JP4779423B2 - 振動型圧電加速度センサ素子とこれを用いた振動型圧電加速度センサ - Google Patents
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Description
本発明は加速度の測定や、車両等の移動体の姿勢制御および制御システムに用いられる振動型圧電加速度センサ素子とこれを用いた振動型圧電加速度センサに関する。
図６は従来の加速度センサの構成を示した断面図である。ダイヤフラム２が形成されたチップ１の上面の、ダイヤフラム２の部分には複数個の感歪抵抗３が設けられている。チップ１の上面の他の部分には加速度演算用の半導体集積回路と、この半導体集積回路の特性調整用の薄膜抵抗４とが設けられている。そして感歪抵抗３の上を除き少なくとも薄膜抵抗４の上を含む部分に保護膜５が形成されている。加速度が加わると、ガラス製のおもり６に応力が作用して、この応力により感歪抵抗３の抵抗値が変化する。この変化を測定することにより加速度が検出される。
なお、この出願の発明に関連する先行技術文献情報としては、例えば、特許文献１が知られている。
また、図７は従来の他の加速度センサの構成を示したブロック図である。この加速度センサは、加速度に対応する信号を出力する圧電体素子１１と、出力された信号のインピーダンスを変換する変換部１２と、不要な信号を除去するフィルタ部１３と、必要な信号を増幅する増幅部１４とを有する。さらに、外部から入力されるタイミング信号の周期に同期した交流信号を出力する交流信号出力部１６を有する。交流信号出力部１６と圧電体素子１１との間には、コンデンサ１７が直列接続されている。そしてこの加速度センサから出力された電圧信号は、マイクロコンピュータからなる測定・演算部１８及び制御部１５に取り込まれるようになっている。
なお、この出願の発明に関連する先行技術文献情報としては、例えば、特許文献２が知られている。
特開平５−２８８７７１号公報
特開平５−８００７５号公報
しかしながら、上記従来の構成では、感歪抵抗３や圧電体素子１１によって加速度を検出している。このような半導体抵抗歪により加速度を検出する方式では、数％の抵抗値の変化しか得られず抵抗値変動も大きい。そのうえ、抵抗値が信号処理回路の温度変化の影響を受けるので、正確な加速度検知ができない。
また、静的な重力加速度等の成分検出は検出構造から困難と思われる。すなわち、半導体抵抗歪により変位速度を検出する構成では、静的な重力等の加速度は検出することができない。
本発明は静および動の加速度検知をノイズ等の耐環境変化を受けずに安定した検出ができ、厳しい温度変化の環境下においても安全に走行制御することができる振動型圧電加速度センサ素子とこれを用いた振動型圧電加速度センサを提供することを目的とするものである。
この目的を達成するために、本発明は以下の構成を有する。
本発明の請求項１に記載の発明は、フレームと、このフレームに一端が支持された振動板と、この振動板の他端を支持する支持体と、この支持体を前記振動板の長手方向に往復運動するように保持してなる第１、第２の保持部と、前記振動板上に形成した下部電極と、この下部電極上に形成した圧電薄膜と、この圧電薄膜上に形成した上部電極とからなり、前記支持体は前記振動板の前記一端と前記他端とを結ぶ軸線方向に往復運動し得るように前記一端が前記第１の保持部を介して上面視右側で前記フレームに保持され、前記他端が前記第２の保持部を介して上面視左側で前記フレームに保持されており、前記第１、第２の保持部は梁状の交互に反対方向に折れ曲がったバネ構成であり、外部より加速度が加わると、前記第１、第２の保持部を介して支持体に伝搬して前記振動板が前記軸線方向に伸縮し、前記振動板の固有振動数の変化に基づいて前記加速度を検出するよう構成した振動型圧電加速度センサ素子であり、加速度により高い共振周波数の変化率を得ることができるため、温度変化の影響を受けず加速度を高精度で検出することができる。
請求項１０に記載の発明は、請求項１に記載の振動型圧電加速度センサ素子のフレームを保持して取り付けて静および動の加速度を検出するようにした振動型圧電加速度センサであり、加速度により高い共振周波数の変化率を得ることができるため、温度変化の影響を受けず加速度を高精度で検出することができる。
以上のように本発明は、フレームと、このフレームに一端が支持された振動板と、この振動板の他端を支持する支持体と、この支持体を前記振動板の長手方向に往復運動するように保持してなる第１、第２の保持部と、前記振動板上に形成した下部電極と、この下部電極上に形成した圧電薄膜と、この圧電薄膜上に形成した上部電極とからなり、前記支持体は前記振動板の前記一端と前記他端とを結ぶ軸線方向に往復運動し得るように前記一端が前記第１の保持部を介して上面視右側で前記フレームに保持され、前記他端が前記第２の保持部を介して上面視左側で前記フレームに保持されており、前記第１、第２の保持部は梁状の交互に反対方向に折れ曲がったバネ構成であり、外部より加速度が加わると、前記第１、第２の保持部を介して支持体に伝搬して前記振動板が前記軸線方向に伸縮し、前記振動板の固有振動数の変化に基づいて前記加速度を検出するよう構成した振動型圧電加速度センサ素子であり、加速度により高い共振周波数の変化率を得ることができるため、温度変化の影響を受けず加速度を高精度で検出することができる。
以下、本発明の実施の形態について、図を用いて説明する。
図１は本発明の実施の形態における振動型圧電加速度センサ素子の構成を示す上面図、図２はその加速度センサ素子における振動板の構成を示す斜視図である。
フレーム３１の内部には、固有振動周波数を有する振動板２３Ａが設けられている。支持体３３は振動板２３Ａを保持し、振動板２３Ａの固有振動周波数を変化させる。保持部３２は支持体３３を保持している。支持体３３、保持部３２もまたフレーム３１の内部に設けられている。
振動板２３Ａは梁状で、互いに対向する基部３４Ａ，３４Ｂを有し、一方の基部（第１端）３４Ａがフレーム３１に、もう一方の基部（第２端）３４Ｂが支持体３３に釣られるように支持されている。図１では支持体３３は、右側２箇所、左側１箇所でフレーム３１に支持されている。この支持体３３は梁状の交互に反対方向に折れ曲がったバネ構造を有する保持部３２で支持している。この構成により、矢印Ｇで示された紙面左右方向に印加される加速度による力によって支持体３３が振動板２３Ａの長手方向に往復運動することにより、振動板２３Ａは支持体３３の往復運動と同方向の伸縮が作用することとなる。つまり、支持体３３は紙面左右方向に往復運動可能なように拘束されている。そのため、支持体３３は振動板２３Ａの長手方向に往復運動を行うことにより振動板２３Ａに支持体３３の動きと同方向の伸縮が作用する。したがって、振動板２３Ａに加速度による力に基づく伸縮が作用すると、振動板２３Ａが支持体３３の動きと直交する方向に伸縮運動することとなる。この構成の振動型圧電加速度センサ素子（以下、素子）３５は、加速度により高応答かつ高感度で振動板２３Ａが伸縮するため、温度変化の影響を受けず加速度を高応答かつ高精度で検出する。
なお、支持体３３に質量を付加するおもり３３Ａを設けて感度（変換効率）を高めることができる。すなわち、加速度による支持体３３の変位量が大きくなり、比例して振動板２３Ａの伸縮も大きくなるため、加速度を高感度で検出することができる。
アーム２３Ｂは振動板２３Ａの共振先鋭度を大きくするために設けられている。アーム２３Ｂは共振先鋭度を少なくとも２〜３倍程度増加し、この共振先鋭度の増加により検出精度が向上する。アーム２３Ｂは、基部３４Ａから基部３４Ｂへの方向と平行な平行部２３Ｃと平行部２３Ｃに垂直で、振動板２３Ａに接続された接続部２３Ｄとを有し、振動板２３Ａに対し、対称に設けられている。また、図２に示すように、アーム２３Ｂは振動板２３Ａと直交し二等分する中心軸５２に対称になるように設けられていることが好ましい。
また、図２に示すように振動板２３Ａは二酸化ケイ素（ＳｉＯ2）層２２の上に形成されたシリコン（Ｓｉ）層２３と、Ｓｉ層２３の上に形成された下部電極層２４と、下部電極層２４の上に形成された圧電薄膜層２５とを有する。さらに圧電薄膜層２５の上に形成された上部電極層としての駆動電極層２６Ｂと検出電極層２６Ａから構成されている。そして駆動電極層２６Ｂと検出電極層２６Ａは図１に示すように、振動板２３Ａを構成する梁状の中央部に沿ってフレーム３１まで形成されている。この構成では、保持部３２の中央部は最も振動が小さく、変位による起電力が発生せず振動板２３Ａの共振周波数への変調信号が重畳されにくいため、振動板２３Ａのみの共振周波数の信号が検出される。
さらに、駆動電極層２６Ｂと検出電極層２６Ａには、フレーム３１まで伸びた所定部分に取り出し電極５１Ａ，５１Ｂが設けられ、制御回路（図示せず）に接続されていることが好ましい。すなわち、上部電極層である駆動電極層２６Ｂと検出電極層２６Ａとが保持部３２の梁状の中央部に沿ってフレーム３１の外縁に延出している。このように、振動しないフレーム３１に取り出し電極５１Ａ，５１Ｂを設けることにより、振動板２３Ａの振動に影響を与えることがないため、温度変化の影響を受けず加速度が高精度で検出される。
また、保持部３２は、図１に示すように支持体３３を梁状に、交互に反対方向に折れ曲がったバネ構造で保持していることが好ましい。これにより加速度により高応答かつ高感度で振動板２３Ａが伸縮する。
さらに、駆動電極層２６Ｂと検出電極層２６Ａは中心軸５２に対称になるように形成されていることが好ましい。これにより等分された振動板２３Ａの有効面積において、振動板２３Ａによる駆動と振動板２３Ａからの検出とが行われる。そのため検出感度が向上する。
次に、素子３５の動作について説明する。図３は本発明の実施の形態における振動型圧電加速度センサの構成を示す模式図である。
素子３５において、検出信号ライン（以下、ライン）３６Ａは検出電極層２６Ａに、駆動信号ライン（以下、ライン）３６Ｂは駆動電極層２６Ｂにそれぞれ接続されている。増幅回路３８は微弱な信号を増幅するとともに、図２に示す素子３５の振動板２３Ａを駆動する。Ｆ／Ｖ変換器３９は入力信号の周波数を電圧に変換する。ＡＧＣ回路４０は増幅回路３８の出力信号の電圧レベルを制御する。
素子３５は、フレーム３１が保持されて振動型圧電加速度センサ（以下、センサ）４１内に取り付けられている。そしてセンサ４１に電源が入力されると、ノイズ等何らかの信号が増幅回路３８に入力され増幅される。そしてこの増幅された信号はライン３６Ｂを通して駆動電極層２６Ｂに入力され振動板２３Ａを振動させる。その結果、圧電薄膜層２５から検出電極層２６Ａに電荷が励起され、信号が検出電極層２６Ａからライン３６Ａを通して増幅回路３８に入力される。そしてこの閉ループの動作が繰り返され、素子３５は固有振動の共振周波数で安定した定常状態となる。この固有振動の共振周波数信号がＦ／Ｖ変換器３９に入力され所定の電圧に変換される。Ｆ／Ｖ変換器３９は加えられた加速度により振動板２３Ａが伸縮することで変化する振動板２３Ａの固有振動の共振周波数を検知する検知部として機能する。検知部ＡＧＣ回路４０は、増幅回路３８から出力される電圧レベルが大きくなり、信号に歪が生じる場合に動作して誤差なく正確にＦ／Ｖ変換器３９が動作するように制御する。
外部より加速度が加わると、支持体３３に振動板２３Ａの長手方向へ往復運動する慣性力が加わり、この往復運動により定常状態で振動する振動板２３Ａが伸縮する。このため振動板２３Ａの固有振動の共振周波数が変化し、この固有振動の共振周波数の変化が加速度に対応して検出される。この構成では、加速度が加わると高い共振周波数の変化率が得られるため、温度変化の影響を受けず加速度が高精度で検出される。
次に、素子３５の製造方法について説明する。図４（Ａ）〜図４（Ｆ）は本発明の実施の形態における振動型圧電加速度センサ素子の製造方法を示す断面図である。なおこれらの図では振動板２３Ａの詳細な形状は省略して示している。
図４（Ａ）に示すようにＳｉからなる基板２１の上にエッチングをストップさせるためのＳｉＯ2からなるエッチングストッパー２２を形成し、エッチングストッパー２２の上にＳｉ層２３を形成する。例えば、基板２１の厚みは２０μｍ、エッチングストッパー２２の厚みは２μｍ、Ｓｉ層２３の厚みは３００μｍである。
そして、図４（Ｂ）に示すようにＳｉ層２３の上に高周波スパッタリングを用いてチタン（Ｔｉ）を厚み５ｎｍ形成し、さらに白金を厚み０．２μｍ形成して下部電極層２４を形成する。そしてこの白金の上にチタン酸塩・ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）からなる圧電薄膜層２５を厚み２５μｍ形成する。さらに所定パターンになるようにメタルマスクを用いて圧電薄膜層２５の上に蒸着によりＴｉ層を厚み１０ｎｍ形成し、同様にこのＴｉ層の上に蒸着により金を厚み０．３μｍ形成し、所定のパターンの上部電極層２６を形成する。ＰＺＴで圧電薄膜層２５を形成することにより加速度により高い共振周波数の変化率を得ることができるため、温度変化の影響を受けず加速度を高精度で検出することができる。
そしてエッチング用のマスクとして上部電極層２６の金の上など、図４（Ｃ）における側溝２８以外の部分にレジスト２７Ａを形成した後、図４（Ｃ）に示すようにエッチングにより側溝２８を形成する。ここで、振動板２３Ａ以外に、支持体３３、保持部３２を、Ｓｉ層２３を含んで構成することにより、加えた加速度の変化によって振動板２３Ａに生じる応力に対応する共振周波数の変化の安定性が向上する。
次に、図４（Ｄ）に示すように基板２１の裏面に所定パターンのレジスト２７Ｂを形成し、基板２１の裏面をエッチングすることによりホール２９を形成する。そして図４（Ｅ）に示すようにレジスト２７Ａの面から再びエッチングして側孔３０を形成する。さらにレジスト２７Ｂを除去し、図４（Ｆ）に示すように振動板２３Ａを薄くかつ梁状に形成する。最後にレジスト２７Ａを除去する。このようにして振動板２３Ａを含む素子３５を形成する。
次に、本発明の振動型圧電加速度センサを用いた応用例について説明する。図５は本実施の形態による振動型圧電加速度センサを用いたブレーキ制御システムを示す模式図である。車体４２には、前輪４３Ａ、４３Ｂ、後輪４８Ａ、４８Ｂ、ブレーキ装置４４、ハンドル４５、ブレーキ制御回路（以下、制御部）４６が取り付けられている。また車体４２は進行方向４７へ進んでいる。
センサ４１は加速度を検知し、制御部４６はその加速度の出力信号を処理し、処理した信号をブレーキ装置４４に伝送する。制御部４６は、前輪４３Ａ、４３Ｂ、後輪４８Ａ、４８Ｂがブレーキ装置４４によりロックしないように制御し、安全な運転制御を可能としている。例えば進行方向４７のようにハンドル４５を左に切った場合には車体４２が左に方向転換する。このとき制御部４６は、回転する進行方向のタイヤの外周側である前輪４３Ｂ、後輪４８Ｂと内周側である前輪４３Ａ、後輪４８Ａのブレーキの効き具合を変える。これによりタイヤのスリップ事故が未然に防止され、車体４２は安全に制御される。
なお、センサ４１が受ける加速度は、車体４２に対する設置位置によって若干異なる。そのため、センサ４１の配置は平均的な加速度の検知を行うという観点から車体４２の中央に設けるのが望ましい。
本発明の振動型圧電加速度センサ素子および振動型圧電加速度センサは、安全ブレーキシステムその他、地球上における重力を静止の加速度検知として利用することができると共に静止の加速度検知は傾斜角として検知するセンサとして用いることができ、傾斜角検知は高度を含めた３次元立体型ナビゲーション装置を実用化させることも可能である。
１ チップ
２ ダイヤフラム
３ 感歪抵抗
４ 薄膜抵抗
５ 保護膜
６ おもり
１１ 圧電体素子
１２ 変換部
１３ フィルタ部
１４ 増幅部
１５ 制御部
１６ 交流信号出力部
１７ コンデンサ
１８ 測定・演算部
２１ 基板
２２ 二酸化ケイ素層（エッチングストッパー）
２３ シリコン層
２３Ａ 振動板
２３Ｂ アーム
２３Ｃ 平行部
２３Ｄ 接続部
２４ 下部電極層
２５ 圧電薄膜層
２６Ａ 検出電極層
２６Ｂ 駆動電極層
２７Ａ，２７Ｂ レジスト
２８ 側溝
２９ ホール
３０ 側孔
３１ フレーム
３２ 保持部
３３ 支持体
３３Ａ おもり
３４Ａ，３４Ｂ 基部
３５ 振動型圧電加速度センサ素子
３６Ａ 検出信号ライン
３６Ｂ 駆動信号ライン
３８ 増幅回路
３９ Ｆ／Ｖ変換器
４０ ＡＧＣ回路
４１ 振動型圧電加速度センサ
４２ 車体
４３Ａ，４３Ｂ 前輪
４４ ブレーキ装置
４５ ハンドル
４６ ブレーキ制御回路（制御部）
４７ 進行方向
４８Ａ，４８Ｂ 後輪
５１Ａ，５１Ｂ 取り出し電極
５２ 中心軸
２ ダイヤフラム
３ 感歪抵抗
４ 薄膜抵抗
５ 保護膜
６ おもり
１１ 圧電体素子
１２ 変換部
１３ フィルタ部
１４ 増幅部
１５ 制御部
１６ 交流信号出力部
１７ コンデンサ
１８ 測定・演算部
２１ 基板
２２ 二酸化ケイ素層（エッチングストッパー）
２３ シリコン層
２３Ａ 振動板
２３Ｂ アーム
２３Ｃ 平行部
２３Ｄ 接続部
２４ 下部電極層
２５ 圧電薄膜層
２６Ａ 検出電極層
２６Ｂ 駆動電極層
２７Ａ，２７Ｂ レジスト
２８ 側溝
２９ ホール
３０ 側孔
３１ フレーム
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３３Ａ おもり
３４Ａ，３４Ｂ 基部
３５ 振動型圧電加速度センサ素子
３６Ａ 検出信号ライン
３６Ｂ 駆動信号ライン
３８ 増幅回路
３９ Ｆ／Ｖ変換器
４０ ＡＧＣ回路
４１ 振動型圧電加速度センサ
４２ 車体
４３Ａ，４３Ｂ 前輪
４４ ブレーキ装置
４５ ハンドル
４６ ブレーキ制御回路（制御部）
４７ 進行方向
４８Ａ，４８Ｂ 後輪
５１Ａ，５１Ｂ 取り出し電極
５２ 中心軸
Claims (10)
- フレームと、このフレームに一端が支持された振動板と、この振動板の他端を支持する支持体と、この支持体を前記振動板の長手方向に往復運動するように保持してなる第１、第２の保持部と、前記振動板上に形成した下部電極と、この下部電極上に形成した圧電薄膜と、この圧電薄膜上に形成した上部電極とからなり、前記支持体は前記振動板の前記一端と前記他端とを結ぶ軸線方向に往復運動し得るように前記一端が前記第１の保持部を介して上面視右側で前記フレームに保持され、前記他端が前記第２の保持部を介して上面視左側で前記フレームに保持されており、前記第１、第２の保持部は梁状の交互に反対方向に折れ曲がったバネ構成であり、外部より加速度が加わると、前記第１、第２の保持部を介して支持体に伝搬して前記振動板が前記軸線方向に伸縮し、前記振動板の固有振動数の変化に基づいて前記加速度を検出する構成とした振動型圧電加速度センサ素子。
- 振動板、支持体、第１、第２の保持部をシリコンとした請求項１に記載の振動型圧電加速度センサ素子。
- 圧電薄膜をチタン酸鉛・ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）とした請求項１に記載の振動型圧電加速度センサ素子。
- 梁状の振動板の一端をフレーム、もう一端を支持体に釣られるように保持した請求項１に記載の振動型圧電加速度センサ素子。
- 振動板上に形成する上部電極を第１、第２の保持部の梁状の中央部に沿わせて取り出した請求項１に記載の振動型圧電加速度センサ素子。
- 振動板を支持する支持体に質量を付加するおもりを設けた請求項１に記載の振動型圧電加速度センサ素子。
- 梁状からなる振動板上に形成する上部電極をこの振動板と直交し二等分する中心軸と対称に検出用と駆動用とした請求項１に記載の振動型圧電加速度センサ素子。
- 駆動用および検出用の電極の取り出し電極をフレーム上に設けた請求項８に記載の振動型圧電加速度センサ素子。
- 振動板として、幅方向をほぼ３等分するように、長手方向にスリットを設け、前記振動体の側部の中央部を解放し、振動板の共振先鋭度を高めたことを特徴とする請求項１に記載の振動型圧電加速度センサ素子。
- 請求項１に記載の振動型圧電加速度センサ素子のフレームを保持して取り付けて静および動の加速度を検出するようにした振動型圧電加速度センサ。
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