JPH11248556A - 圧電センサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】本発明は、圧電体と外部回路との接続が非常に
簡単で、かつ、感度が低下することのない圧電センサを
提供する。 【解決手段】本発明は、円板状圧電磁器基板１１の表面
に同一円周上に配置された振動検出電極１２、裏面に基
準電位電極１３を形成して成る圧電体１の下面に、前記
圧電磁器基板１１の弾性率よりも大きな弾性率を有する
金属支持板２を導電性接着剤２１を介して貼着するとと
もに、金属支持板２の下面中央に錘部３を、外周に金属
外周支持体４を各々固着した圧電センサである。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、外部応力によっ
て、圧電磁器基板に発生する歪みを電気信号に変換する
圧電センサに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、円板状圧電磁器基板の上面に振動
検出電極を形成し、圧電磁器基板の下面に基準電位電極
を形成した圧電体を用いて、外部からの応力により、圧
電磁器基板に発生する歪みを検出することにより、外部
応力の状況を検出する圧電センサが特開平８−３５９８
１号に提案されている。

【０００３】この圧電センサは、図３のような断面構造
となっていた。圧電センサは全体として圧電磁器本体３
０とからなっており、この圧電磁器本体３０の下面側に
は中央部（錘部３３）及び外周部（外周支持体３４）を
残存するように溝部３０ａを周設していた。即ち、圧電
磁器本体３０の表面と溝部３０ａとに挟まれた厚み方向
に非常に薄い部分（振動検出磁器部３１：例えば、０．
５ｍｍ）が、外部からの応力により歪みが発生する部分
である。そして、振動検出磁器部３１の表面に振動検出
電極３２、その下面側に基準電位電極３５が形成されて
いた。

【０００４】このような圧電センサにおいて、下面側の
中央部に残存させた錘部３３を固定してプリント配線基
板などに設置した場合、圧電衝撃センサーとなる。例え
ば、外部衝撃が圧電磁器本体３０に加わると、この錘部
３３を中心に、その周囲が上下に振動する。即ち、この
振動は振動検出磁器部３１で所定電位に変換され、振動
に比例した電位が振動検出電極３２と基準電位電極３５
との間で検出される。

【０００５】また、錘部３３部分の表面に同心状に複数
の基本振動駆動電極（図示せず）を形成し、外周支持体
を固定する。そして、複数の基本振動駆動電極に順次に
基本振動を発生させる駆動信号を印加すれは、角加速度
センサーとなる。即ち、上述の基本振動駆動電極に駆動
信号を与えることにより、錘部３３をその中心点の延長
線を頂点として、錘部３３に歳差運動するような振動が
発生する。この状態で、圧電磁器本体３０に変位が発生
すると、コリオリの力が発生し、振動検出磁器部３１に
変位量に比例して振動の歪みが発生する。この歪みに比
例した電気信号を振動検出電極３２と基準電位電極３５
との間で検出する。

【０００６】上述の圧電センサにおいて、安定した特性
を得るためには、圧電センサの圧電磁器本体３０の形
状、特に振動検出磁器部３１の厚みを所定値とすること
である。この圧電磁器本体３０は、振動検出磁器部３
１、外周支持体３４、錘部３３を一体的に形成している
ため、円柱状の圧電磁器本体から切削加工により形成す
る必要がある。即ち、振動検出磁器部３１の厚みを所定
値、例えば０．５ｍｍにするには精度の高い切削加工が
要求される。

【０００７】このような切削加工を不要とした圧電セン
サとして、特開平９−５４１１２号に示されている。こ
の圧電センサは図４に示す。円板状の圧電体４０の下面
にガラス基板４４を貼付し、さらに、ガラス基板４４の
下面に、錘部４５、外周支持体４６を配置していた。

【０００８】この圧電体４０は、所定厚みの圧電磁器基
板４１と、その主面に被着形成された一対の振動検出電
極（上面が振動検出電極４２、下面が基準電位電極４
３）とで構成されている。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】しかし、上述の構造の
圧電センサは、圧電体４０とガラス基板４４とが積層し
しており、圧電磁器基板４１の下面側の基準電位電極４
３と外部回路との接続が非常に困難であった。

【００１０】即ち、圧電磁器基板４１の下面に被着した
基準電位電極４３が、ガラス基板４４に覆われている構
造であるため、基準電位電極４３と外部回路と接続が非
常に困難であった。

【００１１】また、圧電磁器基板４１に所定歪みが阻害
されることのないようにすべきであるが、図４の構造で
は、圧電体４の下面に貼着したガラス基板４４がこの歪
みの発生を阻害するように働くという問題があった。即
ち、圧電磁器板４１の剛性は補強されて高まるものの、
逆にガラス基板４４の弾性率が圧電磁器よりも低いた
め、圧電磁器基板４１の所定歪みを減衰させてしまい、
その結果、出力感度を低下させてしまうという問題点が
あった。

【００１２】従って、圧電磁器の切削工程は不要となる
ものの、圧電体４０と外部回路との接続が困難であり、
検出感度が低下してしまうという問題点があった。

【００１３】本発明は上述の問題点に鑑みて案出された
ものであり、その目的は、圧電体と外部回路との接続が
非常に簡単で、かつ、感度が低下することのない圧電セ
ンサを提供するものである。

【００１４】

【課題を解決するための手段】本発明は、円板状圧電磁
器基板の上面に同一円周上に振動検出電極を、下面に基
準電位電極を形成して成る圧電体と、該圧電体の下面に
導電性接着剤を介して貼着され、前記圧電磁器基板の弾
性率よりも大きな弾性率を有する金属支持板とから成
り、前記金属支持板の下面中央には錘部材が、外周には
金属外周支持体が各々固着されていることを特徴とする
圧電センサである。

【００１５】

【作用】本発明は、円板状圧電磁器基板と、振動検出電
極と、基準電位電極とから成る圧電体の下面に、前記圧
電磁器基板の弾性率よりも大きな弾性率を有する金属支
持板を導電性接着剤を介して貼着している。従って、圧
電磁器基板の下面側の基準電位電極と金属支持板との間
の電気的な導通が確実に達成できる。このため、基準電
位電極と外部回路との接続が容易となる。

【００１６】また、金属支持板の弾性率が圧電磁器基板
の弾性率よりも大きいため、圧電磁器基板で発生する所
定歪み（振動・変位）は、圧電磁器基板の下面に金属支
持板を貼着しても阻害されることがなく、これより、出
力・検出感度を維持・向上されることができる。

【００１７】しかも、金属支持板と圧電磁器基板とが貼
着されているため、外部からの過度の衝撃や変位が発生
しても、圧電磁器基板にクラックの発生することを有効
に防止できる。

【００１８】

【発明の実施の形態】以下、本発明の圧電センサを図面
に基づいて詳説する。

【００１９】図において、１は圧電体、２は金属支持
板、３は錘部、４は金属外周支持体である。

【００２０】圧電体１は、分極処理されたＰＺＴなどの
圧電セラミックから成る円板状圧電磁器基板１１と、圧
電磁器基板１１の両主面に形成された振動検出電極１２
及び基準電位電極１３とから構成されている。

【００２１】また、圧電磁器基板１１は、０．３〜０．
５ｍｍの厚みを有し、圧電磁器基板１１の上面側に該基
板の直径よりも若干小さな直径の円周上に複数の振動検
出電極１２が被着形成されている。また、圧電磁器基板
１１の下面側には、略全面に基準電位電極１３が被着形
成されている。

【００２２】この振動検出電極１２、基準電位電極１３
は、Ａｇ系導電性ペーストの印刷・焼き付けにより形成
され、その厚みは、例えば１〜２μｍである。

【００２３】また、金属支持板２は、圧電体１の下面側
の略全面に、導電性接着材２１を介して接合されてい
る。この金属支持板２は、４２アロイ、コバールなどの
所定弾性率の金属からなり、厚みが０．５ｍｍ以下とな
っている。ここで、所定弾性率とは、少なくとも圧電磁
器基板１１の弾性率よりも大きい値である。

【００２４】さらに、金属支持板２の下面の中央部分及
び外周部には、錘部３及び金属外周支持体４が導電性接
着材２２を介して接合されている。

【００２５】錘部３は、４２アロイ、コバールなどの金
属又はセラミックなどから成る円柱体である。また、金
属外周支持体４は、４２アロイ、コバールなどの円筒状
の金属部材である。尚、金属外周支持体４は、図１及び
図２では円筒状となっているが、複数に分割した円弧体
を用いても構わない。さらに、金属外周支持体４を絶縁
材料から成る回路基板の一部、即ち、所定配線パターン
の出力パッドに代替を行うこともできる。この場合、錘
部３が基板と当接しないように、基板状に突起部を設け
たり、錘部３を回避するように基板に孔を形成したりす
る。

【００２６】この圧電体１、金属支持板２、錘部３、金
属外周支持体４を接合する導電性接着材２２は、例え
ば、低融点ガラス成分を含有してＡｇ系導電性ペースト
を印刷、焼き付けにより形成される厚膜銀導体層であ
る。即ち、このＡｇ系導電性ペーストを４００℃程度で
焼成処理することにより、ペースト中のガラス成分が溶
融し、ガラス成分が接合界面の表面粗さの凹部に入り込
み、強固に接合する（ガラス成分のアンカー効果）。

【００２７】これにより、圧電体１と金属支持板２との
接合、及び金属支持板２と錘部３、金属外周支持体４と
の接合が極めて強固に接合されることになる。

【００２８】尚、上述の導電性接着剤２１、２２とし
て、Ａｇ粉末を混合した樹脂ペーストを用いて、塗布・
硬化して形成してもよい。

【００２９】このような圧電センサを、衝撃センサとし
て用いる場合には、錘部３を固定して用いる。即ち、外
部から衝撃が与えられると、錘部３に相当する圧電磁器
基板１１の中心点が「節」として、圧電磁器基板１１の
外周部が振動・変位する。この振動変位を、圧電体１の
振動検出電極１２と基準電位電極１３との間で発生する
電位で検出することができ、外部衝撃に比例した電気信
号が得られる。

【００３０】尚、外部回路との接続は、圧電体１の表面
側に露出している振動検出電極１２と基準電位電極１３
と電気的接続されている金属外周支持体４とで行われ
る。この外部回路で上述の電気信号を解析することによ
り、外部の衝撃を電気信号に変換することができる。

【００３１】また、このような圧電センサを角加速度セ
ンサとして用いる場合には、金属外周支持体４を固定
し、且つ錘部３に歳差運動のような基本振動を発生させ
る必要がある。この基本振動は、例えば、錘部３の固着
部分に相当する圧電磁器板１１の表面に、同心状に複数
の駆動振動電極（図示せず）を形成し、この駆動振動電
極に順次駆動電位の信号を印加する。このように、錘部
３が基本振動している状態で、この圧電センサに変位が
あると、コリオリの力が作用し、変位量に応じた基本振
動と異なる振動が発生し、この振動検出電極１２と金属
外周支持体４との間に発生する電位を検出し、解析する
ことにより、角加速度が検出することができる。

【００３２】上述の圧電センサでは、圧電磁器基板１１
の厚みを非常に薄くすることができ、振動検出電極１２
と基準電位電極１３との発生する振動状況に応じた最適
な感度が得られる厚みとすることが容易となる。即ち、
圧電セラミックグリーンシートを用いた焼成処理によっ
て形成することができる。従って、従来の図３に示すよ
うに圧電磁器体を切削工程で形成する必要がなく、圧電
磁器基板１１の厚み管理が精度よく行える。

【００３３】また、圧電磁器基板１１の裏面に被着した
基準電位電極１３と外部回路との接続が、金属外周支持
体４を介して簡単に接続できる。

【００３４】さらに、圧電磁器基板１１の裏面の略全面
に金属支持板２が形成されているので、圧電磁器基板１
１の剛性が向上する。また、金属支持板２の弾性率が圧
電磁器基板１１の弾性率よりも大きいため、金属支持板
２が圧電磁器基板１１の振動・変位が阻害されることが
ない。

【００３５】しかも、圧電体１の下面の略全面に金属支
持板２が貼着されているため、外部からの過度の衝撃や
変位が直接圧電体１に加わっても、圧電磁器基板１１に
クラックの発生することを有効に防止できる。

【００３６】尚、上述の実施例において、圧電体１の検
出電極や基準電位電極は、厚膜導体膜で形成する以外
に、例えば、圧電磁器基板の両主面に薄膜技法を用いて
形成しても構わない。

【００３７】

【発明の効果】以上説明したように、本発明は、圧電体
の下面に、圧電磁器基板の弾性率によりも大きな金属支
持板を配置したため、圧電磁器基板で発生する所定振動
に損失を与えることがない。

【００３８】また、圧電磁器基板の厚みを所定厚みに設
定することができるため、検出感度を維持向上させるこ
とができる。

【００３９】さらに、圧電体と金属支持板、金属支持板
と金属外周支持体との各々の接合が、導電性接着剤を介
して接合されているので、圧電磁器基板の下面に被着形
成した基準電位電極と外部回路との接続が非常に簡単に
行える。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の圧電センサの外観斜視図である。

【図２】本発明の圧電センサの断面図である。

【図３】従来の圧電センサの断面図である。

【図４】従来の別の圧電センサの断面図である。

【符号の説明】

１・・・圧電体 ２・・・金属支持板 ３・・錘部 ４・・金属外周支持体

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 円板状圧電磁器基板の上面に同一円周上
   に振動検出電極を、下面に基準電位電極を形成して成る
   圧電体と、該圧電体の下面に導電性接着剤を介して貼着
   され、前記圧電磁器基板の弾性率よりも大きな弾性率を
   有する金属支持板とから成り、前記金属支持板の下面中
   央には錘部材が、外周には金属外周支持体が各々固着さ
   れていることを特徴とする圧電センサ。