(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
支持基板に固定される固定電極および支柱と、当該支柱にバネを介して支持される可動電極とを備え、外部振動に伴う可動電極の変位により固定電極との間の静電容量が変位する振動センサにおいて、
前記可動電極、前記バネ、および棒状の突起部を有する前記支柱が一体形成された部材と、棒状の突起部を有する前記固定電極が形成された部材とをそれぞれ所定の厚さの金属薄板で構成し、
前記支柱に対して前記可動電極および前記バネを一体で折り曲げ加工した後に、前記支柱および前記固定電極の突起部を前記支持基板上に形成された穴部に挿入して組み立てた構成であり、
前記バネの付け根となる前記可動電極および前記支柱の位置に、前記バネの延長線上にそれぞれＬ字型の切り込みを形成し、当該切り込み部を折り曲げて前記バネが形成された構成である
ことを特徴とする振動センサ。
【請求項２】
請求項１に記載の振動センサにおいて、
前記支柱および前記固定電極に設けられる前記突起部の間に、前記支持基板に対する前記支柱および前記固定電極の角度を固定する曲げ支持部を設けた構成である
ことを特徴とする振動センサ。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の振動センサにおいて、
前記固定電極と対向する前記可動電極の端部を折り曲げた構成である
ことを特徴とする振動センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、可動構造体に発生する容量変化によって振動を検知する振動センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
図９は、振動検知を行うセンサノードシステムの構成例を示す（特許文献１）。
図９において、センサノードシステムは、振動センサノード５０と受信装置６０で構成される。振動センサノード５０で検知した振動検知データは、無線電波を介して受信装置６０に送信される。無線電波は、比較的微弱な無線信号であり、数十ｃｍから数十ｍ離れた距離を通信できる。
【０００３】
振動センサノード５０は、振動センサ５１、センサ回路部５２、Ａ／Ｄ変換部５３、制御部５４、メモリ部５５、無線部５６、および電源部５７により構成され、電源部５７から各ブロックへ電力が供給される。電源部５７は、例えば振動エネルギーを電気エネルギーに変換する発電機構や２次電池等で構成されており、長時間の動作が可能になっている。
【０００４】
振動センサ５１で得られた差動の電圧信号は、センサ回路部５２で差動検出された後、後段のＡ／Ｄ変換部５３でＡ／Ｄ変換され、制御部５４でデータ処理された振動検知データがメモリ部５５に保存される。その後、振動検知データは、所定のタイミングでメモリ部５５から読み出され、無線部５６から無線電波により受信装置６０へ送信される。
【０００５】
図１０は、従来の振動センサ５１の構成例を示す。
図１０において、振動センサ５１は、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical System ）プロセスなどの微細加工技術により、支持基板５１０上に構成された２つの固定電極５１Ｐ，５１Ｎの間で、バネ５１１を介して支柱５１２に支持された可動電極５１Ｍが振動する構成である。このような振動センサ５１に対して外部から振動が加わり、可動電極５１Ｍが固定電極５１Ｐ，５１Ｎの間で揺れた場合、可動電極５１Ｍと固定電極５１Ｐの距離と、可動電極５１Ｍと固定電極５１Ｎの距離が差動的に変化する。ここで、金属からなるバネ５１１および支柱５１２を介して可動電極５１Ｍは接地電位ＧＮＤに接続されている。このため、可動電極５１Ｍと固定電極５１Ｐとの間に生じる容量ＣＰと、可動電極５１Ｍと固定電極５１Ｎとの間に生じる容量ＣＮは、互いに差動的に変化する。したがって、振動に伴う可変容量ＣＰ，ＣＮから得られる逆位相の検知信号をセンサ回路部５２に入力し、整流して容量素子に充電することにより、外部振動の大きさに応じて変化するセンサ出力電圧を得ることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１１−１６０６１２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
従来の振動センサ５１の固定電極５１Ｐ，５１Ｎは、金属薄板をＬ型に折り曲げ加工して支持基板５１０上に固定され、半田付けなどにより配線パターンに接続される。可動電極５１Ｍとバネ５１１は、金属薄板を材料としてエッチング加工や打ち抜き加工して一体に形成した後、可動電極５１Ｍの端部のうち、固定電極５１Ｐ，５１Ｎと対向する端部を曲げ加工し、下方へ壁状に突出した縁部を形成する。支柱５１２は、金属柱を支持基板５１０上に立設して配線パターンに接続し、その上部にバネ５１１の一端を半田付けなどにより固定する。
【０００８】
このように、振動センサ５１は金属薄板を加工して形成した各構成部品を支持基板５１０上で組み立てることができるので、製造工程にメッキプロセスを必要とせず、短時間で安価に製造することができる。しかし、固定電極５１Ｐ，５１Ｎや支柱５１２を支持基板５１０に接着する際に位置合せが困難であった。そのため、可動電極５１Ｍが固定電極５１Ｐ，５１Ｎに接触せずに可動できる範囲が減少し、可動構造体に生じる容量変化も減少する要因になっていた。
【０００９】
本発明は、金属薄板から形成される固定電極と可動電極を精度よく位置決めし、振動により可動構造体に生じる容量変化を 100フェムトファラッド以上確保することができる振動センサを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は、支持基板に固定される固定電極および支柱と、当該支柱にバネを介して支持される可動電極とを備え、外部振動に伴う可動電極の変位により固定電極との間の静電容量が変位する振動センサにおいて、可動電極、バネ、および棒状の突起部を有する支柱が一体形成された部材と、棒状の突起部を有する固定電極が形成された部材とをそれぞれ所定の厚さの金属薄板で構成し、支柱に対して可動電極およびバネを一体で折り曲げ加工した後に、支柱および固定電極の突起部を支持基板上に形成された穴部に挿入して組み立てた構成であり、バネの付け根となる可動電極および支柱の位置に、バネの延長線上にそれぞれＬ字型の切り込みを形成し、当該切り込み部を折り曲げてバネが形成された構成である。
【００１１】
本発明の振動センサにおいて、支柱および固定電極に設けられる突起部の間に、支持基板に対する支柱および固定電極の角度を固定する曲げ支持部を設けた構成である。
【００１３】
本発明の振動センサにおいて、固定電極と対向する可動電極の端部を折り曲げた構成である。
【発明の効果】
【００１４】
本発明の振動センサは、固定電極と可動電極を精度よく位置合せすることができるので、振動センサのサイズを小さくしながら 100フェムトファラッド以上の容量変化を可動構造体に生じさせることができる。また、振動センサのサイズを小さくできることから、本発明の振動センサを搭載した振動センサノードを小型化することができ、製造コストを低減できるとともに、当該振動センサノードの適用範囲を広げることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の振動センサの実施例１の構成を示す図である。
【図２】実施例１の振動センサの展開図である。
【図３】本発明の振動センサの実施例２の構成を示す図である。
【図４】実施例２の振動センサの展開図である。
【図５】本発明の振動センサの実施例３の構成を示す図である。
【図６】実施例３の振動センサの展開図である。
【図７】本発明の振動センサの実施例４の構成を示す図である。
【図８】実施例４の振動センサの展開図である。
【図９】振動検知を行うセンサノードシステムの構成例を示す図である。
【図１０】従来の振動センサ５１の構成例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【実施例１】
【００１６】
図１は、本発明の振動センサの実施例１の構成を示す。ここでは、平面図、Ａ−Ａ′断面図、Ｂ−Ｂ′断面図を示す。
【００１７】
図１において、実施例１の振動センサを構成する固定電極１１，１２、可動電極１３、バネ１４、支柱１５は、厚さ50μｍ〜１ｍｍの金属薄板をエッチング加工や打ち抜き加工して形成する。なお、可動電極１３とバネ１４と支柱１５が一体形成され、折り曲げ加工により成形する。振動センサの各構成部品の折り曲げ加工、組み立て前の展開図を図２に示す。
【００１８】
可動電極１３およびバネ１４は、支柱１５に対して90度の角度を有する金属治具とプレス装置を用いて折り曲げられる。折り曲げ位置は、バネ１４と支柱１５の境界部または図２に破線で示した支柱１５の先端部とする。
【００１９】
固定電極１１，１２と支柱１５には、棒状の突起部１６（図１ではそれぞれ３本）が形成されており、突起部１６が支持基板に形成された穴部に差し込まれる。支持基板の穴部は、ガラスエポキシやセラミックの基板を用いた場合はドリル加工で容易に形成できる。また、支持基板が半導体チップの場合でも、ＴＳＶ（Through Silicon Via ）技術と呼ばれる貫通配線技術を応用すれば、穴部を形成できる。これらの穴部は、正確な位置決めが容易である。
【００２０】
実施例１では、固定電極１１，１２と支柱１５に形成された棒状の突起部１６を、支持基板に位置決めして形成された穴部に挿入して組み立てるので、固定電極１１，１２と可動電極１３の位置合せが容易であるとともにその精度を向上させることができる。これにより、可動構造体に生じる容量変化を 100フェムトファラッド以上確保することが可能になる。また、金属薄板を用いるので、サイズの制約なしに可動構造体の共振周波数の設定の自由度を向上させることができる。
【実施例２】
【００２１】
図３は、本発明の振動センサの実施例２の構成を示す。ここでは、平面図、Ａ−Ａ′断面図、Ｂ−Ｂ′断面図を示す。
【００２２】
図３において、実施例２の振動センサを構成する固定電極１１，１２、可動電極１３、バネ１４、支柱１５、突起部１６は、厚さ50μｍ〜１ｍｍの金属薄板をエッチング加工や打ち抜き加工した形成する。なお、固定電極１１，１２と突起部１６、可動電極１３とバネ１４と支柱１５と突起部１６がそれぞれ一体形成され、折り曲げ加工により成形する。振動センサの各構成部品の折り曲げ加工、組み立て前の展開図を図４に示す。
【００２３】
実施例１との違いは、固定電極１１，１２と支柱１５に形成した棒状の突起部１６を両端の２本とし、その間に90度に折り曲げられる曲げ支持部１７を形成するところにある。なお、断面図の位置では突起部１６がないが、便宜的に破線で示している。折り曲げ方法は実施例１と同様である。この曲げ支持部１７は、支持基板に対する固定電極１１，１２と支柱１５の角度を90度に固定することができ、垂直方向の位置合せの精度を向上させることができる。
【実施例３】
【００２４】
図５は、本発明の振動センサの実施例３の構成を示す。ここでは、平面図、Ａ−Ａ′断面図、Ｂ−Ｂ′断面図を示す。
【００２５】
図５において、実施例３の振動センサを構成する固定電極１１，１２、可動電極１３、バネ１４、支柱１５、突起部１６、曲げ支持部１７は、厚さ50μｍ〜１ｍｍの金属薄板をエッチング加工や打ち抜き加工した形成する。なお、固定電極１１，１２と突起部１６、可動電極１３とバネ１４と支柱１５と突起部１６と曲げ支持部１７がそれぞれ一体形成され、折り曲げ加工により成形する。振動センサの各構成部品の折り曲げ加工、組み立て前の展開図を図６に示す。
【００２６】
実施例２との違いは、バネ１４の形成方法にある。可動電極１３とバネ１４の付け根と、支柱１５とバネ１４の付け根の位置において、可動電極１３および支柱１５にそれぞれＬ字型の切り込みを形成し、バネ１４を90度折り曲げて形成するところにある。バネ１４の立ち上がり部は、金属薄板の厚さより厚くすることができる。折り曲げ方法は実施例１と同様である。これにより、支持基板に対する可動電極１３の垂直方向の変位を抑制することができるので、支柱１５の高さを低くし、支持基板と可動電極１３との間隔を狭くして振動センサ全体の大きさをコンパクトにできる。なお、実施例１の構成に実施例３のバネ１４の形成方法を適用してもよい。
【実施例４】
【００２７】
図７は、本発明の振動センサの実施例４の構成を示す。ここでは、平面図、Ａ−Ａ′断面図、Ｂ−Ｂ′断面図を示す。図８は、実施例４の振動センサの各構成部品の折り曲げ加工、組み立て前の展開図を示す。
【００２８】
図７において、実施例４の振動センサは実施例３の構成に加えて、固定電極１１，１２と対向する可動電極１３の端部を折り曲げ加工し、下方へ壁状に突出した縁部１８を形成する。なお、縁部１８は、図１０に示す従来の振動センサ５１の可動電極５１Ｍに形成されるものと同じである。これにより、固定電極１１，１２と可動電極１３との間に生じる容量変化を大きくすることができる。なお、実施例１または実施例２の構成に実施例４の可動電極１３の縁部１８の形成方法を適用してもよい。
【００２９】
以上説明した各実施例の振動センサは、発電素子で発生させた微弱な電流を容量素子に蓄電したエネルギーで動作させる振動センサノードの構成部品として用いることができる。また、当該振動センサノードは、振動検知に要する消費電力をサブナノワットレベルに低減できるので、振動センサノードの動作時間を延ばすことができる。
【符号の説明】
【００３０】
１１，１２  固定電極
１３  可動電極
１４  バネ
１５  支柱
１６  突起部
１７  曲げ支持部
１８  縁部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
0005718219.tif 000007
【図７】
0005718219.tif 000008
【図８】
0005718219.tif 000009
【図９】
0005718219.tif 000010
【図１０】
0005718219.tif 000011