CN1749760A - 加速度传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种以简单的构成在不使传感器灵敏度降低的情况下提高了耐冲击性的3轴加速度传感器。其是对相互正交的3个轴方向的加速度进行检测的加速度传感器，具有：使具有分别与3个轴对应的固定电极(4c、4b、4a)的电极基板(4)对置的电极基板对、作为可动电极起作用的振动板(2)、和安装在振动板(2)的中心部上的配重体(3)。基于固定电极与振动板(2)之间的静电电容的变化检测加速度。电极基板(4)设置有覆盖固定电极(4c、4b、4a)的表面的驻极体层(1)，并且，在至少一个电极基板(4)的中央部上设置有贯通孔(7)，伞状的配重体(1)的柄部经由贯通孔(7)从电极基板对的外侧连接到振动板(2)上。
Description
技术领域
本发明涉及对相互正交的3个轴方向的加速度进行检测的的加速度传感器。
背景技术
关于检测三维的、所谓X轴、Y轴、Z轴这3个轴方向的加速度的加速度传感器，提出有各种各样的方案。例如，在作为文献1引用的日本特开平10-10150号公报(图1至3、第7至22段)中，公开了基于相互面对的固定电极与可动电极之间的静电电容变化来检测加速度的加速度传感器的技术。根据该技术，在固定电极和可动电极中的某一个电极的、与另一个电极对置的面上设有驻极体膜。在可动电极的不与固定电极对置的一侧的面上备有配重体，以便在施加加速度时赋予可动电极位移。没有设置驻极体膜的另一个电极，被沿着以配重体的重心的投影位置为交点相互正交的正交轴分割。即，通过分割设置一个电极，来基于被分割的电极的静电电容变化，检测多个轴的加速度。
文献1所公开的那样的驻极体电容器麦克风(ElectretCondenser Microphones)(下面，称之为“ECM”)型的加速度传感器或振动传感器，被用于计步器或振动计等各种各样的用途。希望它们与一般的传感器同样地具有高灵敏度。但是，在例如用于计步器等时大多由电池驱动，当然不能期待充足的电源。因此，使用消耗电流较多的放大用的IC(集成电路)等电气地提高灵敏度，这一点并不理想。
所以，若要机械地提高灵敏度，则必须使惯性力增加。但是，如果为了使惯性力增大而增大可动电极的振幅，传感器下落等时的耐冲击性就会受到损害。因此，仅仅根据文献1那样的基本结构，难以充分应对这些问题。
发明内容
本申请发明是鉴于上述问题而作出的，其目的在于提供一种以简单的构成在不降低传感器灵敏度的情况下提高耐冲击性的三轴加速度传感器。
为了实现该目的，本发明的对相互正交的3个轴方向的加速度进行检测的加速度传感器包括：
电极基板对，使在一个面上具有固定电极的两张电极基板的前述固定电极彼此对置；
振动板，其经由用于设置规定间隔的间隔件而被夹持在该电极基板对之间，作为可动电极起作用；和
配重体，其重心与该振动板的中心一致地安装；
以通过前述配重体的重心并与前述电极基板正交的轴作为第一轴，基于前述固定电极与前述可动电极之间的静电电容的变化，对相互正交的前述第一轴、第二轴以及第三轴这3个轴方向的加速度进行检测，其特征在于，
前述配重体形成为伞形，包括圆柱状的柄部、与具有比该柄部的直径大的直径的圆盘状的主体部；
前述固定电极包括：第一固定电极，其是以前述第一轴为中心并具有比前述柄部大的内径的环形；和第二固定电极及第三固定电极，它们是直径比前述第一固定电极大的环状电极被相对于前述第二轴及前述第三轴成45度角的分割轴分别二分割而成的；
前述电极基板设置有覆盖前述固定电极的表面的驻极体层，并且，在至少一个电极基板的中央部上设置有贯通孔，该贯通孔的直径比前述柄部大且比前述第一固定电极的内径小；
前述配重体的前述主体部设置在前述第二固定电极及前述第三固定电极彼此对置的前述电极基板对的外侧；并且，
前述配重体的前述柄部经由前述贯通孔连接在前述振动板上。
根据该特征构成，本发明的加速度传感器，是利用了驻极体的ECM型的结构，所以，能够直接对静电电容进行电压输出。在ECM型的结构中，由于不需要用于在振动板(可动电极)与固定电极之间施加偏压的偏置电路，所以电路变得简单，也能够降低成本。
另外，根据本发明的加速度传感器，采用了在使第二电极及第三电极彼此对置地配置的两张电极基板之间具有振动板的、所谓推挽[push-pull]方式。因此，与仅利用振动板的单侧的方式相比，能够得到相对于振动板的机械振幅来说非常高的电输出。
另外，在电极基板上设置贯通孔，经由该贯通孔将构成为伞状的配重体的柄部连接于振动板，配重体的主体部配置在电极基板对的外侧。其结果，能够与配重体的大小无关地将电极基板对的间隔设置得较窄，所以，容易检测静电电容的变化。另外，在想要改变振动板的机械振幅时，只要改变配置在电极基板对的外侧的配重体的主体部的大小就能够应对，所以，在传感器用于多种目的时的灵活性良好。另外，由于用细的柄部进行配重体与振动板的连接，所以，也能够充分确保与在第一轴方向机械振幅最大的振动板的中央部对置的第一固定电极的面积。
根据进一步发扬了ECM型及推挽型的优点的上述特征构成，不用高价的静电电容-电压转换电路(CV转换电路)即可直接将ECM的输出电压输出给低价的通用运算放大器等。CV转换电路，大多由专用的IC(集成电路)等构成，虽也提供有能够以一个IC处理3个轴的信号的转换电路，但是消耗电流大到数毫安。因此，在将该加速度传感器组装入电池驱动的装置时，电池急剧消耗，并不理想。而通用的运算放大器，其消耗电流较少、为数微安，能够降低装置的消耗电力。
另外，特征在于：前述固定电极以不从前述电极基板的表面突出及陷落的方式形成。
驻极体层，例如通过涂敷成为驻极体的氟树脂的水性分散液并进行烧结、或粘贴氟类薄膜等方式，形成在电极基板的表面上。在电极基板上，利用铜箔等来设置固定电极。一般是由蚀刻法等将铜箔的导电图形设在作为绝缘体的玻璃环氧树脂制的基材上。因此，虽然形成得特别薄，但在基板的基材之上铜箔的图形成为突出的形状。因此，存在形成于其上的驻极体层的层厚不均匀的情况。这样，会给所检测的静电电容、及作为其结果而被输出的电压带来影响，并不理想。若电极图形的铜箔不从基板的基材的表面突出及陷落，而是表面平整地设置，则能够使驻极体层的层厚均匀。
另外，具有这样的特征：前述驻极体层是通过以镍或金对前述固定电极的表面进行镀敷处理、之后涂敷氟树脂的水性分散液并进行烧结而形成的，或者是通过粘贴氟类薄膜而形成的。
作为铜，由于其导电性优异，所以一般用作上述那样被设在基板上的电极。但是，广泛用于电极图形的铜箔容易氧化、变色，由此存在使作为驻极体的功能降低的情况。尤其是在涂敷成为驻极体层的氟树脂的水性分散液并进行烧结的情况下，存在氧化、发黑的情况。另外，由于铜箔容易氧化、变色，所以在粘贴氟类薄膜时也存在铜箔变色的情况。
因此，若在粘贴氟类薄膜或涂敷氟树脂的水性分散液并烧结、以进行驻极体的涂覆之前，以镍或金等对铜箔进行镀敷处理的话，则能够抑制上述问题。
另外，特征在于：为了通过四个狭缝将前述振动板分割形成为：位于周边部并经由前述间隔件而被固定的固定部、位于中央部并具有前述配重体的振动部、和在周向上等间隔地形成有多个并连结前述固定部与前述振动部的弹性支承部，前述狭缝沿周向等间隔地设置，相邻的各狭缝的振动部侧的端部与固定部侧的端部在径向上重合。
在振动板被分割形成为固定部、振动部及弹性支承部的情况下，连结固定部与振动部的弹性支承部作为扭杆支座起作用。若弹性支承部对振动部和固定部进行的连结不均匀，会在加速度传感器检测的3个轴方向内的第二轴的励振时与第三轴的励振时的、所谓XY方向上产生输出差异。另外，为了更多地获得由ECM产生的静电电容的变化，优选地将振动部的面积设定得较大。
当如本特征构成那样地使相邻的各狭缝的振动部侧的端部与固定部侧的端部在径向上重叠地沿周向等间隔地设置时，振动部形成为大致圆形，所以，难以产生XY方向上的差异。另外，由于能够确保弹性支承部在周向上的长度，所以能够不影响弹性地形成为较窄的宽度。其结果，能够较大地获得振动部的面积，较多地获得静电电容的变化，成为优选的结构。另外，由于弹性支承部能够保持适当的弹性与强度，所以能够将振动部的机械振幅设定得较大。其结果，不需要由电路进行放大或检测方向的校正等，电路结构也变得简洁。
另外，可以具有下述特征：前述狭缝包括：位于前述固定部侧的外轨道、位于前述振动部侧的内轨道、和连结前述外轨道与前述内轨道的S字形的连结轨道。
若外轨道及内轨道均由圆轨道的一部分构成，则振动部形成得更接近圆形，所以难以产生XY方向上的输出差异。另外，外轨道与内轨道由曲线的S字形连接轨道连结。即，与由弹性支承部连结振动部与固定部的连结部有角地构成的情况相比，施加在该连结部上的力不会集中，而是分散。因此，即使在例如在由下落等造成的过度冲击施加到加速度传感器时，也会降低振动板破损的可能性，提高耐冲击性。
在加速度传感器中，由所施加的加速度产生的振动板的机械振幅越大，则在获得输出时越有利。但是，相反地，在施加了下落等的过度冲击时，存在产生破损的问题。并不以PET(聚对苯二甲酸乙二醇酯)、或PPS(聚苯硫醚)等的薄膜形成振动板，而是由SK材料(碳素工具钢：JIS G4401)、不锈钢、磷青铜、铍-铜、钛-铜等弯曲强度较强的材料形成，由此，能够提高振动板自身的强度。另外，振动板与配重体的安装，可通过粘接、电焊、激光点焊、铆接等方式进行。
附图说明
图1为表示本发明的实施方式的加速度传感器的构成例的剖视图。
图2为设置在图1的加速度传感器的电极基板上的固定电极的配线图。
图3为表示图1的加速度传感器的振动板的形状的图。
图4为表示图1的加速度传感器的振动板与安装在振动板上的配重体的立体图。
具体实施方式
下面，基于附图对本发明的加速度传感器的优选实施方式进行说明。
本发明的实施方式的加速度传感器，在截面为コ字形、于一侧具有底部而于另一侧具有开口部的导电性的筐体之中，具有如图1所示那样的驻极体电容式麦克风(ECM)型的静电电容检测机构。如图1所示那样，为推挽式的结构，该推挽式的结构具有：使在一个面上具有被驻极体层1覆盖的固定电极的两张电极基板4的固定电极彼此对置的电极基板对；经由用于设置规定间隔的间隔件5而被夹在该电极基板对之间、作为可动电极起作用的振动板2；和重心与该振动板2的中心一致地安装的配重体3。并且，是具有ECM型的静电电容检测机构的加速度传感器，该ECM型的静电电容检测机构以通过配重体3的重心并与电极基板4正交的轴为第一轴，基于具有驻极体层1的固定电极与可动电极之间的静电电容的变化，对相互正交的上述第一轴、第二轴以及第三轴这3个轴方向的加速度进行检测。
当使上述3个轴对应于所谓的XYZ这3个轴时，通过配重体3的重心并1与电极基板4正交的第一轴为Z轴，在电极基板4与第一轴的交点处相互正交且与第一轴正交的第二轴与第三轴分别为X轴和Y轴。如图2(a)所示那样，固定电极与该XYZ轴对应地设置在电极基板4上。用于检测Z轴、即第一轴的加速度的第一固定电极4c形成为以第一轴为中心并具有比配重体3的柄部3a的直径大的内径的环形。用于检测X、Y轴、即第二轴及第三轴的加速度的第二固定电极4b及第三固定电极4a，是用相对于第二轴及第三轴成45度角的分割轴，将具有比第一固定电极4c大的直径的环形电极分别二分割而成的电极。第二轴贯通分割而成的两个第二固定电极的中央部，第三轴贯通两个第三固定电极的中央部。
如图1所示，在两张电极基板4上，都形成有覆盖固定电极4a～4c的表面的驻极体层1。并且，电极基板对形成为，使得两张电极基板4的第二电极彼此以及第三固定电极彼此相互地对置地配置。另外，在两张电极基板4之中至少一个的中央部上，设有用于使配重体3的柄部3a贯通的贯通孔7。当然，也可如图1所示那样将贯通孔7设置在两个电极基板4上。如图4所示，配重体3形成为伞状，包括圆柱状的柄部3a、和具有比该柄部3a的直径大的直径的圆盘状的主体部3b。因此，贯通孔7的直径形成为比柄部3a大且比第一固定电极4c的内径小。
这样，本实施方式的加速度传感器，在所备有的两张电极基板4中的至少一个的中央部设有配重体3的柄部3a所贯通的贯通孔7，使第二电极4b及第三电极4a彼此相互对置，经由间隔件5将振动板2夹入到两电极基板之间(电极基板对之中)。在振动板2的中央部上连接着配重体3的柄部3a的前端部，经由设置在电极基板4中的至少一个上的贯通孔7，在该一个电极基板4的不具有驻极体层1的一侧配置配重体3的主体部3b。即，在电极基板对的外侧具有配重体3的主体部3b。施加给加速度传感器的加速度由该配重体3励振，从而使振动板2位移。通过振动板2位移，固定电极4a～4c与振动板2(可动电极)之间的静电电容发生变化。通过将该变化作为电压值取出，对3个轴的加速度进行检测。
如上所述，配重体3的主体部3b位于电极基板对的外侧，能够与配重体3的大小无关地将电极基板对的间隔设置得较窄，所以，容易检测静电电容的变化。另外，在想要改变振动板2的振幅时，只要改变位于电极基板对的外侧的主体部3b的大小，就能够轻松对应。因此，在将该加速度传感器用于多种目的时的灵活性良好，也适于统一多种制品调整的情况。另外，由于由细的柄部进行配重体与振动板的连接，所以，也能够充分确保与在第一轴方向上振幅最大的振动板2的中央部对应的第一固定电极的面积。
如上所述，本实施方式为在两张电极基板4之间夹入了振动板2的、所谓的推挽型的构成。两张电极基板4具有的驻极体层1的电荷可分别具有同极电位，也可具有异极电位。
驻极体层1，由FEP(四氟乙烯-六氟丙烯共聚物)、PTFE(聚四氟乙烯)、PFA(四氟乙烯-全氟烷基乙烯基醚共聚物)等形成。其形成的方法，如例如日本特许第3387012号公报所公开的那样，通过涂敷这些氟树脂的水性分散液、然后对其进行烧结而制得。如此得到的驻极体层1，厚度约为5.0μm左右，能形成比以往熔敷FEP薄膜的情况下的12μm以上的厚度薄得多的驻极体层1。
另一方面，在电极基板4上，设有上述那样的固定电极4a～4c作为由铜箔等形成的导电图形。这样的导电图形，若是与一般的印制布线板同样地、通过蚀刻等将铜箔的导电图形设置在作为绝缘体的玻璃环氧树脂制的基材上，则具有约35μm的厚度，即使形成得特别薄也有5μm左右的厚度。因此，在基板的基材之上，铜箔的图形形成为突出的形状，特别是在如本实施方式那样将驻极体层1形成得较薄时，存在驻极体层1的层厚不均匀的情况。其结果，有时给所检测的静电电容、及作为其结果而被输出的电压带来影响。如图2(b)所示，若没有从基板的基材表面突出以及陷落的情况，即将电极图形的铜箔埋入到基材内以使表面平整，则能够使驻极体层1的层厚均匀。
这样，覆盖以铜箔形成的固定电极4a～4c地形成驻极体层1，但铜箔易氧化、变色，由此存在作为驻极体的功能降低的情况。尤其是在通过将氟树脂的水性分散液涂敷到电极基板4的表面上之后进行烧结来形成驻极体层1的情况下，铜箔部分会氧化、发黑，存在使作为驻极体的功能降低的情况。因此，在对固定电极4a～4c的铜箔进一步以镍或金等进行镀敷处理后，进行驻极体的包覆，便能够减少此类问题。
在一个面上形成有驻极体层1的电极基板4的另一个面上，根据需要，安装用于信号处理的电容器或电阻器、运算放大器等，或者用于信号输出和电源供给的连接器和配线。经由设置在电极基板4上的通孔从表面的固定电极4a～4c向这些部件传递信号。
图3为表示图1的加速度传感器的振动板2的形状的图。振动板2并不是由PET(聚对苯二甲酸乙二醇酯)、或PPS(聚苯硫醚)等的薄膜形成，而是由SK材料(碳素工具钢：JIS G4401)、不锈钢、磷青铜、铍-铜、钛-铜等弯曲强度较强的导电性金属材料形成的。通过采用强度特性良好的材料，从而能够形成下述那样的优选形状的振动板2。
如图3所示，振动板2由四个狭缝2d分割形成为：位于周边部并经由间隔件5而被固定的固定部2c；位于中央部并具有配重体3的振动部2a；在周向上等间隔地形成有多个、连结固定部2c与振动部2a的弹性支承部2b。狭缝2d，沿周向等间隔地设置，相邻的各狭缝的振动部2a一侧的端部与固定部2c一侧的端部在径向上重合。其结果，弹性支承部2b被进一步分割形成为四个，本实施方式的加速度传感器成为从分别各错开90度的方向进行支承的四点支承结构。
连结固定部2c与振动部2a的弹性支承部2b，作为扭杆支座起作用。为了获得更多的ECM产生的静电电容的变化，将振动部2a的面积设定得较大为宜。另外，希望由弹性支承部2b进行的连结均匀，振动稳定，以使得在3个轴方向中的第二轴的励振时和第三轴的励振时的、所谓XY方向上不产生输出差异。当如上述地构成时，能够将振动部2a形成为大致圆形，进而成为与XY方向对应的四点支承结构，所以，难以产生XY方向上的差异。另外，由于能够确保弹性支承部2b在周向上的长度，所以能够形成为较窄的宽度，能够确保振动部2a在振动板2中的较大面积。
另外，如图3所示，狭缝2d包括位于固定部2c侧的外轨道、位于振动部2a侧的内轨道、和连结这些外轨道与内轨道的大致S字形的连结轨道。与由弹性支承部2b连结振动部2a与固定部2c的连结部有角地构成的情况相比，能够以曲线形成该连结部，从而能够分散施加在连结部上的力的集中。因此，即使在例如在由下落等造成的过度冲击施加到加速度传感器时，振动板破损的可能性也降低，耐冲击性得以提高。
配重体3，如图4所示形成为由圆柱状的柄部3a、和具有比该柄部3a的直径大的直径的圆盘状的主体部3b构成的伞状，使该柄部3a的中心与振动板2的振动部2a的中心一致地安装到振动板2上。即，使配重体3的重心与振动板2的中心一致地安装。通过该配重体3的重心并与振动板2正交的轴为第一轴，是所谓的Z轴。即，利用配重体3使施加到加速度传感器上的冲击在XYZ方向上励振，来检测加速度。配重体3为不锈钢制，但为了进一步增大振动板2的振幅，只要使用比不锈钢的比重大的、例如钨(比重与金相同)等材料即可。作为金属板的振动板2与配重体3的安装，通过粘接、电焊、激光点焊、铆接等方式进行。
如上所述，振动板2由强度特性良好的材料形成，所以，成为对强烈冲击也具有一定程度的耐性的构成。但是，在被施加了由下落等造成的过度的加速度时，振动板2与配重体3的连接部分、和弹性支承部2b可能会损坏。因此，如图1所示，具有至少与柄部3a或主体部3b中的某一个接触以限制配重体3的过度位移的限制部件6。这样，当具有限制部件6时，在振动板2破损之前，配重体1与限制部件6接触，所以，能够得到耐冲击性优异的加速度传感器。
上面，根据本发明可提供一种以简单的构成在不使传感器灵敏度降低的情况下提高了耐冲击性的三轴加速度传感器。
本发明涉及能够对3个轴方向的加速度进行检测的加速度传感器，但若将该3个轴方向组合起来使用，则还可以作为不管哪个方向存在振动都能够对该振动进行检测的振动传感器使用。另外，能够利用于使用了该振动传感器的振动计或计步器。
Claims (6)
1.一种加速度传感器，对相互正交的3个轴方向的加速度进行检测，其包括：
电极基板对，使在一个面上具有固定电极(4c、4b、4a)的两张电极基板(4)的前述固定电极彼此对置；
振动板(2)，其经由用于设置规定间隔的间隔件(5)而被夹持在该电极基板对之间，作为可动电极起作用；和
配重体(3)，其重心与该振动板(2)的中心一致地安装；其中，
以通过前述配重体(3)的重心并与前述电极基板(4)正交的轴作为第一轴，基于前述固定电极(4c、4b、4a)与前述可动电极(2)之间的静电电容的变化，对相互正交的前述第一轴、第二轴以及第三轴这3个轴方向的加速度进行检测，其特征在于，
前述配重体(3)形成为伞形，包括圆柱状的柄部(3a)、与具有比该柄部(3a)的直径大的直径的圆盘状的主体部(3b)；
前述固定电极(4c、4b、4a)包括：第一固定电极(4c)，其是以前述第一轴为中心(O)并具有比前述柄部(3a)大的内径的环形；和第二固定电极(4b)及第三固定电极(4a)，它们是直径比前述第一固定电极(4c)大的环状电极被相对于前述第二轴及前述第三轴成45度角的分割轴分别二分割而成的；
前述电极基板(4)设置有覆盖前述固定电极(4c、4b、4a)的表面的驻极体层(1)，并且，在至少一个电极基板(4)的中央部上设置有贯通孔(7)，该贯通孔(7)的直径比前述柄部(3a)大且比前述第一固定电极(4c)的内径小；
前述配重体(3)的前述主体部(3b)设置在前述第二固定电极(4b)及前述第三固定电极(4a)彼此对置的前述电极基板对的外侧；并且，
前述配重体(3)的前述柄部(3a)经由前述贯通孔(7)连接在前述振动板(2)上。
2.如权利要求1所述的加速度传感器，其特征在于，前述固定电极(4c、4b、4a)以不从前述电极基板(4)的表面突出及陷落的方式形成。
3.如权利要求1所述的加速度传感器，其特征在于，前述固定电极(4c、4b、4a)由铜箔形成，
前述驻极体层(1)，是通过以镍或金对前述固定电极的表面进行镀敷处理、之后涂敷氟树脂的水性分散液并进行烧结而形成的，或者是通过粘贴氟类薄膜而形成的。
4.如权利要求1所述的加速度传感器，其特征在于，为了通过四个狭缝(2d)将前述振动板(2)分割形成为：位于周边部并经由前述间隔件(5)而被固定的固定部(2c)、位于中央部并具有前述配重体(3)的振动部(2a)、和在周向上等间隔地形成有多个并连结前述固定部(2c)与前述振动部(2a)的弹性支承部(2b)，
前述狭缝(2d)沿周向等间隔地设置，相邻的各狭缝(2d)的振动部(2a)侧的端部与固定部(2c)侧的端部在径向上重合。
5.如权利要求4所述的加速度传感器，其特征在于，前述狭缝(2d)包括：位于前述固定部(2c)侧的外轨道、位于前述振动部(2a)侧的内轨道、和连结前述外轨道与前述内轨道的S字形的连结轨道。
6.如权利要求1至5中任一项所述的加速度传感器，其特征在于，前述振动板(2)由碳素工具钢、不锈钢、磷青铜、铍-铜、钛-铜中的任一种构成。
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