JPH05172842A

JPH05172842A - 多軸検出形加速度センサ

Info

Publication number: JPH05172842A
Application number: JP3301537A
Authority: JP
Inventors: Kanemasa Sato; 金正佐藤
Original assignee: Hitachi Automotive Engineering Co Ltd; Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd; Astemo Ltd
Priority date: 1991-11-18
Filing date: 1991-11-18
Publication date: 1993-07-13

Abstract

(57)【要約】【目的】信頼性がある小形安価な他軸検出一体形加速度
センサの構造を提供する。【構成】加速度検出部は、半導体微細加工応用技術によ
り小形にして、ＩＣと共にHIC基板上に固定したＨＩＣ
基板部組を形成する。ＨＩＣ基板部組は、１個は、ステ
ム上に固定する。２個目，３個目は、それぞれ基板支持
部材を介して積み重ねる。配線はハーメチックステムに
固定されたリードにそれぞれ結線する。キャンの固定時
に−４０℃の不活性ガスを封入する。これらの加速度セ
ンサ収納部を互いに直角な面を有するハウジングに固定
する。空洞部を有するハウジングの内部でフレキシブル
配線板により、加速度センサ収納部間の配線を行ない、
ハウジング内部で、一旦固定されてから、リード線は外
部に引き出される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、サスペンション制御シ
ステム，四輪トルク制御システムなどの車両制御用のキ
ーセンサとして用いられる加速度センサに関し、特に半
導体微細加工技術を応用し、加工工数が少なく、高精度
な多軸検出一体形加速度センサの構造に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来の多軸検出加速度センサには、例え
ば、特開昭63−118667号に示される如く、一軸一個のセ
ンサの寄せ集めであった、しかし、車両制御の多様化に
伴い、一つの自動車に搭載する車両制御システムがサス
ペンションコントロール制御，四輪トルクコントロール
制御，トラクションコントロール制御，アンチスキッド
コントロール制御などと、複数になり、従って、同一方
向を検出する加速度センサもそれぞれ複数個、必要にな
ってきた。加速度センサは、個別に準備していたので
は、高価になること、多くの取付けスペースが必要であ
ること、配線の数が増えること、取付けの回数が増え、
取付け精度が低下すること、重量が増えること、などの
課題があった。一方、引例に示されるように、半導体微
細加工技術を用いても、多軸検出部を一体に形成するこ
とは、ケミカルエッチング時のマスクを加工部品に立体
的に精度良く合わせることが至難の技であるため、たと
え、部品ができたとしても高価になる。また、カンチレ
バーなどを、形成する場合には、各軸のウエイトを有す
るカンチレバーは加工途中で、どちらかに移動した時、
通常使用時の加速度（９.８〜１９.６ｍ／ｓ）を遥かに
超える加速度が少なくとも３軸の中の一つのウエイトに
検出方向、又はストッパの掛けることの難しい直角方向
にかかり、カンチレバーが破損し、歩留まりが低下する
ことが考えられた。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】自動車の複数の車両制
御システムに用いられる複数の加速度センサを、いかに
統一して部品点数を削減し、車載することができるかが
課題である。

【０００４】小形化を図るために、半導体微細加工応用
技術を用いた構造が検討されている。加速度検出部を半
導体微細加工を応用し、多軸検出一体形に構成すること
が、望ましい。しかし、現行の生産技術は、多軸検出一
体形を可能にするまでには、至っていない。大量生産を
可能にするには、どうするかが課題である。個々の加速
度検出部を、どの様に組合わせ、どの様に支持するかが
課題である。加速度検出部を多軸検出一体形に構成し、
いかに信頼性を確保するかが、課題である。各検出部へ
のリードの引き回しは、如何に、簡素化して引き出すか
が課題である。複数の加速度検出部を如何にまとめて、
多量生産に適したアッセンブリ構造に、まとめるかが課
題である。

【０００５】

【課題を解決するための手段】複数の車両制御システム
に用いられる複数の加速度センサの中で、横方向，前後
方向，上下方向のそれぞれの検出方向別に、加速度の検
出部をまとめて、それぞれ加速度検出収納部とする。さ
らに、これらの加速度検出収納部を、寄せ集めて、互い
に直角な面を有し、車載のための取付け面、リード引き
出しのための孔等を有するハウジングに固定する。各加
速度検出収納部の構成は、混成圧膜集積回路基板（ＨＩ
Ｃ）上に、半導体微細加工応用技術により、形成された
物理的な加速度の検出部とその検出部を駆動するための
専用電子集積回路（ＩＣ）などが固定されたＨＩＣ基板
部組からなる。

【０００６】複数のＨＩＣ基板部組は、加速度検出収納
部の取付け面に並行になるように固定する。即ち、第１
の基板部組は、加速度検出収納部のベースに直接固定す
ることができるが、第２，第３…の基板部組は、それぞ
れ基板支持部材を介して固定できる。

【０００７】加速度検出収納部は、常時、露点−４０℃
以下の不活性ガス中に浸せきされている様に、ＴＯ３形
キャン内に気密に、封止できる。

【０００８】ハウジングに固定された各加速度検出収納
部間の共通の導体配線を含めた入出力の配線は、樹脂の
シートにサンドイッチされた導体を有する１枚のフレキ
シブル板により、配線できる。

【０００９】

【作用】検出部は、先端部に平板状ウエイトを有するカ
ンチレバーからなる。加速度が印加されると平板状ウエ
イトの両平面と対抗電極間に静電容量差が生ずる。その
静電容量差の量に応じて、ウエイトの位置を元の中央位
置に戻す様にフィードバック制御をかけるサーボ方式が
構成されている。従って、ウエイトは、常時、中央位置
にある。例えば、横方向加速度を受けた複数の加速度検
出部は、それぞれほぼ同一の出力電圧を発生する。これ
らの信号は、それぞれ横方向加速度に対応したアナログ
値として、外部に引き出しリードを介して、各種の車両
制御システムへ信号として送られる。故に、この信号
は、各システムのアクチュエータを動作させるための指
令源となる。

【００１０】

【実施例】加速度の検出部は、半導体の微細加工を応用
して製造することが可能であり、半導体歪式や静電容量
式がある。ここでは、静電容量式について詳細に説明す
る。検出部１は、３層構造であり、中央層のシリコン板
２は、カンチレバー２ａやウエイト（可動部）２ｂ、な
どからなる。上，下各層のガラス板５ａ，５ｂには、金
属固定電極４ａ，４ｂを固定し、シリコン板からの電極
を含め、それぞれの電極からの引き出し電極６ａ，６
ｂ，６ｃを形成し、電極引き出しのためのスルーホール
７も形成する。検出部１、とＩＣ８，チップコン（図示
せず）等は、ＨＩＣ基板３上に、それぞれ、固定し、Ａ
ｕ、やＡｌなどのワイヤボンディングにより、配線す
る。これをＨＩＣ基板部組９とする。カンチレバーやウ
エイト部分は、シリコンウエハをケミカルエッチングす
ることにより、形成する。また、シリコンウエハと上下
のガラス板とは、アノデックボンディングなどにより、
接合し固定することができる。

【００１１】入出力のリード端子１０ａ，１０ｂ，１０
ｃ…を有するステム１１上に、第１のＨＩＣ基板部組９
ａを固定し、端子に配線した後、基板支持部材１２を固
定する。次に、基板支持部材上には、第２のＨＩＣ基板
部組９ｂを固定する。更に、他の基板支持部材を積み重
ねて、第３のＨＩＣ基板部組（図示せず）を固定するこ
ともできる。

【００１２】窒素ガスなどの露点−４０℃以下の不活性
ガス中で、キャップ１３をかぶせて、キャップのつばの
部分とステム外周とを合わせて、リングプロジェクショ
ン溶接することにより、不活性ガスが気密に封止でき
る。キャップが固定された複数の加速度検出部を収納す
る部分を、加速度センサ収納部１４とする。

【００１３】基板支持部材１２の構造には、平板の底に
複数のリードを通すための孔１６ａ，１６ｂ，１６ｃを
有するカップ形１５ａがある。また、平板の一方に貫通
孔１６ｄ，１６ｅ，１６ｆのあいた補強部１７ａ，１７
ｂ，１７ｃを有し、その外側に、複数の脚を有する構造
１５ｂがある。更に、平板底を有するカップ形容器の外
周に複数の切欠き部１９ａ，１９ｂ，１９ｃが形成され
る構造１５ｃがある。

【００１４】基板支持部材１２に形成された複数の孔１
６は、ステムに固定されたリードピン１０の外周に対し
てやや大きめとする。その孔の内面とＨＩＣ基板部組が
載る平板上の所定のパターンとを連続して、Ａｇ，Ａ
ｌ，Ｍｏ，ＭｏＭｎ，ＰｄＡｇなどの金属の導体パター
ン１２１を形成する。ステム部組１１，ＨＩＣ基板部組
９ａ，基板支持部材１２，ＨＩＣ基板部組９ｂなどを組
立てた時、ステム側のピン１０と基板支持部材１２の各
孔１６は、それぞれ微小隙間で嵌合し、それらの隙間に
金属ペースト焼き付け法などにより、金属導体１２２を
形成し、両者の電気的導通をとる。一方、導体パターン
の他端にはワイヤーボンディング用のランド１２３又は
パッド１２４を形成し、ＨＩＣ基板上の配線用のランド
１２５又はパッド１２６との間でワイヤーボンディング
により配線する。

【００１５】また、基板支持部材１２に形成された孔１
６の内径は、少し大きくして、各孔の内面の金属導体と
リードピンの間には、内周，外周それぞれに、弾性力を
加えることの出来る少なくとも、一ケ所の突出し部１２
７を有するパイプ状金具128を介して導通をとることが
できる。基板支持部材の高さが、低い場合には、リード
ピンの共振周波数が高くなり、ピンが変形したり、破断
することがない。このような場合には、例えば、ＨＩＣ
基板上のリード引出のためのパッドとリードピン間を直
接ニッケルワイヤ１８などを溶接し、配線することがで
きる。検出部１を、駆動する電子回路は、信号の通過順
にΔＣ検出回路２１，演算増幅回路２２，ＰＷＭ（パル
ス幅変調回路）２３などからなるが、ＰＷＭを出た信号
は二分され、一方の信号は、検出部のガラス板の一方の
電極へ、他方は反転回路２４を通し、他方のガラス板電
極へ接続する。加速度を受けて動作する検出部とこれら
の電子回路とはサーボ系を構成する。即ち、加速度を受
けてウエイト３ｂが一方の電極の方へ変位しようとした
時、他方の電極間には、ウエイト３ｂを中央に戻すよう
な静電気力が作用し、ウエイト３ｂは常に中央位置にあ
るように動作する。ＰＷＭを出た信号は、別途、引き出
され、ローパスフィルタ回路２５、を介して直流化した
後、出力電圧調整回路２６内の調整抵抗２７でゼロ点
を、調整抵抗２８、でスパン（特性の勾配）を調整する
ことにより、図１４ｃの特性の如く、加速度に対応して
変化する出力電圧特性を得ることができる。２０は、電
源回路である。

【００１６】電子回路の大半は、専用ＩＣ８内に内蔵で
きる。しかし、ノイズキラー用やフィルタ用コンデンサ
３０ａ,３０ｂ,３０ｃ,３０ｄ,３０ｅはＩＣ８内に入ら
ない場合があり、外付けになる。出力電圧調整回路２６
部は、例えば図１２の如く表され、ゼロ，スパンそれぞ
れの調整抵抗は、それぞれの抵抗アレイＲｏ２７ａ，Ｒ
ｇ１２８ａ，Ｒｇ２２８ｂとしてＩＣ８に内蔵する
ことができる。ＩＣ８内の調整抵抗アレイは、複数のシ
リーズ抵抗２８ｂやパラレル抵抗２７ａ，28a又は、そ
れらの組合わせで構成され、その組合わせがデジタル的
に、コントロールできるように、スイッチ回路１２９
（Ｓｗ１，Ｓｗｇ１，Ｓｗｇ２）を介し、外部コントロ
ール用の複数のパッド１３０ａ，１３０ｂ…に接続され
る。

【００１７】スイッチをシミュレイションにより、予
め、外部よりコントロールしやすくすること、最終的
に、スイッチを固定し、組合わせ抵抗を選択し固定しな
ければならないことなどのために、外部コントロール用
の複数のパッドとスイッチ回路の間には、ツェナーダイ
オード又は、ヒューズを用いたスイッチコントロール回
路２９が入る。例えば、一例として、図１３には、ツェ
ナーダイオード１３１を用いた回路を示す。ここで、シ
ミュレーションにより、抵抗アレイの或る抵抗を接続し
たい時、所定のパッド１３０をアースに接続することで
可能である。

【００１８】即ち、出力電圧特性が、例えば、図１４の
ａに示す初期特性をｃの特性に合わせようとした時、Ｉ
Ｃ上の外部コントロール用の複数のパッド１３０に、ア
ース電位をデジタル的に切り替えて印加し、初期特性の
並行移動（図１４ｂの特性）を行なうゼロ点調整とｂの
特性の勾配を変えるスパン調整を任意に行なうことがで
き、予め、出力特性のシミュレーションが可能である。
最終的に、得られたｃの特性に最も近い特性を得た時の
アース電位を印加した複数のパッドに、別途、図１３に
示すように外部電源１３２を接続し電流を流して、前述
のツェナーダイオード１３１を焼き切りショートするこ
とにより、ＩＣ回路上で各々のパッドはアース電位に接
続されるため、抵抗の組合わせは固定され、出力電圧特
性は固定される。

【００１９】この出力電圧特性の調整は、ＨＩＣ基板部
組の状態で、それぞれ行なわれなければならない。すな
わち、ＨＩＣ基板部組をステムや基板支持部材に組付け
てしまうと、加速度を変えて印加する時の高精度な水
平，直角の保持やデジタルトリミングのために小形の複
数のパッドへの同時のプロービングが困難になるからで
ある。

【００２０】前後，左右，上下など各方向加速度検出セ
ンサの検出加速度の範囲が同一であれば、ＨＩＣ基板部
組の製作のための種類が少なくなり、加工工数が、低減
できる。しかし、ステム，基板支持部組，ＨＩＣ基板部
組の単体の加工精度，組立ての加工精度が必要である。

【００２１】前後、左右、上下などの各方向検出用の各
加速度センサ収納部１４ａ，１４ｂ，１４ｃは、側面に
開孔部を有し、車体への取付け面を有する直方体３１の
互いに直角な面に、それぞれ固定する。直方体内には、
空洞部３２が有り、各加速度センサ収納部の配線がこの
空洞部内で行なわれる。リード線の数を出来るだけ減ら
すため、例えば、フレキシブル配線板３３を用いること
が出来る。

【００２２】フレキシブル配線板は、ポリイミドなどの
有機性薄膜によって、Ｃｕ，Ａｌ…など、所定の形状に
加工された金属薄板が、サンドイッチされた形状であ
り、互いに絶縁されたこれらの金属薄板によって、電源
ラインは共通に電気的導通をとることが出来、簡素化し
て各加速度センサ収納部への配線が可能である。フレキ
シブル配線板は、一旦、空洞部内で例えば、別体の金具
３４などに、固定され、ここで、外部引出しリード３６
と結線し、防水ゴム３５などを介して外部に引き出され
る。

【００２３】ハウジングの空洞部の中に検出部のキャン
側の部分を入れ端子部を外側に出してハウジングの外側
でフレキシブル配線板により結線して、リードを引き出
すこともできる。

【００２４】

【発明の効果】

１．同一キャン内に基板部組を複数個収納し、ＨＩＣ基
板部組やハーメチックステム部組を共通にして、各軸の
検出部を構成し、組合わせた多軸検出形加速度センサを
採用することにより、部品の共通化，小形化を図ること
ができる。

【００２５】２．加速度検出部とＩＣ回路が固定された
基板部組を互いに並行にして同一キャン内に収納した検
出部を各直角軸に採用することにより、サスペンション
コントロール，トラクションコントロールなどの複数の
制御に、必要とされる複数の加速度センサを組合わせた
一体形加速度センサのニーズに対応できる。

【００２６】３．同一キャン内に収納された第一の検出
部と第２の検出部との間に端面が互いに並行な基板支持
部材を介し、それぞれの検出部の高精度な位置決めを図
ることができる。また、基板支持部材に形成された孔に
ステム側のピンを嵌合することにより、基板支持部材の
位置決めを図ると共に、ピンの共振を防止することがで
きる。

【００２７】４．基板支持部材はカップ形であるため、
キャップを被せてリングプロジェクション溶接をする時
のスパッタが第１のＨＩＣ基板（下側）上に飛ぶのを、
防ぐことができる。

【００２８】５．キャン内には、露点−４０℃の不活性
ガスを封入することが出来るので内部部品の腐食が防止
でき、信頼性が確保できる。

【００２９】６．第１の加速度センサ収納部と第２，第
３の加速度センサ収納部に、電源や信号を供給し、出力
するリードは、フレキシブル配線板により、配線するこ
とができるので、配線の共用化を図ることができ、スペ
ースを削減できる。

【００３０】７．キャンのサイズは、キャン形トランジ
スタで大量生産されているＴＯ３形を採用できるので、
安価になる。

【００３１】８．検出部は、半導体微細加工応用技術に
より、加工可能であり、大量生産可能であるため、形状
は小形にでき、安価になる。

【００３２】以上のようにして、本発明によれば、半導
体微細加工応用技術により加工した検出部を有する複数
のＨＩＣ基板を、同一キャン内に収納した複数の加速度
センサ収納部を形成し、これらを一体に組合わせた構造
を採用することにより、信頼性がある、小形，安価な多
軸検出一体形加速度センサの構造が提供できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】多他軸検出一体形加速度センサの断面構造図で
ある。

【図２】加速度センサ収納部の断面構造図である。

【図３】カップ形基板支持部材の外観図である。

【図４】補強された複数の脚を有する基板支持部材を示
す図である。

【図５】外周に複数の切欠きを有する基板支持部材を示
す図である。

【図６】ＨＩＣ基板部組の正面図である。

【図７】ＨＩＣ基板部組の正面図である。

【図８】ＨＩＣ基板部組の正面図である。

【図９】ピンと基板支持部材との間のピンの支持と電気
的導通を示す断面図である。

【図１０】検出部の断面構造図である。

【図１１】加速度センサの電子回路構成を示すブロック
図およびＰＷＭのデューティの変化を示す波形図であ
る。

【図１２】電子回路の出力調整部を示すブロック図であ
る。

【図１３】ツェナーザップトリミング部の電子回路構成
図である。

【図１４】出力電圧特性を示す図である。

【図１５】多軸検出一体形加速度センサの外観図であ
る。

【図１６】多軸検出一体形加速度センサの一部断面構造
図である。

【符号の説明】

１…検出部、２…シリコン板、２ａ…カンチレバ、２ｂ
…ウエイト、３…HIC基板、４ａ，４ｂ…金属固定電
極、５ａ…上ガラス板、５ｂ…下ガラス板、６ａ，６
ｂ，６ｃ…引出し電極、７…スルーホール、８…ＩＣ、
９，９ａ，９ｂ…ＨＩＣ基板部組、１０ａ，１０ｂ，１
０ｃ…リード端子、１１…ステム部組、１２…基板支持
部組、１３…キャップ、１４，１４ａ，１４ｂ…加速度
センサ収納部、１５ａ…基板支持部材（カップ形）、１
５ｂ，１５ｃ…基板支持部材、１６ａ，１６ｂ〜１６ｆ
…貫通孔、１７ａ，１７ｂ，１７ｃ…補強部、１８…Ni
ワイヤ、１９ａ，１９ｂ，１９ｃ…切欠き部、２０…電
源回路、２１…ΔＣ検出回路、２２…演算増幅回路、２
３…ＰＷＭ、２４…反転回路、２５…ローパスフィルタ
回路、２６…出力電圧調整回路、２７，２７ａ…ゼロ点
調整抵抗、２８，２８ａ，２８ｂ…スパン調整抵抗、２
９…スイッチコントロール回路、３０，３０ａ〜３０ｅ
…コンデンサ、３１…直方体、３２…空洞部、３３…フ
レキシブル配線板、３４…金具、３５…防水ゴム、３６
…外部引出リード、１２１…導体パターン、１２２…金
属導体、１２３，１２５…ランド、１２４,１２６,１３
０，１３０ａ，１３０ｂ…パッド、１２７…突出し部、
１２８…パイプ状金具、１２９…スイッチ回路、１３１
…ツェナーダイオード、１３２…外部電源。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】加速度の検出部とその加速度の検出部を駆
動する専用電子集積回路部とを同一基板に固定した基板
部組を複数個，同一キャン内に収納した加速度検出収納
部を互いに、加速度の検出方向が直角になる如く、取付
け面を有するハウジングに複数個一体に固定したことを
特徴とする多軸検出形加速度センサ。
【請求項２】請求項１記載に於いて、加速度の検出部と
専用電子集積回路が固定された複数の基板は、互いに並
行に、且つ、同一方向を向けて一定の間隔をおいてキャ
ン内に収納されていることを特徴とする多軸検出形加速
度センサ。
【請求項３】請求項１記載に於いて、第１の検出部と第
２の検出部と…は、互いに、同一方向の加速度に最も強
く感応出来るように、同一方向を向けて固定されている
ことを特徴とする多軸検出形加速度センサ。
【請求項４】請求項１記載に於いて、第１の検出部と第
２の検出部と…を支持する各々の基板間には、基板支持
部材が介在し、各々の基板がそれぞれ並行になる如く支
持出来ることを特徴とする多軸検出形加速度センサ。
【請求項５】請求項１又は４記載に於いて、基板支持部
材は、セラミックス又は金属の鋳造品であることを特徴
とする多軸検出形加速度センサ。
【請求項６】請求項４記載に於いて、基板支持材の形状
は、平板の底に複数の孔を有するカップ形であることを
特徴とする多軸検出形加速度センサ。
【請求項７】請求項４記載に於いて、基板支持材の形状
は、平板の一方に貫通孔のあいた補強部を有し、その外
側に複数の脚を有することを特徴とする多軸検出形加速
度センサ。
【請求項８】請求項４記載に於いて、基板支持材の形状
は、平板底を有するカップ形容器の外周に複数の切欠き
部が形成されていることを特徴とする多軸検出形加速度
センサ。
【請求項９】請求項１記載に於いて、外部引出リード
は、ベースにガラスハーメチックシールにより固定し、
キャン内側は、基板支持部材に形成された孔を通すこと
を特徴とする多軸検出形加速度センサ。
【請求項１０】請求項１記載に於いて、複数の加速度検
出部を収納するキャン内部には、露点−４０℃以下の不
活性ガスを封入したことを特徴とする多軸検出形加速度
センサ。
【請求項１１】請求項１記載に於いて、第１の加速度セ
ンサ収納部と第２の加速度センサ収納部と第３の加速度
センサ収納部に電源や信号が供給され、出力されるリー
ドは、ハウジング内部で、樹脂のシートにサンドイッチ
された導体を有する１枚のフレキシブル板により、配線
し、共用化して、外部に引出されることを特徴とする多
軸検出形加速度センサ。
【請求項１２】請求項１記載に於いて、加速度検出収納
部に用いられるキャンは、ＴＯ３形であることを特徴と
する多軸検出形加速度センサ。
【請求項１３】請求項１記載に於いて、加速度検出方式
は、静電サーボ式であり、検出部は、半導体微細加工応
用により形成された微細構造のカンチレバー，金属薄膜
電極などから構成されることを特徴とする多軸検出形加
速度センサ。