JP2538068Y2 - 加速度検出装置 - Google Patents

Description

【考案の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本考案は加速度検出装置、特に一
対の電極間の静電容量の変化に基づいて、作用した力を
検出する加速度検出装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】自動車産業や機械産業などでは、作用し
た力を正確に検出できる加速度検出装置の需要が高まっ
ている。特に、三次元の各成分ごとに作用した加速度を
検出しうる小型の装置が望まれている。

【０００３】このような需要に応えるため、シリコンな
どの半導体基板にゲージ抵抗を形成し、外部から加わる
力に基づいて基板に生じる機械的な歪みを、ピエゾ抵抗
効果を利用して電気信号に変換する加速度検出装置が提
案されている。ただ、このようなゲージ抵抗を用いた検
出装置は、製造コストが高く、温度補償が必要であると
いう問題がある。そこで、特願平２−２７４２９９号明
細書において、静電容量の変化を利用した新規な加速度
検出装置が提案されている。この新規な加速度検出装置
では、固定基板上に形成された固定電極と、力の作用に
より変位を生じる変位電極と、によって容量素子が構成
され、この容量素子の静電容量の変化に基づいて、作用
した力の三次元成分のそれぞれが検出できる。また、特
願平２−４１６１８８号明細書には、この新規な加速度
検出装置の製造方法が開示され、特許協力条約に基づく
国際出願に係るＰＣＴ／ＪＰ９１／００４２８号明細書
には、この新規な加速度検出装置の検査方法が開示され
ている。

【０００４】

【考案が解決しようとする課題】しかしながら、上述し
た静電容量の変化を利用した新規な加速度検出装置に
は、堅牢性と高感度性とを両方ともに満足しうる装置を
製造するのが困難であるという問題がある。加速度検出
装置は、近年になって、特に自動車における需要が高ま
ってきており、高感度の加速度検出が可能であり、か
つ、堅牢性を備えた装置が望まれている。ところが、従
来提案されている加速度検出装置では、感度を向上させ
るためには、微小な加速度が作用しても撓みを生じるよ
うな構造が必要になり、堅牢性は逆に低下してしまうこ
とになる。

【０００５】そこで本考案は、高感度の加速度検出が可
能であり、かつ、堅牢性を備えた加速度検出装置を提供
することを目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】(1) 本願第１の考案
は、加速度検出装置において、中央部に貫通孔をもった
支持基板と、この支持基板の下面に接合され、内部に第
１の部屋を形成する下部筐体と、この支持基板の上面に
接合され、内部に第２の部屋を形成する上部筐体と、第
２の部屋内において、支持基板の上面に取り付けられた
ダイヤフラムと、第１の部屋内に、部屋の壁面と所定間
隔を保って収容された重錘体と、支持基板の貫通孔に挿
通し、一端が重錘体に接合され、他端がダイヤフラムの
下面に接合された接合部材と、ダイヤフラムの上面に接
合された変位基板と、を設け、重錘体に作用した加速度
を、変位基板と上部筐体内の所定の固定面との間の距離
の変化として検出しうるようにしたものである。

【０００７】(2) 本願第２の考案は、上述の加速度検
出装置において、ダイヤフラムと変位基板との間に更に
上部筐体に固定された補助基板を設け、この補助基板に
形成した貫通孔を挿通する接合部材によって変位基板を
ダイヤフラムに間接的に接合し、変位基板と補助基板と
の間の距離の変化を考慮して、外部からの力を検出する
ようにしたものである。

【０００８】

【作 用】本考案の加速度検出装置では、重錘体は第１
の部屋内において、接合部材によってダイヤフラムから
宙吊りの状態となる。重錘体に加速度が作用すると、ダ
イヤフラムの変形によって、重錘体が第１の部屋内で変
位する。重錘体と第１の部屋の壁面との間は所定間隔だ
け空けられている。したがって、重錘体の変位は、この
所定間隔を限度として制限される。このため、過度の加
速度が作用した場合であっても、重錘体の変位は限度を
越えることがなく、ダイヤフラムを破損から保護するこ
とができる。したがって、自動車に搭載した場合のよう
な過酷な環境下でも十分な堅牢性を確保できる。

【０００９】重錘体の変位は、ダイヤフラムに接合され
た変位基板にまで伝達される。変位基板１５０は、作用
した加速度の向きおよび大きさに応じただけの変位を生
じるため、上部筐体内の所定の固定面と変位基板との間
の距離の変化を、たとえば、静電容量の変化として検出
すれば、作用した加速度の向きおよび大きさの検出がで
きる。ダイヤフラムは、比較的微小な力の作用によって
も変形を生じるので、非常に感度の良い検出が可能であ
る。

【００１０】また、変位基板と補助基板との間の距離の
変化を考慮した検出を行うことにより、精度良い検出が
可能になる。

【００１１】

【実施例】以下、本考案を図示する実施例に基づいて説
明する。図１は本考案の一実施例に係る加速度検出装置
の側断面図である。支持基板１００は、中央部に貫通孔
１０１を有する平板であり、端部にはねじ止め孔１０２
が形成されている。このねじ止め孔１０２内にねじを挿
通し、この装置を自動車などの被検査対象の所定位置に
固定する。支持基板１００の下面には、下部筐体１１０
が接合されており、内部に第１の部屋Ｒ１が形成されて
いる。また、支持基板１００の上面には、上部筐体１２
０が接合されており、内部に第２の部屋Ｒ２が形成され
ている。この実施例の装置では、支持基板１００、下部
筐体１１０、上部筐体１２０のいずれもが金属によって
構成されている。

【００１２】第２の部屋Ｒ２内には、支持基板１００の
上面に伏せるように椀状ダイヤフラム１３０が取り付け
られている。この実施例では、りん青銅によってダイヤ
フラム１３０を構成している。ダイヤフラム１３０は、
全体形状は椀状をしており、各部は波をうった構造とな
っている。このように波形をした椀状のダイヤフラムを
用いると、検出感度を高めるのに効果的である。感度が
低くて良い場合は、平板型のダイヤフラムを用いてかま
わない。第１の部屋Ｒ１内には、部屋の壁面と所定間隔
を保つように、重錘体１４０が収容されている。重錘体
１４０は、この実施例では円柱形状をしており、その側
面および底面は、所定間隔をおいて下部筐体１１０の内
壁によって囲まれており、上面は、支持基板１００の下
面に対して所定間隔をおいて配されている。貫通孔１０
１を挿通した接合部材１４１により、重錘体１４０はダ
イヤフラム１３０の下面中心部に接合されている。した
がって、重錘体１４０は、ダイヤフラム１３０の下面中
心部に宙吊りの状態となっている。

【００１３】重錘体１４０に加速度が作用すると、この
加速度による力が接合部材１４１を介してダイヤフラム
１３０へと伝達され、その結果、ダイヤフラム１３０が
変形を生じることになる。結局、重錘体１４０は、第１
の部屋Ｒ１内で加速度に基いて運動することになる。重
錘体１４０の運動を円滑にするために、本実施例の装置
では、第１の部屋Ｒ１と第２の部屋Ｒ２の空間部にダン
ピング用のオイルを充填してある。なお、各部屋内にオ
イルを完全に充填すると、オイルが熱膨張したときに外
部に漏れるおそれがある。したがって、実際には一部に
気体を封入するのが好ましい。

【００１４】重錘体１４０に作用した加速度に起因した
変位は、ダイヤフラム１３０から更に接合部材１４２を
介して変位基板１５０に伝達される。したがって、変位
基板１５０は、作用した加速度の向きおよび大きさに応
じただけの変位を生じる。そこで、上部筐体１２０内の
所定の固定面と変位基板１５０との間の距離の変化を検
出すれば、作用した加速度の向きおよび大きさの検出が
できる。

【００１５】この装置では、この距離の変化を、静電容
量の変化として検出できるようにしている。すなわち、
変位基板１５０の上面に５枚の変位電極２１〜２５（図
１にはこのうち３枚のみが示されている）を形成し、上
部筐体１２０の内側底面には、絶縁層１６０を介して５
枚の固定電極１１〜１５（図１にはこのうち３枚のみが
示されている）を形成している。絶縁層１６０を形成し
たのは、前述のように、上部筐体１２０が金属からなる
ためである。この実施例では、変位基板１５０を絶縁体
で構成しているが、変位基板１５０を金属で構成した場
合には、絶縁層を介して変位電極２１〜２５を形成する
ことになる。このように、変位基板および固定基板から
なる電極対を５組形成しておけば、各電極対における静
電容量の変化に基づいて、電極間距離の変化を検出する
ことができる。すなわち、重錘体１４０に作用した加速
度を検出することができる。この検出原理については、
後に説明する。

【００１６】このような構造をもった加速度検出装置
は、かなりの堅牢性を有するとともに、感度の高い加速
度検出が可能である。重錘体１４０に加速度が作用する
と、ダイヤフラム１３０の変形によって、重錘体１４０
が第１の部屋内で変位する。重錘体１４０と第１の部屋
Ｒ１の壁面との間は所定間隔だけ空けられている。した
がって、重錘体１４０の変位は、この所定間隔を限度と
して制限される。たとえば、重錘体１４０が図の左右方
向に所定限度以上に変位しようとしても、下部筐体１１
０の側面内壁に衝突するため、このような過度な変位を
行うことはできない。同様に、上方向に変位しようとし
ても、支持基板１００の下面に衝突し、下方向に変位し
ようとしても、下部筐体１１０の底面内壁に衝突する。
このため、過度の加速度が作用した場合であっても、重
錘体１４０の変位は限度を越えることがなく、ダイヤフ
ラム１３０を破損から保護することができる。したがっ
て、自動車に搭載した場合のような過酷な環境下でも十
分な堅牢性を確保できる。

【００１７】このように、ダイヤフラム１３０には、決
して過度の変位を生じるような力が加わることはないの
で、肉厚が薄く、微小な力に対しても可撓性を示す繊細
なダイヤフラムを用いても、破損の問題は生じない。し
たがって、このような繊細なダイヤフラムを用いること
により、高感度な検出が可能になる。本考案に係る加速
度検出装置の特徴は、このように、堅牢性をもち、か
つ、高感度な検出を行うことができる点である。

【００１８】図２は、本考案の別な実施例に係る加速度
検出装置に用いるダイヤフラム１３５の上面図である。
このダイヤフラム１３５は、図１に示す椀状ダイヤフラ
ム１３０に、四分円状の貫通孔Ｈ１〜Ｈ４を形成したも
のである。すなわち、ダイヤフラム１３０の４か所を四
分円状にくりぬく加工を行えば、ダイヤフラム１３５が
得られる。４つの貫通孔Ｈ１〜Ｈ４を設けることによ
り、架橋部Ｂ１〜Ｂ４が形成される。接合部材１４２が
接合されている中心部は、この４つの架橋部Ｂ１〜Ｂ４
によって支持されることになるので、可撓性が更に高ま
り、より感度の高い検出が可能になる。なお、貫通孔Ｈ
１〜Ｈ４を開口したため、第１の部屋Ｒ１内のダンピン
グ用オイルは、重錘体１４０の変位にともない、この貫
通孔Ｈ１〜Ｈ４を通って第２の部屋Ｒ２に移動する。

【００１９】図１に示す加速度検出装置は、三次元のす
べての方向についての加速度成分を検出することができ
る。この検出原理を、図３に示す単純なモデルで説明し
よう。図３に示すモデルの主たる構成要素は、固定基板
１０、可撓基板２０、作用体３０、そして装置筐体４０
である。図４に、固定基板１０の下面図を示す。図４の
固定基板１０をＸ軸に沿って切断した断面が図３に示さ
れている。固定基板１０は、図示のとおり円盤状の基板
であり、周囲は装置筐体４０に固定されている。この下
面には、扇状の固定電極１１〜１４および円盤状の固定
電極１５が図のように形成されている。一方、図５に可
撓基板２０の上面図を示す。図５の可撓基板２０をＸ軸
に沿って切断した断面が図３に示されている。可撓基板
２０も、図示のとおり円盤状の基板であり、周囲は装置
筐体４０に固定されている。この上面には、扇状の変位
電極２１〜２４および円盤状の変位電極２５が図のよう
に形成されている。作用体３０は、その上面が図５に破
線で示されているように、円柱状をしており、可撓基板
２０の下面に、同軸接合されている。装置筐体４０は、
円筒状をしており、固定基板１０および可撓基板２０の
周囲を固着支持している。固定基板１０および可撓基板
２０は、互いに平行な位置に所定間隔をおいて配設され
ている。いずれも円盤状の基板であるが、固定基板１０
は剛性が高く撓みを生じにくい基板であるのに対し、可
撓基板２０は可撓性をもち、力が加わると撓みを生じる
基板となっている。このようなモデルの動作は、図１に
示す装置の動作と等価であることが理解できよう。

【００２０】いま、図３に示すように、作用体３０内に
作用点Ｐを定義し、この作用点Ｐを原点とするＸＹＺ三
次元座標系を図のように定義する。すなわち、図３の右
方向にＸ軸、上方向にＺ軸、紙面に対して垂直に紙面裏
側へ向かう方向にＹ軸、をそれぞれ定義する。可撓基板
２０のうち、作用体３０が接合された中心部を作用部、
装置筐体４０によって固着された周囲部を固定部、これ
らの間の部分を可撓部、と呼ぶことにすれば、作用体３
０に外力が作用すると、可撓部に撓みが生じ、作用部が
固定部に対して変位を生じることになる。作用点Ｐに力
が作用していない状態では、図３に示すように、固定電
極１１〜１５と変位電極２１〜２５とは所定間隔をおい
て平行な状態を保っている。いま、固定電極１１〜１５
と、このそれぞれに対向する変位電極２１〜２５との組
み合わせを、それぞれ容量素子Ｃ１〜Ｃ５と呼ぶことに
する。ここで、たとえば、作用点ＰにＸ軸方向の力Ｆｘ
が作用すると、この力Ｆｘは可撓基板２０に対してモー
メント力を生じさせ、図６に示すように、可撓基板２０
に撓みが生じることになる。この撓みにより、変位電極
２１と固定電極１１との間隔は大きくなるが、変位電極
２３と固定電極１３との間隔は小さくなる。作用点Ｐに
作用した力が逆向きの−Ｆｘであったとすると、これと
逆の関係の撓みが生じることになる。このように力Ｆｘ
または−Ｆｘが作用したとき、容量素子Ｃ１およびＣ３
の静電容量に変化が表れることになり、これを検出する
ことにより力Ｆｘまたは−Ｆｘを検出することができ
る。このとき、変位電極２２，２４，２５のそれぞれと
固定電極１２，１４，１５のそれぞれの間隔は、部分的
に大きくなったり小さくなったりするが、全体としては
変化しないと考えてよい。一方、Ｙ方向の力Ｆｙまたは
−Ｆｙが作用した場合は、変位電極２２と固定電極１２
との間隔、および変位電極２４と固定電極１４との間
隔、についてのみ同様の変化が生じる。また、Ｚ軸方向
の力Ｆｚが作用した場合は、図７に示すように、変位電
極２５と固定電極１５との間隔が小さくなり、逆向きの
力−Ｆｚが作用した場合は、この間隔は大きくなる。こ
のとき、変位電極２１〜２４と固定電極１１〜１４との
間隔も、小さくあるいは大きくなるが、変位電極２５と
固定電極１５との間隔の変化が最も顕著である。そこ
で、この容量素子Ｃ５の静電容量の変化を検出すること
により力Ｆｚまたは−Ｆｚを検出することができる。

【００２１】一般に、容量素子の静電容量Ｃは、電極面
積をＳ、電極間隔をｄ、誘電率をεとすると、 Ｃ＝εＳ／ｄ で定まる。したがって、対向する電極間隔が接近すると
静電容量Ｃは大きくなり、遠ざかると静電容量Ｃは小さ
くなる。この加速度検出装置は、この原理を利用し、各
電極間の静電容量の変化を測定し、この測定値に基づい
て作用点Ｐに作用した外力を検出するものである。すな
わち、Ｘ軸方向の加速度は容量素子Ｃ１，Ｃ３の間の容
量変化に基づき、Ｙ軸方向の加速度は容量素子Ｃ２，Ｃ
４の容量変化に基づき、Ｚ軸方向の加速度は容量素子Ｃ
５の容量変化に基づき、それぞれ検出が行われる。

【００２２】実際には、図８に示すような検出回路によ
り、各軸方向の力成分が検出される。すなわち、容量素
子Ｃ１〜Ｃ５の静電容量値を、それぞれＣＶ変換回路５
１〜５５によって電圧値Ｖ１〜Ｖ５に変換する。そし
て、Ｘ軸方向の力は、減算器６１によって（Ｖ１−Ｖ
３）なる演算を行った差電圧として端子Ｔｘに得られ、
Ｙ軸方向の力は、減算器６２によって（Ｖ２−Ｖ４）な
る演算を行った差電圧として端子Ｔｙに得られ、Ｚ軸方
向の力は、そのまま電圧Ｖ５として端子Ｔｚに得られ
る。

【００２３】続いて、もう１つ別な実施例をあげてお
く。図９に示す実施例は、図１の実施例を更に改良し、
Ｚ軸方向（図の上下方向）の検出精度を高めたものであ
る。ダイヤフラム１３０と変位基板１５０とは、接合部
材１４２によって接続されており、この間に更に補助基
板１７０が設けられている。この補助基板１７０の中央
には貫通孔が形成されており、この貫通孔に接合部材１
４２が挿通している。変位基板１５０の上面に形成され
た変位電極２１〜２５と固定電極１１〜１５とによっ
て、容量素子Ｃ１〜Ｃ５が構成される点は上述の実施例
と同様であるが、この実施例では更に、変位基板１５０
の下面に形成された変位電極２６と補助基板１７０の上
面に形成された固定電極１６とによって、容量素子Ｃ６
が構成されている。このような構成をもった検出装置で
は、Ｚ軸方向の検出値は図１０に示す回路によって得ら
れる。すなわち、容量素子Ｃ５，Ｃ６の容量値を、ＣＶ
変換回路５５，５６によって電圧値Ｖ５，Ｖ６に変換
し、減算器６３によりその差Ｖ５−Ｖ６を求め、これを
Ｚ軸方向の検出値とする。このようにＺ軸方向の検出に
関しても差を用いるようにすれば、誤差要因が相殺さ
れ、より精度良い検出が可能になる。なお、この理由に
ついては、特許協力条約に基づく国際出願ＰＣＴ／ＪＰ
９１／００４２８号明細書の§４に詳述されている。

【００２４】以上、本考案を図示する実施例に基づいて
説明したが、本考案はこれらの実施例に限定されるもの
ではなく、この他にも種々の態様で実施できる。図１に
示す加速度検出装置における各部の形状は、設計上、自
由に変更しうるものであり、たとえば、重錘体１４０を
球にしたり、楕円体にしたりすることもできる。また、
電極の枚数および配置も、上述の実施例に限定されるも
のではない。上述の実施例では、５枚の固定電極と５枚
の変位電極とによって５組の容量素子を構成したが、一
方の電極を１枚の共通電極として用い、５組の容量素子
を構成してもかまわない。また、容量素子は必ずしも５
組必要なものでもない。４組の容量素子によって三次元
の加速度検出を行うことも可能である。また、二次元あ
るいは一次元の加速度検出を行うのであれば、２組ある
いは１組の容量素子で足る。また、変位基板１５０の変
位状態を検出するための方法は、容量素子による静電容
量の変化を検出する方法に限定されるものではない。た
とえば、図１に示す装置において、固定電極１１〜１５
と変位電極２１〜２５との間に、圧電素子を挿入するよ
うにすれば、この圧電素子の起電力によって電極間距離
の検出を行うことも可能である。

【００２５】

【考案の効果】以上のとおり本考案による加速度検出装
置では、重錘体の変位を第１の部屋内に制限し、ダイヤ
フラムによってこの重錘体を宙吊りの状態とし、重錘体
に作用した加速度を検出するようにしたため、高感度の
加速度検出が可能であり、かつ、十分な堅牢性が確保で
きる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本考案の一実施例に係る加速度検出装置の側断
面図である。

【図２】本考案の別な実施例に用いるダイヤフラムの上
面図である。

【図３】図１に示す加速度検出装置の動作を説明するた
めの単純なモデルの側断面図である。

【図４】図３に示すモデルにおける固定基板１０の下面
図である。

【図５】図３に示すモデルにおける可撓基板２０の上面
図である。

【図６】図３に示すモデルに、Ｘ軸方向の力Ｆｘが加わ
った状態を示す側断面図である。

【図７】図３に示すモデルに、Ｚ軸方向の力Ｆｚが加わ
った状態を示す側断面図である。

【図８】図１に示す加速度検出装置に用いる信号処理回
路を示す回路図である。

【図９】本考案の更に別な実施例に係る加速度検出装置
の側断面図である。

【図１０】図９に示す検出装置に用いる信号処理回路の
回路図である。

【符号の説明】

１０…固定基板 １１〜１６…固定電極 ２０…可撓基板 ２１〜２６…変位電極 ３０…作用体 ４０…装置筐体 ５１〜５６…ＣＶ変換回路 ６１〜６３…減算器 １００…支持基板 １０１…貫通孔 １０２…ねじ止め孔 １１０…下部筐体 １２０…上部筐体 １３０，１３５…ダイヤフラム １４０…重錘体 １４１，１４２…接合部材 １５０…変位基板 １６０…絶縁層 １７０…補助基板 Ｂ１〜Ｂ４…架橋部 Ｈ１〜Ｈ４…貫通孔 Ｒ１…第１の部屋 Ｒ２…第２の部屋

Claims (2)

(57)【実用新案登録請求の範囲】
1. 【請求項１】 中央部に貫通孔をもった支持基板と、前
   記支持基板の下面に接合され、内部に第１の部屋を形成
   する下部筐体と、前記支持基板の上面に接合され、内部
   に第２の部屋を形成する上部筐体と、前記第２の部屋内
   において、前記支持基板の上面に取り付けられたダイヤ
   フラムと、前記第１の部屋内に、部屋の壁面と所定間隔
   を保って収容された重錘体と、前記貫通孔に挿通し、一
   端が前記重錘体に接合され、他端が前記ダイヤフラムの
   下面に接合された接合部材と、前記ダイヤフラムの上面
   に直接または間接的に接合された変位基板と、を備え、
   前記重錘体に作用した加速度を、前記変位基板と前記上
   部筐体内の所定の固定面との間の距離の変化として検出
   しうるようにしたことを特徴とする加速度検出装置。
2. 【請求項２】 請求項１に記載の加速度検出装置におい
   て、ダイヤフラムと変位基板との間に更に上部筐体に固
   定された補助基板を設け、この補助基板に形成した貫通
   孔を挿通する接合部材によって前記変位基板を前記ダイ
   ヤフラムに間接的に接合し、前記変位基板と前記補助基
   板との間の距離の変化を考慮して、外部からの力を検出
   するようにしたことを特徴とする加速度検出装置。