JP2003106919A - 静圧動圧検知センサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 従来の圧力センサは、静圧と動圧を同一セン
サでに高精度で検知できないという課題があった。 【解決手段】 本発明は、一方の面に第一の電極１１、
他方の面に第二の電極１２が形成された圧電材料からな
る固定基板１３と、一方の面に第三の電極１４、他方の
面に第四の電極１５が形成された圧電材料からなるダイ
アフラム１６と、前記第二１２の電極と前記第三の電極
１３の少なくとも一方の周縁部に接着層１７を備え、前
記第二の電極１２と前記第三の電極１４が対向するよう
に前記固定基板１３と前記ダイアフラム１６とを接合し
て静圧動圧検知センサを構成し、第二の電極１２と第三
の電極１３間で静圧を検知し、第一の電極１１と第二の
電極１２間あるいは第三の電極１４と第四の電極１５間
で振動を検知することができるため、一つのセンサで精
度良く静圧と動圧を検知することができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、静圧動圧検知セン
サに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来のこの種の圧力検知センサは特開昭
５７−９７４２２号公報に記載されているようなものが
一般的であった。この圧力検知センサは図１０に示すよ
うに一方の面に第一の電極１が形成された電気絶縁性材
料からなる固定基板２と、第二の電極３が表面に形成さ
れた電気絶縁性材料からなるダイアフラム４と、前記第
一の電極と前記第二の電極とが対向配置するように接着
層５を介して前記固定基板と前記ダイアフラムとを接合
して構成されている。そして圧力印加によって前記ダイ
アフラムが変形し、電極間距離が変化することによって
電極間に生ずる静電容量が変化し印加圧力を検知するも
のである。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
圧力検知については、ダイアフラムの撓みを検知するた
め、静圧のみの検知であり、動圧を高精度に検知するこ
とはできなかった。

【０００４】

【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、一方の面に第一の電極、他方の面に第二
の電極が形成された圧電材料からなる固定基板と、一方
の面に第三の電極、他方の面に第四の電極が形成された
圧電材料からなるダイアフラムと、前記第二の電極と前
記第三の電極の少なくとも一方の周縁部に接着層を備
え、前記第二の電極と前記第三の電極が対向するように
前記固定基板と前記ダイアフラムとを接合した静圧動圧
検知センサである。

【０００５】上記発明によれば、第二の電極と第三の電
極間の静電容量によって静圧を検知し、動圧は固定基板
あるいはダイアフラムを構成している圧電材料の圧電効
果によって電圧が発生するため、この固定基板の両面に
形成された第一の電極と第二の電極間、あるいはダイア
フラムの両面に形成された第三の電極と第四の電極間に
発生する出力電圧を検知することによって、１つのセン
サで容易に静圧と動圧が検知できる。また固定基板とダ
イアフラムの動圧が検知できるため、同時に上下の振動
検知ができる。

【０００６】

【発明の実施の形態】上記課題を解決するために請求項
１の発明は、一方の面に第一の電極、他方の面に第二の
電極が形成された圧電材料からなる固定基板と、一方の
面に第三の電極、他方の面に第四の電極が形成された圧
電材料からなるダイアフラムと、前記第二の電極と前記
第三の電極の少なくとも一方の周縁部に接着層を備え、
前記第二の電極と前記第三の電極が対向するように前記
固定基板と前記ダイアフラムとを接合した静圧動圧検知
センサである。

【０００７】そして第二の電極と第三の電極間の静電容
量により静圧を検知し、第一の電極と第二の電極間ある
いは第三の電極と第四の電極間の発生電圧により振動を
検知することができるため、一つのセンサで精度良く静
圧と動圧を検知することができる。

【０００８】請求項２記載の発明は、静電容量検知手段
によって第二の電極と第三の電極間の静電容量を検知す
る構成とした静圧動圧検知センサである。

【０００９】そして、静電容量検知手段を設けることに
よって、静圧力印加によって変化した静電容量を簡単な
構成で容易に検知することができる。

【００１０】請求項３記載の発明は、第一の電極と第二
の電極間の電圧を検知する第一の電圧検知手を設けて動
圧を検知する構成とした静圧動圧検知センサである。

【００１１】そして、電圧検知手段を設けることによっ
て圧電材料である固定基板に動圧力が印加されたとき、
圧電効果によって固定基板に電圧が発生するため、固定
基板の両面に配置された第一の電極と第二の電極間に発
生する出力電圧を容易に検出することができる。

【００１２】請求項４記載の発明は、第三の電極と第四
の電極間の電圧を検知する第二の電圧検知手を設けて動
圧を検知する構成とした静圧動圧検知センサである。

【００１３】そして、電圧検知手段を設けることによっ
て圧電材料である固定基板に動圧力が印加されたとき、
圧電効果によってダイアフラムに電圧が発生するため、
ダイアフラムの両面に配置された第三の電極と第四の電
極間に発生する出力電圧を容易に検出することができ
る。

【００１４】請求項５記載の発明は、固定基板及びダイ
アフラムをチタン酸鉛とジルコン酸鉛の固溶体で構成し
た静圧動圧検知センサである。

【００１５】そして、チタン酸鉛とジルコン酸鉛の固溶
体の圧電セラミック粉体は工業的に多量に利用されてい
るので、安価であり、入手も容易であるため、高感度で
安価な静圧動圧検知センサが提供できる。

【００１６】請求項６記載の発明は、少なくとも第二の
電極と第三の電極は金属レジネートペーストを用いて印
刷形成した静圧動圧検知センサである。

【００１７】そして、電極を金属レジネートペーストを
用いて印刷形成することによって薄膜の電極が容易に形
成できるため、第二の電極と第三の電極間距離に及ぼす
電極膜厚の影響を低減できるため初期容量のばらつきを
低減できる。

【００１８】請求項７記載の発明は、接着層にスペーサ
を設けた固定基板をチタン酸鉛で構成した静圧動圧検知
センサである。

【００１９】そして、接着層にスペーサを設けることに
よって第二の電極と第三の電極との間の電極間距離が管
理できるため初期容量のばらつきを低減できる。

【００２０】請求項８記載の発明は、第二の電極または
第三の電極を主電極と参照電極とから構成した静圧動圧
検知センサである。

【００２１】そして、主電極と参照電極の各々の静電容
量比を出力として得ることによって温度特性の影響を除
去することができるため信頼性の高い出力が得られる。

【００２２】

【実施例】以下、本説明の実施例について図面を用いて
説明する。

【００２３】（実施例１）図１は本発明の実施例１にお
ける静圧動圧検知センサの断面図である。

【００２４】この静圧動圧検知センサは、一方の面に第
一の電極１１、他方の面に第二の電極１２が形成された
圧電材料からなる固定基板１３と、一方の面に第三の電
極１４、他方の面に第四の電極１５が形成された圧電材
料からなるダイアフラム１６と、前記第二の電極１２と
前記第三の電極１４との少なくとも一方の周縁部に形成
した接着層１７とを備え、前記第二の電極１２と前記第
三の電極１４とが対向配置しかつ前記接着層１７を介し
て前記固定基板１３と前記ダイアフラム１６とを接合し
て構成した。ここで、第一の電極１１、第二の電極１
２、第三の電極１４、第四の電極１５は金レジネートを
スクリーン印刷法で２５μｍの厚みで形成し、脱脂・焼
成して０．１μｍの厚みとした。このため電極膜厚は１
μｍ以下で形成可能となり、電極膜厚が第二の電極１２
と第三の電極１４の電極間距離に及ぼす影響を低減でき
る。このためセンサばらつきを抑制できる。

【００２５】また第一の電極１１と第二の電極１２が形
成された圧電材料からなる固定基板１３と第三の電極１
４と第四の電極１５が形成された圧電材料からなるダイ
アフラム１６はチタン酸鉛とジルコン酸鉛の固溶体であ
る圧電セラミックを使用した。この圧電セラミックは工
業的に多量に利用されているので、安価であり、入手も
容易であるため、高感度で安価な静圧動圧検知センサが
提供できる。さらに固定基板１３のとダイアフラム１６
との接着は固定基板１３の周縁部に形成した接着層１７
によって行った。本実施例では接着層１７として固定基
板１３及びダイアフラム１６と同程度の熱膨張係数を有
するガラスペーストを使用した。

【００２６】次に本発明の静圧動圧検知センサの動作を
説明する。

【００２７】この静圧動圧検知センサに静圧が印加され
た場合、図２に示すようにダイアフラム１６は撓み、第
二の電極１２と第三の電極１４の電極間距離は小さくな
る。静電容量はＣ＝εＳＸー¹（εは誘電率、Ｓは電極面
積、Ｘは電極間距離）で表され、圧力が印加されるとＸ
が小さくなるため出力である静電容量は増加する。

【００２８】このため容量値を検出することによって静
圧を検出することができる。

【００２９】また、動圧が印加された場合においてはそ
の動圧が圧電材料である固定基板１３に伝達され、圧電
効果によって電圧が発生する。この固定基板１３の両面
に形成された第一の電極１１と第二の電極間１２に発生
する出力電圧を検知することによって容易かつ高精度に
動圧が検知可能となる。またダイアフラム１６の両面に
形成された第三の電極１４と第四の電極間１５に発生す
る出力電圧を検知することによっても同様の効果が得ら
れる。

【００３０】図３に第二の電極１２と第三の電極１４間
の静電容量を検知する静電容量検知手段１８を設けて静
圧を検知する静圧動圧検知センサの構成図を示す。この
容量検知手段１８は第二の電極１２と第三の電極１４間
の静電容量によって静圧を検出するもので、図４に荷重
と静電容量検知手段１８の出力との関係を示した。この
結果から、第二の電極１２と第三の電極１４間の静電容
量を静圧検知手段１８によって検出することで容易に静
圧を検出できることが解る。

【００３１】図５に固定基板１３の両面に形成された第
一の電極１１と第二の電極間１２に発生する出力電圧を
検知する第一の電圧検知手段１９を設けた静圧動圧検知
センサの構成図を示す。この第一の電圧検知手段１９は
動圧印加時に圧電効果によって電圧が発生する電圧値を
検出する。図６に本発明の静圧動圧検知センサを布団の
下に配設し、その上に人間が寝たときの第一の電圧検知
手段１９の出力結果を示す。この結果、人体からの振動
である呼吸振動、心拍振動が検知できるほど高感度であ
ることが解った。このため本発明の静圧動圧検知センサ
は、一つのセンサで静圧と動圧が精度良く検知できる。

【００３２】また、図７にダイアフラム１６の両面に形
成された第三の電極１４と第四の電極１５間に発生する
出力電圧を検知する第二の電圧検知手段２０を設けた静
圧動圧検知センサの構成図を示した。この第二の電圧検
知手段２０は動圧印加時に圧電効果によって電圧が発生
する電圧値を検出するため、第一の電圧検知手段１９と
同様に人体からの振動である呼吸振動、心拍振動が検知
できるほど高感度である。さらに第一の電圧検知手段１
９と第二の電圧検知手段２０の両者を設けることによっ
て、同時に固定基板１３とダイアフラム１６に印加され
る動圧を同時に検知可能となり、上下から印加される動
圧が検出できる。

【００３３】（実施例２）図８は本発明の実施例２の静
圧動圧検知センサの断面図である。

【００３４】本実施例２において、実施例１と異なる点
は接着層１７にスペーサ２１を設けた点である。なお、
実施例１と同一符号のものは同一構造を有し、説明は省
略する。

【００３５】本実施例においてスペーサ２１は接着層１
７と同じ熱膨張係数を有するガラスビーズ（Φ４５μ
ｍ）を使用した。このスペーサ２１によって第二の電極
１２と第三の電極１４間の電極間距離がスペーサ２１に
よって管理できるため固定基板１３とダイアフラム１６
間の静電容量のばらつきを低減することが出来る。スペ
ーサ２１を設けた静圧動圧検知センサとスペーサ２１を
設けない静圧動圧センサを各１００個作成しその初期容
量のばらつきを評価した。スペーサ２１がない静圧動圧
検知センサは標準偏差が約１０％あるのに対しスペーサ
２１を設けた静圧動圧検知センサの標準偏差は約１．５
％になり、１／６に低減することが出来た。この結果ば
らつきのない精度良い静圧動圧検知センサが容易に実現
できる。

【００３６】（実施例３）図９（ａ）は本発明の実施例
３の静圧動圧検知センサの断面図であり、図９（ｂ）は
第三の電極の上面図である。本実施例３において、実施
例１及び２と異なる点は第三の電極１４を主電極２２と
参照電極２３で構成した点である。本実施例において主
第三の電極１４である主電極２２と参照電極２３は金レ
ジネートで印刷成形し、参照電極２３は主電極２２の円
周部に形成した。各々の出力の比を出力とすることによ
って、ダイアフラム１６の温度特性をキャンセルするこ
とが可能となる。つまり第三の電極１４として一つの容
量値のみを出力とした場合、ダイアフラム１６自身の温
度特性によって第二の電極１２と第三の電極１４間の静
電容量値は変化してしまう。

【００３７】しかし本実施例のように第三の電極１４を
主電極２２と参照電極２３で構成し、出力として主電極
２２と参照電極２３の比をとることによって、温度特性
をキャンセルすることが可能となる。このため容易な構
成で精度の良いセンサ出力を得ることが可能となる。ま
た、第三の電極１４も主電極と参照電極で構成しても同
様の効果が得られる。

【００３８】

【発明の効果】以上のように、請求項１から８に記載さ
れた発明によれば、一方の面に第一の電極、他方の面に
第二の電極が形成された圧電材料からなる固定基板と、
一方の面に第三の電極、他方の面に第四の電極が形成さ
れた圧電材料からなるダイアフラムと、前記第二の電極
と前記第三の電極の少なくとも一方の周縁部に接着層を
備え、前記第二の電極と前記第三の電極が対向するよう
に前記固定基板と前記ダイアフラムとを接合して静圧動
圧検知センサを構成し、第二の電極と第三の電極間の静
電容量によって静圧を検知し、圧電材料で構成された固
定基板あるいはダイアフラムの圧電効果によって動圧を
検知可能となり、１つのセンサで静圧と動圧が同時に検
知可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例１における静圧動圧検知センサ
の断面図

【図２】同静圧動圧検知センサの静力印加時の断面図

【図３】同可撓性圧電素子の断面図と静電容量を検出す
るための構成図

【図４】同可撓性圧電素子の静圧とセンサ出力の特性図

【図５】同可撓性圧電素子の断面図と第一の電圧を検出
するための構成図

【図６】同可撓性圧電素子の動圧とセンサ出力の特性図

【図７】同可撓性圧電素子の断面図と第二の電圧を検出
するための構成図

【図８】本発明の実施例２における静圧動圧検知センサ
の断面図

【図９】本発明の実施例３における静圧動圧検知センサ
の断面図

【図１０】従来の可撓性圧電素子の断面図

【符号の説明】

１１ 第一の電極 １２ 第二の電極 １３ 固定基板 １４ 第三の電極 １５ 第四の電極 １６ ダイアフラム １７ 接着層 １８ 静電容量検知手段 １９ 第一の電圧検知手段 ２０ 第二の電圧検知手段 ２１ スペーサ ２２ 主電極 ２３ 参照電極

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 一方の面に第一の電極、他方の面に第二
   の電極が形成された圧電材料からなる固定基板と、一方
   の面に第三の電極、他方の面に第四の電極が形成された
   圧電材料からなるダイアフラムと、前記第二の電極と前
   記第三の電極の少なくとも一方の周縁部に接着層を備
   え、前記第二の電極と前記第三の電極が対向するように
   前記固定基板と前記ダイアフラムとを接合した静圧動圧
   検知センサ。
2. 【請求項２】 第二の電極と第三の電極間の静電容量を
   検知する静電容量検知手段を設けて静圧を検知する請求
   項１記載の静圧動圧検知センサ。
3. 【請求項３】 第一の電極と第二の電極間の電圧を検知
   する第一の電圧検知手段を設けて動圧を検知する請求項
   １または２記載の静圧動圧検知センサ。
4. 【請求項４】 第三の電極と第四の電極間の電圧を検知
   する第二の電圧検知手段を設けて動圧を検知する請求項
   １または３のいづれか一項記載の静圧動圧検知センサ。
5. 【請求項５】 固定基板及びウダイアフラムがチタン酸
   鉛とジルコン酸鉛の固溶体である請求項１または４のい
   ずれか１項記載の静圧動圧検知センサ。
6. 【請求項６】 少なくとも第二の電極と第三の電極は金
   属レジネートペーストを用いて印刷形成した請求項１ま
   たは５のいずれか１項記載の静圧動圧検知センサ。
7. 【請求項７】 接着層にスペーサを設けた請求項１また
   は６のいずれか１項記載の静圧動圧検知センサ。
8. 【請求項８】 第二の電極または第三の電極を主電極と
   参照電極とから構成した請求項１または７のいずれか１
   項記載の静圧動圧検知センサ。