JPH1026571A - Detector for force, acceleration and magnetism - Google Patents

Detector for force, acceleration and magnetism

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JPH1026571A
JPH1026571A JP9072692A JP7269297A JPH1026571A JP H1026571 A JPH1026571 A JP H1026571A JP 9072692 A JP9072692 A JP 9072692A JP 7269297 A JP7269297 A JP 7269297A JP H1026571 A JPH1026571 A JP H1026571A
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force
substrate
displacement
electrode
fixed
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    • G01MEASURING; TESTING
    • G01PMEASURING LINEAR OR ANGULAR SPEED, ACCELERATION, DECELERATION, OR SHOCK; INDICATING PRESENCE, ABSENCE, OR DIRECTION, OF MOVEMENT
    • G01P15/00Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration
    • G01P15/02Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses
    • G01P15/08Measuring 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
    • G01P2015/0805Measuring 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
    • G01P2015/0822Measuring 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
    • G01P2015/084Measuring 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

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  • Measuring Magnetic Variables (AREA)
  • Force Measurement Appropriate To Specific Purposes (AREA)

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To realize multidimensional sensor, which does not require temperature compensation and has the simple structure. SOLUTION: In a device frame 40, a fixed substrate 10f and a displacement substrate 20f are contained. At the lower surface of the displacement substrate 20f, an acting body 30f is fixed. At the lower surface of one fixed substrate 10f, fixed electrodes 11f and 12f are formed. At the upper surface of the displacement substrate 20f, displacement electrodes 21f and 22f are formed. Piezoelectric elements 101 and 102 are held between both facing electrodes, respectively. When force is applied on the acting body 30f, the displacement substrate 20f is displaced, and compressing force or tensile force acts on each piezoelectric element. The forces are taken out as the electric signals. The force components in the right and left directions are detected by the difference between the outputs of both piezoelectric elements. The force components in the up and down directions are detected by the sum of the outputs of both piezoelectric elements.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】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。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a force detecting device, and more particularly to a force detecting device suitable for detecting a force for each multidimensional component and applicable to detecting acceleration and magnetism.

【0002】[0002]

【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できる検出装置
の需要が高まっている。特に、二次元あるいは三次元の
各成分ごとにこれらの物理量を検出しうる小型の装置が
望まれている。
2. Description of the Related Art In the automobile industry, the machine industry, and the like, there is an increasing demand for a detection device capable of accurately detecting physical quantities such as force, acceleration, and magnetism. In particular, a small device capable of detecting these physical quantities for each of two-dimensional or three-dimensional components is desired.

【0003】このような需要に応えるため、シリコンな
どの半導体基板にゲージ抵抗を形成し、外部から加わる
力に基づいて基板に生じる機械的な歪みを、ピエゾ抵抗
効果を利用して電気信号に変換する力検出装置が提案さ
れている。この力検出装置の検出部に、重錘体を取り付
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き、磁性体を取り付ければ、磁性体
に作用する磁気を力として検出する磁気検出装置が実現
できる。
In order to meet such demands, a gauge resistor is formed on a semiconductor substrate such as silicon, and mechanical strain generated in the substrate based on an externally applied force is converted into an electric signal using a piezoresistance effect. A force detecting device has been proposed. If a weight is attached to the detection part of this force detection device, an acceleration detection device that detects the acceleration applied to the weight as a force can be realized. If a magnetic material is attached, the magnetism acting on the magnetic material is detected as a force. The magnetic detection device can be realized.

【0004】たとえば、特許協力条約に基づく国際公開
第WO88/08522号公報および第WO89/02
587号公報には、上述の原理に基づく力検出装置、加
速度検出装置、磁気検出装置が開示されている。
For example, International Publication Nos. WO88 / 08522 and WO89 / 02 based on the Patent Cooperation Treaty
Japanese Patent No. 587 discloses a force detecting device, an acceleration detecting device, and a magnetic detecting device based on the above-described principle.

【0005】[0005]

【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
車などの分野で用いる場合、−40℃〜+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。
Generally, since the gauge resistance and the piezoresistive coefficient have a temperature dependency, in the above-described detecting device, if the temperature of the environment to be used fluctuates, the detected value includes an error. Become. Therefore, it is necessary to perform temperature compensation in order to perform accurate measurement. In particular, when used in the field of automobiles or the like, temperature compensation is required for a considerably wide operating temperature range from -40 ° C to + 120 ° C.

【0006】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
オン注入装置などの高価な装置も必要になる。このた
め、製造コストが高くなるという問題がある。
In order to manufacture the above-described detection device,
An advanced process for processing a semiconductor substrate is required, and expensive equipment such as an ion implantation apparatus is also required. For this reason, there is a problem that the manufacturing cost increases.

【0007】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
き、しかも安価に供給しうる検出装置を提供することを
目的とする。
Accordingly, an object of the present invention is to provide a detection device capable of detecting physical quantities such as force, acceleration, and magnetism without performing temperature compensation, and which can be supplied at low cost.

【0008】[0008]

【課題を解決するための手段】[Means for Solving the Problems]

(1) 本発明の第1の態様は、力検出装置において、装
置筐体と、この装置筐体に固定された固定基板と、この
固定基板に対向する位置に設けられた変位基板と、外部
からの力を受け、この力を変位基板に伝達することによ
り変位基板を変位させる作用体と、固定基板と変位基板
との間に位置する圧電素子と、変位基板と圧電素子との
間に形成された変位電極と、固定基板と圧電素子との間
に形成された固定電極と、を設け、圧電素子が、変位基
板の変位に基づいて加えられる圧力を電気信号に変換
し、この電気信号を変位電極および固定電極間の電圧値
として出力する機能を果たし、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
複数の検出素子を形成し、これら各検出素子から出力さ
れる電圧値に基づいて、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ものである。
(1) According to a first aspect of the present invention, in a force detection device, an apparatus housing, a fixed substrate fixed to the device housing, a displacement substrate provided at a position facing the fixed substrate, And an actuator that displaces the displacement substrate by transmitting the force to the displacement substrate, a piezoelectric element located between the fixed substrate and the displacement substrate, and a piezoelectric element formed between the displacement substrate and the piezoelectric element. And a fixed electrode formed between the fixed substrate and the piezoelectric element.The piezoelectric element converts a pressure applied based on the displacement of the displacement substrate into an electric signal, and converts the electric signal. It has the function of outputting as a voltage value between the displacement electrode and the fixed electrode, and one or both of the displacement electrode and the fixed electrode are constituted by a plurality of electrically independent localized electrodes, and a plurality of electrodes are provided by electrodes opposed to each other. Forming the detection element Based on the voltage value output from each of these detecting elements, the force acting on the operating body is detected for each multidimensional component.

【0009】(2) 本発明の第2の態様は、上述の第1
の態様に係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、一方の電極形成
面上の所定軸に沿って所定間隔をおいて配された2組の
局在電極により構成し、この2組の局在電極を用いてそ
れぞれ2つのグループの検出素子を形成し、この2つの
グループの検出素子から出力される電圧値の差によって
所定軸方向成分の力を検出し、この2つのグループの検
出素子から出力される電圧値の和によって電極形成面に
直交する軸方向成分の力を検出するようにしたものであ
る。
(2) The second aspect of the present invention is the above-mentioned first aspect.
In the force detection device according to the aspect, either one or both of the displacement electrode and the fixed electrode are formed by two sets of localized electrodes arranged at a predetermined interval along a predetermined axis on one electrode forming surface. The two sets of localized electrodes are used to form two groups of detecting elements, respectively, and a force of a predetermined axial component is detected by a difference between voltage values output from the two groups of detecting elements. The force of the axial component orthogonal to the electrode formation surface is detected by the sum of the voltage values output from the two groups of detection elements.

【0010】(3) 本発明の第3の態様は、上述の第1
の態様に係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、一方の電極形成
面上で直交する第1の軸および第2の軸について両軸の
交点を原点としたときに、各軸のそれぞれ正および負方
向に配された4組の局在電極により構成し、この4組の
局在電極を用いてそれぞれ4つのグループの検出素子を
形成し、この4つのグループの検出素子のうち第1の軸
上にある2つのグループに属する検出素子から出力され
る電圧値の差によって第1の軸方向成分の力を検出し、
この4つのグループの検出素子のうち第2の軸上にある
2つのグループに属する検出素子から出力される電圧値
の差によって第2の軸方向成分の力を検出するようにし
たものである。
(3) A third aspect of the present invention is the above-mentioned first aspect.
In the force detection device according to the aspect, either one or both of the displacement electrode and the fixed electrode are defined with the intersection of the first axis and the second axis orthogonal to each other on one electrode forming surface as the origin. Sometimes, each of the axes is constituted by four sets of localized electrodes arranged in the positive and negative directions, and four groups of detection elements are formed using the four sets of localized electrodes. Detecting the force of the first axial component by the difference between the voltage values output from the detection elements belonging to two groups on the first axis among the detection elements,
The force of the second axial component is detected based on the difference between the voltage values output from the detection elements belonging to two groups on the second axis among the four groups of detection elements.

【0011】(4) 本発明の第4の態様は、上述の第3
の態様に係る力検出装置において、更に、4つのグルー
プに属する検出素子から出力される電圧値の和によっ
て、第1の軸および第2の軸の双方に直交する第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) The fourth aspect of the present invention is the above-described third aspect.
In the force detecting device according to the aspect, further, the force of the third axial component orthogonal to both the first axis and the second axis is obtained by the sum of the voltage values output from the detecting elements belonging to the four groups. Is detected.

【0012】(5) 本発明の第5の態様は、上述の第3
の態様に係る力検出装置において、4組の局在電極とは
電気的に独立した5組目の局在電極を更に設け、この5
組目の局在電極を用いて第5グループ目の検出素子を構
成し、この第5グループ目の検出素子から出力される電
圧値によって、第1の軸および第2の軸の双方に直交す
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。
(5) The fifth aspect of the present invention is the third aspect of the present invention.
In the force detecting device according to the aspect, a fifth set of localized electrodes that is electrically independent from the four sets of localized electrodes is further provided.
A fifth group of detection elements is formed using the localized electrodes of the set, and is orthogonal to both the first axis and the second axis by the voltage value output from the fifth group of detection elements. The third axial component force is detected.

【0013】(6) 本発明の第6の態様は、上述の第1
〜第5の態様に係る力検出装置において、固定基板、変
位基板、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、変位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、補助基板の変位基板に
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
よって変位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もので
ある。
(6) The sixth aspect of the present invention is the above-mentioned first aspect.
In the force detection devices according to the fifth to fifth aspects, an auxiliary substrate is further provided such that the fixed substrate, the displacement substrate, and the auxiliary substrate are arranged in opposition to each other in this order, and the first auxiliary is provided on a surface of the displacement substrate facing the auxiliary substrate. An electrode is formed, a second auxiliary electrode is formed on a surface of the auxiliary substrate facing the displacement substrate, and a predetermined voltage is applied between the first auxiliary electrode and the second auxiliary electrode or between the displacement electrode and the fixed electrode. The displacement substrate is caused to be displaced by the Coulomb force acting between the two, so that the displacement substrate can be brought into a state equivalent to an externally applied force.

【0014】(7) 本発明の第7の態様は、上述の第6
の態様に係る力検出装置において、変位基板を導電性材
料で構成し、第1補助電極と変位電極とを、この導電性
の変位基板の一部分により形成するようにしたものであ
る。
(7) The seventh aspect of the present invention is the above-described sixth aspect.
In the force detecting device according to the aspect, the displacement substrate is made of a conductive material, and the first auxiliary electrode and the displacement electrode are formed by a part of the conductive displacement substrate.

【0015】(8) 本発明の第8の態様は、上述の第1
〜第7の態様に係る検出装置において、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ものである。
(8) The eighth aspect of the present invention is the above-mentioned first aspect.
In the detection device according to the seventh aspect, by detecting a force generated based on an acceleration acting on the operating body,
The acceleration can be detected.

【0016】(9) 本発明の第9の態様は、上述の第1
〜第7の態様に係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
得るようにしたものである。
(9) The ninth aspect of the present invention is the above-mentioned first aspect.
In the detection device according to the seventh to seventh aspects, the operating body is made of a magnetic material, and the magnetic force can be detected by detecting a force generated based on a magnetic force acting on the operating body. is there.

【0017】[0017]

【発明の実施の形態】以下、本発明を図示する実施形態
に基づいて詳述する。なお、本願は、特願平2−274
299号を原出願とする分割出願であるため、ここでは
説明の便宜上、原出願の実施形態についての説明を行っ
た後に、本分割出願の実施形態を述べることにする。
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Hereinafter, the present invention will be described in detail based on embodiments shown in the drawings. This application is based on Japanese Patent Application No. Hei 2-274.
Since this is a divisional application whose primary application is No. 299, the embodiment of this divisional application will be described after describing the embodiment of the original application for convenience of explanation.

【0018】§1.原出願に係る発明の基本的な実施形
図1は、原出願に係る力検出装置の発明を、加速度検出
装置として用いた基本的な実施形態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1
0、変位基板20、作用体30、そして装置筐体40で
ある。図2(a) に、固定基板10の下面図を示す。図2
(a) の固定基板10をX軸に沿って切断した断面が図1
に示されている。固定基板10は、図示のとおり円盤状
の基板であり、周囲は装置筐体40に固定されている。
この下面には、同じく円盤状の固定電極11が形成され
ている。一方、図2(b) に、変位基板20の上面図を示
す。図2(b) の変位基板20をX軸に沿って切断した断
面が図1に示されている。変位基板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21〜2
4が形成されている。作用体30は、その上面が図2
(b) に破線で示されているように、円柱状をしており、
変位基板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および変位基
板20の周囲を固着支持している。
§1. Basic embodiment of the invention according to the original application
State Figure 1, the invention of a force detector according to the original application is a side sectional view showing the structure of a basic embodiment using as an acceleration detecting device. The main components of this device are a fixed substrate 1
0, the displacement substrate 20, the operating body 30, and the device housing 40. FIG. 2A shows a bottom view of the fixed substrate 10. FIG.
FIG. 1 is a cross-sectional view of the fixed substrate 10 of FIG.
Is shown in The fixed substrate 10 is a disk-shaped substrate as shown, and the periphery thereof is fixed to the device housing 40.
On the lower surface, a disk-shaped fixed electrode 11 is also formed. On the other hand, FIG. 2B shows a top view of the displacement substrate 20. FIG. 1 shows a cross section of the displacement substrate 20 of FIG. 2B cut along the X-axis. The displacement substrate 20 is also a disk-shaped substrate as shown, and its periphery is fixed to the device housing 40. On this upper surface, quadrant disk-shaped displacement electrodes 21 to 2
4 are formed. The upper surface of the working body 30 is shown in FIG.
As shown by the broken line in (b), it has a columnar shape,
It is coaxially joined to the lower surface of the displacement substrate 20. The device housing 40 has a cylindrical shape and fixedly supports the periphery of the fixed substrate 10 and the displacement substrate 20.

【0019】固定基板10および変位基板20は、互い
に平行な位置に所定間隔をおいて配設されている。いず
れも円盤状の基板であるが、固定基板10は剛性が高く
撓みを生じにくい基板であるのに対し、変位基板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、図1に示すように、作用体30の重心に作
用点Pを定義し、この作用点Pを原点とするXYZ三次
元座標系を図のように定義する。すなわち、図1の右方
向にX軸、上方向にZ軸、紙面に対して垂直に紙面裏側
へ向かう方向にY軸、をそれぞれ定義する。
The fixed substrate 10 and the displacement substrate 20 are arranged at predetermined intervals at positions parallel to each other. Each of them is a disk-shaped substrate, whereas the fixed substrate 10 is a substrate having high rigidity and less likely to bend, whereas the displacement substrate 20 is flexible and is a substrate which bends when a force is applied. . Now, as shown in FIG. 1, an action point P is defined at the center of gravity of the action body 30, and an XYZ three-dimensional coordinate system having the action point P as an origin is defined as shown in the figure. That is, the X-axis is defined in the right direction in FIG. 1, the Z-axis is defined in the upward direction, and the Y-axis is defined in the direction perpendicular to the paper surface toward the back side of the paper surface.

【0020】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、図1に示すように、固定電極11と変位電極2
1〜24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は変位基板20に対してモー
メント力を生じさせ、図3に示すように、変位基板20
に撓みが生じることになる。この撓みにより、変位電極
21と固定電極11との間隔は大きくなるが、変位電極
23と固定電極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
逆の関係の撓みが生じることになる。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11との間隔、および変位電極24と固定電極1
1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Fzが作用した場合は、図4に示すように、変
位電極21〜24のすべてが固定電極11に接近するこ
とになり、逆向きの力−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から遠ざかるよう
になる。
Here, assuming that the entire apparatus is mounted on, for example, an automobile, an acceleration is applied to the operating body 30 based on the running of the automobile. Due to this acceleration, an external force acts on the action point P. In the state where no force is applied to the point of action P, as shown in FIG.
1 to 24 are kept in parallel at a predetermined interval. However, for example, a force Fx in the X-axis direction is applied to the point of action P.
When this acts, this force Fx generates a moment force on the displacement substrate 20, and as shown in FIG.
Will bend. Due to this bending, the distance between the displacement electrode 21 and the fixed electrode 11 increases, but the distance between the displacement electrode 23 and the fixed electrode 11 decreases. Assuming that the force applied to the point of action P is -Fx in the opposite direction, the bending in the opposite relationship to this occurs. On the other hand, when the force Fy or −Fy in the Y direction acts, the distance between the displacement electrode 22 and the fixed electrode 11 and the displacement electrode 24 and the fixed electrode 1
A similar change occurs for the distance to 1. In addition, when the force Fz in the Z-axis direction acts, as shown in FIG. 4, all of the displacement electrodes 21 to 24 come close to the fixed electrode 11, and when the force −Fz in the opposite direction acts, , All of the displacement electrodes 21 to 24 move away from the fixed electrode 11.

【0021】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。図2(a) に示す固定基板10の
下面と、図2(b) に示す変位基板20の上面とは、互い
に対向する面となる。したがって、電極間の対向関係
は、変位電極21〜24のそれぞれが、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11は1枚の共通電極となるが、変位電極21〜2
4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11との組み合わせであり、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との組み合わせであり、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C1,C
2,C3,C4と表わすことにする。図1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C0をとる。すなわち、C1=
C2=C3=C4=C0である。ところが、図3あるい
は図4に示すように、作用点Pに力が作用し、変位基板
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C0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。したがって、電極間隔が接近すると静電容量
Cは大きくなり、遠ざかると静電容量Cは小さくなる。
Here, consider a capacitive element constituted by each electrode. The lower surface of the fixed substrate 10 shown in FIG. 2A and the upper surface of the displacement substrate 20 shown in FIG. Accordingly, the facing relationship between the electrodes is such that each of the displacement electrodes 21 to 24 faces each facing portion of the fixed electrode 11. In other words, the fixed electrode 11 becomes one common electrode, but the displacement electrodes 21 to 2
Numeral 4 is a localized electrode localized in a quadrant area.
Even if the number of common electrodes is one, the four localized electrodes are electrically independent from each other.
One group of capacitors can be formed. The capacitive element belonging to the first group is a combination of the displacement electrode 21 and the fixed electrode 11 arranged in the negative direction of the X axis, and the capacitive element belonging to the second group is arranged in the positive direction of the Y axis. The capacitance element belonging to the third group is a combination of the displacement electrode 23 and the fixed electrode 11 arranged in the positive direction of the X axis, and the fourth group is a combination of the displacement electrode 22 and the fixed electrode 11. Is a combination of the displacement electrode 24 and the fixed electrode 11 arranged in the negative direction of the Y-axis. Now, the capacitance of each of these capacitive elements is represented by C1, C
2, C3 and C4. As shown in FIG. 1, when no force is applied to the point of action P, the distance between the electrodes of each capacitance element is kept the same, and the capacitance takes a standard value C0. That is, C1 =
C2 = C3 = C4 = C0. However, as shown in FIG. 3 or FIG. 4, when a force acts on the action point P and the displacement substrate 20 bends, the electrode spacing of each capacitance element changes, and the capacitance of the capacitance element is different from the standard value C0. It will be a different value.
In general, the capacitance C of a capacitance element is determined by C = εS / d, where S is an electrode area, d is an electrode interval, and ε is a dielectric constant. Therefore, the capacitance C increases as the electrode spacing decreases, and decreases as the distance increases.

【0022】たとえば、図3に示すように、作用点Pに
X軸方向の力Fxが作用すると、変位電極21と固定電
極11との間隔は遠ざかるため、C1<C0となるが、
変位電極23と固定電極11との間隔は接近するため、
C3>C0となる。このとき、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
に遠ざかるという状態になるため、両部分が相殺しあ
り、C2=C4=C0と静電容量に変化は生じない。一
方、図4に示すように、作用点PにZ軸方向の力Fzが
作用すると、変位電極21〜24と固定電極11との間
隔はいずれも接近し、(C1〜C4)>C0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。
For example, as shown in FIG. 3, when a force Fx in the X-axis direction acts on the point of action P, the distance between the displacement electrode 21 and the fixed electrode 11 becomes longer, so that C1 <C0.
Since the distance between the displacement electrode 23 and the fixed electrode 11 is close,
C3> C0. At this time, the displacement electrodes 22 and 24
And the distance between the fixed electrode 11 and the fixed electrode 11 are partially approached and partially moved away from each other, so that the two portions cancel each other out, and the capacitance does not change as C2 = C4 = C0. On the other hand, as shown in FIG. 4, when a force Fz in the Z-axis direction acts on the action point P, the intervals between the displacement electrodes 21 to 24 and the fixed electrode 11 are all short, and (C1 to C4)> C0. . As described above, the pattern of change in the capacitance of the four groups of capacitance elements differs depending on the direction of the acting force.

【0023】図5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、「0」は静電容量に変化がない(すなわち、標準
値C0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、図5のFxの欄は、図3に
示すように、作用点PにX軸方向の力Fxが作用したと
きの各静電容量C1〜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ができ
る。
FIG. 5 is a table showing patterns of changes in the capacitances C1 to C4 of the four groups of capacitance elements. In this table, “0” indicates that there is no change in the capacitance (that is, the value remains at the standard value C0), “+” indicates that the capacitance increases, and “−” indicates that the capacitance increases. Indicates that the capacitance becomes smaller. For example, the column of Fx in FIG. 5 shows changes in the capacitances C1 to C4 when the force Fx in the X-axis direction acts on the point of action P as shown in FIG. , C1 become smaller, C3 becomes larger, and C2 and C4 remain unchanged. In this manner, the direction of the applied force can be recognized based on the pattern of change in each capacitance. Also, the magnitude of the applied force can be recognized by looking at the degree of change (that is, how large or small the capacitance has been).

【0024】図6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C1〜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発信器など
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、これを検出すべき力のX軸方向成分±Fxとして出
力する回路である。図5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C
3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V2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。
図5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〜V
4の和をとり、これを検出すべき力のZ軸方向成分±F
zとして出力する回路である。図5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±Fz
は、C1〜C4の和をとることによって求まる。
FIG. 6 shows a basic circuit for detecting the applied force for each axial component. The converters 51 to 54 are configured by circuits that convert the capacitances C1 to C4 of the respective capacitance elements into voltage values V1 to V4. For example, a configuration may be adopted in which the capacitance value C is converted into a frequency value f by a CR transmitter or the like, and then the frequency value f is further converted into a voltage value V by a frequency / voltage conversion circuit. of course,
Means for directly converting the capacitance value to a voltage value may be used. The differential amplifier 55 is a circuit that calculates the difference between the voltage values V1 and V3 and outputs the difference as the X-axis direction component ± Fx of the force to be detected. As can be seen by referring to the columns of Fx and -Fx in FIG.
It is found by taking the difference from 3. Further, the differential amplifier 56 is a circuit that calculates the difference between the voltage values V2 and V4 and outputs the difference as the Y-axis component ± Fy of the force to be detected.
As can be seen from the columns of Fy and -Fy in FIG. 5, the Y-axis direction component ± Fy is obtained by taking the difference between C2 and C4. Further, the adder 57 outputs voltage values V1 to V
4 and the Z-axis component ± F of the force to be detected.
It is a circuit that outputs as z. Fz and -Fz in FIG.
As can be understood by referring to the column of, the Z-axis direction component ± Fz
Is obtained by taking the sum of C1 to C4.

【0025】以上のような原理により、図2(a) および
図2(b) に示す各電極に所定の配線を施し、図6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
とが可能である。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うる程度のもの
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。
According to the above-described principle, predetermined wiring is applied to each of the electrodes shown in FIGS. 2A and 2B to form a detection circuit as shown in FIG. The applied force can be detected as an electric signal for each three-dimensional axial component. That is, the acceleration acting on the operating body 30 can be detected as an electric signal for each three-dimensional axial component. Since the detection of each axial component is performed completely independently, interference with other axes does not occur and accurate detection is possible. Further, the temperature dependence of the detected value is negligible, and no processing for temperature compensation is required. Moreover, since it can be realized with a simple structure in which electrodes are formed on the substrate, the manufacturing cost is low.

【0026】なお、図6の検出回路は一例として示した
ものであり、この他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入力し、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。
It should be noted that the detection circuit of FIG. 6 is shown as an example, and other circuits may be used. For example, a capacitance value may be converted to a frequency value using a CR oscillation circuit, and the converted value may be input to a microprocessor, and a three-dimensional acceleration may be obtained by digital calculation.

【0027】§2. 各部の材質を示す実施形態 続いて、上述した加速度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せばよい。 (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) 変位基板が作用体に作用した外力に基づいて変位
しうること。
§2. Embodiment showing the Material of Each Part Next, the material of each part constituting the above-described acceleration detecting device will be described. In order to perform detection based on the above-described principle, the following conditions should be satisfied in terms of material. (1) Each electrode is made of a conductive material. (2) Each localized electrode shall be electrically insulated from each other. (3) The displacement substrate can be displaced based on an external force applied to the working body.

【0028】このような条件を満足する限り、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形態をいくつか述べることにす
る。
Although any material may be used as long as such conditions are satisfied, some preferred embodiments using practical materials will be described here.

【0029】図7に示す実施形態は、固定基板10a、
変位基板20a、作用体30a、のすべてに金属を使用
した例である。変位基板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に各基板の周囲を嵌合させて
固着支持している。固定基板10a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、変位基
板20aが金属であるため、その上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21a〜24a
を変位基板20a上に形成している。なお、変位基板2
0aに可撓性をもたせるためには、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。
In the embodiment shown in FIG. 7, the fixed substrate 10a,
This is an example in which metal is used for all of the displacement substrate 20a and the working body 30a. The displacement substrate 20a and the working body 30a are formed integrally. Of course, these may be made separately and then joined together. Device housing 40
Are fixedly supported by fitting the periphery of each substrate into a support groove 41 formed on the inner surface thereof, for example. Since the fixed substrate 10a itself functions as the fixed electrode 11 as it is, there is no need to separately form the fixed electrode 11. The displacement electrodes 21a to 24a cannot be formed directly on the displacement substrate 20a because the displacement substrate 20a is made of metal. Therefore, the displacement electrodes 21a to 24a are provided via an insulating layer 25a made of a material such as glass or ceramic.
Is formed on the displacement substrate 20a. The displacement substrate 2
In order to make the Oa flexible, the thickness of the Oa may be reduced, or the Oa may be corrugated so as to be easily deformed.

【0030】図8に示す実施形態は、固定基板10b、
変位基板20b、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。変位基板
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、変位基板20bの上面
には、金属からなる変位電極21b〜24bが形成され
ている。変位基板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し、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。
In the embodiment shown in FIG. 8, the fixed substrate 10b,
This is an example in which an insulator such as glass or ceramic is used for all of the displacement substrate 20b and the working body 30b. The displacement substrate 20b and the working body 30b are formed integrally. The device housing 40 is formed of metal or plastic, and is fixedly supported by fitting the periphery of each substrate into a support groove 41 formed on the inner surface. Fixed electrodes 11b made of metal are formed on the lower surface of the fixed substrate 10b, and displacement electrodes 21b to 24b made of metal are formed on the upper surface of the displacement substrate 20b. In order to make the displacement substrate 20b flexible,
The thickness may be reduced, or a synthetic resin having flexibility may be used instead of glass or ceramic. Alternatively, deformation may be facilitated by partially providing a through hole.

【0031】図9に示す実施形態は、固定基板10c、
変位基板20c、作用体30c、のすべてにシリコンな
どの半導体を使用した例である。変位基板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。固定基板10cの下面内部に位置する固定電極11
c、および変位基板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。変位基板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。
In the embodiment shown in FIG. 9, the fixed substrate 10c,
This is an example in which a semiconductor such as silicon is used for all of the displacement substrate 20c and the acting body 30c. The displacement substrate 20c and the working body 30c are formed integrally. The device housing 40 is
The periphery of each substrate is fitted and fixedly supported by a support groove 41 formed of metal or plastic and formed on the inner surface. Fixed electrode 11 located inside the lower surface of fixed substrate 10c
c and the displacement electrodes 21c to 24c located inside the upper surface of the displacement substrate 20c are formed by diffusing impurities at a high concentration. In order to make the displacement substrate 20c flexible, the thickness may be reduced or a through hole may be provided partially.

【0032】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、各構成要素にこ
れらの材料の組み合わせを用いてもかまわない。
As described above, an example using a metal, an insulator, or a semiconductor as a material of each component has been described, but a combination of these materials may be used for each component.

【0033】§3. 三軸方向成分を独立した電極で検
出する実施形態 前述した基本的な実施形態では、図6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±F
y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、二軸
の方向成分を検出していた。ここで述べる実施形態で
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。図10に、この実施形態で用いる変位基板
20dの上面図を示す。図2(b) に示す基本的な実施形
態における変位基板20と比べ、局在電極の形成パター
ンがやや複雑であり、合計で8枚の局在電極が形成され
ている。この8枚の局在電極は、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極21dと21eで
あり、第2のグループに属する局在電極は、Y軸の正方
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2
3dと23eであり、第4のグルー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。
§3. Detects triaxial components with independent electrodes
Embodiments to be Issued In the basic embodiment described above, the detection circuit as shown in FIG. 6 has been described. In this detection circuit, ± Fx or ± F
The same capacitor is used for detecting y and the capacitor for detecting ± Fz. In other words, biaxial direction components have been detected by using a single localized electrode. In the embodiment described here, the triaxial components are detected by completely independent dedicated electrodes. FIG. 10 shows a top view of the displacement substrate 20d used in this embodiment. As compared with the displacement substrate 20 in the basic embodiment shown in FIG. 2B, the pattern of forming the localized electrodes is slightly more complicated, and a total of eight localized electrodes are formed. The eight localized electrodes are basically divided into four groups. The localized electrodes belonging to the first group are the electrodes 21d and 21e arranged in the negative direction of the X axis, and the localized electrodes belonging to the second group are the electrodes 22d arranged in the positive direction of the Y axis. 22e, and the localized electrodes belonging to the third group are the electrodes 2 arranged in the positive direction of the X-axis.
3d and 23e, and the localized electrodes belonging to the fourth group are the electrodes 24d and 24e arranged in the negative direction of the Y-axis.

【0034】いま、図10でドットによるハッチングを
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
るハッチングを施した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C1′〜C
4′とする。そして、これら8つの容量素子について、
図11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C1〜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±Fyの検出値を出力するのは、前述の基本的な実施
形態と同じである。この実施形態の特徴は、4つの静電
容量C1′〜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V5を発生させ、これを±F
zの検出値として出力する点である。この検出原理を、
図10に示す局在電極について考えてみると、電極21
dと23dによって±Fxが検出され、電極22dと2
4dによって±Fyが検出され、電極21e,22e,
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。
Now, in FIG. 10, the capacitances of the four capacitive elements composed of a combination of each of the four electrodes 21d to 24d hatched by dots and the fixed electrode 11 opposed thereto are denoted by C1 to C4, respectively. , The capacitances of the four capacitance elements formed by the combination of each of the four electrodes 21 e to 24 e hatched by oblique lines and the fixed electrode 11 opposed thereto are represented by C 1 ′ to C 1, respectively.
4 '. And about these eight capacitive elements,
A detection circuit as shown in FIG. 11 is configured. Here, the converters 51 to 54 convert the capacitances C1 to C4 into voltages V1 to V4.
The differential amplifiers 55 and 56 are circuits for amplifying and outputting the difference between the two input voltage values. The differential amplifiers 55 and 56 output ± Fx and ± Fy detection values, respectively, as in the above-described basic embodiment. The feature of this embodiment is that four capacitances C1 'to C4' are connected in parallel, and a voltage V5 corresponding to the sum of the capacitances is generated by a converter 58, and this voltage is ± F
This is the point of outputting as the detected value of z. This detection principle,
Consider the localized electrode shown in FIG.
± Fx is detected by d and 23d, and electrodes 22d and 2d are detected.
± Fy is detected by 4d, and the electrodes 21e, 22e,
± Fz is detected by 23e and 24e. In this manner, the components in the three axial directions can be detected by the independent electrodes.

【0035】以上、説明の便宜上、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
には図11の回路図から明らかなように、電極21e〜
24e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20d上で一体形成
してもよい。
As described above, for convenience of explanation, the electrodes 21e to 24e
Have been shown with independent electrodes, but in practice, as is clear from the circuit diagram of FIG.
The capacitance element constituted by 24e is connected in parallel. Therefore, these four electrodes may be integrally formed on the flexible substrate 20d.

【0036】本実施形態は、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、図10にお
いて、図の斜線によるハッチングを施した電極21e,
22e,23e,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。
この実施形態では、図10の斜線によるハッチング領域
と、ドットによるハッチング領域と、の面積比を調整す
ることにより、三軸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。
This embodiment is convenient when adjusting the detection sensitivity for each axial component. For example, in FIG. 10, hatched electrodes 21e, 21e,
If the area of 22e, 23e, 24e is increased, the detection sensitivity in the Z-axis direction can be increased. In general, in an apparatus capable of detecting components in three axial directions, it is preferable that the detection sensitivity of each of the three axes is designed to be substantially equal.
In this embodiment, the detection sensitivities of the three axes can be made substantially equal by adjusting the area ratio between the hatched area indicated by oblique lines in FIG. 10 and the hatched area indicated by dots.

【0037】§4. 電極の形成パターンを変えた実施
形態 前述した基本的な実施形態では、図2(a) 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、変位基板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、変位基板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、必ずしも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、
図12に示す変位基板20f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できないが、
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、一次元についての検出のみ
を行うのであれば、両基板ともにそまた、電極の形状も
円や扇形に限らずど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。
§4. Implementation with changing electrode formation pattern
In the basic embodiment described above, as shown in FIG. 2A, the fixed electrode 11 formed on the fixed substrate 10 is a single common electrode, and the four fixed electrodes formed on the displacement substrate 20 are four. Of localized electrodes 21 to 24. The present invention is not limited to such a configuration, and may have a completely opposite configuration. That is, the fixed electrodes 11 formed on the fixed substrate 10 may be four localized electrodes, and the displacement electrodes formed on the displacement substrate 20 may be one common electrode. Alternatively, it is also possible to form four localized electrodes on each of the substrates. Further, the number of localized electrodes formed on one substrate is not necessarily required to be four. For example, eight or sixteen localized electrodes may be formed. Also,
As in a displacement substrate 20f shown in FIG. 12, only two localized electrodes 21f and 23f may be formed.
In this case, it is not possible to detect the component in the Y-axis direction,
Detection in two dimensions consisting of the X-axis direction component and the Z-axis direction component is possible. Furthermore, if only one-dimensional detection is performed, the shape of the electrodes on both substrates is not limited to a circle or a sector, but may be any shape. Each substrate does not necessarily have to be disk-shaped.

【0038】§5. テスト機能をもった実施形態 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、テスト系が大掛かりとなる。
§5. Embodiment with Test Function Generally, when mass-producing some detection device and putting it on the market,
In a test process before shipping, an operation for confirming a normal detection operation is performed. In the acceleration detection device described above,
It is preferred to test before shipping. In order to test the acceleration detecting device, it is general to actually apply acceleration and check an electric signal output at this time. However, such a test requires equipment for generating acceleration, and the test system becomes large.

【0039】以下に述べる実施形態では、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。図13は、このテスト機能をもった実施
形態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、変位
基板70、作用体75、補助基板80、そして装置筐体
40である。図14に、固定基板60の下面図を示す。
図14の固定基板60をX軸に沿って切断した断面が図
13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。変位
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。この変位基板
70の下面には、円柱状をした作用体75が同軸接合さ
れている。変位基板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。この実施形
態の特徴は、この他に、更に補助基板80を設けた点で
ある。図15に、この補助基板80の上面図を示す。図
15の補助基板80をX軸に沿って切断した断面が図1
3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、図15に一点鎖線で示すように、作用体7
5が挿通する。補助基板80の上面には、ガラスなどの
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、変位基板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、変位基板70は、作用体75と一体に形成
された金属塊であるが、その上面は、固定電極61〜6
4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1枚の補助電極とし
て作用する。
In the embodiment described below, a test before shipment can be performed without using such a large-scale test system. FIG. 13 is a side sectional view showing the structure of the acceleration detecting device according to the embodiment having the test function. The main components of this device are a fixed substrate 60, a displacement substrate 70, an operating body 75, an auxiliary substrate 80, and a device housing 40. FIG. 14 shows a bottom view of the fixed substrate 60.
FIG. 13 shows a cross section of the fixed substrate 60 of FIG. 14 cut along the X-axis. The fixed substrate 60 is a metal disk-shaped substrate, and the periphery thereof is fixed to the device housing 40. On this lower surface, four quadrant-shaped fixed electrodes 61 to 64 are formed via an insulating layer 65 such as glass. The displacement substrate 70 is a flexible metal disk, and the periphery thereof is also fixed to the device housing 40. A columnar acting body 75 is coaxially joined to the lower surface of the displacement substrate 70. The upper surfaces of the displacement substrates 70 are fixed electrodes 61 to 64.
Is formed as one displacement electrode. The feature of this embodiment is that an auxiliary substrate 80 is further provided. FIG. 15 shows a top view of the auxiliary substrate 80. FIG. 1 is a cross-sectional view of the auxiliary substrate 80 of FIG. 15 cut along the X axis.
It is shown in FIG. The auxiliary substrate 80 is a metal disk-shaped substrate having a circular through hole formed in the center as shown in the figure, and the periphery is fixed to the device housing 40. As shown by the dashed line in FIG.
5 is inserted. On the upper surface of the auxiliary substrate 80, four auxiliary electrodes 81 to 84 are formed via an insulating layer 85 such as glass. Note that the lower surface of the displacement substrate 70 constitutes one auxiliary electrode facing the auxiliary electrodes 81 to 84.
As described above, the displacement substrate 70 is a metal lump formed integrally with the operating body 75, and the upper surface thereof is fixed to the fixed electrodes 61 to 6.
4 acts as a single displacement electrode facing the electrode 4, and its lower surface acts as a single auxiliary electrode facing the auxiliary electrodes 81 to 84.

【0040】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(変位基板70の上
面)とによって、4組の容量素子が形成でき、これらの
静電容量の変化に基づいて、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(変位基板7
0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、加速度が作用したのと
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、変位基板70が所定方向に撓むことに
なる。たとえば、図13において、変位基板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
ロン力に基づく引力が作用し、変位基板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、図3に示すようなX軸方向の力Fxが作用した
ときと同じように変位基板70が撓みを生じることにな
る。また、変位基板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、図4に示すようなZ軸方向の力Fzが作用したと
きと同じように変位基板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価な
状態をつくり出すことが可能になる。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が
できる。
According to such a configuration, the fixed electrodes 61 to 61
64 and a displacement electrode (upper surface of the displacement substrate 70) opposed thereto, four sets of capacitance elements can be formed, and the acceleration applied to the action body 75 can be detected based on the change in the capacitance. Can be performed as described above. Further, the auxiliary electrodes 81 to 84 and the displacement electrodes (the displacement substrate 7)
(Lower surface of 0), four sets of capacitive elements can be formed to detect acceleration. The feature of this device is that it is possible to create a state equivalent to the acceleration applied without actually applying the acceleration. That is, when a predetermined voltage is applied between the electrodes, a Coulomb force acts between the two, and the displacement substrate 70 bends in a predetermined direction. For example, in FIG. 13, when voltages of different polarities are applied to the displacement substrate 70 and the electrode 63, an attractive force based on Coulomb force acts between the two, and the displacement substrate 70 and the electrode 81 are applied.
If voltages of different polarities are applied to the above, an attractive force based on Coulomb force acts between the two. When such an attractive force acts, the displacement substrate 70 is moved in the same manner as when the force Fx in the X-axis direction acts as shown in FIG. 3 even if no force is actually acting on the acting body 75. Deflection will occur. Also, if a voltage of the same polarity is applied to the displacement substrate 70 and the electrodes 81 to 84, a repulsive force based on Coulomb force acts between the two, and even if no force is actually acting on the operating body 75, as shown in FIG. 4, the displacement substrate 70 bends in the same manner as when the force Fz in the Z-axis direction is applied. In this way, by applying a voltage of a predetermined polarity to each electrode, it is possible to create a state equivalent to the fact that forces in various directions actually act. Thus, the device can be tested without actually applying acceleration.

【0041】また、図13に示す補助基板80を付加し
た構造は、過度の加速度が加わった場合に、変位基板7
0が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。変位基板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がある。ところが、図13に
示す構造によれば、過度の力が加わった場合でも、変位
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、図13
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、撓んだ変位基板70の
上面または下面が固定電極61〜64または補助電極8
1〜84に当接し、それ以上の変位は生じない。また、
図13における上下方向(Z軸方向)に過度の加速度が
加わった場合、撓んだ変位基板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。
Further, the structure to which the auxiliary substrate 80 is added as shown in FIG.
There is also a secondary effect that the 0 can be prevented from being damaged. Although the displacement substrate 70 has flexibility, it may be damaged when an excessive force is applied. However, according to the structure shown in FIG. 13, even when an excessive force is applied, the displacement of the displacement substrate 70 is limited to a predetermined range, so that no excessive displacement until damage is caused. That is, FIG.
When an excessive acceleration is applied in the lateral direction (X or Y axis direction), the side surface of the acting body 75 contacts the inner surface of the through hole of the auxiliary substrate 80 and the upper or lower surface of the displaced displacement substrate 70 Fixed electrode 61 to 64 or auxiliary electrode 8
1 to 84, and no further displacement occurs. Also,
When an excessive acceleration is applied in the vertical direction (Z-axis direction) in FIG. 13, the upper surface or the lower surface of the displaced displacement substrate 70 abuts on the fixed electrodes 61 to 64 or the auxiliary electrodes 81 to 84, and any further displacement is caused. Does not occur.

【0042】図16は、図13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てある)。
固定基板60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。
FIG. 16 is a side sectional view showing a state where the acceleration detecting device having the structure shown in FIG. Between each electrode and the external terminals 91 to 93,
The electrodes are connected by bonding wires 94 to 96 (actually, electrically independent electrodes are respectively connected to dedicated external terminals by dedicated bonding wires, but only the main wiring is shown in the drawing. is there).
The upper surface of the fixed substrate 60 is joined to the inner top surface of the device housing 40, and is firmly held so as not to bend.

【0043】§6. 圧電素子を利用した本発明に係る
実施形態 これまで述べてきた種々の実施形態は、いずれも原出願
の発明に係る加速度検出装置の実施形態であり、加速度
に基づく力は変位電極と固定電極とで構成される容量素
子の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値などに変換する処理回路が
必要になる。これに対し、本願発明に係る加速度検出装
置は、容量素子の変わりに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。
§6. According to the present invention using a piezoelectric element
Embodiments The various embodiments described so far are all embodiments of the acceleration detecting device according to the invention of the original application, and the force based on the acceleration is the electrostatic capacitance of the capacitive element composed of the displacement electrode and the fixed electrode. Since the change is detected as a change in the capacitance value, a processing circuit for converting the capacitance value into a voltage value or the like is practically required. On the other hand, the acceleration detection device according to the present invention eliminates such a processing circuit by using a piezoelectric element instead of a capacitive element.

【0044】図17に、本発明に係る加速度検出装置の
一実施形態を示す。この実施形態の装置の基本的構成
は、前述した種々の実施形態と共通している。すなわ
ち、固定基板10fと変位基板20fとが対向して装置
筐体40内に取り付けられている。この実施形態では、
両基板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、変位基
板20fが撓むことになり、この結果、固定電極11
f,12fとこれに対向する変位電極21f,22fと
の距離が変化する。前述の実施形態では、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
形態ではこれを電圧値として検出できる。そのために、
固定電極11f,12fと変位電極21f,22f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、それぞれ圧電素子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、両電極からそのまま取り出すことができる
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。
FIG. 17 shows an embodiment of the acceleration detecting device according to the present invention. The basic configuration of the device of this embodiment is common to the various embodiments described above. That is, the fixed substrate 10f and the displacement substrate 20f are mounted inside the device housing 40 so as to face each other. In this embodiment,
Both substrates are insulators, but may be made of metal or semiconductor. When an external force acts on the action body 30f, the displacement substrate 20f bends. As a result, the fixed electrode 11
The distance between f, 12f and the displacement electrodes 21f, 22f opposed thereto changes. In the above-described embodiment, the change in the distance between the two electrodes is detected as a change in the capacitance. In the present embodiment, this can be detected as a voltage value. for that reason,
The piezoelectric elements 101 and 102 are formed so as to be sandwiched between the fixed electrodes 11f and 12f and the displacement electrodes 21f and 22f. The compression force acts on the piezoelectric elements 101 and 102 when the distance between the two electrodes is reduced, and the tensile force acts on the piezoelectric elements 101 and 102 when the distance between the electrodes is increased.
A voltage corresponding to each is generated by the piezoelectric effect.
Since this voltage can be directly taken out from both electrodes, the applied external force can be output directly as a voltage value.

【0045】圧電素子101,102としては、例え
ば、PZTセラミックス(チタン酸鉛とジルコン酸鉛と
の固溶体)を用いることができ、これを両電極間に機械
的に接続しておけばよい。図17には側断面のみが示さ
れているが、三次元の加速度を検出するには、図2(b)
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、図10に示す電極配置と同様に8組(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
組は1つにまとめることができる)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、図12
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、図16に
示す実施形態とほぼ同様の構成となるが、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。
As the piezoelectric elements 101 and 102, for example, PZT ceramics (solid solution of lead titanate and lead zirconate) can be used, and this may be mechanically connected between both electrodes. FIG. 17 shows only the side section, but in order to detect three-dimensional acceleration, FIG.
As in the case of the electrode arrangement shown in FIG. Alternatively, similarly to the electrode arrangement shown in FIG. 10, eight sets (substantially four of them are used to detect the force in the Z-axis direction).
(The set can be combined into one). In addition, to detect two-dimensional acceleration, FIG.
It is sufficient to arrange two sets of piezoelectric elements in the same manner as the electrode arrangement shown in FIG. Even when housed in a specific device housing 40, the configuration is almost the same as that of the embodiment shown in FIG.
93 output a voltage value directly.

【0046】図17に示す本実施形態の二次的な効果
は、圧電素子101,102が変位基板20f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
た場合でも変位基板20fは圧電素子101,102の
存在により所定限度までしか撓みを生じないので、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
た実施形態と同様に、両電極間にクーロン力を作用させ
た擬似テストを行うことも可能である。
A secondary effect of the present embodiment shown in FIG. 17 is that the piezoelectric elements 101 and 102 have a function of protecting the displacement substrate 20f. That is, even when an excessive force is applied, the displacement substrate 20f is bent only up to a predetermined limit due to the presence of the piezoelectric elements 101 and 102, and is not damaged. Further, similarly to the embodiment having the test function described above, it is also possible to perform a pseudo test in which Coulomb force is applied between both electrodes.

【0047】要するに、本分割出願に係る発明は、原出
願に係る発明における容量素子を圧電素子を利用した検
出素子に置換したものであり、このような置換を行え
ば、§1〜§5までに述べてきた種々の実施形態を、本
分割出願に係る発明の実施形態として適用することがで
きる。
In short, the invention according to the present divisional application is one in which the capacitive element in the invention according to the original application is replaced with a detecting element using a piezoelectric element. The various embodiments described above can be applied as embodiments of the invention according to the divisional application.

【0048】§7. その他の実施形態 以上、本発明をいくつかの実施形態に基づいて説明した
が、本発明はこれらの実施形態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、上述の実施形態では、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が、
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。
図18は、図16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。装置筐体40の下
面に貫通孔42が形成され、この貫通孔42には、作用
体75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、図16に示す加速度検出装置において、作
用体75を鉄、コバルト、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
適用しうるものである。
§7. Other Embodiments The present invention has been described based on some embodiments, but the present invention is not limited to only these embodiments and can be implemented in various other modes. In particular, in the above-described embodiment, the example in which the present invention is applied to the acceleration detection device that detects the acceleration applied to the operating object has been described.
The basic concept of the present invention resides in a mechanism for detecting a force acting on an acting body based on some physical phenomenon, and is applicable to a device for directly detecting a force instead of an acceleration.
FIG. 18 is a side sectional view of a force detecting device having substantially the same structure as the acceleration detecting device shown in FIG. A through-hole 42 is formed in the lower surface of the device housing 40, and a tentacle 76 extending from the operating body 75 is inserted into the through-hole 42. Thus,
The force acting on the tip of the touch element 76 can be directly detected. In addition, in the acceleration detecting device shown in FIG. 16, if the operating body 75 is formed of a magnetic material such as iron, cobalt, or nickel, when the operating body 75 is placed in a magnetic field, a force based on magnetism is applied to the operating body 75. Because it acts, it is possible to detect magnetism. As described above, the present invention is also applicable to a magnetic detection device.

【0049】[0049]

【発明の効果】以上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の間に挟まれた圧
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。
As described above, according to the force detecting device of the present invention, the output of the piezoelectric element sandwiched between the displacement electrode displaced by the force to be detected and the fixed electrode opposed thereto is fixed. , The detection of the force is performed based on the above, so that a detection device capable of detecting a physical quantity such as force, acceleration, magnetism, etc. without performing temperature compensation can be realized at low cost.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本願の原出願に係る発明の基本的な実施形態に
係る加速度検出装置の構造を示す側断面図である。
FIG. 1 is a side sectional view showing a structure of an acceleration detecting device according to a basic embodiment of the invention according to the original application of the present application.

【図2】(a) は図1に示す装置における固定基板の下面
図、(b) は図1に示す装置における変位基板の上面図で
ある。
2A is a bottom view of a fixed substrate in the device shown in FIG. 1, and FIG. 2B is a top view of a displacement substrate in the device shown in FIG.

【図3】図1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である。
FIG. 3 is a side sectional view showing a state where a force Fx in an X-axis direction acts on the device shown in FIG. 1;

【図4】図1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である。
FIG. 4 is a side sectional view showing a state where a force Fz in a Z-axis direction acts on the device shown in FIG. 1;

【図5】図1に示す装置における力検出原理を示す図表
である。
FIG. 5 is a table showing the principle of force detection in the device shown in FIG.

【図6】図1に示す装置に適用するための検出回路図で
ある。
FIG. 6 is a detection circuit diagram for application to the device shown in FIG. 1;

【図7】図1に示す装置における各基板を金属材料によ
って構成した実施形態を示す図である。
FIG. 7 is a diagram showing an embodiment in which each substrate in the apparatus shown in FIG. 1 is made of a metal material.

【図8】図1に示す装置における各基板を絶縁材料によ
って構成した実施形態を示す図である。
8 is a diagram showing an embodiment in which each substrate in the apparatus shown in FIG. 1 is made of an insulating material.

【図9】図1に示す装置における各基板を半導体材料に
よって構成した実施形態を示す図である。
9 is a diagram showing an embodiment in which each substrate in the apparatus shown in FIG. 1 is made of a semiconductor material.

【図10】図1に示す装置の変形例に係る加速度検出装
置の変位基板の上面図である。
FIG. 10 is a top view of a displacement board of an acceleration detection device according to a modification of the device shown in FIG.

【図11】図10に示す装置に適用するための検出回路
図である。
11 is a detection circuit diagram applied to the device shown in FIG.

【図12】二次元についてのみの検出を行う実施形態の
変位基板の上面図である。
FIG. 12 is a top view of a displacement substrate according to an embodiment that performs detection only in two dimensions.

【図13】テスト機能をもった実施形態に係る加速度検
出装置の構造を示す側断面図である。
FIG. 13 is a side sectional view showing the structure of the acceleration detection device according to the embodiment having a test function.

【図14】図13の装置における固定基板の下面図であ
る。
FIG. 14 is a bottom view of a fixed substrate in the apparatus of FIG.

【図15】図13の装置における補助基板の上面図であ
る。
FIG. 15 is a top view of an auxiliary substrate in the apparatus of FIG.

【図16】図13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。
16 is a side sectional view showing a state where the acceleration detecting device having the structure shown in FIG.

【図17】本発明に係る圧電素子を利用した加速度検出
装置の一実施形態の構造を示す側断面図である。
FIG. 17 is a side sectional view showing a structure of an embodiment of an acceleration detecting device using a piezoelectric element according to the present invention.

【図18】図16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。
18 is a side sectional view of a force detection device having substantially the same structure as the acceleration detection device shown in FIG.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

10…固定基板 11…固定電極 20…変位基板 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 65…絶縁層 70…変位基板 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…ボンディングワイヤ 101,102…圧電素子 P…作用点 DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Fixed board 11 ... Fixed electrode 20 ... Displacement board 21-24 ... Displacement electrode 25 ... Insulating layer 30 ... Working body 40 ... Device housing 41 ... Support groove 42 ... Through-hole 51-54 ... Converter 55, 56 ... Difference Dynamic amplifier 57 ... Adder 58 ... Converter 60 ... Fixed substrate 61-64 ... Fixed electrode 65 ... Insulating layer 70 ... Displacement substrate 75 ... Working body 76 ... Tactor 80 ... Auxiliary substrate 81-84 ... Auxiliary electrode 85 ... Insulating layer 91 to 93 external terminals 94 to 96 bonding wires 101 and 102 piezoelectric elements P operating points

Claims (9)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 装置筐体と、 この装置筐体に固定された固定基板と、 この固定基板に対向する位置に設けられた変位基板と、 外部からの力を受け、この力を前記変位基板に伝達する
ことにより前記変位基板を変位させる作用体と、 前記固定基板と前記変位基板との間に位置する圧電素子
と、 前記変位基板と前記圧電素子との間に形成された変位電
極と、 前記固定基板と前記圧電素子との間に形成された固定電
極と、 を備え、 前記圧電素子は、前記変位基板の変位に基づいて加えら
れる圧力を電気信号に変換し、この電気信号を前記変位
電極および前記固定電極間の電圧値として出力する機能
を有し、 前記変位電極または前記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検出素子を形成
し、これら各検出素子から出力される電圧値に基づい
て、前記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。
An apparatus housing, a fixed substrate fixed to the device housing, a displacement substrate provided at a position opposed to the fixed substrate, and a force received from the outside, the force being applied to the displacement substrate An actuator for displacing the displacement substrate by transmitting the displacement substrate, a piezoelectric element positioned between the fixed substrate and the displacement substrate, a displacement electrode formed between the displacement substrate and the piezoelectric element, A fixed electrode formed between the fixed substrate and the piezoelectric element, wherein the piezoelectric element converts a pressure applied based on the displacement of the displacement substrate into an electric signal, and converts the electric signal into the displacement. It has a function of outputting as a voltage value between an electrode and the fixed electrode, and one or both of the displacement electrode and the fixed electrode are constituted by a plurality of electrically independent localized electrodes, and are opposed to each other. electrode Forming a plurality of detecting elements, and detecting a force acting on the working body for each multidimensional component based on a voltage value output from each of the detecting elements. apparatus.
【請求項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、一方の電極形成面上の所定軸に沿って所定間隔をお
いて配された2組の局在電極により構成し、この2組の
局在電極を用いてそれぞれ2つのグループの検出素子を
形成し、 前記2つのグループの検出素子から出力される電圧値の
差によって前記所定軸方向成分の力を検出し、 前記2つのグループの検出素子から出力される電圧値の
和によって前記電極形成面に直交する軸方向成分の力を
検出するようにしたことを特徴とする力検出装置。
2. The force detecting device according to claim 1, wherein one or both of the displacement electrode and the fixed electrode are arranged at a predetermined interval along a predetermined axis on one of the electrode forming surfaces. The two sets of localized electrodes are used to form two groups of detection elements, respectively, and the predetermined axis is determined by a difference between voltage values output from the two groups of detection elements. A force detecting device for detecting a force of a directional component, and detecting a force of an axial component orthogonal to the electrode forming surface by a sum of voltage values output from the two groups of detecting elements. .
【請求項3】 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、一方の電極形成面上で直交する第1の軸および第2
の軸について両軸の交点を原点としたときに、各軸のそ
れぞれ正および負方向に配された4組の局在電極により
構成し、この4組の局在電極を用いてそれぞれ4つのグ
ループの検出素子を形成し、 前記4つのグループの検出素子のうち前記第1の軸上に
ある2つのグループに属する検出素子から出力される電
圧値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つのグループの検出素子のうち前記第2の軸上に
ある2つのグループに属する検出素子から出力される電
圧値の差によって前記第2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。
3. The force detection device according to claim 1, wherein one or both of the displacement electrode and the fixed electrode are connected to a first axis and a second axis orthogonal to each other on one electrode forming surface.
When the intersection point of both axes is set as the origin, the axis is composed of four sets of localized electrodes respectively arranged in the positive and negative directions of each axis, and four groups are respectively formed by using the four sets of localized electrodes. And detecting the force of the first axial component by the difference between the voltage values output from the detection elements belonging to two groups on the first axis among the four groups of detection elements. Detecting the force of the second axial component based on a difference between voltage values output from detection elements belonging to two groups on the second axis among the four groups of detection elements. A force detecting device characterized by:
【請求項4】 請求項3に記載の力検出装置において、 更に、4つのグループに属する検出素子から出力される
電圧値の和によって、第1の軸および第2の軸の双方に
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. The force detection device according to claim 3, further comprising: a fourth axis orthogonal to both the first axis and the second axis by a sum of voltage values output from the detection elements belonging to the four groups. 3. A force detecting device, wherein a force of an axial component of No. 3 is detected.
【請求項5】 請求項3に記載の力検出装置において、 4組の局在電極とは電気的に独立した5組目の局在電極
を更に設け、この5組目の局在電極を用いて第5グルー
プ目の検出素子を構成し、この第5グループ目の検出素
子から出力される電圧値によって、第1の軸および第2
の軸の双方に直交する第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。
5. The force detecting device according to claim 3, further comprising a fifth set of localized electrodes electrically independent of the four sets of localized electrodes, and using the fifth set of localized electrodes. To form a fifth group of detection elements, and the first axis and the second axis are determined by the voltage value output from the fifth group of detection elements.
A force of a third axial component orthogonal to both of the axes.
【請求項6】 請求項1〜5のいずれかに記載の力検出
装置において、 固定基板、変位基板、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、 前記変位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変位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変位基板に変位を生
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。
6. The force detecting device according to claim 1, further comprising: an auxiliary substrate provided so that the fixed substrate, the displacement substrate, and the auxiliary substrate are arranged facing each other in this order. Forming a first auxiliary electrode on a surface of the auxiliary substrate facing the auxiliary substrate, forming a second auxiliary electrode on a surface of the auxiliary substrate facing the displacement substrate, between the first auxiliary electrode and the second auxiliary electrode, or A predetermined voltage is applied between the displacement electrode and the fixed electrode, and the displacement substrate is caused to displace by the Coulomb force acting between the two, so that the displacement substrate can be kept in a state equivalent to an externally applied force. A force detecting device, characterized in that:
【請求項7】 請求項6に記載の力検出装置において、 変位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、この導電性の変位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。
7. The force detection device according to claim 6, wherein the displacement substrate is made of a conductive material, and the first auxiliary electrode and the displacement electrode are formed by a part of the conductive displacement substrate. A force detecting device characterized by the above-mentioned.
【請求項8】 請求項1〜7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. The detecting device according to claim 1, wherein the acceleration can be detected by detecting a force generated based on the acceleration acting on the operating body. Acceleration detection device.
【請求項9】 請求項1〜7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。
9. The detecting device according to claim 1, wherein the operating member is made of a magnetic material, and a force generated based on a magnetic force acting on the operating member is detected, thereby detecting a magnetic force. A magnetic detection device capable of performing detection.
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