JP2009002907A - 圧電落下センサ及び圧電落下センサを用いた落下検出方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】圧電落下センサ1は、外枠部材2と、外枠部材2の2点間で連接される両持梁部材4と、両持梁部材4に連接される片持梁部材3と、を備える。そして、圧電落下センサ1は、両持梁部材4の厚さの略半分の領域であって、両持梁部材4の幅方向に非対称な位置に、互いに異なるパターンを有する電極層12,13を、圧電セラミックス層14を介して交互に積層する。そして、同じパターンを有する隣り合う電極層を接続して、一対の電極部を形成し、電極層12,13に挟まれた圧電セラミックス層14は、電極層12,13により積層方向に分極されるようにしている。
【選択図】図1
Description
バイモルフ両持梁構造加速度センサ100は、厚さ方向に分極された2枚の圧電板101,102で構成される。外部からの圧力により電圧を生じる圧電板101,102は、それぞれ両面に電極が形成され、分極の向きが対向して接合されることでバイモルフ素子105として構成される。バイモルフ素子105の両端部は、固定台103,104に接合される。圧電板101,102の電極面からは図示しないリード線が引き出され、外部接続用端子を有するケース(不図示)に装着される。
圧電バルク型加速度センサ110は、厚さ方向に分極された圧電リング111,112で構成される。圧電リング111,112の両面には電極が形成され、分極の向きが対向するように重ねられる。重ねられた圧電リング111,112は、おもり113が介された状態で固定ネジ114により、金属製のセンサボディ115に締め付け固定される。圧電リング111,112の電極面の一方はセンサボディ115とおもり113が接触しているため、センサボディ115がアース端子となる。2つの圧電リングの接合面には電極板116が挟み込まれ、この電極板116から出力端子117へリード線が引き出されている。固定ネジ114は、印加された加速度の向きにより、おもり113が圧電リング111から離れるような力が生じた場合でも、おもり113が離れないようにする与圧を加えるために使用されている。
圧電リング111,112に生じる圧縮歪みの量は、印加された加速度に比例し、出力電圧は圧縮歪みの量に比例する。このため、出力電圧は印加された加速度に比例することになり、圧電バルク型加速度センサ110は、加速度センサとして動作する。
特許文献1には、半導体マイクロマシン技術(MEMS:Micro Electro Mechanical Systemsの略語。以下、単にMEMS技術あるいはMEMS型という。)を利用するMEMS型3軸加速度センサで構成される落下センサ120が開示されている。
図17(a)は、落下センサ120の外観構成例を示す概略斜視図である。
落下センサ120は、閉じた枠形状の外枠部材121と、外枠部材121の中心に位置する重り部122と、外枠部材121の四辺に接続された梁であって、重り部122を支える第1の梁部材123a〜第4の123dとで構成される。
外枠部材121と重り部122は同じ厚みである。一方、第1の梁部材123a〜第4の123dは、外枠部材121と重り部122に対して厚みが少ない。
落下センサ120は、シリコン等を主材としており、外枠部材121と、第1の梁部材123a〜第4の123dと、重り部122とが一体的に形成された筐体を有する。第1の梁部材123a〜第4の123d上にはそれぞれX,Y,Z軸方向の加速度を検出するために、複数のピエゾ抵抗と検出用電極が形成されている。
第2の梁部材123bには、第3のY軸抵抗124RY3と第4のY軸抵抗124RY4が接続される。
第3の梁部材123cには、第1のX軸抵抗124RX1と第2のX軸抵抗124RX2と、第1のZ軸抵抗124RZ1と第2のZ軸抵抗124RZ2がそれぞれ接続される。
第4の梁部材123dには、第1のY軸抵抗124RY1と第2のY軸抵抗124RY2が接続される。
第1の梁部材123a〜第4の123dの各抵抗により変化した電圧は、第1の梁部材123a〜第4の123d上に形成された導体パターンを介してX,Y,Z軸検出回路に供給される。
図17(d)は、Y軸方向の加速度を検出する加速度検出回路125yの構成例を示す。加速度検出回路125は、第1のY軸抵抗124RY1と、第2のY軸抵抗124RY2と、第3のY軸抵抗124RY3と、第4のY軸抵抗124RY4とで構成される。
図17(e)は、Z軸方向の加速度を検出する加速度検出回路125zの構成例を示す。加速度検出回路125は、第1のZ軸抵抗124RZ1と、第2のZ軸抵抗124RZ2と、第3のZ軸抵抗124RZ3と、第4のZ軸抵抗124RZ4とで構成される。
図18は、電子機器が落下した場合と、外部から電子機器に振動が加わった場合に生じる出力電圧の波形を模擬的に示したものである。電子機器には、1軸検出型の圧電型加速度センサが搭載されており、この圧電型加速度センサの検出軸は重力の方向に合わせてある。
図18の横軸は時間であり、縦軸は圧電型加速度センサの出力電圧を示す。縦軸の目盛りの数字は、重力加速度1Gが一目盛りに対応している。また、時間ゼロで、電子機器は安定な状態で停止していると仮定している。
曲線131の波形の変化に対して、曲線132,133,134の波形は、外部から加えられる振動に対する出力電圧はゼロを中心に大きく変化(振幅)している。
また、X,Y,Z3軸における加速度を個別に検出し、3軸の二乗和の平方根を計算して落下検出信号とすることは、回路が複雑になるばかりか、調整に手間が掛かるなどの問題がある。
本実施の形態例では、圧電型加速度センサの一例として、圧電セラミックス材によって一体的に形成され、いわゆるモノモルフ型の構造とした圧電落下センサ1に適用した例として説明する。この圧電落下センサ1は、主に携帯型電子機器に搭載され、携帯型電子機器の落下を検出するために用いられる。
図2(a)は、検出電極部5を拡大視した例を示す斜視図である。
検出電極部5は、両持梁部材4の略半分の厚さの領域であって、さらに両持梁部材4の幅方向(Y軸方向)に非対称な位置に形成されている。
なお、検出電極部5の形成位置や面積、形状や寸法等の最適条件は、使用する圧電セラミックスの特性や圧電落下センサ1の各部の寸法を基に、有限要素法などの解析手法を活用して求められる。また、この最適条件は、落下により生じる加速度が任意の方向に加わったときに、できるだけ一定の大きさの出力電圧が得られる範囲で決定されるため、本実施の形態に限定されない。
積層された電極層12は、接続電極15bにより表面電極11bに接続される。
積層された電極層13は、接続電極15aにより表面電極11aに接続される。
そして、両持梁部材4の表面に形成された導体パターンにより、表面電極11aは外部接続端子6aに接続される。同様に、表面電極11aは外部接続端子6bに接続される。
以下の説明では、表面電極11aと接続電極15a、表面電極11bと接続電極15bを、電極部とも称する。検出電極部5には、一対の電極部が形成される。
電極層12には、表面に露出する露出電極部16が同じ位置に形成される。同様に、電極層13には、表面に露出する露出電極部17が同じ位置に形成される。ただし、露出電極部16,17は互いに異なる位置である。
後述する圧電セラミックス層と電極層の積層工程と焼結工程が終了した後に、露出電極部16は、接続電極15bを介して電気的に接続される。同様に、露出電極部17は、接続電極15aを介して電気的に接続される。この結果、検出電極部5は、接続電極15a,15bを有する2端子構造となる。
本実施の形態に係る圧電落下センサ1は、積層セラミックコンデンサや積層チップコイル等の製造プロセスとして量産実績が高い積層プロセスを適用することが可能である。
スクリーン印刷工法は、圧電セラミックス粉体や導体粉を樹脂,溶剤と混錬したペーストを作成し、メタルマスクを用いて位置精度良く塗工する工法である。
シート積層工法は、予め所望の形状に加工された圧電セラミックスシートや電極シート(この場合、圧電セラミックスシート上に電極パターンをスクリーン印刷することによって製造する方法が一般的である。)を、位置精度良く貼り合わせる工法である。
なお、圧電落下センサ1と同様の形態になるならば、本例の積層プロセスを適用するだけでなく、いかなる工法を用いて製造してもよい。
(第1の工程)
図3(a)は、圧電セラミックス層14が印刷された状態の例である。まず、所望の厚み寸法となるまで、圧電セラミックス層14を繰り返し印刷する。このとき、寸法の目安としては、完成した圧電落下センサ1の高さ寸法の半分程度までとすればよい。
(第2の工程)
図3(b)は、電極層13が印刷された状態の例である。所望の厚みとなるまで電極層13を印刷する。
(第3の工程)
図3(c)は、圧電セラミックス層14が印刷された状態の例である。第2の工程で形成した電極層を覆うように、圧電セラミックス層14を印刷する。印刷した圧電セラミックス層14は、電極間の絶縁層としても機能する。
図3(d)は、電極層12が印刷された状態の例である。所望の厚みとなるまで電極層12を印刷する。
(第5の工程)
図3(e)は、圧電セラミックス層14が印刷された状態の例である。第4の工程で形成した電極層を覆うように、圧電セラミックス層14を印刷する。
(第6の工程)
図3(f)は、圧電セラミックス層14が印刷された状態の例である。最終工程として、圧電落下センサ1の最終的な厚み寸法と一致するまで、圧電セラミックス層14を繰り返し印刷する。
以上の積層プロセスを経て、検出電極部5を有する圧電落下センサ1の筐体の製造が完了する。このように、検出電極部5は、互いに異なるパターンを有する電極層12,13を、圧電セラミックス層14を介して交互に積層して得られる。一対以上の電極層12,13の組を積層する場合は、第2の工程〜第5の工程を必要な回数繰り返せばよい。
その後、同じパターンを有する隣り合う電極層12,13を接続して、一対の電極部を備えた検出電極部5を形成する。
図4(a)は、厚さ方向(+Z軸方向)に一様に分極された圧電セラミック板30の例である。
図4(b)は、厚さの上下半分の領域が互いに逆向き方向(±Z軸方向)に分極された圧電セラミック板34の例である。
図4(c)は、厚さの下半分の領域だけが厚さ方向(+Z軸方向)に分極された圧電セラミック板35の例である。
圧電セラミック板34に外力F1が加えられることによって、圧電セラミック板34aには縮み歪みが生じ、圧電セラミック板34bには、伸び歪みが生じる。
図4(b)において、中心面33は、圧電セラミック板34a,34bの貼合わせ面である。中心面33には、電極が形成されていてもいなくてもどちらでもよい。
図5は、圧電落下センサ1において、X,Y,Z3軸方向の加速度が印加された場合に、両持梁部材4と片持梁部材3に生じる歪みの概略の様子を示している。図5では、伸び歪みを“+”、縮み歪みを“−”で示している。
このとき、出力電圧の大きさは、できるだけ任意の方向の感度が等しくなるように設計される必要がある。
電源V1は、パルス幅0.2ミリ秒、周期1秒、電圧1Vの方形波パルスを出力する。このとき、圧電落下センサ1の静電容量Cを200pFで固定し、負荷抵抗Rを100MΩから10000MΩまで変化させた場合における端子電圧の計算結果より、以下の波形51〜55が描画される。
・波形51は、負荷抵抗Rを100MΩとした場合に描画される電圧波形である。
・波形52は、負荷抵抗Rを316MΩとした場合に描画される電圧波形である。
・波形53は、負荷抵抗Rを1000MΩとした場合に描画される電圧波形である。
・波形54は、負荷抵抗Rを3160MΩとした場合に描画される電圧波形である。
・波形55は、負荷抵抗Rを10000MΩとした場合に描画される電圧波形である。
このように、一対以上の電極層12で形成される検出電極部5を有し、静電容量Cを高めた圧電落下センサ1は、時定数を大きくするために好適な構成であるといえる。
・波形61は、圧電落下センサ1の上面が落下方向に向いている場合に描画される電圧波形である。
・波形62は、圧電落下センサ1の上面が落下方向に向かって約45°傾いている場合に描画される電圧波形である。
・波形63は、圧電落下センサ1の下面が落下方向に向かって約45°傾いている場合に描画される電圧波形である。
・波形64は、圧電落下センサ1の下面が落下方向に向いている場合に描画される電圧波形である。
以下、交流電圧波形の正・負両波を整流し、波形の向きを同じ方向に揃えることを、全波整流という。
検出回路は、全波整流出力電圧信号が閾値電圧65a,65bの範囲内である場合、“High”レベルに符号化する(ステップS4)。一方、全波整流出力電圧信号が閾値電圧65a,65bの範囲外である場合、“Low”レベルに符号化する(ステップS5)。
“High”レベルが所定時間以上継続している場合、「落下」と判断する(ステップS7)。“High”レベルが所定時間以上継続しない場合、「落下ではない」と判断する(ステップS8)。
このようにして、落下検出処理を簡素化しながら、確実に「落下」を判断することが可能となる。
(1)自由落下運動
(2)1周期が200ミリ秒である振幅運動
(3)1周期が400ミリ秒である振幅運動
この結果、「出力電圧信号を全波整流」し、「適当な閾値電圧を設定」することで自由落下の検出が可能となることが確認できた。
この試算において、センサ出力の時定数が大きいと仮定したことにより、自由落下を検出することができたことに基づいて、実デバイスにおいて、落下センサ1の容量値Cを上げ、検出回路(チャージアンプ)の抵抗値Rを大きくすることが課題となる。
波形71,73は、手に持って歩くなどの動作による周期振動によって生じる出力電圧信号波形である。波形71の周期は、200ミリ秒である。波形73の周期は、400ミリ秒である。
波形72は、圧電落下センサ1が上向きに落下するときの出力電圧信号波形である。
なお、圧電落下センサ1の落下方向は、説明のために方向性(上向き)を示したが、実装時には、落下する方向は任意である。
図11(a)は、図10(b)の波形を元にして、特定の全波整流電圧の電圧範囲を示す閾値電圧74a,74bを設定したグラフの例を示す。閾値電圧74a,74bは、図示しない検出回路又は検出器に予め設定される値であり、閾値電圧74a,74bの範囲内には、落下信号成分を含む。閾値電圧74aは、上限であるVThreshold-Upperの値を示し、閾値電圧74bは、下限であるVThreshold-lowerの値を示す。
同様に、周期振動(周期400ミリ秒)の波形73′は、一定の周期(約200ミリ秒)毎に、一定時間(約10ミリ秒×2)だけ”High”レベルが維持された後、”Low”レベルとなることが示される。
一方、自由落下の信号波形は、”Low”レベルからすぐに”High”レベルに変化した後、”High”レベルが維持される。
(1)出力電圧のセンター値が電圧オフセットされていること(グラフでは1Vオフセットの状態を表示している。)
(2)出力は常に正であるため、周期振動などで負電圧領域に入るものはカットオフされること
(3)常に自身の向きを検出し、方向補正を行っていること
の3点が挙げられる。
波形82は、落下センサ120が上向きに落下するときの出力電圧信号波形である。
なお、落下センサ120の落下方向は、説明のために方向性(上向き)を示したが、製品への実装時には、落下する方向は任意である。
図13(a)は、図12に示した電圧信号を示しており、特定の電圧範囲を示す閾値電圧84a,84bを設定している。閾値電圧84a,84bは、図示しない検出回路又は検出器に予め設定される値であり、閾値電圧84a,84bの範囲内には、落下信号成分を含む。閾値電圧84aは、上限であるVThreshold-Upperの値を示し、閾値電圧84bは、下限であるVThreshold-lowerの値を示す。
なお、図12と図13の経過時間軸は、図10と図11で示した圧電型落下センサ1の倍のスケールとなっている。
また、周期振動の符号化において電圧オフセットの影響によるパルス幅に違いが生ずることが特徴である。
同様に、周期振動(周期400ミリ秒)の波形83は、一定の周期(約400ミリ秒)で、一定時間(約200ミリ秒)だけ”High”レベルが維持された後、”Low”レベルとなることが示される。
一方、自由落下の信号波形は、”Low”レベルからすぐに”High”レベルに変化した後、”High”レベルが維持される。
このような符号化は、「”High”レベルの維持時間で落下を判定する」ステップに対し、落下を誤検出する可能性があることを示している。つまり、周期振動であるにもかかわらず「落下」と検出することがある。
このため、素子設計の簡素化、素子の小型化、コストの低減等の効果が得られる。また、それぞれの梁部材は柱状に形成されていることから強度に優れており、高信頼性の圧電型加速度センサが得られるという構造上の利点がある。
したがって、梁の設計を、任意の方向の加速度が印加された場合に両持梁部材4のどの部分の応力が大きくなるかを事前に把握し、その応力が大きくなる部分に落下検出用の電極を形成している。このことにより、任意の方向の加速度が印加された場合、すなわち、電子機器がどのような向きで落下した場合であっても、そのときの加速度を一対の電極端子により高感度で検出することができる。したがって、周辺回路としては、1軸分の回路だけで十分であり、従来のMEMS型落下センサに比較して、感度の調整等が簡単になるという効果がある。
Claims (3)
- 圧電セラミックス材を用いて形成される圧電落下センサにおいて、
外枠部材と、
前記外枠部材の2点間で連接される両持梁部材と、
前記両持梁部材に連接される片持梁部材と、備えたことを特徴とする
圧電落下センサ。 - 請求項1記載の圧電落下センサにおいて、
前記両持梁部材の厚さの略半分の領域であって、前記両持梁部材の幅方向に非対称な位置に、互いに異なるパターンを有する電極層を、圧電セラミックス層を介して交互に積層し、同じパターンを有する隣り合う電極層を接続して、一対の電極部を形成し、前記電極層に挟まれた圧電セラミックス層は、前記電極層により積層方向に分極されていることを特徴とする
圧電落下センサ。 - 請求項1又は2に記載の圧電落下センサを用いた落下検出方法。
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