WO2003065053A1 - Capteur d'acceleration - Google Patents

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WO2003065053A1
WO2003065053A1 PCT/JP2002/010780 JP0210780W WO03065053A1 WO 2003065053 A1 WO2003065053 A1 WO 2003065053A1 JP 0210780 W JP0210780 W JP 0210780W WO 03065053 A1 WO03065053 A1 WO 03065053A1
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WO
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vibrator
acceleration sensor
electrodes
electrode
sensor according
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Application number
PCT/JP2002/010780
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English (en)
French (fr)
Inventor
Takashi Kato
Masanori Yachi
Hiroshi Tanaka
Original Assignee
Fujitsu Media Devices Limited
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Filing date
Publication date
Application filed by Fujitsu Media Devices Limited filed Critical Fujitsu Media Devices Limited
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Publication of WO2003065053A1 publication Critical patent/WO2003065053A1/ja
Priority to US10/739,145 priority patent/US20040129079A1/en

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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01P—MEASURING LINEAR OR ANGULAR SPEED, ACCELERATION, DECELERATION, OR SHOCK; INDICATING PRESENCE, ABSENCE, OR DIRECTION, OF MOVEMENT
    • G01P15/00—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration
    • G01P15/02—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses
    • G01P15/08—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses with conversion into electric or magnetic values
    • G01P15/09—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses with conversion into electric or magnetic values by piezoelectric pick-up
    • G01P15/0915—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses with conversion into electric or magnetic values by piezoelectric pick-up of the shear mode type
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01P—MEASURING LINEAR OR ANGULAR SPEED, ACCELERATION, DECELERATION, OR SHOCK; INDICATING PRESENCE, ABSENCE, OR DIRECTION, OF MOVEMENT
    • G01P15/00—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration
    • G01P15/02—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses
    • G01P15/08—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses with conversion into electric or magnetic values
    • G01P15/09—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses with conversion into electric or magnetic values by piezoelectric pick-up

Definitions

  • the present invention relates to a piezoelectric force D-speed sensor used for detecting impact and acceleration applied to an object.
  • the present invention relates to an acceleration sensor that detects a feature amount generated by inertial force generated by acceleration.
  • the size of the ⁇ equipped with the caro speed sensor is downsized. • The downsizing of the sensor is accompanied by the high performance. The high performance is required. In addition, it is possible to detect acceleration of two or more axes in the in-plane and vertical directions. Has been requested. Height
  • a piezoelectric acceleration sensor has been described in, for example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 7-210144.
  • This acceleration sensor performs biaxial acceleration detection by mounting an acceleration detecting element at an angle to the bottom surface of the case where the element is mounted.
  • Japanese Patent Application Laid-Open No. H11-118882 discloses a method in which a biaxial acceleration is detected by a method in which a support adhered to a vibrator is angled in advance with respect to a main surface and the vibrator is tilted. ing.
  • Japanese Patent Application Laid-Open No. H8-433342 describes that a piezoelectric ceramic is perpendicular to a plane. Biaxial acceleration is detected by tilting the polarization in the vertical direction.
  • Japanese Patent Application Laid-Open No. H11-111 / 1999 discloses a technique for detecting biaxial acceleration by forming a weight at a position eccentric to the width direction of the tip of a vibrator. .
  • the conventional method of tilting the acceleration detecting element is costly to mount because it is difficult to mount.
  • the size in the height direction at the time of mounting becomes large, and mounting becomes a problem.
  • the method of inclining the polarization direction is to once polarize, cut in a desired direction, and then form an electrode, thereby increasing the number of manufacturing steps and increasing costs.
  • the variation in the sensitivity due to the formation position shift becomes large.
  • This acceleration sensor includes a vibrator and a weight connected to the vibrator and supported at a position different from the position of the center of gravity of the vibrator itself.
  • the magnitude of the applied acceleration can be obtained by detecting the characteristic amount (slip vibration) of the vibrator according to the rotational moment generated in the weight when the acceleration force is applied.
  • This acceleration sensor does not need to make the vibrator itself large, has a small configuration, and has high detection sensitivity.
  • the acceleration that can be detected by one acceleration sensor is uniaxial. In other words, the acceleration sensor proposed here is not an omnidirectional acceleration sensor that can detect triaxial acceleration.
  • the present inventors have further proposed a small, high-sensitivity, non-directional acceleration sensor in Japanese Patent Application Nos. 11-3758013 and 12-351058. I have.
  • An object of the present invention is to realize a small and highly reliable non-directional mouth speed sensor using a vibrator and a weight.
  • the present invention is to realize a small and highly reliable raw acceleration sensor capable of detecting three-axis acceleration by means different from the omnidirectional acceleration sensor already proposed. Is assumed to be Disclosure of the invention
  • an acceleration sensor has a unidirectionally polarized vibration.
  • an acceleration sensor including a rotor and a weight connected to the vibrator, a pair of electrodes adjacent to each other in a polarization direction is provided on a first surface of the vibrator, and the pair of electrodes Is a configuration located on a diagonal line of the first surface.
  • Hffi is generated in a pair of electrodes regardless of the acceleration force in any direction of the three axes of the vibrator, so that a non-directional acceleration sensor can be realized.
  • the sensitivity in the three-axis direction can be easily adjusted.
  • FIG. 1A and 1B are views showing an acceleration sensor according to a first embodiment of the present invention.
  • FIG. 1A is a bottom view of the acceleration sensor
  • FIG. 1B is a graph showing acceleration acceleration axes and 3 ⁇ 4H (charge FIG.
  • FIG. 2 is an ffi diagram of the acceleration sensor according to the first embodiment.
  • FIG. 3 is a diagram illustrating a configuration example of a detection circuit.
  • FIG. 4 is a perspective view showing a modification of the acceleration sensor according to the first embodiment.
  • FIG. 5 is a view showing another modification of the acceleration sensor according to the first embodiment.
  • FIG. 6 is a diagram showing an example of an electrode pattern formed on the weight.
  • FIG. 7 shows a modification of the acceleration sensor shown in FIG. ⁇
  • FIGS. 8A and 8B are diagrams showing still another modified example of the acceleration sensor according to the first embodiment.
  • FIG. 8A is a bottom view of the acceleration sensor
  • FIG. 4 is a diagram showing a relationship with ⁇ (charge).
  • FIG. 9A and 9B are views showing an acceleration sensor according to a second embodiment of the present invention.
  • FIG. 9A is a bottom view of the acceleration sensor, and FIG. ⁇ indicating the relationship.
  • FIG. 10 is a perspective view of the acceleration sensor according to the second embodiment.
  • FIG. 11 is a perspective view showing a modification of the acceleration sensor according to the second embodiment.
  • FIG. 12 is a # view showing another modified example of the caro speed sensor according to the second embodiment.
  • FIG. 13 is a # 3 ⁇ 4 view showing still another modified example of the acceleration sensor according to the second embodiment.
  • 14A and 14B are diagrams showing still another modified example of the acceleration sensor according to the second embodiment.
  • FIG. 14A is a bottom view of the acceleration sensor, and FIG. FIG.
  • FIG. 15A and 15B are views showing an acceleration sensor according to a third embodiment of the present invention.
  • FIG. 15A is a bottom view of the acceleration sensor
  • FIG. 15B is a diagram showing a relationship between an acceleration application axis and E appearing on an electrode.
  • FIG. 15A is a bottom view of the acceleration sensor
  • FIG. 15B is a diagram showing a relationship between an acceleration application axis and E appearing on an electrode.
  • FIGS. 16A and 168 are graphs showing the relationship between the angle 0 (°) of the dividing groove 46 shown in FIGS. 15 and 15B and the sensitivity (mV / G).
  • 17A to 17G are views showing a caro speed sensor according to a fourth embodiment of the present invention.
  • 18A, 18B, and 18C are diagrams showing an acceleration sensor according to a fifth embodiment of the present invention, where 18A is a plan view of the acceleration sensor, FIG. 18B is a cross-sectional view of A--A spring in FIG.
  • FIG. 18C is a bottom view.
  • FIGS. 19A and 19B are diagrams showing modified examples of the acceleration sensor shown in FIGS. 18A to 18C.
  • FIG. 19A is a plan view of the acceleration sensor
  • FIG. 19B is a cross-sectional view taken along line BB of FIG. 19A. It is.
  • FIG. 20A and 2OB are views showing an acceleration sensor according to a sixth embodiment of the present invention
  • FIG. 2OA is a plan view
  • FIG. 20B is a B-BH sectional view of FIG. 2OA.
  • 21A and 21B are diagrams showing a modification of the acceleration sensor shown in FIG.
  • FIG. 22 is a side view of the caro speed sensor according to the seventh embodiment of the present invention.
  • FIG. 23 is a view for explaining a caro speed sensor according to the eighth embodiment of the present invention.
  • 24A to 24C are views for explaining an acceleration sensor according to a ninth embodiment of the present invention.
  • FIG. 1 is a diagram showing an acceleration sensor according to a first embodiment of the present invention.
  • FIG. 1 (a) is a bottom view of the acceleration sensor
  • FIG. 1 (b) is a diagram showing mj £ (charge
  • FIG. FIG. 2 is a perspective view of the caro speed sensor according to the present embodiment.
  • the caro speed sensor has a vibrator 12 and a weight 10 connected thereto.
  • the weight 10 is supported at a position different from the position where the entire weight including the vibrator 12 and the weight 10 stands.
  • the weight 10 has a rectangular plate shape, and the vibrator 12 is attached to one end thereof.
  • the edge of the weight 10 and the edge of the vibrator 12 are aligned, whereas in FIG.
  • the edge is intentionally slightly shifted (the vibrator 12 is positioned slightly inside. ). This is mainly to make FIG. 1 (a) easy to understand.
  • the vibrator 12 may be positioned on the weight 10 as shown in FIG. Even if V is different, the action of the caro-velocity sensor and the operation are substantially the same.
  • the weight 10 is formed of, for example, an insulating material having a high density, such as metal or alumina-lead glass. It may be formed of a single substance, or may be formed of a plurality of different substances. For example, a relatively high-density substance is provided on the free end side of the weight 10 and a relatively low-density substance is provided on the opposite side.
  • the vibrator 12 is a cuboid of piezoelectric ceramics. Piezoelectric ceramics are cut from a ceramic crystal plate. For example, the vibrator 12 is formed of a PZT-based piezoelectric ceramic having a relatively high electromechanical coupling coefficient. The cross-sectional shape of the vibrator 12 may be square or rectangular.
  • the oscillator 12 is polarized in the direction of the arrow Ps. The polarization of the piezoelectric ceramic is given by applying a high ME between both end faces of the piezoelectric ceramic crystal plate.
  • the vibrator 12 is attached to the weight 10 such that the direction of the polarization P s is orthogonal to the longitudinal direction of the weight 10. For convenience, the X, Y, and Z axes are defined as shown.
  • Electrodes 14 and 16 are formed on one surface (first surface) of the vibrator 12. Hereinafter, this surface of the vibrator 12 is referred to as an electrode forming surface.
  • This embodiment realizes an omnidirectional acceleration sensor that can detect triaxial acceleration and easily adjust triaxial sensitivity by configuring the electrodes 14 and 16 as described below. It is.
  • the electrodes 14 and 16 are rectangular electrodes of the same size, and are adjacent to each other in the polarization direction Ps via the dividing groove 18 extending in the Y-axis direction.
  • the dividing groove 18 is a groove that forms a force S with the opposing electrodes 14, and the groove is not formed in the vibrator 12.
  • a groove may be provided in the vibrator 12 as described later.
  • Electrodes 14 and 16 form a pair of detection electrodes, and extract a value corresponding to the applied acceleration (hereinafter, electrodes 14 and 16 are referred to as detection electrodes).
  • the pair of detection electrodes 14 and 16 are located on a diagonal line of the electrode forming surface of the vibrator 12.
  • the detection electrodes 14 and 16 are at positions set back (retracted) in the Y-axis direction from the center line 24 force that equally divides the oscillator 12 in the polarization direction Ps.
  • the detection electrode 14 is set back in the direction of the free end of the weight 10, and the detection electrode 16 is set back in the direction of the other fixed end of the weight 10.
  • the detection electrodes 14 and 16 are at positions offset from the center line 24 on the plus side and the minus side of the Y-axis.
  • the detection electrodes 14 and 16 are alternately arranged with the center line 24 interposed therebetween. In other words, it can be said that the detection electrodes 14 and 16 are arranged at a point with respect to the center of the vibrator 12.
  • L 2 the length of the detections 114 and 16
  • a duland electrode 26 is formed on a surface of the vibrator 12 opposite to the electrode forming surface.
  • Durand electrode 26 is common to detection electrodes 14 and 16.
  • the ground electrode 26 is attached to the weight 10 using a conductive adhesive.
  • the ground electrode 26 has a single-layer structure of gold (Au) or a multi-layer structure such as NiCr / Au or NiZAu.
  • Au gold
  • NiZAu nickel-oxide
  • FIG. 1 (b) shows the relationship between the acceleration application axis and the mj £ (charge) appearing on the comforters 14 and 16. When the acceleration force is applied in the Z-axis direction, sliding vibrations are generated in the vibrator 12 in opposite directions with respect to the center line 24 in the Z-axis direction.
  • the electrode 14 is divided into 14a and 14b in a repertoire with the center line 24 as a boundary, and the electrode 16 is virtually divided into 16a and 16b.
  • an acceleration force S is applied in the Z-axis direction, plus ti £ + V is generated in the electrode portion 16 a with respect to the ground electrode 26. Further, a positive voltage + V is generated at the electrode portion 14a which receives the same sliding vibration as the electrode portion 16a.
  • Uppercase V and lowercase V mean the magnitude of the generated ® £ ().
  • the electrode section 16a Since the electrode section 16a has a larger area than the electrode section 14b, the voltage + V generated at the electrode section 16a is higher than the miE generated at the electrode section 14b. On the other hand, since the lubrication part 14a and the electrode part 16b receive slip vibrations in the opposite directions, a negative value of __ ⁇ and a voltage of 1 V are generated (UVI> IVI). As a result, a voltage of (_V + v) is generated on the detection electrode 14, and a flffi of (+ V_v) is generated on the detection electrode 16. When acceleration is applied in the opposite direction along the Z axis, a voltage of (+ V ⁇ v) is generated at the detection electrode 14 and a voltage of (1 V + v) is generated at the detection electrode. In this way, the acceleration applied in the Z-axis direction can be detected.
  • a ( ⁇ 1 V—V) ® is generated on the detection electrode 14, and (+ V + v) is generated on the detection electrode 16. Mm occurs.
  • acceleration is acting on multiple axes at the same time, is generated in proportion to the acceleration obtained by adding each acceleration to each axis. For example, when acceleration is applied such that V occurs at an angle of 45 ° on a two-dimensional plane including the Z axis and the X axis, (1 1 2) XV 3 ⁇ 4 ⁇ appears on the electrode portion 14a, and the electrode 16a Will show (+ 1/2) XV 3 ⁇ 4 ⁇ .
  • 3 ⁇ 4J £ occurs on the detection electrodes 14 and 16 regardless of the acceleration applied to any of the three axes, so that non-directional acceleration can be detected.
  • the ratio between the length L of the vibrator 1 2 and the lengths L 1 and L 2 of the detection electrodes 14 and 16, that is, L 1 / L and L 2 ZL determine the acceleration detection sensitivity.
  • L 1 / L and L 2 ZL determines the acceleration detection sensitivity.
  • FIG. 3 is a circuit diagram illustrating a configuration example of a detection circuit.
  • the detection circuit includes a differential amplifier 28 and resistors R1 to R4.
  • the detection electrode 14 is connected to the non-inverting input terminal of the differential amplifier 28 via the resistor R1.
  • the detection electrode 16 is connected to the inverting input terminal of the differential amplifier 28 via the resistor R2.
  • the differential amplifier 28 differentially amplifies the voltages of the electrodes 14 and 16 and outputs a detection output voltage Vout.
  • the vibrator 12 can be formed as follows. An electrode layer is formed on each of the opposing surfaces of the ceramic crystal plate.
  • the electrode layer has, for example, a multilayer structure of different metals. For example, a two-layered electrode layer is formed by using Ni or NiCr as a base layer and forming Au thereon. These electrode layers can be formed by a known method such as sputtering, baking, vapor deposition, electrolytic plating, and aluminum plating. After forming the electrode layer, the electrode layers are patterned by etching, laser trimming or the like to form detection electrodes 14 and 16. At this time, the above-mentioned dividing groove 18 is formed. Then, it is separated into ceramic crystal pieces as the vibrator 2 by dicing.
  • the calo speed sensor according to the first embodiment of the present invention has been described above.
  • Detection electrodes 14 and By configuring 16 as described above an acceleration sensor that can detect triaxial acceleration with a simple structure can be realized. Also, by changing the patterns of the detection electrodes 14 and 16, the distribution ratio of the three-axis sensitivity can be easily adjusted.
  • the mouth speed sensor can be variously deformed within the range of the operation principle of the acceleration detection. In the following, several variations of the force will be described.
  • a divided groove 30 may be formed in the vibrator 12.
  • the dividing groove 30 extends in the Y-axis direction, and is integrated with the dividing groove 18 described above.
  • slip vibration caused by acceleration can be generated more efficiently.
  • the depth and width of the dividing groove 30 can be arbitrarily designed in consideration of the required sensitivity and the like.
  • the use of the dividing groove 30 requires a process for forming the dividing groove 30.
  • FIG. 5 is a # ⁇ view showing a caro speed sensor having a configuration in which the vibrator 12 is inverted and attached to the weight 10.
  • the detection electrodes 14 and 16 are attached to the weight 10 using an anisotropic conductive adhesive.
  • the weight 10 is formed of an insulating material such as alumina-lead glass, on which electrode patterns 32 and 34 corresponding to the detection electrodes 14 and 16 are formed as shown in FIG. I have.
  • the electrode patterns 32 and 34 pass through the side surface of the weight 10 and are drawn out to the opposite surface for external connection.
  • a configuration may be adopted in which a flexible rooster HI spring board (not shown) is mounted on the electrode patterns 32 and 34 without being pulled out to the opposite side to establish connection with the outside.
  • FIG. 7 shows a modification of the configuration of FIG. 5, in which a dividing groove 30 is formed in the vibrator 12.
  • FIGS. 8A and 8B show another modification of the first embodiment.
  • FIG. 8A shows a bottom view of the acceleration sensor according to this modification
  • FIG. FIG. 3 is a diagram showing a relationship with a voltage.
  • the detection electrode 14 is composed of the electrode parts 14a and 14b
  • the detection electrode 16 is composed of the electrode parts 16a and 16b. did.
  • the detection electrode 14 is actually divided into 14 a and 14 b along the center line 24, and similarly along the center line 24.
  • the detection electrode 16 is actually divided into two parts, 16a and 16b. acceleration Is as described with reference to FIG. 1 (b).
  • the electrode sections 14a and 14b are electrically connected at the preceding stage of the differential amplifier 28 shown in FIG. 3, and the electrode sections 16a and 16b are electrically connected.
  • This connection is made, for example, by a rooster pattern on a printed rooster a board (not shown in FIG. 8) on which the acceleration sensor is mounted. Even with such an electrode configuration, it is possible to detect triaxial acceleration as shown in FIG. 8 (b). Also, by adjusting the size of the electrode portions 14b and 16b such as the length in the Y-axis direction, the sensitivity distribution ratio in the three-axis directions can be easily adjusted.
  • the method of dividing the electrodes 14 and 16 is not limited to the method shown in FIG.
  • the electrode 14 may be divided at a position where the length L1 is bisected, and similarly, the electrode 14 may be divided at a position where the length L2 is bisected.
  • the dividing position is not limited. In principle, more than two divisions are possible.
  • the vibrator 12 is in addition to the PZT-based piezoelectric ceramics, piezoelectric single crystal and the like Nio Bed lithium (L iNb0 3) or lithium tantalate (L i Ta0 3), a piezoelectric polycrystalline Is also good.
  • the first embodiment of the present invention it is possible to realize an omnidirectional acceleration sensor that is small, has high sensitivity, and easily adjusts the detection sensitivity.
  • FIG. 9 is a diagram showing an acceleration sensor according to a second embodiment of the present invention.
  • FIG. 9A is a bottom view of the acceleration sensor, and
  • FIG. It is a figure showing a relation.
  • FIG. 10 is a perspective view of the caro speed sensor according to the present embodiment.
  • the acceleration sensor according to the present embodiment has a configuration in which the polarization direction of the vibrator 12 matches the longitudinal direction ( ⁇ -axis direction) of the weight 10, and the detection electrodes 14 and 16 are adjacent to each other in this direction.
  • the detection electrodes 14 and 16 are arranged on a diagonal line of the electrode forming surface of the vibrator 12. Other parts are the same as in the first embodiment. As shown in Fig. 9 (b), 3 ⁇ 4 ⁇ appears on the detection lines 14 and 16 according to the acceleration in the three-axis direction.
  • the relationship between the acceleration application axis and the generation shown in Fig. 9 (b) is the same as in Fig. 1), and will not be repeated here.
  • a non-directional acceleration sensor can also be realized by setting the polarization direction P s as the longitudinal direction of the weight 10 and arranging the two detection electrodes 14 and 16 adjacent to each other and diagonally in this direction. be able to.
  • FIG. 11 shows a modification of the acceleration sensor shown in FIGS.
  • the vibrator 12 has a configuration in which division grooves 30 are formed.
  • the dividing groove 30 extends in the Z-axis direction shown in FIG.
  • FIG. 12 is a diagram showing another modified example of the acceleration sensor shown in FIG. 9 and FIG. As shown in the figure, the configuration is such that the detection electrodes 14 and 16 are arranged so as to be located on the weight 10 side. An electrode pattern similar to the electrode patterns 32 and 34 shown in FIG. 6 is also formed on the weight 10 shown in FIG. However, the arrangement positions of the electrodes are determined so as to correspond to the detection electrodes 14 and 16 shown in FIG.
  • FIG. 13 shows a modification of the acceleration sensor shown in FIG. As shown in FIG. 13, the structure is such that a dividing groove 30 is formed in the vibrator 12. The dividing groove 30 extends in the Z-axis direction shown in FIG. 9 (a).
  • FIG. 14 is a diagram showing still another modified example.
  • FIG. 7A is a bottom view of the acceleration sensor according to this modification
  • FIG. 7B is a diagram showing the relationship between the speed application axis and E appearing on the electrode.
  • the detection electrode 14 is actually divided into 14a and 14b along the center line 24, and the detection electrode 16 is similarly divided into 16a along the center line 24. 16b and actually divided into two.
  • the principle of detecting the caloric velocity is as described with reference to FIG. 1 (b), and is the same as the relationship shown in FIG. 9 (b).
  • the electrode sections 14a and 14b are electrically connected at the stage prior to the differential amplifier 28 shown in FIG. 3, and the electrode sections 16a and 16b are electrically connected.
  • FIG. 15 is a diagram showing an acceleration sensor according to a third embodiment of the present invention.
  • (a) is a bottom view of the acceleration sensor, and
  • (b) is a diagram showing the relationship between the acceleration applying axis and the voltage appearing on the electrode.
  • the acceleration sensor according to the third embodiment includes a vibrator 40 that is polarized in one direction, and a weight 10 that is provided so as to be continuous with the vibrator, and asymmetrically divides the electrode forming surface of the vibrator 40 into two. Electrodes 42 and 44 arranged in such a manner that opposing edges of these two electrodes 42 and 44 are inclined with respect to the polarization direction of the vibrator 40.
  • the vibrator 40 is a piezoelectric ceramic such as PZT and is polarized in the Z-axis direction. Electrodes 42 and 44 are sensing electrodes.
  • the detection electrodes 42 and 44 are adjacent to each other via the dividing groove 46.
  • the division groove 46 is formed at the opposing edges of the detection electrodes 42 and 44.
  • the dividing groove 46 is obtained by patterning an electrode layer formed on the vibrator 40 such as piezoelectric ceramics at the time of electrode formation. Further, if necessary, the dividing groove 46 may have a configuration including a groove formed in the vibrator 40. The dividing groove 46 is inclined by ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ with respect to the polarization direction in the Z-axis direction. As described later, the angle of the dividing groove 46 determines the sensitivity of the acceleration sensor to the left O o
  • ground electrode as described above is formed on the opposing surface of the vibrator 40.
  • a voltage is generated at the detection electrodes 42 and 44 in accordance with the axis of application of the caloric velocity.
  • the detection electrode 42 is made up of the electrode portions 42a, 42b and 42c, and the detection electrode 44 is made up of the electrode portion 44a.
  • the remaining relatively small electrode portion can be omitted because it has a small relative influence on the electrode portion.
  • Figure 16 (a) shows the relationship between the angle 0 (°) of the dividing groove 46 and the sensitivity (mV / G). This is a graph.
  • FIG. 16B is a graph showing the relationship between ifrlWz (Wz / W) and sensitivity (mVZG) of the dividing groove 46 with respect to the width W of the vibrator 40.
  • Fig. 16 (a) when the angle of the dividing groove 46 is increased from around 10 °, the sensitivity of the X- and Y-axis directions of the calo velocity is slightly improved, but there is not much change. The sensitivity in the Z-axis direction improves almost linearly.
  • FIG. 16 (b) even if the ratio of Wz ZW is changed from 1 to 0.7, there is no significant change in the sensitivity in the three axis directions.
  • the detecting electrode 42 is trapezoidal and the detecting electrode 44 is triangular. Also, if the position of the dividing groove 46 is moved in the direction of arrow 48 in FIG. 16 (a) to be Wz / W, the detection electrode 42 becomes a pentagon and the detection electrode 44 becomes a triangle. Furthermore, if the dividing groove 46 is moved in the direction opposite to the arrow 48, both the detection electrodes 42 and 44 become quadrangular (trapezoidal). Therefore, the features of the detection electrodes 42 and 44 according to the third embodiment of the present invention can also be specified by these shapes as described above. In addition, it can be said that one of the detection electrodes 42 and 44 equally straddles all the four divided regions of the electrode forming surface. Furthermore, it can be said that the area or the area ratio of the detection electrodes 42 and 44 is different.
  • At least one of the detection chambers 42 and 44 may be divided into a plurality of sections, and the divided electrode sections may be electrically connected.
  • the third embodiment of the present invention it is possible to realize an omnidirectional acceleration sensor that is small, has high sensitivity, and easily adjusts the detection sensitivity.
  • FIG. 17 is a diagram showing a caro speed sensor according to a fourth embodiment of the present invention.
  • the present embodiment is characterized in that it has an electrode configuration that takes into account chipping generated when a plurality of vibrators are cut out by processing a piezoelectric ceramic crystal plate by dicing or the like. Chipping means that the electrode pattern peels off during processing such as dicing. If chipping occurs, an imbalance between the detection electrodes may occur, and the detection sensitivity of the caro velocity may be degraded. In addition, there is a possibility that sensitivity may vary among the acceleration sensors. Chipping occurs near the cutting position of the piezoelectric ceramic crystal plate. In particular, it occurs remarkably at the corners of the cutout.
  • FIG. 17 (a) shows an electrode configuration in which the side faces in the longitudinal and transverse directions of the detection electrodes 14, 16 are set back from the edge of the vibrator 12. This electrode configuration is preferable to the electrode configuration shown in Fig. 17 (a) because not only corners but also side surfaces are set back from the viewpoint of avoiding chipping.
  • Fig. 17 (c) shows an electrode configuration in which only the longitudinal side surfaces of the detection electrodes 14, 16 are set and packed.
  • FIGS. 17D to 17G are diagrams showing another example of the electrode configuration for avoiding chipping.
  • FIG. 17D shows a configuration in which the corners of the detection electrodes 53 and 55 on the vibrator 12 are cut.
  • FIG. 17E shows a configuration in which the side surfaces of the detection electrodes 56 and 58 on the vibrator 12 in the longitudinal direction and the lateral direction are set back from the edge of the vibrator 12.
  • FIG. 17 (f) shows a configuration in which the lateral sides of the detection electrodes 60 and 62 on the vibrator 12 are set and packed from the edge of the vibrator 12.
  • 17 (g) shows a configuration in which the short sides of the detection electrodes 64 and 66 on the vibrator 12 are cut obliquely to set back from the edge of the vibrator 12.
  • the detection electrode is set to ⁇ from the corner or edge of the vibrator 12. Accordingly, charges can be picked up from the detection electrodes in a well-balanced manner, and variations in sensitivity between the detection electrodes and variations in sensitivity between the acceleration sensors can be eliminated.
  • the ground electrode 26 may be set back.
  • FIG. 18 is a diagram showing a caro speed sensor according to a fifth embodiment of the present invention. More specifically, FIG. 18 (a) is a plan view of the acceleration sensor, FIG. 18 (b) is a cross-sectional view taken along line AA of FIG. 18 (a), and FIG. 18 (c) is a bottom view. This embodiment is characterized by the configuration of the ground electrode.
  • the ground electrode 26 of the first embodiment described above is formed on the entire surface of the vibrator 12.
  • the duland electrode 26 A of the acceleration sensor shown in FIG. 18 has elliptical openings 68 and 70.
  • the surface of the vibrator 12 is exposed through these openings 68, 70.
  • the duland electrode 26A has a two-layer structure including a NiCr underlayer 26a and a gold surface layer 26b.
  • the openings 68 and 70 can be formed by etching-laser trimming or the like.
  • the ground window 26 A is bonded and fixed to the weight 10 using a conductive adhesive.
  • the adhesiveness of the conductive adhesive is higher for the piezoelectric ceramics forming the vibrator 12 than for gold. That is, by providing the openings 68 and 70, the adhesive force of the adhesive can be improved (anchor effect). By improving the adhesive strength, the conduction reliability of the adhesive layer is improved by 1 ⁇ 3 ⁇ 4 ⁇ .
  • the detection electrodes 14 and 16 are bonded to the weight 10: ⁇ , the portions of the exposed portions 20 and 22 shown in FIG. 1 function to increase the adhesive force of the anisotropic conductive adhesive.
  • FIG. 19 shows a modification of the acceleration sensor shown in FIG.
  • FIG. (a) is a plan view of the acceleration sensor
  • Fig. (B) is a B- B line cross-sectional view of (a).
  • the ground electrode 26 A has three elliptical openings 72, 74 and 76. These openings 72, 74, 76 are oriented in different directions from the openings 68, 70 shown in FIG. The vibrator 12 is exposed through the openings 72, 74, and 76.
  • the ground electrode 26A shown in FIG. 19 also has the same operation and effect as the ground electrode 26A shown in FIG.
  • the shape and number of the openings are not limited to those described above, and can be appropriately selected. (Sixth embodiment)
  • FIG. 20 is a diagram showing an acceleration sensor according to a sixth embodiment of the present invention.
  • (a) is a plan view
  • (b) is a cross-sectional view taken along line BB of (a).
  • the duland electrode 26B of the acceleration sensor according to the sixth embodiment includes a Ni underlayer 26c and an Au surface layer 26b.
  • the ground electrode 26B has openings 68B and 70B.
  • the openings 68B and 70B are formed only in the Au surface layer 26b, and the Ni underlayer 26c is exposed through the openings 68B and 70B.
  • conductive adhesives bond more strongly with Ni than with Au. As a result, the conduction reliability of the adhesive layer and the shock resistance reliability are improved. Because the entire surface of the vibrator 12 is covered with the Ni underlayer 26c, the capacitance of the vibrator 12 does not decrease.
  • the openings 68B and 70B can be formed by patterning the Au layer by a method such as etching or laser trimming.
  • FIG. 21 shows a modification of the acceleration sensor shown in FIG.
  • FIG. 2A is a plan view of the acceleration sensor
  • FIG. 2B is a cross-sectional view taken along line C-C of FIG.
  • the ground electrode 26B has three elliptical openings 72B, 74B and 76B. These openings 72B, 74B, 76B are oriented in different directions from the openings 68, 70 shown in FIG.
  • the vibrator 12 is exposed through the openings 72B, 74B, 76B.
  • the duland electrode 26B shown in FIG. 21 has the same operation and effect as the duland electrode 26B shown in FIG.
  • underlayer 26c a metal that is relatively easily oxidized such as Ti, Cu, or A1 can be used in addition to Ni.
  • FIG. 22 is a side view of the acceleration sensor according to the seventh embodiment of the present invention.
  • An acceleration sensor having a weight 10 and a vibrator 12 is a substrate such as a printed circuit board.
  • a detection circuit as shown in FIG. 3 is formed on the substrate 80.
  • substrate 8 is mounted on 80.
  • An acceleration sensor including the substrate 80 can also be defined.
  • a detection circuit as shown in FIG. 3 is formed on the substrate 80.
  • substrate 8 is mounted on 80.
  • Oscillator 12 is a detection electrode
  • ground electrode 2
  • the vibrator 12 may be mounted so that 6 faces the substrate 80.
  • the acceleration sensor is mounted on the substrate 80 in a cantilever structure.
  • This fruit In the device, when an excessive impact force S is applied in the X-axis direction, stress is concentrated on the vibrator 12 and the vibrator 12 may break down.
  • a damper 82 is mounted on the substrate 80 to reduce the impact and protect the vibrator. The damper 82 is provided at a position facing the free end 10 a of the weight 10. When no acceleration force is applied in the X-axis direction, a gap is formed between the bottom surface of the weight 10 and the top surface of the damper 82.
  • the damper 82 can be formed of any material.
  • the damper 82 is formed of an insulating material such as alumina, and is fixed on the substrate 80 using an adhesive.
  • damper 82 can be applied to all the above-described embodiments and modifications. Further, the damper 82 can be widely applied to a configuration in which a general caro speed sensor is supported on a substrate in a cantilever structure.
  • FIG. 23 is a view for explaining an acceleration sensor according to the eighth embodiment of the present invention.
  • FIG. 23 is a graph showing the relationship between the filler content included in the conductive adhesive and the capacitance change rate of the vibrator 12.
  • the conductive adhesive is used when attaching the vibrator to the weight or the substrate.
  • the conductive adhesive contains inorganic filler contents such as silica and alumina in epoxy resin. Changing ⁇ FILLER content one content (w t%), curing shrinkage and elastic modulus when the adhesive cures is Heni ⁇ Shi, residual stress on the vibrator is varied. This change in the residual stress causes a change in the capacitance of the vibrator.
  • FIG. 23 is a graph illustrating this relationship. For example, if the allowable value of the capacitance change rate is set to 120%, the content of the inorganic filler content is set from 0 wt% to 40 wt%. As described above, by adjusting the content of the inorganic filler content, a decrease in capacitance can be controlled.
  • FIG. 24 is a view for explaining a caro speed sensor according to the ninth embodiment of the present invention.
  • the ninth embodiment is characterized in that a rooster B-line pattern for improving the adhesive strength of a conductive adhesive is formed on a substrate.
  • a rooster B-line pattern for improving the adhesive strength of a conductive adhesive is formed on a substrate.
  • an anisotropic conductive adhesive 84 is supplied between the oscillator 12 and the substrate 80, The vibrator 12 is pressed from above.
  • the adhesive 84 is applied in a circular shape by dispense or transfer.
  • the wiring pattern 86 formed on the substrate 80 is The shape is as shown in FIGS. 24 (b) and 24 (c).
  • the rooster B pattern 86 has electrode portions 86a, 86b and 86c.
  • the hot spring pattern 86 is formed by forming a metal film on the substrate 80 and patterning it by etching or the like. Electrode portions 86a and 86b are connected to detection electrodes 14 and 16 formed on vibrator 12, respectively. Electrodes 86a and 86b each have a comb-like pattern. Comb tooth pattern is power! ] Functions as a guide for pressed anisotropic conductive adhesive.
  • the anisotropic conductive adhesive 84 spreads over the entirety of the electrode portions 86 a and 86 b along this guide, and is filled over the entire bottom surface of the vibrator 12. As a result, the adhesive strength of the conductive adhesive can be improved, and the conduction reliability of the adhesive layer ⁇ 4 ⁇ and the shock resistance reliability can be improved.
  • the electrode portions 86d and 86e shown in FIG. 24 (c) are formed in a comb-like pattern. These t-shaped portions 86 d and 86 e also function as guides for the anisotropically conductive adhesive 84 that has been pressurized, and the electrode portions 86 a and 86 b in FIG. 24 (b). It has the same action and effect as.
  • An acceleration sensor is an acceleration sensor including a vibrator polarized in one direction and a weight provided in series with the vibrator, wherein a pair of electrodes adjacent to each other in the polarization direction (for example, the above-described electrode 14 and 16) are provided on the first surface of the IB vibrator, and the pair of electrodes is positioned diagonally to the first surface of the IB oscillator.
  • a voltage is generated at a pair of electrodes regardless of the acceleration force applied in any of the three axes of the vibrator, so that a non-directional acceleration sensor can be realized. Also explained next Thus, by adjusting the size of the pair of electrodes with respect to the vibrator, the sensitivity in the three-axis direction can be easily adjusted.
  • Each of the pair of electrodes may be larger than each area obtained by equally dividing the first surface into four parts and smaller than each area obtained by equally dividing the first surface into two parts (for example, FIG. 1B). Thereby, the distribution ratio of the sensitivity in the three axial directions can be easily determined.
  • the length of the tin self-oscillator in the direction orthogonal to the polarization direction is L
  • the lengths of the pair of electrodes are L 1 and L 2 respectively
  • 0.5 LI ( L 2) / L ⁇ 1.
  • the first surface of the vibrator has a plurality of exposed portions (for example, exposed portions 20 and 22) that are not covered by the pair of electrodes, and the plurality of exposed portions are the first exposed portions.
  • the surface may be located on another diagonal line.
  • the size of the exposed part is related to the distribution ratio of the sensitivity in the three axes. Therefore, by appropriately selecting the size of the exposed portion, the distribution ratio of the sensitivity in the three axial directions can be easily determined to a desired value.
  • it may be configured to further include another pair of electrodes (for example, electrodes 14b and 16b) located on another diagonal line of the first surface.
  • the number of electrodes is not limited to one pair (14a, 16a), and a caro-velocity sensor capable of detecting acceleration in three axial directions can be realized even if another pair of electrodes is provided.
  • each of the another pair of electrodes (14b, 16b) is configured to be smaller than an area obtained by dividing the first surface of the lift self-oscillator into two along the polarization direction. can do.
  • An example of the other pair of electrodes is specified.
  • Each of the pair of electrodes is electrically connected to one electrode of the another pair of electrodes adjacent in the direction orthogonal to the polarization direction.
  • the polarization direction of the self-oscillator can be configured to be orthogonal to the longitudinal direction of the plate-shaped tfif self-weight (for example, Fig. 1A).
  • acceleration can be detected in all three axial directions.
  • at least two of the three axes have different 3 ⁇ 4ff appearing on the detection electrode (for example, Fig. 1B). Therefore, it is also possible to specify the direction of the caloric velocity.
  • the polarization direction of the tin self-oscillator should be the same as the longitudinal direction of the plate-shaped tfrff self-weight. (Eg, Figure 9A). Even if the relationship between the polarization direction of the vibrator and the weight is set in this manner, an acceleration sensor capable of detecting all directions in the three axes can be realized.
  • a differential amplifier (FIG. 3) connected to a pair of tin electrodes can be provided to differentially amplify the Situ of the tut pair of electrodes.
  • acceleration detection sensitivity can be increased.
  • the present invention also provides an acceleration sensor including a vibrator polarized in one direction and a ⁇ provided in continuation of the vibrator.
  • Has two electrodes for example, 44, 46
  • an acceleration sensor configured to be oblique to the polarization direction of the self-oscillator. Even with this electrode configuration, acceleration in the triaxial directions can be detected, and the distribution ratio of triaxial sensitivity can be easily adjusted by changing the division position.
  • one of the two electrodes may be configured to extend over all of the four equally divided regions of the first surface (for example, FIG. 15 B).
  • the area or area ratio of the two electrodes can be different (FIG. 15B).
  • a metal film for example, 16 patterned on a second surface facing one surface of the knitted oscillator so that a part of the surface of the tins oscillator is exposed; Can be configured to be fixed to the ttrt own weight 10 by an adhesive (see FIGS. 18A to 18C, 19A, 19B, 20A, 20B, 21). A, 2 1 B).
  • the adhesive is supplied to a part of the exposed surface of the vibrator, so that the adhesive strength can be improved.
  • a metal film (16) having a multilayer structure is provided on a second surface facing one surface of the disgusting oscillator, and the surface layer of the metal film is formed so that a part of the internal metal film is exposed.
  • the second surface may be fixed to the spindle by an adhesive. If the inner metal film has better adhesiveness than the surface metal film, the adhesive force can be improved, and the capacitance is not reduced because the vibrator is covered with the inner metal film.
  • corner portion of the contact electrode close to the corner of the vibrator may be configured to be located at a position recessed from the corner of the vibrator (FIGS. 17A and 17B). D). Therefore, it is possible to avoid occurrence of chipping when processing the vibrator by dicing or the like.
  • the edge of the flit electrode itself can be configured to recede from the edge of the vibrator and be laid (FIGS. 17A to 17G). Therefore, it is possible to avoid occurrence of chipping when processing the vibrator by dicing or the like.
  • the acceleration sensor has a substrate (80), and the key first surface of the self-oscillator is attached to the ttif self-substrate with an adhesive. ( Figures 22, 24A-24C).
  • the hot spring has a metal film (86a, 86b, 86d, 86e) formed at a position facing the first surface of the vibrator, and the metal film is It can be configured to be patterned to guide the self-adhesive when attaching the t & fB vibrator to the above-mentioned substrate (Fig. 24B, 24C). By this patterning, the adhesive spreads over the entire bonding surface, and the bonding strength is improved.
  • the above-mentioned speed sensor has: The contact weight is supported on the substrate in a cantilever structure via the vibrator, and the free end of the free end faces the free end of the self-weight.
  • a configuration in which a damper (82) for regulating movement can be provided (Fig. 22).

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Description

明 細 書 カロ速度センサ 技術分野
本発明は、 物体に加わる衝撃および加速度を検出するために用いられる圧電 型の力 D速度センサに関する。 特に、 本発明は加速度により生ずる慣性力により発 生する特徴量を検出する加速度センサに関する。
近年電子濃の小型化が進み、 例えばノート型バソコン等の携帯電子騰の普 及が著しい。 これらの電子機器が予期せぬ衝撃を受けた時において、 その信頼性 を維持する為に、 衝撃を検知して所定の処理を行う事が必要になる。 例えば、 ノ 一ト型パソコンやデスクトップ型パソコンに内蔵されたハードディスクドライブ (HD D)や光磁気ディスク (MO)、またはディジタルビデオディスク (DVD) が衝撃を受けた際の、 読み込み ·書き込みエラー防止等のために加速度センサが 使用されている。 特にノート型パソコン等では、 HD Dが読み込み '書き込み動 作を行うへッドの動作に対応した H D D筐体平面の平行軸方向への加速度の他に、 キーボードのタイビング等による衝撃等を検知するため、 面垂直方向の加速度検 知も必要となる。
カロ速度センサが搭載される βの小型化 ·高性能化に伴ってセンサの小型化 · 高性能ィ匕が要求され、 更に、 面内と面垂直方向の二軸以上の加速度を検出する事 が要求されている。 背
従来、 圧電型の加速度センサとしては、 例えば特開平 7— 2 0 1 4 4号公報に 記載がある。 この加速度センサは加速度検出素子を、 該素子を実装するケース底 面に対して角度を持たせて実装する事により、 二軸の加速度検出を行う。 また、 特開平 1 1— 1 1 8 8 2 3号公報には、 振動子に接着された支持体を主面に対し てあらかじめ角度を付け振動子を傾ける方法により、 二軸の加速度を検出してい る。 更に、 特開平 8— 4 3 4 3 2号公報には、 圧電セラミックスの平面から面垂 直方向へ分極を傾ける事により、 二軸の加速度を検出している。 特開平 1 1一 2 1 1 7 4 8号公報には、 振動子の先端の幅方向に対して偏心した位置に錘を形成 する事により、 二軸の加速度を検出する技術が記載されている。
しかしながら、 従来の加速度検出素子を傾ける方法は、 実装がネ になりコス ト高となる。 支持体に角度を付ける方法は、 実装時の高さ方向へのサイズが大き くなる事や実装がネ になる。 分極方向を傾ける方法は、 一度分極をした後、 所 望の方向に切断し、その後電極形成を行う事で、製造工程が増えコスト高となる。 更に、 振動子の先端に錘を形成する方法は、 形成位置ずれによる感度のばらつき が大きくなる。
このような問題点を解決する小型 ·高感度の加速度センサが特開平 2 0 0 0— 9 7 7 0 7号公報に記載されている。 この加速度センサは本発明者等によって提 案されたもので、 振動子とそれに連なっており、 振動子自身の重さを加えた全体 の重心位置と異なる位置で支持されている錘とを備え、 加速度力幼口えられた に錘に発生する回転モーメントに応じた振動子の特徴量 （滑り振動） を検出する ことによって、 加えられた加速度の大きさを求める事が出来る。 この加速度セン サは振動子自身を大きくする必要が無く、 小型の構成であってしかも検出感度が 高いが、 1つの加速度センサで検出できる加速度は一軸方向である。 つまり、 こ こに提案されている加速度センサは三軸の加速度を検知できる無指向性の加速度 センサではない。
本発明者等は更に特願平 1 1 - 3 7 5 8 1 3や特願平 1 2— 3 5 1 0 5 8にお いて、 小型 ·高感度で無指向性の加速度センサを提案している。
本発明の課題は、 振動子と錘を用いて小型 ·高信頼性の無指向 口速度センサ を実現することにある。
より特定すれば、 本発明は既に ί是案されている無指向性の加速度センサとは異 なる手段で三軸の加速度を検知することができる小型 ·高信頼'生の加速度センサ を実現することを讓とする。 発明の開示
上記課題を達成するために、 本発明の加速度センサは、 一方向に分極された振 動子と、 該振動子に連なって設けられた錘とを備えた加速度センサにおいて、 分 極方向に隣り合う 1対の電極を前記振動子の第 1の面上に設け、 該 1対の電極は 前記第 1の面の対角線上に位置している構成である。 このような電極構成とする ことで、 振動子の三軸のどの方向に加速度力幼口わっても、 1対の電極に Hffiが発 生するので、無指向性の加速度センサが実現できる。また、次に説明するように、 振動子に対する 1対の ®亟の大きさを調整することで、 三軸方向の感度を簡単に 調整することができる。 図面の簡単な説明
図 1 A、 1 Bは本宪明の第 1実施形態による加速度センサを示す図であって、 図 1 Aは加速度センサの底面図、図 1 Bは加速度印加軸と電極に現われる ¾H (電 荷） との関係を示す図である。
図 2は第 1実施形態による加速度センサの ffi図である。
図 3は検出回路の一構成例を示す図である。
図 4は第 1実施形態による加速度センサの変形例を示す斜視図である。
図 5は第 1実施形態による加速度センサの別の変形例を示す^図である。 図 6は錘に形成された電極パターンの一例を示す 図である。
図 7は図 5に示す加速度センサの変形例である。 ·
図 8 A、 8 Bは第 1実施形態による加速度センサの更に別の変形例を示す図で あって、 図 8 Aは加速度センサの底面図、 図 8 Bは加速度印加軸と電極に現われ る «Ε (電荷） との関係を示す図である。
図 9 A、 9 Bは本発明の第 2実施形態による加速度センサを示す図であって、 図 9 Aは加速度センサの底面図、 図 9 B 口速度印加軸と ¾gに現われる ®|£と の関係を示す囪である。
図 1 0は第 2実施形態による加速度センサの斜 図である。
図 1 1は第 2実施形態による加速度センサの変形例を示す余射見図である。 図 1 2は第 2実施形態によるカロ速度センサの別の変形例を示す # 見図である。 図 1 3は第 2実施形態による加速度センサの更に別の変形例を示す # ¾図であ る。 図 14 A、 14 Bは第 2実施形態による加速度センサの更に別の変形例を示す 図であって、 図 14 Aは加速度センサの底面図、 図 14Bは加速度印加軸と ® に現われる ®E (電荷） との関係を示す図である。
図 15A、 15 Bは本発明の第 3実施形態による加速度センサを示す図であつ て、 図 15 Aは加速度センサの底面図、 図 15 Bは加速度印加軸と電極に現われ る Eとの関係を示す図である。
図 16A、 168は図15 、 15 Bに示される分割溝 46の角度 0 (° ) と 感度 (mV/G) との関係を示すグラフである。
図 17A〜17 Gは本発明の第 4実施形態によるカロ速度センサを示す図である。 図 18A、 18B、 18Cは本発明の第 5実施形態による加速度センサを示す 図であって、 18 Aは加速度センサの平面図、 図 18 Bは図 18 Aの A— A泉断 面図、.図 18 Cは底面図である。
図 19 A、 19 Bは図 18 A〜 18 Cに示す加速度センサの変形例を示す図で あって、 19 Aはこの加速度センサの平面図、 図 19Bは図 19Aの B— B線断 面図である。
図 20 A、 2 OBは本発明の第 6実施形態による加速度センサを示す図であつ て、 図 2 OAは平面図、 図 20Bは図 2 OAの B— BH断面図である。
図 21 A、 21 Bは図 20に示す加速度センサの変形例を示す図である。
図 22は本発明の第 7実施形態によるカロ速度センサの側面図である。
図 23は本発明の第 8実施形態によるカロ速度センサを説明するための図である。 図 24 A〜24 Cは本発明の第 9実施形態による加速度センサを説明するため の図である。 発明を実施するための最良の形態
(第 1実施形態）
図 1は本発明の第 1実施形態による加速度センサを示す図であって、同図（a) は加速度センサの底面図、 同図 （b) は加速度印加軸と電極に現われる mj£ (電 荷） との関係を示す図である。 また、 図 2は本実施形態によるカロ速度センサの斜 視図である。 カロ速度センサは振動子 1 2と、 これに連結された錘 1 0とを有する。 振動子 1 2と錘 1 0を含む全体の重 ィ立置と異なる位置で錘 1 0が支持されている。 図 1 の構成では、 錘 1 0は矩形の板状であり、 その一端に振動子 1 2が取り付けられ ている。図 2では、錘 1 0のエッジと振動子 1 2のエッジが揃っているのに対し、 図 1 ( a )では意図的に若干ずれて ヽる （振動子 1 2が若干内側に位置してレ、る） ように図示してある。これは主として、図 1 ( a )を分かり易くするためである。 勿論、 図 1 ( a ) に示すように振動子 1 2を錘 1 0に位置決めしても良い。 Vヽず れであっても、 カロ速度センサの作用及ひ ¾J作は実質的に同一である。
錘 1 0は例えば、 密度が高レ、金属やアルミナゃ鉛ガラスなどの絶縁材料で形成 される。 単一の物質で形成されてもよく、 また複数の異なる物質で形成されても よい。 例えば、 比較的密度の高い物質を錘 1 0の自由端側に設け、 比較的密度の 低い物質を反対側に設ける。
振動子 1 2は圧電セラミッタスの直方体である。 圧電セラミックスは、 セラミ ックス結晶板から切り出されたものである。 一例をあげると、 振動子 1 2は電気 機械結合係数の比較的高い P Z T系圧電セラミッタスで形成されている。 振動子 1 2の断面形状は、 正方形であつても長方形であつてもよレヽ。 振動子 1 2は矢印 P sの方向に分極されている。 圧電セラミックスの分極は、 圧電セラミックス結 晶板の両端面間に高 MEを印加することで与えられる。 振動子 1 2は、 分極 P s の方向が錘 1 0の長手方向に直交するように錘 1 0に取り付けられている。 便宜 上、 X軸、 Y軸、 Z軸を図示の通り定義する。 なお、 X軸は紙面に垂直な方向で ある。また分極方向 P sは Z軸方向であり、錘 1 0の長手方向は Y軸方向である。 振動子 1 2の一面（第 1の面）には、電極 1 4と 1 6が形成されている。以下、 振動子 1 2のこの面を電極形成面という。 本実施形態は、 電極 1 4と 1 6を以下 に説明するように構成することにより、 三軸の加速度を検知でき、 しかも三軸の 感度調整が容易な無指向性の加速度センサを実現するものである。
電極 1 4、 1 6は同じ大きさの矩形電極であり、 Y軸方向に延びる分割溝 1 8 を介して分極方向 P sに隣り合う。 図 1や図 2の加速度センサにお 、て、 分割溝 1 8は対向する電極 1 4と 1 6力 S形成する溝であり、 振動子 1 2に溝が形成され ているわけではない。ただし、後述するように、振動子 1 2に溝を設けてもよい。 電極 1 4と 1 6は 1対の検出電極となり、 印加される加速度に応じた を取 り出す（以下、電極 1 4と 1 6を検出電極とレヽう）。 1対の検出電極 1 4、 1 6は、 振動子 1 2の電極形成面の対角線上に位置している。 換言すれば、 検出電極 1 4 と 1 6は、 分極方向 P sに振動子 1 2を等しく二分割する中心線 2 4力 ら Y軸方 向にセットバック （後退） した位置にある。 検出電極 1 4は錘 1 0の自由端方向 にセットバックしており、 検出電極 1 6は錘 1 0の他方の固定端方向にセットパ ックしている。 検出電極 1 4と 1 6は、 中心線 2 4に対し Y軸のプラス側とマイ ナス側にオフセットした位置にあるともいえる。 また、 検出電極 1 4と 1 6は、 中心線 2 4を挟んで互い違いに配置されているとも言える。 更に別の表現を用い れば、 検出電極 1 4と 1 6は振動子 1 2の中心に対して点辦尔に配置されてレヽる ともいえる。
検出電極 1 4、 1 6の各々は、 電極形成面を等しく 4分割した各面積よりも大 きく、 等しく 2分割した各面積よりも小さい。 また、 分極方向 P sに直交する方 向における振動子 1 2の長さを Lとし、 検出 ¾¾ 1 4、 1 6の長さをそれぞれ L 1、 L 2としたとき、 0. 5く L I (= L 2) /Lく 1である。 検出電極 1 4、 1 6を上記の通り配置したことで、振動子 1 2の電極形成面には、検出電極 1 4、 1 6に覆われていない 2つの露出部 2 0、 2 2も形成されている。
図 2に示すように、 振動子 1 2の電極形成面に対向する面には、 ダランド電極 2 6が形成されている。 ダランド電極 2 6は、 検出電極 1 4と 1 6に対し共通で ある。 グランド電極 2 6は導電性接着剤を用いて錘 1 0に取り付けられている。 グランド電極 2 6は金 (Au) の単層構成、 又は N i C r /Auや N i ZA uの ような多層構成である。 錘 1 0が金属などの導電性物質で形成されている に は、 錘に引き出し線を接続することで、 ダランド電極 2 6を後述する検出回路に 接続することができる。 錘 1 0が絶縁物質で形成されている;^には、 ダランド 電極 2 6に対向する電極を錘 1 0に設け、 ダランド電極 2 6を検出回路に接続す ることができる。 検出電極 1 4と 1 6は後述するように、 酉 an基板上に取り付け られ、 酉 3泉 上に形成された電極に電気的に接続される。 なお、 趣を容易に するために、 検出電極 1 4、 1 6及びグランド電極 2 6の厚みを誇張して図示し め 図 1 (b) に、 加速度印加軸と慰亟 14、 16に現われる mj£ (電荷） との関 係を示す。 Z軸方向に加速度力幼口わると、 Z軸方向において中心線 24を境に相 互に反対方向となる滑り振動が振動子 12に生じる。 振動子 12は Z軸方向に分 極されているので、 Z軸方向に相互に反対方向の滑り振動により、 図 1 (b) に 示す が電極 14と 16に現われる。 今、 便宜上、 中心線 24を境に電極 14 を 14 aと 14bにィ反想的に二分割し、 同様に電極 16を 16 aと 16bに仮想、 的に二分割して考える。 Z軸方向に加速度力 S加わると、 グランド電極 26を基準 にして、 電極部 16 aはプラスのti£+Vが発生する。 また、 電極部 16 aと同 一滑り振動を受ける電極部 14 aにはプラスの電圧 + Vが発生する。 大文字の V と小文字の Vは発生する ®£ ( )の大小を意味する。 電極部 16 aは電極部 14 bよりも面積が広いので、 電極部 16 aに発生する電圧 +Vは電極部 14b に発生する miEよりも高い。 他方、 亟部 14 aと電極部 16 bとは逆方向の滑 り振動を受けるので、 マイナスの ®£_νと一 Vが発生する U V I〉 I V I )。 この結果、検出電極 14には（_V+v)の電圧が発生し、検出電極 16には（+ V_v) の flffiが発生する。 Z軸に沿って逆方向に加速度が印加されると、 検出 電極 14には （+V—v) の電圧が発生し、 検出電極には （一 V+v) の電圧が 発生する。 このようにして、 Z軸方向に印加された加速度を検出することができ る。
X軸方向に加速度力 S加わると、 検出電極 14と 16には図 1 (b) に示すよう な HEが発生する。 分極 P sと X軸方向に発生する振動子 12内の応力との関係 力ら、 検出電極 14には （一 V— V) の mi£が発生し、 検出電極 16には （+V + v) の MEが発生する。 同様に、 Y軸方向に加速度力 S加わると、 検出電極 14 と 16には図 1 (b) に示すような ¾]£が発生する。 分極 P sと Y軸方向に発生 する振動子 12内の応力との関係から、 検出電極 14には （一 V— V) の ®£が 発生し、 検出電極 16には （+V+v) の mmが発生する。 また、 複数軸方向に 同時に加速度が作用している は、 各加速度を各軸に^军した加速度に比例し て が発生する。 例えば、 Z軸と X軸を含む二次元平面で 45° の角度に Vが発生するような加速度が加わると、 電極部 14 aには （一 1 ΖΓ 2 ) X Vの ¾Εが現われ、 電極 16 aには (+1/ 2) XVの ¾Ξが現われる。 他方、 電 極部 1 4 bと 1 6 bの ¾1Βま相殺されて現われない。 よって、 最終的に電極 1 4 には （一 1 / 2 ) X Vの電圧が現われ、 電極 1 6には （+ 1 / 2 ) X Vの電 圧が現われる。
このように、 三軸のいずれに加速度が加わっても検出電極 1 4と 1 6には ¾J£ が発生するので、 無指向性の加速度検出を行うことができる。
ここで、 振動子 1 2の長さ Lと検出電極 1 4と 1 6のそれぞれの長さ L 1、 L 2との比、すなわち L 1 /Lと L 2 ZLは加速度の検出感度を決定する。例えば、 1ゃ1^ 2を長くして L 1 ZLや L 2ZLを大きくすると、 Z軸方向の感度は悪 くなる一方で X軸及ぴ Y軸方向の感度は向上する。また L 1や L 2を短くすると、 Z軸方向の感度は向上するが、 X軸や Y軸方向の感度は劣化する。 従って、 用途 に応じて L 1 /Lや L 2 ZLの比を決め、 三軸の感度の配分比を調整することが 好ましい。
なお、 検出電極 1 4と 1 6とは同一面積であることが好ましく、 また L 1 = L 2であることが好まし!/、が、 上記検出原理の範囲内にぉレ、て多少の相違があって も問題はない。
図 3は、 検出回路の一構成例を示す回路図である。 検出回路は、 差動増幅器 2 8と抵抗 R 1〜R 4とを含む。 検出電極 1 4は、 抵抗 R 1を介して差動増幅器 2 8の非反転入力端子に接続される。 同様に、 検出電極 1 6は抵抗 R 2を介して差 動増幅器 2 8の反転入力端子に接続される。 差動増幅器 2 8は電極 1 4と 1 6の 電圧を差動増幅して、 検出出力電圧 V o u tを出力する。
なお、 振動子 1 2は次のようにして形成できる。 セラミックス結晶板の対向す る面にそれぞれ電極層を形成する。 電極層は例えば、 異なる金属の多層構成であ る。 例えば、 2層構成の電極層は N iや N i C rを下地層とし、 その上に A uを 形成したものである。 これらの電極層は、 スパッタ、 焼き付け、 蒸着、 電解メッ キ、 無 军メツキなどの公知の方法で形成できる。 電極層を形成した後、 エッチ ングゃレーザトリミングなどで電極層をパターニングして検出電極 1 4 , 1 6を 形成する。 このときに前述した分割溝 1 8が形成される。 そして、 ダイシングに より振動子 2として、 セラミックス結晶片に分離される。
以上、 本発明の第 1実施形態によるカロ速度センサを説明した。 検出電極 1 4と 1 6を上記のように構成することにより、 簡単な構造で三軸の加速度を検出でき る加速度センサを実現することができる。 また、 検出電極 1 4、 1 6のパターン を変えることで、 三軸の感度の配分比調整を簡単に行うことができる。
上言 B¾口速度センサは、 上記加速度検知の動作原理の範囲内にぉレ、て様々に変形 できる。 以下に、 いくつ力の変形例を説明する。
図 4に示すように、 振動子 1 2に分割溝 3 0を形成してもよい。 この分割溝 3 0は Y軸方向に延びており、 前述した分割溝 1 8と一体化している。 振動子 1 2 に分割溝 3 0を設けることで、 加速度に起因した滑り振動をより効率的に発生さ せることができる。 分割溝 3 0の深さや幅は、 必要とする感度などを考慮して任 意に設計することができる。 なお、 分割溝 3 0を用いる ^には、 分割溝 3 0を 形成するための工程が必要となる。
図 5は、 振動子 1 2を反転させて錘 1 0に取り付けた構成のカロ速度センサを示 す #†見図である。 検出電極 1 4と 1 6が異方導電性接着剤を用いて錘 1 0に取り 付けられている。 錘 1 0はアルミナゃ鉛ガラスなどの絶縁性物質で形成され、 そ の上に図 6に示すように、 検出電極 1 4と 1 6にそれぞれ対応した電極パターン 3 2と 3 4が形成されている。 電極パターン 3 2と 3 4は錘 1 0の側面を通り、 外部接続用として反対側の面に引き出されている。 反対側の面に引き出さずに、 電極パターン 3 2と 3 4上にフレキシブル酉 HI泉基板 （図示を省略） を搭載し、 外 部との接続を図る構成であってもよい。
このような図 5に示す構成の加速度センサであっても、 三軸の加速度を検知す ることができる。 図 7は図 5の構成の変形例であつて、 振動子 1 2に分割溝 3 0 を形成したものである。
図 8は、 第 1実施形態の別の変形例を示す図であって、 同図 （a ) はこの変形 例による加速度センサの底面図、 及び同図 （b ) は加速度印加軸と電極に現われ る電圧との関係を示す図である。 図 1 ( b ) を参照した上記説明では便宜上、 検 出電極 1 4は電極部 1 4 aと 1 4 b力、らなり、 検出電極 1 6は電極部 1 6 aと 1 6 bからなると想定した。 これに対し、 図 8 ( a ) に示 1ϋ成では、 中心線 2 4 に沿って検出電極 1 4は 1 4 aと 1 4 bとに実際に二分割され、 同様に中心線 2 4に沿って検出電極 1 6は 1 6 aと 1 6 bとに実際に二分割されている。 加速度 の検出原理は図 1 (b) を参照して説明した通りである。 図 3に示す差動増幅器 28の前段で電極部 14 aと 14bとを電気的に接続し、 電極部 16 aと 16 b とを電気的に接続する。 この接続は例えば、 加速度センサが搭載されるプリント 酉 a 基板 （図 8に図示なし） 上の酉 Βϋパターンで行う。 このような電極構成であ つても、 図 8 (b) に示すように、 三軸方向の加速度を検知することができる。 また、 Y軸方向の長さなど電極部 14 b、 16bの大きさを調整することで、 三 軸方向の感度配分比を容易に調整することができる。
なお、 電極 14と 16の分割方法は図 8 (a) に示すものに限定されるもので はない。 例えば、 電極 14の長さ L1を二等分する位置で分割し、 同様に窗亟1 6の長さ L 2を二等分する位置で分割してもよい。 全体として電極 14と 16カ それぞれ L 1と L 2の長さ（通常は L 1=L2)であれば、分割位置は問わない。 また、 原理的には 3分割以上も可能である。
その他の変形例として、 振動子 12は PZT系圧電セラミックスの他に、 ニォ ブ酸リチウム （L iNb03) やタンタル酸リチウム （L i Ta03) などの圧電 単結晶や、 圧電多結晶であってもよい。
以上説明したように、 本発明の第 1実施形態によれば小型 ·高感度で検出感度 の調整が容易な無指向性の加速度センサを実現することができる。
(第 2実施形態）
図 9は、本発明の第 2実施形態による加速度センサを示す図であって、同図（ a ) は加速度センサの底面図、 同図 （b) は加速度印加軸と電極に現われる «ΒΕとの 関係を示す図である。 また、 図 10は本実施形態によるカロ速度センサの斜視図で める。
本実施形態の加速度センサは、 振動子 12の分極方向を錘 10の長手方向 （Υ 軸方向） に一致させ、 この方向に検出電極 14と 16が隣り合う構成である。 検 出電極 14と 16は、 振動子 12の電極形成面の対角線上に配置されている。 そ の他の部分は、 第 1実施形態と同様である。 図 9 (b) に示すように、 三軸方向 の加速度に応じて検出 亟 14と 16に ¾Εが現われる。 図 9 (b) に示す加速 度印加軸と発生 との関係は図 1 )と同様なので、 ここで繰り返して説明 することはしない。 このように、 分極方向 P sを錘 10の長手方向とし、 この方向に 2つの検出電 極 14、 16を隣接させ力つ対角線上に配置することでも、 無指向性の加速度セ ンサを実現することができる。
図 11は、 図 9及び図 10に示す加速度センサの変形例である。 図 11に示す ように、振動子 12に分割溝 30を形成した構成である。分割溝 30は、図 9 ( a ) に示す Z軸方向に延びてレヽる。
図 12は、 図 9及ぴ図 10に示す加速度センサの別の変形例を示す図である。 図示するように、 検出電極 14と 16が錘 10側に位置するように配置した構成 である。 図 6に示すような電極パターン 32と 34と同様の電極パターンが図 1 2に示す錘 10にも形成されている。 ただし、 電極の配置位置は図 12に示す検 出電極 14と 16に対応するように決められる。
図 13は、 図 12に示す加速度センサの変形例である。 図 13に示すように、 振動子 12に分割溝 30を形成した構成である。 分割溝 30は、 図 9 (a) に示 す Z軸方向に延ぴている。
図 14は、 更に別の変形例を示す図である。 同図 （a) はこの変形例による加 速度センサの底面図、 同図 （b) は速度印加軸と電極に現われる ®Eとの関係を 示す図である。 図 14 (b) に示す電極構成は、 中心線 24に沿って検出電極 1 4を 14 aと 14bとに実際に二分割し、 同様に中心線 24に沿って検出電極 1 6を 16 aと 16bとに実際に二分割したものである。 カロ速度の検出原理は図 1 (b) を参照して説明した通りであり、 図 9 (b) に示す関係と同様である。 図 3に示す差動増幅器 28の前段で電極部 14 aと 14bとを電気的に接続し、 電 極部 16 aと 16 bとを電気的に接続する。 この接続は例えば、 カロ速度センサが 搭載されるプリント酉 BI泉基板 （図 14に図示なし） 上の酉 51泉パターンで行う。 以上、 本発明の第 2実施形態によるカロ速度センサを説明した。 検出電極 14と 16を上記のように構成することにより、 簡単な構造で三軸の加速度を検出でき るカロ速度センサを実現することができる。 また、 検出電極 14、 16のパターン を変えることで、 三軸の感度の配分比調整を簡単に行うことができる。 · (第 3実施形態）
図 15は、 本発明の第 3実施形態による加速度センサを示す図であつて、 同図 ( a ) は加速度センサの底面図、 同図 （b ) は加速度印加軸と電極に現われる電 圧との関係を示す図である。
第 3実施形態による加速度センサは、 一方向に分極された振動子 4 0と、 振動 子に連なって設けられた錘 1 0とを備え、 振動子 4 0の電極形成面を非対称に 2 分割するように配置された 2つの電極 4 2と 4 4を有し、これら 2つの電極 4 2、 4 4の対向するエッジは振動子 4 0の分極方向に対してィ 斜している構成である。 図 1 5に示す構成では、 振動子 4 0は P Z Tなどの圧電セラミックスであり、 Z 軸方向に分極されている。 電極 4 2と 4 4は検出電極である。 検出電極 4 2と 4 4は、 分割溝 4 6を介して隣り合っている。 分割溝 4 6は検出電極 4 2と 4 4の 対向するエッジで形成されたものである。 つまり、 分割溝 4 6は、 電極形成時、 圧電セラミックスなどの振動子 4 0上に形成された電極層をパターエングして得 られたものである。 また、 必要に応じて、 分割溝 4 6は、 振動子 4 0に形成され た溝を含む構成であってもよい。 分割溝 4 6は、 Z軸方向の分極方向に対して Θ だけ傾斜している。 後述するように、 分割溝 4 6の角度は加速度センサの感度を 左 O o
また、 振動子 4 0の対向する面には、 前述したようなグランド電極が形成され ている。
図 1 5 ( b ) に示すように、 カロ速度の印加軸に応じて検出電極 4 2、 4 4に電 圧が発生する。 今、 便宜上、 検出電極 4 2は電極部 4 2 a、 4 2 b及ぴ 4 2 cか らなり、 検出電極 4 4は電極部 4 4 aからなると考える。 残りの比較的小さな電 極部は上記電極部に対する相対的な影響が小さいので、 省略可能である。 Z軸方 向に加速度が印加されると、 電極部 4 2 a〜4 2 cには図示する β£Εが現われる ので、 検出電極 4 2の ®flEは V (= + V + V-V) となる。 また、 電極部 4 4 a には一 Vの Milが現われるので検出電極 4 4の Iffは一Vとなる。 X軸及び Y軸 に加速度が印加された ^も、 検出電極 4 2には mj£Vが現われ、 検出電極 4 4 には ®i£_Vが現われる。このように、いずれの軸方向に加速度が印加されても、 検出電極 4 2にはプラスの電圧が現われ、 検出電極 4 4にはマイナスの電極が現 われる。
図 1 6 ( a ) は、 分割溝 4 6の角度 0 (° ) と感度 (mV/G) との関係を示 すグラフである。 また、 図 16 (b) は振動子 40の幅 Wに対する分割溝 46の ifrlWz (Wz/W) と感度（mVZG) との関係を示すグラフである。図 16 (a) に示すように、 分割溝 46の角度を 10° 付近から大きくしていくと、 X， Y軸 方向のカロ速度の感度は若干良くなるがそれほど変ィ匕はないのに対し、 Z軸方向の 感度はほぼ線形に良くなる。 なお、 このグラフは振動子 40の Y軸方向の長さ W yと X軸方向の長さ Wとは等しい （Wy/W=l. 0) 、 つまり振動子 40 の電極形成面が正方形の場合である。 これに対し、 図 16 (b) に示すように、 Wz ZWの比を 1から 0. 7まで変えても三軸方向の感度に大きな変化はない。 なお、 図 16 (b) のグラフは 0 = 23° の場合である。 図 16 (a) から分か るように、 0 = 23° で X軸及ぴ Y軸の感度は略一定になる。 Wz /Wの比を変 えるとは、 分割溝 46の形成位置を図 16 (a) の位置 (W z /W= 1 ) から、 矢印 48に示す方向 （又はこれと逆方向） に ¥ff移動することを意味する。 以上のことから、 分割溝 46の角度を変えることで Z軸方向の感度を広い範囲 で調整できる。 従って、加速度センサの設計時、 所望の感度を得られるように、 分割溝 46の角度を決める。
分割溝 46が ¾泉であって、 WzZW= 1力つ 0く 45° の時、 検出電極 42 は台形で、 検出電極 44は三角形である。 また、 図 16 (a) の矢印 48方向に 分割溝 46の位置を移動させて Wz/Wく 1とすれば、 検出電極 42は五角形で 検出電極 44は三角形となる。 更に、 矢印 48とは反対方向に分割溝 46を移動 させれば、 検出電極 42と 44はいずれも四角形 （台形） となる。 従って、 本発 明の第 3実施形態の検出電極 42、 44の特徴をこれらの形状で上記のように特 定することもできる。 また、 検出電極 42と 44の一方は、 電極形成面を等しく 4分割した領域の全てに跨っているともいえる。 更に、 検出電極 42と 44の面 積又は面積比は異なるともいえる。
なお、 検出慰亟 42と 44の少なくとも一方を複数に分割し、 分割した電極部 を電気的に接続するようにしてもよい。
以上説明したように、 本発明の第 3実施形態によれば小型 ·高感度で検出感度 の調整が容易な無指向性の加速度センサを実現することができる。
(第 4実施形態） 図 1 7は、 本発明の第 4実施形態によるカロ速度センサを示す図である。 本実施 形態は、 圧電セラミックス結晶板をダイシングなどにより加工して複数の振動子 を切り出す際に発生するチッビングを考慮した電極構成を有することを特徴とす る。 チッビングとは、 ダイシングなどの加工時に電極パターンが剥離してしまう ことを意味する。 チッビングが発生すると検出電極間の のアンバランスが発 生し、 カロ速度の検出感度が劣化する可能性がある。 また、 各加速度センサ間の感 度のばらつきを引き起こす可能性もある。 チッビングは、 圧電セラミックス結晶 板の切り出し位置近傍で発生する。 特に、 切り出しのコーナー部分で顕著に発生 する。 従って、 チッビングが生じる範囲を避けるように検出電極を形成する。 図 1 7 ( a )に示す検出電極 14と 16は、参照番号 50と 52で示すように、 振動子 1 2のコーナー 50、 52からセットパックしてレ、る。 圧電セラミックス 結晶板上に形成された電極層をパターニングの際、 コーナー 50と 52にある電 極層部分を除去する。 図 1 7 (b) は、 検出電極 14、 1 6の長手方向及び短手 方向の側面が振動子 1 2のエッジからセットバックしている電極構成を示してい る。 この電極構成は、 チッビングを避けるという観点からすると、 コーナー部の みならず側面もセットバックしているので、 図 1 7 (a) の電極構成よりも好ま しい。 図 1 7 (c) は、 検出電極 14、 1 6の長手方向側面のみをセットパック した電極構成である。
図 1 7 (a) 〜図 1 7 (c) に示す電極構成は、 図 1 5に示す電極にも同様に 適用できるのみならず、 その他の電極に対しても適用できる。 図 17 (d) 〜図 17 (g)はチッビングを回避する電極構成の他の例を示す図である。図 1 7 (d) は、振動子 12上の検出電極 53、 55のコーナー部がカットされた構成を示す。 図 1 7 ( e ) は、 振動子 12上の検出電極 56, 58の長手方向及び短手方向の 側面が振動子 12のエッジからセットバックしている構成を示す。 図 1 7 (f ) は、 振動子 12上の検出電極 60, 62の短手方向側面が振動子 12のエツジか らセットパックしている構成を示す。 1 7 (g) は、 振動子 1 2上の検出電極 6 4、 66の短手方向側面を斜めにカツトすることで、 振動子 1 2のエッジからセ ットバックさせた構成を示す。
このように、 振動子 12のコーナー又はエッジから検出電極を βさせること により、 検出電極から電荷をバランスよくピックアップすることができ、 検出電 極間の感度のばらつきや加速度センサ間の感度のばらっきを無くすことができる。 なお、 グランド電極 2 6もセットバックさせた構成としてもよい。
(第 5実施形態）
図 1 8は、 本発明の第 5実施形態によるカロ速度センサを示す図である。 より詳 細には、 図 1 8 ( a ) は加速度センサの平面図、 同図 （b ) は （a ) の A— A線 断面図、 同図 （c ) は底面図である。 本実施の形態は、 グランド電極の構成に特 徴がある。
前述した第 1実施形態のグランド電極 2 6は、 振動子 1 2の全面に形成されて いる。 これに対し、 図 1 8に示す加速度センサのダランド電極 2 6 Aは、 楕円状 の開口部 6 8、 7 0を有する。 これらの開口部 6 8、 7 0を介して振動子 1 2の 表面は露出している。 ダランド電極 2 6 Aは、 N i C rの下地層 2 6 aと金の表 面層 2 6 bとからなる二層構成である。 開口部 6 8、 7 0はェツチングゃレーザ トリミングなどで形成できる。 グランド窗亟 2 6 Aは導電性接着剤を用レヽて錘 1 0に接着 ·固定される。 この際、 導電性接着剤の接着性は、 金よりも振動子 1 2 を形成する圧電セラミックスの方が高い。 つまり、 開口部 6 8、 7 0を設けるこ とにより接着剤の接着力を向上させることができる（アンカー効果)。接着強度の 向上により、 接着層の導通信頼 '1±¾ぴ耐衝撃信頼性が向上する。
なお、 検出電極 1 4と 1 6を錘 1 0に接着する:^には、 図 1に示す露出部 2 0、 2 2の が異方導電性接着剤の接着力を高める働きをする。
図 1 9は、 図 1 8に示す加速度センサの変形例を示す。 同図 （a ) はこの加速 度センサの平面図、 同図 （b ) は （a ) の B— B線断面図である。 グランド電極 2 6 Aは 3つの楕円状開口部 7 2、 7 4及び 7 6を有する。これらの開口部 7 2、 7 4、 7 6は図 1 8に示す開口部 6 8、 7 0とは異なる方向に向いている。 開口 部 7 2、 7 4、 7 6を介して振動子 1 2は露出している。 図 1 9に示すグランド 電極 2 6 Aも図 1 8に示すグランド電極 2 6 Aと同様の作用、 効果を奏する。 なお、 開口部の形状や数は上記のものに限定されず、 適宜選択可能である。 (第 6実施形態）
図 2 0は、 本発明の第 6実施形態による加速度センサを示す図であって、 同図 (a) は平面図、 同図 （b) は （a) の B— B線断面図である。
この第 6実施形態による加速度センサのダランド電極 26 Bは、 N iの下地層 26 cと Auの表面層 26 bとからなる。 また、 グランド電極 26Bは開口部 6 8Bと 70Bを有する。 これらの開口部 68 B、 70 Bは Auの表面層 26 bに のみ形成されており、 開口部 68 Bと 70 Bを介して N iの下地層 26 cが露出 している。 一般に、 導電性接着剤は A uよりも N iの方がより強く接着する。 こ の結果、 接着層の導通信頼'隨ぴ耐衝撃信頼性が向上する。 カロえて、 振動子 12 の全面は N i下地層 26 cで覆われているので、 振動子 12の静電容量は低下し なレ、。
なお、 開口部 68 B , 70 Bは、 エッチングやレーザトリミングなどの方法で A u層をパターン化することで形成できる。
図 21は、 図 20に示す加速度センサの変形例を示す。 同図 （a) はこの加速 度センサの平面図、 同図 （b) は （a) の C一 C線断面図である。 グランド電極 26 Bは 3つの楕円状開口部 72 B、 74 B及ぴ 76 Bを有する。 これらの開口 部 72B、 74B、 76 Bは図 20に示す開口部 68、 70とは異なる方向に向 いている。 開口部 72B、 74B、 76 Bを介して振動子 12は露出している。 図 21に示すダランド電極 26 Bも図 20に示すダランド電極 26 Bと同様の作 用、 効果を奏する。
なお、 下地層 26 cとしては、 N i以外に T i、 Cu, A 1などの比較的酸化 し易い金属を用いることができる。
(第 7実施形態）
図 22は、 本発明の第 7実施形態による加速度センサの側面図である。
錘 10と振動子 12とを有する加速度センサは、 プリント酉 基板などの基板
80上に搭載されている。 基板 80を含めて加速度センサと定義することもでき る。 基板 80には、 図 3に示すような検出回路が形成されている。 勿論、 基板 8
0上にはその他の所望の回路が形成されていてもよい。 振動子 12は、 検出電極
14と 16が ¾¾80に面するように搭載されている。 反対に、 グランド電極 2
6が基板 80に面するように振動子 12を搭載してもよレ、。
このように、 加速度センサは基板 80上で片持ち梁構造で実装される。 この実 装では、 X軸方向に過度の衝撃力 S加わると振動子 1 2に応力が集中して振動子 1 2が破壌してしまう可能性がある。この衝撃を緩和して振動子を保護するために、 ダンパー 8 2が基板 8 0上に搭載されている。 ダンパー 8 2は、 錘 1 0の自由端 1 0 aに対向する位置に設けられている。 X軸方向に加速度カ幼卩わっていない状 態では、 錘 1 0の底面とダンパー 8 2の上面との間に隙間が形成されてレ、る。 X 軸方向に過度の衝撃が加わっても、 自由端 1 0 aの X軸方向の動きはダンパー 8 2で規制されるので、 振動子 1 2に応力力 S集中することはなレ、。 ダンパー 8 2は 任意の材料で形成できる。 例えば、 ダンパー 8 2はアルミナなどの絶縁物質で成 形されており、 接着剤を用いて基板 8 0上に固定される。
ダンパー 8 2の使用は、 前述したすベての実施形態や変形例などに適用するこ とができる。 更には、 上記ダンパー 8 2は一般的なカロ速度センサを片持ち梁構造 で基板上に支持する構成に広く適用可能である。
(第 8実施形態）
図 2 3は、 本発明の第 8実施形態による加速度センサを説明するための図であ る。 図 2 3は導電性接着剤に含まれる «フイラ一コンテンツと振動子 1 2の静 電容量変化率との関係を示すグラフである。
導電性接着剤は振動子を錘や基板に取り付ける際に用いられる。 導電性接着剤 は、ェポシキ榭脂の中にシリカやアルミナなどの無機フイラ一コンテンツを含む。 纖フイラ一コンテンツの含有量 (w t %) を変化させると、 接着剤が硬化する 際の硬化収縮や弾性率が変ィ匕し、 振動子に掛かる残留応力が変化する。 この残留 応力の変化は、 振動子の静電容量の変ィ匕をもたらす。 この関係を図示したものが 図 2 3のグラフである。 例えば、 静電容量変化率の許容値を一 2 0 %に設定した ^^には、 無機フィラーコンテンッの含有量を 0 w t %から 4 0 w t %に設定す る。 このように、 無機フィラーコンテンツの含有量を調整することにより、 静電 容量の低下を制御することができる。
(第 9実施形態）
図 2 4は、 本発明の第 9実施形態によるカロ速度センサを説明するための図であ る。 第 9実施形態は、 導電性接着剤の接着力を向上させるための酉 B線パターンを 基板に形成したことを特徴とする。 図 2 4 ( a ) に示すように、 振動子 1 2を基板 8 0に実装するために、 異方導 電性接着剤 8 4を振動子 1 2と基板 8 0との間に供給し、 振動子 1 2を上から加 圧する。 接着剤 8 4は、 デイスペンス又は転写によって円状に塗布される。 円状 に塗布された異方導電性接着剤 8 4を加圧して基板 8 0上の接^ g域にまんべん なく行き渡らせるために、 基板 8 0上に形成された配線パターン 8 6は図 2 4 ( b ) や図 2 4 ( c ) に示す形状とされている。
図 2 4 ( b ) において酉 B パターン 8 6は、 電極部 8 6 a、 8 6 b及び 8 6 c を有する。 酉 泉パターン 8 6は、 基板 8 0上に金属膜を形成し、 エッチングなど でパターニングすることで形成される。 電極部 8 6 aと 8 6 bはそれぞれ、 振動 子 1 2上に形成された検出電極 1 4と 1 6に接続される。 電極 8 6 aと 8 6 bは それぞれ、 くしの歯状のパターンを有している。 くしの歯状パターンは、 力！]圧さ れた異方導電性接着剤のガイドとして機能する。 異方導電性接着剤 8 4はこのガ ィドに沿って電極部 8 6 a、 8 6 b全体に行き渡り、 振動子 1 2の底面全体に充 填される。 この結果、 導電性接着剤の接着力を向上させることができ、 接着層の 導通信頼†4¾ぴ耐衝撃信頼性が向上する。
図 2 4 ( c ) に示す電極部 8 6 d、 8 6 eは、 くしの歯状のパターンが 状 に形成されている。 このような ®t亟部 8 6 d、 8 6 eもカロ圧された異方導電性接 着剤 8 4のガイドとして機能し、 図 2 4 ( b ) の電極部 8 6 a、 8 6 bと同様の 作用、 効果を奏する。
以上、 本努明の実施形態及び変形例を複数説明した。 本発明はこれらの実施形 態や変形例に限定されるものではなく、 他の様々の実施形態や変形例を含むもの である。
最後に、 上述した説明をまとめて、 以下に列挙する。
本発明の加速度センサは、 一方向に分極された振動子と、 該振動子に連なって 設けられた錘とを備えた加速度センサにおいて、 分極方向に隣り合う 1対の電極 (例えば、 前述の電極 1 4、 1 6 ) を IB振動子の第 1の面上に設け、 該 1対の 電極は lift己第 1の面の対角線上に位置してレ、る構成である。 このような電極構成 とすることで、 振動子の三軸のどの方向に加速度力加わつても、 1対の電極に電 圧が発生するので、 無指向性の加速度センサが実現できる。 また、 次に説明する ように、 振動子に対する 1対の電極の大きさを調整することで、 三軸方向の感度 を簡単に調整することができる。
膽己 1対の電極の各々は、 前記第 1の面を等しく 4分割した各面積よりも大き く、 等しく 2分割した各面積よりも小さくすることができる （例えば、 図 1 B)。 これにより、 三軸方向の感度の配分比を容易に決めることができる。
また、 分極方向に直交する方向における tin己振動子の長さを Lとし、 前記 1対 の電極の長さをそれぞれ L 1、 L 2としたとき、 0. 5く L I (= L 2 ) /L < 1とすることができる。 この範囲内で 1対の電極長を決定することにより、 三軸 方向の感度の配分比を所望の値に容易に決めることができる。
また、 前記振動子の第 1の面は、 前記 1対の電極に覆われていない複数の露出 部 （例えば、 露出部 2 0、 2 2) を有し、 該複数の露出部は前記第 1の面の他の 対角線上に位置している構成とすることができる。 この露出部の大きさは三軸方 向の感度の配分比に関係する。 よって、 露出部の大きさを適宜選択することで、 三軸方向の感度の配分比を所望の値に容易に決めることができる。
また、 前記第 1の面の他の対角線上に位置する別の 1対の電極 （例えば、 電極 1 4 b、 1 6 b ) を更に有する構成とすることができる。 電極は 1対 （1 4 a、 1 6 a ) に限定されず、 別の 1対の電極を設けても三軸方向の加速度を検知する ことができるカロ速度センサを実現できる。
また、 前記別の 1対の電極 ( 1 4 b , 1 6 b ) の各々は、 前記分極方向に沿つ て lift己振動子の第 1の面を 2分割した面積よりも小である構成とすることができ る。 上記別の 1対の電極の一例を特定したものである。 この:^、 l己 1対の電 極の各々は、 分極方向に直交する方向に隣接する前記別の 1対の電極の一方の電 極と電気的に接続される。
また、 ΙΐΠ己振動子の分極方向は、 板状の tfif己錘の長手方向に直交する構成とす ることができる （例えば、図 1 A)。 この分極方向に対し加速度が振動子に加わる と、 三軸方向のすべてにおいて加速度を検知することができる。 また、 三軸のう ちすくなくとも二軸については、 検出電極に現われる ¾ffが異なる (例えば、 図 1 B)。 従って、 カロ速度の方向を特定することも可能である。
また、 tin己振動子の分極方向は、 板状の tfrff己錘の長手方向と同一方向とするこ とができる （例えば、図 9 A)。振動子の分極方向と錘との関係をこのようにして も、 三軸方向のすべてを検知できる加速度センサが実現できる。
また、 tin己 1対の電極に接続される差動増幅器 （図 3 ) を設け、 tut己 1対の電 極の Si£を差動増幅する構成することができる。 これにより、 加速度の検出感度 を高くすることができる。
また、 本発明は、 一方向に分極された振動子と、 該振動子に連なって設けられ た锤とを備えた加速度センサにお！/、て、 Ϊ己振動子の第 1の面を非対称に 2分割 するように配置された 2つの電極 （例えば、 4 4、 4 6 ) を有し、 該 2つの電極 の対向するェッジは tiff己振動子の分極方向に対して俱斜してレヽる構成の加速度セ ンサを含む。 この電極構成でも三軸方向の加速度を検知することができ、 しかも 分割位置を変更することで三軸の感度の配分比を容易に調整することができる。 この 、 t&t己 2つの電極の一構成例として、 2つの電極の一方は、 前記第 1 の面を等しく 4分割した領域の全ての領域に跨る構成とすることができる （例え ば、 図 1 5 B)。
また、 2つの電極の一構成例として、 嫌己 2つの電極の面積又は面積比は異な る構成とすることができる （図 1 5 B)。
また、 編己振動子の一面に対向する第 2の面上に、 tins振動子の表面の一部が 露出するようにパターユングされた金属膜 （例えば、 1 6 ) を有し、 前記第 2の 面は接着剤により ttrt己錘 1 0に固定されている構成とすることができる （図 1 8 A〜1 8 C、 1 9 A, 1 9 B、 2 0 A、 2 0 B、 2 1 A、 2 1 B)。接着剤は露出 した振動子の表面の一部に供給されるので、 接着力を向上させるこ.とができる。 また、 嫌己振動子の一面に対向する第 2の面上に、 多層構成の金属膜 （1 6 ) を有し、 該金属膜の表面層は内部の金属膜の一部が露出するようにパターニンク、' されており、 前記第 2の面は接着剤により ΙίίΙΒ錘に固定されている構成とするこ とができる。 内部の金属膜が表面の金属膜よりも接着性がよい には、 接着力 を向上させることができるとともに、 振動子は内部の金属膜で覆われているので 静電容量は低下しない。
また、 前記振動子のコーナーに近接する觸己電極のコーナー部分は、 前記振動 子のコーナーから後退した位置にある構成とすることができる （図 1 7 Α、 1 7 D)。 よって、ダイシングなどにより振動子を加工する際のチッビングの発生を避 けることができる。
また、 flit己電極のェッジは前記振動子のェッジから後退してレヽる構成とするこ とができる （図 1 7 A〜1 7 G)。'よって、ダイシングなどにより振動子を加工す る際のチッビングの発生を避けることができる。
また、 加速度センサの一実装例として、 加速度センサは基板 （8 0 ) を有し、 ΙίίΙ己振動子の鍵己第 1の面は接着剤により ttif己基板に取り付けられてレ、る構成と することができる （図 2 2、 2 4 A〜2 4 C)。
また、 前記酉 泉 は前記振動子の前記第 1の面に対向する位置に形成された 金属膜 （8 6 a、 8 6 b、 8 6 d、 8 6 e ) を有し、 該金属膜は t&fB振動子を前 記基板に取り付ける際に編己接着剤をガイドするようにパターニングされている 構成とすることができる （図 2 4 B、 2 4 C)。 このパターニングにより接着剤は 接着面全面に行き渡り、 接着力が向上する。
また、 上言 速度センサは を有し、 觸己錘は前記振動子を介して片持ち梁 構造で前記基板上に支持され、 ΙίίΙ己錘の自由端に対向する ΙίίΙ己 上に該自由端 の動きを規制するダンパー （8 2 ) が設けられる構成とすることができる （図 2 2 )。 これにより、特定方向に過度の衝撃力幼口わっても、振動子に応力が集中する ことはなく、 振動子を破壊から保護することができる。
以上説明したように、 本発明によれば、 振動子の電極構成による簡便な方法で 三軸の加速度を検知することができる小型 ·高信頼十生の加速度センサを実現する ことができる。

Claims

請 求 の 範 囲
1 . 一方向に分極された振動子と、 該振動子に連なって設けられた錘とを備えた カロ速度センサにおいて、 分極方向に隣り合う 1対の電極を前記振動子の第 1の面 上に設け、 該 1対の電極は前記第 1の面の対角線上に位置してレヽることを樹敷と するカロ速度センサ。
2. 前記 1対の電極の各々は、 前記第 1の面を等しく 4分割した各面積よりも大 きく、 等しく 2分割した各面積よりも小さいことを特徵とする請求項 1記載のカロ 速度センサ。
3. 分極方向に直交する方向における觸己振動子の長さを Lとし、 l己 1対の電 極の長さをそれぞれ L l、 L 2としたとき、 0. 5く L I (= L 2 ) ZLく 1で あることを特徴とする請求項 1記載の加速度センサ。
4. 前記振動子の第 1の面は、 前記 1対の電極に覆われてレ、な 、複数の露出部を 有し、 数の露出部は嫌己第 1の面の他の対角線上に位置していることを 敷 とする請求項 1力ら 3のいずれ力一項に記載の力!]速度センサ。
5. 前記加速度センサは更に、 前記第 1の面の他の対角線上に位置する別の 1対 の電極を有することを特徴とする請求項 1記載の加速度センサ。
6. 前記別の 1対の電極の各々は、 前記分極方向に沿つて前記振動子の第 1の面 を 2分割した面積よりも小であることを特徴とする請求項 5記載の加速度センサ。
7. 前記 1対の電極の各々は、 分極方向に直交する方向に隣接する廳己別の 1対 の戴亟の一方の電極と電気的に接続されることを特徴とする請求項 6記載の加速 度センサ。
8 . 前記振動子の分極方向は、 板状の嫌己錘の長手方向に直交していることを特 徵とする請求項 1から 7の 、ずれ力一項に記載の加速度センサ。
9. 前記振動子の分極方向は、 板状の前記鍾の長手方向と同一方向であることを 特徴とする請求項 1から 7のレヽずれ力一項に記載の加速度センサ。
1 0.編 B¾口速度センサは更に、前記 1対の電極に接続される差動増幅器を有し、 tin己 1対の電極に現われる meを差動増幅することを糊敫とする請求項 1から 9 のいずれか一項記載の加速度センサ。
1 1 . 一方向に分極された振動子と、 該振動子に連なって設けられた錘とを備え た加速度センサにおレ、て、前記振動子の第 1の面を非対称に 2分割するように配 置された 2つの電極を有し、 該 2つの の対向するエツジは tfjf己振動子の分極 方向に対して傾斜していることを糊敷とするカロ速度センサ。
1 2. 前記 2つの電極の一方は、 前記第 1の面を等しく 4分割した領域の全ての 領域に跨ってレ、ることを特徴とする請求項 1 1記載の加速度センサ。
1 3. tfrt己 2つの電極の面積は異なることを特徴とする請求項 1 1又は 1 2に記 載の加速度センサ。
1 4. 前記振動子の一面に対向する第 2の面上に、 前記振動子の表面の一部が露 出するようにパターニングされた金属膜を有し、 前記第 2の面は接着剤により前 記錘に固定されていることを特徴とする請求項 1力ら 1 3のレ、ずれ力一項記載の カロ速度センサ。
1 5. 前記振動子の一面に対向する第 2の面上に、 多層構成の金属膜を有し、 該 金属膜の表面層は内部の金属膜の一部が露出するようにパターエングされており、 前記第 2の面は接着剤により ΙϋΙ己錘に固定されていることを特徴とする請求項 1 から 1 3のいずれ力一項記載の加速度センサ。
1 6 . 編己振動子のコーナーに近接する謝己電極のコーナー部分は、 ttria振動子 のコーナーから後退した位置にあることを糊敷とする請求項 1から 1 5の！/ヽずれ 力一項記載の加速度センサ。
1 7. ΙίίΐΒ電極のエッジは前記振動子のエッジから後退していることを特徴とす る請求項 1力ら 1 6のいずれ力一項記載の加速度センサ。
1 8. 前記加速度センサは基板を有し、 前記振動子の嫌己第 1の面は接着剤によ り前記基板に取り付けられていることを特徴とする請求項 1から 1 7のレ、ずれか 一項記載の加速度センサ。
1 9. ttrt己酉 泉基板は ttff己振動子の前記第 1の面に対向する位置に形成された金 属膜を有し、 該金属膜は編己振動子を„ に取り付ける際に l己接着剤をガ ィドするようにパターニングされていることを特徴とする請求項 1 8記載の加速 度センサ。
2 0. t3¾l速度センサは基板を有し、 歸己錘は前記振動子を介して片持ち梁構 造で前記基板上に支持され、 前記錘の自由端に対向する前記基板上に該自由端の 動きを規制するダンパーを設けたことを特徴とする請求項 1カゝら 1 9のいずれか 一項に記載の加速度センサ。
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