JP5994185B2 - 静電容量式加速度センサ - Google Patents

Description

この発明は静電容量式加速度センサに関する。

図５はこの種の加速度センサの従来例として特許文献１に記載されている構成を示したものである。図５において、１は基体であり、この基体１の上面にそれぞれ検出電極２、支持体３及び重錘体４よりなる第１検出部５ａ、第２検出部５ｂが配置されている。検出電極２は基体１の厚み方向と直交する方向に互いに離間して配置された第１及び第２検出電極２ａ，２ｂよりなり、第１及び第２検出電極２ａ，２ｂはそれぞれ支持体３を厚み方向において挟持する一対の対向電極によって構成されている。

重錘体４は支持体３の厚み方向上側に配置され、この重錘体４から加速度印加に起因する慣性力が支持体３に加わるものとなっている。支持体３は重錘体４から加わる慣性力により厚み方向に変形し、これにより第１及び第２検出電極２ａ，２ｂのそれぞれ一対の対向電極間の距離が変化し、静電容量が変化するものとなっている。

第１検出部５ａと第２検出部５ｂは、第１検出電極２ａと第２検出電極２ｂの離間方向が異なっており、第１検出部５ａの第１及び第２検出電極２ａ，２ｂはＸ軸方向に離間され、第２検出部５ｂの第１及び第２検出電極２ａ，２ｂはＹ軸方向に離間されている。これら第１検出部５ａ及び第２検出部５ｂを備えることにより、この図５に示した加速度センサは３軸の加速度を検出することができるものとなっている。

即ち、Ｘ軸方向に加速度が加わった場合には、第１検出部５ａの第１及び第２検出電極２ａ，２ｂの一方の静電容量が大きくなり、他方の静電容量が小さくなる。Ｙ軸方向に加速度が加わった場合には、第２検出部５ｂの第１及び第２検出電極２ａ，２ｂの一方の静電容量が大きくなり、他方の静電容量が小さくなる。また、Ｚ軸方向に加速度が加わった場合には、第１及び第２検出電極２ａ，２ｂの静電容量が共に小さくなったり、あるいは大きくなり、このような静電容量の変化を検出することによって３軸の加速度を検出することができるものとなっている。

このような第１及び第２検出部５ａ，５ｂは、基体１側から順に、第１及び第２検出電極２ａ，２ｂの各下側に位置する電極、支持体３、第１及び第２検出電極２ａ，２ｂの各上側に位置する電極及び重錘体４が隙間なく積み上げられて構成された積層体となっており、直方体状の形状を有するものとなっている。

特開２０１１−１３７６９９号公報

上述した加速度センサは、加速度の印加により変位する部分を基体１から浮かせる構造ではないため、変位する部分が基体１等に貼り付くといったことは発生せず、また重錘体４を変位可能に支持するための細長い形状の構成部位も必要としない構造となっているため、構造上、応力が集中するような脆弱な部位はなく、これらの点から信頼性の高い加速度センサとなっている。

一方、このような積層構造を有する加速度センサの各層の形成には、スパッタリングや蒸着等の成膜プロセスや印刷プロセスを用いることができるが、簡易なプロセスである印刷を用いれば、製造コストの低減に大きく寄与でき、加速度センサの低価格化が可能となる。

しかしながら、図５に示したような積層構造を有する加速度センサでは、基体１上に位置する下側の検出電極の上に支持体３が位置し、その支持体３の上に上側の検出電極が位置しているため、これらを印刷によって形成すると、不具合が生じやすく、良好な積層構造が得られないといった問題が生じうる。

図６はこの様子を模式的に示したものであり、図６中、１１は基板を示し、１２は下側電極、１３は上側電極、１４は支持体層を示す。これら基板１１、下側電極１２、上側電極１３及び支持体層１４は図５における基体１、検出電極２の下側に位置する電極、上側に位置する電極及び支持体３に対応する。

印刷による電極の形成には一般に導電性ペーストが用いられ、導電性ペーストを印刷した後、焼成することによって電極は形成される。このようにして形成される電極は、その表面（上面）を平滑にすることが難しく、図６に示したように下側電極１２の表面には凹凸が生じる。下側電極１２の上に印刷される支持体層１４は下側電極１２の表面の凹凸さらには下側電極１２の存在有無の影響を受けるため、印刷が困難となり、また支持体層１４の表面にも下側電極１２の状態を反映してさらなる凹凸が生じてしまう。よって、このような支持体層１４の表面への上側電極１３の印刷は印刷自体が困難なものとなってしまう。

また、結果として上側電極１３と下側電極１２の電極間距離の制御が困難となり、電極間距離が不均一になってしまう。よって、製造時のバラツキが大となり、歩留りの低下を招く。加えて、下側電極１２が支持体層１４によって完全に覆われていないといった状況も生じ得、このような場合には上側電極１３と下側電極１２が短絡してしまい、加速度検出が不可能となってしまう。

この発明の目的はこのような問題に鑑み、積層構造を有する静電容量式加速度センサにおいて、静電容量を検出するための上側電極と下側電極の、均一な電極間距離を容易かつ確実に得られるようにし、製造方法に印刷を用いた場合であっても印刷が容易で製造バラツキが少なく、高い歩留りを得られるようにした静電容量式加速度センサを提供することにある。

請求項１の発明によれば、静電容量式加速度センサは、基板と、基板の一方の板面に積層形成され、厚さ方向に弾性変形可能な支持体層と、支持体層上に形成された上側電極と、上側電極上に配置された錘と、基板の他方の板面に形成されて上側電極との間に静電容量を形成する下側電極とを有する。

請求項２の発明では請求項１の発明において、支持体層、上側電極及び下側電極がそれぞれ印刷によって形成されているものとされる。

請求項３の発明では請求項１又は２の発明において、支持体層は粘着材よりなり、錘は支持体層に貼り付けられているものとされる。

請求項４の発明では請求項１乃至３のいずれかの発明において、基板はフィルムよりなり、加速度センサ全体が可撓性を有するものとされる。

請求項５の発明では請求項１乃至４のいずれかの発明において、下側電極はＺ電極と、Ｚ電極を挟んで互いに離間して配置された一対のＸ電極と、Ｚ電極を挟んで一対のＸ電極の配列方向と直交する方向に互いに離間して配置された一対のＹ電極とよりなるものとされる。

この発明によれば、静電容量を検出するための上側電極と下側電極の均一な電極間距離を容易かつ確実に得ることができるものとなっている。よって、製造方法に低コストな印刷を用いた場合であっても印刷を容易に行うことができ、製造バラツキが少なく、高い歩留りを確保することができ、低価格な静電容量式加速度センサを提供することができる。

この発明による静電容量式加速度センサの一実施例を示す図、Ａは平面図、ＢはＡのＤＤ線断面図、Ｃは底面図。 図１に示した静電容量式加速度センサの動作を説明するための図。 図１に示した静電容量式加速度センサの製造方法を説明するための図。 この発明による静電容量式加速度センサの他の実施例を示す図、Ａは平面図、ＢはＡのＤＤ線断面図、Ｃは底面図。 静電容量式加速度センサの従来例を示す断面図。 図５に示した静電容量式加速度センサが有するような積層構造を印刷によって形成した場合の不具合を説明するための図。

この発明の実施形態を図面を参照して実施例により説明する。

図１はこの発明による静電容量式加速度センサの一実施例を示したものであり、この例では静電容量式加速度センサは基板２０と支持体層３０と上側電極４０と下側電極５０と錘６０とによって構成されている。

基板２０は方形の薄い絶縁フィルムよりなり、平滑な表面を有している。フィルム材料としては、ポリイミドやポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）、アラミドなどを用いることができる。基板２０の厚さは例えば１５μｍとされる。

基板２０の一方の板面（上面）２０ａには支持体層３０が積層形成されている。支持体層３０はこの例ではシリコーン系やアクリル系などの粘着材よりなり、印刷によって形成されている。支持体層３０は厚さ方向に弾性変形可能とされている。これに対し、上述した基板２０は厚さ方向には変形しづらいものとなっている。支持体層３０の厚さは例えば４５μｍとされる。

支持体層３０上には上側電極４０が形成されており、この上側電極４０との間に静電容量を形成する下側電極５０は基板２０の他方の板面（下面）２０ｂに形成されている。これら上側電極４０及び下側電極５０は共に導電性ペーストの印刷、焼成によって形成されている。導電性ペーストは、例えばＣｕ，Ａｇ，Ａｕなどの金属フィラーをウレタン系樹脂のバインダーに分散させたものとされる。

下側電極５０はこの例では図１Ｃに示したように、方形のＺ電極５１と、Ｚ電極５１を挟んでＸ方向に互いに離間して配置された一対のＸ電極５２，５３と、Ｚ電極５１を挟んで一対のＸ電極５２，５３の配列方向と直交するＹ方向に互いに離間して配置された一対のＹ電極５４，５５とよりなる。Ｘ電極５２，５３及びＹ電極５４，５５は図１Ｃに示したように台形形状をなすものとされている。

上側電極４０は図１Ａに示したように、方形枠状をなす周辺電極４１と、周辺電極４１のなす枠内の中央に位置する方形の中央電極４２とよりなる。周辺電極４１の外周の各辺は、Ｘ電極５２，５３及びＹ電極５４，５５の各外側の辺とほぼ一致する位置に位置しており、周辺電極４１は基板２０及び支持体層３０を挟んでＸ電極５２，５３及びＹ電極５４，５５と対向されている。一方、中央電極４２は基板２０及び支持体層３０を挟んでＺ電極５１と対向されている。なお、図１では各電極から引き出される引き出しパターンの図示は省略している。

直方体状をなす錘６０は上側電極４０上に配置されている。錘６０は上側電極４０の周辺電極４１と中央電極４２の間に露出している粘着材よりなる支持体層３０に貼り付けられて取り付けられている。錘６０はこの例では基板２０と同様、フィルムよりなるものとされ、厚さが大とされている。なお、錘６０に用いるフィルムは重量を大とすべく、金属粒子を分散させたフィルムを用いるのが好ましい。

上記のような構成を有する静電容量式加速度センサにおいては、支持体層３０は平滑な基板２０上に印刷されるので、印刷が容易で厚さは均一となり、平滑な表面を有するものとなる。上側電極４０はこの平滑な表面を有する支持体層３０の上に印刷されるので容易に印刷することができる。また、下側電極５０も平滑な基板２０の下面２０ｂに印刷されるので容易に印刷することができる。よって、図５に示した従来の加速度センサと異なり、支持体層３０及び上側電極４０、下側電極５０の形成に低コストの印刷プロセスを用いても印刷が困難になるといった状況は発生しない。

また、上側電極４０の下面と下側電極５０の上面は共に平滑な面となるため、均一な電極間距離を容易かつ確実に得ることができ、よって製造バラツキが少なく、高い歩留りを確保することができる。上側電極４０と下側電極５０の間には絶縁体の基板２０が存在するので、上側電極４０と下側電極５０が短絡するといった状況は発生しない。基板２０は薄くすることができ、また支持体層３０も薄くすることができ、基板２０及び支持体層３０を薄くすれば、検出感度の向上を図ることができる。

なお、この例では基板２０及び錘６０をフィルムとしているため、静電容量式加速度センサは全体として可撓性を有するものとなっている。

図２は上述した静電容量式加速度センサに加速度が印加した場合の動作状態を示したものであり、図２ＡはＸ軸方向に加速度が印加した場合を示し、図２ＢはＺ軸方向に加速度が印加した場合を示す。

図２Ａに示したように、Ｘ軸方向に加速度が印加すると、錘６０に慣性力が生じ、この慣性力が加わることにより支持体層３０は図２Ａに示したように変形し、厚さが変化する。支持体層３０の変形により、下側電極５０のＸ電極５２と上側電極４０の周辺電極４１の電極間距離は増大し、静電容量は小さくなる。一方、Ｘ電極５３と周辺電極４１の電極間距離は減少し、静電容量は大きくなる。このような静電容量の変化を検出することによってＸ軸方向の入力加速度を検出することができる。同様に、Ｙ軸方向に加速度が印加した場合はＹ電極５４，５５と周辺電極４１の各静電容量の変化を検出することによってＹ軸方向の入力加速度を検出することができる。

一方、図２Ｂに示したように、Ｚ軸方向に加速度が印加した場合は錘６０から加わる慣性力により支持体層３０は図２Ｂに示したように変形して厚さが変化する。よって、Ｚ電極５１と上側電極４０の中央電極４２の静電容量の変化を検出することによってＺ軸方向の入力加速度を検出することができる。

この例では、このようにＸ，Ｙ，Ｚ３軸の加速度を検出することができるものとなっている。

図３（１）〜（５）は図１に示した静電容量式加速度センサの製造工程を順に示したものであり、以下、工程順に説明する。
（１）基板２０を用意する。
（２）基板２０の下面２０ｂに下側電極５０を印刷形成する。
（３）基板２０の上面２０ａに粘着材よりなる支持体層３０を印刷形成する。
（４）支持体層３０上に上側電極４０を印刷形成する。
（５）最後に、錘６０を支持体層３０に押し付けて粘着させて貼り付け、上側電極４０上に配置する。

以上により、図１に示した静電容量式加速度センサが完成する。

図４はこの発明による静電容量式加速度センサの他の実施例を示したものである。この例では上側電極４０’は図１に示した静電容量式加速度センサにおける上側電極４０のように周辺電極４１と中央電極４２とよりなるのではなく、支持体層３０を露出させるための抜きがない全面ベタ電極となっている。

この構成では錘６０は上側電極４０’に接着剤によって貼り付けられて上側電極４０’上に取り付けられる。図１に示した静電容量式加速度センサでは支持体層３０を粘着材によって構成し、この粘着材よりなる支持体層３０に錘６０を貼り付けるものとなっているが、この例では錘６０に接着剤を塗布する工程が必要となる。なお、この例では支持体層３０に粘着材を用いる必要はない。

この図４に示した構成では、上側電極の電極面積を増大させることができるため、検出感度の点では有利となる。

以上、この発明の実施例について説明したが、基板２０はフィルムに限らず、リジッドな基板を用いてもよい。さらに、錘６０も貼り付けではなく、印刷形成してもよい。また、上述した実施例では３軸の加速度を検出することができるものとなっているが、用途に応じて電極の構成を変え、１軸や２軸の加速度を検出するものとしてもよい。

なお、加速度センサには静電容量式に限らず、圧電素子を用いた圧電型加速度センサもあるが、静電容量式の方が本質的に検出精度に優れており、また多軸の加速度検出も容易に行うことができる。

この発明による静電容量式加速度センサは、例えば図１に示した実施例のように、基板２０に厚さ１５μｍ程度のフィルムを用い、支持体層３０の厚さも４５μｍ程度とし、軽量性と柔軟性を兼ね備えたものとすることにより、体動センサとして用いることができる。

体動センサは人間の体動を検出するもので、従来においては光電式体動センサや接点式体動センサあるいは振り子式体動センサが一般に用いられていたが、これら体動センサは体動をパルス信号として出力するものであって、例えば「歩行」等の一定方向の周期的な動きによる体動検出を行うには好適であるものの、体動の方向や加速度を検出することはできないといった問題があった。

これに対し、この発明による軽量性と柔軟性を兼ね備えた静電容量式加速度センサは、日常的な人間の行動に支障をきたすことなく、つまり装着感を与えることなく、人体への装着（具体的には衣服や靴等への装着）が可能となり、曲げても割れず、叩いても壊れることはなく、「作業」、「歩行」、「走行」、「階段昇り」、「睡眠」などの人間の体動情報を常時、取得することが可能となる。よって、例えば在宅医療を推進、支援する日常的な生体情報（バイタルサイン）のモニタリングシステムに用いることができる。また、この発明による静電容量式加速度センサは、スポーツやゲームなどの生活用途、物流用途、防犯用途などへも展開可能である。

なお、前述したように静電容量を検出する電極間の絶縁は基板２０によって確保され、基板２０及び支持体層３０を極めて薄くすることもできるため、電極間距離の低減化を図ることができ、加えて電極の大面積化も容易に実現することができ、これらの点から軽量性と柔軟性を備え、かつ高信頼性、高感度の体動センサを得ることができる。

１ 基体 ２ 検出電極
２ａ 第１検出電極 ２ｂ 第２検出電極
３ 支持体 ４ 重錘体
５ａ 第１検出部 ５ｂ 第２検出部
１１ 基板 １２ 下側電極
１３ 上側電極 １４ 支持体層
２０ 基板 ２０ａ 上面（一方の板面）
２０ｂ 下面（他方の板面） ３０ 支持体層
４０，４０’ 上側電極 ４１ 周辺電極
４２ 中央電極 ５０ 下側電極
５１ Ｚ電極 ５２，５３ Ｘ電極
５４，５５ Ｙ電極 ６０ 錘

Claims (5)

1. 基板と、
   前記基板の一方の板面に積層形成され、厚さ方向に弾性変形可能な支持体層と、
   前記支持体層上に形成された上側電極と、
   前記上側電極上に配置された錘と、
   前記基板の他方の板面に形成されて前記上側電極との間に静電容量を形成する下側電極とを有することを特徴とする静電容量式加速度センサ。
2. 請求項１記載の静電容量式加速度センサにおいて、
   前記支持体層、前記上側電極及び前記下側電極はそれぞれ印刷によって形成されていることを特徴とする静電容量式加速度センサ。
3. 請求項１又は２記載の静電容量式加速度センサにおいて、
   前記支持体層は粘着材よりなり、
   前記錘は前記支持体層に貼り付けられていることを特徴とする静電容量式加速度センサ。
4. 請求項１乃至３記載のいずれかの静電容量式加速度センサにおいて、
   前記基板はフィルムよりなり、
   前記加速度センサ全体が可撓性を有することを特徴とする静電容量式加速度センサ。
5. 請求項１乃至４記載のいずれかの静電容量式加速度センサにおいて、
   前記下側電極は、Ｚ電極と、前記Ｚ電極を挟んで互いに離間して配置された一対のＸ電極と、前記Ｚ電極を挟んで前記一対のＸ電極の配列方向と直交する方向に互いに離間して配置された一対のＹ電極とよりなることを特徴とする静電容量式加速度センサ。

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