JP4992132B2 - 圧電加速度センサ - Google Patents

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。

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。

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

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。

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。

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。

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、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。

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り、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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

（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_３を基本組成としている。

（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）。

（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）。

（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）。

（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）。

（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。

（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）。

（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）。

（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）。

（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）。

（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。

（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。

（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）。

（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。

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。

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。

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。

（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。

（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。

（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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。 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。 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。 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。 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。 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。 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。 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。

符号の説明

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

Claims (2)

1. 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、
   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。
2. 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。

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