JP4303702B2 - 圧電加速度センサ - Google Patents

Description

本発明はハードディスクドライブ（ＨＤＤ）など書き込みデイスク装置の衝撃検知用などとして使用される小型加速度センサに関わり、特に、加速度センサを構成する際に用いられる単板型検出素子の構造に関するものである。

加速度センサ（ショックセンサ）はＨＤＤ、書き込みデイスク装置などでの外来衝撃に対するライトプロテクト装置、ＤＶＤ、ＣＤ−Ｒ/ＲＷなどの振動対策・ピックアップ制御装置および一般的な加速度検知などに幅広く使われる。特に近年、ＨＤＤはＤＶＤレコーダや携帯電話まで浸透しつつあり、小型、低価格の加速度センサの採用例がじわじわと増え始め、今後はさまざまな民生機器に標準搭載される可能性も十分に考えられる。加速度センサの検出方法には圧電型、ピエゾ抵抗型、ＭＥＭＳ静電容量型、磁気型などの手法がある。圧電型は低コスト化や小型化に優れているので多く採用されている。従来、圧電セラミックを利用した加速度センサとして、圧縮モードや、せん断モード、ベンディングモードなど種々のものが提案されているが、感度の良いバイモルフベンディング型検出素子を備えたものが一般的である。

図７は直列型バイモルフ加速度センサの原理図を示す。ここで用いられる検出素子は、ともに板形状とされた一対の圧電セラミック板１を具備し、圧電セラミック板１同士が中間電極７を介したうえで対面接合され、主表面のそれぞれ上に電極２、３が形成されたものとなっている。なお、各々の板厚方向に他方側とは逆となる向き（図中、矢印で示す）に沿って分極されたものである。特開平９−２６４３３号公報には、片端固定構造での小型直列型圧電加速度 センサが開示されている。圧電検出素子の片端に支持部品４が設けられる場合、検出素子が加速度Ｇの印加時における慣性力の作用によって変形するに伴い、表面電極２と３に逆符号の電荷が発生し、加速度Ｇの印加状態を検出することができる。

図８は並列型バイモルフ加速度センサの原理図を示す。この際における検出素子は同方向で分極される一対の圧電セラミック板１から構成される。検出素子が加速度Ｇの印加時における慣性力の作用によって変形するに伴い、表面電極２と３には同符号の電荷が発生すると同時に、中間電極７には逆符号の電荷が発生する。従って、表面電極２、３と中間電極７から加速度Ｇの印加状態を検出することができる。
特開平９−２６４３３号公報

バイモルフ型加速度センサは二枚の圧電セラミックスを貼り付けるかまたは積層法で一体焼結する工程が必要である。貼り付けの場合、２枚の圧電板の間に接着材中間層があるので、特性バラツキが増えるほか、低背化が要求される素子の厚み増をもたらす。一方、積層一体焼結の場合、Pd−Ａｇなどの耐熱貴金属の使用が必要である。いずれの方法もコストと工数が掛かる。本発明は、低コストと高検出感度を両立できる単一層のセラミックスで構成された小型加速度センサを提供するものである。また、本発明に係る加速度センサは、配線構造が簡便で、かつ製造工程を大幅簡略化可能な単一層構造圧電加速度センサを提供するものである。

本発明は、単板圧電セラミック基板を用い、その電極構造を改良することによって、上記の課題を解決するものである。すなわち、圧電セラミック板の表裏面に検出電極を形成してなる圧電加速度センサにおいて、圧電セラミック板は長さ方向の片側半分が厚み方向の一方の向きに分極されるとともに、その表裏面に第1の電極対を具え、そのもう一方の側の半分が厚み方向に逆の向きに分極されるとともに、その表裏面に第2の電極対を具え、第1の電極対と第2の電極対とが信号取出し電極となることに特徴を有するものである。

長さ方向の片端または中央固定型単板構造を採用することにより、従来の貼り付け工程または積層一体焼結工程が必要とするバイモルフ技術を使わず、低コスト、高感度の小型圧電加速度センサを実現できる。また、信号取出電極が素子の幅方向で分けており、引き出し電極の配置が簡便となる。

以下、図面を参照して、本発明の実施例について説明する。図１は本発明による圧電加速度検出素子の構造図を示す。長方形板状圧電セラミックス１の表裏面にそれぞれのギャップ６により２分割した一対の電極2a、2bと3a、3bが形成され、電極の分割ギャップ６を境とする二部分の圧電セラミックスは各々の板厚方向に他方側とは逆となる向きに沿って分極される。

図２に示すように、電極の分割ギャップと直交する一端部のみを固定支持した場合、検出素子１が加速度Ｇの印加時における慣性力の作用によって変形し、かつ、検出素子１の変形に伴って厚み方向で対向する表裏電極に同符号の電荷が発生し、同一表面にある二つの分割電極に逆符号の電荷が発生する。つまり、電極2aと2bに負の電荷が発生する場合、電極3aと3bに正の電荷が発生する。従って、電極2aと2bとを接続し、電極3aと3bとを接続し、それぞれ信号取出電極２と３とすれば、信号取出電極２と３から、加速度Ｇの印加状態が検出されることができる。従来のバイモルフ型と比較して、信号取出電極２と３の間の内部容量値が小さいので、電荷感度型圧電加速度センサに不向きであるが、バイモルフ型と同等、またはそれ以上の電圧感度が得られる。なお、信号取出電極2a-2bと3a−3bが素子の幅方向で分けているので、厚み方向の上下に信号取出電極を持つ従来のバイモルフ型に比較して、引き出し電極の配置が簡便である。

図３はパッケージと引出電極の構造例である。まず圧電素子１を一枚のコ字セラミック支持体51と貼り付けてから、圧電素子１の片端を切断し、片端固定型加速度検出素子1aを形成する。その上に、もう１枚のコ字支持体52を被せて接着する。圧電素子1aの固定端の側面に、２本の導電接着電極2ｄと3ｄを印刷法で形成することにより、電極2a、2bおよびセラミック支持体52にあらかじめ形成された焼成銀電極2cが接続され、信号取出電極２が形成される。同様に電極3a、3bと電極3cが接続され、信号取出電極３が形成される。電極2ｃと3ｃが実装のはんだパッドとなる。このような構造はウェハごとでのバッチ処理もできるので量産性が良い。

図４はＱｍ約2000、誘電率約1600のＰＺＴ圧電材を用いた単板型圧電加速度センサの応答特性例である。ここで、圧電素子の厚み＝０.３５ｍｍ、電極ギャップ０.３５ｍｍ、幅＝２.４ｍｍ、長さ＝５.５ｍｍ、支持部の長さ＝1.３ｍｍ、実効長さ＝４.２ｍｍとし、加速度センサを基板に固定していた。基板を軽く叩くと、十分に検知できるレベルの電圧感度が得られた。

上記の片端固定の変りに、図5に示すように中央部に固定すれば、バランスが優れるほか、感度も良い。図６はそのパッケージの例であるが、これは図３に示す片端固定加速度センサの二個分を並列に接続したものと見ても良い。圧電素子１を一枚のＥ字セラミック支持体51に貼り付けてから、圧電素子１の両端を切断し、中央固定型加速度検出素子1aを形成する。その上に、もう１枚のＥ字支持体52をかぶせて接着する。圧電素子1aの固定端の側面に、二本の導電接着電極2ｄと3ｄを印刷法で形成することにより、電極2a、2bおよびセラミック支持体51、52にあらかじめ形成された焼成銀電極2cが接続され、信号取出電極２が形成される。同様に電極3a、3bと電極3cが接続され、信号取出電極３が形成される。電極2ｃと3ｃが実装時のはんだパッドとなる。このような構造はウェハごとでのバッチ処理もできるので量産性が良い。

本発明は、ショックセンサ等として各種装置に利用でき、小型で表面実装が可能な低価格な素子として利用範囲が広い。

本発明の実施例を示す斜視図 本発明の実施例を示す斜視図 本発明の実施例を示す斜視図 本発明による素子の応答特性を示す説明図 本発明の他の実施例を示す斜視図 本発明の他の実施例を示す斜視図 従来の圧電加速度センサを示す斜視図 従来の圧電加速度センサを示す斜視図

符号の説明

１；圧電セラミック板（検出素子）
２、３：電極
４：支持部材
51、52；セラミック支持体

Claims (2)

1. 圧電セラミック板の表裏面に検出電極を形成してなる圧電加速度センサにおいて、
   圧電セラミック板は長さ方向に伸びるギャップで分けられた片側半分が厚み方向の一方の向きに分極されるとともに、その片側の表裏面に接続された第1の電極対を具え、もう一方の片側半分が厚み方向の逆の向きに分極されるとともに、そのもう一方の片側の表裏面に接続された第2の電極対を具え、
   圧電セラミック板の長さ方向の一端または中央部が支持部材によって挟持され、
   第1の電極対と第2の電極対とが信号取出し電極として、二つの電極対に生じる逆符号の電荷によって生じる電圧から加速度を検出することを特徴とする圧電加速度センサ。
2. 圧電セラミック板の表裏面に検出電極を形成してなる圧電加速度センサにおいて、
   圧電セラミック板は長さ方向に伸びるギャップで分けられた片側半分が厚み方向の一方の向きに分極されるとともに、その片側の表裏面に接続された第1の電極対を具え、もう一方の片側半分が厚み方向の逆の向きに分極されるとともに、そのもう一方の片側の表裏面に接続された第2の電極対を具え、
   圧電セラミック板の長さ方向の一端にまたは中央部が支持部材によって挟持され、圧電セラミック板の表裏面から間隔を置いた外装体に支持されるとともに収容され、
   第1の電極対と第2の電極対とが信号取出し電極として、二つの電極対に生じる逆符号の電荷によって生じる電圧から加速度を検出することを特徴とする圧電加速度センサ。

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