专利名称：静电电容式传感器的制作方法
技术领域：
本发明涉及静电电容式传感器，尤其涉及适合于利用静电容量来检测双轴旋转中的位移量的结构。
背景技术：
利用静电电容变化的静电电容式传感器，例如检测倾斜的倾斜传感器是已知的。
该倾斜传感器具有面对面布置的一对电极，一边的电极设置在固定基板上，另一边的电极设置在挠性基板上。并且，在挠性基板上安装平衡锤，当传感器倾斜时，该平衡锤使挠性基板变形，使上述电极间的静电电容发生变化。并且通过检测该电容变化而检测出倾斜。
但是，利用挠性基板弹性变形的上述结构，挠性基板的摇动量�。荒苁咕驳绲缛荽蠓缺浠�。因此传感器的灵敏度低，用途有限。
发明内容
本发明是针对上述问题而提出的，其目的在于提供一种能增大电容变化的静电电容式传感器。
为了达到上述目的，本发明的静电电容式传感器，其特征在于具有支承部，中间部，它由支承部进行支承，能围绕第1轴摆动；活动部，它由中间部进行支承，能围绕与上述第1轴相垂直的第2轴中进行摆动；平衡锤，它设置在上述活动部上；活动电极，它形成在上述活动部上；以及基板，其上形成了与上述活动电极相对置的固定电极；上述活动电极和上述固定电极中的至少一方设置了多个，根据上述活动部的动作，来改变上述活动电极和上述固定电极之间的静电电容。
若采用该结构，则活动部能依靠支承部和中间部独立地围绕第1轴和第2轴进行摆动。因此，能使活动部容易摆动，能使摆动时的固定电极和活动电极的位移距离增大，能以良好的灵敏度来检测双轴的倾斜等。
最好利用沿上述第1轴设置的一对第1连结部来连结上述支承部和上述中间部；利用沿上述第2轴设置的一对第2连结部来连结上述中间部和上述活动部；利用具有挠性的板材来使上述支承部、上述中间部、上述活动部、上述第1连结部和上述第2连结部形成一个整体。
若采用该结构，则例如仅在单一的板材上设置切口，即可制造出中间部、活动部、第1连结部、第2连结部，所以，容易制造，而且能提高制造精度。
并且，也可以利用除上述第1连结部外的位置上所设置的第1切缝来对上述支承部和上述中间部进行分离，在上述第1切缝的端部上形成向上述支承部侧突出的下挖部。若采用该结构，则由于向切缝端部向支承部侧下挖而使第1连结部的长度增加，所以，中间部更容易在第1轴系中摆动，即使在由于不必要的外力而施加了大的扭转变形的情况下，也很难产生塑性变形。尤其，仅在支承部侧设置该下挖部，在中间部不产生局部变细的部位的情况下，扭转变形分散在整个中间部上，能防止局部应力集中，中间部塑性变形现象。
再者，也可以利用上述第2连结部除外的位置上设置的第2切缝，来对上述中间部和上述活动部进行分离，在上述第2切缝的端部上形成向上述活动部侧突出的下挖部。若采用该结构，则由于切缝端部向活动部侧下挖而使第2连结部的长度增加，所以，活动部更容易摆动，即使在由于不需要的外力而施加了大的扭转变形的情况下，也不易产生塑性变形。尤其，仅在活动部侧设置该下挖部而在中间部不产生局部变细的部位的情况下，扭转变形在整个中间部上被分散，能防止局部应力集中，中间部产生塑性变形的现象。
并且，也可以利用导电器材来构成上述活动部，使上述活动部具有上述活动电极的功能。若采用该结构，则不需要另外形成活动电极，所以能减少制造工序，降低制造成本。
也可以在上述平衡锤和上述活动部的接合部的周围近旁设置多个穿通孔。若采用该结构，则在利用铆接或熔焊方法来安装平衡锤的情况下，能使接合时产生的板材应力消失在接合部的周围近旁所布置的多个穿通孔内，缓解板材的变形。
也可以进一步设置间隙保持装置，以便保持上述固定电极和活动电极之间的间隙。若采用该结构，则能使电极间的间隔保持一定，提高检测精度。
而且，也可以将上述间隙保持装置作为支承凸起，以便支承上述活动部使其能在上述基板上摆动。若采用该结构，则活动部不会在基板侧挠曲，所以，当运算传感器的倾斜等时，不需要考虑平衡锤的重量造成活动部的垂直方向的位移，能简化计算。并且，也可以把上述间隙保持装置构成为一种为对上述固定电极的周围进行包围而设置的板材。
并且，也可以利用导电部件来构成上述间隙保持装置，通过上述间隙保持装置而向上述活动电极上供应电信号。若采用该结构，则不需要另外设置为供给电信号所需的布线，所以，能排除该布线所产生的寄生电容的影响，提高检测精度。
也可以利用被接地的导电性罩，至少来覆盖上述平衡锤、上述活动部和上述固定电极。这样，能排出外部噪声等的影响。
这时，希望把上述罩的形状制成为与上述活动电极的面相垂直，相对于通过该中心的轴来说大致为轴对称。若采用该结构，则静电电容不会产生多余的初始偏差，能提高检测精度。
也可以在上述罩和上述基板之间设置垫圈。若采用该结构，则能防止异物，焊剂和水分等侵入到罩内部。
图1是表示涉及本发明第1实施方式的静电电容式传感器的整体结构的分解斜视图。
图2是表示涉及本发明第1实施方式的静电电容式传感器的整体的结构的概要断面图。
图3是表示涉及本发明第1实施方式的静电电容式传感器的支承板结构的放大平面图。
图4是表示涉及本发明第1实施方式的静电电容式传感器的基板结构的平面断面图(板材11的平面图)。
图5是说明涉及本发明第1实施方式的静电电容式传感器的基板结构的平面断面图(板材12的平面图)。
图6是说明涉及本发明第1实施方式的静电电容式传感器的基板结构的平面断面图(板材13的平面图)。
图7是说明涉及本发明第1实施方式的静电电容式传感器的基板结构的平面断面图(板材13的背面图)。
图8是说明涉及本发明第1实施方式的静电电容式传感器的基板结构的平面断面图(板材14的背面图)。
图9是表示涉及第2实施方式的静电电容式传感器的整体结构的概要断面图，是与图2相对应的图。
图10是表示涉及第3实施方式的静电电容式传感器的整体结构的概要断面图，是与图2相对应的图。
图11是表示涉及第4实施方式的静电电容式传感器的整体结构的概要断面图，是与图2相对应的图。
图12是表示本发明的静电电容式传感器的其他电极形状的平面图。
图13是表示本发明的静电电容式传感器的另一其他电极形状的平面图。
图14是表示本发明的静电电容式传感器的其他支承板形状的平面图。
图15是表示本发明的静电电容式传感器的另一其他支承板形状的平面图。
图16A是表示本发明的静电电容式传感器的其他平衡锤的结构例的断面图。
图16B是表示本发明的静电电容式传感器的另一其他平衡锤的结构例的断面图。
具体实施例方式
以下根据图1～图8，详细说明涉及本发明的静电电容式传感器。
图1是本实施方式的传感器的分解斜视图。图2是本实施方式的传感器的整体结构概要断面图。图3是构成其主要部分的支承板的放大图。图4～图8均为表示其基板结构的图。
而且，在以下各附图中，为便于识别附图，对各结构要素的厚度和尺寸的比率等适当给予差异。
本发明实施方式的静电电容式传感器，如图2所示，在基板1的上面11S侧具有用于检测电信号的检测部K，在基板1的下面13R侧具有处理电路1c，用于处理从检测部K检测出的电信号。在本实施方式中，检测部K构成为静电电容式倾斜检测部K，用于把传感器的倾斜作为静电电容变化而进行检测，具有形成在基板1的上面11S上的多个电容检测用的电极1a、与这些电极1a相对置的支承板3、以及用于把扭转变形加到该支承板3上的平衡锤4。
基板1的主体由陶瓷或环氧树脂积层板构成，其表面上形成多个(图1中为4个)电极(固定电极)1a，形成围棋格子状，同时，在基板1外周部上形成了框状电极1d，对这4个电极1a进行包围。这样设置4个电极1a，其目的在于当在某一方向上整体倾斜时支承板3和特定的电极1a的间隔扩大(即静电电容减小)，另一方面，从平面看，与其对置的电极1a和支承板3的间隔减小(即静电电容增大)，利用这些差动信号能求出倾斜方向及其程度。
这些电极1a、1d，利用在厚度方向上穿过基板1的下述通孔电极H1、H2来与处理电路1c导通。
在基板1的中央部设置了凸部(支承凸起)1b。在基板1上，与电极(固定电极)1d相重叠，设置了沿外周的框状导电性衬垫2(间隙支承装置)。衬垫2和凸部1b一起使后述的万向支架结构的支承板3和基板1的间隔保持一定。形成使支承板3的一部分能摆动的空间，同时设置一种导通装置，用于使处理电路1c和安放部3d进行导通。
在衬垫(spacer)2上对挠性板材的支承板3进行积层。该支承板3例如由厚度约50μm的不锈钢板等薄的金属单板来形成，支承板3的外周部分作为支承部3a，与衬垫2紧密接合受到支承。支承部3a如图3所示，形成为矩形框状，在与其对置的一对边的内周中央，设置了面向内侧的一对第1轴部(第1连结部)3c。一对第1轴部3c的另一端(内侧的端部)与中间部3b相连接。中间部3b因倾斜而使一对第1轴部3c产生扭转变形，能围绕轴进行摆动。
中间部3b的形状也是矩形框状，在其内周上，在与一对第1轴部3c相垂直的位置上，在互相对置的位置上设置了一对第2轴部(第2连结部)3e。一对第2轴部3e的另一端(内侧的端部)与安放部(活动部)3d相连接。该安放部3d，随着第2轴部3e产生扭转变形而能围绕轴摆动，同时，中间部3b围绕轴部3c的轴进行摆动，这样，也能围绕第1轴部3c的轴进行摆动。
本实施方式的支承板3，支承部3a、中间部3b、第1轴部3c，安放部3d、第2轴部3e全都通过在一块金属板上设置槽孔(切缝)而形成。因此，加工也容易，并且也容易达到精度，也就是说，支承部3a和中间部3b由平面图视为U字形的第1切缝31来进行分离，该切缝31被设置在把第1轴部3c除外的位置上；中间部3b和安放部3d利用平面图形大体为U字形的第2切缝32来进行分离，该切缝32被设置在把第2轴部3e除外的位置上。并且，安放部3d用金属板材来构成，所以，作为活动部的安放部3d也能作为本发明的活动电极使用。
并且，本支承板3，为防止因扭转而使轴部3c、3e产生塑性变形，在第1切缝31的两端部和第2切缝的两端部分别形成向支承部3a侧和安放部3d侧突出的下挖部31a、32a，使轴部3c、3e形成的长度超过为防止塑性变形所必须的长度。这些下挖部31a、32a没有在中间部3b侧形成，而是让轴部3c、轴3e分别仅在支承部3a侧、安放部3d侧下挖。
这是因为，例如，在中间部3b侧形成了下挖部31a、32a的情况下，中间部3b利用这样的下挖部而使局部变细，扭转所产生的应力集中在该变细的部分，中间部3b可能产生塑性变形。这种应力集中容易产生在中间部3b的粗度局部变细的部位上。因此，为了把扭转力分散到整个中间部3b上，在中间部3b侧不设置下挖部，而是让中间部3b的框的粗度大体保持一定。
在安放部3d的基板1的相反侧的中央部，安放了通过粘接、电焊、激光点焊、铆接等方法而安装的平衡锤4。平衡锤4的重心在垂直方向上偏离上述第1轴部3c、第2轴部3c中的某一轴线(即平衡锤4的重心位置高于支承板3的重心位置)。因此，若使传感器倾斜，则根据其方向不同而产生对某一轴线或两个轴线的力矩。于是，第1轴部3c、第2轴部3e产生扭转变形，安放部3d和4个电极1a各自之间的间隔发生变化。
而且，平衡锤4如图2所示，呈T字形状，其底部(下部)4a比主体部即头部(上部)4A细，它和底部4a的粗细与头部4A的的粗细相同的平衡锤相比，重心位置高。因此，在平衡锤4质量相同的情况下，用平衡锤4的质量和重心位置的积来表示的力矩增大，能提高对倾斜的灵敏度。
再者，在安放部3d的下面，与上述凸部(间隙保持装置)1b抵接，使电极1a和安放部3a的间隔(间隙)g保持一定，同时，能抵消向下的平移加速度(重力等)的影响。也就是说，在不设置凸部1b的情况下安放部3d在平衡锤4的重力作用下向基板1侧产生若干挠曲，在作为活动电极的安放部3d和电极1d之间的静电电容中作为偏移量，包括该翘曲所造成的静电电容的增加量在内。该偏移量在传感器倾斜小的情况下增大；相反，在传感器接近垂直的情况下由于该挠曲减小而减小。
其结果，静电电容与平衡锤4的力矩的关系并不是直线变化，在从这种静电电容中求出传感器的倾斜角的情况下，必须进行对安放部3d的垂直方向位移进行校正的运算。因此，利用凸部1b从下面侧对安放部3d进行支承，防止这种挠曲，这样使静电电容相对于力矩呈直线变化关系，使运算简化。
再有，只要没有使传感器极端倾斜，平衡锤4的重量就不会直接加到第1轴部3c、第2轴部3e上。因此，由平衡锤4的重量可以看出，使第1轴部3c、第2轴部3e变细，也不易产生永久变形。所以，能在保持耐冲击性不变的情况下使轴部3c、3e变细。当然，2个轴部越细，刚性越低，所以，要对倾斜所产生的力矩敏感易变形，能提高检测精度。
并且，凸部1b的高度稍稍高于安装支承部3a的衬垫2的厚度上加上电极1d的厚度后的尺寸，(或者衬垫2和电极1d的合计厚度稍小于凸部1b的高度)，安放部3d比支承部3a离基板1更远，安放部3d在凸部1b的作用下受到向与基板1相反的一侧的作用力。该作用力的大小决定于凸部1b的高度和衬垫2的厚度的差，例如，在由凸部1b来决定间隙的情况下，通过调节衬垫2的厚度来设定最佳作用力。
在支承部3a上对绝缘性框状固定板5进行积层，把薄的支承板3均匀地按压到衬垫2上加以固定。并且，在固定板5上对止动器8进行积层，该止动器8作为限制摆动装置用于限制支承板3的过大挠曲。该止动器8由厚度大于支承板3的刚性良好的平板器材构成，通过由固定板5准确规定的间隙而被布置在支承板3的对面。并且，在不需要的外力作用于传感器，使支承板3的翘曲量增大的情况下，中间部3b和安放部3d碰到该止动器8的下面上，以此来限制摆动。
并且，在止动器8的中央部，设置了为穿过平衡锤4所用的穿通孔(孔部)8a，该孔8a从平面看被布置在支承板3上所形成的切缝32的内侧(即安放部3d的外周部布置在孔8a的外侧)，这样，在安放部3d受到不需要的外力而大幅度摆动时，其外周部被孔8a卡�。乐顾鹕酥С邪�3。
而且，对支承板3的挠曲也可以利用与支承板3之间留有微小间隔，布置在对面的基板1来进行辅助的限制。这时为了防止基板1上的电极1a和安放部3d相接触，产生异常信号，电极1a的外周端部布置的位置，与安放部3d的外周端部3d的外周端部因摆动而与基板1相接触的位置相比，前者位于内侧。
在止动器8上通过绝缘性衬垫9而覆盖金属制(导电性)罩子6。这是为了保护传感器，以便防尘、防滴、防止传感器周围的带电物造成电容量变化，防止杂波和使用不注意。
该罩子6由圆筒形头部6b、向其周边部扩展的法兰部6a和外周部的舌状突出部6c构成，在利用该法兰部6a均匀地按压固定板5的状态下，把外周部的突出部6c的前端弯曲到基板1的背面一侧进行铆接，把罩子6固定在基板1上。这样，利用罩子6的法兰部6a把衬垫2、支承板3、固定板5、止动器8、衬垫9按压固定到基板1上，这样就不需要在各零件之间使用粘接剂，能提高装配精度。
并且，在法兰部6a和基板1的外周部之间装入垫圈7，能防止异物，助焊剂，水分等侵入到罩子6的内部。
而且，如图1所示，在衬垫9的下面上设置多个突起9a。该突起9a插入到与止动器8、固定板5、支承板3、衬垫2的各零件相对应而形成的定位用孔内，嵌入到基板1上所设置的凹部(孔部)1h内，这样对各零件进行定位并且定位精度高。
再者，在突出部6c所搭接的基板1背面侧，形成了接地图形(金属面)13f(参见图7)，通过该接地图形13f来对罩子6进行接地，能排除外部杂波等的影响。尤其，使罩子6的形状与垂直通过上述安放部3d中心的轴线相对称，静电电容可以不产生多余的初始误差。本实施方式的罩子6，相对于电极1a只有一部分形成凸起形状，但不言而喻，并不仅限于此。
不过，基板1是一种多层布线板，其结构是由陶瓷或环氧树脂等构成的绝缘性板材11～14的积层体。各板材11～13的上面11S～13S和板材13、板材14的下面13R、14R分别构成检测电极层、接地层、电源层、芯片安装层、连接电极面。
在基板1的上面(即板材11的上面)的检测电极层11S上，如图4所示，在其中央部由4个电极1a，例如利用Ag(银)的图形印刷而形成围棋盘网格状。并且，在检测电极层11S的外周部上与衬垫2相导通的电极1d形成矩形框状。
并且，电极1a和电极1d分别通过从检测电极层11S穿通到芯片实装面13R的穿通孔电极H1、H2而与芯片实装面13R上的端子13a、13b相连接(参见图4～图7)。该穿通孔电极H1、H2是在用激光加工或冲压加工等方法而形成的细孔的内侧，用丝网印刷法充填银浆，对其进行烧结，制造导电部。各电极1a、1d通过该穿通孔电极H1、H2以最短距离连接到端子13a、13b上，几乎不受电气干扰的影响，能与处理电路1c之间进行检测信号和驱动信号等电信号的输出和输入。
接地层12S防止从支承板3来的驱动信号不通过电极1a而侵入到处理电路1c内，同时具有噪音屏蔽功能，能够切断从基板1的外部(在检测部K中从基板1的下面侧，在处理电路1c中从基板1的上面侧)进入的噪音，如图5所示，除了穿通孔电极H1、H2部分和板材12的外周缘部外的几乎整个面上都构成Ag等金属面(导电面)12f。并且，该金属面12f利用从图5所示的接地层12S穿通到图7所示的芯片实装面13R的许多个穿通孔电极H3，与芯片实装面13R上的接地图形13f相导通，与端子13d相连接，同时通过形成在基板1的侧面上的取出电极142而进行接地(参见图7)。而且，设定许多个穿通孔电极H3是为了把接地图形的金属面12f设定为均匀的接地电位。
并且，为了抑制由支承板3和电极1a构成的信号检测用电容器的电容耦合，使接地层12S和检测电极层11S充分隔离开，例如板材11采用厚度0.4mm的，而且该板材11的厚度最好为0.3mm以上，这样，能有效地防止与检测部K的电容耦合。
电源层13S和接地层14S一起作为旁路电容器使用，如图6所示，除穿通孔电极H1～H3部分和板材13的外周缘部外的几乎整个面上都构成了Ag等金属面(导电面)13g。并且，该金属面13g利用从电源层13S穿通到芯片实装面13R的穿通孔电极H4，与芯片实装面13R上的端子13c相连接，(参照图7)，同时，通过形成在基板1的侧面上的取出电极141而设定为电源电位。
并且，接地层12S比基板1的上面(检测电极层)11S更接近电源层13S，电源层13S和接地层12S布置在互相接近的位置上，例如，板材12采用厚度0.1mm的薄板。这样，利用接地层12S和电源层13S来形成旁路电容器，不需要另外设置电容器，所以，能进一步简化传感器结构。而且，该板材12的厚度最好为0.2mm以下，这样，能充分发挥上述旁路电容器功能。
再有，为了抑制比接地层12S更容易受到噪音影响的电源层13S和处理电路1c的电容耦合，在金属面13g上把与处理电路1c的安装位置相对应的中央部分的金属图形除掉，形成空白部13f。
在芯片实装面13R上如图7所示，作为对检测部k和处理电路1c进行连接的信号线，形成一种分别对穿通孔电极H1、H2和端子(接点)13a、13b进行连接的短的引出布线，同时从处理电路1c向无图示的外部装置的输出线，形成了对端子(接点)133～136和取出电极143～146进行连接的引出布线。并且，为了切断外部噪音，在穿通孔电极H1～H4部分和这些引出布线以外的区域内，形成了作为接地图形的Ag等金属面13f。
再者，为了抑制上述电源层13S和接地层12S所构成的旁路电容器的电容耦合，使电源层13S和芯片实装面13R充分隔离开，例如，板材13采用厚度大于板材12的0.2mm。而且，该板材13的厚度最好为0.15mm以上，这样，能有效地防止处理电路1c和检测部K或者处理电路1c与上述旁路电容器的电容耦合。
在连接电极面14R上如图8所示，形成6个外部连接电极14a～14f，分别与设置在基板1的侧面上的取出电极141～146相连接。并且，利用锡焊等方法把连接电极面14R安装到外部的安装电路板PCB上，使静电电容式传感器通过外部连接电极14a～14f而连接到无图示的外部装置上。并且，通过外部连接电极14b对罩子6和接地层12S(接地图形的金属面1f)进行接地，同时，通过外部连接电极14a把电源从外部装置供给到接地层13S(金属面13g)上，通过外部连接电极14c～14f来把处理电路1c的处理结果输出到外部装置上。
而且，在板材14上，由安装处理电路1c用的穿通孔构成的安装凹部14g形成在中央部，设定板材14的厚度，以便能在安装电路基板上对连接电极面14R进行表面安装，也就是说，防止处理电路1c从连接电极面14R上突出来。
并且，在板材14上，为安装罩子6的凸部6c所用的缺口部14h形成在对置的侧面上，利用该缺口部14h使芯片实装面13R的接地图形13F的一部分露出。并且，通过在缺口部14h内的接地图形13f上铆接凸部6c的前端，使罩子6和接地图形13f处于导通状态。
处理电路1c安装在基板1的背面侧的芯片实装面13R上，芯片实装面13R内的信号检测用的端子13a、13b、电源用的端子13c、接地用的端子13d和信号输出用的端子133～136以及处理电路1c的许多个铝制的端子300a，分别用金凸点310进行连接。并且，通过驱动用的端子13b来把驱动信号加到支承板3上，利用与该支承板3相对置的电极1a而检测出的电压等电信号通过检测用的端子13a而输入到处理电路1c内，利用该电信号来求出信号检测用电容器的容量变化。
由该支承板3和电极1a构成的信号检测用电容器有4个，根据这4个电容器的容量变化来计算出静电电容式传感器的倾斜方向和倾斜量。并且，该计算结果通过信号输出用的端子133～136和外部连接电极14c～14f而输出到外部装置上。
而且，为了提高接合性，最好对端子(接点)13a～13d、133～136和端子300a上进行镀金。
在此，在本实施方式中，处理电路1c由集成电路的裸芯片构成。该裸芯片是在由硅等半导体构成的衬底(半导体衬底)300b的一个面的中央部上利用热扩散法或离子注入法等方法，形成所谓扩散层的电路部300c。并且，包括电路部(扩散层)300c在内的裸芯片(处理电路)1c的一面(在图1中为上面)；几乎全区都由SiO2(二氧化硅)等绝缘膜(无图示)进行覆盖。在该绝缘膜上形成了其一端分别与多个端子300a相导通的多个Al(铝)图形(无图示)。而且，在位于电路图300c上的上述绝缘膜上，在规定位置上设置了多个微小穿通孔，通过该穿通孔使电路部300c的规定部位与上述铝图形相导通。
并且，与接地用端子(接点)13d和凸点连接的端子300a相导通的铝图形，通过位于衬底300b上的上述绝缘膜的无图示的微小孔而与衬底300b相连接。这样，衬底300b通过Al图形、接地用端子300a、金凸点310、焊点13d、和通孔电极H3，与作为基板1的接地图形的金属面12f(接地层)形成导通状态。所以，电路部300c被下面和周围接地的衬底300b进行包围，在上面侧存在接地层12S，所以形成了基本上完全屏蔽的结构，几乎不会受外部噪声影响。
再者，为增加强度，利用环氧树脂等绝缘性树脂320来把处理电路(裸芯片)1c和芯片实装面13R粘接成一个整体。具体的方法是使作为处理电路1c的安装面的芯片实装面13R向上，用调合器等把液状的环氧树脂320涂敷在被焊点包围的部分，在芯片实装面13R上进行定位安装，使处理电路1c的电路部300c的形成面侧与基板1相对置。这时，环氧树脂320依靠其流动性而达到被压扩展的金凸点310的周围。并且，从处理电路1c的背面侧加上超声波，利用金凸点310来对焊点13a～13d、133～136和处理电路1c的端子300a进行超声波焊接。然后，通过加热使环氧树脂320进行热固化，使处理电路1c与芯片实装面13R粘接成一个整体。
而且，该树脂320覆盖在端子300a的周围，防止接合部和端子300a受腐蚀等。并且，也可以用环氧树脂320覆盖整个处理电路1c。但衬底300b被接地，所以，没有必要全部覆盖。而且，和通常的传感器一样，当然，也可以把处理电路1c设置在传感器外部，但安放部3d和各电极1a之间的静电电容(也取决于大小)不到1pF，用通常的金属丝布线拉到处理电路1c的输入上，考虑到装配的误差，倾斜所造成的金属丝移动、以及与其伴随的电容变化、以及噪音和随时间的变化，不能说是现实的。所以在要求高检测精度的情况下，如上述结构那样，把处理电路1c设置在基板1的背面侧，最好用最短的距离来把检测信号输入到处理电路1c内，尽量排除外部噪音等对检测信号的影响。
以下说明传感器的动作。如上所述，当使整个传感器进行倾斜时安放部3d和各电极1a的间隔发生变化，这样，其相互间的静电电容也发生变化，通过对其进行电气检测即可测量出倾斜。
也就是说，当使传感器倾斜时，平衡锤4以凸部1b和安放部3d的搭接位置为中心进行摆动，对安放部3d施加轴部3c或轴部3e旋转力矩。
并且，由于该平衡锤4的倾斜而产生的扭转力矩被分离成为轴部3c或轴部3e的旋转扭力，根据传感器的倾斜方向和倾斜角度使安放部3d在二轴3c、3e旋转方向上独立地摆动。这时，安放部3d的摆动中心借助于凸部1b相对于基板1经常离开一定间距，检测用电容器的静电电容相对于倾斜所产生的扭力按直线进行增减。并且，平衡锤4形成为断面T字形，重心位置提高，所以扭力增大，并且，支承板3的轴部3c、3e由于下挖部31a、32a而增长，所以，轴部3c、3e的刚性降低，即使传感器稍有倾斜，也会使安放部3d相对基板1产生大幅度摆动。
并且，在轴3c、3e对扭转变形的弹性力、以及各轴部3c、3e旋转的扭转力达到平衡时的角度能使安放部3d停止。
然后，由于该安放部3d摆动，由安放部3d和各电极1a所构成的信号检测用电容器的静电电容发生变化，该容量变化通过穿通孔电极H1和端子13a，作为电信号而被输入到安装在电极1a大致正下边的处理电路1c内。然后，由处理电路1c处理的结果，通过连接电极14R的外部连接电极14c等而输出到外部装置内。
而且，支承板3作为共用电极使用，所以，若将其制成电气接地的检测电路结构，则能获得良好的屏蔽效果。
所以，若采用本实施方式的静电电容式传感器，则利用中间部3b来支承安放部3d，使其能在第2轴部旋转方向上进行摆动。同时，利用支承部3a来支承中间部3b使其能在与第2轴部相垂直的第1轴部旋转方向上进行摆动，所以，能使安放部3d沿2轴旋转方向独立地进行摆动。因此，与单纯利用挠性基板的弹性变形使静电电容变化的过去的静电电容式传感器相比，安放部3d容易摆动，能使摆时的电极1a和安放部3d的位移距离增大。因此用一个传感器，根静电电容的变化能够很灵敏地检测出因2轴旋转的倾斜而使安放部3d产生的位移。
并且，平衡锤4的底部4a比作为主体的头部4A细，所以，与底部4a和头部4A粗细相同的情况相比，能提高平衡锤4的重心位置。因此，能对支承板3施加大的力矩，能提高灵敏度。并且，在此情况下，由于头部4A和底部4a的重量比而使平衡锤4的重心位置发生变化，所以，例如在平衡锤4的重量一定的情况下，使头部4A与底部4a的重量比增大，能够增大作用于支承板3上的力矩，能提高灵敏度。并且，在力矩一定的情况下，能减轻平衡锤4，所以，传感器的耐冲击性也提高。进一步这样使底部4a变细，能减小在安放部3d上的安装面积，提高支承板3的设计自由度。这也是优点。
并且，在第1切缝31和第2切缝32的两端部上，分别形成了向支承部3a侧和安放部3d侧突出的下挖部31a、32a，使轴部3c、3e增长，所以，不易出现由于扭转变形而使轴部3c、3e塑性变形，能增大摆动量。这时，下挖部31a、32a分别仅设置在支承部3a侧和安放部3d侧，使中间部3b的框架的粗度一定，所以，扭转力均匀地分散到整个中间部3b上，能防止应力局部集中在中间部3b上，造成中间部塑性变形。所以，在使中间部3b的框架粗度整体变细，使支承板3的挠度增大的情况下，也能使中间部3b不易塑性变形，不妨碍传感器的耐冲击性，能提高灵敏度。
再有，利用衬垫2和凸部1b来分别支承支承板3的外周部和中央部，所以能使支承板3和电极1a的间隔保持一定。尤其安放部3d借助于凸部1b从下面侧受到支承，所以，不会出现因平衡锤4的重量作用而向基板1侧挠曲。因此，在计算传感器的倾斜等时，不必考虑平衡锤4的重量所造成的安放部3d的垂直方向的位移，能简化计算，提高检测精度。
并且，凸部1b的高度大于衬垫2的厚度，所以，中间部3b从第1轴部3c到第2轴部3e向上变形成凸状，安放部3d被中间部3b经常按压到凸部1b上，形成加预压的状态。因此，即使传感器颠倒，也能顶住平衡锤4的重量，使安放部3d顶住凸部1b。这样，能使安放部3d和基板1之间的间隔经常保持一定，不管传感器的安装状态如何，都能使检测精度经常保持一定。并且，即使利用使传感器旋转的用法，也不会使安放部3d和凸部1b反复冲击，而产生变形或损坏。
而且，这种作用力的大小决定于衬垫2的厚度和凸部1b的高度的差。例如，在利用凸部1b的高度来调节间隙的情况下，通过适当调整衬垫2的厚度，即可独立于间隙而调节作用力。这样，独立地调节凸部1b的高度和衬垫2的厚度，即可同时提高由间隙决定的传感器的灵敏度和安放部3d的保持状态的稳定性。
再者，通过衬垫2把规定的电信号供给到安放部3d内，所以，不必另外设置信号供给用布线，不受该布线寄生电容的影响。
以下根据图9，详细说明本发明第2实施方式的静电电容式传感器。它和第1实施方式的不同之处在于没有凸部1b，取代它的是，突起部(支承突起)4b从平衡锤4的底部4a中伸出。该突起部4b通过形成在安放部3d的中央部的孔3f而与基板1上的4个电极1a之间相搭接。并且，安放部3d利用该突起部4b而与基板1保持一定间距，同时，以突起部4b和基板1的搭接位置(支承位置)为中心进行摆动。
并且，在基板1的4个电极1a的中央部形成了支承突起部4b的前端部的凹曲面型的凹部1e，能把突起部4b的前端部的支承位置加以固定，防止在面方向上产生偏移。该凹部1e从平面看，在其中心上设置在包括平衡锤4的重心位置的位置上，这样，利用突起部4b来支承平衡锤4的重心位置。
再有，支承板3的支承部3a直接在电极1d上进行积层，安放部3a的中央部借助于突起部4b而保持在与基板1相反一侧受力的状态下。因此，安装在安放部3d上的平衡锤4经常处于被按压到基板1侧上的状态，即使传感器颠倒也能顶住平衡锤4的重量，把突起部4b前端部按压到基板1上。
并且，基板1是兼有衬垫2的功能的树脂成形品，支承板3的支承部3a被安装在基板1上，同时电极1a设置在台阶部(凹部)G的底面上。
所以，即使本结构也能发挥出与上述第1实施方式的凸部1b相同的功能。并且、利用与平衡锤4构成一体的支承突起部4b来把平衡锤4支承在基板1上，因此，能以很高的精度来决定突起部4b的支承位置(突起部4b在基板1上的搭接位置)和平衡锤4的重心位置的位置关系。并且，固定的状态是作为平衡锤4的摆动中心的支承位置在与平衡锤4的重心位置从平面看相一致的位置上从面方向上没有位置偏移，因此，在传感器为水平的中立状态时安放部(活动部)3d和基板1是平行的，除了能防止产生信号漂移外，还能使安放部3d相对于固定电极1a进行摆动时平衡状态良好。这样，对各个方向的外力，均能使安放部3d的摆动量相等，不管倾斜方向(即应力的方向)如何，均能使传感器的灵敏度一定。
并且，本结构在电极1d和支承部3a之间，未设置前一实施方式中必须的衬垫2等，因此，能减少零件数量和装配工序数，能降低制造成本。再有，能用凹部1e来保持突起部4b的前端部在基板1上的位置使其在面方向上不会偏移。因此，能使安放部3d平常以相同的位置为中心进行摆动，能使检测精度稳定。
以下根据图10，详细说明本发明第3实施方式的静电电容式传感器。本传感器使支承板3的外周部3g向基板1侧弯曲，利用该弯曲的外周部3g来把支承板3支承在基板1上，使安放部3d和电极1a离开。在上述第1实施方式的传感器结构中，省略了衬垫2，并且，此外和第1实施方式的结构相同。
本结构也不需要在支承部3a和基板1之间另外设置衬垫等，所以，能提高电极1a和安放部3d的间隔精度，此外，能减少零件数量和装配工时数，能降低制造成本。而且，本结构通过更改支承部3a的外周部3g的弯曲的大�。纯傻鹘诎卜挪�3d的作用力。
以下根据图11，详细说明本发明第4实施方式的静电电容式传感器。本传感器是在上述第1实施方式的传感器的结构中，省略了凸部1b，仅利用衬垫2来保持安放部3d和基板1之间的间隙g。本结构在采用平衡锤4的重量的支承板3的挠曲量较�。梢院雎圆患频那榭鱿率怯行У模芡ü÷酝共�1b而简化结构，降低成本。
以下根据图12和图13，详细说明本发明的上述各实施方式中的电极(固定电极)1a的变形例。它与图4所示的电极1a的不同之处是其布配和形状。图12的形式是电极1a′是圆形。也就是说，各电极1a′构成为把图形电极分割成4个的扇形环状体的各扇形电极。该型式，例如安放部3d在纸面的右上45°的方向上有一定量的倾斜时，假定从右上的电极获得了100的输出，那么，下一次按照相同的量向上进行倾斜的情况下，从右上的电极能获得50的输出；从左上的电极能获得50的输出。也就是说，相对于中心来说任何方向也都是对称的，所以，不管方向如何，均能使其灵敏度特性一定。
图13电极1a”的形状大致呈3角形状。也就是说电极1a”构成为用对角线把矩形电极分割成4个所获得4个大致为3角形的电极。图13与图4相比较，前者从内侧起外周部的扩展较大，灵敏度容易提高。
并且，由于电极被分离成上下左右方向(轴部3c、3e方向)，所以，其优点是例如，相对于安装传感器的机器的基板(无图示，也与机器基板的方向有关)，即使对传感器不按俯视倾斜45度进行安装，也能对上下左右方向的检测，用处理电路1c来简化运算。也就是说，通过安放部3d的摆动中心的、与基板1相垂直的直线和与基板1的交点作为原点，把轴部3e的轴向和轴部3c的轴向分别作为X轴向、Y轴向的坐标系中，在X轴上和Y轴上分别设置2个电极1a”，使各轴上的上述2个电极1a”的布置位置相对于原点呈对称状。能使轴部3c周围的摆动和轴部3e周围的摆动独立地进行，能对各轴3c、3e周围的信号进行分离。
以下根据图14、图15，详细说明本发明的上述各实施方式中的支承板3的变形例。图14所示的支承板3与图3所示的不同之处是第1轴部3c、第2轴部3e的位置。在支承板3的外形大致为正方形的情况下，为了降低第1轴部3c、第2轴部3e的刚性，若使其长度增长，则与边的中央相比，设置在角上的不易压缩对中间部3b、安放部3d的空间，而容易使其增长。因此，能一边确保在轴部3c、3e上为防止变形所需的长度，一边压缩轴部3c、3e、中间部3b和安放部3d的体积，能使传感器更加小型化。
图15所示的支承板3，是在图3所示的支承板中，在安放部3d的中央部与平衡锤4的接合部的周围，形成了切缝状穿通孔(切缝孔)10。该孔10沿着以上述接合部为中心的圆周设置了许多(在图15中为4个)，并布置成与轴部3c、3e相对称的状态。例如，在利用熔焊法把平衡锤4连接到安放部3d上的情况下，把切缝孔10设置在接近作为接合部的各熔焊部的外周侧的地方。并且，在利用铆接法来把平衡锤4连接到安放部3d上的情况下，沿着作为接合部的铆接部的外周而形成多个圆弧状切缝孔10。而且，为了把在切缝部分上损失的电容器容量控制到最小限度，最好把切缝孔10布置在平面图中邻接的电极1a、1a之间。
若采用本结构，则能使把平衡锤4接合到安放部3d上时施加到接合部上的变形时的应力分散到孔10的部分上。这样，能防止支承板3的翘曲和变形，能提高传感器的检测精度。并且，孔10相对于轴部3c、3e被布置成对称状，所以，能缓解检测精度在各轴向上的偏移。
而且，本发明不仅限于上述实施方式，而且在不脱离本发明要旨的范围内能以各种变形方式来实施。
例如，在上述各实施方式中，在一个安放部3d(即活动电极)上把多个固定电极1a布置成对置状态，相反，也可以在一个固定电极1a上把多个活动电极3d布置成对置状态。也就是说，也可以在基板1上设置一个电极1a，在绝缘性的安放部3d的下面侧形成多个(例如4个)活动电极。并且，也可以把固定电极1a和活动电极3d两者分割成许多个，布置成对置状态。
在上述第1实施方式中也可以不是通过衬垫2把电信号供给到安放部3d内，而是通过凸部1b把电信号供给到安放部3d内。也就是说，把凸部1b作为导电材料，利用在厚度方向上穿过基板1的穿通孔电极来使凸部1b和处理电路1c进行导通。即使该结构，也能获得与上述第1实施方式相同的效果。在此情况下，不需要设置在基板1外周部上的电极1d。
并且，在上述各实施方式中，支承板3不仅限于用金属板，也可以利用挠性的平面状材料，例如金属、半导体或绝缘体。并且，对其厚度也不特别限制。适合选用聚酰亚胺等高分子薄膜和金属箔、或者通过腐蚀而制成薄膜的硅衬底等。而且，在板材3选用绝缘性材料的情况下，必须在与基板1对置的面上形成铜箔等导电膜(活动电极)。
再有，平衡锤4的形状并不仅限于上述断面为T字形的形状，也可以选用图16A所示的伞形状。该伞形平衡锤4，是在上述断面为T字形的结构中，把头部4A的外周侧构成为厚壁(或者把头部4A的内周部构成为比外周部薄的壁)，这样，不改变平衡锤4的高度，即可进一步提高平衡锤4的重心位置。
并且，当然也可以把平衡锤4制成单纯的圆柱形状。在此情况下，平衡锤4最好构成为底部4a侧与头部4A相比，前者每单位长度的重量较大。再有，例如图16B所示，也可以对平衡锤4的底部4a和头部4A分别采用不同比重的材料M1、M2。具体来说，材料M1可采用尼龙、聚缩醛、PBT、ABS树脂等比重小的树脂，而材料M2可采用在上述树脂中充填不锈钢粉末等金属颗粒使其比重大于M1的混合材料。这样，材料M1、M2采用树脂，容易通过双重成形(两样材料成形)来制造平衡锤4，能更方便地设计出平衡锤4的形状等。
并且，在上述第1～第3实施方式中，利用从基板1向安放部3d侧凸出的凸部1b或者从平衡锤4向基板1凸出的突起部4b，来防止安放部3d向基板1侧挠曲。究竟采用哪种方法，可任意决定。
再有，在上述各实施方式中，以倾斜传感器为例说明了本发明的静电电容式传感器，但本发明不仅限于倾斜传感器，例如也可以是加速度传感器或冲击传感器。
若采用上述的本发明，则活动部依靠支承部和中央部能在第1轴部周围和第2轴部周围独立地摆动。因此，活动部容易摆动，能增大摆动时的固体电极和活动电极的位移距离，能通过静电电容的变化以高灵敏度检测出在2轴周围的活动部位移。
权利要求
1.一种静电电容式传感器，其特征在于具有支承部，中间部，它由支承部进行支承，能围绕第1轴摆动；活动部，它由中间部进行支承，能围绕与上述第1轴相垂直的第2轴进行摆动；平衡锤，它设置在上述活动部上；活动电极，它形成在上述活动部上；以及基板，其上形成了与上述活动电极相对置的固定电极；上述活动电极和上述固定电极中的至少一方设置了多个，根据上述活动部的动作，来改变上述活动电极和上述固定电极之间的静电电容。
2.如权利要求1所述的静电电容式传感器，其特征在于利用沿上述第1轴设置的一对第1连结部来连结上述支承部和上述中间部；利用沿上述第2轴设置的一对第2连结部来连结上述中间部和上述活动部；利用具有挠性的板材来使上述支承部、上述中间部、上述活动部、上述第1连结部和上述第2连结部形成一个整体。
3.如权利要求2所述的静电电容式传感器，其特征在于利用除上述第1连结部外的位置上所设置的第1切缝来对上述支承部和上述中间部进行分离，在上述第1切缝的端部上形成向上述支承部侧突出的下挖部。
4.如权利要求2所述的静电电容式传感器，其特征在于利用除上述第2连结部外的位置上设置的第2切缝，来对上述中间部和上述活动部进行分离，在上述第2切缝的端部上形成向上述活动部侧突出的下挖部。
5.如权利要求1所述的静电电容式传感器，其特征在于利用导电器材来构成上述活动部，使上述活动电极由上述活动部构成。
6.如权利要求2所述的静电电容式传感器，其特征在于在上述平衡锤和上述活动部的接合部的周围近旁设置多个穿通孔。
7.如权利要求1所述的静电电容式传感器，其特征在于具有对上述固定电极和上述活动电极之间的间隙进行保持的间隙保持装置。
8.如权利要求7所述的静电电容式传感器，其特征在于上述间隙保持装置由支持凸起构成，以便支承上述活动部，使其能在上述基板上摆动。
9.如权利要求7所述的静电电容式传感器，其特征在于上述间隙保持装置由设置在上述固定电极周围的板材来构成。
10.如权利要求7所述的静电电容式传感器，其特征在于利用导电器材来构成上述间隙保持装置，通过上述间隙保持装置而向上述活动电极上供应电信号。
11.如权利要求1所述的静电电容式传感器，其特征在于利用被接地的导电性罩，至少来覆盖上述平衡锤、上述活动部和上述固定电极。
12.如权利要求11所述的静电电容式传感器，其特征在于把上述罩的形状制成为与上述活动电极的面相垂直，相对于通过该中心的轴来说大致为轴对称形状。
13.如权利要求11所述的静电电容式传感器，其特征在于在上述罩和上述基板之间设置垫圈。
全文摘要
本发明涉及适用于2轴周围电容检测的静电电容式传感器，其目的在于获得大的电容变化。其结构具有支承部(3a)，中间部(3b)，它由支承部(3a)进行支承，能在第1轴系中摆动；活动部(3d)，它由中间部(3d)进行支承，能在与上述第1轴相垂直的第2轴系中进行摆动；平衡锤(4)，它设置在上述活动部(3d)上；活动电极，它形成在上述活动部(3d)上；以及基板(1)，其上形成了与上述活动电极相对置的固定电极(1a)，上述活动电极和上述固定电极(1a)中的至少一种设置了多个，用于检测上述活动电极和上述固定电极(1a)之间的静电电容。
文档编号G01C9/06GK1444012SQ0311989
公开日2003年9月24日 申请日期2003年3月7日 优先权日2002年3月7日
发明者石黑克之, 小野泰一, 长谷川和男, 桥本大一 申请人:阿尔卑斯电气株式会社
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