JPH09119943A

JPH09119943A - 加速度センサ

Info

Publication number: JPH09119943A
Application number: JP7298952A
Authority: JP
Inventors: Kazuhiro Okada; 和廣岡田; Toshimichi Nakatsugawa; 順道中津川
Original assignee: Wako KK
Current assignee: Wako KK
Priority date: 1995-10-24
Filing date: 1995-10-24
Publication date: 1997-05-06
Also published as: US5962787A

Abstract

(57)【要約】（修正有）【課題】所定の一平面に含まれる方向を向いた加速度
の大きさを電気信号として検出する。【解決手段】固定基板１０と変位基板２０とが平行に
設置される。固定基板１０は円筒状の筐体５０内に固着
され、変位基板２０はその周囲を支持手段３０によって
弾性支持される。変位基板２０の下面には円柱状の重錘
体４０が固着され、重錘体４０の周囲には円筒状の内側
電極Ｅ２１が形成される。内側電極Ｅ２１の周囲には、
円筒状の外側電極Ｅ２２が固定手段４５により固定され
る。変位基板２０の上面に形成された変位電極Ｅ１１と
固定基板１０の下面に形成された固定電極Ｅ１２とによ
り第１の容量素子Ｃ１が形成され、その容量変化により
縦揺れ加速度が検出される。内側電極Ｅ２１と外側電極
Ｅ２２とにより第２の容量素子が形成され、その容量変
化により横揺れ加速度が検出される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は加速度センサ、特
に、地震や自動車の衝突に基く加速度を検出するのに適
した加速度センサに関する。

【０００２】

【従来の技術】物体の運動を把握する上で、加速度の検
出は重要な意味をもつ。このため、従来から種々の加速
度センサが提案されている。特に、最近では、二次元あ
るいは三次元の加速度を各方向成分ごとに検出すること
が可能な多次元加速度センサが注目を集めている。たと
えば、特許協力条約に基く国際公開公報第ＷＯ８８／０
８５２２号には、ピエゾ抵抗素子を用いた三次元加速度
センサが開示されている。このセンサでは、複数のピエ
ゾ抵抗素子を半導体基板上の特定の位置に形成すること
により、ＸＹＺ三次元座標系における各座標軸方向の加
速度成分をそれぞれ独立して検出することができる。ま
た、国際公開公報第ＷＯ９１／１０１１８号や同第ＷＯ
９２／１７７５９号公報には、静電容量素子を用いた三
次元加速度センサが開示されており、国際公開公報第Ｗ
Ｏ９３／０２３４２号公報には、圧電素子を用いた三次
元加速度センサが開示されている。これらのセンサで
は、複数の電極を特定の位置に形成することにより、や
はりＸＹＺ三次元座標系における各座標軸方向の加速度
成分をそれぞれ独立して検出することができる。

【０００３】このような三次元加速度センサでは、単一
のセンサによって、作用した加速度の各座標軸方向成分
のすべてをそれぞれ独立して検出することができるた
め、検出対象となる加速度を三次元空間内でのベクトル
量として特定することができる。したがって、このよう
な三次元加速度センサは、三次元空間内を移動中の物
体、走行中の車両、飛行中の航空機、などに作用する加
速度を、その方向を含めて正確に検出する用途に広く利
用可能であり、今後も、その利用価値は高まってゆくも
のと期待されている。

【０００４】一方、加速度センサは、地震計や衝撃計と
しても利用可能である。たとえば、都市ガスの制御弁や
エレベータの制御装置には、地震計として機能する加速
度センサが内蔵されており、地震の振動に基く加速度が
所定のしきい値を越えた場合には、ガスの供給を停止さ
せたり、エレベータの運転を中止させたりする制御が行
われている。また、最近急速に普及し始めたエアバッグ
付きの自動車では、衝撃計として機能する加速度センサ
が搭載されており、衝撃に基く加速度が所定のしきい値
を越えた場合には、エアバッグを瞬時に膨らませてドラ
イバーを保護する機能が働くようなしくみになってい
る。ただ、このような地震計や衝撃計として現在のとこ
ろ用いられている加速度センサは、上述した三次元加速
度センサではなく、たとえば、鋼鉄球が椀状容器から飛
び出すか否かによって、しきい値以上の加速度が作用し
たか否かを判断するような機械式のセンサが主流であ
る。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】上述したように、地震
計や衝撃計として利用されている加速度センサは、現在
のところ機械式のものが主流であるが、このような機械
式の加速度センサは検出精度や信頼性が低く、また、検
出結果を電気的に取り出すことが困難であるという問題
がある。一方、ピエゾ抵抗素子、容量素子、圧電素子を
用いた三次元加速度センサは、高い検出精度および信頼
性をもち、かつ、電気的に検出結果を取り出すことが可
能である。しかしながら、地震計や衝撃計としての用途
では、必ずしもこのような三次元の加速度センサが必要
とされるものではなく、逆に、従来の三次元の加速度セ
ンサでは使いにくい場合さえある。

【０００６】たとえば、地震の震度を測定する用途で
は、地震によるいわゆる「横揺れ（水平方向の振動）」
と「縦揺れ（垂直方向の振動）」とをそれぞれ独立して
検出する機能があれば十分である。このとき、「横揺
れ」の大きさおよび「縦揺れ」の大きさが直接的に検出
できることが望ましい。一般に、地震における「横揺
れ」はＳ波と呼ばれている振動波に起因する揺れであ
り、「縦揺れ」はＰ波と呼ばれている振動波に起因する
揺れであることが知られており、Ｓ波の大きさとＰ波の
大きさとをそれぞれ独立して検出することさえできれ
ば、地震計として十分に機能するのである。すなわち、
ある測定地点において、水平面上にＸＹ平面を、鉛直方
向にＺ軸を、それぞれ有するＸＹＺ三次元座標系を定義
すれば、地震計としては、ＸＹ平面に沿った方向の振動
（横揺れ）の大きさとＺ軸に沿った方向の振動（縦揺
れ）の大きさとが測定できれば十分である。

【０００７】もちろん、従来提案されている三次元加速
度センサを用いても、このような測定は可能である。従
来の三次元加速度センサを用いれば、たとえば、「北北
東の方向を向いた横揺れ」というように、同じ横揺れで
あっても、その方向までも特定した検出が可能になる。
しかしながら、都市ガスの供給制御やエレベータの運転
制御を行う上では、横揺れの方位までも特定する必要は
ない。「北北東の方向を向いた横揺れ」であろうが、
「南東の方向を向いた横揺れ」であろうが、その横揺れ
の大きさが所定のしきい値以上であった場合には、都市
ガスの供給やエレベータの運転を停止する必要があり、
横揺れの大きささえ検出できれば、地震計に用いる加速
度センサとしての機能を十分に果たすことができる。ま
た、従来の三次元加速度センサでは、ＸＹＺ三次元座標
系における加速度について、Ｘ軸方向成分αｘ、Ｙ軸方
向成分αｙ、Ｚ軸方向成分αｚが、それぞれ別個独立し
て検出されるため、たとえば、ＸＹ平面に沿った横揺れ
の大きさを得るには、αｘ^２とαｙ^２との和を求め、こ
の和の平方根を求める演算が必要になる。

【０００８】このように、従来の三次元加速度センサ
を、地震計として用いることは可能ではあるが、構造が
複雑で、また、地震計として利用するための演算回路な
どが必要になるため、全体的にコストが高くなるという
問題が生じる。特に、都市ガスの供給制御やエレベータ
の運転制御への利用を考えると、各家庭のガスメータや
各エレベータの制御装置内にそれぞれ設置する必要性が
あり、単純な構造をもった低コストの加速度センサが望
まれる。

【０００９】このような事情は、自動車のエアバッグを
動作させるための衝撃計として用いる加速度センサにお
いても同様である。自動車の走行面をＸＹ平面とすれ
ば、自動車の衝突によって生じる衝撃は、ＸＹ平面に沿
った加速度成分を主とするものであり、Ｚ軸に沿った加
速度成分は無視してよい。また、正面衝突であろうが、
側面衝突であろうが、ドライバーを危険にさらす衝撃が
加わる点では同じであり、どのような方向の衝突であろ
うとも、エアバッグを膨らませてドライバーを保護する
必要があることに変わりはない。したがって、ＸＹ平面
に沿った方向の加速度の大きさが検出できれば十分であ
り、その方向までも正確に検出する必要はない。

【００１０】そこで本発明は、所定の一平面に含まれる
方向を向いた加速度の大きさを電気信号として検出する
のに適した加速度センサを提供することを目的とする。

【００１１】

【課題を解決するための手段】

(1) 本発明の第１の態様は、加速度センサにおいて、
センサ筐体と、このセンサ筐体内に収容された変位基板
と、この変位基板の周囲をセンサ筐体に対して弾力性を
もって支持する支持手段と、変位基板の下面に固着さ
れ、検出対象となる加速度の作用により、支持手段に弾
性変形を誘発させるのに十分な質量をもった重錘体と、
この重錘体の重心を通り変位基板の基準主面に対して垂
直な中心軸を取り囲むように、重錘体の周囲側面に形成
された内側電極と、内側電極を収容できるような筒状形
状をなし、内側電極との間に所定間隔を維持しつつ内側
電極を取り囲む位置においてセンサ筐体に固定された外
側電極と、内側電極と外側電極とによって形成される容
量素子の静電容量の変動分に基いて、基準主面に平行な
方向に作用する加速度の大きさを示す電気信号を出力す
る検出回路と、を設け、重錘体が中心軸に沿って変位し
た場合にも、内側電極と外側電極との間の有効対向面積
が一定となるように、内側電極の中心軸方向の幅と外側
電極の中心軸方向の幅とについて、一方の幅が他方の幅
よりも、少なくとも重錘体の中心軸に沿った変位量だけ
広くなるように構成したものである。

【００１２】(2) 本発明の第２の態様は、上述の第１
の態様に係る加速度センサにおいて、変位基板の上面に
形成された変位電極と、変位基板の上方において、変位
電極に対向するようにセンサ筐体に固定された固定電極
と、を更に設け、検出回路が、更に、変位電極と固定電
極とによって形成される容量素子の静電容量の変動分に
基いて、基準主面に垂直な方向に作用する加速度の大き
さを示す電気信号を出力するようにしたものである。

【００１３】(3) 本発明の第３の態様は、上述の第１
または第２の態様に係る加速度センサにおいて、円柱状
の重錘体を用い、内側電極をこの円柱状重錘体の側面に
形成された円筒状電極により構成し、外側電極を内側電
極を構成する円筒状電極よりも径の大きな別な円筒状電
極により構成したものである。

【００１４】(4) 本発明の第４の態様は、上述の第１
または第２の態様に係る加速度センサにおいて、検出対
象となる加速度が作用しない基準状態において、内側電
極と外側電極との間の間隔が部分的に異なるように設定
し、基準主面に平行な方向に作用する加速度の検出感度
を検出方向に応じて変えるようにしたものである。

【００１５】(5) 本発明の第５の態様は、上述の第４
の態様に係る加速度センサにおいて、内側電極および外
側電極のうち、一方を断面が円形となる円筒状電極によ
り構成し、他方を断面が楕円形となる楕円筒状電極によ
り構成したものである。

【００１６】(6) 本発明の第６の態様は、上述の第２
〜第５の態様に係る加速度センサにおいて、変位基板を
導電性材料によって構成し、この変位基板の一部を変位
電極として用いるようにしたものである。

【００１７】(7) 本発明の第７の態様は、上述の第１
〜第６の態様に係る加速度センサにおいて、重錘体を導
電性材料によって構成し、この重錘体の一部を内側電極
として用いるようにしたものである。

【００１８】(8) 本発明の第８の態様は、上述の第１
〜第７の態様に係る加速度センサにおいて、センサ筐体
を導電性材料によって構成し、このセンサ筐体の一部を
外側電極として用いるようにしたものである。

【００１９】(9) 本発明の第９の態様は、上述の第１
〜第８の態様に係る加速度センサにおいて、可撓性基板
に複数のスリットを形成することによりダイヤフラムを
構成し、このダイヤフラムを変位基板および支持手段と
して用いるようにしたものである。

【００２０】

【発明の実施の形態】以下、本発明を図示する実施形態
に基いて説明する。

【００２１】§１．基本的な実施形態に係る加速度セ
ンサの構造図１に、本発明の基本的な実施形態に係る加速度センサ
の主要部分の斜視図を示し、図２には、その側断面図を
示す。図１に示されているように、この加速度センサ
は、円盤状の固定基板１０と、同じく円盤状の変位基板
２０とを有し、変位基板２０の周囲には支持手段３０が
取り付けられている。変位基板２０の上面には円盤状の
変位電極Ｅ１１が形成されており、固定基板１０の下面
にはこの変位電極Ｅ１１に対向するように、固定電極Ｅ
１２が形成されている。また、変位基板２０の下面に
は、円柱状の重錘体４０が固着されており、この重錘体
４０の側面には円筒状の内側電極Ｅ２１が形成されてい
る。また、この内側電極Ｅ２１の外側には、より径の大
きな円筒状の外側電極Ｅ２２が設けられており、この外
側電極Ｅ２２は固定手段４５によって固定されている。

【００２２】これらの構成要素は、いずれも円筒状のセ
ンサ筐体５０（図１にはその構造は明示されていない）
内に収容されている。図２の側断面図は、これらの構成
要素を重錘体４０の重心Ｇを通る中心軸Ｗを含む平面で
切断した断面を示すものである。この図２では、図１で
は示されていないセンサ筐体５０の構造がはっきり示さ
れている。図２を参照すればわかるように、固定基板１
０の周囲は、センサ筐体５０の内側に嵌合固着されてい
る。別言すれば、円盤状の固定基板１０の周囲は、その
全周にわたって、円筒状のセンサ筐体５０の内側に固着
されていることになる。一方、変位基板２０は、その周
囲に取り付けられた支持手段３０によって、センサ筐体
５０の内側に支持されている。支持手段３０は、変位基
板２０の周囲をセンサ筐体５０に対して弾力性をもって
支持する機能を有する。この基本的な実施形態では、支
持手段３０として８本のばねを用いた例を示したが、実
用上は、後述する実施例に示すように、スリットを有す
るダイヤフラムなどを用いて、変位基板２０および支持
手段３０を構成するのが好ましい。

【００２３】また、外側電極Ｅ２２は、固定手段４５に
よってセンサ筐体５０の内部に固定されている。この基
本的な実施形態では、固定手段４５の具体的な構造を示
していないが、外側電極Ｅ２２がセンサ筐体５０に対し
て移動しないよう固着することができる構造であれば、
どのような構造で固定手段４５を実現してもかまわな
い。後述する実施例では、センサ筐体５０の一部が内側
へ突出する構造とし、センサ筐体５０の一部端面が外側
電極Ｅ２２の役割を果たす構造としている。

【００２４】このセンサ筐体５０に対して検出対象とな
る加速度が作用していない状態においては、図２に示す
ように、固定基板１０と変位基板２０とは、互いに所定
距離をおいてほぼ平行な状態を保っている。その結果、
変位電極Ｅ１１と固定電極Ｅ１２とが、互いに所定距離
をおいてほぼ平行な状態となり、また、内側電極Ｅ２１
と外側電極Ｅ２２との間隔も、ほぼ一定の所定間隔に維
持された状態になる。本明細書では、このように、検出
対象となる加速度が作用していない状態における変位基
板２０の主面（たとえば上面）の位置を「基準主面」と
呼ぶことにする。図２に示されているように、変位基板
２０の基準主面は固定基板１０の主面に対して平行にな
っており、円柱状の重錘体４０の重心Ｇを通る中心軸Ｗ
は、この基準主面に対して垂直になっている。また、内
側電極Ｅ２１は、中心軸Ｗを取り囲むように、重錘体４
０の周囲側面に形成されていることになり、外側電極Ｅ
２２は、この内側電極Ｅ２１を収容可能な円筒状形状を
なし、内側電極Ｅ２１との間に所定間隔を維持しつつ内
側電極Ｅ２１を取り囲む位置においてセンサ筐体５０に
固定されていることになる。

【００２５】重錘体４０は変位基板２０および支持手段
３０を介してセンサ筐体５０内に支持されており、いわ
ば支持手段３０によって、センサ筐体５０内に宙吊りの
状態になっている。したがって、支持手段３０に弾性変
形が生じると、重錘体４０のセンサ筐体５０に対する相
対位置は変化し、変位電極Ｅ１１および内側電極Ｅ２１
も変位を生じることになる。これに対して、固定電極Ｅ
１２は固定基板１０によってセンサ筐体５０に固着され
ており、外側電極Ｅ２２は固定手段４５によってセンサ
筐体５０に固着されている。したがって、支持手段３０
の弾性変形によって重錘体４０が変位を生じると、変位
電極Ｅ１１と固定電極Ｅ１２との相対位置に変化が生
じ、内側電極Ｅ２１と外側電極Ｅ２２との相対位置にも
変化が生じることになる。

【００２６】そこで、このセンサ全体に対して加速度が
作用すると、重錘体４０の重心Ｇに加速度に基く力が作
用し、この力により支持手段３０が弾性変形し、上述し
た各電極間の相対位置に変化が生じることになる。たと
えば、この加速度センサを所定の地震観測地点に設置し
ておけば、地震が発生したときに、地震観測地点の振動
に基いて重錘体４０に対して加速度が作用し、重錘体４
０がセンサ筐体５０内部で振動することになり、その結
果、各電極間の相対位置に変化が生じることになる。も
ちろん、重錘体４０は、検出対象となる加速度の作用に
より、支持手段３０に弾性変形を誘発させるのに十分な
質量をもっていなければならない。この加速度センサの
感度は、支持手段３０の弾性係数と重錘体４０の質量と
を適当に選択することにより調整可能である。

【００２７】なお、説明の便宜上、ここでは図１の左下
に示したようなＸＹＺ三次元座標系を定義する。固定基
板１０の主面および変位基板２０の基準主面は、いずれ
もこの座標系におけるＸＹ平面に平行な面になる。ま
た、ここでは、図２に示すように、重錘体４０の重心Ｇ
を通りＺ軸に平行な中心軸Ｗを定義しておく。この実施
形態では、固定基板１０、変位基板２０、重錘体４０、
センサ筐体５０は、いずれもこの中心軸Ｗに関して回転
対称体となっている。ＸＹ平面に平行な方向に関する加
速度の検出感度を均一にするためには、このように各構
成要素を中心軸Ｗに関する回転対称体とするのが好まし
く、理想的には、支持手段３０も中心軸Ｗに関して回転
対称となるような構造を採るのが好ましいが、この実施
形態では、８本のばねによって支持手段３０を形成し、
できるだけ回転対称に近い挙動が得られるようにしてい
る。

【００２８】図３は、固定基板１０の下面図を示し、図
４は、変位基板２０の上面図を示す。図３に示されてい
る固定電極Ｅ１２、図４に示されている変位電極Ｅ１１
は、いずれも円盤状の電極であり、図２に示す中心軸Ｗ
に関して回転対称となる形状を有し、回転対称となる位
置に配置されている。これら両電極Ｅ１１，Ｅ１２は、
図２に示すように、互いに対向する位置に配置され、こ
れら一対の電極により容量素子が形成されている。ここ
では、この容量素子を、第１の容量素子Ｃ１と呼ぶこと
にする。一方、図１および図２に示されているように、
内側電極Ｅ２１および外側電極Ｅ２２は、いわゆる「入
れ子状」になっており、やはりこれら一対の電極により
容量素子が形成される。ここでは、この容量素子を、第
２の容量素子Ｃ２と呼ぶことにする。ここで重要な点
は、内側電極Ｅ２１の中心軸Ｗ方向の幅は、外側電極Ｅ
２２の中心軸Ｗ方向の幅に比べて広くなっている点であ
る。別言すれば、内側電極Ｅ２１なる円筒の高さは、外
側電極Ｅ２２なる円筒の高さよりも高いことになる。こ
れは、重錘体４０が中心軸Ｗに沿って変位した場合で
も、両電極間の有効対向面積が一定となり、第２の容量
素子Ｃ２の静電容量値に変化が生じないようにするため
の配慮であり、詳しいことは後述する。

【００２９】なお、この基本的な実施形態に示す構造を
もった加速度センサを構成する各部分の材質について
は、これまで特に述べなかったが、少なくとも各電極Ｅ
１１，Ｅ１２，Ｅ２１，Ｅ２２は、金属などの導電性材
料によって構成する必要がある。また、固定基板１０、
変位基板２０は、導電性材料で構成してもよいし、絶縁
性材料で構成してもよいが、導電性材料で構成する場合
には、後述する検出動作に支障が生じないように、適宜
絶縁を施す必要がある。

【００３０】§２．縦揺れによって起こる現象一般に、地震による振動は、「縦揺れ」と「横揺れ」と
に分けられ、「縦揺れ」はＰ波に基く振動であり、「横
揺れ」はＳ波に基く振動であることが知られている。地
震計では、これら両波に基く振動をそれぞれ独立して検
出できることが望ましい。図１および図２に示す加速度
センサを、このままの向きで地面に設置した場合、「縦
揺れ」とは、Ｚ軸に沿った方向への振動を意味し、「横
揺れ」とは、ＸＹＺ三次元座標系におけるＸＹ平面に沿
った方向への振動を意味することになる。ここでは、ま
ず、Ｐ波に基く振動、すなわち「縦揺れ」が生じた場合
に、本発明の加速度センサにどのような現象が起こるか
を検討してみる。

【００３１】いま、図２に示すような構造をもった加速
度センサを、所定の地震観測地点に設置したとき、この
地震観測地点がＺ軸方向に振動したとしよう。このＺ軸
方向の振動は、Ｐ波に基く「縦揺れ」の振動に相当す
る。観測地点がＺ軸の正負両方向に往復振動すると、重
錘体４０は、センサ筐体５０内でＺ軸方向に揺すられ
る。すなわち、重錘体４０には、Ｚ軸方向の加速度αｚ
が作用することになる。このため、質量ｍをもった重錘
体４０の重心Ｇには、Ｆｚ＝ｍ・αｚなる力が作用する
ことになる。前述したように、このような力の作用によ
って、支持手段３０は弾性変形を生じ、変位基板２０は
固定基板１０に対して変位する。図５の側断面図は、Ｚ
軸正方向に力Ｆｚが作用したときの重錘体４０の変位の
様子を示すものである。もちろん、地震による「縦揺
れ」の振動は、Ｚ軸正方向への加速度とＺ軸負方向への
加速度とを交互に生じさせるので、重錘体４０に対して
は、Ｚ軸正方向への力ＦｚとＺ軸負方向への力−Ｆｚと
が交互に加えられることになり、図５は、そのような振
動における瞬時の状態を示すものである。

【００３２】さて、図５に示すように重錘体４０が変位
したときに、変位電極Ｅ１１と固定電極Ｅ１２とによっ
て構成される第１の容量素子Ｃ１の静電容量値がどのよ
うに変化するか考えてみる。一般に、容量素子の静電容
量値Ｃは、Ｃ＝ ε （Ｓ／ｄ）で表される。ここで、εは、容量素子を形成する両電極
間に存在する媒体（この実施形態では空気）の誘電率で
あり、Ｓは電極の面積、ｄは電極間距離である。変位基
板２０が図２に示すような状態から、図５に示すような
状態に変化すると、第１の容量素子Ｃ１の電極間距離ｄ
は小さくなるので、静電容量値Ｃ１は大きくなる。逆
に、重錘体４０に対して、Ｚ軸負方向の力−Ｆｚが作用
した場合には、重錘体４０は図の下方へと変位し、第１
の容量素子Ｃ１の電極間距離ｄが大きくなるので、静電
容量値Ｃ１は小さくなる。したがって、地震による「縦
揺れ」の振動が伝わると、重錘体４０は図５における図
の上下方向に振動し、第１の容量素子Ｃ１の電極間距離
ｄは、大きくなったり小さくなったり周期的に変化す
る。この変化の振幅は、「縦揺れ」の振動の振幅を示す
ものになる。

【００３３】図６は、「縦揺れ」の振動成分である加速
度αｚと、第１の容量素子Ｃ１の静電容量値Ｃ１との関
係を示すグラフである。「縦揺れ」により、加速度αｚ
が周期的に変化すると、静電容量値Ｃ１も同様に、基準
値Ｒを中心に増減することになる。したがって、第１の
容量素子Ｃ１の静電容量値の変動分が、Ｚ軸方向に作用
した加速度±αｚ、別言すれば、Ｚ軸方向に作用した力
±Ｆｚの大きさを示すものになる。したがって、この第
１の容量素子Ｃ１の静電容量値を、センサ出力として電
気的に取り出せば、Ｚ軸方向に作用した加速度±αｚの
大きさ、すなわち「縦揺れ」の大きさを電気信号として
出力する加速度センサが実現できる（実際には、大きさ
だけでなく、瞬時の振動方向を知ることもできる）。こ
のセンサ出力の変動分を平滑化すれば、振動の平均的な
値を得ることができるし、このセンサ出力の変動分を積
分すれば、振動の累積エネルギー値を得ることもでき
る。

【００３４】ところで、このような「縦揺れ」が生じて
いる場合に、第２の容量素子Ｃ２の静電容量値がどうな
るかを考えてみると、この第２の容量素子Ｃ２の静電容
量値には、何ら変化は生じないことがわかる。たとえ
ば、図５に示すように、重錘体４０に対して、Ｚ軸正方
向への力Ｆｚが加えられた瞬時の状態を、図２に示す基
準状態と比較してみると、第２の容量素子Ｃ２の静電容
量値には変化は生じていないことがわかる。なぜなら、
内側電極Ｅ２１と外側電極Ｅ２２との間の有効対向面積
は、常に外側電極Ｅ２２の上下方向の幅によって支配さ
れるため、重錘体４０が上下方向に振動しても、有効対
向面積に何ら変化は生じないからである。図５は、重錘
体４０が上方に変位した状態を示しているが、逆に、重
錘体４０が下方に変位した状態でも、内側電極Ｅ２１と
外側電極Ｅ２２との間の有効対向面積に変わりがないこ
とが容易に理解できよう。内側電極Ｅ２１の上下方向の
幅を、外側電極Ｅ２２の上下方向の幅よりも広く設定し
ておいたのは、第２の容量素子Ｃ２の静電容量値が、
「縦揺れ」によって変化しないようにするために他なら
ない。

【００３５】§３．横揺れによって起こる現象続いて、Ｓ波に基く振動、すなわち「横揺れ」が生じた
場合に、本発明の加速度センサにどのような現象が起こ
るかを検討してみる。「横揺れ」とは、ＸＹＺ三次元座
標系におけるＸＹ平面に沿った方向への振動ということ
になる。いま、図２に示すような構造をもった加速度セ
ンサを、所定の地震観測地点に設置したときに、この地
震観測地点がＸ軸方向に振動したとしよう。観測地点が
Ｘ軸の正負両方向に往復振動すると、重錘体４０は、セ
ンサ筐体５０内でＸ軸方向に揺すられる。すなわち、重
錘体４０には、Ｘ軸方向の加速度αｘが作用することに
なる。このため、質量ｍをもった重錘体４０の重心Ｇに
は、Ｆｘ＝ｍ・αｘなる力が作用することになる。前述
したように、このような力の作用によって、支持手段３
０は弾性変形を生じ、重錘体４０がセンサ筐体５０内に
おいて変位を生じることになる。

【００３６】図７の側断面図は、Ｘ軸正方向に力Ｆｘが
作用したときの重錘体４０の変位状態を示すものであ
る。重錘体４０の重心Ｇは、図２に示す基準状態に比べ
て、図の右方（Ｘ軸正方向）に変位しており、また、重
錘体４０全体は左側へ傾斜した状態になっている。その
結果、図７の側断面図に示されているように、変位電極
Ｅ１１は固定電極Ｅ１２に対して傾斜した状態になる。
また、内側電極Ｅ２１と外側電極Ｅ２２との間の間隔
は、部分的に不均衡を生じるようになる。図８(a)は、
図２に示す基準状態において、このセンサを切断面Ａ−
Ａで切断した状態を示す横断面図であり、図８(b) は、
図７に示す「横揺れ」状態において、このセンサを切断
面Ａ−Ａで切断した状態を示す横断面図である。図８
(a) では、内側電極Ｅ２１と外側電極Ｅ２２との間隔が
均一になっているのに対し、図８(b) では、重錘体４０
自体が図の右方（Ｘ軸正方向）に変位した結果、両電極
の間隔は、図の右側半分では狭くなり、図の左側半分で
は広くなっている。もちろん、地震による「横揺れ」の
振動は、Ｘ軸正方向への加速度とＸ軸負方向への加速度
とを交互に生じさせるので、重錘体４０に対しては、Ｘ
軸正方向への力ＦｘとＸ軸負方向への力−Ｆｘとが交互
に加えられることになり、図７および図８(b) は、その
ような振動における瞬時の状態を示すものである。

【００３７】さて、このような「横揺れ」によって、互
いに対向する電極間の位置関係に変化が生じたときに、
各対向電極によって構成される容量素子の静電容量値に
どのような変化が生じるかを検討してみよう。ここで
は、まず、変位電極Ｅ１１と固定電極Ｅ１２とによって
構成される第１の容量素子Ｃ１の静電容量値を考える。
変位基板２０が図２に示すような状態から、図７に示す
ような状態に変化すると、第１の容量素子Ｃ１について
は、電極間距離ｄに関して大きな変化が生じる。すなわ
ち、図７において、右側の半分については電極間距離ｄ
が小さくなり、左側の半分については電極間距離ｄが大
きくなる。なお、電極自体が傾斜するため、電極の有効
対向面積にも若干の変化が生じるが、電極間距離の変化
に比べて微小であるため、ここでは電極の面積変化につ
いては無視することにする。

【００３８】図９は、このような電極間距離ｄの変化の
分布を示すための変位基板２０の上面図である。Ｙ軸に
沿って描かれた一点鎖線を境界線として、図の右側半分
では電極間距離ｄが小さくなり、図の左側半分では電極
間距離ｄが大きくなる。したがって、上述した静電容量
値Ｃの式を考慮すれば、図の右側半分では静電容量値は
増加し、図の左側半分では静電容量値は減少することに
なる。ところで、変位電極Ｅ１１は中心軸Ｗに関して回
転対称形（この実施形態では、中心軸Ｗを中心とした円
盤状）をしているので、当然、図の一点鎖線に関して変
位電極Ｅ１１は線対称になる。したがって、図の右側半
分で静電容量値が増加しても、図の左側半分では静電容
量値が減少するので、第１の容量素子Ｃ１全体の静電容
量値の変化は左右で相殺され、図２に示す状態と図７に
示す状態とでは、第１の容量素子Ｃ１の静電容量値に差
は生じないようにみえる。

【００３９】一方、内側電極Ｅ２１と外側電極Ｅ２２と
によって構成される第２の容量素子Ｃ２の静電容量値も
同様に、一部では増加し、別な一部では減少する。すな
わち、図１０に示すように、Ｙ軸に沿って描かれた一点
鎖線を境界線として、図の右側半分では電極間距離ｄが
小さくなり、図の左側半分では電極間距離ｄが大きくな
る。したがって、上述した静電容量値Ｃの式を考慮すれ
ば、図の右側半分では静電容量値は増加し、図の左側半
分では静電容量値は減少することになる。ところで、内
側電極Ｅ２１および外側電極Ｅ２２は、いずれも中心軸
Ｗに関して回転対称形（この実施形態では、中心軸Ｗを
中心とした円筒状）をしているので、図８(a) に示す基
準状態では、内側電極Ｅ２１も外側電極Ｅ２２も、いず
れも左右対称になる。したがって、図の右側半分で静電
容量値が増加しても、図の左側半分では静電容量値が減
少するので、第２の容量素子Ｃ２全体の静電容量値の変
化は左右で相殺され、図２に示す状態と図７に示す状態
とでは、第２の容量素子Ｃ２の静電容量値にも差は生じ
ないようにみえる。

【００４０】しかしながら、実際には、図２に示す状態
と図７に示す状態とでは、第１の容量素子Ｃ１の静電容
量値にも、第２の容量素子Ｃ２の静電容量値にも、差が
生じるのである。その理由を以下に述べる。

【００４１】まず、第１の容量素子Ｃ１の静電容量値に
どのような変化が生じるかを詳細に検討してみる。い
ま、図９に示すように、変位電極Ｅ１１の右側半分に微
小領域Ｑａを定義し、左側半分に微小領域Ｑｂを定義す
る。ここで、微小領域Ｑａと微小領域Ｑｂとは、Ｙ軸
（一点鎖線）に関して線対称の位置に存在し、同一形
状、同一面積Ｓｑをもっているものとする。そして、こ
れら微小領域Ｑａ，Ｑｂと、これらに対向する固定電極
Ｅ１２内の微小領域とによって形成される容量素子Ｃ
ａ，Ｃｂの静電容量値がどうなるかを考える。

【００４２】はじめに、固定基板１０と変位基板２０と
が、図２に示すように、互いに平行な状態にあったとし
よう。このとき、変位電極Ｅ１１と固定電極Ｅ１２との
距離をｄ０とすれば、容量素子Ｃａの静電容量値Ｃａ
（０）および容量素子Ｃｂの静電容量値Ｃｂ（０）は、Ｃａ（０）＝Ｃｂ（０）＝ ε （Ｓｑ／ｄ０）となり、両者は等しくなる。次に、図７に示すように、
Ｘ軸正方向の力Ｆｘが重錘体４０に作用したために、変
位基板２０が固定基板１０に対して傾斜し、その結果、
微小領域Ｑａと固定電極Ｅ１２との距離がΔｄだけ短く
なり、微小領域Ｑｂと固定電極Ｅ１２との距離がΔｄだ
け長くなったとする。この場合、容量素子Ｃａの静電容
量値Ｃａ（＋ｘ）は、電極間距離の差Δｄに対応するΔ
Ｃａだけ増加したものになる。一方、容量素子Ｃｂの静
電容量値Ｃｂ（＋ｘ）は、電極間距離の差Δｄに対応す
るΔＣｂだけ減少したものになる。すなわち、容量素子
Ｃａの静電容量値はΔＣａだけ増加するのに対し、容量
素子Ｃｂの静電容量値はΔＣｂだけ減少するので、両者
の増減分は相殺され、容量素子Ｃａと容量素子Ｃｂとの
合計静電容量値には変化がないようにみえる。

【００４３】しかしながら、このような考え方は誤りで
ある。なぜなら、静電容量値の変化分であるΔＣａとΔ
Ｃｂとは、等しくならないからである。これは、図１１
のグラフをみれば容易に理解できる。前述したように、
容量素子を構成する電極対の電極間距離ｄと静電容量値
Ｃとの間には反比例の関係が成り立ち、両者間の関係を
グラフにすると、たとえば、図１１のグラフのようにな
る。ここで、図２に示すように、両基板が互いに平行な
状態にあったとすると、容量素子Ｃａ，Ｃｂの電極間距
離はいずれもｄ０と等しくなり、容量素子Ｃａ，Ｃｂの
静電容量値Ｃａ（０），Ｃｂ（０）は等しくなる。とこ
ろが、図７に示すように、Ｘ軸正方向の力Ｆｘが重錘体
４０に作用したために、変位基板２０が固定基板１０に
対して傾斜すると、容量素子Ｃａの電極間隔はｄ０−Δ
ｄと小さくなり、その結果、静電容量値はΔＣａだけ増
加したＣａ（＋ｘ）となる。一方、容量素子Ｃｂの電極
間隔はｄ０＋Δｄと大きくなり、その結果、静電容量値
はΔＣｂだけ減少したＣｂ（＋ｘ）となる。ここで、両
容量素子Ｃａ，Ｃｂにおいて、電極間隔の変化分Δｄは
等しいにもかかわらず、静電容量値の変化分ΔＣａ，Δ
Ｃｂは等しくならない点は重要である。

【００４４】結局、図２に示す状態から図７に示す状態
に変化した場合、図９において、右側の微小領域Ｑａに
よって構成される容量素子Ｃａの静電容量値はΔＣａだ
け増加し、左側の微小領域Ｑｂによって構成される容量
素子Ｃｂの静電容量値はΔＣｂだけ減少するが、ΔＣａ
とΔＣｂとは等しくならず（ΔＣａ＞ΔＣｂ）、両容量
素子のトータルの静電容量値に着目すれば、図２に示す
状態から図７に示す状態に変化することにより、静電容
量値が（ΔＣａ−ΔＣｂ）の分だけ増加することにな
る。

【００４５】これまで、図９に示す右側半分の微小領域
Ｑａの静電容量値と左側半分の微小領域Ｑｂの静電容量
値とについて議論してきたが、このような現象が、変位
電極Ｅ１１の右側半分の全領域と左側半分の全領域とに
ついても同様に生じていることを考慮すれば、変位電極
Ｅ１１と固定電極Ｅ１２とによって構成される第１の容
量素子Ｃ１全体の静電容量値は、図２に示す状態に比べ
て、図７に示す状態の方が増加することが理解できるで
あろう。

【００４６】以上、図７に示すように、重錘体４０に対
してＸ軸正方向の力Ｆｘが作用した瞬間の状態について
検討したが、逆に、重錘体４０に対してＸ軸負方向の力
−Ｆｘが作用した瞬間の状態についても同様の現象が生
じる。すなわち、Ｘ軸負方向の力−Ｆｘが作用した場合
は、図７に示す状態とは左右が逆の状態になり、第１の
容量素子Ｃ１の左側半分における静電容量値はΣΔＣａ
だけ増加し、右側半分における静電容量値はΣΔＣｂだ
け減少する（Σは各微小領域についての変動分の和を意
味する）。したがって、第１の容量素子Ｃ１全体の静電
容量値は、図２に示す状態に比べて、やはり増加するこ
とになる。

【００４７】結局、変位電極Ｅ１１と固定電極Ｅ１２と
によって構成される第１の容量素子Ｃ１の静電容量値の
変化分は、Ｘ軸方向に作用した加速度±αｘ、別言すれ
ば、Ｘ軸方向に作用した力±Ｆｘの大きさを示すものに
なる。図１２は、「横揺れ」の振動成分である加速度α
ｘと、第１の容量素子Ｃ１の静電容量値Ｃ１との関係を
示すグラフである。「横揺れ」により、加速度αｘが周
期的に変化すると、静電容量値Ｃ１も同様に周期的に変
化することになる。ただし、図６に示す「縦揺れ」時の
周期的変化とは異なり、常に基準値Ｒよりも増加する方
向に変化が生じることになり、「横揺れ」の場合は、振
幅の絶対値を静電容量値の変動分として得ることはでき
るが、その方向は認識することはできない。こうして、
この第１の容量素子Ｃ１の静電容量値を、センサ出力と
して電気的に取り出せば、Ｘ軸方向に作用した加速度±
αｘの大きさ、すなわち「横揺れ」の大きさを電気信号
として出力する加速度センサが実現できる。このセンサ
出力の変動分を平滑化すれば、振動の平均的な値を得る
ことができるし、このセンサ出力の変動分を積分すれ
ば、振動の累積エネルギー値を得ることもできる。

【００４８】ところで、上述と全く同じ現象が、第２の
容量素子Ｃ２においても生じることになる。すなわち、
図１０におけるＸ軸の正の軸上に、一対の微小領域から
なる微小容量素子Ｃａを定義し、Ｘ軸の負の軸上に、一
対の微小領域からなる微小容量素子Ｃｂを定義し、これ
ら容量素子Ｃａ，Ｃｂの静電容量値の変化を考える。い
ま、図８(a) に示すような基準状態において、内側電極
Ｅ２１と外側電極Ｅ２２との距離が、いずれの箇所にお
いても同一のｄ０であったとすれば、容量素子Ｃａの静
電容量値Ｃａ（０）および容量素子Ｃｂの静電容量値Ｃ
ｂ（０）は、互いに等しくなる。ところが、図７に示す
ように、Ｘ軸正方向の力Ｆｘが重錘体４０に作用したた
めに、重錘体４０が図１０に示すように図の右方へと移
動すると、右側半分の容量素子Ｃａの電極間距離はΔｄ
だけ短くなり、左側半分の容量素子Ｃｂの電極間距離は
Δｄだけ長くなる。この場合、容量素子Ｃａの静電容量
値Ｃａ（＋ｘ）は、電極間距離の差Δｄに対応するΔＣ
ａだけ増加したものになる。一方、容量素子Ｃｂの静電
容量値Ｃｂ（＋ｘ）は、電極間距離の差Δｄに対応する
ΔＣｂだけ減少したものになる。

【００４９】既に、図１１のグラフで説明したとおり、
静電容量値の変化分であるΔＣａとΔＣｂとは等しくな
らず、ΔＣａ＞ΔＣｂの関係にある。よって、容量素子
Ｃａの静電容量値と容量素子Ｃｂの静電容量値との和に
着目すると、基準状態における和「Ｃａ（０）＋Ｃｂ
（０）」に対して、重錘体４０がＸ軸正方向に変位した
状態における和「Ｃａ（＋ｘ）＋Ｃｂ（＋ｘ）」は、
（ΔＣａ−ΔＣｂ）の分だけ増加することになる。この
ような現象が、内側電極Ｅ２１と外側電極Ｅ２２とから
なる容量素子Ｃ２の右側半分の全領域と左側半分の全領
域とについて生じていることを考慮すれば、第２の容量
素子Ｃ２全体の静電容量値は、図２に示す状態に比べ
て、図７に示す状態の方が増加することが理解できるで
あろう。もちろん、重錘体４０に対してＸ軸負方向の力
−Ｆｘが作用した瞬間の状態についても同様の現象が生
じる。

【００５０】結局、「横揺れ」の振動成分である加速度
αｘに対して、図１２に示すような静電容量値の変化
は、第１の容量素子Ｃ１と第２の容量素子Ｃ２との双方
において起こることになる。もっとも、後の§４におい
て述べるように、本発明に係る加速度センサでは、「横
揺れ」は第２の容量素子Ｃ２によって検出され、「縦揺
れ」は第１の容量素子Ｃ１によって検出される。したが
って、「横揺れ」に基づいて静電容量値が変化する感度
は、第２の容量素子Ｃ２については高感度に、第１の容
量素子Ｃ１については低感度に設定するのが好ましい。
別言すれば、「横揺れ」が生じたとき、第２の容量素子
Ｃ２については静電容量値が大きく変化するようにして
「横揺れ」の効果的な検出ができるようにする一方で、
第１の容量素子Ｃ１については静電容量値の変化をでき
るだけ小さくし、「縦揺れ」の検出結果に「横揺れ」の
成分ができるだけ干渉しないようにするのが好ましい。
具体的には、重錘体４０の軸方向の長さをある程度長く
設定し、第２の容量素子Ｃ２をできるだけ重錘体４０の
下方に設けるようにすれば、第２の容量素子Ｃ２の「横
揺れ」検出を第１の容量素子Ｃ１の「横揺れ」検出感度
よりも高めることができる。

【００５１】§４．加速度の検出回路図１および図２に示す加速度センサによって、「縦揺
れ」の加速度および「横揺れ」の加速度を検出するに
は、図１３に示すような検出回路を用意しておけばよ
い。この検出回路において、可変容量素子Ｃ１として示
した要素は、変位電極Ｅ１１および固定電極Ｅ１２によ
って構成される第１の容量素子Ｃ１であり、可変容量素
子Ｃ２として示した要素は、内側電極Ｅ２１および外側
電極Ｅ２２によって構成される第２の容量素子Ｃ２であ
る。また、Ｃ／Ｖ変換回路６１，６２は、各容量素子の
静電容量値Ｃ１，Ｃ２をそれぞれ電圧値Ｖ１，Ｖ２に変
換する回路である。結局、この検出回路を用いれば、第
１の容量素子Ｃ１の静電容量値は電圧Ｖ１として出力端
子Ｔ１に出力され、第２の容量素子Ｃ２の静電容量値は
電圧Ｖ２として出力端子Ｔ２に出力されることになる。

【００５２】ここで、この検出回路の各出力端子Ｔ１，
Ｔ２に得られる電圧Ｖ１，Ｖ２が、どのような物理量を
示しているかを考えてみる。まず、§２において述べた
「縦揺れ」が生じたときの現象を考える。「縦揺れ」が
生じると、Ｚ軸方向の加速度αｚは、図６の上段のグラ
フに示すように、正負の値を交互にとる。そして、この
図６の上段のグラフのような加速度αｚが作用した状態
では、第１の容量素子Ｃ１に関して、同図下段のグラフ
のような容量値Ｃ１の変化が得られる。したがって、出
力端子Ｔ１に得られる電圧Ｖ１は加速度αｚそのものを
示すものとなる。要するに、電圧Ｖ１の変動幅は加速度
αｚの大きさ、すなわち縦揺れの振幅を示し、電圧Ｖ１
の極性は瞬時における加速度αｚの方向を示すことにな
る。一方、このような「縦揺れ」に対して、第２の容量
素子Ｃ２の静電容量値には変化は生じないことは既に述
べたとおりである。よって、出力端子Ｔ２に得られる電
圧Ｖ２は、この「縦揺れ」には依存しない一定の値とな
る。

【００５３】続いて、§３において述べた「横揺れ」が
生じたときの現象を考える。たとえば、Ｘ軸方向に関す
る「横揺れ」が生じると、Ｘ軸方向の加速度αｘは、図
１２の上段のグラフに示すように、正負の値を交互にと
る。そして、この図１２の上段のグラフのような加速度
αｘが作用した状態では、第１の容量素子Ｃ１および第
２の容量素子Ｃ２の双方に関して、同図下段のグラフの
ような容量値Ｃ１，Ｃ２の変化が得られる。したがっ
て、出力端子Ｔ１に得られる電圧Ｖ１および出力端子Ｔ
２に得られる電圧Ｖ２は、いずれも加速度αｘを示すも
のとなる。要するに、電圧の変動幅が、加速度αｘの大
きさ、すなわち横揺れの振幅を示すことになる。ただ
し、これらの電圧変動波形は、図１２の下段のグラフに
示すように、加速度αｘの方向にかかわらず、常に所定
の基準値Ｒから増加する方向への変動であるため、瞬時
における加速度αｘの「方向」に関する情報は得られな
い。

【００５４】なお、これまでの説明では、「横揺れ」と
してＸ軸方向の加速度±αｘが作用した場合を想定し
て、どのような現象が起こるかを説明してきたが、この
ような現象は、Ｘ軸方向の加速度±αｘが加わったとき
にのみ生じる現象ではなく、ＸＹ平面に沿ったあらゆる
方向についての加速度が加わったときに生じる一般的な
現象である。前述したように、各電極Ｅ１１，Ｅ１２，
Ｅ２１，Ｅ２２は、いずれも中心軸Ｗに関して回転対称
形をしているため、Ｙ軸方向の加速度±αｙが作用した
場合にも、全く同様の現象が生じることになり、ＸＹ平
面に含まれる任意の方向に関する加速度が作用した場合
について、全く同様の現象が生じることになる。

【００５５】結局、図１３に示す検出回路において、出
力端子Ｔ２に得られる電圧Ｖ２は、「縦揺れ」の影響を
受けない「横揺れ」の振幅成分のみを示す値となる。し
たがって、この電圧Ｖ２の変動分を、この加速度センサ
における「横揺れ振幅」を示す検出値としてそのまま用
いることができる。

【００５６】一方、出力端子Ｔ１に得られる電圧Ｖ１
は、「縦揺れ」の振幅成分と「横揺れ」の振幅成分との
和を示すことになるが、実際には、前者に対して後者は
非常に小さな値となる。これは次のような理由による。
まず、「縦揺れ」が生じた場合は、図５に示すように、
変位電極Ｅ１１と固定電極Ｅ１２との間隔は、これら電
極の全領域において均一に変化する。すなわち、間隔の
変化分Δｄは、電極の全領域において等しくなる。しか
も、この変化分Δｄが、静電容量値Ｃ１の変化に直接作
用するため、「縦揺れ」により電圧Ｖ１はかなり効果的
に変動することになる。これに対し、「横揺れ」が生じ
た場合は、図７に示すように、変位電極Ｅ１１と固定電
極Ｅ１２との間隔ｄは、これら電極の一方においては広
がり、他方においては縮まることになり、しかも円盤状
の電極の周囲部に比べて中心部での間隔の変化量は極め
て小さくなる。すなわち、間隔の変化分Δｄは、電極の
各部において、符号も大きさもそれぞれ異なることにな
る。しかも、この変化分Δｄが直接的に静電容量値Ｃ１
の変化に寄与するわけではない。図１１のグラフで説明
したように、電極間隔がｄ０から（ｄ０−Δｄ）に変化
することによって生じる静電容量の増加分ΔＣａと、電
極間隔がｄ０から（ｄ０＋Δｄ）に変化することによっ
て生じる静電容量の減少分ΔＣａと、の差に相当する静
電容量値（ΔＣａ−ΔＣｂ）だけ、合計の静電容量値が
増加するのである。

【００５７】このような理由から、出力端子Ｔ１に得ら
れる電圧Ｖ１の変動分は、主として、「縦揺れ」の振幅
成分を示すものとなり、実用上は、この電圧Ｖ１の変動
分を、この加速度センサにおける「縦揺れ振幅」を示す
検出値としてそのまま用いても問題はない。結局、図１
３に示すような検出回路を用意しておけば、出力端子Ｔ
１の電圧変動分を「縦揺れ」の振幅として検出し、出力
端子Ｔ２の電圧変動分を「横揺れ」の振幅として検出す
ることが可能になる。なお、Ｃ／Ｖ変換回路６１，６２
を、検出対象となる加速度が零のときに出力電圧が０ボ
ルトになるようにキャリブレーションしておけば、出力
端子Ｔ１，Ｔ２に得られる電圧値を、検出した加速度の
振幅値を示す値としてそのまま用いることが可能にな
る。

【００５８】なお、従来の三次元加速度センサでは、
「横揺れ」に関してその方向までも特定することができ
たが、既に述べたように、都市ガスの供給制御やエレベ
ータの運転制御を行う上では、所定のしきい値以上の
「横揺れ」が発生したか否かが検出できる加速度センサ
があれば十分であり、また、自動車におけるエアバッグ
の作動制御を行う上では、所定のしきい値以上の衝撃が
正面、背面、側面から加わったか否かが検出できる加速
度センサがあれば十分である。本発明に係る加速度セン
サは、このような条件を十分に満たしており、しかも、
その検出出力は、第２の容量素子Ｃ２の静電容量値とし
て直接的に得ることができ、非常に単純な構成で必要十
分な加速度検出が可能である。

【００５９】§５．より高精度な検出回路上述の§４では、図１３に示すような検出回路によっ
て、実用上は十分な加速度センサが得られることを述べ
た。しかしながら、より高精度な検出を行うには、図１
４に示すような検出回路を用いればよい。この検出回路
は、図１３に示す検出回路に、更に、逓倍回路７１〜７
４および差動増幅器７５，７６を付加し、電圧Ｖ１，Ｖ
２に対する補正を加えることにより、出力端子Ｔ１に
「縦揺れ」を示す正確な電圧Ｖｐを出力し、出力端子Ｔ
２に「横揺れ」を示す正確な電圧Ｖｓを出力できるよう
にしたものである。

【００６０】いま、電圧Ｖ１，Ｖ２ともに、「縦揺れ」
の振幅を示す成分（電圧Ｖｐに対応）と「横揺れ」の振
幅を示す成分（電圧Ｖｓに対応）との和からなるものと
考えると、Ｖ１＝Ｍ１１・Ｖｐ＋Ｍ１２・ＶｓＶ２＝Ｍ２１・Ｖｐ＋Ｍ２２・Ｖｓなる２本の式が成り立つことになる。ここで、Ｍ１１，
Ｍ１２，Ｍ２１，Ｍ２２は、それぞれ所定の比例定数で
ある。§４で述べた検出回路は、比例定数Ｍ２１＝０と
し、また、比例定数Ｍ１２がＭ１１に比べて非常に小さ
いために、Ｍ１２＝０と近似し、Ｖ１＝Ｍ１１・ＶｐＶ２＝Ｍ２２・Ｖｓなる２本の式に基いて、電圧Ｖｐ，Ｖｓを出力するよう
にしたものである。

【００６１】しかし、実際には、Ｍ１２は０ではない。
また、Ｍ２１は理論上は０になる定数であるが、実際の
装置では、機械的誤差などが避けられないため、０には
ならない。ここでは、比例定数Ｍ１１，Ｍ１２，Ｍ２
１，Ｍ２２がいずれも０でないとする取扱いを行うこと
により、厳密な検出値を得る方法を述べる。この場合、Ｖ１＝Ｍ１１・Ｖｐ＋Ｍ１２・ＶｓＶ２＝Ｍ２１・Ｖｐ＋Ｍ２２・Ｖｓなる２本の連立方程式において、電圧値Ｖ１，Ｖ２は実
測値として得られる値であり、Ｍ１１，Ｍ１２，Ｍ２
１，Ｍ２２は所定の値をもった比例定数であるから、未
知数はＶｐ，Ｖｓの２つだけである。したがって、この
２本の連立方程式を解けば、未知数の解は得られること
になる。これをアナログ回路による演算で行うために
は、具体的には、次のようにすればよい。いま、上述の
２本の連立方程式を行列式で表すと、

【００６２】

【数１】のようになる。この行列式を、Ｖｐ，Ｖｓについて解く
と、

【００６３】

【数２】のような行列式が得られる。ここで、Ｋ１１，Ｋ１２，
Ｋ２１，Ｋ２２は、Ｍ１１，Ｍ１２，Ｍ２１，Ｍ２２を
要素とする行列に対する逆行列の要素である。そこで、
演算によりこの逆行列を求め、その要素Ｋ１１，Ｋ１
２，Ｋ２１，Ｋ２２の各値を求める。そして、これらの
値Ｋ１１，Ｋ１２，Ｋ２１，Ｋ２２をそれぞれ逓倍定数
とする逓倍回路７１〜７４を用意し、図１４に示すよう
に、これらの逓倍回路７１〜７４と差動増幅器７５，７
６によって検出回路を組めば、Ｖｐ＝Ｋ１１・Ｖ１ − Ｋ１２・Ｖ２Ｖｓ＝−Ｋ２１・Ｖ１＋Ｋ２２・Ｖ２なる演算が行われることになる。これは、逆行列を用い
た上述の行列式の演算に他ならない。よって、図１４に
示すアナログ演算回路によれば、出力端子Ｔ１に得られ
る電圧Ｖｐは、「縦揺れ」の厳密な振幅値を示し、出力
端子Ｔ２に得られる電圧Ｖｓは、「横揺れ」の厳密な振
幅値を示すものになる。

【００６４】§６．その他の実施形態以上、本発明に係る加速度センサを基本的な実施形態に
基いて説明したが、本発明はこの実施形態に限定される
ものではなく、この他にも種々の態様で実施可能であ
る。たとえば、上述の実施形態では、外側電極Ｅ２２に
比べて内側電極Ｅ２１の幅（中心軸Ｗ方向の幅）を広く
設定し、「縦揺れ」の加速度成分が作用して重錘体４０
が中心軸Ｗ方向に変位しても、第２の容量素子Ｃ２の有
効対向面積が一定となるような構造を採っていた。これ
に対して、図１５に示すように、内側電極Ｅ３１に比べ
て外側電極Ｅ３２の幅を広く設定してもかまわない。要
するに、重錘体４０が中心軸Ｗに沿って変位した場合に
も、内側電極と外側電極との間の有効対向面積が一定と
なるように、内側電極の中心軸方向の幅と外側電極の中
心軸方向の幅とについて、一方の幅が他方の幅よりも、
少なくとも重錘体４０の中心軸Ｗに沿った変位量だけ広
くなるように構成すればよい。

【００６５】また、上述の実施形態では、変位電極Ｅ１
１と固定電極Ｅ１２とを同じ径の円盤状電極によって構
成したが、一方の径を他方の径よりも大きくしてもかま
わない。この場合、実効対向面積は径の小さい方の電極
によって決定されることになる。

【００６６】更に、上述の実施形態は、「縦揺れ」を検
出するための第１の容量素子Ｃ１と、「横揺れ」を検出
するための第２の容量素子Ｃ２と、の双方を備えた加速
度センサについてのものであったが、「横揺れ」のみが
生じるような環境で用いるのであれば、第２の容量素子
Ｃ２のみを形成しておけば足りる。たとえば、自動車に
搭載する衝撃計として利用する場合、自動車同士の衝突
あるいは自動車と建造物との衝突などでは、通常、「横
揺れ」の衝撃成分のみしか発生せず、「縦揺れ」の衝撃
成分は無視しうる。このような使用環境であれば、「縦
揺れ」成分についての検出を行う必要はないため、第２
の容量素子Ｃ２のみを形成するだけで十分である。すな
わち、図２に示す加速度センサにおいて、変位電極Ｅ１
１および固定電極Ｅ１２は不要になる。

【００６７】また、上述の実施形態では、各電極はいず
れも中心軸Ｗに関して完全に回転対称形をしていたが、
実用上は完全な回転対称形でなくてもかまわない。た
だ、変位電極Ｅ１１および固定電極Ｅ１２を中心軸Ｗに
関する回転対称形（円形）にしておけば、「横揺れ」に
基く静電容量値の変化をできるだけ低く抑えることが可
能になり、図１３に示す単純な検出回路を用いても、
「横揺れ」の成分をできるだけ含まない「縦揺れ」検出
値を得ることができるようになる。また、内側電極Ｅ２
１および外側電極Ｅ２２を中心軸Ｗに関する回転対称形
（円筒形）にしておけば、「横揺れ」検出を無指向性に
することが可能になる。別言すれば、ＸＹ平面上の３６
０°のいずれの方向の「横揺れ」加速度に対しても同じ
感度で検出が可能になる。これは地震計として用いるに
は理想的な性質である。

【００６８】ただ、用途によっては、この「横揺れ」加
速度に対する検出感度に指向性をもたせた方が好ましい
場合もある。たとえば、自動車におけるエアバッグの作
動制御を行うための衝撃センサとして用いる場合、正面
衝突による衝撃の検出感度と、側面衝突による衝撃の検
出感度と、に差をもたせる方が好ましい。これは、図１
６に示すように、運転席が受ける衝撃加速度は、一般
に、正面衝突よりも側面衝突の方が大きくなる傾向にあ
るためである。具体的には、自動車搭載用の加速度セン
サとしては、正面衝突による衝撃加速度のフルスケール
が５０Ｇ程度で十分であるのに対し、側面衝突による衝
撃加速度のフルスケールは２００Ｇ程度が必要であると
考えられている。このような要望に応えるためには、正
面から作用する加速度に対する検出感度よりも、側面か
ら作用する加速度に対する検出感度を低く設定する必要
がある。

【００６９】このような「横揺れ」加速度に対する検出
感度に指向性をもたせるには、検出対象となる加速度が
作用しない基準状態において、内側電極と外側電極との
間の間隔が部分的に異なるように設定し、間隔に指向性
をもたせるようにすればよい。図１７(a) は、これまで
述べた実施形態に係るセンサにおける内側電極Ｅ２１と
外側電極Ｅ２２との位置関係を示す横断面図である。こ
の例では、Ｘ軸上における両電極間隔ｄｘとＹ軸上にお
ける両電極間隔ｄｙとは等しく、Ｘ軸およびＹ軸に限ら
ず、あらゆる位置において両電極間隔は均一である。こ
れは、内側電極Ｅ２１および外側電極Ｅ２２が同軸円筒
状をしているためである。このような構造をもった電極
を用いた場合、ＸＹ平面上における「横揺れ」加速度に
対する検出感度は、図１７(b) の感度分布曲線Ｓ０に示
すように、どの方向についても同一になる。

【００７０】これに対し、たとえば図１８(a) に示すよ
うに、円柱状の重錘体４０の代わりに、楕円柱状の重錘
体４０Ｚを用い、その表面に楕円筒状の内側電極Ｅ２１
Ｚを形成するようにすれば、Ｘ軸上における両電極間隔
ｄｘはＹ軸上における両電極間隔ｄｙよりも広くなり、
ＸＹ平面上における「横揺れ」加速度に対する検出感度
は、図１８(b) の感度分布曲線Ｓ１に示すように、Ｙ軸
方向に関しては感度が高く、Ｘ軸方向に関しては感度が
低くなる。また、図１９(a) に示すように、重錘体４０
を円柱状のままとし、その表面に円筒状の内側電極Ｅ２
１を形成しておき、外側電極として、楕円筒状の外側電
極Ｅ２２Ｚを用いるようにしても、やはりＸ軸上におけ
る両電極間隔ｄｘはＹ軸上における両電極間隔ｄｙより
も広くなり、ＸＹ平面上における「横揺れ」加速度に対
する検出感度は、図１９(b) の感度分布曲線Ｓ２に示す
ように、Ｙ軸方向に関しては感度が高く、Ｘ軸方向に関
しては感度が低くなる。

【００７１】このように、本発明に係る加速度センサで
は、用途に応じて「横揺れ」加速度に対する検出感度を
自由に設定することができる。

【００７２】

【実施例】続いて、本発明に係る加速度センサのより実
用的な実施例を述べる。これまで述べた実施形態に係る
加速度センサでは、変位基板２０の周囲が８本のばねか
らなる支持手段３０で支持されている。しかしながら、
このような構造は、量産に適した実用的な加速度センサ
を実現する上では、必ずしも最適なものではない。ここ
では、可撓性基板に複数のスリットを形成することによ
りダイヤフラムを構成し、このダイヤフラムを変位基板
２０および支持手段３０として用いたより実用的な実施
例を示す。

【００７３】まず、図２０に平面図を示すようなダイヤ
フラム１２０を用意する。このダイヤフラム１２０は、
円盤状の可撓性基板（この実施例では薄い金属板）に多
数のスリット１２５を形成したものである。ダイヤフラ
ム１２０上にこのようなパターンをもった多数のスリッ
ト１２５を形成すると、スリット相互の間隙部分によっ
て、ダイヤフラム１２０の各部が物理的に接続されるよ
うな構造になる。すなわち、スリットによって周囲すべ
てが包囲されるような閉領域部分は決して存在せず、各
部分はスリット相互の間隙部分によって必ず他の部分に
物理的に接続されていることになり、全体として、１枚
の物理的なダイヤフラムの形態を維持している。このダ
イヤフラム１２０の周囲部分を固定し、中心点に力を作
用させると、スリット相互の間隙部分の弾性変形に基い
て、中央部分に変位が生じることになる。このようなダ
イヤフラム１２０は、本発明において変位基板２０と支
持手段３０との双方の機能を果たすことになる。しか
も、ダイヤフラム１２０は導電性材料（金属板）から構
成されているため、更に、このダイヤフラム１２０の一
部分は、変位電極Ｅ１１として機能することになる。

【００７４】このようなダイヤフラム１２０を用いて構
成した加速度センサの一実施例を、図２１の側断面図に
示す。この実施例において、固定基板１１０は、絶縁性
の剛体からなる円盤状の基板であり、その下面には、円
盤状の固定電極１１５が形成されている。具体的には、
固定基板１１０はセラミックあるいはガラスエポキシか
らなる円盤であり、固定電極１１５は、この円盤の下面
に印刷もしくは蒸着の手法により形成された銀またはア
ルミニウムなどからなる金属層である。固定基板１１０
とダイヤフラム１２０との間には、ワッシャ状のスペー
サ１６０が介挿されており、ダイヤフラム１２０は、や
はりワッシャ状の台座１７０によって、センサ筐体１５
０に固定されている。センサ筐体１５０は、アルミニウ
ムなどの金属材料からなり、全体的には円筒状容器を構
成している。このセンサ筐体１５０には、板状の中仕切
部１５５が形成されており、この中仕切部１５５によっ
て、センサ筐体１５０内部は、上部空間１５１と下部空
間１５２とに仕切られる。ただ、中仕切部１５５の中央
には、円柱状の空洞部１５３が設けられており、上部空
間１５１と下部空間１５２とは、この空洞部１５３を通
じて連結している。ダイヤフラム１２０の下面には、金
属製の円柱からなる重錘体１４０が固着されており、こ
の重錘体１４０は、空洞部１５３内に収容されている。

【００７５】結局、この加速度センサの各構成要素のう
ち、ダイヤフラム１２０、重錘体１４０、センサ筐体１
５０は、いずれも導電性材料からなる。台座１７０は、
ダイヤフラム１２０とセンサ筐体１５０とが導通しない
ように、絶縁性の材料から構成されている。具体的に
は、台座１７０はプラスチックやセラミックで構成すれ
ばよい。この実施例では、固定基板１１０は絶縁材料か
らなるので、スペーサ１６０を金属などの導電性材料で
構成しても、ダイヤフラム１２０と固定電極１１５とが
導通することはないので支障はない。ただ、台座１７０
が単にダイヤフラム１２０を支持する機能を果たすだけ
であるのに対し、スペーサ１６０は、固定基板１１０を
単に支持する機能だけではなく、固定電極１１５とダイ
ヤフラム１２０との間の間隔（すなわち、第１の容量素
子Ｃ１の電極間隔）を定める機能を果たすことになる。
このため、スペーサ１６０としては、できるだけ熱膨脹
係数の小さいセラミックなどを用いるのが好ましい。

【００７６】この加速度センサには、３つの出力端子Ｔ
１０，Ｔ１１，Ｔ１２が設けられている。出力端子Ｔ１
０は、金属製のセンサ筐体１５０に接続されており、出
力端子Ｔ１１は固定電極１１５に接続されており、出力
端子Ｔ１２はダイヤフラム１２０に接続されている。

【００７７】このように、図２１に示す加速度センサ
は、量産に適した単純な構造を有するが、原理的には、
図２に示す加速度センサと同様の機能を果たすことにな
る。すなわち、導電性をもったダイヤフラム１２０の中
央の一部分が図２における変位電極Ｅ１１としての役割
を果たし、固定電極１１５が図２における固定電極Ｅ１
２としての役割を果たす。したがって、出力端子Ｔ１１
と出力端子Ｔ１２との間の静電容量は、第１の容量素子
Ｃ１の静電容量に対応したものとなる。また、導電性を
もった重錘体１４０は、図２における重錘体４０として
の機能を果たし、しかもその表面の一部分は、図２にお
ける内側電極Ｅ２１としての機能を果たす。更に、導電
性をもった中仕切部１５５の空洞部１５３に接した端面
は、図２における外側電極Ｅ２２としての機能を果た
す。したがって、出力端子Ｔ１０と出力端子Ｔ１２との
間の静電容量は、第２の容量素子Ｃ２の静電容量に対応
したものとなる。

【００７８】

【発明の効果】以上のとおり本発明に係る加速度センサ
によれば、内側電極と外側電極とによって構成した容量
素子の静電容量値の変化に基いて作用した加速度を検出
するようにしたため、所定の一平面に含まれる方向を向
いた加速度の大きさを電気信号として効率良く検出する
ことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の基本的な実施形態に係る加速度センサ
の主要部分の斜視図である。

【図２】図１に示す加速度センサの側断面図である。

【図３】図１に示す加速度センサの固定基板１０の下面
図である。

【図４】図１に示す加速度センサの変位基板２０の上面
図である。

【図５】図１に示す加速度センサに「縦揺れ」の加速度
成分が作用したときの動作を説明する側断面図である。

【図６】図５に示すような「縦揺れ」状態における加速
度αｚと第１の容量素子の容量値Ｃ１との関係を示すグ
ラフである。

【図７】図１に示す加速度センサに「横揺れ」の加速度
成分が作用したときの動作を説明する側断面図である。

【図８】図１に示す加速度センサを切断面Ａ−Ａに沿っ
て切断することにより得られる内側電極Ｅ２１および外
側電極Ｅ２２の横断面図である。

【図９】図１に示す加速度センサの変位基板２０の上面
図である。

【図１０】図８に示す横断面図に基いて、第２の容量素
子の容量値Ｃ２の変化を説明する図である。

【図１１】静電容量素子における電極間距離ｄと静電容
量値Ｃとの一般的な関係を示すグラフである。

【図１２】図７に示すような「横揺れ」状態における加
速度αｘと第１の容量素子の容量値Ｃ１および第２の容
量素子の容量値Ｃ２との関係を示すグラフである。

【図１３】図１に示す加速度センサに用いる検出回路を
示す回路図である。

【図１４】図１に示す加速度センサに用いるための更に
高精度な検出回路を示す回路図である。

【図１５】本発明に係る加速度センサの別な実施形態を
示す側断面図である。

【図１６】自動車衝突時の衝撃センサとして用いる場合
の検出感度の指向性を説明する図である。

【図１７】図１に示す加速度センサにおける内側電極Ｅ
２１および外側電極Ｅ２２の構造と、この構造により得
られる感度分布曲線Ｓ０を示す図である。

【図１８】図１７に示す構造における内側電極Ｅ２１の
代わりに、楕円筒状の内側電極Ｅ２１Ｚを用いた構造
と、この構造により得られる感度分布曲線Ｓ１を示す図
である。

【図１９】図１７に示す構造における外側電極Ｅ２２の
代わりに、楕円筒状の外側電極Ｅ２２Ｚを用いた構造
と、この構造により得られる感度分布曲線Ｓ２を示す図
である。

【図２０】本発明の量産に適した実施例に係る加速度セ
ンサに用いるダイヤフラム１２０を示す平面図である。

【図２１】図２０に示すダイヤフラム１２０を用いた加
速度センサの構造を示す側断面図である。

【符号の説明】

１０…固定基板２０…変位基板３０…支持手段４０，４０Ｚ…重錘体４５…固定手段５０…センサ筐体６１，６２…Ｃ／Ｖ変換回路７１〜７４…逓倍回路７５，７６…差動増幅器１１０…固定基板１１５…固定電極１２０…ダイヤフラム１２５…スリット１４０…重錘体１５０…センサ筐体１５１…上部空間１５２…下部空間１５３…空洞部１５５…中仕切部１６０…スペーサ１７０…台座Ｃ１…第１の容量素子およびその静電容量値Ｃ２…第２の容量素子およびその静電容量値Ｃａ，Ｃｂ…微小容量素子およびその静電容量値Ｅ１１…変位電極Ｅ１２…固定電極Ｅ２１，Ｅ２１Ｚ…内側電極Ｅ２２，Ｅ２２Ｚ…外側電極Ｅ３１…内側電極Ｅ３２…外側電極Ｇ…重錘体の重心Ｑａ，Ｑｂ…微小領域Ｓ０，Ｓ１，Ｓ２…検出感度分布曲線Ｔ１，Ｔ２，Ｔ１０，Ｔ１１，Ｔ１２…出力端子Ｗ…中心軸

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】センサ筐体と、前記センサ筐体内に収容された変位基板と、前記変位基板の周囲を前記センサ筐体に対して弾力性を
もって支持する支持手段と、前記変位基板の下面に固着され、検出対象となる加速度
の作用により、前記支持手段に弾性変形を誘発させるの
に十分な質量をもった重錘体と、前記重錘体の重心を通り前記変位基板の基準主面に対し
て垂直な中心軸を取り囲むように、前記重錘体の周囲側
面に形成された内側電極と、前記内側電極を収容可能な筒状形状をなし、前記内側電
極との間に所定間隔を維持しつつ前記内側電極を取り囲
む位置において前記センサ筐体に固定された外側電極
と、前記内側電極と前記外側電極とによって形成される容量
素子の静電容量の変動分に基いて、前記基準主面に平行
な方向に作用する加速度の大きさを示す電気信号を出力
する検出回路と、を備え、前記重錘体が前記中心軸に沿って変位した場合にも、前
記内側電極と前記外側電極との間の有効対向面積が一定
となるように、前記内側電極の前記中心軸方向の幅と前
記外側電極の前記中心軸方向の幅とについて、一方の幅
が他方の幅よりも、少なくとも前記重錘体の前記中心軸
に沿った変位量だけ広くなるように構成したことを特徴
とする加速度センサ。
【請求項２】請求項１に記載の加速度センサにおい
て、変位基板の上面に形成された変位電極と、前記変位基板の上方において、前記変位電極に対向する
ようにセンサ筐体に固定された固定電極と、を更に備え、検出回路が、更に、前記変位電極と前記固定電極とによ
って形成される容量素子の静電容量の変動分に基いて、
基準主面に垂直な方向に作用する加速度の大きさを示す
電気信号を出力することを特徴とする加速度センサ。
【請求項３】請求項１または２に記載の加速度センサ
において、円柱状の重錘体を用い、内側電極をこの円柱状重錘体の
側面に形成された円筒状電極により構成し、外側電極を
前記内側電極を構成する円筒状電極よりも径の大きな別
な円筒状電極により構成したことを特徴とする加速度セ
ンサ。
【請求項４】請求項１または２に記載の加速度センサ
において、検出対象となる加速度が作用しない基準状態において、
内側電極と外側電極との間の間隔が部分的に異なるよう
に設定し、基準主面に平行な方向に作用する加速度の検
出感度を検出方向に応じて変えるようにしたことを特徴
とする加速度センサ。
【請求項５】請求項４に記載の加速度センサにおい
て、内側電極および外側電極のうち、一方を断面が円形とな
る円筒状電極により構成し、他方を断面が楕円形となる
楕円筒状電極により構成したことを特徴とする加速度セ
ンサ。
【請求項６】請求項２〜５のいずれかに記載の加速度
センサにおいて、変位基板を導電性材料によって構成し、この変位基板の
一部を変位電極として用いたことを特徴とする加速度セ
ンサ。
【請求項７】請求項１〜６のいずれかに記載の加速度
センサにおいて、重錘体を導電性材料によって構成し、この重錘体の一部
を内側電極として用いたことを特徴とする加速度セン
サ。
【請求項８】請求項１〜７のいずれかに記載の加速度
センサにおいて、センサ筐体を導電性材料によって構成し、このセンサ筐
体の一部を外側電極として用いたことを特徴とする加速
度センサ。
【請求項９】請求項１〜８のいずれかに記載の加速度
センサにおいて、可撓性基板に複数のスリットを形成することによりダイ
ヤフラムを構成し、このダイヤフラムを変位基板および
支持手段として用いることを特徴とする加速度センサ。