(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
両主面に電極が形成された同一短冊形状の圧電体よりなり、その長さ方向中央部にエネルギーが閉じ込められる厚みすべり振動モード素子である第１と第２の共振子を、中間層を介して全面で対面接合してバイモルフ型加速度検出素子を構成し、
上記中間層は、一方の共振子の曲げ応力が他方の共振子に伝わるだけの硬さを有し、かつ一方の共振子の振動が他方の共振子に減衰されて伝播しうる弾性接着剤層であり、
上記加速度検出素子を、加速度の印加に伴って第１と第２の共振子が同一方向に撓むように、長手方向の一端部または両端部を固定支持し、
上記加速度検出素子の撓みによって生じる第１と第２の共振子の周波数変化またはインピーダンス変化を差動的に検出することにより、加速度を検出可能としたことを特徴とする加速度センサ。
【請求項２】
上記加速度検出素子の加速度印加方向の外側面が、ケース部材によって覆われ、かつ上記加速度検出素子とケース部材とで形成される開放面がカバー部材によって覆われ、
第１と第２の共振子に形成された電極は、ケース部材の表面に形成された内部電極を介してカバー部材の表面に形成された外部電極に接続されていることを特徴とする請求項１に記載の加速度センサ。
【請求項３】
上記第１と第２の共振子をそれぞれの周波数で発振させ、各発振周波数差を検出し、この周波数差から加速度に比例した信号を得ることを特徴とする請求項１または２に記載の加速度センサ。
【請求項４】
上記第１と第２の共振子を同一周波数で発振させ、各共振子の電気的インピーダンスの違いから位相差または振幅差を検知し、これら位相差または振幅差から加速度に比例した信号を得ることを特徴とする請求項１または２に記載の加速度センサ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は加速度センサに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、圧電セラミックスを利用した加速度センサとして、例えば特許第２７８０５９４号公報に記載のものが知られている。この加速度センサは、一対の圧電セラミックスよりなる圧電素子を対面接合して一体化したバイモルフ型検出素子を備え、この素子をケース内に両持ち梁構造で収納支持してある。この加速度センサに加速度が加わると、検出素子が撓むことによって圧電素子に応力が発生し、圧電効果によって発生した電荷または電圧を検知して、加速度を知ることができる。この加速度センサの場合には、小型で、表面実装型部品（チップ部品）に容易に構成できるという利点がある。
【０００３】
この原理の加速度センサの場合には、回路を構成する際、回路から流れ込むバイアス電流が圧電体の容量Ｃにチャージされ、回路が飽和してしまうので、バイアス電流をリークさせるための抵抗Ｒが必要となる。ところが、抵抗Ｒと容量Ｃとによってハイパスフィルタが構成され、カットオフ以下の周波数であるＤＣや低周波の加速度を検出できない。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
一方、座屈音叉構造の支持体に２個の振動子を取り付け、加速度が印加されると、中央にある慣性部（重り）により２つの音叉構造部分に取り付けられた振動子は引張と圧縮の応力を受け、２つの振動子に生じる周波数差によって加速度を検出する加速度センサも知られている（例えば特開平４−３６１１６５号公報）。この場合には、ＤＣや低周波の加速度でも検出可能である。
【０００５】
しかしながら、この構造の加速度センサでは、支持体が音叉構造を有するため、構造が複雑で大型であり、各振動子からの電極の引出も煩雑である。そのため、回路基板などに直接実装できる小型の表面実装型部品（チップ部品）に構成することが難しいという問題があった。
また、振動子をねじれ振動モードと屈曲振動モードとが結合した振動モードで振動する双音叉型振動子として構成することにより、バイアス周波数の温度依存性を低減しているが、温度依存性を完全には解消できない。
【０００６】
そこで、本発明の目的は、小型で表面実装型に構成でき、しかも温度変化などの加速度以外の要因による影響を排除しうる、高感度の加速度センサを提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的は、請求項１に記載の発明によって達成される。
すなわち、請求項１に係る発明は、両主面に電極が形成された同一短冊形状の圧電体よりなり、その長さ方向中央部にエネルギーが閉じ込められる厚みすべり振動モード素子である第１と第２の共振子を、中間層を介して全面で対面接合してバイモルフ型加速度検出素子を構成し、上記中間層は、一方の共振子の曲げ応力が他方の共振子に伝わるだけの硬さを有し、かつ一方の共振子の振動が他方の共振子に減衰されて伝播しうる弾性接着剤層であり、上記加速度検出素子を、加速度の印加に伴って第１と第２の共振子が同一方向に撓むように、長手方向の一端部または両端部を固定支持し、上記加速度検出素子の撓みによって生じる第１と第２の共振子の周波数変化またはインピーダンス変化を差動的に検出することにより、加速度を検出可能としたことを特徴とする加速度センサを提供する。
【０００８】
本発明では、加速度検出素子を２枚の共振子を中間層を介して接合したバイモルフ構造としてある。中間層は、一方の共振子の曲げ応力が他方の共振子に伝わるだけの硬さを有するので、加速度が加わった際に生じる加速度検出素子の撓み変形から、一方の共振子に引張応力が作用すれば、他方の共振子には圧縮応力が作用することになる。また、中間層は、両方の共振子を振動的に緩やかに結合する機能を有する。つまり、一方の共振子の振動が他方の共振子に減衰されて伝播しうる性質を有するので、各共振子はそれぞれの固有振動数で振動することができる。そのため、引張側の共振子の周波数は低くなり、圧縮側の共振子の周波数は高くなる。そこで、両共振子の周波数変化またはインピーダンス変化を差動的に取り出せば、加速度を検出することができる。
特に、２つの共振子の周波数変化またはインピーダンス変化を個別に取り出すのではなく、その周波数差またはインピーダンス差を差動的に検出するので、２つの共振子に共通に加わる応力（例えば温度変化による応力）は相殺され、温度変化などの影響を受けない高感度の加速度センサを得ることができる。
【０００９】
請求項２のように、中間層を弾性接着剤層で構成するのがよい。中間層は、曲げ応力を伝達し、共振子の振動伝播を減衰させる機能を有するが、弾性接着剤を使用することにより、この機能を簡単に実現できる。
弾性接着剤層としては、例えばエポキシ系接着剤、エポキシ−アクリル系接着剤、シリコーン系接着剤などを使用できる。エポキシ系接着剤、エポキシ−アクリル系接着剤の場合には、数μｍ〜１０数μｍ程度の厚みとすればよい。また、シリコーン系接着剤の場合には、弾性係数が小さいので、数μｍ程度の厚みとするのがよい。
【００１１】
請求項２のように、加速度検出素子の長手方向両端部をスペーサ層を介して対面接合し、第１と第２のユニモルフ型加速度検出素子の加速度印加方向の外側面をケース部材によって覆い、第１と第２のユニモルフ型加速度検出素子とケース部材とで形成される開放面をカバー部材によって覆い、第１と第２の共振子に形成された電極を、ケース部材の表面に形成された内部電極を介してカバー部材の表面に形成された外部電極に接続するのが望ましい。
この場合には、加速度検出素子の周囲をケース部材およびカバー部材によって完全に包囲でき、表面実装型部品を容易に構成できる利点がある。
【００１２】
第１の共振子と第２の共振子とから得られる信号を差動的に取り出し、加速度検出素子に作用する加速度に比例した信号を得る方法としては、請求項３のように、第１と第２の共振子をそれぞれの周波数で発振させ、各発振周波数差を検出し、この周波数差から加速度に比例した信号を得る方法と、請求項４のように、第１と第２の共振子を同一周波数で発振させ、各共振子の電気的インピーダンスの違いから位相差または振幅差を検知し、これら位相差または振幅差から加速度に比例した信号を得る方法とがある。
いずれの方法を用いても、加速度を高精度に検出することができる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
図１〜図５は本発明にかかる加速度センサの第１実施例を示す。
この加速度センサ１Ａは、バイモルフ型加速度検出素子２を絶縁性セラミック等からなる絶縁ケース６，７内に両持ち梁構造で収納支持したものである。この実施例の加速度検出素子２は、短冊形状の圧電セラミック板の表裏両主面に電極３ａ，３ｂおよび４ａ，４ｂを形成した共振子３，４を、中間層５を間にして接合一体化したものである。この実施例の共振子３，４は、共にエネルギー閉じ込め型厚みすべり振動モードの共振子であり、共振子３，４の長さ方向に分極されている。表裏面の電極３ａ，３ｂおよび４ａ，４ｂは、一端部が共振子３，４の中央部で対向し、他端部が共振子３，４の異なる端部へ引き出されている。
【００１４】
中間層５は、例えば弾性接着剤層で構成されており、２つの共振子３，４を全面で対面接着している。この中間層５は、一方の共振子の曲げ応力が他方の共振子に伝わるだけの硬さを有し、かつ一方の共振子の振動が他方の共振子に減衰されて伝播しうる弾性を有している。この実施例では、共振子３，４は同一形状の圧電セラミック板よりなるので、加速度検出素子２の加速度Ｇの印加に伴う曲げ中性面（図５に破線Ｎで示す）が中間層５に位置するように設定されている。
【００１５】
加速度検出素子２の加速度Ｇの印加方向の外側面は、左右一対のケース部材６６によって覆われている。ケース部材６はコ字形断面形状に形成されており、その両端突出部６ａが加速度検出素子２の両端部外側面（共振子３，４の外側面）に接着固定されている。そのため、ケース部材６と加速度検出素子２との間には、ケース部材６の凹部６ｂによって、加速度Ｇに伴い加速度検出素子２が撓み得る空間が形成されている。また、加速度検出素子２とケース部材６とで形成される上下の開放面が上下一対のカバー部材７，７によって覆われている。カバー部材７の内面には、加速度検出素子２との接触を防止するための空洞形成用凹部７ａが形成され、その外周部が開放面に接着固定されている。そのため、加速度検出素子２の加速度Ｇによる変位部分は、ケース部材６およびカバー部材７によって完全に密閉されている。
上記ケース部材６およびカバー部材７は共に絶縁材料で形成されている。具体的には、セラミック板や樹脂板を用いることができる。
【００１６】
この実施例では、ケース部材６として断面コ字形の部材を用いたが、ケース６と加速度検出素子２との間に設けられる接着剤層の厚みによって撓み空間を形成すれば、ケース部材６として平板状の部材を用いることも可能である。特に、加速度Ｇによる検出素子２の撓み量は微少であるから、接着剤層の厚みでも十分な空間を形成できる。
同様に、カバー部材７の内面に枠形に設けられる接着剤層の厚みによって空洞を形成できるので、カバー部材７の内面の空洞形成用凹部７ａも省略可能である。
【００１７】
共振子３，４に形成された電極３ａ，３ｂおよび４ａ，４ｂのうち、対向する電極３ａ，４ｂは、加速度検出素子２とケース部材６とで形成される開放面に設けられた帯状の内部電極６１によって互いに導通し、かつケース部材６の外側面まで引き出されている。また、電極３ｂは上側の開放面に形成された内部電極６２によってケース部材６の外側面まで引き出され、電極４ａは下側の開放面に形成された内部電極６３によってケース部材６の異なる外側面まで引き出されている。
【００１８】
ケース部材６およびカバー部材７の外表面には、図１に示すように、外部電極７１，７２，７３が形成されており、上記内部電極６１，６２，６３は、それぞれ外部電極７１，７２，７３に接続されている。これによって、表面実装型のチップ型加速度センサを得ることができる。
【００１９】
なお、この実施例では、共振子３の一方の電極３ａと共振子４の一方の電極４ｂとを内部電極６１によって相互に接続し、共通電極としたが、４個の電極３ａ３ｂおよび４ａ，４ｂをそれぞれ独立して外部電極に引き出してもよい。この場合には、内部電極および外部電極もそれぞれ４個設けられる。
図４はこの加速度センサ１Ａを回路基板ＰＣＢの回路パターンＰａに実装した状態を示す。
【００２０】
上記構成よりなる加速度センサ１Ａの製造方法を図６に示す。
まず、表裏面に電極３ａ，３ｂおよび４ａ，４ｂとなる電極パターンが形成された共振子３，４用の２枚のセラミック親基板３Ｍ，４Ｍと、内面側の所定位置ごとに所定幅の凹溝６ｂが形成されたケース部材６用の一対の親ケース部材６Ｍとを準備し、上記親基板３Ｍ，４Ｍ，６Ｍを接着剤などを介して一体に接合する。こうして接合した接合体を上下方向に複数枚積層してブロックＢ１（図６の（ａ）参照）を得る。このブロックＢ１を図６の（ａ）の切断線Ｓでカットし、複数の個別ブロックＢ２を得る（図６の（ｂ）参照）。
【００２１】
カットされた個別ブロックＢ２を横倒しにし、その上下面に、図６の（ｃ）のように、内面側に多数の空洞形成用凹部７ａを有する親カバー部材７Ｍを接合してブロックを得る。なお、親カバー部材７Ｍの外面には、予め外部電極となる電極パターンが形成されている。このブロックを縦横にカットしてセンサ素子を構成し、カットされたセンサ素子に対して、側面および端面の電極をスパッタなどによって形成することで、図１に示す加速度センサ１Ａを得る。
上記のように夫々の部材を親基板で準備し、親基板の状態で積層接着することができるので、量産性が高く、均質で、安価な加速度センサ１Ａを得ることができる。
【００２４】
図７は上記加速度センサ１Ａを用いた加速度検出装置の一例を示す。
この検出装置は共振子３，４の独立発振を利用したものであり、加速度センサ１Ａの外部電極７２と７１が発振回路８ａに接続され、外部電極７３と７１が発振回路８ｂに接続されている。発振回路８ａ，８ｂとしては、例えば公知のコルピッツ型発振回路などを使用できる。共振子３，４を発振回路８ａ，８ｂによってそれぞれ独自に発振させ、その発振周波数ｆ1 ，ｆ2 が周波数差カウンタ８ｃに入力され、その周波数差に比例した信号Ｖ0 を出力する。
【００２５】
加速度センサ１Ａに加速度Ｇが印加されていない状態では、２個の共振子３，４は独立した共振子として一定の周波数で発振している。これら共振子３，４が全く同一構造であれば、同じ周波数で発振するので、周波数差カウンタ８ｃの出力信号Ｖ0 は零である。一方、加速度センサ１Ａに加速度Ｇが加わると、検出素子２には加速度の印加方向と逆方向の慣性力が作用し、検出素子２の中央部分が加速度Ｇの印加方向と逆方向に撓む。検出素子２の撓みに伴って発生する応力によって、図５の例では、一方の共振子３には引張応力が作用し、他方の共振子４には圧縮応力が作用する。厚みすべり振動モードを利用した共振子の場合、引張応力の共振子３の発振周波数は低くなり、圧縮応力の共振子４の発振周波数は高くなる。その周波数差を電極３ａ，３ｂおよび４ａ，４ｂから内部電極６１，６２，６３を介して外部電極７１，７２，７３へと取り出すことによって、加速度Ｇに比例した信号Ｖ0 を得ることができる。
なお、信号Ｖ0 によって、加速度Ｇの大きさだけでなく、加速度Ｇの方向も検出することができる。
【００２６】
加速度センサ１Ａを温度変化がある環境で使用すると、共振子３，４、ケース部材６、カバー部材７が熱膨張を起こす。共振子３，４とケース部材６、カバー部材７との熱膨張係数が異なる場合には、温度変化によって共振子３，４に応力が発生する。その結果、加速度以外の要因で周波数差に変化が生じることになる。しかしながら、共振子３，４が互いに同一材料，同一形状に形成されておれば、温度変化に伴う応力も同一に現れる。そのため、周波数差カウンタ８ｃで２個の共振子３，４の出力を差動的に取り出すことにより、各共振子３，４が同一に受ける温度変化などによる出力信号の変化を相殺することができる。したがって、加速度Ｇに対してのみ感度を持つ加速度検出装置を得ることができる。
【００２７】
図８は上記加速度センサ１Ａを用いた加速度検出装置の他の例を示す。
この検出装置は加速度検出素子２の単一発振を利用したものである。加速度センサ１Ａの外部電極７２と７３はインピーダンス差動検出回路９ａに接続され、共通電極である外部電極７１は発振回路９ｂに接続されている。なお、９ｃ，９ｄはマッチング用抵抗である。この場合には、両方の共振子３，４を発振回路９ｂによって同一の周波数で発振させ、それぞれの共振子３，４の電気的インピーダンスの違いから、位相差または振幅差を検知し、加速度Ｇに比例した出力Ｖ0 をインピーダンス差動検出回路９ａから取り出すものである。同一周波数で発振させるには、どちらか一方の共振子の出力、または両方の共振子の合算された出力をフィードバックして発振回路９ｂを構成すればよい。
この場合も、図７の例と同様に、加速度Ｇに比例した信号を取り出すことができるとともに、温度変化等による出力変化を相殺できるので、加速度Ｇに対してのみ感度を持つ加速度検出装置を得ることができる。
【００２８】
上記実施例の加速度センサ１Ａは、検出素子の両端部がケース部材によって固定支持された両持ち梁構造のものを示したが、一端部のみがケース部材によって固定支持されたもの、つまり片持ち梁構造としてもよい。この場合には、加速度の印加に伴う自由端の変位量が大きいので、大きな周波数変化またはインピーダンス変化を得ることが可能である。
【００２９】
【発明の効果】
以上の説明で明らかなように、請求項１に記載の発明によれば、２個の共振子を中間層を間にして接合したバイモルフ構造の加速度検出素子を用いたので、加速度が加わった際に生じる加速度検出素子の撓み変形から、一方の共振子に圧縮応力を、他方の共振子に引張応力を効率的に発生させることができる。したがって、両方の共振子の周波数変化またはインピーダンス変化を差動的に取り出すことによって、加速度に比例した信号を得ることができ、検出感度のよい加速度センサを実現できる。
また、周波数変化またはインピーダンス変化を用いて加速度を検出するので、ＤＣや低周波の加速度でも検出可能である。
さらに、温度変化などによる応力は両方の共振子に共通に加わるので、両方の共振子の出力を差動的に取り出すことにより、加速度以外の要因による応力を相殺でき、加速度にのみ感度を持つ加速度センサを得ることができる。
また、加速度検出素子が簡単な構造であり、電極の引出も容易であるため、小型に構成できるとともに、表面実装型部品（チップ部品）にも容易に構成できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明にかかる加速度センサの第１実施例の全体斜視図である。
【図２】図１に示した加速度センサの分解斜視図である。
【図３】図１に示した加速度センサのカバー部材を除いた分解斜視図である。
【図４】図１に示した加速度センサを回路基板に実装した状態の側面図である。
【図５】図４のＶ−Ｖ線断面図である。
【図６】図１に示した加速度センサの製造方法の一例の工程図である。
【図７】本発明にかかる加速度センサを用いた加速度検出装置の一例の回路図である。
【図８】本発明にかかる加速度センサを用いた加速度検出装置の他の例の回路図である。
【符号の説明】
１Ａ                      加速度センサ
２                        加速度検出素子
３，４                    共振子
３ａ，３ｂ，４ａ，４ｂ    電極
５                        中間層
６                        ケース部材
７                        カバー部材
６１〜６３                内部電極
７１〜７３                外部電極
【図１】
0004020578.tif 000002
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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