JP2005055305A - 振動センサー - Google Patents

Abstract

【課題】
安く確実に生産し、環境に良い高品質の製品を安定供給できる振動センサーを提供すること。
【解決手段】
本発明にかかる振動センサーは、シールドケース６１、６２と、シールドケース６２の内部に圧電素子１１とを備え、圧電素子１１は、電極１２と、電極１３と、一端に自由に可動する自由端１４と、他端に電極１３とシールドケース６２とを導電性接着部材２１により固定する固定端１５とを有し、導電性接着部材２１は、圧電素子１１との間及びシールドケース６２との間を導電性接着剤２２により接着されるものである。
【選択図】 図２

Description

本発明は、電子機器や精密機器等に使われる機能部品である振動センサーの構成に関するものである。

図１に、従来の振動センサーの構造を示す。すなわち、従来の振動センサーは、図１に示すように、ＰＺＴなどの圧電セラミックス材料から構成され、その両面１Ａおよび１Ｂに電極を形成し、一端が外部からの力により自由に動き、他端が導電性材料から成るシールドケース６Ｂと接着部材２により固定される圧電素子１と、この圧電素子１の一方の電極１Ａとセンサー回路を電気的に接続する線材３と、電界効果型トランジスタ４Ｂなどの電子部品から構成するセンサー回路基板４と、上記の圧電素子１や線材３、センサー回路基板４などの全体を電磁気的に覆う、導電性を持った磁性材料から成るシールドケース６Ａ、６Ｂなどから構成している。

尚、圧電素子を導電性接着剤により接着固定する振動センサーとして特許文献１が知られている。
特開平８−３３０８８７号公報

図１に示す従来の振動センサー構成において、電極１Ａと線材３の固定、および、電極１Ｂとシールドケース６Ｂを固定する接着部材２に、ハンダを使っていた。

電極１Ｂとシールドケース６Ｂの固定方法は、圧電素子１の動作空間を確保し、かつ、繰り返し掛かる振動等の外力に対しその固定の剛性を十分維持し、さらに電極１Ｂの信号をシールドケース６Ｂに伝える機能を必要とする。この点、ハンダによる固定方法は、上記の空間の確保と、機械的強度の確保と、電気接続を両立でき、構造上極めて合理的である。

しかし、従来、電極１Ａと線材３の固定、および、電極１Ｂとシールドケース６Ｂを固定する接着部材２は、圧電素子１の物理特性確保のため低温ハンダを使っていた。この低温ハンダを用いる圧電素子１の固定方法は、厳格な温度管理を必要とする生産管理上の課題と、鉛を含んでいることから環境上の課題を合わせ持っている。

また、上記の改良として、電極１Ｂとシールドケース６Ｂの固定に要する空間に例えば、接着部材２となるように、液状の導電性接着剤を挿入（注入）し、加熱硬化する方法もある。この方法では、加熱硬化により導電性接着剤のバインダー（接着溶液）が、加熱に伴い気化・飛散するため、硬化後も電極１Ｂとシールドケース６Ｂの固定に要する空間に必要量の導電性接着剤を残留硬化できず、上記に示す固定の剛性を維持できないことや、また、上記接着剤の気化・飛散に伴い電極１Ｂとシールドケース６Ｂの固定に要する空間が収縮し、圧電素子１の動作空間を確保できない等の課題が生じる。さらに、圧電素子１の共振点が変わるため、振動センサーの品質を確保できないという課題も生じる。

上述のように、従来の振動センサーでは、生産管理が困難であり、かつ、環境面に悪影響があり、さらに、品質が確保できないという問題点があった。

本発明は、このような問題点を解決するためになされたものであり、安く確実に生産し、環境に良い高品質の製品を安定供給できる振動センサーを提供することを目的とする。

本発明にかかる振動センサーは、第１の電極面と第２の電極面を有し、一端を自由端とし他端を固定端とする圧電素子と、当該圧電素子を収容するシールドケースとを備えた振動センサーであって、前記圧電素子の固定端は、前記第１の電極面と前記シールドケースとを導電性接着部材を介して導電性接着剤により接着して固定されたものである。これにより、振動センサーの生産性及び品質を向上することができる。

また、本発明にかかる振動センサーは、第１の電極面と第２の電極面を有し、一端を自由端とし他端を固定端とする圧電素子と、回路基板と、当該圧電素子及び回路基板を収容するシールドケースとを備えた振動センサーであって、前記圧電素子の固定端は、前記第１の電極面と前記シールドケースとを導電性接着部材を介して導電性接着剤により接着して固定され、前記回路基板は、前記第２の電極面と接続する電極接続部と、前記シールドケースと接続するグランド接続部を有するものである。これにより、振動センサーの生産性及び品質を向上することができる。

上述の振動センサーにおいて、前記圧電素子は、複数の圧電素子を有し、各々の前記固定端の間を前記導電性接着部材及び前記導電性接着剤により接着されてもよい。これにより、振動センサーの精度を向上することができる。

上述の振動センサーにおいて、前記導電性接着部材は、前記圧電素子又は前記シールドケースと同じ又はそれ以上の機械的剛性の部材であってもよい。これにより、外部の振動を正確に検出することができる。

上述の振動センサーにおいて、前記導電性接着剤は、熱硬化性接着剤であってもよい。

上述の振動センサーにおいて、前記圧電素子は、前記シールドケースと固定される面とほぼ平行であってもよい。これにより、外部の振動を正確に検出することができる。

本発明によれば、安く確実に生産し、環境に良い高品質の製品を安定供給できる振動センサーを提供することができる。

本発明の実施の形態１．
以下に、本発明の実施の形態１にかかる振動センサーについて、まずその構造について、図２及び図３を使い詳細に説明する。図２は、本発明の実施の形態１にかかる振動センサーを示す断面図であり、図３は、本発明の実施の形態１にかかる圧電素子の固定端を詳細に示す断面図である。

すなわち、本形態の振動センサー１０は、図２に示すようにその両面の全体に電極１２，１３を形成し、その一端に外部からの力により自由に動く自由端１４を有し、他端に導電性接着部材２１を介しシールドケース６２に固定された固定端１５を有する圧電セラミックス材料からなる片持ち梁構造の圧電素子１１と、この圧電素子１１を固定する導電性接着部材２１と、圧電素子１１の電極１２とセンサー回路基板４１を電気的に接続する線材３１と、電界効果型トランジスタ４３他の部品を搭載し構成するセンサー回路基板４１と、これら圧電素子１１、センサー回路基板４１など構成要素の全体を電磁気的かつ磁気的に覆う、導電性かつ磁性材料から成るシールドケース６１，６２などを具備し構成する。また、図３に示すように、圧電素子１１と導電性接着部材２１の間及び導電性接着部材２１とシールドケース６２の間は、熱硬化型導電性接着剤２２により接着され固定されている。

ここで、圧電素子１１を構成する圧電セラミック材料は、ピエゾ素子等に示す物理的な圧電特性を有するセラミック素材や、同等性能を示す素材から振動センサーとしての動作特性に合わせ切り出され、かつ、図２に示すようにその両面に信号検出用の電極１２，１３をコウティング等により形成されたものを示す。

また、熱硬化型導電性接着剤２２は、通常（硬化前）液状またはペースト状で、その中に、硬化後に導電性を確保するための導電性微粒子（フィラー）と、加熱されることによりそれ自身が反応または蒸発等を起し、硬化後殆ど残留しない成分から構成されるものである。

次に、圧電素子１１とシールドケース６２の固定について説明する。振動センサー１０の製造工程において、圧電素子１１とシールドケース６２の固定は、前記したように、予め、所定形状のシールドケース６２または圧電素子１１の材料に対し、同等、または、それ以上の剛性を有する導電性の素材から成る導電性接着部材２１を準備し、圧電素子１１とシールドケース６２の間に、この導電性接着部材２１を挿入し、圧電素子１１と導電性接着部材２１、導電性接着部材２１とシールドケース６２の間に熱硬化型導電性接着剤２２を塗布し、所定の位置に積層する。積層後、所定の荷重を掛け、高温槽等に入れ、所定温度および所定時間の加熱を行い、熱硬化型導電性接着剤２２を硬化し両者の固定を確実にする。

図２および図３の断面図に示すように、振動センサー１０の圧電素子１１は、導電性接着部材２１を介しシールドケース６２へ固定してある。

本構成のように圧電素子１１とシールドケース６２の固定に仲介する導電性接着部材２１を挿入することにより、圧電素子１１の動作領域（動作空間）は、導電性接着部材２１の厚さに因り確実に確保できる。また、熱硬化型導電性接着剤２２の機能は、圧電素子１１と導電性接着部材２１、導電性接着部材２１とシールドケース６２の接着にのみ限定でき、熱硬化型導電性接着剤２２の厚さは、必要最低限に抑制できる。熱硬化型導電性接着剤２２の厚さを接着に必要な最低限の厚さに抑えることにより接着の強度は、確保できる。

導電性接着部材２１は、シールドケース６２または圧電素子１１の材料に対し、同等、または、それ以上の剛性を有する導電性の素材からなり、例えば、銅板や鉄板、ステンレス等でもよい。また、導電性接着部材２１は、圧電素子１１の長さ方向には圧電素子１１の長さに対し０．１〜０．２の長さ、圧電素子１１の幅方向には圧電素子１１の幅に対し０．９〜１．０の幅、また、圧電素子１１の厚さ方向には圧電素子１１の可動範囲を十分確保できる寸法で構成している。例えば、圧電素子１１と導電性接着部材２１間及び導電性接着部材２１とシールドケース６２間の熱硬化型導電性接着剤２２の厚さを２５μｍ、導電性接着部材２１の厚さを２５０μｍとして、圧電素子１１とシールドケース６２の間を０．３ｍｍとしてもよいし、他の値としてもよい。

したがって、図２、図３に示すように、振動センサー１０におけるシールドケース６２と圧電素子１１の隙間は、その製造工程における加熱・加圧作業を受けても、導電性接着部材２１の厚さと、熱硬化型導電性接着剤２２の粒子の高さ（実際は両面のため×２）の空間を確実に確保でき、圧電素子１１の動作においてシールドケース６２等に当接し、その動きを規制されることが無い。

また、圧電素子１１は、図２、図３に示すように、前記した導電性接着部材２１と必要最低限の熱硬化型導電性接着剤２２により支持される。圧電素子１１の支持部の剛性は、導電性接着部材２１および熱硬化型導電性接着剤２２の強度に因り決まる。本形態の場合、この支持部は前記したようにシールドケース６２または圧電素子１１の材料に対し、同等、または、それ以上の剛性を有する導電性の素材からなる導電性接着部材２１と必要最低限の厚さの熱硬化型導電性接着剤２２から構成されるためシールドケース６２または圧電素子１１の材料に対しほぼ同等以上と考えられ、支持部における振動等の減衰は起きない。

圧電素子１１の表面には、電極１２、１３が、塗布等の手段により構築してある。この電極１２は、線材１３を介しセンサー回路基板４１へ、また、電極１３は、シールドケース６１，６２および、センサー回路基板４１とのグランド接続部４２を介しセンサー回路基板４１のグランド部へ接続し、それぞれの電極に発生した信号は、接続するセンサー回路基板４１に伝わる構成である。

このセンサー回路基板４１は、図４に示すセンサ回路が構成されている。すなわち、圧電素子１１は、一方の電極１２から線材３１を介し、センサー回路の電界効果型トランジスタ４３のゲートに、また他の一方の電極１３はシールドケース６２を介しセンサー回路の電界効果型トランジスタ４３のソースに接続し、圧電素子１１が検出した信号は、電界効果型トランジスタ４３により周囲ノイズ等の影響を受け難く処理され、外部へ伝えられる構成である。

次に、図２、図５及び図６を使い本形態の振動センサーの動作を詳細に説明する。

図２に示す振動センサー１０が機器に取付けられ利用される場合、その機器が外部からの衝撃や振動の力を受けると振動センサー１０が動作する。

まず、外部からの力は、機器の取付部を介し、図２に示すシールドケース６１，６２に伝わり、さらに、シールドケース６２に固定されている圧電素子１１の固定端１５に伝わる。

例えば、圧電素子１１の固定端１５が図５に示す矢印Ａ方向の外力を受けた場合、固定端１５は外力により移動し、一方、圧電素子１１の自由端１４は、外部の力が直接及ばず、外力および圧電素子１１の機械的な剛性（強度）に従って動作する。従って、図５に示すように、圧電素子１１の固定端１５が矢印Ａ方向の外力を受けた場合、圧電素子１１は、外力によりシールドケース６１、６２全体が矢印Ａの方向に移動する。このとき、圧電素子１１は、固定端１５が外力により移動し、自由端１４は、慣性の法則に示すようにその位置をキープしようとするので、圧電素子１１は、上に凸の状態に歪み、電極１２、電極１３に、この歪みに対応した電位が現れる。

そして、この歪みに伴う曲げのエネルギーと圧電素子１１の内部剛性による復元エネルギーが動作し、時間と共に圧電素子１１の歪みが解放され、圧電素子１１は、図５の破線で示すように直線状に戻り、その電極の電位は無くなる。

次に、外力が無くなると、振動センサー１０全体は、外力により規制されていた位置から解放され元の状態または、規制されない位置に戻る。この場合、圧電素子１１は、上記と反対の動きをする。つまり、振動センサー１０が外力から解放されると、振動センサー全体は一気に元の状態に強制的に戻る。このとき、圧電素子１１は、図６に示すように固定端１５が一気に強制移動するが、圧電素子１１の自由端１４は、慣性の法則に示すように動作となるため、上記の図５の動きと反対となる。つまり、圧電素子１１は、図６に示すように、上に凹の状態に歪み、電極１２、電極１３には、この歪みに対応した上記の図５と反対の電位が現れる。やがて、この歪みに伴う圧電素子１１の曲げエネルギーと圧電素子１１の復元エネルギーである内部剛性の動作により時間と共に圧電素子１１の歪みが解放され、元の状態に戻り、図６の破線で示す状態となる。

なお、外力が振動として加わる場合、その振動周波数と圧電素子１１の復元エネルギーの動作によりその挙動が決まる。

さて、上記の電極１２に出現する電位は、電極１２に接続する線材３１を介しセンサー回路基板４１の電界効果型トランジスタ４３のゲートに伝わり、また、電極１３に出現する電位は、電極１３に接続するシールドケース６２、シールドケース６２とセンサー回路基板４１のグランド接続部４２を介しセンサー回路基板４１の電界効果型トランジスタ４３のソースに伝えられ、振動センサー１０の検出信号として図４に示すセンサー回路基板４１の信号出力端子から接続する機器に送られる。

本形態の振動センサー１０は、圧電素子１１，線材３１、各種電子部品を搭載したセンサー回路基板４１等の全体を、シールドケース６１，６２により電気的磁気的に覆い、外部ノイズからシールドされている。

したがって、振動センサー１０は、周囲の電気的磁気的ノイズ等の影響が入り難く、品質の高い検出信号を得ることができる。

本発明の実施の形態２．
続いて、図７及び図８を使い本発明の実施の形態２にかかる振動センサーについて説明する。図７は、本発明の実施の形態２にかかる振動センサーを示す断面図であり、図８は、本発明の実施の形態２にかかる圧電素子の固定端を詳細に示す断面図である。また、この振動センサーは、圧電素子を複数設けていることを特徴とする。

すなわち、図７に示す振動センサー７０は、その両面７２Ａ，７２Ｂ面および７３Ａ，７３Ｂに電極を形成し、一端７２Ｃ、７３Ｃが外部からの力により自由に動き、他端７２Ｄ、７３Ｄが導電性の接着部材７４，７５を介しシールドケース６２に固定され圧電セラミックス材料からなる片持ち梁構造の圧電素子７２，７３と、この圧電素子７２，７３を固定する導電性接着部材７４，７５と、圧電素子７２の電極７２Ａとセンサー回路基板４１を電気的に接続する線材３１と、電界効果型トランジスタ４３他の部品を搭載し構成するセンサー回路基板４１と、これら圧電素子７２，７３、センサー回路基板４１など構成要素の全体を電磁気的に覆う導電性かつ磁性材料から成るシールドケース６１，６２などを具備し構成する。また、上記の圧電素子７２，７３とシールドケース６２の固定は、導電性接着部材７４，７５と導電性接着剤７７を使い固定している。

すなわち、図８にその詳細を示すように、圧電素子７２と圧電素子７３の固定では、圧電素子７２と圧電素子７３の間に導電性接着部材７４を挿入し、圧電素子７２と導電性接着部材７４の間、および導電性接着部材７４と圧電素子７３の間に導電性接着剤７７を塗布し加熱・加圧して固定する。また、圧電素子７３とシールドケース６２の固定では、圧電素子７３とシールドケース６２の間に導電性接着部材７５を挿入し、圧電素子７３と導電性接着部材７５の間、および導電性接着部材７５とシールドケース６２の間に導電性接着剤７７を塗布し加熱・加圧し固定する。

この固定により、圧電素子７２と圧電素子７３、および圧電素子７３とシールドケース６２の間の支持部は、前記図２および図３に示す支持部と同様の圧電素子の動作空間、機械的剛性、および電気的な接続等を確保できる。

また、接続に用いる導電性接着部材７４，７５は、図２、図３に示す導電性接着部材２１と同じ材料、構造である。なお、図７では、圧電素子７２，７３が２個の場合を示したが、圧電素子が３個以上の場合も同等に構成し、同等に基本性能を確保できる。

上記したように、本説明では、作業時等、通常液状である導電性接着剤を用いる方法について説明した。しかし、通常状態において、乾燥したシート状の熱硬化型導電性接着剤を用いても、その加熱硬化時、接着剤が一度軟化液状になり、上記した液状の導電性接着剤同様に、それ自身が反応する、または、蒸発等を起し、硬化後殆ど残留しない成分から構成されるので、接着剤自体は、接着剤の収縮や剛性の劣化の課題を持っている。

したがって、本発明の導電性接着部材を用いた圧電素子の支持方法は、乾燥したシート状の熱硬化型導電性接着剤を用いる場合も有効である。

また、上記したように、本発明の振動センサーは、導電性の接着剤を使った固定方法に、接着部材を採用することにより圧電素子とシールドケースの相対位置および圧電素子の動作空間を確実に確保することが出来る。さらに、接着部材を使うことにより、高価な導電性接着剤の厚さ（量）を最低必要限に押さえられ、製造経費を削減できるコスト的なメリットが生じる。さらに、導電性の熱硬化型接着剤を使うことにより、鉛入りハンダが廃止できるなど、生産上の課題を解決すると共に、環境上の課題を解決する副次的なメリットも得られる。

従来の振動センサーを示す断面図である。 本発明にかかる振動センサーを示す断面図である。 本発明にかかる圧電素子の固定端を詳細に示す断面図である。 本発明にかかる振動センサーの回路構成を示す回路図である。 本発明にかかる振動センサーが外部から力を受けた場合の圧電素子の動作を示す断面図である。 本発明にかかる振動センサーが受けた外部から解放された場合の圧電素子の動作を示す断面図である。 本発明にかかる振動センサーを示す断面図である。 本発明にかかる圧電素子の固定端の詳細に示す断面図である。

符号の説明

１０：振動センサー
１１：圧電素子
１２，１３：圧電素子の電極
１４：圧電素子の自由端
１５：圧電素子の固定端
２１：導電性接着部材
２２：導電性接着剤
３１：線材
３２：線材の電極固定部
４１：センサー回路基板
４２：グランド接続部
４３：電界効果型トランジスタ
６１，６２：シールドケース

Claims (6)

1. 第１の電極面と第２の電極面を有し、一端を自由端とし他端を固定端とする圧電素子と、当該圧電素子を収容するシールドケースとを備えた振動センサーであって、
   前記圧電素子の固定端は、前記第１の電極面と前記シールドケースとを導電性接着部材を介して導電性接着剤により接着して固定された振動センサー。
2. 第１の電極面と第２の電極面を有し、一端を自由端とし他端を固定端とする圧電素子と、回路基板と、当該圧電素子及び回路基板を収容するシールドケースとを備えた振動センサーであって、
   前記圧電素子の固定端は、前記第１の電極面と前記シールドケースとを導電性接着部材を介して導電性接着剤により接着して固定され、
   前記回路基板は、前記第２の電極面と接続する電極接続部と、前記シールドケースと接続するグランド接続部を有する振動センサー。
3. 前記圧電素子は、複数の圧電素子を有し、各々の固定端の間を前記導電性接着部材及び前記導電性接着剤により接着されることを特徴とする請求項１又は２記載の振動センサー。
4. 前記導電性接着部材は、前記圧電素子又は前記シールドケースと同じ又はそれ以上の機械的剛性の部材であることを特徴とする請求項１乃至３いずれかに記載の振動センサー。
5. 前記導電性接着剤は、熱硬化性接着剤であることを特徴とする請求項１乃至４いずれかに記載の振動センサー。
6. 前記圧電素子は、前記シールドケースと固定される面とほぼ平行であることを特徴とする請求項１乃至５いずれかに記載の振動センサー。

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