JP2975907B2

JP2975907B2 - 力・加速度・磁気の検出装置

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Publication number: JP2975907B2
Application number: JP9072692A
Authority: JP
Inventors: 和廣岡田
Original assignee: WAKOO KK
Current assignee: WAKOO KK
Priority date: 1997-03-10
Filing date: 1997-03-10
Publication date: 1999-11-10
Anticipated expiration: 2014-11-10
Also published as: JPH1026571A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は力検出装置、特に多
次元の各成分ごとに力を検出するのに適し、加速度や磁
気の検出にも適用しうる力検出装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】自動車産業や機械産業などでは、力、加
速度、磁気といった物理量を正確に検出できる検出装置
の需要が高まっている。特に、二次元あるいは三次元の
各成分ごとにこれらの物理量を検出しうる小型の装置が
望まれている。

【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力検出装置が提案さ
れている。この力検出装置の検出部に、重錘体を取り付
ければ、重錘体に加わる加速度を力として検出する加速
度検出装置が実現でき、磁性体を取り付ければ、磁性体
に作用する磁気を力として検出する磁気検出装置が実現
できる。

【０００４】たとえば、特許協力条約に基づく国際公開
第ＷＯ８８／０８５２２号公報および第ＷＯ８９／０２
５８７号公報には、上述の原理に基づく力検出装置、加
速度検出装置、磁気検出装置が開示されている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】一般に、ゲージ抵抗や
ピエゾ抵抗係数には温度依存性があるため、上述した検
出装置では、使用する環境の温度に変動が生じると検出
値が誤差を含むようになる。したがって、正確な測定を
行うためには、温度補償を行う必要がある。特に、自動
車などの分野で用いる場合、−４０℃〜＋１２０℃とい
うかなり広い動作温度範囲について温度補償が必要にな
る。

【０００６】また、上述した検出装置を製造するには、
半導体基板を処理する高度なプロセスが必要になり、イ
オン注入装置などの高価な装置も必要になる。このた
め、製造コストが高くなるという問題がある。

【０００７】そこで本発明は、温度補償を行うことな
く、力、加速度、磁気などの物理量を検出することがで
き、しかも安価に供給しうる検出装置を提供することを
目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】(1) 本発明の第１の態
様は、力検出装置において、装置筐体と、この装置筐体
に固定された固定基板と、この固定基板に対向する位置
に設けられた変位基板と、外部からの力を受け、この力
を変位基板に伝達することにより変位基板を変位させる
作用体と、固定基板と変位基板との間に位置する圧電素
子と、変位基板と圧電素子との間に形成された変位電極
と、固定基板と圧電素子との間に形成された固定電極
と、を設け、圧電素子が、変位基板の変位に基づいて加
えられる圧力を電気信号に変換し、この電気信号を変位
電極および固定電極間の電圧値として出力する機能を果
たし、変位電極または固定電極のいずれか一方、あるい
は双方を、一方の電極形成面上で直交する第１の軸およ
び第２の軸について両軸の交点を原点としたときに、各
軸のそれぞれ正および負方向に配された互いに電気的に
独立した４組の局在電極およびこの４組の局在電極とは
電気的に独立した５組目の局在電極により構成し、この
５組の局在電極とこれらに対向する電極とによって、そ
れぞれ５つのグループの検出素子を形成し、５つのグル
ープの検出素子のうち第１の軸上にある２つのグループ
に属する検出素子から出力される電圧値の差によって、
第１の軸方向成分の力を検出し、５つのグループの検出
素子のうち第２の軸上にある２つのグループに属する検
出素子から出力される電圧値の差によって、第２の軸方
向成分の力を検出し、５つのグループの検出素子のうち
第５組目の局在電極を用いた検出素子から出力される電
圧値によって、第１の軸および第２の軸の双方に直交す
る第３の軸方向成分の力を検出するようにしたものであ
る。

【０００９】

【００１０】

【００１１】

【００１２】

【００１３】

【００１４】

【００１５】(2) 本発明の第２の態様は、上述の第１
の態様に係る検出装置において、作用体に作用する加速
度に基づいて発生する力を検出することにより、加速度
の検出を行い得るようにしたものである。

【００１６】(3) 本発明の第３の態様は、上述の第１
の態様に係る検出装置において、作用体を磁性材料によ
って構成し、この作用体に作用する磁力に基づいて発生
する力を検出することにより、磁気の検出を行い得るよ
うにしたものである。

【００１７】

【発明の実施の形態】以下、本発明を図示する実施形態
に基づいて詳述する。なお、本願は、特願平２−２７４
２９９号を原出願とする分割出願であるため、ここでは
説明の便宜上、原出願の実施形態についての説明を行っ
た後に、本分割出願の実施形態を述べることにする。

【００１８】§１．原出願に係る発明の基本的な実施形
態図１は、原出願に係る力検出装置の発明を、加速度検出
装置として用いた基本的な実施形態の構造を示す側断面
図である。この装置の主たる構成要素は、固定基板１
０、変位基板２０、作用体３０、そして装置筐体４０で
ある。図２(a) に、固定基板１０の下面図を示す。図２
(a) の固定基板１０をＸ軸に沿って切断した断面が図１
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、同じく円盤状の固定電極１１が形成され
ている。一方、図２(b) に、変位基板２０の上面図を示
す。図２(b) の変位基板２０をＸ軸に沿って切断した断
面が図１に示されている。変位基板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、四分円盤状の変位電極２１〜２
４が形成されている。作用体３０は、その上面が図２
(b) に破線で示されているように、円柱状をしており、
変位基板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および変位基
板２０の周囲を固着支持している。

【００１９】固定基板１０および変位基板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、変位基板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。いま、図１に示すように、作用体３０の重心に作
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１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。

【００２０】ここで、この装置全体をたとえば自動車に
搭載したとすると、自動車の走行に基づき作用体３０に
加速度が加わることになる。この加速度により、作用点
Ｐに外力が作用する。作用点Ｐに力が作用していない状
態では、図１に示すように、固定電極１１と変位電極２
１〜２４とは所定間隔をおいて平行な状態を保ってい
る。ところが、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は変位基板２０に対してモー
メント力を生じさせ、図３に示すように、変位基板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１１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。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１１との間隔、および変位電極２４と固定電極１
１との間隔、について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４に示すように、変
位電極２１〜２４のすべてが固定電極１１に接近するこ
とになり、逆向きの力−Ｆｚが作用した場合は、変位電
極２１〜２４のすべてが固定電極１１から遠ざかるよう
になる。

【００２１】ここで、各電極によって構成される容量素
子について考えてみる。図２(a) に示す固定基板１０の
下面と、図２(b) に示す変位基板２０の上面とは、互い
に対向する面となる。したがって、電極間の対向関係
は、変位電極２１〜２４のそれぞれが、固定電極１１の
各対向部分と向かい合うことになる。別言すれば、固定
電極１１は１枚の共通電極となるが、変位電極２１〜２
４はそれぞれ四分円の領域に局在する局在電極となる。
共通電極は１枚であっても、４枚の局在電極はそれぞれ
電気的に独立しているため、電気的特性に関しては、４
つのグループの容量素子が形成できる。第１のグループ
に属する容量素子は、Ｘ軸の負方向に配された変位電極
２１と固定電極１１との組み合わせであり、第２のグル
ープに属する容量素子は、Ｙ軸の正方向に配された変位
電極２２と固定電極１１との組み合わせであり、第３の
グループに属する容量素子は、Ｘ軸の正方向に配された
変位電極２３と固定電極１１との組み合わせであり、第
４のグループに属する容量素子は、Ｙ軸の負方向に配さ
れた変位電極２４と固定電極１１との組み合わせであ
る。いま、これらの各容量素子の静電容量をＣ１，Ｃ
２，Ｃ３，Ｃ４と表わすことにする。図１に示すよう
に、作用点Ｐに力が作用していない状態では、各容量素
子の電極間隔はいずれも同一の寸法に保たれており、静
電容量はいずれも標準値Ｃ０をとる。すなわち、Ｃ１＝
Ｃ２＝Ｃ３＝Ｃ４＝Ｃ０である。ところが、図３あるい
は図４に示すように、作用点Ｐに力が作用し、変位基板
２０に撓みが生じると、各容量素子の電極間隔は変化
し、その静電容量も標準値Ｃ０とは異なった値となる。
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、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。

【００２２】たとえば、図３に示すように、作用点Ｐに
Ｘ軸方向の力Ｆｘが作用すると、変位電極２１と固定電
極１１との間隔は遠ざかるため、Ｃ１＜Ｃ０となるが、
変位電極２３と固定電極１１との間隔は接近するため、
Ｃ３＞Ｃ０となる。このとき、変位電極２２および２４
と、固定電極１１との間隔は、部分的に接近し、部分的
に遠ざかるという状態になるため、両部分が相殺しあ
り、Ｃ２＝Ｃ４＝Ｃ０と静電容量に変化は生じない。一
方、図４に示すように、作用点ＰにＺ軸方向の力Ｆｚが
作用すると、変位電極２１〜２４と固定電極１１との間
隔はいずれも接近し、（Ｃ１〜Ｃ４）＞Ｃ０となる。こ
のように、作用する力の方向によって、４グループの容
量素子の静電容量の変化のパターンは異なる。

【００２３】図５は、この４グループの容量素子の静電
容量Ｃ１〜Ｃ４の変化のパターンを示す表である。この
表で、「０」は静電容量に変化がない（すなわち、標準
値Ｃ０のままの値をとる）ことを示し、「＋」は静電容
量が大きくなることを示し、「−」は静電容量が小さく
なることを示す。たとえば、図５のＦｘの欄は、図３に
示すように、作用点ＰにＸ軸方向の力Ｆｘが作用したと
きの各静電容量Ｃ１〜Ｃ４の変化を示しており、前述の
ように、Ｃ１は小さくなり、Ｃ３は大きくなり、Ｃ２お
よびＣ４は変化しない。このように、各静電容量の変化
のパターンに基づいて、作用した力の方向を認識するこ
とができる。また、変化の度合い（すなわち、静電容量
がどれほど大きく、あるいは小さくなったか）をみるこ
とにより、作用した力の大きさを認識することができ
る。

【００２４】図６に、作用した力を各軸方向成分ごとに
検出する基本回路を示す。変換器５１〜５４は、各容量
素子のもつ静電容量Ｃ１〜Ｃ４を、電圧値Ｖ１〜Ｖ４に
変換する回路で構成される。たとえば、ＣＲ発信器など
によって、静電容量値Ｃを周波数値ｆに変換し、続いて
周波数／電圧変換回路により、この周波数値ｆを更に電
圧値Ｖに変換するような構成をとればよい。もちろん、
静電容量値を直接電圧値に変換するような手段を用いて
もよい。差動増幅器５５は電圧値Ｖ１とＶ３との差をと
り、これを検出すべき力のＸ軸方向成分±Ｆｘとして出
力する回路である。図５のＦｘおよび−Ｆｘの欄を参照
すればわかるとおり、Ｘ軸方向成分±Ｆｘは、Ｃ１とＣ
３との差をとることによって求まる。また、差動増幅器
５６は電圧値Ｖ２とＶ４との差をとり、これを検出すべ
き力のＹ軸方向成分±Ｆｙとして出力する回路である。
図５のＦｙおよび−Ｆｙの欄を参照すればわかるとお
り、Ｙ軸方向成分±Ｆｙは、Ｃ２とＣ４との差をとるこ
とによって求まる。更に、加算器５７は電圧値Ｖ１〜Ｖ
４の和をとり、これを検出すべき力のＺ軸方向成分±Ｆ
ｚとして出力する回路である。図５のＦｚおよび−Ｆｚ
の欄を参照すればわかるとおり、Ｚ軸方向成分±Ｆｚ
は、Ｃ１〜Ｃ４の和をとることによって求まる。

【００２５】以上のような原理により、図２(a) および
図２(b) に示す各電極に所定の配線を施し、図６に示す
ような検出回路を構成すれば、作用点Ｐに作用した力を
三次元の各軸方向成分ごとに電気信号として検出するこ
とが可能である。すなわち、作用体３０に作用した加速
度を三次元の各軸方向成分ごとに電気信号として検出で
きる。各軸方向成分の検出は、全く独立して行われるた
め、他軸への干渉が起こらず、正確な検出が可能であ
る。また、検出値の温度依存性も無視しうる程度のもの
であり、温度補償のための処理は必要ない。しかも、基
板に電極を形成するだけの単純な構造で実現できるた
め、製造コストも安価である。

【００２６】なお、図６の検出回路は一例として示した
ものであり、この他の回路を用いてもかまわない。たと
えば、ＣＲ発振回路を用いて静電容量値を周波数値に変
換し、これをマイクロプロセッサに入力し、デジタル演
算によって三次元の加速度を求めるようにしてもよい。

【００２７】§２．各部の材質を示す実施形態続いて、上述した加速度検出装置を構成する各部の材質
について説明する。上述した原理による検出を行うため
に、材質の面では次のような条件を満たせばよい。 (1) 各電極が導電性の材質からなること。 (2) 各局在電極は電気的に互いに絶縁されているこ
と。 (3) 変位基板が作用体に作用した外力に基づいて変位
しうること。

【００２８】このような条件を満足する限り、どのよう
な材質を用いてもかまわないが、ここでは、実用的な材
質を用いた好ましい実施形態をいくつか述べることにす
る。

【００２９】図７に示す実施形態は、固定基板１０ａ、
変位基板２０ａ、作用体３０ａ、のすべてに金属を使用
した例である。変位基板２０ａと作用体３０ａとは一体
に形成されている。もちろん、これらを別々に作った
後、互いに接合するようにしてもよい。装置筐体４０
は、たとえば、金属やプラスチックなどで形成され、内
面に形成された支持溝４１に各基板の周囲を嵌合させて
固着支持している。固定基板１０ａ自身がそのまま固定
電極１１として機能するため、固定電極１１を別個に形
成する必要はない。変位電極２１ａ〜２４ａは、変位基
板２０ａが金属であるため、その上に直接形成すること
はできない。そこで、ガラスやセラミックといった材質
による絶縁層２５ａを介して、変位電極２１ａ〜２４ａ
を変位基板２０ａ上に形成している。なお、変位基板２
０ａに可撓性をもたせるためには、その厚みを小さくし
たり、波状にして変形しやすくすればよい。

【００３０】図８に示す実施形態は、固定基板１０ｂ、
変位基板２０ｂ、作用体３０ｂ、のすべてにガラスやセ
ラミックといった絶縁体を使用した例である。変位基板
２０ｂと作用体３０ｂとは一体に形成されている。装置
筐体４０は、金属またはプラスチックで形成され、内面
に形成された支持溝４１に各基板の周囲を嵌合させて固
着支持している。固定基板１０ｂの下面には、金属から
なる固定電極１１ｂが形成され、変位基板２０ｂの上面
には、金属からなる変位電極２１ｂ〜２４ｂが形成され
ている。変位基板２０ｂに可撓性をもたせるためには、
その厚みを小さくしてもよいし、ガラスやセラミックの
代わりに可撓性をもった合成樹脂を用いるようにすれば
よい。あるいは、部分的に貫通孔を設けることにより変
形しやすくしてもよい。

【００３１】図９に示す実施形態は、固定基板１０ｃ、
変位基板２０ｃ、作用体３０ｃ、のすべてにシリコンな
どの半導体を使用した例である。変位基板２０ｃと作用
体３０ｃとは一体に形成されている。装置筐体４０は、
金属またはプラスチックで形成され、内面に形成された
支持溝４１に各基板の周囲を嵌合させて固着支持してい
る。固定基板１０ｃの下面内部に位置する固定電極１１
ｃ、および変位基板２０ｃの上面内部に位置する変位電
極２１ｃ〜２４ｃは、不純物を高濃度で拡散することに
より形成されたものである。変位基板２０ｃに可撓性を
もたせるためには、やはりその厚みを小さくしたり部分
的に貫通孔を設ければよい。

【００３２】以上、各構成要素の材料として、金属、絶
縁体、半導体を用いた例を説明したが、各構成要素にこ
れらの材料の組み合わせを用いてもかまわない。

【００３３】§３．三軸方向成分を独立した電極で検
出する実施形態前述した基本的な実施形態では、図６に示すような検出
回路を示した。この検出回路では、±Ｆｘあるいは±Ｆ
ｙを検出するための容量素子と、±Ｆｚを検出するため
の容量素子と、は同一のものを兼用していた。別言すれ
ば、１枚の局在電極を兼用して用いることにより、二軸
の方向成分を検出していた。ここで述べる実施形態で
は、三軸方向成分を、全く独立した専用電極によって検
出している。図１０に、この実施形態で用いる変位基板
２０ｄの上面図を示す。図２(b) に示す基本的な実施形
態における変位基板２０と比べ、局在電極の形成パター
ンがやや複雑であり、合計で８枚の局在電極が形成され
ている。この８枚の局在電極は、基本的にはやはり４つ
のグループに分類される。第１のグループに属する局在
電極は、Ｘ軸の負方向に配された電極２１ｄと２１ｅで
あり、第２のグループに属する局在電極は、Ｙ軸の正方
向に配された電極２２ｄと２２ｅであり、第３のグルー
プに属する局在電極は、Ｘ軸の正方向に配された電極２
３ｄと２３ｅであり、第４のグループに属する局在電極
は、Ｙ軸の負方向に配された電極２４ｄと２４ｅであ
る。

【００３４】いま、図１０でドットによるハッチングを
施した４つの電極２１ｄ〜２４ｄのそれぞれと、これに
対向する固定電極１１との組み合わせからなる４つの容
量素子の静電容量をそれぞれＣ１〜Ｃ４とし、斜線によ
るハッチングを施した４つの電極２１ｅ〜２４ｅのそれ
ぞれと、これに対向する固定電極１１との組み合わせか
らなる４つの容量素子の静電容量をそれぞれＣ１′〜Ｃ
４′とする。そして、これら８つの容量素子について、
図１１に示すような検出回路を構成する。ここで、変換
器５１〜５４は、静電容量Ｃ１〜Ｃ４を電圧Ｖ１〜Ｖ４
に変換する回路であり、差動増幅器５５および５６は入
力した２つの電圧値の差を増幅して出力する回路であ
る。差動増幅器５５および５６が、それぞれ±Ｆｘおよ
び±Ｆｙの検出値を出力するのは、前述の基本的な実施
形態と同じである。この実施形態の特徴は、４つの静電
容量Ｃ１′〜Ｃ４′を並列接続し、変換器５８によって
これらの和に相当する電圧Ｖ５を発生させ、これを±Ｆ
ｚの検出値として出力する点である。この検出原理を、
図１０に示す局在電極について考えてみると、電極２１
ｄと２３ｄによって±Ｆｘが検出され、電極２２ｄと２
４ｄによって±Ｆｙが検出され、電極２１ｅ，２２ｅ，
２３ｅ，２４ｅによって±Ｆｚが検出されることにな
る。このように、三軸方向成分をそれぞれ別個独立した
電極で検出することができる。

【００３５】以上、説明の便宜上、電極２１ｅ〜２４ｅ
をそれぞれ独立した電極で構成した例を示したが、実際
には図１１の回路図から明らかなように、電極２１ｅ〜
２４ｅで構成される容量素子は並列接続される。したが
って、これら４枚の電極は可撓基盤２０ｄ上で一体形成
してもよい。

【００３６】本実施形態は、各軸方向成分ごとの検出感
度を調整する場合に便利である。たとえば、図１０にお
いて、図の斜線によるハッチングを施した電極２１ｅ，
２２ｅ，２３ｅ，２４ｅの面積を広くすれば、Ｚ軸方向
の検出感度を高めることができる。一般に、三軸方向成
分を検出することができる装置では、三軸それぞれの検
出感度がほぼ等しくなるように設計するのが好ましい。
この実施形態では、図１０の斜線によるハッチング領域
と、ドットによるハッチング領域と、の面積比を調整す
ることにより、三軸それぞれの検出感度をほぼ等しくす
ることが可能である。

【００３７】§４．電極の形成パターンを変えた実施
形態前述した基本的な実施形態では、図２(a) に示すよう
に、固定基板１０に形成される固定電極１１を１枚の共
通電極とし、変位基板２０に形成される変位電極を４枚
の局在電極２１〜２４としている。本発明は、このよう
な構成に限定されるものではなく、これと全く逆の構成
にしてもよい。すなわち、固定基板１０に形成される固
定電極１１を、４枚の局在電極とし、変位基板２０に形
成される変位電極を１枚の共通電極としてもよい。ある
いは、両基板に、それぞれ４枚ずつの局在電極を形成す
ることも可能である。また、１枚の基板に形成される局
在電極の数は、必ずしも４枚にする必要はない。たとえ
ば、８枚、１６枚の局在電極を形成してもよい。また、
図１２に示す変位基板２０ｆのように、２枚の局在電極
２１ｆおよび２３ｆのみを形成するようにしてもよい。
この場合、Ｙ軸方向成分についての検出はできないが、
Ｘ軸方向成分とＺ軸方向成分とからなる二次元について
の検出は可能である。更に、一次元についての検出のみ
を行うのであれば、両基板ともにそまた、電極の形状も
円や扇形に限らずどのような形状でもかまわない。各基
板も必ずしも円盤状である必要はない。

【００３８】§５．テスト機能をもった実施形態一般に、何らかの検出装置を量産して市場に流す場合、
出荷する前のテスト工程において、正常な検出動作を確
認する作業が行われる。前述した加速度検出装置でも、
出荷前にテストを行うのが好ましい。加速度検出装置を
テストするには、実際に加速度を加え、このときに出力
される電気信号を確認するのが一般的である。しかしな
がら、このようなテストには、加速度を発生させるため
の設備が必要となり、テスト系が大掛かりとなる。

【００３９】以下に述べる実施形態では、このような大
掛かりなテスト系を用いることなしに、出荷前のテスト
が可能になる。図１３は、このテスト機能をもった実施
形態に係る加速度検出装置の構造を示す側断面図であ
る。この装置の主たる構成要素は、固定基板６０、変位
基板７０、作用体７５、補助基板８０、そして装置筐体
４０である。図１４に、固定基板６０の下面図を示す。
図１４の固定基板６０をＸ軸に沿って切断した断面が図
１３に示されている。固定基板６０は、金属製の円盤状
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、ガラスなどの絶縁層６５を介して４枚の四
分円盤状の固定電極６１〜６４が形成されている。変位
基板７０は、可撓性をもった金属製の円盤であり、周囲
はやはり装置筐体４０に固定されている。この変位基板
７０の下面には、円柱状をした作用体７５が同軸接合さ
れている。変位基板７０の上面は、固定電極６１〜６４
に対向する１枚の変位電極を構成している。この実施形
態の特徴は、この他に、更に補助基板８０を設けた点で
ある。図１５に、この補助基板８０の上面図を示す。図
１５の補助基板８０をＸ軸に沿って切断した断面が図１
３に示されている。補助基板８０は、図示のとおり、中
央部に円形の貫通孔が形成された金属製の円盤状基板で
あり、周囲は装置筐体４０に固定されている。中央部の
貫通孔には、図１５に一点鎖線で示すように、作用体７
５が挿通する。補助基板８０の上面には、ガラスなどの
絶縁層８５を介して４枚の補助電極８１〜８４が形成さ
れている。なお、変位基板７０の下面は、この補助電極
８１〜８４に対向する１枚の補助電極を構成している。
このように、変位基板７０は、作用体７５と一体に形成
された金属塊であるが、その上面は、固定電極６１〜６
４に対向する１枚の変位電極として作用し、その下面
は、補助電極８１〜８４に対向する１枚の補助電極とし
て作用する。

【００４０】このような構成によれば、固定電極６１〜
６４と、これに対向する変位電極（変位基板７０の上
面）とによって、４組の容量素子が形成でき、これらの
静電容量の変化に基づいて、作用体７５に加わった加速
度を検出することができることは、前述のとおりであ
る。また、補助電極８１〜８４と変位電極（変位基板７
０の下面）とによって、４組の容量素子を形成し、加速
度を検出することもできる。この装置の特徴は、実際に
加速度を作用させることなしに、加速度が作用したのと
等価な状態をつくり出すことが可能な点である。すなわ
ち、各電極間に所定の電圧を印加すると、両者間にクー
ロン力が作用し、変位基板７０が所定方向に撓むことに
なる。たとえば、図１３において、変位基板７０と電極
６３とに異なる極性の電圧を印加すれば、両者間にクー
ロン力に基づく引力が作用し、変位基板７０と電極８１
とに異なる極性の電圧を印加すれば、両者間にやはりク
ーロン力に基づく引力が作用する。このような引力が作
用すれば、作用体７５に実際には何ら力が作用していな
くても、図３に示すようなＸ軸方向の力Ｆｘが作用した
ときと同じように変位基板７０が撓みを生じることにな
る。また、変位基板７０と電極８１〜８４に同じ極性の
電圧を印加すれば、両者間にクーロン力に基づく斥力が
作用し、作用体７５に実際には何ら力が作用していなく
ても、図４に示すようなＺ軸方向の力Ｆｚが作用したと
きと同じように変位基板７０が撓みを生じることにな
る。こうして、各電極に所定の極性の電圧を印加するこ
とにより、種々の方向の力が実際に作用したのと等価な
状態をつくり出すことが可能になる。したがって、実際
に加速度を加えることなしに、装置をテストすることが
できる。

【００４１】また、図１３に示す補助基板８０を付加し
た構造は、過度の加速度が加わった場合に、変位基板７
０が損傷することを防ぐことができるという二次的な効
果もある。変位基板７０は可撓性をもつ反面、過度の力
が加わると損傷する可能性がある。ところが、図１３に
示す構造によれば、過度の力が加わった場合でも、変位
基板７０の変位は所定の範囲内に制限されるため、損傷
に至るまでの過度の変位は生じない。すなわち、図１３
における横方向（ＸまたはＹ軸方向）に過度の加速度が
加わった場合、作用体７５の側面が、補助基板８０の貫
通孔の内面に当接するとともに、撓んだ変位基板７０の
上面または下面が固定電極６１〜６４または補助電極８
１〜８４に当接し、それ以上の変位は生じない。また、
図１３における上下方向（Ｚ軸方向）に過度の加速度が
加わった場合、撓んだ変位基板７０の上面または下面が
固定電極６１〜６４または補助電極８１〜８４に当接
し、それ以上の変位は生じない。

【００４２】図１６は、図１３に示す構造の加速度検出
装置を、具体的な装置筐体４０に収容した状態を示す側
断面図である。各電極と外部端子９１〜９３との間は、
ボンディングワイヤ９４〜９６により接続されている
（実際には、電気的に独立した電極は、それぞれ専用の
ボンディングワイヤにより、それぞれ専用の外部端子に
接続されるが、図では主要な配線のみを示してある）。
固定基板６０の上面は、装置筐体４０の内部天面に接合
されており、撓むことのないようにしっかりと保持され
ている。

【００４３】§６．圧電素子を利用した本発明に係る
実施形態これまで述べてきた種々の実施形態は、いずれも原出願
の発明に係る加速度検出装置の実施形態であり、加速度
に基づく力は変位電極と固定電極とで構成される容量素
子の静電容量値の変化として検出されるため、実用上
は、この静電容量値を電圧値などに変換する処理回路が
必要になる。これに対し、本願発明に係る加速度検出装
置は、容量素子の変わりに圧電素子を利用することによ
り、このような処理回路を不要にしたものである。

【００４４】図１７に、本発明に係る加速度検出装置の
一実施形態を示す。この実施形態の装置の基本的構成
は、前述した種々の実施形態と共通している。すなわ
ち、固定基板１０ｆと変位基板２０ｆとが対向して装置
筐体４０内に取り付けられている。この実施形態では、
両基板とも絶縁体となっているが、金属や半導体で構成
してもよい。作用体３０ｆに外力が作用すると、変位基
板２０ｆが撓むことになり、この結果、固定電極１１
ｆ，１２ｆとこれに対向する変位電極２１ｆ，２２ｆと
の距離が変化する。前述の実施形態では、両電極間距離
の変化を静電容量の変化として検出していたが、本実施
形態ではこれを電圧値として検出できる。そのために、
固定電極１１ｆ，１２ｆと変位電極２１ｆ，２２ｆとの
間に挟むように、圧電素子１０１，１０２を形成してい
る。両電極間距離が縮めば圧縮力が、伸びれば引張力
が、それぞれ圧電素子１０１，１０２に作用するので、
圧電効果によってそれぞれに応じた電圧が発生される。
この電圧は、両電極からそのまま取り出すことができる
ので、結局、作用した外力を直接電圧値として出力する
ことが可能になる。

【００４５】圧電素子１０１，１０２としては、例え
ば、ＰＺＴセラミックス（チタン酸鉛とジルコン酸鉛と
の固溶体）を用いることができ、これを両電極間に機械
的に接続しておけばよい。図１７には側断面のみが示さ
れているが、三次元の加速度を検出するには、図２(b)
に示す電極配置と同様に、４組の圧電素子を配すればよ
い。あるいは、図１０に示す電極配置と同様に８組（実
質的には、このうちＺ軸方向についての力を検出する４
組は１つにまとめることができる）の圧電素子を配して
もよい。また、二次元の加速度を検出するには、図１２
に示す電極配置と同様に２組の圧電素子を配すればよ
い。具体的な装置筐体４０に収容した場合も、図１６に
示す実施形態とほぼ同様の構成となるが、外部端子９１
〜９３からは直接電圧値が出力されることになる。

【００４６】図１７に示す本実施形態の二次的な効果
は、圧電素子１０１，１０２が変位基板２０ｆに対する
保護機能をもつ点である。すなわち、過度の力が加わっ
た場合でも変位基板２０ｆは圧電素子１０１，１０２の
存在により所定限度までしか撓みを生じないので、損傷
を受けることがない。また、前述したテスト機能をもっ
た実施形態と同様に、両電極間にクーロン力を作用させ
た擬似テストを行うことも可能である。

【００４７】要するに、本分割出願に係る発明は、原出
願に係る発明における容量素子を圧電素子を利用した検
出素子に置換したものであり、このような置換を行え
ば、§１〜§５までに述べてきた種々の実施形態を、本
分割出願に係る発明の実施形態として適用することがで
きる。

【００４８】§７．その他の実施形態以上、本発明をいくつかの実施形態に基づいて説明した
が、本発明はこれらの実施形態のみ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可能である。特
に、上述の実施形態では、作用体に加わる加速度を検出
する加速度検出装置に本発明を適用した例を示したが、
本発明の基本概念は、作用体に何らかの物理現象に基づ
いて作用する力を検出する機構にあり、加速度ではな
く、力を直接検出する装置にも勿論、適用可能である。
図１８は、図１６に示す加速度検出装置とほぼ同じ構造
をもつ力検出装置の側断面図である。装置筐体４０の下
面に貫通孔４２が形成され、この貫通孔４２には、作用
体７５から伸びた触子７６が挿通している。こうして、
触子７６の先端部に作用する力を直接検出することがで
きる。また、図１６に示す加速度検出装置において、作
用体７５を鉄、コバルト、ニッケルなどの磁性材料で形
成しておけば、磁界の中に置いたときに、作用体７５に
は磁気に基づく力が作用するため、磁気を検出すること
が可能になる。このように、本発明は磁気検出装置にも
適用しうるものである。

【００４９】

【発明の効果】以上のとおり本発明による力検出装置に
よれば、検出対象となる力によって変位する変位電極と
これに対向して固定された固定電極との間に挟まれた圧
電素子の出力、に基づいて力の検出を行うようにしたた
め、温度補償を行うことなく、力、加速度、磁気などの
物理量を検出することができる検出装置を安価に実現し
うるようになる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本願の原出願に係る発明の基本的な実施形態に
係る加速度検出装置の構造を示す側断面図である。

【図２】(a) は図１に示す装置における固定基板の下面
図、(b) は図１に示す装置における変位基板の上面図で
ある。

【図３】図１に示す装置にＸ軸方向の力Ｆｘが作用した
状態を示す側断面図である。

【図４】図１に示す装置にＺ軸方向の力Ｆｚが作用した
状態を示す側断面図である。

【図５】図１に示す装置における力検出原理を示す図表
である。

【図６】図１に示す装置に適用するための検出回路図で
ある。

【図７】図１に示す装置における各基板を金属材料によ
って構成した実施形態を示す図である。

【図８】図１に示す装置における各基板を絶縁材料によ
って構成した実施形態を示す図である。

【図９】図１に示す装置における各基板を半導体材料に
よって構成した実施形態を示す図である。

【図１０】図１に示す装置の変形例に係る加速度検出装
置の変位基板の上面図である。

【図１１】図１０に示す装置に適用するための検出回路
図である。

【図１２】二次元についてのみの検出を行う実施形態の
変位基板の上面図である。

【図１３】テスト機能をもった実施形態に係る加速度検
出装置の構造を示す側断面図である。

【図１４】図１３の装置における固定基板の下面図であ
る。

【図１５】図１３の装置における補助基板の上面図であ
る。

【図１６】図１３に示す構造の加速度検出装置を具体的
な装置筐体４０に収容した状態を示す側断面図である。

【図１７】本発明に係る圧電素子を利用した加速度検出
装置の一実施形態の構造を示す側断面図である。

【図１８】図１６に示す加速度検出装置とほぼ同じ構造
をもつ力検出装置の側断面図である。

【符号の説明】

１０…固定基板１１…固定電極２０…変位基板２１〜２４…変位電極２５…絶縁層３０…作用体４０…装置筐体４１…支持溝４２…貫通孔５１〜５４…変換器５５，５６…差動増幅器５７…加算器５８…変換器６０…固定基板６１〜６４…固定電極６５…絶縁層７０…変位基板７５…作用体７６…触子８０…補助基板８１〜８４…補助電極８５…絶縁層９１〜９３…外部端子９４〜９６…ボンディングワイヤ１０１，１０２…圧電素子Ｐ…作用点

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】装置筐体と、この装置筐体に固定された
固定基板と、この固定基板に対向する位置に設けられた
変位基板と、外部からの力を受け、この力を前記変位基
板に伝達することにより前記変位基板を変位させる作用
体と、前記固定基板と前記変位基板との間に位置する圧
電素子と、前記変位基板と前記圧電素子との間に形成さ
れた変位電極と、前記固定基板と前記圧電素子との間に
形成された固定電極と、を備え、前記圧電素子は、前記変位基板の変位に基づいて加えら
れる圧力を電気信号に変換し、この電気信号を前記変位
電極および前記固定電極間の電圧値として出力する機能
を有し、前記変位電極または前記固定電極のいずれか一方、ある
いは双方を、一方の電極形成面上で直交する第１の軸お
よび第２の軸について両軸の交点を原点としたときに、
各軸のそれぞれ正および負方向に配された互いに電気的
に独立した４組の局在電極およびこの４組の局在電極と
は電気的に独立した５組目の局在電極により構成し、こ
の５組の局在電極とこれらに対向する電極とによって、
それぞれ５つのグループの検出素子を形成し、前記５つのグループの検出素子のうち前記第１の軸上に
ある２つのグループに属する検出素子から出力される電
圧値の差によって、前記第１の軸方向成分の力を検出
し、前記５つのグループの検出素子のうち前記第２の軸上に
ある２つのグループに属する検出素子から出力される電
圧値の差によって、前記第２の軸方向成分の力を検出
し、前記５つのグループの検出素子のうち前記第５組目の局
在電極を用いた検出素子から出力される電圧値によっ
て、前記第１の軸および前記第２の軸の双方に直交する
第３の軸方向成分の力を検出するようにしたことを特徴
とする力検出装置。
【請求項２】請求項１に記載の検出装置において、作
用体に作用する加速度に基づいて発生する力を検出する
ことにより、加速度の検出を行い得るようにしたことを
特徴とする加速度検出装置。
【請求項３】請求項１に記載の検出装置において、作
用体を磁性材料によって構成し、この作用体に作用する
磁力に基づいて発生する力を検出することにより、磁気
の検出を行い得るようにしたことを特徴とする磁気検出
装置。