JP2007107990A - 加速度センサ - Google Patents
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Abstract
【課題】 量産性に優れた出力電圧の高い加速度センサを提供する。
【解決手段】 自発分極方向と電極が平行となっている圧電素子を、各々の圧電素子の電極面が平行となるように少なくとも1つ以上配置する。圧電素子の自由端面に加速度で慣性力を受ける錘を連接し、圧電素子に剪断応力を作用させ圧電気を生じる構成とする。自発分極方向が板厚方向である板材に溝入れ加工を施し電極を形成することで、前記圧電素子を容易に複数形成でき、さらに圧電素子が直列接続されることで出力電圧を増大させる。また、圧電材料として点群4mmまたは6mmに分類される材料を用いることで、加速度検出方向の指向性を高める。
【選択図】 図3
【解決手段】 自発分極方向と電極が平行となっている圧電素子を、各々の圧電素子の電極面が平行となるように少なくとも1つ以上配置する。圧電素子の自由端面に加速度で慣性力を受ける錘を連接し、圧電素子に剪断応力を作用させ圧電気を生じる構成とする。自発分極方向が板厚方向である板材に溝入れ加工を施し電極を形成することで、前記圧電素子を容易に複数形成でき、さらに圧電素子が直列接続されることで出力電圧を増大させる。また、圧電材料として点群4mmまたは6mmに分類される材料を用いることで、加速度検出方向の指向性を高める。
【選択図】 図3
Description
本発明は、加速度により錘へ作用する力を検出し、電気信号として取り出す加速度センサに係わる。
従来より、加速度センサはモバイルPCやゲーム機,自動車に搭載され、落下時のHDD保護や力学量のモニタ,衝突の検出,サスペンション制御のためのセンサとして広く用いられている。
なかでも、圧電体を用いた加速度センサは測定原理が単純で信頼性も高く、自動車エンジンのノッキングセンサなどのヘビーデューティ用途での応用実績もある。これらの加速度センサには各種構造が開示されているが、原理的には加速度の作用により慣性体となる錘に働く力を、可撓部を構成する圧電体、または可撓部に設けられた圧電体に発生する圧電気を検出するものであり、圧電体での検出原理より3種類に大別される。
第1の手法は、圧電体の自発分極方向の伸縮を圧電気として検出する33モードの加速度センサである。特許文献1に記載されているように自発分極方向と垂直に電極が形成され、慣性体となる錘が自発分極方向と平行に振動するものである。即ち、自発分極と同一(平行)方向の加速度が検出される。
第2の手法は、圧電体の自発分極方向と垂直な面内の伸縮を圧電気として検出する31(=32)モードの加速度センサである。特許文献2に記載されるように片持ち梁を圧電体で形成し(通常バイモルフで構成される。)、曲げモーメントにより梁表裏に発生する応力状態(圧縮,引っ張り)を圧電気として検出するものである。この場合も、自発分極方向と垂直に電極が形成され、自発分極方向の加速度が間接的に検出される。
また、特許文献3に開示されるように、梁を構成する支持体上に圧電体を形成する場合もある。
第3の手法は、圧電体の厚みすべり振動を検出する15(=24)モードの加速度センサである。本手法では特許文献4および特許文献5に示されるように圧電体の自発分極方向と平行な面に電極が形成されるのが特徴であり、電極面に錘が連接され、前述の2手法と同様に分極方向の加速度を検出するものである。
特開平05−333045号公報
特開平11−183510号公報
特開平11−108951号公報
特開2002−022761号公報
特開2002−162408号公報
現在市販されている点群4mmの圧電体材料、例えばPZTの圧電定数の独立コンポーネントはd31(=d32),d33,d15(=d24)の3つである。比較的大きなd定数をもつ低Q材またはソフト材と呼ばれるPZTにおいて、電気機械結合係数で最も高い値を示すのがk15(=k24)であり、d15(=d24)を用いた15(=24)モードで加速度を検出することは感度の向上という点で非常に有利である。従って、前述の第3の手法を用いて加速度を検出することが望ましい。
図6に第3の手法による、従来例の加速度センサの構成を示した。なお、説明の都合上、直交座標系のuvw軸を図6中に示したようにとる。自発分極方向をv軸方向とした圧電体41の、分極方向に平行(uv平面に平行)な対向面に電極30を形成して圧電素子40が構成される。次に、圧電素子40の片側の電極30面を基板50に接着し、他方の面を慣性力が作用する錘20に接着すると加速度センサ10’が完成する。
図6に示した加速度センサがv軸方向(正または負)に加速度αで運動した場合、質量mの錘20生じるmαの慣性力と釣り合う剪断応力が圧電素子40のu軸まわりに発生し、d15(=d24)による圧電気が生じて対向する電極30の間に電圧が発生する。この電圧は加速度αにほぼ比例するため、加速度センサとして動作する。
ところが、従来例の加速度センサの構造では電極30が形成された圧電素子40を電気的な接続を行ないながら基板50や錘20に接着する必要があり、製造工程が煩雑になるという課題を有していた。
また、板状の圧電素子40を用いる場合、静電容量が大きくなってしまい、出力電圧が小さくなるという課題も有していた。一方、出力電圧の増大を図るためにセンサ素子を複数設ける場合には、別途直列接続するための配線を行なう必要があり、センサ素子面積の増大や工数増をもたらし、製造コストと高密度実装の観点から実用性に乏しいものであった。
請求項1記載の発明は、前述の第3の手法である圧電体の厚みすべりモードでの検出を実現しつつ、基板や錘との接着が電極面を介さずに行なえるようにしたものである。即ち、加速度により慣性力が作用する錘と、圧電体と電極により構成され前記錘に接続される圧電素子とを有し、前記電極を前記圧電体の自発分極方向と平行に配置し、前記錘が前記圧電体の自発分極方向と垂直な面に連接させることで目的を達成した。
請求項2記載の発明は、圧電素子に曲げや伸縮モードの変形ではなく剪断応力による厚みすべりモードの変形を与える目的のものである。即ち、請求項1記載の錘を、複数の前記圧電素子に連接させることで実現した。
請求項3記載の発明は、測定方向の加速度を選択的に検出するためのものである。本発明の構造において、圧電体の自発分極方向を3軸(Z軸)にとり、1軸(X軸)まわりと2軸(Y軸)まわりの剪断応力に対する圧電コンポーネントがd15=d24でかつそれ以外のd1m(m=1,2,3,4,6)とd2n(n=1,2,3,5,6)が0であれば、電極面の法線方向の加速度のみを検出することが可能となる。即ち、請求項1および請求項2記載の圧電素子を構成する圧電体を、国際記号で4mmまたは6mmの点群に分類される結晶を主成分とする材料で構成することで実現した。表1に4mmまたは6mm圧電コンポーネントdijを示す。
請求項4記載の発明は、複数の圧電素子を容易に直列接続せしめる構造を実現するためるものである。即ち、請求項1から3記載の加速度センサであって、前記圧電素子がその電極面を互いに平行となる様に複数配置し、かつ素子を直列に接続することで目的を達成した。
請求項5記載の発明は、製造工程の簡素化と工数減を実現するものである。即ち、請求項4記載の加速度センサであって、板厚方向に分極された圧電体板に溝加工を施すことで前記圧電素子を複数配置させることで目的を達成した。
請求項6記載の発明は、更なる出力電圧の増大や差動出力での増幅を可能とするために直列接続された圧電体列を複数設ける目的のものである。即ち、請求項4および5記載の加速度センサであって、前記電極面の法線方向に前記溝より深い分割溝を複数形成することで、直列された圧電素子列を複数形成して実現した。
本発明によれば、簡便な工程で圧電素子を複数形成しかつ直列接続できるため、量産性に優れた高感度の加速度センサを低コストで提供することが可能となる。
以下、本発明について図面を参照しながら詳細に説明する。また、以下の実施の形態により本発明が限定されるものではない。
圧電材料としては国際記号で4mmの点群に分類される、市販のHIP処理PZT材(5D系)を用いた。圧電定数d15(=d24)が約800pC/Nで、厚み方向に分極処理された板厚0.8mmの圧電体板を用いた。無論、強誘電体ではないが圧電コンポーネントの独立性がまったく等しい点群6mmに分類されるZnS,ZnO,CdS,AlNなどの圧電材料であっても、単結晶材料や配向材料(膜)を用いることで原理的には応用可能である。
さらに、加速度検出の指向性を重視しないならば、特に点群6mmや4mmの圧電体に拘る必要は無く、15モードないし24モードの厚み滑りで圧電気を生じる物質ならば何れの物質でも良い。
なお、本圧電体のキュリー温度は約300℃であったが、後述の電極形成工程や接着工程において、プロセス温度は概ね100℃以下に管理する必要がある。少なくとも、分極処理後のエージング温度を上回ってはならない。
慣性力を受ける錘については、熱歪の防止と密度の大きさ(約8,000kg/m3)の観点より、同一材料のPZTを用いることとした。もちろん、他のセラミックス材料,金属材料等でも問題はないが、電極30との絶縁を考慮する必要がある。
図1は実施例1に係わる加速度センサ10の概略構成を示した図である。なお、説明のために自発分極Psの方向(出力電圧の符号が反転するだけなので正負はどちらでも良い)をZ軸とし、加速度の検出方向をY軸,紙面手前方向がX軸となる直交座標系を用いる。
厚み方向に分極された直方体形状の圧電体41の自発分極方向に平行な1対の側面に電極30を形成する。次に、非導電性の基板50に分極方向と垂直な面を接着剤(図示せず)により固定し、反対側の面に剛体である錘20を接着すると本発明の基本となる加速度センサ10が構成される(図1(a)参照。)。
次に、この加速度センサ10をY軸+方向に加速度αで運動させると、質量mの錘20には慣性力mαが働き、圧電体41と錘20の接合面に剪断応力が生じる。その結果、X軸まわりの剪断変形(厚み滑り)が生じて圧電気を生じる(図1(b)参照。)。
ここで圧電体41の外形寸法を厚みW/2(Z軸方向),幅W(Y軸方向),奥行きW(X軸方向)として、従来例の図6と同一条件で比較すると、本実施例では従来例と比較して出力電圧が約2倍,圧電素子40の静電容量が約0.25倍,電荷量が0.5倍になることが明らかとなった。
前記実施例1においては圧電素子40に対して錘20が単独で連接しているため、基板50で支持される片持ち梁の構成となっている。従って、正確には剪断変形だけではなく曲げモーメントも圧電素子40に作用するため、加速度検出のリニアリティーを悪化させる恐れがある。
また、1ユニットの圧電素子40の出力電圧は小さいものであるが、複数の圧電素子40を直列接続できれば出力信号の増大を図ることができる。これらの課題を解決する実施例2を以下に説明する。
板厚方向に分極処理を施された圧電体プレート42の所定の部分にドライフィルム12をラミネートする。(図2(a)参照。)次に、ダイシングソーを用いて溝幅約100μm,溝深さ約200μmの壁形成溝14をX軸方向に形成し、Y軸方向に200μmピッチで送りながら壁形成溝14を複数形成すると図2(b)の状態となる。
純水による流水超音波洗浄後に充分乾燥を行い、Arガスによるスパッタリング法により密着層のTiを0.1μm(平坦部析出換算)成膜後、真空破壊することなく導電層のAuを0.3μm(平坦部析出換算)を連続成膜する。次いで、有機溶剤によりドライフルムを膨潤剥離して圧電素子40の自由端面の金属をドライフィルム12ごとリフトオフする。
この電極形成とリフトオフ工程により、複数の圧電素子40の電極30と、電極面が平行である隣接する圧電素子40を直列接続するブリッジ電極31および信号出力を取り出す電極端子32を同時形成することができる。
リフトオフ工程後に外周4面に付きまわった電極材料を除去するため、再びダイシングソーにより外周4辺(側面)近傍を薄切すると、図2(c)に示した圧電素子アレイ43が完成する。なお、図2(c)中に一点鎖線で示したA-A’断面詳細の一部を図2(d)に示した。
次に、錘20に薄くエポキシ系の接着剤(図示せず)を塗布し、圧電素子アレイ43の自由端壁に接着し硬化させる。完成した本実施例2による加速度センサ10の構成図を図3(e)に示し、図中のB‐B’断面図を図3(f)に示す。このような構成とすることで、図3(g)の回路図に示すような圧電素子40を高密度に直列接続した圧電素子アレイ43を作製することができ、出力電圧の高い高感度の加速度センサ10が得られた。
なお、本実施例2では基板50を設けずに圧電体プレート42に支持機能を具備させたが、別途、基板材料に薄い圧電体プレート42を貼り付けてから用いてもよい。
前記実施例2では、圧電素子40を1列に直列接続した加速度センサを説明したが、実施例3では複数の圧電素子アレイ43が形成された加速度センサについて説明する。
前記実施例2の工程の途中であり、図2(f)に示した錘20の接着前の圧電素子アレイ43からの実施方法を図4および図5を用いて説明する。
図4(a)に実施例2の圧電素子アレイ43とXYZ直行座標系の関係を示した。壁形成溝14と直行するY軸方向に、壁形成溝14より切り込み量の大きい、即ち溝深さが深い電極切断溝16を1溝以上形成すると、図4(b)に示したようなX軸方向に圧電素子アレイ43が複数形成された圧電素子アレイユニット44が完成する。図4(b)の正面図(−X軸方向)を図4(c)に、側面図(Y軸方向)を図4(d)に示した。
前記実施例と同様に錘20を接着すると、実施例3による加速度センサ10(図5(a)参照)が完成する。なお、図5(e)に一点鎖線で示したB‐B’断面図を図5(f)に示してある。本実施例の加速度センサ10の等価回路を図5(g)に示した。
次に、複数の圧電アレイ43を直列に接続すれば、例えば図5(g)においてB1とA2,B2とA3,・・・・,Bn−1とAnを接続することで、A1端子とBn端子間には図3(g)で示した圧電素子アレイ43(1列)のときの約n倍の出力電圧を取り出せる加速度センサが得られた。
また、例えばA2端子とB1端子を接続して接地し、A1端子とB2端子間に発生する電圧を差動増幅することで、出力電圧が高いだけでなく同相ノイズが除去されたs/nの高い出力信号を取り出せる加速度センサが得られた。
10 加速度センサ
10’加速度センサ
12 ドライフィルム
14 壁形成溝
16 電極切断溝
20 錘
30 電極
31 ブリッジ電極
32 電極端子
40 圧電素子
41 圧電体
42 圧電体プレート
43 圧電素子アレイ
44 圧電素子アレイユニット
50 基板
10’加速度センサ
12 ドライフィルム
14 壁形成溝
16 電極切断溝
20 錘
30 電極
31 ブリッジ電極
32 電極端子
40 圧電素子
41 圧電体
42 圧電体プレート
43 圧電素子アレイ
44 圧電素子アレイユニット
50 基板
Claims (6)
- 加速度により慣性力が作用する錘と、
圧電体と前記圧電体を挟持する一対の電極とから構成され、前記錘に接続される圧電素子と、を有し、
前記電極が前記圧電体の自発分極方向と平行に配置され、
前記錘が前記圧電体の自発分極方向と垂直な面に連接されている加速度センサ。 - 前記錘が、複数の前記圧電素子に連接されている請求項1に記載の加速度センサ。
- 前記圧電素子を構成する前記圧電体が、国際記号で4mmまたは6mmの点群に分類される結晶を主成分としている請求項1または2に記載の加速度センサ。
- 前記圧電素子がその電極面を互いに平行となる様に複数配置されかつ素子が直列に接続されている請求項1から3のいずれか一項に記載の加速度センサ。
- 板厚方向に分極された前記圧電体に溝加工を施すことで前記圧電素子が複数配置されている請求項4に記載の加速度センサ。
- 前記電極面の法線方向に前記溝より深い分割溝を複数形成し、直列された圧電素子列が複数形成されている請求項4または5に記載の加速度センサ。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2005298590A JP2007107990A (ja) | 2005-10-13 | 2005-10-13 | 加速度センサ |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2005298590A JP2007107990A (ja) | 2005-10-13 | 2005-10-13 | 加速度センサ |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2007107990A true JP2007107990A (ja) | 2007-04-26 |
Family
ID=38033966
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2005298590A Pending JP2007107990A (ja) | 2005-10-13 | 2005-10-13 | 加速度センサ |
Country Status (1)
Country | Link |
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JP (1) | JP2007107990A (ja) |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2011001515A1 (ja) * | 2009-06-30 | 2011-01-06 | 富士通株式会社 | 加速度センサ、振動発電デバイス及び加速度センサの製造方法 |
JP2011004598A (ja) * | 2010-09-03 | 2011-01-06 | Seiko Epson Corp | 圧電型発電機および圧電型発電機を用いた電子機器 |
-
2005
- 2005-10-13 JP JP2005298590A patent/JP2007107990A/ja active Pending
Cited By (4)
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WO2011001515A1 (ja) * | 2009-06-30 | 2011-01-06 | 富士通株式会社 | 加速度センサ、振動発電デバイス及び加速度センサの製造方法 |
JPWO2011001515A1 (ja) * | 2009-06-30 | 2012-12-10 | 富士通株式会社 | 加速度センサ、振動発電デバイス及び加速度センサの製造方法 |
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JP2011004598A (ja) * | 2010-09-03 | 2011-01-06 | Seiko Epson Corp | 圧電型発電機および圧電型発電機を用いた電子機器 |
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