WO1992017759A1 - Method of testing performance of device for measuring physical quantity by using change of distance between electrodes and physical quantity measuring device provided with function of executing this method - Google Patents

Description

明 細 電極間距離の変化を利用して物理量を検出する装置 における動作試験方法、 およびこの方法を実施する 機能を備えた物理量の検出装置 技 術 分 野 本発明は、 電極間距離の変化を利用して、 力、 加速度 磁気などの物理量を検出する装置において、 その動作を 試験する方法に.関し、 更に、 この動作試験方法を実施す る機能を備えた力、 加速度、 磁気などの物理量の検出装 置に関する。 背 景 技 術 自動車産業や機械産業などでは、 力、 加速度、 磁気と いつた物理量を正確に検出できる検出装置の需要が高ま つている。 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 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。 た とえば、 米国特許第 4 9 0 5 5 2 3号、 同第 4 9 6 7 6 0 5号、 同第 4 9 6 9 3 6 6号には、 本願発明者の発明 に係る力、 加速度、 磁気の検出装置が開示されている。 上述のピエゾ抵抗効果を利用した検出装置に代わって、 電極間距離の変化を利用した検出装置も提案されている。 たとえば、 日本国特許出願 特願平 2 - 2 7 4 2 9 9号 明細書には、 2枚の基板を対向させて配置し、 それぞれ の基板上に電極を形成した単純な構造の検出装置が開示 されている。 この検出装置においては、 検出対象となる 力、 加速度、 磁気などの物理量に基づいて一方の基板を 変位させ、 この変位により両基板上に形成した電極間距 離を変化させ、 これを両電極間の静電容量の変化と して 検出している。 あるいは、 両電極間に圧電素子を挟んで おき、 電極間距離の変化をこの圧電素子が発生する電圧 として検出する方法も開示されている。 一方の基板に外 力をそのまま作用させて変位を起こさせれば、 作用した 外力を検出する力検出装置と して機能する。 また、 一方 の基板に重錘体を接合しておき、 この重錘体に作用した 加速度に基づいて基板を変位させれば、 作用した加速度 を検出する加速度検出装置と して機能する。 更に、 一方 の基板に磁性体を接合しておき、 この磁性体に作用 した 磁気に基づいて基板を変位させれば、 作用した磁気を検 出する磁気検出装置と して機能する。

一般に、 何らかの物理量の検出装置を製品化する場台、 この検出装置が正しい検出信号を出力するか否かの動作 試験を行う必要が生じる。 従来、 このような動作試験は、 検出対象となる物理量を実際にその検出装置に作用させ、 そのときの検出信号を調べるという方法が採られている。 たとえば、 加速度の検出装置であれば、 実際に所定の大 きさの加速度を所定の方向から検出装置に作用させ、 そ のときの検出信号が、 与えた加速度に応じた正しいもの になっているか否かを判定する こ とになる。 しかしな力《 ら、 このような動作試験を行うには、 専用の試験設備が 必要になり、 試験作業も煩雑で時間のかかる ものとなる。 特に、 専用の試験設備で試験できる数量が限定され、 生 産性の低下を招く ことになる。 したがって、 このような 従来の試験方法は、 大量生産される装置に対する動作試 験と しては不適当である。

本発明の第 1 の目的は、 電極間距離の変化を利用して 物理量を検出する装置について、 簡便な動作試験を行い 得る方法を提供する こ とであり、 第 2の目的は、 この簡 便な動作試験方法によって自己診断を行う機能をもった 検出装置を提供する こ とである。 発 明 の 開 示

<動作試験方法 >

本発明による動作試験方法は、 外力の作用により変位 しうるように支持された変位電極と、 この変位電極に対 向する位置において装置筐体に固定された固定電極と、 両電極間の距離の変化を電気信号と して取り出す検出手 段と、 を備え、 外力に対応した物理量を電気信号と して 検出する検出装置の動作試験を行うためのものであり、 次のような 4つの方法に分けて把握することができる。

( 1 ) 本発明による動作試験の第 1 の方法は、 固定電 極と変位電極との間に所定の電圧を印加し、 この印加電 圧に基づいて発生するクーロン力により変位電極を変位 させ、 この変位状態において検出手段が検出した電気信 号を印加電圧と比較することにより、 この検出装置の動 作を試験するようにしたものである。

(2 ) 本発明による動作試験の第 2の方法は、 変位電 極に対向する位置において装置筐体に固定された試験電 極を更に設け、 この試験電極と変位電極との間に所定の 電圧を印加し、 この印加電圧に基づいて発生するクーロ ンカにより変位電極を変位させ、 この変位状態において 検出手段が検出した電気信号を印加電圧と比較すること により、 この検出装置の動作を試験するようにしたもの である。 (3 ) 本発明による動作試験の第 3の方法は、 変位電 極とともに変位しうるように支持された試験電極を更に 設け、 この試験電極と固定電極との間に所定の電圧を印 加し、 この印加電圧に基づいて発生するクーロ ン力によ り変位電極を変位させ、 この変位状態において検出手段 が検出した電気信号を印加電圧と比較することによ り、 この検出装置の動作を試験するようにしたものである。

(4) 本発明による動作試験の第 4の方法は、 変位電 極とともに変位しう るように支持された第 1 の試験電極 と、 この第 1 の試験電極に対向する位置において装置筐 体に固定された第 2の試験電極と、 を更に設け、 第 1の 試験電極と第 2の試験電極との間に所定の電圧を印加し、 この印加電圧に基づいて発生するクーロン力により変位 電極を変位させ、 この変位状態において検出手段が検出 した電気信号を印加電圧と比較する こ とにより、 この検 出装置の動作を試験するようにしたものである。

<静電容量式検出装置への適用 >

本発明によれば、 上述の動作試験方法を、 電極間隔の 変化を静電容量の変化と して検出するタイプの物理量検 出装置に適用するこ とにより、 自己診断機能をもった以 下の 3つの検出装置を実現できる。

( 1 ) 第 1 の検出装置は、 装置筐体に固定される固定 部と、 外部からの力、 加速度、 磁気などの物理量の作用 に基づく力を受ける作用部と、 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、

可撓基板の橈みによって変位が生じる位置に形成され た変位電極と、

固定基板により固定され、 変位電極に対向する位置に 形成された固定電極と、

変位電極に対向する位置において装置筐体に固定され、 固定電極とは電気的に絶縁された試験電極と、

変位電極と固定電極との間に生じる静電容量の変化を 電気信号と して出力する検出手段と、

試験電極と変位電極との間に所定の電圧を印加する電 圧印加手段と、 ·

を備え、

検出手段の出力した電気信号に基づいて作用部に作用 した力を検出するとともに、 検出手段の出力した電気信 号を電圧印加手段の印加した印加電圧と比較するこ とに より動作試験を行い得るようにしたものである。

(2) 第 2の検出装置は、 装置筐体に固定される固定 部と、 外部からの力、 加速度、 磁気などの物理量の作用 に基づく力を受ける作用部と、 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、 可撓基板の橈みによって変位が生じる位置に形成され た変位電極と、

固定基板により固定され、 変位電極に対向する位置に 形成された固定電極と、

変位電極とと もに変位しうるように支持され、 変位電 極とは電気的に絶縁された試験電極と、

変位電極と固定電極との間に生じる静電容量の変化を 電気信号と して出力する検出手段と、

試験電極と固定電極との間に所定の電圧を印加する電 圧印加手段と、

を備え、

検出手段の出力した電気信号に基づいて作用部に作用 した力を検出するとともに、 検出手段の出力した電気信 号を電圧印加手段の印加した印加電圧と比較することに より動作試験を行い得るように したものである。

( 3 ) 第 3の検出装置は、 装置筐体に固定される固定 部と、 外部からの力、 加速度、 磁気などの物理量の作用 に基づく力を受ける作用部と、 固定部と作用部との間に 形成され可撓性をも,つた可撓部と、 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、

可撓基板の橈みによって変位が生じる位置に形成され た変位電極と、

固定基板により固定され、 変位電極に対向する位置に 形成された固定電極と、

自己の変位に基づき可撓基板に撓みを生じさせる位置 に形成され、 変位電極とは電気的に絶縁された第 1の試 験電極と、

この第 1 の試験電極に対向する位置において装置筐体 に固定され、 固定電極とは電気的に絶縁された第 2の試 験電極と、

変位電極と固定電極との間に生じる静電容量の変化を 電気信号と して出力する検出手段と、

第 1の試験電極と第 2の試験電極との間に所定の電圧 を印加する電圧印加手段と、

を備え、

検出手段の出力した電気信号に基づいて作用部に作用 した力を検出するとともに、 検出手段の出力した電気信 号を電圧印加手段の印加した印加電圧と比較することに より動作試験を行い得るようにしたものである。

ぐ圧電式検出装置への適用 >

また、 本発明によれば、 上述の動作試験方法を、 電極 間隔の変化を圧電素子を用いて検出するタイプの物理量 検出装置に適用することにより、 自己診断機能をもった 以下の 3つの検出装置を実現できる。

(1 ) 第 1 の検出装置は、 装置筐体に固定される固定 部と、 外部からの力、 加速度、 磁気などの物理量の作用 に基づく力を受ける作用部と、 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、

可撓基板の撓みによって変位が生じる位置に配置され た変位電極と、

固定基板により固定された固定電極と、

可撓基板と固定基板との間に挟まれるように配置され、 両基板によって加わる圧力を電気信号に変換して両電極 に出力する圧電素子と、

変位電極に対向する位置において装置筐体に固定され、 固定電極とは電気的に絶縁された試験電極と、

この試験電極と変位電極との間に所定の電圧を印加す る電圧印加手段と、 - を備え、

圧電素子の出力した電気信号に基づいて作用部に作用 した力を検出するとと もに、 圧電素子の出力した電気信 号を電圧印加手段の印加した印加電圧と比較するこ とに より動作試験を行い得るようにしたものである。

( 2 ) 第 2の検出装置は、 装置筐体に固定される固定 部と、 外部からの力、 加速度、 磁気などの物理量の作用 に基づく 力を受ける作用部と、 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、 可撓基板の撓みによって変位が生じる位置に配置され た変位電極と、

固定基板により固定された固定電極と、

可撓基板と固定基板との間に挟まれるように配置され、 両基板によって加わる圧力を電気信号に変換して両電極 に出力する圧電素子と、

変位電極とともに変位しうるように支持され、 変位電 極とは電気的に絶縁された試験電極と、

この試験電極と固定電極との間に所定の電圧を印加す る電圧印加手段と、

を備え、

圧電素子の出力した電気信号に基づいて作用部に作用 した力を検出するとともに、 圧電素子の出力した電気信 号を電圧印加手段の印加した印加電圧と比較することに より動作試験を行い得るようにしたものである。

( 3 ) 第 3の検出装置は、 装置筐体に固定される固定 部と、 外部からの力、 加速度、 磁気などの物理量の作用 に基づく力を受ける作用部と、 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、

可撓基板の橈みによって変位が生じる位置に配置され た変位電極と、

固定基板により固定された固定電極と、 可撓基板と固定基板との間に挟まれるように配置され、 両基板によって加わる圧力を電気信号に変換して両電極 に出力する圧電素子と、

自己の変位に基づき可撓基板に橈みを生じさせる位置 に形成され、 変位電極とは電気的に絶縁された第 1 の試 験電極と、

この第 1 の試験電極に対向する位置において装置筐体 に固定され、 固定電極とは電気的に絶縁された第 2の試 験電極と、

第 1 の試験電極と第 2の試験電極との間に所定の電圧 を印加する電圧印加手段と、

を備え、

圧電素子の出力した電気信号に基づいて作用部に作用 した力を検出するとともに、 圧電素子の出力した電気信 号を電圧印加手段の印加した印加電圧と比較するこ とに より動作試験を行い得るようにしたものである。

<差分による検出を行う装置 >

また、 本発明による別な検出装置においては、

装置筐体に固定される固定部と、 外部からの物理量の 作用に基づく 力を受ける作用部と、 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、

可撓基板の第 1の面に対向するように、 装置筐体に固 定された第 1 の固定基板と、 可撓基板の第 2の面に対向するように、 装置筐体に固 定された第 2の固定基板と、

可撓基板の第 1の面に形成された第 1 の変位電極と、 可撓基板の第 2の面に形成された、 第 2の変位電極と. 第 1 の固定基板により固定され、 第 1の変位電極に対 向する位置に形成された第 1の固定電極と、

第 2の固定基板により固定され、 第 2の変位電極に対 向する位置に形成された第 2の固定電極と、

第 1の変位電極と第 1の固定電極との間に生じる静電 容量の変化と、 第 2の変位電極と第 2の固定電極との間 に生じる静電容量の変化と、 の差を電気信号と して出力 する検出手段と、

を設け、

検出手段の出力した電気信号に基づいて作用部に作用 した力を検出するようにしたものである。 図 面 の 簡 単 な 説 明 図 1 は、 本発明による動作試験方法の適用対象となる 静電容量型の加速度検出装置の基本構造を示す側断面図 である。

図 2は、 図 1 に示す検出装置の固定基板 1 0の下面図 である。 図 2の固定基板 1 0を X軸に沿って切断した断 面が図 1 に示されている。 図 3は、 図 1 に示す検出装置の可撓基板 2 ◦の上面図 である。 図 3の可撓基板 2 0を X軸に沿って切断した断 面が図 1 に示されている。

図 4は、 図 1 に示す検出装置の作用点 Pに X軸方向の 力 F xが作用したときの、 検出装置の橈み状態を示す側 断面図である。

図 5は、 図 1 に示す検出装置の作用点 Pに Z軸方向の 力 F zが作用したときの、 検出装置の橈み状態を示す側 断面図である。

図 6は、 図 1 に示す検出装置を動作させるための回路 およびこれに対する動作試験を行うための回路を示す回 路図である。

図 7は、 図 6に示す C V変換回路の具体的な回路構成 の一例を示す回路図である。

図 8は、 + Z軸方向の力の検出動作についての具体的 な試験方法を示す側断面図である。

図 9は、 — Z軸方向の力の検出動作についての具体的 な試験方法を示す側断面図である。

図 1 0 aおよび図 1 0 bは、 本発明による動作試験方 法を実施することにより自己診断を行う機能を備えた静 電容量型の加速度検出装置の側断面図である。

図 1 1 は、 図 1 ◦ aに示す検出装置を動作させるため の回路およびこれに対する動作試験を行うための回路を 示す回路図である。 図 1 2は、 本発明による動作試験方法を実施すること によ り 自己診断を行う機能を備えた別な静電容量型の加 速度検出装置の側断面図である。

図 1 3は、 本発明による動作試験方法を実施すること によ り 自己診断を行う機能を備えた静電容量型の力検出 装置の側断面図である。

図 1 4は、 本発明による動作試験方法を実施すること によ り 自己診断を行う機能を備えた圧電型の加速度検出 装置の側断面図である。

図 1 5は、 図 1 4に示す検出装置において、 圧電素子 4 5の上面に形成された電極の形状を示す上面図である。 図 1 6は、 本発明による動作試験方法を実施すること により自己診断を行う機能を備えた圧電型の力検出装置 の側断面図である。

図 1 7は、 本発明による動作試験方法を実施すること により自己診断を行う機能を備えた圧電型の別な力検出 装置の側断面図である。

図 1 8は、 すべての方向の加速度検出に差分をとる夕 イブの加速度検出装置の側断面図である。

図 1 9 aおよび 1 9 bは、 図 1 8に示す装置における 電極配列を示す平面図である。

図 2 0は、 図 1 8に示す装置における Z軸方向につい ての加速度検出および動作試験を行う回路の回路図であ o 図 2 1 は、 容量素子の電極間距離 d と容量値 Cとの一 般的な関係を示すグラフである。

図 2 2は、 図 1 8に示す装置の別な実施例を示す側断 面図である。

図 2 3は、 図 1 8に示す装置の更に別な実施例を示す 側断面図である。

図 2 4は、 図 1 8に示す装置を金属を用いて構成した 実施例を示す側断面図である。

図 2 5は、 図 2 4に示す装置を力検出装置に適用した 実施例を示す側断面図である。 発明を実施するための最良の形態

§ 検出装置の基本構造

本発明に係る動作試験方法について説明する前に、 本 発明の適用対象となる検出装置の構造およびその原理に ついて簡単に述べておく。 図 1 は、 本発明の適用対象と なる加速度検出装置の基本構造を示す側断面図である。 この検出装置の主たる構成要素は、 固定基板 1 ◦、 可撓 基板 2 0、 作用体 3 0、 そして装置筐体 4 0である。 図 2に、 固定基板 1 0の下面図を示す。 図 2の固定基板 1 0を X軸に沿って切断した断面が図 1 に示されている。 固定基板 1 0は、 図示のとおり円盤状の基板であり、 周 囲は装置筐体 4 0に固定されている。 この下面には、 扇 状の固定電極 1 1 〜 1 4および円盤状の固定電極 1 5が 図のように形成されている。 一方、 図 3に可撓基板 2 0 の上面図を示す。 図 3の可撓基板 2 0を X蚰に沿って切 断した断面が図 1に示されている。 可撓基板 2 0 も、 図 示のとおり円盤状の基板であり、 周囲は装置筐体 4 〇に 固定されている。 この上面には、 扇状の変位電極 2 1 〜 2 4および円盤状の変位電極 2 5が図のように形成され ている。 作用体 3 0は、 その上面が図 3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 2 0の下面 に、 同軸接合されている。 装置筐体 4 0は、 円筒状をし ており、 固定基板 1 0および可撓基板 2 0の周囲を固着 支持している。

固定基板 1 0および可撓基板 2 0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 1 ◦は剛性が高く橈みを生じ にく い基板であるのに対し、 可撓基板 2 0は可撓性をも ち、 力が加わると橈みを生じる基板となっている。 図 1 に示す例では、 固定基板 1 ◦は厚みを厚くすることによ り剛性を高めており、 可撓基板 2 0は厚みを薄くするこ とにより可撓性をもたせているが、 材質を変えることに より、 剛性および可撓性をもたせるようにしてもかまわ ない。 あるいは、 基板に溝を形成したり、 貫通孔を形成 したり して可撓性をもたせることもできる。 '固定基板 1 0、 可撓基板 2 0、 作用体 3 0は、 本来の機能を果たす ことができるのであれば、 どのような材質で構成しても よい。 たとえば、 半導体やガラスなどで構成すること も できる し、 金属で構成すること もできる。 ただし、 固定 基板 1 0および可撓基板 2 0を金属で構成した場合は、 各電極が短絡しないように、 電極との間に絶縁層を形成 するなどの方法を講じる必要がある。 また、 各電極層も 導電性をもったものであれば、 どのような材質で構成し てもよい。

いま、 図 1 に示すように、 作用体 3 0の重心に作用点 Pを定義し、 この作用点 Pを原点とする X Y Z三次元座 標系を図のように定義する。 すなわち、 図 1の右方向に X寒由、 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。 可撓基板 2 0の うち、 作用体 3 0が接台された中心部を作用部、 装置筐 体 4 0によって固着された周囲部を固定部、 これらの間 の部分を可撓部、 と呼ぶことにすれば、 作用体 3 0に加 速度が作用すると、 可撓部に撓みが生じ、 作用部が固定 部に対して変位を生じることになる。 ここで、 この検出 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 3 ◦に加速度が加わるこ とになる _c この加速度により、 作用点 Pに外力が作用する。 作用点 Pに力が作用していない状態では、 図 1 に示すように、 固定電極 1 1 〜 1 5と変位電極 2 1 〜 2 5と-は所定間隔 をおいて平行な状態を保っている。 いま、 固定電極 1 1 〜 1 5と、 このそれぞれに対向する変位電極 2 1 ~ 2 5 との組み台わせを、 それぞれ容量素子 C 1〜 C 5と呼ぶ ことにする。 こ こで、 たとえば、 作用点 Pに X 由方向の 力 F xが作用すると、 この力 F X は可撓基板 2 ◦に対し てモーメ ン ト力を生じさせ、 図 4に示すよう に、 可撓基 板 2 0に撓みが生じる こ とになる。 この撓みにより、 変 位電極 2 1 と固定電極 1 1 との間隔は大き く なるが、 変 位電極 2 3と固定電極 1 3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— F x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。 このように 力 F xまたは— F xが作用 したとき、 容量素子 C 1 およ び C 3の静電容量に変化が表れる こ とになり、 これを検 出するこ とにより力 F X または— F Xを検出する ことが できる。 このと き、 変位電極 2 2, 24 , 2 5のそれぞ れと固定電極 1 2 , 14 , 1 5のそれぞれの間隔は、 部 分的に大き く なつたり小さ く なつたりするが、 全体と し ては変化しないと考えてよい。 一方、 Y方向の力 F yま たは一 F yが作用 した場合は、 変位電極 2 2と固定電極 1 2との間隔、 および変位電極 24と固定電極 1 4との 間隔、 についてのみ同様の変化が生じる。 また、 Z軸方 向の力 F zが作用した場合は、 図 5に示すよう に、 変位 電極 2 5と固定電極 1 5との間隔が小さ く なり、 逆向き のカー F zが作用した場合は、 この間隔は大き く なる。 このとき、 変位電極 2 1 ~ 24と固定電極； I 1 ~ 1 4 と の間隔も、 小さ く あるいは大き く なるが、 変位電極 2 5 と固定電極 1 5との間隔の変化が最も顕著である。 そこ で、 この容量素子 C 5の静電容量の変化を検出すること により力 F z または— F _Zを検出することができる。 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 £ とすると、

C = ε S / d

で定まる。 したがって、 対向する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。 本検出装置は、 この原理を利用し、 各電極間の 静電容量の変化を測定し、 この測定値に基づいて作用点

Pに作用した外力、 別言すれば作用した加速度を検出す るものである。 すなわち、 X轴方向の加速度は容量素子 C I , C 3の間の容量変化に基づき、 Y軸方向の加速度 は容量素子 C 2， C 4の容量変化に基づき、 Z軸方向の 加速度は容量素子 C 5の容量変化に基づき、 それぞれ検 出が行われる。

本発明は、 このような原理に基づく検出装置の動作試 験方法に関するものである。 なお、 上述の検出装置は静 電容量式のものであるが、 圧電式の検出装置では、 可撓 基板と固定基板との間に圧電素子が挿入されており、 静 電容量の変化を検出する代わりに、 この圧電素子が発生 する電圧が検出される。 § 2 動作試験の方法

続いて、 本発明に係る動作試験方法を説明する。 図 6 は、 図 1 に示す検出装置を動作させるための回路および これに対する動作試験を行うための回路を示す回路図で ある。 ここで、 容量素子 C 1 〜 C 5は、 上述の加速度検 出装置において形成される容量素子に対応する。 たとえ ば、 容量素子 C 1 は、 固定電極 1 1 と変位電極 2 1 との 組み合わせよりなる。 各容量素子 C 1 ~ C 5に接続され た C V変換回路 5 1 〜 5 5は、 各容量素子の静電容量値 Cを電圧値 Vに変換する機能を有する。 したがって、 C V変換回路 5 1 ~ 5 5が出力する電圧値 V 1 ~ V 5は、 それぞれ容量素子 C 1 〜 C 5の静電容量値に比例し 値 となる。 差動増幅器 7 1 は、 電圧値 V I と V 3との差を 端子 T _x に出力し、 差動増幅器 7 2は、 電圧値 V 2と V 4 との差を端子 T yに出力する。 また、 電圧値 V 5は、 端子 T zに出力される。 § 1で述べた検出装置の構造お よび動作説明を参照すれば、 端子 Τ χに得られた電圧 ( V 1 - V 3 ) が X軸方向の加速度検出値となり、 端子 T yに得られた電圧 （V 2 — V 4 ) が Y軸方向の加速度 検出値となり、 端子 T _Z に得られた電圧 V 5が Z轴方向 の加速度検出値となることが理解できょう。

なお、 上述のように、 X軸または Υ$ώ方向の加速度は、 差動増幅器によって 2つの電圧値の差をとることによつ て検出される。 このような差による検出は、 外部環境に よる誤差 （たとえば、 温度誤差） を相殺することができ るメ リ ッ トがある。 なお、 上述の実施例では、 Z軸の加 速度については差による検出を行っていない力 <、 これに ついては後の S 4において説明する。

以上説明した C V変換回路 5 1 〜 5 5および差動増幅 器 7 1 ， 7 2は、 結局、 この検出装置に検出動作を行わ せるために必要な回路である。 本発明に係る動作試験は、 この回路に更に電圧発生回路 6 1 〜 6 5および試験スィ ツチ S 1 ~ S 5を付加することにより行う ことができる。 電圧発生回路 6 1 〜 6 5は、 所望の電圧を発生すること のできる回路であれば、 どのようなものでもかまわない。 たとえば、 マイ クロコンピュー夕の出力するデジタルデ 一夕を A変換器でアナログ信号に変換するような回 路を用いればよい。

いま、 たとえば、 図 6に示す回路において、 試験スィ ツチ S 1および S 3を投入した場台を考える。 このとき、 電圧発生回路 6 3から容量素子 C 3の両電極に逆極性の 電荷が供給されるようにしておけば、 固定電極 1 3と変 位電極 2 3との間において、 一方が正にチャージされ、 もう一方が負にチャージされるため、 両者間にクーロン 力に基づく 引力が作用する。 また、 電圧発生回路 6 1か ら容量素子 C 1の両電極に同極性の電荷が供給されるよ うにしておけば、 両者間にクーロン力に基づく斥力が作 用する。 こ う して、 図 4に示すように、 可撓基板 2 〇が 変位を生じることになる。 これは、 作用点 Pに X軸方向 の力 F Xが作用した状態と同じ状態であることがわかる, この状態で、 各端子 T x , T y， T z に出力される検出 電圧を調べ、 力 F Xが作用したことを示す正しい検出値 となっているか否かを検査するのである。 結局、 電圧発 生回路 6 1および 6 3から容量素子 C 1および C 3に電 圧を印加するこ とにより、 作用点 Ρに X軸方向の力 F X が作用したのと同じ状態を作り出し、 この状態での検出 電圧を検査するこ とにより動作試験が行われることにな る。 印加電圧と検出電圧との正しい関係を予め求めてお けば、 定量的な動作試験が可能になる。 この動作試験で は、 加振器などを使って、 作用体 3 0に実際に加速度を 作用させる必要はなく 、 電気的な信号を入力したときに 出力される電気的な信号を観察するだけで動作試験が完 了する。 したがって、 従来の動作試験に比べて作業は非 常に簡単なものとなり、 大量生産に向いたものとなる。 X軸方向の加速度の検出動作を試験するには、 スィ ッチ S 1 , S 3によ り容量素子 C 1 , C 3に電圧を印加し、 Υ軸方向の加速度の検出動作を試験するには、 スィ ッチ S 2 , S 4により容量素子 C 2 , C 4に電圧を印加し、 Ζ軸方向の加速度の検出動作を試験するには、 スィ ッチ S 5により容量素子 C 5に電圧を印加すればよい。

なお、 図 6に示す回路図で、 電圧発生回路 6 1 〜 6 5 を外部からみたときの容量値は、 発生する電圧にかかわ りなく一定となるような回路にしておく のが好ま しい。 あるいは、 発生する電圧と容量との間に一定の相関関係 がある回路でもかまわない。 回路上は、 電圧発生回路 6 1 〜 6 5は容量素子 C 1 ~ C 5に並列接続されているた め、 電圧発生回路 6 1〜 6 5の容量値にラ ンダムに変動 が生じると、 正しい動作試験を行う ことができなく なる。 また、 C V変換回路 5 1 〜 5 5は、 電圧発生回路 6 1 ~ 6 5によって印加される電圧の影響を受けることなしに、 容量素子 C 1 〜 C 5の静電容量を検出する必要がある。 このような機能をもった C V変換回路の一例を図 7に示 す。 こ こに示す C V変換回路 5 0は、 容量素子 C Oの静 電容量 Cを電圧 Vに変換し、 端子 Tout に出力する 能 を有する。 なお、 容量素子 C Oには、 電圧発生回路 6 0 から電圧が印加されている。 C V変換回路 5 0は、 発振 回路 5 6と整流回路 5 7とによって構成されている。 発 振回路 5 6は、 所定周波数の交流信号を生成し、 これを 容量素子 C 0に与える。 整流回路 5 7は、 抵抗 R 1， R 2、 コ ンデンサ C 6 , C 7、 ダイオー ド D 1 によって構 成され、 交流信号が与えられた容量素子 C 0の静電容量 Cを電圧 Vに変換して出力する。 このような構成をもつ た C V変換回路 5 0は、 電圧発生回路 6 0からの印加電 圧の影響を受けることなしに、 容量素子 C Oの静電容量 Cを電圧 Vに変換することができる。 なお、 図 7の回路 は一例と して示したものであり、 C V変換回路と しては、 この他にも種々の回路を適用することができる。

続いて、 本発明による動作試験を、 より具体的な実施 例に'基づいて説明する。 図 8は、 + Z軸方向の力の検出 動作についての具体的な試験方法を示す側断面図である。 この検出装置は、 固定基板 8◦と可撓基板 9 0とによつ て構成されている。 可撓基板 9 ◦の底面には、 ドーナツ 状の溝 Gが掘られており、 この溝 Gが掘られた部分は他 の部分に比べて肉厚が薄く なつており、 可撓基板 9 0は、 この部分において可撓性をもつようになる。 固定基板 8 0は、 この可撓基板 9 0の上面に所定の空間を保持した まま、 可撓基板 9 0の上面を覆うように接合されている。 固定基板 8 0の下面には複数枚の固定電極 8 1力 可撓 基板 9 0の上面には複数枚の変位電極 9 1力 ;'、 互いに対 向する位置に形成されている。 この実施例では、 固定基 板 8◦および可撓基板 9 0は、 それぞれガラス基板およ びシリ コ ン基板から構成されており、 固定電極 8 1およ び変位電極 9 1 は、 各基板上に形成されたアルミ ニウム 層によって構成されている。 また、 可撓基板 9 0と変位 電極 9 1 との間には、 シリ コン酸化膜あるいはシリ コ ン 窒化膜のような絶縁層 9 2が形成されている。 このよう な検出装置において、 作用点 Pに + Z軸方向の力が作用 したのと同じ状態にするには、 固定.電極 8 1 と変位電極 9 1 との間にクーロン力による引力を作用させればよい。 図 8は、 この場台の電圧印加方法を示したものである。 すなわち、 電源 Vによって、 固定電極 8 1側には正の電 荷を、 変位電極 9 1側には負の電荷を、 それぞれ与えて やれば、 両者間に引力が作用して、 作用点 Pに + Z軸方 向の力が作用した状態での動作試験が可能になる。

なお、 作用点 Pに一 Z軸方向の力が作用したのと同じ 状態にするには、 検出装置自体の構造を少し変えておく 必要がある。 すなわち、 図 9に示すように、 固定電極 8 0の上面に複数枚の補助電極 8 2を形成しておく。 こ こ で電源 Vによ って、 捕助電極 8 2および可撓基板 9 0 (シ リ コ ン基板） に正の電荷を与え、 固定電極 8 1 およ び変位電極 9 1 に負の電荷を与えるようにする。 すると、 捕助電極 8 2と固定電極 8 1 との間で分極作用が起こ り、 また、 変位電極 9 1 と可撓基板 9 0との間で分極作用が 起こ り、 図に示すような極性に各部が帯電する。 結局、 固定電極 8 1 と変位電極 9 1 との間にクーロン力による 斥力が作用し、 作用点 Pに - Z軸方向の力が作用したの と同じ状態になる。

以上のように両者間に引力を作用させた状態の動作試 験では、 クーロン力を直接作用させる 2枚の電極だけで 十分であるが、 両者間に斥力を作用させた状態の動作試 験では、 更に補助的な電極を形成する必要がある。 ただ、 構造説明が複雑になるため、 以下の各実施例ではこの補 助的な電極の説明は省略する。 § 3 動作試験機能を備えた検出装置

上述の実施例では、 クーロン力を発生させるための電 極対と、 容量素子を構成するための電極対と、 は同一の 電極対である。 すなわち、 クーロン力を発生させるため の電極対は、 固定電極 （ 1 1〜 1 5， 81 ) と変位電極 (2 1〜25， 82) との対であり、 容量素子を構成す るための電極対も全く 同じ電極対である。 このように、 同じ電極対を共用すれば、 動作試験のために別な電極を 形成する必要がないという利点はあるが、 試験の自由度 に制約が生じ、 また、 試験のための回路も複雑になると いう欠点がある。 特に、 市販品と して流通させるには、 物理量の検出信号を出力する検出端子と、 試験のための 電圧を印加するための試験端子と、 が別個に設けられて いた方が都合がよい。 以下に示す検出装置は、 予め試験 用の電極を形成しておき、 クーロン力を発生させるため の電極対と、 容量素子を構成するための電極対と、 を別 個の電極対で構成するようにしたものである。

図 1 0 aは、 本発明による動作試験方法を実施するた めの試験電極を備えた加速度検出装置の側断面図である。 基本的な構造は、 図 1に示す加速度検出装置と同様であ り、 固定基板 1 0と可撓基板 20とが対向して設けられ、 それぞれが周囲において装置筐体 4 0に固定されている。 固定基板 1 0は剛性をもった基板であるが、 可撓基板 2 0は厚みが薄く 可撓性をもっている。 可撓基板 20の上 面には、 図 3に示すような 5枚の変位電極 2 1 〜 2 5が 形成されている。 一方、 固定基板 1 0の下面には、 5枚 の試験電極 1 1 t 〜 1 5 t が形成され、 更に絶縁層 1 6 を介して 5枚の固定電極 1 1 〜 1 5が形成されている。 5枚の試験電極 1 1 t 〜 1 5 t の平面的な配置、 および 5枚の固定電極 1 1 〜 1 5の平面的な配置は、 図 2に示 す電極配置と同じである。 このよ うな構造では、 容量素 子 C 1 〜 C 5を構成するための電極対は、 固定電極 1 1 〜 1 5と変位電極 2 1 〜 2 5との対であるカミ、 クーロン 力を発生させるための電極対は、 試験電極 1 1 t ~ 1 5 t と変位電極 2 1 ~ 2 5との対となり、 一方の変位電極 は共用するものの、 電極対としては別個のものが用いら れる。

図 1 0 bは、 5枚の試験電極 2 1 t 〜 2 5 t とを、 可 撓基板 2 0側に形成した実施例である。 試験電極 2 1 t 〜 2 5 t と変位電極 2 1 〜 2 5との間には絶縁層 2 6が 形成されている。 この場合、 クーロン力を発生させるた めの電極対は、 試験電極 2 1 t ~ 2 5 t 固定電極 1 1〜 1 5との対となる。

図 1 1 は、 図 1 0 aのような構造をもった検出装置に ついて適用する回路図の一例である。 電圧発生回路 6 0 は、 試験スィ ツチ Sの投入により、 試験電極 1 1 t と変 位電極 2 1 との問に電圧を印加してクーロン力を作用さ せる。 これによつて、 可撓基板 2 0が撓みを生じ、 外力 が作用したのと同じ状態になる。 一方、 C V変換回路 5 ◦は、 固定電極 1 1 と変位電極 2 1 とによって構成され る容量素子 C 1の静電容量を検出し、 電圧 Vと して端子 Tout に出力する。 固定電極 1 1 と試験電極 1 1 t とは、 絶縁層 1 6によって電気的に絶縁されているため、 C V 変換回路 5 0は、 電圧発生回路 6 0による印加電圧に何 ら影響を受けずに静電容量の検出を行う ことができる。 また、 この検出装置の外部接続端子としては、 変位電極 2 1 ~ 2 5のそれぞれに導通した共通端子、 固定電極 1 1 ~ 1 5のそれぞれに導通した検出端子、 試験電極 1 1 t ~ l 5 t のそれぞれに導通した試験端子、 をそれぞれ 設けておけばよい。 試験端子に所定の電圧を印加したと きに、 検出端子に所定の出力が得られるか否かを確かめ ることにより、 容易に自己診断を行う ことが可能である。 図 1 2は、 可撓基板 2 0側の電極を共用せずに別個に した実施例である。 すなわち、 可撓基板 2 0の上面には、 第 1の試験電極 2 1 t 〜 2 5 tが形成され、 その上に絶 縁層 2 6を介して変位電極 2 1〜 2 5が形成されている。 また、 固定基板 1 0側は、 前述の実施例と同様であり、 第 2の試験電極 1 1 1： 〜 1 5 t の上に絶縁層 1 6を介し て固定電極 1 1〜 1 5が形成されている。 このような構 造では、 容量素子 C 1〜 C 5を構成するための電極対は、 固定電極 1 1〜 1 5と変位電極 2 1 〜 2 5との対である 力 クーロン力を発生させるための電極対は、 第 1の試 験電極 2 1 t〜 25 t と第 2の試験位電極 1 1 t〜 25 t との対となり、 電極対と しては完全に別個のものが用 いられる。

図 1 3は、 更に別な実施例に係る力検出装置の側断面 図である。 装置筐体 1 00内には、 固定基板 1 1 0、 可 撓基板 1 20、 作用体 1 30、 補助基板 140が設けら れている。 作用体 1 3◦から伸びる検出子 1 3 1 は、 装 置筐体 1 00に設けられた孔部 1 0 1から外部へと導出 されている。 この実施例では、 以上の各構成要素はいず れも金属からなる。 固定基板 1 1 0の下面には、 絶縁層 1 1 6が形成され、 更にその上に 2枚の固定電極 1 1 1， 1 1 2が形成されている。 また、 補助基板 14 0の上面 には、 絶縁層 146が形成され、 更にその上に 2枚の試 験電極 14 1， 14 2が形成されている。 装置筐体 1 0 0の左側外部には、 検出端子 1 5 1， 共通端子 1 52, 試験端子 1 53が導出されている （図では 1本ずつしか 示されていない力《、 実際には、 電極数に応じただけの数 が用意される） 。 もちろん、 各端子 1 5 1〜 1 53は装 置筐体 1 00とは電気的に絶縁されている。 各端子 1 5 1〜 ： L 53は、 ボンディ ングワイヤ 1 6 "L〜 1 63によ つて、 各電極および可撓基板 1 20に接続されている。 この検出装置では、 可撓基板 1 20上に変位電極は設け られていないが、 前述のように、 可撓基板 1 20は金属 で構成されているため、 それ自身が電極の機能を有する こ とになる。

この検出装置では、 検出子 1 3 1 の先端に力が加わる と、 可撓基板 1 2 0が撓みを生じ、 この可撓基板 1 2 〇 (変位電極と して機能する） と固定電極 1 1 1 , 1 1 2 との距離が変化する。 したがって、 検出端子 1 5 1 と共 通端子 1 5 2との間の静電容量の変化に基づいて、 作用 した力を検出するこ とができる。 もっとも、 この実施例 の装置では、 固定電極は 2枚しか設けられていないので、 二次元方向の力 （図の左右方向と上下方向の力） の検出 しかできない。 三次元方向の力を検出するためには、 最 低限 4枚の固定電極を設けておけばよい。 さて、 この検 出装置の動作試験を行うには、 試験端子 1 5 3と共通端 子 1 5 2との間に所定の電圧を印加した状態で、 前述の 検出処理を行えばよい。 印加電圧に基づく クーロ ン力の 作用により、 検出子 1 3 1 に外力が作用したのと同じ状 態を作るこ とができる。 なお、 三次元方向の動作試験を 行うには、 やはり最低限 4枚の試験電極を設けておけば よい。

以上述べてきたいくつかの実施例は、 いずれも静電容 量式の検出装置である。 本発明は、 このような静電容量 式の検出装置だけでなく 、 圧電式の検出装置にも適用可 能である。 図 1 4は、 本発明に係る動作試験機能を備え た圧電式の加速度検出装置の側断面図である。 剛性をも つた固定基板 1 0と可撓性をもつた可撓基板 2 0とが、 装置筐体 4 0 によって支持されており、 可撓基板 2 0の 下面に作用体 3 0が接合されている点は、 図 1 に示した 静電容量式の検出装置と同様である。 固定基板】 0の下 面および可撓基板 2 0の上面には、 後述するようにそれ ぞれ 8枚の電極が形成されており、 これらの間に圧電素 子 4 5が挟まれている。 圧電素子 4 5としては、 たとえ ば、 P Z T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、 これを両電極間に挿入 しておけばよい。 実際には、 圧電素子 4 5の上下両面に 電極を形成し、 これを両基板間に挿入するという方法で 製造するのが好ま しい。 このとき、 図の上下方向に所定 の圧力がかかった状態で揷入するようにする。 こ う して おけば、 上下の電極間隔が縮まった場合だけでなく 、 広 がった場合にも検出が可能になる。 図 1 5は、 圧電素子 4 5の上面図であり、 上面に形成された 8枚の電極の平 面的な配置が明瞭に示されている。 図のように、 圧電素 子 4 5の上面に形成された電極は、 4枚の固定電極 1 8 a 1 8 d (パターンの視覚的な把握を助けるため、 図 では斜線によるハッチングを施して示してある） と、 4 枚の試験電極 1 9 a 1 9 d (同様に、 ドッ トによる ツチングを施して示してある） と、 からなる。 圧電素子 4 5の下面にも、 これと全く 同じ配置で、 4枚の変位電 極 2 8 a 2 8 d と、 4枚の試験電極 2 9 a 2 9 d と、 が形成されている。 図 1 5の圧電素子 4 5を切断線 1 4 〜 1 4に沿って切断した断面が図 1 4に示されているこ とになる。 なお、 電極構成は、 図 1 5のような平面的な —層構造に限定されるものではなく、 図 1 0 a、 図 1 0 b、 図 1 2に示すような多層を重ねた構造にしてもよい。 このような圧電式の検出装置では、 対向する電極対の 距離の変化を、 静電容量の変化と して検出する代わりに、 両電極間に生じる電圧と して検出することになる。 すな わち、 作用体 3 0に加速度が作用し、 可撓基板 2 0に撓 みが生じると、 圧電素子 4 5は部分的な圧縮力が加わつ たり、 引き伸し力が加わったりする。 これにより、 各電 極対に電圧が生じることになる。 どの電極対にどの程度 の電圧が出力されたかを認識するこ とにより、 作用した 加速度の三次元座標上での方向および大きさが検出でき る。 圧電式の検出装置では、 静電容量式の検出装置のよ うに、 検出用の電極対と試験用の電極対とを兼用するこ とはできない。 両電極間に生じる電圧を直接検出するた め、 同じ電極に試験用電圧を印加することができないか らである。 このため、 検出用の電極対と試験用の電極対 とを別個にせざるを得ない。 図 1 5に示す電極配置を行 えば、 同一平面上で 2種類の電極を混在させることがで き、 かつ、 三次元方向の検出および動作試験を行う こと ができる。

動作試験は、 次のようにして行う ことができる。 たと えば、 試験電極 1 9 a と 2 9 aおよび 1 9 c と 2 9 c と の間に電圧を印加し、 1 9 a と 2 9 a との間に引力、 1 9 c と 2 9 c との間に斥力を作用させると、 この装置が 正常な動作をするのであれば、 固定電極 1 8 a と変位電 極 28 a との間、 および固定電極 1 8 c と変位電極 28 c との間に所定の電圧が生じる。 この電圧をモニタする ことにより、 動作試験を行う ことができる。 試験電極 1 9 b と 2 9 bおよび 1 9 d と 2 9 d との間に電圧を印加 すれば、 前述の試験方向とは垂直な方向に関する試験を 行う ことができる。

図 1 6は、 本発明に係る動作試験機能を備えた圧電式 の力検出装置の側断面図である。 装置筐体 2 0 0は、 ね じ穴 2 0 1を用いて産業機械などに固着され、 その下部 には起歪体 2 5 0が接合されている。 起歪体 2 5 0は金 属からなり、 下面に ドーナツ状の溝 Gが形成されている _c この溝 Gの形成部 2 5 2は肉厚が薄く なつており可撓性 を有する。 起歪体 2 5 0のねじ穴 2 5 1 に通されたねじ は、 装置筐体 2 0 0のねじ穴 2 0 2に螺着される。 起歪 体 2 5 ◦の中心部下面には検出子 2 6 0が伸びており、 その先端に作用した外力は、 作用点 Pに関するモーメ ン トカとして伝達される。 この装置の中枢となる圧電素子 2 30の上面および下面には電極が形成され、 固定基板 2 1 0と変位電極平板 2 2 0とによって所定圧力をもつ て挟まれた状態となっている。 上面には 4枚の固定電極 2 1 8 a〜 2 1 8 d と 4枚の試験電極 2 1 9 a〜 2 1 9 dと力 図 1 5に示すパターンと同じ配置で形成されて いる。 一方、 下面には単一の変位電極平板 2 2 0が形成 されている。 上面の 8枚の電極は固定基板 2 1 0によつ て装置筐体 2 0 0に固定されており、 下面の変位電極平 板 2 2 0は伝達体 24 0によって起歪体 2 5 0の上面中 心部に接合されている。 変位電極平板 2 2 0を剛性をも つた厚い金属板で構成しておく ことにより、 作用点 Pに 作用した力を圧電素子 2 3 0に効率的に伝達することが できる。

このような構成をもった圧電式の力検出装置では、 変 位電極平板 2 2 0を共通の電極と して用い、 固定電極 2 1 8 a 2 1 8 dに発生する電圧により、 検出子 26 〇 に作用した外力の検出を行う ことができる し、 試験電極 2 1 9 a 2 1 9 dに所定の電圧を印加しながら、 固定 電極 2 1 8 a 2 1 8 dに発生する電圧をモニタするこ とにより動作試験を行う ことができる。

図 1 7に示す実施例は、 図 1 3に示す静電容量型の力 検出装置を、 圧電式に置き換えたものである。 この検出 装置では、 5枚の固定電極 1 1 1 1 1 5を図 2に示す 平面的配置と同じ配置で形成し、 三次元方向の力の検出 ができるようにしてある。 また、 4枚の試験電極 ] 4 1 〜： 1 44を配置し （電極 1 4 2は作用体 1 3 0の後方、 電極 1 44は作用体 1 3 0の前方に配置されるが図示さ れていない） 、 三次元方向の動作試験ができるようにし てある。 固定電極 1 1 1 ~ 1 1 5と可撓基板 1 2 0 との 間には圧電素子 1 4 5が挿入されており、 固定電極 1 1 1〜 1 1 5に発生する電圧により、 作用した外力の検出 力 われる。

なお、 図 1 0 a , 1 0 b， 1 2 , 1 3， 1 4， 1 6 , 1 7に示す実施例は、 固定電極、 変位電極、 試験電極と いう本発明による動作試験方法を実施するために最小限 必要な電極を備えた実施例である。 2つの電極間にクー ロ ン力による引力を作用させる場合には、 図 8に示すよ うに、 この 2枚の電極だけで十分であるが、 斥力を作用 させる場合には、 図 9に示すように、 更に補助電極が必 要になる。 したがって、 実用上は、 上述の各実施例に示 す構造に、 更に補助電極を設けておく のが好ま しい。 § 4 Z幸由方向について差分をとる実施例

図 6に示す回路図に示されているように、 図 ] に示し た基本的な加速度検出装置は、 X軸方向および Y軸方向 の加速度検出には差をとつているが、 Z軸方向の加速度 検出には差をとつていない。 差による検出は、 温度など の外部環境による誤差を相殺することができるメ リ ッ ト があるため、 Z幸由方向の加速度検出にも差をとるのが好 ま しい。 以下にこれを実現するための実施例を示す。 図 1 8に側断面を示す実施例は、 X Y Zすべての方向 の加速度検出を、 差分をとることにより行う加速度検出 装置である。 固定基板 3 1 0の下面には、 図 1 9 aに示 すレイアウ トで、 5枚の固定電極 1 1 〜 1 5が形成され ている。 可撓基板 3 2 0は、 下面に ドーナツ状の溝 Gが 掘られており、 中央に作用部 3 2 1、 その周囲に可撓部 3 2 2、 その周囲に固定部 3 2 3を形成する。 その上面 には、 図 1 9 b に示すレイァゥ 卜で 5枚の変位電極 2 1 〜 2 5が形成されている。 以上の構成は、 図 1 に示す基 本構成と同じである。 この装置の特徴は、 更に、 第 2固 定基板 3 3 0が設けられており、 作用部 3 2 1の下面に 変位電極 3 2 6力（、 第 2固定基板 3 3 0の上面に固定電 極 3 3 が、 それぞれ対向するように形成されている点 である。

この装置による X軸および Y軸方向についての加速度 検出および動作試験は、 図 1 の装置と同様である。 とこ ろが Z軸方向についての加速度検出および動作試験は、 図 2 0に示す回路によって行われる。 こ こで、 容量素子 C 5は、 固定電極 1 5と変位電極 2 5とで構成されるも のであるが、 容量素子 C 6は、 固定電極 3 3 6と変位電 極 3 2 6とによって構成されるものである。 図 6に示す Z軸に関する回路と比較すると、 容量素子 C 6に関して の電圧発生回路 6 6および C V変換回路 5 6が付加され、 電圧値 V 5と V 6 との差を差動増幅器 7 3によって求め、 これを Z軸に関する検出値と して出力する点が異なる。 これにより、 X Y Zすべての方向に関しての検出値が差 分に基づいて求ま り、 温度などの影響を相殺することが できる。

また、 このような差分に基づく検出は、 次のような点 においても有利である。 一般に容量素子の電極間距離 d と容量値 Cとの関係は図 2 1 に示すグラフのようになる。 いま、 距離 d 0において、 容量値 C 0であった状態から、 距離を A dだけ縮め d O - A dにすると、 容量値は A C 1 だけ増え、 C 0 + Δ C 1 となる。 逆に、 距離を Δ dだ け広げ d 0 + Δ dにすると、 容量値は Δ C 2だけ減り、 C O — となる。 こ こで A C 1 > A C 2である。 し たがって、 1組の容量素子 C 5の容量値のみに基づいて Z拳由方向の加速度検出を行う と、 絶対値が同じ加速度で あっても、 + Z方向と一 Z方向とでは、 容量値の変化の 度合が異なってしま う。 これに対処するためには、 何ら かの補正回路を設ける必要がある。 ところが、 図 2 0に 示すように、 差分に基づいた検出を行えば、 このような 問題は生じない。 たとえば、 図 1 8に示す装置において、 + Z方向 （図の上方） に加速度が作用すると、 容量素子 C 5の容量値は C Oから C O + A C l に変化し、 容量素 子 C 6の容量値は C 0から C ◦— Δ C 2に変化する。 よ つて、 差動増幅器 7 3の出力は、 A C 1 + A C 2に相当 したものになる。 これに対し、 同じ加速度が— Z方向 (図の下方） に作用すると、 容量素子 C 5の容量値は C 0から C O—厶 C 2に変化し、 容量素子 C 6の容量値は C O力、ら C 0 + A C 1 に変化する。 よって、 差動増幅器 7 3の出力は、 ― （Δ 1 + Δ 0 2 ) に相当したものに なる。 こ う して、 絶対値が同じ加速度に対しては同じ絶 対値の出力がなされる。

図 2 2に示す実施例は、 図 1 8に示す実施例に更に作 用体 34 5と台座 34 0とを加えたものである。 変位電 極 3 2 6は作用体 34 5の下面に形成されている。 図 2 3に示す実施例は、 図 2 2に示す実施例の電極の位置を 変えたものであり、 固定電極 1 】 〜 1 5が固定基板 3 3 0の上面に、 変位電極 2 1 〜 2 5が作用体 34 5の下面 に、 それぞれ形成され、 固定電極 3 36が固定基板 3 1 〇の下面に、 変位電極 3 26が可撓基板 3 2 0の上 に、 それぞれ形成されている。

以上の図 1 8, 2 2, 2 3の各実施例は、 各基板をガ ラスまたは半導体 （この場合は、 電極との間に絶縁層を 形成する） で構成するのに適している力 <、 図 24に示す 加速度検出装置は、 金属によって構成するのに適した例 である。 部材 4 1 0， 4 2 0 , 4 2 5 , 4 3 0 , 44 0 , 4 5 0はいずれも金属からなる。 部材 4 1 0の下面には 絶縁層 4 1 8を介して 5枚の固定電極 1 1〜 1 5が形成 されている。 部材 4 2 0の上面には絶縁層 4 28を介し て 5枚の変位電極 2 1〜 2 5が形成されており、 下面に は絶縁層 4 2 9を介して ドーナツ状の変位電極 4 2 6力《 形成されている。 部材 4 2 0の下面には、 部材 4 2 5が 接続されており、 この部材 4 2 5の下端はダイヤフラム 4 3 5を介して部材 4 5 0に接続されている。 また、 部 材 4 3 0の上面には絶縁層 4 3 8を介して ドーナツ状の 固定電極 4 3 6が形成されている。 部材 4 5 ◦に加速度 が作用すると、 ダイヤフラム 4 3 5が橈み、 部材 4 2 5 を介して部材 4 2 0が変位する。 この変位検出の原理は 上述した通りである。

図 2 5に示す実施例は、 図 2 4に示す加速度検出装置 を力検出装置に適用したものであり、 下半分の構成を金 属製の部材 4 3 1 に （可撓基板） に置換している。 検出 子 4 3 2先端に作用した外力に基づいて、 部材 4 2 ◦が 変位し、 この外力の検出が行われる。

§ その他の実施例

以上、 本発明を図示する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に限定されるもの ではなく 、 この他にも種々の態様で実施可能である。 た とえば、 各電極の配置は、 上述の実施例の他にも、 種々 の配置が考えられよう。 また、 各電極の枚数も上述の実 施例だけに限定されるものではない。 固定電極、 変位電 極、 試験電極、 をそれぞれ何枚ずつどのような位置に形 成するかは、 設計上、 適宜変更しう る事項である。 また たとえば、 上述の実施例では、 図 1 5に示す 8枚の電極 配置を圧電式の検出装置に適用した例を示したが、 この 配置を静電容量式の検出装置にも適用できることはもち ろんである。 図 1 0や図 1 2に示す検出装置のように電 極を二段に重ねる構造にするより も、 図 1 5に示すよう に一層に配置する方が、 製造工程は単純になり、 大量生 産する上ではむしろ好ま しい。

上述の実施例では、 主と して、 半導体基板の上にアル ミニゥムなどの金属層を形成し、 これを電極とする例を 示したが、 電極はどのような方法によって形成してもよ い。 たとえば、 半導体基板内に不純物拡散領域を形成し、 これを電極と して用いることもできょう。 また、 固定基 板や可撓基板を金属で形成すれば、 この基板自身を電極 と して用いることもできる。 したがって、 本発明におい て、 電極は必ずしも基板と別体のものである必要はない。 また、 上述の実施例では、 加速度検出装置および力検出 装置について述べたが、 作用体を磁性材料で構成してお けば、 磁気に基づく力の検出を行う ことができる。 すな わち、 本発明は磁気検出装置にも等しく適用しうるもの である。 産 業 上 の 利 用 分 野 本発明に係る動作試験方法は、 電極間距離の変化を利 用して物理量を検出する力検出装置、 加速度検出装置、 磁気検出装置、 に広く適用しうるものである。 また、 こ の動作試験を実施する機能を備えた検出装置は、 簡便な 方法により動作試験を行う ことができ、 実用上、 高い信 頼性をもって利用することができる。 したがって、 自動 車や産業ロボッ 卜への応用が期待できる。

Claims

請求 の 範 囲

1. 外力の作用により変位しうるように支持された 変位電極 （ 2 1〜 25) と、 この変位電極に対向する位 置において装置筐体 （40) に固定された固定電極 （ 1 ：!〜 1 5) と、 前記両電極間の距離の変化を電気信号と して取り出す検出手段 （ 5 1 ~ 55) と、 を備え、 前記 外力に対応した物理量を電気信号と して検出する検出装 置の動作試験方法であって、

前記固定電極と前記変位電極との間に所定の電圧を印 加し、 この印加電圧に基づいて発生するクーロン力によ り前記変位電極を変位させ、 この変位状態において前記 検出手段が検出した電気信号を前記印加電圧と比較する ことにより、 この検出装置の動作を試験することを特徴 とする動作試験方法。

2. 外力の作用により変位しうるように支持された 変位電極 （2 1〜25) と、 この変位電極に対向する位 置において装置筐体 （40) に固定された固定電極 （ 1 ：! 〜 1 5) と、 前記両電極間の距離の変化を電気信号と して取り出す検出手段 （51〜 55) と、 を備え、 前記 外力に対応した物理量を電気信号と して検出する検出装 置の動作試験方法であって、

前記変位電極に対向する位置において前記装置筐体に 固定された試験電極 （ 1 1 t 〜 1 5 t ) を更に設け、 こ の試験電極と前記変位電極との間に所定の電圧を印加し この印加電圧に基づいて発生するクーロ ン力により前記 変位電極を変位させ、 この変位状態において前記検出手 段が検出した電気信号を前記印加電圧と比較することに より、 この検出装置の動作を試験することを特徴とする 動作試験方法。

3. 外力の作用により変位しうるように支持された 変位電極 （ 2 1〜 25) と、 この変位電極に対向する位 置において装置筐体 （40) に固定された固定電極 （ 1 1〜 1 5) と、 前記両電極間の距離の変化を電気信号と して取り出す検出手段 （ 5 1〜 55) と、 を備え、 前記 外力に対応した物理量を電気信号と して検出する検出装 置の動作試験方法であって、

前記固定電極に対向する位置において前記変位電極と と もに変位しうるように支持された試験電極 （ 2 1 t〜 25 t ) を更に設け、 この試験電極と前記固定電極との 間に所定の電圧を印加し、 この印加電圧に基づいて発生 するクーロ ン力により前記変位電極を変位させ、 この変 位状態において前記検出手段が検出した電気信号を前記 印加電圧と比較することにより、 この検出装置の動作を 試験することを特徴とする動作試験方法。

4. 外力の作用により変位しうるように支持された 変位電極 （2 1〜 25) と、 この変位電極に対向する位 置において装置筐体 （40) に固定された固定電極 （ 1 1 - 1 5) と、 前記両電極間の距離の変化を電気信号と して取り出す検出手段 （ 5 1〜 55) と、 を備え、 前記 外力に対応した物理量を電気信号と して検出する検出装 置の動作試験方法であって、

前記変位電極とともに変位しうるように支持された第 1の試験電極 （2 1 1： 〜 25 t ) と、 この第 1の試験電 極に対向する位置において前記装置筐体に固定された第 2の試験電極 （ 1 1 t〜 1 5 t ) と、 を更に設け、 前記 第 1の試験電極と前記第 2の試験電極との間に所定の電 圧を印加し、 この印加電圧に基づいて発生するク ロン 力により前記変位電極を変位させ、 この変位状態におい て前記検出手段が検出した電気信号を前記印加電圧と比 較することにより、 この検出装置の動作を試験すること を特徴とする動作試験方法。

5. 装置筐体 （40) に固定される固定部と、 外部 からの物理量の作用に基づく力を受ける作用部と、 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 （20) 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 （ 1 0) と、 前記可撓基板の橈みによって変位が生じる位置に形成さ れた変位電極 （ 2 1〜 25) と、

前記固定基板により固定され、 前記変位電極に対向す る位置に形成された固定電極 （ 1 1 ~ 1 5) と、

前記変位電極に対向する位置において前記装置筐体に 固定され、 前記固定電極とは電気的に絶縁された試験電 極 （ l l t ~ 1 5 t ) と、

前記変位電極と前記固定電極との間に生じる静電容量 の変化を電気信号と して出力する検出手段 （ 5 1 ~ 55) と、

前記試験電極と前記変位電極との間に所定の電圧を印 加する電圧印加手段 （6 1〜65) と、

を備え、

前記検出手段の出力した電気信号に基づいて前記作用 部に作用した力を検出するとともに、 前記検出手段の出 力した電気信号を前記電圧印加手段の印加した印加電圧 と比較するこ とにより動作試験を行い得るようにしたこ とを特徴とする物理量の検出装置。

6. 装置筐体 （40) に固定される固定部と、 外部 からの物理量の作用に基づく力を受ける作用部と、 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 （20) 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 （ 1 ◦ ) と、

前記可撓基板の橈みによって変位が生じる位置に形成 された変位電極 （21〜 25) と、

前記固定基板により固定され、 前記変位電極に対向す る位置に形成された固定電極 （ 1 1〜 1 5) と、

前記固定電極に対向する位置において変位電極ととも に変位し、 前記変位電極とは電気的に絶縁された試験電 極 （ 2 1 1： 〜 25 t ) と、

前記変位電極と前記固定電極との間に生じる静電容量 の変化を電気信号と して出力する検出手段 （ 5 1〜55) と、

前記試験電極と前記固定電極との間に所定の電圧を印 加する電圧印加手段 （6 1〜65) と、

¾·俯ん、

前記検出手段の出力した電気信号に基づいて前記作用 部に作用した力を検出するとともに、 前記検出手段の出 力した電気信号を前記電圧印加手段の印加した印加電圧 と比較することにより動作試験を行い得るようにしたこ とを特徴とする物理量の検出装置。

7. 装置筐体 （40) に固定される固定部と、 外部 からの物理量の作用に基づく力を受ける作用部と、 前記 固定部と前記作用部との間に形成され可撓性をもつた可 撓部と、 を有する可撓基板 （ 20) 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 （ 1 0) と、

前記可撓基板の撓みによって変位が生じる位置に形成 された変位電極 （ 2 1〜 25 ) と、

前記固定基板により固定され、 前記変位電極に対向す る位置に形成された固定電極 （ 1 1 ~ 1 5) と、

自己の変位に基づき前記可撓基板に撓みを生じさせる 位置に形成され、 前記変位電極とは電気的に絶縁された 第 1の試験電極 （ 2 1 t 〜 2 5 t ) と、

前記第 1の試験電極に対向する位置において前記装置 筐体に固定され、 前記固定電極とは電気的に絶縁された 第 2の試験電極 （ 1 1 t ~ l 5 t ) と、

前記変位電極と前記固定電極との間に生じる静電容量 の変化を電気信号と して出力する検出手段 （ 5 1 ~ 55) と、

前記第 1の試験電極と前記第 2の試験電極との間に所 定の電圧を印加する電圧印加手段 （6 1 ~65) と、

を備え、

前記検出手段の出力した電気信号に基づいて前記作用 部に作用した力を検出するとともに、 前記検出手段の出 力した電気信号を前記電圧印加手段の印加した印加電圧 と比較することにより動作試験を行い得るようにしたこ とを特徴とする物理量の検出装置。

8 . 装置筐体 （ 2 0 0 ) に固定される固定部と、 外 部からの物理量の作用に基づく力を受ける作用部と、 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 （ 2 5 0 ) 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 （ 2 1 0 ) と、

前記可撓基板の撓みによって変位が生じる位置に配置 された変位電極 （ 2 2 0 ) と、

前記固定基板により固定された固定電極 （ 2 1 8 a 〜 2 1 8 d ) と、

前記可撓基板と前記固定基板との間に挟まれるように 配置され、 前記両基板によって加わる圧力を電気信，に 変換して前記両電極に出力する圧電素子 （ 2 3 0 ) と、 前記変位電極に対向する位置において前記装置筐体に 固定され、 前記固定電極とは電気的に絶縁された試験電 極 （ 2 1 9 a 〜 2 1 9 d ) と、

前記試験電極と前記変位電極との間に所定の電圧を印 加する電圧印加手段と、

を備え、

前記圧電素子の出力した電気信号に基づいて前記作用 部に作用した力を検出するとともに、 前記圧電素子の出 力した電気信号を前記電圧印加手段の印加した印加電圧 と比較することにより動作試験を行い得るようにしたこ とを特徴とする物理量の検出装置。

9 . 装置筐体 （ 2 0 0 ) に固定される固定部と、 外 部からの物理量の作用に基づく 力を受ける作用部と、 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 （ 2 5 0 ) 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 （ 2 1 0 ) と、

前記可撓基板の撓みによって変位が生じる位置に配置 された変位電極 （ 2 2 0 ) と、

前記固定基板により固定された固定電極 （ 2 1 8 a 〜 2 1 8 d ) と、

前記可撓基板と前記固定基板との間に挟まれるように 配置され、 前記両基板によって加わる圧力を電気信号に 変換して前記両電極に出力する圧電素子 （ 2 3 0 ) と、 前記固定電極に対向する位置において前記変位電極と ともに変位し、 前記変位電極とは電気的に絶縁された試 験電極と、

前記試験電極と前記固定電極との間に所定の電圧を印 加する電圧印加手段と、

を備え、

前記圧電素子の出力した電気信号に基づいて前記作用 部に作用した力を検出するとともに、 前記圧電素子の出 力した電気信号を前記電圧印加手段の印加した印加電圧 と比較することにより動作試験を行い得るようにしたこ とを特徴とする物理量の検出装置。

1 0. 装置筐体 （4 0 ) に固定される固定部と、 外 部からの物理量の作用に基づく 力を受ける作用部と、 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 （ 2 0 ) 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 （ 1 0 ) と、

前記可撓基板の橈みによって変位が生じる位置に配置 された変位電極 （ 28 a〜 2 8 d ) と、

前記固定基板により固定された固定電極 （ 1 8 a 〜 l 8 d ) と、

前記可撓基板と前記固定基板との間に挟まれるように 配置され、 前記両基板によって加わる圧力を電気信号に 変換して前記両電極に出力する圧電素子 （4 5 ) と、 自己の変位に基づき前記可撓基板に橈みを生じさせる 位置に形成され、 前記変位電極とは電気的に絶縁された 第 1 の試験電極 （ 2 9 a 〜 2 9 d ) と、

前記第 1 の試験電極に対向する位置において前記装置 筐体に固定され、 前記固定電極とは電気的に絶縁された 第 2の試験電極 （ 1 9 a〜 1 9 d ) と、

前記第 1の試験電極と前記第 2の試験電極との間に所 定の電圧を印加する電圧印加手段と、

を備え、

前記圧電素子の出力した電気信号に基づいて前記作用 部に作用した力を検出するとと もに、 前記圧電素子の出 力した電気信号を前記電圧印加手段の印加した印加電圧 と比較するこ とにより動作試験を行い得るようにしたこ とを特徵とする物理量の検出装置。

1 1. 装置筐体に固定される固定部と、 外部からの 物理量の作用に基づく 力を受ける作用部と、 前記固定部 と前記作用部との間に形成され可撓性をもつた可撓部と を有する可撓基板 （ 320 ) と、

前記可撓基板の第 1の面に対向するように、 装置筐体 に固定された第 1の固定基板 （ 3 1 0) と、

前記可撓基板の第 2の面に対向するように、 装置筐体 に固定された第 2の固定基板 （ 330 ) と、 . 前記可撓基板の第 1の面に形成された第 1の変位電極 ( 2 1〜 25 ) と、

前記可撓基板の第 2の面に形成された第 2の変位電極 ( 326) と、

前記第 1の固定基板により固定され、 前記第 1の変位 電極に対向する位置に形成された第 1の固定電極 （ 1 1 〜 1 5) と、

前記第 2の固定基板により固定され、 前記第 2の変位 電極に対向する位置に形成された第 2の固定電極 （ 33 6 ) と、

前記第 1の変位電極と前記第 ] の固定電極との間に生 じる静電容量の変化と、 前記第 2の変位電極と前記第 2 の固定電極との間に生じる静電容量の変化と、 の差を電 気信号と して出力する検出手段 （56) と、

を備え、

前記検出手段の出力した電気信号に基づいて前記作用 部に作用した力を検出することを特徵とする物理量の検 出装置。