JPH08233855A

JPH08233855A - 静電容量式加速度センサ

Info

Publication number: JPH08233855A
Application number: JP4038995A
Authority: JP
Inventors: Kazuo Eshita; 和雄江下
Original assignee: Kansai Gas Meter Co Ltd
Current assignee: Kansai Gas Meter Co Ltd
Priority date: 1995-02-28
Filing date: 1995-02-28
Publication date: 1996-09-13

Abstract

(57)【要約】【目的】固定基板と可動基板の接近及び離間方向に同一
の大きさの加速度が加わったときの静電容量の増加量及
び減少量を接近させ、両基板の接近及び離間方向におけ
る感度の非対称性を改善した静電容量式加速度センサを
提供する。【構成】固定基板１とその下方に間隔をおいて対向配置
された可動基板２とを備え、両基板表面の電極６、7a、
7b、8a、8b、９によってコンデンサ10、11a 、11b 、12
a 、12b が形成されると共に、可動基板におもり20が設
けられ、おもりに加速度が付与されたときの可動基板の
変形に基く前記コンデンサの容量変化を検出して加速度
を検出するものとなされた静電容量式センサを対象とす
る。おもりが、固定基板側に位置する内側部材21と反対
側に位置するおもり本体22とによって可動基板を挟着し
た状態に設けられる。おもり本体と可動基板との接触面
積が内側部材と可動基板との接触面積よりも大に設定さ
れている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、加速度を検出する静
電容量式加速度センサに関する。

【０００２】

【従来の技術】加速度を検出するセンサとして、従来よ
り圧電型のものが用いられていたが、最近では静電容量
の変化を利用した静電容量式センサが、高感度、低消費
電力等の利点を有することから注目されている（例えば
特開平４−１９５６８号）。

【０００３】この静電容量式センサの従来例を図４に示
す。同図において、（１）は水平状態に配置された円形
の固定基板、（２）は該固定基板（１）の下方に水平状
態に配置された円形の可動基板である。これら固定基板
（１）と可動基板（２）とは、中間にスペーサ（３）を
介在させた状態で、周端部を上側押さえ部材（４）と下
側押さえ部材（５）とにより押さえ付けて固定されるこ
とによって、スペーサ（３）の厚さ分の距離を保持して
平行状態に対向配置されている。

【０００４】前記固定基板（１）はプリント配線基板に
よって構成され、その下面中央部には円形電極（６）が
設けられるとともに、該円形電極（６）の外側において
Ｘ軸方向（図４（ｂ）の左右方向）及びＹ軸方向（図４
（ｂ）の上下方向）のそれぞれ対称位置に４個の扇形の
分割電極（7a）（7b）（8a）（8b）が設けられている。

【０００５】一方、前記可動基板（２）は薄肉のリン青
銅やＳＵＳ等の可撓性材料からなるもので、基板そのも
のが１枚の共通電極（９）となされている。そして、こ
の共通電極（９）と、前記固定基板（１）の円形電極
（６）との間で、基板中央部に円形コンデンサ（10）が
形成されるとともに、共通電極（９）と各分割電極（7
a）（7b）（8a）（8b）との間でＸ軸方向及びＹ軸方向
に分割された４個のコンデンサ（11a ）（11b ）（12a
）（12b ）が形成されている。

【０００６】さらに、可動基板（２）の下面中央部に
は、円柱形の重り（100 ）が垂下状態に固定されてい
る。このおもりの上面中央部には径小の首部（101 ）が
形成され、この首部（101 ）の上面が接着等の方法によ
り可動基板（２）に固定されている。

【０００７】図４に示すセンサでは、例えばＺ軸正方向
（固定基板と可動基板の接近方向）に加速度が作用する
と、おもり（100 ）にはＺ軸負方向（固定基板と可動基
板の離間方向）に慣性力が作用し、可動基板（２）は下
方に引っ張られて固定基板（１）と可動基板（２）の対
向距離が拡大する。そのため、コンデンサ（10）の静電
容量が小さくなる。逆に、Ｚ軸負方向に加速度が作用す
ると固定基板（１）と可動基板（２）の対向距離が縮小
し、コンデンサ（10）の静電容量が大きくなる。そし
て、このようなコンデンサ（10）の容量変化を検出して
Ｚ軸方向の外力を検出するものとなされている。また、
Ｘ軸方向に加速度が加わった場合には、コンデンサ（11
a ）（11b ）の容量が増減することから、この容量変化
を検出してＸ軸方向の加速度を検出するものとなされて
いる。同様に、Ｙ軸方向のコンデンサ（12a ）（12b ）
の容量変化に基いてＹ軸方向の加速度を検出することが
できる。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】ところで、上記各コン
デンサ（10）（11a ）（11b ）（12a ）（12b ）のよう
な平行平板コンデンサの静電容量値Ｃは、一般に、Ｃ＝
ε（Ｓ／ｄ）（ε：誘電率、Ｓ：電極面積、ｄ：電極間
距離）で表される。この式からわかるように、電極の面
積が一定の場合容量値Ｃは電極間距離ｄに反比例する。

【０００９】而して、センサに上方及び下方に同一の大
きさの加速度が加わった場合、可動基板（２）は上下に
同一量だけ変位する。しかるに、上述のとおり、容量値
Ｃは電極間距離ｄに反比例するから、可動基板（２）が
上下に同一量だけ変位しても上方固定基板（１）側に変
位した方がコンデンサの静電容量の増加量が大きく、下
方変位の場合は減少量が小さいことになる。このため、
センサにおける上下方向の感度が非対象となり、加速度
の大きさを高精度に検出することができないとか、高精
度に検出するためには処理回路が複雑になる等の欠点が
あった。

【００１０】この発明は、このような技術的背景に鑑み
てなされたものであって、固定基板と可動基板の接近方
向及び離間方向に同一の大きさの加速度が加わったとき
の静電容量の増加量及び減少量を接近させて、両基板の
接近方向及び離間方向における感度の非対称性を改善し
た静電容量式加速度センサの提供を目的とする。

【００１１】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、この発明は、可動基板に固定されたおもりの固定面
積が変わると、同一外力に対する可動基板のたわみ量が
変化することに着目してなされたものである。

【００１２】即ち、この発明は、図面の符号を参照して
示すと、固定基板（１）と該固定基板に間隔をおいて対
向配置された可動基板（２）とを備え、固定基板表面の
電極（６）（7a）（7b）（8a）8b）と可動基板表面の電
極（９）とによってコンデンサ（10）（11a ）（11b ）
（12a ）（12b ）が形成されるとともに、可動基板
（２）におもり（20）が設けられ、該おもり（20）に外
力が付与されたときの可動基板（２）の変形に基く前記
コンデンサの容量変化を検出することにより加速度を検
出するものとなされた静電容量式加速度センサにおい
て、前記おもり（20）が、固定基板（１）側に位置する
内側部材（21）と反対側に位置するおもり本体（22）と
によって可動基板（２）を挟着した状態に設けられると
ともに、おもり本体（22）と可動基板（２）との接触面
積が内側部材（21）と可動基板（２）との接触面積より
も大に設定されていることを特徴とする静電容量式加速
度センサを要旨とする。

【００１３】

【作用】内側部材（21）と可動基板（２）との接触面積
は小さく、おもり本体（22）と可動基板（２）との接触
面積は大きいから、同一の大きさの加速度が両基板の接
近方向と離間方向においておもりに加わった場合、接近
方向へのたわみ量△ｄ2は小さく離間方向へのたわみ量
△ｄ1 は大きい。一方、可動基板（２）が接近方向にた
わんだ時のコンデンサ（10）の静電容量の増加量は大き
く、可動基板（２）が離間方向にたわんだ時の静電容量
の減少量は小さいから、離間方向へのたわみ量△ｄ1 が
接近方向へのたわみ量△ｄ2 よりも大きくなることによ
って、静電容量の増加量と減少量の差が相殺され、増加
量と減少量は接近して静電容量の非対称性が改善され
る。

【００１４】

【実施例】次に、この発明の実施例を図１〜３に基いて
説明する。

【００１５】図１及び図２において、（１）は固定基
板、（２）は可動基板、（３）はスペーサ、（４）は上
側押え部材、（５）は下側押え部材、（7a）（7b）（8
a）（8b）は分割電極、（９）は可動基板からなる共通
電極、（11a ）（11b ）（12a ）（12b ）はＸ軸方向及
びＹ軸方向に分割された４個のコンデンサであり、これ
らは図４に示した構成と同一であり、その説明を省略す
る。また、この実施例では、上下方向の加速度を検出す
るコンデンサを形成するための電極（６）は、固定基板
中心部に後述する孔（1a）が開けられるため、環状に形
成されている。これに伴い、環状電極（６）と共通電極
（９）とによって形成されるコンデンサ（10）も環状に
形成されている。

【００１６】前記可動基板（２）にはおもり（20）が固
定されている。このおもり（20）は、可動基板（２）の
上側（固定基板側）に位置する内側部材（21）と下側
（固定基板と反対側）に位置するおもり本体（22）とに
よって構成されている。おもり本体（22）は、断面円形
の胴部（22a ）と該胴部の上面中央部に一体形成された
断面円形かつ胴部よりも径小の首部（22b ）とからな
る。一方、内側部材は断面円形のボルトの頭部からな
る。この内側部材の外径ｂ´は前記おもり本体（22）の
首部（22b ）の外径ｂよりも小に設定されている。そし
て、可動基板（２）を貫通してボルトの軸部（21a ）を
おもり本体（22）の首部（22b ）にねじ込むことによ
り、内側部材（21）とおもり本体（22）の首部（22b ）
とによって可動基板（２）を挟着した状態で、おもり
（20）が可動基板（２）に固定されている。前記内側部
材（21）は前記おもり本体（22）の首部（22b ）よりも
径小であるから、内側部材（21）の断面積は首部（22b
）の断面積よりも小さく、従って可動基板（２）の挟
着状態では、内側部材（21）と可動基板（２）との接触
面積よりもおもり本体（22）の首部（22b ）と可動基板
（２）との接触面積の方が大きいものとなされている。

【００１７】このように、内側部材（21）と可動基板
（２）との接触面積と、おもり本体（22）の首部（22b
）と可動基板（２）との接触面積を異なるものに設定
したのは、上下方向（固定基板（１）と可動基板（２）
との接近方向及び離間方向）に同一の大きさの加速度が
作用したときに、可動基板（２）の上方へのたわみ量を
小さく、下方へのたわみ量を大きくするためである。即
ち、一般に、周囲固定円形平板の中心部分に荷重が加わ
った場合、同一の大きさの荷重であっても、それが集中
荷重として加わった場合と分散荷重として加わった場合
とでは平板のたわみ量は異なるものとなり、集中荷重と
して加わった方がたわみ量が大きく、荷重面積が拡大す
るほどたわみ量は小さくなる。而して、図１、２のセン
サのおもり（20）に下向き加速度（上向きの慣性力）が
加わった場合、可動基板（２）にはおもり本体（22）の
首部（22b ）との接触面を介して荷重が加わり、上向き
加速度（下向きの慣性力）が加わった場合、可動基板
（２）には内側部材（21）との接触面を介して荷重が加
わる。しかるに、内側部材（21）と可動基板（２）との
接触面積（図２（ｂ）の実線ハッチングの部分）は小さ
く、おもり本体（22）の首部（22b ）と可動基板（２）
との接触面積（図２（ｂ）の点線ハッチングの部分）は
大きいから、図２（ａ）に示すように、上方へのたわみ
量△ｄ2 は小さく下方へのたわみ量△ｄ1 は大きいもの
となる。

【００１８】なお、おもり（20）が上方変位した際の内
側部材（21）との接触を避けるため、固定基板（１）の
中心部には内側部材（21）を通過させる孔（1a）が形成
されている。

【００１９】図１及び図２に示すセンサでは、上向きに
加速度が作用した場合、おもり（20）には下向きの慣性
力が作用し、可動基板（２）は内側部材（21）との接触
面を介して下向き荷重が加わり、可動基板（２）は図３
（ａ）のように下向きにたわむ。一方、下向きに同一の
大きさの加速度が作用すると、おもり（20）には上向き
に同一の大きさの慣性力が作用し、可動基板（２）はお
もり本体（22）の首部（22b ）との接触面を介して上向
き荷重が加わり、可動基板（２）は図３（ｂ）のように
上向きにたわむ。前述のとおり、内側部材（21）と可動
基板（２）との接触面積は小さく、おもり本体（22）の
首部（22b ）と可動基板（２）との接触面積は大きいか
ら、上方へのたわみ量△ｄ2 は小さく下方へのたわみ量
△ｄ1 は大きい。一方、可動基板（２）が上向きにたわ
んだ時のコンデンサ（10）の静電容量の増加量は大き
く、可動基板（２）が下向きにたわんだ時の静電容量の
減少量は小さいから、下方へのたわみ量△ｄ1 が上方へ
のたわみ量△ｄ2 よりも大きくなることによって、静電
容量の増加量と減少量の差が相殺され、増加量と減少量
は接近して静電容量の非対称性が改善される。

【００２０】ちなみに、Ｃ＋△Ｃ＝ε・Ｓ／（ｄ＋△ｄ
1 ）、Ｃ−△Ｃ＝ε・Ｓ／（ｄ−△ｄ2 ）とすれば、△
ｄ2 ＝△ｄ1 ／（１＋△ｄ1 ／ｄ）となる。ｄ＝０．１
ｍｍ、△ｄ1 ＝０．０１ｍｍとすると△ｄ2 ＝０．００
９１７ｍｍとなり、これに見合うように内側部材の外径
ｂ´を決定すれば良い。

【００２１】

【発明の効果】以上説明したようにこの発明は、おもり
が、固定基板側に位置する内側部材と反対側に位置する
おもり本体とによって可動基板を挟着した状態に設けら
れるとともに、おもり本体と可動基板との接触面積が内
側部材と可動基板との接触面積よりも大に設定されてい
ることを特徴とするものであるから、両基板の接近方向
及び離間方向へ同一の大きさの加速度が加わったときの
コンデンサの静電容量変化量の差を小さくできる。その
結果、センサにおける両基板の接近方向及び離間方向の
感度の非対称性を改善でき、加速度の大きさを高精度に
検出することができるとか、処理回路を簡素化できる等
の効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の一実施例を示すもので、（ａ）は断
面図、（ｂ）は（ａ）のIb−Ib線断面図である。

【図２】（ａ）はおもりの取り付け状態を示す拡大断面
図、（ｂ）は（ａ）のIIb −IIb 線断面図である。

【図３】（ａ）は図１に示した静電容量式加速度センサ
のおもりに下向きの慣性力が加わっている状態の断面
図、（ｂ）は同じく上向きの慣性力が加わっている状態
の断面図ある。

【図４】従来の静電容量式加速度センサを示すもので、
（ａ）は断面図、（ｂ）は（ａ）のIVb −VIb 線断面図
である。

【符号の説明】

１…固定基板２…可動基板６、7a、7b、8a、8b、９…電極 10、11a 、11b 、12a 、12b …コンデンサ 20…おもり 21…内側部材 22…おもり本体

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】固定基板（１）と該固定基板に間隔をお
いて対向配置された可動基板（２）とを備え、固定基板
表面の電極（６）（7a）（7b）（8a）8b）と可動基板表
面の電極（９）とによってコンデンサ（10）（11a ）
（11b ）（12a）（12b ）が形成されるとともに、可動
基板（２）におもり（20）が設けられ、該おもり（20）
に加速度が作用したときの可動基板（２）の変形に基く
前記コンデンサの容量変化を検出することにより加速度
を検出するものとなされた静電容量式加速度センサにお
いて、前記おもり（20）が、固定基板（１）側に位置する内側
部材（21）と反対側に位置するおもり本体（22）とによ
って可動基板（２）を挟着した状態に設けられるととも
に、おもり本体（22）と可動基板（２）との接触面積が
内側部材（21）と可動基板（２）との接触面積よりも大
に設定されていることを特徴とする静電容量式加速度セ
ンサ。