KR20070001000A - 가속도 센서 및 그것을 이용한 자기 디스크 장치 - Google Patents

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Abstract

직육면체형상의 압전기판(21, 22)의 외측 주면에 도체막(26, 29)을 배치해서 이루어지는 진동소자(2)와, 그 일부를 끼워 지지하는 제1지지부재(3a, 3b)를 구비하며, 제1지지부재(3a, 3b)가 탄성체로 이루어지고, 진동소자의 굴곡점이 제1지지부재(3a, 3b)에 의해 끼워 지지되어 있는 지지영역(91) 내에 위치한다. 이것에 의해 압전기판(21, 22)에 있어서의 변형이 생기는 영역이 커지고, 발생하는 전하가 증가해서, 출력전압이 증대하여 가속도의 검출감도를 높게 할 수 있다.

Description

가속도 센서 및 그것을 이용한 자기 디스크 장치{ACCELERATION SENSOR AND MAGNETIC DISK DEVICE USING THE SAME}
도 1은, 본 발명의 일실시형태에 따른 가속도 센서를 모식적으로 나타내는 외관사시도이다.
도 2는, 본 발명의 일실시형태에 따른 가속도 센서에 사용하는 진동소자를 모식적으로 나타내는 외관사시도이다.
도 3은, 도 2의 진동소자의 제1지지부재를 투시한 외관사시도이다.
도 4는, 본 발명의 일실시형태에 따른 가속도 센서에 사용하는 제2지지부재를 모식적으로 나타내는 외관사시도이다.
도 5는, 도 1에 나타내는 가속도 센서의 밀봉용 수지를 제외한 외관사시도이다.
도 6은, 도 1의 A-A'선 단면도이다.
도 7은, 본 발명의 다른 실시형태에 따른 가속도 센서의 단면도이다.
도 8은, 본 발명의 또 다른 실시형태에 따른 가속도 센서에 사용되는 진동소자 및 제1지지부재를 모식적으로 나타내는 외관사시도이다.
도 9는, 도 8에 나타내는 진동소자 및 제1지지부재의 분해사시도이다.
도 10~도 12는, 각각 도 9에 나타내는 진동소자를 구성하는 압전기판 및 압 전기판의 양 주면에 배치된 도체막을 모식적으로 나타내는 위에서 본 투시도, 상면도, 하면도이다.
도 13~도 15는, 각각 도 9에 나타내는 진동소자를 구성하는 다른 압전기판 및 압전기판의 양 주면에 배치된 도체막을 모식적으로 나타내는 위에서 본 투시도, 상면도, 하면도이다.
도 16은, 본 발명의 또 다른 실시형태에 따른 가속도 센서를 모식적으로 나타내는 단면도이다.
도 17은, 도 16에 나타내는 가속도 센서에 사용되는 진동소자 및 제1지지부재를 모식적으로 나타내는 외관사시도이다.
도 18~도 20은, 각각 도 17에 나타내는 진동소자를 구성하는 압전기판 및 압전기판의 양 주면에 배치된 도체막을 모식적으로 나타내는 위에서 본 투시도, 상면도, 하면도이다.
도 21~도 23은, 각각 도 17에 나타내는 진동소자를 구성하는 다른 압전기판 및 압전기판의 양 주면에 배치된 도체막을 모식적으로 나타내는 위에서 본 투시도, 상면도, 하면도이다.
도 24는, 본 발명의 또 다른 실시형태에 따른 가속도 센서를 모식적으로 나타내는 단면도이다.
도 25는, 도 24에 나타내는 가속도 센서에 사용되는 진동소자 및 제1지지부재를 모식적으로 나타내는 외관사시도이다.
도 26~도 28은, 각각 도 25에 나타내는 진동소자를 구성하는 압전기판을 모 식적으로 나타내는 위에서 본 투시도, 상면도, 하면도이다.
도 29~도 31은, 각각 도 25에 나타내는 진동소자를 구성하는 다른 압전기판을 모식적으로 나타내는 위에서 본 투시도, 상면도, 하면도이다.
도 32~도 34는, 가속도 센서에 충격을 주었을 때에 진동소자의 표면에 발생하는 전하의 분포의 시뮬레이션 결과를 나타내는 도면이다.
도 35~도 37은, 진동소자(2)의 변형의 모양을 모식적으로 나타내는 부분단면도이다.
도 38은, 본 발명의 도 7에 나타낸 실시형태에 따른 가속도 센서에 있어서 제1지지부재의 연장량을 변동시켰을 때의 가속도의 검출감도의 변화의 시뮬레이션 결과를 나타내는 그래프이다.
도 39는, 본 발명의 도 1~도 6에 나타낸 실시형태에 따른 가속도 센서에 가속도를 주었을 때에 진동소자의 표면에 발생하는 전하의 분포의 시뮬레이션 결과를 나타내는 도면이다.
도 40은, 본 발명의 도 8~도 15에 나타낸 실시형태에 따른 가속도 센서에 있어서, 전하검출전극의 지지영역 내로의 연장량을 변화시켰을 때의 전압감도의 변화를 시뮬레이션한 결과를 나타내는 그래프이다.
도 41은, 본 발명의 가속도 센서에 있어서, 2장의 압전기판의 층 사이에 1장의 전하검출전극이 배치된 실시형태에 있어서의 진동소자 및 제1지지부재를 나타내는 분해사시도이다.
도 42는, 가속도 센서가 실장된 자기 디스크 장치의 내부구조를 나타내는 사 시도이다.
도 43은, 가속도 센서의 가속도 검출신호를 처리하는 회로를 나타내는 블록도이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>(참고)
1 ···케이스 1a, 1b ···리드전극
1h ···개구부 2 ···진동소자
21, 22 ···압전기판 26~29 ···도체막
23 ···접착제 3a, 3b ···제1지지부재
4 ···제2지지부재 4a, 4b ···오목부
4h ···관통구멍 5 ···밀봉용 수지
6a, 6b ···도전성 접착제 7a, 7b ···리드전극의 단부
8a, 8b ···수지의 위어(weir) 91 ···지지영역
92 ···자유진동영역 C ···전하검출전극
E ···인출전극
본 발명은 압전기판을 사용한 가속도 센서에 관한 것이며, 특히 소형이고 고감도의 가속도 센서에 관한 것이다.
종래, 하드디스크 드라이브 등의 전자기기에 대해서 외부로부터 가해지는 충 격을 검출하거나 하는 용도로 가속도 센서가 사용되고 있다.
예를 들면, 직육면체형상의 압전기판의 양 주면에 전하검출전극을 배치해서 진동소자를 작성하고, 그 단부를 지지부재에 의해서 지지한 타입의 가속도 센서가 알려져 있다(예를 들면, 일본 특허공개 2000-321299호 공보, 일본 실용신안공개 평7-36064호 공보 참조).
이런 가속도 센서에 있어서는, 주어진 가속도에 의해 진동소자가 휨으로써 압전기판에 변형이 생기고, 압전효과에 의해 압전기판의 양 주면에 형성된 전하검출전극에 전하가 발생한다.
이 전하, 또는 전하에 의해 전하검출전극 사이에 발생하는 전압에 의해 가속도를 검출한다.
전하와 전압 중 어느 쪽을 이용해서 가속도를 검출할지는, 가속도 센서를 이용하여 가속도를 검출하는 가속도 검출장치에 따라 다르고, 일반적으로, 발생하는 전하에 의해 가속도를 검출할 경우의 가속도의 검출감도를 「전하감도」라고 칭하며, 발생하는 전압에 의해 가속도를 검출할 경우의 가속도의 검출감도를 「전압감도」라고 칭한다. 가속도 센서로서는, 전하감도도 전압감도도 높은 쪽이 바람직하다.
예를 들면, 직육면체형상의 압전기판을 두께방향으로 2장 부착한 바이모르프형 진동소자의 길이방향의 한쪽 단부를 지지부재에 의해 끼워 지지한 가속도 센서에, 가속도에 의한 힘(F)이 가해졌을 때의 출력전압(V)은, 압전기판의 압전정수를 D, 진동소자에 있어서의 지지부재에 의해 끼워 지지되어 있지 않은 자유진동영역의 길이를 L, 진동소자의 폭을 W, 진동소자의 두께를 T로 하면,
V=(3/2)·D·L·F/(W·T)
로 되고, 출력전압(V)은 진동소자의 자유진동영역의 길이(L)에 비례하며, 진동소자의 폭(W) 및 두께(T)에 반비례한다.
따라서, 가속도 센서의 가속도의 검출감도를 향상시키기 위해서는 진동소자의 자유진동영역의 길이(L)를 크게 해서 진동소자의 폭(W) 및 두께(T)를 작게 할 필요가 있지만, 진동소자의 자유진동영역의 길이(L)의 증대는 가속도 센서의 대형화를 초래하고, 진동소자의 폭(W) 및 두께(T)의 감소는 기계적 강도를 저하시켜서 신뢰성의 저하를 초래한다는 문제가 있었다.
본 발명의 목적은, 소형이고 가속도의 검출감도 및 신뢰성이 높은 가속도 센서 및 그것을 이용한 자기 디스크 장치를 제공하는 것에 있다.
본 발명의 가속도 센서는, 직육면체형상의 압전기판의 양 주면에 서로 대향하는 전하검출전극이 배치된 진동소자와, 상기 진동소자를 지지하는 제1지지부재를 구비하고 있다. 상기 진동소자는 상기 제1지지부재에 접촉해서 지지되어 있는 지지영역과, 길이방향의 길이가 상기 지지영역보다 길고, 상기 진동소자에 지지되어 있지 않은 자유진동영역을 포함한다. 그리고, 상기 제1지지부재는 탄성체로 이루어지는 것이다.
본 발명의 구성에서는, 제1지지부재를 탄성체로 이루고 있으므로, 압전기판 의 지지영역 내에 위치하는 부분에도 진동소자의 휨에 의한 변형이 생기게 된다. 따라서, 종래의 가속도 센서와 같이 제1지지부재를 비탄성체로 형성하고 있는 경우와 비교해서, 압전기판에 있어서의 변형이 생기는 영역이 커지고, 발생하는 전하량이 증가해서 출력전압이 증대하여, 가속도의 검출감도를 높게 할 수 있다. 또, 진동소자의 길이를 길게 하지 않으므로 가속도 센서의 대형화를 초래하는 일도 없고, 진동소자의 폭 및 두께를 작게 하지 않으므로 기계적 강도부족에 의한 신뢰성의 저하를 초래하는 일도 없다.
상기 진동소자의 굴곡점은, 제1지지부재에 의해 끼워 지지되어 있는 지지영역 내에 위치시키고 있다. 여기서 「굴곡점」이란, 진동소자에 있어서 휨이 발생되어 있는 부분과 휨이 발생되어 있지 않은 부분의 경계이다. 이것에 의해서, 종래의 가속도 센서와 같이 지지영역과 자유진동영역의 경계에 굴곡점이 존재할 경우, 즉 지지영역과 자유진동영역의 경계부에서부터 휘기 시작할 경우와 비교해서, 압전기판에 있어서의 변형이 생기는 영역이 커지고, 발생하는 전하가 증가해서 출력전압이 증대하여, 가속도의 검출감도를 높게 할 수 있는 것이다.
상기 제1지지부재의 탄성율은 10㎫~10㎬인 것이 바람직하다. 제1지지부재의 탄성율을 이 범위로 설정하면, 제1지지부재는 진동소자로부터 받는 힘에 의해 용이하게 변형되고, 지지영역 내에 있어서 진동소자가 휘는 것이 용이하게 된다.
본 발명의 가속도 센서는, 상기 제1지지부재를 상기 압전기판의 양 주면에 수직인 방향으로부터 지지하는 제2지지부재를 더 구비하고, 상기 제1지지부재의 탄성율이 상기 제2지지부재의 탄성율보다 작은 것이 바람직하다.
이렇게, 제2지지부재를 더 구비하고, 제2지지부재의 탄성율이 제1지지부재의 탄성율보다 크게 설정되어 있을 경우, 제2지지부재(4)에 변형이 생기기 어려워진다. 따라서, 「제2지지부재의 변형에 의해 진동소자(2) 자체의 변형이 억제되어서 가속도의 검출감도가 저하된다」라는 문제가 발생하기 어려워진다.
상기 제1지지부재의 탄성율은 10㎫~10㎬이고, 상기 제2지지부재의 탄성율은 10㎬~500㎬인 것이 바람직하다.
본 발명의 가속도 센서는, 제1지지부재가 상기 제2지지부재보다 상기 진동소자의 진폭 최대영역을 향해서 연장되어 있는 구조라도 좋다.
여기서 「진폭 최대영역」이란, 진동소자에 있어서 휨 진동의 진폭이 최대로 되는 영역이며, 진동소자의 길이방향에 있어서의 한쪽 단부 부근을 지지영역으로 했을 경우는 다른 쪽 단부 부근이 진폭 최대영역으로 된다. 진동소자의 길이방향에 있어서의 중앙부 부근을 지지영역으로 한 경우는 양 단부 부근이 진폭 최대영역으로 된다. 진동소자의 길이방향에 있어서의 양 단부 부근을 지지영역으로 한 경우는 중앙부 부근이 진폭 최대영역으로 된다.
이러한 상기 제1지지부재가 상기 제2지지부재보다 상기 진동소자의 진폭 최대영역을 향해서 연장되어 있는 구조에 의하면, 제1지지부재에 있어서 제2지지부재에 의해 끼워 지지되어 있지 않은 부분이 존재한다. 이 부분은, 진동소자의 휨을 규제하면서 진동소자와 함께 어느 정도 휘게 되므로, 이 부분에 있어서도 진동소자의 휨이 발생한다. 그리고, 진동소자에 있어서, 제1지지부재에 의해 끼워 지지되어 있는 영역의 단부를 기점으로 하는 휨과, 제1지지부재에 추가로 제2지지부재에 의 해서도 끼워 지지되어 있는 영역의 단부를 기점으로 하는 휨의 양쪽이 발생하므로, 압전기판에 있어서의 변형이 생기는 영역이 커지고, 발생하는 전하가 증가해서 출력전압이 증대하여, 가속도의 검출감도를 높게 할 수 있다.
상기 진동소자의 길이방향에 있어서, 상기 제1지지부재가 상기 제2지지부재보다 연장되어 있는 길이를 α, 상기 자유진동영역의 길이를 β로 했을 때에, 0.05≤α/(α+β)≤0.1인 것이 바람직하다.
상기 압전기판의 양 주면에 서로 대향해서 배치되는 전하검출전극은, 상기 진동소자의 양 주면의, 상기 자유진동영역 및 지지영역 내의 자유진동영역에 근접하는 부분에 배치되어 있는 것이 바람직하다.
이 구조에서는, 진동소자의 양 주면에 있어서, 자유진동영역 및 지지영역 내의 자유진동영역에 근접하는 부분에 전하검출전극이 배치되게 된다. 물론, 지지영역 내의 자유진동영역으로부터 이간된 부분에는 전하검출전극은 배치되지 않는다. 본 발명의 가속도 센서에서는 가속도가 더해졌을 때에, 자유진동영역에 더해서 지지영역 내에 있어서의 자유진동영역에 근접하는 부분에서도 압전기판에 변형이 생겨서 압전효과에 의한 전하가 발생하는 것이므로, 지지영역 내의 자유진동영역에 근접하는 부분에도 전하검출전극이 배치되어 있음으로써, 자유진동영역에서 발생하는 전하에 더해서, 지지영역 내의 자유진동영역에 근접하는 부분에서 발생하는 전하도 전하검출전극에 받아들일 수 있다. 이 때문에, 전하검출전극에 축적되는 전하량이 증가하고, 진동소자의 양 주면의 전하검출전극 사이에 발생하는 전위차도 커진다. 따라서, 가해진 가속도에 의해 발생하는 전하 및 전압이 증대하여, 가속도의 검출감도가 높은 가속도 센서를 얻을 수 있다.
또한, 지지영역 내의 자유진동영역으로부터 이간된 부분에 전하검출전극을 배치하지 않음으로써, 지지영역에 있어서의 자유진동영역으로부터 이간된 부분에도 전하검출전극이 배치되는 경우와 비교하면, 전하검출전극의 전체면적이 감소해서 진동소자의 양 주면의 전하검출전극 사이의 정전용량이 감소한다.
가해진 가속도에 의해 전하검출전극에 축적되는 전하량을 Q, 그것에 의해 진동소자의 양 주면의 전하검출전극 사이에 발생하는 전위차를 V, 진동소자의 양 주면의 전하검출전극 사이의 정전용량을 C로 하면 V=Q/C로 되므로, 전하량(Q)이 일정하고 정전용량(C)이 작아지면 전위차(V)가 증가하게 된다. 즉, 지지영역 내의 자유진동영역으로부터 이간된 부분에 전하검출전극이 배치되어 있지 않음으로써, 가해진 가속도에 의해 전하검출전극에 축적되는 전하량(Q)은 거의 변하지 않고, 진동소자의 양 주면의 전하검출전극 사이의 정전용량(C)은 감소하므로, 진동소자의 양 주면의 전하검출전극 사이에 발생하는 전위차(V)가 증대한다. 따라서, 가해진 가속도를 전압의 변화로 검출하는 경우의 전압감도가 높은 가속도 센서를 얻을 수 있다.
상기 진동소자의 길이방향에 있어서, 상기 지지영역 중에서 상기 전하검출전극이 배치되어 있는 부분의 길이를 γ, 상기 자유진동영역의 길이를 δ로 했을 때에 0.15≤γ/δ≤0.3인 것이 바람직하다.
또한, 본 발명의 가속도 센서에 의하면, 상기 구성에 있어서 상기 진동소자는 압전기판이 복수 두께방향으로 적층되어 있고, 각각의 압전기판의 사이에 압전기판을 개재해서 양 주면(외측 주면)의 전하검출전극에 대향하도록 전하검출전극이 더 배치되어 있도록 해도 된다.
이 경우, 압전기판 사이에 배치된 전하검출전극은, 진동소자의 외측 주면에 배치된 전하검출전극과 두께방향에 있어서 겹치는 위치 및 형상으로 배치되어 있다. 이것에 의해, 각각의 압전기판의 양 주면에 배치된 전하검출전극에 전하가 발생하고, 진동소자 전체에 발생하는 전하량이 증가하므로, 발생하는 전하를 이용해서 가속도를 검출하는 경우의 전하감도를 높일 수 있다.
또한, 본 발명의 가속도 센서에 의하면, 상기 구성에 있어서 압전기판의 한쪽의 주면의 전하검출전극으로부터 한쪽의 측면에 인출된 제1인출전극이 배치되고, 다른 쪽 주면의 전하검출전극으로부터 다른 쪽의 측면에 인출된 제2인출전극이 배치되어 있도록 해도 된다.
이런 경우에는, 모든 전하검출전극을, 양 인출전극을 통해서 진동소자의 양 측면에 인출하여, 용이하게 진동소자의 외부와 전기적으로 접속할 수 있다. 이것에 의해, 압전기판의 층 사이에 위치하는 전하검출전극을 진동소자의 외부와 전기적으로 접속하기 위한 비어 홀 등을 진동소자에 형성할 필요가 없어지므로, 단순한 구조를 갖고 제조공정도 간략화 가능한 가속도 센서를 얻을 수 있다.
또한, 진동소자의 양 측면에 있어서 진동소자의 외부와 전기적으로 접속할 수 있게 되고, 「인출전극을 진동소자의 끝면에 인출해서 노출시키고, 진동소자의 끝면에 있어서 진동소자의 외부와의 전기적 접속를 행할 경우」와 비교하면, 진동소자의 외부와의 접속부끼리의 간격을 크게 할 수 있다. 이것에 의해, 인출전극과 진동소자의 외부를 유동성을 갖는 땜납이나 도전성 접착제 등을 이용해서 접속하는 경우 등에, 제1인출전극과 제2인출전극 사이에 전기적 단락이 생길 가능성을 저감시킬 수 있다.
또한, 본 발명의 자기 디스크 장치는 상기 본 발명의 가속도 센서를, 자기 디스크 장치에 인가된 가속도를 검출하기 위해 탑재하고 있다. 가속도 센서에 의해, 자기 디스크 장치에 인가되는 가속도를 항상 감시하고, 그 가속도 데이터를 미리 설정된 한계값과 비교해서, 한계값을 초과했다고 판단했을 때, 자기 헤드를 퇴피시킴으로써, 데이터의 기록 중에, 자기 디스크 장치에 강한 가속도가 가해져도, 자기 헤드와 자기 디스크의 충돌에 의한 자기 디스크 장치의 손상을 미연에 막을 수 있다.
본 발명에 있어서의 상술의, 또는 또 다른 이점, 특징 및 효과는 첨부 도면을 참조해서 다음에 서술하는 실시형태의 설명에 의해 명확하게 된다.
<가속도 센서의 구조1>
도 1은, 본 발명의 일실시형태에 따른 가속도 센서를 나타내는 외관사시도이다. 이 가속도 센서는, 리드전극(1a, 1b)을 갖는 케이스(1) 내에 진동소자(2)(도 2에 나타냄)를 수납하고, 케이스(1)의 개구부(1h)를 밀봉용 수지(5)로 밀봉한 구조를 갖고 있다.
케이스(1)는 직육면체형상이며, 일단측에 개구부(1h)를 가진 용기이다. 그 재질로서는 예를 들면, 액정 폴리머(LCP), 폴리페닐렌설파이드(PPS), 폴리에테르에테르케톤(PEEK) 등의 고강도의 플라스틱 재료나 알루미나 등의 세라믹스 재료가 바람직하게 사용된다.
케이스(1)에는 가속도 센서의 실장기판 등으로의 기계적인 고정과 전기적인 접속에 제공되는 리드전극(1a, 1b)이 부착되어 있다. 리드전극(1a, 1b)은, 땜납 등에 의해 외부의 회로배선기판(도시생략)과의 전기적인 접속 및 고정을 행하는 것이다.
리드전극(1a, 1b)의 재질로서는 예를 들면 인청동 등이 사용되고, 그 두께는 예를 들면 0.1~0.5㎜로 설정된다. 또한, 본 실시형태의 가속도 센서에 있어서는, 리드전극(1a, 1b)은 인서트 몰드에 의해 케이스(1)에 일체 성형되어 있다.
밀봉용 수지(5)는 케이스(1)의 개구부(1h)를 막도록 해서 형성되어 있고, 밀봉용 수지(5)의 재질로서는 예를 들면 에폭시 수지 등이 사용된다.
도 2는, 본 실시형태의 가속도 센서에 사용하는 진동소자(2) 및 진동소자(2)의 한쪽 단부측을 끼워 지지하기 위한 제1지지부재(3a, 3b)를 모식적으로 나타내는 외관사시도이다.
도 3은, 진동소자(2)를 다른 각도로부터 나타내는 사시도이며, 제1지지부재(3a, 3b)를 투시해서 나타내고 있다.
진동소자(2)는, 양 주면에 한쌍의 도체막(26, 27)이 피착된 직육면체형상의 압전기판(21)과, 양 주면에 한쌍의 도체막(28, 29)이 피착된 직육면체형상의 압전기판(22)이 절연성의 접착제(23)를 개재해서 붙여져 구성되어 있다. 도체막(27, 28)은 접착제(23)에 의해 서로 절연되어 있다. 이 구조는 일반적으로 「바이모르프형」이라고 불린다.
압전기판(21, 22)은 각각의 분극의 방향이 서로 반대로 되도록 두께방향으로 분극되어 있고, 그 재질로서는 예를 들면 티타늄산 지르콘산 납이나 티타늄산 납 등의 압전 세라믹 재료가 사용된다. 압전기판(21, 22)은, 예를 들면 길이가 0.5~5.0㎜, 폭이 0.2~1.0㎜, 두께가 0.1~1.0㎜의 직육면체형상으로 형성된다.
압전기판(21, 22)의 제작에는 다음 제조방법이 채용된다. (1)원료분말에 바인더를 첨가해서 프레스 성형하거나, 혹은 원료분말을 물, 분산제와 함께 볼밀을 이용해서 혼합 및 건조하고, 바인더, 용제, 가소제 등을 첨가해서 닥터 블레이드법에 의해 성형하여 시트형상으로 이루는 공정, (2)상기 성형체를 1100℃~1400℃의 피크온도에서 수십분~수시간 소성해서 기판을 형성하는 공정, (3)상기 기판의 두께방향으로, 예를 들면 60℃~150℃의 온도에서 3㎸/㎜~15㎸/㎜의 전압을 가아혀 분극처리를 실시하는 공정을 포함하는 제조방법.
압전기판(21, 22)의 양 주면에 피착된 도체막(26, 27, 28, 29)은, 예를 들면 금, 은, 동, 크롬, 니켈, 주석, 납, 알루미늄 등의 도전성이 좋은 금속재료를 진공증착이나 스퍼터링법 등에 의해 압전기판(21, 22)의 양 주면에 형성하거나, 혹은 상술한 금속재료를 함유하는 소정의 도체 페이스트를 종래 주지의 인쇄법 등에 의해 소정 패턴으로 도포하고, 고온에서 베이킹함으로써 피착·형성된다. 두께는 0.1~3㎛의 범위가 바람직하다.
압전기판(21, 22)을 붙이는 접착제(23)는, 그 재질로서는 유리포 기재 에폭시 수지, 무기질 유리, 에폭시 수지 등의 절연재료가 사용된다.
유리포 기재 에폭시 수지에 의한 접합에서는, 유리섬유 사이에 에폭시 수지를 함침시킨 프리프레그재를 사이에 끼워서 압전기판을 상하로 포개고, 가압하면서 가열함으로써 에폭시 수지를 소정의 두께로 압축해서 경화시킨다.
무기질 유리에 의한 접합에서는 유리 페이스트를 인쇄 도포한 후, 압전기판을 포개고, 하중을 가하면서 소성로를 이용하여 300~700℃로 가열해서 용융 일체화한다. 소성시는, 진공로 속에서 소성을 행해 두면, 유리 접합 중간층 중의 기포혼입을 억제할 수 있다. 특히 300℃이상의 고온도에서 접합할 경우는 압전기판의 분극이 감소되므로 접합 후에 다시 분극처리할 필요가 있다.
제1지지부재(3a, 3b)는, 진동소자(2)를 그 양 주면측으로부터 끼우기 위한 부재이다. 이 제1지지부재(3a, 3b)에 의해 끼워진 진동소자(2)의 영역을 「지지영역(91)」이라고 한다. 제1지지부재(3a, 3b)에 의해 끼워져 있지 않은 진동소자(2)의 영역을 「자유진동영역(92)」이라고 한다.
상기 자유진동영역(92)의 길이방향(x방향)의 길이는, 상기 지지영역(91)의 길이방향(x방향)의 길이보다 길어져 있다.
제1지지부재(3a, 3b)의 탄성율은 10㎫~10㎬의 범위에 있는 것이 바람직하고, 1~10㎬의 범위가 특히 바람직하다.
제1지지부재(3a, 3b)의 재질로서는, 예를 들면 탄성율이 6㎬정도인 실리콘 수지나 에폭시계 수지 등이 바람직하게 사용된다. 또, 그 두께는 20~100㎛로 하는 것이 바람직하다. 제1지지부재(3a, 3b)의 폭방향(y방향)은 진동소자(2)의 전체에 걸쳐 있는 것이 바람직하고, 길이방향(x방향)은 진동소자(2)의 한쪽 단부(제1지지부재(3a, 3b)가 장착되어 있는 단부)로부터 0.5~1.5㎜의 범위에 걸쳐서 형성되는 것이 바람직하다.
이러한 제1지지부재(3a, 3b)의 형성방법을 설명한다. (1)먼저 다수의 압전기판(21, 22)으로 이루어지는 부분을 갖는 압전시트를 준비하고, 시트의 각 주면의 소정 위치에 스크린 인쇄로, 제1지지부재(3a, 3b)의 재질인 수지 페이스트를 인쇄하여 경화시킨다. 필요에 따라서 스크린 인쇄를 복수회 거듭하거나, 두께정밀도를 내기 위해 경화시킨 수지 페이스트의 표면을 연마해도 된다. (2)그리고, 경화된 수지 페이스트의 위치를 확인하면서, 소정 길이의 제1지지부재(3a, 3b)와 진동소자(2)가 얻어지도록 다이싱 쏘(dicing saw) 등을 사용해서 압전 시트를 절단한다. 이것에 의해, 제1지지부재(3a, 3b)가 부착된 진동소자(2)를 얻을 수 있다.
이렇게 해서 얻어지는 진동소자(2)의 형상은 예를 들면 길이 3㎜, 폭 0.5㎜, 두께 0.3㎜이다. 제1지지부재(3a, 3b)에 의해 끼워 지지된 지지영역(91)의 길이는 1㎜, 제1지지부재(3a, 3b)에 의해 끼워 지지되어 있지 않은 자유진동영역(92)의 길이는 2㎜로 된다. 또한, 이후의 설명에 있어서, 진동소자(2)의 한쪽 단부(제1지지부재(3a, 3b)에 의해 끼워 지지되어 있는 측의 단부)를 「고정단」, 다른 쪽 단부를 「자유단」이라고 칭하는 것으로 한다.
도 4는, 본 실시형태의 가속도 센서에 사용하는 제2지지부재(4)의 외관사시도이다.
제2지지부재(4)는 케이스(1) 내의 개구부(1h) 부근에 설치되고, 진동소자(2)의 제1지지부재(3a, 3b)의 외측을 끼워 지지해서 진동소자(2)를 지지하는 작용을 하는 부재이다.
제2지지부재(4)에는 진동소자(2)를 삽입하는 관통구멍(4h)이 형성되어 있다. 이 관통구멍(4h)에 상술한 진동소자(2)를 자유단측으로부터 삽입하고, 고정단측에 부착된 제1지지부재(3a, 3b)를 관통구멍(4h)에 압입함으로써, 제1지지부재(3a, 3b)의 외측을 제2지지부재(4)에 의해 더욱 끼워 지지해서, 진동소자(2)를 케이스(1)에 고정할 수 있다.
제2지지부재(4)에는 후술하는 도전성 접착제(6a, 6b)를 폿팅(potting)하기 위한 오목부(4a, 4b)가 형성되어 있고, 오목부(4a, 4b)에는 케이스(1)의 내부를 통과해서 연장된 리드전극(1a, 1b)의 단부(7a, 7b)를 노출시키기 위한 구멍이 형성되어 있다.
도 5는, 도 1에 나타내는 가속도 센서의 밀봉용 수지(5)를 제외하고 나타내는 사시도이다.
압전기판(21, 22)에 형성된 도체막(26, 27)의 일부는 도 3에 나타내는 바와 같이, 압전기판(21, 22)의 측방측 둘레 가장자리부까지 연장되어서 형성되어 있고, 이 부분을 도체막의 「인출전극(E)」이라고 한다.
인출전극(E)은 도 5에 나타내는 바와 같이, 제2지지부재(4)의 오목부(4a, 4b)에 있어서 리드전극(1a, 1b)의 단부(7a, 7b)와 도전성 접착제(6a, 6b)를 개재해서 전기적으로 접속되어 있다. 이것에 의해, 도체막(26, 27) 사이 및 도체막(28, 29) 사이에 발생한 출력전압은 리드전극(1a, 1b)으로부터 외부로 출력된다.
도전성 접착제(6a, 6b)는 접착제 수지 중에 도전성 필러가 함유된 것이며, 도전성 필러는 은, 구리 등 도전성이 좋은 금속이 바람직하다. 접착제 수지는 압전기판(21, 22)의 분극이 사라지지 않도록 300℃미만에서 경화하는 것이 바람직하므 로, 예를 들면 에폭시 수지 등이 바람직하게 사용된다.
또한, 도전성 접착제(6a, 6b)는 오목부(4a, 4b)에 의해 폿팅했을 때의 퍼짐이 억제되어 있다.
또한, 제2지지부재(4)의 표면으로부터, 한쌍의 제1지지부재(3a, 3b)에 걸쳐서 수지의 위어(weir)(8a, 8b)가 설치되어 있다. 위어(8a, 8b)는, 도전성 접착제(6a(6b))가 유동해서 도전성 접착제(6b(6a))까지 도달하는 것을 억제하는 것이며, 이것에 의해 리드전극(1a, 1b) 사이의 단락발생이 방지된다.
도 6은 도 1의 A-A'선 단면도이다. 제2지지부재(4)는 케이스(1) 내의 개구부(1h) 부근에 설치되고, 케이스(1)와 동일재료를 사용해서 케이스(1)의 일부로서 일체적으로 형성되어 있다. 이렇게 일체적으로 형성하면, 제조가 용이하게 된다. 또한, 제2지지부재(4)를 케이스(1)와는 따로 제작해서 케이스(1)의 개구부(1h)에 끼워넣도록 해도 된다.
제2지지부재(4)는, 진동소자(2)의 길이방향(x방향)의 길이(d)는 0.5~1.5㎜이며, 이 길이(d)로 제1지지부재(3a, 3b)의 외측을 끼워 지지하도록 되어 있다.
본 실시형태의 가속도 센서의 하나의 특징은, 제1지지부재(3a, 3b)를 탄성체에 의해 형성하고 있는 것이다. 이것에 의해, 제1지지부재(3a, 3b)는 진동소자(2)로부터 받는 힘에 의해 변형되어서, 진동소자(2)는 자유진동영역(92) 뿐만 아니라, 지지영역(91) 내에 있어서도 휠 수 있게 된다. 이 경우, 진동소자(2)의 굴곡점(P)은 도 36, 도 37에 나타내는 바와 같이, 제1지지부재(3a, 3b)에 의해 끼워 지지되어 있는 지지영역(91) 내에 위치하게 된다. 이것에 의해, 지지영역(91) 내에 위치 하는 압전기판(21, 22)에도 진동소자(2)의 휨에 의한 변형이 생기게 된다.
따라서, 종래의 가속도 센서와 같이 지지영역(91)과 자유진동영역(92)의 경계에 굴곡점(P)이 존재할 경우(도 35)와 비교해서, 압전기판(21, 22)에 있어서의 변형이 생기는 영역이 커지고, 발생하는 전하가 증가해서 출력전압이 증대하여, 가속도의 검출감도를 높게 할 수 있다.
또한, 진동소자(2)의 자유진동영역의 길이를 길게 하지 않으므로 가속도 센서의 대형화를 초래하는 일도 없고, 진동소자(2)의 폭 및 두께를 작게 하지 않으므로 기계적 강도부족에 의한 신뢰성의 저하를 초래하는 일도 없다.
본 실시형태의 가속도 센서의 부가적인 특징은, 제2지지부재(4)의 탄성율은 제1지지부재(3a, 3b)의 탄성율보다 크게 되어 있는 것이다. 제2지지부재(4)의 탄성율은, 제1지지부재(3a, 3b)의 탄성율의 2배이상으로 하는 것이 바람직하다. 이렇게 제2지지부재(4)의 탄성율을 제1지지부재(3a, 3b)의 탄성율보다 크게 함으로써, 제2지지부재(4)에 변형이 생기기 어려워진다.
만약 제2지지부재(4)의 탄성율이 제1지지부재(3a, 3b)의 탄성율과 같은 정도거나, 혹은 그보다 작게 되어 있으면, 가속도 센서에 충격이 가해졌을 때에 제1지지부재(3a, 3b)에 더해서 제2지지부재(4)도 크게 변형되어 버린다. 이것에 의해, 본래 진동소자(2)에 가해지는 충격이 제2지지부재(4)에 의해 흡수된다. 따라서, 진동소자(2)의 변형이 작아져 가속도의 검출감도는 저하되어 버린다.
본 실시형태에서는, 제2지지부재(4)의 탄성율을 제1지지부재(3a, 3b)의 탄성율보다 크게 하고 있으므로, 진동소자(2)에는 그대로 충격이 가해지고, 진동소 자(2)의 변형이 커져 가속도의 검출감도의 저하를 방지할 수 있다.
제2지지부재(4)의 탄성율의 값으로서는 10~500㎬정도가 바람직하고, 바람직하게는 20~500㎬정도, 특히 바람직하게는 20~400㎬정도로 하면 된다.
여기서, 제1지지부재(3a, 3b)의 재질 및 제2지지부재(4)의 재질의 탄성율을 측정하는 방법을 설명한다.
탄성율의 일례로서 「굴곡탄성율(modulus of elasticity in flexure ; flexural modulus)(Ef)」이 있다. 굴곡탄성율(Ef)이란, 규정된 2점의 변형 ε1=0.0005, 및 ε2=0.0025에 대응하는 응력을 각각 σ1, σ2로 할 때, 응력의 차(σ2-σ1)를 변형의 차(ε2-ε1)로 나눈 값
Ef=(σ2-σ1)/(ε2-ε1)
을 말한다. 굴곡탄성율(Ef)의 단위는 ㎫이다.
이 명세서에서는, 특히 문제가 없으면 JIS K7171의 규격에 기초해서 실시한다. JIS K7171은, ISO 178;1993(Plastics-Determination of flexural properties)과 동등한 규격이다. 즉, 탄성율을 측정하고 싶은 부재와 같은 재료를 사용해서 시험편을 제작하여 그 굴곡탄성율을 측정한다. 기본적으로는 길이 80.0㎜, 폭 10.0㎜, 두께 4.0㎜의 표준시험편을 제작하고, 지점간 거리(L)를 64㎜, 압자의 반경(R1)을 5.0㎜, 지지대의 반경(R2)을 5.0㎜, 시험속도를 2㎜/min으로 해서, 온도 23℃, 습도 50%RH의 조건하에서 굴곡탄성율(Ef)을 측정한다.
제2지지부재(4)의 재질로서는 알루미나 등의 세라믹 재료를 사용할 수도 있지만, 예를 들면 액정 폴리머(LCP), 폴리페닐렌설파이드(PPS), 폴리에테르에테르케 톤(PEEK) 등으로 원하는 탄성율을 갖는 수지를 바람직하게 사용할 수 있다.
이렇게 가공이 용이한 수지를 제2지지부재(4)의 재질로서 사용함으로써, 원하는 탄성율 및 형상을 구비한 제2지지부재(4)를 용이하게 형성할 수 있고, 높은 검출감도를 구비한 가속도 센서를 용이하게 얻을 수 있다.
이상과 같이 해서 고정된 진동소자(2)는, 외부으로부터 물리적인 충격(가속도)이 가해지면 제1지지부재(3a, 3b)에 끼워 지지되어 있지 않은 자유진동영역(92)이 휘고, 붙여져 있는 압전기판(21, 22)에 변형이 생김으로써 전하가 발생하며, 압전기판(21)의 양 주면에 피착된 도체막(26, 27) 사이, 및 압전기판(22)의 양 주면에 피착된 도체막(28, 29) 사이에 전위차가 생기고, 이것을 출력전압으로서 꺼냄으로써 가속도가 검출된다.
또한, 본 실시형태의 가속도 센서에서는 도 4, 도 5에 나타내는 바와 같이, 진동소자(2)는 수평방향에 대해서 경사지도록 고정되고, 그 수직방향 뿐만 아니라 가로방향으로부터의 충격도 감지할 수 있게 되어 있다. 구체적으로는, 케이스(1)의 실장면(x-y면)과 진동소자(2)의 주면에 수직인 면이 이루는 각(예각으로 되는 측의 각)(θ)이, 용도에 따라 20°~50°의 범위에서 설정된다.
<가속도 센서의 구조2>
도 7은, 본 발명의 다른 실시형태에 따른 가속도 센서를 모식적으로 나타내는 단면도이다. 또한, 본 실시형태의 가속도 센서에 있어서는 상술한 실시형태와 다른 점에 대해서만 설명하고, 같은 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 사용해서 중복되는 설명을 생략하는 것으로 한다.
도 7에 나타내는 가속도 센서의 특징적인 부분은, 제1지지부재(3a, 3b)가 제2지지부재(4)에 대하여 진동소자(2)의 진폭 최대영역 즉 자유단를 향해서 연장되어 있는 것이다.
이런 형상으로 함으로써, 제1지지부재(3a, 3b)에 있어서의 제2지지부재(4)에 의해 끼워 지지되어 있지 않은 부분(α로 나타냄)이, 진동소자(2)의 휨을 규제하면서 진동소자(2)와 함께 어느 정도 휘어지게 되고, 이 부분에 있어서도 진동소자(2)의 휨이 발생한다.
그리고, 진동소자(2)에 있어서 제1지지부재(3a, 3b)에 의해 끼워 지지되어 있는 영역의 단부(도 37에 P1로 나타냄)를 기점이라고 하는 휨과, 제1지지부재(3a, 3b)에 더해서 제2지지부재(4)에 의해서도 끼워 지지되어 있는 영역의 단부(도 37에 P2로 나타냄)를 기점으로 하는 휨의 양쪽이 발생하므로, 압전기판에 있어서의 변형이 생겨서 전하가 발생하는 영역이 커지고, 발생하는 전하가 증가해서 출력전압이 증대하여 가속도의 검출감도를 높게 할 수 있다.
또한, 본 실시형태의 가속도 센서는 상기 구성에 있어서, 상기 제1지지부재(3a, 3b)의 탄성율을 상기 제2지지부재(4)의 탄성율보다 작게 하고 있다.
따라서, 제1지지부재(3a, 3b)에 있어서의 제2지지부재(4)에 의해 끼워 지지되어 있지 않은 부분(α)이 진동소자(2)와 함께 더욱 휘기 쉬워짐과 아울러, 제2지지부재(4)에 의해 끼워 지지되어 있는 영역 내에 있어서도 진동소자로부터 받는 힘에 의해 제1지지부재(3a, 3b)가 변형되어서 진동소자(2)가 휘어질 수 있게 된다. 이것에 의해, 압전기판(21, 22)에 있어서의 변형이 생겨서 전하가 발생하는 영역이 더욱 커지고, 발생하는 전하가 증가해서 출력전압이 증대하여 가속도의 검출감도를 더욱 높게 할 수 있다.
<가속도 센서의 구조3>
도 8은, 본 발명의 또 다른 실시형태에 따른 가속도 센서에 사용되는 진동소자(2), 및 진동소자(2)의 길이방향(x방향)에 있어서의 한쪽 단부의 양 주면을 끼워 지지하는 제1지지부재(3a, 3b)를 모식적으로 나타내는 외관사시도이다. 파선으로 나타낸 제1지지부재(3a, 3b)를 투시한 상태로 나타내고 있다.
또한, 도 9는 도 8에 나타낸 진동소자(2) 및 제1지지부재(3a, 3b)를 모식적으로 나타내는 분해사시도이다.
도 10, 도 11, 도 12는, 각각 도 9에 나타내는 진동소자(2)를 구성하는 압전기판(21) 및 압전기판(21)의 양 주면에 배치된 도체막(26, 27)을 모식적으로 나타내는 위에서 본 투시도, 상면도, 하면도이다.
도 13, 도 14, 도 15는 각각 도 9에 나타내는 진동소자(2)를 구성하는 다른 압전기판(22) 및 압전기판(22)의 양 주면에 배치된 도체막(28, 29)을 모식적으로 나타내는 위에서 본 투시도, 상면도, 하면도이다.
또한, 도체막(26)은 전하검출전극(C26) 및 인출전극(E26)으로 구성되고, 도체막(27)은 전하검출전극(C27) 및 인출전극(E27)으로 구성되어 있다. 도체막(28)은 전하검출전극(C28) 및 인출전극(E28)으로 구성되고, 도체막(29)은 전하검출전극(C29) 및 인출전극(E29)으로 구성되어 있다.
도 10, 도 11, 도 12에 나타내는 바와 같이, 직육면체형상의 압전기판(21)의 상면에는, 제1지지부재(3a, 3b)에 의해 끼워 지지되지 않는 영역인 자유진동영역(92)으로부터 제1지지부재(3a, 3b)에 의해 끼워 지지되는 영역인 지지영역(91)의 도중에 걸쳐, 전하검출전극(C26)이 배치되어 있고, 전하검출전극(C26)으로부터 인출된 인출전극(E26)이 지지영역(91) 내에 배치되어서 압전기판(21)의 한쪽의 측면에 노출되어 있다.
또한, 압전기판(21)의 하면에는, 자유진동영역(92)으로부터 지지영역(91)의 도중에 걸쳐 전하검출전극(C27)이 배치되어 있고, 전하검출전극(C27)으로부터 인출된 인출전극(E27)이 지지영역(91) 내에 배치되어서 압전기판(21)의 다른 쪽의 측면에 노출되어 있다.
그리고, 전하검출전극(C26, C27)은 압전기판(21)을 개재해서 서로 대향하도록 배치되어 있고, 압전기판(21)에 변형이 생기면 압전효과에 의해 전하검출전극(C26, C27)에 다른 부호의 전하가 발생해서 전하검출전극(C26, C27) 사이에 전위차가 발생한다. 또, 인출전극(E26, E27)은 각각 전하검출전극(C26, C27)과 진동소자(2)의 외부를 전기적으로 접속하는 기능을 갖고 있고, 압전기판(21)을 개재해서 서로 대향하지 않도록 배치됨으로써 인출전극(E26, E27) 사이에 큰 정전용량이 발생하는 것을 방지하고 있다.
마찬가지로, 도 13, 도 14, 도 15에 나타내는 바와 같이, 다른 직육면체형상의 압전기판(22)의 상면에는 자유진동영역(92)으로부터 지지영역(91)의 도중에 걸쳐서 전하검출전극(C28)이 배치되어 있고, 전하검출전극(C28)으로부터 인출된 인출전극(E28)이 지지영역(91) 내에 배치되어서 압전기판(22)의 한쪽의 측면에 노출되 어 있다. 또, 압전기판(22)의 하면에는 자유진동영역(92)으로부터 지지영역(91)의 도중에 걸쳐서 전하검출전극(C29)이 배치되어 있고, 전하검출전극(C29)으로부터 인출된 인출전극(E29)이 지지영역(91) 내에 배치되어서 압전기판(22)의 다른 쪽의 측면에 노출되어 있다.
그리고, 전하검출전극(C28, C29)은 압전기판(22)을 개재해서 서로 대향하도록 배치되어 있고, 압전기판(22)에 변형이 생기면 압전효과에 의해 전하검출전극(C28, C29)에 다른 부호의 전하가 발생해서 전하검출전극(C28, C29) 사이에 전위차가 발생한다. 또, 인출전극(E28, E29)은 각각 전하검출전극(C28, C29)과 진동소자(2)의 외부를 전기적으로 접속하는 기능을 갖고 있고, 압전기판(22)을 개재해서 서로 대향하지 않도록 배치됨으로써 인출전극(E28, E29) 사이에 큰 정전용량이 발생하는 것을 방지하고 있다.
또한, 압전기판(21, 22)은 전하검출전극(C27, C28)이 절연성의 접착제(23)를 개재하여 대향하도록 해서 붙여져 있고, 인출전극(E26, E28)이 진동소자(2)의 한쪽의 측면에 노출되며, 인출전극(E27, E29)이 진동소자(2)의 다른 쪽의 측면에 노출되어 있다.
도 8에 나타내는 바와 같이, 진동소자(2)의 한쪽의 단부에 위치하는 지지영역(91)이 제1지지부재(3a, 3b)에 의해 끼워 지지되고, 또 제1지지부재(3a, 3b)가 상술한 제2지지부재(4)에 의해 끼워 지지됨으로써, 진동소자(2)의 지지영역(91)이 지지되어서 가속도 센서로서 기능하게 된다. 즉, 가해진 가속도에 의해 진동소자(2)의 자유진동영역(92)이 휘어짐으로써 압전기판(21, 22)에 변형이 생기고, 압 전효과에 의해 전하검출전극(C26, C27, C28, C29)에 전하가 발생하며, 전하검출전극(C26, C27) 사이, 및 전하검출전극(C28, C29) 사이에 전위차가 생긴다. 이렇게 해서 발생하는 전하 또는 전압에 의해 가속도를 검출할 수 있다.
제1지지부재(3a, 3b)의 탄성율은 10㎫~10㎬정도가 바람직하고, 제2지지부재(4)의 탄성율의 값으로서는 10~500㎬정도가 바람직한 것은 상술한 바와 같다.
인출전극(E26, E28)은 압전기판(21, 22)의 한쪽의 측면에 노출되어 있고, 진동소자(2)의 한쪽의 측면 근방까지 케이스(1) 내에서 연장된 리드전극(1a)의 단부(7a)와 도전성 접착제(6a)를 통하여 전기적으로 접속되어 있다. 또, 인출전극(E27, E29)은 압전기판(21, 22)의 다른 쪽의 측면에 노출되어 있고, 진동소자(2)의 다른 쪽의 측면 근방까지 케이스(1) 내에서 연장된 리드전극(1b)의 단부(7b)와 도전성 접착제(6b)를 통하여 전기적으로 접속되어 있다.
이것에 의해 전하검출전극(C26, C27) 사이 및 전하검출전극(C28, C29) 사이에 발생한 출력전압은 리드전극(1a, 1b)으로부터 외부로 출력된다.
또한, 진동소자(2)는 주면에서 기계적인 고정이 행해지고 측면에서 전기적인 접속이 행해지고 있어 공간이 효율적으로 이용되고 있으므로, 보다 소형의 가속도 센서로 할 수 있다.
<가속도 센서의 구조4>
상술한 실시형태에 있어서는, 진동소자의 길이방향에 있어서의 한쪽 단부 부근을 지지부재로 끼워 지지한 구조로 했지만, 진동소자의 양 단부를 지지부재로 끼워 지지하는 구조로 해도 상관없고, 진동소자의 중앙부 부근을 지지부재에 의해 끼 워 지지하는 구조로 해도 상관없다.
도 16은, 본 발명의 또 다른 실시형태에 따른 가속도 센서를 모식적으로 나타내는 단면도이다. 도 17은 도 16에 나타내는 가속도 센서에 사용되는 진동소자(2) 및 제1지지부재(3a, 3b)를 모식적으로 나타내는 외관사시도이다. 도 18, 도 19, 도 20은 각각 도 17에 나타내는 진동소자(2)를 구성하는 압전기판(21) 및 압전기판(21)의 양 주면에 배치된 도체막(26, 27)을 모식적으로 나타내는 위에서 본 투시도, 상면도, 하면도이며, 도 21, 도 22, 도 23은 각각 도 17에 나타내는 진동소자(2)를 구성하는 다른 압전기판(22) 및 압전기판(22)의 양 주면에 배치된 도체막(28, 29)을 모식적으로 나타내는 위에서 본 투시도, 상면도, 하면도이다.
또한, 본 실시형태에 있어서는 상술한 예와 다른 점에 대해서만 설명하고, 같은 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 사용해서 중복되는 설명을 생략한다.
본 실시형태의 가속도 센서에 있어서의 특징적인 부분은, 진동소자(2)의 길이방향에 있어서의 양 단부가, 제1지지부재(3a, 3b) 및 제2지지부재(4)에 의해 지지되는 지지영역(91)으로 되어 있고, 중앙부가 자유진동영역(92)으로 되어 있는 것이다. 그리고, 자유진동영역(92)의 길이방향의 길이는 각각의 지지영역(91)의 길이보다 길고, 이 자유진동영역(92)의 길이방향의 중앙부가 진폭 최대영역으로 된다. 이 경우에 있어서도, 자유진동영역(92)으로부터 지지영역(91)의 도중에 걸쳐서 전하검출전극(C26, C27, C28, C29)을 배치함으로써, 상술한 예와 같은 메커니즘에 의해 가속도의 검출감도를 향상시킬 수 있다.
<가속도 센서의 구조5>
도 24는 본 발명의 또 다른 실시형태에 따른 가속도 센서를 모식적으로 나타내는 단면도이다. 도 25는 도 24에 나타내는 가속도 센서에 사용되는 진동소자(2) 및 제1지지부재(3a, 3b)를 모식적으로 나타내는 외관사시도이다. 도 26, 도 27, 도 28은 각각 도 25에 나타내는 진동소자(2)를 구성하는 압전기판(21) 및 압전기판(21)의 양 주면에 배치된 도체막(26, 27)을 모식적으로 나타내는 위에서 본 투시도, 상면도, 하면도이며, 도 29, 도 30, 도31은 각각 도 25에 나타내는 진동소자(2)를 구성하는 다른 압전기판(22) 및 압전기판(22)의 양 주면에 배치된 도체막(28, 29)을 모식적으로 나타내는 위에서 본 투시도, 상면도, 하면도이다.
또한, 본 실시형태에 있어서도 상술한 예와 다른 점에 대해서만 설명하고, 같은 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 사용해서 중복되는 설명을 생략한다.
본 실시형태의 가속도 센서에 있어서의 특징적인 부분은, 진동소자(2)의 길이방향에 있어서의 중앙부가 제1지지부재(3a, 3b) 및 제2지지부재(4)에 의해 지지되는 지지영역(91)으로 되어 있고, 그 양측이 자유진동영역(92)으로 되어 있는 것이다. 또, 이 경우는 진동소자(2)의 길이방향의 양 단부가 진폭 최대영역으로 된다. 이 경우에 있어서도, 자유진동영역(92)으로부터 지지영역(91)의 도중에 걸쳐서 전하검출전극(C26, C27, C28, C29)을 배치함으로써, 상술한 예와 같은 메커니즘에 의해서 가속도의 검출감도를 향상시킬 수 있다.
<제조예>
다음에, 본 발명의 가속도 센서의 제조예에 대해서 설명한다.
우선, 티타늄산 지르콘산 납의 원료분말에 바인더를 첨가해서 프레스하고, 피크온도를 1200℃로 해서 24시간 소성하여 압전체의 블록을 얻었다.
다음에, 와이어 쏘(wire saw)를 사용해서 블록을 슬라이스하고, 또 랩기를 사용해서 양면을 랩함으로써, 분할되면 압전기판으로 되는 압전모기판을 제작했다. 압전모기판의 두께는 100㎛로 했다.
다음에, 분할되어서 도체막(26~29)으로 되는 금속박막을, 스퍼터 장치를 이용해서 압전모기판의 양 주면에 형성했다. 각각의 금속박막은 크롬과 은의 2층구조로 되어 있고, 크롬박막을 0.3㎛의 두께로 형성한 후에, 그 위에 은박막을 0.3㎛의 두께로 형성했다.
다음에, 압전모기판을 분극조에 투입해서, 300V의 전압을 10초간 인가하여 압전모기판을 두께방향으로 분극처리했다.
다음에, 스크린 인쇄법을 이용해서 금속박막의 표면에 레지스트 패턴을 형성한 후에, 에칭액에 침지해서 금속박막의 패터닝를 행하고, 그 후 톨루엔에 침지해서 레지스트를 제거했다.
다음에, 양 주면에 금속박막의 패턴이 형성된 2장의 압전모기판을 진공 오븐에 투입해서, 양자 사이에 유리섬유함유 에폭시 수지의 프리프레그를 개재시켜서 부착시키고, 하중을 가하면서 180℃에서 2시간 유지해서 접합했다. 또한, 2장의 압전모기판을 부착시킬 때는, 2장의 압전기판에 있어서의 분극의 방향이 서로 반대방향으로 되도록 했다.
다음에, 제1지지부재(3a, 3b)로 되는 에폭시 수지를 압전모기판상의 소정의 위치에 스크린 인쇄기를 사용해서 도포하고, 150℃에서 2시간 유지해서 경화시켰 다.
다음에, 압전모기판을 다이싱 쏘를 사용해서 개편(個片)으로 분할하고, 도 8에 나타내는 제1지지부재(3a, 3b)가 길이방향에 있어서의 단부의 양 주면에 피착된 진동소자(2)를 복수개 동시에 얻었다.
다음에, 인서트 몰드된 인청동으로 이루어지는 리드전극(1a, 1b)을 구비하고, 개구부(1h) 부근에 제2지지부재(4)가 일체적으로 형성된 LCP(액정 폴리머)로 이루어지는 케이스(1)를 준비하며, 도 5 및 도 6에 나타내는 바와 같이 제1지지부재(3a, 3b)가 피착된 진동소자(2)를 제2지지부재(4)의 관통구멍(4h)에 압입해서 고정했다.
다음에, 도 5에 나타내는 바와 같이, 노출되어 있는 제1지지부재(3a)의 상면의 중앙부 부근 및 제1지지부재(3b)의 하면의 중앙부 부근에 에폭시 수지로 이루어지는 위어(8a, 8b)와, 제2지지부재(4)의 오목부(4a, 4b) 내에 노출되어 있는 진동소자(2)의 양 측면에 에폭시 수지와 은 필러로 이루어지는 도전성 접착제(6a, 6b)를, 각각 디스펜서를 사용해서 도포하고, 200℃에서 30분간 유지해서 경화시켰다.
다음에, 도 1에 나타내는 바와 같이, 케이스(1)의 개구부(1h)에 진동소자(2), 제1지지부재(3a, 3b), 위어(8a, 8b), 도전성 접착제(6a, 6b), 제2지지부재(4)를 덮도록, 에폭시 수지로 이루어지는 밀봉용 수지(5)를, 디스펜서를 사용해서 도포하고, 150℃에서 2시간 유지하여 경화시켜서 가속도 센서를 완성시켰다.
이렇게 해서 제작된 가속도 센서에 충격을 주어서 전기특성을 평가하고, 종래보다 우수한 특성을 갖고 있는 것을 확인했다.
<시뮬레이션예1>
도 32, 도 33, 도 34는, 본 발명의 가속도 센서가 갖는 가속도의 검출감도를 높이는 효과를 확인하기 위해 행한 유한요소법에 의한 시뮬레이션예를 나타내는 도면이다.
가속도 센서에 충격을 주었을 때에 진동소자(2)의 표면에 발생하는 전하의 분포를 흰 영역으로 나타낸다. 발생하는 전하의 밀도가 높은 영역일수록 색이 하얗게 표시되어 있다.
또한, 이들의 시뮬레이션에 있어서는 진동소자(2)의 길이를 3㎜, 폭을 0.5㎜, 두께를 0.3㎜, 제1지지부재(3a, 3b)에 의해 끼워 지지된 지지영역(91)의 길이 1㎜, 제1지지부재(3a, 3b)에 의해 끼워 지지되어 있지 않은 자유진동영역(92)의 길이 2㎜, 제1지지부재(3a, 3b)의 두께를 30㎛로 했다.
도 33은, 도 1~도 6에 나타낸 본 발명의 가속도 센서의 시뮬레이션 결과를 나타내는 도면이며, 파선보다 좌측이 지지영역(91), 파선보다 우측이 자유진동영역(92)으로 되어 있고, 제1지지부재의 탄성율이 4㎬, 제2지지부재의 탄성율이 500㎬로 되어 있다.
또한, 도 32는 비교를 위한 종래의 가속도 센서의 시뮬레이션 결과를 나타내는 도면이며, 파선보다 좌측이 지지영역(91), 파선보다 우측이 자유진동영역(92)으로 되어 있고, 지지부재의 탄성율은 500㎬로 되어 있다.
도 32에 나타내어진 종래의 가속도 센서에 있어서는, 대부분 자유진동영역(92)에만 전하가 발생되어 있고, 또한 지지영역(91) 근방에 집중되어 있다. 이것 은 지지영역(91) 내에서는 압전기판(21, 22)에 변형이 발생되어 있지 않은 것, 즉 지지영역(91) 내에서는 진동소자(2)에 변형이 생겨져 있지 않은 것을 나타내고 있다. 또, 진동소자(2)의 자유진동영역(92)에 있어서 압전기판(21, 22)에 생기는 변형이 지지영역(91) 근방일수록 크고, 반대로 진동소자(2)의 자유단 부근에서는 거의 변형이 생겨져 있지 않은 것을 나타내고 있으며, 이것은 각각의 장소에 가해지는 힘의 모멘트의 차이에 기인하고 있다고 생각된다. 진동소자의 자유단 부근은 대부분 추로서밖에 기능하고 있지 않다고 생각된다.
이것에 대하여, 도 33에 나타내어진 본 발명의 가속도 센서에 있어서는, 지지영역(91) 내의 자유진동영역(92) 근방에 있어서도 전하가 발생되어 있다. 이것은 지지영역(91) 내의 압전기판(21, 22)에도 변형이 발생되어 있는 것, 즉 지지영역(91) 내에 있어서도 진동소자(2)가 휘어져 있는 것을 나타내고 있다. 이것은 제1지지부재(3a, 3b)가 탄성체로 이루어지고, 제2지지부재(4)보다 작은 탄성율을 갖고 있으므로, 제1지지부재(3a, 3b)가 진동소자(2)로부터 받는 힘에 의해 용이하게 변형되어, 지지영역(91) 내에 있어서도 진동소자(2)가 휘어질 수 있게 되기 때문이라고 생각된다.
도 35, 도 36, 도 37은 본 발명의 가속도 센서와 종래의 가속도 센서에 있어서의 진동소자(2)의 변형의 모양을 모식적으로 나타내는 부분적인 단면도이다.
도 35에 나타내는 종래의 가속도 센서에 있어서는 자유진동영역(92)에 있어서의 L0으로 나타내어진 매우 한정된 범위에 진동소자(2)의 휨이 주로 발생되어 있는 것에 대해서, 도 36에 나타내는 본 발명의 가속도 센서에 있어서는, 지지영 역(91)의 도중으로부터 자유진동영역(92)에 걸치는 L1로 나타내어진 넓은 범위에서 진동소자(2)의 휨이 발생되므로, 도 32, 도 33에 나타낸 시뮬레이션 결과가 얻어졌다고 생각된다.
이렇게 본 발명의 가속도 센서에 있어서는, 지지영역(91) 내의 일부에 있어서도 전하가 발생하므로, 종래의 가속도 센서와 비교해서 진동소자(2)에 있어서의 전하의 발생영역이 넓어지고, 진동소자(2)에 있어서 발생하는 전하량이 증대되므로, 진동소자(2)의 사이즈를 바꾸는 일 없이, 또한 진동소자(2)의 기계적 강도를 저하시키는 일 없이 가속도 검출감도를 높일 수 있다.
도 1~도 6에 나타낸 본 발명의 가속도 센서에 있어서, 제1지지부재(3a, 3b)의 탄성율과 제2지지부재(4)의 탄성율을 변동시켰을 때의 가속도의 검출감도(1G의 가속도당의 전하검출전극에 발생하는 전하량)의 변화를 시뮬레이션한 결과를 표 1에 나타낸다. 또, 이 시뮬레이션에 있어서의 탄성율 이외의 각종 조건에 대해서는 상술한 바와 같다.
Figure 112006045649110-PAT00001
표 1에 있어서, 제1지지부재(3a, 3b)의 탄성율이 3㎬인 경우, 제2지지부재(4)의 탄성율이 3㎬, 30㎬, 300㎬로 증대됨에 따라서 전하감도가 0.282, 0.311, 0.313으로 향상되어 있다. 제1지지부재(3a, 3b)의 탄성율이 30㎬, 300㎬인 경우도 마찬가지로, 제2지지부재(4)의 탄성율의 증대에 따라 전하감도가 향상되어 있다. 이것에 의해, 제2지지부재(4)의 탄성율의 증대에 따라 전하감도가 향상되는 것을 알 수 있다.
또한, 제2지지부재(4)의 탄성율이 3㎬인 경우, 제1지지부재(3a, 3b)의 탄성율이 3㎬, 30㎬, 300㎬로 증대됨에 따라서, 전하감도가 0.282, 0.267, 0.251로 악화되어 있다. 제2지지부재(4)의 탄성율이 30㎬, 300㎬인 경우도 마찬가지로 제1지지부재(3a, 3b)의 탄성율의 증대에 따라 전하감도가 악화되어 있다. 이것에 의해, 제1지지부재(3a, 3b)의 탄성율의 저하에 따라 전하감도가 향상되는 것을 알 수 있다.
또한, 표 1의 전하감도를 작은 순서로 늘어놓으면, 0.251, 0.26, 0.267, 0.269, 0.282, 0.283, 0.287, 0.311, 0.313으로 되지만, 0.251, 0.26, 0.267은 제1지지부재(3a, 3b)의 탄성율이 제2지지부재(4)의 탄성율보다 클 경우(제1>제2)의 전하감도이며, 0.269, 0.282, 0.283은 제1지지부재(3a, 3b)의 탄성율이 제2지지부재(4)의 탄성율과 같을 경우(제1=제2)의 전하감도이고, 0.287, 0.311, 0.313은 제1지지부재(3a, 3b)의 탄성율이 제2지지부재(4)의 탄성율보다 작을 경우(제1<제2)의 전하감도이다. 이 결과에 의해, 전하감도에 지배적인 영향을 주는 것은 제1지지부재(3a, 3b)의 탄성율과 제2지지부재(4)의 탄성율의 대소관계이며, 제1지지부재(3a, 3b)의 탄성율을 제2지지부재(4)의 탄성율보다 작게 함으로써 가속도의 검출감도가 향상되는 것을 확인할 수 있었다.
도 34는, 도 7에 나타내는 제1지지부재(3a, 3b)가 제2지지부재(4)보다 자유단를 향해서 연장되어 있는 구조의 가속도 센서에 충격을 주었을 때에, 진동소자(2)의 표면에 발생하는 전하의 분포를 나타내는 시뮬레이션 결과이다.
도 34에 있어서 좌측의 파선보다 좌측이 제1지지부재(3a, 3b) 및 제2지지부재(4)에 의해 끼워 지지된 영역이고, 좌측과 우측의 파선 사이가 제1지지부재(3a, 3b)에 의해서만 끼워 지지된 영역이며, 우측의 파선보다 우측이 자유진동영역(92)으로 되어 있다.
또한, 이 시뮬레이션에 있어서는, 도 33의 경우와 마찬가지로, 제1지지부재(3a, 3b)의 탄성율은 4㎬, 제2지지부재(4)의 탄성율은 500㎬로 되어 있다.
도 33과의 비교에서 명확한 바와 같이, 도 1~도 6에 나타낸 구조의 가속도 센서보다 전하가 발생하는 영역이 더욱 증대되어 있는 것을 알 수 있다. 즉, 도 7에 나타낸 구조의 가속도 센서에 있어서의 진동소자(2)의 변형의 모습을 도 37에 모식적으로 나타내는 바와 같이, 동도의 L2에 나타낸 넓은 범위에 걸쳐서 진동소자(2)의 휨이 생긴 것에 의해, 전하의 발생영역이 더욱 넓어졌다고 생각된다.
또한, 도 7에 나타낸 구조의 가속도 센서에 있어서는, 제2지지부재(4)의 탄성율이 제1지지부재(3a, 3b)의 탄성율보다 크게 설정되어 있으므로, 제2지지부재(4)에는 거의 변형이 생기는 일이 없고, 「제2지지부재(4)의 변형에 의해 진동소자(2)의 변형이 억제되어서 가속도의 검출감도가 저하된다」라는 문제도 발생하지 않는다.
도 38은, 도 7에 나타내는 가속도 센서에 있어서 제1지지부재(3a, 3b)의 제2지지부재(4)에 대한 연장량(α)을 변화시켰을 때의 가속도의 검출감도의 변화를 나타내는 시뮬레이션 결과를 나타내는 그래프이다. 또 제1지지부재(3a, 3b)의 끝면으로부터 진동소자(2)의 자유단까지의 길이를 β로 나타내고 있다.
이 그래프에 있어서, 가로축은 제2지지부재(4)의 끝면으로부터 진동소자(2)의 자유단까지의 길이에 대한 제1지지부재(3a, 3b)의 연장량의 비(도 7에 있어서의 α/(α+β))를 나타내고, 세로축은 가속도의 검출감도(1G의 가속도당의 전하검출전극에 발생하는 전하량)를 나타낸다.
또한, 이 시뮬레이션에 있어서는 진동소자(2)의 길이를 3㎜, 폭을 0.5㎜, 두께를 0.3㎜, 제1지지부재(3a, 3b)의 두께를 30㎛, 제2지지부재(4)의 탄성율을 300㎬, 제2지지부재(4)에 의해서 끼워 지지된 영역의 길이를 1㎜로 해서 계산했다.
이 시뮬레이션에 의해, 도 38에 나타내는 바와 같이, 제1지지부재(3a, 3b)를 제2지지부재(4)에 대하여 자유단측으로 연장시킴으로써 가속도의 검출감도를 높일 수 있는 것을 확인할 수 있었다.
특히, 제1지지부재(3a, 3b)가 10㎬일 때보다, 1㎬의 쪽이 가속도의 검출감도가 높은 것을 알 수 있다. 또, 도 38에 나타내는 그래프로부터 알 수 있는 바와 같이, 제1지지부재(3a, 3b)의 제2지지부재(4)에 대한 연장량을 바람직하게는 5~10%의 범위로 함으로써 가속도의 검출감도를 보다 높게 할 수 있다.
<시뮬레이션예2>
도 39는, 도 1~도 6에 나타낸 구조를 갖는 가속도 센서에 가속도를 주었을 때에 진동소자(2)의 표면에 발생하는 전하의 분포를, 유한요소법을 이용해서 시뮬레이션한 결과를 모식적으로 나타내는 도면이다. 발생하는 전하의 밀도가 높은 영역일수록 세밀한 해칭으로 표시하고 있다.
이 시뮬레이션에 있어서는 진동소자(2)의 길이를 3㎜, 폭을 0.5㎜, 두께를 0.3㎜, 제1지지부재(3a, 3b)에 의해 끼워 지지된 지지영역(91)의 길이를 1㎜, 제1지지부재(3a, 3b)에 의해 끼워 지지되어 있지 않은 자유진동영역(92)의 길이를 2㎜, 제1지지부재(3a, 3b)의 두께를 각각 30㎛로 했다. 또한, 제1지지부재(3a, 3b)의 탄성율은 4㎬, 제2지지부재(4)의 탄성율은 500㎬로 했다.
또한, 도면에 있어서, 일점쇄선보다 좌측이 지지영역(91), 일점쇄선보다 우측이 자유진동영역(92)으로 되어 있다.
도 39에 나타낸 결과로부터 알 수 있는 바와 같이, 자유진동영역(92) 뿐만 아니라, 지지영역(91) 내의 자유진동영역(92)에 근접하는 부분에 있어서도 전하가 발생되어 있는 것을 확인할 수 있었다. 이것은 지지영역(91) 내의 압전기판에도 변형이 발생되어 있는 것, 즉 지지영역(91) 내에 있어서도 진동소자(2)가 휘어져 있는 것을 나타내고 있다.
또한, 그것과는 반대로 자유진동영역(92)의 선단부나, 지지영역(91) 내의 자유진동영역(92)과 반대측의 부분에 있어서는 진동소자(2)가 휘지 않고, 따라서 압전기판에 변형이 생기지 않으므로 전하가 거의 발생되지 않는 것도 확인할 수 있었다.
도 8~도 15에 나타낸 전극구조를 갖는 가속도 센서에 있어서는, 진동소자(2)의 자유진동영역(92)으로부터 지지영역(91)의 도중에 걸쳐 압전기판(21, 22)을 개재해서 서로 대향하는 전하검출전극(C26, C27, C28, C29)이 배치되어 있다. 즉, 지지영역(91) 내의 자유진동영역(92)에 근접하는 부분에는 전하검출전극(C26, C27, C28, C29)이 배치되어 있고, 지지영역(91) 내의 자유진동영역(92)로부터 이간된 부분에는 전하검출전극(C26, C27, C28, C29)이 배치되어 있지 않다.
지지영역(91) 내의 자유진동영역(92)에 근접하는 부분에도 전하검출전극(C26, C27, C28, C29)이 배치되어 있음으로써, 자유진동영역(92)에서 발생하는 전하에 더해서, 지지영역(91) 내의 자유진동영역(92)에 근접하는 부분에서 발생하는 전하도 전하검출전극(C26, C27, C28, C29)에 받아들여지므로, 전하검출전극(C26, C27, C28, C29)에 축적되는 전하량이 증가하고, 전하검출전극(C26, C27) 사이, 및 전하검출전극(C28, C29) 사이에 발생하는 전위차도 커진다. 따라서, 가해진 가속도에 의해 발생하는 전하 및 전압이 증대되어, 가속도의 검출감도가 높은 가속도 센서를 얻을 수 있다.
또한, 지지영역(91) 내의 자유진동영역(92)으로부터 이간된 부분에 전하검출전극(C26, C27, C28, C29)이 배치되어 있지 않음으로써, 지지영역(91)에 있어서의 자유진동영역(92)으로부터 이간된 부분에도 전하검출전극(C26, C27, C28, C29)이 배치되는 경우와 비교하면, 전하검출전극(C26, C27, C28, C29)의 면적이 감소해서 전하검출전극(C26, C27) 사이, 및 전하검출전극(C28, C29) 사이의 정전용량이 감소한다.
게다가, 지지영역(91)에 있어서의 자유진동영역(92)으로부터 이간된 부분에 전하검출전극(C26, C27, C28, C29)을 배치하지 않아도, 지지영역(91)에 있어서의 자유진동영역(92)으로부터 이간된 부분에 전하검출전극(C26, C27, C28, C29)을 배치하는 경우와 비교해서, 전하검출전극(C26, C27, C28, C29)에 축적되는 전하량은 거의 감소하지 않는다.
따라서, 전하검출전극(C26, C27) 사이, 및 전하검출전극(C28, C29) 사이에 발생하는 전위차가 증대되고, 가해진 가속도를 전압에 의해 검출할 경우의 감도(전압감도)가 높은 가속도 센서를 얻을 수 있다.
도 40은 도 8~도 15에 나타낸 전극구조를 갖는 가속도 센서에 있어서 전하검출전극(C26, C27, C28, C29)의 지지영역(91) 내로의 연장량(γ)을 변화시켰을 때의 가속도의 검출감도의 변화를 시뮬레이션한 결과를 나타내는 그래프이다.
이 그래프에 있어서, 가로축은 진동소자(2)의 자유진동영역(92)의 길이(δ)에 대한 전하검출전극(C26, C27, C28, C29)의 지지영역(91) 내로의 연장량(γ)의 비(도 10~도 15에 나타내는 γ과 δ의 비(γ/δ))를 나타내고, 세로축은 전압감도(1G의 가속도당의, 전하검출전극(C26, C28)과 전하검출전극(C27, C29) 사이에 발생하는 전압)를 나타낸다. 또한, 이 시뮬레이션에 있어서는, 진동소자(2)의 길이를 3㎜, 폭을 0.5㎜, 두께를 0.3㎜, 지지영역(91)의 길이를 1㎜, 자유진동영역(92)의 길이를 2㎜, 제1지지부재(3a, 3b)의 두께를 30㎛, 제2지지부재(4)의 탄성율을 300㎬로 해서 계산했다.
도 40에 나타내는 그래프에 의하면, 제1지지부재(3a, 3b)의 탄성율에 따라 정도는 다른지만, 전하검출전극(C26, C27, C28, C29)을 지지영역(91)의 도중까지 연장시킴으로써 전압감도를 향상시킬 수 있는 것을 확인할 수 있다.
또한, 전하검출전극(C26, C27, C28, C29)의 지지영역(91) 내로의 연장량(γ)의 최적값은, 제1지지부재(3a, 3b)의 탄성율이 작은 쪽이 커지고, 그것에 따라 최적값에 있어서의 전압감도도 커지는 경향이 보여진다. 이것은, 제1지지부재(3a, 3b)의 탄성율이 작아지면, 진동소자(2)로부터 받는 힘에 의해 제1지지부재(3a, 3b)가 변형되기 쉬워지므로, 지지영역(91) 내에 있어서의 진동소자(2)의 휨량이 커지고, 지지영역(91) 내에 있어서의 압전기판(21, 22)에 변형이 생기는 영역 즉 전하가 발생하는 영역이 확대되기 때문이라고 생각된다. 또, 자유진동영역(92)의 길이(δ)에 대한 전하검출전극(C26, C27, C28, C29)의 지지영역(91) 내로의 연장량(γ)의 비는 15~30%의 범위가 바람직하고, 이것에 의해 가속도의 검출감도를 보다 높게 할 수 있는 것을 확인할 수 있다.
또한, 본 예의 가속도 센서에 의하면, 진동소자(2)에 접촉하는 측의 제1지지부재(3a, 3b)의 탄성율이 제2지지부재(4)의 탄성율보다 작게 되어 있으므로, 가속도의 검출감도를 더욱 높일 수 있다. 즉, 제1지지부재(3a, 3b)가 제2지지부재(4)보다 작은 탄성율을 갖고 있으므로, 제1지지부재(3a, 3b)가 진동소자(2)로부터 받는 힘에 의해 변형되기 쉬워져 지지영역(91) 내에 있어서 진동소자(2)가 휘기 쉬워진다. 따라서, 지지영역(91) 내에 있어서의 압전기판(21, 22)에 변형이 생기는 영역이 커지고, 이것에 의해 발생하는 전하 및 출력전압이 증대하여, 가속도의 검출감도를 보다 높게 할 수 있는 것이다. 또, 제2지지부재(4)의 탄성율이 제1지지부재(3a, 3b)의 탄성율보다 크게 되어 있으므로 제2지지부재(4)에 변형이 생기기 어려워진다. 제2지지부재(4)를 변형시키기 어렵게 함으로써, 가속도 센서에 충격이 가해졌을 때에 제2지지부재(4)가 크게 변형되어서 충격이 흡수되고, 그것에 의해 「진동소자(2)의 변형이 작아짐으로써 생기는 가속도의 검출감도의 저하」를 억제할 수 있다.
또한, 본 발명의 가속도 센서에 의하면, 진동소자(2)는 압전기판(21, 22)이 두께방향으로 적층되어 있고, 압전기판(21, 22) 사이에 압전기판(21, 22)을 통해서 양 주면의 전하검출전극(C26, C29)에 대향하도록 전하검출전극(C27, C28)이 더 배치되어 있다. 이것에 의해, 가해진 가속도에 의해 각각의 압전기판(21, 22)의 양 주면에 배치된 전하검출전극(C26, C27, C28, C29)에 전하가 발생하고, 전하검출전극(C28, C29)이 없을 경우와 비교해서 진동소자(2) 전체에 발생하는 전하량이 증가하므로 전하감도를 높일 수 있다.
또한, 본 발명의 가속도 센서에 의하면, 압전기판(21, 22)의 각각에 있어서, 한쪽의 주면에 전하검출전극(C26, C28)으로부터 한쪽의 측면으로 인출된 제1인출전극(E26, E28)이 배치되고, 다른 쪽의 주면에 전하검출전극(C27, C29)으로부터 다른 쪽의 측면으로 인출된 제2인출전극(E27, E29)이 배치되어 있다. 이것에 의해, 압전기판(21, 22)을 두께방향으로 적층하고, 그 층 사이에 전하검출전극(C27, C28)을 배치한 구조에 있어서도, 모든 전하검출전극(C26, C27, C28, C29)을 인출하여, 전극(E26, E27, E28, E29)을 통해서 진동소자(2)의 양 측면에 있어서 도전성 접착제(6a, 6b)와 접속할 수 있고, 또 리드전극(1a, 1b)을 통해서 모든 전하검출전극(C26, C27, C28, C29)을 가속도 센서의 외부와 전기적으로 접속할 수 있다. 이것에 의해, 층 사이에 위치하는 전하검출전극(C27, C28)을 외부와 전기적으로 접속하기 위한 비어 홀 등을 진동소자(2)에 형성할 필요가 없어지므로, 단순한 구조를 가져 제조공정도 간략화할 수 있는 가속도 센서를 얻을 수 있다. 또한, 진동소자(2)의 양 측면에 있어서 인출전극(E26, E27, E28, E29)과 도전성 접착제(6a, 6b)를 접속할 수 있게 됨으로써, 인출전극(E26, E27, E28, E29)을 진동소자(2)의 끝면에 인출해서 노출시키고, 진동소자(2)의 끝면에 있어서 도전성 접착제(6a, 6b)와 접속하는 경우와 비교하면, 도전성 접착제(6a, 6b)끼리의 간격을 크게 할 수 있다. 이것에 의해, 경화 전의 도전성 접착제(6a, 6b)의 유동에 의해 제1인출전극(E26, E28)과 제2인출전극(E27, E29) 사이에 전기적 단락이 생길 가능성을 저감할 수 있다.
또한, 본 발명은 상술한 실시형태에 한정되는 것이 아니라, 본 발명의 요지를 일탈하지 않는 범위에 있어서 여러 가지 변경, 개량이 가능하다.
예를 들면, 상술한 실시형태의 예에 있어서는, 2장의 압전기판을 붙인 바이모르프형 진동소자를 사용했지만, 더욱 다수의 압전기판을 적층해도 상관없고, 반대로 모노모르프형이나 유니모르프형 진동소자로 해도 상관없다. 모노모르프형으로 할 경우는, 압전기판을 두께방향으로 분극 반전시키면 좋고, 유니모르프형으로 할 경우는 압전기판의 한쪽의 주면에 금속 등으로 이루어지는 진동판을 피착하면 좋다.
상술한 실시형태의 예에 있어서는 도 9에 나타내는 바와 같이, 2장의 압전기판(21, 22)을 적층한 적층체에 있어서, 서로 다른 전위에 접속되는 2개의 전하검출전극(C27, C28)이 압전기판(21, 22) 사이에 배치되는 구성으로 했지만, 도 41에 나타내는 바와 같이, 2장의 압전기판의 층 사이에 전하검출전극(C30)이 배치되는 구성으로 해도 상관없다. 이 경우는, 압전기판(21, 22)의 외측 주면에 배치한 전하검출전극(C26, C29)을 동 전위에 접속하고, 2장의 압전기판(21, 22)의 분극의 방향을 동일하게 하면 된다.
또한, 상술한 실시형태의 예에 있어서는 진동소자(2)의 양 주면을 제1지지부재(3a, 3b)로 끼워 지지하는 구조로 했지만, 진동소자(2)의 한쪽의 주면만을 지지부재에 접착제 등을 사용해서 고정하여 진동소자(2)를 지지하도록 해도 상관없다.
또한, 상술한 실시형태의 예에 있어서는 제1지지부재(3a, 3b)를 3a와 3b의 2개로 나누어서 형성했지만, 진동소자(2)의 상하면 및 측면을 둘러싸도록 일체적으로 형성해도 상관없다.
또한, 상술한 실시형태의 예에 있어서는 제1지지부재(3a, 3b)와 제2지지부재(4)의 재질이 다른 2개 부재에 의해 지지부재를 구성했지만, 경우에 따라서는 단일의 재질에 의해 지지부재를 구성해도 상관없다. 단, 제1지지부재(3a, 3b)의 탄성율을 제2지지부재(4)의 탄성율보다 작게 할 경우와 비교하면, 가속도의 검출감도는 어느 정도 낮아진다고 생각된다.
<자기 디스크 장치>
도 42는, 자기 디스크 장치의 내부구조를 나타내는 사시도이다.
자기 디스크 장치(이하, HDD라고 칭함)는, 상면이 개구된 직사각형 상자형상의 케이스(40)를 갖고 있다.
케이스(40) 내에는 자기기록매체로서의 복수의 자기 디스크(41), 이들 자기 디스크(41)를 지지해서 회전시키는 스핀들 모터(43), 자기 디스크(41)에 대하여 정보의 기록/재생을 행하는 자기 헤드(42), 자기 헤드(42)를 지지해서 그 위치결정을 행하는 헤드 액츄에이터(45), 회로기판(44) 등이 수납되어 있다. 회로기판(44)에는, HDD에 인가된 가속도를 검출하기 위한 본 발명의 가속도 센서(S)가 실장되어 있다.
또한 회로기판(44)에는 도 43에 나타내는 바와 같이, 가속도 센서(S)로부터의 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하는 A/D 변환회로(46)와, A/D 변환회로(46)로부터의 신호에 기초해서 자기 헤드(42)를 퇴피시키는 판단을 행하는 제어회로(47)가 구비되어 있다.
가속도 센서(S)는 HDD에 인가되는 가속도를 항상 감시하고, 그 가속도 데이터를 A/D 변환회로(46)에서 디지털값으로 변환하여, 제어회로(47)에 공급하고 있다. 제어회로(47)는 가속도 데이터를 미리 설정된 한계값과 비교해서, 한계값을 넘었다고 판단했을 때, 헤드 액츄에이터(45)에 퇴피신호를 보내 자기 헤드(42)를 퇴피시킨다. 이것에 의해, 데이터의 기록 중에, HDD에 강한 가속도가 가해졌을 때에 자기 헤드(42)를 퇴피시킬 수 있게 되어 HDD의 고장을 미연에 막을 수 있다.
본 발명은, 소형이고 가속도의 검출감도 및 신뢰성이 높은 가속도 센서 및 그것을 이용한 자기 디스크 장치를 제공할 수 있다.

Claims (14)

  1. 직육면체형상의 압전기판의 양 주면에 서로 대향하는 전하검출전극이 배치된 진동소자와, 상기 진동소자를 지지하는 제1지지부재를 구비하고,
    상기 진동소자는 상기 제1지지부재에 접촉해서 지지되어 있는 지지영역과, 길이방향의 길이가 상기 지지영역보다 길고, 상기 제1지지부재에 지지되어 있지 않은 자유진동영역을 포함하고,
    상기 제1지지부재는 탄성체로 이루어지는 것임을 특징으로 하는 가속도 센서.
  2. 제1항에 있어서, 상기 진동소자의 굴곡점은 상기 지지영역 내에 위치하고 있는 것을 특징으로 하는 가속도 센서.
  3. 제1항에 있어서, 상기 제1지지부재의 탄성율은 10㎫~10㎬인 것을 특징으로 하는 가속도 센서.
  4. 제1항에 있어서, 상기 제1지지부재를 상기 압전기판의 양 주면에 수직인 방향으로부터 지지하는 제2지지부재를 더 구비하고,
    상기 제1지지부재의 탄성율이 상기 제2지지부재의 탄성율보다 작은 것을 특징으로 하는 가속도 센서.
  5. 제4항에 있어서, 상기 제1지지부재의 탄성율은 10㎫~10㎬이며, 상기 제2지지부재의 탄성율은 10㎬~500㎬인 것을 특징으로 하는 가속도 센서.
  6. 제1항에 있어서, 상기 제1지지부재를 상기 압전기판의 양 주면에 수직인 방향으로부터 지지하는 제2지지부재를 더 구비하고,
    상기 제1지지부재가 상기 제2지지부재보다 상기 진동소자의 진폭 최대영역을 향해 연장되어 있는 것을 특징으로 하는 가속도 센서.
  7. 제6항에 있어서, 상기 진동소자의 길이방향에 있어서, 상기 제1지지부재가 상기 제2지지부재보다 연장되어 있는 길이를 α, 상기 자유진동영역의 길이를 β로 했을 때에 0.05≤α/(α+β)≤0.1인 것을 특징으로 하는 가속도 센서.
  8. 제1항에 있어서, 전기 전하검출전극은 상기 진동소자의 양 주면의, 상기 자유진동영역 및 지지영역 내의 자유진동영역에 근접하는 부분에 배치되어 있는 것을 특징으로하는 가속도 센서.
  9. 제8항에 있어서, 상기 진동소자의 길이방향에 있어서, 상기 지지영역 중에서 상기 전하검출전극이 배치되어 있는 부분의 길이를 γ, 상기 자유진동영역의 길이를 δ로 했을 때에, 0.15≤γ/δ≤0.3인 것을 특징으로 하는 가속도 센서.
  10. 제1항에 있어서, 상기 진동소자의 상기 압전기판은 복수 두께방향으로 적층되어 있고, 상기 압전기판 사이에 상기 압전기판을 통해서 상기 전하검출전극에 대향하도록 전하검출전극이 더 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 가속도 센서.
  11. 제1항에 있어서, 복수의 상기 압전기판의 각각에 있어서, 한쪽의 주면에 상기 전하검출전극으로부터 한쪽의 측면으로 인출된 제1인출전극이 배치되고, 다른 쪽의 주면에 상기 전하검출전극으로부터 다른 쪽의 측면으로 인출된 제2인출전극이 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 가속도 센서.
  12. 제1항에 기재된 가속도 센서를, 자기 디스크 장치에 인가된 가속도를 검출하기 위해 탑재하고 있는 것을 특징으로 하는 자기 디스크 장치.
  13. 제12항에 있어서, 자기 디스크와, 상기 자기 디스크에 대하여 데이터의 기록 및 판독을 행하는 자기 헤드와, 상기 자기 헤드를 지지해서 그 위치결정을 행하는 헤드 액츄에이터를 갖는 것을 특징으로 하는 자기 디스크 장치.
  14. 제12항에 있어서, 상기 가속도 센서로부터의 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하는 A/D 변환회로와, 상기 A/D 변환회로로부터의 신호에 기초해서 상기 자기 헤드를 퇴피시키는 판단을 행하는 제어회로를 구비한 것을 특징으로 하는 자기 디 스크 장치.
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