| 【発明の名称】 |
加速度センサ素子、加速度センサ及びこれらの製造方法 |
| 【発明者】 |
【氏名】滑川 政彦
【氏名】柴田 和義
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| 【要約】 |
【課題】センサ精度及びセンサの信頼性が高い加速度センサ素子及びその簡便な製造方法を提供する。
【解決手段】重錘３０と、支台３１と、圧電体３３を１組の電極５７ａ，５７ｂと５８で挟持した圧電素子３４ａ，３４ｂを有する可撓板３２により構成され、外部から作用する加速度に対応して生ずる可撓板３２の撓みに応じて圧電体３４から発生する電荷により、加速度の方向及び大きさを三次元的に検知する加速度センサ素子である。可撓板３２の可撓部分３２ａのみに圧電体３４を配設する。重錘３０、支台３１及び可撓板３２の断層形状のグリーンシートを積層し、圧着して積層体とし、積層体を一体焼成して焼成体とし、焼成体に対し、厚膜法により圧電素子３４ａ，３４ｂを形成し、焼成する。 |
【特許請求の範囲】
【請求項１】 重錘と、当該重錘を中心として周設された、中空部を有する支台と、圧電体を少なくとも１組の電極で挟持した圧電素子を有し、かつ、前記支台の中空部の中心に重錘を釣支するように支台に横架された可撓板により構成され、外部から作用する加速度を、当該加速度に対応して生ずる前記重錘の挙動に基づく前記可撓板の撓みに変換し、当該可撓板の撓みに応じて前記圧電体から発生する電荷により、前記加速度の方向及び大きさを三次元的に検知する加速度センサ素子であって、前記可撓板の可撓部分のみに圧電素子を配設したことを特徴とする加速度センサ素子。
【請求項２】 グリーンシート積層法により、支台、重錘、可撓板を一体焼成した請求項１に記載の加速度センサ素子。
【請求項３】 支台と、重錘と、可撓板とが一体成形された加速度センサ素子であって、支台、重錘、若しくは可撓板のうち少なくとも１つの結晶構造が異なっている請求項１又は２に記載の加速度センサ素子。
【請求項４】 支台と、重錘と、可撓板とが一体成形された加速度センサ素子であって、支台、重錘、若しくは可撓板のうち少なくとも１つの結晶粒径が異なっている請求項１又は２に記載の加速度センサ素子。
【請求項５】 可撓板上部の空間と支台中空部が連通するように、重錘の中心を垂直方向に貫通する孔を設けた請求項１〜４のいずれか一項に記載の加速度センサ素子。
【請求項６】 支台下端面の、当該支台下端面を含む平面上における支台中心を通過する直線に対して相対称する位置に、少なくとも支台外周側の空間と連通する細溝を形成した請求項１〜４のいずれか一項に記載の加速度センサ素子。
【請求項７】 重錘が、当該重錘の下端面に支台下端面を含む平面が接触しないように釣支された請求項１〜４のいずれか一項に記載の加速度センサ素子。
【請求項８】 重錘と、当該重錘を中心として周設された、中空部を有する支台と、圧電体を少なくとも１組の電極で挟持したに圧電素子を有し、かつ、前記支台の中空部の中心に重錘を釣支するように支台に横架された可撓板により構成され、前記可撓板の可撓部分のみに圧電体を配設した加速度センサ素子の製造方法であって、前記重錘、支台及び可撓板の断層形状のグリーンシートを積層し、圧着して積層体とする第１工程と、当該積層体を一体焼成して焼成体とする第２工程と、当該焼成体に対し、厚膜法により圧電素子を形成し、焼成する第３工程と、からなることを特徴とする加速度センサ素子の製造方法。
【請求項９】 重錘及び可撓板の断層形状のグリーンシートの中心と、支台及び可撓板の断層形状のグリーンシートの少なくとも二隅とに貫通孔を穿設し、当該貫通孔を支持ピンに貫通した状態で積層し、圧着して積層体とする請求項８に記載の加速度センサ素子の製造方法。
【請求項１０】 平板状のグリーンシート上面に、重錘、支台及び可撓板の断層形状のグリーンシートを積層し、圧着して積層体とし、当該積層体を一体焼成して焼成体とした後に、重錘の下端が揺動し得るように前記平板状のグリーンシートを切断する請求項８に記載の加速度センサ素子の製造方法。
【請求項１１】 支台の断層形状のグリーンシート上面に、平板状のグリーンシートを載置し、更に重錘、支台及び可撓板の断層形状のグリーンシートを積層し、圧着して積層体とし、当該積層体を一体焼成して焼成体とした後に、重錘の下端が揺動し得るように前記平板状のグリーンシートを切断する請求項８に記載の加速度センサ素子の製造方法。
【請求項１２】 請求項１〜６のいずれか一項に記載の加速度センサ素子を回路基板に実装し、露点−４０℃以下の乾燥雰囲気下において蓋体で密閉することを特徴とする加速度センサの製造方法。
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【発明の詳細な説明】【０００１】
【発明の属する技術分野】 本発明は、圧電体により、外部から作用する加速度の方向及び大きさを三次元的に検知する加速度センサ素子、これを用いた加速度センサ及びこれらの製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】 自動車産業や機械産業では、力、加速度、磁気などの物理量を正確に検出できるセンサの需要が高まっている。特に、二次元あるいは三次元の各成分ごとにこれらの物理量を検出し得る小型のセンサが望まれている。例えば、作用体を有する可撓板上に複数個の圧電体を載置したセンサが公開されている（特開平５−２６７４４号公報）。
【０００３】 このセンサは、外部から作用体に作用する物理量に対応して可撓板が撓むように構成されており、当該可撓板の撓みに応じて圧電体に発生する電荷により、前記物理量の方向及び大きさを単一のセンサ素子により三次元的に検出することができるものである。
【０００４】 前記センサ素子について、作用体を重錘とした加速度センサを例として説明すると、図２に示すように、センサ素子に対し外部から加速度ａが作用した場合、重錘１０には加速度ａと相反する方向に慣性力ｆが作用するため、重錘１０−支台１１間に横架された可撓板１２に慣性力ｆに伴う撓み１４が生ずる。当該撓み１４の方向及び大きさに応じた電荷が可撓板１２上に載置された圧電体１３に発生するため、当該電荷を検知することにより外部から作用する加速度を三次元的に検知することが可能となるのである。
【０００５】 更に詳細に説明すると、例えば、図３に示すセンサ素子において、円筒状の重錘１０の可撓板１２が横架されている底面の中心を原点Ｏとして規定し、当該原点Ｏを含み可撓板１２に平行な面をＸ−Ｙ平面として当該Ｘ−Ｙ平面上に相直交するようにＸ軸、Ｙ軸を規定し、前記原点Ｏを含み前記Ｘ−Ｙ平面に直交するＺ軸を規定する。
【０００６】 このとき、圧電体１３の、上部電極と下部電極の１組の電極に挾持された部分を「１圧電素子」とすれば、例えば、当該素子の可撓板１２上にＸ軸、Ｙ軸に対応する圧電体及び電極を各々４素子づつ、Ｚ軸に対応する圧電体及び電極を８素子配置することができる。
【０００７】 この場合において、外部から作用する加速度ａにより重錘１に作用する慣性力ｆを、図４（ａ）に示すようなＸ軸方向の慣性力ｆXについては「圧電素子」Ｅ1〜Ｅ4に、Ｙ軸方向の慣性力ｆYについては図示されないＥ5〜Ｅ8に、図４（ｂ）に示すようなＺ軸方向の慣性力ｆZについては「圧電素子」Ｅ9〜Ｅ12と図示されないＥ13〜Ｅ16に発生した電荷の量により各々の大きさを認識する。
【０００８】 また、電荷の極性パターン（例えば、図４（ａ）の圧電体上面について言えば図左側から［＋−＋−］、図４（ｂ）の圧電体上面についても同様に図左側から［＋−−＋］）により各々の方向を認識する。こうして検出したｆX、ｆY、ｆZの合力として慣性力ｆ、ひいては外部から作用する加速度ａの方向及び大きさを、単一の小型センサ素子により三次元的に検出することが可能となるのである。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】 上述のセンサ素子において、可撓板は全体が均一に撓む訳ではなく、その撓み応力は特に重錘若しくは支台と可撓板との境界部分において急激に上昇する。従って、前記境界部分に圧電素子を配設した場合には、僅かな圧電素子の配設位置のズレや、重錘若しくは支台の形状バラツキによって圧電素子に生ずる電荷が急激に増減するため、各軸毎の出力バラツキ、ひいてはセンサ精度低下の原因ともなり得る。
【００１０】 また、前記境界部分に圧電素子を配設した場合には、以下に示すような不具合により、センサの信頼性を低下させる原因となり得る。第１に、センサ素子が急激な加速度を受けた場合、当該境界部分には他の部分に比して更に大きな曲げ応力が加わるため、境界部分の圧電素子ひいては圧電体に特に大きな衝撃が加わることになる。圧電体は、ＰＺＴ、ＰＭＮ等の一般的に強度や靱性等の機械的特性に劣る圧電セラミックスからなるため、圧電体が破損するおそれがある。第２に、柔軟な可撓板と強固な支台或いは重錘とでは、衝撃が加わった際の挙動が異なるため、可撓板と支台或いは重錘の双方に圧電素子の下面が接触する構造では、圧電体が破損に至らないまでも圧電素子が可撓板から剥離するおそれがある。
【００１１】 またこれとは別に、前記センサ素子において、可撓板は十分な感度を得るために可撓性が高いことが要求される一方、重錘及び支台は受けた加速度を純粋に検出するため、剛性が高く撓み難いことが要求される。別体として作製した重錘、支台、可撓板の各部材を組立ててセンサ素子を構成すれば、前記のような相反する特性を満足させることが可能であるが、多くの部品と工数を要し、生産性の低下は否めないという問題がある。
【００１２】 部品と工数を削減し生産性を向上する手段としては、同材質による一体形成が考えられる。セラミックスによる一体成形を例とすれば、図５に示す如く金型３０に対しセラミックス粉体３１を充填し一軸プレス等により形成したセラミックスグリーンボディー３３を切削加工する方法、図６に示す如くセンサ３４と総型に形成した金型３０に対してセラミックス粉体３１を充填し一軸プレスする方法、図７に示す如くセラミックススラリー３２を射出成形する方法、或いはスリップキャスティングにより成形する方法等が挙げられる。
【００１３】 しかしながら、上述のいずれの方法も一体成形体の可撓部強度が著しく低く、また密度分布のバラツキが大きいため、可撓板の薄板化及び可撓板の厚みの精密な制御が困難である。即ち、上述の方法により形成されたセンサ素子は、可撓板が撓み難いと共に、各可撓板毎に若しくは可撓板の部位により撓み具合が異なることになる。
【００１４】 従って、センサ感度が低いことに加えて、同一の加速度を与えても各センサ素子毎に感度が異なる場合があり、更に各軸毎の感度が異なる場合にはその合力から求められる加速度の方向及び大きさが不正確になりセンサ精度が低下するという問題がある。
【００１５】 本発明は上記の事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、前記センサ素子の、小型であり、かつ、１基のセンサ素子により三次元的な物理量の測定が可能であるという利点を生かしつつ、更にそのセンサ感度、センサ精度及びセンサの信頼性を向上させること及び当該センサ素子を簡便に製造できる製造方法を提供することにある。
【００１６】
【課題を解決するための手段】 すなわち、本発明によれば、重錘と、当該重錘を中心として周設された、中空部を有する支台と、圧電体を少なくとも１組の電極で挟持した圧電素子を有し、かつ、前記支台の中空部の中心に重錘を釣支するように支台に横架された可撓板により構成され、外部から作用する加速度を、当該加速度に対応して生ずる前記重錘の挙動に基づく前記可撓板の撓みに変換し、当該可撓板の撓みに応じて前記圧電体から発生する電荷により、前記加速度の方向及び大きさを三次元的に検知する加速度センサ素子であって、前記可撓板の可撓部分のみに圧電体を配設したことを特徴とする加速度センサ素子（以下、「センサ素子」という。）が提供される。
【００１７】 本発明のセンサ素子は、グリーンシート積層法により、支台、重錘、可撓板を一体焼成したセンサ素子であることが好ましい。また、支台と、重錘と、可撓板とが一体成形された加速度センサ素子であって、支台、重錘、若しくは可撓板のうち少なくとも１つの結晶構造或いは結晶粒径が異なっているセンサ素子であることが好ましい。
【００１８】 更に、本発明のセンサ素子においては、可撓板上部の空間と支台中空部が連通するように、重錘の中心を垂直方向に貫通する孔を設けたセンサ素子であることが好ましく、支台下端面の、当該支台下端面を含む平面上における支台中心を通過する直線に対して相対称する位置に、少なくとも支台外周側の空間と連通する細溝を形成したセンサ素子であることが好ましく、重錘が、当該重錘の下端面に支台下端面を含む平面が接触しないように釣支されたセンサ素子であることが好ましい。
【００１９】 また、本発明においては、重錘と、当該重錘を中心として周設された、中空部を有する支台と、圧電体を少なくとも１組の電極で挟持した圧電素子を有し、かつ、前記支台の中空部の中心に重錘を釣支するように支台に横架された可撓板により構成され、前記可撓板の可撓部分のみに圧電体を配設したことを特徴とする加速度センサ素子の製造方法であって、前記重錘、支台及び可撓板の断層形状のグリーンシートを積層し、圧着して積層体とする第１工程と、当該積層体を一体焼成して焼成体とする第２工程と、当該焼成体に対し、厚膜法により圧電素子を形成し、焼成する第３工程と、からなることを特徴とする加速度センサ素子の製造方法が提供される。
【００２０】 本発明の製造方法においては、重錘及び可撓板の断層形状のグリーンシートの中心と、支台及び可撓板の断層形状のグリーンシートの少なくとも二隅とに貫通孔を穿設し、当該貫通孔を支持ピンに貫通した状態で積層し、圧着して積層体とすることが好ましい。
【００２１】 また、本発明の製造方法においては、平板状のグリーンシート上面に、重錘、支台及び可撓板の断層形状のグリーンシートを積層し、圧着して積層体とし、当該積層体を一体焼成して焼成体とした後に、重錘の下端が揺動し得るように前記平板状のグリーンシートを切断することが好ましい。
【００２２】 更に、本発明の製造方法においては、支台の断層形状のグリーンシート上面に、平板状のグリーンシートを載置し、更に重錘、支台及び可撓板の断層形状のグリーンシートを積層し、圧着して積層体とし、当該積層体を一体焼成して焼成体とした後に、重錘の下端が揺動し得るように前記平板状のグリーンシートを切断することが好ましい。
【００２３】 また、本発明によれば、本発明の加速度センサ素子を回路基板に固定し、露点−４０℃以下の乾燥雰囲気下において蓋体で密閉することを特徴とする加速度センサの製造方法が提供される。
【００２４】
【発明の実施の形態】 本発明に使用するセンサ素子は、例えば図３に示すように、重錘１０と、重錘１０を中心として周設された支台１１と、圧電体１３を少なくとも１組の電極で挟持した圧電素子を有し、かつ、重錘１０を釣支して対向する支台１１間に横架される可撓板１２により構成される。当該センサ素子は、外部から作用する加速度の大きさ、方向に基づいて重錘１０に発生した力により可撓板１２が撓みを生じ、当該撓みに応じて発生する圧電素子の電荷量及び電荷の極性パターンにより、前記加速度の方向及び大きさを三次元的に検知する。
【００２５】 本発明において、支台１１とは、重錘１０を中心として周設された、可撓板１２及び重錘１０を支持するための部材である。従って、可撓板１２及び重錘１０を支持し得る強度を有する限りにおいてその形状、材質等は特に限定されないが、加工が容易で、Ｘ−Ｙ平面内の加速度に対する対称性が比較的高い点において、図３に示すような外部形状が四角柱状で円筒状中空部１６を有する形状が好ましく、剛性が高く、電磁波の影響を受け難い材質であるセラミックスにより構成することが好ましい。
【００２６】 本発明において重錘１０とは、上端面を可撓板１２に当接するように釣支された、外部から作用する加速度の大きさ、方向に基づいて発生した力により、可撓板１２に撓みを生じさせるための部材であって、可撓板１２に接着剤等により接着してもよく、或いは可撓板１２と一体成形してもよい。
【００２７】 重錘は、上端面を可撓板に当接するように釣支できる形状である限りにおいて特に限定されず、筒状の他、円錐台や異径円筒のように外径が連続的に或いは不連続に変化するものも包含される。但し、Ｘ−Ｙ平面内の加速度に対する対称性が高い点において図３に示すような円筒状が好ましい。材質も特に限定されないが、十分な質量があり密度の高いことに加えて、電磁波の影響を受け難く、熱膨張率の低い材質であるセラミックスにより構成することが好ましい。
【００２８】 本発明において可撓板１２とは、重錘１０を釣支して対向する支台１１間に横架された、圧電素子を有する板状部材であって、可撓板全体を圧電体で構成してもよい。可撓板は、可撓性を有し、重錘の挙動により破損しない限りにおいて、形状、材質等は特に限定されないが、ヤング率が高く、圧電体に歪みを誘起しやすい材質であるセラミックスが好ましく、形状としては、図８に示すように１枚の板状体により構成することが加工が容易で好ましい。
【００２９】 可撓板には圧電体１３を少なくとも１組の電極で挟持した圧電素子が配設される。圧電体としては、ＰＺＴ、ＰＭＮ、ＰＮＮ等の圧電セラミックスや有機圧電体等を用いることができるが、圧電特性に優れるＰＺＴを用いることが好ましい。圧電体は、可撓板自体を圧電体で構成してもよいが、例えば図９に示すように可撓板１２の上面全体に圧電体１３を配設しても良く、図８に示す如く円形可撓板１２上に重錘１０中心を原点Ｏとして放射状に圧電体１３を配設しても良い。
【００３０】 本発明においては、前記圧電体を上下面から１組の電極（上部電極及び下部電極）で挟持した部分を圧電素子という。従って、素子数は圧電体の数のみならず、電極の配置の仕方によっても増加させることができる。当該圧電素子により外部から作用する加速度の方向及び大きさに基づいて発生した可撓板の撓みを電気的に検出することが可能となる。
【００３１】 本発明のセンサ素子は上述のようなセンサ素子において、支台或いは重錘に比して低剛性な、可撓板の可撓部分のみに圧電素子を配設したことを特徴とする。当該構成によれば、圧電体の焼成収縮或いは冷却過程における圧電体、電極、可撓板間の熱膨張差に基づくセンサ素子内の残留応力が可撓板に吸収され、重錘と支台の相対位置が変化しないため、高精度のセンサ素子となる。
【００３２】 図１のセンサ素子（以下、「センサ素子Ａ」という。）は、前記構成をセンサ素子に適用した例であり、重錘３０と支台３１間に横架した円形可撓板３２のうち、重錘３０及び支台３１の上端面に固定されている部分を非可撓部分３２ａ、それ以外の部分を純粋な可撓部分３２ｂとすれば、可撓部分３２ｂのみに圧電素子３４を配設している。
【００３３】 センサ素子Ａに対し外部から加速度ａが作用すると、重錘３０には加速度ａと相反する方向に慣性力ｆが作用し、重錘３０−支台３１間に跨設された可撓板３２に慣性力ｆに伴う撓みが生ずるが、センサ素子Ａは、撓み応力が急激に変化する、可撓部分３２ｂと非可撓部分３２ａとの境界部分を避けるように圧電素子３４を配設しているため、圧電素子３４に安定的に電荷が発生する。また、センサ素子Ａは他の部分に比して大きな曲げ応力が加わる前記境界部分を避けるように圧電素子３４を配置している。従って、加速度ａが過大なものであっても、可撓板３２からの圧電素子３４の剥離、圧電体３３の破損が起こり難く、センサの信頼性が向上する。
【００３４】 一方、図９に示すような、圧電素子１４が可撓部分１２ｂから非可撓部分１２ａに掛かるように設けられたセンサ（以下、「センサ素子Ｂ」という。）は撓み応力が集中する部分に圧電素子が配置されている。従って、センサ感度は高いものの、圧電体焼成時に可撓板が応力を吸収できないため、焼成収縮による可撓板１２の歪みが生じ易く、重錘と支台の相対位置が変化し易い。また、センサ素子Ｂは、前記境界部分に圧電素子１４が配置されているため、加速度ａが過大なものである場合、大衝撃により圧電素子１４の剥離、圧電体１３の破損が生ずるおそれがあり、センサの信頼性が低下する。
【００３５】 また、センサ素子Ａとは異なり、図１０に示すように僅かな圧電素子１４の配設位置のズレや、重錘１０若しくは支台１１の形状バラツキによって圧電素子１４に生ずる電荷が急激に増減するため、各軸毎の出力がばらつき、ひいてはセンサ精度が低下するおそれがある。
【００３６】 以上のような構成のセンサ素子は、グリーンシート積層法により、支台、重錘、可撓板を一体焼成したものであることが好ましい。グリーンシートはセラミックス微粉末と溶剤等との混合スラリーを一定厚みの薄板状に乾燥したもので、可撓性、加工性に富み、切断や穴開け、接着が可能であるという特徴を有する。従って、所望形状の断層形状に切断した複数のグリーンシートを積層し、一体に圧着した後、焼成することにより所望形状を成形することが可能である（以下、この方法を「グリーンシート積層法」という。）。
【００３７】 本発明のセンサ素子についてもグリーンシート積層法を適用でき、支台、重錘、可撓板を一体焼成することが可能であるが、このように形成されたセンサ素子は以下に示すような極めて顕著な効果を奏する。
【００３８】 第１に、グリーンシート自体の薄板化が容易で、シート毎の厚み再現性やシート全体の厚み均一性に優れるため、可撓板の薄板化及び可撓板の厚みの精密な制御が容易である。即ち、上述の方法により形成されたセンサ素子は、低加速度でも可撓板が大きく撓むため好感度であると共に、各可撓板毎若しくは可撓板の部位毎の撓み具合のバラツキが少ないためセンサ素子毎の再現性と各軸毎の合力から求められる加速度の方向及び大きさの精度に優れる。
【００３９】 第２に、薄板の積層枚数を選択することにより厚み調整ができるため、特にＸ軸、Ｙ軸方向の感度に影響を与える薄板の積層枚数により重錘の厚みを微調整して、Ｚ軸方向の感度と均衡させることも容易である。即ち、上述の方法により形成されたセンサ素子は、Ｘ軸、Ｙ軸方向とＺ軸方向の感度のバランスが良く、回路による電気的な較正が少なくて済む。
【００４０】 第３に、支台、重錘、可撓板の各々について断層形状に切断した薄板を積層するところ、各部材毎に異なる材質のシート又は異なる厚みのシートを選択することが可能となるため、可撓板には可撓性の高い肉薄のシート、他の部材は剛性の高い肉厚のシート等の使い分けが可能となる。即ち、上述の方法により形成されたセンサ素子は、一体成形でありながら可撓部は撓み易く支台及び重錘は剛性が高いため高感度かつ高精度となる。
【００４１】 この他にもグリーンシート積層法は、一枚のシートから金型打抜きにより多数のセンサを作成することができ、生産性が高いため、経済性の高いセンサが提供可能である等の効果を奏する。これらの効果は他の一体成形の方法では得ることができない。前記グリーンシート積層法により形成したセンサに、スクリーン印刷等の厚膜法の技術を用いて下部電極、圧電体、上部電極を形成することにより小型で高感度かつ高精度のセンサ素子を簡便に製造することが可能となる。
【００４２】 また、本発明のセンサ素子は、支台と、重錘と、可撓板とが一体成形された加速度センサ素子であって、支台、重錘、若しくは可撓板のうち少なくとも１つの結晶構造或いは結晶粒径が異なっているセンサ素子であることが好ましい。部品と工数を削減し生産性を向上するという一体成形の利点を生かしつつ、各部材の特性を制御することが可能となるからである。例えば、可撓板を撓みやすい結晶構造或いは結晶粒径とし、重錘や支台は剛性が高い結晶構造或いは結晶粒径とすることにより高感度かつ高精度のセンサとすることが可能となる。
【００４３】 このような結晶構造或いは結晶粒径により可撓板等の特性を制御する方法は、セラミックスの他、金属を用いた一体成形の場合においても有用である。合成樹脂の場合であれば重合度により可撓板等の特性を制御してもよい。
【００４４】 本発明のセンサ素子においては、図１１に示すように可撓板３２上部の空間と支台中空部３６が連通するように、重錘３０の中心を垂直方向に貫通する孔３５を設けることが好ましい。
【００４５】 支台３１、重錘３０、可撓板３２の一体焼成体に対し、厚膜法により圧電体を形成し、焼成する方法を採る場合、可撓板３２は圧電体の焼成収縮に合わせて変形するため可撓板３２には残留応力が発生する。当該残留応力は、可撓板３２のバネ定数を大きくするため、可撓板３２が硬化して撓み難くなりセンサ感度が低下することになる。
【００４６】 重錘３０に貫通孔３５を設けることにより、重錘３０に貫通孔３５を設けることにより、可撓部の残留応力が開放される一方、重錘に当該残留応力が逃げ、結果として重錘に応力がかかった状態となり、重錘の剛性が高まることになる。
【００４７】 また、従来は図１８に示すように前記一体焼成体４８に対し圧電素子３４を形成する際に可撓板３２や重錘３０に対する相対位置を精密に制御できず、寸法精度が必ずしも高くなかったが、貫通孔３５を基準にして電極や圧電体等を形成することにより、寸法精度の高い高精度のセンサを簡便に形成することが可能となる。
【００４８】 また、本発明のセンサ素子においては、例えば図１２に示すように支台下端面３１ａの、支台下端面３１ａを含む平面上における支台中心Ｏを通過する直線ｌ1，ｌ2に対して相対称する位置に、少なくとも支台３１外周側の空間と連通する細溝３９を形成することが好ましい。圧電素子形成後の支台下端面３１ａに細溝３９を形成することにより、貫通孔３５と同様に可撓板３２の残留応力を緩和し、センサ感度の低下を抑制することが可能となるためである。
【００４９】 また、細溝３９は、センサ素子を回路基板やパッケージに接着固定する際に接着強度を向上させるアンカー効果を有する。即ち、センサ素子を回路基板等に接着固定する際には、接着位置の微調整を容易にするため、支台下端面３１ａや回路基板等の表面３８に接着剤３７のない状態でセンサ素子を位置決めし、その後接着することが好ましい。
【００５０】 支台３１外周側の空間と連通する細溝３９を設けることにより、センサ素子を位置決め後にセンサ素子周辺部から接着剤３７を塗布しても、接着剤３７が細溝３９を伝って支台下端面３１ａに入り込むので強固な接着が可能となる。かかる効果は自動車エアバッグ起動用等、強い衝撃に耐える高い接着性が要求される用途で特に有効である。
【００５１】 更に、本発明のセンサ素子においては、図１３に示すように重錘３０が、重錘の下端面３０ａに支台下端面を含む平面３８が接触しないように釣支されていることが好ましい。
【００５２】 従来は重錘３０の振動により重錘下端面３０ａと回路基板等３８が接触するのを防止するために図１１に示すように接着剤３７の塗布具合により支台３１を浮かせるようにセンサ素子を設置していた。本発明の構造であれば、センサ素子自体の構造として重錘下端面３０ａを回路基板等３８から非接触の状態に保つことができる。
【００５３】 本発明のセンサ素子は、重錘、支台及び可撓板の断層形状のグリーンシートを積層し、圧着して積層体とする第１工程と、当該積層体を一体焼成して焼成体とする第２工程と、当該焼成体に対し、厚膜法により圧電素子を形成し、焼成する第３工程と、からなる製造方法により好適に製造することができる。
【００５４】 グリーンシート積層法を用いることにより、可撓板の薄板化・均質化、重錘厚みの微調整、各部材に対する材質の最適化、生産効率の向上という効果が得られる他、シートごとに材質を変えることも可能であるため、結晶構造の異なる材質或いは結晶粒径の異なる材質を一体成形することも可能となる。
【００５５】 また、本発明の製造方法においては、重錘及び可撓板の断層形状のグリーンシートの中心と、支台及び可撓板の断層形状のグリーンシートの少なくとも二隅とに貫通孔を穿設し、当該貫通孔を支持ピンに貫通した状態で積層し、圧着して積層体とすることが好ましい。こうすることにより重錘中心に貫通孔を有するセンサ素子を極めて簡便に製造することが可能となる。また、支持ピンにより重錘、支台及び可撓板の相対的な位置決め精度が高まり寸法精度の高いセンサ素子を製造することが可能となる。
【００５６】 更には、図１４に示すように重錘及び可撓板の断層形状のグリーンシート４０，４２の中心と、支台及び可撓板の断層形状のグリーンシート４１，４２の四隅とに貫通孔４５，４３を穿設し、当該貫通孔４５，４３に支持ピン４４を貫通した状態で積層し、圧着して積層体４６とした方が位置精度が高まるため、より好ましい。
【００５７】 また、図１５に示すように平板状のグリーンシート４７上面に、重錘、支台及び可撓板の断層形状のグリーンシート４０，４１，４２を積層し、圧着して積層体４６とし、当該積層体４６を一体焼成して焼成体４８とした後に、重錘３０の下端が揺動し得るように前記平板状のグリーンシート４７を切断することが好ましい。
【００５８】 当該方法によれば、支台３１下端側を閉塞し、積層体４６の剛性が保たれている状態で焼成するため、焼成ひずみが少ないという利点がある。なお、グリーンシートは積層体の焼成後、圧電素子形成前に切断してもよいが、圧電体の焼成収縮により重錘と支台の相対位置が変化し、他軸感度が増大するおそれがあるため、圧電素子形成後に切断することが好ましい。
【００５９】 グリーンシート４７切断の方法は重錘３０の下端が揺動し得るように切断する限りにおいて特に限定されず、支台中空部３６の形状に沿って切断する方法の他、図１９に示すようにダイスにより直線的に切断する方法も可能である。
【００６０】 ダイスを用いた切断方法を採る場合は、重錘３０の切り離しと同時に支台下端面３１ａに支台３１外周側の空間と連通する細溝３９を形成することが可能である。なお、グリーンシート４７には、焼成時の脱脂用として小孔４７ａを設けておくことが好ましい。
【００６１】 更には、図１７に示すように支台の断層形状のグリーンシート４１上面に、平板状のグリーンシート４７を載置し、更に重錘、支台及び可撓板の断層形状のグリーンシート４０，４１，４２を積層し、圧着して積層体４６とし、当該積層体４６を一体焼成して焼成体４８とした後に、重錘の下端が揺動し得るように前記平板状のグリーンシート４７を切断してもよい。
【００６２】 この方法によれば、図２０に示すように各センサ素子毎に中子等の治具を挿入することなく、重錘の下端面３０ａに支台下端面を含む平面３８が接触しないように釣支されたセンサ素子を形成することが可能となる。なお、この場合においても上述した焼成ひずみ抑制の効果が得られるのはいうまでもなく、ダイスを用いた切断方法により、支台下端面３１ａに支台３１外周側の空間と連通する細溝３９を形成することが可能である。
【００６３】 図２１，２２に示すように、本発明の加速度センサ素子５０は回路基板５１に固定し、蓋体５３で密閉することにより加速度センサ５４とするが、加速度センサ５４を製造する際には露点−４０℃以下の乾燥雰囲気下において蓋体５３で密閉することが好ましい。こうすることにより、センサ内の結露を防止でき、加速度に影響を与えるような、可撓板３２や重錘３０への結露による重量の変化が防止されるため、センサの精度が維持される。
【００６４】 なお、前記のような加速度センサの製造方法において、図１１に示すような重錘３０の中心に貫通孔３５を設けたセンサ素子は貫通孔３５により可撓板３２上部の空間と支台中空部３６が連通するため、支台中空部３６の空間も露点の低い乾燥ガスに置換される点において、図１３に示すような重錘の下端面３０ａが回路基板等３８と接触しないように釣支されたセンサ素子は、重錘下端面３０ａ側の乾燥ガスの流通が容易となる点において好ましい。
【００６５】
【実施例】 以下、本発明のセンサ素子の好ましい実施例につき製造方法とともに説明する。
【００６６】（実施例１） まず、図１７に示すように支台の断層形状のグリーンシート４１上面に、平板状のグリーンシート４７を載置し、更に円筒状の重錘、四角柱に円筒形の中空部を有する支台及び可撓板の断層形状のグリーンシート４０，４１，４２を積層し、圧着して積層体とした。
【００６７】 この際には、重錘及び可撓板の断層形状のグリーンシート４０，４２の中心と、支台及び可撓板の断層形状のグリーンシート４１，４２の四隅に貫通孔４５，４３を穿設し、図１６と同様に当該貫通孔４５，４３に支持ピン４４を貫通した状態で積層した。次いで、積層体を１４００〜１５００℃で２時間一体焼成して焼成体とした。
【００６８】 更に、図１８と同様に焼成体４８に対し、圧電素子３４を形成した。この際には、重錘中心の貫通孔３５を基準として、図１のセンサと同様に可撓板３２の可撓部分３２ａのみに下部電極５８、圧電体３３、上部電極５７ａ，５７ｂをスクリーン印刷により順次配設した後、１２００〜１３００℃で３時間焼成した。
【００６９】 なお、圧電素子は、図１のセンサと同様にドーナツ状に下部電極５８、圧電体３３を印刷した後、８箇所に区分して上部電極５７ａ，５７ｂを印刷することにより合計８個の圧電素子を形成した。最後に、図１９と同様に、前記平板状のグリーンシートを円筒状の重錘３０に外接する格子状にダイスで切断し、重錘３０の下端を切り離して本発明のセンサ素子を得た。
【００７０】 当該センサ素子は以下の方法により加速度センサとした。即ち、図２１，２２に示すようにセンサ素子５０を回路基板５１上の所望の位置に位置決めした後、接着剤を支台下端面外周側から注入し、センサ素子５０を回路基板５１上に固定した。
【００７１】 当該回路基板５１をＣＡＮパッケージベース５２に半田付けで固定して、グローブボックス付きＣＡＮシール装置（日本アビオニクス社）内で、乾燥窒素ガスをパージして、露点−４０℃以下の乾燥雰囲気とした後、気密的にＣＡＮパッケージケース５３を溶接して密閉封止し加速度センサ５４とした。
【００７２】
【発明の効果】 以上説明したように、本発明のセンサ素子は、焼成収縮による可撓板の歪みが生じ難く、撓み応力が急激に変化する、可撓部分と非可撓部分との境界部分を避けるように圧電素子を配設している。従って、圧電素子に安定的に電荷が発生すると共に、僅かな圧電素子の配設位置のズレや、重錘若しくは支台の形状バラツキによって圧電素子に生ずる電荷が急激に増減することがないため、各軸毎の出力バラツキが抑制され、センサ精度が向上する。
【００７３】 また、センサ素子が急激な加速度を受けた場合でも、可撓板から圧電素子が剥離せず、圧電体も破損し難いため、センサの信頼性が向上する。更に、本発明の製造方法によれば高感度、高精度、高信頼性のセンサ素子を簡便に製造することが可能となる。
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| 【出願人】 |
【識別番号】０００００４０６４
【氏名又は名称】日本碍子株式会社
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| 【出願日】 |
平成１０年（１９９８）３月２５日 |
| 【代理人】 |
【弁理士】
【氏名又は名称】渡邉 一平
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| 【公開番号】 |
特開平１１−２７１３５３ |
| 【公開日】 |
平成１１年（１９９９）１０月８日 |
| 【出願番号】 |
特願平１０−７８１３７ |
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