CN1218910A - 加速度传感器与三轴加速度传感器 - Google Patents

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Abstract

在重锤固定区域5A内连接线LX1和压电陶瓷基片5之间形成低电容率层8。在中间区域5B的外侧,连接线LX2、LY1、LZ4和输出电极OX与此基片5之间形成低电容率层9。低电容率层8与9是由介电常数充分小于此基片的介电常数的低电容率物质形成的。由于设置了低电容率层8与9,可减小布线图形和输出电极与相对电极图形间产生的静电电容,从而能减少聚积于此静电电容上的自发极化电荷量。由此可以制得能抑制因加速度探测电极至输出电极间的静电电容导致输出降低的加速度传感器。

Description

加速度传感器与三轴加速度传感器
本发明涉及利用压电陶瓷来探测加速度的加速度传感器与三轴加速度传感器。
利用压电陶瓷基片与重锤可探测相互正交的X轴、Y轴与Z轴方向加速度的三轴加速度传感器，它的基本原理与基本技术已详示于国际公开WO93/02342(PCT/JP92/00882,USP5365799号)、USP5571972号等之中。
此外还知道有这样的加速度传感器，在它的结构中具备有：表面上形成了加速度探测电极、输出电极与连接此加速度探测电极和输出电极的布线图形，且在背面上至少形成有与前述加速度探测电极相对峙的电极的压电陶瓷基片；与此压电陶瓷基片背面相接合的膜片；以及与上述膜片的背面相接合，并在此压电陶瓷的基片上形成有加速度探测电极的区域中备有能产生与加速度相对应的应力的重锤。
但由于压电陶瓷基片的介电常数高，因而现有的加速度传感器在布线图形及输出电极与相对的电极图形之间当然会产生静电电容。在加速度探测电极和相对电极图形之间所发生的自发极化电荷也积累于这种静电电容中。于是，既有的这种加速度传感器就会使得从输出电极取出到外部的加速度信号(电压信号或电流信号)的输出发生某种程度的降低。为此，过去都利用放大器来把加速度信号放大到所希望的值。但是，随着放大率的加大，起因于放大器的放大特性，探测精度也就降低。
另外，在既有的三轴加速度传感器中，当把大小相等的X轴方向加速度、Y轴方向加速度或Z轴方向加速度单独施加到重锤上时，由X轴方向加速度输出电极X输出的X轴方向加速度信号、由Y轴方向加速度输出电极Y输出的Y轴加速度信号以及由Z轴方向加速度输出电极Z所求得的Z轴方向加速度信号的电平一般是不一致的。随着这种电平差的增大，探测精度将降低。这在过去是通过采用放大器来调整加速度信号的放大水平，进行校正以使各个方向的加速度信号的电平一致。然而，放大水平的调整作业复杂，从而成为降低生产率的主要原因。
本发明的第一目的在于提供能抑制由于从加速度探测电极到输出电极存在静电电容而致输出降低的加速度传感器与三轴加速度传感器。
本发明的第二目的在于提供不需使放大输出电极输出的放大器具有太大放大率的加速度传感器。
本发明的第三目的在于提供这样的三轴加速度传感器，它不需用放大器来调整信号电平，或只需进行稍许的调整作业。
本发明的第四目的在于提供这样的三轴加速度传感器，它能使各个方向上的加速度信号的信号电平尽可能地接近。
本发明的第五目的在于提供这样的加速度传感器与三轴加速度传感器，它们至少能够减小布线图形与相对电极图形之间形成的静电电容。
本发明的第六目的在于提供这样的三轴加速度传感器，它能减小因重锤的固定位置误差造成的自发极化电荷的峰值偏差。
本发明的申请人研究现有的三轴加速度传感器中各个方向上的信号电平不一致原因的结果发现，由于压电陶瓷基片的介电常数高，故在各输出电极及布线图形与相对的电极图形之间会产生静电电容，而此静电电容则成为输出降低和信号电平不一致的原因之一。于加速度探测电极处发生的自发极化电荷也聚集于加速度探测电极与输出电极间的静电电容中。随着这种聚集量的增多，由输出电极输出的加速度信号电平便减小。在三轴加速度传感器的情形，由于各输出电极和布线图形的形状与面积不同，从而X轴加速度输出电极及连接此电极的布线图形与相对电极图形之间所发生的静电电容、Y轴加速度输出电极及连接此电极的布线图形与相对电极图形之间所发生的静电电容、Z轴加速度输出电极及连接此电极的布线图形与相对电极图形之间所发生的静电电容，一般会是不同的。如前所述，由于在这些静电电容中也聚集有在对应的加速度探测电极处所产生的自发极化电荷，于是X轴方向加速度信号的、Y轴方向加速度信号的和Z轴方向加速度信号的电平便会不同。
作为本发明改进对象的加速度传感器，它的基本结构中的主要部件包括：压电陶瓷基片；形成于此压电陶瓷基片表面上的，包含着输出与加速度相对应的信号的加速度探测电极、且包含着使加速度探测电极的输出输向外部的输出电极以及使加速度探测电极与输出电极进行电连接的布线图形的表面电极图形；形成于此压电陶瓷基片背面上且至少是同加速度探测电极相对的电极图形；相对于压电陶瓷基片按固定状态配置，在加速度探测电极所形成的区域中产生与加速度相对应的应力的重锤。此外，在压电陶瓷基片的加速度探测电极和相对电极图形之间的部分进行了极化处理。
对于这种加速度传感器，本发明在表面电极图形之中至少是布线图形的全部或是其主要部分和压电陶瓷基片之间设置了低介电常数(低电容率)层。同时，使这种低介电常数层的介电常数充分地低于压电陶瓷基片的介电常数。
形成了这种低介电常数层后，介电常数高的压电陶瓷基片和介电常数低的低介电常数层成为直接相接的关系，换言之，仅仅由压电陶瓷基片所产生的静电电容C1与由低介电常数层所产生的静电电容C2成为串联关系。作一简单的思考，设置了低介电常数层时电极间的静电电容C为C=C1·C2/(C1+C2)，当C2充分地小于C1时，C就会显著地小于C1。例如当C2小于C1的1/10时，静电电容C便降低到C1的0.09倍。这样，根据本发明，当至少是使布线图形的全部或主要部分与压电陶瓷基片间的静电电容大幅度地减小时，就能抑制输出减小(亦即可使聚积于静电电容中的自发极化电荷量减少)。
为了减小静电电容，应在布线电极图形的全部及输出电极与压电陶瓷基片之间设置低电容率层。但在实际中考察了低电容率层的形成时，发现即使是不在布线电极图形的全部及输出电极与压电陶瓷基片之间设置低电容率层，也可使静电电容小到不妨碍实际应用的程度。具体地说，即使只把低电容率层设置到位于布线图形之中形成了加速度探测电极区域之外的布线图形部分和压电陶瓷基片之间，在实际应用中也可把静电电容减小到不带来干扰的程度。若是减小设置低电容率层的部分，仅仅是这样就不仅可使低电容率层的印刷容易，还能减少低电容率层的形成材料。
此外，相对电极图形可以形成为在压电陶瓷基片背面上至少是与加速度探测电极相对。相对电极图形也可形成为只与加速度探测电极相对或是与表面电极图形全体相对。当相对电极图形形成为只与加速度探测电极相对时，此相对电极图形便不直接而是斜向地与布线图形和输出电极相对。结果电容值降低。但是，斜向相对部分的静电电容并非完全没有了。当如本发明所示采用低电容率层时，斜向相对的布线图形以及输出电极和相对电极图形之间的静电电容也可以减小。
当相对电极图形是与表面电板图形的全体相对形成时，由于相对电极图形是与布线图形和输出电极相对，就易产生较大的静电电容。此时若采用低电容率层时，就会增强减小静电电容的效应。另外，这时若在除了加速度探测电极的整个压电陶瓷基片上形成了低电容率层时，则能进一步增强减小静电电容的效应。
也可与现有技术相同，相对压电陶瓷的基片将膜片接合到其背面上。这时可使重锤与此膜片的中央部接合。但即使不采用膜片，直接将重锤设置到压电陶瓷基片背面的中央部分也是可以的。这时，通过重锤的位移，压电陶瓷基片会直接挠曲。于是，由作用于重锤的加速度所产生的重锤变化导致的应力便直接发生于基片内，从而能提高加速度传感器的测定精度与灵敏度。此外由于不必使用膜片，可以减少部件个数。
再有，由于在布线图形及加速度输出电极和相对电极图形之间形成有静电电容，会使出现于输出电极的加速度信号的电平降低，但当选择实质上可忽略程度的低电容率层的介电常数及其厚度，则有时可不必像以往那样采用放大器来显著放大输出信号。实际工作中，可使低电容率层的介电常数小于压电陶瓷基片的介电常数的1/100，以及使低电容率层的厚度为压电陶瓷基片厚度的0.2倍以上。当低电容率层的厚度小于陶瓷基片的厚度的0.2倍时，就不能有效地降低静电电容。
低电容率层可以用玻璃或环氧树脂等热固性树脂形成。在以热固性树脂为主要成分来形成低电容率层时，布线图形与加速度输出电极则采用在热固性树脂中含有导电性粉末的树脂系的导电膏形成。这时可防止由形成布线图形与加速度输出电极时的热导致低电容率层的变质。
在把本发明用于三轴加速度传感器时，所用的三轴加速度传感器具备：压电陶瓷基片；表面电极图形，它包括形成在压电陶瓷基片表面上的探测X轴方向加速度的1个以上的X轴方向加速度探测电极、探测Y轴方向加速度的1个以上的Y轴方向加速度探测电极、探测Z轴方向加速度的1个以上的Z轴方向加速度探测电极、1个以上的X轴方向加速度输出电极、1个以上的Y轴方向加速度输出电极、1个以上的Z轴方向加速度输出电极、连接1个以上的X轴方向加速度探测电极和1个以上的X轴方向加速度输出电极的第一布线图形、连接1个以上的Y轴方向加速度探测电极和1个以上的Y轴方向加速度输出电极的第二布线图形、以及连接1个以上的Z轴方向加速度探测电极和1个以上的Z轴方向加速度输出电极的第三布线图形；形成于压电陶瓷基片的背面上，与至少1个以上的X轴方向加速度探测电极、1个以上的Y轴方向加速度探测电极以及1个以上的Z轴方向加速度探测电极相对的相对电极图形；与压电陶瓷基片相对，按固定状态设置，在形成有1个以上的X轴方向加速度探测电极、1个以上的Y轴方向加速度探测电极以及1个以上的Z轴方向加速度探测电极的区域中，发生与前述加速度相对应的应力的圆柱状或圆筒形的重锤。同时，至少是在第一至第三布线图形的全部或其主要部分与压电陶瓷基片之间，形成介电常数比压电陶瓷基片的介电常数小的低介电常数层即可。
根据本发明，减小了至少是第1～3布线图形的全部或其主要部分和相对电极图形之间所形成的静电电容，于是可以显著抑制因这种静电电容产生的在各个方向的加速度输出电极中出现的加速度信号电平的降低。据此可以设计出基本上与电极尺寸和布线图形形状及长度无关的三轴加速度传感器。此外，减少了过去那种从各输出电极输出的信号电平间存在着大的偏差的情况，因而基本上不需去校正信号电平。就是在各信号电平中发生了偏差时，这种偏差也很小，可以简单地调整信号电平。于是，根据本发明，可使设计容易且能大幅度地提高生产率。此外，当改进了三轴加速度传感器的组装精度，就可完全不需进行加速度信号的校正，使得三轴加速度传感器更易于制造。
这样，根据本发明，能够减小至少是布线图形的全体或其主要部分与相对电极图形之间的静电电容，结果就可抑制输出的降低。
此外，当把本发明用于三轴加速度传感器时，可使各方向中的加速度输出电极与布线图形和相对电极图形之间发生的静电电容的不同减小到实质上可以忽略的程度。于是不必对各方向的加速度信号作放大处理来校正信号电平。实际上，使信号电平完全一致是不容易的。但是根据本发明，能在一定程度的实用上允许范围内，使信号电平相等(或一致)。若是要制造需用于更高精度下的三轴加速度传感器，则也可如过去那样用放大器来调节各方向的加速度信号电平。但即使是在这种情形下，根据本发明，由于已使各方向的加速度信号电平基本一致，也能容易地进行信号电平的调节。
此外，当把各探测电极形成得使其位于环形电极列延伸方向中的一对边大致平行时，即使重锤的固定位置偏移而导致压电陶瓷基片的与重锤相对的区域位移，边界线所横切各探测电极的长度也不会有很大改变。于是在制造中的允许误差范围内即使重锤的固定位置偏移，也能使出现于各探测电极处的自发极化电荷的峰值波动和偏差少，能抑制加速度探测精度的降低。
图1是本发明实施例的三轴加速度传感器的平面图。
图2是沿图1中Ⅱ-Ⅱ线的剖面图。
图3是本发明的另一实施例的三轴加速度传感器的示意剖面图。
图4是本发明的又一实施例的三轴加速度传感器的平面图。
图5是沿图4中Ⅴ-Ⅴ线的纵剖面图。
图6是本发明的再一实施例的三轴加速度传感器的平面图。
图7是沿图6中Ⅶ-Ⅶ线的剖面图。
图8是用于说明图6中所示实施例的三轴加速度传感器的作用的部分放大图。
下面参照附图说明本发明一实施例。图1是此实施例的三轴加速度传感器1的平面图，图2是沿图1中Ⅱ-Ⅱ线的剖面图。如此两图所示，该三轴加速度传感器1是由传感器的主体3和支承此传感器主体3的外周部的筒形金属制台座(支承部件)4构成，台座4由粘合剂接合到安装部件2上，使三轴加速度传感器1装附到金属制的安装部件2上。传感器主体3由压电陶瓷基片5、接合到此基片5上的金属制膜片6以及与此膜片6相接合的重锤7构成。压电陶瓷基片5是当其内部施加有应力时发生自发极化电荷的经极化处理的压电陶瓷基片，此基片5的轮廓形状为四角形。有关极化处理将于以后详述。在压电陶瓷基片5一方的面(表面)上形成了表面电极图形E1，而在压电陶瓷基片5的另一方的面(背面)上则形成了相对电极图形E0。在压电陶瓷基片5的背面侧中介相对电极图形E0用粘合剂接合上金属制膜片6。
压电陶瓷基片5具有重锤固定区域5A、中间区域5B与外周区域5C。重锤固定区域5A在压电陶瓷基片1的中心部，呈圆形。在此重锤固定区域5A中，中介相对电极图形E0与金属制膜片6将重锤7按固定状态设置。重锤7由铝合金、铜合金、铁合金形成圆柱状。重锤7在静止状态时，通过其重心的轴线通过重锤固定区域5A的中心而同压电陶瓷基片5的面正交，固定于金属制膜片6上。
中间区域5B呈包围重锤固定区域5A的环形。中间区域5B在相对于重锤7与压电陶瓷基片1相平行的方向(X轴方向或Y轴方向)上作用有加速度时，即成为以重锤7的重心为中心变形成不同于点对称状态(施加了张应力状态或施加了压应力的状态)的区域。此外，当相对于重锤7在正交压电陶瓷基片1的方向(Z轴方向)上施加加速度时，则中间区域5B的各部变形成相同的状态(施加了张应力的状态)。
形成于压电陶瓷基片5的表面与背面上的表面电极图形E1与相对电极图形E0，都是用热固性树脂中含有银粉组成的导电性粉末构成的银膏经丝网印刷形成的。通过在表面电极图形E1与相对电极图形E0之间发生的自发极化电荷的变化，可以测定加到重锤7上的三轴(X轴、Y轴、Z轴)方向上的加速度。这里的X轴、Y轴、Z轴乃是沿相互正交方向延伸的轴。X轴与Y轴沿基片5的面方向延伸，而Z轴则沿与压电陶瓷基片5的面方向正交的方向延伸。在本例中，相对电极图形E0形成于对应于表面电极图形E1全体的部分，具有10μm的厚度。压电陶瓷基片5的背面中介相对电极图形E0由粘合剂接合到金属制膜片6上。图中虽未加示明，相对电极图形E0的背面是有凹凸的，可将粘合剂置入相对电极图形E0背面的凹部内使此相对电极图形E0与金属制膜片6接合。这样，相对电极图形E0的凸部便与金属制膜片6接合。由此，相对电极图形E0便通过金属制膜片6与台座(支承部件)4由安装部件2接地。此外，也可另设接地图形，通过导电性粘合剂使接地图形与金属制膜片6接合，得以更可靠地接地。表面电极图形E1在三轴(X轴、Y轴、Z轴)方向上分别具有电极图形分部，这几个分部与相对电极图形E0相同，厚10μm。表面电极图形E1的X轴方向的电极图形分部具有由连接线LX1、LX2串联2个X轴方向加速度探测电极DX1、DX2和X轴方向输出电极OX的结构。本例中，由2个图形分部LX1、LX2构成了第一布线图形。此外，图形分部LX1在与探测电极DX1、DX2相连的端部具有由银膏组成的连接部；图形分部LX2则在与探测电极DX2连接的端部具有由银膏组成的连接部。
探测电极DX1与DX2各个的大部分都形成在位于中间区域5B的面上，而且有一部分成为跨接重锤固定区域5A和中间区域5B的弧形。这样，探测电极DX1与DX2便配置成位于沿压电陶瓷基片5的面上延伸的虚拟的X轴直线XL(与Ⅱ-Ⅱ线的重复线)上，且对称地将重锤固定区域5A夹于其间。连接线LX1以最短形式连接着探测电极DX1和DX2而沿重锤固定区域5A上延伸。输出电极OX大致呈正方形，形成在中间区域5B外侧的外周区域5C中。
Y轴方向的电极图形分部具有由连接线LY1～LY3串联2个Y轴方向加速度探测电极DY1、DY2和Y轴方向输出电极OY的结构。具体地说，Y轴方向加速度探测电极DY1和DY2是由连接线LY1、LY2连接，而Y轴方向加速度探测电极DY1与Y轴方向输出电极OY则由连接线LY2、LY3连接。本例中，第2布线图形由连接线LY1～LY3构成。此外，连接线LY1与LY2也具有由银膏组成的连接部。
Y轴方向加速度探测电极DY1与DY2和X轴方向加速度探测电极DX1与DX2同样成为弧形，大部分形成在位于中间区域5B的面上，而且一部分形成为跨接重锤固定区域5A与中间区域5B的形式。这样，Y轴方向加速度探测电极DY1与DY2便同位于连接X轴方向加速度探测电极DX1、DX2的虚拟X轴直线XL正交并位于同压电陶瓷基片5的面水平延伸的虚拟Y轴直线YL上，且对称地配置成将重锤固定区域5A夹于其间。由于虚拟的Y轴直线YL和X轴直线XL相互正交，探测电极DX1、DY1、DX2与DY2便分别按90°角度间隔配置。连接线LY1～LY3以不同连接线LX1等交叉的形式形成于中间区域5B外侧的外周区域5C之中。连接线LY1、LY3形成连续的弧状，连接线LY2成为从连接线LY1与连接线LY3的连接部起一直延伸至探测电极DY2的直线状。Y轴方向输出电极OY大致呈正方形，在中间区域5B外侧的外周区域5C中与X轴方向输出电极并列地形成。
Z轴方向电极图形分部构造成由连接线LZ1～LZ8顺次串联着热电对策电极AZ1、Z轴方向加速度探测电极DZ1、Z轴方向加速度探测电极DZ2、热电对策电极AZ2、热电对策电极AZ3、Z轴方向加速度探测电极DZ3、Z轴方向加速度探测电极DZ4、热电对策电极AZ4以及Z轴输出电极OZ。本例中，由连接线LZ1～LZ8构成了第3布线图形。此外，连接线LZ2、LZ4、LZ6与LZ8也具有由银膏组成的连接部。连接探测电极DZ1和DZ2的连接线LZ2与连接探测电极DZ3和DZ4的连接线LZ6，夹着X轴方向的电极图形分部的连接线LX1，并排地沿重锤固定区域5A上延伸。连接热电对策电极AZ2和热电对策电极AZ3的连接线LZ4沿连接线LY1的圆弧内侧(靠压电陶瓷基片5的中心侧)按圆弧形延伸。Z轴输出电极OZ基本上呈正方形，位于中间区域5B的外周区域5C中，与X轴方向输出电极OX和Y轴方向输出电极OY并列地形成。X轴方向输出电极OX、Y轴方向输出电极OY与Z轴方向输出电极OZ连接到图中未示明的计算电路上，从各个电极将电压信号或电流信号的加速度信号传送给此计算电路。
4个Z轴方向加速度探测电极DZ1～DZ4各个的大部分都是形成在位于中间区域5B的面上，而且有一部分形成为跨接重锤固定区域5A与中间区域5B的矩形。4个Z轴方向加速度探测电极DZ1～DZ4分别配置在探测电极DX2与DY1之间、探测电极DY1与DX1之间、探测电极DX1与DY2之间、探测电极DY2与DZ2之间的各中央部上。这样，探测电极DZ1～DZ4分别按90°间隔设置。在这种布置下，探测电极DX1、DX2、DY1、DY2、DZ1～DZ4便构成为跨接重锤固定区域5A与中间区域5B的环形电极列。
在Z轴方向加速度探测电极DZ1～DZ4上分别串联连接的热电对策电极AZ1～AZ4，形成在接近中间区域5B的应力发生区域的表面上，且都呈近似矩形的形状。热电对策电极AZ1～AZ4对于因温度变化在压电陶瓷基片5内产生的张应力或压应力所导致的Z轴方向加速度探测电极DZ1～DZ4所产生的输出，起到平衡作用。有关设置这种热电对策电极AZ1～AZ4的情形已详述于本申请人先前的申请特愿平8-288080号中。
在与X轴方向加速度探测电极DX1、DX2相对应的压电陶瓷基片5的各部分中进行了极化处理，在各部分产生了同类应力时(只在Y轴方向或Z轴方向上产生有加速度时)，使位于重锤固定区域5A一侧的X轴方向加速度探测电极DX1和位于其另一侧的X轴方向加速度探测电极DX2分别出现极性相反的自发极化电荷。本例中，施加极化处理，当对应于X轴方向加速度探测电极DX1、DX2的压电陶瓷基片5的各部分中产生了张应力时，使X轴方向加速度探测电极DX1上显现正的自发极化电荷，而在X轴方向加速度探测电极DX2中出现负的自发极化电荷。
在与Y轴方向加速度探测电极DY1、DY2相对应的压电陶瓷基片5的各部分中也进行了极化处理，与对应于X轴方向加速度探测电极DX1、DX2的压电陶瓷基片5的各部分相同地，当各部分中产生有同类应力时(只沿X轴方向或Z轴方向发生加速度时)，使位于重锤固定区域5A一侧的Y轴方向加速度探测电极DY1和位于其另一侧的Y轴方向加速度探测电极DY2分别出现极性相反的自发极化电荷。本例中进行了极化处理，当对应于Y轴方向加速度探测电极DY1、DY2的压电陶瓷基片5的各部分中产生有张应力时，在Y轴方向加速度探测电极DY1中出现正的自发极化电荷，而在Y轴方向加速度探测电极DY2中则出现负的自发极化电荷。
在与Z轴方向加速度探测极DZ1～DZ4相对应的压电陶瓷基片5的各部分中进行了极化处理，当发生有同类的应力时(只沿Z轴方向发生有加速度时)，使所有的Z轴方向加速度探测电极DZ1～DZ4出现极性相同的自发极化电荷。本例中进行了极化处理，在对应于Z轴方向加速度探测电极DZ1～DZ4的压电陶瓷基片5的部分中产生有张应力时，使Z轴方向加速度探测电极DZ1～DZ4中出现正的自发极化电荷。上述各极化处理是在形成了表面电极图形E1的各个探测电极DX1…以及相对电极图形E0之后，通过给压电陶瓷基片5上施加直流电压进行的。
在进行了极化处理的压电陶瓷基片5的表面侧，对应于重锤固定区域5A和除了热电对策电极AZ1～AZ4部分外的外周区域5C的大部分，形成了低电容率层8与9。低电容率层8与9都是采用介电常数充分低于压电陶瓷基片5的玻璃粉膏组成的热固性树脂(介电常数为10)经丝网印刷形成的，厚约20μm。低电容率层最好采用介电常数低于压电陶瓷基片5的1/100的介电物质，且形成为厚度大于压电陶瓷基片5的厚度的0.2倍。作为介电物质，只要是介电常数充分低于压电陶瓷基片的即可，能够采用玻璃与环氧树脂等热固性树脂。低电容率层8于重锤固定区域5A内，形成为位于连接线LZ2、LX1、LZ6和压电陶瓷基片5之间，呈圆形。低电容率层9在中间区域5B的外侧中，形成为位于连接线LX2、LY1、LY2、LY3、LZ4、LZ8以及输出电极OX、OY、OZ和压电陶瓷基片5之间，隔开环形电极列(DX1…)与热电对策电极AZ1～AZ4形成的区域，呈围绕低电容率层8的形状。
本例中，连接线LZ2、LX1、LZ6和压电陶瓷基片5之间形成的低电容率层8这部分的面积，以及连接线LX2、LY1、LY2、LY3、LZ4、LZ8与输出电极OX、OY、OZ和压电陶瓷基片5之间形成的低电容率层9这部分的面积的总和(S1)约为19.3mm2。这样，当压电陶瓷基片5的介电常数为2150(电容率为19.03×10-9F/m)，且其厚度约100μm时，设不存在低电容率层8与9，则前述总和面积S1的图形与相对电极图形E0之间形成的静电电容C约为3.67×10-9F。与此相比较，当如本实施所示形成低电容率层8与9时，由于层叠到压电陶瓷基片5上的层8与9的介电常数小，形成在上述总和面积S1的图形和相对电极图形E0之间的静电电容C’约成为4.22×10-11。比较静电电容C与C’，后者的值约小了1/100。结果就能抑制(或在实质上可以忽略)因各连接线(LX1…)及输出电极(OX…)和相对电极图形E0之间形成的静电电容致使出现于各输出电极(OX…)处的加速度信号电平降低。
图3是本发明另一实施例的三轴加速度传感器10的剖面图。本实施例的三轴加速度传感器10的平面图与图1所示三轴加速度传感器1的平面图相同。本例中，相对电极图形E10与表面电极图形E1的探测电极DX1、DX2、DY1、DY2、DZ1～DZ4相对，形成环状。换言之，相对电极图形E10形成为不是直接与各输出电极OX…和各布线图形LX1…相对。压电陶瓷基片5的没有形成相对电极图形E10的部分经粘合层S与金属制膜片6接合，而在形成有相对电极图形E10的部分上，则中介相对电极图形E10由粘合剂与金属制膜片6接合。本例中还和图2所示实施例的三轴加速度传感器1相同，此相对电极图形E10通过金属制膜片6与台座(支承部件)4由安装部件2接地。本例中，各输出电极OX…及各布线图形LX1是与相对电极图形E10斜向相对。这时此两者间所发生的静电电容由于有低电容率层而降低了。
此外，在上例中的膜片6是金属制品，但此膜片并不限于由金属制造。在由玻璃等非金属来形成膜片的情形，相对电极E0可以直接连接到图中未示明的计算电路上。再有，上例中的重锤7与隔片6虽然是分别构成，但显然可使它们取整体结构。
图4为本发明又一实施例的三轴加速度传感器11的平面图，图5为沿图4中Ⅴ-Ⅴ线的剖面图。本实施例的三轴加速度传感器不同于图1～3所示的三轴加速度传感器，未采用膜片，通过粘合剂层将重锤7和台座4直接接合到压电陶瓷基片5的背面上。此外，三轴加速度传感器11中，只在形成于外周区域5C上的第1～3布线图形的图形分部与压电陶瓷基片5之间形成了低电容率层18、19与20。具体地说，在图形分部LX2与压电陶瓷基片5之间形成了低电容率层18，在图形分部LY1～LY3及LZ4与压电陶瓷基片5之间形成了低电容率层19，而在图形分部LZ8与压电陶瓷基片5之间则形成了低电容率层20。特别是在相对电极图形E10形成为只同电极图形E11的探测电极DX1…相对时，如本例所示，即使只在布线图形的主要图形分部与压电陶瓷基片5之间形成低电容率层，减小静电电容的效果也很大。此外，当这样地形成了低电容率层时，与图1所示实施例相比，可以减小形成低电容率层部分的面积，可以降低三轴加速度传感器的制造费用。
又，本例中是只在布线图形的主要图形分部与压电陶瓷基片5之间形成了低电容率层，但除了布线图形的图形分部之外，也可以在各输出电极(OX…)与压电陶瓷基片5之间形成低电容率层。
另外，以上各例中虽然形成有热电对策电极AZ1～AZ4，但本发明也自然适用于没有热电对策电极AZ1～AZ4类型的三轴加速度传感器。再有，上例中的X轴方向输出电极与Y轴方向输出电极虽然是各设有1个，但也可在探测电极DX1与DX2中各设置输出电极，再在探测电极DY1与DY2中分别设置输出电极。
当把本发明用于三轴加速度传感器时，为使各个方向的加速度信号的电平一致，当在X、Y与Z的各方向中分别加有大小相同的加速度时，最好研究各个探测电极图形及其配置，以使发生于各个方向的探测电极中的自发极化电荷的总量相同。
上例中示明了本发明适用于三轴加速度传感器的情形，但本发明当然也适用于单轴和二轴的加速度传感器。
图6是本发明的再一实施例的三轴加速度传感器21的平面图，图7是沿图6中Ⅶ-Ⅶ线的剖面图。本实施例的三轴加速度传感器与图1和图4所示的三轴加速度传感器有不同的表面电极图形，现在的表面电极图形中不具备热电对策电极。本实施例的三轴加速度传感器21中表面电极图形E21的X轴方向的电极图形分部，具有使2个X轴方向加速度探测电极DX11、DX12和2个X轴加速度输出电极OX1、OX2分别为由2个图形分部LX11、LX12相连接的结构。本例中，由2个图形分部LX11、LX12构成了第一布线图形。
上述2个探测电极DX11与DX12呈近似矩形的形状。现采用附加到探测电极DX11上的符号加以具体说明，探测电极DX11具有沿环状中间区域(即位于重锤相对区域5A外侧的区域)5B外周延伸的圆弧形弯边K1、沿环状中间区域5B的内周延伸且位于重锤相对区域5A内的弯边K2、以及在此两个弯边K1与K2之间相互平行延伸的两条直线边K3、K4。换言之，探测电极DX11形成为，使得位于由各探测电极DX11、DZ11…所形成的环形电极列延伸方向上的一对边K3与K4大致平行。再有，这对边K3与K4，也和通过压电陶瓷基片5的重锤相对区域5A的中心点和位于X轴方向加速度探测电极DX11的这对边K3与K4中间的中间点延伸的虚拟线(XL)大致平行地延伸。这样，探测电极DX11、DX12的大部分是形成在位于中间区域5B的面上，同时有一部分形成为跨接着重锤相对区域5A和中间区域5B。于是，探测电极DX11与DX12便位于沿压电陶瓷基片5的面上延伸的虚拟X轴直线XL上，且配置成对称地夹设着重锤相对区域5A。输出电极OX1与OX2则大致呈正方形。
Y轴方向的电极图形分部具有使2个Y轴方向加速度探测电极DY11、DY12和2个Y轴加速度输出电极OY1、OY2分别由2个图形分部LY11、LY12连接的结构。本例中，由图形分部LY11、LY12构成了第二布线图形。
Y轴方向加速度探测电极DY11和DY12也与X轴方向加速度探测电极DX11和DX12相同地呈近似矩形的形状，这就是说，探测电极DY11与DY12形成为，使得位于由各探测电极DX11、DZ11…形成的环状电极列延伸方向上的一对边基本平行。此外，这一对边也和通过压电陶瓷基片5的重锤相对区域5A的中心点和位于Y轴方向加速度探测电极DY11、DY12的一对边的中间位置的中间点延伸的虚拟线(YL)大致平行。这样，探测电极DY11和DY12的大部分形成在位于中间区域5B的面上，还有一部分形成为跨接着重锤相对区域5A和中间区域5B。此外，Y轴方向加速度探测电极DY11与DY12配置成位于与连接一对X轴方向加速度探测电极DX11和DX12的虚拟X轴直线XL正交且沿压电陶瓷基片5的面作水平地延伸的虚拟Y轴直线YL上，并对称地将重锤相对区域5A夹于其间。输出电极OY1和OY2与输出电极OX1和OX2相同地呈大致的正方形。
Z轴方向的电极图形分部构造成，由第1图形分部LZ11将4个Z轴方向加速度探测电极DZ11～DZ14互连，并由第2图形分部LZ12将1个探测电极DZ13与Z轴加速度输出电极OZ’相连。本例中，由第一图形分部LZ11与第二图形分部LZ12构成第3布线图形。
Z轴方向加速度探测电板DZ11～DZ14，也与X轴方向加速度探测电极DX11和DX12相同地取近似矩形的形状。这就是说，探测电极DZ11～DZ14形成为，使得位于由各探测电极DX11、DZ11…形成的环形电极列延伸方向上的一对边大致平行。同时，这对边也与通过压电陶瓷基片5的重锤相对区域5A的中心点和通过位于Z轴方向加速度探测电极DZ11～DZ14中各一对边中间的中间点延伸的虚拟线平行地延伸。于是，探测电极DZ11～DZ14的大部分形成在位于中间区域5B的面上，且有一部分形成为跨接着重锤相对区域5A和中间区域5B。此外，4个Z轴方向加速度探测电极DZ11～DZ14则分别设置于探测电极DX11和DY11之间，探测电极DY11和DX12之间，探测电极DX12和DY12之间以及探测电极DY12和DX11之间的各个中央部。这样，探测电极DZ11～DZ14各个按90°间隔配置。在这样的配置下，探测电极DX11、DX12、DY11、DY12、DZ11～DZ14便形成为包围重锤相对区域5A的环形电极列。前述的输出电极OZ’的形状大致为矩形。此输出电极OZ’和各输出电极OX1、OX2、OY1、OY2与图中未示明的计算电路相连，从各输出电极将加速度信号传送给此计算电路。
在本实施例中，低电容率层21～25也只形成在形成于外周区域5C上的第1～第3布线图形的图形分部和压电陶瓷基片5之间。具体地说，低电容率层21形成于图形分部LX11和压电陶瓷基片5之间，低电容率层22形成于图形分部LX12和压电陶瓷基片5之间，低电容率层23形成于图形分部LY11和压电陶瓷基片5之间，低电容率层24形成于图形分部LY12和压电陶瓷基片5之间，低电容率层25形成于图形分部LZ12和压电陶瓷基片5之间。
此外，本实施例中各方向的探测电极形成得，使在压电陶瓷基片5的重锤相对区域5A和中间区域5B的边界部中虚拟的边界线B横切探测电极DX11的长度l1以及此边界线B横切探测电极DX12的长度l2的和(l1+l2)，与边界线B横切探测电极DY11的长度l3和边界线B横切探测电极DY12的长度l4的和(l3+l4)，以及与边界线横切探测电极DZ11、DZ12、DZ13、DZ14的各长度l5、l6、l7、l8的和(l5+l6+l7+l8)相等(3.08mm)。同时还使各个方向的探测电极形成为，使一对探测电极DX11与DX12的面积的和，一对探测电极DY11与DY12的面积和，4个探测电极DZ11～DZ14的面积和相等(4.4mm2)。于是，当把等量的X轴方向加速度、Y轴方向加速度和Z轴方向加速度单独地施加到重锤7上时，发生在探测电极DX11和DX12两者上的自发极化电荷、发生在探测电极DY11和DY12两者上的自发极化电荷、以及发生在探测电极DZ11～DZ14上的自发极化电荷的峰值基本上相等，或者是发生分布也基本上相同。结果可使各方向的探测电极所发生的自发极化电荷量实质上相等。
再有，在图1与图4所示的三轴加速度传感器的表面电极图形中，由于探测电极的一对边形成为扩展开的放射状，故当重锤的固定位置有偏移时，重锤相对区域与中间区域的边界部中的虚拟边界线横切各探测电极的长度便发生变化。于是，出现在各探测电极中的自发极化电荷的峰值的偏差变大，导致加速度的探测精度下降。再有，在重锤的固定位置处于上述的偏移状态下时，当把加速度施加到Z轴方向上时，在把重锤相对区域夹于其间的一方探测电极之中就会出现大量的自发极化电荷，而在另一方的探测电极之中则会出现少量的自发极化电荷。于是，加速度探测精度变差。与此相反，在本实施例的三轴加速度传感器中，将各探测电极DX11…形成为使位于由各探测电极DX11、DZ11…所形成的环形电极列延伸方向上的一对边基本平行。于是如图8所示，即使重锤的固定位置沿着X轴的探测电极DX12朝探测电极DX11的方向偏移了长度h10，但横切探测电极DX11的边界线B的长度(L10与L20)实质上没有变化。此外，在这种情形下即使是在探测电极DX11之外的探测电极之中，边界线B的横切长度也无大的变化。这样，在制造中允许的误差范围内，即使重锤的固定位置偏移，出现于各探测电极DX11…中的自发极化电荷的峰值的变动或偏差也小，从而能抑制加速度的探测精度下降。再有，这时在重锤固定位置偏移了的状态下，即使沿Z轴方向施加加速度，出现于探测电极DX11和DX12两者中的自发极化电荷不会产生很大的差异。于是可以防止在X轴方向上错误地探测出加速度。

Claims (22)

1．加速度传感器，具有：
压电陶瓷基片；
表面电极图形，它包括形成于上述压电陶瓷基片表面上的，输出对应于加速度的信号的加速度探测电极、将此加速度探测电极的输出输出到外部的输出电极、以及将上述两种电极电连接的布线图形；
相对电极图形，它形成于上述压电陶瓷基片的背面上且至少是同上述加速度探测电极相对；
重锤，它相对于上述压电陶瓷基片按固定状态设置，在前述形成有加速度探测电极的区域中产生相对于前述加速度的应力；
低电容率层，它至少是设置在前述布线图形的全部或其主要部分与前述压电陶瓷基片之间，
其中，所述低电容率层的介电常数充分地小于所述压电陶瓷基片的介电常数，
且所述压电陶瓷基片的加速度探测电极和相对电极图形之间的部分实施有极化处理。
2．权利要求1所述的加速度传感器，其中所述重锤被直接接合到压电陶瓷基片背面的中央部上。
3．权利要求1所述的加速度传感器，其中所述压电陶瓷基片的背面上接合有膜片，而所述重锤则设于此膜片的中央部上。
4．权利要求1所述的加速度传感器，其中所述低电容率层被设在所述布线图形中位于形成有前述加速度探测电极的区域之外的布线图形部分与前述压电陶瓷基片之间。
5．权利要求4所述的加速度传感器，其中所述低电容率层还设置于前述输出电极与压电陶瓷基片之间。
6．权利要求1所述的加速度传感器，其中选择前述低电容率层的介电常数与厚度，使得由于所述布线图形与输出电极和前述相对电极图形之间存在有静电电容而导致的前述输出电极输出的加速度信号电平的降低，能够达到实质上可忽略的程度。
7．权利要求1所述的加速度传感器，其中所述低电容率层的介电常数小于压电陶瓷基片介电常数的1/100，而其厚度则大于压电陶瓷基片厚度的0.2倍。
8．权利要求7所述的加速度传感器，其中前述低电容率层是由以玻璃或热固性树脂为主要成分形成的。
9．权利要求7所述的加速度传感器，其中所述低电容率层是以热固性树脂为主要成分形成的，而所述加速度输出电极是用将导电性粉末加于热固性树脂中所成的导电膏形成的。
10．三轴加速度传感器，具有：
压电陶瓷基片；
表面电极图形，它包括形成于上述压电陶瓷基片表面上的，探测X轴方向加速度的1个以上的X轴方向加速度探测电极、探测Y轴方向加速度的1个以上的Y轴方向加速度探测电极、探测Z轴方向加速度的1个以上的Z轴方向加速度探测电极、1个以上的X轴方向加速度输出电极、1个以上的Y轴方向加速度输出电极、1个以上的Z轴方向加速度输出电极、连接所述1个以上X轴方向加速度探测电极与1个以上X轴方向加速度输出电极的第1布线图形、连接所述1个以上Y轴方向加速度探测电极与1个以上Y轴方向加速度输出电极的第2布线图形、连接所述1个以上Z轴方向加速度探测电极与1个以上Z轴方向加速度输出电极的第三布线图形；
相对电极图形，它形成于所述压电陶瓷基片的背面上，且至少是与所述1个以上的X轴方向加速度探测电极、所述1个以上的Y轴方向加速度探测电极以及所述1个以上的Z轴方向加速度探测电极相对；
重锤，它呈圆柱状或圆筒形，相对于所述压电陶瓷基片按固定状态配置，在形成有所述1个以上的X轴方向加速度探测电极、所述1个以上的Y轴方向加速度探测电极以及所述1个以上的Z轴方向加速度探测电极的区域中，产生与所述加速度相对应的应力；
低电容率层，它至少设置在前述第1～3的布线图形中全部或其主要部分与压电陶瓷基片之间，
其中，上述低电容率层的介电常数充分地小于上述压电陶瓷基片的介电常数，
同时对所述1个以上的X轴方向加速度探测电极、1个以上的Y轴方向加速度探测电极及所述1个以上的Z轴方向加速度探测电极和所述相对电极图形之间的部分，进行了极化处理。
11．权利要求10所述的三轴加速度传感器，其中上述重锤直接接合到所述压电陶瓷基片背面的中央部上。
12．权利要求10所述的三轴加速度传感器，其中在上述压电陶瓷的背面上接合有膜片，而所述重锤则设于此膜片的中央部。
13．权利要求10所述的三轴加速度传感器，其中前述低电容率层是设置在所述第1～3布线图形之中位于所述1个以上X轴方向加速度探测电极、1个以上Y轴方向加速度探测电极和1个以上Z轴方向加速度探测电极所形成在的区域之外的布线图形部分与所述压电陶瓷基片之间。
14．权利要求13所述的三轴加速度传感器，其中前述低电容率层还设置在所述1个以上X轴方向加速度输出电极、1个以上Y轴方向加速度输出电极及1个以上Z轴方向加速度输出电极和所述压电陶瓷基片之间。
15．权利要求10所述的三轴加速度传感器，其中选择所述低电容率层的介电常数与厚度，使得由于前述第1～3布线图形和相对电极图形之间存在有静电电容而导致的，同现于所述1个以上X轴方向加速度输出电极、1个以上Y轴方向加速度输出电极1和1个以上Z轴方向加速度输出电极中的加速度信号电平的下降，能够达到实质上可忽略的程度。
16．权利要求10所述的三轴加速度传感器，其中所述低电容率层的介电常数小于压电陶瓷基片的介电常数的1/100，而其厚度则大于压电陶瓷基片厚度的0.2倍。
17．权利要求16所述的三轴加速度传感器，其中所述低电容率层是由玻璃或热固性树脂为主要成分所形成的。
18．权利要求16所述的三轴加速度传感器，其中所述低电容率层是由热固性树脂为主要成分所形成的，而所述布线图形与加速度输出电极则是用将导电性粉末加入热固性树脂中组成的导电膏形成的。
19．权利要求10所述的三轴加速度传感器，其中所述1个以上的X轴方向加速度探测电极、1个以上的Y轴方向加速度探测电极及1个以上的Z轴方向加速度探测电极形成这样的环形电极列，它跨接与所述重锤对峙的前述压电陶瓷基片中圆形的此重锤的相对区域和位于此重锤相对区域之外的区域并使各电极相互间隔开，且围住此重锤相对区域；而所述X轴方向加速度探测电极、Y轴方向加速度探测电极与Z轴方向加速度探测电极则形成为，使它们各自的位于此环形电极列延伸方向的一对边大致平行。
20．权利要求10所述的三轴加速度传感器，其中所述X轴方向加速度探测电极的前述一对边，大致平行于通过压电陶瓷基片的前述重锤相对区域的中心点与位于所述X轴方向加速度探测电极的前述一对边中间的中间点而延伸的虚拟线；所述Y轴方向加速度探测电极的前述一对边，大致平行于通过压电陶瓷基片的前述重锤相对区域的中心点与位于所述Y轴方向加速度探测电极的前述一对边中间的中间点而延伸的虚拟线；而所述Z轴方向加速度探测电极的前述一对边，大致平行于通过压电陶瓷基片的前述重锤相对区域的中心点与位于所述Z轴方向加速度探测电极的前述一对边中间的中间点而延伸的虚拟线。
21．权利要求10所述的三轴加速度传感器，其中位于压电陶瓷基片的所述重锤相对区域和位于此重锤相对区域外侧的前述区域两者边界部上的假想边界线，它横切上述1个以上X轴方向加速度探测电极的长度和，与横切上述1个以上Y轴方向加速度探测电极的长度和，以及与横切上述1个以上Z轴方向加速度探测电极的长度和，这三者实质上相等；
同时，前述1个以上的X轴方向加速度探测电极的面积和，1个以上的Y轴方向加速度探测电极的面积和以及1个以上的Z轴方向加速度探测电极的面积和，这三者实质上也相等。
22．权利要求10所述的三轴加速度传感器，其中所述相对电极图形形成为，与上述1个以上的X轴方向加速度探测电极、1个以上的Y轴方向加速度探测电极以及1个以上的Z轴方向加速度探测电极相对的环形。
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