JPH028750A - 加速度センサ及びその製造方法 - Google Patents

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】 本発明は、１平面上で振幅可能な質量を有し、この質量
に第一の電気的接点要素を設け、前記平面上で第二の多
数の電気的接点要素により前記質量を取り囲み、第二の
電気的接点要素の１個又は複数個が所定の加速度限界値
を超えると前記平面上で測定すべき加速度の方向に依存
して第一の電気的接点要素が接触するようにした、複数
の座標方向で加速度を測定する加速度センサに関する。

前記形式の加速度センサがドイツ特許公開明細書第２１
　２２　４７１号により知られている。

本発明は更に前記形式の加速度センサを製造する方法に
関する。

加速度センサは各種構成のものが知られている。

周知の加速度センサは概ねばね・質量系を利用して作動
し、作用する加速度により質量が振れ、この振幅がアナ
ログ電気信号に変換される。

更に、特定の加速度限界値を超えたかどうかを表示する
だけの二進測定特性を有する加速度センサが知られてい
る。これに加え一方でアナログ式センサを電子スイッチ
ング手段、特に比較器と接続し、こうして限界値を超え
たことを検出することが知られている。だが他方、その
設計構造に基でき既に測定機構内で、加速度の所定の限
界値を超えたときのみ特定の論理信号を発生するよう設
計された加速度センサも知られている。

冒頭挙げたドイツ特許公開明細書第２１２２４７１号に
より周知の検出装置では円板状導電ベース上に金属球が
配設しである。ベースが中央に穴を備え、穴の直径は球
の直径より小さい。穴の下方に磁石が位置する。静止状
態のとき球は穴の口内にあり、更に磁石によりこの静止
位置で固定される。球の上方には切頭円錐面に沿って分
散配設した接点要素の回転対称な冠が位置する。静止状
態のときこれらの接点要素は球から離間している。加速
度が働いて球が静止位置から振れると球。

磁石間の摩擦結合が中断し、球は導電ベース上を横に、
加速度又は減速度の作用する方向に転動する。特定の進
路を経た後、球の表面が接点要素の一つに当接する。す
ると球はそれ自身導電材料からなるので当該接点要素と
ベースとの間の電気回路を閉じ、どの接点要素に接触し
たかに応じて球の進路方向、従って加速度の方向を検知
することができる。

しかし周知の検出装置では、欠点として、球が磁石によ
り固定された静止位置から接触位置に至る進路上では案
内されておらず、球が進路上で別の力を受けると、この
力は、変位中球が何らの保持力によっても制限されてい
ないことから球の運動路に重大な影響を及ぼすので、障
害を排除することができない。更に球の静止位置が比較
的不安定であり、周知の検出装置では結局−つの取付位
置を構成できるだけであり、導電ベースは水平面上に位
置する。

欧州特許公開明細書箱２５１　０４８号により周知のセ
ンサでは１個の光ファイバと１個の質量とにより形成し
た振子が使用してあり、光ファイバより放射した光線を
面に当て、衝突箇所が所定の円形面のなかにあるか（等
方性測定）又は楕円面のなかにあるか（異方性測定）が
監視される。

更に機械式ばね・質量系を有する加速度センサが知られ
ており、そこでは可動検出素子の進路全体にわたって質
量が周囲に対し機械的に結合してあり、それ故質量は静
止位置から振れ位置に至る進路上で機械的に案内される
。しかしこの形式の周知センサでは検出素子の振れ方向
が設計上決まっている。

そこで、複数の座標方向で加速度を測定するため２個又
は３個のセンサを使用することも既に提案されており、
そこではばね・質量系の質量がその都度１座標方向に振
れることができる。こうして生成したアナログ電気信号
がこの周知の加速度・ベクトルセンサでは電子スイッチ
ング手段を利用してベクトル加算され、量及び方向別の
表示及び評価が可能である。

一次元又は多次元測定用の加速度センサは多種多様な適
用範囲で使用される。二進式加速度センサは主に、例え
ば自動車の乗員安全システムにおいて極限状況を検知し
、つまりエアバッグ又はベルト緊張器を解除するのに役
立つ。そして又、かかる二進式加速度センサを機械設備
の監視用に使用し、例えば機械又は設備が許容外の自己
共振に落ち入ったことを検出することも知られている。

以上挙げた種類の適用事例の多くでは、所定の加速度方
向において特定の加速度限界値を超えたかどうか又は所
定の限界値を超える加速度がどの方向で現れたかを監視
する必要がある。その際−般に、厳しいスペース事情の
下でも信頼の置ける障害のない測定を可能とするためで
きるだけ少ない点数の簡単な部品を使ってできるだけ小
寸法で加速度センサを実現したいとの要望がある。

ドイツ特許公開明細書箱３５　２０　３８３号により、
自動車の衝突事故のとき利用するクラッシュ指示器も知
られている。この周知指示器でもやはり球形接点要素が
使用してあり、外側の上昇した球冠の中心に接点要素が
配設しである。加速度又は減速度が作用すると球は加速
度及び減速度の作用方向で外方及び上方に転動する。球
冠が多数の環状に配設した接触路を備えており、球の運
動経路を量及び方向別に測定できるよう接触路はセクタ
状に細分しである。

但しこの周知のクラッシュ指示器も、ドイツ特許公開明
細書箱２１　２２　４７１号により周知の検出装置につ
いて既に先に述べた欠点を有する。

次に、本来の測定系を離散的機械要素から組み立てるの
でなく、むしろ化学プロセスによりこの測定系を形成す
る加速度センサ製造方法も知られている。

Ｕ　Ｓ　−Ｚ　−Ｉ　Ｅ　Ｅ　Ｅ　’Ｔｒａｎｓａｃｔ
１ｏｎｓ　ｏｎａ！ｅｃｔｒｏｎ　ｄｅｖｉｃｅｓ　　
、　ｖｏｌ、ＥＤ−２６，Ｎｏ、１２゜１９７９年１２
月、１９１１〜１９１７頁により、加速度センサをシリ
コン基板からエツチング法により形成することが知られ
ている。

しかしこの周知方法では加速度センサをシリコン技術で
形成できるにすぎない。しかしシリコンはセラミック材
料としては剛性がきわめて高いので、応答挙動を適宜に
設計しなければならない。

その外、このセラミック材料の剛性の故、センサ素子が
振動に落ち入る危険がある。

そこで本発明は、動作信頼性がきわめて高く、寸法がご
（小さく、任意の取付位置で使用することができ、しか
も簡単に製造可能な加速度センサを実現することができ
る冒頭述べた形式の加速度センサ及びその製造方法を示
すことを目的とする。

この目的が、冒頭述べた加速度センサにおいて本発明に
より、質量を機械的ばね・質量系の一部とし、該系を片
側を固定した捩り棒として構成し、その遊端に第一の電
気的接点要素を設けることにより達成される。

本発明の根底にある目的がこうして簡単に達成されるが
、それは、機械的ばね・質量系を使用することで、可動
質量が絶えず案内され、可動センサ素子をその運動範囲
全体にわたって確実に案内することが保証されるからで
ある。本発明により捩り棒を使用する場合このことは捩
り棒の振られた遊端を、捩り棒を固定した板に絶えず機
械的に結合することにより行われる。本発明による加速
度センサは更に、捩り棒が垂直か水平か又は地球の中心
に対し任意方向を向いているかには拘りなく捩り棒配列
が働（ので、取付位置で任意に使用することができる。

第二の電気的接点要素は円形進路上で第一の接点要素の
周囲に配設するのが普通好ましいのではあるが、本発明
の好ましい実施例では、第二の電気的接点要素を楕円形
進路上で第一の接点要素の周囲に配設することができる
。

この措置の利点として、電気的接点要素を互いに結ぶた
めさまざまな方向で各種の進路を橋絡しなければならな
いとき、平面上での加速度の方向に依存して自由に設定
できる加速度限界値の重み付けを既にセンサそのものの
なかで行うことができる。

その際、楕円形進路に代え別の任意の非円形進路も勿論
使用することかできるので、上記文脈において楕円形進
路の形状は単なる例と理解すべきであることは自明であ
る。

本発明による加速度センサの特に好ましい実用的実゛施
例では、ばね・質量系が片側を固定した捩り棒として構
成し、その遊端に第一の電気的接点要素が設けである。

この措置の利点として構造が極端に単純になり、捩り棒
が唯一の可動要素として働き、個々の適用事例で望まれ
るところに応じて適宜に寸法付与し、造形しそして材料
を選択することにより捩り棒の曲げ剛性を広範に、特に
ミクロ単位で調整することができる。

上記実施例の１展開では、捩り棒が内部摩擦の高い材料
、特に合成樹脂からなり、少なくともその遊端に環状メ
タライジングを備えている。

この措置の利点として、使用物質の内部摩擦が高い結果
捩り棒の自己共振が大幅に抑制される。

環状メタライジングの利点として、捩り棒用に非導電物
質を使用するにも拘らず、簡単な技術的製造工程で全面
の接触化を達成することができる。

本発明の実施態様では、捩り棒が円筒体として構成しで
ある。

この措置もやはり、片側を固定した円筒形捩り棒がどの
振れ方向でも均一剛性で働くので応答挙動が等方性であ
るという利点を有する。

その代案では、捩り棒が楕円形横断面の円筒として構成
しである。

この措置によっても応答挙動の所定の異方性を達成する
ことができ、ここでも楕円形横断面という゛のは多数の
非円筒針造形の１例である。

本発明の格別好ましい実施例では、第二の電気的接点要
素を剛性バーとして構成し、これが捩り棒とともに共通
の基板上に配設しである。

この措置の利点としてやはり、ごく簡単に製造でき、又
構造が単純なため障害に対し格別強いきわめて単純な構
造が得られ、極端な場合にはモノリシック構造さえ得ら
れる。

上記加速度センサの別の実施態様では、バーが金属材料
からなる。

この措置の利点として、捩り棒がバーに接触したことは
バーに付加的に接点要素、配線等を設けなくてもバーか
ら任意に電圧を取り出すことにより検知することができ
る。

本発明の更に別の実施例では、第二の電気的接点要素が
、捩り棒を取り囲んだ管の内面に導体路として配設しで
ある。

この措置の利点として、作用する加速度に対し特に良好
に耐える剛性構造を内面に有する第二の電気的接点要素
が配設しである。導体路を管の内面に取り付ける利点と
して、ごく狭い導体路を設けることでごく微細な段階付
けを行うことができ、加速度ベクトルの測定時角度の分
解能が格別高くなる。

本発明の更に別の実施例では、第一の電気的接点要素が
第二の電気的接点要素の一つに接触することから、電気
的評価装置がばね・質量系の振れ角に対応した電気信号
を生成する。

この措置の利点として、適宜な変換処理により、例えば
自動車のボードに設けた通常のデータ処理装置内で継続
処理可能なディジタル信号を直接用意することができる
。

この変種の１展開では、２個以上の第二の隣接した電気
的接点要素に接触すると電気的評価装置が信号として中
間値を形成する。

この措置の利点として、簡単な手段で角度精度の分解能
を高めることができる。

本発明の枠内で特に好ましいのは、捩り棒１２の長さが
太さの２００〜１０００倍、特に５００倍であり、太さ
が１〜１０μｍ１好ましくは５μｍである超小型の加速
度センサである。

上記形式の加速度センサにおいて、本発明の根底にある
目的は、捩り棒、剛性バー又は管及び基板をリソグラフ
ィ・電気めっき成形法（ＬＩＧＡ）により製造する製造
法によっても達成される。

ＬＩＧＡ法の詳細については１９８５年１１月刊のカー
ルスルーエ核研究センタのＫｆＫ報告磁３９９５　ｒ・
・・微細構造の製造」に記載しである。

この措置の利点として、上述の構造を高い精度で、だが
同時にほぼ任意に造形して、特にミクロ単位で多数の考
えられる原料、特に金属、合成樹脂又はセラミックから
製造することができる。考えられる造形が多数にのぼる
ことからこの場合特定の特性を予め与えることができ、
こうして製造した加速度センサの応答挙動は個々の事例
の要求条件に応じてほぼ任意に変えることができる。

その他の利点は以下の説明及び添付図面から明らかとな
る。

上記特徴及び以下なお説明する特徴は勿論その都度挙げ
た組合せにおいてだけでなく、本発明の枠から逸脱する
ことなく別の組合せ又は単独でも適用することができる
。

本発明の実施例を図面に示し、以下詳しく説明する。

第１図において１０は、デカルト座標ｘ＋Ｙにより形成
した平面で加速度すをベクトル計測するのに利用できる
ような加速度センサの全体である。

この加速度センサ１０が共通の基板１１を有し、この基
板内で円筒形の捩り棒１２が片側だけ固定しである。円
形進路上で捩り棒１２の周囲に配設された接触バー１３
〜２０は長さが捩り棒１２と概ね同じであり、３６０″
の円周上に例えば８本の接触バーを分散させることがで
きる。しかし勿論使用事例や希望する分解能に応じてそ
れより少ない接触バー又は多い接触バーを捩り棒１２の
周囲に配設することもできる。

矢印２１は捩り棒１２に加速度すが作用して捩り棒が振
れる方向を示唆しており、この方向に加速度ベクトルも
向いている。捩り棒１２の遊端が振れる程度は加速度す
の量に一致する。加速度すのこの量が捩り棒１２及び接
触バー１３〜２０の寸法及び材料選択に依存した値を超
えると、捩り棒１２はその遊端が接触バー１３〜２０の
うちの１本又は２本に接触するほどに振れる。捩り棒１
２が接触バー１３〜２０のうちの１本又は２本に接触す
ることで電気接点が閉じるよう配置しである場合、この
状態を選択的に検知することができる。

勿論接触バー１３〜２０は、加速度が作用したときそれ
自身も変形することのないよう弾性捩り棒１２より剛性
に構成するのが望ましい。

第１図の配置の、第２図に示す平面図の形かられかるよ
うに、捩り棒１２は好ましくは合成樹脂からなり、その
周面にメタライジング２８を設けるこ゛とができる。そ
れに対し接触バー１３〜２０は接触バー１５に示唆した
ように好ましくは金属系から構成してあり、メタライジ
ング２８が金属製接触バー１３〜２０のうちの１本又は
２本に接触することで電気接点の閉を簡単に検出するこ
とができる。

このためメタライジング２８が加速度センサ１０の第一
接続端子３０に接続しである一方、接触バー１３〜２０
は第２図に詳しく認められるように接続端子３１〜３８
と結ばれている。

第２図には更に捩り棒１２に斜め右下方向に加速度すが
作用する事例が記載してあり、この加速度の量は捩り棒
１２をそれが丁度接触バー１５に当接することになる位
置に振るような大きさである。従ってこの場合接続端子
３０．３５間の接触を検出することができる。

第３図に示す変形態様の加速度センサ１０ａでは捩り棒
１２ａが円筒形の造形ではなくむしろ楕円形横断面の円
筒として構成しである。第３図に示す配置においてこの
ことは例えば接触バー２０ａと接触するのに上向きの加
速度すが超えねばならないのは小さな限界値にすぎない
ことを意味しており、このことが第３図には捩り棒１２
ａが振れたものとして示してあり、他方第３図において
右又は左に振れる場合には接触に至るまでにそれよりか
なり高い加速度限界値を克服しなければならない。その
原因は次の点にある。すなわち楕円形横断面の捩り棒の
片側を固定した場合、知られているように振れがその面
慣性モーメントに依存し、楕円形横断面の捩り棒の場合
このモーメントが２つの主軸方向では主軸の長さの３乗
に依存している。

異方性測定特性を有する加速度センサの別の変形態様が
第４図に示しである。

この変形態様ではやはり円筒形捩り棒１２ｂが楕円形横
断面の管４０の中心に位置し、管の内面に導体路４１が
設けである。

この場合捩り棒１２ｂに例えば第４図で斜め右トを向い
た加速度すが作用すると、第４図から直接読み取れるよ
うに角度に依存した一定のたわみを行°った後、接触位
置１２ｂが達成される。

これまで円筒形又は楕円形の形状のみ説明してきたが、
勿論これは単なる例と理解すべきであり、別方向の加速
度値に対し成る方向の加速度値に重み付けを行うため、
捩り棒１２の横断面に関しても又周囲の電気接点の配置
に関しても別の造形を選択することは勿論可能である。

第５図にごく概略示した評価装置５０は入力端子５１と
出力端子５２を有する。入力端子５１の一つに接続した
電圧源５３は例えば第２図に示す配置の接続端子３０と
結ぶことができる。この場合捩り棒１２のメタライジン
グ２８が正電圧を通し、この電圧は次に、接触バー１３
〜２０のどれが捩り棒１２と接触したかに応じて接続端
子３１〜３８のうちの１個又は２個に現れる。

出力端子５２に信号が現れるのは捩り棒１２、接触バー
１３〜２０間が接触したとき、つまり所定の加速度限界
値の一つを超えたときであり、そして出力端子５２に通
常の符号化、例えばＢＣＤ符号化で、加速度すの作用方
向に合わせて捩り棒１２が振れた角度、αの尺度である
ビットパターンが現れる。

最後になお第６図に示した真理値表に接続端子３１・・
・の状態が記入しである。

第６図の真理値表の第−行には、すべての接続端子３１
・・・に負の論理信号がある状態が記載しである。これ
は正電圧の印加された捩り棒１２と接触バー１３〜２０
との間で何らの接触も起きないことを意味する。それ故
捩り棒１２は全く振れていないか又は測定不可能な方向
に振れているかのいずれかである。

接続端子３１に正の論理信号が現れると、これは第１図
の角度定義においてｙ軸に対する振れ角が０°であるこ
とを意味する。次に角度が多少大きくなって２２．５°
になると、隣接した２本の接触バー、つまりバー１９と
２０で接触が起き、接続端子３１．３２には正の論理信
号が現れる。

角度αが増すのに伴いこの状態が継続し、つまりまず接
続端子３２にのみ正の論理信号が現れ、次に接続端子３
４だけ、等々に現れる。こうして４５”　　６７．５°
　９０″等の角度を検知することができる。これは捩り
棒１２の周囲に単に８本の接触バー１３〜２０が配設し
である事例に関係している。第４図にごく細い導体路４
１で示唆したように接点数が適宜に多くなると当然それ
に応じて角度測定の分解能を向上することができる。

上記形式の加速度センサは有利にはりソグラフィ・電気
めっき成形法（ＬＩＧＡ）により、或は又シリコン・エ
ツチング技術により製造することができる。捩り棒の遊
端にサイズモ質量を付加的に取り付けると応答速度が低
下し又自己共振の傾向が強まるが、こうして捩り棒の寸
法を極端に小さくすることができ、その必要がなくなる
。ＬｌＧＡ法を適用すると材料の選択が大幅に自由とな
り、金属、合成樹脂又はセラミックから希望する構造を
製造することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による加速度センサの１実施例を示す斜
視図。 第２図は第１図の加速度センサに本発明による配線を加
えた平面図。 第３図は別の実施例の加速度センサを第２図とと同様に
示す図。 第４図は更に別の実施例の加速度センサを第２図と同様
に示す図。 第５図は本発明により使用する評価装置の概略ブロック
線図。 第６図は第２図に示す加速度センサの測定信号を評価す
るための真理値表。 ａ・・・・・・・・・・・・・・・方　向ｂ・・・・・
・・・・・・・・・・加速度１２・・・・・・・・・・
・・捩り棒 １３〜２０・・・剛性バー 手 続 補 正 書 （自発）

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 　１）１平面（ｘ／ｙ）上で振幅可能な質量を有し、こ
   の質量に第一の電気的接点要素を設け、前記平面（ｘ／
   ｙ）上で第二の多数の電気的接点要素により前記質量を
   取り囲み、第二の電気的接点要素の１個又は複数個が所
   定の加速度限界値を超えると前記平面（ｘ／ｙ）上で測
   定すべき加速度（ｂ）の方向（ａ）に依存して第一の電
   気的接点要素が接触するようにした、複数の座標方向（
   ｘ，ｙ）で加速度（ｂ）を測定する加速度センサにおい
   て、前記質量が機械的ばね・質量系の一部であり、該系
   が片側を固定した捩り棒（１２）として構成してあり、
   その遊端に第一の電気的接点要素が設けてあることを特
   徴とする加速度センサ。 　２）請求項１記載の加速度センサにおいて、第二の電
   気的接点要素が非円形、特に楕円形の進路上で第一の接
   点要素の周囲に配設してあることを特徴とする加速度セ
   ンサ。 　３）請求項１又は２記載の加速度センサにおいて、捩
   り棒（１２）が内部摩擦の高い材料、特に合成樹脂から
   なり、少なくともその遊端に環状メタライジング（２８
   ）を備えていることを特徴とする加速度センサ。 　４）請求項１〜３のいずれか１項又は複数項記載の加
   速度センサにおいて、捩り棒（１２）を円筒体として構
   成したことを特徴とする加速度センサ。 　５）請求項１〜３のいずれか１項又は複数項記載の加
   速度センサにおいて、捩り棒（１２）を非円形、特に楕
   円形横断面の円筒として構成したことを特徴とする加速
   度センサ。 　６）請求項１〜５のいずれか１項又は複数項記載の加
   速度センサにおいて、第二の電気的接点要素を剛性バー
   （１３〜２Ｏ）として構成し、これを捩り棒（１２）と
   ともに共通の基板（１１）上に配設したことを特徴とす
   る加速度センサ。 　７）請求項６記載の加速度センサにおいて、バー（１
   ３〜２０）が金属材料からなることを特徴とする加速度
   センサ。 　８）請求項１〜５のいずれか１項又は複数項記載の加
   速度センサにおいて、第二の電気的接点要素を、捩り棒
   （１２）を取り囲んだ管（４０）の内面に導体路（４１
   ）として配設したことを特徴とする加速度センサ。 　９）請求項１〜８のいずれか１項又は複数項記載の加
   速度センサにおいて、第一の電気的接点要素が第二の電
   気的接点要素の一つに接触することから、電気的評価装
   置（５０）がばね・質量系の振れ角（α）に対応した電
   気信号を生成することを特徴とする加速度センサ。 　１０）請求項９記載の加速度センサにおいて、電気的
   評価装置（５０）が、２個以上の第二の隣接した電気的
   接点要素に接触すると、信号として中間値を形成するこ
   とを特徴とする加速度センサ。 　１１）請求項１〜１０のいずれか１項又は複数項記載
   の加速度センサにおいて、捩り棒（１２）の長さが太さ
   の２００〜１０００倍、好ましくは５００倍であり、太
   さが１〜１０μｍ）好ましくは５μｍであることを特徴
   とする加速度センサ。 　１２）請求項６〜１１のいずれか１項又は複数項記載
   の加速度センサ（１０）を製造する方法において、捩り
   棒（１２）、基板（１１）及び剛性バー（１３〜２０）
   又は管（４０）をリソグラフィ・電気めっき成形法（Ｌ
   ＩＧＡ）により製造することを特徴とする方法。