WO2012086103A1

WO2012086103A1 - 加速度センサ

Info

Publication number: WO2012086103A1
Application number: PCT/JP2011/004196
Authority: WO
Inventors: 善明平田; 恭彦伊藤
Original assignee: 三菱電機株式会社
Priority date: 2010-12-20
Filing date: 2011-07-26
Publication date: 2012-06-28
Also published as: JP2014041007A

Abstract

　本発明は、基板に対し垂直方向に高加速度が印加された際に生じる慣性質量体の反りを防ぎ、センサ出力の線形性を向上させることが可能な加速度センサを提供することを目的とする。　本発明の加速度センサは、基板１上に固定されたアンカー９１～９４と、アンカーに支持されたネジレ梁１１～１４と、ネジレ梁を中心とするネジレ軸回りに回動可能な検出フレーム２１～２４と、検出フレームと対向するように基板１上に配置された一対の検出電極４１ａ～４４ａ，４１ｂ～４４ｂと、検出フレーム２１～２４の両端にネジレ梁と所定間隔を隔てた位置に接続されたリンク梁３１～３４とからなり、検出フレームの各々にはリンク梁を介して基板と垂直方向に変位可能に支持される慣性質量体２が連結されており、慣性質量体は、各々の検出フレームの全周囲を取り囲むように構成されている。

Description

加速度センサ

　この発明は、自動車のエアバッグシステムなどに使用される半導体加速度センサに関するものである。

　基板に対し垂直方向の加速度を検出する方法として、加速度にともなう静電容量の変化を検出する方法がある。この方法による加速度センサの一例が特許文献１に開示されている。特許文献１の加速度センサは、基板上に設けられた電極と対向する検出フレームを有しており、この検出フレームと電極によって、加速度を検出するためのコンデンサが構成される。検出フレームは、基板上に固定されアンカーに接続されたネジレ梁を中心に回動可能に支持されている。また、検出フレームの端部はリンク梁を介して慣性質量体に接続されている。基板に対し垂直方向の加速度が印加されると慣性質量体が変位し、この変位によって検出フレームが回動変位する。そして、検出フレームの回動変位によって生じるコンデンサの静電容量の変化により加速度が検出される。
　特許文献１の加速度センサは、複数の検出フレームを用いて加速度を検出するため、検出対象とは異なる方向の加速度に対する感度を抑制することができる。

国際公開ＷＯ２００９／１２５５１０号公報

　従来の加速度センサにおいては、基板に対し垂直方向に高い加速度が印加された際、慣性質量体に反りが生じ、これによりセンサ出力の線形性が低下する問題があった。また、慣性質量体に反りが生じると、検出フレームの回動変位が不均一になるため、検出誤差が生じる。さらに、検出フレームの回動変位が不均一になることにより、エアーダンピング効果が不均一となり、いずれかの素子が破損しやすくなるという不具合が生じる。

　本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、高加速度が印加された際に生じる慣性質量体の反りを防ぎ、センサ出力の線形性を向上させることが可能な加速度センサを提供することを目的とする。

本発明の加速度センサは、基板上に、前記基板に対し垂直方向の加速度を検出するための複数の検出ユニットを配置して構成され、
前記検出ユニットの各々は、
前記基板上に固定されたアンカーと、
前記アンカーに支持されたネジレ梁と、
前記ネジレ梁を中心とするネジレ軸回りに回動可能な検出フレームと、
前記検出フレームと対向するように前記基板上に配置された一対の検出電極と、
前記検出フレームの両端に前記ネジレ梁と所定間隔を隔てた位置に接続されたリンク梁とからなり、
前記加速度センサは、前記ネジレ軸と垂直方向に配列された２つの前記検出ユニットを検出単位として備え、
前記検出フレームの各々には前記リンク梁を介して基板と垂直方向に変位可能に支持される慣性質量体が連結されており、
前記慣性質量体は、各々の前記検出フレームの全周囲を取り囲むように構成されている。

本発明に関わる加速度センサは、慣性質量体を検出フレームの各々の全周囲を取り囲むように構成することで慣性質量体の剛性を高め、高加速度印加時の変形を防ぐことにより、線形的なセンサ出力を得ることが可能となる。

本発明の実施の形態１に関る加速度センサの平面図である。本発明の実施の形態１に関る加速度センサの断面図である。本発明の実施の形態１に関る加速度センサの断面図である。本発明の実施の形態１に関る加速度センサの電気回路図である。加速度センサに高加速度が印加された状態を示す断面図である。加速度センサに高加速度が印加された状態を示す断面図である。加速度センサの出力の一例を示す図である。本発明の実施の形態２に関る加速度センサの平面図である。本発明の実施の形態２に関る加速度センサの平面図である。本発明の実施の形態３に関る加速度センサの平面図である。

実施の形態１．
　図１は本発明の実施の形態１に関る加速度センサの構成を示す上面図である。図１に示すように、本実施の形態に係る加速度センサは、主に、基板１、慣性質量体２、アクチュエーション電極５、および第１～第４の検出ユニット１０１～１０４から構成される。第１～第４の各検出ユニットは、ネジレ梁１１～１４、検出フレーム２１～２４、リンク梁３１～３４、検出電極４１ａ～４４ａ，４１ｂ～４４ｂ、アンカー９１～９４によりそれぞれ構成される。

　図２（ａ）は、図１に示す加速度センサの線Ａ－Ａに沿った断面図であり、第１および第２の検出ユニット１０１、１０２の断面図を示している。図２（ａ）に示すように、基板１上にはアンカー９１、９２が設けられている。アンカー９１、９２にそれぞれ接続されたネジレ梁１１、１２は、ネジレ軸Ｔ１、Ｔ２回りにねじれることができる。検出フレーム２１、２２はネジレ梁１１、１２にそれぞれ接続され、ネジレ軸Ｔ１、Ｔ２回りに回動可能に支持されている。検出電極４１ａ，４１ｂは検出フレーム２１に対向するよう基板１上に形成され、コンデンサＣ１ａ、Ｃ１ｂを構成している。検出電極４２ａ、４２ｂは検出フレーム２２に対向するよう基板１上に形成され、コンデンサＣ２ａ、Ｃ２ｂを構成している。

　図２（ｂ）は、図１に示す加速度センサの線Ｂ－Ｂに沿った断面図であり、第２および第３の検出ユニット１０３、１０４の断面図を示している。アンカー９３、９４にそれぞれ接続されたネジレ梁１３、１４は、ネジレ軸Ｔ３、Ｔ４回りにねじれることができる。検出フレーム２３、２４はネジレ梁１３、１４にそれぞれ接続され、ネジレ軸Ｔ３、Ｔ４回りに回動可能に支持されている。検出電極４３ａ，４３ｂは検出フレーム２３に対向するよう基板１上に形成され、コンデンサＣ３ａ、Ｃ３ｂを構成している。検出電極４４ａ、４４ｂは検出フレーム２４に対向するよう基板１上に形成され、コンデンサＣ４ａ、Ｃ４ｂを構成している。

　慣性質量体２はリンク梁３１～３４を介して検出フレーム２１～２４の各々に連結されることにより、基板１上でＺ軸方向に変位可能に支持されている。
　アクチュエーション電極５は、慣性質量体２を静電気力によりＺ軸方向に変位させることができるよう、慣性質量体２に対向して形成されている。アクチュエーション電極５は、慣性質量体２をＺ軸方向に静電駆動することにより、加速度センサにＺ軸方向の加速度が印加された状態に慣性質量体２を変位させることができる。これにより、実際に加速度センサに加速度を加えることなくセンサが正常に動作するかどうか自己診断する機能を加速度センサに持たせることができる。

　図３を参照して本実施の形態に係る加速度センサの動作について説明する。図３（ａ）は図１の線Ａ－Ａに沿った断面図であり、加速度センサにＺ軸の正方向（図中ａｚにより示す）の加速度が加わった状態を示している。図３（ｂ）は図１の線Ｂ－Ｂに沿った断面図であり、同様に、加速度センサにＺ軸の正方向の加速度が加わった状態を示している。加速度センサにＺ軸の正方向の加速度が加わると、図３（ａ）に示すように、慣性質量体２は慣性力によりＺ軸の負方向に変位し、リンク梁３１、３２は慣性質量体２と一体となってＺ軸の負方向に変位する。リンク梁３１、３２の変位により検出フレーム２１、２２はＺ軸の負方向の力を受け、ネジレ梁１１、１２を中心とするネジレ軸Ｔ１、Ｔ２周りに回動する。同様に、図３（ｂ）に示すように、慣性質量体２がＺ軸の負方向に変位すると、リンク梁３３、３４も一体となってＺ軸の負方向に変位する。これにより検出フレーム２３、２４は、ネジレ梁１３、１４を中心とするネジレ軸Ｔ３、Ｔ４回りに回動する。

　図３（ａ）に示すように、検出フレーム２１の回動に伴い、コンデンサＣ１ａの静電容量は増加し、コンデンサＣ１ｂの静電容量は減少する。同図に示すように、検出フレーム２２の回動に伴い、コンデンサＣ２ａの静電容量は増加し、コンデンサＣ２ｂの静電容量は減少する。また、図３（ｂ）に示すように、検出フレーム２３の回動に伴い、コンデンサＣ３ａの静電容量は増加し、コンデンサＣ３ｂの静電容量は減少する。同図に示すように、検出フレーム２４の回動に伴い、コンデンサＣ４ａの静電容量は増加し、コンデンサＣ４ｂの静電容量は減少する。

　図４は、本実施の形態に係る加速度センサの電気回路図である。図４に示すように、コンデンサＣ１ａ～Ｃ４ａ、およびコンデンサＣ１ｂ～Ｃ４ｂはそれぞれ並列に接続されており、これら並列接続されたコンデンサが直列に接続されている。コンデンサＣ１ａ～Ｃ４ａの端部には一定電位Ｖｄが印加され、コンデンサＣ１ｂ～Ｃ４ｂの端部は接地されている。また、並列接続されたコンデンサＣ１ａ～Ｃ４ａとコンデンサＣ１ｂ～Ｃ４ｂとの接続部には端子が設けられており、この端子の出力電位Ｖｏｕｔは下記の式（１）により表される。

　加速度が０、すなわち検出フレーム２１～２４に変位がない場合、Ｃ１ａ＝Ｃ２ａ＝Ｃ３ａ＝Ｃ４ａ＝Ｃ１ｂ＝Ｃ２ｂ＝Ｃ３ｂ＝Ｃ４ｂであるので、Ｖｏｕｔ＝Ｖｄ／２となる。Ｖｄは一定値であることから、出力電位Ｖｏｕｔを測定することによりＺ軸方向の加速度を検知することができる。
　ここで、本実施の形態に係る加速度センサは、第１および第２の検出ユニット１０１、１０２に加え、第３および第４の検出ユニット１０３、１０４の４つの検出ユニットを備えるので、Ｚ軸方向以外の加速度が印加された場合に生じる検出誤差を抑制することができる（当該検出誤差の抑制については特許文献１を参照）。

　本実施の形態に係る加速度センサは、慣性質量体２を検出フレーム２１～２４の各々を取り囲むよう構成しているため、慣性質量体２の剛性を高めることができる。これにより、高加速度が印加された際に生じる慣性質量体２の反りを防ぎ、センサ出力の線形性を向上させることができる。本実施の形態に係る慣性質量体２の構造により得られるセンサ出力の線形性改善について、図５～６を参照して以下に説明する。

　図５は、図１の線Ｃ－Ｃに沿った断面図である。慣性質量体２の剛性が低い場合、Ｚ軸の正方向に高加速度が印加されると慣性質量体２に、図５中破線に示す反りが生じる。慣性質量体２に反りが生じると慣性質量体２に接続されたリンク梁３１～３２の変位により検出フレーム２１～２４が変形する。
　図６は、図１の線Ａ－Ａに沿った断面図の部分拡大図であり、慣性質量体２に反りが生じた場合の第２の検出ユニット１０２の状態を示している。図６に示すように、慣性質量体２に反りが生じるとリンク梁３２がＺ軸の負方向に押下げられ、検出フレーム２２が湾曲する。この際、検出フレーム２２と検出電極４２ａとの距離が正常な状態に対し小さくなる。これにより、コンデンサＣ２ａの容量が変化し、第２の検出ユニット１０２のセンサ出力に誤差が生じる。
　図７は、第２の検出ユニット１０２のセンサ出力を示す図である。図７に示すように、検出フレーム２２の変形によりコンデンサＣ２ａの容量変化が生じると、センサ出力に誤差が生じ、線形性が低下することが分かる。これに対し、慣性質量体２の剛性を高め、高加速度印加時の反りを防ぐことにより、検出フレーム２１～２４の湾曲を防ぎ、検出ユニット１０１～１０４のセンサ出力の線形性を向上させることができる。

　以上に説明した通り、慣性質量体２を検出フレーム２１～２４の各々の周囲を取り囲むよう構成することで慣性質量体２の剛性を高め、高加速度印加時の変形を防ぐことにより、図７中破線で示す線形的なセンサ出力を得ることが可能となる。また、慣性質量体２の変形を防ぐことにより、各検出フレームと基板間に生じるエアーダンピング効果を均一化することが可能となる。

　慣性質量体２の剛性をさらに高めるために、慣性質量体２の表面に薄膜構造体を積層させてもよい。薄膜構造体としてはポリシリコン、ダイヤモンド、ダイヤモンドライクカーボン、ＳｉＣ、ＡｌＮ等の薄膜を用いることができる。こうした高剛性を有する薄膜構造体を慣性質量体２上に設けることで、Ｚ軸方向の剛性をさらに高め、センサ出力の線形性をさらに向上させることができる。

実施の形態２．
　図８は本発明の実施の形態２に関る加速度センサの構成を示す上面図である。図８に示すように、本実施の形態に係る加速度センサにおいて、第１～第４の検出ユニット１０１～１０４をＸ軸方向およびＹ軸方向に対称に配置されている。この構成によれば、高加速度が印加され、慣性質量体２に反りが生じた場合、リンク梁３１～３４の接続点における慣性質量体２の弾性変形量は同一となるため、検出フレーム２１～２４の回転不均一は発生しない。このため、非常に高い加速度が印加されることによって慣性質量体２に反りが生じた場合において、検出フレーム２１～２４の回転不均一による検出誤差を抑制することができる。
　図９は実施の形態２に関る他の加速度センサの構成を示す上面図である。同図に示す構造によっても同様の改善効果を得ることができる。

実施の形態３．
　実施の形態１および２において説明した加速度センサを複数組み合わせて構成されるセンサシステムについて説明する。図１０は本発明の実施の形態３に関る加速度センサの構成を示す上面図である。図１０に示す加速度センサは、図１に示す加速度センサからなる第１～４のセンサユニット２０１～２０４を、センサシステム中央の点Ｏを中心とするＸＹ平面に回転対称となるよう配置して構成される。図１０において、第１～４のセンサユニット２０１～２０４は共通の慣性質量体２により結合されている。図１０に示すように、第１～４のセンサユニットを回転対称となるよう配置することにより、Ｘ軸方向の基板反りによるセンサ出力変動を第１および第３のセンサユニットにより相殺し、Ｙ軸方向の基板反りによるセンサ出力変動を第２および第４のセンサユニットにより相殺することができる。また、各センサユニットの面積を縮小し、慣性質量体２の面積を増加させることで慣性質量体２の剛性を高め、反りを効果的に低減させることができる。

１　基板、２　慣性質量体、５　アクチュエーション電極、１０１～１０４　第１～第４の検出ユニット、１１～１４　ネジレ梁、２１～２４　検出フレーム、３１～３４　リンク梁、４１ａ～４４ａ，４１ｂ～４４ｂ　検出電極、９１～９４　アンカー、２０１～２０４　第１～第４のセンサユニット

Claims

基板上に、前記基板に対し垂直方向の加速度を検出するための複数の検出ユニットを配置して構成される加速度センサにおいて、
前記検出ユニットの各々は、
前記基板上に固定されたアンカーと、
前記アンカーに支持されたネジレ梁と、
前記ネジレ梁を中心とするネジレ軸回りに回動可能な検出フレームと、
前記検出フレームと対向するように前記基板上に配置された一対の検出電極と、
前記検出フレームの両端に前記ネジレ梁と所定間隔を隔てた位置に接続されたリンク梁とからなり、
前記加速度センサは、前記ネジレ軸と垂直方向に配列された２つの前記検出ユニットを検出単位として備え、
前記検出フレームの各々には前記リンク梁を介して基板と垂直方向に変位可能に支持される慣性質量体が連結されており、前記慣性質量体は、各々の前記検出フレームの全周囲を取り囲むように構成されていることを特徴とする加速度センサ。
複数の前記検出ユニットは、前記ネジレ軸と垂直方向に配列された、
第１および第２の検出ユニット、ならびに第３および第４の検出ユニットからから構成され、
前記第１の検出ユニットと前記第３の検出ユニット、および前記第２の検出ユニットと前記第４の検出ユニットは、それぞれの前記ネジレ軸が互いに一致するように配置されていることを特徴とする請求項１に記載の加速度センサ。
前記第１および前記第２の検出ユニット、ならびに前記第３および前記第４の検出ユニットは、
前記ネジレ軸と平行な線について対称に配置され、
前記第１の検出ユニットおよび前記第３の検出ユニット、ならびに前記第２の検出ユニットおよび前記第４の検出ユニットは、前記ネジレ軸に対し垂直な線について対称に配置されることを特徴とする請求項２に記載の加速度センサ。
請求項２に記載の前記加速度センサを複数組み合わせて構成されるセンサシステムであって、
センサシステム中央の点を中心に回転対称に４つの前記加速度センサを配置したセンサシステム。
前記慣性質量体上に薄膜構造体を堆積させたことを特徴とする請求項１～３のいずれか一項に記載の加速度センサ。