JP2004061435A

JP2004061435A - Electrostatic capacitance sensor

Info

Publication number: JP2004061435A
Application number: JP2002223608A
Authority: JP
Inventors: Taiichi Ono; 小野　泰一; Katsuyuki Ishiguro; 石黒　克之; Kazuo Hasegawa; 長谷川　和男; Kazunari Takahashi; 高橋　一成
Original assignee: Alps Electric Co Ltd
Current assignee: Alps Alpine Co Ltd
Priority date: 2002-07-31
Filing date: 2002-07-31
Publication date: 2004-02-26

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To easily cope with a design change about a sensor sensitivity without changing a dimension of a part, as for an electrostatic capacitance sensor of an electrostatic capacity type. <P>SOLUTION: The electrostatic capacitance sensor is constituted of a stationary substrate 1 on which a stationary electrode 1a is formed, a movable electrode provided oppositely to the stationary substrate 1a beyond a gap (g), having a movable part 3d oscillating against the stationary substrate 1, and a weight 4 fixed with the moveable part 3d having recessed parts 4g on a part of outer surface. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO

Description

【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、設計変更に容易に対応できるようにしたセンサ構造に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来の静電容量式センサとしては、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、一方の電極は特定の軸回りに揺動可能な可動部に設けられた可動電極として構成され、他方の電極は固定基板に設けられた固定電極として構成される。また、この可動電極の上には重りが取り付けられており、センサが傾斜した際に、この重りが可動電極に上記軸回りのモーメントを作用させるようになっている。そして、可動電極が上記軸回りに揺動すると電極間の静電容量が増減するため、この容量変化により傾斜を感度良く検出できるようになっている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上述の構成では、重りの重さによって可動部に作用するモーメントが変化するため、種々の感度の要求に対してセンサの設計変更を行なう場合には、要求感度に応じて異なる重さの重りを搭載する必要がある。重りの重さを変える方法としては、重りを大きくしたり、重りの形を変えたりする方法が考えられるが、この場合、製品のバリエーション毎にセンサ全体の部品の寸法或いは組み立て設備や冶工具を変える必要がある。このため、このように重りの大きさや形状を製品のバリエーション毎に変える方法では製造コストが大きくなる虞がある。
また、上述の構成では、可動部への重りの取り付け位置がずれた場合には、センサ感度に異方性が生じるため不良品となり、歩留まりが悪かった。
【０００４】
本発明は、上述の課題に鑑み創案されたもので、製造コストを大きく増やすことなくセンサの各種感度の要求に容易に対応できるようにした、静電容量式センサを提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明の静電容量式センサは、固定電極が形成された固定基板と、上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て上記固定基板に対して揺動可能な可動部と、上記可動部に取り付けられ、外面の一部に凹部を有する重りとを備え、上記可動電極と上記固定電極との少なくとも一方が複数設けられ、上記可動電極と上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している。
本構成によれば、重り外面に設けられた凹部により、重りの重さやその重心位置を変えることができる。この場合、重りがセンサ内に占める占有領域は変化しないため、センサの部品寸法や組み立て設備等を変更することなくセンサの感度を変更することができる。
【０００６】
このとき、上記重りの外面には上記凹部を複数設けることが望ましい。本構成によれば、重りの重さや重心位置を複数段階で変更できるとともに、所定の凹部のみを重量調整用として機能させることで、センサの感度の異方性を容易に調節することもできる。
また、上記凹部を上記重りの固定基板側と反対側の面に設けることが望ましい。本構成によれば、可動部に重りを組み付けた後でも重量調整を行なうことができる。
【０００７】
なお、上記重りを頭部と首部とから構成し、上記重りの上記可動部への取り付け部を上記首部とすることが好ましい。本構成によれば、重りの重量が大きくなるだけでなく重心位置も高くなるため、可動部に作用するモーメントがより大きくなる。このため、重りの太さを一定としたものに比べてセンサの感度を効率的に変化させることができる。
このとき、上記重りの頭部の外周部を上記頭部の内周部よりも肉厚に構成してもよい。本構成によれば、更に重りの重心位置を高めることができる。
【０００８】
上記目的を達成するために、本発明の静電容量式センサは、固定電極が形成された固定基板と、上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て上記固定基板に対して揺動可能な可動部と、上記可動部に取り付けられ、比重の異なる複数の部材によって構成された重りとを備え、上記可動電極と上記固定電極との少なくとも一方が複数設けられ、上記可動電極と上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している。
本構成によれば、設計変更（感度変更）を行なう際に、重りを構成する一つの部材の比重を変更することにより、重りの体積や形状を変えることなく重りの重さを変更することができる。この場合、重りがセンサ内に占める占有領域は変化しないため、同じ寸法の部品を用いて、異なる感度のセンサを製造することができる。
【０００９】
このとき、上記重りを、上記重りの上記可動部側への取り付け部側から順に、比重の異なる複数の部材を積重させて構成してもよい。本構成によれば、重りの重心位置を取り付け面に垂直な方向に調節することができ、これにより、センサの感度を大きく変化させることができる。
この場合、上記取り付け部側の部材の比重を他方の部材の比重よりも小さくすることが望ましい。本構成によれば、重りの重心位置をより高くすることができる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
〔第１実施形態〕
図１〜図１１は本発明の静電容量式センサを示す図であり、図１は本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、図９〜図１１はいずれもその変形例を示す図である。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。
【００１１】
本実施形態の静電容量式センサは、図１，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。
【００１２】
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とを求めることができる様にするためである。
これらの電極１ａ，１ｄは基板１を厚み方向に貫通する後述のスルーホール電極Ｈ１，Ｈ２を介して処理回路１ｃと導通している。
【００１３】
基板１の中央部には半球状等の凸部１ｂが設けられている。基板１の上には外周に沿った枠状の導電性のスぺーサ（金属スペーサ）２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と搭載部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。
【００１４】
スペーサ２の上には、可撓性を有する支持板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。
【００１５】
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、搭載部（可動部）３ｄにつながっている。この搭載部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。
【００１６】
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、搭載部３ｄ、第２の軸部３ｅは全て一枚の金属板に溝孔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と搭載部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、搭載部３ｄは金属の板材として構成されるため、可動部としての搭載部３ｄは本発明の可動電極としても機能する。
【００１７】
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のスリットの両端部に、それぞれ支持部３ａ側及び搭載部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，搭載部３ｄ側にのみ食い込むように構成されている。
【００１８】
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。
【００１９】
搭載部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、センサが傾斜した際に、搭載部３ｄに対して、その重心位置と重量との積で表されるモーメントを作用させるようになっている。
【００２０】
重り４は、図２に示すように、本体部である円盤状の頭部（上部）４Ａと、搭載部３ｄへの取り付け部である円柱状の底部（首部或いは下部）４ａからなり、底部４ａが頭部４Ａよりも径の細い断面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（即ち、搭載部３ｄから離れる方向に）なっている。これにより、重り４の質量が同じ場合に、センサが傾斜した際に搭載部３ｄに作用す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。
【００２１】
また、図１，図２に示すように、重り４の上面（即ち、重り４の搭載部３ｄへの取り付け部側と反対側の面）には、成形加工やレーザー加工等により埋め込み部材を充填可能な凹部（重量調整部）４ｇが形成されている。この凹部４ｇは重り４の上面の周方向に沿って軸部３ｃ，３ｅに関して対称となる位置に複数設けられている。この凹部４ｇの構造としては、貫通孔，溝，切り欠き，窪み等、種々の形態が可能である。
【００２２】
そして、要求感度に応じて重り４の凹部４ｇの大きさや深さを異ならせることで、外形形状（径等の最大寸法）が同じで質量の異なる重り４を実現可能なため、その重り４を搭載部３ｄに取り付けることで要求にあった感度を有するセンサを得ることができる。なお、この場合、重り４の最大外形は変わらないので、他の部材は変更する必要はなく、重り４を取り付けるための組み立て設備も共用することができる。また、重り４は、要求感度に応じて凹部４ｇに埋め込み部材を充填することにより質量を変えることも可能であり、凹部４ｇに埋め込まれる部材の充填量に応じてその重さや重心位置が調節される。また、軸部３ｃ，３ｅに関して非対称な位置に埋め込み部材を充填することでセンサ感度に異方性を持たせたり、逆に、製造時にバランスの悪いものを作ってしまった場合に、重り４のバランスを修正したりすることも可能となっている。
【００２３】
なお、この重り４は、ナイロン，ポリアセタール，ＰＢＴ（ポリブチレンテレフタレート），ＡＢＳ（アクリロニトリルブタジエンスチレン）樹脂等の樹脂を成型加工して製造することが好ましく、これにより、所望の凹部４ｇを有する様々な形状の重り４を安価且つ容易に製造できる。
また、この埋め込み部材としては、エポキシ樹脂等からなる接着剤等の充填材、或いは、このような樹脂に金属粉等を混合して比重を増したもの等を好適に用いることができるが、これに限定されない。
【００２４】
又、搭載部３ｄの下面には、前記凸部１ｂが突き当てられており、電極１ａと搭載部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、搭載部３ｄは重り４の重さによって基板１側に若干撓み、可動電極としての搭載部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。
【００２５】
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搭載部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、搭載部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。
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。
【００２６】
また、凸部１ｂの高さは支持部３ａを載置するスペーサ２及び電極１ｄの厚みよりも若干高く（或いは、スペーサ２及び電極１ｄの厚みが凸部１ｂの高さよりも若干薄く）なっており、搭載部３ｄは支持部３ａよりも基板１から離され、搭載部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。
【００２７】
支持部３ａの上には、絶縁性の枠状の固定板５が積層されており、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揺動規制手段としてのストッパ８が積層されている。このストッパ８は、支持板３よりも厚く剛性の高い平板部材として構成され、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、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や搭載部３ｄがこのストッパ８の下面にぶつかることで、揺動が規制されるようになっている。
【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、搭載部３ｄの外周部は穴８ａの外側に配置され）ている。これにより、搭載部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に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と搭載部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、搭載部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。
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。
【００３０】
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することで、各部材の間に接着剤を設ける必要がなく、組み立て精度を高めることができるようになっている。
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。
【００３１】
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。
【００３２】
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、前記搭載部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。
【００３３】
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。
【００３４】
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。
【００３５】
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。
【００３６】
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。
【００３７】
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。
【００３８】
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。
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。
【００３９】
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。
【００４０】
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。
【００４１】
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。
【００４２】
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。
【００４３】
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。
【００４４】
この支持板３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。
【００４５】
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ＳｉＯ_２（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。
【００４６】
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。
【００４７】
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。
【００４８】
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、搭載部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。
【００４９】
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、搭載部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の搭載部３ｄとの当接位置を中心として揺動し、搭載部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。
【００５０】
そして、この重り４の傾斜によるひねりのモーメントは軸部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搭載部３ｄを二軸３ｃ，３ｅ回りに独立に揺動させる。ここで、この揺動の度合いは重り４の凹部４ｇの大きさや深さ或いは埋め込み部材の有無により異なる。
また、本実施形態の場合、重り４が断面Ｔ字状に形成されて重心位置が高くなっているため、ひねり力が大きくなり大きく揺動する。また、凹部４ｇに埋め込み部材が充填されている場合には、その充填量に応じて更に揺動が大きくなる。特に、埋め込み部材の充填される凹部４ｇが重り４上面内で偏っている場合には、重心位置が重り４の軸線からずれ、搭載部３ｄはこのずれ方向に対して大きく揺動される。また、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、搭載部３ｄは基板１に対して更に大きく揺動する。
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搭載部３ｄが停止する。
【００５１】
そして、この搭載部３ｄの揺動により、搭載部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。
【００５２】
したがって、本実施形態の静電容量式センサによれば、重り４外周面に設けられた凹部４ｇの大きさや深さを変えたり、或いは、凹部４ｇに埋め込み部材を充填することにより、重り４の重さやその重心位置を変えることができる。この場合、重り４がセンサ内に占める占有領域は変化しないため、センサの部品寸法や組み立て設備等を変更することなく感度を変更することができる。
【００５３】
また、このような凹部４ｇを複数設けているため、重り４の重さや重心位置を複数段階で変更できる。また、埋め込み部材を所定の凹部のみに充填することでセンサ感度の異方性を容易に調節できるとともに、重り４の搭載部３ｄの取り付け位置がずれてセンサ感度に不所望な異方性が生じた場合には、適宜凹部４ｇに埋め込み部材を充填してバランスを取ることもできる。特に、凹部４ｇが重り４の上面（即ち、重り４の基板１と反対側の面）に設けられているため、重り４をセンサ組み付けた後でも容易に埋め込み部材を充填できる。
【００５４】
さらに、重り４の首部たる底部（搭載部３ｄへの取り付け部）４ａが本体部である頭部４Ａよりも細くなっているため、頭部４Ａに設けた凹部４ｇのセンサ感度に対する影響度を大きくすることができる。例えば、凹部４ｇに埋め込み部材を充填して本体部側の重量を大きくすることで、重り４の重量のみならず重心位置も高められる。これにより、少ない充填量でセンサ感度を効率的に変化させることができる。
【００５５】
〔第１変形例〕
本変形例は、図１，図２に示した第１実施形態の重り４を変形したものであり、図９（ｂ）に示すように、重り４の本体部（頭部）４Ａの下面側の内周部に窪みを設け、頭部４Ａの外周側が頭部４Ａの内周側よりも肉厚となるように構成されている。本変形例では肉薄となった頭部４Ａ内周部が本発明の凹部４ｇ′として構成され、この凹部４ｇ′の深さを変えたり、凹部４ｇ′に埋め込み部材を充填したりすることにより、重り４の重さを調節できるようになっている。そして、これ以外は上記第１実施形態と同様であるため、その説明を省略する。
したがって、本構成でも、上記第１実施形態と同様の効果を得ることができる他、重り４の頭部４Ａ外周部を肉厚にして頭部４Ａの重量を大きくしたことで、更に重り４の重心位置を高め、感度を高めることができる。
【００５６】
〔第２変形例〕
本変形例では、図１０（ａ），図１０（ｂ）に示すように、重り４の上面に凹部４ｇ′′を設けた構成となっており、上記第１実施形態の凹部４ｇを一つとした構成となっている。本変形例では、この凹部４ｇ′′の大きさや深さを変えたり、凹部４ｇ′′に埋め込み部材を充填したりするにより、重り４の重さを調節することができる。また、図１０（ｃ）に示すように、重り４本体部（頭部）４Ａの内周側に窪みを設け、頭部４Ａの外周部が頭部４Ａの内周部よりも肉厚になるように構成してもよい。この場合、上記第１変形例のものと同様に、肉薄になった内周部も本発明の凹部４ｇ′として機能させることができる。そして、これ以外は上記第１実施形態と同様であるため、その説明を省略する。
したがって、本構成でも上記第１実施形態と同様の効果を得ることができる。
【００５７】
〔第３変形例〕
本変形例では、図１１（ａ），図１１（ｂ）に示すように、重り４の側面に複数の凹部４ｇ′′′を設けた構成となっており、この凹部４ｇ′′′の深さを変えたり、凹部４ｇ′′′に埋め込み部材を充填したりすることで、重り４の重さを調節することができる。したがって、本構成でも上記第１実施形態と同様の効果を得ることができる。
【００５８】
〔第２実施形態〕
図１２，図１３は本発明の静電容量式センサを示す図であり、図１２は本センサを分解した斜視図、図１３はその全体構成を示す概略断面図である。なお、以下の全ての図においては、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。
また、上記第１実施形態と同様の部位については同じ符号を付し、その説明を一部省略するとともに、図１〜図８を適宜流用して説明する。
【００５９】
本実施形態の静電容量式センサは、図１２，図１３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。
【００６０】
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１２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。
これらの電極１ａ，１ｄは基板１を厚み方向に貫通する後述のスルーホール電極Ｈ１，Ｈ２を介して処理回路１ｃと導通している。
【００６１】
基板１の中央部には半球状等の凸部１ｂが設けられている。基板１の上には外周に沿った枠状の導電性のスぺーサ（金属スペーサ）２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と搭載部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。
【００６２】
スペーサ２の上には、可撓性を有する支持板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。
【００６３】
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、搭載部（可動部）３ｄにつながっている。この搭載部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。
【００６４】
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、搭載部３ｄ、第２の軸部３ｅは全て一枚の金属板に溝孔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と搭載部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、搭載部３ｄは金属の板材として構成されるため、可動部としての搭載部３ｄは本発明の可動電極としても機能する。
【００６５】
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のスリットの両端部に、それぞれ支持部３ａ側及び搭載部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，搭載部３ｄ側にのみ食い込むように構成されている。
【００６６】
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のである。
【００６７】
搭載部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、センサが傾斜した際に、搭載部３ｄに対して、その重心位置と重量との積で表されるモーメントを作用させるようになっている。
この重り４は、比重の異なる複数（図１３では二つ）の部材Ｍ１，Ｍ２からなり、重り４の首部たる取り付け部（底部）４ａ側から、比重の小さい部材Ｍ２と、比重の大きい部材Ｍ１とが順に積重されて構成されている。
【００６８】
このような重り４は、例えば、タングステン粉等の金属粒子をナイロン等の樹脂に充填して比重を大きくしたものを、これよりも比重の小さい樹脂（ナイロン，ポリアセタール，ＰＢＴ，ＡＢＳ樹脂等、種々の樹脂を用いることができる）に二重成形（二色成形）することにより製造される。なお、樹脂に充填する金属粒子の量を増減することで、体積や形状等を変えることなく部材Ｍ１の重量を容易に変更できるようになっている。また、上記金属粒子は、タングステン粉に限らず、鉄粉やステンレス粉等の比重の大きなものを好適に用いることができる。
【００６９】
さらに、比重を大きくするために、樹脂に分散させる粒子としては、金属粒子に限らず、炭化タングステン粉やホウ化タングステン粉のような金属化合物粒子であってもよく、金属粒子と金属化合物粒子との両方の粒子を混ぜて樹脂に分散させてもよい。なお、金属化合物粒子は前述したように比重の高いタングステン系の化合物が好ましい。
【００７０】
また、重り４の基板１側の部材である部材Ｍ２の径が、基板１と反対側の部材である部材Ｍ１の径よりも小さく構成されている。このように底部（下部）側の部材Ｍ２が上部側の部材Ｍ１よりも細い断面Ｔ字状の形状とすることで、部材Ｍ１の太さと部材Ｍ２の太さとが同一のものに比べて、重り４の重心位置がより高まり、搭載部３ｄに作用するモーメントが大きくなるようになっている。
【００７１】
又、搭載部３ｄの下面には、前記凸部１ｂが突き当てられており、電極１ａと搭載部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、搭載部３ｄは重り４の重さによって基板１側に若干撓み、可動電極としての搭載部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。
【００７２】
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搭載部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、搭載部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。
【００７３】
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。
【００７４】
また、凸部１ｂの高さは支持部３ａを載置するスペーサ２及び電極１ｄの厚みよりも若干高く（或いは、スペーサ２及び電極１ｄの厚みが凸部１ｂの高さよりも若干薄く）なっており、搭載部３ｄは支持部３ａよりも基板１から離され、搭載部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。
【００７５】
支持部３ａの上には、絶縁性の枠状の固定板５が積層されており、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揺動規制手段としてのストッパ８が積層されている。このストッパ８は、支持板３よりも厚く剛性の高い平板部材として構成され、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、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や搭載部３ｄがこのストッパ８の下面にぶつかることで、揺動が規制されるようになっている。
【００７６】
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、搭載部３ｄの外周部は穴８ａの外側に配置され）ている。これにより、搭載部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に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。
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と搭載部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、搭載部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。
【００７７】
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。
このカバー６は、円筒型の頭部４Ａ６ｂ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。この際、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。
【００７８】
なお、図１２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。
【００７９】
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、前記搭載部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。
【００８０】
ところで、基板１は、上記第１実施形態と同様に、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であり、各板材１１〜１３の構成、及び、基板１裏面のチップ実装面１３Ｒに取り付けられる処理回路１ｃの構成は、上記第１実施形態と全く同じであるため、その説明を省略する。
【００８１】
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、搭載部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の搭載部３ｄとの当接位置を中心として揺動し、搭載部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。
【００８２】
そして、この重り４の傾斜によるひねりのモーメントは軸部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搭載部３ｄを二軸３ｃ，３ｅ回りに独立に揺動させる。この際、搭載部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。
【００８３】
この際、重り４の上部が下部よりも太い（断面積の大きい）形状に形成されるとともに、重り４の頭部４Ａを構成する部材Ｍ１の比重が底部４ａを構成する部材Ｍ２の比重よりも大きく構成されて重心位置が高められているため、ひねり力が大きくなり、大きく揺動する。また、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、搭載部３ｄは基板１に対して大きく揺動する。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搭載部３ｄが停止する。
【００８４】
そして、この搭載部３ｄの揺動により、搭載部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。
【００８５】
したがって、本実施形態の静電容量式センサによれば、重り４が比重の異なる複数の部材Ｍ１，Ｍ２によって構成されているため、重り４を構成する一つの部材の比重を変更することにより、重り４の体積や形状を変えることなく重り４の重さを変更することができる。この場合、重り４がセンサ内に占める占有領域は変化しないため、同じ寸法の部品を用いて、異なる感度のセンサを製造することができる。
【００８６】
また、本実施形態の重り４は、底部側から順に、比重の異なる複数の部材Ｍ１，Ｍ２を積重した構成となっているため、上部（本体部）側の部材Ｍ１の比重を変化させることで、重り４の重量変化だけでなく重り４の重心位置も変化し、その結果、センサ感度を大きく変化させることができる。特に、本構成では、上部側の比重が底部側の比重よりも大きくなっているため、重り４の重心位置を高くして高感度なセンサとすることができる。
【００８７】
さらに、重り４は樹脂の成形加工によって製造されているため、生産性に優れ、安価に製造できる。また、この場合、部材Ｍ１，Ｍ２の太さや肉厚等を変更した様々な形状の重り４を容易に製造することができ、これにより、センサ感度のバリエーションを更に増やすことができる。
【００８８】
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、一つの搭載部３ｄ（即ち、可動電極）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、絶縁性の搭載部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との両方を複数に分割しても対向配置してもよい。
【００８９】
また、上記各実施形態において、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、膜厚１０μｍ以下のフィルム（メンブレン）状のものを用いてもよい。具体的には、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にポリイミド等の絶縁性の部材を用いた場合には、この支持板３の基板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。
【００９０】
さらに、上記各実施形態では、凸部１ｂを基板１側から突出して設けているが、このような凸部は搭載部３ｄに設けてもよい。つまり、搭載部３ｄ中央部をプレスして搭載部３ｄから基板１に向けて突出する凸部を設け、このような突起部により搭載部３ｄを基板１上に支持してもよい。あるいは、重り４の下面に突起部を設けるとともに搭載部３ｄ中央部にこの突起部を挿通させる穴を設け、この突起部によって重り４を基板１上に支持するようにしてもよい。これらの構成によっても搭載部３ｄの基板面１１Ｓに垂直な方向の撓みを防止し、搭載部３ｄと電極１ａとの間の静電容量変化をモーメントに対して直線的に変化させることができる。
【００９１】
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。
【００９２】
【発明の効果】
以上、詳述したように本発明によれば、重りの外周面に形成された凹部の大きさや深さを変えたり、或いは、この凹部に埋め込み部材を充填したりすることで、重りの重さを変えることができる。この場合、重りがセンサ内に占める占有領域は変化しないため、センサの部品寸法等を変更することなくセンサの感度を変更することができる。
また、本発明によれば、重りが比重の異なる複数の部材によって構成されているため、設計変更を行なう際に、重りを構成する一つの部材の比重を変更することにより、重りの重さを変更することができる。この場合、重りがセンサ内に占める占有領域は変化しないため、同じ寸法の部品を用いて、異なる感度のセンサを製造することができる。
したがって、感度の大きさや感度の異方性を変更して種々のバリエーションのセンサを製造する場合にも、部品寸法等を変更することなく設計変更に容易に対処することができる。
【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１実施形態の第１変形例に係る静電容量式センサの要部構成を示す図であり、（ａ），（ｂ）はそれぞれ重りの斜視図及びその断面図である。
【図１０】本発明の第１実施形態の第２変形例に係る静電容量式センサの要部変形例を示す図であり、（ａ）は重りの斜視図であり、（ｂ），（ｃ）はいずれもその断面図である。
【図１１】本発明の第１実施形態の第３変形例に係る静電容量式センサの要部構成を示す図であり、（ａ），（ｂ）はそれぞれ重りの斜視図及びその断面図である。
【図１２】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分解斜視図である。
【図１３】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る。
【符号の説明】
１　固定基板
１ａ　固定電極
３ｄ　搭載部（可動部）
４　重り
４Ａ　頭部
４ａ　取り付け部（首部，底部）
４ｇ，４ｇ′，４ｇ′′，４ｇ′′′　凹部（重量調整部）
ｇ　ギャップ
Ｍ１　第１部材
Ｍ２　第２部材[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a capacitance type sensor, and more particularly to a sensor structure which can easily cope with a design change.
[0002]
[Prior art]
As a conventional capacitance sensor, for example, a tilt sensor based on micromechanics is known. This sensor includes a pair of electrodes arranged to face each other, one of the electrodes is configured as a movable electrode provided on a movable portion that can swing around a specific axis, and the other electrode is a fixed electrode provided on a fixed substrate. It is configured as an electrode. A weight is mounted on the movable electrode, and when the sensor is inclined, the weight acts on the movable electrode about the above-mentioned moment around the axis. When the movable electrode oscillates around the axis, the capacitance between the electrodes increases and decreases, so that the inclination can be detected with high sensitivity by the change in the capacitance.
[0003]
[Problems to be solved by the invention]
By the way, in the above-described configuration, since the moment acting on the movable portion changes depending on the weight of the weight, when the design of the sensor is changed for various sensitivity requirements, different weights are required according to the required sensitivity. It is necessary to carry a weight. As a method of changing the weight of the weight, a method of increasing the weight or changing the shape of the weight can be considered.In this case, the dimensions of the parts of the entire sensor or the assembly equipment and jigs and tools for each product variation are considered. I need to change. For this reason, the method of changing the size and shape of the weight for each product variation may increase the manufacturing cost.
In addition, in the above-described configuration, when the mounting position of the weight on the movable portion is shifted, anisotropy occurs in the sensor sensitivity, resulting in a defective product and a low yield.
[0004]
The present invention has been made in view of the above-described problems, and has as its object to provide a capacitance-type sensor capable of easily responding to various demands for sensitivity of the sensor without significantly increasing the manufacturing cost. .
[0005]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, a capacitance type sensor according to the present invention includes a fixed substrate on which a fixed electrode is formed, and a movable electrode disposed to face the fixed electrode with a gap therebetween. A movable part swingable with respect to the movable part, a weight attached to the movable part, and having a concave part on an outer surface thereof, wherein at least one of the movable electrode and the fixed electrode is provided in plurality, It is characterized in that the capacitance between the fixed electrode and the fixed electrode can be detected.
According to this configuration, the weight of the weight and the position of the center of gravity can be changed by the concave portion provided on the outer surface of the weight. In this case, since the area occupied by the weight in the sensor does not change, the sensitivity of the sensor can be changed without changing the dimensions of the sensor, the assembly equipment, and the like.
[0006]
At this time, it is desirable to provide a plurality of the concave portions on the outer surface of the weight. According to this configuration, the weight of the weight and the position of the center of gravity can be changed in a plurality of stages, and the anisotropy of the sensitivity of the sensor can be easily adjusted by making only the predetermined concave portion function as the weight adjustment.
In addition, it is desirable that the recess be provided on a surface of the weight opposite to the fixed substrate. According to this configuration, the weight can be adjusted even after the weight is assembled to the movable portion.
[0007]
In addition, it is preferable that the weight includes a head and a neck, and a portion where the weight is attached to the movable portion is the neck. According to this configuration, not only the weight of the weight is increased but also the position of the center of gravity is increased, so that the moment acting on the movable portion is further increased. For this reason, the sensitivity of the sensor can be changed more efficiently as compared with the case where the thickness of the weight is fixed.
At this time, the outer periphery of the head of the weight may be thicker than the inner periphery of the head. According to this configuration, the position of the center of gravity of the weight can be further increased.
[0008]
In order to achieve the above object, a capacitance type sensor according to the present invention includes a fixed substrate on which a fixed electrode is formed, and a movable electrode disposed to face the fixed electrode with a gap therebetween. A movable portion swingable with respect to the movable portion, comprising a weight attached to the movable portion, constituted by a plurality of members having different specific gravities, at least one of the movable electrode and the fixed electrode is provided in a plurality, It is characterized in that the capacitance between the movable electrode and the fixed electrode can be detected freely.
According to this configuration, when a design change (sensitivity change) is performed, the weight of the weight can be changed without changing the volume or shape of the weight by changing the specific gravity of one member constituting the weight. it can. In this case, since the area occupied by the weight in the sensor does not change, sensors having different sensitivities can be manufactured using components having the same dimensions.
[0009]
At this time, the weight may be configured by stacking a plurality of members having different specific gravities in order from the mounting portion side of the weight to the movable portion side. According to this configuration, the position of the center of gravity of the weight can be adjusted in a direction perpendicular to the mounting surface, and thereby the sensitivity of the sensor can be greatly changed.
In this case, it is desirable that the specific gravity of the member on the mounting portion side be smaller than the specific gravity of the other member. According to this configuration, the position of the center of gravity of the weight can be further increased.
[0010]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
[First Embodiment]
1 to 11 are views showing a capacitance type sensor according to the present invention, FIG. 1 is a perspective view of the sensor in an exploded state, FIG. 2 is a schematic sectional view showing the entire configuration thereof, and FIG. 4 to 8 are views showing the configuration of the substrate, and FIGS. 9 to 11 are views showing modifications thereof. In all of the following drawings, the thickness, the size ratio, and the like of each component are appropriately changed in order to make the drawings easy to see.
[0011]
As shown in FIGS. 1 and 2, the capacitance type sensor according to the present embodiment includes a detection unit K for detecting an electric signal on the upper surface 11S side of the substrate 1 and a detection unit on the lower surface 13R side of the substrate 1. A processing circuit 1c for processing an electric signal detected from K is provided. In the present embodiment, the detection unit K is configured as a capacitance-type inclination detection unit K that detects the inclination of the sensor as a capacitance change, and includes a plurality of capacitance detection electrodes formed on the upper surface 11S of the substrate 1. 1a, a support plate 3 facing these electrodes 1a, and a weight 4 for applying a twisting deformation to the support plate 3.
[0012]
The body of the substrate 1 is made of a ceramic or epoxy resin laminate, and a plurality of electrodes (fixed electrodes) 1a are formed in a grid pattern (four in FIG. 1) on the surface thereof. A frame-shaped electrode 1d is formed so as to surround the four electrodes 1a. The reason why the four electrodes 1a are provided is that the distance between the support plate 3 and the specific electrode 1a is widened (that is, the capacitance is reduced) when the whole is inclined in any direction. The distance between the electrode 1a and the supporting plate 3 opposed thereto in a plan view is reduced (that is, the capacitance is increased), and the tilt direction and the degree thereof can be obtained from their differential signals. That's why.
These electrodes 1a and 1d are electrically connected to the processing circuit 1c via through-hole electrodes H1 and H2 described later penetrating the substrate 1 in the thickness direction.
[0013]
At the center of the substrate 1, a convex portion 1b such as a hemisphere is provided. A frame-shaped conductive spacer (metal spacer) 2 along the outer periphery is provided on the substrate 1 so as to overlap the electrode (fixed electrode) 1d. The spacers 2 together with the protruding portions 1b maintain a constant distance between a support plate 3 having a gimbal structure and the substrate 1 described later to create a space in which a part of the support plate 3 can swing, and a processing circuit 1c and a mounting portion 3d. Are provided as conducting means for conducting between.
[0014]
A flexible support plate 3 is laminated on the spacer 2. The support plate 3 is formed of a thin metal plate such as a stainless steel plate having a thickness of about 50 μm, for example. The outer peripheral portion of the support plate 3 is a support portion 3 a, which is supported in close contact with the spacer 2. As shown in FIG. 3, the support portion 3a is formed in a substantially rectangular frame shape, and a pair of inward first shaft portions (first connection portions) are provided at the center of the inner periphery of the pair of opposing sides. 3c is provided. The other end (inner end) of the pair of first shaft portions 3c is connected to the intermediate portion 3b. The intermediate portion 3b is capable of swinging about its axis by twisting and deforming the pair of first shaft portions 3c due to the inclination.
[0015]
The shape of the intermediate portion 3b is also substantially rectangular frame shape, and a pair of second shaft portions (a second connecting portion) are provided on the inner periphery thereof at positions orthogonal to the pair of first shaft portions 3c and at positions opposed to each other. ) 3e. The other ends (inner ends) of the pair of second shaft portions 3e are connected to a mounting portion (movable portion) 3d. The mounting portion 3d is capable of swinging around its axis when the second shaft portion 3e is twisted, and at the same time, the intermediate portion 3b is swinging around the axis of the shaft portion 3c, so that the first shaft portion 3e is rotated. It can swing around the axis of the portion 3c.
[0016]
In the support plate 3 of the present embodiment, the support portion 3a, the intermediate portion 3b, the first shaft portion 3c, the mounting portion 3d, and the second shaft portion 3e are all formed by providing slots in one metal plate. ing. Therefore, processing is easy, and accuracy is also easily obtained. That is, the support portion 3a and the intermediate portion 3b are separated by the first slit 31 having a U-shape in a plan view provided at a position except for the first shaft portion 3c, and the intermediate portion 3b and the mounting portion 3d are separated from each other by the second slit. It is separated by a U-shaped second slit 32 provided in a position excluding the shaft portion 3e. Further, since the mounting portion 3d is configured as a metal plate, the mounting portion 3d as a movable portion also functions as the movable electrode of the present invention.
[0017]
Further, in the present support plate 3, both ends of the first slit 31 and both ends of the second slit are provided on the support portion 3a side and the mounting portion 3d side, respectively, so that the shaft portions 3c and 3e are not plastically deformed by twisting. The protruding portions 31a and 32a are formed so as to protrude from the shaft portions 3a and 3b so that the shaft portions 3c and 3e have a certain length or more necessary for preventing plastic deformation. Such bite portions 31a and 32a are not formed on the intermediate portion 3b side, and are configured so that the shaft portions 3c and 3e bite only into the support portion 3a side and the mount portion 3d side, respectively.
[0018]
This is because, for example, when the cut-in portions 31a and 32a are formed on the intermediate portion 3b side, the intermediate portion 3b is partially thinned by such a cut-in portion, and stress due to twisting is concentrated on the thinned portion and the intermediate portion 3b This is because there is a risk of plastic deformation. Such stress concentration is likely to occur in a portion where the thickness of the frame of the intermediate portion 3b is locally reduced. Therefore, the thickness of the frame of the intermediate portion 3b is made substantially constant without providing a biting portion on the side of the intermediate portion 3b so that the twisting force is dispersed throughout the intermediate portion 3b.
[0019]
A weight 4 attached by a method such as bonding, electric welding, laser spot welding, or caulking is mounted at the center of the surface of the mounting portion 3d opposite to the substrate 1, and when the sensor is inclined, the mounting portion 3d is mounted. , A moment expressed by the product of the position of the center of gravity and the weight is applied.
[0020]
As shown in FIG. 2, the weight 4 includes a disk-shaped head (upper part) 4A as a main body, and a cylindrical bottom (neck or lower part) 4a as a part to be attached to the mounting part 3d. Has a T-shaped cross section with a diameter smaller than that of the head 4A, and the center of gravity is higher than that of the head 4A having the same thickness (that is, the mounting portion 3d). Away from). Accordingly, when the weight 4 has the same mass, the moment acting on the mounting portion 3d when the sensor is tilted increases, and the sensitivity to tilt can be increased.
[0021]
As shown in FIGS. 1 and 2, the upper surface of the weight 4 (that is, the surface on the side opposite to the side where the weight 4 is attached to the mounting portion 3d) is filled with an embedded member by molding or laser processing. A possible concave portion (weight adjusting portion) 4g is formed. A plurality of the concave portions 4g are provided at positions symmetrical with respect to the shaft portions 3c and 3e along the circumferential direction of the upper surface of the weight 4. As the structure of the concave portion 4g, various forms such as a through hole, a groove, a notch, and a dent are possible.
[0022]
By changing the size and depth of the concave portion 4g of the weight 4 according to the required sensitivity, it is possible to realize the weight 4 having the same outer shape (maximum dimension such as a diameter) and a different mass. By attaching to the mounting portion 3d, a sensor having the required sensitivity can be obtained. In this case, since the maximum outer shape of the weight 4 does not change, other members do not need to be changed, and assembly equipment for mounting the weight 4 can be shared. The weight 4 can be changed in mass by filling the recess 4g with an embedding member according to the required sensitivity, and the weight and the center of gravity are adjusted according to the filling amount of the member embedded in the recess 4g. You. Also, filling the asymmetrical position with respect to the shaft portions 3c and 3e with an embedding member gives the sensor sensitivity anisotropy, or conversely, when an unbalanced one is produced during manufacturing, the weight 4 It is also possible to correct the balance.
[0023]
The weight 4 is preferably manufactured by molding a resin such as nylon, polyacetal, PBT (polybutylene terephthalate), ABS (acrylonitrile butadiene styrene) resin, and thereby, various weights having a desired concave portion 4g are formed. The shape weight 4 can be manufactured easily at low cost.
Further, as the embedding member, a filler such as an adhesive made of an epoxy resin or the like, or a material whose specific gravity is increased by mixing a metal powder or the like with such a resin can be preferably used. It is not limited to.
[0024]
The convex portion 1b is abutted against the lower surface of the mounting portion 3d to keep the gap (gap) g between the electrode 1a and the mounting portion 3d constant, and to reduce the downward translational acceleration (gravity, etc.). The effect can be canceled. That is, when the convex portion 1b is not provided, the mounting portion 3d slightly bends toward the substrate 1 due to the weight of the weight 4, and the capacitance between the mounting portion 3d as a movable electrode and the electrode 1a has a static capacitance due to this bending. The increment of the capacitance is included as an offset. This offset is large when the inclination of the sensor is small, and conversely, when the sensor is close to vertical, the deflection is reduced because the deflection is reduced.
[0025]
As a result, the capacitance does not change linearly with respect to the moment of the weight 4, and when the inclination angle of the sensor is obtained from such a capacitance, the vertical displacement of the mounting portion 3d due to bending is corrected. Operation is required. For this reason, the mounting portion 3d is supported from the lower surface side by the convex portion 1b to prevent such bending, whereby the capacitance is changed linearly with respect to the moment, and the calculation is simplified.
Further, unless the sensor is extremely tilted, the weight of the weight 4 is not directly applied to the first shaft portion 3c and the second shaft portion 3e. Therefore, even if the first shaft portion 3c and the second shaft portion 3e are made thinner for the weight of the weight 4, permanent deformation is difficult, so that the shaft portions 3c and 3e can be made thin while maintaining impact resistance. Naturally, the thinner the two shaft portions, the lower the rigidity, so that the two shaft portions are deformed sensitively to the moment due to the inclination, and high-precision detection can be performed.
[0026]
The height of the protrusion 1b is slightly higher than the thickness of the spacer 2 and the electrode 1d on which the support 3a is mounted (or the thickness of the spacer 2 and the electrode 1d is slightly smaller than the height of the protrusion 1b). The mounting portion 3d is more distant from the substrate 1 than the supporting portion 3a, and the mounting portion 3d is urged toward the opposite side of the substrate 1 by the convex portion 1b. Since the magnitude of the biasing force is determined by the difference between the height of the convex portion 1b and the thickness of the spacer 2, for example, when the gap g is determined by the convex portion 1b, the thickness of the spacer 2 is adjusted to adjust the urging force. The power is set optimally.
[0027]
An insulating frame-shaped fixing plate 5 is laminated on the support portion 3a, and the thin support plate 3 is uniformly pressed and fixed to the spacer 2 side. On the fixed plate 5, a stopper 8 as a swing restricting means for restricting the support plate 3 from bending more than necessary is laminated. The stopper 8 is configured as a flat plate member that is thicker and more rigid than the support plate 3, and is disposed to face the support plate 3 via a gap accurately defined by the fixing plate 5. When an undesired external force acts on the sensor and the support plate 3 is largely bent, the swing is regulated by the middle portion 3b and the mounting portion 3d hitting the lower surface of the stopper 8. I have.
[0028]
In the center of the stopper 8, a through hole (hole) 8a for inserting the weight 4 is provided, and the hole 8a is arranged inside the slit 32 formed in the support plate 3 in plan view. (That is, the outer peripheral portion of the mounting portion 3d is arranged outside the hole 8a). Thus, when the mounting portion 3d swings largely due to an undesired external force, the outer peripheral portion is not caught in the hole 8a and the support plate 3 is not damaged.
[0029]
Note that the bending of the support plate 3 is also supplementarily restricted by the substrate 1 that is opposed to the support plate 3 at a small interval. At this time, the outer peripheral end of the electrode 1a contacts the substrate 1 by swinging the outer peripheral end of the mounting portion 3d so that the electrode 1a on the substrate 1 and the mounting portion 3d do not come into contact with each other and an abnormal signal is generated. It is located inside the position.
A metal (conductive) cover 6 is attached on the stopper 8 via an insulating spacer 9. This is to protect the sensor from dust proofing, drip proofing, capacitance drift due to charged materials around the sensor, noise and careless handling.
[0030]
The cover 6 comprises a cylindrical head 6b, a flange 6a extending around the periphery thereof, and a tongue-like projection 6c on the outer periphery, and the fixing plate 5 is pressed uniformly by the flange 6a. The cover 6 is fixed to the substrate 1 by bending the distal end of the protrusion 6c at the outer peripheral portion toward the rear surface of the substrate 1 and crimping it. As described above, by pressing and fixing the spacer 2, the support plate 3, the fixing plate 5, the stopper 8, and the spacer 9 against the substrate 1 by the flange portion 6a of the cover 6, it is necessary to provide an adhesive between the members. Therefore, the assembling accuracy can be improved.
A packing 7 is interposed between the flange portion 6a and the outer peripheral portion of the substrate 1 so as to prevent foreign matters, flux, moisture and the like from entering the inside of the cover 6.
[0031]
In addition, as shown in FIG. 1, a plurality of protrusions 9 a are provided on the lower surface of the spacer 9. The protrusion 9a is inserted into a positioning hole formed corresponding to each member of the stopper 8, the fixing plate 5, the support plate 3, and the spacer 2, and fitted into a recess (hole) 1h provided in the substrate 1. As a result, each member is accurately positioned.
[0032]
A ground pattern (metal surface) 13f is formed on the back surface of the substrate 1 where the protrusion 6c contacts (see FIG. 7). By grounding the cover 6 via the ground pattern 13f, external noise and the like are reduced. The effect can be eliminated. In particular, by making the shape of the cover 6 symmetrical with respect to an axis perpendicular to the center of the mounting portion 3d, unnecessary initial offset of capacitance can be prevented. In the cover 6 of the present embodiment, a part of the electrode 1a is simply convex, but it goes without saying that the present invention is not limited to this.
[0033]
Incidentally, the substrate 1 is a multilayer wiring substrate configured as a laminate of insulating plate materials 11 to 14 made of ceramics or epoxy resin, etc., and upper surfaces 11S to 13S of the respective plate materials 11 to 13 and lower surfaces of the plate materials 13 and 14. 13R and 14R are respectively configured as a detection electrode layer, a ground layer, a power supply layer, a chip mounting surface, and a connection electrode surface.
As shown in FIG. 4, the detection electrode layer 11S as the upper surface of the substrate 1 (that is, the upper surface of the plate material 11) has four electrodes 1a in the center thereof in a grid pattern by, for example, Ag (silver) pattern printing. Is formed. Further, an electrode 1d that is electrically connected to the spacer 2 is formed in a rectangular frame shape on the outer peripheral portion of the detection electrode layer 11S.
[0034]
The electrodes 1a and 1d are connected to the terminals 13a and 13b on the chip mounting surface 13R by through-hole electrodes H1 and H2 penetrating from the detection electrode layer 11S to the chip mounting surface 13R, respectively (see FIGS. 4 to 7). . The through-hole electrodes H1 and H2 are formed by filling a silver paste by screen printing into the inside of pores formed by a method such as laser processing or press processing and baking the silver paste to form a conductive portion. The electrodes 1a and 1d are connected to the terminals 13a and 13b at shortest distances through the through-hole electrodes H1 and H2, and process electric signals such as detection signals and drive signals with little influence of electric disturbance. 1c.
[0035]
The ground layer 12S prevents the drive signal from the support plate 3 from entering the processing circuit 1c without passing through the electrode 1a, and also outside the substrate 1 (the lower surface side of the substrate 1 in the detection unit K, the processing circuit 1c Functions as a noise shield for cutting noise entering from the upper surface side of the substrate 1). As shown in FIG. 5, substantially the entire surface excluding the through-hole electrodes H 1 and H 2 and the outer peripheral edge of the plate 12 is made of a metal such as Ag. It is configured as a surface (conductive surface) 12f. The metal surface 12f is electrically connected to the ground pattern 13f on the chip mounting surface 13R by a plurality of through-hole electrodes H3 penetrating from the ground layer 12S shown in FIG. 5 to the chip mounting surface 13R shown in FIG. And grounded via an extraction electrode 142 formed on the side surface of the substrate 1 (see FIG. 7). The reason why the plurality of through-hole electrodes H3 are used is to make the metal surface 12f as the ground pattern have a uniform ground potential.
[0036]
The ground layer 12S and the detection electrode layer 11S are sufficiently separated from each other in order to suppress capacitive coupling between the signal detection capacitor constituted by the support plate 3 and the electrode 1a. .About.4 mm is used. In addition, it is preferable that the thickness of the plate member 11 is equal to or more than 0.3 mm, whereby the capacitive coupling with the detection unit K can be effectively prevented.
[0037]
The power supply layer 13S functions as a bypass capacitor together with the ground layer 12S. As shown in FIG. 6, substantially the entire surface excluding the through-hole electrodes H1 to H3 and the outer peripheral edge of the plate 13 is a metal surface (conductive surface) 13g such as Ag. It is configured as The metal surface 13g is connected to the terminal 13c on the chip mounting surface 13R by a through-hole electrode H4 penetrating from the power supply layer 13S to the chip mounting surface 13R (see FIG. 7), and is formed on the side surface of the substrate 1. The power supply potential is set via the extraction electrode 141.
[0038]
Further, the ground layer 12S is closer to the power supply layer 13S than the upper surface (detection electrode layer) 11S of the substrate 1, and the power supply layer 13S and the ground layer 12S are arranged close to each other. A thin material having a thickness of about 0.1 mm is used. As a result, a bypass capacitor is formed by the ground layer 12S and the power supply layer 13S, and there is no need to separately provide a capacitor, so that the structure of the sensor can be further simplified. The thickness of the plate 12 is preferably 0.2 mm or less, so that the above-described function of the bypass capacitor can be sufficiently exhibited.
Further, in order to suppress the capacitive coupling between the power supply layer 13S, which is more susceptible to noise than the ground layer 12S, and the processing circuit 1c, the metal pattern in the central portion corresponding to the mounting position of the processing circuit 1c is cut out on the metal surface 13g. 13F.
[0039]
As shown in FIG. 7, a short wiring connecting the through-hole electrodes H1 and H2 and the terminals (pads) 13a and 13b is provided on the chip mounting surface 13R for signal lines connecting the detection unit K and the processing circuit 1c. Wirings are formed, and routing wires connecting the terminals (pads) 133 to 136 and the extraction electrodes 143 to 146 are formed for output from the processing circuit 1c to an external device (not shown). Further, in order to cut external noise, a metal surface 13f such as Ag functioning as a ground pattern to be grounded is formed in the portions other than the through-hole electrodes H1 to H4 and the routing wirings.
[0040]
In order to suppress the capacitive coupling between the power supply layer 13S and the bypass capacitor formed by the ground layer 12S, the power supply layer 13S and the chip mounting surface 13R are sufficiently separated from each other. It is about 0.2 mm thicker than the plate 12. The thickness of the plate 13 is preferably 0.15 mm or more, whereby the capacitive coupling between the processing circuit 1c and the detection unit K or the processing circuit 1c and the bypass capacitor can be effectively prevented. .
[0041]
As shown in FIG. 8, six external connection electrodes 14a to 14f are formed on the connection electrode surface 14R, and are respectively connected to extraction electrodes 141 to 146 provided on the side surface of the substrate 1. Then, by mounting the connection electrode surface 14R to an external mounting circuit board PCB by soldering or the like, the capacitive sensor is connected to an external device (not shown) via the external connection electrodes 14a to 14f. I have. Then, the cover 6 and the ground layer 12S (metal surface 12f serving as a ground pattern) are grounded via the external connection electrode 14b, and power is supplied from an external device to the power supply layer 13S (metal surface 13g) via the external connection electrode 14a. The processing result of the processing circuit 1c is supplied to the external device through the external connection electrodes 14c to 14f.
[0042]
The plate member 14 has a storage recess 14g formed in the center thereof, which is formed with a through hole for storing the processing circuit 1c, so that the connection electrode surface 14R can be surface-mounted on a mounting circuit board. The thickness of the plate 14 is set so that 1c does not protrude from the connection electrode surface 14R.
A notch 14h for attaching the protrusion 6c of the cover 6 is formed on the opposite side surface of the plate member 14, and a part of the ground pattern 13f on the chip mounting surface 13R is formed by the notch 14h. It is exposed. The cover 6 and the ground pattern 13f are brought into conduction by caulking the tip of the protrusion 6c on the ground pattern 13f in the notch 14h.
[0043]
The processing circuit 1c is mounted on the chip mounting surface 13R on the back side of the substrate 1, and includes signal detection terminals 13a and 13b, a power supply terminal 13c, a ground terminal 13d, and a signal output terminal in the chip mounting surface 13R. Are connected to the plurality of aluminum terminals 300a of the processing circuit 1c by gold bumps 310, respectively. Then, a drive signal is applied to the support plate 3 via the drive terminal 13b, and an electric signal such as a voltage detected by the electrode 1a arranged opposite to the support plate 3 is processed via the detection terminal 13a. The signal is input to the circuit 1c, and the change in the capacitance of the signal detection capacitor is obtained based on the electric signal.
[0044]
There are four signal detection capacitors composed of the support plate 3 and the electrode 1a, and the inclination direction and the inclination amount of the capacitance type sensor are calculated based on the capacitance change of these four capacitors. . The calculation result is output to an external device via the signal output terminals 133 to 136 and the external connection electrodes 14c to 14f.
Note that it is desirable that the terminals (pads) 13a to 13d, 133 to 136 and the terminal 300a be plated with gold in order to improve the bonding property.
[0045]
Here, in the present embodiment, the processing circuit 1c is configured by a bare chip of an integrated circuit. This bare chip has a circuit portion 300c called a diffusion layer formed at the center of one surface of a substrate (semiconductor base material) 300b made of a semiconductor such as silicon by a method such as a thermal diffusion method or an ion implantation method. One surface (the upper surface in FIG. 1) of the bare chip (processing circuit) 1c including the circuit portion (diffusion layer) 300c is almost entirely formed of SiO. ₂ A plurality of Al (aluminum) patterns (not shown) are formed on the insulating film such that one end of each of the plurality of terminals 300a is electrically connected to the plurality of terminals 300a. I have. A plurality of minute through-holes (through-holes) are provided at predetermined positions in the insulating film located on the circuit portion 300c, and a predetermined portion of the circuit portion 300c is connected to the Al through the through-holes. Conducted with the pattern.
[0046]
The Al pattern conducting to the terminal 300a to be bump-connected to the ground terminal (pad) 13d is connected to the substrate 300b via a not-shown minute hole of the insulating film located on the substrate 300b. . As a result, the substrate 300b is electrically connected to the metal surface 12f (ground layer), which is the ground pattern of the substrate 1, via the Al pattern, the ground terminal 300a, the gold bump 310, the pad 13d, the through-hole electrode H3, and the like. Has become. Accordingly, the circuit portion 300c is surrounded by the substrate 300b whose lower surface and the periphery are grounded, and the ground layer 12S is present on the upper surface side, so that the circuit portion 300c has a structure that is almost completely shielded, so that noise from outside is reduced. Hardly affected.
[0047]
Further, for reinforcement, the processing circuit (bare chip) 1c and the chip mounting surface 13R are bonded and integrated with an insulating resin 320 such as an epoxy resin. Specifically, a liquid epoxy resin 320 is applied to a portion surrounded by pads with a chip mounting surface 13R, which is a mounting surface of the processing circuit 1c, facing upward with a dispenser or the like, and the surface of the processing circuit 1c on which the circuit portion 300c is formed is formed. It is positioned and mounted on the chip mounting surface 13R so as to face the substrate 1. At this time, the epoxy resin 320 is spread by the fluidity and reaches around the gold bump 310. Then, ultrasonic waves are applied from the back side of the processing circuit 1c, and the pads 13a to 13d and 133 to 136 are ultrasonically bonded to the terminals 300a of the processing circuit 1c by the gold bumps 310. Thereafter, the epoxy resin 320 is heated and cured by heating, and the processing circuit 1c is integrally joined to the chip mounting surface 13R.
[0048]
The resin 320 is provided so as to cover the periphery of the terminal 300a, and protects the joint and the terminal 300a from corrosion and the like. Although the entire processing circuit 1c may be covered with the resin 320, it is not necessary because the substrate 300b is grounded. As in the case of a normal sensor, the processing circuit 1c may be provided outside the sensor as a matter of course. However, the capacitance between the mounting portion 3d and each electrode 1a is about 1 pF (depending on the size). Pulling the input to the processing circuit 1c with normal wire wiring is not realistic in view of variations in assembly, movement of the wire due to the inclination and a change in capacitance associated therewith, as well as noise and aging. Therefore, when high detection accuracy is required, the processing circuit 1c is provided on the back side of the substrate 1 as in the present configuration, and the detection signal is input to the processing circuit 1c at a substantially shortest distance. It is preferable to eliminate the influence of external noise and the like as much as possible.
[0049]
Next, the operation of the sensor will be described. This is because, as described above, when the entire sensor is tilted, the distance between the mounting portion 3d and each electrode 1a changes, so that the capacitance between them also changes, and this is detected electrically. By doing so, the inclination can be measured.
That is, when the sensor is tilted, the weight 4 swings around the contact position of the projection 1b with the mounting portion 3d, and exerts a moment around the shaft 3c or the shaft 3e on the mounting 3d.
[0050]
The moment of twisting due to the inclination of the weight 4 is separated as a twisting force around the shaft 3c or the shaft 3e, and the mounting part 3d is independently rotated around the two axes 3c and 3e according to the inclination direction and the inclination angle of the sensor. Rock. Here, the degree of the swing varies depending on the size and depth of the concave portion 4g of the weight 4 or the presence or absence of the embedded member.
Further, in the case of the present embodiment, since the weight 4 is formed in a T-shaped cross section and the position of the center of gravity is high, the twisting force is large and the weight 4 swings greatly. Further, when the recessed portion 4g is filled with the embedding member, the swing further increases in accordance with the filling amount. In particular, when the concave portion 4g filled with the embedded member is deviated in the upper surface of the weight 4, the position of the center of gravity is shifted from the axis of the weight 4, and the mounting portion 3d swings greatly in the direction of the shift. Further, since the shaft portions 3c and 3e of the support plate 3 are longer than the bite portions 31a and 32a, the rigidity of the shaft portions 3c and 3e is low, and even if the inclination of the sensor is slight, the mounting portion 3d. Swings more largely with respect to the substrate 1.
Then, the mounting portion 3d stops at an angle at which the elastic force of the shaft portions 3c and 3e against twisting deformation and the twisting force around the shaft portions 3c and 3e are balanced.
[0051]
The swing of the mounting portion 3d changes the capacitance of the signal detection capacitor formed by the mounting portion 3d and each electrode 1a, and the change in the capacitance is made via the through-hole electrode H1, the terminal 13a, and the like. The signal is input as an electric signal to a processing circuit 1c mounted substantially below the electrode 1a. The processing result of the processing circuit 1c is output to an external device via the external connection electrode 14c on the connection electrode surface 14R and the like.
Since the support plate 3 is used as a common electrode, a high shielding effect can be obtained if the detection plate is configured to be electrically grounded.
[0052]
Therefore, according to the capacitance type sensor of the present embodiment, by changing the size and the depth of the concave portion 4g provided on the outer peripheral surface of the weight 4 or by filling the concave portion 4g with the embedded member, the weight 4 The weight and the position of the center of gravity can be changed. In this case, since the area occupied by the weight 4 in the sensor does not change, the sensitivity can be changed without changing the dimensions of the sensor, the assembly equipment, and the like.
[0053]
Further, since a plurality of such recesses 4g are provided, the weight and the position of the center of gravity of the weight 4 can be changed in a plurality of steps. In addition, by filling the embedding member only in the predetermined concave portion, the anisotropy of the sensor sensitivity can be easily adjusted, and the mounting position of the mounting portion 3d of the weight 4 is displaced, thereby causing an undesirable anisotropy in the sensor sensitivity. In such a case, the concave portion 4g may be filled with an embedding member as appropriate to achieve balance. In particular, since the concave portion 4g is provided on the upper surface of the weight 4 (that is, the surface of the weight 4 on the side opposite to the substrate 1), the embedded member can be easily filled even after the weight 4 is assembled into the sensor.
[0054]
Furthermore, since the bottom 4a, which is the neck of the weight 4, (the part to be attached to the mounting part 3d) 4a is thinner than the head 4A, which is the main body, the influence on the sensor sensitivity of the recess 4g provided in the head 4A is large. can do. For example, by filling the recess 4g with an embedding member to increase the weight of the main body, not only the weight of the weight 4 but also the position of the center of gravity can be increased. Thereby, the sensor sensitivity can be changed efficiently with a small filling amount.
[0055]
[First Modification]
This modification is a modification of the weight 4 of the first embodiment shown in FIGS. 1 and 2, and as shown in FIG. 9B, the lower surface side of the main body (head) 4A of the weight 4 Are formed in the inner peripheral portion of the head 4A so that the outer peripheral side of the head 4A is thicker than the inner peripheral side of the head 4A. In this modification, the thinner inner peripheral portion of the head 4A is configured as the concave portion 4g 'of the present invention, and by changing the depth of the concave portion 4g' or filling the concave portion 4g 'with an embedding member, The weight of the weight 4 can be adjusted. The rest is the same as the first embodiment, and the description is omitted.
Therefore, also in this configuration, the same effect as in the first embodiment can be obtained, and the weight of the head 4A is further increased by making the outer periphery of the head 4A of the weight 4 thicker to increase the weight of the head 4A. The position of the center of gravity can be raised, and the sensitivity can be increased.
[0056]
[Second Modification]
In this modified example, as shown in FIGS. 10A and 10B, the recess 4g ″ is provided on the upper surface of the weight 4, and the recess 4g of the first embodiment is combined with one. The configuration is as follows. In the present modification, the weight of the weight 4 can be adjusted by changing the size and depth of the recess 4g '' or filling the recess 4g '' with an embedding member. Also, as shown in FIG. 10C, a depression is provided on the inner peripheral side of the weight 4 main body (head) 4A, and the outer peripheral part of the head 4A is thicker than the inner peripheral part of the head 4A. It may be configured as follows. In this case, similarly to the first modification, the thinned inner peripheral portion can also function as the concave portion 4g 'of the present invention. The rest is the same as the first embodiment, and the description is omitted.
Therefore, the same effects as those of the first embodiment can be obtained with this configuration.
[0057]
[Third Modification]
In this modified example, as shown in FIGS. 11A and 11B, a plurality of recesses 4g '''are provided on the side surface of the weight 4, and the depth of the recess 4g''' is provided. The weight of the weight 4 can be adjusted by changing the height or filling the recessed portion 4g "" with an embedding member. Therefore, the same effects as those of the first embodiment can be obtained with this configuration.
[0058]
[Second embodiment]
12 and 13 are views showing a capacitance type sensor according to the present invention. FIG. 12 is an exploded perspective view of the sensor, and FIG. 13 is a schematic sectional view showing the entire configuration. In all of the following drawings, the thickness, the size ratio, and the like of each component are appropriately changed in order to make the drawings easy to see.
The same parts as those in the first embodiment are denoted by the same reference numerals, and the description thereof will be partially omitted.
[0059]
As shown in FIGS. 12 and 13, the capacitance-type sensor according to the present embodiment includes a detection unit K for detecting an electric signal on the upper surface 11S of the substrate 1 and a detection unit on the lower surface 13R of the substrate 1. A processing circuit 1c for processing an electric signal detected from K is provided. In the present embodiment, the detection unit K is configured as a capacitance-type inclination detection unit K that detects the inclination of the sensor as a capacitance change, and includes a plurality of capacitance detection electrodes formed on the upper surface 11S of the substrate 1. 1a, a support plate 3 facing these electrodes 1a, and a weight 4 for applying a twisting deformation to the support plate 3.
[0060]
The body of the substrate 1 is made of a ceramic or epoxy resin laminate, and a plurality of electrodes (fixed electrodes) 1a are formed in a grid pattern (four in FIG. 12) on the surface thereof. A frame-shaped electrode 1d is formed so as to surround the four electrodes 1a. The reason why the four electrodes 1a are provided is that the distance between the support plate 3 and the specific electrode 1a is widened (that is, the capacitance is reduced) when the whole is inclined in any direction. The distance between the electrode 1a and the support plate 3 opposed thereto in a plan view becomes narrower (that is, the capacitance increases), and the inclination direction and the degree thereof can be obtained from their differential signals. It is.
These electrodes 1a and 1d are electrically connected to the processing circuit 1c via through-hole electrodes H1 and H2 described later penetrating the substrate 1 in the thickness direction.
[0061]
At the center of the substrate 1, a convex portion 1b such as a hemisphere is provided. A frame-shaped conductive spacer (metal spacer) 2 along the outer periphery is provided on the substrate 1 so as to overlap the electrode (fixed electrode) 1d. The spacers 2 together with the protruding portions 1b maintain a constant distance between a support plate 3 having a gimbal structure and the substrate 1 described later to create a space in which a part of the support plate 3 can swing, and a processing circuit 1c and a mounting portion 3d. Are provided as conducting means for conducting between.
[0062]
A flexible support plate 3 is laminated on the spacer 2. The support plate 3 is formed of a thin metal plate such as a stainless steel plate having a thickness of about 50 μm, for example. The outer peripheral portion of the support plate 3 is a support portion 3 a, which is supported in close contact with the spacer 2. As shown in FIG. 3, the support portion 3a is formed in a substantially rectangular frame shape, and a pair of inward first shaft portions (first connection portions) are provided at the center of the inner periphery of the pair of opposing sides. 3c is provided. The other end (inner end) of the pair of first shaft portions 3c is connected to the intermediate portion 3b. The intermediate portion 3b is capable of swinging about its axis by twisting and deforming the pair of first shaft portions 3c due to the inclination.
[0063]
The shape of the intermediate portion 3b is also substantially rectangular frame shape, and a pair of second shaft portions (a second connecting portion) are provided on the inner periphery thereof at positions orthogonal to the pair of first shaft portions 3c and at positions opposed to each other. ) 3e. The other ends (inner ends) of the pair of second shaft portions 3e are connected to a mounting portion (movable portion) 3d. The mounting portion 3d is capable of swinging around its axis when the second shaft portion 3e is twisted, and at the same time, the intermediate portion 3b is swinging around the axis of the shaft portion 3c, so that the first shaft portion 3e is rotated. It can swing around the axis of the portion 3c.
[0064]
In the support plate 3 of the present embodiment, the support portion 3a, the intermediate portion 3b, the first shaft portion 3c, the mounting portion 3d, and the second shaft portion 3e are all formed by providing slots in one metal plate. ing. Therefore, processing is easy, and accuracy is also easily obtained. That is, the support portion 3a and the intermediate portion 3b are separated by the first slit 31 having a U-shape in a plan view provided at a position except for the first shaft portion 3c, and the intermediate portion 3b and the mounting portion 3d are separated from each other by the second slit. It is separated by a U-shaped second slit 32 provided in a position excluding the shaft portion 3e. Further, since the mounting portion 3d is configured as a metal plate, the mounting portion 3d as a movable portion also functions as the movable electrode of the present invention.
[0065]
Further, in the present support plate 3, both ends of the first slit 31 and both ends of the second slit are provided on the support portion 3a side and the mounting portion 3d side, respectively, so that the shaft portions 3c and 3e are not plastically deformed by twisting. The protruding portions 31a and 32a are formed so as to protrude from the shaft portions 3a and 3b so that the shaft portions 3c and 3e have a certain length or more necessary for preventing plastic deformation. Such bite portions 31a and 32a are not formed on the intermediate portion 3b side, and are configured so that the shaft portions 3c and 3e bite only into the support portion 3a side and the mount portion 3d side, respectively.
[0066]
This is because, for example, when the cut-in portions 31a and 32a are formed on the intermediate portion 3b side, the intermediate portion 3b is partially thinned by such a cut-in portion, and stress due to twisting is concentrated on the thinned portion and the intermediate portion 3b This is because there is a risk of plastic deformation. Such stress concentration is likely to occur in a portion where the thickness of the frame of the intermediate portion 3b is locally reduced. Therefore, the thickness of the frame of the intermediate portion 3b is made substantially constant without providing a bite portion on the intermediate portion 3b side so that the twisting force is dispersed throughout the intermediate portion 3b.
[0067]
A weight 4 attached by a method such as bonding, electric welding, laser spot welding, or caulking is mounted at the center of the surface of the mounting portion 3d opposite to the substrate 1, and when the sensor is inclined, the mounting portion 3d is mounted. , A moment expressed by the product of the position of the center of gravity and the weight is applied.
The weight 4 is composed of a plurality (two in FIG. 13) of members M1 and M2 having different specific gravities, and a member M2 having a small specific gravity and a member M1 having a large specific gravity are provided from the attachment portion (bottom) 4a serving as the neck of the weight 4. Are sequentially stacked.
[0068]
Such a weight 4 is obtained by filling a metal such as tungsten powder or the like into a resin such as nylon to increase the specific gravity, and changing the specific gravity of a resin having a smaller specific gravity (nylon, polyacetal, PBT, ABS resin, etc.). The resin can be used in this case). The weight of the member M1 can be easily changed without changing the volume, shape, or the like, by increasing or decreasing the amount of the metal particles filled in the resin. Further, the metal particles are not limited to tungsten powder, and those having a large specific gravity such as iron powder and stainless steel powder can be suitably used.
[0069]
Furthermore, in order to increase the specific gravity, the particles dispersed in the resin are not limited to metal particles, and may be metal compound particles such as tungsten carbide powder or tungsten boride powder. May be mixed and dispersed in the resin. As described above, the metal compound particles are preferably a tungsten-based compound having a high specific gravity.
[0070]
Further, the diameter of the member M2 which is the member on the substrate 1 side of the weight 4 is configured to be smaller than the diameter of the member M1 which is the member on the opposite side to the substrate 1. Since the bottom (lower) member M2 has a T-shaped cross section that is thinner than the upper member M1, the weight of the member M1 is smaller than that of the same member M2. The position of the center of gravity of 4 is further increased, and the moment acting on the mounting portion 3d is increased.
[0071]
The convex portion 1b is abutted against the lower surface of the mounting portion 3d to keep the gap (gap) g between the electrode 1a and the mounting portion 3d constant, and to reduce the downward translational acceleration (gravity, etc.). The effect can be canceled. That is, when the convex portion 1b is not provided, the mounting portion 3d slightly bends toward the substrate 1 due to the weight of the weight 4, and the capacitance between the mounting portion 3d as a movable electrode and the electrode 1a has a static capacitance due to this bending. The increment of the capacitance is included as an offset. This offset is large when the inclination of the sensor is small, and conversely, when the sensor is close to vertical, the deflection is reduced because the deflection is reduced.
[0072]
As a result, the capacitance does not change linearly with respect to the moment of the weight 4, and when the inclination angle of the sensor is obtained from such a capacitance, the vertical displacement of the mounting portion 3d due to bending is corrected. Operation is required. For this reason, the mounting portion 3d is supported from the lower surface side by the convex portion 1b to prevent such bending, whereby the capacitance is changed linearly with respect to the moment, and the calculation is simplified.
[0073]
Further, unless the sensor is extremely tilted, the weight of the weight 4 is not directly applied to the first shaft portion 3c and the second shaft portion 3e. Therefore, even if the first shaft portion 3c and the second shaft portion 3e are made thinner for the weight of the weight 4, permanent deformation is difficult, so that the shaft portions 3c and 3e can be made thin while maintaining impact resistance. Naturally, the thinner the two shaft portions, the lower the rigidity, so that the two shaft portions are deformed sensitively to the moment due to the inclination, and high-precision detection can be performed.
[0074]
The height of the protrusion 1b is slightly higher than the thickness of the spacer 2 and the electrode 1d on which the support 3a is mounted (or the thickness of the spacer 2 and the electrode 1d is slightly smaller than the height of the protrusion 1b). The mounting portion 3d is more distant from the substrate 1 than the supporting portion 3a, and the mounting portion 3d is urged toward the opposite side of the substrate 1 by the convex portion 1b. Since the magnitude of the biasing force is determined by the difference between the height of the convex portion 1b and the thickness of the spacer 2, for example, when the gap g is determined by the convex portion 1b, the thickness of the spacer 2 is adjusted to adjust the urging force. The power is set optimally.
[0075]
An insulating frame-shaped fixing plate 5 is laminated on the support portion 3a, and the thin support plate 3 is uniformly pressed and fixed to the spacer 2 side. On the fixed plate 5, a stopper 8 as a swing restricting means for restricting the support plate 3 from bending more than necessary is laminated. The stopper 8 is configured as a flat plate member that is thicker and more rigid than the support plate 3, and is disposed to face the support plate 3 via a gap accurately defined by the fixing plate 5. When an undesired external force acts on the sensor and the support plate 3 is largely bent, the swing is regulated by the middle portion 3b and the mounting portion 3d hitting the lower surface of the stopper 8. I have.
[0076]
In the center of the stopper 8, a through hole (hole) 8a for inserting the weight 4 is provided, and the hole 8a is arranged inside the slit 32 formed in the support plate 3 in plan view. (That is, the outer peripheral portion of the mounting portion 3d is arranged outside the hole 8a). Thus, when the mounting portion 3d swings largely due to an undesired external force, the outer peripheral portion is not caught in the hole 8a and the support plate 3 is not damaged.
Note that the bending of the support plate 3 is also supplementarily restricted by the substrate 1 that is opposed to the support plate 3 at a small interval. At this time, the outer peripheral end of the electrode 1a contacts the substrate 1 by swinging the outer peripheral end of the mounting portion 3d so that the electrode 1a on the substrate 1 and the mounting portion 3d do not come into contact with each other and an abnormal signal is generated. It is located inside the position.
[0077]
A metal (conductive) cover 6 is attached on the stopper 8 via an insulating spacer 9. This is to protect the sensor from dust proofing, drip proofing, capacitance drift due to charged materials around the sensor, noise and careless handling.
The cover 6 includes a cylindrical head 4A6b, a flange 6a extending around the periphery thereof, and a tongue-like protrusion 6c on the outer periphery. The fixing plate 5 is pressed uniformly by the flange 6a. The cover 6 is fixed to the substrate 1 by bending the outer peripheral portion 6c toward the rear surface side of the substrate 1 by crimping. At this time, a packing 7 is interposed between the flange portion 6a and the outer peripheral portion of the substrate 1 so as to prevent foreign matters, flux, moisture and the like from entering the inside of the cover 6.
[0078]
In addition, as shown in FIG. 12, a plurality of protrusions 9 a are provided on the lower surface of the spacer 9. The projections 9a are inserted into positioning holes formed corresponding to the respective members of the stopper 8, the fixing plate 5, the support plate 3, and the spacer 2, and fitted into the concave portions (holes) 1h provided on the substrate 1. As a result, each member is accurately positioned.
[0079]
A ground pattern (metal surface) 13f is formed on the back surface of the substrate 1 where the protrusion 6c contacts (see FIG. 7). By grounding the cover 6 via the ground pattern 13f, external noise and the like are reduced. The effect can be eliminated. In particular, by making the shape of the cover 6 symmetrical with respect to an axis perpendicular to the center of the mounting portion 3d, unnecessary initial offset of capacitance can be prevented. In the cover 6 of the present embodiment, a part of the electrode 1a is simply convex, but it goes without saying that the present invention is not limited to this.
[0080]
Incidentally, the substrate 1 is a multilayer wiring board configured as a laminate of insulating plate materials 11 to 14 made of ceramics, epoxy resin, or the like, similarly to the first embodiment, and the configuration of each of the plate materials 11 to 13 is as follows. The configuration of the processing circuit 1c attached to the chip mounting surface 13R on the back surface of the substrate 1 is exactly the same as that of the first embodiment, and therefore the description thereof is omitted.
[0081]
Next, the operation of the sensor will be described. This is because, as described above, when the entire sensor is tilted, the distance between the mounting portion 3d and each electrode 1a changes, so that the capacitance between them also changes, and this is detected electrically. By doing so, the inclination can be measured.
That is, when the sensor is tilted, the weight 4 swings around the contact position of the projection 1b with the mounting portion 3d, and exerts a moment around the shaft 3c or the shaft 3e on the mounting 3d.
[0082]
The moment of twisting due to the inclination of the weight 4 is separated as a twisting force around the shaft 3c or the shaft 3e, and the mounting part 3d is independently rotated around the two axes 3c and 3e according to the inclination direction and the inclination angle of the sensor. Rock. At this time, the swing center of the mounting portion 3d is always kept at a constant distance from the substrate 1 by the convex portion 1b, and the capacitance of the detecting capacitor linearly increases and decreases with the twisting force due to the inclination.
[0083]
At this time, the upper portion of the weight 4 is formed thicker (having a larger cross-sectional area) than the lower portion, and the specific gravity of the member M1 forming the head portion 4A of the weight 4 is greater than the specific gravity of the member M2 forming the bottom portion 4a. Since it is configured to be large and the position of the center of gravity is raised, the twisting force becomes large, and it swings greatly. Further, since the shaft portions 3c and 3e of the support plate 3 are longer than the bite portions 31a and 32a, the rigidity of the shaft portions 3c and 3e is low, and even if the inclination of the sensor is slight, the mounting portion 3d. Swings largely with respect to the substrate 1. Then, the mounting portion 3d stops at an angle at which the elastic force of the shaft portions 3c and 3e against twisting deformation and the twisting force around the shaft portions 3c and 3e are balanced.
[0084]
The swing of the mounting portion 3d changes the capacitance of the signal detection capacitor formed by the mounting portion 3d and each electrode 1a, and the change in the capacitance is made via the through-hole electrode H1, the terminal 13a, and the like. The signal is input as an electric signal to a processing circuit 1c mounted substantially below the electrode 1a. The processing result of the processing circuit 1c is output to an external device via the external connection electrode 14c on the connection electrode surface 14R and the like.
[0085]
Therefore, according to the capacitance type sensor of the present embodiment, since the weight 4 is constituted by the plurality of members M1 and M2 having different specific gravities, by changing the specific gravity of one member constituting the weight 4, The weight of the weight 4 can be changed without changing the volume or shape of the weight 4. In this case, since the area occupied by the weight 4 in the sensor does not change, sensors having different sensitivities can be manufactured using components having the same dimensions.
[0086]
Further, since the weight 4 of the present embodiment has a configuration in which a plurality of members M1 and M2 having different specific gravities are stacked in order from the bottom side, the specific gravity of the member M1 on the upper (main body) side is changed. Therefore, not only the weight change of the weight 4 but also the position of the center of gravity of the weight 4 changes, and as a result, the sensor sensitivity can be largely changed. In particular, in this configuration, since the specific gravity on the top side is larger than the specific gravity on the bottom side, the position of the center of gravity of the weight 4 can be increased to provide a highly sensitive sensor.
[0087]
Further, since the weight 4 is manufactured by molding a resin, the weight 4 is excellent in productivity and can be manufactured at low cost. Further, in this case, it is possible to easily manufacture the weights 4 having various shapes in which the thickness and the thickness of the members M1 and M2 are changed, so that the variation of the sensor sensitivity can be further increased.
[0088]
Note that the present invention is not limited to the above-described embodiment, and can be implemented with various modifications without departing from the spirit of the present invention.
For example, in each of the above embodiments, a plurality of fixed electrodes 1a are arranged to face one mounting portion 3d (that is, a movable electrode). On the contrary, a plurality of movable electrodes 3d are arranged to face one fixed electrode 1a. May be. That is, one electrode 1a may be provided on the substrate 1, and a plurality of (for example, four) movable electrodes may be formed on the lower surface side of the insulating mounting portion 3d. Further, both the fixed electrode 1a and the movable electrode 3d may be divided into a plurality of parts or may be arranged to face each other.
[0089]
In each of the above embodiments, the support plate 3 is not limited to a metal plate, and may be any of a metal, a semiconductor, and an insulator as long as it is a flexible member. The thickness is not particularly limited, and a film (membrane) having a thickness of 10 μm or less may be used. Specifically, a polymer film such as polyimide, a metal foil, or a silicon substrate thinned by etching can be suitably used. When an insulating member such as polyimide is used for the support plate 3, it is necessary to form a conductive film (movable electrode) such as a copper foil on the surface of the support plate 3 facing the substrate 1.
[0090]
Further, in each of the above embodiments, the convex portion 1b is provided so as to protrude from the substrate 1 side, but such a convex portion may be provided on the mounting portion 3d. That is, the central portion of the mounting portion 3d may be pressed to provide a convex portion projecting from the mounting portion 3d toward the substrate 1, and the mounting portion 3d may be supported on the substrate 1 by such a protrusion. Alternatively, a projection may be provided on the lower surface of the weight 4 and a hole for inserting the projection may be provided in the center of the mounting portion 3d, and the weight 4 may be supported on the substrate 1 by the projection. Even with these configurations, it is possible to prevent bending of the mounting portion 3d in a direction perpendicular to the substrate surface 11S, and to change the capacitance between the mounting portion 3d and the electrode 1a linearly with respect to the moment.
[0091]
In each of the above embodiments, the capacitance sensor according to the present invention has been described by exemplifying the inclination sensor. However, the present invention is not limited to the inclination sensor, and may be, for example, an acceleration sensor or an impact sensor.
[0092]
【The invention's effect】
As described above in detail, according to the present invention, by changing the size and depth of the concave portion formed on the outer peripheral surface of the weight, or by filling the concave portion with an embedding member, the weight of the weight is reduced. Can be changed. In this case, the area occupied by the weight in the sensor does not change, so that the sensitivity of the sensor can be changed without changing the dimensions of the sensor.
Further, according to the present invention, since the weight is composed of a plurality of members having different specific gravities, when the design is changed, the weight of the weight is changed by changing the specific gravity of one member constituting the weight. Can be changed. In this case, since the area occupied by the weight in the sensor does not change, sensors having different sensitivities can be manufactured using components having the same dimensions.
Therefore, even when various kinds of sensors are manufactured by changing the magnitude of the sensitivity or the anisotropy of the sensitivity, it is possible to easily cope with the design change without changing the component dimensions and the like.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is an exploded perspective view showing an entire configuration of a capacitance type sensor according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a schematic cross-sectional view showing the entire configuration of the capacitance type sensor according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 3 is an enlarged plan view showing a structure of a support plate of the capacitance type sensor according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a plan sectional view (a plan view of the plate member 11) for explaining the structure of the substrate of the capacitance-type sensor according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a plan sectional view (a plan view of the plate member 12) for explaining the structure of the substrate of the capacitive sensor according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 6 is a plan sectional view (a plan view of the plate member 13) for explaining the structure of the substrate of the capacitive sensor according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 7 is a plan sectional view (a rear view of the plate member 13) for explaining the structure of the substrate of the capacitive sensor according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 8 is a plan sectional view (a rear view of the plate member 14) for explaining the structure of the substrate of the capacitance-type sensor according to the first embodiment of the present invention.
FIGS. 9A and 9B are diagrams illustrating a main configuration of a capacitance-type sensor according to a first modification of the first embodiment of the present invention, wherein FIGS. 9A and 9B are respectively a perspective view of a weight and a cross-sectional view thereof. It is.
FIGS. 10A and 10B are diagrams showing a main part modification of the capacitance type sensor according to the second modification of the first embodiment of the present invention, wherein FIG. 10A is a perspective view of a weight, and FIGS. (c) is a cross-sectional view thereof.
FIGS. 11A and 11B are diagrams illustrating a main configuration of a capacitance-type sensor according to a third modification of the first embodiment of the present invention, wherein FIGS. 11A and 11B are respectively a perspective view of a weight and a cross-sectional view thereof. It is.
FIG. 12 is an exploded perspective view showing an overall configuration of a capacitance type sensor according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 13 is a schematic cross-sectional view illustrating an overall configuration of a capacitance type sensor according to a second embodiment of the present invention.
[Explanation of symbols]
1 Fixed board
1a Fixed electrode
3d mounting part (movable part)
4 Weight
4A head
4a Mounting part (neck, bottom)
4g, 4g ', 4g ", 4g""recess (weight adjustment part)
g gap
M1 first member
M2 Second member

Claims

A fixed substrate on which a fixed electrode is formed,
A movable portion that has a movable electrode opposed to the fixed electrode and a gap and that can swing with respect to the fixed substrate,
A weight attached to the movable portion and having a concave portion on a part of the outer surface,
At least one of the movable electrode and the fixed electrode is provided in a plurality,
A capacitance type sensor, wherein a capacitance between the movable electrode and the fixed electrode is freely detectable.

The capacitance type sensor according to claim 1, wherein a plurality of the concave portions are provided on an outer surface of the weight.

The capacitance type sensor according to claim 1, wherein the concave portion is provided on a surface of the weight opposite to the fixed substrate.

The capacitance according to any one of claims 1 to 3, wherein the weight comprises a head and a neck, and a mounting portion of the weight to the movable portion is the neck. Sensors.

The capacitance type sensor according to claim 4, wherein an outer peripheral portion of the head portion of the weight is thicker than an inner peripheral portion of the head portion.

A fixed substrate on which a fixed electrode is formed,
A movable portion that has a movable electrode opposed to the fixed electrode and a gap and that can swing with respect to the fixed substrate,
Comprising a weight attached to the movable portion and configured by a plurality of members having different specific gravities,
At least one of the movable electrode and the fixed electrode is provided in a plurality,
A capacitance type sensor, wherein a capacitance between the movable electrode and the fixed electrode is freely detectable.

The capacitance-type sensor according to claim 6, wherein the weight is formed by stacking a plurality of members having different specific gravities in order from a mounting portion side of the weight to the movable portion side.

The capacitance-type sensor according to claim 7, wherein the specific gravity of the member on the side of the attachment portion is smaller than the specific gravity of the other member.