JP4303706B2 - 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およびそのパッケージ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部からの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ている。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徐々に増え始め、今後はさまざまな民生機器に標準搭載する可能性が十分に考えられる。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８は直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、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、圧電セラミック板同士が中間電極５１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）に沿って分極されたものである。圧電検出素子の両端に支持部品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。

特開2000−121661号公報などには、両端持ちでの直列型バイモルフの小型加速度センサが開示されている。検出素子の信号取出電極２、３それぞれと対向する両側位置には、一対のセラミック支持部品４が検出素子を挟み込むようにしたうえで配置されており、これらの支持部品４によっては検出素子の長手方向に沿う両端部がそれぞれ固定支持されている。これは図8に示すようなポイント支持ではないため、単一方向の湾曲が得られない。図９（a）に示すように、中央部が下向きで湾曲すると同時に、両端支持部の周辺が上向きで湾曲してしまうので、中央部と支持部の間に二つの変曲点７（曲率符号の反転点）が現れる。結局、同一表面電極において、変曲点の外側には中央部と逆符号の電荷が発生するため、多くの電荷がキャンセルされ感度が極端に落ちる。

その解決策としては図９(b)中の矢印で示すように、変曲点の外側部分と中央部の分極方向を反転させることにより、同一表面電極に同じ符号の電荷を発生させる。図に示すように、両変曲点間の部分の矢印方向（分極方向）がend-to-endの場合、両変曲点の外側の分極方向がhead-to-headとなるようにする。分極方向を反転するためには、中間電極51、または表面電極２と３のいずれかを分断させる必要がある。表面電極２と３を分断する場合、分極後再び接続する必要があるので、中間電極51を分断するほうが簡単である。図10は変曲点分極反転前後の電圧感度のシミュレーション結果を示す。この結果から、変曲点分極反転のない場合、電荷がほとんどキャンセルされ感度が非常に低いが、分極反転をすると約2.5mV/gの電圧感度が得られるので、変曲点分極反転の必要性が明らかになった。
特開２０００−１２１６６１号公報 特開２０００−１６２２３３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が介入されるので、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。また、すべての表面電荷を利用するためには厄介な変曲点での分極反転が必要である。本発明は、変曲点での分極反転が不要で、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の提供を目的としている。また、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、単板の圧電セラミック基板に形成する電極の形状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。長方形の圧電セラミック基板の長さ方向の中央を境に厚さ方向に互いに逆方向に分極され、検出電極がその中央で分割されてその両側に表裏面に対向して形成された2組の電極からなり、その圧電セラミック基板は両端が支持固定されて、上記2組の電極に発生する電圧を検出することに特徴を有するものである。

本発明によれば、両端支持構造の単板を採用することにより、積層や貼り付けなどの工程が必要とするバイモルフ技術を使わないので、低コスト、高感度の小型加速度センサを実現できる。また、変曲点が起因する感度低下現象が発生しないので、従来のバイモルフ型圧電加速度センサに必要とされる変曲点での分極反転が不要となり、工数を大きく簡略化できる。そのうえ、圧電素子の一部をパッケージとして使われるので、低コスト実装構造を実現できるとともに、 信号取出電極が両側にあるので、引き出し電極の配置が簡便となる利点もある。

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の表裏面にギャップ６により２分割した二対の電極2aと3a、2bと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（図中矢印）に分極される。

図２は、圧電検出素子１の両端が支持部品４によりポイントで固定された場合の変形と表面電荷の符号を示す。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するに伴って、厚み方向で対向する表裏電極に同符号の電荷が発生し、同一表面に分割された二つの電極に逆符号の電荷が発生する。つまり、電極2aと2bに正の電荷が発生する場合、電極3aと3bに負の電荷が発生する。従って、電極2aと2bとを接続し、電極3aと3bとを接続し、それぞれの信号取出電極２と３とすれば、信号取出電極２と３から、加速度Ｇの印加状態を電圧として検出することができる。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、図９に示す従来の直列型バイモルフ型において信号取出電極２と３が厚みの上下方向で配置されるのに対して、図2に示す単板構造には、信号取出電極2aと2b、3aと3bが両側に分けているため、信号取出電極が短絡される可能性がなく、実装パッケージ時の電極配置が非常に簡便となる。

実際の単板型加速度センサの支持構造では従来のバイモルフ型圧電加速度センサと同様に、二つの変曲点が現れ、単一方向での湾曲が得られない。よって、図3(a)に示すように、同一電極に逆符号の電荷が発生することがあり得る。同様の対策として、図３(b)に示すように、二つの変曲点７と中央にある電極ギャップ６に分割された四つの部分を交互に逆方向で分極すれば、同一電極に同符号の電荷が発生する。ここで、反転分極するために、変曲点７において電極2a、2b、3a、3bを分割し、分極後再び接続する厄介な作業が必要である。図４はそれぞれ変曲点分極反転がない場合とある場合の単板型加速度センサを基板に固定し、のこぎり波衝撃を与えた時の応答特性のシミュレーション結果を示す。意外にも、図９に示す従来のバイモルフ型加速度センサと大きく異なり、単板構造の検出素子の応答特性は変曲点での分極反転の有無にほとんど依存しない。それを確認するために、Ｑｍ約2000、誘電率約1600のＰＺＴ圧電材を用い単板型圧電加速度センサを試作してみた。図５は上記の２種類の加速度センサを同一基板に固定し、基板に対して軽くたたく時の電圧応答特性を示す。シミュレーションの通り、変曲点での分極反転のない場合は分極反転のある場合に比較してほぼ同等の感度が得られた。従って、変曲点で分極反転をせずに高い電圧感度が得られるので、検出素子の構造が非常に簡単になり、低コストを実現できる。

この現象の正体はまだ明らかになっていないが、恐らく圧電素子１の厚み方向の中央面においての電位分布に深く関わっている。図１と図２に示す直列バイモルフの場合、中間電極51があるため、素子の中間層が湾曲の状態に関係なく等電位になる。実は、仮に中間電極５１がなくでも、厚み方向に対向で分極されたため、中間層に発生した+/-電荷が完全にキャンセルされるので、中間層が自然に等電位になる。だが、図３に示す単板構造の検出素子の場合、厚みの中央部が表面より電荷密度が高く、且つ曲率が大きい部分ほど厚みの中央部に発生した電荷の密度が高いので、素子の中間層が等電位にならない。この場合は、曲率符号の違う二つの部分、例えば図3(b)の左側の2つの部分、を一体にすると、素子表面および内部の電荷分布が非常に複雑となり、図３(b)ように、単純に分離して考えてはいけないようである。

ＳＭＤ面実装型小型圧電加速度センサを実現するために、従来の封止構造には形状の複雑な部材が必要だが、ここで、より簡単な構造を考案した。図６はパッケージ構造例およびその製造工程の流れを示す。酸化アルミ材などのセラミック絶縁基板８の片面に焼成銀電極９を二本形成し、対向面の縁にリング状の樹脂10を印刷法で塗布したうえ、図６(b)に示すように圧電素子１を貼り付けて硬化する。この場合は圧電素子１とセラミック絶縁基板８の間に樹脂層10により僅か空間が形成される。それから、図６(c)に示すように、圧電素子の電極ギャップ６と直交する方向に二本の細いスリット11を入れて切断し、圧電素子1を３部分（1a、1b、1c）にする。その上に、図６(d)に示すように、リング状樹脂を塗布してあるもう１枚のセラミック絶縁基板８をかぶせて固化する。その中で、中央にある圧電検出素子1aは図3(a)に示す両端固定構造の検出素子となっている。圧電検出素子1aの両側にある圧電体1bと1cは上下にある２枚の絶縁基板８と接着されているので、封止パッケージの一部となっている。最後に、図９(e)に示すように、両端の側面に導電接着材12を印刷することにより、信号取出電極2aと2b、3aと3bがそれぞれ半田パッド電極９と接続される。 上記の製造方法はウェハー毎にバッチ処理ができるので、量産性が良い。また、パッケージを構成するすべての部材が平面状なので、従来の支持・封止構造を低コストで実現できる。

図７は本発明による加速度センサの変形例である。図3(b)と比較して、変曲点の外側部の電極が削除され、中央部分の電極と各々の端部引出し電極の間に細いストリップ電極で接続される。この場合は、中央部分の電荷のみがピックアップされ、端部引出し電極から加速度を検知することとなる。ただし、前述のように、単板構造の検出素子の応答特性は変曲点での分極反転の有無にほとんど依存しないので図のような構造には特性に特別のメリットがあるわけではない。

本発明は、ショックセンサなどとして利用される圧電センサとして適しており、各種電子機器等の衝撃検知素子として利用することができる。

本発明に使用される素子を示す斜視図 その動作原理を説明する正面図 本発明の実施例を示す斜視図 その特性の説明図 その特性の説明図 製造工程を示す斜視図 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の例を示す正面図 その動作を示す正面図 その特性の説明図

符号の説明

１：検出素子
２，３：電極
４：支持部材

Claims (3)

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の中央を境に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、その表裏面に接続された第１の電極対を具え、そのもう一方の側の半分が厚み方向の逆の向きに分極されるとともに、そ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両端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から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. 第１の電極対および第２の電極対の検出電極が当該片側半分における長さ方向の変曲点から基板全体の中央側にのみ形成された請求項１記載の圧電加速度センサ。
3. 検出電極と圧電セラミック板の長さ方向の端面の引出し電極がストリップ電極で接続された請求項２記載の圧電加速度センサ。

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