JP2003287549A - 加速度センサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 振動膜と背極の吸着を防止し、かつ高感度な
加速度センサを提供すること。 【解決手段】 振動膜の振動に伴って発生する物理量の
変化に基づき振動膜に加わる加速度を検出する加速度セ
ンサにおいて、振動膜に取り付けられた錘を有するとと
もに、当該錘の形状を、振動膜の振動を妨げない範囲で
できるだけ大きくする。これにより、振動膜の平面性が
広範囲で保たれ、中心部と周辺部の変位量の差が無くな
るため、中心部の移動量が小さくなり、対向する背極と
の吸着が防止される。また、広範囲の部分が振動するた
め、感度の向上が達成できる。

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に関
し、特に微弱な加速度の検出に好適に使用可能な加速度
センサに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、加速度センサは様々な分野で用い
られているが、特に微弱な振動を検出する加速度センサ
としては、例えば、心音の検出、記録を行う心音計にお
ける心音マイクロホンとしての加速度センサが知られて
いる。

【０００３】心音は聴診器等による直接聴診も広く行わ
れているが、 １）医師の個人差が反映されるため、客観性及び定量性
に欠ける。 ２）心音の記録ができないため、過去の状態と比較した
り、他の分析に供することができない。 ３）心音の主要な成分は３０〜８００Ｈｚと低い周波数
帯に存在するが、ヒトの聴覚特性上低周波領域の判別は
難しく、特に数１０Ｈｚの領域で心音成分を聞き分ける
のは困難である。といった問題に対処するため、心音計
を用いて、例えば心音図として記録することが従来行わ
れている。

【０００４】心音計は、主に、心音を検出するための心
音マイクロホン、心音マイクマイクロホンが出力する信
号を増幅する増幅器、記録する周波数成分の選択や、雑
音成分を除去するフィルタ、心音波形を記録する記録装
置等を有してなる。

【０００５】従来、心音マイクロホンとしての加速度セ
ンサとしては、圧電素子を用い、加速度を電気信号に変
換して出力する構成を有する圧電型加速度センサが広く
用いられている。具体的には、密閉されたケース内に、
圧電素子から構成され、錘が取り付けられた振動膜を支
持した構成を有する。このような構成の心音マイクロホ
ンに振動が伝わると、錘は慣性の法則によりその場に止
まろうとするため、圧電素子に力が加わる。この力によ
って圧電素子が発生する電圧は、錘の慣性力、すなわち
入力された振動の大きさに比例するため、電圧の大きさ
から加速度を検出することが可能である。

【０００６】心音マイクロホンは胸壁に伝播する心音と
いう微小な振動を検出するため、高い感度を有する必要
がある。上述の心音マイクロホンの感度を上げるには、
振動膜に取り付ける錘を重くすればよい。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかし、重い錘はサイ
ズが大きく、また圧電素子からなる振動膜に対する負荷
も大きくなるため、衝撃に弱く、１ｍ程度の高さから落
下しても破損してしまう。また、大きな錘を用いるた
め、心音マイクロホンの大型化を招いていた。心音マイ
クロホンは人体の胸部という弾性体上に装着して用いる
ため、心音マイクロホンが重いと心音の高音成分が減衰
されてしまう。さらに、大型化によって、被験者の肋間
に装着することが困難になる。

【０００８】一方、加速度センサには、例えば特開平５
−２３２１３６号公報に開示されるように、密閉された
ケース中に微小間隔を持って配置した振動膜と電極板と
でコンデンサを形成し、このコンデンサの容量変化によ
る電圧変化から加速度を検出する静電型の加速度センサ
が知られている。

【０００９】静電型の加速度センサは、振動膜から直接
電圧を検出する必要がないため、圧電型の加速度センサ
と比較して振動膜の変位が小さくても良く、振動膜に錘
をつける場合であっても、その重量や大きさは小さくて
済み、センサ全体の重量、大きさの点で圧電型加速度セ
ンサより優れている。

【００１０】しかしながら、静電型の加速度センサには
振動膜と電極板との吸着という問題があった。すなわ
ち、特に微弱な振動を検出する加速度センサにおいて
は、振動膜と電極板との間隔が非常に狭い（数１０μｍ
程度）。しかも、加速度センサの使用時、振動膜と電極
板の対抗面上には反対の極性を有する電荷が現れるた
め、振動膜と電極板には互いに引き合う力が加わる。ま
た、加速度センサに用いる振動膜は一般に円形を有し、
その外縁を支持部材に取り付けられた構造を有している
ため、その中心へ向かうほど可動量が大きい。しかも、
感度を上げるために錘を取り付ける場合、軽い錘で大き
い感度向上効果を得るために錘を振動膜の中心につける
傾向が大きく、中心部と周辺部の移動量の差がさらに増
大し、振動時に振動膜の中心部が電極板により接近する
ようになる。その結果、場合によっては振動膜の中心部
付近と電極板とが吸着し、センサとしての機能を果たさ
なくなる虞がある。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明はこのような従来
技術の問題点に鑑みなされたものであり、その目的は、
小型軽量で堅牢であるとともに、振動膜と電極板との吸
着を防止し、かつ感度の良好な加速度センサを提供する
ことにある。

【００１２】この目的を達成するため、本発明による加
速度センサは、振動膜を振動可能に支持し、振動膜に加
わる加速度を振動膜の振動に伴って発生する物理量の変
化に基づいて検出する加速度センサにおいて、記振動膜
に取り付けられた錘を有し、錘の形状が、前記振動膜の
振動を妨げない範囲で前記振動膜に対する取り付け面積
が最大になるように定められることを特徴とする。

【００１３】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明をそ
の好適な実施形態に基づいて詳細に説明する。図１は、
本発明による加速度センサの構成例を示す分解斜視図、
図２は図１のＡ−Ａにおける垂直断面図である。なお、
以下の説明においては、２重構造を有する加速度センサ
を例にして説明するが、本発明の原理は例えば上述の特
開平５−２３２１３６号公報に開示されるような、単一
のケースに振動膜や電極板（背極）が支持されてなる加
速度センサにも適用可能であることは言うまでもない。
さらに、以下に説明する加速度センサでは振動膜及び背
極に通気用の穴が設けられているが、本発明の実施には
必ずしも通気用の穴は必要はない。

【００１４】図２からわかるように、本実施形態に係る
加速度センサ１００は、樹脂製の下ケース１及び上ケー
ス１７からなる、気密性を有する外部ケース内に、内部
ケースとしてのユニットケース２に保持されたセンサ本
体２０が支持される構成を有している。後述するよう
に、センサ本体２０を筐体内面と離して支持することに
より、密閉されたセンサ上下での通気が可能となり、セ
ンサの感度損失を低減可能である上、不要な振動の検出
をも低減可能である。

【００１５】図１及び、センサ本体２０の垂直断面図で
ある図３を参照して、本実施形態に係る加速度センサの
構成について更に詳細に説明する。

【００１６】センサ本体は略円筒形状を有する金属製ユ
ニットケース２内に各部品３〜１６を積層し、ユニット
ケース２の上下面を構成する鍔部２１及び２２によって
部品をケース内に保持した構成を有している。ユニット
ケース２内の最上面（使用時には最下面となるが、図に
合わせて説明する。以下他の構成要素についても同様）
にはフロントリング３が設けられ、後述する調整用錘５
とユニットケース２の顎部２１内面とのスペーサの役目
を果たしている。

【００１７】振動膜７は、例えば金属蒸着された樹脂薄
膜から構成され、その周囲を振動膜リング８に固定され
ることで所定の張力を有している。また、振動膜７の中
央には、通気用の穴７１が設けられている。振動膜７表
面には、中心を共通とするリング状の錘６が取り付けら
れ、必要に応じてさらに錘６の上にやはりリング状の調
整用錘５が設けられる。調整用錘５はセンサ感度や共振
点の調整用錘であり、錘６に比べて十分軽量である。調
整用錘５は不要の場合もあれば、複数枚用いる場合もあ
る。

【００１８】後述するように、錘５の形状は、振動膜７
と背極１０との距離を一定に保持したり、振動膜７と背
極１０との吸着を防止する上で大きな意味を持つ。

【００１９】調整用音響抵抗４は錘６（及び調整用錘
５）の穴を覆うように取り付けられた通気性を有する膜
であり、リアプレート１６の穴１６ａに設けられている
もう一方の調整用音響抵抗（図１では見えないが、図２
及び図３に図示）とともに、センサを通過する空気に対
する流体抵抗として機能する。

【００２０】調整用音響抵抗４により、センサの感度、
振動膜の共振点、共振の鋭さ等の微調整を行うことが可
能である。調整用音響抵抗４は例えば不織布から構成で
きる。

【００２１】リング状のスペーサ９は、その厚みにより
振動膜７と後述の背極１０とを所定距離離間させるとも
に、これらを絶縁するために設けられる。従って、振動
膜７と背極１０は、スペーサ９による距離に等しい厚み
を有する空気の層を誘電体とするコンデンサを形成す
る。スペーサ９の厚みは数１０μｍ程度である。

【００２２】背極１０は圧電膜を圧着した金属板から構
成され、通気用の穴１０ａが本実施形態では４箇所に設
けられている。

【００２３】背極１０はコンタクトプレート１１ととも
にインシュレータ１２に周囲を保持される。コンタクト
プレート１１はプリント配線基板（ＰＣ板）１３上に実
装される各種回路、特にインピーダンス調整用のＦＥＴ
１４と背極１０とを電気的に導通させるための導体であ
る。

【００２４】ＰＣ板１３にはインピーダンス調整用のＦ
ＥＴ１４他、センサ出力を生成するための電気回路素子
（図示せず）が実装される。ＰＣ板１３にも通気用の穴
１３ａが設けられる。

【００２５】固定リング１５はＰＣ板１３上の回路部品
がリアプレート１６に接触しないように設けられるスペ
ーサである。リアプレート１６はセンサ本体２０の底面
を構成する。リアプレート１６にはＰＣ板１３上の回路
から出力信号を取り出すためのケーブル（図示せず）を
引き出すための穴と、一対の通気用の穴１６ａがそれぞ
れ設けられる。また、上述のように、リアプレート１６
には通気用の穴１６ａを覆うように調整用音響抵抗４が
設けられる。

【００２６】このような構成を有するセンサ本体２０
は、さらに上ケース１７及び下ケース１から構成される
ケースに収納、密閉されて加速度センサを構成する。本
実施形態に係る加速度センサは、センサ本体２０をケー
ス内面に設けた突起もしくはリブの頂点により支持する
ことで、センサ本体２０とケース内面の接触面積が少な
くなり、ケースに加わる外来ノイズが直接センサ本体に
及ぼす影響を大きく減少することが可能である。

【００２７】例えば、本実施形態において、センサ本体
２０は下ケース１の内側底面に設けられたリング状のリ
ブ１ａと、下ケース１の内側面に設けたリング状のリブ
１ｂによってケース内に支持される。これらリブ１ａ，
１ｂはケースが樹脂製である場合には一体成形すればよ
いし、ケース内面に設けた溝にリブ１ａ、１ｂをはめ込
む等してもよい。リブの断面形状は任意であるが、セン
サ本体２０との接触面積を減らすため、図４に示すよう
に先端に向かうほど細くなる形状が好ましい。

【００２８】また、全周に渡って支持する必要は必ずし
も無く、センサ本体２０をがたつき無く支持可能であれ
ば、複数の突起によりセンサ本体を支持しても良い。こ
の場合、センサ側面では３点以上、ユニットケース２の
顎部２１では２点以上を支持することが好ましい。

【００２９】また、センサ本体２０を支持するリブ又は
突起の位置は必ずしも図２や図４で示した位置である必
要はなく、センサ本体２０をケース内面から離して支持
可能で、かつセンサの動作に支障を与えない位置であれ
ば任意の位置で支持することが可能である。

【００３０】センサ本体２０を支持するリブ又は突起の
高さは任意に設定可能であるが、高すぎるとセンサ全体
の大型化を招き、低すぎるとセンサ本体２０の周囲に存
在する空気層による外来ノイズの緩衝効果が低下するた
め、センサが所望のサイズを満たす範囲内でなるべく高
いリブ又は突起を設けることが好ましい。

【００３１】本実施形態に係る加速度センサは、センサ
本体２０を構成するリアプレート１６、ＰＣ板１３、背
極１０、振動膜７、錘６、調整用錘５にそれぞれ穴が設
けられており、さらにこれら部品のうち最も外側に位置
する調整用錘５とリアプレート１６の穴を覆うように取
り付けられた調整用音響抵抗４も通気性を有するため、
センサ本体２０内部を空気が通過可能である。さらに、
センサ本体２０がケース内面から離れて支持されるた
め、ケース内部に指示された状態でセンサ本体２０の上
下面も空気が行き来可能である。従って、空気の粘性抵
抗による感度低下を抑制できる。

【００３２】このような構成の加速度センサにおいて、
ユニットケース２及びＦＥＴ１４を介して振動膜７と背
極１０に所定の電圧を印加すると、振動膜７と背極１０
の対向面に電荷が蓄積し、コンデンサを形成する。この
状態でケースが振動すると、センサ本体２０に振動が伝
達する。センサ本体２０は振動するが、振動膜７に取り
付けられた錘６（及び調整用錘５）は慣性によって元の
位置に留まろうとする。その結果、振動膜７が振動し、
背極１０との距離が変化することにより、振動膜７、背
極１０及びその間の空気層から構成されるコンデンサの
容量が変化する。コンデンサの容量変化は振動膜７と背
極１０間の電圧値の変化として観測され、この電圧値か
らセンサ本体２０に加わった加速度を検知することが可
能である。

【００３３】次に、本発明の特徴を構成する、振動膜７
に取り付ける錘５の形状について説明する。上述の通
り、振動膜７と背極１０との距離は数１０μｍと非常に
狭い。しかも、動作中は振動膜７と背極１０の対向面に
は反対極性を有する電荷が現れるため、振動膜７と背極
１０を引き合う力が発生する。

【００３４】振動膜７はその周囲を固定されているた
め、その中心へ向かうほど可動量が大きい。しかも、感
度を上げるために錘を取り付ける場合、少ない錘で大き
い効果を得ようと中心につける傾向が大きい。そのた
め、中心部と周辺部の移動量の差がさらに増大し、振動
時に振動膜７の中心部が背極１０により接近するように
なる。その結果、場合によっては振動膜７の中心部付近
と背極１０とが吸着し、センサとしての機能を果たさな
くなる虞がある。

【００３５】本発明はこのような状況に鑑み、振動膜７
に取り付ける錘６の形状を改良することによって、振動
膜７と背極１０との吸着を防止し、かつ安定したセンサ
出力の取得を可能にした。

【００３６】すなわち、本発明に係る加速度センサにお
いて、振動膜７に取り付けられる錘６は、その取り付け
面積ができるだけ大きくなるように構成されている。こ
れは、換言すれば同じ重さの錘であれば、薄く、かつ外
径が大きくなるように構成することである。この様な形
状の錘を振動膜に取り付けることにより、小さい取り付
け面積の錘を用いた場合（図５（ａ））と比較して振動
膜の平面性、特に移動量の大きな中心部を含んだ平面性
をより広範囲で保つことが可能になる（図５（ｂ））。

【００３７】この結果、特に振動膜の振動時に、振動膜
と背極との距離が広範囲に渡って均等になり、その結果
中心部の移動量を他の部分と等しくするため、中心部の
移動量が小さくなり、吸着を防止することが可能にな
る。また、取り付け面積の小さな錘を中心に設けた場合
に比べ、中心部の移動量は小さくなるにもかかわらず、
振動による振動膜と背極との距離変動が広範囲に発生す
ることになるため、振動による容量の変化をより高精度
に得ることが可能になる。

【００３８】本実施形態においては、錘６の外径を大き
くするため、中心部をくりぬいたリング形状としてい
る。また、通気用の穴を錘６が取り付けられない振動膜
７の中心部に設けることによって、形状面でも中心部の
吸着を防止している。

【００３９】なお、本技術分野に属する当業者には明ら
かであろうが、錘６の形状を定めるに当たり、単純にそ
の外径を大きく採ればよいというわけではない。すなわ
ち、錘が薄くなりすぎると取り付けの作業性が低下した
り、剛性不足で振動膜の振動時にその取り付け部分にお
ける平面性を保てなくなるおそれがある。また、リング
形状の場合に外径は大きくてもリングが細すぎると振動
膜中心部の平面性を得にくくなる。また、振動膜を取り
付ける振動膜リングの内径と錘６の外径との差が小さす
ぎると、振動膜が動きにくくなる。従って、実際には
（１）振動膜の振動を妨げず、（２）振動膜の振動時に
おける中央部の平面性が維持可能、な範囲で、振動膜と
の取り付け面積が大きくなるように錘の形状を決定する
ことになる。なお、本明細書において「取り付け面積」
とは、実質的に錘によって振動膜の平面性が保たれる面
積を意味し、その面積全体が振動膜と固着されることを
必要としない。

【００４０】錘の形状による特性の変化についてさらに
説明する。図２の構成を有する加速度センサであって、
図６に示すように、外径１４．５ｍｍ、内径１２．５ｍ
ｍのステンレス製振動膜リングに、中心に直径１ｍｍの
穴を設けた振動膜（厚さ４μｍ、ＰＰＳ製、表面に金を
蒸着）を接着剤によって取り付け、ＦＥＰのエレクトレ
ットフィルムを圧着した黄銅製背極と５０μｍ間隔で配
置した加速度センサを用い、同じ重さ（０．７ｇ）で形
状の異なる錘を取り付けて入出力特性を測定した。

【００４１】中心に直径１ｍｍの穴が設けられた円板状
で、直径６ｍｍ、８ｍｍ、１０ｍｍの３種類の錘を用い
た。錘と振動膜とは穴の位置が対応するように、穴の開
いていない振動膜に錘を接着剤で取り付け、その後振動
膜と錘を貫通する直径１ｍｍの穴を設けた。一定の加速
度（０．９８ｍ／Ｓ²）を加えた場合の、周波数２０〜
１ｋＨｚにおける入出力特性を図７に示す。図７から明
らかなように、同じ重さの錘であっても、外径が大きい
錘を用いた方がより大きな出力が得られていることが分
かる。これは振動膜の広い範囲で平面性が保たれてお
り、振動による容量変化が構成で検出可能なことに起因
するものと考えられる。また、何れの場合も振動膜と背
極との吸着は見られなかった。

【００４２】このように、本実施形態によれば、軽量か
つ堅牢で耐久性に優れ、また外来ノイズの影響を抑制し
つつ高感度の加速度検出を実現する、心音等微弱な振動
の検出に適した加速度センサが実現される。

【００４３】

【他の実施形態】上述の実施形態においては、ケース内
の雰囲気が空気である場合を説明したが、不活性ガス等
他の気体（単成分ガス、混合ガスいずれも可能）を充填
することも可能である。

【００４４】また、上述の実施形態では振動膜に取り付
ける錘の形状がリング状もしくは円板状である場合につ
いてのみ説明したが、必ずしも真円である必要はない。
また、錘の数についても１つに限定される物ではなく、
振動膜の平面性が広範囲に保たれ、かつ振動の妨げにな
らなければ、複数の錘を振動膜上に配置してもよい。

【００４５】また、錘の形状を改良することによる吸着
防止効果及び感度上昇効果は、必ずしも通気用の穴が設
けられた振動膜を有する加速度センサに限って得られる
ものではなく、また静電型以外の、例えば圧電型の加速
度センサに対しても有効である。圧電型の加速度センサ
に本発明を適用すると、従来よりも軽い錘で同等の感度
を得ることが可能になるため、センサの小型化も同時に
達成できる。

【００４６】また、振動膜と背極との吸着をより防止す
るため、図８に示すように、錘６の振動膜７への取り付
け面側に微小なリブ又は突起を設けることも可能であ
る。このような構成とすることで、振動膜７と背極１０
との接触があった場合でもその接触面積が低減され、振
動膜７と背極１０とが離れやすくなる。この場合、錘６
に設けるリブや突起の形状は頂点が尖りすぎていると振
動膜を破損する虞があるため、丸みを帯びた形状とする
ことが好ましい。また、高さについても振動の妨げにな
らないように設定する。

【００４７】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の加速度セ
ンサによれば、振動膜への取り付け面積ができるだけ大
きくなるような形状を有する錘を用いることにより、振
動膜と背極との吸着を防止するとともに、振動膜の振動
時の平面性を広範囲に維持することが可能となり、高精
度な容量変化検出が可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施形態に係る加速度センサの構成例
を示す分解斜視図である。

【図２】図１のＡ−Ａ断面図である。

【図３】図１のセンサ本体部２０の垂直断面図である。

【図４】下ケース１の、センサ本体２０を支持するリブ
構造例を示す部分斜視図である。

【図５】錘の形状による振動膜の動きの相違を説明する
図である。

【図６】実験に用いた振動膜及び錘のパラメータを説明
する図である。

【図７】錘の形状を変化させた場合の出力特性を示す図
である。

【図８】本発明の他の実施形態に係る加速度センサの錘
の形状を示す図である。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 西村 直樹 東京都文京区本郷３−39−４ フクダ電子 株式会社内

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 振動膜を振動可能に支持し、当該振動膜
   に加わる加速度を前記振動膜の振動に伴って発生する物
   理量の変化に基づいて検出する加速度センサにおいて、 前記振動膜に取り付けられた錘を有し、 前記錘の形状が、前記振動膜の振動を妨げない範囲で前
   記振動膜に対する取り付け面積が最大になるように定め
   られることを特徴とする加速度センサ。
2. 【請求項２】 前記錘の形状が、さらに、前記振動膜の
   中央部が平面性を維持した状態で振動可能なように定め
   られることを特徴とする請求項１記載の加速度センサ。
3. 【請求項３】 前記振動膜には穴が設けられており、前
   記錘が前記振動膜に設けられた穴に対応した穴を有する
   ことを特徴とする請求項１又は請求項２記載の加速度セ
   ンサ。
4. 【請求項４】 前記振動膜に設けられた穴が前記振動膜
   の中心に設けられ、前記錘がリング形状を有することを
   特徴とする請求項３記載の加速度センサ。
5. 【請求項５】 前記振動膜が圧電体からなり、前記物理
   量の変化が前記圧電体から発生する電圧量の変化である
   ことを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか１項
   に記載の加速度センサ。
6. 【請求項６】 前記振動膜と所定間隔を有して対向配置
   された背極を更に有し、 前記物理量の変化が前記振動膜と前記背極との間の電圧
   変化であることを特徴とする請求項１乃至請求項４のい
   ずれか１項に記載の加速度センサ。