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【発明の名称】 加速度センサおよび該加速度センサの製造方法
【発明者】 【氏名】浅野 勝吾

【氏名】福田 徹
【要約】 【課題】本発明は、低コストに作製可能な比較的簡単な構造で、優れた特性を得られるようにする。

【解決手段】加速度センサ１０は、四角柱形状の圧電素子１１と、圧電素子１１の一面側で長さ方向に延在する検出電極１２〜１４と、圧電素子１１の他面側で検出電極１２、１４に対面する励振電極１５、１６とを備え、圧電素子１１の一面側は面内分極Ｐｈ１、Ｐｈ２させて検出電極１２〜１４を高電位、ゼロ電位、低電位に対応させる一方、検出電極１２および励振電極１５の間と、検出電極１４および励振電極１６の間は、逆方向の垂直分極Ｐｖ１、Ｐｖ２を施している。この加速度センサ１０は、回路基板３１の基台２１に先端側を変位可能に他端側を固定して検出電極１２〜１４を接合電極２２〜２４に圧接させ、励振電極１５、１６と共に回路基板３１の接続電極３２〜３６に接続して使用する。
【特許請求の範囲】
【請求項１】検出する加速度の方向に先端側を変位可能に他端側を固定されて片持ち梁式に支持される単板の圧電素子と、この圧電素子の前記検出加速度方向と直交する一面内で前記先端側から前記他端側方向に延在するように並列された加速度検出用の３つの検出電極と、を備え、前記圧電素子は、前記検出電極が高電位、中電位、低電位に対応する順に並ぶように前記一面側を面内分極されていることを特徴とする加速度センサ。
【請求項２】前記圧電素子の前記一面に対面する他面側に、前記面内分極の高電位と低電位に位置する前記検出電極に対面するように２つの励振用の励振電極を形成し、前記圧電素子には、前記面内分極に加えて、この面内分極の高電位に位置する前記検出電極からこの検出電極に対面する前記励振電極に向かう垂直分極と、前記面内分極の低電位に位置する前記検出電極に対面する前記励振電極から前記検出電極に向かう垂直分極と、を施されていることを特徴とする請求項１に記載の加速度センサ。
【請求項３】上記請求項１または２に記載の加速度センサを作製する方法であって、前記圧電素子の複数個を切り出すことのできる大きさの圧電ブロックを準備して、この圧電ブロックの表面に前記電極の複数組分を形成し、次いで、前記電極に電圧を印加して前記分極を生じさせた後に、前記圧電ブロックを前記電極の一組毎に切り出して分割することを特徴とする加速度センサの作製方法。
【発明の詳細な説明】【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、加速度センサおよび該加速度センサの作製方法に関し、特に、振動を電気信号に変換して加速度を検出するとともに故障の有無などの自己診断をする機能を備えるものに関する。
【０００２】
【従来の技術】従来より、実用化されている加速度センサとしては、電磁型、圧電型、半導体型等の種々の方式により加えられた加速度を検出するものが知られており、そのうちの圧電型にあっては、圧電素子が屈撓することによって加えられた加速度を検出するものがある。
【０００３】この種の圧電型の加速度センサとしては、例えば、図７に示すようなものがあり、この加速度センサは、支持プレート１に立設した支柱１ａにより支持される円盤形状の金属製振動板２の表裏に、ドーナツ形状に形成した圧電素子３ａ、３ｂを同軸となるように接着してバイモルフ型に構成されている。この圧電素子３ａ、３ｂには、小径の励振電極４と、大径の検出電極５とが同軸の二重となるように形成されており、この励振電極４および検出電極５がワイヤボンデイング等によるワイヤ６によって電気インビーダンス変換器、アンプ、補正回路等の電子部品７を設けられているプリント基板９ａ、９ｂに接続されている。なお、プリント基板９ａ、９ｂは接続ピン８により連結されており、電子部品７から得られる電気信号は支持プレート１の支柱１ａ内を通した不図示の電線を介して取り出すようになっている。
【０００４】この加速度センサは、図８に示すように接続して使用し、振動板２と共に圧電素子３ａ、３ｂが振動することによって、検出電極５に生じる電位を取り出して外部から加えられた加速度を検出することができる。このような加速度センサは、一定加速度に対して、図９に示すように、共振点ｆ０付近では高いＱを得られる一方、中・低周波数領域では平坦となる周波数特性であるので、一般的には、使用目的に応じて平坦部またはｆ０近傍の振動出力を使用する。
【０００５】また、この加速度センサは、励振電極４を介して圧電素子３ａ、３ｂに外部から交流電圧を印加して、その圧電素子３ａ、３ｂの圧電効果により振動板２を振動させ、この振動により生じる検出電極５の電位からセンサ機能の良否や故障の有無の自己診断あるいは検出レベルの校正をすることができる。
【０００６】なお、図８に示す圧電素子３ａ、３ｂ内に図示する矢印は分極方向を示している。図８の結線図に示すように二枚の圧電素子３ａ、３ｂを並列接続するのは、圧電素子特有の温度変化による焦電電荷をキャンセルするためである。
【０００７】また、この従来技術では、中央に立設する支柱１ａにより振動板３を支持させるが、円盤形状の周縁部をクランプするタイプや、棒状の振動板を片持ちに固定するタイプなど種々の方式がある。また、自己診断機能を備えないものもあるもあり、プリント基板９ａ、９ｂのように二分割しないで一枚としてもよいことはいうまでもない。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このような従来の加速度センサにあっては、振動板２に圧電素子３ａ、３ｂを接着する構造であることから、その間には接着層が介在してしまうと共に、励振電極４および検出電極５とプリント基板９ａ、９ｂとはワイヤボンディングなどにより電気的に接続しなければならず、また、複数枚の圧電素子が必要であることから、構造が複雑で作製に手間が掛かり、コスト高になってしまうという問題があった。
【０００９】また、振動板２に圧電素子３ａ、３ｂを接着して振動体とするので、感度などの特性にバラツキが生じる要因となるとともに、温度特性では劣化を生じやすいという問題があった。
【００１０】そこで、本発明は、低コストに作製可能な比較的簡単な構造で、優れた特性の得られる加速度センサを提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】上記課題を解決する第１の発明は、検出する加速度の方向に先端側を変位可能に他端側を固定されて片持ち梁式に支持される単板の圧電素子と、この圧電素子の前記検出加速度方向と直交する一面内で前記先端側から前記他端側方向に延在するように並列された加速度検出用の３つの検出電極と、を備え、前記圧電素子は、前記検出電極が高電位、中電位、低電位に対応する順に並ぶように前記一面側を面内分極されていることを特徴とするものである。
【００１２】この発明では、先端を変位可能に片持ちされる圧電素子は、その変位の方向に直交する一面側で長さ方向に延在する３つの検出電極が形成され、この検出電極は、圧電素子の一面側を面内分極させた高電位、中電位、低電位に対応する位置に並列される。したがって、片持ちされた圧電素子が加えられた加速度によって振動して一面側が長さ方向に伸縮すると、その伸縮する方向と直交する面内分極により検出電極の間に差動電圧が生じ、加えられた加速度を検出することができる。
【００１３】上記課題を解決する第２の発明は、上記第１の発明の構成に加えて、前記圧電素子の前記一面に対面する他面側に、前記面内分極の高電位と低電位に位置する前記検出電極に対面するように２つの励振用の励振電極を形成し、前記圧電素子には、前記面内分極に加えて、この面内分極の高電位に位置する前記検出電極からこの検出電極に対面する前記励振電極に向かう垂直分極と、前記面内分極の低電位に位置する前記検出電極に対面する前記励振電極から前記検出電極に向かう垂直分極と、を施されていることを特徴とするものである。
【００１４】この発明では、圧電素子の他面側には、一面側の面内分極の高電位または低電位に位置する検出電極に対面して圧電素子の長さ方向に延在する２つの励振電極が形成され、圧電素子は、その励振電極と検出電極との間のそれぞれに高電位から低電位に向かう逆方向の垂直分極が施されている。したがって、励振電極の間に交流電圧を印加すると、その電圧の方向に応じて励振電極の位置の垂直分極により圧電素子の他面側を伸縮させる応力を発生させ振動させることができ、圧電素子の一面側も長さ方向に伸縮することにより、励振電極に印加した電圧に応じた差動電圧を検出電極間に発生させ検出することができる。
【００１５】上記課題を解決する第３の発明は、上記請求項１または２に記載の加速度センサを作製する方法であって、上記請求項１または２に記載の加速度センサを作製する方法であって、前記圧電素子の複数個を切り出すことのできる大きさの圧電ブロックを準備して、この圧電ブロックの表面に前記電極の複数組分を形成し、次いで、前記電極に電圧を印加して前記分極を生じさせた後に、前記圧電ブロックを前記電極の一組毎に切り出して分割することを特徴としている。
【００１６】この発明では、複数個分の電極（検出電極や励振電極）の形成や、圧電素子に施す分極（面内分極や垂直分極）をまとめて行うことができ、この後に、圧電ブロックを切り出し分割するだけで、複数個の加速度センサを作製することができる。
【００１７】
【発明の実施の形態】以下、本発明を図面に基づいて説明する。図１〜図６は本発明に係る加速度センサおよびその製造方法の一実施形態を示す図である。
【００１８】まず、本実施形態に係る加速度センサの構成および使用を図１および図２を用いて説明する。
【００１９】図１において、加速度センサ１０は、四角柱形状に形成された圧電素子（センサチップ）１１を振動体とし、その圧電素子１１の四角柱側面のうちの一面側には、長さ方向に延在して両側辺と中央に並列された検出電極１２〜１４が形成されるとともに、その一面側に対面する他面側には、同様に長さ方向に延在して両側辺に並列された励振電極１５、１６が形成されている。
【００２０】この圧電素子１１の一面側には、検出電極１２が高電位に、検出電極１３がゼロ電位（中電位）に、検出電極１４が低電位に位置するように検出電極１２から検出電極１３に向かう方向と検出電極１３から検出電極１４に向かう方向に面内分極Ｐｈ１、Ｐｈ２させる分極操作が施されており、その一面側と他面側に挟まれた両側面側には、検出電極１２から励振電極１５に向かう方向と励振電極１６から検出電極１４に向かう方向に垂直分極Ｐｖ１、Ｐｖ２させる分極操作が施されている。
【００２１】そして、この加速度センサ１０は、基台２１に固定されて片持ち梁式に支持されて、加えられる加速度を測定利用する装置本体の回路基板３１にセットされるようになっており、基台２１には、圧電素子１１の検出電極１２〜１４と同一幅で並列されて端辺まで延在する接合電極２２〜２４を形成されるとともに、回路基板３１には、加速度センサ１０に接続して制御するための回路パターンから引き出された接続電極３２〜３６が形成されている。
【００２２】したがって、加速度センサ１０は、回路基板３１に対して垂直方向（図１中の矢印Ａ、Ｂ方向）に加えられる加速度を検出する場合に、圧電素子１１の一面側と他面側が長さ方向に伸縮して一端側（先端側）が基台２１の外方で一面側に直交方向に変位することができるように片持ち梁式に浮かせた状態でセット（固定）することができ、圧電素子１１の他端側の一面側を基台２１に対面させて検出電極１２〜１４と接合電極２２〜２４とを圧接するように圧力を加えつつ接着して固定させることにより、その接合電極２２〜２４により検出電極１２〜１４を励振電極１５、１６と共に、回路基板２０の接続電極３２〜３６にワイヤボンディングなどによるワイヤ３０によって接続することができる。なお、圧電素子１１の基台２１への固定は、接着に限るものではないことはいうまでもなく、バネ部材などにより検出電極１２〜１４を接合電極２２〜２４に押し付けつつ圧接固定するものであっても良く、また、圧電素子１１を挿込可能な穴内に接続電極を形成するようにして、挿し込むだけで圧電素子１１の固定と共に検出電極１２〜１４、励振電極１５、１６との接続を行えるようにしても良い。
【００２３】このため、加速度センサ１０は、図２に示すように、回路基板３１の検出回路に接続電極３２〜３４を介して検出電極１２〜１４を接続し、アース電極とされる検出電極１３と検出電極１２、１４との間の電圧（電位差）を計測することにより、例えば、図１、図２に示す矢印Ａ方向の加速度が加えられたときには、片持ち梁構造の圧電素子１１の一面側半分１１ａが長さ方向に圧縮されるとともに他面側半分１１ｂが長さ方向に伸長され、面内分極Ｐｈ１、Ｐｈ２による検出電極１２の（＋）電位と検出電極１４の（−）電位が反転されて検出電極１２には（−）電位、検出電極１４には（＋）電位が発生するので、ゼロ電位の検出電極１３との間の電位差を差動出力として取り出して、加えられた加速度を検出することができる。なお、図１に示す矢印Ｂ方向の加速度が加えられたときにも同様に、矢印Ａ方向と逆の差動出力を取り出して、加えられた加速度を検出することができる。
【００２４】また、この加速度センサ１０は、回路基板３１の電圧印加回路（電源）３７に接続電極３５、３６を介して励振電極１５、１６を接続し、その励振電極１５、１６の間に交流電圧を印加することにより、垂直分極Ｐｖ１、Ｐｖ２により圧電素子１１の他面側半分１１ｂを繰り返し長さ方向に伸縮させる応力を印加電圧に対して正確に発生させることができ、これによって、圧電素子１１の一面側半分１１ａも矢印Ａ、Ｂ方向に振動（変位）するので、この振動によっても検出電極１２、１４と検出電極１３との間の電位差を差動出力として取り出すことができ、加速度センサとしての感度などの特性や故障の有無などの自己診断をすることができる。なお、励振電極１５、１６に代えて、検出電極１２〜１４と同様に配置する励振電極を形成すると共にその形成面側を面内分極させ電圧印加することによっても、圧電素子１１を駆動（振動）させることができるが、本実施形態のように、励振電極１５、１６を設けて垂直分極Ｐｖ１、Ｐｖ２を施すことによって、印加する交流電圧により圧電素子１１を精度良く駆動（振動）させるのが好適である。
【００２５】次に、加速度センサ１０の作製方法を図３〜図６を用いて説明する。
【００２６】まず、図３に示すように、加速度センサ１０の圧電素子１１の複数個を幅方向に並べた大きさを有する圧電材料よりなる圧電ブロック４１を準備して、その圧電ブロック４１の表裏面には、図４に示すように、検出電極１２〜１４および励振電極１５、１６を構成するように、その幅方向に延在する縞状の電極材料を、印刷・焼き付けして電極を形成する。具体的には、検出電極１２には励振電極１５が対面し、検出電極１４には励振電極１６が対面し、検出電極１３は検出電極１２、１４の間に位置するものを一組にして、隣接する組の検出電極１４、１２と励振電極１６、１５とが離隔する状態となるように、電極材料を印刷・焼き付けして電極を形成する。
【００２７】次いで、図５に示すように、圧電ブロック４１の状態のまま、その検出電極１２、１３間、検出電極１３、１４間に電圧を印加して表面側（一面側）を面内分極Ｐｈ１、Ｐｈ２させると共に、検出電極１２と励振電極１５の間、検出電極１４と励振電極１６の間に逆方向の電圧を印加してこれら電極間を垂直分極Ｐｖ１、Ｐｖ２させる。
【００２８】この後に、図６に示すように、隣接する組の検出電極１４、１２と励振電極１６、１５との間をダイサー等により切断して切り出し、検出電極１２〜１４および励振電極１５、１６の組毎に分割し、複数個の加速度センサ１０とする。
【００２９】したがって、圧電ブロック４１に複数個分の検出電極１２〜１４や励振電極１５、１６を一括して印刷焼付けし、その検出電極１２〜１４や励振電極１５、１６に電圧を印加することにより面内分極Ｐｈ１、Ｐｈ２および垂直分極Ｐｖ１、Ｐｖ２を施す分極操作を一括に行って、その圧電ブロック４１を切り分けるだけで複数個の加速度センサ１０を一括に作製することができる。
【００３０】なお、本実施形態では、検出電極１２〜１４および励振電極１５、１６を構成する電極を圧電ブロック４１の長さ方向に連続する縞状に形成するが、検出電極１２〜１４および励振電極１５、１６の複数個分の電極を長さ方向に延長させて、切り分けるようにしてもよいことはいうまでもない。
【００３１】このように本実施形態においては、加速度センサ１０は、四角柱状の圧電素子１１の一面側に検出電極１２〜１４を形成して面内分極Ｐｈ１、Ｐｈ２させると共に、他面側に励振電極１５、１６を形成して垂直分極Ｐｖ１、Ｐｖ２させるだけで、回路基板３１の基台２１に先端側を変位（振動）可能に固定し電気的に接続することにより、片持ち梁状に支持された圧電素子１１の先端が加えられた加速度によって振動することができ、その振動により検出電極１２〜１４に生じる差動出力で加えられた加速度を検出することができ、また、励振電極１５、１６に電圧を印加して圧電素子１１の先端を振動させ、その振動により検出電極１２〜１４に生じる差動出力で加速度の検出精度や故障の有無などの自己診断をすることもできる。
【００３２】この加速度センサ１０は、圧電素子１１に検出電極１２〜１４および励振電極１５、１６を形成して面内分極Ｐｈ１、Ｐｈ２および垂直分極Ｐｖ１、Ｐｖ２させるだけの簡易な構成であるので、複数個分の加速度センサ１０を圧電ブロック４１に一括して形成した後に、その圧電ブロック４１を切り出し分割するだけで、複数個の加速度センサ１０を容易に作製することができる。
【００３３】したがって、従来技術で説明したように、振動板に圧電素子を接着するために、接着層などが感度等の特性をばらつかせてしまったり、温度特性を劣化させてしまうことのない、加速度を簡易な構成で高精度に検出することができ、また、自己診断機能を備える加速度センサを安価に作製することができる。
【００３４】
【発明の効果】本発明によれば、圧電素子の一面側を面内分極させるとともにその一面側に３つの検出電極を形成するだけで、加えられた加速度により圧電素子の先端側が振動（変位）したとき、面内分極された高電位、中電位、低電位に応じて検出電極間に発生する差動電圧を、圧電素子の他端側の固定部分で測定して加速度を検出することができる。また、他面側に２つの励振電極を形成して一面側との間を逆方向に垂直分極させるだけで、これら励振電極間に交流電圧を印加することによって、その垂直分極により圧電素子の先端を電圧の方向に応じて精度よく振動させることができ、この振動により検出電極間に生じる差動電位を検出して、加速度の検出精度や故障の有無などの自己診断をすることができる。
【００３５】したがって、振動板に接着することなく、圧電素子のみにより先端を振動可能な振動体とするとともに、その圧電素子の固定された他端側で検出電極間の電圧測定や励振電極への電圧印加などをすることのできる簡易な構成により、加えられた加速度を精度良く検出することができるとともに、自己診断機能を備えることができる。
【００３６】また、このような構成とすることによって、複数個分の圧電素子の圧電ブロックに検出電極や励振電極をまとめて形成し、その電極を用いて面内分極や垂直分極をまとめて行った後に、切り出し分割するだけで複数個の加速度センサを作製することができる。したがって、作製コストを低減することができる。
【００３７】この結果、簡易な構成で、振動板に圧電素子を接合するための接着層などによる感度等の特性のバラツキや温度特性の劣化の生じない加速度センサにすることができ、検出精度に優れ、効率良く作製可能な低コストの加速度センサを提供することができる。
【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２００１−４１９７０（Ｐ２００１−４１９７０Ａ）
【公開日】 平成１３年２月１６日（２００１．２．１６）
【出願番号】 特願平１１−２１７７５４