(57)【要約】  機械的駆動源を有する電子機器の振動を計測または検知するために必要な、高信頼性を有する加速度センサを提供する。圧電体を含む振動子と、該振動子の屈曲振動により発生する該圧電体の出力電荷を増幅する回路基板と、該振動子及び該回路基板を収納する、良導性材料からなるセンサ筐体とを含む圧電型加速度センサである。該回路基板は、該回路基板と該振動子とを機械的且つ電気的に接続する、該回路基板の一辺から突出するように形成された１つ又は２つの延在領域を含む。該センサ筐体は、該振動子を支持する支持台を含み、該支持台には凹部が形成されている。そして該凹部を該回路基板の該延在領域が覆うように構成され、該凹部と該延在領域とから形成される空間に充填した絶縁性接着剤により該振動子を固定支持している。（図１）
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧電体を含む振動子と、該振動子の屈曲振動により発生する該圧電体の出力電荷を増幅する回路基板と、該振動子及び該回路基板を収納する、良導性材料からなるセンサ筐体とを含む圧電型加速度センサであって、
該回路基板は、該回路基板と該振動子とを機械的且つ電気的に接続する、該回路基板の一辺から突出するように形成された１つ又は２つの延在領域を含み、
該センサ筐体は、該振動子を支持する支持台を含み、
該支持台は凹部を含み、該凹部を該回路基板の該延在領域が覆うように構成され、
該凹部と該延在領域とから形成される空間に充填した絶縁性接着剤により該振動子を固定支持したことを特徴とする、加速度センサ。
【請求項２】
前記センサ筐体は、前記回路基板を位置決めする段差状のガイド部をさらに含む、請求項１に記載の加速度センサ。
【請求項３】
前記延在領域の、前記空間に充填した前記絶縁性接着剤と該延在領域との接触部に１つ又は２つ以上の貫通孔を有する、請求項１又は２に記載の加速度センサ。
【請求項４】
前記延在領域の、前記空間に充填した前記絶縁性接着剤と該延在領域との接触部に１つ又は２つ以上の窪みを有する、請求項１又は２に記載の加速度センサ。
【請求項５】
前記延在領域の根元部分に切り欠き部を形成した、請求項１〜４のいずれか一に記載の加速度センサ。
【請求項６】
前記振動子は、前記圧電体と金属支持板との積層構造であることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか一に記載の加速度センサ。
【請求項７】
前記振動子の前記金属支持板の表面の平均中心粗さと、前記凹部の底面の平均中心粗さのいずれか大きい方の値の３倍以上の前記凹部の深さを有する、請求項６に記載の加速度センサ。
【請求項８】
前記ガイド部の前記センサ筐体の底面からの高さは前記支持台の前記センサ筐体の底面からの高さと同じである、請求項２〜７のいずれか一に記載の加速度センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
（関連出願についての記載）
本発明は、日本国特許出願：特願２０１１−１１７５６７号（２０１１年５月２６日出願）の優先権主張に基づくものであり、同出願の全記載内容は引用をもって本書に組み込み記載されているものとする。
本発明は機械的駆動源を有する電子機器の振動を計測または検知するための加速度センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、情報電子機器の普及が進みＨＤＤなどの情報保存装置に保存される情報量とその情報価値が増加している。一般に情報保存装置として容量のコストパフォーマンスが高いＨＤＤが用いられる。【０００３】
しかし、ＨＤＤは機械的動作部品で構成されるため、その機械的故障に伴う情報の紛失が問題となる。そこで、機械的動作部品が動作時に発生する振動を計測し、故障予兆に特徴的な振動を検出することで、ＨＤＤの故障到達前にＨＤＤに保存されている情報の保護を行う。ここで、振動の検出には一般に加速度センサが使用される。【０００４】
このような情報保護を目的としたシステムに使用される加速度センサにおいて、電子機器内部などの電気的ノイズの多い環境下での使用に耐え、且つ、計測対象となる装置仕様以上の衝撃耐性を備えた長寿命且つ高信頼な加速度センサが必要とされる。【０００５】
従来、加速度センサとしては、圧電セラミック等の圧電体を用いたものが知られており、圧電体の機械−電気変換特性を利用する。圧電型の加速度センサは、外部からの機械的振動を受けて生じた圧電体の歪みをその圧電効果により電圧に変換し出力する。圧電型加速度センサには、圧電セラミック板と金属支持板との積層構造からなる振動子が屈曲振動することで電荷を発生させる方式がある。【０００６】
この屈曲方式の圧電型加速度センサは振動子の支持方法により、片持ち梁型と両持ち梁型の構造に分かれるが、共に振動子の端部を支持台となるセンサ筐体に接着剤などにより固定することで実現する。【０００７】
また、センサ筐体には収納された電子回路の電気的なシールド効果や振動子への振動伝搬効率を向上させるために金属材料が広く用いられる（特許文献１）。【０００８】
しかし金属性のセンサ筐体と振動子が直接電気的に接続されていると、外部からセンサ筐体を介して振動子に伝達した電荷が、本来、振動子の出力電荷を増幅する増幅回路に混入することでセンサ出力信号に外部混入電荷に起因した電気的ノイズが重畳する問題がある。この問題を解決できる構造として、振動子とセンサ筐体支持部の間に絶縁層を設けた構造がある（特許文献２）。【０００９】
また、回路基板上に振動子を形成した構造もセンサ筐体と振動子を電気的に絶縁可能である（特許文献３）。さらに、振動子に中空円形ダイアフラム構造を有し中空部を絶縁性の環状突起で支持することで金属筐体から絶縁する構造がある（特許文献４）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開２００８−１３４１６７号公報
【特許文献２】特開２００７−３３３３９７号公報
【特許文献３】特開２００４−０７７２５５号公報
【特許文献４】特開平０５−１５７７６２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
上記特許文献１〜４の全開示内容はその引用をもって本書に繰込み記載する。以下の分析は、本発明によって与えられたものである。
従来の加速度センサにおいて以下に示す問題がある。第１に、形成された接着層の厚みが薄いとセンサ筐体に形成された支持部表面および振動子の接着面の凹凸が部分的に接触し導電性を有し、絶縁性を確保できなくなる問題がある。さらに、接着層の厚みばらつきにより振動子の振動特性がばらつく問題がある。【００１２】
第２に、一般に基板と振動子の接着に導電性接着剤が使用されるが振動子の屈曲振動により支持部に繰り返し発生する応力や外部から印加される衝撃加速度により接合部が剥離し長寿命化が難しいという問題がある。【００１３】
第３に、絶縁性の環状突起で中空円形ダイアフラム振動子を支持する構造において振動振幅の大きい外周部にセンサ出力用の電極が設けられているため半田量のばらつきや半田位置のばらつきにより振動子の振動特性が変化し個体差が大きくなる問題がある。【００１４】
したがって、振動子と支持台との間に設けられた絶縁層の厚さを容易に制御可能で、且つ、電気信号を取り出すための回路基板と振動子の接合部及び支持台との接着強度が増加する支持部構造を有し、外部から混入する電気的ノイズ耐性、機械的衝撃耐性が高い安定したセンサ特性と長寿命を実現する高信頼性加速度センサが期待されている。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本発明の第１の視点において、本発明に係る加速度センサは、圧電体を含む振動子と、該振動子の屈曲振動により発生する該圧電体の出力電荷を増幅する回路基板と、該振動子及び該回路基板を収納する、良導性材料からなるセンサ筐体とを含む圧電型加速度センサである。該回路基板は、該回路基板と該振動子とを機械的且つ電気的に接続する、該回路基板の一辺から突出するように形成された１つ又は２つの延在領域を含む。該センサ筐体は、該振動子を支持する支持台を含み、該支持台には凹部が形成されている。そして該凹部を該回路基板の該延在領域が覆うように構成され、該凹部と該延在領域とから形成される空間に充填した絶縁性接着剤により該振動子を固定支持している。
【発明の効果】
【００１６】
このような構成により、機械的駆動源を有する電子機器の振動を計測または検知するために必要な高信頼性を有する加速度センサを実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の実施例１に係る加速度センサの平面図および断面図である。
【図２】図１に係る加速度センサから回路基板と振動子を除いたセンサ筐体の平面図である。
【図３】本発明の実施例２に係る加速度センサの平面図および断面図である。
【図４】本発明の実施例３に係る加速度センサの平面図および断面図である。
【図５】本発明の実施例４に係る加速度センサの平面図および断面図である。
【図６】絶縁性接着剤の厚みを、振動子の金属支持板の表面と凹部の底面の平均中心粗さのうち大きい方の値で規格化した際の、規格化した厚みを変化させたときのインピーダンス変化を示す図である。
【図７】本発明の実施例５に係るＨＤＤ振動計測システム構成を示す斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
第１の視点において、前記センサ筐体は、前記回路基板を位置決めする段差状のガイド部をさらに含むことが好ましい。
【００１９】
また、前記延在領域の、前記空間に充填した前記絶縁性接着剤と該延在領域との接触部に１つ又は２つ以上の貫通孔を有することが好ましい。
【００２０】
また、前記延在領域の、前記空間に充填した前記絶縁性接着剤と該延在領域との接触部に１つ又は２つ以上の窪みを有することが好ましい。
【００２１】
また、前記延在領域の根元部分に切り欠き部を形成することが好ましい。
【００２２】
また、前記振動子は、前記圧電体と金属支持板との積層構造であることが好ましい。
【００２３】
また、前記振動子の前記金属支持板の表面の平均中心粗さと、前記凹部の底面の平均中心粗さのいずれか大きい方の値の３倍以上の前記凹部の深さを有することが好ましい。
【００２４】
また、前記ガイド部の前記センサ筐体の底面からの高さは前記支持台の前記センサ筐体の底面からの高さと同じであることが好ましい。
【００２５】
このような構成により、振動子と支持台に介在する絶縁性接着層によりセンサ筐体との絶縁性を確保でき、また、回路基板を設置する支持台表面と凹部底面のギャップ（間隔）により絶縁層を一定の厚みに制御できるため、外部から混入する電気的ノイズ耐性が高く、センサ特性のばらつきが小さい安定性の高いセンサ特性を有した加速度センサを実現できる。
【００２６】
さらに支持台に形成された凹部の開口部と振動子との間隙を通して絶縁性接着剤が振動子の端部と回路基板を一体に接合でき、且つ、凹部に絶縁性接着剤が充填することで凹部の底面と壁面の２面で形成される接着表面積が凹部を持たない平面と比較し広がるため振動子と支持台との接着強度も増加する。従って、外部から印加される衝撃加速度に伴う振動子と回路基板及び支持台との剥離を防止でき、高い機械的衝撃耐性の実現による高寿命な加速度センサを実現できる。
【実施例】
【００２７】
以下に本発明の実施例について図面を参照して説明する。尚、以下に説明する各実施例の構成において、同一の構造については同一の符号を付して示し、重複する説明は省略する。図面参照符号は発明の理解のために付記しているものであり、図示の態様に限定することを意図するものではない。【００２８】
（第１の実施例）
第１の実施例は、良導性材料を用いたセンサ筐体１１と、圧電体１０１と金属支持板１０２との積層構造を有する振動子１００と、振動子１００の屈曲振動により発生する圧電体１０１の出力電荷を増幅する回路基板１０と、を含む加速度センサである。図１（Ａ）はその全体平面図、図１（Ｂ）は図１（Ａ）のＢ−Ｂ’断面図、図（Ｃ）は図１（Ａ）のＣ−Ｃ’断面図である（各図において同様）。図２は、回路基板１０と振動子１００を除いたセンサ筐体の平面図である。【００２９】
図１（Ａ）の平面図に示すように、回路基板１０には、回路基板１０と振動子１００の支持部を機械的且つ電気的に接続する、回路基板１０の一辺（図１（Ａ）では右側の辺）の両端部からそれぞれ突出するように形成された２つの延在領域１２を有する。なお、本実施例では２つであるが、片側の１つでもよい。この延在領域１２が後述の凹部１５を覆うように構成される。回路基板１０には電子部品１７が配されている。【００３０】
センサ筐体１１には、回路基板１０を位置決めして実装するガイド部１３と、振動子１００を支持固定する支持台１４とを有する。図１（Ｂ）、（Ｃ）に示すように、ガイド部１３は、センサ筐体１１の内側に設けた段差状の部分となっている。この段差部に回路基板１０を配置することにより位置決めが可能となる。回路基板１０はこのガイド部１３と支持台１４の上に配置される。したがってガイド部１３と支持台１４はセンサ筐体１１の底面からの高さが同じであることが好ましい。【００３１】
図１（Ｂ）、（Ｃ）に示すように、支持台１４には、振動子１００と支持台１４との周囲に絶縁性接着剤を充填するための所定の空間を形成する凹部１５を有し、回路基板１０に形成された延在領域１２と支持台１４の凹部１５（及び振動子１００）とから囲まれ形成される空間に絶縁性接着剤１６を充填した構造を有する。本実施例では空間に絶縁性接着剤１６を充填したが、絶縁性で固定可能なものであれば他の固定材料を用いても良い。【００３２】
センサ筐体１１の外形は長さ８．５ｍｍ、幅８．５ｍｍ、高さ３ｍｍとした。回路基板を実装するため図示位置に設けたガイド部１３は幅０．５ｍｍ、高さ１ｍｍとした。振動子を実装するため図示位置に設けた支持台１４は幅２ｍｍ、長さ１ｍｍ、高さ１ｍｍとし、支持台に幅１．８ｍｍ、長さ０．８ｍｍ、深さ１０５μｍの凹部１５を形成した。回路基板１０の外形は長さ７．５ｍｍ、幅７．５ｍｍとし、振動子を実装するため、回路基板の一辺に長さ２ｍｍ、幅１ｍｍの延在領域１２を図示位置に２箇所設けた。振動子の金属支持板１０２の外形は幅１．５ｍｍ、長さ６．５ｍｍ、厚み１００ｕｍとした。【００３３】
表１に、外部からセンサ筐体に印加する電荷量を、加速度センサの信号出力に外部印加電荷による電気的ノイズが重畳しない電荷量で規格化した規格化電荷量における電気的ノイズ耐性の、本発明の実施例１と、振動子とセンサ筐体とを電気的に接続した従来型の加速度センサとの比較を示す。【００３４】
【表１】
2012161310.tif 000003
○：S/N悪化率0％以上〜5％未満、△：5％以上〜30％未満、×：30％以上
【００３５】
表２に外部から印加する衝撃加速度を、従来のセンサにおいて振動子とセンサ筐体との剥離を生じた加速度で規格化した規格化衝撃加速度における、本発明の実施例１及び従来型センサの機械的衝撃耐性を示す。【００３６】
【表２】
2012161310.tif 000004
○：破壊発生率0％以上〜5％未満、△：5％以上〜30%未満、×：30%以上
【００３７】
表１、表２から明らかなように、本実施例１の加速度センサは高い電気的ノイズ耐性と機械的衝撃耐性を示した。【００３８】
（第２の実施例）
第２の実施例は、図３（Ａ）、（Ｂ）に示すように第１の実施例の構造に加え回路基板１０に形成された延在領域１２の図示位置に直径０．１ｍｍの貫通孔２０を形成した。本実施例では各延在領域に２つずつ形成したが、この個数に限定するわけではない。これにより、絶縁性接着剤１６が該貫通孔２０にも充填され、該回路基板１０の接着表面積が増加することで接着強度が増加する。【００３９】
表３に外部から印加する衝撃加速度を、第１の実施例のセンサにおいて振動子とセンサ筐体との剥離を生じた加速度で規格化した規格化衝撃加速度における本発明の実施例２の機械的衝撃耐性を示す。【００４０】
【表３】
2012161310.tif 000005
○：破壊発生率0％以上〜5％未満、△：5％以上〜30％未満、×：30％以上
【００４１】
表３から明らかなように、本実施例２の加速度センサは高い機械的衝撃耐性を示した。
尚、延在領域に形成した貫通穴の代わりに窪みを形成してもよい（図示せず）。該延在領域の接着表面積の増加による同様の効果を実現できる。【００４２】
（第３の実施例）
第３の実施例は、図４（Ａ）、（Ｂ）に示すように第１の実施例の構造に加え回路基板１０に形成された延在領域１２の図示位置に切り欠き部３０を形成した。該切り欠き部３０が形成された該延在領域１２の根元の剛性が局所的に低下することで、信号ケーブルから伝播した振動や信号ケーブルの撓みに伴い発生する応力による回路基板１０の変形を吸収することができる。これにより外部から混入する振動などの機械的ノイズ耐性が向上する。【００４３】
表４に信号ケーブルから伝播する振動加速度を、第１の実施例の加速度センサにおいてセンサ出力に機械的ノイズが重畳したときのセンサケーブルから伝播した振動加速度で規格化した規格化加速度における本発明の実施例３の機械的ノイズ耐性を示す。表４から明らかなように、本実施例４の加速度センサは高い機械的ノイズ耐性を示した。【００４４】
【表４】
2012161310.tif 000006
○：S/N悪化率0％以上〜5％未満、△：5％以上〜30％未満、×：30％以上
【００４５】
（第４の実施例）
第４の実施例は、図５（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）に示すように、第１の実施例の構造において、振動子１００の金属支持板１０２の表面の平均中心粗さXと、凹部１５の底面の平均中心粗さYのうちの大きい方の値を採用し、その採用値の３倍以上の厚みを絶縁性接着剤１６の厚みとするような凹部１５の深さを有する。図５（Ｃ）は、図５（Ｂ）に点線で示した拡大部の詳細模式図である。【００４６】
図６に該絶縁性接着剤の厚みを該振動子の該金属支持板の表面と該凹部の底面の平均中心粗さにおいて大きい方の値で規格化した際の規格化厚みを変化させたときのインピーダンス変化を示す。図６に明らかなように規格化厚みが３以上のとなるとインピーダンスが急増し良好な絶縁性を確保できることを示す。このような構成により電気的ノイズ耐性が向上する。なお、平均中心粗さはＪＩＳ  Ｂ  ０６０１−１９８２により規定されるものとする。【００４７】
（第５の実施例）
第５の実施例は、図７に示すようにＨＤＤの故障予兆を検知する第１の実施例の加速度センサ１を対象ＨＤＤ６０に搭載し、実使用環境下で該ＨＤＤ６０が機械的故障に至るまで振動応答を信号処理基板６１により計測した。【００４８】
表５に計測対象であるＨＤＤが故障に至るより先に電気的及び機械的不具合を発生した加速度センサの発生率を示す。試験数として１００台のサンプルを用意した。比較として従来構造の加速度センサを同数評価した。【００４９】
【表５】
2012161310.tif 000007
【００５０】
表５に明らかなように本実施例の加速度センサの不具合発生率は１％であり、従来の加速度センサの不具合発生率１０％より低く、高い信頼性を確保できることがわかる。【００５１】
以上、本発明を上記実施形態に即して説明したが、本発明の全開示（請求の範囲及び図面を含む）の枠内において、さらにその基本的技術思想に基づいて、実施例ないし実施例の変更・調整が可能である。また、本発明の請求の範囲の枠内において種々の開示要素（各請求項の各要素、各実施形態の各要素、各図面の各要素等を含む）の多様な組み合わせないし選択が可能である。すなわち、本発明は、請求の範囲及び図面を含む全開示、技術的思想にしたがって当業者であればなし得るであろう各種変形、修正を含むことは勿論である。
【符号の説明】
【００５２】
１  加速度センサ
１０  回路基板
１１  センサ筐体
１２  延在領域
１３  ガイド部
１４  支持台
１５  凹部
１６  絶縁性接着剤
１７  電子部品
２０  貫通孔
３０  切り欠き部
６０  ＨＤＤ
６１  信号処理基板
１００  振動子
１０１  圧電体
１０２  金属支持板
【図１】
2012161310.tif 000008
【図２】
2012161310.tif 000009
【図３】
2012161310.tif 000010
【図４】
2012161310.tif 000011
【図５】
2012161310.tif 000012
【図６】
2012161310.tif 000013
【図７】
2012161310.tif 000014
【国際調査報告】
2012161310.tif 000015
2012161310.tif 000016
2012161310.tif 000017
2012161310.tif 000018