JP2006292673A - 加速度センサ - Google Patents

Abstract

【課題】良好に振動を検知する感度を有すると共に、耐衝撃性を向上させた加速度センサを提供する。
【解決手段】固定電極と振動板３との間の静電容量の変化に基づいて加速度検出信号を出力する加速度センサであって、振動板３は、周方向に沿って等間隔に設けた複数のスリット１１によって、中央部に位置して加わった加速度に応じて振動する振動部３３と、周辺部に位置して振動板３を固定する固定部３１と、狭幅の中央部３２ｃを有し、周方向に等間隔に複数形成して振動部３３と固定部３１とを連結する弾性支持部３２とに分割形成され、各スリットは、周方向中央部の一定区間において、周方向一方側に隣接するスリット１１の振動部３３の側の端部と、周方向他方側に隣接するスリット１１の固定部３１の側の端部とが径方向に重なるように設けられる。
【選択図】図３

Description

本発明は、固定電極と、この固定電極に対向する面が振動電極として機能する振動板とを備え、固定電極と振動板との間の静電容量の変化に基づいて加速度検出信号を出力する加速度センサに関する。

静電容量検出型、すなわちエレクトレットコンデンサマイクロホン（以下、「ＥＣＭ」と称す）型の加速度センサ（振動センサ）は、マイクロホンや歩数計をはじめ様々な用途に広く用いられている。特許文献１には、骨伝導振動を検知するイヤマイクロホンの技術が開示されている。この文献では、骨伝導振動という微小振動を良好に検知するために、可動電極（振動板に相当）に重り（錘）を付けて、実質的に可動電極の質量を大きくし、可動電極の振幅を大きくして感度を向上する方法が示されている。また、高域振動に対する追随性を良くするために可動電極を一端が固定された舌片状にしたり、年輪状のスリットを設けるなどして、周波数特性を改善する方法が示されている。

また、特許文献２には、特に歩行時など低振動数（周波数）領域の振動を良好に検出するために、衝撃印加手段と、この衝撃印加手段によって与えられた衝撃によって振動する可動電極に重りを設ける構成が示されている。すなわち、衝撃印加手段によって低振動数の振動を可動電極へ伝え、可動電極は検知する振動数と比べて高い固有振動を有するように構成して、良好に歩行時などの低振動数領域の振動を検出することができるようにしている。

また、特許文献３には、加速度の変化をコンデンサの容量に変換することによって、加速度を検出する静電容量式加速度センサに関する技術が開示されている。これによると、可動電極と固定電極との間の静電容量を検出する感度を向上するために、可動電極とこれを固定する外周部との間にある弾性体を、複数の梁にすることによって、可動電極の変位量を大きくするように構成している。

特開昭５９−７９７００号公報（第２〜３図、第６図、第１〜第２頁上段、第３頁下左段） 特開平１０−９９４４号公報（第１図、０００６〜００１９段落） 特開平８−２４０６０９号公報（第１図、第６図、第２〜３頁）

上記のような構成を採ることによって、慣性力を増加させてセンサの感度を高くすることが可能となる。しかし、慣性力が増加し、振幅も大きくなると、落下時などの耐衝撃性が損なわれる。すなわち、衝撃によって振動板が破損したり、変形する可能性が高くなる。この対策として、錘の過度な変位を規制するために規制部材を設ける方法がある。この場合、錘と規制部材との間のギャップを狭くしなければ、規制の効果が充分に得られず、振動板の破損や変形を許してしまう。しかし、ギャップを狭くしすぎると、必要な振幅をも規制してしまうので、このギャップは高精度に設ける必要がある。このため、組立にも精度を要し、その結果、組立性が悪くなり、組立誤差などから製品の性能ばらつきが大きくなってしまうという問題を有する。また、規制部材を用いる分、製品の原価も高くなってしまう。

特に特許文献３の図６に示された形状の場合は、弾性力を得るには非常に好ましい梁を有しているが、この梁８は同じ幅で形成されている（以下、本段落での符号は参考文献３の符号。）。そのために、落下など過度な衝撃が与えられた場合に、可動電極１や固定部１１と、梁８との接合部が破損する可能性が高くなっている。また、可動電極１の面方向へ衝撃が加わった場合にも、可動電極１が変位し易く、梁８の破損や変形を起こし易い。

本発明は上記課題に鑑みてなされたもので、良好に振動を検知する感度を有すると共に、耐衝撃性を向上させた加速度センサを提供することを目的としている。

上記の目的を達成するための本発明に係る加速度センサの特徴構成は、
固定電極と、この固定電極に対向する面が振動電極として機能する振動板とを備え、前記固定電極と前記振動板との間の静電容量の変化に基づいて加速度検出信号を出力する加速度センサであって、前記振動板は、周方向に沿って等間隔に設けた複数のスリットによって、中央部に位置して加わった加速度に応じて振動する振動部と、周辺部に位置して前記振動板を固定する固定部と、狭幅の中央部を有し、周方向に等間隔に複数形成して前記振動部と前記固定部とを連結する弾性支持部と、に分割形成され、各スリットは、周方向中央部の一定区間において、周方向一方側に隣接する前記スリットの前記振動部側の端部と、周方向他方側に隣接する前記スリットの固定部側の端部とが径方向に重なるように設けられる点にある。

この特徴構成によれば、前記弾性支持部の中央部を両端部に比べて細く形成することで、弾性を向上し、充分な振幅を得て加速度センサの感度を向上することができると共に、衝撃が加わった場合でも、両端部が破損や変形に強い構造とすることができる。即ち、弾性支持部のいわゆる根元部分を太くすることにより、応力が集中し易いばねの根元部分の強度を向上することができる。一方、衝撃を受けた場合に応力の集中を心配しなくてもよい弾性支持部の中央部を細くすることにより、ばねの根元部分に集中し易い応力をばね全体（弾性支持部全体）に分散することができる。

一般に弾性支持部のばね強度を強くすると、振動板の振幅は小さくなる傾向にある。しかし、本特徴構成では、ばねの長さを延長することで振幅の低減を防止している。即ち、弾性支持部を形成するための各スリットは、周方向中央部の一定区間において、周方向一方側に隣接する前記スリットの前記振動部側の端部と、周方向他方側に隣接する前記スリットの固定部側の端部とが径方向に重なるように設けられる。従って、弾性支持部も周方向において隣接する弾性支持部の相互が径方向に重なるようになる。その結果、弾性支持部の合計長は、弾性支持部が形成される位置における円周よりも長くなり、ばねの長さを延長することができる。一般にばねの長さの延長は、ばねの強度を弱くすることになるというトレードオフの関係となるが、上述したようにばねの強度低下についても軽減することができている。従って、振動板の振幅を抑制することなく良好に振動を検知する感度を有すると共に、耐衝撃性を向上させた加速度センサを提供することができる。

ここで、前記スリットが、前記固定部側から前記振動部の中心へと向かう螺旋軌道によって形成されると好適である。

螺旋軌道は、中心部ほど軌道の曲率が大きく（曲率半径が小さく）なり、周辺部ほど曲率が小さく（曲率半径が大きく）なる。すなわち、螺旋軌道によって形成された前記スリットは、振動部側の端部がより中心側へ入り込み、固定部側の端部はより周辺部へと広がることとなる。従って、各スリットの振動部側の端部又は固定部側の端部が、それぞれ隣り合うスリットとの間で形成する各弾性支持部の振動部側の端部又は固定部側の端部に比べて、各弾性支持部の中央部は狭い幅を持つように形成される。ばね（弾性支持部）の両端の接合部が不連続であると、応力の集中を引き起こし易い。しかし、上記のようにスリットを一連の曲線軌道で形成すると、振動板の面方向への衝撃に抗する力も強くなる。このため、充分な振幅を得て感度を向上することができると共に、衝撃が加わった場合でも、破損や変形に強い構造とすることができる。

また、前記振動板が、前記固定部において複数の貫通部を有すると好適である。

本発明の加速度センサは、固定電極と振動板との間の静電容量の変化に基づいて加速度検出信号を出力するものであるので、振動板の振動部以外については全て寄生容量となる。そして、この寄生容量が多いほど、出力電圧は減衰してしまう。従って、上記構成のように固定部に複数の貫通部を設けて、振動板の振動部以外の面積を減じると寄生容量を減じることができる。固定部には衝撃等の応力はほとんど加わらないので、適宜貫通部を設けることができる。その結果、良好に振動を検知する感度を有すると共に、耐衝撃性を向上させた加速度センサを提供することができる。

また、前記貫通部が、周方向に沿って等間隔に設けた複数のスリットによって形成されると好適である。

上記のようにスリットを設けると、弾性支持部が形成される部分から振動板の外周部までのドーナツ状の固定部に、周方向に沿ったスリットを形成できる。弾性支持部を形成するためのスリットとほぼ同心円状に貫通部を設けることができ、また、貫通部と貫通部との間に弾性支持部の根元がくるようにすれば、強度を保つこともできる。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。図１は、本発明に係る加速度センサの一例を示す斜視図、図２は、図１に示す加速度センサの断面図である。図１及び２に示すように、本発明の一つの実施形態に係る加速度センサは、ハウジング１（カプセル、筐体）の内面にエレクトレット層１０ａを形成した固定電極１０と、この固定電極１０に対向する面が振動電極として機能する振動板３とを備えている。振動板３は一例としてステンレスであり、例えばＰＥＴ（ポロエチレンテレフタレート）等の樹脂で形成された絶縁スペーサ２を介して固定電極１０と対向する。そして、固定電極１０と振動板３との間の静電容量の変化に基づいて加速度検出信号を出力する。振動板３の固定電極１０と対向しない側の面は、例えばステンレス等の金属製の導電性スペーサ４を介して振動板３の過度の変位を規制する規制板５と対向する。

上述したように固定電極１０は、エレクトレット層１０ａが内面に形成され、金属製で一端が開放された筒状のハウジング１の底部に設けられている。この底部に、リング状の樹脂製の絶縁スペーサ２と、振動板３とを取り付け、この絶縁スペーサ２の厚みで、静電容量の変化を検出するコンデンサ部の所定の間隔を設けている。そして、導電性スペーサ４と、振動板３の面に直交する方向（以下、「縦方向」）への振動板３の過度の変位を規制可能な規制板５と、ゲートリング６とを順次重ねる。そして、端子８を介して出力される加速度検出信号の出力回路が実装された基板７で蓋をして、ハウジング１に止め付けて加速度センサを組み立てる構造になっている。この構造において、振動板３は絶縁スペーサ２と導電性スペーサ４とによって周囲を挟まれて固定支持されている。規制板５と、ゲートリング６とは、例えばステンレス等の金属製である。また、規制板５は、振動板３と規制板５との間に存在する空気が、良好に排出されるように孔５１を有している。

図３は、本発明に係る加速度センサの振動板の分割形成の一例を示す図である。図３に示すように、振動板３は、複数のスリット１１によって、中央部に位置して印加される加速度に応じて振動する振動部３３と、周辺部に位置して振動板３を固定する固定部３１と、振動部３３と固定部３１とを連結してばねとして作用する弾性支持部３２とに分割形成されている。この弾性支持部３２は、固定部３１との境界部分である一方の端部３２ａと、振動部３３との境界部分である他方の端部３２ｂと、これら両端部の間に位置してこれら両端部よりも狭幅の中央部３２ｃとから成る梁状体に形成される。弾性支持部３２は、各スリットを、周方向中央部の一定区間において、周方向一方側に隣接するスリットの振動部３３の側の端部と、周方向他方側に隣接するスリットの固定部３１の側の端部とが径方向に重なるようにして、周方向に沿って等間隔に設けることによって、周方向に等間隔に複数形成される。

このように弾性支持部３２を形成すると、振動板３を充分な振幅を得て感度を向上することができると共に、衝撃が加わった場合でも、破損や変形に強い構造とすることができる。振動板３の振幅、すなわち振動部３３の振幅は、この梁状体の弾性支持部３２の中央部３２ｃの弾性によって与えられる。従って、この弾性効果を多く得るためには、弾性支持部は細長く形成されることが好ましい。しかし、弾性支持部３２と、固定部３１又は振動部３３との境界部分である弾性支持部３２の端部３２ａ及び３２ｂは、弾性運動する弾性支持部３２の支点として働くことから、ある程度の強度を保持できるように形成されることが好ましい。振動による亀裂などの破損や、ねじれなどによる変形を起こし難くするためである。そこで、弾性支持部３２の中央を細くして、変形を弾性支持部３２の中央部３２ｃに多く負担させるようにしている。すなわち、弾性支持部３２の中央部３２ｃが、両端部３２ａ及び３２ｂよりも狭幅に形成されるようなスリット形状とすることで、振動板３は、弾性効果を多く得られると共に、強度を高め、良好な振幅を長期に亘って得ることができる。

一般に弾性支持部のばね強度を強くすると、振動板３の振幅は小さくなる傾向にある。しかし、本特徴構成では、ばねの長さを延長することで振幅の低減を防止している。即ち、弾性支持部３２を形成するための各スリットは、周方向中央部の一定区間において、周方向一方側に隣接するスリット１１の振動部３３の側の端部と、周方向他方側に隣接するスリット１１の固定部３１の側の端部とが径方向に重なるように設けられる。従って、弾性支持部３２も周方向において隣接する弾性支持部３２の相互が径方向に重なるようになる。その結果、弾性支持部３２の合計長は、弾性支持部３２が形成される位置における円周よりも長くなり、ばねとして作用する部分の長さを延長することができる。一般にばねの長さの延長は、ばねの強度を弱くすることになるというトレードオフの関係となる。しかし、弾性支持部３２の固定部３１の側、振動部３３の側のそれぞれの端部が太くなるようにしているので、上述したようにばねの強度低下についても軽減することができている。従って、振動板の振幅を抑制することなく良好に振動を検知する感度を有すると共に、耐衝撃性を向上させた加速度センサを提供することができる。

また、図３に示したように、スリット１１は、固定部３１側から振動部３３の中心へと向かう螺旋軌道に準じた滑らかな曲線によって形成されている。螺旋軌道は、中心部ほど軌道の曲率が大きく（曲率半径が小さく）なり、周辺部ほど曲率が小さく（曲率半径が大きく）なる。すなわち、螺旋軌道によって形成されたスリット１１は、振動部３３の側の端部がより中心側へ入り込み、固定部３１の側の端部はより周辺部へと広がることとなる。従って、各スリットの振動部側の端部又は固定部側の端部が、それぞれ隣り合うスリットとの間で形成する各弾性支持部３２の振動部側の端部３２ｂ又は固定部側の端部３２ａに比べて、各弾性支持部３２の中央部３２ｃは狭い幅を持つように形成される。例えば図７に示すように、ばね（弾性支持部３２）の両端の接合部が角を有し、滑らかな曲線として不連続であると、応力の集中を引き起こし易い。しかし、上記のようにスリットを一連の曲線軌道で形成すると、振動板の面方向への衝撃に抗する力も強くなる。このため、充分な振幅を得て感度を向上することができると共に、衝撃が加わった場合でも、破損や変形に強い構造とすることができる。

また、図３に示したように、振動板３は、固定部３１の外周側において、周方向に沿って等間隔に設けた複数のスリットによって形成された複数の貫通部１２を有する。本発明の加速度センサは、固定電極１０と振動板３との間の静電容量の変化に基づいて加速度検出信号を出力するものである。従って、振動板３の振動部３３以外については全て寄生容量となる。そして、この寄生容量が多いほど、加速度検出信号の出力電圧は減衰してしまう。従って、固定部３１に複数の貫通部１２を設けて、振動板３の振動部３３以外の面積を減じている。固定部３１には衝撃等の応力はほとんど加わらないので、適宜貫通部１２を設けることができる。ドーナツ状の固定部３１に、周方向に沿ったスリット（貫通部１２）を形成すると、弾性支持部３２を形成するためのスリット１１とほぼ同心円状に貫通部１２を設けることができる。この時、隣り合う貫通部１２の間に弾性支持部３２の根元（端部３２ａ）がくるようにすれば、強度を保つ上で好適である。

上記振動板３は、加工性や強度等を考慮して、ステンレス、タングステン、４２アロイ、Ｔｉ−Ｃｕ、Ｂｅ−ＣｕやＳＫ材などを使用するとよい。特に落下衝撃への耐性を要しない場合には、振幅が得られさえすれば上記のどの金属材料を用いても構わない。

以下、従来の錘１４を有した振動板１３と、本発明に係る振動板３とに対して共振解析、振幅解析を実施した結果に基づいて、本発明の効果を説明する。図４（ａ）は従来の錘１４を有した振動板１３、図４（ｂ）は本発明に係る振動板３を示す斜視図である。この解析に用いた従来の振動板１３と本発明に係る振動板３とは、共にヤング率１９３ＧＰａ（ギガ・パスカル）、ポアソン比０．３４、密度７９８０ｋｇ／ｍ＾３（ｋｇ／立法メートル）のＳＫ４材を用いた直径５．４ｍｍ、厚さ８０μｍの板材である。また、従来の振動板１３に敷設される錘１４は、直径１．０ｍｍ、厚さ０．４ｍｍである。

両振動板に周波数１．７５Ｈｚで２１０ｍＧ（ミリ・重力加速度）の加振条件にて振動を加えた。その結果、共振周波数は従来の振動板１３が１９３９Ｈｚ、本発明に係る振動板３が１７２０Ｈｚで、振動振幅は従来の振動板１３が０．００６９μｍ、本発明に係る振動板３が０．００８８μｍであった。つまり、錘１４を有した従来の振動板１３よりも、錘を有さない本発明に係る振動板３の方が大きな振幅を得られた。これは、加速度センサの出力として、本発明に係る振動板３の方が高出力を得られるということを示している。

次に、振動板３の振動部３３に強制変位を与えた場合の振動板３及び１３の内部応力を解析した。具体的には、振動板３及び１３の外周部（固定部３１に相当）を固定し、振動板３及び１３の中央部（振動部３３）を縦方向に５０μｍ変位させた場合の応力解析によって実施した。これは、図１や図２に示した絶縁スペーサ２や導電性スペーサ４の厚みが約５０μｍであり、これを超える過度の振動は、規制板５やハウジング１によって規制されるためである。図５（ａ）は図４に示す従来の振動板１３の内部応力の解析結果、図５（ｂ）は本発明に係る振動板３の内部応力の解析結果を示す図である。図中、符号Ｒで示す部分は応力の集中している部分である。図５（ａ）に示す従来の振動板１３に比べて、図５（ｂ）に示す本発明に係る振動板３は、符号Ｒで示す部分が少なく、応力が弾性支持部３２の根元に集中していないことがわかる。また、数値的にも従来の振動板１３は最大内部応力が２１０ＭＰａ（メガ・パスカル）であるが、本発明に係る振動板３は最大内部応力が８０ＭＰａであった。

上記解析結果より、従来の振動板１３に比べて本発明に係る振動板３は内部応力が分散されていることがわかる。つまり、本発明に係る振動板３の方が、より耐衝撃性が向上しているといえる。

〔別実施形態〕
本発明に係る振動板３に設ける貫通部１２の形状は、図３に示したものには限定されない。図６（ａ）に示すように、固定部３１に多数の小孔を設け、これを貫通部１２Ａとしてもよい。また、図６（ｂ）に示すように振動板３を元の円形の振動板３の外周に内接する多角形にて形成し、円周と多角形の各辺との間の部分を貫通部１２Ｂとしてもよい。また、図６（ｃ）に示すようにドーナツ状の固定部３１の一部をカットして梁状の固定部３１を残すようにしてもよい。上記以外の方法によっても、固定部３１の振動板３を固定するという機能を維持すると共に、振動板３の振動する部分以外の面積を減じれば、寄生容量を減じることができる。

このように、本発明によって、良好に振動を検知する感度を有すると共に、耐衝撃性を向上させた加速度センサを提供することができる。

本発明に係る加速度センサの一例を示す斜視図 本発明に係る加速度センサの一例を示す断面図 本発明に係る加速度センサの振動板を分割形成する一例を示す図 従来の錘を有した振動板と本発明に係る振動板とを示す斜視図 図４に示す両振動板の内部応力の解析結果を示す図 図３の振動板に設ける貫通部の他の形態を示す図 鉤型のスリットにより弾性支持部を形成する従来の振動板の形態を示す図

符号の説明

３ 振動板（３１：固定部、３２：弾性支持部、３３：振動部）
１０ 固定電極
１１ スリット
１２ 貫通部

Claims (4)

1. 固定電極と、この固定電極に対向する面が振動電極として機能する振動板とを備え、
   前記固定電極と前記振動板との間の静電容量の変化に基づいて加速度検出信号を出力する加速度センサであって、
   前記振動板は、周方向に沿って等間隔に設けた複数のスリットによって、
   中央部に位置して加わった加速度に応じて振動する振動部と、
   周辺部に位置して前記振動板を固定する固定部と、
   狭幅の中央部を有し、周方向に等間隔に複数形成して前記振動部と前記固定部とを連結する弾性支持部と、に分割形成され、
   各スリットは、周方向中央部の一定区間において、周方向一方側に隣接する前記スリットの前記振動部側の端部と、周方向他方側に隣接する前記スリットの固定部側の端部とが径方向に重なるように設けられる加速度センサ。
2. 前記スリットは、前記固定部側から前記振動部の中心へと向かう螺旋軌道によって形成される請求項１に記載の加速度センサ。
3. 前記振動板は、前記固定部において複数の貫通部を有する請求項１又は２に記載の加速度センサ。
4. 前記貫通部は、周方向に沿って等間隔に設けた複数のスリットによって形成される請求項３に記載の加速度センサ。

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