JPH087227B2 - 加速度センサ - Google Patents
加速度センサInfo
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- JPH087227B2 JPH087227B2 JP63067397A JP6739788A JPH087227B2 JP H087227 B2 JPH087227 B2 JP H087227B2 JP 63067397 A JP63067397 A JP 63067397A JP 6739788 A JP6739788 A JP 6739788A JP H087227 B2 JPH087227 B2 JP H087227B2
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- JP
- Japan
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- electrostatic force
- mass
- electrode
- acceleration sensor
- damping
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-
- 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
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，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
に対する応答性を高めるため、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,（1987）pp112〜115）で述
べられている。
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，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
に対する応答性を高めるため、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,（1987）pp112〜115）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
つ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（Transducers'87,（1
987）pp395〜398）で述べられている。
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
つ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（Transducers'87,（1
987）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つた。
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
の問題があつた。さらに過負荷時の梁の破損を防ぐため
のストツ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つていた。
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
の問題があつた。さらに過負荷時の梁の破損を防ぐため
のストツ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つていた。
一方、変位を静電容量の変化で検出し、これをフイー
ドバツ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
よつてノイズが発生し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
つた。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
があつた。
ドバツ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
よつてノイズが発生し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
つた。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
があつた。
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。
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。
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
信号をフイードバツクして静電力によつて質量部の変位
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
によつて達成される。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つて構成され、制振電極が質
量部の最大変位のストツパーとなること、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
信号をフイードバツクして静電力によつて質量部の変位
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
によつて達成される。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つて構成され、制振電極が質
量部の最大変位のストツパーとなること、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、サーボ回路によつ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つても
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。
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つても
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は単結晶ウエハからエツ
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によつてその
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51,位相補償回路52,スイツチング回路53、および
アンプ7a,7bから成つている。静電力は引力としてしか
働かないから、加速度の向きによつて、シリコンの梁の
上側または下側の電極8a,8bに電圧を印加して質量部の
変位を抑制する。スイツチング回路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
ぞれパイレツクスガラス基板9aおよび9b上に形成されて
いる。１対のパイレツ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、電極間のシヨートな
どの万一の事態に備えた異常信号のフイルタ回路を備え
ている。
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によつてその
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51,位相補償回路52,スイツチング回路53、および
アンプ7a,7bから成つている。静電力は引力としてしか
働かないから、加速度の向きによつて、シリコンの梁の
上側または下側の電極8a,8bに電圧を印加して質量部の
変位を抑制する。スイツチング回路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
ぞれパイレツクスガラス基板9aおよび9b上に形成されて
いる。１対のパイレツ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、電極間のシヨートな
どの万一の事態に備えた異常信号のフイルタ回路を備え
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。
の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つ
た。
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つ
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があつた場
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つた。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
つた。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。
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があつた場
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つた。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
つた。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厚く形成し、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つて容
易に行うことができる。周辺部の電極間隙が例えば３μ
ｍ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。
する位置において電極を厚く形成し、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つて容
易に行うことができる。周辺部の電極間隙が例えば３μ
ｍ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
パツタ蒸着した。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つた時の梁の過
大変位を防ぐためのストツパとして、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、ストツ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つ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。
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
パツタ蒸着した。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つた時の梁の過
大変位を防ぐためのストツパとして、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、ストツ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つ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、制振電極の配量の疎密
によつて制振力の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。
によつて制振力の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つて説明したが、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。
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。
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9b
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。
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9b
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。
る。
静電力による制振を行うので、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
簡単な構造であるので製造コストの増大を防げる。
振に比べて温度変化に対する性能劣化が少なく、同時に
簡単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。
電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働くの
で、動作のばらつき、不安定性を生じない。
で、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
ストツパの役割を有効に果たす。
ストツ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、11……出
力。
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、11……出
力。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 小出 晃 東京都国分寺市東恋ケ窪１丁目280番地 株式会社日立製作所中央研究所内 (72)発明者 上野 定寧 茨城県勝田市大字高場2520番地 株式会社 日立製作所佐和工場内 (72)発明者 横田 吉弘 茨城県勝田市大字高場2520番地 株式会社 日立製作所佐和工場内
Claims (4)
- 【請求項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。 - 【請求項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。 - 【請求項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。 - 【請求項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 JPH01240865A (ja) | 1989-09-26 |
| JPH087227B2 true 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) |
Families Citing this family (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2811768B2 (ja) * | 1989-07-17 | 1998-10-15 | 株式会社デンソー | 半導体式加速度センサおよびその製造方法 |
| JP3212411B2 (ja) * | 1993-05-10 | 2001-09-25 | 沖電気工業株式会社 | 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 |
| JPH08122359A (ja) * | 1994-10-21 | 1996-05-17 | Fuji Electric Co Ltd | 半導体加速度センサとその製造方法および試験方法 |
| WO2008149821A1 (ja) * | 2007-05-30 | 2008-12-11 | Kyocera Corporation | センサ装置 |
| JP6515477B2 (ja) * | 2014-10-06 | 2019-05-22 | 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
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH01240865A (ja) | 1989-09-26 |
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