JPH0432774A

JPH0432774A - 加速度センサ

Info

Publication number: JPH0432774A
Application number: JP14074290A
Authority: JP
Inventors: Atsushi Komura; 小村　敦; Masaaki Takagi; 正明高木; Shigekazu Nakamura; 中村　繁和
Original assignee: Nidec Copal Corp
Current assignee: Nidec Precision Corp
Priority date: 1990-05-30
Filing date: 1990-05-30
Publication date: 1992-02-04
Anticipated expiration: 2013-10-08
Also published as: JP2807919B2

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】〔発明の技術分野〕本発明は加速度センサに関し、特に数１０１１ｚ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為
の静電容量型加速度センサに関する。この種のセンサは
例えば車載用として用いられる。

〔従来の技術〕

一般に比較的高加速度を検出するのは容易であり、例え
ば圧電素子を利用した加速度センサや、半導体に生ずる
歪みを電気的に検出する型の加速度センサが広く用いら
れている。しかしながら、低加速度の検出は比較的困難
であり、加速度センサの構造が複雑となる。低加速度検
出用としては、静電容量型加速度センサが比較的簡単な
構造を有しており一般に用いられている。

第６図に従来の静電容量型加速度センサを示す。

図示する構造は、例えば米国特許節４．６９４．６８７
号に開示されている。図示する様に、加速度センサは５
層からなる積層構造となっている。一対の基板４４及び
５２の内表面には、互いに類似した金属バタンか形成さ
れている。例えば、下側の基板５２の内表面にはその外
縁部に沿って枠状金属バタン５４と、中央部に配置され
た矩形状金属バタン５８が形成されている。両金属バタ
ンは分離帯５６によって互いに電気的に絶縁されている
。又、基板５２及び４４の各々に重なる様にスペーサ５
０及び４６が配置されている。スペーサ５０及び４６は
夫々中央開口部を有している。スペーサ４６及び５０と
の間には中間基板４８が挟持されている。この中間基板
４Ｂは、バネ部材６３により支持された中央セグメント
６４を有している。バネ部材６３は、中間基板４８の面
方向に延び中央セグメント６４の周りに位置するスリッ
ト構成のバタンにより形成されている。かかる構成によ
り中央セグメント６４は枠体６６により可撓的に支えら
れている。以上に説明した５枚の板部材は相互に積層さ
れ、中央セグメント６４及びバネ部材又は板バネ６３は
スペーサ４６及び５０に形成された中央開口部に位置し
ている。中央セグメント６４は基板４４及び５２に形成
された矩形状金属バタンに対して相対的に変位できる様
になっている。一対の矩形状金属バタンとその中間に配
置された中央セグメントは可変容量を構成する。外部か
ら加わる加速度に応答して、中央セグメント６４は金属
バタンの垂線方向に沿って変位し容量変化が生ずる。こ
の容量変化を電気的に検出する事により加速度の方向及
び大きさを測定するのである。

〔発明が解決しようとする問題点〕

しかしながら、第６図に示す従来の静電容量型加速度セ
ンサは加速度に対する感応部分である中央セグメントを
その周囲で支持固定する構造となっている。従って、積
層構造を構成する各部材の材料の違いによる膨張率の影
響を受は易い。例えば、一対の固定基板に線膨張率α−
０，８２Ｘ１０　”を有するセラミックで構成し、中間
基板を膨張率α−１，８０Ｘ１．０’を有するベリリウ
ム銅で構成した場合には、ＪＯｍｍの寸法に対し約０．
１．ＥＩ／℃の変化か生じ、温度変化か例えば４０℃で
あると全体として４ｕｎの寸法差が生ずる。この寸法差
によって生ずる応力か可動電極片即ち中央セグメントの
歪みを起こし、加速度の検出値に温度依存性が生ずると
いう問題点がある。

又、積層構造を組立てる場合には、中央の可動電極片に
加わる応力を均等にする必要があり、通常接着剤を用い
て中間基板の周辺部両面を各々スペーサに固定していた
。組立てに接着剤を用いている為、環境温度の変化によ
る影響を受は易いばかりでなく、組立作業性も著しく悪
いという問題点があった。

ｃ問題点を解決する為の手段〕上述した従来の技術の問題点に鑑み、本発明は加速度の
検出特性に関して温度依存性か比較的少なく且つ組立性
の優れた静電容量型加速度センサを提供する事を目的と
する。

上述した本発明の目的を達成する為に改良された加速度
センサは、所定の電極面を有する第１の固定基板と、該
第１の固定基板に対して一定の間隙を介して対向配置さ
れているとともに所定の電極面を有する第２の固定基板
とを具備している。

該間隙内には可動部材か配置されている。可動部材は、
該間隙内において固定支持される中央固定部と、該中央
固定部から可撓的に延設されており電極面の垂線方向に
変位可能な周辺電極片とを有している。該周辺電極片及
びその両側に対向配置された画電極面は可変容量を形成
している。そして、外部加速力に応答して生ずる該周辺
電極片の変位は容量変化として電気的に検出される。

好ましくは、該可動部材の中央固定部は一対のスペーサ
を介して該第１及び第２の固定基板により挟持されてい
る。さらに、好ましくは該可動部材と該第１及び第２の
固定基板からなる積層構造は、該中央固定部を貫通する
係止部材例えばネジ又はリベットにより互いに固定され
ている。

〔作　　用〕

従来の構造とは対照的に、本発明によれば外部加速度に
感応して変位する部分か中間板部材の周辺部に例えば環
形状として形成されている。かかる周辺電極片は中央固
定部から可撓的に延設されており所謂自由端支持となっ
ている。従って、中央固定部とそれを両側から挟持する
スペーサあるいは固定基板との間に線膨張率の違いがあ
り温度変化により歪みが生じたとしても、自由端支持さ
れている周辺電極面には実質的に応力が加わらない構造
となっている。加えて、本発明の好ましい実施態様によ
れば各板部材は接着剤を用いずネジあるいはリベット等
の係止部材により組立てられるので、極めて作業性に優
れているとともに接着剤の悪影響を除去する事が可能と
なる。

〔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静電容量型加速度セン
号の構造を示す模式的一部破断断面図である。図示する
様に、加速度センサは所定の電極面を内側に有する第１
の固定基板１と、該第１の固定基板１に対して一定の間
隙を介して対向配置されているとともにその内側面に所
定の電極面を有する第２の固定基板２とから構成されて
いる。該間隙内には可動部材３が配置されている。

可動部材３は、該間隙内において固定支持される中央固
定部と、該中央固定部から可撓的に延設され電極面の垂
線方向即ち間隙方向に変位可能な周辺電極片とを有して
いる。該周辺電極片及びその両側に対向配置された両型
極面は可変容量を形成しており、外部加速力に応答して
生ずる該周辺電極片の変位を容量変化として検出する。

可動部材３の中央固定部は一対のスペーサ４及び５を介
して該第１及び第２の固定基板により挟持されている。

又、可動部材３、一対のスペーサ４及び５、第１及び第
２の固定基板１及び２とからなる積層構造は、中央固定
部を貫通する係止部材例えばネジ６により互いに固定さ
れている。ネジ６の頂部と第１の固定基板１との間には
板バネ７とワッシャ８が介在しており、下側の固定基板
２に対して上側の固定基板１を押圧している。

かかる構成を有する積層構造はケース９の中に収納され
ている。ケース９はカバーｌＯにより覆われている。カ
バー１０はケース９に対してネジ止めされているととも
に、積層構造全体を包み込んでおり、外部電場から遮蔽
している。この為、ケース９及びカバーＩＯはアルミニ
ウム等の金属材用により形成されているとともに、実際
の使用に際しては外部接地される様になっている。さら
に、ケース９の内部には、回路基板１１が収納されてい
る。前述した積層構造は接続基板１２を介して回路基板
１１の」二に搭載されており、一対の電極面及び周辺電
極片の電気的引出しはこれら接続基板１２及び回路基板
用を介して行なわれ、回路基板】１の上部に搭載された
接続端子１３を通じて外部の駆動回路に結線される。

ところで、加速度センサの応答性は可動部材３の変位速
度によって決まる。一対の固定基板１及び２によって囲
まれた間隙には空気が充填されており、外部加速度に応
答して可動部材３が変位する時に移動する。この時生ず
る空気抵抗がダンパの機能を果たしている。本発明にか
かる加速度センサにおいては、このダンパ効果を利用し
て可動部材３の共振破壊を防止し、ている。ダンパ効果
は加速度センサに要求される応答周波数領域に合わせて
調節可能である。例えば、一対の固定基板１及び２と可
動部材３の間隔（即ちスペーサ４及び５の厚さ）を変化
させたり、固定基板に貫通孔を設け、その孔径によって
空気を逃す量を変化させれば良い。

上述した積層構造においては、安定した加速度検出出力
を得る為、一対の固定基板１及び２の平行度を極めて正
確に出す必要がある。この為、対の固定基板１及び２は
複数の平行ピン１４を用いて互いに連結されている。

次に、第２図ないし第４図を参照して本発明にかかる加
速度センサの主要構成部品を詳細に説明する。第２図は
可動部材３の平面形状を表わす。

図示する様に可動部材３は中央固定部１５と該中央固定
部１５から可撓的に延設され、紙面に対して垂直方向に
変位可能な周辺電極片１６とを有する。周辺電極片１６
は環形状を有し、その内周端に沿って３本の板バネ１７
により中央固定部１５の外周端に連結されている。又、
中央固定部１５の中心には第１図に示す組立用ネジ６を
貫通させる為の中心開口ＩＢが形成されている。かかる
平面形状を有する可動部材３は、例えばステンレススチ
ール等の弾性金属部材をエツチングによりパタニングし
て得る事ができる。錆、腐食等の問題が生じ無い場合に
はＣｕ、Ｂｅ　−Ｃｕを始めとしてより加工性の良い材
料を用いる事もできる。

第３図は第１の固定基板１の平面形状を示す。

固定基板１は例えばセラミック等の電気絶縁材料から構
成されており、その表面には環形状の電極面１９が形成
されている。この電極面１９は例えば印刷技術を用いて
塗布された導電性厚膜電極で構成する事ができる。第２
図と第３図を比較すれば明らかな様に、電極面Ｉ９と周
辺電極片１６は大略同一形状を有しており、対向配置さ
せる事により空気を誘電物質とする容量素子を構成する
。セラミック基板１の中心部には第１図に示すネジ６を
貫通させる為の中心開口２０が形成されている。中心開
口２０を囲む様に内側の環状電極２１が形成されている
。この電極２１は導電性金属材料からなる可動部材３と
の電気的接続をとる為のものである。基板の四隅には第
１図に示す平行ピンＩ４と係合する孔２２が配設されて
いる。なお、図示しないか第２の固定基板２も同様の構
成を有している。一対の固定基板１及び２の間に挟持さ
れる可動部材３に対する電気的接続は何れか一方の固定
基板を介して行なえば十分である。

第４図はスペーサ４の平面形状を示す。このスペーサは
環形状を有しており、中心部にはネジ６を貫通させる為
の中心開口２３が形成さねている。

スペーサ４の外形形状は可動部材３の中央固定片１５と
大略同一であり且つ、固定基板１の内側電極２１とも大
略同一の形状である。スペーサ４は金属等の導電性材料
から構成されており、固定基板１と可動部材３０間に介
在される。図示しないが、他のスペーサ５も同一の形状
を有しており、可動部材３と第２の固定基板２との間に
介在される。

なお、本実施例においては、一対のスペーサ４及び５を
用いて間隙寸法を規定しているがこれに限られるもので
はない。例えば、可動部材３の中央固定部Ｉ５の肉厚を
周辺電極片Ｉ６の肉厚よりも大きく設定する事により同
様の機能を得る事ができる。

最後に、第５図に本発明にかかる加速度センサの電気的
結線を示す。破線で囲まれた部分が加速度センサであり
、それ以外の部分は外部の駆動回路である。図示する様
に、第１の固定基板に形成された環状電極面１９は接続
基板１２及び回路基板１１を介して入力端子ＩＮＩに接
続されている。又、第２の固定基板２に形成された環状
電極面１９’　も同様にして入力端子ＩＮ２に接続され
ている。

又、可動部材３の周辺電極片１６はスペーサ、固定基板
、接続基板Ｉ２及び回路基板ＩＩを介して出力端子ＯＵ
Ｔに接続されている。加えて、ケース９及びカバー１０
は回路基板１１を介して接地端子ＧＮＤ１及びＧＮＤ２
に接続されている。

一方、外部駆動回路は例えば交流電源２４を具備してお
り、その両端は一対の入力端子ＩＮＩ及びＩＮ２に接続
されている。

次に、第５図を参照して本発明にかかる加速度センサの
動作を説明する。図示する様に、一方の固定電極面１９
と可動電極片１６は一方のコンデンサを形成している。

電極面積を８１、電極間距離をｄｌ、両名に挾まれた空
間の誘電率をεとすると、一方のコンデンサの容量はＣ
１−ε　　　　となｄ］る。又、共通の可動電極片１６と他方の固定電極面１９
′はもう１つのコンデンサを形成する。その電極面積を
８２、電極間距離をｄ２とすると、もうる。一般に、電
極面積Ｓ１及びＳ２は等しく設定されており且つ無加速
度状態においては電極間距離ｄ１及びｄ２か等しくなる
様に予め調節されている。この結果、無加速度状態にお
いては直列接続されたコンデンサの容ＲＣＩ及びＣ２は
等しい。

ここで、外部加速度αが加わる事により可動電極１６に
ｍα（ｍは可動電極１６の重ｊｉｌ）の力か加わり、こ
れを支持する板バネ部材１７の曲げ応力と均衡する迄可
動電極片１６がΔｄたけ変位する。この結果、両回定電
極面Ｉ９及び１９′　との間隔ｃｉｉ、ｄ２かｄｌ−１
−Δｄ、ｄ２−Δｄに変化する。この結果、コンデンサ
容ｆｆｉ　Ｃ］及びＣ２が差動的に変化し、容ｆｆ１ｔ
化となって現われる。

例えば、第５図に示す様に一方の入力端了ＩＮＩに矩形
波パルスを印加し、他方の入力端子ＩＮ２に１８０度位
相の異なる矩形パルスを印加する。無加速度状態におい
ては、一対のコンデンサ容量が等しい為、出力端子ＯＵ
Ｔには零レベルの出力電圧か現われる。外部加速度が加
わると、その加速度の方向及び大きさに従って可動電極
片１６が変位しコンデンサ容量の均衡が崩れる。この結
果、出力端子ＯＵＴには可動電極片１６の変位方向に応
じた位相を有し、且つ変位量に応じた振幅値を有する出
力電圧が現われる。駆動回路は出力電圧の位相及び振幅
値を電気的に処理する事により加速度の方向及び大きさ
を検出表示する事が可能となる。

〔発明の効果〕

上述した様に、本発明によれば可動板部材の固定部を中
央に配置し可動部を外周に配置する構造とした。この結
果、周囲の環境温度変化により積層構造部材の膨張率の
違いに起因して固定部か面方向に歪んだとしても、外周
にある可動部が自由端支持されている為、加わる応力を
実質的に大幅に軽減する事ができる。従って、加速度セ
ンサの出力の温度依存性を著しく除去する事が可能とな
るという効果かある。又、積層構造を構成する各板部材
を共通のネジあるいはリベットを用いて重ね合わせ組立
てる構造としたので組立作業性か著しく向上するという
効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明にかかる加速度センサの構造を示す模式
的部分破断断面図、第２図は本発明にがかる加速度セン
サの構成部品である可動部材を示す平面図、第３図は同
じく固定基板を示す平面図、第４図は同じくスペーサを
示す平面図、第５図は本発明にかかる加速度センサの各
構成要素の電気的接続を示す模式的回路図、及び第６図
は従来の加速度センサの構造を示す分解斜視図である。１・・・第１の固定基板　　　２・・第２の固定基板３
・・・可動部材　　　　　　４・・・スペーサ５・・ス
ペーサ　　　　　　６・・ネ　シ９・・・ケース　　　
　　　　］０　カバ１１・・回路基板　　　　　　１２
・・・接続基板】３・・接続端子１５・・・中央固定部】７・・板バネ部材２４・・・交流電源１４　　平行ピン１６・・・周辺電極片１９・・・環状電極面出代願理人人株式会社

Claims

【特許請求の範囲】

１．所定の電極面を有する第１の固定基板と、該第１の
固定基板に対して所定の間隙を介して対向配置されてい
るとともに所定の電極面を有する第２の固定基板と、該間隙内において固定支持される中央固定部、及び該中
央固定部から可撓的に延設されており電極面の垂線方向
に変位可能な周辺電極片を有する可動部材とからなる事
を特徴とする加速度センサ。
２．該可動部材の中央固定部は一対のスペーサを介して
該第１及び第２の固定基板により挟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。
３．該可動部材と該第１及び第２の固定基板とからなる
積層構造は、該中央固定部を貫通する係止部材により互
いに固定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。