(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
内部に応力が加わると自発分極電荷が発生する圧電セラミックス基板と、
前記圧電セラミックス基板の錘部材固定領域に対して固定された円柱状の錘部材と、
前記圧電セラミックス基板の前記錘部材固定領域に一部が入り込むように前記圧電セラミックス基板の一方の面上に形成された２つのＸ軸方向検知電極を含むＸ軸方向検知電極パターン，２つのＹ軸方向検知電極を含むＹ軸方向検知電極パターン及び４つのＺ軸方向検知電極を含むＺ軸方向検知電極パターンと、
前記圧電セラミックス基板の他方の面上に形成されて少なくとも前記２つのＸ軸方向検知電極，前記２つのＹ軸方向検知電極及び前記４つのＺ軸方向検知電極と対向する対向電極とを具備し、
前記圧電セラミックス基板の基板面と直交するＺ軸方向の加速度が前記錘部材に作用したときに、前記圧電セラミックス基板の前記錘部材固定領域の外側に引っ張り応力が発生する第１の応力発生領域と該第１の応力発生領域の外側に圧縮応力が発生する第２の応力発生領域とが形成されるように前記圧電セラミックス基板が支持され、
前記２つのＸ軸方向検知電極，前記２つのＹ軸方向検知電極及び前記４つのＺ軸方向検知電極は、前記圧電セラミックス基板の前記第１の応力発生領域に対応する前記一方の面上に前記錘部材固定領域を囲む環状の列をなすように形成され、
前記２つのＸ軸方向検知電極は、前記一方の面上に想定した仮想Ｘ軸直線上に前記錘部材固定領域を間にして対称的に配置され、しかも前記一対以上のＸ軸方向検知電極は電気的に直列接続されてＸ軸出力電極に接続され、
前記２つのＹ軸方向検知電極は、前記一方の面上に想定した仮想Ｘ軸直線と直交する仮想Ｙ軸直線上に前記錘部材固定領域を間にして対称的に配置され、しかも前記２つのＹ軸方向検知電極は電気的に直列接続されてＹ軸出力電極に接続され、
前記４つのＺ軸方向検知電極は、前記Ｘ軸方向検知電極と前記Ｙ軸方向検知電極との間の中央部にそれぞれ配置され、しかも前記４つのＺ軸方向検知電極は電気的に直列接続されてＺ軸出力電極に接続され、
前記２つのＸ軸方向検知電極に対応する前記圧電セラミックス基板の各部分は、各部分に同種類の応力が発生したときに前記錘部材固定領域の一方の側に位置するＸ軸方向検知電極と他方の側に位置するＸ軸方向検知電極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おり、
前記２つのＹ軸方向検知電極に対応する前記圧電セラミックス基板の各部分は、各部分に同種類の応力が発生したときに前記錘部材固定領域の一方の側に位置するＹ軸方向検知電極と他方の側に位置するＹ軸方向検知電極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おり、
前記４つのＺ軸方向検知電極に対応する前記圧電セラミックス基板の各部分は、各部分に同種類の応力が発生したときにすべてのＺ軸方向検知電極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三軸加速度センサにおいて、
前記圧電セラミックス基板の前記第２の応力発生領域の前記一方の表面上には、前記４つのＺ軸方向検知電極にそれぞれ直列接続された４つの温度補正電極が形成されており、  前記圧電セラミックス基板の前記複数の温度補正電極に対応する各部分は、前記錘部材に前記Ｚ軸方向の加速度が作用したときに前記４つのＺ軸方向検知電極に現れる自発分極電荷と同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おり、
温度変化により前記圧電セラミックス基板の内部に応力が発生すると前記Ｚ軸方向検知電極に現れる自発分極電荷を中和する逆極性の自発分極電荷が前記温度補正電極に現れるように前記４つの温度補正電極の配置位置及び大きさが定められており、
前記錘部材に前記Ｚ軸方向の加速度が作用したときに前記Ｚ軸方向検知電極に現れる自発分極電荷と前記温度補正電極に現れる自発分極電荷が等しくなり、
前記温度補正電極は、前記第１の応力発生領域に近接して配置されており、前記第１の応力発生領域の周囲を囲む方向の寸法が前記第１の応力発生領域から外側に離れる方向の寸法よりも長くなるようにその形状が定められている三軸加速度センサ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、圧電セラミックスを利用してＸ軸方向，Ｙ軸方向及びＺ軸方向の三軸の加速度を検出する三軸加速度センサに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
分極処理を施した圧電セラミックス基板の一方の面上にＸ軸方向検知電極，Ｙ軸方向検知電極及びＺ軸方向検知電極を含む検出電極パターンを形成し、他方の面上に検出電極パターンと全体的に対向する対向電極を形成し、加速度を受けて圧電セラミックス内に生じる応力によりＸ軸方向検知電極，Ｙ軸方向検知電極及びＺ軸方向検知電極にそれぞれ発生する自発分極電荷に基づいてＸ軸，Ｙ軸及びＺ軸方向の加速度成分に対応した信号を出力する三軸加速度センサが知られている。この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】
図４は、この基本技術に基づいて出願人が開発した従来の三軸加速度センサで用いる圧電セラミックス基板１０１の表面上に形成する基本電極パターンを示している。この図において、Ｘ１及びＸ２はＸ軸方向検知電極であり、Ｙ１及びＹ２はＹ軸方向検知電極であり、Ｚ１〜Ｚ４はＺ軸方向検知電極である。そしてＸはＸ軸出力電極、ＹはＹ軸出力電極、ＺはＺ軸出力電極である。圧電セラミックス基板１０１の裏面上にはこれらの電極と対向する対向電極が形成されている。また圧電セラミックス基板の裏面側の中央部分には錘部材が固定されている。そして圧電セラミックス基板の基板面と直交するＺ軸方向の加速度が錘部材に作用したときに、圧電セラミックス基板の錘部材固定領域の外側に引っ張り応力が発生する第１の応力発生領域と該第１の応力発生領域の外側に圧縮応力が発生する第２の応力発生領域とが形成されるように圧電セラミックス基板が支持されている。そしてＸ軸方向検知電極Ｘ１，Ｘ２、Ｙ軸方向検知電極Ｙ１，Ｙ２及びＺ軸方向検知電極Ｚ１〜Ｚ４は、圧電セラミックス基板１０１の第１の応力発生領域に対応して表面上に形成されている。
【０００４】
Ｘ軸方向検知電極Ｘ１，Ｘ２に対応する圧電セラミックス基板１０１の各部分は、各部分に同種類の応力が発生したときに一方のＸ軸方向検知電極Ｘ１と他方のＸ軸方向検知電極Ｘ２とにそれぞれ逆極性の自発分極電荷が現れるように、予め分極処理が施されている。またＹ軸方向検知電極Ｙ１，Ｙ２に対応する圧電セラミックス基板１０１の各部分は、各部分に同種類の応力が発生したときに一方のＹ軸方向検知電極Ｙ１と他方のＹ軸方向検知電極Ｙ２とにそれぞれ逆極性の自発分極電荷が現れるように予め分極処理が施されている。更に４つのＺ軸方向検知電極Ｚ１〜Ｚ４に対応する圧電セラミックス基板１０１の各部分は、各部分に同種類の応力が発生したときにすべてのＺ軸方向検知電極に同じ極性の自発分極電荷が現れるように予め分極処理が施されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
圧電セラミックス基板１０１及び各電極は、わずかであるが温度の影響を受けて膨脹したり及び収縮したりする。この温度が上昇して膨脹する際には、圧電セラミックス基板１０１の内部には基板の面方向に沿って外側に引っ張られる引っ張り応力が発生する。また温度の低下により収縮する際には、圧電セラミックス基板１０１の内部には基板の面方向に沿って内側に引っ張られる圧縮応力が発生する。従来のパターンでは、これらの温度の影響に基づく応力が発生しても、Ｘ軸出力電極及びＹ軸出力電極には、この応力に基づく出力は出てこない。しかしながら、Ｚ軸出力電極にはこれらの温度の影響に基づく応力が原因となって、出力が出てくる。そのため従来のセンサでは、加速度が作用していない場合において、Ｚ軸方向の出力が出ないようにするために、外部回路でＺ軸方向の加速度出力の温度補正をする必要があった。
【０００６】
本発明の目的は、外部回路により温度補正を行うことなくＺ軸方向の加速度出力の温度補正をすることができる三軸加速度センサを提供することにある。
【０００７】
本発明の他の目的は、上記目的に加えて、温度補正の応答速度を高めることができる三軸加速度センサを提供することにある。
【０００８】
本発明の他の目的は、温度補正電極を設けても、Ｚ軸方向の加速度検出速度が低下することのない三軸加速度センサを提供することにある。
【０００９】
本発明の更に他の目的は、検出精度の高い三軸加速度センサを提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明が改良の対象とする三軸加速センサは、内部に応力が加わると自発分極電荷が発生する圧電セラミックス基板の錘部材固定領域に対して錘部材が固定され、圧電セラミックス基板の錘部材固定領域よりも外側の領域で且つ一方の面上には、一対以上のＸ軸方向検知電極を含むＸ軸方向検知電極パターン，一対以上のＹ軸方向検知電極を含むＹ軸方向検知電極パターン及び一対以上のＺ軸方向検知電極を含むＺ軸方向検知電極パターンが形成されている。錘部材は、一般的には円柱状のものが用いられる。そして圧電セラミックス基板の他方の面上には、少なくとも一対以上のＸ軸方向検知電極、一対以上のＹ軸方向検知電極及び一対以上のＺ軸方向検知電極と対向する対向電極が設けられている。コンパクトにまとめるためには、Ｘ軸方向検知電極及びＹ軸方向検知電極を２つずつ設け、Ｚ軸方向電極を４つ設けるのが好ましい。この場合、Ｚ軸方向検知電極は、電極Ｘ軸方向検知電極とＹ軸方向検知電極との間に配置する。そして各検知電極は、錘部材固定領域を囲む環状の列をなすように形成するのが好ましい。
【００１１】
そして圧電セラミックス基板の基板面と直交するＺ軸方向の加速度が錘部材に作用したときに、圧電セラミックス基板の錘部材固定領域の外側に引っ張り応力が発生する第１の応力発生領域と該第１の応力発生領域の外側に圧縮応力が発生する第２の応力発生領域とが形成されるように圧電セラミックス基板が支持されている。
【００１２】
一対以上のＸ軸方向検知電極，一対以上のＹ軸方向検知電極及び一対以上のＺ軸方向検知電極は、圧電セラミックス基板の第１の応力発生領域に対応する一方の面上にそれぞれ形成されている。そして一対以上のＸ軸方向検知電極は、一方の面上に想定した仮想Ｘ軸直線上に錘部材固定領域を間にして対称的に配置され、しかも一対以上のＸ軸方向検知電極は電気的に直列接続されてＸ軸出力電極に接続されている。また一対以上のＹ軸方向検知電極は、一方の面上に想定した仮想Ｘ軸直線と直交する仮想Ｙ軸直線上に錘部材固定領域を間にして対称的に配置され、しかも一対以上のＹ軸方向検知電極は電気的に直列接続されてＹ軸出力電極に接続されている。更に一対以上のＺ軸方向検知電極は、錘部材固定領域を間にして対称的に配置され、しかも一対以上のＺ軸方向検知電極は電気的に直列接続されてＺ軸出力電極に接続されている。
【００１３】
そして一対以上のＸ軸方向検知電極に対応する圧電セラミックス基板の各部分は、各部分に同種類の応力（引っ張り応力または圧縮応力）が発生したときに、錘部材固定領域の一方の側に位置するＸ軸方向検知電極と他方の側に位置するＸ軸方向検知電極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。また一対以上のＹ軸方向検知電極に対応する圧電セラミックス基板の各部分にも、各部分に同種類の応力が発生したときに錘部材固定領域の一方の側に位置するＹ軸方向検知電極と他方の側に位置するＹ軸方向検知電極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。更に、一対以上のＺ軸方向検知電極に対応する圧電セラミックス基板の各部分は、各部分に同種類の応力が発生したときにすべてのＺ軸方向検知電極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。ここで分極処理とは、検知電極と対向電極との間に直流電圧を印加して、圧電セラミックス基板の内部に応力が発生したときに電極間に自発分極電荷が発生し、検知電極から電荷を放電できるようにするための処理である。例えば、検知電極側を＋として対向電極側を−にして電極間に直流電圧を印加すると、圧電セラミックス基板の内部に圧縮応力が発生したときには、検知電極側が＋になるように自発分極電荷が発生し、圧電セラミックス基板の内部に引っ張り応力が発生したときには、検知電極側が−になるように自発分極電荷が発生する。逆に検知電極側を−として対向電極側を＋にして電極間に直流電圧を印加すると、圧電セラミックス基板の内部に圧縮応力が発生したときには、検知電極側が−になるように自発分極電荷が発生し、圧電セラミックス基板の内部に引っ張り応力が発生したときには、検知電極側が＋になるように自発分極電荷が発生する。
【００１４】
上記の構成の作用を、図５（Ａ）及び（Ｂ）に概略的に示した構造を用いて説明する。Ｘ軸方向検知電極及びＹ軸方向検知電極に関しては、錘部材固定領域の両側に位置する検知電極Ｅ１及びＥ２に対応する部分が、逆極性に分極処理されている。Ｅ０は対向電極である。例えば、検知電極Ｅ１及びＥ２を一対のＸ軸方向検知電極として考えると、図５（Ａ）に示すように、錘部材ＷにＸ軸方向の加速度Ａ１が作用したときには、錘部材Ｗの重心を中心として圧電セラミックス基板１は点対称に変形する。この場合Ｘ軸方向検知電極Ｅ１の部分には、圧縮応力が発生し、Ｘ軸方向検知電極Ｅ２の部分には引っ張り応力が発生し、両検知電極Ｅ１及びＥ２には同極性の自発分極電荷が現れる。両検知電極Ｅ１及びＥ２は直列接続されているため、Ｘ軸出力電極からはこれら同極性の自発分極電荷が加算された電荷に基づく電流が流れ出す。このときＹ軸方向に位置するＹ軸方向検知電極が配置された圧電セラミックス基板１の部分は一様に捻り変形しており、その内部にはそれぞれ引っ張り応力が発生している。錘部材固定領域の両側に位置するそれぞれのＹ軸方向検知電極が配置された部分は逆極性に分極処理されているため、それぞれのＹ軸方向検知電極には逆極性の自発分極電荷が現れる。それぞれのＹ軸方向検知電極は直列接続されているため、これらの逆極性の自発分極電荷は、互いに打ち消し合いまたは中和して無くなる。その結果、Ｙ軸出力電極からは電流が流れ出ない。錘部材にＹ軸方向に加速度が作用した場合には、上記と逆の現象が現れる。
【００１５】
温度変化により圧電セラミックス基板が膨脹または収縮した場合には、圧電セラミックス基板の内部には基板の面方向に沿って外側に引っ張られる引っ張り応力または内側に引っ張られる圧縮応力が発生する。この場合、錘部材固定領域の両側にそれぞれ位置するＸ軸方向検知電極またはＹ軸方向検知電極には、逆極性の自発分極電荷が現れるため、直列接続された検知電極に現れた自発分極電荷は互いに打ち消し合ってまたは中和して消滅する。したがってＸ軸出力電極及びＹ軸出力電極から出力される電流信号には、温度変化に基づく誤差信号が含まれることはない。
【００１６】
これに対して図５（Ｂ）に示すようにＺ軸方向の加速度Ａ２が錘部材Ｗに作用すると、Ｚ軸方向検知電極Ｅ３…が配置された圧電セラミックス基板１の部分の内部には、すべて引っ張り応力が発生する。Ｚ軸方向検知電極Ｅ３…に対応する圧電セラミックス基板の部分はすべて同極性に分極処理されているため、すべてのＺ軸方向検知電極Ｅ３…には同極性の分極電荷が現れて、直列接続されたＺ軸方向検知電極に現れた電荷が加算されてＺ軸出力電極Ｅ３…から電流信号となって出力される。このとき一対のＸ軸方向検知電極及び一対のＹ軸方向検知電極では、前述と同様にそれぞれ逆極性の自発分極電荷が発生しているため、Ｘ軸出力電極及びＹ軸出力電極からは電流信号は出力されない。そして、温度変化に基づく前述の応力は圧電セラミックス基板の内部全域に渡って同じ種類の応力となるため、同極性に分極されたＺ軸方向検知電極Ｅ３…の部分には、同極性の分極電荷が発生し、Ｚ軸出力電極からすべてのＺ軸方向検知電極Ｅ３…に現れた同極性の分極電荷が加算された電荷に基づく電流信号が誤差信号として流れ出す。このように上記の構成だけでは、加速度が錘部材に作用していない場合でも、温度変化に基づく応力によって、Ｚ軸出力電極だけからは誤差信号が出力されてしまう。
【００１７】
そこで本発明では、圧電セラミックス基板の第２の応力発生領域の一方の表面上に、一対以上のＺ軸方向検知電極にそれぞれ直列接続された複数の温度補正電極を形成する。そして圧電セラミックス基板の複数の温度補正電極に対応する各部分を、一対以上のＺ軸方向検知電極に対応する圧電セラミックス基板の各部分とは逆極性に分極処理しておく。また複数の温度補正電極の配置位置及び大きさを、温度変化により圧電セラミックス基板の内部に発生する応力によってＺ軸方向検知電極に現れる自発分極電荷と該Ｚ軸方向検知電極に接続された温度補正電極に現れる自発分極電荷とが打ち消し合うように（中和するように）それぞれ定める。このようにすると、温度変化に基づく応力が圧電セラミックス基板の内部に発生しても、温度変化に基づく応力に基づくＺ軸方向検知電極に現れる分極電荷は、温度補正電極に現れた自発分極電荷と打ち消し合って（中和して）無くなり、加速度が作用していない場合にＺ軸出力電極から電流信号が出力されることが無くなる。
【００１８】
錘部材にＺ軸方向の加速度が作用した場合、圧電セラミックス基板の第１の応力発生領域には引っ張り応力が発生するが、温度補正電極を配置した第２の応力発生領域には圧縮応力が発生する。圧電セラミックス基板の温度補正電極が形成された部分は、Ｚ軸方向検知電極が形成された部分とは逆極性に分極処理されているため、このときに温度補正電極及びＺ軸方向検知電極にはそれぞれ同極性の分極電荷が現れる。その結果、Ｚ軸方向の加速度を検出している場合に、温度補正電極の存在がＺ軸方向検知電極に現れる分極電荷を中和することはなく、逆に温度補正電極の存在はＺ軸方向検知信号を増大する作用を果たす。
【００１９】
加速度を検出しているときに、温度補正電極に現れる自発分極電荷がＺ軸方向検知電極に現れる自発分極電荷よりも極端に小さい場合には、温度補正電極に現れる自発分極電荷とＺ軸方向検知電極に現れる自発分極電荷とが同じ量になるような平衡動作が起きた後に、Ｚ軸出力電極から電流信号が流れ出す。この平衡動作は比較的短い時間で完了するが、三軸加速度の検出速度を少しでも早めるためには、錘部材にＺ軸方向の加速度が作用したときにＺ軸方向検知電極に現れる自発分極電荷と温度補正電極に現れる自発分極電荷がほぼ等しくなるように、温度補正電極の位置と大きさを定める必要がある。
【００２０】
自発分極電荷の量は、圧電セラミックス基板に発生する応力の大きさと電極の面積に比例する。また、錘部材にＺ軸方向の加速度を作用させた場合、第２の応力発生領域には第１の応力発生領域と第２の応力発生領域との境界線（中立線）に近接した部分に大きな応力が発生し、中立線から径方向外側に離れるに従って急激に応力は減少する。言い換えると、中立線から外側に離れるに従って、単位面積あたりの応力量は減少する。この現象は温度変化により発生する応力についても同様に起きる。したがって、温度補正電極は中立線にできるだけ近接して配置するのが好ましい。そのためには、温度補正電極の第１の応力発生領域の周囲を囲む方向（周方向）の寸法を第１の応力発生領域から外側に離れる方向（径方向）の寸法よりも長くして、温度補正電極全体を応力が大きく発生する場所またはできるだけ単位面積あたりの応力量が等しい場所に位置させるのが好ましい。このようにすれば温度補正電極の面積をできるだけ小さくして、Ｚ軸方向検知電極に現れる自発分極電荷と温度補正電極に現れる自発分極電荷とをほぼ等しくできる。温度補正電極を径方向に長く形成すると、温度補正電極の面積が大きくなって浮遊容量が大きくなる問題が発生する。
【００２１】
三軸加速度センサの感度を大きくするためには、圧電セラミックス基板の変形を容易にする支持構造を採用するのが好ましい。そこで圧電セラミックス基板の他方の面上に形成された対向電極の外面上に金属製ダイアフラムを接合し、この金属製ダイアフラムに錘部材を固定し、金属製ダイアフラムの外周部を支持部材に支持させる支持構造を採用するのが好ましい。このような支持構造を採用すると、圧電セラミックスが全体的に変形することになって感度が上がる。また圧電セラミックス基板に対する錘部材の固定も容易になる。
【００２２】
またＸ軸方向検知電極、Ｙ軸方向検知電極及びＺ軸方向検知電極は、圧電セラミックス基板の錘部材固定領域の外側に位置する第１の応力発生領域に形成することになるが、実際にはＸ軸方向検知電極，Ｙ軸方向検知電極及びＺ軸方向検知電極の一部が錘部材固定領域に入り込むように形成してもよい。
【００２３】
【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の一例を説明する。図１は、本発明の実施の形態の三軸加速度センサ１の平面図であり、図２は取付部材２に取付けられた状態の三軸加速度センサ１の断面図である。
【００２４】
両図に示すように、三軸加速度センサ１はセンサ本体３とこのセンサ本体３の外周部を支持する筒形の台座（支持部材）４とから構成されており、台座４が接着剤により取付部材２に接合されることにより、三軸加速度センサ１は取付部材２に取付けられている。センサ本体３は、圧電セラミックス基板５と、この圧電セラミックス基板５に接合された金属製ダイアフラム６と、この金属製ダイアフラム６に接合された錘部材Ｗとから構成されている。圧電セラミックス基板５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分極処理が施されている圧電セラミックス基板であり、この圧電セラミックス基板５は輪郭形状が四角形をなしている。分極処理については後に詳細に説明する。また、圧電セラミックス基板５の一方の面（表面）には電極パターンＥ１が形成され、圧電セラミックス基板５の他方の面（裏面）には、電極パターンＥ１の主要部と対向する対向電極Ｅ０が形成されている。圧電セラミックス基板５の裏面には、対向電極Ｅ０を介して金属製ダイアフラム６が接着剤を用いて接合されている。
【００２５】
圧電セラミックス基板５は、錘部材固定領域５Ａと第１の応力発生領域５Ｂと第２の応力発生領域５Ｃとに分けることができる。錘部材固定領域５Ａは、圧電セラミックス基板１の中心部において円形の形状を有している。この錘部材固定領域５Ａには、対向電極Ｅ０及び金属製ダイアフラム６を介して錘部材Ｗがエポキシ系接着剤により接合されている。この錘部材Ｗはアルミ合金、銅合金、鉄合金により円柱状に形成されている。錘部材Ｗは、静止状態においてその重心を通る軸線が錘部材固定領域５Ａの中心を通って圧電セラミックス基板５の面と直交するように、金属製ダイアフラム６に固定されている。
【００２６】
第１の応力発生領域５Ｂは、錘部材固定領域５Ａを囲む環状の形状を有している。第１の応力発生領域５Ｂは、錘部材Ｗに対して圧電セラミックス基板１と平行な方向に加速度が作用すると、錘部材Ｗ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）に変形する領域である［図５（Ａ）参照］。また、錘部材Ｗに対して圧電セラミックス基板１と直交する方向に加速度が作用すると、第１の応力発生領域５Ｂの各部は同じ状態（引っ張り応力が加った状態）に変形する［図３（Ｂ）参照］。
【００２７】
第２の応力発生領域５Ｃは第１の応力発生領域５Ｂを囲んでいる。錘部材Ｗに対して圧電セラミックス基板１と直交する方向に加速度が作用すると、第２の応力発生領域５Ｃの各部は第１の応力発生領域５Ｂと異なった状態（圧縮応力が加った状態）に変形する［図３（Ｂ）参照］。圧電セラミックス基板５は、これら錘部材固定領域５Ａ，第１の応力発生領域５Ｂ及び第２の応力発生領域５Ｃが形成されるように台座４に支持されている。
【００２８】
圧電セラミックス基板５の表面及び裏面に形成された電極パターンＥ１及び対向電極Ｅ０は、いずれもスクリーン印刷により形成されており、これらの電極パターンＥ１と対向電極Ｅ０との間に発生する自発分極電荷の変化により、錘部材Ｗに加わった三軸（Ｘ軸，Ｙ軸，Ｚ軸）方向の加速度が測定される。なお、ここでいうＸ軸，Ｙ軸，Ｚ軸は互いに直交する方向に延びる軸であり、Ｘ軸及びＹ軸は圧電セラミックス基板５の面方向に延びており、Ｚ軸は圧電セラミックス基板５の面方向と直交する方向に延びている。対向電極Ｅ０は、電極パターンＥ１の少なくともＸ軸方向検知電極ＥＸ１，ＥＸ２、Ｙ軸方向検知電極ＥＹ１，ＥＹ２、Ｚ軸方向検知電極ＥＺ１〜ＥＺ４及び温度補正電極ＥＡ１〜ＥＡ４に対応する部分に形成されており、１０μｍの厚みに形成されている。電極パターンＥ１はＸ軸方向検知電極パターン７とＹ軸方向検知電極パターン８とＺ軸方向検知電極パターン９とを有している。Ｘ軸方向検知電極パターン７は、２つのＸ軸方向検知電極ＥＸ１，ＥＸ２とＸ軸出力電極ＯＸとが接続線Ｌ１，Ｌ２により直列に接続された構造を有している。
【００２９】
Ｘ軸方向検知電極ＥＸ１及びＥＸ２は、環状の第１の応力発生領域５Ｂの外周及び内周に沿う形状の２つの円弧状の曲線端縁と、該２つの曲線端部の間を圧電セラミックス基板５の外側に向かって広がって延びる２つの直線端縁とをそれぞれ有するいわゆる扇形を有している。これらＸ軸方向検知電極ＥＸ１，ＥＸ２は、大部分が第１の応力発生領域５Ｂに対応する面上に位置するように形成されており、第１の応力発生領域５Ｂの内周に沿う円弧状の曲線端縁Ｋ１，Ｋ２の一部分が錘部材固定領域５Ａ内に入り込んでいる。またＸ軸方向検知電極ＥＸ１及びＥＸ２は、圧電セラミックス基板５の面と水平に延びる仮想Ｘ軸直線ＸＬ上に錘部材固定領域５Ａを間にして対称的に配置されている。接続線Ｌ１は、Ｘ軸方向検知電極ＥＸ１とＸ軸方向検知電極ＥＸ２とを最短で接続するように錘部材固定領域５Ａ上を延びている。Ｘ軸出力電極ＯＸはほぼ正方形の形状を有しており、第２の応力発生領域５Ｃの外周縁部に位置するように形成されている。
【００３０】
Ｙ軸方向検知電極パターン８は、２つのＹ軸方向検知電極ＥＹ１，ＥＹ２とＹ軸出力電極ＯＹとが接続線Ｌ３〜Ｌ５により直列に接続された構造を有している。具体的には、Ｙ軸方向検知電極ＥＹ１とＹ軸方向検知電極ＥＹ２とが接続線Ｌ３，Ｌ４により接続されており、Ｙ軸方向検知電極ＥＹ２とＹ軸出力電極ＯＹとが接続線Ｌ４，Ｌ５により接続されている。Ｙ軸方向検知電極ＥＹ１及びＥＹ２もＸ軸方向検知電極ＥＸ１及びＥＸ２と同様な扇形を有しており、大部分が第１の応力発生領域５Ｂに対応する面上に位置するように形成されており、曲線端縁Ｋ３，Ｋ４の一部分が錘部材固定領域５Ａ内に入り込んでいる。またＹ軸方向検知電極ＥＹ１及びＥＹ２は、仮想Ｘ軸直線ＸＬと直交して圧電セラミックス基板５の面と水平に延びる仮想Ｙ軸直線ＹＬ上に錘部材固定領域５Ａを間にして対称的に配置されている。仮想Ｙ軸直線ＹＬと仮想Ｘ軸直線ＸＬとは互いに直交するので、Ｘ軸方向検知電極ＥＸ１，Ｙ軸方向検知電極ＥＹ１，Ｘ軸方向検知電極ＥＸ２及びＹ軸方向検知電極ＥＹ２はそれぞれ９０度の間隔を隔てて配置されることになる。接続線Ｌ３〜Ｌ５は、接続線Ｌ１等と交差しないように第１の応力発生領域５Ｂ及び第２の応力発生領域５Ｃ上に形成している。接続線Ｌ３，Ｌ５は連続する円弧状に形成されており、接続線Ｌ４は接続線Ｌ３と接続線Ｌ５との連結部からＹ軸方向検知電極ＥＹ２に延びる直線形状を有している。Ｙ軸出力電極ＯＹはほぼ正方形の形状を有しており、第２の応力発生領域５Ｃの外周縁部に位置するようにＸ軸出力電極ＯＸと並んで形成されている。
【００３１】
Ｚ軸方向検知電極パターン９は、温度補正電極ＥＡ１，Ｚ軸方向検知電極ＥＺ１，Ｚ軸方向検知電極ＥＺ２，温度補正電極ＥＡ２，温度補正電極ＥＡ３，Ｚ軸方向検知電極ＥＺ３，Ｚ軸方向検知電極ＥＺ４，温度補正電極ＥＡ４，Ｚ軸出力電極ＯＺが、これらの順に接続線Ｌ６〜Ｌ１３によって直列に接続された構造を有している。Ｚ軸方向検知電極ＥＺ１とＺ軸方向検知電極ＥＺ２とを接続する接続線Ｌ７と、Ｚ軸方向検知電極ＥＺ３とＺ軸方向検知電極ＥＺ４とを接続する接続線Ｌ１１とは、Ｘ軸方向検知電極パターン７の接続線Ｌ１を挟んで並ぶように錘部材固定領域５Ａ上を延びている。温度補正電極ＥＡ２と温度補正電極ＥＡ３とを接続する接続線Ｌ９は、Ｙ軸方向検知電極パターン８の接続線Ｌ３の円弧の内側（圧電セラミックス基板５の中心寄り）を円弧形状に延びている。Ｚ軸出力電極ＯＺはほぼ正方形の形状を有しており、第２の応力発生領域５Ｃの外周縁部に位置するようにＸ軸出力電極ＯＸ及びＹ軸出力電極ＯＹと並んで形成されている。これらＸ軸出力電極ＯＸ，Ｙ軸出力電極ＯＹ，Ｚ軸出力電極ＯＺ及び対向電極Ｅ０は図示しない演算回路に接続されており、各電極からは演算回路に検知信号が送られる。
【００３２】
４つのＺ軸方向検知電極ＥＺ１〜ＥＺ４は、環状の第１の応力発生領域５Ｂの外周及び内周にそれぞれ沿う２つの円弧状の曲線縁部と、該２つの曲線縁部間をほぼ平行に延びる２つの直線縁部とをそれぞれ有する矩形に近い形状を有している。Ｚ軸方向検知電極ＥＺ１〜ＥＺ４もＸ軸方向検知電極ＥＸ１及びＥＸ２と同様に大部分が第１の応力発生領域５Ｂに対応する面上に位置するように形成されており、第１の応力発生領域５Ｂの内周に沿う円弧状の曲線縁部Ｋ５〜Ｋ８の一部分が錘部材固定領域５Ａ内に入り込んでいる。またＺ軸方向検知電極ＥＺ１〜ＥＺ４は、Ｘ軸方向検知電極ＥＸ１とＹ軸方向検知電極ＥＹ１との間，Ｙ軸方向検知電極ＥＹ１とＸ軸方向検知電極ＥＸ２との間，Ｘ軸方向検知電極ＥＸ２とＹ軸方向検知電極ＥＹ２との間，Ｙ軸方向検知電極ＥＹ２とＸ軸方向検知電極ＥＸ１との間の各中央部にそれぞれ配置されている。したがって、Ｚ軸方向検知電極ＥＺ１〜ＥＺ４は、それぞれ９０度の間隔を隔てて配置されることになる。また、このような配置により、Ｘ軸方向検知電極ＥＸ１，ＥＸ２、Ｙ軸方向検知電極ＥＹ１，ＥＹ２及びＺ軸方向検知電極ＥＺ１〜ＥＺ４は、圧電セラミックス基板５の第１の応力発生領域５Ｂに対応する面上に錘部材固定領域５Ａを囲む環状の列をなすように形成される。
【００３３】
Ｘ軸方向検知電極ＥＸ１，ＥＸ２に対応する圧電セラミックス基板５の各部分には、各部分に同種類の応力が発生したときに錘部材固定領域５Ａの一方の側に位置するＸ軸方向検知電極ＥＸ１と他方の側に位置するＸ軸方向検知電極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。この例では、Ｘ軸方向検知電極ＥＸ１，ＥＸ２に対応する圧電セラミックス基板５の各部分に引っ張り応力が発生したときに、Ｘ軸方向検知電極ＥＸ１にプラスの自発分極電荷が現れ、Ｘ軸方向検知電極ＥＸ２にマイナス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。
【００３４】
また、Ｙ軸方向検知電極ＥＹ１，ＥＹ２に対応する圧電セラミックス基板５の各部分もＸ軸方向検知電極ＥＸ１，ＥＸ２に対応する圧電セラミックス基板５の各部分と同様に、各部分に同種類の応力が発生したときに錘部材固定領域５Ａの一方の側に位置するＹ軸方向検知電極ＥＹ１と他方の側に位置するＹ軸方向検知電極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。この例では、Ｙ軸方向検知電極ＥＹ１，ＥＹ２に対応する圧電セラミックス基板５の各部分に引っ張り応力が発生したときに、Ｙ軸方向検知電極ＥＹ１にプラスの自発分極電荷が現れ、Ｙ軸方向検知電極ＥＹ２にマイナスの自発分極電荷が現れるように分極処理を施した。
【００３５】
また、Ｚ軸方向検知電極ＥＺ１〜ＥＺ４に対応する圧電セラミックス基板５の各部分は、各部分に同種類の応力が発生したときにすべてのＺ軸方向検知電極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。この例では、Ｚ軸方向検知電極ＥＺ１〜ＥＺ４に対応する圧電セラミックス基板５の部分に引っ張り応力が生じた際にＺ軸方向検知電極ＥＺ１〜ＥＺ４にプラスの自発分極電荷が現れるように分極処理を施した。これらの分極処理は、電極パターンＥ１及び対向電極Ｅ０を形成する前の圧電セラミックス基板５に直流電圧を印加することにより行った。
【００３６】
Ｚ軸方向検知電極ＥＺ１〜ＥＺ４にそれぞれ直列接続された温度補正電極ＥＡ１〜ＥＡ４は、第１の応力発生領域５Ｂに近接した第２の応力発生領域５Ｃの表面上に形成されている。温度補正電極ＥＡ１〜ＥＡ４は、いずれも同じ構造及び形状を有しているので、温度補正電極ＥＡ１を用いてその説明を行う。温度補正電極ＥＡ１は、環状の第１の応力発生領域５Ｂの外周に沿う円弧状の曲線縁部Ｋ９とこの曲線縁部Ｋ９と同心の円弧状の曲線縁部Ｋ１０と、曲線縁部Ｋ９，Ｋ１０間をほぼ平行に延びる２つの直線端縁Ｋ１１，Ｋ１２とをそれぞれ有する矩形に近い形状を有している。より具体的には、第１の応力発生領域の周囲を囲む方向に延びる曲線縁部Ｋ９，Ｋ１０の寸法が第１の応力発生領域から外側に離れる方向に延びる直線端縁Ｋ１１，Ｋ１２の寸法よりも長くなる形状を有している。温度補正電極ＥＡ１〜ＥＡ４は、温度変化により圧電セラミックス基板５の内部に発生する引っ張り応力や圧縮応力により生じる出力を中和する役割を果たしている。
【００３７】
圧電セラミックス基板５の温度補正電極ＥＡ１〜ＥＡ４に対応する各部分は、Ｚ軸方向検知電極ＥＺ１〜ＥＺ４に対応する各部分と同じ状態の応力が発生した場合には、Ｚ軸方向検知電極ＥＺ１〜ＥＺ４に対応する各部分に現れる自発分極電荷と逆極性の自発分極電荷が現れるように分極処理されている。言い換えるならば、Ｚ軸方向検知電極ＥＺ１〜ＥＺ４に対応する各部分と異なる状態の応力が発生した場合には、Ｚ軸方向検知電極ＥＺ１〜ＥＺ４に対応する各部分に現れる自発分極電荷と同極性の自発分極電荷が現れるように分極処理されている。具体的に説明すると、図３（Ａ）の模式図に示すように、温度変化により圧電セラミックス基板５の内部に引っ張り応力が発生して、圧電セラミックス基板５のＺ軸方向検知電極ＥＺ１，ＥＺ３に対応する各部分（第１の応力発生領域５Ｂ）及び温度補正電極ＥＡ１，ＥＡ３に対応する各部分（第２の応力発生領域５Ｃ）に共に引っ張り応力が発生した場合には、Ｚ軸方向検知電極ＥＺ１，ＥＺ３にはプラスの自発分極電荷が現れ、温度補正電極ＥＡ１，ＥＡ３にはマイナスの自発分極電荷が現れるように、圧電セラミックス基板５の温度補正電極ＥＡ１，ＥＡ３に対応する各部分を分極処理した。これにより、温度変化により圧電セラミックス基板５の内部に応力（引っ張り応力または圧縮応力）が発生するとＺ軸方向検知電極ＥＺ１，ＥＺ３に現れる自発分極電荷を中和する逆極性の自発分極電荷が温度補正電極ＥＡ１，ＥＡ３に現れて温度変化によるＺ軸方向の出力を抑制または無くすことできる。また、このような分極処理を施すと、図３（Ｂ）の模式図に示すように、錘部材Ｗに圧電セラミックス基板５から錘部材Ｗに向うＺ軸方向の加速度Ａ３が作用してＺ軸方向検知電極ＥＺ１，ＥＺ３に対応する各部分（第１の応力発生領域５Ｂ）に引っ張り応力が発生し、温度補正電極ＥＡ１，ＥＡ３に対応する各部分（第２の応力発生領域５Ｃ）に圧縮応力が発生した場合には、Ｚ軸方向検知電極ＥＺ１，ＥＺ３及び温度補正電極ＥＡ１，ＥＡ３には、いずれもプラスの自発分極電荷が現れる。したがって、温度補正電極ＥＡ１，ＥＡ３によりＺ軸方向検知電極ＥＺ１，ＥＺ３に現れる自発分極電荷は中和されることなく、逆にＺ軸方向検知信号が増加する。なお、増加したＺ軸方向検知信号は、検知信号を演算する演算装置において、適宜に調整すればよい。
【００３８】
また、Ｚ軸方向検知電極ＥＺ１〜ＥＺ４に現れる自発分極電荷と温度補正電極ＥＡ１〜ＥＡ４に現れる自発分極電荷がほぼ等しくなるように、温度補正電極ＥＡ１〜ＥＡ４の位置と大きさは定められている。この例では、前述したように温度補正電極ＥＡ１〜ＥＡ４を第１の応力発生領域５Ｂに近接して配置して、温度補正電極ＥＡ１〜ＥＡ４の第１の応力発生領域５Ｂの周囲を囲む方向の寸法を第１の応力発生領域５Ｂから外側に離れる方向の寸法よりも長くしている。これにより錘部材にＺ軸方向の加速度が作用したとき及び温度変化により圧電セラミック基板５の内部に応力が発生したときにＺ軸方向検知電極ＥＺ１〜ＥＺ４に現れる自発分極電荷と温度補正電極ＥＡ１〜ＥＡ４に現れる自発分極電荷とがほぼ等しくなるようにしている。その結果、温度補正電極の面積が小さくなって、浮遊容量の増加が抑制されている。
【００３９】
本実施例では、接続線Ｌ１〜Ｌ１３を銀ペーストによりスクリーン印刷により１０μｍの厚みに形成した後に、Ｘ軸方向検知電極ＥＸ１，ＥＸ２、Ｙ軸方向検知電極ＥＹ１，ＥＹ２、Ｚ軸方向検知電極ＥＺ１〜ＥＺ４及び温度補正電極ＥＡ１〜ＥＡ４を銀ペーストを用いてスクリーン印刷により１０μｍの厚みに形成した。
【００４０】
なお、この例では、Ｚ軸方向検知電極ＥＺ１〜ＥＺ４に対応する圧電セラミックス基板５の部分に引っ張り応力が生じた際にＺ軸方向検知電極ＥＺ１〜ＥＺ４にプラスの自発分極電荷が現れるように圧電セラミックス基板５に分極処理を施したが、Ｚ軸方向検知電極ＥＺ１〜ＥＺ４に対応する圧電セラミックス基板５の各部分に同種類の応力が発生したときにすべてのＺ軸方向検知電極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を施こせばよく、Ｚ軸方向検知電極ＥＺ１〜ＥＺ４にマイナスの自発分極電荷が現れるように分極処理を施しても構わない。その場合、温度補正電極ＥＡ１，ＥＡ３に対応する各部分の圧電セラミックス基板５に圧縮応力が発生した場合に、温度補正電極ＥＡ１，ＥＡ３にマイナスの自発分極電荷が現れるように、圧電セラミックス基板５の温度補正電極ＥＡ１，ＥＡ３に対応する各部分を分極処理すればよい。
【００４１】
【発明の効果】
本発明によれば、温度変化に基づく応力が圧電セラミックス基板の内部に発生しても、温度変化に基づく応力に基づくＺ軸方向検知電極に現れる分極電荷は、温度補正電極に現れた自発分極電荷と打ち消し合って（中和して）無くなり、加速度が作用していない場合にＺ軸出力電極から電流信号が出力されることが無くなる。なお、錘部材にＺ軸方向の加速度が作用した場合には、温度補正電極及びＺ軸方向検知電極にはそれぞれ同極性の分極電荷が現れるため、温度補正電極の存在がＺ軸方向検知電極に現れる分極電荷を中和することはない。その結果、外部回路により温度補正を行うことなくＺ軸方向の加速度出力の温度補正をすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の実施の形態の三軸加速度センサの平面図である。
【図２】  取付部材に取付けられた状態の三軸加速度センサの断面図である。
【図３】  （Ａ）は温度変化により圧電セラミックス基板の内部に応力が発生した状態の三軸加速度センサの断面を示す模式図であり、（Ｂ）は錘部材にＺ軸方向の加速度が作用した状態の三軸加速度センサの断面を示す模式図である。
【図４】  従来の三軸加速度センサで用いる圧電セラミックス基板の表面上に形成する基本電極パターンを示す図である。
【図５】  （Ａ）は錘部材にＸ軸方向の加速度が作用した状態の三軸加速度センサの断面を示す模式図であり、（Ｂ）は錘部材にＺ軸方向の加速度が作用した状態の三軸加速度センサの断面を示す模式図である。
【符号の説明】
１  三軸加速度センサ
４  支持部材（台座）
５  圧電セラミックス基板
５Ａ  錘部材固定領域
５Ｂ  第１の応力発生領域
５Ｃ  第２の応力発生領域
６  金属製ダイアフラム
７  Ｘ軸方向検知電極パターン
８  Ｙ軸方向検知電極パターン８
９  Ｚ軸方向検知電極パターン
Ｗ  錘部材
Ｅ１  電極パターン
Ｅ０  対向電極
ＥＸ１，ＥＸ２  Ｘ軸方向検知電極
ＯＸ  Ｘ軸出力電極
ＥＹ１，ＥＹ２  Ｙ軸方向検知電極
ＯＹ  Ｙ軸出力電極
ＥＺ１〜ＥＺ４  Ｚ軸方向検知電極
ＥＡ１〜ＥＡ４  温度補正電極
ＯＺ  Ｚ軸出力電極
Ｌ１〜Ｌ１３  接続線
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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