(57)【要約】【課題】本発明は、静電容量式センサに関し、高い組み立て精度等を必要とすることなくセンサの耐衝撃性を高められるようにすることを目的とする。【解決手段】固定電極１ａが形成された固定基板１と、固定電極１ａとギャップｇを存して対向配置された可動電極を有し固定基板１に対して揺動可能な可動部３ｄと、可動部３ｄに設けられた重り４と、可動部３ｄの固定基板１側と反対側に設けられ、可動部３ｄと当接して可動部３ｄの所定範囲以上の動きを規制しうるストッパ８とを備え、可動電極と固定電極１ａとの少なくとも一方を複数設けて構成する。【選択図】　図２
2004093226.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
固定電極が形成された固定基板と、
前記固定電極とギャップを存して対向配置された可動電極を有し前記固定基板に対して揺動可能な可動部と、
前記可動部に設けられた重りと、
前記可動部の前記固定基板側と反対側に設けられ、前記可動部と当接して前記可動部の所定範囲以上の動きを規制しうるストッパとを備え、
前記可動電極と前記固定電極との少なくとも一方が複数設けられ、
前記可動電極と前記固定電極との間の静電容量を検出自在としたことを特徴とする、静電容量式センサ。
【請求項２】
前記ストッパが、前記可動部の前記固定基板側と反対側に対向配置された板材から構成されたことを特徴とする、請求項１記載の静電容量式センサ。
【請求項３】
前記可動部が板状をなすとともに、前記可動部と前記ストッパとがスペーサにより間隔を隔てて対向配置されたことを特徴とする、請求項２記載の静電容量式センサ。
【請求項４】
前記スペーサと前記ストッパとが一体に構成されたことを特徴とする、請求項３記載の静電容量式センサ。
【請求項５】
前記可動部が、前記重りの取り付け位置の周囲に設けられたスリットを有する金属板から構成され、
前記スリットが、前記ストッパに形成されて前記重りを挿通させる孔部の外側に配置されたことを特徴とする、請求項２〜４のいずれかの項に記載の静電容量式センサ。
【請求項６】
前記ストッパが絶縁部材により構成されたことを特徴とする、請求項２〜５のいずれかの項に記載の静電容量式センサ。
【請求項７】
前記ストッパが導電部材により構成され、前記ストッパと前記可動電極とが導通されたことを特徴とする、請求項２〜５のいずれかの項に記載の静電容量式センサ。
【請求項８】
前記固定電極上に絶縁層が設けられたことを特徴とする、請求項１〜７のいずれかの項に記載の静電容量式センサ。
【請求項９】
少なくとも前記ストッパ，前記可動部，前記固定基板の周囲がカバーにより覆われるとともに、前記カバーが前記ストッパを前記固定基板に向けて押し付けられるように構成されたことを特徴とする、請求項１〜８のいずれかの項に記載の静電容量式センサ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、静電容量式センサに関し、特に、耐衝撃性を高めたセンサ構造に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
静電容量の変化を利用した静電容量式のセンサとしては、例えば、マイクロメカニクスによる傾斜センサが知られている。このセンサは、対向配置された一対の電極を備え、一方の電極は固定基板上に設けられるとともに、他方の電極は可撓基板に設けられている。また、この可撓基板には重りが取り付けられており、センサが傾斜した際に、この重りが可撓基板を歪ませ、上記電極間の静電容量を変化させるようになっている。そして、この容量変化を測定することで傾斜が検出される。
また、このようなセンサでは、落下等により大きな衝撃を受けた際、重りが可撓基板を大きく撓ませて塑性変形を生じさせる虞があるため、重りの周囲に微小な隙間を保って配置される筒部材からなるストッパを設けている。そして、このような筒状のストッパにより重りの可動可能な方向全てについての動きを規制することで、必要以上の重りの衝撃を防止するようになっている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述のように揺動の規制量を重りと筒部材との微小なクリアランスによって定める場合、重りとストッパとに対して厳しい部品精度や組み立て精度が要求される。このため、歩留まりの低下によって高コスト要因となる虞がある。また、センサ感度を変更するため大きさや形状の異なる重りを可撓基板に取り付けた場合、この重りの形状に合わせて新たにストッパをつくり直す必要があり、更にコスト高となる虞がある。
本発明は、上述の課題に鑑み創案されたもので、高い組み立て精度等を必要とすることなくセンサの耐衝撃性を高められるようにした、静電容量式センサを提供することを目的とする。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明に係わる静電容量式センサは、固定電極が形成された固定基板と、前記固定電極とギャップを存して対向配置された可動電極を有し前記固定基板に対して揺動可能な可動部と、前記可動部に設けられた重りと、前記可動部の前記固定基板側と反対側に設けられ、前記可動部と当接して前記可動部の所定範囲以上の動きを規制しうるストッパとを備え、前記可動電極と前記固定電極との少なくとも一方が複数設けられたことを特徴としている。
本構成によれば、衝撃等により重りに過大な力が加わった場合に、重りの動きを規制するのではなく直接可動部の揺動等の動きをストッパで規制しているため、重りと筒部材との微小なクリアランスによって重りの動きを規制する従来のものに比べて、重りとストッパとの組み立て精度をラフにでき、生産性を高めることができる。
【０００５】
このとき、前記ストッパを、前記可動部の前記固定基板側と反対側に対向配置された板材から構成してもよい。本構成によれば、可動部が大きく動いたときにこの可動部が板面にぶつかり、その動きが規制される。このようにストッパを可動部に対向する面によって規制することで、規制機能をより効果的に発揮することができる。また、ストッパの構造が単純なため、部品精度を高めることが容易となる。さらに、重りの大きさや形状の変更に合わせてストッパをつくり直す必要がないため、要求感度に応じて重りを設計変更する際に容易に対応できる。
【０００６】
また、前記可動部が板状をなすとともに、前記可動部と前記ストッパとをスペーサにより間隔を隔てて対向配置してもよい。本構成によれば、可動部とストッパとのクリアランスをスペーサの厚みにより正確に定めることができる。この際、前記スペーサと前記ストッパとを一体に構成してもよい。これにより、部品点数が減り、コストを低減することができる。
【０００７】
また、前記可動部を、前記重りの取り付け位置の周囲に設けられたスリットを有する金属板とし、前記スリットを、前記ストッパに形成されて前記重りを挿通させる孔部の外側に配置してもよい。
本構成によれば、可動部をスリットが形成された金属板で構成しているので、強度を持たせつつ揺動動作を行いやすくできる。また、このスリットがストッパの孔部の外側に位置しているため、スリットが孔部に引っかかる等して損傷することはない。さらに、可動部を可動電極として機能させることができるため、可動電極を可動部に形成する工程を省略できる利点もある。
【０００８】
なお、前記ストッパを絶縁部材により構成してもよい。また、前記ストッパを導電部材により構成し、前記ストッパと前記可動電極とが導通されるようにしてもよい。本構成によれば、ストッパと可動電極との間で静電容量が生じず、可動電極と固定電極との間で検出される静電容量に影響を与えることはない。また、不所望な外力により可動部が大きく動いて、可動電極がストッパに当接した場合にも、異常な信号が検出されることはない。
【０００９】
さらに、前記固定電極上に絶縁層を設けてもよい。本構成によれば、不所望な外力によって可動部が大きく揺動して固定基板に当接した場合にも、この絶縁層により可動電極と固定電極とが直接接触することはなく、異常な信号は検出されない。
【００１０】
また、少なくとも前記ストッパ，可動部，固定基板の周囲がカバーによって覆われるとともに、前記カバーによって前記ストッパが前記固定基板に向けて押し付けられるようにしてもよい。本構成によれば、カバーにより、防塵、防滴及び取扱上の不注意からセンサを保護することができる。また、カバーをセンサに取り付けることによってストッパが固定されるため、ストッパを固定するための接着剤が不要となる。このため、ストッパと可動部との間のクリアランスをより精度良くできる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明に係わる第１の実施形態の静電容量式センサについて、図１〜図８に基づいて説明する。図１は本実施形態のセンサを分解した斜視図、図２はその全体構成を示す概略断面図、図３はその要部を構成する支持板の拡大図、図４〜図８はいずれもその基板の構成を示す図である。なお、以下の全ての図面においては、図面を見やすくするため、各構成要素の厚みや寸法の比率等は適宜異ならせてある。
【００１２】
本実施形態の静電容量式センサは、図２に示すように、基板１の上面１１Ｓ側に電気信号を検出するための検出部Ｋを備え、基板１の下面１３Ｒ側に検出部Ｋから検出された電気信号を処理する処理回路１ｃを備えて構成されている。本実施形態では、検出部Ｋはセンサの傾斜を静電容量変化として検出する静電容量式の傾斜検出部Ｋとして構成され、基板１の上面１１Ｓ上に形成された複数の容量検出用の電極１ａと、これらの電極１ａに対向する支持板３と、この支持板３にひねり変形を加えるための重り４とを備えて構成されている。
【００１３】
基板１の本体はセラミック又はエポキシ樹脂積層板からなり、その表面には電極（固定電極）１ａが碁盤目状に複数（図１では四つ）形成されるとともに、基板１外周部には、これら四つの電極１ａを囲むように枠状の電極１ｄが形成されている。このように、電極１ａを４つ設けているのは、いずれかの方向に全体が傾いた時、支持板３と特定の電極１ａとの間隔が広がり（つまり静電容量は減少し）、一方、平面視してそれに対向する電極１ａと支持板３との間隔は狭くなり（つまり静電容量は増加する）、それらの差動信号により傾斜方向とその程度を求めることができる様にするためである。
【００１４】
基板１の中央部には凸部（支持突起）１ｂが一体に設けられている。基板１の上には外周に沿った枠状の導電性のスぺーサ２（ギャップ保持手段）が電極（固定電極）１ｄに重ねて設置されている。スペーサ２は、凸部１ｂと共に後述のジンバル構造の支持板３と基板１との間隔を一定に保持して支持板３の一部が揺動できる空間を作るとともに、処理回路１ｃと可動部３ｄとを導通させるための導通手段として設けられている。
【００１５】
スペーサ２の上には、可撓性を有する板材としての支持板３が積層されている。この支持板３は例えば５０μｍ程度の厚さのステンレスプレート等の薄い金属の単板（平板）から形成され、支持板３の外周部分が支持部３ａとされ、スペーサ２に密着して支持されている。支持部３ａは、図３に示すように、略矩形枠状にされており、その対向する一対の辺の内周中央に、内側に向かう一対の第１の軸部（第１の連結部）３ｃが設けられている。一対の第１の軸部３ｃの他端（内側の端部）は、中間部３ｂにつながっている。中間部３ｂは傾斜により一対の第１の軸部３ｃがひねり変形する事により、その軸線回りに揺動できるようになっている。
【００１６】
中間部３ｂの形状も略矩形枠状であり、その内周には一対の第１の軸部３ｃに直交する位置に、互いに対向する位置に一対の第２の軸部（第２の連結部）３ｅが設けられている。一対の第２の軸部３ｅの他端（内側の端部）は、可動部３ｄにつながっている。この可動部３ｄは、第２の軸部３ｅがひねり変形する事により、その軸線回りに揺動できると同時に、中間部３ｂが軸部３ｃの軸回りに揺動することで、第１の軸部３ｃの軸線回りにも揺動できるようになっている。
【００１７】
本実施形態の支持板３では、支持部３ａ、中間部３ｂ、第１の軸部３ｃ、可動部３ｄ、第２の軸部３ｅは全て一枚の金属板に溝孔（スリット）を設ける事で形成している。そのため加工も容易で、又精度も出しやすい。すなわち、支持部３ａと中間部３ｂとは第１の軸部３ｃを除く位置に設けられた平面視コ字形の第１のスリット３１により分離され、中間部３ｂと可動部３ｄとは第２の軸部３ｅを除く位置に設けられた平面視コ字形の第２のスリット３２により分離されている。また、可動部３ｄは金属の板材にて構成されるため、可動部３ｄは本発明の可動電極としても機能する。
【００１８】
また、本支持板３では、ひねりによって軸部３ｃ，３ｅが塑性変形しないように、第１のスリット３１の両端部及び第２のスリット３２の両端部に、それぞれ支持部３ａ側及び可動部３ｄ側に突出するような食込み部３１ａ，３２ａを形成し、軸部３ｃ，３ｅが塑性変形防止に必要な一定以上の長さとなるようにしている。このような食込み部３１ａ，３２ａは中間部３ｂ側には形成されておらず、軸部３ｃ，軸部３ｅがそれぞれ支持部３ａ側，可動部３ｄ側にのみ食い込むように構成されている。
【００１９】
これは、例えば食込み部３１ａ，３２ａを中間部３ｂ側に形成した場合、中間部３ｂがこのような食込み部によって一部細くなり、この細くなった部分にひねりによる応力が集中して中間部３ｂが塑性変形する虞があるためである。このような応力集中は、中間部３ｂの枠の太さが局所的に細くなる部位に生じ易い。そのため、ひねり力が中間部３ｂ全体に分散されるように、中間部３ｂ側に食込み部を設けずに中間部３ｂの枠の太さを略一定とした。
【００２０】
可動部３ｄの基板１と反対側の面の中央部には、接着，電気溶接，レーザースポット溶接，カシメ等の方法によって取り付けられた重り４が搭載されている。重り４の重心は前記第１の軸部３ｃ、第２の軸部３ｅの軸線のいずれからも鉛直方向に偏心している（即ち、重り４の重心位置は支持板３の重心位置より高くなっている）。そのため、センサを傾けると、その方向によってどちらか又は両方の軸線に対してモーメントが発生する。それにより、第１の軸部３ｃ、第２の軸部３ｅがひねり変形され、可動部３ｄと４つの電極１ａの各々との間隔が変化するようになっている。
【００２１】
なお、重り４は、図２に示すように、底部（下部）４ａが本体部である頭部（上部）４Ａよりも細い断面Ｔ字状の形状を有しており、底部４ａの太さと頭部４Ａの太さとが同一のものに比べて重心位置がより高くなっている。これにより、重り４の質量が同じ場合に、重り４の質量と重心位置との積で表されるモーメントが大きくなり、傾斜に対する感度を高めることができるようになっている。
【００２２】
又、可動部３ｄの下面には、前記凸部（ギャップ保持手段）１ｂが突き当てられており、電極１ａと可動部３ｄとの間隔（ギャップ）ｇを一定に保持するとともに、下向きの並進加速度（重力など）の影響をキャンセルできるようになっている。つまり、凸部１ｂを設けない場合、可動部３ｄは重り４の重さによって基板１側に若干撓み、可動電極としての可動部３ｄと電極１ａとの間の静電容量にはこの撓みによる静電容量の増分がオフセットとして含まれてしまう。このオフセットはセンサの傾きが小さい場合には大きく、逆にセンサが垂直に近い場合には、このような撓みが少なくなるため小さくなる。
【００２３】
その結果、静電容量は重り４のモーメントに対して直線的に変化せず、このような静電容量からセンサの傾斜角を求める場合には撓みによる可動部３ｄの鉛直方向の変位を補正する演算が必要となる。このため、可動部３ｄを凸部１ｂによって下面側から支持してこのような撓みを防止することで、静電容量をモーメントに対して直線的に変化させ、演算を単純化しているのである。
【００２４】
さらに、センサを極端に傾ける事が無い限り、重り４の重さが第１の軸部３ｃ、第２の軸部３ｅに直接掛からない。よって、重り４の重さの割に第１の軸部３ｃ、第２の軸部３ｅを細くしても永久変形しにくいため、耐衝撃性を維持したまま軸部３ｃ，３ｅを細くできる。当然、２つの軸部は細い程、剛性が低いため、傾斜によるモーメントに対して敏感に変形し、高精度な検出が出来る様になる。
【００２５】
また、凸部１ｂの高さは支持部３ａを載置するスペーサ２の厚みよりも若干高く（或いは、スペーサ２の厚みが凸部１ｂの高さよりも若干薄く）なっており、可動部３ｄは支持部３ａよりも基板１から離され、可動部３ｄは凸部１ｂにより基板１と反対側に付勢されるようになっている。この付勢力の大きさは、凸部１ｂの高さとスペーサ２の厚みの差で決まるため、例えば、凸部１ｂによってギャップｇが定められた場合には、スペーサ２の厚みを調節することで付勢力が最適に設定される。
【００２６】
支持部３ａの上には、導電性の枠状の固定板（スペーサ）５が積層されており、全外周に亘って薄い支持板３を均一にスペーサ２側に押し付けて固定している。そして、固定板５の上には、支持板３の必要以上の撓みを規制する規制手段としての平板状のストッパ８が積層されており、固定板５は支持板３とストッパ８との間に挟持された状態となっている。このストッパ８は、支持板３よりも厚く剛性の高い導電性の板材（例えばステンレス等の金属板）からなり、固定板５により正確に定められるギャップを介して支持板３に対向配置されている。そして、落下等によりセンサに不所望な外力が作用して支持板３が大きく撓んだ場合、中間部３ｂや可動部３ｄがこのストッパ８の下面にぶつかることで、揺動等の動きが規制されるようになっている。
【００２７】
なお、固定板５はリン青銅板やステンレス板等の平板状の金属板材にて形成されている。金属板材は板厚等の寸法精度が高いため、固定板５の部材として金属板材を用いることで、支持板３とストッパ８とのクリアランスを精度良く定めることができる。また、固定板５は導電性を有するため、固定板５を介して金属板からなる支持板３とストッパ８とを導通させて、両者を常に同電位に保つことができる。これにより、不所望な外力により可動部３ｄ等がストッパ８に当接したとしても、可動部３ｄと電極１ａとによって構成される信号検出用コンデンサから検出される信号に影響を及ぼす虞はない。
【００２８】
また、ストッパ８の中央部には、重り４を挿通させるための貫通穴（孔部）８ａが設けられており、この穴８ａは平面視で支持板３に形成されたスリット３２の内側に配置され（即ち、可動部３ｄの外周部は穴８ａの外側に配置され）ている。これにより、可動部３ｄが不所望な外力により大きく揺動した際に、その外周部が穴８ａの内周を乗り越えて引っかかる等して支持板３が損傷しないように構成されている。
【００２９】
なお、支持板３の撓みは支持板３と微小間隔をあけて対向配置された基板１によっても補助的に規制されるようになっている。この際、基板１上の電極１ａと可動部３ｄとが接触して異常信号が発生しないように、電極１ａの外周端部は、可動部３ｄの外周端部が揺動により基板１と接触する位置よりも内側に配置されている。
【００３０】
ストッパ８の上には絶縁性のスペーサ９を介して金属製（導電性）のカバー６が被着されている。これは、防塵、防滴、センサ周辺の帯電物による容量ドリフト、ノイズ及び取扱上の不注意からセンサを保護するためのものである。なお、スペーサ９によってカバー６と導電性のストッパ８とが接することはなく、両者の絶縁をとっている。
【００３１】
このカバー６は、円筒型の頭部６ｂと、その周辺部に広がるフランジ部６ａと、外周部の舌状の突部６ｃとからなり、そのフランジ部６ａによって固定板５を均一に押し付けた状態で外周部の突部６ｃの先端を基板１の裏面側に折り曲げてカシメることで、カバー６が基板１に固定されている。このようにカバー６のフランジ部６ａによってスペーサ２，支持板３，固定板５，ストッパ８，スペーサ９を基板１に対して押し付けて固定（挟持）することで、各部材の間に接着剤を設ける必要がなく、ストッパ８と支持板３（可動部３ｄ）との間隔のばらつきを抑えられる等、組み立て精度を高めることができるようになっている。
【００３２】
また、フランジ部６ａと基板１の外周部との間にはパッキン７を介装し、カバー６の内部への異物，フラックス，水分等の侵入を防止できるように構成されている。
なお、図１に示すように、スペーサ９の下面には複数の突起９ａが設けられている。この突起９ａはストッパ８，固定板５，支持板３，スペーサ２の各部材に対応して形成された位置決め用の孔を挿通して、基板１に設けられた凹部（孔部）１ｈに嵌め込まれており、これにより、各部材が精度良く位置決めされるようになっている。
【００３３】
また、突部６ｃの当接する基板１裏面側にはグランドパターン（金属面）１３ｆが形成されており（図７参照）、このグランドパターン１３ｆを介してカバー６を接地することで外部ノイズ等の影響を排除できるようになっている。特に、カバー６の形状を、前記可動部３ｄの中心を垂直に通る軸線に対して対称にしておくことで、静電容量の余計な初期オフセットを発生させずに済む。本実施形態のカバー６では、電極１ａに対して単に一部が凸状の形状となっているが、これに限られない事は言うまでもない。
【００３４】
ところで、基板１はセラミックス又はエポキシ樹脂等からなる絶縁性の板材１１〜１４の積層体として構成された多層配線基板（リジッド基板）であり、各板材１１〜１３の上面１１Ｓ〜１３Ｓ及び板材１３，板材１４の下面１３Ｒ，１４Ｒはそれぞれ検出電極層，グランド層，電源層，チップ実装面，接続電極面として構成されている。
基板１の上面（即ち、板材１１の上面）としての検出電極層１１Ｓには、図４に示すように、その中央部に四つの電極１ａが例えば、Ａｇ（銀）のパターン印刷により碁盤目状に形成されている。また、検出電極層１１Ｓの外周部には、スペーサ２と導通される電極１ｄが矩形枠状に形成されている。
【００３５】
また、電極１ａ及び電極１ｄはそれぞれ検出電極層１１Ｓからチップ実装面１３Ｒまで貫通するスルーホール電極Ｈ１，Ｈ２によってチップ実装面１３Ｒ上の端子１３ａ，１３ｂに接続されている（図４〜７参照）。このスルーホール電極Ｈ１，Ｈ２はレーザー加工やプレス加工等の方法で形成した細孔の内側にスクリーン印刷法により銀ペーストを充填して、これを焼成させることにより導電部を形成したもので、各電極１ａ，１ｄはこのスルーホール電極Ｈ１，Ｈ２を介して端子１３ａ，１３ｂまで略最短距離で接続され、電気的な外乱の影響をほとんど受けることなく検出信号や駆動信号等の電気信号を処理回路１ｃと入出力できるようになっている。
【００３６】
グランド層１２Ｓは、支持板３からの駆動信号が電極１ａを介さずに処理回路１ｃに侵入するのを防ぐとともに、基板１の外部（検出部Ｋにおいては基板１の下面側、処理回路１ｃにおいては基板１の上面側）から入るノイズをカットするノイズシールドとして機能し、図５に示すように、スルーホール電極Ｈ１，Ｈ２部分と板材１２の外周縁部とを除く略全面がＡｇ等の金属面（導電面）１２ｆとして構成されている。また、この金属面１２ｆは、図５に示すグランド層１２Ｓから図７に示すチップ実装面１３Ｒまで貫通する複数のスルーホール電極Ｈ３によってチップ実装面１３Ｒ上のグランドパターン１３ｆと導通して、端子１３ｄと接続されるとともに、基板１の側面に形成された取り出し電極１４２を介して接地されるようになっている（図７参照）。なお、スルーホール電極Ｈ３を複数としているのは、グランドパターンとしての金属面１２ｆを均一なグランド電位とするためである。
【００３７】
また、支持板３と電極１ａとにより構成される信号検出用コンデンサとの容量結合を抑えるために、グランド層１２Ｓと検出電極層１１Ｓとは十分離間されており、例えば板材１１には厚さ０．４ｍｍ程度のものが用いられている。なお、この板材１１の厚さは０．３ｍｍ以上とすることが好ましく、これにより、検出部Ｋとの容量結合を効果的に防止することができる。
【００３８】
電源層１３Ｓはグランド層１２Ｓとともにバイパスコンデンサとして機能し、図６に示すように、スルーホール電極Ｈ１〜Ｈ３部分と板材１３の外周縁部を除く略全面がＡｇ等の金属面（導電面）１３ｇとして構成されている。また、この金属面１３ｇは電源層１３Ｓからチップ実装面１３Ｒまで貫通するスルーホール電極Ｈ４によってチップ実装面１３Ｒ上の端子１３ｃと接続されているとともに（図７参照）、基板１の側面に形成された取り出し電極１４１を介して電源電位に設定されるようになっている。
【００３９】
また、グランド層１２Ｓが基板１の上面（検出電極層）１１Ｓよりも電源層１３Ｓ寄りとなって、電源層１３Ｓとグランド層１２Ｓとは近接して配置されており、例えば、板材１２には厚さ０．１ｍｍ程度の薄材が用いられている。これにより、グランド層１２Ｓと電源層１３Ｓとによりバイパスコンデンサが形成され、別途コンデンサを設ける必要がないため、センサの構造を更に簡素化できるようになっている。なお、この板材１２の厚さは０．２ｍｍ以下とすることが好ましく、これにより、上述のようなバイパスコンデンサの機能を十分発揮することができる。
【００４０】
さらに、グランド層１２Ｓよりもノイズの影響を受けやすい電源層１３Ｓと処理回路１ｃとの容量結合を抑えるために、金属面１３ｇでは、処理回路１ｃの搭載位置に対応する中央部分の金属パターンが抜かれて空白部１３Ｆとされている。
【００４１】
チップ実装面１３Ｒには、図７に示すように、検出部Ｋと処理回路１ｃとをつなぐ信号線用として、スルーホール電極Ｈ１，Ｈ２と端子（パッド）１３ａ，１３ｂとをそれぞれ接続する短い引き回し配線が形成されるとともに、処理回路１ｃから図示しない外部装置への出力用として、端子（パッド）１３３〜１３６と取り出し電極１４３〜１４６とをそれぞれ接続する引き回し配線が形成されている。また、外部ノイズをカットするために、スルーホール電極Ｈ１〜Ｈ４部分とこれらの引き回し配線以外の領域には接地されるグランドパターンとして機能するＡｇ等の金属面１３ｆが形成されている。
【００４２】
また、上記電源層１３Ｓとグランド層１２Ｓとにより構成されるバイパスコンデンサとの容量結合を抑えるために、電源層１３Ｓとチップ実装面１３Ｒとは十分離間されており、例えば板材１３には厚さ０．２ｍｍ程度であって、板材１２よりも厚いものが用いられている。なお、この板材１３の厚さは０．１５ｍｍ以上とすることが好ましく、これにより、処理回路１ｃと検出部Ｋ或いは処理回路１ｃと上記バイパスコンデンサとの容量結合を効果的に防止することができる。
【００４３】
接続電極面１４Ｒには、図８に示すように、六つの外部接続電極１４ａ〜１４ｆが形成され、それぞれ基板１の側面に設けられた取り出し電極１４１〜１４６に接続されている。そして、接続電極面１４Ｒを外部の実装回路基板ＰＣＢに半田付け等で実装することで、静電容量式センサが外部接続電極１４ａ〜１４ｆを介して図示しない外部装置に接続されるようになっている。そして、外部接続電極１４ｂを介してカバー６やグランド層１２Ｓ（グランドパターンたる金属面１２ｆ）が接地されるとともに、外部接続電極１４ａを介して外部装置から電源層１３Ｓ（金属面１３ｇ）に電源が供給されて、外部接続電極１４ｃ〜１４ｆを介して処理回路１ｃの処理結果が外部装置に出力されるようになっている。
【００４４】
なお、板材１４には、処理回路１ｃを収納するための貫通孔からなる収納凹部１４ｇが中央部に形成されており、接続電極面１４Ｒを実装回路基板に表面実装できるように、すなわち、処理回路１ｃが接続電極面１４Ｒから突出しないように、板材１４の板厚が設定されている。
また、板材１４には、カバー６の突部６ｃを取り付けるための切り欠き部１４ｈが対向する側面に形成されており、この切り欠き部１４ｈによって、チップ実装面１３Ｒのグランドパターン１３ｆの一部が露出している。そして、切り欠き部１４ｈ内のグランドパターン１３ｆ上に突部６ｃの先端がカシメ付けられることにより、カバー６とグランドパターン１３ｆとが導通状態となる。
【００４５】
処理回路１ｃは、基板１裏面側のチップ実装面１３Ｒに搭載されており、チップ実装面１３Ｒ内の信号検出用の端子１３ａ，１３ｂ、電源用の端子１３ｃ、グランド用の端子１３ｄ及び信号出力用の端子１３３〜１３６と処理回路１ｃの複数のアルミニウム製の端子３００ａとがそれぞれ金バンプ３１０で接続されている。そして、駆動用の端子１３ｂを介して支持板３に駆動信号が加えられ、この支持板３と対向配置された電極１ａにより検出された電圧等の電気信号が検出用の端子１３ａを介して処理回路１ｃに入力され、該電気信号により信号検出用コンデンサの容量変化を求めている。
【００４６】
この支持板３の可動部３ｄと電極１ａとで構成される信号検出用コンデンサは４つあり、これら４つのコンデンサの容量変化に基づいて静電容量式センサの傾斜方向及び傾斜量を算出するようになっている。また、この算出結果は信号出力用の端子１３３〜１３６及び外部接続電極１４ｃ〜１４ｆを介して外部装置に出力されるようになっている。
なお、接合性を向上させるために、端子（パッド）１３ａ〜１３ｄ，１３３〜１３６及び端子３００ａには金メッキが施されていることが望ましい。
【００４７】
ここで、本実施形態において、処理回路１ｃは集積回路のベアチップにて構成されている。このベアチップは、シリコン等の半導体からなるサブストレート（半導体基材）３００ｂの一面の中央部に熱拡散法やイオン注入法等の手法により拡散層と呼ばれる回路部３００ｃが形成されたものである。そして、回路部（拡散層）３００ｃを含むベアチップ（処理回路）１ｃの一面（図１においては上面）は、ほぼ全域がＳｉＯ２（酸化ケイ素）等の絶縁膜（図示せず）によって覆われており、この絶縁膜上に複数の端子３００ａと一端がそれぞれ導通する複数のＡｌ（アルミニウム）パターン（図示せず）が形成されている。なお、回路部３００ｃ上に位置する上記絶縁膜には、所定の位置に複数の微小な貫通孔（スルーホール）が設けられており、この貫通孔を介して回路部３００ｃの所定箇所が上記Ａｌパターンと導通されている。
【００４８】
また、グランド用の端子（パッド）１３ｄとバンプ接続される端子３００ａに導通するＡｌパターンは、サブストレート３００ｂ上に位置する上記絶縁膜の図示しない微小孔を介してサブストレート３００ｂと接続されている。これにより、サブストレート３００ｂは、Ａｌパターン，グランド用の端子３００ａ，金バンプ３１０，パッド１３ｄ，スルーホール電極Ｈ３等を介して基板１のグランドパターンである金属面１２ｆ（グランド層）と導通状態となっている。したがって、回路部３００ｃは、下面と周囲が接地されるサブストレート３００ｂによって囲まれ、上面側にはグランド層１２Ｓが存在するため、ほぼ完全にシールドされた構造をとることとなり、外部からのノイズの影響をほとんど受けることはない。
【００４９】
また、補強のために、処理回路（ベアチップ）１ｃとチップ実装面１３Ｒとをエポキシ樹脂等の絶縁性樹脂３２０により接着し一体化させている。具体的には、処理回路１ｃの搭載面となるチップ実装面１３Ｒを上にしてパッドに囲まれた部分に液状のエポキシ樹脂３２０をディスペンサ等で塗布し、処理回路１ｃの回路部３００ｃ形成面側が基板１と対向するようにチップ実装面１３Ｒ上に位置決めし載置する。この際、エポキシ樹脂３２０は流動性により押し広げられ金バンプ３１０の周囲まで達する。そして、超音波を処理回路１ｃの背面側から当ててパッド１３ａ〜１３ｄ，１３３〜１３６と処理回路１ｃの端子３００ａとを金バンプ３１０により超音波接合する。その後、加熱によりエポキシ樹脂３２０を加熱硬化させて処理回路１ｃがチップ実装面１３Ｒに一体に接合されている。
【００５０】
なお、この樹脂３２０は端子３００ａの周囲まで覆うように設けられ、接合部や端子３００ａを腐食等から保護するようになっている。また、処理回路１ｃ全体を樹脂３２０で覆ってもよいが、サブストレート３００ｂが接地されるため、その必要はない。なお、通常のセンサと同様に、処理回路１ｃをセンサ外部に設けても勿論良いが、可動部３ｄと各電極１ａ間の静電容量は（大きさにも依るが）１ｐＦもない程度であり、通常のワイヤ配線で処理回路１ｃの入力まで引っ張るのは、組み立てのバラツキ、傾斜によるワイヤの移動とそれに伴う容量変化、さらにノイズや経時変化を考慮すると現実的とは言えない。したがって、高い検出精度が要求される場合には、上記本構成のように処理回路１ｃを基板１裏面側に設け、検出信号が処理回路１ｃに略最短距離で入力されるようにして、検出信号への外部ノイズ等の影響を極力排除することが好ましい。
【００５１】
次に、センサの動作について説明する。これは上述した様に、センサ全体を傾斜させた時、可動部３ｄと各電極１ａとの間隔が変化し、それにより、それらの間の静電容量も変化し、これを電気的に検出することで傾斜が測定できる。
つまり、センサを傾けると、重り４が凸部１ｂと可動部３ｄとの当接位置を中心として揺動し、可動部３ｄに対し軸部３ｃ又は軸部３ｅ回りのモーメントを作用させる。
【００５２】
そして、この重り４の傾斜によるモーメントは軸部３ｃ或いは軸部３ｅの回りのひねり力として分離され、センサの傾斜方向及び傾斜角に応じて可動部３ｄを二軸３ｃ，３ｅ回りに独立に揺動させる。この際、可動部３ｄの揺動中心は凸部１ｂにより基板１に対して常に一定に離間されており、検出用コンデンサの静電容量は傾斜によるひねり力に対して直線的に増減する。また、重り４が断面Ｔ字状に形成されて重心位置が高められているため、ひねり力が大きく、又、支持板３の軸部３ｃ，３ｅが食込み部３１ａ，３２ａにより長くなっているため、軸部３ｃ，３ｅの剛性が低くなっており、センサの傾斜が僅かであっても、可動部３ｄは基板１に対して大きく揺動する。
【００５３】
そして、軸部３ｃ，３ｅのひねり変形に対する弾性力とこの各軸部３ｃ，３ｅ回りのひねり力とが釣り合う角度で可動部３ｄが停止する。
【００５４】
そして、この可動部３ｄの揺動により、可動部３ｄと各電極１ａとにより構成される信号検出用コンデンサの静電容量が変化し、その容量変化が、スルーホール電極Ｈ１や端子１３ａ等を介して電極１ａの略真下に実装された処理回路１ｃに電気信号として入力される。そして、処理回路１ｃによる処理結果は、接続電極面１４Ｒの外部接続電極１４ｃ等を介して外部装置へ出力される。
なお、支持板３は共通電極として利用されるため、これを電気的に接地するような検出回路構成とすれば、高いシールド効果を得ることが出来る。
【００５５】
一方、落下等によりセンサに衝撃等の不所望な外力が働き、重り４に過大な力が加わって支持板３が大きく撓むと、可動部３ｄ又は中間部３ｂがストッパ８の下面或いは基板１の上面１１Ｓにぶつかり、その動きが規制される。
【００５６】
したがって、本実施形態の静電容量式センサによれば、支持板３に対向配置されているストッパ８又は基板１によって支持板３（可動部３ｄ）の撓みを規制しているため、センサに衝撃等の不所望な外力が加わった場合でも、支持板３が撓み限界を超えて大きく撓むことがない。このため、支持板３が塑性変形する事態を未然に防止でき、センサの耐衝撃性を高めることができる。
【００５７】
また、本構成では、ストッパ８又は基板１によって直接支持板３の揺動等の動きを規制しているため、重り４と筒部材との微小なクリアランスによって重り４の動きを規制する従来のものに比べて、重り４とストッパ８との組み立て精度をラフにできる。特に、ストッパ８を平板によって構成し、支持板３（可動部３ｄ）の撓みを面で規制しているため、揺動等の規制をより確実且つ効果的に行なうことができる他、ストッパ８の構造が単純となり、高い組み立て精度が要求されず製造が容易となる。すなわち、ストッパ８，固定板５，支持板３，スペーサ２はカバー６と基板１との間に挟持されているため、支持板３（可動部３ｄ）とストッパ８とのクリアランスはスペーサたる固定板５等の部品精度で定まる。このため、クリアランスが組み立て時にばらつくことはなく、支持板３（可動部３ｄ）の撓み限界を超えた動きを確実に防ぐことができる。また、重り４の大きさや形状の変更に合わせてストッパ８を作り直す必要がないため、要求感度に応じて重り４の大きさ等を変更する際に、容易に対応できる利点もある。
【００５８】
さらに、ストッパ８を導電部材によって構成し、固定板５を介して支持板３と導通させているため、ストッパ８と可動部３ｄとは同電位となり、可動部３ｄとストッパ８との間に静電容量が生じない。このため、ストッパ８が検出信号に影響を与えることはない。また、可動部３ｄがストッパ８にぶつかっても異常な信号が生じることはなく、処理回路１ｃ等が損傷することはない。
【００５９】
次に、本発明の第２の実施形態の静電容量式センサについて図９に基づいて説明する。本センサでは、上記第１実施形態のセンサの構成において、先の形態の固定板５とストッパ８とが一体に成形加工された、絶縁部材からなるストッパ８０によって構成されている。そして、これ以外は上記第１実施形態のものと同様であるため、その説明を省略する。
【００６０】
したがって、本構成でも、上記第１実施形態と同様の効果が得られる他、支持板３とストッパ８とのギャップを規定する固定板５をストッパ８と一体化させてストッパ８０としているため、部品点数が減りコストを低減できる。
また、ストッパ８０を絶縁部材によって構成しているため、可動部３ｄとストッパ８０との間に静電容量が生じず、検出信号に影響を与えることはない。また、可動部３ｄがストッパ８０と当接しても異常な信号が生じることはない。
【００６１】
次に、本発明の第３の実施形態の静電容量式センサについて図１０に基づいて説明する。本センサでは、上記第２実施形態のセンサの構成において、固定電極１ａ上に絶縁層１０１が設けられている。この絶縁層１０１は、例えば絶縁性の樹脂を電極１ａ上を覆うように印刷形成したり、絶縁フィルムを電極１ａ上に貼り付けたりすることで得られる。そして、これ以外は上記第２実施形態と同様であるため、その説明を省略する。
【００６２】
したがって、本構成でも、上記第２実施形態と同様の効果が得られる他、電極１ａ上に絶縁層１０１が設けられているため、支持板３が大きく撓んで基板１にぶつかった際に、可動部３ｄと電極１ａとがショートすることを防止できる。また、このように絶縁層１０１によりショートを防止しているため、上記第１実施形態及び第２実施形態のように電極１ａの外周部を可動部３ｄの外周端部よりも平面視で内側となるように構成する必要はない。これにより、電極１ａの面積を大きくしてセンサの感度を高めることができる。
【００６３】
なお、本発明は上述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。
例えば、上記各実施形態では、一つの可動電極（可動部）３ｄに複数の固定電極１ａを対向配置しているが、逆に、一つの固定電極１ａに複数の可動電極３ｄを対向配置してもよい。つまり、電極１ａを基板１上に一つ設け、絶縁性の可動部３ｄの下面側に複数（例えば四つ）の可動電極を形成してもよい。また、固定電極１ａと可動電極３ｄとの両方を複数設けて対向配置してもよい。
【００６４】
また、支持板３は金属板に限定されず、可撓性を有する部材であれば金属，半導体，絶縁体のいずれでもよい。また、板厚も特に限定されず、ポリイミド等の高分子フィルムや金属箔、或いは、エッチングにより薄膜化したシリコン基板等を好適に用いることができる。なお、支持板３に絶縁性の部材を用いた場合には、基板１に対向する面に銅箔等の導電膜（可動電極）を形成する必要がある。
【００６５】
さらに、可動部３ｄと基板１との間のギャップｇは、基板１から可動部３ｄ側に向けて突設された凸部１ｂによって保持されているが、可動部３ｄの下面又は重り４の底面から基板１に向けて突出する突起によって可動部３ｄと基板１とのギャップｇを保持するようにしてもよい。また、凸部１ｂや、基板１に向けて突出する突起等を設けずに、スペーサ２の厚さを適切に設定することによってギャップｇを得るようにしてもよい。
【００６６】
また、上記第１実施形態では、支持板３がストッパ８にぶつかった際の異常信号の発生を防ぐためにストッパ８を金属板からなる導電部材によって構成し、導電性の金属板からなる固定板５を介して支持板３とストッパ８とを導通させているが、この代わりに、ストッパ８を合成樹脂等からなる平板状の板材等の絶縁部材によって構成してもよい。なお、この場合には、固定板５は必ずしも導電性を有する必要はないが、板厚精度の高い金属板材を用いることでセンサの組み立て精度等が高まるため、このような観点から、固定板５の板材として金属板を用いることが好ましい。
【００６７】
また、上記第２及び第３の実施形態では、固定板とストッパとが一体に形成された絶縁性のストッパ８０を用いているが、この代わりに、ストッパ８０を金属等の導電部材によって構成し、このストッパ８０と可動電極としての可動部３ｄとを導通させるようにしてもよい。前述したいずれの場合においても、ストッパ８（又はストッパ８０）と可動部３ｄとの間で静電容量は生じず、可動部３ｄと電極１ａとの間で検出される静電容量に影響を与えることはない。また、可動部３ｄがストッパ８（又はストッパ８０）にぶつかっても異常信号は生じない。
【００６８】
なお、上記各実施形態では、可動部３ｄが直交する二軸回りに揺動自在なセンサの構造について説明したが、これに限らず、例えば可動部３ｄが一軸回りにのみ揺動可能なセンサに対して本発明を適用することも可能である。
また、上記各実施形態では、傾斜センサを例示して本発明の静電容量式センサを説明したが、本発明は傾斜センサに限らず、例えば加速度センサや衝撃センサであってもよい。
【００６９】
【発明の効果】
以上、詳述したように本発明によれば、衝撃等により重りに過大な力が加わった場合に、重りの動きを規制するのでなく直接可動部の動きをストッパで規制しているため、重りと筒部材との微小なクリアランスによって重りの動きを規制する従来のものに比べて、重りとストッパとの組み立て精度をラフにでき、生産性を高めることができる。
このとき、ストッパを前記可動部の前記固定基板と反対側に対向配置された板材として構成することで、可動部の大きな動きを面によって効果的に規制できるとともに、ストッパの構造が単純なため、部品精度を高めることが容易となる。さらに、重りの大きさや形状の変更に合わせてストッパをつくり直す必要がないため、要求感度に応じて重りを設計変更する際に容易に対応できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態に係る静電容量式センサの全体構成を示す分解斜視図である。
【図２】本発明の第１実施形態に係る静電容量式センサの全体構成を示す概略断面図である。
【図３】本発明の第１実施形態に係る静電容量式センサの支持板の構造を拡大して示す平面図である。
【図４】本発明の第１実施形態に係る静電容量式センサの基板の構造を説明するための平面断面図（板材１１の平面図）である。
【図５】本発明の第１実施形態に係る静電容量式センサの基板の構造を説明するための平面断面図（板材１２の平面図）である。
【図６】本発明の第１実施形態に係る静電容量式センサの基板の構造を説明するための平面断面図（板材１３の平面図）である。
【図７】本発明の第１実施形態に係る静電容量式センサの基板の構造を説明するための平面断面図（板材１３の背面図）である。
【図８】本発明の第１実施形態に係る静電容量式センサの基板の構造を説明するための平面断面図（板材１４の背面図）である。
【図９】本発明の第２実施形態に係る静電容量式センサの全体構成を示す概略断面図であり、図２に対応する図である。
【図１０】本発明の第３実施形態に係る静電容量式センサの全体構成を示す概略断面図であり、図２に対応する図である。
【符号の説明】
１　固定基板
１ａ　固定電極
３ｄ　可動部（可動電極）
４　重り
５　固定板（スペーサ）
６　カバー
６ａ　フランジ部
８，８０　ストッパ
８ａ　貫通穴（孔部）
３１　第１のスリット
３２　第２のスリット
１０１　絶縁層
【図１】
2004093226.tif 000003
【図２】
2004093226.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
2004093226.tif 000008
【図７】
2004093226.tif 000009
【図８】
2004093226.tif 000010
【図９】
2004093226.tif 000011
【図１０】
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