WO1996038732A1

WO1996038732A1 - Detecteur d'acceleration

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Publication number: WO1996038732A1
Application number: PCT/JP1996/001439
Authority: WO
Inventors: Kazuhiro Okada
Original assignee: Wacoh Corporation
Priority date: 1995-05-31
Filing date: 1996-05-29
Publication date: 1996-12-05
Also published as: EP0773444A4; EP0773444A1; US5856620A; JPH0949856A

Description

明細書加速度センサ技術分野

本発明は加速度センサ、特に、地震や自動車の衝突に基く加速度を検出するのに適した加速度センサに関する。背景技術

物体の運動を把握する上で、加速度の検出は重要な意味をもつ。このため、従来から種々の加速度センサが提案されている。特に、最近では、二次元あるいは三次元の加速度を各方向成分ごとに検出することが可能な多次元加速度センサが注目を集めている。たとえば、特許協力条約に基く国際公開公報第 WO88 08522号には、ピエゾ抵抗素子を用いた三次元加速度センサが開示されている。このセンサでは、複数のピェゾ抵抗素子を半導体基板上の特定の位置に形成することにより、 XY Z三次元座標系における各座標軸方向の加速度成分をそれぞれ独立して検出することができる。また、国際公開公報第 WO 91Z101 18号や同第 WO 92/17759号公報には、静電容量素子を用いた三次元加速度センサが開示されており、国際公開公報第 W093Z02342 号公報には、圧電素子を用いた三次元加速度センサが開示されている。これらのセンサでは、複数の電極を特定の位置に形成することにより、やはり XY Z三次元座標系における各座標由方向の加速度成分をそれぞれ独立して検出することができる。このような三次元加速度センサでは、単一のセンサによって、作用した加速度の各座標軸方向成分のすべてをそれぞれ独立して検出することができるため、検出対象となる加速度を三次元空間内でのべクトル量として特定することができる。したがって、このような三次元加速度センサは、三次元空間内を移動中の物体、走行中の車両、飛行中の航空機、などに作用する加速度を、その方向を含めて正確に検出する用途に広く利用可能であり、今後も、その利用価値は高まってゆくものと期待されている。

—方、加速度センサは、地震計や衝撃計としても利用可能である。たとえば、都市ガスの制御弁やエレベータの制御装置には、地震計として機能する加速度センサが内蔵されており、地震の振動に基く加速度が所定のしきい値を越えた場合には、ガスの供給を停止させたり、エレべ一夕の運転を中止させたりする制御が行われている。また、最近急速に普及し始めたエアバッグ付きの自動車では、衝撃計として機能する加速度センサが搭載されており、衝撃に基く加速度が所定のしきい値を越えた場台には、エアバッグを瞬時に膨らませてドライバ一を保護する機能が働くようなしくみになつている。ただ、このような地震計や衝撃計として現在のところ用いられている加速度センサは、上述した三次元加速度センサではなく、たとえば、鋼鉄球が椀状容器から飛び出すか否かによつて、しきい値以上の加速度が作用したか否かを判断するような機械式のセンサが主流である。

上述したように、地震計や衝撃計として利用されている加速度センサは、現在のところ機械式のものが主流である力《、このような機械式の加速度センサは検出精度や信頼性が低く、また、検出結果を電気的に取り出すことが困難であるという問題がある。一方、ピエゾ抵抗素子、容量素子、圧電素子を用いた三次元加速度センサは、高い検出精度および信頼性をもち、かつ、電気的に検出結果を取り出すことが可能である。しかしながら、地震計や衝撃計としての用途では、必ずしもこのような三次元の加速度センサが必要とされるものではなく、逆に、従来の三次元の加速度センサでは使いにくい場合さえある。

たとえば、地震の震度を測定する用途では、地震によるいわゆる「横揺れ（水平方向の振動）」と「縦揺れ（垂直方向の振動）」とをそれぞれ独立して検出する機能があれば十分である。このとき、「横揺れ」の大きさおよび「縦揺れ」の大きさが直接的に検出できることが望ましい _c 一般に、地震における「横揺れ」は S波と呼ばれている振動波に起因する揺れであり、「縦揺れ」は P波と呼ばれている振動波に起因する揺れであることが知られており、 S波の大きさと P波の大きさとをそれぞれ独立して検出することさえできれば、地震計として十分に機能するのである。すなわち、ある測定地点において、水平面上に X Y平面を、鉛直方向に Z軸を、それぞれ有する X Y Z三次元座標系を定義すれば、地震計としては、 X Y平面に沿った方向の振動（横揺れ）の大きさと Z軸に沿った方向の振動（縦揺れ）の大きさとが測定できれば十分である。

もちろん、従来提案されている三次元加速度センサを用いても、このような測定は可能である。従来の三次元加速度センサを用いれば、たとえば、「北北東の方向を向いた横揺れ」というように、同じ横揺れであつても、その方向までも特定した検出が可能になる。しかしながら、都市ガスの供給制御やエレベータの運転制御を行う上では、横揺れの方位までも特定する必要はない。「北北東の方向を向いた横揺れ」であろう力、「南東の方向を向いた横揺れ」であろうが、その横揺れの大きさが所定のしきい値以上であった場合には、都市ガスの供給やエレベータの運転を停止する必要があり、横揺れの大きささえ検出できれば、地震計に用いる加速度センサとしての機能を十分に果たすことができる。また、従来の三次元加速度センサでは、 X Y Z三次元座標系における加速度について、 X軸方向成分 α; χ、 Υ $ή方向成分 o; y、 Z軸方向成分が、それぞれ別個独立して検出されるため、たとえば、 Χ Υ平面に沿った横揺れの大きさを得るには、 α X ²と a y ムとの和を求め、この和の平方根を求める演算が必要になる。

このように、従来の三次元加速度センサを、地震計として用いることは可能ではあるが、構造が複雑で、また、地震計として利用するための演算回路などが必要になるため、全体的にコス卜が高くなるという問題が生じる。特に、都市ガスの供給制御やエレべ一夕の運転制御への利用を考えると、各家庭のガスメータや各エレベータの制御装置内にそれぞれ設置する必要性があり、単純な構造をもった低コストの加速度センサが望まれる。

このような事情は、自動車のエアバッグを動作させるための衝撃計として用いる加速度センサにおいても同様である。自動車の走行面を X Y 平面とすれば、自動車の衝突によって生じる衝撃は、 X Y平面に沿った加速度成分を主とするものであり、 Z軸に沿った加速度成分は無視してよい。また、正面衝突であろうが、側面衝突であろうが、ドライバーを危険にさらす衝撃が加わる点では同じであり、どのような方向の衝突であろうとも、エアバッグを膨らませてドライバーを保護する必要があることに変わりはない。したがって、 X Y平面に沿った方向の加速度の大きさが検出できれば十分であり、その方向までも正確に検出する必要はない。

そこで本発明は、所定の一平面に含まれる方向を向いた加速度の大きさを電気信号として検出するのに適した加速度センサを提供することを目的とする。発明の開示

(1) 本発明の第 1の態様は、加速度センサにおいて、

センサ筐体と、

このセンサ筐体に固着された固定基板と、

この固定基板の下方に所定距離をおいて、かつ固定基板に対向するように配置された変位基板と、

この変位基板の周囲をセンサ筐体に対して弾力性をもって支持する支持手段と、

変位基板に固着され、検出対象となる加速度の作用により、支持手段に弾性変形を誘発させるのに十分な質量をもつた重錘体と、

固定基板の下面に形成され、環状形状をした環状固定電極と、変位基板の上面に形成され、環状固定電極に対する対向電極として機能する環状変位電極と、

環状固定電極と環状変位電極とによって形成される環状容量素子の静電容量値の変動分 V 1に基いて、固定基板の主面に平行な方向に作用する加速度の大きさを示す電気信号を出力する検出回路と、

を設けたものである。

(2) 本発明の第 2の態様は、上述の第 1の態様に係る加速度センサにおいて、

固定基板下面の環状固定電極の内側領域内に配置された中央部固定電極と、

変位基板 _jl面の環状変位電極の内側領域内に配置され、中央部固定電極に対する対向電極として機能する中央部変位電極と、

を更に設け、

検出回路が、中央部固定電極と中央部変位電極とによって形成される中央部容量素子の静電容量値の変動分 V 2を用いて、環状容量素子の静電容量値の変動分 V 1に対する補正を行い、補正後の値に基いて、固定基板の主面に平行な方向に作用する加速度の大きさを示す電気信号を出力するようにしたものである。

(3) 本発明の第 3の態様は、上述の第 2の態様に係る加速度センサにおいて、

検出回路が、更に、中央部容量素子の静電容量値の変動分 V 2に基いて、固定基板の主面に垂直な方向に作用する加速度の大きさを示す電気信号を出力するようにしたものである。

(4) 本発明の第 4の態様は、上述の第 2または第 3の態様に係る加速度センサにおいて、

環状固定電極、環状変位電極、中央部固定電極、中央部変位電極のそれぞれを、重錘体の重心を通り固定基板の主面に対して垂直な中心軸に関してほぼ回転対称となるような形状としたものである。

(5) 本発明の第 5の態様は、上述の第 2〜4の態様に係る加速度センサにおいて、

環状容量素子を構成する一対の電極の電極間距離 d 1と、中央部容量素子を構成する一対の電極の電極間距離 d 2と、が等しくなるような構造とし、環状容量素子を構成する各電極の面積 S 1と、中央部容量素子を構成する各電極の面積 S 2と、を用いて、環状容量素子の静電容量値の変動分 V 1に対して、

V s = V I - ( S 1 / S 2 ) · V 2

なる補正演算を行うことによって得られる値 V sに基いて、固定基板の主面に平行な方向に作用する加速度の大きさを示す電気信号を出力するようにしたものである。

(6) 本発明の第 6の態様は、上述の第 2〜4の態様に係る加速度センサにおいて、

環状容量素子を構成する一対の電極の電極間距離 d 1と、中央部容量素子を構成する一対の電極の電極間距離 d 2と、環状容量素子を構成する各電極の面積 S 1と、中央部容量素子を構成する各電極の面積 S 2と. の間に、

S 1 / ( d 1 ) == S 2 / ( d 2 ) " なる関係が成り立つ構造とし、環状容量素子の静電容量値の変動分 V 1 に対して、

C s = V I ― V 2

(7) 本発明の第 7の態様は、上述の第 6の態様に係る加速度センサにおいて、

環状容量素子を構成する一対の電極の電極間距離 d 1と、中央部容量素子を構成する一対の電極の電極間距離 d 2と、が等しくなり、かつ、環状容量素子を構成する各電極の面積 S 1と、中央部容量素子を構成する各電極の面積 S 2と、が等しくなるような構造としたものである。

(8) 本発明の第 8の態様は、上述の第 2〜4の態様に係る加速度センサにおいて、

検出回路が、環状容量素子の静電容量値の変動分 V 1に対して所定の定数 K l 1を乗じて（Κ 1 1 · ν ΐ) を得る回路および所定の定数 Κ 2 1を乗じて（K 21 · V I) を得る回路と、中央部容量素子の静電容量値の変動分 V 2に対して所定の定数 Κ 12を乗じて（K 12 * V 2) を得る回路および所定の定数 Κ 22を乗じて（Κ22 · V 2) を得る回路と、（K l l ' V l) — (K 12 . V 2) なる演算を行って値 V sを得る回路と、（K21 * V 1) — (K 22 * V 2) なる演算を行って値 V pを得る回路と、を有し、

値 V sに基いて、固定基板の主面に平行な方向に作用する加速度の大きさを示す電気信号を出力し、

値 V pに基いて、固定基板の主面に垂直な方向に作用する加速度の大きさを示す電気信号を出力するようにしたものである。

(9) 本発明の第 9の態様は、上述の第 2または第 3の態様に係る加速度センサにおいて、

環状固定電極および環状変位電極を、重錘体の重心を通り固定基板の主面に対して垂直な中心軸に関して非回転対称となるような環状形状としたものである。

(10) 本発明の第 10の態様は、上述の第 2〜9の態様に係る加速度センサにおいて、環状変位電極および中央部変位電極を物理的に単一の共通電極によつて構成したものである。

(11) 本発明の第 1 1の態様は、上述の第 1 0の態様に係る加速度センサにおいて、

変位基板を導電性材料によって構成し、この変位基板の一部を単一の共通電極として用いるようにしたものである。

(12) 本発明の第 1 2の態様は、上述の第 2〜9の態様に係る加速度センサにおいて、

環状固定電極および中央部固定電極を物理的に単一の共通電極によつて構成したものである。

(13) 本発明の第 1 3の態様は、上述の第 1 2の態様に係る加速度センサにおいて、

固定基板を導電性材料によつて構成し、この固定基板の一部を単一の共通電極として用いたものである。

(14) 本発明の第 1 4の態様は、上述の第 1 ~ 1 3の態様に係る加速度センサにおいて、

可撓性基板に複数のスリットを形成することによりダイヤフラムを構成し、このダイヤフラムを変位基板および支持手段として用いるようにしたものである。

(15) 本発明の第 1 5の態様は、上述の第 1 4の態様に係る加速度センサにおいて、

可撓性基板の中心点を取り囲む環状線に沿つて形成された複数のスリットと、可撓性基板の中心点から外方へ向かう放射線に沿って形成された複数のスリツ卜と、を設け、スリツ卜相互の間隙部分によって、ダイャフラムの各部が物理的に接続されるような構造とし、

ダイヤフラムの周囲部分をセンサ筐体に固着し、スリット相互の間隙部分の弾性変形に基いて、ダイャフラムの中央部分に変位が生じる構造としたものである。

(16) 本発明の第 1 6の態様は、上述の第 1 4または第 1 5の態様に係る加速度センサにおいて、

可撓性基板を、その主面を含む平面内で所定角 0 ° 回転させたときに、スリツトのパターンが、回転前のパターンにほぼ一致するように、各スリットを形成するようにしたものである。図面の簡単な説明

第 1図は、本発明の基本的な実施例に係る加速度センサの主要部分の斜視図である。

第 2図は、第 1図に示す加速度センサの側断面図である。

第 3図は、第 1図に示す加速度センサの固定基板 1 0の下面図である < 第 4図は、第 1図に示す加速度センサの変位基板 2 0の上面図である _t 第 5図は、第 1図に示す加速度センサに X軸正方向の力 F Xが作用したときの動作を説明する側断面図である。

第 6図は、第 5図に示す状態における静電容量値の変化を示すための変位基板 2 0の上面図である。

第 7図は、静電容量素子における電極間距離 dと静電容量値 Cとの一般的な関係を示すグラフである。

第 8図は、第 1図に示す加速度センサに作用した加速度 α Xとセンサ出力との関係を示すグラフである。

0 第 9図は、第 1図に示す加速度センサに Z $由正方向の力 F zが作用したときの動作を説明する側断面図である。

第 1 0図は、第 1図に示す加速度センサに用いる検出回路の一例を示す回路図である。

第 1 1図は、第 1図に示す加速度センサの変形例の構造を示す側断面図である。

第 1 2図は、第 1図に示す加速度センサの変形例における変位基板 2 0の上面図である。

第 1 3図は、本発明の実用的な実施例に係る加速度センサに用いるダィャフラム 1 2 0の上面図である。

第 1 4図は、第 1 3図に示すダイヤフラム 1 2 0を用いた実施例に係る加速度センサの側断面図である。

第 1 5図は、第 1 4図に示す加速度センサにおける変位基板 1 1 0の下面図である。

第 1 6図は、第 1 4図に示す加速度センサに X軸正方向の力 F Xが作用したときの動作を説明する側断面図である。

第 1 7図は、本発明の別な実用的な実施例に係る加速度センサの側断面図である。

第 1 8図は、第 1 7図に示す加速度センサに用いる変位基板 2 2 0の上面図である。

第 1 9図は、第 1図に示す加速度センサに用いる検出回路の別な一例を示す回路図である。

第 2 0図は、自動車衝突時の衝撃センサとして用いる場合の検出感度の指向性を説明する図である。第 2 1図は、本発明に係る指向性をもった第 1の実施例に係る加速度センサの固定基板 1 0の下面図である。

第 2 2図は、本発明に係る指向性をもった第 2の実施例に係る加速度センサの固定基板 1 0の下面図である。

第 2 3図は、本発明に係る指向性をもった第 3の実施例に係る加速度センサの固定基板 1 0の下面図である。

第 2 4図は、本発明に係る指向性をもった第 4の実施例に係る加速度センサの固定基板 1 0の下面図である。発明を実施するための最良の形態

§ 0 . 本発明の基本原理

本発明に係る加速度センサでは、筐体内に固定基板と変位基板とが設けられ、固定基板側には環状固定電極が、変位基板側には環状変位電極力それぞれ形成される。両環状電極は、互いに対向するように配置され、環状容量素子が形成される。変位基板の周囲は支持手段によって弾性支持されており、力を加えることにより、変位基板は固定基板に対して傾斜したり、平行移動したりして変位可能である。変位基板には重錘体が固着されており、センサ筐体全体に加速度が作用すると、この加速度に基く力が重錘体に作用し、支持手段に弾性変形が生じることになる。その結果、変位基板は固定基板に対して変位する。

いま、固定基板の主面に対して平行な方向（横方向）の加速度が作用したとすると、変位基板が固定基板に対して傾斜することになり、環状容量素子の静電容量値に変化が生じる。よって、この静電容量値の変化に基いて、作用した加速度の大きさを検出することができる。ここで、各環状電極を、中心軸に関してほぼ回転対称となる形状にしておけば、この静電容量値の変化現象は、固定基板の主面に平行なあらゆる方向について等価な現象となる。したがって、固定基板の主面に平行などのような方向の加速度が作用したとしても、その大きさを等しく検出することが可能になる。また、各環状電極を意図的に非回転対称となる形状にしておけば、固定基板の主面に平行な方向によつて検出感度が異なる加速度センサが実現できる。

ただ、固定基板の主面に対して垂直な方向（縦方向）の加速度が作用した場合、両環状電極間の距離が変化するため、この場合にも環状容量素子の静電容量値に変化が生じることになる。したがって、縦方向の加速度も作用する可能性のある環境下で、横方向の加速度のみを正確に検出するためには、得られた静電容量値の変化から、縦方向の加速度に基く変化分を除去する補正を行う必要がある。そのために、環状固定電極の内側領域内に中央部固定電極が設けられ、環状変位電極の内側領域内に中央部変位電極が設けられる。これら一対の電極により、中央部容量素子が形成される。縦方向の加速度が作用すると、固定基板と変位基板との間の距離に変化が生じるため、中央部容量素子の静電容量値がこの距離変化に応じて変化することになる。したがって、中央部容量素子の静電容量値の変動分に基いて、環状容量素子の静電容量値に対する補正を行えば、縦方向の加速度成分を含まない横方向の加速度成分のみの出力が可能になる。もちろん、中央部容量素子の静電容量値の変動分を縱方向の加速度成分として出力すれば、縦横両方向の加速度検出が可能になる。

なお、各電極は、必ずしもそれぞれが物理的に独立した電極である必要はないので、たとえば、環状変位電極および中央部変位電極を物理的に単一の共通電極によって構成したり、あるいは、環状固定電極および中央部固定電極を物理的に単一の共通電極によつて構成したりすれば、構造を単純化することができる。更に、変位基板あるいは固定基板を導線性材料から構成すれば、これらの基板の一部を共通電極として利用することができ、構造を更に単純化することができる。

なお、変位基板および支持手段として、複数のスリツトが形成されたダイヤフラムを用いると、構造を単純化し製造コストを低減させることができる。特に、中心点を取り囲む環状線に沿って形成された複数のスリツトと、中心点から外方へ向かう放射線に沿って形成された複数のスリットと、を設けることにより、ダイヤフラムの撓みに関する方向性を均一化することが可能になり、横方向のあらゆる加速度をほぼ均等に検出することができるようになる。また、スリットのパターンが、所定角 0 ° 回転させたパターンにほぼ一致するようにしても、ダイヤフラムの橈みに関する方向性を均一化することが可能になり、横方向のあらゆる加速度をほぼ均等に検出することができるようになる。

§ 1 . 本発明の基本的な実施例の構造

第 1図に、本発明の基本的な実施例に係る加速度センサの主要部分の斜視図を示し、第 2図には、その側断面図を示す。第 1図に示されているように、この加速度センサは、円盤状の固定基板 1 0と、同じく円盤状の変位基板 2 0とを有し、変位基板 2 0の周囲には支持手段 3 0が取り付けられている。また、変位基板 2 0の下面には、円柱状の重錘体 4 0が固着されている。これらの構成要素は、いずれも円筒状のセンサ筐体 5 0 (第 1図には示されていない）内に収容されている。第 2図の側

4 断面図は、これらの構成要素を重錘体 4 0の重心 Gを通る中心軸 Wを含む平面で切断した断面を示すものである。この第 2図では、第 1図では示されていないセンサ筐体 5 0も示されている。第 2図を参照すればわかるように、 _A固定基板 1 0の周囲は、センサ筐体 5 0の内側に嵌合固着されている。別言すれば、円盤状の固定基板 1 0の周囲は、その全周にわたって、円筒状のセンサ筐体 5 0の内側に固着されていることになる _c 一方、変位基板 2 0は、その周囲に取り付けられた支持手段 3 0によつて、センサ筐体 5 0の内側に支持されている。支持手段 3 0は、変位基板 2 0の周囲をセンサ筐体 5 0に対して弾力性をもって支持する機能を有する。この基本的な実施例では、支持手段 3 0として 8本のばねを用いた例を示したが、実用上は、後述するように、スリットを有するダイャフラムなどを用いて、変位基板 2 0および支持手段 3 0を構成するのが好ましい。

このセンサ筐体 5 0に対して加速度が作用していない状態においては、第 2図に示すように、固定基板 1 0と変位基板 2 0とは、互いに所定距離をおいてほぼ平行な状態を保っている。ところが、センサ筐体 5 0に対して加速度が作用すると、重錘体 4 0の重心 Gに加速度に基く力が作用し、この力により支持手段 3 0が弾性変形し、変位基板 2 0は固定基板 1 0に対して変位するようになる。たとえば、この加速度センサを所定の地震観測地点に設置しておけば、地震が発生したときに、地震観測地点の振動に基いて重錘体 4 0に対して加速度が作用し、変位基板 2 0 が固定基板 1 0に対して変位するような振動が生じることになる。もちろん、重錘体 4 0は、検出対象となる加速度の作用により、支持手段 3 0に弾性変形を誘発させるのに十分な質量をもっていなければならない。

5 この加速度センサの感度は、支持手段 3 0の弾性係数と重錘体 4 0の質量とを適当に選択することにより調整可能である。

なお、説明の便宜上、ここでは第 1図の左下に示したような X Y Z三次元座標系を定義する。固定基板 1 0および変位基板 2 0の主面は、いずれもこの座標系における X Y平面に平行な面になる。また、ここでは、第 2図に示すように、重錘体 4 0の重心 Gを通り Z軸に平行な中心軸 W を定義しておく。この実施例では、固定基板 1 0、変位基板 2 0、重錘体 4 0、センサ筐体 5 0は、いずれもこの中心軸 Wに関して回転対称体となっている。理想的には、支持手段 3 0も中心軸 Wに関して回転対称となるような構造を採るのが好ましいが、この実施例では、 8本のばねによって支持手段 3 0を形成し、できるだけ回転対称に近い挙動が得られるようにしている。

さて、この加速度センサにおいて重要な点は、固定基板 1 0の下面および変位基板 2 0の上面に、それぞれ電極が形成されている点である。第 3図に固定基板 1 0の下面図を、第 4図に変位基板 2 0の上面図をそれぞれ示す。第 3図に示されているように、固定基板 1 0の下面には、環状固定電極 E 1 1および中央部固定電極 E 1 2が形成されている。また、第 4図に示されているように、変位基板 2 0の上面には、環状変位電極 E 2 1および中央部変位電極 E 2 2が形成されている。環状固定電極 E 1 1および環状変位電極 E 2 1は、いずれも円環状（いわゆるヮッシャ状、ドーナツ状）の電極であり、第 2図に示す中心軸 Wに関して回転対称となる形状を有し、回転対称となる位置に配置されている。一方、中央部固定電極 E 1 2および中央部変位電極 E 2 2は、いずれも円盤状の電極であり、やはり第 2図に示す中心軸 Wに関して回転対称となる形

6 一状を有し、回転対称となる位置に配置されている。環状固定電極 E 1 1 と環状変位電極 E 2 1とは同一形状をしており、互いに対向する位置に配置されており、これら一対の電極により容量素子が形成されている。ここでは、：：の容量素子を、環状容量素子 C 1と呼ぶことにする。一方、中央部固定電極 E 1 2と中央部変位電極 E 2 2とは同一形状をしており、互いに対向する位置に配置されており、これら一対の電極により容量素子が形成されている。ここでは、この容量素子を、中央部容量素子 C 2 と呼ぶことにする。

なお、第 3図および第 4図において、各電極の部分にハツチングを施して示してあるが、これは電極の形状を把握しやすくするための配慮であり、断面を示すためのハッチングではない。これは他の図においても同様であり、本願における平面図において電極部分に施されたハッチングは、いずれも断面を示すためのものではない。

また、この基本的な実施例に示す構造をもつた加速度センサを構成する各部分の材質については、これまで特に述べなかったが、少なくとも各電極 E 1 1， E 1 2 , E 2 1 , E 2 2は、金属などの導電性材料によつて構成する必要がある。また、固定基板 1 0、変位基板 2 0は、導電性材料で構成してもよいし、絶縁性材料で構成してもよいが、導電性材料で構成する場合には、その上に形成される 2つの電極が短絡しないように、基板と電極との間に絶縁膜を形成する必要がある。もっとも、 § 6で述べる共通電極を構成する場合は、その必要はない。

§ 2 . 本発明の基本的な実施例の横揺れ検出動作

続いて、 § 1で述べた実施例の検出動作について説明する。本発明に係る加速度センサの特徴は、「横揺れ」と「縦揺れ」とを区別して検出できる点にある。ここで、「横揺れ」とは、 X Y Z三次元座標系における X Y平面に沿った方向への振動を意味し、「縦揺れ」とは、 Z軸に沿つた方向への振動を意味するものとする。一般に、地震における「横揺れ」は S波に基く振動であり、「縦揺れ」は P波に基く振動であることが知られており、地震計では、これら両波に基く振動をそれぞれ独立して検出できることが望ましい。ここでは、まず、 S波に基く振動、すなわち「横揺れ」の検出動作を説明しょう。 § 1で述べた実施例では、環状固定電極 E 1 1と環状変位電極 E 2 1とによって構成される環状容量素子 C 1の静電容量値に基いて、「横揺れ」の振幅が検出される。

いま、第 2図に示すような構造をもった加速度センサを、所定の地震観測地点に設置したものとする。このとき、この地震観測地点が X軸方向に振動したとしょう。このような振動は、 S波に基く「横揺れ」の振動である。観測地点が X軸の正負両方向に往復振動すると、重錘体 4 0 は、センサ筐体 5 0内で X軸方向に揺すられる。すなわち、重錘体 4 0 には、 X寒由方向の加速度 α Xが作用することになる。このため、質量 m をもった重錘体 4 0の重心 Gには、 F X = m ♦ a xなる力が作用することになる。前述したように、このような力の作用によって、支持手段 3 0は弾性変形を生じ、変位基板 2 0は固定基板 1 0に対して傾斜する。第 5図の側断面図は、 X軸正方向に力 F Xが作用したときの変位基板 2 0の傾斜の様子を示すものである。もちろん、地震による「横揺れ」の振動は、 X軸正方向への加速度と X軸負方向への加速度とを交互に生じさせるので、重錘体 4 0に対しては、 X軸正方向への力 F Xと X軸負方向へのカー F Xとが交互に加えられることになり、第 5図は、そのような振動における瞬時の状態を示すものである。

8 さて、第 5図に示すように変位基板 2 0が傾斜したときに、環状容量素子 C 1の静電容量値がどのように変化するか考えてみる。一般に、容量素子の静電容量值 Cは、

C = ε ( S / d )

で表される。ここで、 εは、容量素子を形成する両電極間に存在する媒体（この実施例では空気）の誘電率であり、 Sは電極の面積、 dは電極間距離である。変位基板 2 0が第 2図に示すような状態から、第 5図に示すような状態に変化すると、環状容量素子 C 1については、電極間距離 dに関して大きな変化が生じる。すなわち、第 5図において、右側の半分については電極間距離 dが小さくなり、左側の半分については電極間距離 dが大きくなる。なお、電極自体が傾斜するため、電極の実効面積にも若干の変化が生じるが、電極間距離の変化に比べて微小であるため、ここでは電極の面積変化については無視することにする。

第 6図は、このような電極間距離 dの変化の分布を示すための変位基板 2 0の上面図である。 Y軸に沿って描かれた一点鎖線を境界線として、図の右側半分では電極間距離 dが小さくなり、図の左側半分では電極間距離 dが大きくなる。したがって、上述した静電容量値 Cの式を考慮すれば、図の右側半分では静電容量値は増加し、図の左側半分では静電容量値は減少することになる。ところで、環状変位電極 E 2 1は中心軸 W に関して回転対称形（この実施例では、中心軸 Wを中心とした円環状）をしているので、当然、図の一点鎖線に関して環状変位電極 E 2 1は線対称になる。したがって、図の右側半分で静電容量値が増加しても、図の左側半分では静電容量値が減少するので、環状容量素子 C 1全体の静電容量値の変化は左右で相殺され、第 2図に示す状態と第 5図に示す状

9 態とでは、環状容量素子 C 1の静電容量値に差は生じないようにみえる _t しかしながら、実際には、この 2つの状態では、環状容量素子 C 1の静電容量値に差が生じるのである。その理由を以下に述べる。

いま、第 6図に示すように、環状変位電極 E 21の右側半分に微小領域 Q aを定義し、左側半分に微小領域 Q bを定義する。ここで、微小領域 Q aと微小領域 Qbとは、 Y軸（一点鎖線）に関して線対称の位置に存在し、同一形状、同一面積 S qをもっているものとする。そして、これら微小領域 Q a, Q bと、これらに対向する環状固定電極 E 1 1内の微小領域とによって形成される容量素子 C a, C bの静電容量値がどうなるかを考える。

まず、固定基板 10と変位基板 20と力《、第 2図に示すように、互いに平行な状態にあつたとしょう。このとき、環状固定電極 E 1 1と環状変位電極 E 21との距離を d 0とすれば、容量素子 C aの静電容量値 C a (0) および容量素子 C bの静電容量値 C b (0) は、

C a (0) = C b (0) = ε (S q/d 0)

となり、両者は等しくなる。次に、第 5図に示すように、 X軸正方向の力 F Xが重錘体 40に作用したために、変位基板 20が固定基板 1 0に対して傾斜し、その結果、微小領域 Q aと環状固定電極 E 1 1との距離が Δ dだけ短くなり、微小領域 Q bと環状固定電極 E 1 1との距離が Δ dだけ長くなつたとする。この場合、容量素子 C aの静電容量値 C a

(+ x) は、電極間距離の差 Δ dに対応する Δ C aだけ増加したものになる。一方、容量素子 C bの静電容量値 C b (+ x) は、電極間距離の差 Δ dに対応する Δ C bだけ減少したものになる。すなわち、容量素子 C aの静電容量値は Δ C aだけ増加するのに対し、容量素子 C bの静電

2〇容量値は AC bだけ減少するので、両者の増減分は相殺され、容量素子 C aと容量素子 C bとの合計静電容量値には変化がないようにみえる。しかしながら、このような考え方は誤りである。なぜなら、静電容量値の変化分である厶じ aと A C bとは、等しくならないからである。これは、第 7図のグラフをみれば容易に理解できる。前述したように、容量素子を構成する電極対の電極間距離 dと静電容量値 Cとの間には反比例の関係が成り立ち、両者間の関係をグラフにすると、たとえば、第 7 図のグラフのようになる。ここで、第 2図に示すように、両基板が互いに平行な状態にあつたとすると、容量素子 C a, C bの電極間距離はいずれも d 0と等しくなり、容量素子 C a， C bの静電容量値 C a (0) , C b (0) は等しくなる。ところが、第 5図に示すように、 X$由正方向の力 F Xが重錘体 40に作用したために、変位基板 20が固定基板 10 に対して傾斜すると、容量素子 C aの電極間隔は d 0— Δ dと小さくなり、その結果、静電容量値は Δ C aだけ増加した C a (+ x) となる。 —方、容量素子 C bの電極間隔は d 0 + Δ dと大きくなり、その結果、静電容量値は△ C bだけ減少した C b (+ X ) となる。ここで、両容量素子 C a, C bにおいて、電極間隔の変化分 Δ dは等しいにもかかわらず、静電容量値の変化分 Δ C a, Δ C bは等しくならない点は重要である o

結局、第 2図に示す状態から第 5図に示す状態に変化した場合、右側の微小領域 Q aによって構成される容量素子 C aの静電容量値は Δ C a だけ増加し、左側の微小領域 Q bによって構成される容量素子 C bの静電容量値は A C bだけ減少するが、 AC aと A C bとは等しくならず (Δ C a > Δ C b ) 、両容量素子のトータルの静電容量値に着目すれば、第 2図に示す状態から第 5図に示す状態に変化することにより、静電容量値が（A C a— A C b ) の分だけ增加することになる。

これまで、第 6図に示す右側半分の微小領域 Q aの静電容量値と左側半分の微小領域 Q bの静電容量値とについて議論してきたが、このような現象が、環状変位電極 E 2 1の右側半分の全領域と左側半分の全領域とについても同様に生じていることを考慮すれば、環状変位電極 E 2 1 と環状固定電極 E 1 1とによって構成される環状容量素子 C 1全体の静電容量値は、第 2図に示す状態に比べて、第 5図に示す状態の方が増加することが理解できるであろう。

以上、第 5図に示すように、重錘体 4 0に対して X軸正方向の力 F X が作用した瞬間の状態について検討したが、逆に、重錘体 4 0に対して X軸負方向のカー F Xが作用した瞬間の状態についても同様の現象が生じる。すなわち、 X軸負方向の力— F Xが作用した場合は、第 5図に示す状態とは左右が逆の状態になり、環状容量素子 C 1の左側半分における静電容量値は∑ Δ C aだけ増加し、右側半分における静電容量値は∑ Δ C bだけ減少する（∑は各微小領域についての変動分の和を意味する）。したがって、環状容量素子 C 1全体の静電容量値は、第 2図に示す状態に比べて、やはり増加することになる。

結局、環状固定電極 E 1 1と環状変位電極 E 2 1とによって構成される環状容量素子 C 1の静電容量値の変化分が、 X軸方向に作用した加速度 ± α χ、別言すれば、 X軸方向に作用した力士 F Xの大きさを示すものになる。したがって、この環状容量素子 C 1の静電容量値を、センサ出力として電気的に取り出せば、 X軸方向に作用した加速度土 α Xの大きさを電気信号として出力する加速度センサが実現できる。第 8図は、作用した加速度とセンサ出力との関係を示すグラフである。地震によつて、 X軸方向に関する横揺れが生じた場合、 X軸方向の加速度は、第 8図の上段のグラフに示すように、正負の値を交互にとる。これに対して、センサ出力（すなわち、環状容量素子 C 1の静電容量値）は、加速度 α Xが X軸の正方向に作用しても、負方向に作用しても、いずれにしても基準値 R (加速度が全く作用していない状態の出力値）から増加することになるので、第 8図の下段のグラフに示すようなものになる。そこで、環状容量素子 C 1の静電容量値を電圧として出力できるような変換回路を用意し、環状容量素子 C 1の静電容量値の変動幅を電圧として出力できるような検出回路を構成しておけば、この検出回路の出力電圧をそのまま X軸方向に作用した加速度土 α Xの絶対値として利用することができる。また、第 8図の下段に示すようなセンサ出力を平滑化すれば、振動の平均的な値を得ることができるし、このセンサ出力を積分すれば、振動の累積エネルギー値を得ることもできる。

ところで、これまで X軸方向の加速度土 α Xが作用した場合について、この加速度センサの動作を説明してきたが、このような検出動作は、 X 車由方向の加速度土 α Xについてのみ行われるものではない。前述したように、固定基板 1◦、変位基板 2◦、環状固定電極 Ε 1 1、環状変位電極 E 2 1は、いずれも中心軸 Wに関して回転対称形をしているため、 Υ 軸方向の加速度土 a yが作用した場合にも、全く同様の検出動作によつて、この加速度の絶対値を検出することができる。もちろん、 X軸や Y 軸に限定されるわけではなく、 X Y平面に含まれる任意の方向に関する加速度が作用した場合について、全く同様の検出が行われることになる _c 別言すれば、この加速度センサは X Y平面上の 3 6 0 ° のいずれの方向の加速度に対しても同じ感度で検出が可能であり、 X Y平面に関しては指向性を有しない。これは地震計や衝撃計として用いるには理想的な性質である。

たとえば、この加速度センサを、 X Y平面が水平面に一致するように地震観測地点に設置しておけば、この地震観測地点におけるあらゆる方向の横揺れの大きさを、環状容量素子 C 1の静電容量値に基いて検出することが可能になる。また、この加速度センサを、 X Y平面が走行面に一致するように車両に搭載しておけば、この車両に対して走行面に沿つた方向に加わるあらゆる衝撃の大きさを、環状容量素子 C 1の静電容量値に基いて検出することが可能になる。

従来の三次元加速度センサでは、横揺れに関してその方向までも特定することができたが、既に述べたように、都市ガスの供給制御やエレべ一タの運転制御を行う上では、所定のしきい値以上の横揺れが発生したか否かが検出できる加速度センサがあれば十分であり、また、自動車におけるエアバッグの作動制御を行う上では、所定のしきい値以上の衝撃が正面、背面、側面から加わったか否かが検出できる加速度センサがあれば十分である。本発明に係る加速度センサは、このような条件を十分に満たしており、しかも、その検出出力は、環状容量素子 C 1の静電容量値として直接的に得ることができ、非常に単純な構成で必要十分な加速度検出が可能である。

§ 3. 本発明の基本的な実施例の縦揺れ検出動作

上述した基本的な実施例の加速度センサは、「横揺れ」だけではなく「縦揺れ」をも検出する機能がある。既に述べたように、地震計として利用する場合には、 S波に基く「横揺れ」と P波に基く「縦揺れ」とをそれぞれ独立して検出できることが望ましい。ここでは、この P波に基く「縦揺れ」の検出動作を説明しょう。この実施例では、中央部固定電極 E 1 2と中央部変位電極 E 2 2とによって構成される中央部容量素子 C 2の静電容量値に基いて、「縦揺れ」の振幅が検出される。

いま、第 2図に示すような構造をもった加速度センサを、所定の地震観測地点に設置したとき、この地震観測地点が Z軸方向に振動したとしよう。このような振動は、 P波に基く「縦揺れ」の振動である。観測地点が Z軸の正負両方向に往復振動すると、重錘体 4 0は、センサ筐体 5 0内で Z軸方向に揺すられる。すなわち、重錘体 4 0には、 Z軸方向の加速度 α _Zが作用することになる。このため、質量 mをもった重錘体 4 0の重心 Gには、 F z m · a zなる力が作用することになる。前述したように、このような力の作用によって、支持手段 3 0は弾性変形を生じ、変位基板 2 0は固定基板 1 0に対して変位する。第 9図の側断面図は、 Ζ軸正方向に力 F ζが作用したときの変位基板 2 0の変位の様子を示すものである。もちろん、地震による「縦揺れ」の振動は、 Ζ軸正方向への加速度と Ζ軸負方向への加速度とを交互に生じさせるので、重錘体 4 0に対しては、 Ζ $由正方向への力 F ζと Ζ軸負方向への力— F ζとが交互に加えられることになり、第 9図は、そのような振動における瞬時の状態を示すものである。

さて、第 9図に示すように変位基板 2 0が変位したときに、中央部固定電極 Ε 1 2と中央部変位電極 Ε 2 2とによって構成される中央部容量素子 C 2の静電容量値がどのように変化するか考えてみる。第 2図に示すような状態から、第 9図に示すような状態に変化すると、中央部容量素子 C 2については、電極間距離 dが小さくなるので、静電容量値 C 2 は大きくなる。逆に、重錘体 4 0に対して、 Z軸負方向のカー F zが作用した場合には、重錘体 4 0は図の下方へと変位し、中央部容量素子 C 2の電極間距離 dが大きくなるので、静電容量値 C 2は小さくなる。したがって、震による「縦揺れ」の振動が伝わると、重錘体 4 0は第 9 図における図の上下方向に振動し、中央部容量素子 C 2の電極間距離 d は、小さくなつたり大きくなつたり周期的に変化し、中央部容量素子 C 2の静電容量値は、大きくなったり小さくなったり周期的に変化する。この変化の振幅は、「縦揺れ」の振動の振幅を示すものになる。

結局、中央部固定電極 E 1 2と中央部変位電極 E 2 2とによって構成される中央部容量素子 C 2の静電容量値の変動分が、 Z拳由方向に作用した加速度 ± α ζ、別言すれば、 Ζ軸方向に作用した力士 F ζの大きさを示すものになる。したがって、この中央部容量素子 C 2の静電容量値を、センサ出力として電気的に取り出せば、 Ζ軸方向に作用した加速度 ± _α ζの大きさ、すなわち「縦揺れ」の大きさを電気信号として出力する加速度センサが実現できる。このセンサ出力を平滑化すれば、振動の平均的な値を得ることができるし、このセンサ出力を積分すれば、振動の累積エネルギー値を得ることもできる。

§ 4 . 本発明の基本的な実施例における補正

これまで、本発明の基本的な実施例に係る加速度センサについて、 § 1ではその構造を、 § 2では横揺れ検出動作を、 § 3では縦揺れ検出動作を、それぞれ説明した。そして、これまでの説明では、環状固定電極 Ε 1 1と環状変位電極 Ε 2 1とによって構成される環状容量素子 C 1によって横揺れ検出動作を行い、中央部固定電極 Ε 1 2と中央部変位電極 Ε 2 2とによって構成される中央部容量素子 C 2によって縦揺れ検出動作を行うことを述べた。しかしながら、理論的には、この逆の検出動作も可能である。すなわち、中央部容量素子 C 2によって横揺れ検出動作を行い、環状容量素子 C 1によって縦揺れ検出動作を行うことも、理論的には可能である。ここでは、まず、この逆の検出動作について触れておく。

まず、中央部容量素子 C 2によっても、横揺れ検出動作を行うことが可能であることを示そう。たとえば、重錘体 4 0に X軸正方向の力 F X が作用した状態では、変位基板 2 0は第 5図に示すように傾斜する。このとき、中央部固定電極 E 1 2と中央部変位電極 E 2 2とによって構成される中央部容量素子 C 2の静電容量値の変化について検討すると、やはり右側半分では電極間距離が小さくなり静電容量値が増加し、左側半分では電極間距離が大きくなるので静電容量値が減少する。しかも、第 7図のグラフで示したように、静電容量値の増加分は減少分よりも大きくなるため、中央部容量素子 C 2全体としての静電容量値は、第 2図に示す状態よりも第 5図に示す状態の方が大きくなるのである。別言すれば、中央部容量素子 C 2は、環状容量素子 C 1と同様に、「横揺れ」の振動を検出する機能を有していることになる。

しかしながら、このような「横揺れ」の振動検出に関しては、中央部容量素子 C 2の検出感度は、環状容量素子 C 1の検出感度に比べて非常に小さいものになる。なぜなら、第 5図を見ればわかるとおり、「横揺れ」に基いて変位基板 2 0が傾斜した場台、変位基板 2 0の外側領域に配置されている環状容量素子 C 1の電極間距離 dの変動分 Δ dに比べて、変位基板 2 0の内側領域に配置されている中央部容量素子 C 2の電極間距離 dの変動分 Δ dは小さくなり、全体的な静電容量値の変化も小さくなるためである。したがって、中央部容量素子 C 2の静電容量値の変動分として得られるセンサ出力は、「縦揺れ」の大きさを示す信号に、「横揺れ」の大きさを示す信号が重畳されたものになるが、前者に比べて後者は非常に小さく、実用上は、このセンサ出力を「縦揺れ」の大きさを示す信号として取り扱っても支障は生じないのである。

次に、環状容量素子 C 1によっても、縦揺れ検出動作を行うことが可能であることを示そう。たとえば、重錘体 4 0に Z軸正方向の力 F zが作用した状態では、変位基板 2 0は第 9図に示すように変位する。このとき、環状固定電極 E 1 1と環状変位電極 E 2 1とによって構成される環状容量素子 C 1の静電容量値の変化について検討すると、やはり電極間距離 dが小さくなるため、静電容量値は増加することになる。逆に、重錘体 4 0に Z軸負方向のカ - F zが作用した状態では、変位基板 2 0 は第 9図における図の下方に変位するので、環状容量素子 C 1は、電極間距離 dが大きくなるため、静電容量値は減少することになる。したがつて、環状容量素子 C 1の静電容量値の変動分は、「縦揺れ」の大きさを示すものになり、環状容量素子 C 1は、中央部容量素子 C 2と同様に、「縦揺れ」の振動を検出する機能を有していることになる。

したがって、環状容量素子 C 1の静電容量値の変化として得られるセンサ出力は、「横揺れ」の大きさを示す信号に、「縦揺れ」の大きさを示す信号が重畳されたものになる。ここで、前者に比べて後者が無視できるほど小さくなれば、このセンサ出力を「横揺れ」の大きさを示す信号として取り扱っても支障は生じないのであるが、残念ながら、実際には、後者を無視することはできないのである。すなわち、第 9図に示すような変位状態を考えればわかるように、「縦揺れ」に基いて生じる変位基板 2 0の変位量は、環状容量素子 C 1も中央部容量素子 C 2も全く同じであり、中央部容量素子 C 2において「縦揺れ」の大きさを示す信号が十分に得られたのと同様に、環状容量素子 C 1においても「縦揺れ」の大きさを示す信号が十分に得られることになる。したがって、環状容量素子 C 1の静電容量値の変動分として得られるセンサ出力は、「横揺れ」の大きさを示す信号と、「縦揺れ」の大きさを示す信号とを重畳したものとなり、両者はともに無視できない信号になる。このため、環状容量素子 C 1の静電容量値の変動分として得られるセンサ出力を、「横揺れ」の大きさを示す信号として取り扱うためには、「縦揺れ」の大きさを示す信号分を差し引く補正を行わねばならない。

このような事情から、 S 2で述べた横揺れ検出動作は、実は、「縦揺れ」が存在しない環境下においては、「横揺れ」の大きさを正しく検出することはできるが、「縦揺れ」が存在する環境下においては、正しい検出を行うことができないことになる。これに対して、 § 3で述べた縦揺れ検出動作は、たとえ「横揺れ」が存在する環境下においても、実用上は十分な精度で、「縦揺れ」の大きさを検出することができる。したがって、「縦揺れ」と「横揺れ」との両方が存在する環境下において、本発明に係る加速度センサを用いる場合には、 § 2で述べた横揺れ検出動作に対する補正を行う必要がある。以下に、その補正方法の一例を示す。

この補正の基本概念は非常に単純である。すなわち、環状容量素子 C 1の静電容量値の変動分は、「横揺れ」の振幅を示す成分と「縦揺れ」の振幅を示す成分との和になる。一方、中央部容量素子 C 2の静電容量値の変動分は、理論的には、「縦揺れ」の振幅を示す成分と「横揺れ」の振幅を示す成分との和になるが、後者は前者に比べて非常に小さいために無視することができ、実用上は、「縦揺れ」の振幅を示す成分のみとして取り扱っても支障は生じない。そこで、環状容量素子 C 1の静電容量値の変分として検出された、「横揺れ」の振幅を示す成分と「縦揺れ」の振幅を示す成分との和から、中央部容量素子 C 2の静電容量値の変動分として検出された「縦揺れ」の振幅を示す成分を差し引く補正を行えば、「横揺れ」の振幅を示す成分のみを得ることができる。

第 1 0図は、このような基本概念に基いて、補正演算を行う機能をもつた検出回路の一例を示す回路図である。この第 1 0図において、左端に示された可変容量素子 C 1および C 2は、それぞれ環状容量素子 C 1 および中央部容量素子 C 2を示す等価回路である。また、 C Z V変換回路 6 1および C Z V変換回路 6 2は、それぞれ環状容量素子 C 1および中央部容量素子 C 2の静電容量値を電圧値に変換する回路である。ここで、「縦揺れ」および「横揺れ」がない状態、すなわち、加速度が零の状態での C Z V変換回路 6 1 , 6 2の出力電圧が 0ボルトになるようなキャリブレーションがなされているので、この出力電圧は、実際には静電容量値の変動分を示すことになる。したがって、 C / V変換回路 6 1 の出力電圧 V Iは、環状容量素子 C 1の静電容量値の変動分を示し、 C Z V変換回路 6 2の出力電圧 V 2は、中央部容量素子 C 2の静電容量値の変動分を示す。そして、上述したように、出力電圧 V Iは、「横揺れ」の振幅を示す成分と「縦揺れ」の振幅を示す成分との和であるのに対し、出力電圧 V 2は、実用上は、「縦揺れ」の振幅を示す成分として取り扱うことができる。

C Z V変換回路 6 2から出力された電圧 V 2は、通倍回路 6 3によつ

0 て k倍に増幅され、差動増幅器 64のマイナス側の入力端子に与えられる。ここで、 kは、環状固定電極 E 1 1 (もしくは環状変位電極 E 21) の面積を S 1、中央部固定電極 E 12 (もしくは中央部変位電極 E 22 ) の面積を S 2としたときに、

k = S 1/S 2

で与えられる面積比の値である。一方、差動増幅器 64のプラス側の入力端子には、 CZV変換回路 61から出力された電圧 V Iが与えられている。したがって、差動増幅器 64において、

V s =V l— k * V 2

なる演算が行われ、電圧 V sが出力端子 T 1に出力されることになる。また、遁倍回路 63から出力された電圧（k · V 2) は、バッファ回路 65を通して出力電圧 V pとして出力端子 T 2に出力されることになる。なお、第 10図の回路では、遁倍回路 63の出力信号 k V 2をバッファ回路 65の入力端子に与えているが、 CZV変換回路 62の出力信号 V 2を直接バッファ回路 65の入力端子に与えてもよい。

こうして出力端子 T 2に出力された電圧 V pは、この加速度センサによって検出された「縦揺れ」の大きさを示すものになり、地震計として用いた場合には、 P波の大きさを示すものになる。これは、この電圧 V が、中央部容量素子 C 2の静電容量値の変動分に比例した電圧になるためである。一方、出力端子 T 1に出力された電圧 V sは、この加速度センサによって検出された「横揺れ」の大きさを示すものになり、地震計として用いた場合には、 S波の大きさを示すものになる。なぜなら、電圧 V Iは、この加速度センサによって検出された「横揺れ」の大きさを示す成分と「縦揺れ」の大きさを示す成分との和であり、電圧（k ·

3 V 2 ) は、この加速度センサによって検出された「縦揺れ」の大きさを示す成分であるので、電圧 V 1と電圧（k · V 2 ) との差として求まる電圧 V sは、「横揺れ」の大きさを示す成分のみに対応した電圧になるためである。，

なお、ここで、電圧 V 2に電極の面積比 kを乗じているのは、面積の違いによる検出感度を補正するためである。すなわち、第 3図および第 4図に示すように、環状容量素子 C 1を構成する電極 E 1 1 , E 2 1と、中央部容量素子 C 2を構成する電極 E 1 2 , E 2 2とでは、互いに面積が異なる（図示の例では、前者 >後者）。したがって、第 9図に示す原理に基いて、「縦揺れ」の大きさを検出した場合であっても、環状容量素子 C 1による検出値と中央部容量素子 C 2による検出値との間には、面積比 kに応じた差が生じることになる。すなわち、電極面積がより大きい容量素子の方が、より大きい検出電圧が得られることになる。そこで、遞倍回路 6 3によって、一方の検出値に面積比 kを乗じることにより、電極面積の差に基く検出感度の差を補正しているのである。なお、第 1 0図の回路では、 C Z V変換回路 6 2の後段に遁倍回路 6 3を設けて、電圧 V 2を k倍する処理を行っているが、逆に、 C Z V変換回路 6 1の後段に遁倍回路 6 3を設けて、電圧 V Iを（l Z k ) 倍する処理を行ってもかまわない。

§ 5 . 補正をより単純化するための工夫

上述の § 4では、第 1 0図に示す検出回路によって、「縦揺れ」と「横揺れ」とが混在する環境下において、「横揺れ」の大きさを正確に検出するための補正処理を行うことができることを説明した。ただ、この第 1 0図に示す検出回路における遁倍回路 6 3は、必ずしも必要なものではなく、電極の構成を工夫することによって、この遲倍回路 63を省略することも可能である。すなわち、容量素子の静電容量値じが、

C = ε (S/d)

で表されるとを考慮すれば、環状容量素子 C 1を構成する一対の電極の電極間距離 d 1と、中央部容量素子 C 2を構成する一対の電極の電極間距離 d 2と、環状容量素子 C 1を構成する各電極 E 1 1, E 21の面積 S 1と、中央部容量素子 C 2を構成する各電極 E 21, E 22の面積 S 2と、の間に、

S 1 / (d 1 ) ^ = S 2 / (d 2) ² なる関係が成り立つような電極構造を採れば、環状容量素子 C 1と中央部容量素子 C 2との「縦揺れ」の検出感度を等しくすることができるので、第 10図に示す検出回路における遁倍回路 63は省略することがでさる o

念のために、上式が導かれる根拠を示しておけば、次のとおりである _c いま、電極面積 S, 電極間距離 d、電極間の誘電率 εをもった静電容量素子を考える。ここで、この静電容量素子の電極間距離 dが Δ dだけ広がった場合、静電容量値は、次式で表される A Cだけ減少する。

Δ C = ε (S/d) - ε (SZ (d +A d) )

= e S (1/d) · (1 - (1 +厶 d/d) ~ ) ここで、 Δ dが dに比べて十分小さいとすれば、

(1 +厶 dZd) — ¹ = ( 1 - Δ d / d )

なる近似が成り立つので、結局、

Δ C = ε S ( 1 / d ) · (1 - ( l -A d/d) )

= ε S ( 1 / d ) · (Δ d / d ) = ε (S / d ²) ♦ Δ d

となる。したがって、（S/d ²) の値が同一となるような複数の容量素子を用意すれば、電極間距離 dが Δ dだけ変化しても、各容量素子の静電容量値の変化分 Δ はほぼ同じになる。そこで、

S 1 / (d 1) ² = S 2 / (d 2) ² なる式を満足するような電極によって、環状容量素子 C 1および中央部容量素子 C 2を構成すれば、「縦揺れ」の検出感度を等しくすることができ、遁倍回路 63を省略することができる。

第 1 1図に側断面図を示す実施例は、上式を満たすような電極構造をもった加速度センサの一例である。すなわち、環状容量素子 C 1を構成する電極 E 1 1, E 21の面積 S 1と、中央部容量素子 C 2を構成する各電極 E 21， E 22の面積 S 2と、の間には、 S 1 > S 2の関係があるが、環状容量素子 C 1を構成する電極 E 1 1， E 21の電極間距離 d 1と、中央部容量素子 C 2を構成する各電極 E 21, E 22の電極間距離 d 2と、の間にも、 d 1 > d 2の関係が成り立つようにし、両容量素子 C 1 , C 2の「縦揺れ」の検出感度が等しくなるようにしているのでめる o

このように、両容量素子 C l， C 2について電極間距離を変えるような構造を採る場合には、第 1 1図に示す例のように、変位基板 20側の電極形成面に段差を設けるか、あるいは逆に、固定基板 1 0側の電極形成面に段差を設ける必要がある。このような段差構造を避けるには、環状容量素子 C 1を構成する各電極 E 1 1, E 21の面積 S 1と、中央部容量素子 C 2を構成する各電極 E 21, E 22の面積 S 2と、が等しくなるような構造にすればよい。たとえば、第 1 2図に上面図を示すように、変位基板 2 0の上面に面積の等しい環状変位電極 E 2 3と中央部変位電極 E 2 4とを形成し、固定基板 1 0の下面にも、これに応じた対向電極を形成するようにすれば、環状容量素子 C 1と中央部容量素子 C 2 とは、電極間距離も電極面積も等しくなり、「縦揺れ」の検出感度は等しくなる。ただし、第 1 2図に示すように、中央部変位電極 E 2 4の径をあまり大きくしすぎると、中央部容量素子 C 2の静電容量値の変動分に含まれる「横揺れ」の成分が無視できなくなるおそれがあるので注意する必要がある。できるだけ効率的なかつ正確な加速度検出を行うためには、各環状電極をできるだけ基板の外周近傍に配置し、各中央部電極をできるだけ小さくするのが望ましい。

§ 6. 共通電極を用いた実施例

以上、本発明を基本的な実施例に基いて説明したが、ここでは構造をより単純化するために、共通電極を用いた実施例を説明しょう。上述した基本的な実施例では、第 3図に示すように、固定基板 1 0の下面にそれぞれ物理的に独立した環状固定電極 E 1 1および中央部固定電極 E 1 2を形成し、また、第 4図に示すように、変位基板 2 0の上面にそれぞれ物理的に独立した環状変位電極 E 2 1および中央部変位電極 E 2 2を形成していた。すなわち、物理的に独立した合計 4枚の電極層が形成されている。しかしながら、必ずしもこのように 4枚の電極層を形成する必要はない。

たとえば、第 1 0図に示す検出回路において、図の左端に示す可変容量 C 1および C 2は、それぞれ環状容量素子 C 1および中央部容量素子 C 2に対応するものである力いずれも一方の電極は接地されている。したがって、前述した原理に基いて加速度検出を行う上では、固定基板 1 0側に形成される 2枚の電極 E 1 1， E 1 2か、変位基板 2 0側に形成される 2枚の電極 E 2 1 , E 2 2か、のいずれか一方は、物理的に単一の共通電極としてもかまわない。この場合、共通電極側を接地すれば、第 1 0図に示す検出回路を構成することが可能である。たとえば、固定基板 1 0側に形成される 2枚の電極 E 1 1 , E 1 2を共通電極とするには、環状固定電極 E 1 1の外径と同じ直径をもった円盤状の共通電極 1 枚を用意すれば、この共通電極 1枚によって、 2枚の電極 E 1 1 , E 1 2と同等の機能を果たすことができる。同様に、変位基板 2 0側に形成される 2枚の電極 E 2 1 , E 2 2を共通電極とするには、環状変位電極 E 2 1の外径と同じ直径をもった円盤状の共通電極 1枚を用意すれば、この共通電極 1枚によって、 2枚の電極 E 2 1 , E 2 2と同等の機能を果たすことができる。

このような共通電極を用いるようにすれば、加速度センサ全体の構造をより単純化することができるが、更に単純化を図るには、固定基板 1 0もしくは変位基板 2 0の一部を共通電極として用いればよい。たとえば、第 3図に示す固定基板 1 0として、金属などの導電性材料からなる基板を用いるようにすれば、環状固定電極 E 1 1や中央部固定電極 E 1 2を形成する必要はなくなる。このような導電性材料からなる 1枚の固定基板 1 0を、第 4図に示す変位基板 2 0に対向させれば、環状変位電極 E 2 1に向かい合った固定基板 1 0の一部分が環状固定電極 E 1 1としての機能を果たし、中央部変位電極 E 2 2に向かい合った固定基板 1 0の一部分が中央部固定電極 E 1 2としての機能を果たすことになる。あるいは、逆に、第 4図に示す変位基板 2 0として、金属などの導電性材料からなる基板を用いるようにすれば、環状変位電極 E 2 1や中央部変位電極 E 2 2を形成する必要はなくなる。このような導電性材料からなる 1枚の変位基板 2 0を、第 3図に示す固定基板 1 0に対向させれば、環状固定電極 E l 1に向かい合った変位基板 2◦の一部分が環状変位電極 E 2 1.としての機能を果たし、中央部固定電極 E 1 2に向かい合つた変位基板 2 0の一部分が中央部変位電極 E 2 2としての機能を果たすことになる。実は、以下に述べる § 7および § 8に示す実施例は、このタイプの実施例である。

§ 7. 本発明の実用的な実施例（その 1 )

これまで、 § 1において説明した基本的な実施例に係る加速度センサについて、その動作や変形例を述べてきた。この加速度センサでは、変位基板 2 0の周囲が 8本のばねからなる支持手段 3 0で支持されている _c しかしながら、このような構造は、量産に適した実用的な加速度センサを実現する上では、必ずしも最適なものではない。ここでは、可撓性基板に複数のスリットを形成することによりダイヤフラムを構成し、このダイヤフラムを変位基板 2 0および支持手段 3 0として用いたより実用的な実施例を示す。

まず、第 1 3図に平面図を示すようなダイヤフラム 1 2 0を用意する。このダイヤフラム 1 2 0は、円盤状の可撓性基板 1 2 1 (この実施例では薄い金属板）に多数のスリット 1 2 2を形成したものである。この多数のスリットは、 2つのグループに分類できる。第 1のグループに属するスリツトは、中心点 0を取り囲む円周状の環状線に沿って形成された円弧状のスリット 1 2 2 a， 1 2 2 bであり、第 2のグループに属するスリットは、中心点 0から外方へ向かう放射線に沿って形成された直線状のスリット 1 2 2 c , 1 2 2 dである。そして、第 1のグループに属するスリット 1 2 2 a , 1 2 2 bと、第 2のグループに属するスリット 1 2 2 c , 1 2 2 dとは、その端部もしくは端部近傍において互いに接続している。特に、第 1 3図に示す実施例では、円弧状のスリットは中心点 0を取り囲む二重同心円に沿って配された外側の円弧状スリット 1 2 2 aと内側の円弧状スリット 1 2 2 bによって構成されており、また、直線状のスリットは平行に並んで配された 2本のスリット 1 2 2 c , 1 2 2 dによって構成されている。

ダイヤフラム 1 2 0上にこのようなパターンをもった多数のスリット 1 2 2を形成すると、スリット相互の間隙部分によって、ダイヤフラム 1 2 0の各部が物理的に接続されるような構造になる。すなわち、スリットによって周囲すべてが包囲されるような閉領域部分は決して存在せず、各部分はスリツト相互の間隙部分によって必ず他の部分に物理的に接続されていることになり、全体として、 1枚の物理的なダイヤフラムの形態を維持している。このダイヤフラム 1 2 0の周囲部分を固定し、中心点 0に力を作用させると、スリット相互の間隙部分の弾性変形に基いて、中央部分に変位が生じることになる。このようなダイヤフラム 1 2 0は、本発明において変位基板 2 0と支持手段 3 0との双方の機能を果たすことになる。し力、も、ダイヤフラム 1 2 0は導電性材料（金属板）から構成されているため、更に、このダイヤフラム 1 2◦は、環状変位電極 E 2 1および中央部変位電極 E 2 2を兼ねた共通電極としての機能も併せもつことになる。

このようなダイヤフラム 1 2◦を用いて構成した加速度センサの一実施例を、第 1 4図の側断面図に示す。この実施例において、固定基板 1 1 0は、絶縁性の剛体からなる円盤状の基板であり、その下面には、環状固定電極 E 1 1 1および中央部固定電極 E 1 1 2が形成されている。第 1 5図は、この固定基板 1 1 0の下面図であり、環状固定電極 E 1 1 1および中央部固定電極 E 1 1 2の形状が明瞭に示されている。ダイヤフラム 1 2 0は、この固定基板 1 1 0の下方に所定距離をおいて配置され、その下面には、重錘体 1 4 0が固着される。固定基板 1 1 0の周囲およびダイヤフラム 1 2 0の周囲は、いずれも円筒状のセンサ筐体 1 5 0の内側に嵌合支持されている。加速度が作用していない状態では、固定基板 1 1 0とダイヤフラム 1 2 0とは平行に保たれており、環状容量素子 C 1と中央部容量素子 C 2とが形成されることになる。すなわち、ダイヤフラム 1 2 0のうち、環状固定電極 E 1 1 1に対向する部分が環状変位電極としての機能を果たし、これら両電極によって環状容量素子 C 1が形成され、同様に、ダイヤフラム 1 2 0のうち、中央部固定電極 E 1 1 2に対向する部分が中央部変位電極としての機能を果たし、これら両電極によって中央部容量素子 C 2が形成されることになる。

この加速度センサの動作は、既に述べた基本的実施例に係るセンサの動作と全く同様である。たとえば、重錘体 1 4 0の重心 Gに対して、 X 蚰正方向の力 F Xが作用すると、ダイヤフラム 1 2 0は第 1 6図に示すように橈み、環状容量素子 C 1および中央部容量素子 C 2の静電容量値に変化が生じ、この変化を利用して「横揺れ」および「縦揺れ」が検出できる。すなわち、このダイヤフラム 1 2 0において、内側の円弧状スリット 1 2 2 bによって囲まれた部分が、 S 1で述べた加速度センサにおける変位基板 2 0としての機能と、環状変位電極 E 2 1および中央部変位電極 E 2 2としての機能と、を果たすことになり、その外側の部分が、支持手段 3 0としての機能を果たすことになる。なお、第 1 6図では、図面が繁雑になるのを避けるため、ダイヤフラム 120の変形状態を単純化して描いたが、実際には、第 13図に示すスリット 122 aとスリット 122 bとの間に位置するビーム部分、およびスリット 122 cとスリット 122 dとの間 Γこ位置するビーム部分が、かなり複雑な変形状態をとる。

このように、円弧状のスリット 122 a, 122 bと直線状のスリット 122 c， 122 dとを組み合わせて形成すると、非常に単純な構造ながら、本発明に係る加速度センサの検出動作に適した変位が可能になり、また、比較的小さな加速度の作用によっても十分な変位が可能になる。このため、安価で感度の高い加速度センサを実現できる。

本発明に係る加速度センサにおいて、あらゆる方向についての「横揺れ」の検出感度を均一にするためには、理想的には、ダイヤフラム 1 2 0の構造を中心点 0に関して完全な回転対称形にするのが好ましい。しかしながら、物理的なスリット 1 22を形成する以上、完全な回転対称形にすることはできない。そこで、この実施例では、この可撓性基板 1 21を、その主面を含む平面内で 90° 回転させたときに、スリットのターンが、回転前のパターンにほぼ一致するように、各スリット 1 2 2が形成されている。このような構成を採ることにより、少なくとも、 X軸方向の「横揺れ」が作用したときの変位状態と、 Y軸方向の「横揺れ」が作用したときの変位状態とが、ほぼ同じになる。これに対し、 X 軸に対して 45° の方向の「横揺れ」が作用したときの変位状態は、厳密に言えば、 X軸方向の「横揺れ」が作用したときの変位状態とは若干異なることになる。ただ、実用上は、円弧状のスリット 122 a, 1 2 2 bが形成されているため、中心点 0のまわり 360° のいずれの方向に関しても、ほぼ均等な変位が得られるものとみて支障はなく、いずれの方向の「横揺れ」もほぼ均一な感度で検出が可能である。

このような「横揺れ」感度の方向に関する無指向性を確保するには、この可撓性基板 1 2 1を、その主面を含む平面内で 0 ° 回転させたときに、スリットのパターンが、回転前のパターンにほぼ一致するように、各スリット 1 2 2を形成するようにすればよく、無指向性を高めるためには、 Θ (第 1 3図の例では 0 = 9 0。）をより小さくすればよい。また、レーザー加工やエッチングなどの手法を用いれば、 1 0 0〃m 程度の幅をもったスリットを形成することが可能であり、このような微細幅のスリット形成により、無指向性を更に向上させることができる。

§ 8. 本発明の実用的な実施例（その 2 )

第 1 7図は、本発明の実用的な実施例の更に別な形態を示す側断面図である。この加速度センサは、ガラス製の固定基板 2 1 0と、シリコン製の変位基板 2 2 0と、ガラス製の台座 2 3 0と、同じくガラス製の重錘体 2 4 0と、シリコン製の底板基板 2 5 0と、を有する。変位基板 2 2 0は、周囲に設けられた固定部 2 2 1と、この固定部 2 2 1の内側に設けられた可撓部 2 2 2と、この可撓部 2 2 2によって囲まれた作用部 2 2 3と、の 3つの部分から構成されている。変位基板 2 2 0の下面には、下面から見ると方環状をした溝 2 2 4が掘られており、この溝 2 2 4が形成されている部分は厚みが小さくなつている。可撓部 2 2 2は、この溝 2 2 4の形成領域に相当する部分であり、厚みが小さいために可撓性を有している。し力、も、この可撓部 2 2 2には、多数のスリット 2 2 5が形成されている。

第 1 8図は、変位基板 2 2 0の上面図であり、スリット 2 2 5のパ夕 ―ンが明瞭に示されている。この第 1 8図に示すスリット 2 2 5のパ夕ーンは、第 1 3図に示すスリット 1 2 2のパターンと共通性をもっている。すなわち、中心点 0を取り囲む方環状線に沿って形成された第 1のグループに属するスリットと、中心点 0から外方へ向かう放射線に沿つて形成された第 2のグループに属するスリットと、によって構成され、第 1のグループに属するスリットと、第 2のグループに属するスリットとは、その端部もしくは端部近傍において互いに接続している。しかも、この変位基板 2 2 0を、その主面を含む平面内で 9 0 ° 回転させたときに、スリツ卜のパターンが、回転前のパターンにほぼ一致するように、各スリット 2 2 5が形成されている。

可撓部 2 2 2は、溝 2 2 4の形成により厚みが小さくなった部分であり、し力、も、第 1 8図に示すようなスリット 2 2 5が形成された部分であるため、十分な可撓性を有することになる。作用部 2 2 3は、周囲をこの可撓部 2 2 2によって支持された部分であり、重錘体 2 4 0に作用した力が伝達される部分でもある。したがって、重錘体 2 4 0に加速度が作用すると、この加速度に起因して生じた力が作用部 2 2 3に伝達され、可撓部 2 2 2が弾性変形を生じることになる。

変位基板 2 2 0の上面のうち、可撓部 2 2 2および作用部 2 2 3に相当する領域には、浅い溝が掘られており、固定基板 2 1 0の下面との間にわずかな空間が形成されている。固定基板 2 1 0の下面には、環状固定電極 E 2 1 1および中央部固定電極 E 2 1 2が形成されており、これらの電極に対して、空間を隔てて対向している変位基板 2 2 0の上面の一部分が、それぞれ環状変位電極および中央部変位電極として機能することになり、環状容量素子 C 1および中央部容量素子 C 2が形成される。結局、この実施例に係る加速度センサにおいては、作用部 2 2 3および可撓部 2 2 2が、 § 1で述べた加速度センサの変位基板 2 0としての機能を果たし、可撓部 2 2 2および固定部 2 2 1力 § 1で述べた加速度センサの支持手段 3 0としての機能を果たしていることになる。なお、この加速度センサにおける重錘体 2 4 0は、周囲を台座 2 3 0によって囲まれており、下面には底板基板 2 5 0が配置されているため、過度の加速度が作用した場合であっても、重錘体 2 4 0の過度の変位は、台座 2 3 0の内側面もしくは底板基板 2 5 0の上面との接触によって抑制される。このため、過度の加速度の作用によって、重錘体 2 4 0が過度の変位を生じ、その結果、可撓部 2 2 2に過度の応力が加わって損傷が生じるのを防ぐことができる。

この第 1 7図に示す実施例は、量産に非常に適した加速度センサである。各基板はガラスあるいはシリコンからなり、製造プロセスは、既存の半導体の製造技術やマイクロマシニング技術を利用して行うことができる。また、台座 2 3 0と重錘体 2 4 0とは、もともと 1枚の基板を切断することによって形成することが可能である。それから、固定基板 2 1 0の下面に形成される電極は、たとえば、アルミニウムなどの金属を蒸着させる工程によって形成可能であり、各基板相互の接着は、陽極接合などの技術を用いて行うことが可能である。また、第 1 0図に示すような検出回路は、シリコンからなる変位基板 2 2 0あるいは底板基板 2 5 0内に半導体回路として形成することができるので、 1チップ内に検出回路までをも内蔵した加速度センサを実現することも可能である。 § 9. より厳密な補正

既に § 4において説明したように、本発明に係る加速度センサでは、第 1 0図に示すような回路を用いることにより、出力端子 T 1に「横揺れ」を示す電圧 V sが得られ、出力端子 T 2に「縦揺れ」を示す電圧 V Pが得られることになる。そして、 § 5において述べたように、特定の電極構成を採れば、遁倍回路 6 3を省略することも可能である。しかしながら、この第 1 0図に示す回路は、中央部容量素子 C 2の静電容量の変動分に相当する電圧 V 2が、「縦揺れ」の振幅を示す成分のみからなるという前提において成り立つ検出回路である。理論的には、環状容量素子 C 1の静電容量の変動分 V 1も、中央部容量素子 C 2の静電容量の変動分 V 2も、いずれも「横揺れ」の振幅を示す成分と「縦揺れ」の振幅を示す成分との和になる。ただ、中央部容量素子 C 2の静電容量の変動分を示す電圧 V 2では、「横揺れ」の振幅を示す成分は、「縦揺れ」の振幅を示す成分に比べて非常に小さいために、前者を無視して後者のみからなると近似しても大きな問題は生じないため、電圧 V 2をそのまま「縦揺れ」の振幅値として用い、この電圧 V 2に基いて、電圧 V Iに対する補正を行うようにしたのが、第 1 0図の回路である。

しかしながら、より厳密な検出を行う場合には、やはり電圧 V 2には「横揺れ」の振幅を示す成分も含まれているものとして取り扱う必要がある。このような厳密な検出を行う場合には、第 1 0図に示す回路の代わりに第 1 9図に示す回路を用いればよい。この第 1 9図に示す回路において、図の左端に示された可変容量素子 C 1および C 2は、第 1 0図に示す回路と同様に、それぞれ環状容量素子 C 1および中央容量素子 C 2を示す等価回路である。また、 C Z V変換回路 6 1および 6 2も、第 1 0図に示す回路と同様に、各静電容量値を電圧値に変換する回路であり、検出対象となる加速度が零のときに、出力電圧が 0ボルトになるようにキヤリブレーションされている。したがって、電圧 V Iは環状容量素子 C 1の静電容量値の変化を示し、電圧 V 2は中央部容量素子 C 2の静電容量値の変化を示す。そして、理論的には、電圧 V I, V 2ともに、「横揺れ」の振幅を示す成分と「縦揺れ」の振幅を示す成分との和からなる。

いま、ここで、「横揺れ」の振幅のみを示す出力電圧を電圧 V sとし、「縦揺れ」の振幅のみを示す出力電圧を電圧 V pとすれば、この検出回路の目的は、電圧 V I, V 2に対して何らかの演算を行い、電圧 V s , V pを求め、これらを出力端子 T l， Τ 2に出力することである。第 1 9図に示す検出回路では、遁倍回路 71〜74および差動増幅器 75， 76によって、このような演算がなされていることになる。以下、この演算について説明する。

前述したように、電圧 V 1, V 2ともに、「横揺れ」の振幅を示す成分（電圧 V sに対応）と「縦揺れ」の振幅を示す成分（電圧 V pに対応）との和からなるので、

V l =Ml l » V s + M 12 · V p

V 2 =M21 · V s + M22 · V p

なる 2本の式が成り立つことになる。ここで、 Mi l, M 12, M21, M22は、それぞれ所定の比例定数である。 § 4で述べた補正は、比例定数 M 21が M 22に比べて非常に小さいために、 M21 = 0と近似し、

V l =Ml l » V s + M 1 2 · V p

V 2 =M22 · V p

なる 2本の式に基いて、電圧 V s , V pを出力するようにしたものである。すなわち、この 2本の式から、

4 V 1 =M 1 1 · V s + (M 1 2/M2 2) - V 2 なる関係が得られるので、

V s - (V I - (M 1 2/M2 2) ' V 2) /M i l

V ρ = V 2/M22

なる式が得られる。そこで、第 1 0図に示す検出回路において、 k = (M l 2/M22) に設定した遁倍回路 6 3を用い、差動増幅器 64のゲインを（ 1 1 1 ) にキャリブレーションし、バッファ回路 6 5のゲインを（1 ZM2 2) にキャリブレーションすれば、出力端子 T 1に電圧 V sが得られ、出力端子 T 2に電圧 V pが得られることになる。

ここでは、比例定数 M 1 1 , M l 2, M 2 1 , M 2 2がいずれも零でないとする取扱いを行うことにより、厳密な検出値を得る方法を述べる, この場合、

V l =M l l » V s + M 1 2 · V p

V 2 =M2 1 « V s + M 2 2 · V p

なる 2本の連立方程式において、電圧値 V 1 , V 2は実測値として得られる値であり、 M i l , M 1 2, M2 1 , M2 2は所定の値をもった比例定数であるから、未知数は V s , V pの 2つだけである。したがって、この 2本の連立方程式を解けば、未知数の解は得られることになる。これをアナログ回路による演算で行うためには、具体的には、次のようにすればよい。いま、上述の 2本の連立方程式を行列式で表すと、

のようになる。この行列式を、 V s , Vpについて解くと、

K K 12 V

K 2 K 22 V 2 のような行列式が得られる。ここで、 K 1 1, K 12, K 21 , K 22 は、 M 1 1 , M 12, M21， M 22を要素とする行列に対する逆行列の要素である。そこで、演算によりこの逆行列を求め、その要素 K 1 1 , K 12, K 21 , K 22の各値を求める。そして、これらの値 K 1 1 , K 12, K 21, K 22をそれぞれ遁倍定数とする遁倍回路 71〜74 を用意し、第 19図に示すように、これらの遁倍回路 7：!〜 74と差動増幅器 75, 76によって検出回路を組めば、

V s = K 1 1 · V 1 - K 12 · V 2

V p = -K 21 - V I + K 22 · V 2

なる演算が行われることになる。これは、逆行列を用いた上述の行列式の演算に他ならない。よって、第 1 9図に示すアナログ演算回路によれば、出力端子 T 1に得られる電圧 V sは、「横揺れ」の厳密な振幅値を示し、出力端子 T 2に得られる電圧 V pは、「縦揺れ」の厳密な振幅値を示すものになる。

§ 1 0 . その他の変形例

以上、本発明に係る加速度センサをいくつかの実施例に基いて説明したが、本発明はこれらの実施例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。たとえば、これまでの実施例は、いずれも環状容量素子 C 1と中央部容量素子 C 2との双方を備えていたが、「横揺れ」のみが生じるような環境で用いるのであれば、環状容量素子 C 1のみを形成しておけば足りる。たとえば、自動車に搭載する衝撃計として利用する場合、自動車同士の衝突あるいは自動車と建造物との衝突などでは、通常、「横揺れ」の衝撃成分のみしか発生せず、「縦揺れ」の衝撃成分は無視しうる。このような使用環境であれば、「縦揺れ」成分についての補正を行う必要はないため、環状容量素子 C 1のみを形成するだけで十分である。

また、上述の実施例において各電極はいずれも中心軸 Wに関して完全に回転対称形をしていたが、実用上は完全な回転対称形でなくてもかまわない。もちろん、「横揺れ」検出をできるだけ無指向性にする上では、環状電極はできるだけ回転対称形にするのが好ましく、「縦揺れ」検出の値に「横揺れ」検出の値をできるだけ干渉させないようにする上では、中央部電極はできるだけ回転対称形にするのが好ましい。

ただ、用途によっては、「横揺れ」加速度に対する検出感度に指向性をもたせた方が好ましい場台もある。たとえば、自動車におけるエアバッグの作動制御を行うための衝撃センサとして用いる場合、正面衝突による衝撃の検出感度と、側面衝突による衝撃の検出感度と、に差をもたせた方が好ましい。これは、第 2 0図に示すように、運転席が受ける衝撃加速度は、一般に、正面衝突よりも側面衝突の方が大きくなる傾向にあるためである。具体的には、自動車搭載用の加速度センサとしては、正面衝突による衝撃加速度のフルスケールが 5 0 G程度で十分であるのに対し、側面衝突による衝撃加速度のフルスケールは 2 0 0 G程度が必要であると考えられている。このような要望に応えるためには、正面から作用する加速度に対する検出感度よりも、側面から作用する加速度に対する検出感度を低く設定する必要がある。

このような「横揺れ」加速度に対する検出感度に指向性をもたせるには、一対の環状電極の形状を、中心軸 Wに関して非回転対称形にすればよい。たとえば、前述した基本的な実施例では、第 3図に示すように、固定基板 1 0上に環状固定電極 E 1 1が設けられているが、この環状固定電極 E 1 1は、内側輪郭線も外側輪郭線もいずれも完全な円である。別言すれば、中心軸 Wに関して完全な回転対称形となっている。この環状固定電極 E 1 1に対向する環状変位電極 E 2 1も、第 4図に示すように、完全な回転対称形となっている。このように、完全な回転対称形をした一対の環状電極を用いると、 X Y平面に平行な「横揺れ」加速度についての検出感度は無指向性となり、 X軸方向を向いた加速度に対しても、 Y軸方向を向いた加速度に対しても、同じ感度の検出値が得られる _c ところが、第 2 1図に示すように、固定基板 1 ◦上に非回転対称形をした環状固定電極 E 3 1を形成し、変位基板 2 0上にも、これに対向するように同じ形状の環状変位電極（図示省略）を形成すれば、 X Y平面に平行な「横揺れ」加速度に関して指向性をもった加速度センサが実現できる。この環状固定電極 E 3 1は、外側輪郭線は完全な円であるが、内側輪郭線は Y軸方向に長軸をもった楕円になっており、 X軸と交差する部分の電極幅は、 Y軸と交差する部分の電極幅よりも広くなっている _c このため、同じ大きさの加速度が作用した場合であっても、 X軸方向に作用したときの静電容量値の変化は、 Y軸方向に作用したときの静電容量値の変化よりも大きくなる。別言すれば、 X軸方向の検出感度は、 Y 軸方向の検出感度よりも高くなる。したがって、この加速度センサを、 X軸が正面に向くようにして自動車に搭載すれば、第 2 0図に示すように、正面衝突による衝撃加速度のフルスケールよりも、側面衝突による衝撃加速度のフルスケールが大きくなるような設定ができる。

第 2 2図は、別な非回転対称形をした環状固定電極 E 4 1を固定基板 1 0上に形成した実施例を示す図である。この環状固定電極 E 4 1は、内側輪郭線は完全な円であるが、外側輪郭線は X軸方向に長軸をもった楕円になっており、やはり X軸と交差する部分の電極幅は、 Y軸と交差する部分の電極幅よりも広くなつている。したがって、変位基板 2 0上にも、これに対向するように同じ形状の環状変位電極（図示省略）を形成しておけば、 Y軸検出感度よりも X軸検出感度の方が高い指向性をもつた加速度センサが実現できる。

第 2 3図は、更に別な非回転対称形をした環状固定電極 E 5 1を固定基板 1 0上に形成した実施例を示す図である。この環状固定電極 E 5 1 は、内側輪郭線も外側輪郭線もともに X軸方向に長軸をもった楕円になつている。このため、電極の幅は各部において若干異なるものの大きな差はない。し力、し、電極の形成位置分布に関しては、 X軸と交差する部分と、 Y軸と交差する部分とではかなり差が生じている。すなわち、 X 軸と交差する部分は中心からかなり隔たった位置に分布しているのに対し、 Y軸と交差する部分は比較的中心に近い位置に分布している。したがって、変位基板 2 0上にも、これに対向するように同じ形状の環状変位電極（図示省略）を形成しておけば、同じ大きさの加速度が作用した場合であっても、 X軸方向に作用したときの電極間距離の変化は、 Y軸方向に作用したときの電極間距離の変化よりも大きくなり、 X軸方向の検出感度は、 Y軸方向の検出感度よりも高くなる。

第 2 4図は、矩形状の環状固定電極 E 6 1と中央部固定電極 E 6 2とを固定基板 1 0上に形成した実施例を示す図である。ここで、環状固定電極 E 6 1は、内側輪郭線は正方形であるが、外側輪郭線は X軸方向に細長い長方形になっており、中央部固定電極 E 6 2は、正方形状をしている。この環状固定電極 E 6 1では、 X軸と交差する部分の電極幅は、 Y軸と交差する部分の電極幅よりも広くなつており、また、 X軸と交差する部分は中心からかなり隔たった位置に分布しているのに対し、 Y軸と交差する部分は比較的中心に近い位置に分布している。したがって、変位基板 2 0上にも、これに対向するように同じ形状の環状変位電極 (図示省略）を形成しておけば、やはり X軸方向の検出感度が Y軸方向の検出感度よりも高い指向性をもつた加速度センサが実現できる。以上のとおり本発明に係る加速度センサによれば、環状容量素子の静電容量値の変化に基いて作用した加速度を検出するようにしたため、所定の一平面に含まれる方向を向いた加速度の大きさを電気信号として効率良く検出することができる。産業上の利用可能性

以上のとおり本発明に係る加速度センサによれば、環状容量素子の静電容量値の変化に基いて作用した加速度を検出するようにしたため、所定の一平面含まれる方向を向いた加速度の大きさを電気信号として効率良く検出することができる。更に、中央部容量素子の静電容量値の変化に基いて作用した加速度を検出するようにしたため、上記一平面に垂直な方向を向いた加速度の大きさを電気信号として検出することもできる。このように、本発明に係る加速度センサは、所定の一平面に含まれる方向を向いた加速度と、この一平面に垂直な方向を向いた加速度と、をそれぞれ別個に検出することができるため、地震の震動検出や自動車の衝突検出に利用すれば非常に有用である。

2 一

Claims

請求の範囲

1. センサ筐体（50) と、

このセンサ筐体に固着された固定基板（10) と、

この固定基板の下方に所定距離をおいて、前記固定基板に対向するように配置された変位基板（20) と、

この変位基板の周囲を前記センサ筐体に対して弾力性をもつて支持する支持手段（30) と、

前記変位基板に固着され、検出対象となる加速度の作用により、前記支持手段に弾性変形を誘発させるのに十分な質量をもった重錘体（40) と、

前記固定基板の下面に形成され、環状形状をした環状固定電極（E 1 1) と、

前記変位基板の上面に形成され、前記環状固定電極に対する対向電極として機能する環状変位電極（E 21) と、

前記環状固定電極と前記環状変位電極とによって形成される環状容量素子（C 1) の静電容量値の変動分 V 1に基いて、前記固定基板の主面に平行な方向に作用する加速度の大きさ（F x) を示す電気信号（V s ) を出力する検出回路（61— 65) と、

を備えることを特徴とする加速度センサ。

2. 請求項 1に記載の加速度センサにおいて、

固定基板下面の環状固定電極（E l 1 ) の内側領域内に配置された中央部固定電極（E 12) と、変位基板上面の環状変位電極（E 21) の内側領域内に配置され、前記中央部固定電極に対する対向電極として機能する中央部変位電極（E 22) と、

を更に設け、

検出回路（61 - 65) が、前記中央部固定電極と前記中央部変位電極とによって形成される中央部容量素子（C 2) の静電容量値の変動分 V 2を用いて、環状容量素子（C 1) の静電容量値の変動分 V 1に対する補正を行い、補正後の値に基いて、固定基板の主面に平行な方向に作用する加速度の大きさ（F x) を示す電気信号（V s ) を出力することを特徴とする加速度センサ。

3. 請求項 2に記載の加速度センサにおいて、

検出回路（61 - 65) が、更に、中央部容量素子（C 2) の静電容量値の変動分 V 2に基いて、固定基板の主面に垂直な方向に作用する加速度の大きさ（F z) を示す電気信号を出力することを特徴とする加速度センサ。

4. 請求項 2または 3に記載の加速度センサにおいて、

環状固定電極（ E 1 1 ) 、環状変位電極（ E 21 ) 、中央部固定電極 (E 12) 、中央部変位電極（E 22) のそれぞれを、重錘体（40) の重心（G) を通り固定基板の主面に対して垂直な中心由 (W) に関してほぼ回転対称となるような形状としたことを特徴とする加速度センサ。

5. 請求項 2〜4のいずれかに記載の加速度センサにおいて、環状容量素子（C 1) を構成する一対の電極（E 1 1, E 21) の電極間距離 d 1と、中央部容量素子（C 2) を構成する一対の電極（E 1 2, E 22),の電極間距離 d 2と、が等しくなるような構造とし、環状容量素子を構成する各電極の面積 S 1と、中央部容量素子を構成する各電極の面積 S 2と、を用いて、環状容量素子の静電容量値の変動分 V 1 に対して、

V s = V I ― (S 1 /S 2) · V 2

なる補正演算を行うことによって得られる値 V sに基いて、固定基板の主面に平行な方向に作用する加速度の大きさ（F x) を示す電気信号を出力することを特徴とする加速度センサ。

6. 請求項 2〜4のいずれかに記載の加速度センサにおいて、環状容量素子（C 1) を構成する一対の電極（E 1 1, E 21 ) の電極間距離 d 1と、中央部容量素子（C 2) を構成する一対の電極（E 1 2， E 22) の電極間距離 d 2と、環状容量素子を構成する各電極の面積 S 1と、中央部容量素子を構成する各電極の面積 S 2と、の間に、

S 1 / (d 1 ) ^ = S 2 / (d 2) ² なる関係が成り立つ構造とし、環状容量素子の静電容量値の変動分 V 1 に対して、

V s = V I — V 2

なる補正演算を行うことによって得られる値 V sに基いて、固定基板の主面に平行な方向に作用する加速度の大きさ（F x) を示す電気信号として出力することを特徴とする加速度センサ。

5

7. 請求項 6に記載の加速度センサにおいて、

環状容量素子（C 1) を構成する一対の電極（E 1 1， E 21 ) の電極間距離 d lと、中央部容量素子（C 2) を構成する一対の電極（E 1 2, E 22) の電極間距離 d 2と、が等しくなり、かつ、環状容量素子を構成する各電極の面積 S 1と、中央部容量素子を構成する各電極の面積 S 2と、が等しくなるような構造としたことを特徴とする加速度センサ。

8. 請求項 2〜4のいずれかに記載の加速度センサにおいて、検出回路が、環状容量素子（C 1) の静電容量値の変動分 V 1に対して所定の定数 K l 1を乗じて（K l 1 · V I) を得る回路（71 ) および所定の定数 K 21を乗じて（K 21 - V I) を得る回路（72) と、中央部容量素子（C 2) の静電容量値の変動分 V 2に対して所定の定数 K 12を乗じて（K 12 * V 2) を得る回路（73) および所定の定数 Κ 22を乗じて（Κ 22 · V 2) を得る回路（74) と、（ Κ 1 1 · V 1 ) 一 (Κ 12 · V 2) なる演算を行って値 V sを得る回路（75) と、 (K 21 - V 1) - (K 22 - V 2) なる演算を行って値 V pを得る回路（76) と、を有し、

前記値 V sに基いて、固定基板の主面に平行な方向に作用する加速度の大きさ（F x) を示す電気信号を出力し、

前記値 V pに基いて、固定基板の主面に垂直な方向に作用する加速度の大きさ（F z) を示す電気信号を出力することを特徴とする加速度センサ。

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9. 請求項 2または 3に記載の加速度センサにおいて、

環状固定電極（E 31, E 41 , E 51 , E 61) および環状変位電極を、重錘体（40) の重心（G) を通り固定基板の主面に対して垂直な中心軸（W) に関して非回転対称となるような環状形状としたことを特徴とする加速度センサ。

10. 請求項 2〜9のいずれかに記載の加速度センサにおいて、環状変位電極および中央部変位電極を物理的に単一の共通電極（12

0， 220) によって構成したことを特徴とする加速度センサ。

1 1. 請求項 10に記載の加速度センサにおいて、

変位基板（120, 220) を導電性材料によって構成し、この変位基板の一部を単一の共通電極として用いたことを特徴とする加速度センサ。

12. 請求項 2〜9のいずれかに記載の加速度センサにおいて、環状固定電極および中央部固定電極を物理的に単一の共通電極によつて構成したことを特徴とする加速度センサ。

13. 請求項 12に記載の加速度センサにおいて、

固定基板を導電性材料によつて構成し、この固定基板の一部を単一の共通電極として用いたことを特徴とする加速度センサ。

14. 請求項 1〜 13のいずれかに記載の加速度センサにおいて、可撓性基板（120, 220) に複数のスリット（122, 225) を形成することによりダイヤフラムを構成し、このダイヤフラムを変位基板および支待手段として用いることを特徴とする加速度センサ。

15. 請求項 14に記載の加速度センサにおいて、

可撓性基板（120) の中心点（0) を取り囲む環状線に沿って形成された複数のスリット（1 22 a, 122 b) と、可撓性基板の中心点から外方へ向かう放射線に沿って形成された複数のスリット（122 c, 122 d) と、を設け、スリット相互の間隙部分によって、ダイヤフラムの各部が物理的に接続されるような構造とし、

ダイヤフラムの周囲部分（121) をセンサ筐体（150) に固着レ、前記間隙部分の弾性変形に基いて、ダイヤフラムの中央部分に変位が生じる構造としたことを特徴とする加速度センサ。

16. 請求項 14または 1 5に記載の加速度センサにおいて、可撓性基板を、その主面を含む平面内で所定角 6° 回転させたときに、スリツトのパターンが、回転前のパターンにほぼ一致するように、各スリッ卜が形成されていることを特徴とする加速度センサ。