(57)【要約】【課題】製造コストを低減することができると共に、安定な品質を有する振動センサーを提供すること。【解決手段】本発明にかかる振動センサー１０は、圧電素子１１を有する。この圧電素子１１の両面１１Ａ、１１Ｂには、電極が形成され、一端が自由端であり、他端が固定端である。圧電素子１１の固定端近傍の面１１Ｂには、この圧電素子１１を支持する支持部材１２が設けられている。また、電子部品及び支持部材１２は、素子基板１５に固定される。そして、圧電素子１１の面１１Ａの電極と、素子基板１５上の電極又は電子部品の電極とは、接続部材１３により電気的に接続される。本発明では、特に接続部材１３と面１１Ａの電極及び支持部材１２と面１１Ｂの電極が接着剤により固定されている。【選択図】　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の面と第２の面に電極が形成されると共に、一端が自由端であり、他端が固定端である圧電素子と、
前記圧電素子の固定端近傍の第２の面において当該圧電素子を支持する支持部材と、
電極が形成され、電子部品及び前記支持部材を固定する素子基板と、
前記第１の面上の電極と、前記素子基板上の電極又は電子部品の電極とを電気的に接続する接続部材を備え、
前記接続部材と前記第１の面上の電極とを接着剤により固定した振動センサー。
【請求項２】
第１の面と第２の面に電極が形成されると共に、一端が自由端であり、他端が固定端である圧電素子と、
前記圧電素子の固定端近傍の第２の面において当該圧電素子を支持し、導電性を有する支持部材と、
電極が形成され、電子部品及び前記支持部材を固定する素子基板と、
前記第１の面上の電極と、前記素子基板上の電極又は電子部品の電極とを電気的に接続する接続部材を備え、
前記接続部材と前記支持部材を接着剤により固定した振動センサー。
【請求項３】
前記圧電素子は、焼成した圧電素子の表面を平坦化せずに電極材が構成されていることを特徴とする請求項１又は２記載の振動センサー。
【請求項４】
前記接着剤は、導電性接着剤であることを特徴とする請求項１、２又は３記載の振動センサー。
【請求項５】
第１の面と第２の面に電極が形成されると共に、一端が自由端であり、他端が固定端である圧電素子と、
前記圧電素子の固定端近傍の第２の面において当該圧電素子を支持する支持部材と、
電極が形成され、電子部品及び前記支持部材を固定する素子基板と、
前記第１の面上の電極と、前記素子基板上の電極又は電子部品の電極とを電気的に接続する接続部材を備え、
前記接続部材は、前記第１の面上の電極を押圧するように付勢することによって、当該電極と接続する振動センサー。
【請求項６】
前記接続部材を前記素子基板に固定する固定補助部材をさらに備えたことを特徴とする請求項５記載の振動センサー。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、振動を検出する振動センサーに関するものであり、より詳しくは、電子機器や精密機械システム等に使われる機能電子部品である振動センサーの構成に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
図１は、従来の振動センサーの基本構造を示す。従来の振動センサー９は、図１に示すように、圧電素子１と、支持部材２と、線材３と、電界効果型トランジスタ４と、素子基板５と、シールドケース６Ａ、６Ｂを備えている。
【０００３】
このうち、圧電素子１は、ＰＺＴなどの圧電セラミックス材料から構成され、その両面である、１Ａ面および１Ｂ面に電極が形成されている。また、圧電素子１の一端は、外部からの力により自由に動く自由端であり、他の一端は支持部材２を介して素子基板５に固定された固定端である。支持部材２は、圧電素子１を支持する部材である。線材３は、圧電素子１の一方の電極１Ａと、電界効果型トランジスタ４のゲートを電気的に接続する。電界効果型トランジスタ４は、インピーダンス変換や増幅等を行う。素子基板５は、これらの部品などを固定するものであり、その表面には回路パターンが構成されている。シールドケース６Ａ、６Ｂは、素子基板５の全体を電磁気的に覆うものである。
【０００４】
ここで、支持部材２は、銅またはその他の導電性材料から構成されている。そのため、圧電素子１の電極１Ｂと電界効果型トランジスタ４のソースは、素子基板の回路パターンを介して電気的に接続される。このような構成により、回路構成の簡素化を図ることができる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
図１に示す従来の振動センサー９の構造において、電極１Ａと線材３の固着、および、電極１Ｂと支持部材２の固着は、ハンダが用いられていた。ハンダによる固定方法は、機械的固定と電気接続を両立でき、構造上極めて合理的である。しかし、圧電素子１の物理特性確保のため電極１Ａと線材３の固着、および、電極１Ｂと支持部材２の固着には、低温ハンダが用いられていた。
【０００６】
この低温ハンダを用いた固着方法は、厳格な温度管理を必要し、ときとして歩留まりが課題になる等の生産上の大きな課題を持っていた。
【０００７】
本発明は、このような問題点を解決するためになされたもので、製造コストを低減することができると共に、安定な品質を有する振動センサーを提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明にかかる振動センサーは、第１の面と第２の面に電極が形成されると共に、一端が自由端であり、他端が固定端である圧電素子と、前記圧電素子の固定端近傍の第２の面において当該圧電素子を支持する支持部材と、電極が形成され、電子部品及び前記支持部材を固定する素子基板と、前記第１の面上の電極と、前記素子基板上の電極又は電子部品の電極とを電気的に接続する接続部材を備え、前記接続部材と前記第１の面上の電極とを接着剤により固定したものである。このような構成により、製造コストを低減することができ、かつ安定な品質を確保できる。
【０００９】
また、本発明にかかる他の振動センサーは、第１の面と第２の面に電極が形成されると共に、一端が自由端であり、他端が固定端である圧電素子と、前記圧電素子の固定端近傍の第２の面において当該圧電素子を支持し、導電性を有する支持部材と、電極が形成され、電子部品及び前記支持部材を固定する素子基板と、前記第１の面上の電極と、前記素子基板上の電極又は電子部品の電極とを電気的に接続する接続部材を備え、前記接続部材と前記支持部材を接着剤により固定したものである。このような構成によっても、製造コストを低減することができ、かつ安定な品質を確保できる。
【００１０】
前記圧電素子は、焼成した圧電素子の表面を平坦化せずに電極材が構成されていることが望ましい。これにより、接続部分に生じる空間に接着剤が浸透するため、機械的に強固に、かつ確実に固着すると同時に電気的な接続が安定に保たれる。
【００１１】
また、前記接着剤は、導電性接着剤であるが好ましい。これにより、特に電気的な接続を確実にすることができる。
【００１２】
本発明にかかる他の振動センサーは、第１の面と第２の面に電極が形成されると共に、一端が自由端であり、他端が固定端である圧電素子と、前記圧電素子の固定端近傍の第２の面において当該圧電素子を支持する支持部材と、電極が形成され、電子部品及び前記支持部材を固定する素子基板と、前記第１の面上の電極と、前記素子基板上の電極又は電子部品の電極とを電気的に接続する接続部材を備え、前記接続部材は、前記第１の面上の電極を押圧するように付勢することによって、当該電極と接続するものである。このような構成により、製造コストを低減することができ、かつ安定な品質を確保できる。
【００１３】
ここで、前記接続部材を前記素子基板に固定する固定補助部材をさらに備えるようにするとよい。このような構成により、接続部材を素子基板に強固に固定することができ、接続部材と圧電素子との電気的接触を確実にすることができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の実施の形態について、まずその構造を図面を使い詳細に説明する。
【００１５】
図２は、本発明の振動センサー１０を示す断面図である。本発明の振動センサー１０は、図２に示すように圧電素子１１と、支持部材１２と、接続部材１３と、電界効果型トランジスタ１４と、素子基板１５と、シールドケース１６Ａ、１６Ｂを備えている。
【００１６】
このうち、圧電素子１１は、ＰＺＴなどの圧電セラミックス材料から構成され、その両面１１Ａ面および１１Ｂ面の面全体に電極が形成されている。圧電素子１１の一端は、外部からの力により自由に動く自由端であり、他の一端は、支持部材１２を介し素子基板１５に固定された固定端である。支持部材１２は、圧電素子１１を支持する部材である。
【００１７】
接続部材１３は、圧電素子１１の一方の電極１１Ａと電界効果型トランジスタ１４のゲートを電気的に接続する部材である。この接続部材１３は、例えば、黄銅の薄板状の金属板より構成されている。また、接続部材は、２箇所において屈曲しており、３つの平板部により構成される。第１の平板部は、圧電素子１１の面１１Ａと当接する。この第１の平板部が圧電素子１１の面１１Ａと当接する幅（図２における左右方向の幅）は、ほぼ支持部材２の幅と同じである。第２の平板部は、第１の平板部とほぼ垂直である。第３の平板部は、第１の平板部と第２の平板部の屈曲方向と反対側に屈曲されている。第２の平板部と第３の平板部とはほぼ垂直である。第３の平板部は、素子基板１５の主平面と平行であり、その主平面と接触している。接続部材１３は、固定補助部材１３Ａによって、その一端が素子基板１５に固定されている。ここで、固定補助部材１３Ａは、例えば、リベットである。より具体的には、上述の第３の平板部及び素子基板１５に設けられた貫通孔を固定補助部材１３Ａが通っている。そして、固定補助部材１３Ａは、その両端の直径が、貫通孔よりも長くなるよう構成される。これにより、接続部材１３が素子基板１５に確実に固定される。
【００１８】
尚、この例では、固定補助部材１３Ａによって接続部材１３を素子基板１５に固定したが、これに限らず、接着剤のみによって接続部材１３を素子基板１５に固定するようにしてもよい。
【００１９】
電界効果型トランジスタ１４は、インピーダンス変換や増幅等を行う。素子基板１５は、支持部材１２や電界効果型トランジスター１４等の電子部品を固定するものであり、その表面には回路パターンが構成されている。シールドケース１６Ａ、１６Ｂは、素子基板５の全体を電磁気的に覆うものである。
【００２０】
支持部材１２は、銅またはその他の導電性材料を使って構成されている。そのため、圧電素子１１の電極１１Ｂと電界効果型トランジスタ１４のソースは、素子基板１５の回路パターン（電極）を介し電気的に接続される。このような構成により、圧電素子１１の回路構成の簡素化を図ることができる。尚、支持部材１２は、全体が導電性を有する必要はなく、電極１１Ｂと素子基板１５の回路パターンとの導電性が確保できるのであれば、一部のみ導電性を有する場合であってもよい。
【００２１】
次に圧電素子１１の構成について詳細に説明する。本発明にかかる圧電素子１１の電極１１Ａ、１１Ｂは、焼成したままの圧電素子材１１１の表面に、直接電極材１１２を塗布し、構成し、それぞれ、接続部材１３、支持部材１２と固着し、電気的に接続している。
【００２２】
図３は、圧電素子材１１１の表面付近における断面を示す。この図に示すように焼成のままの圧電素子材１１１の表面は、粗い状態であり、多数のピーク（山）が形成されている。従来は、電極のコーティング性を確保するために、圧電素子材１１１の表面を研磨等により平坦化していたが、本発明の実施の形態１では、平坦化させずに、圧電素子材１１１の表面が粗い状態で、この表面に、直接、電極材１１２を塗布する。この電極材１１２は、例えば、銀パウダーである。電極材１１２を塗布した後における電極１１Ａの表面は、焼成に起因する表面の粗さを継承する。即ち、電極１１Ａの表面は粗い状態にある。
【００２３】
次に、この電極１１Ａ面に対して、接続部材１３を所定の力を持って当接する。図４に示すように、電極１１の粗さのピーク（山）が、接続部材１３の平坦部と強く接触する。このとき、電極１１Ａ面のピークと接続部材１３の対向面全体を通して両者の接触が生じ、両者は電気的に強く安定した接触となる。なお、製造の治工具や生産設備のみで、この所定の当接力を安定に確保できない場合、図２に示す固定補助部材１３Ａを併用するのが合理的である。
【００２４】
図４に示す接触を確保した状態のまま、接着剤により両者を固着することにより、電気的な接触と機械的な固着が確実に確保できる。接着剤には、例えばエポキシ樹脂が用いられる。図５に示すように、電極面１１Ａの粗さの谷部と接続部材１３の囲む空間に、接着剤１１３が、浸透し、硬化させるとよい。これにより、電極面１１Ａと接続部材１３は、機械的に強固に、かつ、確実に固着すると同時に、電気的な接続が安定に保たれる。
【００２５】
以上、電極１１Ａと接続部材１３の固着と電気的な接続について説明したが、電極１１Ｂと支持部材１２においても、同様に確実な固着と電気的接続が得られる。また、接続部材１３と、電界効果型トランジスタ１４のゲートとの接続も接着剤により両者を固着するようにしてもよい。また、接続部材１３と電界効果型トランジスタ１４のゲートとの接続が、素子基板５上の電極を介して行われる場合には、接続部材１３と素子基板５上の電極を接着剤により固着するようにしてもよい。
【００２６】
また、電極面と、接続部材等の接触面積が小さい場合、両者の平坦度が良く大きい当接力を使わないと電気的な接触が得られない場合、当接による両者の電気的な接触が十分得られない場合には、電気的な接続を安定化するために上記接着剤の代わりに導電性接着剤を使い、機械的な固定と電気的な接続を確実なものにすることができる。この場合、図６に示すように、導電性接着剤１１４内の導電性粒子１１４Ａが、電極１１Ａと接続部材１３の間に充填され、これらの導電性粒子１１４Ａが電極１１Ａと接続部材１３の電気的な架け橋となり、安定した電気的な接続を確保できる。ここで、導電性接着剤には、例えば、エポキシ樹脂等に金や銀の粉末を混ぜた接着剤が用いられる。なお、上記の導電性接着剤の使用例を電極１１Ａと接続部材１３の接着の場合について説明したが、電極１１Ｂと支持部材１２に適用しても全く同様な作用をするので、説明は省く。また、接続部材１３と、電界効果型トランジスタ１４のゲートとの接続も導電性接着剤により両者を固着するようにしてもよい。また、接続部材１３と電界効果型トランジスタ１４のゲートとの接続が、素子基板５上の電極を介して行われる場合には、接続部材１３と素子基板５上の電極を導電性接着剤により固着するようにしてもよい。
【００２７】
次に、図２を使い本発明の振動センサー１０の動作を詳細に説明する。
【００２８】
本発明の振動センサー１０を搭載した機器が落下や衝撃を受けると、その衝撃に伴うパルス状の力が振動センサー１０に伝わる。この衝撃に伴う力は、まず、図２に示すケース１６Ａ、１６Ｂに伝わり、ケース１６Ａ、１６Ｂ内を伝搬する。例えば、矢印Ｂに示す位置に外部から垂直方向の力を受けた場合、その力はケース１６Ａを伝搬すると同時に、密着する素子基板１５に伝わり、さらに、素子基板１５上に固着されている支持部材１２を介し、圧電素子１１の固定端１１Ｃに伝わる。このとき、圧電素子１１の他の端部１１Ｄは、外部から直接、力が及ばない自由端であり、重力に従っている。この状態で、圧電素子１１の固定端１１Ｃが矢印Ｂに示すパルス状の外力を受けた場合、圧電素子１１は、図７に示すように、外力を受ける前の状態（破線で示す）から実線で示す状態に移行する。すなわち、圧電素子１１は、固定端１１Ｃが持ち上げられ、自由端は慣性の法則に示すようにその位置を維持する。したがって、圧電素子１１は、上に凸の状態に歪み、電極１１Ａ、電極１１Ｂに、この歪みに対応した電位が現れる。そして、この歪みに伴う曲げのエネルギーと圧電素子１１の復元エネルギーである内部剛性とが、バランスし、時間と共に圧電素子１１の歪みが解放され、元に戻る。
【００２９】
次に、外力が無くなると、振動センサー１０は、外力により規制されていた位置から解放され、元の状態または、規制されない状態に戻る。このとき圧電素子１１は、上述した動きと反対の動きをする。
【００３０】
パルス状の外力から解放され、圧電素子１１は、図８に示すように、外力を受け歪みが解放された状態（破線で示す）から、外力が解放された実線で示す状態に移行する。つまり、圧電素子１１は、外力の解放と共に固定端１１Ｃが元に戻り（図面上では下に下がる）、自由端は慣性の法則に示すようにその位置を維持する。したがって、圧電素子１１は、上に凹の状態に歪み、電極１１Ａ、電極１１Ｂに、この歪みに対応した電位が現れる。
【００３１】
そして、この歪みに伴う曲げのエネルギーと圧電素子１１の復元エネルギーである内部剛性のバランスにより時間と共に圧電素子１１の歪みが解放され、元の状態に戻る。
【００３２】
なお、外力が振動として加わる場合、その振動周波数と圧電素子１１の復元エネルギーのバランスによりその挙動が決まる。
【００３３】
さて、上記の電極１１Ａ、電極１１Ｂに出現する電位は、電極１１Ａに接続する接続部材１３および電極１１Ｂに接続する支持部材１２を介し、電界効果型トランジスター１４のゲートおよびソースに伝えられる。
【００３４】
また、上記の電極１１Ａに生じた電位は、接続した接続部材５３を介し電界効果型トランジスタ５４のゲートに伝わり、また、電極１１Ｂに生じた電位は、支持部材１２、素子基板１５のパターンを介し、電界効果型トランジスタ１４のソースに伝わる。
【００３５】
電界効果型トランジスタ１４は、伝えられた信号に対しインピーダンス変換および増幅等を行い、その出力端子に出力する。この出力は、接続するケーブル１７の信号線を介し、振動センサー１０の出力信号として外部に伝えれられる。
【００３６】
このとき、振動センサー１０は、圧電素子１１、支持部材１２、接続部材１３、各種部品を搭載した素子基板１５の全体をシールドケース１６Ａ、１６Ｂにより覆い、電気磁気的にシールドされている。したがって振動センサー１０は、周囲の電気ノイズ等の影響が入り難く、品質の高い検出信号が得られる。
【００３７】
以上、説明したように本発明の実施の形態にかかる振動センサーは、電極と接続する部材を所定の力を持って当接し、この当接状態のまま相互位置を確保した状態で、接着剤または導電性接着剤を使い固定保持し、機械的な固定と電気的な接続を得るものである。
【００３８】
この固定・接続方法を採用することにより、振動センサーは、焼成の表面状態で加工可能になり製造工程が簡略化されること、また、従来のハンダによる固着方法に比較し製造工程における厳密な温度管理が不要になり、製造のバラツキが低減できることなどの製造上のメリットが得られ、結果的にユーザに低価格で安定な品質の製品を供給できる副次的な効果が得られる。
【００３９】
尚、上述の例では、電極１１Ａと接続部材１３の接続を接着剤により行う例につき説明したが、これに限らず、接続部材１３の有する付勢力によって、両者を接続するようにしてもよい。この場合における接続部材１３は、金属平板等により構成され、一定の弾性力を有する。そして、接続部材１３は、この弾性力によって、電極１１Ａを押圧するように付勢する。
【００４０】
【発明の効果】
本発明によれば、製造コストを低減することができると共に、安定な品質を有する振動センサーを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来の振動センサーを示す断面図である。
【図２】本発明の振動センサーを示す断面図である。
【図３】本発明の振動センサーにおける圧電素子の電極の表面状態を示す断面図である。
【図４】本発明の圧電素子電極１１Ａと接続部材１３の接触状況を示す断面図である。
【図５】本発明の圧電素子電極１１Ａと接続部材１３の接触状況と接着剤の状況を示す断面図である。
【図６】本発明の圧電素子電極１１Ａと接続部材１３を導電性接着剤１１４を使って固着する接着状況を示す断面図である。
【図７】外力により圧電素子が歪みを生じた状況を示す断面図である。
【図８】外力が解放された瞬間の圧電素子の状況を示す断面図である。
【符号の説明】
１　：圧電素子
１Ａ、１Ｂ：電極
２　：支持部材
３　：線材
４　：電界効果型トランジスター
５　：素子基板
６Ａ、６Ｂ　：シールドケース
７　：ケーブル
１０　：本発明の振動センサー
１１　：圧電素子
１１Ａ　：圧電素子の電極
１１Ｂ　：圧電素子の電極
１１Ｃ　：圧電素子の固定端
１１Ｄ　：圧電素子の自由端
１２　：支持部材
１３　：接続部材
１３Ａ　：固定補助部材
１４　：電界効果型トランジスター
１５　：素子基板
１６Ａ，１６Ｂ　：シールドケース
１７　：ケーブル
１１１　：圧電素子材
１１２　：電極材
１１３　：接着剤
１１４　：導電性接着剤
１１４Ａ　：導電性粒子
【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】
2004037181.tif 000007
【図６】
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【図７】
2004037181.tif 000009
【図８】
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