JP2007255962A - 加速度センサ及び加速度検出方法 - Google Patents

Abstract

【課題】検出精度の高い加速度センサ及び加速度検出方法を実現できるようにする。
【解決手段】準静電界の発生源に接続された一対の発生電極と、一対の発生電極を囲む導電性の枠部と、枠部に対して一対の発生電極を支持する弾性支持部と、枠部に対して絶縁状態にあり、枠部の外側と隔てて配置された検出電極とを設ける。弾性支持部は、加速度の検出方向に弾性を有し、当該弾性が働いていない状態では、一対の発生電極を、枠部に囲まれた空間の中心を定点として検出方向に点対称で支持する。検出電極は、一対の発生電極の一方と対向するように、枠部の外側と隔てて配置する。
【選択図】図５

Description

本発明は加速度センサ及び加速度検出方法に関し、特に、高精度を要求される場合に適用して好適なものである。

従来、加速度センサとして、圧電素子２と、この圧電素子２の長さ方向両端部を支持する支持枠１０、１１とを備えたものが提案されている（特許文献１参照）。

この加速度センサの圧電素子２は、例えば６層以上の偶数層の圧電体層２ａ〜２ｆを積層してなり、圧電素子２の層間及び表裏主面に電極が設けられ、層間電極は、加速度が印加されたときに圧電素子加わる伸びストレスと縮みストレスの変極点付近で長さ方向に分極された電極４、６と、圧電素子の長さ方向の端部に引き出された電極３、５、７とで構成される。

圧電体層２ａ〜２ｆは、加速度が作用した際に、電極の両側の圧電体層において同一極性の電荷がこの電極から取り出されるように厚み方向に分極され、かつ同一の圧電体層内において中央部と両端部とで逆方向となるように分極されている。

この加速度センサによれば、圧電素子を積層した構造をもち、しかも加速度の印加に伴って圧電体層の長さ方向中央部と両端部とで発生する電荷をそれぞれ取り出すことができるようになっているので、静電容量が大きく、かつ電荷を効率よく収集できる。その結果、検出精度の高い加速度センサを実現できるというものである。
特開２００２−２１４２４８公報（第２図）

ところでかかる構成の加速度センサでは、電極間における放射電界又は誘導電磁界の変位量（静電容量）が検出要素とされ、当該電極間の距離に応じてその検出精度が左右される。しかし、この静電容量それ自体の分解能よりも高い分解能を有するものを検出要素とすることができれば、従来に比して検出精度の高い加速度センサを実現できるものと考えられる。

本発明は以上の点を考慮してなされたもので、検出精度の高い加速度センサ及び加速度検出方法を提案しようとするものである。

かかる課題を解決するため本発明は、加速度センサであって、発振源に接続された一対の準静電界発生電極と、一対の準静電界発生電極を囲む導電性の枠部と、枠部に対して一対の準静電界発生電極を支持する弾性支持部と、枠部に対して絶縁状態にあり、枠部と隔てて該枠部に囲まれた空間以外に配置された検出電極とを設け、当該弾性支持部は、加速度の検出方向に弾性を有し、加速による力を受けていない状態では、一対の準静電界発生電極を、枠部に囲まれた空間の中心を定点として検出方向に点対称で支持し、検出電極は、一対の準静電界発生電極の一方と対向するように配置されるようにした。

この加速度センサでは、加速による力を受けていない場合、一対の準静電界発生電極は枠部空間内で対称に支持されているため、該準静電界発生電極から発生される準静電界が枠部を介して相互に打ち消し合うことになり、この結果、検出電極での検出結果に変化が生じることはない。

これに対して加速による力を受ける場合、一対の準静電界発生電極は弾性支持部の変位に応じて枠部の中心から加速度の検出方向にずれて非対称に支持されることになるため、当該準静電界発生電極から発生される準静電界は拮抗状態ではなくなる。この結果、弾性支持部の変位に応じて、加速度の検出方向では枠部から準静電界がしみでることとなり、検出電極での検出結果には、加速度に相当する変化が生じることとなる。

一方、準静電界は、距離の３乗に反比例するため、距離の２乗に反比例する誘導電磁界や距離に線形に反比例する放射電界に比して、当該距離に対する分解能が高い。従ってこの加速度センサは、枠部の中心から加速度の検出方向への一対の準静電界発生電極のずれがわずかであったとしても、弾性支持部の変位に応じて、加速度に相当する準静電界の変化を検出することができる。

また本発明は、加速度検出方法であって、導電性の枠部に囲まれ、加速度の検出方向に弾性をもつ弾性支持部によって加速による力を受けていない状態では、枠部に囲まれた空間の中心を定点として検出方向に点対称で枠部に支持された一対の準静電界発生電極に対して、放射電界及び誘導電磁界に比して準静電界の強度が大きい状態となる周波数の信号を出力する第１のステップと、枠部に対して絶縁状態にあり、一対の準静電界発生電極の一方と対向するように枠部と隔てて該枠部に囲まれた空間以外に配置された検出電極と、枠部との間における信号の強度を検出する第２のステップと、その信号の強度に応じて加速度を検出する第３のステップとを設けるようにした。

この加速度検出方法では、加速による力を受けていない場合、一対の準静電界発生電極は枠部空間内で対称に支持されているため、該準静電界発生電極から発生される準静電界が枠部を介して相互に打ち消し合うことになり、この結果、検出電極での検出結果に変化が生じることはない。

これに対して加速による力を受ける場合、一対の準静電界発生電極は弾性支持部の変位に応じて枠部の中心から加速度の検出方向にずれて非対称に支持されることになるため、当該準静電界発生電極から発生される準静電界は拮抗状態ではなくなる。この結果、弾性支持部の変位に応じて、加速度の検出方向では枠部から準静電界がしみでることとなり、検出電極での検出結果には、加速度に相当する変化が生じることとなる。

一方、準静電界は、距離の３乗に反比例するため、距離の２乗に反比例する誘導電磁界や距離に線形に反比例する放射電界に比して、当該距離に対する分解能が高い。従ってこの加速度センサは、枠部の中心から加速度の検出方向への一対の準静電界発生電極のずれがわずかであったとしても、弾性支持部の変位に応じて、加速度に相当する準静電界の変化を検出することができる。

以上のように本発明によれば、準静電界を用いて加速度を検出できるようにしたことにより、検出精度の高い加速度センサ及び加速度検出方法を実現できる。

（１）電界
本発明による加速度センサの実施の形態を説明する前に、まずは、電界について各種観点から説明する。

（１−１）電界の分類
電界発生源となる微小ダイポールからの距離をｒとし、その距離ｒを隔てた位置をＰとした場合、当該位置Ｐでの電界強度Ｅは、マックスウェル方程式より、次式

のように曲座標（ｒ,θ,δ）として表すことができる。ちなみに、（１）式における「Ｑ」は、電荷[Ｃ]であり、「ｌ」は、電荷間の距離（但し、微小ダイポールの定義より、「ｌ」は「ｒ」に比して小さい）であり、「π」は、円周率、「ε」は、微小ダイポールを含む空間の誘電率、「ｊ」は、虚数単位、「ｋ」は、波数である。

かかる（１）式を展開すると、次式

となる。この（２）式からも分かるように、電界Ｅ_ｒ及びＥ_Θは、電界発生源からの距離に線形に反比例する放射電界（Ｅ_Θの第３項）と、電界発生源からの距離の２乗に反比例する誘導電磁界（Ｅ_ｒ、Ｅ_Θの第２項）と、電界発生源からの距離の３乗に反比例する準静電界（Ｅ_ｒ、Ｅ_Θの第１項）との合成電界として発生する。

このように電界は、距離との関係では、放射電界、誘導電磁界及び準静電界に分類することができる。

（１−２）電界と分解能との関係
ここで、電界発生源からの距離によって電界強度が変化する割合を、放射電界、誘導電磁界、準静電界で比較する。（２）式における電界Ｅ_Θのうち、放射電界に関する第３項を距離ｒで微分すると、次式

のように表すことができ、また（２）式における電界Ｅ_Θのうち、誘導電磁界に関する第２項を距離ｒで微分すると、次式

のように表すことができ、さらに（２）式における電界Ｅ_Θのうち、準静電界に関する第１項を距離ｒで微分すると、次式

のように表すことができる。なお、（３）乃至（５）式の「Ｔ」は、単純化するために(２)式の一部分を次式

のように置き換えている。

これら（３）乃至（５）式からも明らかなように、距離によって電界強度が変化する割合は準静電界に関する成分が最も大きい。

つまり、準静電界は、放射電解及び誘導電磁界に比して、距離に対する分解能が高い関係にある。

したがって、電界発生源から発生される電界のうち、検出対象の準静電界の強度が、当該検出対象以外の誘導電磁界及び放射電界の強度に比して大きいのであれば、当該誘導電磁界及び放射電界がないものとみなし得るため、準静電界の検出が可能となる。

（１−３）電界と周波数との関係
一方、これら放射電界、誘導電磁界及び準静電界それぞれの相対的な強度と、距離との関係をグラフ化すると図１に示すような結果となる。但し、この図１では、１[MHz]における各電界それぞれの相対的な強度と距離との関係を指数で表している。

この図１からも明らかなように、放射電界、誘導電磁界及び準静電界それぞれの相対的な強度が等しくなる距離(以下、これを強度境界距離と呼ぶ)が存在する。この場合、強度境界距離よりも遠方の空間では放射電界が優位（誘導電磁界や準静電界の強度よりも大きい状態）となり、これに対して強度境界距離よりも近方の空間では準静電界が優位（放射電界や誘導電磁界の強度よりも大きい状態）となる。

この強度境界距離は、（２）式における電界Ｅ_Θの各項（Ｅ_Θ１、Ｅ_Θ２、Ｅ_Θ３）に対応する電界の各成分、すなわち次式

が一致する（Ｅ_Θ１＝Ｅ_Θ２＝Ｅ_Θ３）ということであるから、次式

を充足する場合、つまり、次式

として表すことができる。

そして、この（９）式における波数ｋは、電界の媒質中の伝播速度をｖ[m/s]とし、周波数をｆ[Hz]とすると次式

として表すことができ、また電界の伝播速度ｖは、光速をｃ[m/s] (ｃ＝３×１０^８) とすると、当該光速ｃと、微小ダイポールを含む空間の誘電率媒質の比誘電率εとによって次式

として表すことができることから、強度境界距離は、（９）式に（１０）式及び(１１)式を代入して整理した次式

として表すことができる。

この（１２）式からも分かるように、放射電界及び誘導電磁界に比して強度の大きい状態にある準静電界の空間（以下、これを準静電界優位空間と呼ぶ）を広くする場合には周波数が密接に関係している。

具体的には、低い周波数であるほど、準静電界優位空間が大きくなる（即ち、図１に示した強度境界距離までの距離は、周波数が低いほど長くなる（つまり右に移ることになる））。これに対して高い周波数であるほど、準静電界優位空間が狭くなる（即ち、図１に示した強度境界距離までの距離は、周波数が高いほど短くなる（つまり左に移ることになる））。

例えば１０[MHz]を選定した場合、上述の（１２）式により、０．６７５[m]よりも近方では準静電界が優位な空間となる。かかる１０[MHz]を選定した場合に放射電界、誘導電磁界及び準静電界それぞれの相対的な強度と、距離との関係をグラフ化すると図２に示す結果となる。

この図２からも明らかなように、電界発生源から０．０１[m]地点の準静電界の強度は、誘導電磁界に比しておよそ１８．２[dB]大きくなる。従ってこの場合の準静電界は、誘導電磁界及び放射電界の影響がないものとみなすことができる。

このように準静電界は、低い周波数帯を選定するほど、電界発生源からより広い空間において、誘導電磁界及び放射電界に比して優位となる関係にある。

したがって、低い周波数帯を選定すれば、電界発生源の近傍では、検出対象の準静電界の強度が、当該検出対象以外の誘導電磁界及び放射電界の強度に比して大きいため、当該準静電界の検出が可能となり、この結果、検出精度の高い加速度センサを実現することが可能となる。

（２）本実施の形態
図３において、１は全体として本実施の形態による加速度センサを示し、センサ部１１、準静電界発生源１２、第１の信号抽出部１３、第２の信号抽出部１４及び加速度検出部１５によって構成される。

（２−１）センサ部の外観的構成
このセンサ部１１の外観的構成を、図４と、図４におけるＡ−Ａ´の断面をとった図５（Ａ）と、図４におけるＢ−Ｂ´の断面をとった図５（Ｂ）とにそれぞれ示す。

このセンサ部１１は、準静電界発生源１２（図３）に接続された一対の発生電極２１Ａ、２１Ｂを囲む断面凹形状の導電性枠部２２を有し、当該導電性枠部２２には、加速度の検出方向（以下、これを加速度検出方向と呼ぶ）ＡＤに、矩形状のスリットＳＴ１、ＳＴ２が形成されている。

またこの導電性枠部２２に囲まれる空間（以下、これを枠内空間と呼ぶ）には、ジグザグ板状の弾性支持部２３が、その枠内空間の中心ＣＴを通り、加速度検出方向ＡＤに対して直交する方向に介挿され、当該弾性支持部２３の両端が、導電性枠部２２の内壁に固定される。したがって弾性支持部２３は、加速度検出方向ＡＤに対して直交する方向を横切るように、加速度検出方向ＡＤに弾性変位が可能な状態で、枠内空間の中央に保持されることとなる。

この弾性支持部２３には、微小ダイポールとしての一対の発生電極２１Ａ、２１Ｂが、枠内空間の中心ＣＴを定点として加速度検出方向ＡＤに点対称で取り付けられている。したがって、弾性支持部２３は、加速による力を受けていない状態では、一対の発生電極２１Ａ、２１Ｂを、枠内空間の中心ＣＴから加速度検出方向へ均等に支持することとなる。

一方、導電性枠部２２の外壁には、円環状の絶縁性枠部２４が、その内壁を密着するように取り付けられ、当該絶縁性枠部２４の外壁には、一対の検出電極２５Ａ、２５Ｂが、対応する一対の発生電極２１Ａ、２１Ｂと対向するようにそれぞれ取り付けられている。

したがって、このセンサ部１１では、加速度検出方向ＡＤに、導電性枠部２２及び絶縁性枠部２４を隔てて、一対の発生電極２１Ａ、２１Ｂと、一対の検出電極２５Ａ、２５Ｂとがそれぞれ並べられることとなる。

ここで、加速度方向ＡＤに加速が生じていない場合、弾性支持部２３は変位しないので、一対の発生電極２１Ａ、２１Ｂは、枠内空間の中心ＣＴから加速度検出方向ＡＤへ均等に支持された状態のままとなる。したがって、センサ部１１では、枠内空間に均等に配された一対の発生電極２１Ａ、２１Ｂから発生される準静電界は導電性枠部２２を介して相互に打ち消し合うことになり、検出電極２５Ａ、２５Ｂでは、検出される準静電界に差が生じることはない。

一方、図５（Ａ）との対応部分に同一符号を付した図６に示すように、加速度検出方向ＡＤの一方の方向（図６に示す矢印方向）へ加速が生じた場合、このセンサ部１１では、弾性支持部２３は、当該加速方向と反対の方向に弾性支持部２３が変位するので、当該変位に応じて、一対の発生電極２１Ａ、２１Ｂは、枠内空間の中心ＣＴからその加速方向と反対の方向にずれた状態で支持されることになる。

この場合、導電性枠部２２では、一対の発生電極２１Ａ、２１Ｂの位置と、導電性枠部２２との距離が相違することに起因して、当該一対の発生電極２１Ａ、２１Ｂからそれぞれ発生される準静電界は拮抗状態ではなくなるため、準静電界は、弾性支持部２３の変位に応じて、導電性枠部２２からスリットＳＴ１を介して、加速方向と反対の方向にしみでるようにして広がる。この結果、一対の検出電極２５Ａ、２５Ｂでの検出結果には、当該弾性支持部２３の変位に応じて、加速度に相当する変化が生じることとなる。

他方、図５（Ａ）との対応部分に同一符号を付した図７に示すように、加速度検出方向ＡＤの他方の方向（図７に示す矢印方向）へ加速が生じた場合、図６に示した場合と同様に、弾性支持部２３に均等に支持された一対の発生電極２１Ａ、２１Ｂは導電性枠部２２の中心ＣＴからその加速方向と反対の方向にずれるため、一対の検出電極２５Ａ、２５Ｂでの検出結果には、当該弾性支持部２３の変位に応じて、加速度に相当する変化が生じることとなる。

なお、図８乃至図１０において、加速度方向ＡＤに加速が生じていない場合（図８乃至図１０（Ａ））と、加速方向に加速が生じた場合（図８乃至図１０（Ｂ））とのシミュレーション結果を示す。

この図８乃至図１０は、電界強度の尺度だけをそれぞれ変えたものであり、念のため、図８に示すシミュレーション結果を参考図１として、図１０に示すシミュレーション結果を参考図２として添付した。

また、このシミュレーションでは、株式会社情報数理研究所の電磁波汎用解析ソフトウェア「ＥＥＭ−ＦＤＭ」を採用した。これは、指定した周波数に関して、マックスウェル方程式を差分法で離散化し、空間における電界や磁界及び給電電極間のインピーダンスを計算するソフトウェアである。

この図８乃至図１０におけるシミュレーション結果からも明らかなように、一方の加速方向に加速が生じた場合には、その加速によって、一対の発生電極２１Ａ、２１Ｂからそれぞれ発生される準静電界の広がりに変化が生じていることが分かる。

このようにこのセンサ部１１は、導電性枠部２２に囲まれた枠内空間の中心ＣＴを定点として一対の発生電極２１Ａ、２１Ｂを加速度検出方向ＡＤに点対称で弾性支持し、当該一対の発生電極２１Ａ、２１Ｂから発生される準静電界の変化を、当該弾性支持の変位に応じて、対応する一対の検出電極２５Ａ、２５Ｂに伝達することができるようになされている。

（２−２）加速度センサの回路構成
次に、この加速度センサ１の回路構成を具体的に説明する。図３に示したように、この加速度センサ１における準静電界発生源１２は、センサ部１１における一対の発生電極２１Ａ、２１Ｂに対して、所定の周波数の信号Ｓ１を印加する。この結果、一対の発生電極２１Ａ、２１Ｂでは、その周波数に応じて、放射電界、誘導電磁界及び準静電界の合成電界が発生する。

この信号Ｓ１の周波数には、発生電極２１Ａ（２１Ｂ）及び検出電極２５Ａ（２５Ｂ）間の距離ｄ（図５（Ａ））などを選定要素として、放射電界及び誘導電磁界に比して準静電界の強度が大きい状態となる周波数、つまり上述の（１２）式を充足する周波数が選定される。

したがって、一対の発生電極２１Ａ、２１Ｂの近傍では、放射電界及び誘導電磁界に比して準静電界が優位な空間として形成されることとなる。

第１の信号抽出部１３では、検出電極２５Ａと、検出電極２５Ａ及び２５Ｂに対して共通の基準電極ＳＤＥとの間の電位に応じて検出電極２５Ａから得られる信号Ｓ１０は、非反転増幅回路３０における増幅器３１の非反転入力端子に入力される。

増幅器３１は、この信号Ｓ１０を増幅し、当該増幅した信号を増幅信号Ｓ１１として検波部３２に送出する。なお、基準電極ＳＤＥは、この実施の形態では、図４等に示した導電性枠部２２である。

検波部３２は、増幅信号Ｓ１１を検波し、当該検波した増幅信号Ｓ１１の振幅レベルの包絡線を振幅変位信号Ｓ１２として抽出する。そして検波部３２は、この振幅変位信号Ｓ１２をＬＰＦ(Low Pass Filter)３３に送出する。

ＬＰＦ３３は、振幅変位信号Ｓ１２のうち、一対の発生電極２１Ａ、２１Ｂに対して出力される信号Ｓ１の周波数成分を除去することによって、加速に相当する変位成分を抽出し、これを抽出信号Ｓ１３として加速度検出部１５に送出する。

一方、第２の信号抽出部１４は、第１の信号抽出部１３と同一構成でなり、検出電極２５Ｂと、基準電極ＳＤＥとの間の電位に応じて検出電極２５Ｂから得られる信号Ｓ２０に基づいて、加速に相当する変位成分を抽出信号Ｓ２３として抽出し、これを加速度検出部１５に送出する。

この加速度検出部１５に送出される抽出信号Ｓ１３及びＳ２３は、例えば図１１に示すように、基準電圧ＳＶに対する単位時間当たりの振幅変化が大きい場合、弾性支持部２３（例えば図５）における弾性の働きが大きい、つまりセンサ部１１が高速に加速していることを意味し、これに対して基準電圧ＳＶに対する単位時間当たりの振幅変化が小さい場合、センサ部１１が低速に加速していることを意味する。

また、抽出信号Ｓ１３及びＳ２３は、これら振幅の絶対値に差がある場合、加速度検出方向ＡＤのうち、例えば図５を例にとるのであれば、当該大きい値をとるほうに対応する検出電極２５Ａ側から、小さい値をとるほうに対応する検出電極２５Ｂ側への方向に加速していることを意味する。

なお、この基準電圧ＳＶは、第１及び第２の信号抽出部１３及び１４における非反転増幅回路３０の半固定抵抗器ＨＦＲによって調整される。

加速度検出部１５では、第１の信号抽出部１３から供給される抽出信号Ｓ１３は、Ａ／Ｄ(Analog/Digital)変換部４０Ａを介して抽出データＤ１４とされ、ＭＰＵ(Micro Processor Unit)４１に送出される。一方、第２の信号抽出部１４から供給される抽出信号Ｓ２３は、Ａ／Ｄ変換部４０Ｂを介して抽出データＤ２４とされ、ＭＰＵ４１に送出される。

ＭＰＵ４１は、抽出データＤ１４及びＤ２４における単位時間当たりの振幅変化の程度によって加速度を検出するとともに、当該抽出データＤ１４及びＤ２４における差（つまり振幅の絶対値差）によって加速度方向を検出するようになされている。

このようにしてこの加速度センサ１は、加速度検出方向ＡＤにおける加速度及びその具体的な方向を検出することができるようになされている。

（３）動作及び効果
以上の構成において、この加速度センサ１は、図４及び図５に示したように、準静電界発生源１２（図３）に接続された一対の発生電極２１Ａ、２１Ｂと、これら一対の発生電極２１Ａ、２１Ｂを囲む導電性枠部２２と、この導電性枠部２２に対して一対の発生電極２１Ａ、２１Ｂを支持する弾性支持部２３と、当該導電性枠部２２の外壁と隔てて配置された一対の検出電極２５Ａ、２５Ｂとを設ける。

この弾性支持部２３は、加速度検出方向ＡＤに弾性を有し、加速による力を受けていない状態では、一対の発生電極２１Ａ、２１Ｂを、導電性枠部２２に囲まれた枠内空間の中心ＣＴを定点として、加速度検出方向ＡＤに点対称で支持する。

したがって、この加速度センサ１では、加速度方向ＡＤに加速が生じていない場合、弾性支持部２３は変位しないので、枠内空間に均等に配された一対の発生電極２１Ａ、２１Ｂから発生される準静電界は導電性枠部２２を介して相互に打ち消し合う（図８乃至図１０（Ａ））。この場合、検出電極２５Ａ、２５Ｂでは、検出される準静電界に差が生じることはない。

一方、この加速度センサ１では、加速度検出方向ＡＤの一方の方向へ加速が生じた場合（例えば図６）、弾性支持部２３は、当該加速方向と反対の方向に弾性支持部２３が変位するので、当該変位に応じて、一対の発生電極２１Ａ、２１Ｂは、枠内空間の中心ＣＴからその加速方向と反対の方向にずれた状態で支持されることになる。

この場合、導電性枠部２２では、一対の発生電極２１Ａ、２１Ｂの位置と、導電性枠部２２との距離が相違することに起因して、当該一対の発生電極２１Ａ、２１Ｂからそれぞれ発生される準静電界は拮抗状態ではなくなるため、準静電界は、弾性支持部２３の変位に応じて、導電性枠部２２からスリットＳＴ１を介して、加速方向と反対の方向にしみでるようにして広がる（図８乃至図１０（Ｂ））。この結果、一対の検出電極２５Ａ、２５Ｂでの検出結果には、当該弾性支持部２３の変位に応じて、加速度に相当する変化が生じることとなる。

よって、この加速度センサ１は、導電性枠部２２（基準電極ＳＤＥ）と、一対の検出電極２５Ａ、２５Ｂとの電位差（図３：Ｓ１３、Ｓ２３）により加速度方向を検出することができ、当該電位における単位時間当たりの振幅変化の程度（図１１）により加速度を検出することができる。

一方、準静電界は、距離の３乗に反比例するため、距離の２乗に反比例する誘導電磁界や距離に線形に反比例する放射電界に比して、当該距離に対する分解能が高い（（３）式乃至（５）式）。

したがって、導電性枠部２２における中心ＣＴから加速度方向ＡＤへの一対の発生電極２１Ａ、２１Ｂのずれがわずかであったとしても、この加速度センサ１は、導電性枠部２２（基準電極ＳＤＥ）と、一対の検出電極２５Ａ、２５Ｂとの電位差と、当該電位における単位時間当たりの振幅変化の程度とによって、その加速度方向及び加速度を精度よく検出することができる。

以上の構成によれば、準静電界を用いて加速度を検出できるようにしたことにより、検出精度の高い加速度センサ１を実現することができる。

（４）他の実施の形態
上述の実施の形態においては、導電性枠部２２と、検出電極２５Ａ、２５Ｂとの間に絶縁性枠部２４を設けるようにした場合について述べたが、本発明はこれに限らず、当該絶縁性枠部２４を省略するようにしてもよい。つまり導電性枠部２２と、検出電極２５Ａ、２５Ｂとの間における媒質を空気とすることができる。このようにしても上述の実施の形態の場合と同様の効果を得ることができる。

また上述の実施の形態においては、導電性枠部２２における加速度検出方向ＡＤに矩形状のスリットＳＴ１、ＳＴ２を設けるようにした場合について述べたが、本発明はこれに限らず、例えば棒状、三角形状や円状等、この他種々の形状のスリットを形成するようにしてもよい。このようにしても上述の実施の形態の場合と同様の効果を得ることができる。

また、かかるスリットＳＴ１、ＳＴ２の形成を省略するようにしてもよい。なお、図１２乃至図１４において、これらスリットＳＴ１、ＳＴ２を形成しない状態において加速度方向ＡＤに加速が生じていない場合（図１２乃至図１４（Ａ））と、一方の加速方向に加速が生じた場合（図１２乃至図１４（Ｂ））とのシミュレーション結果を示す。

この図１２乃至図１４は、電界強度の尺度だけをそれぞれ変えたものであり、念のため、図１２に示すシミュレーション結果を参考図３として、図１４に示すシミュレーション結果を参考図４として添付した。また、このシミュレーションでは、図８乃至図１０におけるシミュレーションと同様に、株式会社情報数理研究所の電磁波汎用解析ソフトウェア「ＥＥＭ−ＦＤＭ」を採用した。

この図１２乃至図１４におけるシミュレーション結果からも明らかなように、一方の加速方向に加速が生じた場合には、その加速に応じて、準静電界の広がりに変化が生じているが、当該加速方向にかかわらず、準静電界が導電性枠部２２の周囲等方へ広がっていることが分かる。

したがって、スリットＳＴ１、ＳＴ２の形成を省略した場合、加速の方向が、抽出データＤ１４及びＤ２４（図３）における差（つまり変化の有無）として表れないため、当該加速方向を検出することができないこととなる。ただし、加速度自体は、上述の実施の形態の場合と同様に、抽出データＤ１４及びＤ２４における単位時間当たりの振幅変化の程度によって検出することができる。

このように、スリットＳＴ１、ＳＴ２の形成を省略した場合であっても、加速度については上述の実施の形態の場合と同様に、高い検出精度で検出することができる。

さらに上述の実施の形態においては、発生電極及び検出電極の形状として、図４等に示した直方体状を適用するようにした場合について述べたが、本発明はこれに限らず、例えば球状、棒状や板状等この他種々の形状を適用するようにしてもよい。このようにしても上述の実施の形態の場合と同様の効果を得ることができる。

さらに上述の実施の形態においては、一対の発生電極２１Ａ、２１Ｂ（図３）に対向させて、一対の検出電極２５Ａ、２５Ｂ（図３）を設けるようにした場合について述べたが、本発明はこれに限らず、当該一対の検出電極２５Ａ、２５Ｂのいずれか一方を省略するようにしてもよい。

このようにすれば、一対の検出電極２５Ａ、２５Ｂそれぞれを設ける場合に比して、当該検出電極２５Ａ、２５Ｂでの検出結果を信号として抽出する第１及び第２の信号抽出部１３及び１４（図３）の一方を省略することができ、また一方の抽出データＤ１４又はＤ２４（図３）における単位時間当たりの振幅変化の程度によって、加速度検出方向ＡＤにおけるいずれの方向であるかを検出するとともに、当該方向での加速度を検出することができる。

さらに上述の実施の形態においては、一対の発生電極を囲む導電性の枠部として、加速度検出方向に対して鉛直となる方向の一方を除いて囲む断面凹形状の導電性枠部１１を適用するようにした場合について述べたが、本発明はこれに限らず、例えば中空でなる球状、円柱状及び直方体状等のように、一対の発生電極の全方向を囲む枠部を適用するようにしてもよい。また例えば円環状及び角パイプ等のように、当該鉛直となる方向の双方を除いて囲む枠部を適用するようにしてもよい。

なお、かかる枠部の枠壁は網状としてもよく、あるいは、導電性の線材、棒材又は板材等を連結する等して柵状としてもよい。その際、少なくとも、一対の発生電極２１Ａ、２１Ｂ及び一対の検出電極２５Ａ、２５Ｂ（又はその一方）に挟まれた位置において枠壁が除かれた状態となるようにすれば、上述のスリットＳＴ１、ＳＴ２を形成した場合と同様の効果を得ることができる。

要するに一対の発生電極を囲む導電性の枠部としては、当該枠部に囲まれる空間をその空間の中心を通り、加速度間出方向に対して鉛直となる方向の面で分割した場合に、当該分割された２つの空間領域が対称となるものであれば、この他種々のものを幅広く適用することができる。

さらに上述の実施の形態においては、導電性枠部２２に囲まれる空間の中心ＣＴを定点として加速度検出方向ＡＤに点対称で一対の発生電極２１Ａ、２１Ｂが取り付けられたジグザグ板状の弾性支持部２３を、加速度検出方向ＡＤに弾性変位が可能な状態で、枠内空間の中央に保持するようにした場合について述べたが、本発明はこれに限らず、これ以外の支持手法を適用するようにしてもよい。

要は、加速による力を受けていない状態において、一対の発生電極を、導電性の枠部に囲まれた空間の中心を定点として検出方向に点対称で、当該導電性の枠部に対して支持するものであれば、弾性支持部の他に任意の部材を適宜用いるようにしてもよく、また弾性支持部の形状をいかなるものに選定するようにしてもよく、さらに弾性支持部の設置手法をいかなるようにしてもよい。

さらに上述の実施の形態においては、抽出データＤ１４及びＤ２４における単位時間当たりの振幅変化の程度によって加速度を検出するようにした場合について述べたが、本発明はこれに限らず、例えば図１５に示すように、加速度検出方向ＡＤとは異なる方向に加速が生じた場合であっても、当該加速度検出方向ＡＤの加速度を正確に検出し得る検出手法を適用することもできる。

例えば図１５に示した矢印方向に加速が生じた場合、センサ部１１における導電性枠部２２の中心ＣＴを基準とすると、当該加速方向と反対の方向に弾性が働く。この場合、検出対象である加速度検出方向ＡＤの加速度は、加速度検出方向ＡＤをｘ方向とし、当該加速度検出方向ＡＤと直交する方向をｙ方向とすると、微小ダイポールとしての一対の発生電極２１Ａ、２１Ｂの位置ＰＰのｘ成分に対応することになる。

一方、一対の発生電極２１Ａ、２１Ｂから発生する準静電界の周波数は一定であり、当該準静電界は距離の３乗に反比例するため、抽出データＤ１４及びＤ２４における振幅の大きさと、対応する検出電極２５Ａ、２５Ｂから発生電極２１Ａ、２１Ｂまでの距離（以下、これを電極間距離と呼ぶ）ｄｓ１、ｄｓ２とには、一義的な関係がある。

具体的には、図１６に示すように、抽出データＤ１４及びＤ２４における振幅の大きさと、電極間距離ｄｓ１、ｄｓ２とは、曲線Ｃ１、Ｃ２として表すことができ、当該曲線Ｃ１、Ｃ２上に、一対の発生電極２１Ａ、２１Ｂの位置ＰＰが存在することとなる。

したがって、これら曲線Ｃ１、Ｃ２の交点ＰＯ１（ｘ，ｙ）、ＰＯ２（ｘ，−ｙ）のうち、当該ｘ座標の位置が、加速度検出方向ＡＤの加速度に対応する変位となる。これら交点のうちｘ座標の値をｘとし、弾性支持部２３における弾性係数をＣＦとすると、当該弾性支持部２３に対してｘ方向に生じる力Ｆは、Ｆ＝ｘ・ＣＦとなり、この力Ｆが、加速度をＦＡとし、一対の発生電極２１Ａ、２１Ｂの質量をｍとしたときに、当該弾性支持部２３に生じる力とつりあう。つまり、Ｆ＝ｘ・ＣＦ＝ｍ・ＦＡとなる。

そうすると、ＭＰＵ４１の内部メモリに対して、抽出データＤ１４及びＤ２４における単位時間当たりの振幅の大きさと、曲線Ｃ１、Ｃ２との対応付けをテーブルとして、また弾性支持部２３の弾性係数ＣＦと、一対の発生電極２１Ａ、２１Ｂの質量ｍとをデータとしてそれぞれ記憶しておけば、ＭＰＵ４１は、加速度検出方向ＡＤの加速度を正確に検出することが可能となる。

具体的には、ＭＰＵ４１は、抽出データＤ１４及びＤ２４における単位時間当たりの振幅の大きさに対応するｘ−ｙ平面上での曲線Ｃ１、Ｃ２を検索し、当該検索した曲線Ｃ１、Ｃ２の交点ＰＯ１、ＰＯ２におけるｘ座標の値ｘと、内部メモリに記憶された弾性支持部２３弾性係数ＣＦと、一対の発生電極２１Ａ、２１Ｂの質量ｍとに基づいて、次式

に従って加速度ＦＡを求める。なお、抽出データＤ１４及びＤ２４における単位時間当たりの振幅の大きさと、曲線Ｃ１、Ｃ２との対応付けをテーブルとして、ＭＰＵ４１の内部メモリに記憶することに代えて、当該抽出データＤ１４及びＤ２４から曲線Ｃ１、Ｃ２を算出するための所定の演算プログラムをＭＰＵ４１の内部メモリに記憶するようにしてもよい。

このように、検出電極２５Ａ及び導電性枠部２２（基準電極ＳＤＥ）間における単位時間当たりの電位かつその距離を基準とする、ｘ−ｙ平面上での発生電極２１Ａの軌跡と、検出電極２５Ｂ及び導電性枠部２２（基準電極ＳＤＥ）間における単位時間当たりの電位かつその距離を基準とする、ｘ−ｙ平面上での発生電極２１Ｂの軌跡とのｘ座標と、弾性支持部２３の弾性係数と、一対の発生電極２１Ａ、２１Ｂの質量とに基づいて加速度を検出するようにすれば、加速度検出方向ＡＤとは異なる方向への加速度とを区別し、当該加速度検出方向ＡＤの加速度を正確に検出することができる。

本発明は、高い精度で加速度を検出する場合、あるいは、加速度及びその方向を検出する場合に利用可能である。

距離に応じた各電界の相対的な強度変化（１[MHz]）を示す略線図である。 距離に応じた各電界の相対的な強度変化（１０[MHz]）を示す略線図である。 本実施の形態による加速度センサの全体構成を示す略線図である。 センサ部の外観的構成（１）を示す略線図である。 センサ部の外観的構成（２）を示す略線図である。 加速が生じた場合のセンサ部（１）を示す略線図である。 加速が生じた場合のセンサ部（２）を示す略線図である。 シミュレーション結果（１）を示す略線図である。 シミュレーション結果（２）を示す略線図である。 シミュレーション結果（３）を示す略線図である。 信号の振幅と加速との関係を示す略線図である。 シミュレーション結果（４）を示す略線図である。 シミュレーション結果（５）を示す略線図である。 シミュレーション結果（６）を示す略線図である。 検出方向以外の加速の説明に供する略線図である。 他の実施の形態における加速度の検出の説明に供する略線図である。

符号の説明

１……加速度センサ、１１……センサ部、１２……準静電界発生源、１３……第１の信号抽出部、１４……第２の信号抽出部、１５……加速度検出部、２１Ａ、２１Ｂ……発生電極、２２……導電性枠部、２３……弾性支持部、２４……絶縁性枠部、２５……検出電極、３０……非反転増幅回路、３１……増幅器、３２……検波部、３３……ＬＰＦ、４０Ａ、４０Ｂ……Ａ／Ｄ変換部、４１……ＭＰＵ、ＨＦＲ……半固定抵抗器、ＳＤＥ……基準電極、ＳＴ１、ＳＴ２……スリット。

Claims (10)

1. 発振器に接続された一対の準静電界発生電極と、
   上記一対の準静電界発生電極を囲む導電性の枠部と、
   上記枠部に対して上記一対の準静電界発生電極を支持する弾性支持部と、
   上記枠部に対して絶縁状態にあり、上記枠部と隔てて該枠部に囲まれた空間以外に配置された検出電極と
   を具え、
   上記弾性支持部は、
   加速度の検出方向に弾性を有し、加速による力を受けていない状態では、上記一対の準静電界発生電極を、上記空間の中心を定点として上記検出方向に点対称で支持し、
   上記検出電極は、
   上記一対の準静電界発生電極の一方と対向するように配置された
   ことを特徴とする加速度センサ。
2. 上記枠部は、
   少なくとも、上記一対の準静電界発生電極の一方及び上記検出電極に挟まれた位置における枠壁が除かれている
   ことを特徴とする請求項１に記載の加速度センサ。
3. 上記検出電極と、上記枠部との間における信号の強度に応じて、上記加速度及びその方向を検出する検出手段
   をさらに具えることを特徴とする請求項２に記載の加速度センサ。
4. 上記検出電極は一対でなり、該一対の検出電極は、対応する上記一対の準静電界発生電極と対向するように配置され、
   上記枠部は、
   少なくとも、上記一対の準静電界発生電極及び上記一対の検出電極に挟まれた位置における枠壁がそれぞれ除かれている
   ことを特徴とする請求項１に記載の加速度センサ。
5. 上記検出電極と、上記枠部との間における信号の強度に応じて、上記加速度及びその方向を検出する検出手段
   をさらに具えることを特徴とする請求項４に記載の加速度センサ。
6. 一方の検出電極及び上記枠部の間における単位時間当たりの電位かつその距離を基準とする一方の準静電界発生電極のｘ−ｙ平面上での軌跡と、他方の検出電極及び上記枠部の間における単位時間当たりの電位かつその距離を基準とする他方の準静電界発生電極のｘ−ｙ平面上での軌跡との交点におけるｘ座標、上記弾性支持部の弾性係数及び上記一対の準静電界発生電極の質量に基づいて上記加速度を検出する検出手段
   をさらに具えることを特徴とする請求項４に記載の加速度センサ。
7. 導電性の枠部に囲まれ、加速度の検出方向に弾性を有する弾性支持部によって、上記加速による力を受けていない状態では上記枠部に囲まれた空間の中心を定点として上記検出方向に点対称で上記枠部に支持された一対の電極に対して、放射電界及び誘導電磁界に比して準静電界の強度が大きい状態となる周波数の信号を出力する第１のステップと、
   上記枠部に対して絶縁状態にあり、上記一対の電極の一方と対向するように上記枠部と隔てて上記空間以外に配置された検出電極と、上記枠部との間における信号の強度を検出する第２のステップと、
   上記信号の強度に基づいて、上記加速度を検出する第３のステップと
   を具えることを特徴とする加速度検出方法。
8. 上記枠部は、
   少なくとも、上記一対の準静電界発生電極の一方及び上記検出電極に挟まれた位置における枠壁が除かれ、
   上記第３のステップでは、
   上記信号の強度に基づいて、上記加速度及びその方向を検出する
   ことを特徴とする請求項７に記載の加速度検出方法。
9. 上記検出電極は一対でなり、該一対の検出電極は、対応する上記一対の準静電界発生電極と対向するように配置され、
   少なくとも、上記一対の準静電界発生電極及び上記一対の検出電極に挟まれた位置における枠壁がそれぞれ除かれ、
   上記第３のステップでは、
   上記信号の強度に基づいて、上記加速度及びその方向を検出する
   ことを特徴とする請求項７に記載の加速度検出方法。
10. 上記検出電極は一対でなり、該一対の検出電極は、対応する上記一対の準静電界発生電極と対向するように配置され、
    少なくとも、上記一対の準静電界発生電極及び上記一対の検出電極に挟まれた位置における枠壁がそれぞれ除かれ、
    上記第３のステップでは、
    一方の検出電極及び上記枠部の間における単位時間当たりの電位かつその距離を基準とする、一方の準静電界発生電極のｘ−ｙ平面上での軌跡と、他方の検出電極及び上記枠部の間における単位時間当たりの電位かつその距離を基準とする、他方の準静電界発生電極のｘ−ｙ平面上での軌跡との交点におけるｘ座標、上記弾性支持部の弾性係数及び上記一対の準静電界発生電極の質量に基づいて上記加速度を検出する
    ことを特徴とする請求項７に記載の加速度検出方法。