JPH06230023A

JPH06230023A - 変位検出センサ

Info

Publication number: JPH06230023A
Application number: JP8348392A
Authority: JP
Inventors: Koji Nakamura; 孝二中村; Hideyuki Bingo; 英之備後
Original assignee: Omron Corp; Omron Tateisi Electronics Co
Current assignee: Omron Corp
Priority date: 1992-03-04
Filing date: 1992-03-04
Publication date: 1994-08-19
Anticipated expiration: 2016-12-17
Also published as: JP3240390B2

Abstract

(57)【要約】【目的】微小な応力から大きな応力までの広い範囲に
わたる変位を高感度に検出することができるとともに、
常に安定した動作・出力が得られ、しかも全体を構造簡
単に、かつ低コストにして、各種センサへの汎用性を高
めるようにする。【構成】外部応力により変位する可動部１をそれの周
囲に配置された支持枠２に対し、可動部１の中心軸に対
して軸対称もしくは線対称に配置された蛇行腕片状の複
数のバネ部３を介して変位可能に保持させて、変位検出
用センサの可動バネ４を構成する。このような可動バネ
４を使用して、振動センサ、圧力センサあるいは感震器
などの変位検出センサを構成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、例えば振動センサ，
圧力センサおよび感震器などに適用される変位検出セン
サに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、この種の変位検出センサとして、
例えば特開昭２−９５２６３号公報に示されているよう
に、板状の圧電素子にスリットを形成し、そのスリット
で囲まれた部分を片持ち梁型の振動子とし、この振動子
の周囲を固定部材で固定支持したものが知られている。

【０００３】また、他の従来例として、例えば特開昭６
４−１８０６３号公報に示されているように、半導体基
板の中央部に形成した変位可能な重り部を片持ち梁部を
介して基板に支持させ、上記片持ち梁部に歪ゲージを取
り付けて、この歪ゲージの抵抗値の変化から加速度など
の変位を検出するように構成したものが知られている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】上記各変位センサは、
変位を検出する可動部が片持ち梁で支持された構造であ
るために、特に微小な外部応力に対する感度が不十分
で、また、大きな応力による変位に対して、その変位方
向が一定でないために、補正回路などを設けないと、正
確な検出ができない。したがって、変位検出範囲が狭い
ものに制約され、汎用性に乏しく、また、圧電型や半導
体型のものは、コスト的にも高くなる。

【０００５】この発明は上記課題を解消するためになさ
れたもので、構造が簡単で、かつ低コストでありなが
ら、微小応力から大きな応力までの広い範囲にわたっ
て、高感度な変位検出ができるとともに、常に安定した
検出出力が得られる変位検出センサを提供することを目
的とする。

【０００６】この発明の他の目的は、ローコストにし
て、検出精度の高い変位検出センサ、流体圧力センサお
よび感震器などに簡便に適用可能な変位検出センサを提
供することにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、この発明の請求項１に係る変位検出センサは、外部
応力により変位する可動部をそれの周囲に配置された支
持枠に対し、上記可動部の中心軸に対して軸対称もしく
は線対称に配置されてそれぞれ可動部と同一の平面上に
おいて蛇行腕片状に形成された複数のバネ部を介して変
位可能に保持させるとともに、その変位を検出する手段
を設けたことを特徴とする。

【０００８】また、この発明の請求項２ないし請求項１
３は、上記可動バネを使用して構成される変位検出手段
に係るものである。すなわち、請求項２は、上記可動バ
ネを一方の電極とし、この電極の可動部に対向して他方
の電極を設けて、これら両電極間の静電容量の変化を上
記可動バネからなる電極の変位として検出するように構
成した静電容量式の変位検出センサである。

【０００９】請求項３は、上記可動バネの可動部の中央
部に磁性体からなるコアを装着するとともに、このコア
の周囲に差動コイルを配置して、上記コアの変位を電気
量として検出するように構成した差動トランス式の変位
検出センサである。請求項４は、上記可動バネの可動部
の中央部に磁石を装着するとともに、その磁石の変位方
向に対して垂直にコイルを巻回配置して、上記磁石の変
位にともないコイルに発生する誘導電流を変位として検
出するように構成した電磁誘導式の変位検出センサであ
る。

【００１０】請求項５は、上記可動バネの可動部の中央
部に磁石を装着するとともに、その磁石の変位方向の対
向する箇所に磁電変換素子を配置して、上記磁石の変位
にともなう電圧の変化を変位として検出するように構成
した磁電変換式の変位検出センサである。

【００１１】請求項６は、上記可動バネの可動部に対向
する固定部に、上記可動部に向けて音波を発する超音波
発信部および上記可動部から反射される音波を受信する
超音波受信部を設置して、発信部から発した音波が受信
部に受信されるまでの時間差により変位を検出するよう
に構成した超音波式の変位検出センサである。

【００１２】請求項７は、上記可動バネの可動部に向け
て光を発射する投光器と上記可動部を透過した光または
可動部から反射した光を受光する受光器とを設けて、上
記可動部の変位にともなう受光量の変化を変位として検
出するように構成した光電式の変位検出センサである。

【００１３】請求項８は、上記可動バネの蛇行腕片状の
複数バネ部の少なくとも１つに、ピエゾ抵抗体をブリッ
ジ構成にして配置して、そのバネ部の変位にともなう抵
抗バランスの崩れによる電位の変化を変位として検出す
るように構成した平衡ブリッジ式の変位検出センサであ
る。

【００１４】請求項９は、上記可動バネを一方の電極と
し、この電極の可動部の中央部に重りを取り付けて、変
位の重心を可動部より上方または下方に位置させるとと
もに、上記可動部に対向する箇所に２つの電極を設け
て、水平全方向および上下方向の変位をそれぞれ対向す
る両電極間の静電容量の変化として検出するように構成
した三次元方向の変位検出センサである。

【００１５】請求項１０は、上記可動バネを一方の電極
とし、この電極の可動部の中央部に重りを取り付けて、
変位の重心を可動部より上方に位置させるとともに、上
記可動部に対向する箇所に、上記電極の上下方向変位を
規制するための支点をもった他方の電極を配置して、水
平全方向の変位のみを両電極間の静電容量の変化として
検出するように構成した二次元方向の変位検出センサで
ある。

【００１６】請求項１１は、上記可動バネの可動部に、
流体圧の変化にともなって変位するダイヤフラムの変位
を伝達するように構成し、上記可動部の変位を流体圧の
変化として検出する流体圧力センサである。

【００１７】また、請求項１２は、振り子状に保持させ
た重錘の振動加速度による動きを請求項１の可動バネの
可動部に伝達するように構成し、上記振動加速度を上記
可動部の変位として検出する感震器である。

【００１８】さらに、請求項１３は、接触子プローブの
変位を上記可動バネの可動部に伝達するように構成し、
上記プローブの変位を上記可動部の変位として検出する
接触式の変位検出センサである。

【００１９】

【作用】請求項１の発明によれば、外部応力が働いたと
き、可動部がその中心軸に対して軸対称もしくは線対称
に配置された複数のバネ部を介して変位することになる
が、このとき、各バネ部が蛇行腕片状に形成されている
ため、小さな占有面積としつつ、微小応力に対して応答
よく変位させるとともに、大きな応力に対する変位量も
大きくとることが可能で、その検出感度の向上および検
出範囲の拡大が図れる。また、可動部が常に応力の作用
方向に沿って平行に変位するので、複雑な補正回路など
を付加しなくても、安定した出力が得られる。これによ
って、この可動バネの各種センサへの応用性、つまり汎
用性が高くなり、これを利用するセンサの構造の簡単化
および低コスト化を実現することができる。

【００２０】請求項２〜請求項１０および請求項１３の
構成によれば、各種形式の変位センサを、部品点数が少
なくて構造簡単で低コストとしつつ、検出精度の高いも
のに構成することが可能である。

【００２１】請求項１１の構成によれば、微小な流体圧
の変化を高感度に、またアナログ値として検出すること
が可能となり、流体圧制御を的確に行わせることができ
る。さらに、請求項１２の構成によれば、全方位の震動
にともなう加速度を感度よく検出することが可能で、地
震に対する安全対策として好適である。

【００２２】

【実施例】以下、この発明の実施例を図面にもとづいて
説明する。実施例１．（請求項１に相当）図１は、この発明による変位検出センサ用可動バネの一
構造例を示す斜視図であり、同図において、１はほぼ正
方形の板状に形成され、振動加速度や圧力などの外部応
力によりその板面に対して垂直方向に変位する可動部、
２はその可動部１の周囲を取り囲むように環状矩形に配
置された固定支持枠であり、上記可動部１の４辺と固定
支持枠２の４辺との間で、上記可動部１の中心軸に対し
て軸対称に配置した４つのバネ部３を介して、上記可動
部１を上記固定支持部２に変位可能に保持させている。
上記各バネ部３は、上記可動部１と同一の平面において
ほぼＵ字状に形成されている部分３ａと、そのＵ字状部
分３ａの開放側の両端からそれぞれ直角方向に向けて一
体に延在された取付け片部分３ｂ，３ｂとから蛇行腕片
状に形成されている。

【００２３】なお、上記可動部１、固定支持枠２および
４つの蛇行腕片状のバネ部３は、それぞれ別体に作製し
て連結してもよいが、板バネ材のプレス加工、樹脂の射
出成形、ステンレスなどの金属材のエッチング加工、プ
レス加工、あるいはシリコンなどの半導体結晶板のエッ
チング加工等によって、一連一体に製作することが量産
性の面で有利である。

【００２４】また、上記実施例１．においては、バネ部
３を可動部１および固定支持枠２の４辺それぞれに形成
したが、このバネ部３の数を８個、すなわち、一辺にそ
れぞれ２個づつ形成することで、動作をより安定のよい
ものにできる。

【００２５】上記構成の変位検出センサ用可動バネによ
れば、上記可動部１に外力Ｆが加わった場合、この可動
部１は４つのバネ部３を介して変位することになるが、
このとき、各バネ部３が蛇行腕片状に形成されているた
め、小さな占有面積としつつ、微小応力に対して可動部
１が応答よく変位することになるとともに、大きな応力
に対しても十分大きな変位量をとることが可能となる。
また、可動部１はその板面にに対して垂直方向に安定し
て変位することになる。

【００２６】さらに、上記バネ部３の材料には特に限定
がないが、いずれの材料の場合でもその材料の比例限度
内で使用することにより、バネ特性の変化がなくて、各
種センサの性能の安定化を図り得る。

【００２７】図２は、図１の矢視Ａ方向でのバネ部３の
構造を示し、可動部１に外力Ｆが加わった場合、ａ−ａ
１間、ｂ−ｂ１間およびｂ１−ｃ間に、（ｌ／２）なる
スパンの片持ち梁が構成される。ここで、可動バネの一
辺に加わる外力は（Ｆ／４）であるため、上記片持ち梁
には、（Ｆ／４）の力が加わることになる。したがっ
て、基本的な片持ち梁の設計によりバネ部３のバネ定数
などを決定することができる。すなわち、図３に示す設
計用バネモデルで明らかなように、可動部１に外力Ｆが
加わった場合のバネ部３の一端（可動部１の支持端側）
の撓みδは、次式で示すようになる。

【００２８】

【数１】

【００２９】図４〜図８はそれぞれ、この発明による変
位検出センサ用可動バネの他の構造例を示す斜視図であ
り、図４に示すものは、可動部１の２辺にそれぞれ軸対
称に２つを１組とする蛇行腕片状のバネ部３を配置した
もので、同様なバネ部３を４辺に配置してもよい。図５
に示すものは、八角形の可動部１および固定支持枠２を
有し、その周囲に計８つのバネ部３を軸対称に配置した
もので、八角形以外、六角形や１２角形などの多角形で
あってもよい。

【００３０】図６に示すものは、可動部１および固定支
持枠２ともに三角形とし、３つの辺それぞれにバネ部３
を線対称に配置したものである。図７に示すものは、可
動部１および固定支持枠２を同心円状とし、その両者
１，２間の周囲に、複数のバネ部３を配置して、上記可
動部１を同心円上で変位させるようにしたものである。
また、図８に示すものは、図１に示すような構造の可動
バネ４の２つを、それらの可動部１，１の変位方向に間
隔を隔てて対向状に配置するとともに、両可動バネ４，
４の可動部１，１を角または丸形の軸５を介して一体に
連結したものである。

【００３１】実施例２．（請求項２に相当）図９は、上記実施例１．で説明した可動バネ４を使用し
て構成される静電容量式の変位検出センサの分解斜視
図、図１０は、同変位検出センサの断面構造図である。
この静電容量式の変位検出センサは、上記可動バネ４の
固定支持枠２から電極片２Ａを一体に折曲げ突出させる
とともに、可動部１の中央部に形成した貫通孔１ａに重
り６を溶接またはろう付けにより接合して、該可動バネ
４を一方の電極とし、この電極４に対向させて外径寸法
が該電極４と同一で、電極片７Ａを有する他方の電極７
を、ギャップＧを形成するための環状矩形のスペーサ８
を挟んで配置し、これら両電極４，７およびスペーサ８
を絶縁性ケース９内に収納し固定することで、空気を誘
電体とするコンデンサを有し、上記両電極４，７間の静
電容量の変化を可動バネからなる電極４の変位として検
出するように構成したものである。

【００３２】上記のような静電容量式の変位検出センサ
の静止時における容量値Ｃは、Ｃ＝ε０・（ｓ／α）…… ここで、ε０：誘電率、ｓ：電極７の対向面積、α：キ
ャップＧの寸法となり、可動部１の変位にともないαの
値が変化することで、容量値Ｃが変化する。この容量値
Ｃの変化を検出することにより、振動などによる変位を
高感度・高精度に検出することができる。

【００３３】図１１〜図１４は、上記のような静電容量
式変位検出センサＳ１による振動の検出回路例を示すも
ので、図１１はＣＲ発振部１０の容量として使用して、
同図（ｃ）に示すように、静止時と振動発生時とで変化
する発振出力ｆout 波形の周期Ｔ，Ｔ^-，Ｔ⁺を周期計
測部１１で計測するとともにその計測された周期Ｔ，Ｔ
^-，Ｔ⁺の差Δｔ^-，Δｔ⁺を演算部１２で演算するこ
とにより、振動加速度を求め、これを振動にともない変
化する静電容量として検出するようにしたものである。
図１２はスイッチトキャパシタ回路１３（以下、ＳＣ回
路と称す）の容量として使用して、複数の半導体スイッ
チ１４ａ，１４ｂからなるタイミング発生回路１４から
出力されるスイッチングタイミングクロックΦ１，Φ２
に応じて出力される静電容量の変化をＦ−Ｖコンバータ
１５で電圧変化に変換することで振動加速度Ｖout を求
め、これをＡ／Ｄ変換器１６に通してディジタル値に変
換したのち、信号処理演算部１７で波形処理して所定の
出力を得るようにしたものである。

【００３４】また、図１３は図１１に示したＣＲ発振部
１０とＦ−Ｖコンバータ１５とを組合せ、そのＦ−Ｖコ
ンバータ１５の出力Ｖ0 を、必要に応じてローパスフィ
ルタ１８に通したのち、Ａ／Ｄ変換器１６でＡ／Ｄ変換
するとともに、信号処理演算部１７で波形処理して、所
定の出力を得るようにしたものであり、さらに、図１４
はＬＣ発振回路１９の容量として使用して、その発振出
力ｆout を、図１１の（ａ）または図１３の（ａ）に示
すと同様な構成の回路を経て所定の出力を得るようにし
たものであり、いずれにしても、構造簡単で、ローコス
トなセンサを実現することができる。

【００３５】実施例３．（請求項３に相当）図１５は、上記実施例１．で説明した可動バネ４を使用
して構成される差動トランス式の変位検出センサの分解
斜視図、図１６は、同変位検出センサの断面構造図であ
る。この差動トランス式の変位検出センサは、上記可動
バネ４の可動部１の中央部にフェライトなどの磁性体か
らなるコア２０を取り付けるとともに、このコア２０が
変位可能に嵌合する中央孔２１を有するヨーク２２の上
記コア２０の周囲に差動コイル２３を配置して、振動加
速度にともなう上記コア２０の変位を電圧値として検出
するように構成したものである。

【００３６】図１７は、上記のような差動トランス式変
位検出センサＳ２による振動の検出回路例を示すもの
で、上記コア２０の変位により差動コイル２３に得られ
る電圧Ｖ１と発振回路２４における分圧電圧Ｖ２との比
（Ｖ１−Ｖ２／Ｖ１＋Ｖ２）を演算回路２５で演算する
とともに、フィルタ回路２６および増幅器２７に通して
振動加速度によるコア２０の変位を電圧Ｖout に変換
し、この電圧Ｖout を信号処理演算部１７で波形処理す
ることにより、所定の出力が得られる。なお、図１７で
は、差動トランスとして、直線型可変レラクタンストラ
ンスジューサを示したが、それ以外にＬＶＤＴ型のもの
を使用してもよい。

【００３７】実施例４．（請求項４に相当）図１８は、上記実施例１．で説明した可動バネ４を使用
して構成される電磁誘導式の変位検出センサの分解斜視
図、図１９は、同変位センサの断面構造図である。この
電磁誘導式の変位検出センサは、上記可動バネ４の可動
部１の中央部にフェライトなどの永久磁石２８を取り付
けるとともに、この磁石２８が変位可能に嵌合する中央
孔２１を有するヨーク２２に上記磁石２８の変位方向に
対して垂直にコイル２９を巻回配置して、上記磁石２８
の変位にともない上記コイル２９に誘導電流を発生さ
せ、この誘導電流を変位値（振動）として検出させるよ
うにしたものである。

【００３８】図２０は、上記のような電磁誘導式の変位
検出センサＳ３による振動の検出回路例を示すもので、
上記磁石２８の変位によりコイル２９の両端ａ，ｂに誘
導電流が発生する。この誘導電流をＩ−Ｖ変換回路３０
で電圧に変換するとともに、図１７と同様に、フィルタ
回路２６および増幅器２７に通して振動加速度による磁
石２８の変位に相当する電圧Ｖout に変換し、この電圧
Ｖout を信号処理演算部１７で波形処理することによ
り、所定の出力が得られる。このような電磁誘導式の変
位検出センサによる場合は、外部に増幅のための電源が
不要となり、また、電流出力となるために、外来ノイズ
に対して強く、検出精度の向上が図れる。

【００３９】実施例５．（請求項５に相当）図２１は、上記実施例１．で説明した可動バネ４を使用
して構成される磁電変換式の変位検出センサの分解斜視
図である。この磁電変換式の変位検出センサは、上記可
動バネ４の可動部１の中央部にフェライトなどの永久磁
石２８を取り付けるとともに、この磁石２８の変位方向
において外径寸法が上記可動バネ４と同一のプリント配
線基板（以下、ＰＷＢと称す）３１を、ギャップＧを形
成するための環状矩形のスペーサ３２を挟んで配置し、
このＰＷＢ３１の中央部で上記永久磁石２８に対向する
箇所に、ホール素子や磁気抵抗素子などの磁電変換素子
３３を取り付けて、上記永久磁石２８の変位にともなう
磁界の強さの変化を電圧の変化とし、この電圧の変化を
変位値（振動）として検出させるようにしたものであ
る。

【００４０】図２２は、上記のような磁電変換式の変位
検出センサＳ４による振動の検出回路例を示すもので、
上記磁石２８の変位により変化する磁界の強さを磁電変
換素子３３を介して、基準電圧回路３４から与えられる
基準電圧との比較のもとで電圧の変化として取り出し、
この電圧を差動増幅器３５およびフィルタ回路２６に通
して振動加速度による磁石２８の変位に相当する電圧Ｖ
out に変換し、この電圧Ｖout を信号処理演算部１７で
波形処理することにより、所定の出力が得られるもので
あり、構造がシンプルでローコストなセンサが得られ
る。

【００４１】実施例６．（請求項６に相当）図２３は、上記実施例１．で説明した可動バネ４を使用
して構成される超音波式の変位検出センサの分解斜視図
である。この超音波式の変位検出センサは、上記可動バ
ネ４の可動部１に対向する固定板３６上に、上記可動部
１に向けて超音波を発する超音波発信部３７Ａおよび上
記可動部１から反射される音波を受信する超音波受信部
３７Ｂをそれぞれ設置して、上記発信部３７Ａから発し
た超音波が受信部３７Ｂに受信されるまでの時間差によ
り、可動バネ４の可動部１の変位を検出するように構成
したものである。

【００４２】図２４は、上記のような超音波式の変位検
出センサＳ５による振動の検出回路例を示すもので、発
振回路３８で発振される図２５（ａ）に示すような波形
の超音波パルス信号を発信部３７Ａから可動バネ４の可
動部１に向けて発信させるとともに、この可動部１から
反射される図２５（ｂ）に示すような超音波パルス信号
を受信部３７Ｂで受信させ、この受信信号を増幅・検波
回路３９を通して演算制御回路４０に入力させることに
より、可動部１の変位にともなって変化するところの発
信から受信までの時間差Ｔを求め、かつその時間差Ｔに
相当する電圧Ｖout を出力し信号処理演算部１７で波形
処理することにより、所定の出力が得られる。なお、上
記時間差Ｔは、Ｔ＝（Ｃ／２Ｌ）…… ここで、Ｃ：音速、Ｌ：可動部１と発信・受信部３７
Ａ，３７Ｂとの距離で求められる。このような超音波式
の変位検出センサは電磁気に対して強く、精度の高い検
出が行える。

【００４３】実施例７．（請求項７に相当）図２６は、上記実施例１．で説明した可動バネ４を使用
して構成される光電式の変位検出センサの一例である透
過形センサを示す分解斜視図、図２７はその透過形変位
検出センサの断面構造図である。この光電式の透過形変
位検出センサは、上記可動バネ４の可動部１の中央部に
レンズ４１を固定保持させ、このレンズ４１を挟んだ両
側に、それぞれＰＷＢ４２Ａ，４２Ｂを介して可動部１
に向けて光を発射する発光ダイオード等の投光素子（投
光器）４３Ａおよび上記レンズ４１を透過した光を受光
するフォトトランジスタ等の受光素子（受光器）４３Ｂ
を配置し、これらを環状矩形のスペーサ４６Ａ，４６Ｂ
とともに、ケース本体４４およびカバー４５からなるケ
ース内に収納し固定することで、上記可動部１、レンズ
４１の変位にともなう受光量の変化を変位量として検出
するように構成したものである。なお、上記レンズ４１
に代えて、可動部１の中央部に光通過用のスリットを形
成してもよい。

【００４４】図２８は、上記のような光電式の透過形変
位検出センサＳ６による振動の検出回路例を示すもの
で、投光・受光状態で可動部１が振動により変位する
と、これにつれてレンズ４１が移動して、投光・受光の
焦点が変化する。この焦点の変化により受光素子４３Ｂ
による受光量が変化し、それにリニアな電気信号に変換
された後、増幅回路４７で増幅されて上記可動部１の変
位に相当する電圧Ｖout が出力され、これを信号処理演
算部１７で波形処理することにより、所定の出力が得ら
れる。

【００４５】図２９は、上記実施例１．で説明した可動
バネ４を使用して構成される光電式の変位検出センサの
他の例である反射形センサを示す分解斜視図であり、こ
の反射形センサの場合は、上記可動バネ４に対向して、
その一側にのみ配置されたＰＷＢ４２Ｃの上に、可動部
１に向けて光を発射する発光ダイオード等の投光素子
（投光器）４３Ａおよび可動部１から反射される光を受
光するフォトトランジスタ等の受光素子４３Ｂを配置し
てなるもので、上記透過形の場合と同様に、上記可動部
１の変位にともなう受光量の変化を変位量として検出す
るように構成したものである。また、このような反射形
変位検出センサＳ６による振動の検出回路は、図３０に
示す通りで、その検出原理は上記透過形の場合と同一で
あるため、説明を省略する。なお、この実施例７．に示
す光電式の変位検出センサは、電磁気に対して強く、か
つローコストなセンサが得られる。

【００４６】実施例８．（請求項８に相当）図３１は、上記実施例１．で説明した可動バネ４を使用
して構成される平衡ブリッジ式の変位検出センサの分解
斜視図、図３２は、その要部の拡大斜視図である。この
平衡ブリッジ式の透過形変位検出センサは、上記可動バ
ネ４の４つのバネ部３にそれぞれ、ピエゾ抵抗体４８を
図３３に示すようなピエゾ抵抗回路網を構成するように
配置して、可動部１の変位にともなうバネ部３の変位に
より抵抗バランスに崩れを発生させて電位を変化させ、
この電位の変化を変位量として検出するように構成した
ものである。なお、上記ピエゾ抵抗体４８は、少なくと
も１つのバネ部３に取り付ければよい。

【００４７】図３４は、上記のような平衡ブリッジ式の
変位検出センサＳ７による振動の検出回路例を示すもの
で、定電流電源４９からピエゾ抵抗回路網に定電流を供
給している状態で、可動部１が変位してバネ部３が変位
すると、上記ピエゾ抵抗回路網における抵抗バランスが
崩れて電位が変化する。この変化する電位を差動増幅器
５０およびフィルタ回路５１に通すことにより、上記可
動部１の変位に相当する出力が得られる。このような平
衡ブリッジ式の変位検出センサは、浮遊容量などの電磁
気の影響が非常に少なくて、検出精度に優れているとと
もに、構造の簡単なセンサが得られる。

【００４８】実施例９．（請求項９に相当）図３５は、上記実施例１．で説明した可動バネ４を使用
して構成される静電容量式の三次元方向の変位検出セン
サの分解斜視図、図３６はそのセンサの動作説明図であ
る。この静電容量式の三次元方向の変位検出センサは、
上記可動バネ４を一方の電極とし、この電極４の可動部
１の中央部に重り５２を取り付けることにより、変位の
重心ｇを可動部１の面より上方に位置させるとともに、
上記電極４に対向して配置した１枚のＰＷＢ５３に、可
動部１に対向させて、水平二次元方向ｘ，ｙの容量検出
用および垂直方向ｚの容量検出用の２つの電極５４，５
５を設けて、重り５２をもった可動部１の水平二次元方
向ｘ，ｙの変位に対しては、一方の電極５４と可動バネ
４からなる電極との間の静電容量の変化により、また、
垂直方向ｚの変位に対しては、他方の電極５５との間の
静電容量の変化により、振動などの変位量を検出するよ
うに構成したものである。

【００４９】実施例１０．（請求項１０に相当）図３７は、上記実施例１．で説明した可動バネ４を使用
して構成される静電容量式の二次元方向の変位検出セン
サの分解斜視図、図３８はそのセンサの動作説明図であ
る。この静電容量式の二次元方向の変位検出センサは、
上記可動バネ４を一方の電極とし、この電極４の可動部
１の中央部に重り５２を取り付けることにより、変位の
重心ｇを可動部１の面より上方に位置させるとともに、
上記電極４に対向させて、その中央部に上記電極４の上
下方向の変位を規制するための絶縁材からなる支点５６
をもち、この支点５６を中心しする水平二次元方向ｘ，
ｙの容量検出用の電極５７を設けて、重り５２をもった
可動部１の水平二次元方向ｘ，ｙの変位に対して、対向
電極４，５７間の静電容量の変化により、振動などの変
位量を検出するように構成したものであり、この場合の
静電容量式の二次元方向の変位検出センサの静止時にお
ける容量値Ｃは、式で示した通り、Ｃ＝ε０・（ｓ／α）ここで、ε０：誘電率、ｓ：電極の面積、α：キャップ
の寸法である。なお、この実施例において使用する電極５７と
しては、ＰＷＢの表面に導電性塗料などによりパターン
形成されたものであってもよい。

【００５０】なお、上記実施例９．および１０．では、
検出方式として、静電容量の変化を検出するようにした
もので示したが、これ以外に、例えばホール電圧検出方
式や磁気抵抗検出方式などであってもよい。

【００５１】実施例１１．（請求項１１に相当）図３９は、上記実施例１．で説明した可動バネ４を使用
して構成される流体圧力センサの分解斜視図、図４０は
その流体圧力センサの縦断面図である。この流体圧力セ
ンサは、円筒状ケース５８内に装着され、孔あき保護板
５９の孔５９ａを通して作用する、例えばガスなどの流
体圧の変化にともない筒軸心方向に変位するダイヤフラ
ム６０の変位方向で対向するケース５８内に上記可動バ
ネ４を配置するとともに、この可動バネ４の可動部１の
中央部に上記ダイヤフラム６０の変位を伝達するための
絶縁材製の突起６１を設け、上記可動バネ４を一方の電
極として、この電極４の可動部１に対向する箇所に導電
性塗料などによりパターン形成された他方の電極６２が
配置される状態で、上記ケース５８内にＰＷＢ６３を固
定し、さらに上記ケース５８の底部に裏蓋６４を取り付
けて、上記ダイヤフラム６０および可動部１の変位を上
記流体圧の変化として検出するように構成したものであ
る。

【００５２】図４１は、上記のように構成された流体圧
力センサＳ８の検出回路例を示し、このセンサＳ８をＣ
Ｒ発振部１０の容量として使用することにより、流体圧
力の変化にともなうダイヤフラム６０の変位を突起６１
を介して電極（可動バネ）４の可動部１に伝達し、この
可動部１の変位を発振周波数ｆout の変化として出力さ
せて、所定の流体圧力を検出する。この圧力センサは、
例えばガスメータ用の圧力スイッチなどとして有効に利
用することが可能で、高感度で、かつアナログ検出での
使用が可能となる。

【００５３】実施例１２．（請求項１２に相当）図４２は、上記実施例１．で説明した可動バネ４を使用
して構成される感震器の縦断面図である。この感震器
は、安定設置形の円筒状ケース６５内の中間部に仕切壁
部６５ａを一体に形成し、この仕切壁部６５ａの中央部
に形成した貫通孔６５ｂに半球状のプランジャ６６を介
して重錘６７を振り子状に吊り保持させ、上記プランジ
ャ６６の上部のケース６５内に、上記可動バネ４を一方
の電極として固定させるとともに、この可動バネ（電
極）４の可動部１に対向する箇所にパターン電極６８を
もったＰＷＢ６９をスペーサ７０を介して取り付けて、
上記重錘６７の振動加速度による全方位の動きを可動バ
ネ４に伝達し、上記両電極４，６８間の静電容量の変化
を電気信号に変換して振動加速度を検出するように構成
したものである。

【００５４】上記のような重錘式の感震器は、振り子の
原理を応用して、振動にともなう振り子、つまり重錘６
７の傾きや振動をプランジャ６６を介して可動バネ（電
極）に伝達し、この可動バネ４とパターン電極６８間の
静電容量の変化を変換することで得られる電気信号をも
って、全方位の傾きや振動を検出することが可能で、こ
のような感震器は、石油ストーブなどのように、安全性
が要求される各種の機器に取り付けて有効に利用するこ
とができる。

【００５５】実施例１３．（請求項１３に相当）図４３は、上記実施例１．で説明した可動バネ４を使用
して構成される接触式の変位センサの縦断面図である。
この接触式の変位センサは、絶縁材より二段径形状に形
成されたケース７１の先端側の小径部内にスライドガイ
ド７２を介して接触子プローブ７３をスライド自在に挿
嵌保持させ、この接触子プローブ７３の基端部を、上記
ケース７１の基端側の大径部内に取り付けた上記可動バ
ネ４の可動部１の中央部にスポット溶接やろう付けなど
により接合して、接触子プローブ７３の変位を可動バネ
４の可動部１に直接伝達するようになすとともに、上記
可動バネ４を一方の電極とし、この可動バネ（電極）４
の可動部１に対向する箇所にパターン電極７４をもった
ＰＷＢ７５をスペーサ７６を介して取り付け、さらに、
上記ケース７１の底部に上記ＰＷＢ７５に対する電源供
給用ケーブル７７を接続させて、上記接触子プローブ７
３の変位を上記可動部１の変位として検出するように構
成したものである。

【００５６】

【発明の効果】以上のように、この発明の請求項１によ
れば、外部応力により変位するバネ部を蛇行腕片状に形
成して、このバネ部を可動部の中心軸に対して軸対称も
しくは線対称に複数配置することにより、各バネ部によ
り構成される梁の長さ、厚みおよび幅を任意に設定する
ことで、可動バネ全体を構造簡単で、かつ低コストにし
ながら、微小応力に対して応答よく変位させるととも
に、大きな応力に対する変位量も十分に大きくとること
が可能で、小さな占有面積の割に、その検出感度の向上
および検出範囲の拡大を図ることができる。しかも、可
動部が常に応力の作用方向に沿って平行に変位するの
で、複雑な補正回路などを付加しなくても、安定した出
力が得られ、したがって、各種センサへの応用性、つま
り汎用性を著しく高めることができ、また、これを利用
するセンサの構造の簡単化および低コスト化を実現する
ことができる。

【００５７】また、この発明の請求項２〜請求項１０お
よび請求項１３によれば、直線変位に補正するための複
雑な補正回路などが不要で、部品点数を少なくして構造
の簡単化、低コストを図りつつ、外来ノイズや電磁気な
どの影響を非常に少なくして、所定の変位検出を非常に
精度良く行うことができる各種センサを提供することが
できる。

【００５８】さらに、この発明の請求項１１によれば、
微小な流体圧の変化を高感度に、またアナログ値として
検出することが可能で、流体圧制御を的確に行わせるこ
とができる低コストな流体圧力センサを提供でき、さら
にまた、請求項１２によれば、全方位の震動にともなう
加速度を感度よく検出することが可能で、地震に対する
安全対策として好適な小形、低コストの感震器を提供す
ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明による変位検出センサ用可動バネの一
構造例を示す斜視図である。

【図２】図１の矢視Ａ方向でのバネ部の構造を説明する
要部の拡大図である。

【図３】図１におけるバネ部の設計用モデルを示す説明
図である。

【図４】この発明による変位検出センサ用可動バネの他
の構造例の１つを示す斜視図である。

【図５】変位検出用可動バネの他の構造例の他の１つを
示す斜視図である。

【図６】変位検出用可動バネの他の構造例の別の１つを
示す斜視図である。

【図７】変位検出用可動バネの他の構造例のさらに別の
１つを示す斜視図である。

【図８】変位検出用可動バネの他の構造例の残る１つを
示す斜視図である。

【図９】上記可動バネを使用して構成される静電容量式
の変位検出センサの分解斜視図である。

【図１０】同上変位検出センサの断面構造図である。

【図１１】静電容量式変位検出センサによる振動の検出
回路例の一つで、ＣＲ発振部の容量として使用した状態
を示す図である。

【図１２】静電容量式変位検出センサによる振動の検出
回路例の一つで、ＳＣ回路の容量として使用した状態を
示す図である。

【図１３】静電容量式変位検出センサによる振動の検出
回路例の一つで、ＣＲ発振部とＦ−Ｖコンバータとを組
合せ使用した状態を示す図である。

【図１４】静電容量式変位検出センサによる振動の検出
回路例の一つで、ＬＣ発振回路の容量として使用した状
態を示す図である。

【図１５】上記可動バネを使用して構成される差動トラ
ンス式の変位検出センサの分解斜視図である。

【図１６】同上変位検出センサの断面構造図である。

【図１７】上記差動トランス式変位検出センサによる振
動の検出回路例を示す図である。

【図１８】上記可動バネを使用して構成される電磁誘導
式の変位検出センサの分解斜視図である。

【図１９】同上変位センサの断面構造図である。

【図２０】上記電磁誘導式の変位検出センサによる振動
の検出回路例を示す図である。

【図２１】上記可動バネを使用して構成される磁電変換
式の変位検出センサの分解斜視図である。

【図２２】上記磁電変換式の変位検出センサによる振動
の検出回路例を示す図である。

【図２３】上記可動バネを使用して構成される超音波式
の変位検出センサの分解斜視図である。

【図２４】上記超音波式の変位検出センサによる振動の
検出回路例を示す図である。

【図２５】同上超音波式の変位検出センサの動作を示す
信号波形図である。

【図２６】上記可動バネを使用して構成される光電式の
変位検出センサの一例である透過形センサを示す分解斜
視図である。

【図２７】同上透過形変位検出センサの断面構造図であ
る。

【図２８】上記光電式の透過形変位検出センサによる振
動の検出回路例を示す図である。

【図２９】上記可動バネを使用して構成される光電式の
変位検出センサの他の例である反射形センサを示す分解
斜視図である。

【図３０】上記反射形変位検出センサによる振動の検出
回路例を示す図である。

【図３１】上記可動バネを使用して構成される平衡ブリ
ッジ式の変位検出センサの分解斜視図である。

【図３２】図３２の要部の拡大斜視図である。

【図３３】ピエゾ抵抗回路網を示す図である。

【図３４】上記平衡ブリッジ式の変位検出センサによる
振動の検出回路例を示す図である。

【図３５】上記可動バネを使用して構成される静電容量
式の三次元方向の変位検出センサの分解斜視図である。

【図３６】同上センサの動作説明図である。

【図３７】上記可動バネを使用して構成される静電容量
式の二次元方向の変位検出センサの分解斜視図である。

【図３８】同上センサの動作説明図である。

【図３９】上記可動バネを使用して構成される流体圧力
センサの分解斜視図である。

【図４０】同上流体圧力センサの縦断面図である。

【図４１】上記流体圧力センサの検出回路例を示す図で
ある。

【図４２】上記可動バネを使用して構成される感震器の
縦断面図である。

【図４３】上記可動バネを使用して構成される接触式の
変位センサの縦断面図である。

【符号の説明】

１可動部２支持枠３バネ部４可動バネ７，５４，５５，５７電極２０コア２３差動コイル２８磁石２９コイル３３磁電変換素子３６固定板（固定部）３７Ａ超音波発信部３７Ｂ超音波受信部４３Ａ投光素子（投光器）４３Ｂ受光素子（受光器）４８ピエゾ抵抗体５２重り５６支点６０ダイヤフラム６７重錘７３接触子プローブ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】外部応力により変位する可動部をそれの
周囲に配置された支持枠に対し、上記可動部の中心軸に
対して軸対称もしくは線対称に配置されてそれぞれ可動
部と同一の平面上において蛇行腕片状に形成された複数
のバネ部を介して変位可能に保持させるとともに、その
変位を検出する手段を設けたことを特徴とする変位検出
センサ。
【請求項２】上記変位検出手段は、可動バネを一方の
電極とし、この電極の可動部に対向して他方の電極を設
けて、これら両電極間の静電容量の変化を上記可動バネ
からなる電極の変位として検出するように構成したこと
を特徴とする請求項１記載の変位検出センサ。
【請求項３】上記変位検出手段は、可動バネの可動部
の中央部に磁性体からなるコアを装着するとともに、こ
のコアの周囲に差動コイルを配置して、上記コアの変位
を電気量として検出するように構成したことを特徴とす
る請求項１記載の変位検出センサ。
【請求項４】上記変位検出手段は、可動バネの可動部
の中央部に磁石を装着するとともに、その磁石の変位方
向に対して垂直にコイルを巻回配置して、上記磁石の変
位にともないコイルに発生する誘導電流を変位として検
出するように構成したことを特徴とする請求項１記載の
変位検出センサ。
【請求項５】上記変位検出手段は、可動バネの可動部
の中央部に磁石を装着するとともに、その磁石の変位方
向の対向する箇所に磁電変換素子を配置して、上記磁石
の変位にともなう電圧の変化を変位として検出するよう
に構成したことを特徴とする請求項１記載の変位検出セ
ンサ。
【請求項６】上記変位検出手段は、可動バネの可動部
に対向する固定部に、上記可動部に向けて音波を発する
超音波発信部および上記可動部から反射される音波を受
信する超音波受信部を設置して、発信部から発した音波
が受信部に受信されるまでの時間差により変位を検出す
るように構成したことを特徴とする請求項１記載の変位
検出センサ。
【請求項７】上記変位検出手段は、可動バネの可動部
に向けて光を発射する投光器と上記可動部を透過した光
または可動部から反射した光を受光する受光器とを設け
て、上記可動部の変位にともなう受光量の変化を変位と
して検出するように構成したことを特徴とする請求項１
記載の変位検出センサ。
【請求項８】上記変位検出手段は、可動バネの蛇行腕
片状の複数バネ部の少なくとも１つに、ピエゾ抵抗体を
ブリッジ構成にして配置して、そのバネ部の変位にとも
なう抵抗バランスの崩れによる電位の変化を変位として
検出するように構成したことを特徴とする請求項１記載
の変位検出センサ。
【請求項９】上記変位検出手段は、可動バネを一方の
電極とし、この電極の可動部の中央部に重りを取り付け
て、変位の重心を可動部より上方に位置させるととも
に、上記可動部に対向する箇所に２つの電極を設けて、
水平全方向および上下方向の変位をそれぞれ対向する両
電極間の静電容量の変化として検出するように構成した
ことを特徴とする請求項１記載の変位検出センサ。
【請求項１０】上記変位検出手段は、可動バネを一方
の電極とし、この電極の可動部の中央部に重りを取り付
けて、変位の重心を可動部より上方に位置させるととも
に、上記可動部に対向する箇所に、上記電極の上下方向
変位を規制するための支点をもった他方の電極を配置し
て、水平全方向の変位のみを両電極間の静電容量の変化
として検出するように構成したことを特徴とする請求項
１記載の変位検出センサ。
【請求項１１】上記変位検出手段は、可動バネの可動
部に、流体圧の変化にともない変位するダイヤフラムの
変位を伝達するように構成して、上記可動部の変位を流
体圧の変化として検出するように構成したことを特徴と
する請求項１記載の変位検出センサ。
【請求項１２】上記変位検出手段は、振り子状に保持
させた重錘の振動加速度による動きを可動バネの可動部
に伝達するように構成し、上記振動加速度を上記可動部
の変位として検出することを特徴とする請求項１記載の
変位検出センサ。
【請求項１３】上記変位検出手段は、接触子プローブ
の変位を可動バネの可動部に伝達するように構成し、上
記プローブの変位を上記可動部の変位として検出するこ
とを特徴とする請求項１記載の変位センサ。