JP3346261B2 - 圧電センサ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は圧電センサ、特に、
圧力センサや加速度センサ等として使用される圧電セン
サに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来のこの種の圧電センサの一例を図６
に示す。該圧電センサ１は、一枚の金属板２の両面にそ
れぞれ圧電体基板３，４を接着し、金属板２の一端を支
持体５に片持ち支持したものである。圧電体基板３，４
は、矢印Ｐ１，Ｐ２で示すように、それぞれその厚み方
向に互いに逆向きに分極されている。圧電体基板３，４
にはそれぞれ電極膜７，８が形成されており、これら電
極膜７，８は出力端子１１，１２にそれぞれ接続されて
いる。

【０００３】この支持体５に、例えば図６において矢印
で示す力Ｆ１が作用し、支持体５が矢印の方向に移動す
ると、金属板２の支持端側は支持体５の移動と共に強制
的に移動させられるが、解放端側は慣性により一定位置
に留まろうとするので、金属板２は点線で示すように撓
む。これにより、金属板２の両面にそれぞれ接着されて
いる圧電体基板３，４には伸張力及び圧縮力がそれぞれ
作用する。圧電体基板３，４は、これら伸張力及び圧縮
力による応力に対応する電圧を出力端子１１，１２から
出力する。出力端子１１，１２から取り出される出力電
圧Ｖは支持体５に作用する力Ｆ１と相関関係を有してい
るので、出力電圧Ｖに基づいて支持体５に作用する力Ｆ
１や加速度を検出することができる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ところで、従来の圧電
センサ１では、金属板２の両面に圧電体基板３，４を接
着しなければならず、構造が複雑で生産性も悪くコスト
ダウンにも限界があった。また、一般に、圧電センサ１
を圧力センサや加速度センサとして使う場合には、共振
周波数より低い周波数帯域で使う。従って、圧電センサ
１の共振周波数を高周波化すれば、圧電センサ１の使用
範囲が広くなる。従来の圧電センサ１では、金属板２の
寸法を小さくすると共に高い弾性係数を有する金属板２
を用いれば、その共振周波数を高くすることができる
が、力Ｆ１や加速度の検出感度が低下する。このため、
従来の圧電センサ１では、一定以上の感度を有するもの
を得るためには、金属板２は寸法が大きいものを使用す
る必要があり、小型化や共振周波数の高周波化に限界が
あった。

【０００５】そこで、本発明の目的は、構造が簡単で小
型であり、生産性の良好な圧電センサを提供することに
ある。

【０００６】

【課題を解決するための手段及び作用】前記目的を達成
するため、本発明に係る圧電センサは、 （ａ）厚み方向に分極された短冊形状の圧電体基板と、 （ｂ）前記圧電体基板の表面に設けられ、かつ、前記圧
電体基板の長手方向の一端から他端に到るギャップによ
り互いに分割された分割電極と、 （ｃ）前記圧電体基板の分割電極に対向して前記圧電体
基板の裏面に設けられた対向電極とを備え、 （ｄ）前記圧電体基板は、長手方向中央部もしくは端部
を幅方向両側から挟むことによって固定されており、前
記圧電体基板の幅方向の前記外力の成分を検出するこ
と、 を特徴とする。圧電体基板の保持位置は、長手方向の中
央部もしくは端部（両端部を保持する場合や、一方の端
部のみを保持する場合を含む）である。

【０００７】

【作用】以上の構成により、圧電体基板の幅方向（圧電
体基板の長手方向に対して直角、かつ表裏面に対して平
行な方向）の成分を有する外力が印加されると圧電体基
板は撓み、ギャップを間にしてその両側がそれぞれ伸張
及び圧縮される。それに応じて圧電体基板の内部には応
力が生じる。従って、圧電体基板には、この応力に対応
した電圧が発生する。この電圧は、ギャップに対して直
角な方向の外力成分に対応する信号として、分割電極の
間、もしくは対向電極と分割電極との間から出力され
る。

【０００８】

【発明の実施の形態】以下、本発明に係る圧電センサの
実施の形態について添付の図面を参照して説明する。各
実施形態は、個産品の場合を例にして説明するが、量産
する場合には複数の圧電センサが搭載されたマザー基板
状態で製造される。

【０００９】［第１実施形態、図１〜図３］本発明に係
る圧電センサの一つの実施の形態の分解斜視図を図１
に、全体の外観を示す斜視図を図２に示す。該圧電セン
サ２１は、短冊形状を有する圧電体基板２２を備えてい
る。圧電体基板２２は、上面の幅方向の中央部を一端か
ら他端に到る溝２３により形成されたギャップｇにより
相互に分離された二つの分割電極２４，２５を有し、下
面にはこれら分割電極２４，２５に対向する対向電極２
６を有している。圧電体基板２２は、図１において矢印
Ｐ３で示すように、対向電極２６から分割電極２４，２
５に向かう方向に分極されている。圧電体基板２２に
は、例えば、ＰＺＴ等が用いられる。電極２４〜２６の
材料としては、Ａｇ，Ｐｄ，Ａｇ−Ｐｄ，Ｎｉ等が用い
られる。

【００１０】圧電体基板２２は、セラミック製の外装ケ
ース３１に収容されている。なお、外装ケース３１とし
ては、セラミックの他に、樹脂、ガラス、金属等の材料
を使用することもできる。外装ケース３１はその内側
に、圧電体基板２２よりもやや大きい寸法を有する収容
凹部３２を有する箱形の構造を有している。外装ケース
３１の内側壁には、一対の突起３３，３４が設けられて
いる。これら突起３３，３４は、それぞれ圧電体基板２
２の両側面の中央部を保持している。このとき、圧電体
基板２２は収容凹部３２の底面に接触してもよい。しか
し、収容凹部３２の底面に接触しないように圧電体基板
２２を保持すれば、圧電体基板２２が撓む際に収容凹部
３２の底面と圧電体基板２２とがすれ合わず、検出感度
が向上する。

【００１１】外装ケース３１の開口面には、突起３３，
３４の各々から外装ケース３１の外側面に至る引出電極
３６，３７が形成されている。これら引出電極３６，３
７と圧電体基板２２の分割電極２４，２５とは、半田３
８（図３参照）により電気的に接続されている。なお、
半田３８の替わりに、導電性接着剤を用いてもよい。

【００１２】図２に示すように、外装ケース３１の開口
面にはセラミック製の蓋部材３９を当接させ、蓋部材３
９を接着剤により外装ケース３１に接着している。外装
ケース３１の外側面及び蓋部材３９の側面には、引出電
極３６，３７にそれぞれ電気的に接続される端子電極４
１，４２を形成している。これら端子電極４１，４２及
び引出電極３６，３７は導電性金属の蒸着やスパッタリ
ング、導電ペーストの印刷、導電膜の接着等の手法によ
り形成することができる。

【００１３】以上に説明した構成を有する圧電センサ２
１において、例えば図１及び図２に示すように、圧電体
基板２２の対向電極２６にｘ−ｙ平面が平行であり、そ
の分割電極２４，２５の間のギャップｇがｙ軸に対して
平行になるように、直交座標系（ｘ，ｙ，ｚ）を設定す
る。そして、圧電センサ２１に力Ｆ２（図２参照）が作
用したとすると、圧電センサ２１の外装ケース３１は、
力Ｆ２のｘ軸成分Ｆ２ _x，ｙ軸成分Ｆ２_y及びＺ軸成分Ｆ
２_zに基づいてｘ軸方向、ｙ軸方向及びＺ軸方向にそれ
ぞれ移動する。これにより、圧電体基板２２の突起３
３，３４によって保持されている中央部は外装ケース３
１の移動と共に強制的に移動させられるが、解放両端部
は慣性により一定位置に留まろうとするので、圧電体基
板２２は撓む。

【００１４】力Ｆ２のｘ軸成分Ｆ２_xにより、図３に二
点鎖線で示すように、ｘ軸方向に圧電体基板２２が撓む
と、ギャップｇを間にしてその両側が矢印Ａ１及びＡ２
で示すように、それぞれ伸張及び圧縮される。すなわ
ち、分割電極２４に対して圧電体基板２２は伸張変位
し、逆に、分割電極２５に対して圧電体基板２２は圧縮
変位する。特に、圧電体基板２２には溝２３が形成され
ているので、伸縮変位と圧縮変位がこの溝２３によって
分離され、それぞれ独立した状態で行うことができるの
で、検出感度の向上を図ることができる。

【００１５】こうして、ｘ軸成分Ｆ２_xによって圧電体
基板２２に生じる変位は、分割電極２４，２５に接続さ
れた端子電極４１，４２間に、変位に対応した電位差を
発生させる。この電位差を検出電圧として端子電極４
１，４２の間から出力することにより、力Ｆ２のｘ軸成
分Ｆ２_xの量を知ることができる。

【００１６】一方、力Ｆ２のｙ軸成分Ｆ２_yやＺ軸成分
Ｆ２_zによっても、圧電体基板２２の解放両端部はｙ軸
方向及びｚ軸方向にそれぞれ変位するが、その変位は分
割電極２４，２５に対して同じ方向の変位となる。従っ
て、ｙ軸成分Ｆ２_yやｚ軸成分Ｆ２_zによって圧電体基板
２２に生じる変位は、端子電極４１，４２間に殆ど電位
差を発生させない。

【００１７】そして、以上に説明した圧電センサ２１と
同様の構成を有する圧電センサ２１をさらに二個用意
し、これら圧電センサ２１のうち一つの圧電センサ２１
を、圧電体基板２２の対向電極２６がｙ−ｚ平面に平行
であり、かつ分割電極２４，２５の間のギャップｇがｚ
軸に対して平行になるように配置して、力Ｆ２のｙ軸成
分Ｆ２_yを検出するようにする。さらに、もう一つの圧
電センサ１を、圧電体基板２２の対向電極２６がｚ−ｘ
平面に平行であり、かつ分割電極２４，２５の間のギャ
ップｇがｘ軸に対して平行になるように配置して、力Ｆ
２のｚ軸成分Ｆ２ _zを検出するようにする。これによ
り、力Ｆ２を大きさ及び向きを含めたベクトル量として
検出することができる。

【００１８】本実施形態では、従来の圧電センサと異な
り、単一の圧電体基板２２により外力や加速度を検出す
ることができ、構造が非常に簡単化され、コストも低く
なる。また、圧電センサ２１の圧電体基板２２の共振周
波数は、例えば４５５キロヘルツと、従来の圧電センサ
に比較して大幅に高い共振周波数を得ることができる。
従って、検出感度を低下させないで、圧電センサ２１を
小型化することができる。因みに、長さ４ｍｍ、幅１ｍ
ｍ、厚みが０．６ｍｍのサイズの圧電体基板２２を使用
した場合、１ｇａｌ（ガル）の加速度を印加すると、端
子電極４１，４２から約１０ｍＶの出力電圧を得た。

【００１９】［第２実施形態、図４］本発明に係る圧電
センサのいま一つの実施形態の分解斜視図を図４に示
す。該圧電センサ５１は、圧電体基板２２と、両端に脚
部５２ａ，５２ｂを有する二つのコ字形状を有する枠体
５２と、これら枠体５２及び圧電体基板２２を上下から
挟んで封止する２枚の支持板５４とを備えたものであ
る。これら枠体５２及び支持板５４はいずれもセラミッ
クからなっている。圧電体基板２２の構成は前記第１実
施形態において説明した圧電センサ２１のものと全く同
じであるから、対応する部分には対応する符号を付し
て、以下では重複した説明は省略する。圧電体基板２２
と２枚の支持板５４と二つの枠体５２は、接着剤により
接着され、組み立てられる。二つの枠体５２の脚部５２
ａ，５２ｂは、それぞれ圧電体基板２２の端部に当接し
ている。

【００２０】圧電体基板２２の二つの分割電極２４，２
５のうち、一つの分割電極２４は、圧電体基板２２の左
側に配置された枠体５２の脚部５２ａに形成された引出
電極３６に半田付けされている。引出電極３６は、圧電
体センサ５１の左側側面に形成された端子電極４１に引
き出されている。いま一つの分割電極２５は、圧電体基
板２２の右側に配置された枠体５２の脚部５２ａに形成
された引出電極３７に半田付けされている。引出電極３
７は、圧電体センサ５１の右側側面に形成された端子電
極４２に引き出されている。

【００２１】以上のような構成を有する圧電センサ５１
では、枠体５２の脚部５２ａ，５２ｂにより、圧電体基
板２２はその両端で支持、固定されている。従って、図
１と同様の力Ｆ２が印加されたときに、圧電体基板２２
は脚部５２ａと５２ｂとの間の部分が撓む。これによ
り、第１実施形態の圧電センサ２１と全く同様にして、
端子電極４１，４２から力Ｆ２のｘ軸成分Ｆ２_xに対応
する出力電圧を得ることができる。従って、この出力電
圧から力Ｆ２のｘ軸成分Ｆ２_x、さらには圧電センサ５
１と同様の構成を有する圧電センサをさらに二組用意
し、力Ｆ２の他の成分Ｆ２_y，Ｆ２_zを検出すれば、第１
実施形態と同様に、力Ｆ２を大きさ及び向きを含めたベ
クトル量として検出することができる。

【００２２】［他の実施形態］ 本発明は、前記実施形態に限定されるものではなく、そ
の要旨の範囲内で種々に変更することができる。

【００２３】また、分割電極２４，２５は必ずしも溝２
３によって分割される必要はなく、圧電体基板２２に溝
２３を設けないでエッチング等の方法によって所定の部
分の電極膜を除去することによって分割してもよい。

【００２４】また、図５に示すように、圧電体基板２２
の対向電極２６をギャップｇ１により二つの対向電極２
６ａ，２６ｂに分割し、分割電極２４とその対向電極２
６ａとの間の圧電体基板２２の分極Ｐ４の方向と、いま
一つの分割電極２５とその対向電極２６ｂとの間の分極
Ｐ５の方向を互いに逆向きにし、分割電極２５と対向電
極２６ａとをグランド端子Ｇに接続し、分割電極２４及
び対向電極２６ｂにそれぞれ接続した出力端子６１，６
２から出力電圧を得るようにしてもよい。このとき、分
割された対向電極２６ａ，２６ｂの間に、図５において
点線で示すように、溝６３を設けてもよい。

【００２５】

【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
によれば、圧電体基板の幅方向（圧電体基板の長手方向
に対して直角、かつ表裏面に対して平行な方向）の成分
を有する外力が印加されると圧電体基板が撓み、ギャッ
プを間にしてその両側がそれぞれ伸張及び圧縮されて圧
電体基板の内部に応力が発生する。そして、この応力に
対応した電圧を分割電極の間、もしくは対向電極と分割
電極との間から出力するようにしたので、単一の圧電体
基板により外力や加速度を検出することができ、構造が
非常に簡単化され、コストも低くなる。また、本発明に
よれば、従来の圧電センサに比較して共振周波数を高く
することができ、形状も小型化することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る圧電センサの第１実施形態の分解
斜視図。

【図２】図１に示した圧電センサの外観を示す斜視図。

【図３】図１に示した圧電センサの動作説明図。

【図４】本発明に係る圧電センサの第２実施形態の分解
斜視図。

【図５】本発明に係る圧電センサの他の実施形態の説明
図。

【図６】従来の圧電センサの説明図。

【符号の説明】

２１…圧電センサ ２２…圧電体基板 ２３…溝 ２４，２５…分割電極 ２６，２６ａ，２６ｂ…対向電極 ３３，３４…突起 ５１…圧電センサ ５２…枠体 ５２ａ，５２ｂ…脚部 ６３…溝 ｇ，ｇ１…ギャップ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平５−188081（ＪＰ，Ａ) 特開 平８−220129（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−230026（ＪＰ，Ａ) 特開 平10−160752（ＪＰ，Ａ) 特開 平９−105635（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−231517（ＪＰ，Ａ) 特開 平10−232132（ＪＰ，Ａ) 特開 平７−318578（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G01P 15/09 G01L 1/16 H01L 41/08 G01C 19/56

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 圧電体基板に印加される外力に応じて前
   記圧電体基板に発生する電圧に基づいて前記外力を検出
   する圧電センサにおいて、厚み方向に分極された 短冊形状の圧電体基板と、 前記圧電体基板の表面に設けられ、かつ、前記圧電体基
   板の長手方向の一端から他端に到るギャップにより互い
   に分割された分割電極と、 前記圧電体基板の分割電極に対向して前記圧電体基板の
   裏面に設けられた対向電極とを備え、 前記圧電体基板は、長手方向中央部もしくは端部を幅方
   向両側から挟むことによって固定されており、 前記圧電体基板の幅方向の前記外力の成分を検出するこ
   と、 を特徴とする圧電センサ。