JPH0432773A - 半導体加速度センサとそれを用いたエアバックシステムおよびサスペンション制御システム - 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】 〔産業上の利用分野〕 本発明は半導体加速度センサの小型化と測定精度の向上
を図った構成と、それを用いて車両制御システムに関す
る。

〔従来の技術〕

従来の半導体加速度センサ、特に半導体静電容量式加速
度センサや半導体静電サーボ式加速度センサでは、特開
昭６２−２７６６６号公報に記載のように、慣性体の表
面及び上下の絶縁基板上の前記慣性体に対向した電極面
は、導電面で構成され、これが直接露出していた。

〔発明が解決しようとする課題〕

上記従来技術は、加速度検出中に衝撃などによって定格
以上の加速度がセンサに働くなど、何らかの理由によっ
て慣性体表面の導電面が対向した電極面に接触した場合
、短絡が起こり微小な接触部に大きな密度の電流が流れ
る。その結果、接触部は発熱し、導電材料が溶融して両
導電面が互いに接着する。いわゆる溶着現象によって加
速度の検出が不可能になる場合がある。

また、センサの製作工程に人体等に帯電していた静電気
がセンサに移り、慣性体と電極面間に高電圧が働き、静
電気力によってこれらが接触して短絡電流が流れ溶着す
る場合があり、センサの歩留まりを悪くしコストアップ
の要因となっていた。

上記欠点を防止する一方法として、慣性体と固定電極間
の空隙を大きくすることが考えられるがこの方法ではセ
ンサの検出感度や、検出精度が低下するという問題が有
る。

さらに、所望の減衰力が慣性体に働かなければ共振周波
数で慣性体は大きな振幅で振動することとなり、加速度
の測定範囲が限定されると共に、高精度に加速度を計測
することができなくなる等の問題があった。

本発明の目的は、半導体静電容量式や半導体静電サーボ
式の加速度センサにおいて、上記のような溶着によるセ
ンサの動作不良を防止し、さらに任意の振動減衰力を与
えることができる半導体加速度センサを提供すると共に
、車両等の小スペースで加速度を高感度かつ高精度に測
定し制御するシステムに実現することにある。

〔課題を解決するための手段〕

上記目的を達成するために、導電性の慣性体表面又は慣
性体に対向する上下の絶縁基板上に設けた導電面表面の
一方または両方の少なくとも一部を電気的絶縁材料で覆
った。

さらに、上記目的はたとえ両導電面が接触して、接触部
分に大きな密度の電流が流れても溶着しないような導電
材料を選択することによっても達成できる。

また、慣性体表面に設ける絶縁材料を所定の間隔をあけ
る等の方法で慣性体表面に凹凸を設けることにより所定
の振動減衰力が得られるようにした。

〔作用〕

導電面の表面に電気的絶縁層を設けたり、慣性体や固定
電極を大きな電流密度の電流が流れても溶着しない材料
を使用することにより溶着を防止することができる。

さらに、前記電気的絶縁層を導電面表面より高くし導電
面に凹凸を付け、表面粗さを適当に選定すれば、慣性体
と固定電極間の気体の摩擦力が変化することにより慣性
体の振動減衰力を任意に与えることができる。

〔実施例〕

以下、本発明の一実施例を第１図と第２図を用いて説明
する。

第１図は本発明の半導体加速度センサの断面図と静電サ
ーボ式加速度センサとして用いる場合の制御回路を示し
ている。第１図において、半導体のシリコン板１と２枚
の絶縁板２，３の積層体構造となっている。半導体のシ
リコン板１には異方性エツチングによってカンチレバー
４と慣性体（可動電極）５が形成されている。慣性体５
は電極としての機能を持ち、その上下の表面には電気的
絶縁層６，７が形成されている。この電気的絶縁層６，
７は酸化シリコンや窒化シリコンなどの材料で形成され
る。

さらに、絶縁板２，３の慣性体５に対向する部分には、
金属などの導体で薄膜状上の電極（固定電極）８，９が
形成されている。慣性体５と上下の電極８，９との間に
は微小な空隙が設けられている。慣性体５と上側電極８
、および慣性体５と下側電極９とはそれぞれ一対のコン
デンサを形成している。

第２図は半導体のシリコン板１の平面図である。

図のように慣性体５の上面および下面の全面に電気的絶
縁層６，７が設けられ、慣性体５より細いカンチレバー
４によりシリコン板１の本体に結合されている。

次に本発明の動作を第１図を用いて説明する。

第１図に示したセンサの上下方向に加速度が加わると、
慣性体５には慣性力が働き、カンチレバー４がたわんで
、センサに作用する加速度とは逆方向に慣性体５が変位
する。その結果、慣性体５と絶縁板２，３に設けた電極
７，８との間の空隙の大きさに変化し、上下の２つの電
極と慣性体で形成されるコンデンサの静電容量が変化す
る。

一般に静電容量はＣ＝εＳ／ｄ　（ε：電極間に存在す
る物質または真空の誘電率、Ｓ：電極の面積、ｄ：空隙
の大きさ） の関係式より求めることができる。

静電容量式加速度センサは、この静電容量の加速度依存
性から、加速度検出回路１０で加速度を検出するもので
ある。また、第１図に示す静電サーボ式加速度センサで
は加速度検出回路１０において、上下２つの電極と慣性
体で形成される２つのコンデンサの静電容量Ｃ１，Ｃ，
の差ΔＣを検出器１０１で検出し、この静電容量の差へ
Ｃを増幅器１０２で増幅し、センサに働く加速度に依存
せずこの信号が零となるようにパルス幅変調器１０３を
制御する。すなわちパルス幅変調器１０３の出力電圧お
よびこれを変換器１０４で変換して得られた電圧を上下
の電極８，９に印加して慣性体５と上下の電極８，９の
間に働く静電気力によって慣性体５の変位が常に一定に
なるようパルス幅の制御をする。そして、前記パルス幅
変調器１０３の出力信号をローパスフィルタ１０５＆介
して増幅器１０６に入力しその出力から加速度を求める
ものである。

本実施例によれば、慣性体５の両面が完全に電気的絶縁
層で覆われているために、動作中に何らかの原因で慣性
体５が上下の電極８，９に強く接触しても、その間に電
流が流れることがなく、溶着は起こらないという効果が
ある。

ところで、上記実施例のように慣性体５又は上下の電極
８，９の全表面に電気的絶縁層を設け、かつ電気的絶縁
層の表面が平坦で鏡面状態である場合には、なんらかの
原因で慣性体５と上下の電極８または９が接触したとき
接触面間に存在する気体が外部に押し出され、負圧が発
生するなどして慣性体と上下の電極が付着して動作不良
になる可能性がある。そこで、このような現象を防止す
るため電気的絶縁層の面積をできるだけ小さくする必要
がある。

第３図は慣性体上に電気的絶縁層を設けた場合の第２の
実施例であり、何らかの力で慣性体５が変化した場合、
上下の電極８，９に最も接触しやすい位置とその近傍に
電気的絶縁層６，７を形成した場合の例である。

図のように片持ち梁では、慣性体５の変位が徐徐に大き
くなっていった場合に、慣性体５の表面のうちカンチレ
バーと逆方向の場所が最初に上下電極面８，９に接触す
る。したがって、この場所とその近傍に電気的絶縁層６
，７を設ければ、慣性体の変位が十分大きくない時には
、＃ＩＡｍ層のみが接触することとなり、電気的な絶縁
効果がある。

第４図に第３の実施例を示す。

シリコンのエツチングによって慣性体５を形成した場合
、一般には慣性体５の平面構造は多角形となる。第４図
ではこの多角形の頂点の位置とその近傍に電気的絶縁層
６，７を設けたものである。

この場合、慣性体５が強く上下の電極８，９に押しつけ
られても慣性体表面の導体部分は電極に接触するような
ことはなく、先の実施例と同様絶縁効果がある。

さらに、多角形内部の１個所または複数の個所に電気的
絶縁層から成る小領域を設けておけば、大きな力により
慣性体が変形を起こした場合にも効果を有する。

ところで、加速度センサにおいては慣性体が変位しよう
としたとき機械的にこれを妨げようとする力、すなわち
運動速度に比例する減衰力が重要な働きをする。

本発明の加速度センサのような機械系では、慣性体の質
量とカンチレバーのバネ定数によって決まる共振周波数
が存在する。慣性体にある一定以上の減衰力が作用する
と、外部から上記共振周波数と同じ周波数の振動が加わ
っても減衰力の働きにより慣性体の振動振幅が大きくな
らずに加速度の検出精度も向上できる。

さらに、この減衰力の働きにより、静電サーボ式加速度
センサではサーボ系を安定に動作させることができる。

通常、第１図に示した構造の加速度センサでは、慣性体
と上下の固定電極との間に小さな空隙を設けそこに気体
を満たすことによって大きな減衰力を得ることができる
。減衰力の大きさは空隙の大きさを調整することによっ
て制御できる。なお、空隙の大きさは慣性体と上下固定
電極間の静電容量や静電サーボ式加速度センサの静電気
力に影響を及ぼす。すなわち、特性的に空隙の大きさは
できるだけ小さい方がよいが、製作上の制約がある。

減衰力の大きさは、この空隙の大きさの他に空隙を形成
する面の粗さによっても変化し、面が粗いほど減衰力は
大きくなる。本発明では、溶着の防止対策として慣性体
、又は上下固定電極表面に電気的絶縁層を設けたが、こ
の絶縁層のパターンを変えることによって面の粗さを調
整することができ、この調整によって最適な減衰力を得
ることができる。

第５図は本発明のセンサの第４の実施例であり、上記減
衰力を大きくするための電気的絶縁層配置を示したもの
である。図のようにスリット状に絶縁層を形成し、スリ
ットの幅や本数を調整することにより、減衰力の大きさ
を適当に調整できるものである。なお、図のようにスリ
ット状ではなく基盤の目状や放射状のパターンを形成し
ても同様の効果を得ることができる。

また、第６図は本発明のセンサの第５の実施例を示した
ものである。図のように慣性体表面の周囲部に電気的絶
縁層の枠を設けても、減衰力を増大できる。これは、空
隙の大きさが変化する際、空隙内部の気体が電気的絶縁
層の枠の効果により外部に逃げにくくなり、気体と空隙
部の摩擦力が増大するためである。同様のパターンとし
ては、慣性体表面に同心の枠体パターンを多数設けたも
のも考えられる。

以上、第４．第５の実施例とそれに類似したパターンを
用いることにより、溶着の防止だけではなく慣性体の減
衰力の大きさも制御できるという効果がある。

以上５つの実施例は、慣性体上に電気的絶縁層を設けた
例であるが、溶着対策としては上下の絶縁板上の固定電
極表面に電気的絶縁層を設けてもよい。

第７図は固定電極表面の全面に電気的絶縁層を設けた場
合の断面図である。第８図〜第１２図は慣性体表面に電
気的絶縁層を設けた第２図〜第６図に対応したパターン
を示した図である。

固定電極８，９を金属材料で形成する場合には。

酸素雰囲気中で熱酸化したり、電気化学反応の一種であ
る陽極酸化によって簡単に表面に酸化物の電気的絶縁層
を形成することができる。

また、スパッタやＣＶＤなどによって電極上に絶縁物を
堆積してもよい。

以上の実施例は全て導体の表面を電気的絶縁層で覆うと
いうものである。別の対策として、慣性体又は固定電極
の表面を溶着の起こりにくい材料で形成するという方法
がある。

溶着は接点障害の原因の一つとして知られており、これ
まで各種の溶着が起こりにくい材料が研究されてきた。

半導体センサの慣性体表面または電極を構成する材料と
して、下記材料を用いることができる。

例えば、ｐｔ族合金、Ａｇ−Ｃｕ、Ａｇ−Ｃｄ。

Ａ　ｇ　　Ｐ　ｄ　ｔ　Ａ　ｇ　　Ｗ　ｖ　Ａ　ｇ　　
Ｃｄ○その他酸化物、ＷＣなどの添加された合金、Ｐｄ
−Ｃｕ。

Ａｕ　　Ｃｕ系規則格子合金、Ａｕ−Ｎｉ、Ａｕ−Ｃ０
系析出硬化型合金などを使用することができる。

なお本発明においてカンチレバーの数は、実施例のよう
に特に１本に限定するものではなく、また、上下の絶縁
板の代わりに中央のシリコン板（慣性体）と電気的な絶
縁を行った上で別のシリコン板を慣性体に付加してもよ
い。この場合にはシリコン自身が導体であるため特に電
極を形成する必要はない。溶着を防止するには慣性体（
可動電極）の上下のシリコン板に対向した面の間に電気
的Ｍ縁層を設ける。上下のシリコン板と中央のシリコン
板とを電気的に絶縁する層と同じ形状に形成しても良い
。

さらに、上下の基板としてはシリコンとガラスの積層構
造隊でも良い。この場合、これらと中央のシリコン板と
の接着層としてはガラス層を用いる。

固定電極としては金属などの導体の薄膜を用いる。

次に上記半導体加速度センサを用いた制御システムにつ
いて述べる。

第１３図は、本発明による半導体加速度センサを用いた
アンチスキッドブレーキシステムの概念図である。

アンチスキッドブレーキシステムは運転者がブレーキペ
ダルを踏んだ際に、大きな制動力と車体の安定性を保つ
ために、車輪のスリップ率がある適当な値になるように
ブレーキ力を制御するシステムである。

図で、５１は半導体加速度センサであり、車体の前後方
向の加速度検出が可能なように取り付けられている。５
２は加速度検出回路、５３．５４は車輪速センサで車輪
の回転速度から車速を求める。また、５５はブレーキペ
ダル、５６はマスターシリンダ一体型ハイドロリックユ
ニットである。

車輪のスリップ率Ｓは次式で定義される。

５＝（ｖｒ−■、）／ｖｒ　　　　　　・・・（１）こ
こで、Ｖｒは路面に対する真の速度すなわち対地車速、
ＶＷは車輪速センサから求めた車速で。

スリップがない場合には対地車速と等しく、制動時スリ
ップがある場合には対地車速より小さい。

上記のように、アンチスキッドブレーキシステムではス
リップ率がある最適な値になるように自動的にブレーキ
力を制御する。スリップ率を計算するためには対地車ノ
を測定しなければならない。

第１３図に示したシステムでは半導体加速度センサを用
いて対地車速を求めるために次式を用いる。

ｖ（ｔ）＝Ｖ（０）＋ｆα（ｔ）ｄ　ｔ　　　　　　　
・−（２）すなわち、速度の初期値Ｖ（Ｏ）と加速度α
（１）の時間積分から速度を計算する。スリップが起こ
らない場合には車輪速は対地車速と等しいから、例えば
ブレーキを踏み始める直前の車輪速をＶ（０）とする。

第１３図において、加速度検出回路５２．車輪速センサ
５３，６４およびマスターシリンダ一体型ハイドロリッ
クユニット５６からの電気信号は制御回路５７に送られ
て、ここでスリップ率を計算し、油圧系を介してブレー
キ力を制御することができる。

上記アンチスキッドブレーキシステムとは逆に発進時に
おけるスリップ率を制御し、大きな耗動力を得るための
システムがトラクションコントロールシステムである。

このシステムでもやはり対地車速を求めるためのセンサ
が必要であり、上述の半導体加速度センサを用いれば式
（２）に基づいてこれを計算することができる。

小形、高精度の加速度センサを用いた他の代表的な車体
制御システムとしては、アクティブサスペンションシス
テムがある。

車体の上下振動や姿勢を油圧等を用いて能動的に制御す
る油圧アクティブサスペンションは、路面の凹凸や走行
状態に応じて４輪に配置して油圧アクチュエータの力を
変化させ、車体の振動や姿勢変化を抑制しようというも
ので、乗り心地と操縦安定性を両立させ、かつ向上でき
るものである。

第１４図は、上記半導体加速度センサを用いた油圧アク
ティブサスペンションシステムの概念図である。４個の
車輪に油圧アクチュエータ５９を配置する。油圧アクチ
ュエータ５９はピストン。

シリンダなどから成り、シリンダは車体５８に固定して
あり、ピストンに車輪６ｏが取り付けである。

半導体加速度センサ５１及び加速度検出回路５２によっ
て、車体の前後方向や左右方向の回転に伴う加速度、上
下加速度などを検出し、制御回路５７に入力する。

６２は圧力制御バルブ、６３はオイルポンプ、６４はオ
イルタンクであり、制御回路５７がらの制御信号によっ
て圧力制御バルブの状態を変化させ、油圧アクチュエー
タの油圧を制御する。

車体の上下振動や姿勢を加速度センサによって高精度に
検出し、サスペンションを能動的に制御することにより
、乗り心地と操縦安定性を両立させつつ、それぞれの水
準を飛躍的に向上できる効果がある。

これら以外にも、本センサはエンジン総合制御、トラス
トミッション制御、４輪操舵（４ＷＤ）などのシステム
にも適用可能である。

また車両制御システム以外では、安全に関係したエアバ
ックシステムなどにも使用することができる。

また、自動車以外でも電車の制御、エレベータの乗り心
地改善、宇宙用機器、ロボット、家電製品などの加速度
や振動検出センサとして適用可能である。

〔発明の効果〕

以上、本発明によれば動作時や製造時等の取扱時におい
て、センサ内部の慣性体と電極の溶着を防止し、信頼性
が高く、高精度に加速を検出できるセンサを実現できる
。さらに、前記センサを使用することにより応答性がよ
く安定した制御ができる車両制御システムを実現できる
という効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例である慣性体表面の全面に電
気的絶縁層を設けた場合のセンサ断面図、第２図から第
６図は慣性体表面に設けた電気的絶縁層の各層パターン
の実施例の平面図、第７図は本発明の一実施例である電
極表面に電気的絶縁層を設けた場合のセンサ断面図、第
８図から第１２図は電極上に設けた電気的絶縁層の各種
パターンの実施例の平面図、第１３図は半導体加速度セ
ンサを車両制御システムに適用した図、第１４図は半導
体加速度センサを油圧アクティブサスペンション制御に
適用した図面である。 １・・・シリコン板、２，３・・・絶縁板、４・・・カ
ンチレバー、５・・・慣性体（可動電極）、６．７・・
電気的絶縁層、８，９・・・電極（固定電極）、１０・
・・加速度検出回路。

Claims (16)

【特許請求の範囲】
1. １．カンチレバーの先端に形成された所定の質量を有す
   る導電性可動電極と、前記可動電極に対向して所定の空
   間を隔てて設けられた一個または複数個の導電性電極と
   、及び前記カンチレバーと前記可動電極に対向して設け
   られた導電性電極を支持する絶縁体または半導体基板ま
   たは絶縁体と半導体の積層基板とからなる半導体加速度
   センサにおいて、前記可動電極又は前記可動電極とに対
   向する導電性電極の対向面の一方あるいは両方の少なく
   とも一部に電気的絶縁層を設けることを特徴とする半導
   体加速度センサ。
2. ２．請求項第１項において、前記可動電極が変位して対
   向する導電性電極と接触する可動電極又は対向する導電
   性電極上の接触位置とその近傍に電気的絶縁層を形成す
   ることを特徴とする半導体加速度センサ。
3. ３．請求項第１項において、前記可動電極の上下面を構
   成する多角形上の少なくとも各角部とその近傍に電気的
   絶縁層を形成することを特徴とする半導体加速度センサ
   。
4. ４．請求項第１項において、前記可動電極又は前記対向
   する導電性電極の電極面上に内部から外部に通じる一本
   又は複数本のパターンを形成し、電極上の前記パターン
   以外の部分に電気的絶縁層を設けることを特徴とする半
   導体加速度センサ。
5. ５．請求項第１項において、前記可動電極又は前記対向
   する導電性電極の電極面上に、同心状のパターンを有す
   る電気的絶縁層を形成することを特徴とする半導体加速
   度センサ。
6. ６．請求項第１項から第５項において、前記可動電極上
   に形成する電気的絶縁層は、酸化シリコン、又は窒化シ
   リコンであることを特徴とする半導体加速度センサ。
7. ７．請求項第１項から第５項において、前記可動電極に
   対向する導電性電極は金属材料を用いて形成し、前記導
   電性電極表面は熱酸化又は陽極酸化によつて酸化するか
   、表面にスパッタまたはＣＶＤで電気的絶縁物を堆積し
   、電気的絶縁層を形成することを特徴とする半導体加速
   度センサ。
8. ８．カンチレバーの先端に形成された所定の質量を有す
   る導電性可動電極と、前記可動電極に対向し所定の空間
   を隔てて設けられた一個または複数個の導電性電極と、
   及び前記カンチレバーと前記可動電極とに対向して設け
   られた導電性電極を支持する絶縁体または半導体基板ま
   たは絶縁体と半導体の積層基板とからなる半導体加速度
   センサにおいて、前記可動電極又はそれに対向した導電
   性電極の対向面の少なくとも一部に両電極の接着を阻止
   する層を設けることを特徴とする半導体加速度センサ。
9. ９．カンチレバーの先端に形成された所定の質量を有す
   る導電性可動電極と、前記可動電極に対向して所定の空
   間を隔てて設けられた一個または複数個の導電性電極と
   、及び前記カンチレバーと前記可動電極とに対向して設
   けられた導電性電極とを支持する絶縁体または半導体基
   板とまたは絶縁体と半導体の積層基板からなる半導体加
   速度センサにおいて、前記可動電極又はそれに対向する
   導電性電極表面の一方あるいは両方の少なくとも一部に
   難溶着性の導電材料からなる層を設けることを特徴とす
   る半導体加速度センサ。
10. １０．カンチレバーの先端に形成された所定の質量を有
    する導電性可動電極と、前記可動電極に対向し所定の空
    間を隔てて設けられた一個または複数個の導電性電極と
    、及び前記カンチレバーと前記可動電極とに対向する導
    電性電極とを支持する絶縁体または半導体基板または絶
    縁体と半導体の積層基板とからなる半導体加速度センサ
    において、前記可動電極又はそれに対向する導電性電極
    表面上に凸状の電気的絶縁層を設けて表面の粗さを調整
    するようにしたことを特徴とする半導体加速度センサ。
11. １１．車体の前後方向の加速度を検出する加速度センサ
    と車輪速度を検出する車輪速センサとブレーキ力を制御
    する制御手段とを有するアンチスキツド装置、又はトラ
    クシヨン制御装置等の車両制御システムにおいて、前記
    加速度センサに導電性可動電極又は対向する導電性電極
    の対向面の少なくとも一部に電気的絶縁層を設けた半導
    体加速度センサを用い前記加速度センサの出力から車両
    の対地速度を検出する検出手段を設けたことを特徴とす
    る車両制御システム。
12. １２．車体の上下，前後，左右の加速度を測定するため
    の加速度センサを車体上にそれぞれ配置し、前記加速度
    センサの検出値に基づいて前後左右４個の車輪のサスペ
    ンシヨンを制御する車両制御システムにおいて、前記加
    速度センサに導電性可動電極又は対向する導電性電極の
    対向面の少なくとも一部に電気的絶縁層を設けた半導体
    加速度センサを用い車体の前後方向や横方向の回転に伴
    う加速度や上下加速度を検出し、前記検出値から各サス
    ペンシヨンの制御量を決定する制御手段を有することを
    特徴とする車両制御システム。
13. １３．カンチレバーの先端に形成された所定の質量を有
    する導電性可動電極と、前記可動電極に対向して所定の
    空間を隔てて設けられた一個又は複数個の導電性電極、
    及び前記カンチレバーと可動電極に対向して設けられた
    導電性電極を支持する絶縁体または半導体基板または絶
    縁体と半導体の積層基板とからなる半導体加速度センサ
    において、前記可動電極とそれに対向する前記導電性電
    極との間の少なくとも前記可動電極と前記導電性電極と
    の電気的短絡を防ぐ短絡防止手段を設けたことを特徴と
    する半導体加速度センサ。
14. １４．請求項第１３項において、前記短絡防止手段は電
    気的絶縁体であることを特徴とする半導体加速度センサ
    。
15. １５．請求項第１４項において、前記電気的絶縁体は熱
    酸化、陽極酸化膜またはスパッタまたはＣＶＤで堆積さ
    れた電気的絶縁膜で構成することを特徴とする半導体加
    速度センサ。
16. １６．請求項第１３項において、前記短絡防止手段は難
    溶着性導電材料であることを特徴とする半導体加速度セ
    ンサ。