JP3040816B2 - 電極間距離の変化を利用して物理量を検出する装置における動作試験方法、およびこの方法を実施する機能を備えた物理量の検出装置 - Google Patents

電極間距離の変化を利用して物理量を検出する装置における動作試験方法、およびこの方法を実施する機能を備えた物理量の検出装置

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Description

【発明の詳細な説明】 技術分野 本発明は、電極間距離の変化を利用して、力、加速
度、磁気などの物理量を検出する装置において、その動
作を試験する方法に関し、更に、この動作試験方法を実
施する機能を備えた力、加速度、磁気などの物理量の検
出装置に関する。
背景技術 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。
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、重錐体を取り付ければ、重
錐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。た
とえば、米国特許第4905523号、同第4967605号、同第49
69366号には、本願発明者の発明に係る力、加速度、磁
気の検出装置が開示されている。
上述のピエゾ抵抗効果を利用した検出装置に代わっ
て、電極間距離の変化を利用した検出装置も提案されて
いる。たとえば、日本国特許出願 特願平２−274299号
明細書には、２枚の基板を対向させて配置し、それぞれ
の基板上に電極を形成した単純な構造の検出装置が開示
されている。この検出装置においては、検出対象となる
力、加速度、磁気などの物理量に基づいて一方の基板を
変位させ、この変位により両基板上に形成した電極間距
離を変化させ、これを両電極間の静電容量の変化として
検出している。あるいは、両電極間に圧電素子を挟んで
おき、電極間距離の変化をこの圧電素子が発生する電圧
として検出する方法も開示されている。一方の基板に外
力をそのまま作用させて変位を起こさせれば、作用した
外力を検出する力検出装置として機能する。また、一方
の基板に重錐体を接合しておき、この重錐体に作用した
加速度に基づいて基板を変位させれば、作用した加速度
を検出する加速度検出装置として機能する。更に、一方
の基板に磁性体を接合しておき、この磁性体に作用した
磁気に基づいて基板を変位させれば、作用した磁気を検
出する磁気検出装置として機能する。
一般に、何らかの物理量の検出装置を製品化する場
合、この検出装置が正しい検出信号を出力するか否かの
動作試験を行う必要が生じる。従来、このような動作試
験は、検出対象となる物理量を実際にその検出装置に作
用させ、そのときの検出信号を調べるという方法が採ら
れている。たとえば、加速度の検出装置であれば、実際
に所定の大きさの加速度を所定の方向から検出装置に作
用させ、そのときの検出信号が、与えた加速度に応じた
正しいものになっているか否かを判定することになる。
しかしながら、このような動作試験を行うには、専用の
試験設備が必要になり、試験作業も煩雑で時間のかかる
ものとなる。特に、専用の試験設備で試験できる数量が
限定され、生産性の低下を招くことになる。したがっ
て、このような従来の試験方法は、大量生産される装置
に対する動作試験としては不適当である。
本発明の第１の目的は、電極間距離の変化を利用して
物理量を検出する装置について、簡便な動作試験を行い
得る方法を提供することであり、第２の目的は、この簡
便な動作試験方法によって自己診断を行う機能をもった
検出装置を提供することである。
発明の開示 ＜動作試験方法＞ 本発明による動作試験方法は、外力の作用により変位
しうるように支持された変位電極と、この変位電極に対
向する位置において装置筐体に固定された固定電極と、
両電極間の距離の変化を電気信号として取り出す検出手
段と、を備え、外力に対応した物理量を電気信号として
検出する検出装置の動作試験を行うためのものであり、
次のような３つの方法に分けて把握することができる。
（１） 本発明による動作試験の第１の方法は、変位電
極に対向する位置において装置筐体に固定された試験電
極を更に設け、この試験電極と変位電極との間に所定の
電圧を印加し、この印加電圧に基づいて発生するクーロ
ン力により変位電極を変位させ、この変位状態において
検出手段が検出した電気信号を印加電圧と比較すること
により、この検出装置の動作を試験するようにしたもの
である。
（２） 本発明による動作試験の第２の方法は、変位電
極とともに変位しうるように支持された試験電極を更に
設け、この試験電極と固定電極との間に所定の電圧を印
加し、この印加電圧に基づいて発生するクーロン力によ
り変位電極を変位させ、この変位状態において検出手段
が検出した電気信号を印加電圧と比較することにより、
この検出装置の動作を試験するようにしたものである。
（３） 本発明による動作試験の第３の方法は、変位電
極とともに変位しうるように支持された第１の試験電極
と、この第１の試験電極に対向する位置において装置筐
体に固定された第２の試験電極と、を更に設け、第１の
試験電極と第２の試験電極との間に所定の電圧を印加
し、この印加電圧に基づいて発生するクーロン力により
変位電極を変位させ、この変位状態において検出手段が
検出した電気信号を印加電圧と比較することにより、こ
の検出装置の動作を試験するようにしたものである。
＜静電容量式検出装置への適用＞ 本発明によれば、上述の動作試験方法を、電極間隔の
変化を静電容量の変化として検出するタイプの物理量検
出装置に適用することにより、自己診断機能をもった以
下の３つの検出装置を実現できる。
（１） 第１の検出装置は、装置筐体に固定される固定
部と、外部からの力、加速度、磁気などの物理量の作用
に基づく力を受ける作用部と、固定部と作用部との間に
形成され可撓性をもった可撓部と、を有する可撓基板
と、 この可撓基板に対向するように、装置筐体に固定され
た固定基板と、 可撓基板の撓みによって変位が生じる位置に形成され
た変位電極と、 固定基板により固定され、変位電極に対向する位置に
形成された固定電極と、 変位電極に対向する位置において装置筐体に固定さ
れ、固定電極とは電気的に絶縁された試験電極と、 変位電極と固定電極との間に生じる静電容量の変化を
電気信号として出力する検出手段と、 試験電極と変位電極との間に所定の電圧を印加する電
圧印加手段と、 を備え、 検出手段の出力した電気信号に基づいて作用部に作用
した力を検出するとともに、検出手段の出力した電気信
号を電圧印加手段の印加した印加電圧と比較することに
より動作試験を行い得るようにしたものである。
（２） 第２の検出装置は、装置筐体に固定される固定
部と、外部からの力、加速度、磁気などの物理量の作用
に基づく力を受ける作用部と、固定部と作用部との間に
形成され可撓性をもった可撓部と、を有する可撓基板
と、 この可撓基板に対向するように、装置筐体に固定され
た固定基板と、 可撓基板の撓みによって変位が生じる位置に形成され
た変位電極と、 固定基板により固定され、変位電極に対向する位置に
形成された固定電極と、 変位電極とともに変位しうるように支持され、変位電
極とは電気的に絶縁された試験電極と、 変位電極と固定電極との間に生じる静電容量の変化を
電気信号として出力する検出手段と、 試験電極と変位電極との間に所定の電圧を印加する電
圧印加手段と、 を備え、 検出手段の出力した電気信号に基づいて作用部に作用
した力を検出するとともに、検出手段の出力した電気信
号を電圧印加手段の印加した印加電圧と比較することに
より動作試験を行い得るようにしたものである。
（３） 第３の検出装置は、装置筐体に固定される固定
部と、外部からの力、加速度、磁気などの物理量の作用
に基づく力を受ける作用部と、固定部と作用部との間に
形成され可撓性をもった可撓部と、を有する可撓基板
と、 この可撓基板に対向するように、装置筐体に固定され
た固定基板と、 可撓基板の撓みによって変位が生じる位置に形成され
た変位電極と、 固定基板により固定され、変位電極に対向する位置に
形成された固定電極と、 自己の変位に基づき可撓基板に撓みを生じさせる位置
に形成され、変位電極とは電気的に絶縁された第１の試
験電極と、 この第１の試験電極に対向する位置において装置筐体
に固定され、固定電極とは電気的に絶縁された第２の試
験電極と、 変位電極と固定電極との間に生じる静電容量の変化を
電気信号として出力する検出手段と、 第１の試験電極と第２の試験電極との間に所定の電圧
を印加する電圧印加手段と、 を備え、 検出手段の出力した電気信号に基づいて作用部に作用
した力を検出するとともに、検出手段の出力した電気信
号を電圧印加手段の印加した印加電圧と比較することに
より動作試験を行い得るようにしたものである。
＜圧電式検出装置への適用＞ また、本発明によれば、上述の動作試験方法を、電極
間隔の変化を圧電素子を用いて検出するタイプの物理量
検出装置に適用することにより、自己診断機能をもった
以下の３つの検出装置を実現できる。
（１） 第１の検出装置は、外部からの物理量の作用に
基づく力を受けて装置筐体に対する変位を生じる変位基
板と、を有する可撓基板と、 この変位基板に対向するように、装置筐体に固定され
た固定基板と、 変位基板の撓みによって変位が生じる位置に配置され
た変位電極と、 固定基板により固定された固定電極と、 変位基板と固定基板との間に挟まれるように配置さ
れ、両基板によって加わる圧力を電気信号に変換して両
電極に出力する圧電素子と、 変位電極に対向する位置において装置筐体に固定さ
れ、固定電極とは電気的に絶縁された試験電極と、 この試験電極と変位電極との間に所定の電圧を印加す
る電圧印加手段と、 を備え、 圧電素子の出力した電気信号に基づいて変位基板に作
用した力を検出するとともに、圧電素子の出力した電気
信号を電圧印加手段の印加した印加電圧と比較すること
により動作試験を行い得るようにしたものである。
（２） 第２の検出装置は、外部からの物理量の作用に
基づく力を受けて装置筐体に対する変位を生じる変位基
板と、 この変位基板に対向するように、装置筐体に固定され
た固定基板と、 変位基板の変位によって変位が生じる位置に配置され
た変位電極と、 固定基板により固定された固定電極と、 変位基板と固定基板との間に挟まれるように配置さ
れ、両基板によって加わる圧力を電気信号に変換して両
電極に出力する圧電素子と、 変位電極とともに変位しうるように支持され、変位電
極とは電気的に絶縁された試験電極と、 この試験電極と変位電極との間に所定の電圧を印加す
る電圧印加手段と、 を備え、 圧電素子の出力した電気信号に基づいて変位基板に作
用した力を検出するとともに、圧電素子の出力した電気
信号を電圧印加手段の印加した印加電圧と比較すること
により動作試験を行い得るようにしたものである。
（３） 第３の検出装置は、外部からの物理量の作用に
基づく力を受けて装置筐体に対する変位を生じる変位基
板と、 この変位基板に対向するように、装置筐体に固定され
た固定基板と、 変位基板の撓みによって変位が生じる位置に配置され
た変位電極と、 固定基板により固定された固定電極と、 変位基板と固定基板との間に挟まれるように配置さ
れ、両基板によって加わる圧力を電気信号に変換して両
電極に出力する圧電素子と、 自己の変位に基づき変位基板に変位を生じさせる位置
に形成され、変位電極とは電気的に絶縁された第１の試
験電極と、 この第１の試験電極に対向する位置において装置筐体
に固定され、固定電極とは電気的に絶縁された第２の試
験電極と、 第１の試験電極と第２の試験電極との間に所定の電圧
を印加する電圧印加手段と、 を備え、 圧電素子の出力した電気信号に基づいて変位基板に作
用した力を検出するとともに、圧電素子の出力した電気
信号を電圧印加手段の印加した印加電圧と比較すること
により動作試験を行い得るようにしたものである。
＜差分による検出を行う装置＞ また、本発明による別な検出装置においては、 装置筐体に固定される固定部と、外部からの物理量の
作用に基づく力を受ける作用部と、固定部と作用部との
間に形成され可撓性をもった可撓部と、を有する可撓基
板と、 可撓基板の第１の面に対向するように、装置筐体に固
定された第１の固定基板と、 可撓基板の第２の面に対向するように、装置筐体に固
定された第２の固定基板と、 可撓基板の第１の面に形成された第１の変位電極と、 可撓基板の第２の面に形成された、第２の変位電極
と、 第１の固定基板により固定され、第１の変位電極に対
向する位置に形成された第１の固定電極と、 第２の固定基板により固定され、第２の変位電極に対
向する位置に形成された第２の固定電極と、 第１の変位電極と第１の固定電極とによって構成され
る容量素子の静電容量に関する情報と、第２の変位電極
と第２の固定電極とによって構成される容量素子の静電
容量に関する情報と、を電気信号として出力する検出手
段と、 を備え、 可撓基板、第１の固定基板、第２の固定基板がXY平面
にほぼ平行となり、これら各基板のほぼ中心位置にＺ軸
が直交するようなXYZ三次元座標系を定義したときに、 第１の変位電極と第１の固定電極とによって、Ｘ軸の
正領域に対応する位置に配置された第１の容量素子と、
Ｘ軸の負領域に対応する位置に配置された第２の容量素
子と、Ｙ軸の正領域に対応する位置に配置された第３の
容量素子と、Ｙ軸の負領域に対応する位置に配置された
第４の容量素子と、Ｚ軸と交差する位置に配置された第
５の容量素子と、が構成され、 第２の変位電極と第２の固定電極とによって、Ｚ軸と
交差する位置に配置された第６の容量素子が構成され、 第１の容量素子の静電容量と第２の容量素子の静電容
量との差に相当する電気信号を、作用体に作用したＸ軸
方向の力を示す信号として出力し、 第３の容量素子の静電容量と第４の容量素子の静電容
量との差に相当する電気信号を、作用体に作用したＹ軸
方向の力を示す信号として検出し、 第５の容量素子の静電容量と第６の容量素子の静電容
量との差に相当する電気信号を、作用体に作用したＺ軸
方向の力を示す信号として検出するようにしたものであ
る。
図面の簡単な説明 図１は、本発明による動作試験方法の適用対象となる
静電容量型の加速度検出装置の基本構造を示す側断面図
である。
図２は、図１に示す検出装置の固定基板10の下面図で
ある。図２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。
図３は、図１に示す検出装置の可撓基板20の上面図で
ある。図３の可撓基板20をＸ軸に沿って切断した断面が
図１に示されている。
図４は、図１に示す検出装置の作用点ＰにＸ軸方向の
力Fxが作用したときの、検出装置の撓み状態を示す側断
面図である。
図５は、図１に示す検出装置の作用点ＰにＺ軸方向の
力Fzが作用したときの、検出装置の撓み状態を示す側断
面図である。
図６は、図１に示す検出装置を動作させるための回路
およびこれに対する動作試験を行うための回路を示す回
路図である。
図７は、図６に示すCV変換回路の具体的な回路構成の
一例を示す回路図である。
図８は、＋Ｚ軸方向の力の検出動作についての具体的
な試験方法を示す側断面図である。
図９は、−Ｚ軸方向の力の検出動作についての具体的
な試験方法を示す側断面図である。
図10aおよび図10bは、本発明による動作試験方法を実
施することにより自己診断を行う機能を備えた静電容量
型の加速度検出装置の側断面図である。
図11は、図10aに示す検出装置を動作させるための回
路およびこれに対する動作試験を行うための回路を示す
回路図である。
図12は、本発明による動作試験方法を実施することに
より自己診断を行う機能を備えた別な静電容量型の加速
度検出装置の側断面図である。
図13は、本発明による動作試験方法を実施することに
より自己診断を行う機能を備えた静電容量型の力検出装
置の側断面図である。
図14は、本発明による動作試験方法を実施することに
より自己診断を行う機能を備えた圧電型の加速度検出装
置の側断面図である。
図15は、図14に示す検出装置において、圧電素子45の
上面に形成された電極の形状を示す上面図である。
図16は、本発明による動作試験方法を実施することに
より自己診断を行う機能を備えた圧電型の力検出装置の
側断面図である。
図17は、本発明による動作試験方法を実施することに
より自己診断を行う機能を備えた圧電型の別な力検出装
置の側断面図である。
図18は、すべての方向の加速度検出に差分をとるタイ
プの加速度検出装置の側断面図である。
図19aおよび19bは、図18に示す装置における電極配列
を示す平面図である。
図20は、図18に示す装置におけるＺ軸方向についての
加速度検出および動作試験を行う回路の回路図である。
図21は、容量素子の電極間距離ｄと容量値Ｃとの一般
的な関係を示すグラフである。
図22は、図18に示す装置の別な実施例を示す側断面図
である。
図23は、図18に示す装置の更に別な実施例を示す側断
面図である。
図24は、図18に示す装置を金属を用いて構成した実施
例を示す側断面図である。
図25は、図24に示す装置を力検出装置に適用した実施
例を示す側断面図である。
発明を実施するための最良の形態 §１ 検出装置の基本構造 本発明に係る動作試験方法について説明する前に、本
発明の適用対象となる検出装置の構造およびその原理に
ついて簡単に述べておく。図１は、本発明の適用対象と
なる加速度検出装置の基本構造を示す側断面図である。
この検出装置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２に、固
定基板10の下面図を示す。図２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、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３に可撓基板20の上面図を示す。図３の
可撓基板20をＸ軸に沿って切断した断面が図１に示され
ている。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
３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。図１に示す例
では、固定基板10は厚みを厚くすることにより剛性を高
めており、可撓基板20は厚みを薄くすることにより可撓
性をもたせているが、材質を変えることにより、剛性お
よび可撓性をもたせるようにしてもかまわない。あるい
は、基板に溝を形成したり、貫通孔を形成したりして可
撓性をもたせることもできる。固定基板10、可撓基板2
0、作用体30は、本来の機能を果たすことができるので
あれば、どのような材質で構成してもよい。たとえば、
半導体やガラスなどで構成することもできるし、金属で
構成することもできる。ただし、固定基板10および可撓
基板20を金属で構成した場合は、各電極が短絡しないよ
うに、電極との間に絶縁層を形成するなどの方法を講じ
る必要がある。また、各電極層も導電性をもったもので
あれば、どのような材質で構成してもよい。
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。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30に加速度が作
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。ここで、この検出装置全体
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
11〜15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４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５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。
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。本検出装置は、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、別言すれば作用した加速度を検出す
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,C4の容量変化に基づき、Ｚ軸方向の加速度は
容量素子C5の容量変化に基づき、それぞれ検出が行われ
る。
本発明は、このような原理に基づく検出装置の動作試
験方法に関するものである。なお、上述の検出装置は静
電容量式のものであるが、圧電式の検出装置では、可撓
基板と固定基板との間に圧電素子が挿入されており、静
電容量の変化を検出する代わりに、この圧電素子が発生
する電圧が検出される。
§２ 動作試験の方法 続いて、本発明に係る動作試験方法を説明する。図６
は、図１に示す検出装置を動作させるための回路および
これに対する動作試験を行うための回路を示す回路図で
ある。ここで、容量素子C1〜C5は、上述の加速度検出装
置において形成される容量素子に対応する。たとえば、
容量素子C1は、固定電極11と変位電極21との組み合わせ
よりなる。各容量素子C1〜C5に接続されたCV変換回路51
〜55は、各容量素子の静電容量値Ｃを電圧値Ｖに変換す
る機能を有する。したがって、CV変換回路51〜55が出力
する電圧値V1〜V5は、それぞれ容量素子C1〜C5の静電容
量値に比例した値となる。差動増幅器71は、電圧値V1と
V3との差を端子Txに出力し、差動増幅器72は、電圧値V2
とV4との差を端子Tyに出力する。また、電圧値V5は、端
子Tzに出力される。§１で述べた検出装置の構造および
動作説明を参照すれば、端子Txに得られた電圧（V1−V
3）がＸ軸方向の加速度検出値となり、端子Tyに得られ
た電圧（V2−V4）がＹ軸方向の加速度検出値となり、端
子Tzに得られた電圧V5がＺ軸方向の加速度検出値となる
ことが理解できよう。
なお、上述のように、Ｘ軸またはＹ軸方向の加速度
は、差動増幅器によって２つの電圧値の差をとることに
よって検出される。このような差による検出は、外部環
境による誤差（たとえば、温度誤差）を相殺することが
できるメリットがある。なお、上述の実施例では、Ｚ軸
の加速度については差による検出を行っていないが、こ
れについては後の§４において説明する。
以上説明したCV変換回路51〜55および差動増幅器71,7
2は、結局、この検出装置に検出動作を行わせるために
必要な回路である。本発明に係る動作試験は、この回路
に更に電圧発生回路61〜65および試験スイッチS1〜S5を
付加することにより行うことができる。電圧発生回路61
〜65は、所望の電圧を発生することのできる回路であれ
ば、どのようなものでもかまわない。たとえば、マイク
ロコンピュータの出力するデジタルデータをD/A変換器
でアナログ信号に変換するような回路を用いればよい。
いま、たとえば、図６に示す回路において、試験スイ
ッチS1およびS3を投入した場合を考える。このとき、電
圧発生回路63から容量素子C3の両電極に逆極性の電荷が
供給されるようにしておけば、固定電極13と変位電極23
との間において、一方が正にチャージされ、もう一方が
負にチャージされるため、両者間にクーロン力に基づく
引力が作用する。また、電圧発生回路61から容量素子C1
の両電極に同極性の電荷が供給されるようにしておけ
ば、両者間にクーロン力に基づく斥力が作用する。こう
して、図４に示すように、可撓基板20が変位を生じるこ
とになる。これは、作用点ＰにＸ軸方向の力Fxが作用し
た状態と同じ状態であることがわかる。この状態で、各
端子Tx,Ty,Tzに出力される検出電圧を調べ、力Fxが作用
したことを示す正しい検出値となっているか否かを検査
するのである。結局、電圧発生回路61および63から容量
素子C1およびC3に電圧を印加することにより、作用点Ｐ
にＸ軸方向の力Fxが作用したのと同じ状態を作り出し、
この状態での検出電圧を検査することにより動作試験が
行われることになる。印加電圧と検出電圧との正しい関
係を予め求めておけば、定量的な動作試験が可能にな
る。この動作試験では、加振器などを使って、作用体30
に実際に加速度を作用させる必要はなく、電気的な信号
を入力したときに出力される電気的な信号を観察するだ
けで動作試験が完了する。したがって、従来の動作試験
に比べて作業は非常に簡単なものとなり、大量生産に向
いたものとなる。Ｘ軸方向の加速度の検出動作を試験す
るには、スイッチS1,S3により容量素子C1,C3に電圧を印
加し、Ｙ軸方向の加速度の検出動作を試験するには、ス
イッチS2,S4により容量素子C2,C4に電圧を印加し、Ｚ軸
方向の加速度の検出動作を試験するには、スイッチS5に
より容量素子C5に電圧を印加すればよい。
なお、図６に示す回路図で、電圧発生回路61〜65を外
部からみたときの容量値は、発生する電圧にかかわりな
く一定となるような回路にしておくのが好ましい。ある
いは、発生する電圧と容量との間に一定の相関関係があ
る回路でもかまわない。回路上は、電圧発生回路61〜65
は容量素子C1〜C5に並列接続されているため、電圧発生
回路61〜65の容量値にランダムに変動が生じると、正し
い動作試験を行うことができなくなる。また、CV変換回
路51〜55は、電圧発生回路61〜65によって印加される電
圧の影響を受けることなしに、容量素子C1〜C5の静電容
量を検出する必要がある。このような機能をもったCV変
換回路の一例を図７に示す。ここに示すCV変換回路50
は、容量素子C0の静電容量Ｃを電圧Ｖに変換し、端子To
utに出力する機能を有する。なお、容量素子C0には、電
圧発生回路60から電圧が印加されている。CV変換回路50
は、発振回路56と整流回路57とによって構成されてい
る。発振回路56は、所定周波数の交流信号を生成し、こ
れを容量素子C0に与える。整流回路57は、抵抗R1,R2、
コンデンサC6,C7、ダイオードD1によって構成され、交
流信号が与えられた容量素子C0の静電容量Ｃを電圧Ｖに
変換して出力する。このような構成をもったCV変換回路
50は、電圧発生回路60からの印加電圧の影響を受けるこ
となしに、容量素子C0の静電容量Ｃを電圧Ｖに変換する
ことができる。なお、図７の回路は一例として示したも
のであり、CV変換回路としては、この他にも種々の回路
を適用することができる。
続いて、本発明による動作試験を、より具体的な実施
例に基づいて説明する。図８は、＋Ｚ軸方向の力の検出
動作についての具体的な試験方法を示す側断面図であ
る。この検出装置は、固定基板80と可撓基板90とによっ
て構成されている。可撓基板90の底面には、ドーナツ状
の溝Ｇが掘られており、この溝Ｇが掘られた部分は他の
部分に比べて肉厚が薄くなっており、可撓基板90は、こ
の部分において可撓性をもつようになる。固定基板80
は、この可撓基板90の上面に所定の空間を保持したま
ま、可撓基板90の上面を覆うように接合されている。固
定基板80の下面には複数枚の固定電極81が、可撓基板90
の上面には複数枚の変位電極91が、互いに対向する位置
に形成されている。この実施例では、固定基板80および
可撓基板90は、それぞれガラス基板およびシリコン基板
から構成されており、固定電極81および変位電極91は、
各基板上に形成されたアルミニウム層によって構成され
ている。また、可撓基板90と変位電極91との間には、シ
リコン酸化膜あるいはシリコン窒化膜のような絶縁層92
が形成されている。このような検出装置において、作用
点Ｐに＋Ｚ軸方向の力が作用したのと同じ状態にするに
は、固定電極81と変位電極91との間にクーロン力による
引力を作用させればよい。図８は、この場合の電圧印加
方法を示したものである。すなわち、電源Ｖによって、
固定電極81側には正の電荷を、変位電極91側には負の電
荷を、それぞれ与えてやれば、両者間に引力が作用し
て、作用点Ｐに＋Ｚ軸方向の力が作用した状態での動作
試験が可能になる。
なお、作用点Ｐに−Ｚ軸方向の力が作用したのと同じ
状態にするには、検出装置自体の構造を少し変えておく
必要がある。すなわち、図９に示すように、固定電極80
の上面に複数枚の補助電極82を形成しておく。ここで電
源Ｖによって、補助電極82および可撓基板90（シリコン
基板）に正の電荷を与え、固定電極81および変位電極91
に負の電荷を与えるようにする。すると、補助電極82と
固定電極81との間で分極作用が起こり、また、変位電極
91と可撓基板90との間で分極作用が起こり、図に示すよ
うな極性に各部が帯電する。結局、固定電極81と変位電
極91との間にクーロン力による斥力が作用し、作用点Ｐ
に−Ｚ軸方向の力が作用したのと同じ状態になる。
以上のように両者間に引力を作用させた状態の動作試
験では、クーロン力を直接作用させる２枚の電極だけで
十分であるが、両者間に斥力を作用させた状態の動作試
験では、更に補助的な電極を形成する必要がある。た
だ、構造説明が複雑になるため、以下の各実施例ではこ
の補助的な電極の説明は省略する。
§３ 動作試験機能を備えた検出装置 上述の実施例では、クーロン力を発生させるための電
極対と、容量素子を構成するための電極対と、は同一の
電極対である。すなわち、クーロン力を発生させるため
の電極対は、固定電極（11〜15,81）と変位電極（21〜2
5,82）との対であり、容量素子を構成するための電極対
も全く同じ電極対である。このように、同じ電極対を共
用すれば、動作試験のために別な電極を形成する必要が
ないという利点はあるが、試験の自由度に制約が生じ、
また、試験のための回路も複雑になるという欠点があ
る。特に、市販品として流通させるには、物理量の検出
信号を出力する検出端子と、試験のための電圧を印加す
るための試験端子と、が別個に設けられていた方が都合
がよい。以下に示す検出装置は、予め試験用の電極を形
成しておき、クーロン力を発生させるための電極対と、
容量素子を構成するための電極対と、を別個の電極対で
構成するようにしたものである。
図10aは、本発明による動作試験方法を実施するため
の試験電極を備えた加速度検出装置の側断面図である。
基本的な構造は、図１に示す加速度検出装置と同様であ
り、固定基板10と可撓基板20とが対向して設けられ、そ
れぞれ周囲において装置筐体40に固定されている。固定
基板10は剛性をもった基板であるが、可撓基板20は厚み
が薄く可撓性をもっている。可撓基板20の上面には、図
３に示すような５枚の変位電極21〜25が形成されてい
る。一方、固定基板10の下面には、５枚の試験電極11t
〜15tが形成され、更に絶縁層16を介して５枚の固定電
極11〜15が形成されている。５枚の試験電極11t〜15tの
平面的な配置、および５枚の固定電極11〜15の平面的な
配置は、図２に示す電極配置と同じである。このような
構造では、容量素子C1〜C5を構成するための電極対は、
固定電極11〜15と変位電極21〜25との対であるが、クー
ロン力を発生させるための電極対は、試験電極11t〜15t
と変位電極21〜25との対となり、一方の変位電極は共用
するものの、電極対としては別個のものが用いられる。
図10bは、５枚の試験電極21t〜25tとを、可撓基板20
側に形成した実施例である。試験電極21t〜25tと変位電
極21〜25との間には絶縁層26が形成されている。この場
合、クーロン力を発生させるための電極対は、試験電極
21t〜25t固定電極11〜15との対となる。
図11は、図10aのような構造をもった検出装置につい
て適用する回路図の一例である。電圧発生回路60は、試
験スイッチＳの投入により、試験電極11tと変位電極21
との間に電圧を印加してクーロン力を作用させる。これ
によって、可撓基板20が撓みを生じ、外力が作用したの
と同じ状態になる。一方、CV変換回路５は、固定電極11
と変位電極21とによって構成される容量素子C1の静電容
量を検出し、電圧Ｖとして端子Toutに出力する。固定電
極11と試験電極11tとは、絶縁層16によって電気的に絶
縁されているため、CV変換回路50は、電圧発生回路60に
よる印加電圧に何ら影響を受けずに静電容量の検出を行
うことができる。また、この検出装置の外部接続端子と
しては、変位電極21〜25のそれぞれに導通した共通端
子、固定電極11〜15のそれぞれに導通した検出端子、試
験電極11t〜15tのそれぞれに導通した試験端子、をそれ
ぞれ設けておけばよい。試験端子に所定の電圧を印加し
たときに、検出端子に所定の出力が得られるか否かを確
かめることにより、容易に自己診断を行うことが可能で
ある。
図12は、可撓基板20側の電極を共用せずに別個にした
実施例である。すなわち、可撓基板20の上面には、第１
の試験電極21t〜25tが形成され、その上に絶縁層26を介
して変位電極21〜25が形成されている。また、固定基板
10側は、前述の実施例と同様であり、第２の試験電極11
t〜15tの上に絶縁層16を介して固定電極11〜15が形成さ
れている。このような構造では、容量素子C1〜C5を構成
するための電極対は、固定電極11〜15と変位電極21〜25
との対であるが、クーロン力を発生させるための電極対
は、第１の試験電極21t〜25tと第２の試験位電極11t〜2
5tとの対となり、電極対としては完全に別個のものが用
いられる。
図13は、更に別な実施例に係る力検出装置の側断面図
である。装置筐体100内には、固定基板110、可撓基板12
0、作用体130、補助基板140が設けられている。作用体1
30から伸びる検出子131は、装置筐体100に設けられた孔
部101から外部へと導出されている。この実施例では、
以上の各構成要素はいずれも金属からなる。固定基板11
0の下面には、絶縁層116が形成され、更にその上に２枚
の固定電極111,112が形成されている。また、補助基板1
40の上面には、絶縁層146が形成され、更にその上に２
枚の試験電極141,142が形成されている。装置筐体100の
左側外部には、検出端子151,共通端子152,試験端子153
が導出されている（図では１本ずつしか示されていない
が、実際には、電極数に応じただけの数が用意され
る）。もちろん、各端子151〜153は装置筐体100とは電
気的に絶縁されている。各端子151〜153は、ボンディン
グワイヤ161〜163によって、各電極および可撓基板120
に接続されている。この検出装置では、可撓基板120上
に変位電極は設けられていないが、前述のように、可撓
基板120は金属で構成されているため、それ自身が電極
の機能を有することになる。
この検出装置では、検出子131の先端に力が加わる
と、可撓基板120が撓みを生じ、この可撓基板120（変位
電極として機能する）と固定電極111,112との距離が変
化する。したがって、検出端子151と共通端子152との間
の静電容量の変化に基づいて、作用した力を検出するこ
とができる。もっとも、この実施例の装置では、固定電
極は２枚しか設けられていないので、二次元方向の力
（図の左右方向と上下方向の力）の検出しかできない。
三次元方向の力を検出するためには、最低限４枚の固定
電極を設けておけばよい。さて、この検出装置の動作試
験を行うには、試験端子153と共通端子152との間に所定
の電圧を印加した状態で、前述の検出処理を行えばよ
い。印加電圧に基づくクーロン力の作用により、検出子
131に外力が作用したのと同じ状態を作ることができ
る。なお、三次元方向の動作試験を行うには、やはり最
低限４枚の試験電極を設けておけばよい。
以上述べてきたいくつかの実施例は、いずれも静電容
量式の検出装置である。本発明は、このような静電容量
式の検出装置だけでなく、圧電式の検出装置にも適用可
能である。図14は、本発明に係る動作試験機能を備えた
圧電式の加速度検出装置の側断面図である。剛性をもっ
た固定基板10と可撓性をもった可撓基板20とが、装置筐
体40によって支持されており、可撓基板20の下面に作用
体30が接合されている点は、図１に示した静電容量式の
検出装置と同様である。固定基板10の下面および可撓基
板20の上面には、後述するようにそれぞれ８枚の電極が
形成されており、これらの間に圧電素子45が挟まれてい
る。圧電素子45としては、たとえば、PTZ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、これを両電極間に挿入しておけばよい。実際に
は、圧電素子45の上下両面に電極を形成し、これを両基
板間に挿入するという方法で製造するのが好ましい。こ
のとき、図の上下方向に所定の圧力がかかった状態で挿
入するようにする。こうしておけば、上下の電極間隔が
縮まった場合だけでなく、広がった場合にも検出が可能
になる。図15は、圧電素子45の上面図であり、上面に形
成された８枚の電極の平面的な配置が明瞭に示されてい
る。図のように、圧電素子45の上面に形成された電極
は、４枚の固定電極18a〜18d（パターンの視覚的な把握
を助けるため、図では斜線によるハッチングを施して示
してある）と、４枚の試験電極19a〜19d（同様に、ドッ
トによるハッチングを施して示してある）と、からな
る。圧電素子45の下面にも、これと全く同じ配置で、４
枚の変位電極28a〜28dと、４枚の試験電極29a〜29dと、
が形成されている。図15の圧電素子45の切断線14〜14に
沿って切断した断面が図14に示されていることになる。
なお、電極構成は、図15のような平面的な一層構造に限
定されるものではなく、図10a、図10b、図12に示すよう
な多層を重ねた構造にしてもよい。
このような圧電式の検出装置では、対向する電極対の
距離の変化を、静電容量の変化として検出する代わり
に、両電極間に生じる電圧として検出することになる。
すなわち、作用体30に加速度が作用し、可撓基板20に撓
みが生じると、圧電素子45は部分的な圧縮力が加わった
り、引き伸し力が加わったりする。これにより、各電極
対に電圧が生じることになる。どの電極対にどの程度の
電圧が出力されたかを認識することにより、作用した加
速度の三次元座標上での方向および大きさが検出でき
る。圧電式の検出装置では、静電容量式の検出装置のよ
うに、検出用の電極対と試験用の電極対とを兼用するこ
とはできない。両電極間に生じる電圧を直接検出するた
め、同じ電極に試験用電圧を印加することができないか
らである。このため、検出用の電極対と試験用の電極対
とを別個にせざるを得ない。図15に示す電極配置を行え
ば、同一平面上で２種類の電極を混在させることがで
き、かつ、三次元方向の検出および動作試験を行うこと
ができる。
動作試験は、次のようにして行うことができる。たと
えば、試験電極19aと29aおよび19cと29cとの間に電圧を
印加し、19aと29aとの間に引力、19cと29cとの間に斥力
を作用させると、この装置が正常な動作をするのであれ
ば、固定電極18aと変位電極28aとの間、および固定電極
18cと変位電極28cとの間に所定の電圧が生じる。この電
圧をモニタすることにより、動作試験を行うことができ
る。試験電極19bと29bおよび19dと29dとの間に電圧を印
加すれば、前述の試験方向とは垂直な方向に関する試験
を行うことができる。
図16は、本発明に係る動作試験機能を備えた圧電式の
力検出装置の側断面図である。装置筐体200は、ねじ穴2
01を用いて産業機械などに固着され、その下部には起歪
体250が接合されている。起歪体250は金属からなり、下
面にドーナツ状の溝Ｇが形成されている。この溝Ｇの形
成部252は肉厚が薄くなっており可撓性を有する。起歪
体250のねじ穴251に通されたねじは、装置筐体200のね
じ穴202に螺着される。起歪体250の中心部下面には検出
子260が伸びており、その先端に作用した外力は、作用
点Ｐに関するモーメント力として伝達される。この装置
の中枢となる圧電素子230の上面および下面には電極が
形成され、固定基板210と変位電極平板220とによって所
定圧力をもって挟まれた状態となっている。上面には４
枚の固定電極218a〜218dと４枚の試験電極219a〜219dと
が、図15に示すパターンと同じ配置で形成されている。
一方、下面には単一の変位電極平板220が形成されてい
る。上面の８枚の電極は固定基板210によって装置筐体2
00に固定されており、下面の変位電極平板220は伝達体2
40によって起歪体250の上面中心部に接合されている。
変位電極平板220を剛性をもった厚い金属板で構成して
おくことにより、作用点Ｐに作用した力を圧電素子230
に効率的に伝達することができる。
このような構成をもった圧電式の力検出装置では、変
位電極平板220を共通の電極として用い、固定電極218a
〜218dに発生する電圧により、検出子260に作用した外
力の検出を行うことができるし、試験電極219a〜219dに
所定の電圧を印加しながら、固定電極218a〜218dに発生
する電圧をモニタすることにより動作試験を行うことが
できる。
図17に示す実施例は、図13に示す静電容量型の力検出
装置を、圧電式に置き換えたものである。この検出装置
では、５枚の固定電極111〜115を図２に示す平面的配置
と同じ配置で形成し、三次元方向の力の検出ができるよ
うにしてある。また、４枚の試験電極141〜144を配置し
（電極142は作用体130の後方、電極144は作用体130の前
方に配置されるが図示されていない）、三次元方向の動
作試験ができるようにしてある。固定電極111〜115と可
撓基板120との間には圧電素子145が挿入されており、固
定電極111〜115に発生する電圧により、作用した外力の
検出が行われる。
なお、図10a,10b,12,13,14,16,17に示す実施例は、固
定電極、変位電極、試験電極という本発明による動作試
験方法を実施するために最小限必要な電極を備えた実施
例である。２つの電極間にクーロン力による引力を作用
させる場合には、図８に示すように、この２枚の電極だ
けで十分であるが、斥力を作用させる場合には、図９に
示すように、更に補助電極が必要になる。したがって、
実用上は、上述の各実施例に示す構造に、更に補助電極
を設けておくのが好ましい。
§４ Ｚ軸方向について差分をとる実施例 図６に示す回路図に示されているように、図１に示し
た基本的な加速度検出装置は、Ｘ軸方向およびＹ軸方向
の加速度検出には差をとっているが、Ｚ軸方向の加速度
検出には差をとっていない。差による検出は、温度など
の外部環境による誤差を相殺することができるメリット
があるため、Ｚ軸方向の加速度検出にも差をとるのが好
ましい。以下にこれを実現するための実施例を示す。
図18に側断面を示す実施例は、XYZすべての方向の加
速度検出を、差分をとることにより行う加速度検出装置
である。固定基板310の下面には、図19aに示すレイアウ
トで、５枚の固定電極11〜15が形成されている。可撓基
板320は、下面にドーナツ状の溝Ｇが掘られており、中
央に作用部321、その周囲に可撓部322、その周囲に固定
部323を形成する。その上面には、図19bに示すレイアウ
トで５枚の変位電極21〜25が形成されている。以上の構
成は、図１に示す基本構成と同じである。この装置の特
徴は、更に、第２固定基板330が設けられており、作用
部321の下面に変位電極326が、第２固定基板330の上面
に固定電極336が、それぞれ対向するように形成されて
いる点である。
この装置によるＸ軸およびＹ軸方向についての加速度
検出および動作試験は、図１の装置と同様である。とこ
ろがＺ軸方向についての加速度検出および動作試験は、
図20に示す回路によって行われる。ここで、容量素子C5
は、固定電極15と変位電極25とで構成されるものである
が、容量素子C6は、固定電極336と変位電極326とによっ
て構成されるものである。図６に示すＺ軸に関する回路
と比較すると、容量素子C6に関しての電圧発生回路66お
よびCV変換回路56が付加され、電圧値V5とV6との差を差
動増幅器73によって求め、これをＺ軸に関する検出値と
して出力する点が異なる。これにより、XYZすべての方
向に関しての検出値が差分に基づいて求まり、温度など
の影響を相殺することができる。
また、このような差分に基づく検出は、次のような点
においても有利である。一般に容量素子の電極間距離ｄ
と容量値Ｃとの関係は図21に示すグラフのようになる。
いま、距離d0において、容量値C0であった状態から、距
離をΔｄだけ縮めd0−Δｄにすると、容量値はΔC1だけ
増え、C0＋ΔC1となる。逆に、距離をΔｄだけ広げd0＋
Δｄにすると、容量値はΔC2だけ減り、C0−ΔC2とな
る。ここでΔC1＞ΔC2である。したがって、１組の容量
素子C5の容量値のみに基づいてＺ軸方向の加速度検出を
行うと、絶対値が同じ加速度であっても、＋Ｚ方向と−
Ｚ方向とでは、容量値の変化の度合が異なってしまう。
これに対処するためには、何らかの補正回路を設ける必
要がある。ところが、図20に示すように、差分に基づい
た検出を行えば、このような問題は生じない。たとえ
ば、図18に示す装置において、＋Ｚ方向（図の上方）に
加速度が作用すると、容量素子C5の容量値はC0からC0＋
ΔC1に変化し、容量素子C6の容量値はC0からC0−ΔC2に
変化する。よって、差動増幅器73の出力は、ΔC1＋ΔC2
に相当したものになる。これに対し、同じ加速度が−Ｚ
方向（図の下方）に作用すると、容量素子C5の容量値は
C0からC0−ΔC2に変化し、容量素子C6の容量値はC0から
C0＋ΔC1に変化する。よって、差動増幅器73の出力は、
−（ΔC1＋ΔC2）に相当したものになる。こうして、絶
対値が同じ加速度に対しては同じ絶対値の出力がなされ
る。
図22に示す実施例は、図18に示す実施例に更に作用体
345と台座340とを加えたものである。変位電極326は作
用体345の下面に形成されている。図23に示す実施例
は、図22に示す実施例の電極の位置を変えたものであ
り、固定電極11〜15が固定基板330の上面に、変位電極2
1〜25が作用体345の下面に、それぞれ形成され、固定電
極336が固定基板310の下面に、変位電極326が可撓基板3
20の上面に、それぞれ形成されている。
以上の図18,22,23の各実施例は、各基板をガラスまた
は半導体（この場合は、電極との間に絶縁層を形成す
る）で構成するのに適しているが、図24に示す加速度検
出装置は、金属によって構成するのに適した例である。
部材410,420,425,430,440,450はいずれも金属からな
る。部材410の下面には絶縁層418を介して５枚の固定電
極11〜15が形成されている。部材420の上面には絶縁層4
28を介して５枚の変位電極21〜25が形成されており、下
面には絶縁層429を介してドーナツ状の変位電極426が形
成されている。部材420の下面には、部材425が接続され
ており、この部材425の下端はダイヤフラム435を介して
部材450に接続されている。また、部材430の上面には絶
縁層438を介してドーナツ状の固定電極436が形成されて
いる。部材450に加速度が作用すると、ダイヤフラム435
が撓み、部材425を介して部材420が変位する。この変位
検出の原理は上述した通りである。
図25に示す実施例は、図24に示す加速度検出装置を力
検出装置に適用したものであり、下半分の構成を金属製
の部材431に（可撓基板）に置換している。検出子432先
端に作用した外力に基づいて、部材420が変位し、この
外力の検出が行われる。
§５ その他の実施例 以上、本発明を図示するいくつかの実施例に基づいて
説明したが、本発明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可能である。た
とえば、各電極の配置は、上述の実施例の他にも、種々
の配置が考えられよう。また、各電極の枚数も上述の実
施例だけに限定されるものではない。固定電極、変位電
極、試験電極、をそれぞれ何枚ずつどのような位置に形
成するかは、設計上、適宜変更しうる事項である。ま
た、たとえば、上述の実施例では、図15に示す８枚の電
極配置を圧電式の検出装置に適用した例を示したが、こ
の配置を静電容量式の検出装置にも適用できることはも
ちろんである。図10や図12に示す検出装置のように電極
を二段に重ねる構造にするよりも、図15に示すように一
層に配置する方が、製造工程は単純になり、大量生産す
る上ではむしろ好ましい。
上述の実施例では、主として、半導体基板の上にアル
ミニウムなどの金属層を形成し、これを電極とする例を
示したが、電極はどのような方法によって形成してもよ
い。たとえば、半導体基板内に不純物拡散領域を形成
し、これを電極として用いることもできよう。また、固
定基板や可撓基板を金属で形成すれば、この基板自身を
電極として用いることもできる。したがって、本発明に
おいて、電極は必ずしも基板と別体のものである必要は
ない。また、上述の実施例では、加速度検出装置および
力検出装置について述べたが、作用体を磁性材料で構成
しておけば、磁気に基づく力の検出を行うことができ
る。すなわち、本発明は磁気検出装置にも等しく適用し
うるものである。
産業上の利用分野 本発明に係る動作試験方法は、電極間距離の変化を利
用して物理量を検出する力検出装置、加速度検出装置、
磁気検出装置、に広く適用しうるものである。また、こ
の動作試験を実施する機能を備えた検出装置は、簡便な
方法により動作試験を行うことができ、実用上、高い信
頼性をもって利用することができる。したがって、自動
車や産業ロボットへの応用が期待できる。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平３−134552（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−110383（ＪＰ，Ａ) 特開 平１−240865（ＪＰ，Ａ) 特開 昭60−34295（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−81630（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−183963（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−171334（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−171660（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) G01L 25/00 G01L 1/14 G01P 21/00 G01P 15/125

Claims (10)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】外力の作用により変位しうるように支持さ
    れた変位電極（21〜25）と、この変位電極に対向する位
    置において装置筐体（40）に固定された固定電極（11〜
    15）と、前記両電極間の距離の変化を電気信号として取
    り出す検出手段（51〜55）と、を備え、前記外力に対応
    した物理量を電気信号として検出する検出装置の動作試
    験方法であって、 前記変位電極に対向する位置において前記装置筐体に固
    定された試験電極（11t〜15t）を更に設け、この試験電
    極と前記変位電極との間に所定の電圧を印加し、この印
    加電圧に基づいて発生するクーロン力により前記変位電
    極を変位させ、この変位状態において前記検出手段が検
    出した電気信号を前記印加電圧と比較することにより、
    この検出装置の動作を試験することを特徴とする動作試
    験方法。
  2. 【請求項２】外力の作用により変位しうるように支持さ
    れた変位電極（21〜25）と、この変位電極に対向する位
    置において装置筐体（40）に固定された固定電極（11〜
    15）と、前記両電極間の距離の変化を電気信号として取
    り出す検出手段（51〜55）と、を備え、前記外力に対応
    した物理量を電気信号として検出する検出装置の動作試
    験方法であって、 前記固定電極に対向する位置において前記変位電極とと
    もに変位しうるように支持された試験電極（21t〜25t）
    を更に設け、この試験電極と前記固定電極との間に所定
    の電圧を印加し、この印加電圧に基づいて発生するクー
    ロン力により前記変位電極を変位させ、この変位状態に
    おいて前記検出手段が検出した電気信号を前記印加電圧
    と比較することにより、この検出装置の動作を試験する
    ことを特徴とする動作試験方法。
  3. 【請求項３】外力の作用により変位しうるように支持さ
    れた変位電極（21〜25）と、この変位電極に対向する位
    置において装置筐体（40）に固定された固定電極（11〜
    15）と、前記両電極間の距離の変化を電気信号として取
    り出す検出手段（51〜55）と、を備え、前記外力に対応
    した物理量を電気信号として検出する検出装置の動作試
    験方法であって、 前記変位電極とともに変位しうるように支持された第１
    の試験電極（21t〜25t）と、この第１の試験電極に対向
    する位置において前記装置筐体に固定された第２の試験
    電極（11t〜15t）と、を更に設け、前記第１の試験電極
    と前記第２の試験電極との間に所定の電圧を印加し、こ
    の印加電圧に基づいて発生するクーロン力により前記変
    位電極を変位させ、この変位状態において前記検出手段
    が検出した電気信号を前記印加電圧と比較することによ
    り、この検出装置の動作を試験することを特徴とする動
    作試験方法。
  4. 【請求項４】装置筐体（40）に固定される固定部と、外
    部からの物理量の作用に基づく力を受ける作用部と、前
    記固定部と前記作用部との間に形成され可撓性をもった
    可撓部と、を有する可撓基板（20）と、 前記可撓基板に対向するように、装置筐体に固定された
    固定基板（10）と、 前記可撓基板の撓みによって変位が生じる位置に形成さ
    れた変位電極（21〜25）と、 前記固定基板により固定され、前記変位電極に対向する
    位置に形成された固定電極（11〜15）と、 前記変位電極に対向する位置において前記装置筐体に固
    定され、前記固定電極とは電気的に絶縁された試験電極
    （11t〜15t）と、 前記変位電極と前記固定電極との間に生じる静電容量の
    変化を電気信号として出力する検出手段（51〜55）と、 前記試験電極と前記変位電極との間に所定の電圧を印加
    する電圧印加手段（61〜65）と、 を備え、 前記検出手段の出力した電気信号に基づいて前記作用部
    に作用した力を検出するとともに、前記検出手段の出力
    した電気信号を前記電圧印加手段の印加した印加電圧と
    比較することにより動作試験を行い得るようにしたこと
    を特徴とする物理量の検出装置。
  5. 【請求項５】装置筐体（40）に固定される固定部と、外
    部からの物理量の作用に基づく力を受ける作用部と、前
    記固定部と前記作用部との間に形成され可撓性をもった
    可撓部と、を有する可撓基板（20）と、 前記可撓基板に対向するように、装置筐体に固定された
    固定基板（10）と、 前記可撓基板の撓みによって変位が生じる位置に形成さ
    れた変位電極（21〜25）と、 前記固定基板により固定され、前記変位電極に対向する
    位置に形成された固定電極（11〜15）と、 前記固定電極に対向する位置において変位電極とともに
    変位し、前記変位電極とは電気的に絶縁された試験電極
    （21t〜25t）と、 前記変位電極と前記固定電極との間に生じる静電容量の
    変化を電気信号として出力する検出手段（51〜55）と、 前記試験電極と前記変位電極との間に所定の電圧を印加
    する電圧印加手段（61〜65）と、 を備え、 前記検出手段の出力した電気信号に基づいて前記作用部
    に作用した力を検出するとともに、前記検出手段の出力
    した電気信号を前記電圧印加手段の印加した印加電圧と
    比較することにより動作試験を行い得るようにしたこと
    を特徴とする物理量の検出装置。
  6. 【請求項６】装置筐体（40）に固定される固定部と、外
    部からの物理量の作用に基づく力を受ける作用部と、前
    記固定部と前記作用部との間に形成され可撓性をもった
    可撓部と、を有する可撓基板（20）と、 前記可撓基板に対向するように、装置筐体に固定された
    固定基板（10）と、 前記可撓基板の撓みによって変位が生じる位置に形成さ
    れた変位電極（21〜25）と、 前記固定基板により固定され、前記変位電極に対向する
    位置に形成された固定電極（11〜15）と、 自己の変位に基づき前記可撓基板に撓みを生じさせる位
    置に形成され、前記変位電極とは電気的に絶縁された第
    １の試験電極（21t〜25t）と、 前記第１の試験電極に対向する位置において前記装置筐
    体に固定され、前記固定電極とは電気的に絶縁された第
    ２の試験電極（11t〜15t）と、 前記変位電極と前記固定電極との間に生じる静電容量の
    変化を電気信号として出力する検出手段（51〜55）と、 前記第１の試験電極と前記第２の試験電極との間に所定
    の電圧を印加する電圧印加手段（61〜65）と、 を備え、 前記検出手段の出力した電気信号に基づいて前記作用部
    に作用した力を検出するとともに、前記検出手段の出力
    した電気信号を前記電圧印加手段の印加した印加電圧と
    比較することにより動作試験を行い得るようにしたこと
    を特徴とする物理量の検出装置。
  7. 【請求項７】外部からの物理量の作用に基づく力を受け
    て装置筐体（200）に対する変位を生じる変位基板（25
    0）と、 前記変位基板に対向するように、装置筐体に固定された
    固定基板（210）と、 前記変位基板の変位によって変位が生じる位置に配置さ
    れた変位電極（220）と、 前記固定基板により固定された固定電極（218a〜218d）
    と、 前記変位基板と前記固定基板との間に挟まれるように配
    置され、前記両基板によって加わる圧力を電気信号に変
    換して前記両電極に出力する圧電素子（230）と、 前記変位電極に対向する位置において前記装置筐体に固
    定され、前記固定電極とは電気的に絶縁された試験電極
    （219a〜219d）と、 前記試験電極と前記変位電極との間に所定の電圧を印加
    する電圧印加手段と、 を備え、 前記圧電素子の出力した電気信号に基づいて前記変位基
    板に作用した力を検出するとともに、前記圧電素子の出
    力した電気信号を前記電圧印加手段の印加した印加電圧
    と比較することにより動作試験を行い得るようにしたこ
    とを特徴とする物理量の検出装置。
  8. 【請求項８】外部からの物理量の作用に基づく力を受け
    て装置筐体（200）に対する変位を生じる変位基板（25
    0）と、 前記変位基板に対向するように、装置筐体に固定された
    固定基板（210）と、 前記変位基板の変位によって変位が生じる位置に配置さ
    れた変位電極（220）と、 前記固定基板により固定された固定電極（218a〜218d）
    と、 前記変位基板と前記固定基板との間に挟まれるように配
    置され、前記両基板によって加わる圧力を電気信号に変
    換して前記両電極に出力する圧電素子（230）と、 前記固定電極に対向する位置において前記変位電極とと
    もに変位し、前記変位電極とは電気的に絶縁された試験
    電極と、 前記試験電極と前記変位電極との間に所定の電圧を印加
    する電圧印加手段と、 を備え、 前記圧電素子の出力した電気信号に基づいて前記変位基
    板に作用した力を検出するとともに、前記圧電素子の出
    力した電気信号を前記電圧印加手段の印加した印加電圧
    と比較することにより動作試験を行い得るようにしたこ
    とを特徴とする物理量の検出装置。
  9. 【請求項９】外部からの物理量の作用に基づく力を受け
    て装置筐体（200）に対する変位を生じる変位基板（2
    0）と、 前記変位基板に対向するように、装置筐体に固定された
    固定基板（10）と、 前記変位基板の変位によって変位が生じる位置に配置さ
    れた変位電極（28a〜28d）と、 前記固定基板により固定された固定電極（18a〜18d）
    と、 前記変位基板と前記固定基板との間に挟まれるように配
    置され、前記両基板によって加わる圧力を電気信号に変
    換して前記両電極に出力する圧電素子（45）と、 自己の変位に基づき前記変位基板に変位を生じさせる位
    置に形成され、前記変位電極とは電気的に絶縁された第
    １の試験電極（29a〜29d）と、 前記第１の試験電極に対向する位置において前記装置筐
    体に固定され、前記固定電極とは電気的に絶縁された第
    ２の試験電極（19a〜19d）と、 前記第１の試験電極と前記第２の試験電極との間に所定
    の電圧を印加する電圧印加手段と、 を備え、 前記圧電素子の出力した電気信号に基づいて前記変位基
    板に作用した力を検出するとともに、前記圧電素子の出
    力した電気信号を前記電圧印加手段の印加した印加電圧
    と比較することにより動作試験を行い得るようにしたこ
    とを特徴とする物理量の検出装置。
  10. 【請求項１０】装置筐体に固定される固定部と、外部か
    らの物理量の作用に基づく力を受ける作用部と、前記固
    定部と前記作用部との間に形成され可撓性をもった可撓
    部と、を有する可撓基板（320）と、 前記可撓基板の第１の面に対向するように、装置筐体に
    固定された第１の固定基板（310）と、 前記可撓基板の第２の面に対向するように、装置筐体に
    固定された第２の固定基板（330）と、 前記可撓基板の第１の面に形成された第１の変位電極
    （21〜25）と、 前記可撓基板の第２の面に形成された第２の変位電極
    （326）と、 前記第１の固定基板により固定され、前記第１の変位電
    極に対向する位置に形成された第１の固定電極（11〜1
    5）と、 前記第２の固定基板により固定され、前記第２の変位電
    極に対向する位置に形成された第２の固定電極（336）
    と、 前記第１の変位電極と前記第１の固定電極とによって構
    成される容量素子の静電容量に関する情報と、前記第２
    の変位電極と前記第２の固定電極とによって構成される
    容量素子の静電容量に関する情報と、を電気信号として
    出力する検出手段（56）と、 を備え、 前記可撓基板、前記第１の固定基板、前記第２の固定基
    板がXY平面にほぼ平行となり、これら各基板のほぼ中心
    位置にＺ軸が直交するようなXYZ三次元座標系を定義し
    たときに、 前記第１の変位電極と前記第１の固定電極とによって、
    Ｘ軸の正領域に対応する位置に配置された第１の容量素
    子と、Ｘ軸の負領域に対応する位置に配置された第２の
    容量素子と、Ｙ軸の正領域に対応する位置に配置された
    第３の容量素子と、Ｙ軸の負領域に対応する位置に配置
    された第４の容量素子と、Ｚ軸と交差する位置に配置さ
    れた第５の容量素子と、が構成され、 前記第２の変位電極と前記第２の固定電極とによって、
    Ｚ軸と交差する位置に配置された第６の容量素子が構成
    され、 前記第１の容量素子の静電容量と前記第２の容量素子の
    静電容量との差に相当する電気信号を、前記作用体に作
    用したＸ軸方向の力を示す信号として出力し、 前記第３の容量素子の静電容量と前記第４の容量素子の
    静電容量との差に相当する電気信号を、前記作用体に作
    用したＹ軸方向の力を示す信号として出力し、 前記第５の容量素子の静電容量と前記第６の容量素子の
    静電容量との差に相当する電気信号を、前記作用体に作
    用したＺ軸方向の力を示す信号として出力することを特
    徴とする物理量の検出装置。
JP03506367A 1991-03-30 1991-03-30 電極間距離の変化を利用して物理量を検出する装置における動作試験方法、およびこの方法を実施する機能を備えた物理量の検出装置 Expired - Fee Related JP3040816B2 (ja)

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