JP3114480B2 - 加速度センサ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は加速度センサに係り、詳
しくは、これを構成する際に用いられるバイモルフ型検
出素子の構造に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来から、加速度センサのうちには圧電
性素子を組み込んで構成されたものがあり、この種の圧
電性素子としては、図３で示すような両持ち梁構造とい
われるバイモルフ型検出素子（以下、検出素子という）
１０を利用するのが一般的となっている。すなわち、こ
の検出素子１０は、共に短冊形状とされたうえで主表面
上に信号電極１１，１２及び中間電極１３がそれぞれ形
成された一対の圧電セラミック板１４，１５を備え、か
つ、中間電極１３同士の対面接合によって両圧電セラミ
ック板１４，１５が一体化されたものであり、圧電セラ
ミック板１４，１５のそれぞれは各々の板厚方向に沿い
つつ他方側とは互いに逆となる向き（図では、矢印Ｘ，
Ｙで示す）に従って分極処理されている。

【０００３】そして、この検出素子１０の長手方向に沿
う両端縁は側面視「コ」字形状となった一対の挟持部品
１６，１７によって固定支持されており、各圧電セラミ
ック板１４，１５の一方側主表面上に形成された信号電
極１１，１２のそれぞれは挟持部品１６，１７及びこれ
らの上下位置に取り付けられたケース部品（図示してい
ない）の異なる端面ごとに形成された外部電極１８，１
９の各々に対して導通接続されている。なお、挟持部品
１６，１７が上記形状とされているのは、これら及びケ
ース部品に対して加速度Ｇが作用した際、この加速度Ｇ
の作用に伴う慣性力によって変形する検出素子１０の撓
み代を確保するためである。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ところで、近年、加速
度センサに対してはより一層の小型化が要望されてお
り、これに組み込まれる検出素子自体の小型化をも図る
必要が高まっている。しかしながら、前記従来構成とさ
れた検出素子１０をただ単に小型化しただけでは、加速
度Ｇの作用時における電荷の発生量が小さくなる結果、
検出感度の大幅な低下を招くという不都合が生じること
になっていた。

【０００５】本発明は、このような不都合に鑑みて創案
されたものであって、小型化及び検出感度の向上を一括
的に実現することができる加速度センサの提供を目的と
している。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明に係る加速度セン
サは、共に短冊形状とされたうえで主表面上に信号電極
及び中間電極がそれぞれ形成された一対の圧電セラミッ
ク板を備え、かつ、これら圧電セラミック板の中間電極
同士を対面接合して一体化したバイモルフ型検出素子の
長手方向に沿う両端縁を固定支持してなる構造の加速度
センサであって、圧電セラミック板のそれぞれは、長手
方向に沿う少なくとも中央部分が各々の板厚方向に沿い
つつ互いに逆となる向きに従って分極処理されたもので
あり、一方の信号電極は一方の圧電セラミック板の中央
部分から端部分の一方側にかけて形成され、また、他方
の信号電極は他方の圧電セラミック板の中央部分から端
部分の他方側にかけて形成されたものであり、さらにま
た、中間電極は各圧電セラミック板の中央部分にのみ形
成されたものであり、そして、前記中央部分は、加速度
の作用に伴って発生した応力で引っ張りと圧縮とに区分
けされる変化の境界線より中央側に設定されていること
を特徴としている。

【０００７】

【実施例】以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明
する。

【０００８】図１は本実施例に係る加速度センサを構成
する際に用いられる検出素子のみを取り出して示す外観
斜視図、図２は加速度の作用時における検出素子の変形
状態を模式的に示す説明図であり、これらの図における
符号１は両持ち梁構造とされた検出素子である。なお、
これらの図１及び図２において従来例を示す図３と互い
に同一となる部品には、同一符号を付している。

【０００９】本実施例に係る検出素子１は共にほぼ同一
の大きさを有する短冊形状として成形された一対の圧電
セラミック板２，３を備えており、これら圧電セラミッ
ク板２，３それぞれの長手方向領域は予め設定された境
界線Ｌ（後述する）を介したうえで３つの部分、すなわ
ち、中央部分２ａ，２ｂ及び端部分３ａ，３ｂに区分さ
れている。そして、長手方向に沿う所定位置ごとに設定
された一対の境界線Ｌによって挟まれた圧電セラミック
板２，３それぞれの中央部分２ａ，３ａは各々の板厚方
向に沿いつつ互いに逆となる向き（図では、矢印Ｘ，Ｙ
で示す）に従って分極処理される一方、各境界線Ｌの外
側に位置する端部分２ｂ，３ｂのそれぞれは分極処理さ
れないままとなっている。なお、この際、従来例と同
様、これらの端部分２ｂ，３ｂを含む圧電セラミック板
２，３の全体が各々の板厚方向に沿いつつ互いに逆とな
る向きＸ，Ｙに従って分極処理されていてもよいことは
勿論であり、本発明においては、各圧電セラミック板
２，３の長手方向に沿う少なくとも中央部分２ａ，３ａ
に対する分極処理が行われていなければならないのであ
る。

【００１０】また、一方の圧電セラミック板２における
主表面のそれぞれ上には信号電極４及び中間電極５が形
成される一方、他方の圧電セラミック板３における主表
面のそれぞれ上には中間電極５及び信号電極６が形成さ
れており、一方の信号電極４は圧電セラミック板２の中
央部分２ａから端部分２ｂの一方側（図では、左側）に
かけて形成されている。そして、このとき、中間電極５
のそれぞれは圧電セラミック板２，３の中央部分２ａ，
３ａにのみ形成されている一方、他方の信号電極６は圧
電セラミック板３の中央部分３ａから端部分３ｂの他方
側（図では、右側）にまでかけわたされた状態で形成さ
れたものとなっている。

【００１１】さらにまた、この検出素子１は、互いの中
間電極５同士を対面接合して両圧電セラミック板２，３
を一体化することによって構成されたものとなってお
り、従来例における検出素子１０と同様、この検出素子
１の長手方向に沿う両端縁は側面視「コ」字形状として
形成された一対の挟持部品１６，１７それぞれの内向き
突出端部によって固定支持されている。なお、検出素子
１を構成する圧電セラミック板２，３における信号電極
４，６のそれぞれは、挟持部品１６，１７及びこれらの
上下位置に取り付けられるケース部品（図示していな
い）の異なる端面ごとに形成された外部電極１８，１９
の各々に対して導通接続されることになる。

【００１２】ところで、本実施例においては、圧電セラ
ミック板２，３それぞれの長手方向領域における中央部
分２ａ，２ｂと端部分３ａ，３ｂとが境界線Ｌを介した
うえで区分されているとしたが、これらの境界線Ｌは圧
電セラミック板２，３に対する分極処理の実施範囲及び
中間電極５の形成範囲を定めるために設定されているの
である。しかしながら、以上説明したような構成を採用
したことにより、これら境界線Ｌは加速度Ｇの作用に伴
って発生した応力が「引っ張り」及び「圧縮」とに区分
けされる変化の境界をも示していることになる。以下、
本実施例構造の検出素子１を組み込んで構成された加速
度センサに対して加速度Ｇが作用した場合における検出
素子１の作用及び動作を図２に基づいて説明する。

【００１３】まず、加速度センサの全体に対して加速度
Ｇが作用すると、検出素子１を固定支持している挟持部
品１６，１７及びケース部品に対しては加速度Ｇが直接
的に作用することになり、これらの挟持部品１６，１７
及びケース部品は共に加速度Ｇの作用方向に沿って移動
しようとする。ところが、この際においても、検出素子
１に対しては加速度Ｇが直接的に作用することはないか
ら、検出素子１は加速度Ｇの作用する以前における状態
をそのまま維持し続けようとし、この検出素子１には加
速度Ｇの作用に伴って発生した慣性力が作用することに
なる。そこで、検出素子１を構成する圧電セラミック板
２，３それぞれの端部分２ｂ，３ｂはこれらを固定支持
する挟持部品１６，１７と共に移動しようとし、また、
各々の中央部分２ａ，３ａは当初位置をそのまま維持し
ようとする結果、この検出素子１は加速度Ｇの作用側に
向かって撓んだ湾曲形状（図では、上向きの凸形状）を
有するように変形することになる。

【００１４】そのため、図２で示すように、撓み方向外
側（図では、上側）に位置する圧電セラミック板２の中
央部分２ａには引っ張り応力Ｐｔが、また、その端部分
２ｂには圧縮応力Ｐｃが現れる一方、撓み方向内側（図
では、下側）に位置する圧電セラミック板３の中央部分
３ａには圧縮応力Ｐｃが、また、その端部分３ｂには引
っ張り応力Ｐｔがそれぞれ現れることになる。すなわ
ち、本実施例に係る検出素子１においては、圧電セラミ
ック板２，３それぞれの長手方向領域に沿って現れる応
力が境界線Ｌを境界として「引っ張り」から「圧縮」へ
と、また、「圧縮」から「引っ張り」へと変化すること
になる。なお、このような応力変化を示す境界線Ｌは、
例えば、数値解析手法の一つである有限要素法を利用し
た実験によって知ることが可能である。

【００１５】そして、このような変形が生じた場合、検
出素子１を構成して撓み方向外側に位置する圧電セラミ
ック板２上には中央部分２ａと端部分２ｂの一方側とを
覆う信号電極４が形成されているのであるから、その中
央部分２ａにおける外側主表面には分極の向きＸと引っ
張り応力Ｐｔとの関係に基づいて正（＋）の電荷が大き
く発生し、また、その端部分２ｂにおける外側主表面に
は分極の向きＸ及び圧縮応力Ｐｃの関係から負（−）の
電荷が発生する。しかしながら、この端部分２ｂには、
圧電セラミック板２を挟む形での電極が形成されておら
ず発生した電荷が出力として取り出されることはないか
ら、上記正の電荷が負の電荷によって打ち消されること
は起こらない。

【００１６】また、同時に、撓み方向内側に位置する圧
電セラミック板３上には中央部分３ａと端部分２ｂの他
方側とを覆う信号電極６が形成されているのであるか
ら、その中央部分３ａにおける外側主表面には分極の向
きＹと圧縮応力Ｐｃとの関係から負の電荷が大きく発生
する一方、その端部分３ｂにおける外側主表面には分極
の向きＹ及び引っ張り応力Ｐｔの関係から正の電荷が発
生する。ところが、この端部分２ｂにおいても、発生し
た電荷が出力としては取り出されないため、上記負の電
荷が正の電荷によって打ち消されることは起こり得な
い。

【００１７】したがって、上記構成とされた検出素子１
によれば、これが従来例である検出素子１０と同様の両
持ち梁構造を有しているにも拘わらず加速度Ｇの作用時
における電荷の発生量が増大する結果、その小型化を行
っても検出感度の低下は起こらないことになる。なお、
加速度Ｇが作用した際における圧電セラミック板２，３
それぞれの内側主表面には各々の外側主表面と異なる正
もしくは負の電荷が発生するが、これらの電荷は中間電
極５を通じて互いに打ち消されてしまうことになる。す
なわち、以上説明した本実施例に係る検出素子１では、
これを構成する圧電セラミック板２，３の中間電極５と
対向していない端部分２ｂ，３ｂの一方側もしくは他方
側のいずれかにおいて電荷が発生しないことになる結
果、その分だけは信号電極４，６を通じて引き出される
電荷の発生量が低減されず、信号が大きく現れるのであ
る。

【００１８】

【発明の効果】以上説明したように、本発明に係る加速
度センサの検出素子によれば、これが両持ち梁構造であ
るにも拘わらず加速度の作用時における電荷の発生量が
増えることになり、その小型化を行っても検出感度の低
下は起こらないことになる。したがって、小型化及び検
出感度の向上を一括的に実現することができるという効
果が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本実施例に係る加速度センサの検出素子を示す
外観斜視図である。

【図２】加速度作用時における検出素子の変形状態を模
式的に示す説明図である。

【図３】従来例に係る検出素子を示す外観斜視図であ
る。

【符号の説明】

１ 検出素子（バイモルフ型検出素子） ２ 圧電セラミック板 ２ａ 中央部分 ２ｂ 端部分 ３ 圧電セラミック板 ３ａ 中央部分 ３ｂ 端部分 ４ 信号電極 ５ 中間電極 ６ 信号電極 Ｌ 境界線 Ｇ 加速度 Ｘ 分極の向き Ｙ 分極の向き

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 共に短冊形状とされたうえで主表面上に
   信号電極（４，６）及び中間電極（５）がそれぞれ形成
   された一対の圧電セラミック板(２，３)を備え、かつ、
   これら圧電セラミック板（２，３）の中間電極（５）同
   士を対面接合して一体化したバイモルフ型検出素子
   （１）の長手方向に沿う両端縁を固定支持してなる構造
   の加速度センサであって、 圧電セラミック板（２，３）のそれぞれは、長手方向に
   沿う少なくとも中央部分（２ａ，３ａ）が各々の板厚方
   向に沿いつつ互いに逆となる向き（Ｘ，Ｙ）に従って分
   極処理されたものであり、 一方の信号電極（４）は一方の圧電セラミック板（２）
   の中央部分（２ａ）から端部分（２ｂ）の一方側にかけ
   て形成され、また、他方の信号電極（６）は他方の圧電
   セラミック板（３）の中央部分（３ａ）から端部分（３
   ｂ）の他方側にかけて形成されたものであり、 さらにまた、中間電極（５）は各圧電セラミック板
   （２，３）の中央部分（２ａ，３ａ）にのみ形成された
   ものであり、 そして、前記中央部分（２ａ，３ａ）は、加速度の作用
   に伴って発生した応力で引っ張りと圧縮とに区分けされ
   る変化の境界線（Ｌ）より中央側に設定されている こと
   を特徴とする加速度センサ。