JP2841240B2 - Force / acceleration / magnetism detection device - Google Patents
Force / acceleration / magnetism detection deviceInfo
- Publication number
- JP2841240B2 JP2841240B2 JP2274299A JP27429990A JP2841240B2 JP 2841240 B2 JP2841240 B2 JP 2841240B2 JP 2274299 A JP2274299 A JP 2274299A JP 27429990 A JP27429990 A JP 27429990A JP 2841240 B2 JP2841240 B2 JP 2841240B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- force
- fixed
- flexible substrate
- substrate
- electrodes
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Expired - Lifetime
Links
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01P—MEASURING LINEAR OR ANGULAR SPEED, ACCELERATION, DECELERATION, OR SHOCK; INDICATING PRESENCE, ABSENCE, OR DIRECTION, OF MOVEMENT
- G01P15/00—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration
- G01P15/02—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses
- G01P15/08—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
- G01P2015/0805—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
- G01P2015/0822—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
- G01P2015/084—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 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
Landscapes
- Force Measurement Appropriate To Specific Purposes (AREA)
- Measuring Magnetic Variables (AREA)
Description
【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 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。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 the detection of acceleration and magnetism. About.
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。In the automotive industry, the machine industry, and the like, there is an increasing demand for a detection device that can accurately detect 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.
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 respond to such demands, a gauge resistor is formed on a semiconductor substrate such as silicon, and force detection that converts mechanical strain generated on the substrate based on externally applied force into an electric signal using the piezoresistance effect. A 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.
たとえば、特許協力条約に基づく国際出願に係るPCT/
JP88/00395号明細書およびPCT/JP88/00930号明細書に
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, PCT /
JP88 / 00395 specification and PCT / JP88 / 00930 specification include a force detection device, an acceleration detection device,
A magnetic detection device is disclosed.
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
たがあって、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。In general, since the gauge resistance and the piezoresistance coefficient have temperature dependence, in the above-described detection device, if the temperature of the environment to be used fluctuates, the detection value includes an error. Therefore, in order to perform accurate measurement, it is necessary to perform temperature compensation. In particular, when used in fields such as automobiles,
Temperature compensation is required for a fairly wide operating temperature range from -40 ° C to + 120 ° C.
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。Further, in order to manufacture the above-described detection device, an advanced process for processing a semiconductor substrate is required, and an expensive device such as an ion implantation device is also required. For this reason, there is a problem that the manufacturing cost increases.
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。Therefore, an object of the present invention is to provide a detection device that can detect physical quantities such as force, acceleration, and magnetism without performing temperature compensation, and that can supply the detection value at low cost.
(1) 本願第1の発明は、力検出装置において、 装置筐体に固定される固定部と、外部からの力が伝達
される作用部と、固定部と作用部との間に形成され可撓
性をもった可撓部と、を有する可撓基板と、 この可撓基板に対向するように、装置筐体に固定され
た固定基板と、 外部からの力を受け、この力を可撓基板の作用部に伝
達する作用体と、 可撓基板の固定基板に対する対向面に形成された変位
電極と、 固定基板の可撓基板に対する対向面に形成された固定
電極と、 を設け、 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、それぞれ電気的に独立した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
互いに対向する電極からなる2つのグループの容量素子
を形成し、 この2つのグループの容量素子の静電容量の差によっ
て、作用体に作用した力の上記所定軸方向成分を検出
し、 この2つのグループの容量素子の静電容量の和によっ
て、作用体に作用した力の上記電極形成面に直交する軸
方向成分を検出するようにしたものである。(1) In a first aspect of the present invention, in the force detection device, a fixed portion fixed to the device housing, an operating portion to which an external force is transmitted, and a force detecting device formed between the fixed portion and the operating portion. A flexible substrate having a flexible portion having flexibility; a fixed substrate fixed to the device housing so as to face the flexible substrate; An operating body for transmitting to the operating portion of the substrate; a displacement electrode formed on the surface of the flexible substrate facing the fixed substrate; and a fixed electrode formed on the surface of the fixed substrate facing the flexible substrate. Alternatively, one or both of the fixed electrodes are arranged at predetermined intervals along a predetermined axis on one electrode forming surface, and are constituted by two sets of electrically independent localized electrodes. Two groups of electrodes each facing each other using a set of localized electrodes The capacitance element of the two groups is formed, and the predetermined axial component of the force acting on the acting body is detected based on the difference between the capacitances of the capacitance elements of the two groups. The axial component perpendicular to the electrode forming surface of the force acting on the acting body is detected based on the sum of the capacitances.
(2) 本願第2の発明は、力検出装置において、 装置筐体に固定される固定部と、外部からの力が伝達
される作用部と、固定部と作用部との間に形成され可撓
性をもった可撓部と、を有する可撓基板と、 この可撓基板に対向するように、装置筐体に固定され
た固定基板と、 外部からの力を受け、この力を可撓基板の作用部に伝
達する作用体と、 可撓基板の固定基板に対する対向面に形成された変位
電極と、 固定基板の可撓基板に対する対向面に形成された固定
電極と、 を設け、 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、それぞれ電気的に独
立した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互いに対向する電極からなる4つの
グループの容量素子を形成し、 この4つのグループの容量素子のうち第1の軸上にあ
る2つのグループに属する容量素子の静電容量の差によ
って第1の軸方向成分の力を検出し、 この4つのグループの容量素子のうち第2の軸上にあ
る2つのグループに属する容量素子の静電容量の差によ
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。(2) A second invention of the present application is the force detection device, wherein a fixed portion fixed to the device housing, an operating portion to which an external force is transmitted, and a force detecting device formed between the fixed portion and the operating portion. A flexible substrate having a flexible portion having flexibility; a fixed substrate fixed to the device housing so as to face the flexible substrate; An operating body for transmitting to the operating portion of the substrate; a displacement electrode formed on the surface of the flexible substrate facing the fixed substrate; and a fixed electrode formed on the surface of the fixed substrate facing the flexible substrate. Alternatively, when one or both of the fixed electrodes are defined as an origin at an intersection of both axes of a first axis and a second axis orthogonal to each other on one electrode forming surface, the positive and negative directions of each axis are respectively set. Are constituted by four sets of localized electrodes, each of which is electrically independent, The four groups of localized electrodes are used to form four groups of capacitance elements each consisting of electrodes facing each other, and the capacitance elements belonging to two groups on the first axis among the four groups of capacitance elements The force of the first axial component is detected from the difference in capacitance between the four groups, and among the four groups of capacitance elements, the second group is located on the second axis. In this configuration, the force of the second axial component is detected.
(3) 本願第3の発明は、上述の第2の発明による力
検出装置において、 更に、4つのグループに属する容量素子の静電容量の
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。(3) The third invention of the present application is the force detection device according to the second invention, wherein the first and second axes are both determined by the sum of the capacitances of the capacitance elements belonging to four groups. The force of the third axial component orthogonal to is detected.
(4) 本願第4の発明は、上述の第2の発明による力
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
ープ目の容量素子を構成し、この第5グループ目の容量
素子の静電容量によって、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 invention of the present application is the force detection device according to the second invention described above, further comprising: a fifth set of localized electrodes electrically independent of the four sets of localized electrodes; Of the fifth group using the localized electrodes of the third group, and the third axis orthogonal to both the first axis and the second axis due to the capacitance of the fifth group. This is to detect the force of the directional component.
(5) 本願第5の発明は、上述の第1〜4の発明によ
る力検出装置において、 固定基板、可撓基板、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、 可撓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、 補助基板の可撓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
するクローン力によって可撓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。(5) The fifth invention of the present application is the force detection device according to the first to fourth inventions, wherein an auxiliary substrate is further provided such that the fixed substrate, the flexible substrate, and the auxiliary substrate are arranged so as to face each other in this order. Forming a first auxiliary electrode on a surface of the flexible substrate facing the auxiliary substrate, forming a second auxiliary electrode on a surface of the auxiliary substrate facing the flexible 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 a displacement is generated in the flexible substrate by the cloning force acting between the two, so that the flexible substrate can be kept in a state equivalent to a state where an external force is applied. It was made.
(6) 本願第6の発明は、上述の第5の発明による力
検出装置において、 可撓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、この導電性の可撓基板の一部分により形成す
るようにしたものである。(6) The sixth invention of the present application is the force detection device according to the fifth invention, wherein the flexible substrate is formed of a conductive material, and the first auxiliary electrode and the displacement electrode are formed of the conductive flexible substrate. Is formed by a part of the above.
(7) 本願第7の発明は、上述の第1〜6の発明によ
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。(7) According to a seventh aspect of the present invention, in the detection device according to the first to sixth aspects, the acceleration can be detected by detecting a force generated based on the acceleration acting on the operating body. Things.
(8) 本願第8の発明は、上述の第1〜6の発明によ
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。(8) The eighth invention of the present application is the detecting device according to the first to sixth inventions, wherein the operating body is made of a magnetic material, and a force generated based on a magnetic force acting on the operating body is detected. ,
The magnetic field can be detected.
(1) 本願第1の発明による力検出装置では、外部か
らの力が作用体に加わると、可撓基板が撓み、変位電極
と固定電極との間の距離が変わることになる。したがっ
て、両電極間の静電容量が変化する。この静電容量の変
化は、外部から加えられた力に依存したものであり、静
電容量の変化を検出することにより力の検出が可能にな
る。しかも、変位電極および固定電極の少なくとも一方
は、複数の局在電極によって構成されており、この局在
電極によって形成される容量素子の静電容量の変化は、
作用する力の方向および局在電極の位置に依存する。し
たがって、複数の局在電極によって形成される複数の容
量素子の静電容量の変化は、作用した力の方向に関する
情報を含むことになる。そこで、電極形成面をXY平面と
定義し、2組の局在電極を用いて2つのグループの容量
素子を、たとえばX軸の正負両側に形成する。この場
合、作用体にX軸方向の力が作用すると、X軸の正負両
側に位置する両グループについての静電容量は相補的に
変化するため、両グループについての静電容量の差によ
りX軸方向の力を検出することができる。また、作用体
にZ軸方向の力が作用すると、2つのグループについて
の静電容量は同方向に変化するため、これらの和により
Z軸方向の力を検出することができる。かくして、X軸
およびZ軸の2軸方向の力検出が可能になる。(1) In the force detection device according to the first aspect of the present invention, when an external force is applied to the working body, the flexible substrate bends, and the distance between the displacement electrode and the fixed electrode changes. Therefore, the capacitance between both electrodes changes. This change in capacitance depends on an externally applied force, and the detection of the change in capacitance makes it possible to detect the force. Moreover, at least one of the displacement electrode and the fixed electrode is constituted by a plurality of localized electrodes, and the change in the capacitance of the capacitance element formed by the localized electrodes is
It depends on the direction of the acting force and the location of the localized electrode. Therefore, the change in the capacitance of the plurality of capacitive elements formed by the plurality of localized electrodes includes information on the direction of the applied force. Therefore, the electrode forming surface is defined as an XY plane, and two groups of capacitive elements are formed on both the positive and negative sides of the X axis using two sets of localized electrodes. In this case, when a force in the X-axis direction acts on the acting body, the capacitance of both groups located on both the positive and negative sides of the X-axis changes complementarily. Directional forces can be detected. Further, when a force in the Z-axis direction acts on the acting body, the capacitance in the two groups changes in the same direction, so that the force in the Z-axis direction can be detected from the sum of these. Thus, force detection in the directions of the X axis and the Z axis can be performed.
(2) 本願第2の発明による力検出装置では、4組の
局在電極により4つのグループの容量素子が形成され
る。電極形成面をXY平面と定義したとき、各グループ
は、それぞれX軸の正負両側と、Y軸の正負両側とに形
成される。作用体にX軸方向の力が作用すると、X軸の
正負両側に位置する両グループについての静電容量は相
補的に変化するため、両グループについての静電容量の
差によりX軸方向の力を検出することができる。同様
に、Y軸の正負両側に位置する両グループについての静
電容量の差によりY軸方向の力を検出することができ
る。かくして、X軸およびY軸の2軸方向の力検出が可
能になる。(2) In the force detecting device according to the second aspect of the present invention, four groups of capacitive elements are formed by four sets of localized electrodes. When the electrode forming surface is defined as an XY plane, each group is formed on both the positive and negative sides of the X axis and the positive and negative sides of the Y axis. When a force in the X-axis direction acts on the acting body, the capacitances in both groups located on both the positive and negative sides of the X-axis change complementarily. Therefore, the force in the X-axis direction is calculated by the difference in capacitance between the two groups. Can be detected. Similarly, the force in the Y-axis direction can be detected from the difference in capacitance between the two groups located on both the positive and negative sides of the Y-axis. Thus, it is possible to detect a force in two directions of the X axis and the Y axis.
(3) 本願第3の発明による力検出装置では、上述の
第2の発明による力検出装置と同様の電極構成におい
て、更にZ軸方向の力検出が可能になる。すなわち、作
用体にZ軸方向の力が作用すると、4つのグループにつ
いての静電容量は同方向に変化するため、これらの和に
よりZ軸方向の力を検出することができる。かくして、
X軸,Y軸,Z軸の3軸方向の力検出が可能になる。(3) In the force detection device according to the third aspect of the present invention, the force detection in the Z-axis direction can be further performed in the same electrode configuration as the above-described force detection device according to the second aspect. That is, when a force in the Z-axis direction is applied to the acting body, the capacitances of the four groups change in the same direction, so that the force in the Z-axis direction can be detected from the sum of the capacitances. Thus,
Force detection in three directions of X-axis, Y-axis and Z-axis becomes possible.
(4) 本願第4の発明による力検出装置では、X軸,Y
軸,Z軸の3軸方向の力検出を行うために、それぞれ全く
独立した専用電極を用いている。これにより、各軸方向
の力成分の検出系をそれぞれ独立させることができる。(4) In the force detecting device according to the fourth invention of the present application, the X-axis, Y-axis
In order to detect force in the three axes of the axis and the Z axis, totally independent dedicated electrodes are used. Thereby, the detection systems of the force components in each axial direction can be made independent.
(5) 本願第5の発明による力検出装置では、各電極
の間に所定の電圧を印加すると、両者間に作用するクー
ロン力によって可撓基板に変位を生じさせることができ
る。すなわち、外部からの力が作用したのと等価な状態
におくことができる。このような状態をつくり出すこと
ができれば、装置が正常に動作するか否かを試験するこ
とが容易になる。(5) In the force detection device according to the fifth aspect of the present invention, when a predetermined voltage is applied between the electrodes, the flexible substrate can be displaced by Coulomb force acting between the electrodes. That is, it can be in a state equivalent to the state where an external force acts. If such a state can be created, it will be easy to test whether or not the device operates normally.
(6) 本願第6の発明による力検出装置では、第1補
助電極と変位電極とが、可撓基板の一部により形成され
る。したがって、可撓基板上には、特にあらためて電極
を形成する工程は必要はなく、構造が単純になるととも
に製造コストを低下させることができる。(6) In the force detecting device according to the sixth aspect of the present invention, the first auxiliary electrode and the displacement electrode are formed by a part of the flexible substrate. Therefore, it is not necessary to form a new electrode on the flexible substrate, so that the structure can be simplified and the manufacturing cost can be reduced.
(7) 本願第7の発明による検出装置では、作用体に
作用する加速度に基づいて発生する力が検出される。し
たがって、この検出値は加速度に対応したものとなり、
加速度検出装置として利用できる。(7) In the detecting device according to the seventh aspect of the present invention, a force generated based on the acceleration acting on the operating body is detected. Therefore, this detection value corresponds to the acceleration,
It can be used as an acceleration detection device.
(8) 本願第8の発明による検出装置では、磁性材料
からなる作用体に作用する磁力に基づいて発生する力が
検出される。したがって、この検出値は磁気に対応した
ものとなり、磁気検出装置として利用できる。(8) In the detecting device according to the eighth aspect of the present invention, a force generated based on a magnetic force acting on the working body made of a magnetic material is detected. Therefore, this detection value corresponds to magnetism, and can be used as a magnetism detection device.
以下、本発明を図示する実施例に基づいて詳述する。
ここで説明する実施例は、本発明に係る力検出装置を加
速度検出装置異として用いた例である。Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the illustrated embodiments.
The embodiment described here is an example in which the force detection device according to the present invention is used as an acceleration detection device.
基本的な実施例 第1図は、本発明の基本的な実施例に係る加速度検出
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10、可撓基板20、作用体30、そして
装置筐体40である。第2図に、固定基板10の下面図を示
す。第2図の固定基板10をX軸に沿って切断した断面が
第1図に示されている。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、第3図に、可撓基板20の上面図を示
す。第3図の可撓基板20をX軸に沿って切断した断面が
第1図に示されている。可撓基板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21〜24が形成
されている。作用体30は、その上面が第3図に破線で示
されているように、円柱状をしており、可撓基板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および可撓基板20の周囲を固着支持
している。Basic Embodiment FIG. 1 is a side sectional view showing the structure of an acceleration detecting device according to a basic embodiment of the present invention. The main components of this device are a fixed substrate 10, a flexible substrate 20, an operating body 30, and a device housing 40. FIG. 2 shows a bottom view of the fixed substrate 10. FIG. 1 shows a cross section of the fixed substrate 10 of FIG. 2 cut along the X-axis. 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. 3 shows a top view of the flexible substrate 20. FIG. 1 shows a cross section of the flexible substrate 20 of FIG. 3 cut along the X-axis. The flexible substrate 20 is also a disk-shaped substrate as shown in the figure, and its periphery is fixed to the device housing 40. On this upper surface, quadrant disk-shaped displacement electrodes 21 to 24 are formed. The action body 30 has a columnar shape as shown by a broken line in FIG. 3, and is coaxially joined to the lower surface of the flexible substrate 20. The device housing 40 has a cylindrical shape and fixedly supports the periphery of the fixed substrate 10 and the flexible substrate 20.
固定基板10および可撓基板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、可撓基板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、第1図
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、第1図の右方向に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 flexible substrate 20 are provided at predetermined intervals at positions parallel to each other. Both are disc-shaped substrates, whereas the fixed substrate 10 is a substrate having high rigidity and hardly causing bending, whereas the flexible substrate 20 has flexibility and becomes a substrate that bends when a force is applied. I have. 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 to the right in FIG. 1, the Z axis is to the upper side, and the Y is
Axis, respectively.
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、第1
図に示すように、固定電極11と変位電極21〜24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は可撓基板20に対してモーメント力を生じさせ、第4
図に示すように、可撓基板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11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、第5図に示すよ
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 device is mounted on, for example, an automobile, acceleration is applied to the operating body 30 based on the traveling of the automobile. Due to this acceleration, an external force acts on the action point P. In the state where no force acts on the action point P, the first
As shown in the figure, the fixed electrode 11 and the displacement electrodes 21 to 24 are kept parallel at a predetermined interval. However, for example, when a force Fx in the X-axis direction acts on the action point P, this force Fx
Fx generates a moment force on the flexible substrate 20, and the fourth
As shown in the drawing, the flexible substrate 20 is bent. 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 opposite bending occurs. On the other hand, when the force Fy or −Fy in the Y direction acts,
Similar changes occur in the distance between the displacement electrode 22 and the fixed electrode 11 and in the distance between the displacement electrode 24 and the fixed electrode 11. In addition, when a force Fz in the Z-axis direction is applied, as shown in FIG. 5, all of the displacement electrodes 21 to 24 come close to the fixed electrode 11, and when a force −Fz in the opposite direction is applied. Means that all of the displacement electrodes 21 to 24 move away from the fixed electrode 11.
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。第2図に示す固定基板10の下面と、第3図
に示す可撓基板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21〜24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,C2,C
3,C4と表わすことにする。第1図に示すように、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、第4図あるいは第5図に示すよう
に、作用点Pに力が作用し、可撓基板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 formed by each electrode. The lower surface of the fixed substrate 10 shown in FIG. 2 and the upper surface of the flexible substrate 20 shown in FIG. 3 are surfaces facing each other. Therefore, the facing relationship between the electrodes is the displacement electrodes 21 to 24.
Will face each opposing portion of the fixed electrode 11. In other words, while the fixed electrode 11 is a single common electrode, the displacement electrodes 21 to 24 are localized electrodes localized in a quadrant region. Even if the number of common electrodes is one, the four localized electrodes are electrically independent from each other, so that four groups of capacitive elements can be formed in terms of electrical characteristics. 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 capacitive 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, let the capacitance of each of these capacitance elements be C1, C2, C
It will be expressed as 3, 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
It is. However, as shown in FIG. 4 or FIG. 5, when a force acts on the point of action P and the flexible substrate 20 bends, the distance between the electrodes of each capacitance element changes, and the capacitance thereof also becomes a standard value. The value is different from C0. 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.
たとえば、第4図に示すように、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、両部分が相殺しあい、C2=C4=C0と静電容量に変化
は生じない。一方、第5図に示すように、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. 4, when a force Fx in the X-axis direction is applied to the point of action P, the distance between the displacement electrode 21 and the fixed electrode 11 increases, so that C1 <C0. Since the distance from the electrode 11 is short, C3> C0. At this time, the distance between the displacement electrodes 22 and 24 and the fixed electrode 11 is partially close and partially distant, so that both parts cancel each other out, and the capacitance becomes C2 = C4 = C0. No change occurs. On the other hand, as shown in FIG.
When an axial force Fz is applied, the displacement electrodes 21 to 24 and the fixed electrode
The intervals with 11 are all close 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.
第6図は、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、第6図のFxの欄は、第4図に示すよう
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. 6 shows the capacitances C1 to C4 of the four groups of capacitance elements.
9 is a table showing a change pattern of C4. 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 decreases. Is shown. For example, the column of Fx in FIG. 6 shows changes in the capacitances C1 to C4 when the force Fx in the X-axis direction acts on the action point P, as shown in FIG. Thus, C1 becomes smaller, C3 becomes larger, and C2 and C4 remain unchanged.
Thus, based on the pattern of change of each capacitance,
The direction of the applied force can be recognized. 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).
第7図に、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。第6図の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C3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。第6図の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〜V4の和をと
り、これを検出すべき力のZ軸方向成分±Fzとして出力
する回路である。第6図の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. 7 shows a basic circuit for detecting the applied force for each axial component. The converters 51 to 54 are configured by circuits for converting the capacitances C1 to C4 of the respective capacitance elements into voltage values V1 to V4. For example, the capacitance C
May be converted to a frequency value f, and the frequency value f may be further converted to a voltage value V by a frequency / voltage conversion circuit. Of course, means for directly converting the capacitance value to the 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. 6, the X-axis direction component ± Fx is obtained by taking the difference between C1 and C3. 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 by referring to the columns of Fy and -Fy in FIG. 6, the Y-axis direction component ± Fy is obtained by taking the difference between C2 and C4. Further, the adder 57 is a circuit that calculates the sum of the voltage values V1 to V4 and outputs the sum as a Z-axis component ± Fz of the force to be detected. As can be understood by referring to the columns of Fz and -Fz in FIG. 6, the Z-axis direction component ± Fz is obtained by taking the sum of C1 to C4.
以上のような原理により、第2図および第3図に示す
各電極に所定の配線を施し、第7図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。By applying predetermined wiring to each electrode shown in FIG. 2 and FIG. 3 according to the above principle and forming a detection circuit as shown in FIG. It can be detected as an electric signal for each 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.
なお、第7図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。Note that the detection circuit in FIG. 7 is shown as an example, and other circuits may be used. For example, CR
The capacitance value may be converted into a frequency value by using an oscillation circuit, and the converted value may be input to a microprocessor, and a three-dimensional acceleration may be obtained by digital operation.
各部の材質を示す実施例 続いて、上述した力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。Example showing Material of Each Part Next, the material of each part constituting the above-described force detection 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) 各電極が導電性の材質からなること。(1) Each electrode is made of a conductive material.
(2) 各局在電極は電気的に互いに絶縁されているこ
と。(2) Each localized electrode is electrically insulated from each other.
(3) 可撓基板は可撓性をもった材質からなること。(3) The flexible substrate is made of a material having flexibility.
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
好ましい実施例をいくつか述べることにする。As long as such conditions are satisfied, any material may be used. Here, some preferred embodiments using practical materials will be described.
第8図に示す実施例は、固定基板10a、可撓基板20a、
作用体30a、のすべてに金属を使用した例である。可撓
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、
可撓基板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を可
撓基板20a上に形成している。なお、可撓基板20a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。The embodiment shown in FIG. 8 includes a fixed substrate 10a, a flexible substrate 20a,
This is an example in which a metal is used for all of the working bodies 30a. The flexible substrate 20a and the working body 30a are formed integrally. Of course, these may be made separately and then joined together. The device housing 40 is formed of, for example, metal, plastic, or the like, and is fixedly supported by fitting the periphery of each substrate into a support groove 41 formed on the inner surface. Since the fixed substrate 10a itself functions as the fixed electrode 11 as it is, the fixed electrode
It is not necessary to form 11 separately. The displacement electrodes 21a to 24a are
Since the flexible substrate 20a is made of metal, it cannot be formed directly thereon. Therefore, the displacement electrodes 21a to 24a are formed on the flexible substrate 20a via an insulating layer 25a made of a material such as glass or ceramic. In order to make the flexible substrate 20a flexible, its thickness may be reduced or it may be wavy to facilitate its deformation.
第9図に示す実施例は、固定基板10b、可撓基板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。可撓基板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、可
撓基板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。可撓基板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。The embodiment shown in FIG. 9 includes a fixed substrate 10b, a flexible substrate 20b,
This is an example in which an insulator such as glass or ceramic is used for all of the action bodies 30b. The flexible 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 board 10b
A fixed electrode 11b made of metal is formed on the lower surface of the substrate, and displacement electrodes 21b to 24b made of metal are formed on the upper surface of the flexible substrate 20b.
Are formed. In order to make the flexible substrate 20b flexible, its thickness may be reduced, or a flexible synthetic resin may be used instead of glass or ceramic. Alternatively, deformation may be facilitated by partially providing a through hole.
第10図に示す実施例は、固定基板10c、可撓基板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。可撓基板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11c、および可撓基板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。可撓基板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。The embodiment shown in FIG. 10 includes a fixed substrate 10c, a flexible substrate 20c,
This is an example in which a semiconductor such as silicon is used for all of the acting bodies 30c. The flexible substrate 20c and the working body 30c 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. The fixed electrode 11c located inside the lower surface of the fixed substrate 10c and the displacement electrodes 21c to 24c located inside the upper surface of the flexible substrate 20c are formed by diffusing impurities at a high concentration. In order to make the flexible substrate 20c flexible, the thickness may be reduced or a through hole may be provided partially.
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, examples in which a metal, an insulator, or a semiconductor is used as a material of each component have been described, but a combination of these materials may be used for each component.
三軸方向成分を独立した電極で検出する実施例 前述した基本的な実施例では、第7図に示すような検
出回路を示した。この検出回路では、±Fxあるいは±Fy
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。ここで述べる実施例では、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。第11図に、この実施例で用いる可撓基板20dの上面
図を示す。第3図に示す基本的な実施例における可撓基
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2
2e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23d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。Embodiment in which triaxial components are detected by independent electrodes In the above-described basic embodiment, a detection circuit as shown in FIG. 7 is shown. In this detection circuit, ± Fx or ± Fy
And the same capacitive element for detecting ± Fz is also used. In other words,
By using a single localized electrode, the two-axis directional components are detected. In the embodiment described here, the triaxial components are detected by completely independent dedicated electrodes. FIG. 11 shows a top view of a flexible substrate 20d used in this embodiment. Compared with the flexible substrate 20 in the basic embodiment shown in FIG. 3, the formation pattern of the localized electrodes is slightly 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 electrodes 21d and 21e arranged in the negative direction of the X axis, and the localized electrodes belonging to the second group are electrodes 22d arranged in the positive direction of the Y axis. Two
2e, the localized electrodes belonging to the third group are the electrodes 23d and 23e arranged in the positive direction of the X axis, and the localized electrodes belonging to the fourth group are arranged in the negative direction of the Y axis. Electrode 24d
And 24e.
いま、第11図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′〜C4′とする。そして、これら8つの容
量素子について、第12図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例と同じ
である。この実施例の特徴は、4つの静電容量C1′〜C
4′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±Fzの検出値として出力
する点である。この検出原理を、第11図に示す局在電極
について考えてみると、電極21dと23dによって±Fxが検
出され、電極22dと24dによって±Fyが検出され、電極21
e,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, each of the four electrodes 21d to 24d hatched by dots in FIG. 11 and the fixed electrode
The capacitances of the four capacitive elements composed of the combination of 11 and C1 to C4, respectively, are hatched by hatching.
The electrostatic capacities of four capacitive elements formed of a combination of each of the two electrodes 21e to 24e and the fixed electrode 11 opposed thereto are denoted by C1 'to C4', respectively. Then, a detection circuit as shown in FIG. 12 is constituted by these eight capacitance elements. Here, the converters 51 to 54 convert the capacitances C1 to C4 into a voltage V1.
差動 V4, and the differential amplifiers 55 and 56 are circuits that amplify the difference between the two input voltage values and output the amplified voltage. Differential amplifiers 55 and 56 have ± Fx and ± Fy, respectively.
Is the same as that in the above-described basic embodiment. This embodiment is characterized by four capacitances C1 'to C1'.
4 'are connected in parallel, the converter 58 generates a voltage V5 corresponding to the sum of these, and outputs this as a detected value of ± Fz. When this detection principle is considered for the localized electrode shown in FIG. 11, ± Fx is detected by the electrodes 21d and 23d, ± Fy is detected by the electrodes 22d and 24d, and the electrode 21 is detected.
± Fz is detected by e, 22e, 23e and 24e.
In this manner, the components in the three axial directions can be detected by the independent electrodes.
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、実際には第12図の回路
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 example in which the electrodes 21e to 24e are each configured by an independent electrode has been described, but in fact, as is clear from the circuit diagram of FIG. 12, the capacitance element configured by the electrodes 21e to 24e is Connected in parallel. Therefore, these four electrodes may be integrally formed on the flexible substrate 20d.
本実施例は、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、第11図において、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。この実施例では、第11図の斜
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. 11, if the areas of the electrodes 21e, 22e, 23e, and 24e, which are hatched by oblique lines in the figure, are 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. 11 and the hatched area indicated by dots.
電極の形成パターンを変えた実施例 前述した基本的な実施例では、第2図に示すように、
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、可撓基板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、可撓基板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、第13図に示す可撓基板20
f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
それぞれ1枚の電極を形成しておくだけでよい。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。Embodiment in which the electrode forming pattern is changed In the above-described basic embodiment, as shown in FIG.
The fixed electrode 11 formed on the fixed substrate 10 is one common electrode, and the displacement electrodes formed on the flexible substrate 20 are four 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 are four localized electrodes, and the displacement electrodes formed on the flexible substrate 20 are one.
A single common electrode may be used. 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. The flexible substrate 20 shown in FIG.
Like f, only the 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, but it is possible to detect two-dimensional components composed of the X-axis direction component and the Z-axis direction component. Furthermore, if only one-dimensional detection is performed, it is only necessary to form one electrode on each of both substrates. Also,
The shape of the electrode is not limited to a circle or a sector, but may be any shape. Each substrate does not necessarily have to be disk-shaped.
テスト機能をもった実施例 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。Embodiment Having Test Function In general, when mass-producing some kind of detecting device and putting it on the market, an operation of confirming a normal detecting operation is performed in a test process before shipping. It is preferable that the above-described acceleration detection device be tested before shipment. 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.
以下に述べる実施例では、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。第14図は、このテスト機能をもった実施例に係る加
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、可撓基板70、作用体7
5、補助基板80、そして装置筐体40である。第15図に、
固定基板60の下面図を示す。第15図の固定基板60をX軸
に沿って切断した断面が第14図に示されている。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。可撓基板70は、可撓性をもった金属性の円盤
であり、周囲はやはり装置筐体40に固定されている。こ
の可撓基板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。可撓基板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。この実施例
の特徴は、この他に、更に補助基板80を設けた点であ
る。第16図に、この補助基板80の上面図を示す。第16図
の補助基板80をX軸に沿って切断した断面が第14図に示
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、第16図に一点鎖線で示すように、作用体75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、可
撓基板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、可撓基板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61〜64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. 14 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 flexible substrate 70,
5, the auxiliary substrate 80, and the device housing 40. In Figure 15,
FIG. 4 shows a bottom view of the fixed substrate 60. FIG. 14 shows a cross section of the fixed substrate 60 of FIG. 15 cut along the X-axis. The fixed substrate 60 is a metal disk-shaped substrate, and the periphery thereof is the device housing 40.
It is fixed to. On this lower surface, an insulating layer such as glass
Four quadrant-shaped fixed electrodes 61 to 64 are formed with the 65 interposed therebetween. The flexible substrate 70 is a flexible metal disk, and the periphery thereof is also fixed to the device housing 40. A columnar working body 75 is coaxially joined to the lower surface of the flexible substrate 70. The upper surfaces of the flexible 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. 16 shows a top view of the auxiliary substrate 80. FIG. FIG. 14 shows a cross section of the auxiliary substrate 80 of FIG. 16 cut along the X-axis. 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 a dashed line in FIG. 16, an operating body 75 is inserted into the central through hole. 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 flexible substrate 70 constitutes one auxiliary electrode facing the auxiliary electrodes 81 to 84. Thus, the flexible substrate 70
Is a metal lump integrally formed with the working body 75, the upper surface of which acts as one displacement electrode facing the fixed electrodes 61 to 64, and the lower surface thereof faces the auxiliary electrodes 81 to 84. Acts as one auxiliary electrode.
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(可撓基板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(可撓基板70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、可撓基板70
が所定方向に撓むことになる。たとえば、第14図におい
て、可撓基板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、可撓
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、第4図に示すようなX軸方向の力
Fxが作用したときと同じように可撓基板70が撓みを生じ
ることになる。また、可撓基板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、第5図に示すようなZ軸方向の力Fzが作用した
ときと同じように可撓基板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 64 and the displacement electrodes (the upper surface of the flexible substrate 70) facing the fixed electrodes 4
As described above, a set of capacitive elements can be formed, and the acceleration applied to the operating body 75 can be detected based on the change in the capacitance. Also, the auxiliary electrodes 81 to
Four sets of capacitive elements are formed by the displacement electrodes 84 and the displacement electrodes (the lower surface of the flexible substrate 70), and the acceleration can be detected. 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 flexible substrate 70
Will bend in a predetermined direction. For example, in FIG. 14, when voltages of different polarities are applied to the flexible substrate 70 and the electrode 63, an attractive force based on Coulomb force acts between the two, and a voltage of a different polarity is applied to the flexible substrate 70 and the electrode 81. Is applied, an attractive force based on the Coulomb force acts between them. If such an attractive force acts, the force in the X-axis direction as shown in FIG.
The flexible substrate 70 will bend in the same manner as when Fx acts. Also, if a voltage of the same polarity is applied to the flexible substrate 70 and the electrodes 81 to 84, a repulsive force based on Coulomb force acts between the two, and even if no force actually acts on the operating body 75, The flexible substrate 70 will bend in the same manner as when a force Fz in the Z-axis direction as shown in FIG. 5 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.
また、第14図に示す補助基板80を付加した構造は、過
度の加速度が加わった場合に、可撓基板70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。可撓
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、第14図に示す構造によれ
ば、過度の力が加わった場合でも、可撓基板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、第14図における横方向
(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、撓んだ可撓基板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。また、第14図における上下方向(Z軸
方向)に過度の加速度が加わった場合、撓んだ可撓基板
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。The structure to which the auxiliary substrate 80 is added as shown in FIG. 14 also has a secondary effect that the flexible substrate 70 can be prevented from being damaged when an excessive acceleration is applied. Although the flexible substrate 70 is flexible, it may be damaged when an excessive force is applied. However, according to the structure shown in FIG. 14, even when an excessive force is applied, the displacement of the flexible substrate 70 is limited to a predetermined range, so that no excessive displacement until damage occurs. That is, when excessive acceleration is applied in the lateral direction (X or Y axis direction) in FIG.
The side surface of the action body 75 abuts on the inner surface of the through hole of the auxiliary substrate 80, and the upper or lower surface of the bent flexible substrate 70 abuts on the fixed electrodes 61 to 64 or the auxiliary electrodes 81 to 84, and more. No displacement occurs. When excessive acceleration is applied in the vertical direction (Z-axis direction) in FIG.
The upper or lower surface of 70 is a fixed electrode 61 to 64 or an auxiliary electrode 81
8484, no further displacement occurs.
第17図は、第14図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ているが、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. 17 is a side sectional view showing a state where the acceleration detecting device having the structure shown in FIG. Each electrode and the external terminals 91 to 93 are connected by bonding wires 94 to 96 (actually, electrically independent electrodes are connected to their own external terminals by their own bonding wires, respectively). However, only the main wiring is shown in the figure). 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.
圧電素子を利用した実施例 前述した種々の実施例では、外力は静電容量値の変化
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。第18図に示
す実施例は、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。この実施例の装置
の基本的構成は、前述した種々の実施例と共通してい
る。すなわち、固定基板10fと可撓基板20fとが対向して
装置筐体40内に取り付けられている。この実施例では、
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、可撓基板2
0fが撓むことになり、この結果、固定電極11f,12fとこ
れに対向する変動電極21f,22fとの距離が変化する。前
述の実施例では、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、本実施例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と変動電
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
電効果によってぞ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。Embodiment Using Piezoelectric Element In the various embodiments described above, since an external force is detected as a change in the capacitance value, a processing circuit for converting this capacitance value into a voltage value or the like is practically necessary. Become. The embodiment shown in FIG. 18 eliminates such a processing circuit by using a piezoelectric element. 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 flexible substrate 20f are mounted inside the device housing 40 so as to face each other. In this example,
Both substrates are insulators, but may be made of metal or semiconductor. When an external force acts on the working body 30f, the flexible substrate 2
0f is bent, and as a result, the distance between the fixed electrodes 11f, 12f and the variable 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 this purpose, the piezoelectric elements 101 and 102 are formed so as to be sandwiched between the fixed electrodes 11f and 12f and the variable electrodes 21f and 22f. When the distance between the two electrodes is reduced, the compressive force acts on the piezoelectric elements 101 and 102 when the electrode expands, and the tensile force acts on the piezoelectric elements 101 and 102. Therefore, 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.
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。第18図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、第3図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、第11図
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、第13図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、第17図に示す実施例とほぼ同様の構
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. Although only the side cross section is shown in FIG. 18, three-dimensional acceleration can be detected by disposing four sets of piezoelectric elements as in the electrode arrangement shown in FIG. Alternatively, similarly to the electrode arrangement shown in FIG. 11, eight pairs (substantially, Z
(The four sets for detecting the force in the axial direction can be combined into one). Further, in order to detect two-dimensional acceleration, two sets of piezoelectric elements may be arranged in the same manner as the electrode arrangement shown in FIG. Specific device housing 40
In this case, the configuration is almost the same as that of the embodiment shown in FIG. 17, but the voltage values are directly output from the external terminals 91 to 93.
第18図に示す本実施例の二次的な効果は、圧電素子10
1,102が可撓基板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可撓基板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例と同様に、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。The secondary effect of the present embodiment shown in FIG.
Reference numeral 1,102 is a point having a protection function for the flexible substrate 20f.
That is, even when an excessive force is applied, the flexible 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.
その他の実施例 以上、本発明をいくつかの実施例に基づいて説明した
が、本発明はこれらの実施例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、
上述の実施例では、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。第19図
は、第17図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、第17図
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。Other Embodiments Although the present invention has been described based on some embodiments, the present invention is not limited to these embodiments, and can be implemented in various other modes. Especially,
In the above-described embodiment, the example in which the present invention is applied to the acceleration detecting device that detects the acceleration applied to the operating object has been described. However, the basic concept of the present invention is to detect the force acting on the operating object based on some physical phenomenon. The present invention is applicable to a device for directly detecting a force instead of an acceleration. FIG. 19 is a side sectional view of a force detection device having substantially the same structure as the acceleration detection 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 the acceleration detecting device shown in FIG. 17, 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, the force based on magnetism is applied to the operating body 75. Acts, it is possible to detect magnetism. As described above, the present invention is also applicable to a magnetic detection device.
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、によって形成される容量素
子の静電容量の変化、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 detection device of the present invention, the displacement electrode that is displaced by the force to be detected, and the fixed electrode that is fixed opposite thereto, the change in the capacitance of the capacitive element formed by Since the force is detected based on the above, 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.
第1図は、本発明の基本的な実施例に係る加速度検出装
置の構造を示す側断面図、第2図は第1図に示す装置に
おける固定基板の下面図、第3図は第1図に示す装置に
おける可撓基板の上面図、第4図は第1図に示す装置に
X軸方向の力Fxが作用した状態を示す側断面図、第5図
は第1図に示す装置にZ軸方向の力Fzが作用した状態を
示す側断面図、第6図は第1図に示す装置における力検
出原理を示す表、第7図は第1図に示す装置に適用する
ための検出回路図、第8図は第1図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例を示す図、第
9図は第1図に示す装置における各基板を絶縁材料によ
って構成した実施例を示す図、第10図は第1図に示す装
置における各基板を半導体材料によって構成した実施例
を示す図、第11図は本発明の別な実施例に係る加速度検
出装置の可撓基板の上面図、第12図は第11図に示す実施
例の装置に適用するための検出回路図、第13図は二次元
についてのみの検出を行う実施例の可撓基板の上面図、
第14図はテスト機能をもった実施例に係る加速度検出装
置の構造を示す側断面図、第15図は第14図の装置におけ
る固定基板の下面図、第16図は第14図の装置における補
助基板の上面図、第17図は第14図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、第18図は圧電素子を利用した実施例の構造を示す
側断面図、第19図は第17図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。 10……固定基板、11……固定電極、20……可撓基板、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……可撓基板、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。FIG. 1 is a side sectional view showing a structure of an acceleration detecting device according to a basic embodiment of the present invention, FIG. 2 is a bottom view of a fixed substrate in the device shown in FIG. 1, and FIG. FIG. 4 is a side sectional view showing a state in which a force Fx in the X-axis direction is applied to the device shown in FIG. 1, and FIG. 5 is a sectional view showing the device shown in FIG. FIG. 6 is a side sectional view showing a state where an axial force Fz is applied, FIG. 6 is a table showing a principle of force detection in the device shown in FIG. 1, and FIG. 7 is a detection circuit applied to the device shown in FIG. FIG. 8 shows an embodiment in which each substrate in the apparatus shown in FIG. 1 is made of a metal material, and FIG. 9 shows an embodiment in which each substrate in the apparatus shown in FIG. 1 is made of an insulating material. FIG. 10 is a view showing an embodiment in which each substrate in the apparatus shown in FIG. 1 is made of a semiconductor material, and FIG. FIG. 12 is a top view of a flexible substrate of an acceleration detection device according to another embodiment of the invention, FIG. 12 is a detection circuit diagram for application to the device of the embodiment shown in FIG. 11, and FIG. Top view of the flexible substrate of the embodiment performing the detection,
FIG. 14 is a side sectional view showing a structure of an acceleration detecting device according to an embodiment having a test function, FIG. 15 is a bottom view of a fixed substrate in the device of FIG. 14, and FIG. 16 is a device in the device of FIG. FIG. 17 is a top view of the auxiliary substrate, FIG. 17 is a side sectional view showing a state where the acceleration detecting device having the structure shown in FIG. 14 is housed in a specific device housing 40, and FIG. 18 is an embodiment using a piezoelectric element. FIG. 19 is a side sectional view showing a structure, and FIG. 19 is a side sectional view of a force detecting device having substantially the same structure as the acceleration detecting device shown in FIG. 10 ... fixed substrate, 11 ... fixed electrode, 20 ... flexible substrate, 21
~ 24 ... displacement electrode, 25 ... insulating layer, 30 ... working body, 40 ...
... device housing, 41 ... support groove, 42 ... through hole, 51-54 ...
Converter, 55, 56 …… Differential amplifier, 57 …… Adder, 58 ……
Transducer, 60 …… Fixed substrate, 61-64 …… Fixed electrode, 65 ……
Insulating layer, 70 flexible substrate, 75 working body, 76 tentacle,
80 Auxiliary substrate, 81 to 84 Auxiliary electrode, 85 Insulating layer,
91-93: External terminals, 94-96: Bonding wires,
101, 102... Piezoelectric element, P...
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名) G01L 1/14 G01P 15/125 G01L 5/16 G01R 33/02 WPI/L(QUESTEL)──────────────────────────────────────────────────続 き Continued on the front page (58) Field surveyed (Int.Cl. 6 , DB name) G01L 1/14 G01P 15/125 G01L 5/16 G01R 33/02 WPI / L (QUESTEL)
Claims (8)
の力が伝達される作用部と、前記固定部と前記作用部と
の間に形成され可撓性をもった可撓部と、を有する可撓
基板と、 前記可撓基板に対向するように、装置筐体に固定された
固定基板と、 外部からの力を受け、この力を前記可撓基板の前記作用
部に伝達する作用体と、 前記可撓基板の前記固定基板に対する対向面に形成され
た変位電極と、 前記固定基板の前記可撓基板に対する対向面に形成され
た固定電極と、 を備え、 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、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、それぞれ電気的に独立した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
れぞれ互いに対向する電極からなる2つのグループの容
量素子を形成し、 前記2つのグループの容量素子の静電容量の差によって
前記所定軸方向成分の力を検出し、 前記2つのグループの容量素子の静電容量の和によって
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。1. A fixing portion fixed to a device housing, an operating portion to which an external force is transmitted, and a flexible portion formed between the fixing portion and the operating portion and having flexibility. And a fixed substrate fixed to the device housing so as to face the flexible substrate. An external force is received, and the force is transmitted to the operating portion of the flexible substrate. A displacement electrode formed on a surface of the flexible substrate facing the fixed substrate; and a fixed electrode formed on a surface of the fixed substrate facing the flexible substrate. Either one or both of the fixed electrodes are arranged at predetermined intervals along a predetermined axis on one electrode forming surface, and are constituted by two sets of electrically independent localized electrodes. A pair of localized electrodes, each of which comprises electrodes facing each other. Forming a group of capacitive elements, detecting the force of the predetermined axial component by a difference between the capacitances of the two groups of capacitive elements, and forming the electrode by the sum of the capacitive elements of the two groups. A force detecting device for detecting a force of an axial component orthogonal to a forming surface.
の力が伝達される作用部と、前記固定部と前記作用部と
の間に形成され可撓性をもった可撓部と、を有する可撓
基板と、 前記可撓基板に対向するように、装置筐体に固定された
固定基板と、 外部からの力を受け、この力を前記可撓基板の前記作用
部に伝達する作用体と、 前記可撓基板の前記固定基板に対する対向面に形成され
た変位電極と、 前記固定基板の前記可撓基板に対する対向面に形成され
た固定電極と、 を備え、 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、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、それぞれ電気
的に独立した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互いに対向する電極からなる
4つのグループの容量素子を形成し、 前記4つのグループの容量素子のうち前記第1の軸上に
ある2つのグループに属する容量素子の静電容量の差に
よって前記第1の軸方向成分の力を検出し、 前記4つのグループの容量素子のうち前記第2の軸上に
ある2つのグループに属する容量素子の静電容量の差に
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。A fixed portion fixed to the device housing, an operating portion to which an external force is transmitted, and a flexible portion formed between the fixed portion and the operating portion. And a fixed substrate fixed to the device housing so as to face the flexible substrate. An external force is received, and the force is transmitted to the operating portion of the flexible substrate. A displacement electrode formed on a surface of the flexible substrate facing the fixed substrate; and a fixed electrode formed on a surface of the fixed substrate facing the flexible substrate. Either one or both of the fixed electrodes, the first axis and the second axis orthogonal to each other on one electrode forming surface, when the intersection of both axes as the origin,
Each of the axes is arranged in the positive and negative directions, and is constituted by four sets of localized electrodes that are electrically independent of each other. Forming an element, detecting a force of the first axial component based on a difference between capacitances of capacitance elements belonging to two groups on the first axis among the four groups of capacitance elements, The force of the second axial component is detected based on a difference between the capacitances of the capacitance elements belonging to the two groups on the second axis among the capacitance elements of the four groups. Force detector.
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。3. The force detecting device according to claim 2, further comprising: a third axis orthogonal to both the first axis and the second axis by a sum of capacitances of the capacitance elements belonging to the four groups. A force detecting device for detecting a force of an axial component.
を更に設け、この5組目の局在電極を用いて第5グルー
プ目の容量素子を構成し、この第5グループ目の容量素
子の静電容量によって、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 detecting device according to claim 2, 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 capacitive elements, and a third axial component force orthogonal to both the first axis and the second axis is detected by the capacitance of the fifth group of capacitive elements. A force detection device characterized in that:
置において、 固定基板、可撓基板、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、 前記可撓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可撓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可撓基板に変位を生
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。5. The force detecting device according to claim 1, further comprising: an auxiliary substrate provided so that the fixed substrate, the flexible substrate, and the auxiliary substrate are arranged so as to face each other in this order. Forming a first auxiliary electrode on a surface of the flexible substrate facing the auxiliary substrate; forming a second auxiliary electrode on a surface of the flexible substrate facing the flexible substrate; A predetermined voltage is applied between the two electrodes or between the displacement electrode and the fixed electrode, and a displacement is generated in the flexible substrate by the Coulomb force acting between the two, so that the flexible substrate is brought into a state equivalent to an externally applied force. A force detection device characterized in that the force detection device can perform the force detection.
極とが、この導電性の可撓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。6. The force detecting device according to claim 5, wherein the flexible substrate is made of a conductive material, and the first auxiliary electrode and the displacement electrode are formed by a part of the conductive flexible substrate. A force detection device.
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。7. 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.
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。8. The detecting device according to claim 1, wherein the working body is made of a magnetic material, and a force generated based on a magnetic force acting on the working body is detected, so that a magnetic force is generated. A magnetic detection device capable of performing detection.
Priority Applications (19)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2274299A JP2841240B2 (en) | 1990-10-12 | 1990-10-12 | Force / acceleration / magnetism detection device |
| US07/764,159 US5421213A (en) | 1990-10-12 | 1991-09-20 | Multi-dimensional force detector |
| EP96119715A EP0767363B1 (en) | 1990-10-12 | 1991-10-11 | Methods of manufacturing a capacitive detector with three substrates, surrounding regions, and a working body ( force, acceleration, magnetism ) |
| EP91117418A EP0480471B1 (en) | 1990-10-12 | 1991-10-11 | Force detector and acceleration detector |
| DE69133193T DE69133193T2 (en) | 1990-10-12 | 1991-10-11 | Method for producing a capacitive detector with three substrates, surrounding regions and a working body (force, acceleration, magnetic) |
| DE69126501T DE69126501T2 (en) | 1990-10-12 | 1991-10-11 | Force detector and acceleration detector |
| US08/292,496 US5406848A (en) | 1990-10-12 | 1994-08-18 | Multi-dimensional and acceleration detector |
| US08/394,310 US5531002A (en) | 1990-10-12 | 1995-02-24 | Method of manufacturing physical quantity detector |
| US08/647,178 US5639973A (en) | 1990-10-12 | 1996-05-09 | Force detector |
| US08/819,357 US5811693A (en) | 1990-10-12 | 1997-03-18 | Force detector and acceleration detector and method of manufacturing the same |
| US09/109,560 US6053057A (en) | 1990-10-12 | 1998-07-02 | Force detector |
| US09/375,334 US6158291A (en) | 1990-10-12 | 1999-08-16 | Force detector and acceleration detector |
| US09/907,444 US6477903B2 (en) | 1990-10-12 | 2001-07-17 | Force detector and acceleration detector and method of manufacturing the same |
| US10/247,772 US6779408B2 (en) | 1990-10-12 | 2002-09-19 | Force detector |
| US10/247,771 US6716253B2 (en) | 1990-10-12 | 2002-09-19 | Force detector |
| US10/889,549 US7152485B2 (en) | 1990-10-12 | 2004-07-12 | Acceleration detector |
| US11/521,218 US20070012109A1 (en) | 1990-10-12 | 2006-09-14 | Force detector and acceleration detector and method of manufacturing the same |
| US11/724,037 US7360455B2 (en) | 1990-10-12 | 2007-03-14 | Force detector and acceleration detector and method of manufacturing the same |
| US12/075,916 US7533582B2 (en) | 1990-10-12 | 2008-03-14 | Force detector and acceleration detector and method of manufacturing the same |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2274299A JP2841240B2 (en) | 1990-10-12 | 1990-10-12 | Force / acceleration / magnetism detection device |
Related Child Applications (2)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP9072692A Division JP2975907B2 (en) | 1997-03-10 | 1997-03-10 | Force / acceleration / magnetism detection device |
| JP21032098A Division JP3145979B2 (en) | 1990-10-12 | 1998-07-09 | Force / acceleration / magnetism detection device |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH04148833A JPH04148833A (en) | 1992-05-21 |
| JP2841240B2 true JP2841240B2 (en) | 1998-12-24 |
Family
ID=17539713
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2274299A Expired - Lifetime JP2841240B2 (en) | 1990-10-12 | 1990-10-12 | Force / acceleration / magnetism detection device |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2841240B2 (en) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP3027457B2 (en) | 1991-10-25 | 2000-04-04 | 和廣 岡田 | Force, acceleration, and magnetism detectors for multi-dimensional directions |
| EP3460432A1 (en) | 2017-09-26 | 2019-03-27 | Tri-Force Management Corporation | Force sensor |
Families Citing this family (17)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2773460B2 (en) * | 1991-03-05 | 1998-07-09 | 日本電気株式会社 | Semiconductor acceleration sensor |
| US5646346A (en) * | 1994-11-10 | 1997-07-08 | Okada; Kazuhiro | Multi-axial angular velocity sensor |
| WO1994023272A1 (en) * | 1993-03-30 | 1994-10-13 | Kazuhiro Okada | Multishaft angular velocity sensor |
| US6282956B1 (en) | 1994-12-29 | 2001-09-04 | Kazuhiro Okada | Multi-axial angular velocity sensor |
| JP2713241B2 (en) * | 1995-05-25 | 1998-02-16 | 日本電気株式会社 | Acceleration sensor and method of manufacturing the same |
| JPH0934644A (en) * | 1995-07-21 | 1997-02-07 | Oki Electric Ind Co Ltd | Pointing device |
| DE19858826A1 (en) * | 1998-12-19 | 2000-06-29 | Micronas Intermetall Gmbh | Capacitive magnetic field sensor |
| JP4550500B2 (en) | 2004-04-01 | 2010-09-22 | 多摩川精機株式会社 | A stress detection method in a force sensor device having a multi-axis sensor, and a force sensor device using this method. |
| CN101142469A (en) * | 2005-03-18 | 2008-03-12 | 新田株式会社 | Capacitive sensor |
| WO2007143870A2 (en) * | 2006-06-14 | 2007-12-21 | Kistler Holding Ag | Transverse force measurement |
| JP2008096229A (en) * | 2006-10-11 | 2008-04-24 | Nitta Ind Corp | Capacitive sensor |
| JP2008267923A (en) * | 2007-04-18 | 2008-11-06 | Nitta Ind Corp | Tension measuring device |
| JP5267504B2 (en) | 2009-05-19 | 2013-08-21 | ミツミ電機株式会社 | Operation input device and operation input detection device |
| JP2012145497A (en) | 2011-01-13 | 2012-08-02 | Fanuc Ltd | Capacitance force sensor |
| CN104272073B (en) | 2013-07-17 | 2016-06-22 | 株式会社和广 | force sensor |
| JP6725299B2 (en) * | 2016-04-05 | 2020-07-15 | 日本電産コパル電子株式会社 | Load sensor |
| CN116007821B (en) * | 2021-10-22 | 2025-12-05 | 华为技术有限公司 | Methods for measuring external forces borne by capacitive force sensors and detection equipment |
Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US3270260A (en) | 1963-11-18 | 1966-08-30 | Measurement Systems Inc | Stick-operated diaphragm control |
| US4719538A (en) | 1986-12-02 | 1988-01-12 | Cox John D | Force responsive capacitive transducer |
-
1990
- 1990-10-12 JP JP2274299A patent/JP2841240B2/en not_active Expired - Lifetime
Patent Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US3270260A (en) | 1963-11-18 | 1966-08-30 | Measurement Systems Inc | Stick-operated diaphragm control |
| US4719538A (en) | 1986-12-02 | 1988-01-12 | Cox John D | Force responsive capacitive transducer |
Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP3027457B2 (en) | 1991-10-25 | 2000-04-04 | 和廣 岡田 | Force, acceleration, and magnetism detectors for multi-dimensional directions |
| EP3460432A1 (en) | 2017-09-26 | 2019-03-27 | Tri-Force Management Corporation | Force sensor |
| US10488280B2 (en) | 2017-09-26 | 2019-11-26 | Tri-Force Management Corporation | Highly sensitive capacitive force sensor that is minimally affected by temperature changes and in-phase noise |
| US10627296B2 (en) | 2017-09-26 | 2020-04-21 | Tri-Force Management Corporation | Force sensor |
| EP3654004A1 (en) | 2017-09-26 | 2020-05-20 | Tri-Force Management Corporation | Force sensor |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH04148833A (en) | 1992-05-21 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| JP2841240B2 (en) | Force / acceleration / magnetism detection device | |
| US6779408B2 (en) | Force detector | |
| US6158291A (en) | Force detector and acceleration detector | |
| JP3141954B2 (en) | Force / acceleration / magnetism sensors using piezoelectric elements | |
| JP3040816B2 (en) | Operation test method in device for detecting physical quantity using change in distance between electrodes, and physical quantity detection device having function of performing this method | |
| JP3311633B2 (en) | Sensor unit | |
| JPH05203667A (en) | Capacitive three-axis acceleration sensor | |
| JP2975907B2 (en) | Force / acceleration / magnetism detection device | |
| JPH05118942A (en) | Device for detecting force, acceleration, magnetism related with multidimensional direction | |
| JP3145979B2 (en) | Force / acceleration / magnetism detection device | |
| US20120297878A1 (en) | Micromechanical Angular Acceleration Sensor and Method for Measuring an Angular Acceleration | |
| JP2971610B2 (en) | Force / acceleration / magnetism detecting device and method of manufacturing the same | |
| JP3043477B2 (en) | Sensor using change in capacitance | |
| JP3242204B2 (en) | Force detection device | |
| JP2999291B2 (en) | Force, acceleration, and magnetism detectors for multi-dimensional directions | |
| JP3020829B2 (en) | Force, acceleration, and magnetism detectors for multi-dimensional directions | |
| JPH04127537U (en) | force detection device | |
| JP3287244B2 (en) | Acceleration detector |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20071023 Year of fee payment: 9 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20081023 Year of fee payment: 10 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20101023 Year of fee payment: 12 |
|
| EXPY | Cancellation because of completion of term |