JPH04148833A - 力・加速度・磁気の検出装置 - Google Patents

力・加速度・磁気の検出装置

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JPH04148833A
JPH04148833A JP2274299A JP27429990A JPH04148833A JP H04148833 A JPH04148833 A JP H04148833A JP 2274299 A JP2274299 A JP 2274299A JP 27429990 A JP27429990 A JP 27429990A JP H04148833 A JPH04148833 A JP H04148833A
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    • G01P—MEASURING LINEAR OR ANGULAR SPEED, ACCELERATION, DECELERATION, OR SHOCK; INDICATING PRESENCE, ABSENCE, OR DIRECTION, OF MOVEMENT
    • G01P15/00—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration
    • G01P15/02—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses
    • G01P15/08—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses with conversion into electric or magnetic values
    • G01P2015/0805—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses with conversion into electric or magnetic values being provided with a particular type of spring-mass-system for defining the displacement of a seismic mass due to an external acceleration
    • G01P2015/0822—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses with conversion into electric or magnetic values being provided with a particular type of spring-mass-system for defining the displacement of a seismic mass due to an external acceleration for defining out-of-plane movement of the mass
    • G01P2015/084—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses with conversion into electric or magnetic values being provided with a particular type of spring-mass-system for defining the displacement of a seismic mass due to an external acceleration for defining out-of-plane movement of the mass the mass being suspended at more than one of its sides, e.g. membrane-type suspension, so as to permit multi-axis movement of the mass

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は力検出装置、特に多次元の各成分ごとに力を検
出するのに適し、加速度や磁気の検出にも適用しうる力
検出装置に関する。
〔従来の技術〕
自動車産業や機械産業などでは、力、加速度、磁気とい
った物理量を正確に検出てきる検出装置の需要か高まっ
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か提案されている。こ
の力検出装置の検出部に、重錘体を取り付ければ、重錘
体に加わる加速度を力として検出する加速度検出装置が
実現でと、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、特許協力条約に基づく国際出願に係るＰＣＴ
／Ｊ　Ｐ８８１００３９５号明細書およびＰＣＴ／Ｊ　
Ｐ８８１００９３０号明細書には、」ニ述の原理に基づ
く力検出装置、加速度検出装置、磁気検出装置か開示さ
れている。
〔発明が解決しようとする課題〕
一般に、ゲージ抵抗やピエゾ抵抗係数には温度依存性が
あるため、上述した検出装置では、使用する環境の温度
に変動が生じると検出値が誤差を含むようになる。した
がって、正確な測定を行うためには、温度補償を行う必
要がある。特に、自動車なとの分野で用いる場合、−４
０°Ｃ〜＋１２０℃というかなり広い動作温度範囲につ
いて温度補償が必要になる。
また、上述した検出装置を製造するには、半導体基板を
処理する高度なプロセスが必要になり、イオン注入装置
なとの高価な装置も必要になる。
このため、製造コストか高くなるという問題がある。
そこで本発明は、温度補償を行うことなく、力、加速度
、磁気などの物理量を検出することがでと、しかも安価
に供給しつる検出装置を提供することを目的とする。
〔課題を解決するための手段〕
（１）　　本願第１の発明は、力検出装置において、装
置筐体に固定される固定部と、外部からの力が伝達され
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、を何する可撓基板と、 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、 外部からの力を受ｉ−１、この力を可撓基板の作用部に
伝達する作用体と、 可撓基板の固定基板に対する対向面に形成された変位電
極と、 固定基板の可撓基板に対する対向面に形成された固定電
極と、 を設け、変位電極と固定電極との間に生じる静電容量の
変化に基づいて、作用体に作用した力を検出するように
したものである。
（２）　　本願第２の発明は、上述の第１の発明による
力検出装置において、 変位電極または固定電極のいずれか一方、あるいは双方
を、電気的に独立した複数の局在電極により措成し、互
いに対向する電極により複数の容量素子を形成し、これ
ら各容量素子の静電容量の変化に基づいて、作用体に作
用した力を多次元の各成分ことに検出するようにしたも
のである。
（３）　　本願第３の発明は、上述の第２の発明による
力検出装置において、 変位電極または固定電極のいずれか一方、あるいは双方
を、電極形成面上で直交する第１の軸および第２の軸に
ついてのそれぞれ正および負方向に配された４グループ
の局在電極により構成し、この４グループの局在電極を
用いてそれぞれ４グループの容量素子を形成し、 ４グループの容量素子のうち第１の軸上にある２グルー
プに属する容量素子の静電容量の差によって第１の軸方
向成分の力を検出し、 ４グループの容量素子のうち第２の軸上にある２グルー
プに属する容量素子の静電容量の差によって第２の軸方
向成分の力を検出し、 ４グループに属する容量素子の静電容量の和によって第
１の軸および第２の輔に直交する第３の軸方向成分の力
を検出するようにしたものである。
（４）　　本願第４の発明は、上述の第１〜第３の発明
による力検出装置において、 固定基板、可撓基板、補助基板、の順にそれぞれが対向
して並ぶように、更に補助基板を設け、可撓基板の補助
基板に対する対向面に第１補助電極を形成し、 補助基板の可撓基板に対する対向面に第２補助電極を形
成し、 第１補助電極と第２補助電極との間あるいは変位電極と
固定電極との間に所定の電圧を印加し、両者間に作用す
るクーロン力によって可撓基板に変位を生じさせ、外部
から力が作用したのと等儲な状態におくことができるよ
うにしたものである。
（５）　　本願第５の発明は、上述の第４の発明による
力検出装置において、 可撓基板を導電性材料で構成し、第１補助電極と変位電
極とを、この導電性の可撓基板の一部分により形成する
ようにしたものである。
（６）　　本願第６の発明は、力検出装置において、装
置筐体に同項される固定部と、外部からのカが伝達され
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、 外部からの力を受け、このカを可撓基板の作用部に伝達
する作用体と、 可撓基板の固定基板に対する対向面に形成された変位電
極と、 固定基板の可撓基板に対する対向面に形成された固定電
極と、 変位電極と固定電極との間に挟まれるように形成され、
画電極によって加わる圧力を電気信号に変換して画電極
に出力する圧電素子と、を設け、作用体に作用したカを
圧電素子がら出力される電気信号によって検出するよう
にしたものである。
（７）　　本願第７の発明は、上述の第１〜６の発］　
１ 明による検出装置において、 作用体に作用する加速度に基ついて発生ずるカを検出す
ることにより、加速度の険１１１を行い得るようにした
ものである。
（８）　　本願第８の発明は、上述の第１〜６の発明に
よる検出装置において、 作用体を磁性材料によって構成し、この作用体に作用す
る磁力に基づいて発生ずるカを検出することにより、磁
気の検出を行い得るようにしたものである。
〔作　用〕
（］）　　本願第１の発明にょる力検出装置では、外部
からの力が作用体に加わると、可撓基板が撓み、変位電
極と固定電極との間の距離が変わることになる。したが
って、両ＮＷ間の静電容量が変化する。この静電容量の
変化は、外部がら加えられた力に依存したものであり、
静電容量の変化を検出することにより力の検出が可能に
なる。
（２）　　本願第２の発明にょる力検出装置では、変位
電極および固定電極の少なくとも一方が、複数の局在電
極によって構成される。この局在電極によって形成され
る容量素子の静電容量の変化は、作用する力の方向およ
び局在電極の位置に依存する。したがって、複数の局在
電極によって形成される複数の容量素子の静電容量の変
化は、作用した力の方向に関する情報を含むことになる
。こうして、作用した力を多次元の各成分ごとに検出す
ることができる。
（３）　　本願第３の発明による力検出装置では、４グ
ループの局在電極が形成される。電極形成面をＸＹ平而
面定義したとと、各グループは、それぞれＸ軸の正負両
側と、Ｙ軸の正負両側とに形成される。作用体にＸ軸方
向の力が作用すると、Ｘ軸の正負両側に位置する両グル
ープについての静電容量は相捕的に変化するため、両グ
ループについての静電容量の差によりＸ軸方向の力を検
出することができる。同様に、Ｙ軸の正負両側に位置す
る両グループについての静電容量の差によりＹ軸方向の
力を検出することができる。作用体にＺ軸方向の力が作
用すると、４グループについての静電容量は同方向に変
化するため、これらの和によりＺ軸方向のノｊを検出す
ることができる。
（４）　　本願第４の発明にょる力検出装置では、各電
極の間に所定の電圧を印加すると、両者間に作用するク
ーロン力によって可撓基板に変位を生じさせることがで
きる。すなわち、外部がらのカが作用したのと等価な状
態におくことができる。
このような状態をつくり出すことができれば、装置が正
常に動作するか否がを試験することが容易になる。
（５）　　本願第５の発明にょる力検出装置では、第１
補助電極と変位電極とが、可撓基板の一部により形成さ
れる。したがって、可撓基板」二には、特にあらためて
電極を形成する工程は必要はなく、構造が単純になると
ともに製造コストを低下させることができる。
り６）　　本願第６の発明にょる力検出装置では、外部
からの力が作用体に加わると、可撓基板が撓み、変位電
極と固定電極とによって挾まれた圧電素子に圧力が加わ
ることになる。この圧力は電気信号として出力されるの
で、外方をそのまま電気信号として検出することが可能
になる。
（７）　　本願第７の発明による検出装置では、作用体
に作用する加速度に基づいて発生する力が検出される。
したがって、この検出値は加速度こと対応したものとな
り、加速度検出装置として利用できる。
（８）　　本願第８の発明による検出装置では、磁性飼
料からなる作用体に作用する磁力に基づいて発生する力
が検出される。したがって、この検出値は磁気に対応し
たものとなり、磁気検出装置として利用できる。
〔実施例〕
以下、本発明を図示する実施例に基づいて詳述する。こ
こで説明する実施例は、本発明に係る力検出装置を加速
度検出装置として用いた例である。
基本的な実施例 第１−図は、本発明の基本的な実施例に係る加速度検出
装置の構造を示す側断面図である。この装置の主たる構
成要素は、固定基板１ｏ、可撓基板２０、作用体３０、
そして装置筐体４０である。
第２図に、固定基数］０の下面図を示す。第２図の固定
基板１０をＸＩＦｌｌＩに沿って切断した断面が第１図
に示されている。固定基数１０は、図示のとおり円盤状
の基板であり、周囲は装置筐体４ｏに固定されている。
この下面には、同じく円盤状の固定電極１１か形成され
ている。一方、第３図に、可撓基板２０の上面図を示す
。第３図の可撓基板２０をＸ軸に沿って切断した断面が
第１図に示されている。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、四分円盤状の変位電極２１〜２４
が形成されている。作用体３０は、その上面が第３図に
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］　６ ずれも円盤状の基板であるが、固定基板１ｏは剛性が高
く撓みを生し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。いま、第１図に示すように、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。すなわぢ、第１図
の右方向にＸ軸、」二方向にＺ軸、紙面に対して垂直に
紙面裏側へ向かう方向にＹ輔、をそれぞれ定義する。
ここで、この装置全体をたとえば自動車に搭載したとす
ると、自動車の走行に基づき作用体３０に加速度が加わ
ることになる。この加速度により、作用点Ｐに外力が作
用する。作用点Ｐに力が作用していない状態では、第１
図に示すように、固定電極］１と変位電極２１〜２４と
は所定間隔をおいて平行な状態を保っている。ところが
、たとえば、作用点ＰにＸ軸方向の力Ｆｘが作用すると
、この力Ｆｘは可撓基板２０に対してモーメント力を生
じさせ、第４図に示すように、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２］と固定
電極１］との間隔は大きくなるが、変位電極２３と固定
電極１１との間隔は小さくなる。作用点Ｐに作用した力
が逆向きの−Ｆｘであったとすると、これと逆の関係の
撓みか生じることになる。一方、Ｙ方向の力ＦＹまたは
−ＦＹが作用した場合は、変位電極２２と固定電極１］
との間隔、および変位電極２４と固定電極１１との間隔
、について同様の変化が生じる。また、Ｚ軸方向の力Ｆ
ｚが作用した場合は、第５図に示すように、変位電極２
１〜２４のすべてが固定電極１−１に接近することにな
り、逆向きのカーＦｚが作用した場合は、変位電極２１
〜２４のすべてが固定電極１１から遠さかるようになる
。
ここで、各電極によって構成される容量素子について考
えてみる。第２図に示す固定基板］０の下面と、第３図
に示す可撓基板２０の上面とは、互いに対向する面とな
る。したかって、電極間の対向関係は、変位電極２１〜
２４のそれぞれか、固定電極１１の各対向部分と向かい
合うことになる。別言すれば、固定電極１］は１枚の共
通電腿となるが、変位電極２１〜２４はそれぞれ四分円
の領域に局在する局在電極となる。共通電極は１枚であ
っても、４枚の局在電極はそれぞれ電気的に独立してい
るため、電気的特性に関しては、４つのグループの容量
素子が形成できる。第１−のグループに属する容量素子
は、Ｘ軸の負方向に配された変位電極２１と固定電極１
１との組み合わせてあり、第２のグループに属する容量
素子は、Ｙ軸の正方向に配された変位電極２２と固定電
極１１との組み合わせであり、第３のグループに属する
容量素子は、Ｘ軸の正方向に配された変位電極２３と固
定電極１１との組み合わせてあり、第４のグループに属
する容量素子は、Ｙ軸の負方向に配された変位電極２４
と固定電極１１との組み合わせである。いま、これらの
各容量素子の静電容量をＣＩ、Ｃ２，Ｃ３，Ｃ４と表わ
すことにする。
第１図に示すように、作用点Ｐに力が作用していない状
態では、各容量素子の電極間隔はいずれも同一の寸法に
保たれており、静電容量はいずれも標準値ＣＯをとる。
すなわち、Ｃｌ−Ｃ２＝Ｃ３１つ ＝Ｃ４＝ＣＯである。ところが、第４図あるいは第５図
に示すように、作用点Ｐに力が作用ｌ−２可撓基板２０
に撓みが生じると、各容量素子の電極間隔は変化し、そ
の静電容量も標準値ＣＯとは異なった値となる。一般に
、容量素子の静電容量Ｃは、電極面積をＳ、電極間隔を
ｄ、誘電率をεとすると、 Ｃ＝εＳ／ｄ で定まる。したかって、電極間隔が接近すると静電容量
Ｃは大きくなり、遠さかると静電容１ｌｌＣは小さくな
る。
たとえば、第４図に示すように、作用点Ｐ１．：Ｘ輔方
向の力Ｆｘか作用すると、変位電極２１と固定電極１］
との間隔は遠ざかるため、ＣＩ＜Ｃ０となるが、変位電
極２３と固定電極１−１−との間隔は接近するため、Ｃ
３＞ＣＯとなる。このとと、変位電極２２および２４と
、固定電極１１との間隔は、部分的に接近し、部分的に
遠さかるという状態になるため、画部分が相殺しあい、
Ｃ２＝Ｃ４＝ＣＯと静電容量に変化は生じない。一方、
第５図に示すように、作用点ｐ　ｉ、＝　ｚ軸方向の力
Ｆｚが作用すると、変位電極２］−〜２４と固定電極１
１−との間隔はいずれも接近し、（Ｃ１〜Ｃ４）〉ＣＯ
となる。このように、作用する力の方向によって、４グ
ループの容量素子の静電容量の変化のパターンは異なる
。
第６図は、この４グループの容量素子の静電容量Ｃ１〜
Ｃ４の変化のパターンを示す表である。
この表で、ｒＯＪは静電容量に変化がない（すなわち、
標準Ｉｎ　ＣＯのままの値をとる）ことを示し、「＋」
は静電容量が大きくなることを示し、「−」は静電容量
が小さくなることを示す。たとえば、第６図のＦｘの欄
は、第４図に示すように、作用点ＰにＸ軸方向の力Ｆｘ
が作用したときの各静電容ｆｆ１ｃ１〜Ｃ４の変化を示
しており、前述のように、Ｃ１は小さくなり、Ｃ３は大
きくなり、Ｃ２およびＣ４は変化しない。このように、
各静電容量の変化のパターンに基づいて、作用した力の
方向を認識することができる。また、変化の度合い（す
なわち、静電容量がどれほど大きく、あるいは小さくな
ったか）をみることにより、作用した力の大きさを認識
することかできる。
第７図に、作用した力を各軸方向成分ごとに検出する基
本回路を示す。変換器５１〜５４は、各容量素子のもつ
静電容量０１〜Ｃ４を、電圧値ｖ１〜Ｖ４に変換する回
路で構成される。たとえば、ＣＲ発信器なとによって、
静電容量値Ｃを周波数値ｆに変換し、続いて周波数／電
圧変換回路により、この周波数値ｆを更に電圧値Ｖに変
換するような構成をとればよい。もちろん、静電容量値
を直接電圧値に変換するような手段を用いてもよい。差
動増幅器５５は電圧値Ｖ１とＶ３との差をとり、これを
検出ずべき力のＸ軸方向成分±Ｆｘとして出力する回路
である。第６図のＦｘおよび−Ｆｘの欄を参照すればわ
かるとおり、Ｘ軸方向成分±Ｆｘは、Ｃ１とＣ３との差
をとることによって求まる。また、差動増幅器５６は電
圧値■２とＶ４との差をとり、これを検出すべき力のＹ
軸方向成分±Ｆｙとして出力する回路である。
第６図のＦｙおよび−Ｆｙの欄を参照すればわかるとお
り、Ｙ軸方向成分±Ｆｙは、Ｃ２とＣ４との差をとるこ
と−によって求まる。更に、加算器５７は電圧値Ｖ１〜
■４の和をとり、これを検出すべき力のＺ軸方向成分±
Ｆｚとして出力する回路である。第６図のＦｚおよび−
Ｆｚの欄を参照すればわかるとおり、Ｚ軸方向成分±Ｆ
ｚは、０１〜Ｃ４の和をとることによって求まる。
以上のような原理により、第２図および第３図に示す各
電極に所定の配線を施し、第７図に示すような検出回路
を構成すれば、作用点Ｐに作用した力を三次元の各軸方
向成分ごとに電気信号として検出することか可能である
。すなわち、作用体３０に作用した加速度を三次元の各
軸方向成分ごとに電気信号として検出できる。各軸方向
成分の検出は、全く独立して行われるため、他軸への干
渉が起こらず、正確な検出が可能である。また、検出値
の温度依存性も無視しつる程度のものであり、温度補償
のための処理は必要ない。しかも、基板に電極を形成す
るだけの単純な構造で実現できるため、製造コストも安
価である。
なお、第７図の検出回路は一例として示（７たものであ
り、このｌ也の回路を用いてもかまわない。
たとえば、ＣＲ発振回路を用いて静電容量値を周波数値
に変換し、これをマイクロプロセッサに人力し、デジタ
ル演算によって三次元の加速度を求めるようにしてもよ
い。
各部の材質を示す実施例 続いて、上述した力検出装置を構成する各部の材質につ
いて説明する。上述した原理による検出を行うために、
材質の面では次のような条件を満たＵ−ばよい。
（１）　　各電極が導電性の材質からなること。
（２）　　各局在電極は電気的に互いに絶縁されている
こと。
（３）　　可撓基板は可撓性をもった材質からなること
。
このような条件を高定する限り、どのような材質を用い
てもかまわないが、ここでは、実用的な材質を用いた好
ましい実施例をいくつか述べることにする。
第８図に示す実施例は、固定基板１０ａ１可撓基板２０
ａ１作用体３０ａ１のすべてに金属を使用した例である
。可撓基板２０ａと作用体３０ａとは一体に形成されて
いる。もちろん、これらを別々に作った後、互いに接合
するようにしてもよい。装置筐体４０は、たとえば、金
属やプラスチックなどで形成され、内面に形成された支
持溝４１に各基板の周囲を１に合させて固着支持してい
る。固定基板１−Ｏａ自身がそのまま固定電極１１とし
て機能するため、固定電極１１を別個に形成する必要は
ない。変位電極２１ａ〜２４ａは、可撓基板２０ａが金
属であるため、その」二に直接形成することはできない
。そこで、ガラスやセラミックといった材質による絶縁
層２５ａを介して、変位電極２１．　ａ〜２４ａを可撓
基板２Ｏａ上に形成している。なお、可撓基板２０ａに
可撓性をもたぜるためには、その厚みを小さくしたり、
波状にして変形しやすくすればよい。
第９図に示す実施例は、固定基板１０ｂ１可撓基板２０
ｂ１作用体３０ｂ、のすべてにガラスやセラミックとい
った絶縁体を使用した例である。
可撓基板２０ｂ−と作用体３０ｂとは一体に形成されて
いる。装置筐体４０は、金属またはプラスチックで形成
され、内面に形成された支持溝４１に各基板の周囲を嵌
合させて固着支持している。固定基板１０ｂの下面には
、金属からなる固定電極１１ｂが形成され、可撓基板２
０ｂの」ニ面には、金属からなる変位電極２１ｂ〜２４
ｂが形成されている。可撓基板２０ｂに可撓性をもたせ
るためには、その厚みを小さくしてもよい【７、ガラス
やセラミックの代わりに可撓性をもった合成樹脂を用い
るようにすればよい。あるいは、部分的に貫通孔を設け
ることにより変形しやすくしてもよい。
第１０図に示す実施例は、固定基板１−　Ｑ　ｃ−、可
撓基板２０ｃ１作用体３０　ｃ、のすべてにンリコンな
どの半導体を使用した例である。可撓基板２０ｃと作用
体３０Ｃとは一体に形成されている。
装置筐体４０は、金属またはプラスチックで形成され、
内面に形成された支持溝４１に各基板の周囲を嵌合させ
て固着支持している。固定基敗１、　Ｏｃの下面内部に
位置する固定電極１１−ｃ、および可撓基板２０ｃの上
面内部に位置する変位電極２１ｃ〜２４ｃは、不純物を
高濃度で拡散することにより形成されたものである。可
撓基板２０ｃに可撓性をもたせるためには、やはりその
厚みを小さくしたり部分的に貫通孔を設ければよい。
以上、各構成要素の材料として、金属、絶縁体、半導体
を用いた例を説明したが、各ｔ１１４成要索にこれらの
材料の紹み合わせを用いてもかまわない。
三軸方向成分を独立した電極で検出する実施例前述した
基本的な実施例では、第７図に示すような検出回路を示
した。この検出回路では、±Ｆｘあるいは±Ｆｙを検出
するための容量素子と、±Ｆｚを検出するための容量素
子と、は同一のものを兼用していた。別言すれば、１枚
の局在電極を兼用して用いることにより、二輪の方向成
分を検出していた。ここで述べる実施例では、三軸方向
成分を、全く独立した専用電極によって検出している。
第１１図に、この実施例で用いる可撓基板２０ｄの」二
面図を示す。第３図に示す基本的な実施例にお−ける可
撓基板２０と比べ、局在電極の形成パターンかやや複雑
であり、合計で８枚の局在電極が形成されている。この
８枚の局ｒＩＥ電極は、基本的にはやはり４つのグルー
プに分類される。第１のグループに属する局在電極は、
Ｘ軸の負方向に配された電１’ｆｆ２］、ｄと２１．　
ｅであり、第２のグループに属する局在電極は、Ｙ輔の
正方向に配された電極２２ｄと２２ｅであり、第３のグ
ループに属する局在電極は、Ｘ軸の正方向に配された電
極２３ｄと２３ｅてあり、第４のグルプに属する局在電
極は、Ｙ軸の負方向に配された電極２４ｄと２４ｅであ
る。
いま、第１１図でドツトによるハツチングを施した４つ
の電極２１ｄ〜２４ｄのそれぞれと、これに対向する固
定電極１１との組み合わせからなる４つの容量素子の静
電容量をそれぞれＣ１〜Ｃ４とし、斜線によるハツチン
グを施した４つの電極２１ｅ〜２４ｅのそれぞれと、こ
れに対向する固定電極１１との組み合わせからなる４つ
の容量素子の静電容量をそれぞれ０１′〜Ｃ４’　とす
る。そして、こ屯ら８つの容量素子について、第１２図
に示すような検出回路を構成する。ここで、変換器５１
〜５４は、静電容量Ｃ］〜Ｃ４を電圧Ｖ１〜Ｖ４に変換
する回路であり、差動増幅器５５および５６は入力した
２つの電圧値の差を増幅して出力する回路である。差動
増幅器５５および５６が、それぞれ±Ｆｘおよび±Ｆ３
／の検出値を出力するのは、前述の基本的な実施例と同
じである。この実施例の特徴は、４つの静電容ｆｆ１ｃ
］’〜Ｃ４’　を並列接続し、変換器５８によってこれ
らの和に相当する電圧■５を発生させ、これを±Ｆｚの
検出値として出力する点である。この検出原理を、第１
゜１−図に示す局在電極について考えてみると、電極２
１　ｄと２３ｄによって±Ｆｘが検出され、電極２２ｄ
と２４ｄによって±Ｆｙが検出され、電極２１ｅ、２２
ｅ、２３ｅ、２４ｅによって±Ｆｚが検出されることに
なる。このように、三軸方向成分をそれぞれ別個独立し
た電極で検出することができる。
以上、説明の便宜」二、電極２１ｅ〜２４ｅをそれぞれ
独立した電極で構成した例を示したが、実際には第１２
図の回路図から明らかなように、電極２　］、　ｅ〜２
４ｅで構成される容量素子は並列接続される。したがっ
て、これら４枚の電極は可撓基盤２Ｏｄ上で一体形成し
てもよい。
本実施例は、各軸方向成分ごとの検出感度を調整する場
合に便利である。たとえば、第１−１図において、図の
斜線によるハツチングを施した電極２１ｅ、２２ｅ、２
３ｅ、２４ｅの面積を広くすれば、Ｚ軸方向の検出感度
を高めることができる。
一般に、三軸方向成分を検出することができる装置では
、三軸それぞれの検出感度がほぼ等しくなるように設計
するのが好ましい。この実施例では、第１１図の斜線に
よるハツチング領域と、ドラ］・によるハツチング領域
と、の面積比を調整することにより、三輪それぞれの検
出感度をほぼ等しくすることが可能である。
電極の形成パターンを変えた実施例 前述した基本的な実施例では、第２図に示すように、固
定基板１０に形成される固定電極１１を１枚の共通電極
とし、可撓基板２０に形成される変位電極を４枚の局在
電極２１〜２４としている。
本発明は、このような構成に限定されるものではなく、
これと全く逆の構成にしてもよい。すなわち、固定基板
１０に形成される固定電極１１を、４枚の局在電極とし
、可撓基板２０に形成される変位電極を１枚の共通電極
としてもよい。あるいは、両基板に、それぞれ４枚ずつ
の局在電極を形成することも可能である。また、１枚の
基板に形成される局在電極の数は、必すしも４枚にする
必要はない。たとえば、８枚、１６枚の局在電極を形成
してもよい。また、第１３図に示す可撓基板２Ｏｆのよ
うに、２枚の局在電極２１ｆおよび２３ｆのみを形成す
るようにしてもよい。この場合、Ｙ軸方向成分について
の検出はてきないが、Ｘ軸方向成分とＺ軸方向成分とか
らなる二次元についての検出は可能である。更に、−次
元についての検出のみを行うのであれば、両基板ともに
それぞれ１枚の電極を形成しておくたけでよい。
また、電極の形状も円や扇形に限らずとのような形状で
もかまわない。各基板も必ずしも円盤状である必要はな
い。
テスト機能をもった実施例 一般に、何らかの検出装置を量産して市場に流す場合、
出荷する前のテスト工程において、正常な検出動作を確
認する作業が行われる。前述した加速度検出装置でも、
出荷前にテストを行うのが好ましい。加速度検出装置を
テストするには、実際に加速度を加え、このときに出力
される電気信号を確認するのが一般的である。しかしな
がら、このようなテストには、加速度を発生させるため
の設備が必要となり、テスト系か大掛かりとなる。
以下に述べる実施例では、このような大掛かりなテスト
系を用いることなしに、出荷前のテストが可能になる。
第１４図は、このテスト機能をもった実施例に係る加速
度検出装置の構造を示す側断面図である。この装置の主
たる構成要素は、固定基板６０、可撓基板７０、作用体
７５、補助基板８０、そして装置筐体４０である。第１
５図に、固定基板６０の下面図を示す。第１５図の固定
基板６０をＸ輔に−沿って切断した断面が第１４図に示
されている。固定基板６０は、金属製の円盤状基板であ
り、周囲は装置筐体４０に固定されている。この下面に
は、ガラスなどの絶縁層６５を介して４枚の四分円盤状
の固定電極６１〜６４が形成されている。可撓基板７０
は、可撓性をもった金属製の円盤であり、周囲はやはり
装置筐体４０に固定されている。この可撓基板７０の下
面には、円柱状をした作用体７５か同軸接合されている
。
可撓基板７０の上面は、固定電極６１〜６４に対向する
１−枚の変位電極を構成している。この実施例の特徴は
、この他に、更に補助基板８０を設けた点である。第１
６図に、この補助基板８０の」二面図を示す。第１６図
の補助基板８０をＸ軸に沿って切断した断面が第１４図
に示されている。補助基板８０は、図示のとおり、中央
部に円形の貫通孔が形成された金属製の円盤状基板であ
り、周囲は装置筐体４０に固定されている。中央部の貫
通孔には、第１６図に一点鎖線で示すように、作用体７
５か挿通ずる。補助基板８０の上面には、ガラスなとの
絶−縁層８５を介して４枚の補助電極８１〜８４が形成
されている。なお、可撓基板７０の下面は、この補助電
極８１〜８４に対向する１枚の補助電極を構成している
。このように、可撓基板７０は、作用体７５と一体に形
成された金属塊であるか、その上面は、固定電極６１〜
６４に対向する１枚の変位電極として作用し、その下面
は、補助電極８１〜８４に対向する］−枚の補助電極と
して作用する。
このような構成によれば、固定電極６１〜６４と、これ
に対向する変位電極（可撓基板７０の」−面）とによっ
て、４組の容量素子か形成でと、これらの静電容量の変
化に基ついて、作用体７５に加わった加速度を検出する
ことができることは、前述のとおりである。また、補助
電極８１〜８４と変位電極（可撓基板７０の下面）とに
よって、４組の容量素子を形成し、加速度を検出するこ
ともできる。この装置の特徴は、実際に加速度を作用さ
せることなしに、加速度か作用したのと等価な状態をつ
くり出すことが可能な点である。すなわち、各電極間に
所定の電圧を印加すると、両者間にクーロン力が作用し
、可撓基板７０が所定方向に撓むことになる。たとえば
、第１４図において、可撓基板７０と電極６３とに異な
る極性の電圧を印加すれば、両者間にクーロン力に基づ
く弓力が作用し、可撓基板７０と電極８１とに異なる極
性の電圧を印加すれば、両者間にやはりクーロン力に基
づく引力が作用する。このような引力が作用すれば、作
用体７５に実際には何ら力が作用していなくても、第４
図に示すようなＸ軸方向の力Ｆｘが作用したときと同じ
ように可撓基板７０か撓みを生じることになる。また、
可撓基板７０と電極８１〜８４に同じ極性の電圧を印加
すれば、両者間にクーロン力に基づく斥力が作用し、作
用体７５に実際には何ら力が作用していなくても、第５
図に示すようなＸ軸方向の力Ｆｚが作用したときと同じ
ように可撓基板７０が撓みを生じることになる。こうし
て、各電極に所定の極性の電圧を印加することにより、
種々の方向の力が実際に作用したのと等６ｔｌｉな状態
をつくり出すことか可能になる。したがって、実際に加
速度を加えることなしに、装置をテストすることかでき
る。
また、第１４図に示す補助基板８０を（＝Ｊ加した構造
は、過度の加速度が加わった場合に、可撓基板７０か損
傷することを防ぐことができるという二次的な効果もあ
る。可撓基板７０は可撓性をもつ反面、過度の力が加わ
ると損傷する可能性かある。ところが、第１４図に示す
構造によれば、過度の力が加わった場合でも、可撓基板
７０の変位は所定の範囲内に制限されるため、損傷に至
るまでの過度の変位は生じない。すなわち、第１４図に
おける横方向（ＸまたはＹ軸方向）に過度の加速度が加
わった場合、作用体７５の側面が、補助基板８０の貫通
孔の内面に当接するとともに、撓んた可撓基板７０の上
面または下面が固定電極６１〜６４または補助電極８１
〜８４に当接し、それ以上の変位は生じない。また、第
１４図における上ド方向（Ｘ軸方向）に過度の加速度が
加わった場合、撓んた可撓基板７０の上面または下面が
固定電極６１〜６４または補助電極８１〜８４に当接し
、それ以」二の変位は生じない。
第１７図は、第１４図に示す構造の加速度検出装置を、
具体的な装置筐体４０に収容した状態を示す側断面図で
ある。各電極と外部端子９１〜９３との間は、ボンディ
ングワイヤ９４〜９６により接続されている（実際には
、電気的に独立した電極は、それぞれ専用のボンディン
グワイヤにより、それぞれ専用の外部端子に接続される
が、図では主要な配線のみを示しである）。固定基板６
０の上面は、装置筐体４０の内部天面に接合されており
、撓むことのないようにしっかりと保持されている。
圧電素子を利用した実施例 前述した種々の実施例では、外力は静電容量値の変化と
して検出されるため、実用上は、この静電容量値を電圧
圃などに変換する処理回路が必要になる。第１８図に示
す実施例は、圧電素子を利用することにより、このよう
な処理回路を不要にしたものである。この実施例の装置
の基本的構成は、前述した種々の実施例と共通している
。すなわち、固定基板−１Ｏｆと可撓基１２Ｏｆとが対
向して装置筐体４０内に取り付けられている。この実施
例では、両基数とも絶縁体となっているが、金属や半導
体で構成してもよい。作用体３０ｆに外力が作用すると
、可撓基板２Ｏｆが撓むことになり、この結果、固定電
極１１ｆ、１２ｆとこれに対向する変動型１’５２１．
ｆ、２２ｆとの距離が変化する。前述の実施例では、両
電極間距離の変化を静電容量の変化として検出していた
が、本実施例ではこれを電圧値として険１七できる。そ
のために、固定電極１．１ｆ、１２ｆと変動電極２１ｆ
。
２２「との間に挟むように、圧電素子１０１−１０２を
形成している。両電極間距離が縮めば圧縮力が、伸びれ
ば引張力が、そ汗それ圧電素子１０１　１０２に作用す
るので、圧電効果によってそれぞれに応じた電圧が発生
される。この電圧は、画電極からそのまま取りｆ−ｆす
ことができるので、結局、作用した外力を直接電圧値と
して出力することが可能になる。
圧電素子１−０１．　１．、０２としては、例えば、Ｐ
ＺＴセラミックース（チタン酸鉛とジルコン酸鉛との固
溶体）を用いることかでと、これを両電極間に機械的に
接続しておけばよい。第１８図には側断面のみが示され
ているか、三次元の加速度を検出するには、第３図に示
す電極配置と同様に、４組の圧電素子を配すればよい。
あるいは、第１１図に示す電極配置と同様に８ｋ１１．
（実質的には、このうちＺ軸方向についての力を検出す
る４　４１１は１つにまとめることかできる）の圧電素
子を配してもよい。また、二次元の加速度を検出するに
は、第１３図に示す電極配置と同様に２組の圧電素子を
配すればよい。具体的な装置筐体４０に収容した場合も
、第１７図に示す実施例とほぼ同様の構成となるか、外
部端子９１〜９３からは直接電圧値が出力されることに
なる。
第１８図に示す本実施例の二次的な効果は、圧電素子１
０１，１０２が可撓基板２Ｏｆに対する保護機能をもつ
点である。すなわち、過度の力が加わった場合でも可撓
基板２Ｏｆは圧電素子３つ １、ｏｌ、］、０２の存在により所定限度までしか撓み
を生］、ないので、損傷を受けることがない。また、前
述したテスト機能をもった実施例と同様に、両電極間に
クーロン力を作用さぜた擬似テストを行うことも可能で
ある。
その他の実施例 以」二、本発明を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のみに限定されるものでは
なく、この他にも種々の態様で実施可能である。特に、
上述の実施例では、作用体に加わる加速度を検出する加
速度検出装置に本発明を適用した例を示したか、本発明
の基本概念は、作用体に何らかの物理現象に基づいて作
用する力を検出する機構にあり、加速度ではなく、力を
直接検出する装置にも勿論、適用可能である。第１９図
は、第１７図に示す加速度検出装置とほぼ同じ構造をも
っ力検出装置の側断面図である。装置筐体４０の下面に
貫通孔４２か形成され、この貫通孔４２には、作用体７
５から伸びた触子７６が挿通している。こうして、触子
７６の先端部に作用する力を直接検出することができる
。また、第１７図に示す加速度検出装置において、作用
体７５を鉄、コバルｌ−、ニッケルなどの磁性材料で形
成しておけば、磁界の中に置いたときに、作用体７５に
は磁気に基づく力が作用するため、磁気を検出すること
が可能になる。このように、本発明は磁気検出装置にも
適用しうるちのである。
〔発明の効果〕
以−りのとおり本発明による力検出装置によれば、検出
対象となる力によって変位する変位電極と、これに対向
して固定された固定電極と、によって形成される容量素
子の静電容量の変化、あるいはこれらに挟まれた圧電素
子の出力、に基づいて力の検出を行うようにしたため、
温度補償を行うことなく、力、加速度、磁気などの物理
量を検出することができる検出装置を安価に実現しうる
ようになる。
【図面の簡単な説明】
第１図は、本発明の基本的な実施例に係る加速度検出装
置の構造を示す側断面図、第２図は第１図に示す装置に
調ける固定基板の下面図、第３図は第１図に示す装置に
おける可撓基板の上面図、第４図は第１図に示す装置に
Ｘ軸方向の力Ｆｘが作用した状態を示す側断面図、第５
図は第１図に示す装置にＺ軸方向の力ＦＺが作用した状
態を示す側断面図、第６図は第１−図に示す装置におけ
る力検出原理を示す表、第７図は第１図に示す装置に適
用するための検出回路図、第８図は第１図に示す装置に
おける各基板を金属＋］ｙ−′目こよってｔ＃’ｉ成し
た実施例を示す図、第９図は第１図に示す装置における
各基板を絶縁＋４料によって構成した実施例を示す図、
第１０図は第１図に示す装置における各基板を半導体材
料によって１１１１成ｌ〜だ実施例を示す図、第１１図
は本発明の別な実施例に係る加速度検出装置の可撓基板
の」−面図、第１２図は第１１図に示す実施例の装置に
適用するための検出［ｉＨ１路図、第１３図は二次元に
ついてのみの検出を行う実施例の可撓基板の４−面図、
第１４図はテスト機能をもった実施例に係る加速度検出
装置の措造を示す側断面図、第１５図は第１４図の装置
における固定基板わ下面図、第１６図は第１−４図の装
置における補助基板の」二面図、第１７図は第１４図に
示す構造の加速度検出装置を具体的な装置筐体４０に収
容した状態を示す側断面図、第１８図は圧電素子を利用
した実施例の構造を示す側断面図、第１９図は第コア図
に示す加速度検出装置とほぼ同じ構造をもつ力検出装置
の側断面図である。 １０・・固定基板、〕１・・固定電極、２０・・・可撓
基板、２１〜２４・・・変位電極、２５・・・絶縁層、
３０・・・作用体、４０・・・装置筐体、４１・・・支
持溝、４２・・貫通孔、５１〜５４・・変換器、５５．
５６・・差動増幅器、５７・・加算器、５８・・・変換
器、６０・・・固定基板、６１〜６４・・固定電極、６
５・・・絶縁層、７０・・・可撓基板、７５・・・作用
体、７６・・・触子、８０・・・補助基板、８１〜８４
・・・補助電極、８５・・・絶縁層、９１〜９３・・・
外部端子、９４〜９６・・ホンディングワイヤ、１０１
，１０２・・・圧電素子、Ｐ・・・作用点。 第６図 Ｆｚ 第５図 ＝スフｑ

Claims (8)

    【特許請求の範囲】
  1. （１）装置筐体に固定される固定部と、外部からの力が
    伝達される作用部と、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
    固定基板と、 外部からの力を受け、この力を前記可撓基板の前記作用
    部に伝達する作用体と、 前記可撓基板の前記固定基板に対する対向面に形成され
    た変位電極と、 前記固定基板の前記可撓基板に対する対向面に形成され
    た固定電極と、 を備え、前記変位電極と前記固定電極との間に生じる静
    電容量の変化に基づいて、前記作用体に作用した力を険
    出することを特徴とする力検出装置。
  2. （２）請求項１に記載の力検出装置において、変位電極
    または固定電極のいずれか一方、あるいは双方を、電気
    的に独立した複数の局在電極により構成し、互いに対向
    する電極により複数の容量素子を形成し、これら各容量
    素子の静電容量の変化に基づいて、作用体に作用した力
    を多次元の各成分ごとに検出するようにしたことを特徴
    とする力検出装置。
  3. （３）請求項２に記載の力検出装置において、変位電極
    または固定電極のいずれか一方、あるいは双方を、電極
    形成面上で直交する第１の軸および第２の軸についての
    それぞれ正および負方向に配された４グループの局在電
    極により構成し、この４グループの局在電極を用いてそ
    れぞれ４グループの容量素子を形成し、 前記４グループの容量素子のうち前記第１の軸上にある
    ２グループに属する容量素子の静電容量の差によって前
    記第１の軸方向成分の力を検出し、前記４グループの容
    量素子のうち前記第２の軸上にある２グループに属する
    容量素子の静電容量の差によって前記第２の軸方向成分
    の力を検出し、前記４グループに属する容量素子の静電
    容量の和によって前記第１の軸および前記第２の軸に直
    交する第３の軸方向成分の力を検出するようにしたこと
    を特徴とする力検出装置。
  4. （４）請求項１〜３のいずれかに記載の力検出装置にお
    いて、 固定基板、可撓基板、補助基板、の順にそれぞれが対向
    して並ぶように、更に補助基板を設け、前記可撓基板の
    前記補助基板に対する対向面に第１補助電極を形成し、 前記補助基板の前記可撓基板に対する対向面に第２補助
    電極を形成し、 前記第１補助電極と前記第２補助電極との間あるいは変
    位電極と固定電極との間に所定の電圧を印加し、両者間
    に作用するクーロン力によって前記可撓基板に変位を生
    じさせ、外部から力が作用したのと等価な状態におくこ
    とができるようにしたことを特徴とする力検出装置。
  5. （５）請求項４に記載の力検出装置において、可撓基板
    を導電性材料で構成し、第１補助電極と変位電極とが、
    この導電性の可撓基板の一部分により形成されているこ
    とを特徴とする力検出装置。
  6. （６）装置筐体に固定される固定部と、外部からの力が
    伝達される作用部と、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
    固定基板と、 外部からの力を受け、この力を前記可撓基板の前記作用
    部に伝達する作用体と、 前記可撓基板の前記固定基板に対する対向面に形成され
    た変位電極と、 前記固定基板の前記可撓基板に対する対向面に形成され
    た固定電極と、 前記変位電極と前記固定電極との間に挟まれるように形
    成され、前記両電極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と、 を備え、前記作用体に作用した力を前記圧電素子から出
    力される電気信号によって検出することを特徴とする力
    検出装置。
  7. （７）請求項１〜６のいずれかに記載の検出装置におい
    て、 作用体に作用する加速度に基づいて発生する力を検出す
    ることにより、加速度の検出を行い得るようにしたこと
    を特徴とする加速度検出装置。
  8. （８）請求項１〜６のいずれかに記載の検出装置におい
    て、 作用体を磁性材料によって構成し、この作用体に作用す
    る磁力に基づいて発生する力を検出することにより、磁
    気の検出を行い得るようにしたことを特徴とする磁気検
    出装置。
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