CN102576036A

CN102576036A - 压电式加速度传感器

Info

Publication number: CN102576036A
Application number: CN2010800450959A
Authority: CN
Inventors: 斋藤益人
Original assignee: NEC Tokin Corp
Current assignee: Tokin Corp
Priority date: 2009-10-07
Filing date: 2010-09-28
Publication date: 2012-07-11
Also published as: JP5579190B2; KR20120093917A; US20120198936A1; TW201129802A; US9016127B2; JPWO2011043219A1; WO2011043219A1; DE112010003992T5

Abstract

本发明提供一种在电机械变换元件内不会引起电荷的抵消且输出灵敏度出色的压电式加速度传感器。由在规定方向上被进行极化处理的压电元件、金属板和基板构成压电式加速度传感器。基板具备基板电路部、和从基板电路部的端部突出的大致平面状的基板衬底部。此外，在基板衬底部的一个面上支承并固定金属板的一个板面，金属板的另一个板面支承并固定压电元件，以便在规定方向上不会使压电元件和基板衬底部重叠。

Description

压电式加速度传感器

技术领域

本发明涉及为了振动检测等目的使用的压电式加速度传感器。特别是涉及在压电式加速度传感器中所使用的压电振动器的优选支承结构。

背景技术

近几年，越来越多的电子设备被搭载于DVD/BD记录器、电视机、便携设备等中。所搭载的电子设备的精度也在提高。对电子设备的可靠性的要求也越来越高。为了检测对电子设备的碰撞或电子设备自身所产生的振动，谋求具备100mV/G以上的高输出灵敏度、小型且价格低的加速度传感器。

对于检测加速度的方法从以往开始就提出了各种方式的提案并已被实用化。特别是，由于利用了压电陶瓷的挠性的弯曲型压电加速度传感器(以下，仅称作“压电式加速度传感器”)其结构简单且容易以低价格构成，因此被广泛利用。

基于压电陶瓷的挠性的输出灵敏度在其原理上即使是最大也被限制在数mV/G左右。因此，为了获得100mV/G以上的输出灵敏度，需要最终放大来自压电陶瓷的输出。但是，重要的是在保持小型的压电陶瓷的状态下增加输出灵敏度。

因此，提出了压电陶瓷的各种支承结构。例如，专利文献1的压电陶瓷通过收纳外壳的侧面部被悬臂结构支承。专利文献2的压电陶瓷通过收纳外壳的底面部被双支承梁结构支承。在专利文献3中，公开了如下技术：使压电振动器的两端部附近极化为中央部分和相反方向，通过利用双支承梁结构支承压电振动器，从而提高输出灵敏度。

【现有技术文献】

【专利文献】

【专利文献1】JP特表平5-505236号公报

【专利文献2】JP特开平9-26431号公报

【专利文献3】JP特开2000-121661号公报

发明内容

(发明想要解决的课题)

但是，即使根据到目前为止提出的所有方法，都不能得到足够的输出灵敏度。并且，在采用专利文献1和专利文献2公开的支承结构的情况下，直到在收纳外壳中容纳压电陶瓷为止(即，压电式加速度传感器的制造大致结束为止)，不能进行动作确认检查。此外，在采用专利文献3的技术的情况下，为了使压电振动器极化，需要进行复杂的工序。

本发明的目的在于提供一种小型的同时具有高的输出灵敏度且量产方面出色的压电式加速度传感器。

(用于解决课题的手段)

本发明的一个方面是提供压电式加速度传感器，该压电式加速度传感器由压电元件、金属板和基板构成，其中，

所述压电元件在规定方向被进行极化处理，

所述基板具备基板电路部、和从所述基板电路部的端部突出的大致平面状的基板衬底部，

所述金属板的一个板面被所述基板衬底部的一个面支承固定，在所述金属板的另一个板面按照在所述规定方向上所述压电元件和所述基板衬底部不会重叠的方式支承固定所述压电元件。

(发明效果)

根据本发明，通过利用不同于现有技术的结构支承压电陶瓷，从而能够得到小型且具有高的输出灵敏度的压电式加速度传感器。此外，本发明的压电式加速度传感器在量产方面也很出色。

附图说明

图1是表示本发明的第1实施方式的压电式加速度传感器的俯视图。

图2是图1的压电式加速度传感器的主视图。

图3是在因加速度而被弯曲的状态下表示图1的压电式加速度传感器的主视图。

图4是在移除了盖罩的状态下表示本发明的第2实施方式的压电式加速度传感器的俯视图。

图5是图4的压电式加速度传感器的V-V剖视图。

图6是表示直接由基板支承压电元件的压电式加速度传感器的俯视图。

图7是图6的压电式加速度传感器的主视图。

图8是表示压电式加速度传感器的基板的变形例的俯视图。

图9是在移除了盖罩的状态下表示现有技术的压电式加速度传感器的一例的俯视图。

图10是图9的压电式加速度传感器的X-X剖视图。

具体实施方式

以下，详细说明本发明的实施方式。另外，在以下的说明中表示上下左右等方向时，该方向并不表示部件等的绝对位置，而是仅仅表示在各附图中的相对的位置。

(第1实施方式)

如图1和图2所示，本发明的第1实施方式的压电式加速度传感器50由基板56、导线59、输出电缆60、压电陶瓷板(压电元件)53和金属板55构成。

基板56具备基板电路部56a和基板衬底部56b。基板电路部56a形成为矩形平面形状。基板衬底部56b形成为矩形平面形状，且从基板电路部56a的端部突出。在本实施方式中，两个基板衬底部56b在同一平面上相互平行地从基板电路部56a的一边的两端部附近突出。换言之，基板56切出了四角形基板的一边的中央部分而形成为U字型。在基板电路部56a上搭载放大电路等，导线59和输出电缆60通过焊料等与放大电路等连接。两个基板衬底部56b在上表面56c的至少一部分内具有导电性部分，该导电性部分与基板电路部56a的放大电路等电连接。

压电陶瓷板53以锆酸钛酸铅(PZT)等压电体作为材料，形成为矩形板状。压电陶瓷板53在图2的黑色箭头方向(上下方向)上以同样的方式被进行极化处理。压电陶瓷板53具备与极化方向(规定方向)对置的两个主面(53c和53d)。在压电陶瓷板53的一个主面53c上，通过涂布银膏剂等而形成上电极53a。上电极53a通过焊料等与导线59连接。

金属板55具备两个板面(上表面55a和下表面55b)。压电陶瓷板53的主面53d经由导电粘结剂等与上表面55a粘结而被固定。即，上表面55a支承并固定压电陶瓷板53。通过具备上电极53a的压电陶瓷板53和金属板55，构成作为加速度检测元件的单压电晶片型压电振动器(电机械变换元件)52。

金属板55的长度方向(在图1和图2中是左右方向)的两端部从压电陶瓷板53的长度方向的两端部向长度方向的外侧突出。该两个突出部分(被支承部55c)分别是通过导电粘结剂等与基板衬底部56b的上表面56c粘结并被固定。即，由基板衬底部56b的一个面、即上表面56c支承并固定被支承部55c的一个板面、即下表面55b。金属板55经由基板衬底部56b与基板电路部56a的放大电路等电连接。

如以上说明，通过两个基板衬底部56b以双支承梁结构支承压电振动器52。如图1和图2所示，压电陶瓷板53和基板衬底部56b在极化方向上不会互相重叠。因此，能够在上下方向(极化方向)上使压电陶瓷板53整体弯曲。

若压电式加速度传感器50受到加速度，则压电振动器52受到与加速度成比例的惯性力。例如，若向压电式加速度传感器50施加极化方向(在图2中是垂直方向)的加速度，则如图3所示，压电振动器52的长度方向的中心部向上方向(极化方向)弯曲。其结果，在压电振动器52的上电极53a和金属板55中分别产生相反符号的电荷。即，在上电极53a与金属板55之间产生与加速度成比例的电压。产生的电压经由导线59和基板衬底部56b被输入到基板电路部56a上的放大电路中。由放大电路放大之后的电压(输出信号)经由输出电缆60而被输出到压电式加速度传感器50的外部。通过测量输出到外部的电压，从而能够求出压电式加速度传感器50所受到的加速度。

如图10所示，在现有技术的压电式加速度传感器91中，压电陶瓷板93的一部分被支承固定。因此，若压电陶瓷板93的中央部分弯曲，则压电陶瓷板93的被支承固定的部分附近向与中央部分相反的方向弯曲。即，在压电陶瓷板93中产生转折点。其结果，认为在中央部分和转折点部分产生相反符号的电荷，且电荷相抵消，因此会降低输出灵敏度。

另一方面，本实施方式的压电式加速度传感器50的压电陶瓷板53没有直接被固定在基板衬底部56b上。因此，通过加速度而使压电陶瓷板53弯曲时，能够抑制在压电陶瓷板53中产生转折点而降低输出灵敏度的情况。

特别如图1所示，从极化方向观察时，通过从基板衬底部56b使压电陶瓷板53的长度方向的两端部远离规定间隔W3，从而能够通过加速度，使压电陶瓷板53向同一方向弯曲。反过来讲的话，作为规定间隔W3的值，只要考虑压电陶瓷板53的厚度等而采用通过加速度使压电陶瓷板53向同一方向弯曲的值即可。由此，通过使压电陶瓷板53从基板衬底部56b远离适当的距离，从而能够使转折点在金属板55的被支承部55c中产生，而不是在压电陶瓷板53中，可进一步提高针对加速度的输出灵敏度。在本实施方式中，由于规定间隔W3＞0，因此压电陶瓷板53的长度L2在两个基板衬底部56b的左右两端的间隔L3和基板衬底部56b的宽度W1之间的关系中需要满足如下的式1。

(式1) (L3-L2)/2＞W1

但是，若将规定间隔W3的值设定得过大，则由加速度引起的振动会被金属板55吸收。详细而言，加速度变化时，压电陶瓷板53的长度方向的端部与基板衬底部56b之间的金属板55振动。其结果，压电陶瓷板53不会充分弯曲，输出灵敏度会降低。因此，需要将规定间隔W3的值设定为在金属板55中实质上不会产生由加速度引起的无用振动的程度。

在本实施方式中，如图1所示，两个基板衬底部56b中的每一个与压电陶瓷板53的长度方向的端部的间隔是相同的(规定间隔W3)。由此，由两个基板衬底部56b均匀地支承压电陶瓷板53，使压电陶瓷板53以长度方向的中央部分为中心对称地弯曲。因此，可进一步提高输出灵敏度。

此外，本实施方式的压电式加速度传感器50中，金属板55的被支承部55c在宽度方向上并未从基板衬底部56b突出。换言之，如图1所示，被支承部55c位于比基板衬底部56b的前端更靠基板电路部56a侧的位置上。通过如上所述的支承结构，降低压电振动器52的振动引起的基板衬底部56b的无用振动，可以从压电式加速度传感器50获得稳定的输出。另外，采用上述的构成时，需要使基板衬底部56b的长度L1和金属板55的宽度W2满足如下的式2。

(式2) L1＞W2

例如，在压电式加速度传感器50受到图1的上方向的加速度的情况下，压电振动器52向基板电路部56a的方向弯曲。这样，在存在压电振动器52向基板电路部56a的方向弯曲的可能性的情况下，最好使支承并固定压电振动器52的金属板55位于从基板电路部56a远离因加速度而被弯曲了时不会与基板电路部56a接触的程度的位置上。即，如图1所示，最好将压电振动器52与基板电路部56a之间的距离W4设定为在假设的使用状況下压电振动器52不会与基板电路部56a接触的程度。这样设定距离W4时，长度L1、宽度W2和离W4需要满足如下的式3。

(式3) L1＞W2+W4

如以上的说明，本实施方式的压电式加速度传感器50由于不会使在压电振动器52内产生的电荷相抵消，因此具有小型结构的同时在输出灵敏度上很出色。

如图9和图10所示，在现有技术的压电式加速度传感器91中，为了电连接压电振动器92的上电极93a和下电极93b、与被搭载于基板96的放大电路，需要两根导线(99a和99b)。另一方面，在本实施方式的压电式加速度传感器50中，直接连接了金属板55和基板衬底部56b的导电性部分。即，压电式加速度传感器50的导线的根数是1根。因此，能够削减制造工序，并且能够降低品质的偏差。

(第2实施方式)

如图4和图5所示，本发明的第2实施方式的压电式加速度传感器51是在壳体57的内部容纳了第1实施方式的压电式加速度传感器50的结构。

壳体57由具备相对假定的加速度不会引起变形的刚性的材料形成。在壳体57的内部形成具有支承面57b的容纳空间57a。容纳空间57a形成为可以容纳支承并固定了压电振动器52的状态下的基板56的尺寸。基板56的基板电路部56a和基板衬底部56b利用热固性环氧树脂等而与支承面57b粘结在一起，以使支承面57b与极化方向正交。即，由支承面57b支承并固定基板衬底部56b的下表面56d(在极化方向上，位于支承金属板55的上表面56c的相反侧的面)。

如图5所示，在容纳空间57a中容纳了基板56和压电振动器52的状态下，通过按压等，将壳体的盖罩58固定到壳体57上。如图所示，输出电缆60向壳体57的外部延伸。

若压电式加速度传感器51受到加速度，则与压电式加速度传感器50同样地，因压电陶瓷板53的弯曲而产生电压，所产生的电压被放大电路放大。由输出电缆60向压电式加速度传感器51的外部输出被放大的电压。

压电式加速度传感器51的压电振动器52不是被壳体57支承，而是被基板衬底部56b支承并固定。因此，在壳体57的容纳空间57a中收纳基板56和压电振动器52之前，只要组装基板56和压电振动器52就能够进行动作确认检查。

此外，由于不需要在壳体57设置用于压电振动器52弯曲的沟槽，因此能够以没有凹凸的平面状形成壳体57的支承面57b。因此，与现有技术相比，能够使壳体57的支承面57b的厚度变得更薄，能够进一步减小壳体57。

图6和图7表示第1和第2实施方式的变形例。本变形例的压电振动器52a在与压电陶瓷板53的极化方向正交的两个主面上分别形成了由银膏剂等构成的上电极53a和下电极53b。压电振动器52a不具备金属板55，分别由基板衬底部56b支承并固定压电振动器52a的长度方向两端部分的下电极53b。即，压电振动器52a的下电极53b经由基板衬底部56b的导电部分，与基板电路部56a的放大电路等电连接。除了以上的结构之外，压电式加速度传感器50a的结构与压电式加速度传感器50相同。

与压电式加速度传感器50同样地，可以在壳体57中收容压电式加速度传感器50a来进行使用。例如，在提高输出灵敏度并不是很重要，而是使壳体57小型化以及在被容纳到壳体57之前进行动作确认检查很重要的情况下，可以使用压电式加速度传感器50a。

(变形例)

可以对压电式加速度传感器50、压电式加速度传感器50a及压电式加速度传感器51进行各种变形。例如，基板56的形状可以不是U字型，而是如图8(a)所示那样成为切除了四角形的一边的一端部的L字型，并且以悬臂结构支承压电振动器(52、52a)。如图8(b)所示，也可以将基板56的形状设为切除了四角形的一边的两端部的T字型，并以中央支承结构支承压电振动器(52、52a)。特别是在使压电式加速度传感器50a变形而构成为悬臂结构或中央支承结构的情况下，与双支承梁结构相比，能够提高输出灵敏度。除了以上的结构之外，还可以对基板电路部56a和基板衬底部56b的形状进行各种变形。

此外，压电振动器52并不限于单压电晶片型，也可以是双压电晶片，或者也可以是其他形式。金属板55的形状也不限于矩形状，可以采用可支承压电振动器52的各种形状。

压电振动器52的支承结构、金属板55的厚度及尺寸等可基于所求出的输出灵敏度、假定的使用频带、耐碰撞力等各种参数来选择。

(实施例)

通过具体的例子说明本发明所涉及的压电式加速度传感器。

(实施例1)

制作图6所示的压电式加速度传感器50a的一例，并将其收容在壳体57中。具体而言，以PZT为材料，制作了主面的长度L2为6.0mm、宽度W2为2.0mm、高度为0.3mm的压电陶瓷板53。在压电陶瓷板53的一对主面上同样地形成由银构成的上电极53a和下电极53b，由此制造了压电振动器52a。进而，以氧化铝为材料制造了厚度为0.5mm的基板56。基板56的整体形成为U字形状。详细而言，在6.0mm×3.0mm的矩形状的基板电路部56a的两端一体设置2.5mm×0.5mm的基板衬底部56b。在基板电路部56a上搭载利用了场效应晶体管(FET)的普通电压放大电路。在基板衬底部56b上设置连接端子，该连接端子与基板电路部56a的电压放大电路电连接。

接着，使用导电性粘结剂将压电振动器52a粘接到基板衬底部56b，如图6所示那样构成双支承梁结构。通过该粘接，电连接了基板衬底部56b的连接端子和压电振动器52a的下电极53b。

由以上的结构支承的压电振动器52a的谐振频率约为65kHz。

另外，利用焊料将导线59的一端连接到压电振动器52a的上电极53a上，将另一端连接到基板电路部56a上，电连接了上电极53a和电压放大电路。此外，采用焊料将作为一芯同轴电缆的输出电缆60连接到基板电路部56a上。输出电缆60是为了向电压放大电路施加电源电流的同时输出信号而使用的。

最后，以奥氏体(austenite)不锈钢(SUS304)为材料，制造了具有可容纳基板56的尺寸的壳体57和壳体的盖罩58。利用热固性环氧树脂将粘接固定了压电振动器52的基板56粘接到壳体57上，向壳体57压入壳体的盖罩58而进行固定，从而制造了压电式加速度传感器。

比较实施例1的压电式加速度传感器50a的基板衬底部56b的长度L1和压电振动器52a的宽度W2可知，L1＝2.5mm，W2＝2.0mm，L1＞W2的关系成立。

(实施例2)

制造图1所示的压电式加速度传感器50的一例，并将其收容在壳体57中。具体而言，制作了由压电陶瓷板53和金属板55构成的单压电晶片型压电振动器52。压电陶瓷板53以PZT为材料，主面的长度L2为4.5mm、宽度W2为2.0mm、高度为0.3mm。金属板55以磷青铜为材料，主面的长度L3为6.0mm、宽度W2为2.0mm、高度为0.1mm。基板56的形状等与实施例1相同。

接着，使用导电性粘结剂将压电振动器52粘接到基板衬底部56b，如图1所示那样构成双支承梁结构。通过该粘接，电连接了基板衬底部56b的连接端子和压电振动器52的金属板55。

由以上的结构支承的单压电晶片型压电振动器52的谐振频率约为55kHz。

另外，与实施例1同样地，连接了导线59和输出电缆60。

最后，以SUS304为材料，制造了具有可容纳基板的尺寸的壳体57和壳体的盖罩58。利用热固性环氧树脂将粘接固定了压电振动器52的基板56粘接到壳体57，向壳体57压入壳体的盖罩58而进行固定，从而制造了压电式加速度传感器。

比较实施例2的压电式加速度传感器50的基板衬底部56b的长度L1和压电振动器52的宽度W2可知，L1＝2.5mm、W2＝2.0mm，L1＞W2的关系成立。此外，比较压电式加速度传感器50的基板衬底部56b的宽度W1、压电振动器52的长度L2和金属板55的长度L3可知，W1＝0.5mm、L2＝4.5mm、L3＝6.0mm，(L3-L2)/2＞W1的关系成立。

(比较例)

作为比较例，以与图9所示的现有技术的结构的压电式加速度传感器91同样的方式进行了制造。具体而言，与实施例1的压电振动器52a同样地制造了压电振动器92。以氧化铝为材料，制造了6.0mm×2.5mm且厚度为0.5mm的矩形基板96。在基板96上搭载利用了场效应晶体管(FET)的普通电压放大电路。另外，制造了壳体97。在壳体97的中央部为了压电振动器92振动并在中央部弯曲而设置了壳体沟槽97b。利用粘结剂将压电振动器92粘接到壳体97，构成双支承梁结构。

由以上的结构支承的压电振动器92的谐振频率约为65kHz。

另外，利用焊料，在基板96上连接了导线99a、导线99b和作为一芯同轴电缆的输出电缆100。导线99a使压电振动器92的上电极93a和电压放大电路电连接，导线99b使压电振动器92的下电极93b和电压放大电路电连接。此外，输出电缆100是为了向电压放大电路施加电源电流的同时输出信号而使用的。

最后，以SUS304为材料，制造了具有可收容基板的尺寸的壳体97和壳体的盖罩98。利用热固性环氧树脂将基板96粘接到壳体97，向壳体97压入壳体的盖罩98而进行固定，从而制造了压电式加速度传感器91。

评价了实施例1、2和比较例的压电式加速度传感器的输出灵敏度特性。具体而言，利用双面胶，将分别制造的压电式加速度传感器固定到加振器上。向加振器输入来自信号产生器的信号，从而产生规定的加速度，测量了此时来自各个压电式加速度传感器的输出。另外，将搭载在各个压电式加速度传感器的基板上的电压放大电路的放大率设定为相同的值。

表1表示对实施例1、2和比较例的压电式加速度传感器的测量结果。

【表1】

从表1可知，实施例1的压电式加速度传感器具有与比较例的(现有技术的)压电式加速度传感器同等的性能，但是成为品质偏差的原因的导线的数量更少。此外，基板的面积(即，可搭载电压放大电路的部分的面积)较大。因此，通过改良要搭载的电压放大电路，从而能够进一步实现小型化并且可进一步提高灵敏度。

从表1可知，实施例2的压电式加速度传感器维持了与比较例的(现有技术的)压电式加速度传感器同等的尺寸，同时输出灵敏度约提高至现有技术的10倍。

从以上的说明可知，根据本发明，能够提供一种小型、价格低且量产性出色以及输出灵敏度出色的压电式加速度传感器。

以上，根据实施例等具体说明了本发明，但是本发明并不限于此。在不超出本发明的宗旨的范围内，即使变更部件或结构，也包含在本发明中。即，本领于的技术人员应当明了各种变形、修正都包含在发明中。

(产业上可利用性)

本发明所涉及的压电式加速度传感器可被用于检测各种电子设备的振动或施加到各种电子设备的碰撞。

符号说明：

50，50a 压电式加速度传感器

51 压电式加速度传感器

52，52a 压电振动器(电机械变换元件)

53 压电陶瓷板(压电元件)

53a 上电极

53b 下电极

53c，53d 主面

55 金属板

55a 上表面

55b 下表面

55c 被支承部

56 基板

56a 基板电路部

56b 基板衬底部

56c 上表面

56d 下表面

57 壳体

57a 容纳空间

57b 支承面

58 壳体的盖罩

59 导线

60 输出电缆

91 压电式加速度传感器

92 压电振动器(电机械变换元件)

93 压电陶瓷板(压电元件)

93a 上电极

93b 下电极

96 基板

97 壳体

97b 沟槽

99a，99b 导线

Claims

1.一种压电式加速度传感器，其由压电元件、金属板和基板构成，其中，

所述压电元件在规定方向被进行极化处理，

2.根据权利要求1所述的压电式加速度传感器，其中，

沿着所述规定方向观察时，所述金属板按照因加速度而弯曲时不会与所述基板电路部接触的程度位于与所述基板电路部远离的位置处。

3.根据权利要求1或2所述的压电式加速度传感器，其中，

沿着所述规定方向观察时，所述压电元件按照因加速度而整体向同一方向弯曲的方式位于与所述基板衬底部远离的位置处。

4.根据权利要求1至3的任一项所述的压电式加速度传感器，其中，

沿着所述规定方向观察时的所述压电元件与所述基板衬底部之间的间隔被设定为所述金属板实质上不会产生因加速度引起的无用振动的程度。

5.根据权利要求1至4的任一项所述的压电式加速度传感器，其中，

所述金属板位于比所述基板衬底部的前端更靠所述基板电路部的一侧的位置。

6.根据权利要求1至5的任一项所述的压电式加速度传感器，其中，

两个所述基板衬底部在同一平面上以相互平行的方式从所述基板电路部的端部突出，

所述金属板的所述一个板面的长度方向的两端部分别被所述基板衬底部的所述一个面支承固定。

7.根据权利要求6所述的压电式加速度传感器，其中，

沿着所述规定方向观察时，所述基板衬底部各自与所述压电元件之间的间隔大致相同。

8.根据权利要求1至7的任一项所述的压电式加速度传感器，其中，

所述压电元件和所述金属板构成单压电晶片型压电振动器。

9.根据权利要求1至7的任一项所述的压电式加速度传感器，其中，

所述压电元件是双压电晶片型压电振动器。

10.根据权利要求1至9的任一项所述的压电式加速度传感器，其中，

所述压电式加速度传感器还具备壳体，

在所述壳体的内部形成具有支承面的容纳空间，所述基板衬底部的与支承所述金属板的所述一个面在所述规定方向上相反一侧的面，被所述支承面支承固定。