CN1957238A - 振动传感器 - Google Patents

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Abstract

提供一种振动传感器，提高耐冲击性而不会降低灵敏度。振动传感器包括固定电极、和与该固定电极对置的面作为振动电极起作用，在与该振动电极相反侧的面上具有重量部(1)的振动板(3)，基于固定电极与上述振动板(3)之间的静电电容的变化而输出振动检测信号，具有以下的特征。振动板(3)由多个狭缝(11)分割形成为：位于中央部且备有重量部(1)的振动部(33)；位于周边部且固定振动板(3)的固定部(31)；具有窄幅的中央部(32c)，在圆周方向上等间隔地形成多个，连结振动部(33)与固定部(31)的弹性支承部(32)。多个狭缝(11)，以相邻的各狭缝的振动部侧(33)端部和固定部(31)侧端部在径向上重合的方式、沿圆周方向等间隔地设置。

Description

振动传感器
技术领域
本发明涉及振动传感器，其具有固定电极、和与该固定电极对置的面作为振动电极起作用，在与该振动电极相反侧的面上具有重量部的振动板，基于上述固定电极与上述振动板之间的静电电容的变化而输出振动检测信号。
背景技术
静电电容检测型、即驻极体电容器麦克风(以下，称为ECM)型的振动传感器广泛用于麦克风或步数计等种种用途。下述所示的专利文献1中，公开了检测骨传导振动的耳麦的技术。在该文献中，示出了以下方法：为了良好地检测称为骨传导振动的微小振动，在可动电极(相当于振动板)上加上配重(重量部)，实质上增大可动电极的质量以增大可动电极的振幅，从而提高灵敏度。此外，示出了以下方法：为了提高相对于高频振动的随动性，使可动电极为一端被固定的片状或者设置年轮状的狭缝等，从而改善频率特性。
此外，在下述所示的专利文献2中，示出了以下构成：为了良好地检测出特别是在步行时等低振频(频率)区域的振动，设置有冲击施加机构，并在由该冲击施加机构给予的冲击而振动的可动电极上设有配重。即、由冲击施加机构使低频的振动传递给可动电极，可动电极具有比检测的频率高的固有振动，由此可以良好地检测出步行时等的低频区域的振动。
此外，在下述所示的专利文献3中，公开了关于静电电容式加速度传感器的技术：通过将加速度的变化转变为电容器的电容，对加速度进行检测。由此，为了提高检测可动电极与固定电极之间的静电电容的灵敏度，构成为通过将位于可动电极与固定该可动电极的外周部之间的弹性体作成多个梁，增大可动电极的位移量。
专利文献1：特开昭59-79700号公报(图2、3、6，第1～第2页上部、第3页下左部)
专利文献2：特开平10-9944号公报(图1、0006～0019段)
专利文献3：特开平8-240609号公报(图1、6，第2～3页)
通过采用上述的构成，可以使惯性力增加来提高传感器的灵敏度。但是，若惯性力增加而使振幅也变大，则下落时等的耐冲击性受损。即、由于冲击使振动板破损或变形的可能性增高。作为该问题的对策，有为了限制重量部的过度位移而设置限制部件的方法。在该情况下，如果不使重量部与限制部件之间的间隙变窄，则不能充分得到限制的效果，仍会导致振动板的破损或变形。可是，如果使间隙过窄，则必要的振幅也受到限制，所以需要高精度地设置该间隙。因此，在组装时也需要精度，其结果，具有以下问题：组装性变差，由于组装误差等导致产品的性能偏差也变大。
特别是在专利文献3的图6所示的情况下，虽然具有对于得到弹性力来说非常理想的梁，但是该梁8以相同的宽度形成(以下，本段中的附图标记是指专利文献3的附图标记)。因此，在由于下落等而施加过度冲击的情况下，可动电极1或固定部11与梁8的接合部产生破损的可能性变大。此外，在向可动电极1的面方向施加冲击的情况下，可动电极1易于位移，容易引起梁8的破损或变形。
发明内容
本发明鉴于上述问题而提出，目的在于提供一种振动传感器，其不会降低检测振动的灵敏度，并且可以提高耐冲击性。
为了实现上述目的，本发明的振动传感器的特征构成为，包括固定电极、和与该固定电极对置的面作为振动电极起作用，在与该振动电极相反侧的面上具有重量部的振动板，基于上述固定电极与上述振动板之间的静电电容的变化而输出振动检测信号，其中，上述振动板由多个狭缝分割形成为：位于中央部且备有上述重量部的振动部；位于周边部且固定上述振动板的固定部；具有窄幅的中央部，在圆周方向上等间隔地形成多个，连结上述振动部与上述固定部的弹性支承部；上述多个狭缝，以相邻的各狭缝的振动部侧端部和固定部侧端部在径向上重合的方式、沿圆周方向等间隔地设置。
根据该特征构成，因为上述弹性支承部的中央部与两端相比较细地形成，所以可以作成如下结构：提高弹性，得到充分的振幅而提高振动传感器的灵敏度，并且即使在施加冲击的情况下，两端部也难以破损或变形。即、通过加粗弹性支承部的所谓根部部分，可以提高应力易于集中的弹性部根部部分的强度。另一方面，通过将接收冲击时也无需担心应力集中的弹性支承部的中央部做得较细，可以将易于集中在弹性部根部的应力分散到整个弹性部(整个弹性支承部)上。
在本发明的振动传感器中，优选地，上述狭缝包括：位于上述固定部侧的外轨道、位于上述振动部侧的内轨道、连结上述外轨道与上述内轨道的大致S字形的连结轨道。
若这样地构成狭缝，则可以在由沿径向相互重合的上述外轨道与上述内轨道所夹持的部分上形成上述弹性支承部。由上述外轨道的端部与上述内轨道所夹持的上述弹性支承部的一个端部、与由上述内轨道的端部与上述外轨道所夹持的上述弹性支承部的另一个端部形成在上述大致S字型的连结轨道所通过的部分上。这样，与这些弹性支承部的端部相比，上述弹性支承部的中央部构成为具有较窄的宽度。因此，可以作成如下结构：得到充分的振幅而提高振动传感器的灵敏度，并且即使在施加冲击的情况下，也难以破损或变形。
在本发明的振动传感器中，优选地，上述狭缝由从上述固定部侧朝向上述振动部的中心的螺旋轨道形成。
螺旋轨道中，越靠近中心部，轨道的曲率越大(曲率半径变小)，越靠近周边部，轨道的曲率越小(曲率半径变大)。即、由螺旋轨道形成的上述狭缝中，振动部侧的端部更靠近中心侧，而固定部侧的端部更向周边部扩展。因此，各狭缝的振动部侧的端部或固定部侧的端部，与分别在相邻的狭缝之间形成的各弹性支承部的振动部侧的端部或固定部侧的端部相比，各弹性支承部的中央部形成为具有较窄的宽度。此外，在该情况下，因为狭缝由一连串的曲线轨道形成，所以相对于向上述振动板的面方向的冲击的抗应变力也变强。因此，可以作成以下结构：得到充分的振幅而提高灵敏度，并且即使在施加冲击的情况下也不易破损或变形。
在本发明的振动传感器中，优选地，上述狭缝包括位于上述固定部侧的外轨道、位于上述振动部侧的内轨道、以径向的轨道将上述外轨道与上述内轨道连结成卡环型的连结轨道。
根据该构成，则因为以径向的轨道将上述外轨道与上述内轨道连结成卡环型，所以例如可以用具有分别不同的直径的圆弧等来形成上述外轨道与上述内轨道。因此，可以简单地设计狭缝的形状，也容易计算形成的弹性支承部的弹性或强度。
在本发明的振动传感器中，优选地，上述振动板由不锈钢、钨、42合金、钛-铜合金、铍-铜合金、SK材料中的任一种构成。
若使用不锈钢、钨、42合金等材料，则可以构成加工性或处理性好、得到良好振幅的上述振动板。若使用钛一铜合金、铍一铜合金、SK材料等，则强度进一步变强，耐下落冲击性能提高。其结果，可以得到以下振动传感器：得到充分的振幅而提高灵敏度，并且即使在施加冲击的情况下也不易破损或变形。
附图说明
图1是表示本发明的振动传感器的一例的立体图。
图2是表示本发明的振动传感器的一例的剖视图。
图3是表示分割形成本发明的振动传感器的振动板的第一例的图。
图4是表示分割形成本发明的振动传感器的振动板的第二例的图。
图5是表示分割形成本发明的振动传感器的振动板的第三例的图。
图6是表示本发明的振动传感器的其他例的立体图。
图7是表示本发明的振动传感器的其他例的剖视图。
附图标记说明
1  重量部
3  振动板(31固定部、32弹性支承部(32c中央部)、33振动部)
11 狭缝
具体实施方式
以下，基于附图说明本发明的实施方式。图1是表示本发明的振动传感器的一例的立体图。图2是图1所示的振动传感器的剖视图。如图1及图2所示，本发明的一个实施方式的振动传感器包括：固定电极4，在壳体5的内表面上形成有驻极体层6；振动板3，与该固定电极4对置的面作为振动电极起作用，在与该振动电极相反侧的面上设有重量部1。重量部1在与振动板3的面正交的方向上位移，基于固定电极4与振动板3之间的静电电容的变化而输出振动检测信号。进而，构成为具有与重量部1接触以限制重量部的位移量的限制板(限制部件)2。
上述固定电极4设在筒状的壳体5的底部，壳体5在内表面上形成有驻极体层6且一端开放。在该底部安装有环状的树脂制隔件7与振动板3，利用该隔件7的厚度设置检测静电电容变化的电容器部的既定间隔。在振动板3上安装重量部1，依次重叠有：可以限制重量部1向振动板3的面方向(以下称为横向)的位移的限制环8、可以限制重量部1向与振动板3的面正交的方向(以下称为纵向)位移的限制板2、以及调节环9。然后，用安装有振动检测信号的输出电路的基板10作为盖子固定在壳体5上，从而成为组装好振动传感器的结构。在该结构中，振动板3的周围被隔件7与限制环8夹持而固定支承。此外，壳体5、限制环8、调节环9由金属制成。此外，限制环8兼有膨胀环的作用，用于形成使在与振动板3的面正交的方向上位移的重量部1可得到充分振幅的间隔。此外，限制板2具有孔12，以使在重量部1沿纵向位移时，存在于限制板与重量部1之间的空气可以良好地排出。
图3是表示分割形成本发明的振动传感器的振动板的一例的图。如图3所示，振动板3被多个狭缝11分割形成为：位于中央部且备有重量部1的振动部33、位于周边部且固定振动板3的固定部31、连结振动部33与固定部31的弹性支承部32。该弹性支承部32形成为梁状体，包括：作为与固定部31的边界部分的一个端部32a、作为与振动部33的边界部分的另一个端部32b、位于这两个端部之间且比这两个端部窄的中央部32c。弹性支承部32通过如下设置各狭缝而在圆周方向上等间隔地形成多个：沿圆周方向等间隔地设置各狭缝，使各狭缝从固定部31向振动部33连续、相邻的各狭缝的固定部侧部分和振动板侧部分在径向上重合。
若这样地形成弹性支承部32，则可以得到以下结构：使振动板3得到充分的振幅而提高灵敏度，并且即使在施加冲击的情况下也不易破损或变形。振动板3的振幅、即振动部33的振幅由该梁状体的弹性支承部32的中央部32c的弹性产生。因此，为了更多地得到该弹性效果，弹性支承部优选地细长地形成。但是，因为弹性支承部32、与固定部31或振动部33的边界部分即弹性支承部32的端部32a及32b作为弹性运动的弹性支承部32的支点起作用，所以优选地形成为可保持某种程度的强度。因此难以引起由振动导致的龟裂等破损、或由扭转等导致的变形。因此，使弹性支承部32的中央变细，使弹性支承部32的中央部32c较多地负担变形。即、作成弹性支承部32的中央部32c比两端部32a及32b窄地形成的狭缝形状，由此使振动板3更多地得到弹性效果，并且可提高强度，长时间地得到良好的振幅。
此外，在本例中，在圆周方向上设置3个弹性支承部32，即使在重量部1的振动方向相对于与振动板3的面垂直的方向成为斜向的情况下，振动部33也难以以振动板3的径为轴而引起过度摆动。例如，在本例的振动传感器下落、筒状的壳体5的侧壁部或壳体5与基板10的接合部即角部撞到地面等上的情况下，在相对于与振动板3的面垂直的方向倾斜的方向上受到冲击。其结果，安装于振动板3的重量部1在相对于与振动板3的面垂直的方向成为斜向的方向上振动。若弹性支承部32的配置相对于振动板3的直径而线对称，则振动传感器以与受到的冲击的方向垂直的直径为轴，振动部33较大地摆动。
但是，在本例中，因为在圆周方向上设有3个弹性支承部32，所以弹性支承部32并不以振动板3的直径为轴而线对称配置。因此，相对于振动板3的直径非对称配置的各个弹性支承部32起到与以振动板3的直径为轴的摆动相抗衡的作用。其结果，可良好地防止振动板3的破损或变形。即、如图3所示，若设置3个或3个以上的奇数个狭缝11，设置3个或3个以上的奇数个弹性支承部32，则可以得到如下的振动板3：充分得到用于提高振动传感器的灵敏度的振幅，耐冲击性也变强。
图3的示例中，狭缝11包括：位于固定部31侧的外轨道、位于振动部33侧的内轨道、连结这些外轨道与内轨道的大致S字形的连结轨道。但是狭缝11的形状并不限于此，也可以如图4所示，由从固定部31侧朝向振动部33的中心的螺旋轨道形成。螺旋轨道中，越靠近中心部，轨道的曲率越大(曲率半径变小)，越靠近周边部，轨道的曲率越小(曲率半径变大)。即、由螺旋轨道11形成的狭缝11中，振动部33侧的端部更靠近中心侧，而固定部31侧的端部更向周边部扩展。因此，各狭缝的振动部侧的端部或固定部侧的端部，与分别在相邻的狭缝之间形成的各弹性支承部32的振动部侧的端部32b或固定部侧的端部32a相比，各弹性支承部32的中央部32c形成为具有较窄的宽度。此外，在该情况下，因为狭缝11由一连串的曲线轨道形成，所以相对于向振动板3的面方向的冲击的抗应变力也变强。因此，可以作成以下结构：得到充分的振幅而提高灵敏度，并且即使在施加冲击的情况下也不易破损或变形。
此外，如图5所示，狭缝11构成为包括位于固定部31侧的外轨道、位于振动部33侧的内轨道、以径向的轨道将这些外轨道与内轨道连结成卡环(clasp)型的连结轨道。若这样地构成，则因为以径向的轨道将外轨道与内轨道连结成卡环型，所以例如可以用具有分别不同的直径的圆弧等来形成外轨道与内轨道。可以简单地设计狭缝的形状，也容易计算形成的弹性支承部的弹性或强度。
上述振动板3可使用不锈钢、钨、42合金、钛-铜、铍-铜、SK材料等。特别是在不需要抗下落冲击的耐性的情况下，只要得到振幅，则使用上述某一种金属材料都可以。相反地，在比较需要抗下落冲击的耐性的情况下，使用钛-铜、铍-铜、SK材料等较硬的材料为宜。在使用这样的材料的情况下，因为向振动板3的面方向上的振动较小，所以限制该振动的限制环8变得仅起到作为膨胀环的功能。其结果，可以减小限制环8在径向上的厚度，实现成本降低或振动传感器的轻质化。
此外，如图6、7所示，重量部1可以在中央具有孔13而形成为环状。此时，与例如重量部1呈圆柱状地形成时相比，以相同质量的重量部1可以在振动板3的径向上较广地安装重量部1。其结果，在随着重量部1以振动板3的直径为轴过度摆动而产生位移时，因为在直径的更靠外侧与限制板2接触，所以可以减小振动板3的摆动角度。其结果，可以适宜地抑制重量部1的过度位移，防止振动板3的破损或变形。
这样，根据本发明，可提供提高耐冲击性而不会降低灵敏度的振动传感器。
本发明可使用在检测振动的振动传感器、检测加速度的加速度传感器、组装入这些传感器的振动检测装置、加速度检测装置、步数计等中。

Claims (5)

1.一种振动传感器，包括固定电极、和与该固定电极对置的面作为振动电极起作用，在与该振动电极相反侧的面上具有重量部的振动板，基于上述固定电极与上述振动板之间的静电电容的变化而输出振动检测信号，其特征在于，
上述振动板由多个狭缝分割形成为：位于中央部且备有上述重量部的振动部；位于周边部且固定上述振动板的固定部；具有窄幅的中央部，在圆周方向上等间隔地形成多个，连结上述振动部与上述固定部的弹性支承部；
上述多个狭缝，以相邻的各狭缝的振动部侧端部和固定部侧端部在径向上重合的方式、沿圆周方向等间隔地设置。
2.如权利要求1所述的振动传感器，其特征在于，上述狭缝包括：位于上述固定部侧的外轨道、位于上述振动部侧的内轨道、连结上述外轨道与上述内轨道的大致S字形的连结轨道。
3.如权利要求1所述的振动传感器，其特征在于，上述狭缝由从上述固定部侧朝向上述振动部的中心的螺旋轨道形成。
4.如权利要求1所述的振动传感器，其特征在于，上述狭缝包括位于上述固定部侧的外轨道、位于上述振动部侧的内轨道、以径向的轨道将上述外轨道与上述内轨道连结成卡环型的连结轨道。
5.如权利要求1～4的任一项所述的振动传感器，其特征在于，上述振动板由不锈钢、钨、42合金、钛-铜合金、铍-铜合金、SK材料中的任一种构成。
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