JPH05333055A

JPH05333055A - 加速度検出装置

Info

Publication number: JPH05333055A
Application number: JP4157374A
Authority: JP
Inventors: Yoshihide Tonogai; 佳英殿貝; Mitsuru Yanagisawa; 充柳澤; Masaaki Takagi; 正明高木
Original assignee: Nidec Copal Corp
Current assignee: Nidec Precision Corp
Priority date: 1992-05-26
Filing date: 1992-05-26
Publication date: 1993-12-17

Abstract

(57)【要約】【目的】加速度検出装置の温度依存性ドリフト及び疲
労破壊を防止する事のできる電極取り出し構造を提供す
る。【構成】センサブロック７はセンサベース１０の上に
搭載されている。センサブロック７は両面に渡って導通
のとられた電極パタンを有する下側の固定基板１と、同
じく両面に渡って導通のとられた電極パタンを有すると
ともに下側の固定基板１に所定の間隙を介して対向配置
された上側の固定基板２とを備えている。両基板の間隙
には導電板が介在しており、両固定基板の内面側電極パ
タン間を加速度に応じて変位可能な可動電極部を有す
る。この導電板は少なくとも一方の固定基板の電極パタ
ンに対して導通がとられている。フレキシブル基板３
は、両固定基板１，２の外面側電極パタンに圧接する配
線パタン４を有するとともに、屈曲した状態で一対の固
定基板１，２を上下から挟持する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は積層構造を有する差動容
量方式の加速度検出装置に関する。より詳しくは積層構
造における電極接続方式に関する。

【０００２】

【従来の技術】加速度検出装置は力学センサの一種であ
って移動体、工作機械あるいは搬送設備等の制御用に用
いられる。例えば、自動車の運転性能及び安全性を改善
する手段として、アクティブサスペンション、アンチロ
ックブレーキシステム、トラクションコントロール等と
いった車両制御システムが近年盛んに開発されている。
この様な制御システムに必要なセンサとして、自動車の
姿勢や運動を検知する為に高性能な加速度検出装置が求
められている。加速度の検出方式としては、一般に加速
度に応じて移動する質量の変位を検出する方法と、質量
を支えている支持体に発生する応力あるいは歪を検出す
る方法がある。質量を大きくすれば検出量も比例して大
きくなり精度が増す一方、加速度に対する応答性が低下
し又耐衝撃性も悪くなる。

【０００３】図８に差動トランス方式と呼ばれる従来の
加速度検出装置の一例を示す。筒形状のコイルボビン１
０１には励磁コイル１０２と一対の検出コイル１０３
Ａ，１０３Ｂとが巻かれている。又、コイルボビン１０
１の中空部には鉄球１０４が軸方向に沿って移動可能に
挿入されている。励磁コイル１０２には交番電流が印加
され、コイルボビン１０１の中央を通る交流磁界が発生
する。従って同一のコイルボビンに巻かれた一対の検出
コイル１０３Ａ，１０３Ｂには電磁誘導電流が発生す
る。この時、加速度が加わらない状態では鉄球１０４が
中央部に位置しており、一対の検出コイルは交流磁界に
対して同一の条件下に置かれている為電磁誘導電流に出
力差は生じない。コイルボビン１０１の軸方向に加速度
が発生した時、鉄球１０４はマグネットによって与えら
れる保磁力に抗して変位し一対の検出コイルの一方側に
偏る。この為各検出コイルに対するインダクタンスが相
対的に変化し、電磁誘導電流に差が生じる。この電流差
に基き加速度が検出できる。しかしながら、この差動ト
ランス方式では、マグネットを介して質量の大きな鉄球
を保持している為その変位量が加速度の周波数に依存す
るとともに、Ｑ値の高い共振点がある為共振破壊を起す
惧れがある。さらに、コイルボビン１０１の軸に直交す
る方向にも変位する可能性がある。これを規制する為に
ガイドを設けると摩擦が発生し検出出力にヒステリシス
が生じる惧れがある。

【０００４】図９はシリコン半導体基板を用いて構成し
た片持ち梁方式の加速度検出装置を示す。シリコン半導
体基板の固定端に回路部１３１を集積形成するととも
に、錘部１３２と固定端の間にエッチング等を用いて梁
部１３３を形成する。この梁部にはピエゾ抵抗素子が設
けられており、梁部に発生する応力をピエゾ抵抗の抵抗
値変化として検出し加速度出力を得ている。この方式は
小型化が可能であるが、錘部１３２の移動方向に対して
梁部１３３を対称的にエッチング形成する事が困難であ
り、出力の線形性が悪く温度変化の影響を受ける為ドリ
フトが発生するという欠点がある。又ドリフトを補償す
る為に回路部１３１の構成が複雑となる。

【０００５】図１０に差動容量方式の加速度検出装置を
示す。この方式は例えば米国特許第４，６９４，６８７
号に開示されている。差動容量方式は原理的に最も安定
しており、特に１Ｇ程度の低周波あるいはＤＣ領域の加
速度検出に適している。差動容量方式は、一対の固定電
極パタンの間に可動電極を介在させた構造を有してお
り、一対の平行平板コンデンサを構成する。加速度に応
じて可動電極が変位すると一対のコンデンサ間に容量差
が現われこれをインピーダンスの変化として検出する。
図示する様に、下側の基板１５１の内表面には一方の固
定電極パタン１５２が形成されている。この基板１５１
の上にはスペーサ１５３を介してダイヤフラム１５４が
重ねられている。ダイヤフラム１５４の中央には弾性的
に支持された可動電極１５５が形成されており前述した
固定電極１５２に対面している。このダイヤフラム１５
４の上にはさらにスペーサ１５６を介して上側の固定基
板１５７が重ねられている。この基板１５７の内表面に
も可動電極１５５と対面する固定電極が形成されてい
る。又その外側表面には電極接続用のスルーホールパタ
ン１５８が形成されている。一対の固定電極及び可動電
極に対する電気的な端子接続はピン１５９，１６０，１
６１を介して行なわれる。これらのピンは積層された基
板を貫通しており、対応する電極に対してコンタクトが
とられる。これらのピンはスルーホールパタン１５８に
対して例えば半田付け等により固定される。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】上述した差動容量方式
においては、検出出力が加速度に対して原理的にリニア
であるという利点がある。又、コンデンサを形成する誘
電体媒質が空気等の気体であり殆ど温度依存性がない。
さらに、スペーサを介して電極間隔を微細且つ精密に設
定できるのでコンデンサ容量を大きくとれ検出精度が高
い。さらに、空気等のダンパ効果により共振Ｑ値が低下
し周波数応答性が良好である。

【０００７】この様な利点を有する一方、差動容量方式
の加速度検出装置は複数の板材料を重ねた積層構造を有
する。この場合、積層構造の固定方法、外部衝撃に対す
る対策、基板間の絶縁方法、あるいは電極接続取り出し
等に関して考慮を払う必要がある。構造的な原因により
温度に対するドリフトが発生する惧れがある。例えば、
図１０に示す様に、ピン１５９〜１６１を用いて電極取
り出しを行なうと熱膨張率等の相違によりピンと基板の
間に熱ストレスが発生し固定電極に歪を与え電極間ギャ
ップに微妙な誤差が生じ温度依存性のドリフトが発生す
る。又、各部品の熱膨張率の相違により半田付け等の接
続部に応力が生じ、疲労破壊を引き起す惧れがある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上述した従来の技術の課
題に鑑み、本発明は差動容量方式の加速度検出装置にお
ける電極取り出し構造を改善し温度依存性ドリフトを抑
制するとともに疲労破壊を防止する事を目的とする。併
せて、積層構造を有する加速度検出装置の組み立て性を
改善する事を目的とする。かかる目的を達成する為に以
下の手段を講じた。即ち、本発明にかかる加速度検出装
置は、両面に渡って導通のとられた電極パタンを有する
一方の固定基板と、同じく両面に渡って導通のとられた
電極パタンを有するとともに該一方の固定基板に所定の
間隙を介して対向配置された他方の固定基板と、該間隙
に介在し両固定基板の内面側電極パタン間を加速度に応
じて変位可能な可動電極部を有するとともに少なくとも
一方の固定基板の電極パタンに対して導通のとられた導
電板と、両固定基板の外面側電極パタンに圧接する配線
パタンを有するとともに屈曲した状態で一対の固定基板
を上下から挟持する接続用フレキシブル基板とから構成
されている。

【０００９】好ましくは、該導電板は該間隙に固定され
た中心部を有しており、その周辺に配置された該可動電
極部を弾性的に支持する構造となっている。又、該一方
の基板はその内面側において該導電板の中心部に電気接
続する中央電極パタンと、該導電板の可動電極部に対面
する周辺電極パタンとを有している。さらに、該導電板
の中心部は導電スペーサを介して該一方の基板の中央電
極パタンに電気接続される構造となっている。

【００１０】

【作用】本発明によれば、フレキシブル基板を介して、
コンデンサを構成する固定電極パタンや可動電極部に対
する電気接続取り出しが行なわれる。フレキシブル基板
は優れた柔軟性あるいは弾力性を備えており、温度変化
によって生じるストレスを吸収できる為、加速度検出装
置の積層構造に対して歪を与える事がなく温度依存性の
ドリフトを抑制できる。又、半田付け等と異なり、フレ
キシブル基板は圧接により電極パタンに対する電気接続
がとられる為疲労破壊等の惧れがない。さらに、一対の
固定基板を上下からフレキシブル基板で挟持する事によ
り電気接続がとられるので組み立て性が著しく改善でき
る。

【００１１】

【実施例】以下図面を参照して本発明の好適な実施例を
詳細に説明する。図１は本発明にかかる加速度検出装置
の一実施例を示す模式的な斜視図である。この加速度検
出装置は一方の固定基板あるいは下側の固定基板１を備
えている。この固定基板１にはその両面に渡ってスルー
ホール等により導通のとられた電極パタンが形成されて
いる。下側固定基板１に対して所定の間隙を介して他方
の固定基板あるいは上側の固定基板２が対向配置されて
いる。この上側固定基板２も同じく両面に渡ってスルー
ホール等により導通のとられた電極パタンが形成されて
いる。一対の固定基板１，２の間隙には導電板が介在し
ている。この導電板は両固定基板１，２の内面側電極パ
タン間を加速度に応じて変位可能な可動電極部を有して
いる。又、この導電板は少なくとも一方の固定基板例え
ば下側固定基板１の電極パタンに対して導通がとられる
様になっている。これら一対の固定基板１，２は接続用
のフレキシブル基板３により上下から挟持されている。
フレキシブル基板３は配線パタン４を有しており、両固
定基板１，２の外面側電極パタンに圧接されている。即
ち、このフレキシブル基板３は屈曲した状態でワッシャ
５を介してナット６により取り付けられており、全体と
してセンサブロック７を構成する。センサブロック７は
その中央を貫通する主軸８により固定支持されている。
さらに、センサブロック７はダンパ部材９を介してセン
サベース１０の上に搭載されている。センサベース１０
の上には４本の端子１１が植設されており、固定基板の
電極パタンや導電板の可動電極部は、フレキシブル基板
３を介して対応する各端子１１に電気的に取り出され
る。

【００１２】図２は図１に示すセンサブロック７の分解
斜視図である。ダンパ部材９の中央部には台座１１を介
して前述した主軸８が植設されている。主軸８の側面に
はカット部１２が設けられているとともに、頂部にはボ
ルト部１３が形成されている。

【００１３】フレキシブル基板３は、互いに連結された
一対の円盤部１４，１５と舌部１６とからなる。一方の
円盤部１４はその中央部に設けられた開口を介して主軸
８に挿入され台座１１の上に載置される。この状態でブ
ッシュ１７が主軸８に装着される。ブッシュ１７は略Ｄ
字形の異形状を有しており主軸８のカット部１２に整合
して位置決めされる。

【００１４】このブッシュ１７に対して下側固定基板１
が装着される。図示する様に、下側固定基板１の内表面
には互いに電気的に分離された中央電極パタン１８と周
辺電極パタン１９とが形成されている。又両電極パタン
の間にはガード電極パタン２０が形成されている。これ
らの内面側電極パタンはスルーホールを介して外面側電
極パタンに導かれている。さらに、下側のスペーサ２１
を介して導電板２２が重ねられる。この導電板２２は中
央部２３とその周辺に位置する可動電極部２４とから構
成されている。可動電極部２４は中央部２３によって弾
性的に支持されている。即ち、可動電極部２４は外部加
速度に応答して主軸８の軸方向に変位可能である。導電
板２２の中心部２３は導電性のスペーサ２１を介して下
側固定基板１の内表面に形成された中央電極パタン１８
に電気接続されている。さらに、別のスペーサ２５を介
して上側固定基板２が重ねられている。この上側固定基
板２の外面側には分割された電極パタンが形成されてお
り、スルーホールを介して内面側に形成された電極パタ
ンに導通している。この外面側電極パタンに対してフレ
キシブル基板３の他方の円盤部１５が折り曲げられた状
態で当接する。この様にして重ねられた各構成部品はワ
ッシャ２６，２７を介して前述したナット６により互い
に圧接固定される。このナット６は主軸８の頂部から突
出したボルト部１３に係合する。

【００１５】次に、図３〜図５を参照して本発明にかか
る加速度検出装置の主要構成部品を詳細に説明する。図
３は導電板２２の平面形状を表わす。図示する様に導電
板２２はディスク形状を有し、中心部２３と、これから
可撓的に延設され主面に対して垂直方向に変位可能な周
辺可動電極部２４とを有する。可動電極部２４は環形状
を有し、その内周端に沿って例えば３本の板バネ２８に
より中心部２３の外周端に連結されている。又、中心部
２３には図２に示すブッシュ１７を貫通させる為の開口
２９が形成されている。かかる形状を有する導電板２２
は、例えばステンレススチール等の弾性金属部材をエッ
チングによりパタンニングして得る事ができる。錆や腐
蝕等の問題が生じない場合にはＣｕ，Ｂｅ−Ｃｕを始め
としてより加工性の良い材料を用いる事もできる。

【００１６】図４は下側固定基板１の平面形状を示して
おり、Ａ部は内面側電極パタンを表わしており、Ｂ部は
外面側電極パタンを表わしている。固定基板１は例えば
セラミック等の電気絶縁材料から構成されており、その
内表面には環形状の周辺電極パタン１９が形成されてい
る。この電極パタン１９は例えば印刷技術を用いて塗布
された導電性厚膜電極で構成する事ができる。図３と図
４を比較すれば明らかな様に、周辺電極パタン１９と可
動電極部２４は大略同一形状を有しており、対向配置さ
せる事により空気等の気体を誘電物質とする容量素子を
構成する。固定基板１の中心部には図２に示すブッシュ
１７を貫通させる為の開口３０が形成されている。この
開口３０を囲む様に中央電極パタン１８が形成されてい
る。この電極パタン１８は導電性金属材料からなる導電
板２２との電気的接続をとる為のものであり、本例では
前述したスペーサ２１により互いに導通がとられる。さ
らに中央電極パタン１８と周辺電極パタン１９との間に
は前述した様にガード電極パタン２０が介在している。
このガード電極パタン２０は接地される様になってお
り、固定基板１上において中央電極パタン１８と周辺電
極パタン１９との間に不要な容量成分が形成される事を
防止している。

【００１７】図４のＢ部に示す様に、固定基板１の外面
側にも開口３０を囲む様に４分割された電極パタンが形
成されている。中央電極パタン１８に導通するセグメン
トパタン１８Ｓと、周辺電極パタン１９に導通する他の
セグメントパタン１９Ｓと、ガード電極パタン２０に導
通するさらに他のセグメントパタン２０Ｓとを含んでい
る。なお残りのセグメントパタンはダミーである。これ
らのセグメントパタンは各々スルーホールｈを介して対
応する内面側の電極パタンに接続されている。なお、図
示しないが上側の固定基板２も同様な電極パタン構造を
有している。

【００１８】図５はフレキシブル基板３の配線パタン形
状を示す平面図である。このフレキシブル基板は例えば
ポリイミドフィルムの表面にエッチングで所定の配線パ
タンを形成した後金型を用いて打ち抜きにより加工でき
る。前述した様にフレキシブル基板３は互いに連結され
た一対の円盤部１４，１５と舌部１６とを有している。
一方の円盤部１４は図４のＢ部に示した各セグメントパ
タンに整合する様に複数のパッドパタン１８Ｐ，１９
Ｐ，２０Ｐが形成されている。即ち、パッドパタン１８
Ｐは対応するセグメントパタン１８Ｓに当接するととも
に、舌部１６に設けられた出力端子ＯＵＴ用のランド電
極に導かれている。又、他のパッドパタン１９Ｐは対応
するセグメントパタン１９Ｓに当接するとともに、一方
の入力端子ＩＮ１用のランドパタンに導かれている。さ
らに他のパッドパタン２０Ｐは対応するセグメントパタ
ン２０Ｓに当接するとともに、接地端子ＧＮＤ用のラン
ドパタンに導かれている。

【００１９】同様にして、他方の円盤部１５は一方の円
盤部１４に対して折り曲げられた状態で上側の固定基板
２の外面側に圧接される。例えば、円盤部１５に形成さ
れたパッドパタン３１Ｐは上側固定基板２に形成された
周辺電極パタンに電気接続されるとともに、他方の入力
端子ＩＮ２用のランドパタンに導かれている。同様にし
て、上側固定基板２に形成されたガード電極パタンに対
してもパッドパタン３２Ｐを介して接地がとられる。

【００２０】図６は図１に示すセンサブロック７の等価
回路図である。可動電極部２２は前述した様にフレキシ
ブル基板を介して出力端子ＯＵＴに接続されている。又
下側の周辺電極パタン１９は一方の容量Ｃ１を形成する
とともに、フレキシブル基板を介して入力端子ＩＮ１に
接続されている。さらに、上側の周辺電極パタン３１は
他方の容量Ｃ２を形成するとともに、フレキシブル基板
を介して他方の入力端子ＩＮ２に接続されている。加え
て、上下両方のガード電極パタン２０はフレキシブル基
板を介して接地端子ＧＮＤに接続されている。これら４
本の端子には駆動回路３３が接続されている。この駆動
回路３３は一対の入力端子間に振幅Ｖ０を有する交流電
圧を印加するとともに、出力端子には加速度に応じた振
幅ＶＳを有する出力信号が得られる。

【００２１】今、電極パタンの面積をＳ、加速度のない
時の電極間ギャップをｄ０、加速度をα、可動電極部２
２のバネ定数をＫ、可動電極部の質量をＭとすると、夫
々の電極間隔は、ｄ１＝ｄ０＋ＫαＭ，ｄ２＝ｄ０−Ｋ
αＭで与えられる。一方容量値はＣ１＝εＳ／ｄ１，Ｃ
２＝εＳ／ｄ２で与えられる。なお、εは電極間隙に挟
持される気体の誘電率である。一対の入力端子ＩＮ１，
ＩＮ２の間に角周波数ωの交流電圧Ｖ０を印加すると、
可動電極部２２の電位即ち出力端子ＯＵＴに現われる信
号の振幅ＶＳは、コンデンサのインピーダンスＺ＝１／
ｊωＣの関係式を用いて、以下の様に与えられる。ＶＳ＝Ｚ２Ｖ０／（Ｚ１＋Ｚ２）＝ｄ２Ｖ０／（ｄ１＋ｄ２）＝（ｄ０−ＫαＭ）Ｖ０／２ｄ０＝Ｖ０／２−γα（γ＝ＫＭＶ０／２ｄ０定数）上記の式から明らかな様に出力電圧ＶＳは加速度αに対
してリニアな関係を有している。本発明では、センサブ
ロックの各電極から端子までの電気接続がフレキシブル
基板等を用いた圧接によりとられている。面接触であり
且つ十分な圧接力を加える事により接触抵抗を極めて低
く抑える事ができる。入力交番電圧の周波数を１５kHz
とし、容量Ｃ１，Ｃ２の値を２０pFとすると、これらの
容量によるインピーダンスは５３０ｋΩとなる。これに
対して、接触抵抗は高々数Ω程度であるので全く問題と
ならない。

【００２２】最後に図７は、センサブロックと駆動回路
を一体的に組み込んだ加速度検出装置を示す模式的な断
面図である。センサブロック７を搭載しているセンサベ
ース１０はケーシング３４のポスト３５にかしめ固定さ
れる。センサブロック７はキャップ３６によりハーメチ
ックシールされており内部には不活性ガスが充填されて
いる。前述した様にセンサベース１０には４本の端子１
１が貫通している。各端子の上端部はフレキシブル基板
３の舌部１６と電気接続されている。又端子１１の下端
部は回路基板３７に貫通しており、コネクタ３８を介し
て電気接続されている。この回路基板３７はその上に図
６に示した駆動回路３３を搭載している。回路基板３７
は電磁シールド３９により覆われているとともに、ケー
シング３４と係合するカバー４０により保護されてい
る。最後に、センサベース１０を貫通してコネクタピン
４１が回路基板３７に接続されており、駆動回路に対す
る電源の供給あるいは出力信号の取り出しを行なう。

【００２３】なお上述した実施例においては、導電板は
スペーサを介して一対の固定基板間に固定されている。
しかしながら、本発明はこれに限られるものではなく導
電板の中心部を周辺可動電極部よりも厚みを大きくして
直接固定支持する構造としても良い。又、上述した実施
例では導電板が一方の固定基板に対して電気接続される
構造となっているが、本発明はこれに限られるものでは
ない。上下両方の固定基板に対して電気接続をとる構造
としても良い。さらに、上述した実施例においては導電
板は中心部を固定し周辺部を可動部分としているが、本
発明はこれに限られるものではない。周辺部を固定し中
心部を可動電極とする構造であっても良い。

【００２４】

【発明の効果】以上説明した様に、本発明によれば、フ
レキシブル基板を利用して電極取り出しを行なう構造と
したので、熱膨張係数の相違等によるストレスを吸収で
き、温度依存性の出力信号ドリフトを軽減もしくは除去
する事ができるという効果がある。又、フレキシブル基
板は優れた柔軟性を有しており温度変化による収縮等を
繰り返しても疲労破壊が起りにくく加速度検出装置の信
頼性を改善する事ができるという効果がある。さらに、
フレキシブル基板は折り曲げた状態で圧接により組み込
まれるので組み立て性が著しく向上するという効果があ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明にかかる加速度検出装置のセンサブロッ
ク部を示す模式的な斜視図である。

【図２】センサブロックの分解斜視図である。

【図３】導電板の平面図である。

【図４】固定基板の電極パタンを示す模式図である。

【図５】フレキシブル基板の配線パタン形状を示す模式
的な平面図である。

【図６】本発明にかかる加速度検出装置の等価回路図で
ある。

【図７】センサブロックと駆動回路を一体的に組み込ん
だ加速度検出装置の一例を示す模式的な断面図である。

【図８】従来の加速度検出装置の一例を示す模式図であ
る。

【図９】従来の加速度検出装置の他の例を示す模式的な
斜視図である。

【図１０】従来の加速度検出装置のさらに他の例を示す
模式的な分解斜視図である。

【符号の説明】

１下側固定基板２上側固定基板３フレキシブル基板４配線パタン７センサブロック１０センサベース１１端子１８中央電極パタン１９周辺電極パタン２１スペーサ２２導電板２３中心部２４周辺可動電極部２５スペーサ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】両面に渡って導通のとられた電極パタン
を有する一方の固定基板と、同じく両面に渡って導通の
とられた電極パタンを有するとともに該一方の固定基板
に所定の間隙を介して対向配置された他方の固定基板
と、該間隙に介在し両固定基板の内面側電極パタン間を
加速度に応じて変位可能な可動電極部を有するとともに
少なくとも一方の固定基板の電極パタンに対して導通の
とられた導電板と、両固定基板の外面側電極パタンに圧
接する配線パタンを有するとともに屈曲した状態で一対
の固定基板を上下から挟持する接続用フレキシブル基板
とからなる加速度検出装置。
【請求項２】該導電板は、該間隙に固定された中心部
を有しておりその周辺に配置された該可動電極部を弾性
的に支持する請求項１に記載の加速度検出装置。
【請求項３】該一方の基板は、その内面側において該
導電板の中心部に電気接続する中央電極パタンと該導電
板の可動電極部に対面する周辺電極パタンとを有する請
求項２に記載の加速度検出装置。
【請求項４】該導電板の中心部は導電スペーサを介し
て該一方の基板の中央電極パタンに電気接続される請求
項３に記載の加速度検出装置。