JP7331881B2 - 加速度センサ及び加速度センサ装置 - Google Patents

Description

本明細書が開示する技術は、加速度センサ及び加速度センサを備える加速度センサ装置に関する。

特許文献１には、加速度を計測するＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍｓ）装置が開示されている。ＭＥＭＳ装置は、マス部と、マス部を支持するばね部と、直線状の梁部と、を備える。梁部は、ばね部に連結されている。マス部に加速度による慣性力が加わると、ばね部が変形することによって、マス部が移動する。梁部は、ばね部の変形によって伸縮する。これにより、梁部の共振周波数が変化する。ＭＥＭＳ装置では、梁部の共振周波数の変化を検出することによって、加速度が検出される。

米国特許８，５１６，８８９号公報

直線状の梁部の伸縮による共振周波数の変化はそれほど大きくない。このため、高精度の加速度検出が難しい場合がある。

本明細書は、梁部の共振周波数の変化を大きくすることができる技術を提供する。

本明細書で開示される加速度センサは、基板と、前記基板に取り付けられている質量部と、前記質量部を前記基板に対して特定方向に移動可能に支持するばね部と、前記特定方向に延びており、前記質量部と前記基板とに連結される梁部であって、前記特定方向に対して曲がっており、前記質量部の移動に従って変形する変形部分を有する前記梁部と、前記梁部を励振させる励振電極と、前記梁部の周波数を検出する検出電極と、を備える。

梁部は、質量部が加速度による慣性力によって特定方向に沿って移動すると、変形部分において、形状変化が生じる。この構成によると、直線状の梁部の伸縮による梁部の共振周波数の変化と比較して、変形部分の形状変化による梁部の共振周波数の変化を、大きくすることができる。これにより、比較的に高い精度で加速度を検出することができる。

前記変形部分は、前記梁部の両端を結ぶ直線に対して、最大で前記梁部の幅の５～１０倍だけ離間するように湾曲していてもよい。

上記の数値範囲を採用することによって、共振周波数の変化を大きくすることができる。

本明細書で開示される加速度センサ装置は、上記した加速度センサと、励振電極と検出電極とを制御する制御部と、を備えていてもよい。制御部は、変形部分を共振状態に維持するフィードバック制御を実行して、前記共振状態おける周波数を検出してもよい。

この構成では、制御部は、フィードバック制御を実行することによって、変形部分の形状変化による共振周波数の変化に追従して、変形部分を共振周波数で振動させる共振状態に維持することができる。これにより、制御部は、共振状態に維持されている変形部分の共振周波数を検出することができる。

加速度センサの平面図。 加速度センサの構成を説明するための概要平面図。 梁部周辺の平面図。 シミュレーションモデルを説明する概略図。 変形例の梁部の平面図。 変形例の梁部の平面図。 シミュレーション結果を表すグラフ。

図１に示すように、加速度センサ１０は、加速度を計測するＭＥＭＳ装置である。加速度センサ１０は、例えば自動車に搭載されて、自動車の加速度等を検出するために用いられる。加速度センサ１０は、基板１２と、質量部１４と、複数のばね部３０、３２、３４、３６と、励振電極１６、２６と、検出電極１８、２８と、梁部５０、５２と、を備える。加速度センサ１０は、１枚のシリコン製の基板を加工することによって作製される。図２では、説明のために、図１で示す加速度センサ１０の各部が模式的に表わされている。

基板１２は、平板形状を有する。基板１２の中央部分には、質量部１４が配置されている。質量部１４は、外周縁の全周に亘って、基板１２から隙間を置いて配置されている。質量部１４は、複数のばね部３０、３２、３４、３６を介して基板１２に連結されている。複数のばね部３０、３２、３４、３６のそれぞれは、基板１２と質量部１４との間の隙間に配置されている。複数のばね部３０、３２、３４、３６のそれぞれは、質量部１４を、基板１２に対して、ｘ方向（紙面左右方向）に移動可能に支持する。複数のばね部３０、３２、３４、３６のそれぞれは、ｘ方向に弾性的に伸縮可能な構造を有する。

梁部５０は、質量部１４の左端縁からｘ方向に沿って延びている。基板１２には、梁部５０の延伸方向に沿った隙間が配置されている。梁部５０は、基板１２の隙間に配置されている。梁部５０の右端は、基板１２に連結されている。梁部５０は、ｙ方向に湾曲して配置されている。梁部５０の左右両端は、ｙ方向において互いに同じ位置に配置されている。梁部５０の両端以外の部分は、基板１２から離間している。このため、質量部１４がｘ方向に移動されると、梁部５０の湾曲部分の曲率が変形するように変形される。

梁部５２は、質量部１４の右端縁からｘ方向に沿って延びている。梁部５２と質量部１４とが連結されている位置は、梁部５０と質量部１４とが連結されている位置からｘ方向に平行に伸びる直線上に位置する。基板１２には、梁部５２の延伸方向に沿った隙間が配置されている。梁部５２は、基板１２の隙間に配置されている。梁部５２の左端は、基板１２に連結されている。梁部５２は、ｙ方向に湾曲して配置されている。梁部５２は、梁部５０と反対側に突出するように湾曲している。梁部５２の左右両端は、ｙ方向において互いに同じ位置に配置されている。梁部５２の両端以外の部分は、基板１２から離間している。このため、質量部１４がｘ方向に移動されると、梁部５０と同様に、梁部５２の曲率が変形するように変形される。

梁部５０は、中央位置において、励振電極１６と、検出電極１８と、で挟まれている。励振電極１６は、梁部５０の湾曲に沿った形状を有する。励振電極１６は、梁部５０に対向して配置されている。励振電極１６は、パットを介して外部電源に接続されている。励振電極１６は、外部電源から印加される電圧によって、梁部５０を振動させる。梁部５０の振動によって、検出電極１８と梁部５０とのｙ方向の距離が変動する。検出電極１８と梁部５０との距離の変動によって、検出電極１８と梁部５０との静電容量が変動する。

図２に示すように、加速度センサ１０は、加速度センサ装置２に含まれる。加速度センサ装置２は、加速度センサ１０の他に、制御部１００を備える。制御部１００は、ＣＰＵ及びメモリを有する。制御部１００は、励振電極１６、２６と、検出電極１８、２８と、に図示省略した配線を介して接続されている。制御部１００は、外部電源から供給される電力を用いて、励振電極１６、２６のそれぞれに、梁部５０、５２のそれぞれを振動させるための電圧を印加する。また、制御部１００は、梁部５０の振動による梁部５０と検出電極１８との静電容量の変化を検出して、梁部５０の共振周波数を特定する。同様に、制御部１００は、梁部５２の振動による梁部５２と検出電極２８との静電容量の変化を検出して、梁部５２の共振周波数を特定する。

具体的には、加速度センサ１０にｘ方向の加速度が加わると、質量部１４に、加速度による慣性力が作用する。これにより、ばね部３０、３２、３４、３６が変形して、質量部１４が基板１２に対してｘ方向に移動する。この結果、梁部５０、５２のそれぞれは、曲率が変化するように変形される。これにより、梁部５０、５２のそれぞれの共振周波数が変動する。なお、梁部５０、５２では、質量部１４の移動に応じて、全体的に変形する。このため、梁部５０、５２のそれぞれの全体が、変形部分ということができる。

制御部１００は、励振電極１６に印加する電圧を変化させることによって、梁部５０の振動の周波数を変化させる。制御部１００に含まれるフィードバック回路では、梁部５０が共振周波数で振動する共振状態で維持されるまで、取得される梁部５０と検出電極１８との静電容量を用いて、梁部５０が共振状態となるまで励振電極１６の電圧を変化させる。制御部１００は、梁部５０が共振状態で維持されると、梁部５０と検出電極１８との静電容量の変化に基づいて、梁部５０の振動の共振周波数を特定する。

制御部１００は、同様に、梁部５２の振動の共振周波数を特定する。制御部１００は、梁部５０、５２の振動の共振周波数から、加速度を特定する。

（加速度センサのシミュレーション結果）
図３、４を用いて、加速度センサ１０のシミュレーション結果を説明する。図４に示すように、加速度センサ１０を模して、基板１１２にばね部１３０、１３２、１３４、１３６を介して質量部１１４が支持させるシミュレーションモデルを用いてシミュレーションが実行される。ばね部１３０、１３２、１３４、１３６は、質量部１１４がｘ方向に移動可能に支持している。質量部１１４の左端には、梁部１５２が連結されている。梁部１５２は、基板１１２まで延びている。

図３に示すように、シミュレーションでは、梁部５２の両端を結ぶ直線Ｌ１と梁部５２が直線Ｌ１から最も離間している位置を通過する直線Ｌ３との距離Ｄｙが互いに異なる複数種類の梁部５２を模した形状の梁部１５２を用いて、シミュレーションが実行された。シミュレーションでは、梁部５２の幅Ｄ１（即ちｙ方向の長さ）に対する距離Ｄｙ、即ちＤｙ／Ｄ１が、０．０～１０の範囲で、約０．２の間隔で変化させて、共振周波数の変化を特定した。なお、シミュレーションモデルでは、Ｄｙ＝２．０μｍであり、梁部１５２のｘ方向の長さが４００μｍであった。

シミュレーションでは、図４の矢印ＡＲ方向の加速度を想定して、Ｄｙ／Ｄ１の変化に対する梁部１５２に付与される応力１Ｐａ当たりの梁部１５２の共振周波数変化が特定された。図７では、横軸がＤｙ／Ｄ１を示し、縦軸が応力１Ｐａ当たりの梁部１５２の共振周波数変化を示す。シミュレーションでは、梁部１５２を、１次モードから１０次モードまで１０種類のモードのそれぞれで振動させて共振周波数変化を特定した。図７では、振動のモードによって、線種が変更されている。

シミュレーションの結果、Ｄｙ／Ｄ１の大きさによって、共振周波数変化が大きい振動モードが異なっている。また、Ｄｙ／Ｄ１＝０．０、即ち、梁部１５２が湾曲しておらず、直線状である場合の梁部１５２に付与される応力１Ｐａ当たりの梁部１５２の共振周波数変化と比較して、Ｄｙ／Ｄ１が０．１以上、即ち、少しでも梁部１５２が湾曲していれば、共振周波数が増加した。また、周波数変化は、Ｄｙ／Ｄ１＝８．０前後で最も高く、Ｄｙ／Ｄ１が３．０～１０であれば、梁部１５２が湾曲していない場合と比較して、梁部１５２に付与される応力１Ｐａ当たりの梁部１５２の共振周波数変化が約１０^５倍以上であった。また、Ｄｙ／Ｄ１が５．０～１０あるいは０．６～１０であることが好ましい。Ｄｙ／Ｄ１が５．０～１０あるいは０．６～１０である場合には、共振周波数変化が大きくなり、周波数検出の際の位相誤差の影響が低減される。これにより、高精度に加速度を検出することができる。

（梁部の形状）
梁部５０、５２の形状は、上記の実施例の形状に限られず、ｘ方向に対して曲がっていればよい。梁部５０、５２の形状は、例えば、図３において、直線Ｌ１に対する梁部５２の角度θが、θ＝４ａｔａｎ（２０Ｗ／Ｌ）であってもよい。なお、Ｗは梁部５２の幅であり、Ｌは梁部５２のｘ方向の長さである。また、直線Ｌ１と直線Ｌ３との中央に位置しており、直線Ｌ１、Ｌ３と平行な直線Ｌ２を仮定すると、直線Ｌ１と直線Ｌ３との間に含まれる梁部５２の長さと、直線Ｌ２と直線Ｌ３との間に含まれる梁部５２の長さと、の比が、３：７から７：３の間であればよい。即ち、具体的には、例えば、図５に示すように、中央部に湾曲する変形部分２５２ａと、両端部のｘ方向に平行な一対の直進部分２５２ｂと、を備える梁部２５２であってもよい。あるいは、図６に示すように、中央で屈曲する角部を有しており、角部から直線状に延びる梁部３５２であってもよい。

以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。

例えば、加速度センサ１０は、梁部５０、５２のうちの１個の梁部のみを備えていてもよい。あるいは、加速度センサ１０は、梁部５０、５２に加えて、１個以上の梁部をさらに備えていてもよい。

本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。

１Ｐａ ：応力
２ ：加速度センサ装置
１０ ：加速度センサ
１２ ：基板
１４ ：質量部
１６、２６：励振電極
１８、２８：検出電極
３０、３２、３４、３６：ばね部
５０、５２：梁部
１００ ：制御部

Claims (2)

1. 基板と、
   前記基板に取り付けられている質量部と、
   前記質量部を前記基板に対して特定方向に移動可能に支持するばね部と、
   前記特定方向に延びており、前記質量部と前記基板とに連結される梁部であって、前記特定方向に対して曲がっており、前記質量部の移動に従って変形する変形部分を有する前記梁部と、
   前記梁部を励振させる励振電極と、
   前記梁部の周波数を検出する検出電極と、を備えており、
   前記変形部分は、前記梁部の両端を結ぶ直線に対して、最大で前記梁部の幅の５～１０倍だけ離間するように湾曲している、加速度センサ。
2. 請求項１に記載の加速度センサと、
   励振電極と検出電極とを制御する制御部と、を備え、
   前記制御部は、変形部分を共振状態に維持するフィードバック制御を実行して、前記共振状態おける周波数を検出する、加速度センサ装置。

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