JPH09119944A - 静電容量型加速度センサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 ２軸以上の加速度を同時に検出できる静電容
量変化を利用した加速度センサにおいて、周囲環境温度
が変動しても、検出加速度に対する出力が影響を受けな
い構成となし、使用温度範囲が広く厳しい自動車等の用
途に最適な静電容量型加速度センサの提供。 【解決手段】 可撓基板のビームによる支持構造を、従
来の可撓基板中心線上に配置する構成から、これを外周
部に配置する構成に変更することにより、温度変化によ
る可撓基板の上下変位が発生し難く、可撓基板と重錘体
との陽極接合箇所を従来の基板下面４ヶ所から中央１ヶ
所に変更して接合面積を最適値に調整し、さらに、電極
の配置をＸ，Ｙ，Ｚ軸用の全てを外周部に配置すること
により、実質的に周囲環境温度の変化、すなわち、熱変
形による影響を受けない静電容量型加速度センサが得ら
れる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、２軸以上の加速
度を同時に検出できる静電容量変化を利用した加速度セ
ンサの改良に係り、可撓基板を支持するビームを相互に
対向しないよう外周部に配置し、重錘体の接合を可撓基
板の中央部のみとし、さらに電極を各基板の外周部側に
配列することにより、周囲環境温度が変動しても、検出
加速度に対する出力が影響を受けない構成となし、使用
温度範囲が広く厳しい自動車等の用途に適用できる静電
容量型加速度センサに関する。

【０００２】

【従来の技術】静電容量型加速度センサとして、例え
ば、特開平４−１４８８３３号、特開平４−３３７４３
１号、特開平５−１８８０７９号には、固定基板と可撓
基板との各対向面に電極を着設して対向配置される静電
容量素子を複数設け、該基板面に平行なＸＹ平面を設定
しこれと直交するＺ軸のＸ，Ｙ，Ｚ軸３次元方向の加速
度の変化を、複数の静電容量素子間の静電容量変化に基
づき各Ｘ，Ｙ，Ｚ軸方向成分の検出を行う構成が提案さ
れている。

【０００３】例えば、図９Ａの斜視図に示すように、可
撓基板１０を支持するビーム１１（中心線を示す）を矩
形の可撓基板を中央部を残して４分割するする如く可撓
基板中心線上に十字型に配置する構成例では、所定の間
隔を設けて可撓基板に平行に配置した図示しない固定基
板と、図９Ｂに示すごとく、可撓基板１０との各対向面
にそれぞれ電極Ｘ₁，Ｘ₂，Ｙ₃，Ｙ₄，Ｚを着設して静電
容量素子Ｃ₁〜Ｃ₅を形成する構成からなる。また、可撓
基板の下面には適当な質量を有するガラス重錘体１２を
設けてある。

【０００４】詳述するとここでは、該対向面間の外周部
に４個、中央部に１個の電極を設けて、静電容量素子Ｃ
₁〜Ｃ₅を形成した構成、すなわち、電極面にて直交する
Ｘ，Ｙの２軸上に配置された各々２つの静電容量素子Ｃ
₁〜Ｃ₄と、前２軸の中央に静電容量素子Ｃ₅を配置した
構成からなる。

【０００５】上記の構成において、例えば、Ｘ軸方向に
加速度が加わった場合、固定基板と可撓基板との対向面
間の各電極間距離が変化することから、各静電容量素子
Ｃ₁〜Ｃ₄の静電容量が変化する。また、Ｚ軸方向に加速
度が加わった場合も同様に各静電容量素子Ｃ₁〜Ｃ₄の静
電容量が変化する。

【０００６】静電容量の変化より加速度の各成分の検出
は、例えば、Ｘ軸方向の加速度に対する出力として、静
電容量素子Ｃ₁とＣ₃の静電容量差（Ｃ₁−Ｃ₃）、Ｙ軸方
向の加速度に対する出力として、静電容量素子Ｃ₂とＣ₄
の静電容量差（Ｃ₂−Ｃ₄）、Ｚ軸方向の加速度に対する
出力として、静電容量素子Ｃ₅の静電容量（Ｃ₅）として
検出する。

【０００７】かかる静電容量型センサは、可撓基板は加
わった加速度に対し大きな変位が得られるほどセンサの
感 度が向上するため、検出感度を向上させることを目
的として、低剛性の支持構造を有し、また、加わる加速
度を増幅することを目的に可撓基板の支持構造より下方
に重心 点をずらした適当な質量を有する重錘体が設け
てある。

【０００８】例えば、高感度を有する静電容量型加速度
センサの具体的な構成をとして、実開平７−１４３８２
号、特開平５−２６４５７７号等があるが、これらにお
いては、前述した低剛性の支持構造を得るために、可撓
部を細く薄いビームにて構成することが提案されてい
る。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】可撓基板は、低剛性支
持されているため加速度以外の外乱に対しても非常に敏
感である。具体的には、周囲温度の変動により支持構造
部に熱応力が発生しそれに起因する可撓基板の変位が発
生し加速度が作用していないにも関わらず見かけ上出力
が生じる問題がある。

【００１０】十分な感度を得るためには加速度が作用し
たときの可撓基板の変形を大きくする必要から基板の質
量を大とする必要がある。このため可撓基板の厚さを厚
くする必要があるが、これを実施すると薄いビーム等の
支持構造を製作するに際し、下方より基板を深く掘り下
げる必要が生じ実製作上現実的でない。通常、より大き
な感度を得るために重錘体を別部品として可撓基板に接
合する構成が採用されるが、重錘体に基板とは熱膨張係
数の異なる素材を使用すると、周囲温度が変動したとき
接合面でのバイメタル現象により可撓基板にソリが生
じ、この結果、可撓基板の変位が発生し加速度が作用し
ていないにも関わらず見かけ上出力が生じる問題があ
る。

【００１１】通常、静電容量型加速度センサは、小型化
のため所謂マイクロマシニング技術を応用して製造され
ることが多く、一般に上記重錘体にパイレックスガラス
（商品名）を使用し、陽極接合にてシリコン基板に接合
する手法が取られるが、これを実施した場合、シリコン
とガラスの熱膨張係数の違いにより前述した可撓基板に
ソリが生じて変位を生じる問題が発生する。

【００１２】この発明は、２軸以上の加速度を同時に検
出できる静電容量変化を利用した加速度センサにおい
て、周囲環境温度が変動しても、検出加速度に対する出
力が影響を受けない構成となし、使用温度範囲が広く厳
しい自動車等の用途に最適な静電容量型加速度センサの
提供を目的とする。

【００１３】

【課題を解決するための手段】発明者は、周囲環境温度
が変動しても、検出加速度に対する出力が影響を受けな
い構成を目的に可撓基板のビームによる支持構造につい
て種々検討した結果、可撓基板のビームによる支持構造
を、従来の可撓基板中心線上に配置する構成から、これ
を外周部に配置する構成に変更することにより、温度変
化による可撓基板の熱変形を基板平面の回転方向に逃が
すことが可能で、基板厚みの上下方向の変位を低減でき
ることを知見し、この発明を完成した。

【００１４】また、発明者は、当該センサが基板と重錘
体を接合するためにバイメタル効果による変形が発生す
ることに着目し、これを低減あるいは実質的に悪影響を
及ぼすことがない構成を目的に種々検討した結果、可撓
基板と重錘体との陽極接合箇所を例えば、従来の基板下
面４ヶ所から中央部の１ヶ所のみに変更することにより
バイメタル効果による変形を低減できることを知見し、
さらに、所定の熱膨張係数差を想定して熱膨張係数の異
なる材質を接合した場合、その基板中央部の１ヶ所の接
合面積を最適値に調整することにより、バイメタル効果
及びビームの熱変形の相互作用により可撓基板上に静電
容量の増加の領域と減少の領域が設定されて静電容量の
増減がゼロとなり、バイメタル効果及びビームの熱変形
による可撓基板の変位による影響を実質的に防止したこ
とと等価になる、換言すれば、可撓基板上に静電容量の
増加の領域と減少の領域がほぼ同等に設定されて静電容
量の増減がゼロとなるように基板中央部の１ヶ所の可撓
基板と重錘体との接合面積を調整することにより、バイ
メタル効果及びビームの熱変形による可撓基板の変位を
実質的に防止できることを知見し、この発明を完成し
た。

【００１５】さらに、発明者は、ビームによる支持構造
並びに可撓基板と重錘体との接合を上述のこの発明によ
る構成となして、周囲環境温度変化による可撓基板の熱
変形による影響を受けない具体的な構成について鋭意検
討した結果、電極の配置を、従来のＸ軸、Ｙ軸加速度検
出用の４個を外周部に配置し、Ｚ軸加速度検出用を中央
部に配置した構成から、Ｘ，Ｙ，Ｚ軸用の全ての電極を
中央部を除く外周部に配置することにより、目的を達成
できることを知見し、この発明を完成した。

【００１６】すなわち、この発明は、ビームによる支持
構造を有する可撓基板と固定基板との各対向面に電極を
着設して対向配置される静電容量素子を複数設け、該基
板面に平行なＸＹ平面を設定しこれと直交するＺ軸の
Ｘ，Ｙ，Ｚ軸３次元方向の加速度の変化を、複数の静電
容量素子間の静電容量変化に基づき各軸方向成分の検出
を行う静電容量型加速度センサにおいて、可撓基板の外
周部にビーム配置する構成からなる静電容量型加速度セ
ンサである。

【００１７】また、この発明は、上記の構成において、
可撓基板に陽極接合される重錘体の接合箇所が基板中央
部一か所のみである静電容量型加速度センサ、基板の中
央部を除く外周部に電極を配列した静電容量型加速度セ
ンサ、を併せて提案するものである。

【００１８】

【発明の実施の形態】図１Ａ，Ｂはこの発明による静電
容量型加速度センサの可撓基板を示す斜視図と正面説明
図であり、図２はその電極の配置を示す上面説明図であ
る。シリコンからなる略正方形の可撓基板１は、その外
周部に中心線で位置を示す４つのビーム２により支持さ
れる構成で、可撓基板１の下面には適当な質量を有する
矩形板状のガラス重錘体３を可撓基板１の下面中央部の
一か所のみで陽極接合してある。図２中の符号４が接合
部を示す。

【００１９】所定の間隔を設けて可撓基板に平行に配置
した図示しない固定基板と、可撓基板１との各対向面に
それぞれ電極を着設して静電容量素子Ｃ₁〜Ｃ₅を形成す
る構成からなるが、ここでは図２に示すごとく、Ｘ軸、
Ｙ軸用の略台形状の電極Ｘ₁，Ｘ₂，Ｙ₃，Ｙ₄を組み合せ
て可撓基板１の外周部に配置し、さらに、Ｚ軸用電極Ｚ
はＸ軸用電極とＹ軸用電極の間に配設してある。

【００２０】前述した図９に示す従来構造では、ビーム
１１に熱変形が生じると、これら４本のビームは２本ず
つの２対が対向されて設置されているため、互いに押し
合いあるいは引き合いすることとなり、その結果、可撓
基板１０が上下に大きく変位する。すなわち、雰囲気温
度を２０℃から−４０℃へ変化させた場合の熱変形をＦ
ＥＭ解析によりシミュレートした結果を図１１、図１２
に示すとおり、支持構造のビームの変形及びバイメタル
現象が観察でき、変形量は０．３５μｍと変形が大きい
ことがわかる。

【００２１】これに対して、上述のビームを可撓基板の
中心線上に配置する従来構造から外周部に配置する構造
及び接合部を中央部一か所とする構造にした図１、図２
の構成からなるこの発明では、可撓基板における上述の
ＦＥＭ解析によるシミュレートで、図３、図４に示すと
おり、変形量は０．０３８μｍと変形が大幅に抑制され
ている。かかる効果は、ビームを外周部配置にしたこと
により図３、図４に示すとおり、ビームに変形（伸び、
縮み）が生じても互いに押し合い、引き合いが発生しな
いことに起因し、可撓基板は回転運動は生じても厚み方
向に変位することが抑制されており、又接合部を一か所
としたためバイメタル効果も抑制されているのがわか
る。

【００２２】上記したこの発明の構成、すなわち、可撓
基板のビームによる支持構造を外周部に配置する構成に
変更することにより、温度変化による可撓基板の熱変形
を基板平面の回転方向に逃がすことが可能で、厚み方向
に変位することが抑制できる。さらに、接合箇所を中央
１ヶ所に変更してその面積を最適値に調整するとバイメ
タル効果による可撓基板の反りによる影響についても抑
制でき、従来構造に比べ可撓基板の熱変形による影響が
大きく改善されることが明らかになった。

【００２３】しかし、上記したこの発明の構成、すなわ
ち、可撓基板のビームによる支持構造を外周部に配置す
る構成に変更すること、さらに、接合箇所を中央１ヶ所
に変更してその面積を最適値に調整することにより、従
来構造に比べ可撓基板の熱変形による影響は大きく改善
されたが、変形量が全くゼロになるものではないこと
は、図３、図４に示されるとおりである。さらに、この
発明は、この発明による上述の構造的変更によっても依
然として残る極僅かなこの変形について、図２に示すご
とく、電極をＸ，Ｙ，Ｚ軸用の全てを可撓基板の外周部
に領域分割線を跨いで配置することにより対処を行った
ことを特徴とする。本対処について以下に詳述する。

【００２４】図５のＢに可撓基板１の変形状態を模式的
に示すごとく、変形状態はビームの伸びもしくは縮みに
よる変形とバイメタル効果による変形が組み合わされた
状態となる。そこで、ビームによる支持構造を外周部に
配置する構成に変更し、可撓基板１のガラス重錘体３と
の接合面積を調整することにより、図５のＡに示すごと
く、基板１上の適当な箇所を通るある領域分割線５（２
点鎖線で示す）を介して、例えば、温度上昇時、外側は
初期状態から上方へ変形（静電容量値が増加）、内側は
下方に変形（静電容量値が減少）するよう、もちろん温
度下降時は、逆方向に変形するように構成することによ
り、可撓基板１上に静電容量の増加の領域と減少の領域
が設定されて静電容量の増減がゼロとなり、上記の変形
を実質的にゼロとすることが可能である。

【００２５】ここで、図５のＡにおいて、可撓基板１平
面がＸ−Ｙ軸上で基板厚み方向がＺ軸方向であるとし、
可撓基板１の熱による変形状態がＺ軸方向でＺ＝０の状
態の部分を表示したとすると、基板１上の２点鎖線で示
す部分となる。この発明ではかかる２点鎖線で示す部分
を領域分割線５という。

【００２６】すなわち、図６Ａに示すごとく、かかる領
域分割線が基板１の中心と各辺の中央よりやや外側を通
るように可撓基板１のガラス重錘体３との接合面積を調
整し、Ｘ軸、Ｙ軸用の略台形状の電極Ｘ₁，Ｘ₂，Ｙ₃，
Ｙ₄、及びＸ軸用電極とＹ軸用電極の間に配設するＺ軸
用電極Ｚの配置を、それぞれ領域分割線５を跨いで配置
し、かつ領域分割線５の外側と内側の面積をほぼ等しく
設定した。かかる構成により一つの電極内で熱変形が生
じても、温度上昇時の挙動例では領域分割線５外側部の
静電容量値が増加、内側部の静電容量値が減少して差し
引きは、ほぼゼロとなり、実質的に熱変形による影響を
受けないセンサを実現することができる。

【００２７】この発明による電極配置の他の実施例を説
明する。図６Ｂの電極配置は、図６ＡのＸ軸、Ｙ軸用の
略台形状の電極Ｘ₁，Ｘ₂，Ｙ₃，Ｙ₄の中央部に、矩形の
Ｚ軸用電極Ｚを配置した構成からなり、ここでも領域分
割線５を跨いで配置した各電極の領域分割線５の外側と
内側の面積をほぼ等しく設定してある。

【００２８】

【実施例】図１、図２に示すごとく、ビーム２を可撓基
板１の外周部に配置し、可撓基板１のガラス重錘体３と
の接合箇所を中央１ヶ所に変更して面積を最適値に調整
し、さらに電極をＸ，Ｙ，Ｚ軸用の全てを可撓基板の外
周部に配置した構成からなるこの発明による静電容量型
加速度センサに、実際に周囲温度を変動させて周囲温度
変動に伴う静電容量値の変化を測定し、加速度換算し
て、温度と０点温度ドリフトとの関係として図７に示
す。

【００２９】また、上記の図１、図２の構成において、
電極配置のみを図９Ｂに示す従来の配置とし、ビーム配
置とガラス重錘体の接合をこの発明の構成とした静電容
量型加速度センサの周囲温度変動に伴う静電容量値の変
化を測定し、加速度換算して、温度と０点温度ドリフト
との関係として図８に示す。

【００３０】さらに、図９に示す従来の静電容量型加速
度センサの周囲温度変動に伴う静電容量値の変化を測定
し、加速度換算して、温度と０点温度ドリフトとの関係
として図１０に示す。なお、上記３種のセンサに用いた
可撓基板材料はシリコン、重錘体材料はパイレックスガ
ラスである。

【００３１】前述の図９に示された従来の構造では、図
１０に示すごとく、温度の変動により容量値が変動し見
かけ上加速度が発生しているのがわかる。また、ビーム
配置とガラス重錘体の接合をこの発明の構成とした場合
は、図８に示すごとく、この発明の構成が有効に作用し
て温度特性が改良されていることがわかる。さらに、図
１、図２のビーム配置、ガラス重錘体の接合並びに電極
配置をこの発明の構成とした場合は、図７に示すごと
く、周囲環境温度が変動しても、検出加速度に対する出
力が影響を受けないことがわかる。

【００３２】

【発明の効果】この発明による静電容量型加速度センサ
は、可撓基板を支持するビームを相互に対向しないよう
外周部に配置し、重錘体の接合を可撓基板の中央部のみ
とし、さらに電極を各基板の外周部側に配列することに
より、周囲環境温度が変動しても、検出加速度に対する
出力が影響を受けない構成であり、自動車用途等の周囲
温度変動の大きな用途で使用可能な高精度のセンサが提
供できる。また、この発明では、従来のセンサにおいて
必要であった電気回路による温度補償が不要となること
から、構成が簡単なセンサを安価に提供できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】Ａはこの発明による静電容量型加速度センサの
可撓基板を示す斜視説明図であり、Ｂは可撓基板を示す
側面説明図である。

【図２】この発明による静電容量型加速度センサの可撓
基板の電極の配置を示す平面説明図である。

【図３】この発明による静電容量型加速度センサの温度
変化に伴う熱変形をＦＥＭ解析によりシミュレートした
結果を示す説明図であり、Ａは斜視方向、Ｂは平面方向
の変形の説明図である。

【図４】この発明による静電容量型加速度センサの温度
変化に伴う熱変形をＦＥＭ解析によりシミュレートした
結果を示す説明図であり、Ａは温度が２０℃、Ｂは温度
が−４０℃のとき、Ｚ軸（図の上下方向）に１Ｇ（地球
重力）がかかった状態での変形を示す。

【図５】静電容量型加速度センサの温度変化に伴う変形
状態を模式的に示す説明図であり、Ａは平面、Ｂは厚み
方向の変形を示す。

【図６】Ａ，Ｂは、この発明による静電容量型加速度セ
ンサの可撓基板の電極の他の配置を示す平面説明図であ
る。

【図７】この発明による静電容量型加速度センサの周囲
温度変動に伴う静電容量値の変化を測定し、加速度換算
して、温度と０点温度ドリフトとの関係として示すグラ
フである。

【図８】この発明による静電容量型加速度センサの周囲
温度変動に伴う静電容量値の変化を測定し、加速度換算
して、温度と０点温度ドリフトとの関係として示すグラ
フである。

【図９】Ａは従来の静電容量型加速度センサの可撓基板
を示す斜視説明図であり、Ｂは電極の配置を示す平面説
明図である。

【図１０】従来の静電容量型加速度センサの周囲温度変
動に伴う静電容量値の変化を測定し、加速度換算して、
温度と０点温度ドリフトとの関係として示すグラフであ
る。

【図１１】従来の静電容量型加速度センサのの温度変化
に伴う熱変形をＦＥＭ解析によりシミュレートした結果
を示す説明図であり、Ａは斜視方向、Ｂは平面方向の変
形の説明図である。

【図１２】従来の静電容量型加速度センサの温度変化に
伴う熱変形をＦＥＭ解析によりシミュレートした結果を
示す説明図であり、Ａは温度が２０℃、Ｂは温度が−４
０℃のとき、Ｚ軸（図の上下方向）に１Ｇ（地球重力）
がかかった状態での変形を示す。

【符号の説明】

１，１０ 可撓基板 ２，１１ ビーム ３，１２ ガラス重錘体 ４ 接合部 ５ 領域分割線 Ｘ₁，Ｘ₂，Ｙ₃，Ｙ₄，Ｚ 電極 Ｃ₁，Ｃ₂，Ｃ₃，Ｃ₄，Ｃ₅ 静電容量素子

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ビームによる支持構造を有する可撓基板
   と固定基板を対向配置した静電容量型加速度センサにお
   いて、可撓基板の外周部にビーム配置する構成からなる
   静電容量型加速度センサ。
2. 【請求項２】 請求項１において、可撓基板に陽極接合
   される重錘体の接合箇所が基板中央部一か所のみである
   静電容量型加速度センサ。
3. 【請求項３】 請求項１または請求項２において、基板
   の中央部を除く外周部に電極を配列した静電容量型加速
   度センサ。