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【発明の名称】 圧電センサの製造方法及び圧電センサ
【発明者】 【氏名】浅野 勝吾

【氏名】中野 泰之

【氏名】馬場 啓之

【氏名】福田 徹
【要約】 【課題】検出素子の製造を容易化するとともに、構造が簡素で、検出方向以外の加速度の影響を受け難い高感度の圧電センサを提供する。

【解決手段】板厚直交方向に分極処理された板状の圧電体11と、圧電体11の一面側に形成された第１の検出電極12と、圧電体12の側面に位置する側面接続部13ａ，13ｂ及び圧電体11の両面に位置する電極面部13ｃ，13ｄ，13ｅを有し圧電体11の一面側で第１の検出電極12との間に圧電体11を露出させる第２の検出電極13と、を有するユニモルフ構造の検出素子10を備えるように構成する。
【特許請求の範囲】
【請求項１】板厚方向と直交する板厚直交方向に分極処理された板状の圧電体と、前記圧電体の一面側に形成された第１の検出電極と、前記圧電体の側面に位置する側面接続部及び前記圧電体の両面に位置する電極面部を有し前記圧電体の一面側で前記第１の検出電極との間に前記圧電体を露出させる第２の検出電極と、を有するユニモルフ構造の検出素子を備えたことを特徴とする圧電センサ。
【請求項２】少なくとも一部が前記圧電体の他面側に形成された第３の検出電極を備え、前記第３の検出電極と前記第１の検出電極とが前記圧電体を挟んで前記第２の検出電極の電極面部に対向することを特徴とする請求項１に記載の圧電センサ。
【請求項３】前記第１の検出電極、前記第２の検出電極及び前記第３の検出電極が、それぞれ少なくとも一部で前記圧電体の前記一面側に形成され、前記圧電体の前記他面側に同一極性の電極のみが形成されたことを特徴とする請求項１又は２に記載の圧電センサ。
【請求項４】圧電体にせん断歪みを生じさせて前記圧電体の表面の検出電極から検出信号を取り出す圧電センサを製造する方法であって、板状の圧電材に板厚方向と直交する板厚直交方向の分極を施す分極処理工程と、前記圧電材の表面に電極材料を固着させる電極形成工程と、前記電極材料を固着させた前記圧電材を複数の圧電体領域に区画し、前記圧電材を切断して電極付きの複数の圧電体に分割する切断工程と、を含むことを特徴とする圧電センサの製造方法。
【請求項５】前記分極処理工程において、所定の圧電素材ブロックに分極を施すとともに、前記圧電素材ブロックを前記分極の方向と直交する方向に隣接する複数の圧電材領域に区画し、前記圧電素材ブロックを複数の前記圧電材に分割するよう切断することを特徴とする請求項４に記載の圧電センサの製造方法。
【請求項６】前記分極処理工程で前記分極を施し前記電極形成工程で前記電極材料を固着させた前記圧電材の片面に、所定質量の板状の錘材を固着させる錘材固着工程を含み、前記切断工程において、前記錘材を複数の前記圧電体領域に対向する複数の錘体領域に区画し、前記圧電材を切断して電極付きの複数の圧電体に分割するときに、前記錘材をそれぞれ前記圧電体と一体化された複数の錘体に分割することを特徴とする請求項４又は５に記載の圧電センサの製造方法。
【請求項７】前記電極形成工程において、前記圧電材の表面の一部に電極材料を固着させて前記複数の圧電体領域の両面にわたって直列に接続された複数列の電極を形成することを特徴とする請求項４〜６のいずれかに記載の圧電センサの製造方法。
【請求項８】前記電極形成工程において、前記圧電材の表面の全面に電極材料を固着させた後、該電極材料を部分的に除去して、前記複数の圧電体領域の両面にわたって直列に接続された複数列の電極を形成することを特徴とする請求項４〜６のいずれかに記載の圧電センサの製造方法。
【発明の詳細な説明】【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、圧電素子により機械的歪み等を検出する圧電センサの製造方法と、その方法により製造した圧電センサ、特に内燃機関や電気モータにより走行する車両等において加速度を測定又は検出するのに好適な圧電センサとに関する。
【０００２】
【従来の技術】従来、車両等に使用される加速度センサでは、圧電材料の電気・機械変換特性を利用して高検出感度を得るようにした圧電センサが多用されている。また、高い周波数領域の加速度を測定する場合、例えば自動車のエアバッグシステムに衝撃感知用センサとして使用されるような場合に対応すべく、バイモルフ構造を採用して出力増大を図ると共に検出素子の共振周波数を高くしたものが多用されている。なお、エアバッグシステムにおいては、その急激な普及に伴い、加速度センサ及びエアバッグコントローラ自体の小型化、低コスト化、高性能化が要求されており、その加速度センサは衝突加速度を高精度に検出する必要がある。
【０００３】この種の圧電センサとしては、例えば図１９〜図２５に示すようなものがある。
【０００４】図１９〜図２１において、101はベースユニットであり、ベースユニット101の中央部には位置決めピン102ａを有する突起部102が電気的絶縁状態で設けられている。103はベースユニット101の突起部102に位置決めされ溶接固定された圧電板であり、この圧電板103は、図２２〜図２５に示すように、振動板104と、その表裏両面に装着された圧電セラミック素子105，106とで構成されている。圧電セラミック素子105，106は、それぞれ板厚方向に分極処理したもので、その両面にセンサ出力用の正負の環状電極105a，105b，106a，106bと自己診断用の正負の環状電極105c，105d，106c，106dとを焼付け等により形成している。また、圧電セラミック素子105の負の電極105b，105dと圧電セラミック素子106の正の電極106a，106cとを互いに対向させてこれら対向する同一面積の電極間をそれぞれ導通接続することにより、検出素子としての静電容量を倍にするとともに、両圧電素子105，106の焦電効果（熱エネルギーを吸収して自発分極の変化を起こし、その変化量に比例して表面に電荷が誘起される現象を生じる）を相殺するようになっている。
【０００５】110はベースユニットを収納するハーメチックシール構造のシールドケースで、基台111とキャップ112からなる。基台111には、グランド（ＧＮＤ）用のリードピン111aが導電接続されるとともに、出力用リードピン111bと、電源供給用リードピン111cと、素子駆動用リードピン111dとが、それぞれ電気的に絶縁されて固定されている。これらリードピン111a〜111dは、それぞれ一端側で回路基板115に接続され、他端側で外部基板に挿入される支持部材を兼ねた信号線となっている。また、キャップ112は、基台111に着脱可能な金属製のもので、圧電セラミック素子105、106と回路基板115とをシールドする。
【０００６】回路基板115は、センサ出力用の環状電極105a，106b間の電圧信号を増幅し、濾波、インピーダンス変換および温度補償等を行う検出信号処理回路108と、自己診断用の駆動回路109と、を含んで構成されている。圧電板103の発生電荷は、環状電極105a，106b間の電圧信号として回路基板115に取り込まれ、ここでインピーダンス変換回路において電圧に変換され、濾波回路で必要な帯域に、増幅回路で最適なレベルにされて、センサ出力が得られることになる。
【０００７】この加速度センサでは、圧電板103に図２４中の上下方向の加速度が加わるとき、振動板104が一面側で凸、他面側で凹となる変形（撓み）を生じ、このとき、圧電セラミック素子105，106のうち一方が引き伸ばされ、他方が圧縮されることで、各圧電セラミック素子105，106の発生電圧の２倍の電圧を、電極105a，106bからボンディングワイヤ107a，107b等を介して信号処理回路108に出力する。また、自己診断用の正負の環状電極105c，106dの間に駆動回路109からボンディングワイヤ107C，107dを介して電圧（例えば交番電圧）を印加することで、圧電セラミック素子105，106により振動板104を撓ませ（振動させ）、その時の両電極105c，106dからの出力電圧を故障チェック等の自己診断や較正用の出力として利用することができるようになっている。
【０００８】なお、圧電板103を位置決め用の突起部102に固定する際には、例えば電極121、122を図２３に示すように突き合わせて抵抗溶接を行っている。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従来の圧電センサ及びその製造方法にあっては、圧電セラミック素子105，106を振動板104の両面に貼り付けた圧電板103を、位置決め用の突起部102を介してベースユニット101に支持させていたため、突起部102のベースユニット101への一体成形、振動板104の突起部102への溶接、圧電セラミック素子105，106の振動板104への貼り付け、ワイヤボンディングによる電気接続等といった多数の面倒な工程が必要になり、製造コストが高くなっていた。
【００１０】また、ベースユニット101の突起部102に圧電板103を支持させ、その板厚方向の加速度を検出するため、検出方向と直交する方向にかさばる構造となるばかりか、車体等からの検出したい加速度以外の不要な振動をも感知し易く、これがノイズ成分となって本来の加速度の検出感度を低下させていた。また、回路基板115等が加速度検出方向に対して平行に設置される場合には、その支持剛性が不足して加速度センサの特性に悪影響を及ばすため、支持部材131等を追加しなければならなかった。
【００１１】本発明は、このような従来の問題に鑑みてなされたものであり、検出素子の製造を容易化する製造方法を実現するとともに、構造が簡素で、検出方向以外の加速度の影響を受け難い高感度の圧電センサを提供するものである。
【００１２】
【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため、請求項１記載の発明に係る圧電センサは、板厚方向と直交する板厚直交方向に分極処理された板状の圧電体と、前記圧電体の一面側に形成された第１の検出電極と、前記圧電体の側面に位置する側面接続部及び前記圧電体の両面に位置する電極面部を有し前記圧電体の一面側で前記第１の検出電極との間に前記圧電体を露出させる第２の検出電極と、を有するユニモルフ（単板）構造の検出素子を備えたことを特徴とする。
【００１３】この発明では、圧電体の板厚直交方向の加速度等がそれに応じた圧電体のせん断歪みから検出されるので、振動板やベースユニット等を設ける必要がなく構造が簡素となる。しかも、圧電体の一面側で第１及び第２の検出電極を実装基板上に接続でき、検出素子の高さが大幅に縮小されるから、不要な振動等を拾い難く、構造の簡素化のみならず、検出性能を向上できる。
【００１４】請求項２記載の発明に係る圧電センサは、少なくとも一部が前記圧電体の他面側に形成された第３の検出電極を備え、前記第３の検出電極と前記第１の検出電極とが前記圧電体を挟んで前記第２の検出電極の電極面部に対向することを特徴とする。この発明では、２枚貼り合わせのバイモルフ素子にすることなくユニモルフ（単板）素子で複数列の直列接続された電極形成が実現できるため、構造が簡素で小型、高性能の圧電センサを提供することができる。また、簡素な構成でセンサの用途に応じた感度を任意にかつ容易に得ることができる。しかも、圧電体の分極に対して直交する板厚方向に検出電極が対向するから、温度変化に伴って圧電体に焦電効果が生じても、電極面に生じる焦電電荷は非常に小さく、検出精度が低下し難い。また、対向電極面の面積を広くして静電容量を十分確保することができるから、高感度の圧電センサが実現できる。
【００１５】また、請求項３記載の発明は、前記第１の検出電極、前記第２の検出電極及び前記第３の検出電極が、それぞれ少なくとも一部で前記圧電体の前記一面側に形成され、前記圧電体の前記他面側に同一極性の電極のみが形成されたことを特徴とする。この発明では、同一極性の電極のみが形成された圧電体の片面に錘体等を容易に接合できる。
【００１６】上記課題を解決するため、請求項４記載の発明に係る圧電センサの製造方法は、圧電体にせん断歪みを生じさせて前記圧電体の表面の検出電極から検出信号を取り出す圧電センサを製造する方法であって、板状の圧電材に板厚方向と直交する板厚直交方向の分極を施す分極処理工程と、前記圧電材の表面に電極材料を固着させる電極形成工程と、前記電極材料を固着させた前記圧電材を複数の圧電体領域に区画し、前記圧電材を切断して電極付きの複数の圧電体に分割する切断工程と、を含むことを特徴とする。
【００１７】この発明では、電極材料を固着させた圧電材を、複数の、例えば個片状の圧電体領域に区画して切断し、電極付きの複数の圧電体とするので、分極処理や電極形成の工程を多数の素子についてまとめて行うことができ、板厚方向の両側に検出電極を配置し、せん断歪みにより生じる表面電荷を検出電極から取り出すユニモルフ構造の小型、簡素な圧電センサが安価に製造できる。
【００１８】また、請求項５記載の発明に係る圧電センサの製造方法は、前記分極処理工程において、所定の圧電素材ブロックに分極を施すとともに、前記圧電素材ブロックを前記分極の方向と直交する方向に隣接する複数の圧電材領域に区画し、前記圧電素材ブロックを複数の前記圧電材に分割するよう切断することを特徴とする。この発明では、圧電素材ブロックへの１回の分極処理によって、例えば短冊状に切断される多数の圧電材に板厚直交方向への分極を一括して施すことができ、工程数が削減される。
【００１９】請求項６記載の発明に係る圧電センサの製造方法は、前記分極処理工程で前記分極を施し前記電極形成工程で前記電極材料を固着させた前記圧電材の片面に、所定質量の板状の錘材を固着させる錘材固着工程を含み、前記切断工程において、前記錘材を複数の前記圧電体領域に対向する複数の錘体領域に区画し、前記圧電材を切断して電極付きの複数の圧電体に分割するときに、前記錘材をそれぞれ前記圧電体と一体化された複数の錘体に分割することを特徴とする。この発明では、板状の錘体を素子に固着させる工程をまとめて行うことができ、圧電体の切り出し加工と錘体の切り出しが同時に可能である。したがって、工数が削減される。
【００２０】請求項７は、前記電極形成工程において、前記圧電材の表面の一部に電極材料を固着させて前記複数の圧電体領域の両面にわたって直列に接続された複数列の電極を形成する。したがって、電極の直列接続数の加減によってセンサの用途に応じた感度の変更を任意に、しかも容易にできる。
【００２１】請求項８は、前記電極形成工程において、前記圧電材の表面の全面に電極材料を固着させた後、該電極材料を部分的に除去して、前記複数の圧電体領域の両面にわたって直列に接続された複数列の電極を形成することを特徴とする。したがって、側面接続部等を容易に形成できるとともに、電極の直列接続数の加減によってセンサの用途に応じた感度の変更を任意に、しかも容易にできる。
【００２２】
【発明の実施の形態】以下、本発明の好ましい実施形態を図面に基づいて説明する。
【００２３】なお、以下に説明する実施形態の圧電センサは、圧電セラミックを回路基板上に直接実装する構造の加速度検出用の検出素子ユニットを構成したものであり、圧電体のせん断（剪断）歪みを利用するシェア方式とした例を示すものである。また、検出素子ユニットの実装性と感度アップを図るため、圧電セラミックの電極を蒸着等によって形成した後、スリッタ等で圧電セラミックの表と裏の電極が直列接続となるように、まわし電極（側面接続部）を含めて電極を形成するか、若しくは全周に形成した蒸着電極を部分的に剥離させる等して除去することにより、二枚貼り合わせのバイモルフ素子構造にすることなく、ユニモルフ（単板）素子の状態で、（＋）及び（−）の検出用電極を実装面側でまとめて接続可能にした素子とし、これを後述する製造法により製造したものである。ただし、本発明に係る圧電センサの製造方法は加速度センサのみならず、シェア方式の圧電センサ全般に適用することができる。
【００２４】（第１の実施形態）図１〜図３は、本発明の第１の実施形態に係る圧電センサの検出素子ユニットを示すその斜視図であり、シェア方式の加速度センサを例示している。
【００２５】図１及び図２において、10はユニモルフ（単板）構造の検出素子であり、この検出素子10は、例えば圧電セラミック素子からなる板状の圧電体11と、圧電体11の図中下面側に形成され所定の回路基板20上に接続される第１の検出電極12と、圧電体11の図中上下両面にわたる一列の直列接続の電極として形成された第２の検出電極13と、を有している。圧電体11はその板厚方向と直交する板厚直交方向（図１の矢印Ｐ方向）に分極処理されており、圧電体11の表面に形成された第１の検出電極12及び第２の検出電極13は、共に例えば蒸着又はメッキにより形成されている。
【００２６】圧電体11は、分極方向の電界では伸縮を生じるが、板厚方向の電界では上下面を逆方向にずらすようなせん断歪みを生じる性質を有し、前記板厚直交方向に向かう外力によってそれに対応するせん断歪み（例えば、図１中に双方向の破線矢印及び仮想線で示すような撓み）が生じたときには、両面側の検出電極12，13の間に前記せん断歪みに応じた電圧を発生するようになっている。なお、圧電体11は、前記圧電セラミック素子のみならず、これと同様な機能を発揮できる水晶や圧電性単結晶から構成されたものでもよい。
【００２７】また、図３に示すように、第２の検出電極13は、圧電体11の側面側に位置する側面接続部13ａ，13ｂと、圧電体11の下面側に位置する両端電極面部13ｃ，13ｄと、圧電体11の上面側に位置する中間電極面部13ｅと、を有しており、その両端電極面部13ｃ，13ｄと第１の検出電極12との間において、圧電体11の一部が２本の平行な溝11ａ，11ｂの形状をなして図中下面側に向かって露出している。また、第１の検出電極12は回路基板20のプラス側電極21に、両端電極面部13ｃ，13ｄは回路基板20のマイナス側電極22，23に直接に導電接続されている。
【００２８】このユニモルフ（単板）構造の検出素子10は更に圧電体11の図中上面側に所定質量の付加マスである錘体14を有しており、錘体14は第２の検出電極13に導電接続されている。
【００２９】そして、例えば図１の矢印Ａの向きの加速度が錘体14に加わると、錘体14から検出素子10に前記加速度に応じた力が加わり、圧電体11にせん断歪みが生じて検出電極12，13の間に前記加速度に応じた電圧が生じる。
【００３０】本実施形態においては、圧電体11の板厚直交方向の加速度がそれに応じた圧電体11のせん断歪みから検出されるので、従来のように振動板やベースユニット等を設ける必要がなく、構造が簡素となる。しかも、圧電体11の一面側で第１及び第２の検出電極12，13を回路基板20上に直接に接続することができ、検出素子10の実装時高さが大幅に縮小されるから、不要な振動等を拾い難く、構造の簡素化のみならず、検出性能を向上させることができる。
【００３１】次に、この加速度センサを製造する際における、本発明に係る圧電センサの製造方法の一実施形態を説明する。この方法は、圧電体11にせん断歪みを生じさせて圧電体11の表面の検出電極12、13から検出信号を取り出す圧電センサを製造する方法であって、次に説明する分極処理工程、電極形成工程、錘材固着工程、切断工程の順に実施される。
【００３２】まず、最初の分極処理工程においては、圧電セラミック又は圧電性単結晶から所定形状、例えば図４に示すような板状又はシート状に形成された圧電素材ブロック200を準備し、その圧電素材ブロック200の表裏両面に図示しない分極用の電極を設けて、その分極用電極により圧電素材ブロック200に図４に示す矢印Ｐ1方向の分極を施す。その後、分極用の電極はラップ加工などによって除去する。
【００３３】次いで、この圧電素材ブロック200を、分極の方向と直交する方向に隣接する複数の圧電材領域201，202，203，204等に区画し、圧電素材ブロック200をワイヤーソー等により複数の所定厚さの短冊シート状（板状）の圧電材210に分割する切断を行う。このようにして、板状の圧電材210に板厚方向と直交する板厚直交方向の分極を効率よく施すことができる。
【００３４】次の電極形成工程においては、まず、圧電材210の表面、例えば表裏両面及び両側面にわたってメッキ又は蒸着等によって電極材料を固着させ、電極材料膜230を形成する。次いで、圧電材210の一面側において、電極材料膜230にスリッタ等によって部分的な剥離、除去加工可能を施し、電極材料膜230を2つの分割電極部231，232に分割するスリット235，236を形成する。ここで、一方の分割電極部231は、第１の検出電極12と同一幅（同一横断面形状）を有しており、他方の分割電極部232は、その両側部が回り込んだ第２の検出電極13と同一横断面形状を有している。このように、電極形成工程においては、最初に処理の容易なメッキ等によって圧電材210の表面の全面に電極材料を固着させた後、その電極材料を部分的に除去し、図５に二点鎖線で区画して示す複数の圧電体領域211，212，213，214において、その両面にわたってそれぞれ直列に接続された複数列の電極を容易に形成することができる。
【００３５】圧電材210の表面の一部に最初から所定形状に電極材料を固着させて、複数の圧電体領域211，212，213，214に、その両面にわたって直列に接続された複数列の電極を形成することもできる。また、電極材料膜230の固着形状を適宜設定し、あるいはその剥離加工や除去加工の方法及び残部形状を適宜設定して、所要形状の電極、例えば図６に示すよう電極を形成することができる。この場合、例えば１個の短冊シート状の圧電材310から、２列の直列接続ユニットとなる圧電体領域311，312，313，314が４個確保できる。なお、この場合の検出素子については後述する。
【００３６】圧電材210の両端面に固着された電極材料233は剥離加工等により除去される。
【００３７】次いで、前記分極処理工程で分極を施し前記電極形成工程で電極材料を固着させた圧電材210を、その片面側で、図７に示すように所定質量のマスシート240（板状の錘材）に固着させる（錘材固着工程）。この固着には、例えば導電性接着剤を用いる。
【００３８】次の切断工程においては、電極材料を固着させた圧電材210を複数の圧電体領域211，212，213等に区画し、圧電材210を切断して錘体14を一体化した複数の圧電体11に分割する。本実施形態においては、まず、マスシート240を複数の圧電材210の貼り合せ領域に対向する複数の帯状の錘材領域に区画し、更に、各錘材領域を、複数の圧電体領域211〜214に対向する複数の錘体領域251に区画し、圧電材210を切断して電極付きの複数の圧電体11に分割するのと同時に、錘材250をそれぞれ圧電体11と一体化された複数の錘体14に分割する切断加工を行う。なお、図８では図５の場合とは異なり、圧電体領域が４つ以上の場合を例示している。
【００３９】本実施形態に係る圧電センサの製造方法では、分極処理や電極形成の工程及び錘体14の成形を多数の検出素子10について一括して行い、錘体14付きの検出素子10として切り出し加工するので、工程数を大幅に削減することができる。したがって、板厚方向の両側に検出電極12，13を配置し、せん断歪みにより生じる表面電荷を両検出電極12，13から取り出すユニモルフ構造の小型、簡素な圧電センサが安価に製造できる。
【００４０】さらに、板状の錘体14を素子に固着させる工程を、マスシート240の形で一括して行うことができ、圧電体11の切り出し加工と同時に錘体14の切り出し加工を行うことができる。したがって、切断の工数が削減される。
【００４１】また、本実施形態においては、電極材料を圧電材210に固着させる際の形状を適宜設定することで、電極12，13の直列接続数や電極形状等を加減することができ、センサの用途に応じた感度の変更を任意に、しかも容易に達成することができる。
【００４２】（第２の実施形態）図９及び図１０は、本発明の第２の実施形態に係る圧電センサの検出素子ユニットを示すその側面図及び斜視図であり、シェア方式の加速度センサに使用されるものである。
【００４３】このセンサは、図６に示した短冊状の圧電材310を用いて作製したものであるので、その製造方法を先に説明すると、まず、上述例と同様な分極処理を圧電材310に施した後、その圧電材310の表面の全域に電極材料を固着させ、次いで、その電極材料を剥離加工等により部分的に除去して同図に示すような電極膜形状とする。あるいは、剥離加工等を行わず、最初から同図に示すような電極パターン形状となるよう選択的な電極膜形成を行う。
【００４４】この状態においては、図６に示すように、圧電材310が前記分極の方向と直交する方向に隣接する複数の圧電体領域311〜314に区画することができ、その両面にわたって直列に接続された２列の電極が４組一体に形成された状態となっている。
【００４５】次に、電極材料が固着した圧電材310を複数の圧電体領域311〜314に区画に従って切断し、電極付きの圧電体261を有する複数の検出素子260に分割する。
【００４６】この検出素子260は、ユニモルフ構造の検出素子で、板厚方向と直交する板厚直交方向（図９（ａ）中の矢印Ｐ2方向）に分極処理された板状の圧電体261と、圧電体261の下面側に形成された第１の検出電極262と、圧電体261の下面側で第１の検出電極262との間に圧電体261を露出させる第２の検出電極263とを有している。第２の検出電極263は、圧電体261の側面に位置する側面接続部263ａと、圧電体261の両面に位置する電極面部263ｃ、263ｄとを有する略コの字形に形成されている。また、電極面部263ｃ、263ｄは圧電体261の分極方向と直交する方向にずれて配置されている。
【００４７】264は、少なくとも一部が圧電体261の他面側に形成された第３の検出電極であり、この第３の検出電極264は、圧電体261の側面に位置する側面接続部264ａと、圧電体261の両面に位置する電極面部264ｃ、264ｄとを有している。第２の検出電極263は、その一方の電極面部263ｃで圧電体261を挟んで第１の検出電極262に対向し、他方の電極面部263ｄで圧電体261を挟んで第３の検出電極264の電極面部264ｃに対向している。264ｄは回路基板20のマイナス側電極22に接続された第３の検出電極264の下側電極面部である。
【００４８】この発明では、２枚貼り合わせのバイモルフ素子にすることなく、ユニモルフ（単板）素子で複数列の直列接続の電極を構成することができるので、構造が簡素で小型の加速度センサとなる。また、電極の分割形状に応じて、簡素な構成でセンサの用途に応じた感度を任意にかつ容易に得ることができる。しかも、圧電体261の分極に対して直交する板厚方向に検出電極が対向するから、温度変化に伴って圧電体261に焦電効果が生じても、その電極面に生じる焦電電荷は非常に小さく、検出精度が低下し難い。また、対向電極面の面積を広くして静電容量を十分確保することができるから、高感度の圧電センサが実現できる。
【００４９】また、第１の検出電極262、第２の検出電極263及び第３の検出電極264が、それぞれ少なくとも一部で圧電体261の下面側に形成され、圧電体261の上面側に同一極性の電極のみが形成されているので、図１０に示すように、検出素子260を回路基板20に直接に導通接続することができ、一方、同一極性の電極のみが形成された圧電体261の上面には錘体14を容易に配置し接合することができる。
【００５０】なお、本実施形態においては、圧電体261の両面にわたる第２の検出電極263を１つ設けて２列の直列接続した電極を構成しているが、同様な電極を増設して列数を任意に増加させることができる。
【００５１】（第３の実施形態）例えば図１１に示す第３実施形態のように、検出素子270の圧電体271にＰ3方向の分極を施し、この圧電体271に、第１の検出電極272と、これに対向する上側電極面部273ｃを有する第２の検出電極273と、第２の検出電極273の下側電極面部273ｄに対向する上側電極面部274ｃを有する第３の検出電極274と、第３の検出電極274の下側電極面部274ｄに対向する上側電極面部275ｃを有する第４の検出電極275と、を設けている。
【００５２】この場合にも、上述例と同様に、構造がシンプルで小型の加速度センサを製造することができる。
【００５３】なお、本発明に係る圧電センサの製造方法においては、上述のような側面接続部（まわし電極）を持つ電極を備えたものに限らず、以下に説明するようなセンサの製造にも適用できる。
【００５４】（第４の実施形態）図１２〜図１６は本発明に係る圧電センサの製造方法の第４実施形態を実施して製作したセンサを示す図である。なお、以下の実施形態においては、センサ構造が上述と同様の部分については上述例と同一の符号を付して説明する。
【００５５】図１２（ａ）、図１２（ｂ）及び図１２（ｃ）において、10は実装基板としての回路基板20に実装されるユニモルフ構造の検出素子であり、この検出素子10は、板状の圧電体11と、圧電体11の表面に平坦な膜状に設けられた下面側検出電極12及び上面側検出電極13と、を有している。圧電体11は、予め板厚方向と直交する板厚直交方向（図１２（ａ）中の矢印Ｐ方向）に分極処理を施したもので、例えば圧電セラミック素子で構成されている。
【００５６】下面側検出電極12及び上面側検出電極13は、圧電体11の表面部に蒸着又はメッキ等により形成され、圧電体11の両面に対向配置されている。また、下面側検出電極12は上面側検出電極13に対し逆極性となっており、この下面側検出電極12が回路基板20のプラス側電極21に導通する状態で回路基板20上に検出素子10が直接に載置され、例えば導電性接着剤16により回路基板20に固定されている。
【００５７】また、検出素子10はその上面側に錘体14を固定し一体化した素子ユニットとして構成されており、錘体14は、導電性接着剤17により検出素子10に固定された固定面14ａと、固定面14ａと所定の交差角（略直角）をなす側面14ｂとを有している。この錘体14は、圧電体11の板厚直交方向（図１３中で左右方向）に向かって加速されるとき、その加速度と錘体14の質量とに応じた略せん断（剪断）方向の力を検出素子10に加え、検出素子10の圧電体11にせん断歪みを生じさせることができる。
【００５８】また、図１２（ｃ）に示すように、検出素子10には検出素子10の下面側検出電極12に対面する底面板部23が設けられてもよい。この底面板部23は回路基板20のプラス側電極21に接続されており、センサ感度を高めるよう、錘体14は底面板部23と同一の材料若しくはこれに近い熱膨張係数の材料からなる。勿論、専用の底面板部23をなくして、検出素子10の電極配置を回路基板20に直付けすることもできる。また、導電性接着剤16，17が半田等であってもよいことはいうまでもない。
【００５９】一方、錘体14の側面14ｂには、蒸着又はメッキ等により膜状に形成された電荷取り出し電極15が設けられている。この電荷取り出し電極15は、導電性接着剤17等により上面側検出電極13に電気的に接続されるとともに、回路基板20のマイナス側電極22に導電性接着剤又は半田18によって接着固定されている。19は、検出素子10の側端面から露出する下面側検出電極12の端面を覆うよう、検出素子10の側端面と回路基板20との間に塗布され固化した絶縁性の接着剤である。
【００６０】図１４及び図１５に示すように、前記検出素子10及び回路基板20は、センサ基台31ａ及び封止キャップ31ｂからなるハーメチックシール構造のシールドケース31内に収納され、信号処理基板25とセンサ出力用、グランド用、電源用及び容量チェック用のリードピン32，33，34，35とを有するセンサユニット30として構成されており、検出素子10が回路基板20に実装された状態で錘体14に圧電体11の板面（上面、下面）方向に向かう加速度を受けるように取り付け方向が規定されている。なお、信号処理基板25は、詳細な回路構成を図示しないが、インピーダンス変換回路、出力増幅回路、濾波回路、温度補償回路等を含んで構成されている。
【００６１】検出素子10の実装時には、まず、下面側検出電極12を導電性の接着剤や半田等でプラス側電極21に接続するとともに回路基板20に固定し、次いで、検出素子10の側端面から露出する下面側検出電極12の端面を覆うように、検出素子10の側端面と回路基板20との間に絶縁性の接着剤19を塗布する。次いで、錘体14の固定面14ａを導電性接着剤17により検出素子10の上面側検出電極13に接着固定するとともに、錘体14の側面14ｂの電荷取り出し電極15を上面側検出電極13に導通するよう接続する。次いで、電荷取り出し電極15を回路基板20のマイナス側電極22に導電性接着剤又は半田18によって接着固定する。
【００６２】以上のように構成された加速度センサにおいては、加速度検出時に、錘体14が例えば図１６に実線で示す位置から仮想線で示す位置に移動するよう矢印Ａ方向に加速度を受け、その質量と加速度に応じた力を検出素子10に加えることになる。このとき、検出素子10にはせん断歪みが生じるから、ユニモルフ構造の検出素子10の検出電極12，13間に前記加速度に応じた電圧が生じ、その電圧信号が信号処理基板25により信号処理（インピーダンス変換、フィルタリング、増幅等）されて、センサ出力が得られる。
【００６３】本実施形態においては、第１の実施形態と同様な工程で検出素子10を容易に作製できる。すなわち、従来のようにワイヤボンディング等の面倒な接続作業を行う必要が無いばかりでなく、検出素子10を形成する際に圧電体11の複数個分のサイズを有する圧電素材ブロックに蒸着やメッキにより複数組の電極を形成したり、蒸着膜やメッキ膜の部分的な剥離処理を行ったりして、検出素子10を多数個採りすることができ、所定列数分ずつ検出素子10を切り出し加工する等して製造工程の大幅な簡易化を図ることができる。したがって、小型で高精度の加速度センサを低コストで提供することができる。
【００６４】また、製造した加速度センサは、圧電体11の表面に検出電極12，13を形成するだけの簡素な検出素子10を構成して、圧電体11の板厚直交方向の加速度を検出するので、従来のバイモルフ構造のように検出素子を振動板の両面に貼り付けたりベースユニットを設けたりする必要がなく、構造の簡素化のみならず、小型で高精度の加速度センサとなる。また、両電極12，13の少なくとも一方を回路基板20側の検出電極に接続するように圧電体11を回路基板20に直付けする実装形態が採用できるから、実装基板上における検出素子の高さの縮小（低背化）を図ることが可能になり、不要な振動等を生じ難くして感度向上を図ることができる。
【００６５】また、圧電体11の板厚直交方向の分極に対して、圧電体11の板厚方向に検出電極12，13が対向しているので、温度変化によって圧電体11に焦電効果が生じたとしても、そのとき検出素子10の電極面に生じる不要な焦電電荷は非常に小さく、検出精度が低下し難い。しかも、対向電極12，13の面積を十分に確保して静電容量を十分確保することができる。したがって、高感度の加速度センサが実現できる。
【００６６】さらに、本実施形態においては、錘体14を利用することで、広範な使用条件において圧電体11に所要の力を加え、せん断歪みを生じさせることができるので、検出方向と直交する方向の高さ寸法を小さくことができるとともに、高感度の加速度センサを実現できる。また、錘体14の側面14ｂを利用して十分な面積の接続容易な電荷取り出し電極15を形成することができ、実装作業の容易化を図ることができる。また、圧電セラミックや圧電性単結晶からなる圧電体11を用いているので、蒸着やメッキ等により表面の電極12，13を容易に形成することができ、かつ成形加工や分極処理等によって安定した性能が得られる。
【００６７】（第５の実施形態）図１７は本発明に係る圧電センサの製造方法の第５実施形態を実施して製造した加速度センサを示す図である。なお、以下に説明する実施形態は、パッケージングの態様が図１２〜図１６に図示した例とは異なるものの、内部の検出素子周辺の構成は上述の実施形態とほぼ同様であるので、その同様な構成については上述と同一の符号を用いて説明する。
【００６８】図１７に示すように、この圧電センサは、圧電体11に錘体14を一体化した検出素子10を回路基板20に実装し、これと信号処理基板25をセラミックパッケージ40に収納して、セラミック製のリッド41により機密的にシールしたものである。
【００６９】ここで、セラミックパッケージ40は、詳細を図示しないが、内部接続用の複数の電極と、上述の４本のリードピン31〜34に対応する4つの外部電極とを有しており、検出素子10を実装した回路基板20と信号処理基板25を外部の回路基板に直接実装できる形態となっている。
【００７０】このようにしても、上述例と同様な効果を得ることができる。
【００７１】（第６の実施形態）図１８は、本発明に係る圧電センサの製造方法の第６実施形態を実施して製造した加速度センサを示す図である。
【００７２】同図に示すように、この圧電センサは、圧電体11に錘体14を一体化した検出素子10を、上述の信号処理基板25と同様に機能する信号処理回路を搭載した回路基板50に実装し、その回路基板50に信号線と固定用の支柱部材であるリードピン51，52，53，54を装着したものである。なお、各リードピン52，53，54には基板実装時のピン先端の挿入深さを規定する拡径部52ａ，53ａ，54ａが設けられており、リードピン51にも図示しない同様な拡径部が設けられている。
【００７３】このようにしても、上述例と同様な効果を得ることができ、パッケージやシールが不要な場合により簡素で低コストの加速度センサとすることができる。また、検出電極とは別に圧電体の両面に駆動電極を設けてせん断歪みを生じさせ、自己診断機能を持たせることも考えられる。
【００７４】
【発明の効果】本発明に係る圧電センサによれば、振動板やベースユニット等を設ける必要がなく構造が簡素となり、しかも、圧電体の一面側で第１及び第２の検出電極を実装基板に直接接続でき、検出素子の高さが大幅に縮小されるから、不要な振動等を拾い難くすることができる。その結果、圧電センサの構造の簡素化のみならず検出性能をも向上させることができる。
【００７５】また、２枚貼り合わせのバイモルフ素子にすることなくユニモルフ（単板）素子で実現できるため、構造が簡素で小型の圧電センサを提供することができ、簡素な構成でセンサの用途に応じた感度を任意にかつ容易に得ることができる。さらに、同一極性の電極のみが形成された圧電体の片面に錘や支持体を容易に接合できる。
【００７６】本発明に係る圧電センサの製造方法は、電極材料を固着させた圧電材を複数の圧電体領域に区画して切断し、電極付きの複数の圧電体とするので、分極処理や電極形成の工程を多数の素子についてまとめて行うことができ、板厚方向の両側に検出電極を配置し、せん断歪みにより生じる表面電荷を検出電極から取り出すユニモルフ構造の小型、簡素な圧電センサが安価に製造できる。
【００７７】また、圧電素材ブロックへの１回の分極処理によって、それから切り出される多数の圧電材に板厚直交方向への分極を一括して施すようにすれば、工程数が削減でき、板状の錘体を素子に固着させる工程をまとめて行うようにしたり、圧電体の切り出し加工と錘体の切り出しを同時に行ったりすれば、更に工数が削減される。
【出願人】 【識別番号】０００００５８２１
【氏名又は名称】松下電器産業株式会社
【出願日】 平成１１年７月３０日（１９９９．７．３０）
【代理人】 【識別番号】１０００７２６０４
【弁理士】
【氏名又は名称】有我 軍一郎
【公開番号】 特開２００１−４１９６９（Ｐ２００１−４１９６９Ａ）
【公開日】 平成１３年２月１６日（２００１．２．１６）
【出願番号】 特願平１１−２１７７５０