JP3423424B2

JP3423424B2 - 圧電素子を用いた加速度・角速度センサ

Info

Publication number: JP3423424B2
Application number: JP19108194A
Authority: JP
Inventors: 和廣岡田
Original assignee: 和廣岡田
Priority date: 1994-07-21
Filing date: 1994-07-21
Publication date: 2003-07-07
Anticipated expiration: 2018-07-07
Also published as: JPH0835981A

Description

【発明の詳細な説明】

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【００２３】

【００２４】

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【図面の簡単な説明】

【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。

【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。

【図３】図１に示す加速度センサの上面図である。

【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。

【図５】図１に示す加速度センサの下面図である。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【符号の説明】

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

───────────────────────────────────────────────────── 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

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。