(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
矩形状の圧電振動子と前記圧電振動子を支持する支持部材と、前記圧電振動子及び前記支持部材を搭載するケースを備える加速度に比例した電圧を出力する圧電式加速度センサであって、前記支持部材は増幅回路と支持部材ベース部を有し、前記支持部材ベース部は前記圧電振動子を取付けて支持することによって、前記圧電振動子と前記支持部材が電気的に接続され、圧電セラミック板の一対の主面に電極が一様に形成され、厚み方向に一様に分極処理が施された電気機械変換素子を、矩形状平板で導電経路を有する板状弾性材に取付けることで前記圧電振動子を構成し、前記板状弾性材の長手方向両端部は前記支持部材ベース部により支持され、電荷の相殺による感度低下を抑制するために、前記圧電振動子が振動する際の変曲点は、前記板状弾性体における前記電気機械変換素子と前記支持部材ベース部の間の領域にあることを特徴とする圧電式加速度センサ。
【請求項２】
前記支持部材ベース部の長さＬ１と前記圧電振動子の幅Ｗ２との間にＬ１＞Ｗ２の関係を有することを特徴とする請求項１に記載の圧電式加速度センサ。
【請求項３】
前記電気機械変換素子の長さＬ２と前記板状弾性材の長さＬ３及び前記支持部材ベース部の幅Ｗ１の間に（Ｌ３−Ｌ２）／２＞Ｗ１の関係を有することを特徴とする請求項１〜２のいずれかに記載の圧電式加速度センサ。
【請求項４】
前記圧電振動子は、前記電気機械変換素子を前記板状弾性材に長さ方向に対称となるように取付けることで得られ、前記支持部材ベース部は、前記圧電振動子を両持ち梁構造で支持していることを特徴とする請求項１〜３に記載の圧電式加速度センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、振動を検知するために用いられる圧電式加速度センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
加速度を検出する方法については、従来から様々な方式の提案がなされ実用化されている。その中でも、圧電振動子の撓みを利用したベンディング型圧電式加速度センサは、構造が簡単で低コスト化に優れるため、広く採用されている。例えば、特許文献１では、ハウジングに固定された縁の端部と、空洞部内を自由に延びている片持ち梁部分とを有する圧電セラミックの梁を備えた片持ち梁型の圧電セラミック式加速度計が開示されている。また特許文献２では、段差のついた基板上にセラミック矩形板を固定して両持ち梁構造を構成し、更にスルーホールを基板に設けることで小型化を図ったＳＭＤ型加速度センサに関して開示されている。
【０００３】
従来のベンディング型圧電式加速度センサの原理を説明する。図６は、従来のベンディング型圧電式加速度センサの概略を示す正面断面図で、図６（ａ）は点固定の場合を示す図、図６（ｂ）は平面固定の場合を示す図である。圧電セラミック板８３は、チタン酸ジルコン酸鉛（以下、ＰＺＴと記す）等の圧電材料により成り、圧電セラミック板８３の上面と下面に銀ペースト等を塗布することにより上電極８４と下電極８５を形成する。上電極８４と下電極８５を用いて図中矢印の方向に一様に分極処理を施して圧電振動子である電気機械変換素子８２を構成し、２つの点で固定する支持部材８６、または平面で固定する支持部材８７に設置されている。加速度が電気機械変換素子８２に与えられたとき、電気機械変換素子８２には加速度に比例する慣性力が働き、歪みが生じる。その結果、電気機械変換素子８２表面の上電極８４および下電極８５に、図中に示すような逆符号の電荷および電圧が生じ、この電荷および電圧を検出することにより加速度を求めることができる。
【０００４】
近年、ＤＶＤ／ＢＤレコーダやテレビ、携帯機器などの電子機器に搭載される電子部品の数はますます増加し精密さを増している。それにつれて、それら電子機器の信頼性に対する要求は高まる一方である。そのなかで、電子機器に対して発生する衝撃や電子機器自身が発する振動を検知するために、加速度センサを搭載することが求められている。このような電子機器の振動検知に用いられるような小型の加速度センサに対しては、小型、低価格でありながら加速度センサ単体で高い出力感度が得られることが求められている。
【０００５】
図７は、従来の圧電式加速度センサの概略図で、図７（ａ）はケースの蓋を省略した平面図、図７（ｂ）は図７（ａ）のＡ−Ａ線に於ける正面断面図である。ここで、図７においては、図７（ａ）のケースの蓋９８は省略している。従来の圧電式加速度センサ９１は、主に加速度検知素子となる圧電振動子として圧電セラミック板９３に上電極９４と下電極９５を形成した電気機械変換素子９２と、増幅回路等の搭載や電気機械変換素子９２と信号出力ケーブル１００間の電気的な接続をする導通パターン形成のための矩形型支持部材９６と、電気機械変換素子９２と矩形型支持部材９６を固定搭載するケース９７と、ケースの蓋９８から成る。電気機械変換素子９２と矩形型支持部材９６は導電線材９９ａ及び導電線材９９ｂによって電気的に接続され、矩形型支持部材９６からは信号出力用の信号出力ケーブル１００に電気的に接続され、圧電式加速度センサ９１の検出信号が出力される。また、ケース９７は電気機械変換素子９２を両持ち梁構造で固定し、かつ電気機械変換素子９２が中央部で撓むことを妨げないように、ケース中央部にケース溝９７ａが設けられている。
【０００６】
しかし、このような構成では、電気機械変換素子９２と矩形型支持部材９６を導電線材９９ａ及び導電線材９９ｂにより半田等で接続する必要があり、工程の増加や、半田量、半田時間による出力感度のばらつきの原因につながること、ケース９７に搭載し全ての部材を接着しないと圧電式加速度センサ９１として検査をすることができないことなどの問題が生じる。
【０００７】
また、両持ち梁構造や片持ち梁構造によって電気機械変換素子を支持する場合、電気機械変換素子の変位量からの推定値と比較して出力感度が得られないことが知られている。原因としては、図６（ａ）に示すように電気機械変換素子８２が支持部と点で固定されず、実際には図６（ｂ）に示すように２つの平面固定している支持部材８７により平面で固定されているために、電気機械変換素子８２の中央部と支持部材８７での固定部に変曲点が現れ、その結果、電気機械変換素子８２の中央部と支持部材８７近傍とで逆符号の電荷が発生し、多くの電荷が相殺されてしまい感度低下することがあった。
【０００８】
その解決策として、特許文献３において、圧電体の長さ方向において中央領域を挟んだ両側の外側領域が中央領域とは厚み方向において逆方向に分極処理され、加速度による発生した電荷に基づく電圧をより効果的に取り出すことができる加速度センサが提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特表平５−５０５２３６号公報
【特許文献２】特開平９−２６４３１号公報
【特許文献３】特開２０００−１２１６６１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
上述したように、従来の圧電式加速度センサは、動作確認検査が容易に行えない構成である問題や、電気機械変換素子の支持部材での固定部の変曲点近傍では、双方の分極が相殺されてしまい十分に分極が行われない部分が現れ、電気機械変換素子に生じた歪みを十分に電荷に変換することができない問題があった。また、電荷の相殺が起こらないように、電気機械変換素子内で分極時に変曲点での分極方向を反転させる特許文献３のような方法では、製造が複雑になり量産性に欠けるなどの問題が発生していた。
【００１１】
そこで本発明の目的は、製造が容易で、量産性に優れ、出力感度に優れた圧電式加速度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】
【００１２】
上記の課題を解決するために、本発明は、圧電式加速度センサに於ける支持部材ベース部に、電気機械変換素子、圧電ユニモルフまたは圧電バイモルフからなる圧電振動子の一部が支持され、支持部材と電気的に接続された圧電式加速度センサを構成したものである。
【００１３】
すなわち、本発明によれば、矩形状の圧電振動子と前記圧電振動子を支持する支持部材と、前記圧電振動子及び前記支持部材を搭載するケースを備える加速度に比例した電圧を出力する圧電式加速度センサであって、前記支持部材は増幅回路と支持部材ベース部を有し、前記支持部材ベース部は前記圧電振動子を取付けて支持することによって、前記圧電振動子と前記支持部材が電気的に接続され、圧電セラミック板の一対の主面に電極が一様に形成され、厚み方向に一様に分極処理が施された電気機械変換素子を、矩形状で導電経路を有する板状弾性材に取付けることで前記圧電振動子を構成し、前記板状弾性材の長手方向両端部は前記支持部材ベース部により支持され、電荷の相殺による感度低下を抑制するために、前記圧電振動子が振動する際の変曲点は、前記板状弾性体における前記電気機械変換素子と前記支持部材ベース部の間の領域にあることを特徴とした圧電式加速度センサが得られる。
【００１６】
また、本発明によれば、前記支持部材ベース部は、前記板状弾性材における前記電気機械変換素子の設けられていない部分を取付けて支持することを特徴とする上記の圧電式加速度センサが得られる。
【００１７】
また、本発明によれば、前記支持部材ベース部の長さＬ１と前記圧電振動子の幅Ｗ２との間にＬ１＞Ｗ２の関係を有することを特徴とする上記の圧電式加速度センサが得られる。
【００１８】
また、本発明によれば、前記電気機械変換素子の長さＬ２と前記板状弾性材の長さＬ３及び前記支持部材ベース部の幅Ｗ１の間に（Ｌ３−Ｌ２）／２＞Ｗ１の関係を有することを特徴とする上記の圧電式加速度センサが得られる。
【発明の効果】
【００２２】
本発明における圧電式加速度センサの場合、圧電振動子である電気機械変換素子が、支持部材に両持ち梁、片持ち梁、中央固定のいずれかの構造で支持され、かつ支持部である支持部材ベース部とパターン等によって電気的に直接接続されている。そのため、圧電振動子と支持部材を接続している導電線材を削減することができ、出力感度のばらつきの低減や工数の削減に繋げることができる。また、支持部材に圧電振動子を接着等の固定手段を用いて取付け、電気的に接続することによって、ケースに搭載せずに動作確認検査を行うことができる。従って、本発明により量産性に優れた圧電式加速度センサを提供することが出来る。
【００２３】
さらに、本発明における圧電式加速度センサの場合、板状弾性材と板状弾性材に比べ十分小さい電気機械変換素子で構成される圧電ユニモルフまたは圧電バイモルフを検出素子として用いることで、圧電ユニモルフまたは圧電バイモルフの電気機械変換素子が支持部材ベース部と直接支持されず、変曲点が電気機械変換素子部分ではなく板状弾性材部分に現れるようにすることが可能になる。その結果、従来のように単純で一様な電極および分極方向を持った電気機械変換素子を用いても、電荷の相殺による感度低下が起こらない。従って、本発明により、出力感度に優れ、製造が容易である加速度センサを提供することが出来る。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明に係わる両持ち梁構造の圧電式加速度センサの概略図で、図１（ａ）は平面図、図１（ｂ）は図１（ａ）のＡ−Ａ線に於ける正面断面図である。
【図２】本発明に係わる片持ち梁構造の圧電式加速度センサの概略図で、図２（ａ）は平面図、図２（ｂ）は図２（ａ）のＡ−Ａ線に於ける正面断面図である。
【図３】本発明に係わる中央支持構造の圧電式加速度センサの概略図で、図３（ａ）は平面図、図３（ｂ）は図３（ａ）のＡ−Ａ線に於ける正面断面図である。
【図４】本発明に係わる圧電ユニモルフを用いた圧電式加速度センサの概略図で、図４（ａ）は平面図、図４（ｂ）は図４（ａ）のＡ−Ａ線に於ける正面断面図である。
【図５】本発明に係わる圧電式加速度センサに用いられる圧電ユニモルフの概略を示す正面断面図で、図５（ａ）は静止時を示す図、図５（ｂ）は動作時を示す図である。
【図６】従来のベンディング型圧電式加速度センサの概略を示す正面断面図で、図６（ａ）は点固定の場合を示す図、図６（ｂ）は平面固定の場合を示す図である。
【図７】従来の圧電式加速度センサの概略図で、図７（ａ）は平面図、図７（ｂ）は図７（ａ）のＡ−Ａ線に於ける正面断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
本発明の圧電式加速度センサは、支持部材と圧電振動子が電気的に接続して構成されている。支持部材は、Ｕ字型、Ｌ字型、Ｔ字型、Ｉ字型等の形状で圧電振動子を支持する支持部材ベース部を有することが好ましいが、これらの形状に限定されず、圧電振動子を支持する形状の支持部材ベース部を有する構造であれば良い。
【００２６】
以下、本発明の実施の形態について、詳細に説明する。
【００２７】
（実施の形態１）
図１は、本発明に係わる両持ち梁構造の圧電式加速度センサの概略図で、図１（ａ）は平面図、図１（ｂ）は図１（ａ）のＡーＡ線に於ける正面断面図である。ここで、図１（ａ）において、ケースの蓋１８は省略している。本実施の形態の圧電式加速度センサ１１は、主に圧電振動子である電気機械変換素子１２と、電気機械変換素子１２を支持しているＵ字型支持部材１６と、更にＵ字型支持部材１６を固定搭載するケース１７と、ケースの蓋１８からなる。
【００２８】
電気機械変換素子１２は、矩形状の圧電セラミック板１３の一対の主面に上電極１４と下電極１５が一様に形成された、加速度検知素子となる圧電振動子である。電気機械変換素子１２は厚み方向に一様に分極処理が施されている。Ｕ字型支持部材１６は、四角形の一辺の中央部を切り欠いて形成され、Ｕ字の先端部分がＵ字型支持部材ベース部１６ｂとなり、残りの領域をＵ字型支持部材矩形部１６ａとする。電気機械変換素子１２は、Ｕ字型支持部材ベース部１６ｂに両持ち梁構造で支持されている。電気機械変換素子１２の上電極１４とＵ字型支持部材矩形部１６ａは、リード線等の導電線材１９で半田等により電気的に接続されている。また、Ｕ字型支持部材ベース部１６ｂには、電気機械変換素子１２の下電極１５と電気的に接続するための端子が形成されており、導電接着剤等で接着固定されている。Ｕ字型支持部材ベース部１６ｂの端子部分からはＵ字型支持部材矩形部１６ａへ導電経路であるパターン等が形成され、Ｕ字型支持部材矩形部１６ａからは、信号出力用の信号出力ケーブル２０によって圧電式加速度センサ１１の検出信号が出力される。Ｕ字型支持部材矩形部１６ａには、用途に応じて、増幅回路等の搭載も可能である。さらに、ケース１７に電気機械変換素子１２が接着固定されたＵ字型支持部材１６を、熱硬化性エポキシ樹脂等で接着し、ケースの蓋１８を圧入等でケース１７と固定して圧電式加速度センサ１１を作製する。
【００２９】
圧電式加速度センサ１１に、垂直方向に加速度が加えられると、電気機械変換素子１２の中心部が撓み、上電極１４と下電極１５の間に加速度に比例した電圧が発生し、その電圧は導電線材１９およびＵ字型支持部材ベース部１６ｂ上の端子を介してＵ字型支持部材１６に入力され、圧電式加速度センサ１１の出力信号は、信号出力ケーブル２０を通して外部に出力される。図１における、支持部材ベース部の長さＬ１、支持部材ベース部の幅Ｗ１、圧電振動子の長さＬ２、圧電振動子の幅Ｗ２の説明は後述する。
【００３０】
本発明における実施の形態１により、Ｕ字型支持部材を用いてＵ字型支持部材ベース部と電気機械変換素子を直接接続することで、電気機械変換素子と支持部材を電気的に接続している導電線材が１本不要になり、工程の削減を図ることが出来るとともに出力感度のばらつきの低減も図れる。また、Ｕ字型支持部材の一部であるＵ字型支持部材ベース部に、圧電振動子を接続しているので、中央部の撓みに対応するケース中央部のケース溝を必要とせず、ケースの小型化が実現できる。さらに、Ｕ字型支持部材と電気機械変換素子を接着、接続するだけで、圧電式加速度センサの動作確認検査をすることができ、品質の向上を図ることができる。
【００３１】
（実施の形態２）
図２は、本発明に係わる片持ち梁構造の圧電式加速度センサの概略図で、図２（ａ）は平面図、図２（ｂ）は図２（ａ）のＡ−Ａ線に於ける正面断面図である。実施の形態１と同じ部材は、同じ符号とした。ここで、図２（ａ）において、ケースの蓋１８は省略している。本実施の形態の圧電式加速度センサ３１は、主に圧電振動子である電気機械変換素子１２と、電気機械変換素子１２を支持しているＬ字型支持部材３６と、更にＬ字型支持部材３６を固定搭載するケース１７と、ケースの蓋１８からなる。
【００３２】
電気機械変換素子１２は、矩形状の圧電セラミック板１３の一対の主面に上電極１４と下電極１５が一様に形成された、加速度検知素子となる圧電振動子である。電気機械変換素子１２は厚み方向に一様に分極処理が施されている。Ｌ字型支持部材３６は、四角形の一辺の片端部を切り欠いて形成され、Ｌ字の先端部分がＬ字型支持部材ベース部３６ｂとなり、残りの領域をＬ字型支持部材矩形部３６ａとする。電気機械変換素子１２は、Ｌ字型支持部材ベース部３６ｂに接着され、片持ち梁構造に支持されている。電気機械変換素子１２の上電極１４とＬ字型支持部材矩形部３６ａは、リード線等の導電線材１９で半田等により電気的に接続されている。また、Ｌ字型支持部材ベース部３６ｂには、電気機械変換素子１２の下電極１５と電気的に接続されるための端子が形成されており、導電接着剤等で接着固定されている。Ｌ字型支持部材ベース部３６ｂの端子部分からはＬ字型支持部材矩形部３６ａへ導電経路であるパターン等が形成され、Ｌ字型支持部材矩形部１６ａからは、信号出力用の信号出力ケーブル２０によって圧電式加速度センサ３１の検出信号が出力される。Ｌ字型支持部材矩形部３６ａには、用途に応じて、増幅回路等の搭載も可能である。さらに、ケース１７に電気機械変換素子１２が接着固定されたＬ字型支持部材３６を、熱硬化性エポキシ樹脂等で接着し、ケースの蓋１８を圧入等でケース１７と固定して圧電式加速度センサ３１を作製する。
【００３３】
圧電式加速度センサ３１に、垂直方向に加速度が加えられると、電気機械変換素子１２の片端部が撓み、上電極１４と下電極１５の間に加速度に比例した電圧が発生し、その電圧を導電線材１９およびＬ字型支持部材ベース部３６ｂ上の端子を介してＬ字型支持部材３６に入力され、圧電式加速度センサ３１の出力信号は、信号出力ケーブル２０を通して外部に出力される。本実施の形態は、片持ち梁構造のため、実施の形態１の両持ち梁構造と比較して感度を向上させることが可能となる。図２における、支持部材ベース部の長さＬ１、支持部材ベース部の幅Ｗ１、圧電振動子の長さＬ２、圧電振動子の幅Ｗ２の説明は後述する。
【００３４】
本発明における実施の形態２により、Ｌ字型支持部材を用いてＬ字型支持部材ベース部と電気機械変換素子を直接接続することで、電気機械変換素子と支持部材を電気的に接続している導電線材が１本不要になり、工程の削減を図ることが出来るとともに出力感度のばらつきの低減も図れる。また、Ｌ字型支持部材の一部であるＬ字型支持部材ベース部に、電気機械変換素子を接続しているので、片端部の撓みに対応するケース溝を必要とせず、ケースの小型化が実現できる。さらに、Ｌ字型支持部材と電気機械変換素子を接着、接続するだけで、圧電式加速度センサの動作確認検査をすることができ、品質の向上を図ることができる。
【００３５】
（実施の形態３）
図３は、本発明に係わる中央支持構造の圧電式加速度センサの概略図で、図３（ａ）は平面図、図３（ｂ）は図３（ａ）のＡ−Ａ線に於ける正面断面図である。実施の形態１と同じ部材は、同じ符号とした。ここで、図３（ａ）において、ケースの蓋１８は省略している。本実施の形態の圧電式加速度センサ４１は、主に圧電振動子である電気機械変換素子１２と、電気機械変換素子１２を支持しているＴ字型支持部材４６と、更にＴ字型支持部材４６を固定搭載するケース１７と、ケースの蓋１８からなる。
【００３６】
電気機械変換素子１２は、矩形状の圧電セラミック板１３の一対の主面に上電極１４と下電極１５が一様に形成された、加速度検知素子となる圧電振動子である。電気機械変換素子１２は厚み方向に一様に分極処理が施されている。Ｔ字型支持部材４６は、四角形の一辺の両端部を切り欠いて形成され、Ｔ字の先端部分がＴ字型支持部材ベース部４６ｂとなり、残りの領域をＴ字型支持部材矩形部４６ａとする。電気機械変換素子１２は、Ｔ字型支持部材ベース部４６ｂに接着され、中央支持構造に支持されている。電気機械変換素子１２の上電極１４とＴ字型支持部材矩形部４６ａは、リード線等の導電線材１９で半田等により電気的に接続されている。また、Ｔ字型支持部材ベース部４６ｂには、電気機械変換素子１２の下電極１５と電気的に接続するための端子が形成されており、導電接着剤等で接着固定されている。Ｔ字型支持部材ベース部４６ｂの端子部分からはＴ字型支持部材矩形部４６ａへ導電経路であるパターン等が形成され、Ｔ字型支持部材矩形部４６ａからは、信号出力用の信号出力ケーブル２０によって圧電式加速度センサ４１の検出信号が出力される。Ｔ字型支持部材矩形部には、用途に応じて、増幅回路等の搭載も可能である。さらに、ケース１７に電気機械変換素子１２が接着固定されたＴ字型支持部材４６を、熱硬化性エポキシ樹脂等で接着し、ケースの蓋１８を圧入等でケース１７と固定して圧電式加速度センサ４１を作製する。
【００３７】
圧電式加速度センサ４１に、垂直方向に加速度を加えられると、電気機械変換素子１２の両端部が撓み、上電極１４と下電極１５の間に、加速度に比例した電圧が発生し、その電圧を導電線材１９およびＴ字型支持部材ベース部４６ｂ上の端子を介してＴ字型支持部材に入力され、圧電式加速度センサ４１の出力信号は、信号出力ケーブル２０を通して外部に出力される。図３における、支持部材ベース部の長さＬ１、支持部材ベース部の幅Ｗ１、圧電振動子の長さＬ２、圧電振動子の幅Ｗ２の説明は後述する。
【００３８】
本発明における実施の形態３により、Ｔ字型支持部材を用いてＴ字型支持部材ベース部と電気機械変換素子を直接接続することで、電気機械変換素子と支持部材を電気的に接続している導電線材が１本不要になり、工程の削減を図ることが出来るとともに出力感度のばらつきの低減も図れる。また、Ｔ字型支持部材の一部であるＴ字型支持部材ベース部に、電気機械変換素子を接続しているので、両端部の撓みに対応するケース溝を必要とせず、ケースの小型化が実現できる。さらに、Ｔ字型支持部材と電気機械変換素子を接着、接続するだけで、圧電式加速度センサの動作確認検査をすることができ、品質向上に大いに貢献できる。なお、中央支持構造での支持部材は、Ｔ字型支持部材の他にＩ字型支持部材も使用可能である。
【００３９】
実施の形態１〜３の圧電式加速度センサの電気機械変換素子を、板状弾性材に接着し圧電ユニモルフまたは圧電バイモルフに置き換えた構造にすることも可能である。このとき、板状弾性材の材料、厚さ寸法等を変化させることによって、出力感度、使用周波数帯、耐衝撃力などの仕様を、選択することができる。
【００４０】
また、本発明の支持部材は、１組に限られるわけではなく、電気機械変換素子を、上下面で挟むように支持できる形状のベース部を有する支持部材２組でも良い。
【００４１】
（実施の形態４）
図４は、本発明に係わる圧電ユニモルフを用いた圧電式加速度センサの概略図で、図４（ａ）は平面図、図４（ｂ）は図４（ａ）のＡ−Ａ線に於ける正面断面図である。ここで、図４においては、図４（ａ）のケースの蓋５８は省略している。本実施の形態の圧電式加速度センサ５１は、主に圧電ユニモルフ５２と、圧電ユニモルフ５２を支持しているＵ字型支持部材５６と、更にＵ字型支持部材５６を固定搭載するケース５７と、ケースの蓋５８からなる。
【００４２】
本実施の形態では、圧電振動子として、矩形状の圧電セラミック板５３と上電極５４と下電極５５からなる電気機械変換素子を、板状弾性材６１の片面に長さ方向に対象となるように接着した圧電ユニモルフ５２を使用した。板状弾性材６１は、金属、セラミック、カーボン、樹脂等の弾性材料からなり、金属以外の材質の場合は、板状弾性材の表面に導電経路を有する構造とする必要がある。
【００４３】
Ｕ字型支持部材５６は、四角形の一辺の中央部を切り欠いて形成されてなり、Ｕ字の先端部分がＵ字型支持部材ベース部５６ｂとなり、残りの領域をＵ字型支持部材矩形部５６ａとする。圧電ユニモルフ５２の板状弾性材６１は、Ｕ字型支持部材ベース部５６ｂに接着され、両持ち梁構造で支持されている。圧電ユニモルフ５２の上電極５４とＵ字型支持部材矩形部５６ａは、リード線等の導電線材５９で半田等により電気的に接続されている。また、Ｕ字型支持部材ベース部５６ｂには、板状弾性材６１の両端部と電気的に接続するための端子が形成されており、導電接着剤等により接着固定されている。Ｕ字型支持部材ベース部５６ｂの端子部分からはＵ字型支持部材へ導電経路が形成され、Ｕ字型支持部材矩形部５６ａからは、信号出力用の信号出力ケーブル６０によって圧電式加速度センサ５１の検出信号が出力される。Ｕ字型支持部材矩形部５６ａには、用途に応じて、増幅回路等の搭載も可能である。さらに、ケース５７に、圧電ユニモルフ５２が接着固定されたＵ字型支持部材５６を、熱硬化性エポキシ樹脂等で接着し、ケースの蓋５８を圧入等でケース５７と固定して圧電式加速度センサ５１を作製する。
【００４４】
図５は、本発明に関わる圧電式加速度センサに用いられる圧電ユニモルフの概略を示す正面断面図で、図５（ａ）は静止時を示す図、図５（ｂ）は動作時を示す図である。図５（ａ）を用いて、本発明の圧電ユニモルフ７２の原理を説明する。ここで、図５（ａ）の矩形状の圧電セラミック板７３は、ＰＺＴ等の圧電体の上面に銀ペースト等により上電極７４と下電極７５を形成し、図中矢印の方向に一様に分極処理を施している。下電極７５に金属板等の導電経路を有する板状弾性材７７を長さ方向対象に、熱硬化性エポキシ樹脂等で接着し、圧電ユニモルフ７２を構成し、２つの支持部材７６に設置されている。加速度が圧電ユニモルフ７２に与えられたとき、圧電ユニモルフ７２には加速度に比例する慣性力が働き、ひずみを生ずる。その結果、図５（ｂ）に示す圧電ユニモルフ７２表面の上電極７４及び下面の板状弾性材７７に逆符号の電荷及び電圧が生じ、この電荷及び電圧を検出することにより加速度を求めることができる。
【００４５】
図４に示すように、圧電式加速度センサ５１に、垂直方向に加速度を加えられると、圧電ユニモルフ５２の中央部がたわみ上電極５４と板状弾性材６１の間に、加速度に比例した電圧が発生し、その電圧を導電線材５９およびＵ字型支持部材ベース部５６ｂの端子を介して、Ｕ字型支持部材矩形部に入力され、圧電式加速度センサ５１の出力信号は、信号出力ケーブル６０を通して外部に出力される。
【００４６】
本発明における実施の形態４により、Ｕ字型支持部材を用いてＵ字型支持部材ベース部と圧電振動子を直接接続することで、圧電ユニモルフと支持部材を電気的に接続している導電線材が１本不要になり、工程の削減を図る事ができるとともに出力感度のばらつきの低減も図れる。また、Ｕ字型支持部材の一部であるＵ字型支持部材ベース部に、圧電ユニモルフの板状弾性材を接続しているので、中央部の撓みに対応するケースの溝を必要とせず、ケースの小型化が実現できる。その上、支持部材と圧電振動子を接続するだけで圧電式加速度センサの動作確認検査をすることができ、品質の向上を図ることができる。
【００４７】
さらに、圧電ユニモルフの電気機械変換素子がＵ字型支持部材ベース部と直接支持されず、変曲点が電気機械変換素子部分ではなく板状弾性材部分に現れるようにすることが可能になる。その結果、従来のように単純で一様な電極および分極方向を持った電気機械変換素子を用いても、電荷の相殺による感度低下が起こらず、出力感度が大きく、低コストである加速度センサが実現できる。
【００４８】
本実施の形態４では、圧電ユニモルフを用いた場合を説明したが、圧電バイモルフを用いても同様に行うこともできる。また、今回は、両持ち梁構造で説明したが、Ｌ字型支持部材を用いて、片持ち梁構造で行うこともできる。
【００４９】
実施の形態１〜４において、図１〜４に示す圧電式加速度センサの支持部材ベース部の長さＬ１と圧電振動子の幅Ｗ２は、Ｌ１＞Ｗ２の関係が成り立ち、かつ支持部材矩形部に接触しないように構成するのが好ましい。この構成により、圧電振動子が加速度によって撓んだ時に、圧電振動子を支持部材ベース部が均一にかつ確実に支持できる関係を表している。なお、実施の形態１〜３においては、圧電振動子として電気機械変換素子を使用し、実施の形態４においては圧電振動子として圧電ユニモルフを使用している。また、支持部材ベース部の長さは、電気機械変換素子の幅に比べて長すぎる場合、小型化の妨げになるのはもちろんのこと、電気機械変換素子の振動に対する支持部材ベース部の剛性を十分確保することができなくなり、支持部材ベース部で不要振動が発生する原因となるため、設計時はその点を考慮する必要がある。
【００５０】
また、圧電式加速度センサの支持部材ベース部の幅Ｗ１と電気機械変換素子の長さＬ２と板状弾性材の長さＬ３は、（Ｌ３−Ｌ２）／２＞Ｗ１の関係とするのが好ましい。（Ｌ３−Ｌ２）／２とＷ１の差は、支持部材ベース部の固定点と電気機械変換素子の間隔を表し、この間隔が小さすぎると、電気機械変換素子が変曲点の影響を受け、感度が低下する。一方、支持部材ベース部の固定点と電気機械変換素子の間隔が大きすぎると、電気機械変換素子の寸法が小さくなり加速度による振動が板状弾性材に吸収されることによる出力感度の低下を招く。
【００５１】
上述した実施の形態において、本発明の圧電式加速度センサは、Ｕ字型支持部材を用いた場合は両持ち梁構造、Ｌ字型支持部材を用いた場合は片持ち梁構造、Ｔ字型支持部材およびＩ字型支持部材を用いた場合には中央支持構造を有することになる。また、Ｉ字型支持部材は片持ち梁支持構造とすることも可能である。これらの支持方法ついては、出力感度、使用周波数帯、耐衝撃力などの仕様を元に選択することが出来る。支持部材の材質についても、出力感度、使用周波数帯、耐衝撃力などの仕様を元に選択するのが好ましい。また、ケースの材料については、基本的には想定される加速度に対して変形が起こらないような剛性を持つ金属や樹脂から選択するのが好ましい。
【００５２】
また、本発明の板状弾性材は板材を有する構造の圧電ユニモルフまたは圧電バイモルフに限られるわけではなく、また、矩形状の板材に限られるわけでなく、電気機械変換素子を板材で支持する構造として構成してあれば良い。
【００５３】
更に、支持部材矩形部は、増幅器等を搭載しない場合には必ずしも必要ではなく、支持部材ベース部に、圧電振動子と信号出力ケーブルを電気的に接続するための導電パターンを形成することで、更なる小型化が可能となる。
【実施例】
【００５４】
（実施例１）
本発明の実施の形態１の圧電式加速度センサについて、具体的な一実施例により説明する。
【００５５】
図１に示すように、電気機械変換素子１２として、材質ＰＺＴによる主面長さＬ２が６．０ｍｍ、幅Ｗ２が２．０ｍｍ、厚さが０．３ｍｍの圧電セラミック板１３を準備した。この電気機械変換素子１２には、一対の主面に銀ペーストにて上電極１４および下電極１５を一様に形成し、分極処理を施している。更に、図１に示すように、６．０ｍｍ×３．０ｍｍの矩形状のＵ字型支持部材矩形部１６ａの一辺の両端に、２．５ｍｍ×０．５ｍｍのＵ字型支持部材ベース部１６ｂを一体としてＵ字型に設けられた厚さ０．５ｍｍ、アルミナを材料とするＵ字型支持部材１６を準備した。Ｕ字型支持部材矩形部１６ａには、信号を出力するための１芯同軸ケーブルの信号出力ケーブル２０と、電気機械変換素子１２と信号出力ケーブル２０とを電気的に接続するための導電パターンを形成した。次に、Ｕ字型支持部材ベース部１６ｂに設けられている端子と電気機械変換素子１２を電気的に接続できるように導電接着剤で両持ち梁構造に接着した。この構造で電気機械変換素子１２を支持した場合、共振周波数は約６５ｋＨｚとなった。更に、電気機械変換素子１２の上電極１４とＵ字型支持部材矩形部１６ａを導電線材１９で半田を用いて接続した。最後に、ＳＵＳ３０４を材料としたケース１７及びケースの蓋１８（図１（ａ）では省略されている）を作製し、ケース１７に電気機械変換素子１２を接着固定してあるＵ字型支持部材１６を、熱硬化性エポキシ樹脂で接着し、ケースの蓋１８を圧入でケース１７と固定して圧電式加速度センサ１１を作製した。
【００５６】
実施例１の圧電式加速度センサの支持部材ベース部の長さＬ１と圧電振動子の幅Ｗ２（実施例１では電気機械変換素子の幅）を比べると、Ｌ１＝２．５ｍｍ、Ｗ２＝２．０ｍｍであり、Ｌ１＞Ｗ２の関係が成り立っている。
【００５７】
（実施例２）
次に、本発明の実施の形態４の圧電式加速度センサについて、具体的な一実施例により説明する。
【００５８】
図４に示すように、圧電振動子として、材質ＰＺＴによる主面長さＬ２が４．５ｍｍ、幅Ｗ２が２．０ｍｍ、厚さが０．３ｍｍの圧電セラミック板５３に上電極５４と下電極５５を形成した電気機械変換素子を、主面長さＬ３が６．０ｍｍ、幅Ｗ２が２．０ｍｍ、厚さ０．１ｍｍのリン青銅を材料とする板状弾性材６１の片面に長さ方向に対象となるように熱硬化性エポキシ樹脂で接着した圧電ユニモルフ５２を準備した。更に、図４に示すように、６．０ｍｍ×３．０ｍｍの矩形状のＵ字型支持部材矩形部５６ａの一辺の両端に、２．５ｍｍ×０．５ｍｍのＵ字型支持部材ベース部５６ｂを一体としてＵ字型に設けられた厚さ０．５ｍｍ、アルミナを材料とするＵ字型支持部材を準備した。Ｕ字型支持部材矩形部５６ａには、信号を出力するための１芯同軸ケーブルの信号出力ケーブル２０と、電気機械変換素子と信号出力ケーブル２０とを電気的に接続するための導電パターンを形成した。次に、圧電ユニモルフ５２の板状弾性材６１の両端とＵ字型支持部材ベース部５６ｂの端子とを電気的に接続できるように導電接着剤で両持ち梁構造に接着した。この構造で圧電ユニモルフ５２を支持した場合、共振周波数は約５５ｋＨｚとなった。更に、圧電ユニモルフ５２の上電極５４とＵ字型支持部材矩形部５６ａを導電線材５９で半田を用いて接続した。最後に、ＳＵＳ３０４を材料としたケース５７及びケースの蓋５８（図４（ａ）では省略されている）を作製し、ケース５７に圧電ユニモルフ５２を接着固定してあるＵ字型支持部材５６を、熱硬化性エポキシ樹脂で接着し、ケースの蓋５８を圧入でケース５７と固定して圧電式加速度センサ５１を作製した。
【００５９】
実施例２の圧電式加速度センサの支持部材ベース部の長さＬ１と電気機械変換素子の幅Ｗ２を比べると、Ｌ１＝２．５ｍｍ、Ｗ２＝２．０ｍｍであり、Ｌ１＞Ｗ２の関係が成り立っている。また、圧電式加速度センサの支持部材ベース部の幅Ｗ１と電気機械変換素子の長さＬ２と板状弾性材の長さＬ３を比べると、Ｗ１＝０．５ｍｍ、Ｌ２＝４．５ｍｍ、Ｌ３＝６．０ｍｍであり、（Ｌ３−Ｌ２）／２＞Ｗ１の関係が成り立っている。
【００６０】
比較例として、図７に示すように、従来の構造の圧電式加速度センサも同様にして作製した。電気機械変換素子として、材質ＰＺＴによる主面長さ６．０ｍｍ、幅が２．０ｍｍ、厚さが０．３ｍｍの圧電セラミック板９３を準備した。この電気機械変換素子９２は、一対の主面に銀ペーストにて上電極９４及び下電極９５が一様に形成されている。更に矩形型支持部材９６として、６．０ｍｍ×２．５ｍｍで厚さ０．５ｍｍ、アルミナを材料とする矩形型支持部材９６を準備した。矩形型支持部材９６には、信号を出力するための１芯同軸ケーブルの信号出力ケーブル１００と、電気機械変換素子９２と信号出力ケーブル１００とを電気的に接続するための導電パターンを形成した。また、ケース９７に電気機械変換素子９２が振動し中央部で撓むことを妨げないように、ケース９７の中央部にケース溝９７ａを設けて、ケース９７と接着剤で両持ち梁構造に接着した。この構造で電気機械変換素子９２を支持した場合、共振周波数は約６５ｋＨｚとなった。更に、電気機械変換素子９２の上電極９４と矩形型支持部材９６を接続するための導電線材９９ａと、電気機械変換素子９２の下電極９５と矩形型支持部材９６を接続するための導電線材９９ｂ、信号を出力するための１芯同軸ケーブルの信号出力ケーブル２０を矩形型支持部材に半田を用いて接続した。最後に、ＳＵＳ３０４を材料としたケース９７及びケースの蓋９８（図７（ａ）では省略されている）を作製し、ケース９７に矩形型支持部材９６を、熱硬化性エポキシ樹脂で接着し、ケースの蓋９８を圧入でケース９７と固定して圧電式加速度センサ９１を作製した。
【００６１】
実施例１、２、比較例の圧電式加速度センサの出力感度特性を評価した。それぞれ作製した圧電式加速度センサ１１、圧電式加速度センサ５１、圧電式加速度センサ９１を、加振器に両面テープで固定して、加振器に信号発生器からの信号を入力することにより規定の加速度を発生させて、その時のそれぞれの圧電式加速度センサの出力を測定し、比較した。
【００６２】
表１に、本発明の実施例１、実施例２、比較例の圧電式加速度センサを比較して示す。
【００６３】
【表１】
0005270622.tif 000002
【００６４】
表１から分かるとおり、本発明の実施例１の発明における圧電式加速度センサでは、従来の構造と比較して同等の出力感度が得られる上にバラツキの原因となる導通線材の数を削減できる。また、支持部材矩形部寸法は、増幅回路等の搭載をしない用途では小さく設計することが可能となり、更なる小型化が見込まれる。
【００６５】
更に表１から分かるとおり、本発明の実施例２の圧電式加速度センサでは、従来の構造と比較して同等の寸法を維持しながら約１０倍と大幅に出力感度を向上させることができた。
【００６６】
以上、この発明は、これらの実施の形態に限られるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更があっても本発明に含まれる。すなわち、当業者であれば、当然なしえるであろう各種変形、修正もまた本発明に含まれる。
【００６７】
本発明では、製造が容易で、量産性に優れ、出力感度に優れた加速度センサを実現することが可能であり、各種電子機器に係わる振動や衝撃の検知に利用する事ができる。
【符号の説明】
【００６８】
１１、３１、４１、５１、９１  圧電式加速度センサ
１２、８２、９２  電気機械変換素子
１３、５３、７３、８３、９３    圧電セラミック板
１４、５４、７４、８４、９４  上電極
１５、５５、７５、８５、９５  下電極
１６、５６  Ｕ字型支持部材
１６ａ、５６ａ  Ｕ字型支持部材矩形部
１６ｂ、５６ｂ  Ｕ字型支持部材ベース部
１７、５７、９７  ケース
１８、５８、９８  ケースの蓋
１９、５９、９９ａ、９９ｂ  導電線材
２０、６０、１００  信号出力ケーブル
３６  Ｌ字型支持部材
３６ａ  Ｌ字型支持部材矩形部
３６ｂ  Ｌ字型支持部材ベース部
４６  Ｔ字型支持部材
４６ａ  Ｔ字型支持部材矩形部
４６ｂ  Ｔ字型支持部材ベース部
５２、７２  圧電ユニモルフ
６１、７７  板状弾性材
７６、８６、８７  支持部材
９６  矩形型支持部材
９７ａ  ケース溝
Ｌ１  支持部材ベース部の長さ
Ｗ１  支持部材ベース部の幅
Ｌ２  圧電振動子の長さ
Ｗ２  圧電振動子の幅
Ｌ３  板状弾性材の長さ
【図１】
0005270622.tif 000003
【図２】
0005270622.tif 000004
【図３】
0005270622.tif 000005
【図４】
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【図５】
0005270622.tif 000007
【図６】
0005270622.tif 000008
【図７】
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