JP2002350459A

JP2002350459A - 振動センサ、及び振動センサの製造方法

Info

Publication number: JP2002350459A
Application number: JP2001154059A
Authority: JP
Inventors: Yusaku Yoshida; 勇作吉田
Original assignee: Akashi Corp
Current assignee: Akashi Corp
Priority date: 2001-05-23
Filing date: 2001-05-23
Publication date: 2002-12-04

Abstract

(57)【要約】【課題】小型であると共に、よりダンピング調整が容易
で、精度が良く、衝撃に強い振動センサを提供する。【解決手段】被測定体に固定した本体部２内に設けられ
た磁石３と、前記磁石３間に設けたコンデンサ部９と、
コンデンサ部９の静電容量の変化を検出する検出部５と
からなり、静電容量の変化量から加速度等を測定する振
動センサ１において、検出部５から出力された検出値を
基にコイル１０に電流を流すフィードバック回路６を備
える。コンデンサ部９は、略平行な２枚のガラス基板７
間に挿入された可動部４（シリコン基板８）の上面と、
対向するガラス基板７とに設けた電極７ａ，８ａで形成
し、コイル１０はシリコン基板８の下面に形成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、帯域に応じて被測
定体の移動に基づく加速度、速度、変位を測定する振動
センサに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、例えば加速度計は、図５に示すよ
うに、磁石２１、振り子２２、磁石２１によって形成さ
れた磁界に配置されたコイル２３、及びばね２４から概
略構成されており、コイル２３を備えた振り子２２が振
動で変位することにより、コンデンサ２５の２つの電極
２５ａ間の距離が変化し、電気容量が変化する。この電
気容量の変化量を検出することにより加速度を検出して
いる。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかし、従来の加速度
計２０は、磁石２１が形成した磁界部分と、電気容量を
検出するコンデンサ２５とが別個に設けられ、コイル２
３として線材を用いているので大型であり、電極２５ａ
間のギャップが広く、調整することが困難であったた
め、ダンピング調整が難しかった。また、手作業で製作
しているため、品質にばらつきも生じていた。

【０００４】本発明の課題は、小型であると共に、より
ダンピング調整が容易で、精度が良く、衝撃に強い振動
センサを提供することである。

【０００５】

【課題を解決するための手段】以上の課題を解決すべく
請求項１記載の発明の振動センサは、例えば図１に示す
ように、被測定体の振動に伴って変位する板状の可動部
（４）の表面に設けられた可動電極（８ａ）と、この可
動電極（８ａ）に対向する位置に固定された固定電極
（７ａ）と、によって構成された可変容量コンデンサ
（９）と、前記可動部（４）の変位に起因する前記可変
容量コンデンサの容量変化を検出する検出手段（５）
と、を備え、前記検出手段（５）の検出結果に基づい
て、前記被測定体の振動を検出する振動センサ（１）に
おいて、前記可動部（４）の少なくとも一部は磁場中に
配置されていると共に、この可動部（４）の当該磁場中
に配置されている部分には、コイル（１０）が設けられ
ており、前記コイル（１０）に対し、前記検出手段
（５）の検出結果に応じた電流を印加することにより、
当該コイル（１０）が前記磁場中に於いて生ぜしめる力
と、前記可動部（４）の慣性力とを相殺する制御を行う
制御手段（１２）を備えることを特徴としている。

【０００６】ここで、磁場を生成する手段は特に限定さ
れるものではないが、例えば、永久磁石や磁気回路など
を用いて生成することができる。また、ここに云う被測
定体の振動とは、当該被測定体の加速度、速度、又は変
位等と等価である。

【０００７】請求項１記載の発明によれば、可動電極と
コイルとが板状の可動部に設けられているので、検出用
の電極とフィードバック用のコイルとが隔離されて個別
に設けられていた従来技術に比較して、これらの配置構
造が合理化される。これにより、振動センサを小型化す
ることができる。また、制御手段による制御によって、
コイルには適時Ｆ＝ｉＢｌ（Ｆ：力、ｉ：コイルに印加
される電流、Ｂ：磁場の強さ、ｌ：コイルを形成する導
線の長さ）の力が生じる。これにより、可動部の変位が
被測定体の振動の強弱に拘わらずに最小限に抑えられ
る。従って、コイルに印加された電流値に基づいて振動
を検出する事により、振動測定の帯域を広げることがで
きると共に衝撃に強い振動センサを提供できる。

【０００８】請求項２記載の発明は、請求項１記載の振
動センサにおいて、例えば図１及び図３（ｂ）に示すよ
うに、前記コイル（１０）は、前記可動部（４）におけ
る前記固定電極（７ａ）に対面していない方の表面に、
渦巻き状にパタンニングされていることを特徴としてい
る。

【０００９】請求項２記載の発明によれば、コイルを渦
巻き状にパタンニングしたことにより、コイル長を長く
することができ、コイルに電流を流した際に生じる力Ｆ
が大きくなる。したがって、シリコン基板上面の電極
（可動部）を元の位置に容易に戻すことができるように
なる。また、コイルのパタンニングは、マイクロマシニ
ング等によってバッチ処理できるので、心材に導線を巻
着してコイルを形成していた従来技術に比較して、製造
工数やコストなどが大幅に改善される。

【００１０】請求項３記載の発明は、請求項１又は２記
載の振動センサにおいて、前記可動部（４）は、シリコ
ン基板（８）によって構成されていると共に、このシリ
コン基板（８）と前記固定電極（７ａ）とは、互いに略
平行に配置された２枚のガラス基板（７，７）の間に介
在しており、当該各ガラス基盤（７，７）のうち、少な
くとも何れか一方を介して、前記コイル（１０）に磁場
が印加されるよう構成されていることを特徴としてい
る。

【００１１】請求項３記載の発明によれば、ガラス基板
の外側からコイルに磁場が印加されるよう構成されてい
るので、可変容量コンデンサやコイル等の配置構造が一
層合理化される。これにより、振動センサを更に小型化
することができる。

【００１２】請求項４記載の発明は、請求項３記載の振
動センサにおいて、前記固定電極（７ａ）は、前記２枚
のガラス基板（７，７）のうち、前記可動電極（８ａ）
に対向する方のガラス基板に、当該可動電極（８ａ）に
対向して設けられていることを特徴としている。

【００１３】請求項４記載の発明によれば、固定電極
が、２枚のガラス基板のうち、可動電極に対向する方の
ガラス基板に、当該可動電極に対向して設けられている
ので、固定電極と可動電極との間の間隔（ギャップ）を
小さくすることができる。その結果、振動センサを一層
小型化することができると共に、振動検出の感度を向上
させることができる。

【００１４】請求項５記載の発明は、請求項１〜３の何
れかに記載の振動センサの製造方法であって、前記可変
容量コンデンサ（９）及び前記可動部（４）をマイクロ
マシニングにより形成する工程を含むことを特徴として
いる。

【００１５】請求項５記載の発明によれば、マイクロマ
シニングにより可変容量コンデンサおよび可動部を形成
することにより、可変容量コンデンサおよび可動部の極
小化を図ることができると共に、複数の可変容量コンデ
ンサおよび可動部を一括形成できるので、一定品質の可
変容量コンデンサと可動部とを多量に生産でき、低コス
トに押さえることができる。また、可動部を形成する際
のエッチングの深さを調整することにより、ガラス基板
とシリコン基板とのギャップ間隔を精密に調整すること
ができる。

【００１６】請求項６記載の発明は、請求項３記載の振
動センサの製造方法であって、前記可動電極（８ａ）
と、前記固定電極（７ａ）との間における気圧を所定値
に設定する工程と、次いで、前記可動電極（８ａ）と前
記固定電極（７ａ）とを前記２枚のガラス基板（７，
７）を用いて気密封止する工程と、を含むことを特徴と
している。

【００１７】請求項６記載の発明によれば、２枚のガラ
ス基板を用いて気密封止されることとなる可動電極と、
固定電極との間における気圧を所定値に設定することに
より、可動電極のダンピングを自由に調整できるように
なる。従って、被測定体の振動の周波数帯域に適合する
振動センサを容易に実現することができる。従って、例
えば可動極板に容易に大きなダンピングをかけることも
でき、速度計として用いる場合、フラット帯域の広い振
動数特性を容易に作り出すことが可能となる。

【００１８】

【発明の実施の形態】以下、図を参照して本発明の実施
の形態を詳細に説明する。先ず、本発明における振動セ
ンサの構成を説明する。図１に示すように、振動センサ
１は、本体部２、磁石３、可動部４、検出部（検出手
段）５、フィードバック回路６から概略構成されてい
る。

【００１９】本体部２の上下部には、磁石３が配置され
ている。この磁石３は、図２に示すように同一極が対向
するように設けられており、これにより、磁石３の磁束
がガラス基板７の間で略横向きになるように磁界部が形
成されている。

【００２０】可動部４は、シリコン基板８によって形成
されている。そして、このシリコン基板８を隙間（ギャ
ップ）を確保した状態で上下両側から挟む様に２枚のガ
ラス基板７，７が配置されている。尚、可動部４とガラ
ス基板７，７との間のギャップは、シリコン基板８にエ
ッチングを施す事により形成されたものである。このエ
ッチングの深さを調整することにより、ギャップ間隔を
容易に調整可能である。また、シリコン基板８の上面
と、このシリコン基板８の上面と対向するガラス基板７
とにはそれぞれ、可動電極８ａ、固定電極７ａが設けら
れており、この２つの電極７ａ、８ａにより、コンデン
サ部（可変容量コンデンサ）９が形成されている。ま
た、シリコン基板８の下面には、図３（ｂ）に示すよう
な渦巻き状のコイル１０が形成されている。このコイル
１０は、マイクロマシニングにより高密度に渦巻き状に
パタンニングされて形成されたものである。

【００２１】また、シリコン基板８には、図３（ａ）
（ｂ）に示すように電極８ａ及びコイル１０の外側にば
ね部１１が形成され、このばね部１１によりコイル１０
と電極８ａとは、ガラス基板７，７間を上下に可動とな
っている。シリコン基板８と２枚のガラス基板７，７
は、陽極接合により側縁部で陽極接合されており、シリ
コン基板８とガラス基板７，７との間には、空気が封止
されている。なお、この封止されている空気の圧力は、
陽極接合を行う際の圧力を調整することにより、任意の
圧力に設定できる。

【００２２】検出部５は、コンデンサ部９に電気的に接
続しており、コンデンサ部９の静電容量の変化を検出で
きるようになっている。また、フィードバック回路６は
コイル１０に電気的に接続し、このフィードバック回路
６とコイル１０とでフィードバック制御部（制御手段）
１２を構成している。フィードバック制御部１２は、検
出部５が検出した静電容量の変化量に応じて可動部を元
の位置に戻すために必要な電流をフィードバック回路６
にてコイル１０に流すようになっている。

【００２３】次に本実施の形態の振動センサを用いた動
特性の測定方法を説明する。まず、上述したように磁石
３、可動部４等を備えた本体部２を図示しない被測定体
に設置する。被測定体に、例えば加速度がかかり、被測
定体が動くと、可動部４（シリコン基板８）も連動して
動き、これにより可動部４（シリコン基板８）上の電極
８ａもガラス基板７間で上下方向に移動する。電極８ａ
が移動すると、ガラス基板７に設けた電極７ａと電極８
ａとの間の距離が変わるため、電極８ａ及び電極７ａで
構成されているコンデンサ部９の静電容量が変化する。
この静電容量の変化量を検出部５で検出し、検出値から
加速度が得られる。

【００２４】また、検出部５で静電容量の変化が検出さ
れると、フィードバック回路６にて、コイル１０に電流
が流される。コイル１０に電流が流されると、コイル１
０は磁石３の磁界内にあるので、コイル１０を形成する
導線にＦ＝ｉＢｌ（Ｆ：力、ｉ電流、Ｂ：磁場の強さ、
ｌ：導線の長さ）の力が生じる。従って、被測定体が加
速度を受けたことにより可動部４（シリコン基板８）が
移動した向きと逆方向にコイル１０が動くようにコイル
１０（導線）に電流を流すことにより可動部４を元の位
置に戻すことができるようになっている。この時コイル
１０に流される電流の向きは、可動部４（シリコン基板
８）が移動した方向によって決定される。また、コイル
１０に流される電流量は電極８ａ（可動部４）の移動
量、磁石３の強さ、及びコイル１０の長さにより決定さ
れるものであり、コイル１０に流された電流量を図示し
ない電流計で測定することにより、加速度を得ることも
できる。

【００２５】このように構成された振動センサは、ガラ
ス基板７とシリコン基板８との陽極接合時の圧力を調整
することにより、ギャップ内の圧力を調整することがで
きる。また、シリコン基板８にエッチングを施す際に
は、その深さを調整することにより、ギャップ間隔を容
易に調整することができる。ギャップ間隔を狭くし、ギ
ャップ内の圧力を高くすると、スクイズトフィルム現象
により、ダンピングがかかりやすくなる。ダンピングを
大きくかけて制動力を大きくすると、振動センサは帯域
の広い速度計とすることができ、制動力がなく大きく動
くところと制動力によって動きにくくなるところとの境
目（臨界減衰）にダンピングを調整すると、加速度計あ
るいは変位計とすることができる。加速度計、速度計及
び変位計は、図４に示すように、電極８ａの固有振動数
ｆ ₀よりも低いところでは加速度計、固有振動数ｆ₀付近
では速度計、固有振動数ｆ ₀より高いところでは変位計
となるようになっている。なお、速度計および変位計で
の速度または変位の測定も、上述した加速度を測定する
場合と同様である。

【００２６】このように、上記実施の形態の振動センサ
によれば、フィードバック回路６を設け、検出部５から
出力された検出値をもとに、シリコン基板８（可動部
４）下面に設けたコイル１０に電流を流すことにより、
コイル１０に力が作用し、移動した電極８ａ（可動部
４）を元の位置に戻すことができる。これによりダイナ
ミックレンジを広くし、固有振動数ｆ₀を高い方に持っ
て行くことができ、帯域を伸ばすことができる。また、
このコイル１０による復元力（可動部４を元の位置に戻
す力）は振動センサ１に衝撃等が加わり、電極８ａが大
きく動いた場合でも生じるので、振動センサ１の耐久力
を増すことができる。さらに、コイル１０に流れた電流
量からも加速度（速度、変位）を計測することができる
ので、振動センサ１を製作した際の作りむらなどに影響
されず、精度の良い動特性の計測を行える。

【００２７】コンデンサ部９を、ガラス基板７とシリコ
ン基板８とに設けた電極で構成したことにより、コンデ
ンサ部９を小さくすることができるので、ギャップ間隔
を狭くすることができる。更に、ガラス基板７とシリコ
ン基板８を陽極接合してコンデンサ部９部分を密閉する
ようにし、接合の際の圧力調整で内圧を調整できるよう
にしたことにより、ダンピングをかけやすくすることが
でき、振動センサ１を加速度計だけでなく、帯域の広い
速度計として用いることも、変位計として用いることも
できる。また、コンデンサ部９および可動部４を磁石３
の間に設けたことにより、低コストで容易に小さな振動
センサ１を形成することができる。

【００２８】マイクロマシニングによりコンデンサ部９
および可動部４を形成したことにより、振動センサ１の
コンデンサ部９および可動部４の極小化を図ることがで
きると共に、複数のコンデンサ部９および可動部４を一
括形成できる。従って、一定品質のコンデンサ部９およ
び可動部４を多量に生産でき、低コストに押さえること
ができる。また、シリコン基板８にコイル１０を形成す
る際に、コイル１０を渦巻き状にしたことにより、コイ
ル長を長くすることができ、コイル１０に作用する力を
大きくすることができるので、シリコン基板８（可動部
４）上面の電極８ａを元の位置に容易に戻すことができ
るようになる。また、エッチングの深さを調整すること
により、ギャップ間隔を精密に調整することもできる。

【００２９】なお、以上の実施の形態例においては、磁
界部を形成するものとして磁石を用いたが、本発明はこ
れに限定されるものではなく、一定の磁界を形成できる
ものであれば良く、例えば磁気回路等であっても良い。
また、コンデンサ部の電極を円形としたが、形状は任意
であり、例えば四辺形等であっても良い。本体部の形状
等も任意であり、その他、具体的な細部構造等について
も適宜に変更可能であることは勿論である。

【００３０】

【発明の効果】本発明によれば、小型であると共に、よ
りダンピング調整が容易で、精度が良く、衝撃に強い振
動センサが提供される。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明を適用した一例としての振動センサの概
略側面図である。

【図２】図１における振動センサの磁石の配置パターン
を示す磁石部分の概略側面図である。

【図３】図１における振動センサのシリコン基板の表面
を示す図であり、（ａ）は、シリコン基板上面に形成さ
れた電極を示す、シリコン基板の上面図、（ｂ）は、シ
リコン基板下面に形成されたコイルを示す、シリコン基
板の底面図である。

【図４】図１における振動センサの帯域による測定対象
を示すグラフである。

【図５】従来の加速度計を示す概略側面図である。

【符号の説明】

１振動センサ２本体部４可動部５検出部（検出手段）７ガラス基板７ａ電極（固定電極）８シリコン基板８ａ電極（可動電極）９コンデンサ部（可変容量コンデンサ）１０コイル１２フィードバック制御部（制御手段）

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】被測定体の振動に伴って変位する板状の可
動部の表面に設けられた可動電極と、この可動電極に対
向する位置に固定された固定電極と、によって構成され
た可変容量コンデンサと、前記可動部の変位に起因する前記可変容量コンデンサの
容量変化を検出する検出手段と、を備え、前記検出手段の検出結果に基づいて、前記被測定体の振
動を検出する振動センサにおいて、前記可動部の少なくとも一部は磁場中に配置されている
と共に、この可動部の当該磁場中に配置されている部分
には、コイルが設けられており、前記コイルに対し、前記検出手段の検出結果に応じた電
流を印加することにより、当該コイルが前記磁場中に於
いて生ぜしめる力と、前記可動部の慣性力とを相殺する
制御を行う制御手段を備えることを特徴とする振動セン
サ。
【請求項２】請求項１記載の振動センサにおいて、前記コイルは、前記可動部における前記固定電極に対面
していない方の表面に、渦巻き状にパタンニングされて
いることを特徴とする振動センサ。
【請求項３】請求項１又は２記載の振動センサにおい
て、前記可動部は、シリコン基板によって構成されていると
共に、このシリコン基板と前記固定電極とは、互いに略平行に
配置された２枚のガラス基板の間に介在しており、当該各ガラス基盤のうち、少なくとも何れか一方を介し
て、前記コイルに磁場が印加されるよう構成されている
ことを特徴とする振動センサ。
【請求項４】請求項３記載の振動センサにおいて、前記固定電極は、前記２枚のガラス基板のうち、前記可
動電極に対向する方のガラス基板に、当該可動電極に対
向して設けられていることを特徴とする振動センサ。
【請求項５】請求項１〜３の何れかに記載の振動センサ
の製造方法であって、前記可変容量コンデンサ及び前記可動部をマイクロマシ
ニングにより形成する工程を含むことを特徴とする振動
センサの製造方法。
【請求項６】請求項３記載の振動センサの製造方法であ
って、前記可動電極と、前記固定電極との間における気圧を所
定値に設定する工程と、次いで、前記可動電極と前記固定電極とを前記２枚のガ
ラス基板を用いて気密封止する工程と、を含むことを特徴とする振動センサの製造方法。