JP2015087220A - 振動センサ - Google Patents

Abstract

【課題】 熱破壊されにくい振動センサを提供することを目的とする。
【解決手段】 本実施形態に係る振動センサ１は、上面に凹部を有する基板２と、凹部Ｐ内に設けられた導電板３と、基板２上に設けられ、導電板３の周囲を囲んだ枠状導電部材４と、基板２上に設けられ、枠状導電部材４で囲まれる領域に導電板３と接触した球状導電部材５と、基板２上に設けられ、枠状導電部材５を取り囲む枠体６と、枠体６上に設けられ、球状導電部材５を覆う蓋体７とを備えている。
【選択図】図２

Description

本発明は、振動センサに関する。

近年、転動可能な導電性球状電極と固定電極との電気的接触を利用して、傾斜や振動状態を検知するセンサ、通称ボールセンサが知られている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００９−２３８７１５号公報

上記特許文献１のボールセンサは、複数のセラミック層を積層したセラミック構造であって、セラミック構造の一部に、セラミック構造の一部を貫通する固定電極が埋まっている。固定電極は、セラミック構造の一部に孔を設けて、その孔に一部が埋まっている。固定電極は、導電性球状電極との接触に耐えられるほどの剛性が必要である。そのため、固定電極は、所定の厚み・大きさが必要となる。しかしながら、固定電極は金属材料からなり、周囲の材料との熱膨張係数の違いにより、ボールセンサが破壊される虞がある。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、破壊されにくい振動センサを提供することが目的とする。

本発明の一実施形態に係る振動センサは、上面に凹部を有する基板と、前記凹部内に設けられた導電部材と、前記基板上に設けられ、前記導電部材の周囲を囲んだ枠状導電部材と、前記基板上に設けられ、前記枠状導電部材で囲まれる領域に前記導電部材と接触した球状導電部材と、前記基板上に設けられ、前記枠状部材を取り囲む枠体と、前記枠体上に設けられ、前記球状導電部材を覆う蓋体とを備えている。

本発明によれば、破壊されにくい振動センサを提供することができる。

本実施形態に係る振動センサの概観を示す斜視図である。 本実施形態に係る振動センサから蓋体を外した状態を示す斜視図である。 図１のＸ−Ｘに沿った振動センサの断面を示す斜視図である。 図３で示した振動センサの断面図である。 図４のＡ矢視図である。 図４のＢ矢視図である。 本実施形態に係る振動センサの下面を示す下面図である。

以下に添付図面を参照して、本発明にかかる振動センサの実施形態を説明する。なお、本発明は以下の実施形態に限定されないものとする。

＜振動センサの概略構成＞
図１は、本実施形態に係る振動センサの概観斜視図であって、蓋体を取り付けた状態を示している。図２は、本実施形態に係る振動センサの外観斜視図であって、蓋体を取り外して内部が見える状態を示している。なお、図２の一点鎖線は、枠体あるいは基板内の配線導体を示している。図３は、図１のＸ−Ｘに沿った振動センサの断面を示す外観斜視図である。図４は、図１のＸ−Ｘに沿った振動センサの断面図である。図５は、図４のＡ矢視図であって、振動センサの蓋体を外した状態を示している。図６は、図４のＢ矢視図であって、基板の上面を示している。なお、図６の一点鎖線は、枠状導電部材が載置される箇所を示している。図７は、本実施形態に係る振動センサの下面を示す下面図である。

振動センサは、家電製品、電子機器等に組み込んで、それらの製品の傾斜や振動を検出するためのものである。家電製品や電子機器の例としては、デジタルカメラ、携帯電話、スマートフォン等である。振動センサは、振動センサの導通状態の変化に応じて、各種家電製品や電子機器の動作を変化させることができる。

本実施形態に係る振動センサ１は、上面に凹部Ｐを有する基板２と、凹部Ｐ内に設けられた導電板３と、基板２上に設けられ、導電板３の周囲を囲んだ枠状導電部材４と、基板２上に設けられ、枠状導電部材４で囲まれる領域に導電板３と接触した球状導電部材５と、基板２上に設けられ、枠状導電部材４を取り囲む枠体６と、枠体６上に設けられ、球状導電部材５を覆う蓋体７とを備えている。

基板２は、絶縁性の基板であって、例えば、アルミナ、ムライトまたは窒化アルミ等のセラミック材料、あるいはガラスセラミック材料等から成る。または、これらの材料のうち複数の材料を混合した複合系材料から成る。なお、基板２は、平面視して矩形状の外形であって、一辺の長さが１ｍｍ以上１０ｍｍ以下に設定されている。基板２の厚みは、０．３ｍｍ以上３ｍｍ以下に設定されている。また、基板２の熱伝導率は、１４Ｗ／ｍ・Ｋ以上２００Ｗ／ｍ・Ｋ以下に設定されている。基板２の熱膨張係数は、４ｐｐｍ／Ｋ以上８ｐｐｍ／Ｋ以下に設定されている。

また、基板２の上面に形成された凹部Ｐは、導電板３を収める大きさである。凹部Ｐは、基板２の上面の中央部分に設けられる。凹部Ｐは、平面視して円形状であって、直径が０．５ｍｍ以上８ｍｍ以下に設定されている。凹部Ｐは、上下方向の深さが、０．５ｍｍ以上５ｍｍ以下に設定されている。

導電板３は、凹部Ｐに収められる。導電板３は、球状導電部材５と電気的に接続される。導電板３は、導電性の円板であって、例えば、タングステン、モリブデン、ニッケル、銅、銀、金またはアルミニウム等の金属材料、あるいはそれらの合金、あるいはこれらの材料のうち複数の材料を混合した複合系材料、あるいはそれらの材料の複合層からなる。なお、導電板３の熱膨張係数は、３ｐｐｍ／Ｋ以上28ｐｐｍ／Ｋ以下に設定されている。導電板３は、直径が０．２ｍｍ以上３ｍｍ以下であって、上下方向の厚みが０．１ｍｍ以上２ｍｍ以下に設定されている。なお、導電板３は、凹部Ｐの底面にろう材を介して接続される。

導電板３は、所定の厚みを持った円板にすることで、球状導電部材５または凹部Ｐ空間内の熱を効率よく吸収して、熱を外部に放熱しやすくすることができる。凹部Ｐ空間内は、振動センサ１が作動すると熱がこもりやすい。そこで、導電板３を設けることで、凹部Ｐ空間内の熱を外部に放散しやすくすることができる。導電板３は、球状導電部材５からの熱を吸収しやすいように、基板２の厚みの半分以上の大きさであって、球状導電部材５の直径の半分以上の大きさの直径に設定されている。

導電板３は、凹部Ｐに収めた状態で、導電板３の側面と凹部Ｐの内壁面との間に隙間ｓ
ｐ１が設けられる。隙間ｓｐ１は、導電板３が熱膨張を起こしても、凹部Ｐの内壁面に導電板３の側面が当接しないように設定されている。仮に、導電板３が凹部Ｐに隙間なく嵌った状態に設定されている場合は、導電板３が熱膨張を起こして、凹部Ｐの内壁面に対して導電板３から熱応力が加わり、基板２が破壊される虞がある。そこで、導電板３の側面と凹部Ｐの内壁面との間に隙間ｓｐ１を設けることで、凹部Ｐの内壁面に対する導電板３からの熱応力をなくすことができる。

また、凹部Ｐの底面には、基板２の下面にまで達する貫通導体８が設けられている。貫通導体８は、導電板３と電気的に接続される。貫通導体８は、凹部Ｐの中心位置に設けられる。貫通導体８は、導電板３からの熱が伝わり、貫通導体８の下方に向かって、凹部Ｐ内の熱を外部に伝えることができる。貫通導体８は、円柱状のビア導体である。貫通導体８は、例えば、タングステン、モリブデン、ニッケル、銅、銀、金またはアルミニウム等の金属材料、あるいはそれらの合金、あるいはこれらの材料のうち複数の材料を混合した複合系材料、あるいはそれらの材料の複合層からなる。なお、貫通導体８は、直径が０．１ｍｍ以上１ｍｍ以下に設定されている。また、貫通導体８は、上下方向の長さが、０．２ｍｍ以上２ｍｍ以下に設定されている。

基板２の上面には、枠状導電部材４と電気的に接続される、メタライズ層９が形成されている。メタライズ層９は、凹部Ｐの周囲を除いて形成されている。メタライズ層９は、凹部Ｐの内壁面には形成されない。また、メタライズ層９は、一部に絶縁箇所が設けられており、絶縁箇所内には蓋体７と電気的に接続されるメタライズ部１０が設けられている。

メタライズ層９は、導電板３およびメタライズ部１０とは電気的に絶縁している。メタライズ層９は、例えば、タングステン、モリブデン、ニッケル、銅、銀、金またはアルミニウム等の金属材料、あるいはそれらの合金、複数の材料を混合した複合系材料、あるいはそれらの材料の複合層からなる。

枠状導電部材４は、図６に示すように、メタライズ層９上に設けられる。枠状導電部材４の下面は、ろう材を介してメタライズ層９に接続される。枠状導電部材４は、円筒状に形成されている。枠状導電部材４は、図６に示すように、平面視して、導電板３の中心と枠状導電部材４で囲まれた領域の中心とが一致するように設けられている。なお、枠状導電部材４は、例えば、タングステン、モリブデン、ニッケル、銅、銀、金またはアルミニウム等の金属材料、あるいはそれらの合金、複数の材料を混合した複合系材料からなる。なお、枠状導電部材４の熱膨張係数は、３ｐｐｍ／Ｋ以上28ｐｐｍ／Ｋ以下に設定されている。

枠状導電部材４は、凹部Ｐ内に収まる大きさであって、外形が０．４５ｍｍ以上７．５ｍｍ以下であり、内径が０．３ｍｍ以上６ｍｍ以下に設定されている。また、枠状導電部材４は、上下方向の長さが０．４ｍｍ以上４ｍｍ以下に設定されている。枠状導電部材４の内側には、球状導電部材５が収まる。球状導電部材５は、図５に示すように、球状導電部材５の中心を枠状導電部材４で囲まれる領域の中心と一致させて配置させた場合、枠状導電部材４の内壁面と球状導電部材５の表面との間には絶縁空間ｓｐ２が設けられる。絶縁空間ｓｐ２は、球状導電部材５が導電板３上を移動することで変化する。絶縁空間ｓｐ２は、基板２の上面に沿った平面方向において、枠状導電部材４の内面と球状導電部材５の表面との間の最大距離が、０．０５ｍｍ以上２ｍｍ以下に設定されている。そして、振動センサ１が電子機器内で電子機器が傾いたりすると、球状導電部材５が枠状導電部材４の内側で移動して、枠状導電部材４の内側に当接したりする。その結果、電子機器が傾いたことを電子機器が検知することができる。

球状導電部材５は、基板２上であって枠状導電部材４で囲まれる領域に導電板３と接触して設けられている。球状導電部材５は、振動センサ１を傾けると、導電板３上を転がることができる。そして、球状導電部材５は、枠状導電部材４で囲まれた領域内を自由に移動することができる。球状導電部材５は、例えば、タングステン、モリブデン、ニッケル、銅、銀、金またはアルミニウム等の金属材料、あるいはそれらの合金、複数の材料を混合した複合系材料からなる。なお、球状導電部材５は、枠状導電部材４で囲まれる領域に収まる大きさであって、直径が０．２ｍｍ以上５ｍｍ以下に設定されている。

枠体６は、基板２上に設けられ、枠状導電部材４を取り囲むように設けられている。枠体６は、基板２の縁に沿って設けられている。枠体６は、枠状導電部材４および球状導電部材５を封止するものである。枠体６は、絶縁性の材料からなり、例えば、アルミナ、ムライトまたは窒化アルミ等のセラミック材料、あるいはガラスセラミック材料等から成る。または、これらの材料のうち複数の材料を混合した複合系材料から成る。なお、枠体６は、平面視して外縁が矩形状であって、外縁の一辺の長さが１ｍｍ以上１０ｍｍ以下に設定されている。枠体６の上下方向の厚みは、０．６ｍｍ以上６ｍｍ以下に設定されている。また、枠体６の熱伝導率は、１４Ｗ／ｍ・Ｋ以上２００Ｗ／ｍ・Ｋ以下に設定されている。

枠体６の上面は、図２または図５に示すように、蓋体７と電気的に接続される、配線導体としての枠内貫通導体１１が設けられている。枠内貫通導体１１は、枠体６内を通って、基板２の下面にまで達している。枠内貫通導体１１は、導電材料からなり、例えば、タングステン、モリブデン、ニッケル、銅、銀、金またはアルミニウム等の金属材料、あるいはそれらの合金、あるいはこれらの材料のうち複数の材料を混合した複合系材料、あるいはそれらの材料の複合層からなる。枠体６の熱膨張係数は、４ｐｐｍ／Ｋ以上８ｐｐｍ／Ｋ以下に設定されている。

基板２には、図２または図６に示すように、メタライズ層９と電気的に接続された、基板貫通導体１２が設けられている。基板貫通導体１２は、基板２の上面から基板２の下面にかけて形成されている。基板貫通導体１２は、枠状導電部材４と電気的に接続されている。基板貫通導体１２は、導電材料からなり、例えば、タングステン、モリブデン、ニッケル、銅、銀、金またはアルミニウム等の金属材料、あるいはそれらの合金、あるいはこれらの材料のうち複数の材料を混合した複合系材料、あるいはそれらの材料の複合層からなる。

基板２の下面は、図７に示すように、四隅のうちの対角に一対の下面メタライズ層１３が設けられている。一対の下面メタライズ層１３は、矩形状に形成されている。そして、一対の下面メタライズ層１３の一方１３ａが、下面の中心位置まで張り出している。また、一対の下面メタライズ層１３の他方１３ｂが、一方１３ａと間を空けて設けられている。一方１３ａは、貫通導体８と枠内貫通導体１１の両方と電気的に接続されている。他方１３ｂは、基板貫通導体１２と電気的に接続されている。なお、下面メタライズ層１３は、導電材料からなり、例えば、タングステン、モリブデン、ニッケル、銅、銀、金またはアルミニウム等の金属材料、あるいはそれらの合金、あるいはこれらの材料のうち複数の材料を混合した複合系材料からなる。

蓋体７は、枠体６上に、枠状導電部材４および球状導電部材５を覆うように設けられている。蓋体７は、基板２と枠体６とで囲まれる空間を封止する機能を備えている。蓋体７は、例えばろう材を介して枠体６上にろう付けされる。なお、蓋体７は、例えば、銅、鉄、タングステン、モリブデン、ニッケル、銅、銀、金またはアルミニウム等の金属材料、あるいはそれらの合金、あるいはこれらの材料のうち複数の材料を混合した複合系材料からなる。

蓋体７は、配線導体としての枠内貫通導体１１の上面と電気的に接続されている。そして、蓋体７は、枠体６および基板２内を通って、下面メタライズ層１３と電気的に接続されている。そして、蓋体７は、貫通導体８を介して電気的に接続された導電板３と同電位となる。

本実施形態に係る振動センサ１は、枠状導電部材４を基板２や枠体６内に埋めることがなく、枠状導電部材４とその周囲の熱膨張係数の違いによって、枠状導電部材４が熱膨張を起こしても、基板２や枠体６内の一部に球状導電部材５を埋めた構造と比較して、基板２や枠体６に加わる熱応力を低減することができ、振動センサ１が破壊される虞を小さくすることができる。

本実施形態に係る振動センサ１は、セラミック材料からなる基板２および枠体６内に、金属材料からなる枠状導電部材４を配置して、球状導電部材５と接触する枠状導電部材４を基板２や枠体６内に埋まった構造としない。しかも、球状導電部材５の周囲を取り囲むように円筒状の枠状導電部材４としたことで、振動センサ１を機器内に向きをどう配置しても、傾いた角度を正確に検出することができ、センシングの誤差を低減することができる。

なお、本発明は上述の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々の変更、改良等が可能である。以下、本実施形態の変形例について説明する。

＜振動センサの製造方法＞
ここで、図１に示す振動センサ１の製造方法について説明する。

先ず、基板２を準備する。基板２が、例えば酸化アルミニウム質焼結体から成る場合、酸化アルミニウム、酸化珪素、酸化マグネシウムおよび酸化カルシウム等の原料粉末に、有機バインダー、可塑剤、および溶剤等を添加混合して得た混合物よりグリーンシートを成型する。

また、タングステンまたはモリブデン等の高融点金属粉末を準備し、この粉末に有機バインダー、可塑剤または溶剤等を添加混合して金属ペーストを得る。

そして、グリーンシートの状態の基板２の上面に対して、例えばスクリーン印刷法を用いて、金属ペーストを塗ってメタライズ層９およびメタライズ部１０を形成する。また、同様にして、基板２の下面に対して、下面メタライズ層１３を形成する。

また、グリーンシートの状態の基板２にパンチ等の打ち抜き加工を施して、金属ペーストを充填して、枠内貫通導体１１および基板貫通導体１２を形成する。そして、複数のグリーンシートを積層して未焼成の基板２を得ることができる。なお、枠体６を基板２と同様の方法で準備することができる。

次に、導電板３、枠状導電部材４、球状導電部材５および蓋体７を準備する。これらは、溶融した金属材料を型枠に鋳込んで固化させたインゴットに対して、金属研磨等の金属加工法を用いることで、所定形状に作製することができる。

次に、準備した焼結前の基板２および枠体６を接続させた状態で、約１６００度の温度で焼成する。そして、基板２および枠体６を一体焼結する。そして、基板２の凹部Ｐに導電板３をろう付けで接続する。また、基板２上に枠状導電部材４をろう付けで接続する。
さらに、枠状導電部材４で囲まれた領域に球状導電部材５を配置した状態で、枠体６上に蓋体７をろう付けする。このよにして、振動センサ１を作製することができる。

１ 振動センサ
２ 基板
３ 導電板
４ 枠状導電部材
５ 球状導電部材
６ 枠体
７ 蓋体
８ 貫通導体
９ メタライズ層
１０ メタライズ部
１１ 枠内貫通導体
１２ 基板貫通導体
１３ 下面メタライズ層
Ｐ 凹部
ｓｐ１ 隙間
ｓｐ２ 絶縁空間

Claims (5)

1. 上面に凹部を有する基板と、
   前記凹部内に設けられた導電板と、
   前記基板上に設けられ、前記導電板の周囲を囲んだ枠状導電部材と、
   前記基板上に設けられ、前記枠状導電部材で囲まれる領域に前記導電板と接触した球状導電部材と、
   前記基板上に設けられ、前記枠状導電部材を取り囲む枠体と、
   前記枠体上に設けられ、前記球状導電部材を覆う蓋体とを備えた振動センサ。
2. 請求項１に記載の振動センサであって、
   前記導電板は、前記凹部の内壁面と間を空けて設けられていることを特徴とする振動センサ。
3. 請求項１または請求項２に記載の振動センサであって、
   前記球状導電部材は、前記枠状導電部材で囲まれた領域内で移動可能であって、前記導電板と接触した状態で、一部が前記枠状導電部材の内壁面と接触することを特徴とする振動センサ。
4. 請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の振動センサであって、
   前記枠状導電部材は円筒状に形成されていることを特徴とする振動センサ。
5. 請求項１ないし請求項４のいずれかに記載の振動センサであって、
   前記蓋体は、導電材料からなり前記枠体内及び前記基板内に設けられた配線導体を介して前記導電板と電気的に接続されていることを特徴とする振動センサ。

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