WO2005085876A1 - 振動型圧電加速度センサ - Google Patents

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WO2005085876A1
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vibration
acceleration sensor
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sensor according
piezoelectric acceleration
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PCT/JP2005/002126
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Jiro Terada
Masaya Nakatani
Takami Ishida
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Matsushita Electric Industrial Co., Ltd.
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    • 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
    • G01P2015/084—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 the mass being suspended at more than one of its sides, e.g. membrane-type suspension, so as to permit multi-axis movement of the mass

Definitions

  • the present invention relates to a vibration-type piezoelectric acceleration sensor (hereinafter, referred to as VAS) used for acceleration, attitude control of a mobile body such as a vehicle, and a control system.
  • VAS vibration-type piezoelectric acceleration sensor
  • FIG. 7 is a cross-sectional view showing a configuration of a conventional acceleration sensor.
  • the chip 1 has a diaphragm 2 formed on the back surface thereof, and a plurality of strain-sensitive resistors 3 provided on the surface of the portion where the diaphragm 2 is formed.
  • the other part of the surface of the chip 1 is provided with a semiconductor integrated circuit for calculating the acceleration and a thin film resistor 4 for adjusting the characteristics of the semiconductor integrated circuit.
  • the protective film 5 is formed on the portion including the upper part 4.
  • a glass weight 6 is bonded to the back surface of the chip 1.
  • FIG. 8 is a block diagram showing the configuration of the acceleration sensor.
  • a piezoelectric element 11 for outputting a signal corresponding to the acceleration G
  • an impedance conversion means 12 for converting a signal output from the piezoelectric element 11, and a signal output from the impedance conversion means 12
  • Filter means 13 for removing unnecessary signals
  • amplification means 14 for amplifying necessary signals output from filter means 13
  • AC signal output means 16 for outputting an AC signal synchronized with the synchronization of a timing signal inputted from the outside 16
  • a force such as a capacitor 17 connected in series between the AC signal output means 16 and the piezoelectric element 11 is also configured.
  • a voltage signal output from the conventional acceleration sensor configured as described above is configured to be taken into the measurement / calculation means 18 and the control means 15 which are also a microcomputer. ing. When two-axis detection is performed, the detection is performed by orthogonally arranging two identical ones.
  • the present invention provides a frame, a pair of diaphragms provided on the frame so as to oppose each other in a straight line, a lower electrode, a piezoelectric thin film, and an upper electrode which are sequentially laminated on the diaphragm. It has an element consisting of a support that holds one end side close to the plate and a holding part that holds the support slidably in a linear direction, and the acceleration transmitted to the support via the element holding part.
  • the diaphragm expands and contracts, the acceleration is detected from the change in the natural vibration frequency of the diaphragm, and a set of vibrations is set so as to be orthogonal to a set of diaphragms provided on the frame in a straight line.
  • a vibration-type piezoelectric acceleration sensor that detects two-axis acceleration by providing plates facing each other on a straight line. In this way, static and dynamic acceleration detection can be performed with stable two-axis acceleration detection without being affected by environmental changes such as noise, and highly accurate control can be performed even under severe temperature changes.
  • a vibration type piezoelectric acceleration sensor can be provided.
  • FIG. 1 is a plan view showing a configuration of an element of a vibration-type piezoelectric acceleration sensor (VAS) according to a first embodiment of the present invention.
  • VAS vibration-type piezoelectric acceleration sensor
  • FIG. 2 is a perspective view showing a configuration of a diaphragm of a VAS according to Embodiment 1 of the present invention.
  • FIG. 3A is a diagram showing a configuration of a VAS according to Embodiment 1 of the present invention.
  • FIG. 3B is a diagram showing a configuration of a VAS according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 3C is a diagram showing a configuration of a VAS according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 3D is a diagram showing a configuration of a VAS according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a circuit diagram showing a configuration of two-axis detection of a VAS according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 5A is a manufacturing step diagram showing a method of manufacturing a VAS according to Embodiment 1 of the present invention.
  • FIG. 5B is a manufacturing step diagram showing a method for manufacturing a VAS according to Embodiment 1 of the present invention.
  • FIG. 5C is a manufacturing step diagram showing a method for manufacturing a VAS according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 5D is a manufacturing step diagram showing the method for manufacturing the VAS according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 5E is a manufacturing step diagram showing the method for manufacturing the VAS according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 5F is a manufacturing step diagram showing a method for manufacturing a VAS according to Embodiment 1 of the present invention.
  • FIG. 6 is a diagram showing a configuration of an airbag control system using a VAS according to a second embodiment of the present invention.
  • FIG. 7 is a cross-sectional view showing a configuration of a conventional acceleration sensor.
  • FIG. 8 is a block diagram showing a configuration of another conventional acceleration sensor.
  • diaphragms 23a to 23d having a natural vibration frequency are provided in frame 31.
  • the support 33 changes the natural vibration frequency of the diaphragms 23a to 23d.
  • the holding portions 32a to 32d are formed in a zigzag shape to hold the support 33 slidably in a linear direction. With such a configuration, the diaphragms 23a to 23d can expand and contract, and the acceleration can be detected with high response and high accuracy without being affected by a temperature change.
  • the diaphragm 23a is formed in a beam shape and has bases 34 at both ends, and has a structure in which one base 34 is supported by the frame 31 and the other base 34 is supported by the support 33. .
  • the support 33 is supported by the frame 31 via a holding portion 32a formed in a zigzag shape so that the support 33 can reciprocate on a straight line.
  • the description is made using one diaphragm 23a provided in the frame 31, but the same applies to the other diaphragms 23b to 23d, and the description is omitted.
  • the arm 23i is provided so as to be pulled out from the base 34.
  • the resonance sharpness is increased by at least 2-3 times, and the detection accuracy can be improved by increasing the resonance sharpness. Further, since a higher change rate of the resonance frequency can be obtained by the acceleration, the acceleration can be detected with high accuracy without being affected by the temperature change.
  • diaphragm 23 a is composed of Si layer 20 formed on SiO layer 22 and Si layer 20.
  • the upper electrode is composed of a drive electrode 26b, a detection electrode 26a, and a cap.
  • the drive electrode 26b and the detection electrode 26a are formed up to the frame 31 and the support 33 along the center of the beam forming the diaphragm 23a.
  • the drive electrode 26b and the detection electrode 26a are configured to be provided with a take-out electrode (not shown) at a predetermined portion extending to the frame 31, and to be taken out by a control circuit (not shown).
  • a take-out electrode not shown
  • the vibration of the diaphragm 23a is not affected, so that the acceleration can be detected with high accuracy without being affected by the temperature change.
  • the drive electrode 26b and the detection electrode 26a are arranged so as to be orthogonal to the longitudinal direction of the diaphragm 23a and symmetric with respect to a central axis equally dividing the diaphragm 23a. In this way, the driving sensitivity of the diaphragm 23a and detection from the diaphragm 23a can be maximized by equally dividing the effective area of the diaphragm 23a.
  • VAS vibration type piezoelectric acceleration sensor
  • 3A to 3D show the configuration of the VAS according to the present embodiment, and show the diaphragms 23a to 23d, respectively.
  • the element using the diaphragm 23a shown in FIG. 2 is shown by an equivalent circuit 35.
  • the element 35 is attached to a main body (not shown) so as to hold the frame 31 of the element 35.
  • a signal such as some noise is input to the amplifier circuit 38 and amplified.
  • the amplified signal is input to the drive electrode 26b of the element 35 through the drive signal line 36b to vibrate the diaphragm 23a.
  • charge is excited from the piezoelectric thin film 25 forming the diaphragm 23a to the detection electrode 26a, and is input from the detection electrode 26a to the amplification circuit 38 through the detection signal line 36a.
  • this closed loop operation is repeated, and a stable steady state is established at the resonance frequency of the natural vibration.
  • the resonance frequency signal of the natural vibration is input to the FZV converter 39 and is converted into a predetermined voltage.
  • the AGC circuit 40 controls the AGC circuit 40 to operate so that accurate FZV conversion can be performed without error when the voltage level output from the amplifier 38 increases and the signal is distorted.
  • FIG. 4 shows the configuration of the VAS body 41.
  • This is a two-axis detection configuration in which differential outputs are obtained by differential circuits 42 and 43 as output signals of VAS 41a-41d and are used as detection signals of acceleration in the X-axis direction and the Y-axis direction.
  • the differential circuits 42 and 43 dynamically cancel changes in each element and circuit characteristics, so that further stability can be achieved.
  • 5A to 5F are manufacturing process diagrams showing a method of manufacturing a VAS according to the present embodiment, and show a cross-sectional view of a central portion of diaphragm 23a.
  • an etching stopper 22 made of SiO to stop etching is formed on a substrate 21 also made of S, and a Si stopper is formed on the etching stopper 22.
  • the layer 20 is formed.
  • the thickness of the substrate 21 was 500 m
  • the thickness of the etching stopper 22 was 2 m
  • the thickness of the Si layer 20 was 10 ⁇ m.
  • a 50 A thick Ti is formed on the Si layer 20 using high frequency sputtering, and a 2000 A thick platinum is further formed to form the lower electrode 24.
  • a piezoelectric thin film 25 made of PZT (Lead Zirconate Titanate) is formed on this platinum with a thickness of 25 ⁇ m, and a Ti layer is formed by vapor deposition on the piezoelectric thin film 25 using a metal mask so as to have a predetermined pattern.
  • a 100A film is formed, and a 3000A thick film is formed on the Ti layer by vapor deposition.
  • the upper electrode 26 having a predetermined pattern is formed.
  • a resist 27 is formed on gold as an etching mask.
  • a side groove 28 is formed by etching.
  • the support 33 and the holding portion 32 are also made of Si to improve the stability of the resonance frequency change corresponding to the stress generated in the diaphragm 23 due to the applied acceleration change. You can do it.
  • a resist 27 having a predetermined pattern is formed on the back surface of the substrate 21, and a hole 29 is formed by etching the back surface of the substrate 21.
  • diaphragm 23 formed in a thin and beam-like shape can be manufactured.
  • the detection sensitivity by adding more mass to the upper surface or lower surface of the support 33, the mass of the support 33 increases, the stress applied to the diaphragm 23a increases, and the acceleration increases. Therefore, the degree of change of the vibration frequency with respect to is increased, and the detection sensitivity can be increased.
  • FIG. 6 shows a car airbag control system as an application example using the VAS41 according to the present invention.
  • VAS41 is placed in the X-axis and Y-axis directions.
  • the control system will be described using a vehicle body 44, a front airbag 45, a side airbag 46, an airbag opening device 47, and a driver 48.
  • the arrow 49 indicates the traveling direction.
  • the VAS 41 of the present invention mounted as described above controls the vehicle body 44 by controlling the acceleration.
  • the acceleration output signal is transmitted to the air knock.
  • the opening device 47 outputs a signal for opening the airbag.
  • the opening signal is transmitted to the airbag devices 45 and 46 to open the airbag, thereby enabling safe operation control.
  • the front airbag 45 when acceleration occurs during a collision in the traveling direction (X-axis direction), the front airbag 45 is opened.
  • acceleration Y-axis direction
  • a life accident can be prevented beforehand by opening the side airbag 46 with a signal based on the acceleration in the left-right direction.
  • high and high level safety control is enabled.
  • the arrangement of the vibration type piezoelectric acceleration sensor 41 is the average acceleration. It is desirable to provide it at the center of the vehicle body 44 from the viewpoint of detection.
  • the VAS 41 is mounted at the center of the vehicle. Further, the positional relationship between the driver and the airbag device in the vehicle body is not limited to the present embodiment. For example, it goes without saying that the effects of the present invention are exhibited even when the driver is located on the left side of the vehicle body with respect to the traveling direction!
  • the VAS according to the present invention can obtain a high rate of change in the resonance frequency due to the acceleration, and therefore can detect the acceleration with high accuracy without being affected by the temperature change.
  • gravity on the earth can be used as stationary acceleration detection in addition to the airbag control system.
  • the stationary acceleration detection can be used as a sensor for detecting an inclination angle, and can be used for a three-dimensional three-dimensional navigation device including altitude by detecting the inclination angle.

Abstract

フレームに直線上に対向配置された１組の振動板と、この振動板を保持する支持体と、この支持体を直線方向に摺動自在に保持する保持部と、上記１組の振動板と直交するように１組の振動板を直線上に対向配置してＸ，Ｙ方向の２軸の加速度を検出する構成により、保持部を介して支持体に伝搬される加速度により振動板が伸縮して固有振動周波数が変化し、これにより加速度を検出して高い共振周波数の変化率を得ることができ、温度変化の影響を受けずに２軸の加速度検出が可能な振動型圧電加速度センサを提供する。

Description

明 細 書
振動型圧電加速度センサ
技術分野
[0001] 本発明は加速度、車両等の移動体の姿勢制御および制御システムに用いられる振 動型圧電加速度センサ（以後 VASと 、う）に関する。
背景技術
[0002] 図 7は従来の加速度センサの構成を示した断面図である。図 7に示すように、チップ 1には、その裏面にダイヤフラム 2が形成されると共に、ダイヤフラム 2が形成された部 分の表面に複数個の感歪抵抗 3が設けられている。また、チップ 1の表面の他の部分 には、加速度演算用の半導体集積回路と、この半導体集積回路の特性調整用の薄 膜抵抗 4が設けられ、感歪抵抗 3の上を除き少なくとも薄膜抵抗 4の上を含む部分に 保護膜 5が形成されている。チップ 1の裏面にはガラス製の重り 6が接合されている。
[0003] このように構成された従来の加速度センサは、加速度が加わると重り 6に応力が作 用し、この応力による感歪抵抗 3の変化によって加速度を検出する。 2軸検知を行う 場合には、同じものを 2個用いて直交配置することによって検知するようにして 、る。 なお、このような従来の加速度センサの例が特開平 5— 288771号公報 (文献 1)に開 示されている。
[0004] また、他の従来の加速度センサの例力 特開平 5— 80075号公報 (文献 2)に開示 されている。図 8はその加速度センサの構成を示したブロック図である。図 8に示すよ うに、加速度 Gに対応した信号を出力する圧電体素子 11、圧電体素子 11から出力さ れた信号を変換するインピーダンス変換手段 12、インピーダンス変換手段 12から出 力された信号の不要な信号を除去するフィルタ手段 13、フィルタ手段 13から出力さ れた必要な信号を増幅する増幅手段 14、外部から入力されるタイミング信号の同期 に同期した交流信号を出力する交流信号出力手段 16、交流信号出力手段 16と圧 電体素子 11の間に直列接続されたコンデンサ 17など力も構成されている。
[0005] このように構成された従来の加速度センサから出力された電圧信号は、マイクロコン ピュータカもなる測定 ·演算手段 18及び制御手段 15に取り込まれるように構成され ている。 2軸検知を行う場合には、同じものを 2個用いて直交配置することによって検 知するようにしている。
[0006] し力しながら文献 1の加速度センサでは、半導体抵抗歪式は数％の抵抗値の変化 を判断するものであるが、抵抗値変動も大きいために信号処理回路の温度変化の影 響を受けて正確な加速度検知ができな 、と 、う課題がある。
[0007] また、文献 2の圧電体素子を用いて変位速度を検出する構成のものでは、その検 出構造力 静的な重力加速度等の成分検出は困難であり、また、 2軸検知において は検知部を 2個用いることからコストアップやバラツキの要因になるという課題を有し ている。
発明の開示
[0008] 本発明は、フレームと、フレームに直線上に対向して設けられた 1組の振動板と、振 動板上に順次積層形成された下部電極、圧電薄膜、上部電極と、各振動板の近接 する一端側を夫々保持する支持体と、支持体を直線方向に摺動自在に保持する保 持部からなる素子を有し、素子の保持部を介して支持体に伝搬される加速度により 振動板が伸縮し、振動板の固有振動周波数の変化から加速度を検出するようにし、 かつ、フレームに直線上に対応して設けられた 1組の振動板と直交するように 1組の 振動板を直線上に対向して設けることにより、 2軸の加速度を検出するようにした振動 型圧電加速度センサを提供する。このようにして、静及び動の加速度検知をノイズ等 の環境変化を受けることなく安定した 2軸の加速度検出ができ、かつ厳しい温度変化 の環境下においても高精度で制御することができる高信頼性の振動型圧電加速度 センサを提供できる。
図面の簡単な説明
[0009] [図 1]図 1は本発明の実施の形態 1による振動型圧電加速度センサ (VAS)の素子の 構成を示した平面図である。
[図 2]図 2は本発明の実施の形態 1による VASの振動板の構成を示す斜視図である
[図 3A]図 3Aは本発明の実施の形態 1による VASの構成を示す図である。
[図 3B]図 3Bは本発明の実施の形態 1による VASの構成を示す図である。 [図 3C]図 3Cは本発明の実施の形態 1による VASの構成を示す図である。
[図 3D]図 3Dは本発明の実施の形態 1による VASの構成を示す図である。
[図 4]図 4は本発明の実施の形態 1による VASの 2軸検知の構成を示す回路図であ る。
[図 5A]図 5Aは本発明の実施の形態 1による VASの製造方法を示す製造工程図で ある。
[図 5B]図 5Bは本発明の実施の形態 1による VASの製造方法を示す製造工程図で ある。
[図 5C]図 5Cは本発明の実施の形態 1による VASの製造方法を示す製造工程図で ある。
[図 5D]図 5Dは本発明の実施の形態 1による VASの製造方法を示す製造工程図で ある。
[図 5E]図 5Eは本発明の実施の形態 1による VASの製造方法を示す製造工程図で ある。
[図 5F]図 5Fは本発明の実施の形態 1による VASの製造方法を示す製造工程図で ある。
[図 6]図 6は本発明の実施の形態 2による VASを用いたエアーバック制御システムの 構成を示す図である。
[図 7]図 7は従来の加速度センサの構成を示した断面図である。
[図 8]図 8は他の従来の加速度センサの構成を示したブロック図である。
符号の説明
20 Si層
21 基板
22 SiO層 (エッチングストッパー）
2
23 振動板
23a, 23b, 23c, 23d 振動板
23e, 23f, 23g, 23h, 23i アーム
24 下部電極 25 圧電薄膜
26 上部電極
26a 検出電極
26b 駆動電極
27 レジスト
28 側溝
29 ホール
30 側孔
31 フレーム
32, 32a, 32b, 32c, 32d 保持部
33 支持体
34 基部
35 VASの素子
36a 検出信号ライン
36b 駆動信号ライン
38 増幅回路
39 FZV変脇
40 AGC回路
41 VAS装置
41a, 41b, 41c, 41d VAS
42, 43 差動回路
44 車体
45, 46 エアーバック装置
47 エアーバック開口装置
48 運転者
49 進行方向
発明を実施するための最良の形態
以下、図面を用いて本発明の実施の形態を詳細に説明する。なお、図面は模式図 であり各位置関係を寸法的に正しく示すものではない。
[0012] (実施の形態 1)
図 1、図 2に示すように、フレーム 31内には固有振動周波数を有する振動板 23a— 2 3dが設けられる。支持体 33は振動板 23a— 23dの固有振動周波数を変化させる。保 持部 32a— 32dはつづら折り状に形成されて支持体 33を直線方向に摺動自在に保 持する。このような構成にすることにより振動板 23a— 23dが伸縮自在になり、温度変 化の影響を受けることなく加速度を高応答、かつ高精度で検出することができる。
[0013] また、振動板 23aは梁状に形成されて両端に基部 34を夫々有し、一方の基部 34 がフレーム 31に、他方の基部 34が支持体 33に支持される構造になっている。そして 、支持体 33はつづら折り状に形成された保持部 32aを介してフレーム 31に支持され ることにより、直線上を往復運動することができるように構成されている。なお、ここで はフレーム 31内に設けられた 1つの振動板 23aを用いて説明して 、るが、他の振動 板 23b—23dについても同様であるため説明を省略する。
[0014] また、アーム 23iは基部 34から引き出されるように設けられる。アーム 23iを設けるこ とにより共振先鋭度が少なくとも 2— 3倍増加し、この共振先鋭度の増加により検出精 度を向上させることができる。また、加速度により高い共振周波数の変化率を得ること ができるため、温度変化の影響を受けずに加速度を高精度で検出することができる。
[0015] 以下、図 2を用いて、振動板 23aを例にしてその構造を詳細に説明する。
[0016] 図 2に示すように、振動板 23aは SiO層 22の上に形成された Si層 20と、 Si層 20の
2
上に形成された下部電極 24と、下部電極 24の上に形成された圧電薄膜 25と、圧電 薄膜 25の上に形成された上部電極とから構成されて ヽる。上部電極は駆動電極 26 bと検出電極 26aとカゝら構成されている。そして、駆動電極 26b及び検出電極 26aは 振動板 23aを構成する梁状の中央部に沿ってフレーム 31並びに支持体 33まで形成 されている。この構成により、保持部 32aの中央部は最も振動が小さい部分で変位に よる起電力が発生せず、振動板 23aの共振周波数への変調信号が重畳されにくい ため、振動板 23aのみの共振周波数の信号を検出することができる。
[0017] さらに、駆動電極 26b及び検出電極 26aはフレーム 31まで延びた所定部分に取り 出し電極（図示せず)を設けて制御回路（図示せず）に取り出される構成としている。 このように、振動しな 、フレーム 31に取り出し電極を設けることにより振動板 23aの振 動に影響を与えることがないため、温度変化の影響を受けることなく加速度を高精度 で検出することができるようになる。
[0018] さらに、駆動電極 26b及び検出電極 26aは振動板 23aの長手方向と直交して振動 板 23aを等分する中心軸と対称になるように配置した構成として 、る。このようにして 、振動板 23aの駆動及び振動板 23aからの検出を、振動板 23aの有効面積を等分す ることにより検出感度を最大にすることができる。
[0019] 次に、このように構成された本実施の形態による振動型圧電加速度センサ (VAS) の動作について説明する。図 3A— 3Dは本実施の形態による VASの構成を示し、そ れぞれ振動板 23aな 、し 23dを示して 、る。上記図 2で示した振動板 23aを用いた素 子は等価回路 35で示して 、る。
[0020] さらに、検出信号ライン 36a、駆動信号ライン 36b、微弱な信号の増幅及び素子 35 の振動板 23aを駆動する増幅回路 38、入力信号の周波数を電圧に変化させる FZ V変翻 39、増幅回路 38の出力信号の電圧レベルを制御する AGC回路 40などを 有している。また、素子 35は本体（図示しない）に素子 35のフレーム 31を保持するよ うに取り付けられている。
[0021] まず、 VAS41aに電源が入力されると、何らかのノイズ等の信号が増幅回路 38に 入力されて増幅される。そしてこの増幅された信号は駆動信号ライン 36bを通して素 子 35の駆動電極 26bに入力されて振動板 23aを振動させる。その結果、振動板 23a を形成する圧電薄膜 25から検出電極 26aに電荷が励起され、検出電極 26aから検 出信号ライン 36aを通して増幅回路 38に入力される。そしてこの閉ループの動作を 繰り返し、固有振動の共振周波数で安定した定常状態となる。その結果、この固有振 動の共振周波数信号が FZV変 39に入力されて所定の電圧に変換される。ここ で AGC回路 40は、増幅器 38から出力される電圧レベルが大きくなり、信号に歪が 生じる場合に AGC回路 40が動作して誤差なく正確な FZV変換が行えるように制御 する。
[0022] ここで、外部から加速度が加わると、フレーム 31から保持部 32aを介して保持され た支持体 33が直線上を往復運動する慣性力が加わる。この往復運動により定常状 態で振動する振動板 23aが伸縮し、振動板 23aの固有振動の共振周波数が変化す ることになり、この固有振動の共振周波数の変化が加速度に対応して検出されること になる。この構成により、加速度により高い共振周波数の変化率を得ることができるた め、温度変化の影響を受けることなく加速度を高精度で検出することができるようにな る。
[0023] なお、上記説明においては振動板 23aについてのみ説明した力 他の振動板 23b —23dについては夫々図 3B— 3Dに対応しており、動作説明は同様であるために省 略する。
[0024] また、図 4は VAS本体 41の構成を示している。 VAS41a— 41dの出力信号として差 動回路 42、 43により差動出力を得て、 X軸方向及び Y軸方向の加速度の検出信号 とする 2軸検知の構成である。差動回路 42、 43は各素子及び回路特性の変化を差 動的にキャンセルするので、更なる安定ィ匕を図ることができる。
[0025] 次に、本実施の形態による VASの製造方法について説明する。図 5A-5Fは本実 施の形態による VASの製造方法を示した製造工程図であり、振動板 23aの中央部を 断面図で示したものである。
[0026] まず、図 5Aに示すように、 S もなる基板 21の上にエッチングをストップさせるため の SiO力 なるエッチングストッパー 22を形成し、エッチングストッパー 22の上に Si
2
層 20を形成する。なお、基板 21の厚みは 500 m、エッチングストッパー 22の厚み は 2 m、 Si層 20の厚みは 10 μ mとした。
[0027] 次に、図 5Bに示すように、 Si層 20の上に高周波スパッタリングを用いて厚み 50 A の Tiを形成し、さらに厚み 2000 Aの白金を形成して下部電極 24を構成する。そして この白金の上に PZT (Lead Zirconate Titanate)からなる圧電薄膜 25を厚み 25 μ m形成し、さらに所定のパターンになるようにメタルマスクを用いて圧電薄膜 25の 上に蒸着により Ti層を厚み 100A形成し、同様にこの Ti層の上に蒸着により金を厚 み 3000 A形成する。このようにして、所定のパターンを有する上部電極 26を形成す る。そして、エッチング用のマスクとして金の上にレジスト 27を形成する。なお、 PZT を用いる理由は、加速度により共振周波数変化の高い変換を得ることができるためで ある。 [0028] 次に、図 5Cに示すようにエッチングにより側溝 28を形成する。なお、上記振動板 2 3以外に、支持体 33と保持部 32も Siにより構成することにより、加えた加速度の変化 によって振動板 23に生じる応力に対応する共振周波数の変化の安定性を向上させ ることがでさるよう〖こなる。
[0029] 次に、図 5Dに示すように、基板 21の裏面に所定のパターンのレジスト 27を形成し 、基板 21の裏面をエッチングすることによりホール 29を形成する。
[0030] 次に、図 5Eに示すように、レジスト 27の面から再びエッチングして側孔 30を形成し た後、さらに裏面のレジスト 27を除去する。このようにして図 5Fに示すように、薄くか つ梁状に形成した振動板 23を作製することができる。
[0031] また、検出感度について、支持体 33の上部面または下部面に、更なる質量を付加 することにより、支持体 33部分の質量が増加し、振動板 23aに受ける応力が増大し、 加速度に対する振動周波数の変化度合いが大きくなり、検知感度を高めることがで きる。
[0032] (実施の形態 2)
図 6は本発明による VAS41を用いた応用例として、車のエアーバック制御システム を示している。 VAS41を、 X軸、 Y軸の方向に配置する。制御システムを、車体 44、 フロントエアーバック 45、サイドエアーバック 46、エアーバック開口装置 47、運転者 4 8を用いて説明する。なお、矢印 49は進行方向を示している。
[0033] このように取り付けられた本発明の VAS41は、加速度を制御して車体 44の制御を 行うものであり、加速度の値があるレベルを超えた場合、加速度の出力信号をエアー ノ ック開口装置 47によりエアーバックを開口する信号を出力する。次に、この開口す る信号をエアーバック装置 45, 46に伝送してエアーバックを開口させることにより安 全な運転制御を可能にして 、る。
[0034] 例えば、進行方向（X軸方向）の衝突時において加速度が発生した場合にはフロン トエアーバック 45を開口させる。また、側部に加速度 (Y軸方向）が加わった場合には 左右方向の加速度による信号でサイドエアーバック 46を開口させることによって人命 事故を未然に防ぐことができる。フロントエアーバックとサイドエアーバックの検知を 2 軸の加速度検知で行って 、るために、高 、レベルの安全制御を可能にして 、る。 [0035] なお、本実施の形態による VAS41は、車体 44に対して振動型圧電加速度センサ 41が受ける加速度は設置位置によって若干異なるため、振動型圧電加速度センサ 4 1の配置は平均的な加速度の検知を行うという観点から車体 44の中央に設けること が望ましい。従って、本実施の形態では VAS41を車の中央に塔載しているものであ る。また、車体内における運転者とエアーバック装置の位置関係は本実施の形態に 限定されるものではない。例えば、運転者が進行方向に対して車体の左側に位置し て ヽても本発明の効果が発揮されることは 、うまでもな!/、。
産業上の利用可能性
[0036] 本発明による VASは、加速度により高い共振周波数の変化率を得ることができるた め、温度変化の影響を受けずに加速度を高精度で 2軸検出することができる。その結 果、エアーバック制御システムの他に、地球上における重力を静止の加速度検知とし て利用することができる。そして、静止の加速度検知は傾斜角として検知するセンサ として用いることができ、傾斜角検知により高度を含めた 3次元立体型ナビゲーシヨン 装置に用いることが可能である。

Claims

請求の範囲
[I] フレームと、前記フレームに直線上に対向して設けられた 1組の振動板と、前記振動 板上に順次積層形成された下部電極、圧電薄膜、上部電極と、前記各振動板の近 接する一端側を夫々保持する支持体と、前記支持体を直線方向に摺動自在に保持 する保持部からなる素子を有し、前記素子の保持部を介して支持体に伝搬される加 速度により前記振動板が伸縮し、前記振動板の固有振動周波数の変化から加速度 を検出する振動型圧電加速度センサ。
[2] 前記フレームに直線上に対向して設けられた 1組の振動板と直交するように 1組の振 動板を直線上に対向して設けることにより、 2軸の加速度を検出する請求項 1に記載 の振動型圧電加速度センサ。
[3] 前記直線上に対向して設けられた 1組の振動板の固有振動周波数の差を加速度信 号情報とした請求項 1に記載の振動型圧電加速度センサ。
[4] 前記保持部をつづら折り状の構造として可動自在とした請求項 1に記載の振動型圧 電加速度センサ。
[5] 前記振動板、前記支持体、前記保持部を夫々シリコンで構成した請求項 1に記載の 振動型圧電加速度センサ。
[6] 前記圧電薄膜を PZTで構成した請求項 1に記載の振動型圧電加速度センサ。
[7] 前記振動板を梁状とし、この一端を前記フレームに、他端を前記支持体に釣られるよ うに保持させた請求項 1に記載の振動型圧電加速度センサ。
[8] 前記振動板上に形成する前記上部電極を前記保持部の梁状の中央部に沿わせて 取り出した請求項 1に記載の振動型圧電加速度センサ。
[9] 前記振動板を支持する前記支持体に質量を付加した請求項 1に記載の振動型圧電 加速度センサ。
[10] 前記振動板上に形成する上部電極として、検出用電極と駆動用電極を一対で設け、 かつ、前記検出用電極と前記駆動用電極は前記振動板の長手方向と直交して前記 振動板を等分する中心軸と対称になるように配置した請求項 1に記載の振動型圧電 加速度センサ。
[II] 前記検出用電極と前記駆動用電極の取り出し電極を、前記フレーム上に設けた請求 項 10に記載の振動型圧電加速度センサ。
前記素子を構成する前記フレームを保持するようにして本体を取り付けることにより、 静及び動の加速度を検出するようにした請求項 1に記載の振動型圧電加速度センサ
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