JP4275269B2 - 圧電型三軸加速度センサ - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、圧電セラミックスを利用して加速度を検出する圧電型三軸加速度センサに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
一方の面上に加速度検出用電極パターンを形成し、他方の面上に対向電極パターンを形成した圧電セラミックス基板に分極処理を施し、加速度を受けて圧電セラミックス基板の応力発生領域に生じる応力により加速度検出用電極に発生する自発分極電荷に基づいて加速度検出信号（電圧信号または電流信号）を各出力電極から出力する加速度センサが知られている。この種の加速度センサにおいて、相互に直交する三軸方向の加速度を検出する圧電型三軸加速センサでは、加速度検出用電極パターンを一対のＸ軸方向加速度検出用電極、一対のＹ軸方向加速度検出用電極及び複数のＺ軸方向加速度検出用電極と、Ｘ軸出力電極、Ｙ軸出力電極及びＺ軸出力電極とがＸ軸接続線、Ｙ軸接続線及びＺ軸接続線を介してそれぞれ電気的に接続させて形成する。この圧電型三軸加速センサの基本原理及び基本技術は、国際公開ＷＯ９３／０２３４２（ＰＣＴ／ＪＰ９２／００８８２）に詳しく開示されている。
【０００３】
しかしながら、圧電セラミックス基板は比誘電率が高いため、圧電型三軸加速度センサでは、接続線と対向電極パターンとの間にも当然にして静電容量が発生する。接続線と対向電極パターンとの間に発生した自発分極電荷は、この静電容量にも蓄積される。そのため、出力電極から取り出される加速度検出信号の出力がある程度低下するという問題が生じる。そこで、圧電セラミックス基板の表面全体に亘って接続線と圧電セラミックス基板との間に、圧電セラミックス基板の比誘電率よりも比誘電率が十分に小さい低誘電率層を形成することが提案された。なお、対向電極パターンが接続線と対向し難くなるように、対向電極パターンを加速度検出用電極の電極群に対応した円環状に形成することも提案されている。しかしながら、このように対向電極パターンを形成しても、対向電極パターンは接続線と斜めに対向するため、斜めに対向している部分の静電容量が無くなるわけではない。そのため、この場合にも低誘電率層が必要である。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
従来のように、圧電セラミックス基板の表面全体に亘って低誘電率層を形成すると、圧電セラミックス基板の応力発生領域では、低誘電率層により圧電セラミックス基板の撓みが阻害されて、応力発生領域内の応力の発生量に偏りが生じる。そのため、出力電極から出力されるＸ軸加速度検出信号、Ｙ軸加速度検出信号及びＺ軸加速度検出信号のレベルにそれぞればらつきが生じる。そこで、従来では、センサに設けた信号増幅回路によりＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸加速度信号のレベルのばらつきを調整していた。しかしながら、信号増幅回路によりＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸加速度信号のレベルのばらつきを調整すると、圧電型三軸加速度センサの製造が繁雑になるという問題があった。
【０００５】
本発明の目的は、信号増幅回路によりＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸加速度信号のレベルのばらつきを調整する必要のない圧電型三軸加速度センサを提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明が改良の対象とする圧電型三軸加速度センサは、相互に直交するＸ軸方向、Ｙ軸方向及びＺ軸方向の三軸の加速度をそれぞれ検出するための一対のＸ軸加速度検出用電極、一対のＹ軸加速度検出用電極及び複数のＺ軸加速度検出用電極と、Ｘ軸出力電極、Ｙ軸出力電極及びＺ軸出力電極とがＸ軸接続線、Ｙ軸接続線及びＺ軸接続線を介してそれぞれ電気的に接続された加速度検出電極パターンが表面上に形成され、裏面上に少なくとも一対のＸ軸加速度検出用電極、一対のＹ軸加速度検出用電極及び複数のＺ軸加速度検出用電極と対向する対向電極パターンが形成され、各加速度検出用電極と対向電極パターンとの間の部分が分極処理されている圧電セラミックス基板と、表面に圧電セラミックス基板の裏面が接合されたダイアフラムと、ダイアフラムの中央部に設けられた重錘と、重錘に加速度が作用したときに重錘の周囲にある圧電セラミックス基板の部分に撓みが生じるようにダイアフラムを支持するべースとを具備している。圧電セラミックス基板は、重錘と対向する重錘対向領域と、ベースと対向するベース対向領域と、重錘対向領域とベース対向領域の間に位置し各加速度検出用電極が配置される環状の応力発生領域とを有している。また、Ｘ軸接続線、Ｙ軸接続線及びＺ軸接続線と圧電セラミックス基板との間には、圧電セラミックス基板の比誘電率よりも比誘電率が十分に小さい低誘電率層が形成されている。本発明では、応力発生領域に位置する接続線の部分と圧電セラミックス基板との間に低誘電率層を形成しない。また、対向電極パターンは、接続線とできるだけ圧電セラミックス基板を介して対向しないようにその形状を定める。本発明のように、応力発生領域に位置する接続線の部分と圧電セラミックス基板との間に低誘電率層を形成しないと、従来のように、低誘電率層により圧電セラミックス基板の応力発生領域における撓みが阻害されることがないので、応力発生領域内の応力の発生量に偏りが生じるのを防ぐことができる。
【０００７】
しかしながら、このように、応力発生領域に位置する接続線の部分と圧電セラミックス基板との間に低誘電率層を形成しないと、応力発生領域内では接続線と対向電極パターンとの間に自発分極電荷が発生するという問題が生じる。そこで、本発明では、接続線とできるだけ圧電セラミックス基板を介して対向しないように対向電極パターンの形状を定めて、応力発生領域内での接続線と対向電極パターンとの間の自発分極電荷の発生を防いだ。以上により、本発明によれば、出力電極から出力されるＸ軸加速度検出信号、Ｙ軸加速度検出信号及びＺ軸加速度検出信号のレベルにそれぞればらつきが生じるのを防ぐことができ、信号増幅回路により各加速度信号のレベルのばらつきを調整する必要がなくなる。
【０００８】
対向電極パターンを接続線とできるだけ圧電セラミックス基板を介して対向しないようにするには、対向電極パターンを各加速度検出用電極により形成される電極群の輪郭に沿う形状に形成すればよい。
【０００９】
応力発生領域は、重錘対向領域を囲む環状の第１の応力発生部と、第１の応力発生部を囲み第１の応力発生部に加わる応力と異なる種類の応力が発生する環状の第２の応力発生部と、第１の応力発生部及び第２の応力発生部の境界線からなる変曲線部とを有している。そこで、一対のＸ軸加速度検出用電極、一対のＹ軸加速度検出用電極及び複数のＺ軸加速度検出用電極の少なくとも一つの電極は、重錘にＸ軸方向、Ｙ軸方向及びＺ軸方向にそれぞれ同じ大きさの加速度が作用したときに、各出力電極から出力されるＸ軸加速度検出信号、Ｙ軸加速度検出信号及びＺ軸加速度検出信号のレベルが実質的に等しくなるように、変曲線部を越えて第１の応力発生部から第２の応力発生部上に延びる出力調整用延長電極部を有しているのが好ましい。
【００１０】
このように一対のＸ軸加速度検出用電極、一対のＹ軸加速度検出用電極及び複数のＺ軸加速度検出用電極の少なくとも一つの電極に、出力調整用延長電極部を設けると、出力調整用延長電極部が設けられた加速度検出用電極では、第１の応力発生部上の部分で発生した電荷の一部が出力調整用延長電極部で発生した逆極性の電荷により打ち消され、出力電極から出力する加速度検出信号のレベルが低下する。そのため、この低下量を適宜に定めることによりＸ軸加速度検出信号、Ｙ軸加速度検出信号及びＺ軸加速度検出信号のレベルが実質的に等しくなるように調整することができる。このようにして、Ｘ軸出力電極、Ｙ軸出力電極及びＺ軸出力電極から出力されるＸ軸加速度検出信号、Ｙ軸加速度検出信号及びＺ軸加速度検出信号のレベルが実質的に等しくすれば、信号増幅回路を用いなくても、加速度信号の出力レベルを一致させることができる圧電型三軸加速度センサを得ることができる。また、Ｘ軸加速度検出信号、Ｙ軸加速度検出信号及びＺ軸加速度検出信号の信号レベルを同じにできるので、増幅回路を用いるとしても、各方向の加速度検出信号に応じて増幅度を変える必要がなくなり、増幅回路の構成及び設計が簡単になる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。図１〜４は、本発明の実施の形態の圧電型三軸加速度センサを一部破断した状態で示す正面図、平面図、側面図及び背面図である。図２及び図３に示すように、この加速度検出装置は、ダイアフラム１と、重錘３と、ベース５と、ダイアフラム１の重錘３が取り付けられた面側とは反対側の面上に固定された加速度センサ素子７とを備えている。これらの各部材は、絶縁樹脂製ケース９内に収納されており、この絶縁樹脂製ケース９には、内部に複数の端子金具１１Ａ〜１１Ｈが配置されると共に金属製のカバー部材１３が嵌合されている。
【００１２】
ダイアフラム１、重錘３及びベース５は、真鍮からなる金属材料により一体に成形された単体ユニット１０として構成されている。ダイアフラム１は、円板形状を有している。重錘３は、円柱形状を有しており、その軸線の延長部分がダイアフラム１の中心を通るように配置されている。ベース５は円筒形状を有しており、ダイアフラム１の外周部を支持している。また、ベース５の外周部には、周方向に連続するＶ字溝５ａが形成されている。この単体ユニット１０は、複数の端子金具１１Ａ〜１１Ｈと共に絶縁樹脂製ケース９を成形するときにインサートとして用いられる。
【００１３】
加速度センサ素子７は、図５の平面図及び図６の裏面図に示すように圧電セラミックス基板７ａの表面に三軸加速度検出用の加速度検出用電極パターンＥ１が形成され、裏面に対向電極パターンＥ０が形成されて構成されている。圧電セラミックス基板７ａの裏面及び対向電極パターンＥ０は、エポキシ等の合成樹脂材料からなる接着剤層によってダイアフラム１の表面に接合されている。圧電セラミックス基板７ａは、輪郭形状がほぼ四角形をなしており、図１及び図３に示すように、ダイアフラム１上に位置する本体部７ｂと、絶縁樹脂製ケース９上を本体部７ｂから複数の端子金具１１Ａ〜１１Ｈの近傍まで延びる延長部７ｃとを有している。圧電セラミックス基板７ａの対向する２つの辺部に位置する延長部７ｃの縁部には、図１及び図５に示すように、４つの半円状の凹部７ｄ〜７ｇと４つの半円状の凹部７ｈ〜７ｋとがそれぞれ等間隔に形成されている。この圧電セラミックス基板７ａは、内部に応力が加わると自発分極電荷が発生するように電極に対応した部分に分極処理が施されている。分極処理については後に説明する。圧電セラミックス基板７ａは、重錘対向領域８Ａと、ベース対向領域８Ｂと、重錘対向領域８Ａとベース対向領域８Ｂとの間に位置する応力発生領域８Ｃとを有している。重錘対向領域８Ａに対応する部分には重錘３が位置しており、ベース対向領域８Ｂに対応する部分にはベース５が位置している。応力発生領域８Ｃは、重錘対向領域８Ａを囲む環状の第１の応力発生部８Ｃ1と、第１の応力発生部８Ｃ1を囲む環状の第２の応力発生部８Ｃ2とから構成されている。第１の応力発生部８Ｃ1は、重錘３に対して圧電セラミックス基板７ａの基板面と平行な方向（Ｘ軸方向またはＹ軸方向）に加速度が作用すると、重錘３の重心を中心として点対称に異なった状態（引っ張り応力が加わった状態と、圧縮応力が加わった状態と）に変形する。また、重錘３に対して圧電セラミックス基板７ａの基板面と直交する方向（Ｚ軸方向）に加速度が作用すると、第１の応力発生部８Ｃ1の各部は同じ状態に変形する。第２の応力発生部８Ｃ2は、第１の応力発生部８Ｃ1に加わる応力と異なる種類の応力が極めて小さく発生する領域である。なお、図５において、８Ｄは第１の応力発生部８Ｃ1と第２の応力発生部８Ｃ2との境界線（変曲線部）である。
【００１４】
圧電セラミックス基板７ａの表面及び裏面に形成された加速度検出用電極パターンＥ１及び対向電極パターンＥ０は、いずれもスクリーン印刷により形成されている。加速度検出用電極パターンＥ１は、図５に示すように、Ｘ軸方向検知電極パターン１５とＹ軸方向検知電極パターン１７とＺ軸方向検知電極パターン１９とを有している。Ｘ軸方向検知電極パターン１５は、一対のＸ軸方向加速度検出用電極ＥＸ１，ＥＸ２とＸ軸出力電極ＯＸとがＸ軸接続線Ｌ１〜Ｌ３により直列に接続された構造を有している。一対のＸ軸方向加速度検出用電極ＥＸ１，ＥＸ２は、後に説明するＹ軸方向検知電極パターン１７の一対のＹ軸方向加速度検出用電極ＥＹ１，ＥＹ２及びＺ軸方向検知電極パターン１９の４つのＺ軸方向加速度検出用電極ＥＺ１〜ＥＺ４と共に、重錘対向領域８Ａを囲む環状の列を形成している。一対のＸ軸方向加速度検出用電極のそれぞれの電極ＥＸ１，ＥＸ２は、Ｘ軸方向仮想線ＸＬに対して線対称になり且つ重錘対向領域８Ａと第１の応力発生部８Ｃ1とに跨がる矩形に近い形状を有している。
【００１５】
Ｙ軸方向加速度検出用電極パターン１７は、一対のＹ軸方向加速度検出用電極ＥＹ１，ＥＹ２とＹ軸出力電極ＯＹとがＹ軸接続線Ｌ４により直列に接続された構造を有している。一対のＹ軸方向加速度検出用電極のそれぞれの電極ＥＹ１，ＥＹ２は、Ｙ軸方向仮想線ＹＬに対して線対称になり且つ重錘対向領域８Ａと第１の応力発生部８Ｃ1と第２の応力発生部８Ｃ2とに跨がる矩形に近い形状を有している。これらの電極ＥＹ１，ＥＹ２は、いずれも重錘対向領域８Ａ及び第１の応力発生部８Ｃ1上に位置する電荷発生電極部ＥＹ１ａ，ＥＹ２ａと、変曲線部８Ｄを越えて第１の応力発生部８Ｃ1から第２の応力発生部８Ｃ2上に延びる出力調整用延長電極部ＥＹ１ｂ，ＥＹ２ｂとをそれぞれ有している。前述したように、第２の応力発生部８Ｃ2は、僅かな量ではあるが、第１の応力発生部８Ｃ1に加わる応力とは異なる種類の応力が発生する。そのため、第２の応力発生部８Ｃ2上に位置する出力調整用延長電極部ＥＹ１ｂ，ＥＹ２ｂには、電荷発生電極部ＥＹ１ａ，ＥＹ２ａとは逆極性の電荷が発生する。その結果、電荷発生電極部ＥＹ１ａ，ＥＹ２ａで発生した電荷の一部が出力調整用延長電極部ＥＹ１ｂ，ＥＹ２ｂで発生した逆極性の電荷により打ち消され、Ｙ軸出力電極ＯＹから出力するＹ軸加速度検出信号のレベルは低下する。
【００１６】
Ｚ軸方向加速度検出用電極パターン１９は、４つのＺ軸方向加速度検出用電極ＥＺ１〜ＥＺ４及びＺ軸出力電極ＯＺが、これらの順にＺ軸接続線Ｌ５によって直列に接続された構造を有している。Ｚ軸方向加速度検出用電極ＥＺ１〜ＥＺ４は、それぞれが矩形に近い形状を有しており、一対のＸ軸方向加速度検出用電極ＥＸ１，ＥＸ２及び一対のＹ軸方向加速度検出用電極ＥＹ１，ＥＹ２の各電極の間に配置された状態で重錘対向領域８Ａと第１の応力発生部８Ｃ1とに跨がって形成されている。また、Ｚ軸方向加速度検出用電極ＥＺ１〜ＥＺ４の形状及び寸法は、重錘３にＸ軸方向、Ｙ軸方向及びＺ軸方向にそれぞれ同じ大きさの加速度が作用したときに、出力電極ＯＺから出力されるＺ軸加速度検出信号のレベルが出力電極ＯＹ及びＯＺから出力されるＹ軸加速度検出信号及びＺ軸加速度検出信号のレベルと実質的に等しくなるように設定されている。
【００１７】
本例の加速度センサにおいて、仮にＹ軸方向加速度検出用電極ＥＹ１，ＥＹ２の形状及び寸法がＸ軸方向加速度検出用電極ＥＸ１，ＥＸ２と同じだとすると、重錘３にＸ軸方向，Ｙ軸方向及びＺ軸方向にそれぞれ同じ大きさの加速度が作用したときに、出力電極ＯＹから出力されるＹ軸加速度検出信号は、出力電極ＯＸから出力されるＸ軸加速度検出信号、または出力電極ＯＺから出力されるＺ軸加速度検出信号より大きいものになる。これは、Ｘ軸接続線Ｌ１〜Ｌ３とＹ軸接続線Ｌ４との長さ寸法の違いによるものと考えられる。本例によれば、Ｙ軸方向加速度検出電極ＥＹ１，ＥＹ２に出力調整用延長電極部ＥＹ１ｂ，ＥＹ２ｂを設けることにより、Ｙ軸出力電極ＯＹから出力するＹ軸加速度検出信号のレベルを低下させ、重錘３にＸ軸方向，Ｙ軸方向及びＺ軸方向にそれぞれ同じ大きさの加速度が作用したときに、各出力電極ＯＸ〜ＯＺから出力されるＸ軸加速度検出信号、Ｙ軸加速度検出信号及びＺ軸加速度検出信号のレベルを実質的に等しくできる。
【００１８】
Ｘ軸出力電極ＯＸ、Ｙ軸出力電極ＯＹ及びＺ軸出力電極ＯＺは、圧電セラミックス基板７ａの３つの角部において、凹部７ｄ，７ｈ，７ｋをそれぞれ囲むように形成されている。また、圧電セラミックス基板７ａの残りの角部には、凹部７ｇを囲むようにアース電極ＯＥが形成されている。アース電極ＯＥには、Ｘ軸方向加速度検出用電極ＥＸ１に隣接する圧電セラミックス基板７ａの縁部まで延びる延長部分２１が接続されている。また、アース電極ＯＥは、圧電セラミックス基板７ａの側部及び裏面上に形成された図示しない導電性接着剤層を介してベース５と電気的に接続されている。
【００１９】
重錘対向領域８Ａ及びベース対向領域８Ｂの一部分には、低誘電率層２７〜３１が接続線Ｌ１〜Ｌ５と圧電セラミックス基板７ａとの間に位置するように所定のパターンで形成されている。低誘電率層２７〜３１は、いずれも圧電セラミックス基板７ａよりも比誘電率が十分に小さいレジン（エポキシ）ペーストからなる熱硬化性樹脂（比誘電率：１０）を用いてスクリーン印刷により形成されており、２０μｍの厚みを有している。低誘電率層は、圧電セラミックス基板７ａの１／１００以下の比誘電率を有する誘電物質を用いるのが好ましい。誘電物質としては、圧電セラミックス基板７ａよりも比誘電率が十分に小さいものであればよく、ガラス及び熱硬化性樹脂を用いることができる。低誘電率層２７は、重錘固定領域８Ａ内において、接続線Ｌ４及びＬ５と、圧電セラミックス基板７ａとの間に位置するように形成されており、円形の形状を有している。低誘電率層２９は、ベース対向領域８Ｂの一方の側において、接続線Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３，Ｌ５及び延長部分２１と圧電セラミックス基板７ａとの間に位置するように形成されている。低誘電率層３１は、ベース対向領域８Ｂの他方の側において、接続線Ｌ４及びＬ５と圧電セラミックス基板７ａとの間に位置するように形成されている。このように、低誘電率層２７〜３１は、応力発生領域８Ｃに位置する各接続線Ｌ１，Ｌ２，Ｌ４，Ｌ５の部分と圧電セラミックス基板７ａとの間には形成されていない。本例のように、低誘電率層２７〜３１を構成すると、低誘電率層により圧電セラミックス基板７ａの応力発生領域８Ｃにおける撓みが阻害されることがないので、応力発生領域８Ｃ内の応力の発生量に偏りが生じるのを防ぐことができる。
【００２０】
圧電セラミックス基板７ａの裏面上に形成された対向電極パターンＥ０は、図６に示すように、加速度検出用電極パターンＥ１の加速度検出用電極ＥＸ１〜ＥＺ４と対向する環状の対向電極Ｅ０ａと、対向電極Ｅ０ａから圧電セラミックス基板７ａの縁部に延びる延伸部Ｅ０ｂと、圧電セラミックス基板７ａの４角に形成された裏面電極部Ｅ０ｃ〜Ｅ０ｆとを有している。対向電極Ｅ０ａは、接続線Ｌ１〜Ｌ５とできるだけ圧電セラミックス基板７ａを介して対向しないように、加速度検出用電極ＥＸ１〜ＥＺ４が形成する電極群の輪郭に沿う形状を有している。前述したように、本例では、応力発生領域８Ｃに低誘電率層を形成しないので、応力発生領域内８Ｃの応力の発生量に偏りが生じるのを防ぐことができる。しかしながら、応力発生領域８Ｃ内では低誘電率層が形成されていないため、接続線Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３，Ｌ５と対向電極Ｅ０ａとの間に自発分極電荷が発生するという問題が生じる。そこで、本例では、接続線Ｌ１〜Ｌ５とできるだけ圧電セラミックス基板７ａを介して対向しないように対向電極Ｅ０ａの形状を定めて、応力発生領域８Ｃ内での接続線Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３，Ｌ５と対向電極Ｅ０ａとの間の自発分極電荷の発生を防いだ。延伸部Ｅ０ｂの一部は、加速度検出用電極パターンＥ１の延長部分２１の端部２１ａと対向しており、圧電セラミックス基板７ａの側部を延びる接続部２３を介して延長部分２１の端部２１ａと電気的に接続されている。これにより、対向電極パターンＥ０に含まれる対向電極Ｅ０ａはアース電極ＯＥと電気的に接続されることになる。裏面電極部Ｅ０ｃ〜Ｅ０ｆは、アース電極ＯＥ、Ｘ軸出力電極ＯＸ、Ｚ軸出力電極ＯＺ及びＹ軸出力電極ＯＹと対向しており、圧電セラミックス基板７ａの側部を延びる接続部を介してそれぞれ対向する各電極と電気的に接続されている。
【００２１】
Ｘ軸方向加速度検出用電極ＥＸ１，ＥＸ２に対応する圧電セラミックス基板７ａの各部分には、重錘３にＺ軸方向の加速度が作用して各部分に同種類の応力が発生したときに重錘対向領域８Ａの一方の側に位置する加速度検出用電極ＥＸ１と他方の側に位置する加速度検出用電極ＥＸ２とにそれぞれ逆極性の自発分極電荷が現れるように分極処理が施されている。また、Ｙ軸方向加速度検出用電極ＥＹ１，ＥＹ２に対応する圧電セラミックス基板７ａの各部分もＸ軸方向加速度検出用電極ＥＸ１，ＥＸ２に対応する圧電セラミックス基板７ａの各部分と同様に、重錘３にＺ軸方向の加速度が作用して各部分に同種類の応力が発生したときに重錘対向領域８Ａの一方の側に位置するＹ軸方向加速度検出用電極ＥＹ１と他方の側に位置するＹ軸方向加速度検出用電極ＥＹ２とにそれぞれ逆極性の自発分極電荷が現れるように分極処理が施されている。また、Ｚ軸方向加速度検出用電極ＥＺ１〜ＥＺ４に対応する圧電セラミックス基板７ａの各部分は、重錘３にＺ軸方向の加速度が作用して各部分に同種類の応力が発生したときにすべてのＺ軸方向加速度検出用電極ＥＺ１〜ＥＺ４に同じ極性の自発分極電荷が現れるように分極処理が施されている。このため、重錘３に作用する加速度に基づいてダイアフラム１が変形すると圧電セラミックス基板７ａが撓んで加速度検出用電極パターンＥ１ と対向電極パターンＥ０ との間に発生する自発分極電荷が変化して、重錘３に加わった三軸（Ｘ軸，Ｙ軸，Ｚ軸）方向の加速度が電流または電圧の変化として測定される。
【００２２】
本例では、加速度検出用電極ＥＸ１〜ＥＺ４及び対向電極パターンＥ0をガラス−銀ペーストを用いてスクリーン印刷した後にこれを焼成して５μｍの厚みに形成した後に、対向する各電極間に直流電圧を印加することにより圧電セラミックス基板７ａに分極処理を行った。次に、低誘電率層２７〜３１をレジン（エポキシ）ペーストによりスクリーン印刷してから、接続線Ｌ１〜Ｌ９を銀ペーストによりスクリーン印刷して加速度検出用電極パターンＥ1 を形成した。
【００２３】
絶縁樹脂製ケース９は、図１〜図３に示すように、その輪郭がほぼ直方体を呈しており、中央空洞部９ａと、この中央空洞部９ａと外部とに連通する側方空洞部９ｂとが内部に形成されている。中央空洞部９ａは、図２及び図３において紙面の上下方向に絶縁樹脂製ケース９を貫通しており、ほぼ円柱形の単体ユニット収納部９ｃと、絶縁樹脂製ケース９の内周面に段部９ｄを形成するように、単体ユニット収納部９ｃより小さい径を有するほぼ円柱形の空隙部９ｅとを有している。単体ユニット１０は、単体ユニット１０のベース５の底面と段部９ｄとが当接するように単体ユニット収納部９ｃ内に収納されている。また、単体ユニット収納部９ｃの内部には、単体ユニット１０のベース５のＶ字溝５ａに樹脂が入り込んで突起部９ｆが形成されている。本例では、単体ユニット１０をインサートとして射出成形により絶縁樹脂製ケース９を一体成形しているため、段部９ｄ及び突起部９ｆは、単体ユニット１０の絶縁樹脂製ケース９からの抜け止めとして機能している。また、このように単体ユニット１０をインサートとして絶縁樹脂製ケース９が成形されることにより、ベース５の外周面の一部５ｂは、絶縁樹脂製ケース９の側方空洞部９ｂ内に露出される。また、絶縁樹脂製ケース９は、ダイアフラム１の表面と同じ側に位置してダイアフラム１の表面と面一に形成された表面９ｇと、表面９ｇの反対側に位置する裏面９ｈとを有している。表面９ｇには、前述した圧電セラミックス基板７ａの延長部７ｃが載置されている。裏面９ｈには、後述する複数の端子金具１１Ａ〜１１Ｈの他方の端部１１ｆ…が絶縁樹脂製ケース９の裏面９ｈから突出する方向と同じ方向に突出する複数個（この例では３個）のスペーサ９ｉ…が形成されている。このようなスペーサ９ｉ…を形成すれば、加速度検出装置を回路基板に取付ける際に絶縁樹脂製ケース９の裏面９ｈと回路基板との間にスペーサ９ｉ…によって空隙部を形成することができる。そのため、加速度検出装置の端子金具１１Ａ〜１１Ｈを回路基板に半田付けする際に半田に含まれるフラックスが絶縁樹脂製ケース９等を伝わって加速度検出装置の内部に侵入するのを防ぐことができる。また、図２に示すように、絶縁樹脂製ケース９の外周部には、側方空洞部９ｂが開口する側面９ｋの下方部に外側に向って開口するほぼ矩形の凹部９ｊが形成されている。
【００２４】
複数の端子金具１１Ａ〜１１Ｈは、図３に示すように、いずれも同じほぼ円柱形状を有しており、絶縁樹脂製ケース９内において圧電セラミックス基板７ａの凹部７ｄ〜７ｋと対応する位置にそれぞれ配置されている。端子金具１１Ａ〜１１Ｈの一つの端子金具は、一方の端部１１ａと長手方向中央部とにそれぞれ長手方向と直交する方向に突出する円環状の鍔部１１ｃ，１１ｄを有している。これにより、一方の端部１１ａの端面１１ｅの面積は、長手方向と直交する端子金具の断面積よりも大きくなる。また、長手方向中央部の鍔部１１ｄは、端子金具１１Ａ〜１１Ｆの絶縁樹脂製ケース９からの抜け止めとして機能している。これら複数の端子金具１１Ａ〜１１Ｈは、一方の端部１１ａの端面１１ｅが絶縁樹脂製ケース９の表面９ｇ上に露出し他方の端部１１ｆが絶縁樹脂製ケース９の裏面から突出するように絶縁樹脂製ケース９内に配置されている。複数の端子金具１１Ａ〜１１Ｈの各端面１１ｅのほぼ半部（半円部分）は、圧電セラミックス基板７ａの凹部７ｄ〜７ｋ内から外側に露出している。そして、図１及び図３に示すように、複数の端子金具１１Ａ〜１１Ｈの内、圧電セラミックス基板７ａの角部に位置する４つの端子金具１１Ａ，１１Ｄ，１１Ｅ，１１Ｈの各一方の端面１１ｅ…は、圧電セラミックス基板７ａの延長部７ｃに形成された電極ＯＸ，ＯＹ，ＯＺ，ＯＥと導電性接着剤からなる導電部２５…によって電気的に接続されている。また、この例では、複数の端子金具１１Ａ〜１１Ｈの内、他の４つの端子金具１１Ｂ，１１Ｃ，１１Ｆ，１１Ｇの各一方の端面１１ｅ…は、圧電セラミックス基板７ａの縁部と単に接触しているが、これらの端面１１ｅ…は、接着剤によって圧電セラミックス基板７ａの縁部と接続してもよい。なお、これらの端子金具１１Ｂ，１１Ｃ，１１Ｆ，１１Ｇは、ダミー端子を構成している。
【００２５】
カバー部材１３は、ほぼ矩形の上壁部１３ａとほぼ矩形の４つの側壁部１３ｂ〜１３ｅとを有する一面開口の箱形状を有しており、ステンレスにより一体に形成されている。このカバー部材１３は、上壁部１３ａが加速度センサ素子７の上方に位置し、側壁部１３ｂ〜１３ｅが絶縁樹脂製ケース９の側面と当接するように、絶縁樹脂製ケース９に対して嵌合された状態で加速度センサ素子７を覆っている。図２及び図３に示すように、絶縁樹脂製ケース９の側面９ｋ（絶縁樹脂製ケース９の側方空洞部９ｂが形成された側面）と当接するカバー部材１３の側壁部１３ｂには、接触片１３ｆ及び凸部１３ｇがプレス加工により一体に形成されている。接触片１３ｆは、側壁部１３ｂの一部が開口部１３ｈを形成してベース５側に起立するように絶縁樹脂製ケース９の側方空洞部９ｂ内を延びており、側壁部１３ｂの面と直交する方向に伸びる起立部１３ｆ1と、起立部１３ｆ1の端部で円弧状に曲げられた接触部１３ｆ2とを有している。接触部１３ｆ2は、ベース５のＶ字溝５ａの一部（側方空洞部９ｂ内に露出する部分）により構成される嵌合凹部に嵌合されており、これにより、カバー部材１３は、ベース５に電気的に接続されている。前述したように、アース電極ＯＥは、図示しない導電性接着剤層を介してベース５と電気的に接続されているので、カバー部材１３は、ベース５と共にアース電極ＯＥと電気的に接続されて接地されることになる。特に本例では、カバー部材１３が絶縁樹脂製ケース９に嵌合された状態で接触部１３ｆ2が起立部１３ｆ1のバネ性でベース５に押し付けられるので、カバー部材１３の取付と同時にカバー部材１３とベース５との電気的な接続を完了することができ、しかもベース５とカバー部材１３の接触片１３ｆとの接触が確実になる。
【００２６】
凸部１３ｇは、カバー部材１３の側壁部１３ｂの一部が折り曲げられて形成されている。この凸部１３ｇは、絶縁樹脂製ケース９の側面９ｋに形成された凹部９ｊに嵌合されて、カバー部材１３を絶縁樹脂製ケース９に固定する役割を果たしている。このような固定方法によれば、絶縁樹脂製ケース９にバネ性を持ってカバー部材１３の凸部１３ｇを嵌合するので、カバー部材１３の取付によりカバー部材１３を絶縁樹脂製ケース９に簡単に固定することができる。
【００２７】
なお、本例では、一対のＹ軸加速度検出用電極ＥＹ１，ＥＹ２のみに、出力調整用延長電極部ＥＹ１ｂ，ＥＹ２ｂを設けたが、加速度センサ素子の設計に応じて他の電極に出力調整用延長電極部を設けても構わない。その場合、出力調整用延長電極部の形状、寸法を適宜に設定することにより、Ｘ軸方向，Ｙ軸方向及びＺ軸方向にそれぞれ同じ大きさの加速度が作用したときに、各出力電極から出力されるＸ軸加速度検出信号、Ｙ軸加速度検出信号及びＺ軸加速度検出信号のレベルが実質的に等しくなるようにすればよい。
【００２８】
【発明の効果】
本発明によれば、応力発生領域に位置する接続線の部分と圧電セラミックス基板との間に低誘電率層を形成しないので、応力発生領域内の応力の発生量に偏りが生じるのを防ぐことができる。しかしながら、応力発生領域内では低誘電率層が形成されていないため、接続線と対向電極パターンとの間に自発分極電荷が発生するという問題が生じる。そこで、本発明では、各接続線とできるだけ圧電セラミックス基板を介して対向しないように対向電極パターンの形状を定めた。以上により、本発明によれば、出力電極から出力されるＸ軸加速度検出信号、Ｙ軸加速度検出信号及びＺ軸加速度検出信号のレベルにそれぞればらつきが生じるのを防ぐことができ、信号増幅回路により各加速度信号のレベルのばらつきを調整する必要がなくなる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の実施の形態の圧電型三軸加速度センサを一部破断した状態で示す正面図である。
【図２】 本発明の実施の形態の圧電型三軸加速度センサを一部破断した状態で示す平面図である。
【図３】 本発明の実施の形態の圧電型三軸加速度センサを一部破断した状態で示す側面図である。
【図４】 本発明の実施の形態の圧電型三軸加速度センサの背面図である。
【図５】 本発明の実施の形態の圧電型三軸加速度センサに用いる加速度センサ素子の平面図である。
【図６】 本発明の実施の形態の圧電型三軸加速度センサに用いる加速度センサ素子の裏面図である。
【符号の説明】
１ ダイアフラム
３ 重錘
５ ベース
７ 加速度センサ素子
８Ａ 重錘対向領域
８Ｂ ベース対向領域
８Ｃ 応力発生領域
８Ｃ1 第１の応力発生部
８Ｃ2 第２の応力発生部
２７〜３１ 低誘電率層
ＥＸ１，ＥＸ２ 一対のＸ軸方向加速度検出用電極
ＥＹ１，ＥＹ２ 一対のＹ軸方向加速度検出用電極
ＥＺ１〜ＥＺ４ Ｚ軸方向加速度検出用電極
Ｅ０ 対向電極パターン
Ｅ０ａ 対向電極
【発明の属する技術分野】
本発明は、圧電セラミックスを利用して加速度を検出する圧電型三軸加速度センサに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
一方の面上に加速度検出用電極パターンを形成し、他方の面上に対向電極パターンを形成した圧電セラミックス基板に分極処理を施し、加速度を受けて圧電セラミックス基板の応力発生領域に生じる応力により加速度検出用電極に発生する自発分極電荷に基づいて加速度検出信号（電圧信号または電流信号）を各出力電極から出力する加速度センサが知られている。この種の加速度センサにおいて、相互に直交する三軸方向の加速度を検出する圧電型三軸加速センサでは、加速度検出用電極パターンを一対のＸ軸方向加速度検出用電極、一対のＹ軸方向加速度検出用電極及び複数のＺ軸方向加速度検出用電極と、Ｘ軸出力電極、Ｙ軸出力電極及びＺ軸出力電極とがＸ軸接続線、Ｙ軸接続線及びＺ軸接続線を介してそれぞれ電気的に接続させて形成する。この圧電型三軸加速センサの基本原理及び基本技術は、国際公開ＷＯ９３／０２３４２（ＰＣＴ／ＪＰ９２／００８８２）に詳しく開示されている。
【０００３】
しかしながら、圧電セラミックス基板は比誘電率が高いため、圧電型三軸加速度センサでは、接続線と対向電極パターンとの間にも当然にして静電容量が発生する。接続線と対向電極パターンとの間に発生した自発分極電荷は、この静電容量にも蓄積される。そのため、出力電極から取り出される加速度検出信号の出力がある程度低下するという問題が生じる。そこで、圧電セラミックス基板の表面全体に亘って接続線と圧電セラミックス基板との間に、圧電セラミックス基板の比誘電率よりも比誘電率が十分に小さい低誘電率層を形成することが提案された。なお、対向電極パターンが接続線と対向し難くなるように、対向電極パターンを加速度検出用電極の電極群に対応した円環状に形成することも提案されている。しかしながら、このように対向電極パターンを形成しても、対向電極パターンは接続線と斜めに対向するため、斜めに対向している部分の静電容量が無くなるわけではない。そのため、この場合にも低誘電率層が必要である。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
従来のように、圧電セラミックス基板の表面全体に亘って低誘電率層を形成すると、圧電セラミックス基板の応力発生領域では、低誘電率層により圧電セラミックス基板の撓みが阻害されて、応力発生領域内の応力の発生量に偏りが生じる。そのため、出力電極から出力されるＸ軸加速度検出信号、Ｙ軸加速度検出信号及びＺ軸加速度検出信号のレベルにそれぞればらつきが生じる。そこで、従来では、センサに設けた信号増幅回路によりＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸加速度信号のレベルのばらつきを調整していた。しかしながら、信号増幅回路によりＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸加速度信号のレベルのばらつきを調整すると、圧電型三軸加速度センサの製造が繁雑になるという問題があった。
【０００５】
本発明の目的は、信号増幅回路によりＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸加速度信号のレベルのばらつきを調整する必要のない圧電型三軸加速度センサを提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明が改良の対象とする圧電型三軸加速度センサは、相互に直交するＸ軸方向、Ｙ軸方向及びＺ軸方向の三軸の加速度をそれぞれ検出するための一対のＸ軸加速度検出用電極、一対のＹ軸加速度検出用電極及び複数のＺ軸加速度検出用電極と、Ｘ軸出力電極、Ｙ軸出力電極及びＺ軸出力電極とがＸ軸接続線、Ｙ軸接続線及びＺ軸接続線を介してそれぞれ電気的に接続された加速度検出電極パターンが表面上に形成され、裏面上に少なくとも一対のＸ軸加速度検出用電極、一対のＹ軸加速度検出用電極及び複数のＺ軸加速度検出用電極と対向する対向電極パターンが形成され、各加速度検出用電極と対向電極パターンとの間の部分が分極処理されている圧電セラミックス基板と、表面に圧電セラミックス基板の裏面が接合されたダイアフラムと、ダイアフラムの中央部に設けられた重錘と、重錘に加速度が作用したときに重錘の周囲にある圧電セラミックス基板の部分に撓みが生じるようにダイアフラムを支持するべースとを具備している。圧電セラミックス基板は、重錘と対向する重錘対向領域と、ベースと対向するベース対向領域と、重錘対向領域とベース対向領域の間に位置し各加速度検出用電極が配置される環状の応力発生領域とを有している。また、Ｘ軸接続線、Ｙ軸接続線及びＺ軸接続線と圧電セラミックス基板との間には、圧電セラミックス基板の比誘電率よりも比誘電率が十分に小さい低誘電率層が形成されている。本発明では、応力発生領域に位置する接続線の部分と圧電セラミックス基板との間に低誘電率層を形成しない。また、対向電極パターンは、接続線とできるだけ圧電セラミックス基板を介して対向しないようにその形状を定める。本発明のように、応力発生領域に位置する接続線の部分と圧電セラミックス基板との間に低誘電率層を形成しないと、従来のように、低誘電率層により圧電セラミックス基板の応力発生領域における撓みが阻害されることがないので、応力発生領域内の応力の発生量に偏りが生じるのを防ぐことができる。
【０００７】
しかしながら、このように、応力発生領域に位置する接続線の部分と圧電セラミックス基板との間に低誘電率層を形成しないと、応力発生領域内では接続線と対向電極パターンとの間に自発分極電荷が発生するという問題が生じる。そこで、本発明では、接続線とできるだけ圧電セラミックス基板を介して対向しないように対向電極パターンの形状を定めて、応力発生領域内での接続線と対向電極パターンとの間の自発分極電荷の発生を防いだ。以上により、本発明によれば、出力電極から出力されるＸ軸加速度検出信号、Ｙ軸加速度検出信号及びＺ軸加速度検出信号のレベルにそれぞればらつきが生じるのを防ぐことができ、信号増幅回路により各加速度信号のレベルのばらつきを調整する必要がなくなる。
【０００８】
対向電極パターンを接続線とできるだけ圧電セラミックス基板を介して対向しないようにするには、対向電極パターンを各加速度検出用電極により形成される電極群の輪郭に沿う形状に形成すればよい。
【０００９】
応力発生領域は、重錘対向領域を囲む環状の第１の応力発生部と、第１の応力発生部を囲み第１の応力発生部に加わる応力と異なる種類の応力が発生する環状の第２の応力発生部と、第１の応力発生部及び第２の応力発生部の境界線からなる変曲線部とを有している。そこで、一対のＸ軸加速度検出用電極、一対のＹ軸加速度検出用電極及び複数のＺ軸加速度検出用電極の少なくとも一つの電極は、重錘にＸ軸方向、Ｙ軸方向及びＺ軸方向にそれぞれ同じ大きさの加速度が作用したときに、各出力電極から出力されるＸ軸加速度検出信号、Ｙ軸加速度検出信号及びＺ軸加速度検出信号のレベルが実質的に等しくなるように、変曲線部を越えて第１の応力発生部から第２の応力発生部上に延びる出力調整用延長電極部を有しているのが好ましい。
【００１０】
このように一対のＸ軸加速度検出用電極、一対のＹ軸加速度検出用電極及び複数のＺ軸加速度検出用電極の少なくとも一つの電極に、出力調整用延長電極部を設けると、出力調整用延長電極部が設けられた加速度検出用電極では、第１の応力発生部上の部分で発生した電荷の一部が出力調整用延長電極部で発生した逆極性の電荷により打ち消され、出力電極から出力する加速度検出信号のレベルが低下する。そのため、この低下量を適宜に定めることによりＸ軸加速度検出信号、Ｙ軸加速度検出信号及びＺ軸加速度検出信号のレベルが実質的に等しくなるように調整することができる。このようにして、Ｘ軸出力電極、Ｙ軸出力電極及びＺ軸出力電極から出力されるＸ軸加速度検出信号、Ｙ軸加速度検出信号及びＺ軸加速度検出信号のレベルが実質的に等しくすれば、信号増幅回路を用いなくても、加速度信号の出力レベルを一致させることができる圧電型三軸加速度センサを得ることができる。また、Ｘ軸加速度検出信号、Ｙ軸加速度検出信号及びＺ軸加速度検出信号の信号レベルを同じにできるので、増幅回路を用いるとしても、各方向の加速度検出信号に応じて増幅度を変える必要がなくなり、増幅回路の構成及び設計が簡単になる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。図１〜４は、本発明の実施の形態の圧電型三軸加速度センサを一部破断した状態で示す正面図、平面図、側面図及び背面図である。図２及び図３に示すように、この加速度検出装置は、ダイアフラム１と、重錘３と、ベース５と、ダイアフラム１の重錘３が取り付けられた面側とは反対側の面上に固定された加速度センサ素子７とを備えている。これらの各部材は、絶縁樹脂製ケース９内に収納されており、この絶縁樹脂製ケース９には、内部に複数の端子金具１１Ａ〜１１Ｈが配置されると共に金属製のカバー部材１３が嵌合されている。
【００１２】
ダイアフラム１、重錘３及びベース５は、真鍮からなる金属材料により一体に成形された単体ユニット１０として構成されている。ダイアフラム１は、円板形状を有している。重錘３は、円柱形状を有しており、その軸線の延長部分がダイアフラム１の中心を通るように配置されている。ベース５は円筒形状を有しており、ダイアフラム１の外周部を支持している。また、ベース５の外周部には、周方向に連続するＶ字溝５ａが形成されている。この単体ユニット１０は、複数の端子金具１１Ａ〜１１Ｈと共に絶縁樹脂製ケース９を成形するときにインサートとして用いられる。
【００１３】
加速度センサ素子７は、図５の平面図及び図６の裏面図に示すように圧電セラミックス基板７ａの表面に三軸加速度検出用の加速度検出用電極パターンＥ１が形成され、裏面に対向電極パターンＥ０が形成されて構成されている。圧電セラミックス基板７ａの裏面及び対向電極パターンＥ０は、エポキシ等の合成樹脂材料からなる接着剤層によってダイアフラム１の表面に接合されている。圧電セラミックス基板７ａは、輪郭形状がほぼ四角形をなしており、図１及び図３に示すように、ダイアフラム１上に位置する本体部７ｂと、絶縁樹脂製ケース９上を本体部７ｂから複数の端子金具１１Ａ〜１１Ｈの近傍まで延びる延長部７ｃとを有している。圧電セラミックス基板７ａの対向する２つの辺部に位置する延長部７ｃの縁部には、図１及び図５に示すように、４つの半円状の凹部７ｄ〜７ｇと４つの半円状の凹部７ｈ〜７ｋとがそれぞれ等間隔に形成されている。この圧電セラミックス基板７ａは、内部に応力が加わると自発分極電荷が発生するように電極に対応した部分に分極処理が施されている。分極処理については後に説明する。圧電セラミックス基板７ａは、重錘対向領域８Ａと、ベース対向領域８Ｂと、重錘対向領域８Ａとベース対向領域８Ｂとの間に位置する応力発生領域８Ｃとを有している。重錘対向領域８Ａに対応する部分には重錘３が位置しており、ベース対向領域８Ｂに対応する部分にはベース５が位置している。応力発生領域８Ｃは、重錘対向領域８Ａを囲む環状の第１の応力発生部８Ｃ1と、第１の応力発生部８Ｃ1を囲む環状の第２の応力発生部８Ｃ2とから構成されている。第１の応力発生部８Ｃ1は、重錘３に対して圧電セラミックス基板７ａの基板面と平行な方向（Ｘ軸方向またはＹ軸方向）に加速度が作用すると、重錘３の重心を中心として点対称に異なった状態（引っ張り応力が加わった状態と、圧縮応力が加わった状態と）に変形する。また、重錘３に対して圧電セラミックス基板７ａの基板面と直交する方向（Ｚ軸方向）に加速度が作用すると、第１の応力発生部８Ｃ1の各部は同じ状態に変形する。第２の応力発生部８Ｃ2は、第１の応力発生部８Ｃ1に加わる応力と異なる種類の応力が極めて小さく発生する領域である。なお、図５において、８Ｄは第１の応力発生部８Ｃ1と第２の応力発生部８Ｃ2との境界線（変曲線部）である。
【００１４】
圧電セラミックス基板７ａの表面及び裏面に形成された加速度検出用電極パターンＥ１及び対向電極パターンＥ０は、いずれもスクリーン印刷により形成されている。加速度検出用電極パターンＥ１は、図５に示すように、Ｘ軸方向検知電極パターン１５とＹ軸方向検知電極パターン１７とＺ軸方向検知電極パターン１９とを有している。Ｘ軸方向検知電極パターン１５は、一対のＸ軸方向加速度検出用電極ＥＸ１，ＥＸ２とＸ軸出力電極ＯＸとがＸ軸接続線Ｌ１〜Ｌ３により直列に接続された構造を有している。一対のＸ軸方向加速度検出用電極ＥＸ１，ＥＸ２は、後に説明するＹ軸方向検知電極パターン１７の一対のＹ軸方向加速度検出用電極ＥＹ１，ＥＹ２及びＺ軸方向検知電極パターン１９の４つのＺ軸方向加速度検出用電極ＥＺ１〜ＥＺ４と共に、重錘対向領域８Ａを囲む環状の列を形成している。一対のＸ軸方向加速度検出用電極のそれぞれの電極ＥＸ１，ＥＸ２は、Ｘ軸方向仮想線ＸＬに対して線対称になり且つ重錘対向領域８Ａと第１の応力発生部８Ｃ1とに跨がる矩形に近い形状を有している。
【００１５】
Ｙ軸方向加速度検出用電極パターン１７は、一対のＹ軸方向加速度検出用電極ＥＹ１，ＥＹ２とＹ軸出力電極ＯＹとがＹ軸接続線Ｌ４により直列に接続された構造を有している。一対のＹ軸方向加速度検出用電極のそれぞれの電極ＥＹ１，ＥＹ２は、Ｙ軸方向仮想線ＹＬに対して線対称になり且つ重錘対向領域８Ａと第１の応力発生部８Ｃ1と第２の応力発生部８Ｃ2とに跨がる矩形に近い形状を有している。これらの電極ＥＹ１，ＥＹ２は、いずれも重錘対向領域８Ａ及び第１の応力発生部８Ｃ1上に位置する電荷発生電極部ＥＹ１ａ，ＥＹ２ａと、変曲線部８Ｄを越えて第１の応力発生部８Ｃ1から第２の応力発生部８Ｃ2上に延びる出力調整用延長電極部ＥＹ１ｂ，ＥＹ２ｂとをそれぞれ有している。前述したように、第２の応力発生部８Ｃ2は、僅かな量ではあるが、第１の応力発生部８Ｃ1に加わる応力とは異なる種類の応力が発生する。そのため、第２の応力発生部８Ｃ2上に位置する出力調整用延長電極部ＥＹ１ｂ，ＥＹ２ｂには、電荷発生電極部ＥＹ１ａ，ＥＹ２ａとは逆極性の電荷が発生する。その結果、電荷発生電極部ＥＹ１ａ，ＥＹ２ａで発生した電荷の一部が出力調整用延長電極部ＥＹ１ｂ，ＥＹ２ｂで発生した逆極性の電荷により打ち消され、Ｙ軸出力電極ＯＹから出力するＹ軸加速度検出信号のレベルは低下する。
【００１６】
Ｚ軸方向加速度検出用電極パターン１９は、４つのＺ軸方向加速度検出用電極ＥＺ１〜ＥＺ４及びＺ軸出力電極ＯＺが、これらの順にＺ軸接続線Ｌ５によって直列に接続された構造を有している。Ｚ軸方向加速度検出用電極ＥＺ１〜ＥＺ４は、それぞれが矩形に近い形状を有しており、一対のＸ軸方向加速度検出用電極ＥＸ１，ＥＸ２及び一対のＹ軸方向加速度検出用電極ＥＹ１，ＥＹ２の各電極の間に配置された状態で重錘対向領域８Ａと第１の応力発生部８Ｃ1とに跨がって形成されている。また、Ｚ軸方向加速度検出用電極ＥＺ１〜ＥＺ４の形状及び寸法は、重錘３にＸ軸方向、Ｙ軸方向及びＺ軸方向にそれぞれ同じ大きさの加速度が作用したときに、出力電極ＯＺから出力されるＺ軸加速度検出信号のレベルが出力電極ＯＹ及びＯＺから出力されるＹ軸加速度検出信号及びＺ軸加速度検出信号のレベルと実質的に等しくなるように設定されている。
【００１７】
本例の加速度センサにおいて、仮にＹ軸方向加速度検出用電極ＥＹ１，ＥＹ２の形状及び寸法がＸ軸方向加速度検出用電極ＥＸ１，ＥＸ２と同じだとすると、重錘３にＸ軸方向，Ｙ軸方向及びＺ軸方向にそれぞれ同じ大きさの加速度が作用したときに、出力電極ＯＹから出力されるＹ軸加速度検出信号は、出力電極ＯＸから出力されるＸ軸加速度検出信号、または出力電極ＯＺから出力されるＺ軸加速度検出信号より大きいものになる。これは、Ｘ軸接続線Ｌ１〜Ｌ３とＹ軸接続線Ｌ４との長さ寸法の違いによるものと考えられる。本例によれば、Ｙ軸方向加速度検出電極ＥＹ１，ＥＹ２に出力調整用延長電極部ＥＹ１ｂ，ＥＹ２ｂを設けることにより、Ｙ軸出力電極ＯＹから出力するＹ軸加速度検出信号のレベルを低下させ、重錘３にＸ軸方向，Ｙ軸方向及びＺ軸方向にそれぞれ同じ大きさの加速度が作用したときに、各出力電極ＯＸ〜ＯＺから出力されるＸ軸加速度検出信号、Ｙ軸加速度検出信号及びＺ軸加速度検出信号のレベルを実質的に等しくできる。
【００１８】
Ｘ軸出力電極ＯＸ、Ｙ軸出力電極ＯＹ及びＺ軸出力電極ＯＺは、圧電セラミックス基板７ａの３つの角部において、凹部７ｄ，７ｈ，７ｋをそれぞれ囲むように形成されている。また、圧電セラミックス基板７ａの残りの角部には、凹部７ｇを囲むようにアース電極ＯＥが形成されている。アース電極ＯＥには、Ｘ軸方向加速度検出用電極ＥＸ１に隣接する圧電セラミックス基板７ａの縁部まで延びる延長部分２１が接続されている。また、アース電極ＯＥは、圧電セラミックス基板７ａの側部及び裏面上に形成された図示しない導電性接着剤層を介してベース５と電気的に接続されている。
【００１９】
重錘対向領域８Ａ及びベース対向領域８Ｂの一部分には、低誘電率層２７〜３１が接続線Ｌ１〜Ｌ５と圧電セラミックス基板７ａとの間に位置するように所定のパターンで形成されている。低誘電率層２７〜３１は、いずれも圧電セラミックス基板７ａよりも比誘電率が十分に小さいレジン（エポキシ）ペーストからなる熱硬化性樹脂（比誘電率：１０）を用いてスクリーン印刷により形成されており、２０μｍの厚みを有している。低誘電率層は、圧電セラミックス基板７ａの１／１００以下の比誘電率を有する誘電物質を用いるのが好ましい。誘電物質としては、圧電セラミックス基板７ａよりも比誘電率が十分に小さいものであればよく、ガラス及び熱硬化性樹脂を用いることができる。低誘電率層２７は、重錘固定領域８Ａ内において、接続線Ｌ４及びＬ５と、圧電セラミックス基板７ａとの間に位置するように形成されており、円形の形状を有している。低誘電率層２９は、ベース対向領域８Ｂの一方の側において、接続線Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３，Ｌ５及び延長部分２１と圧電セラミックス基板７ａとの間に位置するように形成されている。低誘電率層３１は、ベース対向領域８Ｂの他方の側において、接続線Ｌ４及びＬ５と圧電セラミックス基板７ａとの間に位置するように形成されている。このように、低誘電率層２７〜３１は、応力発生領域８Ｃに位置する各接続線Ｌ１，Ｌ２，Ｌ４，Ｌ５の部分と圧電セラミックス基板７ａとの間には形成されていない。本例のように、低誘電率層２７〜３１を構成すると、低誘電率層により圧電セラミックス基板７ａの応力発生領域８Ｃにおける撓みが阻害されることがないので、応力発生領域８Ｃ内の応力の発生量に偏りが生じるのを防ぐことができる。
【００２０】
圧電セラミックス基板７ａの裏面上に形成された対向電極パターンＥ０は、図６に示すように、加速度検出用電極パターンＥ１の加速度検出用電極ＥＸ１〜ＥＺ４と対向する環状の対向電極Ｅ０ａと、対向電極Ｅ０ａから圧電セラミックス基板７ａの縁部に延びる延伸部Ｅ０ｂと、圧電セラミックス基板７ａの４角に形成された裏面電極部Ｅ０ｃ〜Ｅ０ｆとを有している。対向電極Ｅ０ａは、接続線Ｌ１〜Ｌ５とできるだけ圧電セラミックス基板７ａを介して対向しないように、加速度検出用電極ＥＸ１〜ＥＺ４が形成する電極群の輪郭に沿う形状を有している。前述したように、本例では、応力発生領域８Ｃに低誘電率層を形成しないので、応力発生領域内８Ｃの応力の発生量に偏りが生じるのを防ぐことができる。しかしながら、応力発生領域８Ｃ内では低誘電率層が形成されていないため、接続線Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３，Ｌ５と対向電極Ｅ０ａとの間に自発分極電荷が発生するという問題が生じる。そこで、本例では、接続線Ｌ１〜Ｌ５とできるだけ圧電セラミックス基板７ａを介して対向しないように対向電極Ｅ０ａの形状を定めて、応力発生領域８Ｃ内での接続線Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３，Ｌ５と対向電極Ｅ０ａとの間の自発分極電荷の発生を防いだ。延伸部Ｅ０ｂの一部は、加速度検出用電極パターンＥ１の延長部分２１の端部２１ａと対向しており、圧電セラミックス基板７ａの側部を延びる接続部２３を介して延長部分２１の端部２１ａと電気的に接続されている。これにより、対向電極パターンＥ０に含まれる対向電極Ｅ０ａはアース電極ＯＥと電気的に接続されることになる。裏面電極部Ｅ０ｃ〜Ｅ０ｆは、アース電極ＯＥ、Ｘ軸出力電極ＯＸ、Ｚ軸出力電極ＯＺ及びＹ軸出力電極ＯＹと対向しており、圧電セラミックス基板７ａの側部を延びる接続部を介してそれぞれ対向する各電極と電気的に接続されている。
【００２１】
Ｘ軸方向加速度検出用電極ＥＸ１，ＥＸ２に対応する圧電セラミックス基板７ａの各部分には、重錘３にＺ軸方向の加速度が作用して各部分に同種類の応力が発生したときに重錘対向領域８Ａの一方の側に位置する加速度検出用電極ＥＸ１と他方の側に位置する加速度検出用電極ＥＸ２とにそれぞれ逆極性の自発分極電荷が現れるように分極処理が施されている。また、Ｙ軸方向加速度検出用電極ＥＹ１，ＥＹ２に対応する圧電セラミックス基板７ａの各部分もＸ軸方向加速度検出用電極ＥＸ１，ＥＸ２に対応する圧電セラミックス基板７ａの各部分と同様に、重錘３にＺ軸方向の加速度が作用して各部分に同種類の応力が発生したときに重錘対向領域８Ａの一方の側に位置するＹ軸方向加速度検出用電極ＥＹ１と他方の側に位置するＹ軸方向加速度検出用電極ＥＹ２とにそれぞれ逆極性の自発分極電荷が現れるように分極処理が施されている。また、Ｚ軸方向加速度検出用電極ＥＺ１〜ＥＺ４に対応する圧電セラミックス基板７ａの各部分は、重錘３にＺ軸方向の加速度が作用して各部分に同種類の応力が発生したときにすべてのＺ軸方向加速度検出用電極ＥＺ１〜ＥＺ４に同じ極性の自発分極電荷が現れるように分極処理が施されている。このため、重錘３に作用する加速度に基づいてダイアフラム１が変形すると圧電セラミックス基板７ａが撓んで加速度検出用電極パターンＥ１ と対向電極パターンＥ０ との間に発生する自発分極電荷が変化して、重錘３に加わった三軸（Ｘ軸，Ｙ軸，Ｚ軸）方向の加速度が電流または電圧の変化として測定される。
【００２２】
本例では、加速度検出用電極ＥＸ１〜ＥＺ４及び対向電極パターンＥ0をガラス−銀ペーストを用いてスクリーン印刷した後にこれを焼成して５μｍの厚みに形成した後に、対向する各電極間に直流電圧を印加することにより圧電セラミックス基板７ａに分極処理を行った。次に、低誘電率層２７〜３１をレジン（エポキシ）ペーストによりスクリーン印刷してから、接続線Ｌ１〜Ｌ９を銀ペーストによりスクリーン印刷して加速度検出用電極パターンＥ1 を形成した。
【００２３】
絶縁樹脂製ケース９は、図１〜図３に示すように、その輪郭がほぼ直方体を呈しており、中央空洞部９ａと、この中央空洞部９ａと外部とに連通する側方空洞部９ｂとが内部に形成されている。中央空洞部９ａは、図２及び図３において紙面の上下方向に絶縁樹脂製ケース９を貫通しており、ほぼ円柱形の単体ユニット収納部９ｃと、絶縁樹脂製ケース９の内周面に段部９ｄを形成するように、単体ユニット収納部９ｃより小さい径を有するほぼ円柱形の空隙部９ｅとを有している。単体ユニット１０は、単体ユニット１０のベース５の底面と段部９ｄとが当接するように単体ユニット収納部９ｃ内に収納されている。また、単体ユニット収納部９ｃの内部には、単体ユニット１０のベース５のＶ字溝５ａに樹脂が入り込んで突起部９ｆが形成されている。本例では、単体ユニット１０をインサートとして射出成形により絶縁樹脂製ケース９を一体成形しているため、段部９ｄ及び突起部９ｆは、単体ユニット１０の絶縁樹脂製ケース９からの抜け止めとして機能している。また、このように単体ユニット１０をインサートとして絶縁樹脂製ケース９が成形されることにより、ベース５の外周面の一部５ｂは、絶縁樹脂製ケース９の側方空洞部９ｂ内に露出される。また、絶縁樹脂製ケース９は、ダイアフラム１の表面と同じ側に位置してダイアフラム１の表面と面一に形成された表面９ｇと、表面９ｇの反対側に位置する裏面９ｈとを有している。表面９ｇには、前述した圧電セラミックス基板７ａの延長部７ｃが載置されている。裏面９ｈには、後述する複数の端子金具１１Ａ〜１１Ｈの他方の端部１１ｆ…が絶縁樹脂製ケース９の裏面９ｈから突出する方向と同じ方向に突出する複数個（この例では３個）のスペーサ９ｉ…が形成されている。このようなスペーサ９ｉ…を形成すれば、加速度検出装置を回路基板に取付ける際に絶縁樹脂製ケース９の裏面９ｈと回路基板との間にスペーサ９ｉ…によって空隙部を形成することができる。そのため、加速度検出装置の端子金具１１Ａ〜１１Ｈを回路基板に半田付けする際に半田に含まれるフラックスが絶縁樹脂製ケース９等を伝わって加速度検出装置の内部に侵入するのを防ぐことができる。また、図２に示すように、絶縁樹脂製ケース９の外周部には、側方空洞部９ｂが開口する側面９ｋの下方部に外側に向って開口するほぼ矩形の凹部９ｊが形成されている。
【００２４】
複数の端子金具１１Ａ〜１１Ｈは、図３に示すように、いずれも同じほぼ円柱形状を有しており、絶縁樹脂製ケース９内において圧電セラミックス基板７ａの凹部７ｄ〜７ｋと対応する位置にそれぞれ配置されている。端子金具１１Ａ〜１１Ｈの一つの端子金具は、一方の端部１１ａと長手方向中央部とにそれぞれ長手方向と直交する方向に突出する円環状の鍔部１１ｃ，１１ｄを有している。これにより、一方の端部１１ａの端面１１ｅの面積は、長手方向と直交する端子金具の断面積よりも大きくなる。また、長手方向中央部の鍔部１１ｄは、端子金具１１Ａ〜１１Ｆの絶縁樹脂製ケース９からの抜け止めとして機能している。これら複数の端子金具１１Ａ〜１１Ｈは、一方の端部１１ａの端面１１ｅが絶縁樹脂製ケース９の表面９ｇ上に露出し他方の端部１１ｆが絶縁樹脂製ケース９の裏面から突出するように絶縁樹脂製ケース９内に配置されている。複数の端子金具１１Ａ〜１１Ｈの各端面１１ｅのほぼ半部（半円部分）は、圧電セラミックス基板７ａの凹部７ｄ〜７ｋ内から外側に露出している。そして、図１及び図３に示すように、複数の端子金具１１Ａ〜１１Ｈの内、圧電セラミックス基板７ａの角部に位置する４つの端子金具１１Ａ，１１Ｄ，１１Ｅ，１１Ｈの各一方の端面１１ｅ…は、圧電セラミックス基板７ａの延長部７ｃに形成された電極ＯＸ，ＯＹ，ＯＺ，ＯＥと導電性接着剤からなる導電部２５…によって電気的に接続されている。また、この例では、複数の端子金具１１Ａ〜１１Ｈの内、他の４つの端子金具１１Ｂ，１１Ｃ，１１Ｆ，１１Ｇの各一方の端面１１ｅ…は、圧電セラミックス基板７ａの縁部と単に接触しているが、これらの端面１１ｅ…は、接着剤によって圧電セラミックス基板７ａの縁部と接続してもよい。なお、これらの端子金具１１Ｂ，１１Ｃ，１１Ｆ，１１Ｇは、ダミー端子を構成している。
【００２５】
カバー部材１３は、ほぼ矩形の上壁部１３ａとほぼ矩形の４つの側壁部１３ｂ〜１３ｅとを有する一面開口の箱形状を有しており、ステンレスにより一体に形成されている。このカバー部材１３は、上壁部１３ａが加速度センサ素子７の上方に位置し、側壁部１３ｂ〜１３ｅが絶縁樹脂製ケース９の側面と当接するように、絶縁樹脂製ケース９に対して嵌合された状態で加速度センサ素子７を覆っている。図２及び図３に示すように、絶縁樹脂製ケース９の側面９ｋ（絶縁樹脂製ケース９の側方空洞部９ｂが形成された側面）と当接するカバー部材１３の側壁部１３ｂには、接触片１３ｆ及び凸部１３ｇがプレス加工により一体に形成されている。接触片１３ｆは、側壁部１３ｂの一部が開口部１３ｈを形成してベース５側に起立するように絶縁樹脂製ケース９の側方空洞部９ｂ内を延びており、側壁部１３ｂの面と直交する方向に伸びる起立部１３ｆ1と、起立部１３ｆ1の端部で円弧状に曲げられた接触部１３ｆ2とを有している。接触部１３ｆ2は、ベース５のＶ字溝５ａの一部（側方空洞部９ｂ内に露出する部分）により構成される嵌合凹部に嵌合されており、これにより、カバー部材１３は、ベース５に電気的に接続されている。前述したように、アース電極ＯＥは、図示しない導電性接着剤層を介してベース５と電気的に接続されているので、カバー部材１３は、ベース５と共にアース電極ＯＥと電気的に接続されて接地されることになる。特に本例では、カバー部材１３が絶縁樹脂製ケース９に嵌合された状態で接触部１３ｆ2が起立部１３ｆ1のバネ性でベース５に押し付けられるので、カバー部材１３の取付と同時にカバー部材１３とベース５との電気的な接続を完了することができ、しかもベース５とカバー部材１３の接触片１３ｆとの接触が確実になる。
【００２６】
凸部１３ｇは、カバー部材１３の側壁部１３ｂの一部が折り曲げられて形成されている。この凸部１３ｇは、絶縁樹脂製ケース９の側面９ｋに形成された凹部９ｊに嵌合されて、カバー部材１３を絶縁樹脂製ケース９に固定する役割を果たしている。このような固定方法によれば、絶縁樹脂製ケース９にバネ性を持ってカバー部材１３の凸部１３ｇを嵌合するので、カバー部材１３の取付によりカバー部材１３を絶縁樹脂製ケース９に簡単に固定することができる。
【００２７】
なお、本例では、一対のＹ軸加速度検出用電極ＥＹ１，ＥＹ２のみに、出力調整用延長電極部ＥＹ１ｂ，ＥＹ２ｂを設けたが、加速度センサ素子の設計に応じて他の電極に出力調整用延長電極部を設けても構わない。その場合、出力調整用延長電極部の形状、寸法を適宜に設定することにより、Ｘ軸方向，Ｙ軸方向及びＺ軸方向にそれぞれ同じ大きさの加速度が作用したときに、各出力電極から出力されるＸ軸加速度検出信号、Ｙ軸加速度検出信号及びＺ軸加速度検出信号のレベルが実質的に等しくなるようにすればよい。
【００２８】
【発明の効果】
本発明によれば、応力発生領域に位置する接続線の部分と圧電セラミックス基板との間に低誘電率層を形成しないので、応力発生領域内の応力の発生量に偏りが生じるのを防ぐことができる。しかしながら、応力発生領域内では低誘電率層が形成されていないため、接続線と対向電極パターンとの間に自発分極電荷が発生するという問題が生じる。そこで、本発明では、各接続線とできるだけ圧電セラミックス基板を介して対向しないように対向電極パターンの形状を定めた。以上により、本発明によれば、出力電極から出力されるＸ軸加速度検出信号、Ｙ軸加速度検出信号及びＺ軸加速度検出信号のレベルにそれぞればらつきが生じるのを防ぐことができ、信号増幅回路により各加速度信号のレベルのばらつきを調整する必要がなくなる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の実施の形態の圧電型三軸加速度センサを一部破断した状態で示す正面図である。
【図２】 本発明の実施の形態の圧電型三軸加速度センサを一部破断した状態で示す平面図である。
【図３】 本発明の実施の形態の圧電型三軸加速度センサを一部破断した状態で示す側面図である。
【図４】 本発明の実施の形態の圧電型三軸加速度センサの背面図である。
【図５】 本発明の実施の形態の圧電型三軸加速度センサに用いる加速度センサ素子の平面図である。
【図６】 本発明の実施の形態の圧電型三軸加速度センサに用いる加速度センサ素子の裏面図である。
【符号の説明】
１ ダイアフラム
３ 重錘
５ ベース
７ 加速度センサ素子
８Ａ 重錘対向領域
８Ｂ ベース対向領域
８Ｃ 応力発生領域
８Ｃ1 第１の応力発生部
８Ｃ2 第２の応力発生部
２７〜３１ 低誘電率層
ＥＸ１，ＥＸ２ 一対のＸ軸方向加速度検出用電極
ＥＹ１，ＥＹ２ 一対のＹ軸方向加速度検出用電極
ＥＺ１〜ＥＺ４ Ｚ軸方向加速度検出用電極
Ｅ０ 対向電極パターン
Ｅ０ａ 対向電極
Claims (2)
- 相互に直交するＸ軸方向、Ｙ軸方向及びＺ軸方向の三軸の加速度をそれぞれ検出するための一対のＸ軸加速度検出用電極、一対のＹ軸加速度検出用電極及び複数のＺ軸加速度検出用電極と、Ｘ軸出力電極、Ｙ軸出力電極及びＺ軸出力電極とがＸ軸接続線、Ｙ軸接続線及びＺ軸接続線を介してそれぞれ電気的に接続された加速度検出電極パターンが表面上に形成され、裏面上に少なくとも前記一対のＸ軸加速度検出用電極、前記一対のＹ軸加速度検出用電極及び前記複数のＺ軸加速度検出用電極と対向する対向電極パターンが形成され、前記各加速度検出用電極と前記対向電極パターンとの間の部分が分極処理されている圧電セラミックス基板と、
表面に前記圧電セラミックス基板の前記裏面が接合されたダイアフラムと、
前記ダイアフラムの中央部に設けられた重錘と、
前記重錘に前記加速度が作用したときに前記重錘の周囲にある前記圧電セラミックス基板の部分に撓みが生じるように前記ダイアフラムを支持するべースとを具備し、
前記圧電セラミックス基板は、前記重錘と対向する重錘対向領域と、前記ベースと対向するベース対向領域と、前記重錘対向領域と前記ベース対向領域の間に位置し前記各加速度検出用電極が配置される環状の応力発生領域とを有しており、
前記Ｘ軸接続線、前記Ｙ軸接続線及び前記Ｚ軸接続線と前記圧電セラミックス基板との間に、前記圧電セラミックス基板の比誘電率よりも比誘電率が小さい低誘電率層が形成されている圧電型三軸加速度センサであって、
前記応力発生領域に位置する前記各接続線の部分と前記圧電セラミックス基板との間には、前記低誘電率層は形成されておらず、
前記対向電極パターンは、前記各加速度検出用電極により形成される電極群の輪郭に沿う形状を有していることを特徴とする圧電型三軸加速度センサ。 - 前記応力発生領域は、前記重錘対向領域を囲む環状の第１の応力発生部と、前記第１の応力発生部を囲み前記第１の応力発生部に加わる応力と異なる種類の応力が発生する環状の第２の応力発生部と、前記第１の応力発生部及び前記第２の応力発生部の境界線からなる変曲線部とを有しており、
前記一対のＸ軸加速度検出用電極、前記一対のＹ軸加速度検出用電極及び前記複数のＺ軸加速度検出用電極の少なくとも一つの電極は、前記重錘に前記Ｘ軸方向、前記Ｙ軸方向及び前記Ｚ軸方向にそれぞれ同じ大きさの加速度が作用したときに、前記各出力電極から出力される前記Ｘ軸加速度検出信号、前記Ｙ軸加速度検出信号及び前記Ｚ軸加速度検出信号のレベルが等しくなるように、前記変曲線部を越えて前記第１の応力発生部から前記第２の応力発生部上に延びる出力調整用延長電極部を有していることを特徴とする請求項１に記載の圧電型三軸加速度センサ。
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