JPH09269335A - 加速度センサおよびそれに用いる振動子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 加えられる加速度の方向および大きさを一つ
の加速度センサによって検出することを目的とする。 【構成】 振動子10は，加えられる加速度の方向に応じ
て，弾性変形部12と固定部との連結部分において二方向
に，弾性変形部12と錘部11との連結部分において一方向
に変形する。弾性変形部12の変形箇所には，歪み検出素
子14a ，14b および14c が形成されている。弾性変形部
12の変形によって歪み検出素子14a ，14b および14c の
抵抗値が変化する。弾性変形部12が，振動子10に加えら
れた加速度の３次元の方向成分とそれらの大きさに応じ
て変形するので，歪み検出素子14a ，14b および14c の
抵抗値の変化に基づいて，振動子10に加えられる加速度
の方向および大きさが検出される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【技術分野】この発明は加速度センサおよびそれに用い
る振動子に関する。

【０００２】

【背景技術】加速度を検知するセンサとして，次のよう
なものが知られている。

【０００３】(1) 慣性型加速度センサ 振り子の変位量の測定によって求められる振り子に加わ
る力と，振り子の質量とに基づいて加速度を検出する振
り子式や，質量を支持するばね材の歪みによって生じる
共振周波数の変化に基づいて加速度を検知する振動式な
どがある。

【０００４】(2) ジャイロ型加速度センサ 回転座標系において現れ，一定の角速度で回転運動する
物体に働く慣性力（コリオリの力）を利用するものであ
る。回転の軸方向に発生するトルクを検知することによ
り角加速度を検出する回転式や，ループ型の光ファイバ
に発生する干渉縞を利用して角加速度を検出するレーザ
ジャイロ式などがある。

【０００５】(3) サーボ型加速度センサ 加速度によって生じる重りの変位を変位センサを用いて
検出し，この検出信号を用いて可動コイル等を作動さ
せ，重りをもとの位置に戻す。このときに流れる電流
（フィードバック電流）と加速度とが比例関係にあるた
め，フィードバック電流を検知することによって加速度
を検出する方式である。

【０００６】いずれにしても従来の加速度センサでは，
その加速度センサに働く一方向の加速度成分を検出する
にすぎない。加えられる加速度をその方向まで検出する
ためには，複数の加速度センサを組合わせて用いなけれ
ばならないので，検出すべき方向の数と同じ数のセンサ
が必要となる。したがって，測定装置全体としては大型
化してしまい，製造コストが高くなる。

【０００７】

【発明の開示】この発明は，加速度の加えられる方向お
よび大きさを一つの加速度センサによって検出すること
を目的とする。

【０００８】またこの発明は，上記の加速度センサに用
いる振動子を提供することを目的とする。

【０００９】この発明による加速度センサは，加えられ
る加速度の方向および大きさに応じて変形する一つの変
形部を有する加速度応答子，上記加速度応答子の上記変
形部に設けられ，少なくとも二方向の変形を検出して検
出信号を出力する少なくとも二つの検出素子，および上
記検出素子から出力される検出信号に基づいて，上記加
速度応答子に加えられる加速度の少なくとも２次元の方
向および大きさを表す出力信号を生成する処理手段を備
えている。

【００１０】この発明によると，加えられる加速度の方
向および大きさに応じて変形する一つの変形部を有する
加速度応答子において上記変形部に生じる少なくとも二
方向の変形を検出しているので，この検出に基づいて加
速度センサに加えられる加速度の２次元または３次元の
方向および大きさを検出することができる。このように
複数の加速度センサを用いることなく，単体の加速度セ
ンサによって加速度の方向および大きさを検出できる。
この発明による加速度センサによって，１次元の加速度
の方向および大きさを検出することができることはいう
までもない。

【００１１】上記処理手段は，好ましくは，上記加速度
応答子に加えられる加速度の少なくとも上記二方向に関
する感度を示すあらかじめ設定された感度パラメータ
と，上記検出素子から出力される検出信号とを用いて加
速度の方向および大きさを表す出力信号を生成するもの
である。

【００１２】この感度パラメータは，少なくとも２回に
わたって加えられた方向の異なる既知の加速度と，上記
既知の加速度が加えられることに応答してそれぞれ上記
処理手段から出力された上記出力信号とに基づいてあら
かじめ求められる。感度パラメータは既知の加速度を用
いて加速度センサごとに実験的に求められるので，個々
の加速度センサに対して適切な値を設定することができ
る。感度パラメータが適切に定められることにより，加
速度の方向および大きさを表す出力信号が正確な値で出
力される。

【００１３】上記加速度応答子は，一実施態様では，錘
部と，固定部と，上記錘部と固定部を弾性的に連結する
弾性変形部とを備えた振動子であり，上記変形部は上記
弾性変形部であり，上記検出素子は上記弾性変形部に設
けられた歪み検出素子である。好ましくは，この振動子
は単結晶シリコンによって形成される。振動子の形状加
工プロセスにおけるコストが削減される。また内部損失
が小さいので機械的な特性のよい高精度な振動子を作成
することができる。

【００１４】好ましくは，上記振動子の錘部がこの錘部
を弾性的に支持する弾性変形部の中心軸に対して非対称
に形成される。これによって，振動子は，上記弾性変形
部と固定部との連結部分において中心軸に直交する方向
に曲げ変形する第１変形モードと，上記弾性変形部と錘
部との連結部分において上記固定部と同一面において曲
げ変形する第２変形モードと，上記弾性変形部と上記固
定部との連結部分において固定部と同一面において曲げ
変形する第３変形モードの３つの変形モードをもつこと
になる。このような振動子は，その弾性変形部が加えら
れる加速度の３次元の方向および大きさに応じた変形を
生じる。この変形を検知することによって加えられる加
速度の３次元の方向および大きさが検出される。

【００１５】この場合には上述したように，検出素子と
して歪み検出素子が用いられる。好ましくは，この歪み
検出素子はシリコン基板上にｐ型またはｎ型不純物の拡
散によって形成されたピエゾ抵抗素子である。ピエゾ抵
抗素子の抵抗値の変化に基づいて，振動子の弾性変形部
における変形が検知される。さらに好ましくは，上記の
第１変形モード，第２変形モード，および第３変形モー
ドの各変形モードにおいて弾性変形部の応力が最大とな
る箇所に歪み抵抗素子が設けられる。

【００１６】この発明は上記の加速度センサに用いられ
る振動子を提供している。

【００１７】この発明による振動子は，錘部と，固定部
と，上記錘部と固定部を弾性的に連結する弾性変形部と
を備え，上記弾性変形部の少なくとも異なる二方向の加
速度成分に応じてそれぞれ変形する箇所にその変形を検
出する少なくとも二つの素子が設けられている。好まし
くは，この振動子は単結晶シリコンによって形成されて
いる。

【００１８】この振動子を加速度センサに用いることに
より，一つの加速度センサによって，振動子に加えられ
る加速度の２次元または３次元の方向および大きさを検
出することが可能となる。

【００１９】

【実施例】図１は加速度センサで用いられる振動子の斜
視図である。この振動子は加えられる加速度に応じて３
つの異なるモードにおいて変形する。これらの変形を第
１変形モード，第２変形モード，および第３変形モード
という。加速度には，重力の加速度を含む。図２は第１
変形モードにおける振動子の変位を示す斜視図，図３は
第２変形モードにおける振動子の変位を示す平面図，図
４は第３変形モードにおける振動子の変位を示す平面図
である。

【００２０】振動子10は，錘部11と，固定部13と，これ
らを連結する細長い弾性変形部（梁部）12とから構成さ
れる。好ましくは，振動子10は単結晶シリコンを用いて
高精度な垂直ドライエッチングまたは異方性アルカリエ
ッチングによって一体的に形成される。

【００２１】振動子10はその固定部13が加速度センサ装
置に固定されることによって取り付けられる。この加速
度センサ装置は，ロボットアーム，その他の工作機器，
機材等の加速度を検出すべき移動体に固定される。

【００２２】弾性変形部12の長手方向をＹ方向とする。
弾性変形部12の長手方向（Ｙ方向）と直交し，かつ振動
子10の固定部13の表面に沿う方向をＸ方向とする。Ｘ方
向およびＹ方向に直交する方向をＺ方向とする。Ｙ方向
について，固定部13から錘部11に向かう方向を正（＋）
方向とし，Ｚ方向について，振動子10の下面から上面に
向かう方向を正（＋）方向とする。Ｘ方向の正（＋）の
方向については直交座標系にしたがう。

【００２３】錘部11は弾性変形部12の中心線（Ｙ軸）に
関して非対称な形状をしている。したがって錘部11の重
心はＹ軸からＸ方向に外れた位置にある。

【００２４】振動子10に加えられる加速度は，振動子10
の錘部11に作用する。固定部13と錘部11とを連結する弾
性変形部12が弾性力を持つので，錘部11に瞬間的に変化
する加速度が加わると，振動子10は減衰振動する。ま
た，錘部11に定常的な加速度（例えば重力）が加わって
いる状態では，弾性変形部12がその加速度に応じた変位
を保つ。

【００２５】振動子10にＺ方向の加速度が加えられる
と，弾性変形部12は，主に弾性変形部12のＸ軸を中心に
加速度の方向に応じて＋Ｚ方向または−Ｚ方向に曲が
る。これが第１変形モードである（図２参照）。錘部11
の振動の振幅（または変位の大きさ）は，加えられる加
速度のＺ方向成分の大きさに比例する。

【００２６】振動子10にＹ方向の加速度が加えられる
と，錘部11がＹ軸に関して非対称になっているので，弾
性変形部12は，主に弾性変形部12の錘部11との連結箇所
においてＺ方向にのびる軸（Ｚ₁ 軸）を中心に加速度の
方向に応じて＋Ｘ方向または−Ｘ方向に曲がる。これが
第２変形モードである（図３参照）。錘部11の振動の振
幅（または変位の大きさ）は，加えられる加速度のＹ方
向成分の大きさに比例する。

【００２７】振動子10にＸ方向の加速度が加えられる
と，弾性変形部12は，主に弾性変形部12の固定部13との
連結箇所においてＺ方向にのびる軸（Ｚ₂ 軸）を中心に
加速度の方向に応じて＋Ｘ方向または−Ｘ方向に曲が
る。これが第３変形モードである（図４参照）。錘部11
の振動の振幅（または変位の大きさ）は，加えられる加
速度のＸ方向成分の大きさに比例する。

【００２８】図５は，振動子をそこに形成された歪み検
出素子を含めて示す斜視図である。図６は図５に示す振
動子の弾性変形部付近の拡大斜視図である。図１に示す
ものと同一部材には同一符号を付し重複説明を避ける。

【００２９】弾性変形部12上の錘部11との連結部分に
は，歪み検出素子（歪みゲージ）14bがＹ軸に平行に弾
性変形部12の表面の中心を避けて＋Ｘ側に設けられてい
る。歪み検出素子14b は，主に加速度のＹ方向成分を検
知する。

【００３０】弾性変形部12上の固定部13との連結部分に
は，歪み検出素子14a および14c が弾性変形部12の表面
の中心を避けてＹ軸に平行に設けられている。歪み検出
素子14a が＋Ｘ側に，歪み検出素子14c が−Ｘ側に形成
され，歪み検出素子14a または14c のいずれか一方が主
に加速度のＸ方向成分を検知し，他方が主にＺ方向成分
を検知する。

【００３１】歪み検出素子14a ，14b および14c は，好
ましくは弾性変形部12上にｐ型またはｎ型不純物の拡散
によって形成されたピエゾ抵抗素子である。弾性変形部
12の変形によって歪み検出素子14a ，14b および14c の
抵抗値が変化する。歪み検出素子14a ，14b および14c
は配線パターン５によって，固定部13上に形成された外
部接続電極６にそれぞれ電気的に接続され，さらに外部
接続電極６にボンディングされたワイヤを通して加速度
検出回路（図示略）に接続される。

【００３２】歪み検出素子14a ，14b および14c の抵抗
値の変化は，これらのそれぞれに接続された配線パター
ン５を介して電気信号（電圧または電流）の変化として
取り出される。この電気信号の変化を外部接続電極６を
介して加速度処理回路に与えることにより加速度の方向
および大きさが検知される。

【００３３】加速度の大きさおよび方向は，歪み検出素
子14a ，14b および14c のそれぞれに接続された配線パ
ターン５を介して取り出された電気信号の変化に基づい
て，以下に詳述するようにして検知される。

【００３４】振動子10に加えられる加速度のＸ方向成
分，Ｙ方向成分およびＺ方向成分をそれぞれｇ_x ，ｇ_y
およびｇ_z とする。歪み検出素子14a ，14b および14c
のそれぞれに接続された配線パターン５を介して取り出
される電気信号ｆ_aOUT，ｆ_bOUT，およびｆ_cOUT（たとえ
ば，歪み検出素子を一辺にもつブリッジ回路により得ら
れる）は，次式によって示される。

【００３５】

【数１】

【００３６】ここで，ｓ_ax，ｓ_ay，およびｓ_azは，弾性
変形部12の歪み検出素子14a が設けられた箇所におけ
る，振動子10に加えられた加速度のＸ，ＹおよびＺの各
方向成分に対する感度を示す感度パラメータである。同
様に，Ｓ_bx，Ｓ_byおよびＳ_bzは，弾性変形部12の歪み検
出素子14b が設けられた箇所における，振動子10に加え
られた加速度のＸ，ＹおよびＺの各方向成分に対する感
度パラメータを，Ｓ_cx，Ｓ_cyおよびＳ_czは，弾性変形部
12の歪み検出素子14c が設けられた箇所における，振動
子10に加えられた加速度Ｘ，ＹおよびＺの各方向成分に
対する感度パラメータをそれぞれ示している。

【００３７】弾性変形部12は，振動子10に加えられる加
速度のＸ，ＹおよびＺの各方向成分に応じて，振動（ま
たは変位）する箇所または方向が異なるように形成され
ているので，感度パラメータは，弾性変形部12の歪み検
出素子14a ，14b および14cが設けられた箇所ごとに，
また加えられる加速度の方向成分ごとに異なる値とな
る。式１は行列式を用いて式２のように表される。

【００３８】

【数２】 式２からＸ，ＹおよびＺ方向の加速度成分ｇ_x，ｇ_y，お
よびｇ_z を導くと次のようになる。

【００３９】

【数３】

【００４０】式３を用いて，振動子10に加えられる加速
度の方向と大きさが算出される。この計算はアナログ演
算回路またはディジタルコンピュータ等を用いて自動的
に行われよう。後者の場合には，電気信号ｆ_aOUT，ｆ
_bOUT，およびｆ_cOUTはディジタル信号に変換されてコン
ピュータに与えられる。

【００４１】また次式に示すように，求められた各成分
方向の加速度ｇ_x，ｇ_y，およびｇ_zを極座標系に変換す
ることも可能である。

【００４２】

【数４】

【００４３】図７は，直交座標系において表現される加
速度と極座標系において表される加速度との関係を示し
ている。直交座標において加速度はベクトルＯＰ
（ｇ_x，ｇ_y，ｇ_z ）で表される。極座標においてｒは加
速度の大きさを，θはＸ軸の正の向きと加速度ＯＰのＸ
−Ｙ平面への投影成分とのなす角を，ψはＺ軸の正の向
きと加速度ＯＰとのなす角をそれぞれ表す。

【００４４】式４および図７に示すように，極座標表示
を用いることにより，振動子10に加えられた加速度がそ
の大きさ（ｒ）と角度（θ，ψ）によって表される。

【００４５】感度パラメータは，次のようにして求める
ことができる。

【００４６】基準加速度として，方向および大きさが既
知である３つの加速度（ｇ_x1，ｇ_y1，ｇ_z1），（ｇ_x2，
ｇ_y2，ｇ_z2），および（ｇ_x3，ｇ_y3，ｇ_z3）を振動子10
に３回にわたって順に加える。

【００４７】第１回目の加速度（ｇ_x1，ｇ_y1，ｇ_z1）が
加えられたときに歪み検出素子14aに接続された配線パ
ターン５から取り出される電気信号をｆ_a1out とする。
第２回目の加速度（ｇ_x2，ｇ_y2，ｇ_z2）が加えられたと
きに歪み検出素子14a に接続された配線パターン５から
取り出される電気信号をｆ_a2out とする。第３回目の加
速度（ｇ_x3，ｇ_y3，ｇ_z3）が加えられたときに歪み検出
素子14a に接続された配線パターン５から取り出される
電気信号をｆ_a3out とする。同様に，これら３回にわた
って加えられた加速度に応じて歪み検出素子14b に接続
された配線パターン５から取り出される電気信号をそれ
ぞれｆ_b1out ，ｆ_b2out およびｆ_b3outとする。３回に
わたって加えられた加速度に応じて歪み検出素子14c に
接続された配線パターン５から取り出される電気信号を
それぞれｆ_c1out ，ｆ_c2out およびｆ_c3out とする。こ
れらの電気信号と感度パラメータと加速度とを行列式に
よって表すと次のようになる。

【００４８】

【数５】

【００４９】たとえば基準加速度として，（ｇ_x1，
ｇ_y1，ｇ_z1）＝（１，０，０），（ｇ_x2，ｇ_y2，ｇ_z2）
＝（０，１，０），および（ｇ_x3，ｇ_y3，ｇ_z3）＝
（０，０，１）を振動子10にそれぞれ順に加える。これ
らの加速度の値と，これらの加速度を振動子10に加えた
ときに得られた３行３列の電気信号を式５に代入すれ
ば，３行３列の感度パラメータが求められる。

【００５０】感度パラメータの調整は，加速度センサの
用途，使用目的に応じて，振動子10の寸法（特に弾性変
形部12の幅）を調節することによって行われる。重力の
加速度のような微小な加速度を測定する場合は，細い幅
の弾性変形部12をもつ振動子10を用いればよい。弾性変
形部12の幅を細くすることにより高い感度の感度パラメ
ータを設定することができる。また，自動車のアクティ
ブ・サスペンションやエアバック・システムに用いる場
合には，加わる加速度の大きさを考慮した太い幅の弾性
変形部12をもつ振動子10を用いればよい。弾性変形部12
の幅を太くすることにより感度パラメータは低くなる。

【００５１】重力の加速度を測定するように設計された
加速度センサは，重力の加わる方向を検出することが主
な目的となる。ロボットアーム，その他の工作機器等に
重力の加速度を測定する加速度センサを設けることによ
って，その姿勢を検知することができる。

【００５２】また，このような加速度の検知機能をもっ
た小型のセンサ装置は，人間の入っていけない作業空
間，たとえば原子力発電施設，高電圧環境下，細管内の
検査のための自走ロボットに装備するセンサとして適用
できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】振動子の斜視図である。

【図２】第１変形モードにおける振動子の変位を示す斜
視図である。

【図３】第２変形モードにおける振動子の変位を示す平
面図である。

【図４】第３変形モードにおける振動子の変位を示す平
面図である。

【図５】歪み検出素子が形成された振動子の斜視図であ
る。

【図６】図５に示す振動子の弾性変形部付近の拡大斜視
図である。

【図７】直交座標系と極座標系との関係を示すグラフで
ある。

【符号の説明】

５ 配線パターン ６ 外部接続電極 10 振動子 11 錘部 12 弾性変形部 13 固定部 14a ，14b ，14c 歪み検出素子

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 加えられる加速度の方向および大きさに
   応じて変形する一つの変形部を有する加速度応答子，上
   記加速度応答子の上記変形部に設けられ，少なくとも二
   方向の変形を検出して検出信号を出力する少なくとも二
   つの検出素子，および上記検出素子から出力される検出
   信号に基づいて，上記加速度応答子に加えられる加速度
   の少なくとも２次元の方向および大きさを表す出力信号
   を生成する処理手段，を備えた加速度センサ。
2. 【請求項２】 上記処理手段が，上記加速度応答子に加
   えられる加速度の少なくとも上記二方向に関する感度を
   示すあらかじめ設定された感度パラメータと，上記検出
   素子から出力される検出信号とを用いて加速度の方向お
   よび大きさを表す出力信号を生成するものである，請求
   項１に記載の加速度センサ。
3. 【請求項３】 上記感度パラメータが，少なくとも２回
   にわたって加えられた方向の異なる既知の加速度と，上
   記既知の加速度が加えられることに応答してそれぞれ上
   記処理手段から出力された上記出力信号とに基づいて求
   められたものである，請求項２に記載の加速度センサ。
4. 【請求項４】 上記加速度応答子が，錘部と，固定部
   と，上記錘部と固定部を弾性的に連結する弾性変形部と
   を備えた振動子であり，上記変形部が上記弾性変形部で
   あり，上記検出素子が上記弾性変形部に設けられた歪み
   検出素子である，請求項１から３のいずれか一項に記載
   の加速度センサ。
5. 【請求項５】 上記加速度応答子が単結晶シリコンによ
   って形成されている，請求項４に記載の加速度センサ。
6. 【請求項６】 上記弾性変形部が，上記錘部に加えられ
   る加速度の方向に応じて変形する箇所または方向が互い
   に異なる第１変形モードと，第２変形モードと，第３変
   形モードの３つの変形モードを有し，これらの３つの変
   形モードに関する上記弾性変形部に生じる歪みを検出す
   る少なくとも３つの歪み検出素子が設けられている，請
   求項４または５に記載の加速度センサ。
7. 【請求項７】 錘部と，固定部と，上記錘部と固定部を
   弾性的に連結する弾性変形部とを備え，上記弾性変形部
   の少なくとも異なる二方向の加速度成分に応じてそれぞ
   れ変形する箇所にその変形を検出する少なくとも二つの
   素子が設けられている，振動子。
8. 【請求項８】 上記振動子が単結晶シリコンによって形
   成されている，請求項７に記載の振動子。