CN1441252A - 加速度传感器 - Google Patents

Abstract

一种电压灵敏度高、并可防止因热电效应而导致分极下降的加速度传感器(1A)，具有压电元件2和支撑压电元件的在长度方向上的两端部的支撑部件(10、11)，压电元件叠层有3层压电体层(2a、2b、2c)，外侧的两层压电体层(2a、2c)，在施加加速度时，在长度方向上被分别分割成4个单元(1)～(4)、(5)～(8)。在压电元件(2)上设置层间电极(3、4)和主面电极(5a、5b、6a、6b)，使其把在其一侧的两个单元(1、2、5、6)和在另一侧的两个单元(3、4、7、8)分别并联连接，并且把并联连接的两侧的两组单元串联连接。把被引出到压电元件(2)的不同端部上的电极(5a、6a)、(5b、6b)相互连接。

Description

加速度传感器

技术领域

本发明涉及使用压电元件的加速度传感器。

背景技术

以往，作为使用压电陶瓷的加速度传感器，如图11(a)所示，是将2自压电陶瓷层21、22相互紧贴，并将两层串联连接的双压电晶片结构的压电元件20用单侧来保持。23、24是主面电极，25是层间电极，26是支撑部，27、28是取出电极。图11(b)是电路图。这种情况下，使各层21、22的分极方向P在厚度方向上成为反向，使其能够对在施加加速度G时所发生的电压进行相加。

这样结构的加速度传感器在温度发生变化时，由于热电效应，在各层21、22上产生电压。

在图11(a)中，表示了在温度下降时的各层21、22上产生的电位。这种情况下，由于在两层21、22上其电位方向相反，所以，在各层21、22上产生的电位并未抵消而被保持。这种现象即使把传感器的两端电极短路也不会改变。该电位方向成为分极时的电位方向和反方向，成为发生脱分极的电压。另外，在进行软熔安装的表面安装型加速度传感器上，由于从软熔槽出来后温度急剧下降，所以产生大的热电效应电压，所以存在着由于分极的下降，其灵敏度降低的问题。

另外，图12(a)是表示将两片压电陶瓷层31、32并联连接的双压电晶片结构的压电元件30的例子。(b)是其电路图。这种情况下，为了使在施加加速度G时的电压极性相同，使其分极方向P在厚度方向上相同。正反主面电极33、34形成相互连接，并与一方的取出电极35连接，层间电极36与另一方的取出电极37连接。

这种情况下，也会因温度变化而在各层31、32上产生因热电效应而产生的电压，但是，由于电位的方向是并联连接，是相互抵消的方向，所以，所产生的热电效应电压在传感器内被抵消，其结果，各层31、32都不会产生电位。然而，由于两层31、32是形成并联连接，所以，与图11所示的串联连接型相比，存在着其电压灵敏度低的问题。另外，尽管在任何层内的一处上的绝缘阻抗低时，也会导致压电元件整体的灵敏度下降。要提高传感器的灵敏度，其有效方法就是把各层的厚度做薄，这点是共知的。但是，如果担心造成如上述那样的绝缘阻抗的下降，则不能将各层的厚度做薄，因而很难提高其灵敏度。

如上所述，在将各层进行了串联连接的情况下，其优点是电压灵敏度高，但也有因热电效应电压造成的分极下降的问题。在将各层并联连接的情况下，其优点是能防止因热电效应电压造成的分极下降，但由于担心电压灵敏度下降，以及绝缘阻抗下降而不能将厚度做薄，所以，也就不能提高灵敏度。

发明内容

因此，本发明的目的是，解决串联连接型和并联连接型的各自存在的问题，提供一种电压灵敏度高，且能够防止因热电效应电压造成的分极下降的加速度传感器。

为了达到所述目的，本发明之1的发明是一种具有压电元件和支撑该压电元件的长度方向两端部的支撑部件的加速度传感器。其特征在于：所述压电元件叠层有3层压电体层，中央部的层是在施加加速度时不产生电荷的非功能层，

外侧的两层压电体层，在施加加速度时，被在长度方向上应力反转的两个边界和长度方向的中央部的边界，在长度方向上被分割成4个单元，

所述外侧的两层压电体层，在厚度方向上被分极，形成在长度方向上相邻的单元的分极方向相反，在厚度方向上相对应的单元的分极方向相同，

在所述压电元件的正反主面及层间设置电极，使其在所述外侧的两层压电体层上，在把长度方向中央部的边界定为中间后，把在其一侧的两个单元和在另一侧的两个单元分别并联连接，并且把并联连接的两侧的两组单元串联连接，

把所述正反主面的电极或层间的电极引出到所述压电元件的在长度方向上的不同的端部上。

另外，本发明之2是一种具有压电元件和支撑该压电元件的在长度方向上的两端部的支撑部件的加速度传感器，

其特征在于：所述压电元件叠层有2层压电体层，

所述两层压电体层，在施加加速度时，被在长度方向上应力反转的两个边界和长度方向的中央部的边界，在长度方向上被分割成4个单元，

所述两层压电体层，在厚度方向上被分极，形成在长度方向上相邻的单元的分极方向相反，在厚度方向上相对应的单元的分极方向相同，

在所述压电元件的正反主面及层间设置电极，使其在所述两层压电体层上，在把长度方向中央部的边界定为中间后，把在其一侧的两个单元和在另一侧的两个单元分别并联连接，并且把并联连接的两侧的两组单元串联连接，

把所述正反主面的电极或层间的电极引出到所述压电元件的在长度方向上的不同的端部上。

本发明之1的加速度传感器，当温度发生变化时，在各压电体层上因热电效应而产生电压。例如，以通过把在长度方向上的中央部的边界定为中间后，位于单侧的两个单元为例，由于这两个单元的分极方向相反，所以热电效应电压的分极与这些分极方向相反，是脱分极的方向。但是，由于两个单元被并联连接，所以由热电效应产生的电荷在两个单元区域内被立即抵消。由此不会因分极下降造成灵敏度的下降。

另外，由于把长度方向中央部的边界定为中间后，一侧的两个单元与另一侧的两个单元串联连接，所以与并联连接型相比能提高电压灵敏度。

另外，把长度方向中央部的边界为中间后，在一侧的两个单元电极间即使绝缘阻抗下降，但对于相同压电体层的另一侧的两个单元也没有影响，而且，由于其他压电体层是通过空层被绝缘分离的，所以对其他压电体层没有影响。因此，能降低对传感器整体特性的影响。这就意味着能实现耐湿性高的传感器，换言之，如果是相同程度的耐湿性，可以把各压电层体的厚度做得更薄，也就能构成灵敏度更高的传感器。

另外与中性面相比，由于能够在靠近应力变化大的外侧表面处构成检测单元，所以能够在确保灵敏度高、且影响强度的传感器的厚度的同时，将检测单元部分的厚度做薄，所以能实现更高灵敏度的传感器。

本发明之2的加速度传感器和本发明之1相同，即使产生因温度变化的热电效应电压，但由于把长度方向中央部的边界定为中间后，单侧的两个单元是并联连接的，因此，由热电效应产生的电荷在两个单元区域内被直接抵消，这样就不会出现因分极的降低而造成的灵敏度下降。

另外，由于把长度方向中央部的边界定为中间后，一侧的两个单元和另一侧的两个单元被串联连接的，所以与并联连接型的相比能够提高电压灵敏度。

另外，把长度方向中央部的边界定为中间后，在一侧的两个单元的电极间绝缘阻抗下降时，对相同压电体层的另一侧的两个单元没有影响。

另外，由于能将压电体层的层叠数及电极数减少，所以能降低制造成本。

附图说明

图1是本发明的加速度传感器的第1实施例的立体图。

图2是图1所示的加速度传感器的主视图。

图3是图1所示的加速度传感器的电路图。

图4是图1所示的加速度传感器的在施加加速度G时的动作说明图。

图5是表示在图1所示的加速度传感器的温度下降时的热电效应电位的图。

图6是本发明的加速度传感器的第2实施例的主视图。

图7是本发明的加速度传感器的第3实施例的立体图。

图8是图7所示的加速度传感器的电路图。

图9是图7所示的加速度传感器的在施加加速度G时的动作说明图。

图10是本发明的加速度传感器的第4实施例的主视图。

图11是以往的加速度传感器一例的侧视图及电路图。

图12是以往的加速度传感器其他例子的侧视图及电路图。

图中：1A～1D-加速度传感器，2-压电元件，3、3a、3b、4、4a、4b-层间电极，5、5a、5b、6、6a、6b-主面电极，7、8-外部电极，10、11-支撑框(支撑部件)，(1)～(8)-单元。

具体实施方式

图1～图5表示本发明的加速度传感器的第1实施例。

该加速度传感器1A，由断面ュ字形的一对支撑框(支撑部件)10、11从两端支撑压电元件2的长度方向两端部。支撑框10、11是使用压电元件2和热膨胀系数大致相等的绝缘性陶瓷等构成的。在支撑框10、11内面形成有为了使压电元件2在加速度G的作用下能得到弯曲空间的凹部10a、11a。

本实施例的压电元件2，把由薄长方形形状薄壁的压电陶瓷构成的3层压电体2a、2b、2c层叠后，烧结成一体。3层的厚度也可以相同，也可以使外侧的层2a、2c比中间层2b薄。在压电元件2的层间设置电极3、4，在正反面主面上设置了电极5a、5b及6a、6b。中间层2b是在施加加速度G时，不产生电荷的非功能层。外侧的两个压电体层2a、2c，在施加加速度G时，按照应力反转的两个边界B1和长度方向中央部的边界B2在长度方向上被分成4个区域，各区域分别构成8个单元(1)～(8)。而且，各单元(1)～(8)在厚度方向上被分极，使在长度方向上相邻的单元的分极方向P相反，并在厚度方向上的对应的单元分极方向P相同。即，单元(1)、(3)、(5)、(7)的分极方向与(2)、(4)、(6)、(8)的分极方向是相互反方向。在图1、图2中，由粗箭头表示分极方向。

另外，中间层2b最好是不分极，即使进行了分极，但在中间层2b的厚度方向中央部也有弯曲的中性面，在该中面性上下其应力是相反的，使电位被抵消。

层间电极3、4是在除去压电元件2的长度方向上的两端部的区域上经过4个单元而连续形成的。正反面主面的电极5a、5b及6a、6b分别在各自长度方向中央部的边界B2附近被分断成两个，为了取出这些表面电极5a、5b和6a、6b所产生的电荷而被分别引到与压电元件2的长度方向不同的端部上。

在包括支撑框10、11这两端面在内的压电元件2的长度方向两端面上形成了外部电极7、8。在一个端面上形成的外部电极7与正主面的电极5a及反主面的电极6a是接通的，而在另一个端面形成的外部电极8与正主面的电极5b及反主面的电极6b是接通的。

如上所述，通过设置层间电极3、4、正反电极5a、5b、6a、6b，外部电极7、8而构成了图3所示的电路。即，在一个压电体层2a上把长度方向中央部的边界B2定为中间后，其一侧的两个单元(1)、(2)与另一侧的两个单元(3)、(4)分别被并联连接，而且被并联连接的两侧的两组单元(1)、(2)与(3)、(4)是串联连接的。同样，在另一个压电体层2c上，把长度方向中央部的边界B2定为中间后，其一侧的两个单元(5)、(6)与另一侧的两个单元(7)、(8)分别被并联连接，而且被并联连接的两侧的两组单元(5)、(6)与(7)、(8)是被串联连接的。而且，由设在层2a上的单元(1)～(4)构成的电路和由设在层2c上的单元(5)～(8)构成的电路是电并联连接的。

下面。对于所述加速度传感器1A在加速度G的作用下所发生的电荷，参照图4进行说明。

如图4中箭头方向所示，在朝向下方的加速度G的作用下，由于惯性，其压电元件2的中央部会向图4的上方凸起而产生变位。因此，对上侧的压电体层2a中央部的单元(2)、(3)产生拉伸应力的作用，对两端部的单元(1)、(4)产生压缩应力的作用。相反，对下侧的压电体层2c中央部的单元(6)、(7)产生压缩应力的作用，对两端部的单元(5)、(6)产生拉伸应力的作用。根据所述应力与分极方向P的关系，在正主面的一个电极5a上产生正电荷，而在另一个电极5b上产生负电荷。相反，在反主面的一个电极6a上产生正电荷，而在另一个电极6b上产生负电荷。把与这些对应的层间电极3的边界B2定为中间后，在单侧一半上产生负电荷，而在另一侧一半上产生正电荷。同样，在层间电极4上，把边界B2定为中间后，在单侧一半上产生负电荷，而在另一侧一半上产生正电荷。这些层间电极3、4的发生电荷是相互抵消的。其结果，正电荷从与电极5a、6b连接后的外部电极7上被取出，负电荷从与电极5b、6b连接后的外部电极8上被取出。

这样，加速度传感器1A中，在压电体层2a内，单元(1)、(2)组与单元(3)、(4)组被串联连接。在压电体层2c内，单元(5)、(6)组与单元(7)、(8)组被串联连接，因此，两组电压被相加后，每一层的发生电位变高。因此，与并联连接型相比，能提高电压灵敏度。

另外，通过设置中间层2b，与中性面相比在靠近应力大的正反面处能够设置检测用的压电体层2a、2c。因此，由于发生在压电体层2a、2c上的电荷量大，所以能提高传感器的灵敏度。

另外，压电元件2需要考虑机械强度的程度承受，不过，由于是3层结构，所以即能确保机械强度，又能将两侧的压电体层2a、2c相对变薄，从而能提高传感器的灵敏度。

另外，当加速度传感器1A在湿度大的环境下使用时，有时在形成相向的电极间其绝缘阻抗会下降。但是，例如在构成成组的单元(1)、(2)的电极5a、3之中，即使绝缘阻抗下降，也不会对构成同层其他组的单元(3)、(4)产生影响。另外，因于一方的层2a与另一方的层2c在是空层的中间层2b上是被绝缘分离的，所以对另一方的层2c没有影响。因此，对传感器整体特性的影响很小。换言之，把各层2a、2c的厚度做薄后，即能提高灵敏度，又能构成耐湿性高的传感器。

图5是表示温度下降时由单元(1)和(2)上产生的热电效应形成的电位。就单元(1)来看，在正面电极5a一侧产生正电荷，在层间电极3一侧产生负电荷。另外，就单元(2)来看，在正面电极5a一侧产生负电荷，在层间电极3一侧产生正电荷。这些电场的方向与分极时的电压极向是呈反向的，是进行脱分极的方向。但是，单元(1)和(2)并联连接后，在被连接的电极5a、3上发生的电位是反向，因此由热电效应产生的电荷在单元(1)、(2)的区域内被直接解除，其结果是未产生电位。同样，对其他的单元(3)～(8)也未产生热电效应电位。

表面安装型的加速度传感器的情况下，是在基板上进行软熔安装，但从软熔槽出来后，在温度急剧下降时会产生热电效应电压。然而，如上所述，由于在单元内电荷被抵消，所以没有因分极降低造成的灵敏度恶化。另外，即使对于使用时的反复温度变化，同样也不会出现因热电效应电压造成的分极下降，在长时间内其传感器是稳定的。

图6是表示本发明的加速度传感器的第2实施例。

该实施例的加速度传感器1B，是将设置在压电元件2内的层间电极和正反主面的电极形状与第1实施例的加速度传感器1A形成相反的(形状)。与第1实施例相同部分标有相同符号，在此省略重复说明。

层间电极3a、3b及4a、4b分别在长度方向中央部的边界B2附近被分断成两个，为了取出这些层间电极3a、3b及4a、4b所产生的电荷而被分别拉到与压电元件2的长度方向不同的端部上后和外部电极7、8进行连接。正反主面的电极5、6是在去掉压电元件2的长度方向两端部的区域上经过4个单元(1)～(4)、(5)～(8)连续形成的。

这种情况下，由8个单元(1)～(8)构成的电路和图3所示的相同，各单元(1)～(8)的分极方向P也和第1实施例相同。

该加速度传感器1B也和第1实施例的加速度传感器1A相同，即能提高灵敏度，又能防止因热电效应电压造成的分极下降，另一个作用就是能降低因绝缘阻抗下降造成的对特性恶化的影响。

图7～图9是表示本发明的加速度传感器的第3实施例。

该实施例的加速度传感器1C省略了非功能层，并在使用2层结构压电元件2的同时，将层间电极由一个电极9达到共用化。与第1实施例相同部分标有相同符号，在此省略了重复说明。

在该实施例中，压电体层2a和2c的各单元(1)～(8)的分极P的方向与第1实施例(参照图2)是相同方向，中央的层间电极9与第1实施例中的层间电极3、4相同、连续地延伸在面向长度方向并排的4个单元上。

在该加速度传感器1C中，如上所述，通过设置层间电极9、正反电极5a、5b、6a、6b及外部电极7、8而构成了图8所示的电路。即，把长度方向中央部的边界B2定为中间后，其一方侧的4个单元(1)、(2)、(5)、(6)被相互并联连接，另一侧的4个文件(3)、(4)、(7)、(8)被相互并联连接，而且并联连接的两侧的两组单元(1)、(2)、(5)、(6)和(3)、(4)、(7)、(8)被串联连接。

这种情况下，在加速度G的作用下，如图9所示，对上侧的压电体层2a中央部的单元(2)、(3)产生拉伸应力的作用，对两端部的单元(1)、(4)产生压缩应力的作用。相反，对下侧的压电体层2c中央部的单元(6)、(7)产生压缩应力的作用，对两端部的单元(5)、(8)产生拉伸应力的作用。根据与所述应力与分极方向的关系，在正主面的一个电极5a上产生正电荷，在另一个电极5b上产生负电荷。另一方面，在反主面的一个电极6a上产生正电荷，在另一个电极6b上产生负电荷。另外，由于把层间电极9的边界B2定为中间后，在单侧一半上产生负电荷，在另一侧一半上产生正电荷，因此，层间电极9的发生电荷被相互抵消。其结果，正电荷从与电极5a、6a连接的外部电极7上被取出，负电荷从与电极5b、6b连接的外部电极8上被取出。

在本实施例中，由于单元(1)、(2)、(5)、(6)和(3)、(4)、(7)、(8)被串联连接的，所以能得到较高的电压灵敏度。另外，即使因温度变化产生热电效应电压，但由于单元(1)和(2)、单元(5)和(6)是并联连接的、且单元(3)和(4)、单元(7)和(8)也是并联连接的，所以，由各单元产生的反向电荷在单元内被直接抵消，不会产生电位。

另外，例如在单元(1)的绝缘性下降的情况下，单元(2)、(5)、(6)要受到影响，而其他的单元(3)、(4)、(7)、(8)并不受影响。就是讲，单元的一半是有效的，这样即能降低对传感器整体特性的影响，又能实现耐湿性高的传感器。

另外，由于压电元件是由2层2a、2c构成的，所以优点在于，层叠数及电极数少，这样就能以低成本进行制造。

图10是表示本发明的加速度传感器的第4实施例。

本实施例的加速度传感器1D省略了第2实施例中的加速度传感器1B的压电元件2的空层，作为两层结构，是把层间电极分割成长度方向的两个电极9a、9b。与第1实施例相同部分标有相同符号，在此省略重复说明。

层间电极9a、9b在长度方向中央部的边界附近被分断成两个，为了取出这些层间电极9a、9b所产生的电荷，被分别拉到与压电元件2的长度方向不同的端部上，并与外部电极7、8进行连接。正反主面的电极5、6是在去掉压电元件2的长度方向两端部的区域上经过4个单元(1)～(4)、(5)～(6)连续形成的。

这种情况下，由8个单元(1)～(8)构成的电路和图3所示的相同，各单元(1)～(8)的分极方向P也和第1实施例相同。

该加速度传感器1D也和第3实施例的加速度传感器1A相同，即能借助于串联连接提高灵敏度，又能达到防止因热电效应电压造成的分极下降的作用效果。而且，由于压电体层的层叠数及电极数少，所以能以低成本进行制造。

如上述说明所述，根据本发明之1的加速度传感器，即使因温度变化在各压电体层上产生热电效应电压，但由于把长度方向中央部的边界定为中间后，两个单元被并联连接，所以，由热电效应产生的电荷在两个单元的区域内被直接抵消，这样能防止因分极降低造成的灵敏度下降。另外，由于把长度方向中央部的边界定为中间后，一方的一组单元和另一方的一组单元是串联连接的，所以两组电压相加后，每一层的发生电位变高。这样，与并联连接型相比能提高电压灵敏度。

另外，把长度方向中央部的边界定为中间后，在一侧的两个单元电极间即使绝缘阻抗下降，也对相同压电体层的另一侧的两个单元没有影响，而且，由于其他压电体层是通过空层被绝缘分离的，所以对其他压电体层没有影响。因此，能降低对传感器整体特性的影响，并能实现耐湿性高的传感器。

另外，由于在比中性面的应力变化大的外侧表面附近处构成检测单元，所以能够在确保高灵敏度、且影响强度的传感器的厚度的同时，减少检测单元部分的厚度，所以能实现更高灵敏度的传感器。

本发明之2的加速度传感器与本发明之1相同，即使产生因温度变化造成的热电效应电压，但由于把长度方向中央部的边界定为中间后，单侧的两个单元是并联连接的，因此，由热电效应产生的电荷在两个单元区域内被直接抵消，这样就不会出现因分极降低造成的灵敏度下降。

另外，由于把长度方向中央部的边界定为中间后，一侧的单元组和另一侧的单元组被串联连接的，所以与并联连接型的相比能够提高电压灵敏度。

另外，把长度方向中央部的边界定为中间后，在一侧的两个单元的电极间即使绝缘阻抗下降，也不会对相同压电体层的另一侧的两个单元产生影响。

另外，由于能将压电体层的层叠数及电极数减少，所以也就能降低制造成本。

Claims (2)

1.一种加速度传感器，具有压电元件和支撑该压电元件的在长度方向上的两端部的支撑部件，

其特征在于：所述压电元件叠层有3层压电体层，中央部的层是在施加加速度时不产生电荷的非功能层，

外侧的两层压电体层，在施加加速度时，被在长度方向上应力反转的两个边界和长度方向的中央部的边界，在长度方向上被分割成4个单元，

所述外侧的两层压电体层，在厚度方向上被分极，形成在长度方向上相邻的单元的分极方向相反，在厚度方向上相对应的单元的分极方向相同，

在所述压电元件的正反主面及层间设置电极，使其在所述外侧的两层压电体层上，在把长度方向中央部的边界定为中间后，把在其一侧的两个单元和在另一侧的两个单元分别并联连接，并且把并联连接的两侧的两组单元串联连接，

把所述正反主面的电极或层间的电极引出到所述压电元件的在长度方向上的不同的端部上。

2.一种加速度传感器，具有压电元件和支撑该压电元件的在长度方向上的两端部的支撑部件，

其特征在于：所述压电元件叠层有2层压电体层，

所述两层压电体层，在施加加速度时，被在长度方向上应力反转的两个边界和长度方向的中央部的边界，在长度方向上被分割成4个单元，

所述两层压电体层，在厚度方向上被分极，形成在长度方向上相邻的单元的分极方向相反，在厚度方向上相对应的单元的分极方向相同，

在所述压电元件的正反主面及层间设置电极，使其在所述两层压电体层上，在把长度方向中央部的边界定为中间后，把在其一侧的两个单元和在另一侧的两个单元分别并联连接，并且把并联连接的两侧的两组单元串联连接，

把所述正反主面的电极或层间的电极引出到所述压电元件的在长度方向上的不同的端部上。

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