(57)【要約】【課題】加速度センサの全体構造を大型化することなく電圧感度を向上させることができ、且つ生産性に優れた加速度センサを提供する。【解決手段】両主面に電極８が形成された短冊状の圧電基板１を含む振動検出素子１０を有し、振動検出素子１０の長手方向一端側を固定端とし、長手方向他端側を自由端とした加速度センサにおいて、圧電基板１の少なくとも一方主面における他端に沿った領域には、電極８を形成しないようにする。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
両主面に電極が形成された短冊状の圧電基板を含む振動検出素子を有し、該振動検出素子の長手方向一端側を固定端とし、長手方向他端側を自由端とした加速度センサであって、
前記圧電基板の少なくとも一方主面における前記他端に沿った領域には、前記電極が形成されてないことを特徴とする加速度センサ。
【請求項２】
前記圧電基板の一方主面における一対の長辺に沿った領域には前記電極が形成されておらず、且つ前記圧電基板の他方主面には、その全体にわたって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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、加速度や振動を検知するために使用される加速度センサに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
パーソナルコンピュータのハードディスクドライブ等に加わる外部からの衝撃や振動による応力を感知するために加速度センサが使用されている。加速度センサはその用途に応じて種々の構造が提案されており、例えば、特許文献１に示されるような片持ち梁構造のものが従来から知られている。
【０００３】
かかる片持ち梁構造を有する加速度センサは、一対の圧電基板を対面接合して一体化したバイモルフ型の振動検出素子を備え、この振動検出素子の一端部を固定端とし、他端部を自由端とした構造をなしている。前記振動検出素子は圧電セラミック材料からなる圧電基板両主面の全面にわたって電極を被着させ、かかる圧電基板同士を接着剤により張り合わせることによって形成されている。
【０００４】
このような加速度センサに、外部から衝撃等によって生じる加速度が作用すると、加速度に応じた力が振動検出素子に印加される。そして、この力により振動検出素子が固定端を軸にして撓んだ状態となり、この撓みに起因して、振動検出素子を構成する圧電基板に圧電効果による電荷が発生する。この電荷を圧電基板の主面に形成した電極を介して電圧に変換することによって加速度が検出されるようになっている。
【特許文献１】特開平２−２４８０８６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで電圧感度型の加速度センサにおいて、出力される電圧感度Ｖは、
Ｖ＝ｄｍα／Ｃ
と表される。ここで、ｍ：振動検出素子の質量、α：加速度、Ｃ：圧電基板間の容量、ｄ：圧電定数である。上記の式により、加速度センサの電圧感度Ｖを向上させるには、振動検出素子の質量ｍを増加させればよい。ゆえに、従来の加速度センサでは、電圧感度Ｖを向上させるために、振動検出素子を構成する圧電基板のサイズを大きくすることで加速度センサの電圧感度向上を図っていた。しかしながら、圧電基板のサイズを大きくすると加速度センサの全体構造を大型化せざるを得ず、加速度センサの小型化に適さないという欠点がある。また、圧電基板のサイズを大きくすることによって、圧電基板全面に形成されている電極の面積も大きくなるため電極同士の対向面積が増加し、これに伴って圧電基板間に発生する容量Ｃが増加してしまい、電圧感度を効果的に上げることができないという欠点も有していた。
【０００６】
さらに、従来の加速度センサは、電圧感度を最適化するために、その都度、圧電基板のサイズを変更する必要があり、電圧感度の調整作業が非常に煩雑化してしまい、加速度センサの生産性低下を招くという欠点も有していた。
【０００７】
本発明は上記欠点に鑑み案出されたものであり、その目的は、加速度センサの全体構造を大型化することなく電圧感度を向上させることができ、且つ生産性に優れた加速度センサを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の加速度センサは、両主面に電極が形成された短冊状の圧電基板を含む振動検出素子を有し、該振動検出素子の長手方向一端側を固定端とし、長手方向他端側を自由端とした加速度センサであって、前記圧電基板の少なくとも一方主面における前記他端に沿った領域には、前記電極が形成されてないことを特徴とするものである。
【０００９】
また本発明の加速度センサは、前記圧電基板の一方主面における一対の長辺に沿った領域には前記電極が形成されておらず、且つ前記圧電基板の他方主面には、その全体にわたって電極が形成されていることを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１０】
本発明の加速度センサは、圧電基板の少なくとも一方主面において、固定端となっている一端側から自由端となっている他端側にかけて電極を形成し、少なくとも他端に沿った領域に電極を形成しないことによって、振動検出素子のサイズを変えることなく速度センサの電圧感度を向上させることが可能となる。これは、振動検出素子に加速度が印加された際、加速度センサの固定端側で撓みが大きく、自由端側にいくほど撓みが小さくなることに起因するものである。すなわち、加速度による応力に対する電荷発生量が比較的大きい固定端側に電極を設け、加速度による応力に対する電荷発生量が比較的小さい自由端側に電極を設けないようにすることで効率的に電荷を得ることができるようになり、圧電基板全面に電極を形成した同サイズの振動検出素子に比し、電圧感度を大幅に向上させることができる。
【００１１】
さらに本発明の加速度センサは、電極の対向面積を変化させるだけで電圧感度の調整を行うことができため、電圧感度の調整作業が非常に簡単化され、加速度センサの生産性向上に供することができる。
【００１２】
また、本発明の加速度センサは、圧電基板の一方主面における一対の長辺に沿う領域に設けないようにすることで、圧電基板一方主面の外周に沿った領域には電極が形成されないこととなる。一方、圧電基板の他方主面は、その全面にわたって形成されていることから、圧電基板の一方主面の電極と他方主面の電極とで電極同士が対向しない電極非対向領域が形成される。これにより、一方主面の電極に印刷ずれ等が発生した場合や、ダイシングズレによる振動検出素子幅がずれた場合でも、電極同士の対向面積が変動するのを防止することができ、加速度センサの出力感度のばらつきを抑えることが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、本発明の加速度センサを添付図面に基づいて詳細に説明する。
【００１４】
図１は本発明の一実施形態に係る加速度センサの概観斜視図、図２は図１に示す加速度センサの分解斜視図（樹脂材は省略）、図３は図１に示す加速度センサの断面図であり、同図に示す加速度センサは、大略的に振動検出素子１０と、振動検出素子１０を収納する封止用ケース５とから構成されている。
【００１５】
振動検出素子１０を収納している封止用ケース５は、一面が開口した開口部を有する直方体形状の筺体であり、例えば、液晶ポリマー（ＬＣＰ）、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）等の樹脂系材料により形成されている。
【００１６】
また封止用ケース５の外表面には外部端子７が取り付けられており、ハンダ等によって外部の回路配線基板との電気的な接続及び機械的な固定を行う。外部端子７は、材質として、例えばリン青銅等が用いられ、その厚みは例えば０．１〜０．５ｍｍに設定される。尚、本実施形態の加速度センサにおいては、外部端子７は、インサートモールドにより封止用ケース５に一体成型させている。
【００１７】
かかる封止用ケース５の内部には振動検出素子１０を支持・固定するための固定部材４が嵌め込まれている。この固定部材４は封止用ケース５の開口面より若干内側に位置するようにして配されており、中央部には振動検出素子１０が挿入される挿入窓１１が設けられている。固定部材４は、封止用ケース５と同じ材質で形成することが好ましく、例えば、液晶ポリマー（ＬＣＰ）、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）等の樹脂系材料からなる。また挿入窓１１は、振動検出素子１０の外形寸法より若干広くなるように、例えば、振動検出素子１０の外形寸法より１０〜６０μｍだけ広くなるようにして形成されている。
【００１８】
かかる固定部材４の挿入窓１１に振動検出素子１０の一端１０ａ側を挿入した状態で、振動検出素子１０が封止用ケース内に収納されている。振動検出素子１０の一端部側の両主面には所定厚みを有する樹脂バンプ３が設けられており、一端１０ａが固定部材４の挿入窓１１より若干外側に突出するようにして挿入窓１１に差し込まれている。樹脂バンプ３は、例えば、エポキシ樹脂等を振動検出素子１０の一端１０ａ側の両主面に印刷し硬化させることにより形成され、その厚みは、振動検出素子１０の固定部分と挿入窓１１との間隙よりも厚みを有するように、例えば、０．１〜１．０ｍｍに設定される。このように、樹脂バンプ３を形成することによって、振動検出素子１０の挿入窓１１への挿入工程において、振動検出素子１０が抜け落ちることなく簡単に仮止めを行うことができる。
【００１９】
また振動検出素子１０は、水平方向に対して傾斜するように、例えば２５°〜９０°傾斜するようにして固定されており、これによって、垂直方向のみならず横方向の加速度も感知することが可能となっている。
【００２０】
また、封止用ケース５の開口部側内壁面と固定部材４の外側側面とで囲まれる領域には樹脂材６が形成されている。この樹脂材６により振動検出素子１０の挿入窓１１からの突出部が被覆され、振動検出素子１０を強固に固定することができる。なお、樹脂材６は例えばエポキシ樹脂等から成る。
【００２１】
このようにして振動検出素子１０は一端１０ａ側が固定端に、他端１０ｂ側が自由端となり、いわゆる片持ち梁構造の加速度センサを構成している。
【００２２】
かかる振動検出素子１０は、両主面に電極８が被着した圧電基板１を、接合層２を介し複数個貼り合わせた構造を有している。本実施形態の加速度センサにおいては、短冊状の圧電基板１を２枚貼り合わせたバイモルフ型の振動検出素子１０を用いている。
【００２３】
圧電基板１は、厚み方向に分極されており、材質としては例えばチタン酸ジルコン酸鉛やチタン酸鉛等の圧電セラミック材料が用いられ、寸法としては例えば、長さが３．０ｍｍ、幅が０．５ｍｍ、厚みが０．２５ｍｍの短冊状に設定される。
【００２４】
かかる圧電基板１は、原料粉末にバインダ等を加えてプレスする方法、或いは、原料粉末を水、分散剤と共にボールミルを用いて混合及び乾燥した後、バインダ、溶剤、可塑剤等を加えてドクターブレード法により成型する方法などによってシート状と成し、次に、１１００℃〜１４００℃のピーク温度で数１０分〜数時間焼成して基板を形成し、しかる後、例えば、６０℃〜１５０℃の温度にて厚み方向に３ｋＶ／ｍｍ〜１５ｋＶ／ｍｍの電圧をかけ分極処理を施すことにより製作される。
【００２５】
このような圧電基板１の両主面には電極８が被着されており、図４の振動検出素子１０の断面図に示す如く、圧電基板１の主面は、固定端である一端１０ａ側から自由端である他端側にかけて電極８が形成され、他端１０ｂを含む領域には電極８が形成されない電極非形成領域９が設けられている。このようにして電極８を形成することにより、加速度センサの全体構造を大型化することなく電圧感度を向上させることが可能となる。これは、振動検出素子１０に加速度が印加された際、固定端側で撓みが大きく、自由端側にいくほど撓みが小さくなることに起因するものであり、加速度による応力に対する電荷発生量が比較的大きな固定端側に電極を設け、加速度による応力に対する電荷発生量が比較的小さな自由端側に電極を設けないようにすることで効率的に電荷を得ることができるようになり、圧電基板全面に電極を形成した同サイズの振動検出素子に比し、電圧感度を大幅に向上させることができる。また、電極８の対向面積を変化させるだけで電圧感度の調整を行うことができため、電圧感度の調整作業が非常に簡単化され、加速度センサの生産性向上に供することができる。
【００２６】
また電極８の振動領域における圧電基板１の長手方向の長さＬ’は、圧電基板１の振動領域の長さＬに対し５０〜９５％、より好ましくは、８８〜９２％の比率になるように形成することが好ましい。ここで振動領域とは、固定部材４の自由端側端部４ａから圧電基板１の他端１０ｂまでの領域のことである。
【００２７】
電極非形成領域９は、圧電基板１の両主面のうち少なくとも一方主面に形成すればよく、他方主面には形成してもよいし、形成されていなくてもよい。
【００２８】
なお、電極８の材質としては、例えば金、銀、銅、クロム、ニッケル、錫、鉛、アルミニウム等の良導電性の金属から成り、これらの金属材料を従来周知の真空蒸着やスパッタリング法等によって圧電基板１の両主面に被着・形成したり、或いは、上述した金属材料を含む所定の導体ペーストを従来周知の印刷法等によって所定パターンに塗布し、高温で焼き付けることにより形成される。
【００２９】
圧電基板１を貼り合わせる接合層２は、例えばガラス布基材エポキシ樹脂、ガラスペースト、エポキシ樹脂等が使用され、これらの材料からなるペーストを圧電基板１に塗布し、焼き付けなどを行うことにより形成したり、或いは、上記材料からなるシートを圧電基板に挟み、加熱プレスを行うことで形成される。
【００３０】
接合層２を、圧電基板同士の対向面において、電極８が形成されている領域だけでなく電極非形成領域９にも形成することで、圧電基板同士の接合強度を補強することができる。したがって、接合層２は非電極形成領域１３にも形成しておくことが好ましい。
【００３１】
このような振動検出素子１０に、外部からの衝撃等によって加速度が作用すると、加速度に応じた力が振動検出素子１０に印加され、この印加された力により振動検出素子１０が固定端を軸にして撓むようになっている。そして、この撓みに起因して、圧電基板１に圧電効果による電荷が発生する。この電荷を電極８及び外部端子７を介して外部に取り出し、電圧信号に変換することによって加速度が検出されるようになっている。なお、電極８は、外部端子７から延出した配線と、固定部材４で導電性接着剤により電気的に接続される。
【００３２】
かくして上述した加速度センサは、マザーボード等の外部配線基板上に半田付け等によって搭載され、外部の衝撃などによって生じる加速度を検出する加速度センサとして機能する。
【００３３】
図５は、本発明の他の実施形態に係る加速度センサの振動検出素子１０の断面図である。また、図６は図５に示す加速度センサの圧電基板１の平面図であり、（ａ）は一方主面側から見た図、（ｂ）は他方主面側から見た図である。この加速度センサは、圧電基板１の一方主面における電極非形成領域９が、他端に沿った領域のみならず、一方主面の両長辺に沿った領域にも設けられている。すなわち、圧電基板１の一方主面の外周域に沿って電極非形成領域が設けられている。一方、圧電基板１の他方主面には電極８が全面にわたって形成されている。
【００３４】
このように電極８を形成することによって、圧電基板１の一方主面の電極８と他方主面の電極８とで電極同士が対向しない領域（図では電極非形成領域９に対応する領域）が形成されることとなる。これにより、一方主面の電極８に印刷ずれ等が発生したとしても、或いはダイシングズレによる振動検出素子幅がばらついたとしても、電極同士の対向面積が変動するのを防止することができる。これによって、圧電基板間の容量Ｃのばらつきを抑えることができ、ひいては加速度センサの電圧感度のばらつきを抑えることが可能となる。
【００３５】
なお、圧電基板１の一方主面に設けられる電極非形成領域９の短辺側の幅ｘは、例えば、０．３ｍｍ〜０．７ｍｍに設定され、長辺側の幅ｙは、例えば、０．０５ｍｍ〜０．２ｍｍに設定される。
【００３６】
図７は、本発明のさらに別の実施形態に係る加速度センサの圧電基板１の平面図であり、（ａ）は一方主面側から見たときの平面図、（ｂ）は他方主面から見たときの平面図である。図７に示す加速度センサは、図５に示す加速度センサと比較して、圧電基板１の一方主面における電極８の形状が異なっている。すなわち、電極８の幅が一端側から他端側にかけて漸次狭くなるように形成されている。このように電極８を形成すれば、撓みが大きい固定端側ほど電極８の面積が大きく、撓みが小さい自由端側ほど電極８の面積が小さくなり、より効率的に電荷を得ることができるようになる。これによって、電圧感度をよりいっそう向上させることができる。同時に、圧電基板１の一方主面と他方主面とで電極８同士が形成されない領域が圧電基板１の外周に沿って形成されるため、一方主面の電極８に印刷ずれ等が発生したとしても、電極同士の対向面積が変動するのを防止し、電圧感度のばらつきを抑えることができる。
【００３７】
尚、本発明は上述の実施例に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々の変更、改良が可能である。
【００３８】
例えば、上述した実施形態においては、振動検出素子は、圧電基板を２枚貼り合わせた構造としているが、３枚以上重ねても良い。この場合、電荷の発生量を多くすることができるので、加速度センサの感度を高めることができる。
【００３９】
また上述した実施形態においては、振動検出素子の固定を樹脂バンプで行っているが、圧入後に接着剤等を用いて固定を強化するようにしても構わない。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】本発明の一実施形態に係る加速度センサの概観斜視図である。
【図２】図１に示す加速度センサの分解斜視図である。
【図３】図１に示す加速度センサの断面図である。
【図４】図１に示す加速度センサに用いる加速度検出素子の断面図である。
【図５】本発明の他の実施形態に係る加速度センサの断面図である。
【図６】図５に示す加速度センサに用いる圧電基板の平面図である。
【図７】本発明のさらに他の実施形態に係る加速度センサに用いる圧電基板の平面図である。
【符号の説明】
【００４１】
１・・・圧電基板
２・・・接合層
３・・・樹脂パッド
４・・・固定部材
５・・・封止用ケース
６・・・樹脂材
７・・・外部端子
８・・・電極
９・・・非電極形成領域
１０・・・振動検出素子
１１・・・挿入窓
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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