CN1178326A - 加速度传感器 - Google Patents

Abstract

一种体积小巧、具有较高负荷灵敏度和较大静态电容的压电型加速度传感器,包括具有3个以上压电层之叠层的压电元件。电极设置在压电层之间和叠层的顶面和底面。压电元件支承在相对两端。相邻的压电层被极化,从而使具有相同极性的电荷累积在插在相邻压电层之间的电极上。

Description

加速度传感器

本发明涉及采用压电元件的加速度传感器，尤其涉及一种适用于车辆内安装的气囊的加速度传感器。采用压电元件的加速度传感器已应用于装在汽车里的气囊，以检测因撞击而产生的加速度。已经建议的加速度传感器具有各种结构，第6-273439，6-324073号等日本特开平公报披露了一种采用双晶压电元件、高灵敏度的加速度传感器。

如图1所示，采用双晶型压电元件的常规加速度传感器1具有双晶压电元件2和绝缘壳体3。加速度传感器1安装在基片4上。

双晶压电元件2具有这样一种结构，其中，第一压电陶瓷板5和第二压电陶瓷板6层叠在一起。第一信号电极7和第二信号电极8分别在第一压电陶瓷板5和第二压电陶瓷板6的外表面上形成。第一信号电极7和第二信号电极8在沿压电元件2的长度方向的中部经压电陶瓷板5和6重叠。中间电极9在第一压电陶瓷板5与第二压电陶瓷板6之间形成，如此，中间电极9则位于第一信号电极7与第二信号电极8的重叠部分之间。

第一压电陶瓷板5和第二压电陶瓷板6相互以相反的方向均匀地极化。第一信号电极7沿着其长度方向朝压电元件2相反两端的一端延伸，而第二信号电极8沿着其长度方向朝压电元件2的另一端延伸。

绝缘壳体3包括第一夹持部10、第二夹持部11以及基片12和13。夹持部10和11分别具有凹槽10a和11a，它在其长度方向的两端夹持压电元件2，由此在其长度方向的两端固定压电元件2，但允许压电元件2振动。基片12和13分别具有凹槽12a和凹槽(未图示)，并以与夹持部10和11面对面方向相垂直的方向夹持压电元件2。

双晶压电元件2对沿着其厚度方向的加速度具有优良的灵敏度，而对箭头Q所示方向的加速度并不灵敏。

尽管双晶压电元件2输出一个适当的感应电位，但由于双晶压电元件2的静态电容较小，故感应电荷也小。因此，当利用电荷放大器(charge amplifier)放大感应输出时，其信噪比(SN)降低。

此外还产生了这样一个问题，由于电荷放大器与双晶压电元件2之间形成的一个高通滤波器在低频侧具有高截止频率，故无法测量由双晶压电元件2所测信号的低频分量。在电荷放大器的阻抗增大到可测得低频分量的情况下，被测信号上的噪声增加得使SN比下降。

通过使压电元件2的厚度更薄或使其宽度更宽，可以增加静态电容。然而，在使压电元件2的宽度更宽的情况下，将导致加速度传感器的体积增大，这将不利于商品化的要求。另一方面，在使压电元件2更薄的情况下，压电元件2的机械强度下降，这将减少其产量并增加了因遭较大的加速度而被毁坏的可能性。

为此，需要有这样一种加速度传感器，它除了尺寸小并有合适的机械强度外，还具有较高的负荷灵敏度和较大的静态电容。

本发明提供一种能满足此要求的加速度传感器。该加速度传感器包括一个具有至少三个压电层的压电元件、多个第一电极和多个第二电极。压电层相互沿厚度方向层叠，形成沿其长度方向具有相对的第一和第二端的叠层。第一和第二电极交替设置在压电层之间以及叠层的顶面和底面上，使第一电极从第一端延伸到第二端，使第二电极从第二端延伸到第一端，且经由压电层而相互部分重叠。加速度传感器进一步包括支承体，用以将压电元件支承在叠层的第一端和第二端附近。压电层沿厚度方向极化，当压电元件接收到因加速度产生的撞击时，使具有相反极性的电荷分别累积在第一和第二电极上。

压电层可以在第一和第二电极重叠的区域极化。

在一个实施例中，层叠的压电层中至少有一层未极化。

另一个实施例中，压电元件具有大于3的偶数个压电层，除了位于叠层中间的一对压电层外，相邻的压电层相互以相反的方向极化，上述一对压电层以相同的方向极化。

根据另一个实施例，压电元件具有大于2的奇数个压电层，除了位于所述压电元件中间的一个压电层外，其它压电层均被极化。

根据另一个实施例，加速度传感器包括基片，其上安装支承体，支承体以相对基片为90度的角度支承叠层。较佳地该角度为0至90度之间，最好等于或小于45度。

根据本发明的较佳实施例，在每个压电层中感应的正、负电荷有效地累积在第一电极和第二电极上不会消失。此结构还使加速度传感器具有较大的静态电容。由此可以实现具有较高负荷灵敏度，能检测含低频分量的加速度且体积较小的压电型加速度传感器。

结合附图参照以下详细的描述，本发明上述和其它的特征、内容和优点将变得更加清楚。

图1是常规加速度传感器的透视图。

图2是根据本发明第一个实施例的加速度传感器的透视图。

图3是一个平面示意图，它表示图2所示加速度传感器中压电元件的极化方向。

图4是一个平面示意图，它表示图2所示加速度传感器中压电元件中所产生的应力和电荷。

图5是根据本发明的图2所示配有基片的加速度传感器的分解透视图。

图6是根据本发明第二个实施例的加速度传感器的平面示意图。

图7是一个平面示意图，它表示图6所示加速度传感器中压电元件中产生的应力和电荷。

图8是表示对图2或图6所示加速度传感器所作变化的透视图。

以下将参照附图详细描述本发明的较佳实施例。

第一实施例

图2是表示根据本发明一个实施例的加速度传感器21的透视图，图3是它的平面图。加速度传感器21包括压电元件22和支承体23和24(为清楚起见，支承体24用虚线表示)。

压电元件22具有叠层70、第一电极31、33和35，以及第二电极32、34、36和37。通过层叠压电层25-30形成叠层，它具有第一端71和相反的第二端72。

支承体23和24分别具有凹槽23a和24a，成对突起分别设置在凹槽23a和24a的两侧。支承体23和24的突起设置在叠层70两端71和72的附近，由此通过支承体23和24固定叠层70。支承体23和24可以由绝缘材料，诸如绝缘陶瓷(矾土或类似材料)、合成树脂等等形成。

如图3所示，第一电极31、33和35以及第二电极32、34。36和37交替设置在压电层25-30之间，并位于叠层70的顶面和底面。第一电极31、33和35从第一端71延伸到第二端72，第二电极32、34、36和37从第二端72延伸到第一端71。此外，第一电极31、33和35以及第二电极32、34、36和37在EL所示的区域经由压电层25-30相互部分叠加。

本实施例中，第一电极31、33和35，第二电极32、34、36和37以及压电层25-30采用陶瓷集成烧结技术集成为一种烧结的结构。这样就便于减小压电层25-30的厚度，增加压电层25-30的静态电容。另外，压电层25-30也可以在压电层25-30分别烧结之后，再与第一电极31、33和35以及第二电极32、34、36和37粘合。

压电层25-30由压电陶瓷诸如钛酸锆酸铅或压电单晶诸如石英、LiTaO₃或类似材料制成。第一电极31、33和35以及第二电极32、34、36和37由导电率优良的金属材料诸如Ag，Ag-Pd或类似的材料制成。

如图3所示，所有压电层25-30均沿着其厚度方向极化，但压电层25、27、28和30的极化方向与压电层26和29的极化方向相反。压电层25-30每一层的极化方向如此确定，使得当压电元件22接收到由加速度引起的撞击时，具有相反极性的电荷分别聚积在第一和第二电极。通过向第二电极36和32施加一个高压，向第一电极31、33和35施加一个中压，向第二电极34和37施加一个低压，可以立刻使压电层25-30极化。此外，例如通过首先向第二电极36和32施加一个高压，向第一电极31和33施加一个低压，然后向第一电极33和35施加一个高压，向第二电极34和37施加一个低压，也可以使压电层25-30极化。

以下将参照图4详细说明加速度传感器21的操作。图4示出一个平面示意图，它说明在加速度传感器21的压电元件22中所产生的应力和电荷。如图4所示，当加速度传感器21接收到由撞击73引起的加速度时，压电元件22变形使得压电层25-30中每个压电层的中心因相对该撞击73的反作用而向支承体23突出。结果，压电层25-27膨胀，在压电层25-27中产生向外所指箭头所示的张应力。另一方面，压电层28-30收缩，在压电层28-30中产生向内所指箭头所示的压应力。

假如压电层25的极化方向与其中所产生应力的方向之间的关系，使得与第二电极36接触的压电层25的表面上感应出负电荷，并使得与第一电极31接触的压电层25的表面上感应出正电荷，这将导致负电荷和正电荷分别累积在第二电极36和第一电极31上。此时，由于压电层26以与压电层25的极化方向相反的方向极化，故在与第一电极31接触的压电层26的表面上感应出正电荷。即，由于压电层25和26极化使压电层25和26的极化方向离开第一电极31，相同极性的电荷(本例中为正电荷)通过压电层25和26累积在第一电极31上。

同样，夹持第二电极32的压电层26和27的极化使压电层26和27的极化方向朝向第二电极32，这样，来自压电层26和27的负电荷累积在第二电极32上。

当加速度传感器21接收因撞击73而产生的加速度时，压电层28-30受到压缩。因此，感应电荷的极化方向与极性之间的关系是相反的。尤其是，正电荷累积在由压电层29和30所夹持的第一电极3 5上，而压电层29和30的极化方向分别朝向第一电极35。负电荷也按相同的方式累积在第二电极34上。

第一电极33由以相同方向极化的压电层27和28夹持。然而，由于张应力和压应力分别在压电层27和28中产生，故仅有正电荷累积在第一电极33上。

相应地，因加速度而在压电层25-30每个压电层中感应的正电荷和负电荷可有效地累积在第一电极31、33和35以及第二电极32、34、36和37上而不会消失。由此可以提高加速度传感器21的负荷灵敏度。

从上述说明中可见，最好加速度传感器具有尽可能多的压电层，由此增加在压电元件22中累积的电荷。此外，最好使压电元件22中的张应力和压应力保持平衡，因此，压电层的数目最好为大于3的偶数。此例中，位于叠层中间的一对压电层以相同的方向极化，其它压电层以与相邻压电层极化方向相反的方向极化。进一步，由于其静态电容增加，最好压电层做得尽可能地薄。

尽管每个压电层均匀而完整地极化，然而仅有第一和第二电极相重叠的区域EL(图3)可以极化。此外，跨接在第一和第二电极上的输出电压随着区域EL沿纵向减小而增大。静态电容与输出电压具有折衷的关系。因此，通过沿纵向调节区域EL的长度，可以形成具有专用特性的加速度传感器。

根据本实施例的加速度传感器可以与基片结合在一起，以便将压电元件固定在壳体上。如图5所示，加速度传感器74包括压电元件22、支承体23和24以及基片38和39。压电元件22和支承体23和24构成图2所示的加速度传感器21，压电元件22由基片38和39沿着与支承体23和24相互面对面的方向相垂直的方向夹持。凹槽(未图示)和凹槽39a分别在基片38和39的内侧形成，这样就保证有一个自由空间供压电元件22移动。基片23和24可以由绝缘材料制成。

第二实施例

图6是一个平面图，它表示根据本发明第二个实施例的加速度传感器41。图6所示加速度传感器41与图2所示加速度传感器21的不同之处在于压电层的数目和极化方向。

加速度传感器41包括压电元件42和支承体43和44。压电元件42具有叠层75、第一电极50、52和55以及第二电极51、53和54。叠层75通过层叠压电层45-49形成，它具有第一端76和相对的第二端77。

支承体43和44分别具有凹槽43a和44a，这样，一对突起分别设置在凹槽43a和44a的两侧。支承体43和44的突起置于叠层75两端76和77的附近，叠层75因此由支承体43和44固定。支承体43和44可以由绝缘材料制成，诸如绝缘陶瓷(矾土或类似材料)、合成树脂等等。加速度传感器41可以与第一个实施例中所述的基片结合在一起，以便将压电元件42固定在壳体中。

第一电极50、52和55以及第二电极51、53和54交错设置在所述压电层45-49之间以及叠层75的顶面和底面上。第一电极50、52和55从第一端76延伸到第二端77，第二电极51、53和54从第二端77延伸到第一端76。此外，第一电极50、52和55以及第二电极51、53和54经由压电层45-49相互部分重叠。

通过采用陶瓷集成烧结技术，第一电极50、52和55、第二电极51、53和54以及压电层45-49可以集成为一个烧结的结构。此外，也可以在压电层45-49分别烧结后，再将压电层45-49与第一电极50、52和55以及第二电极51、53和54粘合在一起。压电层45-49，第一电极50、52和55以及第二电极51、53和54可以用与第一个实施例中所述相同的材料制成。

如图6中箭头所示，压电层45、46、48和49沿着其厚度方向极化，而位于叠层75中间的压电层47未极化。压电层45和48的极化方向与压电层46和49的极化方向相反。确定压电层45、46、48和49的极化方向，使得当压电元件42接收因加速度而引起的撞击时，分别在第一和第二电极上累积相反极性的电荷。

图7示出一个平面示意图，它表示在加速度传感器41的压电元件42中所产生的应力和电荷。如图7所示，当压电元件42变形以致于压电层45-49每个压电层的中心因撞击而向上侧突起时，压电层45和46膨胀，在压电层45和46中产生向外所指箭头所示的张应力。另一方面，压电层48和49收缩，在压电层48和49中产生向内所指箭头所示的压应力。注意，因压电层47未极化故它不产生电荷。

如第一个实施例中详细说明的，由于压电层45和46以相反方向极化，故在与第一电极50相接触的压电层45和46的表面上感应出相同极性的电荷。这样，同极性的电荷累积在第一电极50上而不会消失。在图7所示的例子中，正电荷累积在第一电极50上而负电荷累积在第二电极51和54上。

压电层48和49收缩。因此，感应电荷的极化方向与极性之间的关系相反。尤其是，负电荷累积在由压电层48和49所夹持的第二电极53上。正电荷也累积在第一电极52和55上。

因此，因撞击而在压电层45、46、48和49中感应的正、负电荷分别有效地累积在第一电极50、52和55以及第二电极51、53和54上不会消失。由此可以提高加速度传感器41的负荷灵敏度。

尽管压电层47未产生如上所述的电荷，但压电层47相当于一个缓冲器，以释放压电层45和46中产生的张应力以及压电层48和49中产生的压应力。压电层47还有助于增大压电元件42的静态电容。此外，根据此种结构，通过采用两种电压，例如向第一电极50和第二电极53施加一个低压，向第一电极52和55以及第二电极5 1和54施加一个高压，可以立刻极化压电层45、46、48和49。因此，可以简化极化过程。

压电元件42中，最好使张应力和压应力平衡，并使非极化层的数目减至最少，这样，压电元件42将具有优良的负荷灵敏度。因此，压电层的数目较佳地为大于2的奇数，位于叠层中间的一个压电层未极化。

对上述实施例的变换

在加速度传感器21和41中，压电元件22和42由支承体支承，使压电层的层叠方向与加速度传感器21和41的主表面平行。由于压电元件22和42在层叠方向上具有最大灵敏度，而在与层叠方向垂直的方向上无灵敏度，故加速度传感器21和41在与主表面垂直的方向上无灵敏度。

为了能检测到垂直于主表面的加速度，可以使压电层的层叠方向倾斜。如图8所示，通过支承体62和63支承与压电元件21或41有相同结构的压电元件61，这样，压电层的层叠方向78相对主表面79就倾斜了一个角度θ。结果，压电元件61的最大灵敏度轴线相对主表面79倾斜了一个角度θ，角度θ可以设置为大于0度小于90度的一个任意值，但较佳地设置为等于或小于45度的角度。最佳的角度为45度。

如前所述，根据本发明的加速度传感器的压电元件具有3层以上的层叠压电层，相邻的压电层极化得使具有相同极性的电荷累积在插在相邻压电层之间的电极上。此种结构提供了具有较高负荷灵敏度和较大静态电容的加速度传感器。因此，可以实现能检测含低频分量的加速度且体积较小的压电型加速度传感器。

再者，由于无需使压电层做薄即可增大压电元件的静态电容，故压电元件可以有较大的机械强度。在用陶瓷集成烧结技术形成压电元件的情况下，可以使压电层做薄，而在制造过程中不会在压电层中产生裂缝。因此，静态电容可以进一步增大，即可方便地测得具有低频分量的加速度。

当压电元件叠层包含未极化的压电层时，叠层中的其余压电层可以利用两种电压极化。这样就简化了制造过程。

尽管以上描述了本发明的较佳实施例，然而根据其中所述原理实施的各种方式均属于所附权利要求书的范围。因此，除了所附权利要求书所述的内容，本发明的范围显然并不局限于上述的实施例。

Claims (8)

1.一种加速度传感器，包括：

具有至少三个压电层的压电元件、多个第一电极和多个第二电极，所述压电层相互沿厚度方向层叠，形成沿其长度方向具有相对的第一和第二端的叠层，所述第一和第二电极交替设置在压电层之间以及所述叠层的顶面和底面上，使所述第一电极从第二端延伸到所述第一端，使所述第二电极从所述第一端延伸到所述第二端，且经由所述压电层而相互部分重叠；以及

支承体，用以将所述压电元件支承在所述叠层的所述第一端和所述第二端附近，

其特征在于，所述压电层沿厚度方向极化，当所述压电元件接收到在厚度方向因加速度产生的撞击时，使具有相反极性的电荷分别累积在所述第一和第二电极上。

2.如权利要求1所述的加速度传感器，其特征在于，所述压电层至少在所述第一和第二电极重叠的区域极化。

3.如权利要求1所述的加速度传感器，其特征在于，所述层叠的压电层中有至少一个层未极化。

4.如权利要求1所述的加速度传感器，其特征在于，所述压电元件具有大于3的偶数个压电层，除了位于所述叠层中间的一对压电层外，相邻的压电层相互以反方向极化，所述一对压电层以同方向极化。

5.如权利要求1所述的加速度传感器，其特征在于，所述压电元件具有大于2的奇数个压电层，除了位于所述压电元件中间的一个压电层外，其它所述压电层均被极化。

6.如权利要求1所述的加速度传感器，其特征在于进一步包括基片，其上安装支承体，所述支承体相对基片以90度的角度支承所述叠层。

7.如权利要求6所述的加速度传感器，其特征在于，所述支承体以0至90度之间的角度支承所述叠层。

8.如权利要求7所述的加速度传感器，其特征在于，所述支承体以等于或小于45度的角度支承所述叠层。

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