JPH07167890A - 容量形加速度センサ - Google Patents

容量形加速度センサ

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JPH07167890A
JPH07167890A JP4050358A JP5035892A JPH07167890A JP H07167890 A JPH07167890 A JP H07167890A JP 4050358 A JP4050358 A JP 4050358A JP 5035892 A JP5035892 A JP 5035892A JP H07167890 A JPH07167890 A JP H07167890A
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JP
Japan
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electrode
electrodes
vibrating body
capacitor device
frame
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JP4050358A
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English (en)
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Hans-Peter Trah
トラー ハンス−ペーター
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Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
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    • 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
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    • G01P2015/0808Measuring 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 in-plane movement of the mass, i.e. movement of the mass in the plane of the substrate
    • G01P2015/082Measuring 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 in-plane movement of the mass, i.e. movement of the mass in the plane of the substrate for two degrees of freedom of movement of a single mass

Abstract

(57)【要約】 【目的】 ただ1つの震動体を用いて加速度のすべての
空間的方向成分を同時に検出するセンサを提供する。 【構成】 フレーム内に振動可能に保持された震動体1
0の表面に設けた電極と、外被体に設けた対向電極とで
コンデンサ装置を形成し、これを介して加速度を検出す
るセンサで、フレーム面に対して平行な震動体10のふ
れの際に第1のコンデンサ装置の電極311と対向電極
321との重なり度は変化せず、別のコンデンサ装置の
電極411と対向電極421との重なり度は変化するよ
うに電極の大きさを選定して配置する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は請求項1の上位概念に記
載の、震動体の表面に電極が設けられ、かつフレームに
連結された少なくとも1つの外被体を有し、前記外被体
に前記電極に対する対向電極が設けられており、前記対
向電極は前記電極とともにコンデンサ装置を形成し、前
記コンデンサ装置を介し震動体のふれにより加速度を容
量的に検出可能である、フレームに振動可能に保持され
た震動体を有する加速度検出センサに関する。
【0002】
【従来の技術】ドイツ特許第3625411号明細書に
は、マイクロ機械的な製作技術及びエッチング技術で製
造する容量形加速度センサが記載されている。フレーム
内には、加速度プレートの上側及び下側に対して左右対
称に配置された曲げバンドで、加速度プレートが懸吊さ
れている。そこでは複数の2重に重ねた曲げバンドを使
用することが提案されている。加速度プレートの主表面
の両方にコンデンサ電極を設け、このコンデンサ電極の
対向電極を加速度プレートに対向して配置された外被プ
レートに設ける。この対向電極を実現するため被着され
た金属膜あるいは付着された金属シートが提案されてい
る。加速度プレートに適した材料の場合には、加速度プ
レートの表面を直接電極として用いることができる。そ
の他電極として同様な金属膜ないし金属シートを用いる
ことも可能である。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】本発明の課題は、ただ
1つの震動体を用いて加速度のすべての空間的方向の動
きを同時に、しかし互いに無関係に検出することのでき
るセンサを提供することにある。
【0004】
【課題を解決するための手段】この課題は本発明によ
り、少なくとも1つの第1のコンデンサ装置は第1の電
極と第1の対向電極とを備え、前記第1のコンデンサ装
置の電極の重なり度が、震動体のいずれの位置において
も、例えば震動体のフレーム面に対して平行なふれの際
にも変化しないように前記電極の大きさを選定して配置
し、少なくとも1つの別のコンデンサ装置は、別の電極
と別の対向電極とを備え、震動体のフレーム面に平行な
ふれが、前記別のコンデンサ装置の電極の重なり度を変
化させるよう前記電極の大きさを選定して配置すること
により解決される。
【0005】
【発明の効果】請求項1の特徴部分に記載の本発明のセ
ンサでは、電極と対向電極とを互いに特定の大きさに選
定して配置することにより、加速度のすべての空間的方
向成分をただ1つの震動体を用いて同時に検出すること
ができる。このセンサはわずかなスペースで足りる。た
だ1つの震動体を、加速度の異なった空間方向成分を検
出する複数のコンデンサ装置と関連して用いることは、
震動体が同じ運動フェーズの場合でも常に正確に加速度
を検出するので有利である。
【0006】その他の請求項に記載の構成により、請求
項1に記載のセンサの有利な実施形態が可能である。各
空間方向における震動体のふれの際その容量が変化する
他方のコンデンサ装置の電極と対向電極との幾何学的大
きさを選定するには、くし形構造が特に有利であり、こ
のくし形構造の重なり度は震動体のふれの際、非常に大
きく変化する。震動体の上側と下側の電極の配置、上側
外被体と下側外被体とに設けられている対応する対向電
極と一緒に特に震動体の上側と下側とに設けられている
加速度の空間的成分を検出するコンデンサ装置の配置
を、互いにずらすことにより置き換え震動体の傾倒運動
を検出できるので有利である。さらにそれにより震動体
のふれを差信号として評価することができる。
【0007】本発明による電極の幾何学的形及び電極装
置の特に有利な利用分野は、平面における震動体の励起
と励起面に対して垂直方向での震動体のふれのかたちで
システムの応答とを同時に検出することである。その際
この励起がどのような形式であるかは重要ではなく、こ
の励起は例えば熱により、静電あるいはまたエレクトロ
ダイナミックに行われる。第1のコンデンサ装置の容量
は、電極及び対向電極を適切な大きさに選定した場合、
フレーム面内での震動体の励起により影響を受けない、
なぜならばこの容量はコンデンサプレートの間隔が変化
した場合にだけ、変化するからである。これに対して、
他方のコンデンサ装置の容量は3つの空間的方向すべて
の震動体の動きの際に変化する、なぜならば、他方の電
極及び他方の対向電極はフレーム面内での震動体のふれ
の場合にその重なり度が変化するように大きさを選定し
て配置されており、震動体のフレーム面に対して垂直な
ふれは他方のコンデンサ装置の場合には他方の電極と他
方の対向電極との間隔の変化を来たし、容量が変化する
ためである。震動体の励起振動は、他方の電極装置によ
り監視することができ、その際フレーム面に対して垂直
なふれによる影響は第1の電極装置により測定され除去
される。それにより、励起振動の制御が可能である。本
発明による電極装置は、震動体の励起が第1の方向に行
われかつその際生じるコリオリ力とその結果生じる励起
方向に対して垂直な方向のふれを介して角速度を測定
し、その際震動体のその時点の励起状態に関して絶え間
ない情報が必要である角速度センサに使用すると特に有
利である。本発明の電極装置はもちろんすべての空間方
向での動きを個別にしかし同時に検出することが必要で
ある全く別のセンサにも利用することが可能である。
【0008】
【実施例】次に本発明の実施例を図を用いて詳細に説明
する。
【0009】図1ではウェブ11から14を介して、図
示されていないフレームに振動可能に連結されている震
動体が10で示されている。フレームの平面は図1のx
−y面に相当する。
【0010】震動体10の表面には2つの電極311及
び411が設けられている。図1ではさらにそれに対応
する対向電極321及び421が示されており、この対
向電極321,421は図1に図示されていない外被体
に電極311,411に対向して設けられ、その結果電
極311及び411は対向電極321及び421ととも
にそれぞれ1つのコンデンサ装置を形成する。電極31
1とそれに対応する対向電極321の協働する面は、こ
こでは長方形をなし、電極311はそれに対応する対向
電極321より大きくその大きさを選定されているの
で、つまりこれら電極311,321の重なり度はx−
yフレーム面内で震動体10が最大にふれた場合でも変
わらない。この第1のコンデンサ装置は震動体10のz
方向、すなわちフレーム面に対して垂直なふれの場合に
のみその容量が変化する、なぜならその際電極311と
対向電極321との間隔が変化するためである。他方の
コンデンサ装置の電極411及び421はくし形構造を
有し、電極411と対向電極421との歯は互いに逆向
きになるよう配置されている。
【0011】この電極装置の容量は、震動体10の3つ
の空間的方向すべてのふれの際に変化する、なぜならx
−yフレーム面におけるふれの場合に電極411と対向
電極421との重なり度が変化し、それにより容量が変
化し、かつフレーム面に対して垂直なz方向での震動体
の動きの場合には、電極411と対向電極421との間
隔の変化により容量が変化するためである。第1のコン
デンサ装置311,321と第2のコンデンサ装置41
1,421との容量変化を組み合わせて評価することに
より、z方向の加速度に無関係に、x−y面での加速度
を検出することができる。図1では他方のコンデンサ装
置の電極411,421の可能な実施例の1つだけを示
している。本発明の範囲には別の実施例もあり、その実
施例では他方の電極411とそれに対応する他方の対向
電極421との重なり度は震動体10のx−yフレーム
面内でのふれの際に変化し、その際重なり度の変化が大
きければ大きいほど、センサの精度が可及的に高められ
る。
【0012】図2は図1に示した震動体10の斜視図で
あり、ここでは図示されていないフレームにウェブ11
ないし18を介して震動体10が左右対称に懸架されて
いる。それぞれのウェブは震動体10の上側及び下側の
隅に設けられている。ウェブ11から18の配向によ
り、x−yフレーム面内での有利にはy方向での振動が
生じる。
【0013】図3は上部外被体21と下部外被体22と
を備えた図1及び図2に対応する震動体を有するセンサ
構造の断面図を示す。外被体21及び22はフレーム1
9と固定して連結されている。外被体21及び22はそ
れぞれ凹入部を有しておりこの凹入部は懸架ウェブ11
から18と震動体10との領域にわたって広がって、震
動体10と外被体21及び22との間に間隔を形成す
る。震動体10の上側と下側とにそれぞれ電極が配置さ
れており、ここではその電極のうち311と312のみ
が示され、それに対応する対向電極、ここでは321と
322とが外被体21,22に設けられている。
【0014】ウェブを介してフレームと連結される震動
体の材料としては、単結晶質構造の珪素支持体や例えば
ストラクチュア化されたセラミックサブストレートが適
している。外被体の材料はセンサの組立技術及び利用分
野に応じて選択すべきである。
【0015】本発明の電極の形態及び電極装置はすべて
の空間的方向の動きを同時にしかし互いに無関係に検出
すべきセンサに利用するのに適している。角速度センサ
は特殊な用途である。ここでは震動体は第1の運動方向
例えばフレーム面のy方向において振動するように付勢
される。この付勢は熱により、静電あるいはエレクトロ
ダイナミックに行われる。本発明の電極装置によればそ
の時の励起状態をいつでも測定、検出可能であり、それ
は振動の励振を制御することを可能にする。角速度は生
じるコリオリ力とそれから結果として生ずる震動体の励
振方向に対して垂直、すなわちz方向のふれにもとづい
て測定される。その際、わずかな信号変位のため非常に
高度な解析が必要である。z方向の震動体のふれはx−
y面のふれに無関係に検出されなければならない。
【図面の簡単な説明】
【図1】電極装置を有する震動体の平面図である。
【図2】震動体の斜視図である。
【図3】センサの断面図である。
【符号の説明】
10 震動体 11〜18 ウェブ 19 フレーム 311,312 電極 321,322 対向電極 411 電極 421 対向電極

Claims (5)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 震動体の表面に電極が設けられ、かつフ
    レームに連結された少なくとも1つの外被体を有し、前
    記外被体に前記電極に対する対向電極が設けられてお
    り、前記対向電極は前記電極とともにコンデンサ装置を
    形成し、前記コンデンサ装置を介し震動体のふれにより
    加速度を容量的に検出する、フレームに振動可能に保持
    された震動体を有する加速度センサにおいて、 少なくとも1つの第1のコンデンサ装置は第1の電極
    (311,312)と第1の対向電極(321,32
    2)とを備え、前記第1のコンデンサ装置の電極(31
    1,321;312,322)の重なり度が、震動体
    (10)のいずれの位置においても、例えば震動体(1
    0)のフレーム面に平行なふれの際にも変化しないよう
    に前記電極の大きさを選定して配置し、 少なくとも1つの別のコンデンサ装置は、別の電極(4
    11,412)と別の対向電極(421,422)とを
    備え、震動体(10)のフレーム面に平行なふれが、前
    記別のコンデンサ装置の電極(411,421;41
    2,422)の重なり度を変化させるよう前記電極の大
    きさを選定して配置することを特徴とするフレーム内に
    振動可能に保持された震動体を有する加速度センサ。
  2. 【請求項2】 少なくとも1つの別の電極(411,4
    12)と少なくとも1つの別の対向電極(421,42
    2)とがくし形構造として形成され、前記別の電極(4
    11,412)と前記別の対向電極(421,422)
    との歯の向きが互いに反対であることを特徴とする請求
    項1に記載のセンサ。
  3. 【請求項3】 震動体(10)の上側に設けられた電極
    (311,411)と上部外被体(21)に設けられた
    対向電極(321,421)とから成るコンデンサ装置
    が、震動体(10)の下側に設けられた電極(312,
    412)と下部外被体(22)に設けられた対向電極
    (322,422)とから成るコンデンサ装置ととも
    に、差動コンデンサ装置を形成することを特徴とする請
    求項1または2に記載のセンサ。
  4. 【請求項4】 震動体(10)の上側のコンデンサ装置
    (311,321;411,421)を、震動体(1
    0)の下側のコンデンサ装置(312,322;41
    2,422)に対してずらして配置することを特徴とす
    る請求項1から3のいずれか1項に記載の装置。
  5. 【請求項5】 震動体(10)のフレーム面での振動を
    励起するための手段を備え、 第1のコンデンサ装置と他方のコンデンサ装置(31
    1,321;312,322;411,421;41
    2,422)との容量変化にもとづいて、励起を制御す
    るための手段を備え、 震動体(10)のフレーム面に対して垂直なふれを、フ
    レーム面におけるふれに無関係に検出可能であることを
    特徴とする請求項1から4のいずれか1項に記載のセン
    サ。
JP4050358A 1991-03-09 1992-03-09 容量形加速度センサ Pending JPH07167890A (ja)

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DE4107661.3 1991-03-09
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DE4431327C2 (de) * 1994-09-02 1999-06-10 Fraunhofer Ges Forschung Mikromechanischer Beschleunigungssensor
JPH1151967A (ja) * 1997-08-08 1999-02-26 Mitsubishi Electric Corp 多軸加速度センサ及びその製造方法

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