專利名稱：加速度傳感器的制作方法
技術領域：
本發明涉及對相互正交的3個軸方向的加速度進行檢測的的加速度傳感器。
背景技術：
關于檢測三維的、所謂X軸、Y軸、Z軸這3個軸方向的加速度的加速度傳感器，提出有各種各樣的方案。例如，在作為文獻1引用的日本特開平10-10150號公報(圖1至3、第7至22段)中，公開了基于相互面對的固定電極與可動電極之間的靜電電容變化來檢測加速度的加速度傳感器的技術。根據該技術，在固定電極和可動電極中的某一個電極的、與另一個電極對置的面上設有駐極體膜。在可動電極的不與固定電極對置的一側的面上備有配重體，以便在施加加速度時賦予可動電極位移。沒有設置駐極體膜的另一個電極，被沿著以配重體的重心的投影位置為交點相互正交的正交軸分割。即，通過分割設置一個電極，來基于被分割的電極的靜電電容變化，檢測多個軸的加速度。
文獻1所公開的那樣的駐極體電容器麥克風(ElectretCondenser Microphones)(下面，稱之為“ECM”)型的加速度傳感器或振動傳感器，被用于計步器或振動計等各種各樣的用途。希望它們與一般的傳感器同樣地具有高靈敏度。但是，在例如用于計步器等時大多由電池驅動，當然不能期待充足的電源。因此，使用消耗電流較多的放大用的IC(集成電路)等電氣地提高靈敏度，這一點并不理想。
所以，若要機械地提高靈敏度，則必須使慣性力增加。但是，如果為了使慣性力增大而增大可動電極的振幅，傳感器下落等時的耐沖擊性就會受到損害。因此，僅僅根據文獻1那樣的基本結構，難以充分應對這些問題。
發明內容
本申請發明是鑒于上述問題而作出的，其目的在于提供一種以簡單的構成在不降低傳感器靈敏度的情況下提高耐沖擊性的三軸加速度傳感器。
為了實現該目的，本發明的對相互正交的3個軸方向的加速度進行檢測的加速度傳感器包括電極基板對，使在一個面上具有固定電極的兩張電極基板的前述固定電極彼此對置；振動板，其經由用于設置規定間隔的間隔件而被夾持在該電極基板對之間，作為可動電極起作用；和配重體，其重心與該振動板的中心一致地安裝；以通過前述配重體的重心并與前述電極基板正交的軸作為第一軸，基于前述固定電極與前述可動電極之間的靜電電容的變化，對相互正交的前述第一軸、第二軸以及第三軸這3個軸方向的加速度進行檢測，其特征在于，前述配重體形成為傘形，包括圓柱狀的柄部、與具有比該柄部的直徑大的直徑的圓盤狀的主體部；前述固定電極包括第一固定電極，其是以前述第一軸為中心并具有比前述柄部大的內徑的環形；和第二固定電極及第三固定電極，它們是直徑比前述第一固定電極大的環狀電極被相對于前述第二軸及前述第三軸成45度角的分割軸分別二分割而成的；前述電極基板設置有覆蓋前述固定電極的表面的駐極體層，并且，在至少一個電極基板的中央部上設置有貫通孔，該貫通孔的直徑比前述柄部大且比前述第一固定電極的內徑小；前述配重體的前述主體部設置在前述第二固定電極及前述第三固定電極彼此對置的前述電極基板對的外側；并且，前述配重體的前述柄部經由前述貫通孔連接在前述振動板上。
根據該特征構成，本發明的加速度傳感器，是利用了駐極體的ECM型的結構，所以，能夠直接對靜電電容進行電壓輸出。在ECM型的結構中，由于不需要用于在振動板(可動電極)與固定電極之間施加偏壓的偏置電路，所以電路變得簡單，也能夠降低成本。
另外，根據本發明的加速度傳感器，采用了在使第二電極及第三電極彼此對置地配置的兩張電極基板之間具有振動板的、所謂推挽[push-pull]方式。因此，與僅利用振動板的單側的方式相比，能夠得到相對于振動板的機械振幅來說非常高的電輸出。
另外，在電極基板上設置貫通孔，經由該貫通孔將構成為傘狀的配重體的柄部連接于振動板，配重體的主體部配置在電極基板對的外側。其結果，能夠與配重體的大小無關地將電極基板對的間隔設置得較窄，所以，容易檢測靜電電容的變化。另外，在想要改變振動板的機械振幅時，只要改變配置在電極基板對的外側的配重體的主體部的大小就能夠應對，所以，在傳感器用于多種目的時的靈活性良好。另外，由于用細的柄部進行配重體與振動板的連接，所以，也能夠充分確保與在第一軸方向機械振幅最大的振動板的中央部對置的第一固定電極的面積。
根據進一步發揚了ECM型及推挽型的優點的上述特征構成，不用高價的靜電電容-電壓轉換電路(CV轉換電路)即可直接將ECM的輸出電壓輸出給低價的通用運算放大器等。CV轉換電路，大多由專用的IC(集成電路)等構成，雖也提供有能夠以一個IC處理3個軸的信號的轉換電路，但是消耗電流大到數毫安。因此，在將該加速度傳感器組裝入電池驅動的裝置時，電池急劇消耗，并不理想。而通用的運算放大器，其消耗電流較少、為數微安，能夠降低裝置的消耗電力。
另外，特征在于前述固定電極以不從前述電極基板的表面突出及陷落的方式形成。
駐極體層，例如通過涂敷成為駐極體的氟樹脂的水性分散液并進行燒結、或粘貼氟類薄膜等方式，形成在電極基板的表面上。在電極基板上，利用銅箔等來設置固定電極。一般是由蝕刻法等將銅箔的導電圖形設在作為絕緣體的玻璃環氧樹脂制的基材上。因此，雖然形成得特別薄，但在基板的基材之上銅箔的圖形成為突出的形狀。因此，存在形成于其上的駐極體層的層厚不均勻的情況。這樣，會給所檢測的靜電電容、及作為其結果而被輸出的電壓帶來影響，并不理想。若電極圖形的銅箔不從基板的基材的表面突出及陷落，而是表面平整地設置，則能夠使駐極體層的層厚均勻。
另外，具有這樣的特征前述駐極體層是通過以鎳或金對前述固定電極的表面進行鍍敷處理、之后涂敷氟樹脂的水性分散液并進行燒結而形成的，或者是通過粘貼氟類薄膜而形成的。
作為銅，由于其導電性優異，所以一般用作上述那樣被設在基板上的電極。但是，廣泛用于電極圖形的銅箔容易氧化、變色，由此存在使作為駐極體的功能降低的情況。尤其是在涂敷成為駐極體層的氟樹脂的水性分散液并進行燒結的情況下，存在氧化、發黑的情況。另外，由于銅箔容易氧化、變色，所以在粘貼氟類薄膜時也存在銅箔變色的情況。
因此，若在粘貼氟類薄膜或涂敷氟樹脂的水性分散液并燒結、以進行駐極體的涂覆之前，以鎳或金等對銅箔進行鍍敷處理的話，則能夠抑制上述問題。
另外，特征在于為了通過四個狹縫將前述振動板分割形成為位于周邊部并經由前述間隔件而被固定的固定部、位于中央部并具有前述配重體的振動部、和在周向上等間隔地形成有多個并連結前述固定部與前述振動部的彈性支承部，前述狹縫沿周向等間隔地設置，相鄰的各狹縫的振動部側的端部與固定部側的端部在徑向上重合。
在振動板被分割形成為固定部、振動部及彈性支承部的情況下，連結固定部與振動部的彈性支承部作為扭桿支座起作用。若彈性支承部對振動部和固定部進行的連結不均勻，會在加速度傳感器檢測的3個軸方向內的第二軸的勵振時與第三軸的勵振時的、所謂XY方向上產生輸出差異。另外，為了更多地獲得由ECM產生的靜電電容的變化，優選地將振動部的面積設定得較大。
當如本特征構成那樣地使相鄰的各狹縫的振動部側的端部與固定部側的端部在徑向上重疊地沿周向等間隔地設置時，振動部形成為大致圓形，所以，難以產生XY方向上的差異。另外，由于能夠確保彈性支承部在周向上的長度，所以能夠不影響彈性地形成為較窄的寬度。其結果，能夠較大地獲得振動部的面積，較多地獲得靜電電容的變化，成為優選的結構。另外，由于彈性支承部能夠保持適當的彈性與強度，所以能夠將振動部的機械振幅設定得較大。其結果，不需要由電路進行放大或檢測方向的校正等，電路結構也變得簡潔。
另外，可以具有下述特征前述狹縫包括位于前述固定部側的外軌道、位于前述振動部側的內軌道、和連結前述外軌道與前述內軌道的S字形的連結軌道。
若外軌道及內軌道均由圓軌道的一部分構成，則振動部形成得更接近圓形，所以難以產生XY方向上的輸出差異。另外，外軌道與內軌道由曲線的S字形連接軌道連結。即，與由彈性支承部連結振動部與固定部的連結部有角地構成的情況相比，施加在該連結部上的力不會集中，而是分散。因此，即使在例如在由下落等造成的過度沖擊施加到加速度傳感器時，也會降低振動板破損的可能性，提高耐沖擊性。
在加速度傳感器中，由所施加的加速度產生的振動板的機械振幅越大，則在獲得輸出時越有利。但是，相反地，在施加了下落等的過度沖擊時，存在產生破損的問題。并不以PET(聚對苯二甲酸乙二醇酯)、或PPS(聚苯硫醚)等的薄膜形成振動板，而是由SK材料(碳素工具鋼JIS G4401)、不銹鋼、磷青銅、鈹-銅、鈦-銅等彎曲強度較強的材料形成，由此，能夠提高振動板自身的強度。另外，振動板與配重體的安裝，可通過粘接、電焊、激光點焊、鉚接等方式進行。
圖1為表示本發明的實施方式的加速度傳感器的構成例的剖視圖。
圖2為設置在圖1的加速度傳感器的電極基板上的固定電極的配線圖。
圖3為表示圖1的加速度傳感器的振動板的形狀的圖。
圖4為表示圖1的加速度傳感器的振動板與安裝在振動板上的配重體的立體圖。
具體實施例方式
下面，基于附圖對本發明的加速度傳感器的優選實施方式進行說明。
本發明的實施方式的加速度傳感器，在截面為コ字形、于一側具有底部而于另一側具有開口部的導電性的筐體之中，具有如圖1所示那樣的駐極體電容式麥克風(ECM)型的靜電電容檢測機構。如圖1所示那樣，為推挽式的結構，該推挽式的結構具有使在一個面上具有被駐極體層1覆蓋的固定電極的兩張電極基板4的固定電極彼此對置的電極基板對；經由用于設置規定間隔的間隔件5而被夾在該電極基板對之間、作為可動電極起作用的振動板2；和重心與該振動板2的中心一致地安裝的配重體3。并且，是具有ECM型的靜電電容檢測機構的加速度傳感器，該ECM型的靜電電容檢測機構以通過配重體3的重心并與電極基板4正交的軸為第一軸，基于具有駐極體層1的固定電極與可動電極之間的靜電電容的變化，對相互正交的上述第一軸、第二軸以及第三軸這3個軸方向的加速度進行檢測。
當使上述3個軸對應于所謂的XYZ這3個軸時，通過配重體3的重心并1與電極基板4正交的第一軸為Z軸，在電極基板4與第一軸的交點處相互正交且與第一軸正交的第二軸與第三軸分別為X軸和Y軸。如圖2(a)所示那樣，固定電極與該XYZ軸對應地設置在電極基板4上。用于檢測Z軸、即第一軸的加速度的第一固定電極4c形成為以第一軸為中心并具有比配重體3的柄部3a的直徑大的內徑的環形。用于檢測X、Y軸、即第二軸及第三軸的加速度的第二固定電極4b及第三固定電極4a，是用相對于第二軸及第三軸成45度角的分割軸，將具有比第一固定電極4c大的直徑的環形電極分別二分割而成的電極。第二軸貫通分割而成的兩個第二固定電極的中央部，第三軸貫通兩個第三固定電極的中央部。
如圖1所示，在兩張電極基板4上，都形成有覆蓋固定電極4a～4c的表面的駐極體層1。并且，電極基板對形成為，使得兩張電極基板4的第二電極彼此以及第三固定電極彼此相互地對置地配置。另外，在兩張電極基板4之中至少一個的中央部上，設有用于使配重體3的柄部3a貫通的貫通孔7。當然，也可如圖1所示那樣將貫通孔7設置在兩個電極基板4上。如圖4所示，配重體3形成為傘狀，包括圓柱狀的柄部3a、和具有比該柄部3a的直徑大的直徑的圓盤狀的主體部3b。因此，貫通孔7的直徑形成為比柄部3a大且比第一固定電極4c的內徑小。
這樣，本實施方式的加速度傳感器，在所備有的兩張電極基板4中的至少一個的中央部設有配重體3的柄部3a所貫通的貫通孔7，使第二電極4b及第三電極4a彼此相互對置，經由間隔件5將振動板2夾入到兩電極基板之間(電極基板對之中)。在振動板2的中央部上連接著配重體3的柄部3a的前端部，經由設置在電極基板4中的至少一個上的貫通孔7，在該一個電極基板4的不具有駐極體層1的一側配置配重體3的主體部3b。即，在電極基板對的外側具有配重體3的主體部3b。施加給加速度傳感器的加速度由該配重體3勵振，從而使振動板2位移。通過振動板2位移，固定電極4a～4c與振動板2(可動電極)之間的靜電電容發生變化。通過將該變化作為電壓值取出，對3個軸的加速度進行檢測。
如上所述，配重體3的主體部3b位于電極基板對的外側，能夠與配重體3的大小無關地將電極基板對的間隔設置得較窄，所以，容易檢測靜電電容的變化。另外，在想要改變振動板2的振幅時，只要改變位于電極基板對的外側的主體部3b的大小，就能夠輕松對應。因此，在將該加速度傳感器用于多種目的時的靈活性良好，也適于統一多種制品調整的情況。另外，由于由細的柄部進行配重體與振動板的連接，所以，也能夠充分確保與在第一軸方向上振幅最大的振動板2的中央部對應的第一固定電極的面積。
如上所述，本實施方式為在兩張電極基板4之間夾入了振動板2的、所謂的推挽型的構成。兩張電極基板4具有的駐極體層1的電荷可分別具有同極電位，也可具有異極電位。
駐極體層1，由FEP(四氟乙烯-六氟丙烯共聚物)、PTFE(聚四氟乙烯)、PFA(四氟乙烯-全氟烷基乙烯基醚共聚物)等形成。其形成的方法，如例如日本特許第3387012號公報所公開的那樣，通過涂敷這些氟樹脂的水性分散液、然后對其進行燒結而制得。如此得到的駐極體層1，厚度約為5.0μm左右，能形成比以往熔敷FEP薄膜的情況下的12μm以上的厚度薄得多的駐極體層1。
另一方面，在電極基板4上，設有上述那樣的固定電極4a～4c作為由銅箔等形成的導電圖形。這樣的導電圖形，若是與一般的印制布線板同樣地、通過蝕刻等將銅箔的導電圖形設置在作為絕緣體的玻璃環氧樹脂制的基材上，則具有約35μm的厚度，即使形成得特別薄也有5μm左右的厚度。因此，在基板的基材之上，銅箔的圖形形成為突出的形狀，特別是在如本實施方式那樣將駐極體層1形成得較薄時，存在駐極體層1的層厚不均勻的情況。其結果，有時給所檢測的靜電電容、及作為其結果而被輸出的電壓帶來影響。如圖2(b)所示，若沒有從基板的基材表面突出以及陷落的情況，即將電極圖形的銅箔埋入到基材內以使表面平整，則能夠使駐極體層1的層厚均勻。
這樣，覆蓋以銅箔形成的固定電極4a～4c地形成駐極體層1，但銅箔易氧化、變色，由此存在作為駐極體的功能降低的情況。尤其是在通過將氟樹脂的水性分散液涂敷到電極基板4的表面上之后進行燒結來形成駐極體層1的情況下，銅箔部分會氧化、發黑，存在使作為駐極體的功能降低的情況。因此，在對固定電極4a～4c的銅箔進一步以鎳或金等進行鍍敷處理后，進行駐極體的包覆，便能夠減少此類問題。
在一個面上形成有駐極體層1的電極基板4的另一個面上，根據需要，安裝用于信號處理的電容器或電阻器、運算放大器等，或者用于信號輸出和電源供給的連接器和配線。經由設置在電極基板4上的通孔從表面的固定電極4a～4c向這些部件傳遞信號。
圖3為表示圖1的加速度傳感器的振動板2的形狀的圖。振動板2并不是由PET(聚對苯二甲酸乙二醇酯)、或PPS(聚苯硫醚)等的薄膜形成，而是由SK材料(碳素工具鋼JIS G4401)、不銹鋼、磷青銅、鈹-銅、鈦-銅等彎曲強度較強的導電性金屬材料形成的。通過采用強度特性良好的材料，從而能夠形成下述那樣的優選形狀的振動板2。
如圖3所示，振動板2由四個狹縫2d分割形成為位于周邊部并經由間隔件5而被固定的固定部2c；位于中央部并具有配重體3的振動部2a；在周向上等間隔地形成有多個、連結固定部2c與振動部2a的彈性支承部2b。狹縫2d，沿周向等間隔地設置，相鄰的各狹縫的振動部2a一側的端部與固定部2c一側的端部在徑向上重合。其結果，彈性支承部2b被進一步分割形成為四個，本實施方式的加速度傳感器成為從分別各錯開90度的方向進行支承的四點支承結構。
連結固定部2c與振動部2a的彈性支承部2b，作為扭桿支座起作用。為了獲得更多的ECM產生的靜電電容的變化，將振動部2a的面積設定得較大為宜。另外，希望由彈性支承部2b進行的連結均勻，振動穩定，以使得在3個軸方向中的第二軸的勵振時和第三軸的勵振時的、所謂XY方向上不產生輸出差異。當如上述地構成時，能夠將振動部2a形成為大致圓形，進而成為與XY方向對應的四點支承結構，所以，難以產生XY方向上的差異。另外，由于能夠確保彈性支承部2b在周向上的長度，所以能夠形成為較窄的寬度，能夠確保振動部2a在振動板2中的較大面積。
另外，如圖3所示，狹縫2d包括位于固定部2c側的外軌道、位于振動部2a側的內軌道、和連結這些外軌道與內軌道的大致S字形的連結軌道。與由彈性支承部2b連結振動部2a與固定部2c的連結部有角地構成的情況相比，能夠以曲線形成該連結部，從而能夠分散施加在連結部上的力的集中。因此，即使在例如在由下落等造成的過度沖擊施加到加速度傳感器時，振動板破損的可能性也降低，耐沖擊性得以提高。
配重體3，如圖4所示形成為由圓柱狀的柄部3a、和具有比該柄部3a的直徑大的直徑的圓盤狀的主體部3b構成的傘狀，使該柄部3a的中心與振動板2的振動部2a的中心一致地安裝到振動板2上。即，使配重體3的重心與振動板2的中心一致地安裝。通過該配重體3的重心并與振動板2正交的軸為第一軸，是所謂的Z軸。即，利用配重體3使施加到加速度傳感器上的沖擊在XYZ方向上勵振，來檢測加速度。配重體3為不銹鋼制，但為了進一步增大振動板2的振幅，只要使用比不銹鋼的比重大的、例如鎢(比重與金相同)等材料即可。作為金屬板的振動板2與配重體3的安裝，通過粘接、電焊、激光點焊、鉚接等方式進行。
如上所述，振動板2由強度特性良好的材料形成，所以，成為對強烈沖擊也具有一定程度的耐性的構成。但是，在被施加了由下落等造成的過度的加速度時，振動板2與配重體3的連接部分、和彈性支承部2b可能會損壞。因此，如圖1所示，具有至少與柄部3a或主體部3b中的某一個接觸以限制配重體3的過度位移的限制部件6。這樣，當具有限制部件6時，在振動板2破損之前，配重體1與限制部件6接觸，所以，能夠得到耐沖擊性優異的加速度傳感器。
上面，根據本發明可提供一種以簡單的構成在不使傳感器靈敏度降低的情況下提高了耐沖擊性的三軸加速度傳感器。
本發明涉及能夠對3個軸方向的加速度進行檢測的加速度傳感器，但若將該3個軸方向組合起來使用，則還可以作為不管哪個方向存在振動都能夠對該振動進行檢測的振動傳感器使用。另外，能夠利用于使用了該振動傳感器的振動計或計步器。
權利要求
1.一種加速度傳感器，對相互正交的3個軸方向的加速度進行檢測，其包括電極基板對，使在一個面上具有固定電極(4c、4b、4a)的兩張電極基板(4)的前述固定電極彼此對置；振動板(2)，其經由用于設置規定間隔的間隔件(5)而被夾持在該電極基板對之間，作為可動電極起作用；和配重體(3)，其重心與該振動板(2)的中心一致地安裝；其中，以通過前述配重體(3)的重心并與前述電極基板(4)正交的軸作為第一軸，基于前述固定電極(4c、4b、4a)與前述可動電極(2)之間的靜電電容的變化，對相互正交的前述第一軸、第二軸以及第三軸這3個軸方向的加速度進行檢測，其特征在于，前述配重體(3)形成為傘形，包括圓柱狀的柄部(3a)、與具有比該柄部(3a)的直徑大的直徑的圓盤狀的主體部(3b)；前述固定電極(4c、4b、4a)包括第一固定電極(4c)，其是以前述第一軸為中心(O)并具有比前述柄部(3a)大的內徑的環形；和第二固定電極(4b)及第三固定電極(4a)，它們是直徑比前述第一固定電極(4c)大的環狀電極被相對于前述第二軸及前述第三軸成45度角的分割軸分別二分割而成的；前述電極基板(4)設置有覆蓋前述固定電極(4c、4b、4a)的表面的駐極體層(1)，并且，在至少一個電極基板(4)的中央部上設置有貫通孔(7)，該貫通孔(7)的直徑比前述柄部(3a)大且比前述第一固定電極(4c)的內徑小；前述配重體(3)的前述主體部(3b)設置在前述第二固定電極(4b)及前述第三固定電極(4a)彼此對置的前述電極基板對的外側；并且，前述配重體(3)的前述柄部(3a)經由前述貫通孔(7)連接在前述振動板(2)上。
2.如權利要求1所述的加速度傳感器，其特征在于，前述固定電極(4c、4b、4a)以不從前述電極基板(4)的表面突出及陷落的方式形成。
3.如權利要求1所述的加速度傳感器，其特征在于，前述固定電極(4c、4b、4a)由銅箔形成，前述駐極體層(1)，是通過以鎳或金對前述固定電極的表面進行鍍敷處理、之后涂敷氟樹脂的水性分散液并進行燒結而形成的，或者是通過粘貼氟類薄膜而形成的。
4.如權利要求1所述的加速度傳感器，其特征在于，為了通過四個狹縫(2d)將前述振動板(2)分割形成為位于周邊部并經由前述間隔件(5)而被固定的固定部(2c)、位于中央部并具有前述配重體(3)的振動部(2a)、和在周向上等間隔地形成有多個并連結前述固定部(2c)與前述振動部(2a)的彈性支承部(2b)，前述狹縫(2d)沿周向等間隔地設置，相鄰的各狹縫(2d)的振動部(2a)側的端部與固定部(2c)側的端部在徑向上重合。
5.如權利要求4所述的加速度傳感器，其特征在于，前述狹縫(2d)包括位于前述固定部(2c)側的外軌道、位于前述振動部(2a)側的內軌道、和連結前述外軌道與前述內軌道的S字形的連結軌道。
6.如權利要求1至5中任一項所述的加速度傳感器，其特征在于，前述振動板(2)由碳素工具鋼、不銹鋼、磷青銅、鈹-銅、鈦-銅中的任一種構成。
全文摘要
本發明提供一種以簡單的構成在不使傳感器靈敏度降低的情況下提高了耐沖擊性的3軸加速度傳感器。其是對相互正交的3個軸方向的加速度進行檢測的加速度傳感器，具有使具有分別與3個軸對應的固定電極(4c、4b、4a)的電極基板(4)對置的電極基板對、作為可動電極起作用的振動板(2)、和安裝在振動板(2)的中心部上的配重體(3)。基于固定電極與振動板(2)之間的靜電電容的變化檢測加速度。電極基板(4)設置有覆蓋固定電極(4c、4b、4a)的表面的駐極體層(1)，并且，在至少一個電極基板(4)的中央部上設置有貫通孔(7)，傘狀的配重體(1)的柄部經由貫通孔(7)從電極基板對的外側連接到振動板(2)上。
文檔編號G01P15/125GK1749760SQ200510099199
公開日2006年3月22日 申請日期2005年9月13日 優先權日2004年9月14日
發明者山本明, 杉森康雄 申請人:星電株式會社
專業數控銑床產品供應商
20年生產經驗，實力工廠，精工品質，質量有保障
