JP2008008873A - 圧力センサ - Google Patents

Abstract

【課題】 圧電材料の表裏主面に電極を形成した圧力センサに関し、微小圧力を感度良く検出することを目的とする。
【解決手段】 課題を解決するために本発明は、圧電材料の表裏主面に電極を形成する圧力センサにおいて、前記圧力センサの少なくとも２つ以上のセンサ素子の圧力を受ける面を重ね合わせて、前記センサ素子のそれぞれの電極配線を並列接続したことにより課題を解決する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、圧電材料の表裏主面に電極を形成した圧力センサに関し、微小圧力を感度良く検出することを可能としたものである。

昨今では圧電材料を用いた各種検出素子（センシング素子）の需要が高まっている。その代表例には、ガスクロマトグラフィーのように大気中のガス成分を検出するものであったり、ＱＣＭセンサのように圧電振動子の周波数変化量を、振動子の主面に付着する成分量の変化を測定するものであったりなどがある。

また、同様に圧電材料を用いたセンシングには、ジャイロセンサにより自動車や航空機の姿態制御に用いるものであったり、また圧電材料の持つ圧電効果を用いて圧力を検出するセンサなども挙げることができる。

さて、ここで一例として圧電振動子を用いた圧力センサを挙げた場合、圧電材料の圧力センサの使用用途としては精密な圧力を検知することを目的とする場合が多い。しかしながら、圧電材料（例えば水晶材料）でセンサ素子を構成した場合、圧電材料な加わる力（圧力）に対する電荷量が小さいことから、そこで得られる圧力検出量が小さいのが現状である。このように圧電材料による圧力の検出動作は、例えば丸板の圧電振動子の表裏主面に電極を形成し、両主面に加わる圧力の変化を感知することにより、電極（部）の電荷量が変化し圧力を検出することになる。

特開２００４−１３２９１３号公報 なお、出願人は前記した先行技術文献情報で特定される先行技術文献以外には、本発明に関連する先行技術文献を、本件出願時までに発見するに至らなかった。

前述するように従来の電極を持った圧力センサは、その形状が非常に小さく圧力を検出する素子の表面積、すなわち電極が形成される主面の大きさ、表面積の大小により、圧力を検出する感度が大きく左右されてしまうのが現状である。

上述のことは一般的な圧力検出理論として、圧力と検出する電荷の関係式で考えると次の（１）式のようになる。なお、ここでＱｐは圧電効果により発生する電荷量、ε_０は真空中の誘電率、ｇは圧電出力係数、Ｆは力。
Ｑｐ＝ε_０×ｇ×Ｆ・・・・（１）式
このように上式で算出されることから微小な力からでは、微小な電荷量すなわち、微小な圧力を検出することしかできないのが現状である。

昨今では、微小な圧力変化も検知できる必要性が求められていることから、圧力センサの検出範囲と、検出感度を向上する要求も強く、同寸法、同形状の圧力センサを用いた場合でも、幅広い圧力感度を実現する圧力センサが求められているという課題がある。

上記課題を解決するために本発明は、圧電材料の表裏主面に電極を形成する圧力センサにおいて、前記圧力センサの少なくとも２つ以上のセンサ素子の圧力を受ける面を重ね合わせて、前記センサ素子のそれぞれの電極配線は並列接続した圧力センサである。

要するに、上述する圧電材料の振動子を圧力センサとして使用する場合、電極に対する圧力の変化量を感度良く検知する構造として、複数個のセンサ素子を物理的にセンサ素子同士を縦列に接続し、更には電気的には並列に接続する構造にすることで、各センサ素子の電極に及ぼす圧力絶対量を、複数のセンサ素子を従属に配置し、各センサ素子からの圧力出力を並列に検出し累積することにより、微小な加圧力であっても各センサ素子に対する圧力変化量を累積加算することとなり、結果的には微小な圧力変化量でも電荷量を検出することができる。

従って上述のようにセンサ素子を複数個直列に縦列に配置し、更に各センサ素子に形成する電極からの出力配線を並列に配線することにより前記に挙げる課題を解決するものである。

上述の本発明の圧力センサにより、電極に加わる微小な圧力変化であっても電荷を得ることができるようになり圧力変化量を検知することができることから、センサ素子の外形寸法を大きくすることなく、同寸法のセンサ素子であっても電極に加わる圧力変化の大小を検知することができ、結果的には微小圧力であっても圧力の変化量を検出することができる。

また、センサ素子の形状寸法を変えずに、縦列とて重ね合わせるセンサ素子の枚数を変えることで、圧力量としての検出感度を変化させることにより、容易に圧力量を検知できることから、センサ素子の外形寸法や大きさを複数もの種類を変えたセンサ素子の在庫を持たずに済むことから、製品在庫のコストを低減することもできる。

以下に図面を参照しながら本発明の実施形態について説明する。図１は、本発明の電極２の構造を持つ圧力センサの斜視図である。この圧力センサ１を用いて、圧力の変化量を検知するものであるが、圧力センサは圧電材料である水晶材料から構成されており、センサ素子１の主面、すなわちにあたる表裏の面には、蒸着法により金、アルミ金属が形成され、センサ素子１に対する出力信号（電荷）を検出するためのものである。

前記図１に示す電極２から伸びる出力の結線は、例えば図２に示すように、複数個を縦列に配置し、個々のセンサ素子１の表裏に形成する電極２から伸びる結線を並列に配線することで、個々のセンサ素子１の電極２、すなわちセンサ素子１の圧力を受ける面である、センサ素子１の圧力を検出面に加わる圧力変化を感度良く検知することが可能となる。

図２は個々のセンサ素子１を圧縮応力を加えた場合に正の電荷が発生する同一極性方向に縦列に配置し、電極２からの出力結線図を並列に結線した構成を示した例で、電極２からの出力結線の間に絶縁材料を介在した場合を示したものである。

図２に示す結線では共にセンサ素子１の電極２に加わる圧力変化を感度良く検知する構造を実現するもので、各センサ素子１に形成される電極２の＋極と−極を並列に接続した結線となる。この場合、各センサ素子１に圧縮応力が加わったときに、正の電荷が発生する面を＋面としてした場合、センサ素子１の縦列面で極性が異なることから絶縁物を介在させることで極性の短絡を解消することができる。なお、図２中ではセンサ素子１の極性を示す。

一方、図３に示す構成の場合には、個々のセンサ素子１は図２同様にセンサ素子１を縦列に配置するものの、図２に示すように各センサ素子１に圧縮応力を加えた場合、正の電荷が発生する面を＋面として考えた場合、図３の結線については複数個縦列配置するセンサ素子１を交互に圧縮応力を加えた場合に正の電荷が発生する極性を反転して配置することにより、図２で記述するセンサ素子１同士間に配置する絶縁物を排除してもセンサ素子１の極性が短絡しない構成を実現することができる。なお、図３中ではセンサ素子１の極性を示す。

ここで上述に説明する通り本発明では次式を参考として発明されたもので、Ｑｐが圧電効果により発生する電荷量、ε_０が真空中の誘電率、ｇが圧電出力係数、Ｆが力としたとき、
Ｑｐ＝ε_０×ｇ×Ｆ ・・・・（１）式
の数値が変化することにより、センサ素子１に形成する電極２に加わる圧力を感度良く電荷として検出することができ、その結果センサ素子１を縦列接続することで電極２に加わる圧力変化に応じて発生する電荷を感度良く検知することにより、微小な圧力変化であっも確実に検出することができる。

なお、本実施例ではセンサ素子として丸板状のセンサ素子１を想定して描画しているが、センサ素子１の中心部に孔があいているリング状であっても、角状であってもその形状に左右されるものではないことは言うまでもない。また本発明は、加圧方向に対してセンサ素子１を複数個縦列に配置することで各センサ素子１に加わる圧力量を増幅し微小な圧力でも検出することを可能とするもので、加圧方向に対して複数個のセンサ素子１を並列に配置した構成では効果が出ないことを付記しておく。

図１は、本発明の概念を説明する図である。 本発明の一実施例を示すセンサ素子の出力結線図である。 本発明の他の実施例を示すセンサ素子の出力結線図である。

符号の説明

１・・・センサ素子
２・・・電極

Claims (1)

1. 圧電材料の表裏主面に電極を形成する圧力センサにおいて、
   前記圧力センサの少なくとも２つ以上のセンサ素子の圧力を受ける面を重ね合わせて、前記センサ素子のそれぞれの電極配線は並列接続したことを特徴とする圧力センサ。

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