JP3361988B2

JP3361988B2 - 三軸センサ

Info

Publication number: JP3361988B2
Application number: JP07813398A
Authority: JP
Inventors: 政彦滑川; 幸久武内; 和義柴田
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 1997-04-04
Filing date: 1998-03-25
Publication date: 2003-01-07
Anticipated expiration: 2018-03-25
Also published as: JPH10332503A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、圧電体により外
部から作用する物理量の方向及び大きさを三次元的に検
知する三軸センサに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】自動車産業や機械産業では、力、加速
度、磁気などの物理量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
ごとにこれらの物理量を検出し得る小型のセンサが望ま
れている。例えば、作用体を有する可撓板上に複数個の
圧電体を載置したセンサが公開されている（特開平５−
２６７４４号公報）。

【０００３】このセンサは、外部から作用体に作用す
る物理量に対応して可撓板が撓むように構成されてお
り、当該可撓板の撓みに応じて圧電体に発生する電荷に
より、前記物理量の方向及び大きさを単一のセンサによ
り三次元的に検出することができるものである（以下、
このセンサを「三軸センサ」という。）。

【０００４】前記三軸センサについて、作用体を重錘
とした加速度センサを例として説明すると、図２に示す
ように、センサに対し外部から加速度ａが作用した場
合、重錘１には加速度ａと相反する方向に慣性力ｆが作
用するため、重錘１−支台２間に横架された可撓板３に
慣性力ｆに伴う撓み４が生ずる。当該撓み４の方向及び
大きさに応じた電荷が可撓板３上に載置された圧電体５
に発生するため、当該電荷を検知することにより外部か
ら作用する加速度を三次元的に検知することが可能とな
るのである。

【０００５】更に詳細に説明すると、例えば、図３
（ａ）、３（ｂ）に示すセンサにおいて、円筒状の重錘
１０の可撓板１２が横架されている底面の中心を原点Ｏ
として規定し、当該原点Ｏを含み可撓板１２に平行な面
をＸ−Ｙ平面として当該Ｘ−Ｙ平面上に相直交するよう
にＸ軸、Ｙ軸を規定し、前記原点Ｏを含み前記Ｘ−Ｙ平
面に直交するＺ軸を規定する。

【０００６】このとき、圧電体２１の、上部電極と下
部電極の１組の電極に挾持された部分を「１圧電素子」
とすれば、例えば、当該センサの可撓板１２上にＸ軸、
Ｙ軸に対応する圧電体及び電極を各々４素子づつ、Ｚ軸
に対応する圧電体及び電極を８素子配置することができ
る。

【０００７】この場合において、外部から作用する加
速度ａにより重錘１に作用する慣性力ｆを、図４（ａ）
に示すようなＸ軸方向の慣性力ｆ_Xについては「圧電素
子」Ｅ₁〜Ｅ₄に、Ｙ軸方向の慣性力ｆ_Yについては図示
されないＥ₅〜Ｅ₈に、図４（ｂ）に示すようなＺ軸方向
の慣性力ｆ_Zについては「圧電素子」Ｅ₉〜Ｅ₁₂と図示さ
れないＥ₁₃〜Ｅ₁₆に発生した電荷の量により各々の大き
さを認識する。

【０００８】また、電荷の極性パターン（例えば、図
４（ａ）の圧電体上面について言えば図左側から［＋−
＋−］、図４（ｂ）の圧電体上面についても同様に図左
側から［＋−−＋］）により各々の方向を認識する。こ
うして検出したｆ_X、ｆ_Y、ｆ_Zの合力として慣性力ｆ、
ひいては外部から作用する加速度ａの方向及び大きさ
を、単一の小型センサにより三次元的に検出することが
可能となるのである。

【０００９】このようなセンサにおいては、可撓板は
十分な感度を得るために可撓性が高いことが要求される
一方、重錘及び支台は受けた加速度を純粋に検出するた
め、剛性が高く撓み難いことが要求される。別体として
作製した重錘、支台、可撓板の各部材を組立ててセンサ
を構成すれば、前記のような相反する特性を満足させる
ことが可能であるが、多くの部品と工数を要し、生産性
の低下は否めないという問題がある。

【００１０】部品と工数を削減し生産性を向上する手
段としては、同材質による一体形成が考えられる。セラ
ミックスによる一体成形を例とすれば、図３４に示す如
く金型に対しセラミックス粉体を充填し一軸プレス等に
より形成したセラミックスグリーンボディーを切削加工
する方法、図３５に示す如くセンサと総型に形成した金
型に対してセラミックス粉体を充填し一軸プレスする方
法、図３６に示す如くセラミックススラリーを射出成形
する方法、或いはスリップキャスティングにより成形す
る方法等が挙げられる。

【００１１】しかしながら、上述のいずれの方法も一
体成形体の可撓部強度が著しく低く、また、密度分布の
バラツキが大きいため、可撓板の薄板化及び可撓板の厚
みの精密な制御が困難である。即ち、上述の方法により
形成されたセンサは、可撓板が撓み難いと共に、各可撓
板毎に若しくは可撓板の部位により撓み具合が異なるこ
とになる。従って、センサ感度が低いことに加えて、同
一の加速度を与えても各センサ毎に感度が異なる場合が
あり、更に各軸毎の感度が異なる場合にはその合力から
求められる加速度の方向及び大きさが不正確になりセン
サ精度が低下するという問題がある。

【００１２】またこれとは別に、前記センサにおい
て、例えば、図５に示すように可撓板３上の一部に圧電
体５を載置した場合には、圧電体５が載置されていない
部分が相対的に薄く構成されることになり撓みを生じ易
くなるため（即ち、本来撓むべき圧電体５を載置した部
分の撓みが生じ難くなるため）センサ感度が低下する場
合が生じ得る。

【００１３】前述の通り、前記センサは小型のものが
望まれていることから、たとえセンサ感度が向上すると
しても、センサ全体の大型化につながるような、例えば
重錘を相対的に大きくすることにより可撓板の撓み変形
を大きくする方法等については採用し難い。

【００１４】

【発明が解決しようとする課題】本発明は上記の事情
に鑑みてなされたものであり、その目的とするところ
は、前記センサの、小型であり、かつ、１基のセンサに
より三次元的な物理量の測定が可能であるという利点を
生かしつつ、更にそのセンサ感度及びセンサ精度を向上
させることにある。

【００１５】

【課題を解決するための手段】すなわち、本発明によ
れば、作用体と、当該作用体を中心として周設された、
中空部を有する支台と、少なくとも１組の電極に接する
圧電体を有し、かつ、前記支台の中空部の中心に前記作
用体を釣支するように前記支台に横架された可撓板によ
り構成され、前記支台と、前記作用体と、前記可撓板と
が一体成形された三軸センサであって、前記支台、前記
作用体、若しくは前記可撓板のうち少なくとも１つの化
学組成が異なっており、外部から作用する物理量を、当
該物理量に対応して生ずる前記作用体の挙動に基づく前
記可撓板の撓みに変換し、当該可撓板の撓みに応じて前
記圧電体から発生する電荷により、前記物理量の方向及
び大きさを三次元的に検知する三軸センサが提供され
る。

【００１６】また、支柱と、当該支柱を中心として横
架された、少なくとも１組の電極に接する圧電体を有す
る可撓板と、当該可撓板の縁端部に釣支された作用体に
より構成され、前記支柱と、前記作用体と、前記可撓板
とが一体成形された三軸センサであって、前記支柱、前
記作用体、若しくは前記可撓板のうち少なくとも１つの
化学組成が異なっており、外部から作用する物理量を、
当該物理量に対応して生ずる前記作用体の挙動に基づく
前記可撓板の撓みに変換し、当該可撓板の撓みに応じて
前記圧電体から発生する電荷により、前記物理量の方向
及び大きさを三次元的に検知する三軸センサが提供され
る。

【００１７】本発明の三軸センサは、作用体を重錘と
して、外部から作用する加速度を検知するセンサとして
好ましく用いることができ、グリーンシート積層法によ
り、支台又は支柱と、作用体と、可撓板とを一体焼成し
たものであることが好ましい。

【００１８】また、本発明の三軸センサは、支台又は
支柱と、作用体と、可撓板とが一体成形された三軸セン
サであって、支台又は支柱、作用体、若しくは可撓板の
うち少なくとも１つの化学組成が異なっており、可撓板
のみが、ＴｉＯ₂換算で０．１〜０．６重量％のチタン
及び／又はＭｇＯ換算で０．００５〜０．１重量％のマ
グネシウムを含有するセラミックスであることが好まし
く、ＴｉＯ₂換算で０．２〜０．５重量％のチタン及び
／又はＭｇＯ換算で０．０１〜０．０５重量％のマグネ
シウムを含有するセラミックスであることが更に好まし
い。

【００１９】また、本発明の三軸センサは、前記可撓
板の一部に他の部分に比して相対的に強度の低い部分を
設け、当該強度の低い部分に圧電素子を配設することに
より、前記可撓板の撓みを前記圧電素子配設部に集中せ
しめたものであることが好ましく、可撓板の一部を他の
部分に比して厚く構成することにより、相対的に強度の
低い部分を設けたものであることが更に好ましい。具体
的には、グリーンシート積層法により、支台又は支柱、
作用体、可撓板とともに可撓板の厚み部分を一体焼成
し、可撓板の一部を他の部分に比して厚く構成したも
の、又はスクリーン印刷、補強部材の貼着、若しくは転
写により可撓板の一部を他の部分に比して厚く構成した
ものが挙げられる。

【００２０】また、可撓板の一部を他の部分に比して
硬度をもたせることにより、相対的に強度の低い部分を
設けたものであることも好ましい。具体的には、硬化剤
の塗布又は散布により、可撓板の一部若しくは可撓板の
上面全体に形成された圧電部材の一部を他の部分に比し
て硬度をもたせたものが挙げられる。

【００２１】

【発明の実施の形態】本発明に使用するセンサは、例
えば図３、図６に示すように、作用体１０と、当該作用
体１０を中心として周設された支台１１と、１組の電極
に接する圧電体を有し、かつ、前記作用体１０を釣支し
て対向する前記支台１１間に横架される１又は２以上の
可撓板１２により構成される（以下、この基本構造を
「標準型」という。）。

【００２２】また、例えば図７（ａ）、（ｂ）に示す
ように、支柱１３と、当該支柱１３を中心として横架さ
れた、１組の電極に接する圧電体を有する１又は２以上
の可撓板１４と、当該可撓板１４の縁端部に釣支された
作用体１５により構成してもよい（以下、この基本構造
を「傘型」という。）。

【００２３】傘型において、作用体たる重錘１５はそ
の慣性力により、Ｘ−Ｙ平面方向の加速度ａ_X 、ａ_Y に
対しては図７（ａ）のような挙動を示し、Ｚ軸方向の加
速度ａ_Z については図７（ｂ）のような挙動を示すが、
標準型と同様に外部から作用する加速度ａの方向及び大
きさを検出することが可能である。通常、傘型の方が標
準型に比べ、重錘の体積ひいては質量を大きくすること
が容易であるため、可撓板の撓みを大きくとることがで
き、センサの高感度化を図ることが可能となる点におい
て好ましい。

【００２４】本発明において、支台１１とは、作用体
１０を中心として周設された、可撓板１２及び作用体１
０を支持するための部材であるため、可撓板１２及び作
用体１０を支持し得る強度を有する限りにおいてその形
状、材質等は特に限定されない。

【００２５】形状については、外部形状と中空部の形
状により特定され、例えば外部形状が四角柱状のものに
ついては、図３（ｂ）に示す円筒状中空部１６を有する
ものの他、図８に示す四角柱状中空部１７や図９に示す
八角柱状の中空部１８を有するもの等が考えられ、外部
形状については図１０に示すような円筒状１９であって
もよい。

【００２６】Ｘ−Ｙ平面内の加速度に対する対称性が
高い点を考慮すると、図１０に示すような外部形状、中
空部とも円筒状であるものが好ましい。なお、前記した
傘型の場合には、支柱１３が支台１１と同様の機能を果
たすことになるが、例えば円筒状、多角柱状等の形状で
構成することができる。支柱１３の材質等については支
台１１に準じて選択される。

【００２７】また、支台１１の材質については、一定
の剛性を有する材質であることが好ましい。こうするこ
とにより、外部から加速度が加わった場合でも支台の変
形が少なくなるため、センサを搭載する対象物（例え
ば、自動車）の挙動を忠実に検出し得るようになり、セ
ンサ感度が向上する。

【００２８】即ち、当該搭載対象物の挙動を吸収する
ような材質はセンサの感度、信頼性の低下につながるた
め好ましくなく、例えば金属、セラミックス等の剛性が
高い材質を用いることができるが、電磁波の影響を受け
難い点において、セラミックスにより構成することが好
ましい。

【００２９】更に、支台の剛性を高めるという点にお
いては、図１１に示すように、支台１１を有底中空体と
することが好ましい。底部２０を設けた場合、前記搭載
対象物へのセンサの接着が容易になる効果をも有する。

【００３０】本発明における作用体１０としては、外
部から作用する物理量が力であれば棒状体を、磁力であ
れば磁性体を、加速度であれば重錘を用いればよい。本
発明は加速度センサとして最も好適に用いられるため、
重錘についてのみ説明する。

【００３１】重錘１０とは、可撓板１２に釣支され、
外部から作用する加速度の大きさ、方向に基づいて発生
した力により、可撓板１２に撓みを生じさせるための部
材であって、その形状、材質等は特に限定されず、可撓
板１２に接着剤等により接着してもよく、或いは可撓板
１２と一体成形してもよい。

【００３２】従って、形状としては、例えば図３
（ｂ）に示すような円筒状のものの他、図１２に示す四
角柱状のもの、図１３に示す八角柱状のもの等が考えら
れるが、Ｘ−Ｙ平面内の加速度に対する対称性が高い点
において、図３（ｂ）に示すような円筒状が好ましく、
可撓板１２から重心が離れる点において支台１１下部に
向かって外径が大きくなる円錐台形や下部円筒の外径が
大きい異径円筒状が更に好ましい。

【００３３】なお、センサの基本構造が傘型である場
合の重錘の形状としては、前述した図３（ｂ）に示す標
準型の支台１１と同様の円筒状中空部を有する四角柱の
形状等を用いることができる。

【００３４】また、重錘１０の材質等については、十
分な質量があり、密度の高い材質であることが好まし
い。こうすることにより、外部から同じ加速度が加わっ
た場合でも重錘１０に発生する力が大きくなり可撓板１
２の撓みも大きくなるため、センサ感度が向上する。例
えば金属、セラミックス等の材質を用いることができる
が、電磁波の影響を受け難く、熱膨張率の低い点におい
て、セラミックスにより構成することが好ましい。

【００３５】本発明において可撓板１２とは、重錘１
０を釣支して対向する支台１１間に横架された、若しく
は支柱１３を中心として横架され、その縁端部に重錘１
５を釣支した、圧電体を有する板状部材である。外部か
ら作用する加速度の大きさ、方向に基づいて重錘１０、
１５に発生した力により可撓板１２、１４が撓みを生
じ、当該撓みに応じて発生する前記圧電体の電荷量及び
電荷の極性パターンにより、前記物理量の方向及び大き
さを三次元的に検知することが可能となる。

【００３６】可撓性を有し、重錘１０、１５の挙動に
より破損しない限りにおいて、可撓板１２、１４の形
状、材質等は特に限定されないが、可撓板１２、１４の
弾性変形が容易であるほどセンサの感度が向上するため
好ましい。従って、材質としては、例えば金属、セラミ
ックス、ガラス、樹脂等が使用できるが、ヤング率が高
く、圧電体に歪みを誘起しやすいことから、セラミック
スが好ましい。圧電体に電極を配設する関係上、金属の
ような導電体を用いた場合には、絶縁処理が必要となる
場合がある。なお、図１４に示すように可撓板１２全体
を圧電体２１で構成してもよい。

【００３７】また、可撓板の気孔率は、１０％以下で
あることが好ましく、５％以下であることが更に好まし
い。気孔率が高すぎると可撓板が長手方向に伸縮し易く
なるところ、圧電体に横歪みが加わり難いためセンサ感
度が低下するからである。なお、気孔率は、鏡面研磨時
に脱粒しないように、断面を鏡面仕上げし、当該断面を
ＳＥＭ等の顕微鏡で観察した場合の、（気孔部分の面積
／視野面積）×１００（％）と規定して算出した。

【００３８】一方、形状としては、図６（ｂ）に示す
ような１枚の板状体により構成してもよく、図３（ｂ）
に示す如く複数の長尺板を重錘１０−支台１１間若しく
は支柱１３−重錘１５間に放射状に複数架設してもよ
い。ただし、図３（ｂ）に示すように長尺板を用いた方
が、可撓板１２、１４の変形が容易であるため、より好
ましい。

【００３９】長尺板を複数用いる場合においては、重
錘１０の上部平面の中心から放射状に、かつ、全方向に
対称に架設することが必要であるが、長尺板の本数、太
さ、架設の方法などについては圧電体２１の素子数、配
置方法、支台１１の形状等により適宜決定すべきであ
る。

【００４０】長尺板の本数については、例えば図３
（ｂ）のような８本跨設するタイプが考えられるが、
Ｘ、Ｙ、Ｚの各軸について独立に電荷の検出を行うので
あれば、少なくとも各軸について２本づつ計６本の長尺
板を架設すれば足り、Ｘ、Ｙ軸用とＺ軸用の圧電体を配
設する長尺板を共用した場合には図１５のように４本と
することも可能である。また、図１６のように一方向に
対し複数本づつ架設してもよい。ただし、配線が単純で
あり、調整が容易な図１５の４本タイプが好ましい。

【００４１】可撓板には少なくとも１組の電極に接す
る圧電体が配設されている。当該圧電体は外部から作用
する加速度に基づいて重錘に発生した力を可撓板の撓み
に変換し、当該撓みを圧電体で検知することにより加速
度の方向及び大きさを検出するためのものである。圧電
体としては、例えばＰＺＴ、ＰＭＮ、ＰＮＮ等の圧電セ
ラミックスや有機圧電体を用いることができるが、圧電
特性に優れるＰＺＴを用いることが好ましい。

【００４２】また、圧電体の気孔率は、５０％以下で
あることが好ましく、２０％以下であることが更に好ま
しい。気孔率が高すぎると十分な圧電／電歪特性を得る
ことが困難となるからである。なお、気孔率は、既述し
た可撓板の気孔率と同様の方法で算出した。

【００４３】圧電体は、円形可撓板若しくは長尺可撓
板自体を圧電体で構成してもよいが、例えば図１４と同
様に支台１１上面に設けられた１枚の円形可撓板１２の
上面全体に、若しくは図３に示すような放射状に架設さ
れた複数の長尺可撓板１２の上面全体に配設することが
でき、図６に示す如く前記円形可撓板１２上に重錘１０
中心を原点Ｏとして放射状に圧電体を配設することもで
きる。前記圧電体の任意の部分の上下面に１組の電極を
配設することにより、当該部分が「圧電素子」となる。

【００４４】圧電体を放射状に配設する場合には、
Ｘ、Ｙ、Ｚの各軸について独立に電荷の検出を行うので
あれば、少なくとも各軸について２本づつ計６本の圧電
体を配設すれば足り、Ｘ、Ｙ軸用とＺ軸用の圧電体を共
用した場合には図１５と同様に４本とすることも可能で
ある。また、図１６と同様に一方向に対し複数本づつ配
設してもよい。

【００４５】また、前記の場合において、各々の圧電
体を単一の圧電体とする必要はなく、図１７、図１８に
示すように、前記「圧電素子」ごとに分割して圧電体２
１を設置してもよい。圧電体２１を分割した場合の各々
の圧電体の形状は特に限定されず、図１７、図１８に示
すような矩形の他、図１９に示すような円形や図２０に
示すような短冊状などを用いることができる。

【００４６】更に、円形可撓板を用いている場合に
は、図２１〜図２３に示すように、扇型若しくは円形の
圧電体２１を分割して配設してもよい。なお、図２１は
Ｘ、Ｙ軸方向各２素子、Ｚ軸方向４素子の例であり、図
２２はＸ、Ｙ軸方向各２素子、Ｚ軸方向１素子、図２３
はＸ、Ｙ軸方向各２素子、Ｚ軸方向２素子の例である。

【００４７】圧電体は上部電極と下部電極の少なくと
も１組の電極に接し、かつ、挾持される。前述の通り、
圧電体において上部電極と下部電極により挾持されてい
る部分が「圧電素子」となるため、素子数は圧電体の数
のみならず、電極の配置の仕方によっても増加させるこ
とができる。

【００４８】例えば２素子を形成する場合に、図２４
のように上部電極２２、圧電体２１、下部電極２３を各
々分割して形成するものの他、上部電極２２、下部電極
２３をそれぞれ分割することにより、図２５のように単
一の圧電体２１を２素子に共用してもよく、更には、図
２６に示すように圧電体２１及び下部電極２３を２素子
に共用することもできる。

【００４９】以上のような構成の三軸センサは、グリ
ーンシート積層法により、支台又は支柱（以下、支台等
という。）と、作用体と、可撓板とを一体焼成したもの
であることが好ましい。グリーンシートはセラミックス
微粉末と溶剤等との混合スラリーを一定厚みの薄板状に
乾燥したもので、可撓性、加工性に富み、切断や穴開
け、接着が可能であるという特徴を有する。従って、所
望形状の断層形状に切断した複数のグリーンシートを積
層し、一体に圧着した後、焼成することにより所望形状
を成形することが可能である（以下、この方法を「グリ
ーンシート積層法」という。）。

【００５０】本発明のセンサについてもグリーンシー
ト積層法を適用でき、支台等と、重錘と、可撓板とを一
体焼成することが可能であるが、このように形成された
センサは以下に示すような極めて顕著な効果を奏する。

【００５１】第１に、グリーンシート自体の薄板化が
容易で、シート毎の厚み再現性やシート全体の厚み均一
性に優れるため、可撓板の薄板化及び可撓板の厚みの精
密な制御が容易である。即ち、上述の方法により形成さ
れたセンサは、低加速度でも可撓板が大きく撓むため好
感度であると共に、各可撓板毎若しくは可撓板の部位毎
の撓み具合のバラツキが少ないためセンサ毎の再現性と
各軸毎の合力から求められる加速度の方向及び大きさの
精度に優れる。

【００５２】第２に、薄板の積層枚数を選択すること
により厚み調整ができるため、特にＸ軸、Ｙ軸方向の感
度に影響を与える重錘の厚みを薄板の積層枚数により微
調整して、Ｚ軸方向の感度と均衡させることも容易であ
る。即ち、上述の方法により形成されたセンサは、Ｘ
軸、Ｙ軸方向とＺ軸方向の感度のバランスが良く、回路
による電気的な較正が少なくて済む。

【００５３】第３に、支台等、重錘、可撓板の各々に
ついて断層形状に切断した薄板を積層するところ、各部
材毎に異なる厚みのシートを選択することが可能となる
ため、可撓板には可撓性の高い肉薄のシート、支台等及
び重錘は剛性の高い肉厚のシート等の使い分けが可能と
なる。即ち、上述の方法により形成されたセンサは、一
体成形でありながら可撓部は撓み易く支台等及び重錘は
剛性が高いため高感度かつ高精度となる。

【００５４】この他にもグリーンシート積層法は、一
枚のシートから金型打抜きにより多数のセンサを作成す
ることができ、生産性が高いため、経済性の高いセンサ
が提供可能である等の効果を奏する。これらの効果は他
の一体成形の方法では得ることができない。前記グリー
ンシート積層法により形成したセンサに、スクリーン印
刷等の厚膜法の技術を用いて下部電極、圧電体、上部電
極を形成することにより小型で高感度かつ高精度のセン
サを簡易に製造することが可能となる。

【００５５】また、本発明の三軸センサは、支台等
と、作用体と、可撓板とが一体成形された三軸センサで
あって、支台等、作用体、若しくは可撓板のうち少なく
とも１つの化学組成が異なっているものであることが好
ましい。部品と工数を削減し生産性を向上するという一
体成形の利点を生かしつつ、各部材の特性を制御するこ
とが可能となるからである。例えば、可撓板を撓みやす
い化学組成とし、支台等や重錘は剛性が高い化学組成と
することにより高感度かつ高精度のセンサとすることが
可能となる。このような化学組成により可撓板等の特性
を制御する方法は、セラミックスの他、金属、合成樹脂
を用いた一体成形の場合においても有用である。

【００５６】具体的には、可撓板のみを、ＴｉＯ₂換
算で０．１〜０．６重量％のチタン及び／又はＭｇＯ換
算で０．００５〜０．１重量％のマグネシウムを含有す
るセラミックスとする方法が挙げられる。セラミックス
からなる可撓板にチタン及び／又はマグネシウムを前記
範囲で含有させることにより可撓性を高める一方、支台
等や重錘については前記範囲外の化学組成として、剛性
を高めることが可能だからである。

【００５７】図３７，図３８は、ＺｒＯ₂からなる可
撓板における、チタン或いはマグネシウムの重量比率と
ヤング率との相関を、チタン、マグネシウムを含有しな
い可撓板のヤング率を１とした場合の比率で示したグラ
フである。グラフから明らかなように、チタン或いはマ
グネシウムの重量比率が前記範囲内の場合に可撓板のヤ
ング率が最も低くなり、撓み易くなる。

【００５８】なお、チタン或いはマグネシウムの重量
比率が前記範囲より低い場合には可撓板が撓み難くなる
ため、センサ感度が低下する。また、前記範囲より重量
比率が高い場合には可撓板の靱性が低下するため、可撓
板が破損し易くなり、センサの信頼性が低下する。従っ
て、可撓板はＴｉＯ₂換算で０．２〜０．５重量％のチ
タン及び／又はＭｇＯ換算で０．０１〜０．０５重量％
のマグネシウムを含有するセラミックスであればより好
ましく、支台等や重錘はこれらの範囲の下限値以下であ
ることが、靱性を低下させず、チタンの添加等も不要で
ある点において好ましい。

【００５９】本発明においては、結果的に各部材の化
学組成が異なっていれば足り、例えばセラミックス系材
料からなる素子であれば、異なる材質のグリーンシート
を用いたグリーンシート積層法の他、一軸プレス、切削
加工、射出成形等により一体成形した素子の可撓板部分
に対し、異なる材質のソースとなるもの（例えばチタン
源となるもの）をスクリーン印刷、スラリーコート等し
て焼成し、固体拡散させる方法、若しくはスパッタ、Ｃ
ＶＤ、イオンプレーティング等により添加する方法によ
っても同様の効果を得ることは可能である。

【００６０】なお、これらの方法を用いた場合に、各
部材間の固体拡散に起因して各部材の材質が完全に区分
されず、一定の濃度勾配を生じていることがある。この
ようなものであっても、センサ全体が均一の化学組成で
はなく、かつ、化学組成により各部材の特性が制御され
ている限りにおいて本発明に包含される。

【００６１】また、本発明のセンサにおいては、可撓
板の一部に他の部分に比して相対的に強度の低い部分を
設け、当該強度の低い部分に前記「圧電素子」を配設す
ることが好ましい。こうすることにより、可撓板のうち
強度の低い部分がより大きく撓む（即ち、当該部分に撓
み応力が集中する）ため、この部分に「圧電素子」を配
設すれば同じ条件下であっても「圧電素子」の上下電極
間に発生する電圧は大きくなり、センサの高感度化を図
ることができる。

【００６２】即ち、作用体、ひいてはセンサの大型化
を伴わずにセンサの高感度化を図ることができる。従っ
て、圧電素子からの出力の増幅器として、電界効果型ト
ランジスタ（ＦＥＴ）のような入力インピーダンスの大
きい増幅器を用いる場合に特に好適に用いることができ
る。

【００６３】前記の構成をセンサに適用した例を図１
に示す。図１では、可撓板３０として円形可撓板を重錘
３１と支台３２間に横架しているが、可撓板３０を薄板
３３で構成する。この部分が「相対的に強度の低い部
分」（以下、低強度部分という。）となる。次いで、放
射状に２本づつ配設された短冊状圧電体３４の間に高強
度部３５を形成する処理を施す。

【００６４】従来のセンサ及び前記本発明のセンサに
対し、加速度ａが作用した場合のセンサの挙動を図４
（ａ）、図１（ｂ）に各々示す。センサに対し外部から
加速度ａが作用した場合、重錘には加速度ａと相反する
方向に慣性力ｆが作用するため、重錘−支台間に跨設さ
れた可撓板に慣性力ｆに伴う撓みが生ずる。

【００６５】図１（ｂ）のセンサの可撓板には高強度
部３５が形成されているため、当該高強度部３５は低強
度部に比して撓み難い。従って、本来高強度部３５で生
ずるべき撓み応力は必然的に低強度部に吸収されること
になる。即ち、図４（ａ）のセンサでは可撓板３全体が
均一に、かつ、滑らかに撓むのに対し、図１（ｂ）のセ
ンサは可撓板３０の低強度部位が特異的に、かつ、大き
く撓み、高強度部３５は撓みが少ない、若しくは全く撓
まないことになる。

【００６６】この場合における、図４（ａ）のセンサ
と図１（ｂ）のセンサの４つの「圧電素子」に発生する
電荷について比較・検討する。まず、電荷の極性パター
ンについては、可撓板の撓みパターンにより決定される
ため、前記２種のセンサ間で差異は生じない。即ち、い
ずれのセンサも可撓板は左から［凸凹凸凹］のパターン
で撓んでおり、４つの「圧電素子」の上面に発生する電
荷の極性パターンは［＋−＋−］となる。従って、電荷
の極性パターンにより認識される加速度ａの方向につい
ても、前記２種のセンサ間で差異は生じないことにな
る。

【００６７】一方、電荷の発生により電極間に生ずる
電圧については、可撓板の圧電体配設部の撓みの大きさ
により決定されるため、作用する加速度が同じ場合、可
撓板全体の撓み量が同じであっても、圧電体配設部につ
いての撓み量は図４（ａ）のセンサより図１（ｂ）のセ
ンサの方が大きくなる。従って、図２７に示すように電
極間に生ずる電圧（電位）についても図１（ｂ）のセン
サの方が大きくなる。即ち、図１（ｂ）のセンサは、加
速度ａの方向については図４（ａ）のセンサと同様に認
識でき、かつ、センサ感度についてはより高くなる。換
言すれば、図４（ａ）のセンサで同等の電圧を生ぜしめ
るには重錘の質量を大きくする等の工夫が必要となる。

【００６８】可撓板に高強度部を形成する方法につい
ては、可撓板の強度を高めたい部分を相対的に厚く構成
することが容易に実施でき好ましい。例えば、図２８に
示すように可撓板３０の高強度部を厚板３６で構成して
もよい。具体的には、グリーンシート積層法により、支
台、作用体、可撓板とともに可撓板の厚み部分を一体焼
成する方法、又は、スクリーン印刷、補強部材の貼着、
若しくは転写等の方法により当該部分を厚く構成するこ
とができる。

【００６９】また、可撓板の強度を高めたい箇所に相
対的に硬度をもたせてもよい。この場合には、可撓板の
当該箇所に対し、硬化剤を塗布、散布等して当該部分に
硬度をもたせることができる。硬化剤としては、可撓板
を構成する材料と化学反応、固溶などにより硬度が上が
るもの等を用いることができる。なお、可撓板の上面全
体に圧電体が形成されている場合には、可撓板のみなら
ず圧電体の一部に硬度をもたせることにより同様の効果
を得ることも可能である。

【００７０】

【実施例】実施例のセンサについては、全てグリーン
シート積層法による一体焼成により構成した。まず、具
体的な製造方法を示す。

【００７１】ジルコニアグリーンシートを重錘、支台
及び可撓板の断層形状に切断し、当該グリーンシートを
センサ形状となるように積層した後、６０〜１００℃、
２０〜４０Ｋｇ／ｃｍ²程度の条件で、シートを積層方
向に圧着して積層体とした。次いで、当該積層体を１４
００〜１５００℃程度の温度で一体焼成して焼成体と
し、下部電極、圧電体、上部電極の順で前記焼成体に対
しスクリーン印刷後焼成する操作を繰り返して圧電素子
を形成し、センサを得た。

【００７２】（実施例１）前記の製造方法において、
可撓板部分はＴｉＯ₂換算で０．３重量％のチタン及び
ＭｇＯ換算で０．０２重量％のマグネシウムを含有する
ジルコニアグリーンシート、重錘部分、支台部分はチタ
ン、マグネシウムを添加しない通常のジルコニアグリー
ンシートを使用し、グリーンシート積層法により一体焼
成した。このように構成したセンサは、可撓部が撓み易
く、重錘及び支台が撓み難いため、高精度かつ高感度で
あり好ましい。

【００７３】実施例２〜７に、可撓板に高強度部を形
成したセンサの例を示す。（実施例２）図１は、薄板３３で構成した円形の可撓板
３０を低強度部として、放射状に２本づつ配設された短
冊状圧電体３４の間に高強度部３５を形成する処理を施
した例である。

【００７４】このセンサの可撓板３０は高強度部３５
が低強度部３３に比して撓み難く、可撓板３０の低強度
部３３が特異的に、かつ、大きく撓み、高強度部３５は
撓みが少ない、若しくは全く撓まない。従って、図２７
に示すように電極間に生ずる電圧（電位）についても通
常のセンサより大きく、高感度化を図ることができる。
なお、この例では支台３２、重錘３１とも円筒状に構成
され、Ｘ−Ｙ平面内の加速度に対する対称性が高く好ま
しい。

【００７５】（実施例３）図２９は、実施例２を基本構
成として、圧電体３４を小さくし、それ以外の部分を高
強度部３５とした例である。この場合、高強度部３５の
面積が大きくなるため、圧電体３４に対し、より大きい
歪みを誘起しやすい点において好ましい。

【００７６】（実施例４）図３０は、実施例２を基本構
成として、圧電素子の数をＸ、Ｙ軸２素子、Ｚ軸４素子
の計８素子に減らした例である。このようにすること
で、配線が単純で調整が容易となる。

【００７７】（実施例５）図３１は、実施例２に対し可
撓板３０を長尺板として、重錘３１−支台３２間に跨設
した場合の例である。長尺板の中央部に高強度部位３５
が設けられている。可撓板を長尺板とすることで、可撓
板が撓み易くなり、圧電体に歪みを誘起しやすくなる利
点がある。

【００７８】（実施例６）図３２は、扇型の圧電体を配
設した場合の例である。中央のＺ軸用圧電体３７と周囲
のＸ軸用圧電体３８、３９、Ｙ軸用圧電体４０、４１の
間に断続的に高強度部３５が設けられている。高強度部
を連続的に設けると可撓板の撓みが阻害され好ましくな
いが、本実施例のように断続的に設けることにより、そ
のような問題は回避できる。

【００７９】（実施例７）図３３は、実施例６の高強度
部３５を長尺化した例である。高強度部の面積が大き
く、圧電体の歪みが誘起しやすい点において実施例６よ
り更に好ましい。

【００８０】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の三軸セ
ンサは、可撓板が撓み易く、重錘及び支台が剛性が高い
ため、高感度かつ高精度のセンサである。また、可撓板
の低強度部に圧電素子を設けた場合には、可撓板の撓み
応力が圧電素子配設部に集中するため、作用体、ひいて
はセンサの大型化を伴わずにセンサの感度を更に向上さ
せることができる。従って、圧電素子からの出力の増幅
器として、電界効果型トランジスタ（ＦＥＴ）のような
入力インピーダンスの大きい増幅器を用いる場合に特に
好適に用いることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の三軸センサの一の実施例を示す上面
図（ａ）、正面断面図（ｂ）である。

【図２】本発明に使用する三軸センサの一の実施例を
示す概略斜視図である。

【図３】本発明に使用する三軸センサの一の実施例を
示す概略斜視図（ａ）、上面図（ｂ）である。

【図４】本発明に使用する三軸センサの作動状況を示
す概念図（ａ）、（ｂ）である。

【図５】本発明に使用する三軸センサの作動状況を示
す概略説明図（ａ）、（ｂ）である。

【図６】本発明に使用する三軸センサの一の実施例を
示す概略斜視図（ａ）、上面図（ｂ）である。

【図７】本発明に使用する三軸センサの作動状況を示
す概念図（ａ）、（ｂ）である。

【図８】本発明に使用する三軸センサの一の実施例を
示す上面図である。

【図９】本発明に使用する三軸センサの一の実施例を
示す上面図である。

【図１０】本発明に使用する三軸センサの一の実施例
を示す上面図である。

【図１１】本発明に使用する三軸センサの一の実施例
を示す正面断面図である。

【図１２】本発明に使用する三軸センサの一の実施例
を示す上面図である。

【図１３】本発明に使用する三軸センサの一の実施例
を示す上面図である。

【図１４】本発明に使用する三軸センサの一の実施例
を示す上面図である。

【図１５】本発明に使用する三軸センサの一の実施例
を示す上面図である。

【図１６】本発明に使用する三軸センサの一の実施例
を示す上面図である。

【図１７】本発明に使用する三軸センサの一の実施例
を示す上面図である。

【図１８】本発明に使用する三軸センサの一の実施例
を示す上面図である。

【図１９】本発明に使用する三軸センサの一の実施例
を示す上面図である。

【図２０】本発明に使用する三軸センサの一の実施例
を示す上面図である。

【図２１】本発明に使用する三軸センサの一の実施例
を示す上面図である。

【図２２】本発明に使用する三軸センサの一の実施例
を示す上面図である。

【図２３】本発明の使用する三軸センサの一の実施例
を示す上面図である。

【図２４】本発明の使用する三軸センサの一の圧電体
及び電極配置の例を示す概略斜視図である。

【図２５】本発明の使用する三軸センサの一の圧電体及
び電極配置の例を示す概略斜視図である。

【図２６】本発明の使用する三軸センサの一の圧電体及
び電極配置の例を示す概略斜視図である。

【図２７】本発明の三軸センサの効果を示す概念図
（ａ）、（ｂ）である。

【図２８】本発明の三軸センサの一の実施例を示す正
面断面図である。

【図２９】本発明の三軸センサの一の実施例を示す上
面図である。

【図３０】本発明の三軸センサの一の実施例を示す上
面図である。

【図３１】本発明の三軸センサの一の実施例を示す上
面図（ａ）、Ａ−Ａ’断面図（ｂ）、Ｂ−Ｂ’断面図
（ｃ）である。

【図３２】本発明の三軸センサの一の実施例を示す上
面図である。

【図３３】本発明の三軸センサの一の実施例を示す上
面図である。

【図３４】従来の一体成形の実施形態を示す概略説明
図である。

【図３５】従来の一体成形の実施形態を示す概略説明
図である。

【図３６】従来の一体成形の実施形態を示す概略説明
図である。

【図３７】可撓板における、チタンの重量比率とヤン
グ率との関係を示すグラフである。

【図３８】可撓板における、マグネシウムの重量比率
とヤング率との関係を示すグラフである。

【符号の説明】

１…重錘、２…支台、３…可撓板、４…撓み、５…圧電
体、１０…作用体、１１…支台、１２…可撓板、１３…
支柱、１４…作用体、１５…作用体、１６…円筒状中空
部、１７…四角柱状中空部、１８…八角柱状中空部、１
９ａ…円筒状外部形状、２０…底部、２１…圧電体、２
２…上部電極、２３…下部電極、３０…可撓板、３１…
重錘、３２…支台、３３…薄板、３４…圧電体、３５…
高強度部、３６…厚板、３７…Ｚ軸用圧電体、３８，３
９…Ｘ軸用圧電体、４０，４１…Ｙ軸用圧電体、５０…
金型、５１…原料粉、５２…スラリー、５３…グリーン
ボディー、５４…センサ。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献特開平５−26744（ＪＰ，Ａ) 特開平８−51238（ＪＰ，Ａ) 特開平４−249727（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G01L 5/16 G01P 15/09

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】作用体と、当該作用体を中心として周設された、中空部を有する支
台と、少なくとも１組の電極に接する圧電体を有し、かつ、前
記支台の中空部の中心に前記作用体を釣支するように前
記支台に横架された可撓板により構成され、前記支台と、前記作用体と、前記可撓板とが一体成形さ
れた三軸センサであって、前記支台、前記作用体、若しくは前記可撓板のうち少な
くとも１つの化学組成が異なっており、外部から作用する物理量を、当該物理量に対応して生ず
る前記作用体の挙動に基づく前記可撓板の撓みに変換
し、当該可撓板の撓みに応じて前記圧電体から発生する
電荷により、前記物理量の方向及び大きさを三次元的に
検知することを特徴とする三軸センサ。
【請求項２】支柱と、当該支柱を中心として横架された、少なくとも１組の電
極に接する圧電体を有する可撓板と、当該可撓板の縁端部に釣支された作用体により構成さ
れ、前記支柱と、前記作用体と、前記可撓板とが一体成形さ
れた三軸センサであって、前記支柱、前記作用体、若しくは前記可撓板のうち少な
くとも１つの化学組成が異なっており、外部から作用する物理量を、当該物理量に対応して生ず
る前記作用体の挙動に基づく前記可撓板の撓みに変換
し、当該可撓板の撓みに応じて前記圧電体から発生する
電荷により、前記物理量の方向及び大きさを三次元的に
検知することを特徴とする三軸センサ。
【請求項３】作用体と、当該作用体を中心として周設された、中空部を有する支
台と、少なくとも１組の電極に接する圧電体を有し、かつ、前
記支台の中空部の中心に前記作用体を釣支するように前
記支台に横架された可撓板により構成され、前記可撓板のみが、ＴｉＯ ₂ 換算で０．１〜０．６重量
％のチタン及び／又はＭｇＯ換算で０．００５〜０．１
重量％のマグネシウムを含有するセラミックスであり、外部から作用する物理量を、当該物理量に対応して生ず
る前記作用体の挙動に基づく前記可撓板の撓みに変換
し、当該可撓板の撓みに応じて前記圧電体から発生する
電荷により、前記物理量の方向及び大きさを三次元的に
検知することを特徴とする三軸センサ。
【請求項４】支柱と、当該支柱を中心として横架された、少なくとも１組の電
極に接する圧電体を有する可撓板と、当該可撓板の縁端部に釣支された作用体により構成さ
れ、前記可撓板のみが、ＴｉＯ ₂ 換算で０．１〜０．６重量
％のチタン及び／又はＭｇＯ換算で０．００５〜０．１
重量％のマグネシウムを含有するセラミックスであり、外部から作用する物理量を、当該物理量に対応して生ず
る前記作用体の挙動に基づく前記可撓板の撓みに変換
し、当該可撓板の撓みに応じて前記圧電体から発生する
電荷により、前記物理量の方向及び大きさを三次元的に
検知することを特徴とする三軸センサ。
【請求項５】可撓板のみが、ＴｉＯ₂換算で０．２〜
０．５重量％のチタン及び／又はＭｇＯ換算で０．０１
〜０．０５重量％のマグネシウムを含有するセラミック
スである請求項３又は４に記載の三軸センサ。
【請求項６】作用体を重錘として、外部から作用する
加速度を検知する請求項１〜５のいずれか一項に記載の
三軸センサ。
【請求項７】グリーンシート積層法により、支台又は
支柱と、作用体と、可撓板とを一体焼成した請求項１〜
６のいずれか一項に記載の三軸センサ。
【請求項８】作用体と、当該作用体を中心として周設された、中空部を有する支
台と、少なくとも１組の電極に接する圧電体を有し、かつ、前
記支台の中空部の中心に前記作用体を釣支するように前
記支台に横架された可撓板により構成され、グリーンシート積層法により、前記支台、前記作用体、
前記可撓板とともに前記可撓板の厚み部分を一体焼成
し、前記可撓板の一部を他の部分に比して厚く構成する
ことにより、前記可撓板の一部に他の部分に比して相対
的に強度の低い部分を設け、当該強度の低い部分に圧電
素子を配設することにより、前記可撓板の撓みを前記圧
電素子配設部に集中せしめ、外部から作用する物理量を、当該物理量に対応して生ず
る前記作用体の挙動に基づく前記可撓板の撓みに変換
し、当該可撓板の撓みに応じて前記圧電体から発生する
電荷により、前記物理量の方向及び大きさを三次元的に
検知することを特徴とする三軸センサ。
【請求項９】支柱と、当該支柱を中心として横架された、少なくとも１組の電
極に接する圧電体を有する可撓板と、当該可撓板の縁端部に釣支された作用体により構成さ
れ、グリーンシート積層法により、前記支柱、前記作用体、
前記可撓板とともに前記可撓板の厚み部分を一体焼成
し、前記可撓板の一部を他の部分に比して厚く構成する
ことにより、前記可撓板の一部に他の部分に比して相対
的に強度の低い部分を設け、当該強度の低い部分に圧電
素子を配設することにより、前記可撓板の撓みを前記圧
電素子配設部に集中せしめ、外部から作用する物理量を、当該物理量に対応して生ず
る前記作用体の挙動に基づく前記可撓板の撓みに変換
し、当該可撓板の撓みに応じて前記圧電体から発生する
電荷により、前記物理量の方向及び大きさを三次元的に
検知することを特徴とする三軸センサ。
【請求項１０】作用体と、当該作用体を中心として周設された、中空部を有する支
台と、少なくとも１組の電極に接する圧電体を有し、かつ、前
記支台の中空部の中心に前記作用体を釣支するように前
記支台に横架された可撓板により構成され、スクリーン印刷、補強部材の貼着、若しくは転写により
前記可撓板の一部を他の部分に比して厚く構成すること
により、前記可撓板の一部に他の部分に比して相対的に
強度の低い部分を設け、当該強度の低い部分に圧電素子
を配設することにより、前記可撓板の撓みを前記圧電素
子配設部に集中せしめ、外部から作用する物理量を、当該物理量に対応して生ず
る前記作用体の挙動に基づく前記可撓板の撓みに変換
し、当該可撓板の撓みに応じて前記圧電体から発生する
電荷により、前記物理量の方向及び大きさを三次元的に
検知することを特徴とする三軸センサ。
【請求項１１】支柱と、当該支柱を中心として横架された、少なくとも１組の電
極に接する圧電体を有する可撓板と、当該可撓板の縁端部に釣支された作用体により構成さ
れ、スクリーン印刷、補強部材の貼着、若しくは転写により
前記可撓板の一部を他の部分に比して厚く構成すること
により、前記可撓板の一部に他の部分に比して相対的に
強度の低い部分を設け、当該強度の低い部分に圧電素子
を配設することにより、前記可撓板の撓みを前記圧電素
子配設部に集中せしめ、外部から作用する物理量を、当該物理量に対応して生ず
る前記作用体の挙動に基づく前記可撓板の撓みに変換
し、当該可撓板の撓みに応じて前記圧電体から発生する
電荷により、前記物理量の方向及び大きさを三次元的に
検知することを特徴とする三軸センサ。
【請求項１２】作用体と、当該作用体を中心として周設された、中空部を有する支
台と、少なくとも１組の電極に接する圧電体を有し、かつ、前
記支台の中空部の中心に前記作用体を釣支するように前
記支台に横架された可撓板により構成され、前記可撓板の一部を他の部分に比して硬度をもたせるこ
とにより、前記可撓板の一部に他の部分に比して相対的
に強度の低い部分を設け、当該強度の低い部分に圧電素
子を配設することにより、前記可撓板の撓みを前記圧電
素子配設部に集中せしめ、外部から作用する物理量を、当該物理量に対応して生ず
る前記作用体の挙動に基づく前記可撓板の撓みに変換
し、当該可撓板の撓みに応じて前記圧電体から発生する
電荷により、前記物理量の方向及び大きさを三次元的に
検知することを特徴とする三軸センサ。
【請求項１３】支柱と、当該支柱を中心として横架された、少なくとも１組の電
極に接する圧電体を有する可撓板と、当該可撓板の縁端部に釣支された作用体により構成さ
れ、前記可撓板の一部を他の部分に比して硬度をもたせるこ
とにより、前記可撓板の一部に他の部分に比して相対的
に強度の低い部分を設け、当該強度の低い部分に圧電素
子を配設することにより、前記可撓板の撓みを前記圧電
素子配設部に集中せしめ、外部から作用する物理量を、当該物理量に対応して生ず
る前記作用体の挙動に基づく前記可撓板の撓みに変換
し、当該可撓板の撓みに応じて前記圧電体から発生する
電荷により、前記物理量の方向及び大きさを三次元的に
検知することを特徴とする三軸センサ。
【請求項１４】硬化剤の塗布又は散布により、可撓板
の一部若しくは可撓板の上面全体に形成された圧電部材
の一部を他の部分に比して硬度をもたせた請求項１２又
は１３に記載の三軸センサ。