JP2008051647A - Piezoelectric acceleration sensor - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To obtain a piezoelectric acceleration sensor which has a simple structure, is small and has high performance, and can detect three-axis acceleration. <P>SOLUTION: The piezoelectric acceleration sensor 1 is formed by using piezoelectric ceramic material, and includes an external frame member 9 in a closed shape, a fixed-fixed beam member 3 connecting two points of the external frame 9, and a first and a second cantilever beam 4 and 5 connected to the fixed-fixed beam 3 perpendicularly. Moreover, in addition to the above constitution the fixed-fixed beam 3 and the first and second beams 4 and 5 are respectively polarized in directions perpendicular to each other. Furthermore, acceleration detection electrodes are formed on the fixed-fixed beam 3 and the first and second beams 4 and 5. <P>COPYRIGHT: (C)2008,JPO&INPIT

Description

本発明は、外力によって、圧電体が圧縮変形や撓み変形した際に得られる圧電効果を利用した圧電センサに関連するものであって、詳述すれば3軸の加速度を検出可能な圧電加速度センサに関するものである。   The present invention relates to a piezoelectric sensor using a piezoelectric effect obtained when a piezoelectric body is subjected to compression deformation or bending deformation by an external force, and more specifically, a piezoelectric acceleration sensor capable of detecting triaxial acceleration. It is about.

圧電加速度センサとは、外力によって圧電体が圧縮変形や撓み変形した際に電圧を生じる、いわゆる圧電現象を利用したセンサである。特に、撓み変形による圧電現象は、携帯型電子機器や自動車等の移動体の落下や走行に係る加速度を検出したり、衝突に係る衝撃を検出したりするためのセンシングとして広く採用されている。その中で、近年、電子機器の小型化・高性能化が要求されるに伴い、圧電加速度センサも同様の小型化・高性能化が要求されている。   A piezoelectric acceleration sensor is a sensor that utilizes a so-called piezoelectric phenomenon that generates a voltage when a piezoelectric body is compressed or deformed by an external force. In particular, the piezoelectric phenomenon due to bending deformation is widely used as sensing for detecting the acceleration associated with dropping or running of a mobile object such as a portable electronic device or an automobile, or detecting the impact associated with a collision. Among them, with recent demands for smaller and higher performance electronic devices, piezoelectric acceleration sensors are also required to have the same smaller size and higher performance.

従来の圧電加速度センサとして、例えば特許文献1には、圧電セラミック板が中間電極を挟んで対面接合された両持梁部材が、ケース体に狭持されて構成されたバイモルフ型圧電加速度センサが開示されている。また、特許文献2には、2枚の板状圧電セラミック板がSi基板を挟んで対面接合された片持梁部材が、容器に狭持されて構成されたバイモルフ型圧電加速度センサが開示されている。
特開平9−61450号公報 特開平9−243656号公報
As a conventional piezoelectric acceleration sensor, for example, Patent Document 1 discloses a bimorph type piezoelectric acceleration sensor configured by sandwiching a both-end support beam member in which a piezoelectric ceramic plate is face-to-face bonded with an intermediate electrode sandwiched between cases. Has been. Patent Document 2 discloses a bimorph type piezoelectric acceleration sensor in which a cantilever member in which two plate-shaped piezoelectric ceramic plates are face-to-face bonded with a Si substrate interposed therebetween is sandwiched between containers. Yes.
JP-A-9-61450 Japanese Patent Laid-Open No. 9-243656

ところで、特許文献1と特許文献2に記載されている圧電加速度センサは、加速度を検出するための部材として、両持梁部材あるいは片持梁部材の一方のみを用いている点で互いに相違している。そして、基本的には双方ともに単軸の加速度のみを検出することができる。従来の圧電加速度センサを用いて、少なくとも3軸の加速度を検出しようとすると、複数個の加速度センサが必要であった。したがって、従来の圧電加速度センサでは、小型化や高性能化の要求を十分満足することはできなかった。   By the way, the piezoelectric acceleration sensors described in Patent Document 1 and Patent Document 2 are different from each other in that only one of a cantilever member and a cantilever member is used as a member for detecting acceleration. Yes. Basically, both can detect only a uniaxial acceleration. In order to detect at least triaxial acceleration using a conventional piezoelectric acceleration sensor, a plurality of acceleration sensors are required. Therefore, the conventional piezoelectric acceleration sensor cannot sufficiently satisfy the demand for downsizing and high performance.

加えて、バイモルフ型の圧電体を製造するためには、少なくとも、圧電体の対向面を高精度で平坦化するための研磨工程や、対向する圧電体の接合性を高めるために平坦面を洗浄する工程が必要となる。このため、特殊な装置を用いたり、作業時間が増大したりすることで製造工程が煩雑となってしまう。また、これらの工程に替えて、積層工程を採用したとしても、圧電グリーンシートの製造工程や、複数の圧電グリーンシートの積層工程等によって工程数が顕著に増加してしまう。さらには、生産設備が大型化するために、製造コストの高騰が懸念される。   In addition, in order to manufacture a bimorph type piezoelectric body, at least a polishing process for flattening the opposing surface of the piezoelectric body with high accuracy and a flat surface for cleaning the bonding property of the opposing piezoelectric body are cleaned. The process to do is needed. For this reason, a manufacturing process will become complicated by using a special apparatus or increasing working time. Further, even if a lamination process is adopted instead of these processes, the number of processes is remarkably increased due to the manufacturing process of the piezoelectric green sheet, the lamination process of a plurality of piezoelectric green sheets, and the like. Furthermore, since production facilities are upsized, there is a concern that the manufacturing cost will rise.

本発明は、このような点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、簡素な構造であり、小型で高性能であるとともに、3軸の加速度を検出することができる圧電加速度センサを提供することである。   The present invention has been made in view of the above points, and an object thereof is a piezoelectric acceleration that has a simple structure, is small in size, has high performance, and can detect triaxial acceleration. It is to provide a sensor.

本発明は、圧電セラミックス材を用いて形成される圧電加速度センサにおいて、閉じた形状をなす外枠部材と、外枠部材の2点間で連接される両持梁部材と、両持梁部材に直交して連接される複数の片持梁部材とを備えた圧電加速度センサとしたものである。
また、本発明は、上述した構成に加えて、両持梁部材及び複数の片持梁部材は、それぞれが互いに直交する方向に分極されていることが望ましい。
さらに、本発明は、両持梁部材及び複数の片持梁部材には、加速度検出電極が形成されていることが望ましい。
The present invention relates to a piezoelectric acceleration sensor formed using a piezoelectric ceramic material, an outer frame member having a closed shape, a both-end supporting beam member connected between two points of the outer frame member, and a both-end supporting member The piezoelectric acceleration sensor includes a plurality of cantilever members connected orthogonally.
In the present invention, in addition to the above-described configuration, it is desirable that the both-supported beam member and the plurality of cantilevered members are polarized in directions orthogonal to each other.
Furthermore, in the present invention, it is desirable that an acceleration detection electrode is formed on the cantilever member and the plurality of cantilever members.

本発明の圧電加速度センサは、外枠部材と、加速度を検出する部位である両持梁部材、複数の片持梁部材とが、圧電セラミックスによって一体的に形成されており、いわゆるモノモルフ型の構造としてある。このため、圧電加速度センサの構造を非常に簡素とすることができる。また、数十ミクロンレベルの加工精度で圧電加速度センサを作成することができる。このため、素子設計の簡素化、素子の小型化、コストの低減等の効果が得られる。また、それぞれの梁部材は柱状に形成されていることから強度に優れており、高信頼性の圧電加速度センサが得られるという効果がある。   The piezoelectric acceleration sensor of the present invention has a so-called monomorph structure in which an outer frame member, a both-end support beam member that is a part for detecting acceleration, and a plurality of cantilever members are integrally formed of piezoelectric ceramics. It is as. For this reason, the structure of a piezoelectric acceleration sensor can be made very simple. In addition, a piezoelectric acceleration sensor can be created with a processing accuracy of several tens of microns. For this reason, effects such as simplification of element design, element miniaturization, and cost reduction can be obtained. Further, since each beam member is formed in a columnar shape, it has excellent strength, and there is an effect that a highly reliable piezoelectric acceleration sensor can be obtained.

また、両持梁部材と複数の片持梁部材の分極軸とが、互いに直交関係となるように分極処理されている。このことから、一つの圧電加速度センサによって複数軸の加速度を検出することが可能となるという効果がある。   Further, the polarization treatment is performed so that the both cantilever members and the polarization axes of the plurality of cantilever members are orthogonal to each other. From this, there is an effect that it is possible to detect accelerations of a plurality of axes by one piezoelectric acceleration sensor.

さらに、圧電加速度センサに外力が加わった際に、それぞれの両持梁部材と複数の片持梁部材の最も撓む部位、すなわち、最も応力が大きく生じる部位を予め把握しておく。この上で、特定の形状と面積で構成される加速度検出電極を形成することによって、感度の高い圧電加速度センサを容易に得られるという効果がある。   Furthermore, when an external force is applied to the piezoelectric acceleration sensor, the most bent part of each of the cantilever members and the plurality of cantilever members, that is, the part where the stress is generated most is grasped in advance. In addition, by forming an acceleration detection electrode having a specific shape and area, a highly sensitive piezoelectric acceleration sensor can be easily obtained.

以下、本発明の第1の実施形態例について、図1〜図5を参照して説明する。本実施形態例では、圧電セラミックスによって一体的に形成されている、いわゆるモノモルフ型の構造とした圧電加速度センサ1に適用した例として説明する。本実施形態例に係る圧電加速度センサ1は、主に携帯型電子機器の落下や、自動車等の移動体が走行する際の加速度を検出したり、衝突に係る衝撃を検出したりするためのセンシングとして好適に採用されるものである。   Hereinafter, a first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. This embodiment will be described as an example applied to a piezoelectric acceleration sensor 1 having a so-called monomorph type structure integrally formed of piezoelectric ceramics. The piezoelectric acceleration sensor 1 according to the present embodiment mainly detects a fall of a portable electronic device, an acceleration when a moving body such as an automobile travels, or a shock for detecting an impact related to a collision. It is suitably adopted as.

まず、圧電加速度センサ1の外観構成例について、図1の斜視図を参照して説明する。圧電加速度センサ1は、図1におけるX軸,Y軸,Z軸のうち、X−Y面が実装面に相当する。圧電加速度センサ1の外枠に相当する外枠部材9は、「閉じた形状」として矩形状(本例では、正方形)に形成される。外枠部材9は、加速度を検出するためではなく、後述する第1の片持梁部材4と第2の片持梁部材5が形成された両持梁部材3を保持する部材である。   First, an external configuration example of the piezoelectric acceleration sensor 1 will be described with reference to a perspective view of FIG. In the piezoelectric acceleration sensor 1, among the X axis, Y axis, and Z axis in FIG. 1, the XY plane corresponds to the mounting surface. The outer frame member 9 corresponding to the outer frame of the piezoelectric acceleration sensor 1 is formed in a rectangular shape (in this example, a square) as a “closed shape”. The outer frame member 9 is not a member for detecting acceleration, but is a member for holding the cantilever member 3 on which a first cantilever member 4 and a second cantilever member 5 described later are formed.

外枠部材9の内部には、Y軸方向の加速度を検出する両持梁部材3が形成される。両持梁部材3は、外枠部材9の対向する2辺における任意の2点間を連接する直線状の部材である。両持梁部材3には、第1の片持梁部材4と第2の片持梁部材5が形成される。第1の片持梁部材4は、主にZ軸方向の加速度を検出する部材である。第1の片持梁部材4は、両持梁部材3に直交した状態で一方の端部が連接される。一方、第2の片持梁部材5は、主にX軸方向の加速度を検出する部材である。第2の片持梁部材5は、第1の片持梁部材4とは隔てられた状態で、かつ両持梁部材3に直交した状態で一方の端部が連接されている。   Inside the outer frame member 9, a both-end supported beam member 3 that detects acceleration in the Y-axis direction is formed. The both-end supporting beam member 3 is a linear member that connects two arbitrary points on two opposite sides of the outer frame member 9. The both cantilever members 3 are formed with a first cantilever member 4 and a second cantilever member 5. The first cantilever member 4 is a member that mainly detects acceleration in the Z-axis direction. One end of the first cantilever member 4 is connected in a state orthogonal to the both cantilever members 3. On the other hand, the second cantilever member 5 is a member that mainly detects acceleration in the X-axis direction. One end of the second cantilever member 5 is connected to the first cantilever member 4 while being separated from the first cantilever member 4 and orthogonal to the both cantilever members 3.

圧電加速度センサ1では、第2の片持梁部材5のX軸方向に形成したX軸の加速度を検出する電極を、X軸加速度検出電極6としている。また、両持梁部材3のY軸方向に形成したY軸の加速度を検出する電極を、Y軸加速度検出電極7としている。また、第1の片持梁部材4のZ軸方向に形成したZ軸の加速度を検出する電極を、Z軸加速度検出電極8としている。加速度を検出する電極を形成するためには、Ag(銀)ペースト塗布・焼成法、金属蒸着法等が好適な形成手法として挙げられる。いずれの形成手法を用いても大量生産に対応することが可能である。   In the piezoelectric acceleration sensor 1, an electrode for detecting an X-axis acceleration formed in the X-axis direction of the second cantilever member 5 is an X-axis acceleration detection electrode 6. An electrode for detecting the Y-axis acceleration formed in the Y-axis direction of the both-end supported beam member 3 is a Y-axis acceleration detection electrode 7. The electrode for detecting the Z-axis acceleration formed in the Z-axis direction of the first cantilever member 4 is a Z-axis acceleration detection electrode 8. In order to form an electrode for detecting acceleration, an Ag (silver) paste coating / firing method, a metal vapor deposition method, or the like can be cited as a suitable forming method. Any of the forming methods can be used for mass production.

梁部材に形成されたX,Y,Z軸の加速度検出電極の形状は、各梁部材の特定の一面をほぼ全面を覆うように矩形状に形成されている。ただし、加速度検出電極の形状は、矩形状に限定されることなく、様々に変更することができる。例えば、外力を受けた際の圧電加速度センサ1の歪み、変位、発生電圧等の分布を、シミュレーションや有限要素法の解析によって予め把握した上で、分布強度の高い部位にのみ電極形成を行うようにしてもよい。   The X, Y, and Z-axis acceleration detection electrodes formed on the beam members are formed in a rectangular shape so as to cover substantially the entire specific surface of each beam member. However, the shape of the acceleration detection electrode is not limited to a rectangular shape and can be variously changed. For example, the distribution of distortion, displacement, generated voltage, etc. of the piezoelectric acceleration sensor 1 when subjected to an external force is grasped in advance by simulation or analysis by a finite element method, and electrodes are formed only at a site where the distribution intensity is high. It may be.

また、圧電加速度センサ1には、X,Y,Z軸の加速度検出電極に対し、共通アース端子として一つの共通アース電極2を設けている。共通アース電極2は、両持梁部材3上であって、Y軸の加速度検出電極と接触しない領域に形成される。共通アース電極2は、実質的にX,Y,Z軸の加速度検出電極に対する電極とすることができる。共通アース電極2もまた、上述した加速度検出電極と同様の形成手法(例えば、Ag(銀)ペースト塗布・焼成法、金属蒸着法)によって作成される電極である。   The piezoelectric acceleration sensor 1 is provided with one common ground electrode 2 as a common ground terminal for the X, Y, and Z-axis acceleration detection electrodes. The common ground electrode 2 is formed on the both-supported beam member 3 and in a region not in contact with the Y-axis acceleration detection electrode. The common ground electrode 2 can be an electrode for the X, Y, and Z axis acceleration detection electrodes. The common ground electrode 2 is also an electrode formed by the same formation method as the acceleration detection electrode described above (for example, Ag (silver) paste coating / firing method, metal vapor deposition method).

圧電加速度センサ1のうち、外枠部材9,両持梁部材3,第1の片持梁部材4と第2の片持梁部材5を総称して圧電体10と称する。ここで、圧電体10の構成例について、図2を参照して説明する。図2(a)は、圧電体10を、Z軸の上方より正面視したものである。図2(b)は、図2(a)で示した圧電体10のA−A’線における断面図の例を示している。なお、以降の説明では圧電体10に形成される加速度検出電極6〜8と共通アース電極2は、省略して図示している。   In the piezoelectric acceleration sensor 1, the outer frame member 9, the both cantilever members 3, the first cantilever member 4 and the second cantilever member 5 are collectively referred to as a piezoelectric body 10. Here, a configuration example of the piezoelectric body 10 will be described with reference to FIG. FIG. 2A is a front view of the piezoelectric body 10 viewed from above the Z axis. FIG. 2B shows an example of a cross-sectional view taken along the line A-A ′ of the piezoelectric body 10 shown in FIG. In the following description, the acceleration detection electrodes 6 to 8 and the common ground electrode 2 formed on the piezoelectric body 10 are omitted.

図2(a)と図2(b)より明らかなように、圧電体10は、全ての部位においてZ軸寸法が均一に作成されている(面一状態である)。このため、圧電体10を製造する際には、粉末冶金法や、キャスティング法、あるいは積層法等、種々の工法を採用することができ、生産性に優れるといった利点を有している。   As is clear from FIGS. 2A and 2B, the piezoelectric body 10 has a uniform Z-axis dimension (is in a flush state) at all locations. For this reason, when manufacturing the piezoelectric body 10, various methods, such as a powder metallurgy method, a casting method, or a lamination method, can be adopted, and there is an advantage that the productivity is excellent.

また、圧電体10は、全ての部位が一体化して形成されていることから、圧電体10の強度を高めることが可能である。さらに、従来のバイモルフ型圧電加速度センサは、構成部品の組付作業が必要であったが、本発明に係る圧電体10は、組付作業が不要となり、小型化が期待できる。また、本発明に係る圧電体10を用いることで、高い寸法精度を有する圧電加速度センサ1を形成することが可能となる。   Moreover, since all the parts of the piezoelectric body 10 are integrally formed, the strength of the piezoelectric body 10 can be increased. Furthermore, the conventional bimorph type piezoelectric acceleration sensor requires assembly work of components, but the piezoelectric body 10 according to the present invention does not require assembly work, and can be expected to be downsized. Further, by using the piezoelectric body 10 according to the present invention, the piezoelectric acceleration sensor 1 having high dimensional accuracy can be formed.

次に、梁部材3〜5における、それぞれの分極方向について、図3を参照して説明する。圧電加速度センサ1では、両持梁部材3の分極方向(Y軸検出)13がY軸方向に平行となるように分極処理される。また、第1の片持梁部材4の分極方向(Z軸検出)11がZ軸方向に平行となるように分極処理される。また、第2の片持梁部材5の分極方向(X軸検出)12がX軸方向に平行となるように分極処理される。この結果、それぞれの梁部材3〜5で分極処理された分極方向は、互いに直交する関係となっている。このように分極方向が異なることによって、圧電加速度センサ1は、一つのセンサ素子のみで、X,Y,Z軸の3軸の加速度を検出することができる。   Next, the respective polarization directions in the beam members 3 to 5 will be described with reference to FIG. In the piezoelectric acceleration sensor 1, polarization processing is performed so that the polarization direction (Y axis detection) 13 of the both-end supported beam member 3 is parallel to the Y axis direction. In addition, the first cantilever member 4 is polarized so that the polarization direction (Z-axis detection) 11 is parallel to the Z-axis direction. Further, the polarization process is performed such that the polarization direction (X-axis detection) 12 of the second cantilever member 5 is parallel to the X-axis direction. As a result, the polarization directions polarized by the respective beam members 3 to 5 are orthogonal to each other. Due to the different polarization directions in this way, the piezoelectric acceleration sensor 1 can detect the accelerations of the three axes of the X, Y, and Z axes with only one sensor element.

ここで、圧電セラミックスと圧電体の分極処理について簡単に説明する。圧電セラミックスとは、高温で焼き固めた多結晶の強誘電体のことをいい、その内部には多結晶粒が存在している。焼結を終えた後の工程における圧電セラミックスの個々の結晶粒は、その分域ごとに分極方向が任意の方向を向いている。このため、全体としての双極子モーメントは0となる。すなわち、分極方向が均一でない状態にあるために、外力を受けたとしても圧電性を示すことはない。そこで、所望の分極方向に対して直交する面に分極処理用の電極対を形成し、電極対に高い電圧を加えることによって、分極方向が一様に揃うこととなる。結果として、電圧を取り除いても分極方向が再び最初の状態(分域ごとに任意の方向を向いている状態)に戻ることはなくなる。このように分極の向きを揃えることを分極処理と称している。分極処理を行うことによって、圧電現象と逆圧電現象を利用することができるようになる。   Here, the polarization treatment of the piezoelectric ceramic and the piezoelectric body will be briefly described. Piezoelectric ceramics refer to polycrystalline ferroelectrics that are baked and hardened at high temperatures, and polycrystalline grains exist inside. The individual crystal grains of the piezoelectric ceramic in the process after the sintering is finished have a polarization direction in an arbitrary direction for each domain. For this reason, the dipole moment as a whole is zero. That is, since the polarization direction is not uniform, the piezoelectricity is not exhibited even if an external force is applied. Therefore, by forming an electrode pair for polarization processing on a surface orthogonal to a desired polarization direction and applying a high voltage to the electrode pair, the polarization direction is uniformly aligned. As a result, even if the voltage is removed, the polarization direction does not return to the initial state (a state in which any direction is directed to each domain) again. This alignment of the direction of polarization is called polarization processing. By performing the polarization process, the piezoelectric phenomenon and the inverse piezoelectric phenomenon can be used.

ここで、圧電加速度センサ1の製造工程の一例について、図4のフローチャートを参照して説明する。   Here, an example of the manufacturing process of the piezoelectric acceleration sensor 1 will be described with reference to the flowchart of FIG.

(原料配合工程)
目的とする材料のモル比率や添加物の量を原料の重量比に換算し、秤量調合を行う(ステップS1)。圧電加速度センサ1に採用される圧電セラミックスは、Pb(Ti,Zr)Oを基本組成としている。
(Raw material blending process)
The molar ratio of the target material and the amount of the additive are converted into the weight ratio of the raw material, and the weighing is prepared (step S1). The piezoelectric ceramic employed in the piezoelectric acceleration sensor 1 has a basic composition of Pb (Ti, Zr) O 3 .

(混合粉砕工程)
次に、ボールミル中に、秤量調合された原料と純水を注入する。さらに、ボールミル中に、混合粉砕のためのアルミナボール等を加えた状態で、ボールミルを所望の時間だけ回転動作させて、原料の混合粉砕を行う(ステップS2)。
(Mixing and grinding process)
Next, the weighed and mixed raw material and pure water are poured into the ball mill. Further, the material is mixed and pulverized by rotating the ball mill for a desired time while adding alumina balls and the like for mixing and pulverizing in the ball mill (step S2).

(乾燥工程)
混合粉砕工程の終了後、得られたスラリーを、スプレードライヤ等の設備を用いて乾燥させる(ステップS3)。
(Drying process)
After completion of the mixing and grinding step, the obtained slurry is dried using equipment such as a spray dryer (step S3).

(仮焼成工程)
そして、混合粉砕された原料粉末を固相反応させるために、700℃〜900℃の条件下で仮焼成する(ステップS4)。
(Preliminary firing process)
Then, in order to cause the mixed and pulverized raw material powder to undergo a solid-phase reaction, temporary baking is performed under conditions of 700 ° C. to 900 ° C. (step S4).

(粉砕工程)
仮焼成を終えた段階の原料は、固相反応によって塊状物体となっている。また、後の成型工程(後述のステップS8)では、金型に粉末充填する必要がある。このため、再度、ステップS2と同様の処理を施し、原料が所望の粒度となるように粉砕を行う(ステップS5)。
(Crushing process)
The raw material at the stage where the pre-baking is finished becomes a massive body by a solid phase reaction. In the subsequent molding process (step S8 described later), it is necessary to fill the mold with powder. For this reason, the same process as step S2 is performed again, and pulverization is performed so that the raw material has a desired particle size (step S5).

(バインダ混合工程)
そして、ステップS5の粉砕工程でPVA(ポリビニルアルコール)等の結着剤を添加、練合し、結着剤を原料粉末に分散させるとともに、均一化させる(ステップS6)。原料粉末中で結着剤を分散し、均一化することによって、原料粉末の結着力が高まることとなる。このため、後の成型工程(後述のステップS8)で得られる成型体の形状を保持することが可能となる。なお、ステップS5の粉砕工程とステップS6のバインダ混合工程は同じタイミングで行われる工程である。
(Binder mixing process)
Then, a binder such as PVA (polyvinyl alcohol) is added and kneaded in the pulverization step of Step S5, and the binder is dispersed and homogenized in the raw material powder (Step S6). By dispersing and homogenizing the binder in the raw material powder, the binding power of the raw material powder is increased. For this reason, it becomes possible to hold | maintain the shape of the molded object obtained at a later shaping | molding process (after-mentioned step S8). In addition, the crushing process of step S5 and the binder mixing process of step S6 are processes performed at the same timing.

(造粒工程)
そして、流動性の良い適度な粒子径を有する粉末を得るために、スプレードライヤ等を用いて造粒する(ステップS7)。
(Granulation process)
And in order to obtain the powder which has a moderate particle diameter with good fluidity, it granulates using a spray dryer etc. (Step S7).

(成型工程)
そして、造粒された粉末を、目的とする形状(圧電体10の形状(図2参照))に成型する(ステップS8)。
(Molding process)
Then, the granulated powder is molded into a target shape (the shape of the piezoelectric body 10 (see FIG. 2)) (step S8).

(バインダ除去工程)
一般的にはフロー焼結炉を使用することで、バインダ除去工程と焼結工程が一貫して行なわれる。まず、300℃〜500℃の条件下でバインダ除去を行う(ステップS9)。
(Binder removal process)
Generally, by using a flow sintering furnace, the binder removal step and the sintering step are performed consistently. First, binder removal is performed under conditions of 300 ° C. to 500 ° C. (step S9).

(焼結工程)
その後、所望の昇温スピードで1100℃〜1300℃まで到達させた条件下で焼結が行われる(ステップS10)。
(Sintering process)
Then, sintering is performed under the condition of reaching 1100 ° C. to 1300 ° C. at a desired temperature raising speed (step S10).

(分極用電極形成工程)
そして、圧電セラミックスの分極処理を行うための電極を圧電体10に形成する(ステップS11)。圧電加速度センサ1が3軸検出を行えるようにするため、両持梁部材3、第1の片持梁部材4、第2の片持梁部材5に対して、分極軸が互いに直交するように分極処理が施される。このとき、分極軸に直交する梁部材3〜5の面上には、真空蒸着等の手段で形成したAg(銀)やAl(アルミ)等の蒸着膜による電極形成を行うことが望ましい。
(Polarization electrode formation process)
Then, an electrode for performing polarization processing of the piezoelectric ceramic is formed on the piezoelectric body 10 (step S11). In order to enable the piezoelectric acceleration sensor 1 to perform three-axis detection, the polarization axes are orthogonal to each other with respect to the cantilever member 3, the first cantilever member 4, and the second cantilever member 5. Polarization processing is performed. At this time, it is desirable to perform electrode formation by vapor deposition films, such as Ag (silver) and Al (aluminum), formed by means such as vacuum vapor deposition on the surfaces of the beam members 3 to 5 orthogonal to the polarization axis.

(分極処理工程)
圧電セラミックスを分極するために電極形成を行った後、100℃前後の絶縁油中で、直流電界を印加して自発分極の方向を揃える(ステップS12)。分極処理工程によって、圧電セラミックスには圧電性が付与される。圧電加速度センサ1には、3軸検出を可能とするために、両持梁部材3の分極方向13はY軸方向に、第1の片持梁部材4の分極方向11はZ軸方向に、第2の片持梁部材5の分極方向12はX軸方向になるように、つまり、分極軸が互いに直交する方向に分極処理が施される。
(Polarization process)
After electrode formation is performed to polarize the piezoelectric ceramic, a direct current electric field is applied in insulating oil at around 100 ° C. to align the direction of spontaneous polarization (step S12). Piezoelectric ceramics are imparted with piezoelectricity by the polarization treatment step. In the piezoelectric acceleration sensor 1, in order to enable three-axis detection, the polarization direction 13 of the cantilever member 3 is in the Y-axis direction, and the polarization direction 11 of the first cantilever member 4 is in the Z-axis direction. The polarization process is performed so that the polarization direction 12 of the second cantilever member 5 is in the X-axis direction, that is, the polarization axes are orthogonal to each other.

(分極用電極剥離工程)
ステップS11の分極用電極形成工程で形成した電極対は、圧電セラミックスを分極処理するために使用される。ところで、この電極対を使用してX,Y,Z軸に印加される加速度を検出しようとしても、梁部材の撓み方向と分極軸との関係によって圧電特性が相殺されてしまい、加速度を検出することができないため、別途、加速度を検出するための電極を形成する必要がある。したがって、分極処理用電極の剥離を行わなくてはならないが、ステップS11において形成したAg(銀)やAl(アルミ)等の蒸着膜による電極は、リン酸と硝酸の混酸を用いることによって容易かつ確実に溶解除去することができる(ステップS13)。
(Polarization electrode peeling process)
The electrode pair formed in the polarization electrode forming step in step S11 is used for polarizing the piezoelectric ceramic. By the way, even if it is attempted to detect the acceleration applied to the X, Y, and Z axes using this electrode pair, the piezoelectric characteristics are offset by the relationship between the bending direction of the beam member and the polarization axis, and the acceleration is detected. Therefore, it is necessary to separately form an electrode for detecting acceleration. Therefore, the electrode for polarization treatment must be peeled off, but the electrode formed by the vapor deposition film such as Ag (silver) or Al (aluminum) formed in step S11 is easy and easy by using a mixed acid of phosphoric acid and nitric acid It can be surely dissolved and removed (step S13).

(加速度検出電極工程と共通アース電極形成工程)
ステップS13にて分極用電極対を剥離した後、ステップS11(分極用電極形成工程)と同様の工程にて、加速度検出電極と共通アース電極の形成を行う(ステップS14)。このとき、外力を受けた際の圧電加速度センサ1の歪み、変位、発生電圧の分布を、シミュレーションや有限要素法等の解析によって予め把握する。そして、分布強度の高い部位にのみ電極形成を行うことによって、検出感度の高い圧電加速度センサ1を効率的に得ることが可能となる。
(Acceleration detection electrode process and common earth electrode formation process)
After the polarization electrode pair is peeled off in step S13, the acceleration detection electrode and the common ground electrode are formed in the same process as step S11 (polarization electrode forming process) (step S14). At this time, the distribution of the distortion, displacement, and generated voltage of the piezoelectric acceleration sensor 1 when receiving an external force is grasped in advance by an analysis such as a simulation or a finite element method. And it becomes possible to obtain efficiently the piezoelectric acceleration sensor 1 with a high detection sensitivity by forming an electrode only in a site | part with high distribution intensity | strength.

なお、ここで形成する電極は、製品の構成部材として高信頼性を付与する必要がある。つまり、圧電加速度センサを経年使用している最中に剥離不良等が発生しないよう、圧電体素体と電極との間に高い剥離強度を付与することが望ましい。一般的には、スクリーン印刷法等の工法を用いてAgペーストを塗布し、その後、500℃〜650℃の条件下で焼成することによって電極形成を行う手段が経済的であるが、該手段の場合、電極形成(焼成)時の温度上昇により分極が消極されてしまうため、本発明の圧電加速度センサの製造においては実用的でない。したがって、本発明に係る圧電加速度センサの加速度検出電極形成においては、圧電セラミック材との接合強度が高い、NiやCrなどの下地の上に金や銀の電極を形成した多層構造の電極を蒸着やスパッタリングにより形成することが望ましい。   Note that the electrode formed here needs to have high reliability as a component of a product. That is, it is desirable to provide a high peel strength between the piezoelectric element body and the electrode so that no peeling failure or the like occurs during the use of the piezoelectric acceleration sensor over time. In general, a means for forming an electrode by applying an Ag paste using a method such as a screen printing method and then firing it at 500 ° C. to 650 ° C. is economical. In this case, the polarization is depolarized due to the temperature rise during electrode formation (firing), so that it is not practical in manufacturing the piezoelectric acceleration sensor of the present invention. Therefore, in the formation of the acceleration detection electrode of the piezoelectric acceleration sensor according to the present invention, a multi-layer electrode having a high bonding strength with the piezoelectric ceramic material in which a gold or silver electrode is formed on a base such as Ni or Cr is deposited. It is desirable to form by sputtering.

以上の工程を経た後、外観検査と性能検査を行うことによって、3軸の加速度を検出可能な圧電加速度センサ1が完成する。なお、上述した製造工程は一例にすぎない。最終的な構成と得られる機能、効果が本実施形態例に係る圧電加速度センサ1と同様であるならば、積層工法やキャスティング工法等、種々の工程を採用することが可能である。   After passing through the above steps, a piezoelectric acceleration sensor 1 capable of detecting triaxial acceleration is completed by performing appearance inspection and performance inspection. In addition, the manufacturing process mentioned above is only an example. If the final configuration and the obtained functions and effects are the same as those of the piezoelectric acceleration sensor 1 according to the present embodiment, various processes such as a laminating method and a casting method can be employed.

次に、圧電体10に対して、X,Y,Z軸方向に加速度が印加された場合、圧電加速度センサ1がどのような挙動を示すかについて、図5を参照して説明する。図5には、それぞれX,Y,Z軸方向に加速度が印加された際の圧電加速度センサ1の挙動が概略的に示されている。   Next, the behavior of the piezoelectric acceleration sensor 1 when the acceleration is applied to the piezoelectric body 10 in the X, Y, and Z axis directions will be described with reference to FIG. FIG. 5 schematically shows the behavior of the piezoelectric acceleration sensor 1 when acceleration is applied in the X, Y, and Z axis directions, respectively.

(X軸方向に加速度が生じたとき)
図5(a)より、圧電体10がX軸方向に加速した際には、第1の片持梁部材4と第2の片持梁部材5がX軸方向に撓んだ状態となることが示される。図5(d)は、圧電体10をY軸方向から見た透過図の例である。第2の片持梁部材5は、X軸方向へ分極処理が施されているとともに、その幅寸法は第1の片持梁部材4の幅寸法よりも小さく設定されている。このため、第2の片持梁部材5の撓みの度合いが大きくなる。すなわち、X軸に対する加速度を検出するために好適な梁部材として位置付けることができる。
(When acceleration occurs in the X-axis direction)
As shown in FIG. 5A, when the piezoelectric body 10 is accelerated in the X-axis direction, the first cantilever member 4 and the second cantilever member 5 are bent in the X-axis direction. Is shown. FIG. 5D is an example of a transmission diagram when the piezoelectric body 10 is viewed from the Y-axis direction. The second cantilever member 5 is polarized in the X-axis direction, and its width dimension is set smaller than the width dimension of the first cantilever member 4. For this reason, the degree of bending of the second cantilever member 5 increases. That is, it can be positioned as a beam member suitable for detecting the acceleration with respect to the X axis.

(Y軸方向に加速度が生じたとき)
図5(b)より、圧電体10がY軸方向に加速した際には、両持梁部材3がY軸方向に撓んだ状態となることが示される。図5(e)は、圧電体10をY軸方向から見た透過図の例である。
このとき、両持梁部材3は、Y軸方向へ分極処理が施されているとともに、第1の片持梁部材4と第2の片持梁部材5の重量成分が錘の機能を奏することによって大きく撓むこととなる。このため、Y軸に対する加速度を検出するために好適な梁部材として位置付けることができる。
(When acceleration occurs in the Y-axis direction)
FIG. 5B shows that when the piezoelectric body 10 is accelerated in the Y-axis direction, the both-support beam member 3 is bent in the Y-axis direction. FIG. 5E is an example of a transmission diagram when the piezoelectric body 10 is viewed from the Y-axis direction.
At this time, both the cantilever members 3 are polarized in the Y-axis direction, and the weight components of the first cantilever member 4 and the second cantilever member 5 function as a weight. Will be greatly bent. For this reason, it can be positioned as a beam member suitable for detecting the acceleration with respect to the Y axis.

(Z軸方向に加速度が生じたとき)
図5(c)より、圧電体10がZ軸方向に加速した際には、両持梁部材3がZ軸方向に撓んだ状態となるとともに、第1の片持梁部材4と第2の片持梁部材5が捻れるように撓むことが示される。図5(f)は、圧電体10をY軸方向から見た透過図の例である。このとき、第1の片持梁部材4は、Z軸方向に分極処理が施されているとともに、第2の片持梁部材5よりも重量が大きく設定されていることから、大きな慣性力が働くために撓み度合いが大きくなる。よって、Z軸に対する加速度を検出するために好適な梁部材として位置付けることができる。
(When acceleration occurs in the Z-axis direction)
As shown in FIG. 5C, when the piezoelectric body 10 is accelerated in the Z-axis direction, the both-supported beam member 3 is bent in the Z-axis direction, and the first cantilever member 4 and the second It is shown that the cantilever member 5 is bent so as to be twisted. FIG. 5F is an example of a transmission diagram when the piezoelectric body 10 is viewed from the Y-axis direction. At this time, since the first cantilever member 4 is polarized in the Z-axis direction and is set to be heavier than the second cantilever member 5, a large inertial force is generated. The degree of bending increases to work. Therefore, it can be positioned as a beam member suitable for detecting the acceleration with respect to the Z axis.

上述した動作例は、圧電体10がX,Y,Z軸のうち、いずれかの単軸方向に加速した場合の一例を示している。圧電加速度センサ1は、圧電体10に形成される両持梁部材3によってY軸方向(図1のY軸方向を参照)の加速度を検出し、第1の片持梁部材4によってZ軸方向(図1のZ軸方向を参照)の加速度を検出し、第2の片持梁部材5によってX軸方向(図1のX軸方向を参照)の加速度を検出することができる。そして、これら3軸の加速度を複合的に検出し、個軸の加速度を演算処理する。この演算処理によって、X,Y,Z軸の単軸についての加速度を検出するのみならず、あらゆる方向に対する加速度の検出が可能となる。なお、上述したX,Y,Z軸方向とは、逆の方向に加速度が生じたとしても、梁部材は同様に変形する。また、梁部材の変形量が、加速度が生じる方向に応じて異なったとしても、異なる変形量を加味して演算処理すればよい。   The operation example described above shows an example where the piezoelectric body 10 is accelerated in any one of the X, Y, and Z axes. The piezoelectric acceleration sensor 1 detects acceleration in the Y-axis direction (refer to the Y-axis direction in FIG. 1) by the both-supported beam member 3 formed on the piezoelectric body 10, and the Z-axis direction by the first cantilever beam member 4. The acceleration in the X-axis direction (see the X-axis direction in FIG. 1) can be detected by the second cantilever member 5 (see the Z-axis direction in FIG. 1). Then, these three-axis accelerations are detected in a complex manner, and single-axis accelerations are calculated. By this calculation processing, not only the acceleration about a single axis of the X, Y, and Z axes can be detected, but also the acceleration in all directions can be detected. Even if acceleration occurs in the direction opposite to the X, Y, and Z axis directions described above, the beam member is similarly deformed. Further, even if the deformation amount of the beam member varies depending on the direction in which the acceleration occurs, the calculation process may be performed in consideration of the different deformation amount.

本実施形態例に係る圧電加速度センサ1は、外枠部材9、加速度を検出するための両持梁部材3、第1の片持梁部材4、第2の片持梁部材5が、圧電セラミックスによって一体的に形成されたモノモルフ型の構造としてある。このため、非常に簡素な構造とすることができる。また、数十ミクロンレベルの加工精度で圧電加速度センサ1を作成することができる。このため、圧電加速度センサ1の設計を簡素化したり、素子を小型化したり、コストを低減したりといった効果を得ることができる。また、それぞれの梁部材3〜5は、柱状に形成されていることから強度に優れており、高信頼性の圧電加速度センサ1が得られるという効果がある。   The piezoelectric acceleration sensor 1 according to this embodiment includes an outer frame member 9, a cantilever member 3 for detecting acceleration, a first cantilever member 4, and a second cantilever member 5 including piezoelectric ceramics. As a monomorph type structure integrally formed by the above. For this reason, it can be set as a very simple structure. Moreover, the piezoelectric acceleration sensor 1 can be created with a processing accuracy of several tens of microns. For this reason, effects such as simplification of the design of the piezoelectric acceleration sensor 1, miniaturization of elements, and cost reduction can be obtained. Moreover, since each beam member 3-5 is formed in the column shape, it is excellent in intensity | strength, and there exists an effect that the highly reliable piezoelectric acceleration sensor 1 is obtained.

また、両持梁部材3、第1の片持梁部材4、第2の片持梁部材5の分極軸が、互いに直交関係となるように分極処理されている。このため、圧電加速度センサ1を一つ用いるだけで複数軸の加速度を検出することが可能となるという効果がある。   In addition, polarization processing is performed so that the polarization axes of both the cantilever member 3, the first cantilever member 4, and the second cantilever member 5 are orthogonal to each other. For this reason, it is possible to detect accelerations of a plurality of axes by using only one piezoelectric acceleration sensor 1.

さらに、圧電加速度センサ1に外力が加わった際に、それぞれの両持梁部材と複数の片持梁部材の最も撓む部位、すなわち、最も応力が大きく生じる部位を予め把握しておく。この上で、特定の形状と面積で構成される加速度検出電極を形成することによって、感度の高い圧電加速度センサを容易に得ることができるという効果がある。   Further, when an external force is applied to the piezoelectric acceleration sensor 1, the most bent portion of each of the cantilever members and the plurality of cantilever members, that is, the portion where the greatest stress is generated is grasped in advance. In addition, by forming an acceleration detection electrode having a specific shape and area, a highly sensitive piezoelectric acceleration sensor can be easily obtained.

次に、本発明の第2の実施形態例に係る圧電加速度センサ20について、図6と図7を参照して説明する。本実施形態例においても、圧電セラミックスによって一体的に形成されている、いわゆるモノモルフ型の構造とした圧電加速度センサ20に適用した例として説明する。   Next, a piezoelectric acceleration sensor 20 according to a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. This embodiment will be described as an example applied to the piezoelectric acceleration sensor 20 having a so-called monomorph type structure integrally formed of piezoelectric ceramics.

まず、圧電加速度センサ20の外観構成例について、図6を参照して説明する。図6(a)は、圧電加速度センサ20の斜視図を示す。圧電加速度センサ20は、図6(a)におけるX軸,Y軸,Z軸のうち、X−Y面が実装面に相当する。図6(b)は、Z軸上方より正面視した圧電加速度センサ20の例を示している。図6(c)は、図6(b)で示した圧電加速度センサ20のB−B’線における断面図の例を示している。圧電加速度センサ20の外枠に相当する外枠部材29は、「閉じた形状」として矩形状(本例では、正方形)に形成される。外枠部材29は、加速度を検出するためではなく、図示しない第1の片持梁部材4と第2の片持梁部材5が形成された両持梁部材3を保持する部材である。図6(a)に示す圧電加速度センサ20は、電子機器等に搭載した場合に、塵や埃から保護する蓋部材21を上下のX−Y面に取り付けている。   First, an external configuration example of the piezoelectric acceleration sensor 20 will be described with reference to FIG. FIG. 6A shows a perspective view of the piezoelectric acceleration sensor 20. In the piezoelectric acceleration sensor 20, the XY plane of the X, Y, and Z axes in FIG. FIG. 6B shows an example of the piezoelectric acceleration sensor 20 viewed from the front from above the Z axis. FIG. 6C shows an example of a cross-sectional view taken along line B-B ′ of the piezoelectric acceleration sensor 20 shown in FIG. The outer frame member 29 corresponding to the outer frame of the piezoelectric acceleration sensor 20 is formed in a rectangular shape (in this example, a square) as a “closed shape”. The outer frame member 29 is not a member for detecting acceleration, but is a member that holds the both cantilever members 3 in which the first cantilever member 4 and the second cantilever member 5 (not shown) are formed. When the piezoelectric acceleration sensor 20 shown in FIG. 6A is mounted on an electronic device or the like, a lid member 21 that protects against dust or dust is attached to the upper and lower XY planes.

次に、蓋部材21を取り外した圧電加速度センサ20の外観構成例について、図7を参照して説明する。なお、圧電加速度センサ20の共通アース電極2、両持梁部材3、第1の片持梁部材4、第2の片持梁部材5は、既に説明した圧電加速度センサ1と同様の構成としてあるため詳細な説明を省略する。また、X軸加速度検出電極6、Y軸加速度検出電極7、Z軸加速度検出電極8も既に説明した圧電加速度センサ1と同様の構成としてあるため詳細な説明を省略する。   Next, an external configuration example of the piezoelectric acceleration sensor 20 with the lid member 21 removed will be described with reference to FIG. Note that the common ground electrode 2, the both cantilever members 3, the first cantilever member 4, and the second cantilever member 5 of the piezoelectric acceleration sensor 20 have the same configuration as the piezoelectric acceleration sensor 1 already described. Therefore, detailed description is omitted. Further, since the X-axis acceleration detection electrode 6, the Y-axis acceleration detection electrode 7, and the Z-axis acceleration detection electrode 8 have the same configuration as that of the piezoelectric acceleration sensor 1 already described, detailed description thereof is omitted.

図7(a)は、蓋部材21を取り外した圧電加速度センサ20の斜視図である。ここで、圧電加速度センサ20のうち、外枠部材29,両持梁部材3,第1の片持梁部材4と第2の片持梁部材5を総称して圧電体30と称する。図7(b)は、図7(a)に示した圧電加速度センサ20のうち、圧電体30のみを、Z軸上方より正面視した図である。図7(c)は、図7(b)において、C−C’線における断面図の例を示している。本実施形態例における圧電加速度センサ20は、外枠部材29の厚み寸法T1を、梁部材3〜5の厚み寸法T2よりも大きくしている点で、第1の実施形態例の構造と相違している。また、第2の実施形態例に係る圧電加速度センサ20は、蓋部材21をZ軸方向の上下面に貼り付ける点も第1の実施形態例の構造と相違している。   FIG. 7A is a perspective view of the piezoelectric acceleration sensor 20 with the lid member 21 removed. Here, in the piezoelectric acceleration sensor 20, the outer frame member 29, the both cantilever members 3, the first cantilever member 4, and the second cantilever member 5 are collectively referred to as a piezoelectric body 30. FIG. 7B is a view of only the piezoelectric body 30 of the piezoelectric acceleration sensor 20 shown in FIG. FIG. 7C shows an example of a cross-sectional view taken along line C-C ′ in FIG. The piezoelectric acceleration sensor 20 in the present embodiment is different from the structure in the first embodiment in that the thickness dimension T1 of the outer frame member 29 is larger than the thickness dimension T2 of the beam members 3 to 5. ing. The piezoelectric acceleration sensor 20 according to the second embodiment is also different from the structure of the first embodiment in that the lid member 21 is attached to the upper and lower surfaces in the Z-axis direction.

厚み寸法T1,T2の関係は、例えば、印加される加速度と、その加速度によって圧電体に生じる歪の最大値がわかっていれば、その振幅値から設定すればよい。このため、上述した第1の実施形態例に係る圧電加速度センサ1と同様に種々の製造工程によって容易に作成することが可能である。また、蓋部材21を貼り付けることによって、このままの状態で実装基板に搭載したとしても、センサ駆動時に、各梁部材が実装基板等に干渉することを抑制することが可能となる。   The relationship between the thickness dimensions T1 and T2 may be set from the amplitude value if the applied acceleration and the maximum value of the strain generated in the piezoelectric body due to the acceleration are known, for example. Therefore, the piezoelectric acceleration sensor 1 according to the first embodiment described above can be easily produced by various manufacturing processes. Further, by attaching the lid member 21, even if the lid member 21 is mounted on the mounting board in this state, it is possible to prevent each beam member from interfering with the mounting board or the like when the sensor is driven.

また、外枠部材29が「閉じた形状」をなしていることから、圧電加速度センサ20に蓋部材21を貼り付けるという簡単な作業を加えることによって容易に高気密構造とすることができる。このため、外部からの塵や埃の侵入を遮断することが可能となる。結果、様々な環境下で、高い信頼性を保ったまま圧電加速度センサ20を使用することが可能となる。   In addition, since the outer frame member 29 has a “closed shape”, a highly airtight structure can be easily obtained by applying a simple operation of attaching the lid member 21 to the piezoelectric acceleration sensor 20. For this reason, it becomes possible to block the entry of dust and dust from the outside. As a result, the piezoelectric acceleration sensor 20 can be used in various environments while maintaining high reliability.

なお、蓋部材21を圧電体30に貼り付ける場合は、各梁部材3〜5が外力によって撓んだ際に、蓋部材21に干渉することがないようにする必要がある。このため、外枠部材29と各梁部材3〜5との境界部に段差を生じさせる。そして、外枠部材29と各梁部材3〜5との間に微小な隙間を作ることで蓋部材21と梁部材3〜5が接触する等の不具合を減らすことができる。   In addition, when affixing the lid member 21 to the piezoelectric body 30, it is necessary to prevent the beam members 3 to 5 from interfering with the lid member 21 when the beam members 3 to 5 are bent by an external force. For this reason, a level | step difference is produced in the boundary part of the outer frame member 29 and each beam member 3-5. Then, by forming a minute gap between the outer frame member 29 and each of the beam members 3 to 5, problems such as contact between the lid member 21 and the beam members 3 to 5 can be reduced.

本実施形態例に係る圧電加速度センサ20は、圧電体30の上下面に蓋部材21を貼り付けた点において第1の実施形態例と相違する。圧電加速度センサ20は、上述した第1の実施形態例に係る圧電加速度センサ1と同様の機能、効果を奏するものである。さらに、蓋部材21を貼り付けたことによって、外部からの塵や埃の侵入を遮断することが可能となる。このため、外部からの塵や埃に影響されることなく、より詳細にセンシングを行うことができるという効果がある。なお、圧電体30の実装面を蓋部材21の代わりとすることで、蓋部材21を圧電体30の片面だけに貼り付けるようにしてもよい。   The piezoelectric acceleration sensor 20 according to this embodiment is different from the first embodiment in that the lid member 21 is attached to the upper and lower surfaces of the piezoelectric body 30. The piezoelectric acceleration sensor 20 has the same functions and effects as the piezoelectric acceleration sensor 1 according to the first embodiment described above. Furthermore, by attaching the lid member 21, it is possible to block dust and dust from entering from the outside. For this reason, there is an effect that sensing can be performed in more detail without being affected by external dust or dust. The mounting surface of the piezoelectric body 30 may be used in place of the lid member 21 so that the lid member 21 is attached to only one surface of the piezoelectric body 30.

以上説明した第1と第2の実施形態例に係る圧電加速度センサは、圧電セラミックスによって一体的に形成されたモノモルフ型の構造としてあり、3軸の加速度を検出する機能を有している。梁部材3〜5は、それぞれX,Y,Z軸方向の加速度を検出することが可能である。そして、検出した3軸の加速度を演算処理することによって、X,Y,Z軸の単軸についての加速度を検出するのみならず、あらゆる方向に対する加速度を検出することが可能となる。このため、圧電加速度センサの設計を簡素化したり、素子を小型化したり、コストを低減したりといった効果が得られる。また、それぞれの梁部材3〜5は、柱状に形成されていることから強度に優れているため、高信頼性の圧電加速度センサが得られるという効果がある。   The piezoelectric acceleration sensors according to the first and second embodiments described above have a monomorph structure integrally formed of piezoelectric ceramics, and have a function of detecting triaxial acceleration. The beam members 3 to 5 can detect accelerations in the X, Y, and Z axis directions, respectively. Then, by calculating the detected triaxial acceleration, it is possible to detect not only the acceleration about the single axes of the X, Y, and Z axes, but also the acceleration in all directions. For this reason, effects such as simplification of the design of the piezoelectric acceleration sensor, miniaturization of elements, and cost reduction can be obtained. Moreover, since each beam member 3-5 is excellent in intensity | strength from being formed in columnar shape, there exists an effect that a highly reliable piezoelectric acceleration sensor is obtained.

また、両持梁部材と複数の片持梁部材の分極軸とが、互いに直交関係となるように分極処理されている。このため、一つの圧電加速度センサによって複数軸の加速度を検出することが可能となるという効果がある。また、最も応力が大きく生じる梁部材の部位を予め把握した上で、特定の形状と面積で構成される加速度検出電極を形成する。このことによって、感度の高い圧電加速度センサが容易に得られるという効果がある。   Further, the polarization treatment is performed so that the both cantilever members and the polarization axes of the plurality of cantilever members are orthogonal to each other. For this reason, there is an effect that it is possible to detect accelerations of a plurality of axes by one piezoelectric acceleration sensor. In addition, an acceleration detection electrode having a specific shape and area is formed after grasping in advance the portion of the beam member where the stress is the greatest. This has an effect that a highly sensitive piezoelectric acceleration sensor can be easily obtained.

なお、本発明に係る圧電加速度センサは、上述した第1と第2の実施形態例に限定されるものではない。その本質を逸脱しない範囲で、様々に形状を変更することが可能である。例えば、本発明に係る圧電加速度センサの実装方向は、図1のX,Y,Z軸において、X−Y面を実装面とするようにしたが、X−Z面、もしくはY−Z面を実装面とするようにしてもよい。実装面をX−Z面、もしくはY−Z面とした場合であっても、各梁部材の分極方向、加速度検出電極の形成位置、形状、面積等を所望の条件を満たすように設定することで、上述した第1と第2の実施形態例と同様の機能、効果を得ることができる。   The piezoelectric acceleration sensor according to the present invention is not limited to the first and second embodiments described above. Various shapes can be changed without departing from the essence. For example, the mounting direction of the piezoelectric acceleration sensor according to the present invention is such that the XY plane is the mounting plane in the X, Y, and Z axes in FIG. 1, but the XZ plane or YZ plane is the same. You may make it be a mounting surface. Even when the mounting surface is the XZ plane or the YZ plane, the polarization direction of each beam member, the formation position, shape, area, etc. of the acceleration detection electrode should be set so as to satisfy the desired conditions. Thus, functions and effects similar to those of the first and second embodiments described above can be obtained.

また、分極処理用電極として形成された電極対のうち、少なくとも一方の電極は剥離処理が必要となるが、他方の電極は加速度検出電極として継続使用することが可能である。そのため、図4のステップS13において、各梁部材に形成された分極処理用電極対のうち一方の分極処理用電極のみを剥離する。その後、ステップS14において、各梁部材に加速度検出電極は形成せずに、共通アース電極のみを形成するようにしてもよい。   In addition, at least one of the electrode pairs formed as the electrode for polarization processing needs to be peeled off, but the other electrode can be continuously used as an acceleration detection electrode. Therefore, in step S13 of FIG. 4, only one polarization processing electrode is peeled from the polarization processing electrode pair formed on each beam member. Thereafter, in step S14, only the common ground electrode may be formed without forming the acceleration detection electrode on each beam member.

また、上述した第1と第2の実施形態例では、圧電体を矩形状(正方形)としたが、この形状にとらわれることなく、長方形状、多角形状としたり、角を丸めたりしても上述した実施形態例と同様の機能、効果を得ることができる。   In the first and second embodiments described above, the piezoelectric body is rectangular (square). However, the piezoelectric body is not limited to this shape, and may be rectangular, polygonal, or rounded. Functions and effects similar to those of the embodiment can be obtained.

また、第1と第2の実施形態例では、第1の片持梁部材4と第2の片持梁部材5は、その幅寸法を異ならせるように構成したが、このような形状に限定されることなく、求める条件によって適宜変形させることが可能である。これは、X,Y,Z軸に対して均一の加速度を印加した場合に、全ての梁部材で均一な加速度が検出できるように、各梁部材の寸法設定と電極形成の設定の両方、又はいずれか一方の設定を行うことが重要な要件となるからである。   In the first and second embodiments, the first cantilever member 4 and the second cantilever member 5 are configured to have different width dimensions, but are limited to such shapes. However, it can be appropriately modified depending on the required conditions. This is because, when uniform acceleration is applied to the X, Y and Z axes, both the dimension setting of each beam member and the electrode formation setting are set so that uniform acceleration can be detected in all beam members, or This is because setting one of them is an important requirement.

ここで、圧電体を構成する両持梁部材に形成された片持梁部材の変形例について、図8を参照して説明する。図8(a)は、片持梁部材を変形した圧電体40の例について示す図である。矩形状に形成された外枠部材44の2点間で直線的に連接される両持梁部材43が設けてある。両持梁部材43には、互いに異なる向きで第1の片持梁部材41と第2の片持梁部材42が形成されている。第1の片持梁部材41と第2の片持梁部材42が接続される端部は、両持梁部材43上で異なる位置としてある。図8(b)は、片持梁部材を変形した圧電体50の例について示す図である。矩形状に形成された外枠部材54の2点間で直線的に連接される両持梁部材53が設けてある。両持梁部材53には、互いに異なる向きで第1の片持梁部材51と第2の片持梁部材52が形成されている。ただし、第1の片持梁部材51と第2の片持梁部材52が接続される端部は、両持梁部材53の同じ位置としてある。   Here, a modified example of the cantilever member formed on the both-end supported beam member constituting the piezoelectric body will be described with reference to FIG. FIG. 8A is a diagram illustrating an example of the piezoelectric body 40 in which the cantilever member is deformed. A both-end supporting beam member 43 linearly connected between two points of the outer frame member 44 formed in a rectangular shape is provided. The both cantilever members 43 are formed with a first cantilever member 41 and a second cantilever member 42 in different directions. The ends where the first cantilever member 41 and the second cantilever member 42 are connected are at different positions on the both cantilever members 43. FIG. 8B is a diagram illustrating an example of the piezoelectric body 50 in which the cantilever member is deformed. A both-end supporting beam member 53 linearly connected between two points of the outer frame member 54 formed in a rectangular shape is provided. The both cantilever members 53 are formed with a first cantilever member 51 and a second cantilever member 52 in different directions. However, the end portion to which the first cantilever member 51 and the second cantilever member 52 are connected is at the same position of the both cantilever members 53.

このように第1の片持梁部材と第2の片持梁部材が接続される向きを変えたり、両持梁部材に対する接続位置を変えたりしても上述した第1と第2の実施形態例に係る加速度センサと同様の機能、効果を奏することができる。また、梁部材の長さ寸法を変更してもよいし、梁部材の体積的な条件を変えて重量配分に起因した慣性力等を変更してもよい。このように、梁部材の形状として様々な変形例を採用することが可能であることは言うまでもない。   As described above, the first and second embodiments described above can be performed even when the direction in which the first cantilever member and the second cantilever member are connected is changed or the connection position with respect to the both cantilever members is changed. Functions and effects similar to those of the acceleration sensor according to the example can be obtained. Further, the length dimension of the beam member may be changed, or the inertial force or the like resulting from the weight distribution may be changed by changing the volume condition of the beam member. Thus, it goes without saying that various modifications can be adopted as the shape of the beam member.

本発明の第1の実施形態例に係る圧電加速度センサの構成例を示した斜視図である。1 is a perspective view showing a configuration example of a piezoelectric acceleration sensor according to a first embodiment example of the present invention. 本発明の第1の実施形態例に係る圧電体の構成例を示した説明図である。It is explanatory drawing which showed the structural example of the piezoelectric material which concerns on the 1st Example of this invention. 本発明の第1の実施形態例に係る梁部材の例を示した説明図である。It is explanatory drawing which showed the example of the beam member which concerns on the 1st Example of this invention. 本発明の第1の実施形態例に係る圧電加速度センサの製造工程の例を示したフローチャートである。It is the flowchart which showed the example of the manufacturing process of the piezoelectric acceleration sensor which concerns on the 1st Example of this invention. 本発明の第1の実施形態例に係る圧電体の撓みの例を示した説明図である。It is explanatory drawing which showed the example of the bending of the piezoelectric material which concerns on the 1st Example of this invention. 本発明の第2の実施形態例に係る圧電加速度センサの構成例を示した説明図である。It is explanatory drawing which showed the structural example of the piezoelectric acceleration sensor which concerns on the 2nd Example of this invention. 本発明の第2の実施形態例に係る圧電加速度センサの構成例を示した斜視図である。It is the perspective view which showed the structural example of the piezoelectric acceleration sensor which concerns on the 2nd Example of this invention. 本発明の他の実施形態例に係る圧電体の構成例を示した説明図である。It is explanatory drawing which showed the structural example of the piezoelectric material which concerns on the other embodiment of this invention.

符号の説明Explanation of symbols

1…圧電加速度センサ、2…共通アース電極、3…両持梁部材、4…第1の片持梁部材、5…第2の片持梁部材、6…X軸加速度検出電極、7…Y軸加速度検出電極、8…Z軸加速度検出電極、9…外枠部材、10…圧電体、11…第1の片持梁部材の分極方向(Z軸検出)、12…第2の片持梁部材の分極方向(X軸検出)、13…両持梁部材の分極方向(Y軸検出)、20…圧電加速度センサ、21…蓋部材、29…外枠部材、30,40,50…圧電体   DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Piezoelectric acceleration sensor, 2 ... Common earth electrode, 3 ... Both-supported beam member, 4 ... 1st cantilever member, 5 ... 2nd cantilever member, 6 ... X-axis acceleration detection electrode, 7 ... Y Axis acceleration detection electrode, 8 ... Z-axis acceleration detection electrode, 9 ... outer frame member, 10 ... piezoelectric body, 11 ... polarization direction of first cantilever member (Z-axis detection), 12 ... second cantilever beam Polarization direction of member (X-axis detection), 13 ... Polarization direction of both-supported beam member (Y-axis detection), 20 ... Piezoelectric acceleration sensor, 21 ... Lid member, 29 ... Outer frame member, 30, 40, 50 ... Piezoelectric body

Claims (3)

圧電セラミックス材を用いて形成される圧電加速度センサにおいて、
閉じた形状をなす外枠部材と、
前記外枠部材の2点間で連接される両持梁部材と、
前記両持梁部材に直交して連接される複数の片持梁部材とを備えたことを特徴とする
圧電加速度センサ。
In a piezoelectric acceleration sensor formed using a piezoelectric ceramic material,
An outer frame member having a closed shape;
A both-end supporting beam member connected between two points of the outer frame member;
A piezoelectric acceleration sensor comprising: a plurality of cantilever members connected perpendicularly to the both cantilever members.
請求項1に記載の圧電加速度センサにおいて、
前記両持梁部材及び前記複数の片持梁部材は、それぞれが互いに直交する方向に分極されていることを特徴とする
圧電加速度センサ。
The piezoelectric acceleration sensor according to claim 1,
The piezoelectric acceleration sensor, wherein the both-supported beam member and the plurality of cantilevered members are polarized in directions orthogonal to each other.
請求項1又は2に記載の圧電加速度センサにおいて、
前記両持梁部材及び前記複数の片持梁部材には、加速度検出電極が形成されていることを特徴とする
圧電加速度センサ。
The piezoelectric acceleration sensor according to claim 1 or 2,
An acceleration detection electrode is formed on the both cantilever members and the plurality of cantilever members.
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