CN1271389C - 静电电容式传感器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及静电电容式传感器，使其具有安装自由度等，同时不必校正由平衡锤引起的活动部向垂直方向的位移，即可根据静电电容的变化而检测出传感器的倾斜和加速度等。该传感器具有：固定基板(1)，它形成固定电极(1a)；活动部(3d)，它具有活动电极，该活动电极与上述固定电极(1a)之间保持一定间隙布置成面对面的状态，能相对于上述固定基板(1)进行摆动；平衡锤(4)，它设置在上述活动部(3d)上；以及支承体(1b)，它被布置在上述固定基板(1)和上述平衡锤(4)之间，用于支承上述活动部(3d)，并使其摆动自如，上述固定电极和活动电极(1a)中至少一种设置了许多个。

Description

静电电容式传感器

技术领域

本发明涉及静电电容式传感器，尤其涉及能根据固定电极和活动电极之间的静电电容来检测倾斜和加速度等的传感器结构。

背景技术

利用静电电容变化的静电电容式传感器，例如图14所示的传感器是众所周知的。

该传感器如图14所示，在面对面布置的基板1000、1003上，分别形成电极1001、1002和电极1004，一边的电极1001、1002设置在固定基板1000上，同时，另一边的电极1004设置在具有挠性的活动基板1003上，其功能是作为活动电极能相对于固定电极1001、1003进行摆动。并且，在该活动基板1003上安装了平衡锤1005，在传感器倾斜或外部应力作用于传感器上时，该平衡锤1005使活动基板1003变形，使上述固定电极和活动电极之间的静电电容P发生变化。并且，通过测量该电容变化而能检测出倾斜或外力等。

但是，在上述结构中，由于平衡锤1005的重量，活动基板1003处于稍有挠曲变形的状态，活动基板1003和固定基板1000的间隙很难保持一定，也有误差。

并且，基于被检测静电电容的信号中，作为偏差，除了上述活动基板1003变形所造成的静电电容的变化外，还包括由于该活动电极1004位移而造成的静电电容的增加量在内。该偏差，在传感器倾斜角θ小的情况下，重力方向和活动基板1003的位移方向一致，偏差增大；在传感器倾斜接近垂直的情况下重力方向和位移方向垂直，所以，偏差几乎为零。

因此，在使传感器倾斜的情况下，如图15所示，由活动电极1004和固定电极1001、1002构成的电容器A、B的静电电容Pa、Pb，当传感器的倾斜角θ大致为±30°时分别达到极大值，形成了这样的变化曲线。因此，当检测传感器的倾斜时，其检测范围为±30°，角度范围极窄。并且，在Pa和Pb的差分(Pa-Pb)中，如图15所示，当传感器的倾斜角θ为±θ°(换算成对平衡锤1005的作用力时为±Fo)时分别达到极大值或极小值，形成S字形的曲线变化。达到该极大值或极小值的倾斜角θ。也取决于传感器的结构，但大约为60°左右，在由于静电电容的差分而检测出倾斜的情况下，也使该检测范围限定在±60°左右的窄小角度范围内。

并且，在把传感器安装到外部装置上的情况下，因为倾斜等检测范围小，所以其安装的自由度减小，这也是缺陷。

再有，静电电容P对作用于平衡锤1005上的力有极大值变化，所以，当从电容变化来求倾斜角θ的情况下，对于上述位移所造成的活动电极1003的垂直方向的变化量必须进行校正运算，计算很复杂。因此，处理电路价格昂贵，同时，由于校正运算而使检测精度降低。

发明内容

本发明正是为解决上述问题而提出的，其目的在于提供这样一种静电电容式传感器，即使对于平衡锤造成的活动部向垂直方向的位移不进行校正，也能根据固定电极和活动电极之间的静电电容而检测出作用于平衡锤上的力。

为了达到上述目的，本发明的静电电容式传感器，其特征在于具有：固定基板，它形成有固定电极；活动部，它具有活动电极，该活动电极与上述固定电极之间保持一定间隙布置成面对面的状态，能相对于上述固定电极进行摆动；平衡锤，它设置在上述活动部上；以及凸部，它被布置在上述固定基板和上述平衡锤之间，用于对上述活动部摆动自如地进行支承，至少上述固定电极和活动电极之一的数量为多个，上述固定电极和活动电极之间的静电电容根据上述活动部的移动而变化。

若采用本结构，则活动部以上述凸部对平衡锤的支承位置为中心能摆自如。这时，由于活动部直接或间接地受到凸部的支承，所以，活动部不是根据平衡锤的重量而进行位移，支承位置上的活动部和固定基板的间隙不受传感器倾斜的影响，始终保持一定。因此，固定电极和活动电极之间的静电电容相对于传感器的倾斜角在最大-90°~+90°的范围内没有极大值，而是按照一比一的关系进行增减，即使在传感器倾斜安装的情况下，也能检测其离开安装位置的倾斜度和外力等。所以，不影响安装的自由度。并且，静电电容对倾斜和外力没有极大值，而是按一比一的关系进行变化，所以，能扩大检测范围。再有，活动部由凸部进行支承，所以，活动部在垂直方向上不变化，因此，能省略对该位移进行校正的校正运算。这样，能防止由于进行校正运算而造成检测精度降低。

而且，上述凸部也可以和上述固定基板构成一个整体。若采用该结构，则与另外设置凸部的情况相比，能以更高的精度来决定凸部和固定电极的位置关系，能提高静电电容的检测精度。并且，能减少零件数量，能降低成本。

在此情况下，最好在上述活动部与上述凸部相搭接的位置上，形成一种对上述凸部的前端部进行接纳的凹部。若采用该结构，则凸部对活动部的支承位置被固定在上述凹部上，所以，能提高活动部和固定基板的位置精度，在传感器为水平的中立状态时，使活动部和固定基板大致平行，这样进行定位，能使偏差不易产生。并且，活动部平常以相同的支承位置为中心进行摆动，所以检测精度稳定。

并且，也可以使上述凸部与上述平衡锤构成一个整体。若采用该结构，则能以高精度来决定凸部的支承位置和平衡锤的重心位置的位置关系。例如，从结构上使上述支承位置与平面图的平衡锤的重心位置相一致，即可使活动部相对于固定电极进行摆动时平衡性良好。

在此情况下，最好在上述固定基板与上述凸部相搭接的位置上形成一种对上述凸部的前端部进行接纳的凹部。若采用该结构，则能提高固定基板和活动部的位置精度，在中立状态下不易产生偏差。并且，由于活动部平常以相同的支承位置为中心进行摆动，所以，检测精度稳定。

再有，也可以使上述凸部与上述活动部构成一个整体。

在此情况下，最好在上述固定基板与上述凸部相搭接的位置上形成一种对上述凸部的前端部进行接纳的凹部。若采用该结构，则能提高固定基板和活动部的位置精度，在中立状态下不易产生偏差。并且，由于活动部平常以相同的支承位置为中心进行摆动，所以，检测精度稳定。

并且，也可以是上述凸部对上述活动部向与上述固定基板相反一侧施加作用力。若采用该结构，则即使传感器颠倒使平衡锤变成固定基板的下侧的情况下，也不会使活动部离开凸部，所以，传感器无论以什么姿势进行安装也都能对传感器的倾斜和外力等进行检测。

上述活动部也可以通过能变形的多个连结部而用支承部进行支承。若采用该结构，则活动部容易摆动，能增大静电电容的变化量，提高检测精度。而且，由于活动部由凸部进行支承，所以，该连结部不易受到平衡锤的力。因此，也能使连结部变细，使活动部容易摆动。这样，能增大静电电容的变化量，能提高传感器灵敏度。

也可以把上述凸部安装在上述固定基板上。若采用该结构，则活动部和固定基板之间的间隙由凸部决定。因此，不需要在凸部和固定基板之间另外设置间隙保持用的衬垫等，能减小零件数量。并且，支承部和活动部被设置在同一平面上，两者利用能弹性变形的多个连结部来进行连结，在此情况下活动部在凸部的作用下能向与固定基板相反的一侧移动，所以，即使传感器颠倒的情况下活动部也不会离开凸部。因此，传感器无论是什么姿势也都能对传感器的倾斜和外力等进行检测。

也可以利用导电材料来构成上述凸部、上述连结部和上述活动部，把连接电极设置在上述固定基板上，进一步直接或通过金属衬垫来把上述凸部安装到上述连接电极上。若采用这种结构，则接地电位和驱动信号等电信号自接或通过金属衬垫从连接电极供给到活动部上。因此，不需要另外设置对连接电极和活动部进行连接的信号供给用布线，能消除这种布线所产生的寄生电容的影响。

也可以设置对上述固定基板周围进行覆盖的罩子，利用该罩子把上述凸部按压到上述固定基板侧。若采用本结构，则能利用罩子来保护传感器，防止灰尘、液滴和使用的不注意。并且，当把罩子固定到传感器上时，凸部被夹持在罩子和固定基板之间，所以，不需要用粘接剂来固定凸部，能提高装配精度和生产效率。

也可以在上述罩子和上述固定基板之间设置垫圈。若采用本结构，则能防止导物、助焊剂、水分等侵入罩子内部。

附图说明

图1是表示涉及本发明第1实施方式的静电电容式传感器的整体结构的分解斜视图。

图2是表示涉及第1实施方式的静电电容式传感器的整体结构的概要断面图。

图3是表示涉及第1实施方式的静电电容式传感器的支承板的结构的放大平面图。

图4是说明涉及第1实施方式的静电电容式传感器的基板的结构的平面断面图。(板材11的平面图)。

图5是说明涉及第1实施方式的静电电容式传感器的基板的结构的平面断面图。(板材12的平面图)。

图6是说明涉及第1实施方式的静电电容式传感器的基板的结构的平面断面图。(板材13的平面图)。

图7是说明涉及第1实施方式的静电电容式传感器的基板的结构的平面断面图。(板材1的背面图)。

图8是说明涉及第1实施方式的静电电容式传感器的基板的结构的平面断面图。(板材14的背面图)。

图9是表示涉及本发明第2实施方式的静电电容式传感器的整体结构的概要断面图，是与图2对应的图。

图10是表示涉及本发明第3实施方式的静电电容式传感器的整体结构的概要断面图，是与图2对应的图。

图11是表示涉及本发明第4实施方式的静电电容式传感器的整体结构的概要断面图，是与图2对应的图。

图12是表示涉及本发明第5实施方式的静电电容式传感器的整体结构的概要断面图，是与图2对应的图。

图13是表示涉及本发明第6实施方式的静电电容式传感器的整体结构的概要断面图，是与图2对应的图。

图14是表示过去的静电电容式传感器的概要结构的模式图。

图15是表示过去的静电电容式传感器的倾斜角(作用力)和静电电容的关系的模式图。

具体实施方式

以下根据图1～图8，详细说明涉及本发明的第1实施方式的静电电容式传感器。图1是分解本实施方式的静电电容式传感器的斜视图，图2是表示其整体结构的概要断面图，图3是构成其主要部分的支承板的放大图。图4～图8均是表示其基板的构成的图。而且，在以下全部附图中，为了容易看清附图，对各构成要素的厚度和尺寸的比例适当加以区别。

本实施方式的静电电容式传感器，其结构如图1、图2所示在基板1的上面11S侧具有检测部K，以便检测电信号；在基板1的下面13R侧具有处理电路1c，以便处理从检测部K检测出的电信号。在本实施方式中，检测部K从结构上看是把传感器的倾斜作为静电电容变化进行检测的静电电容式倾斜传感器K，其中具有：形成在基板1的上面11S上的多个电容检测用的电极1a、与这些电极1a相对置的支承板3、以及对该支承板3施加扭转变形用的平衡锤4。

基板1的主体由陶瓷或环氧树脂积层板构成，在其表面上有许多(图1中为4个)电极(固定电极)1a形成为围棋网格状，同时，在基板1外周部上形成了框状电极(连接电极)1d，把这4个电极1a围在中间。这样设置4个电极1a是因为：当整体向某一个方向上倾斜时，支承板3和特定的电极1a的间隔扩大(即静电电容减小)，另一方面，夹持下述凸部1b从平面看与其对置的电极1a和支承板3的间隔变窄(即静电电容增加)，根据这些差动信号可以求出倾斜方向及其程度。

这些电极1a、1d通过在厚度方向上穿过基板1的穿通孔电极H1、H2而与下述处理电路1c相导通。

在基板1的中央部设置了半球状等的凸部(支承体)1b。在基板1上沿外周的框状导电性衬垫(金属衬垫)2与电极(固定电极)1d相重叠进行设置。衬垫2与凸部1b一起形成一种空间，用于使下述万向支架结构的支承板3和基板1的间隔保持一定，使支承板3的一部分能摆动。同时设置了一种导通装置，用于使处理电路1c和活动部3d进行导通。

在衬垫(spacer)2上，对作为挠性板材的支承板3进行积层。该支承板3由约50μm厚的不锈钢板等薄的金属单板(平板)构成，支承板3的外周部分作为支承部3a，与衬垫2紧密结合受到支承。支承部3a如图3所示，形成矩形框状，在与其对置的一对边的内周中央，设置了面向内侧的一对第1轴部(第1连结部)3c。一对第1轴P3c的另一端(内侧的端部)与中间部3b相连接。中间部3b利用倾斜来使一对第1轴部32产生扭转变形，因此能在该轴线周围进行摆动。

中间部3b的形状也是矩形框状，其内周在与一对第1轴部3c相垂直的位置上，在互相对置的位置上设置了一对第2轴部(第2连结部)3e。一对第2轴部3e的另一端(内侧的端部)与活动部(活动电极)3d相连接。该活动部3d因第2轴部3e产生扭转变形而能在该轴线周围摆动，同时中间部3b围绕轴部3c的轴进行摆动，因此，也能在第1轴部3c的轴线周围进行摆动。

在本实施方式的支承板3中，支承部3a、中间部3b、第1轴部3c、活动部3d、第2轴部3e全都是通过在一块金属板上设置沟槽孔而形成。因此，容易加工，也容易提高精度。也就是说，支承部3a和中间部3b，利用设置在把第1轴部3c除外的位置上的平面图形大致为U字形的第1切缝31来进行分离；中间部3b和活动部3d利用设置在把第2轴部3e除外的位置上的平面图形大致为U字形的第2切缝32来进行分离。并且，活动部3d由金属板材构成，所以，也可以作为活动电极使用。

并且，本支承板3，为了防止因扭转而使轴部3c、3e产生塑性变形，在第1切缝31的两端部和第2切缝32的两端部上，分别形成向支承部3a侧和活动部3d侧凸出的下挖部31a、32a，并使其长度达到为防止轴部3c、3e塑性变形所必须的一定长度以上。这种下挖部31a、32a不是形成在中间部3b侧，而是轴部3c、3e分别进行构成，以便仅在支承部3a侧、活动部3d侧进行下挖。

这是因为例如下挖部31a、32a形成在中间部3b侧的情况下，中间部3b因这种下挖部而使局部变细，扭转产生的应力集中在该变细的部分上，可能造成中间部3b塑性变形。这种应力集中容易产生在中间部3b的框架粗度局部变细的部位上。因此，为了把扭力分散到整个中间部3b上，在中间部3b侧不设置下挖部，而使中间部3b的框架粗度大致一定。

在与活动部3d的基板1相反一侧的面的中央部，安放了用粘接、电焊、激光点焊、铆接等方法进行安装的平衡锤4。平衡锤4的重心在垂直方向上偏离上述第1轴部3c、第2轴部3e的轴线中的某一个(即平衡锤4的重心位置高于支承板3的重心位置)。因此，若使传感器倾斜，则根据其方向不同而向某一轴线或两个轴线上产生力矩。这样，第1轴部3c、第2轴部3e产生扭转变形，活动部3d和4个电极1a各自的间隔产生变化。

而且，平衡锤4的形状如图2所示，是T字形，其底部(下部)4a比作为主体部的头部(上部)4A细，与底部4a的粗度和头部的4A的粗度相同的平衡锤相比重心位置更高。这样，在平衡锤4质量相同的情况下，由平衡锤4的质量和重心位置的积表示的力矩增大，能提高对倾斜的灵敏度。

并且，在活动部3d的下面，抵接上述凸部1b，使电极1a和活动部3d的间隔(间隙)g保持一定，同时，能消除向下并进(平移)加速度(重力等)的影响。也就是说，在不设置凸部1b的情况下活动部3d由于平衡锤4的重量而在基板1侧产生一定的挠曲，作为活动电极的活动部3d和电极1a之间的静电电容中包含了由于该挠曲(位移)而产生的静电电容增量(偏差)。该偏差在传感器倾斜小时增大，相反，在传感器接近垂直的情况下，由于这种挠曲减小而减小。

其结果，静电电容相对于平衡锤4的力矩如图15所示，有极大值变化，在根据该静电电容来求传感器倾斜角的情况下，必须进行运算以便校正因挠曲而产生的活动部3d的垂直方向的位移。因此，利用凸部1b从下面侧来支承活动部3d，防止这种挠曲，这样能使静电电容相对于力矩在很宽的范围(用凸部1b来对活动部3d施加力量的情况下最大为±90°)内按照1比1的直线关系进行变化，简化了求倾斜所需的运算。

再有，只要传感器没有极端倾斜，平衡锤4的重量就不会直接加到第1轴部3c、第2轴部3e上。因此，即使根据平衡锤4的重量而适当使第1轴部3c、第2轴部3e适当变细也不易产生永久变形，所以，能在保持耐冲击性的条件下使轴部3c、3e变细。当然2个轴部越细，刚性越低，所以对因倾斜而产生的力矩很敏感，容易变形，能提高检测精度。

并且，凸部1d的高度稍大于安装支承部3a的衬垫2的厚度加上电极1d的厚度后的尺寸(或者，衬垫2和电极1d的合计厚度稍小于凸部1b的高度)，活动部3d比支承部3a离基板1更远，在传感器颠倒，平衡锤4向下侧的状态下也是活动部3d在与基板1相反的一侧承受凸部1的作用力。该作用力的大小取决于凸部1b的高度和衬垫2的厚度的差，所以，例如，在由凸部1b来决定间隙g的情况下，通过调节衬垫2的厚度来设定最佳的作用力。

在支承部3a的上面，对绝缘性框架的固定板5进行积层，把薄的支承板3均匀地按压固定到衬垫2上。并且，在固定板5的上面，对作为限制摆动装置的止动器8进行积层，该限制摆动装置用于限制支承板3的超过需要的挠曲。该止动器8由比支承板3厚而且刚性好的平板材料制成，通过由固定板5准确定位后的间隙而在支承板3上布置成对置状态。并且，在不需要的外力作用于传感器上，支承板3大幅度挠曲的情况下，中间部3b和活动部3d碰到该止动器8的下面，使摆动受到限制。

并且，在止动器的中央部，设置了用于使平衡锤4插入穿过的穿通孔(孔部)8a，该孔8a被布置在平面图上支承板3上所形成的切缝32的内侧(即活动部3d的外周部被布置在孔8a的外侧)。这样，当活动部3d受到不需要的外力而大幅度摆动时，其外周部被卡入到孔8a内，防止支承板3损伤。

而且，支承板3的挠曲利用与支承板3之间留出微小间隔，布置成对置状的基板1来进行辅助限制。这时，为防止基板1上的电极1a和活动部3d进行接触而产生异常信号，电极1a的外周端部，与活动部3d的外周端部受到摆动而与基板1相接触的位置相比，布置在内侧。

在止动器8的上面通过绝缘性衬垫9而加盖金属制(导电性)罩子6。这是为了保护传感器，以防止灰尘、液滴、传感器周边的带电物造成的电容漂移，防止噪音和使用上的不注意。

该罩子6由圆筒形头部6b、向其周边部扩展的法兰部6a以及外周部的扁尾状的凸部6c构成，在用该法兰部6a来均匀按压固定板5的状态下把外周部的凸部6c的前端弯曲铆接到基板1的背面侧上，这样把罩子6固定到基板1上。这样，利用罩子6的法兰部6a把衬垫2、支承板3、固定板5、止动器8和衬垫9按压固定到基板1上，因此，不需要在各零件之间使用粘接剂，能提高装配精度和生产效率。

并且，在法兰部6a和基板1的外周部之间安装垫圈7，能防止异物，助焊剂、水分等侵入到罩子6的内部。

而且，如图1所示，在衬垫9的下面设置了多个凸起9a。该凸起9a插入到定位用孔内，该定位孔形成在与止动器8、固定板5、支承板3、衬垫2的各零件相对应的位置上，该凸起9嵌入到设置在基板1上的凹部(孔部)1h内，这样，各零件能精确地进行定位。

并且，在与凸部6c相搭接的基板1背面侧形成了接地图形(金属面)13f(参见图7)。通过该接地图形13f来使罩子6接地，这样能排除外部杂波等影响。尤其，使罩子6的形状与垂直通过上述活动部3d中心的轴线形成对称状态，这样可以不产生静电电容的额外的初期误差。在本实施方式的罩子6中，相对于电极1a只是一部分形成凸起形状，但不言而喻，不仅限于此。

不过，基板1是多层布线板(刚性基板)，其结构是由陶瓷或环氧树脂等构成的绝缘性板材11～14的积层体，各板材11～13的上面11S～13S和板材13、板材14的下面13R、14R分别构成为检测电极层、接地层、电源层、芯片实装层、连接电极层。

在基板1的上面(即板材11的上面)的检测电极层11S上，如图4所示，其中央部例如用Ag(银)图形印刷法形成围棋格子状的4个电极1a。并且，在检测电极层11S的外周部，与衬垫2相导通的电极1d形成为矩形框状。

并且，电极1a和电极1d分别利用从检测电极层11S穿通到芯片实装面13R的穿通孔电极H1、H2来与芯片实装面13R上的端子13a、13b相连接(参见图4～图7)。该穿通孔电极H1、H2是利用丝网印刷法把银浆充填到用激光加工和冲压加工等方法形成的细孔的内侧，对其进行烧结，形成导电部，所以，各电极1a、1d通过该穿通孔电极H1、H2以大致最短的距离连接到端子13a、13b上，几乎不受电干扰的影响，能与处理电路1c进行检测信号和驱动信号等电信号的输出输入。

接地层12S能防止从金属板构成的支承板3来的驱动信号不通过电极1a而侵入到处理电路1c内，同时具有杂波屏蔽功能，能切断从基板1外部(检测部K中为基板1的下面侧，在处理电路1c中为基板1的上面侧)进入杂波，如图5所示，除穿通孔电极H1、H2部分和板材12的外周缘部外的几乎整个面都构成为银等的金属面(导电面)12f。并且，该金属面12f利用从图5所示的接地层12S穿通到图7所示的芯片实装面13R的多个穿通孔电极H3来和芯片实装面13R上的接地图形13f形成导通，与端子13d相连接，同时通过形成在基板1侧面上的取出电极142进行接地(参见图7)。而且，制作许多个穿通孔电极H3是为了把作为接地图形的金属面12f设定为均一的接地电位。

并且，为了抑制由支承板3和电极1a所构成的信号检测用电容器的电容耦合，使接地层12S和检测电极层11S充分隔离开，例如板材11采用厚度约为0.4mm的。而且，该板材11的厚度最好选定为0.3mm以上，这样，能有效地防止与检测部K的电容耦合。

电源层13S和接地层12S一起作为旁路电容器使用，如图6所示，除了穿通孔电极H1～H3部分和板材13的外周缘部外的几乎整个面都构成为Ag等的金属面(导电面)13g。并且，该金属面13g利用从电源层13S穿通到芯片实装面13R的穿通孔电极H4来连接芯片实装面13R上的端子13c。同时，(参见图7)通过形成在基板1的侧面上的取出电极141而设定为电源电位。

并且，接地层12S比基板1的上面(检测电极层)11S更靠近电源层13S，电源层13S和接地层12S互相接近进行布置，例如板材12采用厚度约01.mm的薄板材。这样，利用接地层12S和电源层13S来形成旁路电容器，不需要另外设置电容器，所以能进一步简化传感器结构。而且，该板材12的厚度最好设定为0.2mm以下。这样，能充分发挥上述旁路电容器的功能。

再有，为了抑制比接地层12S更容易接受杂波影响的电源层13S和处理电路1c的电容耦合，在金属面13g中，与处理电路1c的安装位置相对应的中央部分的金属图形被除掉，形成空白部13F。

在芯片实装面13R上，如图7所示，作为对检测部K和处理电路1c进行连接的信号线，形成较短的来回布线，分别连接穿通孔电极H1、H2和端子(接点)13a、13b，同时作为从处理电路1c向无图示的外部装置输出用的布线，形成了分别连接端子(接点)133～136和取出电极143～146的来回布线。并且，为了切断外部杂波(noise)，形成了作为接地图形(接地电极)使用的Ag等金属面13f，用于在穿通孔电极H1～H4部分和这些来回布线以外的区域内进行接地。

并且，由上述电源层13S和接地层12S构成的旁路电容器，为了抑制其电容耦合，对电源层13S和芯片实装面13R进行充分隔离，例如，板材13采用厚度约0.2mm比板材12厚的材料。而且，该板材13的厚度最好设定为0.15mm以上。这样，能有效地防止处理电路1c和检测部K或者处理电路1c和上述旁路电容器的电容耦合。

在连接电极面14R上，如图8所示形成6个外部连接电极14a～14f，分别与设置在基板1的侧面上的取出电极141～146相连接。并且，用锡焊等方法把连接电极面14R安装到外部实装电路基板PCB上，这样，静电电容式传感器通过外部连接电极14a～14f而被连接到无图示的外部装置上。并且，通过外部连接电极14b而使罩子6和接地层12S(作为接地图形的金属面12f)进行接地，同时，通过外部连接电极14a把电源从外部装置供给到电源层13S(金属面13g)上，通过外部连接电极14c～14f把处理电路1c的处理结果输出到外部装置内。

而且，在板材14上，由用于安装处理电路1c的穿通孔构成的安装凹部14g形成在中央部，为了能在实装电路板上对连接电极面14R进行表面安装，即为了处理电路1c不从连接电极面14K上凸出来，设定了板材14的板厚。

并且，在板材14上，为安装罩子6的凸部6c所用的缺口部14h形成在对置的侧面上，利用该缺口部14h来使芯片实装面13R的接地图形13f的一部分露出来。并且，把凸部6c的前端铆接到缺口部14h内的接地图形13f上，这样使罩子6和接地图形13f处于导通状态。

处理电路1c安装在基板1背面侧的芯片实装面13R上，芯片实装面13R内的信号检测用的端子13a、13b、电源用端子13c、接地用端子13d和信号输出用的端子133～136以及处理电路1c的多个铝制端子300a分别用金凸点310来进行连接，通过驱动用端子13b把驱动信号加到支承板3上，利用与该支承板3相对置的电极1a检测出的电压等电信号通过检测用的端子13a而被输入到处理电路1c内，利用该电信号来求出信号检测用电容器的电容变化。

由该支承板3和电极1a构成的信号检测用电容器有4个，根据这4个电容器的电容变化，来计算出静电电容式传感器的倾斜方向和倾斜量。并且，该计算结果通过信号输出用的端子133～136和外部连接电极14c～14f而输出到外部装置内。

而且，为了提高接合性，最好对端子(接点)13a～13d、133～136和端子300a进行镀金。

在此，在本实施方式中，处理电路1c由集成电路的裸芯片构成。该裸芯片是利用热扩散法或离子注入法等，在由硅等半导体构成的衬底(半导体衬底)300b的一面的中央部上，形成所谓扩散层的电路部300c。并且，包括电路部(扩散层)300c在内的裸芯片(处理电路)1c的一个面(在图1中为上面)，几乎整个区域都被SiO₂等绝缘膜(无图示)进行覆盖，在该绝缘膜上形成了其一端分别与多个端子300a导通的多个铝图形(无图示)。而且，在位于电路部300c上的上述绝缘膜上，在规定位置上设置了多个微小的穿通孔(穿通孔电极)，通过该穿通孔，使电路部300c的规定部位与上述铝图形相导通。

并且，与接地用的端子(接点)13d和凸点连接的端子300a相导通的铝图形，通过位于衬底300b上的上述绝缘膜的无图示的微小孔而与衬底300b相连接。这样，衬底300b，通过铝图形、接地用的端子300a、金凸点310、接点13d、穿通孔电极H3等，形成与基板1的接地图形即金属面12f(接地层)相导通的状态。所以，电路部300c被下面和周围接地的衬底300b包围，在上面侧有接地层12S，所以几乎是完全屏蔽的结构。几乎不受外部杂波的影响。

并且，为了进行增强，利用环氧树脂等绝缘性树脂320把处理电路(裸芯片)1c和芯片实装面13R粘接成一个整体。具体来说，使作为处理电路1c的安装面的芯片实装面13R朝上，用调合器等把环氧树脂320涂敷到被接点包围的部分上，在芯片实装面13R上进行定位安装，使处理电路1c的电路部300c形成面侧与基板1相对置。这时，环氧树脂320因有流动性而被扩散开，到达金凸点310的周围。并且，从处理电路1c的背面侧施加超声波，利用金凸点310来对接点13a～13d、133～136以及处理电路1c的端子300a进行超声波焊接。然后，通过加热使环氧树脂320进行热固化，使处理电路1c与芯片实装面13R粘合成一个整体。

而且，该环氧树脂320覆盖到端子300a的周围，对接合部和端子300a进行保护，防止腐蚀等。并且，也可以用环氧树脂320来覆盖整个处理电路1c。衬底300b被接地，所以没有这种必要。而且，和通常的传感器一样，当然也可以把处理电路1c设置在传感器外部，活动部3d和各电极1a之间的静电电容也(与大小有关)，尚不到1PF，用通常的金属线布线方法时，考虑到装配的误差，倾斜造成的金属丝移动以及随之而产生的电容变化，还有杂波和长时间产生的变化，所以不是很现实。因此，在要求高的检测精度的情况下，如本结构那样，最好把处理电路1c设置在基板1背面侧，使检测信号能以最短距离输入到处理电路1c内，尽量排除外部杂波等对检测信号的影响。

以下说明传感器的动作。如上所述，在使传感器倾斜时，活动部3d和各电极1a的间隔发生变化，因此，它们之间的静电电容也发生变化，用电气方法对其进行检测，即可测量出倾斜。也就是说，若使传感器倾斜，则平衡锤4以凸部1b与活动部3d的搭接位置为中心进行摆动，轴部3c或轴部3e旋转的力矩作用于活动部3d上。

并且，该平衡锤4的倾斜所产生的力矩作为轴3c或轴3e的旋转扭力而被分离，根据传感器的倾斜方向和倾斜角使活动部3d独立地在2轴3c、3e周围摆动。这时活动部3d的摆动中心借助于凸部1b而相对于基板1经常离开一定间隔，检测用电容器的静电电容相对于倾斜所产生的扭转力在很大倾斜范围(在活动部3d受到凸部1b的作用力的情况下最大为±90°的范围)内按直线进行增减。并且，平衡锤4形成为断面T字形，使重心位置提高，所以扭转力增大，并且，支承板3的轴部3c、3e在下挖部31a、32a的作用下增长，因此，轴3c、3e的刚性降低，即使传感器的倾斜很小，也会使活动部3d相对于基板1进行大幅度摆动。

并且，在轴3c、3e对扭转变形的弹力与各轴部3c、3e旋转的扭转力达到平衡的角度下，活动部3d停止。

并且，由于该活动部3d的摆动，使由活动部3d和各电极1a构成的信号检测用电容器的静电电容发生变化，该电容变化通过穿通孔H1和端子13a作为电信号而被输入到安装在电极1a正下方的处理电路1c内。并且，该处理电路1c的处理结果通过连接电极面14R的外部连接电极14C等而被输入到外部装置内。

而且，支承板3被用作共用电极，所以，如果采用将其电气接地的检测电路结构，那么能获得很高的屏蔽效果。

所以，若采用本实施方式的静电电容式传感器，则利用中间部3b来支承活动部3d使其能围绕第2轴摆动，同时，利用支承部3a来支承中间部3b使其能围绕与第2轴相垂直的第1轴进行摆动，所以，能使活动部3d围绕2轴独立地摆动。因此，与单纯利用挠性基板的弹性变形来使静电电容变化的现有技术相比较，活动部3d容易摆动，能增大摆动时的电极1a和活动部3d的位移距离。这样，用一个传感器根据静电电容的变化能以较高的灵敏度检测出活动部3d根据围绕2轴的倾斜等而产生的位移。

并且，平衡锤4的底部4a比作为主体部的头部4A细，所以，与底部4a和头部4A为相同粗度的情况相比，能提高平衡锤4的重心位置。因此，能对支承板3产生很大力矩的作用，能提高灵敏度。并且，在此情况下，由于头部4A和底部4a的重量比不同而使平衡锤4的重心位置发生变化，因此，例如在使平衡锤4的重量为一定的情况下，增大头部4A与底部4a的重量比，能增大作用于支承板3上的力矩，能提高灵敏度。并且，使力矩为一定，能减轻平衡锤4，所以，传感器的耐冲击性提高。再有，这样使底部4a变细，能减小在活动部3d上的安装面积，提高支承板3的设计自由度。这也是一个优点。

再者，在第1切缝31和第2切缝32的两端部上，分别形成向支承部3a侧和活动部3d侧凸出的下挖部31a、32a，使轴部3c、3e增长，所以，扭转变形不容易造成轴部3c、3e塑性变形，能增大摆动量。这时，仅在支承部3a侧和活动部3d侧分别设置下挖部31a、32a，使中间部3b的框架粗度达到一定，所以，扭转力均匀地分散到整个中间部3b上，能避免中间部3b上应力局部集中，造成中间部塑性变形。所以，在使中间部3b的框架粗度整体变细，使支承板3的挠曲增大的情况下，也能使中间部3b不易产生塑性变形，不影响传感器的耐冲击性，能提高灵敏度。

再有，利用衬垫2和凸部1b分别支承支承板3的外周部和中央部，所以，能使支承板3和电极1a的间隔保持一定。尤其活动部3d利用凸部1b从下面侧进行支承，所以，不会出现因平衡锤4的重量造成在基板1侧挠曲。因此，在运算传感器的倾斜等时，不必考虑平衡锤4的重量所造成的活动部3d在垂直方向上的位移(也就是说，不需要为活动部3d在垂直方向的位移而进行校正运算)，能简化求倾斜等所需的运算，能提高检测精度。

并且，凸部1b的高度大于衬垫2和电极1d合计的厚度，所以，中间部3b从第1轴部3c到第2轴部3e向上方变形，活动部3d在该中间部3b的作用下，经常按压到凸部1b上，变成施加预压力的状态。因此，即使传感器颠倒，也能克服平衡锤4的重量，使活动部3d顶住凸部1b。这样，活动部3d和凸部1b的搭接位置上的活动部3d和基板1之间的间隔经常保持一定，不随传感器安装状态而变化，能检测出从该状态的倾斜变化。并且，即使采用使传感器旋转的用法，也不会出现活动部3d和凸部1b反复冲撞的现象，所以，这些都不会变形或损坏。

而且，这种作用力的大小取决于衬垫2的厚度和凸部1b的高度的差，例如，在利用凸部1b的高度来调节间隙g的情况下，适当调整衬垫2的厚度，即可独立于间隙g进行作用力调整，这样，独立地调节凸部1b的高度和衬垫2的厚度，即可使由间隙g决定的传感器灵敏度以及活动部3d的保持状态稳定性同时提高。

并且，由于通过衬垫2向活动部3d供给规定的电信号，所以不必另外设置信号供给用的布线，不受该布线所产生的寄生电容的影响。

以下根据图9，详细说明本发明第2实施方式的静电电容式传感器。与第1实施方式的不同之处是：没有凸部1b，代之以使凸起部(支承体)4b从平衡锤4的底部4a侧伸出来。该凸起部4b与平衡锤4构成一个整体。通过形成在活动部3d的中央部的孔3f而与基板1上的4个电极1a之间进行搭接。并且，活动部3d利用该凸起部4b来与基板1保持一定间隔，同时，以凸起部4b和基板1的搭接位置(支承位置)为中心进行摆动。

并且，在基板1的4个电极1a的中央部，形成了支承凸起部4b的前端部的凹曲面形的凹部1e，能对凸起部4b的前端部的支承位置进行固定，防止在面方向上偏移。该凹部1e的设置位置从平面看其中心内包括平衡锤4的重心位置。因此，用凸起部4b来支承平衡锤4的重心位置。

再者，支承板3的支承部3a直接在电极1d上进行积层，活动部3d的中央部依靠凸起部4b而保持在与基板1相反一侧受力的状态。因此，安装在活动部3d上的平衡锤4处于经常被按压到基板1侧的状态下，即使传感器颠倒，也能克服平衡锤4的重量，把凸起部4b前端部按压到基板1上。

并且，刚性基板1形成为兼有衬垫2的树脂成形结构，支承板3的支承部3a被安装在基板1上，同时电极1a被设置在台阶部(凹部)G的底面上。

所以，即使本结构，也能发挥与上述第1实施方式的凸部1b相同的作用。并且，作为与平衡锤4构成整体的支承体的凸起部4b把平衡锤4支承在基板1上。所以，采用凸起部4b的支承位置(凸起部4b在基板1上的搭接位置)和平衡锤4的重心位置的位置关系能精密地加以规定。

并且，作为平衡锤4的摆动中心的支承位置保持在与平衡锤4的重心位置从平面看是一致的位置上，防止在面方向上产生位置偏移，传感器在水平的中立状态下活动部3d与基板1相平行，信号不产生漂移，此外，能使活动部3d相对于固定电极1a进行摆动，平衡性良好，对任一方向的力均能使活动部3d的摆动量相等。这样，不受倾斜方向(即力的方向)的影响，能使传感器灵敏度保持一定。

再有，在本结构中，在电极1d和支承部3a之间没有设置在前面的实施方式中必须有的衬垫2等，所以，能减少零件数量和装配工序数量，能降低制造成本。

以下根据图10，详细说明本发明第3实施方式的静电电容式传感器。本传感器是在上述第1实施方式传感器结构中虽然取消了从基板1中凸出的凸部1b，但是在活动部3d中央部，利用冲压加工法制成了向基板1侧凸出的前端为曲面状的凸部(支承体)3g。并且，活动部3d利用该凸部3g来与基板1之间保持一定间隔。同时，以凸部3g和基板1的搭接位置为中心进行摆动。

并且，在基板1的4个电极1a的中央部，设置了对该凸部3g的前端部进行支承的盘状凹部1e，能保持凸部3g的前端部的支承位置，防止在面方向上产生偏移。该凹部1e设置在从平面看包括平衡锤4的重心位置在内的位置上，这样，能用凸部3g来支承平衡锤4的重心位置。

并且，其他结构与上述第1实施方式相同，故其说明从略。

所以，即使采用本结构也能获得与上述第1实施方式相同的效果。并且，凸部3g前端部的支承位置被固定在从平面看与平衡锤4的重心位置一致的位置上，所以能防止中立状态下信号产生漂移，此外，能使活动部3d相对于固定电极1a进行摆动时平衡状态良好，对所有方向的力均能使活动部3d的摆动量相等。这样，不管倾斜方向(即力的方向)如何，均能使传感器灵敏度保持一定。而且，在通过冲压加工而形成这种凸部3g的情况下，容易制造，这也是伏点。

而且，在该例中，使凸部3g与支承板3形成一个整体，但也可以把凸部3g与支承板3分开，另行粘贴到平面状的活动部3d的下面。

以下根据图11，详细说明本发明第4实施方式的静电电容式传感器。本传感器是在上述第1实施方式的传感器结构中，利用凸部1b从下面侧直接对平衡锤4进行支承。也就是说，使凸部1b的高度大于上述第1实施方式的高度，使该凸部1b通过形成在活动部3d中央部的孔3f而与安装在活动部3d上的平衡锤4相搭接。并且，与平衡锤4相接合的活动部3d利用该凸部1b而与基板1保持一定间隔，同时，以凸部1b和平衡锤4的搭接位置(支承位置)为中心进行摆动。

并且，在平衡锤4下面的中央部，形成了对凸部1b的前端部进行支承的凹部4c，使采用凸部1b的平衡锤4的支承位置保持在面方向没有偏移的状态下。而且，该凹部4c设置在从平面看包括平衡锤4的重心位置在内的位置上，使上述支承位置从平面看与平衡锤4的重心位置一致。

所以，即使本结构，也能获得与第1实施方式相同的效果，此外，采用凸部1b的平衡锤4的支承位置保持在从平面看与平衡锤4的重心位置相一致的位置上，所以，能防止中立状态下的信号漂移，并且，对任一方向的力均能使传感器灵敏度相等。

以下根据图12，详细说明本发明第5实施方式的静电电容式传感器。本传感器的结构是在上述第1实施方式的传感器的结构中，省略了衬垫2。也就是说，支承板3的支承部3a直接在电极1d上进行积层，活动部3d和安装在活动部3d上的平衡锤4经常保持在被按压到基板1的凸部1b侧上的状态下。其他结构与上述第1实施方式相同，故其说明从略。

所以，用本结构也能获得与上述第1实施方式相同的效果。并且，支承板3的支承部3a不通过衬垫，直接安装在基板1的电极1d上，所以，活动部3d的中央部依靠凸部1b而保持在与基板1相反的一侧，其接受的作用力大于上述第1实施方式的力，使传感器颠倒，使传感器颠倒，也能顶住平衡锤4的重量，把凸部1b的前端部牢固地按压在基板1上。而且，通过采用这种结构，支承板3处于中央部大幅度挠曲的状态，这种挠曲被各轴部3c、3e和中间部3b所吸收。所以，活动部3d外周部在基板1侧不会产生能影响特性的挠曲。

再有，与上述第1实施方式的相比较，省略了安装在支承部3a和电极1d之间的衬垫，所以也有利于降低成本。

以下根据图13，详细说明本发明第6实施方式的静电电容式传感器。本结构适合于不会对传感器颠倒使用的情况，该传感器是在上述第1实施方式的传感器的结构中，使凸部1b的高度等于安装支承部3a的衬垫2和电极1d的合计厚度，消除了无倾斜状态(水平状态)中的支承板3的挠曲。并且，其他均与上述第1实施方式相同，所以其说明从略。

因此，该结构，只要不极端倾斜使用传感器，就能使活动部3d不会因平衡锤4的重量而在垂直方向发生变化，能获得与上述第1实施方式相同的效果，此外，消除了无倾斜状态下的支承板3的挠曲，所以能提高传感器的耐久性。

而且，本发明不是仅限于上述实施方式，而是在不脱离本发明的要旨的范围内能以各种方式来实施。

例如，在上述各实施方式中，与由活动部3d构成的一个活动电极相对置设置了多个固定电极1a，但相反，也可以与一个固定电极1a相对置设置多个活动电极。也就是说，也可以把一个电极1a设置在基板1上，在绝缘性的活动部3d的下面侧形成多个(例如4个)活动电极。并且，也可以把固定电极1a和活动电极3d两者分割成许多个而进行面对面的布置。

并且，在上述各实施方式中，说明了围绕垂直的二轴，活动部3d摆动自如，但也可以根据用途使活动部3d仅围绕一个轴摆动。

再有，在上述各实施方式中，支承板3不仅限于金属板，如果是有挠性的材料，那么也可以选用金属，半导体和绝缘体中的任一种。并且，对板厚也没特别限制。也可以采用膜厚10μm以下的薄膜状材料。具体来说，可以选用聚酰亚胺等高分子薄膜、金属箔或者用腐蚀法制作了薄膜的硅衬底等。而且，在支承板3采用聚酰亚胺等绝缘性材料的情况下，必须在与该支承板3的基板相对置的面上形成铜箔等导电膜(活动电极)。

并且，作为支承体的凸部1b、3g和凸起部4b；不一定与基板1、活动部3、平衡锤4形成一个整体，也可以用粘接剂等另外安装零件。

再者，在上述第1～第6实施方式中，利用从基板1向活动部3d侧突出的凸部1b或者从活动部3d、平衡锤4向基板1突出的凸部3g、凸起部4b，来防止活动部3d在基板1侧挠曲。究竟采用哪种方法，可任意决定。

再有，在上述各实施方式中，以倾斜传感器为例说明了本发明的静电电容式传感器。但本发明并非仅限于倾斜传感器，例如，也可以是加速度传感器或冲击传感器。

发明的效果

如上所述，若采用本发明，则活动部以采用支承体的支承位置为中心能自如地摆动。这时，活动部由支承体进行支承。所以，不会因平衡锤的重量而使活动部在垂直方向上位移，在支承位置中的活动部和基板的间隙不受传感器倾斜的影响，能保持一定。因此，不对活动部在垂直方向上的位移进行校正，也能根据固定电极和活动电极之间的静电电容，来检测出作用于平衡锤上的力。

Claims (13)

1、一种静电电容式传感器，其特征在于具有：

固定基板，它形成有固定电极；

活动部，它具有活动电极，该活动电极与上述固定电极之间保持一定间隙布置成面对面的状态，能相对于上述固定电极进行摆动；

平衡锤，它设置在上述活动部上；以及

凸部，它被布置在上述固定基板和上述平衡锤之间，用于对上述活动部摆动自如地进行支承，

至少上述固定电极和活动电极之一的数量为多个，

上述固定电极和活动电极之间的静电电容根据上述活动部的移动而变化。

2、如权利要求1所述的静电电容式传感器，其特征在于：上述凸部和上述固定基板构成一个整体。

3、如权利要求2所述的静电电容式传感器，其特征在于：在上述活动部与上述凸部相搭接的位置上，形成接纳上述凸部的前端部的凹部。

4、如权利要求1所述的静电电容式传感器，其特征在于：上述凸部与上述平衡锤构成一个整体。

5、如权利要求4所述的静电电容式传感器，其特征在于：在上述固定基板与上述凸部相搭接的位置上，形成接纳上述凸部的前端部的凹部。

6、如权利要求1所述的静电电容式传感器，其特征在于：上述凸部与上述活动部构成一个整体。

7.如权利要求6所述的静电电容式传感器，其特征在于：在上述固定基板与上述凸部相搭接的位置上，形成接纳上述凸部的前端部的凹部。

8、如权利要求6所述的静电电容式传感器，其特征在于：上述凸部对上述活动部向与上述固定基板相反一侧施加作用力。

9、如权利要求8所述的静电电容式传感器，其特征在于：上述活动部通过能变形的多个连结部被支承部支承。

10、如权利要求9所述的静电电容式传感器，其特征在于：上述支承部被安装在上述固定基板上。

11、如权利要求10所述的静电电容式传感器，其特征在于：上述支承部、上述连结部和上述活动部由导电材料来构成，连接电极被设置在上述固定基板上，同时，上述支承部被直接或中间隔有金属衬垫地安装到上述连接电极上。

12、如权利要求10所述的静电电容式传感器，其特征在于：设置有对上述固定基板周围进行覆盖的罩子，同时，上述支承部通过上述罩子被按压到上述固定基板侧。

13、如权利要求12所述的静电电容式传感器，其特征在于：在上述罩子和上述固定基板之间设置有垫圈。

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