JP2007232512A - 静電容量型加速度センサ - Google Patents

Abstract

【課題】大きな衝撃を受けてもダイヤフラムが背極板に接触することが確実に抑えられ、その結果、感度の低下やセンサ出力異常等の不具合が生じず、耐久性および信頼性の高い静電容量型加速度センサを提供する。
【解決手段】ダイヤフラム３０と背極板５０との間にスペーサ４０を介在させてコンデンサ部Ｃを構成する。スペーサ４０は、ダイヤフラム３０の固定部３１を拘束する上側リング４１と、この上側リング４１と外径が同じで内径が小さい下側リング４２を重ね合わせたもので、重畳部である厚肉外周部４３でダイヤフラム３０と背極板５０との間隔を確保する。下側リング４２の内周縁部である薄肉内周部４４にダイヤフラム３０の振動部３２を当接させることで、振動部３２が背極板５０に接触することを抑える。
【選択図】図５

Description

本発明は、ダイヤフラムの振動による静電容量変化に基づいて加速度を検出する静電容量型加速度センサに関する。

上記静電容量型加速度センサは、各種精密機器用の振動センサとして用いられており、例えば、地震検知器、盗難防止装置、歩数計等に具備されている。その構造は、振動板（以下、ダイヤフラムと称する）に背極板を対向配置させてコンデンサ部を構成し、このコンデンサ部の静電容量の変化を電気信号に変換して出力するといったものが一般的である（特許文献１，２等）。

特開２００２−１４２２９５号公報 特開２００５− ４５４１０号公報

従来の静電容量型加速度センサにおいては、コンデンサ部のダイヤフラムと背極板との間に、ダイヤフラムの振動空間を確保するなどの目的で、スペーサを介在させている。しかしながら、落下するなどによって該センサが大きな衝撃を受けた場合、ダイヤフラムが背極板に接触するおそれがあった。背極板のダイヤフラム側の面には、ダイヤフラムが振動した際に発生する静電容量変化を検知するエレクトレット層（静電気帯電層、通常、ＦＥＰフィルムからなる）が形成されており、このエレクトレット層にダイヤフラムが直接接触すると、エレクトレット層に存在するチャージ電圧量が変化して感度が低下したり、エレクトレット層が損傷してセンサ出力異常等の不具合が生じたりして、性能の低下を招来することになる。

よって本発明は、大きな衝撃を受けてもダイヤフラムが背極板に接触することが確実に抑えられ、その結果、感度の低下やセンサ出力異常等の不具合が生じず、耐久性および信頼性の高い静電容量型加速度センサを提供することを目的としている。

本発明は、ダイヤフラムと、このダイヤフラムにスペーサを介して対向配置された背極板とを含み、ダイヤフラムの振動を静電容量変化に変換するコンデンサ部と、このコンデンサ部で変換した静電容量変化を電気信号に変換するインピーダンス変換素子を含む回路基板と、コンデンサ部と回路基板とを電気的に接続する導通部と備えた静電容量型加速度センサにおいて、スペーサは、ダイヤフラムが背極板に接触することを抑えるストッパ部を有することを特徴としている。

本発明によれば、コンデンサ部を構成するダイヤフラムと背極板との間に介在するスペーサは、ダイヤフラムの振動空間を確保するのみならず、ストッパ部によってダイヤフラムが背極板に接触することを抑える機能を果たす。落下などによって当該センサが大きな衝撃を受けてダイヤフラムが背極板側に大きく撓んだ際、ストッパ部にダイヤフラムが当接することにより、ダイヤフラムがそれ以上背極板側に撓むことが規制される。このような作用により、ダイヤフラムが背極板に接触することが確実に抑えられる。本発明のスペーサは、上記ストッパ部を有するものであるが、このストッパ部の他に、ダイヤフラムと背極板との間隔を被衝撃時も常に保つためのスペーサ部を別に有する形態を含む。

本発明のコンデンサ部を構成するダイヤフラムは、ケース等に拘束される固定部と、この固定部の内側に配されて静電容量の変化に実際に寄与する振動部と、この振動部を固定部に弾性的に連結する梁部とを備えた構成を一具体例とする。ダイヤフラムがこのような構成である場合、スペーサ側は、ストッパ部が、少なくともダイヤフラムの梁部と背極板との間に介在しており、梁部がストッパ部に当接することで、振動部が背極板に接触することが抑えられる構成とされる。

また、スペーサ部およびストッパ部を備えたスペーサにおいては、これらスペーサ部およびストッパ部がいずれも環状に形成されており、さらに、ストッパ部の内径がスペーサ部の内径よりも小さく、また、ストッパ部は背極板側に配され、スペーサ部はダイヤフラム側に配されている構成も、本発明の一具体例とされる。さらに、スペーサのスペーサ部およびストッパ部は、それぞれが別体の環状部材からなるものであってもよく、また、両者が一体に形成されたものであってもよい。

本発明の静電容量型加速度センサによれば、コンデンサ部のダイヤフラムと背極板との間に介在するスペーサのストッパ部によって、ダイヤフラムが背極板に接触することが確実に抑えられ、その結果、感度の低下やセンサ出力異常等の不具合が生じず、耐久性および信頼性が向上するといった効果を奏する。

以下、図面を参照して本発明を具体化した一実施形態を説明する。
図１は一実施形態に係る静電容量型加速度センサ（以下、加速度センサと略称）の断面図であり、図２は分解斜視図である。これら図に示すように、この加速度センサは、薄型円筒状のケース１０を有しており、このケース１０内には、ダイヤフラムリング２０、ダイヤフラム３０、スペーサ４０Ａ、背極板５０、絶縁性ブッシュ６０および回路基板７０が、この順で上から重ねられ、さらに、導通リング８０が絶縁性ブッシュ６０の内側に配された状態に組み込まれている。

ケース１０は、天板部１１と周壁部１２とを有し、かつ、下方が開口する円筒状であり、天板部１１の中心には透孔１３が形成されている。ケース１０は、例えばアルミニウム等からなる金属板のプレス成形等によって成形されている。

ダイヤフラムリング２０、ダイヤフラム３０、スペーサ４０Ａおよび背極板５０により、コンデンサ部Ｃが構成される。ダイヤフラムリング２０は、全体が円盤状であって、図２に示すように、主体をなす円盤部２１の周縁に、下方に屈曲する段部２２を介してフランジ部２３が形成されたもので、円盤部２１の裏側に浅い凹所２４が形成されている。ダイヤフラムリング２０は、例えばリン青銅等からなる金属板のプレス成形等によって成形され、ケース１０内に収容された状態では、円盤部２１の上面やフランジ部２３の周縁がケース１０の内面に接触する。ダイヤフラム３０はダイヤフラムリング２０に固着され、両者は一体の部品とされる。

そのダイヤフラム３０は、図２および図３に示すように、全体が厚さ５０〜１００μｍ程度のステンレス等の金属製の薄い円盤状部材であって、環状の固定部３１と、この固定部３１の内側に配された円盤状の振動部３２と、この振動部３２を固定部３１に弾性的に連結する複数の梁部３３とから構成されている。図３の斜線部分は梁部３３であって、この梁部３３は、円弧状リング部３３ａと、これら円弧状リング部３３の両端部から固定部３１と振動部３２とに互い違いに架け渡された連結部３３ｂとからなっており、ダイヤフラム３０の中心を対称点とした点対称に形成されている。梁部３３は、ダイヤフラム３０自身と同心状の円弧状の２重のスリット、すなわち外周側の複数の半円弧状スリット３４と内周側の同数の半円弧状スリット３５と、外周側および内周側の半円弧状スリット３４，３５の端部をそれぞれ互い違いに連通する連通スリット３６とが形成されることにより、形成されている。なお、複数の梁部３３は周方向に分割されているが、その数は任意であり、図２では梁部３３は２つ、図３では梁部３３が３つの場合を示している。

ダイヤフラム３０においては、固定部３１が固定された状態で、梁部３３が連結部３３ｂを支点として軸方向に撓むように弾性変形し、これによって振動部３２が軸方向に振動するようになされている。振動部３２は、振動しない状態では固定部３１と同じ高さに位置する。ダイヤフラムリング２０とダイヤフラム３０の外径および内径に関しては、外径が互いに同じでケース１０の内径とほぼ同じであり、内径は、ダイヤフラム３０の固定部３１の内径がダイヤフラムリング２０のフランジ部２３の内径よりも小さい。したがって、図１に示すように、ダイヤフラム３０の固定部３１の内周縁部３１ａはダイヤフラムリング２０のフランジ部２３の内側に出ており、これによって梁部３３は自由な弾性変形が許容されている。

スペーサ４０Ａは、同じ厚さの薄い板材からなる環状の上側リング４１と下側リング４２とが組み合わされて構成される。上側リング４１は、外径および内径がダイヤフラムリング２０のフランジ部２３と同じであり、ダイヤフラム３０の固定部３１の下面に密着される。一方、下側リング４２は、外径は上側リング４１と同じであるが、内径は上側リング４１よりも小さく、図４に示すようにダイヤフラム３０の振動部３２の外径よりもやや小さく設定されている。上下のリング４１，４２によってスペーサ４０Ａが構成され、これらリング４１，４２は外径が同じであるが、下側リング４２の方が内径が小さいため、幅が大きく設定されている。スペーサ４０Ａは、下側リング４２が背極板５０側（下側）に配され、この下側リング４２のダイヤフラム３０側（上側）に上側リング４１が重ねられ、ダイヤフラム３０と背極板５０との間に挟まれる。

コンデンサ部Ｃを構成する上記ダイヤフラムリング２０、ダイヤフラム３０およびスペーサ４０Ａ（上側リング４１および下側リング４２）の外径は、概ね同じであってケース１０の内径とほぼ同じサイズに設定されている。そして、同じくコンデンサ部Ｃを構成する背極板５０の外径は、ダイヤフラムリング２０、ダイヤフラム３０およびスペーサ４０Ａの外径よりも小さく設定されている。その背極板５０は、図１に示すように、ダイヤフラム３０よりも厚い円盤状の金属板（例えばステンレス鋼板製）５１の上面に、エレクトレット層５２が形成されてなるものである。エレクトレット層５２は、厚さ２５μｍ程度のＦＥＰ（フッ化エチレンプロピレン）フィルムを金属板５１の上面に熱溶着することにより形成されている。エレクトレット層５２にはコロナ放電等によって分極処理が施され、これによって所定の表面電位（例えば−３６０Ｖ程度）が付与されている。

金属板５１の中心の周囲であって、ダイヤフラム３０の振動部３２に対向する領域には、エレクトレット層５２で覆われない複数（この場合４つ）の貫通孔５３が、周方向に等間隔をおいて形成されている。これら貫通孔５３は、基板本体７１と導電リング８０と背極板５０とにより囲まれた空間である背気室に連通されている。これにより、ダイヤフラム３０の背面空間を確保することができ、ダイヤフラム３０の動作抵抗を低減させることができる。

絶縁性ブッシュ６０は、ケース１０の内径とほぼ同じ外径を有する円筒状部材であって、図１に示すように、両端の開口の内周側には、同じサイズの環状の段部６１が形成されている。これら段部６１の内径は背極板５０の外径とほぼ同じで、段部６１の軸方向長さは背極板５０の厚さと同じか、やや小さいサイズに設定されている。この絶縁性ブッシュ６０は、例えばＡＢＳ（アクリルニトリル ブタジエン スチレン）樹脂等の絶縁性合成樹脂や、エラストマ等によって形成されている。

上記絶縁性ブッシュ６０の内側に、導通リング（導通部）８０が配される。この導通リング８０は、金属製（例えばステンレス鋼製）の薄型円筒状部材であって、その外径は絶縁性ブッシュ６０の内径とほぼ同じであり、高さは絶縁性ブッシュ６０と同程度とされている。導通リング８０は、絶縁性ブッシュ６０の内側に、外周面が絶縁性ブッシュ６０の内周面に接触する状態に嵌め込まれる。

回路基板７０は、ケース１０の内径とほぼ同じサイズの外径を有する円盤状の基板本体７１の上面にＦＥＴ（電界効果トランジスタ）チップ７２が実装されてなるもので、基板本体７１の両面には、図示せぬ各種導電パターンが形成されている。ＦＥＴチップ７２は、ダイヤフラム３０と背極板５０との間の静電容量すなわちコンデンサ部Ｃの静電容量の変化を電気信号に変換するインピーダンス変換素子であり、回路基板７０の上面の導電パターン上に実装されている。

基板本体７１には、２本の端子ピン：出力端子ピン７３とアース端子ピン７４が実装されている。いずれの端子ピン７３，７４も軸部の上端部に頭部を有した形状であり、頭部が基板本体７１に嵌め込まれた状態で基板本体７１に実装されている。これら端子ピン７３，７４のうち、出力端子ピン７３は、基板本体７１の上面側に形成された導電パターンを介してＦＥＴチップ７２の所定の電極に導通されている。また、アース端子ピン７４は、基板本体７１の下面側に形成されてケース１０に接続される導電パターンに導通されている。

以上が本実施形態の加速度センサを構成する各部品であり、当該加速度センサは、ケース１０を引っ繰り返して天板部１１を下にし、上に向いた開口から、ケース１０内に、ダイヤフラムリング２０、ダイヤフラム３０、スペーサ４０Ａの上側リング４１および下側リング４２、背極板５０、絶縁性ブッシュ６０を、この順で挿入し、さらに、絶縁性ブッシュ６０内に導通リング８０を嵌め込み、最後に回路基板７０をケース１０内に挿入し、この後、ケース１０の開口端部全周を内側に折り曲げて回路基板７０の底面にカシメることにより、組み立てられる。

この組立状態で、ケース１０の天板部１１とカシメ部１４との間に、上記のようにしてケース１０内に積層して収容された各部品がある程度の圧縮力を受けて挟み込まれ、積層された状態が保持されている。ダイヤフラムリング２０の円盤部２１の上面やフランジ部２３の外周縁はケース１０の内面に接触しており、アース端子ピン７４は、回路基板７０の下面の導電パターンからケース１０、ダイヤフラムリング２０を介してダイヤフラム３０に導通されている。

また、背極板５０は、周縁部が絶縁性ブッシュ６０の上側の段部６１に嵌め込まれ、この段部６１および導通リング８０と、スペーサ４０Ａとの間にその周縁部が挟まれて保持されている。背極板５０の上側には、スペーサ４０Ａによってダイヤフラム３０との間に空間が確保されており、また、背極板５０の下側は回路基板７０までの間にやはり空間が確保されている。背極板５０の上下の空間は貫通孔５３によって連通しており、これによって背極板５０の背圧調整がなされるようになっている。

スペーサ４０Ａは、図４に示すように、上側リング４１がダイヤフラムリング２０のフランジ部２３に対応して配置され、フランジ部２３と上側リング４１との間に、ダイヤフラム３０の固定部３１が挟み込まれて拘束されている。下側リング４２は上側リング４１と背極板５０との間に挟まれ、下側リング４２の内周縁部は、ダイヤフラム３０の梁部３３よりも内周側にあって振動部３２の外周縁部の下方まで延びている。

本実施形態の加速度センサによれば、ダイヤフラム３０の振動部３２が振動すると、振動部３２と背極板５０のエレクトレット層５２との間の間隔が変化し、この変化によって、予めエレクトレット層５２に付与されていた表面電位による静電容量が変化する。静電容量の変化は、導通リング８０、回路基板７０の上面の導電パターンを介してＦＥＴチップ７２に伝わり、このＦＥＴチップ７２で電気信号に変換され、その電気信号が振動の検出信号として出力端子ピン７３から外部に出力される。

さて、本実施形態のスペーサ４０Ａは、上側リング４１がダイヤフラムリング２０のフランジ部２３に対応して配され、上側リング４１とフランジ部２３との間にダイヤフラム３０の固定部３１が挟まれて拘束されている。ダイヤフラム３０は、固定部３１よりも内周側の梁部３３および振動部３２が上下に振動するが、その上側（ダイヤフラムリング２０側）への振動は、ダイヤフラムリング２０における円盤部２１の裏側の浅い凹所２４により許容され、また、下側（背極板５０側）は、スペーサ４０Ａにより形成された背極板５０との間の空間により許容される。上下２枚のリング４１，４２が積層されてなるスペーサ４０Ａは、それらリング４１，４２が重なっている外周側が内周側よりも厚く、ダイヤフラム３０と背極板５０との間隔は、リング４１，４２の積層部分である厚肉外周部（スペーサ部）４３で確保されている。

一方、スペーサ４０Ａの内周部であって上側リング４１が重なっていない下側リング４２のみの部分は、厚肉外周部４３よりも当然薄い（半分の厚さである）。この部分を薄肉内周部（ストッパ部）４４と称すると、この薄肉内周部４４は、上側リング４１の内周縁から内周側に環状に延在しており、その内周縁部は、ダイヤフラム３０の梁部３３よりも内周側にあって振動部３２の外周縁部の下方まで延びている。

なお、下側リング４２の内径は、ダイヤフラム３０の少なくとも梁部３３の下方をカバーする内径に設定されていればよい。この設定により、ばね性を有する梁部３３の可動範囲が下側リング４２で規制され、これによって振動部３２の可動範囲を規制することが可能となり、ひいては振動部３２が背極板５０に接触することを防止できる。さらに、振動部３２と背極板５０の間に下側リング４２が介在することがなくなるため、浮遊容量の発生を押さえることが可能となる。

スペーサ４０Ａの厚肉外周部４３の厚さは、通常の動作時においてダイヤフラム３０の振動部３２が背極板５０側に撓んだ場合、振動部３２が背極板５０に接触しない程度に設定される。そして、当該加速度センサが落下するなどして、従来では振動部３２が背極板５０に接触するような著しく大きな加速度を受けた場合には、図５に示すように、ダイヤフラム３０の振動部３２の外周縁部が、スペーサ４０Ａの薄肉内周部４４の上面に当接する。このように振動部３２がスペーサ４０Ａの薄肉内周部４４に当接すると、振動部３２は自身の剛性によってそれ以上背極板５０側に撓まず、振動部３２と背極板５０との間には、微小ではあるが間隔が常に確保される。

したがって、例え大きな衝撃を受けたとしても、ダイヤフラム３０の振動部３２が背極板５０の上面のエレクトレット層５２に接触することが確実に抑えられる。このため、背極板５０のエレクトレット層５２に存在するチャージ電圧量が変化して感度が低下したり、エレクトレット層５２が損傷してセンサ出力異常が生じたりといった不具合が生じない。その結果、耐久性および信頼性を向上させることができる。ダイヤフラム３０の振動部３２が背極板５０の上面のエレクトレット層５２に接触することが確実に抑えられるということは、言い換えれば、ダイヤフラム３０と背極板５０との間隔をできるだけ小さくすることが可能であると言え、このように両者の間隔を小さくすることにより、検出感度を大幅に向上させることができる。

上記スペーサ４０Ａは、上下２枚のリング４１，４２を重ねて、厚肉外周部４３と薄肉内周部４４を構成しているが、図６のスペーサ４０Ｂのように、リング４１，４２を一体としたような１つの部材でスペーサを構成してもよい。この場合のスペーサ４０Ｂは断面が略Ｌ字状の環状部材であり、外周側に厚肉外周部４３が形成され、その内周側に、厚肉外周部４３の厚さの約半分の厚さを有する薄肉内周部４４が一体に形成されている。このスペーサ４０Ｂにあっても、図６に示すように、振動部３２が薄肉内周部４４に当接することによってダイヤフラム３０の振動部３２が背極板５０の上面に接触することが抑えられる。

また、上記スペーサ４０Ａは、上下のリング４１，４２を厚さ方向に重ねて構成しているが、図７のスペーサ４０Ｃのように、径方向に分割される２枚の環状のリング４５，４６を組み合わせてスペーサを構成することもできる。このスペーサ４０Ｃは、厚肉外周部リング（スペーサ部、環状部材）４５の内側に、この厚肉外周部リング４５の厚さの約半分の厚さを有する薄肉内周部リング（ストッパ部、環状部材）４６が嵌め込まれて構成される。このスペーサ４０Ｃにあっては、図７に示すように、振動部３２が薄肉内周部リング４６に当接することによってダイヤフラム３０の振動部３２が背極板５０の上面に接触することが抑えられる。

なお、上記いずれのスペーサ４０Ａ〜４０Ｃにおいても、振動部３２が背極板５０に接触することを抑える薄肉内周部４４（薄肉内周部リング４６）の厚さは、ダイヤフラム３０の振動部３２と背極板５０との間隔を保つ厚肉外周部４３（厚肉外周部リング４５）の約半分とされているが、厚さの設定は任意であり、それぞれの機能を果たす範囲で適宜に設定される。

図８は、さらにスペーサの変更例を示している。このスペーサ４０Ｄは、厚さが上記スペーサ４０の厚肉外周部４３と同じ程度の均一厚さの環状板材であり、外径はダイヤフラムリング２０の外径と同じ程度であるが、内径がダイヤフラム３０の梁部３３の幅の中央からやや内周側に相当する位置に設定されている。このスペーサ４０Ｄによれば、動作しない状態で梁部３３がスペーサ４０Ｄの内周縁部に予め接触している。そして、ダイヤフラム３０の振動部３２が背極板５０側に大きく撓んだ場合でも、図８に示すように振動部３２のみが背極板５０側に撓み、その撓み量が比較的小さいことから、振動部３２が背極板５０に接触することが抑えられる。このスペーサ４０Ｄは、ダイヤフラム３０の固定部３１の下面に重ねられる外周部４７が、ダイヤフラム３０の振動部３２と背極板５０との間隔を確保するスペーサ部として機能し、梁部３３の下方であって梁部３３が当接する内周縁部４８が、振動部３２が背極板５０に接触することを抑えるストッパ部として機能する。

本発明の一実施形態に係る加速度センサの断面図である。 一実施形態の加速度センサの分解斜視図である。 一実施形態の加速度センサが具備するダイヤフラムの平面図である。 一実施形態の加速度センサのスペーサを含む要部であって、半径分の断面図である。 図５の状態からダイヤフラムの振動部が下方に撓んだ状態を示す断面図である。 本発明に係るスペーサの第１変更例を示す断面図である。 本発明に係るスペーサの第２変更例を示す断面図である。 本発明に係るスペーサの第３変更例を示す断面図である。

符号の説明

３０…ダイヤフラム
３１…固定部
３２…振動部
３３…梁部
４０Ａ，４０Ｂ，４０Ｃ，４０Ｄ…スペーサ
４１…上側リング
４２…下側リング
４３…厚肉外周部（スペーサ部）
４４…薄肉内周部（ストッパ部）
４５…厚肉外周部リング（スペーサ部、環状部材）
４６…薄肉内周部リング（ストッパ部、環状部材）
４７…外周部（スペーサ部）
４８…内周縁部（ストッパ部）
５０…背極板
７２…ＦＥＴチップ（インピーダンス変換素子）
７０…回路基板
８０…導通リング（導通部）
Ｃ…コンデンサ部

Claims (5)

1. ダイヤフラムと、このダイヤフラムにスペーサを介して対向配置された背極板とを含み、ダイヤフラムの振動を静電容量変化に変換するコンデンサ部と、
   このコンデンサ部で変換した静電容量変化を電気信号に変換するインピーダンス変換素子を含む回路基板と、
   前記コンデンサ部と前記回路基板とを電気的に接続する導通部と
   を備えた静電容量型加速度センサにおいて、
   前記スペーサは、前記ダイヤフラムが背極板に接触することを抑えるストッパ部を有することを特徴とする静電容量型加速度センサ。
2. 前記スペーサは、前記ダイヤフラムと前記背極板との間隔を保つためのスペーサ部を有することを特徴とすることを特徴とする請求項１に記載の静電容量型加速度センサ。
3. 前記ダイヤフラムは、固定部と、この固定部の内側に配されて静電容量の変化に実際に寄与する振動部と、この振動部を前記固定部に弾性的に連結する梁部とを備え、
   前記スペーサの前記ストッパ部は、少なくともダイヤフラムの梁部と前記背極板との間に介在していることを特徴とする請求項２に記載の静電容量型加速度センサ。
4. 前記スペーサの前記スペーサ部および前記ストッパ部は、いずれも環状に形成されており、ストッパ部の内径はスペーサ部の内径よりも小さく、また、ストッパ部は前記背極板側に配され、前記スペーサ部は前記ダイヤフラム側に配されていることを特徴とする請求項２または３に記載の静電容量型加速度センサ。
5. 前記スペーサの前記スペーサ部および前記ストッパ部は、それぞれが別体の環状部材からなるものであることを特徴とする請求項４に記載の静電容量型加速度センサ。

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