加速度传感器及使用该加速度传感器的加速度装置

摘要

本发明的加速度传感器抑制检测特性的离散剂,使低频检测特性提高,具有第1压电板(11)、通过直接接合与该第1压电板(11)相互贴合的第2压电板(12)、设于第1压电板(11)的主表面的第1外部电极(13)及设于第2压电板(12)的主表面的第2外部电极(14)。并且,第1压电板(11)与第2压电板(12)以极化轴倒置的状态相互贴合,并具有支承部(15)的厚度比其它部分(自由振动部分)的厚度要厚的大致L字形形状的剖面形状。

说明书

技术领域

本发明涉及双压电晶片结构的加速度传感器及使用该加速度传感器的加速度装置。

背景技术

近年来，加速度传感器及使用它的加速度装置被使用于汽车的姿势控制及地震的检测等，要求有能高精度检测低频加速度的可靠性良好的加速度传感器及使用它的加速度装置。

图22为传统的加速度装置的剖视图。该加速度装置所使用的加速度传感器5的结构为，其一对矩形的压电陶瓷板3、4以极化轴倒置的状态用粘接剂粘接接合，在压电陶瓷板3、4的外侧面分别设有外部电极6、7。加速度传感器5的一端用导电性粘接剂固定在基座1的凸起部2a上，外部电极6与信号取出用电缆10通过导线8相连接。加速度传感器5用盖子9覆盖进行保护。

加速度传感器5一旦施加加速度即在厚度方向发生振动，产生与形变的大小对应的电荷。通过检测该电荷量，就求出加速度。加速度的检测灵敏度与产生的电荷量呈正比例关系。因为灵敏度与从压电陶瓷板3、4的固定端至振动部分的顶端为止的长度即自由振动部分的长度L2成正比例，所以，增加长度L2，灵敏度就提高。但因为共振频率下降，所以可检测的频率的上限下降。另一方面，若减短长度L2，虽然可检测频率的上限提高，但检测灵敏度下降。

在检测低频用的传统加速度装置中，在加速度传感器5上连接场效应晶体管和电阻器，来减小输出阻抗。并由压电陶瓷板3、4和电阻器构成低区截止滤波器。设压电陶瓷板3、4的电容量为C、电阻器的电阻值为R时，截止频率f由下式确定。

F＝1/2πRC

因此，为了检测低频率，必须增大压电陶瓷板的静电电容量C或电阻值R。

但是，如果使用电阻值R大的电阻器，则因为容易吸收噪声，故难于检测低频的加速度。因此，必须容易获得电容量C大的压电陶瓷板。

此外，在传统的加速度装置中，因为加速度传感器5的一端用导电性粘接剂固定在凸起部2上，所以，难于将对检测特性有影响的固定状态保持在一定条件下，并且长度L2的误差也大。因此，检测灵敏度的误差增大。

本发明的一个目的在于，提供一种使低频检测特性提高的加速度传感器及加速度装置。

本发明的又一目的在于，提供一种抑制检测灵敏度误差的加速度传感器及加速度装置。

发明的公开

本发明的加速度传感器包括：第1压电板，与该第1压电板接触、极化轴与第1压电板的极化轴倒置设置、且在长尺寸方向上的至少一端部的厚度比其它部分的厚度要厚的第2压电板，在与该第2压电板与第1压电板的接触面相对的第1压电板的主表面所设置的第1外部电极，以及在与接触面相对的第2压电板的主表面所设置的第2外部电极。理想的一例是，使与第2压电板的长尺寸方向平行的剖面形状为大致L字形形状。

本发明的加速度装置具有上述本发明的加速度传感器、与该加速度传感器电连接的源极输出器电路及装有加速度传感器及源极输出器电路的管座。

若采用该构成，因为双压电晶片结构的压电体中的自由振动部分与传统的凸起部所对应的支承部是一体构成的，所以特性的离散度极小。此外，即使为了加大静电电容而减薄厚度也不易损坏，所以能方便地增大静电电容，能检测更低频的加速度。

附图的简单说明

图1(a)所示为本发明实施例1中的加速度传感器的立体图，图1(b)所示为在图1(a)所示的加速度传感器的外部电极上设有缺口的立体图，图2所示为使用图1(a)所示的加速度传感器的加速度装置的分解立体图，图3所示为该加速度装置的电路图。

图4所示为本发明实施例2中的加速度装置的分解立体图。

图5所示为本发明实施例3中的加速度传感器的立体图，图6所示为使用图5所示加速度传感器的加速度装置的分解立体图。

图7所示为本发明实施例4中的加速度装置的分解立体图。

图8所示为本发明实施例5中的加速度装置的分解立体图。

图9所示为该加速度装置的电路图，图10(a)所示为该加速度装置所使用的基板的立体图，图10(b)所示为该基板的俯视图，图10(c)所示为该基板的剖视图，图11(a)所示为该基板的变形例的立体图，图11(b)所示为该基板的俯视图。

图12所示为本发明实施例6中的加速度装置的立体图，图13(a)所示为该加速度装置所使用的基板的立体图，图10(b)所示为该基板的俯视图，图10(c)所示为该基板的剖视图，图14(a)所示为该加速度装置所使用的加速度传感器的剖视图，图14(b)所示为该加速度传感器的立体图。

图15所示为本发明实施例7中的加速度装置的分解立体图，图16所示为该加速度装置的源极输出器电路图，图17所示为设有内装该加速度装置的筐体的加速度检测装置的外观立体图，图18所示为该加速度检测装置的分解立体图，图19所示为该加速度检测装置的剖视图，图20所示为该加速度检测装置的电路图。

图21所示为本发明实施例8中的加速度装置的分解立体图。

图22所示为传统加速度装置的剖视图。

实施发明的最佳形态

以下参照附图，对本发明的实施例进行说明。

(实施例1)

图1(a)所示的加速度传感器具有双压电晶片结构，其矩形状的第1压电板11与剖面形状大致为L字形形状的第2压电板12用直接接合法贴合在一起。第1及第2压电板11、12由LiNbO₃、LiTaO₃等的单晶压电体构成，两者的极化轴在接合面(极化倒置界面)相互倒置贴合。另外，根据需要，两者的极化轴也可以在接合面相互平行地贴合。加速度传感器在半第1和第2压电板11、12贴合之后，用磨削加工除去第2压电板12的一部分而形成支承部15，从而加工成大致L字形形状。并在第1和第2压电板11、12的主表面分别形成有第1和第2外部电极13、14。该加速度传感器的最大灵敏度方向为第1和第2压电板11、12的厚度方向。

若采用该构成，因为压电板之间用直接接合法相互贴合，所以机械强度高，耐热性也佳。此外，因为自由振动部分的长度经磨削加工可高精度确定，并且自由振动部分与支承部15是一体构成的，所以，可获得特性离散度极小的加速度传感器。还有，因为支承部15与第1和第2压电板11、12是一体结构，所以，即使为了加大静电电容而减薄厚度，装配时也不易损坏。因此，能方便地提高静电电容，能检测更低频的加速度。

另外，支承部15的厚度以自由振动部分的厚度的4倍以上为宜。采用这样的构成，支承部15的弯曲刚性远大于自由振动部分，能抑制支承部15的固定状态的误差导致的特性离散度。

此外，为了调整加速度的检测量等，也可以如图1(b)所示，在支承部15上方的第1外部电极13上设置与宽度方向平行的缺口13a。这样能减少灵敏度误差。

以下参照图2和图3，对使用该加速度传感器的加速度装置予以说明。

管座16具有自上表面起向外伸出于下表面的第1、第2、第3连接端子17、18、19及在上侧面的基板21。在基板21的上表面，在规定位置分别设有第1布线图形22、第2布线图形23，并经树脂层(未图示)设有片型矩形电阻器等的电阻器24。在第1布线图形22的上面，经导电性树脂层(未图示)安装有上述大致L字形形状的加速度传感器25，在第2布线图形23的上面，经导电性树脂层(未图示)安装有场效应晶体管等的晶体管26。

晶体管26的源极27和漏极28分别通过第1和第2导线31和32与第3连接端子19及第2连接端子18电连接。此外，第2布线图形23通过第3和第4导线33、34分别与加速度传感器25的第1外部电极13及电阻器24的一个侧面电极电连接。另外，电阻器24的另一侧面电极通过第5导线35与第1布线图形22电连接。还有，第1布线图形22通过第6导线36与第1连接端子17电连接。这样，由电阻器24、加速度传感器25和晶体管26及与它们电连接的第1、第2布线图形22、23构成传感器单元。同时，盖子20安装在管座16上以覆盖传感器单元。

装有上述加速度传感器的加速度装置的特性离散度极小，并能进行低频的加速度检测。又因为用盖子20覆盖传感器单元，所以可以使用电阻值比传统的大的电阻器，能检测更低频的加速度。

另外，连接用导线尤其是与加速度传感器25的第1外部电极13连接的第3导线33，为了防止导线振动对加速度传感器25有不良影响，最好用柔软的材料构成。

(实施例2)

如图4所示，管座41具有自上表面起向外伸出于下表面的第1、第2、第3、第4、第5连接端子42、43、44、45、46及在上侧面的基板50。在基板50的上表面，在规定位置设有至少分别设有电阻器、加速度传感器、晶体管及布线图形的第1、第2、第3加速度传感器单元51、52、53。加速度传感器的构成与在实施例1说明过的相同。

装在第1传感器单元51的第1加速度传感器54配置成下方为第2压电板的伸出方向。第1传感器单元51的最大灵敏度方向是垂直于基板50的上下表面的方向。

装在第2传感器单元52的第2加速度传感器55以侧面与基板50平行的状态将支承部安装在基板上。但在基板50上设有第1凹部57，以使第2加速度传感器55的长度部分侧面不与基板50接触。第2传感器单元52的最大灵敏度方向是与第1传感器单元51的最大灵敏度方向正交的方向。

装在第3传感器单元53上的第3加速度传感器56与第2加速度传感器55一样，侧面与基板50平行地配置，并在基板50设有第2凹部58，以使长度部分不与基板50接触。但第3加速度传感器56配置成其最大灵敏度方向与第2加速度传感器55的最大灵敏度方向正交的方向。

第1传感器单元51通过导线与第1连接端子42、第2连接端子43及第2传感器单元52电连接。第2传感器单元52通过导线与第2连接端子43、第1传感器单元51及第3连接端子44电连接。第3传感器单元53通过导线与第4连接端子45、第5连接端子46及第1传感器单元51电连接。

第1、第2和第3传感器单元51、52和53由盖子40覆盖保护。

采用该构成的加速度装置，能各自独立地检测正交3轴的加速度。另外在本实施例中，设置了3个传感器单元，但在希望获得的加速度信号为两个时，传感器单元两个就行。

(实施例3)

图5所示的加速度传感器与实施例1的加速度传感器不同之处在于，使第1压电板61与第2压电板62的接合面倾斜，在倾斜的主表面设置第1及第2外部电极63、64。关于此外的构成，设置支承部65这一点等，与实施例1的加速度传感器构成相同，省略详细说明。使作为该两压电板61、62接合面的倾斜面的倾斜角度为大致45度，最大灵敏度方向也为45度方向。又，使用倾斜角度为大致45度的加速度传感器，就能用两个加速度传感器检测3正交3轴的加速度，构成部件数减少。

参照图6，对使用具有该倾斜面的加速度传感器的加速度装置予以说明。

管座65具有自上表面起向外伸出于下表面的第1、第2、第3、第4连接端子66、67、68、69，并在上表面设有基板70。在基板70上，在规定位置设有至少配置有电阻器、加速度传感器、晶体管及布线图形的第1及第2传感器单元71、72。装在第1传感器单元71上的第1加速度传感器73具有如上所述的倾斜面。装在第2传感器单元72上的第2加速度传感器74与实施例1所示的加速度传感器相同。但第2加速度传感器74配置成第2传感器单元72的最大灵敏度方向与无灵敏度方向一致。

第2传感器单元72与第2、第3、第4连接端子67、68、69及第1传感器单元71电连接。而第1传感器单元71与第1连接端子66、第4连接端子69及第2传感器单元72电连接。

盖子60安装在管座65上，以覆盖第1、第2传感器单元71和72。

该加速度装置将有倾斜面的加速度传感器与无倾斜面的加速度传感器一起使用，具有与无灵敏度方向正交的构成，用两个加速度传感器能检测3正交3轴的加速度。尤其是，通过使第1加速度传感器的最大灵敏度方向与地震的纵波方向一致，能高精度检测地震。

(实施例4)

图7所示的加速度装置用具有倾斜面的第2加速度传感器75取代了图6所示的第2加速度传感器74，除了加速度传感器75之外的构成与图6所示的加速度装置相同。将这样具有倾斜面的加速度传感器73、75配置成其最高灵敏度方向相互正交，就能用两个加速度传感器检测正交3轴的加速度，或者正交3轴的加速度和其方向。

(实施例5)

图8所示的加速度装置，在管座1的上面配置有基板81，在该基板81上，设有将第1、第2和第3加速度传感器91、92和93分别配置在规定位置的第1、第2和第3凹部82、83和84。如图10所示，在这些凹部82、83、84，在一个内侧面分别设有将加速度传感器保持在规定位置的阶梯部85，并在离底面的中心轴向与阶梯部85侧相反一侧偏心的位置，分别设有通孔86。在紧贴第1凹部82的阶梯部85侧的底面、在第2凹部83及第3凹部84的阶梯部85的正上方及在基板81的规定位置，设有接地电极87。并且，在凹部82、83、84的阶梯部85侧的基板81的上表面附近，设有栅电极88，而在基板81的规定位置设有源电极89。接地电极87、栅电极88及源电极89在基板81内部导线连接。

在第1、第2、第3凹部82、83、84内，分别配置有与实施例1所示大致L字形的加速度传感器相同的第1、第2、第3加速度传感器91、92、93。在第1凹部82内，第1加速度传感器91配置成其长尺寸部91a上的外部电极91b成为与基板81的上表面相同或上下的面。在第2凹部83内，将第2加速度传感器92的侧面配置在第2凹部83的阶梯部85的上表面，以使第2加速度传感器92的侧面即长尺寸部92a的外部电极92b从基板81的上表面向外伸出。在第3凹部84内，将第3加速度传感器93的侧面配置在第3凹部84的阶梯部85的上表面，以使第3加速度传感器93的侧面即长尺寸部93a的外部电极93b(未图示)从基板81的上表面向外伸出。这些加速度传感器91、92、93对各凹部82、83、84的配置是从各凹部的通孔86穿插销等来进行的。同时，这些加速度传感器91、92和93的最大灵敏度方向沿相互正交的方向配置。

在基板81的规定位置配置电阻器94，并配置有场效应晶体管95与栅电极88电连接。各加速度传感器91、92、93的长尺寸部的外部电极通过Au或Al等的导线96及焊锡或导电性树脂等的连接层97，与栅电极88、电阻部94及场效应晶体管95等连接。由此构成图9所示所需的源极输出器电路。还有，该电路与从管座78导出的取出用电极79电连接。在管座78上安装有盖子80以密封基板81。

如上所述在基板81上设置凹部82、83、84来配置各加速度传感器91、92、93，小的低频加速度也能高精度测出。此外，在凹部82、83和84设置通孔86，配置各加速度传感器91、92和93时的作业性提高。

另外，第1、第2和第3凹部82、83和84最好如图11所示，做成与加速度传感器(未图示)的形状相吻合的下凹部90。这样，能更正确地进行加速度传感器的配置。

在实施例中，对加速度传感器的数目为3个的情况进行了说明，但根据需要，可以是两个，也可以是4个以上。

(实施例6)

图12所示的加速度装置在管座98的上面，设有装有多个后面将叙述的加速度传感器121的基板111。该基板111如图13所示，具有将加速度传感器配置在规定位置的第1、第2、第3凹部112、113、114。这些凹部112、113、114在相对的内侧面具有将加速度传感器保持在规定位置的一对阶梯部115。在第1凹部112的阶梯部115的上表面、在第2凹部113和第3凹部114的阶梯部115的正上方及基板111的规定位置，设有接地电极117。并在各凹部112、113、114的阶梯部115侧的基板111的上表面附近，设有栅电极118，在基板111的规定位置设有源电极119。这些接地电极117、栅电极118及源电极119在基板111内部接线。

在第1、第2、第3凹部112、113、114内，配置有图14所示的变形U字形的加速度传感器121。该加速度传感器121在将LiNbO₃、LiTaO₃等的单晶压电体在极化倒置界面122极化轴相互倒置地通过直接接合而贴合之后，通过磨削加工切除长尺寸方向的一个面，将高度方向作为支承部123，将长尺寸方向作为长尺寸部124，在高度方向的上下表面形成外部电极125，并使高度方向成为最大灵敏度方向。

在第1凹部112内，第1加速度传感器101配置成其长尺寸部的外部电极成为与基板111的上表面相同或上下的面。在第2凹部113内，将第2加速度传感器102的侧面配置在第2凹部113的阶梯部115的上表面，以使第2加速度传感器102的侧面即长尺寸部的外部电极从基板111的上表面向外伸出。在第3凹部114内，将第3加速度传感器103的侧面配置在第3凹部114的阶梯部115的上表面，以使第3加速度传感器103的侧面即长尺寸部的外部电极从基板111的上表面向外伸出。这些第1、第2、第3加速度传感器101、102。103沿最大灵敏度方向相互正交的方向配置。

在基板111的规定位置配置电阻器104，并配置场效应晶体管105与栅电极118电连接。加速度传感器101、102、103的长尺寸方向的外部电极通过Au或Al等的导线106及焊锡或导电性树脂等的连接层107，与栅电极118、电阻部104及场效应晶体管105等连接，构成与图9所示电路相同的所需电路。该电路与从管座98导出的取出用电极99电连接。并在管座98安装盖子100以密封基板111。

使用这样变形U字形加速度传感器的加速度装置，也能高精度检测小的低频加速度。

(实施例7)

在图15所示的加速度装置中，加速度传感器201是与实施例1所示的加速度传感器相同的双压电晶片结构的传感器。在管座211上固定着加速度传感器201、上表面的两端设有外部电极的电阻器212及用导体覆盖一个面的基座213。在该基座213上装有裸片型场效应晶体管214，基座213的导体与晶体管214的栅电极用导电性粘接剂固定。在基座213与电阻器212之间、基座213与加速度传感器201的外部电极之间、电阻器212与管座211之间，通过引线接合法分别电连接。还有，在晶体管214的漏极与管座211的连接端子211a之间及在晶体管214的源极与管座211的连接端子引脚211b之间，用引线接合法连接。另外，圆筒状的盖子210通过电阻焊固定在管座211上。又，为了减小加速度传感器201的输出阻抗，如图16所示，构成有由场效应晶体管214和电阻器212构成的源极输出器电路。利用该构成，可获得能检测的频率上限高且检测灵敏度也出色的加速度装置。

接着，参照图17-图20，对在该加速度装置加上了放大电路等的加速度检测装置进行说明。加速度装置209以盖子210在下侧的姿势装入与筐体215的安装用螺丝216同轴设置的圆筒状的筐体凹部217内，并用粘接剂等将盖子210的整个外周固定于凹部217。该凹部217具有比盖子210的外径稍大的内径，并具有与盖子210基本相同的深度，以便容纳盖子210。加速度装置209通过柔软的导线220与放大电路219连接，放大电路219与信号取出用的电缆218连接。并将树脂202注入筐体215内，以覆盖加速度装置209、导线220、放大电路219及电缆218的顶端部分。

该加速度检测装置因为加速度装置209设于与筐体215的安装用螺丝216同一的轴上，且收容在与盖子210基本相同形状的凹部217内，所以，测出的加速度能最高效地传递给加速度传感器。

因为加速度装置209通过柔软导线220与放大电路219连接，所以，放大电路219的共振不易传递给加速度装置209，该共振的不良影响不会波及加速度装置。

还有，因为用树脂202将放大电路219等固定于筐体215，所以，可防止振动引起的破坏，可靠性提高。

(实施例8)

在图21所示的加速度装置中，在有底筒形金属壳体221的底面上，分别设有第1和第2布线图形(未图示)及经树脂层设置的片型矩形电阻器等的电阻器224。在第1布线图形的上表面，经导电性树脂层安装有与实施例1所示的加速度传感器相同的大致L字形的加速度传感器225，在第2布线图形的上表面，经导电性树脂层安装有场效应晶体管等的晶体管226。电阻器224、晶体管226及加速度传感器电连接，以构成源极输出器电路，源极输出器电路再与连接端子连接。壳体221的开口部通过设于上表面外周的金属环227，由平板状的盖子230盖没。

利用该构成，能制成更小型且可检测低频加速度的加速度装置。

产业上利用的可能性

本发明的加速度传感器及加速度装置与现有的加速度装置相比，检测特性的离散度更小，并能高精度检测低频加速度，产业上的利用价值极高。