JP2538068Y2 - Acceleration detector - Google Patents

Acceleration detector

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JP2538068Y2
JP2538068Y2 JP1991043206U JP4320691U JP2538068Y2 JP 2538068 Y2 JP2538068 Y2 JP 2538068Y2 JP 1991043206 U JP1991043206 U JP 1991043206U JP 4320691 U JP4320691 U JP 4320691U JP 2538068 Y2 JP2538068 Y2 JP 2538068Y2
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displacement
diaphragm
substrate
acceleration
room
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和廣 岡田
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和廣 岡田
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Description

【考案の詳細な説明】[Detailed description of the invention]

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本考案は加速度検出装置、特に一
対の電極間の静電容量の変化に基づいて、作用した力を
検出する加速度検出装置に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an acceleration detecting device, and more particularly to an acceleration detecting device for detecting an applied force based on a change in capacitance between a pair of electrodes.

【0002】[0002]

【従来の技術】自動車産業や機械産業などでは、作用し
た力を正確に検出できる加速度検出装置の需要が高まっ
ている。特に、三次元の各成分ごとに作用した加速度を
検出しうる小型の装置が望まれている。
2. Description of the Related Art In the automobile industry, the machine industry, and the like, the demand for an acceleration detecting device capable of accurately detecting an applied force is increasing. In particular, there is a demand for a small device capable of detecting the acceleration acting on each of the three-dimensional components.

【0003】このような需要に応えるため、シリコンな
どの半導体基板にゲージ抵抗を形成し、外部から加わる
力に基づいて基板に生じる機械的な歪みを、ピエゾ抵抗
効果を利用して電気信号に変換する加速度検出装置が提
案されている。ただ、このようなゲージ抵抗を用いた検
出装置は、製造コストが高く、温度補償が必要であると
いう問題がある。そこで、特願平2−274299号明
細書において、静電容量の変化を利用した新規な加速度
検出装置が提案されている。この新規な加速度検出装置
では、固定基板上に形成された固定電極と、力の作用に
より変位を生じる変位電極と、によって容量素子が構成
され、この容量素子の静電容量の変化に基づいて、作用
した力の三次元成分のそれぞれが検出できる。また、特
願平2−416188号明細書には、この新規な加速度
検出装置の製造方法が開示され、特許協力条約に基づく
国際出願に係るPCT/JP91/00428号明細書
には、この新規な加速度検出装置の検査方法が開示され
ている。
In order to meet such demands, a gauge resistor is formed on a semiconductor substrate such as silicon, and mechanical strain generated in the substrate based on an externally applied force is converted into an electric signal using a piezoresistance effect. There has been proposed an acceleration detecting device which performs the following. However, such a detection device using a gauge resistor has a problem that the manufacturing cost is high and temperature compensation is required. In view of this, Japanese Patent Application No. 2-274299 proposes a novel acceleration detecting device utilizing a change in capacitance. In this novel acceleration detection device, a capacitance element is formed by a fixed electrode formed on a fixed substrate and a displacement electrode that generates displacement by the action of a force, and based on a change in capacitance of the capacitance element, Each of the three-dimensional components of the applied force can be detected. Further, Japanese Patent Application No. 2-416188 discloses a method of manufacturing the novel acceleration detecting device, and PCT / JP91 / 00428 pertaining to an international application based on the Patent Cooperation Treaty discloses this novel method. An inspection method for an acceleration detection device is disclosed.

【0004】[0004]

【考案が解決しようとする課題】しかしながら、上述し
た静電容量の変化を利用した新規な加速度検出装置に
は、堅牢性と高感度性とを両方ともに満足しうる装置を
製造するのが困難であるという問題がある。加速度検出
装置は、近年になって、特に自動車における需要が高ま
ってきており、高感度の加速度検出が可能であり、か
つ、堅牢性を備えた装置が望まれている。ところが、従
来提案されている加速度検出装置では、感度を向上させ
るためには、微小な加速度が作用しても撓みを生じるよ
うな構造が必要になり、堅牢性は逆に低下してしまうこ
とになる。
However, it is difficult to manufacture a new acceleration detecting device utilizing the above-mentioned change in capacitance, which can satisfy both robustness and high sensitivity. There is a problem that there is. In recent years, the demand for the acceleration detection device has been particularly increased in automobiles, and a device capable of detecting acceleration with high sensitivity and having robustness is desired. However, in order to improve the sensitivity of the conventionally proposed acceleration detection device, a structure is required to bend even when a small acceleration is applied, and the robustness is reduced. Become.

【0005】そこで本考案は、高感度の加速度検出が可
能であり、かつ、堅牢性を備えた加速度検出装置を提供
することを目的とする。
Accordingly, an object of the present invention is to provide an acceleration detecting device capable of detecting acceleration with high sensitivity and having robustness.

【0006】[0006]

【課題を解決するための手段】(1) 本願第1の考案
は、加速度検出装置において、中央部に貫通孔をもった
支持基板と、この支持基板の下面に接合され、内部に第
1の部屋を形成する下部筐体と、この支持基板の上面に
接合され、内部に第2の部屋を形成する上部筐体と、第
2の部屋内において、支持基板の上面に取り付けられた
ダイヤフラムと、第1の部屋内に、部屋の壁面と所定間
隔を保って収容された重錘体と、支持基板の貫通孔に挿
通し、一端が重錘体に接合され、他端がダイヤフラムの
下面に接合された接合部材と、ダイヤフラムの上面に接
合された変位基板と、を設け、重錘体に作用した加速度
を、変位基板と上部筐体内の所定の固定面との間の距離
の変化として検出しうるようにしたものである。
Means for Solving the Problems (1) In a first aspect of the present invention, in an acceleration detecting device, a support substrate having a through hole in a central portion, a first substrate joined to a lower surface of the support substrate, and a first substrate inside the support substrate. A lower housing forming a room, an upper housing joined to an upper surface of the support substrate to form a second room therein, and a diaphragm attached to an upper surface of the support substrate in the second room; A weight body housed in the first room at a predetermined distance from the wall surface of the room and inserted into a through hole of the support substrate, one end of the weight body is joined to the weight body, and the other end is joined to the lower surface of the diaphragm. Provided, and a displacement board joined to the upper surface of the diaphragm, and detects the acceleration acting on the weight as a change in the distance between the displacement board and a predetermined fixed surface in the upper housing. It was made to be able to get.

【0007】(2) 本願第2の考案は、上述の加速度検
出装置において、ダイヤフラムと変位基板との間に更に
上部筐体に固定された補助基板を設け、この補助基板に
形成した貫通孔を挿通する接合部材によって変位基板を
ダイヤフラムに間接的に接合し、変位基板と補助基板と
の間の距離の変化を考慮して、外部からの力を検出する
ようにしたものである。
(2) In the second invention of the present application, in the above-described acceleration detecting device, an auxiliary substrate fixed to an upper housing is further provided between the diaphragm and the displacement substrate, and a through hole formed in the auxiliary substrate is formed. The displacement board is indirectly joined to the diaphragm by a joining member to be inserted, and an external force is detected in consideration of a change in the distance between the displacement board and the auxiliary board.

【0008】[0008]

【作 用】本考案の加速度検出装置では、重錘体は第1
の部屋内において、接合部材によってダイヤフラムから
宙吊りの状態となる。重錘体に加速度が作用すると、ダ
イヤフラムの変形によって、重錘体が第1の部屋内で変
位する。重錘体と第1の部屋の壁面との間は所定間隔だ
け空けられている。したがって、重錘体の変位は、この
所定間隔を限度として制限される。このため、過度の加
速度が作用した場合であっても、重錘体の変位は限度を
越えることがなく、ダイヤフラムを破損から保護するこ
とができる。したがって、自動車に搭載した場合のよう
な過酷な環境下でも十分な堅牢性を確保できる。
[Operation] In the acceleration detecting device of the present invention, the weight body is the first.
In the room, the connecting member is suspended from the diaphragm. When acceleration acts on the weight, the weight is displaced in the first room due to deformation of the diaphragm. A predetermined interval is provided between the weight and the wall surface of the first room. Therefore, the displacement of the weight body is limited to the predetermined interval. Therefore, even when excessive acceleration acts, the displacement of the weight body does not exceed the limit, and the diaphragm can be protected from damage. Therefore, sufficient robustness can be ensured even in a severe environment such as when mounted on an automobile.

【0009】重錘体の変位は、ダイヤフラムに接合され
た変位基板にまで伝達される。変位基板150は、作用
した加速度の向きおよび大きさに応じただけの変位を生
じるため、上部筐体内の所定の固定面と変位基板との間
の距離の変化を、たとえば、静電容量の変化として検出
すれば、作用した加速度の向きおよび大きさの検出がで
きる。ダイヤフラムは、比較的微小な力の作用によって
も変形を生じるので、非常に感度の良い検出が可能であ
る。
[0009] The displacement of the weight body is transmitted to the displacement substrate joined to the diaphragm. Since the displacement substrate 150 generates displacement only in accordance with the direction and magnitude of the applied acceleration, a change in the distance between a predetermined fixed surface in the upper housing and the displacement substrate is caused by, for example, a change in capacitance. , It is possible to detect the direction and magnitude of the applied acceleration. Since the diaphragm is deformed by the action of a relatively small force, very sensitive detection is possible.

【0010】また、変位基板と補助基板との間の距離の
変化を考慮した検出を行うことにより、精度良い検出が
可能になる。
[0010] In addition, by performing detection in consideration of a change in the distance between the displacement substrate and the auxiliary substrate, accurate detection becomes possible.

【0011】[0011]

【実施例】以下、本考案を図示する実施例に基づいて説
明する。図1は本考案の一実施例に係る加速度検出装置
の側断面図である。支持基板100は、中央部に貫通孔
101を有する平板であり、端部にはねじ止め孔102
が形成されている。このねじ止め孔102内にねじを挿
通し、この装置を自動車などの被検査対象の所定位置に
固定する。支持基板100の下面には、下部筐体110
が接合されており、内部に第1の部屋R1が形成されて
いる。また、支持基板100の上面には、上部筐体12
0が接合されており、内部に第2の部屋R2が形成され
ている。この実施例の装置では、支持基板100、下部
筐体110、上部筐体120のいずれもが金属によって
構成されている。
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS The present invention will be described below based on an embodiment shown in the drawings. FIG. 1 is a side sectional view of an acceleration detecting device according to an embodiment of the present invention. The support substrate 100 is a flat plate having a through hole 101 at the center, and a screw hole 102 at the end.
Are formed. A screw is inserted into the screw hole 102, and the device is fixed at a predetermined position of an inspection object such as an automobile. A lower housing 110 is provided on the lower surface of the support substrate 100.
Are joined, and a first room R1 is formed inside. Further, on the upper surface of the support substrate 100, the upper housing 12 is provided.
0 are joined, and a second room R2 is formed inside. In the apparatus of this embodiment, each of the support substrate 100, the lower housing 110, and the upper housing 120 is made of metal.

【0012】第2の部屋R2内には、支持基板100の
上面に伏せるように椀状ダイヤフラム130が取り付け
られている。この実施例では、りん青銅によってダイヤ
フラム130を構成している。ダイヤフラム130は、
全体形状は椀状をしており、各部は波をうった構造とな
っている。このように波形をした椀状のダイヤフラムを
用いると、検出感度を高めるのに効果的である。感度が
低くて良い場合は、平板型のダイヤフラムを用いてかま
わない。第1の部屋R1内には、部屋の壁面と所定間隔
を保つように、重錘体140が収容されている。重錘体
140は、この実施例では円柱形状をしており、その側
面および底面は、所定間隔をおいて下部筐体110の内
壁によって囲まれており、上面は、支持基板100の下
面に対して所定間隔をおいて配されている。貫通孔10
1を挿通した接合部材141により、重錘体140はダ
イヤフラム130の下面中心部に接合されている。した
がって、重錘体140は、ダイヤフラム130の下面中
心部に宙吊りの状態となっている。
In the second room R2, a bowl-shaped diaphragm 130 is attached so as to face down on the upper surface of the support substrate 100. In this embodiment, the diaphragm 130 is made of phosphor bronze. The diaphragm 130 is
The whole shape is bowl-shaped, and each part has a wavy structure. The use of a bowl-shaped diaphragm having such a waveform is effective in increasing the detection sensitivity. If the sensitivity may be low, a flat diaphragm may be used. The weight 140 is accommodated in the first room R1 so as to keep a predetermined distance from the wall surface of the room. The weight body 140 has a columnar shape in this embodiment, and its side surface and bottom surface are surrounded by the inner wall of the lower housing 110 at a predetermined interval, and the upper surface is located on the lower surface of the support substrate 100. At predetermined intervals. Through hole 10
The weight body 140 is joined to the center of the lower surface of the diaphragm 130 by the joining member 141 through which the weight member 1 is inserted. Therefore, the weight body 140 is suspended from the center of the lower surface of the diaphragm 130 in the air.

【0013】重錘体140に加速度が作用すると、この
加速度による力が接合部材141を介してダイヤフラム
130へと伝達され、その結果、ダイヤフラム130が
変形を生じることになる。結局、重錘体140は、第1
の部屋R1内で加速度に基いて運動することになる。重
錘体140の運動を円滑にするために、本実施例の装置
では、第1の部屋R1と第2の部屋R2の空間部にダン
ピング用のオイルを充填してある。なお、各部屋内にオ
イルを完全に充填すると、オイルが熱膨張したときに外
部に漏れるおそれがある。したがって、実際には一部に
気体を封入するのが好ましい。
When acceleration acts on the weight body 140, the force due to the acceleration is transmitted to the diaphragm 130 via the joining member 141, and as a result, the diaphragm 130 is deformed. After all, the weight body 140 is the first
Exercise based on the acceleration in the room R1. In order to make the movement of the weight body 140 smooth, in the device of the present embodiment, the space portions of the first room R1 and the second room R2 are filled with damping oil. When the oil is completely filled in each room, the oil may leak to the outside when thermally expanded. Therefore, it is actually preferable to partially fill the gas.

【0014】重錘体140に作用した加速度に起因した
変位は、ダイヤフラム130から更に接合部材142を
介して変位基板150に伝達される。したがって、変位
基板150は、作用した加速度の向きおよび大きさに応
じただけの変位を生じる。そこで、上部筐体120内の
所定の固定面と変位基板150との間の距離の変化を検
出すれば、作用した加速度の向きおよび大きさの検出が
できる。
The displacement caused by the acceleration acting on the weight body 140 is transmitted from the diaphragm 130 to the displacement board 150 via the joining member 142. Therefore, the displacement substrate 150 generates displacement only in accordance with the direction and magnitude of the applied acceleration. Therefore, if the change in the distance between the predetermined fixed surface in the upper housing 120 and the displacement substrate 150 is detected, the direction and magnitude of the applied acceleration can be detected.

【0015】この装置では、この距離の変化を、静電容
量の変化として検出できるようにしている。すなわち、
変位基板150の上面に5枚の変位電極21〜25(図
1にはこのうち3枚のみが示されている)を形成し、上
部筐体120の内側底面には、絶縁層160を介して5
枚の固定電極11〜15(図1にはこのうち3枚のみが
示されている)を形成している。絶縁層160を形成し
たのは、前述のように、上部筐体120が金属からなる
ためである。この実施例では、変位基板150を絶縁体
で構成しているが、変位基板150を金属で構成した場
合には、絶縁層を介して変位電極21〜25を形成する
ことになる。このように、変位基板および固定基板から
なる電極対を5組形成しておけば、各電極対における静
電容量の変化に基づいて、電極間距離の変化を検出する
ことができる。すなわち、重錘体140に作用した加速
度を検出することができる。この検出原理については、
後に説明する。
In this device, this change in distance can be detected as a change in capacitance. That is,
Five displacement electrodes 21 to 25 (only three of them are shown in FIG. 1) are formed on the upper surface of the displacement substrate 150, and the inner bottom surface of the upper housing 120 is interposed with an insulating layer 160. 5
The fixed electrodes 11 to 15 (only three of them are shown in FIG. 1) are formed. The reason why the insulating layer 160 is formed is that the upper housing 120 is made of metal as described above. In this embodiment, the displacement substrate 150 is made of an insulator. However, when the displacement substrate 150 is made of a metal, the displacement electrodes 21 to 25 are formed via an insulating layer. As described above, if five pairs of electrodes including the displacement substrate and the fixed substrate are formed, a change in the distance between the electrodes can be detected based on a change in the capacitance of each electrode pair. That is, the acceleration acting on the weight body 140 can be detected. Regarding this detection principle,
It will be described later.

【0016】このような構造をもった加速度検出装置
は、かなりの堅牢性を有するとともに、感度の高い加速
度検出が可能である。重錘体140に加速度が作用する
と、ダイヤフラム130の変形によって、重錘体140
が第1の部屋内で変位する。重錘体140と第1の部屋
R1の壁面との間は所定間隔だけ空けられている。した
がって、重錘体140の変位は、この所定間隔を限度と
して制限される。たとえば、重錘体140が図の左右方
向に所定限度以上に変位しようとしても、下部筐体11
0の側面内壁に衝突するため、このような過度な変位を
行うことはできない。同様に、上方向に変位しようとし
ても、支持基板100の下面に衝突し、下方向に変位し
ようとしても、下部筐体110の底面内壁に衝突する。
このため、過度の加速度が作用した場合であっても、重
錘体140の変位は限度を越えることがなく、ダイヤフ
ラム130を破損から保護することができる。したがっ
て、自動車に搭載した場合のような過酷な環境下でも十
分な堅牢性を確保できる。
The acceleration detecting device having such a structure has considerable robustness and can detect acceleration with high sensitivity. When acceleration acts on the weight 140, the deformation of the diaphragm 130 causes the weight 140
Are displaced in the first room. A predetermined interval is provided between the weight 140 and the wall surface of the first room R1. Therefore, the displacement of the weight 140 is limited to the predetermined interval. For example, even if the weight body 140 is displaced in the horizontal direction in the drawing beyond a predetermined limit, the lower housing 11
Such an excessive displacement cannot be performed because of the collision with the inner wall of the 0 side surface. Similarly, even if it is displaced upward, it collides with the lower surface of the support substrate 100, and if it is displaced downward, it collides with the inner wall of the bottom surface of the lower housing 110.
Therefore, even when excessive acceleration acts, the displacement of the weight body 140 does not exceed the limit, and the diaphragm 130 can be protected from damage. Therefore, sufficient robustness can be ensured even in a severe environment such as when mounted on an automobile.

【0017】このように、ダイヤフラム130には、決
して過度の変位を生じるような力が加わることはないの
で、肉厚が薄く、微小な力に対しても可撓性を示す繊細
なダイヤフラムを用いても、破損の問題は生じない。し
たがって、このような繊細なダイヤフラムを用いること
により、高感度な検出が可能になる。本考案に係る加速
度検出装置の特徴は、このように、堅牢性をもち、か
つ、高感度な検出を行うことができる点である。
As described above, since a force that causes excessive displacement is never applied to the diaphragm 130, a delicate diaphragm having a small thickness and exhibiting flexibility even with a small force is used. However, no damage problem occurs. Therefore, by using such a delicate diaphragm, highly sensitive detection becomes possible. The feature of the acceleration detecting device according to the present invention is that it has robustness and can perform highly sensitive detection.

【0018】図2は、本考案の別な実施例に係る加速度
検出装置に用いるダイヤフラム135の上面図である。
このダイヤフラム135は、図1に示す椀状ダイヤフラ
ム130に、四分円状の貫通孔H1〜H4を形成したも
のである。すなわち、ダイヤフラム130の4か所を四
分円状にくりぬく加工を行えば、ダイヤフラム135が
得られる。4つの貫通孔H1〜H4を設けることによ
り、架橋部B1〜B4が形成される。接合部材142が
接合されている中心部は、この4つの架橋部B1〜B4
によって支持されることになるので、可撓性が更に高ま
り、より感度の高い検出が可能になる。なお、貫通孔H
1〜H4を開口したため、第1の部屋R1内のダンピン
グ用オイルは、重錘体140の変位にともない、この貫
通孔H1〜H4を通って第2の部屋R2に移動する。
FIG. 2 is a top view of a diaphragm 135 used in an acceleration detecting device according to another embodiment of the present invention.
This diaphragm 135 is formed by forming quadrant-shaped through holes H1 to H4 in the bowl-shaped diaphragm 130 shown in FIG. That is, if the four portions of the diaphragm 130 are cut out in a quadrant, the diaphragm 135 can be obtained. By providing the four through holes H1 to H4, bridge portions B1 to B4 are formed. The central part to which the joining member 142 is joined is the four bridging parts B1 to B4
, The flexibility is further increased, and more sensitive detection becomes possible. The through hole H
Since the openings 1 to H4 are opened, the damping oil in the first room R1 moves to the second room R2 through the through holes H1 to H4 with the displacement of the weight body 140.

【0019】図1に示す加速度検出装置は、三次元のす
べての方向についての加速度成分を検出することができ
る。この検出原理を、図3に示す単純なモデルで説明し
よう。図3に示すモデルの主たる構成要素は、固定基板
10、可撓基板20、作用体30、そして装置筐体40
である。図4に、固定基板10の下面図を示す。図4の
固定基板10をX軸に沿って切断した断面が図3に示さ
れている。固定基板10は、図示のとおり円盤状の基板
であり、周囲は装置筐体40に固定されている。この下
面には、扇状の固定電極11〜14および円盤状の固定
電極15が図のように形成されている。一方、図5に可
撓基板20の上面図を示す。図5の可撓基板20をX軸
に沿って切断した断面が図3に示されている。可撓基板
20も、図示のとおり円盤状の基板であり、周囲は装置
筐体40に固定されている。この上面には、扇状の変位
電極21〜24および円盤状の変位電極25が図のよう
に形成されている。作用体30は、その上面が図5に破
線で示されているように、円柱状をしており、可撓基板
20の下面に、同軸接合されている。装置筐体40は、
円筒状をしており、固定基板10および可撓基板20の
周囲を固着支持している。固定基板10および可撓基板
20は、互いに平行な位置に所定間隔をおいて配設され
ている。いずれも円盤状の基板であるが、固定基板10
は剛性が高く撓みを生じにくい基板であるのに対し、可
撓基板20は可撓性をもち、力が加わると撓みを生じる
基板となっている。このようなモデルの動作は、図1に
示す装置の動作と等価であることが理解できよう。
The acceleration detecting device shown in FIG. 1 can detect acceleration components in all three-dimensional directions. This detection principle will be described with a simple model shown in FIG. The main components of the model shown in FIG. 3 are a fixed substrate 10, a flexible substrate 20, an operating body 30, and a device housing 40.
It is. FIG. 4 shows a bottom view of the fixed substrate 10. FIG. 3 shows a cross section of the fixed substrate 10 of FIG. 4 cut along the X-axis. The fixed substrate 10 is a disk-shaped substrate as shown, and the periphery thereof is fixed to the device housing 40. On the lower surface, fan-shaped fixed electrodes 11 to 14 and a disk-shaped fixed electrode 15 are formed as shown in the figure. On the other hand, FIG. 5 shows a top view of the flexible substrate 20. FIG. 3 shows a cross section of the flexible substrate 20 of FIG. 5 cut along the X-axis. The flexible substrate 20 is also a disk-shaped substrate as shown, and the periphery thereof is fixed to the device housing 40. On this upper surface, fan-shaped displacement electrodes 21 to 24 and a disk-shaped displacement electrode 25 are formed as shown in the figure. The action body 30 has a columnar shape as shown by a broken line in FIG. The device housing 40 is
It has a cylindrical shape and fixedly supports the periphery of the fixed substrate 10 and the flexible substrate 20. The fixed substrate 10 and the flexible substrate 20 are provided at predetermined intervals at positions parallel to each other. Each of them is a disk-shaped substrate.
Is a substrate having high rigidity and hardly causing bending, whereas the flexible substrate 20 has flexibility and is a substrate which bends when a force is applied. It can be seen that the operation of such a model is equivalent to the operation of the device shown in FIG.

【0020】いま、図3に示すように、作用体30内に
作用点Pを定義し、この作用点Pを原点とするXYZ三
次元座標系を図のように定義する。すなわち、図3の右
方向にX軸、上方向にZ軸、紙面に対して垂直に紙面裏
側へ向かう方向にY軸、をそれぞれ定義する。可撓基板
20のうち、作用体30が接合された中心部を作用部、
装置筐体40によって固着された周囲部を固定部、これ
らの間の部分を可撓部、と呼ぶことにすれば、作用体3
0に外力が作用すると、可撓部に撓みが生じ、作用部が
固定部に対して変位を生じることになる。作用点Pに力
が作用していない状態では、図3に示すように、固定電
極11〜15と変位電極21〜25とは所定間隔をおい
て平行な状態を保っている。いま、固定電極11〜15
と、このそれぞれに対向する変位電極21〜25との組
み合わせを、それぞれ容量素子C1〜C5と呼ぶことに
する。ここで、たとえば、作用点PにX軸方向の力Fx
が作用すると、この力Fxは可撓基板20に対してモー
メント力を生じさせ、図6に示すように、可撓基板20
に撓みが生じることになる。この撓みにより、変位電極
21と固定電極11との間隔は大きくなるが、変位電極
23と固定電極13との間隔は小さくなる。作用点Pに
作用した力が逆向きの−Fxであったとすると、これと
逆の関係の撓みが生じることになる。このように力Fx
または−Fxが作用したとき、容量素子C1およびC3
の静電容量に変化が表れることになり、これを検出する
ことにより力Fxまたは−Fxを検出することができ
る。このとき、変位電極22,24,25のそれぞれと
固定電極12,14,15のそれぞれの間隔は、部分的
に大きくなったり小さくなったりするが、全体としては
変化しないと考えてよい。一方、Y方向の力Fyまたは
−Fyが作用した場合は、変位電極22と固定電極12
との間隔、および変位電極24と固定電極14との間
隔、についてのみ同様の変化が生じる。また、Z軸方向
の力Fzが作用した場合は、図7に示すように、変位電
極25と固定電極15との間隔が小さくなり、逆向きの
力−Fzが作用した場合は、この間隔は大きくなる。こ
のとき、変位電極21〜24と固定電極11〜14との
間隔も、小さくあるいは大きくなるが、変位電極25と
固定電極15との間隔の変化が最も顕著である。そこ
で、この容量素子C5の静電容量の変化を検出すること
により力Fzまたは−Fzを検出することができる。
Now, as shown in FIG. 3, an action point P is defined in the action body 30, and an XYZ three-dimensional coordinate system having the action point P as an origin is defined as shown in FIG. That is, the X axis is defined in the right direction in FIG. 3, the Z axis is defined in the upward direction, and the Y axis is defined in the direction perpendicular to the paper surface toward the back side of the paper surface. The central portion of the flexible substrate 20 to which the operating body 30 is joined is an operating portion,
The peripheral portion fixed by the device housing 40 is referred to as a fixed portion, and the portion therebetween is referred to as a flexible portion.
When an external force acts on 0, the flexible portion is bent, and the acting portion is displaced with respect to the fixed portion. In a state where no force acts on the action point P, as shown in FIG. 3, the fixed electrodes 11 to 15 and the displacement electrodes 21 to 25 are kept in parallel at a predetermined interval. Now, fixed electrodes 11 to 15
And the combination of the displacement electrodes 21 to 25 facing each other will be referred to as capacitance elements C1 to C5, respectively. Here, for example, a force Fx in the X-axis direction is applied to the point of action P.
When this acts, this force Fx generates a moment force on the flexible substrate 20, and as shown in FIG.
Will bend. Due to this bending, the distance between the displacement electrode 21 and the fixed electrode 11 increases, but the distance between the displacement electrode 23 and the fixed electrode 13 decreases. Assuming that the force applied to the point of action P is -Fx in the opposite direction, the bending in the opposite relationship to this occurs. Thus, the force Fx
Or when -Fx acts, the capacitance elements C1 and C3
Changes, the force Fx or −Fx can be detected by detecting the change. At this time, the distance between each of the displacement electrodes 22, 24, and 25 and each of the fixed electrodes 12, 14, and 15 may be partially increased or decreased, but may not be changed as a whole. On the other hand, when a force Fy or −Fy in the Y direction acts, the displacement electrode 22 and the fixed electrode 12
And the distance between the displacement electrode 24 and the fixed electrode 14 have the same change. Further, when the force Fz in the Z-axis direction acts, as shown in FIG. 7, the distance between the displacement electrode 25 and the fixed electrode 15 decreases, and when the force −Fz in the opposite direction acts, this distance becomes growing. At this time, the distance between the displacement electrodes 21 to 24 and the fixed electrodes 11 to 14 also becomes smaller or larger, but the change in the distance between the displacement electrode 25 and the fixed electrode 15 is most remarkable. Therefore, the force Fz or -Fz can be detected by detecting a change in the capacitance of the capacitive element C5.

【0021】一般に、容量素子の静電容量Cは、電極面
積をS、電極間隔をd、誘電率をεとすると、 C=εS/d で定まる。したがって、対向する電極間隔が接近すると
静電容量Cは大きくなり、遠ざかると静電容量Cは小さ
くなる。この加速度検出装置は、この原理を利用し、各
電極間の静電容量の変化を測定し、この測定値に基づい
て作用点Pに作用した外力を検出するものである。すな
わち、X軸方向の加速度は容量素子C1,C3の間の容
量変化に基づき、Y軸方向の加速度は容量素子C2,C
4の容量変化に基づき、Z軸方向の加速度は容量素子C
5の容量変化に基づき、それぞれ検出が行われる。
In general, the capacitance C of a capacitive element is determined by C = εS / d, where S is an electrode area, d is an electrode interval, and ε is a dielectric constant. Therefore, the capacitance C increases as the distance between the opposing electrodes decreases, and decreases as the distance increases. This acceleration detecting device utilizes this principle to measure the change in capacitance between the electrodes and detect an external force acting on the point of action P based on the measured value. That is, the acceleration in the X-axis direction is based on the capacitance change between the capacitance elements C1 and C3, and the acceleration in the Y-axis direction is the capacitance elements C2 and C3.
4 based on the capacitance change, the acceleration in the Z-axis direction
5, the detection is performed based on the capacitance change.

【0022】実際には、図8に示すような検出回路によ
り、各軸方向の力成分が検出される。すなわち、容量素
子C1〜C5の静電容量値を、それぞれCV変換回路5
1〜55によって電圧値V1〜V5に変換する。そし
て、X軸方向の力は、減算器61によって(V1−V
3)なる演算を行った差電圧として端子Txに得られ、
Y軸方向の力は、減算器62によって(V2−V4)な
る演算を行った差電圧として端子Tyに得られ、Z軸方
向の力は、そのまま電圧V5として端子Tzに得られ
る。
Actually, a force component in each axial direction is detected by a detection circuit as shown in FIG. That is, the capacitance values of the capacitance elements C1 to C5 are
The voltage values are converted into voltage values V1 to V5 by 1 to 55. Then, the force in the X-axis direction is calculated by the subtractor 61 as (V1-V
3) is obtained at the terminal Tx as a differential voltage obtained by performing the operation
The force in the Y-axis direction is obtained at the terminal Ty as a difference voltage obtained by performing the operation of (V2−V4) by the subtractor 62, and the force in the Z-axis direction is obtained as it is at the terminal Tz as the voltage V5.

【0023】続いて、もう1つ別な実施例をあげてお
く。図9に示す実施例は、図1の実施例を更に改良し、
Z軸方向(図の上下方向)の検出精度を高めたものであ
る。ダイヤフラム130と変位基板150とは、接合部
材142によって接続されており、この間に更に補助基
板170が設けられている。この補助基板170の中央
には貫通孔が形成されており、この貫通孔に接合部材1
42が挿通している。変位基板150の上面に形成され
た変位電極21〜25と固定電極11〜15とによっ
て、容量素子C1〜C5が構成される点は上述の実施例
と同様であるが、この実施例では更に、変位基板150
の下面に形成された変位電極26と補助基板170の上
面に形成された固定電極16とによって、容量素子C6
が構成されている。このような構成をもった検出装置で
は、Z軸方向の検出値は図10に示す回路によって得ら
れる。すなわち、容量素子C5,C6の容量値を、CV
変換回路55,56によって電圧値V5,V6に変換
し、減算器63によりその差V5−V6を求め、これを
Z軸方向の検出値とする。このようにZ軸方向の検出に
関しても差を用いるようにすれば、誤差要因が相殺さ
れ、より精度良い検出が可能になる。なお、この理由に
ついては、特許協力条約に基づく国際出願PCT/JP
91/00428号明細書の§4に詳述されている。
Next, another embodiment will be described. The embodiment shown in FIG. 9 further improves on the embodiment of FIG.
The detection accuracy in the Z-axis direction (vertical direction in the figure) is improved. The diaphragm 130 and the displacement board 150 are connected by a joining member 142, and an auxiliary board 170 is further provided between them. A through-hole is formed at the center of the auxiliary substrate 170, and the through-hole
42 is inserted. Capacitance elements C1 to C5 are configured by displacement electrodes 21 to 25 and fixed electrodes 11 to 15 formed on the upper surface of the displacement substrate 150 in the same manner as in the above-described embodiment. Displacement board 150
The capacitive element C6 is formed by the displacement electrode 26 formed on the lower surface of the auxiliary substrate 170 and the fixed electrode 16
Is configured. In the detection device having such a configuration, the detection value in the Z-axis direction is obtained by the circuit shown in FIG. That is, the capacitance values of the capacitance elements C5 and C6 are set to CV
The conversion circuits 55 and 56 convert the voltage values into V5 and V6, and the subtracter 63 calculates the difference V5-V6, which is used as the detection value in the Z-axis direction. If the difference is used for the detection in the Z-axis direction as described above, the error factor is canceled out, and more accurate detection becomes possible. The reason for this is explained in the international application PCT / JP based on the Patent Cooperation Treaty.
It is described in detail in §4 of the specification of US 91/00428.

【0024】以上、本考案を図示する実施例に基づいて
説明したが、本考案はこれらの実施例に限定されるもの
ではなく、この他にも種々の態様で実施できる。図1に
示す加速度検出装置における各部の形状は、設計上、自
由に変更しうるものであり、たとえば、重錘体140を
球にしたり、楕円体にしたりすることもできる。また、
電極の枚数および配置も、上述の実施例に限定されるも
のではない。上述の実施例では、5枚の固定電極と5枚
の変位電極とによって5組の容量素子を構成したが、一
方の電極を1枚の共通電極として用い、5組の容量素子
を構成してもかまわない。また、容量素子は必ずしも5
組必要なものでもない。4組の容量素子によって三次元
の加速度検出を行うことも可能である。また、二次元あ
るいは一次元の加速度検出を行うのであれば、2組ある
いは1組の容量素子で足る。また、変位基板150の変
位状態を検出するための方法は、容量素子による静電容
量の変化を検出する方法に限定されるものではない。た
とえば、図1に示す装置において、固定電極11〜15
と変位電極21〜25との間に、圧電素子を挿入するよ
うにすれば、この圧電素子の起電力によって電極間距離
の検出を行うことも可能である。
Although the present invention has been described based on the illustrated embodiments, the present invention is not limited to these embodiments, but can be implemented in various other modes. The shape of each part in the acceleration detecting device shown in FIG. 1 can be freely changed in design. For example, the weight 140 can be formed into a sphere or an ellipsoid. Also,
The number and arrangement of the electrodes are not limited to the above embodiment. In the above-described embodiment, five sets of capacitance elements are formed by five fixed electrodes and five displacement electrodes. However, one set of electrodes is used as one common electrode to form five sets of capacitance elements. It doesn't matter. The capacitance element is not necessarily 5
Neither is it necessary. It is also possible to perform three-dimensional acceleration detection by using four sets of capacitive elements. If two-dimensional or one-dimensional acceleration detection is performed, two or one set of capacitive elements is sufficient. Further, a method for detecting the displacement state of the displacement substrate 150 is not limited to a method for detecting a change in capacitance due to a capacitance element. For example, in the device shown in FIG.
When a piezoelectric element is inserted between the piezoelectric element and the displacement electrodes 21 to 25, the distance between the electrodes can be detected by the electromotive force of the piezoelectric element.

【0025】[0025]

【考案の効果】以上のとおり本考案による加速度検出装
置では、重錘体の変位を第1の部屋内に制限し、ダイヤ
フラムによってこの重錘体を宙吊りの状態とし、重錘体
に作用した加速度を検出するようにしたため、高感度の
加速度検出が可能であり、かつ、十分な堅牢性が確保で
きる。
As described above, in the acceleration detecting device according to the present invention, the displacement of the weight body is limited to the first room, the weight body is suspended by the diaphragm, and the acceleration acting on the weight body is reduced. Is detected, acceleration detection with high sensitivity is possible, and sufficient robustness can be ensured.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本考案の一実施例に係る加速度検出装置の側断
面図である。
FIG. 1 is a side sectional view of an acceleration detection device according to an embodiment of the present invention.

【図2】本考案の別な実施例に用いるダイヤフラムの上
面図である。
FIG. 2 is a top view of a diaphragm used in another embodiment of the present invention.

【図3】図1に示す加速度検出装置の動作を説明するた
めの単純なモデルの側断面図である。
FIG. 3 is a side sectional view of a simple model for explaining the operation of the acceleration detection device shown in FIG. 1;

【図4】図3に示すモデルにおける固定基板10の下面
図である。
4 is a bottom view of the fixed substrate 10 in the model shown in FIG.

【図5】図3に示すモデルにおける可撓基板20の上面
図である。
FIG. 5 is a top view of a flexible substrate 20 in the model shown in FIG.

【図6】図3に示すモデルに、X軸方向の力Fxが加わ
った状態を示す側断面図である。
FIG. 6 is a side sectional view showing a state where a force Fx in the X-axis direction is applied to the model shown in FIG. 3;

【図7】図3に示すモデルに、Z軸方向の力Fzが加わ
った状態を示す側断面図である。
7 is a side sectional view showing a state where a force Fz in the Z-axis direction is applied to the model shown in FIG. 3;

【図8】図1に示す加速度検出装置に用いる信号処理回
路を示す回路図である。
8 is a circuit diagram showing a signal processing circuit used in the acceleration detection device shown in FIG.

【図9】本考案の更に別な実施例に係る加速度検出装置
の側断面図である。
FIG. 9 is a side sectional view of an acceleration detecting apparatus according to another embodiment of the present invention.

【図10】図9に示す検出装置に用いる信号処理回路の
回路図である。
10 is a circuit diagram of a signal processing circuit used in the detection device shown in FIG.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

10…固定基板 11〜16…固定電極 20…可撓基板 21〜26…変位電極 30…作用体 40…装置筐体 51〜56…CV変換回路 61〜63…減算器 100…支持基板 101…貫通孔 102…ねじ止め孔 110…下部筐体 120…上部筐体 130,135…ダイヤフラム 140…重錘体 141,142…接合部材 150…変位基板 160…絶縁層 170…補助基板 B1〜B4…架橋部 H1〜H4…貫通孔 R1…第1の部屋 R2…第2の部屋 DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Fixed board 11-16 ... Fixed electrode 20 ... Flexible board 21-26 ... Displacement electrode 30 ... Working body 40 ... Device housing 51-56 ... CV conversion circuit 61-63 ... Subtractor 100 ... Support board 101 ... Penetration Hole 102: Screw hole 110: Lower housing 120: Upper housing 130, 135 ... Diaphragm 140: Weight body 141, 142 ... Joining member 150: Displacement board 160 ... Insulating layer 170 ... Auxiliary board B1-B4 ... Bridge section H1 to H4: through hole R1: first room R2: second room

Claims (2)

(57)【実用新案登録請求の範囲】(57) [Scope of request for utility model registration] 【請求項1】 中央部に貫通孔をもった支持基板と、前
記支持基板の下面に接合され、内部に第1の部屋を形成
する下部筐体と、前記支持基板の上面に接合され、内部
に第2の部屋を形成する上部筐体と、前記第2の部屋内
において、前記支持基板の上面に取り付けられたダイヤ
フラムと、前記第1の部屋内に、部屋の壁面と所定間隔
を保って収容された重錘体と、前記貫通孔に挿通し、一
端が前記重錘体に接合され、他端が前記ダイヤフラムの
下面に接合された接合部材と、前記ダイヤフラムの上面
に直接または間接的に接合された変位基板と、を備え、
前記重錘体に作用した加速度を、前記変位基板と前記上
部筐体内の所定の固定面との間の距離の変化として検出
しうるようにしたことを特徴とする加速度検出装置。
1. A support substrate having a through hole in a central portion, a lower housing joined to a lower surface of the support substrate to form a first room therein, and a lower housing joined to an upper surface of the support substrate, An upper housing forming a second room, a diaphragm attached to an upper surface of the support substrate in the second room, and a predetermined distance from a wall surface of the room in the first room. The weight member accommodated therein, inserted through the through hole, one end is joined to the weight body, the other end is joined to the lower surface of the diaphragm, and directly or indirectly to the upper surface of the diaphragm And a bonded displacement board,
An acceleration detecting device, wherein an acceleration acting on the weight body can be detected as a change in a distance between the displacement board and a predetermined fixed surface in the upper housing.
【請求項2】 請求項1に記載の加速度検出装置におい
て、ダイヤフラムと変位基板との間に更に上部筐体に固
定された補助基板を設け、この補助基板に形成した貫通
孔を挿通する接合部材によって前記変位基板を前記ダイ
ヤフラムに間接的に接合し、前記変位基板と前記補助基
板との間の距離の変化を考慮して、外部からの力を検出
するようにしたことを特徴とする加速度検出装置。
2. The acceleration detecting device according to claim 1, further comprising: an auxiliary substrate fixed to the upper housing between the diaphragm and the displacement substrate, and a joining member inserted through a through hole formed in the auxiliary substrate. Acceleration detection, wherein the displacement board is indirectly joined to the diaphragm by means of a diaphragm, and an external force is detected in consideration of a change in the distance between the displacement board and the auxiliary board. apparatus.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20160126901A (en) * 2015-04-24 2016-11-02 가부시키가이샤 호리바 에스텍 Micro-position gap sensor assembly

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR20160126901A (en) * 2015-04-24 2016-11-02 가부시키가이샤 호리바 에스텍 Micro-position gap sensor assembly
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