(57)【要約】【課題】本発明は、加速度センサの周囲の温度が変化する場合においても、出力信号を安定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ものである。【解決手段】加速度検出素子４２と、加速度発生手段４６ａを設けた支持板４６と、加速度検出素子４２および支持板４６と電気的に接続された処理回路５０と、加速度検出素子４２、支持板４６および処理回路５０を収納するケース５２とを備え、加速度検出素子２０と支持板４６とを同一材料とする構成としたものであある。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
加速度検出素子と、前記加速度検出素子を載置するとともに加速度発生手段を設けた支持板と、前記支持板を載置するとともに前記加速度検出素子および支持板と電気的に接続された処理回路と、前記加速度検出素子、支持板および処理回路を収納するケースとを備え、前記加速度検出素子と支持板とを同一材料で構成した加速度センサ。
【請求項２】
前記加速度検出素子と支持板は、Ｓｉ材料で構成されていることを特徴とする請求項１記載の加速度センサ。
【請求項３】
前記加速度発生手段を圧電体薄膜とした請求項１記載の加速度センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば、自動車や携帯電話などに用いられる加速度を検出する加速度センサに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
以下、従来の加速度センサについて、図面を参照しながら、説明する。
【０００３】
図９は従来の加速度センサの側断面図である。
【０００４】
図９において、１は加速度検出素子で、この加速度検出素子１は圧電体２の上面に電極３および電極４を設けるともに、下面に中間電極５を設けている。さらに、前記加速度検出素子１の下面には、裏打材６を設けており、この裏打材６により前記中間電極５の下面を覆っている。７は支持枠で、この支持枠７は前記加速度検出素子１を支持している。８は圧電振動子からなる加速度発生手段で、この加速度発生手段８は、前記支持枠７の下面に取着されている。そして、この加速度発生手段８は、圧電体９の上下面に電極１０を設けており、さらに、この電極１０の上下面に保護材１１を設けて構成されている。
【０００５】
以上のように構成された従来の加速度センサについて、次に、その動作を説明する。
【０００６】
加速度センサに加速度が加わると、圧電体２に電荷が発生し、この電荷を電極３から処理回路（図示せず）に入力して、加速度を検出するものであった。
【０００７】
ここで、例えば、加速度検出素子１の劣化により、特性が変動する場合を考える。従来の加速度センサにおいては、加速度発生手段８の電極１０間に発振信号を入力して振動させ、この振動により加速度検出素子１の電極３から出力される電荷を処理回路（図示せず）により、出力信号に変換して、加速度検出素子１の特性の劣化度合いを診断するものであった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開平５−２６８９０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、上記従来の構成においては、加速度検出素子１、裏打材６、支持枠７および加速度発生手段８が別部材からなるため、例えば、車のエンジンルームの近傍のように、加速度センサの周囲の温度が大幅に変化する環境下においては、加速度検出素子１、裏打材６、支持枠７および加速度発生手段８の線膨張係数の相違により、加速度検出素子１に応力が加わる。これにより、出力信号が変動してしまうという課題を有していた。
【００１０】
本発明は上記従来の課題を解決するもので、加速度センサの周囲の温度が変化する場合においても、出力信号を安定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ものである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明の請求項１に記載の発明は、加速度検出素子と、この加速度検出素子を載置するとともに加速度発生手段を設けた支持板と、この支持板を載置するとともに前記加速度検出素子および支持板と電気的に接続された処理回路と、前記加速度検出素子、支持板および処理回路を収納するケースとを備え、前記加速度検出素子と支持板とを同一材料としたものである。この構成により、加速度検出素子と支持板との線膨張係数が略同一となり、これにより、加速度センサの周囲の温度が変化する場合においても、加速度検出素子に応力が加わりにくくなるから、出力信号を安定させることができるという作用効果を有するものである。
【００１２】
本発明の請求項２に記載の発明は、特に、加速度検出素子と支持板は、シリコン材料で構成しているものである。この構成によれば、支持板を加速度検出素子と同様の半導体プロセスで製造することができるため、製造の工程数を削減できるという作用効果を有するものである。
【００１３】
本発明の請求項３に記載の発明は、特に、記加速度発生手段を圧電体薄膜としたものである。この構成によれば、半導体プロセスで容易に加速度発生手段を形成できるという作用効果を有するものである。
【発明の効果】
【００１４】
本発明の加速度センサは、加速度検出素子と支持板との線膨張係数が略同一となり、これにより、加速度センサの周囲の温度が変化する場合においても、加速度検出素子に応力が加わりにくくなるから、出力信号の安定した加速度センサを提供できるという効果を有するものである。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の一実施の形態における加速度センサの分解斜視図
【図２】同加速度センサにおける加速度検出素子の上面図
【図３】同加速度センサにおける加速度検出素子収納部の側断面図
【図４】同加速度センサにおける支持板の斜視図
【図５】同加速度センサにおける支持板の側断面図
【図６】同加速度センサおける検出回路の模式図
【図７】同加速度センサにおける支持板に印加される交流電気信号と支持板に発生する加速度の動作状態を示す波形図
【図８】同加速度センサにおける加速度検出素子収納部および支持板の動作状態を示す側断面図
【図９】従来の加速度センサにおける側断面図
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明の一実施の形態における加速度センサについて、図面を参照しながら説明する。
【００１７】
図１は本発明の一実施の形態における加速度センサの分解斜視図、図２は同加速度センサにおける加速度検出素子の上面図、図３は同加速度センサにおける加速度検出素子収納部の側断面図、図４は同加速度センサにおける支持板の斜視図、図５は同加速度センサにおける支持板の側断面図、図６は同加速度センサおける検出回路の模式図、図７は同加速度センサからケースを取り外した状態を示す斜視図である。
【００１８】
図１〜図７において、２０は枠部で、この枠部２０は第１の固定部２１ａ、第２の固定部２１ｂ、第３の固定部２１ｃおよび第４の固定部２１ｄを連結して環状に取り囲むように設けるとともに、内部に中空領域２２を設けている。また、前記枠部２０からは、中空領域２２に延伸した２つの第１の梁部２３、２つの第３の梁部２５、２つの第２の梁部２４および２つの第４の梁部２６を設けている。
【００１９】
２７は第１の錘部で、この第１の錘部２７は前記第１の梁部２３の他端に接続されている。２８は第２の錘部で、この第２の錘部２８は前記第２の梁部２４の他端に接続されている。２９は第３の錘部で、この第３の錘部２９は前記第３の梁部２５の他端に接続されている。３０は第４の錘部で、この第４の錘部３０は前記第４の梁部２６の他端に接続されている。そして、２つの第１の梁部２３の上面には第１の歪抵抗３１を設けており、また２つの第３の梁部２５の上面には第３の歪抵抗３３を設けており、２つの第２の梁部２４の上面には第２の歪抵抗３２を設けており、さらに２つの第４の梁部２６の上面には第４の歪抵抗３４を設けている。
【００２０】
また、第１の錘部２７と第２の錘部２８とが対向し、第３の錘部２９と第４の錘部３０とを対向させている。そしてまた、第１の固定部２１ａ、第３の固定部２１ｃ、第２の固定部２１ｂおよび第４の固定部２１ｄの各々には、電圧を印加する電源電極３５、第１の出力電極３６、第２の出力電極３７およびＧＮＤに接地するＧＮＤ電極３８を設けており、前述の第１の歪抵抗３１、第３の歪抵抗３３、第２の歪抵抗３２および第４の歪抵抗３４と配線パターン４１により電気的に接続し、ブリッジ回路を構成している。そして、前記第１の梁部２３、第２の梁部２４、第３の梁部２５、第４の梁部２６、第１の固定部２１ａ、第３の固定部２１ｃ、第２の固定部２１ｂ、第４の固定部２１、第１の錘部２７、第２の錘部２８、第３の錘部２９および第４の錘部３０とにより、Ｓｉからなる加速度検出素子４２を構成している。
【００２１】
加速度検出素子収納部４３は図３に示すように加速度検出素子４２を上下面から支持する下板４４ａと上板４４ｂと加速度検出素子４２とにより構成されている。下板４４ａや上板４４ｂの材料としてはＳｉが用いられ、加速度検出素子４２を封止することにより加速度検出素子収納部４３は構成される。加速度検出素子４２上の例えば第２の出力電極３７より、上板４４ｂに貫通ビア４５を形成し出力電気信号の取り出しを行う。そして、下板４４ａおよび上板４４ｂは樹脂接着材、シリコンウェハの直接接合等により加速度検出素子４２と接合されている。
【００２２】
次に、支持板４６の構造について説明する。図４および図５に示すように、梁部４７により載置部４８は支持されている。そして、さらに支持板４６内の載置部４８上に加速度検出素子収納部４３が載置されている。また、支持板４６の表面には圧電体薄膜からなる加速度発生手段４６ａが設けられている。そして、この加速度発生手段４６ａは接続用電極４９を設けており、この接続用電極４９を介して、ＩＣからなる処理回路５０とワイヤー５１により接続される。処理回路５０には、前記加速度発生手段４６ａを振動駆動させるため、支持板４６に交流電気信号を与える機能と、加速度検出素子４２からの出力信号を処理する機能が設けられている。５２はケースで、このケース５２は前記加速度検出素子４２を収納している加速度検出素子収納部４３、支持板４６および処理回路５０をさらに収納している。そして、前記処理回路５０は前記ケース５２の内底面に載置されており、ケース５２の内側面に設けられた、段差部５３に設けたケース基板電極５４とフリップチップ実装により、電気的に接続されている。５５は上蓋で、この上蓋５５は前記ケース５２の上面を閉塞している。さらに、前記ケース５２の外底面には複数の外部電極５６を設けており、この外部電極５６により、加速度センサを実装する相手側基板（図示せず）に実装されているものである。
【００２３】
以上のように構成された本発明の一実施の形態における加速度センサ素子について、次にその動作を図面を参照しながら説明する。
【００２４】
図６は加速度の検出方法を説明するための回路例を示した図である。図６（ａ）は第１の歪抵抗３１、第２の歪抵抗３２、第３の歪抵抗３３および第４の歪抵抗３４として、第１の歪抵抗３１として歪抵抗Ｒ２、Ｒ４を形成し、第２の歪抵抗３２として歪抵抗Ｒ１、Ｒ３を形成し、第３の歪抵抗３３として歪抵抗Ｒ５、Ｒ７を形成し、第４の歪抵抗３４として歪抵抗Ｒ６、Ｒ８を形成している。また、枠部２０の上に検出部３８として歪抵抗Ｒ９、Ｒ１０を形成している。
【００２５】
図６（ｂ）はＸ軸方向の加速度を検出する場合の回路例である。図６（ｂ）に示す如く、Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４をブリッジ接続し、対向する一対の接続点ＶｄｄとＧＮＤとの間に電圧を印加し、他の一対の接続点Ｖｘ１とＶｘ２との間の電圧を検出することにより、Ｘ軸方向の加速度を検出することができる。
【００２６】
図６（ｃ）はＹ軸方向の加速度を検出する場合の回路例である。図６（ｃ）に示す如く、Ｒ５、Ｒ６、Ｒ７、Ｒ８をブリッジ接続し、対向する一対の接続点ＶｄｄとＧＮＤとの間に電圧を印加し、他の一対の接続点Ｖｙ１とＶｙ２との間の電圧を検出することにより、Ｙ軸方向の加速度を検出することができる。
【００２７】
図６（ｄ）はＺ軸方向の加速度を検出する場合の回路例である。図６（ｄ）に示す如く、Ｒ５、Ｒ１０、Ｒ８、Ｒ９をブリッジ接続し、対向する一対の接続点ＶｄｄとＧＮＤとの間に電圧を印加し、他の一対の接続点Ｖｚ１とＶｚ２との間の電圧を検出することにより、Ｚ軸方向の加速度を検出することができる。
【００２８】
ここで、支持板４６を用いて加速度検出素子収納部４３に加速度を発生させる手段について説明する。処理回路５０から支持板４６に対して、処理回路との接続用電極４９を介して図７（ａ）に示されるような交流電気信号を与えることで、支持板４６表面の加速度発生手段４６ａにより外力が発生し、梁部４７が変形することで載置部４８と加速度収納部４３が図８（ａ）および図８（ｂ）に示すようにＺ方向に振動する。
【００２９】
ここで、載置部４８の変位をδ［ｍ］、圧電体薄膜の単位電圧当たりの変位量をＤ［ｍ／Ｖ］、印加電圧最大値をＶ［Ｖ］、発生する加速度をａ［ｍ／ｓ2］、交流電気信号の角速度をω［ｒａｄ／ｓ］、時間をｔ［ｓ］、周波数をｆ［Ｈｚ］とする。
【００３０】
処理回路５０からの交流電気信号を支持板４６の表面に設けられた加速度発生手段４６ａに印加して、載置部４８に所望の振動を与え、自己診断を行うための加速度を発生させる。そのとき、印加される交流電圧はＶｓｉｎωｔ［Ｖ］で表される。これにより発生する載置部４８の変位δ  は
【００３１】
【数１】
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【００３２】
となり、発生する加速度は、
【００３３】
【数２】
2015137985.tif 000004
【００３４】
となる。
【００３５】
ここで、例えば発生させる所望の最大加速度｜ａ｜＝ａｍａｘ［ｍ／ｓ2］と  すると、
【００３６】
【数３】
2015137985.tif 000005
【００３７】
となり、交流電気信号の角速度ω  は
【００３８】
【数４】
2015137985.tif 000006
【００３９】
と求めることができる。また、
【００４０】
【数５】
2015137985.tif 000007
【００４１】
で表すことができるため、所望の加速度を得るために必要な振動周波数は
【００４２】
【数６】
2015137985.tif 000008
【００４３】
となる。
【００４４】
上記の定数ａｍａｘ、Ｄ、Ｖにより決定する周波数ｆの交流電気信号を処理回路５０から支持板４６に与えることで図７（ｂ）のように最大加速度ａｍａｘとなる振動を発生させることが可能となる。加速度センサが正常に動作する場合、振動に対する加速度検出素子４２は図７（ｂ）と同様の出力電気信号を発生させるため、加速度検出素子からの出力電気信号を検知することでセンサの自己診断を行うことが可能となる。
【００４５】
ここで、加速度センサに長年にわたり加速度を負荷することにより、歪抵抗３３、３４の劣化や、錘部２７、２８、２９、３０の欠損等の異常が発生した場合を考えると、本発明の一実施の形態における加速度センサにおいては、加速度検出素子４２からは図７（ｂ）のような最大加速度ａｍａｘとなる出力信号は検知されず、図７（ｃ）のように最大値がａｍａｘと比較して小さい出力信号が検知されることとなる。すなわち、加速度検出素子４２より検知される出力信号の最大値が前もって定められた閾値に満たない場合、加速度センサの故障が発生したと診断する。
【産業上の利用可能性】
【００４６】
本発明の加速度センサは、加速度センサの周囲の温度が変化する場合においても、出力信号を安定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もので、自動車や携帯電話などに用いられる加速度を検出する加速度センサとして有用なものである。
【符号の説明】
【００４７】
４２    加速度検出素子
４６    支持板
４６ａ  加速度発生手段
５０    処理回路
５２    ケース
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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