JP6668153B2 - 圧電衝撃センサー及びその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、圧電衝撃センサー及びその製造方法に関する。

圧電衝撃センサーは、電子製品や機械の異常振動または動作の原因を窮めるために用いられるものであって、近年、低騒音及び高品質が要求されるコンピューターや携帯電話の開発において主に用いられている。

従来の圧電衝撃センサーは、焼成された圧電体が４方向（上下左右）からパッケージ（ｐａｃｋａｇｅ）材料で囲まれた構造を有する。かかる圧電衝撃センサーは、先ず、焼成された圧電体の上下面または左右面にキャビティ（ｃａｖｉｔｙ）が形成された２個のパッケージ構造物を中問層として接合した後、圧電体の左右面または上下面に蓋としてのパッケージをさらに接合する方法により製造されることができる。

他の製造方法として、圧電衝撃センサーは、圧電体の上下面または左右面に２個のパッケージ構造物を形成して分極し、電極の一端を切断してカンチレバー（ｃａｎｔｉｌｅｖｅｒ：片持ち梁）を形成した後、最後に蓋としてのパッケージを接合することで製造されることができる。

しかし、上記のカンチレバー構造とその製造方法の場合、内部電極をカンチレバー形態に製作するためには、分極後に圧電体を切断する工程が必要となる。圧電体を切断する工程を導入すると、製作工程が複雑となるだけでなく、切断時に圧電衝撃センサーの寸法エラーが多く発生し得る。

韓国公開特許第２００８−００１８０１２号公報 特開２００７−１５８４５７号公報

本発明の一目的は、圧電体を切断する工程が不要であるため、製作工程を簡素化することができ、最終製品の寸法エラーを減少させることができる圧電衝撃センサー及びその製造方法を提供することにある。

本発明の他の目的は、センシング感度が向上した圧電衝撃センサー及びその製造方法を提供することにある。

上述の課題を解決するための方法として、一例による本発明は、製作工程が簡素化され、且つセンシング感度が向上することができる圧電衝撃センサーの新規な構造を提案する。具体的に、圧電衝撃センサーは、下部カバーと、第１及び第２圧電シートが積層された圧電素子と、上部カバーと、を含み、上記第１及び第２圧電シートは、カンチレバー部と枠部とが一体となっており、上記第１及び第２圧電シート上には、互いに対向する方向に露出するように第１及び第２内部電極がそれぞれ形成されており、上記第１及び第２カンチレバー部の先端領域には、他の領域より大きい重量を有する重量提供部が形成されている形態を有する。

本発明の一実施形態により提案される圧電衝撃センサーは、圧電素子を切断する工程を行うことなく内部電極をカンチレバー形態に製作することができるため、製作工程を簡素化して生産性を高めることができるとともに、製造された圧電衝撃センサーの寸法エラーを減少させて製品不良率を改善することができる。さらに、かかる圧電衝撃センサーは、その先端に錘と類似の機能を担う重量提供部を有することで、向上したセンシング感度を提供することができる。

本発明の一実施形態による圧電衝撃センサーを概略的に示した斜視図である。 図１から外部電極を分離した斜視図である。 図２の分離斜視図である。 図１の圧電衝撃センサーにおいて、圧電素子の第１圧電シートの部分を示した斜視図である。 図１の圧電衝撃センサーにおいて、圧電素子の第２圧電シートの部分を示した斜視図である。 本発明の一実施形態による圧電衝撃センサーの製造方法を順に示した斜視図である。 本発明の一実施形態による圧電衝撃センサーの製造方法を順に示した斜視図である。 本発明の一実施形態による圧電衝撃センサーの製造方法を順に示した斜視図である。 本発明の一実施形態による圧電衝撃センサーの製造方法を順に示した斜視図である。 本発明の一実施形態で採用され得る重量提供部の様々な形態を示す図である。

以下では、添付の図面を参照して本発明の好ましい実施形態について説明する。しかし、本発明の実施形態は様々な他の形態に変形されることができ、本発明の範囲は以下で説明する実施形態に限定されない。また、本発明の実施形態は、当該技術分野で平均的な知識を有する者に本発明をより完全に説明するために提供されるものである。したがって、図面における要素の形状及び大きさなどはより明確な説明のために誇張されることがある。

圧電衝撃センサー
図１は本発明の一実施形態による圧電衝撃センサーを概略的に示した斜視図であり、図２は図１から外部電極を分離した斜視図であり、図３は図２の分離斜視図である。

図１〜図３を参照すれば、本実施形態による圧電衝撃センサー１０は、圧電素子１００と、上部及び下部カバー２００、３００と、を含み、カンチレバー部の先端領域に他の領域より大きい重量を有する重量提供部１１４を形成することで、センシング感度を向上させることができる構造を有する。説明の便宜のために、図２において、圧電素子と上下部カバーを含む積層体の各面について定義すると、上記積層体の下面と上面をそれぞれ第１及び第２面１、２、長さ方向の両面を第３及び第４面３、４、幅方向の両面を第５及び第６面５、６と定義する。

下部カバー３００は、内部電極が形成されていない誘電体を少なくとも１層以上積層して構成することができ、必要に応じて、圧電体材料で構成することができる。その他にも、下部カバー３００はエポキシなどの樹脂を用いて得ることもできる。下部カバー３００は圧電素子１００の下面に配置される。

上部カバー２００は、内部電極が形成されていない誘電体を少なくとも１層以上積層して構成することができ、必要に応じて、圧電体材料で構成することができる。上部カバー２００は圧電素子の上面に配置される。この際、下部カバー３００の上面には、キャビティ（ｃａｖｉｔｙ）形状を有する第１凹部３１０が形成され、上部カバー２００の下面には、キャビティ（ｃａｖｉｔｙ）形状を有する第２凹部２１０が形成されることができる。この際、第１及び第２凹部３１０、２１０の長さ及び幅は、後述する圧電素子の第１及び第２内部電極より大きく形成されることができる。

本実施形態において、下部及び上部カバー３００、２００に形成された第１及び第２凹部３１０、２１０は、圧電素子１００が振動する時に、第１及び第２内部電極が自由に振動できる空間を確保する役割を担う。これにより、センサーの駆動による圧電素子１００の振動時に、上部及び下部カバー２００、３００によって圧電素子１００が破損されたり、第１及び第２内部電極の振動伝達が妨害されたりすることを防止することができる。

また、上述のように、圧電素子１００において、振動が発生するカンチレバー部の先端領域には相対的に重い重量提供部１１４が形成されており、これは、圧電素子１００の振動変位をより大きくすることで、センサー１０の感度を高めるためのものである。

図４ａ、図４ｂ及び図６を参照して、圧電衝撃センサー１０の詳細構成をより詳細に説明する。図４ａは、図１の圧電衝撃センサーにおいて、圧電素子の第１圧電シートの部分を示した斜視図であり、図４ｂは、図１の圧電衝撃センサーにおいて、圧電素子の第２圧電シートの部分を示した斜視図である。また、図６は、本発明の一実施形態で採用され得る重量提供部の様々な形態を示す図である。

先ず、図４ａ及び図４ｂを参照すれば、圧電素子１００は、下部の第１圧電シート１１０と上部の第２圧電シート１２０が下上に重なって積層された構造を有する。本実施形態では、圧電素子１００に含まれる第１及び第２内部電極１４１、１３１がカンチレバー形態を有する。

第１圧電シート１１０は、第１枠部１１１と第１カンチレバー部１１２とが一体型からなる。このうち、第１枠部１１１は、中央に第１孔１１３を有するフレーム形状からなり、第１カンチレバー部１１２は、第１枠部１１１から第１孔１１３に向って真直ぐに延びて形成されることができる。

そして、第１カンチレバー部１１２の上面に第１内部電極１４１が形成されており、第１枠部１１１の上面には、圧電素子１００の長さ方向の第３面を介して露出するように第１リード部１４２が形成される。この際、第１内部電極１４１は、第１カンチレバー部１１２の縁を介して露出するように形成されて、センサー作動時における感度を向上させることができる。この際、第１内部電極１４１と第１リード部１４２とが連結される部位に応力が集中され、第１内部電極１４１の振動状態が安定して維持されることができる。

図４ａに示した形態のように、本実施形態は、第１カンチレバー部１１２の先端領域に他の領域より大きい重量を有する重量提供部１１４ａが形成されており、第２カンチレバー部１２２の重量提供部１１４ｂと上下に積層された形態である。かかる重量提供部１１４ｂは、カンチレバー部の先端で錘と類似の機能を担うことができ、これにより圧電素子１００の振動変位が増加することができる。相対的に大きい重量を有するために、重量提供部１１４ａは、第１カンチレバー部１１２の他の領域に比べてより大きい幅を有し、且つ第１カンチレバー部１１２の他の領域と同一の厚さを有する形態を有することができる。

このように、重量提供部１１４ａがカンチレバー部の厚さ方向でなく幅方向に形成されることで、センシング感度を効果的に高めるとともに、圧電素子１００の厚さを最小化することができる。重量提供部１１４ａは第１カンチレバー部１１２と一体に形成されることができ、例えば、第１カンチレバー部１１２をレーザートリミングなどの方法で加工することにより得られることができる。この場合、第１及び第２カンチレバー部１１２、１２２の重量提供部１１４ａ、１１４ｂは、積層後に一回の加工により同時に形成されることもできる。また、図６（ａ）、（ｂ）、（ｃ）に図示した例のように、重量提供部１１４のサイズや形状は、要求されるセンシング感度などに応じて適宜変形されることができる。

第２圧電シート１２０は第１圧電シート１１０と同一の材料で構成されることができるが、本発明が必ずしもこれに限定されるものではない。第２圧電シート１２０は、第２枠部１２１と第２カンチレバー部１２２とが一体型からなる。このうち、第２枠部１２１は、中央に第２孔１２３を有するフレーム形状からなり、第２カンチレバー部１２２は、第２枠部１２１から第２孔１２３に向って真直ぐに延びて形成されることができる。第２枠部１２１は、第１枠部１１１と上下に重なるように形成されることができる。

また、第２カンチレバー部１２２の上面に第２内部電極１３１が形成され、第２枠部１２１の上面には、第１リード部１４２と対向する方向に露出するように第２リード部１３２が形成され、第２枠部１２１の上面には、第２内部電極１３１と第２リード部１３２とを連結するように連結部１３３が形成される。この際、第２内部電極１３１と連結部１３３が連結される部位に応力が集中され、第２内部電極１３１の振動状態が安定して維持されることができる。

上述のように、第２カンチレバー部１２２の先端領域には他の領域より大きい重量を有する重量提供部１１４ｂが形成されており、第１カンチレバー部１１２の重量提供部１１４ａと互いに積層された形態を有する。また、重量提供部１１４ｂは、第２カンチレバー部１２２の他の領域に比べてより大きい幅を有し、且つ第２カンチレバー部１２２の他の領域と同一の厚さを有する形態を有することができる。

連結部１３３は、必要に応じて、第２孔の内側縁を介して露出するように形成されることができ、例えば、第２孔が四角形状である場合には、四角帯形状に形成されることができるが、本発明がこれに限定されるものではない。

圧電素子１００と上部及び下部カバー２００、３００が積層されてなる積層体には、第１及び第２外部電極４１１、４１２が形成される。

第１及び第２外部電極４１１、４１２は、上記積層体の第３及び第４面３、４に、第１及び第２リード部１４２、１３２の露出した部分と接続されて電気的に連結されるように形成される。本実施形態は、このように第１及び第２リード部が容易に外部に露出する構造を有するため、外部電極も簡単に形成されることができる。この際、第１及び第２外部電極４１１、４１２は、必要に応じて、上記積層体の第１面１の一部、第２面２の一部、及び幅方向の第５及び第６面５、６の一部まで延びるバンド部を有することができる。

また、本実施形態は、圧電素子１００が第１及び第２圧電シート１１０、１２０の二重層の構造を有するため、センサーの感度をさらに向上させることができる。

圧電衝撃センサーの製造方法
以下、本発明の一実施形態による圧電衝撃センサーの製造方法について説明する。

図５ａ〜図５ｄは、本発明の一実施形態による圧電衝撃センサーの製造方法を順に示した斜視図である。

先ず、所定厚さの第１及び第２圧電シート１１０、１２０を製造する。第１圧電シート１１０は圧電材料で構成し、第１カンチレバー部１１２と第１枠部１１１とを一体として形成する。この際、第１カンチレバー部１１２は、第１枠部１１１の中央に「逆コの字」の形状と類似の形状の第１孔を穿孔して製造することができる。第１カンチレバー部１１２には、錘と類似の機能を担うように、幅が相対的に広い重量提供部が形成されている。但し、図５ａでは、第１カンチレバー部１１２の重量提供部が積層前に形成された形態を説明しているが、第１及び第２カンチレバー部１１２、１２２が積層された後に加工して重量提供部を形成することもできる。また、本実施形態では、第１カンチレバー部１１２と重量提供部とが一体である形態、すなわち、重量提供部が第１カンチレバー部１１２の一部を成す形態を示しているが、この形態にのみ制限される必要はなく、第１カンチレバー部１１２と重量提供部は接着剤により結合されることもできる。これは、後述する第２カンチレバー部１２２の場合も同様である。

また、第１圧電シート１１０は、第１カンチレバー部の上面に導電性ペーストを印刷することで第１内部電極１４１を形成し、第１枠部１１１の上面に導電性ペーストを印刷することで、第１圧電シート１１０の長さ方向の第３面を介して露出するように第１リード部１４２を形成することにより製造する。

第２圧電シート１２０は圧電材料で構成し、第２カンチレバー部１２２と第２枠部１２１とを一体として形成する。この際、第２カンチレバー部１２２は、第２枠部１２１の中央に「逆コの字」の形状と類似の形状を有する第２孔１２３を穿孔して製造することができる。第１カンチレバー部１１２と同様に、第２カンチレバー部１２２には、錘と類似の機能を担うように幅が相対的に広い重量提供部が形成されている。

そして、第２圧電シート１２０は、第２カンチレバー部１２２の上面に導電性ペーストを印刷することで、第１内部電極１４１と異なる極性が印加される第２内部電極１３１を形成し、第２枠部１２１の上面に導電性ペーストを印刷することで、第１リード部１４２と対向する方向に露出するように第２リード部１３２を形成し、第２枠部１２１の上面に導電性ペーストを印刷することで、第２内部電極１３１の一端部と第２リード部１３２の一端部とが連結されるように連結部１３３を形成することにより製造する。

そして、第１及び第２内部電極１４１、１３１がそれぞれ形成された第１及び第２圧電シート１１０、１２０を下上に積層することで、圧電素子１００を製造する。

次いで、下部カバー３００の上面に圧電素子１００を配置する。

次いで、圧電素子１００の上面に上部カバー２００を配置することで、積層体を完成する。この際、下部カバー３００の上面と上部カバー２００の下面に、第１及び第２凹部３１０、２１０を形成することができる。

次いで、下部カバー３００、圧電素子１００、及び上部カバー２００が積層された上記積層体の第３及び第４面３、４に導電性金属ペーストを塗布することで、第１及び第２リード部１４２、１３２の露出した部分とそれぞれ接続されて電気的に連結される第１及び第２外部電極４１１、４１２をそれぞれ形成する。

一方、本発明の発明者らは、カンチレバー部の先端領域に形成されている重量提供部の形態による、圧電素子に及ぶ応力の変化を観察し、下記表１にシミュレーション結果を示す。下記表１において、パターン１は、重量提供部が形成されていない形態に該当し、パターン２〜４は、それぞれ図６の（ａ）、（ｂ）、（ｃ）の形態に該当する。この際、パターン２は、重量提供部の長さがカンチレバー部の２５％である形態に該当し、パターン３及び４は、それぞれ５０％及び７５％である形態に該当する。

上記シミュレーション結果を検討すれば、長さに対する質量比は重量提供部の長さが長いほど大きくなり、略７５％になると（パターン４）、約２倍程度になる。同一の加速度条件が印加された状態での固定端、すなわち、カンチレバー部の先端領域の反対領域の最大応力は、質量比に比例する値を得ることができる。

一方、従来の圧電衝撃センサーは、圧電体の上下面または左右面に２個のパッケージ構造物を形成して分極し、電極の一端を切断してカンチレバーを形成した後、最後に蓋としてのパッケージを接合することで製造する。

しかし、上記の構造と製造方法の場合、内部電極を分極してカンチレバー形態に製作するためには、圧電体を切断する工程が必ず必要である。これは、製作工程を複雑にする原因となるだけでなく、切断過程で寸法散布が発生して、最終圧電衝撃センサーの寸法エラーが多く発生するという問題がある。

しかし、本実施形態によれば、圧電シートの枠部とカンチレバー部とを一体に製作し、圧電シート上に導電性ペーストを印刷して内部電極を形成することで、内部電極を形成した後に圧電体を切断する工程が不要であるため、製作工程を簡素化させることができる。また、従来の切断過程で発生する寸法散布がないため、最終の圧電衝撃センサーの寸法エラーを減少させることができるという効果がある。

また、カンチレバー部の先端領域に錘と類似の機能を担うことができる重量提供部を形成することで、センシング感度を高めることができる。かかる重量提供部は、カンチレバー部から幅が延びた形態に実現されるため、センサーの厚さを増加させることなく性能を向上させることができる。

以上、本発明の実施形態について詳細に説明したが、本発明の範囲はこれに限定されず、特許請求の範囲に記載された本発明の技術的思想から外れない範囲内で多様な修正及び変形が可能であるということは、当技術分野の通常の知識を有する者には明らかである。

１０ 圧電衝撃センサー
１００ 圧電素子
１１０ 第１圧電シート
１１１ 第１枠部
１１２ 第１カンチレバー部
１１３ 第１孔
１１４ 重量提供部
１２０ 第２圧電シート
１２１ 第２枠部
１２２ 第２カンチレバー部
１２３ 第２孔
１４１ 第１内部電極
１４２ 第１リード部
１３１ 第２内部電極
１３２ 第２リード部
１３３ 連結部
２００ 上部カバー
３００ 下部カバー
３１０ 第１凹部
４１１、４１２ 第１及び第２外部電極

Claims (14)

1. 下部カバーと、
   下上に積層された第１及び第２圧電シートを有し、前記下部カバーの上面に配置される圧電素子と、
   前記圧電素子の上面に配置される上部カバーと、を含み、
   前記第１圧電シートは、第１カンチレバー部と第１枠部とが一体となっており、
   前記第１カンチレバー部の上面に形成される第１内部電極、及び前記第１枠部の上面に、前記圧電素子の長さ方向の一面を介して露出するように形成される第１リード部を含み、
   前記第２圧電シートは、前記第１カンチレバー部及び前記第１枠部とそれぞれ上下に重なるように、第２カンチレバー部と第２枠部とが一体となっており、
   前記第２カンチレバー部の上面に形成される第２内部電極、前記第２枠部の上面に、前記第１リード部と対向する方向に露出するように形成される第２リード部、及び前記第２枠部の上面に、前記第２内部電極と前記第２リード部とを連結するように形成される連結部を含み、
   前記第１及び第２カンチレバー部の先端領域には、他の領域より大きい重量を有する重量提供部が形成されている、圧電衝撃センサー。
2. 前記重量提供部は、前記第１及び第２カンチレバー部の他の領域に比べてその幅がより大きい形態を有する、請求項１に記載の圧電衝撃センサー。
3. 前記重量提供部は、前記第１及び第２カンチレバー部の他の領域とその厚さが同一である形態を有する、請求項２に記載の圧電衝撃センサー。
4. 前記下部カバー、前記圧電素子、及び前記上部カバーが積層されてなる積層体の長さ方向の両面に、前記第１及び第２リード部の露出した部分と接続されるようにそれぞれ形成される第１及び第２外部電極をさらに含む、請求項１から３のいずれか一項に記載の圧電衝撃センサー。
5. 前記第１圧電シートは、前記第１枠部が中央に第１孔を有しており、前記第１カンチレバー部は、前記第１枠部から前記第１孔に向って真直ぐに延びて形成され、
   前記第２圧電シートは、前記第２枠部が中央に第２孔を有しており、前記第２カンチレバー部は、前記第２枠部から前記第２孔に向って真直ぐに延びて形成される、請求項１から４のいずれか一項に記載の圧電衝撃センサー。
6. 前記連結部が、前記第２孔の内側縁を介して露出するように形成される、請求項５に記載の圧電衝撃センサー。
7. 前記下部カバーの上面と前記上部カバーの下面に第１及び第２凹部が形成される、請求項１から６のいずれか一項に記載の圧電衝撃センサー。
8. 第１及び第２内部電極をそれぞれ有する第１及び第２圧電シートを下上に積層することで圧電素子を製造する段階と、
   下部カバーの上面に前記圧電素子を配置する段階と、
   前記圧電素子の上面に上部カバーを配置する段階と、を含み、
   前記第１圧電シートは、第１カンチレバー部と第１枠部とを一体として形成し、前記第１カンチレバー部の上面に導電性ペーストで第１内部電極を形成し、前記第１枠部の上面に、導電性ペーストで前記第１圧電シートの長さ方向の一面を介して露出するように第１リード部を形成することで製造し、
   前記第２圧電シートは、第２カンチレバー部と第２枠部とを一体として形成し、前記第２カンチレバー部の上面に導電性ペーストで第２内部電極を形成し、前記第２枠部の上面に、導電性ペーストで前記第１リード部と対向する方向に露出するように第２リード部を形成し、前記第２内部電極の一端部と前記第２リード部の一端部とが連結されるように連結部を形成することで製造し、
   前記第１及び第２カンチレバー部の先端領域には、他の領域に比べて大きい重量を有する重量提供部を形成する、圧電衝撃センサーの製造方法。
9. 前記重量提供部は、前記第１及び第２カンチレバー部の他の領域に比べてその幅がより大きい形態を有する、請求項８に記載の圧電衝撃センサーの製造方法。
10. 前記重量提供部は、前記第１及び第２カンチレバー部の他の領域とその厚さが同一である形態を有する、請求項９に記載の圧電衝撃センサーの製造方法。
11. 前記下部カバー、前記圧電素子、及び前記上部カバーが積層されてなる積層体の長さ方向の両面に、前記第１及び第２リード部の露出した部分と接続されるように第１及び第２外部電極をそれぞれ形成する段階をさらに含む、請求項８から１０のいずれか一項に記載の圧電衝撃センサーの製造方法。
12. 前記第１及び第２圧電シートにおいて、第１及び第２枠部の中央に「逆コの字」の形状の第１及び第２孔を穿孔して第１及び第２カンチレバー部をそれぞれ形成する、請求項８から１１のいずれか一項に記載の圧電衝撃センサーの製造方法。
13. 前記連結部が、前記第２孔の内側縁を介して露出するように形成される、請求項１２に記載の圧電衝撃センサーの製造方法。
14. 前記下部カバーの上面と前記上部カバーの下面に第１及び第２凹部が形成されている、請求項８から１３のいずれか一項に記載の圧電衝撃センサーの製造方法。

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