JP2010127687A - 加速度センサ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 簡易な構造で製作が容易であり、かつ信頼性および加速度の検知の精度が高い加速度センサ装置を提供する。
【解決手段】 それぞれ１列に配列された複数の電極２ａ，２ｂが間に空間１を配して上下に対向してなる容量電極２と、空間１の両端に異なる極が対向し合うように配置された磁石４と、空間１内に磁石４と同じ極同士が対向し合うように収容された導電性の磁石からなる導体ブロック３とを具備する加速度センサ装置９である。加速度に応じた慣性力と磁石４との間で生じる磁力とが釣り合う位置で導体ブロック３が静止して容量電極２（電極２ａ，２ｂの間）に生じる静電容量を変化させるため、あらかじめ空間１内の位置に応じた磁力を検知しておくことにより、導体ブロック３の位置と導体ブロック３の質量とを基に加速度を容易に算出して検知することができる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、加速度の大きさに応じて容量電極間の静電容量が変化する機構を備え、この静電容量の変化により加速度を検知する加速度センサ装置に関するものである。

従来、加速度を検知するための加速度センサ装置として、加速度の大きさに応じて容量電極間の静電容量を変化させるようにした機構を備え、この静電容量の変化により加速度を検知するようにしたものが知られている（例えば、特許文献１，２を参照。）。

このような加速度センサ装置は、一般に、ビーム（梁）で支持されたマス部（重り部）と、マス部に対向して配置された固定電極とを備えている。マス部には固定電極に対向するように可動電極が形成されており、固定電極と可動電極とで構成される容量電極の間に静電容量が発生する。

そして、加速度センサ装置に加速度が生じると、加速度の大きさに応じてビームが撓み、容量電極の間の距離が変動して静電容量が変化する。この静電容量の変化を検知することにより、加速度センサ装置に生じている加速度、つまり加速度センサ装置が搭載された自動車等の機器の加速度が検知される。

このような加速度センサ装置は、通常、シリコン基板等の半導体基板にエッチング加工等の微細加工技術を適用して、ビーム部やマス部等の機械的な可動部分や容量電極等の電気配線部分を形成することにより製作されている。
特開2006−250910号公報 特開2007−85747号公報

しかしながら、従来の加速度センサ装置においては、ビーム部に折れ等の機械的な破壊が発生する可能性があるという問題点があった。特に、加速度の検知精度を高めるためにビーム部を薄くしたり、長くしたりすると、ビーム部の強度の低下や撓んだときに生じる応力の増加等を招くため、このような不具合が発生する可能性が高くなる。

また、このビーム部は半導体基板にエッチング加工等の微細加工技術を適用して製作するため、製作には高度な技術が必要であり、また加工精度を確保することが難しいという問題点があった。

本発明はこのような従来の問題点に鑑みて完成されたものであり、その目的は、簡易な構造で製作が容易であり、かつ信頼性および加速度の検知の精度が高い加速度センサ装置を提供することにある。

本発明の加速度センサ装置は、それぞれ１列に配列された複数の電極が間に空間を配して上下に対向してなる容量電極と、前記空間の両端に異なる極が対向し合うように配置された磁石と、前記空間内に両端の前記磁石と同じ極同士が対向し合うように収容された導電性の磁石からなる導体ブロックとを具備することを特徴とするものである。

また、本発明の加速度センサ装置は、上記構成において、前記空間が絶縁容器に形成され、前記容量電極が前記空間を挟んで配置されていることを特徴とするものである。

また、本発明の加速度センサ装置は、上記構成において、上下の前記容量電極が平行に配置されており、前記導体ブロックが前記容量電極に平行な上下面を有することを特徴とするものである。

また、本発明の加速度センサ装置は、１列に配列された複数の電極が間に空間を配して１つの電極と上下に対向してなる容量電極と、前記空間の両端に異なる極が対向し合うように配置された磁石と、前記空間内に両端の前記磁石と同じ極同士が対向し合うように収容された導電性の磁石からなる導体ブロックとを具備することを特徴とするものである。

また、本発明の加速度センサ装置は、上記各構成において、前記複数の電極は、隣接するもの同士の間隔が、前記導体ブロックを平面視したときの外形寸法よりも小さいことを特徴とするものである。

本発明の加速度センサ装置（第１の構成）によれば、それぞれ１列に配列された複数の電極が間に空間を配して上下に対向してなる容量電極と、前記空間の両端に異なる極が対向し合うように配置された磁石と、前記空間内に両端の前記磁石と同じ極同士が対向し合うように収容された導電性の磁石からなる導体ブロックとを具備することから、簡易な構造で製作が容易であり、かつ信頼性および加速度の検知の精度が高い加速度センサ装置を提供することができる。

すなわち、空間に加速度が生じたときに、加速度の大きさに応じた慣性力が導体ブロックに作用し、この慣性力により空間内を移動しようとする導体ブロックには空間の両端に配置した磁石との間に磁力が作用する。この磁力は、導体ブロックを構成する磁石と空間の両端の磁石とが、同じ極同士が対向し合っているので、慣性力により空間の一方の端に導体ブロックが近づくほど慣性力と反対方向に大きく作用するようになる。そして、この慣性力と磁力とが釣り合った位置（慣性力と磁力とが同じ大きさで逆方向になる位置）で導体ブロックが空間内において静止し、この位置で容量電極（上下の電極の間）に生じる静電容量を変化させる。そのため、空間のどの位置で、つまりどの程度の磁力を生じる位置（磁石と導体ブロックとの間の距離）で慣性力と磁力とが釣り合っているかを容易に検知することができる。したがって、例えばあらかじめ磁石および導体ブロックの磁束密度と互いに対向しあう面積とを測定して、磁石と導体ブロックとの間の距離に応じた磁力を検知しておくことにより、その静止位置（容量電極の位置）で導体ブロックに作用する慣性力を検知することができ、その慣性力および導体ブロックの質量から加速度の大きさを算出することができる。

このような加速度センサ装置は、上下に容量電極が配された空間内に導体ブロックが収容されているだけであるため、構造が簡易であり、半導体基板にビーム部等の微細な可動部分を形成するような微細加工は特に必要なく、製作が容易である。また、微細な可動部分を有していないので、加速度センサ装置としての機能を妨げるような機械的な破壊が生じ難く、信頼性が高い。また、容量電極（上下の電極の間）に生じる静電容量の変化を利用して、加速度に起因する慣性力を磁力の大きさとして高い精度で検知することができるため、加速度の検知の精度が高い。したがって、本発明の加速度センサ装置によれば、簡易な構造で製作が容易であり、かつ信頼性および加速度の検知の精度が高い加速度センサ装置を提供することができる。

また、本発明の加速度センサ装置は、空間が絶縁容器に形成され、容量電極が空間を挟んで配置されている場合には、絶縁容器内の空間に導体ブロックを封入するとともに、容量電極を、空間の上下に位置する絶縁容器の内部に形成することにより、次のような効果を得ることができる。

すなわち、導体ブロックを確実に空間内に収めておくことができるとともに、導体ブロックと容量電極との間に絶縁容器の一部が介在することによって、容量電極の導体ブロックとの直接の接触による磨耗や欠け等を効果的に防止することができる。また、絶縁容器に、隣接するもの同士の電気絶縁性を良好に確保して複数の電極を形成することができる。従って、この場合には、加速度センサ装置としての信頼性や生産性を向上させることができる。

また、本発明の加速度センサ装置は、上下の容量電極が平行に配置されており、導体ブロックが容量電極に平行な上下面を有する場合には、例えば導体ブロックが球状であるような場合に比べて、上下の容量電極の間に導体ブロックが介在したときに、容量電極の間の静電容量をより効果的に変化させることができる。そのため、静電容量の変化による加速度の検知がより確実な加速度センサ装置とすることができる。

また、本発明の加速度センサ装置（第２の構成）によれば、１列に配列された複数の電極が間に空間を配して１つの電極と上下に対向してなる容量電極と、空間の両端に異なる極が対向し合うように配置された磁石と、空間内に両端の磁石と同じ極同士が対向し合うように収容された導電性の磁石からなる導体ブロックとを具備することから、前述した第１の構成の場合と同様に、簡易な構造で製作が容易であり、かつ信頼性および加速度の検知の精度が高い加速度センサ装置を提供することができる。

また、この加速度センサ装置によれば、装置としての生産性を高めることが容易である。すなわち、容量電極は、一方が複数の電極であり、他方がこれら複数の電極と上下に対向している１つの電極であることから、複数の電極と１つの電極との間で多少の位置ずれが生じたとしても、複数の電極のそれぞれが１つの電極と対向している範囲であれば、個々の容量電極の対向し合う面積を所定の面積（複数の電極のそれぞれの面積）とすることができる。そのため、位置合わせを個々の容量電極毎に精密に行なう必要はなく、加速度センサ装置としての生産性を向上させる上で有効である。

したがって、本発明の加速度センサ装置によれば、簡易な構造で製作が容易であり、かつ信頼性および加速度の検知の精度が高く、生産性を高めることが容易な加速度センサ装置を提供することができる。

また、本発明の加速度センサ装置は、上記各構成において、複数の電極は、隣接するもの同士の間隔が、導体ブロックを平面視したときの外形寸法よりも小さい場合には、加速度の大きさに応じて移動した導体ブロックが、隣接する容量電極（複数の電極）の間に偶然に入り込み、いずれの容量電極においても静電容量の変化が生じないというようなことが効果的に防止される。そのため、加速度を生じているにもかかわらず、いずれの容量電極においても静電容量が変化せず、加速度を生じていないと誤検知されるようなことが効果的に防止され、より検知精度の高い加速度センサ装置とすることができる。

（第１の構成）
本発明の加速度センサ装置について、添付の図面を参照しつつ説明する。

図１（ａ）は、本発明の加速度センサ装置（第１の構成）の実施の形態の一例を示す平面図（透視図）であり、図１（ｂ）はそのＡ−Ａ線における断面図である。図１において、１は絶縁容器５の内部に設けられた空間、２は空間１を間に配して上下に対向する電極２ａ，２ｂからなる容量電極、３は空間１内に収容された導体ブロック、４は磁石、５は絶縁容器、９は加速度センサ装置である。なお、図１においてＮおよびＳは、それぞれ導体ブロック３および磁石４の磁極（Ｎ極およびＳ極）を示す。

加速度センサ装置９は、自動車やゲーム機，カメラの手振れ防止等の機器に搭載され、その機器の加速度を検知し、必要に応じてディスプレイ等の表示装置に電気信号を送って加速度の数値を表示させたり、その加速度センサ装置９が搭載された機器の停止等の制御を行なったりする機能を有する。

この加速度センサ装置９は、空間１の加速度に応じて移動する導体ブロック３の位置を容量電極２（電極２ａ，２ｂの間）の静電容量の変化により検知し、その位置を求めることで導体ブロック３に両端の磁石４から作用する磁力を基に加速度を算出するものである。

すなわち、この加速度センサ装置９によれば、空間１に加速度が加わったときに、その加速度に応じた慣性力と、同じ極同士が向かい合った導体ブロック３と両端の磁石４との間にそれぞれ生じる磁力とが導体ブロック３に作用する。導体ブロック３は、この慣性力と磁力（両端の磁石４との間の磁力の合力）とが釣り合った位置で空間１に対して静止し、この位置で容量電極２（電極２ａ，２ｂの間）に生じている静電容量を変化させる。

そのため、あらかじめ導体ブロック３の質量および導体ブロック３の位置に応じて磁石４と導体ブロック３との間に生じる磁力を検知しておくことにより、その静止位置（対応する容量電極２の位置）を検出することで導体ブロック３に作用する慣性力を検知することができ、その慣性力および導体ブロック３の質量から導体ブロック３に作用する加速度を算出することができる。

すなわち、導電性の磁石からなる導体ブロック３と磁石４との間に生じる磁力Ｆは、導体ブロック３および磁石４の互いに対向しあう面（Ｎ極またはＳ極）における磁束をφ（ｗｂ）とすると、周知のとおり、
Ｆ＝ｋ_ｍ×φ^２／ｒ^２（Ｎ）
である。なお、ｒは導体ブロック３と磁石４との（対向し合う面同士の）間の距離（ｍ）であり、比例定数ｋ_ｍは約6.3×10^４である。磁石４および導体ブロック３それぞれにおける磁束φは、導体ブロック３および磁石４の材質に応じて定まる磁束密度Ｂ（Ｗｂ／ｍ^２）と、導体ブロック３と磁石４とが対向しあう面積Ｓ（ｍ^２）とを測定して、Ｂ／Ｓを計算することで算出することができる。なお、実際の磁束密度は、ガウスメータのプローブを磁石４や導体ブロック３の磁束密度を測定しようとする面に近付けて測定することができる。

この場合、空間１の両端の磁石４を同じ材料および寸法で作製して、磁石４と導体ブロック３との間の磁束を空間１の両端側で同じにしておくと、導体ブロック３と空間１の両端の磁石４との間に生じるそれぞれの磁力は、導体ブロック３と磁石４との距離が同じであれば互いに同じ大きさになるので、加速度が生じていないときには空間１の中央に導体ブロック３が静止する。

そして、図２に示すように、加速度をａ、導体ブロック３の質量をｍ、加速度に応じた慣性力をＦ_１とすると、周知のように
Ｆ_１＝ｍ×ａ
であり、前述した静止位置における空間１の両端の磁石４との間に生じる磁力をそれぞれＦ_２およびＦ_３とし、Ｆ_２が大きくなる方向に導体ブロック３が移動したときには、慣性力Ｆ_１と、この慣性力Ｆ_１と同じ方向に作用する磁力Ｆ_３との合計が、慣性力と反対方向に作用する磁力Ｆ_２と釣り合うことになる。つまり、
Ｆ_１＝Ｆ_２−Ｆ_３＝ｍ×ａ
であり、
ａ＝（Ｆ_２−Ｆ_３）／ｍ
である。したがって、あらかじめ導体ブロック３の質量ｍおよび空間１の位置に応じた磁力を検知しておくことによって、導体ブロック３に作用する加速度ａを算出することができる。なお、図２は、本発明の加速度センサ装置９で加速度を検知する機構を模式的に示す断面図であり、絶縁容器５は省いている。図２において図１と同様の部位には同様の符号を付している。図２においても、ＮおよびＳは、それぞれ導体ブロック３および磁石４の磁極（Ｎ極およびＳ極）を示す。

例えば、両端の磁石４と導体ブロック３の対向する極における磁束が同じ（φ）であり、Ｆ_２が大きくなる方向に導体ブロック３がｐ（ｍ）移動したときには、加速度ａは、
ａ＝（6.3×10^４／ｍ）×（φ^２／（ｑ−ｐ）^２−φ^２／（ｑ＋ｐ）^２）
になる。なお、ｑは、導体ブロック３が空間１の中央に静止しているときの導体ブロック３と磁石４とのそれぞれの対向し合う面（磁極）同士の間の距離（ｍ）である。

上記の計算式で、導体ブロック３および磁石４を互いに異なる材料で作製した場合には、φ^２の代わりに、導体ブロック３および磁石４のそれぞれの極における磁束φ_１とφ_２との積を用いるようにすればよい。すなわち、導体ブロック３の極における磁束をφ_１とし、両端の磁石４の極における磁束を両方ともφ_２とすれば、加速度ａは、
ａ＝（6.3×10^４／ｍ）×（φ_１×φ_２／（ｑ−ｐ）^２−φ_１×φ_２／（ｑ＋ｐ）^２）
になる。

なお、図１では、空間１の左側の端に配置した磁石４のＮ極が空間１側を向くようにして、これに応じて、右側の磁石４のＳ極が空間１側を向き、導体ブロック３のＮ極が左側，Ｓ極が右側を向くようにしているが、これら全部が逆向きでもよい。

このような加速度センサ装置９は、上下に電極２ａ，２ｂが配された空間１内に導体ブロック３が収容されているだけであるため、構造が簡易であり、例えばビーム部等の微細な可動部分を形成する微細加工は特に必要はなく製作が容易である。また、微細な可動部分を有していないので、加速度センサ装置９としての機能を妨げるような機械的な破壊が生じにくく、信頼性が高い。また、容量電極２（電極２ａ，２ｂの間）に生じる静電容量の変化を利用して、加速度に起因する慣性力を磁石４から作用する磁力として高い精度で検知することができるため、加速度の検知の精度が高い。したがって、本発明の加速度センサ装置９によれば、簡易な構造で製作が容易であり、かつ信頼性および加速度の検知の精度が高い加速度センサ装置９を提供することができる。

空間１は、導体ブロック３を収容するためのものであり、収容した導体ブロック３が、空間１に生じた加速度に起因する慣性力と、磁石４との間に生じる磁力とに応じて内部を移動することができるような形状および寸法を有するものである。

この実施の形態の例において、空間１は、直方体状であり、長さ方向に直交する方向での断面（縦断面）が長方形状である。空間１は、縦断面が正方形状のものや角部分を円弧状に成形した四角形状，円形状，楕円形状等でもよい。

それぞれ対向し合う複数の電極２ａ，２ｂからなる容量電極２は、空間１を間に挟んで静電容量を生じるものであり、前述したように、間の空間１に導体ブロック３が介在して静電容量が変化することにより空間１内での導体ブロック３の位置を検知し、その位置を基に、空間１に作用している加速度を検知するためのものである。

容量電極２を構成する電極２ａ，２ｂは、加速度の大きさに応じた導体ブロック３の移動を静電容量の変化として検知し、これにより加速度の大きさを検知するものであるため、両端部から中央部に向けて、複数が１列に配列形成されている。

すなわち、容量電極２について、複数の電極２ａ，２ｂが配列されてなることから、どの電極２ａ，２ｂの間で静電容量が変化しているかを検知することにより、空間１内における導体ブロック３の位置を容易に、かつ確実に検知することができる。なお、容量電極２に生じる静電容量の変化は、例えば、容量電極２を構成する電極２ａ，２ｂの間の電位を測定して、電位の変化として検知することができる。

複数の電極２ａ，２ｂは、空間１の両方の端部方向で同様に加速度を検知することができるようにする場合には、中央部を挟んだ両端側で、同様の寸法，形状，隣接間隔で配列すること（いわゆる左右対称状であること）が好ましい。

容量電極２について、空間１の両端部のそれぞれから中央部にかけて配列する個数は、必要な加速度の測定精度や測定範囲等に応じて適宜設定すればよい。例えば、この実施の形態の例では、容量電極２は、空間１の両端部のそれぞれから中央部に向けて２個（２対）ずつ配列されるとともに空間１の中央部に１個配置されている。この容量電極２は、同様の形状，寸法の電極２ａ，２ｂが、空間１を間に配し、ほぼ等間隔で配列されて構成されている。この場合には、空間１に生じる加速度の大きさやその変化を、０ｋｍ／ｓ^２から測定可能な最大値まで直線的に検知する上で有効である。

なお、この場合、隣り合う容量電極２（電極２ａ，２ｂ）の両方の一部ずつに導体ブロック３が介在したときには、それぞれの容量電極２の静電容量の変化の割合を基にして、導体ブロック３の位置を算出し検知することもできる。導体ブロック３のうちどの程度の部分が電極２ａ，２ｂ間に介在しているかは、容量電極２において導体ブロック３の全体が電極２ａ，２ｂ間に介在したときに生じる静電容量の変化を基準にして、その基準に対してどの程度の割合であるかを検知することにより容易に算出することができる。例えば、導体ブロック３が四角柱状のとき、容量電極２（電極２ａ，２ｂの間）の静電容量の変化が、導体ブロック３の全体が電極２ａ，２ｂ間に介在したときに生じる静電容量の変化の約１／２であれば、導体ブロック３のうち平面視したときの半分程度が電極２ａ，２ｂ間に介在しているということが検知できる。

また、容量電極２は、必ずしも等間隔に配列する必要はなく、他の配列でもよい。例えば、中央部と両端部との間の１箇所ずつに容量電極２を配置して、この位置に対応する加速度が生じたときに静電容量が変化して信号が発信されるような構造でもよい。この場合、例えば、加速度センサ装置９が搭載されている機器に、あらかじめ定めた加速度が生じたことを示す警告の表示や停止等の作動を行なわせるような用途に有効である。

導体ブロック３は、空間１に生じた加速度と磁石４から加わる磁力とに応じて空間１内を移動し、その移動した部分に位置している上下の電極２ａ，２ｂの間の静電容量を大きくするためのものである。また、導体ブロック３は、導電性の磁石からなり、空間１の両端に配置した磁石４との間に磁力を生じるものである。この磁力４は、導体ブロック３と磁石４とが同じ極が対向しあうように配置されているので、互いの距離が近くなるほど反発しあう方向に大きくなる。

この導体ブロック３が収容された空間１に対して、上下の電極２ａ，２ｂの間の静電容量を測定し、静電容量の変化を検知することにより、導体ブロック３の位置、つまり慣性力と磁力（前述した磁力の合力）とが釣り合った位置を検知することができる。そして、あらかじめその位置において導体ブロック３に作用する磁力および導体ブロック３の質量を測定しておくことにより、慣性力を検知し加速度を算出することができる。

また、前述したように、両端の磁石４について同じ磁束密度を有するものとすれば、加速度が生じていないときや、生じていた加速度がなくなったときには、導体ブロック３が空間１の中央部に位置していたり戻ったりすることができるように設定することができる。この場合には、空間１に加速度が生じていないということを容易に検知することができる。空間１の中央部に導体ブロック３が位置しているということを検知するためには、例えば空間１の中央部に容量電極２を配置すればよい。

導体ブロック３は、慣性力が作用する方向（加速度が加わっているのと反対側の方向）に、磁力に反発しながら移動できるような形状および寸法で形成されて空間１内に収容されている。空間１内での導体ブロック３の移動は、空間１の下面上を、空間１の加速度に起因して作用する慣性力によって滑り、または転がることによるものである。

このような移動を容易とするために、導体ブロック３は、例えば三角柱状や四角柱状（直方体状）等の多角形の柱状や、円柱状，楕円柱状，球状等に形成されている。なお、導体ブロック３は、これらの形状であって上下面や側面等が湾曲しているものや、一部に凹凸部分が形成されているものでもよい。

また、導体ブロック３は、上下の電極２ａ，２ｂ間に介在して、その間に生じている静電容量を、検知が容易な程度に変化させること、および空間１の両端の磁石４との間で磁力を生じることができるような材料および寸法で形成されている。

導体ブロック３を形成する導体材料としては、強磁性の金属材料である鉄やニッケル，コバルト，エルビウム等の金属材料またはこれらの合金材料（鉄−ニッケル，鉄−コバルト等）を挙げることができる。これらの金属材料は、電気抵抗率が約10^−８Ω・ｍ以下であり、良好な導電性を有している。なお、合金材料の場合、これらの強磁性の金属材料以外の金属材料を含むもの（鉄−クロム−コバルト，サマリウム−コバルト，アルミニウム−ニッケル−鉄−コバルト，ネオジム−鉄−コバルト等）を用いることができる。

このような導体ブロック３が上下の電極２ａ，２ｂの間に介在したときには、この電極２ａ，２ｂからなる容量電極２に生じる静電容量が増加する。すなわち、容量電極２（電極２ａ，２ｂの間）に生じる静電容量Ｃは、周知のように、
Ｃ＝ε×Ｓ／ｄ
（ただし、εは対向する上下の電極２ａ，２ｂの間に介在する誘電体（空気等）の誘電率、Ｓは上下の電極２ａ，２ｂの対向し合う面積、ｄは対向する部分における上下の電極２ａ，２ｂの間の距離）
であり、この静電容量は、厚さｔの導体ブロック３が、対向する上下の電極２ａ，２ｂの間の全域にわたって介在したときには、ε×Ｓ／（ｄ−ｔ）に変化する。したがって、容量電極２に生じる静電容量Ｃは、上下の電極２ａ，２ｂの間に導体ブロック３が介在していない場合に比べて、最大で（ε×Ｓ／（ｄ−ｔ））／（ε×Ｓ／ｄ）＝ｄ／（ｄ−ｔ）倍に大きくなる。

このため、導体ブロック３の厚さは、上下に対向する電極２ａ，２ｂの間の静電容量を大きく変化させる上では空間１内において厚いほど好ましい。

この実施の形態の例において、導体ブロック３は、空間１の高さよりも若干低い薄さの四角柱状に形成されている。また、導体ブロック３は、平面視したときに、複数形成された電極２ａ，２ｂのそれぞれと同程度の外形寸法で形成されている。

導体ブロック３は、例えば、四角柱状の場合であれば、鉄−ニッケル合金等の原材料に、切削加工や研磨加工、エッチング加工等の金属加工を施して、所定の形状および寸法に加工することにより作製することができる。または、前述した強磁性の金属材料の粉末を磁場中で所定の形状に成形し、焼成して作製することもできる。

磁石４は、導体ブロック３との間で磁力を、導体ブロック３の移動とともに慣性力と反対方向に作用する大きさが大きくなるように生じさせる機能を有している。空間１に加速度が生じているときには、加速度に起因する慣性力に応じて空間１内を移動しようとする導体ブロック３に対して、移動する方向の磁石４から慣性力と逆向きに磁力が加わる。磁力は、導体ブロック３と磁石４との間の距離が小さくなるにつれて大きくなり、慣性力と磁力とが釣りあった位置で導体ブロック３が空間１に対して静止する。

このような磁石４としては、導体ブロック３を形成するために用いた磁石と同様の金属材料からなる磁石や、フェライト等の酸化物系材料からなる磁石を用いることができる。フェライト磁石材料としては、例えばＢａフェライト系（ＢａＯ・６Ｆｅ_２Ｏ_３）材料や、Ｓｒフェライト系（ＳｒＯ・６Ｆｅ_２Ｏ_３）材料を用いることができる。

磁石４は、その磁束密度が、想定される加速度の範囲において導体ブロック３に作用する慣性力と釣りあうような磁力を、導体ブロック３との間に生じるものであることが好ましい。

例えば、導体ブロック３の質量を20ｇ（20×10^−３ｋｇ）とし、想定される加速度ａ（20ｍ／ｓ^２）が作用したときに、導体ブロック３の移動距離ｐを３×10^−２ｍとし、導体ブロック３が空間１の中央に静止しているときの導体ブロック３と両端の磁石４それぞれとの距離ｑを５×10^−２ｍとする場合を例に挙げれば、以下のようになる。なお、導体ブロック３と磁石４とは同じ材料からなるものとする。

すなわち、前述したように、
ａ＝（6.3×10^４／ｍ）×（φ^２／（ｑ−ｐ）^２−φ^２／（ｑ＋ｐ）^２）
なので、
20＝（6.3×10^４／20×10^−３）×（φ^２／（５×10^−２−３×10^−２）^２−φ^２／（５×10^−２＋３×10^−２）^２）
より、
φ^２＝１／3.7×10^−８
になる。導体ブロック３と磁石４との対向しあう面積Ｓを１×10^−４ｍ^２（１ｃｍ^２）とすると、磁束密度Ｂは、
Ｂ×Ｓ＝φ
より、
Ｂ＝√（１／3.7）×10^−４／（１×10^-4）≒0.52（Ｗｂ／ｍ^２）
になる。つまり、この場合には、磁石４および導体ブロック３を、磁束密度が約0.52ｗｂ／ｍ^２程度の磁石を用いて作製すればよい。また、これよりも大きな加速度を検知する場合には、より磁束密度の大きな材料を用いればよく、小さい加速度を検知する場合には、より磁束密度の小さい材料を用いればよい。

なお、前述した導体ブロック３を構成する磁石や、空間１の両端の磁石４の材料の磁束密度Ｂ（Ｗｂ／ｍ^２）（20℃）は、金属データブック（金属学会編）によれば、鉄−ニッケルが約0.3〜0.38，鉄−クロム−コバルトが約1.2〜1.5，サマリウム−コバルトが約0.8〜1.1，アルミニウム−ニッケル−鉄−コバルトが約0.5〜1.3，ネオジム−鉄−コバルトが約0.8〜1.2，フェライト系材料が約0.2〜0.4程度である。

このような加速度センサ装置９は、例えばこの実施の形態の例のように、空間１が絶縁容器５に形成され、容量電極２（電極２ａ，２ｂ）が空間１を挟んで配置されている場合には、次のような効果がある。

すなわち、絶縁容器５内の空間１に導体ブロック３を封入するとともに、容量電極２を構成する複数の電極２ａ，２ｂのそれぞれを、空間１の上下に位置する絶縁容器５の内部に形成することにより、導体ブロック３を確実に空間１内に収めることができる。

また、導体ブロック３と容量電極２との間に絶縁容器５の一部が介在することにより、容量電極２の導体ブロック３との直接の接触による磨耗や欠け等を効果的に防止することができる。また、導体ブロック３を介して隣り合う電極２ａ（または２ｂ）同士が電気的に短絡し合うことを防止することができる。また、絶縁容器５に、隣接するもの同士の電気絶縁性を良好に確保して複数の電極２ａ，２ｂを形成することができる。したがって、この場合には、加速度センサ装置９としての信頼性や生産性を向上させることができる。

絶縁容器５は、この実施の形態の例では外形が直方体状であり、内部に同様の形状で寸法が小さい空間１が形成されているが、少なくとも、内部に導体ブロック３を収容するための空間１を設けることができる程度の外形寸法であれば、横方向に伸びる円柱状や楕円柱状等でもかまわない。また、例えばこの加速度センサ装置９を機器に搭載したり搬送したりする際の作業性や破損の抑制等を考慮して、絶縁容器５の外面の一部に凹凸を設けたり、角（稜）部分を面取りしたりしてもよい。

絶縁容器５は、酸化アルミニウム質焼結体（酸化アルミニウム質セラミックス）や窒化アルミニウム質焼結体，ムライト質焼結体，炭化珪素質焼結体，窒化珪素質焼結体，ガラスセラミック焼結体等のセラミック材料や、エポキシ樹脂，ポリイミド樹脂，アクリル樹脂等の樹脂材料、セラミック材料等の無機材料と樹脂材料との複合材料等の電気絶縁性の材料により形成されている。

この実施の形態の例において、絶縁容器５は、上面に凹部（符号なし）を有する絶縁基体５ａの上面に、平板状の蓋体５ｂが接合されて形成されている。絶縁基体５ａの凹部と蓋体５ｂとにより、導体ブロック３を収容する空間１が構成されている。なお、蓋体５ｂは、絶縁基体５ａの凹部と対向するような凹部（図示せず）を有しているものでもよい。

また、絶縁容器５（絶縁基体５ａ）のうち空間１の下面となる面は、導体ブロック３が滑って移動することを容易とするために、研磨加工（例えば、いわゆる鏡面研磨加工）を施して平滑度を高めておいてもよい。この場合、絶縁基体５ａを平板状とし、蓋体５ｂを下面側に凹部（図示せず）を有しているものとしておくと、空間１の下面に相当する、絶縁基体５ａの上面の研磨加工がより容易に行なえる。そのため、導体ブロック３の滑りによる移動が容易で、加速度の検知の精度が高い加速度センサ装置９の生産性を高める上で有効である。

絶縁容器５は、例えば、絶縁基体５ａおよび蓋体５ｂが酸化アルミニウム質焼結体からなる場合であれば、酸化アルミニウムの粉末を主成分とし、酸化ケイ素や酸化カルシウム等を添加してなる原料粉末を、有機溶剤，バインダとともにシート状に加工して複数のセラミックグリーンシートを作製し、積層した後焼成することにより、絶縁基体５ａおよび蓋体５ｂを作製し、その後、絶縁基体５ａと蓋体５ｂとをろう材や樹脂接着剤を介して接合することにより製作することができる。

また、絶縁容器５は、エポキシ樹脂やポリイミド樹脂等の樹脂材料からなる場合であれば、これらの樹脂材料の未硬化物を、金型を用いて所定の絶縁基体５ａや蓋体５ｂの形状に成型し、硬化させることにより絶縁基体５ａや蓋体５ｂを作製し、これらを樹脂接着剤で接合することにより製作することができる。

容量電極２を構成する複数の電極２ａ，２ｂは、例えば絶縁容器５の内部に、空間１を上下に挟むように形成されている。これらの電極２ａ，２ｂは、タングステンやモリブデン，マンガン，銅，銀，パラジウム，金，白金等の金属材料により形成される。このような金属材料は、メタライズ層やめっき層，金属箔，蒸着層等の形態で絶縁容器５の絶縁基体５ａや蓋体５ｂに被着される。

複数の電極２ａ，２ｂのそれぞれは、例えば、タングステンの金属ペーストを絶縁基体５ａや蓋体５ｂとなるセラミックグリーンシートに印刷しておいて、この印刷した金属ペーストが内部に位置するようにセラミックグリーンシートを積層することにより形成することができる。

なお、絶縁容器５には、容量電極２（複数の電極２ａ，２ｂ）から上面および下面にかけて、複数の電極２ａ，２ｂのそれぞれを外部の電気回路と電気的に接続するための導電路として配線導体（図示せず）を形成しておくことが好ましい。この配線導体の露出部分を外部の電気回路に接続して、上下の電極２ａ，２ｂの間の静電容量を測定することにより、静電容量の変化を検知して導体ブロック３の位置を検知し、前述したように導体ブロック３の位置を基にして空間１に生じている加速度つまり加速度センサ装置９の加速度を検知することができる。

この場合の外部の電気回路は、例えば、自動車やゲーム機，無端ベルト等の搬送用機器等の機器に実装される回路基板に形成されている。そして、加速度センサ装置９が部品として搭載されると、機器に生じる加速度を検知し、自動車の場合はカーブでのスピード調節を行なったり、ゲーム機の場合は加速度の大きさによりスクリーンにその加速度の大きさを表示したりすることができる。

なお、前述したような加速度の算出や、算出された加速度に応じた電気信号の解析や増幅等の処理を行なう電子部品（半導体集積回路素子やコンデンサ素子，インダクタ素子等）（図示せず）を、絶縁容器５の表面や内部に搭載するようにしてもよい。また、コンデンサ素子やインダクタ素子に相当する電気回路（図示せず）を、絶縁容器５の内部や表面に形成するようにしてもよい。これらの電気回路は、例えば、電極２ａ，２ｂを形成するのと同様の材料を用い、同様の方法で形成することができる。

また、この加速度センサ装置９は、容量電極２（容量電極２を構成する複数の電極２ａ，２ｂ）が上下平行に配置されており、導体ブロック３が容量電極２に平行な上下面を有する場合には、例えば導体ブロック３が球状であるような場合に比べて、容量電極２を構成する電極２ａ，２ｂの間に導体ブロック３が介在したときに、容量電極２（電極２ａ，２ｂの間）の静電容量をより効果的に変化させることができる。そのため、静電容量の変化の検知、およびその静電容量の変化に基づく加速度の算出がより確実な加速度センサ装置９とすることができる。

（第２の構成）
図３（ａ），（ｂ）は、それぞれ本発明の加速度センサ装置（第２の構成）の実施の形態の一例を示す平面図（透視図）および断面図である。図３において図１と同様の部位には同様の符号を付している。図３においても、ＮおよびＳは、それぞれ導体ブロック３および磁石４の磁極（Ｎ極およびＳ極）を示す。

この加速度センサ装置９’においては、容量電極２が、１列に配列された複数の電極２ｂと、この複数の電極２ｂの全体と空間１を間に配して上下に対向する１つの電極２ｃとにより構成されている。この容量電極２以外の部分については、第２の構成の加速度センサ装置９’は前述した第１の構成の加速度センサ装置９と同様であり、以下、この同様の部分についての説明は省略する。

このような加速度センサ装置９’によれば、前述した加速度センサ装置９と同様の効果を得ることができる。すなわち、この加速度センサ装置９’によれば、空間１に加速度が加わったときに、その加速度に応じた慣性力と、慣性力で移動しようとする導体ブロック３に反発する磁力（両端の磁石４との間の磁力の合力）とが導体ブロック３に作用する。導体ブロック３は、この慣性力と磁力とが釣り合った位置で空間１に対して静止し、この位置で容量電極２（電極２ｂのそれぞれと電極２ｃとの間）に生じている静電容量を変化させる。

そのため、あらかじめ導体ブロック３の質量および導体ブロック３の位置に応じた磁力を検知しておくことにより、その静止位置（電極２ｂの位置）で導体ブロック３に作用する慣性力を検知することができ、その慣性力および導体ブロック３の質量から導体ブロック３に作用する加速度を算出することができる。

このような加速度センサ装置９’は、上下に容量電極２（複数の電極２ｂと、複数の電極２ｂに対向する１つの電極２ｃ）が配された空間１内に導体ブロック３が収容されているだけであるため、構造が簡易であり、例えば半導体基板にビーム部等の微細な可動部分を形成するような微細加工は特に必要はなく、製作が容易である。また、微細な可動部分を有していないので、加速度センサ装置９’としての機能を妨げるような機械的な破壊が生じ難く、信頼性が高い。また、容量電極２（電極２ｂ，２ｃの間）に生じる静電容量の変化を利用して、加速度に起因する慣性力をあらかじめ検知しておいた磁力により高い精度で検知することができるため、加速度の検知の精度が高い。したがって、本発明の加速度センサ装置９’によれば、簡易な構造で製作が容易であり、かつ信頼性および加速度の検知の精度が高い加速度センサ装置９’を提供することができる。

この加速度センサ装置９’は、第１の構成の加速度センサ装置９と同様の材料を用い、同様の方法で製作することができ、また同様の用途に用いることができる。また、複数の電極２ｂと上下に対向する１つの電極２ｃも、電極２ｂと同様の金属材料を用いて、同様の方法により形成することができる。例えば、電極２ｃがタングステンのメタライズ層からなる場合であれば、タングステンの金属ペーストを絶縁容器５（この実施の形態の例であれば蓋体５ｂ）となるセラミックグリーンシートに印刷し、焼成することにより形成することができる。

また、この加速度センサ装置９’は、容量電極２は、一方が複数の電極２ｂであり、他方がその複数の電極２ｂに対向している１つの電極２ｃであることから、加速度の検知の精度が高い加速度センサ装置９’の生産性を向上させる上で効果がある。

すなわち、容量電極２は、一方が複数の電極２ｂであり、他方が複数の電極２ｂと上下に対向している１つの電極２ｃであることから、複数の電極２ｂと１つの電極２ｃとの間で多少の位置ずれが生じたとしても、複数の電極２ｂのそれぞれが１つの電極２ｃと対向している範囲であれば、個々の電極２ｂと電極２ｃとの対向し合う面積を所定の面積（複数の電極２ｂのそれぞれの面積）とすることができる。そのため、位置合わせを個々の容量電極２（２ｂ）毎に精密に行なう必要はなく、加速度センサ装置９’としての生産性を向上させる上で有効である。

したがって、この加速度センサ装置９’によれば、簡易な構造で製作が容易であり、かつ信頼性および加速度の検知の精度が高く、生産性を高めることが容易な加速度センサ装置９’を提供することができる。

また、前述した各構成の加速度センサ装置９，９’において、複数の電極２ａ，２ｂは、隣接するもの同士の間隔が、導体ブロック３を平面視したときの外形寸法よりも小さい場合には、慣性力と磁力とが釣り合う位置に移動した導体ブロック３が、隣接する容量電極２（電極２ａ，２ｂまたは電極２ｂ，２ｃ）の間に偶然に入り込み、いずれの容量電極２においても静電容量の変化が生じないというようなことが効果的に防止される。そのため、空間１に加速度が生じているにもかかわらず、いずれの容量電極２においても静電容量が変化せず、加速度が生じていないと誤検知されるようなことが効果的に防止され、より検知精度の高い加速度センサ装置９，９’とすることができる。

なお、このような加速度センサ装置９，９’は、例えば、まず、前述のようにして作製した絶縁基体５ａの両端に磁石４をそれぞれ接着剤等により接合し、次に、凹部内に導体ブロック３を入れた後、凹部を塞ぐようにして蓋体５ｂを絶縁基体５ａの上面に接合することにより製作（組立て）することができる。磁石４は、例えば樹脂材料からなる絶縁基体５ａの内部に、成型時に同時に埋め込んで配置してもよい。また、絶縁容器５の外側面に磁石４がはまるような磁石４用の凹部（図示せず）を設けて、その凹部内に磁石４をはめて接着するようにしてもよい。

また、蓋体５ｂと絶縁基体５ａとの接合は、例えば、有機樹脂接着剤やガラス，ろう材等の接合材を介して接合することにより行なうことができる。この場合、あらかじめ両者の接合面に金属層（図示せず）を形成しておき、この金属層の間をろう材で接合するようにしてもよい。なお、金属層は、容量電極２（電極２ａ，２ｂ，２ｃ）と同様の金属材料を用い、同様の方法で形成することができる。

なお、本発明は上記の実施の形態の例に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内であれば種々の変更は可能である。例えば、絶縁容器５の少なくとも一部をガラスやアクリル系樹脂，メタクリル系樹脂等の透光性の材料で形成しておいて、外側から導体ブロック３の位置を視認できるようにしておいてもよい。この場合には、空間１の加速度に応じて導体ブロック３が正常に移動しているか否かを容易に確認することができ、より高精度で、かつ点検の容易な加速度センサ装置９，９’とすることができる。

また、このような加速度センサ装置９，９’を２個、互いに水平に直交するようにして外部の機器に搭載し、直交する２方向（いわゆるＸ−Ｙ方向）の加速度成分を合成して水平方向の加速度の大きさを検知できるようにすることも可能である。

（ａ）は本発明の加速度センサ装置（第１の構成）の実施の形態の一例を示す平面図（透視図）であり、（ｂ）はそのＡ−Ａ線における断面図である。 本発明の加速度センサ装置により加速度を検知する機構を模式的に示す断面図である。 （ａ）は本発明の加速度センサ装置（第２の構成）の実施の形態の一例を示す平面図（透視図）であり、（ｂ）はそのＡ−Ａ線における断面図である。

符号の説明

１・・・・・空間
２・・・・・容量電極
２ａ・・・・電極
２ｂ・・・・電極
２ｃ・・・・１つの電極
３・・・・・導体ブロック
４・・・・・磁石
５・・・・・絶縁容器
５ａ・・・・絶縁基体
５ｂ・・・・蓋体
９，９’・・加速度センサ装置

Claims (5)

1. それぞれ１列に配列された複数の電極が間に空間を配して上下に対向してなる容量電極と、前記空間の両端に異なる極が対向し合うように配置された磁石と、前記空間内に両端の前記磁石と同じ極同士が対向し合うように収容された導電性の磁石からなる導体ブロックとを具備することを特徴とする加速度センサ装置。
2. 前記空間が絶縁容器に形成され、前記容量電極が前記空間を挟んで配置されていることを特徴とする請求項１記載の加速度センサ装置。
3. 上下の前記容量電極が平行に配置されており、前記導体ブロックが前記容量電極に平行な上下面を有することを特徴とする請求項１記載の加速度センサ装置。
4. １列に配列された複数の電極が間に空間を配して１つの電極と上下に対向してなる容量電極と、前記空間の両端に異なる極が対向し合うように配置された磁石と、前記空間内に両端の前記磁石と同じ極同士が対向し合うように収容された導電性の磁石からなる導体ブロックとを具備することを特徴とする加速度センサ装置。
5. 前記複数の電極は、隣接するもの同士の間隔が、前記導体ブロックを平面視したときの外形寸法よりも小さいことを特徴とする請求項１または請求項４記載の加速度センサ装置。

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