JP2007093538A - 圧電ショックセンサ - Google Patents

Abstract

【課題】 本発明に係る圧電ショックセンサは、電極構造が簡便で、かつ製造工程を大幅簡略化可能な単一層構造圧電ショックセンサを提供する。
【解決手段】 圧電セラミック板の表裏面にそれぞれ複数の電極が形成されととともに、その圧電セラミック基板の長さ方向の両端が支持される圧電ショックセンサにおいて、 圧電セラミック基板の変曲境界線間の中央部分の幅方向に、２つに分割されて表裏面に形成された２組の電極対を具え、２つの電極対が厚み方向で逆方向に分極される。
【選択図】 図４

Description

本発明はハードディスクドライブ（ＨＤＤ）など書き込みデイスク装置の衝撃検知用等として使用される小型ショックセンサに係り、特に、ショックセンサを構成する際に用いられる単板型検出素子の構造に関するものである。

ショックセンサ（加速度センサ）はＨＤＤやＤＶＤなど書き込みディスク装置での外来衝撃感知、振動対策、ピックアップ制御および一般的な加速度検知などに幅広く使われる。特にＨＤＤはＤＶＤレコーダや携帯電話まで浸透しており、小型ショックセンサの需要増が予想されている。

ショックセンサの検出方法には圧電型、ピエゾ抵抗型、ＭＥＭＳ静電容量型、磁気型などの手法がある。圧電型は低コスト化や小型化に優れているので多く採用されている。従来、圧電セラミックを利用したショックセンサとして、圧縮モードや、せん断モード、ベンディングモードなど種々のものが提案されているが、感度の良いバイモルフベンディング型検出素子を備えたものが一般的である。しかし、バイモルフ型ショックセンサはPd-Agなどの融点の高い貴金属電極を使用する積層法で一体焼結する工程が必要であるので、工数や材料コストが掛かる。その為、筆者は低コストと高検出感度を両立できる単一層のセラミックスで構成された小型ショックセンサを提案した。図８は単板型圧電加速度検出素子の構造図を示す。長方形板状圧電セラミックス１の表裏面にそれぞれのギャップ６により２分割した２対の電極2a、2bと3a、3bが形成され、電極の分割ギャップ６を境とする２つの部分の圧電セラミックスは各々の板厚方向に他方側とは逆となる向きに沿って分極される。

図９は電極の分割ギャップと直交する片端固定の場合の衝撃検出原理説明図を示す。検出素子１が加速度Ｇの印加時の慣性力作用によって変形し、かつ、検出素子１の変形に伴って厚み方向で対向する表裏電極に同符号の電荷が発生し、同一表面にある二つの分割電極に逆符号の電荷が発生する。つまり、電極2aと2bに負の電荷が発生する場合、電極3aと3bに正の電荷が発生する。従って、電極2aと2bとを接続し、電極3aと3bとを接続し、それぞれ信号取出電極２と３とすれば、信号取出電極２と３から、加速度Ｇの印加状態が検出されることができる。従来のバイモルフ型と比較して、信号取出電極２と３の間の内部容量値が小さいので、電荷感度型圧電ショックセンサに不向きであるが、バイモルフ型と同等の電圧感度が得られる。なお、信号検出電極2a-2bと3a-3bが素子の幅方向で分けているので、信号検出電極が厚み方向に対向する従来のバイモルフ型に比較して、引き出し電極の配置が簡便である。
特開２０００−１２１６６１号公報 特開２０００−１６２２３３号公報

片端固定型は曲がりやすく感度が良いが、耐衝撃性が低いことや、共振周波数が低いので振動の検知できる上限周波数が低いなどの弱点がある。本発明は、両端固定構造を採用することにより、耐衝撃性のよい単板構造小型圧電ショックセンサを提供する。単一層のセラミックスで構成された小型ショックセンサにおいて、両端固定構造を採用することにより、圧電ショックセンサの耐衝撃性を向上する。変曲点で分極反転の不要な簡単電極構造により、低コストを実現する。すなわち、本発明に係る圧電ショックセンサは、電極構造が簡便で、かつ製造工程を大幅簡略化可能な単一層構造圧電ショックセンサを提供するものである。

本発明は、電極構造と分極状態を改良することによって、上記の課題を解決するものである。すなわち、圧電セラミック板の表裏面にそれぞれ複数の電極が形成される.とともに、その圧電セラミック基板の長さ方向の両端が支持される圧電ショックセンサにおいて、 圧電セラミック板は幅方向に２つに分割されて表裏面に形成された２組の電極対を具え、 それぞれの電極対は長さ方向の中央部分と２つの変曲境界線の外側の部分とで逆方向に分極されるとともに、２つの電極対の中央部分も逆方向に分極されることに特徴を有するものである。

本発明は、両端固定型単板圧電体構造を採用することにより、以下の効果が得られる。
積層や貼り付けなどの工程が必要とするバイモルフ技術を使わないので、低コストと高感度を両立できる小型ショックセンサを実現できる。
中央部のみに電極を配置することにより、変曲点での分極反転が不要となり、電極構造と分極工程を大きく簡略化できる。
単板構造では対向する電極がショットされているので，実装時発生する焦電電荷が完全にキャンセルされ，焦電による減極が発生しない。

以下、図面を参照して、本発明の実施例について説明する。図1は図８に示す単板素子の両端に二対の支持体４により固定されたものである。片端固定型の変位は比較的に単純だが、両端固定型になると複雑になる。図1(a)に示すように、素子に加速度を印加すると中央部が下向きで湾曲すると同時に、その両側が上向きで湾曲してしまい、結局、中央部の両側に二つの変曲点が現れ、単一方向の湾曲が得られない。この場合、同一電極において、変曲点の外側には中央部と逆符号の電荷が発生し、感度が極端に落ちってしまう。それを解決するために、従来のバイモルフ構造のショックセンサと同様に、変曲点において分極反転が必要となる。図１(b)に示す様に、上部の信号検出電極2aと3aが変曲境界線７において、I〜VIの６部分に分割され、相隣各部を逆方向で分極してから再び接続される。つまり、II、IV、VIの部分が下向きで分極される場合、I、III、Vの部分が上向きで分極される。これにより、素子が曲がると、同一電極のすべての部分に同符号の電荷が発生できる。

図２はのこぎりパルス衝撃を受けた際、変曲点分極反転前後の電圧感度の解析結果を示す。結果から、変曲点分極反転のない場合、電荷がほとんどキャンセルされ感度が非常に低いが、分極反転をすると、電圧感度が顕著に改善される。図３は図１(b)に示す二つの分極反転点の距離L_centと浮いている部分の有効長さL_spanとの比率に対しての電圧感度の変化を示す。最大感度はL_cent/Ｌ_span=63％にあるため、それは変曲点７の位置と見なされる。但し、変曲点の位置は一定ではなく、圧電素子の寸法や支持部の構造と材質などに依存する。

だが、図１(b)に示す分極構造が非常に複雑なので、ウェハー毎のバッチ処理用の共通電極を接続することができない。また、素子毎での分極は量産性が低下する。それの代わりに、二つの変曲境界線間のみに信号検出電極を配置すれば、厄介な分極が不要となる。図４(a)に示す様に、素子中央部にあるIIとVの部分のみに電極が配置され、二つの部分が厚み方向に逆の向きに分極され、第1の電極対（2a、2b）と第2の電極対（3a、3b）とが信号検出電極となることを特徴とする圧電ショックセンサ。図４(b)と図 ４(c)はそれぞれ上部電極と下部電極パターンの一例である。この場合、中央部にある信号検知電極は、細いストリップ電極８により両端の引出し端子と接続される。

図5は中央部のみに電極配置の場合、電極長と感度電極の関係を示す。結果より、電極長L_centが短くするに従い、感度が一方的に高くなる。これは、変位により発生した電荷が素子の真中に集中するため、電極を短くなるに従い、信号検出電極２と３の間の容量値が電極の長さに比例して低下するが、発生電荷量がそれほど低下しないので、電荷、容量と電圧の関係から、電圧感度が向上するからである。但し、電極が短すぎると、信号検知電極２と３間の容量が小さく内部インピーダンスが高すぎるので、ある程度の電極長を確保する必要がある。

ここで、Ｑｍ約2000、誘電率約1600のＰＺＴ圧電材を用い、中央部のみに電極配置される単板型圧電ショックセンサを試作した。図６はショックセンサを基板に固定し、基板に衝撃を与えた時の電圧応答特性を示す。

一方、面実装構造の小型圧電ショックセンサは半田リフロー工程をクリアしなければならない。半田リフローに伴う圧電体の減極（分極退化）は高温そのものによる減極と、急冷時生じた焦電電荷による減極がある。前者はキュリー温度などに依存し、材質改良により低減できるが、焦電電界による減極は圧電素子の電極構造により大きく異なる。図７は従来の直列バイモルフ型検出素子と単板型検出素子の場合の焦電電荷を示す。高温から急冷すると、図７(a)に示す様に、直列バイモルフ素子は上下電極に正電荷が発生すると同時に中間電極に負電荷が発生する。焦電電界による分極方向Ｐ’（図中の抜き矢印）は元の分極方向Ｐ（図中の黒矢印）と逆であるので、減極の原因となる。信号検知電極とする上下部電極に発生する焦電電荷は等量同符号なので、ショートさせてもキャンセルされない。それに対して、図７（ｂ）に示す単板構造の場合、厚み方向で対向する電極にはそれぞれ逆符号の焦電電荷が発生するが、構造上で対向する電極がショットされているので、焦電電荷が完全にキャンセルされ、焦電による減極が発生しない。

本発明は、HDD装置などの衝撃センサとして利用でき、小型で高感度のショックセンサ、加速度センサ等として広く利用できる。

本発明の実施例を示す斜視図 本発明による圧電ショックセンサの感度の説明図 分極反転の位置と感度の関係の説明図 本発明の他の実施例を示す斜視図（a）と平面図（ｂ）、底面図（ｃ） その電極長と感度の関係の説明図 衝撃試験の反応の説明図 焦電効果の説明図 従来の圧電ショックセンサの斜視図 従来の圧電ショックセンサの斜視図

符号の説明

１：圧電セラミック板
２、３：電極
４：支持体
７：変曲境界線

Claims (2)

1. 圧電セラミック板の表裏面にそれぞれ複数の電極が形成されととともに、その圧電セラミック基板の長さ方向の両端が支持される圧電ショックセンサにおいて、
   圧電セラミック板は幅方向に２つに分割されて表裏面に形成された２組の電極対を具え、
   それぞれの電極対は長さ方向の中央部分と２つの変曲境界線の外側の部分とで逆方向に分極されるとともに、２つの電極対の中央部分も逆方向に分極され、
   ２組の電極対が信号検出電極となることを特徴とする圧電ショックセンサ。
2. ２つの変曲境界線間のみに信号検出電極が形成される請求項1記載の圧電ショックセンサ。

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