JPH07191055A - 静電容量式加速度センサ - Google Patents

静電容量式加速度センサ

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JPH07191055A
JPH07191055A JP5331003A JP33100393A JPH07191055A JP H07191055 A JPH07191055 A JP H07191055A JP 5331003 A JP5331003 A JP 5331003A JP 33100393 A JP33100393 A JP 33100393A JP H07191055 A JPH07191055 A JP H07191055A
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electrode
acceleration sensor
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capacitance type
fixed electrode
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JP5331003A
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Masayoshi Suzuki
政善 鈴木
Takao Sasayama
隆生 笹山
Keiji Hanzawa
恵二 半沢
Norio Ichikawa
範男 市川
Junichi Horie
潤一 堀江
Yukiko Sugisawa
由紀子 杉沢
Yuji Ogasawara
雄二 小笠原
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Hitachi Ltd
Hitachi Automotive Systems Engineering Co Ltd
Original Assignee
Hitachi Automotive Engineering Co Ltd
Hitachi Ltd
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Publication date
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    • G01P1/00—Details of instruments
    • G01P1/02—Housings
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    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01P—MEASURING LINEAR OR ANGULAR SPEED, ACCELERATION, DECELERATION, OR SHOCK; INDICATING PRESENCE, ABSENCE, OR DIRECTION, OF MOVEMENT
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    • G01P2015/0825—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses with conversion into electric or magnetic values being provided with a particular type of spring-mass-system for defining the displacement of a seismic mass due to an external acceleration for defining out-of-plane movement of the mass for one single degree of freedom of movement of the mass
    • G01P2015/0828—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses with conversion into electric or magnetic values being provided with a particular type of spring-mass-system for defining the displacement of a seismic mass due to an external acceleration for defining out-of-plane movement of the mass for one single degree of freedom of movement of the mass the mass being of the paddle type being suspended at one of its longitudinal ends

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Abstract

(57)【要約】 【目的】高信頼性にすぐれ、コストメリットが期待でき
る加速度センサを提供するものである。 【構成】加速度センサのゲージ部の固定電極部を誘電体
の外側に設けて電極を引き出すようにしたこと。 【効果】固定電極の引き出しが容易になりセンサの信頼
性が向上する。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は加速度センサに関し、特
に自動車に搭載してエアバッグシステム，サスペンショ
ン制御システム，四輪トルク制御システムなどその運動
を制御するのに好適な加速度センサに関する。
【０００２】
【従来の技術】加速度センサとしては圧力形，抵抗歪
形，静電容量形等各種の方式が提案，開発されている。
特に静電容量型は温度等に対しての精度が良いのでエア
バッグセンサ等に適用が始まりつつある。
【０００３】この種のセンサは、例えば、米国特許第5,
095,750 号公報あるいは特開平1−253657号公報に記載
されている。図８に従来形の静電容量式加速度センサの
代表的構成を示す。図８において検出部(センサではゲ
ージ部と呼ばれることが多い)１は加速度Ｇを検出し、
この信号を静電容量検出用電子回路（ΔＣ検出器）２に
与え、さらに保持回路３及び調整回路４（通常ゼロ点の
バイアス補正と入出比の感度の補正をする）にて信号を
処理することで加速度Ｇに比例した出力電圧形Ｖｏを端
子１３に得る。
【０００４】ゲージ部１は上下の固定電極６と７の間に
重りの役目をする可動電極５（重錘と呼ばれることが多
い）をはさみ込んだものであり、重りはビームによって
（図には表示していない）固定電極６と７の間に固定さ
れている。
【０００５】固定電極６，７と可動電極５とは平面的に
向き合っているため、この間には静電容量（電気容量）
Ｃ１，Ｃ２が存在し、この値はΔＣ検出器２を構成する
オペアンプ１０の入力の一端に与えられる。
【０００６】加速度Ｇがゲージ部１に加わると可動電極
５が加速度に基づく慣性力のため移動する（図では上ま
たは下の上下のいずれかに移動する）。このため、両電
極間の距離が変化し、静電容量Ｃ１，Ｃ２が変わる。Δ
Ｃ検出器２はパルス電圧発生器８，９及び電荷積分用コ
ンデンサ１１，電荷放電用スイッチ１２によってＣ１−
Ｃ２の差（ΔＣ）を検出するように動作するので（本動
作は本発明とは直接相関がないので詳細は省略する）、
ΔＣに比例した電圧をアンプ１０の出力に取り出すこと
ができる。この電圧は前記検出動作の影響をうけている
ので、時間的には常に一定とはなっていない。このため
保持回路３によって時間的に一定の電圧とし、加速度Ｇ
に比例したアナログ電圧Ｖ0 を得る。
【０００７】図９にゲージ部１の従来例における代表的
な構造を示す。可動電極部は重錘（容量検出のための可
動電極も兼ねる）５，ビーム１４，重錘固定部２０（２
１も重錘固定部の一部であり図面では表示されていない
が図面の前後において接続されている構造となってい
る）より構成されており、重錘固定部２０，２１はその
上下において支持材ガラス板２２，２３によって接合さ
れている。
【０００８】固定電極６はガラス板２２の片面に位置し
ており、ガラス板２２の一部を加工して（くり抜く）作
られた貫通部１５を介して外側電極１６に接続される。
下側のガラス板２３の構造も類似であり、固定電極７は
ガラス板２３の片面に位置しており、ガラス板２３の一
部をくり抜いて作られた貫通部１７を介して外側電極１
９に接続される。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】これまで説明したよう
に従来の技術ではガラス板に貫通の孔をあけて電極の取
り出しを行わなければならず、この部分の加工が技術的
に難しく、この点センサの製造上、大きな問題となって
いた。
【００１０】本発明の目的は、固定電極の引き出しを極
めて容易に行うことができる静電容量式加速度センサを
提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】上記目的は、加速度に応
じて変位する可動電極が形成されたシリコン板と、前記
シリコン板の可動電極に対向するように設けられた固定
電極とを有する静電容量式加速度センサにおいて、前記
可動電極と前記固定電極との間に誘電体を設けることに
よって達成される。
【００１２】また、上記目的は、加速度に応じて変位す
る可動電極が形成されたシリコン板と、前記シリコン板
の可動電極に対向するように設けられた固定電極とを有
する静電容量式加速度センサにおいて、前記可動電極と
前記固定電極との間に前記固定電極を支持する支持部材
を設けることによって達成される。
【００１３】さらに、上記目的は、シリコン板を両面か
にエッチングして形成した可動電極と、シリコン板を両
面からエッチングして形成したカンチレバーとを一体に
連設して、上記カンチレバーによって可動電極を弾性的
に支承し、前記可動電極及び前記カンチレバーを形成し
たシリコン板を１対の支持部材で挾持し、上記１対の支
持部材のそれぞれが前記の可動電極に対向している部分
の外側に板状の固定電極を固着し、前記支持部材に固着
された固定電極と前記カンチレバーによって弾性的に支
承された可動電極との間に空隙を形成することによって
達成される。
【００１４】さらに、上記目的は加速度に応じて変位す
る可動電極が形成されたシリコン板と、前記シリコン板
の両側に設けられ、内側の前記可動電極に対向した部分
に導体部を有する誘電体と、前記誘電体の外側に設けら
れた固定電極とを有することによって達成される。
【００１５】
【作用】固定電極を支持部材（ガラス板）の外側に設け
られているため、固定電極の引き出しを容易にすること
ができる。
【００１６】
【実施例】以下、本発明の実施例を図１において説明す
る。図１においてはこれまでの構成と同一の要素に対し
ては同一の番号を付している。可動電極部の構造は可動
電極５，ビーム１４，重錘固定部２０，重錘固定部２１
より構成されるが、固定電極は２４，２５のみとなり、
図３の構成要素６，７，１５，１７はない。このような
構造においても従来よりの静電容量の検出は可能であ
り、加速度による可動電極部の重錘５と固定電極２４
（あるいは２５）間の静電容量の変化を確実に検出する
ことができる。
【００１７】図１の構造における静電容量に対する等価
回路は図２のように表わすことができる。ｄ1 はガラス
板の厚さ、ｄ0 は加速度が加わらないときの重錘５とガ
ラス板２２（２３）とのギャップの初期距離、ｘは加速
度印加によるギャップの距離の変化、ε0 は真空の誘電
率、ε1 はガラスの誘電率である。このようにすると、
等価外側電極２４Ａと重錘部５の静電容量Ｃ1 は次のよ
うになる。
【００１８】
【数１】
【００１９】Ｓは可動電極として働く重錘部５の電極２
４に対する静電的容量の有効面積である。これよりわか
るように加速度の印加によってギャップ変化ｘが生じる
と静電容量Ｃ1 が変化するので加速度の大きさＣ1 を測
ることで知ることができる。下側の電極についてもほぼ
同様に（ギャップの増減のみ逆）に考えることができ、
その容量Ｃ2 は次のようになる。
【００２０】
【数２】
【００２１】図３は本発明の別の実施例を示す。この場
合は重錘部５に対応して導体部２６，２７を設けてい
る。こうすることにより、静電容量Ｃ1 ，Ｃ2 を決定す
る誘電束が効率よく、固定電極２４，２５上に集まる。
即ち、２６，２７は容量を正確に集めるための電極の機
能を有する。このため、検出精度の向上を図ることがで
きる。
【００２２】図４に本発明の他の実施例を示す。この例
では固定電極２４（２５）の一部２８（２９）を可動電
極部５に対応してガラス２２（２３）側に部分的に厚さ
を変える（せり出す）構造となっている。この場合、両
電極の距離が短かくなるため静電容量Ｃ1（Ｃ2）がガラ
スの影響をうけにくくなり正確度を増すことができる
上、さらにガラス板の加工は比較的容易であるので、セ
ンサのコストを下げ得る特徴を有する。
【００２３】図５は本発明の他の実施例を示す。この場
合は３つの電極（可動電極１，固定電極２）の取り出し
と電気的接続方法を構造も含めて具体的に示している。
上側固定電極は２４より取り出し、下側固定電極は２５
の下面に導体部３２を付け（ハイブリッドＩＣ等に用い
られるセラミック基板の導体部として作成が容易であ
る）、３２Ａの部分より取り出し、さらに可動電極の固
定部２１はガラス２２に凹部３０を作り、この部分導体
３１によって貫通させることで電極として利用すること
ができる。本実施例は回路に対する接続がしやすい特徴
を有する。
【００２４】図６に本発明の他の実施例を示す。この例
ではゲージ１とΔＣ検出器，保持回路，調整回路等を含
むＩＣチップ２とを１つのキャンパッケージ３３に封入
しており、端子３４等を介して、出力信号はセンサの出
力Ｖ0 として取り出される。ゲージ１は３層構造となっ
ており、その各層の各々から接続用の線により、チップ
２への回路的接続を行う。本実施では金属のキャンによ
ってゲージ及びＩＣの周囲を囲むので、パッケージの外
側よりの電気的な障害（Electro MagneticInterferenc
e）を受けにくくなる。
【００２５】図７に本発明の他の実施例を示す。この例
ではゲージとＩＣ回路とが一枚のシリコン基板４０を用
いて形成される。ＩＣ回路４１は集積化されて基板４０
上に形成される。この形成は通常のＩＣを作る半導体プ
ロセスで行うことができる。固定電極２３，２４はリー
ド線４２，２５ＡによってＩＣ回路４１に接続される。
【００２６】この実施例では今までの例に比し接続のた
めのリード線を短かくできるので容量検出の精度を向上
させ得る。また、ＩＣ回路と固定電極２３，２４は接近
して置かれているので両電極間の漏洩電気容量は少なく
なり、外的要因（温湿度，ＥＭＩ，外部実装等）の影響
を受けにくくなる。特にリード線４２，２５Ａが短かく
なり、固定電極面が有効な電磁シールド作用をもつの
で、電波障害や電気的誘導に効果が大きい。
【００２７】
【発明の効果】本発明によれば、固定電極の取り出しが
容易となり、センサの信頼度向上及び製造工程の簡素化
が図れる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の加速度センサの一実施例を示す図。
【図２】図１の電気的等価回路を示す図。
【図３】本発明の他の実施例を示す図。
【図４】本発明の他の実施例を示す図。
【図５】本発明の他の実施例を示す図。
【図６】本発明の他の実施例を示す図。
【図７】本発明の他の実施例を示す図。
【図８】従来の加速度センサを示す図。
【図９】従来の加速度センサを示す図。
【符号の説明】
１…ゲージ部、５…可動電極、６，７，２４，２５…固
定電極、２０，２１…可動電極固定部、２２，２３…支
持体（ガラス）。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 笹山 隆生 茨城県勝田市大字高場2520番地 株式会社 日立製作所自動車機器事業部内 (72)発明者 半沢 恵二 茨城県勝田市大字高場字鹿島谷津2477番地 ３ 日立オートモティブエンジニアリング 株式会社内 (72)発明者 市川 範男 茨城県勝田市大字高場字鹿島谷津2477番地 ３ 日立オートモティブエンジニアリング 株式会社内 (72)発明者 堀江 潤一 茨城県勝田市大字高場2520番地 株式会社 日立製作所自動車機器事業部内 (72)発明者 杉沢 由紀子 茨城県勝田市大字高場字鹿島谷津2477番地 ３ 日立オートモティブエンジニアリング 株式会社内 (72)発明者 小笠原 雄二 茨城県勝田市大字高場字鹿島谷津2477番地 ３ 日立オートモティブエンジニアリング 株式会社内

Claims (12)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】加速度に応じて変位する可動電極が形成さ
    れたシリコン板と、前記シリコン板の可動電極に対向す
    るように設けられた固定電極とを有する静電容量式加速
    度センサにおいて、前記可動電極と前記固定電極との間
    に誘電体を設けたことを特徴とする静電容量式加速度セ
    ンサ。
  2. 【請求項２】請求項１において、前記誘電体はガラス板
    であることを特徴とする静電容量式加速度センサ。
  3. 【請求項３】加速度に応じて変位する可動電極が形成さ
    れたシリコン板と、前記シリコン板の可動電極に対向す
    るように設けられた固定電極とを有する静電容量式加速
    度センサにおいて、前記可動電極と前記固定電極との間
    に前記固定電極を支持する支持部材を設けたことを特徴
    とする静電容量式加速度センサ。
  4. 【請求項４】請求項３において、前記支持部材は誘電体
    であるガラス板であることを特徴とする静電容量式加速
    度センサ。
  5. 【請求項５】シリコン板を両面からエッチングして形成
    した可動電極と、シリコン板を両面からエッチングして
    形成したカンチレバーとを一体に連設して、上記カンチ
    レバーによって可動電極を弾性的に支承し、前記可動電
    極及び前記カンチレバーを形成したシリコン板を１対の
    支持部材で挾持し、上記１対の支持部材のそれぞれが前
    記の可動電極に対向している部分の外側に板状の固定電
    極を固着し、前記支持部材に固着された固定電極と前記
    カンチレバーによって弾性的に支承された可動電極との
    間に空隙を形成したことを特徴とする静電容量式加速度
    センサ。
  6. 【請求項６】請求項５において、前記支持部材はガラス
    板であることを特徴とする静電容量式加速度センサ。
  7. 【請求項７】加速度に応じで変位する可動電極が形成さ
    れたシリコン板と、前記シリコン板の両側に設けられ、
    内側の前記可動電極に対向した部分に導体部を有する誘
    電体と、前記誘電体の外側に設けられた固定電極とを有
    することを特徴とする静電容量式加速度センサ。
  8. 【請求項８】請求項７において、前記誘電体はガラス板
    であることを特徴とする静電容量式加速度センサ。
  9. 【請求項９】請求項１ないし請求項８のいずれかにおい
    て、前記可動電極に対向した部分の前記固定電極を前記
    可動電極に近づくように構成したことを特徴とする静電
    容量式加速度センサ。
  10. 【請求項１０】請求項１ないし請求項８のいずれかにお
    いて、前記可動電極と外部との電気的接続を前記支持部
    材または前記誘電体を貫通して行うようにしたことを特
    徴とする静電容量式加速度センサ。
  11. 【請求項１１】請求項１ないし請求項１０のいずれかに
    おいて、前記可動電極及び前記固定電極とからなるケー
    ジ部と、その電子回路部とを１つのパッケージに封入し
    たことを特徴とする静電容量式加速度センサ。
  12. 【請求項１２】請求項１ないし請求項１０のいずれかに
    おいて、前記可動電極及び前記固定電極とからなるケー
    ジ部と、その電子回路とを同一のシリコン基板に形成し
    たことを特徴とする静電容量式加速度センサ。
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