JP2005098726A - 振動センサ - Google Patents

Abstract

【課題】 本発明は、より薄型で、且つ、耐衝撃性に優れた振動センサを実現することを目的とする。
【解決手段】 固定電極と固定電極に対向して配置される振動電極３との間の静電容量の変化を振動信号として出力可能な振動センサに於いて、振動電極３は、同一の板部材にスリット３ａを設けて、自重のみによって振動変位する中央側の振動膜部３ｂと、周辺側に位置する固定部３ｃと、振動膜部３ｂと固定部３ｃとを連結する弾性支持部３ｄとが形成されている。
【選択図】 図２

Description

本発明は、静電容量型の振動センサ、特に、固定電極と前記固定電極に対向して配置される振動電極との間の静電容量の変化を振動信号として出力可能な振動センサに関する。

歩数計、微小振動計、精密機器用の振動センサ、カメラの手ぶれ防止機能用の振動センサ等に用いられる静電容量型の振動センサでは、従来、振動電極を、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）やポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）等のフィルムで構成するとともに、より大きな振幅の信号を得るため、フィルムの中央部に重りを設けていた（例えば、特許文献１参照）。

また、別の従来技術として、板部材にスリットを設けて、振動変位する振動膜部を形成するとともに、当該振動膜部に重りを付設させた振動センサが提案されている（例えば、特許文献２参照）。尚、この振動センサのスリットは、環状に形成されたスリットと、中心点から外方へ向かう放射状のスリットからなる。
特開昭５９−７９７００号公報 特開平９−４９８５６号公報

しかしながら、特許文献１及び特許文献２に記載の振動センサは、振動電極に重りを設ける構成であるため、重りを設ける空間が必要となって、振動センサの薄型化を困難にしている。また、この重りが原因となって、振動センサが落下した場合や外部から激しい衝撃が加わった場合に、振動電極が変形したり、破損する等して、出力信号が得られなくなったり、小さくなったりする等の欠点があった。

本発明は上記の問題に鑑みてなされたものであり、その目的は、微小振動を検出する静電容量型の振動センサに於いて、より薄型で、且つ、耐衝撃性に優れた振動センサを実現する点にある。

〔特徴構成１〕
この目的を達成するための本発明に係る振動センサの第一特徴構成は、固定電極と前記固定電極に対向して配置される振動電極との間の静電容量の変化を振動信号として出力可能な振動センサであって、前記振動電極は、同一の板部材にスリットを設けて、自重のみによって振動変位する中央側の振動膜部と、周辺側に位置する固定部と、前記振動膜部と前記固定部とを連結する弾性支持部とが形成されている点にある。

本特徴構成によれば、振動電極にスリットを設けて形成される弾性支持部にバネとしての機能を持たせ、中央側の振動膜部が自重のみによって振動変位するように構成したので、重りを設けずとも所望の振幅が得られる。また、外部から加わる衝撃がバネ構造の弾性支持部に吸収されるので、耐衝撃性も向上させることができる。特に、振動電極の周方向の衝撃に対しては、振動電極のスリットが緩衝材の役目を果たし衝撃を緩和することが可能である。その結果、重りを設けるための空間を不要として、より薄型で、且つ、耐衝撃性に優れた振動センサを得ることができる。

〔特徴構成２〕
同第二特徴構成は、前記板部材は、ステンレス、タングステン、Ｔｉ−Ｃｕ合金、Ｂｅ−Ｃｕ合金の何れかで構成される点にある。

即ち、本特徴構成によれば、従来のＰＥＴやＰＰＳに換えて、比重７．８のステンレス（ＳＵＳ３０４）や比重１６のタングステン等、比重が重く曲げ強度の強い材料を用いるので、振動膜部の自重のみによって所望の振幅が得られ、且つ、耐衝撃性を向上させることができる。従って、本特徴構成の如く構成することにより、良好な出力信号を得られると共に、耐衝撃性に優れた振動センサの実用的な実施形態が得られる。

〔特徴構成３〕
同第三特徴構成は、前記板部材は、３０μｍから５０μｍの板厚を有する点にある。

本特徴構成によれば、板厚を従来の振動電極（振動膜）の膜厚（例えば、３μｍから４μｍ程度）より厚く設定するので、板部材の曲げ強度、耐衝撃度を向上させることができる。また、重りを設けなくても、振動膜部の重さを良好な出力信号が得られる重さに設定することができる。

〔特徴構成４〕
同第四特徴構成は、前記振動膜部は、円形に形成され、前記弾性支持部は、一端側が前記振動膜部に連接し且つ他端側が前記固定部に連接した円弧状の細幅体に形成されて、前記振動膜部の外周に沿って等間隔で複数個配置されている点にある。

即ち、本特徴構成の如く構成することにより、円弧状の細幅体によって弾性変形可能なバネ部材を構成するので、弾性支持部を簡易な構造で形成することができ、振動電極の製作を容易にすることができる。

また、円弧状の細幅体（バネ部材）を振動膜部の外周に等間隔に配置するので、弾性支持部に均等に負荷がかかり、振動膜部が平行状態で変位し、安定した出力が得られる。特に、３個の細幅体を配置する３点支持構造とすれば、振動膜部の変位を大きくして、センサ出力を大きくすることができる。

〔特徴構成５〕
同第五特徴構成は、前記弾性支持部が、前記振動膜部の外周側の一箇所と当該箇所に隣接する前記固定部とを接続する梁状体に形成されている点にある。

即ち、本特徴構成によれば、振動膜部を１点支持（片持ち）構造とするので、振動膜部の変位時に固定電極と振動膜部とが面接触することがない。特に、固定電極の振動電極との対向面にエレクトレット部材が形成されている場合には、エレクトレット部材の電荷により、振動膜部がエレクトレット部材に吸着し易くなるが、本特徴構成の如く構成することにより、エレクトレット部材への振動膜部の吸着を効果的に防止することができる。

以下、本発明に係る振動センサの実施形態を図面に基づいて説明する。
先ず、本発明の第一実施形態について説明する。
本発明に係る振動センサ１は、図１及び図２に示すように、固定電極２と固定電極２に対向して配置される振動電極３との間の静電容量の変化を振動信号として出力可能な振動センサであって、振動電極３は、同一の板部材にスリット３ａを設けて、自重のみによって振動変位する中央側の振動膜部３ｂと、周辺側に位置する固定部３ｃと、振動膜部３ｂと固定部３ｃとを連結する弾性支持部３ｄとが形成されている。そして、図３に示すように、出力側に増幅回路１１としてオペアンプを備えている。また、本発明は、フロントタイプとバックタイプの何れにも適用できる。

フロントタイプの振動センサ１は、図１（ａ）に示すように、固定電極２が、エレクトレット部材４が内面に形成された断面コの字型のケース部材７の底部部分によって構成され、このケース部材７の底部に、リング状のスペーサ６、振動電極３、振動電極リング５を順次重ねた後、回路基板８で蓋をしてケース部材７に止め付け、振動センサを組み立てる構造になっている。固定電極２はケース部材７を介して回路基板８と接続され、振動電極３は振動電極リング５を介して回路基板８と接続されている。

バックタイプの振動センサ１は、図１（ｂ）に示すように、ケース部材７の底部に、振動電極リング５、振動電極３、スペーサ６、エレクトレット部材４付きの固定電極２、背極ホルダ１０及びゲートリング９を順次重ねた後、回路基板８で蓋をしてケース部材７に止め付け、振動センサを組み立てる構造になっている。この構造に於いて、固定電極２は、絶縁体で構成された背極ホルダ１０によって周囲部分を挟まれて固定支持されている。固定電極２はゲートリング９を介して回路基板８と接続され、振動電極３は振動電極リング５及びケース部材７を介して回路基板８と接続されている。

尚、耐衝撃度向上のため、フロントタイプ、バックタイプ共に、振動電極リング５の厚みが薄く設定されており、振動センサ１の薄型化に寄与している。また、増幅回路１１は、回路基板８に内蔵する構成としても良いし、内蔵しない構成としても良い。

振動電極３は、例えば、ＳＵＳ３０４（ステンレス）で構成され、その板厚は、３０μｍから５０μｍに設定されている。また、振動電極３は、同一の板部材にスリットを設けて、振動膜部３ｂと固定部３ｃと弾性支持部３ｄとを形成するので、プレス加工やエッチング等により簡易に作成することができる。

振動膜部３ｂは、円形に形成されており、振動を良好に検知し所望の振幅が得られる重さとなるようにその面積が設定されている。弾性支持部３ｄは、一端側が振動膜部３ｂに連接し且つ他端側が固定部３ｃに連接した円弧状の細幅体に形成されて、振動膜部３ｂの外周に沿って等間隔で複数個配置されている。本実施形態では、特に、同一形状の弾性支持部３ｄを振動膜部３ｂの外周に等間隔に３個配置する３点支持構造を取っているので、振動膜部３ｂの変位を大きくしてセンサ出力を大きくすることができる。尚、本実施形態では、振動センサ１の安定性等を考慮して、弾性支持部３ｄの数を３個形成したが、その数は任意に構成してよい。

ここで、本実施形態の振動センサ１は、１．５ｍの高さより、筐体に固定した状態で６方面につき各１回の落下試験を行い、振動センサ１、特に振動電極３が破損しないことを確認している。また、直径約φ４に設定されている振動電極３の膜厚は３０μｍが適しており、直径約φ６に設定された振動電極３の膜厚は５０μｍが適している。尚、直径約φ４の振動電極３の膜厚は５０μｍに設定してもよいが、出力信号が小さくなる。

図４に、厚み３０μｍ、直径約φ４に設定された振動電極３と、厚み５０μｍ、直径約φ６に設定された振動電極３の２種類の振動電極３を有する振動センサ１について、共振周波数（Ｈｚ）と、低周波数振動（２．５Ｈｚと１．７５Ｈｚ）条件での出力電圧を示している。ここで、増幅回路１１の増幅段利得は１６に設定されており、電源電圧は３Ｖに設定されている。

次に、本発明の第二実施形態について、図５を基に説明する。
本実施形態では、振動膜部３ｂを円形に形成し、振動膜部３ｂの外周側の一箇所と当該箇所に隣接する固定部３ｃとを接続する梁状体の弾性支持部３ｄを形成している。詳細には、一部を除いて円形のスリット３ａを形成し、更に、その両端夫々に内側に向かって直線上のスリット３ａを形成している。本実施形態では、弾性支持部３ｄを一箇所に形成して片持ち梁構造としたので、振動膜部３ｂは平行に変位せず、振動電極３のエレクトレット部材４への吸着を防止することができる。

本発明の第三実施形態について、図６を基に説明する。
本実施形態では、第二実施形態と同様に、振動膜部３ｂを円形に形成し、振動膜部３ｂの外周側の一箇所と当該箇所に隣接する固定部３ｃとを接続する梁状体の弾性支持部３ｄを形成する。本実施形態では、一部を除いて円形のスリット３ａを形成している。このため、スリット３ａの形状を簡素化し、より簡易な構造で本発明に係る振動センサ１を実現することができる。

尚、上記第一実施形態から第三実施形態では、板部材をＳＵＳ３０４（ステンレス）で構成したが、タングステン、Ｔｉ−Ｃｕ合金、Ｂｅ−Ｃｕ合金等、比重が大きく、曲げ強度の強い材料で構成してもよい。

本発明に係る振動センサの一実施形態を示す断面図 本発明に係る振動センサの振動電極の一例を示す模式図 本発明に係る振動センサ及び周辺回路を表す配線図 本発明に係る振動センサの共振周波数及び出力電圧の一例を示す図 本発明に係る振動センサの振動電極の変形例を示す模式図 本発明に係る振動センサの振動電極の変形例を示す模式図

符号の説明

１ 振動センサ
２ 固定電極
３ 振動電極
４ エレクトレット
５ 振動電極リング
６ スペーサ
７ ケース部材
８ 回路基板
９ ゲートリング
１０ 背極ホルダ
１１ 増幅回路

Claims (5)

1. 固定電極と前記固定電極に対向して配置される振動電極との間の静電容量の変化を振動信号として出力可能な振動センサであって、
   前記振動電極は、同一の板部材にスリットを設けて、自重のみによって振動変位する中央側の振動膜部と、周辺側に位置する固定部と、前記振動膜部と前記固定部とを連結する弾性支持部とが形成されている振動センサ。
2. 前記板部材は、ステンレス、タングステン、Ｔｉ−Ｃｕ合金、Ｂｅ−Ｃｕ合金の何れかで構成される請求項１に記載の振動センサ。
3. 前記板部材は、３０μｍから５０μｍの板厚を有する請求項１または２に記載の振動センサ。
4. 前記振動膜部は、円形に形成され、前記弾性支持部は、一端側が前記振動膜部に連接し且つ他端側が前記固定部に連接した円弧状の細幅体に形成されて、前記振動膜部の外周に沿って等間隔で複数個配置されている請求項１から３の何れか一項に記載の振動センサ。
5. 前記弾性支持部が、前記振動膜部の外周側の一箇所と当該箇所に隣接する前記固定部とを接続する梁状体に形成されている請求項１から３の何れか一項に記載の振動センサ。

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