JP3386233B2 - 圧電センサ及びその製造方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、圧電センサ及びその製
造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】この種の圧電センサは、例えばハードデ
ィスクドライブ装置、エアバックシステム、電子制御サ
スペンションシステム等において、加速度や衝撃を検知
するために使用される。高度の信頼性と共に、部品点数
が少なく、小型であることが極めて重要になる。先行技
術文献としては、特開昭６４ー７２０１２号公報、特開
平２ー９３３７０号公報が知られている。また、これら
の課題を解決するため、本出願人は特願平５ー３３５７
５５号を出願している。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】この種の圧電センサ
は、上述したような用途で用いられるため、小型で、耐
衝撃性に優れ、信頼性が高いことが極めて重要になる。
ところが、従来の圧電センサは例えば、特開平２ー９３
３７０号公報等で開示される如く、複雑な組立構造を有
し、部品点数も多く、上述した要求を必ずしも満たすも
のではなかった。

【０００４】また、特願平５ー３３５７５５号以前のも
のは、静電容量を確保するためには、圧電センサの自己
共振周波数を低くする必要があった。または、自己共振
周波数を高くするためには、静電容量を低くする必要が
あった。

【０００５】本発明の課題は、簡単な構造で、加速度ま
たは衝撃を確実に検知し得る圧電センサを提供すること
である。

【０００６】本発明のもう一つの課題は、静電容量を確
保しながら圧電センサの自己共振周波数が十分に高い圧
電センサを提供することである。

【０００７】本発明のもう一つの課題は、回路基板また
はその他の外部装置に対し、面実装により、強固で安定
に取り付け得る圧電センサを提供することである。

【０００８】本発明の更にもう一つの課題は、耐衝撃性
を向上させた圧電センサを提供することである。

【０００９】本発明の更にもう一つの課題は、耐衝撃性
に優れた堅牢な構造を容易に実現し得る圧電センサを提
供することである。

【００１０】本発明の更にもう一つの課題は、圧電素子
の取り付け、位置決め及び固定を簡単、かつ、確実に実
行し得る圧電センサを提供することである。

【００１１】本発明の更にもう一つの課題は、垂直加速
度及び水平加速度の両者を感知し得る圧電センサを提供
することである。

【００１２】本発明の更にもう一つの課題は、圧電素子
のＱを低くおさえた圧電センサを提供することである。

【００１３】本発明の更にもう一つの課題は、製造組立
を容易に行うための手段を提供することである。

【００１４】

【課題を解決するための手段】上述した課題解決のた
め、本発明に係る圧電センサは、ベース部材と、圧電素
子とを含む。前記ベース部材は、凹部と、素子取り付け
部とを有しており、前記凹部は前記ベース部材の一面上
に設けられており、前記素子取り付け部は、前記一面上
に幅方向及び長さ方向を仮想した時、前記凹部の長さ方
向の中間部に設けられている。前記圧電素子は、中間部
が前記素子取り付け部に固定され、長さ方向に沿い凹部
上に配置され、前記凹部の底面との間に間隔を有してい
る。

【００１５】好ましい実施例では、前記ベース部材は、
少なくとも２つの端子導体を有しており、第１端子導体
はベース部材の長さ方向の一端側に設けられ、第２端子
導体は長さ方向の他端側に設けられており、前記圧電素
子は、前記端子導体に導通していることがある。

【００１６】このような構造をとる場合、前記第１端子
導体は、そのリード導体が前記素子取り付け部の一側部
に導かれており、前記第２端子導体は、そのリード導体
が前記素子取り付け部の他側部に導かれており、前記圧
電素子は、その電極が前記リード導体のそれぞれに接続
固定されていることが好ましい。

【００１７】前記圧電素子は、好ましくは、バイモルフ
圧電素子である。圧電素子を支持するのに望ましい構造
は、前記素子取り付け部が凹溝で構成され、前記凹溝が
前記凹部の底面よりも少し高く、かつ、前記ベース部材
の前記一面よりも低い底面を有しており、前記圧電素子
は、厚み方向の両面に電極を有し、厚み方向が前記幅方
向に一致するようにして、中間部が前記凹溝内に配置さ
れ、かつ、固定されている構造である。また、別の例と
して、前記圧電素子は、前記ベース部材の前記幅方向に
傾斜していてもよい。更に別の例として、前記圧電素子
は、前記素子取り付け部から見た両側の長さが異なるよ
うに配置されていてもよい。

【００１８】上記圧電センサを製造するために適した本
発明に係る製造方法は、前記ベース部材の前記凹部内
に、前記圧電素子と前記凹部の底面との間の前記間隔を
考慮した厚みを有する間隔規制樹脂を塗布した後、前記
ベース部材に前記圧電素子を組み込み、次に前記間隔規
制樹脂を洗浄除去する。

【００１９】

【作用】本発明に係る圧電センサは、ベース部材と、圧
電素子とを含んでおり、ベース部材は、凹部と、素子取
り付け部とを有しており、凹部はベース部材の一面上に
設けられており、素子取り付け部は一面上に幅方向及び
長さ方向を仮想した時、凹部の長さ方向の中間部に設け
られており、圧電素子は、中間部が素子取り付け部に固
定され、長さ方向に沿い凹部上に配置され、凹部の底面
との間に間隔を有しているから、加速度または衝撃を受
けたとき、圧電素子がベース部材からなんらの干渉を受
けることなく凹部上で応答動作をし、それによって加わ
った加速度または衝撃が検知される。本発明に係る圧電
センサは、基本要素として、圧電素子とそれを支持する
ベース部材とを有すればよいから、簡単な構造で、加速
度または衝撃を確実に検知し得る圧電センサが得られ
る。

【００２０】また、圧電素子が中間部で支持されている
ため、端部で支持しているものより、静電容量を低くす
ることなく、高い自己共振周波数の圧電センサが得られ
る。

【００２１】ベース部材は少なくとも２つの端子導体を
有しており、第１端子導体がベース部材の長さ方向の一
端側に設けられ、第２端子導体が長さ方向の他端側に設
けられており、圧電素子が端子導体に導通している実施
例では、回路基板またはその他の外部装置への実装に当
たり、長さ方向の両端にある第１端子導体及び第２端子
導体を用いて、面実装し、強固で安定した取り付け構造
を実現できる。

【００２２】第１端子導体のリード導体が素子取り付け
部の一側部に導かれており、第２端子導体のリード導体
が素子取り付け部の他側部に導かれており、圧電素子の
電極がリード導体のそれぞれに接続固定されている構造
では、圧電素子を、両側に配置されたリード導体を介し
てベース部材に確実に接続固定できる。このため、耐衝
撃性が向上する。

【００２３】圧電素子が圧電素子でなる場合において、
素子取り付け部が凹溝で構成され、凹溝が凹部の底面よ
りも少し高く、かつ、ベース部材の前記一面よりも低い
底面を有しており、圧電素子は、厚み方向の両面に電極
を有し、厚み方向が幅方向に一致するようにして、中間
部または中間部付が凹溝内に配置され、かつ、固定され
ている構造をとった場合は、圧電素子を素子取り付け部
に配置するだけで、素子取り付け部の底面と凹部の底面
との間の段差を利用して、圧電素子と凹部の底面との間
に必要な間隔を確保すると共に、素子取り付け部の底面
とベース部材の一面との間の段差を利用して圧電素子を
位置決めないしは固定できる。このため、ベース部材に
対する圧電素子の取り付け、位置決め及び固定を簡単、
かつ、確実に実行できる。

【００２４】更に、圧電素子がベース部材の幅方向に傾
斜して取り付けられた場合は、ベース部材の底面に対し
て垂直に作用する加速度及び水平に作用する加速度の両
者を感知し得る圧電センサが得られる。

【００２５】更に、圧電素子が、素子取り付け部から見
た両側の長さが異なるように配置されている場合、圧電
素子の自己共振のＱを低くおさえた圧電センサが得られ
る。

【００２６】上述した圧電センサを製造するに当たり、
本発明に係る製造方法は、ベース部材の凹部内に、圧電
素子と凹部の底面との間の間隔を考慮した厚みを有する
間隔制御樹脂等を塗布した後、ベース部材に圧電素子を
組み込み、次に樹脂等を洗浄する。これにより、本発明
に係る圧電センサを簡単に、かつ、確実に製造すること
ができる。

【００２７】

【実施例】図１は本発明に係る圧電センサの外観斜視
図、図２は図１に示された圧電センサにおいて蓋を取り
外した状態の分解斜視図、図３は図１に示された圧電セ
ンサにおいて蓋を取り外した状態の平面図、図４は図３
のＡ４ーＡ４線上断面図、図５は図３のＡ５−Ａ５線上
における断面図、図６は図３のＡ６−Ａ６線上における
断面図である。本発明に係る圧電センサは、ベース部材
１と、圧電素子２とを含んでいる。参照符号３は蓋であ
る。

【００２８】ベース部材１は、凹部１１と、素子取り付
け部１２とを有しており、凹部１１はベース部材１の一
面上に設けられており、素子取り付け部１２は、一面上
に幅方向Ｗ及び長さ方向Ｌを仮想した時、凹部１１の長
さ方向Ｌの中間部に設けられている。圧電素子２は、長
さ方向の中間部が素子取り付け部１２に固定され、長さ
方向Ｌに沿い凹部１１上に配置され、凹部１１の底面１
１１との間に間隔ｇを有している。素子取り付け部１２
の位置する中間部は、必ずしもベース部材１の長さ方向
の中心部を意味しない。圧電素子２の中間部も同様であ
る。

【００２９】この構造を有することにより、加速度また
は衝撃を受けたとき、圧電素子２がベース部材１からな
んらの干渉を受けることなく凹部１１上で応答動作を
し、それによって加わった加速度または衝撃が検知され
る。このように、基本要素として、圧電素子２とそれを
支持するベース部材１とを有すればよいから、簡単な構
造で、加速度または衝撃を確実に検知し得る圧電センサ
が得られる。また、圧電素子が中間部で支持されている
ため、端部で支持されている片持支持と較べて、同じ静
電容量でも高い自己共振周波数を持つ圧電センサが得ら
れる。

【００３０】ベース部材１は少なくとも２つの端子導体
１３、１４を有している。第１端子導体１３はベース部
材１の長さ方向Ｌの一端側に設けられ、第２端子導体１
４は長さ方向Ｌの他端側に設けられている。圧電素子２
は端子導体１３、１４に導通している。このような構造
であると、回路基板またはその他の外部装置への実装に
当たり、長さ方向Ｌの両端にある第１端子導体１３及び
第２端子導体１４を用いて、面実装し、強固で安定した
取り付け構造を実現できる。

【００３１】しかも、第１端子導体１３は、リード導体
１３１が素子取り付け部１２の一側部に導かれており、
第２端子導体１４はリード導体１４１が素子取り付け部
１２の他側部に導かれている。圧電素子２はその電極２
１、２１がリード導体１３１、１４１のそれぞれに接続
固定されている。このような構造であると、圧電素子２
を、両側に配置されたリード導体１３１、１４１を介し
てベース部材１に確実に接続固定できる。このため、耐
衝撃性が向上する。

【００３２】圧電素子２を検知素子として用いることの
利点は、耐衝撃性に優れた堅牢な構造を容易に実現でき
ることである。圧電素子２の好ましい例は、バイモルフ
圧電素子である。図はバイモルフ圧電素子を示し、一対
の圧電素子２０、２０を有している。一対の圧電素子２
０、２０は、圧電素体の両面に電極２１、２２を有して
おり、一方の圧電素子２０の電極２２と他方の圧電素子
２０の電極２２とが互いに面接触するようにして、重ね
合わされ接合されている。一対の圧電素子２０、２０
は、温度変動によるノイズをキャンセルするため、分極
方向が互いに逆向きとなるように重ね合わされる。別の
例では、一対の圧電素子２０、２０は分極方向が同一と
なるように重ねて結合されることもある。この場合に
は、共通に接続された電極が例えばアースに接続され
る。共通に接続される電極間に、導電性を有する金属弾
性板で構成される振動板を介在させ、この振動板をアー
スに接続する構成もよくとられる。バイモルフ圧電素子
を用いた圧電センサは特開昭６４ー７２０１２号公報、
特開平２ー９３３７０号公報で公知である。

【００３３】圧電素子２を取り付ける素子取り付け部１
２は、好ましくは、凹溝で構成する。凹溝でなる素子取
り付け部１２は、その底面が凹部１１の底面１１１より
も少し高く、かつ、ベース部材１の一面よりも低くなる
ように、オフセットを付する。素子取り付け部１２の幅
は、圧電素子２の幅に対応した寸法に定める。上記構造
により、圧電素子２を素子取り付け部１２に配置するだ
けで、素子取り付け部１２の底面と凹部１１の底面１１
との間の段差を利用して、圧電素子２と凹部１１の底面
１１１との間に必要な間隔ｇを確保すると共に、素子取
り付け部１２の底面とベース部材１の一面との間の段差
を利用して圧電素子２を位置決めないしは固定できる。
このため、ベース部材１に対する圧電素子２の取り付
け、位置決め及び固定を簡単、かつ、確実に実行でき
る。

【００３４】圧電素子２と素子取り付け部１２との間
は、例えば、絶縁性接着剤５を用いて接合することが望
ましい。こうすることにより、耐衝撃性を一層向上させ
ることができる。

【００３５】ベース部材１は電気絶縁性セラミックまた
はプラスチック等によって形成される。用い得るセラミ
ック材料としては、アルミナ、フォルステライト、ステ
アタイト等がある。プラスチック材料を用いる場合は、
高耐熱性のもを用いることが望ましい。

【００３６】第１端子導体１３及び第２端子導体１４
は、印刷、スパッタ、蒸着またはこれらとメッキとの組
み合わせ等によって形成される。第１端子導体１３及び
第２端子導体１４は、ベース部材１の一面側から、側面
を通り、更に裏面、他側面を通って一面側に達するよう
に形成されている。

【００３７】蓋３は電気絶縁性セラミックまたはプラス
チック等によって形成される。用い得るセラミック材料
としては、アルミナ、フォルステライト、ステアタイト
等がある。プラスチック材料を用いる場合は、高耐熱性
のもを用いることが望ましい。蓋３はベース部材１の一
面側に圧電素子２を包囲するように配置され、接触端面
が接着その他の手段によって、ベース部材１に接合され
る。接合面の周囲は樹脂封止することが望ましい。

【００３８】図７は本発明に係る圧電センサにおいてベ
ース部材１に対する圧電素子２の組み合わせ構造の別の
実施例を示す平面図である。圧電素子２は素子取り付け
部１２から見た両側の長さＬ１、Ｌ２が異なるように配
置されている。より具体的には、素子取り付け部１２の
両側に配置される凹部１１、１１の長さを異ならせ、一
方の凹部１１に含まれる圧電素子２の長さＬ１が、他方
の凹部１１に含まれる長さＬ２よりも大きくなるように
配置する。この構造の場合は、圧電素子２の自己共振の
Ｑを低く抑え、ノイズによる影響を受けにくくした圧電
センサが得られる。

【００３９】図８は本発明に係る圧電センサにおいてベ
ース部材１に対する圧電素子２の組み合わせ構造の更に
別の実施例を示す平面図である。圧電素子２が素子取り
付け部１２から見た両側の長さＬ１、Ｌ２が異なるよう
に配置されている点では、図７に示した実施例と同様で
あるが、凹部１１、１１の長さをほぼ同じにしたまま
で、素子取り付け部１２に対する圧電素子２の取り付け
位置を変えてある。図８の実施例の場合も、図７の実施
例と同様の作用効果を得ることができる。

【００４０】図９は本発明に係る圧電センサの更に別の
実施例を示す断面図である。圧電素子２は、ベース部材
１の幅方向に傾斜して取り付けられている。このような
構造であると、ベース部材１の底面１１１に対して垂直
に作用する加速度及び水平に作用する加速度の両者を感
知し得る圧電センサが得られる。

【００４１】図１０は本発明に係る圧電センサの更に別
の実施例を示す図である。この実施例の特徴は、第１の
端子導体１３及び第２の端子導体１４が、ベース部材１
の長さ方向の両側に設けられていることである。このよ
うな構造であると、長さ方向の両端部において外部回路
に接続するタイプの面実装用圧電センサが得られる。

【００４２】次に上述した圧電センサの製造方法を、図
１１〜図１６を参照して説明する。

【００４３】まず、図１１及び図１２に示すように、ベ
ース部材１の凹部１１内に、圧電素子と凹部１１の底面
１１１との間の間隔ｇを考慮した厚みを有する間隔規制
樹脂６を塗布し硬化させる。間隔規制樹脂６は後で洗浄
可能な材料、例えばアクリル樹脂である。このステップ
において、素子取り付け部１２に絶縁性接着剤５を塗布
しておく。

【００４４】次に、図１３及び図１４に示すように、ベ
ース部材１に圧電素子２を組み込む。このとき、圧電素
子２の下面は間隔規制樹脂６によって受けられるから、
圧電素子２と凹部１１の底面１１１との間には間隔規制
樹脂６の厚みに従った間隔が形成される。圧電素子２
は、素子取り付け部１２に塗布されている絶縁性接着剤
５によってベース部材１に固定される。この後、間隔規
制樹脂６を洗浄除去する。洗浄除去は、間隔規制樹脂６
がアクリル樹脂でなる場合、水または水とアルコールの
溶液を用いて行なうことができる。これにより、圧電素
子２と凹部１１の底面１１１との間に動作上必要な間隔
ｇが形成される。

【００４５】次に、図１５及び図１６に示すように、導
電性接着剤４１、４２を用いて、圧電素子２の電極２
１、２２をリード導体１３１、１４１に接合する。リー
ド導体１３１、１４１の間に素子取り付け部１２があ
り、素子取り付け部１２の内部に、圧電素子２を固定す
る絶縁性接着剤５があるので、導電性接着剤４１、４２
の流れが絶縁接着剤５の部分で遮断される。このため、
電極間短絡を回避することができる。

【００４６】この後、ベース部材１の一面上に蓋３（図
１参照）を被せて接合し、接合面の周りを樹脂封止する
ことにより、完成する。

【００４７】

【発明の効果】以上述べたように、本発明によれば、次
のような効果が得られる。 （ａ）簡単な構造で、加速度または衝撃を確実に検知し
得る圧電センサを提供することができる。 （ｂ）十分な静電容量で、高い自己共振周波数の圧電セ
ンサを提供することができる。 （ｃ）回路基板またはその他の外部装置に対し、面実装
により、強固で安定に取り付け得る圧電センサを提供す
ることができる。 （ｄ）耐衝撃性を向上させた圧電センサを提供すること
ができる。 （ｅ）耐衝撃性に優れた堅牢な構造を容易に実現し得る
圧電センサを提供することができる。 （ｆ）圧電素子の取り付け、位置決め及び固定を簡単、
かつ、確実に実行し得る圧電センサを提供することがで
きる。 （ｇ）垂直加速度及び水平加速度の両者を感知し得る圧
電センサを提供することができる。 （ｈ）圧電素子の自己共振のＱを低くおさえた圧電セン
サを提供することが出来る。 （ｉ）製造組立を容易に行い得る圧電センサを提供する
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外観斜視図である。

【図２】図１に示された圧電センサにおいて蓋を除いた
分解斜視図である。

【図３】図１に示された圧電センサにおいて蓋を取り外
した平面図である。

【図４】図３のＡ４−Ａ４線上における断面図である。

【図５】図３のＡ５−Ａ５線上における断面図である。

【図６】図３のＡ６−Ａ６線上における断面図である。

【図７】本発明に係る圧電センサにおいてベース部材に
対する圧電素子の組み合わせ構造の別の実施例を示す平
面図である。

【図８】本発明に係る圧電センサにおいてベース部材に
対する圧電素子の組み合わせ構造の更に別の実施例を示
す平面図である。

【図９】本発明に係る圧電センサの更に別の実施例を示
す断面図である

【図１０】本発明に係る圧電センサの更に別の実施例を
示す分解斜視図である。

【図１１】本発明に係る圧電センサの製造方法の一工程
における平面図である。

【図１２】図１１のＡ１２ーＡ１２線上における断面図
である。

【図１３】図１１及び図１２に示した工程後の工程を示
す図である。

【図１４】図１３のＡ１４ーＡ１４線上における断面図
である。

【図１５】図１３及び図１４に示した工程後の工程を示
す図である。

【図１６】図１５のＡ１６ーＡ１６線上における断面図
である。

【符号の説明】

１ ベース部材 ２ 圧電素子 １１ 凹部 １２ 素子取り付け部 １３ 第１端子電極 １４ 第２端子電極 １３１ リード電極 １４１ リード電極

───────────────────────────────────────────────────── 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 G01H 11/08 H01L 41/08

Claims (6)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ベース部材と、圧電素子とを含む圧電セ
   ンサであって、 前記ベース部材は、凹部と、素子取り付け部とを有して
   おり、前記凹部は前記ベース部材の一面上に設けられて
   おり、前記素子取り付け部は、前記一面上に幅方向及び
   長さ方向を仮想した時、前記凹部の長さ方向の中間部に
   設けられており、 前記圧電素子は、長さ方向の中間部が前記素子取り付け
   部に固定され、長さ方向に沿い凹部上に配置され、前記
   凹部の底面との間に間隔を有しており、前記素子取り付け部は、凹溝で構成され、前記凹溝が前
   記凹部の底面よりも少し高く、かつ、前記ベース部材の
   前記一面よりも低い底面を有しており、 前記圧電素子は、厚み方向の両面に電極を有し、厚み方
   向が前記幅方向に一致するようにして、中間部が前記凹
   溝内に配置され、かつ、固定されている 圧電センサ。
2. 【請求項２】 ベース部材と、圧電素子とを含む圧電セ
   ンサであって、 前記ベース部材は、凹部と、素子取り付け部とを有して
   おり、前記凹部は前記ベース部材の一面上に設けられて
   おり、前記素子取り付け部は、前記一面上に幅方向及び
   長さ方向を仮想した時、前記凹部の長さ方向の中間部に
   設けられており、 前記圧電素子は、長さ方向の中間部が前記素子取り付け
   部に固定され、長さ方向に沿い凹部上に配置され、前記
   凹部の底面との間に間隔を有しており、 前記圧電素子は、前記素子取り付け部から見た両側の長
   さが異なるように配置されている 圧電センサ。
3. 【請求項３】 前記ベース部材は、少なくとも２つの端
   子導体を有しており、 第１端子導体はベース部材の長さ方向の一端側に設けら
   れ、第２端子導体は長さ方向の他端側に設けられてお
   り、 前記圧電素子は、前記端子導体に導通している請求項１
   または２に記載の圧電センサ。
4. 【請求項４】 前記第１端子導体は、そのリード導体が
   前記素子取り付け部の一側部に導かれており、 前記第２端子導体は、そのリード導体が前記素子取り付
   け部の他側部に導かれており、 前記圧電素子は、その電極が前記リード導体のそれぞれ
   に接続固定されている請求項３に記載の圧電センサ。
5. 【請求項５】 前記圧電素子は、前記ベース部材の前記
   幅方向に傾斜している請求項１乃至４の何れかに記載の
   圧電センサ。
6. 【請求項６】 請求項１乃至５に記載された圧電センサ
   の何れかを製造する方法であって、 前記ベース部材の前記凹部内に、前記圧電素子と前記凹
   部の底面との間の前記間隔を考慮した厚みを有する樹脂
   を塗布した後、前記ベース部材に前記圧電素子を組み込
   み、リード導体に接続固定し、次に前記樹脂を除去する
   圧電センサの製造方法。