JP2007333749A

JP2007333749A - 静電容量型加速度計

Info

Publication number: JP2007333749A
Application number: JP2007232756A
Authority: JP
Inventors: Kenji Kuramoto; 健次倉本
Original assignee: Japan Aviation Electronics Industry Ltd
Current assignee: Japan Aviation Electronics Industry Ltd
Priority date: 2007-09-07
Filing date: 2007-09-07
Publication date: 2007-12-27

Abstract

【課題】高センサ性能および小型化された静電容量型加速度計を提供する。
【解決手段】絶縁材料より成る細長いペン型の固定パイプ２０と、固定パイプ２０の内表面或いは外表面に固定パイプ２０の軸方向に延伸して形成される細長片状固定電極３４と、固定パイプ２０の外側に嵌合固定されるストッパ３１と、固定パイプ２０の外側に遊嵌される環状バネ３２と、固定パイプ２０の外側に遊嵌される管状可動電極３３とを具備し、ストッパ３１と管状可動電極３３との間に環状バネ３２を介在させ、管状可動電極３３の質量に作用する軸方向加速度を細長片状固定電極３４と管状可動電極３３との間に形成される静電容量の管状可動電極３３の軸方向の変位に対応する変化から検出する静電容量型加速度計。
【選択図】図１

Description

この発明は、静電容量型加速度計に関し、特に、ペンの筐体の如き細長の筐体に加速度センサ部を収容保持して傾斜および運動を測定する静電容量型加速度計に関する。

図６および図７を参照して静電容量型加速度計の従来例を説明する。１対の固定電極である上側電極１００および下側電極１００’を対向させ、両固定電極の中間にヒンジ２０１で支持した可動電極を構成する板状の振子２００を対向介在させる。加速度或いは重力による振子２００の変位量を、板状の振子２００と両固定電極間１００、１００’との間に形成される２つのキャパシタの静電容量の差として変換検出する。この静電容量の差は発振器５００、差動増幅器６００を有する図７の静電容量電圧変換回路により電気信号に変換されるが、この電気信号に基づいて加速度計に印加された加速度或いは重力を測定することができる。

図８を参照するに、１対の電極４００、４００’に係合離脱する金属球３００を使用したごく簡単な構造の傾斜スイッチを重力センサとして傾斜を測定することが行われている。

以上の図６ないし図８に図示説明される従来例は、センサ部自体の形状構造が立方体或いは平板に近い直方体とされており、ペンの筐体の如き細長の筐体に組み込むには全体の大きさが大き過ぎて、組み込みに際して加工コストおよび加工精度の点で難がある。

そして、静電容量型加速度計を内蔵したペン型入力装置をコンピュータの入力装置として使用することが行われている（例えば、特許文献１、特許文献２、特許文献３参照）。

しかし、これらの公報に記載されるペン型入力装置も、平行平板電極より成る一般的な静電容量型加速度計を小型に作製してペン型の筐体に収容保持したものである。そして、その平行平板電極が何れもペン型入力装置の軸に対して垂直方向に収容保持される構成のものであるところから、小径のペン型入力装置に対して平板電極の面積が制限され、センサ部の性能および小型化に限界を生ずる。

また、摺動軸に嵌挿された質量体に加えられた軸方向の摺動に対応する加速度を検知する加速度検知装置も知られている（例えば、特許文献４参照）。しかし、この公報に記載される加速度検知装置は、質量体に備えられた可動接点と固定接点との間の電気導通により一定の大きさ以上の加速度の入力の有無を単に感知する加速度検知装置であるに過ぎない。
特開平９−１６３２１号公報特開平９−１６３２２号公報特開平９−１６３２３号公報特開平９−２１１０２３号公報

この発明は、ペン型形状を有する筐体と加速度センサ部を取り付け形成する固定パイプとを２重に具備し、この固定パイプに固定電極を形成すると共に管状可動電極或いは棒状可動電極を組み合わせて構成を採用することにより、高センサ性能および小型化された静電容量型加速度計を提供するものである。

請求項１：絶縁材料より成る細長いペン型の固定パイプ２０と、固定パイプ２０の内表面或いは外表面に固定パイプ２０の軸方向に延伸して形成される複数の細長片状固定電極３４、３４’および基準電極３４０と、固定パイプ２０の内側に嵌合固定されるストッパ３１と、固定パイプ２０の内側に収容されるとともに上記複数の細長片状固定電極３４、３４’および基準電極３４０から電気的に浮いた棒状可動電極３３’を具備し、棒状可動電極３３’の質量に作用する軸に垂直な方向の加速度を、複数の細長片状固定電極３４、３４’と棒状可動電極３３’との間に形成される静電容量の棒状可動電極３３’の傾斜に対応する変化から、上記複数の細長片状固定電極３４、３４’および基準電極３４０のそれぞれに接続される電極引き出し線３５、３５’ および３５０を介して検出する静電容量型加速度計を構成した。

そして、請求項２：請求項１に記載される静電容量型加速度計において、細長片状固定電極３４、３４’は、固定パイプ２０の軸に関して１方向に互いに対向する位置に１対形成し、或いは固定パイプ２０の軸に関して互いに直交する２方向のそれぞれに互いに対向する位置に２対形成した静電容量型加速度計を構成した。

また、請求項３：請求項１および請求項２の内の何れかに記載される静電容量型加速度計において、更に、棒状可動電極３３’を固定パイプ２０に対して弾性結合して固定パイプ２０に対して傾斜運動せしめる金属およびゴムの如き弾性体より成るバネ３２を具備せしめた静電容量型加速度計を構成した。

ここで、請求項４：請求項１ないし請求項３の内の何れかに記載される静電容量型加速度計において、静電容量型加速度計は絶縁材料より成る細長いペン型筆記具１の筐体１０内に収容保持されたものである静電容量型加速度計を構成した。

この発明による静電容量型加速度計は、絶縁材料より成る細長いペン型の固定パイプの表面に固定パイプの軸方向に延伸して細長片状の固定電極を形成し、固定パイプに管状可動電極或いは棒状可動電極を具備せしめて、可動電極の質量に作用する軸方或いはこれと直交する方向の加速度を、固定電極と可動電極との間に形成される静電容量の可動電極の変位に対応する変化から検出する構成を採用しており、センサ部自体の形状構造が立方体或いは平板に近い直方体とされる従来例とは異なり、ペンの筐体の如き細長の筐体に組み込むに好適な細長い構成のものである。従って、細長の筐体に組み込むに際して大き過ぎたり、加工コストおよび加工精度の確保に困難を来たし、小径のペン型入力装置に対して電極の面積が制限され、センサ部の性能および小型化に限界を生じたりするという問題は生じない。即ち、この発明による静電容量型加速度計は、センサ部の主要部を構成する固定電極および可動電極が細長いペン型の固定パイプに形成保持するものであるので、シャープペンシルの如き細長いペン型筆記具の筐体内に容易に組み込める構造が簡単で小型の静電容量型加速度計であるということができる。そして、静電容量型加速度計は、そのまま細長いペン型筆記具１の筐体１０内に容易に収容保持することができて、高精度の加速度および傾斜情報を得る筆記具兼用静電容量型加速度計を構成することができる。

この発明の実施の形態を図１の実施例を参照して説明する。図１（ａ）は実施例の全体を示す斜視図であり、図２（ｂ）は図１（ａ）の一部の詳細を示す斜視図である。

１はペン型の筆記具である。１０は絶縁材料より成る細長いペン型筆記具１の筐体を示す。１１は筐体１０の先端部、１２は後端部であり、後端部１２にはクリップ１３が取り付けられている。

２は筐体１０に収容保持される内部構造体である。内部構造体２は、一例として芯収納パイプを構成する固定パイプ２０と、固定パイプ２０に取り付け形成される加速度センサ部３０および芯繰り出し部２３より成る。加速度センサ部３０を取り付け形成する固定パイプ２０は絶縁材料より成る。２１は固定パイプの先端部である。この先端部２１の後端開口には固定パイプ２０の先端に取り付け固定される芯繰り出し部２３が配置され、これによりペン型筆記具１の芯１４が芯収納パイプの先端部２１から繰り出し保持される。

加速度センサ部３０は、固定パイプ２０の外側に同軸に嵌合固定される環状ストッパ３１、固定パイプ２０の外側に同軸に遊嵌される環状バネ３２、固定パイプ２０の外側に同軸に遊嵌される管状可動電極３３、固定パイプ２０の内表面にパイプの軸方向に延伸して形成される細長片状固定電極３４より成る。管状可動電極３３は固定パイプ２０の外側に同軸に遊嵌されて固定パイプ２０の軸方向に摺動変位することができる。細長片状固定電極３４は固定パイプ２０の内表面に軸方向に関してその幅を徐々に変化させた三角形状或いは台形状細長片に延伸形成される。３５、３５’は管状可動電極３３および細長片状固定電極３４より引き出される電極引き出し線を示す。環状ストッパ３１、環状バネ３２、管状可動電極３３は固定パイプ２０の先端側からこの順に固定パイプ２０に取り付け構成される。２２は固定パイプ２０の後端部を閉塞するキャップを示す。

ここで、ペン型筆記具１の筐体１０内に加速度センサ部３０を上述した通り筐体の軸方向に形成することにより、筐体１０の軸方向の加速度を検出する加速度計を構成することができる。即ち、図２を参照するに、管状可動電極３３の質量に作用する軸方向の加速度を、固定パイプ２０の内表面に形成される細長片状固定電極３４と固定パイプ２０の外側に同軸に遊嵌される管状可動電極３３とは固定パイプ２０の壁を介して対向しており、両者の間に形成される静電容量の管状可動電極３３の軸方向の変位に対応した変化に基づいて検出することができる。

図２（ａ）において、ペン型筆記具１は、或る初期状態から先端を水平面に位置せしめて立ち上げられて傾斜した状態に変位し、この図示された状態において管状可動電極３３の質量は傾斜角の正弦に比例する軸方向の成分を有して、管状可動電極３３のこの軸方向の成分と環状バネ３２を圧縮した反発力と釣り合った状態に立ち到る。この状態において、管状可動電極３３は細長片状固定電極３４の先端側の比較的幅の狭い小面積の領域に対向している。これに対して、図２（ｂ）の状態においても、ペン型筆記具１は或る初期状態から先端を水平面に位置せしめて立ち上げられて傾斜した状態に変位しているが、この傾斜角は図２（ａ）の場合と比較して小さく、従って管状可動電極３３の質量の軸方向の成分は小さく、この軸方向の成分に依っては環状バネ３２を僅かに圧縮して釣り合った状態が実現する。この状態において、管状可動電極３３は細長片状固定電極３４の後端側の比較的幅の広い大面積の領域に対向している。即ち、軸方向の加速度の大小に対応する静電容量の差を検出することができ、これに基づいて印加された加速度を求めることができる。

以上の実施例において、管状可動電極３３は細長片状固定電極３４に対して軸方向に関して常に全体的に対向する構成を採用していたが、細長片状固定電極３４の幅を軸方向に一定に形成し、この軸方向に一定幅の細長片状固定電極３４に対して管状可動電極３３を常に部分的に対向する構成とすることに依っても、対向する面積を管状可動電極３３の軸方向変位に対応して変化させて管状可動電極３３と細長片状固定電極３４との間の管状可動電極３３の軸方向変位に対応する容量変化を得ることができる。そして、以上の実施例において、細長片状固定電極３４を固定パイプ２０の外表面に形成しても実施することができる。この場合は、細長片状固定電極３４を含む固定パイプ２０の外表面を絶縁処理して固定電極と可動電極の相互接触による導通を防止する。

図３を参照して第２の実施例を説明する。第２の実施例は、加速度センサ部３０をペン型の筐体１０に収容保持してペン型の筐体１０の軸に垂直な方向の加速度を検出する加速度計である。

図３（ａ）を参照するに、加速度センサ部３０は、固定パイプ２０と、固定パイプ２０の内表面或いは外表面の周方向に関して互に対向する１方向の位置に形成される複数の固定電極３４、３４’と、固定パイプ２０の外側に嵌合固定されるストッパ３１と、固定パイプ２０の外側に遊嵌されると共に、バネ３２とストッパ３１とを介して固定パイプ２０に結合され、固定パイプ２０に対する傾斜運動する管状可動電極３３とを具備している。３４０は基準電極であり、固定パイプ２０の内表面或いは外表面に、固定電極３４と他方の固定電極３４’との中間に位置決めして形成されている。管状可動電極３３の内径は芯収納パイプ２０の外径と比較して傾斜運動するに充分な大径に設定される。図３（ｂ）を参照するに、管状可動電極３３は固定電極３４、３４’および基準電極３４０から電気的に浮いており、これら三電極は図３（ｃ）に示される静電容量ｃ₃₄、ｃ₃₄'を形成する電気的等価回路を構成している。

ここで、管状可動電極３３の質量の余弦に比例する軸に垂直な方向の成分に起因する加速度を、複数の固定電極３４、３４’のそれぞれと管状可動電極３３との間に形成される静電容量ｃ₃₄、ｃ₃₄'の管状可動電極３３の傾斜に対応する変化に基づいて検出する。即ち、管状可動電極３３は、バネ３２により固定パイプ２０に弾性的に結合した状態で印加される加速度により固定パイプ２０に対して傾斜運動し、固定電極３４、３４’および基準電極３４０との間に図示される状態を採る。この状態において、管状可動電極３３は、固定電極３４については、固定電極３４の比較的に幅の広い領域に接近対向すると共に比較的に幅の狭い領域に離隔対向している。これに対して、管状可動電極３３は固定電極３４’については、固定電極３４’の比較的に幅の狭い領域に接近対向すると共に比較的に幅の広い領域に離隔対向している。以上のことから、結局、管状可動電極３３と固定電極３４との間に形成される静電容量ｃ₃₄は、管状可動電極３３と固定電極３４’との間に形成される静電容量ｃ₃₄'と比較して大となる。これに依り、管状可動電極３３の質量に作用する軸に垂直な方向の加速度を、複数の細長片状固定電極３４、３４’と管状可動電極３３との間に形成される静電容量３４、３４’の管状可動電極３３の傾斜に対応する変化から検出する。

複数の固定電極は、固定パイプ２０の軸に関して互いに直交するｘ−ｙ２方向のそれぞれに互いに対向する位置に２対形成して加速度或いは傾斜を検出する構成として全方向の加速度或いは傾斜を検出する構成とすることができ、これを第２の実施例の変形例とすることができる。そして、複数の固定電極は、これを固定パイプ２０の外表面に形成した場合は、固定電極３４を含む固定パイプ２０の外表面を絶縁処理して固定電極と可動電極の相互接触による導通を防止する。

細長片状の固定電極３４、３４’を軸方向に関して徐徐に幅を変化させた三角形状或いは台形状とすることにより、管状可動電極３３の移動について、これを支持するバネ３２の近傍の部分と比較して遠方の部分の変位はより大きく、検出対象の加速度をより敏感に検出することができるに到る。

図４を参照して第３の実施例を説明する。

図４に示される第３の実施例も、第２の実施例と同様に、加速度センサ部３０をペン型の筐体１０に収容保持してペン型の筐体１０の軸に垂直な方向の加速度を検出する加速度計である。

加速度センサ部３０は、固定パイプ２０と、固定パイプ２０の外表面或いは内表面の周方向に関して互に異なる位置に形成される複数の固定電極３４、３４’ および基準電極３４０と、固定パイプ２０の内側に嵌合固定されるストッパ３１と、固定パイプ２０の内側に収容されるとともに上記複数の細長片状固定電極３４、３４’および基準電極３４０から電気的に浮いた棒状可動電極３３’と、棒状可動電極３３’を固定パイプ２０に対して弾性結合して固定パイプ２０に対して傾斜運動せしめる金属およびゴムの如き弾性体より成るバネ３２とを具備している。棒状可動電極３３’の外径は芯収納パイプ２０の内径と比較して傾斜運動するに充分な小径に設定される。

ここで、棒状可動電極３３’の質量の余弦に比例する軸に垂直な方向の成分に起因する加速度を、複数の細長片状固定電極３４、３４’と棒状可動電極３３’との間に形成される静電容量の棒状可動電極３３’の傾斜に対応する変化から、上記複数の細長片状固定電極３４、３４’および基準電極３４０のそれぞれに接続される電極引き出し線３５、３５’ および３５０を介して検出することができる。

複数の固定電極３４、３４’は、固定パイプ２０の軸に関して１方向に互いに対向する位置に１対形成して加速度或いは傾斜を検出する構成とすることができる。或いは、複数の固定電極３４、３４’は、固定パイプ２０の軸に関して互いに直交するｘ−ｙ２方向のそれぞれに互いに対向する位置に２対形成して加速度或いは傾斜を検出する構成して全方向の加速度或いは傾斜を検出する構成とすることができる。そして、複数の固定電極３４、３４’は、これを固定パイプ２０の内表面に形成した場合は、この固定電極３４、３４’、基準電極３４０を含む固定パイプ２０の内表面を絶縁処理して固定電極および基準電極と可動電極の相互接触による導通を防止する。

図５を参照して第４の実施例を説明する。

図５に示される第４の実施例も、第２、３の実施例と同様に、加速度センサ部３０をペン型の筐体１０に収容保持してペン型の筐体１０の軸に垂直な方向の加速度を検出する加速度計である。

図５により示される第４の実施例は、図４により図示説明された第３の実施例においてバネ３２を省略したものに相当する。これに依っても、棒状可動電極３３’の質量に作用する軸に垂直な方向の加速度を複数の細長片状固定電極３４、３４’と棒状可動電極３３’との間に形成される静電容量の棒状可動電極３３’の傾斜に対応する変化から検出することができる。

実施例を説明する図。図１の実施例の動作を説明する図。他の実施例を説明する図。更なる他の実施例を説明する図。図４の実施例の変形例を説明する図。従来例を説明する図。静電容量電圧変換回路の従来例を説明する図。傾斜スイッチの従来例を説明する図。

符号の説明

１筆記具１０筐体
１１先端部１２後端部
１３クリップ１４芯
２内部構造体２０固定パイプ
２１固定パイプの先端部２２キャップ
２３芯繰り出し部３０加速度センサ部
３１ストッパ３２バネ
３３管状可動電極３３’ 棒状可動電極
３４、３４’ 固定電極３４０基準電極
３５、３５’、３５０電極引き出し線

Claims

絶縁材料より成る細長いペン型の固定パイプと、固定パイプの内表面或いは外表面に固定パイプの軸方向に延伸して形成される複数の細長片状固定電極および基準電極と、固定パイプの内側に嵌合固定されるストッパと、固定パイプの内側に収容されるとともに上記複数の細長片状固定電極および基準電極から電気的に浮いた棒状可動電極とを具備し、
棒状可動電極の質量に作用する軸に垂直な方向の加速度を、複数の細長片状固定電極と棒状可動電極との間に形成される静電容量の棒状可動電極の傾斜に対応する変化から、上記複数の細長片状固定電極および基準電極のそれぞれに接続される電極引き出し線を介して検出することを特徴とする静電容量型加速度計。
請求項１に記載される静電容量型加速度計において、
細長片状固定電極は、固定パイプの軸に関して１方向に互いに対向する位置に１対形成し、或いは固定パイプの軸に関して互いに直交する２方向のそれぞれに互いに対向する位置に２対形成したことを特徴とする静電容量型加速度計。
請求項１および請求項２の内の何れかに記載される静電容量型加速度計において、
更に、棒状可動電極を固定パイプに対して弾性結合して固定パイプに対して傾斜運動せしめる金属およびゴムの如き弾性体より成るバネを具備せしめたことを特徴とする静電容量型加速度計。
請求項１ないし請求項３の内の何れかに記載される静電容量型加速度計において、
静電容量型加速度計は絶縁材料より成る細長いペン型筆記具の筐体内に収容保持されたものであることを特徴とする静電容量型加速度計。