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JP3256346B2 - 圧電素子を用いた力・加速度・磁気のセンサ - Google Patents

圧電素子を用いた力・加速度・磁気のセンサ

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JP3256346B2
JP3256346B2 JP20711893A JP20711893A JP3256346B2 JP 3256346 B2 JP3256346 B2 JP 3256346B2 JP 20711893 A JP20711893 A JP 20711893A JP 20711893 A JP20711893 A JP 20711893A JP 3256346 B2 JP3256346 B2 JP 3256346B2
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axis
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JP20711893A
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和廣 岡田
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和廣 岡田
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Publication date
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    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L5/00—Apparatus for, or methods of, measuring force, work, mechanical power, or torque, specially adapted for specific purposes
    • G01L5/16—Apparatus for, or methods of, measuring force, work, mechanical power, or torque, specially adapted for specific purposes for measuring several components of force
    • G01L5/167—Apparatus for, or methods of, measuring force, work, mechanical power, or torque, specially adapted for specific purposes for measuring several components of force using piezoelectric means
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01P—MEASURING LINEAR OR ANGULAR SPEED, ACCELERATION, DECELERATION, OR SHOCK; INDICATING PRESENCE, ABSENCE, OR DIRECTION, OF MOVEMENT
    • G01P15/00—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration
    • G01P15/02—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses
    • G01P15/08—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses with conversion into electric or magnetic values
    • G01P2015/0805—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses with conversion into electric or magnetic values being provided with a particular type of spring-mass-system for defining the displacement of a seismic mass due to an external acceleration
    • G01P2015/0822—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses with conversion into electric or magnetic values being provided with a particular type of spring-mass-system for defining the displacement of a seismic mass due to an external acceleration for defining out-of-plane movement of the mass
    • G01P2015/084—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses with conversion into electric or magnetic values being provided with a particular type of spring-mass-system for defining the displacement of a seismic mass due to an external acceleration for defining out-of-plane movement of the mass the mass being suspended at more than one of its sides, e.g. membrane-type suspension, so as to permit multi-axis movement of the mass
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
    • Y10S—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10S73/00—Measuring and testing
    • Y10S73/04—Piezoelectric

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  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Force Measurement Appropriate To Specific Purposes (AREA)
  • Measuring Magnetic Variables (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、圧電素子を用いた力・
加速度・磁気のセンサ、特に、多次元の各成分ごとに
力、加速度、磁気を検出することのできるセンサに関す
る。
【０００２】
【従来の技術】自動車産業や機械産業などでは、力、加
速度、磁気といった物理量を正確に検出できるセンサの
需要が高まっている。特に、二次元あるいは三次元の各
成分ごとにこれらの物理量を検出しうる小型のセンサが
望まれている。
【０００３】このような小型のセンサとして、特開平５
−２６７４４号公報には、本願と同一発明者によって開
発された新規なセンサが開示されている。この新規なセ
ンサは、圧電素子からなる検出子を複数組用意し、これ
を可撓性基板上に配置したものである。可撓性基板には
作用体が取り付けられており、この作用体に外力を作用
させると、可撓性基板に撓みが生じるような構造となっ
ている。この撓みは圧電素子へと伝達され、圧電素子で
は撓みに応じた電荷が発生する。そこで、この発生した
電荷に基づいて、作用した外力を検出するのが、この新
規なセンサの基本原理である。撓みの生じ方は、作用し
た外力の方向によって異なるため、所定の各位置に配置
された複数の圧電素子についての電荷の発生状態を検出
することにより、作用した外力の大きさと方向とを検出
することが可能になる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】上述した圧電素子を用
いたセンサでは、１つの軸方向に作用した力を検出する
ために、４組の検出子が必要になる。したがって、二次
元の力センサでは最低８組の検出子が必要になり、三次
元の力センサでは最低１２組の検出子が必要になる。し
たがって、１枚の可撓性基板上にこれら多数の検出子を
配置した場合、構造が複雑になるという問題がある。し
かも、１組の検出子は上部電極と下部電極との２つの電
極を備えており、これら各電極に対してそれぞれ独立し
た配線を行うことになると、配線パターンも非常に複雑
になる。
【０００５】そこで本発明は、構造がより単純になる圧
電素子を用いたセンサを提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】(1) 本願第１の発明
は、ＸＹＺ三次元座標系におけるＸ軸方向に関する力を
検出する一次元力センサにおいて、それぞれが、板状の
圧電素子と、この圧電素子の上面に形成された上部電極
と、この圧電素子の下面に形成された下部電極と、を有
する２組の検出子と、外部から作用する物理量に基づい
て力を発生させる作用体と、ＸＹ平面に沿って２組の検
出子が配置されるように、かつ、第１の検出子がＸ軸上
の負の領域に、第２の検出子がＸ軸上の正の領域に、そ
れぞれ配置されるように、２組の検出子をそれぞれ下部
電極側から支持する支持機能と、作用体に発生したＸ軸
方向に関する力を、第１の検出子および第２の検出子に
伝達して互いに伸縮が逆の関係となるような機械的変形
を生じさせる力伝達機能と、の２つの機能を有する支持
伝達手段と、第１の検出子の上部電極と第２の検出子の
上部電極とを接続する第１の配線と、第１の検出子の下
部電極と第２の検出子の下部電極とを接続する第２の配
線と、を設け、第１の検出子の圧電素子と第２の検出子
の圧電素子とは、同一の力が作用した場合に上面および
下面に発生する電荷の極性が互いに逆になる反転した分
極特性を有し、作用体に発生したＸ軸方向に関する力
を、第１の配線に発生した第１の極性の電荷と第２の配
線に発生した第２の極性の電荷とに基づいて検出するよ
うにしたものである。 (2) 本願第２の発明は、ＸＹＺ三次元座標系における
Ｘ軸方向に関する力およびＹ軸方向に関する力をそれぞ
れ検出する二次元力センサにおいて、それぞれが、板状
の圧電素子と、この圧電素子の上面に形成された上部電
極と、この圧電素子の下面に形成された下部電極と、を
有する４組の検出子と、外部から作用する物理量に基づ
いて力を発生させる作用体と、ＸＹ平面に沿って４組の
検出子が配置されるように、かつ、第１の検出子がＸ軸
上の負の領域に、第２の検出子がＸ軸上の正の領域に、
第３の検出子がＹ軸上の負の領域に、第４の検出子がＹ
軸上の正の領域に、それぞれ配置されるように、４組の
検出子をそれぞれ下部電極側から支持する支持機能と、
作用体に発生したＸ軸方向に関する力を、第１の検出子
および第２の検出子に伝達して互いに伸縮が逆の関係と
なるような機械的変形を生じさせ、作用体に発生したＹ
軸方向に関する力を、第３の検出子および第４の検出子
に伝達して互いに伸縮が逆の関係となるような機械的変
形を生じさせる力伝達機能と、の２つの機能を有する支
持伝達手段と、第１の検出子の上部電極と第２の検出子
の上部電極とを接続する第１の配線と、第１の検出子の
下部電極と第２の検出子の下部電極とを接続する第２の
配線と、 第３の検出子の上部電極と第４の検出子の上部
電極とを接続する第３の配線と、第３の検出子の下部電
極と第４の検出子の下部電極とを接続する第４の配線
と、を設け、第１の検出子の圧電素子と第２の検出子の
圧電素子とは、同一の力が作用した場合に上面および下
面に発生する電荷の極性が互いに逆になる反転した分極
特性を有し、作用体に発生したＸ軸方向に関する力を、
第１の配線に発生した第１の極性の電荷と第２の配線に
発生した第２の極性の電荷とに基づいて検出するように
し、第３の検出子の圧電素子と第４の検出子の圧電素子
とは、同一の力が作用した場合に上面および下面に発生
する電荷の極性が互いに逆になる反転した分極特性を有
し、作用体に発生したＹ軸方向に関する力を、第３の配
線に発生した第３の極性の電荷と第４の配線に発生した
第４の極性の電荷とに基づいて検出するようにしたもの
である。 (3) 本願第３の発明は、上述の第２の発明に係る力セ
ンサにおいて、ＸＹ平面上に、原点を周囲から囲むよう
な内側環状領域と、この内側環状領域を更に周囲から囲
むような外側環状領域と、を定義し、第１の検出子を、
外側環状領域内の、ＸＹ座標系の第２象限および第３象
限に渡る領域に配置し、第２の検出子を、外側環状領域
内の、ＸＹ座標系の第１象限および第４象限に渡る領域
に配置し、第３の検出子を、内側環状領域内の、ＸＹ座
標系の第３象限および第４象限に渡る領域に配置し、第
４の検出子を、内側環状領域内の、ＸＹ座標系の第１象
限および第２象限に渡る領域に配置したものである。 (4) 本願第４の発明は、ＸＹＺ三次元座標系における
Ｘ軸方向に関する力、Ｙ軸方向に関する力、Ｚ軸方向に
関する力をそれぞれ検出する三次元力センサにおいて、
それぞれが、板状の圧電素子と、この圧電素子の上面に
形成された上部電極と、この圧電素子の下面に形成され
た下部電極と、を有する６組の検出子と、外部から作用
する物理量に基づいて力を発生させる作用体と、座標系
の原点を通りＸＹ平面に沿って伸びる第４の軸を定義
し、ＸＹ平面に沿って６組の検出子が配置されるよう
に、かつ、第１の検出子がＸ軸上の負の領域に、第２の
検出子がＸ軸上の正の領域に、第３の検出子がＹ軸上の
負の領域に、第４の検出子がＹ軸上の正の領域に、第５
の検出子が第４の軸上の負の領域に、第６の検出子が第
４の軸上の正の領域に、それぞれ配置されるように、６
組の検出子をそれぞれ下部電極側から支持する支持機能
と、作用体に発生したＸ軸方向に関する力を、第１の検
出子および第２の検出子に伝達して互いに伸縮が逆の関
係となるような機械的変形を生じさせ、作用体に発生し
たＹ軸方向に関する力を、第３の検出子および第４の検
出子に伝達して互いに伸縮が逆の関係となるような機械
的変形を生じさせ、作用体に発生したＺ軸方向に関する
力を、第５の検出子および第６の検出子に伝達して互い
に伸縮が同じ関係となるような機械的変形を生じさせる
力伝達機能と、の２つの機能を有する支持伝達手段と、
第１の検出子の上部電極と第２の検出子の上部電極とを
接続する第１の配線と、 第１の検出子の下部電極と第２
の検出子の下部電極とを接続する第２の配線と、 第３の
検出子の上部電極と第４の検出子の上部電極とを接続す
る第３の配線と、第３の検出子の下部電極と第４の検出
子の下部電極とを接続する第４の配線と、 第５の検出子
の上部電極と第６の検出子の上部電極とを接続する第５
の配線と、第５の検出子の下部電極と第６の検出子の下
部電極とを接続する第６の配線と、を設け、第１の検出
子の圧電素子と第２の検出子の圧電素子とは、同一の力
が作用した場合に上面および下面に発生する電荷の極性
が互いに逆になる反転した分極特性を有し、作用体に発
生したＸ軸方向に関する力を、第１の配線に発生した第
１の極性の電荷と第２の配線に発生した第２の極性の電
荷とに基づいて検出するようにし、第３の検出子の圧電
素子と第４の検出子の圧電素子とは、同一の力が作用し
た場合に上面および下面に発生する電荷の極性が互いに
逆になる反転した分極特性を有し、作用体に発生したＹ
軸方向に関する力を、第３の配線に発生した第３の極性
の電荷と第４の配線に発生した第４の極性の電荷とに基
づいて検出するようにし、第５の検出子の圧電素子と第
６の検出子の圧電素子とは、同一の力が作用した場合に
上面および下面に発生する電荷の極性が互いに同じにな
る同一の分極特性を有し、作用体に発生したＺ軸方向に
関する力を、第５の配線に発生した第５の極性の電荷と
第６の配線に発生した第６の極性の電荷とに基づいて検
出するようにしたものである。 (5) 本願第５の発明は、上述の第４の発明に係る力セ
ンサにおいて、Ｘ軸を第４の軸としても用いるようにし
たものである。 (6) 本願第６の発明は、上述の第５の発明に係る力セ
ンサにおいて、ＸＹ平面上に、原点を周囲から囲むよう
な内側環状領域と、この内側環状領域を更に周囲から囲
むような外側環状領域と、を定義し、第１の検出子を、
外側環状領域内の、ＸＹ座標系の第２象限および第３象
限に渡る領域に配置し、第２の検出子を、外側環状領域
内の、ＸＹ座標系の第１象限および第４象限に渡る領域
に配置し、第３の検出子を、内側環状領域内の、ＸＹ座
標系の第３象限および第４象限に渡る領域に配置し、第
４の検出子を、内側環状領域内の、ＸＹ座標系の第１象
限および第２象限に渡る領域に配置し、第５の検出子
を、内側環状領域内のＸ軸上の負の領域に、第３の検出
子と第４の検出子との間に位置するように配置し、第６
の検出子を、内側環状領域内のＸ軸上の正の領域に、第
３の検出子と第４の検出子との間に位置するように配置
したものである。 (7) 本願第７の発明は、上述の第５の発明に係る力セ
ンサにおいて、ＸＹ平面上に、原点を周囲から囲むよう
な内側環状領域と、この内側環状領域を更に周囲から囲
むような外側環状領域と、を定義し、第１の検出子を、
外側環状領域内の、ＸＹ座標系の第１象限および第２象
限に渡る領域に配置し、第２の検出子を、外側環状領域
内の、ＸＹ座標系の第３象限および第４象限に渡る領域
に配置し、第３の検出子を、内側環状領域内の、ＸＹ座
標系の第２象限および第３象限に渡る領域に配置し、第
４の検出子を、内側環状領域内の、ＸＹ座標系の第１象
限および第４象限に渡る領域に配置し、第５の検出子
を、外側環状領域内のＸ軸上の負の領域に、第１の検出
子と第２の検出子との間に位置するように配置し、第６
の検出子を、外側環状領域内のＸ軸上の正の領域に、第
１の検出子と第２の検出子との間に位置するように配置
したものである。 (8) 本願第８の発明は、上述の第６の発明に係る力セ
ンサにおいて、更に、第７の検出子および第８の検出子
を付加的に設け、第７の検出子を、外側環状領域内のＹ
軸上の負の領域に、第１の検出子と第２の検出子との間
に位置するように配置し、第８の検出子を、外側環状領
域内のＹ軸上の正の領域に、第１の検出子と第２の検出
子との間に位置するように配置し、作用体に発生したＺ
軸方向に関する力を、第５〜第８の検出子において発生
した電荷に基づいて検出するようにしたものである。 (9) 本願第９の発明は、上述の第１〜第８の発明に係
る力センサにおいて、各検出子を構成する圧電素子を、
物理的に１枚の共通圧電素子で構成し、この共通圧電素
子の一部分をそれぞれの検出子を構成する個々の圧電素
子として利用するようにしたものである。 (10) 本願第１０の発明は、上述の第１〜第９の発明に
係る力センサにおいて、複数の下部電極または複数の上
部電極のいずれか一方を、単一の電極層によって構成す
るようにしたものである。 (11) 本願第１１の発明は、上述の第１〜第１０の発明
に係る力センサにおいて、主面がＸＹ平面と平行となる
可撓性をもった基板により支持伝達手段を構成したもの
である。 (12) 本願第１２の発明は、上述の第１１の発明に係る
力センサにおいて、可撓性をもった基板を導電性材料に
よって構成し、この基板自身を単一の電極層として用い
るようにし、複数の下部電極または複数の上部電極のい
ずれか一方を単一の電極層によって構成するようにした
ものである。 (13) 本願第１３の発明は、上述の第１１または第１２
の発明に係る力センサにおいて、基板外側の周囲部分を
センサ筐体に固定し、作用体に発生した力が基板の原点
近傍に伝達されるようにしたものである。 (14) 本願第１４の発明は、上述の第１１または第１２
の発明に係る力センサにおいて、基板の原転近傍をセン
サ筐体に固定し、作用体に発生した力が基板の周囲部分
に伝達されるようにしたものである。 (15) 本願第１５の発明は、上述の第１〜第１４の発明
に係る力センサにおいて、板状の圧電素子と、この圧電
素子の上面に形成された上部電極と、この圧電素子の下
面に形成された下部電極と、によって構成され、両電極
間に電荷を与えることにより電極の層方向に伸縮する伸
縮子を４組用意し、第１の伸縮子をＸ軸上の負の領域
に、第２の伸縮子をＸ軸上の正の領域に、第３の伸縮子
をＹ軸上の負の領域に、第４の伸縮子をＹ軸上の正の領
域に、それぞれ配置し、各伸縮子の一方の電極を基板に
固定し、各伸縮子の電極間に所定の電圧を印加すること
により、作用体に所定方向の力が作用したのと等価な変
位を基板に誘発させ、センサの試験を行うことができる
ようにしたものである。 (16) 本願第１６の発明は、上述の第１〜第１５の発明
に係る力センサにおいて、外部から与えられる加速度に
基づいて作用体に力を発生させることにより、加速度を
検出しうるようにしたものである。 (17) 本願第１７の発明は、上述の第１〜第１５の発明
に係る力センサにおいて、外部から与えられる磁気に基
づいて作用体に力を発生させることにより、磁気を検出
しうるようにしたものである。
【０００７】
【０００８】
【０００９】
【００１０】
【００１１】
【００１２】
【００１３】
【００１４】
【００１５】
【００１６】
【００１７】
【００１８】
【００１９】
【００２０】
【００２１】
【００２２】
【作 用】本願発明に係るセンサでは、１つの軸方向に
作用した力を検出するのに、２組の検出子を用意すれば
よい。したがって、二次元の力センサでは４組の検出子
を、三次元の力センサでは６組の検出子を、それぞれ用
意すればよい。したがって、全体的な構造は非常に単純
になる。
【００２３】また、ＸＹ平面上に、原点を周囲から囲む
ような内側環状領域と、この内側環状領域を更に周囲か
ら囲むような外側環状領域と、を定義し、これら環状領
域に沿って各検出子を配置するようにしたため、検出子
の効率良い配置が可能になり、小型ながら感度の高いセ
ンサが実現できる。
【００２４】更に、各検出子を構成する圧電素子ごと
に、それぞれ分極特性を変えるような分極処理を行うこ
とにより、各電極に発生する電荷の極性を都合良く設定
することができるようになる。このため、各電極に対す
る配線構造が単純化される。
【００２５】また、各検出子について共通した１枚の共
通圧電素子を用いたり、共通の電極層を用いたりするこ
とにより構造は単純化され、更に、導電性材料の基板を
用いれば、この基板自身を共通の電極層として利用する
ことができるようになるため、電極層の数を減らすこと
ができる。
【００２６】本願発明は、更に、センサに自己診断機能
を付加するための方法をも提供する。圧電素子は、機械
的変形により両電極に電荷を発生させる性質を有すると
ともに、両電極に所定の電圧を印加するとこれに応じた
機械的変形を生じるという逆の性質をも有する。そこ
で、検出子と同じ構造をもった伸縮子を配置し、この伸
縮子に所定の電圧を印加すれば、伸縮子に生じた変形が
基板に伝達され、外部から力が作用したのと等価の状態
を疑似的に作り出すことができる。したがって、この疑
似的状態における検出子の出力を診断することにより、
センサの試験が可能になる。
【００２７】
【実施例】以下、本発明を図示する実施例に基づいて説
明する。
【００２８】§１． 従来提案されているセンサ はじめに、参考のために、特開平５−２６７４４号公報
に開示されているセンサの構造および動作について簡単
に説明しておく。図１は、この従来のセンサの上面図で
ある。可撓基板１０はいわゆるダイヤフラムとして機能
する可撓性をもった円盤状の基板であり、この可撓基板
１０の上には、いわゆるドーナツ盤状をした圧電素子２
０が配置されている。この圧電素子２０の上面には、そ
れぞれ図示したような形状をした１６枚の上部電極層Ｌ
１〜Ｌ１６が、それぞれ図示した位置に形成されてい
る。また、この圧電素子２０の下面には、上部電極層Ｌ
１〜Ｌ１６のそれぞれと全く同じ形状をした１６枚の下
部電極層Ｍ１〜Ｍ１６（図１には示されていない）が、
上部電極層Ｌ１〜Ｌ１６のそれぞれと対向する位置に形
成されている。図２は、このセンサの側断面図である
（図が繁雑になるのを避けるため、各電極層について
は、断面切り口部分のみを描いてある。以下、すべての
側断面図において同じ）。この図に明瞭に示されている
ように、ドーナツ盤状の圧電素子２０は、１６枚の上部
電極層Ｌ１〜Ｌ１６（図２には、Ｌ１〜Ｌ４のみ示され
ている）と、１６枚の下部電極層Ｍ１〜Ｍ１６（図２に
は、Ｍ１〜Ｍ４のみ示されている）と、によって挟ま
れ、いわゆるサンドイッチの状態になっている。そし
て、下部電極層Ｍ１〜Ｍ１６の下面が可撓基板１０の上
面に固着されている。一方、可撓基板１０の下面には、
作用体３０が固着されており、可撓基板１０の周囲部分
はセンサ筐体４０によって固着支持されている。この実
施例では、可撓基板１０は絶縁性の材料によって構成さ
れている。可撓基板１０を金属などの導電性の材料によ
って構成した場合には、その上面に絶縁膜を形成するこ
とにより、１６枚の下部電極層Ｍ１〜Ｍ１６が短絡する
のを防ぐようにする。
【００２９】ここでは、説明の便宜上、可撓基板１０の
中心位置Ｏを原点としたＸＹＺ三次元座標系を考えるこ
とにする。すなわち、図１の右方向にＸ軸、下方向にＹ
軸、そして紙面に垂直な方向にＺ軸を定義する。図２
は、このセンサをＸＺ平面で切った断面図ということに
なり、可撓基板１０、圧電素子２０、各電極層Ｌ１〜Ｌ
１６，Ｍ１〜Ｍ１６は、いずれもＸＹ平面に平行に配置
されていることになる。また、図１に示すように、ＸＹ
平面上において、Ｘ軸あるいはＹ軸と４５°の角をなす
方向にＷ１軸およびＷ２軸を定義する。Ｗ１軸およびＷ
２軸はいずれも原点Ｏを通る。このような座標系を定義
すると、上部電極層Ｌ１〜Ｌ４および下部電極層Ｍ１〜
Ｍ４は、Ｘ軸の負方向から正方向に向かって順に配置さ
れており、上部電極層Ｌ５〜Ｌ８および下部電極層Ｍ５
〜Ｍ８は、Ｙ軸の負方向から正方向に向かって順に配置
されており、上部電極層Ｌ９〜Ｌ１２および下部電極層
Ｍ９〜Ｍ１２は、Ｗ１軸の負方向から正方向に向かって
順に配置されており、上部電極層Ｌ１３〜Ｌ１６および
下部電極層Ｍ１３〜Ｍ１６は、Ｗ２軸の負方向から正方
向に向かって順に配置されていることになる。
【００３０】さて、圧電素子の上面および下面にそれぞ
れ電極層を形成し、この一対の電極層間に所定の電圧を
印加すると、この圧電素子内部に所定の圧力が発生し、
逆に、この圧電素子に所定の力を加えると、一対の電極
層間に所定の電圧が発生する性質があることは、よく知
られている。そこで、上述した１６枚の上部電極層Ｌ１
〜Ｌ１６と、１６枚の下部電極層Ｍ１〜Ｍ１６と、これ
らによって挟まれた圧電素子２０の１６個の部分と、に
よって、それぞれ１６組の検出子Ｄ１〜Ｄ１６が形成さ
れたものと考えることにする。たとえば、上部電極層Ｌ
１と下部電極層Ｍ１と、これらに挟まれた圧電素子２０
の一部分と、によって検出子Ｄ１が形成されることにな
る。結局、１６組の検出子Ｄ１〜Ｄ１６は、図３の上面
図に示されるように配置されていることになる。
【００３１】ここで、このセンサにおける圧電素子２０
としては、図４に示すような分極特性をもった圧電セラ
ミックスが用いられている。すなわち、図４(a) に示す
ように、ＸＹ平面に沿って伸びる方向の力が作用した場
合には、上部電極層Ｌ側に正の電荷が、下部電極層Ｍ側
に負の電荷が、それぞれ発生し、逆に、図４(b) に示す
ように、ＸＹ平面に沿って縮む方向の力が作用した場合
には、上部電極層Ｌ側に負の電荷が、下部電極層Ｍ側に
正の電荷が、それぞれ発生するような分極特性をもって
いる。ここでは、このような分極特性をタイプと呼ぶ
ことにする。このセンサにおける１６組の検出子Ｄ１〜
Ｄ１６は、いずれもタイプの分極特性をもった圧電素
子を有することになる。
【００３２】続いて、このセンサにおいて、作用体３０
に所定方向の外力が作用した場合に、どのような現象が
起こるかを説明する。まず、図５に示すように、作用体
３０の重心Ｇに対してＸ軸方向の力Ｆｘが作用した場合
を考える。このような力Ｆｘの作用により、ダイヤフラ
ムの機能を果たす可撓基板１０に撓みが生じ、図５に示
すような変形が起こる。この結果、Ｘ軸に沿って配置さ
れた検出子Ｄ１，Ｄ３はＸ軸方向に伸び、同じくＸ軸に
沿って配置された検出子Ｄ２，Ｄ４はＸ軸方向に縮むこ
とになる。これら各電極層に挟まれた圧電素子は、図４
に示すような分極特性を有するので、これら各電極層に
は、図５に小円で囲った記号「＋」または「−」で示す
ような極性の電荷が発生する。また、Ｙ軸方向の力Ｆｙ
が作用した場合は、Ｙ軸に沿って配置された検出子Ｄ５
〜Ｄ８を構成する各電極層について、同様に所定の極性
をもった電荷が発生する。
【００３３】次に、Ｚ軸方向の力Ｆｚが作用した場合を
考える。この場合は、ダイヤフラムの機能を果たす可撓
基板１０が図６に示すように変形し、Ｗ１軸に沿って配
置された検出子Ｄ９，Ｄ１２はＷ１軸方向に伸び、同じ
くＷ１軸に沿って配置された検出子Ｄ１０，Ｄ１１はＷ
１軸方向に縮むことになる。このため、検出子Ｄ９〜Ｄ
１２を構成する各電極層には、図６に小円で囲った記号
「＋」または「−」で示すような極性の電荷が発生す
る。Ｗ２軸に沿って配置された検出子Ｄ１３〜Ｄ１６を
構成する各電極層にも、同様に所定の極性をもった電荷
が発生する。
【００３４】このような現象を利用すれば、各電極層に
発生する電荷を検出することにより、各軸方向に作用し
た力を検出することができる。すなわち、Ｘ軸方向の力
Ｆｘを検出するには、検出子Ｄ１〜Ｄ４に発生した電荷
を検出すればよいし、Ｙ軸方向の力Ｆｙを検出するに
は、検出子Ｄ５〜Ｄ８に発生した電荷を検出すればよい
し、Ｚ軸方向の力Ｆｚを検出するには、検出子Ｄ９〜Ｄ
１６に発生した電荷を検出すればよい。しかしながら、
このように従来のセンサでは、１つの軸方向の力を検出
するために４組の検出子を用いていたため、全体的な構
造が複雑になるという問題があることは既に述べたとお
りである。
【００３５】§２． 本発明に係るセンサの一実施例 本発明の一実施例に係る力センサの上面図を図７に、側
断面図を図８にそれぞれ示す。起歪体５０は、全体的に
円盤状の部材であり、その上面部分が前述したセンサに
おける可撓基板１０としての機能を果たす。中央部分の
作用部５１は、下面に突出した円柱状の部分であり、前
述したセンサにおける作用体３０としての機能を果た
す。この作用部５１の周囲には、いわゆるドーナツ状の
溝が掘られており、この溝の部分は肉厚が薄くなってい
る。ここでは、この肉厚の薄い部分を可撓部５２と呼ぶ
ことにする。また、可撓部５２の周囲部分、すなわち、
起歪体５０の外周部分を固定部５３と呼ぶ。このよう
に、起歪体５０は、中央部分の作用部５１と、その周囲
部分の可撓部５２と、更にその周囲部分の固定部５３
と、によって構成されている。可撓部５２は、その肉厚
の薄さにより文字通り「可撓性」を有する部分であり、
固定部５３をセンサ筐体に固着した状態において、作用
部５１の所定位置（たとえば、図８に示す作用点Ｐ）に
力を加えると、可撓部５２が機械的変形を起こす。こう
して、起歪体５０の上面部分は、前述したセンサにおけ
る可撓基板１０としての機能を果たすのである。
【００３６】起歪体５０の上には、いわゆるドーナツ盤
状をした圧電素子２０が配置されている。この圧電素子
２０は、前述したセンサと同様に、図４に示すようなタ
イプの分極特性を有する圧電セラミックスである。ま
た、圧電素子２０の上下両面に、上部電極層および下部
電極層が形成され、これにより個々の検出子が形成され
る点についても、前述したセンサと同様である。ただ
し、検出子の配置が前述のセンサとは異なる。前述のセ
ンサでは、合計で１６組の検出子が設けられていたが、
この実施例のセンサでは、図７の上面図に示すように、
８組の検出子Ｄ１〜Ｄ８が設けられているだけである。
各検出子は、それぞれ上部電極層Ａ１〜Ａ８と、下部電
極層Ｂ１〜Ｂ８と、これらの間に挟まれた圧電素子２０
の一部分によって構成されている。上部電極層Ａ１〜Ａ
８および下部電極層Ｂ１〜Ｂ８の形状および配置は、図
７に示す検出子Ｄ１〜Ｄ８の形状および配置と同じであ
る。なお、図８の側断面図においては、図が繁雑になる
のを避けるため、これら電極層については、断面切り口
部分のみを描いてある。また、この実施例では、起歪体
５０は絶縁性の材料によって構成されているが、これを
金属などの導電性の材料によって構成した場合には、そ
の上面に絶縁膜を形成することにより、８枚の下部電極
層Ｂ１〜Ｂ８が短絡するのを防ぐようにする。
【００３７】ここでも、説明の便宜上、図８に示す中心
位置Ｏを原点としたＸＹＺ三次元座標系を考えることに
する。すなわち、図８の右方向にＸ軸、下方向にＺ軸、
そして紙面に垂直な方向にＹ軸を定義する。起歪体５０
の上面、圧電素子２０、各電極層Ａ１〜Ａ８，Ｂ１〜Ｂ
８は、いずれもＸＹ平面に平行に配置されていることに
なる。ここで、各検出子Ｄ１〜Ｄ８の形状および配置
（別言すれば、各電極層Ａ１〜Ａ８，Ｂ１〜Ｂ８の形状
および配置）が本発明の特徴のひとつである。図７の上
面図に示されているように、検出子Ｄ１，Ｄ８，Ｄ２，
Ｄ７は、円形の環状帯（以下、外側環状領域と呼ぶ）に
沿って配置されており、その内側の円形の環状帯（以
下、内側環状領域と呼ぶ）に沿って、検出子Ｄ５，Ｄ
４，Ｄ６，Ｄ３が配置されている。このように、原点Ｏ
を取り囲むように定義された内側環状領域および外側環
状領域に沿って、各検出子（すなわち、各電極層）を配
置することにより、非常に効率的な検出が可能になるの
である。なお、図８において一点鎖線で示してあるよう
に、外側環状領域に配置された各電極層の外周部分は、
可撓部５２の外周部分（ドーナツ状の溝の外壁部分：一
点鎖線Ｓ２）に揃うようにし、内側環状領域に配置され
た各電極層の内周部分は、可撓部５２の内周部分（ドー
ナツ状の溝の内壁部分：一点鎖線Ｓ１）に揃うようにす
ると、感度良い検出を行う上で好ましい。
【００３８】なお、この実施例において、圧電素子２０
として中央部分に円形の開口窓が形成されたドーナツ盤
状のものを用いているのは、この開口窓を用いて上述の
位置合わせを容易に行うためである。円形の開口窓を利
用しないで正確な位置合わせができる別な方法を行うこ
とができる場合は、開口窓のない円盤状の圧電素子２０
を用いてもよい。
【００３９】次に、このセンサにおいて、固定部５３を
センサ筐体に固定したまま、作用部５１の底面に定義さ
れた作用点Ｐに所定方向の外力が作用した場合に、どの
ような現象が起こるかを説明する。まず、図９に示すよ
うに、作用点Ｐに対してＸ軸方向の力Ｆｘが作用した場
合を考える。このような力Ｆｘの作用により、可撓部５
２に撓みが生じ、図９に示すような変形が起こる。この
結果、Ｘ軸に沿って配置された検出子Ｄ１，Ｄ６はＸ軸
方向に伸び、同じくＸ軸に沿って配置された検出子Ｄ
５，Ｄ２はＸ軸方向に縮むことになる。これら各電極層
に挟まれた圧電素子は、図４に示すような分極特性を有
するので、これら各電極層には、図９に小円で囲った記
号「＋」または「−」で示すような極性の電荷が発生す
る。また、作用点Ｐに対してＹ軸方向の力Ｆｙが作用し
た場合は、可撓部５２に同様に撓みが生じ、Ｙ軸に沿っ
て配置された検出子Ｄ７，Ｄ４はＹ軸方向に伸びるため
に上部電極側に「＋」、下部電極側に「−」の電荷が発
生し、同じくＹ軸に沿って配置された検出子Ｄ３，Ｄ８
はＹ軸方向に縮むために上部電極側に「−」、下部電極
側に「＋」の電荷が発生することになる。
【００４０】次に、Ｚ軸方向の力Ｆｚが作用した場合を
考える。この場合は、可撓部５２が図１０に示すように
変形し、外側環状領域に配置された検出子Ｄ１，Ｄ８，
Ｄ２，Ｄ７は伸びるために上部電極側に「＋」、下部電
極側に「−」の電荷が発生し、内側環状領域に配置され
た検出子Ｄ５，Ｄ４，Ｄ６，Ｄ３は縮むために上部電極
側に「−」、下部電極側に「＋」の電荷が発生すること
になる。
【００４１】ここで、力Ｆｘ，Ｆｙ，Ｆｚのそれぞれが
作用した場合に、各検出子の上部電極側に発生する電荷
の極性をまとめると、図１１に示す表が得られる。表中
「０」と記されているのは、圧電素子が部分的には伸び
るが部分的には縮むため、正負が相殺されてトータルと
して電荷は発生しないことを示す。また、下部電極側に
発生する電荷の極性は、この表とは逆の極性になる。ま
た逆方向の力−Ｆｘ，−Ｆｙ，−Ｆｚが作用したとき
も、それぞれこの表とは逆の極性の電荷が現われる。こ
のような表が得られることは、図９および図１０に示す
変形状態と、図７に示す各検出子の配置とを参照すれ
ば、容易に理解できよう。この実施例のセンサでは、検
出子Ｄ１，Ｄ２によって力Ｆｘを検出し、検出子Ｄ３，
Ｄ４によって力Ｆｙを検出し、検出子Ｄ５〜Ｄ８によっ
て力Ｆｚを検出している。
【００４２】§３． 本発明に係るセンサの検出回路の
一例 上述したセンサを用いて力の検出を行うためには、図１
２に示すような検出回路を用意すればよい。この検出回
路において、Ｑ／Ｖ変換回路６１〜６８は、各検出子Ｄ
１〜Ｄ８の両電極に発生する電荷量を電圧値に変換する
回路である。この回路からは、たとえば、上部電極層に
「＋」、下部電極層に「−」の電荷が発生した場合に
は、発生した電荷量に応じた正の電圧（接地電位に対し
て）が出力され、逆に、上部電極層に「−」、下部電極
層に「＋」の電荷が発生した場合には、発生した電荷量
に応じた負の電圧（接地電位に対して）が出力される。
こうして出力された電圧Ｖ１〜Ｖ８は、演算器７１〜７
３に与えられ、これら演算器７１〜７３の出力が端子Ｔ
ｘ，Ｔｙ，Ｔｚに得られる。ここで、端子Ｔｘの接地電
位に対する電圧値が力Ｆｘの検出値となり、端子Ｔｙの
接地電位に対する電圧値が力Ｆｙの検出値となり、端子
Ｔｚの接地電位に対する電圧値が力Ｆｚの検出値とな
る。
【００４３】各出力端子Ｔｘ，Ｔｙ，Ｔｚに得られる電
圧値が、力Ｆｘ，Ｆｙ，Ｆｚの検出値になることは、図
１１の表を参照すればわかる。たとえば、力Ｆｘが作用
した場合、検出子Ｄ１の上部電極層には「＋」の電荷が
発生し、下部電極層には「−」の電荷が発生する。一
方、検出子Ｄ２の上部電極層には「−」の電荷が発生
し、下部電極層には「＋」の電荷が発生する。したがっ
て、Ｖ１は正、Ｖ２は負の電圧となる。そこで、演算器
７１によって、Ｖ１−Ｖ２なる演算を行うことにより、
電圧Ｖ１，Ｖ２の絶対値の和が求まり、これが力Ｆｘの
検出値として端子Ｔｘに出力されることになる。同様
に、力Ｆｙが作用した場合は、検出子Ｄ３の上部電極層
には「−」の電荷が発生し、下部電極層には「＋」の電
荷が発生する。一方、検出子Ｄ４の上部電極層には
「＋」の電荷が発生し、下部電極層には「−」の電荷が
発生する。したがって、Ｖ３は負、Ｖ４は正の電圧とな
る。そこで、演算器７２によって、Ｖ４−Ｖ３なる演算
を行うことにより、電圧Ｖ３，Ｖ４の絶対値の和が求ま
り、これが力Ｆｙの検出値として端子Ｔｙに出力される
ことになる。また、力Ｆｚが作用した場合は、検出子Ｄ
５，Ｄ６の上部電極層には「−」の電荷が発生し、下部
電極層には「＋」の電荷が発生する。一方、検出子Ｄ
７，Ｄ８の上部電極層には「＋」の電荷が発生し、下部
電極層には「−」の電荷が発生する。したがって、Ｖ
５，Ｖ６は負、Ｖ７，Ｖ８は正の電圧となる。そこで、
演算器７３によって、Ｖ７＋Ｖ８−Ｖ５−Ｖ６なる演算
を行うことにより、電圧Ｖ５〜Ｖ８の絶対値の和が求ま
り、これが力Ｆｚの検出値として端子Ｔｚに出力される
ことになる。
【００４４】ここで注目すべき点は、各出力端子Ｔｘ，
Ｔｙ，Ｔｚに得られる検出値は、他軸成分を含まないと
いうことである。たとえば、図１１の表に示されている
ように、力Ｆｘだけが作用した場合、力Ｆｙ検出用の検
出子Ｄ３，Ｄ４には電荷の発生はなく、端子Ｔｙには検
出電圧は得られない。このとき、力Ｆｚ検出用の検出子
Ｄ５，Ｄ６にはそれぞれ電荷（逆極性）が発生するが、
演算器７３において電圧Ｖ５およびＶ６は互いに加算さ
れるため相殺されてしまい、やはり端子Ｔｚには検出電
圧は得られない。力Ｆｙだけが作用した場合も同様に、
端子Ｔｙ以外には検出電圧は得られない。また、力Ｆｚ
だけが作用した場合も同様に、端子Ｔｚ以外には検出電
圧は得られない。こうして、ＸＹＺの３軸方向成分が独
立して検出できる。
【００４５】図１３に示すＱ／Ｖ変換回路６０は、図１
２に示す検出回路におけるＱ／Ｖ変換回路６１〜６８と
して利用するのに適した回路の基本構成例である。図１
３でＤと記して示したのが検出子Ｄ１〜Ｄ８に対応する
ものである。このように、基本的には、演算増幅器Ａ、
抵抗Ｒ、コンデンサＣという単純な回路構成により、検
出子Ｄに発生した電荷を電圧に変換することができる。
図１４に示す回路は、また別なＱ／Ｖ変換回路を示した
ものであり、演算増幅器を２段に直列接続して用いてい
る。もちろん、ここに示した回路はほんの一例であり、
どのような回路を用いて電圧に変換してもかまわない。
このようなＱ／Ｖ変換回路については、たとえば「圧電
セラミックス新技術」（日本電子材料工業会編：オーム
社刊）の９４頁〜１０１頁に例示されている。
【００４６】§４． 本発明に係るセンサの別な実施例 続いて、本発明の別な実施例に係る力センサをいくつか
開示しておく。図１１に示す表を見るとわかるように、
実は、力Ｆｚの検出には、４組の検出子は必ずしも用意
する必要はないのである。たとえば、検出子Ｄ５，Ｄ６
の２組だけを用いても力Ｆｚを検出することが可能であ
るし、検出子Ｄ７，Ｄ８の２組だけを用いても力Ｆｚを
検出することが可能である。要するに、本発明によれ
ば、１つの軸方向に作用した力を検出するのに、最低限
２組の検出子が用意できれば十分なのである。図１５に
上面図を示す実施例は、６組の検出子Ｄ１〜Ｄ６のみを
用いたセンサである。検出子Ｄ７，Ｄ８を設けていない
ため、その分、検出子Ｄ１，Ｄ２の面積が増えている。
力Ｆｚの検出値は、図１６に示すような回路を用い、演
算器７４によって、−（Ｖ５＋Ｖ６）なる演算を行うこ
とにより端子Ｔｚに出力される。図１７に上面図を示す
実施例は、６組の検出子Ｄ１〜Ｄ４，Ｄ７，Ｄ８のみを
用いたセンサである。検出子Ｄ５，Ｄ６を設けていない
ため、その分、検出子Ｄ３，Ｄ４の面積が増えている。
力Ｆｚの検出値は、図１８に示すような回路を用い、演
算器７５によって、（Ｖ７＋Ｖ８）なる演算を行うこと
により端子Ｔｚに出力される。
【００４７】この他、力Ｆｚ検出用の２組の検出子は、
どのような軸上に配置してもかまわない。要するに、Ｘ
Ｙ平面上で原点Ｏを通る第４の軸Ｗを定義し、この第４
の軸Ｗの正側と負側にそれぞれ１組ずつ検出子を配置す
れば、これらの検出子により力Ｆｚが検出できる。図１
５は第４の軸ＷをＸ軸に一致させた例であり、図１７は
第４の軸ＷをＹ軸に一致させた例である。
【００４８】また、これまで述べたセンサは、ＸＹＺの
３軸についての力の各軸方向成分を検出する三次元の力
センサについての実施例であったが、ＸＹの２軸につい
ての力の各軸方向成分を検出する二次元の力センサであ
れば、４組の検出子だけを用いれば十分である。図１９
に上面図を示す実施例は、４組の検出子Ｄ１〜Ｄ４のみ
を用いた二次元の力センサである。力Ｆｚ検出用の検出
子を設けていないため、その分、検出子Ｄ１〜Ｄ４の面
積が増えている。
【００４９】また、これまでの実施例では、１枚の圧電
素子２０をすべての検出子に共通した圧電素子として用
いているが、これを複数枚数の圧電素子で構成すること
も可能である。たとえば、各検出子ごとに別個独立した
圧電素子を用いるようにしてもよいし、複数組の検出子
ごとにそれぞれ別個独立した圧電素子を用いるようにし
てもよい。
【００５０】§５． 圧電素子に異なる分極処理を行う
実施例 上述したように、本発明のセンサでは、各検出子の上部
電極層および下部電極層に発生した電荷に基づいて、作
用した力の各軸方向成分を検出することができる。この
ため、各電極層に対して所定の配線を行う必要がある。
この配線は、上部電極層と下部電極層とが入り乱れたも
のとなっており、このセンサを大量生産する場合、製品
の全コストに比べて配線のためのコストが無視できなく
なる。ここで述べる実施例は、圧電素子の分極特性を部
分的に変えることにより、配線を単純化し製造コストを
低減するようにしたものである。
【００５１】圧電セラミックスなどでは、任意の分極特
性をもった素子を製造することが可能である。たとえ
ば、上述したセンサにおいて用いられている圧電素子２
０は、図４に示すようなタイプの分極特性をもったも
のであった。これに対して、図２０に示すようなタイプ
の分極特性をもった圧電素子２２を製造することも可
能である。すなわち、図２０(a) に示すように、ＸＹ平
面に沿って伸びる方向の力が作用した場合には、上部電
極層Ｌ側に負の電荷が、下部電極層Ｍ側に正の電荷が、
それぞれ発生し、逆に、図２０(b) に示すように、ＸＹ
平面に沿って縮む方向の力が作用した場合には、上部電
極層Ｌ側に正の電荷が、下部電極層Ｍ側に負の電荷が、
それぞれ発生するような分極特性をもった圧電素子２２
を製造することが可能である。また、１つの圧電素子の
一部分にタイプの分極特性をもたせ、別な一部分にタ
イプの分極特性をもたせることも可能である。ここに
述べる実施例は、このような局在的な分極処理を施した
圧電素子を用いることにより、センサの構造を単純化す
るものである。
【００５２】図２１に上面図を示すセンサは、このよう
な局在的な分極処理を施した圧電素子２５を用いたセン
サである。この圧電素子２５は、形状は上述した図７の
センサにおいて用いられている圧電素子２０と全く同じ
ドーナツ盤状をした素子である。しかしながら、その分
極特性は圧電素子２０とは異なっている。圧電素子２０
は、前述したように、すべての部分がタイプの分極特
性をもつ素子であった。これに対し、圧電素子２５は、
図２１に示すように、８個の各領域においてタイプま
たはタイプのいずれかの分極特性をもつ。すなわち、
検出子Ｄ１，Ｄ４，Ｄ７，Ｄ８の領域においてはタイプ
の分極特性を示し、検出子Ｄ２，Ｄ３，Ｄ５，Ｄ６の
領域においてはタイプの分極特性を示す（図７と図２
１とを参照）。
【００５３】このように、図２１に示すセンサは、圧電
素子２０の代わりに、局在的な分極処理を施した圧電素
子２５を用いたセンサであるが、このセンサにおいて、
各電極層に発生する電荷の極性がどのように変わるかを
考えてみると、タイプの分極特性をもった領域に形成
されている上部電極層および下部電極層に発生する電荷
の極性が前述のセンサとは逆になることがわかる。すな
わち、図１１に示す表のうち、検出子Ｄ２，Ｄ３，Ｄ
５，Ｄ６に関する極性が反転することになり、図２２に
示す表のような結果が得られることになる（表中、検出
子の名前の上に付されたバーは、その検出子の分極特性
が逆転していることを示す）。ここで注目すべき点は、
表中太線で囲った部分である。これらの部分は、力Ｆｘ
の検出、力Ｆｙの検出、力Ｆｚの検出に関与する部分で
あるが、いずれも上部電極側に発生する電荷の極性は
「＋」となっている。このため、各検出子に対して、図
２３に示すような配線を施しておけば、力Ｆｘ，Ｆｙ，
Ｆｚの検出値を、それぞれ端子Ｔｘｘ，Ｔｙｙ，Ｔｚｚ
にそのまま得ることができるようになる。別言すれば、
図１２に示したような演算器は一切不要になる。
【００５４】図２３に示す配線において重要な点は、下
部電極層Ｂ１〜Ｂ８がいずれも接地電位（アース）に共
通接続されている点である。このように、すべての検出
子の下部電極層については、互いに導通させるだけでよ
いので、配線は非常に単純になる。もっとも、このよう
に、下部電極層Ｂ１〜Ｂ８を導通させることができるの
であれば、あえてこれら８枚の電極層を、それぞれ独立
した電極層にしておく必要はない。すなわち、図２４の
側断面図に示されているように、共通の下部電極層Ｂ０
を１枚だけ設けるようにすればよい。共通の下部電極層
Ｂ０は、１枚のドーナツ盤状の電極層であり、８枚の上
部電極層Ａ１〜Ａ８のすべてに対向した電極となる。
【００５５】図２４に示す構造を更に単純化するには、
導電性の起歪体５５（たとえば、金属材料からなる起歪
体）を用いればよい。こうすれば、図２５の側断面図に
示されているように、特別な下部電極層Ｂ０を用いず
に、圧電素子２５の下面を起歪体５５の上面に直接接合
した構造が実現できる。この場合、起歪体５５自身が共
通の下部電極層Ｂ０として機能することになる。
【００５６】なお、以上の実施例では、下部電極層側を
共通の単一電極層としているが、逆に上部電極層側を共
通の単一電極層とすることも可能である。
【００５７】以上のように、圧電素子に異なる分極処理
を行うことにより、電極に対する配線を単純化すること
ができるようになる。なお、図１５に示す実施例のセン
サについては図２６(a) に示すような分極処理を行い、
図１７に示す実施例のセンサについては図２６(b) に示
すような分極処理を行い、図１９に示す実施例のセンサ
については図２６(c) に示すような分極処理を行えば、
同様に配線を単純化することができる。
【００５８】§６． 加速度センサ・磁気センサへの応
用 以上、本発明に係るセンサを力センサとして説明してき
たが、このセンサは加速度センサあるいは磁気センサと
しても応用することができる。たとえば、図７および図
８に示すセンサの固定部５３を、図２７に示すように、
センサ筐体９０に固着し、作用部５１の周囲に円環状の
重錘体８１を取り付ければ、加速度の検出が可能にな
る。たとえば、センサ筐体９０を自動車などに取り付け
れば、この自動車が受ける加速度に応じて重錘体８１に
力が作用し、この力が作用部５１を介して可撓部５２へ
と伝達されることになる。かくして、３軸方向の力Ｆ
ｘ，Ｆｙ，Ｆｚの代わりに、３軸方向の加速度αｘ，α
ｙ，αｚの検出が可能になる。
【００５９】また、重錘体８１を磁性材料（鉄、コバル
ト、ニッケルなど）で構成しておけば、このセンサを磁
気センサとして利用することが可能になる。すなわち、
このセンサを磁場の中に置くことにより、磁性材料から
なる重錘体８１が磁力の作用を受け、作用部５１に力が
作用することになる。したがって、作用部５１が受けた
磁気力として、磁気の検出が可能になる。
【００６０】なお、上述の実施例では、いずれも起歪体
５０の周囲に位置する固定部５３をセンサ筐体に固着
し、中央に位置する作用部５１に外力を作用させていた
が、これと全く逆に、中央部分をセンサ筐体に固着し、
周囲部分に外力を作用させてもかまわない。図２８は、
このような発想に基づく加速度センサの一例である。図
２７のセンサにおける作用部５１に対応する部分は固定
部５３ａとしてセンサ筐体９０に固着され、固定部５３
に対応する部分は作用部５１ａとして自由に変位するよ
うな構造を採る。しかも、作用部５１ａには、円環状の
重錘体８２が取り付けられている。図２７に示すセンサ
における重錘体８１に比べ、図２８に示すセンサにおけ
る重錘体８２は、構造上体積を大きくとりやすいので、
重錘体としてより質量を大きくすることができ、加速度
センサとしての感度を向上させることができる。
【００６１】§７． 自己診断機能の付加 図２９に示す力センサは、図７に示す力センサに、更に
自己診断機能を付加したセンサである。図７に示す力セ
ンサとの相違は、検出子Ｄ１〜Ｄ８の他に、４組の伸縮
子Ｅ１〜Ｅ４を設けた点である。この伸縮子Ｅ１〜Ｅ４
を設けるために、検出子Ｄ１〜Ｄ４は部分的に欠けた形
状となっている。新たに設けられた伸縮子Ｅ１〜Ｅ４
は、構造的には検出子Ｄ１〜Ｄ８と全く同じである。す
なわち、圧電素子２０の一部分を上部電極層と下部電極
層とでサンドイッチにした構造を有する。ただ、検出子
Ｄ１〜Ｄ８が、圧電素子２０の部分的な伸縮を両電極に
発生する電荷として検出するために用いられるのに対
し、伸縮子Ｅ１〜Ｅ４は、両電極に所定の電圧を印加す
ることにより圧電素子２０に部分的な伸縮を起こさせる
ために用いられる。このように検出子と伸縮子とは用途
に違いがあるだけで、構造は両者まったく同じである。
【００６２】たとえば、伸縮子Ｅ１の上部電極が
「＋」、下部電極が「−」となるように電圧を印加すれ
ば、図４(a) に示すように、圧電素子２０のこの部分は
横方向に伸びることになる。このとき同時に、伸縮子Ｅ
２の上部電極が「−」、下部電極が「＋」となるように
電圧を印加すれば、図４(b) に示すように、圧電素子２
０のこの部分は横方向に縮むことになる。このような伸
縮が生じると、起歪体５０は、ちょうど図５に示す変位
状態と同様の撓みを生じることになる。これは、外力Ｆ
ｘが作用した状態と等価である。すなわち、実際には外
力Ｆｘが作用していないにもかかわらず、所定の伸縮子
に所定の電圧を印加することにより、外力Ｆｘが作用し
たのと等価な変位を誘発させたことになる。そこで、こ
の状態において、検出子Ｄ１，Ｄ２による検出出力を調
べ、外力Ｆｘが作用したときと等価な出力が得られてい
るか否かを調べれば、Ｘ軸方向の力Ｆｘの検出系につい
ての自己診断を行うことができる。
【００６３】同様に、伸縮子Ｅ３，Ｅ４に所定の電圧を
印加することにより、外力Ｆｙが作用したのと等価な変
位を誘発させることができる。そこで、この状態におい
て、検出子Ｄ３，Ｄ４による検出出力を調べ、外力Ｆｙ
が作用したときと等価な出力が得られているか否かを調
べれば、Ｙ軸方向の力Ｆｙの検出系についての自己診断
を行うことができる。
【００６４】また、伸縮子Ｅ１〜Ｅ４に所定の電圧を印
加することにより、外力Ｆｚが作用したのと等価な変位
を誘発させることもできる。すなわち、伸縮子Ｅ１，Ｅ
２，Ｅ３，Ｅ４の上部電極が、それぞれ「＋」，
「＋」，「−」，「−」となり、下部電極がこれと逆極
性となるように電圧を印加すれば、ちょうど図６に示す
変位状態と同様の撓みが生じ、外力Ｆｚが作用したのと
等価な変位状態になる。そこで、この状態において、検
出子Ｄ５〜Ｄ８による検出出力を調べ、外力Ｆｚが作用
したときと等価な出力が得られているか否かを調べれ
ば、Ｚ軸方向の力Ｆｚの検出系についての自己診断を行
うことができる。
【００６５】§８． 角速度センサへの応用 上述した本発明に係るセンサは、力、加速度、磁気を検
出することができるが、その他にも角速度センサへ応用
することも可能である。ここでは、複数の軸まわりの角
速度を検出することができる多軸角速度センサへ応用す
る方法について述べておく。はじめに、多軸角速度セン
サの基本となる一軸の角速度センサによる角速度の検出
原理を簡単に説明しておく。図３０は、雑誌「発明（TH
E INVENTION)」、vol.90，No.3（１９９３年）の６０頁
に開示されている角速度センサの基本原理を示す図であ
る。いま、角柱状の振動子１１０を用意し、図示するよ
うな方向にＸ，Ｙ，Ｚ軸を定義したＸＹＺ三次元座標系
を考える。このような系において、振動子１１０がＺ軸
を回転軸として角速度ωで回転運動を行っている場合、
次のような現象が生じることが知られている。すなわ
ち、この振動子１１０をＸ軸方向に往復運動させるよう
な振動Ｕを与えると、Ｙ軸方向にコリオリ力Ｆが発生す
る。別言すれば、振動子１１０を図のＸ軸に沿って振動
させた状態で、この振動子１１０をＺ軸を中心軸として
回転させると、Ｙ軸方向にコリオリ力Ｆが生じることに
なる。この現象は、フーコーの振り子として古くから知
られている力学現象であり、発生するコリオリ力Ｆは、 Ｆ＝２ｍ・ｖ・ω で表される。ここで、ｍは振動子１１０の質量、ｖは振
動子１１０の振動についての瞬時の速度、ωは振動子１
１０の瞬時の角速度である。
【００６６】前述の雑誌に開示された一軸の角速度セン
サは、この現象を利用して角速度ωを検出するものであ
る。すなわち、図３０に示すように、角柱状の振動子１
１０の第１の面には第１の圧電素子１１１が、この第１
の面と直交する第２の面には第２の圧電素子１１２が、
それぞれ取り付けられる。圧電素子１１１，１１２とし
ては、ピエゾエレクトリックセラミックからなる板状の
素子が用いられている。そして、振動子１１０に対して
振動Ｕを与えるために圧電素子１１１が利用され、発生
したコリオリ力Ｆを検出するために圧電素子１１２が利
用される。すなわち、圧電素子１１１に交流電圧を与え
ると、この圧電素子１１１は伸縮運動を繰り返しＸ軸方
向に振動する。この振動Ｕが振動子１１０に伝達され、
振動子１１０がＸ軸方向に振動することになる。このよ
うに、振動子１１０に振動Ｕを与えた状態で、振動子１
１０自身がＺ軸を中心軸として角速度ωで回転すると、
上述した現象により、Ｙ軸方向にコリオリ力Ｆが発生す
る。このコリオリ力Ｆは、圧電素子１１２の厚み方向に
作用するため、圧電素子１１２の両面にはコリオリ力Ｆ
に比例した電圧Ｖが発生する。そこで、この電圧Ｖを測
定することにより、角速度ωを検出することが可能にな
る。
【００６７】上述した従来の角速度センサは、Ｚ軸まわ
りの角速度を検出するためのものであり、Ｘ軸あるいは
Ｙ軸まわりの角速度の検出を行うことはできない。とこ
ろが、本発明に係る三次元センサを応用すれば、図３１
に示すように、所定の物体１２０について、ＸＹＺ三次
元座標系におけるＸ軸まわりの角速度ωｘ、Ｙ軸まわり
の角速度ωｙ、Ｚ軸まわりの角速度ωｚ、のそれぞれを
別個独立して検出することのできる多軸角速度センサが
実現できる。その基本原理を、図３２〜図３４を参照し
て説明する。いま、ＸＹＺ三次元座標系の原点位置に振
動子１３０が置かれているものとする。この振動子１３
０のＸ軸まわりの角速度ωｘを検出するには、図３２に
示すように、この振動子１３０にＺ軸方向の振動Ｕｚを
与えたときに、Ｙ軸方向に発生するコリオリ力Ｆｙを測
定すればよい。コリオリ力Ｆｙは角速度ωｘに比例した
値となる。また、この振動子１３０のＹ軸まわりの角速
度ωｙを検出するには、図３３に示すように、この振動
子１３０にＸ軸方向の振動Ｕｘを与えたときに、Ｚ軸方
向に発生するコリオリ力Ｆｚを測定すればよい。コリオ
リ力Ｆｚは角速度ωｙに比例した値となる。更に、この
振動子１３０のＺ軸まわりの角速度ωｚを検出するに
は、図３４に示すように、この振動子１３０にＹ軸方向
の振動Ｕｙを与えたときに、Ｘ軸方向に発生するコリオ
リ力Ｆｘを測定すればよい。コリオリ力Ｆｘは角速度ω
ｚに比例した値となる。
【００６８】結局、ＸＹＺ三次元座標系における各軸ご
との角速度を検出するには、振動子１３０をＸ軸方向に
振動させる機構、Ｙ軸方向に振動させる機構、Ｚ軸方向
に振動させる機構、のそれぞれと、振動子１３０に作用
するＸ軸方向のコリオリ力Ｆｘを検出する機構、Ｙ軸方
向のコリオリ力Ｆｙを検出する機構、Ｚ軸方向のコリオ
リ力Ｆｚを検出する機構、のそれぞれとが必要になる。
【００６９】そこで、図２９に示した自己診断機能を備
えたセンサを考える。このセンサは前述したように、伸
縮子Ｅ１〜Ｅ４に所定の電圧を印加することにより、作
用部５１にＸ軸方向の力Ｆｘが作用したのと等価な変位
状態、Ｙ軸方向の力Ｆｙが作用したのと等価な変位状
態、Ｚ軸方向の力Ｆｚが作用したのと等価な変位状態、
を疑似的に作り出すことができる。もちろん、印加電圧
の極性を反転させれば、作用部５１に−Ｘ軸方向の力−
Ｆｘが作用したのと等価な変位状態、−Ｙ軸方向の力−
Ｆｙが作用したのと等価な変位状態、−Ｚ軸方向の力−
Ｆｚが作用したのと等価な変位状態、も疑似的に作り出
すことができる。この機能を利用すれば、作用部５１を
Ｘ，Ｙ，Ｚのいずれの方向にも振動させることができ
る。たとえば、Ｘ軸方向の力Ｆｘが作用したのと等価な
変位状態と、−Ｘ軸方向の力−Ｆｘが作用したのと等価
な変位状態と、を交互に作り出せば、作用部５１はＸ軸
方向に振動することになる。具体的には、伸縮子Ｅ１と
Ｅ２とに逆位相の交流電圧を印加すればよい。伸縮子Ｅ
１の上部電極側に「＋」、下部電極側に「−」が加わ
り、伸縮子Ｅ２の上部電極側に「−」、下部電極側に
「＋」が加われば、作用部５１にはＸ軸の正方向への変
位が生じる（図９において、検出子Ｄ１を伸縮子Ｅ１と
読み替え、検出子Ｄ２を伸縮子Ｅ２と読み替えれば、こ
の変位状態を示すことになる）。印加電圧が交流である
から、次の半周期では、上述した各電極に加える電圧の
極性は反転し、作用部５１にはＸ軸の負方向への変位が
生じる。こうして、作用部５１はＸ軸の正負の方向に往
復運動して振動を生じるのである。同様に、所定の伸縮
子に所定の交流電圧を印加すれば、作用部５１をＹ軸方
向に振動させることもできるし、Ｚ軸方向に振動させる
こともできる。
【００７０】一方、この図２９に示した自己診断機能を
備えたセンサは、検出子Ｄ１〜Ｄ６を用いて、作用部５
１に作用した力Ｆｘ，Ｆｙ，Ｆｚをそれぞれ別個独立に
検出することができる。結局、このセンサは、作用部５
１をＸ，Ｙ，Ｚ軸の任意の軸方向に振動させる機能を有
するとともに、作用部５１に作用したＸ，Ｙ，Ｚ軸方向
の力を別個独立して検出する機能を有する。このような
機能を組み合わせて用いれば、このセンサを角速度セン
サとして利用することができる。これは、図３２〜図３
４に示した検出原理を用いればよい。たとえば、Ｘ軸ま
わりの角速度ωｘを検出するには、図３２に示すよう
に、作用部５１（振動子１３０に相当）にＺ軸方向の振
動Ｕｚを与え、Ｙ軸方向に発生するコリオリ力Ｆｙを測
定すればよい。コリオリ力Ｆｙは角速度ωｘに比例した
値となる。また、Ｙ軸まわりの角速度ωｙを検出するに
は、図３３に示すように、作用部５１にＸ軸方向の振動
Ｕｘを与え、Ｚ軸方向に発生するコリオリ力Ｆｚを測定
すればよい。コリオリ力Ｆｚは角速度ωｙに比例した値
となる。更に、Ｚ軸まわりの角速度ωｚを検出するに
は、図３４に示すように、作用部５１にＹ軸方向の振動
Ｕｙを与え、Ｘ軸方向に発生するコリオリ力Ｆｘを測定
すればよい。コリオリ力Ｆｘは角速度ωｚに比例した値
となる。なお、振動の周期は振幅が大きくとれる共振周
波数にするのがよい。また、上述の実施例は、３軸方向
の振動を発生させて３軸まわりの角速度を検出したが、
必ずしも３軸方向の振動は必要ではない。たとえば、 Ｚ軸方向の振動Ｕｚを発生させた状態で、Ｙ軸方向の
コリオリ力Ｆｙを測定し、Ｘ軸まわりの角速度ωｘを検
出し、 Ｚ軸方向の振動Ｕｚを発生させた状態で、Ｘ軸方向の
コリオリ力Ｆｘを測定し、Ｙ軸まわりの角速度ωｙを検
出し、 Ｙ軸方向の振動Ｕｙを発生させた状態で、Ｘ軸方向の
コリオリ力Ｆｘを測定し、Ｚ軸まわりの角速度ωｚを検
出する、という方法をとれば、振動はＺ軸方向とＹ軸方
向との２軸方向だけで、３軸まわりの角速度すべてを検
出することが可能である。この他にも種々の組合わせが
考えられる。このように本発明に係るセンサを用いれ
ば、単一のセンサによって３軸まわりの角速度すべてを
検出することが可能である。
【００７１】
【発明の効果】以上のとおり本願発明に係るセンサで
は、１つの軸方向に作用した力を、２組の検出子で検出
できるため、全体的な構造は非常に単純になる。また、
ＸＹ平面上に、原点を周囲から囲むような内側環状領域
と、この内側環状領域を更に周囲から囲むような外側環
状領域と、を定義し、これら環状領域に沿って各検出子
を配置するようにしたため、検出子の効率良い配置が可
能になり、小型ながら感度の高いセンサが実現できる。
更に、各検出子を構成する圧電素子ごとに、それぞれ分
極特性を変えるような分極処理を行うことにより、各電
極に発生する電荷の極性を都合良く設定することができ
るようになり、各電極に対する配線構造が単純化され
る。また、各検出子について共通した１枚の共通圧電素
子を用いたり、共通の電極層を用いたりすることにより
構造は単純化され、更に、導電性材料の基板を用いれ
ば、この基板自身を共通の電極層として利用することが
できるようになるため、電極層の数を減らすことができ
る。また、検出子と同じ構造をもった伸縮子を配置して
おけば、この伸縮子に所定の電圧を印加して外力が作用
したのと等価の状態を疑似的に作り出すことができるた
め、センサの自己診断が可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】特開平５−２６７４４号公報に開示されている
センサの上面図である。
【図２】図１のセンサの側断面図である（各電極層につ
いては、断面切り口部分のみを描いてある）。
【図３】図１のセンサにおける１６組の検出子Ｄ１〜Ｄ
１６の配置を示す上面図である。
【図４】図１のセンサにおける圧電素子２０の分極特性
（タイプ）を示す図である。
【図５】図１のセンサの作用体３０の重心Ｇに対してＸ
軸方向の力Ｆｘが作用した状態を示す側断面図である
（各電極層については、断面切り口部分のみを描いてあ
る）。
【図６】図１のセンサの作用体３０の重心Ｇに対してＺ
軸方向の力Ｆｚが作用した状態を示す側断面図である
（各電極層については、断面切り口部分のみを描いてあ
る）。
【図７】本発明の一実施例に係る三次元力センサの上面
図である。
【図８】図７のセンサの側断面図である（各電極層につ
いては、断面切り口部分のみを描いてある）。
【図９】図７のセンサの作用点Ｐに対してＸ軸方向の力
Ｆｘが作用した状態を示す側断面図である（各電極層に
ついては、断面切り口部分のみを描いてある）。
【図１０】図７のセンサの作用点Ｐに対してＺ軸方向の
力Ｆｚが作用した状態を示す側断面図である（各電極層
については、断面切り口部分のみを描いてある）。
【図１１】図７のセンサに各軸方向の力Ｆｘ，Ｆｙ，Ｆ
ｚが作用したときの各検出子Ｄ１〜Ｄ８の上部電極側に
発生する電荷の極性を示すグラフである。
【図１２】図７のセンサに用いる検出回路の一例を示す
回路図である。
【図１３】図１２の回路図におけるＱ／Ｖ変換回路の一
例を示す回路図である。
【図１４】図１２の回路図におけるＱ／Ｖ変換回路のま
た別な回路構成例を示す回路図である。
【図１５】本発明の別な一実施例に係る三次元力センサ
の上面図である。
【図１６】図１５のセンサについてＺ軸方向の力Ｆｚを
検出するための検出回路を示す回路図である。
【図１７】本発明の更に別な一実施例に係る三次元力セ
ンサの上面図である。
【図１８】図１７のセンサについてＺ軸方向の力Ｆｚを
検出するための検出回路を示す回路図である。
【図１９】本発明の一実施例に係る二次元力センサの上
面図である。
【図２０】本発明において利用する圧電素子２２の分極
特性（タイプ）を示す図である。
【図２１】部分的に異なる分極特性をもった圧電素子２
５を利用した本発明の一実施例に係る力センサの上面図
である。
【図２２】図２１のセンサに各軸方向の力Ｆｘ，Ｆｙ，
Ｆｚが作用したときの各検出子Ｄ１〜Ｄ８の上部電極側
に発生する電荷の極性を示すグラフである。
【図２３】図２１のセンサに用いる検出回路の一例を示
す回路図である。
【図２４】図２１のセンサにおける下部電極層を１枚の
共通電極層にした実施例を示す側断面図である（各電極
層については、断面切り口部分のみを描いてある）。
【図２５】図２１のセンサにおける下部電極層を導電性
の起歪体５５自身で構成した実施例を示す側断面図であ
る（各電極層については、断面切り口部分のみを描いて
ある）。
【図２６】図１５、図１７、図１９に示す力センサの圧
電素子に、異なる分極特性を施す場合の分極特性のタイ
プを示す図である。
【図２７】本発明に係る加速度センサの一実施例を示す
側断面図である（各電極層については、断面切り口部分
のみを描いてある）。
【図２８】本発明に係る加速度センサの別な一実施例を
示す側断面図である（各電極層については、断面切り口
部分のみを描いてある）。
【図２９】本発明に係る自己診断機能をもったセンサを
示す上面図である。
【図３０】従来提案されているコリオリ力を利用した一
次元角速度センサの基本原理を示す斜視図である。
【図３１】角速度センサにおける検出対象となるＸＹＺ
三次元座標系における各軸まわりの角速度を示す図であ
る。
【図３２】本発明に係るセンサを用いてＸ軸まわりの角
速度ωｘを検出する基本原理を説明する図である。
【図３３】本発明に係るセンサを用いてＹ軸まわりの角
速度ωｙを検出する基本原理を説明する図である。
【図３４】本発明に係るセンサを用いてＺ軸まわりの角
速度ωｚを検出する基本原理を説明する図である。
【符号の説明】
１０…可撓基板 ２０…圧電素子（タイプ） ２２…圧電素子（タイプ） ２５…圧電素子（タイプ，が分布） ３０…作用体 ４０…センサ筐体 ５０…起歪体 ５１…作用部 ５１ａ…作用部 ５２…可撓部 ５３…固定部 ５３ａ…固定部 ５５…導電性の起歪体 ６０〜６８…Ｑ／Ｖ変換回路 ７１〜７５…演算器 ８１，８２…重錘体 ９０…センサ筐体 １１０…振動子 １１１，１１２…圧電素子 １２０…物体 １３０…振動子 Ａ１〜Ａ８…上部電極層 Ｂ１〜Ｂ８…下部電極層 Ｂ０…共通電極層 Ｄ１〜Ｄ１６…検出子 Ｅ１〜Ｅ４…伸縮子 Ｇ…重心 Ｌ１〜Ｌ１６…上部電極層 Ｍ１〜Ｍ１６…下部電極層 Ｏ…原点 Ｐ…作用点 Ｔｘ，Ｔｙ，Ｔｚ，Ｔｘｘ，Ｔｙｙ，Ｔｚｚ…出力端子
フロントページの続き (56)参考文献 特開 平５−172840（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−26744（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−289460（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−180864（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−213068（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−188081（ＪＰ，Ａ) 実開 昭60−56275（ＪＰ，Ｕ) 実開 平４−63069（ＪＰ，Ｕ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) G01L 5/16 G01P 15/09

Claims (17)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 ＸＹＺ三次元座標系におけるＸ軸方向に
    関する力を検出する一次元力センサであって、 それぞれが、板状の圧電素子と、この圧電素子の上面に
    形成された上部電極と、この圧電素子の下面に形成され
    た下部電極と、を有する２組の検出子と、 外部から作用する物理量に基づいて力を発生させる作用
    体と、 ＸＹ平面に沿って前記２組の検出子が配置されるよう
    に、かつ、第１の検出子がＸ軸上の負の領域に、第２の
    検出子がＸ軸上の正の領域に、それぞれ配置されるよう
    に、前記２組の検出子をそれぞれ下部電極側から支持す
    る支持機能と、前記作用体に発生したＸ軸方向に関する
    力を、前記第１の検出子および前記第２の検出子に伝達
    して互いに伸縮が逆の関係となるような機械的変形を生
    じさせる力伝達機能と、の２つの機能を有する支持伝達
    手段と、前記第１の検出子の上部電極と前記第２の検出子の上部
    電極とを接続する第１の配線と、 前記第１の検出子の下部電極と前記第２の検出子の下部
    電極とを接続する第２の配線と、 を備え、 前記第１の検出子の圧電素子と前記第２の検出子の圧電
    素子とは、同一の力が作用した場合に上面および下面に
    発生する電荷の極性が互いに逆になる反転した分極特性
    を有し、前記作用体に発生したＸ軸方向に関する力を、
    前記第１の配線に発生した第１の極性の電荷と前記第２
    の配線に発生した第２の極性の電荷とに基づいて検出す
    るようにしたことを特徴とする圧電素子を用いた力セン
    サ。
  2. 【請求項２】 ＸＹＺ三次元座標系におけるＸ軸方向に
    関する力およびＹ軸方向に関する力をそれぞれ検出する
    二次元力センサであって、 それぞれが、板状の圧電素子と、この圧電素子の上面に
    形成された上部電極と、この圧電素子の下面に形成され
    た下部電極と、を有する４組の検出子と、 外部から作用する物理量に基づいて力を発生させる作用
    体と、 ＸＹ平面に沿って前記４組の検出子が配置されるよう
    に、かつ、第１の検出子がＸ軸上の負の領域に、第２の
    検出子がＸ軸上の正の領域に、第３の検出子がＹ軸上の
    負の領域に、第４の検出子がＹ軸上の正の領域に、それ
    ぞれ配置されるように、前記４組の検出子をそれぞれ下
    部電極側から支持する支持機能と、前記作用体に発生し
    たＸ軸方向に関する力を、前記第１の検出子および前記
    第２の検出子に伝達して互いに伸縮が逆の関係となるよ
    うな機械的変形を生じさせ、前記作用体に発生したＹ軸
    方向に関する力を、前記第３の検出子および前記第４の
    検出子に伝達して互いに伸縮が逆の関係となるような機
    械的変形を生じさせる力伝達機能と、の２つの機能を有
    する支持伝達手段と、前記第１の検出子の上部電極と前記第２の検出子の上部
    電極とを接続する第１の配線と、 前記第１の検出子の下部電極と前記第２の検出子の下部
    電極とを接続する第２の配線と、 前記第３の検出子の上部電極と前記第４の検出子の上部
    電極とを接続する第３の配線と、 前記第３の検出子の下部電極と前記第４の検出子の下部
    電極とを接続する第４の配線と、 を備え、 前記第１の検出子の圧電素子と前記第２の検出子の圧電
    素子とは、同一の力が作用した場合に上面および下面に
    発生する電荷の極性が互いに逆になる反転した分極特性
    を有し、前記作用体に発生したＸ軸方向に関する力を、
    前記第１の配線に発生した第１の極性の電荷と前記第２
    の配線に発生した第２の極性の電荷とに基づいて検出す
    るようにし、 前記第３の検出子の圧電素子と前記第４の検出子の圧電
    素子とは、同一の力が作用した場合に上面および下面に
    発生する電荷の極性が互いに逆になる反転した分極特性
    を有し、前記作用体に発生したＹ軸方向に関する力を、
    前記第３の配線に発生した第３の極性の電荷と前記第４
    の配線に発生した第４の極性の電荷とに基づいて検出す
    るようにしたことを特徴とする圧電素子を用いた力セン
    サ。
  3. 【請求項３】 請求項２に記載の力センサにおいて、 ＸＹ平面上に、原点を周囲から囲むような内側環状領域
    と、この内側環状領域を更に周囲から囲むような外側環
    状領域と、を定義し、 第１の検出子を、前記外側環状領域内の、ＸＹ座標系の
    第２象限および第３象限に渡る領域に配置し、 第２の検出子を、前記外側環状領域内の、ＸＹ座標系の
    第１象限および第４象限に渡る領域に配置し、 第３の検出子を、前記内側環状領域内の、ＸＹ座標系の
    第３象限および第４象限に渡る領域に配置し、 第４の検出子を、前記内側環状領域内の、ＸＹ座標系の
    第１象限および第２象限に渡る領域に配置したことを特
    徴とする圧電素子を用いた力センサ。
  4. 【請求項４】 ＸＹＺ三次元座標系におけるＸ軸方向に
    関する力、Ｙ軸方向に関する力、Ｚ軸方向に関する力を
    それぞれ検出する三次元力センサであって、 それぞれが、板状の圧電素子と、この圧電素子の上面に
    形成された上部電極と、この圧電素子の下面に形成され
    た下部電極と、を有する６組の検出子と、 外部から作用する物理量に基づいて力を発生させる作用
    体と、 前記座標系の原点を通りＸＹ平面に沿って伸びる第４の
    軸を定義し、ＸＹ平面に沿って前記６組の検出子が配置
    されるように、かつ、第１の検出子がＸ軸上の負の領域
    に、第２の検出子がＸ軸上の正の領域に、第３の検出子
    がＹ軸上の負の領域に、第４の検出子がＹ軸上の正の領
    域に、第５の検出子が前記第４の軸上の負の領域に、第
    ６の検出子が前記第４の軸上の正の領域に、それぞれ配
    置されるように、前記６組の検出子をそれぞれ下部電極
    側から支持する支持機能と、前記作用体に発生したＸ軸
    方向に関する力を、前記第１の検出子および前記第２の
    検出子に伝達して互いに伸縮が逆の関係となるような機
    械的変形を生じさせ、前記作用体に発生したＹ軸方向に
    関する力を、前記第３の検出子および前記第４の検出子
    に伝達して互いに伸縮が逆の関係となるような機械的変
    形を生じさせ、前記作用体に発生したＺ軸方向に関する
    力を、前記第５の検出子および前記第６の検出子に伝達
    して互いに伸縮が同じ関係となるような機械的変形を生
    じさせる力伝達機能と、の２つの機能を有する支持伝達
    手段と、前記第１の検出子の上部電極と前記第２の検出子の上部
    電極とを接続する第１の配線と、 前記第１の検出子の下部電極と前記第２の検出子の下部
    電極とを接続する第２ の配線と、 前記第３の検出子の上部電極と前記第４の検出子の上部
    電極とを接続する第３の配線と、 前記第３の検出子の下部電極と前記第４の検出子の下部
    電極とを接続する第４の配線と、 前記第５の検出子の上部電極と前記第６の検出子の上部
    電極とを接続する第５の配線と、 前記第５の検出子の下部電極と前記第６の検出子の下部
    電極とを接続する第６の配線と、 を備え、 前記第１の検出子の圧電素子と前記第２の検出子の圧電
    素子とは、同一の力が作用した場合に上面および下面に
    発生する電荷の極性が互いに逆になる反転した分極特性
    を有し、前記作用体に発生したＸ軸方向に関する力を、
    前記第１の配線に発生した第１の極性の電荷と前記第２
    の配線に発生した第２の極性の電荷とに基づいて検出す
    るようにし、 前記第３の検出子の圧電素子と前記第４の検出子の圧電
    素子とは、同一の力が作用した場合に上面および下面に
    発生する電荷の極性が互いに逆になる反転した分極特性
    を有し、前記作用体に発生したＹ軸方向に関する力を、
    前記第３の配線に発生した第３の極性の電荷と前記第４
    の配線に発生した第４の極性の電荷とに基づいて検出す
    るようにし、 前記第５の検出子の圧電素子と前記第６の検出子の圧電
    素子とは、同一の力が作用した場合に上面および下面に
    発生する電荷の極性が互いに同じになる同一の分極特性
    を有し、前記作用体に発生したＺ軸方向に関する力を、
    前記第５の配線に発生した第５の極性の電荷と前記第６
    の配線に発生した第６の極性の電荷とに基づいて検出す
    るようにしたことを特徴とする圧電素子を用いた力セン
    サ。
  5. 【請求項５】 請求項４に記載の力センサにおいて、Ｘ
    軸を第４の軸としても用いるようにしたことを特徴とす
    る圧電素子を用いた力センサ。
  6. 【請求項６】 請求項５に記載の力センサにおいて、 ＸＹ平面上に、原点を周囲から囲むような内側環状領域
    と、この内側環状領域を更に周囲から囲むような外側環
    状領域と、を定義し、 第１の検出子を、前記外側環状領域内の、ＸＹ座標系の
    第２象限および第３象限に渡る領域に配置し、 第２の検出子を、前記外側環状領域内の、ＸＹ座標系の
    第１象限および第４象限に渡る領域に配置し、 第３の検出子を、前記内側環状領域内の、ＸＹ座標系の
    第３象限および第４象限に渡る領域に配置し、 第４の検出子を、前記内側環状領域内の、ＸＹ座標系の
    第１象限および第２象限に渡る領域に配置し、 第５の検出子を、前記内側環状領域内のＸ軸上の負の領
    域に、前記第３の検出子と前記第４の検出子との間に位
    置するように配置し、 第６の検出子を、前記内側環状領域内のＸ軸上の正の領
    域に、前記第３の検出子と前記第４の検出子との間に位
    置するように配置したことを特徴とする圧電素子を用い
    た力センサ。
  7. 【請求項７】 請求項５に記載の力センサにおいて、 ＸＹ平面上に、原点を周囲から囲むような内側環状領域
    と、この内側環状領域を更に周囲から囲むような外側環
    状領域と、を定義し、 第１の検出子を、前記外側環状領域内の、ＸＹ座標系の
    第１象限および第２象限に渡る領域に配置し、 第２の検出子を、前記外側環状領域内の、ＸＹ座標系の
    第３象限および第４象限に渡る領域に配置し、 第３の検出子を、前記内側環状領域内の、ＸＹ座標系の
    第２象限および第３象限に渡る領域に配置し、 第４の検出子を、前記内側環状領域内の、ＸＹ座標系の
    第１象限および第４象限に渡る領域に配置し、 第５の検出子を、前記外側環状領域内のＸ軸上の負の領
    域に、前記第１の検出子と前記第２の検出子との間に位
    置するように配置し、 第６の検出子を、前記外側環状領域内のＸ軸上の正の領
    域に、前記第１の検出子と前記第２の検出子との間に位
    置するように配置したことを特徴とする圧電素子を用い
    た力センサ。
  8. 【請求項８】 請求項６に記載の力センサにおいて、 更に、第７の検出子および第８の検出子を付加的に設
    け、 第７の検出子を、外側環状領域内のＹ軸上の負の領域
    に、第１の検出子と第２の検出子との間に位置するよう
    に配置し、 第８の検出子を、外側環状領域内のＹ軸上の正の領域
    に、第１の検出子と第２の検出子との間に位置するよう
    に配置し、 作用体に発生したＺ軸方向に関する力を、第５〜第８の
    検出子において発生した電荷に基づいて検出するように
    したことを特徴とする圧電素子を用いた力センサ。
  9. 【請求項９】 請求項１〜８のいずれかに記載の力セン
    サにおいて、 各検出子を構成する圧電素子を、物理的に１枚の共通圧
    電素子で構成し、この共通圧電素子の一部分をそれぞれ
    の検出子を構成する個々の圧電素子として利用すること
    を特徴とする圧電素子を用いた力センサ。
  10. 【請求項１０】 請求項１〜９のいずれかに記載の力セ
    ンサにおいて、 複数の下部電極または複数の上部電極のいずれか一方
    が、単一の電極層によって構成されていることを特徴と
    する圧電素子を用いた力センサ。
  11. 【請求項１１】 請求項１〜１０のいずれかに記載の力
    センサにおいて、 主面がＸＹ平面と平行となる可撓性をもった基板により
    支持伝達手段を構成したことを特徴とする圧電素子を用
    いた力センサ。
  12. 【請求項１２】 請求項１１に記載の力センサにおい
    て、 可撓性をもった基板を導電性材料によって構成し、この
    基板自身を単一の電極層として用いるようにし、複数の
    下部電極または複数の上部電極のいずれか一方を前記単
    一の電極層によって構成することを特徴とする圧電素子
    を用いた力センサ。
  13. 【請求項１３】 請求項１１または１２に記載の力セン
    サにおいて、 基板外側の周囲部分をセンサ筐体に固定し、作用体に発
    生した力が前記基板の原点近傍に伝達されるようにした
    ことを特徴とする圧電素子を用いた力センサ。
  14. 【請求項１４】 請求項１１または１２に記載の力セン
    サにおいて、 基板の原転近傍をセンサ筐体に固定し、作用体に発生し
    た力が前記基板の周囲部分に伝達されるようにしたこと
    を特徴とする圧電素子を用いた力センサ。
  15. 【請求項１５】 請求項１〜１４のいずれかに記載の力
    センサに加えて、 板状の圧電素子と、この圧電素子の上面に形成された上
    部電極と、この圧電素子の下面に形成された下部電極
    と、によって構成され、前記両電極間に電荷を与えるこ
    とにより電極の層方向に伸縮する伸縮子を４組用意し、 第１の伸縮子をＸ軸上の負の領域に、第２の伸縮子をＸ
    軸上の正の領域に、第３の伸縮子をＹ軸上の負の領域
    に、第４の伸縮子をＹ軸上の正の領域に、それぞれ配置
    し、各伸縮子の一方の電極を基板に固定し、 前記各伸縮子の電極間に所定の電圧を印加することによ
    り、作用体に所定方向の力が作用したのと等価な変位を
    基板に誘発させ、センサの試験を行うことができるよう
    にしたことを特徴とする圧電素子を用いた力センサ。
  16. 【請求項１６】 請求項１〜１５のいずれかに記載のセ
    ンサにおいて、外部から与えられる加速度に基づいて作
    用体に力を発生させることにより、加速度を検出しうる
    ようにしたことを特徴とする圧電素子を用いた加速度セ
    ンサ。
  17. 【請求項１７】 請求項１〜１５のいずれかに記載のセ
    ンサにおいて、外部から与えられる磁気に基づいて作用
    体に力を発生させることにより、磁気を検出しうるよう
    にしたことを特徴とする圧電素子を用いた磁気センサ。
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