JP2007101448A - 加速度センサ及び加速度センサの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】正確な加速度を検出することが可能な加速度センサ及び加速度センサの製造方法を提供することを目的とする。
【解決手段】加速度センサＣ１は、圧電素子２と、圧電素子２の表面に形成された第１，第２外部電極４，５と、を備える。圧電素子２は、基板部８と、第１〜第３圧電体層３０，１８，１４と、おもり部１０とを有する。第１圧電体層３０の第１領域３０ａは、圧電素子２の積層方向に対して垂直な方向に分極されている。第２圧電体層１８の第２領域１８ａは、圧電素子２の積層方向に分極されている。第３圧電体層１４の第３領域１４ａは、圧電素子２の積層方向に分極されると共に、第２領域１８ａの分極を打ち消す方向に分極されている。更に、第３領域１４ａは、第２領域１８ａと比べて圧電素子２の積層方向から付与される荷重が小さくなるように構成されている。
【選択図】図２

Description

本発明は、加速度センサ及び加速度センサの製造方法に関する。

従来の加速度センサとして、例えば特許文献１に記載されているように、おもり部と、分極方向が異なる複数の圧電セラミック素子とを備えたものが知られている。このような加速度センサでは、外部からの加速度によっておもり部に慣性力が働く。この慣性力によって、各圧電セラミック素子に荷重が付与される。各圧電セラミック素子は、付与された荷重に応じた電荷を発生する。各圧電セラミック素子が発生した電荷量の合計によって、加速度の大きさが検出されることとなる。
実開平１−１１２４６８号公報

分極された圧電セラミック素子は、パイロ効果により、周囲温度の変化に応じた電荷を発生する。パイロ効果による電荷は、ノイズ成分として、荷重により発生した電荷に加重されてしまう。そのため、上述した加速度センサでは正確な加速度を検出することができないという問題が生じる。

そこで、本発明は、正確な加速度を検出することが可能な加速度センサ及び加速度センサの製造方法を提供することを課題とする。

本発明に係る加速度センサは、圧電素子と、圧電素子の表面に沿って形成された外部電極と、を備える加速度センサであって、圧電素子は、基体部と、第１圧電体層、第２圧電体層、及び第３圧電体層と、第１、第２、及び第３圧電体層それぞれを挟むように積層されて外部電極に接続される内部電極と、を有し、第１〜第３圧電体層及び内部電極は、基体部上に形成されており、第１圧電体層において、当該第１圧電体層を挟む内部電極と重なる第１領域は、圧電素子の積層方向に対して垂直な方向に分極されており、第２圧電体層において、当該第２圧電体層を挟む内部電極と重なる第２領域は、圧電素子の積層方向に分極されており、第３圧電体層において、当該第３圧電体層を挟む内部電極と重なる第３領域は、第２領域の分極を打ち消す方向に分極されており、第３領域に付与される荷重が、第２領域に付与される荷重と比べて小さいことを特徴とする。

本発明の加速度センサは圧電素子を備えており、この圧電素子は第１，第２，第３圧電体層を有している。第１圧電体層において内部電極と重なる第１領域は、第１積層体の圧電活性領域となる。この第１領域は、圧電素子の積層方向に対して垂直な方向に分極されている。第２圧電体層において内部電極と重なる第２領域は、第２積層体の圧電活性領域となる。この第２領域は、圧電素子の積層方向に分極されている。したがって、おもり部に慣性力が働くと、第１領域及び第２領域には荷重が付与されることとなる。第１領域及び第２領域は、付与された荷重の分極方向成分に応じた電荷を、それぞれ内部電極に発生する。

通常、パイロ効果による電荷は、積層方向と垂直な方向に分極された圧電体層よりも、積層方向に分極された圧電体層にて比較的多く発生する。よって、第２領域から発生する電荷には、荷重に応じた電荷だけでなく、パイロ効果による電荷が含まれる場合がある。

第３圧電体層において内部電極と重なる第３領域は、第３積層体の圧電活性領域となる。この第３領域は第２領域と同様、圧電素子の積層方向に分極されている。さらに、第３領域に付与される荷重は、第２領域に付与される荷重と比べて小さくなっているため、第３領域は、荷重による電荷ではなく、主にパイロ効果による電荷を発生することとなる。第３領域は、第２領域の分極を打ち消す方向に分極されているため、第２領域から発生した電荷のうち、パイロ効果による電荷分をキャンセルすることができる。その結果、外部電極からは、ノイズ成分が除去された電荷を出力することができる。よって、正確な加速度を検出することが可能となる。

また、第３領域は、第２領域と同一の静電容量を有することが好ましい。この場合、第２領域及び第３領域それぞれが発生する、パイロ効果による電荷は同等の値となる。よって、第２領域から発生する電荷のうち、パイロ効果による電荷の分をより確実にキャンセルすることが可能となるため、より正確な加速度を検出することができる。

また、第３領域と内部電極との接触面積は、第２領域と内部電極との接触面積よりも小さいことが好ましい。この場合、第３領域では、付与される荷重が確実に小さくなる。そのため、第３領域からは、パイロ効果による電荷のみをより確実に発生させることができる。その結果、第２領域から発生する電荷から、パイロ効果による電荷分をより確実にキャンセルすることが可能となり、いっそう正確な加速度を検出することができる。

また、圧電素子はおもり部を更に有しており、当該おもり部と基体部との間に第１圧電体層及び第２圧電体層が形成されていることが好ましい。この場合、おもり部に慣性力が働くため、第１圧電体層及び第２圧電体層に対して確実に荷重を付与することができる。したがって、加速度を精度よく検出することができる。

また、圧電素子の積層方向に対して垂直な方向から見て、第２圧電体層は、第３圧電体層よりも基体部側に位置していることが好ましい。この場合、第２圧電体層には、第３圧電体層から荷重が付与されることとなる。よって、第２圧電体層に付与される荷重と第３圧電体層に付与される荷重とを比べたとき、第３圧電体層に付与される荷重のほうが確実に小さくなる。

また、圧電素子の積層方向から見て、第２圧電体層及び第３圧電体層は、第１圧電体層よりも基体部側に位置していることが好ましい。

加速度センサは、回路基板に半田付けされることによって、回路基板と電気的及び機械的に接続される。このとき、加速度センサの基体部と回路基板とは対向し、外部電極と回路基板とにわたって半田フィレットが形成される。加速度センサは、この半田フィレットによって、特に積層方向に対して垂直な方向への動きが制限されてしまうことがある。積層方向に対して垂直な方向への動きが制限されると、第１圧電体層から発生する電荷が、加速度による荷重を正確に反映したものではなくなってしまう。本発明の圧電素子では、第１圧電体層が、第２圧電体層及び第３圧電体層よりも基体部から離れている。このように基板部から比較的離れた位置にある第１圧電体層は、半田フィレットによる動きの制限を受けにくい。動きの制限が少ない第１圧電体層は、加速度による荷重を正確に反映した電荷を発生することができる。よって、より正確な加速度を検出することが可能となる。

また、圧電素子の積層方向から見て、第１圧電体層の大きさが基体部の大きさよりも小さいことが好ましい。この場合、圧電素子は、第１圧電体層の部分が内側に凹んだ外形を呈することとなる。外部電極は圧電素子の表面に沿って形成されるため、かかる外部電極もまた内側に凹んだ外形を呈することとなる。このように内側に凹んだ部分には、半田フィレットが形成されにくい。よって第１圧電体層は、半田フィレットによる動きの制限を更に受けにくくなる。

また、圧電素子の積層方向から見て、第２圧電体層及び第３圧電体層の大きさが基体部の大きさよりも小さいことが好ましい。第２圧電体層及び第３圧電体層が基体部よりも小さいので、圧電素子は、第２圧電体層及び第３圧電体層の部分が内側に凹んだ外形を呈することとなる。これにより、外部電極もまた内側に凹んだ外形を呈することとなる。このように内側に凹んだ部分には半田フィレットが形成されにくい。よって、第２圧電体層及び第３圧電体層の上に第１圧電体層が位置する場合、かかる第１圧電体層は半田フィレットによる動作の制限をいっそう受けにくくなる。

圧電素子と、圧電素子の表面に沿って形成された外部電極と、を備える加速度センサの製造方法であって、基体部と、層の厚み方向に分極された第２圧電体層及び第３圧電体層と、基体部、第２圧電体層、及び第３圧電体層それぞれの間に積層された内部電極と、を有する第１部材を形成する第１工程と、層が延びる方向に分極された第１圧電体層と、第１圧電体層を挟むように位置する一対の内部電極と、を有する第２部材を形成する第２工程と、第１部材、第２部材、及びおもり部を積層して圧電素子を形成する第３工程と、圧電素子の表面に、第１圧電体の内部電極及び第２圧電体の内部電極と接続される外部電極を形成する第４工程と、を有し、第１工程では、第２圧電体層と第３圧電体層との間に積層された内部電極から見て第２圧電体層の分極方向と第３圧電体層の分極方向とが互いに逆となるよう、第２圧電体層及び第３圧電体層を配置し、第３圧電体層と当該第３圧電体層を挟む内部電極との接触面積が、第２圧電体層と当該第２圧電体層を挟む内部電極との接触面積に比べて小さくなるよう内部電極を配置する、ことを特徴とする。

このように、第２圧電体層と第３圧電体層とを一体成形した第１部材を用いることにより、加速度センサの製造に係る工程及びコストを削減することができる。また、第２圧電体層と第３圧電体層との間の内部電極から見て、第２圧電体層の分極方向と第３圧電体層の分極方向とが互いに逆となっている。よって、第３圧電体層の分極方向は、第２圧電体層の分極を打ち消す方向となる。そのため、第２圧電体層から発生した電荷から、パイロ効果による電荷分をキャンセルすることが可能となる。

本発明によれば、正確な加速度を検出することが可能な加速度センサ及び加速度センサの製造方法を提供することができる。

以下、添付図面を参照して、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、説明において、同一要素又は同一機能を有する要素には、同一符号を用いることとし、重複する説明は省略する。

（第１実施形態）
まず、図１〜図４に基づいて、第１実施形態に係る加速度センサＣ１の構成を説明する。図１は第１実施形態に係る加速度センサを示す斜視図である。図２は第１実施形態に係る加速度センサに含まれる圧電素子を示す分解斜視図である。

図１に示されるように、加速度センサＣ１は、圧電素子２と、圧電素子２の表面に沿って形成された１対の電極である第１外部電極４及び第２外部電極５と、を備えている。加速度センサＣ１は回路基板５０に搭載される。本実施形態では、回路基板５０は水平、すなわち重力の方向に対して略垂直に設置される。加速度センサＣ１の第１，第２外部電極４，５は、回路基板５０に形成された配線（図示せず）を介して、検出回路５４と接続される。図３は、検出回路５４の回路構成を示す図である。図３に示されるように、検出回路５４はチャージアンプとして機能し、加速度センサＣ１から出力された電荷を電圧に変換した後、外部回路に出力する。

圧電素子２は、直方体を呈している。図２に示されるように、圧電素子２は、基体部８、おもり部１０、第１内部電極１２、第３圧電体層１４、第２内部電極１６、第２圧電体層１８、第３内部電極２０、第４内部電極２２、第５内部電極２４、一対の第１分極用電極２６、一対の第２分極用電極２８、及び第１圧電体層３０を備えている。本実施形態において、圧電素子２は、基体部８が回路基板５０と対向するように、当該回路基板５０上に設置される。基体部８上には、おもり部１０、第１〜第３圧電体層３０，１８，１４、第１〜第５内部電極１２，１６，２０，２２，２４、一対の第１分極用電極２６、及び一対の第２分極用電極２８が形成されている。圧電素子２の積層方向から見て、第１圧電体層３０は第２圧電体層１８及び第３圧電体層１４の上に積層されており、第１圧電体層３０の上にはおもり部１０が配置されている。

圧電素子２は、第１部材６、第２部材７、及びおもり部１０といった３つのパーツにより構成される。第１部材６は、基体部８、第１内部電極１２、第３圧電体層１４、第２内部電極１６、第２圧電体層１８、及び第３内部電極２０により構成される。第２部材７は、第４内部電極２２、第５内部電極２４、一対の第１分極用電極２６、一対の第２分極用電極２８、及び第１圧電体層３０により構成される。第２部材７は、第１部材６の上に配されている。おもり部１０は、第２部材７の上に配されている。

基体部８は、例えばＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）を主成分とするセラミック材料で形成されている。基体部８上には、第３圧電体層１４及び第２圧電体層１８が形成されている。基体部８を上述したセラミック材料で形成することにより、かかる基体部８をセラミック材料で形成される第３圧電体層１４及び第２圧電体層１８と一体化することが容易となる。

第１内部電極１２、第２内部電極１６、及び第３内部電極２０は、例えばＡｇ、Ｐｄを主成分とする導電材料で形成されている。第１〜第３内部電極１２，１６，２０は、略平行に積層されており、第１内部電極１２と第２内部電極１６とで第３圧電体層１４を挟み、第２内部電極１６と第３内部電極２０とで第２圧電体層１８を挟むように配置されている。第２内部電極１６は、第１外部電極４が形成される圧電素子２の側面に露出するように設けられている。第１，第３内部電極１２，２０は、第２外部電極５が形成される圧電素子２の側面に露出するように設けられている。

基体部８上には、第１内部電極１２を介して第３圧電体層１４が形成されている。第３圧電体層１４は、例えばＰＺＴを主成分とするセラミック材料で形成されている。第３圧電体層１４は、第１内部電極１２と第２内部電極１６とに重なる第３領域１４ａを有している。この第３領域１４ａは、第３圧電体層１４の圧電活性領域として機能する。

第３圧電体層１４上には、第２内部電極１６を介して第２圧電体層１８が形成されている。第２圧電体層１８は、例えばＰＺＴを主成分とするセラミック材料で形成されている。第２圧電体層１８は、第２内部電極１６と第３内部電極２０とに重なる第２領域１８ａを有している。この第２領域１８ａは、第２圧電体層１８の圧電活性領域として機能する。

第２圧電体層１８及び第３圧電体層１４は、共に分極されている。したがって、第３領域１４ａ及び第２領域１８ａも分極されることとなる。第２圧電体層１８及び第３圧電体層１４の分極方向は共に、圧電素子２の積層方向であり、且つ、基板部８からおもり部１０に向かう方向、すなわち矢印Ａ方向となっている。第２圧電体層１８及び第３圧電体層１４をこの方向に分極した場合、第３領域１４ａの分極方向と、第２領域１８ａの分極方向とは、第２圧電体層１８と第３圧電体層１４との間に位置する第２内部電極１６から見た場合、互いに逆となる。すなわち、第３領域１４ａは、第２領域１８ａの分極を打ち消す方向に分極されることとなる。

第３領域１４ａと第１，第２内部電極１２，１６との接触面積は、第２領域１８ａと第２，第３内部電極１６，２０との接触面積と比べて小さくなっている。このような接触面積とすることにより、第３領域１４ａに付与される荷重を、第２領域１８ａに付与される荷重と比べて、小さくすることができる。また、第３圧電体層１４の厚さは、第２圧電体層１８の厚さと比べて薄くなっている。第３圧電体層１４の厚さを薄くすることで、第３領域１４ａの静電容量と第２領域１８ａの静電容量とを同一にしている。

上述した構成を有する第１部材６上には、第２部材７が積層されている。第１部材６と第２部材７とは、エポキシ樹脂系接着剤により接合されている。第２部材７は、第４内部電極２２、第５内部電極２４、一対の第１分極用電極２６、一対の第２分極用電極２８、及び第１圧電体層３０を有している。

第４内部電極２２及び第５内部電極２４は、第１圧電体層３０を挟むように、略平行に形成されている。第４内部電極２２は、第２外部電極５が形成される圧電素子２の側面に露出するように設けられている。また、第４内部電極２２は、第１部材６の第３内部電極２０と重なるように設けられている。第５内部電極２４は、第１外部電極４が形成される圧電素子２の側面に露出するように設けられている。第４，第５内部電極２２，２４は、例えばＣｕを主成分とする薄膜から成っている。

第１圧電体層３０は、第２，第３圧電体層１８，１４と同様に、例えばＰＺＴを主成分とするセラミック材料で形成されている。第１圧電体層３０は、圧電素子２の積層方向に対して垂直な方向、すなわち矢印Ｃ方向に分極されている。第１圧電体層３０は、第４内部電極２２と第５内部電極２４とに重なる第１領域３０ａを有しており、この第１領域３０ａは、第１圧電体層３０の圧電活性領域として機能する。

第１圧電体層３０の一端には、第１圧電体層３０を両主面側から挟んで対向するように、一対の第１分極用電極２６が形成されている。第１圧電体層３０の他端には、第１圧電体層３０を挟んで対向するように、一対の第２分極用電極２８が形成されている。第１，第２分極用電極２６，２８は、例えばＣｕあるいはＡｇを主成分とする薄膜から成っている。第１，第２分極用電極２６，２８を、例えばＡｇを主成分とするペーストを用いて形成した場合には、第１圧電体層３０を分極した後、洗浄により第１，第２分極用電極２６，２８を除去することが可能となる。

上述した構成を有する第２部材７上には、おもり部１０が配されている。おもり部１０と第２部材７とは、エポキシ樹脂系接着剤により接合されている。おもり部１０は、基体部８と同様に、例えばＰＺＴを主成分とするセラミック材料で形成されている。おもり部１０をこのようなセラミック材料で形成することにより、同じくセラミック材料で形成されている第２部材７と接合することが容易となる。おもり部１０は、第１部材６及び第２部材７に荷重を付加するのに十分な質量を有している。おもり部１０を備えることにより、おもり部１０と基体部８との間に形成された第１圧電体層３０及び第２圧電体層１８に対して、確実に荷重を付与することができる。

第１外部電極４及び第２外部電極５は、圧電素子２の両側面を覆うように設けられている。第１外部電極４は、第２，第５内部電極１６，２４に接続されている。第２外部電極５は、第１，第３，第４内部電極１２，２０，２２に接続されている。第１，第２外部電極４，５は、第１〜第５内部電極１２，１６，２０，２２，２４を構成しているＡｇ等の金属と電気的に良好に接続できる金属材料からなるものであると好ましい。

第１，第２外部電極４，５の表面には、当該第１，第２外部電極４，５を覆うように、Ｎｉめっき層（図示省略）及びＳｎめっき層（図示省略）等が順に形成されている。これらのめっき層は、主として加速度センサＣ１と回路基板とを半田付けする際の、はんだ耐熱性やはんだ濡れ性を向上することを目的として形成されるものである。なお、第１，第２外部電極４，５の表面に形成させるめっき層は、はんだ耐熱性やはんだ濡れ性を向上する目的が達成される限り、必ずしも上述した材料の組み合わせに限定されない。

続いて、図４〜１０を参照して、上述した構成を有する加速度センサＣ１の製造方法について説明する。図４及び図５は、本実施形態に係る加速度センサの製造方法を説明するためのフロー図である。

まず、セラミックグリーンシートＳ１を作製する（ステップＳ１００）。セラミックグリーンシートＳ１を作製するにあたって、例えばＰＺＴを主成分としたセラミック粉体に有機バインダ樹脂及び有機溶剤等を混合したペーストを作製する。そして、例えばドクターブレード法によって、上記ペーストをキャリアフィルム（図示せず）上に塗布することにより、セラミックグリーンシートＳ１（以下、グリーンシートＳ１という）を複数枚作製する。ここで作製されるグリーンシートＳ１は、焼成後の厚さが例えば０．０５ｍｍとなるものである。

次に、得られたグリーンシートＳ１を用いて、おもり部１０を形成する。より具体的には、おもり部１０となる第１積層体Ｇ１を作製する（ステップＳ１０１）。第１積層体Ｇ１を作製するにあたって、図６に示されるように、グリーンシートＳ１を所定の枚数だけ積層する（図４、ステップＳ１０２）。積層したグリーンシートＳ１を、６０℃程度で加熱しながら１００ＭＰａ程度の圧力で積層方向にプレス加工する。プレス加工の後、４００℃、１０時間程度の加熱処理を実施して脱バインダを行う。脱バインダ後、９５０℃で２時間程度の焼成を行う（ステップＳ１０３）。これらの工程によって、第１積層体Ｇ１が得られる。

次に、グリーンシートＳ１を用いて第１部材６を形成する。より具体的には、第１部材６となる第２積層体Ｇ２を形成する（ステップＳ１０４）。第２積層体Ｇ２を形成するにあたって、例えばＡｇ：Ｐｄ＝８５：１５の比率で構成された導電材料に有機バインダ樹脂及び有機溶剤等を混合したペーストを作製する。そして、そのペーストをスクリーン印刷することにより、上記の第１内部電極１２に相当する電極パターンＥ１、第２内部電極１６に相当する電極パターンＥ２、及び第３内部電極２０に相当する電極パターンＥ３を、別々のグリーンシートＳ１の上面に形成する（ステップＳ１０５）。

続いて、グリーンシートＳ１を積層する（図４、ステップＳ１０６）。より具体的には、図７に示されるように、まず、電極パターンが印刷されていない３枚のグリーンシートＳ１と、電極パターンＥ１が印刷されたグリーンシートＳ１とを順次積層する。これらのグリーンシートＳ１は、第１部材６の基体部８となる。その上に、電極パターンＥ２が印刷されたグリーンシートＳ１を積層する。このグリーンシートＳ１は、第１部材６の第３圧電体層１４となる。更にその上に、電極パターンが印刷されていない１枚のグリーンシートＳ１と、電極パターンＥ３が印刷されたグリーンシートＳ１とを順次積層する。これらのグリーンシートＳ１は、第１部材６の第２圧電体層１８となる。なお、電極パターンが印刷されていないグリーンシートＳ１の使用枚数は、上述したものに限られない。

グリーンシートＳ１をこのように積層したものを、６０℃程度で加熱しながら１００ＭＰａ程度の圧力で積層方向にプレス加工する。プレス加工の後、４００℃、１０時間程度の加熱処理を実施して脱バインダを行う。脱バインダ後、９５０℃で２時間程度の焼成を行う（図４、ステップＳ１０７）。

焼成後、分極処理を行って（ステップＳ１０８）第２積層体Ｇ２を得る。より具体的には、電極パターンＥ２と電極パターンＥ３との間、及び電極パターンＥ２と電極パターンＥ１との間に所定の電圧を印加する。これにより、第２圧電体層１８となる層、及び第３圧電体層１４となる層は共に、積層方向に分極される。第２圧電体層１８となる層の分極方向と、第３圧電体層１４となる層の分極方向とは、第２圧電体層１８となる層と第３圧電体層１４となる層との間に位置する電極パターンＥ２から見た場合、互いに逆となっている。

次に、グリーンシートＳ１を用いて、第２部材７を形成する。より具体的には、第２部材７となる第３積層体Ｇ３を形成する（ステップＳ１０９）。第３積層体Ｇ３を形成するにあたって、図８（ａ）に示されるように、電極パターンが印刷されていないグリーンシートＳ１を２枚積層する（図４、ステップＳ１１０）。なお、グリーンシートＳ１の使用枚数は、これに限られない。積層したグリーンシートＳ１を、６０℃程度で加熱しながら１００ＭＰａ程度の圧力で積層方向にプレス加工する。プレス加工の後、４００℃で１０時間程度の加熱処理を施して脱バインダを行い、更に９５０℃で２時間程度の焼成を行う（ステップＳ１１１）。これにより、第１圧電体層３０となる焼結基板Ｂ１が得られる。

一方、ＣｕあるいはＡｇを主成分とする導電材料を用意しておく。この導電材料を、図８（ｂ）に示されるように、焼結基板Ｂ１の両主面に対してスパッタする。これにより、上記の第１分極用電極２６に相当する電極パターンＥ４、及び第２分極用電極２８に相当する電極パターンＥ５が交互に形成される（図４、ステップＳ１１２）。そして、形成した電極パターンＥ４と電極パターンＥ５との間に所定の電圧を印加することにより、分極処理を行う（ステップＳ１１３）。これにより、第１圧電体層３０となる焼結基板Ｂ１は、当該焼結基板Ｂ１が延びる方向、すなわち第１圧電体層３０が延びる方向、に分極されることとなる。電極パターンＥ４，Ｅ５を、Ａｇを主成分とする導電材料を用いて形成した場合には、分極後、洗浄により電極パターンＥ４，Ｅ５を除去することができる。

分極後、焼結基板Ｂ１の主面に第４，第５内部電極２２，２４に相当する電極パターンＥ６，Ｅ７を形成する（ステップＳ１１４）。より具体的には、図８（ｃ）及び図９（ａ）に示されるように、焼結基板Ｂ１の一方の主面に、Ｃｕを主成分とする導電材料をスパッタし、第５内部電極２４に相当する電極パターンＥ７を形成する。図９（ｂ）に示されるように、焼結基板Ｂ１の他方の主面にＣｕを主成分とする導電材料をスパッタし、第４内部電極２２に相当する電極パターンＥ６を形成する。これらの工程を経て、第３積層体Ｇ３が得られる。

次に、第１〜第３積層体Ｇ１，Ｇ２，Ｇ３を積層し、積層体Ｌ１を得る（図４、ステップＳ１１５）。より具体的には、図１０（ａ）に示されるように、第１積層体Ｇ１、第３積層体Ｇ３、第２積層体Ｇ２の順で積層し、各積層体の間を、エポキシ樹脂系接着剤を用いて接着する。このとき、図１１に示されるように、第３積層体Ｇ３の電極パターンＥ７がおもり部１０と対向し、第３積層体Ｇ３の電極パターンＥ６が第２積層体Ｇ２の電極パターンＥ３と対向するようにする。接着後、積層体Ｌ１を、例えばダイヤモンドブレードにより所定の寸法に切断する（図５、ステップＳ１１６）。このとき、図１１に示されるように、電極パターンＥ４の中央及び電極パターンＥ５の中央が切断位置となるように切断する。これにより、帯状の積層体Ｌ２が複数得られる。この状態では、帯状の積層体Ｌ２の一方の側面には電極パターンＥ２，Ｅ４，Ｅ７が露出しており、他方の側面には電極パターンＥ１，Ｅ３，Ｅ５，Ｅ６が露出している。

続いて、帯状の積層体Ｌ２の側面に例えばＣｕを主成分とする導電材料をスパッタすることにより、図１０（ｂ）に示されるように、第１外部電極４となる電極パターンＥ８と，第２外部電極５となる電極パターンＥ９とを形成する（図５、ステップＳ１１７）。

スパッタによる成膜後、第１，第２外部電極４，５を覆うようにＮｉ及びＳｎをめっきする（ステップＳ１１８）。そして、メッキが施された積層体Ｌ２を、ダイヤモンドブレードにより切断する。このとき、帯状の積層体Ｌ１の延びる方向に対して垂直な方向に沿って切断する（ステップＳ１１９）。切断後、おもり部１０が上、第１部材６が下となるように向きを変える。以上により、図１に示されるような加速度センサＣ１が完成する。

このように、本第１実施形態に係る加速度センサＣ１は圧電素子２を備えており、この圧電素子２は、第１〜第３圧電体層３０，１８，１４を有している。図１２は、第１〜第５内部電極１２，１６，２０，２２，２４及び第１外部電極４及び第２外部電極５を介した、第１〜第３圧電体層３０，１８，１４の電気的な接続を説明するための図である。図２にも示されるように、矢印Ｃ方向に分極された第１圧電体層３０の第１領域３０ａには、外部から受けた加速度によりおもり部１０に慣性力が働くと、荷重が付与される。第１領域３０ａは、付与された荷重の、矢印Ｃ方向すなわち回路基板５０と平行な方向成分に応じた電荷を、第４，第５内部電極２２，２４に発生する。矢印Ａ方向に分極された第２圧電体層１８の第２領域１８ａには、外部から受けた加速度によりおもり部１０に慣性力が働くと、荷重が付与される。第２領域１８ａは、付与された荷重の、矢印Ａ方向すなわち回路基板５０に対して垂直な方向成分に応じた電荷を、第２，第３内部電極１６，２０に発生する。

回路基板５０に対して垂直な方向に分極された第２領域１８ａは、荷重に応じた電荷のほかに、パイロ効果によって周囲温度の変化に応じた電荷を発生する場合がある。第２領域１８ａと第３圧電体層１４の第３領域１４ａとは、図２に示されるように、第２内部電極１６から見た場合、分極方向が互いに逆になっている。したがって、図１２に示されるように、第３領域１４ａと第２領域１８ａとは、互いに発生した電荷を打ち消しあう関係となる。

第３領域１４ａと第１，第２内部電極１２，１６との接触面積は、第２領域１８ａと第２，第３内部電極１６，２０との接触面積よりも、小さくなっている。そのため、第３領域１４ａに付与される荷重は、第２領域１８ａに付与される荷重よりも小さくなる。これにより、第３領域１４ａは、荷重による電荷ではなく主にパイロ効果による電荷を発生することとなる。第３圧電体層１４の厚さを第２圧電体層１８の厚さと比べて薄くすることにより、第３領域１４ａの静電容量と第２領域１８ａの静電容量とを同一にしている。静電容量が同一であるため、第２領域１８ａ及び第３領域１４ａそれぞれが発生する、パイロ効果による電荷は同等の値となる。よって、第２領域１８ａから発生した電荷のうち、パイロ効果による電荷分を、第３領域１４ａによって確実にキャンセルさせることができる。その結果、第１〜第５内部電極１２，１６，２０，２２，２４に接続された第１，第２外部電極４，５から、ノイズ成分が除去された電荷を出力することができるため、正確な加速度を検出することが可能となる。第１，第２外部電極４，５から出力された電荷は、図３に示されるように、検出回路５４により電荷電圧変換された後、外部回路に出力される。

また、本第１実施形態に係る加速度センサＣ１では、圧電素子２はおもり部１０を有している。おもり部１０と基体部８との間には、第２圧電体層１８を有する第１部材６と第１圧電体層３０を有する第２部材７とが形成されている。この場合、おもり部１０に慣性力が働くので、第１圧電体層３０及び第２圧電体層１８に対して確実に荷重を付与することができる。したがって、加速度を精度よく検出することができる。

また、本第１実施形態に係る加速度センサＣ１では、図２に示されるように、第１部材６に含まれる第２圧電体層１８及び第３圧電体層１４は、第２部材７に含まれる第１圧電体層３０よりも基体部１０側に位置している。すなわち、第１圧電体層３０は、第２圧電体層１８及び第３圧電体層１４と比べておもり部１０側に位置することとなる。図１に示されるように、加速度センサＣ１を回路基板５０に搭載する際、加速度センサＣ１の第１，第２外部電極４，５と回路基板との間に半田フィレット５２が形成されるが、上述した位置にある第１圧電体層３０は半田フィレット５２の形成位置から離れているため、撓みや歪みを半田フィレット５２により制限されることが少ない。その結果、第１圧電体層３０は、付与される荷重の矢印Ｃ方向成分を正確に反映した電荷を発生することが可能となる。よって、より正確な加速度を検出することができる。

（第２実施形態）
次に、第２実施形態に係る加速度センサＣ２について説明する。図１３は、第２実施形態に係る加速度センサを示す側面図である。

第２実施形態に係る加速度センサＣ２は、積層方向に沿った２つの対向する側面、すなわち側面４０、が段差形状を呈する点で、第１実施形態に係る加速度センサＣ１と相違する。第２実施形態に係る加速度センサＣ２は、圧電素子２と、圧電素子２の表面に形成された１対の電極である第１外部電極４及び第２外部電極５とを備えている。

圧電素子２の構成要素は、第１実施形態に係る加速度センサＣ１の構成要素と同一である。ただし、本実施形態の加速度センサＣ２では、圧電素子２の積層方向から見て、第１圧電体層３０及びおもり部１０の大きさが基体部８の大きさよりも小さくなっている。また、圧電素子２の積層方向から見て、第２圧電体層１８の一方の主面は第１圧電体層３０及びおもり部１０と同一の大きさを有しており、第２圧電体層１８の他方の主面は第３圧電体層１４及び基体部８と同一の大きさを有している。このような大きさの基体部８、第１〜第３圧電体層３０，１８，１４、及びおもり部１０を備える圧電素子２の側面は、上部が内側に凹んだ段差形状を呈している。第１外部電極４及び第２外部電極５は、圧電素子２の側面に沿うように形成されている。

次に、図１４を参照して、上述した形状を有する加速度センサＣ２の製造方法について説明する。

おもり部１０となる第１積層体Ｇ１と、第１部材６となる第２積層体Ｇ２と、第２部材７となる第３積層体Ｇ３を形成する。これらの形成方法は、本実施形態の加速度センサＣ２における第１〜３積層体Ｇ１〜Ｇ３の形成方法と同様である。形成した第１〜３積層体Ｇ１〜Ｇ３を、図１４（ａ）に示されるように、第２積層体Ｇ２、第３積層体Ｇ３、第１積層体Ｇ１の順で積層し、積層体Ｌ３を得る。第２積層体Ｇ２、第３積層体Ｇ３、第１積層体Ｇ１は、エポキシ樹脂系接着剤によってそれぞれ接着される。

次に、積層体Ｌ３を、例えばダイヤモンドブレードにより所定の寸法に切断する。切断するにあたって、刃幅の異なる２つのブレードを用意する。まず、刃幅が大きい第１のブレードによって、図１４（ｂ）に示されるように、所定の深さの溝４２を形成する。所定の深さとは、第１積層体Ｇ１の上面から第２積層体Ｇ２の上部にまで到達する程度の深さである。形成される溝４２の幅は、第１のブレードの幅と同一となる。次に、溝４２の内側に刃幅の小さい第２のブレードを進入させ、積層体Ｌ２を切断する。ダイシング幅（切断しろ）４４は、第２のブレードの幅と同一であるため、溝４２よりも狭くなる。したがって、切断により得られる略帯状の積層体Ｌ４は、側面に段差を有するものとなる。

得られた略帯状の積層体Ｌ４の側面にＣｕを主成分とする導電材料をスパッタすることにより、第１外部電極４となる電極パターンと，第２外部電極５となる電極パターンとを形成する。スパッタ後、第１，第２外部電極４，５を覆うようにＮｉ及びＳｎをめっきする。そして、メッキが施された積層体Ｌ４を、ダイヤモンドブレードにより積層体の延びる方向に対して垂直な方向に沿って切断する。以上により、図１３に示されるような加速度センサＣ２が完成する。

このように、本第２実施形態に係る加速度センサＣ２では、圧電素子２の積層方向から見て、第１圧電体層３０とおもり部１０との大きさが基体部８の大きさよりも小さくなっている。そのため、加速度センサＣ２の側面４０は、上部が内側に凹んだ段差形状となっている。このような側面４０を有する加速度センサＣ２を回路基板５０上に半田付けする際には、半田フィレット５２は内側に凹んだ部分よりも下部、すなわち第１圧電体層３０よりも基体部８側に形成されるか、もしくは凹んだ部分にまで到達しても薄く形成されることとなる。よって、第１圧電体層３０は、半田フィレット５２による動きの制限をより受けにくくなる。その結果、より正確な加速度を検出することが可能となる。

以上、本発明の好適な実施形態について詳細に説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。

例えば、上記第２実施形態では、圧電素子２の積層方向から見たときの第１圧電体層３０の大きさを基体部８よりも小さくするとしたが、第１圧電体層３０だけでなく、第２圧電体層１８及び第３圧電体層１４の大きさも基体部８より小さくする、としてもよい。この場合、圧電素子２の側面は、第１〜第３圧電体層３０，１８，１４及びおもり部１０の部分が内側に凹んだ段差形状を呈することとなる。これにより、外部電極もまた第１〜第３圧電体層３０，１８，１４及びおもり部１０に対応する部分が内側に凹んだ段差形状を呈することとなる。よって、第２圧電体層１８及び第３圧電体層１４の上に形成されている第１圧電体層３０は、半田フィレットによる動作の制限をいっそう受けにくくなる。

また、上記第１実施形態では、第２圧電体層１８及び第３圧電体層１４は、圧電素子２の積層方向であり、且つ、基板部８からおもり部１０に向かう方向、すなわち矢印Ａ方向に分極されている、とした。これを、第２圧電体層１８及び第３圧電体層１４は、圧電素子２の積層方向であり、且つ、おもり部１０から基板部８に向かう方向に分極されている、としてもよい。

また、上記第１，２実施形態では、圧電素子２は基体部８、第３圧電体層１４、第２圧電体層１８、第１圧電体層３０、及びおもり部１０が順次積層されたものである、としたが、各層及び各部の積層順はこれに限られない。ただし、第２圧電体層１８及び第１圧電体層３０は、基体部８とおもり部１０との間に位置するものとする。したがって、例えば、図１５に示されるように、おもり部１０の上に第３圧電体層１４を配するとしてもよい。この場合、他の層と比べて第３圧電体層１４に付与される荷重が小さくなる。そのため、第３圧電体層１４は、パイロ効果による電荷をより確実に発生させることができる。したがって、第２圧電体層１８から発生した電荷から、パイロ効果による電荷分をより確実にキャンセルすることができる。よって、ノイズ成分が除去された電荷をより正確に出力することができる。

また、上記実施形態では、第３圧電体層１４の第３領域１４ａと内部電極との接触面積を、第１圧電体層１８の第１領域１８ａと内部電極との接触面積と比べて小さくする、とした。上述したようにおもり部１０上に第３圧電体層１４を配する場合には、他の層から付与される荷重を考慮する必要がなくなる。よって、この場合には、第３領域１４ａと内部電極との接触面積は、第１領域１８ａと内部電極との接触面積より小さくなくてもよい。

また、上記実施形態では、第２圧電体層１８は、第３圧電体層１４上に形成されるとした。これを、第２圧電体層１８は、第３圧電体層１４よりも基体部８側に形成される、としてもよい。この場合、第２圧電体層１８の上に第３圧電体層１４が配されることとなるため、第２圧電体層１８に付与される荷重は、第３圧電体層１４に付与される荷重と比べて大きくなる。よって、第３圧電体層１４に付与される荷重を、第２圧電体層１８に付与される荷重と比べて確実に小さくすることができる。よって、第３圧電体層１４は第２圧電体層１８と比べて、荷重による電荷ではなく、主にパイロ効果による電荷を発生することとなる。その結果、第２圧電体層１８で発生した電荷から、パイロ効果による電荷分をより確実に打ち消すことができる。

また、上記実施形態では、基体部８、第２圧電体層１８、及び第３圧電体層１４を一体成形しているが、これらを別々に成形した後に接着剤その他の適当な手段を用いて互いに結合するとしてもよい。

また、上記実施形態では、基体部８及びおもり部１０をグリーンシートにより作製するとしたが、例えば成形型等を用いて作製するとしてもよい。また、上記実施形態では、基体部８及びおもり部１０は、ＰＺＴを主成分とするセラミック材料で形成されるとしたが、基体部８及びおもり部１０を形成する材料はこれに限られない。基体部８及びおもり部１０を、第１〜第３圧電体層３０，１８，１４と比べて高い硬度を有する材料で形成した場合には、外力に対する圧電素子２の強度を高めることができる。

また、第１〜第３圧電体層３０，１８，１４、第１〜第５内部電極１２，１６，２０，２２，２４、及び第１，第２外部電極４，５に用いられる材料は、上述したものに限られない。

第１実施形態に係る加速度センサを示す斜視図である。 第１実施形態に係る加速度センサに含まれる圧電素子を示す分解斜視図である。 第１実施形態に係る加速度センサと接続される検出回路の回路構成を示す図である。 第１実施形態に係る加速度センサの製造方法を説明するためのフロー図である。 第１実施形態に係る加速度センサの製造方法を説明するためのフロー図である。 重り部となる第１積層体を製造する工程を示す斜視図である。 第１部材となる第２積層体を製造する工程を示す斜視図である。 第２部材となる第３積層体を製造する工程を示す斜視図である。 第３積層体の平面図である。 圧電素子を製造する工程を示す斜視図である。 第１〜第３積層体を積層したものを示す側面図である。 第１〜第３圧電体層の電気的な接続を説明するための図である。 第２実施形態に係る加速度センサを示す側面図である。 圧電素子を製造する工程を示す斜視図である。 加速度センサの変形例を示す側面図である。

符号の説明

Ｃ１，Ｃ２・・・加速度センサ、２・・・圧電素子、４・・・第１外部電極、５・・・第２外部電極、６・・・第１部材、７・・・第２部材、８・・・基体部、１０・・・おもり部、１２・・・第１内部電極、１４・・・第３圧電体層、１４ａ・・・第３領域、１６・・・第２内部電極、１８・・・第２圧電体層、１８ａ・・・第２領域、２０・・・第３内部電極、２２・・・第４内部電極、２４・・・第５内部電極、２６・・・第１分極用電極、２８・・・第２分極用電極、３０・・・第１圧電体層、３０ａ・・・第１領域。

Claims (9)

1. 圧電素子と、前記圧電素子の表面に沿って形成された外部電極と、を備える加速度センサであって、
   前記圧電素子は、
   基体部と、
   第１圧電体層、第２圧電体層、及び第３圧電体層と、
   前記第１、第２、及び第３圧電体層それぞれを挟むように積層されて前記外部電極に接続される内部電極と、
   を有し、
   前記第１〜第３圧電体層及び前記内部電極は、前記基体部上に形成されており、
   前記第１圧電体層において、当該第１圧電体層を挟む前記内部電極と重なる第１領域は、前記圧電素子の積層方向に対して垂直な方向に分極されており、
   前記第２圧電体層において、当該第２圧電体層を挟む前記内部電極と重なる第２領域は、前記圧電素子の積層方向に分極されており、
   前記第３圧電体層において、当該第３圧電体層を挟む前記内部電極と重なる第３領域は、前記第２領域の分極を打ち消す方向に分極されており、
   前記第３領域に付与される荷重が前記第２領域に付与される荷重と比べて小さいことを特徴とする加速度センサ。
2. 前記第３領域は、前記第２領域と同一の静電容量を有することを特徴とする請求項１に記載の加速度センサ。
3. 前記第３領域と前記内部電極との接触面積は、前記第２領域と前記内部電極との接触面積よりも小さいことを特徴とする請求項２に記載の加速度センサ。
4. 前記圧電素子はおもり部を更に有しており、当該おもり部と前記基体部との間に前記第１圧電体層及び前記第２圧電体層が形成されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の加速度センサ。
5. 前記圧電素子の積層方向に対して垂直な方向から見て、前記第２圧電体層は、前記第３圧電体層よりも前記基体部側に位置していることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の加速度センサ。
6. 前記圧電素子の積層方向に対して垂直な方向から見て、前記第２圧電体層及び前記第３圧電体層は、前記第１圧電体層よりも前記基体部側に位置していることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の加速度センサ。
7. 前記圧電素子の積層方向から見て、前記第１圧電体層の大きさが前記基体部の大きさよりも小さいことを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載の加速度センサ。
8. 前記圧電素子の積層方向から見て、前記第２圧電体層及び前記第３圧電体層の大きさが前記基体部の大きさよりも小さいことを特徴とする請求項７に記載の加速度センサ。
9. 圧電素子と、前記圧電素子の表面に沿って形成された外部電極と、を備える加速度センサの製造方法であって、
   基体部と、層の厚み方向に分極された第２圧電体層及び第３圧電体層と、前記基体部、前記第２圧電体層、及び前記第３圧電体層それぞれの間に積層された内部電極と、を有する第１部材を形成する第１工程と、
   層が延びる方向に分極された第１圧電体層と、前記第１圧電体層を挟むように位置する一対の内部電極と、を有する第２部材を形成する第２工程と、
   前記第１部材及び前記第２部材を積層して前記圧電素子を形成する第３工程と、
   前記圧電素子の表面に、前記第１圧電体の内部電極及び前記第２圧電体の内部電極と接続される前記外部電極を形成する第４工程と、
   を有し、
   前記第１工程では、
   前記第２圧電体層と前記第３圧電体層との間に積層された内部電極から見て前記第２圧電体層の分極方向と前記第３圧電体層の分極方向とが互いに逆となるよう、前記第２圧電体層及び前記第３圧電体層を配置し、
   前記第３圧電体層と当該第３圧電体層を挟む内部電極との接触面積が、前記第２圧電体層と当該第２圧電体層を挟む内部電極との接触面積に比べて小さくなるよう前記内部電極を配置する、
   ことを特徴とする加速度センサの製造方法。

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