专利名称：压电型振动传感器的制作方法
技术领域：
本发明涉及使用压电元件(压电材料)的压电型振动传感器，并涉及适用于各种设备的振动的测定和计步器等中的压电型振动传感器。
背景技术：
测量振动时，一般使用测量加速度的方法、测量速度的方法以及测量位移的方法。本发明属于通过测量加速度来测量振动的技术领域，特别涉及作为测量加速度的元件而使用压电元件(压电材料)的压电型振动传感器。
使用作为测量加速度的元件的压电元件(压电材料)的压电型振动传感器(加速度传感器)，例如在2000年8月4日公开的特开2000-213954号公报中公开。参照图4简单说明在该特开2000-213954号公报(P2000-213954A)中公开的加速度传感器。
在特开2000-213954号公报中公开的加速度传感器使用压电传感器来测量步行数，如图4所示，箱型的外壳12中内设有用于检测步行数的压电传感器13、用于放大信号的运算放大器14以及晶体管15。压电传感器13的输出电压由运算放大器14和晶体管15放大之后，送到运算器16，进行电处理。运算结果传送至安装在外壳12的一个侧壁的液晶面板18上显示。
如上述特开2000-213954号公报的图2和图3所示，压电传感器13通过粘合剂将规定重量的封装基板分别粘着在具有多个传感面的平板状的压电传感器13的上表面和下表面上，具有一体化的结构。该压电传感器13支承在外壳12内并可在上下方向上自由移动，构成根据步行时每一步的上下方向上的加速度而与外壳12的顶面进行一次冲击的结构。因为压电传感器13与顶面的冲击而偏斜，并由此产生电压，所以能够依据该压电传感器的输出电压来检测与顶面之间的冲击。图4所示的加速度传感器装置中将冲击数作为步行数进行显示。
上述特开2000-213954号公报中没有明确记载，在构成由上述的加速度输入信号而上下运动的结构的压电传感器中，一般使用压电陶瓷。然而，压电陶瓷对跌落等引起的冲击的耐冲击性比较弱，容易产生由冲击而造成的破坏和损伤。由于产生由冲击导致的破坏和损伤后使得不能从压电传感器产生电压，故不能从使用该压电传感器的压电型振动传感器中产生输出信号，导致不能使用。
发明内容
本发明的一个目的在于，提供一种耐冲击性良好的压电型振动传感器。
本发明的另一个目的在于，提供一种能够高精度且稳定地测量振动的压电型振动传感器。
为了实现上述目的，本发明的第一方面提供一种压电型振动传感器，其具有由软质板和在两表面上形成有电极膜的压电薄膜的层叠体构成的振动膜；支承上述振动膜的周围边缘部分的框架；安装在上述振动膜中未被上述框架支承的部分的一个面大致中央的压重。上述振动膜形成使未被上述框架支承的部分位移的形状。
优选的实施例中，上述软质板的两个表面上分别形成导电膜，上述振动膜中未被上述框架支承的部分大致形成拱顶形状，并且为从两侧支承上述振动膜的周围边缘部分而设置有一对上述框架。
另外，上述压电振动传感器还具有一端开放的壳体和封闭该壳体的开放端的基板，将安装有上述框架和上述压重的振动膜放置在上述壳体内，通过由上述基板封闭上述壳体的开放端，构成由上述框架支承上述振动膜的周围边缘部分。
本发明的另一方面在于提供一种压电型振动传感器，其具有由软质板和在两表面上形成有电极膜的压电薄膜的层叠体构成的振动膜；支承上述振动膜的周围边缘部分的框架；安装在上述振动膜中未被上述框架支承的部分的表面大致中央的压重；一端开放的壳体；封闭该壳体的开放端的基板；在上述基板的内表面上突出设置的多个销。将安装有上述框架和上述压重的振动膜放置在上述壳体内，通过由上述基板封闭上述壳体的开放端，从而上述振动膜的周围边缘部分被上述框架支承，且支承成上述振动膜中未被上述框架支承的部分由上述基板内表面的多个销按压而位移的形状。
优选的实施例中，上述软质板的两个表面上分别形成导电膜，上述振动膜中未被上述框架支承的部分大致位移成拱顶形状，并为从两侧支承上述振动膜的周围边缘部分而设置有一对上述框架。
根据本发明，作为振动测量元件，由于使用对跌落等冲击的耐冲击性非常强的压电薄膜，而能够提供耐冲击性良好的压电型振动传感器。另外，因为振动膜的周围边缘部分被支承，所以对该传感器施加振动和冲击时，振动膜在一个方向上非常稳定地大幅度振动。因此，能够得到稳定的大输出电压，并能够高精度且稳定地测量加速度(振动)。
图1是表示本发明的压电型振动传感器的第一实施例的剖面图；图2是将图1的一部分放大表示的剖面图；图3是表示本发明的压电型振动传感器的第二实施例的剖面图；图4是表示将现有技术的压电型振动传感器的一例的切除一部分的示意立体图。
具体实施例方式
下面，参照图1～图3详细说明本发明的优选实施例。然而，因为本发明能够以多种不同的形式实施，所以下面所述的实施例不应该解释为对本发明的限定。后述的实施例中以下的说明是充分且完整的技术方案，是为使得本领域的技术人员对本发明的范围充分了解而提供的说明。
首先，参照图1和图2详细说明本发明的压电型振动传感器的第一实施例。
图1是表示根据本发明的压电型振动传感器的第一实施例的剖面图。该压电型振动传感器包含通过压电薄膜21和与该压电薄膜21一体化的软质板24而构成的振动膜25；夹持并支承该振动膜25的周围边缘部分的一对框架28、29；安装在振动膜25的压电薄膜21侧的中央部分上的板状的压重31。
在本实施例中，压电薄膜21为由PVDF(聚偏二氟乙烯)形成的平面大致圆形的薄膜，如图2中放大所示，在压电薄膜21的两个表面的整个面上分别形成电极膜22和23。例如通过蒸镀镍(Ni)和钛(Ti)而将这些电极膜22和23形成在压电薄膜21的两个表面上。
软质板24用于支承压电薄膜21，因此具有与压电薄膜21大致相同的平面形状，例如用聚氨基甲酸酯和弹性材料形成。本实施例中，如图2放大所示，在平面大致圆形的软质板24的两个表面的整个面上分别形成金属膜26A和26B。这些金属膜26A和26B例如通过蒸镀镍(Ni)和钛(Ti)而形成在软质板24的两个表面上。
通过将两个表面上形成有金属膜26A和26B的平面大致圆形的软质板24的一个表面(本实施例中是金属膜26A的表面)和两个表面上形成有电极膜22和23的平面大致圆形的压电薄膜21的一个表面(本实施例中是电极膜23的表面)由例如导电粘合剂接合并一体化，从而形成由软质板24和压电薄膜21的层叠体构成的振动膜25。
因为在本实施例中振动膜25是平面大致圆形的形状，所以一对框架28、29形成环状，并且一个环状的框架28(图中上侧的框架)的高度比另一个环状的框架29(图中下侧的框架)的高度高。这些环状的框架28和29例如是黄铜那样的金属环，由上侧的环状框架28的下表面和下侧的环状框架29的上表面夹持并支承振动膜25。因此，上侧的环状框架28的下表面与压电薄膜21的上侧的电极膜22表面电接触，下侧的环状框架29的上表面与软质板24的下侧的金属膜26B的表面电接触。
如图2所示，软质板24的两个表面的金属膜26A和26B介由形成在它们的周围边缘部分上的通孔27而相互电连接，另一方面，因为如上述地通过导电性粘接剂使压电薄膜21和软质板24接合而一体化，故压电薄膜21的下侧的电极膜23和软质板24的上侧的金属膜26A电连接。其结果，压电薄膜21的下侧电极膜23经过软质板24的上侧金属膜26A、通孔27中的导体以及软质板24的下侧的金属膜26B而与下侧的环状框架29电连接。
在本实施例中，振动膜25中由一对环状的框架28、29夹持的周围边缘部分的内侧的部分(能够振动的部分)形成拱顶的形状。即，振动膜5具有平坦的环状周围边缘部分和拱顶形状的中央部分。使用例如粘合剂将板状的压重31安装在该拱顶形状部分的上表面中央部，使其与拱顶形状部分的上表面粘合。压重31由例如不锈材料和黄铜材料形成，并在本实施例中形成为平面大致圆形的形状。
将安装有压重31的振动膜25和夹持振动膜25的周围边缘部分的一对环状框架28、29放置在底面开放的圆筒形的壳体32内。该壳体32由铝等金属形成，首先将一个环状的框架28放置在壳体32内，然后将安装有压重31的振动膜25以及另一环状框架29依次放置在壳体32内，最后放置圆板形的基板33并由该基板33封闭壳体32的开放面(底面)。接着，通过将壳体32的开放端向内侧弯折铆接而将基板33固定在壳体32上。由此，振动膜25的周围边缘部分由上侧的环状框架28的下面和下侧的环状框架29的上面牢固地夹持住，振动膜2 5在壳体32内以图1所示的状态被支承。并且，基板33的内表面上安装有FET(电场效应晶体管)34以及未图示的所需的电路零件，另外，所需的电极图案(未图示)分别形成在基板33的内表面和外表面上。
在基板33的内表面上形成的电极图案与下侧的环状框架29的下表面电连接，在基板33的外表面上形成的电极图案与壳体32的铆接部分电连接。因此，压电薄膜21的下侧电极膜23经过软质板24上侧的金属膜26A、通孔27中的导体、软质板24下侧的金属膜26B以及下侧的环状框架29，与形成在基板33的内表面上的电极图案电连接，另一方面，压电薄膜21的上侧电极膜22介由上侧的环28以及壳体32与形成在基板33的外表面的电极图案电连接。并且，为了使压电薄膜21的两个表面的电极膜22和23经过壳体32而不短路，在壳体32的圆筒内周面(除了顶面和开放端)上施加绝缘用的树脂涂层为好。
在上述结构的压电型振动传感器中，若振动和冲击施加到该传感器上，则根据施加的振动和冲击，振动膜25在附图的上下方向上振动。此时，由于振动膜25形成拱顶形状，故向上部方向的振动大。其结果，在压电薄膜21上产生大的电位差，该压电薄膜21产生与输入加速度对应的电压。因此，将在该压电薄膜21上产生的电压通过安装在基板33的内表面上的电路零件放大并进行电处理时输入加速度，从而能够检测振动和冲击。例如，若将上述实施例的振动传感器作为计步器使用，由于能够检测步行时的每一步上下方向的加速度，故能够检测步行数。
另外，压电薄膜21不是本实施例中的拱顶形状而是例如平的圆板时，若将振动和冲击施加到该传感器上，则由于压电薄膜21的上下方向的振动在其外表面侧和内表面侧一定程度地对称，所以在压电薄膜21的外表面侧和内表面侧之间产生的电位差变得相当小。由此，如本实施例的拱顶形状，振动膜25形成使压电薄膜21向一侧进行更大的位移的形状，以使在传感器上施加振动和冲击时在振动膜25上产生非对称的大振动是理想的。另外，压电薄膜21的厚度设定为例如3～10微米的程度为好。压电薄膜21的厚度增加时，由位置变化量减少而导致产生的电压变小。
上述结构的压电型振动传感器作为振动测量元件使用压电薄膜。该压电薄膜对跌落等导致的冲击的耐冲击性非常强，几乎不会产生因冲击导致的压电薄膜的破坏和损伤。因此，不会发生跌落等导致的破坏和损伤并不会发生从压电传感器不能产生电压的意外，能够得到耐冲击性优良的压电型振动传感器。另外，由于振动膜的周围边缘部分被支承，所以在该传感器上施加振动和冲击时，振动膜在一个方向(图中的上下方向)上非常稳定地大幅度振动。因此，能够得到稳定的大幅度输出电压，所以能够高精度且稳定地测量加速度(振动)。并且，不会产生因跌落等的冲击导致的振动膜变形或破损。
2003年7月30日公开的特开2003-215153号公报(P2003-215153A)中公开了加速度传感器，该加速度传感器在接合圆弧状弯曲的底座部件和圆弧状弯曲的压电元件的圆弧状的层叠体的一个端部上安装压重，并在该层叠体的另一个端部上设置支承部件，将该支承部件固定在基板上。该加速度传感器中，由于仅固定了圆弧状的层叠体的一端，在该传感器上施加振动和冲击时，圆弧状的层叠体产生不稳定的振动。因此，存在不能高精度且稳定地测量加速度(振动)的缺点。另外，容易产生由于跌落等的冲击导致的圆弧状层叠体的变形和破损。
另外，也有将驻极体作为振动测量元件使用，并根据静电容量的变化测量振动(输入加速度)的静电容量型的振动传感器。由于驻极体的耐水性差所以使用驻极体的振动传感器必须具有防水的结构。然而，由于上述实施例的振动传感器使用压电薄膜作为振动测量元件而具有耐水性能，所以具有振动传感器不需防水结构的优点。
上述实施例中软质板24的两个表面的整个面上分别形成金属膜26A和26B，由于金属膜26A和26B是用于电连接压电薄膜21下侧的电极膜23与基板33的电极图案而形成的，所以也可以仅形成在例如由环状的框架28、29夹持的软质板24的周围边缘部分的两个表面上。
下面，参照图3详细说明本发明的压电型振动传感器的第二实施例。
由于该第二实施例主要仅在由压电薄膜21和与该压电薄膜21一体化的软质板24构成的振动膜25并不形成拱顶的形状，即振动膜25里外两面形成大致平坦的圆板形状方面与上述第一实施例不同，所以图3中与图1和图2对应的元件和部分用同一附图标记表示，并省略不必要的说明。
该第二实施例中，在不与圆板状基板33的内表面下侧的环状框架29接触的位置上，以向内侧大致垂直竖立的状态形成比下侧的环状框架29的高度高且长度相同的多个、例如三个(图3中仅看见两个)销35。这些销35在以振动膜25的中心作为圆心的圆周上以等角度间隔(本实施例中120°的角度间隔)定位而形成在基板33的内表面。
在上述结构中，朝向底面开放的圆筒状的壳体32内放置一个环状框架28，然后将安装有压重31的两面为大致平坦的圆板形状的振动膜25、另一个环状框架29、圆板状的基板33依次放置在壳体32内，通过将壳体32的开放端向内侧弯折铆接而将基板33固定在壳体32上。由于将振动膜25的周围边缘部分被上侧的环状框架28的下表面和下侧的环状框架29的上表面牢固地夹持，同时通过形成在基板33的内表面的三个销35而按压从周围边缘部分向中心靠近的三处部分而向上顶住，振动膜25形成图3所示的大致拱顶的形状而支承在壳体32内。因此，可明显地得到与上述第一实施例相同的作用和效果，所以省略其说明。
另外，在上述第二实施例中，在基板33的内表面中也安装有FET34和未图示的所需的电路零件，另外，所需的电极图案分别形成在基板33的内表面和外表面上。
上述第二实施例中三个销35形成在基板33的内表面上，但是销35的个数不限于三个。另外，各个销35的高度根据测量灵敏度等而设定为预定的高度。
现已对图示的本发明优选实施例进行说明，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，本领域的技术人员能够对上述的实施例进行各种变形、变更以及改良。因此，本发明并不限于列举的实施例的内容，应该理解为也包含根据附加的权利要求的范围所确定的本发明的范围内的全部变形，变更和改良。
权利要求
1.一种压电型振动传感器，其特征在于，具有由软质板和在两个表面上形成有电极膜的压电薄膜的层叠体构成的振动膜；支承所述振动膜的周围边缘部分的框架；在所述振动膜中未被所述框架支承的部分的一个面大致中央部分上安装的压重，所述振动膜形成使未被所述框架支承的部分位移的形状。
2.如权利要求1所述的压电型振动传感器，其特征在于，所述软质板的两个表面上分别形成有导电膜，所述振动膜中未被所述框架支承的部分大致形成拱顶形状，为从两侧支承所述振动膜的周围边缘部分而设置有一对所述框架。
3.如权利要求1或2所述的压电型振动传感器，其特征在于，还包括一端开放的壳体和封闭所述壳体的开放端的基板，通过将安装有所述框架和所述压重的振动膜放置在所述壳体内，并由所述基板封闭所述壳体的开放端，构成由所述框架支承所述振动膜的周围边缘部分。
4.一种压电型振动传感器，其特征在于，具有由软质板和在两个表面上形成有电极膜的压电薄膜的层叠体构成的振动膜；支承所述振动膜的周围边缘部分的框架；在所述振动膜中未被所述框架支承的部分的一个表面大致中央部分上安装的压重；一端开放的壳体；封闭所述壳体的开放端的基板；在所述基板的内表面突出设置的多个销，通过将安装有所述框架和所述压重的振动膜放置在所述壳体内，并由所述基板封闭所述壳体的开放端，所述振动膜的周围边缘部分被所述框架支承，且支承成所述振动膜中未被所述框架支承的部分由所述基板内面的多个销按压而变形的形状。
5.如权利要求4所述的压电型振动传感器，其特征在于，在所述软质板的两个表面上分别形成有导电膜，所述振动膜中未被所述框架支承的部分位移成大致拱顶形状，为从两侧支承所述振动膜的周围边缘部分而设置一对所述框架。
全文摘要
一种压电型振动传感器。其由在两个表面上分别形成有电极膜的压电薄膜和在两个表面上分别形成有金属膜的软质板的层叠体形成振动膜，在该振动膜的一个面上安装压重。设置一对用于从两侧支承振动膜的周围边缘部分的框架，通过将这些振动膜和框架放置在一端开放的壳体内，并由基板封闭壳体的开放端，由上述的一对框架支承振动膜的周围边缘部分。
文档编号G01H11/00GK1603841SQ20041009215
公开日2005年4月6日 申请日期2004年9月29日 优先权日2003年9月29日
发明者大林义昭, 安田护, 杉森康雄 申请人:星电株式会社