JP2001004654A

JP2001004654A - 加速度センサ

Info

Publication number: JP2001004654A
Application number: JP11171852A
Authority: JP
Inventors: Masahide Tamura; 雅英田村; Tsutomu Sawai; 努沢井; Hisahiro Mori; 尚浩毛利; Masato Ando; 正人安藤
Original assignee: Hokuriku Electric Industry Co Ltd
Current assignee: Hokuriku Electric Industry Co Ltd
Priority date: 1999-06-18
Filing date: 1999-06-18
Publication date: 2001-01-12

Abstract

(57)【要約】【課題】温度特性に優れ且つ測定精度の高い加速度セ
ンサを得る。【解決手段】圧電セラミックス基板７ａ上の対向電極
パターンＥ0 を半田付け可能な材料により形成する。対
向電極パターンＥ0 とダイアフラム１との間に圧電セラ
ミックス基板７ａの分極を壊さない温度で溶融する合金
からなる接合金属層４を形成して圧電セラミックス基板
７ａとダイアフラム１とを接合する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、圧電セラミックス
を利用して加速度を検出する加速度センサに関するもの
である。

【０００２】

【従来の技術】一方の面上に加速度検出用電極パターン
を形成し、他方の面上に加速度検出用電極パターンと対
向する対向電極パターンを形成した圧電セラミックス基
板に分極処理を施し、加速度を受けて圧電セラミックス
内に生じる応力により各方向の加速度検出用電極に発生
する自発分極電荷に基づいて各方向の加速度成分に対応
した信号を出力する加速度センサが知られている。この
加速センサの基本原理及び基本技術は、国際公開ＷＯ９
３／０２３４２（ＰＣＴ／ＪＰ９２／００８８２）に詳
しく開示されている。この種の加速度センサでは、圧電
セラミックス基板の裏面及び対向電極パターンに金属製
のダイアフラムが接合されており、ダイアフラムの裏面
側に突出するようにダイアフラムに対して重錘が固定さ
れている。従来の加速度センサでは、エポキシ樹脂系の
接着剤を用いて圧電セラミックス基板の裏面及び対向電
極パターンと金属製のダイアフラムとを接合している。
また、この場合において、対向電極パターンとダイアフ
ラムとの間の一部に樹脂銀からなる導電接続部を形成
し、対向電極パターンとダイアフラムとを部分的に接続
して、両者の電気的接続を確実なものとする構造を採用
することもある。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、エポキ
シ樹脂系の接着剤の線膨張係数と圧電セラミックス基板
及びダイアフラムの線膨張係数とは大きく異なる。例え
ば、加速度センサがよく用いられる温度範囲内において
熱影響を受けやすい範囲（３０〜６０℃）では、エポキ
シ樹脂系接着剤の線膨張係数は約５１．２×１０^-６／
℃であり、圧電セラミックス基板（セラミックス）の線
膨張係数は約３．３×１０^-６／℃であり、ダイアフラ
ム（真鍮）の線膨張係数は約２０．２×１０^-６／℃で
ある。そのため、温度変化に対するエポキシ樹脂系接着
剤の膨張率及び収縮率は、圧電セラミックス基板及びダ
イアフラムの膨張率及び収縮率と大きく異なり、圧電セ
ラミックス基板またはダイアフラムにそりや歪みが生じ
る。なお、対向電極パターンは、他の部材に比べて厚み
が著しく薄いため、その存在は実質的に無視することが
できる。

【０００４】また、前述の樹脂銀からなる導電接続部の
線膨張係数は例えば約１７１．６×１０^-６／℃（30〜
６０℃）であり、この導電接続部と他の各部材との膨張
率及び収縮率も大きく異なる。そのため、このような導
電接続部の存在も圧電セラミックス基板またはダイアフ
ラムに局部的なそりや歪みを生じさせる。従来の構造で
は、これらが原因となって温度特性が悪くなる（温度変
化による測定の誤差が大きくなる）ため、測定精度を高
めること及び測定精度のバラツキを小さくすることに限
界があった。

【０００５】本発明の目的は、温度変化により生じる圧
電セラミックス基板またはダイアフラムのそりや歪みを
抑制して、温度特性に優れた測定精度の高い加速度セン
サを提供することにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明は、加速度検出用
電極パターンが表面上に形成され、裏面上に加速度検出
用電極パターンに対向する対向電極パターンが形成さ
れ、加速度検出用電極パターンと対向電極パターンとの
間の部分が分極処理されている圧電セラミックス基板
と、表面に圧電セラミックス基板の裏面が接合された金
属製のダイアフラムと、ダイアフラムの裏面側に突出す
るようにダイアフラムに対して固定された重錘とを具備
してなる加速度センサを改良の対象とする。なお重錘
は，ダイアフラムと一体に形成されてダイアフラムに対
して固定されていてもよい。

【０００７】本発明では、対向電極パターンを半田付け
可能な材料により形成する。そして、対向電極パターン
とダイアフラムとの間に圧電セラミックス基板の分極を
壊さない（分極を大きく乱したりまたは分極を消したり
しない）温度で溶融する接合用合金からなる接合金属層
を形成して圧電セラミックス基板とダイアフラムとを接
合する。接合金属層の線膨張係数は、合成樹脂系の接着
剤の線膨張係数と比べて、ダイアフラム及び圧電セラミ
ック基板のそれぞれの線膨張係数に近似したものであ
る。このように接合金属層の線膨張係数と圧電セラミッ
クス基板及びダイアフラムの線膨張係数とが比較的近似
していれば、温度の変化に対する各部材の膨張率及び収
縮率がそれぞれ近い値になる。そのため、圧電セラミッ
クス基板またはダイアフラムに生じるそりや歪みが小さ
くなる。また本発明では、接合金属層が導電性を有して
いるため、従来のように樹脂銀からなる導電接続部を設
ける必要がない。そのため、導電接続部と他の各部材と
の膨張率及び収縮率の違いにより生じる圧電セラミック
ス基板またはダイアフラムの局部的なそりや歪みも解消
できる。その結果、温度特性が大幅に改善されて、温度
変化による測定精度の低下を抑制できる。

【０００８】対向電極パターンとダイアフラムとを接合
する接合金属層を形成するための合金が溶ける温度は、
圧電セラミックス基板の分極を壊さない温度であり、こ
の温度は、通常１８０℃以下である。そのため、接合金
属層は１８０℃以下で溶融する接合用合金を用いて形成
するのが好ましい。

【０００９】ダイアフラムは金属であればよく、種々の
材質のものを用いることができる。例えば、ダイアフラ
ムとして真鍮を用いる場合は、接合金属層を錫−鉛−ビ
スマス−銀合金からなる一般的に低温半田と呼ばれる接
合用合金を用いるのが好ましい。圧電セラミックス基板
の線膨張係数は約３．３×１０^-６／℃（３０〜６０
℃）であり、ダイアフラム（真鍮）の線膨張係数は約２
０．２×１０^-６／℃（３０〜６０℃）であり、接合金
属層（錫−鉛−ビスマス−銀合金）の線膨張係数は約３
０．５×１０^-６／℃（３０〜６０℃）である。そのた
め、接合金属層の線膨張係数と圧電セラミックス基板及
びダイアフラムの線膨張係数とを近似させることができ
る。

【００１０】前述の特性を有する錫−鉛−ビスマス−銀
合金としては、例えば、錫４０〜４８重量％、鉛４０〜
４８重量％、ビスマス６〜１６重量％、銀４重量％以下
のものを用いることができる。

【００１１】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明の実
施の形態を説明する。図１は、三軸加速度センサに本発
明を適用した本発明の実施の形態の一例の加速度センサ
の概略断面図である。本図に示すように、この三軸加速
度センサは、ダイアフラム１と、重錘３と、ベース５
と、ダイアフラム１の重錘３が取り付けられた面側とは
反対側の面上に固定されたセンサ素子７とを備えてい
る。なお、本図では、理解を容易にするため、センサ素
子７の主要部の厚みを誇張して描いている。これらの各
部材は、枠状の絶縁樹脂製ケース９内に収納されてい
る。そして、絶縁樹脂製ケース９には、樹脂成形体２１
にセンサ素子７の出力電極ＯＸ，ＯＹ，ＯＺ及び電極Ｏ
Ｅ0 …にそれぞれ接続される３本の端子金具２５…が固
定されてなる２つの端子ユニット１１，１１が嵌合され
ている。またケース９の上側開口部には、金属製の蓋部
材６が取り付けられている。

【００１２】ダイアフラム１，重錘３及びベース５は、
図１，図２（Ａ）及び図２（Ｂ）に示すように、真鍮か
らなる金属材料により一体に成形された単体ユニット１
０として構成されている。なお、図２（Ａ）は単体ユニ
ット１０の底面図であり、図２（Ｂ）は図２（Ａ）のＢ
−Ｂ線断面図である。ダイアフラム１は、厚み約０．１
ｍｍ、直径１２ｍｍの円板形状を有している。重錘３
は、円柱形状を有しており、その中心線の延長部分がダ
イアフラム１の中心を通るようにダイアフラム１と一体
化されている。ベース５は円筒形状を有しており、ダイ
アフラム１の外周部を支持している。また、ベース５の
外周部には、周方向に連続するＶ字溝５ａが形成されて
いる。本実施例では、真鍮からなる円柱状金属材料を用
意し、この円柱状金属材料に対して重錘３を削り出すよ
うに切削加工を施して環状の空洞部Ｃを形成し、また外
周部に切削加工を施こしてＶ字溝５ａを形成して単体ユ
ニット１０を一体成形した。

【００１３】この例では、センサ素子７として、図１及
び図３の平面図に示すように圧電セラミックス基板７ａ
の表面に三軸加速度検出用の加速度検出用電極パターン
Ｅ1が形成され、裏面に対向電極パターンＥ0 が形成さ
れて構成された圧電型三軸センサ素子を用いている。対
向電極パターンＥ0 は、単体ユニット１０の直径寸法
（１２ｍｍ）を僅かに下回る直径寸法（１１ｍｍ）と３
μｍの厚みを有する円板形状を有しており、焼成銀即ち
ガラス銀ペーストを用いて形成されている。これによ
り、少なくともダイアフラム１上の重錘３が位置する領
域及び重錘３とベース５との間の領域には対向電極パタ
ーンＥ0 が形成されることになる。対向電極パターンＥ
0 は半田付け可能な材料によって形成すればよく、スパ
ッタリングを用いて薄膜により形成することもできる。

【００１４】対向電極パターンＥ0 とダイアフラム１と
の間には、厚み約２０μｍの接合金属層４が形成されて
いる。対向電極パターンＥ0 及びダイアフラム１がこの
接合金属層４により接合されることによりセンサ素子７
はダイアフラム１に取り付けられている。接合金属層４
は、約１５０℃で溶融する錫−鉛−ビスマス−銀合金か
らなるいわゆる低温半田と呼ばれる接合合金により形成
されている。接合金属層は、後に説明する圧電セラミッ
クス基板の分極を壊さない温度（１８０℃以下）で溶融
する合金を用いればよい。

【００１５】本例では次のようにして対向電極パターン
Ｅ0 とダイアフラム１とを接合した。まず、錫４２重量
％、鉛４２重量％、ビスマス１４重量％、銀２重量％の
錫−鉛−ビスマス−銀合金の粉末を主成分とするを主材
料とするクリーム状の低温半田をダイアフラム１上に印
刷して接合金属材料層を形成し、この接合金属材料層の
上にセンサ素子７を配置した。錫−鉛−ビスマス−銀合
金としては、例えば、錫４０〜４８重量％、鉛４０〜４
８重量％、ビスマス６〜１６重量％、銀４重量％以下の
ものを用いることができる。次に、これをリフロー炉内
に配置して、温度１７０℃で３分間、温度１５０℃で２
分間加熱した。次に、これをリフロー炉から取り出して
から室温まで冷却して接合金属層４を形成して対向電極
パターンＥ0 とダイアフラム１とを接合した。本例で用
いた接合金属層４（錫−鉛−ビスマス−銀合金）の線膨
張係数は、約３０．５×１０^-６／℃（３０〜６０℃）
であり、従来のエポキシ樹脂系接着剤の線膨張係数［約
５１．２×１０^-６／℃（３０〜６０℃）］に比べて、
圧電セラミックス基板の線膨張係数［約３．３×１０
^-６／℃（３０〜６０℃）］及びダイアフラム（真鍮）
の線膨張係数［約２０．２×１０^-６／℃（３０〜６０
℃）］に近似している。そのため、各部材の線膨張係数
の差から圧電セラミックス基板７ａまたはダイアフラム
１に生じるそりや歪みが小さくなり、温度変化に対する
測定精度の低下を抑制することができる。また、接合金
属層４は導電性を有しているため、従来のように線膨張
係数の大きい樹脂銀［約１７１．６×１０^-６／℃（３
０〜６０℃）］からなる導電接続部を設ける必要がな
い。

【００１６】圧電セラミックス基板７ａは、輪郭形状が
四角形をなしており、内部に応力が加わると自発分極電
荷が発生するように電極に対応した部分に分極処理が施
されている。分極処理については後に詳細に説明する。

【００１７】図３に示すように、圧電セラミックス基板
７ａは、重錘対向領域８Ａとベース対向領域８Ｂと、重
錘対向領域８Ａとベース対向領域８Ｂとの間に位置する
中間領域８Ｃとを有している。重錘対向領域８Ａに対応
する部分には重錘３が位置しており、ベース対向領域８
Ｂに対応する部分にはベース５が位置している。中間領
域８Ｃは、重錘対向領域８Ａを囲む応力発生領域８Ｃ1
と、応力発生領域８Ｃ1とベース対向領域８Ｂとの間に
位置する応力非発生領域８Ｃ2とから構成されている。
応力発生領域８Ｃ1は、重錘３に加速度が作用したとき
に変形して内部に応力が発生する領域であり、表面側に
加速度検出用電極パターンＥ1 の加速度検出用電極ＥＸ
１〜ＥＺ４が形成されている。この応力発生領域８Ｃ1
は、重錘３に対して圧電セラミックス基板７ａの基板面
と平行な方向（Ｘ軸方向またはＹ軸方向）に加速度が作
用すると、重錘３の重心を中心として点対称に異なった
状態（引っ張り応力が加わった状態と、圧縮応力が加わ
った状態と）に変形する。また、重錘３に対して圧電セ
ラミックス基板７ａの基板面と直交する方向（Ｚ軸方
向）に加速度が作用すると、応力発生領域８Ｃ1の各部
は同じ状態に変形する。応力非発生領域８Ｃ2は、重錘
３に加速度が作用したときでも実質的に応力が発生しな
い領域、または応力が発生したとしてもごく僅かな応力
しか発生しない領域である。なお、図３において、８Ｄ
は応力発生領域８Ｃ1と応力非発生領域８Ｃ2との境界線
（中立線）である。

【００１８】圧電セラミックス基板７ａの表面及び裏面
に形成された加速度検出用電極パターンＥ1 及び対向電
極パターンＥ0 は、いずれもスクリーン印刷により形成
されている。重錘３に作用する加速度に基づいてダイア
フラム１が変形すると圧電セラミックス基板７ａが撓ん
で検出用電極パターンＥ1 と対向電極パターンＥ0 との
間に発生する自発分極電荷が変化して、重錘３に加わっ
た三軸（Ｘ軸，Ｙ軸，Ｚ軸）方向の加速度が電流または
電圧の変化として測定される。なお、ここでいうＸ軸，
Ｙ軸，Ｚ軸は互いに直交する方向に延びる軸である。Ｘ
軸はＸ軸方向仮想線ＸＬの方向に延びており、Ｙ軸はＹ
軸方向仮想線ＹＬの方向に延びており、Ｚ軸は圧電セラ
ミックス基板７ａの面方向と直交する方向に延びてい
る。

【００１９】加速度検出用電極パターンＥ1 はＸ軸方向
検知電極パターン１３とＹ軸方向検知電極パターン１５
とＺ軸方向検知電極パターン１７とを有している。Ｘ軸
方向検知電極パターン１３は、一対のＸ軸方向加速度検
出用電極ＥＸ１，ＥＸ２とＸ軸出力電極ＯＸとが接続線
Ｌ１，Ｌ２により直列に接続された構造を有している。
一対のＸ軸方向加速度検出用電極ＥＸ１，ＥＸ２は、後
に説明するＹ軸方向検知電極パターン１５の一対のＹ軸
方向加速度検出用電極ＥＹ１，ＥＹ２及びＺ軸方向検知
電極パターン１７のＺ軸方向加速度検出用電極ＥＺ１〜
ＥＺ４と共に、重錘対向領域８Ａを囲む環状の列を形成
している。一対のＸ軸方向加速度検出用電極のそれぞれ
の電極ＥＸ１，ＥＸ２は、Ｘ軸方向仮想線ＸＬに対して
線対称になり且つ重錘対向領域８Ａと第１の応力発生領
域８Ｃ1とに跨がる（領域境界線８Ｄを跨がる）矩形に
近い形状を有している。

【００２０】Ｙ軸方向加速度検出用電極パターン１５
は、２つのＹ軸方向加速度検出用電極ＥＹ１，ＥＹ２と
Ｙ軸出力電極ＯＹとが接続線Ｌ３〜Ｌ５により直列に接
続された構造を有している。一対のＹ軸方向加速度検出
用電極のそれぞれの加速度検出用電極ＥＹ１，ＥＹ２も
Ｘ軸方向加速度検出用電極ＥＸ１及びＥＸ２と同様な形
状を有しており、Ｙ軸方向仮想線ＹＬに対して線対称に
なり且つ重錘対向領域８Ａと第１の応力発生領域８Ｃ1
とに跨がる（領域境界線８Ｄを跨がる）矩形に近い形状
を有している。Ｙ軸方向仮想線ＹＬとＸ軸方向仮想線Ｘ
Ｌとは互いに直交するので、Ｘ軸方向加速度検出用電極
ＥＸ１，Ｙ軸方向加速度検出用電極ＥＹ１，Ｘ軸方向加
速度検出用電極ＥＸ２及びＹ軸方向加速度検出用電極Ｅ
Ｙ２はそれぞれ９０度の間隔を隔てて配置されることに
なる。Ｙ軸出力電極ＯＹはＸ軸出力電極ＯＸと同様にほ
ぼ正方形の形状を有しており、第２の応力発生領域８Ｃ
の外側にある圧電セラミックス基板７ａの外周縁部に位
置するようにＸ軸出力電極ＯＸと並んで形成されてい
る。

【００２１】Ｚ軸方向加速度検出用電極パターン１７
は、Ｚ軸方向加速度検出用電極ＥＺ１，Ｚ軸方向加速度
検出用電極ＥＺ２，Ｚ軸方向加速度検出用電極ＥＺ３，
Ｚ軸方向加速度検出用電極ＥＺ４，Ｚ軸出力電極ＯＺ
が、これらの順に接続線Ｌ６〜Ｌ９によって直列に接続
された構造を有している。４つのＺ軸方向加速度検出用
電極ＥＺ１〜ＥＺ４は、矩形に近い形状を有している。
Ｚ軸方向加速度検出用電極ＥＺ１〜ＥＺ４もＸ軸方向加
速度検出用電極ＥＸ１及びＥＸ２と同様に重錘対向領域
８Ａと第１の応力発生領域８Ｃ１とに跨がって形成され
ている。またＺ軸方向加速度検出用電極ＥＺ１〜ＥＺ４
は、Ｘ軸方向加速度検出用電極ＥＸ２とＹ軸方向加速度
検出用電極ＥＹ１との間，Ｙ軸方向加速度検出用電極Ｅ
Ｙ１とＸ軸方向加速度検出用電極ＥＸ１との間，Ｘ軸方
向加速度検出用電極ＥＸ１とＹ軸方向加速度検出用電極
ＥＹ２との間，Ｙ軸方向加速度検出用電極ＥＹ２とＸ軸
方向加速度検出用電極ＥＸ２との間の各中央部にそれぞ
れ配置されている。したがって、Ｚ軸方向加速度検出用
電極ＥＺ１〜ＥＺ４は、それぞれ９０度の間隔を隔てて
配置されることになる。Ｚ軸出力電極ＯＺもＸ軸出力電
極ＯＸと同様にほぼ正方形の形状を有しており、第２の
応力発生領域８Ｃの外側にある圧電セラミックス基板７
ａの縁部に位置するようにＸ軸出力電極ＯＸ及びＹ軸出
力電極ＯＹと並んで形成されている。

【００２２】出力電極ＯＸ，ＯＹ，ＯＺが並ぶセラミッ
クス基板７ａの辺と対向する辺に沿う部分には、３つの
アース電極ＯＥ0 …が出力電極ＯＸ，ＯＹ，ＯＺと平行
をなすように並んで形成されている。アース電極ＯＥ0
は、圧電セラミックス基板７ａを貫通するスルーホール
導電部及び接続線（図示せず）を介して対向電極パター
ンＥ0 と接続されている。このようにセンサ素子７に含
まれる出力電極は、ＯＸ，ＯＹ，ＯＺとＯＥ0 …の２つ
のグループに分けられて配置されることになる。なお、
この例では、圧電セラミックス基板７ａの外周縁部に位
置する３つの電極全てをアース電極ＯＥ0 …としたが、
３つの電極の少なくとも１つをアース電極ＯＥ0 とし、
残りの電極を端子を接続するためだけのダミー電極とし
ても構わない。

【００２３】Ｘ軸方向加速度検出用電極ＥＸ１，ＥＸ２
に対応する圧電セラミックス基板７ａの各部分には、重
錘３にＺ軸方向の加速度が作用して各部分に同種類の応
力が発生したときに重錘対向領域８Ａの一方の側に位置
する加速度検出用電極ＥＸ１と他方の側に位置する加速
度検出用電極ＥＸ２とにそれぞれ逆極性の自発分極電荷
が現れるように分極処理が施されている。この例では、
Ｘ軸方向加速度検出用電極ＥＸ１，ＥＸ２に対応する圧
電セラミックス基板７ａの各部分に引っ張り応力が発生
したときに、一方のＸ軸方向加速度検出用電極ＥＸ１に
マイナスの自発分極電荷が現れ、他方のＸ軸方向加速度
検出用電極ＥＸ２にプラスの自発分極電荷が現れるよう
に分極処理が施されている。

【００２４】また、Ｙ軸方向加速度検出用電極ＥＹ１，
ＥＹ２に対応する圧電セラミックス基板７ａの各部分も
Ｘ軸方向加速度検出用電極ＥＸ１，ＥＸ２に対応する圧
電セラミックス基板７ａの各部分と同様に、重錘３にＺ
軸方向の加速度が作用して各部分に同種類の応力が発生
したときに重錘対向領域８Ａの一方の側に位置するＹ軸
方向加速度検出用電極ＥＹ１と他方の側に位置するＹ軸
方向加速度検出用電極ＥＹ２とにそれぞれ逆極性の自発
分極電荷が現れるように分極処理が施されている。この
例では、Ｙ軸方向加速度検出用電極ＥＹ１，ＥＹ２に対
応する圧電セラミックス基板７ａの各部分に引っ張り応
力が発生したときに、一方のＹ軸方向加速度検出用電極
ＥＹ１にマイナスの自発分極電荷が現れ、他方のＹ軸方
向加速度検出用電極ＥＹ２にプラスの自発分極電荷が現
れるように分極処理が施されている。

【００２５】また、Ｚ軸方向加速度検出用電極ＥＺ１〜
ＥＺ４に対応する圧電セラミックス基板７ａの各部分
は、重錘３にＺ軸方向の加速度が作用して各部分に同種
類の応力が発生したときにすべてのＺ軸方向加速度検出
用電極ＥＺ１〜ＥＺ４に同じ極性の自発分極電荷が現れ
るように分極処理が施されている。この例では、Ｚ軸方
向加速度検出用電極ＥＺ１〜ＥＺ４に対応する圧電セラ
ミックス基板７ａの部分に引っ張り応力が生じた際にＺ
軸方向加速度検出用電極ＥＺ１〜ＥＺ４にプラスの自発
分極電荷が現れるように分極処理が施されている。

【００２６】本実施例では、加速度検出用電極ＥＸ１〜
ＥＺ４及び対向電極パターンＥ0をガラス−銀ペースト
を用いてスクリーン印刷した後にこれを焼成して５μｍ
の厚みに形成した後に、対向する各電極間に直流電圧を
印加することにより圧電セラミックス基板７ａに分極処
理を行った。そして、接続線Ｌ１〜Ｌ９を銀ペーストに
よりスクリーン印刷して加速度検出用電極パターンＥ1
を形成した。

【００２７】次に本例の三軸加速度センサと比較例の三
軸加速度センサとを作成して各種の試験を行った。比較
例の三軸加速度センサの対向電極パターンＥ01は、図４
に示すように、外径５．９ｍｍ、内径１．６ｍｍの環状
形状を有しており、円環状の加速度検出用電極ＥＸ１…
の電極群と対向する形状に形成されている。そして、対
向電極パターンＥ01及び圧電セラミックス基板７ａとダ
イアフラム１とは厚み２０μｍのエポキシ樹脂の接着剤
層を介して接合されており、エポキシ樹脂系の接着剤層
の中に樹脂銀からなる導電接続部を配置していて、対向
電極パターンの一部とダイアフラムの一部とを接続し
て、両者の電気的接続を図っている。そして、その他
は、本例の三軸加速度センサと同じ構造を有している。
これら本例及び比較例の三軸加速度センサを５個ずつ作
成して試験を行った。

【００２８】最初に上記各三軸加速度センサにＸ軸方
向、Ｙ軸方向、Ｚ軸方向にそれぞれ加速度を作用させ
て、各加速度検出用電極のそれぞれの方向の電極に発生
した同極性の自発分極電荷による電圧の平均値と温度と
の関係を測定した。具体的には、Ｘ軸方向に加速度を作
用させた際の加速度検出用電極ＥＸ１及びＥＸ２に発生
した同極性の自発分極電荷による電圧Ｖx1，Ｖx2の平均
［主軸感度（ｍＶ／Ｇ）：（Ｖx1＋Ｖx2）／２］と温度
との関係と、Ｙ軸方向に加速度を作用させた際の加速度
検出用電極ＥＹ１及びＥＹ２に発生した同極性の自発分
極電荷による電圧Ｖy1，Ｖy2の平均［主軸感度（ｍＶ／
Ｇ）：（Ｖy1＋Ｖy2）／２］と温度との関係と、Ｚ軸方
向に加速度を作用させた際の加速度検出用電極ＥＺ１〜
ＥＺ４に発生した同極性の自発分極電荷による電圧Ｖz1
〜Ｖz4の平均［主軸感度（ｍＶ／Ｇ）：（Ｖz1＋Ｖz2＋
Ｖz3＋Ｖz4）／４］と温度との関係とを調べた。図５〜
図７は、本例の５個の試料の三軸加速度センサにＸ軸方
向、Ｙ軸方向、Ｚ軸方向にそれぞれ加速度を作用させ
て、各加速度検出用電極のそれぞれの電極に発生した同
極性の自発分極電荷による電圧の和と温度との関係を示
している。また、図８〜図１０は、図５〜図７における
主軸感度の曲り率（主軸感度変化率）と温度との関係を
それぞれ示している。図１１〜図１３は、比較例の５個
の試料の三軸加速度センサにＸ軸方向、Ｙ軸方向、Ｚ軸
方向にそれぞれ加速度を作用させて、各加速度検出用電
極のそれぞれの電極に発生した同極性の自発分極電荷に
よる電圧の和と温度との関係を示している。また、図１
４〜図１６は、図１１〜図１３における主軸感度の曲り
率（主軸感度変化率）と温度との関係をそれぞれ示して
いる。

【００２９】図５〜図１６より、対向電極パターンＥ0
とダイアフラム１とを低温半田により接合した本例の加
速度センサ（図５〜図７及び図８〜図１０）は、対向電
極パターンＥ01及び圧電セラミックス基板７ａとダイア
フラム１とをエポキシ樹脂接着剤により接合した比較例
の加速度センサ（図１１〜図１３及び図１４〜図１６）
に比べて温度変化による測定値のバラツキが小さいのが
分る。なお、各図において、本例の加速度センサの感度
が比較例の加速度センサの感度に比べて小さいのは、本
例の加速度センサでは、対向電極パターンＥ0 の加速度
検出用電極ＥＸ１…と対向していない部分において静電
容量が発生し、出力電圧が低下しているためである。

【００３０】図１７は、各材料の線膨張率と温度（−４
０〜９０℃）との関係を示している。本図において、曲
線Ａはセラミックス（圧電セラミックス基板７ａ）の特
性を示しており、曲線Ｂは真鍮（ダイアフラム１）の特
性を示しており、曲線Ｃは錫−鉛−ビスマス−銀合金
（接合金属層４）の特性を示しており、曲線Ｄはエポキ
シ樹脂接着剤の特性を示している。本図より、本例で用
いた錫−鉛−ビスマス−銀合金の温度に対する線膨張率
の変化（曲線Ｃ）は、エポキシ樹脂接着剤（曲線Ｄ）に
比べて小さく、セラミックス（曲線Ａ）及び真鍮（曲線
Ｂ）の変化に近似しているのが分る。

【００３１】なお、本例では三軸加速度センサに本発明
を適用した例を示したが、一軸方向の加速度を検出する
一軸加速度センサ及び直交する二軸の加速度を検出する
二軸加速度センサにも本発明を適用できるのは勿論であ
る。

【００３２】

【発明の効果】本発明の加速度センサの接合金属層の線
膨張係数は、合成樹脂系の接着剤の線膨張係数と比べ
て、ダイアフラム及び圧電セラミック基板のそれぞれの
線膨張係数に近似したものである。このように接合金属
層の線膨張係数と圧電セラミックス基板及びダイアフラ
ムの線膨張係数とが比較的近似していれば、温度の変化
に対する各部材の膨張率及び収縮率がそれぞれ近い値に
なる。そのため、圧電セラミックス基板またはダイアフ
ラムに生じるそりや歪みが小さくなる。また本発明で
は、接合金属層が導電性を有しているため、従来のよう
に樹脂銀からなる導電接続部を設ける必要がない。その
ため、導電接続部と他の各部材との膨張率及び収縮率の
違いにより生じる圧電セラミックス基板またはダイアフ
ラムの局部的なそりや歪みも解消できる。その結果、温
度特性が大幅に改善されて、温度変化による測定精度の
低下を抑制できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態の加速度センサの概略断面
図である。

【図２】（Ａ）は本発明の実施の形態の三軸加速度セン
サに用いる単体ユニットの底面図であり、（Ｂ）は図２
（Ａ）のＢ−Ｂ線断面図である。

【図３】本発明の実施の形態の三軸加速度センサに用い
るセンサ素子の平面図である。

【図４】試験に用いた比較例の三軸加速度センサに用い
る対向電極パターンの平面図である。

【図５】本発明の実施の形態の三軸加速度センサにおい
て、Ｘ軸方向に加速度を作用させた際の加速度検出用電
極ＥＸ１及びＥＸ２に発生した同極性の自発分極電荷に
よる電圧Ｖx1，Ｖx2の平均［主軸感度（ｍＶ／Ｇ）：
（Ｖx1＋Ｖx2）／２］と温度との関係を示す図である。

【図６】本発明の実施の形態の三軸加速度センサにおい
て、Ｙ軸方向に加速度を作用させた際の加速度検出用電
極ＥＹ１及びＥＹ２に発生した同極性の自発分極電荷に
よる電圧Ｖy1，Ｖy2の平均［主軸感度（ｍＶ／Ｇ）：
（Ｖy1＋Ｖy2）／２］と温度との関係を示す図である。

【図７】本発明の実施の形態の三軸加速度センサにおい
て、Ｚ軸方向に加速度を作用させた際の加速度検出用電
極ＥＺ１〜ＥＺ４に発生した同極性の自発分極電荷によ
る電圧Ｖz1〜Ｖz4の平均［主軸感度（ｍＶ／Ｇ）：（Ｖ
z1＋Ｖz2＋Ｖz3＋Ｖz4）／４］と温度との関係を示す図
である。

【図８】図５における主軸感度の曲り率（主軸感度変化
率）と温度との関係を示す図である。

【図９】図６における主軸感度の曲り率（主軸感度変化
率）と温度との関係を示す図である。

【図１０】図７における主軸感度の曲り率（主軸感度変
化率）と温度との関係を示す図である。

【図１１】比較例の三軸加速度センサにおいて、Ｘ軸方
向に加速度を作用させた際の加速度検出用電極ＥＸ１及
びＥＸ２に発生した同極性の自発分極電荷による電圧Ｖ
x1，Ｖx2の平均［主軸感度（ｍＶ／Ｇ）：（Ｖx1＋Ｖx
2）／２］と温度との関係を示す図である。

【図１２】比較例の三軸加速度センサにおいて、Ｙ軸方
向に加速度を作用させた際の加速度検出用電極ＥＹ１及
びＥＹ２に発生した同極性の自発分極電荷による電圧Ｖ
y1，Ｖy2の平均［主軸感度（ｍＶ／Ｇ）：（Ｖy1＋Ｖy
2）／２］と温度との関係を示す図である。

【図１３】比較例の三軸加速度センサにおいて、Ｚ軸方
向に加速度を作用させた際の加速度検出用電極ＥＺ１〜
ＥＺ４に発生した同極性の自発分極電荷による電圧Ｖz1
〜Ｖz4の平均［主軸感度（ｍＶ／Ｇ）：（Ｖz1＋Ｖz2＋
Ｖz3＋Ｖz4）／４］と温度との関係を示す図である。

【図１４】図１１における主軸感度の曲り率（主軸感度
変化率）と温度との関係を示す図である。

【図１５】図１２における主軸感度の曲り率（主軸感度
変化率）と温度との関係を示す図である。

【図１６】図１３における主軸感度の曲り率（主軸感度
変化率）と温度との関係を示す図である。

【図１７】各材料の線膨張率と温度との関係を示してい
る。

【符号の説明】

１ダイアフラム３重錘４接合金属層５ベース７センサ素子７ａ圧電セラミックス基板９絶縁樹脂製ケース１０単体ユニットＥ0 対向電極パターンＥ1 加速度検出用電極パターンＥＸ１，ＥＸ２Ｘ軸方向加速度検出用電極ＥＹ１，ＥＹ２Ｙ軸方向加速度検出用電極ＥＺ１〜ＥＺ４Ｚ軸方向加速度検出用電極

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者毛利尚浩富山県上新川郡大沢野町下大久保3158番地北陸電気工業株式会社内 (72)発明者安藤正人富山県上新川郡大沢野町下大久保3158番地北陸電気工業株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】加速度検出用電極パターンが表面上に形
成され、裏面上に前記加速度検出用電極パターンに対向
する対向電極パターンが形成され、前記加速度検出用電
極パターンと前記対向電極パターンとの間の部分が分極
処理されている圧電セラミックス基板と、表面に前記圧電セラミックス基板の裏面が接合された金
属製のダイアフラムと、前記ダイアフラムの裏面側に突出するように前記ダイア
フラムに対して固定された重錘とを具備してなる加速度
センサであって、前記対向電極パターンが半田付け可能な材料により形成
されており、前記対向電極パターンと前記ダイアフラムとの間に前記
圧電セラミックス基板の分極を壊さない温度で溶融する
合金からなる接合金属層が形成されて前記圧電セラミッ
クス基板と前記ダイアフラムとが接合されていることを
特徴とする加速度センサ。
【請求項２】前記接合金属層は、１８０℃以下で溶融
することを特徴とする請求項１または２に記載の加速度
センサ。
【請求項３】前記ダイアフラムは、真鍮からなり、前
記接合金属層は、錫−鉛−ビスマス−銀合金からなるこ
とを特徴とする請求項１に記載の加速度センサ。
【請求項４】前記錫−鉛−ビスマス−銀合金は、錫４
０〜４８重量％、鉛４０〜４８重量％、ビスマス６〜１
６重量％、銀４重量％以下である請求項３に記載の加速
度センサ。