JP2761793B2 - 加速度センサ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は加速度センサに関し、特に数10Hz以下の帯域
における数Ｇ以下の低加速度を精度良く検出する事ので
きる静電容量型加速度センサに関する。この種の加速度
センサは例えば自動車等に搭載され駆動機構あるいは制
動機構の自動制御に用いられる。

〔従来の技術〕

この種の加速度センサは一般に、所定の間隙を介して
対向配置された一対の固定電極と、該一対の固定電極の
中間に介在して容量素子対を構成する可動電極とからな
っている。該可動電極は外部加速度に応答して固定電極
方向に変位し容量素子対の相対的容量変化を引き起し外
部加速度を検出している。従来、一対の固定電極は互い
に対向配置された一対の固定基板の各内表面に形成され
ており、可動電極は両固定電極の隙間に介在する導電性
板部材の可動片から構成されている。これらの構成部材
は、外部接続用端子を具備した回路基板の上に順次搭載
され積層構造を構成する。かかる構造は例えば、米国特
許第4,694,687号公報に開示されている。

〔発明が解決しようとする問題点〕

かかる積層構造において、固定電極及び可動電極を外
部接続用端子へ電気的に接続する必要がある。この為、
積層構造の各層を構成する部材の表面及び裏面にスルー
ホールによって導通された金属パタンを形成し、層間に
おける金属パタンの面接触を介して電気的接続を行なう
様にしている。しかしながら、同一平面上に形成される
金属パタンとスルーホールを囲むランドパターンは製造
方法に起因して通常異なった膜厚を有している。従っ
て、この膜厚の差異を考慮せずに各層を重ねた場合には
層間の正確な平行度を出す事ができないという問題点が
ある。層間の平行度に狂いがあると、加速度の検出に悪
影響を及ぼし好ましくない。特に、無加速度状態におい
て可動電極の中立点を正確に設定する事ができずオフセ
ットが生じてしまうという問題点がある。

〔問題点を解決する為の手段〕

本発明は上述した積層構造の問題点に鑑み、正確な平
行度を出す事ができるパタン配列を有する基板を用いた
加速度センサを提供する事を目的とする。

この目的を達成する為に、本発明にかかる静電容量検
出型の加速度センサは、その基本的構成要素として所定
の間隙を介して対向配置された一対の固定電極と、該一
対の固定電極の中間に介在して容量素子対を構成する可
動電極とからなっている。この可動電極は外部加速度に
応答して固定電極方向に変位し容量素子対の相対的容量
変化あるいは差動的変化を引き起し外部加速度を検出す
る。一対の固定電極は互いに対向配置された一対の固定
基板の各内表面に形成されており、可動電極は両固定基
板の間隙に介在する導電性板部材の可動片から構成され
ている。本発明にかかる加速度センサは、さらに外部接
続用端子を具備した回路基板、一方の固定基板、導電性
板部材及び他方の固定基板の順に重ねられた各層を含む
積層構造を有している。固定電極及び可動電極から外部
接続用端子への電気的接続は各層の表面及び裏面に形成
され且つスルーホールによって導通された金属パタンの
層間面接触を介して行なわれる。そして、各スルーホー
ルの周囲に存在するランド部は対向する層の面に対して
非接触に配置されている。

好ましくは該導電性板部材は、一対の固定基板の間で
固定される中央部と、該中央部に対して可撓的に支持さ
れ可動電極を構成する周辺部とから構成されている。

〔作用〕

本発明によれば、各スルーホールのランド部は対向す
る層の面に対して非接触に配置されている。換言する
と、前述した層間の面接触は金属パタン同士の間でのみ
行なわれ、スルーホールのランド部は対向する金属パタ
ンを避けて重ならない様に配置されている。従って、ラ
ンド部の膜厚が金属パタン部の膜厚に比べて大きい場合
にも、その差は実際には悪影響を及ぼさない事となる。
一般に、同一平面において金属パタンの膜厚は全面に渡
って均一に形成する事が可能であるので、層間の平行度
は極めて高精度で保持する事が可能となる。この結果、
固定電極に対する可動電極の傾きが除去され、外部加速
度に対して極めて直線性の優れた検出出力を得る事がで
きる。

本発明によれば、好ましくは該導電性板部材は一対の
固定基板の間で固定される中央部と、該中央部に対して
可撓的に支持され可動電極を構成する周辺部とを有して
いる。従って、可動電極は導電性板部材中央部に対して
自由端支持されており、層間に生ずる線膨張率の違い等
に起因する歪みの影響を実質的に受ける事がない。即
ち、導電性板部材中央部から実質的に応力を受ける事が
ないので一端確立された可動片の平行度は温度変化に対
しても影響を受けずそのまま維持する事ができる。

〔実 施 例〕

以下図面を参照して本発明の好適な実施例を詳細に説
明する。第１図は、本発明にかかる加速度センサの一実
施例を示す模式的部分破断断面図である。図示する様
に、本加速度センサは所定の間隙を介して互いに対向配
置された一対の固定基板１及び２とを有している。上側
固定基板１の内表面には一方の固定電極が形成されてお
り、下側の固定基板２の内表面にも対応的に他方の固定
電極が形成されている。両固定基板１及び２の間には導
電性板部材３が介在している。導電性板部材３の周辺部
は上述した固定電極に対向配置され可動電極を構成して
いる。この可動電極は導電性板部材３の中央部によって
可撓的に自由端支持されている。さらに、外部接続用回
路パタンの形成された回路基板５が具備されており、外
部接続用端子６を搭載しているとともに、回路基板上に
は下側固定基板２、導電性板部材３及び上側固定基板１
の順に重ねられた各層が搭載されており積層構造を構成
している。本実施例においては、下側固定基板２と回路
基板５の間には連結基板７が付加的に挿入されている。
固定電極及び可動電極から外部接続用端子６への電気的
接続は、各層の表面及び裏面に形成され且つスルーホー
ルによって導通された金属パタンの層間面接触を介して
行なわれる。

導電性板部材３の中央部は一対の導電性スペーサ８及
び９を介して両固定基板１及び２の間で固定されてい
る。本実施例においては、各層に形成される金属パタン
を簡略化する為に、上側固定基板１の内表面に形成され
た固定電極は導通ピン10uを介して回路基板５に直接接
続される構造となっている。回路基板５の積層構造を搭
載する部分はケース11の内部に収納され、端子６は外部
に配置されている。積層構造はカバー12によってほぼ完
全に覆われている。又、積層構造はその中央部を貫通す
る組立ネジ13によってケース11の底部に直接固定されて
いる。ネジ13の頂部下面と上側固定基板１の上面の間に
は板バネ14及びワッシャ15が挿入されており、各層を押
圧している。又、一対の固定基板１及び２はその厚み方
向に挿通している複数の平行ピン16により相対的な平行
度が保持されている。積層構造の中央部だけで組立用ネ
ジ13を用いて固定した場合には、温度変化による熱的歪
み等に起因して固定基板の傾斜あるいは倒れ込みが生じ
平行度を維持する事ができない可能性がある。この平行
ピンは合わせて固定基板の共振を抑える機能を有する。
平行ピン16はスペーサ８及び９と導電性板部材３に関し
てその線膨張係数を合わせているので、積層構造の垂線
方向における熱的歪みをも吸収する事ができる。

次に第２図ないし第７図を参照して本加速度センサの
主要構成部品を詳細に説明する。第２図Ａ及びＢは上側
固定基板１の平面形状を示す。第２図Ａは固定基板１の
表面図であり、第２図Ｂは同じく裏面図である。ここ
で、表面とは第１図に示すカバー12に面した側を言い、
裏面は同じくケース11に面した側を示す。以下、この表
裏の関係は全ての板状部材に関して共通に用いられる。
第２図Ｂに示す様に上側固定基板１の裏面周辺部には環
形状の固定電極17uが形成されている。又、その中央部
にはダミー電極18uが形成されている。固定電極17uには
スルーホール19uが形成されており、ダミー電極20uには
導通ピン10uと係合する貫通孔20uが形成されており、基
板１の中央には組立用ネジ13と螺合するネジ穴21が形成
されている。加えて、基板１の四隅には平行ピン16と係
合する４個の貫通孔が形成されている。第２図Ａに示す
様に、基板１の表面には矩形の金属パタン22uが形成さ
れており、スルーホール19uを介して固定電極17uはこの
矩形電極22uに導通している。貫通孔20uに挿通された導
通ピン10uはこの矩形電極22uに対して半田付けされる。

第３図はスペーサ８の平面形状を示す。図示する様
に、スペーサ８はその中央部に中心開口23を有してお
り、周辺部に導通ピン10uを逃がす為の切欠24が形成さ
れている。

第４図は導電性板部材３の平面形状を示す。図示する
様に、導電性板部材３は環形状を有する周辺部とこの周
辺部に囲まれた中央部26を有する。周辺部は可動電極25
mを構成しており、複数の板バネ部材27により中央部26
に対して可撓的に支持されている。所謂自由端支持であ
り可動電極25mは導電性板部材平面の垂線方向に変位可
能となっている。中央部26は導電性のスペーサと大略同
一の外径を有し、これと面接触する事により板バネ片27
を介して可動電極25mに対する導通をとる。即ち、中央
部26は一対の導電性スペーサ８及び９を介して両固定基
板の間隙に固定保持される。なお、中央部26の中心には
開口28が形成されており、その下側に導通ピン10uを逃
がす為の貫通孔29が形成されている。

第５図Ａは下側固定基板２の表面形状を示し、第５図
Ｂは同じく裏面形状を示す。図示する様に、下側固定基
板２の表面には環形状の固定電極30lが形成されてい
る。この固定電極30lはスルーホール31lを具備してい
る。又、基板２の中央部には接続電極32mが形成されて
いる。この接続電極32mは下側のスペーサ９と面接触し
可動電極25mに対する導通をとる。接続電極32m上にはス
ルーホール33mと、組立用ネジ13と螺合する中心ネジ穴3
4と、導通ピン10uを逃がす為の開口35が形成されてい
る。さらに、基板２の四隅には平行ピン16を係止する為
の４個の貫通孔が形成されている。この貫通孔は上側固
定基板１に形成された貫通孔と対応しており、４本の平
行ピン16を用いて一対の固定基板１及び２つの平行度が
保たれる様になっている。第５図Ｂに示す様に、基板２
の裏面には第１の金属パタン36lと第２の金属パタン37m
と２個のダミー金属パタン38が中心開口34の周囲に沿っ
て配列されている。これら４個の金属パタンは全て均一
な膜厚を有するとともに、ダミー金属パタン38は他の層
との面接触をとる場合に均等な接触バランスをとる為の
ものである。第１の金属パタン36lはスルーホール31lを
介して基板２の表面に形成された固定電極30lに導通し
ている。又、スルーホール31lの周りのランドパタンは
扇形の第１の金属パタン36lから離間した位置に配置さ
れている。第２の金属パタン37mはスルーホール33mを介
して基板２の表面に形成された接続電極32mに導通して
いる。スルーホール33mの周囲のランドパタンは扇形の
金属パタン37mから離間した位置に配置されている。こ
れらランドパタンは扇形の金属パタンに比べて特にスル
ーホール開口端部において盛り上っている為、膜厚が厚
い部分を有する。

第６図Ａは連結基板７の表面を示し、第６図Ｂは同じ
く裏面を示す。図示する様に、連結基板７の表側には、
第１の扇形の金属パタン39lが形成されており、スルー
ホール40lを介して裏側に導通している。又、扇形の第
２の金属パタン41mを具備しており、同じくスルーホー
ル42mを介して裏側に導通している。さらに２個の扇形
ダミー電極45を有している。これら４個の扇形金属パタ
ンは、下側固定基板２の裏面に形成された４個の扇形金
属パタンに対応しており互いに面接触する。即ち、連結
基板７の第１の金属パタン39lは、下側基板２の第１の
金属パタン36lに面接触する。この時、スルーホール40l
は金属パタン39lから離間した位置にあるので対向する
金属パタン36lに当接しない。同様にして、金属パタン3
6lの側に設けられたスルーホール31lのランド部も対向
する金属パタン39lに当接しない様に配置されている。
即ち、一様な膜厚を有する金属パタン36lと39lのみを面
接触させ、スルーホール31l及び40lの周囲のランドパタ
ンは面接触から逃げる様に配置されている。なお、連結
基板７の中央には組立用ネジ13を挿通する為の中心開口
43が形成されており、その周囲には導通ピン10uを逃が
す為の切欠44が形成されている。第６図Ｂに示す様に、
連結基板７の裏面にも４個の扇形金属パタンが形成され
ている。このうち、金属パタン46lはスルーホール40lを
介して表側の第１の金属パタン39lに導通しており、金
属パタン47mは同じくスルーホール42mを介して表側の第
２の金属パタン41mに導通している。

第７図は回路基板５の表面を示す。回路基板５はケー
ス11に収納される部分とケース11の外側に配置される部
分を有している。ケースに収納される部分の中央には４
個の矩形金属パタンが配置されている。このうち、第１
の矩形金属パタン48lは図示しないが裏面に配置された
パタンを介して端子パタン54uに結線されており、第２
の矩形金属パタン49mも同様にして取出用端子パタン54l
に結線されている。残りの２個の矩形金属パタン50は均
等な面接触を確保する為のダミー電極である。回路基板
５はこの他に金属パタンを施された貫通孔51u,53g及び5
3g′を有する。金属パタンの施された貫通孔51uは図示
しない裏側のパタンを介して取出端子用パタン54uに結
線されており、同様にして53gは54gに結線され、53g′
は対応する54g′に結線されている。なお、回路基板５
のケースに収納される部分の中央部には組立用ネジ13を
挿通する為の中心開口52が形成されている。

回路基板５の表面に形成された第１の矩形金属パタン
49mは連結基板７の裏面に形成された金属パタン47mと面
接触する。この時、金属パタン47mから延設されている
スルーホール42mのランド部は矩形金属パタン49mと当接
しない位置に配置されている。又、第２の矩形金属パタ
ン48lは連結基板７の裏面に形成された他の扇形金属パ
タン46lと面接触する。この時、同様にして扇形の金属
パタン46lから延設されているスルーホール40lのランド
部は矩形金属パタン48lに当接しない位置に配置されて
いる。金属パタンの施された貫通孔51uは導通ピン10uの
端部と係合する様になっており半田付けにより電気的導
通が取られる。回路基板５は一対の貫通孔53g及び53g′
を介してケース11にネジ止め固定される。これら金属パ
タンに施された貫通孔53g及び53g′はケース11及びカバ
ー12を外部接地する為のものである。

最後に第８図を参照して本加速度センサの電気的構成
を示す。図示する様に、上側固定電極17uと下側固定電
極30lの間に可動電極25mが配置されている。これらの電
極はケース11及びカバー12によって覆われており、外部
ノイズから電気的にシールドされる。即ち、ケース11及
びカバー12は接地端子54g及び54g′によって外部接地さ
れている。上側固定電極17uは前述した積層構造の面接
触を介して一方の入力端子54uに接続されており、下側
固定電極30lも同様にして他方の入力端子54lに接続され
ている。又、中間の可動電極25mも積層構造の層間面接
触を介して出力端子54mに接続されている。以上説明し
た部分が図に示す破線で囲まれた加速度センサ本体であ
る。破線外の部分は外部駆動回路を示す。上側固定電極
17uから入力端子54uへの導通は、スルーホール19u、矩
形電極22u、貫通孔20u、導通ピン10u、及び貫通孔51uを
介して行なわれる。下側固定電極30lから対応する入力
端子54lへの導通は、スルーホール31l、扇形金属パタン
36l、扇形金属パタン39l、スルーホール40l、扇形金属
パタン46l、及び矩形金属パタン48lを介して行なわれ
る。可動電極25mから出力端子54mへの導通は、導電性板
部材３の中央部26、下側スペーサ９、接続電極32m、ス
ルーホール33m、扇形金属パタン37m、扇形金属パタン41
m、スルーホール42m、扇形金属パタン47m、及び矩形金
属パタン49mを介して行なわれる。

次に本加速度センサの動作を簡単に説明する。外部加
速度が印加されていない状態においては、可動電極25m
は中立点に位置し容量対の間に静電容量差は生じない。
この状態で、一対の入力端子54u及び54lの間に交流電源
55を用いて駆動パルスを印加した場合には容量対に静電
容量差が生じていないので、出力端子54mには零レベル
の出力電圧が得られる。一方、外部加速度が加わるとそ
の方向及び大きさに応じて駆動電極25mは何れか一方の
固定電極に向って変位する。この結果、容量体の間に容
量差が生ずる事となる。従って、出力端子54mには加速
度の方向に応じた位相を有し加速度の大きさに応じた振
幅を有する出力電圧が得られる。外部駆動回路は出力電
圧の位相及び振幅を測定する事により加速度の方向及び
大きさを検出するものである。

〔発明の効果〕

以上説明した様に、本発明によれば、固定電極及び可
動電極から外部接続用端子への電気的接続は各層の表面
及び裏面に形成され且つスルーホールによって導通され
た金属パタンの層間面接触を介して行なわれるので、組
立作業が容易であるとともに結線作業も同時に行なう事
ができるという効果がある。加えて、各スルーホールの
ランド部は対向する層の面に対して非接触に配置されて
いるので、各層はランド部の凹凸に影響されず均一な層
間面接触を得る事ができるので、積層構造の平行度が極
めて高くなり、加速度センサ出力の直線性が良くなると
ともにオフセットが除去されるという効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は加速度センサの模式的一部破断断面図、第２図
Ａは上側固定基板の表面図、第２図Ｂは同じく裏面図、
第３図はスペーサの平面図、第４図は導電性板部材の平
面図、第５図Ａは下側固定基板の表面図、第５図Ｂは同
じく裏面図、第６図Ａは連結基板の表面図、第６図Ｂは
同じく裏面図、第７図は回路基板の表面図、及び第８図
は加速度センサの電気的結線を示す模式的回路図であ
る。 １……上側固定基板、２……下側固定基板 ３……導電性板部材、５……回路基板 ６……端子、７……連結基板 ８……スペーサ、９……スペーサ 10u……導通ピン、11……ケース 12……カバー、13……組立用ネジ 17u……上側固定電極、25m……可動電極 26……中央部、27……板バネ片 30l……下側固定電極、31l……スルーホール 32m……接続電極、33m……スルーホール 36l……扇形金属パタン、37m……扇形金属パタン 39l……扇形金属パタン、40l……スルーホール 41m……扇形金属パタン、42m……スルーホール 46l……扇形金属パタン、47m……扇形金属パタン 48l……矩形金属パタン、49m……矩形金属パタン 54u……入力端子、54l……入力端子 54m……出力端子、54g……接地端子 54g′……接地端子

フロントページの続き (56)参考文献 特開 平３−94169（ＪＰ，Ａ) 特開 平１−152369（ＪＰ，Ａ) 特開 平１−259265（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−134570（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−146872（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−183963（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−281399（ＪＰ，Ａ) 実開 昭63−198569（ＪＰ，Ｕ) 実開 昭63−87870（ＪＰ，Ｕ) 米国特許4694687（ＵＳ，Ａ) 米国特許4435737（ＵＳ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) G01P 15/125 H05K 3/46

Claims (4)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】所定の間隙を介して対向配置された一対の
   固定電極と、該一対の固定電極の中間に介在して容量素
   子対を構成するとともに外部加速度に応答して固定電極
   方向に変位し容量素子対の相対的容量変化を引き起す可
   動電極とを有する静電容量検出型の加速度センサにおい
   て、 該一対の固定電極は互いに対向配置された一対の固定基
   板の各内表面に形成されており、 該可動電極は該間隙に介在する導電性板部材の一部片か
   らなり、 外部接続用端子を具備した回路基板は、一方の固定基
   板、導電性板部材及び他方の固定基板の順に重ねられた
   各層を含む積層構造を搭載し、 該固定電極及び該可動電極から該外部接続用端子への電
   気的接続は各層の表面及び裏面に形成され且つスルーホ
   ールによって導通された金属パタンの層間面接触を介し
   て行なわれるとともに、 各スルーホールのランド部は対向する層の面に対して非
   接触に配置されている事を特徴とする加速度センサ。
2. 【請求項２】該積層構造は、回路基板と一方の固定基板
   の間に介在する連結基板からなる層を含んでいる事を特
   徴とする請求項１に記載の加速度センサ。
3. 【請求項３】該導電性板部材は、一対の固定基板の間で
   固定される中央部と、該中央部に対して可撓的に支持さ
   れ可動電極を構成する周辺部とを有する事を特徴とする
   請求項１に記載の加速度センサ。
4. 【請求項４】該一対の固定基板はその厚み方向に挿通し
   ている平行ピンにより相対的な平行度が保持されている
   事を特徴とする請求項１に記載の加速度センサ。