JP2015088559A - 可変容量構造体 - Google Patents

Abstract

【課題】外力の作用による可撓性板状体の撓みを利用して容量が変化する可変容量構造体において、外力に対する容量変化の精度を高める技術を提供すること。
【解決手段】外力により容量が変化する可変容量構造体において、容器５０内に可動電極２４を設けた水晶板２０を支持腕２２、２３により固定し、容器５０内に可動電極２４と対向するように固定電極を設ける。さらに支持腕２２、２３を互いに回転対称として構成し、各支持腕２２、２３の基端が対応する支持腕２２，２３の先端から見て、最短距離となる水晶板２０の位置から水晶板２０の周縁に沿って、水晶板２０の全周の１／５以上離れた位置となるように設けている。そのため水晶板２０の重心から支持腕２２，２３の先端までの道のりが長くなり、水晶板２０に作用する外力に対する水晶板の撓み量が大きくなる。従って外力に対する容量変化が大きくなり、外力に対する容量変化の感度を高めることができる。
【選択図】図２

Description

本発明は外力の作用による可撓性板状体の撓みにより容量が変化する可変容量構造体に関する。

系に作用する外力として、加速度に基づく物体に作用する力、圧力、流速、磁力、静電気力などがあるが、これらの外力を正確に測定することが必要となる場合が多い。例えば自動車を開発する段階で自動車が物体に衝突したときに座席における衝撃力を測定することが行われている。また地震時の振動エネルギーや振幅を調べるためにできるだけ精密に揺れの加速度などを調べる要請がある。更にまた液体や気体の流速を正確に調べてその検出値を制御系に反映させる場合や、磁石の性能を測定する場合なども外力の測定例として挙げることができる。このような測定を行うに当たって、測定装置にはできるだけ簡素な構造であり、かつ高精度に測定することが要求されている。

このような加速度検出センサとしては、例えば特許文献１に記載されたような可変容量構造体が知られている。この可変容量構造体は、片持ちの水晶板の両面に励振電極を設けて水晶振動子とすると共に、水晶板の下面側の先端部に可動電極を設け、可動電極に対向して固定電極を設けることにより構成される。水晶板に外力が加わって撓むと、可変容量構造体の容量が変わり、この容量変化を水晶板の発振周波数の変化として捉えられる。

しかしながら水晶板を片持ちの構成とした場合には、高い感度を得るために撓み量を大きくした場合、大きな衝撃が加わった場合に水晶板の先端部が衝突により破損する虞がある。また加速度検出センサを例えばＸ，Ｙ，Ｚ方向の３軸の外力検出装置を用いる場合に、Ｘ、Ｙ軸の外力を検出する加速度検出センサにおいては、水晶板の先端部がねじれてしまい、水晶板の設定角度の調整が難しくなる虞がある。
また水晶板を両持ちとする構成にした場合には、大きな撓み量を得ることが難しく、外力に従い容量を大きく変化させることが難しくなる問題があった。

特開２０１３−７６５３号公報

本発明はこのような事情の下になされたものであり、その目的は外力の作用による可撓性板状体の撓みを利用して容量が変化する可変容量構造体において、外力に対する容量変化の感度を高める技術を提供することにある。

本発明の可変容量構造体は、外力により容量が変化する可変容量構造体において、
絶縁材からなる可撓性の板状体と、
基端が前記板状体に一体化すると共に先端が保持部に固定され、前記板状体を支持する複数の支持腕と、
前記板状体の一面側に形成された第１の電極と、
前記第１の電極に対向するように前記保持部側に設けられた第２の電極と、を備え、
前記板状体と前記複数の支持腕とからなる平面形状は、２回、３回または４回の回転対称として構成され、
各支持腕の基端は、対応する支持腕の先端から見て、最短距離となる板状体の位置から板状体の周縁に沿って当該板状体の全周の１／５以上離れた位置であることを特徴とする。

本発明は、外力により容量が変化する可変容量構造体において、可動電極を形成する可撓性の板状体と支持腕との平面形状が２回、３回又は４回の回転対称として構成している。そのため板状体が水平な姿勢となり強い衝撃が加わった場合にも先端部が容器に衝突しない。また各支持腕の先端から見て、最短距離となる板状体の位置から板状体の周縁に沿って、板状体の全周の１／５以上離れた位置に対応する支持腕の基端を設けている。そのため板状体の重心から支持腕の先端までの道のりが長くなり、板状体に作用する外力に対する板状体の撓み量が大きくなる。従って外力に対する容量変化が大きくなり、外力に対する容量変化の感度を高めることができる。

本発明の実施の形態に係る可変容量構造体の構成を示すＩ−Ｉ’線縦断面図である。 本発明の実施の形態に係る可変容量構造体の構成を示す平面図である。 本発明の実施の形態に係る可変容量構造体の構成を示す分解斜視図である。 可動子の構成を示す上面側平面図である。 可動子の構成を示す下面側平面図である。 本発明の実施の形態に係る可変容量構造体を備えた加速度検出センサの構成を示す縦断面図である。 前記加速度検出センサの（Ａ）ブロック図及び（Ｂ）等価回路を示す回路図である。 前記実施の形態に用いられる加速度検出センサに外力が作用した際の可動子の変形を説明する説明図である。 前記実施の形態に用いられる加速度検出センサに外力が作用した際の可動子の変形を説明する説明図である。 前記実施形態において、可動子が外力により撓む様子と各部の寸法とを示す縦断側面図である。 前記実施形態に係る加速度検出センサを用いた加速度検出装置を示す外観斜視図である。 本発明の実施の形態にかかる可変容量構造体の他の例を示す平面図である。 本発明の実施の形態にかかる可変容量構造体の他の例を示す平面図である。 本発明の実施の形態にかかる可変容量構造体の他の例を示す平面図である。 本発明の実施の形態にかかる可変容量構造体の他の例を示す平面図である。 本発明の実施の形態にかかる可変容量構造体の他の例を示す平面図である。 本発明の実施の形態にかかる可変容量構造体の他の例を示す平面図である。 本発明の実施の形態にかかる可変容量構造体の他の例を示す平面図である。 本発明の実施の形態にかかる可変容量構造体の他の例を示す平面図である。 本発明の実施の形態にかかる可変容量構造体の他の例を示す平面図である。 本発明の実施の形態にかかる可変容量構造体の他の例を示す平面図である。 本発明の実施の形態にかかる可変容量構造体の他の例を示す平面図である。 本発明の実施の形態にかかる可変容量構造体の他の例を示す平面図である。 比較例に係る可変容量構造体の特性を示す特性図である。 実施例に係る可変容量構造体の特性を示す特性図である。

本発明の第1の実施の形態にかかる可変容量構造体を備えた加速度検出センサの構成について説明する。可変容量構造体１は、ガラス基板５と、ガラス基板５と共に容器５０を構成する蓋部６とを備えている。容器５０の内部には、図３に示すように基台となる保持部材４、可動電極の可動領域を確保するためのスペーサ（中間部材）３、水晶板２０を備えた可動子２が下層からこの順で積層されている。

図４、５は、夫々可動子２の上面側及び下面側の構成を示す平面図である。可動子２は、例えば長さ２４．２ｍｍ、幅６ｍｍの矩形の水晶片が用いられる。可動子２は、矩形環状に構成された保持部となる枠部２１を備えており、枠部２１の内側には、矩形に形成された板状体となる水晶板２０が設けられる。図４中の下方を手前側、上方を奥側とすると、水晶板２０において、図４を正面から見て奥側の右端部分には、幅２００μｍの支持腕２２の基端側（一端側）Ｐ２が接続される。

支持腕２２は、奥側に引き回された後、左方に曲げられ、水晶板２０及び奥側に位置する枠部２１と並行に引き回され、その先端側（他端側）Ｐ１が左側の枠部２１に一体的に固定される。また水晶板２０の手前側の左端部分には、支持腕２３の基端側Ｐ２が接続されている。支持腕２３は手前側に引き回された後、水晶板２０及び手前側に位置する枠部２１と並行に引き回された後、その先端側Ｐ１が右側の枠部２１に接続されている。即ち可動子２は水晶板２０の重心を中心に２回の回転対称となるように支持腕２２、２３が設けられることになる。

図５に示すように水晶板２０の下面側の全面に矩形の第１の電極である可動電極２４が設けられている。可動電極２４の右端側には引き出し電極２５の一端側が接続されており、引き出し電極２５は可動電極２４の右側側面を介して上面側まで引き回されている。上面側に引き回された引き出し電極２５は、支持腕２２の上面側を介して、枠部２１まで引き回されており、引き出し電極２５の他端側は、枠部２１における奥側の左端に形成された端子部２６に接続されている。可動子２は例えば矩形の水晶片にドライエッチング処理を行うことにより形成される。

図１〜図３に戻ってスペーサ３は例えば矩形環状に構成されており、例えば厚さ２００〜３００μｍのガラスにより構成されている。また保持部材４は例えばシリコン基板により構成されており、その上面側における水晶板２０に設けられた可動電極２４と対向する位置に第２の電極となる固定電極２７が設けられている。保持部材４の下面側の４隅には、電極端子２８が形成されている。固定電極２７からは例えば手前側右端部に引き出し電極２９の一端が接続されている。引き出し電極２９はスルーホール３０を介して保持部材４の下面まで引き回されており、引き出し電極２９の他端側は、保持部材４における図２中の手前側右端部に形成された電極端子２８に接続されている。引き出し電極２９の接続されていないその他３つの電極端子２８はダミー電極となる。

ガラス基板５は例えば矩形板状に形成され、その上面側における保持部材４に設けた電極端子２８に対応する位置に夫々電極パッド３１が形成されている。ガラス基板５の上面に保持部材４が設置され、電極パッド３１と電極端子２８とが電気的に接続される。保持部材４の上方には、スペーサ３と可動子２とがこの順に積層される。さらに可動子２の上面側の４隅から、ガラス基板５に設けた電極パッド３１の上面にかけて導電性接着剤３２が塗布される。この導電性接着剤３２により可動子２、スペーサ３及び保持部材４がガラス基板５上に固定されると共に可動子２に設けられた端子部２６とガラス基板５における奥側左方に設けられた電極パッド３１とが電気的に接続される。また可動電極２４と固定電極２７とが共に水平な姿勢であって、隙間を介して互いに対向するように配置される。その後可動子２の上方から例えばアルミナで構成される蓋部６により覆われる。
続いて可変容量構造体１を用いた加速度検出センサ４０について説明する。図６に示すように加速度検出センサ４０は、ベース体７と蓋体８とから構成される筐体７０と、前述の可変容量構造体１と、水晶発振回路と、を備えている。例えば水晶発振回路はコルピッツ回路として構成されており、ＩＣチップ９内に組み込まれて配線基板１０に設置される。

配線基板１０からは例えば下方に向けて３本のリード線１１が伸び、各リード線１１はベース体７を貫通している。３本のリード線１１は、図示しない導電路を介して水晶発振回路と接続されており、夫々水晶発振回路の電源端子、水晶発振回路の出力端子、接地用端子となる。配線基板１０の上方には、可変容量構造体１が水平な姿勢となるように配置された配線基板１２が設けられている。可変容量構造体１には、例えばガラス基板５を貫通するスルーホールが形成されている。可動電極２４と接続された電極パッド３１と、固定電極２７と接続された電極パッド３１とには、夫々図示しない導電路が接続されており、各導電路は、スルーホールを介して配線基板１２上に引き回された後、夫々配線基板１２を貫通するように設けられた２本のリード線１３に接続されている。

可動電極２４と接続されたリード線１３は配線基板１２上に形成された図示しない導電路を介して水晶発振回路の一端側に接続され、固定電極２７と接続されたリード線１３は、配線基板１２上に形成された図示しない導電路を介して水晶発振回路の他端側に接続される。またベース体７には、可変容量構造体１の上方から蓋部８が被せられる。

図７（Ａ）は、加速度検出センサの構成を示すブロック図であり、図７（Ｂ）は、可変容量構造体１が発振回路１４に接続された時の等価回路を示す。この加速度検出センサ４０においては、可変容量構造体１は水晶発振回路に設けられた水晶振動子に対して直列に接続されている。Ｌ１は水晶振動子の質量に対応する直列インダクタンス、Ｃ１は直列容量、Ｒ１は直列抵抗、Ｃ０は電極間容量を含む実行並列容量、ＣＬは発振回路の負荷容量である。Ｃｖは可動電極５と固定電極６とにより形成される可変容量である。この加速度検出センサの出力は、例えば周波数検出部に接続され、周波数検出部１５で検出された周波数情報がデータ処理部１６に入力される。

続いて実施の形態にかかる加速度検出センサ４０の作用について説明する。上述の加速度検出センサ４０は、可変容量構造体１において図３、図６中に見て下方の向きに作用する外力が検出される。上述の可変容量構造体１に外力が作用した時の水晶板２０の動きについて図８、図９を用いて説明する。水晶板２０は図８中紙面表から裏の方向に力がかかり、支持腕２２の先端部Ｐ１は固定されているため、支持腕２２における基端Ｐ２よりの部位が紙面方向裏の方向に屈曲しようとする力が加わる。そのため例えば支持腕２２は、図８中のＡの方向から見ると時計回り方向にねじれながら、水晶板２０の位置とは反対側に湾曲する。支持腕２３も同様にＢの方向から見ると時計回り方向にねじれながら、水晶板２０の位置とは反対側に湾曲する。

ここで可動子２は各支持腕２２，２３の基端Ｐ２から水晶板２０の重心Ｐ０までの距離が一定となるように設定し、各支持腕２２、２３を互いに１８０度回転させた回転対称な形状としている。そのため水平に配置された水晶板２０に垂直方向の外力が負荷された場合に、各支持腕２２、２３に等しい大きさの力が重心Ｐ０を中心に回転対称となる方向にかかる。従って各支持腕２２、２３は、水晶板２０の重心Ｐ０を中心として対称に屈曲し、対称に捩れる。よって水晶板２０は、図９に示すように水平な姿勢を保持したまま下降する。これにより可動電極２４と固定電極２７との距離が変わるため可変容量Ｃｖの値が変わることになる。

国際規格ＩＥＣ ６０１２２−１によれば、水晶発振回路の一般式は次の（１）式のように表される。
ＦＬ＝Ｆｒ×（１＋ｘ）
ｘ＝（Ｃ１／２）×１／（Ｃ０＋ＣＬ） ……（１）
ＦＬは、水晶振動子に負荷が加わったときの発振周波数であり、Ｆｒは水晶振動子そのものの共振周波数である。

本実施形態では、図７（Ｂ）に示したように水晶発振回路に備えられた水晶振動子の負荷容量は、ＣＬにＣｖが加わったものである。従って（１）式におけるＣＬの代わりに（２）式で表されるｙが代入される。
ｙ＝１／（１／Ｃｖ＋１／ＣＬ） ……（２）
従って可動子２の撓み量が状態１から状態２に変わり、これにより可変容量ＣｖがＣｖ１からＣｖ２に変わったとすると、周波数の変化ΔＦは、（３）式で表される。

ｄＦＬ＝ＦＬ１−ＦＬ２＝Ａ×ＣＬ^２×（Ｃｖ２−Ｃｖ１）／（Ｂ×Ｃ）…（３）
ここで、
Ａ＝Ｃ１×Ｆｒ／２
Ｂ＝Ｃ０×ＣＬ＋（Ｃ０＋ＣＬ）×Ｃｖ１
Ｃ＝Ｃ０×ＣＬ＋（Ｃ０＋ＣＬ）×Ｃｖ２
である。

また図１０に示すように可動子２に加速度が加わっていないときのいわば基準状態にあるときにおける可動電極５及び固定電極６の間の離間距離をｄ１とし、水晶板２に加速度が加わったときの前記離間距離をｄ２とすると、（４）式が成り立つ。
Ｃｖ１＝Ｓ×ε／ｄ１
Ｃｖ２＝Ｓ×ε／ｄ２ ……（４）
ただしＳは可動電極２４及び固定電極２７の対向領域の面積、εは比誘電率である。
ｄ１は既知であることから、ｄＦＬとｄ２とが対応関係にあることが分かる。

このような実施形態の可変容量構造体１は、加速度に応じた外力が加わらない状態においても水晶板２が若干撓んだ状態にある。

ここで水晶板２０の撓み量について検討すると外力が作用していない状態と、外力が作用している状態と、において、支持腕２２、２３の先端Ｐ１から水晶板の重心Ｐ０までの距離の差により、水晶板２０の撓み量は決まる。前述のように水晶板２０に外力が作用した場合に、水晶板２０の重心Ｐ０と、支持腕の先端Ｐ１と、支持腕２２、２３の基端Ｐ２とが一直線に並ぶように変形しようとする。上述の実施の形態にかかる可変容量構造体１では、支持腕２２、２３の基端部Ｐ２を対応する支持腕２２，２３の先端部から見て、最短距離となる水晶板２０の位置から水晶板２０の周縁に沿って離れた位置に設けている。また支持腕２２，２３の基端Ｐ２と支持腕の先端Ｐ１との間を最短距離で結ぶように支持腕２２を設けずに、支持腕２２、２３に屈曲点Ｐ３を設けて道のりが長くなるようにしている。そのため支持腕２２、２３及び水晶板２０の表面における支持腕２２，２３の先端Ｐ１から水晶板の重心Ｐ０までの道のりが長くなる。

この水晶板２０の重心Ｐ０から支持腕２２、２３の先端部までの道のりが長くなることで水晶板２０の撓み量は大きくなる。従って支持腕２２、２３の基端部Ｐ２を対応する支持腕２２，２３の先端部から見て、最短距離となる水晶板２０の位置から水晶板２０の周縁に沿って、水晶板２０の全周の長さの１／５以上離れた位置とすることで十分な水晶板２０の撓み量を得ることができる。
従って水晶板の重心Ｐ０に外力が作用した時に支持腕２２、２３の変形により支持腕の先端Ｐ１から水晶板の重心Ｐ０までの距離が長くなりやすくなる。支持腕の先端Ｐ１と水晶板２０の重心Ｐ０との距離が長くなることで、水晶板２０の移動する距離（ｄ１−ｄ２）が長くなり、可動電極２５の可変容量の変化量（Ｃｖ２−Ｃｖ１）が大きくなる。

このような構成の加速度検出センサ４０を例えば図１１に示すように２つの横揺れ検出用の加速度検出センサ４０と縦揺れ検出用の加速度検出センサ４０とを用いる。夫々の加速度検出センサ４０に設けられた可動子２がＸ，Ｙ，Ｚ軸に対して垂直になるように設置される。そして例えば地震が発生してあるいは模擬的な振動が加わり、水晶板２０に下向きの力が加わると、可動子２は図１０の鎖線のように撓む。この例では加速度が可動子２に作用せず、可動子２が撓んでいない状態における周波数検出部３３により検出された周波数情報をＦＬ１とし、外力である加速度が加わり可動子２が撓んだ場合に検出される周波数情報をＦＬ２とすると、周波数の差分ＦＬ１−ＦＬ２は、（３）式で表される。従って予め前記周波数の差分と可動子に負荷される外力とを対応付けたデータテーブルを求めておくことにより、外力を求めることができる。

図１１中の３４は、例えばパーソナルコンピュータからなるデータ処理部である。データ処理部３４は、周波数検出部３３から得られた周波数情報、例えば周波数に基づいて、可動子２に外力が加えないときの周波数ｆ０と、可動子２に外力が加えられた時の周波数ｆ１との差を求め、この周波数差を求め、この周波数差と負荷された外力とを対応付けたデータテーブルを参照して、可動子２に加えられた外力を求める機能を有する。周波数情報としては、周波数差に限らず、周波数の差分に対応する情報である周波数の変化率[（ｆ１−ｆ０）／ｆ０]であってもよい。

上述の実施の形態によれば、外力により容量が変化する可変容量構造体１において、容器５０内に可動電極２４を設けた水晶板２０を支持腕２２、２３により固定し、容器５０内に可動電極２４と対向するように固定電極２７を設けている。さらに支持腕２２、２３を互いに回転対称として構成している。そのため水晶板２０が水平な姿勢となり強い衝撃が加わった場合にも先端部が容器５０に衝突しない。また各支持腕２２、２３の基端Ｐ２を対応する支持腕２２，２３の先端Ｐ１から見て、最短距離となる水晶板２０の位置に設けず、水晶板２０の長辺における支持腕２２，２３の先端Ｐ１から離れた側の端部に接続している。そのため水晶板２０の重心から支持腕２２，２３の先端までの道のりが長くなり、水晶板２０に作用する外力に対する水晶板２０の撓み量が大きくなる。従って外力に対する容量変化が大きくなり、外力に対する容量変化の感度を高めることができる。

さらに上述の加速度検出センサでは、可変容量構造体１を水晶振動子と直列に接続しているが、可変容量構造体１は、水晶振動子と並列になるように接続されていてもよい。
上述の実施の形態では、可変容量構造体１を加速度検出センサ４０に適用した例を示したが、加速度検出センサ４０に限らず、振動の振幅や振動の周期を計測する振動検出装置に用いてもよい。

上述の実施形態では、水晶板２０の一方の短辺５１に対向する枠体の一辺５３から水晶板２９の長辺に沿って支持腕２２が伸び、当該長辺における他方の短辺５２側の端部に支持腕２２の基端Ｐ２が固定されているが、基端２２の固定点は、前記長辺の中点位置であってもよい。しかし外力が加わったときに水晶板２０の撓み量を大きくするという効果をより一層得るためには、基端Ｐ２の固定点は、前記長辺の中点位置よりも前記他方の短辺側の端部に近い部位であることが好ましい。また前記基端Ｐ２の固定点は、前記長辺を３等分した点であって、前記他方の短辺（符号）側の端部から１／３の点よりも当該前記他方の短辺（符号）側に寄った部位であることがより好ましい。

また後述に具体例を示すように水晶板２０は四角形に限らず円形などでもよいが、本発明は狭い領域の中で両持ち（あるいは両持ちと同等）の支持構造において外力が加わったときに水晶板２０の撓み量をいかにして大きくするかという点に着目している。そのため、本発明では、各支持腕２２、２３の基端Ｐ２は、対応する支持腕２２、２３の先端から見て、最短距離となる水晶板２０の位置から水晶板２０の周縁に沿って当該水晶板２０の全周の１／５以上離れた位置であることを要件としている。この場合の「基端」とは、支持腕２２、２３と水晶板２０との結合部位において支持腕２２、２３の幅方向中心部をいうものとする。また「先端」とは、支持腕２２、２３と容器５０側との結合部位において支持腕２２、２３の幅方向中心部をいうものとする。

更に本発明は、片持ちの支持構造の課題を解決するために、水晶板２０が振れたときに端部と周囲部分との衝突が回避できること、水晶板２０の初期の姿勢において撓みがないかあるいはほとんどないこと、を狙った構造としている。このため上述の実施形態では、水晶板２０と複数の支持腕２２、２３とからなる平面形状は、２回回転対称として構成しているが、３回または４回の回転対称となるように構成してもよい。このような例として図１２〜図２３に示すような構成であってもよい。なお以下の説明では図を正面に見て、下方側を手前側とし、上方側を奥側として説明する。

例えば図１２に示すように図４と同様の水晶板２０及び枠部２１における支持腕２２、２３の先端Ｐ１を接続する位置を設定し、支持腕２２を水晶板２０と並行するように配置した場合において、奥側の支持腕３５を水晶板２０の周縁に並行するように水晶板２０の右側まで引き回し、水晶板２０の右側中央部に接続する。また手前側の支持腕２３を水晶板２０の左側まで引き回し、水晶板２０の左側中央部に接続してもよい。また図１３に示すように奥側の支持腕２２を水晶板２０の奥側中央に接続し、手前側の支持腕２３を水晶板２０の手前側中央に接続してもよい。さらに図１４に示すように、奥側の支持腕２２を水晶板２０の周縁に並行するように水晶板２０の右側まで引き回し、水晶板２０の右側の短辺における手前側の部位に接続し、手前側の支持腕２３を水晶板２０の左側まで引き回し、水晶板２０の左側の短辺における手前側の部位に接続してもよい。図１２〜図１４に示した可動子２においては、水晶板２０と支持腕２２、２３とからなる平面形状は２回の回転対称となるように設けられている。
さらには図１５に示すように、図１２に示す可動子２において、奥側の支持腕２２及び手前側の支持腕２３における水晶板２０の長さ方向に伸びる部位を手前側及び奥側に交互に屈曲させて蛇腹構造としてもよい。

あるいは図１６に示すように図４に示した可動子２０において、奥側の支持腕２２を支持腕の先端から水晶板２０の長さ方向に伸ばした後、水晶板２０の右端の位置にて折り返す。さらに水晶板２０と並行するように伸ばし、水晶板２０の左端の位置にて折り返し、水晶板２０と並行するように伸ばした後、水晶板２０の奥側右端の位置に接続する。手前側の支持腕２３を支持腕の先端から水晶板２０の長さ方向に伸ばした後、水晶板２０の左端の位置にて折り返す。さらに水晶板２０と並行するように伸ばし、水晶板２０の右端の位置にて折り返し、水晶板２０と並行するように伸ばした後、水晶板２０の手前側左端の位置に接続してもよい。図１５、図１６に示した可動子２では、水晶板２０と支持腕２２、２３とからなる平面形状は２回の回転対称となる。

水晶板２０は正方形に構成されており、支持腕３５は２本以上であってもよい。例えば図１７に示すように正方形の水晶板２０の４辺の中心の位置に支持腕３５を接続し、奥側に接続した支持腕３５を右側、右側の支持腕３５を手前側、手前側の支持腕３５を左側、左側の支持腕３５を奥側に夫々伸ばし枠部２１に接続するように構成してもよい。

また図１８に示すように正方形の水晶板２０の奥側左端、右側の奥端、手前側右端及び左側手前端に夫々支持腕３５の一端側を接続する。奥側左端に接続した支持腕３５を水晶板２０の周縁を平行するように右側方向、手前側方向の順に引き回す。右側奥端に接続した支持腕３５を水晶板の周縁を平行するように手前側方向、左側方向の順に引き回す。手前側右端に接続した支持腕３５を水晶板２０の周縁を平行するように左側方向、奥側方向の順に引き回す。左側手前端に接続した支持腕３５を水晶板２０の周縁を平行するように奥側方向、右側方向の順に引き回す。夫々の支持腕３５を互いに干渉しない領域を引き回した後、枠部２１に接続してもよい。図１７、図１８に示した可動子２では、水晶板２０と支持腕２２、２３とからなる平面形状は４回の回転対称となるように構成されている。

さらに水晶板は図１９に示すようにひし形であってもよく、例えば水晶板２０の上端に支持腕３５を接続し、支持腕３５を水晶板２０の周縁に沿って右手前、左手前に引き回す。また水晶板２０の手前端に支持腕３５を接続し、支持腕３５を水晶板２０の周縁に沿って右手前、左手前に引き回す。そして夫々の支持腕３５を水晶板２０の手前及び奥の位置で枠部２１に接続してもよい。図１９に示した可動子２においては、水晶板２０と支持腕２２、２３とからなる平面形状は２回の回転対称となるように構成されている。

水晶板２０は円板状であってもよい。例えば図２０に示すように円形の水晶板２０の上端部から等間隔に３本の支持腕３５を接続する。各支持腕３５は水晶板２０を示す円の時計回り方向側に接線に沿って伸ばされており、先端側が水晶板２０側に湾曲するように構成されている。各支持腕３５の先端は、水晶板２０と中心を同じくする同心円状に形成された環状の枠部２１に接続される。この例では、水晶板２０と支持腕２２、２３とからなる平面形状は３回の回転対称となる。

また図２１に示すように円板状の水晶板２０の周縁部に周方向に等間隔に４本の支持腕３５を接続し、各支持腕３５を法線方向に伸ばした後、支持腕３５の基端における時計回り側の接線方向に伸ばし、枠部２１に接続するようにしてもよい。このような構成にした場合にも同様な効果が得られる。この例では、水晶板２０と支持腕２２、２３とからなる平面形状は４回の回転対称となる。

また例えば図２２に示すように円板状の水晶板２０の外側に水晶板２０と同心円となる環状部材３６、３７を２重に設ける、水晶板２０の左右端部から架橋３８を伸ばして、内側の環状部材３６を接続する。また内側の環状部材３６の奥側及び手前側端部から架橋３９を伸ばして、外側の環状部材３７と接続する。そして外側環状部材の左右の端部から外側に接続部材４１を伸ばして、枠部２１に接続する。さらには図２３に示すように図２２に示した可動子２において、正方形の水晶板２０と、水晶板２０と中心が同じ位置となる正方形に形成された矩形の環状部材３６、３７を二重に設けた構成であってもよい。

本発明の実施の形態に係る可変容量構造体１の効果を検証するため以下の試験を行った。
可変容量構造体１において、外力の検出方向（図３を正面に見て下方）に１Ｇの外力を負荷した時の水晶板２０の撓み量について調べた。実施例として図４、図５に示した可動子２を備えた可変容量構造体１を用いた。また比較例としてまた図３に示した水晶板２０の長さ方向の両端における中央に支持腕を接続し、水晶板２０の重心と支持腕の基端を結ぶ線の延長線上に支持腕を伸ばし容器側に接続し、可動子２とした。

図２４、図２５はこの結果を示す。図２４は、比較例における水晶板２０及び支持腕における、支持腕の先端部の上面の高さ位置からの変位量を示し、図２５は実施例における水晶板２０における、支持腕２２、２３の先端部の上面の高さ位置からの変位量を示す。なお図２５において支持腕２３は、水晶板２０の左側端部の位置ａと水晶板２０の右側における枠部２１の位置ａ’とに接続され、支持腕２２は、水晶板の右側端部の位置ｂと水晶板２０の右側における枠部２１の位置ｂ’とに接続されているが、支持腕２２、２３におけるａ−ａ’及びｂ−ｂ’の部位の変位は図中に示していない。

この結果によれば、比較例に係る可変容量構造体１では、撓み量は１．５μｍ程度であったが、実施例に係る可変容量構造体１では、撓み量は、３００μｍと凡そ２００倍になっていた。

本発明の実施の形態にかかる可変容量構造体１では、可動子２を両もちの構造としながら、変位量を大きくすることができるため外力検出の感度を高めることができるといえる。

１ 可変容量構造体
２ 可動子
４ 保持部材
５ ガラス基板
６ 蓋部
２０ 水晶板
２１ 枠部
２２，２３，３５ 支持腕
２４ 可動電極
２７ 固定電極
４０ 外力検出センサ
５０ 容器

Claims (6)

1. 外力により容量が変化する可変容量構造体において、
   絶縁材からなる可撓性の板状体と、
   基端が前記板状体に一体化すると共に先端が保持部に固定され、前記板状体を支持する複数の支持腕と
   前記板状体の一面側に形成された第１の電極と、
   前記第１の電極に対向するように前記保持部側に設けられた第２の電極と、を備え、
   前記板状体と前記複数の支持腕とからなる平面形状は、２回、３回または４回の回転対称として構成され、
   各支持腕の基端は、対応する支持腕の先端から見て、最短距離となる板状体の位置から板状体の周縁に沿って当該板状体の全周の１／５以上離れた位置であることを特徴とする可変容量構造体。
2. 前記板状体の平面形状は四角形であり、各支持腕は、板状体の一辺の一端側から他端側に沿って伸びる部分を備えていることを特徴とする請求項１記載の可変容量構造体。
3. 前記板状体の平面形状は長方形であり、前記板状体の一辺は前記長方形の長辺であることを特徴とする請求項２記載の可変容量構造体。
4. 各支持腕の先端は、前記一辺に沿った軸方向でみたときに、当該一辺の一端から前記板状体とは反対方向に離れた位置に存在していることを特徴とする請求項２または３記載の可変容量構造体。
5. 前記板状体の平面形状は円形であり、前記板状体と前記複数の支持腕とからなる平面形状は３回の回転対称として構成されていることを特徴とする請求項１記載の可変容量構造体。
6. 前記保持部は、前記板状体を囲む枠体であることを特徴とする請求項１ないし５のいずれか一項に記載の可変容量構造体。