(57)【要約】【課題】  同一のセンサ素子を用いた場合でも、チャタリングを検知する加速度のしきい値を自由に設定できる振動センサを提供する。また、センサ素子の小型化・低背化によらず、チャタリングを検知する加速度のしきい値を自由に設定できる振動センサを提供する【解決手段】  変位可能な電極１と、変位が可能なもしくは固定された電極２と、エアギャップの誘電体層１とからなるコンデンサの静電容量の変化により加速度を検出するセンサにおいて、  高抵抗素子１を直列に接続した基準電圧源を前記コンデンサの両端に接続し、検出用のデジタル回路のグランド端子と入力端子に前記コンデンサを接続し、前記コンデンサの静電容量の変化により前記デジタル回路の入力電圧が変化することで、所定のレベル以上の加速度が加わったときに、デジタル回路をオンもしくはオフすること特徴とする。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
変位可能な電極１と、変位が可能なもしくは固定された電極２と、エアギャップの誘電体層１とからなるコンデンサの静電容量の変化により加速度を検出するセンサにおいて、
高抵抗素子１を直列に接続した基準電圧源を前記コンデンサの両端に接続し、検出用のデジタル回路のグランド端子と入力端子に前記コンデンサを接続し、前記コンデンサの静電容量の変化により前記デジタル回路の入力電圧が変化することで、所定のレベル以上の加速度が加わったときに、デジタル回路をオンもしくはオフすること特徴とする振動センサ。
【請求項２】
前記コンデンサの両端に高抵抗素子２を接続することを特徴とする請求項１に記載の振動センサ。
【請求項３】
前記高抵抗素子２に抵抗値が外部制御可能な能動素子を用いることを特徴とする請求項２に記載の振動センサ。
【請求項４】
前記電極１もしくは前記電極２に誘電体層２を設けて、加速度が印加されない状態で前記誘電体層２が前記電極１もしくは前記電極２に着底うることを特徴とする請求項１に記載の振動センサ。
【請求項５】
前記電極２に固定電極を用い、前記電極２を中心に前記電極１と対称の位置に固定電極３を設け、さらに前記電極１もしくは前記電極３に誘電体層３を設けることを特徴とする請求項１に記載の振動センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】  本発明は、振動センサに係り、殊に家電製品、精密機械器具その他各種の産業機械器具に組み込んでそれら製品、機器等の振動を電気的に検出するための振動センサに関するものである。
【背景技術】
【０００２】  この種のセンサは、搭載した機器の傾斜や振動を検出するために使用される。バッテリーで動作するデジタルカメラ、携帯電話等の小型電子機器への搭載需要が増加している。機器の傾斜や振動を検知するためには、センサ素子とそれに付随する処理回路を常時動作させる必要がある。小型電子機器には、バッテリー容量には限界があるため、振動センサの低消費電力化の市場要求が強くなっている。また、携帯電話の薄型化により、搭載する電子部品への小型化、低背化の市場要求も強くなっている。【０００３】  この種のセンサとしては、複数の電極を設けた非導電性ケースの内部に導電性球体を収納し、該球体の転動によりオン・オフ動作、いわゆるチャタリング動作を行わせるようにしたタイプのものが利用されている（特許文献１参照）。特許文献１の振動センサを用いたセンシングシステムの１つに、図１に示すものがある。内部電極１２Ａ、１２Ｃを出力端子、内部電極１２Ｂ、１２Ｄにそれぞれ基準電圧源１３Ｂ（出力電圧ＶＢ）、１３Ｄ（出力電圧ＶＤ）に接続する。振動センサ１が基準面１４に対して左へ傾斜すると、内部電極２Ａと２Ｂがショートするため、出力電圧はＶＢとなる。右へ傾くと内部電極１２Ａと１２Ｄがショートするため、出力電圧がＶＤとなる。例えば、基準電圧源１３Ｂの電圧値ＶＢをデジタル信号がＬｏｗと認識する電圧値に、基準電圧源３Ｄの電圧値ＶＤをデジタル信号がＨｉｇｈと認識する電圧値に設定することで、無電力で振動を検知することが可能となる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】  特開２００５−２２２７４３兮公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】  しかしながら、特許文献１の振動センサ１７の場合、導電性球体の転動する加速度は、同一のセンサ素子で同一の姿勢の場合、一義的に決まる。よって、転動する加速度を変更するためには、センサ素子自体を変更する必要がある。
また、小型化・低背化のためには、導電性球体を小さくする必要がある。導電性球体の質量の大きさが小さくなると、転動する加速度が小さくなる。例えば、センサ素子の高さを半分にすると、導電性球体の転動する加速度は０．１２５倍になる。転動する加速度を維持したまま、小型化・低背化を実現することは困難である。【０００６】  本発明の目的は、同一のセンサ素子を用いた場合でも、チャタリングを検知する加速度のしきい値を自由に設定できる振動センサを提供することをその主たる目的とするものである。【０００７】  本発明の目的は、センサ素子の小型化・低背化によらず、チャタリングを検知する加速度のしきい値を自由に設定できる振動センサを提供することをその主たる目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】  本発明の振動センサは、変位可能な電極１と、変位が可能なもしくは固定された電極２と、エアギャップの誘電体層１とからなるコンデンサの静電容量の変化により加速度を検出するセンサにおいて、
高抵抗素子１を直列に接続した基準電圧源を前記コンデンサの両端に接続し、検出用のデジタル回路のグランド端子と入力端子に前記コンデンサを接続し、前記コンデンサの静電容量の変化により前記デジタル回路の入力電圧が変化することで、所定のレベル以上の加速度が加わったときに、デジタル回路をオンもしくはオフすること特徴とする。【０００９】  また、前記コンデンサの両端に高抵抗素子２を接続することを特徴とする。【００１０】  また、前記高抵抗素子２に抵抗値が外部制御可能な能動素子を用いることを特徴とする。【００１１】  また、前記電極１もしくは前記電極２に誘電体層２を設けて、加速度が印加されない状態で前記誘電体層２が前記電極１もしくは前記電極２に着底うることを特徴とする。【００１２】  また、前記電極２に固定電極を用い、前記電極２を中心に前記電極１と対称の位置に固定電極３を設け、さらに前記電極１もしくは前記電極３に誘電体層３を設けることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】  本発明では、センサ素子を変更することなく、外部回路の回路定数の変更により振動を検知する加速度のレベルを変更することが出来る。
従来技術とは異なり、センサ素子の小型化、低背化によらず、振動を検知する加速度のレベルを自由に設定することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】導電性球体を用いた従来の振動センサの正面図である。
【図２】本発明の第１施例としての振動センサシステムの回路図である。
【図３】本発明の第２施例としての振動センサシステムの回路図である。
【図４】本発明の第３施例としての振動センサシステムの回路図である。
【図５】本発明の第４施例としての振動センサシステムの構成図である。
【図６】本発明の第５施例としての振動センサ素子の構成図である。
【図７】本発明の第６施例としての振動センサ素子の構成図である。
【図８】本発明の第７施例としての振動センサ素子の構成図である。
【図９】本発明の第８施例としての振動センサ素子の構成図である。
【図１０】本発明の第９施例としての振動センサ素子の構成図である。
【図１１】本発明の第１０施例としての振動センサ素子の構成図である。
【図１２】本発明の第１１施例としての振動センサ素子の構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】  以下、本発明を実施するための最良の形態を、実施例に基づいて詳細に説明する。
【実施例１】
【００１６】  図２は、本発明の一実施例に係るセンサシステムの回路図である。振動センサ２３は、電極間距離が印加される加速度により変化する可変コンデンサとして動作する。振動センサ２３と並列に、高抵抗素子２２を介して基準電圧源２１が接続されている。振動センサ２３の端子間電圧を入力電圧信号として動作するデジタル回路２４が接続されている。図中のデジタル回路はＣＭＯＳインバータ回路であり、ＮチャネルＭＯＳＦＥＴ２５と、ＰチャネルＭＯＳＦＥＴと、デジタル回路の電源電圧２８と、グランド端子２０と、出力端子２７で構成されている。【００１７】  振動センサ２３が静止状態にあるとき、高抵抗素子２２を介して基準電圧源２１により振動センサ２３が基準電圧源２１の電圧値まで充電される。
振動センサ２３に加速度を印加すると、振動センサ２３の静電容量値が変化する。電荷保存則により、振動センサ２３の端子間電圧は静電容量と反比例して変化する。
基準電圧源２１の電圧値をＶＲＥＦ、静止時の振動センサ２３の静電容量をＣＳ、所定の加速度αを受けたときの振動センサ２３の静電容量をＣＳＡ、振動センサの端子間電圧ＶＣＳ、デジタル回路がＨｉｇｈと認識するしきい値電圧をＶＴとする。
振動センサ２３が静止しているときは、振動センサ２３の端子間電圧ＶＣＳはＶＲＥＦと等しくなる。ＶＲＥＦをＶＴより大きく設定することで、静止時の出力端子２７は、Ｈｉｇｈを出力する。
振動センサ２３が加速度αを受けたとき、振動センサ２３の電極間距離が短くなりＣＳＡがＣＳより大きくなる。電荷保存則により、振動センサ２３の端子間電圧ＶＣＳはＶＲＥＦより小さくなる。このときのＶＣＳをＶＴより小さくなるようにＶＲＥＦの値、センサのばね定数を設定することにより、α以上の加速度を受けたときの出力端子２７は、Ｌｏｗを出力する。【００１８】  基準電圧源２１はデジタル回路の電源電圧２８と同一でも良い。出力端子２７のＨｉｇｈ、Ｌｏｗが切り替わる加速度を変更するときは、基準電圧源２１の電圧値を変更すればよい。
高抵抗素子２２には、純抵抗素子や、ダイオード、ＭＯＳＦＥＴを用いた能動負荷を用いることができる。デジタル回路２４は図中ではＣＭＯＳインバータを用いたが、ＯＲ回路、ＡＮＤ回路、ＯＲ回路、シュミットトリガ回路等のある電圧をしきい値として、出力が遷移するＣＭＯＳデジタル回路であればよい。
振動センサ２３には、受けた加速度によって電極間距離の変化する可変コンデンサを構成できる片持ち梁構造や、両持ち梁構造や、ダイアフラム構造を用いることができる。
【実施例２】
【００１９】  図３は、本発明の一実施例に係るセンサシステムの回路図である。振動センサ２３と並列に高抵抗素子２３Ｂを接続したものである。このようにすることで、静止時の振動センサ２３の端子間電圧ＶＣＳを、高抵抗素子２２Ａと２２Ｂの抵抗分割により決まる電圧とすることができる。出力端子２７のＨｉｇｈ、Ｌｏｗが切り替わる加速度を変更するときは、高抵抗素子２２Ａ、２２Ｂの抵抗値を変更すればよい。【００２０】  高抵抗素子２２Ａと２２Ｂには、純抵抗素子や、ダイオード、ＭＯＳＦＥＴを用いた能動負荷を用いることができる。
【実施例３】
【００２１】  図４は、本発明の一実施例に係るセンサシステムの回路図である。振動センサ２３と並列にＮチャネルＭＯＳＦＥＴ２２Ｃを接続したものである。ＮチャネルＭＯＳＦＥＴ２２Ｃは、制御端子２９に印加する電圧により、抵抗値を変更することができる。このようにすることで、静止時の振動センサ２３の端子間電圧ＶＣＳを、高抵抗素子２２Ａと２２Ｃの抵抗分割により決まる電圧とすることができる。出力端子２７のＨｉｇｈ、Ｌｏｗが切り替わる加速度を変更するときは、制御端子２９に印加する電圧を変更すればよい。
抵抗分割用の抵抗素子としてＮチャネルＭＯＳＦＥＴを用いたが、ＰチャネルＭＯＳＦＥＴも用いることができる。
【実施例４】
【００２２】  図５は、本発明の一実施例に係るセンサ素子の構成図である。パッケージのケース５２とパッケージ上蓋５６から構成される。振動センサは、固定電極５３と、誘電体５４と、可動電極５５から構成される。誘電体５４は固定電極５３に固定されている。固定電極５３は取出電極５１Ｂで外部に取出し、可動電極５５は取出電極５１Ａで外部に取り出す。可動電極５５の自由端は、固定端より暑くすることで、錘の質量を大きくする構成である。【００２３】  振動センサ２３が静止状態にあるとき、図５（Ａ）に示すように可動電極５５と、誘電体５４と、固定電極５３が接触させる。
振動センサ２３が所定の加速度を受けたとき、図（Ｂ）に示すように可動電極５５と、誘電体５４が離れる。これにより、振動センサの静電容量は、誘電体５４のコンデンサとエアのコンデンサの直列接続になるため、静止時の静電容量より大幅に小さくすることができる。
このようにすることで、振動センサが加速度を受けたときの振動センサの端子間電圧を静止時の端子間電圧に対して、大幅に大きくすることができる。【００２４】  用いるパッケージに制限はないが、大気圧よりより真空にすることで、可動電極のダンピングファクタが小さくなり、受ける加速度に対する感度が向上するため、真空パッケージの方が望ましい。
固定電極５３、可動電極５５は金属材料であれば制限はない。誘電体５４には、比誘電率が大きな材料を用いることが望ましい。
図５に記した可動電極５５の構造は、振動センサ２３が静止状態にあるとき可動電極５５と誘電体５４が接触する構造であればよく、片持ち梁構造や、両持ち梁構造や、ダイアフラム構造を用いることができる。
【実施例５】
【００２５】  図６は、本発明の一実施例に係るセンサ素子の構成図である。可動電極５５の梁の自由端側の梁の幅を固定端より広くしたものである。このようにすることで、可動電極５５を厚くすることなく可動電極の錘の質量を増やすことができる。
図６（Ｃ）の可動電極５５の錘の形状に制限はなく、長方形や、三角形や、円形でも良い。
【実施例６】
【００２６】  図７は、本発明の一実施例に係るセンサ素子の構成図である。可動電極５５の梁の自由端側の錘を固定端側に延ばしたものである。このようにすることで、可動電極５５を厚くすることなく可動電極の錘の質量を増やすことができる。
図７（Ｃ）の可動電極５５の錘の形状に制限はなく、パッケージ５２に接触せずに振動できればよい。
【実施例７】
【００２７】  図８は、本発明の一実施例に係るセンサ素子の構成図である。振動センサは、可動電極５３と、誘電体５４と、可動電極５５から構成される。誘電体５４は固定電極５３に固定されている。可動電極５３は取出電極５１Ｂで外部に取出し、可動電極５５は取出電極５１Ａで外部に取り出す。可動電極５５の自由端は、固定端より暑くすることで、錘の質量を大きくする構成である。【００２８】  振動センサ２３が静止状態にあるとき、可動電極５５の自由端の錘の重力により、図８（Ａ）に示すように可動電極５５と、誘電体５４と、固定電極５３が接触する。
振動センサ２３が所定の加速度を受けたとき、図（Ｂ）に示すように可動電極５５と、誘電体５４が離れる。これにより、振動センサの静電容量は、誘電体５４のコンデンサとエアのコンデンサの直列接続になるため、静止時の静電容量より大幅に小さくすることができる。
このようにすることで、振動センサが加速度を受けたときの振動センサの端子間電圧を静止時の端子間電圧に対して、大幅に大きくすることができる。【００２９】  用いるパッケージに制限はないが、大気圧よりより真空にすることで、可動電極のダンピングファクタが小さくなり、受ける加速度に対する感度が向上するため、真空パッケージの方が望ましい。
可動電極５３、可動電極５５は金属材料であれば制限はない。誘電体５４には、比誘電率が大きな材料を用いることが望ましい。
図５に記した可動電極５５の構造は、振動センサ２３が静止状態にあるとき可動電極５５と誘電体５４が接触する構造であればよく、片持ち梁構造や、両持ち梁構造や、ダイアフラム構造を用いることができる。
【実施例８】
【００３０】  図９は、本発明の一実施例に係るセンサ素子の構成図である。可動電極５５の梁の自由端側の梁の幅を固定端より広くしたものである。このようにすることで、可動電極５５を厚くすることなく可動電極の錘の質量を増やすことができる。
図９（Ｃ）の可動電極５５の錘の形状に制限はなく、長方形や、三角形や、円形でも良い。
【実施例９】
【００３１】  図１０は、本発明の一実施例に係るセンサ素子の構成図である。可動電極５５の梁の自由端側の錘を固定端側に延ばしたものである。このようにすることで、可動電極５５を厚くすることなく可動電極の錘の質量を増やすことができる。
図１０（Ｃ）の可動電極５５の錘の形状に制限はなく、パッケージ５２に接触せずに振動できればよい。
【実施例１０】
【００３２】  図１１は、本発明の一実施例に係るセンサ素子の構成図である。振動センサは、可動電極５３Ａ、可動電極５５、誘電体５４Ａからなる可変コンデンサと、可動電極５３Ｂ、可動電極５５、誘電体５４Ｂからなる可変コンデンサの２つの可変コンデンサから構成される。このようにすることで、振動センサ自体が静止時において、どの姿勢であっても、誘電体５４Ａと５４Ｂのどちらか一方は、２つの可動電極と接触する。これにより、姿勢の影響なく、加速度を検知することが可能となる。【００３３】  用いるパッケージに制限はないが、大気圧よりより真空にすることで、可動電極のダンピングファクタが小さくなり、受ける加速度に対する感度が向上するため、真空パッケージの方が望ましい。
可動電極５３Ａ、５３Ｂ、５５は金属材料であれば制限はない。誘電体５４Ａと５４Ｂには、比誘電率が大きな材料を用いることが望ましい。
図５に記した可動電極５５の構造は、振動センサ２３が静止状態にあるとき可動電極５５と誘電体５４が接触する構造であればよく、片持ち梁構造や、両持ち梁構造や、ダイアフラム構造を用いることができる。
【実施例１１】
【００３４】  図１２は、本発明の一実施例に係るセンサ素子の構成図である。図１１の振動センサの可動電極５５の梁の自由端側の錘を固定端側に延ばしたものである。このようにすることで、可動電極５５を厚くすることなく可動電極の錘の質量を増やすことができる。
図１２（Ｃ）の可動電極５５の錘の形状に制限はなく、パッケージ５２に接触せずに振動できればよい。
【符号の説明】
【００３５】１２Ａ〜１２Ｄ  内部電極
１３Ｂ  基準電圧源
１３Ｄ  基準電圧源
１４  基準面
１５  導電性球体
１６  出力端子
１７  特許文献１の振動センサ
２０  グランド端子
２１  振動センサ用基準電圧源
２２  高抵抗素子
２２Ａ  高抵抗素子
２２Ｂ  高抵抗素子
２２Ｃ  ＮチャネルＭＯＳＦＥＴ
２３  振動センサ
２４  デジタル回路
２５  ＮチャネルＭＯＳＦＥＴ
２６  ＰチャネルＭＯＳＦＥＴ
２７  出力端子
２８  デジタル回路の電源電圧
２９  制御端子
５１Ａ  取出電極
５１Ｂ  取出電極
５１Ｃ  取出電極
５２  パッケージのケース
５３  固定電極
５３Ａ  可動電極
５３Ｂ  可動電極
５４  誘電体
５４Ａ  誘電体
５４Ｂ  誘電体
５５  可動電極
５６  パッケージの上蓋
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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