JP2002243758A

JP2002243758A - 圧電センサ

Info

Publication number: JP2002243758A
Application number: JP2001044896A
Authority: JP
Inventors: Shigenobu Mizuuchi; 重信水内; Tsutomu Kotani; 勉小谷; Kazumi Kobayashi; 一三小林
Original assignee: TDK Corp
Current assignee: TDK Corp
Priority date: 2001-02-21
Filing date: 2001-02-21
Publication date: 2002-08-28

Abstract

(57)【要約】【課題】小型で、角加速度及び並進加速度の検出感度の
高い圧電センサを提供する。【解決手段】第１及び第２の圧電素子１０、２０は、２
つの圧電体（１１、１２）、（２１、２２）を、分極方
向（Ｐ１１、Ｐ１２）、（Ｐ２１、Ｐ２２）が逆になる
ように貼り合わせてある。第１及び第２の圧電素子１
０、２０は、互いに間隔を隔てて略平行に配置され、互
いに相反する一端が支持体３０によって支持され、他端
が自由端となっている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、加速度センサ等に
用いられる圧電センサに関する。

【０００２】

【従来の技術】この種の圧電センサは、例えばハードデ
ィスクドライブ装置、エアバックシステム、電子制御サ
スペンションシステム等において、加速度や衝撃を検知
するために使用されるものであり、高度の信頼性と共
に、部品点数が少なく、小型であり、しかも、量産性に
優れていることが極めて重要になる。また、角加速度及
び並進加速度の両者を検出できる機能を有することも重
要である。

【０００３】角加速度及び並進加速度の両者を検出でき
る機能を有する圧電センサとしては、例えば、特開平７
ー１４０１６４号公報、特開２０００ー１７１４８０号
公報等に開示されたものが知られている。特開平７ー１
４０１６４号公報に開示された加速度センサは、両側面
に電極を有する２つの圧電素子を用い、この２つの圧電
素子を、その長手方向を一致させて一直線状に配置し、
互いに向き合う端部を、絶縁支持体により片持ち支持し
た構造を有する。特開２０００ー１７１４８０号公報に
開示された圧電センサ素子も、基本的には、同様の構造
を有する。

【０００４】しかし、上述した従来技術では、この２つ
の圧電素子を、その長手方向を一致させて一直線状に配
置し、互いに向き合う端部を、絶縁支持体により片持ち
支持した構造であるので、組立構造が複雑になるととも
に、部品点数も多く、量産性に優れているとは言えな
い。また、２つの圧電素子を、その長手方向を一致させ
て一直線状に配置する構造であるので、小型化が困難で
ある。小型化を図ろうとすると、２つの圧電素子のそれ
ぞれを短くせざるを得ず、そのために、角加速度感度が
低下する。

【０００５】別の手段として、２つの互いに独立する加
速度センサを使用して、角加速度を検出する方法も知ら
れている。しかし、この場合には、加速度センサ間の特
性の差、設置位置による環境の差、例えば、温度差等に
より、２つの加速度センサ間に出力信号のばらつきが生
じてしまうため、角加速度を正確に検知することが困難
である。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】本発明の課題は、角加
速度及び並進加速度の両者を検出できる機能を有する圧
電センサを提供することである。

【０００７】本発明のもう一つの課題は、小型で、しか
も、角加速度及び並進加速度の検出感度の高い圧電セン
サを提供することである。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上述した課題を解決する
ため、本発明に係る圧電センサは、第１の圧電素子と、
第２の圧電素子と、支持体とを含む。前記第１及び第２
の圧電素子のそれぞれは、２つの圧電体を、分極方向が
逆になるように貼り合わせたものである。前記第１及び
前記第２の圧電素子は、互いに間隔を隔てて略平行に配
置され、互いに相反する一端が前記支持体によって支持
され、他端が自由端となっている。

【０００９】本発明に係る圧電センサにおいて、第１及
び第２の圧電素子は、互いに間隔を隔てて略平行に配置
されているから、２つの圧電素子を、その長手方向を一
致させて一直線状に配置する従来構造に比較して、長さ
を短縮することができる。

【００１０】しかも、長さ短縮は、第１及び第２の圧電
素子のそれぞれの長さを短くすることによるものではな
く、２つの圧電素子の平行配置によるものであるから、
検出感度を劣化させることがない。

【００１１】更に、第１及び第２の圧電素子は、互いに
相反する一端が支持体によって支持され、他端が自由端
となっているから、第１及び第２の圧電素子は、角加速
度及び並進加速度の両者に応答する。角加速度及び並進
加速度は、第１及び第２の圧電素子の相互間において、
電極の選択、結線を適切に行うことによって、簡単に検
出することができる。

【００１２】具体的な構造として、第１の圧電素子は、
貼りあわせ面と平行な厚み方向の両面に、第１の電極及
び第２の電極を有する。第２の圧電素子は、貼りあわせ
面と平行な厚み方向の両面に、第３の電極及び第４の電
極を有する。第１の圧電素子及び第２の圧電素子の平行
配置において、第１の圧電素子の第１の電極が、第２の
圧電素子の第４の電極と向き合う側とする。

【００１３】上述した配置において、第１の圧電素子の
第１の電極は、第２の圧電素子の第３の電極と電気的に
導通させる。第２の電極及び第４の電極は、個別に取り
出す。

【００１４】上記電極の結線及び選択によれば、角加速
度が加わった場合、第１の圧電素子及び第２の圧電素子
には逆方向の力が作用するので、第２の電極で得られる
応答信号と、第４の電極で得られる応答信号との間にレ
ベル差を生じる。従って、第２の電極及び第４の電極の
間に生じる応答信号のレベル差を利用して、角加速度応
答信号を得ることができる。

【００１５】並進加速度が加わった場合は、第１の圧電
素子及び第２の圧電素子に対して、同一方向の力が加わ
るので、第２の電極及び第４の電極には、同極性の応答
信号が得られる。従って、第２の電極及び第４の電極に
生じる応答信号の和から、並進加速度を得ることができ
る。

【００１６】本発明の他の目的、構成及び利点について
は、添付図面を参照し、更に詳しく説明する。但し、添
付図面は、単なる例示に過ぎない。

【００１７】

【発明の実施の形態】図１は本発明に係る圧電センサの
斜視図、図２は図１の２ー２線に沿った断面図、図３は
図１に示した圧電センサのセンサ部分の平面図である。
図示された圧電センサは、第１の圧電素子１０と、第２
の圧電素子２０と、支持体３０と、第１の蓋部材５０
と、第２の蓋部材６０とを含む。

【００１８】第１の圧電素子１０は、２つの圧電体１
１、１２を、分極方向Ｐ１１、Ｐ１２が逆になるように
貼り合わせたものである。圧電体１１、１２は圧電セラ
ミックスで構成されている。第１の圧電素子１０は、貼
りあわせ面と平行な厚み方向の両面に、第１の電極１３
及び第２の電極１４を有する。貼り合せ面には、共通電
極１５を有する。

【００１９】第２の圧電素子２０も、２つの圧電体２
１、２２を、分極方向Ｐ２１、Ｐ２２が逆になるように
貼り合わせたものである。圧電体２１、２２は圧電セラ
ミックスで構成されている。第２の圧電素子２０は、貼
りあわせ面と平行な厚み方向の両面に、第３の電極２３
及び第４の電極２４を有する。貼り合せ面には共通電極
２５を有する。

【００２０】第１及び第２の圧電素子１０、２０は、互
いに間隔を隔てて略平行に配置され、互いに相反する一
端が支持体３０によって支持され、他端が自由端となっ
ている。図示実施例において、第１の圧電素子１０及び
第２の圧電素子２０は、第１の圧電素子１０の第１の電
極１３が、第２の圧電素子２０の第４の電極２４と向き
合う関係で、略平行に配置されている。

【００２１】第１及び第２の圧電素子１０、２０は、分
極後の素子を、接着剤で貼り合わせて形成してもよい
し、積層工法で順次に積層して形成してもよい。また、
共振周波数を上げるために、２つの圧電体の間に中間体
を設けてもよい。

【００２２】支持体３０は、枠状である。図示された支
持体３０は、第１の支持部材３１と、第２の支持部材３
２とを含む。第１の支持部材３１の一端には間隔規制部
材３３、３４が接合されており、第２の支持部材３２に
は、第１の支持部材３１の一端とは反対側の端部に、間
隔規制部材３３、３５が接続されている。

【００２３】第１及び第２の支持部材３１、３２は電気
絶縁性セラミックまたはプラスチック等によって形成さ
れる。用い得る材料としては、フォルステライト、コー
ジェライト及ぴチタン酸マグネシウム等のセラミック
ス、または、液晶ポリマーのような耐熱性を有する樹脂
等を挙げることができる。

【００２４】第１の圧電素子１０の一端は、第１の支持
部材３１の他端（間隔規制部材３３、３４のない端部）
と、第２の支持部材３２に接合された間隔規制部材３３
の端部との間で挟持され、かつ、接合されている。

【００２５】間隔規制部材３３〜３５は、製造条件によ
っては不要であり、場合によっては、第１及び第２の支
持部材３１、３２によって置き換えられる。

【００２６】第２の圧電素子２０の一端は、第２の支持
部材３２の他端（間隔規制部材３３、３５のない端部）
と、第１の支持部材３１に接合された間隔規制部材３３
の端部との間で挟持され、かつ、接合されている。

【００２７】第２の支持部材３２は、第２の圧電素子２
０を挟持する側の側面に、第１の端子電極７１を有す
る。この第１の端子電極７１は、第２の圧電素子２０の
第３の電極２３に電気的に導通する。更に、第２の支持
部材３２は、内面にリード電極９１を有する。リード電
極９１は、第２の圧電素子２０に備えられた第３の電極
２３、及び、第１の圧電素子１０の第１の電極１３に電
気的に導通する。従って、第１の圧電素子１０の第１の
電極１３、及び、第２の圧電素子２０の第３の電極２３
は、リード電極９１によって電気的に接続され、更に、
第１の端子電極７１に接続されることになる。

【００２８】第１の支持部材３１は、第１の圧電素子１
０を挟持する側の側面に、第２の端子電極７２を有す
る。この第２の端子電極７２は、第１の圧電素子１０の
第２の電極１４に電気的に導通する。更に、第２の支持
部材３１は、第２の端子電極７２とは反対側の側面に、
第３の端子電極７３を有する。第３の端子電極７３は第
２の圧電素子２０の第４の電極２４に電気的に導通す
る。

【００２９】第１乃至第４の電極１３、１４、２３、２
４、第１乃至第３の端子電極７１〜７３及びリード電極
９１は、印刷、スパッタ、蒸着またはメッキ等によって
形成される。

【００３０】第１及び第２の蓋部材５０、６０は、第１
及び第２の圧電素子１０、２０の振動のための空間を確
保して、第１及び第２の圧電素子１０、２０、第１の支
持部材３１及び第２の支持部材３２の組立体に対し、そ
の両面側に配置されている。第１及び第２の蓋部材５
０、６０は、第１及び第２の圧電素子１０、２０の振動
空間を確保するための凹部５１、６１をそれぞれ有す
る。第１及び第２の蓋部材５０、６０は、第１及び第２
の支持部材３、４と同様の材料、例えば、フォルステラ
イト、コージェライト及びチタン酸マグネシウム等のセ
ラミックス、または、液晶ポリマーのような耐熱性を有
する樹脂等によって構成することができる。第１及び第
２の蓋部材５０、６０は非導電性接着剤によって、第１
の支持部材３１及び第２の支持部材４の厚み方向の両面
に接着されている。第１及び第２の蓋部材５０、６０の
表面には、第１乃至第３の端子電極７１〜７３が備えら
れている。第１及び第２の蓋部材５０、６０は平板状で
あってもよい。この場合には、シート状の接着剤層を、
スペーサとして用いることにより、凹部５１、６１を形
成することができる。

【００３１】実施例の圧電センサにおいて、第１及び第
２の圧電素子１０、２０は、互いに間隔を隔てて略平行
に配置されているから、２つの圧電素子を、その長手方
向を一致させて一直線状に配置する従来構造に比較し
て、長さを短縮させることができる。

【００３２】しかも、長さ短縮は、第１及び第２の圧電
素子１０、２０のそれぞれの長さを短くすることによる
ものではなく、２つの圧電素子１０、２０の平行配置に
よるものであるから、検出感度を劣化させることがな
い。

【００３３】また、一対の圧電体（１１、１２）、（２
１、２２）は、分極方向（Ｐ１１、Ｐ１２）が互いに逆
向きとなるように重ね合わされ、一対の圧電体（２１、
２２）は、分極方向（Ｐ２１、Ｐ２２）が互いに逆向き
となるように重ね合わされているから、温度変動による
ノイズをキャンセルすることができる。

【００３４】図４は図１〜図３に示した圧電センサによ
る角加速度検出動作を説明する図である。図４に示すよ
うに、角加速度が圧電センサに加わった場合、第１の圧
電素子１０及び第２の圧電素子２０には逆方向の力Ｒａ
が作用するから、第２の電極１４で得られる応答信号
と、第４の電極２４で得られる応答信号との間にレベル
差を生じる。従って、第２の電極１４及び第４の電極２
４の間に生じる応答信号のレベル差を利用して、角加速
度応答信号を得ることができる。実施例の場合、角速度
応答信号は、第２の電極端子７２及び第３の電極端子７
３から得られる。

【００３５】図５は図１〜図３に示した圧電センサによ
る並進加速度検出動作を説明する図である。並進加速度
が加わった場合は、第１の圧電素子１０及び第２の圧電
素子２０に対して、同一方向の力Ｌａが加わるので、第
２の電極１４及び第４の電極２４には、同極性の応答信
号が得られる。従って、第２の電極１４及び第４の電極
２４に生じる応答信号を用いて、並進加速度を検出する
ことができる。第２の電極１４で得られる応答信号と、
第４の電極２４で得られる応答信号との間のレベル差は
殆どゼロになる。従って、並進加速度を、角加速度から
分離して検出することができる。

【００３６】図６は本発明に係る圧電センサを用いた加
速度検出回路を示す図である。加速度検出回路は、図１
〜図５で説明した圧電センサ４００と、２つの増幅素子
Ｑ１、Ｑ２を含んでいる。増幅素子Ｑ１は、角加速度応
答信号を増幅するものであって、例えば、ＦＥＴ（電界
効果トランジスタ）で構成されている。角加速度応答信
号を出力する第２の端子電極７２及び第３の端子電極７
３の内、第２の端子電極７２は、増幅素子Ｑ１のゲート
に接続され、第３の端子電極７３は接地されている。増
幅素子Ｑ１において、ゲートと接地との間には抵抗Ｒ１
１が接続されており、ソースと接地との間には抵抗Ｒ１
２が接続されている。そして、抵抗Ｒ１２から角加速度
検出信号ＯＵＴ１を取り出すソースフォロア回路を構成
してある。

【００３７】増幅素子Ｑ２は、並進加速度応答信号を増
幅するものであって、例えば、ＦＥＴで構成されてい
る。並進加速度応答信号を出力する第１の端子電極７１
は、ゲートに接続されている。ゲートと接地との間には
抵抗Ｒ２１が接続されており、ソースと接地との間には
抵抗Ｒ２２が接続されている。そして、抵抗Ｒ２２から
並進加速度検出信号ＯＵＴ２を取り出すソースフォロア
回路を構成してある。

【００３８】図７は本発明に係る圧電センサの他の実施
例を示す斜視図である。図において、図１〜図３に現れ
た構成部分と同一の構成部分については、同一の参照符
号を付してある。この実施例の特徴は、第１の圧電素子
１０及び第２の圧電素子２０が、傾斜して配置されてい
ることである。

【００３９】次に、図８〜図１０を参照して本発明に係
る圧電センサの製造方法について説明する。まず、図８
に示すように、第１の圧電素子部材１００、支持部材３
００及び第２の圧電素子部材２００を順次に積層し、か
つ、接着する。これらは、多数の圧電センサを取り出し
得る大判サイズである。支持部材３００は、所定の間隔
で、凹部３０１及び凸部３０２を条状に形成したもので
ある。

【００４０】次に、図９に示すように、第１の圧電素子
部材１００及び第２の圧電素子部材２００にスリットＳ
Ｌ１、ＳＬ２を入れる。スリットＳＬ１、ＳＬ２は、支
持部材３００の凹部３０１と凸部３０２との境界線に沿
って直線状に入れる。

【００４１】次に、図１０に示すように、図９で得られ
た組立体の両側に、支持部材３１０、３２０を接合し、
組立体Ａを得る。

【００４２】次に、図１０の工程によって得られた複数
の加工品Ａ１〜Ａ３を、図１１に示すように、順次に積
層し、切断線Ｘに沿って切断し、更に、切断線Ｙに沿っ
て切断する。切断線Ｘの設定間隔は、得ようとする圧電
素子の寸法に従う。また切断線Ｙは支持部材３００の凸
部３０２、及び、支持部材３１０、３２０の凸部を２分
する位置に設定する。

【００４３】上述した工程を経ることにより、各加工品
Ａ１〜Ａ３毎に、図３に示した組立体の個品が得られ
る。この後、第１の蓋部材及び第２の蓋部材を接合する
ことにより、図１〜図３に示した圧電センサが得られ
る。

【００４４】以上、好ましい実施例を参照して本発明を
説明したが、基本的思想及び範囲に従い、本発明が種々
変形され得ることは、当業者に自明である。

【００４５】

【発明の効果】以上述べたように、本発明によれば、次
のような効果を得ることができる。（ａ）角加速度及び並進加速度の両者を検出できる機能
を有する圧電センサを提供することができる。（ｂ）小型で、しかも、角加速度及び並進加速度の検出
感度の高い圧電センサを提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る圧電センサの斜視図である。

【図２】図１の２ー２線に沿った断面図である。

【図３】図１に示した圧電センサのセンサ部分の平面図
である。

【図４】図１〜図３に示した圧電センサによる角加速度
検出動作を説明する図である。

【図５】図１〜図３に示した圧電センサによる並進加速
度検出動作を説明する図である。

【図６】本発明に係る圧電センサを用いた加速度検出回
路を示す図である。

【図７】本発明に係る圧電センサの他の実施例を示す斜
視図である。

【図８】本発明に係る圧電センサの製造方法に含まれる
工程を示す図である。

【図９】図８に示した工程の後の工程を示す図である。

【図１０】図９に示した工程の後の工程を示す図であ
る。

【図１１】図１０に示した工程の後の工程を示す図であ
る。

【符号の説明】

１０第１の圧電素子２０第２の圧電素子３１第１の支持部材３２第２の支持部材

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】第１の圧電素子と、第２の圧電素子と、
支持体とを含む圧電センサであって、前記第１の圧電素子は、２つの圧電体を、分極方向が逆
になるように貼り合わせたものであり、前記第２の圧電素子は、２つの圧電体を、分極方向が逆
になるように貼り合わせたものであり、前記第１及び前記第２の圧電素子は、互いに間隔を隔て
て略平行に配置され、互いに相反する一端が前記支持体
によって支持され、他端が自由端となっている圧電セン
サ。
【請求項２】請求項１に記載された圧電センサであっ
て、前記第１の圧電素子は、貼りあわせ面と平行な厚み方向
の両面に、第１の電極及び第２の電極を有しており、前記第２の圧電素子は、貼りあわせ面と平行な厚み方向
の両面に、第３の電極及び第４の電極を有しており、前記第１の電極は、前記第４の電極と向き合う側にある
圧電センサ。
【請求項３】請求項２に記載された圧電センサであっ
て、前記第１の電極は、前記第３の電極と電気的に導通さ
せ、前記第２の電極及び第４の電極は独立させる圧電セン
サ。
【請求項４】請求項３に記載された圧電センサであっ
て、前記支持体は、外面に、第１の端子電極、第２の端子電
極及び第３の端子電極を備えており、前記第１の端子電極は、前記第１の電極及び前記第３の
電極に導通し、前記第２の端子電極は、前記第２の電極に導通し、前記第３の端子電極は、前記第４の電極に導通する圧電
センサ。