JP3240390B2 - Displacement detection sensor - Google Patents

Displacement detection sensor

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JP3240390B2
JP3240390B2 JP8348392A JP8348392A JP3240390B2 JP 3240390 B2 JP3240390 B2 JP 3240390B2 JP 8348392 A JP8348392 A JP 8348392A JP 8348392 A JP8348392 A JP 8348392A JP 3240390 B2 JP3240390 B2 JP 3240390B2
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Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】この発明は、例えば振動センサ,
圧力センサおよび感震器などに適用される変位検出セン
サに関するものである。
BACKGROUND OF THE INVENTION The present invention relates to a vibration sensor,
The present invention relates to a displacement sensor applied to a pressure sensor, a seismic sensor, and the like.

【0002】[0002]

【従来の技術】従来、この種の変位検出センサとして、
例えば特開昭2−95263号公報に示されているよう
に、板状の圧電素子にスリットを形成し、そのスリット
で囲まれた部分を片持ち梁型の振動子とし、この振動子
の周囲を固定部材で固定支持したものが知られている。
2. Description of the Related Art Conventionally, as this kind of displacement detection sensor,
For example, as shown in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2-95263, a slit is formed in a plate-shaped piezoelectric element, and a portion surrounded by the slit is a cantilever-type vibrator. Is fixedly supported by a fixing member.

【0003】また、他の従来例として、例えば特開昭6
4−18063号公報に示されているように、半導体基
板の中央部に形成した変位可能な重り部を片持ち梁部を
介して基板に支持させ、上記片持ち梁部に歪ゲージを取
り付けて、この歪ゲージの抵抗値の変化から加速度など
の変位を検出するように構成したものが知られている。
Another conventional example is disclosed in, for example,
As disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 4-18063, a displaceable weight formed at the center of a semiconductor substrate is supported by a substrate via a cantilever, and a strain gauge is attached to the cantilever. A configuration is known in which a displacement such as an acceleration is detected from a change in the resistance value of the strain gauge.

【0004】[0004]

【発明が解決しようとする課題】上記各変位センサは、
変位を検出する可動部が片持ち梁で支持された構造であ
るために、特に微小な外部応力に対する感度が不十分
で、また、大きな応力による変位に対して、その変位方
向が一定でないために、補正回路などを設けないと、正
確な検出ができない。したがって、変位検出範囲が狭い
ものに制約され、汎用性に乏しく、また、圧電型や半導
体型のものは、コスト的にも高くなる。
The above displacement sensors are:
Because the movable part that detects displacement is a structure supported by a cantilever, the sensitivity to minute external stress is insufficient, and the displacement direction is not constant for displacement due to large stress. Unless a correction circuit is provided, accurate detection cannot be performed. Therefore, the displacement detection range is limited to a narrow range, and the versatility is poor. In addition, the cost of the piezoelectric or semiconductor type is high.

【0005】この発明は上記課題を解消するためになさ
れたもので、構造が簡単で、かつ低コストでありなが
ら、微小応力から大きな応力までの広い範囲にわたっ
て、高感度な変位検出ができるとともに、常に安定した
検出出力が得られる変位検出センサを提供することを目
的とする。
SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made to solve the above-mentioned problems, and has a simple structure and low cost, and can perform displacement detection with high sensitivity over a wide range from small stress to large stress. An object of the present invention is to provide a displacement detection sensor that can always obtain a stable detection output.

【0006】この発明の他の目的は、ローコストにし
て、検出精度の高い変位検出センサ、流体圧力センサお
よび感震器などに簡便に適用可能な変位検出センサを提
供することにある。
Another object of the present invention is to provide a displacement detection sensor which can be applied to a displacement detection sensor, a fluid pressure sensor, a seismic sensor and the like with low cost and high detection accuracy.

【0007】[0007]

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、この発明の請求項1に係る変位検出センサは、外部
応力により変位する可動部をそれの周囲に配置された支
持枠に対し、上記可動部の中心軸に対して軸対称もしく
は線対称に配置されてそれぞれ可動部と同一の平面上に
おいて蛇行腕片状に形成された複数のバネ部を介して変
位可能に保持させるとともに、その変位を検出する手段
を設け、この変位検出手段は、上記可動バネを一方の電
極とし、この電極の可動部の中央部に重りを取り付け
て、変位の重心を可動部より上方に位置させるととも
に、上記可動部に対向する箇所に、上記電極の上下方向
変位を規制するための支点をもった他方の電極を配置し
て、水平全方向の変位のみを両電極間の静電容量の変化
として検出するように構成したことを特徴とする。
In order to achieve the above object, a displacement detecting sensor according to a first aspect of the present invention has a movable portion displaced by external stress, with respect to a support frame disposed around the movable portion. The movable portion is displaceably held through a plurality of spring portions formed in a meandering arm piece on the same plane as the movable portion. The displacement detecting means is provided with the movable spring as one electrode, a weight is attached to the center of the movable portion of the electrode, and the center of displacement is located above the movable portion. The other electrode having a fulcrum for regulating the vertical displacement of the electrode is disposed at a position facing the movable portion, and only displacement in all horizontal directions is detected as a change in capacitance between the two electrodes. Like Characterized in that it was.

【0008】[0008]

【作用】請求項1の発明によれば、外部応力が働いたと
き、可動部がその中心軸に対して軸対称もしくは線対称
に配置された複数のバネ部を介して変位することになる
が、このとき、各バネ部が蛇行腕片状に形成されている
ため、小さな占有面積としつつ、微小応力に対して応答
よく変位させるとともに、大きな応力に対する変位量も
大きくとることが可能で、その検出感度の向上および検
出範囲の拡大が図れる。また、可動部が常に応力の作用
方向に沿って平行に変位するので、複雑な補正回路など
を付加しなくても、安定した出力が得られる。これによ
って、この可動バネの各種センサへの応用性、つまり汎
用性が高くなり、これを利用するセンサの構造の簡単化
および低コスト化を実現することができる。さらに、部
品点数が少なくて構造簡単で低コストとしつつ、検出精
度の高い変位センサを構成することが可能である。
According to the first aspect of the present invention, when an external stress is applied, the movable portion is displaced via a plurality of spring portions arranged axially or line-symmetrically with respect to the center axis. However, at this time, since each spring portion is formed in a meandering arm piece shape, it is possible to displace with good response to a small stress while having a small occupation area, and it is possible to take a large displacement amount for a large stress. The detection sensitivity can be improved and the detection range can be expanded. Further, since the movable portion is always displaced in parallel along the direction in which the stress acts, a stable output can be obtained without adding a complicated correction circuit or the like. As a result, the applicability of the movable spring to various sensors, that is, the versatility is enhanced, and the structure of the sensor using the movable spring can be simplified and the cost can be reduced. Furthermore, it is possible to configure a displacement sensor with high detection accuracy while reducing the number of parts, simplifying the structure, and reducing the cost.

【0009】[0009]

【実施例】以下、この発明の実施例を図面にもとづいて
説明する。図1は、この発明による変位検出センサ用可
動バネの基本構造例を示す斜視図であり、同図におい
て、1はほぼ正方形の板状に形成され、振動加速度や圧
力などの外部応力によりその板面に対して垂直方向に変
位する可動部、2はその可動部1の周囲を取り囲むよう
に環状矩形に配置された固定支持枠であり、上記可動部
1の4辺と固定支持枠2の4辺との間で、上記可動部1
の中心軸に対して軸対称に配置した4つのバネ部3を介
して、上記可動部1を上記固定支持部2に変位可能に保
持させている。上記各バネ部3は、上記可動部1と同一
の平面においてほぼU字状に形成されている部分3a
と、そのU字状部分3aの開放側の両端からそれぞれ直
角方向に向けて一体に延在された取付け片部分3b,3
bとから蛇行腕片状に形成されている。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. FIG. 1 is a perspective view showing an example of a basic structure of a movable spring for a displacement detection sensor according to the present invention. In FIG. 1, reference numeral 1 denotes a substantially square plate, and the plate 1 is formed by an external stress such as vibration acceleration or pressure. The movable part 2 displaced in the direction perpendicular to the plane is a fixed support frame arranged in an annular rectangular shape so as to surround the periphery of the movable part 1, and the four sides of the movable part 1 and the four Between the side and the movable part 1
The movable portion 1 is displaceably held by the fixed support portion 2 via four spring portions 3 arranged axially symmetrically with respect to the central axis of the movable member 1. Each of the spring portions 3 has a substantially U-shaped portion 3 a on the same plane as the movable portion 1.
And mounting piece portions 3b, 3 extending integrally from both ends of the open side of the U-shaped portion 3a in a direction perpendicular to each other.
and b.

【0010】なお、上記可動部1、固定支持枠2および
4つの蛇行腕片状のバネ部3は、それぞれ別体に作製し
て連結してもよいが、板バネ材のプレス加工、樹脂の射
出成形、ステンレスなどの金属材のエッチング加工、プ
レス加工、あるいはシリコンなどの半導体結晶板のエッ
チング加工等によって、一連一体に製作することが量産
性の面で有利である。
The movable portion 1, the fixed support frame 2 and the four meandering arm-shaped spring portions 3 may be separately formed and connected to each other. It is advantageous from the viewpoint of mass productivity that a series of integrated production is performed by injection molding, etching of a metal material such as stainless steel, pressing, or etching of a semiconductor crystal plate of silicon or the like.

【0011】また、上記バネ部3を可動部1および固定
支持枠2の4辺それぞれに形成したが、このバネ部3の
数を8個、すなわち、一辺にそれぞれ2個づつ形成する
ことで、動作をより安定のよいものにできる。
Although the above-mentioned spring portions 3 are formed on the four sides of the movable portion 1 and the fixed support frame 2, respectively, the number of the spring portions 3 is eight, that is, two on each side. The operation can be made more stable.

【0012】上記構成の変位検出センサ用可動バネによ
れば、上記可動部1に外力Fが加わった場合、この可動
部1は4つのバネ部3を介して変位することになるが、
このとき、各バネ部3が蛇行腕片状に形成されているた
め、小さな占有面積としつつ、微小応力に対して可動部
1が応答よく変位することになるとともに、大きな応力
に対しても十分大きな変位量をとることが可能となる。
また、可動部1はその板面に対して垂直方向に安定して
変位することになる。
According to the movable spring for a displacement detection sensor having the above configuration, when an external force F is applied to the movable portion 1, the movable portion 1 is displaced via the four spring portions 3.
At this time, since each of the spring portions 3 is formed in a meandering arm piece shape, the movable portion 1 is displaced with good response to a small stress while having a small occupied area, and sufficient for a large stress. A large displacement can be obtained.
Further, the movable portion 1 is stably displaced in a direction perpendicular to the plate surface.

【0013】さらに、上記バネ部3の材料には特に限定
がないが、いずれの材料の場合でもその材料の比例限度
内で使用することにより、バネ特性の変化がなくて、各
種センサの性能の安定化を図り得る。
Further, the material of the spring portion 3 is not particularly limited. However, when any material is used within the proportional limit of the material, there is no change in the spring characteristics, and the performance of various sensors can be improved. Stabilization can be achieved.

【0014】図2は、図1の矢視A方向でのバネ部3の
構造を示し、可動部1に外力Fが加わった場合、a−a
1間、b−b1間およびb1−c間に、(1/2)なる
スパンの片持ち梁が構成される。ここで、可動バネの一
辺に加わる外力は(F/4)であるため、上記片持ち梁
には、(F/4)の力が加わることになる。したがっ
て、基本的な片持ち梁の設計によりバネ部3のバネ定数
などを決定することができる。
FIG. 2 shows the structure of the spring portion 3 in the direction of arrow A in FIG. 1. When an external force F is applied to the movable portion 1, aa-a
A cantilever having a span of (1/2) is formed between 1, 1, b-b1, and b1-c. Here, since the external force applied to one side of the movable spring is (F / 4), a force of (F / 4) is applied to the cantilever. Therefore, the spring constant and the like of the spring portion 3 can be determined by designing the basic cantilever.

【0015】図3は、上記可動バネ4を使用して構成さ
れる静電容量式の二次元方向の変位検出センサの分解斜
視図、図4はそのセンサの動作説明図である。この静電
容量式の二次元方向の変位検出センサは、上記可動バネ
4を一方の電極とし、この電極4の可動部1の中央部に
重り52を取り付けることにより、変位の重心gを可動
部1の面より上方に位置させるとともに、上記電極4に
対向させて、その中央部に上記電極4の上下方向の変位
を規制するための絶縁材からなる支点56をもち、この
支点56を中心とする水平二次元方向x,yの容量検出
用の電極57を設けて、重り52をもった可動部1の水
平二次元方向x,yの変位に対して、対向電極4,57
間の静電容量の変化により、振動などの変位量を検出す
るように構成したものであり、この場合の静電容量式の
二次元方向の変位検出センサの静止時における容量値C
は、次式で示した通り、 C=ε0・(s/α) ここで、ε0:誘電率、s:電極の面積、α:ギャップ
の寸法 である。なお、この実施例において使用する電極57と
しては、PWBの表面に導電性塗料などによりパターン
形成されたものであってもよい。
FIG. 3 is an exploded perspective view of a capacitance type two-dimensional displacement detecting sensor constituted by using the movable spring 4, and FIG. 4 is an explanatory view of the operation of the sensor. In this capacitance type two-dimensional displacement detection sensor, the movable spring 4 is used as one electrode, and a weight 52 is attached to the center of the movable part 1 of the electrode 4 so that the center of gravity g of the displacement is set in the movable part. 1. A fulcrum 56 made of an insulating material for regulating the vertical displacement of the electrode 4 is provided at a central portion of the fulcrum 56 so that the fulcrum 56 is located at a center thereof. The electrodes 57 for detecting the capacitance in the horizontal two-dimensional directions x and y are provided so that the movable electrodes 1 having the weights 52 are displaced in the horizontal two-dimensional directions x and y.
In this case, a displacement amount such as vibration is detected by a change in capacitance between the two-dimensional displacement detection sensors.
Is represented by the following equation: C = ε0 · (s / α) where ε0: dielectric constant, s: electrode area, and α: gap dimension. The electrode 57 used in this embodiment may be one in which a pattern is formed on the surface of the PWB with a conductive paint or the like.

【0016】図5〜図8は上記のような静電容量式変位
検出センサによる振動の検出回路例を示すもので、図5
はCR発振部10の容量として使用して、同図(c)に
示すように、静止時と振動発生時とで変化する発振出力
fout波形の周期T,T,Tを周期計測部11で
計測するとともにその計測された周期T,T,T
差Δt,Δtを演算部12で演算することにより、
振動加速度を求め、これを振動にともない変化する静電
容量として検出するようにしたものである。図6はスイ
ッチキャパシタ回路13(以下、SC回路と称す)の容
量として使用して、複数の半導体スイッチ14a,14
bからなるタイミング発生回路14から出力されるスイ
ッチングタイミングクロックΦ1,Φ2に応じて出力さ
れる静電容量の変化をF−Vコンバータ15で電圧変化
に変換することで振動加速度Voutを求め、これをA
/D変換器16に通してディジタル値に変換したのち、
信号処理演算部17で波形処理して所定の出力を得るよ
うにしたものである。
FIGS. 5 to 8 show examples of a circuit for detecting vibration by the above-mentioned capacitance type displacement detection sensor.
Is used as the capacitance of the CR oscillating unit 10 and the periods T, T , T + of the oscillation output fout waveform that change between the stationary state and the occurrence of the vibration, as shown in FIG. , And the arithmetic unit 12 calculates the differences Δt and Δt + between the measured periods T, T and T + ,
Vibration acceleration is obtained and detected as a capacitance that changes with vibration. FIG. 6 shows a case where a plurality of semiconductor switches 14a and 14a are used as capacitances of a switch capacitor circuit 13 (hereinafter, referred to as an SC circuit).
b, the change in capacitance output in response to the switching timing clocks Φ1 and Φ2 output from the timing generation circuit 14 composed of b is converted into a voltage change by the FV converter 15, thereby obtaining the vibration acceleration Vout. A
After being converted to a digital value through the / D converter 16,
The signal processing operation section 17 performs waveform processing to obtain a predetermined output.

【0017】また、図7は図5に示したCR発振部10
とF−Vコンバータ15とを組合せ、そのF−Vコンバ
ータ15の出力V0を、必要に応じてローパスフィルタ
18に通したのち、A/D変換器16でA/D変換する
とともに、信号処理演算部17で波形処理して、所定の
出力を得るようにしたものであり、さらに、図8はLC
発振回路19の容量として使用してその発振出力fou
tを図5の(a)または図7の(a)に示すと同様な構
成の回路を経て所定の出力を得るようにしたものであ
り、いずれにしても、構造簡単で、ローコストなセンサ
を実現することができる。
FIG. 7 shows the CR oscillation section 10 shown in FIG.
And an FV converter 15, and the output V0 of the FV converter 15 is passed through a low-pass filter 18 as necessary, then A / D converted by an A / D converter 16, and is subjected to signal processing calculation. The waveform is processed by the unit 17 to obtain a predetermined output.
The oscillation output fou is used as the capacitance of the oscillation circuit 19.
t is obtained through a circuit having the same configuration as that shown in FIG. 5A or FIG. 7A, and in any case, a low-cost sensor with a simple structure is provided. Can be realized.

【0018】[0018]

【発明の効果】以上のように、この発明によれば、外部
応力により変位するバネ部を蛇行腕片状に形成して、こ
のバネ部を可動部の中心軸に対して軸対称もしくは線対
称に複数配置することにより、各バネ部により構成され
る梁の長さ、厚みおよび幅を任意に設定することで、可
動バネ全体を構造簡単で、かつ低コストにしながら、微
小応力に対して応答よく変位させるとともに、大きな応
力に対する変位量も十分に大きくとることが可能で、小
さな占有面積の割に、その検出感度の向上および検出範
囲の拡大を図ることができる。しかも、可動部が常に応
力の作用方向に沿って平行に変位するので、複雑な補正
回路などを付加しなくても、安定した出力が得られ、し
たがって、各種センサへの応用性、つまり汎用性を著し
く高めることができ、また、これを利用するセンサの構
造の簡単化および低コスト化を実現することができる。
また、直線変位に補正するための複雑な補正回路などが
不要で、部品点数を少なくして構造の簡単化、低コスト
を図りつつ、外来ノイズや電磁気などの影響を非常に少
なくして、所定の変位検出を非常に精度良く行うことが
できる。
As described above, according to the present invention, the spring portion displaced by external stress is formed in a meandering arm piece shape, and this spring portion is axially symmetric or line symmetric with respect to the center axis of the movable portion. By setting the length, thickness and width of the beam constituted by each spring part arbitrarily, the movable spring as a whole is simple in structure and low cost, while responding to minute stress. The displacement can be sufficiently increased, and the displacement for a large stress can be made sufficiently large, so that the detection sensitivity can be improved and the detection range can be expanded for a small occupied area. In addition, since the movable part is always displaced in parallel along the direction in which the stress is applied, a stable output can be obtained without adding a complicated correction circuit, etc., and therefore, applicability to various sensors, that is, versatility Can be remarkably increased, and the structure of a sensor using the sensor can be simplified and the cost can be reduced.
In addition, there is no need for a complicated correction circuit to correct for linear displacement, and the number of parts is reduced, simplifying the structure and lowering the cost. Can be detected very accurately.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】 この発明による変位検出センサ用可動バネに
適用される一構造例を示す斜視図である。
FIG. 1 is a perspective view showing an example of a structure applied to a movable spring for a displacement detection sensor according to the present invention.

【図2】 図1の矢視A方向でのバネ部の構造を説明す
る要部の拡大図である。
FIG. 2 is an enlarged view of a main part for describing a structure of a spring portion in a direction A in FIG. 1;

【図3】 上記可動バネを使用して構成される静電容量
式の二次元方向の変位検出センサの分解斜視図である。
FIG. 3 is an exploded perspective view of a capacitance type two-dimensional displacement detection sensor configured using the movable spring.

【図4】 同上センサの動作説明図である。FIG. 4 is an explanatory diagram of an operation of the sensor.

【図5】 静電容量式変位検出センサによる振動の検出
回路例の一つで、CR発振部の容量として使用した状態
を示す図である。
FIG. 5 is a diagram illustrating an example of a vibration detection circuit using a capacitance type displacement detection sensor, which is used as a capacitance of a CR oscillation unit.

【図6】 静電容量式変位検出センサによる振動の検出
回路例の一つで、SC回路の容量として使用した状態を
示す図である。
FIG. 6 is a diagram illustrating one example of a vibration detection circuit using a capacitance type displacement detection sensor, which is used as a capacitance of an SC circuit.

【図7】 静電容量式変位検出センサによる振動の検出
回路例の一つで、CR発振部とF−Vコンバータとを組
合せ使用した状態を示す図である。
FIG. 7 is a diagram illustrating an example of a vibration detection circuit using a capacitance type displacement detection sensor, in which a CR oscillation unit and an FV converter are used in combination.

【図8】 静電容量式変位検出センサによる振動の検出
回路例の一つで、LC発振回路の容量として使用した状
態を示す図である。
FIG. 8 is a diagram illustrating an example of a vibration detection circuit using a capacitance type displacement detection sensor, which is used as a capacitance of an LC oscillation circuit.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 可動部 2 支持枠 3 バネ部 4 可動バネ 52 重り 56 支点 57 電極 Reference Signs List 1 movable part 2 support frame 3 spring part 4 movable spring 52 weight 56 fulcrum 57 electrode

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平4−32777(JP,A) 特開 昭54−150156(JP,A) 特開 平2−151770(JP,A) 特開 昭61−231424(JP,A) 特開 昭59−99356(JP,A) 特開 平4−19568(JP,A) 特開 平1−201103(JP,A) 実開 昭57−638(JP,U) 実開 平1−127263(JP,U) 実開 平3−122367(JP,U) 実公 昭30−18495(JP,Y1) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) G01L 1/00 - 1/22 G01P 15/00 - 15/125 ──────────────────────────────────────────────────続 き Continuation of front page (56) References JP-A-4-32777 (JP, A) JP-A-54-150156 (JP, A) JP-A-2-151770 (JP, A) JP-A 61- 231424 (JP, A) JP-A-59-99356 (JP, A) JP-A-4-19568 (JP, A) JP-A-1-201103 (JP, A) Japanese Utility Model Publication No. 57-638 (JP, U) JP-A 1-127263 (JP, U) JP 3-122367 (JP, U) JP 30-18495 (JP, Y1) (58) Fields investigated (Int. Cl. 7 , DB name) G01L 1/00-1/22 G01P 15/00-15/125

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】 外部応力により変位する可動部をそれの
周囲に配置された支持枠に対し、上記可動部の中心軸に
対して軸対称もしくは線対称に配置されてそれぞれ可動
部と同一の平面上において蛇行腕片状に形成された複数
のバネ部を介して変位可能に保持させるとともに、その
変位を検出する手段を設け、この変位検出手段は、上記
可動バネを一方の電極とし、この電極の可動部の中央部
に重りを取り付けて、変位の重心を可動部より上方に位
置させるとともに、上記可動部に対向する箇所に、上記
電極の上下方向変位を規制するための支点をもった他方
の電極を配置して、水平全方向の変位のみを両電極間の
静電容量の変化として検出するように構成したことを特
徴とする変位検出センサ。
1. A movable part displaced by an external stress is arranged axially symmetrically or line-symmetrically with respect to a center axis of the movable part with respect to a support frame arranged around the movable part, and each of the planes is the same as the movable part. A plurality of spring portions formed in a meandering arm piece above are held so as to be displaceable, and a means for detecting the displacement is provided. The displacement detection means uses the movable spring as one electrode, and A weight is attached to the center of the movable part to position the center of gravity of the displacement above the movable part, and has a fulcrum for regulating the vertical displacement of the electrode at a position facing the movable part. A displacement detection sensor, wherein only the displacement in all horizontal directions is detected as a change in capacitance between the two electrodes.
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