衝撃センサ
【課題】不感領域が少なく、広範な角度の加速度を検出可能な衝撃センサの提供を目的とすること。
【解決手段】
支持部１の中央に矩形状の収納部２が形成され、この収納部２内に加速度を検知する錘３が配置し、支持体１の上面には枠体４を配置する。枠体４には、開口部５ａ〜５ｄが形成され、この開口部５ａ〜開口部５ｄの間に梁部６ａ〜梁部６ｄが形成されている。梁部６ａ〜梁部６ｄは、加速度の作用を受けて変位する変位部７を枠体４の中央に支持している。梁部６ａ〜梁部６ｄの上面には、変位体７の変位を検出する検出素子８ａ〜検出素子８ｄが形成されている。２つの検出素子の出力が相殺されるように、検出素子８ａ〜検出素子８ｄが直列に接続し、検出素子８ａ〜検出素子８ｄの出力信号の総和を算出して加速度を検出する。
【解決手段】
支持部１の中央に矩形状の収納部２が形成され、この収納部２内に加速度を検知する錘３が配置し、支持体１の上面には枠体４を配置する。枠体４には、開口部５ａ〜５ｄが形成され、この開口部５ａ〜開口部５ｄの間に梁部６ａ〜梁部６ｄが形成されている。梁部６ａ〜梁部６ｄは、加速度の作用を受けて変位する変位部７を枠体４の中央に支持している。梁部６ａ〜梁部６ｄの上面には、変位体７の変位を検出する検出素子８ａ〜検出素子８ｄが形成されている。２つの検出素子の出力が相殺されるように、検出素子８ａ〜検出素子８ｄが直列に接続し、検出素子８ａ〜検出素子８ｄの出力信号の総和を算出して加速度を検出する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、互いに直交するＸ軸、Ｙ軸及びＺ軸の３軸方向の加速度を検出可能な衝撃センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
自動車産業や機械産業では、加速度を正確に検出できる小型の加速度センサの需要が高まっている。このような加速度センサとして、圧電素子を用いてＸＹ平面内における各方向の加速度を検出する加速度センサ（例えば、特許文献１参照）や、互いに直交する３軸方向の加速度を同時に検出できる加速度センサが知られている（例えば、特許文献２参照）。
【０００３】
図７（ａ）は特許文献２に記載の加速度センサの上面図、図７（ｂ）は図７（ａ）の斜視図である。この加速度センサは、中空部を有する支台５１と、加速度を検知する作用体としての錘５２と、上下一対の電極が形成され、加速度を電荷に変換する圧電素子５３ａ〜圧電素子５３ｆと、錘５２と支台５１との間に掛け渡された可撓板５４とから構成されている。錘５２の上面外周縁が可撓板５４によって支台５１の中空部に揺動自在に支持されている。
【０００４】
図７（ｃ）は、特許文献２に記載の加速度センサにＸ軸方向の加速度が作用した場合の模式図である。Ｘ軸上の矢印５５の方向から加速度が作用した場合、錘５２には矢印５６の方向に慣性力が作用し、可撓板５４に撓みが生じる。この場合、圧電素子５３ａには下側に押圧力が生じ、圧電素子５３ｂには上側に押圧力が生じる。このため、圧電素子５３ａ、５３ｂの分極方向を反転させて配置し、圧電素子５３ａの下面の電極に生じる電荷と圧電素子５３ｂの上面の電極に生じる電荷とを検出することによって加速度を検出することができる。
【０００５】
矢印５６の方向から加速度が作用した場合には、錘５２には矢印５５の方向に慣性力が作用する。この場合、圧電素子５３ａには上側に押圧力が生じ、圧電素子５３ｂには下側に押圧力が生じる。この場合、圧電素子５３ａの上面の電極と圧電素子５３ｂの下面の電極とに電荷が生じるため、矢印５５の方向から加速度が作用した場合と比較して出力信号の極性が反転する。また、Ｙ軸方向の加速度は、上記同様にＹ軸上に配置された圧電素子５３ｃ、５３ｄによって検出される。
【０００６】
図７（ｄ）は、特許文献２に記載の加速度センサにＺ軸方向の加速度が作用した場合の模式図である。Ｚ軸上の矢印５７の方向から加速度が作用した場合、錘５１には矢印５８の方向に慣性力が作用し、可撓板５４に撓みが生じる。この場合、圧電素子５３ｅ、５３ｆに共に下側方向に押圧力が生じる。このため、圧電素子５３ｅ、５３ｆの分極方向を同一にし、圧電素子５３ｅ、５３ｆの上面の電極に生じた電荷を検出することにより加速度を検出できる。また、Ｘ軸方向及びＹ軸方向と同様に、矢印５８の方向から加速度が作用した際の出力信号は、矢印５７の方向から加速度が作用した場合と比較し、極性が反転した出力信号が検出される。以上のようにして、軸方向毎に加速度を検出し、検出された出力信号を合算して加速度の大きさを検出する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開平７−３１１２１７号公報
【特許文献２】特開平１０−３３２５０３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、特許文献２記載の加速度センサは、加速度が検出されない不感領域が生じる問題があった。例えば、ＸＹ平面内の２次元方向の加速度を検出する場合において、Ｘ軸方向とＹ軸方向との中間の角度となる４５°方向又は１３５°方向から加速度が作用した場合、Ｘ軸方向の加速度の検出に用いる圧電素子５３ａ、５３ｂの出力信号の絶対値とＹ軸方向の加速度の検出に用いる圧電素子５３ｃ、５３ｄの出力信号の絶対値とが等しくなる。更に、圧電素子５３ａ、５３ｂから正側の出力信号として加速度が検出され、圧電素子５３ｃ、５３ｄから負側の出力信号として加速度が検出される場合、Ｘ軸方向の出力信号とＹ軸方向の出力信号とが相殺されて加速度を検出できない不感領域となる。このような不感領域は、ＸＹ平面、ＸＺ平面、ＹＺ平面内方向に少なくとも１軸ずつ存在し、更にそれらの軸を結ぶ曲面に存在する。具体的には、一般解で表わされるＸ＝ｒｓｉｎθｃｏｓφ、Ｙ＝ｒｓｉｎθｓｉｎφ、Ｚ＝ｒｃｏｓθ及び極座標ｃｏｓφ＋ｓｉｎφ＋１/ｔａｎθ＝０の関係を満たす曲面方向が不感領域となり、加速度の検出範囲が制限されていた。
【０００９】
本発明はかかる点に鑑みてなされたものであり、不感領域が少なく、広範な角度の加速度を検出可能な衝撃センサの提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の衝撃センサは、収納空間が形成された枠体と、前記枠体の収納空間に収容された錘と、前記錘を揺動自在に支持する少なくとも４つの梁と、それぞれの梁に設けられており、前記梁の動きをそれぞれ検出する上下一対の電極を有する検出素子と、を具備し、前記検出素子のうち、いずれか１つの検出素子の上下一対の電極の接続を他の検出素子の上下一対の電極の接続と異なるようにして前記検出素子を直列に接続してなることを特徴とする。
【００１１】
この構成によれば、検出素子の出力信号のうち、何れか１つの検出素子の出力信号を反転して検出できるので、不感領域を１軸まで削減することができ、広範な範囲の加速度を検出することができる。
【００１２】
本発明の衝撃センサは、収納空間が形成された枠体と、前記枠体の収納空間に収容された錘と、前記錘を揺動自在に支持する少なくとも４つの梁と、それぞれの梁に設けられており、前記梁の動きをそれぞれ検出する上下一対の電極を有する検出素子と、を具備し、前記検出素子のうち、いずれか１つの検出素子の分極方向が他の検出素子の分極方向と反転して前記検出素子を直列に接続してなることを特徴とする。
【００１３】
この構成によれば、検出素子の出力信号のうち、何れか１つの検出素子の出力信号を反転して検出できるので、不感領域を１軸まで削減することができ、広範な範囲の加速度を検出することができる。
【００１４】
本発明は、上記衝撃センサにおいて、前記検出素子に圧電素子を用いることができる。この構成によれば、梁上に形成した圧電素子を検出素子に用いることができるので、容易に検出素子を形成することができる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、不感領域が少なく、広範な角度の加速度を検出可能な衝撃センサを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】（ａ）本実施の形態に係る衝撃センサの分解斜視図、（ｂ）本実施の形態に係る衝撃センサの斜視図である。
【図２】（ａ）本実施の形態に係る衝撃センサの変位部上面の要部拡大図であり、（ｂ）図２（ａ）を下面からみた図である。
【図３】本実施の形態に係る衝撃センサの模式的な平面図である。
【図４】本実施の形態に係る衝撃センサの検出素子の構成を示す図である。
【図５】本実施の形態に係る衝撃センサの電極の接続を示す図である。
【図６】本実施の形態に係る衝撃センサに加速度が作用した際の模式図である。
【図７】（ａ）従来の加速度センサの平面図、（ｂ）従来の加速度センサの斜視断面図、（ｃ）従来の加速度センサの水平方向の加速度が作用した際の模式図、（ｄ）従来の加速度センサの鉛直方向の加速度が作用した際の模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、本発明の実施の形態について添付図面を参照して詳細に説明する。
図１（ａ）は、本実施の形態に係る衝撃センサの分解斜視図であり、図１（ｂ）は、本実施の形態に係る衝撃センサの斜視図である。
【００１８】
本実施の形態に係る衝撃センサは、支持部１の中央に矩形状の収納部２が形成され、この収納部２内に加速度を検知する錘３が形成されている。支持部１の上面には、枠体４が形成されている。枠体４には、開口部５ａ〜開口部５ｄが形成され、この開口部５ａ〜開口部５ｄのそれぞれの間に梁部６ａ〜梁部６ｄが形成されている。梁部６ａ〜梁部６ｄは、加速度の作用を受けて変位する変位部７を枠体４の中央部に支持している。梁部６ａ〜梁部６ｄの上面には、加速度の作用を検出する検出素子８ａ〜検出素子８ｄが形成されている。
【００１９】
支持体１及び錘３は第１の半導体基板から形成され、枠体４、梁部６ａ〜梁部６ｄ及び変位部７は第２の半導体基板から形成されている。支持部１と枠体４とは、絶縁層を介して接合され、錘３と変位部７とは絶縁層を介して接合され、それぞれ一体に形成されている。すなわち、錘３と変位部７とは共に梁部６ａ〜梁部６ｄを介して枠体４に揺動自在に支持され、枠体４は支持部１によって支持されるように構成されている。
【００２０】
次に図２（ａ）、（ｂ）を参照して、本実施の形態に係る衝撃センサの変位部７の構成について説明する。尚、図２（ａ）は変位部７の上面の要部拡大図であり、図２（ｂ）は図２（ａ）を下面からみた図である。
【００２１】
図２（ａ）、図２（ｂ）に示すように、梁部６ａ〜梁部６ｄは、変位部７の中央部に変位部７の四方から接続されるように形成されている。梁部６ａ〜梁部６ｄのそれぞれの上面の梁部６ａ〜梁部６ｄと変位部７との接続部には、加速度を電荷に変換する検出素子８ａ〜検出素子８ｄが形成されている。また、変位部７の下面に接合される錘３の厚みは、梁部６ａ〜梁部６ｄ及び変位部７より厚く形成されている。すなわち、梁部６ａ〜梁部６ｄは、錘３及び変位部７の重心より上部位置を四方から枠体４に支持するように構成されている。
【００２２】
図３は、本実施の形態に係る衝撃センサの模式的な平面図を示している。尚、図３においては、錘３は図示していない。梁部６ａ〜梁部６ｄと変位部７との間は、開口部５ａ〜開口部５ｄによって離間されて形成されている。また、変位部７と図示されない錘３とは略面一になるように形成されている。すなわち、加速度の作用を受け、錘３及び変位体７が変位して梁部６ａ〜梁部６ｄに変位が生じた際に、梁部６ａ〜梁部６ｄに生じた変位が錘３及び変位部７によって規制されないように構成されている。尚、梁部６ａ〜梁部６ｄは、錘３及び変位部７の質量に応じてバネ定数が設定される。
【００２３】
以上のように構成されることにより、本実施の形態に係る衝撃センサにおいて、加速度の作用を受ける錘３及び変位部７は、梁部６ａ〜梁部６ｄによって収納部２及び開口部５ａ〜開口部５ｄ内でＸＹ平面と直交する上下方向には揺動自在に支持されるが、ＸＹ平面方向への回転は規制された状態となっている。
【００２４】
支持部１、錘３、枠体４、梁部６ａ〜梁部６ｄ及び変位部７の材質は、シリコンを用いることができる。特に、本構造体においては、ベース層と、活性層と、ベース層及び活性層に挟持された絶縁層とから構成されたＳＯＩ基板を用いることが好ましい。例えば、相対的に薄いシリコン層である活性層をエッチングして図１（ｂ）に示す枠体４を構成し、相対的に厚いシリコン層であるベース層をエッチングして図１（ｂ）に示す支持部１を構成する。この場合において、梁部６ａ〜梁部６ｄは活性層で構成され、支持部１／枠体４の領域、錘３／変位部７の領域はベース層／絶縁層／活性層で構成される。すなわち、ベース層で構成された支持部１及び錘３上に、絶縁層を介して、活性層で構成された枠体４及び変位部７がそれぞれ積層されている。また、この場合において、エッチングとしては、ｄｅｅｐ ＲＩＥ（Ｒｅａｃｔｉｖｅ Ｉｏｎ Ｅｔｃｈｉｎｇ）を用いることができる。
【００２５】
また、本実施の形態に係る衝撃センサにおいて、錘部３及び支持部７の厚さは、１００μｍ〜２５０μｍ、梁部６ａ〜梁部６ｄ及び変位部７の厚さは、それぞれ５μｍ〜５０μｍとした。
【００２６】
尚、本実施の形態に係る衝撃センサにおいて、加速度検出感度は、錘３（変位部７を含む）の質量及び／または梁部６ａ〜梁部６ｄのバネ定数を変更することによって任意に調整することができる。
【００２７】
次に図４を参照して本実施の形態に係る衝撃センサの検出素子８ａ〜検出素子８ｄの構成を説明する。図４は図３のＸ−Ｘ線矢視断面の模式図を示している。検出素子８ａは、上下方向に分極した圧電体膜９ａと、圧電体膜９ａを挟んで圧電体膜９ａの上面に形成される上部電極１０ａと、圧電体膜９ａの下面に形成される下部電極１１ａとを備えて構成される。
【００２８】
変位部７が矢印Ｆ１方向に変位した際には、梁部６ａに矢印Ｆ２方向の撓みが生じると共に、検出素子８ａに矢印Ｆ２方向の押圧力が生じる。一方、変位部７が矢印Ｆ２方向に変位した際には、梁部６ａに矢印Ｆ１方向に撓みが生じると共に、検出素子８ａに矢印Ｆ１方向の押圧力が生じる。すなわち、本実施の形態においては、加速度の作用によって生じる変位部７の上下方向の変位を、一方向に分極された検出素子８ａによって正負の電荷として検出することにより衝撃センサに作用する加速度を検出できるように構成されている。
【００２９】
検出素子８ａは、例えば、以下のようにして梁部６ａの上面に形成することができる。梁部６ａの材質にシリコンを用いた場合、シリコンを熱酸化してシリカ（ＳｉＯ2）で形成された表面層を形成する。この表面層の上に図示されない下地膜、下部電極１１ａ、圧電体膜９ａ及び上部電極１０ａの順に成膜することにより検出素子８ａを形成することができる。圧電体膜９ａ、上部電極１０ａ及び下部電極１１ａは、蒸着、スパッタリング、ＣＶＤ等によって成膜することができる。
【００３０】
下地膜の材質は、例えば、ＮｉＦｅ、ＮｉＣｒ、ＦｅＣｒあるいはＮｉＦｅＣｒ等を用いることが好ましい。また、下地膜の厚さは、２ｎｍ〜１００ｎｍであることが好ましいである。
【００３１】
圧電体膜９ａの材質は、圧電作用を有する各種圧電セラミックスを用いることができる。圧電セラミックスとしては、例えば、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）、チタン酸鉛（ＰＴ）、ジルコン酸鉛（ＰＺ）、ＺｎＯ、ＡｌＮ等が挙げられる。これらの中でも結晶配向性に優れるＰＺＴを用いて形成することが好ましい。圧電体膜９ａの厚さは、１μｍ〜３μｍ程度であることが好ましい。また、圧電体膜９ａは、２つの圧電体を積層して形成することもでき、４つ以上の圧電体を積層して形成することもできる。
【００３２】
上部電極１０ａの材質は、例えば、Ｐｔ、Ａｕ等、各種導電性材料を用いることができる。これらの中でも、圧電体膜９ａの結晶配向性が向上し、圧電体膜９ａの圧電定数を高めることが出来るＰｔを用いることが好ましい。
【００３３】
下部電極１１ａの材質は、例えば、Ｐｔ、Ｐｔ合金、ＲｕあるいはＲｕ合金等を用いることが出来る。Ｐｔ合金としては例えば、Ｐｔ−Ｔｉ合金を用いることができる。またＲｕ合金としては例えば、Ｒｕ−Ｔｉ合金を用いることができる。これらの中でもＰｔを用いて形成することが好ましい。下部電極１１ａの厚さは、５０ｎｍ〜２００ｎｍであることが好ましい。
【００３４】
尚、本実施形態においては、下部電極１１ａを形成せずに検出素子を構成することもできる。この場合、ＮｉＦｅ、ＮｉＣｒ、ＦｅＣｒあるいはＮｉＦｅＣｒで形成された下地膜が下部電極１１ａとして機能する。
【００３５】
以上、検出素子８ａの構成について説明したが、検出素子８ｂ〜検出素子８ｄも同様の構成で形成されている。
【００３６】
図５（ａ）、（ｂ）は検出素子８ａ〜検出素子８ｄの電極配置と電極間の接続関係を示す図である。尚、図中において、検出素子８ａ〜検出素子８ｄの正負の記号は、各検出素子８ａ〜８ｄの分極方向を示している。本実施の形態の衝撃センサにおいては、各検出素子８ａ〜８ｄの出力信号のうち、２つの検出信号の出力信号が相殺されるように、検出素子８ａ〜検出素子８ｄで検出された出力信号の１つを他の３つの出力信号に対して反転して検出する。図５（ａ）は、検出素子８ａ〜検出素子８ｄを直列に接続すると共に、検出素子８ｂの分極方向を他の検出素子８ａ、８ｃ及び８ｄに対して反転させた例を示している。図５（ｂ）は、電極の接続を反転して検出素子８ａ〜検出素子８ｄの電極配置を同一とし、検出素子８ｂの電極の接続のみを他の検出素子８ａ、８ｃ及び８ｄに対して逆にした例を示している。尚、図中では電極の接続を模式的に示しているが、本例において、各検出素子８ａ〜８ｄの上部電極１０ａ〜上部電極１０ｄと下部電極１１ａ〜下部電極１１ｄとの間の接続は、配線またはパターンで接続されている。
【００３７】
図６（ａ）〜（ｄ）は、本実施の形態に係る衝撃センサの検出素子８ａ〜検出素子８ｄに作用する押圧力の印加方向と加速度の作用方向との関係を示す模式図である。図中では説明の便宜上、変位部７（錘部３を含む）及び梁部６ａ〜梁部６ｄのみを示し、梁部６ａ〜梁部６ｄが変位した場合における検出素子８ａ〜検出素子８ｄへの押圧力の印加方向を矢印に示している。また、検出素子８ａ〜検出素子８ｄの分極方向と接続は、図５（ａ）の例と同じものとして説明する。尚、本実施の形態に係る衝撃センサにおいては、変位部７に異なる軸方向から同じ大きさの加速度が作用した場合には、各検出素子８ａ〜８ｄで検出される出力信号の絶対値が等しくなるように調整されている。このため、検出素子８ａ〜検出素子８ｄの出力信号の総和をとることにより、加速度の大きさを検出できる。
【００３８】
図６（ａ）は加速度が作用していない状態を示している。この状態では、検出素子８ａ〜検出素子８ｄは変位せず、圧電体膜９ａに押圧力が印加されないため、出力信号が発生しない。
【００３９】
図６（ｂ）は変位部７にＺ軸方向の加速度Ｇ１が作用した際の梁部６ａ〜梁部６ｄの変位を示している。この場合、検出素子８ａ〜検出素子８ｄに対して均等にＺ軸下側方向に加速度Ｇ１が作用する。したがって、検出素子８ａ〜検出素子８ｄはＺ軸下方向に押圧力が印加される。また、加速度Ｇ１と逆方向から加速度が作用した際には、検出素子８ａ〜検出素子８ｄはＺ軸上側方向に押圧力が印加される。
【００４０】
図６（ｃ）は、変位部７に側面７ｂ側からＸ軸方向の加速度Ｇ２が作用した際の梁部６ａ〜梁部６ｄの変位を示している。この場合、変位部７はＸ軸方向及びＹ軸方向の変位が規制されるため、加速度Ｇ２は変位部７に回転運動として作用する。したがって、検出素子８ａ、８ｄにはＺ軸上側方向に押圧力が印加され、検出素子８ｂ、８ｃにはＺ軸下側方向に押圧力が印加される。また、加速度Ｇ２と逆方向の側面７ｄ側から加速度が作用した場合は、変位部７に逆方向の回転運動が作用し、検出素子８ａ、８ｄにはＺ軸下側方向に押圧力が印加され、検出素子８ｂ、８ｃにはＺ軸上側方向に押圧力が印加される。
【００４１】
図６（ｄ）は、変位部７に側面７ｃ側からＹ軸方向の加速度Ｇ３が作用した際の梁部６ａ〜梁部６ｄの変位を示している。この場合、上述したＸ軸方向から加速度が作用した時と同様に加速度は変位部７の回転運動に変換される。したがって、検出素子８ａ、８ｂにはＺ軸上側方向に押圧力が印加され、検出素子８ｃ、８ｄにはＺ軸下側方向に押圧力が印加される。また、加速度Ｇ３と逆方向の側面７ａ側から加速度が作用した場合は、変位部７に逆方向の回転運動が作用し、検出素子８ａ、８ｂにはＺ軸下側方向に押圧力が印加され、検出素子８ｃ、８ｄはＺ軸上側方向に押圧力が印加される。
【００４２】
次に検出素子８ａ〜検出素子８ｄの出力信号を用いた加速度の算出内容について説明する。検出素子８ａ〜検出素子８ｄの接続関係及び電極配置は図５（ａ）に示したものと同一とする。Ｚ軸方向の加速度Ｇ１が作用した場合、検出素子８ａ〜検出素子８ｄに図６（ｂ）に示す押圧力が印加され、上部電極１０ｂ、下部電極１１ａ、１１ｃ及び１１ｄに電荷が生じる。この場合の単位加速度あたりの出力信号ΔＶｚは、検出素子８ａの出力信号をΔＶａ、検出素子８ｂの出力信号をΔＶｂ、検出素子８ｃの出力信号をΔＶｃ、検出素子８ｄの出力信号をΔＶｄとすると、ΔＶｚ＝−ΔＶａ＋ΔＶｂ−ΔＶｃ−ΔＶｄとなる。また、上記のように同じ加速度が印加された時の検出素子８ａ〜検出素子８ｄでの電極に生じる電荷は等しくなるように調整されているので、ΔＶａ＝ΔＶｂ＝ΔＶｃ＝ΔＶｄとなる。したがって、ΔＶｚ＝−２ΔＶａとして表わされる。また、加速度Ｇ１と逆方向から加速度が作用した場合は検出素子８ａ〜検出素子８ｄに生じる電荷が反転するので、ΔＶｚ＝２ΔＶａとなる。
【００４３】
Ｘ軸方向の加速度Ｇ２が作用した場合、検出素子８ａ〜検出素子８ｄに図６（ｃ）に示す押圧力が印加され、上部電極１０ａ、１０ｂ、１０ｃ及び下部電極１１ｄに電荷が生じる。この場合の単位加速度あたりの出力信号ΔＶｘは、ΔＶｘ＝ΔＶａ＋ΔＶｂ＋ΔＶｃ−ΔＶｄとなる。したがって、ΔＶｘ＝２ΔＶａとして表わされる。また、加速度Ｇ２と逆方向から加速度が作用した場合は検出素子８ａ〜検出素子８ｄに生じる電荷が反転するので、ΔＶｘ＝−２ΔＶａとなる。
【００４４】
Ｙ軸方向の加速度Ｇ３が作用した場合、検出素子８ａ〜検出素子８ｄに図６（ｄ）に示す押圧力が印加され、上部電極１０ａ、１０ｂ、１０ｄ及び下部電極１１ｃに電荷が生じる。この場合の単位加速度あたりの出力信号ΔＶｙは、ΔＶｙ＝ΔＶａ＋ΔＶｂ−ΔＶｃ＋ΔＶｄとなる。したがって、ΔＶｙ＝２ΔＶａとして表わされる。また、加速度Ｇ３と逆方向から加速度が作用した場合は検出素子８ａ〜検出素子８ｄに生じる電荷が反転するので、ΔＶｙ＝−２ΔＶａとなる。
【００４５】
上述したように、Ｘ軸、Ｙ軸及びＺ軸の単位加速度あたりの出力信号の絶対値は、ΔＶｘ＝ΔＶｙ＝ΔＶｚ＝２ΔＶａとなる。このため、同じ大きさの加速度は、軸方向を問わずに同じ大きさの出力信号として検出することができる。したがって、直列に配列した検出素子８ａ〜検出素子８ｄの上部電極１０ａ〜条部電極１０ｄ及び下部電極１１ａ〜下部電極１１ｄに発生した出力信号の総和をとることにより、加速度の大きさを算出することができる。
【００４６】
本実施の形態においては、検出素子８ａ〜検出素子８ｄの正と負の出力信号の総和をとるため、総和が零となる時に不感領域となる。このような検出角度としては、図６（ａ）における、検出素子８ａ、８ｂの支持点となる対角線を軸に回転運動が生じる１軸のみであり、その他の角度に関しては加速度を検出することができる。このため、従来技術より広範な範囲の加速度の検出が可能となる。
【００４７】
また、本実施の形態に係る衝撃センサは、検出された出力信号の総和をとることにより３軸方向の加速度の大きさを算出できるため、複雑な演算を要するＩＣ回路等を必要としない。従来技術では、３軸方向の加速度を軸毎に測定し、合算する方法がとられてきたため、演算回路が不可欠であった。このため、コストダウンや、小型化に関して問題があった。本実施の形態における加速度センサでは、演算用のＩＣチップを設けて複雑な演算をする必要がないため、生産コストの低減及び装置の小型化が達成できる。
【００４８】
なお、本発明は上記実施例の形態に限定されるものではない。例えば、錘は直方体に限らず多角柱、円柱等が使用するなど、本発明の要旨を逸脱しない範囲で変形実施可能である。
【産業上の利用可能性】
【００４９】
本発明は、エアバックを作動させるための衝撃センサや、あるいは、携帯機器の衝撃センサ等に有用である。
【符号の説明】
【００５０】
１ 支持部
２ 収納部
３、５２ 錘
４ 枠体
５a〜５d 開口部
６a〜６d 梁部
７ 変位部
８a〜８d 検出素子
９a〜９ｄ 圧電体膜
１０a〜１０d 上部電極
１１a〜１１d 下部電極
５１ 支台
５３a〜５３f 圧電素子
５４ 可撓板
【技術分野】
【０００１】
本発明は、互いに直交するＸ軸、Ｙ軸及びＺ軸の３軸方向の加速度を検出可能な衝撃センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
自動車産業や機械産業では、加速度を正確に検出できる小型の加速度センサの需要が高まっている。このような加速度センサとして、圧電素子を用いてＸＹ平面内における各方向の加速度を検出する加速度センサ（例えば、特許文献１参照）や、互いに直交する３軸方向の加速度を同時に検出できる加速度センサが知られている（例えば、特許文献２参照）。
【０００３】
図７（ａ）は特許文献２に記載の加速度センサの上面図、図７（ｂ）は図７（ａ）の斜視図である。この加速度センサは、中空部を有する支台５１と、加速度を検知する作用体としての錘５２と、上下一対の電極が形成され、加速度を電荷に変換する圧電素子５３ａ〜圧電素子５３ｆと、錘５２と支台５１との間に掛け渡された可撓板５４とから構成されている。錘５２の上面外周縁が可撓板５４によって支台５１の中空部に揺動自在に支持されている。
【０００４】
図７（ｃ）は、特許文献２に記載の加速度センサにＸ軸方向の加速度が作用した場合の模式図である。Ｘ軸上の矢印５５の方向から加速度が作用した場合、錘５２には矢印５６の方向に慣性力が作用し、可撓板５４に撓みが生じる。この場合、圧電素子５３ａには下側に押圧力が生じ、圧電素子５３ｂには上側に押圧力が生じる。このため、圧電素子５３ａ、５３ｂの分極方向を反転させて配置し、圧電素子５３ａの下面の電極に生じる電荷と圧電素子５３ｂの上面の電極に生じる電荷とを検出することによって加速度を検出することができる。
【０００５】
矢印５６の方向から加速度が作用した場合には、錘５２には矢印５５の方向に慣性力が作用する。この場合、圧電素子５３ａには上側に押圧力が生じ、圧電素子５３ｂには下側に押圧力が生じる。この場合、圧電素子５３ａの上面の電極と圧電素子５３ｂの下面の電極とに電荷が生じるため、矢印５５の方向から加速度が作用した場合と比較して出力信号の極性が反転する。また、Ｙ軸方向の加速度は、上記同様にＹ軸上に配置された圧電素子５３ｃ、５３ｄによって検出される。
【０００６】
図７（ｄ）は、特許文献２に記載の加速度センサにＺ軸方向の加速度が作用した場合の模式図である。Ｚ軸上の矢印５７の方向から加速度が作用した場合、錘５１には矢印５８の方向に慣性力が作用し、可撓板５４に撓みが生じる。この場合、圧電素子５３ｅ、５３ｆに共に下側方向に押圧力が生じる。このため、圧電素子５３ｅ、５３ｆの分極方向を同一にし、圧電素子５３ｅ、５３ｆの上面の電極に生じた電荷を検出することにより加速度を検出できる。また、Ｘ軸方向及びＹ軸方向と同様に、矢印５８の方向から加速度が作用した際の出力信号は、矢印５７の方向から加速度が作用した場合と比較し、極性が反転した出力信号が検出される。以上のようにして、軸方向毎に加速度を検出し、検出された出力信号を合算して加速度の大きさを検出する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開平７−３１１２１７号公報
【特許文献２】特開平１０−３３２５０３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、特許文献２記載の加速度センサは、加速度が検出されない不感領域が生じる問題があった。例えば、ＸＹ平面内の２次元方向の加速度を検出する場合において、Ｘ軸方向とＹ軸方向との中間の角度となる４５°方向又は１３５°方向から加速度が作用した場合、Ｘ軸方向の加速度の検出に用いる圧電素子５３ａ、５３ｂの出力信号の絶対値とＹ軸方向の加速度の検出に用いる圧電素子５３ｃ、５３ｄの出力信号の絶対値とが等しくなる。更に、圧電素子５３ａ、５３ｂから正側の出力信号として加速度が検出され、圧電素子５３ｃ、５３ｄから負側の出力信号として加速度が検出される場合、Ｘ軸方向の出力信号とＹ軸方向の出力信号とが相殺されて加速度を検出できない不感領域となる。このような不感領域は、ＸＹ平面、ＸＺ平面、ＹＺ平面内方向に少なくとも１軸ずつ存在し、更にそれらの軸を結ぶ曲面に存在する。具体的には、一般解で表わされるＸ＝ｒｓｉｎθｃｏｓφ、Ｙ＝ｒｓｉｎθｓｉｎφ、Ｚ＝ｒｃｏｓθ及び極座標ｃｏｓφ＋ｓｉｎφ＋１/ｔａｎθ＝０の関係を満たす曲面方向が不感領域となり、加速度の検出範囲が制限されていた。
【０００９】
本発明はかかる点に鑑みてなされたものであり、不感領域が少なく、広範な角度の加速度を検出可能な衝撃センサの提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の衝撃センサは、収納空間が形成された枠体と、前記枠体の収納空間に収容された錘と、前記錘を揺動自在に支持する少なくとも４つの梁と、それぞれの梁に設けられており、前記梁の動きをそれぞれ検出する上下一対の電極を有する検出素子と、を具備し、前記検出素子のうち、いずれか１つの検出素子の上下一対の電極の接続を他の検出素子の上下一対の電極の接続と異なるようにして前記検出素子を直列に接続してなることを特徴とする。
【００１１】
この構成によれば、検出素子の出力信号のうち、何れか１つの検出素子の出力信号を反転して検出できるので、不感領域を１軸まで削減することができ、広範な範囲の加速度を検出することができる。
【００１２】
本発明の衝撃センサは、収納空間が形成された枠体と、前記枠体の収納空間に収容された錘と、前記錘を揺動自在に支持する少なくとも４つの梁と、それぞれの梁に設けられており、前記梁の動きをそれぞれ検出する上下一対の電極を有する検出素子と、を具備し、前記検出素子のうち、いずれか１つの検出素子の分極方向が他の検出素子の分極方向と反転して前記検出素子を直列に接続してなることを特徴とする。
【００１３】
この構成によれば、検出素子の出力信号のうち、何れか１つの検出素子の出力信号を反転して検出できるので、不感領域を１軸まで削減することができ、広範な範囲の加速度を検出することができる。
【００１４】
本発明は、上記衝撃センサにおいて、前記検出素子に圧電素子を用いることができる。この構成によれば、梁上に形成した圧電素子を検出素子に用いることができるので、容易に検出素子を形成することができる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、不感領域が少なく、広範な角度の加速度を検出可能な衝撃センサを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】（ａ）本実施の形態に係る衝撃センサの分解斜視図、（ｂ）本実施の形態に係る衝撃センサの斜視図である。
【図２】（ａ）本実施の形態に係る衝撃センサの変位部上面の要部拡大図であり、（ｂ）図２（ａ）を下面からみた図である。
【図３】本実施の形態に係る衝撃センサの模式的な平面図である。
【図４】本実施の形態に係る衝撃センサの検出素子の構成を示す図である。
【図５】本実施の形態に係る衝撃センサの電極の接続を示す図である。
【図６】本実施の形態に係る衝撃センサに加速度が作用した際の模式図である。
【図７】（ａ）従来の加速度センサの平面図、（ｂ）従来の加速度センサの斜視断面図、（ｃ）従来の加速度センサの水平方向の加速度が作用した際の模式図、（ｄ）従来の加速度センサの鉛直方向の加速度が作用した際の模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、本発明の実施の形態について添付図面を参照して詳細に説明する。
図１（ａ）は、本実施の形態に係る衝撃センサの分解斜視図であり、図１（ｂ）は、本実施の形態に係る衝撃センサの斜視図である。
【００１８】
本実施の形態に係る衝撃センサは、支持部１の中央に矩形状の収納部２が形成され、この収納部２内に加速度を検知する錘３が形成されている。支持部１の上面には、枠体４が形成されている。枠体４には、開口部５ａ〜開口部５ｄが形成され、この開口部５ａ〜開口部５ｄのそれぞれの間に梁部６ａ〜梁部６ｄが形成されている。梁部６ａ〜梁部６ｄは、加速度の作用を受けて変位する変位部７を枠体４の中央部に支持している。梁部６ａ〜梁部６ｄの上面には、加速度の作用を検出する検出素子８ａ〜検出素子８ｄが形成されている。
【００１９】
支持体１及び錘３は第１の半導体基板から形成され、枠体４、梁部６ａ〜梁部６ｄ及び変位部７は第２の半導体基板から形成されている。支持部１と枠体４とは、絶縁層を介して接合され、錘３と変位部７とは絶縁層を介して接合され、それぞれ一体に形成されている。すなわち、錘３と変位部７とは共に梁部６ａ〜梁部６ｄを介して枠体４に揺動自在に支持され、枠体４は支持部１によって支持されるように構成されている。
【００２０】
次に図２（ａ）、（ｂ）を参照して、本実施の形態に係る衝撃センサの変位部７の構成について説明する。尚、図２（ａ）は変位部７の上面の要部拡大図であり、図２（ｂ）は図２（ａ）を下面からみた図である。
【００２１】
図２（ａ）、図２（ｂ）に示すように、梁部６ａ〜梁部６ｄは、変位部７の中央部に変位部７の四方から接続されるように形成されている。梁部６ａ〜梁部６ｄのそれぞれの上面の梁部６ａ〜梁部６ｄと変位部７との接続部には、加速度を電荷に変換する検出素子８ａ〜検出素子８ｄが形成されている。また、変位部７の下面に接合される錘３の厚みは、梁部６ａ〜梁部６ｄ及び変位部７より厚く形成されている。すなわち、梁部６ａ〜梁部６ｄは、錘３及び変位部７の重心より上部位置を四方から枠体４に支持するように構成されている。
【００２２】
図３は、本実施の形態に係る衝撃センサの模式的な平面図を示している。尚、図３においては、錘３は図示していない。梁部６ａ〜梁部６ｄと変位部７との間は、開口部５ａ〜開口部５ｄによって離間されて形成されている。また、変位部７と図示されない錘３とは略面一になるように形成されている。すなわち、加速度の作用を受け、錘３及び変位体７が変位して梁部６ａ〜梁部６ｄに変位が生じた際に、梁部６ａ〜梁部６ｄに生じた変位が錘３及び変位部７によって規制されないように構成されている。尚、梁部６ａ〜梁部６ｄは、錘３及び変位部７の質量に応じてバネ定数が設定される。
【００２３】
以上のように構成されることにより、本実施の形態に係る衝撃センサにおいて、加速度の作用を受ける錘３及び変位部７は、梁部６ａ〜梁部６ｄによって収納部２及び開口部５ａ〜開口部５ｄ内でＸＹ平面と直交する上下方向には揺動自在に支持されるが、ＸＹ平面方向への回転は規制された状態となっている。
【００２４】
支持部１、錘３、枠体４、梁部６ａ〜梁部６ｄ及び変位部７の材質は、シリコンを用いることができる。特に、本構造体においては、ベース層と、活性層と、ベース層及び活性層に挟持された絶縁層とから構成されたＳＯＩ基板を用いることが好ましい。例えば、相対的に薄いシリコン層である活性層をエッチングして図１（ｂ）に示す枠体４を構成し、相対的に厚いシリコン層であるベース層をエッチングして図１（ｂ）に示す支持部１を構成する。この場合において、梁部６ａ〜梁部６ｄは活性層で構成され、支持部１／枠体４の領域、錘３／変位部７の領域はベース層／絶縁層／活性層で構成される。すなわち、ベース層で構成された支持部１及び錘３上に、絶縁層を介して、活性層で構成された枠体４及び変位部７がそれぞれ積層されている。また、この場合において、エッチングとしては、ｄｅｅｐ ＲＩＥ（Ｒｅａｃｔｉｖｅ Ｉｏｎ Ｅｔｃｈｉｎｇ）を用いることができる。
【００２５】
また、本実施の形態に係る衝撃センサにおいて、錘部３及び支持部７の厚さは、１００μｍ〜２５０μｍ、梁部６ａ〜梁部６ｄ及び変位部７の厚さは、それぞれ５μｍ〜５０μｍとした。
【００２６】
尚、本実施の形態に係る衝撃センサにおいて、加速度検出感度は、錘３（変位部７を含む）の質量及び／または梁部６ａ〜梁部６ｄのバネ定数を変更することによって任意に調整することができる。
【００２７】
次に図４を参照して本実施の形態に係る衝撃センサの検出素子８ａ〜検出素子８ｄの構成を説明する。図４は図３のＸ−Ｘ線矢視断面の模式図を示している。検出素子８ａは、上下方向に分極した圧電体膜９ａと、圧電体膜９ａを挟んで圧電体膜９ａの上面に形成される上部電極１０ａと、圧電体膜９ａの下面に形成される下部電極１１ａとを備えて構成される。
【００２８】
変位部７が矢印Ｆ１方向に変位した際には、梁部６ａに矢印Ｆ２方向の撓みが生じると共に、検出素子８ａに矢印Ｆ２方向の押圧力が生じる。一方、変位部７が矢印Ｆ２方向に変位した際には、梁部６ａに矢印Ｆ１方向に撓みが生じると共に、検出素子８ａに矢印Ｆ１方向の押圧力が生じる。すなわち、本実施の形態においては、加速度の作用によって生じる変位部７の上下方向の変位を、一方向に分極された検出素子８ａによって正負の電荷として検出することにより衝撃センサに作用する加速度を検出できるように構成されている。
【００２９】
検出素子８ａは、例えば、以下のようにして梁部６ａの上面に形成することができる。梁部６ａの材質にシリコンを用いた場合、シリコンを熱酸化してシリカ（ＳｉＯ2）で形成された表面層を形成する。この表面層の上に図示されない下地膜、下部電極１１ａ、圧電体膜９ａ及び上部電極１０ａの順に成膜することにより検出素子８ａを形成することができる。圧電体膜９ａ、上部電極１０ａ及び下部電極１１ａは、蒸着、スパッタリング、ＣＶＤ等によって成膜することができる。
【００３０】
下地膜の材質は、例えば、ＮｉＦｅ、ＮｉＣｒ、ＦｅＣｒあるいはＮｉＦｅＣｒ等を用いることが好ましい。また、下地膜の厚さは、２ｎｍ〜１００ｎｍであることが好ましいである。
【００３１】
圧電体膜９ａの材質は、圧電作用を有する各種圧電セラミックスを用いることができる。圧電セラミックスとしては、例えば、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）、チタン酸鉛（ＰＴ）、ジルコン酸鉛（ＰＺ）、ＺｎＯ、ＡｌＮ等が挙げられる。これらの中でも結晶配向性に優れるＰＺＴを用いて形成することが好ましい。圧電体膜９ａの厚さは、１μｍ〜３μｍ程度であることが好ましい。また、圧電体膜９ａは、２つの圧電体を積層して形成することもでき、４つ以上の圧電体を積層して形成することもできる。
【００３２】
上部電極１０ａの材質は、例えば、Ｐｔ、Ａｕ等、各種導電性材料を用いることができる。これらの中でも、圧電体膜９ａの結晶配向性が向上し、圧電体膜９ａの圧電定数を高めることが出来るＰｔを用いることが好ましい。
【００３３】
下部電極１１ａの材質は、例えば、Ｐｔ、Ｐｔ合金、ＲｕあるいはＲｕ合金等を用いることが出来る。Ｐｔ合金としては例えば、Ｐｔ−Ｔｉ合金を用いることができる。またＲｕ合金としては例えば、Ｒｕ−Ｔｉ合金を用いることができる。これらの中でもＰｔを用いて形成することが好ましい。下部電極１１ａの厚さは、５０ｎｍ〜２００ｎｍであることが好ましい。
【００３４】
尚、本実施形態においては、下部電極１１ａを形成せずに検出素子を構成することもできる。この場合、ＮｉＦｅ、ＮｉＣｒ、ＦｅＣｒあるいはＮｉＦｅＣｒで形成された下地膜が下部電極１１ａとして機能する。
【００３５】
以上、検出素子８ａの構成について説明したが、検出素子８ｂ〜検出素子８ｄも同様の構成で形成されている。
【００３６】
図５（ａ）、（ｂ）は検出素子８ａ〜検出素子８ｄの電極配置と電極間の接続関係を示す図である。尚、図中において、検出素子８ａ〜検出素子８ｄの正負の記号は、各検出素子８ａ〜８ｄの分極方向を示している。本実施の形態の衝撃センサにおいては、各検出素子８ａ〜８ｄの出力信号のうち、２つの検出信号の出力信号が相殺されるように、検出素子８ａ〜検出素子８ｄで検出された出力信号の１つを他の３つの出力信号に対して反転して検出する。図５（ａ）は、検出素子８ａ〜検出素子８ｄを直列に接続すると共に、検出素子８ｂの分極方向を他の検出素子８ａ、８ｃ及び８ｄに対して反転させた例を示している。図５（ｂ）は、電極の接続を反転して検出素子８ａ〜検出素子８ｄの電極配置を同一とし、検出素子８ｂの電極の接続のみを他の検出素子８ａ、８ｃ及び８ｄに対して逆にした例を示している。尚、図中では電極の接続を模式的に示しているが、本例において、各検出素子８ａ〜８ｄの上部電極１０ａ〜上部電極１０ｄと下部電極１１ａ〜下部電極１１ｄとの間の接続は、配線またはパターンで接続されている。
【００３７】
図６（ａ）〜（ｄ）は、本実施の形態に係る衝撃センサの検出素子８ａ〜検出素子８ｄに作用する押圧力の印加方向と加速度の作用方向との関係を示す模式図である。図中では説明の便宜上、変位部７（錘部３を含む）及び梁部６ａ〜梁部６ｄのみを示し、梁部６ａ〜梁部６ｄが変位した場合における検出素子８ａ〜検出素子８ｄへの押圧力の印加方向を矢印に示している。また、検出素子８ａ〜検出素子８ｄの分極方向と接続は、図５（ａ）の例と同じものとして説明する。尚、本実施の形態に係る衝撃センサにおいては、変位部７に異なる軸方向から同じ大きさの加速度が作用した場合には、各検出素子８ａ〜８ｄで検出される出力信号の絶対値が等しくなるように調整されている。このため、検出素子８ａ〜検出素子８ｄの出力信号の総和をとることにより、加速度の大きさを検出できる。
【００３８】
図６（ａ）は加速度が作用していない状態を示している。この状態では、検出素子８ａ〜検出素子８ｄは変位せず、圧電体膜９ａに押圧力が印加されないため、出力信号が発生しない。
【００３９】
図６（ｂ）は変位部７にＺ軸方向の加速度Ｇ１が作用した際の梁部６ａ〜梁部６ｄの変位を示している。この場合、検出素子８ａ〜検出素子８ｄに対して均等にＺ軸下側方向に加速度Ｇ１が作用する。したがって、検出素子８ａ〜検出素子８ｄはＺ軸下方向に押圧力が印加される。また、加速度Ｇ１と逆方向から加速度が作用した際には、検出素子８ａ〜検出素子８ｄはＺ軸上側方向に押圧力が印加される。
【００４０】
図６（ｃ）は、変位部７に側面７ｂ側からＸ軸方向の加速度Ｇ２が作用した際の梁部６ａ〜梁部６ｄの変位を示している。この場合、変位部７はＸ軸方向及びＹ軸方向の変位が規制されるため、加速度Ｇ２は変位部７に回転運動として作用する。したがって、検出素子８ａ、８ｄにはＺ軸上側方向に押圧力が印加され、検出素子８ｂ、８ｃにはＺ軸下側方向に押圧力が印加される。また、加速度Ｇ２と逆方向の側面７ｄ側から加速度が作用した場合は、変位部７に逆方向の回転運動が作用し、検出素子８ａ、８ｄにはＺ軸下側方向に押圧力が印加され、検出素子８ｂ、８ｃにはＺ軸上側方向に押圧力が印加される。
【００４１】
図６（ｄ）は、変位部７に側面７ｃ側からＹ軸方向の加速度Ｇ３が作用した際の梁部６ａ〜梁部６ｄの変位を示している。この場合、上述したＸ軸方向から加速度が作用した時と同様に加速度は変位部７の回転運動に変換される。したがって、検出素子８ａ、８ｂにはＺ軸上側方向に押圧力が印加され、検出素子８ｃ、８ｄにはＺ軸下側方向に押圧力が印加される。また、加速度Ｇ３と逆方向の側面７ａ側から加速度が作用した場合は、変位部７に逆方向の回転運動が作用し、検出素子８ａ、８ｂにはＺ軸下側方向に押圧力が印加され、検出素子８ｃ、８ｄはＺ軸上側方向に押圧力が印加される。
【００４２】
次に検出素子８ａ〜検出素子８ｄの出力信号を用いた加速度の算出内容について説明する。検出素子８ａ〜検出素子８ｄの接続関係及び電極配置は図５（ａ）に示したものと同一とする。Ｚ軸方向の加速度Ｇ１が作用した場合、検出素子８ａ〜検出素子８ｄに図６（ｂ）に示す押圧力が印加され、上部電極１０ｂ、下部電極１１ａ、１１ｃ及び１１ｄに電荷が生じる。この場合の単位加速度あたりの出力信号ΔＶｚは、検出素子８ａの出力信号をΔＶａ、検出素子８ｂの出力信号をΔＶｂ、検出素子８ｃの出力信号をΔＶｃ、検出素子８ｄの出力信号をΔＶｄとすると、ΔＶｚ＝−ΔＶａ＋ΔＶｂ−ΔＶｃ−ΔＶｄとなる。また、上記のように同じ加速度が印加された時の検出素子８ａ〜検出素子８ｄでの電極に生じる電荷は等しくなるように調整されているので、ΔＶａ＝ΔＶｂ＝ΔＶｃ＝ΔＶｄとなる。したがって、ΔＶｚ＝−２ΔＶａとして表わされる。また、加速度Ｇ１と逆方向から加速度が作用した場合は検出素子８ａ〜検出素子８ｄに生じる電荷が反転するので、ΔＶｚ＝２ΔＶａとなる。
【００４３】
Ｘ軸方向の加速度Ｇ２が作用した場合、検出素子８ａ〜検出素子８ｄに図６（ｃ）に示す押圧力が印加され、上部電極１０ａ、１０ｂ、１０ｃ及び下部電極１１ｄに電荷が生じる。この場合の単位加速度あたりの出力信号ΔＶｘは、ΔＶｘ＝ΔＶａ＋ΔＶｂ＋ΔＶｃ−ΔＶｄとなる。したがって、ΔＶｘ＝２ΔＶａとして表わされる。また、加速度Ｇ２と逆方向から加速度が作用した場合は検出素子８ａ〜検出素子８ｄに生じる電荷が反転するので、ΔＶｘ＝−２ΔＶａとなる。
【００４４】
Ｙ軸方向の加速度Ｇ３が作用した場合、検出素子８ａ〜検出素子８ｄに図６（ｄ）に示す押圧力が印加され、上部電極１０ａ、１０ｂ、１０ｄ及び下部電極１１ｃに電荷が生じる。この場合の単位加速度あたりの出力信号ΔＶｙは、ΔＶｙ＝ΔＶａ＋ΔＶｂ−ΔＶｃ＋ΔＶｄとなる。したがって、ΔＶｙ＝２ΔＶａとして表わされる。また、加速度Ｇ３と逆方向から加速度が作用した場合は検出素子８ａ〜検出素子８ｄに生じる電荷が反転するので、ΔＶｙ＝−２ΔＶａとなる。
【００４５】
上述したように、Ｘ軸、Ｙ軸及びＺ軸の単位加速度あたりの出力信号の絶対値は、ΔＶｘ＝ΔＶｙ＝ΔＶｚ＝２ΔＶａとなる。このため、同じ大きさの加速度は、軸方向を問わずに同じ大きさの出力信号として検出することができる。したがって、直列に配列した検出素子８ａ〜検出素子８ｄの上部電極１０ａ〜条部電極１０ｄ及び下部電極１１ａ〜下部電極１１ｄに発生した出力信号の総和をとることにより、加速度の大きさを算出することができる。
【００４６】
本実施の形態においては、検出素子８ａ〜検出素子８ｄの正と負の出力信号の総和をとるため、総和が零となる時に不感領域となる。このような検出角度としては、図６（ａ）における、検出素子８ａ、８ｂの支持点となる対角線を軸に回転運動が生じる１軸のみであり、その他の角度に関しては加速度を検出することができる。このため、従来技術より広範な範囲の加速度の検出が可能となる。
【００４７】
また、本実施の形態に係る衝撃センサは、検出された出力信号の総和をとることにより３軸方向の加速度の大きさを算出できるため、複雑な演算を要するＩＣ回路等を必要としない。従来技術では、３軸方向の加速度を軸毎に測定し、合算する方法がとられてきたため、演算回路が不可欠であった。このため、コストダウンや、小型化に関して問題があった。本実施の形態における加速度センサでは、演算用のＩＣチップを設けて複雑な演算をする必要がないため、生産コストの低減及び装置の小型化が達成できる。
【００４８】
なお、本発明は上記実施例の形態に限定されるものではない。例えば、錘は直方体に限らず多角柱、円柱等が使用するなど、本発明の要旨を逸脱しない範囲で変形実施可能である。
【産業上の利用可能性】
【００４９】
本発明は、エアバックを作動させるための衝撃センサや、あるいは、携帯機器の衝撃センサ等に有用である。
【符号の説明】
【００５０】
１ 支持部
２ 収納部
３、５２ 錘
４ 枠体
５a〜５d 開口部
６a〜６d 梁部
７ 変位部
８a〜８d 検出素子
９a〜９ｄ 圧電体膜
１０a〜１０d 上部電極
１１a〜１１d 下部電極
５１ 支台
５３a〜５３f 圧電素子
５４ 可撓板
【特許請求の範囲】
【請求項１】
収納空間が形成された枠体と、前記枠体の収納空間に収容された錘と、前記錘を揺動自在に支持する少なくとも４つの梁と、それぞれの梁に設けられており、前記梁の動きをそれぞれ検出する上下一対の電極を有する検出素子と、を具備し、前記検出素子のうち、いずれか１つの検出素子の上下一対の電極の接続が他の検出素子の上下一対の電極の接続と異なるようにして前記検出素子を直列に接続してなることを特徴とする衝撃センサ。
【請求項２】
収納空間が形成された枠体と、前記枠体の収納空間に収容された錘と、前記錘を揺動自在に支持する少なくとも４つの梁と、それぞれの梁に設けられており、前記梁の動きをそれぞれ検出する上下一対の電極を有する検出素子と、を具備し、前記検出素子のうち、いずれか１つの検出素子の分極方向が他の検出素子の分極方向と反転して前記検出素子を直列に接続してなることを特徴とする衝撃センサ。
【請求項３】
前記検出素子が圧電素子であることを特徴とする請求項１または請求項２記載の衝撃センサ。
【請求項１】
収納空間が形成された枠体と、前記枠体の収納空間に収容された錘と、前記錘を揺動自在に支持する少なくとも４つの梁と、それぞれの梁に設けられており、前記梁の動きをそれぞれ検出する上下一対の電極を有する検出素子と、を具備し、前記検出素子のうち、いずれか１つの検出素子の上下一対の電極の接続が他の検出素子の上下一対の電極の接続と異なるようにして前記検出素子を直列に接続してなることを特徴とする衝撃センサ。
【請求項２】
収納空間が形成された枠体と、前記枠体の収納空間に収容された錘と、前記錘を揺動自在に支持する少なくとも４つの梁と、それぞれの梁に設けられており、前記梁の動きをそれぞれ検出する上下一対の電極を有する検出素子と、を具備し、前記検出素子のうち、いずれか１つの検出素子の分極方向が他の検出素子の分極方向と反転して前記検出素子を直列に接続してなることを特徴とする衝撃センサ。
【請求項３】
前記検出素子が圧電素子であることを特徴とする請求項１または請求項２記載の衝撃センサ。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２０１０−１７５５００（Ｐ２０１０−１７５５００Ａ）
【公開日】平成２２年８月１２日（２０１０．８．１２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−２１３６８（Ｐ２００９−２１３６８）
【出願日】平成２１年２月２日（２００９．２．２）
【出願人】（００００１００９８）アルプス電気株式会社 (4,263)
【公開日】平成２２年８月１２日（２０１０．８．１２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年２月２日（２００９．２．２）
【出願人】（００００１００９８）アルプス電気株式会社 (4,263)
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