JPH08146035A - 可変仮想錘加速度計 - Google Patents
可変仮想錘加速度計Info
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- JPH08146035A JPH08146035A JP7165555A JP16555595A JPH08146035A JP H08146035 A JPH08146035 A JP H08146035A JP 7165555 A JP7165555 A JP 7165555A JP 16555595 A JP16555595 A JP 16555595A JP H08146035 A JPH08146035 A JP H08146035A
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- G01P15/02—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses
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- G01P2015/0828—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses with conversion into electric or magnetic values being provided with a particular type of spring-mass-system for defining the displacement of a seismic mass due to an external acceleration for defining out-of-plane movement of the mass for one single degree of freedom of movement of the mass the mass being of the paddle type being suspended at one of its longitudinal ends
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Abstract
(57)【要約】
【目的】 加速度が閾値を超えたときにのみ信号を出力
する地震加速度計を提供する。 【構成】 地震の振動を検出する可変仮想錘加速度計１
において、地震波によって振動するフレーム２と、バネ
５２を介して前記フレーム２上に支持された錘５１と、
錘５１の上下に配置された電極６，７と、該電極６，７
に電圧を供給する電源８と、電極間の容量変化を検出す
る容量変化検出手段９を備えた。
する地震加速度計を提供する。 【構成】 地震の振動を検出する可変仮想錘加速度計１
において、地震波によって振動するフレーム２と、バネ
５２を介して前記フレーム２上に支持された錘５１と、
錘５１の上下に配置された電極６，７と、該電極６，７
に電圧を供給する電源８と、電極間の容量変化を検出す
る容量変化検出手段９を備えた。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、マイクロマシン技術を
用いて作成した振動波を計測するための小型の加速度計
（Micro-Accelerometer）に関する。本発明は、好適に
は、地震波を計測するための小型の加速度計に関する。
用いて作成した振動波を計測するための小型の加速度計
（Micro-Accelerometer）に関する。本発明は、好適に
は、地震波を計測するための小型の加速度計に関する。
【０００２】
【従来の技術】ガス供給のための配管系では、大規模地
震発生時に各端末のガス機器を迅速かつ正確に遮断する
必要がある。このために、地震を計測検出する地震計を
各使用者端末に設け、この検出信号によって端末を遮断
するようにしている。
震発生時に各端末のガス機器を迅速かつ正確に遮断する
必要がある。このために、地震を計測検出する地震計を
各使用者端末に設け、この検出信号によって端末を遮断
するようにしている。
【０００３】地震を計測するための従来の加速度計は、
２種類のタイプに分けることができる。一つは小さな振
動子を持ち広い帯域にわたる振動を検出できる広帯域
（Broad band）加速度計であり、もう一つは地震の周波
数のみを検出できるように周波数特性を低周波数に限定
した挟帯域（Narrow band）加速度計である。これらの
加速度計は、いずれも、スプリングなどで錘をフレーム
に接続する構造を持っており、錘とフレームの相対的な
位置の変化によって加速度を検出するものである。
２種類のタイプに分けることができる。一つは小さな振
動子を持ち広い帯域にわたる振動を検出できる広帯域
（Broad band）加速度計であり、もう一つは地震の周波
数のみを検出できるように周波数特性を低周波数に限定
した挟帯域（Narrow band）加速度計である。これらの
加速度計は、いずれも、スプリングなどで錘をフレーム
に接続する構造を持っており、錘とフレームの相対的な
位置の変化によって加速度を検出するものである。
【０００４】従来技術を用いて低周波数である地震波の
みを検出する狭帯域の加速度計の共振周波数を小さくす
るには、加速度計自体の構造を大きくする必要がある。
すなわち、例えば周波数１Hzで１００Galの加速度を検
出するには、２．５cmもの加速度計の変位が必要であ
り、線形のシステムを用いてこの変位を実現するには少
なくても変位と同じ長さの振動子が必要となっている。
みを検出する狭帯域の加速度計の共振周波数を小さくす
るには、加速度計自体の構造を大きくする必要がある。
すなわち、例えば周波数１Hzで１００Galの加速度を検
出するには、２．５cmもの加速度計の変位が必要であ
り、線形のシステムを用いてこの変位を実現するには少
なくても変位と同じ長さの振動子が必要となっている。
【０００５】従来の広帯域加速度計は、共振周波数の帯
域が通常１０００Hz以上と非常に高いので、地震波を計
測するには例えば車の振動などの地震以外の振動も地震
波と同様に誤って認識してしまう問題があり、この問題
を解決するために電気的なフィルターを挿入して検出信
号から高周波成分を取り除き、地震信号のみを取り出す
必要があった。
域が通常１０００Hz以上と非常に高いので、地震波を計
測するには例えば車の振動などの地震以外の振動も地震
波と同様に誤って認識してしまう問題があり、この問題
を解決するために電気的なフィルターを挿入して検出信
号から高周波成分を取り除き、地震信号のみを取り出す
必要があった。
【０００６】図１２に、現在ガスメーターに使用されて
いる地震センサーの原理的な構造を示す。この地震セン
サ１００は、漏斗状のくぼみ１３０を底部１２０の中心
部に設けた容器１１０内に鋼球１５０を収納したもの
で、容器１１０に加速度が加わると鋼球１５０がくぼみ
１３０の傾斜１３１をかけのぼり、容器１１０の周壁１
４０に設けた電極１４１に当たって該電極１４１と底面
に設けた電極１２１とを短絡して所定値以上の加速度が
加わったことを示す信号を出力するようになっている。
いる地震センサーの原理的な構造を示す。この地震セン
サ１００は、漏斗状のくぼみ１３０を底部１２０の中心
部に設けた容器１１０内に鋼球１５０を収納したもの
で、容器１１０に加速度が加わると鋼球１５０がくぼみ
１３０の傾斜１３１をかけのぼり、容器１１０の周壁１
４０に設けた電極１４１に当たって該電極１４１と底面
に設けた電極１２１とを短絡して所定値以上の加速度が
加わったことを示す信号を出力するようになっている。
【０００７】縦軸に加速度（Gal）を横軸に変位（mm）
をとった図１３に示される動作特性を、この加速度セン
サは示す。すなわち、容器１１０の内径が２１．６mmで
あり、鋼球１５０の直径が１５．９mmであり、くぼみ１
３０の傾斜角αが６．４２°のとき、（５／７）・Ｍ・
g・sinα・cosαの加速度で鋼球は２．４７７mm変位し
検出信号を出力する。ここで、Ｍは球体の質量を、ｇは
動加速度を示す。
をとった図１３に示される動作特性を、この加速度セン
サは示す。すなわち、容器１１０の内径が２１．６mmで
あり、鋼球１５０の直径が１５．９mmであり、くぼみ１
３０の傾斜角αが６．４２°のとき、（５／７）・Ｍ・
g・sinα・cosαの加速度で鋼球は２．４７７mm変位し
検出信号を出力する。ここで、Ｍは球体の質量を、ｇは
動加速度を示す。
【０００８】地震計として用いる加速度計は、１〜５Hz
の振動数に対して８５〜１５０Galの加速度の検出を必
要とし、雑音の影響を避けるために、５Hz以上では振動
数が１桁あがる毎に約６０dBの感度低下（roll-off）を
必要とする。理想的な力−変位特性の一般系を図４を用
いて説明する。同図は、縦軸に復元力（restoring forc
e）を示し、横軸に変位量（displacement）を示してい
る。この力−変位特性は、加速度が小さい時点では、バ
ネは非常に硬く、錘はフレームとともに移動するので、
錘とフレームの間に相対的な変位は生ぜず、加速度が閾
値に達すると、閾値力（地震計の錘の質量×加速度の閾
値）を超えてバネが軟らかくなり、フレームと錘との間
に相対的な変位を生じるような系を示している。
の振動数に対して８５〜１５０Galの加速度の検出を必
要とし、雑音の影響を避けるために、５Hz以上では振動
数が１桁あがる毎に約６０dBの感度低下（roll-off）を
必要とする。理想的な力−変位特性の一般系を図４を用
いて説明する。同図は、縦軸に復元力（restoring forc
e）を示し、横軸に変位量（displacement）を示してい
る。この力−変位特性は、加速度が小さい時点では、バ
ネは非常に硬く、錘はフレームとともに移動するので、
錘とフレームの間に相対的な変位は生ぜず、加速度が閾
値に達すると、閾値力（地震計の錘の質量×加速度の閾
値）を超えてバネが軟らかくなり、フレームと錘との間
に相対的な変位を生じるような系を示している。
【０００９】地震の加速度がかかったとき検出素子があ
まり大きく変形しないものとするためには、検出素子の
大きさは小さくなければならない。すなわち、マイクロ
マシン技術を用いて加速度計を制作することによってメ
リットが生じる。さらに、高価な低周波通過型電気式フ
ィルタ（low pass electric filter）が必要となるのを
避けるため、地震波を計測する加速度計自体が約１〜５
Hzの狭い検出帯域幅を持たねばならない。
まり大きく変形しないものとするためには、検出素子の
大きさは小さくなければならない。すなわち、マイクロ
マシン技術を用いて加速度計を制作することによってメ
リットが生じる。さらに、高価な低周波通過型電気式フ
ィルタ（low pass electric filter）が必要となるのを
避けるため、地震波を計測する加速度計自体が約１〜５
Hzの狭い検出帯域幅を持たねばならない。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】このような課題を達成
するためには、地震の入力加速度が系の閾値より少し大
きくなるまでは、バネは硬くなければならず、閾値を超
えるとバネの特性が変化して軟らかくならねばならな
い。このことによって、閾値に近い大きな加速度に対す
る検出帯域幅を狭くすることができる。
するためには、地震の入力加速度が系の閾値より少し大
きくなるまでは、バネは硬くなければならず、閾値を超
えるとバネの特性が変化して軟らかくならねばならな
い。このことによって、閾値に近い大きな加速度に対す
る検出帯域幅を狭くすることができる。
【００１１】上記問題点に鑑み、本発明は、１〜５Hzの
周波数で８５−１５０Galの加速度に感度を有し、かつ
５Hz以上の周波数では周波数が１０倍となるごとに６０
dBの感度の減衰（roll off）を有する、極めて小型で、
安価、かつ電力消費の少ない加速度計を提供することを
目的とする。
周波数で８５−１５０Galの加速度に感度を有し、かつ
５Hz以上の周波数では周波数が１０倍となるごとに６０
dBの感度の減衰（roll off）を有する、極めて小型で、
安価、かつ電力消費の少ない加速度計を提供することを
目的とする。
【００１２】また、本発明は、加速度が閾値を超えたと
きにのみ信号を出力する加速度計を提供することを目的
とする。
きにのみ信号を出力する加速度計を提供することを目的
とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】通常、加速度計や振動セ
ンサの中にバネを介してフレームに支持された錘は２つ
の外力を受ける。第一に設計されるセンサーの検出目的
となるような、支持点を通して錘に伝えられる例えば外
部的加速度のような加速度によって引き起こされる力が
ある。第二に重力等によって生じる変位に対する反発力
（静止の慣性力）がある。ここで、加速度計の中の錘の
変位が変化するにつれて錘の支点を通して錘に伝えられ
る反発力の強さが見かけ上変わっていくような第三のタ
イプの力を導入することによって、あたかも質量が変化
したように見える可変仮想錘の性質を持つデバイスを作
り出すことが考えられる。すなわち、第３の力としての
見かけ上の錘の質量を変化させるために、その変位とと
もに変化する力を地震加速度計の錘に加える手段が考え
られる。この第三の力を利用できれば地震加速度計に期
待される前記特性を持ったシステムを作り出すことがで
きる。
ンサの中にバネを介してフレームに支持された錘は２つ
の外力を受ける。第一に設計されるセンサーの検出目的
となるような、支持点を通して錘に伝えられる例えば外
部的加速度のような加速度によって引き起こされる力が
ある。第二に重力等によって生じる変位に対する反発力
（静止の慣性力）がある。ここで、加速度計の中の錘の
変位が変化するにつれて錘の支点を通して錘に伝えられ
る反発力の強さが見かけ上変わっていくような第三のタ
イプの力を導入することによって、あたかも質量が変化
したように見える可変仮想錘の性質を持つデバイスを作
り出すことが考えられる。すなわち、第３の力としての
見かけ上の錘の質量を変化させるために、その変位とと
もに変化する力を地震加速度計の錘に加える手段が考え
られる。この第三の力を利用できれば地震加速度計に期
待される前記特性を持ったシステムを作り出すことがで
きる。
【００１４】上記の、第３の力を与えられるようにした
本発明の可変仮想錘加速度計は、地震波によって振動す
るフレームと、バネを介して前記フレーム上に支持され
た錘と、錘の上下に配置された電極とから構成される。
本発明の可変仮想錘加速度計は、地震波によって振動す
るフレームと、バネを介して前記フレーム上に支持され
た錘と、錘の上下に配置された電極とから構成される。
【００１５】さらに、本発明の可変仮想錘加速度計は、
振動波によって振動するフレームと、バネを介して前記
フレーム上に支持された錘と、錘の上下に配置された電
極と、該電極に電圧を供給する電源とから構成される。
振動波によって振動するフレームと、バネを介して前記
フレーム上に支持された錘と、錘の上下に配置された電
極と、該電極に電圧を供給する電源とから構成される。
【００１６】本発明の振動波を検出する可変仮想錘加速
度計は、振動波によって振動するフレームと、バネを介
して前記フレーム上に支持された錘と、錘の上下に配置
された電極と、該電極に電圧を供給する電源と、電極間
の容量変化を検出する容量変化検出手段とから構成され
る。
度計は、振動波によって振動するフレームと、バネを介
して前記フレーム上に支持された錘と、錘の上下に配置
された電極と、該電極に電圧を供給する電源と、電極間
の容量変化を検出する容量変化検出手段とから構成され
る。
【００１７】
【作用】バネを介してフレームに支持された錘を、上下
に配置された電極間に形成された電界の中に位置させる
と、錘は、電極間に生じる保持力によって電極間から出
ないような力を受ける。したがって、この力は、加速度
が小さいときには見かけ上硬いバネとしてフレームと錘
との相対的な移動を妨げる働きをし、加速度が閾値を超
えたときにはその保持力に打ち勝って錘が電界の影響が
小さな領域移動して見かけ上軟らかいバネとして働き、
フレームと錘との相対的な移動を生じさせて所定の大き
さ以上の地震波を検出する。電極間の容量は、電極間に
導体板が存在するか否かによって変化するので、閾値以
上の加速度が加えられたことは、電極間の容量の変化に
よって検出される。また、このセンサーは錘が中心から
ずれると速やかに端へ移動する性格を持ったセンサであ
るから、閾値以上の加速度が加えられたことは、センサ
ーの端（錘の振動方向の外側）に例えばリミッタスイッ
チを設け、錘が接触することによって検出されるように
構成することもできる。
に配置された電極間に形成された電界の中に位置させる
と、錘は、電極間に生じる保持力によって電極間から出
ないような力を受ける。したがって、この力は、加速度
が小さいときには見かけ上硬いバネとしてフレームと錘
との相対的な移動を妨げる働きをし、加速度が閾値を超
えたときにはその保持力に打ち勝って錘が電界の影響が
小さな領域移動して見かけ上軟らかいバネとして働き、
フレームと錘との相対的な移動を生じさせて所定の大き
さ以上の地震波を検出する。電極間の容量は、電極間に
導体板が存在するか否かによって変化するので、閾値以
上の加速度が加えられたことは、電極間の容量の変化に
よって検出される。また、このセンサーは錘が中心から
ずれると速やかに端へ移動する性格を持ったセンサであ
るから、閾値以上の加速度が加えられたことは、センサ
ーの端（錘の振動方向の外側）に例えばリミッタスイッ
チを設け、錘が接触することによって検出されるように
構成することもできる。
【００１８】
【実施例】ここで、本発明の動作原理を説明する。錘が
バネによって支持された系において、錘の質量をｍと
し、減衰係数をｃとし、バネ定数をｋとすると、線形の
バネ質量制動システムは、ｘを変位とすると下記（１）
式によって記述される。
バネによって支持された系において、錘の質量をｍと
し、減衰係数をｃとし、バネ定数をｋとすると、線形の
バネ質量制動システムは、ｘを変位とすると下記（１）
式によって記述される。
【００１９】
【数１】
【００２０】このようなシステムにおいて、質量そのも
のが変化するようなセンサーを実現することは不可能で
ある。しかし、上記（１）式の左辺第１項である加速度
を示す２次微分項は、力の大きさをもっており、これを
変化させて見かけ上質量を可変とすることは可能であ
る。そこで、見かけ上の加速度を変化させることができ
れば、可変仮想錘加速度計を実現するために必要な、見
かけ上変化する質量をもった錘を作ることが可能とな
る。以下、錘の見かけ上の質量を変化させるために、静
電気力を使って見かけ上の加速度を変化させる実現手法
について記述する。
のが変化するようなセンサーを実現することは不可能で
ある。しかし、上記（１）式の左辺第１項である加速度
を示す２次微分項は、力の大きさをもっており、これを
変化させて見かけ上質量を可変とすることは可能であ
る。そこで、見かけ上の加速度を変化させることができ
れば、可変仮想錘加速度計を実現するために必要な、見
かけ上変化する質量をもった錘を作ることが可能とな
る。以下、錘の見かけ上の質量を変化させるために、静
電気力を使って見かけ上の加速度を変化させる実現手法
について記述する。
【００２１】図５は、可変仮想錘加速度計の原理を示す
図で、下部電極６と上部電極７とで構成されたキャパシ
ターの電極間に導体からなる板５１を導入すると、全体
の容量とそのエネルギーが変化する。両電極間に印加さ
れる電圧をＶ、静電容量をＣとし、錘ｍは印加された電
位を持たずに電気的にフローティング状態にあると仮定
すると、ｘ方向の力Ｆｘは下記（２）式で示される。
図で、下部電極６と上部電極７とで構成されたキャパシ
ターの電極間に導体からなる板５１を導入すると、全体
の容量とそのエネルギーが変化する。両電極間に印加さ
れる電圧をＶ、静電容量をＣとし、錘ｍは印加された電
位を持たずに電気的にフローティング状態にあると仮定
すると、ｘ方向の力Ｆｘは下記（２）式で示される。
【００２２】Fx=(V2/2)・(dＣ/dx) …… （２） ここで、両電極間の距離をｄとし、電極６，７の長さを
Ｌ、導体板５１の厚みをａ、キャパシタに挿入された導
電板５１の横方向の挿入距離をｘで示し、電極６，７の
面積をＡとして、電極全面にわたって幾何学的に一定の
電圧が印加される下で上記（２）式は、下記（３）式と
なる。
Ｌ、導体板５１の厚みをａ、キャパシタに挿入された導
電板５１の横方向の挿入距離をｘで示し、電極６，７の
面積をＡとして、電極全面にわたって幾何学的に一定の
電圧が印加される下で上記（２）式は、下記（３）式と
なる。
【００２３】 Fx=(V2/2)・〔a/（d-a）〕・〔(ε・A）/（L・d)〕 …… （３）
【００２４】すなわち、導体板５１に加わえられる力
は、横方向変位ｘに無関係に一定の大きさとなり、導体
板５１にかかる静電気力は、印加された電圧Ｖに比例し
て変化する。また、この力は、第１次の近似計算では板
の縦位置と無関係である。この静電気力を用いることに
よって、可変仮想錘加速度計の錘の質量を実効的に変化
させることができる。つまり、検出すべき加速度と、重
力による反発力に加えて、第三の力を錘に対して作用さ
せることになる。
は、横方向変位ｘに無関係に一定の大きさとなり、導体
板５１にかかる静電気力は、印加された電圧Ｖに比例し
て変化する。また、この力は、第１次の近似計算では板
の縦位置と無関係である。この静電気力を用いることに
よって、可変仮想錘加速度計の錘の質量を実効的に変化
させることができる。つまり、検出すべき加速度と、重
力による反発力に加えて、第三の力を錘に対して作用さ
せることになる。
【００２５】図６および図７を用いて、可変仮想錘の具
体的な働きを説明する。図６は、それぞれ複数に分割さ
れた上下電極間に導体板５１をはさんで構成されるキャ
パシタの各電極に印加される電圧を示し、図７は、該印
加電圧によって上下電極間に生じる電気力線を図６の左
半分の部分で示している。中央に位置する上下電極間に
は±Ｖ0が、その外側に位置する上下電極には±Ｖ1が、
さらにその外側に位置する上下電極には±Ｖ2が、最も
外側に位置する上下電極には±Ｖ3が印加されており、
印加電圧にＶ0＞Ｖ1＞Ｖ2＜Ｖ3の関係を持たせると、各
上下電極間に生じる電気力線は、図７に示されるように
±Ｖ0と±Ｖ3の電圧が印加される電極では電気力線の密
度が高く、その間では電気力線の密度は粗くなってい
る。
体的な働きを説明する。図６は、それぞれ複数に分割さ
れた上下電極間に導体板５１をはさんで構成されるキャ
パシタの各電極に印加される電圧を示し、図７は、該印
加電圧によって上下電極間に生じる電気力線を図６の左
半分の部分で示している。中央に位置する上下電極間に
は±Ｖ0が、その外側に位置する上下電極には±Ｖ1が、
さらにその外側に位置する上下電極には±Ｖ2が、最も
外側に位置する上下電極には±Ｖ3が印加されており、
印加電圧にＶ0＞Ｖ1＞Ｖ2＜Ｖ3の関係を持たせると、各
上下電極間に生じる電気力線は、図７に示されるように
±Ｖ0と±Ｖ3の電圧が印加される電極では電気力線の密
度が高く、その間では電気力線の密度は粗くなってい
る。
【００２６】このような系に挿入された導体板すなわち
錘５１に作用する横方向の力は、それぞれの上下電極間
に印加される電圧の関係と錘５１の位置によって決定さ
れる。すなわち、導体板５１は、電気力線の密度の高い
方に引き寄せられる力を受けこの力の平衡する点に静止
する。ここで、静止時には、錘５１は、バネの力によっ
て中央の電極間に静止しているが、横方向の振動が平衡
点に位置する錘５１に加えられると錘は平衡点から小さ
な逸脱を引き起こし、電極間に印加された電圧による力
が錘を引いたり、押したりして錘を平衡点に戻すように
働き、堅いバネが実現される。
錘５１に作用する横方向の力は、それぞれの上下電極間
に印加される電圧の関係と錘５１の位置によって決定さ
れる。すなわち、導体板５１は、電気力線の密度の高い
方に引き寄せられる力を受けこの力の平衡する点に静止
する。ここで、静止時には、錘５１は、バネの力によっ
て中央の電極間に静止しているが、横方向の振動が平衡
点に位置する錘５１に加えられると錘は平衡点から小さ
な逸脱を引き起こし、電極間に印加された電圧による力
が錘を引いたり、押したりして錘を平衡点に戻すように
働き、堅いバネが実現される。
【００２７】錘を平衡点に引き戻す力の大きさは、印加
電圧の大きさに直接に依存する。この例では、上下の極
板の電位が反対の極性にされており、各電極対に印加さ
れた電圧は、横方向で変化している電場を作りだし、こ
の電界強度の変化が横方向の力の変化を引き起こしてい
る。錘は、電界の中で錘が持つポテンシャルエネルギー
を減少させるため、より電界密度の高い領域へと引かれ
ていく。錘が電界の中を移動するとき電圧を一定に保つ
ため、電荷つまり新たなエネルギーを外部電源から供給
させ、容量が変化する。
電圧の大きさに直接に依存する。この例では、上下の極
板の電位が反対の極性にされており、各電極対に印加さ
れた電圧は、横方向で変化している電場を作りだし、こ
の電界強度の変化が横方向の力の変化を引き起こしてい
る。錘は、電界の中で錘が持つポテンシャルエネルギー
を減少させるため、より電界密度の高い領域へと引かれ
ていく。錘が電界の中を移動するとき電圧を一定に保つ
ため、電荷つまり新たなエネルギーを外部電源から供給
させ、容量が変化する。
【００２８】このように、これらの電極に正確に電圧が
印加されることによって、錘５１は、まるで横方向のポ
テンシャル井戸の中にあるかのように振る舞う。この力
は、錘５１を横方向の中心に維持しようとする。この系
では一度臨界閾値を越えると錘５１を中心位置から引き
離すような効果を持っている。これにより、得られる全
体の系は図８に示される。
印加されることによって、錘５１は、まるで横方向のポ
テンシャル井戸の中にあるかのように振る舞う。この力
は、錘５１を横方向の中心に維持しようとする。この系
では一度臨界閾値を越えると錘５１を中心位置から引き
離すような効果を持っている。これにより、得られる全
体の系は図８に示される。
【００２９】上記の仮定が有効であるか否かを、以下検
討する。各パラメーターを、極板の長さＬを１０μm、
電極間の垂直距離ｄを２．５μm、導電板の厚さａを
２．０μm、極板面積Ａを０．０９cm2と仮定する。これ
らの値は、可変仮想錘加速度計をマイクロマシン技術を
用いて実現することを可能にする値である。式（３）に
各数値を代入すると、横方向の力Ｆｘは６．３７・Ｖ2
（μＮ）となる。導電板５１としてシリコンを使用する
と、シリコンの密度は、２．３３g/ccであるから、錘５
１の重さは、４１．９４μgであり、印加電圧によって
生じる加速度accは、１５２・Ｖ2（m/sec2）で示され
る。
討する。各パラメーターを、極板の長さＬを１０μm、
電極間の垂直距離ｄを２．５μm、導電板の厚さａを
２．０μm、極板面積Ａを０．０９cm2と仮定する。これ
らの値は、可変仮想錘加速度計をマイクロマシン技術を
用いて実現することを可能にする値である。式（３）に
各数値を代入すると、横方向の力Ｆｘは６．３７・Ｖ2
（μＮ）となる。導電板５１としてシリコンを使用する
と、シリコンの密度は、２．３３g/ccであるから、錘５
１の重さは、４１．９４μgであり、印加電圧によって
生じる加速度accは、１５２・Ｖ2（m/sec2）で示され
る。
【００３０】これは、電極間に１Ｖの電圧が印加されれ
ば、１５．４Ｇの加速度となる。この加速度は、２００
Galに対して１／７５の値であるから、印加電圧を適当
な値に選択すれば望むべき外力を得ることができる。
ば、１５．４Ｇの加速度となる。この加速度は、２００
Galに対して１／７５の値であるから、印加電圧を適当
な値に選択すれば望むべき外力を得ることができる。
【００３１】以上のように、この原理によれば、地震を
検出する加速度計として実現可能な可変仮想錘加速度計
を提供することができる。
検出する加速度計として実現可能な可変仮想錘加速度計
を提供することができる。
【００３２】上記原理を用いた可変仮想錘加速度計につ
いて、以下図１〜図３を用いて説明する。図１は、本発
明に係る可変仮想錘加速度計の構成を示す断面図であ
り、図２は、電極と錘の位置関係を概念的に示す平面図
であり、図３は、電極と錘の関係を概念的に示す斜視図
である。
いて、以下図１〜図３を用いて説明する。図１は、本発
明に係る可変仮想錘加速度計の構成を示す断面図であ
り、図２は、電極と錘の位置関係を概念的に示す平面図
であり、図３は、電極と錘の関係を概念的に示す斜視図
である。
【００３３】本発明に係る可変仮想錘加速度計１は、分
割された複数個の下部電極６が構成されたシリコン基板
からなるフレーム２と、分割された複数個の上部電極７
が配置されたカバープレート３と、フレーム２とカバー
プレート３の間に設けられた空間４内に一端が前記フレ
ーム２に固定されて設けられた片持ち梁型の振り子５か
ら構成される。
割された複数個の下部電極６が構成されたシリコン基板
からなるフレーム２と、分割された複数個の上部電極７
が配置されたカバープレート３と、フレーム２とカバー
プレート３の間に設けられた空間４内に一端が前記フレ
ーム２に固定されて設けられた片持ち梁型の振り子５か
ら構成される。
【００３４】フレーム２は、シリコン基板２１と、この
シリコン基板表面に成長させた窒化珪素（ＳｉＮX）膜
２２からなる絶縁層とから構成されている。さらに、該
窒化珪素膜２２の下にあるシリコン基板２１には、所定
のパターンに不純物を拡散することによって下部電極６
および下部電極引出線６１が設けられている。さらに、
下部電極引出線６１の先端部は拡大された接続領域とな
っており、窒化珪素膜２２に設けたコンタクトホール２
４を介して電極引出線６２が設けられている。
シリコン基板表面に成長させた窒化珪素（ＳｉＮX）膜
２２からなる絶縁層とから構成されている。さらに、該
窒化珪素膜２２の下にあるシリコン基板２１には、所定
のパターンに不純物を拡散することによって下部電極６
および下部電極引出線６１が設けられている。さらに、
下部電極引出線６１の先端部は拡大された接続領域とな
っており、窒化珪素膜２２に設けたコンタクトホール２
４を介して電極引出線６２が設けられている。
【００３５】カバープレート３は、例えば、ガラス３１
から構成される。カバープレート３は、下面に沿って空
間４を有するとともに、内部空間４の内面およびプレー
ト３の下面に上部電極７が設けられ、ここから上部電極
引出線７１が延出している。カバープレート３の下面に
はさらに、下部電極引出線６３が設けられている。これ
らの電極および引出線は、例えば、金属を蒸着した後、
この金属層を所望のパターンにエッチングすることによ
って設けられている。
から構成される。カバープレート３は、下面に沿って空
間４を有するとともに、内部空間４の内面およびプレー
ト３の下面に上部電極７が設けられ、ここから上部電極
引出線７１が延出している。カバープレート３の下面に
はさらに、下部電極引出線６３が設けられている。これ
らの電極および引出線は、例えば、金属を蒸着した後、
この金属層を所望のパターンにエッチングすることによ
って設けられている。
【００３６】下部電極６は、窒化珪素膜２２の下面に設
けられた前記下部電極引出線６１、窒化珪素膜２２を貫
通する前記電極引出線６２、カバープレート３の下面に
設けられた金属箔からなる前記下部電極引出線６３を経
由して外部に引き出され、外部電極６４に接続されてい
る。また、上部電極７は、カバープレート３の内部空間
４の内面およびプレート３の下面に設けられた上部電極
引出線７１を経由して外部に引き出され、外部電極７２
に接続されている。これらの引出線６１，６２，６３お
よび外部電極６４ならびに引出線７１および外部電極７
２は、分割された電極に対応して設けられている。
けられた前記下部電極引出線６１、窒化珪素膜２２を貫
通する前記電極引出線６２、カバープレート３の下面に
設けられた金属箔からなる前記下部電極引出線６３を経
由して外部に引き出され、外部電極６４に接続されてい
る。また、上部電極７は、カバープレート３の内部空間
４の内面およびプレート３の下面に設けられた上部電極
引出線７１を経由して外部に引き出され、外部電極７２
に接続されている。これらの引出線６１，６２，６３お
よび外部電極６４ならびに引出線７１および外部電極７
２は、分割された電極に対応して設けられている。
【００３７】振り子５は、シリコン基板２１上に成長さ
せたポリシリコン層をエッチングすることによって設け
られる。振り子５は、錘５１と、ジグザグ状バネ５２
と、アンカー５３が一体に構成されている。アンカー５
３は、窒化珪素膜２２に穿ったアンカーホール２３を貫
通してシリコン基板２１に固定されている。振り子５
は、片持ち梁の構造を有しており、錘５１を支えるジグ
ザク状バネ５２は、錘５１に対し必要な地震波の振動方
向の平面内の自由度を与えている。ジグザグ状バネ５２
の錘５１に近い部分には、バネの一部が上下に突起した
上部突起５４および下部突起５５が形成されており、錘
５１が上下に振動して上部電極７や下部の絶縁層２２に
接触したりまたは錘５１が電極に吸着されて振動しなく
なる誤動作を防ぎ、振り子５の振動が正確となるように
配慮されている。
せたポリシリコン層をエッチングすることによって設け
られる。振り子５は、錘５１と、ジグザグ状バネ５２
と、アンカー５３が一体に構成されている。アンカー５
３は、窒化珪素膜２２に穿ったアンカーホール２３を貫
通してシリコン基板２１に固定されている。振り子５
は、片持ち梁の構造を有しており、錘５１を支えるジグ
ザク状バネ５２は、錘５１に対し必要な地震波の振動方
向の平面内の自由度を与えている。ジグザグ状バネ５２
の錘５１に近い部分には、バネの一部が上下に突起した
上部突起５４および下部突起５５が形成されており、錘
５１が上下に振動して上部電極７や下部の絶縁層２２に
接触したりまたは錘５１が電極に吸着されて振動しなく
なる誤動作を防ぎ、振り子５の振動が正確となるように
配慮されている。
【００３８】外部電極６４および外部電極７２には、電
源８が接続されており、各電極対ごとに所定の電圧が印
加され、対抗する電極間に所望の大きさの吸引力を形成
している。各電極対に現われる吸引力は所望のパターン
を描くように形成され、錘は静止時に中央部の電極間に
位置し、加速度が閾値を超えたときに最外側の電極間に
位置するようにされている。従って、加速度が閾値を超
えたときには、錘５１は、最外部の電極６−Ｏおよび７
−Ｏ間にトラップされ、加速度が閾値を超えたことを確
実に検出することができる。さらに、所望の電極、例え
ば外部電極対６４および７２の最外側に位置する外部電
極６４−Ｏとこれに対応する図示を省略した外部電極７
２−Ｏには、容量変化検出器９が接続される。錘５１
が、地震波によって移動して最外側の電極対に移動する
と、この電極間に構成されるキャパシタの容量は変化す
る。この容量変化を容量変化検出器９で検出することに
よって地震の発生を検出することができる。
源８が接続されており、各電極対ごとに所定の電圧が印
加され、対抗する電極間に所望の大きさの吸引力を形成
している。各電極対に現われる吸引力は所望のパターン
を描くように形成され、錘は静止時に中央部の電極間に
位置し、加速度が閾値を超えたときに最外側の電極間に
位置するようにされている。従って、加速度が閾値を超
えたときには、錘５１は、最外部の電極６−Ｏおよび７
−Ｏ間にトラップされ、加速度が閾値を超えたことを確
実に検出することができる。さらに、所望の電極、例え
ば外部電極対６４および７２の最外側に位置する外部電
極６４−Ｏとこれに対応する図示を省略した外部電極７
２−Ｏには、容量変化検出器９が接続される。錘５１
が、地震波によって移動して最外側の電極対に移動する
と、この電極間に構成されるキャパシタの容量は変化す
る。この容量変化を容量変化検出器９で検出することに
よって地震の発生を検出することができる。
【００３９】以上の説明では、測定されるべき振動波と
して地震波を対象として説明したが、対象となる振動波
は、地震波に限られるものではなく、その他の振動波を
対象とすることが当然に可能である。また、実施例で
は、加速度が閾値を超えたことを検出する手段として、
容量変化を検出する手段を用いたが、この手段に代え
て、光学的または磁気的に錘５１の変化を検出する手段
を用いることも可能である。
して地震波を対象として説明したが、対象となる振動波
は、地震波に限られるものではなく、その他の振動波を
対象とすることが当然に可能である。また、実施例で
は、加速度が閾値を超えたことを検出する手段として、
容量変化を検出する手段を用いたが、この手段に代え
て、光学的または磁気的に錘５１の変化を検出する手段
を用いることも可能である。
【００４０】本発明に係る可変仮想錘加速度計の製造方
法の例について以下に説明する。ここで、実際に製造す
る場合は一部の成膜はシリコンウェハーの上下に同時に
成膜されるものがあるが図９〜図１１の説明では下面に
形成された膜は省略してある。まず、表面を研摩したＰ
型シリコン基板２１の表面を熱酸化して基板の全面にわ
たって酸化膜（ＳiＯ2）２２０を形成する（図９
（Ａ））。
法の例について以下に説明する。ここで、実際に製造す
る場合は一部の成膜はシリコンウェハーの上下に同時に
成膜されるものがあるが図９〜図１１の説明では下面に
形成された膜は省略してある。まず、表面を研摩したＰ
型シリコン基板２１の表面を熱酸化して基板の全面にわ
たって酸化膜（ＳiＯ2）２２０を形成する（図９
（Ａ））。
【００４１】次いで、この表面にレジスト層２２１を設
けた後このレジスト層を露光および現像し、下部電極作
成用のマスク２２２を作成する（図９（Ｂ））。
けた後このレジスト層を露光および現像し、下部電極作
成用のマスク２２２を作成する（図９（Ｂ））。
【００４２】このマスクを介して不純物（Ｐ＋：りん）
をシリコン基板に打ち込み熱拡散してシリコン基板２１
のシリコン層２１中に下部電極６を形成する（図９
（Ｃ））。
をシリコン基板に打ち込み熱拡散してシリコン基板２１
のシリコン層２１中に下部電極６を形成する（図９
（Ｃ））。
【００４３】レジスト層２２１を剥離した後、フッ酸を
用いて酸化膜２２０をエッチングして除去する（図９
（Ｄ））。
用いて酸化膜２２０をエッチングして除去する（図９
（Ｄ））。
【００４４】次いで、この下部電極６が形成された基板
２１の表面にＣＶＤ法で窒化珪素（ＳiＮx）層２２を設
けた後、さらに、この上にＣＶＤ法によって約４０００
Åの厚さの酸化膜２２３を設ける（図９（Ｅ））。
２１の表面にＣＶＤ法で窒化珪素（ＳiＮx）層２２を設
けた後、さらに、この上にＣＶＤ法によって約４０００
Åの厚さの酸化膜２２３を設ける（図９（Ｅ））。
【００４５】この酸化膜２２３の上にレジスト膜を形成
した後、酸化膜除去用のマスク２２４を作成し、バッフ
ァドフッ酸を用いて酸化膜２２３を１５００Åエッチン
グして次ぎのポリシリコン層中に上部突起５４を形成す
るための突部５４−１を酸化膜２２３上に形成する（図
１０（Ａ））。
した後、酸化膜除去用のマスク２２４を作成し、バッフ
ァドフッ酸を用いて酸化膜２２３を１５００Åエッチン
グして次ぎのポリシリコン層中に上部突起５４を形成す
るための突部５４−１を酸化膜２２３上に形成する（図
１０（Ａ））。
【００４６】次いで、レジスト２２４を除去した後、前
記エッチングを行った酸化膜２２３の上に再びフォトレ
ジスト膜を形成し、酸化膜除去用マスク２２５を製作し
て前記と同様にバッファドフッ酸を用いて酸化膜２２３
を１５００Åエッチングして下部突起５５用のくぼみ５
５−１を形成する（図１０（Ｂ））。
記エッチングを行った酸化膜２２３の上に再びフォトレ
ジスト膜を形成し、酸化膜除去用マスク２２５を製作し
て前記と同様にバッファドフッ酸を用いて酸化膜２２３
を１５００Åエッチングして下部突起５５用のくぼみ５
５−１を形成する（図１０（Ｂ））。
【００４７】この後、酸化膜除去用マスク２２５を除去
して突部５４−１とくぼみ５５−１を有する犠牲層を露
出させる（図１０（Ｃ））。
して突部５４−１とくぼみ５５−１を有する犠牲層を露
出させる（図１０（Ｃ））。
【００４８】次ぎに、酸化膜２２３の上にフォトレジス
ト層２２４を設け、これを露光および現像してアンカー
ホール現像用マスクを形成する。このマスクを用いて酸
化膜２２３および窒化珪素膜２２をシリコン基板２１に
達するまでエッチングしてアンカーホール２３を形成す
る（図１０（Ｄ））。フォトレジスト層２２４は削除す
る。
ト層２２４を設け、これを露光および現像してアンカー
ホール現像用マスクを形成する。このマスクを用いて酸
化膜２２３および窒化珪素膜２２をシリコン基板２１に
達するまでエッチングしてアンカーホール２３を形成す
る（図１０（Ｄ））。フォトレジスト層２２４は削除す
る。
【００４９】この基板の上に、均一にポリシリコンを成
長させてポリシリコン層５０を得る。アンカーホール部
分２３には、シリコン基板２１に達するアンカー５３が
形成され、突部５４−１上には上部突起５４がくぼみ５
５−１上には下部突起５５が形成される（図１０
（Ｅ））。
長させてポリシリコン層５０を得る。アンカーホール部
分２３には、シリコン基板２１に達するアンカー５３が
形成され、突部５４−１上には上部突起５４がくぼみ５
５−１上には下部突起５５が形成される（図１０
（Ｅ））。
【００５０】次いで、ポリシリコン層５０の表面に全面
にわたってフォトレジストを形成し露光現像して錘５１
およびバネ５２のパターンを得た後、ポリシリコン５０
をエッチングして錘５１およびバネ５２を得る。この
後、レジスト層を剥離する（図１１（Ａ））。
にわたってフォトレジストを形成し露光現像して錘５１
およびバネ５２のパターンを得た後、ポリシリコン５０
をエッチングして錘５１およびバネ５２を得る。この
後、レジスト層を剥離する（図１１（Ａ））。
【００５１】常法を用いて酸化膜除去用のフォトレジス
トパターンを形成し、バッファドフッ酸を用いて錘５１
およびバネ５２の下部を除いて酸化膜２２３からなる犠
牲層を除去する（図１１（Ｂ））。次いで、常法を用い
て下部電極６の電極引出部上の窒化珪素層２２にコンタ
クトホール２４を形成する（図１１（Ｃ））。
トパターンを形成し、バッファドフッ酸を用いて錘５１
およびバネ５２の下部を除いて酸化膜２２３からなる犠
牲層を除去する（図１１（Ｂ））。次いで、常法を用い
て下部電極６の電極引出部上の窒化珪素層２２にコンタ
クトホール２４を形成する（図１１（Ｃ））。
【００５２】窒化珪素層２２上およびコンタクトホール
２４内に、例えば金または他の金属層を成膜させ、パタ
ーニングおよびエッチングを行って引出電極６２を得る
（図１１（Ｄ））。次いで、残った酸化膜２２３をバッ
ファドフッ酸を用いて除去する（図１１（Ｅ））。以上
の工程によって、本発明の可変仮想錘加速度計の主要部
の構造物２を得ることができる。
２４内に、例えば金または他の金属層を成膜させ、パタ
ーニングおよびエッチングを行って引出電極６２を得る
（図１１（Ｄ））。次いで、残った酸化膜２２３をバッ
ファドフッ酸を用いて除去する（図１１（Ｅ））。以上
の工程によって、本発明の可変仮想錘加速度計の主要部
の構造物２を得ることができる。
【００５３】以下この構造物２の上に上部電極を設けた
カバープレート３を陽極接合することによって、本発明
の、可変仮想錘加速度計１を得ることができる。上部電
極はパッシベーションを行なう必要があり、さもない
と、錘がカバーにくっつくであろう。
カバープレート３を陽極接合することによって、本発明
の、可変仮想錘加速度計１を得ることができる。上部電
極はパッシベーションを行なう必要があり、さもない
と、錘がカバーにくっつくであろう。
【００５４】
【発明の効果】以上のように、本発明は、地震を検出す
る加速度計の錘の質量を見かけ上可変とすることによっ
て、加速度が閾値に達するまでは、感度が低く、閾値に
達したときに敏感に振動を検出することができるととも
に、極めて小さな変位で加速度を検出できる、可変仮想
錘加速度計を提供することができる。
る加速度計の錘の質量を見かけ上可変とすることによっ
て、加速度が閾値に達するまでは、感度が低く、閾値に
達したときに敏感に振動を検出することができるととも
に、極めて小さな変位で加速度を検出できる、可変仮想
錘加速度計を提供することができる。
【００５５】さらに、本発明によれば、１〜５Hzの周波
数で８５−１５０Galの加速度に感度を有し、かつ５Hz
以上の周波数では周波数が１０倍となるごとに６０dBの
感度の減衰（roll off）を有する、極めて小型で、安
価、かつ電力消費の少ない地震加速度計を提供すること
ができる。
数で８５−１５０Galの加速度に感度を有し、かつ５Hz
以上の周波数では周波数が１０倍となるごとに６０dBの
感度の減衰（roll off）を有する、極めて小型で、安
価、かつ電力消費の少ない地震加速度計を提供すること
ができる。
【００５６】また、本発明によれば、加速度が閾値を超
えたときにのみ信号を出力する地震加速度計を提供する
ことができる。
えたときにのみ信号を出力する地震加速度計を提供する
ことができる。
【図１】本発明に係る可変仮想錘加速度計の構成の概念
を示す断面図。
を示す断面図。
【図２】本発明に係る可変仮想錘加速度計の電極と錘の
位置関係を示す平面図。
位置関係を示す平面図。
【図３】本発明に係る可変仮想錘加速度計の構成の概念
を示す斜視図。
を示す斜視図。
【図４】錘−バネ系の理想的な動作状態を示す動作説明
図。
図。
【図５】可変仮想錘加速度計の動作原理を示す図。
【図６】印加電圧の状態を示す図。
【図７】電極間の電気力線の状態を示す図。
【図８】可変仮想錘加速度計の動作状態を示す図。
【図９】本発明に係る可変仮想錘加速度計の製造工程を
示す図。
示す図。
【図１０】本発明に係る可変仮想錘加速度計の製造工程
を示す図（続き）。
を示す図（続き）。
【図１１】本発明に係る可変仮想錘加速度計の製造工程
を示す図（続き）。
を示す図（続き）。
【図１２】従来の加速度計の原理図。
【図１３】従来の加速度計の動作説明図。
１ 可変仮想錘加速度計 ２ フレーム ３ カバープレート ４ 内部空間 ５ 振り子 ６ 下部電極 ７ 上部電極 ８ 電源 ９ 容量変化検出器 ２１ シリコン基板 ２２ 窒化珪素膜、絶縁層 ２３ アンカーホール ２４ コンタクトホール ３１ ガラス ５０ ポリシリコン ５１ 錘、導体板 ５２ ジグザグバネ ５３ アンカー ５４ 上部突起 ５５ 下部突起 ６１，６２,６３ 電極引出線 ６４ 外部電極 ７１ 電極引出線 ７２ 外部電極 ２２０，２２３ 酸化膜 ２２１，２２４ フォトレジスト ２２２ レジストパターン
Claims (3)
- 【請求項１】 振動波を検出する可変仮想錘加速度計に
おいて、振動波によって振動するフレームと、バネを介
して前記フレーム上に支持された錘と、錘の上下に配置
された電極を備えた可変仮想錘加速度計。 - 【請求項２】 振動波を検出する可変仮想錘加速度計に
おいて、振動波によって振動するフレームと、バネを介
して前記フレーム上に支持された錘と、錘の上下に配置
された電極と、該電極に電圧を供給する電源を備えた可
変仮想錘加速度計。 - 【請求項３】 振動波を検出する可変仮想錘加速度計に
おいて、振動波によって振動するフレームと、バネを介
して前記フレーム上に支持された錘と、錘の上下に配置
された電極と、該電極に電圧を供給する電源と、電極間
の容量変化を検出する容量変化検出手段を備えた可変仮
想錘加速度計。
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US08/346,263 | 1994-11-23 | ||
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