JP4056584B2 - 加速度センサ - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、静電容量の変化により加速度を検出する加速度センサに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、カーナビゲーションシステムにおける電波の届かない区間における演算補間用や、各種ロボットの位置、姿勢制御用として、車やロボットの動きに伴って生じる加速度を検出する加速度センサが広く用いられている。
従来の加速度センサは、わずかな間隙を置いて向き合わされた２枚の固定電極板と、それら固定電極板どうしの間隙に配置された可動電極板とを備え、加速度を受けると可動電極板が一方の固定電極板へ接近することから、固定電極板それぞれと可動電極板との間の静電容量の変化をモニタしその静電容量変化に基づいて加速度を検出する方式のものが一般的である（例えば特開平４−３２７７４号公報参照）。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
上記のような加速度センサを組立てるにあたり、従来は、例えば前掲の公報からもわかるように、回路基板上に、固定電極板、可動電極板や、その他の付属する部品を順次積み重ねて固定することにより組立てが行われている。回路基板上には、加速度を検出するための回路も搭載される。このようにして組み立てられた加速度センサは作動テストや調整を経て完成品となる。
【０００４】
ところが、上記のような加速度センサの場合、固定電極板と可動電極板との間の間隔は数十μｍ程度しかなく、組立時のわずかなエラーにより不良品となる可能性があり、歩留まりをいま一歩向上させることができないでいるのが現状である。上記のようにして組み立てられた加速度センサが作動不良の場合、不良の部分のみを交換するとかえってコスト高となるため、通常は、その不良品全体を廃却している。不良品全体を廃却することにより不良の部分のみを交換するよりはコストの増加は抑えられるが、良品の部分を生かすことができないため、コストの低減に限界がある。
【０００５】
さらに、特に可動電極板は微妙な位置を保っている必要があり、製品出荷時には良品であっても、輸送中の振動や、ユーザ側での、例えば床に落としてしまうなどの取扱い不注意により、容易に不良品となってしまう可能性があり、それに気づかずに例えばカーナビゲーションシステムや各種ロボットに組み込んだ後に動作不良であることが判明すると大きな損失を招くおそれがある。
【０００６】
本発明は、上記事情に鑑み、外部からの大きな力に対し不良品となる可能性を大幅に低減させた信頼性の高い加速度センサを提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成する本発明の加速度センサは、所定の間隙を挟んで互いに対向して広がる２枚の固定電極それぞれを有する同一寸法の２枚の固定電極板と、それら２枚の固定電極板の、互いに対向する表面の中央に接する２つのスペーサと、中央部を取り巻くように複数のスリットが形成されたバネ部を有しその中央部が２つのスペーサに挟まれて上記間隙内に広がりそれら２枚の固定電極板を貫く方向の加速度に応じてそれら２枚の固定電極板のうちのいずれか一方に接近する可動電極板とを備え、固定電極それぞれと可動電極板との間の静電容量の変化により上記方向の加速度を検出する加速度センサにおいて、
上記可動電極板が、上記２枚の固定電極板に挟まれた間隙内にのみ配置されるようにそれらの固定電極板よりも小さな寸法を有するとともに、可動電極板の広がる方向の加速度により可動電極板が２枚の固定電極板に挟まれた間隙から食み出す方向に力を受けたときに、上記バネ部の弾性変形内で、可動電極板の端が固定電極板の端に達するものであって、
固定電極板の端面に接触もしくは近接し、前記可動電極板の端が前記固定電極板の端を越えて該２枚の固定電極板に挟まれた間隔から食み出すのを阻止する食出阻止部材を備えたことを特徴とする。
【０００８】
本発明の加速度センサは、上記食出阻止部材を備えたため、例えば輸送中やユーザ側である程度乱暴に取り扱われても可動電極板の塑性変形が防止され、信頼性の高い加速度センサが実現する。
ここで、本発明の加速度センサは、上記２枚の固定電極板、上記２つのスペーサ、および上記可動電極板が１つのセンサモジュールを構成し、
そのセンサモジュールが搭載されるとともに、搭載されたセンサモジュールを構成する２枚の固定電極それぞれと可動電極板との間の静電容量の変化に基づいて上記方向の加速度を検出する加速度検出回路が構成されてなる回路基板を備え、さらに
その回路基板に搭載されたセンサモジュールに被冠される、上記食出阻止部材を兼ねた塵埃侵入防止用キャップを備えた構成とすることが好ましい。
【０００９】
その塵埃侵入防止用キャップにより塵埃の侵入と可動電極板の塑性変形との双方が防止され、そのキャップが双方の役割りを兼ねることによりコストの低減化も図られる。
尚、本発明において、「固定電極を有する固定電極板」は、その固定電極板自体が導電性を有しその固定電極板自体が固定電極であってもよく、あるいは例えば絶縁性のセラミックス基板の上に導電性材料で固定電極が形成されたものであってもよい。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態について説明する。
図１は、本発明の加速度センサの一実施形態の、センサモジュールの部分の分解斜視図である。
中央に円盤状の可動電極板１１、その両側に可動電極板１１を挟持するスペーサ１２，１３、さらにそれらのスペーサ１２，１３の両側に、可動電極板１１側を向いた表面に固定電極１４１，１５１（図１には固定電極１４１のみ図示）が広がる固定電極板１４，１５が配置されている。これら可動電極板１１，２つの導電性スペーサ１２，１３、および表面に固定電極１４１，１５１が形成されている２枚の固定電極板１４，１５には、それぞれの中央に固定のための孔１１１，１２１，１３１，１４２，１５２が穿設されており、それらの部品は、ボルト部材１６と、座金１７およびナット１８とからなる固定具により、固定される。
【００１１】
ボルト部材１６には、中央に、固定電極板１４の裏面に対する面の外形が、座金１７の、固定電極板１５の裏面に接する面の外形と同一の外形を有する係止部１６１を有し、その係止部１６１から図１の上方に延びる第１のロッド部１６２に雄ねじが螺刻されており、さらに、図１の下方に延びる第２のロッド部１６２にも雄ねじが螺刻されている。
【００１２】
ボルト部材１６の第１のロッド部１６２は、固定電極板１４、スペーサ１２，可動電極板１１，スペーサ１３，固定電極板１５、さらに座金１７の中央の孔１４２，１２１，１１１，１３１，１５２，１７１に挿通され、ナット１８と螺合し、これにより、これらの部品が一体となったセンサモジュールが構成される。本実施形態では、ボルト部材１６の係止部１６１とともに、ここではナット１８も、本発明にいう固定具の係止部の１つとして作用する。ボルト部材１６の第２のロッド部１６３は、後述するように、このセンサモジュールを回路基板（図１には図示せず）に固定するために使用される。
【００１３】
図２は、可動電極板の平面図である。
この可動電極板１１は、その中央部に固定用の孔１１１が穿設されておりその孔１１１には、放射状に延びる複数のスリット１１２が連なっている。また、この可動電極板１１は、中央部を取り巻くように形成された複数の円弧状のスリット１１３ａが設けられたバネ部１１３を有し、主としてこのバネ部１１３の弾性変形により、このバネ部１１３よりも外側の部分が、２枚の固定電極板１４，１５（図１参照）を貫く方向の加速度に応じて、それら２枚の固定電極板１４，１５のうちの一方に接近する。
【００１４】
図３，図４は、固定電極板およびその固定電極板上に形成された固定電極等を示す、それぞれ平面図および裏面図である。
図１に示す２枚の固定電極板１４，１５は、固定電極板１４１，１５１を含め、全く同一の形状および構造を有しており、したがってここでは、それら２枚の固定電極板１４，１５のうちの固定電極板１４について説明する。
【００１５】
この固定電極板１４には、その中央にボルト部材１６の第１のロッド部１６１が挿入される孔１４２が形成されている。また、図３に示すように、この固定電極板１４の表面１４３の、孔１４２の周辺には、可動電極板１１との導通をとるための導電性ランド１４４が形成され、さらにその導電性ランド１４４からは離れて、固定電極１４１が広がっている。また、図４に示すように、この固定電極板１４の裏面１４５には、孔１４２のまわりに導電性ランド１４６が形成されており、さらに表面１４３に広がる固定電極１４１と導通する配線１４７が形成されている。
【００１６】
固定電極板表面１４３に形成されたランド１４４と固定電極板裏面１４５に形成されたランド１４６は、スルーホール１４８により互いに電気的に接続されている。
また、固定電極板裏面１４５に形成された配線１４７は、固定電極板表面１４３に広がる固定電極１４１から固定電極板表面に沿って延び、固定電極板端面の、スルーホールを半割りにした形状の部分を経由して固定電極板裏面１４５にまで延びる配線の一部分である。
【００１７】
図３、および図４に示す固定電極板１４は、必要な孔を設けた、この固定電極板１４よりもはるかに大きな面積を有するセラミックス基板上に導電正パターンを形成し焼成した後、図３，図４に示す形状となるように割ったものであり、このような製造方法により、多数枚の固定電極板（固定電極等を含む）を安価に製造することができる。
【００１８】
図５，図６，図７は、組み立てた状態のセンサモジュールの、それぞれ平面図、側面図、および図５のＸ−Ｘ断面図である。
２枚の固定電極板１４，１５どうしの間隙は、例えば１６０μｍであり、そのような狭い間隙の中に、可動電極板１１が配置されている。
２枚の固定電極板１４，１５を貫く方向に加速度が作用すると、可動電極板１１が、それら２枚の固定電極板１４，１５のうちの一方に接近し、その可動電極板１１と、２枚の固定電極板１４，１５表面に形成された２枚の固定電極１４１，１５１それぞれとの間の静電容量が変化し、その静電容量変化に基づいて加速度が検出される。
【００１９】
ここで、固定電極板１４，１５の各裏面に形成された配線１４７，１５７は、前述したように、各固定電極１４１，１５１（図１参照）に電気的に接続されており、ボルト部材１６は、図１に示す導電性スペーサ１２，１３、固定電極板１５，１６上のランド等を介して可動電極板１１に電気的に接続されており、したがってこのセンサモジュールの段階で、すなわちこのセンサモジュールを回路基板に搭載する前の段階で、配線１４７，１５７やボルト部材１６に例えばプローブを当てて加速度検出用の加速度検出回路と接続することにより、このセンサモジュールの良、不良の検査を行なうことができ、もし不良であったときはそのセンサモジュールのみ廃棄すればよく、回路基板２０や加速度検出回路２１（後述する図９参照）まで廃棄する必要がなく、コストの低減につながる。
【００２０】
図８，図９は、センサモジュールと回路基板との接続の仕方を示す模式図である。
図８に示すように２枚の固定電極板１４，１５の裏面に形成された配線１４７，１５７（図８には固定電極板１５の裏面に形成された配線１５７のみ図示されている。固定電極板１４の裏面の配線１４７については図４を参照）に、各リード線１４９，１５９の一端が半田付けされている。その半田付けの部分には、スルーホール等、固定電極板１４，１５の表面側への通路は存在せず、固定電極板１４，１５の裏面で半田付けを行なうことにより、半田フラッスク等の、固定電極板１４，１５の表面側への侵入が防止され、可動電極板１１の動きが妨げられる要因が減り、センサモジュールの信頼性が向上する。
【００２１】
図９は、図８のようにリード線１４９，１５９が接続されたセンサモジュールを回路基板２１に搭載した状態を示しており、図１に示すボルト部材１６の第２のロッド部１６３が回路基板２１のボルト挿入孔２１１に挿入され回路基板２１を挟んでナット２１２で固定される。固定にはナット２１２とスプリングワッシャー（図示せず）の組合せ、又は、ナット２１２を用いず、ロッド部１６３を回路基板２１に直接ハンダ付け等の方法で固定してもよい。
【００２２】
また、この回路基板２１の裏面の、ボルト挿入孔２１１の周辺には、発振器２２１（図１２参照）からの配線パターン（図示せず）が形成されており、その発振器２２１からの配線パターンには、可動電極板１１が、ボルト部材１６を介して電気的に接続されている。
また、図９に示す回路基板２１には、リード線１４９，１５９が挿入されるリード線挿入孔２１３，２１４が形成されており、それらのリード線挿入孔２１３，２１４にはそれぞれリード線１４９，１５９が挿入され、回路基板２１の裏面側の、各リード線挿入孔２１３，２１４のまわりと加速度検出回路２２とを結ぶ各配線パターン（図示せず）に半田付けされる。
【００２３】
センサモジュールは、このようにして、ボルト部材１６とナット２１２とにより回路基板２１に固定される。また可動電極板１１は、そのボルト部材１６を介して、各固定電極１４１，１５１は、それぞれ各リード線１４９，１５９を介して、回路基板２１側の加速度検出回路２２に接続される。
ここで、センサモジュールと回路基板の熱膨張率の相違により、センサモジュールが回路基板に対し相対的に、図９に示すＡ−Ａ方向あるいはＢ−Ｂ方向に伸縮するが、ここではリード線１４９，１５９が可撓性を有しているため、多少の伸縮があってもその伸縮による応力がセンサモジュールに直接的には伝わらず、センサモジュールが回路基板の相対的な伸縮により影響を受けることが防止される。
【００２４】
また、必要があって回路基板２１に一旦搭載したセンサモジュールを回路基板２１から取り外すときは、２本のリード線１４９，１５９の半田付けを外し、ナット２１２を取り外すだけで済み、きわめて簡単にセンサモジュールを取り外したり交換することができる。
図１０は、回路基板に搭載され、さらにキャップが被冠された状態のセンサモジュール、および回路基板を示す平面図、図１１は、図１０のＹ−Ｙ断面図である。ただしここでは、回路基板上の加速度検出回路は図示省略している。
【００２５】
この回路基板２１には、この回路基板２１への電力供給用、および加速度の検出結果の、他の回路（図示せず）への伝達用のリード線２１１が固定されている。
この回路基板２１には、前述のようにしてセンサモジュールが固定された後、プラスチック製のキャップ２１５が被冠され、このキャップ２１５は、ゴムリング２１６を挟んで、電磁ノイズ防止用の金具キャップ２１７で抑えられている。金属キャップ２１７には、回路基板２１に設けられた金属キャップ固定用孔２１８に挿入される足部２１７ａを有しており、その足部２１７ａは金属キャップ固定用孔２１８に挿入され回路基板２１の裏面でグラウンド用配線パターンに半田付けされる。このようにして金属キャップ２１７が固定されることにより、ゴムリング２１６を介して、プラスチック製のキャップ２１５が、回路基板表面に押し当てられた状態に固定される。
【００２６】
プラスチック製のキャップ２１５の役割りの１つは、２つの固定電極板１４，１５どうしの間隙への塵埃の侵入の防止であり、塵埃の侵入を確実に防止するために、キャップ２１５の、回路基板２１に当接する端面２１５ａが半円形に形成されており、これにより、その端面２１５ａが回路基板２１の表面に確実に線接触し、微小な塵埃であってもその侵入を阻止している。
【００２７】
プラスチック製のキャップ２１５のもう１つの役割りは、可動電極板１１の塑性変形を防止することである。この変形防止の観点から、キャップ２１５は、その内壁面が固定電極板１４，１５の端面と接する寸法に形成されている。
可動電極板１１は、固定電極１４１，１５１（図１，図３，図４参照）の寸法との兼ね合い上、およびその可動電極板１１のスムーズな動きを補償するために、固定電極板１４，１５に挟まれた間隙内にのみ配置される寸法に、換言すれば、固定電極板１４，１５の寸法よりも若干小さな寸法に形成されている。例えばこの加速度センサを誤って落下してしまった場合など、この可動電極板１１が大きな加速度を受けたとき、その加速度の方向が図１１の左右方向のときは、その加速度が大きくても、可動電極板１１には固定電極板１４，１５にぶつかるまで移動する以上の移動は生じないが、その加速度の方向が図１１の上下方向の場合、可動電極板１１は、キャップ２１５がないと２枚の固定電極板１４，１５の端面を越えて大きく変形し、可動電極板１１のバネ部１１３（図２参照）が塑性変形不良品となってしまうおそれがある。
【００２８】
ここでは、キャップ２１５がそれを防止する役割りを担っており、可動電極板１１が図１１の上下方向に大きな加速度を受けてもその可動電極板１１の端面がキャップ２１５の内壁面に当接し、固定電極板１４，１５どうしの間隙からの食み出しが防止され、バネ部１１３の変形は弾性変形以内の変形で済み、その加速度が無くなると可動電極板１１は元の位置に戻り、不良品の発生が防止される。
【００２９】
キャップ２１５の効果を確認するために、キャップ２１５を被冠した状態の加速度センサのサンプル３個（サンプルＮｏ．１〜Ｎｏ．３）と、キャップ２１５を取り外した状態の加速度センサのサンプル３個（サンプルＮｏ．４〜Ｎｏ．６）を用意し、各サンプルＮｏ．１〜Ｎｏ．６それぞれについて２回ずつ、１ｍの高さからの自由落下による落下試験を行なった。表１，表２にその試験結果を示す。尚、表１，表２中、「Ｇ」は、重力加速度（９．８ｍ／ｓｅｃ² ）相当の加速度をあらわす記号である。
【００３０】
【表１】

【００３１】
【表２】

【００３２】
これらの表からわかるように、キャップ２１５を被冠することにより、落下等の取扱いミスにも強い信頼性の高い加速度センサが構成される。
図１２は、回路基板に搭載されたセンサモジュールに加わる加速度を検出するための加速度検出回路を示すブロック図である。
図１２に示す可動電極板１１には、所定の周波数で発振する発信器２２１からの信号が入力される。可動電極板１１に入力された信号は、加速度に応じて変化した、２枚の固定電極１４１，１５１それぞれと可動電極板１１とから形成されたコンデンサの静電容量に応じた電圧の信号に変換され、それらの信号が２枚の固定電極１４１，１５１それぞれから出力される。出力された信号は、２つの整流器２２２＿１，２２２＿２で整流され、これにより直流成分の信号がそれぞれ生成され、２つの初段アンプ２２３＿１，２２３＿２を経由して差動増幅器２２４に入力される。差動増幅器２２４は、入力された直流成分の信号の差分を増幅して加速度に対応する電圧信号ＯＵＴを出力する。
【００３３】
以上のように、本実施形態によれば、センサモジュールの構造上も加速度検出回路上も差動型に形成されており、温度度変化による熱膨張を受けても誤差の小さい高精度な加速度センサが構成される。
【００３４】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の加速度センサは、可動電極板の食み出しを阻止する食出阻止部材を備えたため、可動電極板の塑性変形が防止され加速度センサの信頼性が大きく向上する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の加速度センサの一実施形態の、センサモジュールの部分の分解斜視図である。
【図２】可動電極板の平面図である。
【図３】固定電極板およびその固定電極板表面に形成された固定電極を示す平面図である。
【図４】固定電極板およびその固定電極板裏面に形成された配線を示す裏面図である。
【図５】組み立てた状態のセンサモジュールの平面図である。
【図６】組み立てた状態のセンサモジュールの側面図である。
【図７】図５のＸ−Ｘ断面図である。
【図８】センサモジュールと回路基板との接続の仕方を示す模式図である。
【図９】センサモジュールと回路基板との接続の仕方を示す模式図である。
【図１０】回路基板に搭載され、さらにキャップが被冠された状態のセンサモジュール、および回路基板を示す平面図である。
【図１１】図１０のＹ−Ｙ断面図である。
【図１２】回路基板に搭載されたセンサモジュールに加わる加速度を検出するための加速度検出回路を示すブロック図である。
【符号の説明】
１１ 可動電極板
１２，１３ 導電性スペーサ
１４，１５ ２枚の固定電極板
１６ ボルト部材
１７ 座金
１８ ナット
２１ 回路基板
２２ 加速度検出回路
１４１，１５１ 固定電極
１４７，１５７ 配線
１４９，１５９ リード線
１６１ 係止部
２１２ ナット
２１３，２１４ リード線挿入孔
２１５ プラスチック製キャップ
２１６ ゴムリング
２１７ 金属キャップ

Claims (2)

1. 所定の間隙を挟んで互いに対向して広がる２枚の固定電極それぞれを有する同一寸法の２枚の固定電極板と、該２枚の固定電極板の、互いに対向する表面の中央に接する２つのスペーサと、中央部を取り巻くように複数のスリットが形成されたバネ部を有し該中央部が前記２つのスペーサに挟まれて前記間隙内に広がり該２枚の固定電極板を貫く方向の加速度に応じて該２枚の固定電極板のうちのいずれか一方に接近する可動電極板とを備え、前記固定電極それぞれと前記可動電極板との間の静電容量の変化により前記方向の加速度を検出する加速度センサにおいて、
   前記可動電極板が、前記２枚の固定電極板に挟まれた間隙内にのみ配置されるように該固定電極板よりも小さな寸法を有するとともに、該可動電極板の広がる方向の加速度により該可動電極板が前記２枚の固定電極板に挟まれた間隙から食み出す方向に力を受けたときに、前記バネ部の弾性変形内で、該可動電極板の端が該固定電極板の端に達するものであって、
   前記固定電極板の端面に接触もしくは近接し、前記可動電極板の端が前記固定電極板の端を越えて該２枚の固定電極板に挟まれた間隔から食み出すのを阻止する食出阻止部材を備えたことを特徴とする加速度センサ。
2. 前記２枚の固定電極板、前記２つのスペーサ、および前記可動電極板が１つのセンサモジュールを構成し、
   前記センサモジュールが搭載されるとともに、搭載されたセンサモジュールを構成する２枚の固定電極それぞれと可動電極板との間の静電容量の変化に基づいて前記方向の加速度を検出する加速度検出回路が構成されてなる回路基板を備え、さらに
   前記回路基板に搭載されたセンサモジュールに被冠される、前記食出阻止部材を兼ねた塵埃侵入防止用キャップを備えたことを特徴とする請求項１記載の加速度センサ。

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