(57)【要約】【課題】静および動の加速度検知をノイズ等の耐環境変化の影響を受けずに安定した検出ができ、厳しい温度変化の環境下においても安全に走行制御することができる振動型圧電加速度センサ素子とこれを用いた振動型圧電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】フレーム３１と、このフレーム３１の内部に少なくとも１つの振動板２３ａと、この振動板２３ａを保持する支持体３３と、この支持体３３を直線方向に往復運動するように保持する保持部３２とを設け、直線方向に運動する保持部３２を介して支持体３３に伝搬して振動板２３ａが伸縮し、この振動板２３ａの固有振動数を変化させることにより加速度を検出する構成とした振動型圧電加速度センサ素子３５であり、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ず加速度を高精度で検出することができる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
フレームと、このフレームの内部に少なくとも１つの振動板と、この振動板を保持する支持体と、この支持体を直線方向を往復運動するように保持する保持部とを設け、前記振動板上に形成する下部電極と、この下部電極上に形成する圧電薄膜と、この圧電薄膜上に形成する上部電極とからなり、前記直線方向に運動する保持部を介して支持体に伝搬して前記振動板が伸縮し、この振動板の固有振動数を変化させることにより加速度を検出する構成とした振動型圧電加速度センサ素子。
【請求項２】
保持部を梁状の交互に反対方向に折れ曲がったバネ構成とした請求項１に記載の振動型圧電加速度センサ素子。
【請求項３】
振動板、支持体、保持部をシリコンとした請求項１に記載の振動型圧電加速度センサ素子。
【請求項４】
圧電薄膜をチタン酸鉛・ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）とした請求項１に記載の振動型圧電加速度センサ素子。
【請求項５】
梁状の振動板の一端をフレーム、もう一端を支持体に釣られるように保持した請求項１記載の振動型圧電加速度センサ素子。
【請求項６】
振動板上に形成する上部電極を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素子。
【請求項７】
振動板を支持する支持体に質量を付加し、この支持体を直線上に往復運動するように支持した請求項１に記載の振動型圧電加速度センサ素子。
【請求項８】
梁状からなる振動板上に形成する上部電極をこの振動板と直交し二等分する中心軸と対称に検出用と駆動用とした請求項１に記載の振動型圧電加速度センサ素子。
【請求項９】
駆動用および検出用の電極の取り出し電極をフレーム上に設けた請求項８に記載の振動型圧電加速度センサ素子。
【請求項１０】
請求項１に記載の振動型圧電加速度センサ素子のフレームを保持して取り付けて静および動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。
【発明の詳細な説明】
【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素子とこれを用いた振動型圧電加速度センサに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来の加速度センサとしては、図６に示すものがある。
【０００３】
図６は従来の加速度センサの構成を示す断面図である。図６に示すようにダイヤフラム２が形成されたチップ１の表面のダイヤフラム２の部分に複数個の感歪抵抗３が設けられ、チップ１の表面の他の部分に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とが設けられ、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。そして加速度が加わると、ガラス製の重り６に応力が作用して、この応力による感歪抵抗３の変化による加速度が検出される。
【０００４】
なお、この出願の発明に関連する先行技術文献情報としては、例えば、特許文献１が知られている。
【０００５】
また、従来の他の加速度センサとしては、図７に示すものがある。
【０００６】
図７は従来の他の加速度センサの構成を示すブロック図である。図７に示すように加速度に対応した信号を出力する圧電体素子１１と、出力された信号のインピーダンス変換手段１２と、不要な信号を除去するフィルタ手段１３と、必要な信号を増幅する増幅手段１４とを備えると共に、外部から入力されるタイミング信号の周期に同期した交流信号を出力する交流信号出力手段１６を具備しており、この交流信号出力手段１６と圧電体素子１１との間には、コンデンサ１７が直列接続状態で介装されている。そしてこ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からなる測定・演算手段１８及び制御手段１５に取り込まれるようになっている。
【０００７】
なお、この出願の発明に関連する先行技術文献情報としては、例えば、特許文献２が知られている。
【特許文献１】特開平５−２８８７７１号公報
【特許文献２】特開平５−８００７５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら上記従来の構成では、半導体抵抗歪式は数％の抵抗値の変化しか得られず抵抗値変動も大きいため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かった。
【０００９】
また、静的な重力加速度等の成分検出は検出構造から困難と思われる。即ち圧電体素子を用いて変位速度を検出する構成であり、静的な重力等の加速度は検出することができない構成となっている。
【００１０】
本発明は静および動の加速度検知をノイズ等の耐環境変化を受けずに安定した検出ができ、厳しい温度変化の環境下においても安全に走行制御することができる振動型圧電加速度センサ素子とこれを用いた振動型圧電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】
この目的を達成するために、本発明は以下の構成を有する。
【００１２】
本発明の請求項１に記載の発明は、フレームと、このフレームの内部に少なくとも１つの振動板と、この振動板を保持する支持体と、この支持体を直線方向を往復運動するように保持する保持部とを設け、前記振動板上に形成する下部電極と、この下部電極上に形成する圧電薄膜と、この圧電薄膜上に形成する上部電極とからなり、前記直線方向に運動する保持部を介して支持体に伝搬して前記振動板が伸縮し、この振動板の固有振動数を変化させることにより加速度を検出する構成とした振動型圧電加速度センサ素子であり、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ず加速度を高精度で検出することができる。
【００１３】
請求項２に記載の発明は、保持部を梁状の交互に反対方向に折れ曲がったバネ構成とした請求項１に記載の振動型圧電加速度センサ素子であり、加速度により高応答かつ高感度で振動板が伸縮するため、温度変化の影響を受けず加速度を高応答かつ高精度で検出することができる。
【００１４】
請求項３に記載の発明は、振動板、支持体、保持部をシリコンとした請求項１に記載の振動型圧電加速度センサ素子であり、加えた加速度の変化によって振動板に生じる応力に対応する共振周波数の変化の安定性が向上できる。
【００１５】
請求項４に記載の発明は、圧電薄膜をチタン酸鉛・ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）とした請求項１に記載の振動型圧電加速度センサ素子であり、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ず加速度を高精度で検出することができる。
【００１６】
請求項５に記載の発明は、梁状の振動板の一端をフレーム、もう一端を支持体に釣られるように保持した請求項１に記載の振動型圧電加速度センサ素子であり、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ず加速度を高精度で検出することができる。
【００１７】
請求項６に記載の発明は、振動板上に形成する下部および上部電極を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素子であり、保持部の中央部は最も振動が小さい部分であり、変位による起電力が発生せず振動板の共振周波数への変調信号が重畳されにくいため、振動板のみの共振周波数の信号を検出することができる。
【００１８】
請求項７に記載の発明は、振動板を支持する支持体に質量を付加し、この支持体を直線上に往復運動するように支持した請求項１に記載の振動型圧電加速度センサ素子であり、加速度による支持体の変位量が大きくなり、比例して振動板の伸縮も大きくなるため、加速度を高感度で検出することができる。
【００１９】
請求項８に記載の発明は、梁状からなる振動板上に形成する上部電極をこの振動板と直交し二等分する中心軸と対称に検出用と駆動用とした請求項１に記載の振動型圧電加速度センサ素子であり、振動板の駆動及び振動板からの検出を振動板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。
【００２０】
請求項９に記載の発明は、駆動用および検出用の電極の取り出し電極をフレーム上に設けた請求項８に記載の振動型圧電加速度センサ素子であり、振動しないフレームに取り出し電極を設けることにより、振動板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ず加速度を高精度で検出することができる。
【００２１】
請求項１０に記載の発明は、請求項１に記載の振動型圧電加速度センサ素子のフレームを保持して取り付けて静および動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であり、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ず加速度を高精度で検出することができる。
【発明の効果】
【００２２】
以上のように本発明は、フレームと、このフレームの内部に少なくとも１つの振動板と、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往復運動するように保持する保持部と、前記振動板上に形成する下部電極と、この下部電極上に形成する圧電薄膜と、この圧電薄膜上に形成する上部電極とからなり、前記直線方向に運動する保持部を介して支持体に伝搬して前記振動板が伸縮し、この振動板の固有振動数を変化させることにより加速度を検出する構成とした振動型圧電加速度センサ素子であり、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ず加速度を高精度で検出することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
以下、本発明の実施の形態について、図を用いて説明する。
【００２４】
図１は本発明の実施の形態における加速度センサ素子の構成を示す上面図、図２は本発明の実施の形態における振動板の構成を示す傾斜図である。
【００２５】
図１に示すようにフレーム３１の内部に固有振動周波数を有する振動板２３ａを設け、この振動板２３ａの固有振動周波数を変化させる支持体３３と、この支持体３３を梁状の交互に反対方向に折れ曲がったバネ構造で保持する保持部３２を設けた構成となっている。この構成により加速度により高応答かつ高感度で振動板２３ａが伸縮するため、温度変化の影響を受けず加速度を高応答かつ高精度で検出することができる。
【００２６】
梁状の振動板２３ａは２つの基部３４を有し、一方の基部３４がフレーム３１、もう一方の基部３４が支持体３３に支持される構造となっている。そして支持体３３は両端を梁状で構成されるバネ動作をする保持部３２を介してフレーム３４に支持され、直線上を往復運動する構成となっている。ここではフレーム３１の内部に構成する１つの振動板２３ａを用いて説明しているが、この振動板２３ａは２つでも良い。また支持体３３に重りを付加して感度（変換効率）を高めることができる。
【００２７】
また、アーム２３ｂは振動板２３ａの共振先鋭度を大きくするために設けてある。このアーム２３ｂにより共振先鋭度が少なくとも２〜３倍程度増加し、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加速度を高精度で検出することができる。
【００２８】
また、図２に示すように振動板２３ａはＳｉＯ2層２２の上に形成するＳｉ層２３、そしてこのＳｉ層２３の上に形成する下部電極２４、この下部電極２４の上に形成する圧電薄膜２５、この圧電薄膜２５の上に形成する上部電極としての駆動電極２６ｂと検出電極２６ａから構成される。そして上部電極としての駆動電極２６ｂおよび検出電極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まで形成されている。この構成から保持部３２の中央部は最も振動が小さい部分であり、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。
【００２９】
さらに、この駆動電極２６ｂおよび検出電極２６ａはフレーム３１まで伸びた所定部分に取り出し電極（図示せず）を設け制御回路（図示せず）に取り出される構成となっているため、振動しないフレーム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ず加速度を高精度で検出することができる。
【００３０】
さらに、駆動電極２６ｂおよび検出電極２６ａは梁状の振動板２３ａと直交し二等分する中心軸に対称になるように形成されていることから、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。
【００３１】
次に、本発明の振動型圧電加速度センサ素子の動作について説明する。図３は本発明の実施の形態における振動型圧電加速度センサの構成を示す模式図である。
【００３２】
図３に示すように３５は本発明の振動型圧電加速度センサ素子、３６ａは検出信号ライン、３６ｂは駆動信号ライン、３８は微弱な信号の増幅および振動型圧電加速度センサ素子３５の振動板を駆動する増幅回路、３９は入力信号の周波数を電圧に変化するＦ/Ｖ変換器、４０は増幅回路３８の出力信号の電圧レベルを制御するＡＧＣ回路である。
【００３３】
振動型圧電加速度センサ素子３５のフレーム３１を保持して取り付ける。そして振動型圧電加速度センサ４１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を通して振動型圧電加速度センサ素子３５の駆動電極２６ｂに入力され振動板を振動させる。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Ｆ／Ｖ変換器３９に入力され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回路が動作して誤差なく正確なＦ／Ｖ変換が行えるように制御する。
【００３４】
ここで、外部より加速度が加わると、フレーム３１から保持部３２を介して保持される支持体３３が直線上を往復運動する慣性力が加わり、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、この振動板２３ａの固有振動の共振周波数が変化することとなり、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ず加速度を高精度で検出することができる。
【００３５】
以下、製造方法について説明する。
【００３６】
図４（ａ）〜（ｆ）は本発明の実施の形態における振動型圧電加速度センサ素子の製造方法を示す断面図である。
【００３７】
図４（ａ）に示すようにＳｉからなる基板２１の上にエッチングをストップさせるためのＳｉＯ2からなるエッチングストッパー２２を形成し、このエッチングストッパー２２の上にＳｉ層２３を形成する。ここで基板２１の厚みを２０μｍ、エッチングストッパー２２の厚みを２μｍ、Ｓｉ層２３の厚みを３００μｍとした。
【００３８】
そして、図４（ｂ）に示すようにＳｉ層２３の上に高周波スパッタリングを用いてＴｉを厚み５０Å形成し、さらに白金を厚み２０００Å形成して下部電極２４を形成する。そしてこの白金の上にチタン酸塩・ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）からなる圧電薄膜２５を厚み２５μｍ形成し、さらに所定パターンになるようにメタルマスクを用いてこの圧電薄膜２５の上に蒸着によりＴｉ層を厚み１００Å形成し、同様にこのＴｉ層の上に蒸着により金を厚み３０００Å形成し、所定のパターンの上部電極２６を形成する。このチタン酸塩・ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）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ず加速度を高精度で検出することができる。そして図４（ｃ）に示すようにエッチング用のマスクとして金の上にレジスト２７を形成し、エッチングにより側溝２８を形成する。
【００３９】
ここで、振動板以外に支持体、保持部をＳｉとすることにより加えた加速度の変化によって振動板に生じる応力に対応する共振周波数の変化の安定性が向上できる。
【００４０】
次に、図４（ｄ）に示すように基板２１の裏面に所定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。そして図４（ｅ）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を形成する。さらに裏面のレジスト２７を除去し、図４（ｆ）に示すように振動板を薄くかつ梁状に形成する。
【００４１】
次に、本発明の振動型圧電加速度センサを用いた応用例について説明する。
【００４２】
図５は本発明の振動型圧電加速度センサを用いたブレーキ制御システムを示す模式図である。
【００４３】
図５に示すように４２は車体、４３ａは前輪、４３ｂは後輪、４４はブレーキ装置、４５はハンドル、４６はブレーキ制御回路、４７は進行方向である。
【００４４】
車体４２の制御は本発明の振動型圧電加速度センサ４１で加速度を検知し、加速度の出力信号をブレーキ制御回路４６で信号処理し、この信号をブレーキ装置４４に伝送して誘導し、車体４２の前輪４３ａ、後輪４３ｂがブレーキによりロックしないように制御し、安全な運転制御を可能としている。例えば進行方向４７のようにハンドル４５を左に切った場合、車体４２が左に方向転換し回転する進行方向のタイヤの外周側と内周側のブレーキの効き具合を変えることでタイヤのスリップ事故を未然に防ぐことができるものであり、安全制御を可能とする。
【００４５】
次に、本振動型圧電加速度センサ４１は車体４２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。そのため、振動型圧電加速度センサ４１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４２の中央に設けるのが望ましい。従って実施の形態では振動型圧電加速度センサ４１を車の中央に搭載している。
【産業上の利用可能性】
【００４６】
本発明の振動型圧電加速度センサ素子および振動型圧電加速度センサは、安全ブレーキシステムその他、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と共に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、傾斜角検知は高度を含めた３次元立体型ナビゲーション装置を実用化させることも可能である。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【図１】本発明の実施の形態における振動型圧電加速度センサ素子の構成を示す上面図
【図２】本発明の実施の形態における振動板の構成を示す斜視図
【図３】本発明の実施の形態における振動型圧電加速度センサ素子の構成を示す模式図
【図４】（ａ）〜（ｆ）は本発明の実施の形態における振動型圧電加速度センサの製造方法を示す断面図
【図５】本発明の振動型圧電加速度センサを用いたブレーキ制御システムを示す模式図
【図６】従来の加速度センサの構成を示す断面図
【図７】従来の他の加速度センサの構成を示すブロック図
【符号の説明】
【００４８】
２１  基板
２２  ＳｉＯ2層
２３  Ｓｉ層
２３ａ  振動板
２３ｂ  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  保持部
３３  支持体
３４  基部
３５  振動型圧電加速度センサ素子
３６ａ  検出信号ライン
３６ｂ  駆動信号ライン
３８  増幅回路
３９  Ｆ／Ｖ変換器
４０  ＡＧＣ回路
４１  振動型圧電加速度センサ
４２  車体
４３ａ  前輪
４３ｂ  後輪
４４  ブレーキ装置
４５  ハンドル
４６  ブレーキ制御回路
４７  進行方向
【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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