JP4894363B2 - 加速度センサ - Google Patents

Description

本発明は複数の圧電体を積層した検出素子を用いた加速度センサに関するものである。

従来、ハードディスクドライブ等の電子機器に外部から加わる衝撃を検出するため、加速度センサが用いられている。特に、複数の圧電体を積層した検出素子を用いた加速度センサは、高感度で、かつ小型に構成できるという特徴がある。

図７〜図１０は特許文献１に示された加速度センサの一例を示す。
この加速度センサは、一端側に開口部１ｈが形成された直方体状のケース１を備えており、開口部１ｈ内に固定用貫通孔２ｈを有する固定壁２が設けられている。ケース１には２つの端子電極１ａ，１ｂが設けられている。検出素子３の一端部の両主面には保持用樹脂４ａ，４ｂが固定されており、保持用樹脂４ａ，４ｂを固定用貫通孔２ｈに挿入することで、検出素子３の一端部を密着保持している。検出素子３は２枚の圧電基板３６，３７を接着剤９を介して貼り合わせたものであり、各圧電基板の両主面にはそれぞれ検出用電極３６ａ，３６ｂ，３７ａ，３７ｂが形成されている。これら検出用電極は固定壁２に露出した端子電極１ａ，１ｂの一端部に導電性接着剤６ａ，６ｂにより接続される。端子電極１ａ，１ｂの他端部はケース１の外面へと延出されている。また、検出素子３の一端部の両主面は絶縁性接着剤８ａ，８ｂによって固定壁２に固定される。その後、ケース１の開口部１ｈが封止用樹脂５で封止される。

一方の圧電基板３６の表裏の検出用電極３６ａ，３６ｂのうち、保持用樹脂４ａが固着された領域Ｓには、図１０に示すように異なる側縁に沿って延びる階段状の引出部３６ａ₁ ，３６ｂ₁ が形成されている。他方の圧電基板３７も圧電基板３６と同一構造であり、表裏の検出用電極３７ａ，３７ｂの保持用樹脂４ｂが固定された領域Ｓには、異なる側縁に沿って延びる階段状の引出部３７ａ₁ ，３７ｂ₁ が形成されている。引出部３６ａ₁ と３７ａ₁ とが導電性接着剤６ａにより一方の端子電極１ａに接続され、引出部３６ｂ₁ と３７ｂ₁ とが導電性接着剤６ｂにより他方の端子電極１ｂに接続されている。

この加速度センサの場合には、ケース１の中に挿入された検出素子３が片持ち支持され、検出素子３から加速度に比例した電圧または電荷を取り出すことができる。特に、検出素子３を構成する２つの圧電基板３６，３７の検出用電極を、それぞれ並列に接続しているので、感度が高い加速度センサが得られ、加えて、主面で固定し側面で電気的な接続を行うので、検出素子３の固定領域が小さくなり、加速度センサをより小型にすることができる。さらに、検出素子３の周囲が確実に密封され、ケース１の外表面に端子電極１ａ，１ｂが形成されるので、表面実装型の電子部品として利用することができる。

上記のような構造の加速度センサにおいて、外部から温度変化が加わると、その熱はケース１から固定壁２を介して検出素子３に伝達され、焦電効果により、各圧電基板３６，３７に電荷が発生する。各圧電基板３６，３７に加わる温度変化が均一な場合には、焦電効果により発生した電荷は、各基板間でキャンセルされるため、外部には出力として現れない。しかし、部分的に温度が高くなった場合、各圧電基板３６，３７の温度変化が異なり、焦電効果により発生した電荷が圧電基板３６，３７間でキャンセルされず、加速度センサが不要な出力（熱ゆらぎノイズ）を発生してしまうという問題がある。

ここで、焦電効果による不要な出力が発生する原因をさらに詳しく説明する。
検出素子３を構成する圧電基板３６，３７は、矢印Ｐで示すように逆方向に分極されており、その分極範囲は、対向する検出用電極で挟まれた圧電基板３６，３７の範囲となっている。その理由は、検出用電極３６ａ，３６ｂ，３７ａ，３７ｂを分極用電極としても利用しているからである。このうち、焦電電荷の主な発生原因となるのは、保持用樹脂４ａ，４ｂによって保持された領域内の検出用電極の部分、つまり引出部３６ａ₁ ，３６ｂ₁ ，３７ａ₁ ，３７ｂ₁ である。なぜなら、ケース１から固定壁２を介して伝達される熱の影響を最も受けるのは、保持用樹脂４ａ，４ｂによって保持された領域だからである。保持領域Ｓ内において、検出用電極の引出部３６ａ₁ ，３６ｂ₁ には表裏対向する部分３６ａ₂ ，３６ｂ₂ （図９の領域Ｔ、図１０の斜線領域）が存在し、対向する引出部間の領域は分極されているため、焦電電荷が不要な出力として取り出される。同様に、検出用電極の引出部３７ａ₁ ，３７ｂ₁ にも表裏対向する部分が存在し、焦電電荷が不要な出力として取り出される。

なお、検出素子３の一端部に加わる熱が、検出素子３の加速度検出部（保持用樹脂４ａ，４ｂによって保持されていない領域）まで伝達され、熱ゆらぎノイズの原因になる可能性があるが、検出素子３の加速度検出部についてはケース１内部に露出しているため、各圧電基板３６，３７の温度変化がほぼ均一となり、焦電電荷はほぼキャンセルされる。
特開２００５−３１５８４７号公報

そこで、本発明の目的は、検出素子が固定壁によって保持された端部の領域内で、焦電効果による不要な出力が発生するのを改善できる加速度センサを提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明は、少なくとも一端側に開口部が形成された直方体状のケースの開口部内に固定用貫通孔を有する固定壁を設け、上記固定用貫通孔に、複数の圧電体を積層した検出素子の一端部を挿入・保持し、上記ケースの開口部を封止用樹脂で封止してなる加速度センサにおいて、上記検出素子の両主面および圧電体の間に検出用電極が形成されており、これら検出用電極には上記検出素子の上記固定用貫通孔に保持された一端部の側縁に沿って引き出された引出部が形成されており、これら引出部が上記ケース内に配置された端子電極に対し電気的に接続されており、上記検出用電極のうち、相互に接続されない電極の引出部が上記検出素子の異なる側縁に沿って引き出され、かつ上記圧電体の上記固定用貫通孔に保持された領域は分極されていないことを特徴とする加速度センサを提供する。

本発明にかかる加速度センサの場合、検出素子の一方の主面と他方の主面との間で温度差が発生すると、焦電効果による不要な出力が発生する恐れがある。しかし、圧電体の固定用貫通孔に保持された領域は分極されていないので、たとえ引出部が表裏対向していても、焦電電荷が発生しない。そのため、検出素子の保持されている部分からの不要な出力をなくすことができる。

好ましい実施の形態によれば、検出素子は、焼成済みの複数の圧電体の表裏主面に検出用電極を形成し、これらの圧電体を絶縁性接着剤を介して貼り付けたものであってもよい。このような圧電体は簡単に製造できる。
さらに、 好ましい実施の形態によれば、検出素子は、未焼成の複数の圧電体を検出用電極を間にして圧着積層した後、焼成したものであり、検出素子の表裏主面には検出用電極が形成されたものでもよい。この場合には、圧電体を多層に積層するのが容易であり、検出素子の厚みを薄くできるので、高感度で薄型の検出素子を得ることができる。
圧電体の材料としては、公知の圧電セラミックスを用いることができる。圧電体の積層数は２層、３層、４層以上など任意である。

本発明によれば、検出用電極のうち、相互に接続されない電極の引出部が検出素子の異なる側縁に沿って引き出され、かつ圧電体の固定用貫通孔に保持された領域を未分極としたので、温度変化による焦電電荷の発生を防止することができ、固定用貫通孔によって保持されている部分からの不要な出力をなくすことができる。そのため、温度変化が発生しても、常に精度よく加速度を検出できる。

以下に、本発明の好ましい実施の形態を、実施例を参照して説明する。

図１，図２は本発明にかかる加速度センサの第１実施例を示す。この加速度センサＡの基本構造は、検出素子３Ａを除き、図９，図１０に示した従来の加速度センサと同様であるため、図９，図１０と対応する部分には同一符号を付して重複説明を省略する。

本加速度センサＡの検出素子３Ａは、図１０に示した検出素子３と同様に、２枚の圧電基板３１，３２を接着剤９を介して貼り合わせたものであり、圧電基板３１，３２は、矢印Ｐで示すように逆方向に分極されている。各圧電基板３１，３２の両主面にはそれぞれ検出用電極３１ａ，３１ｂ，３２ａ，３２ｂが形成されている。これら検出用電極は固定壁２に露出した端子電極１ａ，１ｂの一端部に導電性接着剤６ａ，６ｂにより接続される。また、検出素子３Ａの一端部の両主面は絶縁性接着剤８ａ，８ｂによって固定壁２に固定される。その後、ケース１の開口部１ｈが封止用樹脂５で封止される。

検出素子３Ａの検出用電極３１ａ，３１ｂ，３２ａ，３２ｂのうち、相互に接続されない電極の引出部３１ａ₁ と３１ｂ₁ とが異なる側縁に沿って引き出され、相互に接続されない電極の引出部３２ａ₁ と３２ｂ₁ とが異なる側縁に沿って引き出されている。つまり、相互に接続される引出部３１ａ₁ と３２ａ₁ とが同一の側縁に引き出され、相互に接続される引出部３１ｂ₁ と３２ｂ₁ とが同一の側縁に引き出されている。そして、固定用貫通孔２ｈ（保持用樹脂４ａ，４ｂ）によって保持された領域Ｓにおける引出部３１ａ₁ と３１ｂ₁ 、３２ａ₁ と３２ｂ₁ は、圧電体３１，３２を間にして表裏方向に対向していない。

上記検出用電極３１ａ，３１ｂ，３２ａ，３２ｂは、圧電体３１，３２の分極処理にも用いられるが、上記のように引出部３１ａ₁ と３１ｂ₁ 、３２ａ₁ と３２ｂ₁ とが表裏対向していないので、保持用樹脂４ａ，４ｂで保持された領域は分極されていない。

上記のように、引出部３１ａ₁ と３１ｂ₁ 、３２ａ₁ と３２ｂ₁ は圧電体３１，３２を間にして対向しておらず、かつ保持用樹脂４ａ，４ｂで保持された領域Ｓは分極されていないので、外部からの温度変化により、一方の圧電体（例えば３１）が他方の圧電体（例えば３２）より高温になっても、焦電効果による電荷が発生しない。また、保持用樹脂４ａ，４ｂで保持された領域Ｓがたとえ分極されていても、引出部３１ａ₁ と３１ｂ₁ 、３２ａ₁ と３２ｂ₁ が圧電体３１，３２を間にして対向していない場合には、焦電により発生する電荷が外部に取り出されないので、焦電効果による不要な出力は発生しない。すなわち、熱ゆらぎノイズを低減することができる。

なお、熱ゆらぎノイズを小さくする方法として、検出素子３Ａの未分極域を保持用樹脂４ａ，４ｂで保持された領域だけでなく、検出素子３Ａの自由端側へ広げる方法がある。しかし、この場合には最も大きな電荷が得られる検出素子３Ａの根元部に分極がなくなるので、感度が大きく低下してしまう。本実施例のように、保持用樹脂４ａ，４ｂで保持された領域のみ分極をなくした構造では、図１０に示す従来構造に比べて感度を低下させずに、熱ゆらぎノイズを大幅に低減できる。

図３は、図１に示す加速度センサＡの温度分布を示す。図３は、加速度センサＡを２５℃に保持した状態で、図上方から５０℃、１秒加熱した際の加速度センサＡの温度分布をＦＥＭ解析したものである。各部分の寸法を図３中に示した（単位：ｍｍ）。各部品の材質は次の通りである。
圧電体：圧電セラミックス（ＰＺＴ）
検出素子の層間接着剤：ガラスエポキシ樹脂
ケース：ＬＣＰ（液晶ポリマー），ＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド）またはＰＥＥＫ（ポリエーテル・エーテル・ケトン樹脂）
保持用樹脂：ケースと同一材質
固定用接着剤：エポキシ樹脂
封止用樹脂：エポキシ樹脂
図３において、Ｈは高温領域（５０℃）、Ｃは低温領域（２５℃）である。

図４は、図３と同一条件で加熱した際の各圧電体３１，３２の厚み方向中央部分の温度分布を示す。Ｘ＝０．２５〜０．５５ｍｍの範囲が保持用樹脂４ａ，４ｂで保持された領域Ｓである。図４から明らかなように、検出素子３Ａの保持用樹脂４ａ，４ｂで保持されていない部分（Ｘ＞０．５５ｍｍ）は、空気中に露出しているので、厚み方向の温度差は殆どないことがわかる。そのため、検出素子３Ａの保持用樹脂４ａ，４ｂによって保持されていない部分からは熱ゆらぎノイズは殆ど発生しない。焦電効果に影響するのは、保持用樹脂４ａ，４ｂおよび封止用樹脂５で保持された圧電体３１，３２の温度差であり、ここでは圧電体３１，３２の平均温度差は約１．３℃であった。

次表は、図３，図４の温度分布から本発明（図１）と従来例（図１０）との熱ゆらぎノイズを比較したものである。
表１から明らかなように、保持用樹脂４ａ，４ｂで保持された領域の引出部を対向させず、かつ分極をなくすことによって、本発明の熱ゆらぎノイズは従来比で８２％に改善されたことがわかる。

図５，図６は本発明に係る加速度センサの第２実施例を示す。なお、第１実施例と同一部分には同一符号を付して重複説明を省略する。
この実施例の加速度センサＢでは、未焼成の２つの圧電体（圧電セラミックス）３１，３２を検出用電極３３を間にして圧着積層した後、焼成した検出素子３Ｂを使用している。検出素子３Ｂの表裏主面には検出用電極３４，３５が形成されている。２つの圧電体３１，３２は、矢印Ｐで示すように厚み方向に同一方向に分極されている。

表裏主面の検出用電極３４，３５は同一形状であり、層間の検出用電極３３は検出用電極３４，３５と左右対称形状となっている。つまり、相互に接続される表裏主面の検出用電極３４，３５の引出部３４ａ，３５ａは検出素子３Ｂの一方の側縁に沿って形成され、検出用電極３４，３５と接続されない層間の検出用電極３３の引出部３３ａは検出素子３Ｂの他方の側縁に沿って形成され、引出部３４ａ，３５ａと引出部３３ａとは対向していない。ケース１に設けられた２つの端子電極（図示せず）はそれぞれ引出部３４ａ，３５ａと３３ａとに導電性接着剤により接続される。そのため、２つの圧電体３１，３２は電気的に並列に接続される。

この実施例では、層間の検出用電極３３の自由端側の端部は、検出素子３Ｂの自由端まで延びておらず、途中で終端となっている。その理由は、加速度が印加された時の発生電荷の少ない自由端側の電極を無くすことで、感度を高めるためである。主面の検出用電極３４，３５は検出素子３Ｂの自由端まで延びているが、検出用電極３３と同じ位置で終端となっていてもよい。検出用電極３３〜３５は分極用電極を兼ねるので、圧電体３１，３２の分極領域は３つの検出用電極３３〜３５が対向する領域Ｄのみである。保持用樹脂４ａ，４ｂによって保持された領域Ｓは未分極であり、かつ相互に接続されない引出部３４ａ，３５ａと３３ａとは圧電体を間にして対向していない。

上記のように、保持部分Ｓの領域内において、異なる電位の電極が対向しておらず、しかも保持部分Ｓにおける圧電体３１，３２が分極されていないので、保持部分Ｓからの焦電効果による熱ゆらぎノイズは発生しない。なお、保持部分Ｓおける圧電体３１，３２は分極されていても構わない。

本発明は上記実施例に限定されるものではない。
第１，第２実施例では、２つの圧電体を積層した検出素子の例を示したが、４つ以上の圧電体を積層することもできる。特に、未焼成の複数の圧電体を積層した後、焼成してなる検出素子の場合、多層に積層しても厚みが厚くならないので、加速度に対して撓みやすく、感度の高い検出素子を得ることができる。
上記実施例では、ケースによって検出素子の一端部を保持した例を示したが、検出素子は片持ち構造に限らず、両持ち構造であってもよい。

さらに、検出素子の両主面に保持用樹脂を固定し、この保持用樹脂を固定壁の貫通孔に嵌合させて固定する例を示したが、保持用樹脂を省略し、検出素子の一端部を固定壁の貫通孔に直接嵌合させて固定してもよい。但し、保持用樹脂を検出素子に固定した場合には、検出素子を固定壁の貫通孔に固定する際、接着剤が検出素子に直接付着するのを防止できるので、保持範囲Ｓを常に一定にでき、感度を一定にできる利点がある。

本発明にかかる加速度センサの第１実施例の断面図である。 図１に示した加速度センサに用いられる検出素子の斜視図である。 図１に示した加速度センサに温度変化を与えた時の温度分布図である。 図３と同一条件で温度変化を与えた時の各圧電体の中心部の温度分布である。 本発明にかかる加速度センサの第２実施例の断面図である。 図５に示した加速度センサに用いられる検出素子の斜視図である。 従来の加速度センサの一例の斜視図である。 図７に示した加速度センサの封止用樹脂を除外した状態の斜視図である。 図７に示した加速度センサの断面図である。 図７に示した加速度センサに用いられる検出素子の斜視図である。

符号の説明

Ａ，Ｂ 加速度センサ
１ ケース
１ａ，１ｂ 端子電極
１ｈ 開口部
２ 固定壁
２ｈ 固定用貫通孔
３Ａ，３Ｂ 検出素子
３１，３２ 圧電体
３１ａ，３１ｂ，３２ａ，３２ｂ，３３〜３５ 検出用電極
３１ａ₁ ，３１ｂ₁ ，３２ａ₁ ，３２ｂ₁ ，３３ａ，３４ａ，３５ａ 引出部
４ａ，４ｂ 保持用樹脂
５ 封止用樹脂

Claims (3)

1. 少なくとも一端側に開口部が形成された直方体状のケースの開口部内に固定用貫通孔を有する固定壁を設け、上記固定用貫通孔に、複数の圧電体を積層した検出素子の一端部を挿入・保持し、上記ケースの開口部を封止用樹脂で封止してなる加速度センサにおいて、
   上記検出素子の両主面および圧電体の間に検出用電極が形成されており、これら検出用電極には上記検出素子の上記固定用貫通孔に保持された一端部の側縁に沿って引き出された引出部が形成されており、これら引出部が上記ケース内に配置された端子電極に対し電気的に接続されており、
   上記検出用電極のうち、相互に接続されない電極の引出部が上記検出素子の異なる側縁に沿って引き出され、かつ上記圧電体の上記固定用貫通孔に保持された領域は分極されていないことを特徴とする加速度センサ。
2. 上記検出素子は、焼成済みの複数の圧電体の表裏主面に検出用電極を形成し、これらの圧電体を絶縁性接着剤を介して貼り付けたものであることを特徴とする請求項１に記載の加速度センサ。
3. 上記検出素子は、未焼成の複数の圧電体を検出用電極を間にして圧着積層した後、焼成したものであり、検出素子の表裏主面には検出用電極が形成されていることを特徴とする請求項１に記載の加速度センサ。

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