(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
対向する一対のプリント基板と、前記一対のプリント基板の固定端側の少なくとも一方のプリント基板の内側に発振回路に接続するために形成された中継電極と、前記一対のプリント基板の間にそれぞれのプリント基板から所定の間隔を空けて設けられた可動できる中間電極と、前記一対のプリント基板の自由端側の内側に前記中間電極とそれぞれ対向するように所定の大きさで形成された一対の固定電極と、前記一対のプリント基板と前記中間電極との間にそれぞれ配置され、前記一対のプリント基板の固定端側で挟持された一対の誘電体とを備え、変位量の変化を前記一対の固定電極と前記中間電極間の静電容量の変化量として検出するように構成した変位センサ。
【請求項２】
誘電体は、一対のプリント基板と対向する中間電極の両面に設けられた請求項１に記載の変位センサ。
【請求項３】
一対のプリント基板と対向する面に誘電体が形成された中間電極と前記一対のプリント基板との間であり且つ固定端側には、所定の厚さ且つ電気伝導性のよい金属スペーサが配置された請求項２に記載の変位センサ。
【請求項４】
誘電体が固定端側にのみ設けられているとともに、前記誘電体のプリント基板と接する側及び中間電極と接する側には、それぞれ電極が形成されている請求項１に記載の変位センサ。
【請求項５】
一対のプリント基板と一対の誘電体と中間電極が配設された固定端側には、電気的にも互いに絶縁された穴が設けられ、前記プリント基板の各々の外面かつ前記穴の近傍に接続電極が形成されており、さらに前記一対のプリント基板の一方のプリント基板に設けられた固定電極からの信号を前記一対のプリント基板の他方のプリント基板側へ伝達するための導電体により前記接続電極間が結び付けられるように構成された請求項１に記載の変位センサ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、静電容量の変化を利用した、たとえば傾斜センサや加速度センサなどの変位センサ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変位センサとして、特開平２−２３８３６９号公報に記載された加速度センサが知られている。
【０００３】
図７に示す従来の加速度センサは、加速度入力による重り１０１の移動量を重り１０１が取り付けられたばね弾性を有する可動電極１０２と筐体１０３に取り付けられた固定電極１０４を用い、静電容量の変化量として取り出すように構成されている。固定電極１０４と可動電極１０２は誘電体１０５により電気的に絶縁されている。また、過大入力時にはストッパ１０６により、可動電極１０２の移動量が制限されるようになっている。
【０００４】
このセンサは、加速度入力がない場合、可動電極１０２が誘電体１０５に接触し、固定電極１０４との間の静電容量が最大となるように設定されている。また、加速度が入力されることにより重り１０１に力が働き、可動電極１０２が誘電体１０５より離れて行く。これにより静電容量が減少し、加速度の変化を検出することが可能となる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
このような構成の静電容量の変化を利用した加速度センサにおいては、発振回路に接続するためまたは検出信号を取り出すために極めて薄い可動電極１０２とはんだ付け等により接続しなければならず、精密構造体である可動電極１０２に過大な熱的ダメージを与えてしまう。また、熱的ダメージを抑えようとするとどうしてもはんだ付け部の接触抵抗が不安定になりやすい。さらに、このような加速度センサの構造体全体への熱的影響が、直接検出出力のゼロ点、感度の温度ドリフトとなって現れてしまうといった課題を有していた。したがって、同様な原理に基づいて構成される静電容量の変化を利用した傾斜センサ等にも、当然大きな課題となる。
【０００６】
本発明はこの課題を解決するためのものであり、簡易な構造でありながら高精度な機械的寸法維持と安定な電気的特性及び温度安定性の良好な検出出力の得られる変位センサを提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
この課題を解決するために本発明の変位センサは、対向する一対のプリント基板と、前記一対のプリント基板の固定端側の少なくとも一方のプリント基板の内側に発振回路に接続するために形成された中継電極と、前記一対のプリント基板の間にそれぞれのプリント基板から所定の間隔を空けて設けられた可動できる中間電極と、前記一対のプリント基板の自由端側の内側に前記中間電極とそれぞれ対向するように所定の大きさで形成された一対の固定電極と、前記一対のプリント基板と前記中間電極との間にそれぞれ配置され、前記一対のプリント基板の固定端側で挟持された一対の誘電体とを備え、変位量の変化を前記一対の固定電極と前記中間電極間の静電容量の変化量として検出するように構成したことを特徴とするものである。この構成により、簡易な構造でありながら高精度な機械的寸法維持と安定な電気的特性及び温度安定性の良好な検出出力の得られる変位センサが実現可能である。
【０００８】
【発明の実施の形態】
本発明の請求項１に記載の発明は、対向する一対のプリント基板と、前記一対のプリント基板の固定端側の少なくとも一方のプリント基板の内側に発振回路に接続するために形成された中継電極と、前記一対のプリント基板の間にそれぞれのプリント基板から所定の間隔を空けて設けられた可動できる中間電極と、前記一対のプリント基板の自由端側の内側に前記中間電極とそれぞれ対向するように所定の大きさで形成された一対の固定電極と、前記一対のプリント基板と前記中間電極との間にそれぞれ配置され、前記一対のプリント基板の固定端側で挟持された一対の誘電体とを備え、変位量の変化を前記一対の固定電極と前記中間電極間の静電容量の変化量として検出するように構成しているため、発振回路からの出力を中継電極を介して容量結合で中間電極へ供給可能となることで中間電極へ直接はんだ付けすることも不要となる。また、この構成により高精度な機械的寸法精度と安定な電気的特性が得られると同時に２つの固定電極から容量結合によりそれぞれ検出信号が抽出され、これらの検出信号の差動増幅により温度安定性の良好な検出出力が得られるという作用を有する。
【０００９】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、誘電体が一対のプリント基板と対向する中間電極の両面に設けられているため、固定電極と可動する中間電極が接触しても電気的に短絡しないという作用を有する。
【００１０】
請求項３に記載の発明は、請求項２に記載の発明において、一対のプリント基板と対向する面に誘電体が形成された中間電極と前記一対のプリント基板との間であり且つ固定端側には、所定の厚さ且つ電気伝導性のよい金属スペーサが配置されているため、固定電極と可動する中間電極が接触しても電気的に短絡しないばかりか、スペーサが金属であるため固定電極と中間電極の間隙を極めて容易かつ高精度に維持することができるという作用を有する。
【００１１】
請求項４に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、誘電体が固定端側にのみ設けられているとともに、前記誘電体のプリント基板と接する側及び中間電極と接する側にそれぞれ電極が形成されているため、簡単な構成で固定電極と中間電極間の間隙精度が維持されるばかりでなく、発振回路からの出力を中継電極を介して容量結合で中間電極へ供給する際に、誘電体表面と中継電極間の接触が良好となりセンサが加振されても前記容量結合部分の容量値が安定するという作用を有する。
【００１２】
請求項５に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、一対のプリント基板と一対の誘電体と中間電極が配設された固定端側には、電気的にも互いに絶縁された穴が設けられ、前記プリント基板の各々の外面かつ前記穴の近傍に接続電極が形成されており、さらに前記一対のプリント基板の一方のプリント基板に設けられた固定電極からの信号を前記一対のプリント基板の他方のプリント基板側へ伝達するための導電体により前記接続電極間が結び付けられるように構成されているため、一方のプリント基板に設けられた固定電極から抽出された検出信号を他方のプリント基板側へ容易に伝達できるようになり、処理回路を含めてすべて片側に集中させることができるという作用を有する。
【００１３】
以下、本発明の実施の形態について、図１から図６を用いて説明する。
【００１４】
（実施の形態１）
図１、図２は、本発明の傾斜センサの実施の形態１の検出素子部構造を説明するための断面図、平面図である。図３は、本実施の形態１における検出素子部に処理回路を接続した状態のブロック図である。
【００１５】
図１において、１ａ，１ｂはガラスエポキシ系材料からなるプリント基板、２ａ，２ｂは誘電率が大きく、寸法安定性も高いマイカシートよりなる誘電体、３はステンレス系材料からなる可動できる中間電極、４ａ，４ｂは銅系の材料からなる固定電極、５は銅系の材料からなる中継電極である。図３において、６は発振回路、７は中間電極３と固定電極４ａとの容量結合により構成された検出部、８は中間電極３と固定電極４ｂとの容量結合により構成された検出部、１０，１１はダイオード、１２，１３，１９，２０，２２，２３は抵抗、１４，１５はコンデンサ、１６，１７，２１はオペアンプ、２５は出力端子である。９は中継電極５、誘電体２ａ、中間電極３と固定電極４ａ，４ｂ等から構成される検出素子部、１８はダイオード１０，１１、抵抗１２，１３、コンデンサ１４，１５とオペアンプ１６，１７から構成される検波回路部、２４は抵抗１９，２０，２２，２３とオペアンプ２１から構成される差動増幅部である。
【００１６】
中間電極３の固定端側は、両面に電極を有する誘電体２ａ，２ｂを介して一対のプリント基板１ａ，１ｂで挟み込まれ固定されている。固定電極４ａ，４ｂは、一対のプリント基板１ａ，１ｂの自由端側の内側に中間電極３と対向するように所定の大きさで形成されている（図２にその一部を示す）。
【００１７】
次に、本傾斜センサの検出素子部の基本動作の一例を説明する。傾斜量がゼロの場合には、中間電極３が常に重力方向を向くばかりでなく、固定電極４ａ，４ｂが設けられているプリント基板１ａ，１ｂも重力方向を向き、中間電極３と固定電極４ａ，４ｂ間の間隙が略同一になり、中間電極３と固定電極４ａ間の静電容量値と中間電極３と固定電極４ｂ間の静電容量値が略等しい値となる。傾斜量がゼロから徐々に大きくなると、中間電極３と固定電極４ａ間の間隙と中間電極３と固定電極４ｂ間の間隙に徐々に差異を生じる。したがって、中間電極３と固定電極４ａ間の静電容量値と中間電極３と固定電極４ｂ間の静電容量値の間に徐々に差異を生じる。
【００１８】
次に、図３に示すように検出素子部９に処理回路を接続した状態での基本動作を説明する。発振回路６から正弦波波形の高周波信号出力が、中継電極５に供給され、さらに中継電極５から誘電体２ａを介して容量結合により中間電極３と接続されている。中間電極３と固定電極４ａ，４ｂ間は前述したように容量結合により接続されており、固定電極４ａ，４ｂからの出力はそれぞれダイオード１０，１１、抵抗１２，１３を通して検波回路部１８に入力される。入力された信号は、検波回路部１８内のオペアンプ１６，１７をそれぞれ通過し、抵抗１９，２０を通して差動増幅部２４に入力される。差動増幅部２４内のオペアンプ２１により差動増幅された後、出力端子２５より出力される。中継電極５と中間電極３の間には誘電率が大きく、寸法安定性も高いマイカシートよりなる誘電体２ａが存在しているため、安定した静電容量値が得られるばかりでなく、大きな静電容量値となる。したがって、中継電極５と中間電極３の間のインピーダンスは、前述の検出部７、検出部８のインピーダンスに比べて極めて小さくなり、検出に与える誤差が小さくなるばかりか、大きな検出出力を得ることが可能となる。
【００１９】
例えば、傾斜することにより固定電極４ａと中間電極３の間が近づいたとすると、この間の静電容量値が大きくなり、結果としてインピーダンスは小さくなる。逆に、固定電極４ｂと中間電極３の間は遠ざかることになり、この間の静電容量値が小さくなり、結果としてインピーダンスは大きくなる。したがって、これらの静電容量値の差異（すなわちインピーダンスの差異）が生ずることで、検波回路部１８の入力部であるダイオード１０，１１、抵抗１２，１３へ伝達されるそれぞれの高周波信号の振幅にも差異を生じる。これらの高周波信号は、検波回路部１８でそれぞれ直流電圧値に変換され、これらの直流電圧値は差動増幅部２４の抵抗１９，２０へ伝達され、オペアンプ２１から直流電圧値の差として出力される。この出力は傾斜量の大きさに対応しており、出力端子２５よりセンサの出力として外部に取り出される。
【００２０】
また、温度変化により中間電極３と各固定電極４ａ，４ｂの相対距離が変化すると、センサ出力のオフセット誤差となって現れる。しかし、本実施の形態１において、プリント基板１ａ，１ｂと中間電極３の間に寸法精度の良好な誘電体２ａ，２ｂがそれぞれ対称に介在されているため、温度変化により誘電体２ａ，２ｂの厚さが変化したとしても等量の変化であり、中間電極３と固定電極４ａ，４ｂとの間の相対距離はほとんど変化しない。ただし、中間電極３と固定電極４ａ，４ｂとの間の絶対距離は変化する。しかし、この距離の変化分に相当する直流電圧値も差動増幅部２４のオペアンプ２１によりキャンセルされるため、センサの出力には影響しない。よって、温度変化によるセンサ出力のオフセット誤差は、ほとんど生じない。
【００２１】
本実施の形態１により、発振回路６からの出力を中継電極５と中間電極３との間の誘電体２ａを介して容量結合により中間電極３に伝達することが可能であるため、発振回路６からの出力を中間電極３に伝達するための中間電極３へのはんだ付けが不要となる。したがって、簡易な構造でありながら精密な構造体である中間電極３への過大な熱的ダメージを与えることがなく、高精度な機械的寸法維持が可能かつ電気的特性も良好な傾斜センサが実現可能である。また、容量結合であるため抵抗結合部のような接触抵抗にまつわる問題も著しく軽減され、電気的にも安定である。さらに、一対のプリント基板１ａ，１ｂと中間電極３との間に誘電率が大きく、寸法安定性も高いマイカシートよりなる誘電体２ａ，２ｂがそれぞれ挟持されているため、温度安定性も良好な検出出力が得られる傾斜センサが実現可能である。
【００２２】
なお、本実施の形態１においては、発振回路６からの出力信号波形として、正弦波波形の例について説明してきたが、正負対称な波形であれば方形波など種々の波形が使用可能である。
【００２３】
また、本実施の形態１においては、発振回路６からの出力は、片側にのみ設けられた中継電極５から誘電体２ａを介して中間電極３に供給される例に関して説明したが、誘電体２ｂ側からも合わせて供給することは当然可能である。これにより、中継電極と中間電極間の静電容量値は２倍となり、検出出力の増加と検出出力のより一層の安定性が期待できる。
【００２４】
また、本実施の形態１によれば一対のプリント基板１ａ，１ｂを、そのまま回路の実装スペースとしても活用できる。
【００２５】
なお、本実施の形態１においては、プリント基板１ａ，１ｂとしてガラスエポキシ系材料からなる構成に関して説明してきたが、セラミックス基板など寸法安定性の良好な様々なものが使用可能である。また、中間電極３としてステンレス系材料からなる構成に関して説明してきたが、様々な材料を用いることでばね性を変え、種々の重力下で使用可能な傾斜センサも提供できる。
【００２６】
（実施の形態２）
図４は、本発明の傾斜センサの実施の形態２を説明するための誘電体部の断面図である。本実施の形態２において、実施の形態１と同一構成部分には同一番号を付して詳細な説明を省略し、異なる部分のみ詳述する。
【００２７】
図４において、３０，３１は誘電体２ａの両面にアルミニウムや銅などの良導体を蒸着により形成した電極である。これらの電極３０，３１は、誘電体２ａの上面と下面のみに形成されているため、電極３０と電極３１との間は完全に電気的に絶縁されている。
【００２８】
以上の構成により、中継電極５と電極３０との間にも空間が生じ難い、また中間電極３と電極３１との間にも空間が生じ難いため、外部から振動が加わった場合にも安定した静電容量値が得られる。
【００２９】
本実施の形態２においては、誘電体２ａの両面にのみ電極を設けた例について説明してきたが、当然誘電体２ｂの両面に電極３０，３１を設ける構成も可能である。
【００３０】
（実施の形態３）
図５は、本発明の傾斜センサの実施の形態３の検出素子部構造を説明するための断面図である。本実施の形態３において、実施の形態１と同一構成部分には同一番号を付して詳細な説明を省略し、異なる部分のみ詳述する。
【００３１】
図５において、３２は中間電極３の表面を均一に覆った誘電体、３３，３４は良導性の金属からなる寸法精度の良好なスペーサである。スペーサ３３，３４によりプリント基板１ａ，１ｂと中間電極３間の距離を一定に保つ機能があるとともに、中継電極５とスペーサ３３との電気的接触が良好になる効果がある。また、中間電極３の表面が均一な誘電体３２により覆われているため、想定されたダイナミックレンジを超え中間電極３が大きく振れても中間電極３と固定電極４ａ，４ｂが接触し、ショートするようなこともない。
【００３２】
また、想定されたダイナミックレンジを超え中間電極３が大きく振れた場合にも、中間電極３に設けられた誘電体３２の厚さによって規定される容量値内に抑制させる効果もある。
【００３３】
本実施の形態３においては、中間電極３の表面が均一な誘電体３２のみにより覆われている例について説明したが、スペーサ３３，３４と接触する部分に電極としての金属膜が蒸着等により付与されているとより好ましい。
【００３４】
（実施の形態４）
図６は、本発明の傾斜センサの実施の形態４の検出素子部構造を説明するための一部断面図である。本実施の形態４において、実施の形態１と同一構成部分には同一番号を付して詳細な説明を省略し、異なる部分のみ詳述する。
【００３５】
図６において、図１のように中継電極５が設けられたプリント基板１ａ、プリント基板１ｂ、誘電体２ａ，２ｂと中間電極３が重ねられた状態で、固定端側に同軸の穴４０が設けられている。３５，３６は対向するプリント基板１ａ，１ｂのそれぞれの穴の周囲に設けられたランド、３７はジャンパー線、３８，３９ははんだである。中間電極３と中継電極５に設けられた穴は、プリント基板１ａ，１ｂや誘電体２ａ，２ｂに設けられた穴に比べて大きくなるように形成されている。また、ジャンパー線３７は中継電極５が設けられたプリント基板１ａ、プリント基板１ｂ、誘電体２ａ，２ｂと中間電極３に設けられた穴を貫通し、ランド３５，３６の部分ではんだ３８，３９により固定されている。
【００３６】
なお、ジャンパー線３７により、プリント基板１ａ，１ｂ、誘電体２ａ，２ｂと中間電極３を固定する効果もあるが、ネジ等で完全に固定した（図示せず）後、はんだ付けを行うのがより望ましい。
【００３７】
また、図６においては詳細な図示がされていないが、固定電極４ｂからの信号はプリント基板１ｂに設けられたスルーホールを介してプリント基板１ｂの外側に導くことが可能である。したがって、この信号をプリント基板１ｂの外側に設けられているパターン電極（図示せず）を経由してランド３６に導き、さらにジャンパー線３７によりプリント基板１ａ側のランド３５に伝達可能となる。この構成により、処理回路部をすべて一方のプリント基板１ａに集結させることも可能となるといった効果が生まれる。また、これにより本センサの薄型化も図ることが可能である。
【００３８】
また、本実施の形態においては、傾斜センサに絞って説明しているが、基本構成原理に鑑みるならば加速度センサや衝撃センサへも展開可能である。
【００３９】
【発明の効果】
以上のように本発明は、対向する一対のプリント基板と、前記一対のプリント基板の固定端側の少なくとも一方のプリント基板の内側に発振回路に接続するために形成された中継電極と、前記一対のプリント基板の間にそれぞれのプリント基板から所定の間隔を空けて設けられた可動できる中間電極と、前記一対のプリント基板の自由端側の内側に前記中間電極とそれぞれ対向するように所定の大きさで形成された一対の固定電極と、前記一対のプリント基板と前記中間電極との間にそれぞれ配置され、前記一対のプリント基板の固定端側で挟持された一対の誘電体とを備え、変位量の変化を前記一対の固定電極と前記中間電極間の静電容量の変化量として検出するように構成していることにより、簡易な構造でありながら高精度な機械的寸法維持と安定な電気的特性及び温度安定性の良好な検出出力の得られる変位センサが実現可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の傾斜センサの実施の形態１の検出素子部構造を説明するための断面図
【図２】同平面図
【図３】同検出素子部に処理回路を接続した状態のブロック図
【図４】本発明の傾斜センサの実施の形態２を説明するための誘電体部の断面図
【図５】本発明の傾斜センサの実施の形態３の検出素子部構造を説明するための断面図
【図６】本発明の傾斜センサの実施の形態４の検出素子部構造を説明するための一部断面図
【図７】従来の静電容量変化を利用した加速度センサの断面図
【符号の説明】
１ａ，１ｂ  プリント基板
２ａ，２ｂ，３２  誘電体
３  中間電極
４ａ，４ｂ  固定電極
５  中継電極
６  発振回路
７  検出部
８  検出部
９  検出素子部
１０，１１  ダイオード
１２，１３，１９，２０，２２，２３  抵抗
１４，１５  コンデンサ
１６，１７，２１  オペアンプ
１８  検波回路部
２４  差動増幅部
２５  出力端子
３０，３１  電極
３３，３４  スペーサ
３５，３６  ランド
３７  ジャンパー線
３８，３９  はんだ
【図１】
0004114272.tif 000002
【図２】
0004114272.tif 000003
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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