JP7622971B2 - サーボ型振動検出器及び振動制御装置 - Google Patents

サーボ型振動検出器及び振動制御装置 Download PDF

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Description

本発明は、基礎に対して支持され、外乱を受けて振動する制御対象物の加速度、あるいは、慣性空間に対する絶対速度、又は、絶対変位を、広い周波数帯域で信号検出する振動センサ、もしくは除振制御装置に関するものである。
１．世の中のトレンド
半導体製造プロセス、液晶製造プロセス、精密機械加工などの様々な分野で、微細な振動を遮断・抑制するための振動制御の利用が広がっている。これらのプロセスで用いられる走査型電子顕微鏡、半導体露光装置（ステッパ）などの微細加工・検査装置は、装置の性能を保障するための厳しい振動許容条件が要求される。今後、製品のさらなる高集積化・微細化と共に、加工プロセスの高速化と装置の大型化が進み、振動許容条件はますます厳しくなる傾向にある。
２．除振装置が除去すべき外乱
近年、振動制御対象の構造物（たとえば、精密除振台）の複数箇所に配置された振動センサからの変位・速度・加速度情報に基づいて制御信号を作り、制御装置を制御するアクティブ振動制御技術が普及している。
図５２に、従来のアクティブ除振台のモデル図を示す。このアクティブ除振台は、特許文献３にも記載されているように公知のものである。床面５００には、定盤５０１を支持するための複数組の空気圧アクチュエータ（５０２a、５０２b）が配置されている。この定盤５０１の上に精密装置（図示せず）が搭載される。５０３は、定盤５０１の垂直・水平方向の加速度を検出するための加速度センサ、５０４は、床面５００の加速度（基礎の振動状態）を検出する加速度センサである。５０５a、５０５bは、床面５００に対する定盤５０１の垂直・水平方向相対変位をそれぞれ検出するための変位センサである。これら各センサからの出力信号がそれぞれコントローラ５０６に入力される。空気圧アクチュエータ５０２aには、配管５０７を介して、コントローラ５０６により制御されるサーボ弁５０８が接続されている。このサーボ弁５０８により、空気圧アクチュエータ５０２aへ供給・排気される圧縮空気の流量を調整することで、アクチュエータ５０２aの内圧が制御されて、空気圧アクチュエータを駆動する。
除振装置において除去すべき外乱は、設置床の振動に起因する地動外乱と、除振台上から入力される直動外乱に大別される。
地動外乱となる振動の発生源として、歩行振動と呼ばれる人の移動によるものは１～３Hz、エアコンなどのモータによるものは６～３５Hz、床や壁の共振点は１０～１００Hz程度である。超高層・免振ビルでは0.2～0.3Hz近傍に固有振動数を有する。また風揺れによって、建築物は0.1～1.0Hzの微振動が発生する。したがって、除振台には、高周波の振動抑制だけではなく、低い周波数の振動を取り除くことも要求される。
直動外乱による高周波振動の発生源として、除振台にたとえば位置決めステージ５０９が搭載されている場合、ステージの加減速運転によって、除振台を含めた構造物は打撃を受け、かつ駆動反力によって揺動する。この打撃による振動および駆動反力に起因した揺れを抑制しなければステージの性能を維持できない。要約すれば、除振装置は地動外乱による「除振」に加えて、直動外乱による「制振」の両方を併せ持つ機能が要求される。
３．振動センサのアクティブ除振装置における役割
アクティブ振動制御では、状態フィードバックによる制御方法が採られている。これは、振動制御対象の構造物の複数個所に配置された振動センサからの加速度・速度・変位情報に基づいて、制御装置を制御する方法である。広い周波数領域で除振性能を得るために、たとえば、加速度信号は主に10Hz以上の状態量を制御し、速度信号は1～10Hz、変位信号は1Hz以下の状態量を制御するのに用いられる。たとえば、
(i)定盤５０１上に配置された加速度センサ（図５２加速度センサ５０３を利用）からの信号を用いて、加速度フィードバックを施せば、質量Mの増加と等価となり、固有振動数を低下させ、共振ピークを低減させるなどの効果が得られる。
(ii)上記加速度センサ（図５２の５０３）からの信号を絶対速度あるいは絶対変位信号に変換し、フィードバックあるいはフィードフォワードを施せば、広い周波数領域で大幅な除振性能の改善ができる。
(iii)定盤５０１直下に配置された加速度センサ（図５２の５０４）からの信号を用いて、その信号を絶対速度あるいは絶対変位信号に変換し、同様にフィードフォワードを施せば、広い周波数領域で除振性能の改善ができる。
上記(ii)(iii)の制御を行うためには、慣性空間に対する速度、位置情報が必要である。加速度センサは慣性空間に対する加速度を計測することができるため、加速度センサを制御対象に取り付けることで、制御対象に加わる加速度が検出できる。したがって、従来のアクティブ除振装置では、加速度センサの出力を１回積分することで速度信号を求め、さらに２回積分することで変位信号を求める方法が採用されている。
４．加速度センサの基本構成と検出原理
図５３は、静電容量型加速度センサの基本構成と検出原理を示すモデル図である。３０１はセンサの各部材を収納する本体部、３０２は質量体、３０３は振動測定面Ａに対して質量体３０２を機械的に支持するバネ、３０４は減衰器である。質量体３０２は静電容量型センサの可動側電極も兼ねている。３０５は可動側電極（質量体３０２）の対抗面側に配置された固定側電極、３０６は前記２つの電極間の空隙部である。
３０７は振動測定面Ａに対して、質量体３０２を垂直方向に駆動する電磁アクチュエー
タである。空隙部３０６の間隙の大きさで静電容量Cが決まるため、この静電容量C
を計測することにより、地動絶対変位Uと質量体の絶対変位Xの差である相対変位
U-Xを検出できる。サーボ回路３１０（２点鎖線で示す）は、記相対変位信号U-Xを利
得KPで増幅する変位増幅器３１１から構成される。
以下、加速度センサの検出原理について、数式を用いて説明する。質量体３０２の質量をm、前記質量体を支持する機械ばね３０３のばね定数をk、減衰器３０４の減衰係数をc、アクチュエータ３０７の駆動力をF=Afi0とすれば、次の運動方程式が成り立つ。
Figure 0007622971000001
 相対変位u-xが零になるように、比例ゲイン定数KPの増幅器により、アクチュエータ
の電流i0が制御される。
Figure 0007622971000002
Figure 0007622971000003
 比例ゲイン定数KPが十分に大きく、式(3)の右辺における第3項と比べて、第１項、第
２項が無視できるとすれば、
Figure 0007622971000004
 式(2)、式(4)からアクチュエータに流す電流i0を検出すれば、質量体３０２の加速度を
近似的に求めることができる。
５．従来のサーボ型加速度センサの具体構造
サーボ型加速度計の具体的構造は、大きく分けて、（１）質量部が直線運動するタイプ、（２）質量部が揺動運動するタイプ、の２種類が用いられている。以下、この２種類の従来センサの実施例について説明する。
（5-1）・・・直線運動式加速度センサの従来例
図５４は、従来の直線運動式加速度センサの具体構造例を示す正面断面図である。直線運動式の基本原理は特許文献１に開示されている。図５３で示した基本構成と検出原理により構成されている。１１は永久磁石、１２はポールピース部、１３はポールピース凸部、１４は永久磁石側ヨーク材、１５はコイル側ヨーク材、１６aはフォースコイル、１６bは検定コイル、１７はコイルボビン、１８，１９は非磁性でかつ非導電性材料によるコイルボビン支持部材、２０はフロント側ディスク状ばね、２１はリアー側ディスク状ばね、２２はフロント側ディスク状ばね２０とコイル側ヨーク材１５のフロント側連結部材、２３はリアー側ディスク状ばね２１とコイル側ヨーク材１５のリアー側連結部材である。
２４は可動側電極、２５は固定側電極、２６はフロント側パネル、２７は中央プレート、２８は固定側電極２５とフロント側パネル２６の締結部材である。
ポールピース部１２の外周部とコイル側ヨーク材１５の内周部間は半径方向の磁気空隙部２９が形成されている。２９aは永久磁石側空隙部、２９bはヨーク材側空隙部である。「永久磁石１１→ポールピース部１２→磁気空隙部２９→コイル側ヨーク材１５→永久磁石側ヨーク材１４」により、閉ループ磁気回路を形成している。磁気空隙部２９の空間に配置されたフォースコイル１６aに電流が流れると、可動側電極２４を軸方向に移動させるローレンツ力が発生する。３０は可動側電極２４と固定側電極２５で形成される空隙部である。空隙部３０の間隙の大きさで静電容量Cが決まるため、静電容量Cを計測することにより、地動絶対変位Uと質量体の絶対変位Xの差である相対変位U-Xを検出できる。サーボ回路は、変位検出器３１、増幅器３２、ドライバー３３から構成される。増幅器３２、ドライバー３３は、前記相対変位信号U-Xを利得KPで増幅する変位増幅器である。相対変位u-xが零になるように、比例ゲイン定数KPの増幅器により、アクチュエータの電流i0が制御される。フォースコイル１６aに流す電流i0を検出すれば、前述したように、可動部に作用する加速度を求めることができる。
（5-2）・・・揺動運動式加速度センサの従来例
（１）センサの全体構成 図５６は、特許文献２に開示された揺動運動式の一例を示す正面断面図で、５９０ａは振子で円板状の枠体５９０の枠内に位置する。振子５９０ａは、その周の一部が切り欠かれた舌片形状で形成され、ヒンジ５９０ｂを介して枠体５９０によって支持されている。これら枠体５９０、振子５９０ａ、ヒンジ５９０ｂは、例えば石英ガラスで一体に形成される。ヒンジ５９０ｂは肉薄とされ弾性変形可能であり、入力加速度により振子５９０ａが同図の上下方向に変位可能とされている。
５９１,５９２は一対の磁気ヨーク、５９３はポールピースボトム、５９４は永久磁石、５９５はボールピーストップである。 永久磁石５９４は、その板厚方向に着磁され、磁気ヨーク５９１，５９２の開放端内周面とポールピーストップ５９５の外周面との間に環状磁気空隙５９６がそれぞれ形成される。これら環状磁気空隙５９６内にそれぞれ位置するようにトルカコイル５９７が巻回されたコイルボビン５９８が、振子５９０ａの両板面にそれぞれ取り付けられている。
振子５９０ａの両板面には、その舌片形状の先端側外周に沿って静電容量電極５９０ｃが円弧状にそれぞれ形成されている。５９１ｅ，５９２ｅは、静電容量電極５９０ｃと所定の間隔を空けて対向する電極面である。
このような構成を有するサーボ型加速度計においては、加速度入力による振子５９０ａの変位が静電容量電極５９０ｃと電極面５９１ｅ，５９２ｅ間の静電容量の変化として検出される。電極面５９１ｅ，５９２ｅは共通電位とされ、振子５９０ａの両板面の静電容量電極５９０ｃの検出信号が図示しないサーボアンプにより差動増幅され、一対のトルカコイル５９７に静電容量差に基づいたトルカ電流が流される。このトルカ電流と永久磁石５９４による磁界との相互作用により、変位した振子５９０ａは元に戻り、中立点で平衡する。この時のトルカ電流は振子５９０ａに加わった加速度に比例するので、この電流から入力加速度が求められる。トルカコイル５９７のコイル端末５９７ａ，５９７ｂが振子５９０ａ上の図示しない金属導体に接着されて電気的に接合される。
（２）振子の構造
図５８に、振子５９０ａの平面図を示す。図５８（ａ）は一方の面、図５８（ｂ）は他方の面である。枠体５９０、振子５９０ａ、ヒンジ５９０ｂ１，５９０ｂ２は、例えば一枚の石英ガラスの円板からエッチングによって形成される。 振子導体Ａが、一方の面の枠体５９０上に、枠体５９０の幅の略半分の幅で円弧状に形成され、円弧状の金属導体の一端が一方のヒンジ５９０ｂ１上をその延長方向に向けて延伸され、振子５９０ａの中心部を超えた後にその中心部に向けて鈎状に折り返された形状で形成されている。円弧状の振子導体Ａは、トルカ電流の一方の入出力端部を構成する。
振子導体Ｂが、一方の面上で、振子５９０ａの中央部に位置する振子導体Ａの端部から振子５９０ａの中心を挟んで、後述するボビン導体同士の間隔と略等しい間隔を空けた位置から振子１０ａの外縁部に向けて振子導体Ａと同じ幅で形成されている。更に振子導体Ｂは、一対のヒンジ５９０ｂ１，５９０ｂ２の間の位置で振子５９０ａの外縁部の側面を伝わって他方の面まで連続して形成されている。他方の面上の振子導体Ｂの形状は上記した一方の面上の形状と同じである。振子導体Ｂは、左右２つのトルカコイル５９７を直列に接続する。
振子導体Ｃが、上記した振子導体Ａと略同じ形状で他方の面上に形成される。振子導体Ｃの端部が、一方の面の枠体５９０上に枠体５９０と略等しい幅で円弧状に形成される。一方の面の振子導体Ｃの端部と他方の面の振子導体Ｃとは、枠体５９０の内径側の側面を伝わって連続して形成される。円弧状の振子導体Ｃは、トルカ電流の他方の入出力端を構成する。
静電容量検出電極Ｄが、振子５９０ａの一方の面上で振子５９０ａの外縁に沿って円弧状に形成され、更にヒンジ５９０ｂ２上を伝わって、枠体５９０上に枠体５９０の外周部に沿って枠体５９０の幅の略半分の幅で円弧状に端部が形成されている。
また、静電容量検出電極Ｅが、振子５９０ａの他方の面上で、静電容量検出電極Ｄと同様に形成されている。更に静電容量検出電極Ｅは、枠体５９０の内径側の側面を伝わって枠体５９０の一方の面上まで連続し、枠体５９０の一方の面上に枠体１０と略等しい幅で円弧状に端部が形成されている。枠体５９０の一方の面上の静電容量検出電極Ｄ，Ｅのそれぞれの端部は図示しないサーボアンプに接続される。
以上述べた各振子導体は、石英ガラスから成る枠体５９０、振子５９０ａ、ヒンジ５９０ｂ１，５９０ｂ２の表面に金（Ａｕ）がスパッタリング若しくは真空蒸着された薄膜で形成される。
前述した直線運動式加速度センサと揺動運動式加速度センサにおいて、両者の基本構造の違いを可動部の弾性支持方法で分類できる。直線運動式は可動部の移動方向を軸芯として、この軸芯の円周方向にばねが配置される。揺動運動式は一端を固定端として、もう一方を自由端とする片持ちはりによって可動部が支持される構造である。
特開２００４－２０５２８４号公報 特開２０１０－９６５０９号公報 特開２００６－２８３９６６号公報
特許文献１に開示された直線運動式加速度センサの場合、基本動作原理・構造に起因する生産技術面での大きな課題があった。図５５aはフロント側ディスク状ばね２０の形状を示す正面図、図５５bは前述したセンサ全体図（図５４）からフロント側パネル２６、固定側電極２５などを取り外した正面断面図である。図５５cは図５５bのA部拡大図で、可動側電極２４が軸方向に変形した状態を示す図である。
フォースコイル１６a、及び、検定コイル１６bの各端子と外部に設置された制御回路を繋ぐためには、４本の導通路を必要とする。さらに可動側電極２４と変位検出器３１（図５４）を繋ぐ導通路を含めると、総計５本の独立した導通路が必要である。前記２つのコイルと前記可動側電極は軸方向に移動するため、５本の端子と外部固定部の間をリード線で連結することはできない。そのため、図５５a、図５５cに示すように、５本の導通路はフロント側ディスク状ばね２０、及び、リアー側ディスク状ばね２１を利用して形成する。すなわち、２つのディスク状ばね２０、２１は可動部（コイルボビン１７、可動側電極２４等）の弾性支持と、前記５本の独立した導通路を兼ねて形成される。
図５５aにおいて、３４a、３４b、３４cはフロント側ディスク状ばね２０の外周側固定部である。この３つの外周側固定部は鎖線円AAで示すように、電気的絶縁を図るために、円周方向の３箇所で切断されている。３５a、３５b、３５cは前記フロント側ディスク状ばねの内周側ばね部である。この３つの内周側ばね部は鎖線円BBで示すように、電気的絶縁を図るために、円周方向の３箇所で切断されている。３６a、３６b、３６cは各コイル端子と前記内周側ばね部を導通させるための半田付け部である。図５５cには、検定コイル１６bの端子と内周側ばね部３５cを半田付け部３６cで導通させた状態を示している。ちなみに、サーボ型加速度センサに用いられるコイル線径は、たとえば、30μm程度の極細線である。
すなわち、従来サーボ型加速度センサは、基本動作原理・構造に起因する生産技術面での課題として、ディスク状ばねとコイル間の「切断・絶縁・半田付け」の工程を必要とする。この複雑な工程が、量産時における歩留まりを低下させ、信頼性を低下させる主要因となっていた。長期信頼性を考慮したとき、直線運動式加速度センサに適用される小径のディスク状ばねは、金属材料でなければならない。その理由として、センサの性能面から可動部の慣性質量とばね剛性で決まる機械的共振周波数は充分に低く、ばね剛性の値は小さく設定する必要がある。小径のディスク状ばねは、小さな外力で大きく変形する。そのため、揺動運動式加速度センサで用いられているような非金属材料（たとえば、石英ガラス）と導伝性薄膜（導通路）を組み合わせた構造の採用は困難である。
特許文献２に開示された従来揺動運動式加速度センサが、スパッタリング、真空蒸着などの高額な加工設備を必要とする薄膜工法を用いる理由は、(i)揺動運動する一対のトルカコイルと外部制御回路を繋ぐ導通路、(ii)揺動運動する振子５９０aの表面に形成された静電容量電極と外部制御回路を繋ぐ導通路、上記(i)(ii)を必要とするからである。上記複数の独立した導通路は弾性変形する肉薄のヒンジ５９０ｂ１，５９０ｂ２を利用して、その表面に薄膜形成されていた。図５７に振子５９０aが揺動運動する状態を拡大して示す。
この方法以外に、たとえば、細い複数の導線（ワイヤー）を、運動部材側と固定部材側に半田付け、あるいは導伝性接着剤などで連結する方法を想定する。この場合、ワイヤーの変形に伴うばね負荷が、前記ヒンジ部のばね剛性に並列に加わることになり、機械的共振周波数に影響を与える。またワイヤーに加わる繰り返し応力による疲労破壊など、信頼性の低下は回避できない。
したがって、直線運動式、あるいは揺動運動式のいずれのサーボ型加速度センサにおいても、可動部材側と固定側を繋ぐ複数信号を流す導通路は、両者を連結する弾性部材を利用して形成せざるを得ない。その結果、複雑な構造と生産工法を必要とするため、コスト高となり、量産時における歩留まり・信頼性を低下させる大きな要因となっていた。
アクティブ除振台を構成する一例として、４点支持アクティブ制御を想定する。この場合、アクチュータは四隅に配置され、アクチュータの設置向きは、水平X方向に2点、Y方向に2点が対角に配置される。また各アクチュータはZ方向の荷重を支持するアクチュータも組み込まれる。さらに、したがって、総計８個のアクチュータが配置され、各アクチュータの制御するための８個の加速度センサが必要である。さらに床面の加速度を検出するセンサを含めると、総計９個の高価な加速度センサが必要である。したがって、多軸制御のアクティブ除振台の場合、必要とされる加速度センサ個数の多さゆえに、全体に占めるコスト比率が高いという深刻な課題があった。
前述したように、歩留まり低下の主要因である配線処理の難しさは、可動部のコイルが動くことに起因するムービング・コイル式（MC式）の不可避の課題である。本発明は、この課題をもたらす原点に立ち戻り、サーボ型加速度センサのアクチュエータ部は、３つの要素、すなわち、「永久磁石」、「コイル」、「ヨーク材」で閉ループ磁気回路を形成することに注目した。この３つの要素のひとつである「コイル」が固定されるならば、ムービング・コイル式（MC式）の宿命的課題、すなわち、歩留まり低下の主要因である配線処理の難しさは一挙に解決される。
しかして、本明細書の開示の第１に係る発明のサーボ型振動検出器は、固定部材と、前記固定部材に対して所定方向に移動可能に設けられ、内部に磁束が流れるように構成された可動部材と、前記固定部材に対して前記可動部材が空隙部を介して配置されるように支持する弾性部材と、前記可動部材の前記所定方向の変位を検出する変位検出部と、前記変位検出部で前記可動部材の原点位置からの相対変位が検出された場合に、前記可動部材を原点位置に戻す電磁気力を発生させる駆動手段と、を備え、前記駆動手段が、前記固定部材に固定されたコイルを具備し、前記可動部材が、閉ループ磁気回路の一部をなす可動側ヨーク材を少なくとも具備したものである。
すなわち、本発明はコイルを固定部材側に固定して、固定部材と可動部材間の空隙に磁束が流れるように永久磁石を配置して、可動部材を永久磁石とヨーク材、あるいはこのヨーク材だけで構成する。可動部材は閉ループ磁気回路を形成することで生じる電磁気力で駆動される。本発明により、生産工程において、ムービング・コイル式の複雑な配線処理が不要となり、量産工法の大幅な簡素化と生産コストを低減できる。
本明細書の開示の第２に係る発明のサーボ型振動検出器は、前記可動部材が、前記閉ループ磁気回路を形成する永久磁石をさらに具備し、前記永久磁石のいずれかの磁極面に対して前記可動側ヨーク材が連結されているとともに、当該可動側ヨーク材が前記コイル内に配置されており、前記駆動手段が、前記コイルに電流を印加することで、電流が流れる導線が磁界中で受けるローレンツ力の反力により、前記永久磁石及び前記可動側ヨーク材を前記所定方向に移動させるように構成したものである。
すなわち、本発明は、磁界中に置かれた導体に電流が流れると、電磁力であるLorentz力が前記導体に発生する。あらゆるアクチュータは、その駆動原理の種類に関わらず、固定側と移動側の力関係は相対的である。すなわち、本発明では、固定配置された前記コイルに電流が流れると、前記永久磁石を軸方向に移動させるLorentz力の反力を利用したものである。
本明細書の開示の第３に係る発明のサーボ型振動検出器は、前記固定部材に固定され、前記閉ループ磁気回路を形成する永久磁石をさらに具備し、前記永久磁石のいずれかの磁極面に対して前記可動側ヨークが離間させて設けられているとともに、当該可動側ヨーク材が前記コイル内に配置されており、前記駆動手段が、前記コイルに電流を印加することで電流が流れる導線が磁界中で受けるローレンツ力の反力により、前記可動側ヨーク材を前記所定方向に移動させるように構成したものである。
すなわち、本発明は、コイルのみならず永久磁石も固定して、ヨーク材だけを動かすことでサーボ型加速度センサのアクチュータを構成したものである。すなわち、「第３のリニアモータ」とも言うべき、ムービング・ヨーク式（MY式（仮称））の提案である。MY式加速度センサの特徴は、
（１）MC式同様に可動部質量の軽量化が図れる。
（２）MM式同様にコイルの極細線処理が不要である。
すなわち、MM式とMC式の両方の短所を解消すると共に、両方の長所を併せ持つことができる。
本明細書の開示の第４に係る発明のサーボ型振動検出器は、前記変位検出部が、前記可動部材に設けられた可動側電極と、前記可動側電極と対向するように前記固定部材に固定された固定側電極と、を具備し、前記可動側電極と前記固定側電極との間で形成される静電容量の変化に基づいて前記可動部材の変位が検出されるように構成したものである。
すなわち、本発明は、各種センサのなかで最も高い検出精度が得られる静電容量型を適用することにより、高分解能のサーボ型加速度センサを実現できる。
本明細書の開示の第５に係る発明のサーボ型振動検出器は、前記空隙部は、前記閉ループ磁気回路内において前記可動部材と前記固定部材との間で半径方向空隙をなす第１空隙部と第２空隙部を具備しており、前記第１空隙部は前記ローレンツ力を発生するためのコイルが固定配置されており、前記第２空隙部は前記可動部材と前記固定部材の間に磁束を流すための磁気連結部としたものである。
すなわち、本発明は、従来のMC式では、閉ループの磁気回路を形成する空隙部は１個だけであるのに対して、本発明のMM式、あるいはMY式の場合は、閉ループの磁気回路を形成するためには、２つの空隙部を必要とする。コイルを介在するメインの空隙部（第１空隙部）に対して、「磁気連結部」としてサブの空隙部（第２空隙部）を設けることで、磁束密度の高い磁界中にコイルを固定設置できて、このコイルにローレンツ力を発生させることができる。
本明細書の開示の第６に係る発明のサーボ型振動検出器は、前記永久磁石のいずれかの磁極面と連結し、可動側ヨーク材の一部を構成するポールピース部と、このポールピース部、もしくは、前記永久磁石の半径方向対向面と前記第１空隙部を介して前記固定部材に固定配置された前記コイルと、前記永久磁石のもう一方の磁極面と前記固定部材間を磁束が流れるように設けられた前記磁気連結部から構成されており、前記永久磁石、前記ポールピース部、前記第１空隙部、前記固定部材、前記磁気連結部により閉ループ磁気回路を形成したものである。
すなわち、本発明は、可動部材である永久磁石のもう一方の磁極面と固定部材間を磁束が流れるように磁気連結部を設けたものである。この磁気連結部と前記永久磁石、前記ポールピース部、前記空隙部、前記固定部材により、前記ポールピース部をLorentz力で駆動させるための閉ループ磁気回路を形成したものである。
本明細書の開示の第７に係る発明のサーボ型振動検出器は、可動側ヨーク材の一部を構成するポールピース部と、前記ポールピース部と前記固定部材との空隙部内において前記固定部材に固定配置された前記コイルと、前記ポールピース部は前記永久磁石のいずれかの磁極面と前記磁気連結部を介して配置されており、前記永久磁石のもう一方の磁極面と前記固定部材間を磁束が流れるように前記永久磁石は固定配置されており、前記永久磁石、前記磁気連結部、前記ポールピース部、前記固定部材により閉ループ磁気回路を形成したものである。
すなわち、本発明は固定部材である永久磁石の一方の磁極面は、可動部材である磁気連結部を経てポールピース部と磁路を形成して、永久磁石の一方の磁極面は固定部材と磁束が流れるように閉ループ磁気回路を形成したものである。
本明細書の開示の第８に係る発明のサーボ型振動検出器は、前記ポールピース部は概略円筒形状で構成したものである。
すなわち、本発明は、前記ポールピース部を円筒状にして、この円筒部の厚みを薄く、かつ長く構成することで下記効果が得られることを見出したものである。
（１）ボイスコイルモータの力定数（電気・機械変換効率）を大きくできる。
（２）可動部慣性質量の増加分を小さくできる。
（３）コイル巻数を増加させて発生力を大きくしても、発熱を抑制できる。
上記（１）は、前記ポールピース部を長くすることで、漏洩磁束が発生力に与える影響を低減できることを見出したものである。上記（２）は、前記ポールピース部を長くしても、円筒部の厚みが薄ければ質量の増加分は僅少である。上記（３）は、前記ポールピース部を長くすることで、その対抗面のコイル収納空間を増加できることを利用している。すなわち、コイル線径を大きくして、コイル巻数の増加に伴うコイルの電気抵抗の増大を抑制する。したがって、上記（１）～（３）により、MC式からMM式に置き換えることによる可動部の質量UPがもたらす課題が解消される。本発明により、高周波域（たとえば、400～500Hz以上）まで延びた信号伝達特性と、高い応答性が得られるMM式加速度センサが実現できる。
本明細書の開示の第９に係る発明のサーボ型振動検出器は、軸方向に着磁された前記永久磁石と、この永久磁石の一方の磁極面に連結された前記ポールピース部と、このポールピース部の半径方向対向面に空隙部を介して前記ハウジングの内面に固定配置された前記コイルと、前記永久磁石のもう一方の磁極面と前記ハウジング間を磁束が流れるように設けられた前記磁気連結部で構成したものである。
すなわち、本発明は、軸方向に着磁された前記永久磁石と前記ポールピース部を連結した構成により、シンプルな部品構成でサーボ型加速度センサが実現できる。
本明細書の開示の第１０に係る発明のサーボ型振動検出器は、第１空隙部と第２空隙部における前記可動部材と前記固定部材との半径方向離間距離をそれぞれδ1、及び、δ2として、δ1＞δ2となるように構成したものである。
すなわち、本発明は、前記磁気連結部の間隙（サブギャップ部）を前記空隙部（メインギャップ部）よりも狭くして、前記磁気連結部の磁気抵抗を前記空隙部のそれよりも小さくすることで、前記磁気連結部が発生力に与える影響を小さくできる。
本明細書の開示の第１１に係る発明のサーボ型振動検出器は、前記可動側磁性材料部材を含む可動部質量をm、前記永久磁石の質量をmp、前記可動部質量の下限値mmin=2mpとして、KPTを位置センサ感度KSと調整ゲインKCと比例ゲインKPの積で決まる電気的ゲイン、Ktをアクチュエータの力定数、Raを前記コイルの電気抵抗、KT= KPTKt/Raとして、f0を加速度センサに要求される共振周波数、前記可動部質量の上限値mmax=KT/(2πf0)2としたとき、mmin≦m≦mmaxの範囲に設定したものである。
すなわち、本発明においては、MM式加速度センサの可動部質量mの下限値は永久磁石の質量mpが基本となることに着目した。前記永久磁石と連結する磁性材料部材（ポールピース部）形状の工夫等によって、従来MC式以上のアクチュータ発生力を得ると共に、可動部質量mの下限値mmin=2mpにすることができる。また可動部質量mの上限値mmaxは、加速度センサに要求される共振周波数f0を設定して、かつ、制御回路の電気的ゲインKPT、アクチュエータの力定数Kt、コイルの電気抵抗Raにより決めることができる。
本明細書の開示の第１２に係る発明のサーボ型振動検出器は、前記磁気連結部は径方向に着磁された補助永久磁石と、この補助永久磁石の半径方向対向面に空隙部を介して前記ハウジングの内面に固定配置された補助コイルから構成したものである。
すなわち、本発明は、前記磁気連結部を径方向に着磁された補助永久磁石とその対向面に配置された補助コイルから構成する。この構成により、前記磁気連結部はサブ・アクチュエータとして機能するため、駆動部の発生力を向上できる。また、補助永久磁石と補助コイル間のエアーギャップは充分に大きく設定できるために、組立作業が容易となる。固定側に対して可動部の軸芯が偏芯した場合、可動部に加わる半径方向の発生力も僅少である。
本明細書の開示の第１３に係る発明のサーボ型振動検出器は、前記閉ループ磁気回路内には、前記可動部材と前記固定部材との間で半径方向に磁束を伝達する第１伝達部と第２伝達部を具備しており、前記第１伝達部は前記可動部材と前記固定部材との間で半径方向の空隙を有し、この空隙内に前記ローレンツ力を発生するための前記コイルが固定配置されており、
前記第２伝達部は前記可動部材と前記固定部材との間は、半径方向に磁束が流れる磁性材料によるディスク形状ばねで固定されており、このディスク形状ばねは前記可動部材を支持する前記弾性部材を兼ねて構成したものである。
すなわち、本発明は、前記第１伝達部を空隙ではなく、磁性材料で構成されたディスク状ばね自体が閉ループ磁気回路を形成する磁路としたものである。磁気連結部を必要としない本実施形態により、シンプルな構成でサーボ型加速度センサを実現できる。
本明細書の開示の第１４に係る発明のサーボ型振動検出器は、前記永久磁石をフロント側永久磁石、前記コイルをフロント側コイルとして、前記磁気連結部は、径方向に着磁されたリアー側永久磁石と、このリアー側永久磁石の一方の磁極面に連結された前記ポールピース部と、前記リアー側永久磁石のもう一方の磁極面の半径方向対向面に前記空隙部を介して前記ハウジングの内面に固定配置されたリアー側コイルから構成され、前記フロント側永久磁石、前記空隙部、前記ハウジング、前記空隙部、前記リアー側永久磁石、前記ポールピース部で閉ループ磁気回路を構成したものである。
すなわち、本発明は、前記フロント側永久磁石を径方向に着磁された磁石で構成すると共に、前記磁気連結部を径方向に着磁された磁石と固定コイルにより構成したものである。フロント側とリアー側のいずれもボイスコイルモータとして機能するために発生力の向上が図れる。またコイル装着部と２つの永久磁石間の磁気空隙部の半径方向隙間を充分に大きく、たとえばδ=0.5mm程度に構成できる。狭いギャップで環状空隙部を構成する前述した実施形態と比べて、量産時の組み立ても容易である。
本明細書の開示の第１５に係る発明のサーボ型振動検出器は、前記弾性部材は概略平板円環形状をした導電性材料で構成されており、前記弾性部材の少なくとも外周側は、非導電性材料を介在して前記固定部材に固定されているものである。
すなわち、本発明において、前記弾性部材（ディスク状ばね）は、可動側電極と外部を繋ぐ導通路として、前記弾性部材を支持する固定側に対して電気的絶縁が図られている。そのため、固定側電極と可動側電極間の微小な静電容量信号を、外乱ノイズの影響を受けないで検出できる。
本明細書の開示の第１６に係る発明のサーボ型振動検出器は、前記可動側電極と前記ポールピース部の間は、非導電性材料が介在するように構成したものである。
すなわち、本発明において、前記ポールピースの表面には渦電流が発生するが、前記可動側電極と前記ポールピースの間は電気的に絶縁されているため、静電容量信号はこの渦電流の影響を回避できる。
本明細書の開示の第１７に係る発明のサーボ型振動検出器は、前記可動部材の２つの端面のそれぞれに設けられた可動側電極部材と、これらの可動側電極部材と対向して前記固定部材に設けられた固定側電極部材と、前記可動側電極部材と前記固定側電極部材の電極面間で形成される２組の静電容量センサの出力差を検出することで、差動式センサを構成したものである。
すなわち、本発明は、左右の出力軸がいずれも開放端になる直動型MM式、あるいはMY式の構造上の特徴に注目して、静電容量を検出する電極を左右２箇所に設けることにより、差動式の静電容量式センサを構成したものである。
本明細書の開示の第１８に係る発明のサーボ型振動検出器は、前記可動部材の片側軸端部において、２つの平板状の前記可動側電極部材が隙間を介して設けられており、この２つの前記可動側電極部材に挟み込まれるように平板状の前記固定側電極部材を前記隙間内に配置して、前記可動側電極部材の電極面Saと対向する固定側電極部材の電極面SAの間で第１の静電容量センサを構成して、かつ、前記電極面SAの裏面の電極面SBと対向する前記可動側部材の電極面Sbの間で第２の静電容量センサを構成したことを特徴とする。
すなわち、本発明は、前記可動部の片側軸端部に設けた２つの可動側電極と、１つの固定側電極から、２組の静電容量センサを構成したものである。片側１軸の主力端のみ利用可能なアクチュータを有する加速度センサにも適用可能である。
本明細書の開示の第１９に係る発明のサーボ型振動検出器は、前記可動部材の端部に１つの平板状の前記可動側電極部材が設けられており、この可動側電極部材の表裏面には電極面SAAと電極面SBBが形成されており、この可動側電極部材を隙間を介して挟み込むように２つの平板状の前記固定側電極部材を配置して、前記電極面SAAと対向する前記固定側電極部材の電極面Saaの間で第１の静電容量センサを構成して、かつ、前記電極面SBBと対向する前記固定側電極部材の電極面Sbbの間で第２の静電容量センサを構成したものである。
すなわち、本発明は、前記可動部の片側軸端部に設けた１つの可動側電極と、２つの固定側電極から、２組の静電容量センサを構成したものである。前述した実施形態同様に、片側１軸の主力端のみ利用可能なアクチュータを有する加速度センサにも適用可能である。
本明細書の開示の第２０に係る発明のサーボ型振動検出器は、前記コイルは非磁性の金属製ボビンに収納されて、かつこの金属製ボビンは前記固定部材の中空円筒部分の内面に篏合されているものである。
すなわち、コイルボビンに非磁性で熱伝導性の良い材料（たとえば、アルミ材）を用いて、かつこのコイルボビンを前記ハウジングの内面に密着して装着する。その結果、コイルの発熱は容易に放熱できるため、熱雑音に繋がるセンサノイズを低減できる。従来のMC式センサの場合は、コイルボビン、及び、コイルは空中に浮遊した状態で設置される。コイルボビンを支持する部材は非磁性で、かつ非導電性材料であるため、熱伝導によるコイルの放熱作用は期待できなかった。本発明は、コイルが固定できるMM式の構造上の特徴を利用したものである。
本明細書の開示の第２１に係る発明のサーボ型振動検出器は、前記固定部材の内面に密着する前記コイルの軸方向端面近傍で、前記可動部材と前記固定部材間の半径方向距離が両端と比べて大きい窪み部が前記ハウジングの内面に形成されているものである。
すなわち、本発明は、磁気空隙部を垂直に流れる磁束は、アクチュエータの発生力に有効に寄与するのに対して、コイル対抗面のコーナーからコイル側ヨーク材内周面のコーナーに流れる磁束は漏れ磁束であり、発生力に寄与しない点に注目したものである。前記コイル側ヨーク材に形成された窪み部は、漏れ磁束を低減するのに大いに貢献する。
本明細書の開示の第２２に係る発明のサーボ型振動検出器は、前記永久磁石と前記ポールピース部との間、前記コイルが収納されたコイルボビンと前記固定部材との間、前記弾性部材と前記固定部材との間、又は、前記弾性部材と前記ポールピース部との間の少なくともいずれかはM0.5からM1.0mmのボルトにより締結されるように構成したものである。
すなわち、本発明は、ミクロな部品で構成される加速度センサに、時計などの特殊分野で適用されるM0.5からM1.0mmの極小ボルト締結工法を適用したものである。極小ボルト締結工法の適用が可能となった理由は、極細線処理が不要で、可動部の部品構成を簡素化できるMM式の特徴に注目したものである。
接着工法で製品を構成した従来加速度センサ場合、量産時における品質評価の段階で、不合格品となれば製品本体を破棄せざるを得なかった。本発明センサにおいては、多くの部品の再利用が可能であり、量産時における歩留まりをおおいに向上させることができる。また接着工法の場合は、接着する部品間に介在する接着剤の厚みと、この厚みの不均一性が組立精度を低下させる要因となっていた。本発明の場合は、各部品の加工精度さえ得られれば、高い組立精度を確保できる。また、作業者に熟練度を必要としないため、製品性能のばらつきを低減できる。
本明細書の開示の第２３に係る発明のサーボ型振動検出器は、前記弾性部材はディスク形状の導電性材料で形成されており、前記弾性部材の内周部と外周部は非導電性材料による薄板材と一体化した構造としたものである。
すなわち、本発明は、接着工法とボルト締結工法のそれぞれの長所を組み合わせたものである。たとえば、組立準備段階において、電気的絶縁を図る必要がある部品は導電性材料（金属）と絶縁材料（セラミックスなど）を、予め接着剤により一体化しておく。この工程を経て、ボルト締結工法に移行すれば、シンプルな構成で効率良く生産工程を進行させることができる。
本明細書の開示の第２４に係る発明のサーボ型振動検出器は、少なくとも前記可動部材を含み、可動側電極が装着された可動ユニットと、前記可動側電極と対向するように配置される固定側電極が装着された固定ユニットと、をさらに備え、前記変位検出部が、前記可動側電極と前記固定側電極間で形成される静電容量を検出するように形成されており、前記可動ユニットと前記固定ユニットの相対的半径方向移動が規制された状態で、前記可動ユニットと前記固定ユニットが相対的軸方向移動できるように前記可動ユニットと前記固定ユニット間に嵌合構造が形成されているとともに、前記前記可動ユニットと前記固定ユニットトを接着固定するための溝部が前記前記可動ユニットと前記固定ユニットの外表面に形成されているものである。
すなわち、本発明の適用により、最終の組み立て段階では接着工法を適用することで、静電容量を実測しながら、可動側と固定側の電極間隙間を最適値に調整できる構造にできる。この方法により、最終工程で集積されたすべての誤差を吸収できる。たとえば、静電容量が目標値に到達した時点で、紫外線硬化型接着剤にLEDライトを照射して接着剤を硬化すれば、前記２つのユニットは締結できる。
本明細書の開示の第２５に係る発明のサーボ型振動検出器は、導伝性材料で構成された前記固定部材と前記ボルトと前記弾性部材と、前記弾性部材は非導電性部材による薄板が接着固定されており、この非導電性部材は前記固定部材にボルト締結されており、前記ボルト頭部が前記弾性部材と電気的に非接触となるように構成されているものである。
すなわち、本発明は、前記弾性部材（ディスク）を電極間の静電容量信号の導通路として利用すると共に、金属製ボルトと非導電性部材（たとえば、セラミックス）を用いて、前記弾性部材を電気的に非接触となるように前記ハウジングに締結したものである。この方法により、外乱ノイズの影響を受けることなく、微小な静電容量信号を伝達できる。
本明細書の開示の第２６に係る発明のサーボ型振動検出器は、前記弾性部材は一方を固定端、もう一方を自由端とする片持はりから構成されており、この片持はりの自由端側に前記可動部材を設けたものである。
すなわち、本発明は、前記弾性部材に一方を固定端、もう一方を自由端とする片持はり（振子構造）を適用したものである。片持はり構造により、シンプルな構成で低剛性支持ができるため、可動部の共振周波数（固有値）を充分に小さく設定できる。
本明細書の開示の第２７に係る発明のサーボ型振動検出器は、前記片持はりの一部を導伝性材料にして、前記変位検出部の信号を固定部材側と繋ぐ信号伝達経路としたものである。
すなわち、本発明は、コイルを固定するMM式の特徴を利用して、揺動運動する可動側から引き出す電気信号は、静電容量信号の一本だけでよい点を利用したものである。コイルが動くMC式の場合は、石英ガラスなどの非導電性材料で構成される片持はりに薄膜形成技術を用いて、複数の信号伝達経路を形成していた。本発明センサの場合は、前記片持はりに導伝性（金属）材料を適用することができる。
本明細書の開示の第２８に係る発明のサーボ型振動検出器は、前記磁気連結部において、前記弾性部材の半径方向剛性Krとして、前記固定側磁性材料部材の軸芯に対して前記可動側磁性材料部材の軸芯の偏芯量をδrとしたときの磁気吸引力による半径方向発生力をFrとして、負のばね剛性Kmr =Fr/δrを定義して、Kr＞Kmrとなるように構成したものである。
すなわち、本発明は、磁気連結部において、部品精度、組立精度が充分に得られず、固定側と可動側の軸芯が偏芯した場合に、遠心方向の磁気吸引力Frが発生する。磁気回路で形成される負のばね剛性Kmr =Fr/δrとして、ディスクの求心方向剛性をKr＞Kmrとなるようにディスク仕様を選べば、磁気連結部は安定した状態を保つことができる。
本明細書の開示の第２９に係る発明のサーボ型振動検出器は、前記磁気連結部は径方向に着磁された前記永久磁石と、この永久磁石の内周面と空隙を保って配置された前記ポールピース部の外周面からMY式加速度センサを構成したものである。
すなわち、本発明は、半径方向に着磁したセグメント型永久磁石を複数個用いて磁気回路を構成したものである。そのため、フォースコイルに電流を印加しない状態において、ポールピース部に軸方向の電磁力は発生せず、ポールピース部を同位置に保つことができる。
本明細書の開示の第３０に係る発明のサーボ型振動検出器は、前記磁気連結部は軸方向に着磁された前記永久磁石と、この永久磁石のN極とS極のいずれかの磁極面に連結して配置されたポールピース側ヨーク材と、このポールピース側ヨーク材の外周面に対して径方向の空隙を保って配置された前記ポールピース部の内周面から構成したものである。
すなわち、本発明は、軸方向に着磁した永久磁石を用いて磁気回路を構成したものである。磁気回路をシンプルな構成にできて、永久磁石の性能を広い範囲で選択できる。永久磁石の寸法・形状に制約が無いため、永久磁石性能の指評である減磁特性（保持力Hc、飽和磁束密度Br）を幅広く選択できる。永久磁石性能に余裕があるために、磁気連結部における空隙部は充分に大きくても良い。この空隙部は磁気抵抗になるが、その損失を補うのに充分な永久磁石の性能が得られる。
本明細書の開示の第３１に係る発明のサーボ型振動検出器は、固定部材と、前記固定部材に対して所定方向に移動可能に設けられ、内部に磁束が流れるように構成された可動部材と、前記固定部材に対して前記可動部材が空隙部を介して配置されるように支持する弾性部材と、前記可動部材の前記所定方向の変位を検出する変位検出部と、前記変位検出部で前記可動部材の原点位置からの相対変位が検出された場合に、前記可動部材を原点位置に戻す電磁気力を発生させる駆動手段と、を備え、前記変位検出部が、前記可動部材に設けられた２個の電極面を有する可動側電極部材と、前記固定部材に設けられた２個の電極面を有する固定側電極部材と、を具備し、前記可動側電極部材の各電極面と、前記固定側電極部材の各電極面とをそれぞれ対向させる組み合わせから２組の静電容量センサが構成されており、前記可動部材の所定方向移動によって、前記２組の静電容量センサのそれぞれの電極面間の隙間が逆位相で変化するように前記可動側電極部材と前記固定側電極部材を配置すると共に、前記２組の静電容量センサの出力信号の差をとることで、差動式センサを構成したものである。
すなわち、本発明は、加速度センサを差動式にすることにより、センサ出力がノイズ、ドリフトなどの外乱信号の影響を受けにくい高感度センサが実現できる。
本発明センサの加速度出力を完全積分して得られる絶対速度信号、及び絶対変位信号は容易には発散しない。したがって、本発明センサをアクティブ除振台に適用した場合、センサ感度向上による効果（たとえば、ステージの位置決め精度向上）に加えて、低周波数領域で大幅な除振特性向上効果が得られる。
本明細書の開示の第３２に係る発明の振動制御装置は、本明細書の開示の第３１に係る発明のサーボ型振動検出器と、前記サーボ型振動検出器が出力する加速度信号を１回積分して得られる絶対速度信号又は２回積分することで得られる絶対変位信号を用いて、低周波数域の除振性能を得るために、絶対速度フィードバック、及び、又は、絶対変位フィードバックを振動制御装置に施したものである。
すなわち、本発明は、隙間が逆位相で変化する２組の電極出力の差をとることにより、上記２つの電極出力に共通に加わるノイズとドリフトがキャンセルされる。
その結果、前記加速度出力を完全積分した絶対速度信号、及び絶対変位信号は発散しない。本実施例の加速度センサをアクティブ除振台に適用した場合、センサ感度向上による効果（たとえば、ステージの位置決め精度向上）に加えて、低周波数領域で大幅な除振特性向上効果が得られる。
本明細書の開示の第３３に係る発明のサーボ型振動検出器は、固定部材と、前記固定部材に対して所定方向に移動可能に設けられ、内部に磁束が流れるように構成された可動部材と、前記固定部材に対して前記可動部材が空隙部を介して配置されるように支持する弾性部材と、前記可動部材の前記所定方向の変位を検出する変位検出部と、前記変位検出部で前記可動部材の原点位置からの相対変位が検出された場合に、前記可動部材を原点位置に戻す電磁気力を発生させる駆動手段と、を備え、コイルを貫通して設けられた固定側ヨーク材と、この固定側ヨーク材の開放端と空隙を介して配置された可動側ヨーク材と、この固定側ヨーク材と前記空隙部と前記可動側ヨーク材で閉ループ磁気回路を形成して電磁石を構成することで、可動側ヨーク材を含む前記可動部材を前記コイル側に吸引させる吸引力発生手段Aとすると共に、前記可動部材を挟んで、吸引力発生手段Aとは逆方向の力を発生させる吸引力発生手段Bを配置して、前記コイルに流す電流を制御することで、前記可動部材を軸方向に移動させるマックスウェル応力による前記駆動手段を構成したものである。
すなわち、本発明は、可動部を駆動するのにMaxwell応力による磁気吸引力を用いている。アクチュエータの外形寸法を同一条件下で比較すれば、Maxwell応力はLorentz力と比べて、入力電流に対する発生力の電気機械変換効率（推力定数）が圧倒的に高く、通常２０倍以上である。この点を利用すれば、本実施形態の加速度センサは計測可能な加速度の上限値を極めて大きく出来る。
本発明に係るサーボ型振動検出器であれば、コイルが固定された状態でヨーク又は永久磁石が移動可能に構成されているので、従来のムービング・コイル式のサーボ型振動検出器のような複雑な配線処理が不要となり、量産工法の大幅な簡素化と生産コストを低減できる。
本発明の実施形態１に係るサーボ型加速度センサを示すもので、図１aは図１bのAA矢視図、図１bはセンサ本体の正面断面図 本発明のMM式加速度センサの磁気回路のモデル図 従来のMC式加速度センサの磁気回路のモデル図 発生力Fとポールピース部長さLの関係を示す解析結果のグラフ 漏れ係数σとポールピース部長さLの関係を示す解析結果を示すグラフ ポールピース部を長さLに対する可動部の慣性質量mを示すグラフ ポールピース部長さLに対するコイル収納容積VCを示すグラフ 理論解析に用いた加速度センサの制御ブロック図 （１）従来MC式、（２）本発明MM式、（３）従来MC式仕様で慣性質量mだけが４倍の場合、上記（１）～（３）についてゲイン・位相特性を比較したグラフ （１）従来MC式、（２）本発明MM式について、時間に対するアクチュエータの発生力を比較したグラフ （１）従来MC式、（２）本発明MM式について、機械的ノイズがセンサ出力に与える影響を比較したグラフ （１）従来MC式、（２）本発明MM式、（３）従来MC式仕様で慣性質量mだけが４倍の場合、上記（１）～（３）について、コイル電流を比較したグラフ 本発明の実施形態２に係るサーボ型加速度センサの正面断面図 本発明の実施形態３に係るサーボ型加速度センサの正面断面図 本発明の実施形態４に係るサーボ型加速度センサの正面断面図 本発明の実施形態５に係るサーボ型加速度センサの正面断面図 本発明の実施形態６に係るサーボ型加速度センサの正面断面図 実施形態６における磁束の流れを矢印（鎖線）で図示した図 実施形態６における熱の流れを矢印（鎖線）で図示した図 本発明の実施形態７に係るサーボ型加速度センサであり、図２０aは正面断面図、図２０bは図２０aのA-A断面図 本発明の実施形態８に係るサーボ型加速度センサの正面断面図 本発明の実施形態９に係るサーボ型加速度センサであり、図２２aは正面断面図、図２２bと図２２cはセグメント型永久磁石を示す断面図 本発明の実施形態１０に係るサーボ型加速度センサの正面断面図 実施形態１０による差動式サーボ型加速度センサが３つのユニットから構成できることを示す図 従来式加速度センサの場合について、電極出力、ノイズとドリフト、センサ加速度出力の関係を示す図 実施形態１０による加速度センサの場合について、２つの電極出力、ノイズとドリフト、センサ加速度出力の関係を示す図 本発明の実施形態１１に係るサーボ型加速度センサの正面断面図 本発明の実施形態１２に係る揺動運動式サーボ型加速度センサを示すもので、図２８aは正面断面図、図２８bはこのセンサを構成する一部品である振子の側面の概略図 実施形態１２の組立方法の一例を示す図 本発明の実施形態１３に係る揺動運動式サーボ型加速度センサの正面断面図 本発明の実施形態１４に係るサーボ型加速度センサの正面断面図 実施形態１４の組立工程のStep１を示す図 実施形態１４の組立工程のStep２を示す図 実施形態１４の組立工程のStep３を示す図 実施形態１４の組立工程のStep４を示す図 実施形態１４の組立工程のStep５を示す図 実施形態１４のスパイラル・ディスクを示す図 実施形態１４の組立工程のStep６を示す図 実施形態１４の組立工程のStep７を示す図 実施形態１４の組立工程のStep８を示す図 本発明の実施形態１５に係るサーボ型加速度センサを示し、図４１aは固定側電極ユニットの正面断面図、図４１bは固定側電極ユニットの正面断面図 実施形態１５における２つのユニットを締結した状態を示す正面断面図 本発明の実施形態１６に係るサーボ型加速度センサの正面断面図 本発明の実施形態１７に係るサーボ型加速度センサの正面断面図 本発明の実施形態１８に係るサーボ型加速度センサを示し、図４５aはフロント側スパイラル・ディスクの形状を示す図、図４５bは加速度センサの正面断面図、図４５cはリアー側ディスクの形状を示す図 本発明の実施形態１９に係るサーボ型加速度センサの正面断面図 本発明の実施形態２０に係るサーボ型加速度センサを示し、図４７aは正面断面図、図４７bは図４７aのAA断面図 本発明の実施形態２１に係るサーボ型加速度センサの正面断面図 本発明の実施形態２２に係るサーボ型加速度センサの正面断面図 本発明の実施形態２３に係るサーボ型加速度センサの正面断面図 本発明に光学式センサを適用したサーボ型加速度センサの正面断面図 従来のアクティブ除振台のモデル図 静電容量型加速度センサの基本構成と検出原理を示すモデル図 従来の直動運動式加速度センサの具体構造例を示す正面断面図 従来の直動運動式加速度センサにおいて、図５５aはフロント側ディスク状ばねの形状を示す正面図、図５５bは図５４からフロント側パネル２６、固定側電極２５などを取り外した正面断面図、図５５cは図５５bのA部拡大図 従来の揺動運動式加速度センサの一例を示す正面断面図 揺動運動式加速度センサの振子が揺動運動する状態を拡大して示す図 揺動運動式加速度センサの振子の平面図を示し、図５８（ａ）は振子の一方の面、図５８（ｂ）は他方の面を示す図
ここで、原点に立ち戻り、サーボ型加速度センサのアクチュエータ部は、３つの要素、すなわち、「永久磁石」、「コイル」、「ヨーク材」で閉ループ磁気回路を形成することに注目する。この３つの要素のひとつである「コイル」が固定されるならば、ムービング・コイル式（MC式）の宿命的課題、すなわち、歩留まり低下の主要因である配線処理の難しさは一挙に解決される。以下、本発明を次の２つのステップに分けて説明する。
（I） ムービング・マグネット式（MM式）加速度センサ
（II） ムービング・ヨーク式（MY式）加速度センサ
まず、上記（I）から説明する。
（第１実施形態）
本実施形態は、永久磁石が動き、コイルが固定されるがゆえに極細線処理が不要なムービング・マグネット式（MM式）に着目した。従来サーボ型加速度センサはコイルが軸方向に直線移動する、あるいは揺動運動式するムービング・コイル式（MC式）であるのに対して、本実施形態ではコイルは固定されて永久磁石が軸方向に移動する。しかして、MM式のサーボ型加速度センサは過去に前例を見ない。その理由として、 「MM式は可動部の慣性質量が増大するために、 高周波域の伝達特性・高速応答性が不利になる」 という暗黙の前提とも言うべき固定観念（盲点）があった、と思われる。本発明は、以下示す工夫によりこの「盲点」を突いたものである。すなわち、本実施形態では、 (i)可動部の軽量化が図れる磁気回路の構成 (ii)漏れ磁束の影響を低減する磁極形状 (iii)コイル収納容積増大を利用して、発生力UPと発熱抑制を両立するコイル仕様 などの工夫により、MM式の弱点を解消すると共に、MC式を凌駕するセンサ性能を実現することができた。以下、下記（１）で本実施形態の具体構造と構造面での特徴について説明し、下記（２）で本発明が加速度センサの基本性能に与える効果を、理論解析により検証する。
（1-1） 本実施形態の具体構造
図１は、本発明の実施形態１に係るサーボ型加速度センサの一例を示すもので、図１aは図１bのAA矢視図から後述するスパイラル・ディスクだけを抽出した外観図、図１bはセンサ本体の正面断面図である。
１０１は永久磁石、１０２はフロント側ポールピース部、１０３はこのフロント側ポールピース部を軽量化するために形成された円筒形状の空隙部（後述する慣性質量調節部）である。１０４はリアー側ポールピース部、１０５はコイル側ヨーク材、１０６aはフォースコイル、１０６bは検定コイル、１０７は前記コイル側ヨーク材の内面に形成された突出部である。１０８はフロント側スパイラル・ディスクばね（以下、フロント側ディスク）、１０９はリアー側スパイラル・ディスクばね（以下、リアー側ディスク）である。図１aに示すフロント側ディスクは、峰部１０８aと溝部１０８bから形成されており、前記リアー側ディスクも同様な形状の弾性部材である。すなわち、可動側磁性材料部材（可動側ヨーク材）はフロント側ポールピース部１０２とリアー側ポールピース部１０４から構成される。固定側磁性材料部材はコイル側ヨーク材１０５である。１１０は可動側電極、１１１は固定側電極、１１２aはフロント側パネル、１１２bはリアー側パネル、１１３は中央プレート、１１４は前記固定側電極と前記フロント側パネルを締結する非導電性材料による締結部材である。可動側電極１１０と固定側電極１１１により、静電容量型の変位検出部を構成している。１１５はコイル側ヨーク材１０５の内周面で、前記２つのコイル（１０６a、１０６b）のコイル装着部、１１６はフロント側ポールピース部１０２のコイル対抗面である。本実施例では、フォースコイル１０６a、検定コイル１０６bはボビンレスで構成されて、その外周面が凸形状のコイル装着部１１５に装着される。
コイル対抗面１１６とコイル装着部１１５間は半径方向の磁気空隙部１１７（第１空隙部）が形成されている。前記コイル側ヨーク材の突出部１０７とリアー側ポールピース部１０４の間は、狭い間隙による環状空隙部１１８（第２空隙部である磁気連結部）が設けられている。「永久磁石１０１→フロント側ポールピース部１０２→磁気空隙部１１７→コイル側ヨーク材１０５→環状空隙部１１８→リアー側ポールピース部１０４」により、鎖線の矢印で示すように、閉ループ磁気回路を形成している。鎖線円Bに示す環状空隙部１１８は、磁気空隙部１１７と比べて磁気抵抗が充分に小さくなるように隙間を設定した。環状空隙部１１８は永久磁石を用いた磁気回路において、閉ループ磁気回路を形成するための磁気連結部である。良く知られているように、磁界中に置かれた導体に電流が流れると、電磁気力であるLorentz力が発生する。あらゆるアクチュータは、その駆動原理の種類に関わらず、固定側と移動側の力関係は相対的である。すなわち、固定側と移動側のいずれか一方を固定すれば、もう一方が移動する。本実施例では、磁気空隙部１１７の空間に固定配置されたフォースコイル１０６aに電流が流れると、可動部を軸方向に移動させるLorentz力の反力が発生する。本実施例の可動部は、永久磁石１０１、フロント側ポールピース部１０２、リアー側ポールピース部１０４、及び、可動側電極１１０から構成される。
１１９a、１１９bはフォースコイル１０６aの引き出し線、１２０a、１２０bは検定コイル１０６bの引き出し線である。この４本の引き出し線は、コイル側ヨーク材１０５とフロント側パネル１１２ａを貫通して、外部に設置された制御回路に繋がる。
１２１は内周側ディスク支持リング、１２１aは内周側ディスク支持リングを軽量化するために形成した円筒形状の空隙部、１２２は外周側ディスク支持リングである。内周側ディスク支持リング１２１、外周側ディスク支持リング１２２は非導電性材料（絶縁材料）で構成した。
内周側ディスク支持リング１２１によって、磁性材料であるフロント側ポールピース部１０２と可動側電極１１０間は電気的絶縁を図ることができる。前記ポールピース部の表面には渦電流が発生するが、この電気的絶縁対策によって、２つの電極間の静電容量信号はこの渦電流の影響を回避できる。また外周側ディスク支持リング１２２によって、フロント側ディスク１０８の外周側は、コイル側ヨーク材１０５に対して電気的絶縁が図られている。絶縁材料としては、無機固体絶縁材料であるマイカ（雲母）、磁器（セラミックス）、ガラスなどが適用できる。内周側ディスク支持リング１２１は導電性材料である可動側電極１１０とフロント側ポールピース部１０２の間で接着固定される。フロント側ディスク１０８の内周側は、可動側電極１１０と内周側ディスク支持リング１２１の間で矜持される。また、フロント側ディスク１０８の外周側は、外周側ディスク支持リング１２２に接着固定される。１２３は可動側電極１１０と固定側電極１１１間の静電容量を検出する2本の導線（引き出し線）の一方である。この導線１２３の端部はディスク状ばね１０８と導通すると共に、外周側ディスク支持リング１２２に形成された溝（図示せず）に装着される。フロント側ディスク１０８は、可動部の支持と静電容量を検出する導通路を兼ねている。すなわち、固定側電極１１１と可動側電極１１０間の微小な静電容量信号を検出するために、可動側電極１１０と外部を繋ぐ導通路（フロント側ディスク１０８、導線（引き出し線）１２３）は、完全な電気的絶縁が図られている。
本実施形態では、永久磁石１０１と、この永久磁石１０１を直列に繋ぐフロント側ポールピース部１０２全体を外周側から包み込むように、フォースコイル１０６a、検定コイル１０６を配置した。さらに、磁気空隙部１１７と比べて充分に小さな磁気抵抗を有する環状空隙部１１８を閉ループ磁気回路内に配置した。軸方向に移動する可動部材は、永久磁石１０１、フロント側ポールピース部１０２、リアー側ポールピース部１０４、可動側電極１１０、内周側ディスク支持リング１２１である。いずれの可動部材も軽量化を図るために、内周側に空洞部を設けている。
本実施形態で用いたフロント側、及び、リアー側ディスク１０８、１０９には、スパイラル曲線で形成されたディスク状ばねを用いた。本実施形態、及び、後述する実施形態も同様であるが、ばねの形状はこのスパイラル曲線に限定されるものではない。加速度センサに要求される特性から、低剛性かつ低共振周波数が得られるばね構造と仕様を選択すればよく、例えば、よく知られている雲形ばねなども適用できる。
（1-2） 本実施形態の特徴
本実施形態では、フロント側ポールピース部１０２の軸方向長さをLとして、この軸方向長さLを充分に長く形成して、かつ前記フロント側ポールピース部の内部に、半径方向厚みが薄い円筒形状の空隙部１０３（慣性質量調整部）を設けている。この構成により、下記効果が得られる点に注目する。すなわち、
（１）アクチュータの力定数（電気・機械変換効率）を大きくできる。
（２）可動部慣性質量の増加分を小さくできる。
（３）コイル巻数を増加させて発生力を大きくしても、発熱を抑制できる。
上記（１）の効果を図２～図７を用いて説明する。図２は本発明のMM式加速度センサの磁気回路のモデル図、図３は従来のMC式加速度センサの磁気回路のモデル図である。図２における各要素の符号は、図１bにおける各要素の符号に対応している。同様に、図３における各要素の符号は、図５４における各要素の符号に対応している。ちなみに、従来のMC式は図３に示すように、閉ループの磁気回路を形成する空隙部２９は１個だけである。本発明のMM式の場合は、閉ループの磁気回路を形成するためには、図２に示すように２つの空隙部（１１７、１１８）が必要である。コイルを介在するメインの空隙部（第１空隙部）に対して、磁気連結部としてサブの空隙部（第２空隙部）を設ける構成により、磁束密度の高い磁界中に前記コイルを固定配置できて、このコイルに大きなローレンツ力を発生できる。さらに、前記第１空隙部の隙間をδ1、第２空隙部の隙間をδ2として、δ1＞δ2とする。前記磁気連結部の磁気抵抗を前記第１空隙部のそれよりも充分に小さくすることで、前記磁気連結部が発生力に与える影響を小さくできる。
以下、上記解析モデルを用いて、永久磁石磁気回路の解析結果を示す。図４は発生力Fとポールピース部長さLの関係を示す解析結果のグラフ、図５は漏れ係数σとポールピース部長さLの関係を示す解析結果を示すグラフである。
図４において、特性曲線（１）は、サマニウム・コバルト磁石を用いて、コイル全長は後述する表１の基本仕様（l=l0）とする。特性曲線（２）は、サマニウム・コバルト磁石を用いてコイル全長はl=l0×1.6の場合を示す。特性曲線（３）は、本実施形態におけるセンサ（図１）を示すもので、ネオジウム磁石を用いてコイル全長はl=l0×1.6の場合である。同図中のA点は、従来MC式のポールピース部長さL=LA=0.3cm、発生力F=0.0064Nを示す。同図中のB点は、本発明MM式のポールピース部長さL=LB=0.6cm、発生力F=0.018Nを示す。したがって、本発明MM式は従来MC式と比べて発生力は2.8倍増大している。
図５のポールピース部長さLに対する漏れ係数を示すグラフにおいて、漏れ係数σは「全磁束」に対する「発生力に寄与する磁束」との比を示し、σ→1に漸近する程、大きな発生力が得られる。図５からポールピース部の軸方向長さLを大きく構成することで、漏れ磁束（漏れパーミアンス）に対する磁気空隙部１１７を垂直に通過する有効磁束（ギャップ・パーミアンス）の比率を小さくできる。上記ギャップ・パーミアンスは発生力に寄与する磁束であり、漏れパーミアンスは発生力に寄与しない。すなわち、本実施例の構成により、同一電流に対する発生力（電気・機械変換効率）を大きくできる。
図４において、特性曲線（１）を、勾配が大きく異なる曲線αと曲線βに分けて、各曲線の包絡線の交点をCとする。0＜L＜LAの範囲では、発生力Fはポールピース部長さLの増加に伴い大きく増大する。L＞LAの範囲では、発生力Fの増加は僅少である。そのため従来MC式センサのポールピース部長さは、L=LA（図２の場合はLA=0.3cm）に設定される場合が多い。その理由は、MC式センサの場合、コイル巻数をUPして長さLを増加させると、慣性質量も増大するために、必要とされる発生力も増える。すなわち、長さLを増加する効果が相殺されるからである。
上記（２）はポールピース部を薄い板厚の円筒形状にすれば、前記ポールピース部を長くしても大きな質量増加にはならないことに注目したものである。図６はポールピース部を長さLに対する可動部の慣性質量mを示すグラフである。前記フロント側ポールピース部は、外形ΦDP、半径方向厚みtの円筒形状で構成される。ここで、ΦDP=10mm、t=1mmに設定した場合を想定する。図６において、ポールピース部長さLA=3mmのとき、可動部の総慣性質量m=4.48g、LA=6mmのとき、m=5.16gである。したがって、ポールピース部長さを２倍にした場合、総慣性質量に対する増加分は15％である。さらに、ポールピース部を同一外径で、厚みt=0.5mmに設定した場合を想定する。この場合、ポールピース部長さを２倍にしたとき、総慣性質量に対する増加分は8.4％である。
上記（３）の特徴は、上記（２）の知見を利用したものである。図７は、ポールピース部長さLに対するコイル収納容積VCを示すものである。本実施形態では、磁気空隙部１１７の半径方向ギャップは2.5mm、この磁気空隙部１１７に収納されるコイルの半径方向厚みは2mm、コイル対抗面１１６とコイル間の半径方向ギャップ0.5mmである。上記条件でポールピース部長さL=3mmからL=6mmにすることで、コイル収納容積VCは2.7倍に増大する。しかし、可動部の慣性質量は、前述したように、ポールピース部の厚みt=1mmのとき15％、厚みt=0.5mmのとき8.4％しか増加しない。
コイル収納容積が増大できることを利用すれば、コイル巻数を増加させて発生力を大きくしても、熱雑音に繋がる発熱を抑制できる。コイルの電気抵抗はコイル全長に比例して、コイル断面積に逆比例する。したがって、コイル全長をn倍にしたとき、コイル断面積をn倍、コイル線形は√n倍にすれば、電気抵抗は増大しない。このときのコイル収納面積は√n×nにすればよい。
（２）本発明と従来センサの仕様比較
本節では、（１）節で説明した（１）～（３）の構造面での特徴が、加速度センサの基本性能に与える効果を、従来MC式センサとの対比の基で理論解析により検証する。
（2-1） 直動型MC式加速度センサと本発明センサの仕様
ここで、本発明センサである直動型ムービング・マグネット式（以下直動型MM式）と、従来の直動型ムービング・コイル式（以下直動型MC式）の基本性能を理論解析により評価する。表１に従来直動型MC式と本発明センサ（MM式）の各仕様を対比して示す。
（１）慣性質量mの仕様 慣性質量mは、MC式が1.25gに対して、MM式は5gである。MC式の慣性質量m=1.25gは、図５４において、可動側電極２４、フォースコイル１６a、検定コイル１６b、コイルボビン１７、コイルボビン支持部材１８，１９より決定される。MM式の慣性質量m=5gは、可動側電極１１０、内周側ディスク支持リング１２１、フロント側ポールピース部１０２、永久磁石１０１、リアー側ポールピース部１０４の各質量の総和である。慣性質量m=5gの値は、前述したように、（i）低周波数域でのセンサ感度の向上、（ii）アクティブ除振台に要求される広帯域の周波数特性、上記（i）（ii）を両立させる条件から設定されたものである。（永久磁石の質量mpを基本に可動部質量mを定義する）
（２）コイル全長とコイル抵抗Raの仕様 MM式のコイル全長はMC式のn=1.6倍に設定した。前述したように、コイル抵抗Raを同一にするために、MM式のコイル断面積はn倍、コイル線径は√n=1.26倍に設定した。したがって、コイル収納スペースSn=n×√n=2.0倍である。この構成により、両センサに同一の電流Iを流すと、MM式はMC式と比べて発熱量（W=I2×Ra）を同一のままで、上記（ii）を満足できる。かつアクチュエータの発生力はn倍以上にできる。
（３）電気的ゲインの仕様 位置センサ感度をKs、調整ゲインをKc、比例ゲインをKpとして、電気的な総合ゲインKpt= Ks×Kc×Kpである。このKptは、MM式とMC式は同一に設定した。
Figure 0007622971000005
（2-2） 理論解析結果
図８は理論解析に用いた加速度センサの制御ブロック図である。前述した静電容量型加速度センサの検出原理を示す式（１）～（３）を制御ブロック図に置き換えたものである。
（i）ゲイン・位相特性の比較
図９は表１の仕様で、下記３ケース、すなわち、（１）従来MC式、（２）本発明MM式、（３）表１の従来MC式仕様で慣性質量mだけが４倍の場合、上記（１）～（３）についてゲイン・位相特性を比較したものである。以下、アクティブ除振台に搭載するという前提で、上記３ケースの性能優劣をゲイン特性により評価する。（１）（２）のゲイン特性は大きくは変わらない。（２）の本発明MM式において、共振周波数はf0=380Hzである。（３）の場合、共振周波数はf0=380→220Hzとなり、帯域幅は低減する。位相特性は、f=100Hz近傍（鎖線円A）における位相遅れで上記（１）～（３）を評価する。f=100Hz近傍における位相特性は、補足（２）で後述するように、アクティブ除振台に加速度センサを適用する場合の重要な性能評価指標である。f=100Hz近傍での位相遅れができるだけ小さくするのが好ましい。共振周波数f0が高い程、f=100Hz近傍での位相遅れも小さくできる。（１）（３）の位相特性は、f=100Hzではほぼ同等である。しかしf＞100Hzでは、上記（３）の場合は大幅に位相遅れが発生する。上記（２）の本発明MM式では、（１）（３）と比べて、位相遅れは大幅に改善される。
（ii）アクチュエータ発生力の比較
図１０は、表１の仕様で、（１）従来MC式、（２）本発明MM式について、時間に対するアクチュエータの発生力を比較したものである。入力加速度は振幅1.0×10 -6m/s2 （0.1mGal）の正弦波を仮定している。本発明MM式は、従来MC式と比べて、慣性質量に比例して発生力が４倍増大している。慣性質量増大に伴う発生力増大の効果は、低周波域で感度が低下する静電容量式の弱点を補うことができる。
（iii）機械的ノイズの影響比較
図１１は、表１の仕様で、（１）従来MC式、（２）本発明MM式について、機械的ノイズがセンサ出力に与える影響を比較したものである。ここで、機械的ノイズとは可動部のスムーズな動作を阻害する外乱要因と仮定する。振幅1.0×10 -6Nの正弦波外力（機械的ノイズ）がアクチュエータの出力軸（図８の制御ブロック図参照）に加わる場合を仮定している。本発明では、アクチュータに加わる機械的ノイズがセンサ出力に与える影響は、従来式と比べて１／４に低減することが分かる。この効果は、慣性質量の増加がアクチュエータ発生力を増大させることに起因する。すなわち、MM式がMC式と比べて可動部の慣性質量が増加する弱点は、機械的ノイズに対しては逆に長所になる点を示すものである。
（iv）コイル電流比較
図１２は表１の仕様で、下記３ケース、すなわち、（１）従来MC式、（２）本発明MM式、（３）表１の従来MC式仕様で慣性質量mだけが４倍の場合、上記（１）～（３）について、コイル電流を比較したものである。入力加速度は、振幅1.0×10 -6m/s2（0.1mGal）の正弦波を仮定している。本発明MM式は従来MC式と比べて、コイル電流の増加は僅少である。しかし、従来MC式の慣性質量mを４倍にした場合は、コイル電流は慣性質量に比例して増大する。この理由は、本発明では、コイル全長（巻数）を1.6倍にすると同時に、コイル線径を1.26倍に増大しているからである。この構成を可能にした理由は、前述したように、フロント側ポールピース部１０２に充分に長い円筒形状の空隙部１０３（長さLの慣性質量調整部）を設けることで、大きなコイル収納空間を形成できたからである。本実施例では、空隙部１０３は真円の円筒形状を用いたが、慣性質量を低減するのが目的であるため、空隙部は完全な真円でなくてもよい。たとえば、多角形の形状でもよく、軸方向で内径が異なる形状でもよい。これらを含めて概略円筒形状と呼ぶことにする。
上記（i）～（iv）で示した本発明MM式実施形態の特徴を要約すれば、MC式の宿命的弱点である極細線処理の難しさを根本的に解消できると共に、下記効果が得られる。
（１）本発明MM式は従来MC式と比べて、遜色の無い高周波特性を得ることができ
る。すなわち、MM式の弱点が解消される。
（２）機械的ノイズがセンサ出力に与える影響は、従来MC式と比べて1/４に低減できる。また慣性質量増大に伴う発生力増大の効果は、低周波域で感度が低下する静電容量式の弱点を補うことができる。
（３）従来MC式と比べて、コイル電流と熱雑音に繋がる発熱量の増加は僅少である。
（2-3） 可動部質量mの設定範囲について
本発明のMM式センサの可動部質量mが設定できる範囲について考察する。まず可動部質量mが設定できる下限値について考察する。 軽量化によって可動部質量mが限りなくMC式に近くなれば、MM式の伝達特性はMC式と同等になる。この場合、可動部質量mは永久磁石の質量mpより小さくできないため、質量mpの値がその限界を決める基本となる。本実施形態（図１b）において、永久磁石１０１を含む可動部には、磁気回路を形成するためのポールピース部（１０２、１０４）が必須である。本実施形態において、mp=1.52g、フロント側ポールピース部１０２の質量m1=1.36g、リアー側ポールピース部１０４の質量m2=0.63g、及び、可動側電極１１１、内周側ディスク支持リング３５３を含めてm3=1.45gであった。したがって、可動部の総質量m=mp+ m1+m2+m3=4.96≒5.0gである。ここで軽量化を図るために、部材m1、m2の板厚をt=1.0→0.5mmにすることで、m1+m2→1.0gにできる。前記可動側電極をアルミ化して、かつ各部材の板厚をt=1.0→0.5mmにすると、m3→0.5gである。ちなみに、磁路の磁気抵抗と機械加工時の部品精度を考慮して、板厚t=0.5mmは限界であった。この結果、可動部の総質量m=mp+m1+m2+m3=2.5gとなる。したがって、本発明のMM式センサの可動部質量の下限値mminは永久磁石の質量mpを基本とすれば、mmin=2mpである。ゆえに、本発明が加速度センサとして成立できる可動部質量の範囲はm≧2mpである。
次に可動部質量mが設定できる上限値について考察する。可動部質量mが設定できる上限値は、加速度センサの周波数帯域幅（共振周波数f0）と大きな関わりを持っている。
Figure 0007622971000006
 ここで
Figure 0007622971000007
式(6)において、表１に示すように、KPTは位置センサ感度KS、調整ゲインKC、比例ゲインKPの積である。Ktはアクチュエータの力定数、Raはコイルの電気抵抗である。式(５)から可動部質量の上限値mmaxは、センサに要求される共振周波数f0（周波数帯域幅）から決まる。
Figure 0007622971000008
ゆえに、本発明が加速度センサとして成立できる可動部質量の範囲はm≦mmaxである。前述したように、本発明センサをアクティブ除振台に適用した場合、f=100Hz近傍における位相特性が重要な性能評価指標である。f=100Hz近傍での位相遅れができるだけ小さくするのが好ましく、そのためには、共振周波数f0を高く設定する必要がある。実用的には、f0＞250Hzであれば充分な性能が得られた。
（第２実施形態）
図１３は、本発明の実施形態２に係るサーボ型加速度センサの正面断面図である。本発明のMM式加速度センサの特徴の一つは、前述したように、MC式の宿命ともいうべき複雑な極細線処理が不要となり、生産工程において、大幅なコストダウンが図れる。しかし、MM式はMC式と比べて、可動部の慣性質量が増大するため、高周波特性が低下するというのが過去の常識的通念であったと思われる。しかし、磁気回路と磁気回路を構成する部品形状の工夫により、上記MM式の弱点は補えるというのが、本発明が提唱する基本コンセプトであった。
本実施形態は、本発明の基本コンセプトをさらに徹底させたものである。すなわち、部品形状と磁性材料の選択により、MM式でありながら、可動部の慣性質量mをMC式に近づけたものである。３５１はフロント側ポールピース、３５２はリアー側ポールピース、３５３は内周側ディスク支持リングである。３５４は軸方向に着磁されたリング形状の永久磁石、３５５は前記フロント側ポールピースの内部に形成された円筒状の空隙部である。フロント側ポールピース３５１は磁気回路を構成する主要な構成部品であり、可動部の質量に大きな比率を占めている。本実施形態では、前記フロント側ポールピースに軟磁性材料で、プレス加工による製作が可能なパーマロイを用いた。パーマロイは保磁力が小さく高透磁率材料である。そのため円筒状の前記フロント側ポールピースの厚みtを充分に薄くしても、磁気抵抗の影響を受けないで、長さLを充分に長くできる。前述したように、前記フロント側ポールピースの長さLが長い程、磁束の漏れが発生力に与える影響を低減できるために、同一電流でも発生力を増加できる。同時にコイル収納容積の増大が図れるために、コイルの発熱を抑制できるコイル仕様（巻数、線径）を選ぶことができる。実施例では、厚みt＜0.5mmにしてもアクチュエータの発生力に影響を与えない磁気回路を構成することができた。さらに本実施形態では、軽量化を図るために、永久磁石３５４、リアー側ポールピース３５２、内周側ディスク支持リング３５３なども中空形状にしている。
（第３実施形態）
第１実施形態において前述したように、本発明は次の点に着目したものである。
すなわち、「可動部の慣性質量が増大するというMM式の弱点は、逆に低周波域のセンサ感度を向上させる長所になる」という点がポイントである。特に静電容量型は低周波数域のセンサ感度が低く、その弱点を補うことができる。図１４は、本発明の実施形態３に係るサーボ型加速度センサの正面断面図であり、MM式の上記長所を徹底して活用したものである。すなわち、前述した第２実施形態とは逆に、可動部の慣性質量を徹底して大きく設定して、低周波数域におけるセンサ感度の大幅向上を図った。但し、その代償として高周波数帯域は制約される。３８１はフロント側ポールピース、３８２はリアー側ポールピース、３８３は内周側ディスク支持部材ある。フロント側ポールピース３８１とリアー側ポールピース３８２が可動側ヨーク材である。可動部を構成するいずれの部品も空洞部を形成していない。主に可動部質量に大きな比率を占めるフロント側ポールピース３８１を中実部材にした影響は大きい。
本実施形態センサを、たとえば、アクティブ除振台に適用した場合、低周波域の除振特性の向上に重点をおいた制御システムの設計ができる。さらに、（１）可動部の慣性質量を徹底して軽量化した加速度センサ（第２実施形態）、（２）可動部の慣性質量を充分に大きくした加速度センサ（本実施形態）、上記（１）（２）の２つのセンサを組み合わせて除振台に搭載することで、低周波から高周波までをカバーできるアクティブ除振・制振システムが実現できる（図示せず）。
（第４実施形態）
図１５は、本発明の実施形態４に係るサーボ型加速度センサの正面断面図である。前述した実施形態では、狭い隙間による環状空隙部（たとえば、図1bの鎖線円B）を設けることにより、閉ループ磁気回路を形成していた。本実施形態では、前記環状空隙部ではなく、スパイラル・ディスク状ばね自体を磁気回路が形成される部材としたものである。
４０１はリアー側ディスク（第２伝達部）、４０２は導電性材料で構成されたフロント側ディスク、４０３は永久磁石、４０４は位置決めピンであり、前記永久磁石の中心部に装着されている。４０５はフロント側ポールピース部、４０６は外周側ディスク支持リング、４０７は内周側ディスク支持部材、４０８はコイル側ヨーク材、４０９は磁気空隙部（第１伝達部）である。「永久磁石４０３→フロント側ポールピース部４０５→コイル側ヨーク材４０８→リアー側ディスク４０１→永久磁石４０３」により、鎖線の矢印で示すように、閉ループ磁気回路を形成している。本実施形態に限定されず、他の実施形態も同様であるが、弾性支持部材であるディスク４０１、４０２はスパイラル形状でなくてもよく、例えば公知の雲形ばねでもよい。
リアー側ディスク４０１とフロント側ディスク４０２は同一の形状・材料でなくてもよい。フロント側ディスク４０２は、その内周側において、フロント側ポールピース部４０５と電気的絶縁を図るために、非導電性材料による内周側ディスク支持部材４０７を介在している。フロント側ディスク４０２は非磁性材料で構成するのが好ましい。また、外周側において、コイル側ヨーク材４０８と電気的絶縁を図るために、非導電性材料による外周側ディスク支持リング４０６を介在している。しかし、リアー側ディスク４０１の電気的絶縁は不要である。磁気連結部を必要としない本実施形態により、シンプルな構成でサーボ型加速度センサを実現できる。
（第５実施形態）
図１６は、本発明の実施形態５に係るサーボ型加速度センサの正面断面図である。フロント側ポールピース部の円筒状の空隙部を利用して、この空隙部に永久磁石を配置することにより、センサ本体のコンパクト化を図ったものである。２５１は軸方向に着磁された永久磁石、２５２はフロント側ポールピース部、２５３は前記永久磁石の外表面と前記フロント側ポールピースの内面間で形成される空間である。２５４はリアー側ポールピース部、２５５はコイル側ヨーク材、２５５aは前記コイル側ヨーク材の内面に形成された突出部、２５６はフォースコイル、２５７は検定コイルである。２５８はフロント側ディスク、２５９はリアー側ディスク、２６０は可動側電極、２６１は固定側電極、２６２aはフロント側パネル、２６２bはリアー側パネル、２６３は中央プレート、２６４は締結部材、２６５は前記コイル側ヨーク材の内周面におけるコイル装着部、２６６はフロント側ポールピース部２５２におけるコイル対抗面、コイル対抗面２６６とコイル装着部２６５間は半径方向の磁気空隙部２６７が形成されている。
前記コイル側ヨーク材の突出部２５５aとリアー側ポールピース部２５４の間は、狭い間隙による環状空隙部２６８が設けられている点は前述した実施例同様である。２６９は外周側支持リング、２７０は内周側支持リングである。
前記永久磁石は円筒状の空隙部２５３内部に収納されており、一方の端面は前記フロント側ポールピースのフロント側端面２７１に固定されている。また前記永久磁石のもう一方の端面は前記リアー側ポールピースに固定されている。
「永久磁石２５１→フロント側ポールピース部２５２→磁気空隙部２６７→コイル側ヨーク材２５５→突出部２５５a→環状空隙部２６８→リアー側ポールピース部２５４→永久磁石２５１」により、鎖線の矢印で示すように、閉ループ磁気回路を形成している。
（第６実施形態）
図１７は、本発明の実施形態６に係るサーボ型加速度センサの正面断面図である。熱伝導性の良い材料によるコイルボビンを用いて放熱効果を向上させると共に、漏れ磁束が低減できる磁路形状を構成したものである。すなわち、熱雑音に繋がるセンサノイズの低減効果と、アクチュータの発生力向上の２つを両立させたものである。
２０１は軸方向に着磁された永久磁石、２０２はフロント側ポールピース部、２０３はこのフロント側ポールピース部の内部に形成された円筒状の空隙部、２０４はリアー側ポールピース部、２０５はコイル側ヨーク材、２０６aはフォースコイル、２０６bは検定コイルである。２０７は前記コイル側ヨーク材の内面に形成された突出部、２０８はフロント側ディスク、２０９はリアー側ディスク、２１０は可動側電極、２１１は固定側電極、２１２aはフロント側パネル、２１２bはリアー側パネル、２１３は中央プレート、２１４は締結部材、２１５は前記コイル側ヨーク材の内周面におけるコイル装着部、２１６はフロント側ポールピース部２０２におけるコイル対抗面、コイル対抗面２１６とコイル装着部２１５間は半径方向の磁気空隙部２１７が形成されている。前記コイル側ヨーク材の突出部２０７とリアー側ポールピース部２０４の間は、狭い間隙による環状空隙部２１８が設けられている点は前述した実施例同様である。２１９は外周側支持リング、２２０は内周側支持部材である。
２２１はコイルボビン、２２３はこのコイルボビン外周部とコイル側ヨーク材２０１の間に形成された窪み部、実施例では、コイルボビン２２１は非磁性材料で、かつ熱伝導性の良いアルミ材を用いた。
図１８は、本実施例における磁束の流れを矢印（鎖線）で図示したものである。加速度センサを構成する非磁性部材を「砂地」のイメージで表示している。また磁性材料を用いた部材は通常の「斜線」で表示している。すなわち、フロント側パネル２１２a、リアー側パネル２１２b、コイルボビン２２１、フォースコイル２０６a、検定コイル２０６b、外周側支持リング２２０、内周側支持部材２２０、フロント側ディスク２０８、リアー側ディスク２０９、可動側電極２１０は非磁性部材で構成される。「永久磁石２０１→フロント側ポールピース部２０２→磁気空隙部２１7コイル側ヨーク材２０５→突出部２０７→環状空隙部２１８→リアー側ポールピース部２０４→永久磁石２０１」により、鎖線の矢印で示すように、閉ループ磁気回路を形成している。
磁気空隙部２１７を垂直に流れる磁束Aは、本アクチュエータの発生力に有効に寄与する。コイル対抗面２１６のコーナーからコイル側ヨーク材内周面２０５のコーナーに流れる磁束B1、B2は漏れ磁束であり、発生力に寄与しない。磁気回路における磁束の流れ易さは、磁気抵抗の逆数であるパーミアンスで表現される。すなわち、磁束Aが流れる磁気経路のギャップ・パーミアンスをPgとする。漏れ磁束B1、B2が流れる磁気経路の漏れパーミアンスをそれぞれPf1、Pf2する。Pg≫Pf1、あるいは、Pg≫Pf2にすれば、大きな発生力を得ることができる。前記コイル側ヨーク材に形成された窪み部２２３は、漏れ磁束B2を低減して、漏れパーミアンスPf2を小さくするのに大いに貢献する。この窪み部２２３は前記コイルの軸方向端面近傍で、可動部と固定部材間の半径方向距離が両端と比べて長くなるように前記コイル側ヨーク材の内面に形成されているものである。この窪み部２２３による漏れ磁束の低減効果は本実施形態に限定されない。また、漏れ磁束B1が流れる周辺の部材は、すべて非磁性材料であるため、漏れパーミアンスPf1は充分に小さくできる。
図１９は、本実施例における熱の流れを矢印（鎖線）で図示したものである。コイルボビン２２１の外周面は、コイル側ヨーク材の内周面２１５に密着している。窪み部２２３を覆うように伸びて、突出部２０７の側面と内周面２１５aとも密着している。したがって、コイルの発熱は図中の矢印で示すように、アルミボビン２２１→コイル側ヨーク材２０５を経て、フロント側パネル２１２a、リアー側パネル２１２bに容易に放熱できる。
図５４で示した従来の直線運動式加速度センサ（MC式）の場合は、コイルボビン１７、及び、コイル１６a、１６bは空中に浮遊した状態で設置される。コイルボビン１７を支持するコイルボビン支持部材１８，１９は非磁性でかつ非導電性材料である。またディスク状バネ２０、２１は薄い板材のため、熱伝導によるコイルの放熱作用は期待できない。
図５６で示した従来の揺動運動式ムービング・コイル式（MC式）の場合も同様である。トルカコイル５９７と固定部（磁気ヨーク５９１、５９２）を繋ぐ熱伝導の経路には、熱伝導率の低い石英ガラス（非磁性でかつ非導電性材料）が介在しており、コイルの放熱は期待できない。すなわち、本実施例センサにおいて、従来式と比べて、コイルの放熱効果が充分に得られる理由は、コイルを壁面に固定・密着できるMM式の特徴を利用したものである。
（第７実施形態）
図２０aは、本発明の実施形態７に係るサーボ型加速度センサの正面断面図、図２０bは、図２０aのA-A断面図である。前述した実施形態は、全て軸方向に着磁した永久磁石を用いたセンサ構造であった。本実施形態では、半径方向に着磁したセグメント型と呼ばれる永久磁石を複数個用いて磁気回路を構成した。
４５１は永久磁石、４５２はフロント側ポールピース部である。前記永久磁石は半径方向に着磁したセグメント型永久磁石４５１a、４５１b、４５１c、４５１ｄより構成されて、フロント側ポールピース部４５２に装着されている。４５３は前記フロント側ポールピース部を軽量化するために形成された円筒状の空隙部である。４５４はリアー側ポールピース部、４５５はコイル側ヨーク材、４５６はフォースコイル、あるいは、フォースコイルと検定コイルから構成されたコイル部である。４５７は前記コイル側ヨーク材の内面に形成された突出部、４５８はフロント側ディスク、４５９はリアー側ディスク、４６０は可動側電極、４６１は固定側電極、４６２aはフロント側パネル、４６２bはリアー側パネル、４６３は中央プレート、４６４は締結部材、４６５は前記コイル側ヨーク材の内周面におけるコイル装着部、４６６は永久磁石の外周面であり、コイル対抗面に相当する。コイル対抗面４６６とコイル装着部４６５間は半径方向の磁気空隙部４６７が形成されている。前記コイル側ヨーク材の突出部４５７とリアー側ポールピース部４５4間は、狭い間隙による環状空隙部４６８が設けられている点は前述した実施例同様である。４６９は外周側支持リング、４７０は内周側支持リングである。「永久磁石４５１→磁気空隙部４６７→コイル側ヨーク材４５５→突出部４５７→環状空隙部４６８→リアー側ポールピース部４５４→フロント側ポールピース部４５２→永久磁石４５１」により、鎖線の矢印で示すように、閉ループ磁気回路を形成している。
（第８実施形態）
図２１は、本発明の実施形態８に係るサーボ型加速度センサの正面断面図である。前述した実施形態では、狭い隙間による環状空隙部（たとえば、図1bの鎖線円B）を設けることにより、閉ループ磁気回路を形成していた。本実施形態では、前記環状空隙部ではなく、半径方向に着磁したセグメント型永久磁石と固定側コイルの組み合わせにより、閉ループ磁気回路を形成するための磁気連結部を構成している。
６５１はセグメント型永久磁石（補助磁石）、６５２はリアー側ポールピース部である。前記セグメント型永久磁石は、第７実施形態同様に半径方向に着磁した複数のセグメント型永久磁石（図２０b参照）より構成されて、リアー側ポールピース部６５２に装着されている。６５３は前記リアー側ポールピース部を軽量化するために形成された円筒状の空隙部である。６５４はフロント側ポールピース部、６５５は軸方向に着磁された永久磁石、６５６は前記フロント側ポールピースのフロント側端面、６５７は前記フロント側ポールピースの内部に形成された円筒状の空隙部である。永久磁石６５５は円筒状の空隙部６５７内部に収納されており、一方の端面は前記フロント側ポールピースのフロント側端面６５６に固定されている。また前記永久磁石のもう一方の端面は前記リアー側ポールピースに固定されている。本実施形態も第５実施形態同様に、フロント側ポールピース部６５４の円筒状の空隙部６５７を利用して、この空隙部に永久磁石６５５を配置することにより、センサ本体のコンパクト化を図っている。
６５８はコイル側ヨーク材、６５９はフロント側フォースコイル、６６０はリアー側フォースコイル（補助コイル）、６６１は検定コイル部である。
６６２はフロント側ディスク、６６３はリアー側ディスク、６６４は可動側電極、６６５は固定側電極、６６６aはフロント側パネル、６６６bはリアー側パネル、６６７は中央プレート、６６８は締結部材、６６９は前記コイル側ヨーク材の内周面におけるコイル装着部、６７０はコイル対抗面（フロント側ポールピース部の外周面）、６７１は磁気空隙部、６７２は外周側支持リング、６７３は内周側支持リングである。「永久磁石６５５→フロント側ポールピース部６５４→磁気空隙部６７１→コイル側ヨーク材６５８→永久磁石６５１→リアー側ポールピース部652→永久磁石６５５」により、鎖線の矢印で示すように、閉ループ磁気回路を形成している。
本実施形態では、前記磁気連結部を径方向に着磁された磁石と固定コイルにより構成したため、フロント側とリアー側のいずれもボイスコイルモータとして機能するために発生力の向上が図れる。また、第１の実施形態同様に、磁気空隙部６７１の半径方向ギャップは2.5mm、コイル対抗面６７０とコイル間の半径方向ギャップは0.5mm程度で構成される。したがって、狭いギャップで環状空隙部を構成する場合（たとえば、第１の実施形態の環状空隙部１１８）と比べて、量産時の組み立ても容易である。
（第９実施形態）
図２２aは、本発明の実施形態９に係るサーボ型加速度センサの正面断面図、図２２bと図２２cは本実施形態に用いた半径方向に着磁したセグメント型永久磁石を示す断面図である。
本実施形態は、前記フロント側永久磁石を径方向に着磁されたセグメント型磁石で構成すると共に、前記磁気連結部も径方向に着磁されたセグメント型磁石と固定コイルにより構成したものである。フロント側とリアー側のいずれもボイスコイルモータとして機能するために発生力の向上が図れる。 ７０１はフロント側永久磁石、７０２はリアー側永久磁石、７０３はポールピース部（可動側ヨーク材）である。前記フロント側永久磁石、前記リアー側永久磁石共に半径方向に着磁した複数のセグメント型永久磁石より構成されて、ポールピース部７０３に装着されている。図２２bと図２２cに示すように、各永久磁石における半径方向の着磁方向は逆である。
７０４は前記ポールピース部の空隙部、７０５はフロント側ディスク、７０６はリアー側ディスク、７０７は可動側電極、７０８は固定側電極、７０９aはフロント側パネル、７０９bはリアー側パネル、７１０は中央プレート、７１１は締結部材、７１２はコイル側ヨーク材、７１３はコイルボビン、７１４はフロント側コイル、７１５はリアー側コイルである。７１６は外周側支持リング、７１７は内周側支持リング、７１８は前記ポールピース部のフロント側端面、７１９は前記ポールピース部のリアー側端面、７２０は前記リアー側ディスクばねの支持リング、７２１はコイル側ヨーク材７１２の内周面であるコイル装着部である。７２２a、７２２bは、このコイル装着部とフロント側とリアー側の２つの永久磁石の間に形成される磁気空隙部である。「永久磁石７０１→コイル側ヨーク材７１２→永久磁石７０２→ポールピース部７０３→永久磁石７１３」により、鎖線の矢印で示すように、閉ループ磁気回路を形成している。本実施形態では、前記リアー側永久磁石と前記リアー側コイルで構成される空間が磁気連結部である。本実施形態では、フロント側とリアー側のいずれもボイスコイルモータとして機能するために発生力の向上が図れる。また、磁気空隙部７２２a、７２２bの半径方向ギャップは2.5mm、前記２つの永久磁石外周面と前記コイルボビン間の半径方向ギャップは0.5mm程度で構成される。したがって、狭いギャップで環状空隙部を構成する場合（たとえば、第１の実施形態の環状空隙部１１８）と比べて、量産時の組み立ても容易である。
（第１０実施形態）
図２３は、本発明の実施形態１０に係る差動式サーボ型加速度センサの正面断面図である。すなわち、左右の出力軸がいずれも開放端になる直動型MM式の構造上の特徴に注目して、静電容量を検出する電極を左右２箇所に設けることにより、差動式の静電容量式センサを構成したものである。加速度センサを差動式にすることにより、センサ出力がノイズ、ドリフトなどの外乱信号の影響を受けにくい高分解能センサが実現できる。
（i） 構造の説明
３０１は永久磁石、３０２はフロント側ポールピース部、３０３は円筒状の空隙部（慣性質量調節部）である。３０４はリアー側ポールピース部、３０５はコイル側ヨーク材、３０６aはフォースコイル、３０６bは検定コイル、３０７は前記コイル側ヨーク材の内面に形成された突出部である。３０８はフロント側ディスク、３０９はリアー側ディスクである。３１０aはフロント側可動側電極、３１１aはフロント側固定側電極、３１０bはリアー側可動側電極、３１１bはリアー側固定側電極である。
３１２aはフロント側パネル、３１２bはリアー側パネル、３１３aはフロント側中央プレート、３１３bはリアー側中央プレート、３１４aはフロント側締結部材、３１４bはリアー側締結部材である。３１５はコイル側ヨーク材３０５の内周面、３１６は前記フロント側ポールピース部のコイル対抗面、３１７はコイル対抗面３１６とコイル装着部３１５間に形成される半径方向の磁気空隙部である。前記コイル側ヨーク材の突出部３０７とリアー側ポールピース部３０４の間は、狭い間隙による環状空隙部３１８が設けられている。
また、環状空隙部３１８は、磁気空隙部３１７と比べて磁気抵抗が充分に小さくなる狭い隙間を設定している。実施形態１同様に、「永久磁石３０１→フロント側ポールピース部３０２→磁気空隙部３１７→コイル側ヨーク材３０５→環状空隙部３１８→リアー側ポールピース部３０４」により閉ループ磁気回路を形成している。フォースコイル３０６aと検定コイル３０６bの引き出し線は、コイル側ヨーク材３０５とフロント側パネル３１２ａを貫通して、外部に設置された制御回路に繋がる点は、実施形態１同様である（図示せず）。３１９aはフロント側ディスク内周側支持リング、３１９bはリアー側ディスク内周側支持リング、３２０aはフロント側ディスク外周側支持リング、３２０bはリアー側ディスク外周側支持リングである。前記４つのリングは非導電性材料で構成される。
フロント側ディスク３０８とリアー側ディスク３０９の締結方法は、実施形態１同様である。また可動電極と固定電極間の静電容量を検出する導線と、外部を繋ぐ方法も実施形態１同様である（図示せず）。
図２４は、本実施形態による差動式サーボ型加速度センサが３つのユニットから構成できることを示す図である。３３０はフロント側ユニット、３３１は駆動ユニット、３３２はリアー側ユニットである。各ユニットはそれぞれ独立したユニットとして、各部品の装着が可能である。各ユニットの部品装着が完了すれば、図中の矢印に示すように、３つのユニットを合体する。合体後、前記フロント側の前記可動電極と前記固定電極の隙間、及び、前記リアー側の前記可動電極と前記固定電極の隙間を調整すればよい。本発明のサーボ型加速度センサは、従来式加速度センサと比べて、差動式と非差動式の選択が極めて容易である。ここで、非差動式の実施形態１（図１）と、差動式の本実施形態１０（図２３、図２４）を比較する。差動式にするには、駆動ユニット３３１にリアー側可動側電極３１０bを附加して、リアー側ユニット３３２にリアー側固定側電極３１１bを装着するだけでよい。したがって、非差動式から差動式への選択は大きなコストアップにはならない。
また量産最終段階で行う電極間隙間の調整、すなわち、リアー側可動側電極３１０bとリアー側固定側電極３１１b間の隙間の調整は、フロント側と独立して行うことができる。たとえば、フロント側の調整を終了後、リアー側の調整を行えばよい。
（ii） ドリフト・ノイズ低減効果の説明
以下、本実施例センサのドリフト・ノイズ低減効果を、従来式との対比の基で説明する。図２５は従来式加速度センサ（図５４参照）の場合について、電極出力、ノイズとドリフト、センサ加速度出力の関係を示す。電極出力は、可動電極２４と固定電極２５間の隙間で決まる静電容量を検出して得られる。ノイズとドリフトのグラフAは、正弦波に微小な正のバイアス値を加えたものである。センサ加速度出力（グラフC）は、電極出力（グラフB）にノイズとドリフト（グラフA）が印加された結果となる。
さらに、アクティブ除振台においては、低周波数域の除振性能を得るために、絶対速度フィードバック、絶対変位フィードバックを施している。絶対速度信号を得るためには、加速度信号を１回積分し、絶対変位信号を得るためには、加速度信号を２回積分する必要がある。図２５のグラフDは、センサ加速度出力（グラフC）を完全積分により一回積分して得られる絶対速度出力を示す。ノイズが重畳された速度信号は、ドリフトの影響により発散する。上記問題を解消するために、実際のアクティブ除振台では、完全積分1/sは用いることはできず、不完全積分1/(s+a)により、加速度センサの出力を積分して近似的な速度信号を得ている。さらに、この速度信号を同様な積分器により積分して近似的な変位信号を得る方法が採用されている。しかし、不完全積分を経由した信号は、低周波数領域において位相の遅れ角度は上記完全積分の場合の値にはならず、その結果、正確な負帰還信号は得られない。その結果、低周波数領域で位相が遅れると共に、ゲインが増大するために、充分な除振特性が得られないなどの問題点があった。
図２６は本実施形態による加速度センサの場合について、２つの電極出力、ノイズとドリフト、センサ加速度出力の関係を示す。
フロント側の電極出力Bfは可動電極３１０aと固定電極３１１a間の隙間で決まる静電容量、リアー側の電極出力Brは可動電極３１０bと固定電極３１１b間の隙間で決まる静電容量を検出して得られる。これらの電極出力にノイズとドリフトが共通に加わることにより、フロント側電極出力Bf→Cfとなり、リアー側電極出力Br→Crとなる。その結果、差動センサの加速度出力Csはノイズとドリフトがキャンセルされた波形となる。さらに、加速度出力を完全積分した絶対速度信号D、及び絶対変位信号（図示せず）は発散しない。したがって、本実施例の加速度センサをアクティブ除振台に適用した場合、センサ感度向上による効果（たとえば、ステージの位置決め精度向上）に加えて、低周波数領域で大幅な除振特性向上効果が得られる。
（第１１実施形態）
図２７は、本発明の実施形態１１に係る差動式サーボ型加速度センサの正面断面図である。前述した実施形態１０同様に、静電容量を検出する電極を左右２箇所に設けることにより、差動式の静電容量式センサを構成したものである。また、第９実施形態同様に、フロント側永久磁石を径方向に着磁されたセグメント型磁石で構成すると共に、磁気連結部も径方向に着磁されたセグメント型磁石と固定コイルにより構成している。
８０１はフロント側永久磁石、８０２はリアー側永久磁石、８０３はポールピース部、８０４は前記ポールピース部の空隙部、８０５はフロント側ディスク、８０６はリアー側ディスク、８０７はフロント側可動電極、８０８はフロント側固定電極、８０９aはフロント側パネル、８０９bはリアー側パネル、８１０はフロント側中央プレート、８１１はフロント側締結部材、８１２はコイル側ヨーク材、８１３はコイルボビン、８１４はフロント側コイル、８１５はリアー側コイルである。８１６はフロント側外周支持リング、８１７はフロント側内周支持リング、８１８は前記ポールピースのフロント側端面、８１９は前記ポールピース部のリアー側端面、８２０は前記リアー側ディスクの外周支持リング、８２１は前記コイル側ヨーク材の内周面であるコイル装着部、８２２はこのコイル装着部と２つの永久磁石の間に形成される磁気空隙部である。８２３はリアー側可動電極、８２４はリアー側固定電極、８２５はリアー側中央プレート、８２６はリアー側締結部材、８２７はリアー側内周支持リングである。
以上、差動式センサの２つの実施形態について述べた。この差動式のアクチュエータ部の構成は、前述した本発明の他の実施形態（直動型MM式）で示した提案が適用できる。
（第１２実施形態） 揺動式（１）
図２８は、本発明の実施形態１２に係る揺動運動式サーボ型加速度センサを示すもので、図２８aは正面断面図、図２８bはこのセンサを構成する一部品である振子の側面の概略図である。本実施形態のサーボ型加速度センサは、永久磁石を含む磁気回路が左右対称に構成されているため、最初に右側構成部品について説明する。
９０１aは永久磁石、９０２aはフロント側ポールピース部、９０３aはこのフロント側ポールピース部を軽量化するために形成された円筒状の空隙部、９０４aはリアー側ポールピース部、９０５aはコイル側ヨーク材、９０６aは電磁コイル、９０７aはコイルボビン、９０８aは前記コイル側ヨーク材の内面に形成された突出部である。フロント側ポールピース部９０２aとリアー側ポールピース部９０４aが可動側ヨーク材である。９０９は非磁性で、かつ導伝性を有する材料で形成された振子である。この振子は一方を固定端、もう一方を自由端とする片持はりから構成されており、この片持はりの自由端側に可動部は設けられている。９１０は上部に筒型の空洞部を有するハウジングである。このハウジングは非磁性材料により構成される。９１１aは前記振子の下端部において絶縁材料で形成された板材である。板材９１１aと板材９１１bに挟持された状態で、前記振子は固定される。９１２はヒンジ部である。このヒンジ部によって、揺動運動する前記振子全体のばね剛性が決定される。９１３aは前記振子に形成された可動側電極、９１４aは固定側電極である。この固定側電極とハウジング９１０が密着する壁面には、電気的絶縁被膜が形成されている（図示せず）。導伝性材料の振子９０９は左右の電極間静電容量の検出信号を、制御回路に繋ぐ共通アースとして導線を兼ねている。９１５aはポールピース９０２aのコイル対抗面、９１６aはコイル装着面である。コイル対抗面９１５aとコイル装着面９１６a間は半径方向の磁気空隙部９１７aが形成されている。前記コイル側ヨーク材の突出部９０８aとリアー側ポールピース部９０４aの間は、狭い間隙による環状空隙部９１８aが設けられている。前述した第１実施形態同様に、「永久磁石９０１a→フロント側ポールピース部９０２a→磁気空隙部９１７a→コイル側ヨーク材９０５a→環状空隙部９１８a→リアー側ポールピース部９０４a」により、閉ループ磁気回路（図示せず）を形成している。環状空隙部９１８aは、磁気空隙部９１７aと比べて磁気抵抗が充分に小さくなるように隙間を設定した。前記環状空隙部は永久磁石を用いた磁気回路において、閉ループ磁気回路を形成するための磁気連結部である。電磁コイル９０６aと外部に設置された制御回路間の信号を授受する引出線は、前述した第１実施形態同様に、コイル側ヨーク材９０５a、ハウジング９１０に形成された貫通穴を利用して設けられる（図示せず）。
９１９aは絶縁材料で形成された凸形状部材であり、振子９０９の上部において、振子９０９と接着固定されている。この凸形状部材９１９aがフロント側ポールピース部９０２aと接着勘合される。前記凸形状部材が絶縁材料のために、フロント側ポールピース部９０２aと振子９０９は電気的絶縁を保つことができる。９２０はハウジング９１０の下部空隙部に設けられた制御回路である。
本実施形態において、振子９０９を中心軸として、各部材は左右対象に構成されている。永久磁石９０１a、ポールピース部９０２aなどの各部材の図番は、右側部材の添付記号はa、左側部材の添付記号はbとしている。右側構成部品に注目すれば、前述した第１実施形態同様に、永久磁石９０１aと、この永久磁石を直列に繋ぐフロント側ポールピース部９０２a全体を外周側から包み込むように、電磁コイル９０６aを配置した。さらに、磁気空隙部９１７aと比べて充分に小さな磁気抵抗を有する環状空隙部９１８aを閉ループ磁気回路内に配置した。軸方向に移動する可動部材は、永久磁石９０１a、フロント側ポールピース部９０２a、リアー側ポールピース部９０４aである。
図２９に本実施形態による加速度センサの組み立て方法の一例を示す。フロント側ポールピース部９０２a、永久磁石９０１a、リアー側ポールピース部９０４aの３部品を接着剤で一体化した後、前記振子の凸形状部材９１９aに装着する。さらに、電磁コイル９０６aが収納されたコイルボビン９０７aをコイル側ヨーク材９０５aに装着後、ハウジング９１０の空洞部に勘合させる。
磁気回路の構成部品は、前述した第１～第１１実施形態における直動型加速度センサの構成が適用できる。たとえば、磁気連結部は環状空隙部ではなく、半径方向に着磁したセグメント型永久磁石と固定側コイルの組み合わせでもよい。
本実施形態の特徴を、特許文献１に開示されている従来揺動式加速度センサの対比の基で説明する。本実施形態において振子９０９は導伝性の金属材料を用いることができる。図５６に示した従来揺動式加速度センサにおいて、振子５９０aに石英ガラスなどの非導電性材料を用いる理由は、センサの可動側と固定側制御回路との間に複数本の独立信号（コイルと電極信号）の授受を必要とするからである。この石英ガラスの表面に、金（Ａｕ）がスパッタリング若しくは真空蒸着された薄膜により、複数の独立信号を処理する導通路が形成されていた。すなわち、MC式であるがゆえに必要とされる部材の選択と特殊工法であった。MM式である本実施形態の場合、可動部から固定側に授受する信号は、左右電極信号の共通アースだけでよい。そのため、従来の揺動型MC式（図５６）の生産工程で必要とされる高価なスパッタリング設備などを必要とせず、生産工程の大幅な簡素化とコストダウンを図ることができる。上記共通アースの接点は前記振子の固定部９１１a、９１１bを利用して設ければよい（図示せず）。
（第１３実施形態）
図３０は、本発明の実施形態１３に係る揺動運動式サーボ型加速度センサを示すものである。前述した実施形態１２を簡素化して、静電容量検出電極を１セットだけで構成した。
９５１は永久磁石、９５２はフロント側ポールピース部、９５３はリアー側ポールピース部、９５４はコイル側ヨーク材、９５５はフォースコイル、９５６はコイルボビン、９５７は前記コイル側ヨーク材の内面に形成された突出部である。
９５８は非磁性で、かつ導伝性を有する材料で形成された振子、９５９は上部に筒型の空洞部を有する非磁性材料のリアー側ハウジング、９６０は前記振子の固定部、９６１a、９６１bは前記振子の下端部において絶縁材料で形成された板材である。板材９６１aと板材９６１bに挟持された状態で、前記振子の固定部９６０は固定される。９６２はヒンジ部（弾性変形部）である。このヒンジ部によって、揺動運動する前記振子全体のばね剛性が決定される。９６３は前記振子の上端部に形成された可動側電極、９６４は固定側電極である。導伝性材料の振子９５８は左右の電極間静電容量の検出信号を、制御回路に繋ぐ共通アースとして導通路を兼ねている。
９６５は絶縁材料で形成された凸形状部材であり、振子９５８の上部において、振子９５８と接着固定されている。この凸形状部材９６５がフロント側ポールピース部９５２と接着勘合される。前記凸形状部材が絶縁材料のために、フロント側ポールピース部９５２と振子９５８は電気的絶縁を保つことができる。
９６６は磁気空隙部、９６７は環状空隙部である。この環状空隙部は、磁気空隙部９６６と比べて磁気抵抗が充分に小さくなるように隙間を設定した。前記環状空隙部は永久磁石を用いた磁気回路において、閉ループ磁気回路を形成するための磁気連結部である。前述した第１、及び、第１２実施形態同様に、「永久磁石９５１→フロント側ポールピース部９５２→磁気空隙部９６６→コイル側ヨーク材９５４→環状空隙部９６７→リアー側ポールピース部９５３」により、閉ループ磁気回路（図示せず）を形成している。
９６８は非磁性材で形成されたリアー側ハウジングであり、上部において、中央プレート９６９と固定側電極９６４が締結部材９７０により締結される。９７１はリアー側ハウジング９５９の下部空隙部に設けられた制御回路である。
前述したように、直線運動式加速度センサと揺動運動式加速度センサにおいて、両者の基本構造の違いを可動部の弾性支持方法で分類すれば、直線運動式は可動部の移動方向を軸芯として、この軸芯の円周方向にばねが配置される。揺動運動式は、第１２実施形態、及び、第１３実施形態で示したように、一端を固定端として、もう一方を自由端とする片持ちはりによって可動部が支持される構造である。直線運動式と揺動運動式のいずれの動作原理も、固定電極と可動電極間の隙間を検出するという点で変わりはない。したがって、本発明の他の実施形態で示した提案も揺動運動式に適用できる。たとえば、第６実施形態で示した熱伝導性の良いコイルボビンを装着する方法、第７実施形態、及び、第８実施形態で示した半径方向に着磁したセグメント型磁石を用いて磁気回路を形成する方法なども適用できる。
（第１４実施形態）
図３１は、本発明の実施形態１４に係るサーボ型加速度センサを示すもので、センサを構成する多くの部品をボルト締結した構造を示すものである。図３２～図４１は、本実施形態センサの組み立て工程を示す。従来のサーボ型MC式加速度センサは、図５４、図５６の事例に示すように接着工法で構成されていた。その理由は、（１）部品形状がミクロである、（２）可動部を軽量化する必要がある、上記（１）（２）が主な理由による。直動式加速度センサの場合、可動部の両端を支持するディスクばねの「切断・絶縁・半田付け」を必要とする複雑な構成のため、ボルト締結工法による構成は困難であった。接着工法で製品を構成した場合、量産時における品質評価の段階で、不合格品となれば製品本体を破棄せざるを得なかった。
本実施形態は、ミクロな部品で構成されるサーボ型加速度センサに、時計などの特殊分野で適用されるM0.5からM1.0mmの極小ボルト締結工法を適用したものである。本発明を適用したサーボ型加速度センサの外径はΦ25mm程度であり、500円玉の外径よりも小さい。本実施形態でボルト締結工法の適用が可能となった理由は、極細線処理が不要で、可動部の部品構成を簡素化できるMM式の特徴に注目したものである。本実施形態加速度センサは、多くの部品の再利用が可能であり、量産時における歩留まりをおおいに向上させることができる。また接着工法の場合は、接着する部品間に介在する接着剤の厚みと、この厚みの不均一性が組立精度を低下させる要因となっていた。ボルト締結工法の場合は、各部品の加工精度さえ得られれば、高い組立精度を確保できる。また、作業者に熟練度を必要としないため、製品性能のばらつきを低減できる。
（１）実施形態センサの全体構成
図３１において、７５１は中空部を有する永久磁石、７５２はフロント側ポールピース部、７５３は円筒状の空隙部、７５４はリアー側ポールピース部、７５５はコイル側ヨーク材、７５６aはフォースコイル、７５６bは検定コイル、７５７は前記コイル側ヨーク材のリアー側内面に形成された突出部である。７５８はフロント側ディスク、７５９はリアー側ディスク、７６０は可動側電極、７６１は固定側電極、７６２aはフロント側パネル、７６２bはリアー側パネル、７６３は中央プレート、７６４は前記固定側電極と前記フロント側パネルの非導電性材料による締結部材である。
７６５はコイルボビン、７６６は前記コイル側ヨーク材の内面に形成されたコイルボビン装着部、７６７は前記フロント側ポールピース部の外表面であるコイル対抗面である。コイル対抗面７６７とコイルボビン装着部７６６間は半径方向の磁気空隙部７６８が形成されている。前記コイル側ヨーク材の突出部７５７とリアー側ポールピース部７５４４の間は、狭い間隙による環状空隙部（磁気連結部）７６９が設けられている。
７７０は内周側ディスク支持部材、７７１は外周側ディスク支持部材である。２つのディスク支持部材７７０、７７１は非導電性材料（絶縁材料）で構成している。７７２は内周側ディスク支持部材７７０の片側端面に装着された金属材料によるリング状ナットである。以下、各部材間を締結するボルトについて説明する。
（２）各締結ボルトの役割
７７３aは可動電極７６０、内周側ディスク支持部材７７０、リング状ナット７７２の３部品を締結するボルトである。可動電極７６０と内周側ディスク支持部材７７０の間でフロント側ディスク７５８が挟持される。７７３bは外周側ディスク支持部材７７１をコイル側ヨーク材７５５に固定するボルトである。後述するように、フロント側ディスク７５８は前記外周側ディスク支持部材に接着固定されている。そのため、ボルト７７３bはフロント側ディスク７５８の外周端を固定する役割を有する。
７７３cはフロント側ポールピース部７５２、永久磁石７５１、リアー側ポールピース部７５４の３部品を締結するボルトである。７７３dはリアー側ディスク７５９の外周部とコイル側ヨーク材７５５を締結するボルト、７７３eはリアー側ディスク７５９の内周部とリアー側ポールピース部７５４を締結するボルトである。７７３fはコイルボビン７６５をコイル側ヨーク材７５５に締結するボルトである。７７３gはフロント側パネル７６２aとリアー側パネル７６２bを締結するボルトである。
（３）組立工程の説明 以下、組立工程を各段階に分けて説明する。
（3-1）組立準備段階
本実施形態のセンサの組立工程の基本はボルト締結である。しかし、すべての部品をボルト締結する必要はなく、たとえば、電気的絶縁を図る必要がある部品は導電性材料（金属）と絶縁材料（セラミックスなど）を、予め接着剤により一体化しておけばよい。図３２～図３４は組立準備段階を示すもので、Step1において、セラミックで形成された外周側ディスク支持部材７７１とフロント側ディスク７５８を、鎖線円Aの箇所で接着固定する。Step2において、セラミックで形成された内周側ディスク支持部材７７０と金属で形成されたリング状ナット７７２を、鎖線円Bの箇所で接着固定する。Step3において、内周側ディスク支持部材７７０とリング状ナット７７２が一体化した部品をフロント側ポールピース部７５２の開口部に接着固定する。
（3-2）コイルボビンの装着とコイル引出線処理
図３５～図３６は、コイルボビン７６５の装着と、コイル引出線の処理を行う工程を示す。７７４はフォースコイル７５６aと検定コイル７５６bの引出線、７７５はコイル側ヨーク材７５５の内面に形成された内側溝部、７７６は前記コイル側ヨーク材の半径方向に形成された貫通穴、７７７は前記コイル側ヨーク材の外周側に形成された外側溝部である。内側溝部７７５、貫通穴７７６、外側溝部７７７は図３１には記載していない。
Step4において、コイルボビン７６５を前記コイル側ヨーク材に挿入すると同時に、前記内側溝部、前記貫通穴、前記外側溝部を利用して、コイル引出線７７４の先端部を外部に引き出している。Step5において、ボルト７７３fにより、コイルボビン７６５をコイル側ヨーク材７５５に締結する。
（3-3）可動側電極の引出線処理とフロント側ポールピース部の装着
図３７は、本実施形態に適用したフロント側ディスク７５８の形状を示す。鎖線Dにおいて、７７８は突出端部、７７９はこの突出端部に形成された貫通穴である。Step6において、図３８aはコイル側ヨーク材７５５の内部に、フロント側ポールピース部７５２が装着された状態を示す図である。図３８bは鎖線E部の部分拡大図である。７８０はコイル側ヨーク材７５５の外周面に形成された電極用溝部、７８１は可動側電極７６０の引出線である。７８２は引出線７８１の被覆を剥がした状態で、貫通穴７７９を利用して、引出線７８１とフロント側ディスク７５８を電気的に導通させた状態を示す。電気的に導通させる手段として、半田付け、導電性接着剤などが選択できる。７８３はフロント側ディスク７５８に複数個形成された貫通穴であり、その内径は締結ボルト７７３bの頭部７７３bHよりも大きく形成されている。
前述したように、フロント側ディスク７５８と外周側ディスク支持部材７７１は既に接着固定されている。そのため、締結ボルト７７３bにより外周側ディスク支持部材７７１をコイル側ヨーク材７５５に固定すれば、フロント側ディスク７５８とコイル側ヨーク材７５５間は電気的絶縁を維持できる。締結ボルト７７３bの頭部７７３bHと、貫通穴７８３は非接触を保っている。可動側電極７６０は、締結ボルト７７３aによりフロント側ディスク７５８と内周側ディスク支持部材７７０を矜持した状態で、リング状ナット７７２に締結される。前述したように、ディスク支持部材７７０とリング状ナット７７２は予め接着剤により一体化している。
（3-4）最終組み立て段階
Step7は永久磁石７５１とリアー側ディスク７５９を締結する工程を示す。図３９に示すように、締結ボルト７７３cにより、永久磁石７５１はリアー側ポールピース部７５４を介在して、フロント側ポールピース部７５２に締結される。リアー側ディスク７５９は、締結ボルト７７３dと締結ボルト７７３eにより、コイル側ヨーク材７５５とリアー側ポールピース部７５４に締結される。
Step8は、最終段階でセンサ収納ケース装着する工程を示す。図４０に示すように、フロント側パネル７６２aには固定側電極７６１が締結部材７６４により仮固定されている。このフロント側パネル７６２aを、コイル側ヨーク材７５５を収納するように、締結ボルト７７３gにより、リアー側パネル７６２bと締結する。
ちなみに、電極の信号線７８１、及び、コイルの引出線７７４を外部に取り出すための構造は、ボルト締結構造である本実施形態に限定されない。接着工法である他の実施形態にも同様に適用できる。
（第１５実施形態）
前述した実施形態では、最初の準備段階を除き、最終の組立段階までボルト締結工法を適用した。本実施形態は、最終の組立段階では接着工法を適用することで、静電容量を実測しながら、可動側と固定側の電極間隙間を最適値に調整したものである。すなわち、最終工程で集積されたすべての誤差を吸収する方策である。
図４１は締結する２つのユニットを示し、図４１aは固定側電極ユニット８５０、図４１bは可動側電極ユニット８５１と呼ぶことにする。図４２は前記２つのユニットを接着剤で接合した状態を示す図である。
以下、第１５施形態に対して、特記すべき箇所のみ説明する。８５２は可動側電極、８５３は固定側電極、８５４aはフロント側パネル、８５４bはリアー側パネル、８５５は中央プレート、８５６は前記固定側電極と前記フロント側パネルの非導電性材料による締結部材である。８５７はコイル側ヨーク材、８５８aは可動ユニット側嵌合要素、８５８bは固定ユニット側嵌合要素、８５９は前記リアー側パネルと前記コイル側ヨーク材を締結するボルトである。８６０aは可動ユニット側接合面、８６０bは固定ユニット側接合面、８６０bcは前記固定ユニット側接合面に形成されたテーパ部である。可動ユニット側嵌合要素８５８ａ及び固定ユニット側嵌合要素８５８bは嵌合構造を形成する。
図４２において、８６１は可動ユニット側接合面８６０aと固定ユニット側接合面８６０bの間に塗布された接着剤である。本実施形態では、接着剤に紫外線硬化型を適用した。この接着剤はLEDライトを照射することで硬化する。したがって、LEDライト照射の前段階では、前記２つのユニットは嵌合構造を形成する嵌合要素８５８a、８５８bにより半径方向移動が規制された状態で、相対的に軸方向に移動できる。電極間隙間δz（可動側電極８５２と固定側電極８５３間の隙間）は、静電容量の測定値から求められる。たとえば、固定ユニット８５１を固定した状態で、可動ユニット８５０を軸方向（矢印C）に移動させる。静電容量が目標値に到達した時点で、接着剤にLEDライトを照射して接着剤を硬化すれば、前記２つのユニットは締結できる。
前記２つのユニットを締結する前段階（図４１b）、すなわち、可動側電極ユニット８５１単体の状態で、センサのアクチュータ機能は計測評価できる。たとえば、可動側電極８５２の軸方向変位を検出する変位センサを別途配置すれば、フオースコイル７５６a電流に対する周波数応答特性、過渡応答特性などが評価できる。評価結果次第では、ボルト締結工法の特徴を活かし、各部品の交換・再利用は容易である。
２つの電極間隙間δzを調節する上述した方法に加えて、２つの電極間隙間の傾斜角δθの調整に締結部材８５６を利用してもよい。この場合、締結部材８５６は、たとえば、紫外線硬化型接着剤を適用してもよい。本実施形態で示した２つの電極間隙間のδz（あるいはδθ）を調整する方法は、本発明の他の実施形態にも適用できる。
（第１６実施形態）
図４３は、本発明の実施形態１６に係る差動式サーボ型加速度センサの正面断面図である。但し、可動部はコイルが動くムービング・コイル式（MC式）を適用している。５１は永久磁石、５２はポールピース部、５３はポールピース凸部、５４は永久磁石側ヨーク材、５５はコイル側ヨーク材、５６aはフォースコイル、５６bは検定コイル、５７はコイルボビン、５８，５９はコイルボビン支持部材、６０はフロント側ディスク、６１はリアー側ディスク、６２はフロント側ディスク６０とコイル側ヨーク材５５のフロント側連結部材、６３はリアー側ディスク状ばね６１とコイル側ヨーク材５５のリアー側連結部材である。ポールピース部５２の外周部とコイル側ヨーク材５５の内周部間は半径方向の磁気空隙部６４が形成されている。６４aは永久磁石側空隙部、６４bはヨーク材側空隙部である。「永久磁石５１→ポールピース部５２→磁気空隙部６４→コイル側ヨーク材５５→永久磁石側ヨーク材５４」により、閉ループ磁気回路を形成している点は、従来のMC式サーボ型加速度センサと同様である。
６５は可動側第１電極（電極面Sa）、６６は可動側第２電極（電極面Sb）、６７は円筒部材、６８は非導電性材料で形成された固定側電極支持部材である。６９は固定側電極支持部材６８に形成された固定側第１電極（電極面SA）、７０は固定側第２電極（電極面SB）、７１は可動側第１電極６５と固定側第１電極６９で形成される第１空隙部、７２は可動側第２電極６６と固定側第２電極７０で形成される第２空隙部である。可動側第１電極６５と可動側第２電極６６は円筒部材６７を介在して接着固定されている。また可動側第１電極６５は外周部において、フロント側ディスク状ばね６０と接着固定されている。第１空隙部７１の隙間で決まる静電容量信号A、第２空隙部７２の隙間で決まる静電容量信号Bとすれば、２つの静電容量信号A、Bは逆位相となる。すなわち、２つの静電容量信号A、Bを独立して検出することで、差動式センサを構成している。７３aは静電容量信号Bを軸方向に伝達する軸方向導体線、７３bは半径方向に伝達する半径方向導体線である。２つの静電容量信号A、B、及び、フォースコイル５６a、検定コイル５６bに流れる電流は、フロント側ディスク状ばね６０とリアー側ディスク状ばね６１を経由して固定側に伝達される。前記２つのディスク状ばねは、円周方向に分割されており、独立した複数本の信号伝達経路（図示せず）を構成している。７４はフロント側パネルである。
図４３において、２点鎖線AAで示す部分は、２つの可動電極６５、６６を軸方向に駆動させるアクチュータ部を示している。本実施形態では、このアクチュータ部にMC式（ムービング・コイル式）を適用した。このMC式の代わりに、前述した実施例で示したMM式（ムービング・マグネット式）を用いてもよい。あるいは、MC式、MM式、MI式など、どのような形態のアクチュータを適用してもよい。
（第１７実施形態）
前述した実施形態は、２個の可動電極の間に１個の固定側電極支持部材を挟持して２組の静電容量センサを構成したものであった。この構成とは逆に、２個の固定側電極支持部材の間に１個の可動電極部材を挟持しても、２組の静電容量センサを構成することができる。図４４において、１５１は第１の固定側電極支持部材、１５２は第２の固定側電極支持部材、１５３は可動側電極部材、１５４は円筒形状の連結部材、１５１aは第１の固定側電極支持部材１５１の表面に形成された固定側第１電極（電極面Saa）、１５３aは可動側電極部材１５３の表面に形成された可動側第１電極（電極面SAA）である。１５２aは第２の固定側電極支持部材１５３の表面に形成された固定側第２電極（電極面Sbb）、１５３bは可動側電極部材１５３の表面に形成された可動側第２電極（電極面SBB）である。１５５は可動側第１電極１５３aと固定側第１電極１５１aで形成される第１空隙部、１５６は可動側第２電極１５３bと固定側第２電極１５２aで形成される第２空隙部である。
第１空隙部１５５の隙間で決まる静電容量信号A、第２空隙部１５６の隙間で決まる静電容量信号Bとすれば、２つの静電容量信号A、Bは逆位相となる。すなわち、前述した実施例と同様に、２つの静電容量信号A、Bを独立して検出することで、差動式センサを構成している。同図中の２点鎖線BBは、連結部材１５４を出力とするアクチュエータ部である。このアクチュータ部BBには、MC式、MM式、あるいは、どのような形態のアクチュータを適用してもよい。
（第１８実施形態）
図４５は、本発明の実施形態１８に係るサーボ型加速度センサを示し、図４５aはフロント側ディスクの形状、図４５bは加速度センサ本体の正面断面図、図４５cはリアー側ディスクの形状を示す。閉ループ磁気回路を構成する磁路である磁気連結部（鎖線円BB）において、部品精度、組立精度が充分に得られず、固定側と可動側の軸芯が偏芯した場合に、遠心方向の磁気吸引力（同図のFr）が発生する。本実施形態はこの影響を極力低減するディスク形状を示すものである。
１５１は軸方向に着磁された永久磁石、１５２はフロント側ポールピース部、１５３は前記ポールピースの内部に形成される空間、１５４はリアー側ポールピース部、１５５はコイル側ヨーク材、１５６はフォースコイル、１５７は前記コイル側ヨーク材の内面に形成された突出部、１５８、及び、１５９は可動部を支持するフロント側ディスク、及び、リアー側ディスクである。１６０は可動側電極、１６１は固定側電極、１６２aはフロント側パネル、１６２bはリアー側パネル、１６３は中央プレート、１６４は締結部材、１６５は磁気空隙部である。前記コイル側ヨーク材の突出部１５７とリアー側ポールピース部１５４の間は、狭い間隙による環状空隙部１６６が設けられている点は前述した実施例同様である。１６７は外周側支持リング、１６８は内周側支持リングである。「永久磁石１５１→フロント側ポールピース部１５２→磁気空隙部１６５→コイル側ヨーク材１５５→突出部１５７→環状空隙部１６６→リアー側ポールピース部１５４→永久磁石１５１」により、鎖線の矢印で示すように、閉ループ磁気回路を形成している点も、前述した実施例同様である。リアー側ポールピース部１５４の形状は、前述した実施形態とは異なる。１６９は前記リアー側ポールピース部の中心部に形成された凸部、１６９aは前記リアー側ディスクの中心部を位置決めするための中心凸部、１７０は空隙部である。
本実施形態では、図４５aと図４５cに示すように、可動部を支持するディスク形状はフロント側とリアー側では大きく異なる。フロント側ディスク（図４５a）は、円周方向に長い峰部１５８aと溝部１５８bを有するスパイラル形状ばねである。それに対して、リアー側ディスク（図４５c）は、円周方向に対して垂直な６本の峰部１５９aと、各峰部間の溝部１５９bから構成されている。前記リアー側ディスクの軸方向剛性Kaを小さくするために、峰部１５９aの幅は狭く、また中心部と外周部間の支持間隔Rを充分に長く設定している。前記リアー側ディスクの板厚は前記フロント側ディスクと比べて充分に薄い。ディスクの剛性は板厚の３乗に逆比例するために、たとえば、板厚が1/2になれば剛性は1/8になる。前記リアー側ディスクの軸方向剛性kaは、前記フロント側ディスク同様に小さく、半径方向剛性Krは極めて高い。すなわち、磁気連結部BBにおいて、固定側と可動側の軸芯が偏芯した場合に、遠心方向に発生する磁気吸引力Frに対して、充分に高い求心方向剛性krにより、可動側の軸芯を同一半径の位置に保つことができる。ここで、固定側の軸芯に対して可動側の軸芯の偏芯量をδrとする。δr=0の場合は遠心方向の磁気吸引力Fr =0である。しかし、δr＞0となる偏芯が発生した場合は、磁気吸引力Fr と偏芯量δrはさらに増大する。遠心方向の磁気吸引力Fr と偏芯量δrの関係は非線形であり、磁界中に置かれた可動側の軸は不安定な釣合条件下にある。ここで、Kmr =Fr/δrと定義すれば、Kmrは磁気回路で形成される負のばね剛性である。但し、Fr＞0、及び、Kmr＞0と定義する。したがって、ディスクの求心方向剛性をKr＞Kmrとなるように選べば、磁気連結部BBは安定した状態を保つことができる。前記リアー側ディスクの形状は、本実施形態で示したものに限定されない。軸方向剛性kaに対して半径方向剛性krが充分に高ければ、どのような形状でもよい。たとえば、スパイラル形状の場合において、スパイラル角度α（図４５a参照）を円周方向に対する曲線の勾配と定義すれば、角度αが充分に大きい曲線でもよい。45≦α≦90degの範囲ならば、充分に高い半径方向剛性krが得られた。前記フロント側ディスクの形状も、本実施形態で示したスパイラル曲線に限定されない。ディスクの板厚が充分に薄く、また材料の弾性限界の範囲内に収めることができれば、本実施形態における前記リアー側ディスクに近い形状でよい。
本実施形態では、図４５cに示すリアー側ディスクには、析出硬化型の高強度ステンレス鋼（SUS631）を適用した。この材料は、冷間圧延後析出硬化処理により、マルテンサイトに微細なAlを含む金属間化合物を生じさせることにより、非常に高い硬度の得られるステンレス鋼である。特殊な鋼材を用いたのは、次のような理由による。小さなディスク外径を維持して、軸方向剛性kaを小さくするためには、板厚を薄くかつ峰部の幅を狭くせざるを得ない。そのため、図４５aに示すスパイラル角度αが充分に小さな場合と比べて、大きな発生応力に耐える必要がある。適用した高強度ステンレス鋼は、（たとえば、SUS304などの通常の鋼材と比較して、３倍程度の引張強さ（1400～1500N/m2）とバネ限界値を有する。その他、たとえば、SUS632J1などのステンレス鋼でもよく、引張強さ＞1000N/m2であれば、本発明に適用できた。 本実施形態で示したディスク形状、及び、ディスク材料の強度等に関する上記知見と方策は、本発明のすべての実施形態に適用可能である。
（II） ムービング・ヨーク式（MY式）加速度センサ
前述した本発明の実施形態は、コイルが動く従来MC式に対して、永久磁石が動くMM式の提案であった。ここで、再び原点に立ち戻り、サーボ型加速度センサを構成するアクチュエータ部の磁気回路は、「永久磁石」、「コイル」、「ヨーク材」の３点の要素だけで閉ループを形成することに注目する。ここで、「永久磁石」と「コイル」を共に固定して、「ヨーク材」だけを動かすことでサーボ型加速度センサを構成できないか、というのが本実施形態の提案である。すなわち、「第３のリニアモータ」とも言うべき、ムービング・ヨーク式（MY式（仮称））の提案である。MY式加速度センサの特徴は、
（１）MC式同様に可動部質量の軽量化が図れる。
（２）MM式同様にコイルの極細線処理が不要である。
すなわち、MM式とMC式の両方の短所を解消すると共に、両方の長所を併せ持つことができる。
（第１９実施形態）
図４６は、本発明の実施形態１９に係るMY式サーボ型加速度センサの正面断面図である。８５１は軸方向に着磁された永久磁石、８５２は固定側ポールピース部（ポールピース側ヨーク材）、８５２aはこの固定側ポールピース部のテーパ部、８５２bは前記固定側ポールピース部の円柱部である。８５３は可動側ポールピース部（可動側ヨーク材）、８５３aは前記固定側ポールピース部における円柱部８５２bの対向面である。８５４は前記可動側ポールピース部内部において、軽量化のために形成される空間である。８５５はコイル側ヨーク材、８５５aは永久磁石側ヨーク材、８５６はフォースコイル、８５７はバイアスコイルである。８５８はフロント側ディスク、８５９はリアー側ディスク、８６０は可動側電極、８６１は固定側電極、８６２aはフロント側パネル、８６２bはリアー側パネル、８６３は中央プレート、８６４は締結部材、８６５は前記コイル側ヨーク材の内周面におけるコイル装着部、８６６は前記可動側ポールピース部におけるコイル対抗面、コイル対抗面８６６とコイル装着部８６５間は半径方向の磁気空隙部８６７（第１空隙部）が形成されている。前記前記固定側ポールピース部の円柱部８５２Bとその対向面８５３aの間は、狭い間隙による空隙部８６８（第２空隙部）が（鎖線円B）設けられている。この鎖線円Bが磁気連結部である。８６９、及び、８７０は非導電性材料による外周側支持リング、及び、内周側支持部材である。本実施形態において、フォースコイル８５６に電流を印加しない状態において、可動側ポールピース部８５３に微小な軸方向力が発生した場合は、バイアスコイル８５７にバイアス電流を流すことで、ポールピース部８５３を一定位置に保つことができる。「永久磁石８５１→固定側ポールピース部８５２→空隙部８６８→可動側ポールピース部８５３→磁気空隙部８６７→コイル側ヨーク材８５５→永久磁石側ヨーク材８５５a→永久磁石８５１」により、鎖線の矢印で示すように、閉ループ磁気回路を形成している。
本実施形態センサの作動原理は前述したMM式と同様である。フォースコイル８５６に電流が印加されると、リニアモータの作動原理であるローレンツ力の反力が可動側ポールピース部８５３に作用する。フォースコイル８５６の電流と外力による加速度は比例関係にあるために、フォースコイル８５６の電流を検出することで、加速度が計測される。フォースコイル８５６、及び、バイアスコイル８５７の引出線、及び、電極の信号線を外部に取り出す方法は前述した実施形態と同様である。第１実施形態である図１b、あるいは、ボルト締結構造による第１４実施形態である図３６、図３８aと同様な方法を用いればよい。図３６で示したように、コイル側ヨーク材７５５の外周部に外側溝部７７７を形成して、この溝部にコイル７７４引出線を装着する方法がその一例である。本実施形態、及び、後述する実施形態も含めて同様な構成が適用できる（図示せず）。
本発明によるMY式加速度センサの特徴を要約すれば次のようである。
（１）可動部の慣性質量を広い範囲で選択できる。本実施形態では、可動側ポールピース部８５３は円筒形状で形成したが、円筒部を薄くして軽量化すれば、MC式の特徴である高周波特性を重視した性能にできる。可動側ポールピース部８５３を中実の円柱形状にして慣性質量を大きくすれば、MM型の特徴である低周波特性を重視した性能にできる。すなわち、可動側ポールピース部８５３の形状により、本センサを適用する対象（アクティブ除振台など）が要求する特性に合わせたセンサ仕様を、任意に選択できる。
（２）永久磁石の性能を広い範囲で選択できる。永久磁石８５１の寸法・形状に制約が無いため、永久磁石性能の指評である減磁特性（保持力Hc、飽和磁束密度Br）を幅広く選択できる。永久磁石性能に余裕があるために、磁気連結部Bにおける空隙部８６８充分に大きくても良い。この空隙部８６８は磁気抵抗になるが、その損失を補うのに充分な永久磁石の性能が得られる。
（３）コイル仕様も広い範囲で選択できる。本実施形態に示すように、可動側ポールピース部８５３を薄い板厚の円筒形状にすれば、可動側ポールピース部８５３を長くしても慣性質量の増加は僅少である。この点を利用すれば、コイル収納容積を充分に大きくできるために、電気抵抗を増加させないで、コイル線径とコイル巻数を選択できる。さらに、上記（１）～（３）の特徴により、アクチュータの発生力を広い範囲で選択できるために、低周波特性から高周波特性まで優れたセンサ感度を有する加速度センサが実現できる。
MY式加速度センサに関する本実施形態、及び、後述する実施形態も同様であるが、（I）節で前述した本発明のMM式加速度センサに関する多くの知見、考案はMY式にも適用できる。たとえば、(i)非磁性で熱伝導性の良いコイルボビンを用いてコイルの発熱を放熱する構造、(ii)可動部を支持する弾性部材に一方を固定端、もう一方を自由端とする片持はりの振子構造、(iii)各部材間の接合に接着工法と極小ボルト締結工法を組み合わせた構造、(iv)弾性部材の内周側と外周側は、電気的絶縁を図るために、非導電性材料を介在して固定側に締結する構造、(v)可動側電極と可動部材（ポールピース）間の電気的絶縁を図る構造、(vi)磁気連結部に磁性材料で構成された軸方向剛性が充分に小さなディスク状ばねを用いる構造、などが適用できる。
また磁気連結部Bを構成する固定側ポールピース部８５２と、その対向面である可動側ポールピース部８５３に相当する箇所に、薄い板厚のリング状円盤を重ね合わせた積層鋼板（例えば、板厚0.1～0.2mm）を装着する構成する。モータ、磁気制御軸受などで適用されているように、相対移動する箇所に発生する渦電流損失を低減できるために、高周波特性に有利な特性が得られる。本実施形態に限らず、後述する実施形態、及び、（I）節で説明したMM式における磁気連結部（例えば、第１実施形態である図１のB部）も同様である（図示せず）。
（第２０実施形態）
図４７は、本発明の実施形態２０に係るMY式サーボ型加速度センサを示し、図４７aは正面断面図、図４７bは図４７aのA-A断面図である。本実施形態では、半径方向に着磁したセグメント型永久磁石を複数個用いて磁気回路を構成した。
５５１は永久磁石、５５２はポールピース部（可動側ヨーク材）、５５３は固定側ヨーク材である。前記永久磁石は半径方向に着磁したセグメント型永久磁石５５１a、５５１b、５５１c、５５１dにより構成されて、前記ヨーク材に装着されている。５５４は前記ポールピース部の内部空間、５５５はフォースコイル、５５６は検定コイル、５５７はフロント側ディスク、５５８はリアー側ディスク、５５９は可動側電極、５６０は固定側電極、５６１aはフロント側パネル、５６１bはリアー側パネル、５６２は中央プレート、５６３は締結部材、５６４は前記ヨーク材の内周面におけるコイル装着部、５６５は前記ポールピース部におけるコイル対抗面、コイル対抗面５６５とコイル装着部５６4間は半径方向の磁気空隙部５６６（第１空隙部）が形成されている。前記永久磁石５５１の内周面５６７a、５６７b、５６７c、５６７dと対向する前記ポールピース部の間は、狭い間隙による空隙部５６８（第２空隙部）が設けられている。この空隙部５６８が磁気連結部である。５６９、及び、５７０は非導電性材料による外周側支持リング、及び、内周側支持部材である。「永久磁石５５１→空隙部５６８→ポールピース部５５２→磁気空隙部５６６→固定側ヨーク材５５３→永久磁石５５１」により、鎖線の矢印で示すように、閉ループ磁気回路を形成している。
本実施形態では、前記永久磁石は半径方向に着磁したセグメント型永久磁石を用いているために、フォースコイル５５５に電流を印加しない状態において、ポールピース部５５２に軸方向の電磁力（不平衡力）は発生しない。そのためポールピース部５５２を同位置に保つことができるため、前述した実施例のようなバイアスコイル電流による微調整は不要である。
半径方向に着磁したセグメント型永久磁石を用いる代わりに、軸方向に着磁した永久磁石を用いて、この永久磁石と半径方向に磁束が流れるようなヨーク材と連結してもよい。このヨーク材の形状は、前述したセグメント型永久磁石のような形状でもよい。この固定側ヨーク材を前記ポールピース部の外周部を包みこむように配置すればよい（図示せず）。
あるいは、永久磁石５５１の内周面５６７a～５６７dと対向するポールピース部５５２の外周面に、半径方向に着磁した薄型のセグメント型永久磁石を複数個装着してもよい。すなわち、MY型とMC型のハイブリッド構造である。この構成により、磁気連結部（磁気空隙部５６８）の磁気抵抗を低減することができる。
（第２１実施形態）
図４８は、本発明の実施形態２１に係るMY式による差動式サーボ型加速度センサの正面断面図である。ＭＹ式でかつ半径方向に着磁した永久磁石を用いて磁気回路を構成することにより、左右の出力軸がいずれも開放端になることに着目したものである。静電容量を検出する電極を左右２箇所に設けることにより、差動式の静電容量式センサが実現できる。加速度センサを差動式にすることにより、センサ出力がノイズ、ドリフトなどの外乱信号の影響を受けにくい高分解能センサが実現できる。
５０１は永久磁石、５０２はポールピース部、５０３はヨーク材である。前記永久磁石は半径方向に着磁した複数個のセグメント型永久磁石により構成されて、前記ヨーク材に装着されている。５０４は前記ポールピース部の内部空間、５０５はフォースコイル、５０６は検定コイル、５０７はフロント側ディスク、５０８はリアー側ディスク、５０９はフロント側可動電極、５１０はフロント側固定電極、５１１はリアー側可動電極、５１２はリアー側固定電極、５１３aはフロント側パネル、５１３bはリアー側パネル、５１４はフロント側中央プレート、５１５はリアー側中央プレート、５１６はフロント側締結部材、５１７はリアー側締結部材である。５１８は前記ヨーク材の内周面におけるコイル装着部、５１９は前記ポールピース部におけるコイル対抗面、５２０は磁気空隙部、５２１は磁気連結部である空隙部、５２２、及び、５２３は非導電性材料によるフロント側外周支持リング、及び、フロント側内周支持部材である。５２４、及び、５２５は非導電性材料によるリアー側外周支持リング、及び、リアー側内周支持部材である。
また前記可動電極と前記固定電極間の静電容量を検出する導線と、外部を繋ぐ方法は、前述した実施形態同様である（図示せず）。
差動式である本発明センサの加速度出力を完全積分して得られる絶対速度信号、及び絶対変位信号は容易には発散しない。したがって、本発明センサをアクティブ除振台に適用した場合、センサ感度向上による効果（たとえば、ステージの位置決め精度向上）に加えて、低周波数領域で大幅な除振特性向上効果が得られる。
（III） その他の実施形態
前述した実施形態（I） （II）は、Lorentz力を発生させるボイスコイルと、永久磁石から構成されるMM式、及び、ＭＹ式加速度センサの実施例であった。以下示す実施形態は、Lorentz力ではなくMaxwell応力による磁気吸引力を発生させる電磁石を適用したものである。電磁石を構成するコイルが固定されるという点では、実施形態（I） （II）と共通である。また、コイルも永久磁石も動かさず、閉ループ磁気回路を構成するヨーク材のみ動かすという点で、本実施形態は（II）節のMY式の別形態のひとつと考えてもよい。
（第２２実施形態）
図４９は、本発明の実施形態２２に係るサーボ型加速度センサの正面断面図である。磁気吸引力を発生させる電磁石と永久磁石を組み合わせて、サーボ型加速度センサを構成したものである。
６０１は軸方向に着磁された永久磁石、６０２は永久磁石側ポールピース部、６０３はポールピース部６０２の前記永久磁石側対向面、６０４は前記永久磁石の前記ポールピース部側対向面、６０５はポールピース部６０２の内部に形成される空間、６０６は永久磁石側ヨーク材である。６０７はコイルボビン、６０８は電磁石のフォースコイル（制御コイル）、６０９はバイアスコイルである。６１０、６１１により電磁石側のヨーク材を構成しており、６１０はコイル６０８、６０９の軸芯に対する外周側ヨーク材、６１１は軸芯側ヨーク材である。
６１２は電磁石側のポールピース部（可動部材側ヨーク材）、６１３はポールピース部６１２の前記中心軸側対向面、６１４は前記中心軸の前記ポールピース部側対向面、６１５はポールピース部６１２の内部に形成される空間である。
６１６は電磁石側ハウジング、６１７は永久磁石側ハウジング、６１８は非磁性材料による可動部材、６１９と６２０は可動部材６１８を左右から矜持する締結部材である。前記締結部材は前記永久磁石側ハウジングと前記電磁石側ハウジングにより左右から固定されている。６２１a、及び、６２１bは可動側電極R、及び、固定側電極Rである。６２２a、及び、６２２bは可動側電極L、及び、固定側電極Lである。前記可動部の左右に形成された２つの前記電極により、差動式の加速度センサを構成している。軸芯側ヨーク材６１１と電磁石側ハウジング６１６における想像線６２３は、静電容量式以外の変位センサを用いた場合に必要な貫通路である（補足（３）で後述）。
永久磁石側ポールピース部６０２と電磁石側ポールピース部６１２は磁性材料で構成されており、非磁性材料による可動部材６１８の中心部で左右に固定されている。電磁石側は、「中心軸６１１→電磁石側ヨーク材６１０→電磁石側ポールピース部６１２」を含む部材で閉ループ磁気回路を形成している。永久磁石側は、「永久磁石６０１→永久磁石側ポールピース部６０２→永久磁石側ヨーク材６０６」を含む部材で閉ループ磁気回路を形成している。可動部６１８には、図中に示すように、永久磁石６０１による吸引力Fmが常時働いている。加速度センサの作動時には、バイアスコイル６０９に電流を流すことにより、可動部６１８を原点位置に保っている。この状態で、可動部分全体に外力が加われば、可動部６１８を原点位置に復帰させようにフォースコイル６０８に電流が流れる。フォースコイル６０８の電流と外力による加速度は比例関係にあるために、フォースコイル６０８の電流を検出することで、加速度が計測される。
本実施形態の加速度センサでは、可動部を駆動するのにMaxwell応力による磁気吸引力を用いている。アクチュエータの外形寸法を同一条件下で比較すれば、Maxwell応力はLorentz力と比べて、入力電流に対する発生力の電気機械変換効率（推力定数）が圧倒的に高く、通常20倍以上である。この点を利用すれば、本実施形態の加速度センサは計測可能な加速度の上限値を極めて大きく出来る。
但し、計測可能な加速度の上限値が小さくてもよい場合は、Maxwell応力アクチュエータの代わりに、（I） 節の実施例であるLorentz力アクチュエータと永久磁石を組み合せた構成でもよい（図示せず）。
（第２３実施形態）
図５０は、本発明の実施形態２３に係るサーボ型加速度センサの正面断面図である。Maxwell応力による磁気吸引力を発生させる２つの電磁石を、左右対称に組み合わせて、サーボ型加速度センサを構成したものである。
本加速度センサの部品構成は左右対称なため、図番右側の添字をa、左側の添字をbとする。まず右側の部品構成から説明する。６３１aはコイルボビン、６３２aは電磁石のフォースコイルである。
６３３a、６３４aにより電磁石側のヨーク材を構成しており、６３３aはコイル６３２aの軸芯に対する外周側ヨーク材、６３４aは軸芯側ヨーク材（中心軸）である。６３５aは非磁性材料によるポールピースの筒部、６３６aは磁性材料によるポールピースの平板部（可動部材側ヨーク材）、６３７aはハウジング、６３８は非磁性材料による可動部材、６４０aと６４０bは可動部材６３８を左右から矜持する締結部材である。前記可動部材は締結部材６４０aと６４０bにより左右から締結されている。６４１aは可動側電極、６４２aは固定側電極である。前記可動部の左右に形成された２つの電極により、差動式の加速度センサを構成している。６４３aは前記中心軸の先端である第１磁極、６４４aは前記中心軸の外周側におけるヨーク材先端である第２磁極である。「中心軸６３４a→ヨーク材６３３a→第２磁極６４４a→ポールピースの平板部６３６a→第１磁極６４３a→中心軸６３４a」で閉ループ磁気回路を形成している。
ちなみに、電磁石を構成するヨーク材の形状、コイルの位置などは、ヨーク材と可動側部材との間で閉ループ磁気回路が形成されるならば、どのような形態でもよい。
左右の電磁石のフォースコイル６３２a、６３２bに電流が印加されない状態では、可動部材６３８には吸引力が働かないため、可動部材６３８は原点位置を保つ。可動部分全体に外力が加われば、可動部６３８を原点位置に復帰させように、それぞれのフォースコイル６３２a、６３２bに逆方向の電流が流れる。たとえば、右側フォースコイル６３２aにIR=I0+δIの電流が流れて、左側フォースコイル６３２bにIL=I0-δIの電流が流れる。このとき、左右の電流差はΔI= IR- IL=2δIである。各フォースコイルに流す電流差ΔIと外力による加速度は比例関係にあるために、この電流差ΔIを検出することで、加速度が計測される。
前述したように、Maxwell応力はLorentz力と比べて、入力電流に対する発生力の電気機械変換効率（推力定数）が圧倒的に高いため、この点を利用すれば、本実施形態の加速度センサは極めて大きな加速度の計測が出来る。また、微振動計測を目的とするならば、コイルの巻数が少なくても大きな力を発生できるために、アクチュータを含む加速度センサ全体の大幅な小型化も可能となる。
（補足） （１）磁性材料について
以下、（I）～ （III）節で説明した実施形態に共通する内容について補足する。
サーボ型加速度センサのアクチュエーア部に用いる磁性材料としては、電磁ステンレス鋼、純鉄、パーマロイ、タフパーム、パーメンジュール、アモルファスなどが適用できる。また、閉ループ磁気回路を構成する部品には磁性材料を用いて、アクチュータを収納するケースであるハウジングなどには非磁性材料を用いればよい。
（２）アクティブ除振台搭載時に要求される加速度センサの特性について
たとえば、系全体の応答性（固有値）が数Hz～１０数Hz程度のアクティブ空気圧サーボ除振装置に用いられる加速度センサに、何故、数百Hzの高い共振周波数が必要とされるかについて説明する。アクティブ除振台においては、比例変位フィードバックに加えて、加速度フィードバックが適用される。主に加速度フィードバックの適用は共振ピークを低減させるために、必須条件である。さて一巡伝達関数のBode線図上で、次の２点を満足すれば、よく知られているように系は安定である。
（i）位相交点で正のゲイン余裕がある
（ii）ゲイン交点で正の位相余裕がある。加速度フィードバックを施すことでゲインは上昇して、かつ位相は180度遅れる。
そのため、系全体の応答性（固有値）が数Hz～１０数Hz程度であっても、加速度フィードバックを施すことで、その影響が高い周波数のゲイン余裕、位相余裕に与えるのである。そのため、アクティブ除振台を構成する制御要素である加速度センサ、空気圧サーボバルブには高い共振周波数（高速応答性）が要求される。共振周波数f0が高い程、f=100Hz近傍での位相遅れも小さくできる。多くの実験結果により、f0＞200Hzならば許容される範囲であるが、前述したように、f0≧ 250Hzならばより好ましい。またf=100Hz近傍において、位相遅れΔΦp＜20degならば許容される範囲であるが、ΔΦp≦10degならばより好ましい。
（３）本発明に適用できる変位検出部の種類
（I）～（III）節で説明した本発明の実施形態における変位検出手段は、すべて静電容量式を適用した場合を示した。しかし、本発明の特徴は、従来と異なるアクチュータ構造を適用することで得られるサーボ型センサとしての固有の効果であった。たとえば、
（i）複数本のコイル信号を取り扱う極細線処理が簡素化されるために、量産時における歩留まりを大幅に向上できる。
（ii）上記（i）の特徴を維持したままで、可動部を軽量化する工夫により高周波特性を向上できる。あるいは、可動部の慣性質量の選択により、高周波、低周波のいずれかの特性を重視した加速度センサが実現できる。
（iii）差動式の適用により、センサ信号のドリフト・ノイズの低減が図れる etc.
したがって、本発明の上記効果が得られる変位検出手段の形態は、静電容量式に限定されない。図５１は静電容量式の代替として、変位検出部に三角測距方式を検出原理とした光学式変位検出手段を用いた場合を示す。５７５は前記駆動手段が設けられたアクチュータ部、５７６は前記変位検出部である。変位検出部５７６は光源５７７、投光レンズ５７８、受光レンズ５７９、受光素子５８０から構成されており、これらの要素をイメージ図で示す。アクチュータ部５７５は、前述した実施形態であるMM式加速度センサ構造を適用した場合を示す。５８１は永久磁石、５８２aはフロント側ポールピース部、５８２bはリアー側ポールピース部であり、５８２aと５８２bにより可動側ヨーク材を構成している。５８３は固定側ヨーク材、５８４はフォースコイル、５８５は検定コイル、５８６はフロント側ディスク、５８７はリアー側ディスク、５８８aはフロント側パネル、５８８bはリアー側パネル、前記リアー側ポールピース部の内周面と対向する前記固定側ヨーク材の間は、狭い間隙による空隙部５８９が設けられており、この空隙部が磁気連結部である。５９０、及び、５９１は非導電性材料による外周側支持リング、及び、内周側支持部材である。５９２はレーザ光であり、５９３は前記内周側支持部材に装着されたレーザ光反射板である。
５９４はフロント側パネル５８８aに形成された前記レーザ光を通過させる開口面である。受光素子５８０はPSD（Position Sensitive Device）と呼ばれるもので、レーザ光反射板５９３の位置が変わることによるPSD上の結像位置の違いから変位を計測する。光学式変位手段としては、CMOS方式、CCD方式、正反射方式、拡散反射方式、ラインビーム方式などが適用できる。光学式以外の変位検出方式としては、測定対象物に発生する渦電流によるコイルのインダクダンス変化を利用したリニア近接センサなども適用できる。
図５１では、MM式加速度センサ構造に光学式変位センサを適用した場合を示したが、（II） （III）節の実施形態であるMY式、Maxwell応力電磁石による加速度センサ構造も適用できる。たとえば、第１９実施形態である図４６のMY式の場合は、内周側支持部材８７０に相当する部材をレーザ光反射面（図５１における５９３に相当）とすればよい。
あるいは、第２２実施形態である図４９の場合は、軸芯側ヨーク材６１１と電磁石側ハウジング６１６に形成した貫通路６２３（想像線で示す）をレーザ光の通路として、ポールピース部６１２の前記中心軸側対向面６１３をレーザ光反射面とすればよい。あるいは、貫通路６２３内部に渦電流リニア近接センサを装着してもよい。
たとえば、光学式変位手段を用いてサーボ型加速度センサを差動式にする場合は、図５１における前記変位検出部５７６を右側にも設置すればよい。この場合、内周側支持部材５９１に相当する部材をリアー側ポールピース部５８２bの右側に設けて、かつレーザ光反射板を前記リアー側ポールピース部に装着すればよい。（I） ～（III）節の差動式センサの実施形態に、静電容量式以外の変位検出手段を適用する場合も同様である。たとえば、第２１実施形態のMY式（図４８）の場合は、フロント側とリアー側の内周支持部材５２３、５２５に相当する箇所をレーザ光反射面、あるいは、渦電流リニア近接センサの検出面とすればよい。
１０１ 永久磁石
１０２ 可動側部材
１０５ 固定側部材
１１６、１０４ 可動側ヨーク材
１０６ コイル
１１０ 変位検出器の可動部
１１７ 空隙部

Claims (22)

  1. 固定部材と、
    前記固定部材に対して所定方向に移動可能に設けられ、内部に磁束が流れるように構成された可動部材と、
    前記固定部材に対して前記可動部材が空隙部を介して配置されるように支持する弾性部材と、
    前記可動部材の前記所定方向の変位を検出する変位検出部と、
    前記変位検出部で前記可動部材の原点位置からの相対変位が検出された場合に、前記可動部材を原点位置に戻す電磁気力を発生させる駆動手段と、を備え、
    前記可動部材が、閉ループ磁気回路の一部をなす可動側ヨーク材を少なくとも具備し、
    前記可動部材が、
    前記閉ループ磁気回路を形成する永久磁石をさらに具備し、
    前記駆動手段が、前記固定部材に固定され、電流を印加することで、電流が流れる導線が磁界中で受けるローレンツ力の反力により、前記永久磁石及び前記可動側ヨーク材を前記所定方向に移動させるフォースコイルを具備し、
    前記フォースコイルは、前記固定部材に設けられたコイル側ヨーク材の内周面のコイル装着部に装着され、
    前記フォースコイルは、前記可動部材の永久磁石に半径方向もしくは軸方向に接続する前記可動側ヨーク材を含むポールピース全体を、その外周側から包み込むように配置された、サーボ型振動検出器。
  2. 固定部材と、
    前記固定部材に対して所定方向に移動可能に設けられ、内部に磁束が流れるように構成された可動部材と、
    前記固定部材に対して前記可動部材が空隙部を介して配置されるように支持する弾性部材と、
    前記可動部材の前記所定方向の変位を検出する変位検出部と、
    前記変位検出部で前記可動部材の原点位置からの相対変位が検出された場合に、前記可動部材を原点位置に戻す電磁気力を発生させる駆動手段と、を備え、
    前記駆動手段が、前記固定部材に固定されたコイルを具備し、
    前記可動部材が、閉ループ磁気回路の一部をなす可動側ヨーク材を少なくとも具備し、
    前記変位検出部が、
    前記可動部材に設けられた可動側電極と、
    前記可動側電極と対向するように前記固定部材に固定された固定側電極と、を具備し、
    前記可動側電極と前記固定側電極との間で形成される静電容量の変化に基づいて前記可動部材の変位が検出されるように構成されるとともに、
    前記弾性部材はディスク形状をした導電性材料で構成されており、前記弾性部材の少なくとも外周側は、非導電性材料を介在して前記固定部材に固定されていることを特徴とするサーボ型振動検出器。
  3. 固定部材と、
    前記固定部材に対して所定方向に移動可能に設けられ、内部に磁束が流れるように構成された可動部材と、
    前記固定部材に対して前記可動部材が空隙部を介して配置されるように支持する弾性部材と、
    前記可動部材の前記所定方向の変位を検出する変位検出部と、
    前記変位検出部で前記可動部材の原点位置からの相対変位が検出された場合に、前記可動部材を原点位置に戻す電磁気力を発生させる駆動手段と、を備え、
    前記駆動手段が、前記固定部材に固定されたコイルを具備し、
    前記可動部材が、閉ループ磁気回路の一部をなす可動側ヨーク材を少なくとも具備し、
    前記固定部材に固定され、前記閉ループ磁気回路を形成する永久磁石をさらに具備し、前記永久磁石のいずれかの磁極面に対して前記可動側ヨークが離間させて設けられているとともに、当該可動側ヨーク材が前記コイル内に配置されており、
    前記駆動手段が、前記コイルに電流を印加することで電流が流れる導線が磁界中で受けるローレンツ力の反力により、前記可動側ヨーク材を前記所定方向に移動させるように構成されているサーボ型振動検出器。
  4. 前記空隙部は、前記閉ループ磁気回路内において前記可動部材と前記固定部材との間で半径方向空隙をなす第１空隙部と第２空隙部を具備しており、
    前記第１空隙部は前記ローレンツ力を発生するためのコイルが固定配置されており、
    前記第２空隙部は前記可動部材と前記固定部材の間に磁束を流すための磁気連結部としたことを特徴とする請求項１又は３記載のサーボ型振動検出器。
  5. 前記永久磁石のいずれかの磁極面と連結し、可動側ヨーク材の一部を構成するポールピース部と、このポールピース部、もしくは、前記永久磁石の半径方向対向面と前記第１空隙部を介して前記固定部材に固定配置された前記コイルと、前記永久磁石のもう一方の磁極面と前記固定部材間を磁束が流れるように設けられた前記磁気連結部から構成されており、前記永久磁石、前記ポールピース部、前記第１空隙部、前記固定部材、前記磁気連結部により閉ループ磁気回路が形成されていることを特徴とする請求項４記載のサーボ型振動検出器。
  6. 可動側ヨーク材の一部を構成するポールピース部と、前記ポールピース部と前記固定部材との空隙部内において前記固定部材に固定配置された前記コイルと、前記ポールピース部は前記永久磁石のいずれかの磁極面と前記磁気連結部を介して配置されており、前記永久磁石のもう一方の磁極面と前記固定部材間を磁束が流れるように前記永久磁石は固定配置されており、前記永久磁石、前記磁気連結部、前記ポールピース部、前記固定部材により閉ループ磁気回路が形成されていることを特徴とする請求項４記載のサーボ型振動検出器。
  7. 前記ポールピース部は概略円筒形状で構成されていることを特徴とする請求項５又は６記載のサーボ型振動検出器。
  8. 軸方向に着磁された前記永久磁石と、この永久磁石の一方の磁極面に連結された前記ポールピース部と、このポールピース部の半径方向対向面に空隙部を介して前記固定部材の内面に固定配置された前記コイルと、前記永久磁石のもう一方の磁極面と前記固定部材間を磁束が流れるように設けられた前記磁気連結部で構成されることを特徴とする請求項６記載のサーボ型振動検出器。
  9. 前記可動側ヨーク材を含む可動部質量をm、前記永久磁石の質量をmp、前記可動部質量の下限値mmin =2mpとして、KPTを位置センサ感度KSと調整ゲインKCと比例ゲインKPの積で決まる電気的ゲイン、Ktをアクチュエータの力定数、Raを前記コイルの電気抵抗、KT = KPTKt /Raとして、f0を加速度センサに要求される共振周波数、前記可動部質量の上限値mmax=KT /(2πf0 )2としたとき、mmin≦m≦mmaxの範囲に設定したことを特徴とする請求項１記載のサーボ型振動検出器。
  10. 前記磁気連結部は径方向に着磁された補助永久磁石と、この補助永久磁石の半径方向対向面に空隙部を介して前記固定部材の内面に固定配置された補助コイルから構成されることを特徴とする請求項４記載のサーボ型振動検出器。
  11. 前記閉ループ磁気回路内には、前記可動部材と前記固定部材との間で半径方向に磁束を伝達する第１伝達部と第２伝達部を具備しており、前記第１伝達部は前記可動部材と前記固定部材との間で半径方向の空隙を有し、この空隙内に前記ローレンツ力を発生するための前記コイルが固定配置されており、前記第２伝達部は、前記可動部材と前記固定部材との間は、半径方向に磁束が流れる磁性材料によるディスク形状ばねで固定されており、このディスク形状ばねは前記可動部材を支持する前記弾性部材を兼ねていることを特徴とする請求項１又は３記載のサーボ型振動検出器。
  12. 前記永久磁石をフロント側永久磁石、前記コイルをフロント側コイルとして、前記磁気連結部は、径方向に着磁されたリアー側永久磁石と、このリアー側永久磁石の一方の磁極面に連結されたポールピース部と、前記リアー側永久磁石のもう一方の磁極面の半径方向対向面に前記空隙部を介して前記固定部材の内面に固定配置されたリアー側コイルから構成され、前記フロント側永久磁石、前記空隙部、前記固定部材、前記空隙部、前記リアー側永久磁石、前記ポールピース部で閉ループ磁気回路を構成していることを特徴とする請求項４記載のサーボ型振動検出器。
  13. 前記変位検出部が、
    前記可動部材に設けられた可動側電極と、
    前記可動側電極と対向するように前記固定部材に固定された固定側電極と、を具備し、
    前記可動側電極と、前記永久磁石のいずれかの磁極面と連結し可動側ヨーク材の一部を構成するポールピース部との間は、非導電性材料が介在していることを特徴とする請求項５又は６記載のサーボ型振動検出器。
  14. 前記可動部材の２つの端面のそれぞれに設けられた前記可動側電極と、これらの前記可動側電極と対向して前記固定部材に設けられた前記固定側電極と、前記可動側電極と前記固定側電極の電極面間で形成される２組の静電容量センサの出力差を検出することで、差動式センサを構成したことを特徴とする請求項１３記載のサーボ型振動検出器。
  15. 前記可動部材の端部において、２つの平板状の前記可動側電極が隙間を介して設けられており、この２つの前記可動側電極に挟み込まれるように平板状の前記固定側電極を前記隙間内に配置して、前記可動側電極の電極面Saと対向する前記固定側電極の電極面SAの間で第１の静電容量センサを構成して、かつ、前記電極面SAの裏面の電極面SBと対向する前記可動部材の電極面Sbの間で第２の静電容量センサを構成したことを特徴とする請求項１３記載のサーボ型振動検出器。
  16. 前記可動部材の端部に１つの平板状の前記可動側電極が設けられており、この前記可動側電極の表裏面には２つの電極面SAAと電極面SBBが形成されており、この前記可動側電極を隙間を介して挟み込むように２つの平板状の前記固定側電極を配置して、前記電極面SAAと対向する前記固定側電極の電極面Saaの間で第１の静電容量センサを構成して、かつ、前記電極面SBBと対向する前記固定側電極の電極面Sbbの間で第２の静電容量センサを構成したことを特徴とする請求項１３記載のサーボ型振動検出器。
  17. 前記弾性部材はディスク形状の導電性材料で形成されており、前記弾性部材の内周部と外周部は非導電性材料による薄板材と一体化した構造であることを特徴とする請求項２記載のサーボ型振動検出器。
  18. 少なくとも前記可動部材を含み、可動側電極が装着された可動ユニットと、前記可動側電極と対向するように配置される固定側電極が装着された固定ユニットと、をさらに備え、前記変位検出部が、前記可動側電極と前記固定側電極間で形成される静電容量を検出するように形成されており、前記可動ユニットと前記固定ユニットの相対的半径方向移動が規制された状態で、前記可動ユニットと前記固定ユニットが相対的軸方向移動できるように前記可動ユニットと前記固定ユニット間に嵌合構造が形成されているとともに、前記可動ユニットと前記固定ユニットを接着固定するための溝部が前記可動ユニットと前記固定ユニットの外表面に形成されていることを特徴とする請求項１又は３記載のサーボ型振動検出器。
  19. 導伝性材料で構成された前記固定部材と、前記弾性部材は非導電性部材による薄板が接着固定されており、この非導電性部材は前記固定部材にボルトで締結されており、前記ボルト頭部が前記弾性部材と電気的に非接触となるように構成されていることを特徴とする請求項２記載のサーボ型振動検出器。
  20. 前記磁気連結部は径方向に着磁された前記永久磁石と、この永久磁石の内周面と空隙を保って配置された前記ポールピース部の外周面から構成されていることを特徴とする請求項５記載のサーボ型振動検出器。
  21. 前記磁気連結部は軸方向に着磁された前記永久磁石と、この永久磁石のN極とS極のいずれかの磁極面に連結して配置されたポールピース側ヨーク材と、このポールピース側ヨーク材の外周面に対して径方向の空隙を保って配置された前記ポールピース部の内周面から構成されていることを特徴とする請求項５記載のサーボ型振動検出器。
  22. 固定部材と、
    前記固定部材に対して所定方向に移動可能に設けられ、内部に磁束が流れるように構成された可動部材と、
    前記固定部材に対して前記可動部材が空隙部を介して配置されるように支持する弾性部材と、
    前記可動部材の前記所定方向の変位を検出する変位検出部と、
    前記変位検出部で前記可動部材の原点位置からの相対変位が検出された場合に、前記可動部材を原点位置に戻す電磁気力を発生させる駆動手段と、を備え、
    コイルを貫通して設けられた固定側ヨーク材と、この固定側ヨーク材の開放端と空隙を介して配置された可動側ヨーク材と、この固定側ヨーク材と前記空隙部と前記可動側ヨーク材で閉ループ磁気回路を形成して電磁石を構成することで、可動側ヨーク材を含む前記可動部材を前記コイル側に吸引させる吸引力発生手段Aとすると共に、
    前記可動部材を挟んで、吸引力発生手段Ａとは逆方向の力を発生させる吸引力発生手段Ｂを配置して、前記コイルに流す電流を制御することで、前記可動部材を軸方向に移動させるマックスウェル応力による前記駆動手段を構成していることを特徴とするサーボ型振動検出器。
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