JP3423424B2 - Acceleration and angular velocity sensors using piezoelectric elements - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【０００１】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は、圧電素子を用いた加速
度センサおよび角速度センサ、特に、多次元の各成分ご
とに加速度あるいは角速度を検出することのできるセン
サに関する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an acceleration sensor and an angular velocity sensor using a piezoelectric element, and more particularly to a sensor capable of detecting acceleration or angular velocity for each multidimensional component.

【０００２】[0002]

【従来の技術】自動車産業や機械産業などでは、加速度
や角速度といった物理量を正確に検出できるセンサの需
要が高まっている。特に、二次元あるいは三次元の各成
分ごとにこれらの物理量を検出しうる小型のセンサが望
まれている。2. Description of the Related Art In the automobile industry, machine industry and the like, there is an increasing demand for sensors capable of accurately detecting physical quantities such as acceleration and angular velocity. In particular, a small sensor that can detect these physical quantities for each of the two-dimensional or three-dimensional components is desired.

【０００３】このような小型のセンサとして、特開平５
−２６７４４号公報には、本願と同一発明者によって開
発された新規なセンサが開示されている。この新規なセ
ンサは、圧電素子からなる検出子を複数組用意し、これ
を可撓性基板上に配置したものである。可撓性基板には
作用体が取り付けられており、この作用体に外力を作用
させると、可撓性基板に撓みが生じるような構造となっ
ている。この撓みは圧電素子へと伝達され、圧電素子で
は撓みに応じた電荷が発生する。そこで、この発生した
電荷に基づいて、作用した外力を検出するのが、この新
規なセンサの基本原理である。撓みの生じ方は、作用し
た外力の方向によって異なるため、所定の各位置に配置
された複数の圧電素子についての電荷の発生状態を検出
することにより、作用した外力の大きさと方向とを検出
することが可能になる。また、特願平５−２０７１１８
号明細書には、より少ない検出子によって、同様の検出
を可能にする技術が開示されている。An example of such a small sensor is disclosed in Japanese Patent Laid-Open No.
No. 26744 discloses a novel sensor developed by the same inventor as the present application. This novel sensor has a plurality of detectors made of piezoelectric elements prepared and arranged on a flexible substrate. An action body is attached to the flexible substrate, and the flexible substrate is bent when an external force is applied to the action body. This bending is transmitted to the piezoelectric element, and the piezoelectric element generates electric charge according to the bending. Therefore, the basic principle of this novel sensor is to detect the applied external force based on the generated electric charge. Since how the flexure occurs depends on the direction of the applied external force, the magnitude and direction of the applied external force can be detected by detecting the charge generation state for the plurality of piezoelectric elements arranged at predetermined positions. It will be possible. Also, Japanese Patent Application No. 5-207118
The specification discloses a technique that enables similar detection with fewer detectors.

【０００４】一方、特許協力条約に基づく国際出願ＰＣ
Ｔ／ＪＰ９３／００３９０号明細書には、同じく複数の
圧電素子を可撓性基板上に配置することにより、三次元
の各軸まわりの角速度を検出する角速度センサが開示さ
れている。これは、Ｘ軸まわりの角速度ωｘが作用して
いる状態において、この物体をＹ軸方向に振動させる
と、Ｚ軸方向にコリオリ力が作用するという原理を利用
したものである。すなわち、可撓性基板上に配置された
所定の圧電素子に交流電圧を印加し、可撓性基板に取り
付けられた作用体をＹ軸方向に振動させる。ここで、Ｘ
軸まわりの角速度ωｘが作用していると、作用体にはＺ
軸方向にコリオリ力が働くので、作用体はＺ軸方向へ変
位することになる。この変位を圧電素子が発生する電荷
により検出することにより、作用した角速度ωｘを間接
的に検出するのである。On the other hand, international application PC based on the Patent Cooperation Treaty
T / JP93 / 00390 discloses an angular velocity sensor that detects angular velocities around three-dimensional axes by arranging a plurality of piezoelectric elements on a flexible substrate. This is based on the principle that when the object is vibrated in the Y-axis direction while the angular velocity ωx around the X-axis is acting, the Coriolis force acts in the Z-axis direction. That is, an AC voltage is applied to a predetermined piezoelectric element arranged on the flexible substrate to vibrate the working body attached to the flexible substrate in the Y-axis direction. Where X
When the angular velocity ωx around the axis is acting, Z acts on the acting body.
Since the Coriolis force acts in the axial direction, the acting body is displaced in the Z-axis direction. By detecting this displacement by the electric charge generated by the piezoelectric element, the applied angular velocity ωx is indirectly detected.

【０００５】[0005]

【発明が解決しようとする課題】上述した加速度センサ
および角速度センサでは、いずれも可撓性をもった基板
上に複数の圧電素子を配置し、各圧電素子において発生
する電荷に基づいて、加速度や角速度の検出を行ってい
る。このため、構造はかなり複雑になる。すなわち、個
々の圧電素子の両面には、それぞれ電極を形成する必要
があり、しかも、これらの圧電素子は可撓性基板の所定
位置に固着されなければならない。このような複雑な構
造をもったセンサでは、小形化が困難になり、量産性に
欠けるという問題が生じる。In both the acceleration sensor and the angular velocity sensor described above, a plurality of piezoelectric elements are arranged on a flexible substrate, and the acceleration and The angular velocity is being detected. This makes the structure quite complex. That is, it is necessary to form electrodes on both sides of each piezoelectric element, and these piezoelectric elements must be fixed to predetermined positions of the flexible substrate. A sensor having such a complicated structure has a problem in that it is difficult to miniaturize it and lacks mass productivity.

【０００６】そこで本発明は、構造が単純で、小形化、
量産性に適した圧電素子を用いた加速度センサおよび角
速度センサを提供することを目的とする。Therefore, the present invention has a simple structure, is miniaturized,
An object of the present invention is to provide an acceleration sensor and an angular velocity sensor using a piezoelectric element suitable for mass production.

【０００７】[0007]

【課題を解決するための手段】(1) 本発明の第１の態
様は、ＸＹＺ三次元座標系におけるＸ軸方向およびＹ軸
方向の加速度成分を検出するための加速度センサにおい
て、板状の圧電素子と、この圧電素子の上面に形成され
た４枚の上部電極と、この圧電素子の下面に形成された
下部電極と、を設け、圧電素子の上面のほぼ中心位置に
ＸＹＺ三次元座標系の原点を定義したときに、圧電素子
は、その上面がＸＹ平面に沿って延び、その下面には原
点の周囲を取り囲むような環状溝が形成され、この環状
溝の形成部分の肉厚が他の部分の肉厚よりも薄くなるよ
うにすることにより、環状溝の形成部分が可撓性をもっ
た可撓部を構成するようになっており、この可撓部に囲
まれた部分である中心部と、この可撓部の周囲の部分で
ある周囲部とは、可撓部の撓みにより相互に変位を生じ
るように構成され、４枚の上部電極は、Ｘ軸に関して負
の領域に形成された第１の上部電極と、Ｘ軸に関して正
の領域に形成された第２の上部電極と、Ｙ軸に関して負
の領域に形成された第３の上部電極と、Ｙ軸に関して正
の領域に形成された第４の上部電極と、によって構成さ
れ、これらの各上部電極は、いずれも可撓部に形成さ
れ、かつ、その外周部分が可撓部の外周部分に配置され
るか、または、その内周部分が可撓部の内周部分に配置
されており、下部電極は、各上部電極のそれぞれに対し
て向かい合う位置に形成されており、作用した加速度に
基づいて、中心部と周囲部とが相互に変位するように可
撓部に撓みが生じるようにし、この撓みにより上部電極
に所定の電荷を発生させ、作用した加速度のＸ軸方向成
分を、第１の上部電極に発生した電荷および第２の上部
電極に発生した電荷に基づいて検出し、作用した加速度
のＹ軸方向成分を、第３の上部電極に発生した電荷およ
び第４の上部電極に発生した電荷に基づいて検出するよ
うに構成したものである。(1) A first aspect of the present invention is a plate-shaped piezoelectric sensor in an acceleration sensor for detecting acceleration components in the X-axis direction and the Y-axis direction in an XYZ three-dimensional coordinate system. An element, four upper electrodes formed on the upper surface of the piezoelectric element, and a lower electrode formed on the lower surface of the piezoelectric element are provided. When the origin is defined, the piezoelectric element has an upper surface extending along the XY plane, and an annular groove surrounding the original point is formed on the lower surface of the piezoelectric element.
The thickness of the part where the groove is formed is thinner than the thickness of other parts.
By doing so, the portion where the annular groove is formed has flexibility.
It is adapted to configure the flexible portion has a central portion which is a portion surrounded by the flexible portion, the peripheral portion is a portion of the periphery of the flexible portion, another by bending of the flexible portion The four upper electrodes are a first upper electrode formed in a negative region with respect to the X-axis, and a second upper electrode formed in a positive region with respect to the X-axis. The third upper electrode is formed in the negative region with respect to the Y axis, and the fourth upper electrode is formed in the positive region with respect to the Y axis. Each of these upper electrodes is a flexible portion. And the outer peripheral portion is arranged on the outer peripheral portion of the flexible portion.
Or the inner peripheral part is located on the inner peripheral part of the flexible part.
The lower electrode is formed at a position facing each of the upper electrodes, and the flexible portion is bent so that the central portion and the peripheral portion are displaced from each other based on the applied acceleration. The deflection causes a predetermined charge to be generated in the upper electrode, and the X-axis direction component of the applied acceleration is detected based on the charge generated in the first upper electrode and the charge generated in the second upper electrode. The component of the applied acceleration in the Y-axis direction is detected based on the charges generated in the third upper electrode and the charges generated in the fourth upper electrode.

【０００８】(2) 本発明の第２の態様は、上述の第１
の態様に係る加速度センサにおいて、ＸＹ平面上の可撓
部の領域に、原点を周囲から囲むような内側環状領域
と、この内側環状領域を更に周囲から囲むような外側環
状領域と、を定義し、第１の上部電極を、外側環状領域
内の、ＸＹ座標系の第２象限および第３象限に渡る領域
に配置し、第２の上部電極を、外側環状領域内の、ＸＹ
座標系の第１象限および第４象限に渡る領域に配置し、
第３の上部電極を、内側環状領域内の、ＸＹ座標系の第
３象限および第４象限に渡る領域に配置し、第４の上部
電極を、内側環状領域内の、ＸＹ座標系の第１象限およ
び第２象限に渡る領域に配置したものである。(2) A second aspect of the present invention is the above-mentioned first aspect.
In the acceleration sensor according to the above aspect, the flexibility on the XY plane
In the region of the part, an inner annular region that surrounds the origin from the periphery and an outer annular region that further surrounds the inner annular region from the periphery are defined, and the first upper electrode is in the outer annular region, The second upper electrode is arranged in a region extending over the second quadrant and the third quadrant of the XY coordinate system, and the second upper electrode is located in the outer annular region in the XY direction.
Arranged in the area extending over the first and fourth quadrants of the coordinate system,
The third upper electrode is arranged in the inner annular region in a region extending over the third and fourth quadrants of the XY coordinate system, and the fourth upper electrode is arranged in the inner annular region in the first XY coordinate system. It is arranged in an area extending over the quadrant and the second quadrant.

【０００９】(3) 本発明の第３の態様は、上述の第１
の態様に係る加速度センサにおいて、ＸＹ平面上の可撓
部の領域に、原点を周囲から囲むような内側環状領域
と、この内側環状領域を更に周囲から囲むような外側環
状領域と、を定義し、これら内側環状領域および外側環
状領域のいずれか一方を第１属性領域と定義し、他方を
第２属性領域と定義し、第１の上部電極を、第１属性領
域内の、ＸＹ座標系の第２象限および第３象限に渡る領
域に配置し、第２の上部電極を、第２属性領域内の、Ｘ
Ｙ座標系の第１象限および第４象限に渡る領域に配置
し、第３の上部電極を、第１属性領域内の、ＸＹ座標系
の第３象限および第４象限に渡る領域に配置し、第４の
上部電極を、第２属性領域内の、ＸＹ座標系の第１象限
および第２象限に渡る領域に配置したものである。(3) A third aspect of the present invention relates to the above-mentioned first aspect.
In the acceleration sensor according to the above aspect, the flexibility on the XY plane
In the region of the part, the inner annular region that surrounds the origin from the periphery, and the outer annular region that further surrounds the inner annular region from the periphery are defined, and one of these inner annular region and outer annular region is defined. The first attribute region is defined as the first attribute region, the other is defined as the second attribute region, and the first upper electrode is arranged in the region extending over the second quadrant and the third quadrant of the XY coordinate system in the first attribute region, The second upper electrode is connected to X in the second attribute region.
The third upper electrode is arranged in a region extending over the first quadrant and the fourth quadrant of the Y coordinate system, and the third upper electrode is arranged in a region extending over the third quadrant and the fourth quadrant of the XY coordinate system in the first attribute region. The fourth upper electrode is arranged in a region extending over the first quadrant and the second quadrant of the XY coordinate system in the second attribute region.

【００１０】(4) 本発明の第４の態様は、上述の第１
の態様に係る加速度センサにおいて、ＸＹ平面上の可撓
部の領域に、原点を周囲から囲むような内側環状領域
と、この内側環状領域を更に周囲から囲むような外側環
状領域と、を定義し、これら内側環状領域および外側環
状領域のいずれか一方を第１属性領域と定義し、他方を
第２属性領域と定義し、第１の上部電極を、第１属性領
域内の、ＸＹ座標系の第２象限および第３象限に渡る領
域に配置し、第２の上部電極を、第２属性領域内の、Ｘ
Ｙ座標系の第１象限および第４象限に渡る領域に配置
し、第３の上部電極を、第２属性領域内の、ＸＹ座標系
の第３象限および第４象限に渡る領域に配置し、第４の
上部電極を、第１属性領域内の、ＸＹ座標系の第１象限
および第２象限に渡る領域に配置したものである。(4) A fourth aspect of the present invention relates to the above-mentioned first aspect.
In the acceleration sensor according to the above aspect, the flexibility on the XY plane
In the region of the part, the inner annular region that surrounds the origin from the periphery, and the outer annular region that further surrounds the inner annular region from the periphery are defined, and one of these inner annular region and outer annular region is defined. The first attribute region is defined as the first attribute region, the other is defined as the second attribute region, and the first upper electrode is arranged in the region extending over the second quadrant and the third quadrant of the XY coordinate system in the first attribute region, The second upper electrode is connected to X in the second attribute region.
It is arranged in a region extending over the first quadrant and the fourth quadrant of the Y coordinate system, and the third upper electrode is arranged in a region extending over the third quadrant and the fourth quadrant of the XY coordinate system in the second attribute region. The fourth upper electrode is arranged in a region extending over the first quadrant and the second quadrant of the XY coordinate system in the first attribute region.

【００１１】(5) 本発明の第５の態様は、ＸＹＺ三次
元座標系におけるＸ軸、Ｙ軸およびＺ軸方向の加速度成
分を検出するための加速度センサにおいて、板状の圧電
素子と、この圧電素子の上面に形成された６枚の上部電
極と、この圧電素子の下面に形成された下部電極と、を
設け、圧電素子の上面のほぼ中心位置にＸＹＺ三次元座
標系の原点を定義することにより、Ｘ軸、Ｙ軸およびＺ
軸方向を定め、更に、原点を通りＸＹ平面に沿って伸び
る第４の軸を定めたときに、圧電素子は、その上面がＸ
Ｙ平面に沿って延び、その下面には原点の周囲を取り囲
むような環状溝が形成され、この環状溝の形成部分の肉
厚が他の部分の肉厚よりも薄くなるようにすることによ
り、環状溝の形成部分が可撓性をもった可撓部を構成す
るようになっており、この可撓部に囲まれた部分である
中心部と、この可撓部の周囲の部分である周囲部とは、
可撓部の撓みにより相互に変位を生じるように構成さ
れ、６枚の上部電極は、Ｘ軸に関して負の領域に形成さ
れた第１の上部電極と、Ｘ軸に関して正の領域に形成さ
れた第２の上部電極と、Ｙ軸に関して負の領域に形成さ
れた第３の上部電極と、Ｙ軸に関して正の領域に形成さ
れた第４の上部電極と、第４の軸に関して負の領域に形
成された第５の上部電極と、第４の軸に関して正の領域
に形成された第６の上部電極と、によって構成され、こ
れらの各上部電極は、いずれも可撓部に形成され、か
つ、その外周部分が可撓部の外周部分に配置されるか、
または、その内周部分が可撓部の内周部分に配置されて
おり、下部電極は、各上部電極のそれぞれに対して向か
い合う位置に形成されており、作用した加速度に基づい
て、中心部と周囲部とが相互に変位するように可撓部に
撓みが生じるようにし、この撓みにより上部電極に所定
の電荷を発生させ、作用した加速度のＸ軸方向成分を、
第１の上部電極に発生した電荷および第２の上部電極に
発生した電荷に基づいて検出し、作用した加速度のＹ軸
方向成分を、第３の上部電極に発生した電荷および第４
の上部電極に発生した電荷に基づいて検出し、作用した
加速度のＺ軸方向成分を、第５の上部電極に発生した電
荷および第６の上部電極に発生した電荷に基づいて検出
するように構成したものである。(5) A fifth aspect of the present invention is an acceleration sensor for detecting acceleration components in the X-axis, Y-axis and Z-axis directions in an XYZ three-dimensional coordinate system, and a plate-shaped piezoelectric element, and Six upper electrodes formed on the upper surface of the piezoelectric element and a lower electrode formed on the lower surface of the piezoelectric element are provided, and the origin of the XYZ three-dimensional coordinate system is defined approximately at the center of the upper surface of the piezoelectric element. This allows X-axis, Y-axis and Z-axis
When the axial direction is determined and the fourth axis extending along the XY plane passing through the origin is determined, the upper surface of the piezoelectric element is X.
An annular groove extending along the Y plane and surrounding the origin is formed on the lower surface.
By making the thickness thinner than the thickness of other parts
Therefore, the part where the annular groove is formed constitutes a flexible part having flexibility.
The central portion, which is a portion surrounded by the flexible portion, and the peripheral portion, which is a peripheral portion of the flexible portion, are
The six upper electrodes, which are configured to be mutually displaced by the bending of the flexible portion, are formed in the positive region with respect to the X-axis and the first upper electrode formed in the negative region with respect to the X-axis. The second upper electrode, the third upper electrode formed in the negative region with respect to the Y axis, the fourth upper electrode formed in the positive region with respect to the Y axis, and the negative region with respect to the fourth axis. a fifth upper electrode formed, and a sixth upper electrode formed in the positive region with respect to the fourth shaft, is constituted by, each of these upper electrode, both formed in the flexible portion, or
The outer peripheral portion of the flexible portion,
Or, the inner peripheral part is arranged on the inner peripheral part of the flexible part.
The lower electrode is formed at a position facing each of the upper electrodes, and the flexible portion is bent so that the central portion and the peripheral portion are displaced from each other based on the applied acceleration. Then, a predetermined charge is generated in the upper electrode by this deflection, and the X-axis direction component of the applied acceleration is
The Y-axis component of the acceleration that is detected based on the charges generated on the first upper electrode and the charges generated on the second upper electrode is detected, and the component generated on the third upper electrode and the fourth axis are detected.
Is detected based on the electric charge generated in the upper electrode of, and the Z-axis direction component of the applied acceleration is detected based on the electric charge generated in the fifth upper electrode and the electric charge generated in the sixth upper electrode. It was done.

【００１２】(6) 本発明の第６の態様は、上述の第５
の態様に係る加速度センサにおいて、Ｘ軸を第４の軸と
しても用いるようにしたものである。(6) The sixth aspect of the present invention is the above-mentioned fifth aspect.
In the acceleration sensor according to the above aspect, the X axis is also used as the fourth axis.

【００１３】(7) 本発明の第７の態様は、上述の第５
の態様に係る加速度センサにおいて、ＸＹ平面上の可撓
部の領域に、原点を周囲から囲むような内側環状領域
と、この内側環状領域を更に周囲から囲むような外側環
状領域と、を定義し、第１の上部電極を、外側環状領域
内の、ＸＹ座標系の第２象限および第３象限に渡る領域
に配置し、第２の上部電極を、外側環状領域内の、ＸＹ
座標系の第１象限および第４象限に渡る領域に配置し、
第３の上部電極を、内側環状領域内の、ＸＹ座標系の第
３象限および第４象限に渡る領域に配置し、第４の上部
電極を、内側環状領域内の、ＸＹ座標系の第１象限およ
び第２象限に渡る領域に配置し、第５の上部電極を、内
側環状領域内のＸ軸上の負の領域に、第３の上部電極と
第４の上部電極との間に位置するように配置し、第６の
上部電極を、内側環状領域内のＸ軸上の正の領域に、第
３の上部電極と第４の上部電極との間に位置するように
配置したものである。(7) A seventh aspect of the present invention is based on the above-mentioned fifth aspect.
In the acceleration sensor according to the above aspect, the flexibility on the XY plane
In the region of the part, an inner annular region that surrounds the origin from the periphery and an outer annular region that further surrounds the inner annular region from the periphery are defined, and the first upper electrode is in the outer annular region, The second upper electrode is arranged in a region extending over the second quadrant and the third quadrant of the XY coordinate system, and the second upper electrode is located in the outer annular region in the XY direction.
Arranged in the area extending over the first and fourth quadrants of the coordinate system,
The third upper electrode is arranged in the inner annular region in a region extending over the third and fourth quadrants of the XY coordinate system, and the fourth upper electrode is arranged in the inner annular region in the first XY coordinate system. The fifth upper electrode is arranged in a region extending over the quadrant and the second quadrant, and the fifth upper electrode is located in the negative region on the X-axis in the inner annular region between the third upper electrode and the fourth upper electrode. And the sixth upper electrode is arranged so as to be located between the third upper electrode and the fourth upper electrode in the positive region on the X axis in the inner annular region. .

【００１４】(8) 本発明の第８の態様は、上述の第５
の態様に係る加速度センサにおいて、ＸＹ平面上の可撓
部の領域に、原点を周囲から囲むような内側環状領域
と、この内側環状領域を更に周囲から囲むような外側環
状領域と、を定義し、第１の上部電極を、外側環状領域
内の、ＸＹ座標系の第２象限および第３象限に渡る領域
に配置し、第２の上部電極を、外側環状領域内の、ＸＹ
座標系の第１象限および第４象限に渡る領域に配置し、
第３の上部電極を、内側環状領域内の、ＸＹ座標系の第
３象限および第４象限に渡る領域に配置し、第４の上部
電極を、内側環状領域内の、ＸＹ座標系の第１象限およ
び第２象限に渡る領域に配置し、第５の上部電極を、外
側環状領域内のＹ軸上の負の領域に、第１の上部電極と
第２の上部電極との間に位置するように配置し、第６の
上部電極を、外側環状領域内のＹ軸上の正の領域に、第
１の上部電極と第２の上部電極との間に位置するように
配置したことを特徴とする圧電素子を用いた加速度セン
サ。(8) An eighth aspect of the present invention relates to the above-mentioned fifth aspect.
In the acceleration sensor according to the above aspect, the flexibility on the XY plane
In the region of the part, an inner annular region that surrounds the origin from the periphery and an outer annular region that further surrounds the inner annular region from the periphery are defined, and the first upper electrode is in the outer annular region, The second upper electrode is arranged in a region extending over the second quadrant and the third quadrant of the XY coordinate system, and the second upper electrode is located in the outer annular region in the XY direction.
Arranged in the area extending over the first and fourth quadrants of the coordinate system,
The third upper electrode is arranged in the inner annular region in a region extending over the third and fourth quadrants of the XY coordinate system, and the fourth upper electrode is arranged in the inner annular region in the first XY coordinate system. The fifth upper electrode is arranged in a region extending over the quadrant and the second quadrant, and the fifth upper electrode is located between the first upper electrode and the second upper electrode in the negative region on the Y axis in the outer annular region. And the sixth upper electrode is arranged so as to be located between the first upper electrode and the second upper electrode in the positive region on the Y axis in the outer annular region. An acceleration sensor using a piezoelectric element.

【００１５】(9) 本発明の第９の態様は、上述の第７
の態様に係る加速度センサにおいて、更に、第７の上部
電極および第８の上部電極を付加的に設け、第７の上部
電極を、外側環状領域内のＹ軸上の負の領域に、第１の
上部電極と第２の上部電極との間に位置するように配置
し、第８の上部電極を、外側環状領域内のＹ軸上の正の
領域に、第１の上部電極と第２の上部電極との間に位置
するように配置し、作用した加速度のＺ軸方向成分を、
第５〜第８の上部電極において発生した電荷に基づいて
検出するようにしたものである。(9) A ninth aspect of the present invention is based on the above-mentioned seventh aspect.
In the acceleration sensor according to the second aspect, a seventh upper electrode and an eighth upper electrode are additionally provided, and the seventh upper electrode is provided in the negative region on the Y axis in the outer annular region with the first upper electrode. Is located between the first upper electrode and the second upper electrode, and the eighth upper electrode is placed in the positive region on the Y-axis in the outer annular region in the first upper electrode and the second upper electrode. It is arranged so as to be located between the upper electrode and the Z-axis direction component of the applied acceleration,
The detection is performed based on the charges generated in the fifth to eighth upper electrodes.

【００１６】(10) 本発明の第１０の態様は、上述の第
１，２，５〜９の態様に係る加速度センサにおいて、作
用した加速度のＸ軸方向成分を検出するための上部電極
が形成された圧電素子の部分については、原点に関して
反対側に配置された部分とは逆の分極特性が得られるよ
うに、作用した加速度のＹ軸方向成分を検出するための
上部電極が形成された圧電素子の部分については、原点
に関して反対側に配置された部分とは逆の分極特性が得
られるように、作用した加速度のＺ軸方向成分を検出す
るための上部電極が形成された圧電素子の部分について
は、原点に関して反対側に配置された部分と同じ分極特
性が得られるように、圧電素子の各部分に対して所定の
分極処理を行うようにしたものである。(10) According to a tenth aspect of the present invention, in the acceleration sensor according to the first, second, fifth to ninth aspects described above, an upper electrode for detecting the X-axis direction component of the applied acceleration is formed. With respect to the part of the piezoelectric element that has been actuated, an upper electrode for detecting the Y-axis direction component of the applied acceleration is formed so that the polarization characteristic opposite to that of the part arranged on the opposite side with respect to the origin is obtained. Regarding the element part, the part of the piezoelectric element on which the upper electrode for detecting the Z-axis direction component of the acting acceleration is formed so that the polarization characteristic opposite to that of the part arranged on the opposite side with respect to the origin can be obtained. With regard to (2), a predetermined polarization process is performed on each part of the piezoelectric element so that the same polarization characteristic as the part arranged on the opposite side with respect to the origin can be obtained.

【００１７】(11) 本発明の第１１の態様は、上述の第
１〜１０の態様に係る加速度センサにおいて、圧電素子
の上面に、更に自己診断用電極を配置し、この自己診断
用電極と下部電極との間に所定の電圧を印加することに
おり、圧電素子に加速度が与えられたのと等価な撓み状
態を誘発させ、センサの試験を行うことができるように
したものである。(11) According to an eleventh aspect of the present invention, in the acceleration sensor according to the first to tenth aspects, a self-diagnosis electrode is further arranged on the upper surface of the piezoelectric element. By applying a predetermined voltage between the lower electrode and the lower electrode, a bending state equivalent to that when acceleration is applied to the piezoelectric element is induced so that the sensor can be tested.

【００１８】(12) 本発明の第１２の態様は、ＸＹＺ三
次元座標系におけるＸ軸、Ｙ軸およびＺ軸まわりの角速
度を検出するための角速度センサにおいて、板状の圧電
素子と、この圧電素子の上面に形成された複数枚の検出
用上部電極および複数枚の励振用上部電極と、この圧電
素子の下面に形成された下部電極と、各励振用上部電極
と下部電極との間にそれぞれ所定の交流電圧を印加する
励振手段と、各検出用上部電極に発生する電荷に基づい
て角速度の検出を行う検出手段と、を設け、圧電素子の
上面のほぼ中心位置にＸＹＺ三次元座標系の原点を定義
することにより、Ｘ軸、Ｙ軸およびＺ軸方向を定めたと
きに、圧電素子は、その上面がＸＹ平面に沿って延び、
その下面には原点の周囲を取り囲むような環状溝が形成
され、この環状溝の形成部分の肉厚が他の部分の肉厚よ
りも薄くなるようにすることにより、環状溝の形成部分
が可撓性をもった可撓部を構成するようになっており、
可撓性をもった可撓部が形成され、この可撓部に囲まれ
た部分である中心部と、この可撓部の周囲の部分である
周囲部とは、可撓部の撓みにより相互に変位を生じるよ
うに構成され、検出用上部電極および励振用上部電極
は、いずれも可撓部に形成され、かつ、その外周部分が
可撓部の外周部分に配置されるか、または、その内周部
分が可撓部の内周部分に配置されており、励振手段は、
所定の励振用上部電極と下部電極との間に交流電圧を印
加することにより、中心部と周囲部との相互間に第１の
方向（Ｘ軸、Ｙ軸またはＺ軸のいずれかの方向）に関す
る周期的な変位を生じさせる機能をもち、検出手段は、
第１の方向に関する周期的な変位が生じている状態にお
いて、第１の方向に直交する第２の方向（Ｘ軸、Ｙ軸ま
たはＺ軸のいずれかの方向）に関する周期的な変位を検
出用上部電極に発生する電荷に基づいて検出し、この検
出結果に基づいて、第１の方向および第２の方向の双方
に直交する第３の方向（Ｘ軸、Ｙ軸またはＺ軸のいずれ
かの方向）まわりの角速度を検出する機能をもつように
したものである。(12) A twelfth aspect of the present invention is an angular velocity sensor for detecting angular velocities around the X axis, Y axis and Z axis in an XYZ three-dimensional coordinate system. A plurality of detection upper electrodes and a plurality of excitation upper electrodes formed on the upper surface of the element, a lower electrode formed on the lower surface of the piezoelectric element, and between each excitation upper electrode and lower electrode, respectively. Exciting means for applying a predetermined AC voltage and detecting means for detecting the angular velocity based on the electric charges generated in the respective upper electrodes for detection are provided, and an XYZ three-dimensional coordinate system is provided at a substantially central position on the upper surface of the piezoelectric element. By defining the origin, when the X-axis, Y-axis, and Z-axis directions are determined, the piezoelectric element has its upper surface extending along the XY plane,
An annular groove is formed on the lower surface to surround the origin.
The thickness of the part where this annular groove is formed is greater than the thickness of the other parts.
By making it even thinner, the part where the annular groove is formed
To form a flexible part with flexibility,
A flexible portion having flexibility is formed, and the central portion, which is a portion surrounded by the flexible portion, and the peripheral portion, which is a peripheral portion of the flexible portion, interact with each other due to the bending of the flexible portion. Upper electrode for detection and excitation
Are formed on the flexible part, and the outer peripheral part is
Located on the outer circumference of the flexible section, or on the inner circumference
The minute portion is arranged in the inner peripheral portion of the flexible portion, and the excitation means is
By applying an AC voltage between a predetermined excitation upper electrode and lower electrode, a first direction (either the X-axis, Y-axis, or Z-axis) between the central portion and the peripheral portion. With the function of producing a periodic displacement with respect to
For detecting periodical displacement in a second direction (either X-axis, Y-axis, or Z-axis) orthogonal to the first direction in a state where the periodical displacement in the first direction occurs. Detection is performed based on the charge generated in the upper electrode, and based on the detection result, a third direction (either the X axis, the Y axis, or the Z axis) orthogonal to both the first direction and the second direction is detected. Direction) has the function of detecting the angular velocity around.

【００１９】(13) 本発明の第１３の態様は、上述の第
１２の態様に係る角速度センサにおいて、原点を通りＸ
Ｙ平面に沿って伸びる第４の軸を定め、検出用上部電極
を、Ｘ軸に関して負の領域に形成された第１の検出用上
部電極と、Ｘ軸に関して正の領域に形成された第２の検
出用上部電極と、Ｙ軸に関して負の領域に形成された第
３の検出用上部電極と、Ｙ軸に関して正の領域に形成さ
れた第４の検出用上部電極と、第４の軸に関して負の領
域に形成された第５の検出用上部電極と、第４の軸に関
して正の領域に形成された第６の検出用上部電極と、に
よって構成し、これらの各検出用上部電極をいずれも可
撓部に形成し、励振用上部電極を、Ｘ軸に関して負の領
域に形成された第１の励振用上部電極と、Ｘ軸に関して
正の領域に形成された第２の励振用上部電極と、Ｙ軸に
関して負の領域に形成された第３の励振用上部電極と、
Ｙ軸に関して正の領域に形成された第４の励振用上部電
極と、によって構成し、これらの各励振用上部電極をい
ずれも可撓部に形成し、下部電極を、各検出用上部電極
および各励振用上部電極のそれぞれに対して向かい合う
位置に形成するようにしたものである。(13) A thirteenth aspect of the present invention is the angular velocity sensor according to the twelfth aspect, wherein X
A fourth axis extending along the Y plane is defined, and a detection upper electrode is formed of a first detection upper electrode formed in a negative region with respect to the X axis and a second detection upper electrode formed in a positive region with respect to the X axis. Detection upper electrode, a third detection upper electrode formed in the negative region with respect to the Y-axis, and a third detection upper electrode formed in the positive region with respect to the Y-axis.
A fourth detecting upper electrode, and the fifth detection upper electrode formed negative region with respect to the fourth axis, the sixth detection for the top of which is formed in the positive region with respect to the fourth shaft constitutes an electrode, by any of these respective detection upper electrode is formed on the flexible portion, the excitation upper electrode, and the first excitation upper electrode formed on the negative region with respect to the X-axis, X A second excitation upper electrode formed in a positive region with respect to the axis, and a third excitation upper electrode formed in a negative region with respect to the Y axis,
A fourth excitation upper electrode formed in a positive region with respect to the Y-axis, and each of these excitation upper electrodes is formed in the flexible portion, and the lower electrode is used as each detection upper electrode and It is formed so as to face each of the excitation upper electrodes.

【００２０】(14) 本発明の第１４の態様は、上述の第
１３の態様に係る角速度センサにおいて、Ｘ軸を第４の
軸としても用いるようにしたものである。(14) A fourteenth aspect of the present invention is the angular velocity sensor according to the above thirteenth aspect, wherein the X axis is also used as the fourth axis.

【００２１】(15) 本発明の第１５の態様は、上述の第
１〜１４の態様に係る加速度センサあるいは角速度セン
サにおいて、板状の圧電素子の少なくとも可撓部下面お
よび周囲部下面に金属層を形成し、圧電素子の中心部を
固定し、金属層のうち可撓部下面に形成されている部分
を下部電極として用い、金属層のうち周囲部下面に形成
されている部分を可撓部に撓みを生じさせる力を加える
錘りとして用い、この錘りとして用いる金属層について
は、錘りとして機能するのに必要な質量が確保できるよ
うに十分な厚みをもたせるようにしたものである。(15) A fifteenth aspect of the present invention is directed to the acceleration sensor or the angular velocity sensor according to the first to fourteenth aspects, wherein a metal layer is formed on at least the lower surface of the flexible portion and the lower surface of the peripheral portion of the plate-shaped piezoelectric element. , The central portion of the piezoelectric element is fixed, the portion of the metal layer formed on the lower surface of the flexible portion is used as the lower electrode, and the portion of the metal layer formed on the lower surface of the peripheral portion is formed on the flexible portion. It is used as a weight for applying a force that causes bending, and the metal layer used as this weight is made to have a sufficient thickness so as to secure the mass necessary to function as a weight.

【００２２】(16) 本発明の第１６の態様は、上述の第
１〜１４の態様に係る加速度センサあるいは角速度セン
サにおいて、板状の圧電素子の少なくとも可撓部下面お
よび中心部下面に金属層を形成し、圧電素子の周囲部を
固定し、金属層のうち可撓部下面に形成されている部分
を下部電極として用い、金属層のうち中心部下面に形成
されている部分を可撓部に撓みを生じさせる力を加える
錘りとして用い、この錘りとして用いる金属層について
は、錘りとして機能するのに必要な質量が確保できるよ
うに十分な厚みをもたせるようにしたものである。(16) According to a sixteenth aspect of the present invention, in the acceleration sensor or the angular velocity sensor according to the first to fourteenth aspects, a metal layer is formed on at least the lower surface of the flexible portion and the lower surface of the central portion of the plate-shaped piezoelectric element. And the peripheral portion of the piezoelectric element is fixed, the portion of the metal layer formed on the lower surface of the flexible portion is used as the lower electrode, and the portion of the metal layer formed on the lower surface of the central portion is formed as the flexible portion. It is used as a weight for applying a force that causes bending, and the metal layer used as this weight is made to have a sufficient thickness so as to secure the mass necessary to function as the weight.

【００２３】[0023]

【００２４】[0024]

【００２５】[0025]

【作 用】本発明に係るセンサでは、板状の圧電素子自
身が、可撓性基板として機能をする。しかも、圧電素子
の下面には環状溝が形成され、この環状溝の形成部分は
他の部分に比べて肉厚が薄いために可撓性をもった可撓
部となる。このように環状溝によって可撓部を形成する
ことにより、この可撓部に囲まれた部分である中心部
と、この可撓部の周囲の部分である周囲部とが、可撓部
の撓みにより相互に変位を生じるようになる。したがっ
て、中心部を固定した場合は、周囲部が錘りとして機能
し、加速度が作用すると可撓部に撓みが生じることにな
る。逆に、周囲部を固定した場合は、中心部が錘りとし
て機能し、加速度が作用するとやはり可撓部に撓みが生
じることになる。また、角速度センサの場合には、この
錘りの部分が振動子として機能し、コリオリ力が作用す
ると、やはり可撓部に撓みが生じることになる。[Operation] In the sensor according to the present invention, the plate-shaped piezoelectric element itself functions as a flexible substrate. Moreover, the piezoelectric element
An annular groove is formed on the lower surface of the, and the portion where this annular groove is formed is a flexible portion having flexibility because it is thinner than the other portions. By forming the flexible portion by the annular groove in this manner , the central portion which is a portion surrounded by the flexible portion and the peripheral portion which is a peripheral portion of the flexible portion are flexible. Causes mutual displacement. Therefore, when the central portion is fixed, the peripheral portion functions as a weight, and when the acceleration acts, the flexible portion is bent. On the contrary, when the peripheral portion is fixed, the central portion functions as a weight, and when the acceleration acts, the flexible portion also bends. In the case of the angular velocity sensor, the weight portion functions as a vibrator, and when the Coriolis force acts, the flexible portion also bends.

【００２６】この可撓部の上面および下面には、それぞ
れ上部電極および下部電極が形成されており、撓みの状
態に応じて各上部電極に所定の電荷が発生する。この電
荷を測定することにより、作用した加速度や角速度の検
出が可能になる。An upper electrode and a lower electrode are formed on the upper surface and the lower surface of the flexible portion, respectively, and a predetermined charge is generated in each upper electrode according to the bending state. By measuring this charge, it is possible to detect the applied acceleration or angular velocity.

【００２７】このように、本発明に係るセンサでは、環
状溝をもった板状の圧電素子の上面および下面に電極を
形成しただけの単純な構造が実現でき、小形化が容易に
なり、量産性も向上する。しかも、下部電極を、圧電素
子の下面に形成した金属層によって構成し、しかも、こ
の金属層の厚みをある程度確保するようにすれば、この
金属層を錘りとして機能させることができ、検出感度を
向上させることも可能になる。As described above, in the sensor according to the present invention, the ring
It is possible to realize a simple structure in which electrodes are formed on the upper and lower surfaces of a plate-shaped piezoelectric element having a groove, which facilitates miniaturization and improves mass productivity. Moreover, if the lower electrode is composed of a metal layer formed on the lower surface of the piezoelectric element and the thickness of this metal layer is secured to some extent, this metal layer can function as a weight and the detection sensitivity can be improved. It is also possible to improve.

【００２８】[0028]

【実施例】以下、本発明を図示する実施例に基づいて説
明する。The present invention will be described below based on illustrated embodiments.

【００２９】§１． 本発明に係る基本的な加速度セン
サの構造 はじめに、本発明に係る加速度センサの基本構造を説明
する。図１は、本発明の基本的な一実施例に係る加速度
センサを斜め上方から見た斜視図、図２は、このセンサ
を斜め下方から見た斜視図である。この加速度センサ
は、円盤状の圧電素子１０の上面に８枚の上部電極Ａ１
〜Ａ８を形成するとともに、下面に１枚の下部電極Ｂを
形成したものである。ここでは説明の便宜上、ＸＹＺ三
次元座標系の原点Ｏを、円盤状の圧電素子１０の上面の
中心位置に定義し、Ｘ軸およびＹ軸をこの圧電素子１０
の上面に沿った方向に定義し、Ｚ軸をこの上面に対して
垂直上方に向かう方向に定義することにする。したがっ
て、この圧電素子１０の上面は、ＸＹ平面に含まれるこ
とになる。 §1. Basic acceleration sensor according to the present invention
First, the basic structure of the acceleration sensor according to the present invention will be described. FIG. 1 is a perspective view of an acceleration sensor according to a basic embodiment of the present invention as seen obliquely from above, and FIG. 2 is a perspective view of this sensor as seen obliquely from below. This acceleration sensor has eight upper electrodes A1 on the upper surface of a disk-shaped piezoelectric element 10.
To A8, and one lower electrode B is formed on the lower surface. Here, for convenience of description, the origin O of the XYZ three-dimensional coordinate system is defined as the center position of the upper surface of the disk-shaped piezoelectric element 10, and the X-axis and the Y-axis are defined as the piezoelectric element 10.
, And the Z-axis is defined as a direction vertically upward with respect to this upper surface. Therefore, the upper surface of the piezoelectric element 10 is included in the XY plane.

【００３０】圧電素子１０の構造的な特徴は、図２に示
されているように、下面に環状溝１５が形成されている
点である。この実施例では、環状溝１５は原点Ｏを取り
囲むような円形をしている。下部電極Ｂは、１枚の単一
の電極層であり、この環状溝１５の内部をも含めた圧電
素子１０の下面全面に形成されている。一方、８枚の上
部電極Ａ１〜Ａ８は、図３の上面図に明瞭に示されてい
るように、いずれも原点Ｏを中心とした円弧に沿った帯
状をしており、Ｘ軸あるいはＹ軸に関して線対称な形状
をしており、互いに線対称な位置に配置されている。A structural feature of the piezoelectric element 10 is that an annular groove 15 is formed on the lower surface as shown in FIG. In this embodiment, the annular groove 15 is circular so as to surround the origin O. The lower electrode B is a single electrode layer and is formed on the entire lower surface of the piezoelectric element 10 including the inside of the annular groove 15. On the other hand, the eight upper electrodes A1 to A8 each have a strip shape along an arc centered on the origin O, as clearly shown in the top view of FIG. Are line-symmetrical with respect to each other, and are arranged at positions line-symmetrical to each other.

【００３１】この加速度センサの構造は、図４を参照す
ると、より明らかになる。図４は、この加速度センサを
ＸＺ平面で切った側断面図である。圧電素子１０の環状
溝１５が形成された部分は、他の部分に比べて肉厚が薄
くなっており、可撓性を有する。ここでは、圧電素子１
０の中の環状溝１５の上方に位置する部分を可撓部１２
と呼び、この可撓部１２によって囲まれた中心の部分を
中心部１１と呼び、可撓部１２の外周に位置する部分を
周囲部１３と呼ぶことにする。これら３つの部分の相対
的な位置関係は、図５の下面図に明瞭に示されている。
すなわち、中心部１１の周囲の環状溝１５が形成された
部分に可撓部１２が形成され、この可撓部１２の周囲に
周囲部１３が形成されていることになる。The structure of this acceleration sensor will become more apparent with reference to FIG. FIG. 4 is a side sectional view of the acceleration sensor taken along the XZ plane. The portion of the piezoelectric element 10 in which the annular groove 15 is formed is thinner than other portions and has flexibility. Here, the piezoelectric element 1
The portion of the 0 located above the annular groove 15 is attached to the flexible portion 12
The central portion surrounded by the flexible portion 12 is referred to as the central portion 11, and the portion located on the outer periphery of the flexible portion 12 is referred to as the peripheral portion 13. The relative positional relationship of these three parts is clearly shown in the bottom view of FIG.
That is, the flexible portion 12 is formed in the portion where the annular groove 15 is formed around the central portion 11, and the peripheral portion 13 is formed around the flexible portion 12.

【００３２】ここで、たとえば中心部１１だけをセンサ
筐体に固定し、センサ筐体全体を揺らすと、周囲部１３
には加速度に基づく力が作用し、この力により可撓部１
２に撓みが生じることになる。逆に、周囲部１３だけを
センサ筐体に固定し、センサ筐体全体を揺らすと、中心
部１１には加速度に基づく力が作用し、この力によりや
はり可撓部１２に撓みが生じることになる。結局、中心
部１１と周囲部１３とは、可撓性をもった可撓部１２に
よって接合されているため、いずれか一方に加速度が作
用すると、可撓部１２に生じる撓みにより、相互に変位
を生じることになる。この変位の態様は、作用した加速
度の向きおよび大きさによって異なることになる。この
加速度センサでは、この変位の態様を、可撓部１２に生
じる撓みの態様として求め、作用した加速度の向きおよ
び大きさを検出するのである。Here, for example, when only the central portion 11 is fixed to the sensor casing and the entire sensor casing is shaken, the peripheral portion 13
A force based on the acceleration acts on the flexible portion 1 due to this force.
2 will be bent. On the contrary, when only the peripheral portion 13 is fixed to the sensor housing and the entire sensor housing is shaken, a force based on acceleration acts on the central portion 11, and the flexible portion 12 also bends due to this force. Become. After all, since the central portion 11 and the peripheral portion 13 are joined by the flexible portion 12 having flexibility, when the acceleration acts on one of them, the flexible portion 12 bends and is displaced from each other. Will occur. The mode of this displacement will differ depending on the direction and magnitude of the applied acceleration. In this acceleration sensor, the mode of this displacement is determined as the mode of flexure that occurs in the flexible portion 12, and the direction and magnitude of the applied acceleration are detected.

【００３３】可撓部１２に生じる撓みの態様を検出する
ために、可撓部１２の上部に８枚の上部電極Ａ１〜Ａ８
が配置されている。この上部電極Ａ１〜Ａ８の配置は、
図３の上面図に明瞭に示されているが、図４の側断面図
を見ればわかるように、８枚の上部電極Ａ１〜Ａ８は、
いずれも可撓部１２の上方に配置されている。これは、
可撓部１２の撓みによって圧電素子の各部に発生する電
荷を取り出すためである。Eight upper electrodes A1 to A8 are provided on the upper portion of the flexible portion 12 in order to detect the mode of the flexure occurring in the flexible portion 12.
Are arranged. The arrangement of the upper electrodes A1 to A8 is
Although clearly shown in the top view of FIG. 3, as can be seen from the side sectional view of FIG. 4, the eight upper electrodes A1 to A8 are
Both are arranged above the flexible portion 12. this is,
This is because electric charges generated in each portion of the piezoelectric element due to the bending of the flexible portion 12 are extracted.

【００３４】一般に、圧電素子は、機械的な応力の作用
により分極現象を生じる。すなわち、ある特定の方向に
応力が加わると、一方には正の電荷が発生し、他方には
負の電荷が発生する性質を有する。この実施例の加速度
センサでは、圧電素子１０として、図６に示すような分
極特性をもった圧電セラミックスが用いられている。す
なわち、図６(a) に示すように、ＸＹ平面に沿って伸び
る方向の力が作用した場合には、上部電極Ａ側に正の電
荷が、下部電極Ｂ側に負の電荷が、それぞれ発生し、逆
に、図６(b) に示すように、ＸＹ平面に沿って縮む方向
の力が作用した場合には、上部電極Ａ側に負の電荷が、
下部電極Ｂ側に正の電荷が、それぞれ発生するような分
極特性をもっている。ここでは、このような分極特性を
タイプと呼ぶことにする。ここで述べる基本的実施例
の加速度センサでは、圧電素子１０はどの部分において
も、このタイプの分極特性をもつ。Generally, a piezoelectric element causes a polarization phenomenon due to the action of mechanical stress. That is, when a stress is applied in a certain specific direction, one has a property that positive charge is generated and the other is negative charge. In the acceleration sensor of this embodiment, as the piezoelectric element 10, piezoelectric ceramics having a polarization characteristic as shown in FIG. 6 is used. That is, as shown in FIG. 6 (a), when a force extending in the XY plane is applied, positive charges are generated on the upper electrode A side and negative charges are generated on the lower electrode B side. On the contrary, as shown in FIG. 6 (b), when a force in the contracting direction along the XY plane acts, negative charges are generated on the upper electrode A side.
It has a polarization characteristic such that positive charges are generated on the lower electrode B side. Here, such a polarization characteristic will be referred to as a type. In the acceleration sensor of the basic embodiment described here, the piezoelectric element 10 has this type of polarization characteristic in every part.

【００３５】§２． 本発明に係る基本的な加速度セン
サの動作原理 続いて、上述した加速度センサの動作原理を説明する。
この加速度センサは、圧電素子１０上面の中心位置を原
点ＯとするＸＹＺ三次元座標系における各軸方向成分ご
とに、作用した加速度を検出することができる三次元加
速度センサである。このような三次元センサとして機能
させるためには、特有の配置をもった上部電極Ａ１〜Ａ
８が必要である。ここでは、図３の上面図を参照して、
この特有の配置を見てみよう。まず、上部電極Ａ１，Ａ
８，Ａ２，Ａ７は、円形の環状帯（以下、外側環状領域
と呼ぶ）に沿って配置されており、その内側の円形の環
状帯（以下、内側環状領域と呼ぶ）に沿って、上部電極
Ａ５，Ａ４，Ａ６，Ａ３が配置されている。このよう
に、原点Ｏを取り囲むように定義された内側環状領域お
よび外側環状領域に沿って、各上部電極を配置すること
により、非常に効率的な検出が可能になるのである。な
お、前述したように、外側環状領域に配置された各上部
電極の外周部分は、可撓部１２の外周部分（すなわち、
環状溝１５の外壁部分）に揃うようにし、内側環状領域
に配置された各上部電極の内周部分は、可撓部１２の内
周部分（すなわち、環状溝１５の内壁部分）に揃うよう
にすると、感度良い検出を行う上で好ましい。 §2. Basic acceleration sensor according to the present invention
Next, the operation principle of the acceleration sensor described above will be described.
This acceleration sensor is a three-dimensional acceleration sensor that can detect the applied acceleration for each axial component in the XYZ three-dimensional coordinate system with the center position of the upper surface of the piezoelectric element 10 as the origin O. In order to function as such a three-dimensional sensor, the upper electrodes A1 to A having a specific arrangement are provided.
8 is required. Here, with reference to the top view of FIG.
Let's look at this particular arrangement. First, the upper electrodes A1 and A
8, A2 and A7 are arranged along a circular ring-shaped band (hereinafter, referred to as an outer ring-shaped region), and the upper electrode is arranged along the circular ring-shaped band (hereinafter, referred to as an inner ring-shaped region) inside thereof. A5, A4, A6 and A3 are arranged. As described above, by arranging the upper electrodes along the inner annular region and the outer annular region defined so as to surround the origin O, it is possible to perform very efficient detection. As described above, the outer peripheral portion of each upper electrode arranged in the outer annular region is the outer peripheral portion of the flexible portion 12 (that is,
The inner peripheral portion of each upper electrode arranged in the inner annular region is aligned with the inner peripheral portion of the flexible portion 12 (that is, the inner wall portion of the annular groove 15). Then, it is preferable for performing detection with high sensitivity.

【００３６】さて、このセンサにおいて、周囲部１３を
センサ筐体に固定したまま、中心部１１およびその周囲
に形成された下部電極Ｂを一体とみたときの重心位置に
定義された作用点Ｐに所定方向の外力が作用した場合
に、どのような現象が起こるかを説明する。まず、図７
に示すように、作用点Ｐに対してＸ軸方向の力Ｆｘが作
用した場合を考える。このような力Ｆｘの作用により、
可撓部１２に撓みが生じ、図７に示すような変形が起こ
る。この結果、Ｘ軸に沿って配置された上部電極Ａ１，
Ａ６はＸ軸方向に伸び、同じくＸ軸に沿って配置された
上部電極Ａ５，Ａ２はＸ軸方向に縮むことになる。これ
らの上部電極の下方に位置する圧電素子は、図６に示す
ような分極特性を有するので、各上部電極には、図７に
小円で囲った記号「＋」または「−」で示すような極性
の電荷が発生する。このとき、下部電極Ｂは単一の共通
電極となっているので、部分的に「＋」または「−」の
極性の電荷が発生しても相殺され、トータルでの電荷の
発生はない。なお、この実施例では、下部電極Ｂを単一
の共通電極としているが、各上部電極に対向する位置
に、それぞれ電気的に独立した個々の下部電極を設ける
ようにすれば、各電極に発生する電荷を個々に処理する
ことが可能である。Now, in this sensor, with the peripheral portion 13 fixed to the sensor housing, the action point P defined at the center of gravity when the central portion 11 and the lower electrode B formed around the central portion 11 are integrally viewed. What kind of phenomenon occurs when an external force in a predetermined direction acts will be described. First, FIG.
Consider a case where a force Fx in the X-axis direction acts on the point of action P as shown in FIG. By the action of such a force Fx,
The flexible portion 12 is bent and deformed as shown in FIG. As a result, the upper electrodes A1, which are arranged along the X axis,
A6 extends in the X-axis direction, and upper electrodes A5 and A2 also arranged along the X-axis contract in the X-axis direction. Since the piezoelectric element located below these upper electrodes has a polarization characteristic as shown in FIG. 6, each upper electrode has a symbol "+" or "-" surrounded by a small circle in FIG. Charges of different polarities are generated. At this time, since the lower electrode B serves as a single common electrode, even if the charges having the polarity of "+" or "-" are partially generated, they are canceled out, and the total charge is not generated. In this embodiment, the lower electrode B is a single common electrode, but if each lower electrode electrically independent is provided at a position facing each upper electrode, the lower electrode B is generated in each electrode. It is possible to treat each of the charges individually.

【００３７】一方、作用点Ｐに対してＹ軸方向の力Ｆｙ
が作用した場合は、可撓部１２に同様に撓みが生じ、Ｙ
軸に沿って配置された上部電極Ａ７，Ａ４はＹ軸方向に
伸びるために上部電極側に「＋」の電荷が発生し、同じ
くＹ軸に沿って配置された上部電極Ａ３，Ａ８はＹ軸方
向に縮むために上部電極側に「−」の電荷が発生するこ
とになる。On the other hand, the force Fy in the Y-axis direction with respect to the action point P
Is applied, the flexible portion 12 is similarly bent, and Y
Since the upper electrodes A7 and A4 arranged along the axis extend in the Y-axis direction, “+” charges are generated on the upper electrode side, and the upper electrodes A3 and A8 also arranged along the Y-axis are the Y-axis. Because of contraction in the direction, "-" charges are generated on the upper electrode side.

【００３８】次に、Ｚ軸方向の力Ｆｚが作用した場合を
考える。この場合は、可撓部１２が図８に示すように変
形し、外側環状領域に配置された上部電極Ａ１，Ａ８，
Ａ２，Ａ７は縮むために上部電極側に「−」の電荷が発
生し、内側環状領域に配置された上部電極Ａ５，Ａ４，
Ａ６，Ａ３は縮むために上部電極側に「＋」の電荷が発
生することになる。Next, consider the case where the force Fz in the Z-axis direction acts. In this case, the flexible portion 12 is deformed as shown in FIG. 8, and the upper electrodes A1, A8,
Since A2 and A7 contract, "-" charges are generated on the upper electrode side, and the upper electrodes A5, A4 arranged in the inner annular region.
Since A6 and A3 contract, "+" charges are generated on the upper electrode side.

【００３９】ここで、力Ｆｘ，Ｆｙ，Ｆｚのそれぞれが
作用した場合に、各上部電極に発生する電荷の極性をま
とめると、図９に示す表が得られる。表中「０」と記さ
れているのは、圧電素子が部分的には伸びるが部分的に
は縮むため、正負が相殺されてトータルとして電荷は発
生しないことを示す。前述したように、各上部電極は、
Ｘ軸またはＹ軸に関して線対称な形状をしており、互い
に線対称な位置に配置されているため、力Ｆｘの作用に
より電荷を発生する上部電極には、力Ｆｙが作用しても
電荷は発生せず、逆に、力Ｆｙの作用により電荷を発生
する上部電極には、力Ｆｘが作用しても電荷は発生しな
いのである。このように、他軸干渉を避ける上では、電
極形状を線対称にしておくことが重要である。なお、図
９の表は、いずれも各軸の正方向の力＋Ｆｘ，＋Ｆｙ，
＋Ｆｚが作用した場合の極性を示すものであるが、各軸
の負方向の力−Ｆｘ，−Ｆｙ，−Ｆｚが作用したとき
は、それぞれこの表とは逆の極性の電荷が現われること
になる。このような表が得られることは、図７および図
８に示す変形状態と、図３に示す各上部電極の配置とを
参照すれば、容易に理解できよう。また、作用した力の
大きさは、発生した電荷量として検出することが可能で
ある。この実施例のセンサでは、上部電極Ａ１，Ａ２に
よって力Ｆｘを検出し、上部電極Ａ３，Ａ４によって力
Ｆｙを検出し、上部電極Ａ５〜Ａ８によって力Ｆｚを検
出している。Here, when the forces Fx, Fy, and Fz act, respectively, the polarities of the charges generated in the respective upper electrodes are summarized, and the table shown in FIG. 9 is obtained. In the table, "0" indicates that the piezoelectric element partially expands but partially contracts, and the positive and negative are canceled out, so that no charge is generated as a whole. As mentioned above, each upper electrode
Since the upper electrode, which has a line-symmetrical shape with respect to the X-axis or the Y-axis and is arranged in a line-symmetrical position with each other, generates an electric charge by the action of the force Fx, even if the force Fy acts, the charge is not generated. On the contrary, no electric charge is generated on the upper electrode which does not generate electric charge but generates electric charge by the action of the force Fy even when the force Fx acts. Thus, in order to avoid the interference with the other axis, it is important to make the electrode shape line-symmetric. In the table of FIG. 9, the forces + Fx, + Fy, + Fy,
This shows the polarity when + Fz acts, but when the negative force −Fx, −Fy, −Fz of each axis acts, the electric charge of the opposite polarity to this table appears. . The fact that such a table is obtained can be easily understood by referring to the deformed state shown in FIGS. 7 and 8 and the arrangement of each upper electrode shown in FIG. Further, the magnitude of the applied force can be detected as the generated charge amount. In the sensor of this embodiment, the force Fx is detected by the upper electrodes A1 and A2, the force Fy is detected by the upper electrodes A3 and A4, and the force Fz is detected by the upper electrodes A5 to A8.

【００４０】以上、図７あるいは図８に示す作用点Ｐに
力が作用した場合の動作を説明した。このように、この
センサは力センサとしても利用することができるが、こ
の実施例のセンサは、実際には、加速度センサとして利
用される。すなわち、このセンサ全体を筐体内に収容
し、周囲部１３を筐体に固定すれば、中心部１１が錘り
として機能し、与えられた加速度に応じた力がこの錘り
によって作用することになる。逆に、中心部１１を筐体
に固定すれば、周囲部１３が錘りとして機能し、やはり
与えられた加速度に応じた力がこの錘りによって作用す
ることになる。周囲部１３に対して力を作用させた場合
の動作原理は、中心部１１に対して力を作用させた場合
の動作原理とほぼ同様であるため、ここでは説明を省略
する。また、このように、本発明に係るセンサにおける
動作原理という見地からは、力も加速度も同義と考えて
かまわない。そこで、以下の説明では、力と加速度とを
文脈によって使い分けることにするが、基本的な原理の
見地からは、特に両者を区別して考える必要はない。The operation when a force acts on the point of action P shown in FIG. 7 or 8 has been described above. Thus, although this sensor can also be used as a force sensor, the sensor of this embodiment is actually used as an acceleration sensor. That is, if the entire sensor is housed in the housing and the peripheral portion 13 is fixed to the housing, the central portion 11 functions as a weight, and the force corresponding to the applied acceleration acts on the weight. Become. On the contrary, if the central portion 11 is fixed to the housing, the peripheral portion 13 functions as a weight, and the force corresponding to the applied acceleration also acts on the weight. The principle of operation when a force is applied to the peripheral portion 13 is substantially the same as the principle of operation when a force is applied to the central portion 11, and therefore a description thereof is omitted here. Further, as described above, from the viewpoint of the operating principle of the sensor according to the present invention, it may be considered that force and acceleration are synonymous. Therefore, in the following description, the force and the acceleration are selectively used depending on the context, but it is not necessary to distinguish between the two from the viewpoint of the basic principle.

【００４１】§３． 本発明に係る加速度センサの検出
回路の一例 上述した加速度センサを用いて力の検出を行うために
は、図１０に示すような検出回路を用意すればよい。こ
の検出回路において、Ｑ／Ｖ変換回路３１〜３８は、各
上部電極Ａ１〜Ａ８に発生する電荷量を、下部電極Ｂの
電位を基準電位としたときの電圧値に変換する回路であ
る。この回路からは、たとえば、上部電極に「＋」の電
荷が発生した場合には、発生した電荷量に応じた正の電
圧（基準電位に対して）が出力され、逆に、上部電極に
「−」の電荷が発生した場合には、発生した電荷量に応
じた負の電圧（基準電位に対して）が出力される。こう
して出力された電圧Ｖ１〜Ｖ８は、演算器４１〜４３に
与えられ、これら演算器４１〜４３の出力が端子Ｔｘ，
Ｔｙ，Ｔｚに得られる。ここで、端子Ｔｘの基準電位に
対する電圧値が力Ｆｘの検出値となり、端子Ｔｙの基準
電位に対する電圧値が力Ｆｙの検出値となり、端子Ｔｚ
の基準電位に対する電圧値が力Ｆｚの検出値となる。 §3. Detection of acceleration sensor according to the present invention
Example of Circuit In order to detect the force using the acceleration sensor described above, a detection circuit as shown in FIG. 10 may be prepared. In this detection circuit, the Q / V conversion circuits 31 to 38 are circuits that convert the amount of charge generated in each of the upper electrodes A1 to A8 into a voltage value when the potential of the lower electrode B is used as a reference potential. From this circuit, for example, when "+" charges are generated on the upper electrode, a positive voltage (with respect to the reference potential) according to the amount of generated charges is output, and conversely, "+" charges are generated on the upper electrode. When a "-" charge is generated, a negative voltage (relative to the reference potential) corresponding to the generated charge amount is output. The voltages V1 to V8 thus output are given to the computing units 41 to 43, and the outputs of these computing units 41 to 43 are output to the terminals Tx,
Obtained at Ty and Tz. Here, the voltage value with respect to the reference potential of the terminal Tx becomes the detection value of the force Fx, the voltage value with respect to the reference potential of the terminal Ty becomes the detection value of the force Fy, and the terminal Tz
The voltage value with respect to the reference potential of is the detection value of the force Fz.

【００４２】各出力端子Ｔｘ，Ｔｙ，Ｔｚに得られる電
圧値が、力Ｆｘ，Ｆｙ，Ｆｚの検出値になることは、図
９の表を参照すればわかる。たとえば、力Ｆｘが作用し
た場合、上部電極Ａ１には「＋」の電荷が発生し、上部
電極Ａ２には「−」の電荷が発生する。したがって、Ｖ
１は正、Ｖ２は負の電圧となる。そこで、演算器４１に
よって、Ｖ１−Ｖ２なる演算を行うことにより、電圧Ｖ
１，Ｖ２の絶対値の和が求まり、これが力Ｆｘの検出値
として端子Ｔｘに出力されることになる。同様に、力Ｆ
ｙが作用した場合は、上部電極Ａ３には「−」の電荷が
発生し、上部電極Ａ４には「＋」の電荷が発生する。し
たがって、Ｖ３は負、Ｖ４は正の電圧となる。そこで、
演算器４２によって、Ｖ４−Ｖ３なる演算を行うことに
より、電圧Ｖ３，Ｖ４の絶対値の和が求まり、これが力
Ｆｙの検出値として端子Ｔｙに出力されることになる。
また、力Ｆｚが作用した場合は、上部電極Ａ５，Ａ６に
は「＋」の電荷が発生し、上部電極Ａ７，Ａ８には
「−」の電荷が発生する。したがって、Ｖ５，Ｖ６は
正、Ｖ７，Ｖ８は負の電圧となる。そこで、演算器４３
によって、Ｖ５＋Ｖ６−Ｖ７−Ｖ８なる演算を行うこと
により、電圧Ｖ５〜Ｖ８の絶対値の和が求まり、これが
力Ｆｚの検出値として端子Ｔｚに出力されることにな
る。It will be understood from the table of FIG. 9 that the voltage values obtained at the output terminals Tx, Ty, Tz become the detection values of the forces Fx, Fy, Fz. For example, when the force Fx acts, "+" charges are generated on the upper electrode A1 and "-" charges are generated on the upper electrode A2. Therefore, V
1 is a positive voltage and V2 is a negative voltage. Therefore, the operation unit 41 performs an operation of V1-V2 to obtain the voltage V
The sum of the absolute values of 1 and V2 is obtained, and this is output to the terminal Tx as the detected value of the force Fx. Similarly, force F
When y acts, “−” charges are generated on the upper electrode A3, and “+” charges are generated on the upper electrode A4. Therefore, V3 is a negative voltage and V4 is a positive voltage. Therefore,
By performing the calculation of V4-V3 by the calculator 42, the sum of the absolute values of the voltages V3 and V4 is obtained, and this is output to the terminal Ty as the detected value of the force Fy.
Further, when the force Fz acts, “+” charges are generated on the upper electrodes A5 and A6, and “−” charges are generated on the upper electrodes A7 and A8. Therefore, V5 and V6 are positive, and V7 and V8 are negative. Therefore, the calculator 43
By performing the calculation of V5 + V6-V7-V8, the sum of absolute values of the voltages V5 to V8 is obtained, and this is output to the terminal Tz as the detected value of the force Fz.

【００４３】ここで注目すべき点は、各出力端子Ｔｘ，
Ｔｙ，Ｔｚに得られる検出値は、他軸成分を含まないと
いうことである。たとえば、図９の表に示されているよ
うに、力Ｆｘだけが作用した場合、力Ｆｙ検出用の上部
電極Ａ３，Ａ４には電荷の発生はなく、端子Ｔｙには検
出電圧は得られない。このとき、力Ｆｚ検出用の上部電
極Ａ５，Ａ６にはそれぞれ電荷（互いに逆極性）が発生
するが、演算器４３において電圧Ｖ５およびＶ６は互い
に加算されるため相殺されてしまい、やはり端子Ｔｚに
は検出電圧は得られない。力Ｆｙだけが作用した場合も
同様に、端子Ｔｙ以外には検出電圧は得られない。ま
た、力Ｆｚだけが作用した場合も同様に、端子Ｔｚ以外
には検出電圧は得られない。こうして、ＸＹＺの３軸方
向成分が独立して検出できる。The point to be noted here is that each output terminal Tx,
This means that the detection values obtained for Ty and Tz do not include the other axis component. For example, as shown in the table of FIG. 9, when only the force Fx acts, no charge is generated in the upper electrodes A3 and A4 for detecting the force Fy, and no detection voltage is obtained at the terminal Ty. . At this time, charges (opposite polarities) are generated on the upper electrodes A5 and A6 for detecting the force Fz, but the voltages V5 and V6 are added to each other in the calculator 43 and thus cancel each other out, and the terminal Tz is also applied. Can not get the detection voltage. Similarly, when only the force Fy acts, no detection voltage can be obtained except the terminal Ty. Similarly, when only the force Fz acts, no detection voltage can be obtained except at the terminal Tz. In this way, the XYZ three-axis direction components can be detected independently.

【００４４】図１１に示すＱ／Ｖ変換回路３０は、図１
０に示す検出回路におけるＱ／Ｖ変換回路３１〜３８と
して利用するのに適した回路の基本構成例である。図１
１でＡと記して示したのが上部電極Ａ１〜Ａ８に対応す
る電極であり、Ｂと記して示したのが下部電極Ｂに対応
する電極である。このように、基本的には、演算増幅器
Ａｍｐ、抵抗Ｒ、コンデンサＣという単純な回路構成に
より、上部電極Ａに発生した電荷を電圧に変換すること
ができる。図１２に示す回路は、また別なＱ／Ｖ変換回
路を示したものであり、演算増幅器を２段に直列接続し
て用いている。もちろん、ここに示した回路はほんの一
例であり、どのような回路を用いて電圧に変換してもか
まわない。このようなＱ／Ｖ変換回路については、たと
えば「圧電セラミックス新技術」（日本電子材料工業会
編：オーム社刊）の９４頁〜１０１頁に例示されてい
る。The Q / V conversion circuit 30 shown in FIG.
It is a basic configuration example of a circuit suitable for use as the Q / V conversion circuits 31 to 38 in the detection circuit shown in FIG. Figure 1
In FIG. 1, A is an electrode corresponding to the upper electrodes A1 to A8, and B is an electrode corresponding to the lower electrode B. As described above, basically, the electric charge generated in the upper electrode A can be converted into a voltage by the simple circuit configuration of the operational amplifier Amp, the resistor R, and the capacitor C. The circuit shown in FIG. 12 shows another Q / V conversion circuit, which uses operational amplifiers connected in series in two stages. Of course, the circuit shown here is only an example, and any circuit may be used to convert the voltage. Such a Q / V conversion circuit is exemplified, for example, on pages 94 to 101 of "Piezoelectric Ceramics New Technology" (edited by Japan Electronic Material Industry Association: Ohmsha).

【００４５】§４． 本発明に係る加速度センサの別な
実施例 続いて、本発明の別な実施例に係る加速度センサをいく
つか開示しておく。図１１に示す表を見るとわかるよう
に、実は、力Ｆｚの検出には、４組の上部電極は必ずし
も用意する必要はないのである。たとえば、上部電極Ａ
５，Ａ６の２組だけを用いても力Ｆｚを検出することが
可能であるし、上部電極Ａ７，Ａ８の２組だけを用いて
も力Ｆｚを検出することが可能である。要するに、本発
明によれば、１つの軸方向に作用した力を検出するの
に、最低限２組の上部電極が用意できれば十分なのであ
る。図１３に上面図を示す実施例は、６組の上部電極Ａ
１〜Ａ６のみを用いたセンサである。上部電極Ａ７，Ａ
８を設けていないため、その分、上部電極Ａ１，Ａ２の
面積が増えている。力Ｆｚの検出値は、図１４に示すよ
うな回路を用い、演算器４４によって、（Ｖ５＋Ｖ６）
なる演算を行うことにより端子Ｔｚに出力される。図１
５に上面図を示す実施例は、６組の上部電極Ａ１〜Ａ
４，Ａ７，Ａ８のみを用いたセンサである。上部電極Ａ
５，Ａ６を設けていないため、その分、上部電極Ａ３，
Ａ４の面積が増えている。力Ｆｚの検出値は、図１６に
示すような回路を用い、演算器４５によって、−（Ｖ７
＋Ｖ８）なる演算を行うことにより端子Ｔｚに出力され
る。 §4. Another acceleration sensor according to the present invention
Examples Next, some acceleration sensors according to other examples of the present invention will be disclosed. As can be seen from the table shown in FIG. 11, the four sets of upper electrodes do not necessarily have to be prepared for detecting the force Fz. For example, the upper electrode A
The force Fz can be detected by using only two sets of the electrodes A5 and A6, and the force Fz can be detected by using only two sets of the upper electrodes A7 and A8. In short, according to the present invention, it is sufficient to prepare at least two sets of upper electrodes in order to detect the force acting in one axial direction. In the embodiment whose top view is shown in FIG.
It is a sensor using only 1 to A6. Upper electrodes A7, A
Since 8 is not provided, the area of the upper electrodes A1 and A2 is increased accordingly. The detected value of the force Fz is (V5 + V6) calculated by the calculator 44 using a circuit as shown in FIG.
Is output to the terminal Tz. Figure 1
In the embodiment whose top view is shown in FIG. 5, 6 sets of upper electrodes A1 to A
It is a sensor using only 4, A7 and A8. Upper electrode A
5 and A6 are not provided, the upper electrodes A3 and
The area of A4 is increasing. The detected value of the force Fz is-(V7
+ V8) is output to the terminal Tz.

【００４６】この他、力Ｆｚ検出用の２組の上部電極
は、どのような軸上に配置してもかまわない。要する
に、ＸＹ平面上で原点Ｏを通る第４の軸Ｗを定義し、こ
の第４の軸Ｗの正側と負側にそれぞれ１組ずつ上部電極
を配置すれば、これらの上部電極により力Ｆｚが検出で
きる。図１３は第４の軸ＷをＸ軸に一致させた例であ
り、図１５は第４の軸ＷをＹ軸に一致させた例である。In addition, the two sets of upper electrodes for detecting the force Fz may be arranged on any axis. In short, if a fourth axis W passing through the origin O on the XY plane is defined and one pair of upper electrodes is arranged on each of the positive side and the negative side of the fourth axis W, the force Fz is generated by these upper electrodes. Can be detected. FIG. 13 shows an example in which the fourth axis W coincides with the X axis, and FIG. 15 shows an example in which the fourth axis W coincides with the Y axis.

【００４７】また、これまで述べたセンサは、ＸＹＺの
３軸についての加速度の各軸方向成分を検出する三次元
の加速度センサについての実施例であったが、ＸＹの２
軸についての加速度の各軸方向成分を検出する二次元の
加速度センサであれば、４組の上部電極だけを用いれば
十分である。図１７に上面図を示す実施例は、４組の上
部電極Ａ１〜Ａ４のみを用いた二次元の加速度センサで
ある。力Ｆｚ検出用の上部電極を設けていないため、そ
の分、上部電極Ａ１〜Ａ４の面積が増えている。Further, the sensor described so far is the embodiment of the three-dimensional acceleration sensor which detects each axial component of the acceleration about the three axes of XYZ.
In the case of a two-dimensional acceleration sensor that detects each axial component of acceleration about an axis, it is sufficient to use only four sets of upper electrodes. The embodiment whose top view is shown in FIG. 17 is a two-dimensional acceleration sensor using only four sets of upper electrodes A1 to A4. Since the upper electrode for detecting the force Fz is not provided, the area of the upper electrodes A1 to A4 is correspondingly increased.

【００４８】§５． 圧電素子に異なる分極処理を行う
実施例 上述したように、本発明の加速度センサでは、各上部電
極に発生した電荷に基づいて、作用した加速度の各軸方
向成分を検出することができる。このため、各上部電極
に対して所定の配線を行い、§３で述べたような検出回
路に接続する必要がある。ところが、このセンサを大量
生産する場合、製品の全コストに比べて配線や検出回路
のためのコストが無視できなくなる。ここで述べる実施
例は、圧電素子の分極特性を部分的に変えることによ
り、配線や検出回路を単純化し製造コストを低減するよ
うにしたものである。 §5. Perform different polarization treatments on piezoelectric elements
Example As described above, the acceleration sensor of the present invention can detect each axial component of the applied acceleration based on the electric charge generated in each upper electrode. Therefore, it is necessary to perform a predetermined wiring for each upper electrode and connect it to the detection circuit as described in §3. However, when this sensor is mass-produced, the cost for wiring and the detection circuit cannot be ignored compared to the total cost of the product. In the embodiment described here, the wiring characteristics and the detection circuit are simplified and the manufacturing cost is reduced by partially changing the polarization characteristics of the piezoelectric element.

【００４９】圧電セラミックスなどでは、任意の分極特
性をもった素子を製造することが可能である。たとえ
ば、上述した加速度センサにおいて用いられている圧電
素子１０は、図６に示すようなタイプの分極特性をも
ったものであった。これに対して、図１８に示すような
タイプの分極特性をもった圧電素子２０を製造するこ
とも可能である。すなわち、図１８(a) に示すように、
ＸＹ平面に沿って伸びる方向の力が作用した場合には、
上部電極Ａに負の電荷が、下部電極Ｂに正の電荷が、そ
れぞれ発生し、逆に、図１８(b) に示すように、ＸＹ平
面に沿って縮む方向の力が作用した場合には、上部電極
Ａに正の電荷が、下部電極Ｂに負の電荷が、それぞれ発
生するような分極特性をもった圧電素子２０を製造する
ことが可能である。また、１つの圧電素子の一部分にタ
イプの分極特性をもたせ、別な一部分にタイプの分
極特性をもたせることも可能である。ここに述べる実施
例は、このような局在的な分極処理を施した圧電素子を
用いることにより、センサの構造を単純化するものであ
る。With piezoelectric ceramics or the like, it is possible to manufacture an element having an arbitrary polarization characteristic. For example, the piezoelectric element 10 used in the above-described acceleration sensor had a polarization characteristic of the type shown in FIG. On the other hand, it is also possible to manufacture the piezoelectric element 20 having the polarization characteristic of the type shown in FIG. That is, as shown in FIG.
When a force that extends along the XY plane acts,
When a negative charge is generated on the upper electrode A and a positive charge is generated on the lower electrode B, and conversely, as shown in FIG. It is possible to manufacture the piezoelectric element 20 having polarization characteristics such that positive charges are generated in the upper electrode A and negative charges are generated in the lower electrode B. It is also possible to give a part of one piezoelectric element a type polarization characteristic and another part to give a type polarization characteristic. The embodiment described here simplifies the structure of the sensor by using the piezoelectric element subjected to such localized polarization treatment.

【００５０】図１９に上面図を示すセンサは、このよう
な局在的な分極処理を施した圧電素子２５を用いたセン
サである。この圧電素子２５は、機械的な構造は§１で
述べた基本的実施例のセンサにおいて用いられている圧
電素子１０と全く同じであり、円盤状の圧電素子の下面
に環状溝を設けたものである。しかしながら、その分極
特性は圧電素子１０とは異なっている。圧電素子１０
は、前述したように、すべての部分がタイプの分極特
性をもつ素子であった。これに対し、圧電素子２５は、
図１９に示すように、８枚の上部電極Ａ１〜Ａ８に対応
する各領域においてタイプまたはタイプのいずれか
の分極特性をもつ。すなわち、上部電極Ａ１，Ａ４，Ａ
５，Ａ６の領域においてはタイプの分極特性を示し、
上部電極Ａ２，Ａ３，Ａ７，Ａ８の領域においてはタイ
プの分極特性を示す。The sensor whose top view is shown in FIG. 19 is a sensor using the piezoelectric element 25 which has been subjected to such localized polarization processing. This piezoelectric element 25 has the same mechanical structure as that of the piezoelectric element 10 used in the sensor of the basic embodiment described in §1, and has a disk-shaped piezoelectric element provided with an annular groove on the lower surface. Is. However, its polarization characteristic is different from that of the piezoelectric element 10. Piezoelectric element 10
Was a device in which all parts had the type polarization characteristics as described above. On the other hand, the piezoelectric element 25
As shown in FIG. 19, each region corresponding to the eight upper electrodes A1 to A8 has a polarization characteristic of either type or type. That is, the upper electrodes A1, A4, A
In the region of A5 and A6, the polarization characteristic of the type is shown,
In the regions of the upper electrodes A2, A3, A7, A8, type polarization characteristics are shown.

【００５１】このように、図１９に示すセンサは、圧電
素子１０の代わりに、局在的な分極処理を施した圧電素
子２５を用いたセンサであるが、このセンサにおいて、
各上部電極に発生する電荷の極性がどのように変わるか
を考えてみると、タイプの分極特性をもった領域に形
成されている上部電極に発生する電荷の極性が前述のセ
ンサとは逆になることがわかる。すなわち、図９に示す
表のうち、上部電極Ａ２，Ａ３，Ａ７，Ａ８に関する極
性が反転することになり、図２０に示す表のような結果
が得られることになる（表中、上部電極の名前の上に付
されたバーは、その上部電極の極性が逆転していること
を示す）。ここで注目すべき点は、表中太線で囲った部
分である。これらの部分は、力Ｆｘの検出、力Ｆｙの検
出、力Ｆｚの検出に関与する部分であるが、いずれも上
部電極に発生する電荷の極性は「＋」となっている。こ
のため、各上部電極に対して、図２１に示すような配線
を施しておけば、力Ｆｘ，Ｆｙ，Ｆｚの検出値を、それ
ぞれ端子Ｔｘｘ，Ｔｙｙ，Ｔｚｚにそのまま得ることが
できるようになる。別言すれば、図１０に示したような
演算器は一切不要になる。As described above, the sensor shown in FIG. 19 is a sensor that uses the piezoelectric element 25 that has been subjected to the localized polarization process, instead of the piezoelectric element 10. In this sensor,
Considering how the polarity of the charge generated in each upper electrode changes, the polarity of the charge generated in the upper electrode formed in the region having the type polarization characteristic is opposite to that of the sensor described above. You can see. That is, in the table shown in FIG. 9, the polarities of the upper electrodes A2, A3, A7, and A8 are inverted, and the results shown in the table of FIG. 20 are obtained (in the table, The bar above the name indicates that the polarity of its top electrode has been reversed). The point to be noted here is the part surrounded by a thick line in the table. These portions are involved in the detection of the force Fx, the detection of the force Fy, and the detection of the force Fz, and the polarity of the charge generated in the upper electrode is “+” in all of them. Therefore, if wiring is provided for each upper electrode as shown in FIG. 21, the detected values of the forces Fx, Fy, Fz can be obtained as they are at the terminals Txx, Tyy, Tzz, respectively. . In other words, the arithmetic unit shown in FIG. 10 is not necessary at all.

【００５２】図２１に示す配線において、下部電極Ｂは
もともと単一の共通電極であるため、特に外部における
配線を行う必要はない。また、上部電極Ａ１〜Ａ８につ
いては、圧電素子２５の上面に導電パターンを形成して
おけば、相互の配線は非常に簡単になる。In the wiring shown in FIG. 21, since the lower electrode B is originally a single common electrode, it is not necessary to perform external wiring. Further, regarding the upper electrodes A1 to A8, if a conductive pattern is formed on the upper surface of the piezoelectric element 25, mutual wiring becomes very simple.

【００５３】以上のように、圧電素子に異なる分極処理
を行うことにより、各電極に対する配線を単純化するこ
とができるようになる。一般論としては、作用した加速
度のＸ軸方向成分を検出するための上部電極が形成され
た圧電素子の部分については、原点に関して反対側に配
置された部分とは逆の分極特性が得られるように、作用
した加速度のＹ軸方向成分を検出するための上部電極が
形成された圧電素子の部分については、原点に関して反
対側に配置された部分とは逆の分極特性が得られるよう
に、作用した加速度のＺ軸方向成分を検出するための上
部電極が形成された圧電素子の部分については、原点に
関して反対側に配置された部分と同じ分極特性が得られ
るように、それぞれ圧電素子の各部分に対して所定の分
極処理を行うようにすれば、配線を単純化することがで
きる。As described above, by performing different polarization treatments on the piezoelectric element, the wiring for each electrode can be simplified. As a general theory, regarding the portion of the piezoelectric element on which the upper electrode for detecting the component of the acting acceleration in the X-axis direction is formed, the polarization characteristic opposite to that of the portion arranged on the opposite side with respect to the origin is obtained. In addition, regarding the portion of the piezoelectric element in which the upper electrode for detecting the Y-axis direction component of the applied acceleration is formed, it is possible to obtain a polarization characteristic opposite to that of the portion arranged on the opposite side with respect to the origin. Regarding the portion of the piezoelectric element in which the upper electrode for detecting the Z-axis direction component of the acceleration is formed, each portion of the piezoelectric element is obtained so that the same polarization characteristic as that of the portion arranged on the opposite side with respect to the origin can be obtained. The wiring can be simplified by performing a predetermined polarization process on the.

【００５４】§６． 自己診断機能の付加 図２２に上面を示す加速度センサは、§１で述べた加速
度センサに、更に自己診断機能を付加したセンサであ
る。§１で述べた加速度センサとの相違は、上部電極Ａ
１〜Ａ８の他に、４組の自己診断用電極Ｅ１〜Ｅ４を設
けた点である。この自己診断用電極Ｅ１〜Ｅ４を設ける
ために、上部電極Ａ１〜Ａ４は部分的に欠けた形状とな
っている。新たに設けられた自己診断用電極Ｅ１〜Ｅ４
は、構造的には上部電極Ａ１〜Ａ８と全く同じであり、
圧電素子１０の上面に形成された電極層である。ただ、
上部電極Ａ１〜Ａ８が、圧電素子１０の部分的な伸縮に
より発生する電荷を検出するために用いられるのに対
し、自己診断用電極Ｅ１〜Ｅ４は、下部電極Ｂとの間に
所定の電圧を印加することにより圧電素子１０に部分的
な伸縮を起こさせるために用いられる。このように上部
電極と自己診断用電極とは用途に違いがあるだけで、構
造は両者まったく同じである。 §6. Addition of Self-Diagnosis Function The acceleration sensor whose top surface is shown in FIG. 22 is a sensor in which a self-diagnosis function is added to the acceleration sensor described in §1. The difference from the acceleration sensor described in §1 is that the upper electrode A
In addition to 1 to A8, four sets of self-diagnosis electrodes E1 to E4 are provided. In order to provide the self-diagnosis electrodes E1 to E4, the upper electrodes A1 to A4 are partially cut off. Newly provided self-diagnosis electrodes E1 to E4
Is structurally the same as the upper electrodes A1 to A8,
It is an electrode layer formed on the upper surface of the piezoelectric element 10. However,
The upper electrodes A1 to A8 are used to detect electric charges generated by the partial expansion and contraction of the piezoelectric element 10, while the self-diagnosis electrodes E1 to E4 have a predetermined voltage between them and the lower electrode B. It is used to cause the piezoelectric element 10 to partially expand and contract when applied. In this way, the upper electrode and the self-diagnosis electrode are different in use, and both have exactly the same structure.

【００５５】たとえば、自己診断用電極Ｅ１と下部電極
Ｂとの間に、自己診断用電極Ｅ１側が正になるように電
圧を印加すれば、図６(a) に示すように、圧電素子１０
のこの部分は横方向に伸びることになる。このとき同時
に、自己診断用電極Ｅ２と下部電極Ｂとの間に、自己診
断用電極Ｅ２側が負になるように電圧を印加すれば、図
６(b) に示すように、圧電素子１０のこの部分は横方向
に縮むことになる。このような伸縮が生じると、圧電素
子１０全体としては、ちょうど図７に示す変位状態と同
様の撓みを生じることになる。これは、外力Ｆｘ（Ｘ軸
方向の加速度）が作用した状態と等価である。すなわ
ち、実際には加速度が作用していないにもかかわらず、
所定の自己診断用電極に所定の電圧を印加することによ
り、Ｘ軸方向の加速度が作用したのと等価な変位を誘発
させたことになる。そこで、この状態において、上部電
極Ａ１，Ａ２に発生した電荷に基づく検出出力を調べ、
Ｘ軸方向の加速度が作用したときと等価な出力が得られ
ているか否かを調べれば、Ｘ軸方向の加速度検出系につ
いての自己診断を行うことができる。For example, if a voltage is applied between the self-diagnosis electrode E1 and the lower electrode B so that the self-diagnosis electrode E1 side becomes positive, as shown in FIG.
This part of the will extend laterally. At this time, at the same time, if a voltage is applied between the self-diagnosis electrode E2 and the lower electrode B so that the self-diagnosis electrode E2 side becomes negative, as shown in FIG. The part will shrink laterally. When such expansion and contraction occur, the piezoelectric element 10 as a whole will bend just like the displaced state shown in FIG. This is equivalent to a state in which the external force Fx (acceleration in the X-axis direction) acts. That is, although the acceleration is not actually acting,
By applying a predetermined voltage to a predetermined self-diagnosis electrode, a displacement equivalent to that when acceleration in the X-axis direction acts is induced. Therefore, in this state, the detection output based on the charges generated in the upper electrodes A1 and A2 is examined,
By examining whether or not an output equivalent to that when the acceleration in the X-axis direction acts is obtained, it is possible to perform self-diagnosis on the acceleration detection system in the X-axis direction.

【００５６】同様に、自己診断用電極Ｅ３，Ｅ４に所定
の電圧を印加することにより、外力Ｆｙ（Ｙ軸方向の加
速度）が作用したのと等価な変位を誘発させることがで
きる。そこで、この状態において、上部電極Ａ３，Ａ４
に発生した電荷に基づく検出出力を調べ、Ｙ軸方向の加
速度が作用したときと等価な出力が得られているか否か
を調べれば、Ｙ軸方向の加速度検出系についての自己診
断を行うことができる。Similarly, by applying a predetermined voltage to the self-diagnosis electrodes E3 and E4, it is possible to induce a displacement equivalent to that exerted by the external force Fy (acceleration in the Y-axis direction). Therefore, in this state, the upper electrodes A3 and A4 are
The self-diagnosis of the acceleration detection system in the Y-axis direction can be performed by checking the detection output based on the generated electric charge and checking whether or not the output equivalent to that when the acceleration in the Y-axis direction acts is obtained. it can.

【００５７】また、自己診断用電極Ｅ１〜Ｅ４に所定の
電圧を印加することにより、外力Ｆｚ（Ｚ軸方向の加速
度）が作用したのと等価な変位を誘発させることもでき
る。すなわち、自己診断用電極Ｅ１，Ｅ２と下部電極Ｂ
との間に、自己診断用電極Ｅ１，Ｅ２側が負になるよう
に電圧を印加すれば、図６(b) に示すように、圧電素子
１０のこの部分は横方向に縮むことになる。このとき同
時に、自己診断用電極Ｅ３，Ｅ４と下部電極Ｂとの間
に、自己診断用電極Ｅ３，Ｅ４側が正になるように電圧
を印加すれば、図６(a) に示すように、圧電素子１０の
この部分は横方向に伸びることになる。このような伸縮
が生じると、圧電素子１０全体としては、ちょうど図８
に示す変位状態と同様の撓みが生じ、外力Ｆｚ（Ｚ軸方
向の加速度）が作用したのと等価な変位状態になる。そ
こで、この状態において、上部電極Ａ５〜Ａ８による検
出出力を調べ、Ｚ軸方向の加速度が作用したときと等価
な出力が得られているか否かを調べれば、Ｚ軸方向の加
速度検出系についての自己診断を行うことができる。By applying a predetermined voltage to the self-diagnosis electrodes E1 to E4, it is possible to induce a displacement equivalent to that exerted by the external force Fz (acceleration in the Z-axis direction). That is, the self-diagnosis electrodes E1 and E2 and the lower electrode B
If a voltage is applied so that the self-diagnosis electrodes E1 and E2 become negative during this period, this portion of the piezoelectric element 10 contracts in the lateral direction, as shown in FIG. 6 (b). At this time, at the same time, if a voltage is applied between the self-diagnosis electrodes E3, E4 and the lower electrode B so that the self-diagnosis electrodes E3, E4 side become positive, as shown in FIG. This portion of element 10 will extend laterally. When such expansion and contraction occur, the piezoelectric element 10 as a whole is just as shown in FIG.
Bending similar to the displacement state shown in (3) occurs, and the displacement state is equivalent to that when an external force Fz (acceleration in the Z-axis direction) acts. Therefore, in this state, the detection output by the upper electrodes A5 to A8 is checked to see if an output equivalent to that when acceleration in the Z-axis direction acts is obtained. Can perform self-diagnosis.

【００５８】§７． 本発明に係る角速度センサ 上述した本発明に係る加速度センサは、多軸角速度セン
サに応用することができる。ここでは、はじめに、多軸
角速度センサの基本となる一軸の角速度センサによる角
速度の検出原理を簡単に説明しておく。図２３は、雑誌
「発明（THE INVENTION)」、vol.90，No.3（１９９３
年）の６０頁に開示されている角速度センサの基本原理
を示す図である。いま、角柱状の振動子１１０を用意
し、図示するような方向にＸ，Ｙ，Ｚ軸を定義したＸＹ
Ｚ三次元座標系を考える。このような系において、振動
子１１０がＺ軸を回転軸として角速度ωで回転運動を行
っている場合、次のような現象が生じることが知られて
いる。すなわち、この振動子１１０をＸ軸方向に往復運
動させるような振動Ｕを与えると、Ｙ軸方向にコリオリ
力Ｆが発生する。別言すれば、振動子１１０を図のＸ軸
に沿って振動させた状態で、この振動子１１０をＺ軸を
中心軸として回転させると、Ｙ軸方向にコリオリ力Ｆが
生じることになる。この現象は、フーコーの振り子とし
て古くから知られている力学現象であり、発生するコリ
オリ力Ｆは、 Ｆ＝２ｍ・ｖ・ω で表される。ここで、ｍは振動子１１０の質量、ｖは振
動子１１０の振動についての瞬時の速度、ωは振動子１
１０の瞬時の角速度である。 §7. Angular velocity sensor according to the present invention The acceleration sensor according to the present invention described above can be applied to a multi-axis angular velocity sensor. Here, first, the principle of detecting the angular velocity by the uniaxial angular velocity sensor, which is the basis of the multi-axis angular velocity sensor, will be briefly described. FIG. 23 shows the magazine "THE INVENTION", vol.90, No.3 (1993).
It is a figure which shows the basic principle of the angular velocity sensor disclosed on page 60 of (Year). Now, a prismatic vibrator 110 is prepared, and X, Y, and Z axes are defined in the directions shown in the drawing.
Consider a Z three-dimensional coordinate system. In such a system, it is known that the following phenomenon occurs when the oscillator 110 makes a rotational motion at an angular velocity ω with the Z axis as the axis of rotation. That is, when a vibration U that causes the oscillator 110 to reciprocate in the X axis direction is applied, a Coriolis force F is generated in the Y axis direction. In other words, when the vibrator 110 is rotated about the Z axis in a state where the vibrator 110 is vibrated along the X axis in the figure, a Coriolis force F is generated in the Y axis direction. This phenomenon is a mechanical phenomenon that has long been known as a Foucault pendulum, and the generated Coriolis force F is represented by F = 2m · v · ω. Here, m is the mass of the vibrator 110, v is the instantaneous speed of the vibration of the vibrator 110, and ω is the vibrator 1
10 instantaneous angular velocities.

【００５９】前述の雑誌に開示された一軸の角速度セン
サは、この現象を利用して角速度ωを検出するものであ
る。すなわち、図２３に示すように、角柱状の振動子１
１０の第１の面には第１の圧電素子１１１が、この第１
の面と直交する第２の面には第２の圧電素子１１２が、
それぞれ取り付けられる。圧電素子１１１，１１２とし
ては、ピエゾエレクトリックセラミックからなる板状の
素子が用いられている。そして、振動子１１０に対して
振動Ｕを与えるために圧電素子１１１が利用され、発生
したコリオリ力Ｆを検出するために圧電素子１１２が利
用される。すなわち、圧電素子１１１に交流電圧を与え
ると、この圧電素子１１１は伸縮運動を繰り返しＸ軸方
向に振動する。この振動Ｕが振動子１１０に伝達され、
振動子１１０がＸ軸方向に振動することになる。このよ
うに、振動子１１０に振動Ｕを与えた状態で、振動子１
１０自身がＺ軸を中心軸として角速度ωで回転すると、
上述した現象により、Ｙ軸方向にコリオリ力Ｆが発生す
る。このコリオリ力Ｆは、圧電素子１１２の厚み方向に
作用するため、圧電素子１１２の両面にはコリオリ力Ｆ
に比例した電圧Ｖが発生する。そこで、この電圧Ｖを測
定することにより、角速度ωを検出することが可能にな
る。The uniaxial angular velocity sensor disclosed in the aforementioned magazine utilizes this phenomenon to detect the angular velocity ω. That is, as shown in FIG. 23, the prismatic vibrator 1
A first piezoelectric element 111 is provided on the first surface of
The second piezoelectric element 112 is provided on the second surface orthogonal to the surface of
Each can be attached. As the piezoelectric elements 111 and 112, plate-shaped elements made of piezo electric ceramic are used. The piezoelectric element 111 is used to apply the vibration U to the vibrator 110, and the piezoelectric element 112 is used to detect the generated Coriolis force F. That is, when an AC voltage is applied to the piezoelectric element 111, the piezoelectric element 111 repeatedly expands and contracts and vibrates in the X-axis direction. This vibration U is transmitted to the vibrator 110,
The vibrator 110 vibrates in the X-axis direction. As described above, in the state where the vibration U is applied to the vibrator 110, the vibrator 1
When 10 itself rotates about the Z axis at the angular velocity ω,
Due to the phenomenon described above, the Coriolis force F is generated in the Y-axis direction. Since this Coriolis force F acts in the thickness direction of the piezoelectric element 112, the Coriolis force F acts on both sides of the piezoelectric element 112.
A voltage V proportional to is generated. Therefore, by measuring this voltage V, the angular velocity ω can be detected.

【００６０】上述した従来の角速度センサは、Ｚ軸まわ
りの角速度を検出するためのものであり、Ｘ軸あるいは
Ｙ軸まわりの角速度の検出を行うことはできない。ここ
で述べる本発明に係る角速度センサでは、図２４に示す
ように、所定の物体１２０について、ＸＹＺ三次元座標
系におけるＸ軸まわりの角速度ωｘ、Ｙ軸まわりの角速
度ωｙ、Ｚ軸まわりの角速度ωｚ、のそれぞれを別個独
立して検出することができる。その基本原理を、図２５
〜図２７を参照して説明する。いま、ＸＹＺ三次元座標
系の原点位置に振動子１３０が置かれているものとす
る。この振動子１３０のＸ軸まわりの角速度ωｘを検出
するには、図２５に示すように、この振動子１３０にＺ
軸方向の振動Ｕｚを与えたときに、Ｙ軸方向に発生する
コリオリ力Ｆｙを測定すればよい。コリオリ力Ｆｙは角
速度ωｘに比例した値となる。また、この振動子１３０
のＹ軸まわりの角速度ωｙを検出するには、図２６に示
すように、この振動子１３０にＸ軸方向の振動Ｕｘを与
えたときに、Ｚ軸方向に発生するコリオリ力Ｆｚを測定
すればよい。コリオリ力Ｆｚは角速度ωｙに比例した値
となる。更に、この振動子１３０のＺ軸まわりの角速度
ωｚを検出するには、図２７に示すように、この振動子
１３０にＹ軸方向の振動Ｕｙを与えたときに、Ｘ軸方向
に発生するコリオリ力Ｆｘを測定すればよい。コリオリ
力Ｆｘは角速度ωｚに比例した値となる。The above-mentioned conventional angular velocity sensor is for detecting the angular velocity around the Z-axis, and cannot detect the angular velocity around the X-axis or the Y-axis. In the angular velocity sensor according to the present invention described here, as shown in FIG. 24, for a predetermined object 120, the angular velocity ωx around the X axis, the angular velocity ωy around the Y axis, and the angular velocity ωz around the Z axis in the XYZ three-dimensional coordinate system. , Can be detected independently of each other. The basic principle is shown in FIG.
~ It demonstrates with reference to FIG. Now, it is assumed that the vibrator 130 is placed at the origin position of the XYZ three-dimensional coordinate system. To detect the angular velocity ωx of the vibrator 130 about the X axis, as shown in FIG.
The Coriolis force Fy generated in the Y-axis direction may be measured when the vibration Uz in the axial direction is applied. The Coriolis force Fy has a value proportional to the angular velocity ωx. In addition, this oscillator 130
In order to detect the angular velocity ωy about the Y axis, as shown in FIG. 26, when the vibration Ux in the X axis direction is applied to the vibrator 130, the Coriolis force Fz generated in the Z axis direction is measured. Good. The Coriolis force Fz has a value proportional to the angular velocity ωy. Further, in order to detect the angular velocity ωz about the Z axis of the vibrator 130, as shown in FIG. 27, when vibration Yy in the Y axis direction is applied to the vibrator 130, Coriolis that occurs in the X axis direction is generated. The force Fx may be measured. The Coriolis force Fx has a value proportional to the angular velocity ωz.

【００６１】結局、ＸＹＺ三次元座標系における各軸ご
との角速度を検出するには、振動子１３０をＸ軸方向に
振動させる機構、Ｙ軸方向に振動させる機構、Ｚ軸方向
に振動させる機構、のそれぞれと、振動子１３０に作用
するＸ軸方向のコリオリ力Ｆｘを検出する機構、Ｙ軸方
向のコリオリ力Ｆｙを検出する機構、Ｚ軸方向のコリオ
リ力Ｆｚを検出する機構、のそれぞれとが必要になる。After all, in order to detect the angular velocity of each axis in the XYZ three-dimensional coordinate system, a mechanism for vibrating the vibrator 130 in the X-axis direction, a mechanism for vibrating it in the Y-axis direction, a mechanism for vibrating it in the Z-axis direction, And a mechanism that detects the Coriolis force Fx in the X-axis direction acting on the vibrator 130, a mechanism that detects the Coriolis force Fy in the Y-axis direction, and a mechanism that detects the Coriolis force Fz in the Z-axis direction. You will need it.

【００６２】そこで、図２２に示した自己診断機能を備
えたセンサを考える。このセンサは前述したように、周
囲部１３を筐体に固定した状態において、自己診断用電
極Ｅ１〜Ｅ４に所定の電圧を印加することにより、中心
部１１に対して、Ｘ軸方向の力Ｆｘが作用したのと等価
な変位状態、Ｙ軸方向の力Ｆｙが作用したのと等価な変
位状態、Ｚ軸方向の力Ｆｚが作用したのと等価な変位状
態、を疑似的に作り出すことができる。もちろん、印加
電圧の極性を反転させれば、−Ｘ軸方向の力−Ｆｘが作
用したのと等価な変位状態、−Ｙ軸方向の力−Ｆｙが作
用したのと等価な変位状態、−Ｚ軸方向の力−Ｆｚが作
用したのと等価な変位状態、も疑似的に作り出すことが
できる。この機能を利用すれば、中心部１１をＸ，Ｙ，
Ｚのいずれの方向にも振動させることができる。たとえ
ば、Ｘ軸方向の力Ｆｘが作用したのと等価な変位状態
と、−Ｘ軸方向の力−Ｆｘが作用したのと等価な変位状
態と、を交互に作り出せば、中心部１１はＸ軸方向に振
動することになる。具体的には、下部電極Ｂを基準電位
として、自己診断用電極Ｅ１とＥ２とに逆位相の交流電
圧を印加すればよい（電極Ｅ１の形成部分と電極Ｅ２の
形成部分とにおいて、圧電素子の分極処理を逆にしてお
けば、同位相の交流電圧を印加すればよい。）。自己診
断用電極Ｅ１に正の電圧が印加され、自己診断用電極Ｅ
２に負の電圧が印加されれば、中心部１１にはＸ軸の正
方向への変位が生じる（図７において、上部電極Ａ１を
自己診断用電極Ｅ１と読み替え、上部電極Ａ２を自己診
断用電極Ｅ２と読み替えれば、この変位状態を示すこと
になる）。印加電圧が交流であるから、次の半周期で
は、上述した各電極に加える電圧の極性は反転し、中心
部１１にはＸ軸の負方向への変位が生じる。こうして、
中心部１１はＸ軸の正負の方向に往復運動して振動を生
じるのである。同様に、所定の自己診断用電極に所定の
交流電圧を印加すれば、中心部１１をＹ軸方向に振動さ
せることもできるし、Ｚ軸方向に振動させることもでき
る。すなわち、このセンサを角速度センサとして用いる
場合、各自己診断用電極Ｅ１〜Ｅ４は、励振用上部電極
として機能することになる。Therefore, consider the sensor having the self-diagnosis function shown in FIG. As described above, this sensor applies a predetermined voltage to the self-diagnosis electrodes E1 to E4 in a state in which the peripheral portion 13 is fixed to the housing, so that the force Fx in the X-axis direction is applied to the central portion 11 with respect to the central portion 11. It is possible to artificially create a displacement state equivalent to the action of, a displacement state equivalent to the force Fy in the Y-axis direction, and a displacement state equivalent to the force Fz in the Z-axis direction. . Of course, if the polarity of the applied voltage is reversed, the displacement state equivalent to the force −Fx in the −X axis direction, the displacement state equivalent to the force −Fy in the −Y axis direction, −Z A displacement state equivalent to the action of the axial force −Fz can also be artificially created. If this function is used, the center part 11 is moved to X, Y,
It can be vibrated in either direction of Z. For example, if a displacement state equivalent to the force Fx acting in the X-axis direction and a displacement state equivalent to the force −Fx acting in the −X-axis direction are created alternately, the center portion 11 will move to the X-axis. It will vibrate in the direction. Specifically, an AC voltage of opposite phase may be applied to the self-diagnosis electrodes E1 and E2 with the lower electrode B as a reference potential (in the formation portion of the electrode E1 and the formation portion of the electrode E2, the piezoelectric element If the polarization process is reversed, the AC voltage of the same phase should be applied.) When a positive voltage is applied to the self-diagnosis electrode E1, the self-diagnosis electrode E1
When a negative voltage is applied to 2, the center portion 11 is displaced in the positive direction of the X axis (in FIG. 7, the upper electrode A1 is replaced with the self-diagnosis electrode E1 and the upper electrode A2 is used for self-diagnosis). This displacement state is indicated if read as the electrode E2). Since the applied voltage is alternating current, in the next half cycle, the polarities of the voltages applied to the electrodes described above are reversed, and the central portion 11 is displaced in the negative direction of the X axis. Thus
The central portion 11 reciprocates in the positive and negative directions of the X axis to generate vibration. Similarly, when a predetermined AC voltage is applied to a predetermined self-diagnosis electrode, the central portion 11 can be made to vibrate in the Y-axis direction or the Z-axis direction. That is, when this sensor is used as the angular velocity sensor, the self-diagnosis electrodes E1 to E4 function as the excitation upper electrodes.

【００６３】一方、この図２２に示した自己診断機能を
備えたセンサは、上部電極Ａ１〜Ａ８を用いて、中心部
１１に作用した力Ｆｘ，Ｆｙ，Ｆｚをそれぞれ別個独立
に検出することができる。すなわち、上部電極Ｅ１〜Ｅ
４が励振用上部電極として機能したのに対し、上部電極
Ａ１〜Ａ８は検出用上部電極として機能することにな
る。結局、このセンサは、励振用上部電極Ｅ１〜Ｅ４に
よって、中心部１１をＸ，Ｙ，Ｚ軸の任意の軸方向に振
動させる機能を有するとともに、検出用上部電極Ａ１〜
Ａ８によって、中心部１１に作用したＸ，Ｙ，Ｚ軸方向
の力を別個独立して検出する機能を有する。このような
機能を組み合わせて用いれば、このセンサを角速度セン
サとして利用することができる。これは、図２５〜図２
７に示した検出原理を用いればよい。たとえば、Ｘ軸ま
わりの角速度ωｘを検出するには、図２５に示すよう
に、中心部１１（振動子１３０に相当）にＺ軸方向の振
動Ｕｚを与え、Ｙ軸方向に発生するコリオリ力Ｆｙを測
定すればよい。コリオリ力Ｆｙは角速度ωｘに比例した
値となる。また、Ｙ軸まわりの角速度ωｙを検出するに
は、図２６に示すように、中心部１１にＸ軸方向の振動
Ｕｘを与え、Ｚ軸方向に発生するコリオリ力Ｆｚを測定
すればよい。コリオリ力Ｆｚは角速度ωｙに比例した値
となる。更に、Ｚ軸まわりの角速度ωｚを検出するに
は、図２７に示すように、中心部１１にＹ軸方向の振動
Ｕｙを与え、Ｘ軸方向に発生するコリオリ力Ｆｘを測定
すればよい。コリオリ力Ｆｘは角速度ωｚに比例した値
となる。なお、振動の周期は振幅が大きくとれる共振周
波数にするのがよい。On the other hand, the sensor having the self-diagnosis function shown in FIG. 22 can detect the forces Fx, Fy, Fz acting on the central portion 11 separately and independently by using the upper electrodes A1 to A8. it can. That is, the upper electrodes E1 to E
4 functions as the excitation upper electrode, while the upper electrodes A1 to A8 function as the detection upper electrode. After all, this sensor has a function of vibrating the central portion 11 in arbitrary X, Y, and Z-axis directions by the excitation upper electrodes E1 to E4, and at the same time, the detection upper electrodes A1 to A4.
A8 has a function of individually and independently detecting the forces acting on the central portion 11 in the X, Y, and Z axis directions. If these functions are used in combination, this sensor can be used as an angular velocity sensor. This is shown in FIGS.
The detection principle shown in 7 may be used. For example, in order to detect the angular velocity ωx about the X axis, as shown in FIG. 25, a vibration Uz in the Z axis direction is applied to the central portion 11 (corresponding to the vibrator 130), and the Coriolis force Fy generated in the Y axis direction is generated. Should be measured. The Coriolis force Fy has a value proportional to the angular velocity ωx. Further, in order to detect the angular velocity ωy about the Y axis, as shown in FIG. 26, vibration Ux in the X axis direction is applied to the central portion 11 and the Coriolis force Fz generated in the Z axis direction may be measured. The Coriolis force Fz has a value proportional to the angular velocity ωy. Further, in order to detect the angular velocity ωz about the Z axis, as shown in FIG. 27, vibration Uy in the Y axis direction is applied to the central portion 11 and the Coriolis force Fx generated in the X axis direction may be measured. The Coriolis force Fx has a value proportional to the angular velocity ωz. In addition, it is preferable that the cycle of vibration is a resonance frequency that allows a large amplitude.

【００６４】また、上述の実施例では、圧電素子１０の
周囲部１３を筐体に固定し、中心部１１を振動子１３０
として用いているが、逆に、圧電素子１０の中心部１１
を筐体に固定し、周囲部１３を振動子１３０として用い
ることも可能である。それから、上述の実施例は、３軸
方向の振動を発生させて３軸まわりの角速度を検出した
が、必ずしも３軸方向の振動は必要ではない。たとえ
ば、 Ｚ軸方向の振動Ｕｚを発生させた状態で、Ｙ軸方向の
コリオリ力Ｆｙを測定し、Ｘ軸まわりの角速度ωｘを検
出し、 Ｚ軸方向の振動Ｕｚを発生させた状態で、Ｘ軸方向の
コリオリ力Ｆｘを測定し、Ｙ軸まわりの角速度ωｙを検
出し、 Ｙ軸方向の振動Ｕｙを発生させた状態で、Ｘ軸方向の
コリオリ力Ｆｘを測定し、Ｚ軸まわりの角速度ωｚを検
出する、という方法をとれば、振動はＺ軸方向とＹ軸方
向との２軸方向だけで、３軸まわりの角速度すべてを検
出することが可能である。この他にも種々の組合わせが
考えられる。このように本発明に係るセンサを用いれ
ば、単一のセンサによって３軸まわりの角速度すべてを
検出することが可能である。Further, in the above-described embodiment, the peripheral portion 13 of the piezoelectric element 10 is fixed to the housing, and the central portion 11 is fixed to the vibrator 130.
However, conversely, the central portion 11 of the piezoelectric element 10 is used.
It is also possible to fix the to the housing and use the peripheral portion 13 as the vibrator 130. Then, in the above-described embodiment, the vibrations in the three-axis directions are generated and the angular velocities around the three axes are detected, but the vibrations in the three-axis directions are not always necessary. For example, in the state where the vibration Uz in the Z-axis direction is generated, the Coriolis force Fy in the Y-axis direction is measured, the angular velocity ωx around the X-axis is detected, and the vibration Uz in the Z-axis direction is generated. The Coriolis force Fx in the axial direction is measured, the angular velocity ωy around the Y axis is detected, and the Coriolis force Fx in the X axis direction is measured while the vibration Uy in the Y axis direction is generated, and the angular velocity ωz around the Z axis. The vibration can be detected only in the biaxial directions of the Z-axis direction and the Y-axis direction, and it is possible to detect all the angular velocities around the three axes. In addition to this, various combinations are possible. As described above, by using the sensor according to the present invention, it is possible to detect all angular velocities around the three axes with a single sensor.

【００６５】§８． 下部電極を厚く形成して検出感度
を向上させた実施例 これまで、本発明に係る加速度センサおよび角速度セン
サを、いくつかの実施例について述べてきた。これらの
センサでは、周囲部１３を筐体に固定し、中心部１１を
錘り（振動子）として用いて加速度や角速度の検出を行
うか、逆に、中心部１１を筐体に固定し、周囲部１３を
錘り（振動子）として用いて加速度や角速度の検出を行
うことになる。したがって、錘り（振動子）として機能
する中心部１１や周囲部１３の質量を大きくすると、検
出感度を向上させることができる。 §8. Thick bottom electrode for detection sensitivity
Examples in which the acceleration sensor and the angular velocity sensor according to the present invention have been described above with reference to several embodiments. In these sensors, the peripheral portion 13 is fixed to the housing and the central portion 11 is used as a weight (vibrator) to detect acceleration or angular velocity, or conversely, the central portion 11 is fixed to the housing. The peripheral portion 13 is used as a weight (vibrator) to detect acceleration and angular velocity. Therefore, the detection sensitivity can be improved by increasing the mass of the central portion 11 or the peripheral portion 13 that functions as a weight (vibrator).

【００６６】図２８に側断面図を示す実施例は、§１で
述べた実施例とほぼ同じ加速度センサであるが、下部電
極Ｂを金属により形成し、しかも、その厚みをかなり厚
く形成してある。このように、金属からなる下部電極Ｂ
を厚くすると、かなり質量が大きくなり、下部電極Ｂ自
身を錘り（振動子）として機能させることができる。た
とえば、周囲部１３を筐体に固定し、中心部１１を錘り
として用いた場合、中心部１１の下面に形成された下部
電極の部分Ｂ１の厚みを厚くしておけば、部分Ｂ１が中
心部１１とともに錘りとしての機能を果たすことにな
る。逆に、中心部１１を筐体に固定し、周囲部１３を錘
りとして用いた場合、周囲部１３の下面に形成された下
部電極の部分Ｂ３の厚みを厚くしておけば、部分Ｂ３が
周囲部１３とともに錘りとしての機能を果たすことにな
る。一般に、圧電素子材料よりも金属の方が比重が大き
いため、このように、金属からなる下部電極Ｂ自身を錘
りとして機能させると、検出感度を向上させる上では非
常に効果的である。The embodiment shown in the side sectional view in FIG. 28 is an acceleration sensor which is almost the same as the embodiment described in §1 except that the lower electrode B is made of metal and the thickness thereof is made considerably thick. is there. Thus, the lower electrode B made of metal
If the thickness is increased, the mass becomes considerably large, and the lower electrode B itself can function as a weight (vibrator). For example, when the peripheral portion 13 is fixed to the housing and the central portion 11 is used as a weight, if the thickness of the lower electrode portion B1 formed on the lower surface of the central portion 11 is increased, the central portion B1 becomes the central portion. Together with the portion 11, it functions as a weight. On the contrary, when the central portion 11 is fixed to the housing and the peripheral portion 13 is used as a weight, if the thickness of the lower electrode portion B3 formed on the lower surface of the peripheral portion 13 is increased, the portion B3 will be reduced. It functions as a weight together with the peripheral portion 13. In general, a metal has a larger specific gravity than a piezoelectric element material, and thus the lower electrode B itself made of a metal to function as a weight is very effective in improving the detection sensitivity.

【００６７】この図２８に示すような構造は、比較的単
純なプロセスで製造することが可能である。まず、下面
に環状溝をもった圧電素子１０を作成する。これは、型
を用いた一般的な成型法により行うことができる。続い
て、この圧電素子１０の下面に対して、メッキ法、蒸着
法、スパッタ法などの成膜法を用いて、金属膜を成長さ
せるのである。これにより、圧電素子１０の下面全体に
下部電極Ｂを形成することができる。錘りとして機能す
るのに十分な質量をもった厚みの金属膜が形成できれ
ば、下部電極Ｂの形成工程は完了である。一方、圧電素
子１０の上面には、上部電極Ａ１〜Ａ８を蒸着や印刷な
どの方法で形成すればよい。上部電極Ａ１〜Ａ８は、錘
りとして機能する必要はないので、電極としての機能に
必要な厚みだけあればよい。この実施例のセンサの具体
的な寸法を一例として挙げておくと、直径Ｄ＝１ｃｍ、
圧電素子１０の厚みｄ１＝０．３ｍｍ、下部電極Ｂの厚
みｄ２＝０．３ｍｍ、上部電極Ａ１〜Ａ８の厚みｄ３＝
１０μｍ、可撓部１２の厚みｄ４＝０．１ｍｍ程度であ
る。もちろん、本発明は、これらの数値の開示によって
何ら限定を受けるものではない。The structure shown in FIG. 28 can be manufactured by a relatively simple process. First, the piezoelectric element 10 having an annular groove on the lower surface is prepared. This can be performed by a general molding method using a mold. Then, a metal film is grown on the lower surface of the piezoelectric element 10 by using a film forming method such as a plating method, a vapor deposition method, and a sputtering method. Thereby, the lower electrode B can be formed on the entire lower surface of the piezoelectric element 10. The formation process of the lower electrode B is completed when a metal film having a thickness sufficient to function as a weight can be formed. On the other hand, the upper electrodes A1 to A8 may be formed on the upper surface of the piezoelectric element 10 by a method such as vapor deposition or printing. Since the upper electrodes A1 to A8 do not need to function as weights, the upper electrodes A1 to A8 need only have a thickness necessary for functioning as electrodes. Taking the specific dimensions of the sensor of this embodiment as an example, the diameter D = 1 cm,
The piezoelectric element 10 has a thickness d1 = 0.3 mm, the lower electrode B has a thickness d2 = 0.3 mm, and the upper electrodes A1 to A8 have a thickness d3 =
The thickness is 10 μm and the thickness d4 of the flexible portion 12 is about 0.1 mm. Of course, the present invention is not limited by the disclosure of these numerical values.

【００６８】なお、この実施例のように、下部電極Ｂの
厚みをある程度厚くすると、センサ全体が破損しにくい
という付随的なメリットも得られる。一般に、圧電素子
材料は、もろくて破損しやすいが、ある程度の厚みをも
った金属からなる下部電極Ｂは、この圧電素子材料に対
する保護層として機能するのである。もっとも、環状溝
１５の内部に形成される下部電極Ｂの部分Ｂ２の厚みが
あまり厚くなり過ぎると、可撓部１２の可撓性を阻害す
ることになる。すなわち、上述したようなメッキ法、蒸
着法、スパッタ法などの成膜法を用いると、圧電素子１
０の下面にほぼ一様な厚みの金属層が得られるので、錘
りとして機能する部分Ｂ１や部分Ｂ３の厚みを厚くしよ
うとすると、環状溝１５の内部に形成される部分Ｂ２の
厚みも厚くなってしまい、可撓部１２の可撓性が阻害さ
れるのである。したがって、錘りとして必要な質量と、
可撓部１２の可撓性とのバランスを考慮して、下部電極
Ｂの厚みを最適な値に定めるようにするのが好ましい。
もっとも、錘りとして機能する部分Ｂ１や部分Ｂ３を形
成するプロセスと、電極として機能する部分Ｂ２を形成
するプロセスとを分ければ、前者のプロセスにおいては
厚い金属層を、後者のプロセスにおいては薄い金属層
を、それぞれ形成することができるので、可撓部１２の
可撓性を維持しつつ、十分な質量をもった錘りを形成す
ることができる。When the thickness of the lower electrode B is increased to some extent as in this embodiment, there is an additional merit that the entire sensor is less likely to be damaged. Generally, the piezoelectric element material is brittle and easily damaged, but the lower electrode B made of a metal having a certain thickness functions as a protective layer for the piezoelectric element material. However, if the thickness of the portion B2 of the lower electrode B formed inside the annular groove 15 becomes too thick, the flexibility of the flexible portion 12 is impaired. That is, when the film forming method such as the plating method, the vapor deposition method, and the sputtering method described above is used, the piezoelectric element 1
Since a metal layer having a substantially uniform thickness can be obtained on the lower surface of 0, if the thicknesses of the portions B1 and B3 functioning as weights are increased, the thickness of the portion B2 formed inside the annular groove 15 is also increased. Therefore, the flexibility of the flexible portion 12 is hindered. Therefore, the mass required for the weight,
It is preferable to set the thickness of the lower electrode B to an optimum value in consideration of the balance with the flexibility of the flexible portion 12.
However, if the process of forming the portions B1 and B3 functioning as a weight and the process of forming the portion B2 functioning as an electrode are separated, a thick metal layer is formed in the former process and a thin metal layer is formed in the latter process. Since the layers can be formed individually, the weight having a sufficient mass can be formed while maintaining the flexibility of the flexible portion 12.

【００６９】また、図２８に示す実施例では、後に筐体
内に収容したときの配線の便宜を考慮して、圧電素子１
０にスルーホール１７，１８を形成している。スルーホ
ール１７は、圧電素子１０の中心部１１に形成されてお
り、圧電素子１０の下面に形成された下部電極Ｂと上面
に形成された配線パターンＣ１とを電気的に接続する機
能を果たす。同様に、スルーホール１８は、圧電素子１
０の周囲部１３に形成されており、やはり圧電素子１０
の下面に形成された下部電極Ｂと上面に形成された配線
パターンＣ２とを電気的に接続する機能を果たす。周囲
部１３を筐体に固定して、中心部１１を錘り（あるいは
振動子）として用いる場合には、中心部１１は可動部分
となるので、スルーホール１８によって電気的な接続を
行うのが好ましく、逆に、中心部１１を筐体に固定し
て、周囲部１３を錘り（あるいは振動子）として用いる
場合には、周囲部１３は可動部分となるので、スルーホ
ール１７によって電気的な接続を行うのが好ましい。い
ずれにせよ、このスルーホール１７，１８によって、下
部電極Ｂは上面の配線パターンＣ１，Ｃ２に電気的に接
続されることになり、このセンサに対する配線は、すべ
て圧電素子１０の上面に対してのみ行えばよいことにな
る。Further, in the embodiment shown in FIG. 28, the piezoelectric element 1 is considered in consideration of the convenience of wiring when it is housed in the housing later.
Through holes 17 and 18 are formed at 0. The through hole 17 is formed in the central portion 11 of the piezoelectric element 10, and has a function of electrically connecting the lower electrode B formed on the lower surface of the piezoelectric element 10 to the wiring pattern C1 formed on the upper surface. Similarly, the through hole 18 serves as the piezoelectric element 1.
The piezoelectric element 10 is formed on the peripheral portion 13 of 0.
Has a function of electrically connecting the lower electrode B formed on the lower surface of the and the wiring pattern C2 formed on the upper surface. When the peripheral portion 13 is fixed to the housing and the central portion 11 is used as a weight (or a vibrator), the central portion 11 is a movable portion, so that it is preferable to make electrical connection by the through hole 18. On the contrary, when the central portion 11 is fixed to the housing and the peripheral portion 13 is used as a weight (or a vibrator), the peripheral portion 13 is a movable portion, and therefore, the through hole 17 serves as an electrical component. It is preferable to make the connection. In any case, the lower electrode B is electrically connected to the wiring patterns C1 and C2 on the upper surface by the through holes 17 and 18, and the wiring for this sensor is only for the upper surface of the piezoelectric element 10. It should be done.

【００７０】§９． 筐体内へ収容した実施例 最後に、これまで述べてきた加速度センサおよび角速度
センサを、センサ筐体内に収容した実施例を示してお
く。筐体内へ収容する場合、中心部１１を筐体に固定
し、周囲部１３を錘り（あるいは振動子）として用いる
方法と、逆に、周囲部１３を筐体に固定し、中心部１１
を錘り（あるいは振動子）として用いる方法と、がある
ことは既に述べたとおりである。図２９および図３０に
側断面図を示す実施例は前者の方法を採り、図３１およ
び図３２に側断面図を示す実施例は後者の方法を採った
ものである。なお、図が繁雑になるため、これらの側断
面図では、上部電極、配線パターン、スルーホールにつ
いては、図示を省略してある。 §9. Example in which the acceleration sensor and the angular velocity sensor described above are housed in a sensor case. In the case of accommodating in the housing, the central portion 11 is fixed to the housing, and the peripheral portion 13 is used as a weight (or a vibrator).
It has already been mentioned that there is a method of using as a weight (or a vibrator). The embodiment whose side sectional views are shown in FIGS. 29 and 30 adopts the former method, and the embodiment whose side sectional views are shown in FIG. 31 and FIG. 32 adopts the latter method. It should be noted that the upper electrodes, the wiring patterns, and the through holes are not shown in these side sectional views because the drawings are complicated.

【００７１】図２９に示す実施例では、筐体本体２１０
の底面中央の土台部分に、下部電極Ｂの中央部分Ｂ１が
固着されている。一方、周囲部１３および下部電極の周
囲部分Ｂ３の周囲には、変位可能な空間が保たれてお
り、錘り（あるいは振動子）として機能することができ
る。圧電素子１０の上面に形成された上部電極および配
線パターン（図示されていない）に対しては、リード部
Ｒ１，Ｒ２の内側部分が接触しており、このリード部Ｒ
１，Ｒ２の外側部分は、筐体本体２１０の側面から外部
へと導出されている。このように、リード部Ｒ１，Ｒ２
によって、筐体内外の配線がなされることになる。な
お、筐体本体２１０は、蓋部２１５によって密閉される
ことになる。In the embodiment shown in FIG. 29, the housing main body 210
The central portion B1 of the lower electrode B is fixed to the base portion at the center of the bottom surface of the. On the other hand, a displaceable space is maintained around the peripheral portion 13 and the peripheral portion B3 of the lower electrode, and can function as a weight (or a vibrator). The inner portions of the lead portions R1 and R2 are in contact with the upper electrode and the wiring pattern (not shown) formed on the upper surface of the piezoelectric element 10.
The outer portions of 1 and R2 are led out from the side surface of the housing body 210 to the outside. In this way, the lead portions R1 and R2
By this, wiring inside and outside the housing is made. The housing body 210 is sealed by the lid 215.

【００７２】図３０に示す実施例は、上述の実施例にお
いて、収容する圧電素子１０の天地を逆にしたものであ
る。すなわち、筐体本体２２０の底面中央の土台部分
に、中心部１１の上面部分が固着されている。やはり、
周囲部１３および下部電極の周囲部分Ｂ３の周囲には、
変位可能な空間が保たれており、錘り（あるいは振動
子）として機能することができる。圧電素子１０の上面
に形成された上部電極および配線パターン（図示されて
いない）に対しては、リード部Ｒ３，Ｒ４の内側部分が
接触しており、このリード部Ｒ３，Ｒ４の外側部分は、
筐体本体２２０の側面から外部へと導出されている。こ
のように、リード部Ｒ３，Ｒ４によって、筐体内外の配
線がなされることになる。なお、筐体本体２２０は、蓋
部２２５によって密閉されることになる。The embodiment shown in FIG. 30 is obtained by reversing the top and bottom of the piezoelectric element 10 to be housed in the above-mentioned embodiment. That is, the upper surface portion of the central portion 11 is fixed to the base portion at the center of the bottom surface of the housing body 220. also,
Around the peripheral portion 13 and the peripheral portion B3 of the lower electrode,
A displaceable space is maintained, and it can function as a weight (or a vibrator). The inner portions of the lead portions R3 and R4 are in contact with the upper electrode and the wiring pattern (not shown) formed on the upper surface of the piezoelectric element 10, and the outer portions of the lead portions R3 and R4 are
It is led out from the side surface of the housing body 220 to the outside. In this way, the lead portions R3 and R4 provide wiring inside and outside the housing. The housing body 220 is sealed by the lid portion 225.

【００７３】図３１に示す実施例では、筐体本体２３０
の底面周囲の土台部分に、下部電極Ｂの周囲部分Ｂ３が
固着されている。一方、中心部１１および下部電極の中
心部分Ｂ１は、変位可能な空間内に吊られた状態になっ
ており、錘り（あるいは振動子）として機能することが
できる。圧電素子１０の上面に形成された上部電極およ
び配線パターン（図示されていない）に対しては、ボン
ディングワイヤＷによる配線がなされており、このボン
ディングワイヤＷは、筐体本体２３０の側面から外部へ
と導出されているリード部Ｒ５，Ｒ６に接続されてい
る。筐体本体２３０は、蓋部２３５によって密閉される
ことになる。In the embodiment shown in FIG. 31, the housing body 230
A peripheral portion B3 of the lower electrode B is fixed to the base portion around the bottom surface of the. On the other hand, the central portion 11 and the central portion B1 of the lower electrode are suspended in a displaceable space and can function as a weight (or a vibrator). The upper electrode and the wiring pattern (not shown) formed on the upper surface of the piezoelectric element 10 are wired by the bonding wire W, and the bonding wire W extends from the side surface of the housing body 230 to the outside. Is connected to the lead portions R5 and R6 which are led out. The housing body 230 is sealed by the lid portion 235.

【００７４】図３２に示す実施例は、上述の実施例にお
いて、収容する圧電素子１０の天地を逆にしたものであ
る。すなわち、筐体本体２４０の底面周囲の土台部分
に、周囲部１３が固着されている。一方、中心部１１お
よび下部電極の中心部分Ｂ１は、変位可能な空間内に吊
られた状態になっており、錘り（あるいは振動子）とし
て機能することができる。圧電素子１０の上面に形成さ
れた上部電極および配線パターン（図示されていない）
に対しては、リード部Ｒ７，Ｒ８の内側部分が接触して
おり、このリード部Ｒ７，Ｒ８の外側部分は、筐体本体
２４０の側面から外部へと導出されている。このよう
に、リード部Ｒ７，Ｒ８によって、筐体内外の配線がな
されることになる。なお、筐体本体２４０は、蓋部２２
４によって密閉されることになる。The embodiment shown in FIG. 32 is obtained by reversing the top and bottom of the piezoelectric element 10 to be housed in the above-mentioned embodiment. That is, the peripheral portion 13 is fixed to the base portion around the bottom surface of the housing body 240. On the other hand, the central portion 11 and the central portion B1 of the lower electrode are suspended in a displaceable space and can function as a weight (or a vibrator). Upper electrode and wiring pattern (not shown) formed on the upper surface of the piezoelectric element 10.
However, the inner portions of the lead portions R7 and R8 are in contact with each other, and the outer portions of the lead portions R7 and R8 are led out from the side surface of the housing body 240 to the outside. In this way, the lead portions R7 and R8 provide wiring inside and outside the housing. It should be noted that the housing body 240 includes the lid 22.
It will be sealed by 4.

【００７５】§１０． 環状溝の代わりに貫通孔を形成
する参考実施例 本発明 の実施例では、いずれも板状の圧電素子の下面に
環状溝を形成することにより可撓部を形成している。た
だ、一般的には、可撓部の形成方法は、このような環状
溝を形成する方法に限定されるわけではない。たとえ
ば、板状の圧電素子の一部分に貫通孔を開口することに
より可撓部を形成することも可能である。本発明に直接
的には関連はしないが、参考までに示す図３３の実施例
は、円盤状の圧電素子１０に、原点Ｏを取り囲むように
４つの四分円状の貫通孔Ｈを開口することにより、可撓
部を形成した三次元加速度センサの実施例の上面図であ
る。このセンサをＸ軸に沿って切断した側断面図を図３
４に、Ｗ軸に沿って切断した側断面図を図３５に、それ
ぞれ示す。図３３の上面図に示すように、４か所に四分
円状の貫通孔Ｈが形成されているため、この貫通孔Ｈの
間に残った４本の架橋部５１〜５４により、中心部１１
と周囲部１３とが接続されることになり、この架橋部５
１〜５４が可撓性をもった可撓部１２として機能するこ
とになる。可撓部１２の可撓性をより高めるために、可
撓部１２の肉厚が薄くなるように下面に溝を形成しても
よい。 §10. Through hole is formed instead of annular groove
In each of the embodiments of the present invention, the flexible portion is formed by forming the annular groove on the lower surface of the plate-shaped piezoelectric element . Was
However, in general, the method of forming the flexible portion is not limited to the method of forming such an annular groove. For example, the flexible portion can be formed by opening a through hole in a part of the plate-shaped piezoelectric element. Directly to the invention
33 is shown as a reference, although it is not related to it
, To the discotic piezoelectric element 10, by opening the four quadrants-shaped through-hole H so as to surround the origin O, is a top view of an example of the three-dimensional acceleration sensor forming the flexible portion . FIG. 3 is a side sectional view of the sensor taken along the X axis.
4 is a side sectional view taken along the W axis in FIG. As shown in the top view of FIG. 33, since quadrant-shaped through holes H are formed at four locations, the four bridge portions 51 to 54 remaining between the through holes H cause the central portion to move. 11
And the surrounding portion 13 are connected, and the bridge portion 5
1 to 54 function as the flexible portion 12 having flexibility. In order to increase the flexibility of the flexible portion 12, a groove may be formed on the lower surface so that the flexible portion 12 has a smaller thickness.

【００７６】このように貫通孔Ｈを設けることにより可
撓部１２（架橋部）を形成する方法では、貫通孔Ｈの部
分には、電極を形成することができなくなる。このた
め、たとえば、図３に示す環状溝を形成した実施例と比
べると、上部電極Ａ１〜Ａ８の個々の面積が減少するこ
とになる。ただ、加速度や角速度などの検出原理は全く
同じである。図３６は、同様に、貫通孔Ｈを開口するこ
とにより可撓部を形成した二次元加速度センサの実施例
を示す上面図である。センサとしての動作は図１７に示
す実施例と全く同じである。In the method of forming the flexible portion 12 (bridging portion) by providing the through hole H as described above, it becomes impossible to form an electrode in the portion of the through hole H. Therefore, for example, as compared with the embodiment in which the annular groove shown in FIG. 3 is formed, the area of each of the upper electrodes A1 to A8 is reduced. However, the principle of detection of acceleration and angular velocity is exactly the same. Similarly, FIG. 36 is a top view showing an embodiment of a two-dimensional acceleration sensor in which a flexible portion is formed by opening a through hole H. The operation as a sensor is exactly the same as that of the embodiment shown in FIG.

【００７７】§１１． 電極の組み合わせを変えた実施
例 これまで述べた実施例では、Ｘ軸あるいはＹ軸方向の力
（加速度）を検出するために、原点に関して両側の外側
環状領域に配された上部電極同士、あるいは、原点に関
して両側の内側環状領域に配された上部電極同士、に発
生する電荷を利用していた。たとえば、図３３に示す実
施例の場合、上部電極Ａ１，Ａ２（いずれも、外側環状
領域に配された電極）を用いてＸ軸方向成分の検出を行
い、上部電極Ａ３，Ａ４（いずれも、内側環状領域に配
された電極）を用いてＹ軸方向成分の検出を行い、残り
の上部電極Ａ５〜Ａ８を用いてＺ軸方向成分の検出を行
うことになる。もっとも、内側／外側を入れ替えて、上
部電極Ａ５，Ａ６（いずれも、内側環状領域に配された
電極）を用いてＸ軸方向成分の検出を行い、上部電極Ａ
７，Ａ８（いずれも、外側環状領域に配された電極）を
用いてＹ軸方向成分の検出を行い、残りの上部電極Ａ１
〜Ａ４を用いてＺ軸方向成分の検出を行うことも可能で
ある。いずれにしても、Ｘ軸またはＹ軸方向成分を検出
するためには、内側環状領域の電極同士か、外側環状領
域の電極同士か、いずれか一方のみを用いていた。 §11. Implementation with different electrode combinations
Example In the above-described embodiments, in order to detect a force (acceleration) in the X-axis or Y-axis direction, the upper electrodes are arranged in the outer annular regions on both sides of the origin, or the inner annular regions on both sides of the origin. The electric charges generated between the upper electrodes arranged in the above were used. For example, in the case of the embodiment shown in FIG. 33, the X-axis direction component is detected using the upper electrodes A1 and A2 (both are electrodes arranged in the outer annular region), and the upper electrodes A3 and A4 (both are The electrodes arranged in the inner annular region) are used to detect the Y-axis direction component, and the remaining upper electrodes A5 to A8 are used to detect the Z-axis direction component. However, the inside / outside is switched, and the X-axis direction component is detected using the upper electrodes A5 and A6 (both are electrodes arranged in the inner annular region).
7, A8 (both are electrodes arranged in the outer annular region) are used to detect the Y-axis direction component, and the remaining upper electrode A1 is detected.
It is also possible to detect the Z-axis direction component by using ~ A4. In any case, in order to detect the X-axis or Y-axis direction component, only one of the electrodes in the inner annular region or the electrodes in the outer annular region is used.

【００７８】しかしながら、本発明は、必ずしもこのよ
うな組み合わせに限定されるものではない。たとえば、
図３３に示す実施例において、上部電極Ａ１（外側環状
領域に配された電極）と上部電極Ａ６（内側環状領域に
配された電極）とを用いてＸ軸方向成分の検出を行い、
上部電極Ａ７（外側環状領域に配された電極）と上部電
極Ａ４（内側環状領域に配された電極）とを用いてＹ軸
方向成分の検出を行い、残りの上部電極Ａ２，Ａ３，Ａ
５，Ａ８を用いてＺ軸方向成分の検出を行うことも可能
である。このような組み合わせによる検出を行う場合、
圧電素子には、図３７に示すような分極処理を施せばよ
い。ここで、と示した領域はタイプの分極特性をも
ち、と示した領域はタイプの分極特性をもつ。この
センサを、二次元加速度センサとして用いるのであれ
ば、上部電極Ａ１，Ａ６（Ｘ軸方向に関する検出）と、
上部電極Ａ４，Ａ７（Ｙ軸方向に関する検出）と、の４
枚の上部電極のみを形成しておけばよいので、圧電素子
１０はタイプの分極特性だけを有すればよい。したが
って、製造プロセスの簡略化を図ることができる。However, the present invention is not necessarily limited to such a combination. For example,
In the embodiment shown in FIG. 33, the upper electrode A1 (the electrode arranged in the outer annular region) and the upper electrode A6 (the electrode arranged in the inner annular region) are used to detect the X-axis direction component,
The Y-axis direction component is detected using the upper electrode A7 (the electrode arranged in the outer annular region) and the upper electrode A4 (the electrode arranged in the inner annular region), and the remaining upper electrodes A2, A3, A are detected.
It is also possible to detect the Z-axis direction component using A5 and A8. When performing detection with such a combination,
The piezoelectric element may be polarized as shown in FIG. Here, the region indicated by has the type polarization characteristic, and the region indicated by has the type polarization characteristic. If this sensor is used as a two-dimensional acceleration sensor, the upper electrodes A1 and A6 (detection in the X-axis direction),
4 of upper electrodes A4 and A7 (detection in the Y-axis direction)
Since only one upper electrode needs to be formed, the piezoelectric element 10 need only have the type polarization characteristic. Therefore, the manufacturing process can be simplified.

【００７９】ただし、このように、内側環状領域の電極
と外側環状領域の電極との組み合わせによりＸ軸あるい
はＹ軸方向成分の検出を行う場合は、他軸方向成分の干
渉を避けるために留意すべき事項がある。いま、たとえ
ば、図３７において、上部電極Ａ１に発生する電荷と、
上部電極Ａ６に発生する電荷と、について考えてみる。
これらの上部電極は、Ｘ軸方向成分の検出に用いる電極
であり、Ｘ軸方向の力（加速度）が作用したときには、
両電極Ａ１，Ａ６ともに正の電荷が発生する（図９の表
のＦｘの欄参照）ので、これらの電荷の和として、Ｘ軸
方向成分の検出が可能である。次に、Ｙ軸方向の力（加
速度）が作用したときを考える。この場合、両電極Ａ
１，Ａ６はいずれもＸ軸に関して線対称であるから、部
分的には正の電荷が発生し、部分的には負の電荷が発生
し、結局、各電極ごとに正負の電荷が相殺することにな
り、トータルでの電荷の発生はない。したがって、Ｙ軸
方向成分が誤ってＸ軸方向成分の検出系で検出されるこ
とはない。それでは、Ｚ軸方向の力（加速度）が作用し
た場合はどうであろうか。図９の表のＦｚの欄を参照す
ると、電極Ａ１には負の電荷が発生し、電極Ａ６には正
の電荷が発生するため、両電極を接続すれば、正負の電
荷が相殺され、トータルでの電荷の発生はないように見
える。しかしながら、このように正負の電荷が相殺され
るのは、発生電荷の絶対値が等しいという条件が満たさ
れる場合だけである。However, when the X-axis or Y-axis direction component is detected by the combination of the electrode in the inner annular region and the electrode in the outer annular region in this manner, care should be taken to avoid interference of the other axial direction component. There is something to do. Now, for example, in FIG. 37, the charges generated in the upper electrode A1 and
Consider the electric charge generated in the upper electrode A6.
These upper electrodes are electrodes used for detecting the X-axis direction component, and when a force (acceleration) in the X-axis direction acts,
Since positive charges are generated in both electrodes A1 and A6 (see the column of Fx in the table of FIG. 9), the X-axis direction component can be detected as the sum of these charges. Next, consider a case where a force (acceleration) in the Y-axis direction acts. In this case, both electrodes A
Since both 1 and A6 are line-symmetric with respect to the X-axis, positive charges are partially generated and negative charges are partially generated, and eventually the positive and negative charges cancel each other. Therefore, there is no total charge generation. Therefore, the Y-axis direction component will not be erroneously detected by the X-axis direction component detection system. Then, what if the force (acceleration) in the Z-axis direction acts? Referring to the column of Fz in the table of FIG. 9, since negative charges are generated at the electrode A1 and positive charges are generated at the electrode A6, if both electrodes are connected, the positive and negative charges are canceled out and the total charges are canceled. It seems that no electric charge is generated at. However, the positive and negative charges are canceled in this way only when the condition that the absolute values of the generated charges are equal is satisfied.

【００８０】既に基本的な実施例として述べたように、
上部電極Ａ１，Ａ２という外側環状領域の電極の組み合
わせ、あるいは、上部電極Ａ５，Ａ６という内側環状領
域の電極の組み合わせ、によってＸ軸方向成分を検出す
る場合、両電極の配置位置および形状をＹ軸に関して線
対称にしておけば、Ｚ軸方向の力（加速度）が作用した
ときに両電極に発生する電荷の絶対値は等しくなる。と
ころが、上部電極Ａ１，Ａ６という外側／内側環状領域
の電極の組み合わせ、あるいは、上部電極Ａ５，Ａ２と
いう内側／外側環状領域の電極の組み合わせ、によって
Ｘ軸方向成分を検出する場合は、両電極の少なくとも配
置位置については、Ｙ軸に関して線対称にはならない。
このため、Ｚ軸方向の力（加速度）が作用したとき、両
電極に発生する電荷の絶対値は一般的には等しくならな
い。As already mentioned as a basic embodiment,
When the X-axis direction component is detected by the combination of the electrodes in the outer annular area of the upper electrodes A1 and A2 or the combination of the electrodes in the inner annular area of the upper electrodes A5 and A6, the arrangement position and shape of both electrodes are set to the Y axis. If they are line-symmetrical with respect to, the absolute value of the electric charges generated in both electrodes when a force (acceleration) in the Z-axis direction acts becomes equal. However, when the X-axis direction component is detected by the combination of the electrodes of the outer / inner annular regions of the upper electrodes A1 and A6, or the combination of the electrodes of the inner / outer annular regions of the upper electrodes A5 and A2, both components of At least the arrangement position does not have line symmetry with respect to the Y axis.
Therefore, when a force (acceleration) in the Z-axis direction is applied, the absolute values of the charges generated on both electrodes are generally not equal.

【００８１】次に、図３７において、Ｚ軸方向成分の検
出に用いることにした上部電極Ａ２，Ａ３，Ａ５，Ａ８
に発生する電荷について考えてみる。いま、Ｚ軸方向の
力（加速度）が作用した場合を考えると、いずれの電極
にも正の電荷が発生する（図９の表のＦｚの欄参照／電
極Ａ２，Ａ８の形成領域の分極特性はタイプでありタ
イプとは逆転している点に注意）ので、これらの電荷
の和として、Ｚ軸方向成分の検出が可能である。次に、
Ｘ軸方向の力（加速度）が作用した場合を考える。この
場合、電極Ａ２には正の電荷が発生し、電極Ａ５には負
の電荷が発生し、電極Ａ３，Ａ８には電荷は発生しない
（図９の表のＦｘの欄参照／電極Ａ２，Ａ８の形成領域
の分極特性はタイプでありタイプとは逆転している
点に注意）。したがって、このＺ軸方向成分検出用の４
枚の上部電極Ａ２，Ａ３，Ａ５，Ａ８をすべて接続すれ
ば、正負の電荷が相殺され、トータルでの電荷の発生は
ないように見える。しかしながら、このように正負の電
荷が相殺されるのは、やはり発生電荷の絶対値が等しい
という条件が満たされる場合だけである。Next, referring to FIG. 37, the upper electrodes A2, A3, A5, A8 which are to be used for detecting the Z-axis direction component are used.
Let's think about the electric charge generated in. Now, considering the case where a force (acceleration) in the Z-axis direction is applied, positive charges are generated in any of the electrodes (see the Fz column in the table of FIG. 9 / polarization characteristics of the formation regions of the electrodes A2 and A8). Is the type and is reversed from the type), so the Z-axis direction component can be detected as the sum of these charges. next,
Consider a case where a force (acceleration) in the X-axis direction acts. In this case, a positive charge is generated on the electrode A2, a negative charge is generated on the electrode A5, and no charge is generated on the electrodes A3 and A8 (see the column Fx in the table of FIG. 9 / electrodes A2 and A8). Note that the polarization characteristics of the formation region of the type are opposite to the type). Therefore, 4 for detecting this Z-axis direction component
If all the upper electrodes A2, A3, A5, A8 are connected, the positive and negative charges are canceled out, and it seems that no total charge is generated. However, the positive and negative charges cancel each other out only when the condition that the absolute values of the generated charges are equal is satisfied.

【００８２】結局、上部電極Ａ１，Ａ６をＸ軸方向成分
の検出に用い、上部電極Ａ７，Ａ４をＹ軸方向成分の検
出に用い、残りの上部電極Ａ２，Ａ３，Ａ５，Ａ８をＺ
軸方向成分の検出に用いる、という手法を採る場合に
は、単に、各電極をシンメトリカルに形成するだけでは
足りず、電極形状（大きさ）や配置位置について、次の
ような条件が必要であることがわかる。 条件１：Ｚ軸方向の力（加速度）が作用したときに、Ｘ
軸方向成分検出用の上部電極Ａ１およびＡ６には、絶対
値が等しい電荷が発生するように、電極形状もしくは電
極配置位置を配慮する。 条件２：Ｚ軸方向の力（加速度）が作用したときに、Ｙ
軸方向成分検出用の上部電極Ａ７およびＡ４には、絶対
値が等しい電荷が発生するように、電極形状もしくは電
極配置位置を配慮する。 条件３：Ｘ軸方向の力（加速度）が作用したときに、Ｚ
軸方向成分検出用の上部電極Ａ２およびＡ５には、絶対
値が等しい電荷が発生するように、電極形状もしくは電
極配置を配慮する。 条件４：Ｙ軸方向の力（加速度）が作用したときに、Ｚ
軸方向成分検出用の上部電極Ａ３およびＡ８には、絶対
値が等しい電荷が発生するように、電極形状もしくは電
極配置を配慮する。After all, the upper electrodes A1 and A6 are used for detecting the X-axis direction component, the upper electrodes A7 and A4 are used for detecting the Y-axis direction component, and the remaining upper electrodes A2, A3, A5 and A8 are Z.
When using the method of detecting the axial component, it is not enough to simply form each electrode symmetrically, and the following conditions are required for the electrode shape (size) and the arrangement position. I understand. Condition 1: When a force (acceleration) in the Z-axis direction is applied, X
The electrode shape or the electrode arrangement position is taken into consideration so that charges having the same absolute value are generated in the upper electrodes A1 and A6 for detecting the axial component. Condition 2: When a force (acceleration) in the Z-axis direction is applied, Y
The electrode shape or the electrode arrangement position is taken into consideration so that charges having the same absolute value are generated in the upper electrodes A7 and A4 for detecting the axial component. Condition 3: When a force (acceleration) in the X-axis direction is applied, Z
The electrode shape or the electrode arrangement is taken into consideration so that the upper electrodes A2 and A5 for detecting the axial direction component generate electric charges having the same absolute value. Condition 4: When a force (acceleration) in the Y-axis direction acts, Z
The electrode shape or the electrode arrangement is taken into consideration so that charges having the same absolute value are generated in the upper electrodes A3 and A8 for detecting the axial component.

【００８３】なお、このように、内側環状領域の電極と
外側環状領域の電極との組み合わせによりＸ軸あるいは
Ｙ軸方向成分の検出を行う場合の電極の組み合わせとし
ては、上述した組み合わせの他に、更に次のような組み
合わせも可能である。As described above, in addition to the above-described combinations, the electrode combination in the case of detecting the X-axis or Y-axis direction component by the combination of the electrode in the inner annular region and the electrode in the outer annular region is as follows. Furthermore, the following combinations are possible.

【００８４】上部電極Ａ１，Ａ６をＸ軸方向成分の検出
に用い、上部電極Ａ３，Ａ８をＹ軸方向成分の検出に用
い、残りの上部電極Ａ２，Ａ４，Ａ５，Ａ７をＺ軸方向
成分の検出に用いる。The upper electrodes A1, A6 are used for detecting the X-axis direction component, the upper electrodes A3, A8 are used for detecting the Y-axis direction component, and the remaining upper electrodes A2, A4, A5, A7 are used for the Z-axis direction component. Used for detection.

【００８５】上部電極Ａ５，Ａ２をＸ軸方向成分の検出
に用い、上部電極Ａ７，Ａ４をＹ軸方向成分の検出に用
い、残りの上部電極Ａ１，Ａ３，Ａ６，Ａ８をＺ軸方向
成分の検出に用いる。The upper electrodes A5, A2 are used for detecting the X-axis direction component, the upper electrodes A7, A4 are used for detecting the Y-axis direction component, and the remaining upper electrodes A1, A3, A6, A8 are used for the Z-axis direction component. Used for detection.

【００８６】上部電極Ａ５，Ａ２をＸ軸方向成分の検出
に用い、上部電極Ａ３，Ａ８をＹ軸方向成分の検出に用
い、残りの上部電極Ａ１，Ａ４，Ａ６，Ａ７をＺ軸方向
成分の検出に用いる。The upper electrodes A5, A2 are used for detecting the X-axis direction component, the upper electrodes A3, A8 are used for detecting the Y-axis direction component, and the remaining upper electrodes A1, A4, A6, A7 are used for the Z-axis direction component. Used for detection.

【００８７】§１２． その他の実施例 (1) 既に述べたように、本発明に係るセンサは、加速
度センサおよび角速度センサとして利用できる他に、力
センサとしても利用可能である。力センサとして利用す
る場合には、筐体に開口部を設け、中心部１１あるいは
周囲部１３に物理的に接合された接触子をこの開口部か
ら筐体の外部へと導出し、検出対象となる力を、この接
触子の先端に作用させるようにすればよい。 §12. Other Embodiments (1) As described above, the sensor according to the present invention can be used not only as an acceleration sensor and an angular velocity sensor but also as a force sensor. When used as a force sensor, an opening is provided in the housing, and the contactor physically joined to the central portion 11 or the peripheral portion 13 is led out of the opening to the outside of the housing to be detected. It is sufficient to apply the force to the tip of this contact.

【００８８】また、錘りとして機能する下部電極Ｂを磁
性材料（鉄、コバルト、ニッケルなど）で構成しておけ
ば、このセンサを磁気センサとして利用することが可能
になる。すなわち、このセンサを磁場の中に置くことに
より、磁性材料からなる錘りが磁力の作用を受け、中心
部１１あるいは周囲部１３に力が作用することになる。
したがって、錘りが受けた磁気力として、磁気の検出が
可能になる。If the lower electrode B functioning as a weight is made of a magnetic material (iron, cobalt, nickel, etc.), this sensor can be used as a magnetic sensor. That is, when this sensor is placed in a magnetic field, the weight made of a magnetic material is subjected to the action of magnetic force, and a force acts on the central portion 11 or the peripheral portion 13.
Therefore, magnetism can be detected as the magnetic force received by the weight.

【００８９】(2) 上述の実施例では、圧電素子下面に
形成する環状溝として円形の溝を用いているが、方形の
溝や多角形の溝などを用いてもかまわない。また、上述
の実施例では、原点Ｏを中心としてその周囲３６０°を
取り囲む完全に環状な溝を形成しているが、要するに検
出に必要な方向への撓みが生じればよいので、必ずしも
完全に環状な溝にする必要はない。もちろん、圧電素子
は、円板状でなく、四角形状等、他の形状でもよい。(2) Although a circular groove is used as the annular groove formed on the lower surface of the piezoelectric element in the above embodiment, a square groove or a polygonal groove may be used. Further, in the above-described embodiment, the completely annular groove surrounding the circumference of 360 ° with the origin O as the center is formed, but in short, since it is sufficient that the bending in the direction necessary for detection occurs, it is not always complete. It is not necessary to make an annular groove. Of course, the piezoelectric element may have another shape such as a square shape instead of the disk shape.

【００９０】(3) 上述の実施例では、下部電極を１枚
の共通電極としたが、もちろん上部電極と同様に複数枚
の電極で構成することも可能である。ただ、製造プロセ
スを単純化するためには、１枚の共通電極にするのが好
ましい。また、上部電極および下部電極として、上述の
実施例では金属層を用いているが、金属に限らず、導電
性を有する材料なら何を用いてもよい。(3) In the above-mentioned embodiment, the lower electrode is one common electrode, but it is of course possible to form a plurality of electrodes like the upper electrode. However, in order to simplify the manufacturing process, it is preferable to use one common electrode. Further, although the metal layers are used as the upper electrode and the lower electrode in the above-described embodiments, the material is not limited to metal, and any material having conductivity may be used.

【００９１】[0091]

【発明の効果】以上のとおり本発明に係る加速度センサ
および角速度センサでは、板状の圧電素子に環状溝を設
けることにより可撓部を形成し、この可撓部の上面に複
数の上部電極を配置し、下面に下部電極を配置するよう
にし、可撓部の撓み具合を上部電極に発生した電荷に基
づいて検出するようにしたため、構造が単純で、小形
化、量産性に適した圧電素子を用いた加速度センサおよ
び角速度センサが実現できる。As described above, in the acceleration sensor and the angular velocity sensor according to the present invention, the flexible portion is formed by providing the plate-shaped piezoelectric element with the annular groove , and the plurality of upper electrodes are formed on the upper surface of the flexible portion. Since the lower electrode is arranged on the lower surface and the bending degree of the flexible portion is detected based on the charge generated in the upper electrode, the piezoelectric element has a simple structure and is suitable for downsizing and mass production. An acceleration sensor and an angular velocity sensor using can be realized.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図１】本発明の一実施例に係る加速度センサを斜め上
方から見た斜視図である。FIG. 1 is a perspective view of an acceleration sensor according to an exemplary embodiment of the present invention as viewed obliquely from above.

【図２】図１に示す加速度センサを斜め下方から見た斜
視図である。FIG. 2 is a perspective view of the acceleration sensor shown in FIG. 1 as viewed obliquely from below.

【図３】図１に示す加速度センサの上面図である。FIG. 3 is a top view of the acceleration sensor shown in FIG.

【図４】図１に示す加速度センサをＸＺ平面で切断した
側断面図である。FIG. 4 is a side sectional view of the acceleration sensor shown in FIG. 1 taken along the XZ plane.

【図５】図１に示す加速度センサの下面図である。5 is a bottom view of the acceleration sensor shown in FIG. 1. FIG.

【図６】図１に示す加速度センサにおける圧電素子１０
の分極特性（タイプ）を示す図である。6 is a piezoelectric element 10 in the acceleration sensor shown in FIG.
It is a figure which shows the polarization characteristic (type) of.

【図７】図１に示す加速度センサの作用点Ｐに対してＸ
軸方向の力Ｆｘが作用した状態を示す側断面図である。FIG. 7 is a diagram illustrating an acceleration point X of the acceleration sensor shown in FIG.
It is a side sectional view showing the state where axial force Fx acted.

【図８】図１に示す加速度センサの作用点Ｐに対してＺ
軸方向の力Ｆｚが作用した状態を示す側断面図である。FIG. 8 is Z with respect to an action point P of the acceleration sensor shown in FIG.
FIG. 6 is a side sectional view showing a state in which an axial force Fz is applied.

【図９】図１に示す加速度センサに、加速度に基づく各
軸方向の力Ｆｘ，Ｆｙ，Ｆｚが作用したときの各上部電
極Ａ１〜Ａ８に発生する電荷の極性を示す表である。9 is a table showing the polarities of charges generated in the respective upper electrodes A1 to A8 when forces Fx, Fy, and Fz in each axial direction based on acceleration act on the acceleration sensor shown in FIG.

【図１０】図１に示す加速度センサに用いる検出回路の
一例を示す回路図である。10 is a circuit diagram showing an example of a detection circuit used in the acceleration sensor shown in FIG.

【図１１】図１０の回路図におけるＱ／Ｖ変換回路の一
例を示す回路図である。11 is a circuit diagram showing an example of a Q / V conversion circuit in the circuit diagram of FIG.

【図１２】図１０の回路図におけるＱ／Ｖ変換回路のま
た別な回路構成例を示す回路図である。12 is a circuit diagram showing still another circuit configuration example of the Q / V conversion circuit in the circuit diagram of FIG.

【図１３】本発明の別な一実施例に係る三次元加速度セ
ンサの上面図である。FIG. 13 is a top view of a three-dimensional acceleration sensor according to another embodiment of the present invention.

【図１４】図１３に示す加速度センサについてＺ軸方向
の力Ｆｚを検出するための検出回路を示す回路図であ
る。14 is a circuit diagram showing a detection circuit for detecting a force Fz in the Z-axis direction with respect to the acceleration sensor shown in FIG.

【図１５】本発明の更に別な一実施例に係る三次元加速
度センサの上面図である。FIG. 15 is a top view of a three-dimensional acceleration sensor according to another embodiment of the present invention.

【図１６】図１５に示すセンサについてＺ軸方向の力Ｆ
ｚを検出するための検出回路を示す回路図である。16 is a force F in the Z-axis direction for the sensor shown in FIG.
It is a circuit diagram which shows the detection circuit for detecting z.

【図１７】本発明の一実施例に係る二次元加速度センサ
の上面図である。FIG. 17 is a top view of a two-dimensional acceleration sensor according to an embodiment of the present invention.

【図１８】本発明において利用する圧電素子２０の分極
特性（タイプ）を示す図である。FIG. 18 is a diagram showing polarization characteristics (type) of the piezoelectric element 20 used in the present invention.

【図１９】部分的に異なる分極特性をもった圧電素子２
５を利用した本発明の一実施例に係る加速度センサの上
面図である。FIG. 19 is a piezoelectric element 2 having partially different polarization characteristics.
FIG. 5 is a top view of an acceleration sensor according to an embodiment of the present invention, which utilizes No. 5;

【図２０】図１９に示す加速度センサに、加速度に基づ
く各軸方向の力Ｆｘ，Ｆｙ，Ｆｚが作用したときの各上
部電極Ａ１〜Ａ８に発生する電荷の極性を示す表であ
る。20 is a table showing the polarities of charges generated in the upper electrodes A1 to A8 when the axial forces Fx, Fy, and Fz based on acceleration act on the acceleration sensor shown in FIG.

【図２１】図１９に示す加速度センサに用いる検出回路
の一例を示す回路図である。21 is a circuit diagram showing an example of a detection circuit used in the acceleration sensor shown in FIG.

【図２２】本発明に係る自己診断機能をもった加速度セ
ンサおよび本発明に係る角速度センサの一例を示す上面
図である。FIG. 22 is a top view showing an example of an acceleration sensor having a self-diagnosis function according to the present invention and an angular velocity sensor according to the present invention.

【図２３】従来提案されているコリオリ力を利用した一
次元角速度センサの基本原理を示す斜視図である。FIG. 23 is a perspective view showing the basic principle of a conventionally proposed one-dimensional angular velocity sensor using Coriolis force.

【図２４】角速度センサにおける検出対象となるＸＹＺ
三次元座標系における各軸まわりの角速度を示す図であ
る。FIG. 24 is an XYZ to be detected by the angular velocity sensor.
It is a figure which shows the angular velocity around each axis in a three-dimensional coordinate system.

【図２５】本発明に係る角速度センサを用いてＸ軸まわ
りの角速度ωｘを検出する基本原理を説明する図であ
る。FIG. 25 is a diagram illustrating the basic principle of detecting the angular velocity ωx about the X axis using the angular velocity sensor according to the present invention.

【図２６】本発明に係る角速度センサを用いてＹ軸まわ
りの角速度ωｙを検出する基本原理を説明する図であ
る。FIG. 26 is a diagram illustrating the basic principle of detecting the angular velocity ωy about the Y axis using the angular velocity sensor according to the present invention.

【図２７】本発明に係る角速度センサを用いてＺ軸まわ
りの角速度ωｚを検出する基本原理を説明する図であ
る。FIG. 27 is a diagram illustrating the basic principle of detecting the angular velocity ωz about the Z axis using the angular velocity sensor according to the present invention.

【図２８】下部電極Ｂの一部を錘り（振動子）として利
用することにより検出感度を向上させたセンサの一例を
示す側断面図である。FIG. 28 is a side sectional view showing an example of a sensor in which the detection sensitivity is improved by utilizing a part of the lower electrode B as a weight (vibrator).

【図２９】本発明に係るセンサを筐体内に収容した第１
の例を示す側断面図である。FIG. 29 is a first view in which the sensor according to the present invention is housed in a housing.
It is a side sectional view showing an example of.

【図３０】本発明に係るセンサを筐体内に収容した第２
の例を示す側断面図である。FIG. 30 is a second view in which the sensor according to the present invention is housed in a housing.
It is a side sectional view showing an example of.

【図３１】本発明に係るセンサを筐体内に収容した第３
の例を示す側断面図である。FIG. 31 is a third view of the sensor according to the present invention housed in a housing.
It is a side sectional view showing an example of.

【図３２】本発明に係るセンサを筐体内に収容した第４
の例を示す側断面図である。FIG. 32 is a fourth view of the sensor according to the present invention housed in a housing.
It is a side sectional view showing an example of.

【図３３】貫通孔により可撓部を形成した三次元加速度
センサの参考例を示す上面図である。FIG. 33: Three-dimensional acceleration in which a flexible portion is formed by a through hole
It is a top view which shows the reference example of a sensor .

【図３４】図３３に示す加速度センサをＸ軸に沿って切
断した側断面図である。34 is a side sectional view of the acceleration sensor shown in FIG. 33 taken along the X-axis.

【図３５】図３３に示す加速度センサをＷ軸に沿って切
断した側断面図である。FIG. 35 is a side sectional view of the acceleration sensor shown in FIG. 33 taken along the W axis.

【図３６】貫通孔により可撓部を形成した二次元加速度
センサの参考例を示す上面図である。FIG. 36 is a two-dimensional acceleration in which a flexible portion is formed by a through hole.
It is a top view which shows the reference example of a sensor .

【図３７】図３３に示す加速度センサについての分極処
理の一例を示す上面図である。FIG. 37 is a top view showing an example of polarization processing for the acceleration sensor shown in FIG. 33.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

１０…圧電素子（タイプ） １１…中心部 １２…可撓部 １３…周囲部 １５…環状溝 １７，１８…スルーホール ２０…圧電素子（タイプ） ２５…圧電素子（タイプ，が分布） ３０〜３８…Ｑ／Ｖ変換回路 ４１〜４５…演算器 ５１〜５４…架橋部 １１０…振動子 １１１，１１２…圧電素子 １２０…物体 １３０…振動子 ２１０…筐体本体 ２１５…蓋部 ２２０…筐体本体 ２２５…蓋部 ２３０…筐体本体 ２３５…蓋部 ２４０…筐体本体 ２４５…蓋部 Ａ，Ａ１〜Ａ８…上部電極 Ｂ…下部電極 Ｂ１…下部電極の中心部分 Ｂ２…下部電極の一部分 Ｂ３…下部電極の周囲部分 Ｃ１，Ｃ２…配線パターン Ｅ１〜Ｅ４…自己診断用電極 Ｈ…貫通孔 Ｏ…原点 Ｐ…作用点 Ｒ１〜Ｒ８…リード部 Ｔｘ，Ｔｙ，Ｔｚ，Ｔｘｘ，Ｔｙｙ，Ｔｚｚ…出力端子 Ｗ…ボンディングワイヤ 10 ... Piezoelectric element (type) 11 ... Center 12 ... Flexible part 13 ... Surrounding area 15 ... annular groove 17, 18 ... Through hole 20 ... Piezoelectric element (type) 25 ... Piezoelectric element (type, distribution) 30-38 ... Q / V conversion circuit 41-45 ... arithmetic unit 51-54 ... Bridge part 110 ... Transducer 111, 112 ... Piezoelectric element 120 ... Object 130 ... Transducer 210 ... Housing body 215 ... Lid 220 ... Case body 225 ... Lid 230 ... Case body 235 ... Lid 240 ... Case body 245 ... Lid A, A1 to A8 ... Upper electrode B ... Lower electrode B1 ... central part of lower electrode B2 ... Part of the lower electrode B3 ... Surrounding portion of the lower electrode C1, C2 ... Wiring pattern E1 to E4 ... Self-diagnosis electrodes H ... through hole O ... Origin P ... point of action R1 to R8 ... Lead section Tx, Ty, Tz, Txx, Tyy, Tzz ... Output terminal W ... Bonding wire

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G01P 15/09 G01C 19/56 G01P 9/04 G01P 21/00 ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of front page (58) Fields surveyed (Int.Cl. ⁷ , DB name) G01P 15/09 G01C 19/56 G01P 9/04 G01P 21/00

Claims (16)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項１】 ＸＹＺ三次元座標系におけるＸ軸方向お
よびＹ軸方向の加速度成分を検出するための加速度セン
サであって、 板状の圧電素子と、この圧電素子の上面に形成された４
枚の上部電極と、この圧電素子の下面に形成された下部
電極と、を備え、前記圧電素子の上面のほぼ中心位置に
前記ＸＹＺ三次元座標系の原点を定義したときに、 前記圧電素子は、その上面がＸＹ平面に沿って延び、そ
の下面には前記原点の周囲を取り囲むような環状溝が形
成され、この環状溝の形成部分の肉厚が他の部分の肉厚
よりも薄くなるようにすることにより、環状溝の形成部
分が可撓性をもった可撓部を構成するようになってお
り、この可撓部に囲まれた部分である中心部と、この可
撓部の周囲の部分である周囲部とは、前記可撓部の撓み
により相互に変位を生じるように構成され、 前記４枚の上部電極は、Ｘ軸に関して負の領域に形成さ
れた第１の上部電極と、Ｘ軸に関して正の領域に形成さ
れた第２の上部電極と、Ｙ軸に関して負の領域に形成さ
れた第３の上部電極と、Ｙ軸に関して正の領域に形成さ
れた第４の上部電極と、によって構成され、これらの各
上部電極は、いずれも前記可撓部に形成され、かつ、そ
の外周部分が前記可撓部の外周部分に配置されるか、ま
たは、その内周部分が前記可撓部の内周部分に配置され
ており、 前記下部電極は、前記各上部電極のそれぞれに対して向
かい合う位置に形成されており、 作用した加速度に基づいて、前記中心部と前記周囲部と
が相互に変位するように前記可撓部に撓みが生じるよう
にし、この撓みにより前記上部電極に所定の電荷を発生
させ、 作用した加速度のＸ軸方向成分を、前記第１の上部電極
に発生した電荷および前記第２の上部電極に発生した電
荷に基づいて検出し、作用した加速度のＹ軸方向成分
を、前記第３の上部電極に発生した電荷および前記第４
の上部電極に発生した電荷に基づいて検出するように構
成したことを特徴とする圧電素子を用いた加速度セン
サ。1. An acceleration sensor for detecting acceleration components in an X-axis direction and a Y-axis direction in an XYZ three-dimensional coordinate system, comprising a plate-shaped piezoelectric element and a piezoelectric element formed on an upper surface of the piezoelectric element.
When the origin of the XYZ three-dimensional coordinate system is defined approximately at the center position of the upper surface of the piezoelectric element, the piezoelectric element is provided with a plurality of upper electrodes and a lower electrode formed on the lower surface of the piezoelectric element. extends along its upper surface to the XY plane, its
An annular groove is formed on the bottom surface of the
The thickness of the part where this annular groove is formed is the thickness of the other part
By making it thinner than
The parts are designed to form a flexible part.
The central portion, which is a portion surrounded by the flexible portion, and the peripheral portion, which is a peripheral portion of the flexible portion, are configured to cause mutual displacement due to bending of the flexible portion, The four upper electrodes are formed in a first upper electrode formed in a negative region with respect to the X axis, a second upper electrode formed in a positive region with respect to the X axis, and in a negative region with respect to the Y axis. A third upper electrode and a fourth upper electrode formed in a positive region with respect to the Y-axis. Each of these upper electrodes is formed in the flexible portion, and
The outer peripheral part of the flexible part is arranged on the outer peripheral part of the flexible part, or
Or its inner peripheral portion is arranged on the inner peripheral portion of the flexible portion.
The lower electrode is formed at a position facing each of the upper electrodes, and the flexible portion is arranged so that the central portion and the peripheral portion are displaced from each other based on the applied acceleration. And a predetermined charge is generated in the upper electrode by the flexure, and the X-axis direction component of the applied acceleration is applied to the charge generated in the first upper electrode and the second upper electrode. The Y-axis direction component of the acceleration that is detected based on the generated electric charge and acts on the electric charge generated in the third upper electrode and the fourth component
An acceleration sensor using a piezoelectric element, wherein the acceleration sensor is configured to detect electric charges generated on the upper electrode of the. 【請求項２】 請求項１に記載の加速度センサにおい
て、 ＸＹ平面上の可撓部の領域に、原点を周囲から囲むよう
な内側環状領域と、この内側環状領域を更に周囲から囲
むような外側環状領域と、を定義し、 第１の上部電極を、前記外側環状領域内の、ＸＹ座標系
の第２象限および第３象限に渡る領域に配置し、 第２の上部電極を、前記外側環状領域内の、ＸＹ座標系
の第１象限および第４象限に渡る領域に配置し、 第３の上部電極を、前記内側環状領域内の、ＸＹ座標系
の第３象限および第４象限に渡る領域に配置し、 第４の上部電極を、前記内側環状領域内の、ＸＹ座標系
の第１象限および第２象限に渡る領域に配置したことを
特徴とする圧電素子を用いた加速度センサ。2. The acceleration sensor according to claim 1, wherein an inner annular region that surrounds the origin in the region of the flexible portion on the XY plane and an outer region that further surrounds the inner annular region. An annular region is defined, and a first upper electrode is arranged in a region in the outer annular region that extends over the second and third quadrants of the XY coordinate system, and a second upper electrode is defined by the outer annular region. The third upper electrode is arranged in a region extending over the first and fourth quadrants of the XY coordinate system, and the third upper electrode is a region extending over the third and fourth quadrants of the XY coordinate system in the inner annular region. And the fourth upper electrode is arranged in a region extending over the first quadrant and the second quadrant of the XY coordinate system in the inner annular region, the acceleration sensor using a piezoelectric element. 【請求項３】 請求項１に記載の加速度センサにおい
て、 ＸＹ平面上の可撓部の領域に、原点を周囲から囲むよう
な内側環状領域と、この内側環状領域を更に周囲から囲
むような外側環状領域と、を定義し、これら内側環状領
域および外側環状領域のいずれか一方を第１属性領域と
定義し、他方を第２属性領域と定義し、 第１の上部電極を、前記第１属性領域内の、ＸＹ座標系
の第２象限および第３象限に渡る領域に配置し、 第２の上部電極を、前記第２属性領域内の、ＸＹ座標系
の第１象限および第４象限に渡る領域に配置し、 第３の上部電極を、前記第１属性領域内の、ＸＹ座標系
の第３象限および第４象限に渡る領域に配置し、 第４の上部電極を、前記第２属性領域内の、ＸＹ座標系
の第１象限および第２象限に渡る領域に配置したことを
特徴とする圧電素子を用いた加速度センサ。3. The acceleration sensor according to claim 1, wherein an inner annular region that surrounds the origin in the region of the flexible portion on the XY plane, and an outer region that further surrounds the inner annular region from the periphery. An annular region, one of the inner annular region and the outer annular region is defined as a first attribute region, the other is defined as a second attribute region, and the first upper electrode is defined by the first attribute. The second upper electrode is arranged in a region within the region extending over the second and third quadrants of the XY coordinate system, and the second upper electrode extends over the first and fourth quadrants of the XY coordinate system within the second attribute region. A third upper electrode in a region extending over the third and fourth quadrants of the XY coordinate system in the first attribute region, and the fourth upper electrode in the second attribute region. Of the XY coordinate system in the first quadrant and the second quadrant Acceleration sensor using a piezoelectric element characterized and. 【請求項４】 請求項１に記載の加速度センサにおい
て、 ＸＹ平面上の可撓部の領域に、原点を周囲から囲むよう
な内側環状領域と、この内側環状領域を更に周囲から囲
むような外側環状領域と、を定義し、これら内側環状領
域および外側環状領域のいずれか一方を第１属性領域と
定義し、他方を第２属性領域と定義し、 第１の上部電極を、前記第１属性領域内の、ＸＹ座標系
の第２象限および第３象限に渡る領域に配置し、 第２の上部電極を、前記第２属性領域内の、ＸＹ座標系
の第１象限および第４象限に渡る領域に配置し、 第３の上部電極を、前記第２属性領域内の、ＸＹ座標系
の第３象限および第４象限に渡る領域に配置し、 第４の上部電極を、前記第１属性領域内の、ＸＹ座標系
の第１象限および第２象限に渡る領域に配置したことを
特徴とする圧電素子を用いた加速度センサ。4. The acceleration sensor according to claim 1, wherein an inner annular region that surrounds the origin in the region of the flexible portion on the XY plane and an outer region that further surrounds the inner annular region. An annular region is defined, one of the inner annular region and the outer annular region is defined as a first attribute region, the other is defined as a second attribute region, and the first upper electrode is defined by the first attribute. The second upper electrode is arranged in a region within the region extending over the second and third quadrants of the XY coordinate system, and the second upper electrode extends over the first and fourth quadrants of the XY coordinate system within the second attribute region. A third upper electrode in a region extending over the third and fourth quadrants of the XY coordinate system in the second attribute region, and a fourth upper electrode in the first attribute region. Of the XY coordinate system in the first quadrant and the second quadrant Acceleration sensor using a piezoelectric element characterized and. 【請求項５】 ＸＹＺ三次元座標系におけるＸ軸、Ｙ軸
およびＺ軸方向の加速度成分を検出するための加速度セ
ンサであって、 板状の圧電素子と、この圧電素子の上面に形成された６
枚の上部電極と、この圧電素子の下面に形成された下部
電極と、を備え、前記圧電素子の上面のほぼ中心位置に
前記ＸＹＺ三次元座標系の原点を定義することにより、
Ｘ軸、Ｙ軸およびＺ軸方向を定め、更に、原点を通りＸ
Ｙ平面に沿って伸びる第４の軸を定めたときに、 前記圧電素子は、その上面がＸＹ平面に沿って延び、そ
の下面には前記原点の周囲を取り囲むような環状溝が形
成され、この環状溝の形成部分の肉厚が他の部分の肉厚
よりも薄くなるようにすることにより、環状溝の形成部
分が可撓性をもった可撓部を構成するようになってお
り、この可撓部に囲まれた部分である中心部と、この可
撓部の周囲の部分である周囲部とは、前記可撓部の撓み
により相互に変位を生じるように構成され、 前記６枚の上部電極は、Ｘ軸に関して負の領域に形成さ
れた第１の上部電極と、Ｘ軸に関して正の領域に形成さ
れた第２の上部電極と、Ｙ軸に関して負の領域に形成さ
れた第３の上部電極と、Ｙ軸に関して正の領域に形成さ
れた第４の上部電極と、前記第４の軸に関して負の領域
に形成された第５の上部電極と、前記第４の軸に関して
正の領域に形成された第６の上部電極と、によって構成
され、これらの各上部電極は、いずれも前記可撓部に形
成され、かつ、その外周部分が前記可撓部の外周部分に
配置されるか、または、その内周部分が前記可撓部の内
周部分に配置されており、 前記下部電極は、前記各上部電極のそれぞれに対して向
かい合う位置に形成されており、 作用した加速度に基づいて、前記中心部と前記周囲部と
が相互に変位するように前記可撓部に撓みが生じるよう
にし、この撓みにより前記上部電極に所定の電荷を発生
させ、 作用した加速度のＸ軸方向成分を、前記第１の上部電極
に発生した電荷および前記第２の上部電極に発生した電
荷に基づいて検出し、作用した加速度のＹ軸方向成分
を、前記第３の上部電極に発生した電荷および前記第４
の上部電極に発生した電荷に基づいて検出し、作用した
加速度のＺ軸方向成分を、前記第５の上部電極に発生し
た電荷および前記第６の上部電極に発生した電荷に基づ
いて検出するように構成したことを特徴とする圧電素子
を用いた加速度センサ。5. An acceleration sensor for detecting acceleration components in X-axis, Y-axis and Z-axis directions in an XYZ three-dimensional coordinate system, comprising a plate-shaped piezoelectric element and an upper surface of the piezoelectric element. 6
By providing a plurality of upper electrodes and a lower electrode formed on the lower surface of the piezoelectric element, and defining the origin of the XYZ three-dimensional coordinate system at approximately the center position of the upper surface of the piezoelectric element,
Determine the X-axis, Y-axis, and Z-axis directions, and then pass through the origin to set X
When defining the fourth axis extending along the Y plane, the piezoelectric element extends along the upper surface thereof to the XY plane, its
An annular groove is formed on the bottom surface of the
The thickness of the part where this annular groove is formed is the thickness of the other part
By making it thinner than
The parts are designed to form a flexible part.
The central portion, which is a portion surrounded by the flexible portion, and the peripheral portion, which is a peripheral portion of the flexible portion, are configured to cause mutual displacement due to bending of the flexible portion, The six upper electrodes are formed in a negative region with respect to the X-axis, a first upper electrode formed in a region negative with respect to the X-axis, a second upper electrode formed in a region positive with respect to the X-axis, and a negative region with respect to the Y-axis. A third upper electrode, a fourth upper electrode formed in a positive region with respect to the Y axis, a fifth upper electrode formed in a negative region with respect to the fourth axis, and the fourth axis. A sixth upper electrode formed in a positive region with respect to, and each of these upper electrodes is formed on the flexible portion, and an outer peripheral portion thereof is formed on an outer peripheral portion of the flexible portion.
Or the inner peripheral portion of the flexible portion is
The lower electrode is arranged in a peripheral portion, and is formed at a position facing each of the upper electrodes, and the central portion and the peripheral portion are displaced from each other based on the applied acceleration. As described above, the flexible portion is bent, and a predetermined charge is generated in the upper electrode due to the bending, and the X-axis direction component of the applied acceleration is generated by the charge generated in the first upper electrode and the first component. The second component of the acceleration, which is detected based on the electric charge generated in the second upper electrode, is applied to the charge generated in the third upper electrode and the fourth component.
To detect the Z-axis component of the applied acceleration on the basis of the charge generated on the fifth upper electrode and the charge generated on the sixth upper electrode. An acceleration sensor using a piezoelectric element having the above-mentioned configuration. 【請求項６】 請求項５に記載の加速度センサにおい
て、Ｘ軸を第４の軸としても用いるようにしたことを特
徴とする圧電素子を用いた加速度センサ。6. An acceleration sensor using a piezoelectric element according to claim 5, wherein the X axis is also used as a fourth axis. 【請求項７】 請求項５に記載の加速度センサにおい
て、 ＸＹ平面上の可撓部の領域に、原点を周囲から囲むよう
な内側環状領域と、この内側環状領域を更に周囲から囲
むような外側環状領域と、を定義し、 第１の上部電極を、前記外側環状領域内の、ＸＹ座標系
の第２象限および第３象限に渡る領域に配置し、 第２の上部電極を、前記外側環状領域内の、ＸＹ座標系
の第１象限および第４象限に渡る領域に配置し、 第３の上部電極を、前記内側環状領域内の、ＸＹ座標系
の第３象限および第４象限に渡る領域に配置し、 第４の上部電極を、前記内側環状領域内の、ＸＹ座標系
の第１象限および第２象限に渡る領域に配置し、 第５の上部電極を、前記内側環状領域内のＸ軸上の負の
領域に、前記第３の上部電極と前記第４の上部電極との
間に位置するように配置し、 第６の上部電極を、前記内側環状領域内のＸ軸上の正の
領域に、前記第３の上部電極と前記第４の上部電極との
間に位置するように配置したことを特徴とする圧電素子
を用いた加速度センサ。7. The acceleration sensor according to claim 5, wherein an inner annular region that surrounds the origin in the region of the flexible portion on the XY plane and an outer region that further surrounds the inner annular region from the periphery. An annular region is defined, and a first upper electrode is arranged in a region in the outer annular region extending over a second quadrant and a third quadrant of the XY coordinate system, and a second upper electrode is disposed on the outer annular region. The third upper electrode is arranged in a region extending over the first quadrant and the fourth quadrant of the XY coordinate system, and the third upper electrode is a region extending over the third quadrant and the fourth quadrant of the XY coordinate system in the inner annular region. And a fourth upper electrode in a region of the inner annular region extending over the first and second quadrants of the XY coordinate system, and a fifth upper electrode is disposed in the inner annular region of X. Between the third upper electrode and the fourth upper electrode in a negative region on the axis And a sixth upper electrode is located in the positive region on the X-axis in the inner annular region between the third upper electrode and the fourth upper electrode. An acceleration sensor using a piezoelectric element, which is characterized in that 【請求項８】 請求項５に記載の加速度センサにおい
て、 ＸＹ平面上の可撓部の領域に、原点を周囲から囲むよう
な内側環状領域と、この内側環状領域を更に周囲から囲
むような外側環状領域と、を定義し、 第１の上部電極を、前記外側環状領域内の、ＸＹ座標系
の第２象限および第３象限に渡る領域に配置し、 第２の上部電極を、前記外側環状領域内の、ＸＹ座標系
の第１象限および第４象限に渡る領域に配置し、 第３の上部電極を、前記内側環状領域内の、ＸＹ座標系
の第３象限および第４象限に渡る領域に配置し、 第４の上部電極を、前記内側環状領域内の、ＸＹ座標系
の第１象限および第２象限に渡る領域に配置し、 第５の上部電極を、前記外側環状領域内のＹ軸上の負の
領域に、前記第１の上部電極と前記第２の上部電極との
間に位置するように配置し、 第６の上部電極を、前記外側環状領域内のＹ軸上の正の
領域に、前記第１の上部電極と前記第２の上部電極との
間に位置するように配置したことを特徴とする圧電素子
を用いた加速度センサ。8. The acceleration sensor according to claim 5, wherein an inner annular region that surrounds the origin in the region of the flexible portion on the XY plane and an outer region that further surrounds the inner annular region. An annular region is defined, and a first upper electrode is arranged in a region in the outer annular region extending over a second quadrant and a third quadrant of the XY coordinate system, and a second upper electrode is disposed on the outer annular region. The third upper electrode is arranged in a region extending over the first quadrant and the fourth quadrant of the XY coordinate system, and the third upper electrode is a region extending over the third quadrant and the fourth quadrant of the XY coordinate system in the inner annular region. And a fourth upper electrode in a region in the inner annular region extending over the first and second quadrants of the XY coordinate system, and a fifth upper electrode in the outer annular region. Between the first upper electrode and the second upper electrode in the negative region on the axis And the sixth upper electrode is located in the positive region on the Y-axis in the outer annular region between the first upper electrode and the second upper electrode. An acceleration sensor using a piezoelectric element, which is characterized in that 【請求項９】 請求項７に記載の加速度センサにおい
て、 更に、第７の上部電極および第８の上部電極を付加的に
設け、 第７の上部電極を、外側環状領域内のＹ軸上の負の領域
に、第１の上部電極と第２の上部電極との間に位置する
ように配置し、 第８の上部電極を、外側環状領域内のＹ軸上の正の領域
に、第１の上部電極と第２の上部電極との間に位置する
ように配置し、 作用した加速度のＺ軸方向成分を、第５〜第８の上部電
極において発生した電荷に基づいて検出するようにした
ことを特徴とする圧電素子を用いた加速度センサ。9. The acceleration sensor according to claim 7, further comprising a seventh upper electrode and an eighth upper electrode, wherein the seventh upper electrode is on the Y axis in the outer annular region. It is arranged in the negative region so as to be located between the first upper electrode and the second upper electrode, and the eighth upper electrode is arranged in the positive region on the Y-axis in the outer annular region in the first region. Is arranged so as to be located between the upper electrode and the second upper electrode, and the Z-axis direction component of the applied acceleration is detected based on the charges generated in the fifth to eighth upper electrodes. An acceleration sensor using a piezoelectric element. 【請求項１０】 請求項１，２，５〜９のいずれかに記
載の加速度センサにおいて、 作用した加速度のＸ軸方向成分を検出するための上部電
極が形成された圧電素子の部分については、原点に関し
て反対側に配置された部分とは逆の分極特性が得られる
ように、 作用した加速度のＹ軸方向成分を検出するための上部電
極が形成された圧電素子の部分については、原点に関し
て反対側に配置された部分とは逆の分極特性が得られる
ように、 作用した加速度のＺ軸方向成分を検出するための上部電
極が形成された圧電素子の部分については、原点に関し
て反対側に配置された部分と同じ分極特性が得られるよ
うに、 圧電素子の各部分に対して所定の分極処理を行うように
したことを特徴とする圧電素子を用いた加速度センサ。10. The acceleration sensor according to any one of claims 1, 2, 5 and 9, wherein the portion of the piezoelectric element in which an upper electrode for detecting the component of the applied acceleration in the X-axis direction is formed, The part of the piezoelectric element on which the upper electrode for detecting the Y-axis component of the applied acceleration is formed so that the opposite polarization characteristic to the part arranged on the opposite side of the origin is obtained, The part of the piezoelectric element on which the upper electrode for detecting the Z-axis direction component of the applied acceleration is formed so that the polarization characteristic opposite to that on the side is obtained is arranged on the opposite side with respect to the origin. An acceleration sensor using a piezoelectric element, characterized in that each portion of the piezoelectric element is subjected to a predetermined polarization treatment so that the same polarization characteristic as the polarized portion can be obtained. 【請求項１１】 請求項１〜１０のいずれかに記載の加
速度センサにおいて、 圧電素子の上面に、更に自己診断用電極を配置し、この
自己診断用電極と下部電極との間に所定の電圧を印加す
ることにおり、前記圧電素子に加速度が与えられたのと
等価な撓み状態を誘発させ、センサの試験を行うことが
できるようにしたことを特徴とする加速度センサ。11. The acceleration sensor according to claim 1, further comprising a self-diagnosis electrode disposed on the upper surface of the piezoelectric element, the predetermined voltage being provided between the self-diagnosis electrode and the lower electrode. Is applied to induce a bending state equivalent to that when acceleration is applied to the piezoelectric element, so that the sensor can be tested. 【請求項１２】 ＸＹＺ三次元座標系におけるＸ軸、Ｙ
軸およびＺ軸まわりの角速度を検出するための角速度セ
ンサであって、 板状の圧電素子と、この圧電素子の上面に形成された複
数枚の検出用上部電極および複数枚の励振用上部電極
と、この圧電素子の下面に形成された下部電極と、前記
各励振用上部電極と前記下部電極との間にそれぞれ所定
の交流電圧を印加する励振手段と、前記各検出用上部電
極に発生する電荷に基づいて角速度の検出を行う検出手
段と、を備え、前記圧電素子の上面のほぼ中心位置に前
記ＸＹＺ三次元座標系の原点を定義することにより、Ｘ
軸、Ｙ軸およびＺ軸方向を定めたときに、 前記圧電素子は、その上面がＸＹ平面に沿って延び、そ
の下面には前記原点の周囲を取り囲むような環状溝が形
成され、この環状溝の形成部分の肉厚が他の部分の肉厚
よりも薄くなるようにすることにより、環状溝の形成部
分が可撓性をもった可撓部を構成するようになってお
り、この可撓部に囲まれた部分である中心部と、この可
撓部の周囲の部分である周囲部とは、前記可撓部の撓み
により相互に変位を生じるように構成され、前記検出用上部電極および前記励振用上部電極は、いず
れも前記可撓部に形成され、かつ、その外周部分が前記
可撓部の外周部分に配置されるか、または、その内周部
分が前記可撓部の内周部分に配置されており、 前記励振手段は、所定の励振用上部電極と前記下部電極
との間に交流電圧を印加することにより、前記中心部と
前記周囲部との相互間に第１の方向（Ｘ軸、Ｙ軸または
Ｚ軸のいずれかの方向）に関する周期的な変位を生じさ
せる機能を有し、 前記検出手段は、前記第１の方向に関する周期的な変位
が生じている状態において、前記第１の方向に直交する
第２の方向（Ｘ軸、Ｙ軸またはＺ軸のいずれかの方向）
に関する周期的な変位を前記検出用上部電極に発生する
電荷に基づいて検出し、この検出結果に基づいて、前記
第１の方向および前記第２の方向の双方に直交する第３
の方向（Ｘ軸、Ｙ軸またはＺ軸のいずれかの方向）まわ
りの角速度を検出する機能を有することを特徴とする圧
電素子を用いた角速度センサ。12. The X axis and Y in an XYZ three-dimensional coordinate system.
An angular velocity sensor for detecting an angular velocity about an axis and a Z-axis, comprising a plate-shaped piezoelectric element, a plurality of detection upper electrodes and a plurality of excitation upper electrodes formed on an upper surface of the piezoelectric element. A lower electrode formed on the lower surface of the piezoelectric element, excitation means for applying a predetermined AC voltage between the excitation upper electrode and the lower electrode, and an electric charge generated in each detection upper electrode. And a detection means for detecting an angular velocity based on the above, and by defining an origin of the XYZ three-dimensional coordinate system at a substantially central position on the upper surface of the piezoelectric element, X
Axis, when defining the Y-axis and Z-axis direction, the piezoelectric element extends along the upper surface thereof to the XY plane, its
An annular groove is formed on the bottom surface of the
The thickness of the part where this annular groove is formed is the thickness of the other part
By making it thinner than
The parts are designed to form a flexible part.
Ri, the center portion is a portion surrounded by the flexible portion, the peripheral portion is a portion of the periphery of the flexible portion is configured to produce a displacement to each other by bending of the flexible portion, the The detection upper electrode and the excitation upper electrode are
This is also formed on the flexible portion, and the outer peripheral portion is the
Located on the outer circumference of the flexible section, or on the inner circumference
Are arranged in an inner peripheral portion of the flexible portion, and the excitation means applies an AC voltage between a predetermined excitation upper electrode and the lower electrode, whereby the central portion and the peripheral portion. And a function of causing a periodic displacement in a first direction (any direction of the X-axis, the Y-axis, or the Z-axis) between the detecting means and the periodic means in the first direction. Second direction (either X-axis, Y-axis, or Z-axis direction) orthogonal to the first direction in the state where various displacements occur
A periodic displacement with respect to the third electrode that is orthogonal to both the first direction and the second direction based on the detection result.
An angular velocity sensor using a piezoelectric element, which has a function of detecting an angular velocity around the direction (any one of the X axis, the Y axis, and the Z axis). 【請求項１３】 請求項１２に記載の角速度センサにお
いて、 原点を通りＸＹ平面に沿って伸びる第４の軸を定め、 検出用上部電極を、Ｘ軸に関して負の領域に形成された
第１の検出用上部電極と、Ｘ軸に関して正の領域に形成
された第２の検出用上部電極と、Ｙ軸に関して負の領域
に形成された第３の検出用上部電極と、Ｙ軸に関して正
の領域に形成された第４の検出用上部電極と、前記第４
の軸に関して負の領域に形成された第５の検出用上部電
極と、前記第４の軸に関して正の領域に形成された第６
の検出用上部電極と、によって構成し、これらの各検出
用上部電極をいずれも前記可撓部に形成し、 励振用上部電極を、Ｘ軸に関して負の領域に形成された
第１の励振用上部電極と、Ｘ軸に関して正の領域に形成
された第２の励振用上部電極と、Ｙ軸に関して負の領域
に形成された第３の励振用上部電極と、Ｙ軸に関して正
の領域に形成された第４の励振用上部電極と、によって
構成し、これらの各励振用上部電極をいずれも前記可撓
部に形成し、 下部電極を、前記各検出用上部電極および各励振用上部
電極のそれぞれに対して向かい合う位置に形成したこと
を特徴とする圧電素子を用いた角速度センサ。13. The angular velocity sensor according to claim 12, wherein a fourth axis passing through the origin and extending along the XY plane is defined, and the detection upper electrode is formed in a negative region with respect to the X axis. Detection upper electrode, second detection upper electrode formed in positive region with respect to X axis, third detection upper electrode formed in negative region with respect to Y axis, and positive region with respect to Y axis A fourth upper electrode for detection formed on the
A fifth upper electrode for detection formed in a negative region with respect to the axis and a sixth electrode formed in a positive region with respect to the fourth axis.
Detection upper electrodes, and each of these detection upper electrodes is formed on the flexible portion, and the excitation upper electrodes are formed on the negative region with respect to the X axis for the first excitation. An upper electrode, a second excitation upper electrode formed in a positive region with respect to the X axis, a third excitation upper electrode formed in a negative region with respect to the Y axis, and a third excitation upper electrode formed in a positive region with respect to the Y axis. And a fourth upper electrode for excitation, each of these upper electrodes for excitation is formed on the flexible portion, and the lower electrode is connected to the upper electrodes for detection and the upper electrodes for excitation. An angular velocity sensor using a piezoelectric element, which is formed at a position facing each other. 【請求項１４】 請求項１３に記載の角速度センサにお
いて、Ｘ軸を第４の軸としても用いるようにしたことを
特徴とする圧電素子を用いた角速度センサ。14. The angular velocity sensor according to claim 13, wherein the X axis is also used as the fourth axis, and the angular velocity sensor uses a piezoelectric element. 【請求項１５】 請求項１〜１４のいずれかに記載のセ
ンサにおいて、 板状の圧電素子の少なくとも可撓部下面および周囲部下
面に、所定の厚みをもった金属層を形成し、前記圧電素
子の中心部を固定し、前記金属層のうち前記可撓部下面
に形成されている部分を下部電極として用い、前記金属
層のうち前記周囲部下面に形成されている部分を前記可
撓部に撓みを生じさせる力を加える錘りとして用い、こ
の錘りとして用いる金属層については、錘りとして機能
するのに必要な質量が確保できるように十分な厚みをも
たせたことを特徴とする圧電素子を用いた加速度・角速
度センサ。15. The sensor according to claim 1, wherein a metal layer having a predetermined thickness is formed on at least the lower surface of the flexible portion and the lower surface of the peripheral portion of the plate-shaped piezoelectric element, and the piezoelectric element. The central portion of the element is fixed, the portion of the metal layer formed on the lower surface of the flexible portion is used as a lower electrode, and the portion of the metal layer formed on the lower surface of the peripheral portion is used as the flexible portion. The piezoelectric layer is characterized in that it is used as a weight that applies a force that causes bending to the metal layer, and the metal layer used as this weight has a sufficient thickness to ensure the mass necessary to function as the weight. Acceleration / angular velocity sensor using elements. 【請求項１６】 請求項１〜１４のいずれかに記載のセ
ンサにおいて、 板状の圧電素子の少なくとも可撓部下面および中心部下
面に、所定の厚みをもった金属層を形成し、前記圧電素
子の周囲部を固定し、前記金属層のうち前記可撓部下面
に形成されている部分を下部電極として用い、前記金属
層のうち前記中心部下面に形成されている部分を前記可
撓部に撓みを生じさせる力を加える錘りとして用い、こ
の錘りとして用いる金属層については、錘りとして機能
するのに必要な質量が確保できるように十分な厚みをも
たせたことを特徴とする圧電素子を用いた加速度・角速
度センサ。16. The sensor according to claim 1, wherein a metal layer having a predetermined thickness is formed on at least the lower surface of the flexible portion and the lower surface of the central portion of the plate-shaped piezoelectric element, The peripheral portion of the element is fixed, the portion of the metal layer formed on the lower surface of the flexible portion is used as a lower electrode, and the portion of the metal layer formed on the lower surface of the central portion is used as the flexible portion. A piezoelectric layer characterized in that it is used as a weight that applies a force to cause bending of the metal, and the metal layer used as this weight has a sufficient thickness so as to secure the mass necessary to function as the weight. Acceleration / angular velocity sensor using elements.