JPH06273439A

JPH06273439A - 加速度センサ

Info

Publication number: JPH06273439A
Application number: JP6014493A
Authority: JP
Inventors: Jiyun Tahoda; 純多保田; Jiro Inoue; 二郎井上
Original assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Priority date: 1993-03-19
Filing date: 1993-03-19
Publication date: 1994-09-30
Anticipated expiration: 2013-07-30
Also published as: JP2780594B2

Abstract

(57)【要約】【目的】検出感度の向上及び小型化を図りつつ、生産効
率の大幅な向上を実現することができる加速度センサを
提供する。【構成】短冊形状とされたうえで主表面のそれぞれ上に
信号取出電極２及び中間電極３が形成された一対の圧電
セラミック板４を備え、これら圧電セラミック板４上の
中間電極３同士を対面接合して一体化したバイモルフ型
検出素子１の長手方向に沿う両端縁を固定支持してなる
加速度センサであり、圧電セラミック板４それぞれの長
手方向領域を加速度Ｇの作用に伴って発生する応力が変
化する境界線Ｌによって区分けされた３つの部分４ａ，
４ｂに区分すると共に、その中央部分４ａ及び端部分４
ｂそれぞれを板厚方向に沿いつつ互いに逆となる向き
（Ａ，ＢとＣ，Ｄ）に従って分極する一方、圧電セラミ
ック板４の中央部分４ａ及び端部分４ｂ同士における分
極の向き（Ａ，ＣとＢ，Ｄ）を相互に異ならせている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は加速度センサに係り、詳
しくは、これを構成する際に用いられるバイモルフ型検
出素子の構造に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来から、加速度センサのうちには圧電
性素子を組み込んで構成されたものがあり、この種の圧
電性素子としては、図３で示すような両持ち梁構造とい
われるバイモルフ型検出素子（以下、検出素子という）
１０を利用するのが一般的となっている。すなわち、こ
の検出素子１０は、共に短冊形状とされたうえで主表面
それぞれ上に信号取出電極１１及び中間電極１２が形成
された一対の圧電セラミック板１３を備え、かつ、これ
らが中間電極１２同士の対面接合によって一体化された
ものであり、圧電セラミック板１３の各々は板厚方向に
沿いつつ他方側とは互いに逆となる向き（図では、矢印
Ｘ，Ｙで示す）に従って分極されている。

【０００３】そして、この検出素子１０の長手方向に沿
う両端縁は側面視「コ」字形状となった一対の挟持部品
１４によって固定支持されており、各圧電セラミック板
１３上に形成された信号取出電極１１のそれぞれは挟持
部品１４及びこれらの上下位置に取り付けられたケース
部品（図示していない）それぞれの異なる端面ごとに形
成された外部引出電極１５，１６の各々に対して接続さ
れている。なお、挟持部品１４が上記形状とされている
のは、これらの挟持部品１４及びケース部品の全体に対
して加速度Ｇが作用した際、この加速度Ｇの作用に伴う
慣性力によって変形する検出素子１０の撓み代を確保す
るためである。

【０００４】一方、近年では、加速度センサに対してよ
り一層の小型化が要望されていることから、検出素子自
体の小型化をも図る必要が生じている。しかしながら、
両持ち梁構造の検出素子１０をそのまま小型化したので
は、加速度Ｇの作用時における変形が小さくなり、この
変形による電荷の発生量が小さくなり過ぎる結果、検出
感度の大幅な低下を招いてしまう。そこで、同じ大きさ
の加速度Ｇが作用した場合にはより大きく変形しうる片
持ち梁構造、例えば、図４で示すような構造とされた検
出素子２０を利用して検出感度の高い加速度センサを構
成することが行われるようになってきた。

【０００５】すなわち、この検出素子２０は上記検出素
子１０と同構成でありながらも長手方向に沿う寸法がよ
り短くなった一対の圧電セラミック板２１を備えたもの
であり、その一方の端縁のみが一対の挟持部品１４によ
って固定支持された構造となっている。そして、この検
出素子２０における各圧電セラミック板２１上に形成さ
れた信号取出電極１１のそれぞれは挟持部品１４及びケ
ース部品の同一となる端面上に離間して形成された外部
引出電極１５，１６の各々に対して接続されている。な
お、検出素子２０の全体構造は検出素子１０と基本的に
異ならないから、図４において図３と互いに同一となる
部品には同一符号を付し、ここでの説明は省略する。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】ところで、両持ち梁構
造とされた検出素子１０を製作する際には、図５で示す
ように、信号取出電極１１及び中間電極１２となる電極
パターン（図示していない）が主表面のそれぞれ上に予
め形成された圧電セラミック板１３用のセラミック親基
板１７と、内表面側の所定位置ごとに所定幅の凹溝が形
成された挟持部品用親基板１８とをそれぞれ用意したう
え、中間電極１２となる電極パターンを挟んで対面配置
されたセラミック親基板１７それぞれの外側から挟持部
品用親基板１８の各々を当てつけて一体に接合した後、
これらを所定の切断線Ｓに沿って切断するのが一般的で
ある。

【０００７】そして、片持ち梁構造の検出素子２０を製
作するに際しても、両持ち梁構造と同じ製作手順が踏襲
されるのであるが、この場合には、図５中の仮想線で示
すように、圧電セラミック板２１の寸法を圧電セラミッ
ク板１３よりも短くするための所定幅とされた貫通溝２
２をセラミック親基板２３の所定位置ごとに予め形成し
ておく必要がある。そのため、わざわざ貫通溝２２が形
成されたセラミック親基板２３を用意するための多大な
手間がかかることになってしまう。また、貫通溝２２が
形成されたセラミック親基板２３相互及びこれらに対す
る挟持部品用親基板１８の位置決めを正確に行っておか
なければ片持ち梁構造とすることが不可能となる恐れも
あり、この点でも面倒な手間を要することになってい
た。

【０００８】さらにまた、片持ち梁構造を採用した場合
には両持ち梁構造の場合に比較して耐衝撃性に劣ること
になり、強度的に弱くなることが避けられないのは勿論
であるほか、片持ち梁構造の検出素子２０においては、
信号取出電極１１のそれぞれが挟持部品１４及びケース
部品の同一となる端面上に集中して引き出されており、
通常の電子部品とは異なっていることになる結果、加速
度センサが実装される配線基板側での配線パターン変更
を要するというような不都合も生じていた。

【０００９】本発明は、これらの不都合に鑑みて創案さ
れたものであって、検出感度の向上及び小型化を図りつ
つ、生産効率の大幅な向上を実現することができる加速
度センサの提供を目的としている。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明に係る加速度セン
サは、共に短冊形状とされたうえで主表面のそれぞれ上
に信号取出電極及び中間電極が形成された一対の圧電セ
ラミック板を備え、かつ、これら圧電セラミック板上の
中間電極同士を対面接合して一体化した検出素子の長手
方向に沿う両端縁を固定支持してなるものであって、圧
電セラミック板それぞれの長手方向領域を加速度の作用
に伴って発生する応力が変化する境界線によって区分け
された３つの部分に区分すると共に、その中央部分及び
端部分それぞれを板厚方向に沿いつつ互いに逆となる向
きに従って分極する一方、両圧電セラミック板の中央部
分及び端部分同士における分極の向きを相互に異ならせ
ている。

【００１１】

【実施例】以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明
する。

【００１２】図１は本実施例に係る加速度センサを構成
する際に用いられる検出素子のみを取り出して示す外観
斜視図、図２は加速度の作用時における検出素子の変形
状態を模式的に示す説明図であり、これらの図における
符号１は両持ち梁構造とされた検出素子である。なお、
これらの図１及び図２において図３及び図４と互いに同
一となる部品には、同一の符号を付している。また、検
出素子１の製作手順は従来例に係る検出素子１０と同じ
であるから、ここでの説明は省略する。

【００１３】本実施例に係る検出素子１は、共に短冊形
状とされたうえで主表面のそれぞれ上に薄膜状の信号取
出電極２及び中間電極３が形成された一対の圧電セラミ
ック板４を備え、かつ、中間電極３同士を対面接合する
ことによって両圧電セラミック板４が一体化されたもの
であり、従来例における両持ち梁構造の検出素子１０と
同様、この検出素子１の長手方向に沿う両端縁は側面視
「コ」字形状となった一対の挟持部品１４によって固定
支持されている。そして、この検出素子１を構成する圧
電セラミック板４それぞれの長手方向領域は、加速度Ｇ
の作用に伴って発生する応力が変化する境界線Ｌ（後述
する）によって区分けされた３つの部分４ａ，４ｂに区
分されており、しかも、その中央部分４ａ及び端部分４
ｂのそれぞれは各圧電セラミック板４の板厚方向に沿い
つつ互いに逆となる向き（図では、矢印Ａ，ＢとＣ，Ｄ
で示す）に従って分極されている。

【００１４】また、このとき、互いに一体化されて検出
素子１を構成する両圧電セラミック板４の中央部分４ａ
及び端部分４ｂ同士における分極の向きＡ，Ｂ及びＣ，
Ｄの各々は相互に異ならされている。すなわち、例え
ば、各圧電セラミック板４の中央部分４ａそれぞれにお
ける分極の向きＡ及びＣは互いに近ずきあう内向きとさ
れる一方、両者の端部分４ｂにおける分極の向きＢ及び
Ｄは互いに遠ざかる外向きとされている。そして、各圧
電セラミック板４上に形成された信号取出電極２のそれ
ぞれは挟持部品１４及びこれらの上下位置に取り付けら
れたケース部品（図示していない）それぞれの互いに異
なる端面ごとに形成された外部引出電極１５，１６の各
々に対して接続されている。

【００１５】ここで、各圧電セラミック板４の長手方向
領域を３つの部分４ａ，４ｂに区分する応力変化の境界
線Ｌ、すなわち、加速度Ｇの作用に伴って各圧電セラミ
ック板４に発生した応力が「引っ張り」及び「圧縮」と
に区分けされる変化の境界線Ｌを図２に基づいて説明す
る。

【００１６】まず、加速度センサの全体に対して加速度
Ｇが作用すると、検出素子１を固定支持する挟持部品１
４及びケース部品に対しては加速度Ｇが直接的に作用す
ることになり、これらの挟持部品１４及びケース部品は
共に加速度Ｇの作用方向に沿って移動しようとする。と
ころが、この際においても、検出素子１に対して直接的
な加速度Ｇが作用することはないから、検出素子１は加
速度Ｇの作用する以前における状態をそのまま維持し続
けようとし、この検出素子１には加速度Ｇの作用に伴っ
て発生した慣性力が作用することになる。そこで、検出
素子１を構成する各圧電セラミック板４の端部分４ｂそ
れぞれはこれらを固定支持する挟持部品１４と共に移動
しようとする一方、各々の中央部分４ａそれぞれは当初
位置のまま残ろうとする結果、この検出素子１は加速度
Ｇの作用側に向かって撓んだ湾曲形状（図では、上向き
の凸形状）となるように変形する。

【００１７】そのため、図２で示すように、撓み方向外
側（図では、上側）に位置する圧電セラミック板４の中
央部分４ａには引っ張り応力Ｐｔ、また、その端部分４
ｂには圧縮応力Ｐｃが現れることになる一方、撓み方向
内側（図では、下側）に位置する圧電セラミック板４の
中央部分４ａには圧縮応力Ｐｃ、また、その端部分４ｂ
には引っ張り応力Ｐｔが現れることになる。すなわち、
本実施例に係る検出素子１においては、各圧電セラミッ
ク板４の長手方向領域に沿って現れる応力が「引っ張
り」から「圧縮」へ、また、「圧縮」から「引っ張り」
へと変わる境界を応力が変化する境界線Ｌとしたうえ、
これらの境界線Ｌによって区分けされた各圧電セラミッ
ク板４の中央部分４ａ及び端部分４ｂのそれぞれを互い
に逆となる向きＡ，Ｂ及びＣ，Ｄに従って分極している
のである。なお、この境界線Ｌは、例えば、数値解析手
法の一つである有限要素法を利用した実験によって知る
ことが可能なものである。

【００１８】つぎに、上記構造とされた検出素子１の動
作及び作用について説明する。

【００１９】加速度センサに対して加速度Ｇが作用し、
図２で示したような変形が検出素子１に生じた場合、こ
の検出素子１の撓み方向外側に位置する圧電セラミック
板４の中央部分４ａにおける外側主表面には分極の向き
Ａと引っ張り応力Ｐｔとの関係に基づいて正（＋）の電
荷が発生し、また、その端部分４ｂにおける外側主表面
でも分極の向きＢ及び圧縮応力Ｐｃの関係から正の電荷
が発生する。そこで、この圧電セラミック板４の中央部
分４ａ及び端部分４ｂそれぞれの外側主表面に発生した
正の電荷は互いに強めあいながら、信号取出電極２から
外部引出電極１５へと伝わることになる。さらに、この
とき、検出素子１の撓み方向内側に位置する圧電セラミ
ック板４の中央部分４ａにおける外側主表面には分極の
向きＣと圧縮応力Ｐｃとの関係から負（−）の電荷が発
生し、また、その端部分４ｂにおける外側主表面にも分
極の向きＤと引っ張り応力Ｐｔとの関係から負の電荷が
発生することになり、これら負の電荷は信号取出電極２
から外部引出電極１６へと伝わることになる。

【００２０】したがって、この検出素子１によれば、こ
れが従来例である検出素子１０と同様の両持ち構造を有
しているにも拘わらず加速度Ｇの作用時における電荷の
発生量が増えることになる結果、その小型化を行っても
検出感度の低下は起こらないことになる。なお、加速度
Ｇが作用した際における圧電セラミック板４それぞれの
内側主表面には各々の外側主表面と異なる正もしくは負
の電荷が発生しているが、これらの電荷は中間電極３を
通じて互いに打ち消されることになり、外部に対しては
何らの影響をも及ぼさないことになる。

【００２１】ところで、前記従来の両持ち梁構造とされ
た検出素子１０を構成する各圧電セラミック板１３では
その長手方向領域の全体にわたる分極の向きＸ，Ｙが図
３で示したような同一方向であるために不都合が生じて
いたのである。すなわち、図示していないが、加速度Ｇ
が作用した場合には、検出素子１０を構成する圧電セラ
ミック板１３においても本実施例の場合と同じく図２で
示したような応力状態が現れることになる。しかしなが
ら、この検出素子１０の各圧電セラミック板１３におけ
る分極の向きＸ，Ｙが同一となっているから、変形した
検出素子１の撓み方向外側に位置する圧電セラミック板
４の中央部分に正の電荷が発生した場合の端部分には負
の電荷が発生することになり、また、撓み方向内側に位
置する圧電セラミック板４の中央部分に負の電荷が発生
した場合の端部分には正の電荷がそれぞれ発生すること
になってしまう。そのため、各圧電セラミック板１３の
同一主表面に発生した正負の電荷が互いに打ち消しあう
ことになる結果、検出感度が低下することになっていた
のである。

【００２２】

【発明の効果】以上説明したように、本発明に係る加速
度センサの検出素子によれば、これが両持ち梁構造であ
るにも拘わらず加速度の作用時における電荷の発生量が
増えることになり、その小型化を行っても検出感度の低
下は起こらないことになる。したがって、片持ち梁構造
の検出素子を採用したうえで加速度センサに組み込む必
要はないことになり、片持ち構造の検出素子を採用した
際に生じていた種々の不都合を回避できる。その結果、
検出感度の向上及び小型化を図りつつ、生産効率の大幅
な向上を実現することができるという効果が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本実施例に係る加速度センサの検出素子を示す
外観斜視図である。

【図２】加速度の作用時における検出素子の変形状態を
模式的に示す説明図である。

【図３】従来例に係る両持ち梁構造の検出素子を示す外
観斜視図である。

【図４】従来例に係る片持ち梁構造の検出素子を示す外
観斜視図である。

【図５】検出素子の製作手順を示す分解斜視図である。

【符号の説明】

１検出素子（バイモルフ型検出素子）２信号取出電極３中間電極４圧電セラミック板４ａ中央部分４ｂ端部分Ｌ境界線Ｇ加速度

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】共に短冊形状とされたうえで主表面のそ
れぞれ上に信号取出電極（２）及び中間電極（３）が形
成された一対の圧電セラミック板（４）を備え、かつ、
これら圧電セラミック板（４）上の中間電極（３）同士
を対面接合して一体化したバイモルフ型検出素子（１）
の長手方向に沿う両端縁を固定支持してなる構造の加速
度センサであって、圧電セラミック板（４）それぞれの長手方向領域を加速
度（Ｇ）の作用に伴って発生する応力が変化する境界線
（Ｌ）によって区分けされた３つの部分（４ａ，４ｂ）
に区分すると共に、その中央部分（４ａ）及び端部分
（４ｂ）それぞれを板厚方向に沿いつつ互いに逆となる
向き（Ａ，ＢとＣ，Ｄ）に従って分極する一方、両圧電セラミック板（４）の中央部分（４ａ）及び端部
分（４ｂ）同士における分極の向き（Ａ，ＣとＢ，Ｄ）
を相互に異ならせていることを特徴とする加速度セン
サ。