JP2004226295A - 静圧動圧検知センサ - Google Patents

Abstract

【課題】同一センサで静圧と動圧を高精度に検知できるようにすること。
【解決手段】外面と内面のそれぞれに第一の電極１１と第二の電極１２が形成された圧電材料からなる基板１３と、第二の電極１２に対向して第三の電極１４が形成された絶縁材料からなるダイアフラム１５とを有し、基盤１３とダイアフラム１５とを接着層１６によって接合すると共に、基板１３とダイアフラム１５の少なくとも一方には接着層１６の流動を抑制する溝１７を設けている。これによって、１つのセンサで静圧と動圧とが容易に検知できると共に、静圧に対する静電容量の変化のばらつきを抑制し、高精度な静圧検知が可能となる。
【選択図】 図１

Description

【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】
従来この種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、第一の電極と第二の電極とが対向配置するように接着層５を介して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（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
【特許文献１】
特開昭５７−９７４２２号公報
【０００４】
【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、動圧を検知することはできなかった。さらに静圧においても接着層５が焼成時に流動してしまい、ダイアフラム４の撓み径が接着層５の流動によって減少していた。このため、静圧力に対する静電容量のばらつきが生じ、高精度な静圧検知ができていなかった。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明の静圧動圧検知センサは、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基板と、一方の面に第三の電極が形成された絶縁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が対向するように前記基板と前記ダイアフラムとを接合する接着層と、前記基板と前記ダイアフラムの少なくとも一方に接着層の流動を抑制する溝を備えたものである。
【０００６】
本発明によれば、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、動圧は基板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、この基板の両面に形成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。また前記基板と前記ダイアフラムの少なくとも一方に、接着層の流動を抑制する溝を設けることにより、ダイアフラムの撓み径のばらつきを抑制できる。この結果、静圧に対する静電容量の変化のばらつきを抑制し、高精度な静圧検知も可能となる。
【０００７】
【発明の実施の形態】
上記課題を解決するために、請求項１記載の発明は、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基板と、一方の面に第三の電極が形成された絶縁材料からなるダイアフラムと、第二の電極と第三の電極が対向するように基板とダイアフラムとを接合する接着層と、基板とダイアフラムの少なくとも一方に接着層の流動を抑制する溝を設けた静圧動圧検知センサである。
【０００８】
そして、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、動圧は基板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、この基板の両面に形成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。また基板とダイアフラムの少なくとも一方に、接着層の流動を抑制する溝を設けることにより、ダイアフラムの撓み径のばらつきを抑制できる。この結果、静圧に対する静電容量の変化のばらつきを抑制し、高精度な静圧検知も可能となる。
【０００９】
請求項２記載の発明は、溝を第二の電極と第三の電極の少なくとも一方の電極を囲む環状形状とした静圧動圧検知センサである。そして、溝を第二の電極と第三の電極の少なくとも一方の電極を囲む環状形状とすることによって、ダイアフラムの撓み径の変化を抑制し、精度良い静圧検知が可能となる。
【００１０】
請求項３記載の発明は、溝を接着層を囲む環状形状とした静圧動圧検知センサである。そして、溝を接着層を囲む環状形状にすることによって、電極側だけでなく接着層の外側への流動も抑制することができ、さらに流動が均一に起こるため、ダイアフラムに内部応力の印可による反りの発生が生じにくい。このため初期特性も安定化する。
【００１１】
請求項４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。そして、静電容量検知手段を設けることによって、静圧力の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。
【００１２】
請求５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。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基板に動圧力が印加されたとき、圧電効果によって基板に電圧が発生するため、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。
【００１３】
請求項６記載の発明は、基板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。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。
【００１４】
請求項７記載の発明は、ダイアフラムをアルミナで構成した静圧動圧検知センサである。そして、アルミナ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。
【００１５】
請求項８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−トペ−ストを用いて印刷形成した静圧動圧検知センサである。そして、電極を金属レジネ−トペ−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。
【００１６】
請求項９記載の発明は、接着層にスペ−サを設けた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。
【００１７】
そして、接着層にスペ−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。
【００１８】
請求項１０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。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。
【００１９】
【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。
【００２０】
（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。図において、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基板１３と、一方の面に第三の電極１４が形成された絶縁材料からなるダイアフラム１５と、第二の電極１２と第三の電極１４とを対向配置し、基板１３とダイアフラム１５とを接着層１６を介して接着した。また、接着層１６の流動を抑制するために本発明では基板１３とダイアフラム１５に溝１７を形成している。基板１３には第二の電極１２を囲む環状形状として形成し、さらにダイアフラム１５には第三の電極１４を囲む環状形状で形成し、断面はＶ字形とした。
【００２１】
ただし、この溝１７は基板１３とダイアフラム１５の少なくとも一方に形成するだけでもよい。さらに、溝１７は断面をＶ字形状としたが他の形状（例えば断面矩形、Ｕ字形）としてもよい。ここで、第一の電極１１、第二の電極１２、第三の電極１４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１μｍ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。
【００２２】
さらに、第一の電極１１と第二の電極１２が形成された基板１３は圧電材料として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。また一方の面に第三の電極１４が形成されたダイアフラム１５は、絶縁材料としてアルミナを使用した。基板１３とダイアフラム１５で使用した圧電セラミックとアルミナ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。また、溝１７を形成する際には、基板１３あるいはダイアフラム１５は圧電セラミックやアルミナで構成されているので、これらを金型でプレス成形する際に、その金型に溝１７に対応する形状の環状突起を形成しておくことで容易に形成できる。また、レーザー加工や超音波加工によっても容易に形成できる。レーザー加工や超音波加工の場合には前述の環状突起を形成する場合と比較して、容易に溝の深さも調節することができ、更に板厚の薄い基板にも容易に溝１７が形成できる。
【００２３】
また、基板１３とダイアフラム１５との接着は基板１３の周縁部にスクリーン印刷などによって形成した接着層１６によって行った。本実施例では接着層１６として基板１３及びダイアフラム１５と同程度の熱膨張係数を有するガラスペ−ストを使用した。第二の電極１２と第三の電極１４とが対抗配設するように基板１３とダイアフラム１５とを接着層１６を介して重ね合わせ、一定圧力で加圧しながら加熱し、接着層１６を焼き付けて基板１３とダイアフラム１５とを接合、封止する。ことのき、第二の電極１２と第三の電極１４間距離が一定になるよう圧力などを調節する。こうして基板１３とダイアフラム１５は図１に示すように一体化される。
【００２４】
次に本発明の静圧動圧検知センサの動作を説明する。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１５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^−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。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。
【００２５】
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。
【００２６】
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。この静電容量検知手段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間の静電容量を静電容量検知手段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。
【００２７】
また、本発明の静圧動圧検知センサでは、基板１３とダイアフラム１５の両者に、第二の電極１２と第三の電極１４を囲むように環状形状で溝１７を形成しているため、加圧、加熱の際に接着層１６が電極側に流動しようとしても、接着層１６は溝１７内に流れ込み、それ以上内側には流れ込むことができない。図１０に示した従来の圧力検知の場合において、ダイアフラム４は、外周部を接着層５によって接着されているので撓むことのできる範囲すなわち有効範囲は、接着層５の内周縁よりも内側すなわち中心側の部分である。その有効範囲の直径は、接着層５の内周縁の直径にほぼ等しいが、接着層５の流動によって、ダイアフラム４の撓みの有効範囲にばらつきが生じていた。しかし本発明の静圧動圧検知センサにおける静圧検知は、溝１７によってダイアフラム１５の撓みの有効範囲のばらつきを抑制することが可能となる。
【００２８】
上記工程で３０個の静圧動圧検知センサを作成し、圧力印加（４００Ｐａ）した時の静電容量のばらつきを測定した。この結果、平均値が３０ｐＦに対して標準偏差が１ｐＦであり、ばらつきを約３％に抑えることができた。また、図１０に示した従来の圧力検知センサでは、平均値３５ｐＦに対して標準偏差が７ｐＦであり、ばらつきは約２０％であった。この結果、本発明の静圧動圧検知センサにおける静圧検知は、圧力印加における出力のばらつきを抑制することができ、歩留まりも向上することが可能となった。
【００２９】
さらに、図５に示すように、溝１７を接着層１６を囲む環状形状にすることによって、電極側だけでなく、接着層１６の外側への流動も抑制することができる。このため流動が均一に起こるため、ダイアフラムに内部応力の印可による反りの発生が生じにくく、特性も安定化する。上記工程で静圧動圧検知センサを３０個作成し、圧力印加（４００Ｐａ）した時の静電容量のばらつきを測定した。この結果、平均値が３２ｐＦに対して標準偏差が０．６ｐＦであり、ばらつきを約１．９％に抑えることができた。この結果、接着層１６を囲む環状形状で溝１７を形成することによって、圧力印加における出力のばらつきを抑制することができ、歩留まりも向上することが可能となった。
【００３０】
図６に基板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７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。
【００３１】
（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。図において、実施例１と異なる点は接着層１６にスペ−サ２０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。
【００３２】
本実施例においてスペ−サ２１は接着層１６と同じ熱膨張係数を有するガラスビ−ズ（Φ４５μｍ）を使用した。このスペ−サ２０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−サ２０によって管理できるため基板１３とダイアフラム１５間の静電容量のばらつきを低減することが出来る。スペ−サ２１を設けた静圧動圧検知センサとスペ−サ２０を設けない静圧動圧センサを各３０個作成しその初期容量のばらつきを評価した。スペ−サ２０がない静圧動圧検知センサは、ばらつきが約３％あるのに対しスペ−サ２０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、１／２に低減することが出来た。この結果、ばらつきがなく、精度良い検知が可能な静圧動圧検知センサが容易に実現できる。
【００３３】
（実施例３）
図９ａ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９ｂ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２１と参照電極２２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２１と参照電極２２は金レジネ−トで印刷成形し、参照電極２２は主電極２１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１５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１５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。しかし本実施例のように第三の電極１４を主電極２１と参照電極２２で構成し、出力として主電極２１と参照電極２２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。
【００３４】
【発明の効果】
以上の説明から明らかのように本発明の静圧動圧検知センサによれば次の効果が得られる。
【００３５】
第二の電極と第三の電極間の静電容量の変化をとらえることによって静圧を検知することができると共に、また、圧電材料である基板の両面に形成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検知することによって動圧を検知することができるので、結局１つのセンサで静圧と動圧のいずれも容易に検知することが可能となる。
【００３６】
また、基板とダイアフラムの少なくとも一方に、接着層の流動を抑制する溝を設けたことにより、ダイアフラムの撓み径のばらつきを抑制することができるので、静電容量の変化のばらつきが抑制されて高精度な静圧検知が可能となる。
【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】同センサの静力印加時の状態を示す断面図
【図３】同センサの可撓性圧電素子の利用によって静電容量を検出する場合の構成を示す断面図
【図４】同センサの可撓性圧電素子の静圧とセンサ出力との関係を示す特性図
【図５】同センサの他の構成例を示す断面図
【図６】同センサの可撓性圧電素子の利用によって電圧を検出する場合の構成を示す断面図
【図７】同センサの可撓性圧電素子を利用した場合の動圧とセンサ出力との関係を示す特性図
【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】（ａ）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
（ｂ）同センサにおける第三の電極を示す上面図
【図１０】従来のセンサの可撓性圧電素子を示す断面図
【符号の説明】
１１ 第一の電極
１２ 第二の電極
１３ 基板
１４ 第三の電極
１５ ダイアフラム
１６ 接着層
１７ 溝
１８ 静電容量検知手段
１９ 電圧検知手段
２０ スペ−サ
２１ 主電極
２２ 参照電極

Claims (10)

1. 圧電材料からなる基板と絶縁材料からなるダイアフラムとを対向させ、前記基盤の外側及び内側の面にはそれぞれ第一の電極及び第二の電極を形成し、前記ダイアフラムの内側には第三の電極を形成し、前記基板と前記ダイアフラムとを接着層で接合すると共に、前記基板と前記ダイアフラムの少なくとも一方に前記接着層の流動を抑制する溝を設けた静圧動圧検知センサ。
2. 溝は、第二の電極と第三の電極の少なくとも一方の電極を囲む環状形状とした請求項１記載の静圧動圧検知センサ。
3. 溝は、接着層を囲む環状形状とした請求項１記載の静圧動圧検知センサ。
4. 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、２または３記載の静圧動圧検知センサ。
5. 第一の電極と第二の電極間の電圧を検知する電圧検知手段を設けて動圧を検知する請求項１〜４のいずれか１項記載の静圧動圧検知センサ。
6. 基板は、チタン酸鉛とジルコン酸鉛の固溶体である請求項１〜５のいずれか１項記載の静圧動圧検知センサ。
7. ダイアフラムをアルミナで形成した請求項１〜６のいずれか１項記載の静圧動圧検知センサ。
8. 少なくとも第二の電極と第三の電極は金属レジネ−トペ−ストを用いて印刷形成した請求項１〜７のいずれか１項記載の静圧動圧検知センサ。
9. 接着層にスペ−サを設けた請求項１〜８のいずれか１項記載の静圧動圧検知センサ。
10. 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１〜９のいずれか１項記載の静圧動圧検知センサ。

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