JP2007024668A - センサ、及び、これを用いた電子機器 - Google Patents

Abstract

【課題】 構造が簡単で、製造の容易なセンサ、及び、電子機器を提供すること。
【解決手段】 外力感知部６１と、誘電体素子Ｃｘと、検出回路７０とを含む。外力感知部６１は、外力Ｆに応答して変位する。誘電体素子Ｃｘは、外力感知部６１に取り付けられ、外力感知部６１の変位に起因する応力により誘電率が変化する。検出回路７０は、誘電体素子Ｃｘの誘電率の変化を電気信号に変換する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、センサ、及び、電子機器に関し、更に詳しくは誘電体素子を応用したセンサ、及び、これを用いた電子機器に関する。

物体に作用する衝撃、物体の振動、又は、物体の慣性加速度を検出するセンサとして、加速度センサが知られている。加速度センサとしては、動作原理、形態の違いによって、導電型，圧電型，光電型及びサーボ型等が提案され、実用化されている。

例えば、特許文献１、及び、特許文献２は、圧電型の加速度センサを開示している。圧電型の加速度センサは、チタン酸バリウム、ジルコン酸塩等の強誘電体セラミクス、水晶等のピエゾ素子を感応素子として用い、慣性力をピエゾ素子に作用させ、ピエゾ効果により生じる電圧を検出して、慣性加速度を求めるものである。

しかしながら、ピエゾ素子は、強誘電体セラミクスに強電界を印加し分極する工程や、バイモルフ構造にする工程や、端子電極を引き出すための微細加工工程などが必要であるため、工数がかかるという問題や、コスト高になるなどの問題がある。
特開平６−３２４０７３号公報 特開平６−１６０４１９号公報

本発明の課題は、構造が簡単で、製造の容易なセンサ、及び、電子機器を提供することである。

上述した課題を解決するため、本発明に係るセンサは、外力感知部と、誘電体素子と、検出回路とを含む。前記外力感知部は、外力に応答して変位する。前記誘電体素子は、前記外力感知部に取り付けられ、前記変位に起因する応力により誘電率が変化する。前記検出回路は、前記誘電体素子の前記誘電率の変化を電気信号として検出する。

本発明において用いられる誘電体素子は、代表的には、積層コンデンサである。近年、積層コンデンサは、大容量化の要請に応えるべく、１層当たりの厚みが極めて薄くなり、誘電体材料の誘電率も年々極めて高くなっている。しかしながら、同時に、積層コンデンサは、ノイズに弱いという問題も生じてきている。このノイズは機械的ノイズで、振動に起因するものであることまでは判明したが、その原因については、当初、誘電体の中にわずかに潜在する圧電効果か電歪効果によるものと考えられていた。

ところが、本発明者が解析したところ、このノイズは、圧電効果や電歪効果によるものではなく、誘電体の誘電率が応力により変動することがその主な原因であることが分かった。本発明者は、この知見をもとにし、誘電率の変化量を取り出すことができれば、応力検出手段として、工業的に利用することができるのではないかと考え、その利用面について鋭意検討した結果、この現象が加速度センサ等として利用するのに適していることを見出した。即ち、本発明は、誘電体素子の誘電率が、応力により大きく変化することを見出し、この誘電率変化をセンサに応用したものである。

積層コンデンサは、汎用電子部品であり、多品種のものが市販されているから、この積層コンデンサを、感応素子として用い得る本発明のセンサは、ピエゾ素子を用いる場合と比較して、構造が簡単になり、製造も容易になる。

本発明に係るセンサは、例えば、物体の動作、落下、振動などを検出する加速度センサ、応カセンサなどとして使用することができる。

以上述べたように、本発明によれば、構造が簡単で、製造の容易なセンサ、及び、電子機器を提供することができる。

本発明の他の特徴及びそれによる作用効果は、添付図面を参照し、実施例によって更に詳しく説明する。

図１は、本発明に係るセンサの一実施例を示す概略図である。図示のセンサは、例えば、加速度、応力、又は、変位を検出するために用いることができるもので、外力感知部６１と、誘電体素子Ｃｘと、検出回路７０とを含む。

外力感知部６１は、外力Ｆに応答して変位する部分であり、一般にはビーム状の薄板として構成される。外力感知部６１は、プラスチック材料、繊維強化プラスチック、絶縁処理された金属材料又はそれらの組み合わせによって構成することができる。図示の外力感知部６１は、一端が固定端、他端が自由端となっている。自由端側には、変位増幅のための錘５０が取り付けられている。図の外力感知部６１は、水平に配置されている。

誘電体素子Ｃｘは、典型的には、高誘電率の強誘電体セラミクスを用いた積層コンデンサによって構成することができる。この誘電体素子Ｃｘは、外力感知部６１の固定端側において、その一面上に、例えば、接着剤、はんだなどによって固着した状態で配置されている。

図２は誘電体素子Ｃｘを構成する積層コンデンサの一例を、模式的に示す図で、誘電体セラミック素体１１と、内部電極１３１、１３２と、外部電極１２１、１２２とを含む。誘電体セラミック素体１１は、応力に対応して比誘電率が変化する。内部電極１３１、１３２は、誘電体セラミック素体１１に埋設されている。外部電極１２１、１２２は、内部電極１３１、１３２と導通する。これらの外部電極１２１、１２２は、外力感知部６１の一面上に設けた導体パターン（図示しない）に、はんだ付などの手段によって固着される。
外部電極１２１、１２２は、更に、検出回路７０に導かれる。検出回路７０は、誘電体素子Ｃｘの誘電率の変化を電気信号に変換して検出する。

次に、図１に示したセンサの動作について、説明する。外部から衝撃、振動、又は、加速度等の外力Ｆが加わると、外力感知部６１は、外力Ｆに応じて、変位し、振動し、それに伴って外力感知部６１に歪が発生する。

外力感知部６１に歪が発生すると、外力感知部６１に固定されている誘電体素子Ｃｘには、外力感知部６１の歪に対応する応力が生じる。検出回路７０は、誘電率の変化を電気信号として検出し、電気信号を信号処理して、外力Ｆに対応した出力電圧Ｖｏを生成する。

ここで、本発明では、ピエゾ素子ではなく、誘電体素子Ｃｘを用いているから、低コスト化を図ることができる。しかも、誘電体素子Ｃｘとしては、例えば、市販の積層コンデンサを用いることができる。積層コンデンサは、セラミクスに強電界を印加し分極する工程や、バイモルフ構造にする工程や、端子電極を引き出すための微細加工工程などが不要であるから、極めて容易に製造できる。

更に、誘電体素子Ｃｘ、即ち、応力を感知するセンサとして、表面実装型のコンデンサを用いることが可能であるから、特殊な工程によらず、また、特殊な装置を用いずに、誘電体素子Ｃｘを極めて容易に外力感知部６１に実装できるようになり、生産効率の向上、センサの低コスト化に寄与し得る。

検出回路７０は、誘電体素子Ｃｘの誘電率の変化を電気信号として検出する機能を有するものであれば、回路構成は特に限定するものではない。その適用可能な一例を図３に示す。図３に示した検出回路７０は、高抵抗Ｒ２を介して誘電体素子Ｃｘにバイアス電圧を印加するとともに、誘電体素子Ｃｘの誘電率の変化を電圧信号に変換して検出し、外力Ｆに対応した出力電圧Ｖｏを生成し、出力する。

次に、本発明に係るセンサの更に具体的な実施例について、図を参照して説明する。図４は、本発明に係るセンサの一実施例を示す平面図である。図４に示す実施例では、回路基板６０が用いられている。回路基板６０は、ガラスエポキシ板などによって構成され、外力感知部６１と、回路搭載部６２とを含んでいる。外力感知部６１及び回路搭載部６２は、スリット６５により、互いに分離されている。スリット６５は、長さＬ１を持ち、一端（自由端）が開放され、他端（終端）が閉じている。外力感知部６１は、スリット６５と同じ長さであり、回路搭載分６２の幅よりも十分に小さな幅Ｗ１を持っている。

誘電体素子Ｃｘは、スリット６５の閉じた他端付近に配置されている。更に詳しくは、誘電体素子Ｃｘは、長さ方向の中心線が、スリット６５の終端に一致するように配置する。つまり、誘電体素子Ｃｘは、その長さをＬ２として、スリット６５の終端位置（基準位置０）の両側に長さ（Ｌ２/２）で分配された状態で配置されている。回路搭載部６２には、図３などで示した検出回路７０が搭載されている。

図示のセンサは、スリット６５により、回路搭載部６２と外力感知部６１とが分離されているから、回路搭載部６２を持つ大きな平面積の回路基板６０でありながら、外力感知部６１を確実に振動させることができる。

また、スリット６５の閉じた終端付近は、外力感知部６１が最も大きく歪む部分であり、この部分に誘電体素子Ｃｘが取り付けられているから、誘電体素子Ｃｘに発生する応力を増大させ、Ｓ／Ｎ比、及び、感度の高いセンサが得られる。

更に、外力感知部６１と、回路搭載部６２とを併設した回路基板６０を用いることにより、誘電体素子Ｃｘと検出回路７０とを接続する配線１４１、１４２を容易に形成し得る。

図５は、図４に図示されたセンサの変位量と静電容量との関係を示すデータである。図５において、横軸に外力感知部６１の自由端で見た変位量（ｍｍ）をとり、縦軸に図２に示したような積層コンデンサ構造を持つ誘電体素子Ｃｘの静電容量（μＦ）をとってある。図５のデータは、図４において、回路基板６０として、厚さ０．５ｍｍのガラスエポキシ板を用い、外力感知部６１の長さＬ１を２０ｍｍとし、幅Ｗ１を５ｍｍとして得られたものである。また、励振周波数は１ｋＨｚとした。

図示するように、積層コンデンサ構造を持つ誘電体素子Ｃｘの静電容量値は、外力感知部６１の変位量に比例して変化する。このことは、誘電体素子Ｃｘを構成する誘電体セラミック素体１１（図２参照）の誘電率が、外力感知部６１の変位に起因して、誘電体セラミック素体１１の内部に生じる応力により、誘電率が変化していることを示している。

図６は、図３に示した回路構成を有する検出回路７０の出力特性を示す図で、横軸に時間（ｍｓ）をとり、縦軸に出力電圧Ｖ０をとってある。図の特性は、外力感知部６１を振動させて得られたものである。センサは、図４に示した基本構造を有し、図５に示す変位量／静電容量特性を示す誘電体素子Ｃｘが用いられている。

誘電体素子Ｃｘの静電容量は、変位量に比例して変化する（図５参照）から、出力電圧Ｖｏは、外力Ｆの大きさ、つまり振動の大きさに比例する大きさを有することとなる。図６において、出力電圧Ｖｏは、外力感知部６１の振動周波数に対応して変動しているが、この変動は、例えば、フィルタ回路等（図示せず）を用いて除去することができる。

次に、図７〜図９を参照し、本発明に係るセンサの別の実施例について説明する。これらの図において、共通の構成部分については、同一の参照符号を付してある。それぞれの実施例は、共通の構成部分により、同様の作用効果を奏し得るが、重複説明は省略する。

まず、図７では、外力感知部６１は、スリット６５１、６５２により、回路搭載部６２から分離されている。スリット６５１、６５２は、終端付近において、切欠き６３１、６３２により、スリット幅が拡大されており、反射的に外力感知部６１の幅が狭められるから、外力感知部６１を大きく振動させることができ、Ｓ／Ｎ比、及び、感度の高いセンサが得られる。

次に、図８では、回路基板６０は、回路搭載部６２と、２つの外力感知部６１１、６１２とを含んでいる。２つの外力感知部６１１、６１２は、互いに、９０度で異なる方向に延びており、互いに、９０度異なる２軸Ｘ、Ｙの方向に延びるスリット６５３、６５４によって、回路搭載部６２から分離されている。誘電体素子Ｃｘ１はスリット６５３の終端部付近に固定され、誘電体素子Ｃｘ２はスリット６５４の終端付近に固定されている。

図示のセンサによれば、誘電体素子Ｃｘ２により軸Ｘの回りＭｘの角加速度を検出し、誘電体素子Ｃｘ１により軸Ｙの回りＭｙの角加速度を検出することができる。

更に、図９に示したセンサは、外力感知部６１が、鉛直方向（又は水平方向）に対する角度αが、９０度よりも小さくなるように配置されている。角度αは、例えば４５度となるように設定される。

図示のセンサは、外力感知部６１が、鉛直方向（又は水平方向）に対して、９０度よりも小さい角度αとなるように固定されているので、外力Ｆについて、鉛直方向成分Ｆｙ、及び、水平方向成分Ｆｘを検出することができる。図９の配置は、先に述べた実施例の全てに適用できる。

図１０は、本発明に係る電子機器の一実施例を示すブロック図である。図示の電子機器は、例えば、万歩計（登録商標）である。図示の電子機器は、センサ１と、演算回路８１と、出力回路８２と、入力装置８３と、タイマー回路８４とを含む。

センサ１は、図１〜図９に示した本発明のセンサである。入力装置８３は、使用者の歩幅等を入力するための装置である。演算回路８１は、例えば、ＣＰＵ（中央演算処理装置：central processing unit)であり、センサ１により検出された加速度Ｖｏ、入力装置８３により入力された歩幅情報、及び、タイマー回路８４により得られた時刻情報等を用いて、使用者の歩行状態を処理し、出力回路８２を介して出力する。

図示の電子機器は、本発明に係るセンサ１を含むので、センサ１の有する作用効果をそのまま得ることができる。

以上、好ましい実施例を参照して本発明の内容を具体的に説明したが、本発明の基本的技術思想及び教示に基づいて、当業者であれば、種々の変形態様を採り得ることは自明である。

本発明に係るセンサの一実施例を示す概略図である。 図１に示した誘電体素子の断面図である。 検出回路の一例を示す電気回路図である。 本発明に係るセンサの一実施例を示す平面図である。 誘電体素子の変位量と誘電体素子の静電容量との関係を示す図である。 検出回路の出力電圧特性を示す図である。 本発明に係るセンサの更に別の一実施例を示す平面図である。 本発明に係るセンサの更に別の一実施例を示す平面図である。 本発明に係るセンサの更に別の一実施例を示す図である。 本発明に係る電子機器の一実施例を示すブロック図である。

符号の説明

Ｃｘ 誘電体素子
７０ 検出回路
６０ 回路基板
９０ 支持装置

Claims (7)

1. 外力感知部と、誘電体素子と、検出回路とを含むセンサであって、
   前記外力感知部は、外力に応答して変位する部分であり、
   前記誘電体素子は、前記外力感知部に取り付けられ、前記変位に起因する応力により誘電率が変化し、
   前記検出回路は、前記誘電体素子の前記誘電率の変化を電気信号に変換する、
   センサ。
2. 請求項１に記載されたセンサであって、前記誘電体素子は、コンデンサを構成するセンサ。
3. 請求項１又は２に記載されたセンサであって、
   前記外力感知部は、一端側が固定端、他端側が自由端であり、
   前記誘電体素子は、前記固定端側に配置されている、
   センサ。
4. 請求項１乃至３の何れかに記載されたセンサであって、前記外力感知部は、前記自由端側に錘を有する、センサ。
5. 請求項１乃至４の何れかに記載されたセンサであって、回路基板を含み、前記回路基板は、回路搭載部と、前記外力感知部とを含み、両者はスリットによって分離されている、センサ。
6. 請求項５に記載されたセンサであって、
   前記スリットは、一端が開放され、他端が閉じており、
   前記誘電体素子は、前記スリットの前記他端付近に配置されている、
   センサ。
7. センサと、演算回路とを含む電子機器であって、
   前記センサは、請求項１乃至６の何れかに記載されたものであり、
   前記演算回路は、前記センサから出力された信号を処理する、
   電子機器。
   

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