JP2004226294A

JP2004226294A - 静圧動圧検知センサ

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Publication number: JP2004226294A
Application number: JP2003015860A
Authority: JP
Inventors: Yuko Fujii; 優子藤井; Shigetoshi Kanazawa; 成寿金澤
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2003-01-24
Filing date: 2003-01-24
Publication date: 2004-08-12

Abstract

【課題】同一センサで静圧と動圧を高精度に検知できるようにすること。
【解決手段】一方の面に第一の電極１１、他方の面に第二の電極１２が形成された圧電材料からなる基板１３と、一方の面に第三の電極１４、他方の面にダミー電極１５が形成された絶縁材料からなるダイアフラム１６と、第二の電極１２と第三の電極１４が対向するように基板１３とダイアフラム１６とを接着層１７で接合して静圧動圧検知センサを構成している。これによって、第二の電極１２と第三の電極間１４の静電容量によって静圧を検知でき、また圧電材料で構成された基板１３の圧電効果によって動圧を検知することが可能となる。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、静圧動圧検知センサに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来この種の圧力検知センサは、図９に示すように一方の面に第一の電極１が形成された電気絶縁性材料からなる基板２と、第二の電極３が表面に形成された電気絶縁性材料からなるダイアフラム４とを備え、第一の電極と第二の電極とが対向配置するように接着層５を介して基板２とダイアフラム４とを接合して構成されている。そして、圧力が印加されるとダイアフラムが変形し、したがって電極間距離が変化することによって電極間に生ずる静電容量が変化するのでこの変化量を検知することによって印加圧力を測るようにしていた（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
【特許文献１】
特開昭５７−９７４２２号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の圧力検知の形態では、ダイアフラムの撓みを検知するため、静圧のみの検知であり、動圧を検知することはできなかった。さらにダイアフラムに第三の電極を形成したことで、ダイアフラムに熱膨張差による反りが発生し、静電容量にばらつきが生じていた。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明の静圧動圧検知センサは、両面のそれぞれに第一の電極と第二の電極が形成された圧電材料からなる基板と、両面のそれぞれに第三の電極とダミー電極が形成された絶縁材料からなるダイアフラムとを設け、前記第二の電極と前記第三の電極が対向させ、前記基板と前記ダイアフラムとを接着層で接合するようにしたものである。
【０００６】
本発明によれば、第二の電極と第三の電極間の静電容量によって静圧を検知し、
また、第一の電極と第二の電極とによる圧電効果によって発生する出力電圧によって動圧を検知することができ、したがって１つのセンサで容易に静圧と動圧とを検知することができる。さらに、ダイアフラムに形成された第三の電極の反対面にダミー電極を形成したことにより、ダイアフラムとの熱膨張差で生じるダイアフラムの反りを抑制することができるので、静電容量のばらつきを抑制し、安定した初期特性を得ることができる。
【０００７】
【発明の実施の形態】
上記課題を解決するために請求項１記載の発明は、一方の面に第一の電極、他方の面に第二の電極が形成された圧電材料からなる基板と、一方の面に第三の電極、他方の面にダミー電極が形成された絶縁材料からなるダイアフラムと、第二の電極と第三の電極が対向するように基板と前記ダイアフラムとを接着層で接合した静圧動圧検知センサである。
【０００８】
そして、第二の電極と第三の電極間の静電容量によって静圧を検知し、動圧は基板を構成している圧電材料の圧電効果によって電圧が発生するため、この基板の両面に形成された第一の電極と第二の電極間に発生する出力電圧を検知することによって、１つのセンサで容易に静圧と動圧が検知できる。また基板の動圧が検知できるため、同時に振動検知ができる。さらにダイアフラムの第三の電極が形成された他方の面にダミー電極を形成したことで、ダイアフラムとの熱膨張差で生じるダイアフラムの反りを抑制することができるため、静電容量のばらつきを抑えることができ、安定した初期特性が得ることができる。
【０００９】
請求項２記載の発明は、ダミー電極をダイアフラムを介して第三の電極と対称形状で形成し、かつ同質材料あるいは熱膨張係数が同じ材料で構成した静圧動圧検知センサである。そして、ダミー電極をダイアフラムを介して第三の電極と対称形状で形成し、かつ同質材料あるいは熱膨張係数が同じ材料で構成することによって、第三の電極の熱膨張によるダイアフラムの反りを相殺することができ、安定した初期特性が得ることができる。
【００１０】
請求項３記載の発明は、静電容量検知手段によって第二の電極と第三の電極間の静電容量を検知する構成とした静圧動圧検知センサである。そして、静電容量検知手段を設けることによって、静圧力の印加によって変化した静電容量を簡単な構成で容易に検知することができる。
【００１１】
請求項４記載の発明は、第一の電極と第二の電極間の電圧を検知する第一の電圧検知手を設けて動圧を検知する構成とした静圧動圧検知センサである。そして、電圧検知手段を設けることによって圧電材料である基板に動圧力が印加されたとき、圧電効果によって基板に電圧が発生するため、基板の両面に配置された第一の電極と第二の電極間に発生する出力電圧を容易に検出することができる。
【００１２】
請求項５記載の発明は、基板をチタン酸鉛とジルコン酸鉛の固溶体で構成した静圧動圧検知センサである。そして、チタン酸鉛とジルコン酸鉛の固溶体の圧電セラミック粉体は工業的に多量に利用されているので、安価であり、入手も容易であるため、高感度で安価な静圧動圧検知センサが提供できる。
【００１３】
請求項６記載の発明は、ダイアフラムをアルミナで構成した静圧動圧検知センサである。そして、アルミナは工業的に多量に利用されているので、安価であり、入手も容易であるため、高感度で安価な静圧動圧検知センサが提供できる。
【００１４】
請求項７記載の発明は、少なくとも第二の電極と第三の電極は金属レジネ−トペ−ストを用いて印刷形成した静圧動圧検知センサである。そして、電極を金属レジネ−トペ−ストを用いて印刷形成することによって薄膜の電極が容易に形成できるため、第二の電極と第三の電極間距離に及ぼす電極膜厚の影響を低減できるため初期容量のばらつきを低減できる。
【００１５】
請求項８記載の発明は、接着層にスペ−サを設けた基板をチタン酸鉛で構成した静圧動圧検知センサである。そして、接着層にスペ−サを設けることによって第二の電極と第三の電極との間の電極間距離が管理できるため初期容量のばらつきを低減できる。
【００１６】
請求項９記載の発明は、第二の電極または第三の電極を主電極と参照電極とから構成した静圧動圧検知センサである。そして、主電極と参照電極の各々の静電容量比を出力として得ることによって温度特性の影響を除去することができるため信頼性の高い出力が得られる。
【００１７】
【実施例】
以下、本説明の実施例について図面を用いて説明する。
【００１８】
（実施例１）
図１は本発明の実施例１における静圧動圧検知センサの断面図である。図において、一方の面に第一の電極１１、他方の面に第二の電極１２が形成された圧電材料からなる基板１３と、一方の面に第三の電極１４、他方の面にダミー電極１５が形成された絶縁材料からなるダイアフラム１６と、第二の電極１２と第三の電極１４とが対向配置しかつ接着層１７を介して基板１３とダイアフラム１６とを接合して構成した。
【００１９】
ここで、第一の電極１１、第二の電極１２、第三の電極１４、ダミー電極１５は金レジネートをスクリーン印刷法で２５μｍの厚みで形成し、脱脂・焼成して０．１μｍの厚みとした。このため電極膜厚は１μｍ以下で形成可能となり、電極膜厚が第二の電極１２と第三の電極１４の電極間距離に及ぼす影響を低減できる。このためセンサばらつきを抑制できる。さらにダミー電極１５は、ダイアフラム１６を介して第三の電極１４と対称形状で形成し、かつ同質材料で構成した。さらに第一の電極１１と第二の電極１２が形成された基板１３は圧電材料としてチタン酸鉛とジルコン酸鉛の固溶体である圧電セラミックを使用した。また一方の面に第三の電極１４が形成されたダイアフラム１６は、絶縁材料としてアルミナを使用した。基板１３とダイアフラム１６で使用した圧電セラミックとアルミナは工業的に多量に利用されているので、安価であり、入手も容易であるため、高感度で安価な静圧動圧検知センサが提供できる。
【００２０】
さらに、基板１３のとダイアフラム１６との接着は基板１３の周縁部に形成した接着層１７によって行った。本実施例では接着層１７として基板１３及びダイアフラム１６と同程度の熱膨張係数を有するガラスペ−ストを使用した。
【００２１】
次に本発明の静圧動圧検知センサの動作を説明する。この静圧動圧検知センサに静圧が印加された場合、図２に示すようにダイアフラム１６は撓み、第二の電極１２と第三の電極１４の電極間距離は小さくなる。静電容量はＣ＝εＳＸ^−１（εは誘電率、Ｓは電極面積、Ｘは電極間距離）で表され、圧力が印加されるとＸが小さくなるため出力である静電容量は増加する。このため容量値を検出することによって静圧を検出することができる。
【００２２】
また、動圧が印加された場合においてはその動圧が圧電材料である基板１３に伝達され、圧電効果によって電圧が発生する。この基板１３の両面に形成された第一の電極１１と第二の電極間１２に発生する出力電圧を検知することによって容易かつ高精度に動圧が検知可能となる。
【００２３】
図３に第二の電極１２と第三の電極１４間の静電容量を検知する静電容量検知手段１８を設けて静圧を検知する静圧動圧検知センサの構成図を示す。この静電容量検知手段１７は第二の電極１２と第三の電極１４間の静電容量によって静圧を検出するもので、図４に荷重と静電容量検知手段１８の出力との関係を示した。この結果から、第二の電極１２と第三の電極１４間の静電容量を静電容量検知手段１８によって検出することで容易に静圧を検出できることが解る。
【００２４】
図５に基板１３の両面に形成された第一の電極１１と第二の電極間１２に発生する出力電圧を検知する電圧検知手段１９を設けた静圧動圧検知センサの構成図を示す。この電圧検知手段１９は動圧印加時に圧電効果によって電圧が発生する電圧値を検出する。図６に本発明の静圧動圧検知センサを布団の下に配設し、その上に人間が寝たときの電圧検知手段１９の出力結果を示す。この結果、人体からの振動である呼吸振動、心拍振動が検知できるほど高感度であることが解った。このため本発明の静圧動圧検知センサは、一つのセンサで静圧と動圧が精度良く検知できる。
【００２５】
また、ダイアフラム１６にダミー電極１５を形成しない場合の静圧動圧検知センサを１００個作成した場合、ダイアフラム１６の反りは約１０〜３０μｍ程度生じ、第二の電極１２と第三の電極１４間の静電容量のばらつきは約３０％もあった。しかし本発明の静圧動圧検知センサは、ダイアフラム１６にダミー電極１５を形成しているため、静圧動圧検知センサのダイアフラム１６の反りは５μｍ以下に抑制することができ、第二の電極１２と第三の電極１４間の静電容量のばらつきも約５％に抑えることができた。このため安定した初期特性を得ることができ、歩留まりも向上できた。
【００２６】
（実施例２）
図７は本発明の実施例２の静圧動圧検知センサの断面図である。本実施例２において、実施例１と異なる点は接着層１７にスペ−サ２０を設けた点である。なお、実施例１と同一符号のものは同一構造を有し、説明は省略する。
【００２７】
図７において、スペ−サ２１は接着層１７と同じ熱膨張係数を有するガラスビ−ズ（Φ４５μｍ）を使用した。このスペ−サ２０によって第二の電極１２と第三の電極１４間の電極間距離がスペ−サ２０によって管理できるため基板１３とダイアフラム１６間の静電容量のばらつきを低減することが出来る。スペ−サ２１を設けた静圧動圧検知センサとスペ−サ２０を設けない静圧動圧センサを各１００個作成しその初期容量のばらつきを評価した。スペ−サ２０がない静圧動圧検知センサはばらつきが約５％あるのに対しスペ−サ２０を設けた静圧動圧検知センサの標準偏差は約１．５％になり、３／１０に低減することが出来た。この結果、ばらつきがなく、精度良い検知が可能な静圧動圧検知センサが容易に実現できる。
【００２８】
（実施例３）
図８ａは本発明の実施例３の静圧動圧検知センサの断面図であり、図８ｂは第三の電極の上面図である。本実施例３において、実施例１及び２と異なる点は第三の電極１４を主電極２１と参照電極２２で構成した点である。本実施例において主第三の電極１４である主電極２１と参照電極２２は金レジネ−トで印刷成形し、参照電極２２は主電極２１の円周部に形成した。各々の出力の比を出力とすることによって、ダイアフラム１６の温度特性をキャンセルすることが可能となる。つまり第三の電極１４として一つの容量値のみを出力とした場合、ダイアフラム１６自身の温度特性によって第二の電極１２と第三の電極１４間の静電容量値は変化してしまう。しかし本実施例のように第三の電極１４を主電極２１と参照電極２２で構成し、出力として主電極２１と参照電極２２の比をとることによって、温度特性をキャンセルすることが可能となる。このため容易な構成で精度の良いセンサ出力を得ることが可能となる。
【００２９】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、一方の面に第一の電極、他方の面に第二の電極が形成された圧電材料からなる基板と、一方の面に第三の電極、他方の面にダミー電極が形成された絶縁材料からなるダイアフラムと、前記第二の電極と前記第三の電極が対向するように前記基板と前記ダイアフラムとを接着層で接合して静圧動圧検知センサを構成し、第二の電極と第三の電極間の静電容量によって静圧を検知し、圧電材料で構成された基板の圧電効果によって動圧を検知可能となり、１つのセンサで静圧と動圧が同時に検知可能となる。さらにダイアフラムの第三の電極が形成された他方の面にダミー電極を形成したことで、ダイアフラムとの熱膨張差で生じるダイアフラムの反りを抑制することができるため、静電容量のばらつきを抑えることができ、安定した初期特性が得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例１における静圧動圧検知センサの断面図
【図２】同センサの静圧印加時の断面図
【図３】同センサの可撓性圧電素子と静電容量の検出状態を示す断面図
【図４】同センサの可撓性圧電素子に掛かる静圧とセンサ出力状態を示す特性図
【図５】同センサの可撓性圧電素子と第一の電圧を検出するための構成図
【図６】同センサの可撓性圧電素子の動圧とセンサ出力を示す特性図
【図７】本発明の実施例２における静圧動圧検知センサの断面図
【図８】（ａ）本発明の実施例３における静圧動圧検知センサの断面図
（ｂ）同センサにおける第三の電極の上面図
【図９】従来のセンサの可撓性圧電素子を示す断面図
【符号の説明】
１１第一の電極
１２第二の電極
１３基板
１４第三の電極
１５ダミー電極
１６ダイアフラム
１７接着層
１８静電容量検知手段
１９電圧検知手段
２０スペ−サ
２１主電極
２２参照電極

Claims

圧電材料からなる基板と絶縁材料からなるダイアフラムとを対向させ、前記基盤の外側及び内側の面にはそれぞれ第一の電極及び第二の電極を形成すると共に、前記ダイヤフラムの内側の面及び外側の面にはそれぞれ第三の電極及びダミー電極を形成し、前記基板と前記ダイアフラムとを接着層で接合した静圧動圧検知センサ。
ダミー電極と第三の電極とはダイアフラムを介して対称形状で形成されると共に、少なくとも熱膨張係数が同じ材料である請求項１記載の静圧動圧検知センサ。
第二の電極と第三の電極間の静電容量を検知する静電容量検知手段を設け、該静電容量検知手段を介して静圧を検知する請求項１または２記載の静圧動圧検知センサ。
第一の電極と第二の電極間の電圧を検知する電圧検知手段を設け、動圧を検知する請求項１、２または３記載の静圧動圧検知センサ。
基板はチタン酸鉛とジルコン酸鉛の固溶体である請求項１〜４のいずれか１項記載の静圧動圧検知センサ。
ダイアフラムをアルミナで形成した請求項１〜５のいずれか１項記載の静圧動圧検知センサ。
少なくとも第二の電極と第三の電極は、金属レジネ−トペ−ストを用いて印刷形成した請求項１〜６のいずれか１項記載の静圧動圧検知センサ。
接着層にスペ−サを設けた請求項１〜７のいずれか１項記載の静圧動圧検知センサ。
第二の電極または第三の電極を主電極と参照電極とから構成した請求項１〜８のいずれか１項記載の静圧動圧検知センサ。