JP2007114085A - Piezoelectric shock sensor - Google Patents
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本発明は衝撃検知などとして使用される小型ショックセンサに関わり、特に、3軸方向の衝撃を検知できる筒状圧電素子の構造に関するものである。 The present invention relates to a small-sized shock sensor used for impact detection or the like, and more particularly to a structure of a cylindrical piezoelectric element capable of detecting an impact in three axial directions.
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、感度の良いベンディング型検出素子を備えたものが一般的である。 Shock sensors (acceleration sensors) are widely used for external impact detection, vibration countermeasures, pickup control, general acceleration detection, and the like in writing disk devices such as HDDs and DVDs. In particular, HDDs have penetrated DVD recorders and mobile phones, and demand for small shock sensors is expected to increase. As a detection method of the shock sensor, there are methods such as a piezoelectric type, a piezoresistive type, a MEMS capacitance type, and a magnetic type. Piezoelectric types are widely used because they are excellent in cost reduction and miniaturization. Conventionally, various types of shock sensors using a piezoelectric ceramic, such as a compression mode, a shear mode, and a bending mode, have been proposed, but those equipped with a sensitive bending type detection element are generally used.
図6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。電極の分割ギャップと直交する片端固定の場合、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。
だが、板状ベンディング型ショックセンサは単方向での衝撃を検出するもので、多方向で検出するためには、検出素子を基板平面と傾斜して配置するか、数個のセンサを使う必要とされ、いずれか工数やコストがかかる。本発明は、単体構造でありながら、あらゆる方向での衝撃を検知できるショックセンサを提供するものである。 However, a plate bending shock sensor detects shocks in one direction, and in order to detect in multiple directions, it is necessary to place the detection element at an angle with the substrate plane or to use several sensors. It takes either man-hours and costs. The present invention provides a shock sensor that can detect an impact in any direction while having a single structure.
本発明は、筒形の圧電セラミックを用いることによって、上記の課題を解決するものである。すなわち、断面の外形と内形が正方形であるリング状の圧電セラミック筒形体を用いた圧電ショックセンサにおいて、筒形体の4つの外面のそれぞれに独立した信号検出電極を具えるとともに、筒形体の内面に共通電極を具え、圧電セラミック筒形体はその厚み方向に分極され、対向する2つの信号検出電極同士によって2組の信号検出回路が構成され、衝撃によって生じる2方向の変位を2組の信号検出回路によって検出することに特徴を有するものである。 The present invention solves the above problems by using a cylindrical piezoelectric ceramic. That is, in a piezoelectric shock sensor using a ring-shaped piezoelectric ceramic cylindrical body having a square outer shape and inner shape, each of the four outer surfaces of the cylindrical body has independent signal detection electrodes, and the inner surface of the cylindrical body. The piezoelectric ceramic cylindrical body is polarized in the thickness direction, and two sets of signal detection circuits are constituted by two opposing signal detection electrodes, and two sets of signal detection are made for displacement in two directions caused by an impact. It is characterized by detection by a circuit.
また、円筒リング状の圧電セラミック筒形体を用いた圧電ショックセンサにおいて、筒形体の外面に4分割して独立して形成された信号検出電極を具えるとともに、筒形体の内面に共通電極を具え、圧電セラミック筒形体はその厚み方向に分極され、対向する2つの信号検出電極同士によって2組の信号検出回路が構成され、衝撃によって生じる2方向の変位を2組の信号検出回路によって検出することに特徴を有するものである。 In addition, the piezoelectric shock sensor using the cylindrical ring-shaped piezoelectric ceramic cylindrical body includes a signal detection electrode that is independently formed by being divided into four on the outer surface of the cylindrical body, and a common electrode on the inner surface of the cylindrical body. The piezoelectric ceramic cylindrical body is polarized in the thickness direction, and two sets of signal detection circuits are formed by two opposing signal detection electrodes, and two-direction displacement caused by impact is detected by the two sets of signal detection circuits. It has the characteristics.
本発明によれば、筒状構造圧電体を採用することにより、単体構造でありながら、あらゆる方向での衝撃を検知できる、小型、低コストの多方向ショックセンサを実現できる。 According to the present invention, by adopting a cylindrical structure piezoelectric body, it is possible to realize a small and low-cost multi-directional shock sensor that can detect an impact in any direction while having a single structure.
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(a)は本発明による筒状圧電ショックセンサの構造を示す。図2はその側面図である。正方形リング状断面を有する筒状圧電体5において、四つの主表面にそれぞれの信号検知電極1、2、31と32を具え、筒体の内壁に電極4を具え、圧電体が筒体の厚み方向に分極され、対向する第1対の外部電極1と31と、第2の対の外部電極2と32からそれぞれのチャンネルとして衝撃を検知する圧電ショックセンサの例を示すものである。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. FIG. 1A shows the structure of a cylindrical piezoelectric shock sensor according to the present invention. FIG. 2 is a side view thereof. In the cylindrical
筒状圧電素子は立体的なバイモルフとみてもよい。検出素子5が加速度Gの印加時の慣性力作用によってZ方向に曲がる場合、上下面に逆符号の電荷が発生するので、電極1と電極31の間に生じた電位差により、加速度を検知することができる。この場合、横の電極2と23の電位が等しいので、信号が発生しない。同様に、Y方向に曲がる場合、横の電極2と23に逆符号の電荷が発生するので、電極2と電極32の間に生じた電位差により、加速度を検知することができる。この場合、上下面の電極1と13の電位が等しいので、信号が発生しない。図1(b)は圧電体の片端がコ字状のセラミック支持体6により基板に固定される場合の構造を示す。ここでは、信号処理上の便宜のため、電極31と32をショートし、CH1とCH2の共通電極3とする。信号検知電極1、2と3はセラミック支持体6に形成されたそれぞれの引出し電極と接続される(図面では省略されている)。
The cylindrical piezoelectric element may be regarded as a three-dimensional bimorph. When the detecting
表1は各方向において衝撃を受けた時のCH1とCH2の電圧感度の解析結果を示す。ここで、素子の長さを6mm、断面の内外辺長はそれぞれ1.2と0.8mm、肉厚を0.2mm、支持体6の長さを1.5mmとして。この場合、電極31と32が強制的に等電位になるため、Z方向のみに湾曲しても、電極2と3の間に電位差が生じるため、横方向のCH2にも信号が出る。一方、Y方向(横方向)に衝撃を受ける場合は、素子の上下面に対しての支持部6の拘束力が非対称のため、単純な横方向での撓み振動ではないので、CH1、CH2とも出力が大きい。従来の板状ベンディング型ショックセンサはX方向(長さ方向)の衝撃を検知し難いが、片端固定の筒状素子の場合、素子重心の基板支持部に対する力のモーメントが存在するので、X方向(長さ方向)の衝撃を受けると、Z方向の撓み振動が発生する。
Table 1 shows the analysis results of the voltage sensitivity of CH1 and CH2 when receiving an impact in each direction. Here, the length of the element is 6 mm, the inner and outer side lengths of the cross section are 1.2 and 0.8 mm, the thickness is 0.2 mm, and the length of the
CH1とCH2の出力信号を回路処理によって、CH1とCH2の中での最大値を電圧感度として出力する。表1の結果より、各方向での電圧感度には格段の差はない。従って、本発明による圧電ショックセンサは単体構造でありながら、あらゆる方向での衝撃を検知できる。ただし、筒状圧電素子は従来の板状ショックセンサと比較して曲がりにくいので、感度は板状の従来型に比較して約1/2〜1/3と低い。 The output signals of CH1 and CH2 are output as voltage sensitivity by the circuit processing and the maximum value of CH1 and CH2 is output. From the results in Table 1, there is no significant difference in voltage sensitivity in each direction. Therefore, the piezoelectric shock sensor according to the present invention is capable of detecting impacts in all directions while having a single structure. However, since the cylindrical piezoelectric element is less likely to bend than the conventional plate-like shock sensor, the sensitivity is as low as about 1/2 to 1/3 as compared with the plate-like conventional type.
ここで、Qm約2000、誘電率約1600のPZT圧電材を用い、押出し成型方法により筒状圧電ショックセンサを試作した。ショックセンサは片端で基板に固定される。図3と図4はそれぞれZ方向とY方向において基板に衝撃を与えた時の応答例を示す。Z方向衝撃の場合はCH1の方の感度が大きいが、Y方向衝撃の場合はCH2の方が大きい。それは表1に示すシミュレーションの結果とほぼ一致する。 Here, a PZT piezoelectric material having a Qm of about 2000 and a dielectric constant of about 1600 was used, and a cylindrical piezoelectric shock sensor was prototyped by an extrusion molding method. The shock sensor is fixed to the substrate at one end. 3 and 4 show examples of responses when an impact is applied to the substrate in the Z and Y directions, respectively. In the case of impact in the Z direction, the sensitivity of CH1 is greater, but in the case of impact in the Y direction, CH2 is greater. It almost agrees with the simulation result shown in Table 1.
前述の圧電ショックセンサは断面が正方形リング状だが、圧電体が円筒状にしても良い。図5はその構造の断面図を示す。円筒状圧電体5の表面において、外周方向に4等分する信号検知電極1、2、31と32を、筒体の内壁に分極用共通電極4を具え、筒体が厚み方向に分極され、対向する第1対の外部電極1と31と、第2対の外部電極2と32からなら2チャンネルで衝撃を検知することを特徴とする圧電ショックセンサ。ここで、電極31と32をショートし、CH1とCH2の共通電極にしてもよい。
The piezoelectric shock sensor described above has a square ring cross section, but the piezoelectric body may be cylindrical. FIG. 5 shows a cross-sectional view of the structure. On the surface of the cylindrical
本発明は、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のためのショックセンサ(加速度センサ)として幅広く使うことができる。 The present invention can be widely used as a shock sensor (acceleration sensor) for external impact detection, vibration countermeasures, pickup control, general acceleration detection, and the like in writing disk devices such as HDDs and DVDs.
1、2、31、32:検出電極
4:電極
CH1,CH2:検出回路(チャンネル)
1, 2, 31, 32: Detection electrode 4: Electrode CH1, CH2: Detection circuit (channel)
Claims (3)
筒形体の4つの外面のそれぞれに独立した信号検出電極を具えるとともに、筒形体の内面に共通電極を具え、
圧電セラミック筒形体はその厚み方向に分極され、
対向する2つの信号検出電極同士によって2組の信号検出回路が構成され、
衝撃によって生じる2方向の変位を2組の信号検出回路によって検出することを特徴とする圧電ショックセンサ。 In the piezoelectric shock sensor using the ring-shaped piezoelectric ceramic cylindrical body whose outer shape and inner shape of the cross section are square,
In addition to providing an independent signal detection electrode on each of the four outer surfaces of the cylindrical body, including a common electrode on the inner surface of the cylindrical body,
Piezoelectric ceramic cylinder is polarized in its thickness direction,
Two signal detection circuits are composed of two signal detection electrodes facing each other,
A piezoelectric shock sensor, wherein two sets of signal detection circuits detect displacement in two directions caused by an impact.
筒形体の外面に4分割して独立して形成された信号検出電極を具えるとともに、筒形体の内面に共通電極を具え、
圧電セラミック筒形体はその厚み方向に分極され、
対向する2つの信号検出電極同士によって2組の信号検出回路が構成され、
衝撃によって生じる2方向の変位を2組の信号検出回路によって検出することを特徴とする圧電ショックセンサ。 In the piezoelectric shock sensor using the cylindrical ring-shaped piezoelectric ceramic cylindrical body,
A signal detection electrode formed independently on the outer surface of the cylindrical body and divided into four; and a common electrode on the inner surface of the cylindrical body;
Piezoelectric ceramic cylinder is polarized in its thickness direction,
Two signal detection circuits are composed of two signal detection electrodes facing each other,
A piezoelectric shock sensor, wherein two sets of signal detection circuits detect displacement in two directions caused by an impact.
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