(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
パッケージと、
前記パッケージ内に収納されている第１及び第２の圧電素子と、
前記第１の圧電素子及び第２の圧電素子が、音響入力に対して逆位相で変形するように
、かつ振動入力に対して同位相で変形するように配置されており、第１の圧電素子の出力
と、第２の圧電素子の出力とを個別に取り出す配線構造と、
前記第１及び第２の圧電素子に接続されている信号処理回路とを備え、
第１の圧電素子の出力信号をｘ、第２の圧電素子の出力信号をｙとしたとき、前記信号処理回路が、音響出力としてａｘ＋ｂｙ（但し、ａ及びｂは複素数）を出力し、振動出力としてａｘ−ｂｙを出力するように構成されている、衝撃及び音響センサ。
【請求項２】
前記パッケージ内において、前記第１の圧電素子と、前記第２の圧電素子とが対向するように配置されている、請求項１に記載の衝撃及び音響センサ。
【請求項３】
前記パッケージ内において、前記第１の圧電素子と前記第２の圧電素子とに挟まれた空間が音響的に閉じられ、前記空間とは逆側に音が導かれる、請求項２に記載の衝撃及び音響センサ。
【請求項４】
前記パッケージ内において、前記第１の圧電素子と前記第２の圧電素子とに挟まれた空間に音が導かれ、前記第１及び第２の圧電素子の前記空間とは逆側が、音響的に閉じられた空間とされている、請求項２に記載の衝撃及び音響センサ。
【請求項５】
前記第１の板状圧電素子と、前記第２の板状圧電素子とが前記パッケージ内において併設されており、前記第１及び第２の圧電素子において、音響信号を受ける受圧面と反対側の面に音響的に閉じられた空間である後気室が設けられており、第１の圧電素子の受圧面及び後気室と、第２の圧電素子の受圧面及び後気室とが第１，第２の圧電素子に対して逆側とされている、請求項１に記載の衝撃及び音響センサ。
【請求項６】
前記第１，第２の圧電素子の面密度σが、０．０１〜１ｋｇ／ｍ２の範囲内にある、請求項１〜５のいずれか１項に記載の衝撃及び音響センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、衝撃と音圧とを検出することが可能な衝撃及び音響センサに関し、より詳細には、複数の圧電板を用いた衝撃及び音響センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、圧電素子を用いた音響センサや加速度センサなどが種々提案されている。下記の特許文献１には、機械的振動消去圧電セラミック・マイクロフォンが開示されている。
【０００３】
図１６に示すように、このマイクロフォン１００１では、ハウジング１００２内に、圧電素子１００３，１００４が対向配置されている。圧電素子１００３，１００４は、ハウジング１００２内を仕切っているダイアフラム１００５，１００６にそれぞれ貼り付けられている。それによって、ハウジング１００２内が、空間Ａ１〜Ａ３に区画されている。空間Ａ３は、ダイアフラム１００５，１００６が対向している部分である。空間Ａ３に臨むように、ハウジング１００２には貫通孔１００２ａが形成されている。また、空間Ａ１，Ａ２にそれぞれ連なるように、それぞれ貫通孔１００２ｂ，１００２ｃが形成されている。
【０００４】
圧電素子１００３，１００４は、直列に接続されている。すなわち、配線１００７が、圧電素子１００３の一端に接続されており、圧電素子１００３の他方電極が、配線１００８に接続されている。また、圧電素子１００４の一方電極が、配線１００８に接されており、他方電極が配線１００９に接されている。
【０００５】
マイクロフォン１００１では、貫通孔１００２ａから音波が空間Ａ３内に至ると、圧電素子１００３，１００４が、逆相で変位する。すなわち、ダイアフラム１００５，１００６が、空間Ａ１，Ａ２側にそれぞれ突出するように屈曲し、それに伴って、圧電素子１００３，１００４も、空間Ａ１，Ａ２側に突出するように屈曲する。この場合、圧電素子１００３，１００４が直列に接続されているため、圧電素子１００３からの信号と、圧電素子１００４からの信号とに基づき、出力装置１０１０において入力された音圧に対する出力を取り出すことができる。すなわち、マイクロフォンとして機能する。
【０００６】
他方、図１７に示すように、矢印Ｆで示す方向に衝撃が加わった場合、圧電素子１００３，１００４は同相で変位する。しかしながら、矢印Ｆ方向において、圧電素子１００３の分極方向と圧電素子１００４の分極方向とが反対方向となっている。そのため、圧電素子１００３で取り出される信号の極性と、圧電素子１００４から取り出される信号の極性が逆となる。従って、出力装置１０１０から信号は出力されない。
【０００７】
そのため、マイクロフォン１００１では、衝撃等が加わった際の音が出力されず、貫通孔１００２ａからハウジング１００２内に到達した音圧に基づく電気信号のみが取り出される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特表平６−５０８４９８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
特許文献１に記載のマイクロフォン１００１では、上記のように衝撃力による電気信号を消去することができる。しかしながら、このようなマイクロフォン１００１では、音圧による信号を検出することはできるものの、上記衝撃力自体を検出することはできなかった。すなわち、マイクロフォン１００１を、音響センサとして用い、さらに衝撃を検出したい場合には、衝撃センサを別途用意しなければならなかった。
【００１０】
本発明の目的は、複数の圧電素子を用いて構成されており、音響だけでなく、衝撃をも検出することを可能とする衝撃及び音響センサを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明に係る衝撃及び音響センサは、パッケージと、パッケージ内に収納されている第１及び第２の圧電素子を備える。パッケージ内においては、板状の第１及び第２の圧電素子の各一方側の空間が音響的に閉じられた空間とされている。
【００１２】
第１及び第２の圧電素子は、音響入力に対して、逆位相で変形するように、かつ振動入力に対して同位相で変形するように、パッケージ内に配置されている。また、本発明では、第１の圧電素子の出力と、第２の圧電素子の出力とを個別に取り出す配線構造が設けられている。
【００１３】
本発明では、前記第１及び第２の圧電素子に接続されている信号処理回路がさらに備えられている。信号処理回路は、第１の圧電素子の出力信号をｘ、第２の圧電素子の出力信号をｙとしたとき、前記信号処理回路が、音響出力としてａｘ＋ｂｙ（但し、ａ及びｂは複素数）を出力し、信号出力としてａｘ−ｂｙを出力するように構成されている。この場合には、信号処理回路から、ａｘ＋ｂｙの音響出力と、ａｘ−ｂｙの衝撃検出出力を取り出すことができる。
【００１４】
上記第１，第２の圧電素子は、バイモルフ型圧電素子であってもよく、ユニモルフ型圧電素子であってもよい。
【００１５】
本発明に係る衝撃及び音響センサのさらに特定の局面では、前記パッケージ内において、前記第１の圧電素子と、前記第２の圧電素子とが対向するように配置されている。この場合には、第１，第２の圧電素子の対向方向と直交する方向の寸法を小さくすることができる。
【００１６】
また、本発明に係る衝撃及び音響センサのさらに別の特定の局面では、前記パッケージ内において、第１の圧電素子と第２の圧電素子とに挟まれた空間が音響的に閉じられており、該第１の圧電素子と第２の圧電素子とに挟まれた空間とは逆の側に音が導かれる。この場合には、音響入力に対し、後気室が共通となるため、音響検出感度の低下度合いが第１及び第２の圧電素子間で等しくなる。そのため、振動検出する際に、音による信号の除去性能が高められ、Ｓ／Ｎを高めることができる。さらに、振動入力に対し、第１，第２の圧電素子間に挟まれた空間の体積は変化しない。そのため、空気による加速度感度の低下も生じ難い。従って、音響検出に際しては、振動による信号の除去性能が高められるので、音響検出に際してのＳ／Ｎを高めることができる。
【００１７】
本発明に係る衝撃及び音響センサのさらに他の特定の局面では、前記パッケージ内において、前記第１の圧電素子と前記第２の圧電素子とに挟まれた空間に音が導かれ、前記第１及び第２の圧電素子の前記空間とは逆側が、音響的に閉じられた空間とされている。この場合には、第１，第２の圧電素子に挟まれた空間に導かれ、音による音圧が第１，第２の圧電素子に均等に加わる。従って、衝撃センサの機能として、広い周波数帯域で音に起因するノイズ信号を除去できる。
【００１８】
本発明に係る衝撃及び音響センサのさらに別の特定の局面では、前記第１の板状圧電素子と、前記第２の板状圧電素子とが対向し合わないように前記パッケージ内において並設されており、前記第１及び第２の圧電素子のそれぞれにおいて、音響信号を受ける受圧面と反対側の面に音響的に閉じられた空間である後気室が設けられており、第１の圧電素子の受圧面及び後気室と、第２の圧電素子の受圧面及び後気室とが第１，第２の圧電素子に対して逆側とされている。この場合には、第１，第２の圧電素子の厚み方向に沿う衝撃及び音響センサの寸法を小さくすることができる。すなわち、低背型の衝撃及び音響センサを提供することができる。
【００１９】
本発明に係る衝撃及び音響センサのさらに他の特定の局面では、前記第１，第２の圧電素子の面密度σが、０．０１〜１ｋｇ／ｍ２の範囲内にある。この場合には、小型であり、高感度の衝撃及び音響センサを提供することができる。
【発明の効果】
【００２０】
本発明に係る衝撃及び音響センサは、第１の圧電素子及び第２の圧電素子が、音響入力に対して逆位相で変形するように、かつ振動入力に対して同位相で変形するように配置されており、第１，第２の圧電素子の出力を個別に取り出すように配線構造が形成されているので、音響及び衝撃の双方を検出することが可能となる。従って、単一のセンサにより、衝撃及び音響を検出することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】（ａ）及び（ｂ）は、本発明の第１の実施形態に係る衝撃及び音響センサの正面断面図及び該衝撃及び音響センサの第１，第２の圧電素子と信号処理回路との接続関係を示すブロック図である。
【図２】（ａ）は、第１の実施形態における第１，第２の圧電素子の積層構造を説明するための分解斜視図であり、（ｂ）及び（ｃ）は、第１，第２の圧電素子の下面の電極形状を示す各模式的平面図である。
【図３】第１の実施形態の衝撃及び音響センサの第１，第２の圧電素子と信号処理回路とを示す回路図である。
【図４】（ａ）及び（ｂ）は、第１の実施形態の衝撃及び音響センサにおいて、振動入力が加わった場合及び音響入力が加わった場合の第１及び第２の圧電素子の変位状態を示す各模式図である。
【図５】第１の実施形態の衝撃及び音響センサの音響センサとしての感度特性を示す図である。
【図６】第１の実施形態の衝撃及び音響センサの衝撃センサとしての感度特性を示す図である。
【図７】衝撃及び音響センサにおける音圧感度と加速度感度とのバランスが良好な例を示す模式図である。
【図８】衝撃及び音響センサにおける音圧感度と加速度感度とのバランスが良くない例を示す模式図である。
【図９】本発明の衝撃及び音響センサの変形例における衝撃及び音響センサと信号処理回路の接続関係を示すブロック図である。
【図１０】本発明の第２の実施形態の衝撃及び音響センサの正面断面図である。
【図１１】本発明の第３の実施形態に係る衝撃及び音響センサの正面断面図である。
【図１２】本発明の第３の実施形態の衝撃及び音響センサの分解斜視図である。
【図１３】本発明の第４の実施形態に係る衝撃及び音響センサの模式的正面断面図である。
【図１４】本発明の第４の実施形態の衝撃及び音響センサの斜視図である。
【図１５】本発明の第５の実施形態に係る衝撃及び音響センサの模式的正面断面図である。
【図１６】従来のマイクロフォンの一例を示す模式的断面図である。
【図１７】図１６に示したマイクロフォンにおいて加速度が加わった場合の圧電素子の変位状態を説明するための模式的正面断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下、図面を参照しつつ、本発明の具体的な実施形態を説明することにより、本発明を明らかにする。
【００２３】
図１（ａ）は、本発明の第１の実施形態に係る衝撃及び音響センサを示す正面断面図である。
【００２４】
衝撃及び音響センサ１は、パッケージ２を有する。パッケージ２は、基板３と、基板３の上面に固定された蓋材４とを有する。基板３は、絶縁性材料からなる。基板３の上面には、電極ランド５〜７が形成されている。また、基板３の下面には、外部電極８，９が形成されている。電極ランド６と外部電極９とを電気的に接続するように、基板３にビアホール電極１１が形成されている。図１（ａ）には表れないが、電極ランド５とＦＥＴ１２は電気接続され、電極ランド７と外部電極８はビアホール接続されている。電極ランド６及び７に電気的に接続されるように、基板３上にＦＥＴ１２、図示しないがＦＥＴ１２Ａが実装されている。
【００２５】
なお、ＦＥＴ１２、ＦＥＴ１２Ａは、第１，第２の圧電素子１６，２０の出力を増幅する機能を果たしている。このＦＥＴ１２、ＦＥＴ１２Ａは、後述する信号処理回路の一部を構成している。
【００２６】
蓋材４は、下方に開いた開口を有する。この下方開口端縁が、基板３の上面に接合されている。それによって、基板３の上面と蓋材４とにより囲まれた空間が形成されている。なお、蓋材４の上面には、貫通孔４ａが形成されている。貫通孔４ａは、後述するように、パッケージ２内の空間に音を導くための音通孔である。蓋材４は、本実施形態では、金属からなる。それによって、内部の空間を電磁シールドすることが可能とされている。もっとも、蓋材４は、金属以外の導電性材料、あるいは表面または内部に導電層を有する材料により形成されてもよい。さらには、電磁シールド機能を有しない絶縁性材料により蓋材４が形成されていてもよい。
【００２７】
パッケージ２内の空間においては、矩形枠状のスペーサー１４が導電性接着剤層１３を介して接合されている。矩形枠状のスペーサー１４は、本実施形態では、絶縁性セラミックスからなる。もっとも、他の絶縁性材料を用いてもよい。
【００２８】
スペーサー１４上に、接着剤層１５を介して板状の第１の圧電素子１６が接合されている。また、第１の圧電素子１６上に、接着剤層１７を介して矩形枠状の保持部材１８が接合されている。矩形枠状の保持部材１８上に、接着剤層１９を介して板状の第２の圧電素子２０が接合されている。
【００２９】
図２（ａ）は、上記第１の圧電素子１６、保持部材１８及び第２の圧電素子２０が積層されている構造の分解斜視図である。図２（ａ）に示すように、第１の圧電素子１６は、主面が互いに対向する矩形板状の圧電板１６ａを有する。圧電板１６ａは、２層の圧電セラミックスからなり、おのおの厚み方向逆向きに分極処理されている。圧電板１６ａの一方の主面である上面に、第１の電極１６ｂが形成されている。図２（ｂ）に示すように、圧電板１６ａのもう一方の主面である下面には、第２の電極１６ｃが形成されている。第１の電極１６ｂは、圧電板１６ａの一端に引き出されており、第２の電極１６ｃは他端に引き出されている。本実施形態では、圧電体の材料として、チタン酸ジルコン酸鉛系セラミックスを用いたが、ニオブ酸カリウムナトリウム系及びアルカリニオブ酸系セラミックスなど非鉛系圧電体セラミックスなどの圧電材料を適宜用いることができる。
【００３０】
なお、本実施形態では、第１，第２の圧電素子１６，２０は、弾性板の上面と下面のそれぞれに電極が形成された圧電体層が配置されたバイモルフ型の圧電素子であり、ここでは、上下面の圧電体層が直列に電気的に接続されている。しかも、本発明においては、第１，第２の圧電素子は、バイモルフ構造を有し、かつ上下面の圧電体層を並列に電気的に接続した構成であってもよく、あるいはユニモルフ構造を有するものであってもよい。さらに、圧電体層の数は、特に限定されず、上記バイモルフ型圧電素子の場合、より多くの圧電体層が積層されていてもよい。また、ユニモルフ型の圧電体素子を用いる場合、複数の圧電体層を積層して一つの圧電体を構成してもよい。なお、圧電体層の内部に内部電極を有してもよい。
【００３１】
同様に、図２（ａ）及び（ｃ）に示すように、第２の圧電素子２０もまた、矩形板状の圧電板２０ａと、第１，第２の電極２０ｂ，２０ｃとを有する。第１の電極２０ｂが、圧電板２０ａの一端に引き出されており、第２の電極２０ｃが他端に引き出されている。
【００３２】
図２（ａ）に示すように、上記積層構造において、長さ方向一端側において、第１，第２の側面電極２１，２２が形成されている。第１の側面電極２１は、第１の圧電素子１６の第１の電極１６ｂに電気的に接続されており、第２の側面電極２２は、第２の圧電素子２０の第１の電極２０ｂに接続されている。すなわち、上記積層体の側面においては、上記積層構造の幅方向において、異なる位置に第１，第２の側面電極２１，２２が形成されている。
【００３３】
同様に、上記積層構造の他端側には、第３の側面電極２３が形成されており、第３の側面電極２３が、第１の圧電素子１６の第２の電極１６ｃ及び第２の圧電素子２０の第２の電極２０ｃに接続されている。
【００３４】
図２（ａ）及び（ｂ）に示すように、第１の電極１６ｂ及び第２の電極１６ｃは、圧電板１６ａの上面及び下面において部分的に形成されている。また、第１の電極１６ｂと第２の電極１６ｃとは、引出し部を除いて同一の形状を有しており、圧電板１６ａを介して表裏対向されている。本実施形態では、第１の電極１６ｂ及び第２の電極１６ｃの引出し部を除いた対向部分の形状は矩形とされている。もっとも、この対向部の平面形状は矩形に限定されるものではない。
【００３５】
上述したＦＥＴ１２及び図１（ｂ）では図示されないＦＥＴ１２Ａは、それぞれ第１，第２の圧電素子１６，２０と電気的に接続される信号処理回路の一部を構成している。上記第１の側面電極２１が電極ランド５に接続されており、電極ランド５が、図１（ｂ）では図示されていないが、ＦＥＴ１２に接続されている。同様に、第２の圧電素子２０は、第２の側面電極２２に接続されており、第２の側面電極２２が、図示されていない電極ランドを介して、ＦＥＴ１２Ａに接続されている。他方、第３の側面電極２３は図１（ｂ）に示した電極ランド６に接続されており、電極ランド６を介してＦＥＴ１２，ＦＥＴ１２Ａに接続されている。図１（ｂ）に示すように、上記衝撃及び音響センサ１の第１，第２の圧電素子１６，２０は、直列に接続されている。そして、第１の圧電素子１６の一端が、前述した第１の側面電極２１を介して、信号処理回路２６に接続されている。第２の圧電素子２０の一端が上記第２の側面電極２２を介して信号処理回路２６に接続されている。第１，第２の圧電素子１６，２０の互いに接続されている側の一端が共通接続され、第３の側面電極２３により信号処理回路２６に接続されている。従って、第１，第２の圧電素子１６，２０からなるセンサ部分は、３つの出力端子を有する３端子型のセンサを構成している。
【００３６】
図３は、上記衝撃及び音響センサ１の第１，第２の圧電素子１６，２０と信号処理回路２６とを含む回路構成を示す図である。図３に示すように、パッケージ２内においては、前述したＦＥＴ１２と、もう１つのＦＥＴ１２Ａが内蔵されています。図１（ａ）ではＦＥＴ１２のみが図示されている。ＦＥＴ１２，ＦＥＴ１２Ａは、それぞれ、第１，第２の圧電素子１６，２０の出力を増幅するために設けられている。ＦＥＴ１２，ＦＥＴ１２Ａは、必ずしも設けられずともよい。
【００３７】
信号処理回路２６の入力端は、前述した第１〜第３の側面電極２１〜２３となる。第１の側面電極２１が、ＦＥＴ１２のゲート端子に接続されている。同様に第２の側面電極２２が、ＦＥＴ１２Ａのゲート端子に接続されている。ＦＥＴ１２，ＦＥＴ１２Ａのドレイン電極がそれぞれ、カップリングコンデンサ３１，３２を介して、演算増幅器２７，２９に接続されている。演算増幅器２７の出力端が、Ａ／Ｄ変換器２８の一方入力端に接続されている。演算増幅器２９の出力端が、Ａ／Ｄ変換器２８の他方入力端に接続されている。
【００３８】
第１，第２のＦＥＴ１２，１２Ａのソース電極は、グラウンド電位に接続されている。
【００３９】
また、Ａ／Ｄ変換器２８の後段には、加減算器３３が接続されており、加減算器３３は第１の出力端子３４に接続されている。第１の出力端子３４は、検知された音響に基づく出力信号を出力する。第２の出力端子３５は、検出された衝撃に基づく出力信号を出力する。
【００４０】
本実施形態では、上記信号処理回路２６の第１の入力端である第１の側面電極２１に、第１の圧電素子１６の出力信号が与えられる。この出力信号が、演算増幅器２７で増幅され、Ａ／Ｄ変換器２８により、デジタル信号に変換される。同様に、上記信号処理回路２６の第３の入力端である第２の側面電極２２には、第２の圧電素子２０の出力信号が与えられ、該出力信号がＡ／Ｄ変換器２８においてデジタル信号に変換される。
【００４１】
第１の圧電素子１６から取り出された信号であって、上記のように処理され、加減算器３３に与えられる信号をｘ、第２の圧電素子２０から取り出される信号が上記のように処理され、加減算器３３に与えられる信号をｙとする。加減算器３３では、ａｘ＋ｂｙまたはａｘ−ｂｙが演算される。ここで、ａ及びｂは任意の複素数である。なお、ａ及びｂは実数であってもよい。
【００４２】
ａｘ＋ｂｙは、音を検出した場合の出力信号に相当し、上記出力端子３４から出力される。ａｘ−ｂｙは、衝撃すなわち振動を検出した際の信号として第２の出力端子３５から出力される。
【００４３】
すなわち、本実施形態では、上記第１，第２の圧電素子１６，２０の出力を信号処理回路２６で処理することにより、音を検出し得るだけでなく、衝撃や振動を検出することも可能とされている。この原理を、図４（ａ）及び（ｂ）を参照して説明する。
【００４４】
図４（ａ）に示すように、第１，第２の圧電素子１６，２０が積層されている部分において、矢印Ｆ１で示すように、加速度が加わった場合、すなわち矢印Ｆ１で示す方向に衝撃が加わった場合、第１，第２の圧電素子１６，２０は同相で変位する。例えば、図４（ａ）に示すように、第１の圧電素子１６の主面が伸びる方向と、第２の圧電素子２０の主面が伸びる方向とが互いに直交せずに、この場合は互いに平行に配置されるため、主面の上方から下方へと主面に垂直な成分有する加速度が加われば、第１の圧電素子１６が下方に凸に屈曲し、第２の圧電素子２０も同様に第１の圧電素子１６と同じ屈曲方向である下方に凸に屈曲した状態となる。
【００４５】
従って、直列に接続されている第１，第２の圧電素子１６，２０の各出力信号ｘ，ｙからａｘ−ｂｙを演算することにより、衝撃すなわち振動を検出することができる。
【００４６】
他方、図１（ａ）に示す衝撃及び音響センサ１においては、貫通孔４ａから音がパッケージ２内に導かれると、図１（ａ）の矢印Ｂ１，Ｂ２で示すように、第１の圧電素子１６及び第２の圧電素子２０において、外側の面から両者が対向している空間側に向かって音圧が加わることとなる。従って、図４（ｂ）に示すように、音圧により第１の圧電素子１６と第２の圧電素子２０とが逆相で変位する。従って、直列に接続されている第１，第２の圧電素子１６，２０の出力信号から、ａｘ＋ｂｙを演算することにより、上記音に基づく出力信号を取り出すことができる。
【００４７】
すなわち、本実施形態では、第１，第２の圧電素子１６，２０は、パッケージ２内において、音が加わった際には逆相で変位し、衝撃や加速度が加わった際には同相で変位するように、第１，第２の圧電素子１６，２０が配置されている。
【００４８】
より具体的には、第１の実施形態では、前述したように、板状の第１，第２の圧電素子１６，２０がその主面同士が平行となるように空間Ａを隔てて対向されている。この空間Ａは、矩形枠状の保持部材１８及び接着剤層１７，１９により封止されている。従って、空間Ａは、音響的に閉じられた空間であって、圧電素子１６，２０の後気室を形成している。なお、後気室とは、板状の圧電振動子が振動した際に、音圧が加わる側と反対側の面に位置している閉じられた空間をいうものとする。
【００４９】
なお、音響的に閉じられた空間とは、該空間内と空間外との間で実質的に音波を透過させない空間をいうものとする。このような空間は、必ずしも密閉された空間に限らず、内外の差圧を低めるための小さな貫通孔が外空間内と空間外とを隔てている部分に設けられているものをも含むものとする。
【００５０】
なお、本実施形態では、上記のように、第１，第２の圧電素子１６，２０の出力信号がＡ／Ｄ変換器２８によりデジタル信号に変換しているが、アナログ信号のまま処理してもよい。さらに、周波数変調等の何らかの変調処理を施した後、上記加算及び減算と同等の演算処理を行ってもよい。また、本実施形態ではセンサパッケージ内にＦＥＴを内蔵し、その他の信号処理回路はパッケージ外としたが、信号処理回路の全部あるいは他の部分構成をセンサパッケージに内蔵してもよい。もちろん、増幅回路として必ずしもＦＥＴを使用する必要はなく、信号処理回路の一部あるいは全部をＩＣに集積化してもよい。
【００５１】
圧電素子が変形する際に、後気室には体積変化が生じる。それに伴い圧電素子は反力となる圧力を受けるため、圧電素子の感度は低下する。感度の低下量は、一般的には圧電素子の変形量や後気室の体積に依存する。本実施形態では、上記後気室が第１，第２の圧電素子１６，２０において共通である。従って、音響検出感度の低下が第１，第２の圧電素子１６，２０で等しく生じる。そのため、衝撃センサとして衝撃を検知した場合のＳ／Ｎを高めることができる。
【００５２】
他方、衝撃すなわち振動を検出する場合には、第１，第２の圧電素子１６，２０は同相で変形するため、両圧電素子間の空間Ａの体積はほとんど変化しない。そのため、振動検出感度の低下が生じ難く、第１，第２の圧電素子１６，２０の感度差も生じにくい。従って、音響を検出する場合には、振動信号の除去性能に優れているため、音響検出信号のＳ／Ｎを高めることができる。
【００５３】
なお、本実施形態で検出される音については、可聴周波数の音に限らず、数Ｈｚ以下の低周波信号から超音波領域までの高周波信号を含むものとする。
【００５４】
ノイズ除去効果の観点からは、好ましくは、上記加算及び減算処理に際し、微調整を行うことが望ましい。圧電素子の材料バラツキや加工プロセス上のバラツキ、また圧電素子が変形する際に後気室の体積変化に伴い反力として受ける圧力、音響抵抗により、第１，第２の圧電素子の感度には差が生じうる。感度差が生じた場合、ｘ＋ｙ、ｘ−ｙといった単純な加減算ではノイズ除去効果が低くなる。また、信号処理回路で増幅される際のゲインバラツキについても同様にノイズ除去効果が低下する原因となる。これに対し、感度差やゲイン差を補正するよう、加減算処理に際し微調整を行うことで、音響を検出する場合には、振動に基づく信号をキャンセルする効果を高めることができる。同様に、振動を検出する場合には、音響信号による出力信号のキャンセル効果を高めることができる。このような微調整としては、上記加算及び減算に際して複素数ａ，ｂを調整する方法が挙げられる。通常の調整ではａ，ｂは複素数のうち実数で十分な効果が得られる。上記ａ，ｂの設定については、衝撃及び音響センサ１を作製した後に、信号処理回路からの出力信号に応じて調整すればよい。音については、概ね１０ｋＨｚ以上の周波数では第１，第２の圧電素子に加わる音圧に位相差が生じる。高周波部ではａ，ｂを複素数とし位相の補正を行って加減算することで、衝撃センサとして機能させる際に音響信号の除去効果を高められる。
【００５５】
図５は、上記実施形態の衝撃及び音響センサにおいて、音圧を検出する感度周波数特性を示す。実線が音圧感度を、破線が衝撃すなわちノイズとなる加速度の感度を示す。１００Ｈｚから２００００Ｈｚ付近の広い周波数範囲にわたり、音圧を高感度で測定することができる、他方ノイズとなる加速度の感度は、それよりも３３ｄＢ以上低いことがわかる。
【００５６】
すなわち、本実施形態では、前述したように、後気室が第１，第２の圧電素子１６，２０間に挟まれている。従って、振動入力が変化したとしても、圧電素子は同相で変形して後気室の体積は変化しない。従って、第１，第２の圧電素子１６，２０の変形が妨げられ難い。よって、加速度感度の低下が生じ難いと同時に、感度差も生じにくい。そのため、図５に示したように、ノイズとなる加速度感度を十分に低くすることができる。すなわち、Ｓ／Ｎを効果的に高めることができる。
【００５７】
また、図６は、上記実施形態の衝撃及び音響センサにおいて、衝撃すなわち加速度を検出した場合の加速度の感度とノイズとしての音圧感度の特性を示す図である。
【００５８】
図６から明らかなように、加速度を検出する場合においても、広い周波数範囲にわたり、加速度を高感度で検出し得ることがわかる。他方、その場合のノイズとなる音圧感度は、広い周波数範囲にわたり、４０ｄＢ以上低いことがわかる。
【００５９】
すなわち、本実施形態では、前述したように、第１，第２の圧電素子１６，２０において共通である。従って、音響検出感度の低下が第１，第２の圧電素子１６，２０で等しく生じる。そのため、ノイズとなる音圧感度を十分に低くすることができる。また、前述したように、振動に対しては、後気室の体積はほとんど変化しないため加速度感度の低下が生じにくい。したがって、図６に示したように、加速度に対する感度を効果的に高め、ノイズとなる音圧感度を十分に低くすることができる。すなわち、衝撃センサとして衝撃を検知した場合のＳ／Ｎを高めることができる。
【００６０】
好ましくは、上記第１，第２の圧電素子１６，２０の面密度σは０．０１〜１ｋｇ／ｍ２の範囲内とすることが望ましい。これを以下において説明する。
【００６１】
圧電素子１６，２０が音圧ｐ（Ｐａ）の音響入力により、単位面積当たりに受ける力をｆｓとし、加速度ｃ（ｍ／ｓｅｃ２）の振動入力から単位面積当たりに受ける力をｆａとする。圧電素子１６，２０の単位面積当たりの質量である面密度σ〔ｋｇ／ｍ２〕を用いると、ｆｓ〔Ｎ〕＝ｐ〔Ｐａ〕・１〔ｍ２〕であり、ｆａ〔Ｎ〕＝σ〔ｋｇ／ｍ２〕・１〔ｍ２〕・ｃ〔ｍ／ｓ２〕と表わされる。
【００６２】
音響入力の際の出力電圧はｆｓに比例し、振動入力に対する出力電圧はｆａに比例することとなる。音圧感度は、音圧ｐ＝１〔Ｐａ〕、加速度感度は、ｃ＝１Ｇ＝９．８〔ｍ／ｓｅｃ２〕に対する出力電圧で表わされる。そのため、加速度感度／音圧感度の比は、ｆａ／ｆｓ＝１／（９．８×σ）となる。すなわち、加速度感度と音圧感度とのバランスは、上記面密度σに依存することになる。
【００６３】
ここで、ｆｓ＝ｆａすなわちσ＝ｐ／ｃの場合、図７に模式的に示すように、音響センサと振動センサの出力電圧は等しくなる。ｐ及びｃが検知したい音圧及び加速度の標準的な信号レベルとすると、σ＝ｐ／ｃの条件で、信号とノイズとのアイソレーションが最も高められることがわかる。
【００６４】
他方、図８は、σ＞ｐ／ｃの場合の例であり、この場合には、音響検出時に、振動によるノイズが入りやすいことがわかる。
【００６５】
上記のように、音響検出感度と、加速度検出感度のバランスは、面密度σで調整することができる。従って、検出したい音圧及び加速度の標準的値が入力された際に出力される音響及び衝撃センサの信号電圧が互いに等しくなるように、面密度σで感度バランスを調整することが望ましい。それによって、音圧信号または加速度信号と、ノイズとなる加速度信号または音圧信号とのアイソレーションを高めることができる。
【００６６】
例えば、基準レベルとしてよく用いられる１ｐａの音と、１Ｇ（９．８ｍ／ｓｅｃ２）の加速度に対しては、σ＝１／９．８すなわちσは約０．１ｋｇ／ｍ２のときに、上記アイソレーションが最も良好となる。圧電素子１６，２０の密度が８×１０−３ｋｇ／ｍ３の場合、圧電素子１６，２０の厚みは好ましくは１３μｍとすればよいことがわかる。
【００６７】
上記のように、一般的な用途を考えると、面密度σは、０．０１〜１ｋｇ／ｍ２の範囲とすればよいことがわかる。
【００６８】
なお、上記実施形態では、３端子型の衝撃及び音響センサを構成したが、図９に示すように、第１，第２の圧電素子１６，２０の信号を個別に取り出す４端子型の衝撃及び音響センサとしてもよい。
【００６９】
図１０は、本発明の第２の実施形態に係る衝撃及び音響センサの正面断面図である。本実施形態の衝撃及び音響センサ４１は、図１に示した衝撃及び音響センサ１とほぼ同様に構成されている。異なるところは、蓋材４に貫通孔４ａが形成されておらず、代わりに、基板３に貫通孔３ａが形成されていることにある。すなわち、音をパッケージ２内に導く部分が、パッケージ２ではなく、基板３に設けられている。その他の点については、同様であるため、同一部分に同一の参照番号を付することにより、第１の実施形態の説明を援用することとする。
【００７０】
本実施形態では、衝撃及び音響センサ４１を機器に内蔵する際に、蓋材４の上方にクリアランスを設ける必要がない。従って、衝撃及び音響センサ４１が組み込まれる製品の低背化を進めることができる。また、本実施形態においては、その他の構造は第１の実施形態と同様であるため、第１の実施形態と同様の効果を得ることができる。
【００７１】
図１１は、本発明の第３の実施形態の衝撃及び音響センサの正面断面図であり、図１２は、その分解斜視図である。
【００７２】
本実施形態では、基板３上に、接着剤層６２を介してスペーサー基板６３が積層されている。スペーサー基板６３上に、略円形の開口部を有する接着剤層６４を介して第１の圧電素子６５が積層されている。図１１では略図的に示しているが、図１２に示すように、第１の圧電素子６５は、圧電板からなり、圧電板の上面に、円形の第１の電極６５ａと、第１の電極６５ａを囲むように設けられたリング状の第２の電極６５ｂとを有する。
【００７３】
第１の圧電素子６５上に、円形の開口部材を有する接着剤層６６を介して、保持部材６７が積層されている。保持部材６７は、接着剤層６６と同様に円形の開口部を有する。そして、保持部材６７上に、円形の開口部を有する接着剤層６８を介して、第２の圧電素子６９が積層されている。第２の圧電素子６９は、第１の圧電素子６５と同様に構成されている。
【００７４】
第２の圧電素子６９上に、円形の開口部を有する接着剤層７０を介して蓋基板７１が積層されている。蓋基板７１には、貫通孔７１ａが形成されている。貫通孔７１ａは、音をパッケージ２内に導く部分である。
【００７５】
すなわち、第３の実施形態では、蓋材４を用いずに、上記第１，第２の圧電素子６５，６９と、蓋基板７１とを積層することにより、内部空間が形成されている。ここでは、音圧を下方の第１の圧電素子６５の下面に導くために、図１１に示す音通孔７２が形成されている。音通孔７２は、第２の圧電素子６９、接着剤層６８、保持部材６７、接着剤層６６及び第１の圧電素子６５を貫くように形成されている。
【００７６】
従って、図１１の矢印Ｄで示すように、内部に導かれた音圧が、第１の圧電素子６５の下面側の空間にも導かれる。
【００７７】
このように、本発明では、下方に開いた蓋材４に代えて、蓋基板７１を用い、かつ圧電素子及び接着剤層を積層することにより、内部に音を導入するための貫通孔を除いて閉じられた内部空間を形成してもよい。本実施形態によれば、シート状の複数の部材を積層するだけで、衝撃及び音響センサ６１を得ることができる。従って、製造工程の簡略化を図ることができる。また、衝撃及び音響センサ６１では、小型化及び低背化を進めることも容易である。
【００７８】
本実施形態においても、第１の実施形態同様に、第１，第２の圧電素子が対向している部分が閉じられた空間とされているため、第１の実施形態と同様に、衝撃及び音響を確実にかつ高精度に検出することが可能となる。
【００７９】
図１３は、本発明の第４の実施形態に係る衝撃及び音響センサの正面断面図であり、図１４は、その斜視図である。本実施形態の衝撃及び音響センサ８１では、第３の実施形態と同様に、複数のシート状部材を積層することにより、パッケージが構成されている。すなわち、基板３上に、スペーサー基板８２が積層されている。スペーサー基板８２の外周縁には、上方に突出した支持部８２ａが形成されている。この支持部８２ａ上に、第１の圧電素子８３が積層されている。第１の圧電素子８３が、スペーサー８４を介し、第２の圧電素子８５と積層されている。第１，第２の圧電素子８３，８５は、第１の実施形態と同様に構成されている。ここでは、スペーサー８４の側方に、外部と通ずる貫通孔８４ａが形成されている。この貫通孔８４ａが、音通孔として作用する。
【００８０】
第２の圧電素子８５の上面には、蓋基板８６が接合されている。蓋基板８６は、下面外周縁に枠状の支持部８６ａを有する。枠状の支持部８６ａが第２の圧電素子８５の上面に接合されている。なお、図１３では、各部材を接合する接着剤層などの図示は省略していることを指摘しておく。また、基板３上の積層構造の外表面を覆うように導電膜８７が形成されている。
【００８１】
本実施形態のように、パッケージの側面に音通孔となる貫通孔８４ａを設けてもよい。また、本実施形態では、音通孔である貫通孔８４ａは、第１，第２の圧電素子８３，８５間の空間に連通している。従って、貫通孔８４ａから導かれた音の音圧を第１の圧電素子８３の上面及び第２の圧電素子８５の下面により受けることになる。このように、音圧を、対向されている第１，第２の圧電素子間に導いてもよい。
【００８２】
本実施形態においても、音圧検出時には、第１，第２の圧電素子８３，８５が逆相で変位し、衝撃が与えられた場合には、第１，第２の圧電素子８３，８５が同相で変位する。従って、第１の実施形態と同様に、音響及び衝撃を高精度に検出することができる。加えて、音による音圧が第１，第２の圧電素子に均等に加わるため、衝撃センサの機能として、広い周波数帯域で音に起因するノイズ信号を除去できる。振動板間の空間を音響的に閉じる構造では、１０ｋＨｚ程度以上に周波数が高くなると、２枚の振動板の外側位置に到達する音に位相差が生じ、衝撃センサとして機能させる際に音信号の除去効果が低下する。これに対し振動板間の空間に音を導く本実施形態では、２枚の振動板に加わる音圧が同位相となるため、そのような問題が生じず広い周波数帯域で高いノイズ除去効果が得られる。
【００８３】
図１５は、本発明の第５の実施形態に係る衝撃及び音響センサの正面断面図である。本実施形態の衝撃及び音響センサ９１では、基板９２上に、開口部９３ａ，９３ｂを有するスペーサー９３が積層されている。開口部９３ａを閉成するように、基板９２上に第１の圧電素子９４が積層されている。同様に、開口部９３ｂを閉成するように、第２の圧電素子９５が積層されている。
【００８４】
また、第１，第２の圧電素子９４，９５の上面に、蓋基板９６が積層されている。蓋基板９６は、下面に、凹部９６ａ，９６ｂを有する。凹部９６ａは、スペーサー９３の開口部９３ａと対向するように形成されている。同様に、凹部９６ｂは、開口部９３ｂと対向するように形成されている。従って、衝撃及び音響センサ９１では、基板９２、スペーサー９３、第１，第２の圧電素子９４，９５のスペーサー９３及び蓋基板９６で支持されている部分、並びに蓋基板９６によりパッケージが構成されている。
【００８５】
本実施形態のように、第１，第２の圧電素子９４，９５は、圧電素子同士が対向しないように並設されていてもよい。ここでは、第１の圧電素子９４で閉じられた凹部９６ａにおいて、第１の圧電素子９４に対向するように、蓋基板９６に貫通孔９６ｃが形成されている。この貫通孔９６ｃが音通孔として機能する。従って、閉じられた空間である開口部９３ａが後気室を構成している。
【００８６】
他方、第２の圧電素子９５側においては、基板９２において、第２の圧電素子９５に対向するように貫通孔９２ａが形成されている。貫通孔９２ａが音通孔として作用する。従って、凹部９６ｂが、第２の圧電素子９５で閉じられている空間が、第２の圧電素子９５の後気室を構成している。
【００８７】
本実施形態においても、第１，第２の圧電素子９４，９５は、音圧が加わった際には、逆相で変位し、衝撃が加わった際には同相で変位する。従って、第１の実施形態と同様の効果を得ることができる。加えて、第１，第２の圧電素子９４，９５が上記のように並設されているため、低背化を進めることができる。
【符号の説明】
【００８８】
１…衝撃及び音響センサ
２…パッケージ
３…基板
３ａ…貫通孔
４…蓋材
４ａ…貫通孔
５〜７…電極ランド
８，９…外部電極
１１…ビアホール電極
１２…ＦＥＴ
１２Ａ…ＦＥＴ
１３…導電性接着剤層
１４…スペーサー
１５…接着剤層
１６…第１の圧電素子
１６ａ…圧電板
１６ｂ…第１の電極
１６ｃ…第２の電極
１７，１９…接着剤層
１８…保持部材
２０…第２の圧電素子
２０ａ…圧電板
２０ｂ…第１の電極
２０ｃ…第２の電極
２１…第１の側面電極
２２…第２の側面電極
２３…第３の側面電極
２４…第４の側面電極
２５…外部電極
２６…信号処理回路
２７，２９…演算増幅器
２８…Ａ／Ｄ変換器
３１，３２…コンデンサ
３３…加減算器
３４…第１の出力端子
３５…第２の出力端子
３６…外部電極
４１…衝撃及び音響センサ
６１…衝撃及び音響センサ
６２…接着剤層
６３…スペーサー基板
６４…接着剤層
６５…第１の圧電素子
６５ａ…第１の電極
６５ｂ…第２の電極
６６…接着剤層
６７…保持部材
６８…接着剤層
６９…第２の圧電素子
７０…接着剤層
７１…蓋基板
７１ａ…貫通孔
７２…音通孔
７２…蓋基板
８１…音響センサ
８２…スペーサー基板
８２ａ…支持部
８３…第１の圧電素子
８４…スペーサー
８４ａ…貫通孔
８５…第２の圧電素子
８６…蓋基板
８６ａ…支持部
８７…導電膜
９１…音響センサ
９２…基板
９２ａ…貫通孔
９３…スペーサー
９３ａ，９３ｂ…開口部
９４…第１の圧電素子
９５…第２の圧電素子
９６…蓋基板
９６ａ，９６ｂ…凹部
９６ｃ…貫通孔
【図１】
0005609613.tif 000002
【図２】
0005609613.tif 000003
【図３】
0005609613.tif 000004
【図４】
0005609613.tif 000005
【図５】
0005609613.tif 000006
【図６】
0005609613.tif 000007
【図７】
0005609613.tif 000008
【図８】
0005609613.tif 000009
【図９】
0005609613.tif 000010
【図１０】
0005609613.tif 000011
【図１１】
0005609613.tif 000012
【図１２】
0005609613.tif 000013
【図１３】
0005609613.tif 000014
【図１４】
0005609613.tif 000015
【図１５】
0005609613.tif 000016
【図１６】
0005609613.tif 000017
【図１７】
0005609613.tif 000018