(57)【要約】【課題】  ダイヤフラムが、３軸方向とも十分な変位量を有し、かつ、剛性が高いことにより反りが抑えられ、その結果、３軸方向の加速度を高い感度でバランスよく検出することができる静電容量型加速度センサを提供する。【解決手段】  外周部を構成する固定部１１０と、固定部１１０の内側に配された可動部１２０とを有するダイヤフラム１０。可動部１２０は、固定部１１０の内側に配されたジンバル部１２１と、ジンバル部１２１の内側に、電極基板３０のＸ方向検出電極３３ｘとＹ方向検出電極３３ｙとの境界に対応する位置に配された梁部１４０を介して配され、これら検出電極３３ｘ，３３ｙとそれぞれ対面する扇状のＸ方向検出可動部１２２ｘおよびＹ方向検出可動部１２２ｙと、これら検出可動部１２２ｘ，１２２ｙの内側に配され、電極基板３０のＺ方向検出電極３３ｚに対面するＺ方向検出可動部１２２ｚとを備える。【選択図】      図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ダイヤフラムと、このダイヤフラムに対向して配置され、中央にＺ方向検出電極が形成されるとともに、このＺ方向検出電極の周囲に、Ｘ方向検出電極、Ｙ方向検出電極がそれぞれ形成された電極基板とを備え、前記ダイヤフラムの弾性変形に応じて生じるダイヤフラムと電極基板間の静電容量の変化を、前記各電極で検出する静電容量型加速度センサであって、
前記ダイヤフラムは、外周部を構成する固定部と、この固定部の内側に配された可動部とを有し、
さらにこの可動部は、
前記固定部の内側に配されたジンバル部と、
このジンバル部の内側に、前記Ｘ方向検出電極と前記Ｙ方向検出電極との境界に対応する位置に配された梁部を介して配され、これらＸ方向検出電極およびＹ方向検出電極とそれぞれ対面する扇状のＸ方向検出可動部およびＹ方向検出可動部と、
これらＸ方向検出可動部およびＹ方向検出可動部の内側に配され、前記Ｚ方向検出電極に対面する形状に形成されたＺ方向検出可動部とを備えている
ことを特徴とする静電容量型加速度センサ。
【請求項２】
前記可動部の前記ジンバル部は環状に形成されているとともに、前記Ｘ方向、Ｙ方向およびＺ方向の各検出可動部は全体として円盤状に形成されており、
前記ジンバル部と前記固定部とは、周方向に互いに１８０°離れた２位置にそれぞれ形成された第１接続部によって接続されているとともに、前記ジンバル部と前記梁部とは、前記各第１接続部から周方向に９０°離れた２位置にそれぞれ形成された第２接続部によって接続されており、
さらに前記梁部は、前記Ｚ方向検出可動部に対し、互いに隣接する前記第１接続部および前記第２接続部の間であって、これら接続部から周方向に４５°離れた４位置に形成された第３接続部によって接続されてい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。
【請求項３】
前記Ｚ方向検出可動部と、前記Ｘ方向検出可動部およびＹ方向検出可動部とは、前記第３接続部付近に形成されたスリットによって部分的に分離され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。
【請求項４】
前記第１接続部の面積と前記第２接続部の面積が調整され、これによって前記ダイヤフラムの可動バランスが調整可能と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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ダイヤフラムの弾性変形に応じて生じる静電容量の変化に基づいて加速度を検出するように構成された静電容量型加速度センサに係り、特に、ダイヤフラムの形状を改良して性能の向上を図る技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
加速度センサは、様々な機械産業の分野において物理量の検出装置として広く利用されており、また、デジタル機器用の入力装置としても利用されている。加速度センサは、検出方向によって１軸型や３軸型等に分けられ、検出の形式としては、ピエゾ抵抗型、圧電型、静電容量型等が挙げられる。
【０００３】
本発明に係る静電容量型加速度センサとしては、変位電極を有するか、あるいは自身が金属製で共通電極とされたダイヤフラムの片面に重錘を固着し、ダイヤフラムの両側に、電極スペースを確保するスペーサを介して静電容量検出用の電極基板を積層した構成のものがある。その作用は、加速度を受けた重錘に生じた慣性力によってダイヤフラムが弾性変形し、これによってダイヤフラムと電極基板間の静電容量が変化するので、その静電容量の変化に基づき、例えばＸ，Ｙ，Ｚの３軸方向の加速度が検出される。このような静電容量型加速度センサとしては、例えば特許文献１〜６で公知である。
【０００４】
【特許文献１】特開２００４−１９１２２４号
【特許文献２】特開２０００−２７５２７３号
【特許文献３】特開２００３−４２７６１号
【特許文献４】特開２０００−６５８５４号
【特許文献５】特開２００２−３５０１３８号
【特許文献６】特開平８−２４０６０９号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１〜３に記載の加速度センサのダイヤフラムは、固定される固定部の内側に、Ｘ軸あるいはＹ軸のうちの１つの水平軸を介して環状のジンバル部が形成され、このジンバル部の内側に、他方の水平軸を介して中央可動部が形成されたいわゆるジンバルばね構造である。このようなジンバルばね構造のダイヤフラムは、中央可動部がフラットな状態のまま、Ｘ方向およびＹ方向の２軸を中心としてその中央可動部が傾斜する動作で加速度が検出される。しかしながら、単純なジンバルばね機構では、中央可動部に重錘を固着した場合、構造的に中央可動部自体が変形して反りが生じてしまい、フラットな状態が保持されなくなる。このような中央可動部の反りは、検出感度の低下や、その直線性が損なわれることを招く。
【０００６】
一方、特許文献４〜６に記載の加速度センサのダイヤフラムは、固定される固定部の内側に、全体として十字状あるいは螺旋状を呈する複数の梁部を介して中央可動部が形成された構造である。この構造のダイヤフラムでは、中央可動部のＸ・Ｙ方向の変位量がＺ方向に比べて小さいといった特性を有しており、このため、Ｘ・Ｙ方向の検出感度が相対的に低く、３軸方向の検出感度をバランスよく設定することが難しい。
【０００７】
よって本発明は、ダイヤフラムが、３軸方向とも十分な変位量を有し、かつ、剛性が高いことにより反りが抑えられ、その結果、３軸方向の加速度を高い感度でバランスよく検出することができる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。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、ダイヤフラムと、このダイヤフラムに対向して配置され、中央にＺ方向検出電極が形成されるとともに、このＺ方向検出電極の周囲に、Ｘ方向検出電極、Ｙ方向検出電極がそれぞれ形成された電極基板とを備え、ダイヤフラムの弾性変形に応じて生じるダイヤフラムと電極基板間の静電容量の変化を、各電極で検出する静電容量型加速度センサであって、ダイヤフラムは、外周部を構成する固定部と、この固定部の内側に配された可動部とを有し、さらにこの可動部は、固定部の内側に配されたジンバル部と、このジンバル部の内側に、Ｘ方向検出電極とＹ方向検出電極との境界に対応する位置に配された梁部を介して配され、これらＸ方向検出電極およびＹ方向検出電極とそれぞれ対面する扇状のＸ方向検出可動部およびＹ方向検出可動部と、これらＸ方向検出可動部およびＹ方向検出可動部の内側に配され、Ｚ方向検出電極に対面する形状に形成されたＺ方向検出可動部とを備えていることを特徴としている。
【０００９】
本発明によれば、ダイヤフラムが、電極基板のＸ・Ｙ・Ｚの各方向検出電極に対応して分割形成されたＸ・Ｙ・Ｚ方向の各検出可動部を備え、これら３軸方向のそれぞれが概ね独立して可動する構成となっている。このため、３軸方向の各可動部とも、十分な変位量を持つこと、および剛性を高めることができる。これらの結果、３軸方向の加速度を高い感度でバランスよく検出することができる。
【００１０】
本発明の具体的な構成としては、可動部のジンバル部は環状に形成されているとともに、Ｘ方向、Ｙ方向およびＺ方向の各検出可動部は全体として円盤状に形成されており、ジンバル部と固定部とは、周方向に互いに１８０°離れた２位置にそれぞれ形成された第１接続部によって接続されているとともに、ジンバル部と梁部とは、各第１接続部から周方向に９０°離れた２位置にそれぞれ形成された第２接続部によって接続されており、さらに梁部は、Ｚ方向検出可動部に対し、互いに隣接する第１接続部および第２接続部の間であって、これら接続部から周方向に４５°離れた４位置に形成された第３接続部によって接続されている形態が挙げられる。
【００１１】
また、Ｚ方向検出可動部と、Ｘ方向検出可動部およびＹ方向検出可動部とは、第３接続部付近に形成されたスリットによって部分的に分離されている形態を採ると、各検出可動部の剛性が高まるので好ましい。また、第１接続部の面積と第２接続部の面積を調整することにより、可動部全体の変位量を調整することができ、このため、変位量のバランスが向上するので好ましい。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、ダイヤフラムの可動部分として、電極基板のＸ・Ｙ・Ｚの各方向検出電極に対応して分割形成されたＸ・Ｙ・Ｚ方向の各検出可動部を備えており、これら３軸方向のそれぞれが概ね独立して可動する構成であるから、３軸方向の各可動部とも、十分な変位量および剛性を有することができ、その結果、３軸方向の加速度を高い感度でバランスよく検出することができ、優れた性能を有するといった効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、図面を参照して本発明の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１の裏面図、図２は図１のII−II断面図、図３は分解斜視図である。この加速度センサ１は、Ｘ，Ｙ，Ｚの３軸方向の加速度を検出する３軸型であって、図２および図３に示すように、円盤状のダイヤフラム１０、ダイヤフラム１０の両面に積層されるスペーサ２０，２０、上下の電極基板３０，３０、ダイヤフラム１０に固着される重錘４０等からなる検出ユニット２と、回路基板３とを備えている。
【００１４】
検出ユニット２を構成するダイヤフラム１０は単一の電極を兼ねるもので、ステンレス鋼等の、導電性を有し、かつ、弾性変形可能な金属製薄板でできており、図３および図５に示すように、全体として円盤状に形成され、環状の固定部１１０と、この固定部１１０の内側に配された可動部１２０とを有している。スペーサ２０もステンレス等の金属製薄板からなるもので、ダイヤフラム１０の固定部１１０とほぼ同一の形状／寸法を有する環状に形成されている。上下の電極基板３０は、図３および図４に示すように、絶縁性材料により正方形状に形成されたもので、十分な剛性を有しており、中心にはそれぞれ円形の孔３２が形成されている。
【００１５】
各電極基板３０の四隅にはリベット挿通孔３１が形成されており、これらに対応して、ダイヤフラム１０およびスペーサ２０にもリベット挿通孔１１，２１がそれぞれ形成されている。ダイヤフラム１０の両側には、リベット挿通孔１１，２１，３１を合わせた状態で、スペーサ２０および電極基板３０が積層され、この積層状態が、リベット挿通孔１１，２１，３１に通したリベット５０をかしめることによって固定されている。ダイヤフラム１０と各電極基板３０との間には、スペーサ２０によってダイヤフラム１０の弾性変形を許容し、これによって静電容量の変位を可能とする電極スペースが確保されている。
【００１６】
重錘４０はステンレス鋼等の金属製であり、図２に示すように、軸部４１の上端に円盤状の頭部４２を有するキノコ型を呈するもので、上側の電極基板３０の孔３２に軸部４１が通され、その先端が、ダイヤフラム１０の中心に形成された嵌合孔１２に嵌合され、かつ、溶接等の手段によってダイヤフラム１０に固着されている。当該加速度センサ１では、ダイヤフラム１０の面方向がＸＹ平面とされ、ダイヤフラム１０の面方向に直交して重錘４０の軸心を通る軸方向がＺ軸とされる。
【００１７】
上側の電極基板３０の上には、枠状のガイド６０がさらに積層され、このガイド６０を挟んで、検出ユニット２および回路基板３に、カバー６１が被せられている。カバー６１は、下側が開口する直方体状で、開口はボトムプレート６２で塞がれている。回路基板３は、各電極基板３０が発生した電荷を電圧に変換して演算し、増幅させるもので、下側の電極基板３０の下方に配され、ボトムプレート６２に固着されている。
【００１８】
回路基板３の内面にはＩＣチップ７０が実装されており、また、Ｘ，Ｙ，Ｚ方向の加速度の検出電流を出力するための図示せぬ出力端子、電源用端子および接地用の端子が形成されている。そして、これら端子に、外面側から貫通されたＸ，Ｙ，Ｚ方向の出力用端子ピン７１、電源用端子ピン７２および接地用端子ピン７３が、それぞれ接合されている。
【００１９】
上下の電極基板３０の内面（ダイヤフラム１０への対向面）には、点対称的にパターン化された同形状の検出電極が、それぞれ形成されている。図４は、上側の電極基板の内面にダイヤフラム１０を重ね合わせた状態を示しており、同図で斜線部分が電極である。検出電極は、Ｘ方向およびＹ方向の変位をそれぞれ検出するＸ方向検出電極３３ｘおよびＹ方向検出電極３３ｙと、Ｚ方向の変位を検出するＺ方向検出電極３３ｚとを有している。
【００２０】
Ｘ方向検出電極３３ｘおよびＹ方向検出電極３３ｙは、正極側および負極側で一対とされ、これらは、周方向に互いに１８０°離れた位置に、電極基板３０の中心を点対称の中心として、かつ、電極基板３０の対角線に沿った境界を隔てて、扇状に形成されている。また、Ｚ方向検出電極３３ｚは、Ｘ方向およびＹ方向の各検出電極３３ｘ，３３ｙの内側において、これら検出電極と同心的な環状に形成されている。Ｚ方向検出電極３３ｚに関しては、上下の電極基板３０のうちの一方側のＺ方向検出電極３３ｚが正極側、他方側のＺ方向検出電極３３ｚが負極側とされる。
【００２１】
また、図示はしないが、各電極基板３０の外面には、適宜な形状にパターン化された複数の配線電極が形成されている。配線電極としては、内面のＸ方向、Ｙ方向およびＺ方向の各検出電極３３ｘ，３３ｙ，３３ｚに対応するものの他に、接地用の配線電極が形成されている。そして、対応する各検出電極３３ｘ，３３ｙ，３３ｚと配線電極とは、それぞれスルーホール３４によって導通されている。
【００２２】
Ｘ，Ｙ，Ｚ方向の正極側および負極側の各検出電極３３ｘ，３３ｙ，３３ｚと、接地用の電極に導通された各配線電極には、図３に示すように、上下の電極基板３０を貫通する端子ピン３５が接続され、これら端子ピン３５を流れる出力電流が、回路基板３を介して、出力用端子ピン７１および接地用端子ピン７３にそれぞれ流れるようになっている。
【００２３】
次いで、本発明のポイントであるダイヤフラム１０を詳述する。
ダイヤフラム１０は、上述したように、環状の固定部１１０と、この固定部１１０の内側に同心的に配された円盤状の可動部１２０とを有しており、固定部１１０は、リベット５０によって上下の電極基板３０に固定される。図５に示すように、固定部１１０と可動部１２０とは、半円弧状で、周方向に１８０°離れた２位置に形成された第１接続部１５１で分断された一対の外周スリット１３０によって分けられている。
【００２４】
可動部１２０は、全体的には円盤状であって、環状のジンバル部１２１と、このジンバル部１２１の内側に、同心的に一対の状態で配された扇状のＸ方向検出可動部１２２ｘおよびＹ方向検出可動部１２２ｙと、これら検出可動部１２２ｘ，１２２ｙの内側に配されたＺ方向検出可動部１２２ｚとを備えている。
【００２５】
図５で左右一対のＸ方向検出可動部１２２ｘは、２重の扇状スリット１３１，１３２の内側に形成されている。２重の扇状スリットは、外側および内側のスリットであって、それぞれが、径方向に延びる径方向スリット１３１ａ，１３２ａと、各径方向スリット１３１ａ，１３２ａに連通する周方向に延びる周方向スリット１３１ｂ，１３２ｂとにより構成される。そして、これらスリット１３１，１３２間に、径方向に延びる両側の直線部１４０ａと周方向に延びる円弧部１４０ｂとからなる梁部１４０が形成されている。各径方向スリット１３２ａの先端からは、相互に近づくように周方向に短く延びる分離スリット１３２ｃが形成されている。外側の周方向スリット１３１ｂは、周方向の中央部に形成された第２接続部１５２で分断されている。これら第２接続部１５２は、上記各第１接続部１５１から周方向に９０°離れた２位置にそれぞれ形成されている。
【００２６】
また、図５で上下一対のＹ方向検出可動部１２２ｙは、上記各径方向スリット１３１ａと、これらスリット１３１ａに連通して上記周方向スリット１３２ｂと同径に形成された周方向スリット１３４の内側に形成されている。径方向スリット１３１ａの先端からは、相互に近づくように周方向に短く延びる分離スリット１３１ｃが形成されている。
【００２７】
ジンバル部１２１は、上記外周スリット１３０と、各周方向スリット１３１ｂおよびこれら周方向スリット１３１ｂを連通する部分の径方向スリット１３１ａとの間に形成されている。ジンバル部１２１は、固定部１１０に第１接続部１５１を介して接続され、梁部１４０に第２接続部１５２を介して接続されている。
【００２８】
なお、第１接続部１５１と第２接続部１５２の面積を比較すると、第１接続部１５１の方が第２接続部１５２よりも大きく設定されている。このように第１接続部１５１の面積と第２接続部１５２の面積を、その太さや長さ等を変更して調整することにより、ジンバル部１２１と梁部１４０の変位量をバランスのとれた状態に調整することができ、これによって各軸方向における可動部１２０の変位量を調整することができる。
【００２９】
上記Ｘ方向およびＹ方向の各検出可動部１２２ｘ，１２２ｙは、１／４円弧をなす扇状に形成されており、これら検出可動部１２２ｘ，１２２ｙの内側であってダイヤフラム１０の中心部分には、中心に上記嵌合孔１２が形成された円盤状のＺ方向検出可動部１２２ｚが形成されている。このＺ方向検出可動部１２２ｚは、上記各分離スリット１３２ｃ，１３１ｃによってＸ方向およびＹ方向の各検出可動部１２２ｘ，１２２ｙと部分的に分離されており、また、各梁部１４０の直線部１４０ａの先端である第３接続部１５３を介して、梁部１４０に接続されている。これら第３接続部１５３は、各第２接続部１５２の間であって、これら第２接続部１５２から周方向に４５°離れた４位置に配されている。
【００３０】
上記Ｘ方向およびＹ方向の各一対の検出可動部１２２ｘ，１２２ｙは、１／４円弧状であって、ダイヤフラム１０が電極基板３０に固定された状態で、図４に示すように、隣接する検出可動部１２２ｘ，１２２ｙ間の境界である各梁部１４０は、Ｘ方向検出電極３３ｘとＹ方向検出電極３３ｙとの境界に対応する位置に配され、かつ、これら検出電極３３ｘ，３３ｙにそれぞれ対面する形状に形成されている。また、Ｚ方向検出可動部１２２ｚも、電極基板３０のＺ方向検出電極３３ｚに対面する形状に形成されている。
【００３１】
以上が本実施形態の加速度センサ１の構成であり、この加速度センサ１によれば、加速度を受けた重錘４０に生じた慣性力によってダイヤフラム１０が弾性的に変形し、これによって、ダイヤフラム１０と上下の電極基板３０との間隔が変化する。この間隔の変化によって発生する静電容量の増減が、Ｘ，Ｙ，Ｚの各方向検出電極３３ｘ，３３ｙ，３３ｚが発生する電荷の変化として検出され、その電荷に基づき、３軸方向の加速度が検出される。
【００３２】
例えば、図４で左右方向であるＸ方向に加速度が生じた場合には、第１接続部１５１を結ぶ線がＸ軸となって可動部１２０が揺動するとともに、左右のＸ方向検出可動部１２２ｘが独自に変形する。また、上下方向であるＹ方向に加速度が生じた場合には、第２接続部１５２を結ぶ線がＹ軸となって周方向スリット１３１ｂ，１３４の内側部分が揺動し、上下のＹ方向検出可動部１２２ｙが独自に変形する。さらに、図４で図面を貫く表裏方向（図１で上下方向）であるＺ方向に加速度が生じると、梁部１４０の先端である第３接続部１５３に支持されたＺ方向検出可動部１２２ｚがＺ方向に独自に変形する。
【００３３】
本実施形態では、ダイヤフラム１０のＸ，Ｙの各検出可動部１２２ｘ，１２２ｙが、各スリット１３１，１３１ａ，１３４、１３１ｃ，１３２ｃによって分割形成され、また、Ｚ方向検出可動部１２２ｚは、梁部１４０によって支持されるとともに、分離スリット１３２ｃ，１３１ｃによってＸ，Ｙの各方向検出可動部１２２ｘ，１２２ｙと部分的に分離している。このため、各方向検出可動部１２２ｘ，１２２ｙ，１２２ｚは、独立して可動するとともに、剛性が高く反りが発生しにくいのでフラットなままの状態で動きやすい構造となっており、その結果として、それぞれの軸の線形性を維持することができる。そして、このような各方向検出可動部１２２ｘ，１２２ｙ，１２２ｚが、電極基板３０のＸ，Ｙ，Ｚの各方向検出電極３３ｘ，３３ｙ，３３ｚに対応する形状に形成され、かつ配置されているので、３軸方向の加速度を高い感度でバランスよく検出することができる。
【００３４】
ダイヤフラム１０の剛性に関しては、Ｚ方向検出可動部１２２ｚと、Ｘ方向検出可動部１２２ｘおよびＹ方向検出可動部１２２ｙとが、第３接続部１５３付近に形成された分離スリット１３２ｃ，１３１ｃによって部分的に分離されていることは、各検出可動部１２２ｘ，１２２ｙ，１２２ｚの剛性の向上に寄与している。また、第１接続部１５１の面積が第２接続部１５２の面積よりも大きく設定されているため、可動部１２０全体の剛性が向上する。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】本発明の一実施形態に係る加速度センサの裏面図である。
【図２】図１のII−II断面図である。
【図３】一実施形態に係る加速度センサの分解斜視図である。
【図４】電極基板にダイヤフラムを重ねた状態を示す平面図である。
【図５】ダイヤフラムの平面図である。
【符号の説明】
【００３６】
１…加速度センサ
１０…ダイヤフラム
３０…電極基板
３３ｘ…Ｘ方向検出電極
３３ｙ…Ｙ方向検出電極
３３ｚ…Ｚ方向検出電極
１１０…固定部
１２０…可動部
１２１…ジンバル部
１２２ｘ…Ｘ方向検出可動部
１２２ｙ…Ｙ方向検出可動部
１２２ｚ…Ｚ方向検出可動部
１４０…梁部
１３１ｃ，１３２ｃ…分離スリット
１５１…第１接続部
１５２…第２接続部
１５３…第３接続部
【図１】
2006208316.tif 000003
【図２】
2006208316.tif 000004
【図３】
2006208316.tif 000005
【図４】
2006208316.tif 000006
【図５】
2006208316.tif 000007