JPH11101816A - 角加速度センサ及び角加速度検出方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】単一構造の半導体センサを用いた比較的簡単な
構成で、特定方向の角加速度を精度良く直接的に検出で
きるようにする。 【解決手段】Ｙ軸回転方向以外の４つの加速度センサエ
レメントに作用する他の方向の加速度及び角加速度の成
分は相殺される。一方において、Ｙ軸周りの角加速度が
作用したときのホイートストンブリッジ回路の出力電圧
Ｖは、 Ｖ＝（Ｒ１・Ｒ４−Ｒ２・Ｒ３）／（Ｒ１＋Ｒ３）（Ｒ
２＋Ｒ４）・Ｖｃｃ＝ΔＲ／Ｒ（１〜４） と表すことができ、したがって、本例の角加速度センサ
によってＹ軸回転成分だけを検出することができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、角加速度センサに関
し、特に、特定方向の角加速度のみを選択的に検出する
ことができる角加速度センサに関する。

【０００２】

【本発明の背景】質量部とこれを支持する比較的断面の
小さい梁部とを有し、質量部の変位を圧電素子により検
出して作用する加速度を検出する加速度センサは知られ
ている。このような圧電素子を用いた片持ち支持構造の
加速度センサはたとえば、特開平４−１３２０２７６号
公報に開示されている。この公報に開示された構造で
は、形状の等しい２個の片持ち梁部が同一平面上に互い
に逆向きに並設されており、各片持ち梁部に形成された
各ピエゾ抵抗によりブリッジ回路を構成している。この
ピエゾ抵抗の配置された平面に垂直方向（Ｚ軸方向）の
加速度の検出値が顕著となるようにかつセンサの面内方
向（Ｘ軸方向及びＹ軸方向）の加速度の検出値が相殺さ
れるように構成している。

【０００３】この開示された構造によれば、特定方向の
加速度を精度良く検出することができるという利点があ
る。ところで、最近では、加速度の１態様としての角加
速度を検出する必要性が生じている。たとえば、衝突実
験などにおいては、正確に衝突状況を把握するためには
できるだけ様々なデータを収集することが望ましい。す
なわち、３次元空間において物体の加速度運動は、Ｘ、
Ｙ、Ｚ軸方向への平行移動加速度及びこれらの軸周りの
回転運動加速度の６つの要素で表すことができる。この
場合、運動の状態を的確に把握するためには、それぞれ
の単一要素を精度良く抽出して検出できることが望まし
いものである。このような観点から衝突実験などでは多
くの検出箇所を設けできるだけ多くの加速度のデータと
ともに角加速度のデータを収集して解析するようになっ
ている。この場合、正確な解析を達成するためには、着
目する特定の運動要素以外の要素の影響は排除する必要
がある。角加速度に関しては、従来では一般的に、角速
度を検出し、これを微分演算することによって求めてい
た。

【０００４】しかし、このような間接的な手法によって
角加速度を得るよりも、直接的に検出することができれ
ば便宜であり、簡単である。この場合、上記公報に開示
されるような１つの方向の加速度を検出することができ
る加速度センサを２個用いて、角加速度を検出すること
は従来でも可能であった。しかし、この場合２つの加速
度を所定の位置にそれぞれ設置することが必要となり、
面倒である。

【０００５】

【解決しようとする課題】上記公報に開示されるような
加速度センサは特定方向の加速度を検出することについ
ては上記したように精度良く行うことができるものであ
り、また複数を組み合わせることによって角加速度セン
サを構成することは可能なものであるが、単一のセンサ
を用いて特定方向の角加速度を直接得ることはできな
い。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明はこのような事情
に鑑みて構成されたもので、単一構造の半導体センサを
用いた比較的簡単な構成で、特定方向の角加速度を精度
良く直接的に検出できるようにすることを目的とする。
本発明の１つの特徴によれば、所定方向の加速度が作用
したときに変位する質量部と該質量部の変位を検出する
検出部とからなる加速度センサエレメントと、前記検出
部を介して前記質量部を片持ち支持することによって前
記加速度センサエレメントを支持する基部とを備え、特
定方向の角加速度のみが検出できるような配置で複数の
前記加速度センサエレメントが前記基部に取付けられて
いることを特徴とする角加速度センサが提供される。

【０００７】この場合、前記検出部は、前記質量部のの
重心と片持ち支持部とを結んだ中立軸上にほぼ位置し、
少なくとも前記質量部の変位方向に関して前記質量部よ
りも小さい断面を有する梁部に設けられる。そして、典
型的には前記検出部は圧電素子から構成される。好まし
い態様では、４つの加速度センサエレメントが前記基部
に取付けれられており、２つづつのグループに分割する
対称軸が少なくとも２つ存在するように配置されてい
る。特に、好ましくは、各加速度センサエレメントは、
一方の対称軸に対しては前記質量部の中立軸がほぼ直交
するように延びるとともに、他方の対称軸に対してはほ
ぼ平行に延びるように配置されている。この場合、前記
４つの加速度センサエレメントは実質的に同一平面上に
設けられる。

【０００８】本発明の別の態様によれば、所定方向の加
速度が作用したときに変位する質量部と該質量部の変位
を検出する検出部とからなる加速度センサエレメントを
構成し、複数の前記加速度センサエレメントを所定の位
置関係で配置して、前記加速度センサエレメントを前記
検出部を介して前記質量部を片持ち支持し、各加速度セ
ンサエレメントの検出値を演算することによって特定方
向の角加速度を得ることを特徴とする角加速度の検出方
法が提供される。

【０００９】

【本発明の実施の形態】本発明にかかる角加速度センサ
は、所定方向の加速度を検出することができる複数の加
速度センサエレメントを備えている。そして、特に複数
の加速度センサエレメントの特定の配置関係で組み合わ
せることによって特定方向の角加速度を検出することが
できる。この加速度センサエレメントの基本的な構成
は、所定方向の加速度が作用したときに変位する質量部
と該質量部の変位を検出する検出部とから構成される。
そして、加速度センサエレメントは、検出部を介して質
量部を片持ち支持するように基部によって支えられる。
この基部は、複数の加速度センサエレメントの基板とい
うことができる。

【００１０】そして、質量部と基部との間に位置する検
出部の表面には、圧電素子が取付けられ検出部の曲げ変
位を抵抗変化として検出し、質量部に作用する加速度の
大きさを検出することができる。基部に取付けられる加
速度センサエレメントの数は典型的には４個でありこの
角加速度センサを構成する４個の加速度センサエレメン
トからの出力値は、各加速度センサエレメントに作用す
る加速度の方向によって異なる。４つの加速度センサエ
レメントの検出部はホイートストンブリッジの各抵抗に
態様するように回路に組み込まれており、加速度センサ
エレメントに作用する加速度すなわち抵抗は、ホイート
ストンブリッジの出力として現れる。そして、本発明に
よれば、上記他方の対称軸まわりの角加速度センサのみ
が精度良く検出される。４つの加速度センサエレメント
に作用する他の方向の加速度及び角加速度の成分は相殺
されるからである。

【００１１】

【実施例】以下、本発明を実施例に基づいて説明する。
図１には、本発明の１実施例にかかる角加速度センサ１
０が示されている。本例の角加速度センサ１０は、平面
的な形状を成しており、実質的に単一の平面内に時計回
りに第１ないし第４の４つの加速度センサエレメント
１、２、３、４を備えている。この加速度センサエレメ
ントの基本的な構成は、紙面に垂直方向（Ｚ軸方向）の
加速度成分に対して変位する質量部５とこの質量部を片
持ち支持する梁部６とを備えている。梁部６は質量部５
の中立軸７上に沿って延びてフレーム部材８の一部とし
ての基部に連続している。フレーム部材８は、本例では
矩形形状を成しており、加速度センサエレメントの４つ
の質量部の周囲に配置される周囲部を備えている。周囲
部は、一対の平行な横方向の横フレームとこの横フレー
ム９の端部に結合される一対の平行な縦フレーム１１と
を備えている。縦フレームは中央部において横方向に延
びる中間フレーム１２によって結合されている。この中
間フレーム１２に上記４つの加速度センサエレメント１
〜４が梁部６を介してそれぞれ結合されている。したが
って本例では、中間フレームは、上記加速度センサエレ
メントの基部を構成することになる。本例の角加速度セ
ンサの構造では、加速度センサエレメント１〜４は、フ
レーム部材８の横方向対称軸（Ｘ軸）と縦方向の対称軸
（Ｙ軸）に関して、それぞれ対称的に配置されている。
すなわち、Ｘ軸に関して第１と第４加速度センサエレメ
ント１、４とが、及び第２と第３加速度センサエレメン
ト２、３とがそれぞれ対称に配置されるとともに、Ｙ軸
に関して第１と第２加速度センサエレメント１、２と
が、及び第３と第４加速度センサエレメント３、４とが
がそれぞれ対称に配置される。

【００１２】別の言い方では、各加速度センサエレメン
ト１〜４はＸ軸とＹ軸との交点Ｏに関して点対称となる
位置関係で配置されている。また、加速度センサエレメ
ントの梁部６は、質量部５よりも幅が小さくなっており
質量部の中央部を中間フレーム１２に結合している。ま
た梁部６は、図２に示すように厚さも質量部及び中間フ
レーム１２よりも小さくなっている。この場合、梁部６
の一方の表面は質量部５及び中間フレーム１２の表面と
面一になっている。すなわち、梁部６は厚さ方向にオフ
セットした状態で質量部５及び中間フレーム１２と結合
されている。このように加速度センサエレメントの梁部
６は、質量部５に比してＺ軸方向に関して断面が小さく
なっており、このため質量部５の変位を比較的大きな曲
げ変化として反映することができる。そして、質量部と
基部との間に位置する梁部の表面には、梁部の曲げ変位
を抵抗変化として出力する圧電素子（ピエゾ抵抗）Ｒ１
ないしＲ４が第１ないし第４加速度センサエレメント１
〜４に対応して設けられている。この圧電素子Ｒ１〜Ｒ
４は、質量部５に作用する加速度の検出部を構成する。
すなわち、梁部６の曲げ量は、質量部５に作用する加速
度の大きさに対応するので、上記圧電素子Ｒ１〜Ｒ４の
抵抗変化は質量部のＺ軸方向に作用する加速度を表すこ
とになる。

【００１３】４つの加速度センサエレメントの圧電素子
Ｒ１〜Ｒ４は図３に示すようなホイートストンブリッジ
回路の各抵抗に態様するように回路に組み込まれてお
り、加速度センサエレメントに作用する加速度すなわち
抵抗は、ホイートストンブリッジの出力として現れる。
以下、本例の角加速度センサの動作について説明する。
上記したように、３次元空間において物体の加速度運動
は、Ｘ、Ｙ、Ｚ軸方向への平行移動加速度及びこれらの
軸周りの回転運動加速度の６つの要素で表すことができ
る。本発明の角加速度センサは、図１に示す状態におい
てＹ軸周りの角加速度を精度良く検出できるものであ
る。

【００１４】本例の角加速度センサは、例えば衝突実験
などにおいて使用される図４に示すようなダミー１３に
取付けられる。この場合、本例の角加速度センサ１０
は、ダミー１３の首、腰、膝、踵等の間接部１４、１
５、１６、１７等に取付けられ、衝突の際の間接部周り
角加速度を検出する。これによって衝突時の影響を詳細
に解析することができる。図１に示す構造の角加速度セ
ンサにおいて、それぞれの加速度要素が作用した場合に
おいて、図５に各加速度センサエレメントの圧電素子Ｒ
１〜Ｒ４の抵抗変化ΔＲを示す。なお、図１において質
量部が紙面に垂直方向上方に変位するときすなわちＺ軸
正方向に変位するとき、圧電素子Ｒ１〜Ｒ４は圧縮力を
受け抵抗は減少するすなわち抵抗変化ΔＲはマイナスで
ある。

【００１５】なお、本例の構造でＸ軸方向に作用力が加
わったときには、質量部５の変位は発生せず、Ｚ軸方向
及びＹ軸方向の作用力が加わったときに質量部５が変位
し、これによって圧電素子Ｒ１〜Ｒ４の抵抗変化ΔＲが
発生する。抵抗変化ΔＲの発生する状態について図６を
参照して概念的に説明する。図６に示すように本例の梁
部は質量部５の上面と面一になるようにオフセットして
おり、半導体センサである圧電素子Ｒ１〜Ｒ４はその上
面に張りつけられる。したがって、図６(b) で示すよう
に質量部５がＺ軸方向に作用力を受ける場合だけでな
く、Ｙ軸方向に作用力を受けた場合であっても図６(c)
で示すように質量部は変位する。この場合、梁部が上方
に変位しているために、質量部が基部から離れる方向に
作用力を受ける場合には、上方の曲がって抵抗変化ΔＲ
がマイナスとなり、質量部５が基部に対して押される方
向に作用力が働く場合には、質量部５は下方に変位し
て、梁部６には、引っ張り力が作用して抵抗変化ΔＲは
プラスとなる。

【００１６】これは、厚さ方向に関して梁部６が質量部
５に対して上方にオフセットしているためであり、たと
えば、図７に示すように梁部６ａ、６ｂが質量部５の上
面部及び下面部の両方に面一となるようにするとともに
かつ、中間部に空洞１８を設けて梁部６ａ、６ｂが質量
部の厚さ方向すなわちＺ軸方向の中心軸に関して対称的
に配置されている場合には、Ｙ軸方向の作用力に対して
は影響を受けないこととなる。図５に示すように、Ｙ軸
回転方向以外の４つの加速度センサエレメントに作用す
る他の方向の加速度及び角加速度の成分は相殺される。
一方において、Ｙ軸周りの作用力が働いた場合におい
て、本例の角加速度センサ１０に関するホイートストン
ブリッジ回路の出力電圧Ｖは、 Ｖ＝（Ｒ１・Ｒ４−Ｒ２・Ｒ３）／（Ｒ１＋Ｒ３）（Ｒ
２＋Ｒ４）・Ｖｃｃ＝ΔＲ／Ｒ（１〜４） と表すことができ、したがって、本例の角加速度センサ
によってＹ軸回転成分だけを検出することができる。

【００１７】上記の例では、角加速度センサは単一平面
上においてＸ軸、Ｙ軸に関してそれぞれ対称となるよう
に加速度センサエレメントを配置した構造になっている
が、必ずしもこれに限定されるものではない。例えば、
同一平面内において本例と同様の効果を得ることができ
る構成として図８の(a) 、(b) 、(c) 等に示すような関
係で、加速度センサエレメントを配置してもよい。図８
(a) 、(b) 、(c) の構造は、何れも４つの加速度センサ
エレメントを備えているが、そのの配置が前例と異なっ
ている。図８(a) では、角加速度検出回転軸すなわちＹ
軸に関して２つづ加速度センサが対称的に配置されてお
り、その２つづつの加速度センサエレメントはその互い
の質量部が対峙する関係で配置されている。そして、本
例では図１に例と異なり、中間フレーム１２は存在せ
ず、加速度センサエレメントは、フレーム部材８の周囲
部を構成する平行な横フレーム９に、互いに反対向きに
それぞれ取付けられている。

【００１８】図８(b) の構造は、角加速度検出回転軸で
あるＹ軸に直交する中間フレーム１２を備えており、Ｙ
軸に関して２つづつの加速度センサエレメントが配置さ
れている点は、図１および図８(a) のものと同様である
が、Ｙ軸に関して一方の側に配置される２つの角加速度
センサエレメントは、互いに反対向きで横フレーム９に
支持されるとともに、Ｙ軸に関して他方の側の２つの角
加速度センサエレメントは、互いに向き合うような配置
で中間軸１２に支持されている。図８(c) に構造では、
Ｙ軸に沿った中間フレーム１２を備えており、Ｙ軸の両
側に２つづつ加速度センサエレメントが配置される点
は、他の実施例と同じであるが、その２つづつの加速度
センサエレメントの１つは縦フレーム１１に、他方は中
間フレーム１２にそれぞれ支持される構造になってい
る。

【００１９】この場合、図８(a) に示す構成を採用する
と、上記の実施例の中間フレーム１２を設ける必要がな
くなるので、センサをよりコンパクトにすることができ
る利点がある。また、上記の例では複数の加速度センサ
エレメント１〜４をすべて実質的に同一平面内に配置す
るようにしているが、かならずしもこのようにする必要
はなくたとえば、Ｙ軸に関して対称であることを条件と
して、第１と第４加速度センサエレメントとを第２及と
第３加速度センサエレメントとは異なる平面に配置して
もよい。本例の角加速度センサは、振動現象における角
加速度センサとして有効に使用することができるもので
あるが、このような観点で使用される場合において図
９、図１０及び図１１を参照して、本発明の角加速度セ
ンサに使用する加速度センサエレメントの他の形態につ
いて説明する。

【００２０】本例の加速度センサエレメントは、フレー
ム部材８すなわち基部に支持された２種類の異なる入れ
子状に配置される質量部１９、２０を備えている。外部
質量部は矩形形状で内側に矩形形状の空間部を備えてい
る。この外部質量部１９は一対の梁部２１、２２を介し
てフレーム部材８に支持されており、内部質量部は、外
部質量部の空間部に配置され、矩形形状をなしている。
内部質量部２０は、一対の梁部材２３、２４を介して外
部質量部１９に支持されるとともに、梁部６を配してフ
レーム部材８すなわち基部に支持されている。そして、
図１０に示すように外部質量部１９の先端部の近傍には
Ｚ軸方向の変位を規制する規制部材２５が設けられてお
り、外部質量部１９の所定以上の変位を拘束するように
なっている。外部質量部１９が規制部材２５によって規
制されるまでは、外部質量部１９は内部質量部２０を伴
って変位し、規制部材２５によって規制された後は、内
部質量部が単独で変位することとなる。したがって、作
用する加速度が小さいときは、内部及び外部質量部１
９、２０が共に変位し、加速度が大きい所定範囲では内
部質量部２０が加速度を検出する。

【００２１】外部質量部１９と内部質量部２０との両方
が変位する場合の振動系と、内部質量部のみが振動する
場合の振動系とは固有振動数が異なるので、本例のよう
に構成することによって異なる振動数範囲で角加速度を
検出するように角加速度センサ１０を機能させることが
できる。つぎに、本発明にかかる半導体圧電素子を用い
た角加速度センサの製造方法の例について図１２を参照
しつつ説明する。本例の角加速度センサはシリコン単結
晶母材からフォトエッチングの技術を用いて製造するの
が一般的である。本例の角加速度センサを製造する場
合、まず、シリコン単結晶母材としてのシリコンウエハ
２６を準備する（図１２(a))。次に酸化膜２７を形成し
た後、酸化膜エッチングを行い不純物拡散用の窓明けを
行う（図１２(b))。ついで、抵抗用ボロンイオンを注入
して梁部の表面に抵抗変化検出部としての半導体センサ
部分２８を構成するとともに、シリコンウエハの裏面に
も形成した酸化膜についてパターニングおこない、酸化
膜エッチングを行ったのち、レジスト剥離を行う（図１
２(c))。

【００２２】そして、裏面にアルミのマスキングをして
裏面のディープエッチングを行ったのちアルミを除去す
る（図１２(d))。この工程で梁部６が形成される。つぎ
に、シリコンウエハ２５の裏面側に別のシリコンウエハ
３０をガラス接合を行う（図１２(e))。そして、シリコ
ンウエハの表面にディープエッチング用の窓明けを行う
とともに、さらに表面側のディープエッチングを行って
シリコンウエハを所定の領域において貫通させ（図１２
(f))、質量部５を形成し、レジスト剥離する（図１２
(g))。このようにして、梁部の上面に半導体センサすな
わち圧電素子を形成した備えた角加速度センサを構成す
ることができる。なお、本件実施例は対称軸をＹ軸、若
しくはＸ軸、Ｙ軸としたがＺ軸としても良い。

【００２３】上記の例では、４つの加速度センサエレメ
ントを独特の配置関係で組み込んだ例について説明した
が、必ずしも、４つに限定されるものではない。

【００２４】

【発明の効果】本発明によれば、上記したように極めて
簡単な構成で、所定の軸回りの角加速度を検出すること
ができる。本発明によって得られるセンサは、複数個の
所定方向の加速度に対して感応する加速度センサエレメ
ントを独特の位置関係で配置することによって構成する
ことができる単一部材からなる極めてコンパクトな構造
である。上記の所定軸周りの角加速度以外の要素の影響
を受けないので、特定回転軸を設定することにより当該
特定回転軸周りの角加速度を正確にかつ直接検出するこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の１実施例にかかる角加速度センサの平
面図、

【図２】図１の角加速度センサのＡ−Ａ断面図、

【図３】加速度センサエレメントの圧電素子の各抵抗を
組み込んだホイートストンブリッジ、

【図４】本発明にかかる角加速度センサを適用すること
ができる好適な例としての衝突実験に使用するダミーの
周辺概略図、

【図５】６つの加速度要素のそれぞれが作用したとき、
角加速度センサの各加速度センサエレメントの梁部に設
けられる圧電素子の抵抗値の変化を表すチャート、

【図６】本発明にかかる加速度センサエレメントに作用
力が働いたときの変位状態を説明するための概念図、

【図７】本発明にかかる加速度センサエレメントの他の
形態を示す斜視図(a)及び断面図(b) 、

【図８】本発明の他の形態にかかる角加速度センサの平
面図、

【図９】加速度センサエレメントの他の形態の斜視図、

【図１０】図９の加速度センサエレメントの断面図、

【図１１】図９の加速度センサエレメントの加速度と変
位量との関係を示すグラフ、

【図１２】本発明の角加速度センサの製造過程を示す説
明図である。

【符号の説明】

１、２、３、４ 加速度センサエレメント ５ 質量部 ６ 梁部 ８ フレーム部材 １２ 中間フレーム。

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】所定方向の加速度が作用したときに変位す
   る質量部と該質量部の変位を検出する検出部とからなる
   加速度センサエレメントと、 前記検出部を介して前記質量部を片持ち支持することに
   よって前記加速度センサエレメントを支持する基部とを
   備え、 特定方向の角加速度のみが検出できるような配置で複数
   の前記加速度センサエレメントが前記基部に取付けられ
   ていることを特徴とする角加速度センサ。
2. 【請求項２】請求項１において、前記検出部は、前記質
   量部のの重心と片持ち支持部とを結んだ中立軸上にほぼ
   位置し、少なくとも前記質量部の変位方向に関して前記
   質量部よりも小さい断面を有する梁部に設けられたこと
   を特徴とする角加速度センサ。
3. 【請求項３】請求項２において、前記検出部が圧電素子
   から構成されていることを特徴とする角加速度センサ。
4. 【請求項４】請求項１または２において、４つの加速度
   センサエレメントが前記基部に取付けれられており、２
   つづつのグループに分割する対称軸が少なくとも２つ存
   在するように配置されていることを特徴とする角加速度
   センサ。
5. 【請求項５】請求項４において、前記各加速度センサエ
   レメントは、一方の対称軸に対しては前記質量部の中立
   軸がほぼ直交するように延び、他方の対称軸に対しては
   ほぼ平行に延びるように配置されていることを特徴とす
   る角加速度センサ。
6. 【請求項６】請求項５において、前記４つの加速度セン
   サエレメントは実質的に同一平面上に設けられているこ
   とを特徴とする角加速度センサ。
7. 【請求項７】所定方向の加速度が作用したときに変位す
   る質量部と該質量部の変位を検出する検出部とからなる
   加速度センサエレメントを構成し、 複数の前記加速度センサエレメントを所定の位置関係で
   配置して、前記加速度センサエレメントを前記検出部を
   介して前記質量部を片持ち支持し、 各加速度センサエレメントの検出値を演算することによ
   って特定方向の角加速度を得ることを特徴とする角加速
   度の検出方法。