JP3079966B2 - 加速度センサ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明はハードディスクドラ
イブ（ＨＤＤ）装置の衝撃検知用などとして使用されて
いる加速度センサに係り、特には、加速度センサを構成
するバイモルフ素子の構造に関する。

【０００２】

【従来の技術】この種の加速度センサとしては、図４で
簡略化して示すように、バイモルフ素子１１と、このバ
イモルフ素子１１の長手方向に沿う両端部を上下方向か
ら挟み込んで固定支持する一対のケース体１２とを備え
たうえで回路基板１３の表面上に実装されるものがあ
り、実装時におけるバイモルフ素子１１の最大感度軸Ｓ
は回路基板面の法線方向とほぼ一致する方向に沿って設
定されている。すなわち、ここでのバイモルフ素子１１
は、共に短冊形状とされたうえで主表面それぞれ上に信
号電極１４及び中間電極１５が形成された一対の圧電セ
ラミック板１６を具備しており、かつ、これら圧電セラ
ミック板１６同士が中間電極１５を挟んで対面接合され
たものであり、圧電セラミック板１６のそれぞれに対し
ては、各々の厚み方向に沿いつつ他方側の圧電セラミッ
ク板１６とは逆向きになる方向の分極処理が施されてい
る。なお、図においては、分極方向を矢印Ｘ，Ｙでもっ
て示している。

【０００３】そして、この際におけるバイモルフ素子１
１の長手方向に沿う両端部はケース体１２でもって固定
支持されている一方、バイモルフ素子１１の長手方向に
沿う両側部は一対の側部ケース体１７でもって封止され
ており、バイモルフ素子１１における信号電極１４のそ
れぞれは一体化されたケース体１２，１７の異なる端部
ごとを覆って形成された引出電極１８の各々に対して接
続されている。さらにまた、ケース体１２，１７の長手
方向に沿う両端部に形成された引出電極１８のそれぞれ
は、回路基板１３の表面上に形成された配線パターン
（図示せず）の各々に対して半田付け接続されており、
バイモルフ素子１１における各信号電極１４は引出電極
１８を介したうえで配線パターンと接続されている。そ
こで、この加速度センサによっては作用した加速度がバ
イモルフ素子１１を通じて検知されることになり、か
つ、この加速度センサが組み込まれたＨＤＤ装置などに
おいては加速度が検知されたことに基づく所要の動作が
行われる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ところで、前記従来の
加速度センサにおいては、つぎのような不都合が生じる
ことになっていた。すなわち、ＨＤＤ装置などにおける
取付状態によっては回路基板１３が当初から撓んでいた
り、何らかの外力の作用に伴って回路基板１３が撓んだ
りすることがあり、このような場合には、図５で模式化
して示すように、回路基板１３の撓みに伴う影響を受け
た加速度センサが全体として変形し、この加速度センサ
を構成するバイモルフ素子１１の全体が一様な凸状とし
て変形していることが起こる。そして、このようなこと
が起こっていると、加速度が作用していないにも拘わら
ず、バイモルフ素子１１の圧電効果によって変形状態に
対応した電荷が発生し、加速度センサからは電荷信号が
センサ出力として出力されることになる。その結果、重
大な誤動作が発生することにもなりかねず、信頼性が損
なわれてしまう。

【０００５】また、加速度が作用した際においては、図
６で模式化して示すように、ケース体１２でもって固定
支持されたバイモルフ素子１１を構成する圧電セラミッ
ク板１６の長手方向領域における端部分１６ｂが変形し
ないにも拘わらず、その中央部分１６ａのみが加速度の
作用に伴って変形することが起こる。そして、圧電セラ
ミック板１６それぞれの中央部分１６ａと端部分１６ｂ
とでは逆向きの応力、つまり、引っ張り応力Ｐｔと圧縮
応力Ｐｃとが発生することになり、これら応力Ｐｔ，Ｐ
ｃによって電荷が打ち消される結果、発生する電荷が低
くなって加速度作用時におけるセンサ出力が小さくなっ
てしまう。さらにまた、このような不具合を解消するた
めには、ゴム系などのダンピング材からなる支持構造を
採用することが有効と考えられるが、この種の支持構造
を採用したのでは支持が不安定となる結果として個体差
の多い製品になるというような別異の不都合が生じる。

【０００６】本発明は、これらの不都合に鑑みて創案さ
れたものであって、回路基板の撓みに伴う影響を受け難
く、信頼性向上を図ることが可能であると共に、加速度
作用時には大きなセンサ出力を得ることができる加速度
センサの提供を目的としている。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明に係る加速度セン
サは、回路基板面の法線方向とほぼ一致する方向に沿っ
て設定された最大感度軸を有し、長手方向に沿う両端部
がケース体でもって固定支持されたバイモルフ素子と、
このバイモルフ素子を固定支持した長手方向に沿う両端
部が回路基板上に実装されるケース体とを備えて構成さ
れたものであって、バイモルフ素子は、対向する主表面
のそれぞれ上に信号電極及び中間電極が形成された短冊
形状の圧電セラミック板を具備し、かつ、これらの圧電
セラミック板同士が中間電極を挟んで対面接合されたも
のであり、また、各圧電セラミック板は、回路基板の撓
みによってバイモルフ素子の長手方向における中央部分
で発生する電荷と、その両側の端部分で発生する電荷の
和とが等しくなるように設定された境界線を介したうえ
での３つの部分に長手方向領域が区分されていると共
に、圧電セラミック板それぞれの中央部分及び端部分に
おける分極方向が厚み方向に沿う逆向きとして設定さ
れ、かつ、他方側の圧電セラミック板において対向する
部分とも逆向きに設定されたものであることを特徴とし
ている。

【０００８】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図面
に基づいて説明する。

【０００９】図１は本発明に係る加速度センサを簡略化
して示す断面斜視図、図２は加速度作用時におけるバイ
モルフ素子の変形状態を模式化して示す説明図、図３は
回路基板が撓んでいる際における加速度センサの変形状
態を模式化して示す説明図であり、図２は図６と対応す
る一方、図３は図５と対応している。なお、本実施形態
における加速度センサの全体構成は従来例と基本的に異
ならないので、図１ないし図３において図４ないし図６
と互いに同一もしくは相当する部品や部分には同一符号
を付している。

【００１０】本発明に係る加速度センサは、位置決めし
たうえで回路基板１３の表面上に実装されるものであ
り、回路基板面の法線方向とほぼ一致する方向に沿って
最大感度軸Ｓが設定されたバイモルフ素子１と、このバ
イモルフ素子１の長手方向に沿う両端部を上下方向から
挟み込んで固定支持する一対のケース体１２と、バイモ
ルフ素子１の長手方向に沿う両側部を封止したうえでケ
ース体１２と一体化されてなる一対の側部ケース体１７
とを備えている。そして、ここでのバイモルフ素子１
は、互いに対向する主表面のそれぞれ上に薄膜状の信号
電極２及び中間電極３が形成された短冊形状を有する圧
電セラミック板４を具備し、かつ、これら一対の圧電セ
ラミック板４同士が中間電極３を挟んで対面接合された
ものであり、各圧電セラミック板４の長手方向領域は２
つの境界線Ｌを介したうえでの３つの部分４ａ，４ｂに
区分されている。

【００１１】すなわち、バイモルフ素子１を構成する圧
電セラミック板４それぞれの長手方向領域は、バイモル
フ素子１の長手方向における中央部分で発生する電荷
と、両側の端部分で発生する電荷の和とが等しくなる条
件に基づいて予め設定された境界線Ｌを介したうえでの
中央部分４ａと、この中央部分４ａの両側に位置する端
部分４ｂとに区分されている。そして、この際、各圧電
セラミック板４の中央部分４ａ及び端部分４ｂにおける
分極方向は圧電セラミック板４の厚み方向に沿いながら
の逆向きとして設定される一方、他方側の圧電セラミッ
ク板４における中央部分４ａ及び端部分４ｂとはそれぞ
れ逆向きとなるようにして設定されている（図において
は、矢印Ａ，ＢとＣ，Ｄで示す）。

【００１２】つまり、ここでは、図１で例示するよう
に、本発明に係る加速度センサのバイモルフ素子１を構
成する圧電セラミック板４それぞれの中央部分４ａにお
ける分極方向Ａ及びＣは互いに近ずきあう内向きとされ
ている一方、端部分４ｂそれぞれにおける分極方向Ｂ及
びＤは互いに遠ざかる外向きとされている。そして、こ
のとき、各圧電セラミック板４上に形成された信号電極
２のそれぞれは一体化されたケース体１２，１７の互い
に異なる端部ごとを覆って形成された引出電極１８の各
々に対して接続されている。そこで、この加速度センサ
によっては、作用した加速度がバイモルフ素子１によっ
て発生する電荷に基づいて検知されることになる。

【００１３】ところで、加速度作用時におけるバイモル
フ素子１は図２で模式化して示すような変形を生じるこ
とになり、このバイモルフ素子１を構成する圧電セラミ
ック板４それぞれの中央部分４ａと端部分４ｂとにおい
ては、従来例を示す図６と同様の引っ張り応力Ｐｔと圧
縮応力Ｐｃとが発生することになる。しかしながら、こ
の際の圧電セラミック板４それぞれにおける中央部分４
ａと端部分４ｂとは、互いに逆向きとされた分極方向Ａ
〜Ｄを有しているのであるから、これらの応力Ｐｔ，Ｐ
ｃが発生していても電荷がキャンセルされることは起こ
らず、バイモルフ素子１においては高い電荷が発生する
ことになる。

【００１４】すなわち、このバイモルフ素子１の撓み方
向外側（図では、上側）に位置する圧電セラミック板４
の中央部分４ａにおける外側主表面には分極方向Ａと引
っ張り応力Ｐｔとの関係に基づいて正（＋）の電荷が発
生し、また、その端部分４ｂにおける外側主表面でも分
極方向Ｂ及び圧縮応力Ｐｃの関係から正の電荷が発生す
る。そこで、この圧電セラミック板４の中央部分４ａ及
び端部分４ｂの外側主表面に発生した正の電荷は互いに
強めあいながら、信号電極２から一方側の引出電極１８
へと伝わることになる。

【００１５】一方、この際、検出素子１の撓み方向内側
（図では、下側）に位置する圧電セラミック板４の中央
部分４ａにおける外側主表面には分極方向Ｃと圧縮応力
Ｐｃとの関係から負（−）の電荷が発生し、また、その
端部分４ｂにおける外側主表面にも分極方向Ｄと引っ張
り応力Ｐｔとの関係から負の電荷が発生することにな
り、これら負の電荷は互いに強めあったうえで信号電極
２から他方側の引出電極１８へと伝わる。つまり、この
際におけるバイモルフ素子１では高い電荷が発生してお
り、加速度センサからは高い電荷信号がセンサ出力とし
て出力されることになる。なお、加速度が作用した際に
おける圧電セラミック板４それぞれの内側主表面には、
各々の外側主表面と異なる正もしくは負の電荷が発生し
ているが、これらの電荷は中間電極３を介しているため
に打ち消されることになり、外部に対しては何らの影響
をも及ぼさない。

【００１６】これに対し、図３でもって模式化して示す
ように、加速度センサを実装した回路基板１３が撓んで
いたり、加速度センサ実装後の回路基板１３が撓んだり
することに伴ってバイモルフ素子１の全体が変形を起こ
した場合、撓み方向の外側に位置する圧電セラミック板
４では中央部分４ａ及び端部分４ｂの各領域で引っ張り
応力Ｐｔが発生し、また、内側に位置する圧電セラミッ
ク板４では各領域で圧縮応力Ｐｃが発生することにな
る。そのため、バイモルフ素子１の変形状態に対応して
発生した電荷は互いに打ち消しあうことになり、加速度
センサからの電荷信号としては外部に現れないことにな
る。

【００１７】

【発明の効果】以上説明したように、本発明に係る加速
度センサにおいては、加速度センサが実装された回路基
板における撓みの影響を受けることによってバイモルフ
素子が変形したとしても、この際の変形状態に伴って発
生した電荷は打ち消されてしまうことになり、電荷が現
れることはなくなる。また、加速度作用時には、各圧電
セラミック板の中央部分及び端部分における分極方向と
変形に伴って発生する引っ張り応力及び圧縮応力との関
係により、電荷が打ち消されなくなる結果、高い電荷信
号を得ることが可能になる。したがって、本発明によれ
ば、回路基板の撓みに伴う影響を受け難いばかりか、信
頼性向上を図ることができ、しかも、加速度作用時には
大きなセンサ出力を得ることができることになる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る加速度センサを簡略化して示す断
面斜視図である。

【図２】加速度作用時におけるバイモルフ素子の変形状
態を模式化して示す説明図である。

【図３】回路基板が撓んでいる際における加速度センサ
の変形状態を模式化して示す説明図である。

【図４】従来例に係る加速度センサを簡略化して示す断
面斜視図である。

【図５】回路基板が撓んでいる際における加速度センサ
の変形状態を模式化して示す説明図である。

【図６】加速度作用時におけるバイモルフ素子の変形状
態を模式化して示す説明図である。

【符号の説明】

１ バイモルフ素子 ２ 信号電極 ３ 中間電極 ４ 圧電セラミック板 ４ａ 中央部分 ４ｂ 端部分 Ａ〜Ｄ 分極方向

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G01P 15/09

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 回路基板面の法線方向とほぼ一致する方
   向に沿って設定された最大感度軸を有し、長手方向に沿
   う両端部がケース体でもって固定支持されたバイモルフ
   素子と、このバイモルフ素子を固定支持した長手方向に
   沿う両端部が回路基板上に実装されるケース体とを備え
   て構成された加速度センサであって、 バイモルフ素子は、対向する主表面のそれぞれ上に信号
   電極及び中間電極が形成された短冊形状の圧電セラミッ
   ク板を具備し、かつ、これらの圧電セラミック板同士が
   中間電極を挟んで対面接合されたものであり、 各圧電セラミック板は、回路基板の撓みによってバイモ
   ルフ素子の長手方向における中央部分で発生する電荷
   と、その両側の端部分で発生する電荷の和とが等しくな
   るように設定された境界線を介したうえでの３つの部分
   に長手方向領域が区分されていると共に、圧電セラミッ
   ク板それぞれの中央部分及び端部分における分極方向が
   厚み方向に沿う逆向きとして設定され、かつ、他方側の
   圧電セラミック板において対向する部分とも逆向きに設
   定されたものであることを特徴とする加速度センサ。