JP3230109B2

JP3230109B2 - 加速度センサユニット

Info

Publication number: JP3230109B2
Application number: JP07874893A
Authority: JP
Inventors: 正利大場; 正和椎木; 浩一日笠; 志朗藤岡
Original assignee: Omron Corp
Current assignee: Omron Corp
Priority date: 1993-03-11
Filing date: 1993-03-11
Publication date: 2001-11-19
Anticipated expiration: 2016-11-19
Also published as: JPH06265569A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、加速度センサユニット
に関する。例えば、自動車の加速度や振動を検出するセ
ンサであって、加速度や振動によって生じるマス部の変
位を検知する加速度センサユニットに関する。

【０００２】

【従来の技術とその問題点】図７は、従来例の加速度セ
ンサ５０を示す概略断面図である。この加速度センサ５
０は、シリコン基板よりなる角枠状をしたフレーム５１
の開口部分の中央にマス部５２が配設されており、マス
部５２は２本のビーム５３によって片持ち状にフレーム
５１に支持されている。マス部５２は、ビーム５３の弾
性変形によってマス部５２の厚さ方向（図のＹ軸方向）
に自由に微小変位できるようになっており、その底面に
は可動電極５５が形成されている。

【０００３】フレーム５１の上下面にはガラス基板５４
が重ねられ、ガラス基板５４の周辺部はフレーム５１に
接合されている。フレーム５１下面のガラス基板５４の
内面には、マス部５２の可動電極５５と微小なギャップ
をへだてて静止電極５６が設けられており、マス部５２
の可動電極５５と静止電極５６とによりコンデンサが形
成されている。

【０００４】しかして、ビーム５３に支持されたマス部
５２がＹ軸方向に加速度を受けて変位した場合、マス部
５２の変位量に応じてマス部５２の可動電極５５と静止
電極５６の間のギャップ量が変化して静電容量が変わ
る。したがって、この静電容量の値の変化を電気信号と
して出力することによって加速度を検知することができ
る。

【０００５】また、フレーム５１やマス部５２やビーム
５３は単結晶のシリコン基板等より作製されているた
め、電気化学エッチング手法を用いてビーム５３等を効
率よく形成することができ、生産性よく加速度センサ５
０を製造することができる。

【０００６】しかし、電気化学エッチング手法による
と、シリコン基板の両面から等しくエッチングすること
はできず、片面のみからのエッチングとなるのでシリコ
ン基板の厚さ方向に対してその中央にビーム５３を形成
できない。このため、加速度センサ５０を水平に置いた
場合には、ビーム５３の中心軸Ｑとマス部５２の重心Ｒ
は同一水平面上に位置せず、Ｙ軸方向の検出目的以外の
軸方向（例えばＸ軸方向）の加速度の影響を受けやす
く、図８に示すように、加速度センサ５０の下部にＹ軸
以外の軸方向の感度を最小にする角度を持った台座５７
を加速度センサ５０と回路基板５８との間に具備するこ
とで、目的以外の加速度の影響を抑えることとしてい
る。

【０００７】また、図９に示すものは、さらに別な従来
例の加速度センサ６０であって、この加速度センサ６０
は、エッチング溶液により単結晶のシリコン基板を上下
方向から化学エッチングし、時間制御でもってエッチン
グ深さを制御することで、ビーム５３をフレーム５１内
部に形成し、ビーム５３の中心軸Ｑとマス部５２の重心
Ｒを同一水平面上に位置させた構造とすることで、Ｙ軸
方向の加速度の影響を少なくしている。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、図８に
示すような構造では、個々の加速度センサ５０に対し
て、加速度センサ５０の下面のガラス基板５４と回路基
板５８との間に台座５７を取り付ける必要があるため、
加速度センサ５０が小型化すればするほど、台座５７に
取り付ける作業性が著しく低下するという問題点があっ
た。例えば、加速度センサ５０を小さくすると、台座５
７自身もそれに合わせて小さくする必要がある。このた
め、加速度センサ５０を傾斜させるための角度を台座５
７に加工することが難しくなり、その角度にも高い精度
が要求される。また、角度の精度を上げるため、台座５
７を大きく作製すれば、回路基板５８上における実装面
積が大きくなる。さらに、加速度センサ５０を台座５７
に正確に取り付けなければ、検出軸以外の軸方向の加速
度を検出し、誤差を含みやすく、信頼性に欠けるものと
なる。

【０００９】また、図９に示す加速度センサ６０にあっ
ては、時間制御でエッチングするために、エッチング溶
液の温度、エッチング溶液の濃度の影響を受けやすく、
その温度、濃度管理が困難で、又、エッチング時間にバ
ラツキがあるため、加速度センサ６０の生産性が著しく
低下するという問題点があった。

【００１０】本発明は叙上の従来例の欠点に鑑みてなさ
れたものであり、その目的とするところは、生産性のよ
い加速度センサを用いて、検出目的軸成分のみを検出す
ることのできる実装容易な加速度センサユニットを提供
することにある。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明の加速度センサユ
ニットにあっては、重心がビームの中心軸に位置しない
マス部を、弾性を有するビームにより支持体に揺動自在
に支持された加速度センサを実装基板に実装し、当該実
装基板をケーシングに装填した加速度センサユニットに
おいて、前記実装基板上に実装された前記加速度センサ
の前記マス部が揺動して加速度を検出する軸に対して、
他の軸の加速度検出感度が最小になるように前記マス部
の重心と前記ビームが同一水平面上に位置する角度で、
当該実装基板をケーシングに装填したことを特徴として
いる。

【００１２】また、実装基板に実装する加速度センサ
は、金属パッケージ等のパッケージに収納したり、実装
基板に実装するための固定基板に実装したのち、実装基
板に実装することとしてもよい。

【００１３】

【作用】本発明の加速度センサユニットにあっては、実
装基板に実装された加速度センサのマス部が揺動して加
速度を検出する軸に対して、他の軸の加速度検出感度が
最小になるように前記マス部の重心と前記ビームが同一
水平面上に位置する角度で、実装基板をケーシングに装
填しているので、他の軸の加速度の影響を受けることな
く、目的とする検出軸方向のみの加速度を検出すること
ができる。すなわち、取り付けが困難である台座を個々
の加速度センサに設ける必要がなく、加速度センサが実
装された実装基板を傾斜させることにより、簡単に加速
度センサに傾斜角度を持たせることができる。例えば、
マス部の重心がビームの中心軸上にないため、加速度セ
ンサの検出軸方向（マス部の変位方向）以外の影響を受
けやすい加速度センサを用いた場合であっても、加速度
センサが実装された実装基板に傾斜角度を持たせて、マ
ス部の重心とビームとが概ね同一水平面上にあるように
加速度センサユニット内に保持することができる。

【００１４】また、実装基板を加速度センサユニット内
に保持する傾斜角度は、加速度センサのマス部の形状等
により一定の角度に定まる。そこで、所望の傾斜角度が
得られるユニット本体を量産しておくことで、他軸方向
の加速度の影響を受けることのない加速度センサユニッ
トを容易に多量提供することができる。また、マス部を
大きくして検出感度を高くするために、傾斜角度が異な
ることとなった場合でも、傾斜角度の異なるユニット本
体を作製することで、検出感度のよい加速度センサユニ
ットを簡単に提供することができる。

【００１５】さらに、加速度センサは実装基板に水平に
実装するだけでよい。また、加速度センサを実装する実
装基板の実装角度によって他軸感度を小さくしているの
で、所定の傾斜角度との誤差を小さくすることができる
と共に加速度センサの実装基板上における実装面積を大
きくすることもない。

【００１６】また、予め加速度センサを金属パッケージ
のようなパッケージに収納したり、実装基板に実装する
ための固定基板に実装したのち、固定基板とともに実装
基板に実装することにすれば、実装作業を容易にするこ
とができる。

【００１７】

【実施例】図１は、本発明の一実施例である加速度セン
サユニットＡの概略断面図である。１は加速度を検知す
る加速度センサ、２は加速度センサ１を保持してある回
路基板であって、回路基板２上には加速度センサ１と共
に加速度センサ１の出力を電気信号として検出し増幅し
たりする検知回路３を構成する電子部品４ａ，４ｂを実
装している。また、ユニット本体６は、回路基板２を加
速度センサユニットＡ内に固定保持するための固定補助
部材５と金属板からなるシールド板７及び７´と絶縁性
のあるプラスチック等からなるベース８及び蓋９により
構成されている。

【００１８】加速度センサ１は回路基板２に水平に取り
付けられたのち、回路基板２とともに固定角度θで、固
定補助部材５に設けられた差し込み溝状などの固定部５
ａに固定されている。

【００１９】図２は、ユニット本体６に備え付けられた
加速度センサ１を示す断面図であって、加速度センサ１
は静電容量型のものである。この加速度センサ１にあっ
ては、角枠状をしたフレーム１１の開口部分の中央にマ
ス部１２が配設されており、マス部１２は２本のビーム
１３によって片持ち状にフレーム１１に支持されてい
る。マス部１２は、ビーム１３の弾性変形によって図２
のＹ軸方向に自由に微小変位できるようになっている。
また、フレーム１１とビーム１３及びマス部１２は、結
晶シリコンウエハを半導体製造プロセスを用いて一体と
して形成されており、全体が導電性を有していて、マス
部１２は可動電極１４としての機能を有する。また、ビ
ーム１３を所定の厚さでエッチングを停止させるため、
ビーム１３の厚さ分だけ結晶シリコンウエハに拡散層を
形成し、水酸化カリウム水溶液等のエッチング液により
電気化学エッチングしてフレーム１１等を形成してい
る。

【００２０】フレーム１１の上面及び下面にはガラス製
のカバー１６ａ，１６ｂが重ねられ、カバー１６ａ，１
６ｂの周辺部は接着剤等や高温で高電圧を印加して接着
する陽極接合法等によりフレーム１１に接着されてい
る。カバー１６ａ，１６ｂの内面にはマス部１２が変位
できるように窪み１７ａ，１７ｂが形成されており、カ
バー１６ａ，１６ｂの窪み１７ａ，１７ｂの底にはマス
部１２の変位を検知するための変位検出用電極１５ａ，
１５ｂが配設されている。

【００２１】また、マス部１２の可動電極１４の上面側
と変位検出用電極１５ａ、及びマス部１２の可動電極１
４の下面側と変位検出用電極１５ｂによって構成される
コンデンサは、ビーム１３及びフレーム１１を通して検
知回路３に接続されている。検知回路３は、当該コンデ
ンサの静電容量の変化を検出し、当該静電容量の変化を
電圧の変化に変換して、ユニット本体６に設けられた端
子１８へと出力する。

【００２２】しかして、加速度センサ１に加速度が加わ
ると、慣性力によってマス部１２がビーム１３を弾性的
に撓ませながら変位し、慣性力とビーム１３の弾性復帰
力の釣り合った位置で静止する。あるいは、加速度セン
サ１に振動が加わると、振動に応じてマス部１２も振動
する。このとき、マス部１２の変位量に応じてマス部１
２と変位検出用電極１５ａ，１５ｂとの間のギャップ量
が変化し、マス部１２の可動電極１４と変位検出用電極
１５ａ，１５ｂとの間の静電容量が変化する。この静電
容量の変化は検知回路３により検出され、加速度の大き
さに対応した電圧信号に変換して出力されるので、加速
度を知ることができる。

【００２３】また、この加速度センサ１は回路基板２に
固定したのち、加速度センサ１のマス部１２の重心Ｍと
ビーム１３とが概ね同一水平面上にあるように、加速度
センサ１とともに回路基板２を固定角度θでユニット本
体６に備え付けてある。しかして、加速度センサユニッ
トＡに加速度が加わると、慣性力がマス部１２に働く
が、ビーム１３を中心とした曲げモーメントによってＹ
軸方向（鉛直方向）のみにしかマス部１２は変位を受け
ず、したがって、Ｙ軸方向以外の加速度は検出されず、
Ｙ軸方向のみの加速度が検出されることになる。特に、
Ｘ軸方向（水平方向）の加速度によってはビーム１３に
曲げモーメントが発生せず、Ｘ軸方向の加速度は検出さ
れない。

【００２４】このように加速度センサユニットＡにあっ
ては、Ｙ軸（検出軸）方向以外の加速度の影響を受ける
ことなく（とくにＸ軸方向に感度を持たず）、Ｙ軸方向
の加速度を正確に測定することができる。

【００２５】図３に、固定角度θを決定するための測定
方法を示す。縦軸に図２におけるＸ軸方向の加速度感度
（％ＦＳＯ）、横軸には、ビーム１３の等価的な支点Ｌ
を中心として加速度センサ１を図２において反時計方向
（左回り）に回転させた時負となるように、加速度セン
サ１の傾斜角ω（ビーム１３の中心軸と水平面とのなす
角度）を表わしている。図３に示すように、傾斜角０゜
の時、つまり加速度センサ１が水平に保持されていると
きには、−Ｘ軸方向の加速度感度（図２における左方向
への加速度感度）は−５０％ＦＳＯ以下であるが、徐々
に加速度センサ１をビーム１３の等価支点Ｌを中心とし
て左回りに回転させていくと、Ｘ軸方向の加速度感度
は、−Ｘ軸方向、＋Ｘ軸方向ともに加速度感度の大きさ
が減少し、傾斜角−１３゜において、−Ｘ軸方向の加速
度感度は０％ＦＳＯとなる。つまり、固定角度θを例え
ば１３゜の角度で回路基板２をユニット本体６に装着す
れば、マス部１２の重心Ｍとビーム１３の基端部にある
等価的な支点Ｌは概ね同一水平面上に存在するようにな
り、Ｘ軸方向の加速度感度を最小限にすることができ、
Ｙ軸方向の加速度のみを検出できるようになる。

【００２６】また、加速度センサユニットＡに回路基板
２を備え付ける固定角度θは、マス部１２の重心Ｍ及び
ビーム１３の位置関係や、加速度センサ１のマス部１２
やビーム１３などの各部の形状や重量によって決まるた
め、同じ構成の加速度センサ１では同じ固定角度θとな
り、この固定角度θは上述のように初期測定によって求
められる。そこで、固定角度θとなるように固定部５ａ
を設けてユニット本体６を作製しておけば、生産性のよ
い加速度センサ１を作製してユニット本体６に収め、指
向性のよい加速度センサユニットＡを簡単に作製するこ
とができる。

【００２７】また、さまざまな固定角度θとなるような
固定部５ａを設けたユニット本体６を作製しておけば、
様々なマス部等の形状を持つ加速度センサ１に容易に対
応することが可能になり、マス部１２を大きく作製して
加速度センサ１の検出感度を容易に向上することができ
る。加速度センサ１を小型化した場合であっても、容易
に検出したい軸方向のみの加速度を検出することのでき
る加速度センサユニットＡを提供することができる。

【００２８】図４に、本発明のさらに別な実施例である
加速度センサユニットＢのユニット本体６に収められた
加速度センサ２０の断面図を示す。この加速度センサ２
０は、ピエゾ抵抗型のものであって、回路基板２に水平
に保持されたのち、加速度センサユニットＢのユニット
本体６に対して固定角度θで回路基板２が取り付けられ
ている。また、ビーム２３の上面には、ピエゾ抵抗素子
２８に生じた歪み量に応じて抵抗値が変化するピエゾ抵
抗素子２８が貼り付けられている。一方、フレーム２１
の下面にはガラス製のカバー２６が重ねられ、カバー２
６の周辺部は陽極接合法等によりフレーム２１に接着さ
れ、カバー２６の内面にはマス部２２が変位できるよう
に窪み２７が形成されている。

【００２９】しかして、加速度センサ２０に加速度や振
動が加わると、加速度あるいは振動に応じて、マス部２
２も振動して、ビーム２３に歪みを生じることになる。
このとき、ビーム２３に生じた歪み量に応じて、ピエゾ
抵抗素子２８の抵抗値が変化し、この抵抗値の変化は、
回路基板２上に設けられた検知回路３により検出され、
加速度の大きさに対応した電圧信号もしくは電流信号に
変換して出力されるので、加速度を知ることができる。

【００３０】この加速度センサ２０にあっても、実施例
１の加速度センサ１と同様に、ビーム２３の等価支点Ｐ
を中心とした傾斜角ω（ビーム２３の中心軸Ｐと水平面
とのなす角度）を初期測定しておくことにより、固定角
度θを求めることができる。そこで、マス部２２の重心
Ｏとビーム２３の支点Ｐとが概ね同一水平面上にあるよ
うに、回路基板２を固定角度θでユニット本体６に取り
付けることにより、Ｙ軸方向の加速度のみを検出するこ
とができる。

【００３１】したがって、ピエゾ抵抗型の加速度センサ
２０を用いた場合でも、容易に検出軸方向のみの加速度
を検出することのできる加速度センサユニットを提供す
ることができる。

【００３２】図５は、本発明のさらに別な実施例である
加速度センサユニットＣの一部破断した断面図であっ
て、加速度センサ３０は、金属パッケージ３１にパッケ
ージしたのち、回路基板２に実装後、固定角度θでもっ
てユニット本体６に保持固定されている。また、加速度
センサ３０に構成されたコンデンサは、金属パッケージ
３１の接続端子３２に接続され、接続端子３２を介して
固定基板上の電子部品４ａ，４ｃ，４ｄに接続されてい
る。

【００３３】図６は、本発明のさらに別な実施例である
加速度センサユニットＤの一部破断した断面図である。
この加速度センサ４０は、固定基板４１上に固定したの
ち、絶縁性のプラスチックケース４２でパッケージし、
回路基板２に表面実装してあり、加速度センサ４０に構
成されたコンデンサは、固定基板４１上の接続端子（図
示せず）を通じて検知回路３を構成する電子部品４ａ，
４ｃ，４ｄに接続されている。次いで、検出目的以外の
軸感度を最小限にすべく、この回路基板２は固定角度θ
でユニット本体６に保持固定されている。

【００３４】加速度センサユニットＣやＤのように、加
速度センサ３０，４０を金属パッケージ３１や固定基板
４１上に実装したのち、回路基板２に装着することとす
れば、加速度センサ３０，４０が小型化しても回路基板
２に装着することが容易になり、加速度センサ１に構成
されたコンデンサと検知回路３との接続や、加速度セン
サ２０のビーム２１上に形成されたピエゾ抵抗素子２８
と検知回路３との接続が容易になる。

【００３５】また、以上の実施例においては、加速度セ
ンサ１上に構成されるコンデンサや加速度センサ２０の
ビーム２３上に形成されるピエゾ抵抗素子２８は、ビー
ム１３，２３及びフレーム１１，２１を通じて、回路基
板２上の検知回路３に接続することにしているが、これ
らの検知回路３は加速度センサ１，２０のフレーム１
１，２１上に設けることとしてもよい。検知回路３をフ
レーム１１，２１上に設ける場合には、回路基板２に検
知回路３を設ける必要がないため、加速度センサユニッ
トＡやＢをさらに小型化することもできる。

【００３６】

【発明の効果】本発明の加速度センサユニットにあって
は、実装基板に実装された加速度センサを、加速度検出
軸に対して、他の軸の加速度検出感度を最小にする角度
で、実装基板を傾斜させて加速度センサユニットに保持
し、加速度センサに傾斜角度を持たせているので、他の
軸の加速度の影響を受けることなく、目的とする検出軸
方向のみの加速度を容易に検出することができる。

【００３７】また、実装基板を所望する傾斜角度で保持
することができるユニット本体を量産しておくことで、
他軸方向の加速度の影響を受けることのない加速度セン
サユニットを容易に提供することができ、傾斜角度の異
なるユニット本体を用意することで簡単に、検出感度の
高い加速度センサユニットを提供することができる。

【００３８】さらに、加速度センサは実装基板に水平に
実装するだけでよい。また、加速度センサを実装する実
装基板の実装角度によって他軸感度を小さくしているの
で、所定の傾斜角度との誤差を小さくすることができる
とともに加速度センサの実装基板上における実装面積を
大きくすることもない。

【００３９】また、予め加速度センサを金属パッケージ
等のパッケージに収納したり、実装基板に実装するため
の固定基板に実装したのち、固定基板とともに実装基板
に実装することにすれば、実装作業を容易にすることが
できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例である加速度センサユニット
の概略断面図である。

【図２】同上のユニット本体に備え付けられた加速度セ
ンサを示す断面図である。

【図３】同上における傾斜角ωと図２におけるＸ軸方向
の加速度感度との関係を表わした図である。

【図４】本発明の別な実施例である加速度センサユニッ
トのユニット本体に装着された加速度センサの断面図で
ある。

【図５】本発明のさらに別な実施例である加速度センサ
ユニットの一部破断した断面図である。

【図６】本発明のさらに別な実施例である加速度センサ
ユニットの一部破断した断面図である。

【図７】従来例である加速度センサの断面図である。

【図８】同上の加速度センサに台座を設けたところを示
す断面図である。

【図９】さらに別な従来例である加速度センサの断面図
である。

【符号の説明】

２回路基板３検知回路５固定補助部材１２マス部１３ビーム１７ａ，１７ｂ窪み３１金属パッケージ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者藤岡志朗京都府京都市右京区花園土堂町10番地オムロン株式会社内 (56)参考文献特開平５−78748（ＪＰ，Ａ) 特開平４−297875（ＪＰ，Ａ) 特開昭61−97572（ＪＰ，Ａ) 特開昭61−72677（ＪＰ，Ａ) 国際公開90／10237（ＷＯ，Ａ１) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G01P 15/00 - 15/135

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】重心がビームの中心軸に位置しないマス
部を、弾性を有するビームにより支持体に揺動自在に支
持された加速度センサを実装基板に実装し、当該実装基
板をケーシングに装填した加速度センサユニットにおい
て、前記実装基板上に実装された前記加速度センサの前記マ
ス部が揺動して加速度を検出する軸に対して、他の軸の
加速度検出感度が最小になるように前記マス部の重心と
前記ビームが同一水平面上に位置する角度で、当該実装
基板をケーシングに装填したことを特徴とする加速度セ
ンサユニット。
【請求項２】金属パッケージのようなパッケージに収
めた前記加速度センサを前記実装基板に実装してあるこ
とを特徴とする請求項１に記載の加速度センサユニッ
ト。
【請求項３】前記実装基板に実装するための固定基板
に前記加速度ユニットを実装し、当該加速度センサを当
該固定基板を介して前記実装基板に実装してあることを
特徴とする請求項１に記載の加速度センサユニット。