【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、特に高精度かつ安価に製造できる静電容量式センサに関する。
【０００２】
【従来の技術】
静電容量の変化を利用した静電容量式のセンサの一例としては、例えば下記特許文献１に開示されているものがある。この静電容量式センサは、対向配置された一対の電極を備え、一方の電極は固定基板上に設けられるとともに、他方の電極は可撓基板に設けられている。また、前記可撓基板には重りが接着により取り付けられており、センサが傾斜した際に、この重りが可撓基板を歪ませ、上記電極間の静電容量を変化させるようになっている。そして、この容量変化を測定することで傾斜や加速度などが検出可能となっている。
【０００３】
【特許文献１】
特開平８−８２８６３８号公報（図１（ａ）参照）
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上記説明の従来の静電容量式センサは、前記可撓基板に対する重りの固定方法として接着を採用しているため、製造時に、可撓基板に対する重りの位置ずれが生じやすく、規定のセンサ精度を確保できるように精度良く固定するのが難しく、必ずしも生産性に優れたものとはなっていなかった。
また、その製造工程として、重りを機械加工で製造する工程と、製造後の重りを整列させて取り置きする工程と、これら重りの中から一つを取りだして接着剤を塗布、さらには前記可撓基板に対して貼り付ける工程とが必要であることから、重りを取り付けるだけでも多数の工程を要し、これも、生産性向上を妨げる要因となっていた。
【０００５】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、可動板に対する重りの固定を、高い位置決め精度を持って行うことができ、なおかつ生産性に優れた静電容量式センサの提供を目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記課題を解決するために以下の手段を採用した。
すなわち、本発明の静電容量式センサは、固定電極を有する固定基板と、該固定基板に対して隙間を空けて対向配置された可動電極を有してかつ揺動可能に支持された可動板と、該可動板に設けられた重りとを備え、前記固定電極及び前記可動電極間の静電容量に基づいて前記可動板の揺動動作を検出するセンサであり、前記可動板には、その板厚方向に貫く貫通孔が形成され、前記重りが、前記貫通孔に係止した状態に一体成形された成形体からなることを特徴とする。
この静電容量式センサのように、重りを可動板に対して成形体で一体成形させた場合の位置決め精度は、成形に用いられる金型の精度によって決まるので、従来のように別途製造された重りを可動板に対して接着等の固定方法により固定する場合に比較して高い位置決め精度を得ることができる。したがって、精度の高いセンサを得ることが可能となっている。
さらに、本発明の静電容量式センサは、従来のように重りを機械加工で製造する工程と、製造後の重りを整列させて取り置きする工程と、これら重りの中から一つを取りだして接着剤を塗布、さらには可動板に対して貼り付ける工程とが不要となる。したがって、本発明の静電容量式センサは生産性に優れ、安価に製造することが可能となっている。
【０００７】
また、本発明の静電容量式センサは、前記静電容量式センサにおいて、前記重りが、樹脂に、該樹脂よりも密度の大きい粒子を混在させたものからなるものとしても良い。
この場合には、重りの製造にインサート成形を用いながらも、重りの重さを、可動板を揺動させるのに十分な重さにすることができる。
【０００８】
また、本発明の静電容量式センサは、前記静電容量式センサにおいて、前記粒子として、金属粒子または金属化合物粒子を採用しても良い。
この場合には、重りの大きさを維持したまま重量を重くすることができる。あるいは、重りの重量を維持したままその大きさを小型化することもできる。
【０００９】
また、本発明の静電容量式センサは、前記静電容量式センサにおいて、前記粒子としてタングステン単体またはタングステン化合物を採用しても良い。
この場合には、重りの大きさを維持したまま重量を効果的に重くすることができる。あるいは、重りの重量を維持したままその大きさを効果的に小型化することもできる。
【００１０】
また、本発明の静電容量式センサは、前記静電容量式センサにおいて、前記固定電極が複数分割されるとともに、これら固定電極と前記可動電極とで複数の静電容量素子が構成され、前記貫通孔に係止する前記重りの係止部が複数形成され、これら係止部が、前記重りが中立状態にあるときに前記各静電容量素子の静電容量が互いに等価をなすように均等配置されている構成を採用しても良い。
この場合には、重りが金属粒子または金属化合物粒子を含有していても、各係合部が各静電容量素子のそれぞれに対して均等に影響を及ぼすので、各静電容量素子間の静電容量バランスを崩すことがない。
【００１１】
また、本発明の静電容量式センサは、前記静電容量式センサにおいて、前記固定電極が複数分割されるとともに、これら固定電極と前記可動電極とで複数の静電容量素子が構成され、前記貫通孔に係止する前記重りの係止部が、前記各固定電極間の中央位置に接触する揺動支点をなす構成を採用しても良い。
この場合には、重りが金属粒子または金属化合物粒子を含有していても、係合部が各静電容量素子のそれぞれに対して均等に影響を及ぼすので、各静電容量素子間の静電容量バランスを崩すことがない。
【００１２】
【発明の実施の形態】
本発明の静電容量式センサの各実施形態についての説明を、図面を参照しながら以下に行う。
まず、図１〜図５を参照しながら、本発明の静電容量センサの第１実施形態について説明する。図１は、本実施形態の静電容量式センサの縦断面図である。また、図２は、同静電容量式センサの各構成要素を示す分解斜視図である。また、図３は、同静電容量式センサに備えられている支持板を説明するための平面図である。また、図４は、同静電容量式センサに備えられている重りの固定構造を説明するための縦断面図である。また、図５（ａ）及び（ｂ）は、同固定構造の変形例を説明するための図であって、図４のＡ部拡大図である。
なお、各図面においては、見やすくするために各構成要素の厚みや寸法の比率等を適宜異ならせてある。
【００１３】
図１に示すように、本実施形態の静電容量式センサは、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が、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静電容量検出用の固定電極１ａと、これらの固定電極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。
【００１４】
基板１は、セラミック又はエポキシ樹脂積層板からなり、図１及び図２に示すように、その表面に前記固定電極１ａが碁盤目状に複数（４つ）形成されるとともに、外周部に、これら固定電極１ａを囲むように枠状の固定電極１ｄが形成されている。このように固定電極１ａを４つ設けているのは、いずれかの方向にセンサ全体が傾いたとき、支持板３に備えられている可動電極３ｄと特定の固定電極１ａとの間隔が広がる（つまり静電容量が減少する）一方、平面視してそれに対向する他の固定電極１ａと可動電極３ｄとの間隔が狭くなり（つまり静電容量が増加する）、それらの差動信号により傾斜方向とその傾斜程度を求めることができるようにするためである。
各固定電極１ａ，１ｄは、基板１を厚み方向に貫通するスルーホール電極Ｈを介して処理回路１ｃと導通している。
【００１５】
図１及び図２に示すように、基板１の中央部には、凸部（支持突起）１ｂが設けられている。基板１の上面には、その外周に沿った枠状をなす導電性のスぺーサ２（ギャップ保持手段）が固定電極１ｄに重ねて設置されている。スペーサ２は、ジンバル構造をなす支持板３と基板１との間隔を一定に保持して支持板３の可動電極３ｄが揺動できる空間をつくるとともに、処理回路１ｃ及び可動電極３ｄ間を導通させるための導通手段として設けられている。
【００１６】
スペーサ２の上面には、可撓性を有する板材からなる支持板３が積層されている。この支持板３は、例えば５０μｍ程度の厚さを有するステンレスプレート等の薄い金属単板から形成され、その外周部分である支持部３ａがスペーサ２に対して密着状態に支持されている。
図３に示すように、支持部３ａは、略四角枠状に形成されており、その対向する一対の辺の中央位置に、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。これら第１の軸部３ｃの内側端部は、支持部３ａの内側に位置する中間部３ｂにつながっている。
中間部３ｂは、自らが傾斜した際に各第１の軸部３ｃにひねり変形を与えることにより、各第１の軸部３ｃがなす軸線ＣＬ１回りに揺動できるようになっている。
【００１７】
中間部３ｂも、略四角枠形状をなしており、その内側に前記軸線ＣＬ１に直交する軸線ＣＬ２をなすように、互いに対向する一対の第２の軸部３ｅが設けられている。これら第２の軸部３ｅの内側端部は、さらに内側に設けられた可動電極３ｄにつながっている。
したがって、可動電極３ｄは、自らが傾斜した際に各第２の軸部３ｅにひねり変形を与えることにより軸線ＣＬ２回りに揺動できると同時に、中間部３ｂが各第１の軸部３ｃにひねり変形を与えることにより、軸線ＣＬ１回りにも揺動できるようになっている。このように、可動電極３ｄは、互いに直行する軸線ＣＬ１，ＣＬ２回りに揺動可能に支持されている。
【００１８】
本実施形態の支持板３では、支持部３ａ、中間部３ｂ、各第１の軸部３ｃ、可動電極３ｄ、各第２の軸部３ｅの全てを、一枚の金属薄板に溝孔（スリット）を設けることで形成している。そのため、加工も容易で精度も出しやすい構成となっている。すなわち、支持部３ａ及び中間部３ｂ間は、各第１の軸部３ｃを避けるように形成された平面視「コ」字形の第１のスリット３１により分離され、中間部３ｂ及び可動電極３ｄ間は、各第２の軸部３ｅを避けるように形成された平面視「コ」字形の第２のスリット３２により分離されている。また、可動電極３ｄは、金属板材で構成されているため、固定基板１に対して対向配置された可動電極としての機能と、この可動電極を保持して揺動可能に支持された可動板としの機能とを兼ね備えたものとなっている。
【００１９】
また、この可動電極３ｄには、後述の重り４を係止させるための貫通孔３ｄ１が、その板厚方向に貫くように複数（同図の例では４カ所）形成されている。これら貫通孔３ｄ１は、互いに直交する軸線ＣＬ１及び軸線ＣＬ２の交点Ｐから等距離でかつ、各軸線ＣＬ１及びＣＬ２の線上に２カ所ずつ形成されている。したがって、これら貫通孔３ｄ１は、支持板３を、前記スペーサ２を介して基板１上に重ね合わせたときに、各固定電極１ａ間の隙間ｓ１，ｓ２上に来るように配置されている。なお、各隙間ｓ１，ｓ２は、各固定電極１ａ間を分離させるものであり、互いに直交する２本の隙間として形成されている。そして、これら隙間ｓ１，ｓ２は、図３に示す平面視した場合に、前記軸線ＣＬ１，ＣＬ２と一致したものとなっている。
【００２０】
また、支持板３は、ひねりによって各第１の軸部３ｃ及び各第２の軸部３ｅが塑性変形しないように、各第１のスリット３１の両端部及び各第２のスリット３２の両端部に、それぞれ支持部３ａ側及び可動電極３ｄ側に向かって張り出すような食込み部３１ａ，３２ａを形成し、各第１の軸部３ｃ及び各第２の軸部３ｅの長さが塑性変形防止に必要な一定以上の長さを確保できるようにしている。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、各第１の軸部３ｃ及び各第２の軸部３ｅがそれぞれ支持部３ａ側，可動電極３ｄ側にのみ、食い込むように構成されている。
【００２１】
これは、例えば各食込み部３１ａ，３２ａを中間部３ｂ側に形成すると、中間部３ｂが一部細くなり、この細くなった部分にひねりによる応力集中が生じて中間部３ｂの塑性変形を引き起こす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の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ている。
【００２２】
図１に示すように、可動電極３ｄの、基板１に対向する面とは反対側の面の中央部には、重り４が固定されている。この重り４は、略円柱形状を有し、その軸線４ａが可動電極３ｄの取り付け面に対して垂直で且つ前記交点Ｐを通るように固定されている。また、この重り４の重心位置は、支持板３の重心位置よりも高くされている。そのため、センサ全体を傾けると、重り４を前記各軸線ＣＬ１，ＣＬ２回りに傾けようとするモーメントが発生する。これにより、重り４と一体になって可動電極３ｄが揺動するため、可動電極３ｄ及び各固定電極１ａ間の間隔がそれぞれ変化するようになっている。
【００２３】
そして、本実施形態の静電容量式センサは、この重り４が特に特徴的となっている。
図４に示すように、この重り４は、例えば前記各貫通孔３ｄ１のそれぞれに対して係止した状態にインサート成形された成形体からなっている。すなわち、この重り４の外形と同一形状のキャビティが形成された金型（図示せず）内に支持板３を固定配置した後、前記金型のキャビティ内に溶融樹脂を供給する。すると、前記溶融樹脂は、キャビティ内を満たして重り４の形状をなすと同時に、各貫通孔３ｄ１を通過して可動電極３ｄの裏面側に回り込み、各貫通孔３ｄ１の内径よりも太い外径を有する円盤形状の４つの係止部４ｂを形成して硬化する。これら係止部４ｂを形成するためのキャビティも前記金型に形成されており、各係止部４ｂの形状を均一なものにすると同時に、これら係止部４ｂを、軸線４ａを通る平面視した場合の位置も、同軸線４ａから等距離に形成されるようになっている。したがって、図３に示すように、各係止部４ｂは、各隙間ｓ１，ｓ２上でかつ交点Ｐから等距離の位置に、互いに等角度（９０°）間隔をおいて配置されるようになっている。これにより、各係止部４ｂは、重り４が中立状態にあるとき（センサ自体が傾いていないとき）、各固定電極１ｄ及び可動電極３ｄからなる各静電容量素子の静電容量が、互いに等価をなすように均等配置されたものとなっている。
重り４は、各係止部４ｂを備えているため、重り４が可動電極３ｄから抜けることがなく、強い重力がセンサ自体に作用しても、重り４の脱落などの損傷を被ることが防止された構成となっている。
【００２４】
重り４をインサート成形するための前記溶融樹脂は、樹脂材（ナイロン，ポリアセタール，ＰＢＴ，ＡＢＳ樹脂等）に、この樹脂材よりも密度の大きい金属粒子または金属化合物粒子を均等に分散するように混在させたものである。金属粒子を混在させる場合には、例えばタングステン単体を金属粒子として採用するのが好ましい。また、金属化合物粒子を混在させる場合には、タングステン化合物を金属化合物粒子として採用するのが好ましい。もちろん、タングステン単体及びタングステン化合物に限らず、鉄粉，ステンレス粉など、その他の密度の大きなものを採用しても良い。さらに、種類の異なる複数の粒子（例えばタングステン単体等の金属粒子とタングステン化合物等の金属化合物粒子）を混合して、合成樹脂材に分散させても良い。
【００２５】
各素材の密度を下記に示す。なお、これらの密度は、７．５ｇ／ｃｍ３〜２０ｇ／ｃｍ３の範囲である。
【００２６】
重り４の前記樹脂材の密度は一般的に１ｇ／ｃｍ３程度であり、ナイロン６，ナイロン６６を採用した場合の密度は何れも１．１４ｇ／ｃｍ３である（ポリアセタール樹脂は１．４２ｇ／ｃｍ３）。したがって、このような密度の小さい樹脂材に密度の大きい金属粒子または金属化合物粒子を混在させることで、重り４の大きさを維持したままその重量を効果的に重くすることができ、センサ感度をより高くすることが可能となる。あるいは、重り４の重量を維持したまま、その大きさを効果的に小型化することもでき、この場合には、センサ感度を維持したままセンサ自体を小型化することが可能となる。
【００２７】
なお、重り４はインサート成形に限らず、他の成形方法で形成するものとしても良い。
また、各係止部４ｂの形状としては図４に示す形状に限らず、例えば図５（ａ），（ｂ）に示す形状も採用可能である。すなわち、図５（ａ）に示す係止部４ｂ１は、同図に示す断面視した場合に円錐台形状をなしており、同じく円錐台形状に加工された貫通孔３ｄ１に嵌合する楔の役目をなしている。このような係止部４ｂ１の形状は、貫通孔３ｄ１側の形状を、形成したい係止部４ｂ１と同一形状に予め加工しておくことで得ることができる。
また、図５（ｂ）に示す係止部４ｂ２は、同図に示す断面視した場合に、図４で示した係止部４ｂ２が可動電極３ｄの下面と面一をなすように鍔形に形成したものである。このような係止部４ｂ２の形状は、貫通孔３ｄ２の形状を、係止部４ｂ２の板厚方向裏面側に向かって段階的に広がる形状に予め加工しておくことで得ることができる。これらの例のごとく可動電極３ｄの裏面と係止部４ｂ１，４ｂ２の裏面を面一にしておくならば、可動電極３ｄの裏面と各固定電極１ａとの間に介在物が存在しないので、これら可動電極３ｄ及び各固定電極１ａ間のクリアランスを高精度に形成させることが可能となる。
【００２８】
再び図１及び図２に戻って説明を続けると、同図に示すように、可動電極３ｄの下面には、前記凸部（ギャップ保持手段）１ｂが突き当てられており、各固定電極１ａと可動電極３ｄとの間隔（ギャップ）ｇを一定に保持するとともに、同図下向きの並進加速度（重力など）の影響をキャンセルできるようになっている。つまり、凸部１ｂを設けない場合、可動電極３ｄが重り４の重さによって基板１側に若干撓み、可動電極３ｄと各固定電極１ａとの間の静電容量に、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とになる。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。
【００２９】
その結果、静電容量は、重り４のモーメントに対して直線的に変化せず、このような静電容量からセンサの傾斜角を求める場合には撓みによる可動電極３ｄの鉛直方向の変位を補正する演算が必要となる。このため、可動電極３ｄを凸部１ｂによって下面側から支持して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、演算を単純化することが可能となっている。
【００３０】
さらに、センサを極端に傾けることがない限り、重り４の重さが第１の軸部３ｃ、第２の軸部３ｅに直接かからない。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各第１の軸部３ｃ及び各第２の軸部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、高精度な検出ができるようになる。
また、凸部１ｂの高さは、支持部３ａを載置するスペーサ２の厚みよりも若干高くなっており、可動電極３ｄが支持部３ａよりも基板１から離れるように、可動電極３ｄが凸部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の厚みとの差で決まるため、例えば、凸部１ｂによってギャップｇが定められている場合には、スペーサ２の厚みを調節することで付勢力を最適値に設定することができる。
【００３１】
支持部３ａ上には、絶縁性を有する枠状の固定板５が積層されており、薄い支持板３を均一な押し付け力をもってスペーサ２に固定している。さらに、固定板５の上面には、支持板３が必要以上に撓むのを規制する揺動規制手段としてストッパ８が積層されている。このストッパ８は、支持板３よりも厚くて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、センサに過大な外力が作用して支持板３が大きく撓んだ場合、中間部３ｂや可動電極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。
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、平面視した場合に支持板３に形成されたスリット３２よりも内側に配置されている（即ち、可動電極３ｄの外形は、穴８ａの形状よりも大きくされている）。
【００３２】
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上の各固定電極１ａと可動電極３ｄとが接触して異常信号が発生しないように、各固定電極１ａの外周端部は、可動電極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の上面には、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。
【００３３】
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、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を均等に押し付けた状態で各突部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が挟み込まれており、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。
【００３４】
なお、図２に示すように、スペーサ９の下面には複数（同図の場合では４カ所）の突起９ａが設けられている。これら突起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。
【００３５】
また、各突部６ｃが当接する基板１裏面側には、図示されないグランドパターン（金属面）１３ｆが形成されており、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
【００３６】
図１に示すように、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の積層体で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が、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）である検出電極層１１Ｓには、図２に示すように、中央部に４つの固定電極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と導通する四角枠形状の固定電極１ｄが形成されている。
【００３７】
また、各固定電極１ａ及び固定電極１ｄは、図１に示すように、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Ｈによってチップ実装面１３Ｒ上の複数の端子１３ａ及び端子１３ｂに接続されている。これらスルーホール電極Ｈ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、これを焼成させることにより導電部を形成したもので、各固定電極１ａ，１ｄは、このスルーホール電極Ｈ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との間で入出力できるようになっている。
【００３８】
グランド層１２Ｓは、支持板３からの駆動信号が各固定電極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するものである。
また、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するものである。
【００３９】
板材１４には、処理回路１ｃを収容するための貫通孔である収納凹部１４ｇが中央に形成されており、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、この板材１４には、前記カバー６の突部６ｃを取り付けるための切り欠き部１４ｈが対応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とが導通状態となっている。
【００４０】
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、その端子が、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のそれぞれに対して金バンプで接続されている。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と対向配置された固定電極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、この電気信号により各静電容量素子（信号検出用コンデンサ）の静電容量変化を求めている。
この支持板３と各固定電極１ａとで構成される静電容量素子は４つあり、これら４つの静電容量変化に基づいて、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及び外部接続電極を介して外部装置に出力されるようになっている。
【００４１】
以上説明の構成を有する静電容量式センサの動作については上述した通りであり、センサ全体を傾斜させたとき、可動電極３ｄと各固定電極１ａとの間隔が変化し、それにより、これらの間の静電容量も変化し、これを電気的に検出することで傾斜が測定できる。つまり、センサを傾けると、重り４が凸部１ｂと可動電極３ｄとの当接位置を中心として揺動し、可動電極３ｄに対し、これを前記軸線ＣＬ１または前記軸線ＣＬ２回りに回転させるモーメントを作用する。
【００４２】
これにより、センサの傾斜方向及び傾斜角に応じて可動電極３ｄが、軸線ＣＬ１及び軸線ＣＬ２の２軸回りに独立に揺動する。この揺動時における可動電極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、各静電容量素子の静電容量は、傾斜によるひねり力に対して直線的に増減する。この時、重り４の樹脂材に密度の大きい素材（タングステン単体またはタングステン化合物）を含有させていることと、各軸部３ｃ，３ｅに食込み部３１ａ，３２ａを形成してこれらの剛性を落としていることとから、センサの傾斜が僅かであっても、可動電極３ｄが基板１に対して大きく揺動するようになっている。
【００４３】
そして、各軸部３ｃ，３ｅにひねり変形を与えるモーメントと、これら軸部３ｃ，３ｅのひねり変形に対する弾性力とが釣り合う角度で、可動電極３ｄの傾きが停止する。
このようにして可動電極３ｄが揺動することにより、可動電極３ｄと各固定電極１ａとにより構成される各静電容量素子の静電容量が変化し、その静電容量変化が処理回路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の外部接続電極等を介して外部装置へ出力される。
【００４４】
以上説明の本実施形態の静電容量式センサは、可動電極３ｄに各貫通孔３ｄ１を形成し、これら貫通孔３ｄ１に各係止部４ｂが係止した状態となるように重り４をインサート成形で加工する構成を採用した。このように、重り４を可動電極３ｄに対してインサート成形させた場合の位置決め精度は、インサート成形に用いられる金型の精度によって決まるので、従来のように別途製造された重りを可動電極３ｄに対して接着等の固定方法により固定する場合に比較して、高い位置決め精度を得ることができる。例えば従来はｍｍオーダーの位置決め精度であったものを、ミクロンオーダーで位置決めできる。したがって、精度が高くて生産性に優れた静電容量式センサを得ることが可能となる。
【００４５】
また、本実施形態の静電容量式センサは、重り４の各係止部４ｂが、重り４が中立状態にあるときに各静電容量素子の静電容量が互いに等価をなすように均等配置する構成を採用した。この構成によれば、重り４に金属粒子または金属化合物粒子を含有させても、各静電容量素子間の静電容量バランスを均等に保つことができるので、精度の良いセンサとすることが可能となっている。
【００４６】
続いて、本発明の静電容量式センサの第２実施形態の説明を、図６を参照しながら以下に行う。なお、本実施形態の説明においては、上記第１実施形態との相違点を中心に説明し、その他については上記第１実施形態と同様であるとしてその説明を省略する。
【００４７】
同図に示すように、本実施形態では、前記可動電極３ｄに形成する貫通孔３ｄ１の数を１つにするとともに、その形成箇所を図３で示した交点Ｐの位置（可動電極３ｄの中央点）に設定している。
また、基板１の上面には前記凸部１ｂを形成せずに平らなままとし、代わりに、重り４をインサート成形する際にできる係止部４ｂ３を、基板１の上面に向かって突出させることで揺動支点の役目も兼ねさせている。この係止部４ｂ３は、貫通孔３ｄ１の数と同数の１カ所のみが形成され、基板１の上面に向かって先細りとなる円錐形状をなしている。そして、この係止部４ｂ３の最下端が各固定電極１ａ間の中央位置に点接触することで、可動電極３ｄ及び各固定電極１ａ間の前記ギャップｇが確保されるとともに、搭載部３及び重り４が一体となって前記点接触の位置を揺動支点として揺動できるようになっている。また、係止部４ｂ３の首回りの延出部４ｂ４の部分が貫通孔３ｄ１の外側に張り出し形成されているので、重り４の抜け止めとなる。
【００４８】
本実施形態の静電容量式センサにおいても、上記第１実施形態で説明した静電容量式センサと同様の作用効果を得ることができる。また、本実施形態の係止部４ｂ３は、各固定電極１ａ間の中央位置に当接するように設けられているので、重り４に金属粒子または金属化合物粒子を含有しても、係合部４ｂ３が前記各静電容量素子のそれぞれに対して均等に影響を及ぼすので、これら静電容量素子間の静電容量バランスを崩すことがない。
このように、各静電容量素子間の静電容量バランスを均等に保つことができるので、精度の良いセンサとすることが可能となっている。
【００４９】
なお、本発明は、上記各実施形態のみに限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。
例えば、上記各実施形態では、一つの可動電極３ｄ（即ち、可動電極）に４つの固定電極１ａを対向配置させているが、逆に、一つの固定電極１ａに複数の可動電極を対向配置させてもよい。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させてもよい。
【００５０】
上記第１実施形態において、スペーサ２を介して可動電極３ｄに電気信号を供給する代わりに、凸部１ｂを介して可動電極３ｄに電気信号を供給するように構成してもよい。つまり、凸部１ｂを導電部材とし、凸部１ｂと処理回路１ｃとを基板１を厚み方向に貫通するスルーホール電極により導通させるようにする。この構成でも、上記第１実施形態と同様の作用効果を得ることができる。この場合、基板１外周部に設けた固定電極１ｄは不要となる。
【００５１】
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、可撓性を有する平面状の部材であれば金属，半導体，絶縁体のいずれでもよい。また、その厚みも特に限定されず、ポリイミド等の高分子フィルムや金属箔、或いは、エッチングにより薄膜化したシリコン基板等を好適に用いることができる。なお、支持板３の板材に絶縁性の部材を用いる場合には、基板１に対向する面に銅箔等の導電膜（可動電極）を形成する必要がある。
【００５２】
また、上記各実施形態において、重り４の形状は上述のような円柱形状に限らず、その中心軸線４ａを含む断面で見た場合の形状がＴ字形など、その他の形状を採用しても良い。断面Ｔ字形の形状を採用した場合には、重り４の重心位置をより高くすることができ、重り４が傾きやすくなるので、センサ感度をより高くすることが可能となる。一方、上記各実施形態のように円柱形状を採用した場合には、インサート成形がしやすくなるので、より高い生産性を得ることが可能となっている。
また、上記各実施形態においては、本発明のセンサが傾斜センサである場合を例として説明したが、傾斜センサに限らず、例えば加速度センサや衝撃センサ等のその他の静電容量式センサに本発明を適用しても良い。
【００５３】
【発明の効果】
本発明の請求項１に記載の静電容量式センサは、可動板に貫通孔が形成され、重りが貫通孔に係止した状態に一体成形された成形体からなる構成を採用した。この構成によれば、可動板に対する重りの固定を、高い位置決め精度を持って行うことができ、なおかつ生産性に優れた静電容量式センサを提供することが可能となる。
【００５４】
また、請求項２に記載の静電容量式センサは、前記重りが、樹脂に密度の大きい粒子を混在させたものからなる構成を採用した。この構成によれば、重りの製造にインサート成形を用いながらも重りを重くすることができるので、感度に優れたセンサとすることが可能となる。
【００５５】
また、請求項３に記載の静電容量式センサは、前記粒子として、金属粒子または金属化合物粒子を用いる構成を採用した。この構成によれば、重りを効果的に重くすることができるので、センサ感度を高くしたり、あるいは、センサ感度を維持したまま重りを小さくしてセンサ自体を小型化することも可能となる。
【００５６】
また、請求項４に記載の静電容量式センサは、前記粒子として、タングステン単体またはタングステン化合物を用いる構成を採用した。この構成によれば、請求項３の効果をより効果的に得ることが可能となる。すなわち、重りを極めて重くすることができるので、センサ感度をより高くしたり、あるいは、センサ感度を維持したまま重りをより小さくしてセンサ自体を小型化することも可能となる。
【００５７】
また、請求項５に記載の静電容量式センサは、複数分割された固定電極と可動電極とで複数の静電容量素子を構成し、各係止部が、重りが中立状態にあるときに各静電容量素子の静電容量が互いに等価をなすように均等配置する構成を採用した。この構成によれば、金属粒子または金属化合物粒子を含む重りを採用しても、各静電容量素子間の静電容量バランスを均等に保つことができるので、精度の良いセンサとすることが可能となる。
【００５８】
また、請求項６に記載の静電容量式センサは、重りの係止部が、固定基板に対して接触して揺動支点をなす構成を採用しても良い。この構成によれば、金属粒子または金属化合物粒子を含む重りを採用しても、各静電容量素子間の静電容量バランスを均等に保つことができるので、精度の良いセンサとすることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の静電容量式センサの第１実施形態を示す縦断面図である。
【図２】同静電容量式センサの各構成要素を示す分解斜視図である。
【図３】同静電容量式センサに備えられている支持板を説明するための平面図である。
【図４】同静電容量式センサに備えられている重りの固定構造を説明するための縦断面図である。
【図５】（ａ）及び（ｂ）は、同重りの同固定構造の変形例を説明するための図であって、図４のＡ部拡大図である。
【図６】本発明の静電容量式センサの第２実施形態を示す図であって、重りの固定構造を説明するための縦断面図である。
【符号の説明】
１・・・基板（固定基板）
１ａ・・・固定電極
３ｄ・・・可動電極（可動板，可動電極）
３ｄ１・・・貫通孔
４・・・重り
４ｂ・・・係止部[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a capacitance-type sensor, and particularly to a capacitance-type sensor that can be manufactured with high accuracy and at low cost.
[0002]
[Prior art]
As an example of a capacitance-type sensor utilizing a change in capacitance, there is a sensor disclosed in, for example, Patent Document 1 below. This capacitance type sensor has a pair of electrodes arranged to face each other, one electrode is provided on a fixed substrate, and the other electrode is provided on a flexible substrate. Further, a weight is attached to the flexible substrate by bonding, and when the sensor is inclined, the weight distorts the flexible substrate and changes the capacitance between the electrodes. By measuring the change in capacitance, inclination, acceleration, and the like can be detected.
[0003]
[Patent Document 1]
JP-A-8-828638 (see FIG. 1A)
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
By the way, the conventional capacitance-type sensor described above employs adhesion as a method of fixing the weight to the flexible substrate, so that the weight is easily displaced with respect to the flexible substrate during manufacturing. It is difficult to fix it with high accuracy so that accuracy can be secured, and it has not always been excellent in productivity.
In addition, as the manufacturing process, a process of manufacturing a weight by machining, a process of aligning and storing the manufactured weight, removing one of the weights and applying an adhesive, and furthermore, Since a step of attaching to a substrate is required, a large number of steps are required just to attach a weight, and this is a factor that hinders improvement in productivity.
[0005]
The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object of the present invention is to provide a capacitance sensor that can fix a weight to a movable plate with high positioning accuracy and that is excellent in productivity. .
[0006]
[Means for Solving the Problems]
The present invention employs the following means in order to solve the above problems.
That is, the capacitance-type sensor of the present invention is a movable plate having a fixed substrate having a fixed electrode, and a movable electrode opposed to the fixed substrate with a gap provided therebetween, and swingably supported. And a weight provided on the movable plate, a sensor for detecting the swinging operation of the movable plate based on the capacitance between the fixed electrode and the movable electrode, the movable plate, A through hole penetrating in the thickness direction is formed, and the weight is formed of a molded body integrally formed in a state locked in the through hole.
As in the case of the capacitance type sensor, the positioning accuracy when the weight is integrally formed with the movable plate by the molded body is determined by the accuracy of the mold used for the molding, so that the positioning accuracy is separately manufactured as in the related art. Higher positioning accuracy can be obtained as compared with the case where the weight is fixed to the movable plate by a fixing method such as bonding. Therefore, a highly accurate sensor can be obtained.
Furthermore, the capacitance type sensor of the present invention has a process of manufacturing a weight by machining as in the past, a process of aligning and storing the weights after manufacturing, and removing and bonding one of these weights. The step of applying the agent and further attaching it to the movable plate becomes unnecessary. Therefore, the capacitance type sensor of the present invention is excellent in productivity and can be manufactured at low cost.
[0007]
Further, in the capacitance-type sensor according to the present invention, in the capacitance-type sensor, the weight may be formed by mixing a resin with particles having a higher density than the resin.
In this case, the weight of the weight can be made sufficient to swing the movable plate while using insert molding for manufacturing the weight.
[0008]
Further, in the capacitance-type sensor of the present invention, in the capacitance-type sensor, metal particles or metal compound particles may be employed as the particles.
In this case, the weight can be increased while maintaining the size of the weight. Alternatively, the size can be reduced while maintaining the weight of the weight.
[0009]
Further, in the capacitance-type sensor of the present invention, in the capacitance-type sensor, as the particles, tungsten alone or a tungsten compound may be employed.
In this case, the weight can be effectively increased while maintaining the size of the weight. Alternatively, the size of the weight can be effectively reduced while maintaining the weight of the weight.
[0010]
Further, in the capacitance-type sensor according to the present invention, in the capacitance-type sensor, the fixed electrode is divided into a plurality of parts, and a plurality of capacitance elements are configured by the fixed electrode and the movable electrode. A plurality of the locking portions of the weight which are locked in the through holes are formed, and the locking portions are equal so that the capacitances of the respective capacitance elements are equivalent to each other when the weight is in a neutral state. The configuration in which they are arranged may be adopted.
In this case, even if the weight contains metal particles or metal compound particles, each engaging portion equally affects each of the capacitance elements, so that the capacitance between the capacitance elements can be reduced. It does not break the capacity balance.
[0011]
Further, in the capacitance-type sensor according to the present invention, in the capacitance-type sensor, the fixed electrode is divided into a plurality of parts, and a plurality of capacitance elements are configured by the fixed electrode and the movable electrode. A configuration may be adopted in which the locking portion of the weight that locks in the through hole forms a swing fulcrum that contacts a central position between the fixed electrodes.
In this case, even if the weight contains metal particles or metal compound particles, the engaging portions equally affect each of the capacitance elements, so that the capacitance between the capacitance elements is reduced. It does not break the capacity balance.
[0012]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Each embodiment of the capacitance type sensor of the present invention will be described below with reference to the drawings.
First, a first embodiment of the capacitance sensor of the present invention will be described with reference to FIGS. FIG. 1 is a longitudinal sectional view of the capacitance type sensor of the present embodiment. FIG. 2 is an exploded perspective view showing each component of the capacitance type sensor. FIG. 3 is a plan view for explaining a support plate provided in the capacitance type sensor. FIG. 4 is a longitudinal sectional view for explaining a weight fixing structure provided in the capacitance type sensor. FIGS. 5A and 5B are views for explaining a modification of the fixing structure, and are enlarged views of a portion A in FIG.
In each of the drawings, the thickness, the size ratio, and the like of each component are appropriately changed for easy viewing.
[0013]
As shown in FIG. 1, 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 the detection unit K detects the electric signal on the lower surface 13R side of the substrate 1. And a processing circuit 1c for processing the generated electric signal. 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 change in capacitance, and includes a plurality of capacitance detection units formed on the upper surface 11S of the substrate 1. Fixed electrode 1a, a support plate 3 facing these fixed electrodes 1a, and a weight 4 for applying twisting deformation to the support plate 3.
[0014]
The substrate 1 is made of a ceramic or epoxy resin laminate, and as shown in FIGS. 1 and 2, a plurality (four) of the fixed electrodes 1a are formed in a grid pattern on the surface thereof, and A frame-shaped fixed electrode 1d is formed so as to surround the fixed electrode 1a. Providing four fixed electrodes 1a in this way increases the distance between the movable electrode 3d provided on the support plate 3 and the specific fixed electrode 1a when the entire sensor is tilted in either direction ( That is, the capacitance decreases). On the other hand, the distance between the other fixed electrode 1a and the movable electrode 3d opposed thereto in a plan view becomes narrower (that is, the capacitance increases), and the inclination direction is increased by their differential signals. And the degree of the inclination can be obtained.
Each of the fixed electrodes 1a and 1d is electrically connected to the processing circuit 1c via a through-hole electrode H penetrating the substrate 1 in the thickness direction.
[0015]
As shown in FIGS. 1 and 2, a projection (supporting projection) 1 b is provided at the center of the substrate 1. On the upper surface of the substrate 1, a frame-shaped conductive spacer 2 (gap holding means) is provided so as to overlap the fixed electrode 1d. The spacer 2 keeps the distance between the support plate 3 and the substrate 1 forming a gimbal structure constant to create a space in which the movable electrode 3d of the support plate 3 can swing, and conducts between the processing circuit 1c and the movable electrode 3d. Is provided as a conducting means.
[0016]
A support plate 3 made of a flexible plate material is laminated on the upper surface of the spacer 2. The support plate 3 is formed of a thin metal plate such as a stainless steel plate having a thickness of, for example, about 50 μm, and a support portion 3 a as an outer peripheral portion thereof 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 central positions of a pair of opposed sides thereof. 3c is provided. The inner ends of these first shaft portions 3c are connected to an intermediate portion 3b located inside the support portion 3a.
The intermediate portion 3b is capable of swinging around the axis CL1 formed by each first shaft portion 3c by giving a twisting deformation to each first shaft portion 3c when the intermediate portion 3b inclines.
[0017]
The intermediate portion 3b also has a substantially rectangular frame shape, and a pair of second shaft portions 3e facing each other is provided inside the intermediate portion 3b so as to form an axis CL2 orthogonal to the axis CL1. The inner ends of the second shaft portions 3e are connected to a movable electrode 3d provided further inside.
Therefore, the movable electrode 3d can swing around the axis CL2 by imparting a twisting deformation to each of the second shaft portions 3e when the movable electrode 3d tilts, and at the same time, the intermediate portion 3b twists around each of the first shaft portions 3c. By giving the deformation, it is possible to swing around the axis CL1. As described above, the movable electrode 3d is supported so as to be able to swing around the axes CL1 and CL2 that are orthogonal to each other.
[0018]
In the support plate 3 of the present embodiment, all of the support portion 3a, the intermediate portion 3b, each of the first shaft portions 3c, the movable electrode 3d, and each of the second shaft portions 3e are formed in a single thin metal plate with slots (slits). ) Is formed. For this reason, the configuration is such that processing is easy and accuracy is easily obtained. That is, the portion between the support portion 3a and the intermediate portion 3b is separated by the first slit 31 having a "U" shape in plan view formed so as to avoid each first shaft portion 3c, and the portion between the intermediate portion 3b and the movable electrode 3d. Are separated by a second slit 32 having a "U" shape in plan view formed so as to avoid each second shaft portion 3e. Further, since the movable electrode 3d is made of a metal plate, it has a function as a movable electrode opposed to the fixed substrate 1 and a movable plate that holds the movable electrode and is supported to be swingable. It has the function of both.
[0019]
The movable electrode 3d is provided with a plurality of through holes 3d1 (four places in the example of FIG. 1) through which the weight 4 described below is engaged in the thickness direction thereof. These through holes 3d1 are formed at equal distances from the intersection P of the axis CL1 and the axis CL2, which are orthogonal to each other, and are formed at two locations on each of the axes CL1 and CL2. Accordingly, these through holes 3d1 are arranged so as to be located on the gaps s1 and s2 between the fixed electrodes 1a when the support plate 3 is overlaid on the substrate 1 via the spacer 2. The gaps s1 and s2 separate the fixed electrodes 1a from each other, and are formed as two gaps orthogonal to each other. These gaps s1 and s2 coincide with the axes CL1 and CL2 when viewed in a plan view shown in FIG.
[0020]
The support plate 3 has both ends of each first slit 31 and both ends of each second slit 32 so that each first shaft portion 3c and each second shaft portion 3e are not plastically deformed by twisting. Are formed so as to protrude toward the support portion 3a side and the movable electrode 3d side, respectively, and the length of each of the first shaft portion 3c and each of the second shaft portions 3e is set to prevent plastic deformation. To ensure that the length is longer than a certain level. Such bite portions 31a and 32a are not formed on the intermediate portion 3b side, and each first shaft portion 3c and each second shaft portion 3e are provided only on the support portion 3a side and the movable electrode 3d side, respectively. It is configured to bite.
[0021]
This is because, for example, when the biting portions 31a and 32a are formed on the intermediate portion 3b side, the intermediate portion 3b is partially thinned, and stress concentration is caused by twisting in the thinned portion, which may cause plastic deformation of the intermediate portion 3b. Because there is. 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.
[0022]
As shown in FIG. 1, a weight 4 is fixed to the center of the surface of the movable electrode 3d opposite to the surface facing the substrate 1. The weight 4 has a substantially columnar shape, and is fixed so that its axis 4a is perpendicular to the mounting surface of the movable electrode 3d and passes through the intersection P. The position of the center of gravity of the weight 4 is higher than the position of the center of gravity of the support plate 3. Therefore, when the entire sensor is tilted, a moment is generated to tilt the weight 4 around each of the axes CL1 and CL2. Thereby, the movable electrode 3d swings integrally with the weight 4, so that the distance between the movable electrode 3d and each fixed electrode 1a changes.
[0023]
The weight 4 is particularly characteristic of the capacitance type sensor of the present embodiment.
As shown in FIG. 4, the weight 4 is formed of a molded body that is insert-molded, for example, in a state of being locked in each of the through holes 3d1. That is, after the support plate 3 is fixedly arranged in a mold (not shown) in which a cavity having the same shape as the outer shape of the weight 4 is formed, the molten resin is supplied into the cavity of the mold. Then, the molten resin fills the cavity and forms the shape of the weight 4 and, at the same time, passes through the through holes 3d1 and wraps around the back surface side of the movable electrode 3d to form an outer diameter larger than the inner diameter of each through hole 3d1. The disk-shaped four locking portions 4b are formed and hardened. The cavities for forming the locking portions 4b are also formed in the mold, and the shapes of the locking portions 4b are made uniform, and at the same time, the locking portions 4b are viewed in a plan view passing through the axis 4a. The position in this case is also formed at an equal distance from the coaxial line 4a. Therefore, as shown in FIG. 3, the locking portions 4b are arranged on the respective gaps s1 and s2 and at the same distance from the intersection P with an equal angle (90 °) interval therebetween. ing. Accordingly, when the weight 4 is in a neutral state (when the sensor itself is not tilted), the capacitances of the respective capacitance elements composed of the fixed electrodes 1d and the movable electrodes 3d are different from each other when the weight 4 is in the neutral state. They are evenly arranged so as to be equivalent.
Since the weight 4 has the locking portions 4b, the weight 4 does not fall out of the movable electrode 3d, and even if strong gravity acts on the sensor itself, it is possible to prevent the weight 4 from being damaged such as falling off. It is the configuration that was done.
[0024]
The molten resin for insert molding the weight 4 is mixed in a resin material (nylon, polyacetal, PBT, ABS resin, etc.) so that metal particles or metal compound particles having a higher density than the resin material are evenly dispersed. It was made. When metal particles are mixed, it is preferable to use, for example, tungsten alone as the metal particles. When metal compound particles are mixed, it is preferable to employ a tungsten compound as the metal compound particles. Of course, not only the tungsten simple substance and the tungsten compound but also other high-density materials such as iron powder and stainless steel powder may be used. Further, a plurality of different types of particles (for example, metal particles such as tungsten alone and metal compound particles such as a tungsten compound) may be mixed and dispersed in a synthetic resin material.
[0025]
The density of each material is shown below. These densities are 7.5 g / cm. 3 ~ 20g / cm 3 Range.
[0026]
The density of the resin material of the weight 4 is generally 1 g / cm. 3 And the density when nylon 6 and nylon 66 are employed is 1.14 g / cm. 3 (Polyacetal resin is 1.42 g / cm 3 ). Therefore, by mixing high-density metal particles or metal compound particles in such a low-density resin material, the weight of the weight 4 can be effectively increased while maintaining the size of the weight 4, and the sensor sensitivity can be reduced. It can be higher. Alternatively, the size of the weight 4 can be effectively reduced while maintaining the weight of the weight 4, and in this case, the sensor itself can be reduced in size while maintaining the sensor sensitivity.
[0027]
The weight 4 is not limited to the insert molding, but may be formed by another molding method.
Further, the shape of each locking portion 4b is not limited to the shape shown in FIG. 4, and for example, the shapes shown in FIGS. 5A and 5B can be adopted. That is, the locking portion 4b1 shown in FIG. 5A has a truncated cone shape when viewed in cross section shown in FIG. 5A, and functions as a wedge to be fitted into the through-hole 3d1 which is also formed into a truncated cone shape. Has made. Such a shape of the locking portion 4b1 can be obtained by processing the shape on the side of the through hole 3d1 into the same shape as the locking portion 4b1 to be formed in advance.
The locking portion 4b2 shown in FIG. 5B has a flange shape so that the locking portion 4b2 shown in FIG. 4 is flush with the lower surface of the movable electrode 3d when viewed in cross section shown in FIG. It was formed. Such a shape of the locking portion 4b2 can be obtained by previously processing the shape of the through hole 3d2 into a shape that gradually expands toward the back surface side in the thickness direction of the locking portion 4b2. If the back surface of the movable electrode 3d and the back surfaces of the locking portions 4b1 and 4b2 are flush with each other as in these examples, there are no inclusions between the back surface of the movable electrode 3d and each fixed electrode 1a. The clearance between the movable electrode 3d and each fixed electrode 1a can be formed with high accuracy.
[0028]
Returning to FIG. 1 and FIG. 2 again, as shown in the figure, the convex portion (gap holding means) 1b is abutted against the lower surface of the movable electrode 3d, and each fixed electrode 1a is The gap (gap) g with the movable electrode 3d is kept constant, and the effect of the downward translational acceleration (gravity or the like) in the figure can be canceled. That is, when the convex portion 1b is not provided, the movable electrode 3d slightly bends toward the substrate 1 due to the weight of the weight 4, and the capacitance between the movable electrode 3d and each fixed electrode 1a is added to the capacitance due to this bending. 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 becomes small because the bending is reduced.
[0029]
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 displacement of the movable electrode 3d in the vertical direction due to bending is corrected. Calculation is required. For this reason, by supporting the movable electrode 3d from the lower surface side by the convex portion 1b to prevent bending, the capacitance can be changed linearly with respect to the moment, and the calculation can be simplified. .
[0030]
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, the first shaft portion 3c and each of the first shaft portions 3c and each The second shaft portion 3e can be made thin. Naturally, the thinner the two shaft portions are, the lower the rigidity is. Therefore, the two shaft portions are deformed sensitively to the moment due to the inclination, and the detection can be performed with high accuracy.
The height of the convex portion 1b is slightly higher than the thickness of the spacer 2 on which the support portion 3a is placed, and the movable electrode 3d is convex so that the movable electrode 3d is farther from the substrate 1 than the support portion 3a. The portion 1b is urged to the side opposite to the substrate 1. Since the magnitude of the biasing force is determined by the difference between the height of the projection 1b and the thickness of the spacer 2, for example, when the gap g is determined by the projection 1b, the thickness of the spacer 2 should be adjusted. The biasing force can be set to an optimum value by using.
[0031]
A frame-shaped fixing plate 5 having an insulating property is laminated on the supporting portion 3a, and the thin supporting plate 3 is fixed to the spacer 2 with a uniform pressing force. Further, a stopper 8 is laminated on the upper surface of the fixed plate 5 as a swing restricting means for restricting the support plate 3 from bending more than necessary. 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 excessive external force acts on the sensor and the support plate 3 is largely bent, the intermediate portion 3b or the movable electrode 3d hits the lower surface of the stopper 8 to restrict the swing. .
In the center of the stopper 8, a through hole (hole) 8a for inserting the weight 4 is provided. The hole 8a is formed by a slit 32 formed in the support plate 3 in a plan view. Are arranged inside (that is, the outer shape of the movable electrode 3d is larger than the shape of the hole 8a).
[0032]
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 fixed electrode 1a is swung by the outer peripheral end of the movable electrode 3d so that the fixed electrode 1a on the substrate 1 does not come into contact with the movable electrode 3d to generate an abnormal signal. It is arranged on the inner side than the position where it comes into contact with 1.
A metal (conductive) cover 6 is attached to the upper surface of 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.
[0033]
The cover 6 includes a cylindrical head 6b, a flange 6a extending around the cylindrical head 6b, and a tongue-shaped protrusion 6c. Each protrusion is formed in a state where the fixing plate 5 is pressed uniformly by the flange 6a. The cover 6 is fixed to the substrate 1 by bending the front end of the portion 6c toward the rear surface side of the substrate 1 and caulking. 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 not necessary to provide an adhesive between the members. , Assembling accuracy can be improved.
A packing 7 is sandwiched between the flange portion 6a and the outer peripheral portion of the substrate 1 so as to prevent foreign matter, flux, moisture and the like from entering the inside of the cover 6.
[0034]
As shown in FIG. 2, a plurality of (four in the case of FIG. 2) projections 9 a are provided on the lower surface of the spacer 9. These 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 are inserted into recesses (holes) 1h provided in the substrate 1. It is fitted so that each member can be accurately positioned.
[0035]
A ground pattern (metal surface) 13f (not shown) is formed on the back surface of the substrate 1 with which each of the protrusions 6c contacts, and the cover 6 is grounded via the ground pattern 13f to reduce external noise and the like. So you can eliminate the impact
[0036]
As shown in FIG. 1, a substrate 1 is a multilayer wiring board composed of a laminated body of insulating plate materials 11 to 14 made of ceramics, epoxy resin, or the like, and upper surfaces 11S to 13S of the respective plate materials 11 to 13 and plate materials. 13, lower surfaces 13R and 14R of the plate member 14 are configured as a detection electrode layer, a ground layer, a power supply layer, a chip mounting surface, and a connection electrode surface, respectively.
As shown in FIG. 2, four fixed electrodes 1 a are formed in a grid pattern by printing a pattern of, for example, Ag (silver) at the center on the detection electrode layer 11 S which is the upper surface of the substrate 1 (that is, the upper surface of the plate material 11). Is formed. A fixed electrode 1d in the form of a rectangular frame that is electrically connected to the spacer 2 is formed on the outer peripheral portion of the detection electrode layer 11S.
[0037]
As shown in FIG. 1, each of the fixed electrodes 1a and 1d has a plurality of terminals 13a and 13b on the chip mounting surface 13R by through-hole electrodes H penetrating from the detection electrode layer 11S to the chip mounting surface 13R. It is connected to the. These through-hole electrodes H are formed by filling a silver paste by a screen printing method inside pores formed by a method such as laser processing or press processing, and baking the silver paste to form a conductive portion. 1a and 1d are connected to the terminals 13a and 13b via the through-hole electrode H at a substantially shortest distance, and receive an electric signal such as a detection signal or a drive signal with the processing circuit 1c almost without being affected by electric disturbance. I can input and output between.
[0038]
The ground layer 12S prevents a drive signal from the support plate 3 from entering the processing circuit 1c without passing through each fixed electrode 1a, and also functions as a noise shield that cuts noise coming from outside the substrate 1. .
The power supply layer 13S functions as a bypass capacitor together with the ground layer 12S.
[0039]
An accommodation recess 14g, which is a through hole for accommodating the processing circuit 1c, is formed in the center of the plate member 14, so that the connection electrode surface 14R can be surface-mounted on the mounting circuit board. The thickness of the plate 14 is set so as not to protrude from the electrode surface 14R. A notch 14h for attaching the protrusion 6c of the cover 6 is formed on a corresponding side surface of the plate member 14, and the notch 14h allows one of the ground patterns 13f on the chip mounting surface 13R to be formed. The part is exposed. The cover 6 and the ground pattern 13f are in a conductive state by caulking the tip of the projection 6c on the ground pattern 13f in the notch 14h.
[0040]
The processing circuit 1c is mounted on the chip mounting surface 13R on the back side of the substrate 1, and its terminals are signal detection terminals 13a and 13b, power supply terminals 13c, and ground terminals 13d in the chip mounting surface 13R. And the signal output terminals 133 to 136 are connected by gold bumps. 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 fixed electrode 1a arranged opposite to the support plate 3 is received via the detection terminal 13a. The change in the capacitance of each capacitance element (capacitor for signal detection) is obtained from the electric signal which is input to the processing circuit 1c.
There are four capacitance elements composed of the support plate 3 and each fixed electrode 1a, and the inclination direction and the inclination amount of the sensor are calculated based on these four capacitance changes. The calculation result is output to an external device via the signal output terminals 133 to 136 and the external connection electrode.
[0041]
The operation of the capacitance-type sensor having the above-described configuration is as described above. When the entire sensor is inclined, the distance between the movable electrode 3d and each fixed electrode 1a changes, so that Also changes, and the inclination can be measured by detecting this electrically. That is, when the sensor is tilted, the weight 4 swings about the contact position between the convex portion 1b and the movable electrode 3d, and a moment for rotating the movable electrode 3d around the axis CL1 or the axis CL2 is generated. Works.
[0042]
Thereby, the movable electrode 3d swings independently around two axes of the axis CL1 and the axis CL2 according to the tilt direction and the tilt angle of the sensor. The center of the swing of the movable electrode 3d at the time of the swing is always kept at a constant distance from the substrate 1 by the convex portion 1b, and the capacitance of each capacitance element is linear with respect to the twisting force due to the inclination. Increase or decrease. At this time, the resin material of the weight 4 contains a high-density material (tungsten or a tungsten compound), and bite portions 31a and 32a are formed in the shaft portions 3c and 3e to reduce their rigidity. Therefore, even if the inclination of the sensor is slight, the movable electrode 3d swings largely with respect to the substrate 1.
[0043]
Then, the inclination of the movable electrode 3d stops at an angle at which the moment for giving twisting deformation to each of the shaft portions 3c and 3e and the elastic force against the twisting deformation of these shaft portions 3c and 3e are balanced.
By swinging the movable electrode 3d in this manner, the capacitance of each capacitance element formed by the movable electrode 3d and each fixed electrode 1a changes, and the change in the capacitance is transmitted to the processing circuit 1c. Input as an electrical signal. Then, a processing result by the processing circuit 1c is output to an external device via an external connection electrode or the like on the connection electrode surface 14R.
[0044]
In the capacitance type sensor according to the present embodiment described above, the through-holes 3d1 are formed in the movable electrode 3d, and the weight 4 is insert-molded so that the locking portions 4b are locked in the through-holes 3d1. The configuration to process with is adopted. As described above, since the positioning accuracy when the weight 4 is insert-molded with respect to the movable electrode 3d is determined by the accuracy of a mold used for insert molding, a separately manufactured weight is conventionally attached to the movable electrode 3d as in the related art. On the other hand, higher positioning accuracy can be obtained as compared with the case where the fixing is performed by a fixing method such as bonding. For example, a positioning accuracy of mm order in the past can be positioned in micron order. Therefore, it is possible to obtain a capacitance type sensor having high accuracy and excellent productivity.
[0045]
In the capacitance type sensor according to the present embodiment, the locking portions 4b of the weight 4 are uniformly arranged so that the capacitances of the capacitance elements are equivalent to each other when the weight 4 is in the neutral state. Configuration was adopted. According to this configuration, even if the weight 4 contains metal particles or metal compound particles, the capacitance balance between the respective capacitance elements can be kept uniform, so that a highly accurate sensor can be obtained. It has become.
[0046]
Next, a description will be given of a second embodiment of the capacitance type sensor according to the present invention with reference to FIG. In the description of the present embodiment, differences from the above-described first embodiment will be mainly described, and the other portions will be the same as in the above-described first embodiment, and description thereof will be omitted.
[0047]
As shown in the drawing, in the present embodiment, the number of the through holes 3d1 formed in the movable electrode 3d is reduced to one, and the location of the through hole 3d1 is set at the position of the intersection P shown in FIG. Point).
Also, the protrusions 1b are not formed on the upper surface of the substrate 1 and remain flat. Instead, the locking portions 4b3 formed when the weight 4 is insert-molded are protruded toward the upper surface of the substrate 1. It also serves as a rocking fulcrum. The locking portion 4b3 is formed with only one location equal to the number of the through holes 3d1, and has a conical shape that tapers toward the upper surface of the substrate 1. The lower end of the locking portion 4b3 makes point contact with the central position between the fixed electrodes 1a, so that the gap g between the movable electrode 3d and each fixed electrode 1a is secured, and the mounting portion 3 and the weight 4 can be swung together with the position of the point contact as a swing fulcrum. Further, since the portion of the extension 4b4 around the neck of the locking portion 4b3 is formed to protrude outside the through-hole 3d1, the weight 4 is prevented from coming off.
[0048]
The capacitance sensor according to the present embodiment can also provide the same operation and effect as the capacitance sensor described in the first embodiment. Further, since the locking portion 4b3 of the present embodiment is provided so as to contact the central position between the fixed electrodes 1a, even if the weight 4 contains metal particles or metal compound particles, the engaging portion 4b3 Influences each of the capacitance elements equally, so that the capacitance balance among these capacitance elements is not broken.
As described above, since the capacitance balance between the respective capacitance elements can be kept uniform, it is possible to provide a sensor with high accuracy.
[0049]
It should be noted that the present invention is not limited to only the above embodiments, and can be implemented with various modifications without departing from the spirit of the present invention.
For example, in each of the above embodiments, four fixed electrodes 1a are arranged to face one movable electrode 3d (that is, movable electrode). Conversely, a plurality of movable electrodes are arranged to face one fixed electrode 1a. You may. 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.
[0050]
In the first embodiment, instead of supplying an electric signal to the movable electrode 3d via the spacer 2, an electric signal may be supplied to the movable electrode 3d via the protrusion 1b. That is, the projection 1b is made of a conductive material, and the projection 1b and the processing circuit 1c are electrically connected to each other by the through-hole electrode penetrating the substrate 1 in the thickness direction. With this configuration, the same operation and effect as those of the first embodiment can be obtained. In this case, the fixed electrode 1d provided on the outer peripheral portion of the substrate 1 becomes unnecessary.
[0051]
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 planar member. The thickness is not particularly limited, and a polymer film such as polyimide, a metal foil, or a silicon substrate thinned by etching can be suitably used. When an insulating member is used as the plate material of the support plate 3, it is necessary to form a conductive film (movable electrode) such as a copper foil on the surface facing the substrate 1.
[0052]
Further, in each of the above embodiments, the shape of the weight 4 is not limited to the columnar shape as described above, and other shapes such as a T-shape when viewed in a cross section including the center axis 4a may be adopted. . When a T-shaped cross section is employed, the position of the center of gravity of the weight 4 can be made higher, and the weight 4 is easily inclined, so that the sensor sensitivity can be made higher. On the other hand, when the columnar shape is adopted as in the above embodiments, insert molding becomes easy, so that higher productivity can be obtained.
Further, in each of the above embodiments, the case where the sensor of the present invention is a tilt sensor has been described as an example. However, the present invention is not limited to the tilt sensor, and may be applied to other capacitive sensors such as acceleration sensors and impact sensors. May be applied.
[0053]
【The invention's effect】
The capacitance type sensor according to claim 1 of the present invention employs a configuration in which a through-hole is formed in the movable plate, and a molded body is integrally formed in a state where the weight is locked in the through-hole. According to this configuration, it is possible to fix the weight to the movable plate with high positioning accuracy, and it is possible to provide a capacitive sensor excellent in productivity.
[0054]
Further, the capacitance type sensor according to claim 2 employs a configuration in which the weight is made of a mixture of resin and high-density particles. According to this configuration, the weight can be increased while using insert molding for the manufacture of the weight, so that a sensor having excellent sensitivity can be obtained.
[0055]
The capacitance type sensor according to claim 3 employs a configuration using metal particles or metal compound particles as the particles. According to this configuration, since the weight can be effectively increased, the sensor sensitivity can be increased, or the sensor itself can be downsized by reducing the weight while maintaining the sensor sensitivity.
[0056]
Further, the capacitance type sensor according to claim 4 employs a configuration using tungsten alone or a tungsten compound as the particles. According to this configuration, the effect of claim 3 can be more effectively obtained. That is, since the weight can be made extremely heavy, the sensor sensitivity can be increased, or the sensor itself can be downsized by reducing the weight while maintaining the sensor sensitivity.
[0057]
Further, in the capacitance-type sensor according to the fifth aspect, a plurality of capacitance elements are formed by the plurality of divided fixed electrodes and movable electrodes, and each of the locking portions is provided when the weight is in a neutral state. A configuration was adopted in which the capacitances of the respective capacitance elements were equally arranged so as to be equivalent to each other. According to this configuration, even if a weight including metal particles or metal compound particles is employed, the capacitance balance between the respective capacitance elements can be kept uniform, so that a highly accurate sensor can be obtained. It becomes.
[0058]
The capacitance type sensor according to claim 6 may adopt a configuration in which the weight locking portion contacts the fixed substrate to form a swing fulcrum. According to this configuration, even if a weight including metal particles or metal compound particles is employed, the capacitance balance between the respective capacitance elements can be kept uniform, so that a highly accurate sensor can be obtained. It becomes.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a longitudinal sectional view showing a first embodiment of a capacitance type sensor according to the present invention.
FIG. 2 is an exploded perspective view showing each component of the capacitance type sensor.
FIG. 3 is a plan view for explaining a support plate provided in the capacitance type sensor.
FIG. 4 is a longitudinal sectional view for explaining a weight fixing structure provided in the capacitance type sensor.
5 (a) and 5 (b) are views for explaining a modified example of the same fixing structure having the same weight, and are enlarged views of a portion A in FIG. 4;
FIG. 6 is a view showing a second embodiment of the capacitance type sensor according to the present invention, and is a longitudinal sectional view for explaining a weight fixing structure.
[Explanation of symbols]
1 ... substrate (fixed substrate)
1a: Fixed electrode
3d: movable electrode (movable plate, movable electrode)
3d1 ... through-hole
4 ... weight
4b ... locking part
