JP3517428B2 - 容量式加速度センサ - Google Patents

容量式加速度センサ

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JP3517428B2 JP07308093A JP7308093A JP3517428B2 JP 3517428 B2 JP3517428 B2 JP 3517428B2 JP 07308093 A JP07308093 A JP 07308093A JP 7308093 A JP7308093 A JP 7308093A JP 3517428 B2 JP3517428 B2 JP 3517428B2
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範男 市川
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    • G01PMEASURING LINEAR OR ANGULAR SPEED, ACCELERATION, DECELERATION, OR SHOCK; INDICATING PRESENCE, ABSENCE, OR DIRECTION, OF MOVEMENT
    • G01P15/00Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration
    • G01P15/02Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses
    • G01P15/08Measuring 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
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    • G01P2015/0822Measuring 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
    • G01P2015/0825Measuring 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
    • G01P2015/0828Measuring 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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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、自動車や航空機等の移
動体の加速度を、静電容量の変化を利用して検出する容
量式加速度センサに関するものである。
【0002】
【従来の技術】近年、自動車の乗り心地や緊急時での安
全性の向上に対する要求が高まり、車体姿勢制御装置や
エアバック装置などの自動車への装備が一般化してい
る。このような装置には、主要な構成部品の一つとし
て、加速度センサが用いられている。従来より種々の方
式の加速度センサが知られている。その代表的な例とし
て、特開平1−152369 号公報に開示されている容量式加
速度センサがある。
【0003】この加速度センサは、可動電極と、該可動
電極をカンチレバ−によって弾性的に支承するシリコン
板の可動電極層と、前記稼働電極と対抗する表面に固定
電極を有し、かつ前記可動電極を挾み込むようにして互
いに対抗して取り付けられた一対のガラス板からなる固
定電極層とから構成されている。また、このような加速
センサは、加速度を検出しようとする移動体に取り付け
られた基板に固定されて使用される。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】従来技術の容量加速度
センサでは、通常、前記センサチップの前記固定電極形
成層には、パイレックスガラス材が用いられる。そのガ
ラス材の線膨張率は、3.2×10-6/℃ である。ま
た、前記基板には、アルミナ材が用いられ、その線膨張
率は7×10-6/℃ であることが知られている。
【0005】このような前記センサチップを、周囲温度
が−40℃から+120℃まで激しく変化する自動車環
境で使用した場合、前記固定電極形成層の線膨張寸法と
前記基板の線膨張寸法に僅かな差が生ずる。この時、前
記固定電極形成層と前記基板が、前記固着層を介して固
着され互いに拘束され合っているので、当該固着部分に
おける線膨張寸法の差が、前記固定電極形成層および前
記基板の内部に、相反する方向の内部応力を生じさせ
る。この内部応力を吸収するために前記センサチップ全
体に微小の反り変形が発生するという問題を起した。
【0006】たとえば、周囲温度が高温の方へ変化する
場合は、前記基板の膨張寸法の方が、前記固定電極形成
層の膨張寸法より大きいので、前記基板内には外向きの
内部応力が、前記固定電極形成層内には内向きの内部応
力が生じ、前記センサチップは下方向に凸の形状に変形
する。
【0007】この結果、前記センサチップの前記可動電
極と前記固定電極の隙間に変化が生じ、両電極間の静電
容量の変化に繋り、実際に、加速度が付加されていない
状態でも加速度が付加されているような状態となり、加
速度検出に狂いが生ずるという検出精度上の問題があっ
た。
【0008】本発明は、上記問題点を解決するためにな
されたもので、前記センサチップの変形を抑え、検出精
度の高い容量式加速度センサを得ることを目的とする。
【0009】
【課題を解決するための手段】上記目的は、加速度を検
出するためのセンサチップと、前記センサチップを搭載
する回路基板と、前記センサチップと前記回路基板とを
互いに固定する固着層とを備えた容量式加速度センサに
おいて、前記センサチップは、可動電極が形成された可
動電極形成層と、前記可動電極に対向する固定電極が形
成された固定電極形成層と、が一体に形成されたもので
あり、前記固定電極形成層と前記回路基板との間に空隙
が設けられ、前記可動電極と前記回路基板との間に前記
固着層が設けられたことにより達成される。
【0010】また、上記目的は、加速度を検出するため
のセンサチップと、前記センサチップを搭載する基板
と、前記センサチップと前記基板とを互いに固定する固
着層とを備え、前記固着層が前記センサチップの内部応
力を抑制する機構を備えた容量式加速度センサにおい
て、前記固着層が、内部応力緩和機能を持った材質を備
えたことにより達成される。
【0011】
【0012】
【0013】
【0014】
【作用】本発明において、例えば、周囲温度が変化して
も、前記固着部分において、前記センサチップすなわち
固定電極形成層と前記回路基板との線膨張寸法の差を抑
えることができる。従って、前記センサチップの反り変
形、すなわち、静電容量の変化が抑えられるので、加速
度センサの検出精度を向上させることができる。
【0015】
【実施例】以下、本発明による加速度センサについて、
図示の実施例により詳細に説明する。
【0016】図1は本発明の一実施例である加速度セン
サの側面断面図であり、図2は平面断面図である。図1
は、図2の線B−B′で切り取られた断面を示してい
る。また、図2は、図1の線A−A′で切り取られた断
面を示している。図1において、センサチップ1は、板
材からなる可動電極形成層8と、これを挟んで接着され
た同じく板材からなる2枚の固定電極形成層7とで、積
層構造を形成している。次に、センサチップ1から得ら
れる検出出力を処理して、加速度信号に変換するのに必
要な電気回路が搭載されている回路基板10に設けられ
た凸部11は、回路基板10への導体パターン成形工程
で形成されたもので、センサチップ1は、この凸部11
にて、接着層9を介して回路基板10に固定されてい
る。
【0017】可動電極形成層8には、通常シリコン単結
晶の板が用いられる。この板は、普通の方法でエッチン
グ加工され、図1および図2に示すような形状に作られ
る。固定電極形成層7に、シリコンと線膨張率が近いパ
イレックスガラス7740の板を用いることで、可動電
極形成層8の間に挟み、陽極接合法によりセンサチップ
1として、一体形成することが出来る。
【0018】また、回路基板10としてアルミナを用い
ており、接着層9を形成するものとして、シリコン系接
着剤を用いている。
【0019】センサチップ1の構造および動作原理につ
いて説明する。中央にある可動電極形成層8には、エン
チング加工などにより所定の質量を持つようにした可動
電極3と、これを弾性的に支持する片持ち梁状のビーム
2とが形成されており、固定電極形成層7の内側には、
可動電極3に対向するようにして一対の固定電極4が、
たとえば蒸着法により形成されている。上記センサチッ
プ1に、前記電極面に対して垂直方向(図1の上下方
向)の加速度が加わると、可動電極3に慣性力が加わ
る。すると、ビーム2が弾性変形し、可動電極3が上下
に振れ、固定電極4との隙間が変化して、両電極間の静
電容量に変化が生ずる。この静電容量の変化を検出する
ことにより、加速度を検出することができる。
【0020】図7を参照する。ここで、再び従来技術に
ついて説明する。センサチップ1は、周囲温度が変化す
ると、固着部分における固定電極形成層7および回路
板10の線膨張寸法の差により、固定電極形成層7およ
回路基板10の内部に応力を発生して、図7(a)の状
態から図7(b)の状態のように、反り変形を起こす。こ
の図の例は、周囲温度が低下した場合である。そして、
このような反り変形が生じると、加速度が加わっていな
くても、ビーム2の傾きが変わり、可動電極3と上下の
固定電極4との隙間が微妙に変化し、静電容量の変化に
繋り、容量式加速度センサのゼロ点の出力誤差に影響を
与える。
【0021】ここでいうゼロ点の出力誤差とは、加速度
の加わっていない状態(ゼロ点)の、周囲温度が常温時の
加速度センサ出力値を基準とした、周囲温度が変化した
時の加速度センサ出力値の変化率である。
【0022】これに対し、図1の実施例では、回路基板
10に、凸部11が設けられているので、空隙31が形
成される。従って、固定電極形成層7と回路基板10の
間の接着層9にて固着される固着部分の面積が、たとえ
ば図1のように、図7よりも小さく抑えられるので、固
着部分における固定電極形成層7および回路基板10の
線膨張寸法の差を、小さく抑えることができる。
【0023】前記線膨張寸法の差を小さく抑えられれ
ば、センサチップ1の反り変形も抑えることができるの
で、最終的には容量式加速度センサのゼロ点の出力誤差
への影響を抑えることができる。
【0024】図5に、本発明の実施例を用いて行った、
前記固着部分の面積比率とゼロ点の出力誤差の関係の、
一実験結果を示す。
【0025】ここでいう固着部分の面積比率とは、固定
電極形成層7の回路基板10上に写る投影面積に対する
凸部11の前記固着部分の面積の比率である。
【0026】実験によって、センサチップ1の、固定電
極形成層7の全面で固着した場合(固着部分の面積比率
=100%)、ゼロ点の出力誤差が約3%であったもの
が、前記固着部分の面積比率を50%にすれば、ゼロ点
の出力誤差を1%以下に抑えることができることが確認
できた。
【0027】面積比率を小さくすればする程、ゼロ点の
出力誤差を限りなく小さく抑えることは可能であるが、
接着層9の本来の目的は、センサチップ1を回路基板1
0に、振動等によって脱落しないように固定することで
ある。従って、面積比率の最小化には限界がある。図示
してないが、凸部11を固定電極形成層側7に設けて
も、同じような効果が得られることは明らかである。
【0028】一方、接着層9に、シリコン系接着剤の代
りに、たとえば天然ゴム系接着剤のような内部応力緩和
機能を持った部材を用いた場合、線膨張寸法の差による
内部応力が緩和機能部材で吸収されるので、固定電極形
成層の変形に至らず同じような効果が得られることも明
らかである。
【0029】なお、ゼロ点の出力誤差を1%以下に抑え
ることが可能となったため、次のような付随効果が生じ
る。すなわち、加速度検出用センサの検出信頼性を補う
点から、従来のエアバックシステムでは、複数個のセン
サを用いていたが、1個のセンサに減らすことが可能と
なり、システムコストの低減にも寄与する。
【0030】次に、図3および図4は、本発明の他の実
施例で、図3は、図4の線D−D′に沿って切り取った
断面を示す側面断面図、図4は、図3の線C−C′に沿
って切り取った断面を示す平面断面図である。図3およ
び図4が、図1および図2で説明した実施例と異なる点
は、凸部11の代りに、固定電極形成層7と回路基板1
0の間に、スペーサを設けて前記固着部分の面積を抑え
るものである。前記スペーサとしては、センサチップ1
の線膨張率と類似したパイレックスガラスやコバールや
シリコンなどが適しており、当該スペーサの厚さとして
は、0.3mm〜1mm程度が組立作業などの点から良いこ
とが判っている。
【0031】次に図6を参照する。図6は、センサチッ
プ1をパッケージした、本発明の容量式加速度センサの
一実施例を示している。回路基板10に、凸部11を介
して接着固定されたセンサチップ1と、回路基板10に
同じように搭載された電気回路チップ13とが、ワイヤ
24で結線されている。回路基板10は、ステム21に
取り付けられ、更にステム21にハーメチックされてい
るリードピン23とワイヤボンデングされている。ま
た、これらの構成要素は、ステム21に取り付けられた
キャン22により封止されている。
【0032】
【発明の効果】本発明によれば、センサチップに現われ
る周囲温度変化による反り変形を、効果的に抑えること
ができるので、センサチップの出力特性の変化抑える
ことが可能で、検出精度の高い容量式加速度センサを提
供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施例を示す側面断面図であ
る。
【図2】本発明の第1の実施例を示す平面断面図であ
る。
【図3】本発明の第2の実施例を示す側面断面図であ
る。
【図4】本発明の第2の実施例を示す平面断面図であ
る。
【図5】本発明の実施例の一実験結果を示す図である。
【図6】本発明の容量式加速度センサのパッケージの概
略断面図である。
【図7】従来の加速度センサ構造の側面断面図である。
【符号の説明】
1…センサチップ、2…ビーム、3…可動電極、4…固
定電極、7…固定電極形成層、8…可動電極形成層、9
…接着層、10…回路基板、11…凸部、12…スペー
サ、13…電気回路チップ、21…ステム、22…キャ
ン、23…リードピン、24…ワイヤー、31…空隙。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (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 栗田 正弘 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 (56)参考文献 特開 平4−301575(JP,A)

Claims (5)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】加速度を検出するためのセンサチップと、 前記センサチップを搭載する回路基板と、 前記センサチップと前記回路基板とを互いに固定する固
    着層とを備えた容量式加速度センサにおいて、 前記センサチップは、可動電極が形成された可動電極形
    成層と、前記可動電極に対向する固定電極が形成された
    固定電極形成層と、が一体に形成されたものであり、 前記固定電極形成層と前記回路基板との間に空隙が設け
    られ、 前記可動電極と前記回路基板との間に前記固着層が設け
    られたことを特徴とする容量式加速度センサ。
  2. 【請求項2】請求項1において、 前記固着層の固着部分の面積と前記固定電極形成層の前
    回路基板への投影面積との比率が、20%から70%
    の間にあることを特徴とする容量式加速度センサ。
  3. 【請求項3】請求項2において、 前記固着層は、スペーサと接着剤の層とを備え、 前記スペーサの線膨張率と前記センサチップの線膨張率
    とが類似することを特徴とする容量式加速度センサ。
  4. 【請求項4】請求項1において、 前記固着層が、内部応力緩和機能を持った材質を備えた
    ことを特徴とする容量式加速度センサ。
  5. 【請求項5】請求項1から4のいれかにおいて、 前記センサチップからの信号を処理する電気回路が前記
    回路基板に搭載されていることを特徴とする容量式加速
    度センサ。
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