JP5447693B2 - 加速度センサ - Google Patents

Description

本発明は、加速度センサに関する。特に、本発明は、圧電素子を用いた加速度センサに関する。

従来、加速度センサとして、圧電素子を用いた加速度センサが知られている。例えば下記の特許文献１には、そのような加速度センサの一例が記載されている。特許文献１に記載の加速度センサの略図的断面図を図３に示す。

図３に示すように、加速度センサ１００は、支持部材１０１と、支持部材１０１内に配置されており、支持部材１０１により端部が挟持されている圧電素子１１０とを備えている。圧電素子１１０は、圧電基板１１１と、圧電基板１１１内及び圧電基板１１１の表面に設けられており、圧電基板１１１の厚み方向に対向する第１及び第２の電極１１２ａ、１１２ｂとを有する。

この加速度センサ１００に加速度が加わると、加速度に応じて圧電素子１１０が変形する。これにより、第１及び第２の電極１１２ａ、１１２ｂ間に、加わった加速度の大きさに応じた高さの電圧が生じる。この電圧の大きさを測定することによって加速度を検出することができる。

なお、加速度センサ１００では、圧電基板１１１のうち、支持部材１０１により挟持されていない部分であって厚み方向に第１及び第２の電極１１２ａ、１１２ｂが対向している部分が分極されている。圧電基板１１１のうち、支持部材１０１により挟持されている端部は、分極されていない。このため、加速度センサが配置された雰囲気の温度が変化した際にも高精度に加速度を検出することができる。

すなわち、加速度センサが配置されている雰囲気の温度が上昇すると、保持部材を介して圧電基板の保持部材により挟持されている部分にも熱が伝わる。このため、圧電基板の保持部材により挟持されている部分が分極されていると、焦電効果により、電荷が発生し、加速度センサに加わった加速度の大きさに対応した電圧より高い電圧が加速度センサから取り出されることとなる。従って、加速度を高精度に検出できない。

それに対して、加速度センサ１００では、圧電基板１１１の支持部材１０１により挟持されている部分は分極されていない。このため、圧電基板１１１では、加速度センサ１００が配置されている雰囲気の温度が上昇した場合にも焦電効果によって電荷が発生し難い。従って、加速度センサ１００によれば、加速度センサ１００が配置されている雰囲気の温度変化にかかわらず、加速度を高精度に検出することができる。

特許文献１には、上記加速度センサ１００の製造方法として、以下のような方法が記載されている。すなわち、まず、複数の第１の電極１１２ａのうち、圧電基板１１１の表面の上に形成されている電極１１２ａ１，１１２ａ２のうち、狭持部に位置する部分以外の部分と、第２の電極１１２ｂとを形成する。次に、圧電基板１１１の分極を行う。その後、電極１１２ａ１，１１２ａ２の残りの部分を形成する方法が記載されている。

ＷＯ ２００７／１３２５８８ Ａ１号公報

しかしながら、加速度センサ１００では、電極１１２ａ１，１１２ａ２の形成を２回に分けて行う必要がある。このため、製造工程が煩雑になるという問題がある。

また、加速度センサ１００の感度を高める観点からは、圧電基板１１１の分極されている部分を大きくする方が好ましい。このため、圧電基板１１１の狭持部を除いた部分全体の上に電極を形成した状態で分極を行うことが好ましい。しかしながら、この場合は、電極の形成精度が低かったり、圧電素子１１０の支持部材１０１への組み付け精度が低かったりすると、圧電基板１１１の分極された部分の一部が支持部材１０１により挟持されてしまう場合もある。従って、加速度センサ１００は、製造が困難であるという問題がある。

本発明は、係る点に鑑みてなされたものであり、その目的は、雰囲気温度が変化した際においても加速度検出精度が低下しにくく、かつ製造が容易な加速度センサを提供することにある。

本発明に係る加速度センサは、圧電素子と、支持部材と、第１の外部電極と、第２の外部電極とを備えている。圧電素子は、圧電基板と、第１の電極と、第２の電極とを有する。圧電基板は、第１及び第２の主面を有する。圧電基板は、第１の方向における中央部と、第１の方向において中央部の一方側に位置している第１の端部と、第１の方向において中央部の他方側に位置している第２の端部とを含む。中央部が分極されている。第１の電極は、圧電基板の第１の主面の上に、第１の端部から第２の端部に至るように形成されている。第２の電極は、圧電基板の内部において第２の端部と中央部とにわたって形成されている。第２の電極は、中央部において第１の電極と圧電基板の厚み方向に対向している。支持部材は、第２の端部を挟持している。支持部材には、圧電素子が収納された内部空間が形成されている。第１の外部電極は、支持部材の外表面の上に形成されている。第１の外部電極には、第１の電極が電気的に接続されている。第２の外部電極は、支持部材の外表面の上に形成されている。第２の外部電極には、第２の電極が電気的に接続されている。圧電基板は、第２の端部における第１の電極と第２の電極との間の距離が、中央部における第１の電極と第２の電極との間の距離よりも大きくなるように構成されている。

本発明に係る加速度センサのある特定の局面では、第２の端部の第１の電極と第２の電極との間に位置している部分の厚みが、中央部の第１の電極と第２の電極との間に位置している部分の厚みよりも大きい。

本発明に係る加速度センサの他の特定の局面では、第２の端部の第１の電極と第２の電極との間に位置している部分の厚みは、中央部の第１の電極と第２の電極との間に位置している部分の厚みの１．５倍以上である。

本発明に係る加速度センサのある特定の局面では、支持部材は、第１の方向の他方側端部において第２の端部を挟持している一対の板状部材と、一対の板状部材を接続することにより内部空間を区画形成している接続部材とを有する。

本発明に係る加速度センサの他の特定の局面では、第１の端部は自由端である。

本発明によれば、雰囲気温度が変化した際においても加速度検出精度が低下しにくく、かつ製造が容易な加速度センサを提供することができる。

図１は、第１の実施形態に係る加速度センサの略図的断面図である。 図２は、第２の実施形態に係る加速度センサの略図的断面図である。 図３は、特許文献１に記載の加速度センサの略図的断面図である。

以下、本発明を実施した好ましい形態の一例について説明する。但し、以下の実施形態は、単なる例示である。本発明は、以下の実施形態に何ら限定されない。

（第１の実施形態）
図１は、本実施形態に係る加速度センサの略図的断面図である。図１に示すように、加速度センサ１は、圧電素子１０と、支持部材３０とを有する。

圧電素子１０は、第１の主面１１ａ及び第２の主面１１ｂを有する圧電基板１１と、第１及び第２の電極１２，１３とを有する。圧電基板１１は、適宜の圧電体により形成することができる。圧電基板１１は、例えば、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）などにより形成することができる。本実施形態では、圧電基板１１は、複数の圧電体層１１ｃの積層体により構成されている。

圧電基板１１は、ｘ方向における中央部１１Ａと、ｘ方向において中央部１１Ａのｘ１側に位置する第１の端部１１Ｂと、ｘ方向において中央部１１Ａのｘ２側に位置する第２の端部１１Ｃとを有する。

第１の電極１２は、電極１２ａ〜１２ｃを含む。電極１２ａは、第１の主面１１ａの上に形成されている。詳細には、電極１２ａは、第１の主面１１ａの第１の端部１１Ｂから中央部１１Ａを経由して第２の端部１１Ｃに至るように形成されている。電極１２ａは、第１の主面１１ａのｘ１側端面に至るように形成されている一方、ｘ２側端面には至らないように形成されている。

電極１２ｂは、第２の主面１１ｂの上に形成されている。詳細には、電極１２ｂは、第２の主面１１ｂの第１の端部１１Ｂから中央部１１Ａを経由して第２の端部１１Ｃに至るように形成されている。電極１２ｂは、第２の主面１１ｂのｘ１側端面に至るように形成されている一方、ｘ２側端面には至らないように形成されている。

電極１２ｃは、圧電基板１１の内部において、第１及び第２の主面１１ａ、１１ｂと平行に形成されている。電極１２ｃは、第１の端部１１Ｂと中央部１１Ａとに形成されている。電極１２ｃは、第２の端部１１Ｃには形成されていない。

電極１２ａ〜１２ｃは、圧電基板１１の第１の端部１１Ｂの側面の上に形成されている電極１４により互いに接続されている。

第２の電極１３は、電極１３ａ、１３ｂを含む。電極１３ａ、１３ｂのそれぞれは、圧電基板１１の内部において、第１及び第２の主面１１ａ、１１ｂと平行に形成されている。電極１３ａは、厚み方向において、電極１２ａと電極１２ｃとの間に位置している。電極１３ｂは、厚み方向において、電極１２ｂと電極１２ｃとの間に位置している。電極１３ａ、１３ｂは、中央部１１Ａと第２の端部１１Ｃとに形成されている。このため、電極１３ａ、１３ｂは、中央部１１Ａにおいて、電極１２ａ〜１２ｃと厚み方向に対向している。電極１３ａ、１３ｂは、圧電基板１１のｘ２側端部と、両側面に引き出されている。

本実施形態では、圧電基板１１は、第２の端部１１Ｃにおける電極１２ａと電極１３ａとの間の距離が、中央部１１Ａにおける電極１２ａと電極１３ａとの間の距離よりも大きく、かつ、第２の端部１１Ｃにおける電極１２ｂと電極１３ｂとの間の距離が、中央部１１Ａにおける電極１２ｂと電極１３ｂとの間の距離よりも大きくなるように構成されている。具体的には、第２の端部１１Ｃのみにさらなる圧電体層１１ｃ１、１１ｃ２が設けられている。これにより、第２の端部１１Ｃの電極１２ａと電極１３ａとの間に位置する部分の厚みが、中央部１１Ａの電極１２ａと電極１３ａとの間に位置する部分の厚みよりも大きくなっている。その結果、第２の端部１１Ｃにおける電極１２ａと電極１３ａとの間の距離が、中央部１１Ａにおける電極１２ａと電極１３ａとの間の距離よりも大きくなっている。また、第２の端部１１Ｃの電極１２ｂと電極１３ｂとの間に位置する部分の厚みが、中央部１１Ａの電極１２ｂと電極１３ｂとの間に位置する部分の厚みよりも大きくなっている。その結果、第２の端部１１Ｃにおける電極１２ｂと電極１３ｂとの間の距離が、中央部１１Ａにおける電極１２ｂと電極１３ｂとの間の距離よりも大きくなっている。

なお、第２の端部１１Ｃにおける電極１２ａと電極１３ａとの間の距離は、中央部１１Ａにおける電極１２ａと電極１３ａとの間の距離の１．５倍以上であることが好ましく、２倍以上であることがより好ましく、３倍以上であることがさらに好ましい。第２の端部１１Ｃにおける電極１２ｂと電極１３ｂとの間の距離は、中央部１１Ａにおける電極１２ｂと電極１３ｂとの間の距離の１．５倍以上であることが好ましく、２倍以上であることがより好ましく、３倍以上であることがさらに好ましい。

圧電素子１０は、支持部材３０内に設けられている。具体的には、圧電素子１０は、支持部材３０内に形成されている内部空間３０ａに収納されている。圧電素子１０は、第２の端部１１Ｃが設けられている部分において、支持部材３０により挟持されることにより支持部材３０に固定されている。圧電素子１０の中央部１１Ａ及び第１の端部１１Ｂは、支持部材３０に接触していない。このため、本実施形態では、圧電素子１０は、第１の端部１１Ｂが自由端となるように片持ち梁態様で支持部材３０に取り付けられている。もっとも、本発明においては、圧電素子は、両持ち梁態様で支持部材に取り付けられていてもよい。

本実施形態では、支持部材３０は、第１及び第２の支持部材片３４，３５と、接続部材３６とを有する。第１及び第２の支持部材片３４，３５のそれぞれの周縁部には、額縁状に突部が設けられており、それら突部が対面するように第１及び第２の支持部材片３４，３５が配置されている。そして、その第１及び第２の支持部材片３４，３５の突部の一部同士により第２の端部１１Ｃが狭持されている。第１及び第２の支持部材片３４，３５の突部の第２の端部１１Ｃを狭持している部分以外の部分は、接続部材３６により接続されている。接続部材３６の材質は、例えば、圧電素子１０と同じ材質であってもよいし、異なる材質であってもよい。

支持部材３０の材質は、圧電素子１０を支持でき、かつ絶縁性を有するものである限りにおいて特に限定されない。支持部材３０は、例えば、セラミックス、樹脂により形成してもよいし、絶縁コーティングが施された金属部材により構成してもよい。

圧電素子１０と支持部材３０とは、導電性接着剤層３１により接着されている。これにより、電極１２ａ、１２ｂが支持部材３０の内面の上に形成された電極３２ａ、３２ｂに電気的に接続されている。電極３２ａ、３２ｂは、支持部材３０の外表面上に形成された第１の外部電極３３ａに接続されている。なお、電極１２ｃも、電極１４によって電極１２ａ、１２ｂと接続されているため、電極１２ａ、１２ｂ、導電性接着剤層３１及び電極３２ａ、３２ｂを介して第１の外部電極３３ａに接続されている。

一方、電極１３ａ、１３ｂは、支持部材３０の外表面上に形成されている第２の外部電極３３ｂに接続されている。

なお、電極１２〜１４、３２ａ、３２ｂ、３３ａ、３３ｂは、導電材料からなるものである限りにおいて特に限定されない。電極１２〜１４、３２ａ、３２ｂ、３３ａ、３３ｂは、例えば、アルミニウムや銀などの金属や合金により形成することができる。

次に、本実施形態の加速度センサ１の製造方法の一例について説明する。

まず、圧電素子１０を作製する。圧電素子１０は、例えば、公知の方法により作製することができる。圧電素子１０は、例えば、表面に導電性ペースト層が形成されたセラミックグリーンシートを適宜積層し、焼成することにより形成することができる。なお、電極１２ａ、１２ｂは、コファイアにより形成してもよいが、ポストファイアにより形成してもよい。すなわち、電極１２ｃ、１３ａ、１３ｂを内部に有する圧電基板１１を形成した後に、導電性ペーストを塗布し、焼成することにより電極１２ａ、１２ｂを形成してもよい。

なお、本実施形態では、圧電体層１１ｃ１，１１ｃ２を設けることにより、第２の端部１１Ｃを第１の端部１１Ｂや中央部１１Ａよりも厚く形成する例について説明するが、形成された圧電基板の表面の一部をダイシング等により除去することにより第２の端部を第１の端部や中央部よりも薄くしてもよい。

次に、電極１２，１３間に電圧を印加し、圧電基板１１の分極を行う。これにより、中央部１１Ａの分極を行う。これにより圧電素子１０を完成させる。なお、圧電基板１１の分極は、圧電素子１０を支持部材３０に組み込んだ後に行うようにしてもよい。

次に、電極３２ａ、３２ｂが形成された第１及び第２の支持部材片３４，３５と圧電素子１０とを導電性接着剤を用いて接着する。導電性接着剤としては、例えば、導電性粒子を含む樹脂からなる異方性導電性接着剤などを用いることができる。

最後に、第１及び第２の外部電極３３ａ、３３ｂを形成することにより加速度センサ１を完成させることができる。なお、第１及び第２の外部電極３３ａ、３３ｂは、例えば、導電性ペーストの塗布、スパッタリング、めっき等により形成することができる。

以上説明したように、本実施形態では、支持部材３０に狭持されている第２の端部１１Ｃにおいて、電極１２ａ、１２ｂと電極１３ａ、１３ｂとの間の距離が長くされている。このため、電極１２ａ、１２ｂの全体を形成した後に圧電基板１１の分極を行った場合であっても、第２の端部１１Ｃは、中央部１１Ａほどは大きく分極されない。すなわち、第２の端部１１Ｃの分極度が小さくなる。従って、加速度センサ１が配置された雰囲気の温度が上昇し、第２の端部１１Ｃの温度が上昇した場合においても、第２の端部１１Ｃにおいて焦電効果による電荷の発生が生じにくい。従って、加速度センサ１では、雰囲気温度が変化した際における加速度検出精度の低下が抑制されている。雰囲気温度が変化した際における加速度検出精度の低下をより効果的に抑制する観点からは、第２の端部１１Ｃにおける電極１２ａと電極１３ａとの間の距離が、中央部１１Ａにおける電極１２ａと電極１３ａとの間の距離の１．５倍以上であることが好ましく、２倍以上であることがより好ましく、３倍以上であることがさらに好ましい。第２の端部１１Ｃにおける電極１２ｂと電極１３ｂとの間の距離が、中央部１１Ａにおける電極１２ｂと電極１３ｂとの間の距離の１．５倍以上であることが好ましく、２倍以上であることがより好ましく、３倍以上であることがさらに好ましい。

また、加速度センサ１であれば、電極１２ａ、１２ｂを分極前に一度に形成することができる。さらに、要求される電極１２ａ、１２ｂの形成精度が低い。従って、加速度センサ１は、容易に製造可能である。

以下、本発明を実施した好ましい形態の他の例について説明する。以下の説明において、上記第１の実施形態と実質的に共通の機能を有する部材を共通の符号で参照し、説明を省略する。

（第２の実施形態）
図２は、第２の実施形態に係る加速度センサの略図的断面図である。

図２に示すように、加速度センサ２では、第１及び第２の支持部材片３４，３５のそれぞれが平板状に形成されている。このため、第１及び第２の支持部材片３４，３５を容易に作製することができる。

１、２…加速度センサ
１０…圧電素子
１１…圧電基板
１１Ａ…中央部
１１Ｂ…第１の端部
１１Ｃ…第２の端部
１１ａ…第１の主面
１１ｂ…第２の主面
１１ｃ１，１１ｃ２…圧電体層
１２〜１４、３２ａ、３２ｂ…電極
３０…支持部材
３０ａ…内部空間
３１…導電性接着剤層
３３ａ…第１の外部電極
３３ｂ…第２の外部電極
３４…第１の支持部材片
３５…第２の支持部材片
３６…接続部材

Claims (5)

1. 第１及び第２の主面を有し、第１の方向における中央部と、前記第１の方向において前記中央部の一方側に位置している第１の端部と、前記第１の方向において前記中央部の他方側に位置している第２の端部とを含み、前記中央部が分極されている圧電基板と、前記圧電基板の前記第１の主面の上に、前記第１の端部から前記第２の端部に至るように形成された第１の電極と、前記圧電基板の内部において前記第２の端部と前記中央部とにわたって形成されており、前記中央部において前記第１の電極と前記圧電基板の厚み方向に対向する第２の電極とを有する圧電素子と、
   前記第２の端部を挟持しており、前記圧電素子が収納された内部空間が形成されている支持部材と、
   前記支持部材の外表面の上に形成されており、前記第１の電極が電気的に接続されている第１の外部電極と、
   前記支持部材の外表面の上に形成されており、前記第２の電極が電気的に接続されている第２の外部電極と、
   を備え、
   前記圧電基板は、前記第２の端部における前記第１の電極と前記第２の電極との間の距離が、前記中央部における前記第１の電極と前記第２の電極との間の距離よりも大きくなるように構成されている、加速度センサ。
2. 前記第２の端部の前記第１の電極と前記第２の電極との間に位置している部分の厚みは、前記中央部の前記第１の電極と前記第２の電極との間に位置している部分の厚みよりも大きい、請求項１に記載の加速度センサ。
3. 前記第２の端部の前記第１の電極と前記第２の電極との間に位置している部分の厚みは、前記中央部の前記第１の電極と前記第２の電極との間に位置している部分の厚みの１．５倍以上である、請求項２に記載の加速度センサ。
4. 前記支持部材は、前記第１の方向の他方側端部において前記第２の端部を挟持している一対の板状部材と、前記一対の板状部材を接続することにより前記内部空間を区画形成している接続部材とを有する、請求項１〜３のいずれか一項に記載の加速度センサ。
5. 前記第１の端部が自由端である、請求項１〜４のいずれか一項に記載の加速度センサ。

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