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【発明の名称】 加速度センサ及び三軸加速度センサ
【発明者】 【氏名】中溝 佳幸

【氏名】小林 英樹
【要約】 【課題】加速度検出電極から出力電極までの間の静電容量が原因となって発生する出力の低下を抑制できる加速度センサを得る。

【解決手段】重錘固定領域５Ａ内において、接続線ＬＸ１と圧電セラミックス基板５との間に低誘電率層８を形成する。中間領域５Ｂの外側において、接続線ＬＸ２，ＬＹ１，ＬＺ４及び出力電極ＯＸと圧電セラミックス基板５との間に低誘電率層９を形成する。低誘電率層８及び９を、圧電セラミックス基板５の比誘電率よりも比誘電率が十分に小さい低誘電率物質により形成する。低誘電率層８，９の存在により、配線パターン及び出力電極と対向電極パターンとの間に生じる静電容量が小さくなって、この静電容量に蓄積される自発分極電荷の量を少なくできる。
【特許請求の範囲】
【請求項１】 圧電セラミックス基板と、前記圧電セラミックス基板の表面上に形成された、加速度に応じた信号を出力する加速度検出用電極、前記加速度検出用電極の出力を外部に出力する出力電極、及び前記加速度検出用電極と前記出力電極とを電気的に接続する配線パターンを含む表面電極パターンと、前記圧電セラミックス基板の裏面上に形成されて、少なくとも前記加速度検出用電極と対向する対向電極パターンと、前記圧電セラミックス基板に対して固定状態に配置されて前記加速度検出用電極が形成された領域に前記加速度に応じた応力を発生させる重錘と、少なくとも前記配線パターンの全部またはその主要部と前記圧電セラミックス基板との間に配置された低誘電率層とを具備し、前記低誘電率層は、前記圧電セラミックス基板の比誘電率よりも比誘電率が十分に小さく、前記圧電セラミックス基板の前記加速度検出用電極と前記対向電極パターンとの間の部分が分極処理されている加速度センサ。
【請求項２】 前記重錘は、前記圧電セラミックス基板の裏面の中央部に直接接合されている請求項１に記載の加速度センサ。
【請求項３】 前記圧電セラミックス基板の裏面にはダイアフラムが接合されており、前記重錘は前記ダイアフラムの中央部に設けられている請求項１に記載の加速度センサ。
【請求項４】 前記低誘電層は、前記配線パターンのうち前記加速度検出用電極が形成された領域の外側に位置する配線パターン部分と前記圧電セラミックス基板との間に配置されている請求項１に記載の加速度センサ。
【請求項５】 前記低誘電層が、前記出力電力と前記前記圧電セラミックス基板との間に更に配置されている請求項４に記載の加速度センサ。
【請求項６】 前記配線パターン及び前記出力電極と前記対向電極パターンとの間に形成される静電容量の存在により前記出力電極から出力される加速度信号のレベルの低下が、実質的に無視できる程度になるように前記低誘電率層の比誘電率及び厚みが選択されている請求項１に記載の加速度センサ。
【請求項７】 前記低誘電率層の比誘電率は、前記圧電セラミックス基板の比誘電率の１／１００以下であり、前記低誘電率層の厚みは、前記圧電セラミックス基板の厚みの０．２倍以上である請求項１に記載の加速度センサ。
【請求項８】 前記低誘電率層は、ガラスまた熱硬化性樹脂を主成分として形成されている請求項７に記載の三軸加速度センサ。
【請求項９】 前記低誘電率層は熱硬化性樹脂を主成分として形成され、前記配線パータン及び前記加速度出力電極は熱硬化性樹脂に導電性粉末が含まれてなる導電性ペーストを用いて形成されている請求項７に記載の加速度センサ。
【請求項１０】 圧電セラミックス基板と、前記圧電セラミックス基板の表面上に形成されたＸ軸方向加速度を検出する１以上のＸ軸方向加速度検出用電極、Ｙ軸方向加速度を検出する１以上のＹ軸方向加速度検出用電極、Ｚ軸方向加速度を検出する１以上のＺ軸方向加速度検出用電極、１以上のＸ軸方向加速度出力電極、１以上のＹ軸方向加速度出力電極、１以上のＺ軸方向加速度出力電極、前記１以上のＸ軸方向加速度検出用電極と前記１以上のＸ軸方向加速度出力電極を接続する第１の配線パターン、前記１以上のＹ軸方向加速度検出用電極と前記１以上のＹ軸方向加速度出力電極を接続する第２の配線パターン、前記１以上のＺ軸方向加速度検出用電極と前記１以上のＺ軸方向加速度出力電極を接続する第３の配線パターンを含む表面電極パターンと、前記圧電セラミックス基板の裏面上に形成されて、少なくとも前記１以上のＸ軸方向加速度検出用電極、前記１以上のＹ軸方向加速度検出用電極及び前記１以上のＺ軸方向加速度検出用電極と対向する対向電極パターンと、前記圧電セラミックス基板に対して固定状態に配置されて前記１以上のＸ軸方向加速度検出用電極、前記１以上のＹ軸方向加速度検出用電極及び前記１以上のＺ軸方向加速度検出用電極が形成された領域に前記加速度に応じた応力を発生させる重錘と、少なくとも前記第１乃至第３の配線パターンの全部またはその主要部と前記圧電セラミックス基板との間に配置された低誘電率層とを具備し、前記低誘電率層は、前記圧電セラミックス基板の比誘電率よりも比誘電率が十分に小さく、前記１以上のＸ軸方向加速度検出用電極、前記１以上のＹ軸方向加速度検出用電極及び前記１以上のＺ軸方向加速度検出用電極と前記対向電極パターンとの間の部分が分極処理されている三軸加速度センサ。
【請求項１１】 前記重錘は、前記圧電セラミックス基板の裏面の中央部に直接接合されている請求項１０に記載の三軸加速度センサ。
【請求項１２】 前記圧電セラミックス基板の裏面にはダイアフラムが接合されており、前記重錘は前記ダイアフラムの中央部に設けられている請求項１０に記載の三軸加速度センサ。
【請求項１３】 前記低誘電層は、前記第１〜第３の配線パターンのうち前記１以上のＸ軸方向加速度検出用電極、前記１以上のＹ軸方向加速度検出用電極及び前記１以上のＺ軸方向加速度検出用電極が形成された領域の外側に位置する配線パターン部分と前記圧電セラミックス基板との間に配置されている請求項１０に記載の三軸加速度センサ。
【請求項１４】 前記低誘電層が、前記１以上のＸ軸方向加速度出力電極、前記１以上のＹ軸方向加速度出力電極及び前記１以上のＺ軸方向加速度出力電極と前記圧電セラミックス基板との間に更に配置されている請求項１３に記載の三軸加速度センサ。
【請求項１５】 前記第１乃至第３の配線パターンと前記対向電極パターンとの間に形成される静電容量の存在によって前記１以上のＸ軸方向加速度出力電極、前記１以上のＹ軸方向加速度出力電極及び前記１以上のＺ軸方向加速度出力電極に現われる加速度信号のレベルの低下が実質的に無視できる程度になるように前記低誘電率層の比誘電率及び厚みが選択されていることを特徴とする請求項１０に記載の三軸加速度センサ。
【請求項１６】 前記低誘電率層の比誘電率は、前記圧電セラミックス基板の比誘電率の１／１００以下であり、前記低誘電率層の厚みは、前記圧電セラミックス基板の厚みの０．２倍以上である請求項１０に記載の三軸加速度センサ。
【請求項１７】 前記低誘電率層は、ガラスまた熱硬化性樹脂を主成分として形成されている請求項１６に記載の三軸加速度センサ。
【請求項１８】 前記低誘電率層は熱硬化性樹脂を主成分として形成され、前記配線パータン及び前記加速度出力電極は熱硬化性樹脂に導電性粉末が含まれてなる導電性ペーストを用いて形成されている請求項１６に記載の三軸加速度センサ。
【発明の詳細な説明】【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、圧電セラミックスを利用して加速度を検出する加速度センサ及び三軸加速度センサに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】表面に加速度検出用電極と、出力電極と、加速度検出用電極と出力電極とを接続する配線パターンが形成され、裏面に少なくとも加速度検出用電極と対向する対向電極が形成された圧電セラミックス基板と、圧電セラミックス基板の裏面に接合されたダイアフラムと、ダイアフラムの裏面に接合されて圧電セラミックス基板の加速度検出用電極が形成された領域に加速度に応じた応力を発生させる重錘を備えた構造の加速度センサが、知られている。
【０００３】また圧電セラミックス基板と重錘とを用いて相互に直交するＸ軸，Ｙ軸及びＺ軸方向の加速度を検出することができる三軸加速度センサの基本技術が国際公開ＷＯ９３／０２３４２（ＰＣＴ／ＪＰ９２／００８８２，ＵＳＰ５，３６５，７９９号）、ＵＳＰ５，５７１，９７２号等に開示されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、圧電セラミックス基板は比誘電率が高いため、従来の加速度センサでは、配線パターン及び出力電極と対向電極パターンとの間にも当然にして静電容量が発生する。加速度検出用電極と対向電極パターンとの間に発生した自発分極電荷は、この静電容量にも蓄積される。そのため従来の加速度センサでは、出力電極から外部に取り出される加速度信号（電圧信号または電流信号）の出力がある程度低下するという問題が生じる。そのため、従来は、増幅器を用いて加速度信号を所望の値まで増幅している。しかしながら、増幅度が大きくなればなるほど、増幅器の増幅特性が原因となって検出精度が低下する。
【０００５】また従来の三軸加速度センサでは、重錘に等量のＸ軸方向加速度、Ｙ軸方向加速度またはＺ軸方向加速度が単独で加わったときに、Ｘ軸方向加速度出力電極Ｘから出力されるＸ軸方向加速度信号、Ｙ軸方向加速度出力電極Ｙから出力されるＹ軸方向加速度信号及びＺ軸方向加速度出力電極Ｚから得られるＺ軸方向加速度信号のレベルが一致しないのが一般的であった。このレベルの差が大きくなると、検出精度が低下する。そこで、従来は、増幅器を用いて加速度信号の増幅レベルを調整することにより、各方向の加速度信号のレベルを一致させる補正を行っていた。しかしながら、増幅レベルの調整作業は繁雑であるため、生産性を低下させる大きな原因となっていた。
【０００６】本発明の目的は、加速度検出用電極から出力電極までの静電容量が原因となって発生する出力の低下を抑制できる加速度センサ及び三軸加速度センサを提供することにある。
【０００７】本発明の他の目的は、出力電極の出力を増幅する増幅器の増幅度をあまり大きくする必要のない加速度センサを提供することにある。
【０００８】本発明の他の目的は、増幅器を用いて信号レベルの調整をする必要がないか、または調整作業が僅かですむ三軸加速度センサを提供することにある。
【０００９】本発明の他の目的は、各方向の加速度信号の信号レベルをできるだけ近付けることができる三軸加速度センサを提供することにある。
【００１０】本発明の他の目的は、少なくとも配線パターンと対向電極パターンとの間に形成される静電容量を小さくできる加速度センサ及び三軸加速度センサを提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】発明者は、従来の三軸加速度センサにおける各方向の信号レベルの不一致の原因を探求した結果、圧電セラミックス基板は比誘電率が高いため、各出力電極及び配線パターンと対向電極パターンとの間に静電容量が発生し、この静電容量が出力の低下と信号レベルの不一致の原因の一つになっていることを見出した。加速度検出電極で発生した自発分極電荷は、加速度検出電極と出力電極との間の静電容量にも蓄積される。この蓄積量が多くなればなるほど、出力電極から出力される加速度信号が小さくなるのである。また三軸加速度センサの場合には、各出力電極及び配線パターンはその形状及び面積が異なるため、Ｘ軸加速度出力電極及びこの電極に接続される配線パターンと対向電極パターンとの間で発生する静電容量と、Ｙ軸加速度出力電極及びこの電極に接続される配線パターンと対向電極パターンとの間で発生する静電容量と、Ｚ軸加速度出力電極及びこの電極に接続せれる配線パターンと対向電極パターンとの間で発生する静電容量とが異なってくるの普通である。前述の通りこれらの静電容量にも、対応する加速度検出用電極で発生した自発分極電荷が蓄積されるため、Ｘ軸方向加速度信号、Ｙ軸方向加速度信号及びＺ軸方向加速度信号のレベルが異なってくるのである。
【００１２】本発明が改良の対象とする加速度センサは、基本的な構成要素として、圧電セラミックス基板と、圧電セラミックス基板の表面上に形成された、加速度に応じた信号を出力する加速度検出用電極、加速度検出用電極の出力を外部に出力する出力電極及び加速度検出用電極と出力電極とを電気的に接続する配線パターンを含む表面電極パターンと、圧電セラミックス基板の裏面上に形成されて少なくとも加速度検出用電極と対向する対向電極パターンと、圧電セラミックス基板に対して固定状態に配置されて加速度検出用電極が形成された領域に加速度に応じた応力を発生させる重錘とを具備している。なお圧電セラミックス基板の加速度検出用電極と対向電極パターンとの間の部分は分極処理が施されている。
【００１３】このような加速度センサにおいて、本発明では、表面電極パターンのうち少なくとも配線パターンの全部またはその主要部と圧電セラミックス基板との間に低誘電率層を配置する。そしてこの低誘電率層の比誘電率を、圧電セラミックス基板の比誘電率よりも十分に小さくする。
【００１４】このような低誘電率層を形成すると、比誘電率の高い圧電セラミックス基板と比誘電率の低い低誘電率層とが直接に接続された関係になり、言い換えれば圧電セラミックス基板のみにより発生する静電容量Ｃ１と低誘電率層により発生する静電容量Ｃ２とが直列接続された関係になる。単純に考えて、低誘電率層を設けた場合の電極間の静電容量ＣはＣ＝Ｃ１・Ｃ２／（Ｃ１＋Ｃ２）となり、Ｃ２がＣ１よりも十分に小さいとすると、ＣはＣ１よりも大幅に小さくなる。例えばＣ２がＣ１の１／１０以下であれば、静電容量ＣはＣ１の０．０９倍まで低下する。そのため、本発明によれば、少なくとも配線パターンの全部または主要部と圧電セラミックス基板との間の静電容量を大幅に小さくして、出力の低下を抑制できる（即ち静電容量に蓄積される自発分極電荷の量を小さくすることができる）。
【００１５】最も静電容量を小さくするためには、配線電極パターンの全部及び出力電極と圧電セラミックス基板との間に低誘電率層を配置すべきである。しかしながら実際に低誘電率層を形成してみると、配線電極パターンの全部及び出力電極と圧電セラミックス基板との間に低誘電率層を配置しなくても、実用上は差し支えない程度まで静電容量を小さくできることが分かった。具体的には、低誘電層を、配線パターンのうち加速度検出用電極が形成された領域の外側に位置する配線パターン部分と圧電セラミックス基板との間に配置するだけでも、実用上差し支えない程度まで静電容量を小さくできる。低誘電層を設ける部分が少なくなれば、それだけ低誘電層の印刷が容易になるだけでなく、低誘電層の形成材料が少なくとも済む。
【００１６】なお対向電極パターンは、圧電セラミックス基板の裏面上に少なくとも加速度検出用電極と対向するように形成されていればよい。対向電極パターンは、加速度検出用電極のみと対向するように形成されていてもよく、また表面電極パターン全体と対向するように形成されていてもよい。対向電極パターンが加速度検出用電極のみと対向するように形成されている場合は、対向電極パターンは、配線パターン及び出力電極とは直接対向せず、斜めに対向する。その結果、容量値は低くなる。しかし、斜めに対向している部分の静電容量が無くなるわけではない。本発明のように低誘電率層を用いれば、斜めに対向する配線パターン及び出力電極と対向電極パターンとの間の静電容量も小さくすることができる。
【００１７】また、対向電極パターンが表面電極パターン全体と対向するように形成されている場合には、対向電極パターンは、配線パターン及び出力電極と直接対向するため、比較的大きな静電容量が発生する。このような場合に低誘電率層を用いれば、静電容量の低減の効果は大きなものとなる。また、この場合、加速度検出用電極を除く圧電セラミックス基板全体に低誘電率層を形成すれば、静電容量の低減効果はより大きくなる。
【００１８】圧電セラミックス基板に対しては、従来と同様にダイアフラムをその裏面に接合してもよい。この場合には、重錘をダイアフラムの中央部に接合すればよい。しかしダイアフラムを用いずに、圧電セラミックス基板の裏面の中央部に直接重錘を設けても構わない。このようにすれば、重錘の変位により圧電セラミックス基板が直接撓む。そのため、重錘に作用した加速度によって生じた重錘の変化による応力が圧電セラミックス基板内に直接発生するため、加速度センサの測定精度または感度を高くできる。また、ダイアフラムを用いる必要がないので、部品点数を少なくできる。
【００１９】また、配線パターン及び加速度出力電極と対向電極パターンとの間に形成される静電容量の存在により出力電極に現われる加速度信号のレベルの低下が、実質的に無視できる程度になるように低誘電率層の比誘電率及びその厚みを選択すれば、従来のように増幅器を用いて出力信号を大きく増幅する必要がなくなる場合もある。実際的には、低誘電率層の比誘電率を圧電セラミックス基板の比誘電率の１／１００以下とし、低誘電率層の厚みを圧電セラミックス基板の厚みの０．２倍以上にすればよい。低誘電率層の厚みが０．２倍を下回ると、静電容量を効果的に低下させることができない。
【００２０】低誘電率層は、ガラスまたは、エポキシ等の熱硬化性樹脂を用いて形成することができる。熱硬化性樹脂を主成分として低誘電率層を形成する場合には、配線パータン及び加速度出力電極は熱硬化性樹脂に導電性粉末が含まれてなる樹脂系の導電性ペーストを用いて形成する。このようにすれば、配線パータン及び加速度出力電極を形成するときの熱で、低誘電率層が変質するのを防止できる。
【００２１】本発明を三軸加速度センサに適用する場合は、Ｘ軸方向加速度を検出する１以上のＸ軸方向加速度検出用電極、Ｙ軸方向加速度を検出する１以上のＹ軸方向加速度検出用電極、Ｚ軸方向加速度を検出する１以上のＺ軸方向加速度検出用電極、１以上のＸ軸方向加速度出力電極、１以上のＹ軸方向加速度出力電極、１以上のＺ軸方向加速度出力電極、１以上のＸ軸方向加速度検出用電極と１以上のＸ軸方向加速度出力電極を接続する第１の配線パターン、１以上のＹ軸方向加速度検出用電極と１以上のＹ軸方向加速度出力電極を接続する第２の配線パターン、１以上のＺ軸方向加速度検出用電極と１以上のＺ軸方向加速度出力電極を接続する第３の配線パターンを含む電極パターンが表面上に形成され、裏面上に電極パターンと全体的に対向する対向電極パターンが形成され、１以上のＸ軸方向加速度検出用電極、１以上のＹ軸方向加速度検出用電極及び１以上のＺ軸方向加速度検出用電極と対向電極パターンとの間の部分が分極処理されている圧電セラミックス基板を用いる。そして、少なくとも第１乃至第３の配線パターンの全部またはその主要部と圧電セラミックス基板との間に、圧電セラミックス基板の比誘電率よりも比誘電率が小さい低誘電率層を形成すればよい。
【００２２】本発明により、少なくとも第１〜第３の配線パターンの全部または主要部と対向電極パターンとの間に形成される静電容量を小さくすると、この静電容量が原因となって生じる各方向の加速度出力電極に現われる加速度信号のレベルの低下を大幅に抑制できる。その結果、電極の寸法及び配線パターンの形状及び長さをほとんど気にすることなく、三軸加速度センサを設計することができる。また従来のように各出力電極から出力される各信号レベルのズレが大きくなることが少なく、信号レベルの補正をする必要が殆どなくなる。各信号レベルにズレが発生しても、その差は僅かであり、簡単に信号レベルの調整を行える。そのため、本発明によれば設計が容易で、しかも生産性を大幅に高めることができる。また、三軸加速度センサの組立精度を高めれば、加速度信号の補正を行う必要が全くなくなって、三軸加速度センサの製造を更に容易にすることができる。
【００２３】
【発明の実施の形態】以下図面を参照して本発明の実施の形態の一例を説明する。図１は本発明の実施の形態の三軸加速度センサ１の平面図であり、図２は図１のII−II線端面図である。両図に示すように、この三軸加速度センサ１はセンサ本体３とこのセンサ本体３の外周部を支持する筒形の金属製の台座（支持部材）４とから構成されており、台座４が接着剤により取付部材２に接合されることにより、三軸加速度センサ１は金属製の取付部材２に取付けられている。センサ本体３は、圧電セラミックス基板５と、この圧電セラミックス基板５に接合された金属製ダイアフラム６と、この金属製ダイアフラム６に接合された重錘７とから構成されている。圧電セラミックス基板５は、内部に応力が加わると自発分極電荷が発生するように分極処理が施されている圧電セラミックス基板であり、この圧電セラミックス基板５は輪郭形状が四角形をなしている。分極処理については後に詳細に説明する。また、圧電セラミックス基板５の一方の面（表面）には表面電極パターンＥ１が形成され、圧電セラミックス基板５の他方の面（裏面）には、対向電極パターンＥ０が形成されている。圧電セラミックス基板５の裏面側には、対向電極パターンＥ０を介して金属製ダイアフラム６が接着剤を用いて接合されている。
【００２４】圧電セラミックス基板５は、重錘固定領域５Ａと中間領域５Ｂと外周領域５Ｃを有している。重錘固定領域５Ａは、圧電セラミックス基板１の中心部において円形の形状を有している。この重錘固定領域５Ａには、対向電極パターンＥ０及び金属製ダイアフラム６を介して重錘７が固定状態に配置されている。重錘７はアルミ合金、銅合金、鉄合金により円柱状に形成されている。重錘７は、静止状態においてその重心を通る軸線が重錘固定領域５Ａの中心を通って圧電セラミックス基板５の面と直交するように、金属製ダイアフラム６に固定されている。
【００２５】中間領域５Ｂは、重錘固定領域５Ａを囲む環状の形状を有している。中間領域５Ｂは、重錘７に対して圧電セラミックス基板１と平行な方向（Ｘ軸方向またはＹ軸方向）に加速度が作用すると、重錘７の重心を中心として点対称に異なった状態（引っ張り応力が加わった状態と、圧縮応力が加わった状態と）に変形する領域である。また、重錘７に対して圧電セラミックス基板１と直交する方向（Ｚ軸方向）に加速度が作用すると、中間領域５Ｂの各部は同じ状態（引っ張り応力が加った状態）に変形する。
【００２６】圧電セラミックス基板５の表面及び裏面に形成された表面電極パターンＥ１及び対向電極パターンＥ０は、いずれも熱硬化性樹脂に銀粉からなる導電性粉末が含まれてなる銀ペーストを用いてスクリーン印刷により形成されている。これらの表面電極パターンＥ１と対向電極パターンＥ０との間に発生する自発分極電荷の変化により、重錘７に加わった三軸（Ｘ軸，Ｙ軸，Ｚ軸）方向の加速度が測定される。なお、ここでいうＸ軸，Ｙ軸，Ｚ軸は互いに直交する方向に延びる軸である。Ｘ軸及びＹ軸は圧電セラミックス基板５の面方向に延びており、Ｚ軸は圧電セラミックス基板５の面方向と直交する方向に延びている。この例では、対向電極パターンＥ０は、表面電極パターンＥ１の全てに対応する部分に形成されており、１０μｍの厚みを有している。圧電セラミックス基板５の裏面は、対向電極パターンＥ０を介して接着剤により金属製ダイアフラム６に接合されている。図示していないが、対向電極パターンＥ０の裏面には凹凸があり、接着剤は、対向電極パターンＥ０の裏面の凹部に入り込んで対向電極パターンＥ０と金属製ダイアフラム６とを接合している。そして、対向電極パターンＥ０の凸部は、金属製ダイアフラム６と接合している。これにより、対向電極パターンＥ０は、金属製ダイアフラム６及び台座（支持部材）４を介して取付部材２に接地される。なお、接地用パターンを別に設け、接地用パターンを導電性接着剤を介して金属製ダイアフラム６に接合することにより、接地をより確実なものとしてもよい。表面電極パターンＥ１は、三軸（Ｘ軸，Ｙ軸，Ｚ軸）方向のそれぞれの電極パターン部を有しており、対向電極パターンＥ０と同様に１０μｍの厚みを有している。表面電極パターンＥ１のＸ軸方向の電極パターン部は、２つのＸ軸方向加速度検出用電極ＤＸ１，ＤＸ２とＸ軸方向出力電極ＯＸとが接続線ＬＸ１，ＬＸ２により直列に接続された構造を有している。本例では、２つのパターン部ＬＸ１，ＬＸ２により第１の配線パターンが構成されている。なお、パターン部ＬＸ１は、検出用電極ＤＸ１，ＤＸ２と接続される端部に銀ペーストからなる接続部を有している。また、パターン部ＬＸ２は、検出用電極ＤＸ２と接続される端部に銀ペーストからなる接続部を有している。
【００２７】検出用電極ＤＸ１及びＤＸ２は、いずれも大部分が中間領域５Ｂに位置する面上に形成され、しかも一部が重錘固定領域５Ａと中間領域５Ｂとに跨がるように形成された弧状をなしている。そして、検出用電極ＤＸ１及びＤＸ２は、圧電セラミックス基板５の面上を延びる仮想Ｘ軸直線ＸＬ（II−II線と重複する線）上に位置し且つ重錘固定領域５Ａを間に挟むように対称的に配置されている。接続線ＬＸ１は、検出用電極ＤＸ１と検出用電極ＤＸ２とを最短で接続するように重錘固定領域５Ａ上を延びている。出力電極ＯＸは、ほぼ正方形の形状を有しており、中間領域５Ｂの外側にある外周領域５Ｃに形成されている。
【００２８】Ｙ軸方向の電極パターン部は、２つのＹ軸方向加速度検出用電極ＤＹ１，ＤＹ２とＹ軸方向出力電極ＯＹとが接続線ＬＹ１〜ＬＹ３により直列に接続された構造を有している。具体的には、Ｙ軸方向加速度検出用電極ＤＹ１とＹ軸方向加速度検出用電極ＤＹ２とが接続線ＬＹ１，ＬＹ２により接続されており、Ｙ軸方向加速度検出用電極ＤＹ１とＹ軸方向出力電極ＯＹとが接続線ＬＹ２，ＬＹ３により接続されている。本例では、接続線ＬＹ１〜ＬＹ３により第２の配線パターンが構成されている。なお、接続線ＬＹ１及びＬＹ２も銀ペーストからなる接続部を有している。
【００２９】Ｙ軸方向加速度検出用電極ＤＹ１及びＤＹ２は、Ｘ軸方向加速度検出用電極ＤＸ１及びＤＸ２と同様に弧状をなしており、大部分が中間領域５Ｂに位置する面上に形成され、しかも一部が重錘固定領域５Ａと中間領域５Ｂとに跨がるように形成されている。そしてＹ軸方向加速度検出用電極ＤＹ１及びＤＹ２は、一対のＸ軸方向加速度検出用電極ＤＸ１，ＤＸ２を結ぶ仮想Ｘ軸直線ＸＬと直交して圧電セラミックス基板５の面と水平に延びる仮想Ｙ軸直線ＹＬ上に位置し且つ重錘固定領域５Ａを間に挟むようにして対称的に配置されている。仮想Ｙ軸直線ＹＬと仮想Ｘ軸直線ＸＬとは互いに直交するので、検出用電極ＤＸ１、ＤＹ１、ＤＸ２及びＤＹ２はそれぞれ９０度の角度間隔をあけて配置されることになる。接続線ＬＹ１〜ＬＹ３は、接続線ＬＸ１等と交差しないように中間領域５Ｂの外側の外周領域５Ｃに形成されている。接続線ＬＹ１，ＬＹ３は連続する円弧状に形成されており、接続線ＬＹ２は接続線ＬＹ１と接続線ＬＹ３との連結部から検出用電極ＤＹ２に延びる直線形状を有している。Ｙ軸方向出力電極ＯＹはほぼ正方形の形状を有しており、中間領域５Ｂの外側にある外周領域５ＣにＸ軸方向出力電極ＯＸと並んで形成されている。
【００３０】Ｚ軸方向の電極パターン部は、パイロ対策用電極（焦電対策用電極）ＡＺ１，Ｚ軸方向加速度検出用電極ＤＺ１，Ｚ軸方向加速度検出用電極ＤＺ２，パイロ対策用電極ＡＺ２，パイロ対策用電極ＡＺ３，Ｚ軸方向加速度検出用電極ＤＺ３，Ｚ軸方向加速度検出用電極ＤＺ４，パイロ対策用電極ＡＺ４，Ｚ軸出力電極ＯＺが、これらの順に接続線ＬＺ１〜ＬＺ８によって直列に接続された構造を有している。本例では、接続線ＬＺ１〜ＬＺ８により第３の配線パターンが構成されている。なお、接続線ＬＺ２，ＬＺ４，ＬＺ６及びＬＺ８も銀ペーストからなる接続部を有している。検出用電極ＤＺ１と検出用電極ＤＺ２とを接続する接続線ＬＺ２と、検出用電極ＤＺ３と検出用電極ＤＺ４とを接続する接続線ＬＺ６とは、Ｘ軸方向の電極パターン部の接続線ＬＸ１を挟んで並ぶように重錘固定領域５Ａ上を延びている。パイロ対策用電極ＡＺ２とパイロ対策用電極ＡＺ３とを接続する接続線ＬＺ４は、接続線ＬＹ１の円弧の内側（圧電セラミックス基板５の中心寄り）を円弧形状に延びている。Ｚ軸出力電極ＯＺはほぼ正方形の形状を有しており、中間領域５Ｂの外側の外周領域５Ｃに位置するようにＸ軸方向出力電極ＯＸ及びＹ軸方向出力電極ＯＹと並んで形成されている。これらＸ軸方向出力電極ＯＸ，Ｙ軸方向出力電極ＯＹ，Ｚ軸方向出力電極ＯＺは図示しない演算回路に接続されており、各電極からは演算回路に電圧信号または電流信号の加速度信号が送られる。
【００３１】４つのＺ軸方向加速度検出用電極ＤＺ１〜ＤＺ４は、いずれも大部分が中間領域５Ｂに位置する面上に形成され、しかも一部が重錘固定領域５Ａと中間領域５Ｂとに跨がるように形成された矩形状をなしている。４つのＺ軸方向加速度検出用電極ＤＺ１〜ＤＺ４は、検出用電極ＤＸ２と検出用電極ＤＹ１との間，検出用電極ＤＹ１と検出用電極ＤＸ１との間，検出用電極ＤＸ１と検出用電極ＤＹ２との間，検出用電極ＤＹ２と検出用電極ＤＸ２との間の各中央部にそれぞれ配置されている。したがって、検出用電極ＤＺ１〜ＤＺ４は、それぞれ９０度の角度間隔をあけて配置されている。また、このような配置により、検出用電極ＤＸ１，ＤＸ２，ＤＹ１，ＤＹ２，ＤＺ１〜ＤＺ４は、重錘固定領域５Ａと中間領域５Ｂとに跨がった環状の電極列を構成している。
【００３２】Ｚ軸方向加速度検出用電極ＤＺ１〜ＤＺ４にそれぞれ直列接続されたパイロ対策用電極ＡＺ１〜ＡＺ４は、中間領域５Ｂに近接した応力発生領域の表面上に形成されており、いずれも矩形に近い形状を有している。パイロ対策用電極ＡＺ１〜ＡＺ４は、温度変化により圧電セラミックス基板５の内部に発生する引っ張り応力や圧縮応力によりＺ軸方向加速度検出用電極ＤＺ１〜ＤＺ４より生じる出力を中和する役割を果たしている。なおこのパイロ対策用電極ＡＺ１〜ＡＺ４を設けることについては、本出願の出願人の先願である特願平８−２８８０８０号に詳細に説明してある。
【００３３】Ｘ軸方向加速度検出用電極ＤＸ１，ＤＸ２に対応する圧電セラミックス基板５の各部分には、各部分に同種類の応力が発生したとき（Ｙ軸方向またはＺ軸方向にのみ加速度が発生したとき）に重錘固定領域５Ａの一方の側に位置するＸ軸方向加速度検出用電極ＤＸ１と他方の側に位置するＸ軸方向加速度検出用電極ＤＸ２とにそれぞれ逆極性の自発分極電荷が現れるように分極処理が施されている。この例では、Ｘ軸方向加速度検出用電極ＤＸ１，ＤＸ２に対応する圧電セラミックス基板５の各部分に引っ張り応力が発生したときに、Ｘ軸方向加速度検出用電極ＤＸ１にプラスの自発分極電荷が現れ、Ｘ軸方向加速度検出用電極ＤＸ２にマイナスの自発分極電荷が現れるように分極処理が施されている。
【００３４】また、Ｙ軸方向加速度検出用電極ＤＹ１，ＤＹ２に対応する圧電セラミックス基板５の各部分もＸ軸方向加速度検出用電極ＤＸ１，ＤＸ２に対応する圧電セラミックス基板５の各部分と同様に、各部分に同種類の応力が発生したとき（Ｘ軸方向またはＺ軸方向にのみ加速度が発生したとき）に重錘固定領域５Ａの一方の側に位置するＹ軸方向加速度検出用電極ＤＹ１と他方の側に位置するＹ軸方向加速度検出用電極ＤＹ２とにそれぞれ逆極性の自発分極電荷が現れるように分極処理が施されている。この例では、Ｙ軸方向加速度検出用電極ＤＹ１，ＤＹ２に対応する圧電セラミックス基板５の各部分に引っ張り応力が発生したときに、Ｙ軸方向加速度検出用電極ＤＹ１にプラスの自発分極電荷が現れ、Ｙ軸方向加速度検出用電極ＤＹ２にマイナスの自発分極電荷が現れるように分極処理が施されている。
【００３５】また、Ｚ軸方向加速度検出用電極ＤＺ１〜ＤＺ４に対応する圧電セラミックス基板５の各部分は、各部分に同種類の応力が発生したとき（Ｚ軸方向にのみ加速度が発生したとき）にすべてのＺ軸方向加速度検出用電極ＤＺ１〜ＤＺ４に同じ極性の自発分極電荷が現れるように分極処理が施されている。この例では、Ｚ軸方向加速度検出用電極ＤＺ１〜ＤＺ４に対応する圧電セラミックス基板５の部分に引っ張り応力が生じた際にＺ軸方向加速度検出用電極ＤＺ１〜ＤＺ４にプラスの自発分極電荷が現れるように分極処理が施されている。これらの分極処理は、表面電極パターンＥ１の各検出用電極ＤＸ１…及び対向電極パターンＥ０を形成した後に圧電セラミックス基板５に直流電圧を印加することにより行った。
【００３６】分極処理が施された圧電セラミックス基板５の表面側には、重錘固定領域５Ａとパイロ対策用電極ＡＺ１〜ＡＺ４が形成された部分を除く外周領域５Ｃの大部分に対応して低誘電率層８及び９が形成されている。低誘電率層８及び９は、いずれも圧電セラミックス基板５よりも比誘電率が十分に小さいガラスペーストからなる熱硬化性樹脂（比誘電率：１０）を用いてスクリーン印刷により形成されており、約２０μｍの厚みを有している。低誘電率層は、圧電セラミックス基板５の１／１００以下の比誘電率を有する誘電物質を用いて圧電セラミックス基板５の厚みの０．２倍以上に形成するのが好ましい。誘電物質としては、圧電セラミックス基板５よりも比誘電率が十分に小さいものであればよく、ガラス及びエポキシ等の熱硬化性樹脂を用いることができる。低誘電率層８は、重錘固定領域５Ａ内において、接続線ＬＺ２，ＬＸ１，ＬＺ６と、圧電セラミックス基板５との間に位置するように形成されており、円形の形状を有している。低誘電率層９は、中間領域５Ｂの外側において、接続線ＬＸ２，ＬＹ１，ＬＹ２，ＬＹ３，ＬＺ４，ＬＺ８及び出力電極ＯＸ，ＯＹ，ＯＺと圧電セラミックス基板５との間に位置するように形成されており、環状の電極列（ＤＸ１…）及びパイロ対策用電極ＡＺ１〜ＡＺ４が形成された領域を隔てて、低誘電率層８を囲む形状を有している。
【００３７】本例では、接続線ＬＺ２，ＬＸ１，ＬＺ６と圧電セラミックス基板５との間に形成された低誘電率層８の部分の面積と、接続線ＬＸ２，ＬＹ１，ＬＹ２，ＬＹ３，ＬＺ４，ＬＺ８及び出力電極ＯＸ，ＯＹ，ＯＺと圧電セラミックス基板５との間に形成された低誘電率層９の部分の面積の合計（Ｓ１）が約１９．３ｍｍ2である。そして圧電セラミックス基板５の比誘電率が２１５０（誘電率１９．０３×１０-9Ｆ／ｍ）で、しかもその厚みが約１００μｍであり、低誘電率層８及び９がないとすると、この合計面積Ｓ１のパターンと対向電極パターンＥ０との間に形成される静電容量Ｃは、ほぼ３．６７×１０-9Ｆである。これに対して本実施例のように低誘電率層８及び９を形成した場合には、圧電セラミックス基板５の上に重ねられる低誘電率層８及び９の比誘電率が小さいために、この合計面積Ｓ１のパターンと対向電極パターンＥ０との間に形成される静電容量Ｃ´は、ほぼ４．２２×１０-11 となる。静電容量ＣとＣ´とを比較すると、その値はほぼ１／１００近くに小さくなっている。その結果、各接続線（ＬＸ１…）及び各出力電極（ＯＸ…）と、対向電極パターンＥ０との間に形成される静電容量の存在によって各出力電極（ＯＸ…）に現われる加速度信号のレベルが低下するのを大幅に抑制できる（またはを実質的に無視することができる）。
【００３８】図３は本発明の他の実施の形態の三軸加速度センサ１０の端面図である。本実施の形態の三軸加速度センサ１０の平面図は、図１に示す三軸加速度センサ１の平面図と同じである。この例では、対向電極パターンＥ１０は、表面電極パターンＥ１の検出用電極ＤＸ１，ＤＸ２，ＤＹ１，ＤＹ２，ＤＺ１〜ＤＺ４と対向するように、円環状に形成されている。言い換えるならば、各出力電極ＯＸ１…及び各配線パターンＬＸ１…と直接対向しないように対向電極パターンＥ１０は形成されている。対向電極パターンＥ１０が形成されていない部分では、圧電セラミックス基板５は接着層Ｓにより金属製ダイアフラム６と接合されている。また、対向電極パターンＥ１０が形成されている部分では、対向電極パターンＥ１０を介して、接着剤により圧電セラミックス基板５は金属製ダイアフラム６と接合されている。この例においても、図２に示す実施の形態の三軸加速度センサ１と同様に、対向電極パターンＥ１０は、金属製ダイアフラム６及び台座（支持部材）４を介して取付部材２に接地されている。この例では、各出力電極ＯＸ１…及び各配線パターンＬＸ１…と対向電極パターンＥ１０とは、斜めに対向している。この場合でも、両者の間で発生する静電容量は、低誘電率層８及び９により低下する。
【００３９】なお、上記例においては、ダイアフラム６は金属製であるが、ダイアフラムは金属に限られるものではない。ダイアフラムをガラス等の非金属で形成する場合には、対向電極パターンＥ０は、図示しない演算回路に直接接続すればよい。また上記例では、重錘７とダイアフラム６を別体に構成しているが、これらを一体に構成してもよいのは勿論である。
【００４０】図４は、本発明の更に他の実施の形態の三軸加速度センサ１１の平面図であり、図５は図４のＶ−Ｖ線端面図である。本実施の形態の三軸加速度センサでは、図１乃至図３に示した三軸加速度センサと異なって、ダイアフラムを用いずに、圧電セラミックス基板５の裏面側に接着剤層を介して重錘７及び台座４を直接接合している。また、この三軸加速度センサ１１では、外周領域５Ｃの上に形成された第１〜第３の配線パターンのパターン部と圧電セラミックス基板５との間にのみ低誘電率層１８，１９及び２０が形成されている。具体的には、パターン部ＬＸ２と圧電セラミックス基板５との間に低誘電率層１８が形成され、パターン部ＬＹ１〜ＬＹ３及びＬＺ４と圧電セラミックス基板５との間に低誘電率層１９が形成され、パターン部ＬＺ８と圧電セラミックス基板５との間に低誘電率層２０が形成されている。特に、対向電極パターンＥ１０が、電極パターンＥ１の検出用電極ＤＸ１…とだけ対向するように形成されている場合には、本例のように配線パターンの主要なパターン部と圧電セラミックス基板５との間にのみに低誘電率層を形成するだけでも、静電容量の低減の効果は大きなものとなる。また、このように低誘電率層を形成すれば、図１に示す例に比べて低誘電率層の形成部分の面積を小さくすることができて、三軸加速度センサの製造コストをさげることができる。
【００４１】なお、この例では、配線パターンの主要なパターン部と圧電セラミックス基板５との間にのみ低誘電率層を形成したが、配線パターンのパターン部に加えて各出力電極（ＯＸ…）と圧電セラミックス基板５との間に低誘電率層を形成しても構わない。
【００４２】また、上記各例では、パイロ対策用電極ＡＺ１〜ＡＺ４が形成されているが、本発明は、パイロ対策用電極ＡＺ１〜ＡＺ４を有しないタイプの三軸加速度センサにも当然にして適用できる。また上記例では、Ｘ軸方向出力電極及びＹ軸方向出力電極をそれぞれ１つずつ設けているが、検出用電極ＤＸ１及びＤＸ２にそれぞれ出力電極を設け、更に検出用電極ＤＹ１及びＤＹ２にそれぞれ出力電極を設けるようにしてもよい。
【００４３】本発明を三軸加速センサに適用する場合、各方向の加速度信号のレベルを一致させるためには、Ｘ，Ｙ及びＺの各方向にそれぞれ同じ大きさの加速度が加わった場合に、各方向の検出電極に発生する自発分極電荷の総量が同じになるように、各検出電極のパターン及び配置を考えるのが好ましい。
【００４４】また上記例は、本発明を三軸加速度センサに適用した例であるが、本発明は一軸及び二軸の加速度センサにも当然適用できる。
【００４５】
【発明の効果】本発明によれば、少なくとも配線パターンの全体または主要部と対向電極パターンとの間の静電容量を小さくすることができ、その結果出力の低下を抑制することができる。
【００４６】また、本発明を三軸加速度センサに適用にすれば、各方向における加速度出力電極及び配線パターンと対向電極パターンとの間で発生する静電容量の相違を実質的に無視できる程度まで小さくすることができる。そのため、各方向の加速度信号を増幅処理して信号レベルの補正をする必要がなくなる。なお実際上は、信号レベルを完全に一致させることは容易ではない。しかしながら本発明によれば、ある程度実用上許容できる範囲まで信号レベルを等しくすること（または一致させること）ができる。もし更に高精度を必要とする用途に用いる三軸加速度センサを製造する場合には、従来のように増幅器を用いて各方向の加速度信号のレベルの調整を行えばよい。但し、この場合でも、本発明によれば、すでに各方向の加速度信号のレベルは、ほぼ一致しているため、レベル調整は容易に行うことができる。
【出願人】 【識別番号】０００２４２６３３
【氏名又は名称】北陸電気工業株式会社
【出願日】 平成１０年（１９９８）９月２１日
【代理人】 【弁理士】
【氏名又は名称】松本 英俊 （外１名）
【公開番号】 特開平１１−１６０３４４
【公開日】 平成１１年（１９９９）６月１８日
【出願番号】 特願平１０−２６６３２３