KR20060050751A - 가속도센서 - Google Patents
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Abstract
본 발명은, 간단한 구성으로 센서감도를 저하시키는 일없이, 내충격성을 향상시킨 3축 가속도센서를 제공하는 것을 과제로 한 것이며, 그 해결수단에 있어서, 한 쪽 면에 고정전극을 가지는 전극기판(5)과, 전극기판(5)과의 사이에 소정의 간격을 형성하기 위한 스페이서(3)를 개재해서 고정전극에 대향하는 한 쪽 면을 가동전극으로 하는 진동판(2)과, 진동판(2)의 다른 쪽 면의 중앙부분에 배설된 추(1)를 도전성을 지니는 케이스(10) 내에 구비하고, 고정전극과 가동전극과의 사이의 정전용량의 변화에 의거해서 서로 직교하는 3축방향의 가속도를 검출하는 것으로서, 추(1)의 중심을 통과하여 전극기판(5)에 직교하는 제 1의 축을 중심으로 하는 고리형상의 제 1의 고정전극과, 서로 직교하는 동시에 제 1의 축에 직교하는 제 2의 축 및 제 3의 축에 대해서 45도의 각도를 이루는 분할축에 의해서 각각 2개로 분할된 제 2 및 제 3의 고정전극으로 이루어지는 고정전극의 표면을 덮어서 전극기판(5)에 일렉트릿층(4)을 형성하는 것을 특징으로 한 것이다.
Description
도 1은 본 발명의 실시형태에 관련되는 가속도센서의 구성예를 표시하는 도 2의 A-A선 단면도
도 2는 도 1의 가속도센서의 진동판의 형상 및 케이스와 진동판과의 접촉형태를 표시하는 도면
도 3은 도 1의 가속도센서의 진동판에 추를 장착한 상태를 표시하는 사시도
도 4는 도 1의 가속도센서의 전극기판에 형성된 고정전극의 배선을 표시하고, (a)는 상부면도, (b)는 (a)에 있어서의 B-B선 단면도
도 5는 도 1의 가속도센서의 스페이서의 형상을 표시하는 도면.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
1: 추 2: 진동판
3: 스페이서 4: 일렉트릿층
5: 전극기판 10: 케이스
본 발명은, 서로 직교하는 3축방향의 가속도를 검출하는 가속도센서에 관한 것이다.
3축방향, 즉 3차원의 이른바 X축, Y축, Z축의 3축방향의 가속도를 검출하는 가속도센서에 대해서는, 여러 가지의 것이 제안되어 있다. 예를 들면, 특허문헌 1에는, 서로 대면한 고정전극과 가동전극과의 사이의 정전용량 변화에 의거해서, 가속도를 검지하는 가속도센서의 기술이 개시되어 있다. 이것에 의하면, 고정전극 또는 가동전극 중 어느 한 쪽의 전극이 다른 쪽의 전극에 대향하는 면에 일렉트릿막을 형성하고, 가속도의 인가 시에 가동전극에 변위를 주도록 고정전극에 대향하지 않는 쪽의 면에 추를 구비하는 동시에, 일렉트릿막을 형성하고 있지 않은 다른 쪽의 전극을 추의 중심의 투영위치를 교차점으로서 서로 직교하는 직교축을 따라서 분할해서 구성하고 있다. 이와 같이, 한 쪽의 전극을 분할해서 형성함으로써, 분할된 전극의 정전용량 변화에 의거하여, 복수축의 가속도를 검출하도록 하고 있다.
[특허문헌 1]
일본국 특개평10-10150호 공보(도 1~도 3, 제 7~22 단락)
상기와 같은 일렉트릿 콘덴서 마이크로폰(이하, 「ECM」이라고 칭함)형의 가속도센서나, 진동센서는, 보수계나 진동계 등, 다양한 용도로 이용된다. 그리고, 일반 센서와 마찬가지로 센서의 감도는 높은 것이 바람직하다. 그러나, 예를 들면 보수계 등의 용도에서는 전지구동되는 것이 많아서, 당연히 윤택한 전원은 기대할 수 없으므로 소비전류가 많은 증폭용의 IC(집적회로) 등을 이용해서 전기적으로 감도를 향상시키는 것은 바람직하지 않다. 그래서, 기계적으로 감도를 향상시키고자 하면, 관성력을 증가시킬 필요가 생긴다. 그러나, 관성력이 증가하여, 가동전극의 진동폭을 크게 하면, 낙하 시 등의 내충격성이 손상된다. 따라서, 특허문헌 1에 개시된 바와 같은 기본구조만으로는, 이들의 과제에 충분히 대응할 수 없고, 새로운 구성을 필요로 한다.
본원 발명은, 상기 과제를 감안해서 이루어진 것으로, 간단한 구성으로 센서감도를 저하시키는 일없이, 내충격성을 향상시킨 3축 가속도센서를 제공하는 것을 목적으로 한다.
이 목적을 달성하기 위한 본 발명에 관련되는 가속도센서의 특징구성은, 한 쪽 면에 고정전극을 가지는 전극기판과, 이 전극기판과의 사이에 소정의 간격을 형성하기 위한 스페이서를 개재해서 상기 고정전극에 대향하는 한 쪽 면을 가동전극으로 하는 진동판과, 이 진동판의 다른 쪽 면의 중앙부분에 배설된 추를 도전성을 지니는 케이스 내에 구비하고, 상기 고정전극과 상기 가동전극과의 사이의 정전용량의 변화에 의거하여 서로 직교하는 3축방향의 가속도를 검출하는 것으로서, 상기 고정전극은, 상기 추의 중심을 통과해서 상기 전극기판에 직교하는 제 1의 축을 중심으로 하는 고리형상의 제 1의 고정전극과, 상기 전극기판과 상기 제 1의 축과의 교차점에서 서로 직교하는 동시에, 상기 제 1의 축에 직교하는 제 2의 축 및 제 3의 축에 대해서 45도의 각도를 이루는 분할축에 의해서 각각 2개로 분할된 제 2의 고정전극 및 제 3의 고정전극으로 이루어지며, 상기 고정전극의 표면을 덮어서 상기 전극기판에 일렉트릿층을 형성하는 점에 있다.
이 특징구성에 의하면, 본 발명에 관련되는 가속도센서는, 일렉트릿을 이용한 일렉트릿 콘덴서 마이크로폰(이하, ECM)형의 구조로 하고 있으므로, 정전용량을 직접, 전압출력할 수 있다. 따라서, 고가인 정전용량-전압변환회로(CV변환회로)를 개재하는 일없이, ECM의 출력전압을 직접 염가인 범용 연산증폭기 등에 출력할 수 있다. CV변환회로는, 전용의 IC(집적회로) 등으로 구성되는 일이 많고, 3축분의 신호를 하나의 IC로 처리 가능한 것도 제공되고 있지만, 소비전류도 수 밀리암페어로 크다. 이런 연유로, 이 가속도센서를 배터리 구동하는 장치에 편성했을 경우에는, 배터리의 소모가 심해져, 바람직하지 않다. 범용 연산증폭기이면, 수 마이크로암페어로 소비전류가 적어서 매우 적합하다. 또, ECM형은 진동판(가동전극)과 고정전극과의 사이에 바이어스전압을 인가하기 위한 바이어스회로도 불필요하여, 회로가 간결하게 되고, 비용도 저감 가능하므로 바람직하다.
여기서, 상기 고정전극을, 상기 전극기판의 표면으로부터 돌출 및 함몰하는 일없이 형성하면 매우 적합하다.
일렉트릿층은, 예를 들면, 일렉트릿으로 되는 불소수지의 수성 분산액을 도포하여, 소성하는 것, 또는 불소계 필름을 붙이는 것 등에 의해서, 전극기판의 표면에 형성된다. 전극기판에는, 구리박 등에 의해 고정전극이 형성되지만, 이것은, 일반적으로는 절연물인 유리엑폭시제의 기재(基材)에 에칭 등에 의해서 구리박의 도전패턴을 형성한 것이다. 따라서, 매우 얇은 것이지만, 기판의 기재 위에 구리박의 패턴이 돌출한 형으로 된다. 그런 연유로, 이 위에 형성되는 일렉트릿층의 층두께가 불균일하게 되는 경우가 있다. 그리하면, 검출되는 정전용량, 및 그 결과로서 출력되는 전압에도 영향을 미쳐서, 바람직하지 않다. 그래서, 본 발명과 같이, 기판의 기재의 표면으로부터 돌출하는 일 및 함몰하는 일없이, 표면이 평평하게 되도록 전극패턴의 구리박을 형성하면, 일렉트릿층의 층압력을 균일하게 할 수 있어서 바람직하다.
또한, 구리박으로 형성되는 상기 고정전극을 니켈 또는 금도금처리한 다음, 불소수지의 수성 분산액을 도포하여, 소성하는, 또는 불소계 필름을 붙임으로써 상기 일렉트릿층을 형성하면 바람직하다.
구리는, 전기전도성이 뛰어나기 때문에, 상술한 바와 같이 기판에 형성되는 전극으로서 일반적으로 이용된다. 그러나, 전극패턴에 많이 이용되는 구리박은, 산화, 변색하기 쉽고, 이것에 의해서 일렉트릿으로서의 기능을 저하시켜 버리는 경우가 있다. 특히, 일렉트릿층으로 되는 불소수지의 수성 분산액을 도포하여 소성하는 경우에는, 산화해서 거무스름해져 버리는 현상을 자주 볼 수 있다. 또, 구리박은 산화, 변색하기 쉽기 때문에, 불소계의 필름을 붙일 때에도, 구리박이 변색되는 경우가 있다. 그래서, 불소계의 필름을 붙이기나, 불소수지의 수성 분산액을 도포, 소성해서 일렉트릿의 코팅을 실시하기 전에, 구리박을 니켈이나 금 등으로 도금처리하면 바람직하다.
또, 상기 진동판은, 주변부에 위치하여 상기 스페이서를 개재해서 고정되는 고정부와, 중앙부분에 위치해서 상기 추를 구비하는 진동부와, 상기 고정부와 상기 진동부를 연결하는 탄성지지부로 이루어지며, 상기 탄성지지부를, 타원형상의 고리와, 상기 타원형상의 긴 축 위에서 상기 진동부와 상기 고리를 접속하는 제 1의 대 들보와, 상기 타원형상의 짧은 축 위에서 상기 고정부와 상기 고리를 접속하는 제 2의 대들보로 구성되면 매우 적합하다.
예를 들면, 진동판은, 고정부와 진동부와 탄성지지부로 분할 형성되고, 고정부와 진동부를 연결하는 탄성지지부는, 토션바 앵커로서 기능하는 제 1의 대들보와 제 2의 대들보와, 이들의 대들보를 연결하는 탄성지지부의 기부(基部)에 의해서 구성할 수 있다. ECM에 의한 정전용량의 변화를 보다 많이 얻기 위해서는 진동부의 면적을 크게 취할 필요가 있으므로, 탄성지지부의 특히 기부가 차지하는 면적을 크게 하는 것은 바람직하지 않다. 그러나, 기부의 면적을 좁게 하는, 즉 기부를 가늘게 형성하면, 이 기부가 스프링의 기능을 하기 위해서, 가속도센서가 검지되는 3축방향 내의 제 2의 축의 가진(加振) 시와 제 3의 축의 가진 시와의, 이른바 XY방향에서 출력에 차이를 일으킨다. 그래서, 상기와 같이 기부를 타원형상의 고리로 하고, 이 고리와, 이 고리의 타원형상의 긴 축 위에서 진동부와 고리를 접속하는 2개의 제 1의 대들보와, 타원형상의 짧은 축 위에서 고정부와 고리를 접속하는 2개의 제 2의 대들보에 의해서 탄성지지부를 구성함으로서, 진동부를 원형으로 형성할 수 있다. 그 결과, 회로에 의한 보정 등이 불필요해지고, 회로구성도 간결하게 되어서 바람직하다.
또한, 상기 진동판이, 상기 케이스와 상기 진동판을 전기적으로 도통하기 위한 돌기부를 외주부에 구비하는 동시에, 상기 돌기부와 상기 케이스와의 접선에 직교하는 선상에 노치를 가지고 상기 접선에 병행하는 좁은 폭의 슬릿을, 상기 돌기부의 안쪽에 구비하면 된다.
본 구성에서는, 케이스와 진동판을 전기적으로 도통시킬 필요가 있지만, 조립성을 향상시키기 위해서 이 진동판에 돌기부를 형성해서, 이 돌기부가 케이스에 접촉함으로써 조립과 동시에 도통시키도록 구성하면 바람직하다. 그러나, 돌기부가 케이스로부터 받는 반작용에 의해서 진동판에 과도한 힘이 가해지고, 예를 들면 진동판이 뒤틀리게 되는 경우가 있으면, 진동판과 고정전극과의 사이의 거리가 불균일하게 되며, 정확한 정전용량 변화의 검출, 즉 가속도의 검출에 있어서 바람직하지 않다. 그래서, 이 케이스로부터의 반작용을 완화하는 동시에, 케이스에의 도통을 확보하기 위한 압압력을 확보하기 위해서, 돌기부와 케이스와의 접선에 직교하는 선상에 노치를 가지고 접선에 병행하는 좁은 폭의 슬릿을, 돌기부의 안쪽, 즉 진동판의 중심쪽에 구비하면 된다. 이와 같이 구성하면, 슬릿부분이 완충부로 되어서, 스프링성을 지니며, 매우 적합하게 진동판을 케이스에 가압하는 동시에, 케이스로부터의 반작용을 흡수한다. 따라서, 진동판과 케이스와의 도통을 확보하는 동시에, 진동판의 뒤틀림을 일으키지 않아서, 매우 적합하다.
또, 상기 추가, 원기둥형상의 자루부분과, 이 자루부분의 지름보다도 큰 지름으로 원반형상의 본체부분으로 이루어지는 우산형상으로 형성되어서, 상기 자루부분의 선단부가 상기 진동판의 중심부분에 장착되는 것이며, 적어도 상기 자루부분 또는 상기 본체부분 중 어느 하나에 접촉해서 상기 추의 과도한 변위를 규제하는 규제부재를 상기 케이스 내에 구비하는 가속도센서이면 된다.
또한, 상기 진동판을, SK재, 스테인리스, 인청동(phosphor bronze), Be-Cu, Ti-Cu 중 어느 하나로 구성하면 바람직하다.
가속도센서에서는, 가해진 가속도에 의한 진동판의 진폭이 큰 쪽이, 출력을 얻을 때에 유리하지만, 그 반면 낙하 등의 과도한 충격이 가해졌을 경우에는, 파손을 일으킨다고 하는 과제를 지닌다. 따라서, 진동판에 장착된 추의 과도한 변위를 규제하는 규제부재를 구비함으로써, 충격에 의한 추의 과도한 변위에 의한 진동판의 파손을 매우 적합하게 방지할 수 있다. 또, 진동판을 PET(폴리에틸렌테레프탈레이트)나, PPS(폴리페닐렌설파이드) 등의 필름은 아니고, SK재, 스테인리스, 인청동, Be-Cu, Ti-Cu 등의 구부림강도에 강한 재료로 함으로서, 진동판 자체의 강도를 높여 두면 한층더 적합하다. 또한, 진동판과 추와의 장착은, 접착, 전기용접, 레이저스폿용접, 코킹 등으로 실시하면 된다.
<실시의 형태>
이하, 본 발명에 관련되는 가속도센서의 매우 적합한 실시형태를 도면에 의거해서 설명한다. 도 1은, 본 발명의 실시형태에 관련되는 가속도센서의 구성예를 표시하는 도 2의 A-A선 단면도, 도 2는, 도 1의 진동판(2)의 형상 및 케이스(10)와 진동판(2)과의 접촉형태를 표시하는 도면, 도 3은, 도 1의 진동판(2)에 추(1)를 장착한 상태를 표시하는 도면, 도 4는, 도 1의 가속도센서의 전극기판에 형성된 고정전극의 배선을 표시하는 도면이며, (a)는 상면도, (b)는 (a)에 있어서 B-B선 단면도, 도 5는, 스페이서(3)의 형상을 표시하는 도면이다. 도 1에 표시하는 바와 같이, 본 발명의 실시형태에 관련되는 가속도센서는, 단면이 コ자형으로 한 쪽에 바닥부, 다른 쪽에 개구부를 가지는 도전성의 케이스(10) 속에, 한 쪽 면에 고정전극을 가지는 전극기판(5)과, 이 전극기판(5)과의 사이에 소정의 간격을 형성하기 위 한 스페이서(3)를 개재해서 고정전극에 대향하는 한 쪽 면을 가동전극으로 하는 진동판(2)과, 이 진동판(2)의 다른 쪽 면의 중앙부분에 배설된 추(1)를 가지고 구성되어 있다. 그리고, 고정전극(전극기판(5))과 가동전극(진동판(2))과의 사이의 정전용량의 변화에 의거해서 서로 직교하는 3축방향의 가속도를 검출하는 것이다.
본 실시형태에서, 케이스(10)는, 도 2에 표시하는 바와 같이 바닥부에 평행하는 방향의 단면이 정사각형이다. 또, 도 2~도 5에 표시하는 바와 같이, 진동판(2), 전극기판(5), 스페이서(3)도 이 정사각형의 케이스(10)에 맞춰서, 정사각형이다.
진동판(2)은, PET(폴리에틸렌테레프탈레이트)나, PPS(폴리페닐렌설파이드) 등의 필름은 아니고, SK재, 스테인리스, 인청동, Be-Cu, Ti-Cu 등의 구부림강도에 강한 도전성의 금속재료로 형성되어 있다. 강도특성이 양호한 재료를 이용함으로써, 도 2에 표시하는 바와 같은 매우 적합한 형상의 진동판(2)을 형성할 수 있다. 즉, 진동판(2)은, 주변부분에 위치해서 스페이서(3)와 위치결정핀(7)을 개재해서 고정되는 고정부(2e)와, 중앙부분에 위치해서 추가로 그 중앙에 추(1)를 구비하는(도 3 참조) 진동부(2a)와, 고정부(2e)와 진동부(2a)를 연결하는 탄성지지부(2b~2d)로 분할 형성된다. 탄성지지부(2b~2d)는, 토션바 앵커로서 기능하는 제 1의 대들보(2b)와 제 2의 대들보(2c)와, 이들의 대들보(2b, 2c)를 연결하는 탄성지지부의 기부(2d)에 의해서 구성되어 있다. 또, 기부(2d)는 타원형상의 고리형상으로 형성되고, 제 1의 대들보(2b)는, 이 타원형상의 긴 축 위에서 진동부(2a)와 고리형상의 기부(2d)를 접속하고 있다. 제 2의 대들보(2c)는, 타원형상의 짧은 축 위에서 고정 부(2e)와 고리형상의 기부(2d)를 접속하고 있다. 이들 긴 축이 제 2의 축(X축)에 상당하고, 짧은 축이 제 3의 축(Y축)에 상당한다. 또한, 제 1의 축(Z축)은, 진동판(2)에 직교하는 방향, 즉, 제 1의 축 및 제 2의 축에 직교하는 방향의 축이다.
진동판(2)(가동전극)과 전극기판(5)(고정전극)과의 사이의 정전용량의 변화를 보다 많이 얻기 위해서는 진동부(2a)의 면적이 넓은 쪽이 바람직하다. 또, 진동판(2)은 구부림강도에 강한 금속재료로 형성되어 있으므로, 충분한 진동폭을 얻기 위해서는, 대들보(2b, 2c)가 너무 짧으면 바람직하지 않아, 어느 정도의 길이가 필요하다. 진동부(2a)의 면적의 확보와, 대들보(2b, 2c)의 길이의 확보를 양립시키기 위해서, 예를 들면, 거의 진원형(眞圓形)으로 형성된 진동부(2a)와, 대들보(2b, 2c)와 진동부(2a)를 연결하는 기부(2d)를 거의 진원형상의 매우 좁은 폭의 고리형상으로 형성하는 것은 가능하다. 그러나, 이 기부(2d)를 포함한 탄성지지부(2b~2d)가 스프링의 기능을 하기 위해서, 기부(2d)를 상기와 같이 매우 가늘게 형성하면, 탄성운동의 안정성이 부족하여, 가속도센서가 검지되는 3축방향 내의 제 2의 축(X축)의 가진 시와 제 3의 축(Y축)의 가진 시와의, 이른바 XY방향에서 출력에 차이를 일으킬 가능성이 높아진다.
그래서, 본 실시형태에서는, 도 2에 표시한 바와 같이 기부(2d)를 타원형상의 고리형상으로 하고, 이 고리형상의 기부(2d)와, 타원형상의 긴 축 위에서 진동부(2a)와 고리형상의 기부(2d)를 접속하는 2개의 제 1의 대들보(2b)와, 타원형상의 짧은 축 위에서 고정부(2e)와 고리형상의 기부(2a)를 접속하는 2개의 제 2의 대들보(2c)에 의해서 탄성지지부(2b~2d)를 구성하고 있다. 이와 같이 구성함으로서, 진 동부(2a)를 넓고, 그리고 원형으로 형성할 수 있는 동시에, 대들보(2b, 2c)의 길이 및 기부(2d)의 폭을 확보할 수 있다. 그 결과, 정전용량의 변화를 많이 얻을 수 있고, 탄성지지부(2b~2d)에 의한 운동의 안정성도 증가한다. 따라서, 충분한 출력을 얻는 동시에, XY방향에서의 출력의 차이도 일으키기 어려워진다. 출력이 낮은 경우에는 증폭회로 등이 필요해지며, XY방향에서 출력에 차이를 일으키는 경우에는 보정회로 등이 필요하게 되지만, 진동판(2)의 구조 자체에서 이들의 과제를 억제할 수 있도록 구성하였으므로, 회로구성도 간결하게 된다.
도 1 및 도 2에 표시하는 바와 같이, 케이스(10)와 진동판(2)과는 진동판(2)의 외주부의 돌기(부호 2f)로 접촉되어 있으며, 전기적으로 도통하도록 되어 있다. 도 2에는, 모서리형의 케이스(10)를 이용한 예를 표시하고 있다. 진동판(2)의 진동부(2a)는 고리형상으로 형성되어 있지만, 진동판(2) 전체는 본예에서는 정사각형으로 형성되고, 주변부에 90도씩 간격을 두고, 전극기판(5)과 스페이서(3)와 진동판(2)을 고정하는 위치결정핀(7)을 통과시키기 위한 접속구멍(2h)을 가지고 있다. 또한, 접속구멍(2h)과 45도 다르게 해서, 외주부에 90도씩 간격을 두고, 모서리형의 케이스(10)의 4변과 진동판(2)을 전기적으로 도통시키기 위한 도통용 클로(2f)(돌기부)를 가지고 있다. 이와 같이 구성하면, 가속도센서를 조립할 때에, 이 도통용 클로(2f)(돌기부)를 케이스에 접촉시킬 수 있고, 조립과 동시에 도통을 확보시킬 수 있다. 따라서, 조립성을 향상시킬 수 있다. 또한, 본예에서는 접촉시키는 힘을 균등하게 하기 위함이나, 접촉저항을 병렬화해서 합성저항을 줄이기 위해, 또 장착방향에 의존하지 않는 대상성을 지니게 하기 위해서, 4변 모두에 도통용 클로(2f) 를 배설하고 있지만, 반드시 4변 모두에 배설할 필요는 없고, 1개이상의 접촉점이 있으면 된다.
또한, 도통용 클로(2f)(돌기부)와 케이스(10)와의 접선, 즉 케이스(10)가 도 2에 표시하는 바와 같은 모서리형이면 그 변에 직교하고, 진동판(2)의 중심을 향하는 방향으로, 접선(케이스(10)가 본예와 같이 모서리형이면 그 변에 일치함)에 병행하는 슬릿(2g)을 구비하고 있다. 도통용 클로(2f)를 케이스(10)에 접촉시킴으로써, 조립성을 향상시키고 있지만, 도통용 클로(2f)가 케이스(10)로부터 받는 반작용에 의해서 진동판(2)에 과도한 힘이 가해지는 경우도 있다. 그 결과, 예를 들면 진동판(2)이 뒤틀리게 되는 경우가 있으면, 진동판(2)과 전극기판(5)과의 사이의 거리가 불균일하게 되거나, 진동에 불균일이 생길 수 있거나 해서, 정확한 정전용량 변화의 검출, 즉 가속도의 검출에 있어서 바람직하지 않다. 그래서, 이 케이스(10)로부터의 반작용을 완화하는 동시에, 케이스(10)에의 도통을 확보하기 위한 압압력을 확보하기 위해서, 슬릿(2g)을 구비하고 있다. 이와 같이 구성하면, 슬릿(2g)부분이 완충부로 되어서, 스프링성을 지니고, 매우 적합하게 진동판(2)을 케이스(10)에 가압하는 동시에, 케이스(10)로부터의 반작용을 흡수한다. 따라서, 진동판(2)과 케이스(10)와의 도통을 확보하는 동시에, 진동판(2)의 뒤틀림을 일으키게 하지 않는다.
또한, 본예에서는, 슬릿(2g)을, 도 2에 표시한 바와 같이 도통용 클로(2f)(돌기부)와 케이스(10)와의 접선에 직교하는 선상에 도통용 클로(2f)와 동일한 방향으로 부풀어 오른 반원형상의 노치를 가지고, 접선에 병행하는 좁은 폭 형상의 것 으로 구성되어 있다. 도통용 클로(2f)가 케이스(10)에 접촉하여, 케이스(10)로부터의 반작용을 받으면, 그것을 슬릿(2g)이 완충한다. 슬릿(2g)이 단순히 좁은 폭의 선형상이면, 완충을 위해서 슬릿(2g)에 걸리는 힘이 큰 경우, 슬릿(2g) 자체의 파손을 초래하거나, 힘을 흡수할 수 없어서 진동판(2)을 뒤틀리게 하거나 할 가능성이 있다. 그러나, 반원형상의 노치를 가지고 있으면, 이 부분에서 접선방향으로 슬릿의 길이를 길게 할 수 있어서, 상기 문제점을 완화할 수 있다.
도 3은, 도 1 및 도 2에 표시한 진동판(2)에 추(1)를 장착한 상태를 표시하는 사시도이다. 도 3에 표시하는 바와 같이, 추(1)는, 원기둥형상의 자루부분(1a)과, 이 자루부분(1a)의 지름보다도 큰 지름으로 원반형상의 본체부분(1b)으로 이루어지는 우산형상으로 형성되어 있다. 자루부분(1a)은, 본체부분(1b)과는 반대쪽의 선단부에, 자루부분(1a)의 지름보다도 큰 지름으로, 본체부분(1b)보다도 작은 지름의 지름을 가지는 원반형상의 장착부분을 가지고 있으며, 이 장착부분의 중심과, 진동판(2)의 진동부(2a)의 중심을 일치시켜서, 진동판(2)에 장착된다. 즉, 추(1)의 중심과 진동판(2)의 중심을 일치시켜서, 장착된다. 이 추(1)의 중심을 통과해서 진동판(2)에 직교하는 축이 제 1의 축이며, 이른바 Z축이다. 즉, 추(1)를 이용해서 가속도센서에 가해진 충격을 XYZ방향으로 가진시켜서, 가속도를 검지한다. 추(1)는 스테인리스제이지만, 진동폭을 더욱더 크게 하기 위해서는 스테인리스보다도 비중이 무거운 것, 예를 들면 텅스텐(금과 동일한 비중) 등을 이용하면 된다. 또한, 금속판인 진동판(2)과 추(1)와의 장착은, 접착, 전기용접, 레이저스폿용접, 코킹 등으로 실시된다.
스페이서(3)를 사이에 두고 진동판(2)과 대향하는 전극기판(5)에는, 도 4(a)에 표시하는 바와 같은 제 1로부터 제 3의 고정전극(5a~5c)이 구비되어 있다. 제 1의 고정전극(5c)은, 추(1)의 중심을 통과해서 전극기판(5)에 직교하는 제 1의 축(Z축)을 중심으로 하는 고리형상의 전극이다. 제 2의 고정전극(5a) 및 제 3의 고정전극(5b)은, 전극기판(5)과 제 1의 축과의 교차점 O에서 서로 직교하는 동시에, 제 1의 축에 직교하는 제 2의 축 및 제 3의 축에 대해서 45도의 각도를 이루는 분할축에 의해서 각각 2개로 분할된 전극이다. 또한, 전극기판(5)은, 도 1에 표시하는 바와 같이 고정전극(5a~5c)의 표면을 덮어서 일렉트릿층(4)이 형성되고, 접속구멍(5d)의 위치결정핀(7)에 의해서 위치결정된 다음, 마찬가지로 접속구멍을 가지고 위치결정되는 스페이서(3)(도 5 참조)에 의해서 진동판(2)과 소정의 거리를 유지하여 케이스(10)에 편성된다. 그리고, 고정전극(전극기판(5))과 가동전극(진동판(2))과의 사이의 정전용량의 변화에 의거해서 서로 직교하는 3축방향의 가속도를 검출한다.
일렉트릿층(4)은, FEP(4불화에틸렌-6불화프로필렌공중합체), PTFE(4불화에틸렌수지), PFA(4불화에틸렌-퍼플루오르비닐에테르공중합체) 등에 의해 형성된다. 그 형성 방법으로서는, 상기 조성의 불소계 필름을 붙이는 것이나, 특허 제 3387012호 공보에 개시된 바와 같이, 상기 조성의 불소수지의 수성 분산액을 도포한 후, 소성함으로써 이루어진다. 이와 같이 해서 얻어진 일렉트릿층(4)은, 종래로부터의 방법인 FEP필름을 용착(溶着)하고 있던 경우의 것으로 12㎛이상으로 된다. 한편, 소성에 의한 것으로는 약 5.0㎛정도의 두께이며, 매우 얇은 일렉트릿층(4)을 형성할 수 있다.
한편, 전극기판(5)에는, 상술한 바와 같은 고정전극(5a~5c)이 구리박 등에 의한 도전패턴으로서 형성된다. 이와 같은 도전패턴은 일반의 프린트배선기판과 마찬가지로 절연물인 유리엑폭시제의 기재에 에칭 등에 의해서 구리박의 도전패턴을 형성한 것이면, 약 35㎛의 두께를 가지고 있으며, 특히 박형으로 형성된 것일지라도 5㎛정도의 두께를 가진다. 따라서, 기판의 기재 위에는, 구리박의 패턴이 돌출한 형으로 되고, 특히 본 실시형태와 같이 일렉트릿층(4)을 얇게 형성하는 경우에는, 일렉트릿트층(4)의 층두께가 불균일하게 되는 경우가 있다. 그리하면, 검출되는 정전용량, 및 그 결과적으로 출력되는 전압에도 영향을 미쳐서, 바람직하지 않다. 그래서, 도 4(b)에 표시하는 바와 같이, 기판의 기재의 표면으로부터 돌출하는 일 및 함몰하는 일없이, 즉, 표면이 평평하게 되도록 전극패턴의 구리박을 기재 내에 매입하도록 하면, 일렉트릿층(4)의 층압을 균일하게 할 수 있어서 바람직하다.
이와 같이 구리박으로 형성된 고정전극(5a~5c)을 덮도록 해서, 일렉트릿층(4)을 형성하지만, 구리박은 산화, 변색하기 쉽고, 이것에 의해서 일렉트릿으로서의 기능을 저하시켜 버리는 경우가 있다. 특히, 전극기판(5)의 표면에 불소수지의 수성 분산액을 도포한 후, 소성함으로써 일렉트릿층(4)을 형성하는 경우, 구리박 부분이 산화되어서 거무스름해져 버리는 경우를 자주 볼 수 있다. 그래서, 고정전극(5a~5c)의 구리박에 대해서 추가로 니켈이나 금 등으로 도금처리를 실시한 후, 일렉트릿의 코팅을 실시하면 바람직하다.
한 쪽 면에 일렉트릿층(4)이 형성된 전극기판(5)의 다른 쪽 면에는, 필요에 따라서, 신호처리를 위한 콘덴서나 저항기, 운영증폭기 등을 실장하고, 관통구멍을 개재해서 일렉트릿층(4)을 형성한 면의 고정전극(5a~5c)으로부터의 신호가 전달된다. 또, 이 전극기판(5)의 다른 쪽 면에는, 도 1에 표시하는 바와 같이 단자(6)가 접촉 또는 납땜되어 있다. 단자(6)는, 케이스(10)의 개구부를 폐쇄하기 위한 바닥덮개(9)를 관통해서, 고정전극(5a~5c)으로부터의 신호나 이들의 신호를 1차처리한 신호, 전원 등을 전달하고 있다.
상술한 바와 같이, 진동판(2)은 강도특성이 양호한 재료에 의해서 형성되어 있으므로, 강한 충격에 대해서도 어느 정도 내성이 있는 구성으로 되어 있다. 그러나, 낙하 등에 의한 과도한 가속도가 가해졌을 경우에는, 진동판(2)과 추(1)와의 접속부분이나, 탄성지지부(2b~2d)가 파손될 가능성이 있다. 그래서, 도 1에 표시하는 바와 같이, 적어도 자루부분(1a) 또는 본체부분(1b) 중 어느 하나에 접촉해서 추(1)의 과도한 변위를 규제하는 규제부재(8)를 케이스(10)의 내부에 구비하고 있다. 이와 같이 규제부재(8)를 구비하면, 진동판(2)이 파손되기 전에, 추(1)가 규제부재(8)에 접촉되므로, 내충격성이 뛰어난 가속도센서를 얻을 수 있다.
이상, 본 발명에 의해서, 간단한 구성으로 센서감도를 저하시키는 일없이, 내충격성을 향상시킨 3축 가속도센서를 제공할 수 있다.
본 발명은, 3축방향의 가속도를 검출할 수 있는 가속도센서에 대한 것이지만, 이 3축의 방향을 정리해서 사용하면, 어느 방향으로부터라도 진동이 있으면, 그것을 검출 가능한 진동센서로서도 사용할 수 있다. 또, 이 진동센서를 이용한 진 동계나 보수계에 이용할 수 있다.
Claims (7)
- 한 쪽 면에 고정전극을 가지는 전극기판과, 이 전극기판과의 사이에 소정의 간격을 형성하기 위한 스페이서를 개재해서 상기 고정전극에 대향하는 한 쪽 면을 가동전극으로 하는 진동판과, 이 진동판의 다른 쪽 면의 중앙부분에 배설된 추를 도전성을 지니는 케이스 내에 구비하고, 상기 고정전극과 상기 가동전극과의 사이의 정전용량의 변화에 의거해서 서로 직교하는 3축방향의 가속도를 검출하는 가속도센서로서,상기 고정전극은, 상기 추의 중심을 통과해서 상기 전극기판에 직교하는 제 1의 축을 중심으로 하는 고리형상의 제 1의 고정전극과, 상기 전극기판과 상기 제 1의 축과의 교차점에서 서로 직교하는 동시에, 상기 제 1의 축에 직교하는 제 2의 축 및 제 3의 축에 대해서 45도의 각도를 이루는 분할축에 의해서 각각 2개로 분할된 제 2의 고정전극 및 제 3의 고정전극으로 이루어지며,상기 고정전극의 표면을 덮어서 상기 전극기판에 일렉트릿층을 형성하는 것을 특징으로 하는 가속도센서.
- 제 1항에 있어서,상기 고정전극을, 상기 전극기판의 표면으로부터 돌출 및 함몰하는 일없이 형성하는 것을 특징으로 하는 가속도센서.
- 제 1항 또는 제 2항에 있어서,구리박으로 형성되는 상기 고정전극을 니켈 또는 금도금처리한 다음, 불소수지의 수성 분산액을 도포하여, 소성하거나, 또는 불소계 필름을 붙임으로써 상기 일렉트릿층을 형성하는 것을 특징으로 하는 가속도센서.
- 제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 있어서,상기 진동판은, 주변부분에 위치하여 상기 스페이서를 개재해서 고정되는 고정부와, 중앙부분에 위치해서 상기 추를 구비하는 진동부와, 상기 고정부와 상기 진동부를 연결하는 탄성지지부로 이루어지고,상기 탄성지지부를, 타원형상의 고리와,상기 타원형상의 긴 축 위에서 상기 진동부와 상기 고리를 접속하는 제 1의 대들보와,상기 타원형상의 짧은 축 위에서 상기 고정부와 상기 고리를 접속하는 제 2의 대들보로 구성하는 것을 특징으로 하는 가속도센서.
- 제 1항 내지 제 4항 중 어느 한 항에 있어서,상기 진동판은, 상기 케이스와 상기 진동판을 전기적으로 도통하기 위한 돌기부를 외주부에 구비하는 동시에, 상기 돌기부와 상기 케이스와의 접선에 직교하는 선상에 노치를 가지고 상기 접선에 병행하는 좁은 폭의 슬릿을, 상기 돌기부의 안쪽에 구비하는 것을 특징으로 하는 가속도센서.
- 제 1항 내지 제 5항 중 어느 한 항에 있어서,상기 추는, 원기둥형상의 자루부분과, 이 자루부분의 지름보다도 큰 지름으로 원반형상의 본체부분으로 이루어지는 우산형상으로 형성되어서, 상기 자루부분의 선단부가 상기 진동판의 중심부분에 장착되는 것이며, 적어도 상기 자루부분 또는 상기 본체부분 중 어느 하나에 접촉해서 상기 추의 과도한 변위를 규제하는 규제부재를 상기 케이스 내에 구비하는 것을 특징으로 하는 가속도센서.
- 제 1항 내지 제 6항 중 어느 한 항에 있어서,상기 진동판은, SK재, 스테인리스, 인청동, Be-Cu, Ti-Cu 중 어느 하나로 구성되는 것을 특징으로 하는 가속도센서.
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