JP2005069959A - 静圧動圧検知センサ - Google Patents

Abstract

【課題】 静圧力に対する静電容量のばらつきを解消し、静圧検知精度を向上する。
【解決手段】 接着層１７の流動を抑制する溝１８と、各電極１１、１２、１３との熱膨張差によって生じるそりを抑制するためのダミー電極１５を設けることによって、静圧と動圧を同時に検知するようにしている。これによって、静圧力に対する静電容量のばらつきが抑制され、高精度の静圧検知が可能となる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、静圧と動圧を１つのセンサで同時に検知できる静圧動圧検知センサに関するものである。

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、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（例えば、特許文献１参照）。
特開昭５７−９７４２２号公報

しかしながら、上記従来の圧力検知については、ダイアフラム４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の流動によって変化していた。さらに、ダイアフラム４に第ニの電極３を形成したことで、第二の電極３との熱膨張差による反りが発生していた。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。

本発明は、前記従来の課題を解決するもので、静圧と動圧を同時に検知するとともに、静圧力に対する静電容量のばらつきを抑制し、高精度な静圧検知が可能な静圧動圧検知センサを提供することを目的とする。

前記従来の課題を解決するために、本発明の静圧動圧検知センサは、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、さらにダイアフラムにダミー電極を形成したものである。

これによって、１つのセンサで容易に静圧と動圧が検知できるとともに、接着層の流動を抑制することでダイアフラムのたわみ径のばらつきを抑制できる。さらに、ダミー電極を形成したことで、ダイアフラムとの熱膨張差で生じるダイアフラムの反りを抑制することができるため、初期の静電容量のばらつきを抑えることができる。このため、高精度な静圧検知が可能となる。

本発明の静圧動圧検知センサは、静圧と動圧を同時に検知するとともに、静圧力に対する静電容量のばらつきを抑制しているので、高精度な静圧検知が可能となる。

第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基板と、一方の面に第三の電極、他方の面にダミー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設けることにより、静圧と動圧を同時に検知することができるとともに、ダイアフラムのたわみ径のばらつきや電極との熱膨張差で生じるダイアフラムの反りを抑制することができる。このため、静圧力に対する静電容量のばらつきを抑制し、高精度な静圧検知をすることができる。

第２の発明は、特に、第１の発明の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り、ダイアフラムのたわみ径の変化を抑制し、精度良い静圧検知をすることができる。

第３の発明は、特に、第１の発明の溝を接着層を囲む環状形状とすることによって、電極だけでなく、接着層の外側への流動を抑制することができる。さらに流動が均一に生じるため、ダイアフラムに内部応力の印加によるそりの発生が抑制でき、初期容量のばらつきを低減することができる。

第４の発明は、特に、第１〜第３のいずれか１つの発明のダミー電極をダイアフラムを介して第三の電極と対称形状で形成し、かつ同質材料あるいは熱膨張係数が同じ材料で構成することにより、第三の電極の熱膨張によるダイアフラムの反りを相殺することができ、安定した初期容量を得ることができる。

第５の発明は、特に、第１〜第４のいずれか１つの発明の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検知することができ、容易に静圧を検知することができる。

第６の発明は、特に、第１〜第５のいずれか１つの発明の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ることによって、簡単な構成で容易に動圧を検知することができる。

第７の発明は、特に、第１〜第６のいずれか１つの発明の基板をチタン酸鉛とジルコン酸鉛の固溶体で構成することによって、高感度で安価な静圧動圧検知センサを提供することができる。

第８の発明は、特に、第１〜第７のいずれか１つの発明のダイアフラムをアルミナで形成することにより、高感度で安価な静圧動圧検知センサを提供することができる。

第９の発明は、特に、第１〜第８のいずれか１つの発明の少なくとも第二の電極と第三の電極を金属レジネ−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、初期容量のばらつきを低減できる。

第１０の発明は、特に、第１〜第９のいずれか１つの発明の接着層にスペ−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。

第１１の発明は、特に、第１〜第１０のいずれか１つの発明の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することによって、主電極と参照電極の各々の静電容量比を出力にし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。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、この実施の形態によって本発明が限定されるものではない。

（実施の形態１）
図１は本発明の実施の形態１における静圧動圧検知センサの断面図を示すものである。

図１において、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基板１３と、一方の面に第三の電極１４が形成され、他方の面にダミー電極１５が形成された絶縁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とを対向配置し、基板１３とダイアフラム１６とを接着層１７を介して接着した。

また、接着層１７の流動を抑制するために本発明では基板１３に溝１８を形成している。本実の形態において溝１８は基板１３とダイアフラム１６の両者に形成した。基板１３には第二の電極を囲む環状形状として形成し、さらにダイアフラム１６に第三の電極１４を囲む環状形状で形成し、断面はＶ字形とした。ただし、この溝１８は基板１３とダイアフラム１６の少なくとも一方に形成しただけでもよい。

さらに、溝１８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、ダミー電極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。

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１６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１６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１８を形成する際には、基板１３あるいはダイアフラム１６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１８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１８が形成できる。

また、基板１３とダイアフラム１６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１７によって行った。本実施の形態では接着層１７として基板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−ストを使用した。第二の電極１２と第三の電極１３とが対抗配設するように基板１３とダイアフラム１６とを接着層１７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１７を焼き付けて基板１３とダイアフラム１６とを接合、封止する。このとき。第二の電極１２と第三の電極１３間の距離が一定になるよう圧力などを調整する。このようにして基板１３とダイアフラム１６は図１に示すように一体化される。

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^−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。

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。

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１９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１７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１９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１９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。

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１６の両方に、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１８を形成しているため、加圧、加熱の際に接着層１７が電極側に流動しようとしても、接着層１７は溝１８内に流れ込み、それ以上内側に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のたわ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はにおける静圧検知は、溝１８によってダイアフラム１６のたわみの有効範囲のばらつきを約１０％に抑制することができ、図１０に示す従来の圧力検知に比べ約１／３に低減することができた。このため、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。

さらに、図５に示すように、溝１８を接着層１７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１７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１６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）した際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１７を囲む環状形状で溝１８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。

さらに、ダイアフラム１６にダミー電極１５を形成しない場合の静圧動圧検知センサを１００個作成した場合、ダイアフラム１６の反りは約１０μｍ程度生じ、第二の電極１２と第三の電極１４間の静電容量のばらつきは約８％もあった。しかし本発明の静圧動圧検知センサは、ダイアフラム１６にダミー電極１５を形成しているため、静圧動圧検知センサのダイアフラム１６の反りは１μｍ以下に抑制することができ、第二の電極１２と第三の電極１４間の静電容量のばらつきも約１％に抑えることができた。このため安定した初期特性を得ることができ、歩留まりも向上できた。

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２０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。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２０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。

（実施の形態２）
図８は本発明の実施の形態２における静圧動圧検知センサの断面図である。

第２の本実施の形態において、実施の形態１と異なる点は接着層１７にスペーサー２１を設けた点である。なお、実施の形態１と同一符号のものは同一構造を有し、説明は省略する。

本実施の形態においてスペ−サ２１は接着層１７と同じ熱膨張係数を有するガラスビ−ズ（Φ４５μｍ）を使用した。このスペーサー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ー２１によって管理できるため基板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−サ２１を設けた静圧動圧検知センサとスペーサー２１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。スペーサー２１がない静圧動圧検知センサは、ばらつきが約１％あるのに対しスペーサー２１を設けた静圧動圧検知センサの標準偏差は約０．５％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。

（実施の形態３）
図９（ａ）は本発明の実施の形態３における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。本実施の形態において、実施の形態１及び実施の形態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。本実施の形態において、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−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。しかし本実施の形態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。

以上のように、本発明にかかる静圧動圧検知センサは、1つのセンサで静圧と動圧を同時に検知できるとともに静圧を精度良く検知できるので介護ベッドの在床検知の圧力検出装置など幅広い用途に適用できるものである。

本発明の実施の形態１における静圧動圧検知センサの断面図 同静圧動圧検知センサの静力印加時の断面図 同センサの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 同センサの可撓性圧電素子の静圧とセンサ出力を示す特性図 同センサの基板に２条の溝を設けた形態を示す断面図 同センサの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 同センサの可撓性圧電素子からの出力と時間との関係を示す特性図 本発明の実施の形態２における静圧動圧検知センサの断面図 （ａ）本発明の実施の形態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 従来の圧力検知センの断面図

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 ダミー電極
１６ ダイアフラム
１７ 接着層
１８ 溝
１９ 静電容量検知手段
２０ 電圧検知手段
２１ スペ−サ
２２ 主電極
２３ 参照電極

Claims (11)

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基板と、一方の面に第三の電極、他方の面にダミー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に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に記載の静圧動圧検知センサ。
4. ダミー電極はダイアフラムを介して第三の電極と対称形状で形成し、かつ同質材料あるいは熱膨張係数が同じ材料で構成した請求項１〜３のいずれか１項に記載の静圧動圧検知センサ。
5. 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１〜４のいずれか１項に記載の静圧動圧検知センサ。
6. 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１〜５のいずれか１項に記載の静圧動圧検知センサ。
7. 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１〜６のいずれか１項に記載の静圧動圧検知センサ。
8. ダイアフラムをアルミナで形成した請求項１〜７のいずれか１項に記載の静圧動圧検知センサ。
9. 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１〜８のいずれか１項に記載の静圧動圧検知センサ。
10. 接着層にスペ−サを設けた請求項１〜９のいずれか１項に記載の静圧動圧検知センサ。
11. 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１〜１０のいずれか１項に記載の静圧動圧検知センサ。

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