JPH01240865A - 加速度センサ - Google Patents
加速度センサInfo
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- JPH01240865A JPH01240865A JP63067397A JP6739788A JPH01240865A JP H01240865 A JPH01240865 A JP H01240865A JP 63067397 A JP63067397 A JP 63067397A JP 6739788 A JP6739788 A JP 6739788A JP H01240865 A JPH01240865 A JP H01240865A
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- 238000013016 damping Methods 0.000 claims abstract description 25
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Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01P—MEASURING LINEAR OR ANGULAR SPEED, ACCELERATION, DECELERATION, OR SHOCK; INDICATING PRESENCE, ABSENCE, OR DIRECTION, OF MOVEMENT
- G01P15/00—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration
- G01P15/02—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses
- G01P15/08—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses with conversion into electric or magnetic values
- G01P2015/0805—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses with conversion into electric or magnetic values being provided with a particular type of spring-mass-system for defining the displacement of a seismic mass due to an external acceleration
- G01P2015/0822—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses with conversion into electric or magnetic values being provided with a particular type of spring-mass-system for defining the displacement of a seismic mass due to an external acceleration for defining out-of-plane movement of the mass
- G01P2015/0825—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses with conversion into electric or magnetic values being provided with a particular type of spring-mass-system for defining the displacement of a seismic mass due to an external acceleration for defining out-of-plane movement of the mass for one single degree of freedom of movement of the mass
- G01P2015/0828—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses with conversion into electric or magnetic values being provided with a particular type of spring-mass-system for defining the displacement of a seismic mass due to an external acceleration for defining out-of-plane movement of the mass for one single degree of freedom of movement of the mass the mass being of the paddle type being suspended at one of its longitudinal ends
Landscapes
- Pressure Sensors (AREA)
Abstract
(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。
め要約のデータは記録されません。
Description
【発明の詳細な説明】
〔産業上の利用分野〕
本発明は加速度センサに係り、特に数百Ｈｚ以下の低周
波数領域および静的な加速度を計測するのに好適なセン
サに関する。
波数領域および静的な加速度を計測するのに好適なセン
サに関する。
従来、低周波数領域および静的な加速度を計測するため
のセンサとしては、シリコン単結晶の梁にピエゾ抵抗素
子を組込んだものが提案されている。この種の例として
は、特開昭５０−５８９９２号。
のセンサとしては、シリコン単結晶の梁にピエゾ抵抗素
子を組込んだものが提案されている。この種の例として
は、特開昭５０−５８９９２号。
特開昭６１−９７５７２号などが挙げられる。この構造
の加速度センサでは、過渡的な入力に対する応答性を）
ず６ぬるため、梁の周囲に制振用の油を封入することが
トランスデユーサ’８７．（１９８７年）１１２頁から
１１５頁（Ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒｓ’ ８７． （１９
８７）ｐｐＨ２〜１１５）で述べられている。
の加速度センサでは、過渡的な入力に対する応答性を）
ず６ぬるため、梁の周囲に制振用の油を封入することが
トランスデユーサ’８７．（１９８７年）１１２頁から
１１５頁（Ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒｓ’ ８７． （１９
８７）ｐｐＨ２〜１１５）で述べられている。
一方、シリコン単結晶の棒状部材のねじれ変形を利用し
た加速度センサでは、質量部の変位を静電容量の変化と
して検出する一方、静電力でサーボを加えることによっ
て応答性を高めていることが、同じくトランスデユーサ
’８７．（１９８７年）３９５頁から３９８頁（Ｔｒａ
ｎｓｄｕｃｅｒｓ’ ８７゜（１９８７）ｐｐ３９５〜
３９８）で述べられている。
た加速度センサでは、質量部の変位を静電容量の変化と
して検出する一方、静電力でサーボを加えることによっ
て応答性を高めていることが、同じくトランスデユーサ
’８７．（１９８７年）３９５頁から３９８頁（Ｔｒａ
ｎｓｄｕｃｅｒｓ’ ８７゜（１９８７）ｐｐ３９５〜
３９８）で述べられている。
上記の従来技術では、以下のような問題点があった。す
なわち、油で制振する方式では、油の粘度が雰囲気の温
度に依存するので一定の制振性能が得られないこと、ま
た、油の封入・封止のために製造コストが高くなる等の
問題があった。さらに過負荷時の梁の破損を防ぐための
ストッパの精密な設定が必要であり、これも、製造コス
ト増加の一因となっていた。
なわち、油で制振する方式では、油の粘度が雰囲気の温
度に依存するので一定の制振性能が得られないこと、ま
た、油の封入・封止のために製造コストが高くなる等の
問題があった。さらに過負荷時の梁の破損を防ぐための
ストッパの精密な設定が必要であり、これも、製造コス
ト増加の一因となっていた。
一方、変位を静電容量の変化で検出し、これをフィード
バックして静電力でサーボを加える方式では、検出系お
よびサーボ系の電極間の寄生容量による信号の干渉によ
ってノイズが発生しＳＮ比が低下すること、また静電力
の着力点の位置が常には質量部の中心に一致しないこと
による動作のばらつきが存在すること、などの問題があ
った。
バックして静電力でサーボを加える方式では、検出系お
よびサーボ系の電極間の寄生容量による信号の干渉によ
ってノイズが発生しＳＮ比が低下すること、また静電力
の着力点の位置が常には質量部の中心に一致しないこと
による動作のばらつきが存在すること、などの問題があ
った。
また、過負荷時の電極間の接触による電極の損傷に配慮
がされておらず長期にわたる動作の信頼性に問題があっ
た。
がされておらず長期にわたる動作の信頼性に問題があっ
た。
本発明の目的は、上記の問題を解決し、一定の制振性能
を有し、ノイズが少なく、動作のばらつきが少ないサー
ボ型の加速度センサを提供することにある。
を有し、ノイズが少なく、動作のばらつきが少ないサー
ボ型の加速度センサを提供することにある。
上記の目的は、梁構造の一部に設けたピエゾ抵抗素子に
より質量部の変位を検出する手段、および上記の変位信
号をフィードバックして静電力によって質量部の変位を
零にするための静電力印加手段を有して構成することに
よって達成される。
より質量部の変位を検出する手段、および上記の変位信
号をフィードバックして静電力によって質量部の変位を
零にするための静電力印加手段を有して構成することに
よって達成される。
好ましくは静電力印加手段は質量部に対向する制振電極
によって構成され、割振電極が質量部の最大変位のスト
ッパーとなること、質量部の重心に静電力がより多く作
用するように構成すること、制振電極の表面に誘電率が
２以上の絶縁物を設けることとされる。
によって構成され、割振電極が質量部の最大変位のスト
ッパーとなること、質量部の重心に静電力がより多く作
用するように構成すること、制振電極の表面に誘電率が
２以上の絶縁物を設けることとされる。
本発明では、サーボ回路によって静電力で制振するので
周囲温度によらず一定の制振力が得られる。一方、質量
部の変位はピエゾ抵抗素子で検出するので、検出回路の
インピーダンスが低く、静電力を加える回路からのノイ
ズを受けることが少ない。また、制振用の電極を適切に
構成することにより、製造誤差や梁の変位があっても常
に静電力が質量の中心に作用するので、動作のばらつき
が無い。更に電極表面に絶縁層を設けることにより、過
負荷時の電極損傷が防止され、長期にわたる性能の安定
性が得られる。
周囲温度によらず一定の制振力が得られる。一方、質量
部の変位はピエゾ抵抗素子で検出するので、検出回路の
インピーダンスが低く、静電力を加える回路からのノイ
ズを受けることが少ない。また、制振用の電極を適切に
構成することにより、製造誤差や梁の変位があっても常
に静電力が質量の中心に作用するので、動作のばらつき
が無い。更に電極表面に絶縁層を設けることにより、過
負荷時の電極損傷が防止され、長期にわたる性能の安定
性が得られる。
以下に本発明の一実施例を第１図により説明する。
振動体となるシリコン基板１は単結晶ウェハからエツチ
ングにより一体で形成した片持梁構造を持ち、その片持
梁は実質的な質量部２および梁部３から構成される。第
１図の上下方向に加速度が加わると梁は曲げ変形を受け
、梁の表面に形成したピエゾ抵抗素子４によってその変
形が検出される。この信号はサーボ回路に送られ、梁の
変形を抑制する静電力を発生させる。サーボ回路は、ア
ンプ５１２位相補償回路５２．スイッチング回路５３、
およびアンプ７ａ、７ｂから成っている。
ングにより一体で形成した片持梁構造を持ち、その片持
梁は実質的な質量部２および梁部３から構成される。第
１図の上下方向に加速度が加わると梁は曲げ変形を受け
、梁の表面に形成したピエゾ抵抗素子４によってその変
形が検出される。この信号はサーボ回路に送られ、梁の
変形を抑制する静電力を発生させる。サーボ回路は、ア
ンプ５１２位相補償回路５２．スイッチング回路５３、
およびアンプ７ａ、７ｂから成っている。
静電力は引力としてしか働かないから、加速度の向きに
よって、シリコンの梁の上側または下側の電極８ａ、８
ｂに電圧を印加して質量部の変位を抑制する。スイッチ
ング回路５３は、電圧を印加すべき電極の選択の役割を
担う、電極８ｂおよび８ｂは、それぞれパイレックスガ
ラス基板９ａおよび９ｂ上に形成されている。１対のパ
イレックスガラス基板はシリコン基板の本体をはさんで
接合されている。センサの出力は、二つの電極に印加さ
れる電圧を演算処理した電圧１１の形で得られる。なお
演算処理回路１０では、電極間のショ−トなどの万一の
事態に備えた異常信号のフィルタ回路を備えている。
よって、シリコンの梁の上側または下側の電極８ａ、８
ｂに電圧を印加して質量部の変位を抑制する。スイッチ
ング回路５３は、電圧を印加すべき電極の選択の役割を
担う、電極８ｂおよび８ｂは、それぞれパイレックスガ
ラス基板９ａおよび９ｂ上に形成されている。１対のパ
イレックスガラス基板はシリコン基板の本体をはさんで
接合されている。センサの出力は、二つの電極に印加さ
れる電圧を演算処理した電圧１１の形で得られる。なお
演算処理回路１０では、電極間のショ−トなどの万一の
事態に備えた異常信号のフィルタ回路を備えている。
一方、静電力で梁を制振する場合に生じる諸問題は次の
ようにして解決された。
ようにして解決された。
第１に、梁の変位の検出をピエゾ抵抗素子とすることに
より、従来の静電容量検出の場合に存在した制振側の電
極から寄生容量を介して誘導されるノイズが無くなった
。
より、従来の静電容量検出の場合に存在した制振側の電
極から寄生容量を介して誘導されるノイズが無くなった
。
第２に、静電力による制振においては、梁と電極の間隙
の２乗に反比例して力が加わるから、従来、例えば第２
図に示すように製造上、電極面に凹凸１２があった場合
、その位置で強い吸引力１３が加わり、梁の重心１４に
対してモーメントが生じていた。その結果、梁部に余分
な信号を発生するという問題があった。同様のことは、
梁が変位した時にも生じ、第３図に示すように重心位置
から離れた点に吸引力１３′が働いてしまうという欠点
があった。本発明ではこれに対し、常に静電力が質量の
中心部に働くような電極構成を開発した。その二つの実
施例を第４図および第５図に示す。
の２乗に反比例して力が加わるから、従来、例えば第２
図に示すように製造上、電極面に凹凸１２があった場合
、その位置で強い吸引力１３が加わり、梁の重心１４に
対してモーメントが生じていた。その結果、梁部に余分
な信号を発生するという問題があった。同様のことは、
梁が変位した時にも生じ、第３図に示すように重心位置
から離れた点に吸引力１３′が働いてしまうという欠点
があった。本発明ではこれに対し、常に静電力が質量の
中心部に働くような電極構成を開発した。その二つの実
施例を第４図および第５図に示す。
第４図では、電極８ｂのうち、梁の質量の中心１４に対
向する位置において電極をＪａ＜形成し、この部分１５
における電極間隙を実質的に減じて吸引力１３′が常に
質量の中心に加わるようにしている。このような電極の
厚さの制御は電極金属を蒸着するさいのマスクの移動に
よって容易に行うことができる。周辺部の電極間隙が例
えば３μｍの場合、中心部の電極厚さを周辺よりも０．
５μｍ大とすれば、局部的に吸引力が３０％増大するの
で、十分な効果が得られる。
向する位置において電極をＪａ＜形成し、この部分１５
における電極間隙を実質的に減じて吸引力１３′が常に
質量の中心に加わるようにしている。このような電極の
厚さの制御は電極金属を蒸着するさいのマスクの移動に
よって容易に行うことができる。周辺部の電極間隙が例
えば３μｍの場合、中心部の電極厚さを周辺よりも０．
５μｍ大とすれば、局部的に吸引力が３０％増大するの
で、十分な効果が得られる。
第５図は、さらに多目的の効果が得られる方法を示して
いる。この場合は、梁の質量の中心１４と対向する位置
にガラス１６（誘電率の値は約７）を約１μｍの厚さに
スパッタ蒸着した。この結果。
いる。この場合は、梁の質量の中心１４と対向する位置
にガラス１６（誘電率の値は約７）を約１μｍの厚さに
スパッタ蒸着した。この結果。
質量の中心部における吸引力は、他の部分の約２倍に増
加し、前に述べた効果が得られるとともに、センサに過
負荷が加わった時の梁の過大変位を防ぐためのストッパ
として、ガラス層が有効に動作する。ガラス層の存在に
より、質量部が電極側に衝突しても電極を傷つけること
が無い。さらに好ましくは、ストッパの位置を質量部の
重心位置に置くことが良い。この場合は、衝突により質
量部に加わる反力は質量部に余分なモーメントを加えな
い。これに対し、例えば質量部の先端が電極に衝突する
場合には、質量部に反時計廻りのモーメントが加わって
重心がさらに下方に変位する結果。
加し、前に述べた効果が得られるとともに、センサに過
負荷が加わった時の梁の過大変位を防ぐためのストッパ
として、ガラス層が有効に動作する。ガラス層の存在に
より、質量部が電極側に衝突しても電極を傷つけること
が無い。さらに好ましくは、ストッパの位置を質量部の
重心位置に置くことが良い。この場合は、衝突により質
量部に加わる反力は質量部に余分なモーメントを加えな
い。これに対し、例えば質量部の先端が電極に衝突する
場合には、質量部に反時計廻りのモーメントが加わって
重心がさらに下方に変位する結果。
梁に過大なひずみを生じて破損に至るおそれがある。
なお、上記の実施例の他にも、制振電極の配置の疎密に
よって割振力を質量部の重心位置に集中させることがで
きるが、この場合は電極の有効面積を減らすという不利
は避けられない。
よって割振力を質量部の重心位置に集中させることがで
きるが、この場合は電極の有効面積を減らすという不利
は避けられない。
本発明は、片持梁の実施例をもって説明したが、その主
たる効果は両持梁の場合にも得られることは明らかであ
る。
たる効果は両持梁の場合にも得られることは明らかであ
る。
なお、本加速度センサを集積化するにあたり、第１図に
示したサーボ回路および演算処理回路を集積回路とする
ことは容易である。さらに、これらの回路をシリコン基
板１の上に形成すること、またガラス基板９ａまたは９
ｂの材質をシリコンに変えて、この基板上に集積回路を
形成することは本発明の発展した一形態である。
示したサーボ回路および演算処理回路を集積回路とする
ことは容易である。さらに、これらの回路をシリコン基
板１の上に形成すること、またガラス基板９ａまたは９
ｂの材質をシリコンに変えて、この基板上に集積回路を
形成することは本発明の発展した一形態である。
以上に述べたように本発明によれば次の効果が得られる
。
。
静電力による割振を行うので、ダンピング油による制振
に比べて温度変化に対する性能劣化が少なく、同時に簡
ｍな構造であるので製造コストの増大を防げる。
に比べて温度変化に対する性能劣化が少なく、同時に簡
ｍな構造であるので製造コストの増大を防げる。
ピエゾ抵抗素子で梁の変位を検出するので、制振側の電
極からのノイズを受けることが少ない。
極からのノイズを受けることが少ない。
制振電極からの静電力が常に梁の質量中心に（ａくので
、動作のばらつき、不安定性を生じない。
、動作のばらつき、不安定性を生じない。
誘電体を被着した電極では、誘電体が過負荷に対するス
トッパの役割を有効に果たす。
トッパの役割を有効に果たす。
第１図は本発明の一実施例を示す断面図、第２図はおよ
び第３図は、静電力で制振する場合の従来の問題点を示
す断面図、第４図および第５図は、前記の問題点を解決
する本発明の他実施例を示す断面図である。 １・・・シリコン基板、２・・・質量部、３・梁部、４
・・・ピエゾ抵抗素子、８ａ、８ｂ・・・制振用の電極
、１］・・出力、 第 ｔ 云 潅、ｂ アン７０ 月 スイ・ノ手シフ゛°回飽）
び第３図は、静電力で制振する場合の従来の問題点を示
す断面図、第４図および第５図は、前記の問題点を解決
する本発明の他実施例を示す断面図である。 １・・・シリコン基板、２・・・質量部、３・梁部、４
・・・ピエゾ抵抗素子、８ａ、８ｂ・・・制振用の電極
、１］・・出力、 第 ｔ 云 潅、ｂ アン７０ 月 スイ・ノ手シフ゛°回飽）
Claims (4)
- １． 質量部とこれを支える梁部とがシリコン単結晶か
ら一体構造で形成される加速度センサにおいて、梁の一
部に形成したピエゾ抵抗素子を用いて梁のたわみを検出
する手段、および、梁のたわみの信号を電気的に処理し
、梁のたわみが零になるように上記質量部に静電気な力
を加える静電力印加手段とを備えて成ることを特徴とす
る加速度センサ。 - ２． 請求項１記載のものにおいて、上記静電力印加手
段は上記質量部に対向する制振電極からなり、該制振電
極の一部が、過負荷時の上記質量部の過大変位のストツ
パとして働くことを特徴とする加速度センサ。 - ３． 請求項１記載のものにおいて、上記静電力印加手
段は制振電極からなり、上記質量部の重心位置に加わる
静電的な引力が、その周囲に加わる引力よりも大きくな
るように制振電極を構成したことを特徴とする加速度セ
ンサ。 - ４． 請求項１記載のものにおいて、上記静電力印加手
段は制振電極からなり、該制振電極の表面に誘電率が２
以上の絶縁物を被着したことを特徴とする加速度センサ
。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP63067397A JPH087227B2 (ja) | 1988-03-23 | 1988-03-23 | 加速度センサ |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP63067397A JPH087227B2 (ja) | 1988-03-23 | 1988-03-23 | 加速度センサ |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH01240865A true JPH01240865A (ja) | 1989-09-26 |
| JPH087227B2 JPH087227B2 (ja) | 1996-01-29 |
Family
ID=13343793
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP63067397A Expired - Lifetime JPH087227B2 (ja) | 1988-03-23 | 1988-03-23 | 加速度センサ |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH087227B2 (ja) |
Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5313836A (en) * | 1989-07-17 | 1994-05-24 | Nippondenso Co., Ltd. | Semiconductor sensor for accelerometer |
| JPH06317606A (ja) * | 1993-05-10 | 1994-11-15 | Oki Electric Ind Co Ltd | 半導体加速度センサ及びそれを用いた半導体加速度検出装置 |
| US5760290A (en) * | 1994-10-21 | 1998-06-02 | Fuji Electric Co., Ltd. | Semiconductor acceleration sensor and testing method thereof |
| JPWO2008149821A1 (ja) * | 2007-05-30 | 2010-08-26 | 京セラ株式会社 | センサ装置 |
| JP2016075562A (ja) * | 2014-10-06 | 2016-05-12 | 大日本印刷株式会社 | 力学量センサおよび力学量測定装置 |
-
1988
- 1988-03-23 JP JP63067397A patent/JPH087227B2/ja not_active Expired - Lifetime
Cited By (6)
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| Publication number | Publication date |
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| JPH087227B2 (ja) | 1996-01-29 |
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