JP2585639Y2 - 圧電素子を用いた加速度センサ - Google Patents

Description

【考案の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本考案は、圧電素子を用いた加速
度センサ、特に、多次元の各成分ごとに加速度を検出す
ることのできるセンサに関する。

【０００２】

【従来の技術】自動車産業や機械産業などでは、運動す
る物体の加速度を正確に検出できるセンサの需要が高ま
っている。特に、二次元あるいは三次元の各成分ごとに
加速度を検出しうる小型のセンサが望まれている。

【０００３】このような需要に応えるため、圧電素子を
用いた加速度センサが提案されている。たとえば、特許
協力条約に基づく国際公開第ＷＯ９２／１７７５９号公
報、特開平４−１４８８３３号公報、特開平４−２９９
２２７号公報、特開平５−２６７４４号公報などには、
静電容量素子あるいは圧電素子を用いた加速度センサが
開示されている。これらのセンサは、可撓性をもった基
板に重錘体を取り付け、この重錘体に加速度が作用する
ことによって基板に撓みが生じる現象を利用したもので
ある。すなわち、基板の所定位置に複数の静電容量素子
あるいは圧電素子を取り付けることにより、基板の撓み
具合を電気的に検出するのである。静電容量素子や圧電
素子の取り付け位置を工夫することにより、作用した加
速度を三次元の各成分ごとに検出することが可能にな
る。

【０００４】

【考案が解決しようとする課題】上述した各公報に開示
されている圧電素子を用いた加速度センサは、加速度を
三次元の各軸方向成分ごとに検出することができるが、
圧電素子の各部に多数の電極を配置し、これら多数の電
極に対して複雑な配線を施す必要がある。このため、セ
ンサ全体の構造はかなり複雑になり、製造コストも高く
なる。

【０００５】そこで本考案は、より単純な構造をもった
圧電素子を用いた加速度センサを提供することを目的と
する。

【０００６】

【課題を解決するための手段】(1) 本願第１の考案
は、ＸＹＺ三次元座標系における加速度のＸＹＺ各軸方
向成分を検出する加速度センサにおいて、この三次元座
標系におけるＸＹ平面にそれぞれ平行な上面および下面
を有する板状の圧電素子と、この圧電素子の上面に形成
された５枚の上部電極層と、この５枚の上部電極層のす
べてに対向するように、圧電素子の下面に形成された１
枚の下部電極層と、すべての上部電極層の上に固着され
た固定基板と、下部電極層の下に固着された可撓基板
と、可撓基板の下面中央部に固着された重錘体と、固定
基板の周囲および可撓基板の周囲をそれぞれ支持固定す
る筐体と、を設け、５枚の上部電極層のうち第１の上部
電極層はＸＹ平面への投影像がＸ軸の正の部分にくるよ
うな位置に形成し、第２の上部電極層はＸＹ平面への投
影像がＸ軸の負の部分にくるような位置に形成し、第３
の上部電極層はＸＹ平面への投影像がＹ軸の正の部分に
くるような位置に形成し、第４の上部電極層はＸＹ平面
への投影像がＹ軸の負の部分にくるような位置に形成
し、第５の上部電極層はＸＹ平面への投影像が座標系に
おける原点上にくるような位置に形成し、圧電素子のう
ち第２の上部電極層および第４の上部電極層が形成され
た第１の領域については、厚み方向に伸びる力が作用し
たときに、上面に第１の極性の電荷が、下面に第２の極
性の電荷が、それぞれ発生し、厚み方向に縮む力が作用
したときに、上面に第２の極性の電荷が、下面に第１の
極性の電荷が、それぞれ発生するように、分極処理を施
し、圧電素子のうち第１の上部電極層、第３の上部電極
層、および第５の上部電極層が形成された第２の領域に
ついては、厚み方向に伸びる力が作用したときに、上面
に第２の極性の電荷が、下面に第１の極性の電荷が、そ
れぞれ発生し、厚み方向に縮む力が作用したときに、上
面に第１の極性の電荷が、下面に第２の極性の電荷が、
それぞれ発生するように、分極処理を施したものであ
る。

【０００７】(2) 本願第２の考案は、上述の第１の考
案に係る加速度センサにおいて、可撓基板を導電性材料
によって構成し、この可撓基板自身を下部電極層として
用いるようにしたものである。

【０００８】(3) 本願第３の考案は、ＸＹＺ三次元座
標系における加速度のＸＹＺ各軸方向成分を検出する加
速度センサにおいて、この三次元座標系におけるＸＹ平
面にそれぞれ平行な上面および下面を有する板状の圧電
素子と、この圧電素子の上面に形成された１６枚の上部
電極層と、この１６枚の上部電極層のすべてに対向する
ように、圧電素子の下面に形成された１枚の下部電極層
と、下部電極層の下面に固着された可撓基板と、可撓基
板の下面中央部に固着された重錘体と、可撓基板の周囲
を支持固定する筐体と、を設け、ＸＹ平面上において、
Ｘ軸およびＹ軸に対し座標系の原点において交差する任
意のＷ１軸およびＷ２軸を定義し、１６枚の上部電極層
のうち第１および第２の上部電極層はＸＹ平面への投影
像がＸ軸の負の部分にくるような位置に形成し、第３お
よび第４の上部電極層はＸＹ平面への投影像がＸ軸の正
の部分にくるような位置に形成し、１６枚の上部電極層
のうち第５および第６の上部電極層はＸＹ平面への投影
像がＹ軸の負の部分にくるような位置に形成し、第７お
よび第８の上部電極層はＸＹ平面への投影像がＹ軸の正
の部分にくるような位置に形成し、１６枚の上部電極層
のうち第９および第１０の上部電極層はＸＹ平面への投
影像がＷ１軸の負の部分にくるような位置に形成し、第
１１および第１２の上部電極層はＸＹ平面への投影像が
Ｗ１軸の正の部分にくるような位置に形成し、１６枚の
上部電極層のうち第１３および第１４の上部電極層はＸ
Ｙ平面への投影像がＷ２軸の負の部分にくるような位置
に形成し、第１５および第１６の上部電極層はＸＹ平面
への投影像がＷ２軸の正の部分にくるような位置に形成
し、第２，３，６，７，１０，１１，１４，１５の各上
部電極層は、第１，４，５，８，９，１２，１３，１６
の各上部電極層に対して原点に近い位置に形成し、圧電
素子のうち第１，３，５，７，９，１２，１３，１６の
各上部電極層が形成された第１の領域については、ＸＹ
平面に沿って伸びるような力が作用したときに、上面に
第１の極性の電荷が、下面に第２の極性の電荷が、それ
ぞれ発生し、ＸＹ平面に沿って縮むような力が作用した
ときに、上面に第２の極性の電荷が、下面に第１の極性
の電荷が、それぞれ発生するように、分極処理を施し、
圧電素子のうち前記第２，４，６，８，１０，１１，１
４，１５の各上部電極層が形成された第２の領域につい
ては、ＸＹ平面に沿って伸びるような力が作用したとき
に、上面に第２の極性の電荷が、下面に第１の極性の電
荷が、それぞれ発生し、ＸＹ平面に沿って縮むような力
が作用したときに、上面に第１の極性の電荷が、下面に
第２の極性の電荷が、それぞれ発生するように、分極処
理を施したものである。

【０００９】(4) 本願第４の考案は、上述の第３の考
案に係る加速度センサにおいて、可撓基板を導電性材料
によって構成し、この可撓基板自身を下部電極層として
用いるようにしたものである。

【００１０】

【作 用】圧電素子は、外部から圧力を加えると、一方
に正の電荷、他方に負の電荷を発生する性質を有する。
しかも、所定の方向に圧力を加えた場合に、所定の方向
に正負の電荷を発生するような所望の分極特性をもった
素子を製造することが可能である。また、ある一部分に
ついての分極特性が、他の一部分についての分極特性と
異なるような圧電素子を製造することも可能である。本
考案は、圧電素子のこのような性質を利用し、従来提案
されている圧電素子を用いた加速度センサにおいて、圧
電素子の分極特性を部分ごとに変えるようにしたもので
ある。前述したように、従来の加速度センサは、加速度
を三次元の各軸方向成分ごとに検出することができる
が、そのためには、圧電素子の各部に多数の電極を配置
し、これら多数の電極に対して複雑な配線を施す必要が
ある。圧電素子の分極特性を部分ごとに変えるようにす
れば、多数の電極に対してより合理的な配線を行うこと
ができるようになり、構造をより単純化することが可能
になる。

【００１１】

【実施例】以下、本考案を図示する実施例に基づいて説
明する。

【００１２】§１． 従来提案されている第１のセンサ 図１は、従来提案されている圧電素子を用いた加速度セ
ンサの一例を示す側断面図である。可撓基板１および固
定基板２は、いずれも円盤状の基板であり、これら両基
板の間に同じく円盤状をした圧電素子３が介挿されてい
る。可撓基板１の下面には、円柱状の重錘体４が固着さ
れている。また、可撓基板１の外周部分および固定基板
２の外周部分は、いずれもセンサ筐体５によって支持さ
れている。圧電素子３の上面には、５枚の上部電極層Ｅ
１〜Ｅ５（図１には、その一部だけが示されている）が
形成され、同様に下面には５枚の下部電極層Ｆ１〜Ｆ５
（やはり、その一部だけが示されている）が形成されて
おり、上部電極層Ｅ１〜Ｅ５の上面は固定基板２の下面
に固着され、下部電極層Ｆ１〜Ｆ５の下面は可撓基板１
の上面に固着されている。ここで、固定基板２は十分な
剛性をもち、撓みを生じることはないが、可撓基板１は
可撓性をもち、いわゆるダイヤフラムとして機能する。
重錘体４は、錘りの機能を果たすに十分な重量をもった
材質で構成されており、ここでは、説明の便宜上、この
重錘体４の重心位置Ｐを原点としたＸＹＺ三次元座標系
を考えることにする。すなわち、図の右方向にＸ軸、上
方向にＺ軸、そして紙面に垂直な方向にＹ軸を定義す
る。図１は、このセンサをＸＺ平面で切った断面図とい
うことになる。

【００１３】上部電極層Ｅ１〜Ｅ５および下部電極層Ｆ
１〜Ｆ５の形状および配置は、図２および図３に明瞭に
示されている。図２は、圧電素子３の上面図であり、扇
状の上部電極層Ｅ１〜Ｅ４と円形の上部電極層Ｅ５が配
置されている様子が明瞭に示されている。また、図３
は、圧電素子３の下面図であり、扇状の下部電極層Ｆ１
〜Ｆ４と円形の下部電極層Ｆ５が配置されている様子が
明瞭に示されている。上部電極層Ｅ１〜Ｅ５と下部電極
層Ｆ１〜Ｆ５とは、それぞれ同じ形状をしており、互い
に向かい合った位置に形成されている。

【００１４】前述したように、圧電素子は、外部から圧
力を加えると、一方に分極を生じる性質を有するが、こ
のセンサにおける圧電素子３としては、図４に示すよう
な分極特性をもった圧電セラミックスが用いられてい
る。すなわち、図４(a) に示すように、厚み方向に伸ば
す方向の力が作用した場合には、上部電極層Ｅ側に正の
電荷が、下部電極層Ｆ側に負の電荷が、それぞれ発生
し、逆に、図４(b) に示すように、厚み方向に縮める方
向の力が作用した場合には、上部電極層Ｅ側に負の電荷
が、下部電極層Ｆ側に正の電荷が、それぞれ発生するよ
うな分極特性をもっている。

【００１５】さて、ここで、このようなセンサに所定の
方向成分をもった加速度が作用した場合にどのような現
象が起こるかを検討する。まず、Ｘ軸方向の加速度が作
用したために、図５に示すように、重錘体４の重心Ｐに
Ｘ軸方向の力Ｆｘが加わった場合を考える。この場合、
図に誇張して示したように、ダイヤフラムの機能を果た
す可撓基板１に撓みが生じ、圧電素子３の右半分には厚
み方向に縮む力が、左半分には厚み方向に伸びる力が、
それぞれ作用することになる。Ｙ軸方向の加速度が作用
した場合も、軸の方向が９０°ずれるだけで、これと同
様の現象が起こることになる。次に、Ｚ軸方向の加速度
が作用したために、図６に示すように、重錘体４の重心
ＰにＺ軸方向の力Ｆｚが加わった場合を考える。この場
合、図に誇張して示したように、圧電素子３が全体的に
厚み方向に縮む力を受けることになる。

【００１６】このような現象を利用すれば、各電極層に
対して、図７〜図９に示すような配線を施すことによ
り、作用した加速度のＸＹＺ各軸方向成分の検出を行う
ことができる。たとえば、Ｘ軸方向成分は、図７に示す
ように、端子Ｔｘ１と端子Ｔｘ２との間に生じる電圧差
Ｖｘとして検出することができる。この理由は、図５に
示すような撓みにより、各電極層に発生する電荷の極性
を考えれば容易に理解できる。すなわち、電極層Ｅ２，
Ｆ２に関しては、これらに挟まれた圧電素子３の一部分
が厚み方向に伸びる力を受けているので、図４(a) に示
したように、上部電極層Ｅ２には正の電荷が、下部電極
層Ｆ２には負の電荷が、それぞれ発生する。一方、電極
層Ｅ１，Ｆ１に関しては、これらに挟まれた圧電素子３
の一部分が厚み方向に縮む力を受けているので、図４
(b) に示したように、上部電極層Ｅ１には負の電荷が、
下部電極層Ｆ１には正の電荷が、それぞれ発生する。し
たがって、図７に示すような配線を施しておけば、正の
電荷はすべて端子Ｔｘ１に集まり、負の電荷はすべて端
子Ｔｘ２に集まり、両端子間の電位差Ｖｘが加速度のＸ
軸方向成分を示すものになる。全く同様に、加速度のＹ
軸方向成分は、上部電極層Ｅ３，Ｅ４および下部電極層
Ｆ３，Ｆ４に対して、図８に示すような配線を施せば、
端子Ｔｙ１と端子Ｔｙ２との間の電位差Ｖｙとして検出
することができる。また、Ｚ軸方向成分は、図９に示す
ように、端子Ｔｚ１と端子Ｔｚ２との間に生じる電位差
Ｖｚとして検出することができる。この理由は、図６に
示すような撓みにより、各電極層に発生する電荷の極性
を考えれば容易に理解できる。すなわち、電極層Ｅ５，
Ｆ５に関しては、これらに挟まれた圧電素子３の一部分
が厚み方向に縮む力を受けているので、図４(b) に示し
たように、上部電極層Ｅ５には負の電荷が、下部電極層
Ｆ５には正の電荷が、それぞれ発生する。そこで、図９
に示すように、正の電荷を端子Ｔｚ１に集め、負の電荷
を端子Ｔｚ２に集めるような配線を施しておけば、両端
子間の電位差Ｖｚが加速度のＺ軸方向成分を示すものに
なる。

【００１７】§２． 第１のセンサへの適用 上述した第１のセンサによれば、ＸＹＺ三次元座標系に
おける加速度のＸ，Ｙ，Ｚ軸方向成分を、それぞれ電位
差Ｖｘ，Ｖｙ，Ｖｚとして求めることができる。しかし
ながら、これらの電位差を検出するためには、各電極層
に対して、図７〜図９の回路図に示すような配線を行う
必要がある。この配線は、上部電極層と下部電極層とが
入り乱れたものとなっており、この加速度センサを大量
生産する場合、製品の全コストに比べて配線のためのコ
ストが無視できなくなる。本考案の主眼は、このような
圧電素子を用いた加速度センサにおいて、圧電素子の分
極特性を部分的に変えることにより、配線を単純化し製
造コストを低減することにある。

【００１８】ところで、任意の分極特性をもった圧電素
子を製造することは、現在の技術で可能である。たとえ
ば、上述した第１のセンサにおいて用いられている圧電
素子３は、図４に示すような分極特性をもったものであ
った。これに対して、図１０に示すような分極特性をも
った圧電素子６を製造することも可能である。すなわ
ち、図１０(a) に示すように、厚み方向に伸ばす方向の
力が作用した場合には、上部電極層Ｅ側に負の電荷が、
下部電極層Ｆ側に正の電荷が、それぞれ発生し、逆に、
図１０(b) に示すように、厚み方向に縮める方向の力が
作用した場合には、上部電極層Ｅ側に正の電荷が、下部
電極層Ｆ側に負の電荷が、それぞれ発生するような分極
特性をもっている。ここでは、便宜上、図４に示すよう
な分極特性をタイプ、図１０に示すような分極特性を
タイプと呼ぶことにする。タイプの分極特性をもっ
た圧電素子３と、タイプの分極特性をもった圧電素子
６とは、上面および下面に発生する電荷の符号が逆転し
ていることになる。もっとも、圧電素子３の上下を逆に
すれば圧電素子６になるので、両者は単体としてみれば
全く同じ圧電素子ということができ、両者を区別する意
味はあまりない。しかしながら、１つの圧電素子の一部
分にタイプの分極特性をもたせ、別な一部分にタイプ
の分極特性をもたせることも可能である。本考案は、
このような局在的な分極処理を施した圧電素子を用いる
ことにより、加速度センサの構造を単純化することに特
徴がある。

【００１９】いま、図１１に示すような圧電素子７を考
える。この圧電素子７は、形状は上述した第１のセンサ
において用いられている圧電素子３と全く同じ円盤状を
した素子である。しかしながら、その分極特性は圧電素
子３とは異なっている。圧電素子３は、前述したよう
に、すべての部分がタイプの分極特性をもつ素子であ
った。これに対し、圧電素子７は、図１１に示すよう
に、５つの領域Ａ１〜Ａ５においてタイプまたはタイ
プのいずれかの分極特性をもつ。すなわち、領域Ａ
２，Ａ４においてはタイプの分極特性を示し、領域Ａ
１，Ａ３，Ａ５においてはタイプの分極特性を示す。
ここで、領域Ａ１〜Ａ５は、それぞれ上部電極層Ｅ１〜
Ｅ５あるいは下部電極層Ｆ１〜Ｆ５が形成される領域に
対応する。

【００２０】さて、前述した第１のセンサにおいて、圧
電素子３の代わりに、図１１に示すような局在的分極特
性をもった圧電素子７を用いた場合、各電極層に発生す
る電荷の極性がどのように変わるかを考えてみる。する
と、タイプの分極特性をもった領域に形成されている
上部電極層Ｅ１，Ｅ３，Ｅ５、および下部電極層Ｆ１，
Ｆ３，Ｆ５に発生する電荷の極性が、圧電素子３を用い
たセンサに対して反転することが理解できよう。このた
め、各電極層に対して、図１２〜図１４に示すような配
線を施しておけば、ＸＹＺ三次元座標系における加速度
のＸ，Ｙ，Ｚ軸方向成分を、それぞれ電位差Ｖｘ，Ｖ
ｙ，Ｖｚとして求めることができるようになる。たとえ
ば、Ｘ軸方向成分に関しては、電極層Ｅ１，Ｆ１に発生
する電荷の極性が前述の例に対して逆転するため、図７
に示す配線は図１２に示す配線に置き換えられる。同様
に、Ｙ軸方向成分に関しては、電極層Ｅ３，Ｆ３に発生
する電荷の極性が逆転するため、図８に示す配線は図１
３に示す配線に置き換えられる。更に、Ｚ軸方向成分に
関しては、電極層Ｅ５，Ｆ５に発生する電荷の極性が逆
転するため、図９に示す配線は図１４に示す配線に置き
換えられる。

【００２１】図７〜図９に示す従来の配線に対して、図
１２〜図１４に示す本願考案の配線は、実際のセンサを
製造する上で重大なメリットを有する。図１２〜図１４
に示す本願考案の配線の特徴は、Ｘ軸，Ｙ軸，Ｚ軸のい
ずれの方向に加速度が作用した場合であっても、各軸の
正方向に加速度が作用したのであれば、必ず上部電極層
側に正の電荷が、下部電極層側に負の電荷が、それぞれ
発生する点にある。この特徴を利用すれば、センサ全体
の配線を単純化することが可能になる。たとえば、図１
２〜図１４における端子Ｔｘ２，Ｔｙ２，Ｔｚ２を、セ
ンサ筐体５に接続して基準電位（アース）にとった場合
を考える。この場合、５枚の下部電極層Ｆ１〜Ｆ５は互
いに導通状態になる。このようにしても、加速度のＸ軸
方向成分を示す電位差Ｖｘは端子Ｔｘ１のアースに対す
る電圧として得られ、加速度のＹ軸方向成分を示す電位
差Ｖｙは端子Ｔｙ１のアースに対する電圧として得ら
れ、加速度のＺ軸方向成分を示す電位差Ｖｚは端子Ｔｚ
１のアースに対する電圧として得られるので、このセン
サは何ら支障なく動作する。しかも５枚の下部電極層Ｆ
１〜Ｆ５についての配線は、互いに導通させるだけでよ
いので、非常に単純な配線ですむ。

【００２２】このように、５枚の下部電極層Ｆ１〜Ｆ５
を導通させる配線が可能になれば、そもそも下部電極層
を５枚に分けておく必要はない。すなわち、図１５の側
断面図に示されているように、共通の下部電極層Ｆ０を
１枚だけ設けるようにすればよい。共通の下部電極層Ｆ
０は、１枚の円盤状の電極層であり、５枚の上部電極層
Ｅ１〜Ｅ５のすべてに対向した電極となる。また、可撓
基板１として導電性の材料（たとえば、金属）を用いる
ようにすれば、図１６の側断面図に示されているよう
に、特別な下部電極層Ｆ０を用いずに、圧電素子７の下
面を可撓基板１の上面に直接接合するようにしてもよ
い。この場合は、可撓基板１自身が共通の下部電極層Ｆ
０として機能することになる。このように、本願考案を
適用すれば、配線だけでなく、センサの構造自体も単純
化することができる。

【００２３】また、上述の実施例では、可撓基板１の外
周部分はセンサ筐体５によって支持されているが、本考
案に係るセンサでは、可撓基板を必ずしもセンサ筐体に
固着する必要はない。たとえば、図１７に示すように、
可撓基板１の代わりに直径が少し小さな可撓基板８を用
い、可撓基板８の周囲を自由端としておくことも可能で
ある。

【００２４】§３． 従来提案されている第２のセンサ 図１８は、従来提案されている圧電素子を用いた加速度
センサの別な一例を示す上面図である。可撓基板１０は
いわゆるダイヤフラムとして機能する可撓性をもった円
盤状の基板であり、この可撓基板１０の上には、いわゆ
るドーナツ状をした圧電素子２０が配置されている。こ
の圧電素子２０の上面には、それぞれ図示したような形
状をした１６枚の上部電極層Ｌ１〜Ｌ１６が、それぞれ
図示した位置に形成されている。また、この圧電素子２
０の下面には、上部電極層Ｌ１〜Ｌ１６のそれぞれと全
く同じ形状をした１６枚の下部電極層Ｍ１〜Ｍ１６（図
１８には示されていない）が、上部電極層Ｌ１〜Ｌ１６
のそれぞれと対向する位置に形成されている。図１９
は、この加速度センサの側断面図である（図が繁雑にな
るのを避けるため、各電極層については、断面切り口部
分のみを描いてある。以下の側断面図も同様）。この図
に明瞭に示されているように、ドーナツ状の圧電素子２
０は、１６枚の上部電極層Ｌ１〜Ｌ１６（図１９には、
Ｌ１〜Ｌ４のみ示されている）と、１６枚の下部電極層
Ｍ１〜Ｍ１６（図１９には、Ｍ１〜Ｍ４のみ示されてい
る）と、によって挟まれ、いわゆるサンドイッチの状態
になっている。そして、下部電極層Ｍ１〜Ｍ１６の下面
が可撓基板１０の上面に固着されている。一方、可撓基
板１０の下面には、錘りの機能を果たすに十分な重量を
もった材質で構成された円柱状の重錘体５０が固着され
ており、可撓基板１０の周囲部分はセンサ筐体６０によ
って固着支持されている。

【００２５】ここでは、説明の便宜上、可撓基板１０の
中心位置Ｏを原点としたＸＹＺ三次元座標系を考えるこ
とにする。すなわち、図１８の右方向にＸ軸、下方向に
Ｙ軸、そして紙面に垂直な方向にＺ軸を定義する。図１
９は、このセンサをＸＺ平面で切った断面図ということ
になり、可撓基板１０、圧電素子２０、各電極層Ｌ１〜
Ｌ１６，Ｍ１〜Ｍ１６は、いずれもＸＹ平面に平行に配
置されていることになる。また、図１８に示すように、
ＸＹ平面上において、Ｘ軸あるいはＹ軸と４５°の角を
なす方向にＷ１軸およびＷ２軸を定義する。Ｗ１軸およ
びＷ２軸はいずれも原点Ｏを通る。このような座標系を
定義すると、上部電極層Ｌ１〜Ｌ４および下部電極層Ｍ
１〜Ｍ４は、Ｘ軸の負方向から正方向に向かって順に配
置されており、上部電極層Ｌ５〜Ｌ８および下部電極層
Ｍ５〜Ｍ８は、Ｙ軸の負方向から正方向に向かって順に
配置されており、上部電極層Ｌ９〜Ｌ１２および下部電
極層Ｍ９〜Ｍ１２は、Ｗ１軸の負方向から正方向に向か
って順に配置されており、上部電極層Ｌ１３〜Ｌ１６お
よび下部電極層Ｍ１３〜Ｍ１６は、Ｗ２軸の負方向から
正方向に向かって順に配置されていることになる。

【００２６】さて、圧電素子の上面および下面にそれぞ
れ電極層を形成すると、この圧電素子に所定の力が作用
したときに、これら一対の電極層間に正および負の電荷
を発生させる検出素子が得られることは既に述べたとお
りである。そこで、上述した１６枚の上部電極層Ｌ１〜
Ｌ１６と、１６枚の下部電極層Ｍ１〜Ｍ１６と、これら
によって挟まれた圧電素子２０の１６個の部分と、によ
って、それぞれ１６組の検出素子Ｄ１〜Ｄ１６が形成さ
れたものと考えることにする。たとえば、上部電極層Ｌ
１と下部電極層Ｍ１と、これらに挟まれた圧電素子２０
の一部分と、によって検出素子Ｄ１が形成されることに
なる。結局、１６組の検出素子Ｄ１〜Ｄ１６は、図２０
の上面図に示されるように配置されていることになる。

【００２７】ここで、このセンサにおける圧電素子２０
としては、図２１に示すような分極特性をもった圧電セ
ラミックスが用いられている。すなわち、図２１(a) に
示すように、ＸＹ平面に沿って伸びる方向の力が作用し
た場合には、上部電極層Ｌ側に正の電荷が、下部電極層
Ｍ側に負の電荷が、それぞれ発生し、逆に、図２１(b)
に示すように、ＸＹ平面に沿って縮む方向の力が作用し
た場合には、上部電極層Ｌ側に負の電荷が、下部電極層
Ｍ側に正の電荷が、それぞれ発生するような分極特性を
もっている。ここでは、このような分極特性をタイプ
と呼ぶことにする。このセンサにおける１６組の検出素
子Ｄ１〜Ｄ１６は、いずれもタイプの分極特性をもっ
た圧電素子を有することになる。

【００２８】さて、ここで、このようなセンサに所定の
方向成分をもった加速度が作用した場合にどのような現
象が起こるかを検討する。まず、Ｘ軸方向の加速度が作
用したために、図２２に示すように、重錘体５０の重心
ＧにＸ軸方向の力Ｆｘが加わった場合を考える。この場
合、図に誇張して示したように、ダイヤフラムの機能を
果たす可撓基板１０に撓みが生じ、Ｘ軸に沿って配置さ
れた検出素子Ｄ１，Ｄ３はＸ軸方向に伸び、同じくＸ軸
に沿って配置された検出素子Ｄ２，Ｄ４はＸ軸方向に縮
むことになる。このため、検出素子Ｄ１〜Ｄ４を構成す
る各電極層には、図２２に示すような極性の電荷が発生
する。また、Ｙ軸方向の加速度が作用したために、重錘
体５０の重心ＧにＹ軸方向の力Ｆｙが加わった場合は、
Ｙ軸に沿って配置された検出素子Ｄ５〜Ｄ８を構成する
各電極層について、同様に所定の極性をもった電荷が発
生する。一方、Ｚ軸方向の加速度が作用したために、図
２３に示すように、重錘体５０の重心ＧにＺ軸方向の力
Ｆｚが加わった場合を考える。この場合、図に誇張して
示したように、ダイヤフラムの機能を果たす可撓基板１
０に撓みが生じ、Ｗ１軸に沿って配置された検出素子Ｄ
９，Ｄ１２はＷ１軸方向に伸び、同じくＷ１軸に沿って
配置された検出素子Ｄ１０，Ｄ１１はＷ１軸方向に縮む
ことになる。このため、検出素子Ｄ９〜Ｄ１２を構成す
る各電極層には、図２３に示すような極性の電荷が発生
する。Ｗ２軸に沿って配置された検出素子Ｄ１３〜Ｄ１
６を構成する各電極層にも、同様に所定の極性をもった
電荷が発生する。

【００２９】このような現象を利用すれば、各電極層に
対して、図２４〜図２６に示すような配線を施すことに
より、作用した加速度のＸＹＺ各軸方向成分の検出を行
うことができる。たとえば、Ｘ軸方向成分は、図２４に
示すように、端子Ｔｘ１と端子Ｔｘ２との間に生じる電
圧差Ｖｘとして検出することができる。この理由は、図
２２に示すような撓みにより、各電極層に発生する電荷
の極性を考えれば容易に理解できる。図２４のような配
線を施しておけば、正の電荷はすべて端子Ｔｘ１に集ま
り、負の電荷はすべて端子Ｔｘ２に集まり、両端子間の
電位差Ｖｘが加速度のＸ軸方向成分を示すものになる。
全く同様に、加速度のＹ軸方向成分は、検出素子Ｄ５〜
Ｄ８を構成する各電極層に対して、図２５に示すような
配線を施せば、端子Ｔｙ１と端子Ｔｙ２との間の電位差
Ｖｙとして検出することができる。また、Ｚ軸方向成分
は、検出素子Ｄ９〜Ｄ１６を構成する各電極層に対し
て、図２６に示すような配線を施せば、端子Ｔｚ１と端
子Ｔｚ２との間に生じる電圧差Ｖｚとして検出すること
ができる。

【００３０】§４． 第２のセンサへの適用 上述した第２のセンサによれば、ＸＹＺ三次元座標系に
おける加速度のＸ，Ｙ，Ｚ軸方向成分を、それぞれ電位
差Ｖｘ，Ｖｙ，Ｖｚとして求めることができる。しかし
ながら、これらの電位差を検出するためには、各電極層
に対して、図２４〜図２６の回路図に示すような配線を
行う必要がある。この配線は、上部電極層と下部電極層
とが入り乱れたものとなっており、この加速度センサを
大量生産する場合、製品の全コストに比べて配線のため
のコストが無視できなくなる。そこで、この第２のセン
サについても本考案を適用すれば、配線を単純化し製造
コストを低減することができる。

【００３１】上述した第２のセンサにおいて用いられて
いる圧電素子２０は、図２１に示すようなタイプの分
極特性をもったものであった。これに対して、図２７に
示すようなタイプの分極特性をもった圧電素子３０を
製造することも可能である。すなわち、図２７(a) に示
すように、ＸＹ平面に沿って伸びる方向の力が作用した
場合には、上部電極層Ｌ側に負の電荷が、下部電極層Ｍ
側に正の電荷が、それぞれ発生し、逆に、図２７(b) に
示すように、ＸＹ平面に沿って縮む方向の力が作用した
場合には、上部電極層Ｌ側に正の電荷が、下部電極層Ｍ
側に負の電荷が、それぞれ発生するような分極特性をも
った圧電素子３０を製造することが可能である。また、
１つの圧電素子の一部分にタイプの分極特性をもた
せ、別な一部分にタイプの分極特性をもたせることも
可能である。本考案は、このような局在的な分極処理を
施した圧電素子を用いることにより、加速度センサの構
造を単純化するものである。

【００３２】いま、図２８に示すような圧電素子４０を
考える。この圧電素子４０は、形状は上述した第２のセ
ンサにおいて用いられている圧電素子２０と全く同じド
ーナツ状をした素子である。しかしながら、その分極特
性は圧電素子２０とは異なっている。圧電素子２０は、
前述したように、すべての部分がタイプの分極特性を
もつ素子であった。これに対し、圧電素子４０は、図２
８に示すように、１６個の各領域においてタイプまた
はタイプのいずれかの分極特性をもつ。すなわち、検
出素子Ｄ１，Ｄ３，Ｄ５，Ｄ７，Ｄ９，Ｄ１２，Ｄ１
３，Ｄ１６の領域においてはタイプの分極特性を示
し、検出素子Ｄ２，Ｄ４，Ｄ６，Ｄ８，Ｄ１０，Ｄ１
１，Ｄ１４，Ｄ１５の領域においてはタイプの分極特
性を示す。

【００３３】さて、前述した第２のセンサにおいて、圧
電素子２０の代わりに、図２８に示すような分極特性を
もった圧電素子４０を用いた場合、各電極層に発生する
電荷の極性がどのように変わるかを考えてみると、タイ
プの分極特性をもった領域に形成されている上部電極
層Ｌ２，Ｌ４，Ｌ６，Ｌ８，Ｌ１０，Ｌ１１，Ｌ１４，
Ｌ１５，および下部電極層Ｍ２，Ｍ４，Ｍ６，Ｍ８，Ｍ
１０，Ｍ１１，Ｍ１４，Ｍ１５に発生する電荷の極性が
反転することがわかる。たとえば、Ｘ軸方向の加速度が
作用した場合、従来のセンサでは図２２に示すような極
性の電荷が発生するのに対し、本考案のセンサでは図２
９に示すような極性の電荷が発生する。また、Ｚ軸方向
の加速度が作用した場合、従来のセンサでは図２３に示
すような極性の電荷が発生するのに対し、本考案のセン
サでは図３０に示すような極性の電荷が発生する。この
ため、各電極層に対して、図３１〜図３３に示すような
配線を施しておけば、ＸＹＺ三次元座標系における加速
度のＸ，Ｙ，Ｚ軸方向成分を、それぞれ電位差Ｖｘ，Ｖ
ｙ，Ｖｚとして求めることができるようになる。たとえ
ば、Ｘ軸方向成分に関しては、電極層Ｌ２，Ｍ２および
Ｌ４，Ｍ４に発生する電荷の極性が逆転するため、図２
４に示す配線は図３１に示す配線に置き換えられる。同
様に、Ｙ軸方向成分に関しては、電極層Ｌ６，Ｍ６およ
びＬ８，Ｍ８に発生する電荷の極性が逆転するため、図
２５に示す配線は図３２に示す配線に置き換えられる。
更に、Ｚ軸方向成分に関しては、電極層Ｌ１０，Ｍ１
０、Ｌ１１，Ｍ１１、Ｌ１４，Ｍ１４、およびＬ１５，
Ｍ１５に発生する電荷の極性が逆転するため、図２６に
示す配線は図３３に示す配線に置き換えられる。

【００３４】図２４〜図２６に示す従来の配線に対し
て、図３１〜図３３に示す本願考案の配線は、実際のセ
ンサを製造する上で重大なメリットを有する。図３１〜
図３３に示す本願考案の配線の特徴は、Ｘ軸，Ｙ軸，Ｚ
軸のいずれの方向に加速度が作用した場合であっても、
各軸の正方向に加速度が作用したのであれば、必ず上部
電極層側に正の電荷が、下部電極層側に負の電荷が、そ
れぞれ発生する点にある。この特徴を利用すれば、セン
サ全体の配線を単純化することが可能になる。たとえ
ば、図３１〜図３３における端子Ｔｘ２，Ｔｙ２，Ｔｚ
２を、センサ筐体６０に接続して基準電位（アース）に
とった場合を考える。この場合、１６枚の下部電極層Ｍ
１〜Ｍ１６は互いに導通状態になる。このようにして
も、加速度のＸ軸方向成分を示す電位差Ｖｘは端子Ｔｘ
１のアースに対する電圧として得られ、加速度のＹ軸方
向成分を示す電位差Ｖｙは端子Ｔｙ１のアースに対する
電圧として得られ、加速度のＺ軸方向成分を示す電位差
Ｖｚは端子Ｔｚ１のアースに対する電圧として得られる
ので、このセンサは何ら支障なく動作する。しかも１６
枚の下部電極層Ｍ１〜Ｍ１６についての配線は、互いに
導通させるだけでよいので、非常に単純な配線ですむ。

【００３５】このように、１６枚の下部電極層Ｍ１〜Ｍ
１６を導通させる配線が可能になれば、そもそも下部電
極層を１６枚に分けておく必要はない。すなわち、図３
４の側断面図に示されているように、共通の下部電極層
Ｍ０を１枚だけ設けるようにすればよい。共通の下部電
極層Ｍ０は、１枚のドーナツ状の電極層であり、１６枚
の上部電極層Ｌ１〜Ｌ１６のすべてに対向した電極とな
る。また、可撓基板１０として導電性の材料（たとえ
ば、金属）を用いるようにすれば、図３５の側断面図に
示されているように、特別な下部電極層Ｍ０を用いず
に、圧電素子４０の下面を可撓基板１０の上面に直接接
合するようにしてもよい。この場合は、可撓基板１０自
身が共通の下部電極層Ｍ０として機能することになる。
このように、本願考案を適用すれば、配線だけでなく、
センサの構造自体も単純化することができる。

【００３６】

【考案の効果】以上のとおり本考案によれば、圧電素子
を用いた加速度センサにおいて、圧電素子の分極特性を
部分ごとに変えるようにしたため、構造をより単純化す
ることができるようになる。

【図面の簡単な説明】

【図１】従来提案されている第１の加速度センサの構造
を示す側断面図である。

【図２】図１に示す加速度センサに用いられている圧電
素子３の上面図である。

【図３】図１に示す加速度センサに用いられている圧電
素子３の下面図である。

【図４】図１に示す加速度センサに用いられている圧電
素子３の分極特性を示す図である。

【図５】図１に示す加速度センサにＸ軸方向の加速度が
作用したときの構造の変化を示す側断面図である。

【図６】図１に示す加速度センサにＺ軸方向の加速度が
作用したときの構造の変化を示す側断面図である。

【図７】図１に示す加速度センサに作用した加速度のＸ
軸方向成分を検出するための配線を示す配線図である。

【図８】図１に示す加速度センサに作用した加速度のＹ
軸方向成分を検出するための配線を示す配線図である。

【図９】図１に示す加速度センサに作用した加速度のＺ
軸方向成分を検出するための配線を示す配線図である。

【図１０】図４に示す分極特性とは逆の分極特性を示す
図である。

【図１１】本考案に係る第１の加速度センサに用いられ
る圧電素子７の分極特性の分布を示す平面図である。

【図１２】本考案に係る第１の加速度センサに作用した
加速度のＸ軸方向成分を検出するための配線を示す配線
図である。

【図１３】本考案に係る第１の加速度センサに作用した
加速度のＹ軸方向成分を検出するための配線を示す配線
図である。

【図１４】本考案に係る第１の加速度センサに作用した
加速度のＺ軸方向成分を検出するための配線を示す配線
図である。

【図１５】本考案に係る第１の加速度センサの構造を示
す側断面図である。

【図１６】図１５に示す加速度センサの変形例を示す側
断面図である。

【図１７】図１６に示す加速度センサの変形例を示す側
断面図である。

【図１８】従来提案されている第２の加速度センサの構
造を示す上面図である。

【図１９】図１８に示す加速度センサの側断面図であ
る。

【図２０】図１８に示す加速度センサに用いられている
検出素子Ｄ１〜Ｄ１６の分布を示す平面図である。

【図２１】図１８に示す加速度センサに用いられている
圧電素子２０の分極特性を示す図である。

【図２２】図１８に示す加速度センサにＸ軸方向の加速
度が作用したときの構造の変化を示す側断面図である。

【図２３】図１８に示す加速度センサにＺ軸方向の加速
度が作用したときの構造の変化を示す側断面図である。

【図２４】図１８に示す加速度センサに作用した加速度
のＸ軸方向成分を検出するための配線を示す配線図であ
る。

【図２５】図１８に示す加速度センサに作用した加速度
のＹ軸方向成分を検出するための配線を示す配線図であ
る。

【図２６】図１８に示す加速度センサに作用した加速度
のＺ軸方向成分を検出するための配線を示す配線図であ
る。

【図２７】図２１に示す分極特性とは逆の分極特性を示
す図である。

【図２８】本考案に係る第２の加速度センサに用いられ
る圧電素子４０の分極特性の分布を示す平面図である。

【図２９】本考案に係る第２の加速度センサにＸ軸方向
の加速度が作用したときの構造の変化を示す側断面図で
ある。

【図３０】本考案に係る第２の加速度センサにＺ軸方向
の加速度が作用したときの構造の変化を示す側断面図で
ある。

【図３１】本考案に係る第２の加速度センサに作用した
加速度のＸ軸方向成分を検出するための配線を示す配線
図である。

【図３２】本考案に係る第２の加速度センサに作用した
加速度のＹ軸方向成分を検出するための配線を示す配線
図である。

【図３３】本考案に係る第２の加速度センサに作用した
加速度のＺ軸方向成分を検出するための配線を示す配線
図である。

【図３４】本考案に係る第２の加速度センサの構造を示
す側断面図である。

【図３５】図３４に示す加速度センサの変形例を示す側
断面図である。

【符号の説明】

１…可撓基板 ２…固定基板 ３…圧電素子 ４…重錘体 ５…センサ筐体 ６…圧電素子 ７…圧電素子 ８…可撓基板 １０…可撓基板 ２０…圧電素子 ３０…圧電素子 ４０…圧電素子 ５０…重錘体 ６０…センサ筐体 Ａ１〜Ａ５…圧電素子の部分領域 Ｄ１〜Ｄ１６…検出素子 Ｅ，Ｅ１〜Ｅ５…上部電極層 Ｆ，Ｆ０，Ｆ１〜Ｆ５…下部電極層 Ｇ…重錘体の重心 Ｌ，Ｌ１〜Ｌ１６…上部電極層 Ｍ，Ｍ０，Ｍ１〜Ｍ１６…下部電極層 Ｏ…座標系の原点 Ｐ…重錘体の重心（座標系の原点） Ｔｘ１，Ｔｘ２，Ｔｙ１，Ｔｙ２，Ｔｚ１，Ｔｚ２…端
子 Ｖｘ，Ｖｙ，Ｖｚ…検出電圧 Ｗ１，Ｗ２，Ｘ，Ｙ，Ｚ…座標軸

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) G01P 15/09 G01L 5/16

Claims (4)

(57)【実用新案登録請求の範囲】
1. 【請求項１】 ＸＹＺ三次元座標系における加速度のＸ
   ＹＺ各軸方向成分を検出する加速度センサであって、 前記座標系におけるＸＹ平面にそれぞれ平行な上面およ
   び下面を有する板状の圧電素子と、 この圧電素子の上面に形成された５枚の上部電極層と、 この５枚の上部電極層のすべてに対向するように、前記
   圧電素子の下面に形成された１枚の下部電極層と、 前記すべての上部電極層の上に固着された固定基板と、 前記下部電極層の下に固着された可撓基板と、 前記可撓基板の下面中央部に固着された重錘体と、 前記固定基板の周囲および前記可撓基板の周囲をそれぞ
   れ支持固定する筐体と、 を備え、 前記５枚の上部電極層のうち第１の上部電極層はＸＹ平
   面への投影像がＸ軸の正の部分にくるような位置に形成
   され、第２の上部電極層はＸＹ平面への投影像がＸ軸の
   負の部分にくるような位置に形成され、第３の上部電極
   層はＸＹ平面への投影像がＹ軸の正の部分にくるような
   位置に形成され、第４の上部電極層はＸＹ平面への投影
   像がＹ軸の負の部分にくるような位置に形成され、第５
   の上部電極層はＸＹ平面への投影像が前記座標系におけ
   る原点上にくるような位置に形成され、 前記圧電素子のうち前記第２の上部電極層および前記第
   ４の上部電極層が形成された第１の領域については、厚
   み方向に伸びる力が作用したときに、上面に第１の極性
   の電荷が、下面に第２の極性の電荷が、それぞれ発生
   し、厚み方向に縮む力が作用したときに、上面に第２の
   極性の電荷が、下面に第１の極性の電荷が、それぞれ発
   生するように、分極処理が施され、 前記圧電素子のうち前記第１の上部電極層、前記第３の
   上部電極層、および前記第５の上部電極層が形成された
   第２の領域については、厚み方向に伸びる力が作用した
   ときに、上面に第２の極性の電荷が、下面に第１の極性
   の電荷が、それぞれ発生し、厚み方向に縮む力が作用し
   たときに、上面に第１の極性の電荷が、下面に第２の極
   性の電荷が、それぞれ発生するように、分極処理が施さ
   れていることを特徴とする圧電素子を用いた加速度セン
   サ。
2. 【請求項２】 請求項１に記載の加速度センサにおい
   て、可撓基板を導電性材料によって構成し、この可撓基
   板自身を下部電極層として用いるようにしたことを特徴
   とする圧電素子を用いた加速度センサ。
3. 【請求項３】 ＸＹＺ三次元座標系における加速度のＸ
   ＹＺ各軸方向成分を検出する加速度センサであって、 前記座標系におけるＸＹ平面にそれぞれ平行な上面およ
   び下面を有する板状の圧電素子と、 この圧電素子の上面に形成された１６枚の上部電極層
   と、 この１６枚の上部電極層のすべてに対向するように、前
   記圧電素子の下面に形成された１枚の下部電極層と、 前記下部電極層の下面に固着された可撓基板と、 前記可撓基板の下面中央部に固着された重錘体と、 前記可撓基板の周囲を支持固定する筐体と、 を備え、 ＸＹ平面上において、Ｘ軸およびＹ軸に対し前記座標系
   の原点において交差する任意のＷ１軸およびＷ２軸を定
   義し、 前記１６枚の上部電極層のうち第１および第２の上部電
   極層はＸＹ平面への投影像がＸ軸の負の部分にくるよう
   な位置に形成され、第３および第４の上部電極層はＸＹ
   平面への投影像がＸ軸の正の部分にくるような位置に形
   成され、 前記１６枚の上部電極層のうち第５および第６の上部電
   極層はＸＹ平面への投影像がＹ軸の負の部分にくるよう
   な位置に形成され、第７および第８の上部電極層はＸＹ
   平面への投影像がＹ軸の正の部分にくるような位置に形
   成され、 前記１６枚の上部電極層のうち第９および第１０の上部
   電極層はＸＹ平面への投影像がＷ１軸の負の部分にくる
   ような位置に形成され、第１１および第１２の上部電極
   層はＸＹ平面への投影像がＷ１軸の正の部分にくるよう
   な位置に形成され、 前記１６枚の上部電極層のうち第１３および第１４の上
   部電極層はＸＹ平面への投影像がＷ２軸の負の部分にく
   るような位置に形成され、第１５および第１６の上部電
   極層はＸＹ平面への投影像がＷ２軸の正の部分にくるよ
   うな位置に形成され、 前記第２，３，６，７，１０，１１，１４，１５の各上
   部電極層は、前記第１，４，５，８，９，１２，１３，
   １６の各上部電極層に対して原点に近い位置に形成さ
   れ、 前記圧電素子のうち前記第１，３，５，７，９，１２，
   １３，１６の各上部電極層が形成された第１の領域につ
   いては、ＸＹ平面に沿って伸びるような力が作用したと
   きに、上面に第１の極性の電荷が、下面に第２の極性の
   電荷が、それぞれ発生し、ＸＹ平面に沿って縮むような
   力が作用したときに、上面に第２の極性の電荷が、下面
   に第１の極性の電荷が、それぞれ発生するように、分極
   処理が施され、 前記圧電素子のうち前記第２，４，６，８，１０，１
   １，１４，１５の各上部電極層が形成された第２の領域
   については、ＸＹ平面に沿って伸びるような力が作用し
   たときに、上面に第２の極性の電荷が、下面に第１の極
   性の電荷が、それぞれ発生し、ＸＹ平面に沿って縮むよ
   うな力が作用したときに、上面に第１の極性の電荷が、
   下面に第２の極性の電荷が、それぞれ発生するように、
   分極処理が施されていることを特徴とする圧電素子を用
   いた加速度センサ。
4. 【請求項４】 請求項３に記載の加速度センサにおい
   て、可撓基板を導電性材料によって構成し、この可撓基
   板自身を下部電極層として用いるようにしたことを特徴
   とする圧電素子を用いた加速度センサ。