JPH0552763U

JPH0552763U - 加速度センサ

Info

Publication number: JPH0552763U
Application number: JP11119791U
Authority: JP
Inventors: 圭輔宇野
Original assignee: Omron Corp
Current assignee: Omron Corp
Priority date: 1991-12-18
Filing date: 1991-12-18
Publication date: 1993-07-13

Abstract

(57)【要約】【目的】静電容量型加速度センサにおいて、マス部が
静止電極に接触して短絡したり、マス部が静電吸着され
たりすることを防止する。【構成】枠型をしたフレーム１の中央にマス部２が配
設されており、マス部２は４本の弾性を有するビーム３
によって両持ち状にフレーム１に支持されている。マス
部２の下面には可動電極５が設けられている。フレーム
１の下面に接着された基板４の内面にはマス部２の可動
電極５に対向して静止電極６が設けられており、静止電
極６は所定膜厚の誘電体層７により被覆されている。

Description

【考案の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】

本考案は加速度センサに関する。具体的には、加速度によって生じるマス部の変位を静電容量変化として検出する加速度センサに関する。

【０００２】

【従来の技術】

図６は従来の加速度センサ５０を示す断面図である。この加速度センサ５０にあっては、角枠状をしたフレーム５１の中央にマス部５２が配設されており、マス部５２は４本のビーム５３によって両持ち状にフレーム５１に支持されている。マス部５２は、ビーム５３の弾性変形によってマス部５２の厚さ方向（図６のＸ方向）に自由に微小変位できるようになっている。また、マス部５２はフレーム５１よりも薄くなっており、その底面には可動電極５５が形成されている。

【０００３】フレーム５１の下面には基板５４が重ねられ、基板５４の周辺部は接着剤等によりフレーム５１に接着されている。基板５４の内面には、マス部５２の可動電極５５と微小なギャップを隔てて静止電極５６が設けられており、マス部５２の可動電極５５と静止電極５６とによりコンデンサが形成されている。

【０００４】しかして、ビーム５３に支持されたマス部５２がＸ方向に加速度を受けて変位した場合、マス部５２の変位量に応じてマス部５２の可動電極５５と静止電極５６の間のギャップ量が変化して静電容量が変わる。従って、この静電容量の値の変化を電気信号として出力することによって加速度を検知することができる。

【０００５】

【考案が解決しようとする課題】

このような静電型の加速度センサ５０にあっては、マス部５２の可動電極５５と静止電極５６の間に直流電圧を印加しておき、両電極５５，５６のギャップ量の変化すなわち静電容量の変化を検出しているので、この直流電圧により両電極５５，５６間に静電引力が発生している。このため、マス部５２が加速度により変位して両電極５５，５６同士が近づき過ぎ、マス部５２に作用する静電引力がマス部５２を初期位置に戻そうとするビーム５３の弾性力よりも大きくなると、マス部５２が静止電極５６に静電吸着される。

【０００６】こうしてマス部５２と静止電極５６が静電吸着した場合には、一旦、加速度センサ５０の電源を切るなどして直流電圧を低下させてマス部５２を静止電極５６から切り離さないと、加速度を検出できなかった。また、静電吸着によりマス部５２の可動電極５５と静止電極５６とが接触すると、両電極５５，５６同士が短絡され、過電流が流れて電源や回路等が破損する恐れがあった。

【０００７】なお、可動電極と静止電極の間のギャップ量を大きくすればマス部と静止電極との衝突を防止できるが、あまり両電極間のギャップ量が大きくなると、加速度センサの感度が低下し、微弱な加速度を検出できなくなる。

【０００８】本考案は、叙上の従来例の欠点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、静電容量型加速度センサにおけるマス部の静止電極側への静電吸着を防止することにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】

本考案による第１の加速度センサは、弾性を有するビームにより支持体にマス部を揺動自在に支持させ、当該マス部の電極面に対向させて静止電極を配置し、当該マス部の電極面の表面と当該静止電極の表面とのうち少なくともいずれか一方に誘電体層を設けたことを特徴としている。

【００１０】地震検出用の用途においては、上記誘電体層の厚みをマス部の電極面と静止電極の間のギャップ量に略等しくするとよい。

【００１１】また、本考案による第２の加速度センサは、弾性を有するビームによりマス部を支持した支持体と静止電極を設けた基板とを貼り合わせ、当該静止電極とマス部の電極面を対向させた加速度センサにおいて、前記基板のマス部との対向面に絶縁体層を形成し、前記マス部に対向させてマス部よりも小さな開口部を絶縁体層に開口したことを特徴としている。

【００１２】

【作用】

第１の加速度センサにあっては、マス部の電極面と静止電極のうち少なくともいずれか一方に誘電体層を設けてあるので、マス部が静止電極に静電吸着されたり、マス部が大きく変位して静止電極に接近し過ぎたりしても、誘電体層に隔てられてマス部の電極面と静止電極が直接に接触する恐れがない。従って、マス部の電極面と静止電極が接触により短絡し、回路に過電流が流れるのを防止することができる。

【００１３】さらに、マス部の電極面と静止電極の間に誘電体層が介在するので、マス部と静止電極からなるコンデンサの静電容量が大きくなり、加速度センサの感度が向上する。

【００１４】また、誘電体層の厚みを適当に選択すれば、マス部の電極面と静止電極とが一定距離以上接近できないので、マス部と静止電極の静電吸着を防止することができる。

【００１５】特に、地震検出用に用いる場合には、誘電体層の厚みをマス部の電極面と静止電極の間のギャップ量に略等しくすれば、マス部は静止電極側へ移動しなくなるので、マス部の静電吸着を確実に防止できる。加えて、大きな振動や衝撃を受ける地震検出用に用いても、マス部が静止電極と反対側へのみ変位できて静止電極側へは変位できないから、ビームが繰り返し弾性変形しても弾性疲労により破壊しにくくなる。

【００１６】また、第２の加速度センサにあっても、基板に絶縁体層を形成し、前記マス部に対向させてマス部よりも小さな開口部を絶縁体層に開口しているから、マス部が静止電極に静電吸着されたり、マス部が大きく変位して静止電極に接近し過ぎたりしても、絶縁体層に妨げられてマス部の電極面が静止電極に直接接触する恐れがない。従って、マス部の電極面と静止電極が接触により短絡し、回路に過電流が流れるのを防止することができる。また、絶縁体層の厚みを適当に選択すれば、マス部の電極面と静止電極とが一定距離以上接近できないので、マス部と静止電極の静電吸着を防止できる。

【００１７】さらに、マス部が静止電極側へ接近する時には、マス部と絶縁体層の開口部内の間で空気が圧縮されるので、マス部の変位スピードをダンピングさせることができ、マス部が静止電極へ大きなスピードで衝突してビームが破壊することを防止できる。

【００１８】

【実施例】

図１及び図２は本考案の一実施例による地震検出用の加速度センサ１０を示す断面図及び分解斜視図である。角枠状をしたフレーム１の中央にマス部２が配設されており、マス部２は４本の薄いビーム３によって両持ち状にフレーム１に支持されている。ここで、マス部２は、ビーム３の弾性変形によってマス部２の厚さ方向（図中のＸ方向）に自由に微小変位できるようになっている。また、マス部２の下面はフレーム１の下面よりも上方へ引っ込んでおり、この下面には可動電極５が設けられている。なお、このフレーム１、マス部２及びビーム３は、シリコンウエハに半導体製造プロセスを用いることによって一体加工されたものである。

【００１９】フレーム１の下面にはパイレックスガラス製の基板４が重ねられ、基板４の周辺部は接着剤等によりフレーム１の下面に接着されている。図２に示すように、基板４の上面には、マス部２の可動電極５と対向するようにして静止電極６が設けられており、静止電極６の上には厚みの大きな誘電体層７が設けられている。したがって、マス部２の可動電極５と静止電極６と誘電体層７によりコンデンサが形成されている。なお、誘電体層７は、スクリーン印刷等の厚膜技術によって形成することができる。

【００２０】しかして、加速度センサ１０が加速度を感じると、慣性力とビーム３の弾性復帰力のためにマス部２が加速度に比例した変位量だけ変位し、可動電極５と静止電極６の間の距離が変化し、当該コンデンサの静電容量が変化する。よって、静電容量検出回路（図示せず）により可動電極５と静止電極６との間に電圧を印加しておき、可動電極５と静止電極６の間の静電容量の変化を電圧変化に変換して出力することにより、加速度を検出する。

【００２１】ここで、前記誘電体層７の厚みは、加速度が０の時の可動電極５と静止電極６との距離に等しくしてある。すなわち、加速度センサ１０に加速度や振動が働いておらず、マス部２が静電容量検出回路から印加されている電圧による静止電極６との間の静電引力とビーム３の弾性復帰力だけで釣り合っている状態における可動電極５と静止電極６との間のギャップ量に、誘電体層７の厚みを等しくしてある。

【００２２】従って、マス部２は、静止電極６側へ変位させるような加速度が加わった場合には、誘電体層７に接触したまま静止しており、マス部２を静止電極６から遠ざける方向に加速度が加わった場合には、誘電体層７から離れて変位する。よって、この加速度センサ１０によって、図３に示すような地震波形（実線及び破線を合わせた全体の波形）を検出した場合、当該加速度センサ１０はその片側、すなわち図３で実線で表わされている部分しか検知することができない。しかしながら、地震センサに要求される機能は、地震による振動と人為的な振動を判別することにあるので、振幅の片側しか検出できない加速度センサであっても地震検出用には十分である。

【００２３】また、マス部２は静止電極６に接近する方向へは移動しないので、マス部２が静止電極６に静電吸着したり、接触して短絡する恐れもない。さらに、マス部２は片側にしか変位せず、ビーム３の撓み方向も一方のみとなるので、当該加速度センサ１０に強い振動が連続的に加えられても、ビーム３が繰り返し曲げによる弾性疲労により破壊されることがない。従って、地震検出用の加速度センサとして好都合であり、例えばガスメータに設置して地震時にガスの元電磁弁を自動的に閉成させるために使用することができる。

【００２４】なお、上記誘電体層７は基板４側に設けられているが、マス部２の可動電極５の上に設けてもよい。いずれの側に設けるかによって誘電体層７の重量分だけマス部２の重量が変わり、ひいては加速度センサ１０の感度が変わるので、加速度センサ１０の用途等に応じて決めることができる。

【００２５】図４及び図５は本考案の別な実施例による加速度センサ２０を示す断面図及び分解斜視図である。この加速度センサ２０においては、マス部２の下面にマス部２の下面よりも若干小さな可動電極５を設けてあり、基板４の内面に可動電極５とほぼ等しい面積の静止電極６を設けてある。また、基板４の内面の静止電極６の周囲にはＳｉＯ₂やＳｉ₃Ｎ₄等からなる絶縁体層９を設けてあり、絶縁体層９には静止電極６に対応して開口部８が開口されている。このため、この開口部８の開口面積はマス部２の下面の面積よりも若干小さくなっており、マス部２が絶縁体層９の位置に達しても、マス部２が開口部８内にはまり込むことがなく、マス部２の下面の外周部が開口部８の外周部に当たって停止する。

【００２６】従って、この加速度センサ２０にあっても、可動電極５と静止電極６とはほぼ絶縁体層９の厚み以上には接近できず、接触することもないので、可動電極５と静止電極６との短絡を防止できる。

【００２７】さらに、この加速度センサ２０では、マス部２と対向させて絶縁体層９に開口部８が設けられているので、激しい振動等が加わってマス部２が静止電極６側へ大きな変位速度で接近した場合、マス部２によって開口部８内の空気が圧縮され、圧縮空気の反発力によってマス部２の変位スピードがダンピングされる。この結果、マス部２が静止電極６等に衝突するのを避けることができ、あるいは、衝突の衝撃を緩衝させることができ、マス部２やビーム３が破損するのを防止できる。

【００２８】さらに、この実施例においても、この絶縁体層９の厚みを、静電容量検出回路からの電圧によって発生している静電引力によりマス部２が静止電極６に静電吸着されるときの可動電極５と静止電極６との距離よりも大きくしておけば、マス部２が静止電極６に静電吸着されて加速度センサ２０が動作不能になるのを妨げることができる。特に、この実施例においても、図１の実施例と同様、加速度センサ２０に加速度や振動が加わっておらず、可動電極５と静止電極６の間の静電引力とビーム３による弾性復帰力とが釣り合っている状態におけるマス部２の下面と基板４の内面との距離に、絶縁体層９の厚みを等しくしておくのが好ましい。これによって、ビーム３の弾性疲労による破壊を防止でき、振動の半分の波形のみを検出する地震検出用の加速度センサとすることができる。

【００２９】

【考案の効果】

本考案によれば、マス部が静止電極に静電吸着されたり、マス部が大きく変位して静止電極に接近し過ぎたりしても、マス部の電極面が静止電極に接触して短絡する恐れがなく、回路を過電流から保護できる。

【００３０】また、誘電体層や絶縁体層の厚みを適当に選択すれば、マス部と静止電極の静電吸着を防止できる。

【００３１】特に、地震検出用に用いる場合には、誘電体層の厚みをマス部の電極面と静止電極の間のギャップ量に略等しくすれば、マス部は静止電極側へ移動しなくなるので、マス部の静電吸着を確実に防止できる。加えて、大きな振動や衝撃を受ける地震検出用に用いても、マス部が静止電極と反対側へのみ変位できて静止電極側へは変位できないから、ビームが繰り返し弾性変形しても弾性疲労により破壊しにくくなるという利点がある。

【００３２】また、マス部の電極面と静止電極の間に誘電体層を設けた加速度センサでは、電極間の静電容量が大きくなり、加速度センサの感度が向上する。

【００３３】また、マス部に対向する絶縁体層に開口部をあけた加速度センサでは、マス部のダンピング効果によりビーム破壊を防止できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本考案の一実施例による加速度センサを示す断
面図である。

【図２】同上の実施例を示す分解斜視図である。

【図３】同上の加速度センサにより検出した地震の振動
波形図である。

【図４】本考案の別な実施例による加速度センサを示す
断面図である。

【図５】同上の実施例を示す分解斜視図である。

【図６】従来例の加速度センサを示す断面図である。

【符号の説明】

１フレーム２マス部３ビーム４基板５可動電極６静止電極７誘電体層８絶縁体層の開口部９絶縁体層

Claims

【実用新案登録請求の範囲】

【請求項１】弾性を有するビームにより支持体にマス
部を揺動自在に支持させ、当該マス部の電極面に対向さ
せて静止電極を配置し、当該マス部の電極面の表面と当
該静止電極の表面とのうち少なくともいずれか一方に誘
電体層を設けたことを特徴とする加速度センサ。
【請求項２】地震検出用の加速度センサにおいて、前
記誘電体層の厚みを前記マス部の電極面と前記静止電極
の間のギャップ量に略等しくしたことを特徴とする請求
項１に記載の加速度センサ。
【請求項３】弾性を有するビームによりマス部を支持
した支持体と静止電極を設けた基板とを貼り合わせ、当
該静止電極とマス部の電極面を対向させた加速度センサ
において、前記基板のマス部との対向面に絶縁体層を形
成し、前記マス部に対向させてマス部よりも小さな開口
部を絶縁体層に開口したことを特徴とする加速度セン
サ。