JPH116843A - 加速度センサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】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し、信頼性を向上させる。 【解決手段】可動電極板１１が図１１の上下方向への力
を受けたとき、可動電極板１１の端面がキャップ２１５
の内壁面に当接し、可動電極板１１のそれ以上の移動が
阻止され、弾性変形内にとどまり、可動電極板１１の塑
性変形が防止される。

Description

【発明の詳細な説明】

【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１
２，１３、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１１１，１２１，１３１，１４
２，１５２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１
４，１５（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１
４，１５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１４
２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１４
２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１４
６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１
４１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１
４，１５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１
４７，１５７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１
４，１５の表面側への通路は存在せず、固定電極板１
４，１５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１４９，１
５９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２
１１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１
１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１４
９，１５９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２１３，２
１４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２１３，２
１４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１４
９，１５９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２１
７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１
４１，１５１（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１
４，１５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１
４，１５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２
１５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２
１５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)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項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
   止部材を備えことを特徴とする加速度センサ。
2. 【請求項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。