). The first beam bodies 12a1 and 12a2 are supported by beam bodies 12c1 and 12c2 extending from the two anchors 14, respectively, and the first beam bodies 12b1 and 12b2 are supported by the beam bodies 12d1 and 12d2, respectively. (Folded beam) 13. In other words, the first beams 12 extending in a floating direction from the mass portion 10 in the y direction are folded back at the end portions in the y direction and returned to the anchors 14 provided near the mass portion 10 where they are fixed to the substrate. Also, the second beam 32 is configured by a folded beam 33 like the first beam 12, unlike the beam 32 of FIG. 3. The other points are substantially the same as those in FIG.
[0046]
Next, in the sensor shown in FIG. 6, a straight beam 15 is used as the first beam 12, and the beam 15 extends straight from each corner of the mass portion 10 in the y direction. The second beam 32 is a straight beam 35 as in the sensor of FIG. Here, the two second beams 32 in FIG. 3 are connected to the common anchor 34, each extending from the second vibrating body base 30 to both sides in the y direction. On the other hand, the second beams 32 in FIG. 6 are connected to anchors 34 formed individually.
[0047]
In the sensor shown in FIG. 7, the folded

beams

13 and 33 are employed for both the first beam 12 and the second beam 32, respectively, as in FIG. Moreover, the shape of the 1st vibrating body protrusion part 212 and the 2nd vibrating body protrusion part 222 which comprise the motion transmission part 200 differs from each above-mentioned sensor. Specifically, as shown in an enlarged view in FIG. 7, the comb teeth arranged so that the

protrusions

212 and 222 mesh with each other extend in the y direction. It is different from the sensor.
[0048]
In the present embodiment, any of the sensor structures shown in FIG. 3 and FIGS. 5 to 7 described above may be adopted, and the first and second beam structures shown in the respective drawings are further separated for the beam structure. It may be replaced with a combination.
[0049]
In the present embodiment, it is preferable that the first beam 12 that supports the mass portion 10 has a linear restoring force with respect to displacement. Therefore, the first beam 12 is preferably a folded beam as shown in FIG. 3 or FIG. 5 and FIG. Although it is possible to employ the straight beam 5 as shown in FIG. 6, the straight beam 15 is a non-linear spring, and the magnitude of the applied jerk and the mass portion 10 supported by the straight beam 15. This is because the measurement is complicated because the displacement speed is not proportional.
[0050]
When the displacement of the second beam 32 is large, it is preferable to adopt a folded beam 33 as shown in FIGS. This is because, when the displacement is large, it is preferable that the restoring force is linear in order to improve accuracy. Further, as shown in FIG. 7, the motion transmission unit 200 is parallel to the longitudinal direction of the first beam 12. In other words, the first and second motion transmitting units 200 are orthogonal to the displacement direction (x direction) of the first beam 12. The shape in which the comb teeth of the second vibrating body protrusions extend is more suitable. This is because the projection area as shown in FIG. 7 has a larger actual area for transmitting the displacement in the x direction of the first and second vibrating body protrusions, and the movement of the mass portion 10 is efficiently performed by the second vibrating body 300. It is because it becomes easy to tell to.
[0051]
In the above description, the case where the motion transmission in the motion transmission unit 200 is realized by interposing a gas is taken as an example. However, the method is not limited to gas, and other methods for generating a viscous effect, for example, a liquid having viscosity or a solid material having energy loss may be used.
[0052]
FIG. 8 shows an example in which a liquid having viscosity is used for the motion transmission unit 200, but the liquid only needs to be present in at least the opposing gap of the first and second vibrating body protrusions. Any liquid can be used if only the point of exhibiting the viscous effect is considered. However, the viscous force generated in the motion transmitting unit 200 is generated between the comb teeth of the first and second vibrating

body protrusions

210 and 220. It is inversely proportional to the gap, and is proportional to the overlapping area of the comb teeth facing each other and the viscosity coefficient of the liquid used. Therefore, it is preferable to select the liquid in consideration of the jerk to be detected, the sensor size, and the like. It is also desirable to use a liquid that does not easily deteriorate such as corroding the sensor, particularly the first and second vibrating body protrusions.
[0053]
FIG. 9 shows an example in which a solid having energy loss is used for the motion transmitting unit 200 as a substance that generates a viscous effect, instead of the gas or liquid. In this case, the mass part 10 is connected to one end of the transmission solid, and the second vibrating body 30 is connected to the other end. The function of this motion transmission solid is the same as the gas and liquid described above, the displacement speed v of the mass portion 10. ₁ It exhibits a viscous effect according to (t), and a polymer material such as rubber or plastic is suitable. Any solid can be used. However, since the viscous force (energy loss) corresponds to the shape of the solid and the viscosity coefficient of the solid, it is preferable to select an appropriate solid in consideration of the detected acceleration and sensor size. In addition, it is desirable to use an appropriate material in consideration of the manufacturing process, sensor size, and the like.
[0054]
In addition to using the capacitance change as the displacement detection method of the second vibrating body, it is also possible to use light, magnetism, piezoelectricity, and other methods.
[0055]
Next, an example of a manufacturing process of the sensor according to the present embodiment will be described with reference to FIG. In addition, process drawing (a)-(e) of FIG. 10 has shown the state in each process in the cross section along the AA of FIG. Silicon, nickel, iron, and other metals can be used as the sensor material. Hereinafter, a manufacturing method using a micromachining technique using a silicon substrate as the substrate 1 will be described.
[0056]
(I) An oxide film 2 is formed on the silicon substrate 1, and a silicon active layer 4 is further formed thereon (a). Here, since silicon on the oxide film of the silicon substrate is used as an electrode, the resistance value of the active layer is preferably about 10Ω or less. However, the second vibration body displacement detector 400, that is, the displacement electrode 410 extending from the second vibration body 300, In addition, since only the capacitance detection electrode 420 and the electrode pad 430 are required to be conductive, only the formation region thereof may be ion-implanted into the silicon layer to partially reduce the resistance.
[0057]
(Ii) Next, a resist is applied on the silicon active layer 4, and exposure and development are performed to form a mask pattern 6 on the silicon active layer (b). This mask pattern 6 corresponds to the pattern of each part of the sensor.
[0058]
(Iii) Using the resist on the silicon active layer 4 as a mask, the silicon active layer is etched to remove the silicon active layer in a region not covered with the mask (c).
[0059]
(Iv) Next, using hydrofluoric acid, the oxide film 2 is removed with hydrofluoric acid from the exposed portion of the silicon active layer removed by the etching (d). Thus, the mass portion 10 and the first beam 12 of the first vibrating body 100, the base 30 and the second beam 32 of the second vibrating body 300, and the lower layers of the

protrusions

210 and 220 of the motion transmitting portion 200, which are each made of a silicon active layer. The oxide film 2 is removed, and these have a structure floating from the surface of the substrate 1. The oxide film 2 is not removed at the

anchors

14 and 34 and the electrode pad 430 in FIG.
[0060]
(V) Next, an electrode material is formed in the formation region of the electrode pad 430 (e).
[0061]
The flat pattern sensor as shown in FIG. 3 according to the first embodiment is obtained only through the simple steps as described above. If a capacitance detection circuit is connected to the obtained sensor as shown in FIG. 4, jerk data can be obtained.
[0062]
<Embodiment 2>
Next, the jerk sensor according to the second embodiment will be described. FIG. 11 conceptually shows this sensor. The operation principle is the same as that of the sensor according to the first embodiment.
[0063]
The first beam 12 extends with the y direction as a longitudinal direction, one end side of the first beam 12 in the y direction is fixed to the substrate via an anchor 140, and the other end side is connected to the mass portion 10. Since the first beam 12 has a low rigidity in the x direction, it can be bent in the x direction. However, the first beam 12 has a high rigidity in the z direction in the y direction and the normal direction of the paper surface, and is not displaced in the y and z directions.
[0064]
Since the mass portion 10 is supported by the first beam 12 so as to float from the substrate, when an external force in the x direction is applied to the sensor, acceleration acts on the mass portion 10 and the mass portion is displaced only in the x direction. Displacement amount x of mass portion 10 at this time ₁ (T) coincides with the above-described formula (4) indicating the restoring force by the first beam 12 and the inertial force generated in the mass portion 10.
[0065]
The motion transmitting unit 200 includes a first vibrating body protrusion 210 connected to the mass part 10 and a second vibrating body protrusion 220 connected to the second beam 32. The comb teeth of the

protrusions

210 and 220 are both They are arranged so as to extend in the x direction and mesh with each other. In addition, a viscous liquid exists between the comb teeth of the protruding

portions

210 and 220 facing each other. For this reason, when the comb connected to the mass portion 10 moves, the motion of the first beam 12 is transmitted to the second beam 32 as a viscous force due to the viscous effect of the liquid. The direction of the viscous force transmitted by the viscous effect is the x direction, and the magnitude thereof is proportional to the jerk applied to the mass portion 10. Here, the liquid used for the motion transmission unit 200 is not limited, and any liquid can be used. However, the viscous force of the liquid generated in the motion transmission unit 200 depends on the first and second vibrating

body protrusions

210 and 220. It is inversely proportional to the gap between the comb teeth, and is proportional to the overlapping area of the facing comb teeth and the viscosity coefficient of the liquid used. Therefore, as in the first embodiment, it is preferable to select the liquid in consideration of the jerk to be detected and the sensor size.
[0066]
The second beam 32 extends in the y direction from the anchor 140 common to the first beam 12, is connected to the second vibrating body protrusion 220, and supports the protrusion 220. Similar to the first beam 12, the rigidity is low only in the x direction and the rigidity is high in the y direction and the z direction, so that it can be displaced only in the x direction. The mass of the second beam 32 is negligibly small and is not affected by the inertial force. A jerk is applied to the mass unit 10 and a corresponding viscous force is transmitted from the motion transmitting unit 200 to the second vibrating body protrusion 220, and the second beam 32 is accordingly transmitted in the x direction in the above formula (7 X shown in ₂ Displace by (t). The magnitude of this displacement is proportional to the jerk applied to this sensor as shown by the above equation (9). Therefore, the jerk can be detected with high accuracy even by the sensor having the configuration as in the second embodiment.
[0067]
In the second vibrating body displacement detection unit 400, in addition to the configuration using the change in capacitance described with reference to FIG. 4 in the first embodiment, any method such as a magnetic field, light, or ultrasonic waves is used. In other words, it is only necessary to detect the displacement of the second vibrating body (here, the second beam 32) in the x direction.
[0068]
<Embodiment 3>
A jerk sensor according to the third embodiment will be described with reference to FIG. The operation principle of the sensor is the same as that in FIG. 4 described above, and the difference from the above-described second embodiment is the configuration of the motion transmission unit 200.
[0069]
In the motion transmitting portion 200, a protruding portion extends in the x direction from the mass portion 10, and a plate (hereinafter referred to as a perforated plate) 214 having a large number of holes at its tip and extending in the y direction is connected. Further, the second beam 32 is connected to a housing 224 in which a viscous liquid is sealed, and a perforated plate 214 connected to the mass portion 10 is slidable inside the housing 224. Is arranged. When the mass plate is displaced and the perforated plate connected thereto moves, the movement of the first beam 12 is transmitted as a viscous force to the second beam 32 through the housing 224 due to the viscosity effect of the liquid. The direction of the viscous force transmitted by the viscous effect is the x direction, and the magnitude thereof is the velocity v of the mass portion. ₁ (T), that is, proportional to the jerk applied to the mass portion. The liquid used here is not particularly limited, and any liquid including water and oil can be used. However, the viscous force of the liquid generated in the motion transmitting unit 200 is a perforated plate 214 connected to the mass unit 10. Is inversely proportional to the pore diameter and number of the liquid and is proportional to the viscosity coefficient of the liquid used. Therefore, it is preferable to select an appropriate liquid according to the jerk detected, the sensor size, and the like as in the above embodiment.
[0070]
The displacement amount of the mass portion 10 is expressed by the above equation (4) of the 12 restoring force of the first beam and the inertial force generated in the mass portion 10, and a force (viscous force) according to the displacement speed of the mass portion 10 moves. It is transmitted to the second beam 32 via the transmission unit 200. Then, according to the force, the second beam 32 is x determined by the equation (7) in the x direction. ₂ Displace by (t). And as already explained, this displacement x ₂ (T) is proportional to the jerk applied to the sensor, as expressed in equations (8) and (9). Therefore, the second vibrating body displacement detection unit 400 can obtain the jerk by detecting the displacement amount of the second beam 32 as a change in capacitance or using a magnetic field, light, or ultrasonic wave.
[0071]
【The invention's effect】
As described above, according to the jerk sensor according to the present invention, the second vibrating body is displaced by the viscous force corresponding to the generated jerk using the object viscosity effect in the motion transmission unit. Therefore, the displacement amount of the second vibrating body becomes a value proportional to the jerk, and by measuring this displacement amount, the jerk can be measured without electrically differentiating the acceleration signal, and it is not affected by electric noise. It is possible to detect jerk with high accuracy with a simple circuit configuration.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram showing the principle of a jerk sensor according to the present invention.
FIG. 2 is a diagram showing a measurement procedure of a jerk sensor of the present invention.
FIG. 3 is a diagram illustrating a configuration example of a jerk sensor according to the first embodiment of the present invention.
4 is a diagram showing a configuration of a detection circuit that obtains a jerk signal from the acceleration sensor shown in FIG. 3. FIG.
FIG. 5 is a diagram showing a configuration example different from FIG. 3 of the jerk sensor of the present invention.
6 is a diagram showing a configuration example of the jerk sensor according to the present invention which is further different from those shown in FIGS. 3 and 5. FIG.
FIG. 7 is a diagram showing still another configuration example of the jerk sensor of the present invention.
FIG. 8 is a diagram showing an example in which a liquid is used for a motion transmission unit in the jerk sensor of the present invention.
FIG. 9 is a diagram illustrating an example in which a solid is used for a motion transmission unit in the jerk sensor of the present invention.
FIG. 10 is a process diagram showing a manufacturing process of the jerk sensor of the present invention.
FIG. 11 is a diagram illustrating a configuration of a jerk sensor according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 12 is a diagram showing a configuration of a jerk sensor according to a third embodiment of the present invention.
FIG. 13 is a diagram showing a configuration of a jerk detecting device using a conventional acceleration sensor.
FIG. 14 is a diagram for explaining a problem in a conventional jerk detection device.
[Explanation of symbols]
1 substrate, 2 insulating film, 4 silicon layer (silicon active layer), 6 mask pattern (resist), 12, 13, 15 first beam, 12a, 12b, 12c, 12d first beam body, 12f beam frame portion, 14 , 34, 140 Anchor, 30 Second vibrator base, 32, 33, 35 Second beam, 100 First vibrator, 200 Motion transmission part, 210, 212 First vibrator protrusion, 220, 222 Second vibrator Projection part, 300 2nd vibration body, 400 2nd vibration body displacement detection part, 410 displacement electrode, 420 capacitance detection electrode, 430 electrode pad, 500 signal processing circuit (switched capacitor type capacitance detection circuit).

Claims

A first vibrator that includes a beam and a mass portion that are displaced by an external force, and is set so that a resonance frequency determined by the beam and the mass portion is higher than a frequency of change in acceleration ;
A motion transmitting unit that transmits the movement of the mass part by a viscous effect and generates a viscous force according to a displacement speed of the mass part ;
Wherein it is displaceable by viscous effects in the motion transmitting portion, and a second vibrator which the resonance frequency of that is set to be higher than the frequency of change of the acceleration imparted by said motion transmitting portion,
A displacement detector for detecting a displacement amount of the second vibrating body,
A jerk sensor characterized in that a jerk given by the external force is obtained from a displacement amount detection signal of the second vibrating body from the displacement detector .