JP2000171480A

JP2000171480A - 圧電センサ素子および加速度検出装置および加速度検出方法

Info

Publication number: JP2000171480A
Application number: JP10345093A
Authority: JP
Inventors: Tetsuo Ootsuchi; 哲郎大土; Takafumi Koike; 隆文小池; Yoshihiro Tomita; 佳宏冨田; Osamu Kawasaki; 修川▲さき▼
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1998-12-04
Filing date: 1998-12-04
Publication date: 2000-06-23

Abstract

(57)【要約】【課題】回転加速度（角加速度）と並進加速度を検出
する場合、２つの加速度センサを用いると温度差などの
周囲環境の影響を受けるため正確に検出できない。【解決手段】支持体３の両側に一直線上に配置された
２つの機械ー電気変換素子１ａ、１ｂで構成される圧電
センサ素子１００を用い、２つの機械ー電気変換素子の
出力の符号により回転加速度（角加速度）と並進加速度
を識別して検出する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、各種電子機器の衝
撃を検知するために使用される圧電センサ素子および圧
電センサ素子を含む加速度検出装置および加速度検出方
法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】近年、電子機器の小型が進み、ノート型
パソコン等の携帯用電子機器が普及してきた。これらの
電子機器の衝撃に対する信頼性を確保・向上するため
に、小型で表面実装可能な高性能の加速度（衝撃）セン
サの需要が高まっている。例えば、高密度の磁気記録装
置への書き込み動作中に衝撃が加わると、ヘッドの位置
ずれが生じる。その結果、データの書き込みエラーやヘ
ッドの破損を引き起こす可能性がある。そこで、磁気記
録装置に加わった衝撃を検出し、書き込み動作を停止し
たり、ヘッドを安全な位置に退避させる必要がある。

【０００３】さらに、磁気記録装置装置では記録密度が
高密度化し、ディスク面におけるトラック幅が狭くなっ
てきている。このため、わずかな振動でもヘッドの位置
ずれ（トラックずれ）が生じやすくなっている。磁気記
録装置の外部から加わる衝撃や振動のみならず、磁気記
録装置内部のモータなどの回転による小さな振動でも磁
気ヘッドがトラックずれを起こしてしまうという問題が
ある。

【０００４】磁気記録装置内の振動は、並進の振動だけ
でなく、回転の振動も起こる。したがって、制御する場
合には、並進加速度と角加速度（以下、回転加速度とい
う）を識別する必要があり、並進加速度と回転加速度を
検出可能なセンサが必要である。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】加速度センサ１個だけ
では並進加速度しか検出できず、回転加速度を検出でき
ないという問題を有していた。

【０００６】回転を検出するには、回転中心からできる
だけ離れた位置に２つの加速度センサを配置すると最も
感度よく検出できる。しかしながら、２つの加速度セン
サの特性の差や設置位置による環境の差、たとえば温度
の差などにより出力信号にばらつきが生じて、回転加速
度を正確に認識できないという問題を有していた。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記問題を解決するため
に、本発明の請求項１の発明は、少なくとも２つの圧電
体の貼り合わせ面同士を接合した圧電素子と、前記圧電
素子の相対する面の少なくともどちらか一方の中心付近
に設けられた支持体と、前記圧電素子の相対する両面上
に設けられた電極とからなり、前記両面上の電極は少な
くともどちらか一方の中心付近で２つの部分に分離され
ていることで、前記支持体の両側に機械ー電気変換素子
を備えたことを特徴とする圧電センサ素子である。これ
により、加速度センサを２つ設けることなく、１つの素
子で並進加速度だけでなく、回転加速度をも検出するこ
とができる。

【０００８】本発明の請求項２の発明は、互いに分極方
向が逆になるように少なくとも２つの圧電体を接合した
ことを特徴とする請求項１に記載の圧電センサ素子であ
り、これにより、加速度センサを２つ設けることなく、
１つの素子で並進加速度だけでなく、回転加速度をも検
出することができる。

【０００９】本発明の請求項３の発明は、分極方向が同
じになるように少なくとも２つの圧電体を電極を間に介
して接合したことを特徴とする請求項１に記載の圧電セ
ンサ素子であり、これにより、加速度センサを２つ設け
ることなく、１つの素子で並進加速度だけでなく、回転
加速度をも検出することができる。

【００１０】本発明の請求項４の発明は、電極が２つの
部分に分離された面は支持体が設けられている側にあっ
て、かつ、前記支持体の表面上で２つの部分に分離され
ていることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記
載の圧電センサ素子であり、これにより、支持体上から
導通層との導通を取るので圧電センサの特性に影響を与
えることを少なくできる。

【００１１】本発明の請求項５の発明は、電極が２つの
部分に分離された面は支持体が設けられている側にあっ
て、かつ、前記支持体と圧電素子の境界部付近で２つの
部分に分離されていることを特徴とする請求項１から３
のいずれかに記載の圧電センサ素子である。

【００１２】本発明の請求項６の発明は、少なくとも２
つの圧電体の貼り合わせ面同士が直接接合されたことを
特徴とする。これにより、接着層が形成されないため、
振動の吸収がなく、感度が高く、安定な素子が実現でき
る。

【００１３】本発明の請求項７の発明は、２つの圧電体
の貼り合わせ面同士の直接接合は、前記圧電体の構成原
子が酸素原子及び水酸基からなる群から選ばれる少なく
とも１つを介して相互に結合することにより接合されて
いることを特徴とする。これにより、基板の構成原子が
水酸基または酸素を介して化学結合するため、中間層が
なく、振動の吸収がなく、感度が高く、安定な素子が実
現できる。

【００１４】本発明の請求項８の発明は、異なる種類の
加速度を検出する加速度検出装置であって、請求項１か
ら７のいずれかに記載の圧電センサ素子と、前記圧電セ
ンサ素子の２つの機械ー電気変換素子の出力信号をそれ
ぞれ検出する信号検出手段と、前記信号検出手段の出力
信号に基づき加速度を判別する加速度判別手段とからな
ることを特徴とする加速度検出装置である。これによ
り、１つの圧電センサ素子を用いて異なる加速度を判別
し検出できる。

【００１５】本発明の請求項９の発明は、異なる種類の
加速度が回転加速度または並進加速度であることを特徴
とする請求項８に記載の加速度検出装置であり、これに
より、回転加速度であるか並進加速度であるかをそれぞ
れ判別して検出できる。

【００１６】本発明の請求項１０の発明は、信号検出手
段が増幅回路または増幅回路とアナログ／デジタル変換
器を含む回路であることを特徴とする請求項８に記載の
加速度検出装置である。

【００１７】本発明の請求項１１の発明は、請求項１か
ら７のいずれかに記載の圧電センサ素子と、少なくとも
２つの信号検出手段と加速度判別手段とが組み込まれ、
移動手段と制御手段からなる位置ぎめ装置であって、前
記圧電センサ素子の２つの機械ー電気変換子の出力が前
記信号検出手段、加速度判別手段にそれぞれ接続されて
おり、加速度判別手段からの出力信号に基づき制御手段
により、前記移動手段を移動して位置決めを行うことを
特徴とする位置決め装置である。これにより、位置決め
装置に外乱がおこり加速度が加わったときでも、正確に
位置決めができる。

【００１８】本発明の請求項１２の発明は、請求項１か
ら７のいずれかに記載の圧電センサ素子と、少なくとも
２つの信号検出手段と加速度判別手段とが組み込まれ、
ディスク上の目標位置にヘッドを位置決めして、前記デ
ィスクにデータの記録再生を行なうディスク記録再生装
置であって、前記ヘッドを移動させるためのヘッド移動
手段と、ヘッドの移動量を制御する制御手段からなり、
前記圧電センサ素子の２つの機械ー電気変換子の出力が
前記信号検出手段、加速度判別手段にそれぞれ接続され
ており、加速度判別手段からの出力信号に基づき、制御
手段によりヘッドの移動量を算出して、前記ヘッドをヘ
ッド移動手段により移動してヘッドの位置決めを行うこ
とを特徴とするディスク記録再生装置である。これによ
り、ヘッドに外乱がおこり加速度が加わったときでも正
確に位置決めができるので、ディスク記録再生装置の耐
震性の向上やディスク記録再生装置の高密度化を達成で
きる。

【００１９】本発明の請求項１３の発明は、異なる種類
の加速度を検出する加速度検出方法であって、支持体の
両側に第１、第２の機械ー電気変換素子を備えた圧電セ
ンサ素子の前記第１の機械ー電気変換素子の出力信号と
前記第２の機械ー電気変換素子の出力信号を検出し、前
記検出された信号を比較し、加速度を判別することを特
徴とする加速度検出方法である。これにより、一つの圧
電センサのみで異なる加速度を検出することができる。

【００２０】本発明の請求項１４の発明は、異なる種類
の加速度を検出する加速度検出装置であって、支持体の
両側に互いに分極方向が逆になるように少なくとも２つ
の圧電体を接合した圧電素子からなる第１、第２の機械
ー電気変換素子を備えた圧電センサ素子の、前記第１の
機械ー電気変換素子の出力信号と前記第２の機械ー電気
変換素子の出力信号をそれぞれ信号検出手段にて検出
し、加速度判別手段においてそれぞれの信号検出手段か
らの出力信号の正負が同符号の場合に並進加速度、異符
号の場合に回転加速度と判別することを特徴とする加速
度検出方法である。これにより、一つの圧電センサのみ
で並進加速度と回転加速度を区別して検出することがで
きる。

【００２１】本発明の請求項１５の発明は、異なる種類
の加速度を検出する加速度検出装置であって、支持体の
両側に分極方向が同じになるように少なくとも２つの圧
電体を接合した圧電素子からなる第１、第２の機械ー電
気変換素子を備えた圧電センサ素子の、前記第１の機械
ー電気変換素子の出力信号と前記第２の機械ー電気変換
素子の出力信号をそれぞれ信号検出手段にて検出し、加
速度判別手段においてそれぞれの信号検出手段からの出
力信号の正負が同符号の場合に回転加速度、異符号の場
合に並進加速度と判別することを特徴とする加速度検出
方法である。これにより、一つの圧電センサのみで並進
加速度と回転加速度を区別して検出することができる。

【００２２】本発明の請求項１６の発明は、異なる種類
の加速度を検出する加速度検出方法であって、支持体の
両側に第１、第２の機械ー電気変換素子を備えた圧電セ
ンサ素子の前記第１の機械ー電気変換素子の出力信号と
前記第２の機械ー電気変換素子の出力信号を検出し、前
記検出された出力信号の差を増幅することにより回転加
速度を検出することを特徴とする加速度検出方法であ
る。これにより、回転加速度が加わったことを一つの増
幅系のみで容易に検知することができる。

【００２３】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て、図１から図１４を用いて説明する。

【００２４】（実施の形態１）図１、図２は本発明に係
る第１の実施の形態における圧電センサ素子の斜視図で
あり、図３、図４、図５、図６は本発明に係る第１の実
施の形態における圧電センサ素子の断面図である。

【００２５】図１の斜視図は図３（ａ）の断面図と、図
２の斜視図は図４（ａ）の断面図とそれぞれ対応してい
る。

【００２６】図１および図３（ａ）の圧電センサ素子１
００は、２枚の圧電体を互いに分極方向が逆方向になる
ように貼り合わしたバイモルフ型の梁を中心部で支持体
３により支持した構造を有する。梁の対向する２つの面
には電極２ａ、２ｂが形成されている。支持体のある面
の電極は、連続して支持体の表面にも形成されている
が、支持体の面上で２ａ、２ｂの２つに分離されてい
る。支持体と反対側の面の電極２ｃは表面全体に形成さ
れている。これにより、支持体の両側に一直線上に片持
ち梁が形成されていることになる。片持ち梁は、圧電体
を貼り合わせたバイモルフ型であるため、加速度による
たわみ振動を電気信号に変換し、電極上から取り出すこ
とができる。この片持ち梁を機械ー電気変換素子と呼ぶ
こととする。したがって、圧電センサ素子１００には支
持体３を中央にして一直線上に機械ー電気変換素子１
ａ、１ｂが配置されていることになる。

【００２７】機械ー電気変換素子の長さ、厚さにより共
振周波数が決まる。共振周波数に近い周波数の加速度に
対しては感度が高くなるため、測定周波数範囲より共振
周波数が高くなるように機械ー電気変換素子の形状を決
めればよい。本実施の形態では、機械ー電気変換素子は
５０μｍの圧電体を貼り合わせ、厚さ１００μｍとし、
長さは２ｍｍとして、共振周波数を２０ｋＨｚとした。
圧電体としては、圧電単結晶であるニオブ酸リチウム
（ＬｉＮｂＯ₃）を用いた。

【００２８】次に、圧電センサの製造方法を述べる。厚
さ４００μｍのニオブ酸リチウム基板を直接接合により
貼り合わせる。直接接合の工程では基板の表面を研磨し
て表面を均一に鏡面にしたのち、洗浄し表面のゴミや汚
染物を取り去る。この基板を親水化処理して表面を活性
化し、乾燥した後、２枚の基板を重ね合わせる。

【００２９】ここで、直接接合法を図７に示した直接接
合の原理を示す図に基づき説明する。図７は本発明の第
１の実施の形態における圧電センサに用いる機械ー電気
変換素子の製造方法における直接接合の各段階の圧電基
板の界面状態を示す説明図である。図７中、Ｌ₁、Ｌ₂、
Ｌ₃は圧電基板間の距離を示している。まず、圧電基板
２１ａ、２１ｂである２枚のニオブ酸リチウム（ＬｉＮ
ｂＯ₃）基板の両面を鏡面研磨した。次いで、これらの
圧電基板２１ａ、２１ｂを、アンモニアと過酸化水素と
水の混合液（アンモニア水：過酸化水素水：水＝１：
１：６（容量比））で洗浄することにより、圧電基板２
１ａ、２１ｂに親水化処理を施した。図７（ａ）に示す
ように、前記混合液で洗浄された圧電基板２１ａ、２１
ｂの表面は水酸基（−ＯＨ基）で終端され、親水性にな
った（接合の前の状態）。

【００３０】次いで、図７（ｂ）に示すように、親水化
処理を施した２枚の圧電基板（ＬｉＮｂＯ₃）２１ａ、
２１ｂを、分極軸の向きが互いに逆方向となるようにし
て接合した（Ｌ₁＞Ｌ₂）。これにより、脱水が起こり、
圧電基板（ＬｉＮｂＯ₃）２１ａと圧電基板（ＬｉＮｂ
Ｏ₃）２１ｂは、−ＯＨ重合や水素結合などの引力によ
り引き合って接合された。

【００３１】次いで、上記のようにして接合した圧電基
板（ＬｉＮｂＯ₃）２１ａ、２１ｂに、４５０℃の温度
で熱処理を施した。これにより、図７（ｃ）に示すよう
に、圧電基板（ＬｉＮｂＯ₃）２１ａの構成原子と圧電
基板（ＬｉＮｂＯ₃）２１ｂの構成原子との間が酸素原
子（Ｏ）を介して共有結合した状態となり（Ｌ₂＞
Ｌ₃）、圧電基板２１ａ、２１ｂが原子レベルで強固に
直接接合された。すなわち、接合の界面に接着剤などの
接着層の存在しない結合状態が得られた。あるいは、圧
電基板（ＬｉＮｂＯ₃）２１ａの構成原子と圧電基板
（ＬｉＮｂＯ₃）２１ｂの構成原子との間が水酸基を介
して共有結合した状態となり、圧電基板２１ａ、２１ｂ
が原子レベルで強固に直接接合される場合もある。

【００３２】ＬｉＮｂＯ₃のキュリー点は１２１０℃で
あり、これに近い温度履歴によって特性が劣化するた
め、熱処理温度はキュリー点以下であるのが望ましい。

【００３３】接合したいものの鏡面研磨された面同士を
表面処理して、接触させることにより、接着剤などの接
着層を介さずに界面間に直接生ずる接合を「直接接合」
と呼ぶ。一般的には、熱処理を施すことにより、分子間
力による接合から共有結合やイオン結合などの原子レベ
ルの強力な接合となる。

【００３４】直接接合は接着剤を使用しないので、接合
界面に接着層が存在しない。接着層は振動を吸収して感
度を劣化させたり、ばらつきの原因となったり、温度特
性を劣化させたりするが、直接接合を用いることにより
振動吸収がなく、ばらつきや温度変化のない接合を得る
ことができる。

【００３５】このように直接接合したニオブ酸リチウム
の一方の基板を平面研削により、全面を研削して厚さ５
０μｍとした。他方の面は、支持体となる部分を残して
厚さ５０μｍに研削した。これにより、機械ー電気変換
素子の梁は計１００μｍの厚さとなり、支持体は厚さ４
５０μｍとなった。このように、研削加工した基板の両
面に電極として厚さ５００Ａのクロムと２０００Ａの金
を蒸着した。支持体上では電極は分離するため、金属マ
スクを用いて蒸着した。他方の面は平面上に形成するだ
けで分離する必要がなく容易である。この後、ダイシン
グソーにより、幅０．５ｍｍに切断した。

【００３６】図８は、本実施の形態における圧電センサ
の分解斜視図である。圧電センサ素子１００がパッケー
ジ４ａの上に固定されている。パッケージ４ａには、機
械ー電気変換素子の梁部がパッケージに接触してたわみ
を妨げないように溝が掘り込まれている。

【００３７】パッケージ４ａの両端と中央には外部電極
５ａ、５ｂ、５ｃが形成されており、圧電センサ素子の
電極２ａ、２ｂ、２ｃはそれぞれ外部電極５ａ、５ｂ、
５ｃとパッケージ４ａ上の導電層を介して接続されてい
る。導電層と電極は導電ペースト６で電気的に接続され
ている。パッケージ４ａは、パッケージ４ｂで蓋をされ
て圧電センサ５００を構成する。

【００３８】次に、この圧電センサを用いた加速度の検
出方法について述べる。図９は、加速度検出のブロック
図である。圧電センサ５００の機械ー電気変換素子１
ａ、１ｂは、それぞれ信号検出手段に接続されており、
信号検出手段の出力は加速度判別手段に接続されてい
る。

【００３９】本実施の形態における信号検出手段の回路
図を図１０に示す。機械ー電気変換素子１ａ、１ｂの電
極２ａ、２ｂからの出力は電界効果型トランジスタ（Ｆ
ＥＴ）８ａ、８ｂのゲートに入力されている。電極２ｃ
はパッケージの外部電極５ｃから接地されている。機械
ー電気変換素子１ａ、１ｂと並列に抵抗９ａ、９ｂが接
続されており出力を電圧に変換している。また、電界効
果型トランジスタ８ａ、８ｂのソースには抵抗が接続さ
れ、ソースフォロワ回路を構成している。電界効果型ト
ランジスタ８ａ、８ｂの出力は、オペアンプ１０ａ、１
０ｂに入力され増幅される。にオペアンプ１０ａ、１０
ｂの出力は、アナログ／デジタル変換器１１ａ、１１ｂ
によりデジタル値に変換して、加速度判別手段であるマ
イコンや演算装置などに入力され検出される。

【００４０】図１１は圧電センサからの出力を示す図で
ある。図１１（ａ）は並進加速度が加わった場合の機械
ー電気変換素子１ａ、１ｂに発生し、信号検出手段によ
り増幅された電気信号を示す。機械ー電気変換素子１
ａ、１ｂには同一の方向の加速度が加わるため、出力信
号の正負の符号が同じで、ほぼ同じ振幅の信号が得られ
る。図１１（ｂ）は回転加速度が加わった場合である。
圧電センサには、支持体を中心に回転加速度が加わる。
機械ー電気変換素子１ａ、１ｂには互いに逆方向の加速
度が加わり、たわみ方向も逆になる。したがって、アン
プを介して出力される信号も、正負が逆向きのほぼ同じ
振幅の信号が得られる。したがって、加速度判別手段に
より２つの機械ー電気変換素子から出力される信号の符
号を検出することで、回転か並進かを識別することがで
きる。つまり、出力された信号の符号の正負が同じ場合
に並進加速度、異符号である場合に回転加速度と判別す
ることができる。

【００４１】さらに本発明では、機械ー電気変換素子が
共通の圧電体基板を用いて構成されているため、温度の
差などの環境の差がセンサの出力に与える影響は無視で
きるほど小さく、かつ材料のばらつきも考慮する必要が
ないため、機械ー電気変換素子間の特性差が極めて小さ
く、正確に回転加速度をも検出できる。

【００４２】なお、圧電センサ素子としては図２および
図４（ａ）に示すように両面に支持体３ａ、３ｂを設け
たものを用いてもよい。図１の圧電センサ素子では、電
極２ｃがある平面側から導通を導電層と導電ペーストで
取っていた。この場合、梁の部分に導電ペーストがはみ
出し、センサの共振周波数が変化したりすることがあ
る。図２の圧電センサ素子では支持体３ａ、３ｂの表面
でパッケージ上の導電層と導ペーストで導通を取ること
ができ、梁の共振周波数などが導電ペーストの塗布量に
影響されることがなくなる。

【００４３】つまり、支持体から導電ペーストなどで電
極と接続することにより、センサ部の共振周波数や感度
などの特性のばらつきを小さくすることができる。すな
わち、センサ部の梁から導電ペースト等を塗布して取り
出すと、塗布量のばらつきやセンサの梁へのはみだし量
の差により、上記特性が影響を受けばらついてしまう。
支持体部で取り出す場合、これら塗布量やはみ出し量の
差に関係なく、圧電センサ素子の形状のみで特性がほぼ
決まるため、ばらつきが小さくできる。電極が２つに分
離されている面では、接続部の面積が小さいため導電性
ペーストの塗布量が制限されるため、支持体部の電極か
ら取り出す方が望ましい。

【００４４】さらに、はんだなどを用いて導通を確保す
る場合には、センサ部が高温になり、圧電体の特性が劣
化し、センサの感度などが低下するという問題がある
が、支持体部からはんだで取り出すことにより、このよ
うな問題を避けることができる。

【００４５】また、図３（ｂ）は、電極を支持体の反対
側の面の中心付近で２つの部分に分離した例である。こ
のように、電極を支持体上で分離することに限るもので
はなく、反対側の平面側で分離してもよい。

【００４６】また、図４（ｂ）に示すように、電極が両
面とも２つの部分に分離されたものでもよい。また、支
持体と圧電素子の境界部付近で電極が２つに分離されて
もよい。これにより、電極を圧電素子上に形成した後に
支持体を設けることができる。

【００４７】また、図５（ａ），（ｂ）に示すように、
支持体は半円柱形でもよい。なお、支持体の形成は研削
加工で行ったがこれに限るものではなく、支持体となる
部材を接着や直接接合により貼り合わせて形成してもよ
い。

【００４８】図６（ａ）は、２枚の圧電体を互いに分極
方向が同方向になるように貼り合わし、かつ、その間に
電極を有したバイモルフ型の梁を中心部で支持体３によ
り支持した構造を有する。このように、分極方向が同方
向になるように貼り合わせても、本願発明である圧電セ
ンサ素子を形成することができる。

【００４９】その際に、並進加速度が加わった場合に機
械ー電気変換素子１ａ、１ｂに発生する電気信号は、圧
電体の分極方向が違いに逆になるように接合した場合と
は違って、正負が逆向きのほぼ同じ振幅の信号が得られ
る。また、回転加速度が加わった場合に機械ー電気変換
素子１ａ、１ｂに発生する電気信号は、正負の符号が同
じでほぼ同じ振幅の信号が得られる。

【００５０】したがって、加速度判別手段により２つの
機械ー電気変換素子から出力される信号の符号を判別す
ることで、回転か並進かを識別することができる。つま
り、出力された信号の符号の正負が同じ場合に回転加速
度、異符号である場合に並進加速度と判別することがで
きる。

【００５１】図６（ｂ）は、圧電体と電極を交互に積層
することで機械ー電気変換素子を形成することを特徴と
する圧電センサ素子である。この構成にすることで、圧
電素子の容量を増やすことができるので低周波領域での
感度が向上するといった特徴を持つ。

【００５２】なお、本実施例において、圧電体としてニ
オブ酸リチウムを用いたがこれに限るものではなく、タ
ンタル酸リチウム、水晶や圧電セラミックなどを用いて
もよい。

【００５３】なお、圧電体の貼り合わせには直接接合を
用いたがこれに限るものではなく、接着剤を用いてもよ
い。

【００５４】なお、信号検出手段としては電界効果型ト
ランジスタとオペアンプを用いたがこれに限るものでは
なく、電界効果型トランジスタを用いずオペアンプに直
接入力してもよい。また、基準電圧回路やフィルタ回路
を設けてもよい。また、アナログ／デジタル変換器を用
いたが、コンパレータなどを組み合わせてもよい。

【００５５】なお、電極とパッケージの導電層との接続
には導電ペーストを用いたが、これに限るものではな
く、はんだや鉛レスはんだを用いることができる。はん
だなどを用いることにより、高温高湿などでの信頼性を
向上させることができる。

【００５６】以上により、一つの圧電センサで回転加速
度と並進加速度を検出することができ、かつ直接接合さ
れているため接着層がなく高感度が得られる圧電センサ
が実現できた。

【００５７】（実施の形態２）本発明の第２の実施の形
態における圧電センサの分解斜視図を図１２に示す。図
１２の圧電センサは、圧電センサ素子１００、半導体素
子１８ａ、１８ｂ、抵抗１９ａ、１９ｂ、パッケージ１
４ａ、１４ｂ、外部電極１７ａ、１７ｂ、１７ｃ、１７
ｄからなる。圧電センサ素子１００は、実施の形態１で
用いた図１に示すものと同様とした。半導体素子１８
ａ、１８ｂとしては電界効果型トランジスタをベアチッ
プで用いた。ベアチップを用いることにより小型化でき
る。半導体素子１８ａ、１８ｂの上面の電極とパッケー
ジ１４ａ上の導電層とはワイヤーボンディングで接続
し、裏面の電極はダイボンディングした。抵抗１９ａ、
１９ｂは半田づけした。圧電センサ素子１００の電極と
導電層とは導電ペーストで接続した。

【００５８】図１３は本実施の形態における圧電センサ
の内部回路図である。圧電センサ素子１００の電気ー機
械変換素子１ａ、１ｂのうちの共通電極２ｃは、外部電
極１７ｄに接続されており、他の電極は電界効果型トラ
ンジスタ１８ａ、１８ｂのゲートに接続されている。抵
抗１９ａ、１９ｂは電気ー機械変換素子１ａ、１ｂと並
列に接続されている。電界効果型トランジスタ１８ａ、
１８ｂのドレインは外部電極１７ｃに接続され、ソース
は外部電極１７ａ、１７ｂに接続されている。

【００５９】この圧電センサを用いることにより、図１
０と同じ検出回路を構成し、並進加速度と回転加速度を
検出することができる。

【００６０】各素子をプリント基板上に配置しても検出
回路は構成できるが配線長が長くなるとノイズの影響が
大きくなり、Ｓ／Ｎが劣化する。半導体素子や抵抗を圧
電センサ素子と同一パッケージ内に近接して収納するこ
とにより、ノイズを低減することができ、高いＳ／Ｎを
維持できる。センサの検出分解能はＳ／Ｎで決まるた
め、パッケージ内に半導体素子などを同梱することによ
り、高い分解能が得られる。特に、ニオブ酸リチウムな
どの圧電単結晶を用いた圧電センサ素子の場合、静電容
量が小さく、インピーダンスが高くなるため、ノイズを
拾いやすくなる。また、低周波側のカットオフ周波数を
低くする場合には、抵抗１９ａ、１９ｂの抵抗値を大き
くしなければならないため、ノイズの影響を受けやすく
なる。このような場合には、本実施の形態が極めて有効
となる。

【００６１】また、圧電センサ素子だけでなく、２つの
半導体素子が同一パッケージ内に納められるため、温度
などの環境の差による増幅率などの差がほぼ無視できる
ため、回転加速度をも極めて正確に検出することができ
る。

【００６２】なお、本実施の形態では半導体素子として
電界効果型トランジスタを用いたが、これに限るもので
はなく、バイポーラトランジスタやオペアンプを用いて
もよい。

【００６３】なお、本実施の形態では半導体素子と抵抗
を同梱したが、どちらか一方のみでもよく、あるいは後
段の増幅回路やアナログ／デジタル変換器をも同梱して
もよい。

【００６４】以上により、回転加速度と並進加速度を一
つのセンサで検出でき、かつＳ／Ｎに優れ分解能の高
い、小型の圧電センサを実現できた。

【００６５】（実施の形態３）図１４（ａ）は、本発明
の圧電センサを具備した位置決め装置の例としてのディ
スク記録再生装置の概略の構成図である。ディスク記録
再生装置７００には、データの記録を行うディスク３１
と記録再生を行うためのヘッド３２がある。ヘッド３２
はヘッド移動手段３３により、ディスクの半径方向に移
動し、ディスク上の指定された位置に位置決めされるこ
とができる。このディスク記録再生装置に外乱として加
速度が加わった場合、ヘッドの位置が加速度によって指
定の位置よりずれてしまう。これを防止するため、圧電
センサ６００を設置して、ディスク記録再生装置７００
に加わる回転加速度と並進加速度を検出して外乱に抗し
てヘッドの位置を制御する。図１４（ｂ）は、ディスク
記録再生装置なる位置決め装置における圧電センサを用
いた場合の制御のブロック図である。外乱振動のない場
合は、ディスク上に記録した位置情報をもとに位置検出
手段によりヘッドの位置を認識し制御手段によりヘッド
の移動量を決め、ヘッド移動手段によりヘッドを移動し
て位置決めする。外乱振動などが発生した場合、圧電セ
ンサ素子１ａ、１ｂの出力は、増幅回路などを含む信号
検出手段により検出される。信号検出手段からの出力信
号は、加速度判別手段により回転加速度か並進加速度か
を判別され、またその大きさを判別される。加速度判別
手段の判別結果を基に制御手段は、ヘッドを所定の位置
に移動させるための移動量を算出し、ヘッド移動手段に
よりヘッドを移動させるように指示をヘッド移動手段に
与える。このような制御により、外乱振動として回転加
速度や並進加速度が加わってもヘッドを所定の位置に位
置決めすることが可能となる。したがって、精密な位置
決めを行うことができ、ディスク記録再生装置の高密度
化を実現できる。

【００６６】（実施の形態４）図１５に本発明の他の実
施の形態の検出回路の回路図を示す。図１５において
は、図１０の検出回路と同様に電界効果型トランジスタ
２８ａ、２８ｂのゲートに圧電センサ素子１００の機械
ー電気変換素子１ａ、１ｂの一方の電極が接続され、機
械ー電気変換素子からの出力信号が入力されている。機
械ー電気変換素子１ａ、１ｂと並列に抵抗２９ａ、２９
ｂが接続されており、電界効果型トランジスタ２８ａ、
２８ｂはソースフォロワ回路を構成している。

【００６７】電界効果型トランジスタ２８ａのソース電
極からの出力信号は、オペアンプ３０の正帰還入力端子
に入力され、電界効果型トランジスタ２８ｂのソース電
極からの出力信号は、オペアンプ３０の負帰還入力端子
に入力される。これにより、２つの機械ー電気変換素子
１ａ、１ｂの出力信号は、差動増幅器３０により差動増
幅される。図１１（ａ）のように並進加速度が加わった
場合には、機械ー電気変換素子１ａ、１ｂの出力は同符
号でほぼ等しいため、差動増幅器３０から信号は出力さ
れないが、図１１（ｂ）の場合のように回転加速度が加
わった場合には、機械ー電気変換素子１ａ、１ｂの出力
は異符号でほぼ等しいため、差動増幅器３０から信号は
出力される。２つの機械ー電気変換素子の出力を差動増
幅するため、高感度に回転加速度を検出することができ
る。

【００６８】なお、本実施の形態の回路に限るものでは
なく、電界効果型トランジスタを用いず直接差動増幅器
に入力してもよい。また、フィルタ回路や基準電圧回路
を設けてもよい。

【００６９】以上により、１つの圧電センサで高感度に
回転加速度を検出することができる検出法を実現でき
た。

【００７０】

【発明の効果】以上によると、温度などの環境条件に左
右されず一つの圧電センサで回転加速度（角加速度）を
検出でき、さらに回転加速度のみならず並進加速度をも
識別して高感度かつ高分解能で検出可能な圧電センサ素
子および加速度検出装置および加速度検出方法を提供で
きた。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施の形態における圧電センサ
素子の斜視図

【図２】本発明の第１の実施の形態おける他の圧電セン
サ素子の斜視図

【図３】本発明の第１の実施の形態における圧電センサ
素子の断面図

【図４】本発明の第１の実施の形態における圧電センサ
素子の断面図

【図５】本発明の第１の実施の形態における圧電センサ
素子の断面図

【図６】本発明の第１の実施の形態における圧電センサ
素子の断面図

【図７】本発明の第１の実施の形態に用いる直接接合の
原理を説明する図

【図８】本発明の第１の実施の形態における圧電センサ
の分解斜視図

【図９】本発明の第１の実施の形態における加速度検出
方法を示すブロック図

【図１０】本発明の第１の実施の形態における圧電セン
サを用いた加速度検出回路の回路図

【図１１】本発明の第１の実施の形態における加速度検
出方法を示す説明図

【図１２】本発明の第２の実施の形態における圧電セン
サの分解斜視図

【図１３】本発明の第２の実施の形態における圧電セン
サの内部回路図

【図１４】本発明の第３の実施の形態における圧電セン
サを具備した位置決め装置の図

【図１５】本発明の第４の実施の形態における加速度検
出方法を示す回路図

【符号の説明】

１００，２００圧電センサ素子５００，６００圧電センサ１ａ，１ｂ機械ー電気変換素子２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄ，２ｅ電極３，３ａ，３ｂ支持体４ａ，４ｂ，１４ａ，１４ｂパッケージ５ａ，５ｂ，５ｃ，１７ａ，１７ｂ，１７ｃ，１７ｄ
外部電極８ａ，８ｂ，１８ａ，１８ｂ，２８ａ，２８ｂ電界効
果型トランジスタ９ａ，９ｂ１９ａ，１９ｂ，２９ａ，２９ｂ抵抗１０ａ，１０ｂオペアンプ１１ａ，１１ｂアナログ／デジタル変換器３０差動増幅器３１ディスク３２ヘッド３３ヘッド移動手段３４信号検出手段３５加速度判別手段３６位置検出手段３７制御手段７００ディスク記録再生装置

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者冨田佳宏大阪府門真市大字門真1006番地松下電器産業株式会社内 (72)発明者川▲さき▼ 修大阪府門真市大字門真1006番地松下電器産業株式会社内Ｆターム(参考） 5J108 AA09 BB01 CC01 FF03 JJ01 KK01 KK07

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】機械的振動を電気的出力に変換する圧電セ
ンサ素子であって、前記圧電センサ素子は、少なくとも
２つの圧電体の貼り合わせ面同士を接合した圧電素子
と、前記圧電素子の相対する面の少なくともどちらか一
方の中心付近に設けられた支持体と、前記圧電素子の相
対する両面上に設けられた電極とからなり、前記両面上
の電極は少なくともどちらか一方の中心付近で２つの部
分に分離されていることで、前記支持体の両側に機械ー
電気変換素子を備えたことを特徴とする圧電センサ素
子。
【請求項２】互いに分極方向が逆になるように少なくと
も２つの圧電体を接合したことを特徴とする請求項１に
記載の圧電センサ素子。
【請求項３】分極方向が同じになるように少なくとも２
つの圧電体を電極を間に介して接合したことを特徴とす
る請求項１に記載の圧電センサ素子。
【請求項４】電極が２つの部分に分離された面は支持体
が設けられている側にあって、かつ、前記支持体の表面
上で２つの部分に分離されていることを特徴とする請求
項１から３のいずれかに記載の圧電センサ素子。
【請求項５】電極が２つの部分に分離された面は支持体
が設けられている側にあって、かつ、前記支持体と圧電
素子の境界部付近で２つの部分に分離されていることを
特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の圧電セン
サ素子。
【請求項６】少なくとも２つの圧電体の貼り合わせ面同
士が直接接合されたことを特徴とする請求項１に記載の
圧電センサ素子。
【請求項７】２つの圧電体の貼り合わせ面同士の直接接
合は、前記圧電体の構成原子が酸素原子及び水酸基から
なる群から選ばれる少なくとも１つを介して相互に結合
することにより接合されている請求項６に記載の圧電セ
ンサ素子。
【請求項８】異なる種類の加速度を検出する加速度検出
装置であって、請求項１から７のいずれかに記載の圧電
センサ素子と、前記圧電センサ素子の２つの機械ー電気
変換素子の出力信号をそれぞれ検出する信号検出手段
と、前記信号検出手段の出力信号に基づき加速度を判別
する加速度判別手段とからなることを特徴とする加速度
検出装置。
【請求項９】異なる種類の加速度が回転加速度または並
進加速度であることを特徴とする請求項８に記載の加速
度検出装置。
【請求項１０】信号検出手段は、増幅回路または増幅回
路とアナログ／デジタル変換器を含む回路であることを
特徴とする請求項８に記載の加速度検出装置。
【請求項１１】請求項１から７のいずれかに記載の圧電
センサ素子と、少なくとも２つの信号検出手段と加速度
判別手段とが組み込まれ、移動手段と制御手段からなる
位置ぎめ装置であって、前記圧電センサ素子の２つの機
械ー電気変換子の出力が前記信号検出手段、加速度判別
手段にそれぞれ接続されており、加速度判別手段からの
出力信号に基づき制御手段により、前記移動手段を移動
して位置決めを行うことを特徴とする位置決め装置。
【請求項１２】請求項１から７のいずれかに記載の圧電
センサ素子と、少なくとも２つの信号検出手段と加速度
判別手段とが組み込まれ、ディスク上の目標位置にヘッ
ドを位置決めして、前記ディスクにデータの記録再生を
行なうディスク記録再生装置であって、前記ヘッドを移
動させるためのヘッド移動手段と、ヘッドの移動量を制
御する制御手段からなり、前記圧電センサ素子の２つの
機械ー電気変換子の出力が前記信号検出手段、加速度判
別手段にそれぞれ接続されており、加速度判別手段から
の出力信号に基づき、制御手段によりヘッドの移動量を
算出して、前記ヘッドをヘッド移動手段により移動して
ヘッドの位置決めを行うことを特徴とするディスク記録
再生装置。
【請求項１３】異なる種類の加速度を検出する加速度検
出方法であって、支持体の両側に第１、第２の機械ー電
気変換素子を備えた圧電センサ素子の前記第１の機械ー
電気変換素子の出力信号と前記第２の機械ー電気変換素
子の出力信号を検出し、前記検出された信号を比較し、
加速度を判別することを特徴とする加速度検出方法。
【請求項１４】異なる種類の加速度を検出する加速度検
出装置であって、支持体の両側に互いに分極方向が逆に
なるように少なくとも２つの圧電体を接合した圧電素子
からなる第１、第２の機械ー電気変換素子を備えた圧電
センサ素子の、前記第１の機械ー電気変換素子の出力信
号と前記第２の機械ー電気変換素子の出力信号をそれぞ
れ信号検出手段にて検出し、加速度判別手段においてそ
れぞれの信号検出手段からの出力信号の正負が同符号の
場合に並進加速度、異符号の場合に回転加速度と判別す
ることを特徴とする加速度検出方法。
【請求項１５】異なる種類の加速度を検出する加速度検
出装置であって、支持体の両側に分極方向が同じになる
ように少なくとも２つの圧電体を接合した圧電素子から
なる第１、第２の機械ー電気変換素子を備えた圧電セン
サ素子の、前記第１の機械ー電気変換素子の出力信号と
前記第２の機械ー電気変換素子の出力信号をそれぞれ信
号検出手段にて検出し、加速度判別手段においてそれぞ
れの信号検出手段からの出力信号の正負が同符号の場合
に回転加速度、異符号の場合に並進加速度と判別するこ
とを特徴とする加速度検出方法。
【請求項１６】異なる種類の加速度を検出する加速度検
出方法であって、支持体の両側に第１、第２の機械ー電
気変換素子を備えた圧電センサ素子の前記第１の機械ー
電気変換素子の出力信号と前記第２の機械ー電気変換素
子の出力信号を検出し、前記検出された出力信号の差を
増幅することにより回転加速度を検出することを特徴と
する加速度検出方法。