(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
外力によって変位するビーム及びマス部を含み、前記ビーム及び前記マス部で決まる共振周波数が加速度の変化の周波数よりも高くなるように設定された第１振動体と、
前記マス部の動きを粘性効果により伝達し、前記マス部の変位速度に応じた粘性力を生ずる運動伝達部と、
前記運動伝達部における粘性効果により変位可能であり、その共振周波数が前記運動伝達部によって与えられる前記加速度の変化の周波数より高くなるように設定された第２振動体と、
前記第２振動体の変位量を検出する変位検出部と、を備え、
前記変位検出部からの第２振動体の変位量検出信号から前記外力によって与えられた加加速度を求めることを特徴とする加加速度センサ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、加加速度センサ、特に印加された加加速度を速度信号の微分の演算を実行することなく測定するセンサに関する。
【０００２】
【従来の技術】
図１３は、従来の加速度センサ６００及びこれを用いた加加速度検出方法を概念的に示している。加速度センサ６００は、慣性質量ｍを有する平板構造のマス部６０を有し、一端でアンカー６６によって基板６１に固定されたビーム６２により、このマス部６０が基板６１の上方に浮いた状態で支持されている。
【０００３】
このような構造において、図の矢印で示す方向に外力が印加されると、マス部６０は基板６１上で、外力方向（矢印方向）に変位する。このときマス部６０に生ずる加速度をアンカー６６に固定されたビーム６２の基部における歪みとして、この基部付近に取り付けられている歪ゲージ６４を用いて検出する。信号処理回路７０は、歪みゲージ６４からの信号を処理して加速度信号を算出し、微分回路７２はこの加速度信号を時間微分する事で加加速度を求め、得られた加加速度が表示部７４に表示される。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
以上のような構成では、まず、加速度センサ６００で検出された加速度信号から加加速度信号を得るために微分回路７２を設ける必要がある。また、加加速度を加速度から間接的に得るため、各部の高い応答性が必要とされ、回路構成が複雑になりやすい。
【０００５】
さらに、加加速度は、加速度信号の傾きから求めることになるので、図１４（ａ）に示すように、時間に比例して大きくなる加速度信号に電気ノイズが重畳した場合、このノイズの載った信号を微分すると大きな誤差信号となってしまうという問題がある。即ち、重畳した電気的ノイズのうち特に高い周波数性分のノイズが微分回路での微分処理によって非常に強くなり、大きなノイズとして現れる。その結果、マス部６０には、実際には、一定の加加速度が印加されているはずなのに図１４（ｂ）に示すように加加速度が変化したと誤認してしまう可能性がある。
【０００６】
例えば、従来のような加速度センサを用いた加加速度検出方法では、加速度センサからの出力をＶｇ（ｔ）で表すと、下記式（１）に示されるように、この加速度センサ出力（加速度成分）には、印加加速度Ａ（ｔ）の他、ｃ（ｔ）という時間依存の変数（ノイズ成分）が存在することとなる。
【０００７】
【数１】
0004568997.tif 000002
このため上式（１）を微分して得た加加速度出力（加速度センサ出力の微分出力）：Ｖａ（ｔ）は、上式（２）に示されるように、ｃ（ｔ）を微分した項を含むこととなる。従って、このｃ（ｔ）の周波数が高い場合には微分値は特に大きくなり、誤差要因となってしまうのである。
【０００８】
以上のような理由により、図１３に示すような従来の加加速度検出システムでは、例えば、車両等に搭載されるエアバック用など、高い信頼性を必要とするシステムには利用することができない。
【０００９】
このようなノイズによる誤認識を低減するための手法として、不要な高周波成分を除去するフィルタ回路を設けることが考えられる。しかし、今度は、フィルタ回路での位相遅れが発生し、迅速な検出に支障を来す。また、フィルタ回路によって現実に生じた加加速度成分を除去してしまう可能性もある。
【００１０】
本発明は、エアバック用などの高い信頼性が要求される用途にも利用可能な電気ノイズの影響を受けない加加速度検出装置を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明に係るセンサは、外力によって変位する第１振動体と、マス部を介して前記第１振動体の動きを前記マス部の変位速度に応じて伝達する運動伝達部と、前記運動伝達部により変位可能であり、その質量が無視できるほど小さいか、質量が無視できず慣性力の影響を受ける場合においてはその共振周波数が前記運動伝達部によって与えられる前記外力の変化の周波数より高くなるように設定された第２振動体と、を備えることを特徴とする。
【００１２】
また、上記センサにおいて、前記運動伝達部は、前記マス部の変位速度に応じた粘性力を生じ、前記第１振動体の動きを粘性効果に前記第２振動体へ伝達することが好適である。
【００１３】
さらに、前記第２振動体の変位量を前記第１振動体の変位速度に応じた変位として検出することが好適である。
【００１４】
また、本発明の他の特徴は、マス部に印加された加速度に比例して変位する第１振動体と、印加された力に応じて変位する第２振動体と、前記第１振動体の変位端と、前記第２振動体の変位端との間に設けられ、前記第１振動体の変位速度に応じた粘性力を発生し、前記第２振動体に伝達する運動伝達部と、を備え、
前記運動伝達部からの粘性力が印加されて変位する第２振動体の変位量を検出し、該変位量に比例した加加速度を求めることを特徴とする。
【００１５】
第１振動体は、印加された加加速度に応じて変位し、この第１振動体の変位速度に応じた粘性効果が運動伝達部で発生する。これにより粘性効果に比例して第２振動体が変位する。従って、本発明において、センサ出力Ｖo（ｔ）は、次式（３）
【数２】
Ｖo（ｔ）＝ａ’Ａ（ｔ）＋ｃ’    ・・・（３）
但し、式中、Ａ（ｔ）：加速度、ａ’：比例定数、ｃ’比例定数
で表され、この比例定数ｃ’は、定数であって電気的に容易に除去でき、高精度な測定が可能となる。つまり、得られた加速度信号を微分して加加速度を求めるという電気的な微分処理を介在させることなく粘性効果を利用して加加速度を変位に変換しており、電気ノイズが発生しない。上述のように加速度信号を微分する場合には、処理回路に高い応答性は要求されるが、本発明では微分回路が不要であるからそれと比較すると、各回路にそれほど高い応答性は要求されず、この結果、回路の簡素化を図ることができる。また本発明のセンサは、構造が簡素であり、例えばシリコンを用いたマイクロマシニング技術を利用して製造することができる。
【００１６】
また、前記第１振動体は、ビームと前記マス部とで決まる共振周波数が前記外力の変化の周波数よりも高いことが好適である。
【００１７】
また、前記第２振動体の変位量から前記外力の時間変化を検出する変位検出部を備えることが好適である。
【００１８】
【本発明の好適な実施の形態】
以下、この発明の好適な実施の形態（以下実施形態という）について図面を用いて説明する。
【００１９】
＜実施形態１＞
図１は、本発明の実施形態１に係る加加速度センサ（検出装置）の構成を概念的に表している。加加速度センサは、第１振動体１００、運動伝達部２００、第２振動体３００及び第２振動体変位検出部４００を備える。第１振動体１００は、外力によって変位し、運動伝達部２００がこの第１振動体１００の動きを粘性効果により第２振動体に伝達する。そして、第２振動体３００は、運動伝達部２００における粘性効果により変位可能であり、変位検出部４００がこの第２振動体３００の変位量を検出し、その変位量に比例した加加速度を得ている。
【００２０】
第１振動体１００は、第１固定部と、一端がこの第１固定部に固定された第１バネ（バネ定数ｋ1）と、この第１バネの他端に接続されたマス部（質量ｍ）を有する。第１バネは図中ｘ方向以外の剛性が、該ｘ方向の剛性と比較して極めて高いので、ｘ方向のみに伸縮することができる。このため、マス部は、ｘ方向のみに変位可能に該第１バネに支持されている。ここで、第１振動体１００に印加された加速度の変化（加加速度）を検知するためには、第１バネとマス部で決まる第１振動体１００の共振周波数が、加速度の変化の周波数より高くなるように第１バネ及びマス部を決める必要がある。
【００２１】
運動伝達部２００は、第１振動体１００のマス部と、後述する第２振動体３００の第２バネとを、気体、液体又は固体（物体）が発生する粘性効果を用いて連結しており、その粘性係数はＣである。運動伝達部２００で発生する粘性力Ｆｃは、マス部から受ける力、つまりマス部の変位速度に応じた大きさであり、この粘性力Ｆcが第２振動体３００に伝達される。
【００２２】
第２振動体３００は、第２固定部と、一端がこの第２固定部に固定された第２バネ（バネ定数ｋ2）を備える。第２バネは、第１バネと同様に図中ｘ方向の剛性が、他のｙ、ｚ方向の剛性と比較して極めて低く、ｘ方向のみに伸縮することができる。第２振動体３００は、その質量が無視できるほど小さいため、第２バネは運動伝達部２００からの粘性力として印加される力のみによって伸縮するが、それ以外の慣性力の影響を受けない。なお、第２振動体３００の質量が無視できず、慣性力の影響を受ける場合においては、第２振動体３００の共振周波数が加速度の変化の周波数より高くなるように調整する必要がある。
【００２３】
第２振動体変位検出部４００は、このようにして運動伝達部２００からの粘性力によって変位する第２バネのｘ方向への変位量ｘ2（ｔ）を検出する。
【００２４】
次に、以上のような構成の加加速度センサにおいて、印加された外力から加加速度を得る手順について図２を参照して説明する。
【００２５】
まず、外力が印加され（Ｓ１）、この外力によりｘ方向の加速度Ａ（ｔ）が発生すると（Ｓ２）、マス部の質量ｍ1と加速度Ａ（ｔ）に比例した慣性力“ｍ1・Ａ（ｔ）”が生ずる（Ｓ３）。
【００２６】
第１バネは、この慣性力によりｘ方向に伸縮し、これによりマス部が変位する（Ｓ４）。このとき生ずるマス部のｘ方向への変位量ｘ1（ｔ）は、第１バネのバネ定数をｋ1とすると、次式（４）で表される。
【００２７】
【数３】
0004568997.tif 000003
この式（４）を時間的に微分すると、マス部の変位速度Ｖ1（ｔ）が得られ、これは式（５）で表すことができる。そして、運動伝達部２００では、図３におけるこのマス部１０の変位速度Ｖ1（ｔ）に比例した粘性力Ｆｃ（ｔ）が発生する（Ｓ５）。このＦｃ（ｔ）は、第１振動体１００から第２振動体３００に伝達される粘性減衰による力（又はエネルギ損失による力）に相当するものであり、上記式（６）のように伝達部２００の粘性係数Ｃとマス部の変位速度Ｖ1（ｔ）との積で表される大きさとなる。
【００２８】
運動伝達部２００に発生した上記粘性力Ｆｃは第２振動体３００の第２バネへと伝達される（Ｓ６）。このとき第２振動体３００の第２バネは、粘性力Ｆｃに応じて変位する。変位量をｘ2（ｔ）とすると、これは、式（７）で示されるように、Ｆｃと第２バネのバネ定数ｋ2に応じた値であり、第２振動体変位検出部４００によりこの変位量が検出される（Ｓ７）。
【００２９】
ここで、上記変位量ｘ2（ｔ）は、式（８）に示すように加加速度の関数として表すことができ、式（８）はさらに、式（１０）に定義したＢという比例定数を用いると、式（９）のように単純な形になる。つまり、この式（９）から第２振動体変位検出部４００において検出された第２振動体の変位量ｘ2（ｔ）は、マス部（第１振動体）に印加された加加速度の大きさに比例していることがわかる。従って、第２振動体３００の変位ｘ2（ｔ）を計測することで（Ｓ８）、これにより外力によって生じた加加速度を得ることができる（Ｓ９）。
【００３０】
以下に、図１に示したような原理構成を備えた本実施形態１の加加速度センサについて、その具体的な構成例について説明する。
【００３１】
図１の加加速度センサは、図３に示すような構造により実現でき、このセンサは、シリコン基板上にマイクロマシンニング技術を用いて作製されている。なお、図３において、図１と対応する部分には同一符号を付している。このセンサは、固定部であるアンカー部と、第２振動体変位検出部４００以外の部分はすべてシリコン基板１からフローティングで作られており、可動である。
【００３２】
第１振動体１００は、マス部１０、複数の第１ビーム１２（第１ビーム体１２ａ〜１２ｄ及びビーム枠部１２ｆ）及びアンカー１４を備える。第１ビーム１２は、マス部１０のｙ方向両側に配されており、各ビーム体１２ａ〜１２ｄは、それぞれｙ方向を長手方向として形成されている。ビーム体１２ａ，１２ｂは、その一端側がマス部１０に接続され、他端側はｘ方向に延びるビーム枠体ｆ１２を介して、該ビーム体１２ａ，ｂとそれぞれ平行に配されているビーム体１２ｃ，１２ｄの一端に連結されている。そして、このビーム体１２ｃ、１２ｄの他端はアンカーを介して基板１に固定されている。第１ビーム１２の各ビーム体１２はｘ方向の剛性が低いのでｘ方向に曲がることは可能であるが、ｙ方向、ｚ方向に対する剛性は高く、ｙ、ｚ方向には変位しない。
【００３３】
また、ビーム枠部１２ｆは、マス部１０の両側からそれぞれ±ｙ方向に延びる複数の第１ビーム体１２ａ〜１２ｄの片端を束ねるようにしてｘ方向に延びている。このビーム枠部１２ｆの剛性は、ｘ、ｙ、ｚ方向とも高く、いずれの方向にもそれ自体が曲がることはない。
【００３４】
マス部１０は、面積が大きく慣性質量（質量ｍ1）として機能する。そして、このマス部１０は、上記第１ビーム１２によって両側から空中に浮いて支持されているので、本センサに外力が印加され、マス部１０に加速度が加わると、ｘ方向にのみ曲がることのできる第１ビーム体１２ａ−１２ｄとビーム枠体１２ｆとの働きにより、該マス部１０はｘ方向のみにその変位が許容される。このときのマス部１０のｘ方向への変位量は、第１ビーム１２による復元力とマス部１０に発生する慣性力の関係を示した上式（４）に基づく。また、このときマス部１０の変位速度Ｖ1（ｔ）は、上記（５）のように印加された加加速度に比例する。
【００３５】
図３において、運動伝達部２００は、クシ状の突起を交互に噛み合うように対向配置させた構成である。対向するクシ歯の一方は、マス部１０のｘ方向を横切る側面から突出した第１振動体突起部２１０であり、他方は、後述する第２振動体３００の第２マス部３０の第１振動体との対向側面から突出した第２振動体突起部２２０である。そして、第１振動体突起部２１０及び第２振動体突起部２２０の互いのクシ歯間には、ここでは、気体が存在している。このためマス部１０の変位により第１振動体突起部２１０がｘ方向に動くと、気体の粘性効果によりこの第１振動体の運動が粘性力として第２振動体突起部２２０に伝わる。粘性効果によって伝達される粘性力の方向はｘ方向であり、その大きさは第１振動体１００の変位速度、すなわち第１振動体１００に印加された加加速度に比例している。ここで粘性効果を発揮させる気体には制限はなく、どのような気体も利用できるが、運動伝達部２００で発生する気体の粘性力は第１振動体突起部２１０と第２振動体突起部２２０との間隙（ギャップ）に反比例し、向き合ったクシ（突起）の重なり面積と、利用する気体の粘性係数に比例する。
【００３６】
第２振動体３００は、第２振動体基部３０、第２ビーム３２及びアンカー３４を有する。第２振動体基部３０のマス部対向側面には、上記第２振動体突起部２２０を有し、この基部３０のｙ方向両側面からは第２ビーム３２が延びており、第２ビーム３２の他端側はアンカー３４によって基板１に固定されている。従って、第２振動体基部３０は、第２ビーム３２によってアンカー３４の部分から基板上、フローティングに支持されている。第２ビーム３２は、ｙ及びｚ方向の剛性がｘ方向よりも大きく形成されており、第１ビームと同様、ｘ方向のみに変位することができる。
【００３７】
第２振動体基部３０は、面積が小さく質量がほとんど無視できる大きさに設計されている。従って、この基部３０に働く慣性力は無視できるほど小さい。また、この基部３０は、ｘ，ｙ，ｚ全方向について剛性は高く、基部３０自体は変形しない。さらに、上述の通り第２振動体基部３０の突起部２２０の形成側面と対向する側面からは、この第２振動体基部３０の変位を検出するための後述する第２振動体変位検出部４００に向かって電極が突出形成されている。
【００３８】
上述のように運動伝達部２００からの粘性力が突起部２２０を介して第２振動体基部３０に伝わると、ｘ方向にのみ基部３０の変位を許容する第２ビーム３２により、該基部３０は、ｘ方向に変位する。このときのｘ方向への変位量は、上述の式（７）で示すｘ2（ｔ）となり、変位量ｘ2（ｔ）は式（９）で示すように本センサに印加される加加速度に比例した値となる。
【００３９】
第２振動体変位検出部４００は、狭いギャップを持ち互いに向き合った変位電極４１０と容量検出電極４２０とから構成されている。変位電極４１０は、上記基部３０から突出形成された電極であり、基部３０からｘ方向に延びた突出部の先端及び中間付近からｙ方向にそれぞれクシ歯が突出した形状を備える。また、容量検出電極４２０は、アンカーを兼ねた電極パッド４３０から変位電極４１０のクシ歯と噛み合うようにクシ歯がｙ方向に延びた形状を備える。
【００４０】
第２振動体基部３０がｘ方向に変位すると、これに応じて変位電極４１０のｙ方向に延びるクシ歯がｘ方向に変位する。容量検出電極４２０のｙ方向に延びたクシ歯は、この変位電極４１０のクシ歯と噛み合うように対向して設けられているので、第２振動体３００のｘ方向の変位を上記２つの電極４１０、４２０（両電極のクシ歯）間の静電容量（ｃs）の変化として計測することができる。この静電容量の変化は、図４に示すようなスイッチドキャパシタ型容量検出回路５００を用いて検出することができる。
【００４１】
スイッチドキャパシタ型容量検出回路５００において、アンプの負入力経路中に、上記電極パッド４３０と、電源ＶBとを所定タイミングで供給されるスイッチを設け、スイッチを所定タイミングで切り替えることで、図中式（１１）として示すように、センサ容量（静電容量）Ｃsとアンプ負入力・出力Ｖo間に接続された容量Ｃ1の比と、電源電圧ＶBとに応じた出力電圧Ｖoutを得る。なお、変位電極４１０と一体の第２振動体３００のアンカー３４はグランド電位とされており、等価回路的には回路５００のスイッチとグランドとの間に、変位電極４１０と容量検出電極４２０とを電極とする静電容量Ｃｓが接続される。
【００４２】
このように電極パッド４３０をスイッチドキャパシタ型容量検出回路５００に接続することで、第２振動体３００のｘ方向への変位を電圧変化に変換することができ、センサ（マス部１０）に印加された加加速度に比例した電圧出力Ｖoutを得ている。
【００４３】
ここで、上記説明では、図３及び図４に示す構成において、第１ビーム１２と第２ビーム３２の剛性はｘ方向のみに対して小さくしてある。しかし、核ビーム１２，３２について各ビーム剛性をｚ方向に対しても同様に小さくすれば、各ビームはｚ方向に変位することができるため、ｚ方向への加加速度も測定することが可能となる。
【００４４】
次に、図３及び図４に示した本実施形態に係る加加速度センサのビーム形状を変形した例について図５〜図７を参照して説明する。上述の図３に示すセンサ構造において、マス部１０の両側面からは、第１ビーム体１２ａ、１２ｂがそれぞれ両側に延び、同じ側の２本の第１ビーム体１２ａ、１２ｂは、ビーム枠部１２ｆによって連結されている。
【００４５】
これに対し、図５の第１ビーム１２は、マス部１０の各隅から２本ずつ第１ビーム体が延び（１２a1と１２a2、１２b1と１２b2）ている。そして第１ビーム体１２a1及び１２a2は、２つのアンカー１４からそれぞれ延びるビーム体１２c1及び１２c2によって支持され、また第１ビーム体１２b1及び１２b2は、ビーム体１２d1及び１２d2によって支持され、それぞれフォールディット型ビーム（折り畳みビーム）１３で構成されている。つまり、マス部１０からｙ方向にフローティングで延びる第１ビーム１２は、ｙ方向端部でそれぞれ折り返してマス部１０の近くに設けられたアンカー１４に戻りここで基板に固定されている。また、第２ビーム３２についても、図３のビーム３２と異なり、第１ビーム１２と同様にフォールディット型ビーム３３により構成されている。他の点は上述の図３とほぼ同等の構成である。
【００４６】
次に、図６に示すセンサでは、第１ビーム１２としてストレート型ビーム１５が用いられており、ビーム１５は、マス部１０の各隅からそれぞれｙ方向に一直線状に延びている。また、第２ビーム３２は、図３のセンサと同様、ストレート型ビーム３５である。ここで、図３の第２ビーム３２は、第２振動体基部３０からそれぞれｙ方向両側に延びる２本が共通のアンカー３４に接続されている。これに対し、図６の第２ビーム３２は、それぞれ個別に形成されたアンカー３４に接続されている。
【００４７】
図７に示すセンサでは、上記図５と同様に、第１ビーム１２及び第２ビーム３２の両方にそれぞれフォールディット型ビーム１３、３３を採用している。また、運動伝達部２００を構成する第１振動体突起部２１２及び第２振動体突起部２２２の形状が上述の各センサと異なっている。具体的には図７中に拡大して示すように、突起部２１２及び２２２の互いに噛み合うように配置されるクシ歯が、それぞれｙ方向に延びている点がそれぞれｘ方向に延びている他のセンサと相違する。
【００４８】
本実施形態においては、上述の図３及び図５〜図７に示すいずれのセンサ構造を採用してもよく、また、ビーム構造については、各図に示す第１及び第２ビーム構造をさらに別の組み合わせに代えてもよい。
【００４９】
本実施形態において、マス部１０を支持する第１ビーム１２は、変位に対する復元力が線形となることが好適である。従って、第１ビーム１２は、図３、又は図５及び図７に示すようなフォールディット型ビームとすることが好ましい。図６のようなストレート型ビーム５を採用することも可能であるが、ストレート型ビーム１５は、非線形バネであり、印加された加加速度の大きさと、ストレート型ビーム１５に支持されたマス部１０の変位速度とが比例関係にならないので、測定が複雑になるためである。
【００５０】
第２ビーム３２の形状は、その変位が大きい場合は、図５及び図７に示すようなフォールディッド型ビーム３３を採用することが好適である。変位が大きいと復元力が線形である方が精度を向上させる上で好適だからである。また運動伝達部２００については、図７に示すように、第１ビーム１２の長手方向と平行、別の言い方をすると、第１ビーム１２の変位方向（ｘ方向）に直交する方向に第１及び第２振動体突起部のクシ歯が延びる形状の方が好適である。これは、図７のような突起形状としたほうが、第１及び第２振動体突起部のｘ方向への変位を伝達する実面積が大きく、マス部１０の運動を効率よく第２振動体３００に伝えることが容易となるためである。
【００５１】
以上の説明において、運動伝達部２００における運動伝達は、気体を介在させることで実現する場合を例にあげている。しかし、気体に限らず、粘性効果を発生する他の方法、例えば、粘性を持つ液体、エネルギ損失を持つ固体材料などでもよい。
【００５２】
図８は運動伝達部２００に粘度をもつ液体を用いた例であるが、液体は、第１及び第２振動体突起部の少なくとも対向ギャップに存在していればよい。また粘性効果を発揮するという点だけを考慮すればいかなる液体でも使用可能であるが、運動伝達部２００で発生する粘性力は、第１及び第２振動体突起部２１０、２２０のクシ歯間のギャップに反比例しており、向き合ったクシ歯の重なり面積と、利用する液体の粘性係数に比例している。従って、検出する加加速度、センササイズなどを考慮して液体を選択することが好適である。また、センサ、特に第１及び第２振動体突起部を腐食させるなどの劣化を起こし難い液体を用いることが望ましい。
【００５３】
図９は、運動伝達部２００に、粘性効果を発する物質として、上記気体又は液体ではなく、エネルギ損失を持つ固体を用いた例を示している。この場合、伝達用の固体の一端にマス部１０を連結し、他端に第２振動体３０を連結する。この運動伝達固体の機能は、上述の気体、液体と同様に、マス部１０の変位速度ｖ1（ｔ）に応じた粘性効果を発揮することであり、ゴムやプラスチックといった高分子材料が好適である。いかなる固体でも使用可能である。但し、粘性力（エネルギ損失）は、固体の型状および固体の粘性係数に対応するので、検出する加加速度、センササイズなどを考慮して適切な固体を選択することが好適である。また、製造工程、センササイズなどを考慮して適切な材料を用いることが望ましい。
【００５４】
また、第２振動体の変位検出手法として容量変化を用いるほかに、光、磁気、圧電、その他の方法を利用することも可能である。
【００５５】
次に、本実施形態にかかるセンサの製造工程の一例を図１０を参照して説明する。なお、図１０の工程図（ａ）〜（ｅ）は、図３のＡ−Ａ線に沿った断面における各工程での状態を示している。センサの材料としてはシリコン、ニッケル、鉄、その他の金属が使用可能である。以下では基板１として、シリコン基板を用い、マイクロマシニング技術を利用した製造方法について説明する。
【００５６】
（ｉ）シリコン基板１上に、酸化膜２を形成し、さらにその上層にシリコン活性層４を形成する（ａ）。ここで、シリコン基板の酸化膜上のシリコンを電極として用いるため活性層の抵抗値は１０Ω程度以下が望ましいが、第２振動体変位検出部４００、つまり第２振動体３００から延びる変位電極４１０と、容量検出電極４２０、さらに電極パッド４３０のみが、導電性であることが要求されるので、これらの形成領域のみシリコン層にイオン注入して部分的に低抵抗化してもよい。
【００５７】
（ii）次にシリコン活性層４の上にレジストを付け、露光、現像してマスクパターン６をシリコン活性層上に形成する（ｂ）。このマスクパターン６は、センサ各部のパターンに対応している。
【００５８】
（iii）シリコン活性層４上の上記レジストをマスクとし、シリコン活性層をエッチングし、マスクに覆われていない領域にあるシリコン活性層を除去する（ｃ）。
【００５９】
（iv）次に、フッ酸を用い、上記エッチングによってシリコン活性層が除去され露出した部分から、酸化膜２をフッ酸により除去する（ｄ）。これにより、それぞれシリコン活性層からなる第１振動体１００のマス部１０及び第１ビーム１２、第２振動体３００の基部３０および第２ビーム３２、運動伝達部２００の突起部２１０及び２２０の下層の酸化膜２が除去され、これらは基板１の表面から浮いた構造となる。図３のアンカー１４，３４及び電極パッド４３０部分では、酸化膜２は除去しない。
【００６０】
（ｖ）次に、電極パッド４３０の形成領域に、電極材料を形成する（ｅ）。
【００６１】
以上のような簡易な工程を経るだけで、本実施形態１に係る図３のような平面パターンのセンサが得られる。そして、得られたこのセンサに図４のように容量検出回路を接続すれば、加加速度データを得ることができる。
【００６２】
＜実施形態２＞
次に実施形態２に係る加加速度センサについて説明する。図１１は、このセンサを概念的に示している。動作原理は、上述の実施形態１に係るセンサと同じである。
【００６３】
第１ビーム１２は、ｙ方向を長手方向として延び、該第１ビーム１２のｙ方向での一端側はアンカー１４０を介して基板に固定され、他端側はマス部１０に連結されている。第１ビーム１２は、ｘ方向への剛性が低いためｘ方向に曲がることは可能であるが、ｙ方向及び紙面法線方向のｚ方向への剛性は高く、ｙ、ｚ方向には変位しない。
【００６４】
マス部１０は第１ビーム１２によって基板からフローティングに支持されているので、本センサにｘ方向の外力が印加されるとマス部１０に加速度が働きこのマス部はｘ方向のみに変位する。このときのマス部１０の変位量ｘ1（ｔ）は、第１ビーム１２による復元力とマス部１０に発生する慣性力を示す上述の式（４）に一致する。
【００６５】
運動伝達部２００は、マス部１０に連結された第１振動体突起部２１０及び第２ビーム３２に連結された第２振動体突起部２２０を有し、突起部２１０及び２２０のクシ歯は共にｘ方向に延びて互いに噛み合うように配置されている。また、向き合った突起部２１０及び２２０のクシ歯の間には粘性液体が存在している。このため、マス部１０に接続されたクシが動くと、液体の粘性効果により第１ビーム１２の運動が粘性力として第２ビーム３２に伝わる。粘性効果によって伝達される粘性力の方向は、ｘ方向であり、その大きさは、マス部１０に印加された加加速度に比例している。ここで運動伝達部２００に用いる液体には制限はなく、どのような液体も利用できるが、運動伝達部２００で発生する液体の粘性力は、第１及び第２振動体突起部２１０、２２０のクシ歯間のギャップに反比例しており、向き合ったクシ歯の重なり面積と、利用する液体の粘性係数に比例している。従って、実施形態１と同様、検出する加加速度及びセンササイズなどを考慮して液体を選択することが好ましい。
【００６６】
第２ビーム３２は、上記第１ビーム１２と共通のアンカー１４０からｙ方向に延び上記第２振動体突起部２２０に連結され、この突起部２２０を支持している。第１ビーム１２と同様、ｘ方向のみ剛性が低く、ｙ方向及びｚ方向での剛性が高いため、ｘ方向のみに変位することができる。また第２ビーム３２の質量は無視できるほど小さく慣性力の影響を受けない。マス部１０に加加速度が印加されてこれに応じた粘性力が運動伝達部２００から第２振動体突起部２２０に伝達され、これに応じて第２ビーム３２は、ｘ方向に上式（７）に示すｘ2（ｔ）だけ変位する。そして、この変位の大きさは、上式（９）で示すように本センサに印加される加加速度に比例している。従って、本実施形態２のような構成のセンサによっても加加速度を精度よく検出することが可能である。
【００６７】
第２振動体変位検出部４００では、上述の実施形態１にて図４を参照して説明した静電容量の変化を用いた構成のほか、磁界、光、超音波などのいかなる手法を用いてもよく、第２振動体（ここでは、第２ビーム３２）のｘ方向の変位を検出できればよい。
【００６８】
＜実施形態３＞
図１２を参照して実施形態３に係る加加速度センサについて説明する。なお、センサの動作原理は、上述の図４と同様で、上述の実施形態２と相違する点は、運動伝達部２００の構成である。
【００６９】
運動伝達部２００において、マス部１０からはｘ方向に突出部が延び、その先端に多数の孔を有してｙ方向広がる板（以下孔あき板）２１４が連結されている。また、内部に粘性液体が封入された筐体２２４に第２ビーム３２が連結されており、この筐体２２４内には、上記マス部１０に連結された孔あき板２１４が内部で摺動自在に配置されている。マス部が変位してこれに連結された孔あき板が動くと、液体の粘性効果により第１ビーム１２の運動が粘性力として筐体２２４を介して第２ビーム３２に伝わる。粘性効果によって伝達される粘性力の方向はｘ方向であり、その大きさはマス部の速度ｖ1（ｔ）、即ちマス部に印加された加加速度に比例している。ここで用いられる液体は特に制限はなく、水、オイルをはじめ、どのような液体も利用できるが、運動伝達部２００で発生する液体の粘性力は、マス部１０に連結された孔あき板２１４の孔径と数に反比例し、利用する液体の粘性係数に比例している。よって、上述の実施形態同様に検出する加加速度、センササイズなどに応じて適切な液体を選択することが好適である。
【００７０】
マス部１０の変位量は第１ビームの１２復元力とマス部１０に発生する慣性力の上式（４）で表され、このマス部１０の変位速度に応じた力（粘性力）が運動伝達部２００を介して第２ビーム３２に伝達される。そして、その力に応じてこの第２ビーム３２は、ｘ方向に式（７）で決まるｘ2（ｔ）だけ変位する。そして、既に説明したように、この変位量ｘ2（ｔ）は、式（８）及び（９）に表されるとおり、本センサに印加される加加速度に比例している。従って、第２振動体変位検出部４００が第２ビーム３２の変位量を静電容量変化として、又は磁界、光、或いは超音波を用いた変位検出することにより、加加速度を求めることができる。
【００７１】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明に係る加加速度センサによれば運動伝達部における物体の粘性効果を用い、発生した加加速度に応じた粘性力により第２振動体を変位させる。よって、第２振動体の変位量は加加速度に比例した値となり、この変位量を測定することで、加速度信号を電気的に微分することなく加加速度を測定でき、電気ノイズの影響を受けず、簡易な回路構成で高精度な加加速度の検出が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の加加速度センサの原理を示す図である。
【図２】  本発明の加加速度センサの測定手順を示す図である。
【図３】  本発明の実施形態１に係る加加速度センサの構成例を示す図である。
【図４】  図３に示す加速度センサから加加速度信号を得る検出回路構成を示す図である。
【図５】  本発明の加加速度センサの図３と異なる構成例を示す図である。
【図６】  本発明の加加速度センサの図３及び図５とはさらに異なる構成例を示す図である。
【図７】  本発明の加加速度センサのさらに別の構成例を示す図である。
【図８】  本発明の加加速度センサにおいて運動伝達部に液体を用いた例を示す図である。
【図９】  本発明の加加速度センサにおいて運動伝達部に固体を用いた例を示す図である。
【図１０】  本発明の加加速度センサの製造工程を示す工程図である。
【図１１】  本発明の実施形態２に係る加加速度センサの構成を示す図である。
【図１２】  本発明の実施形態３に係る加加速度センサの構成を示す図である。
【図１３】  従来の加速度センサを用いた加加速度検出装置の構成を示す図である。
【図１４】  従来の加加速度検出装置における不具合を説明する図である。
【符号の説明】
１  基板、２  絶縁膜、４  シリコン層（シリコン活性層）、６  マスクパターン（レジスト）、１２，１３，１５  第１ビーム、１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄ  第１ビーム体、１２ｆ  ビーム枠部、１４，３４，１４０  アンカー、３０  第２振動体基部、３２，３３，３５  第２ビーム、１００  第１振動体、２００  運動伝達部、２１０，２１２  第１振動体突起部、２２０，２２２  第２振動体突起部、３００  第２振動体、４００  第２振動体変位検出部、４１０変位電極、４２０  容量検出電極、４３０  電極パッド、５００  信号処理回路（スイッチドキャパシタ型容量検出回路）。
【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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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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