CN1721859A - 加速度传感器 - Google Patents

Abstract

一种加速度传感器，包括检测元件、和支承该检测元件的长边方向的一端部的支承部件，所述检测元件是将由2层以上的压电陶瓷构成压电体层叠层而构成，在所述压电体层的层间及外表面上分别设有电极，在所述检测元件的自由端侧，以所述压电体层为界构成对向的电极的至少一方设有未形成电极的电极间隙，电极间隙的长度与所述检测元件的自由长的比率为20～70％。从而只要使内侧层厚而使外侧层薄，使在两层发生的电位尽量相等，便可增大发生能量，得到高灵敏度的加速度传感器。

Description

加速度传感器

本申请是申请号为03137809.9(申请日：2003年5月21日)的同名申请的分案申请。

技术领域

本发明涉及采用压电陶瓷的加速度传感器。

背景技术

过去，作为采用压电陶瓷的加速度传感器，有各种各样的方案。通常，在这种加速度传感器中，作为灵敏度存在电压灵敏度和电荷灵敏度两种。电荷灵敏度的增加可以提高针对在下一级接有放大器时在加速度传感器与放大器之间的连接部产生的来自外部机器和电路的电磁干扰的S/N比。而电压灵敏度的增加可以提高放大器自身产生的电压噪声的S/N比。因此，要提高针对来自外部的电磁干扰和放大器内部的噪声两方面的S/N比，就需要使电荷灵敏度和电压灵敏度双方都增加。也就是说，当以电荷灵敏度与电压灵敏度之积的1/2所表示的发生能量较大时，就可以说是高S/N比、也就是高灵敏度的传感器。

在特开平10-62445号公告中，示出了将各层的厚度大致相同的3层以上的压电陶瓷层叠，以各层电并联连接的加速度传感器，通过增加叠层的数量可以提高电荷灵敏度。但是，在这种结构的加速度传感器中，当使检测元件的整体厚度维持一定而增加叠层数时，相应各层厚度变薄，静电电容增加，会使在各层发生的电压灵敏度下降。另外，由于内侧层的发生电位比外侧层低，所以当将它们并联连接时，在检测元件整体上的电压灵敏度成为各层的电压平均值，因而作为整体的电压灵敏度，会随着叠层数的增加反而下降。其结果，发生能量不会有大的改善。

表1中列出了例如单端支承结构、检测元件的整体厚度为0.42mm、除去支承部的自由长为3.0mm、检测元件的宽度为0.4mm的2层构造和4层构造两种类型的加速度传感器的灵敏度比较情况。也就是说，4层结构与2层结构相比虽然电荷灵敏度有较大提高，但电压灵敏度下降，其结果是双方的发生能量没有变化。此外，虽然这里没有图示，但这是在各层为电并联连接的状态下的特性。

表1

特性	2层构造	4层构造
			电压灵敏度(mV/G)	3.45	1.00
电荷灵敏度(pC/G)	0.245	0.841
			静电电容(pF)	70.9	837
能量(10-18J/G)	422	422

作为比较条件，上述特性是在将检测元件的整体厚度、自由长设定为相同的情况下进行测量的。

其理由是，作为包括厚度和自由长的形状的特性，下列关系式成立。

电荷灵敏度Q＝kd·WL³/T

电压灵敏度V＝kg·L²

当改变这些形状时，其特性会发生变化的缘故。这里，L：自由长，W：检测元件的宽度，T：检测元件的整体厚度，g、d：压电常数，k：其他系数。

从上式可以看出，要想同时提高电荷、电压灵敏度，只要增加自由长即可，另外，当减小厚度T时，因电荷灵敏度增加而电压灵敏度不变化，所以发生能量会增加。但是，要加大L就会使尺寸变大，而若减小T会使强度下降，并且检测部的谐振频率会下降，而造成无法正确地测量在高频处的加速度等，因而，存在尺寸上的制约。

另外，在特开平9-26433号公告中，公开了单端支承结构，在整个长边方向的全区域形成有中间电极和表面电极的2层结构的加速度传感器。当施加有加速度时，能产生输出的原因虽然是因加速度而产生应力，相应该应力产生了电荷，但在单端支承结构的情况下，该应力在检测元件的根部附近较大越靠前断侧越小。在这种状态下，前端部基本上对电荷的产生没有贡献，仅仅是电容成份与电并联连接的状态等效。因此，检测元件整体上的电压灵敏度成为在长边方向整体的平均值，作为整体的电压灵敏度，与仅在根部附近有电极时相比会下降，因而，无法使发生能量增大。

发明内容

因此，本发明的目的在于提供一种在不改变自由长和厚度的情况下，可以使发生能量大幅度增加、从而实现高灵敏度化的加速度传感器。

以上目的通过本发明之1、之3及之4来实现。

本发明之1的加速度传感器，包括检测元件和支承该检测元件的长边方向的一端部、两端部或中央部的支承部件，其特征在于：所述检测元件是将由4层的压电陶瓷构成压电体层叠层而构成，所述压电体层从厚度方向中心向外侧分别具有第1层和第2层，在所述检测元件的厚度方向的中心、第1层与第2层之间、及第2层的外表面上分别设有电极，以厚度方向中心为界由在同一侧第1层与第2层所形成的单元为电并联连接，在厚度方向两侧的第1层与第1层及第2层与第2层分别形成相同的厚度，第1层的厚度与第1层和第2层的合计厚度的比率为62～76％。

本发明之3的加速度传感器，包括检测元件、和支承该检测元件的长边方向的一端部、两端部或中央部的支承部件，其特征在于：所述检测元件是将由6层的压电陶瓷构成压电体层叠层而构成，所述压电体层从厚度方向中心向外侧分别具有第1层、第2层及第3层，在所述检测元件的厚度方向的中心、第1层与第2层之间、第2层与第3层之间、及第3层的外表面上分别设有电极，以厚度方向中心为界由在同一侧第1层、第2层、及第3层所形成的单元为电并联连接，在厚度方向两侧的第1层、第2层及第3层分别形成相同的厚度，第1层的厚度与第1层～第3层的合计厚度的比率为51～62％，并且，第1层和第2层的合计厚度与第1层～第3层的合计厚度的比率为72～87％。

本发明之4的加速度传感器，包括检测元件、和支承该检测元件的长边方向的一端部的支承部件，其特征在于：所述检测元件是将由2层以上的压电陶瓷构成压电体层叠层而构成，在所述压电体层的层间及外表面上分别设有电极，在所述检测元件的自由端侧，以所述压电体层为界构成对向的电极的至少一方设有未形成电极的电极间隙，电极间隙的长度与所述检测元件的自由长的比率为20～70％。

在本发明之1的加速度传感器中，检测元件是将由4层的压电陶瓷构成的压电体层叠层而构成，厚度方向内侧的第1层的厚度比外侧的第2层的厚。具体地说，是使第1层的厚度与第1层和第2层的合计厚度的比率为62～76％。在现有技术的4层的厚度均相同的情况，即使通过增加叠层数可以提高电荷灵敏度，但由于内侧层的发生电位比外侧层低，所以当将它们并联连接时电压灵敏度会下降，因而作为整体的发生能量不会增加。而本发明则是，只要使内侧层厚而使外侧层薄，从而使在两层发生的电位尽量相等，便可增大发生能量。

通过实验已经证实，当第1层的厚度的比率是整体厚度的大致70％时，与同一厚度的情况相比，约有20％的发生能量的上升，即使在第1层的厚度的比率为62～76％的范围也有16％以上的上升。

在本发明之1中，虽然也可以用不同厚度陶瓷片来形成第1层及第2层压电体层，但也可以采用本发明之2，即，将同一厚度的陶瓷片1片至多片叠层构成压电体层，若使第1层叠层的陶瓷片的片数是第2层的2倍，则可以使第1层的厚度的比率成为整体厚度的大致70％，因而可以得到最大的发生能量。这时，因可以采用相同厚度的陶瓷片制造检测元件，所以既方便了厚度的调整又可以降低制造成本。

本发明之3是将检测元件的叠层数设为6层，通过从内侧层向外侧层逐渐减薄厚度，使在3层发生的电位尽量相等，因而可以使发生能量增大。

通过使第1层的厚度与第1层～第3层的合计厚度的比率为51～62％，并且，第1层和第2层的合计厚度与第1层～第3层的合计厚度的比率为72～87％，与所有的层为同一厚度时相比，可以大幅度提高发生能量。

本发明之4，是在单端支承结构的情况下，通过在检测元件的根部附近设置电极、换句话说是通过去除前端部的电极，来达到大幅度提高电压灵敏度。也就是说，当在单端支承结构的检测元件上施加有加速度时，由于能产生大的输出的是检测元件的根部附近，所以去除了对电荷的产生基本上不起作用的自由端侧的电极。因此，可以只从电荷大的部分取得电荷，因而可以增大发生能量。

当电极间隙增大后，虽然因电极面积变小而会使电荷灵敏度变小，但反过来因电位低的前端部的影响会变小，所以电压灵敏度会增大。其结果，发生能量在电极间隙的比率处于某一范围时会达到最大。通过实验可知，电极间隙的长度与检测元件的自由长的比率大致在50％时发生能量成为最大，与整面电极相比，约能增大45％。另外，即使在20～70％的范围内，也可以得到约20％以上的发生能量的增加。

这时，可以采用本发明之5，即，也可以在设有检测元件的电极间隙的自由端侧的侧面，设置将延伸到检测元件的自由端的电极相互连接的连接电极。

本发明之6，是在本发明之4中组合了本发明之1的发明。这时，由于既可以得到由电极间隙带来的发生能量的增加，又可以得到由第1层与第2层的厚度差带来的发生能量的增加，所以通过其相乘效果，可以得到灵敏度非常高的加速度传感器。

本发明之7，是在本发明之6的加速度传感器中，分别将第1层与第2层之间的电极、厚度方向的中心的电极、及第2层的外表面的电极引向外部的结构。也就是说，第1层与第2层之间的电极的一端延伸到受所述支承部件支承的检测元件的端面，另一端从所述检测元件的自由端侧开始空开电极间隙而构成终端。另一方面，厚度方向的中心的电极和第2层的外表面的电极，从受到所述支承部件支承的检测元件的根部附近开始延伸到检测元件的自由端。并且，通过设置在所述检测元件的自由端侧的侧面的连接电极，将厚度方向的中心的电极与第2层的外表面的电极相互连接。

在这种情况下，由于通过在检测元件的侧面形成连接电极，可以将厚度方向的中心的电极与第2层的外表面的电极相互连接，所以不仅连接可靠，而且因连接电极设在电极间隙上，所以可以防止连接电极与第1层与第2层之间的电极的电导通。并且，由于只要在检测元件的侧面形成连接电极即可，所以不需要进行像将连接电极形成在检测元件的端面时的复杂处理。

附图说明

图1是本发明的加速度传感器的实施例1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在加速度施加时的动作说明图。

图5是用于说明厚度比对发生能量的影响的图，其中(a)是4层结构的加速度传感器的结构图，(b)是其电路图。

图6是表示第1层比率与灵敏度之间的关系的图，其中(a)是其特性图，(b)是数值数据。

图7是用于说明电极间隙率对发生能量的影响的4层结构的加速度传感器的结构图。

图8是表示电极间隙率与灵敏度之间的关系的图，其中(a)是其特性图，(b)是数值数据。

图9是本发明的加速度传感器的实施例2的主视图。

图10是图9所示的加速度传感器的电路图。

图11是本发明的加速度传感器的实施例3的主视图。

图12是图11所示的加速度传感器的电极间隙率与灵敏度之间的关系的图，其中(a)是其特性图，(b)是数值数据。

图13是本发明的加速度传感器的实施例4的主视图。

图中：1A、1B、1C-加速度传感器；2、20、30、40-检测元件；3-中心电极；4a、4b-层间电极；5a、5b-表面电极；6、7-外部电极；10、11-支承框(支承部件)；①～⑥-单元。

具体实施方式

图1～图4示出了本发明加速度传感器的实施例1。

该加速度传感器1A是由截面呈匚字形的一对支承框(支承部件)10、11将检测元件2的长度方向的一端部粘接支承而成。支承框10、11由陶瓷或树脂等绝缘材料形成。在支承框10、11的一方的保持部10a、11a之间通过各向异性导电粘接剂16粘接保持有检测元件2的一端部，而在另一方的保持部10b、11b之间通过各向异性导电粘接剂17粘接保持有与检测元件2具有相同厚度的端部件15。加速度传感器1A，在将端部件15与检测元件2一体形成的状态下，先以两端部粘接到一方的支承框10(或11)上后，用切割机等将检测元件2与端部件15之间切断，然后将另一方的支承框11(或10)粘接，从而可以高效地制造。在支承框10、11与检测元件2之间，形成有当加速度G作用时可使检测元件2产生挠曲的空间13、14。

该实施例的检测元件2是将由带状的薄壁厚的压电陶瓷构成的4层压电体层2a～2d叠加并经一体烧结而成。检测元件2从厚度方向中心向外侧分别形成有第1层2a、2c和第2层2b、2d，在检测元件2的厚度方向中心设有中心电极3，在第1层2a、2c和第2层2b、2d之间设有层间电极4a、4b，在第2层2b、2d的外表面设有表面电极5a、5b。由上述电极3、4a、4b、5a、5b所夹住的4层的压电体层2a～2d，构成了4个单元①～④。

在厚度方向两侧的第1层2a、2c形成相互同样的厚度，第2层2b、2d也形成相互同样的厚度。并且，相对第1层2a(2c)与第2层2b(2d)的合计厚度T₂，第1层2a(2c)的厚度T₁的比率为62～76％。即设定在

0.62≤T₁/T₂≤0.76的范围。

设在上述第1层2a、2c与第2层2b、2d之间的层间电极4a、4b的一端，一直延伸到由支承框10、11所支承的检测元件2的端面，并与连续形成在支承框10、11的一端面及检测元件2的一端面上的外部电极6电连接。层间电极4a、4b的另一端在从检测元件2的自由端开始后退规定尺寸的位置构成终端。若将检测元件2的自由端与层间电极4a、4b的另一端之间的无电极部分称为电极间隙，则电极间隙Lg的长度相对于检测元件2的自由长Lf的比率(电极间隙率)为20～70％。即设定在

0.2≤Lg/Lf≤0.7的范围。

上述中心电极3与表面电极5a、5b由受到支承框10、11支承的检测元件2的根部开始一直延伸到检测元件2的自由端。特别是表面电极5a、5b虽然延伸到粘接支承框10、11的保持部10a、11a的部分，但在距形成有外部电极6的端面的规定距离之前构成终端。另外，在支承框10、11的内面分别形成有内面电极10c、11c，内面电极10c、11c的两端延伸到保持部10a、10b、11a、11b。延伸到一方的保持部10a、11a的内面电极10c、11c的一端，在距形成有外部电极6的端面的规定距离之前构成终端，并通过各向异性导电粘接剂16与表面电极5a、5b的一端电连接。各向异性导电性粘接剂16，由于在面方向上不具有导电性而只在厚度方向上具有导电性，所以内面电极10c、11c及表面电极5a、5b与外部电极6不导通。此外，替代各向异性导电性粘接剂16，也可以只在内面电极10c、11c与表面电极5a、5b的粘接部使用各向同性导电粘接剂，与外部电极6的附近部分使用绝缘性粘接剂。延伸到保持部10b、11b的内面电极10c、11c的另一端，与形成在支承框10、11的另一端面及端部件15的端面上的外部电极7电连接。此外，粘接端部件15与保持部10b、11b的粘接剂17，这里从制造工艺上考虑虽然采用了各向异性导电粘接剂，但也可以是各向同性导电性粘接剂或绝缘性粘接剂。

在上述检测元件2的自由端侧的侧面，通过蒸镀或溅射等形成有连接电极18。该连接电极18用于将中心电极3与表面电极5a、5b相互连接，由于它形成在检测元件2的电极间隙Lg的区域，所以没有与层间电极4a、4b连接。该连接电极18，在与图1、图2所示的面的相反一侧的面上也同样形成，因而可以构成具有冗长性的连接。在该实施例中，虽然不仅在检测元件2的侧面而且在支承框10、11的侧面和端部件15的侧面也设有连接电极18，但这些电极是因工艺上的原因而形成的，并非必需。

此外，除了如上所述地在检测元件2的侧面设置连接电极18的情况之外，也可以通过在检测元件2的自由端侧的端面设置连接电极18，将中心电极3与表面电极5a、5b相互连接。

通过如上所述地设置连接电极18，不仅中心电极3与表面电极5a、5b之间相互由检测元件2的前端部连接，同时由支承框10、11的内面电极10c、11c连接到传感器1A的端部的外部电极7。因此，即使支承框10或11中一方的连接路径断开，可以通过另一方的路径维持，可以构成具有冗长性的连接。此外，当然也可以仅在一方的支承框设置内面电极。

通过如上所述地连接各层电极，如图3所示，以厚度方向中心为界，由同一侧的第1层2a和第2层2b所形成的单元①、②构成电并联连接，第1层2c和第2层2d所形成的单元③、④构成电并联连接。在该实施例中，由于外部电极6与层间电极4a、4b相互连接，外部电极7经内面电极10c、11c与中心电极3及表面电极5a、5b相互连接，所以所有的单元①～④构成电并联连接。

如图1、图2中箭头P所示，压电体层2a～2d沿厚度方向极化。以厚度方向中心为界，一方的第1层2a及第2层2b以层间电极4a为界向外极化，而厚度方向中心的另一方的第1层2c及第2层2d则以层间电极4b为界向内极化。因此，夹住中心电极3的第1层2a及2c在相同的方向被极化。此外，由于电极间隙部由共通连接的中心电极3及表面电极5a、5b所包围，在这些部分不具有静电电容，或者即使假设产生电荷或电压也会抵消，所以电极间隙部的极化的有无和方向无关紧要。

在以上构成的加速度传感器1A中，施加了加速度G时的电荷及电压的发生状况在图4中示出。

当在图4中箭头方向施加加速度G时，因惯性使检测元件2向与加速度方向相反的方向挠曲，从而在检测元件2的上半部分产生压缩应力，而在下半部分产生拉伸应力。因此，在中心电极3与表面电极5a、5b上产生正电荷，在层间电极4a、4b上产生负电荷。其结果，在与层间电极4a、4b导通的一方的外部电极6上可以得到负电荷，而在与中心电极3及表面电极5a、5b导通的另一方的外部电极7上可以得到正电荷。

以下，参照图5来说明通过将第1层2a(2c)的厚度T₁与第1层2a(2c)和第2层2b(2d)的合计厚度T₂之比设定为62～76％，从而可以提高灵敏度的理由。

如图5(a)所示，当单端受支承的4层结构的检测元件因加速度G而产生挠曲时，若以厚度方向中心(中性面)为原点，则压电体层的内部应力越靠近表面越大。此外，为了简化说明，各层的电连接如图5(b)所示，假设只有相互相邻的电极之间构成连接，极化方向也假设从中性面开始在同侧方向的均为同一方向，应力以中性面为界对称，因而，只考虑单侧的情况。这样，在各层产生的电荷就不会流向其他层，就可维持因加速度而产生的电荷。实际构成传感器时，例如只要如图1、2所示将电极连接在电荷及电压不会抵消的方向即可。

由离开中性面距离为t的位置的应力所产生的电荷密度D可以用式(1)表示。

D＝agt                            ……(1)

这里，a是包括压电常数和结构参数的常数，g是所施加的加速度，D的单位是库仑/m²。另外，若以相同的中性面为原点，则因该电荷在厚度方向t的位置产生的电位V可以用式(2)来表示。

V＝∫D/ε·dt＝1/2·a/ε·gt²     ……(2)

这里，ε为介电常数。

因此，图5的表面电极n＝2时的电位V₂，由t＝T₂可得

V₂＝1/2·a/ε·gT₂ ²               ……(3)

然后，设发生在第1层的下侧电极n＝0与上侧电极n＝1之间的电位为ΔV1，发生在第2层的下侧电极n＝1与上侧电极n＝2之间的电位为ΔV₂。当将产生这种电位的2个层电并联连接时，若两层的电位不同，则因加速度而产生的电荷由电位高的层向低的层流动，直到两层的电位相等为止。因此，在传感器内部产生能量损耗，而使电压灵敏度与电荷灵敏度之积的发生能量相对减少。

于是，为了尽量减小能量损耗，在两层所产生的电位相等、也就是ΔV₁＝ΔV₂＝ΔV时将产生最大发生能量。这时两层的电位从式(3)可得

ΔV＝V₂/N＝1/2·a/ε·gT₂ ²/N      ……(4)

这里，N是单侧的层数，如图5所示，以中性面为对称的2层时，N＝2。另外，在第n层的电极上产生的电位Vn，以中性面为原点采用式(4)时，则

Vn＝n·ΔV＝1/2·a/ε·gT₂ ²n/N    ……(5)

也就是说，式(5)表示防止能量损耗的各层的电位相等的电位。

另一方面，Vn可以作为在厚度t的部分的电位根据式(2)求得。因此，以单侧N层的传感器结构，至使各层电位ΔV相等的第n层电极的距离t可以根据式(2)、(5)的联立方程式求出t。

t＝T√(n/N)                       ……(6)

这里，T是单侧的总厚度。

若求出式(6)的结果则可得出表2。此外，在表2中，示出了N＝2和N＝3两种情况的结果。

表2

中性面至电极n的距离	单侧的层数
			N＝2	N＝3
	电极n＝1	1/√2T＝0.71T			1/√3T＝0.58T
电极n＝2			T	√2/3＝0.82T
	电极n＝3	---			T

从表2中可以看出，在图5的单侧2层(N＝2)的结构中，能量为最大的电极n＝1的位置，在单侧总厚度T的71％处。同样，图中虽然没有示出，但在单侧3层(N＝3)结构中，从内侧开始第1层的上层电极n＝1的位置为58％，第2层的上层电极n＝2的位置为82％。

图6(a)、(b)是在图1、图2的实施例中替代第1层比率，根据有限要素法对电压灵敏度、电荷灵敏度进行数值计算的结果。传感器的形状，在图2中，设自由长Lf＝3.0mm，元件厚度(2T)＝0.42mm，电极间隙率(Lg/Lf)＝50％，求出了将第1层比率(T₁/T₂)替代为50％～86％时的电荷灵敏度、电压灵敏度及发生能量。

从图6中可以看出，电荷灵敏度相应第1层比率的增大而单调增加，而电压灵敏度在第1层比率大致为60％处为最大，然后随着第1层比率的增大而下降。因此，发生能量在使第1层比率大致为70％时为最大，与现有技术的第1层比率(50％)相比发生能量增加了20％。此外，虽然使第1层比率大致为70％时可使发生能量为最大，但大约在62～76％的范围就可得到16％以上的能量增加，即使在该范围也可发挥充分的效果。

此外，不仅使第1层比率为70％时，即使在使第1层比率为66.7％时也可以使能量为近似最大。也就是说，即使使第1层厚度为第2层厚度的2倍(例如第1层厚度140μm，第2层厚度70μm)，也可得到最大能量。这就意味着，例如将70μm厚度的陶瓷片单侧叠加3层，其中只要用陶瓷片2层构成第1层，用陶瓷片1层构成第2层，就可以实现高灵敏度的检测元件。利用这种方法，由于可以只用相同厚度的陶瓷片，所以有可以高效地制造检测元件的优点。

下面，参照图7来说明通过将电极间隙Lg定为自由长Lf的20～70％从而提高灵敏度的理由。

图7示出了单端受到支承的4层结构的检测元件，分别将中心电极(n＝0)、层间电极(n＝1)及表面电极(n＝2)的终端设在从检测元件的自由端开始后退规定尺寸(电极间隙Lg)的位置。这里，为了简化说明，设各层的极化方向为同一方向。

在上述检测元件中，施加加速度时的应力分布越靠近支承部的附近越大，越接近自由端越小。在这种状态下，从电位高的支承部附近发生向电位低的自由端侧的电荷移动，因而产生能量损耗。因此，在自由端部，以一定的范围设置电极间隙可使能量增大。与上述同样，图8示出了在图2中设自由长Lf＝3.0mm，元件厚度(2T)＝0.42mm，第1层厚度＝0.14mm，第2层厚度＝0.07mm，改变电极间隙率(Lg/Lf)而求出的电压灵敏度、电荷灵敏度及发生能量。

从图8中可以看出，与电极间隙率为0％、也就是整个电极的现有技术例的情况相比，当增大电极间隙率时，虽然电荷灵敏度因电极面积减小而减小，但相反地，电压灵敏度因电位低的自由端侧的影响会变小而增高。其结果，发生能量增电极间隙率大致为50％时成为最大，与整个电极时相比大致增加了45％。此外，即使在电极间隙率为20～70％的范围也可以得到20％以上的发生能量的增加，因而可以得到充分的效果。

综合图6和图8可以得到以下结果。也就是说，在单端支承结构的4层构造的加速度传感器中，若对电极为整个电极且4层为同一厚度时(现有技术例)，与使如图1、图2所示的第1层比率(T₁/T₂)为62～76％且使电极间隙率(Lg/Lf)为20～70％时(本发明)进行比较时，本发明比现有技术例的发生能量增加了39％以上。特别是，当使第1层比率(T₁/T₂)为66.7～71.4％且使电极间隙率(Lg/Lf)为45～55％时，发生能量增加达到了70％以上。

也就是说，不改变检测元件的自由长和厚度，可以大幅度增加发生能量，可以实现高灵敏度化的加速度传感器。

图9示出了本发明加速度传感器的实施例2。此外，与实施例1相同的部分采用了相同的符号而省略其说明。

该实施例的加速度传感器1B，具有一端由支承框10、11所支承的单端支承结构的检测元件20。检测元件20是将由带状的薄壁厚的压电陶瓷构成的6层压电体层20a～20f叠加并经一体烧结而成。检测元件20从厚度方向中心向外侧分别形成有第1层20a、20d、第2层20b、20e、及第3层20c、20f，在检测元件20的厚度方向中心设有中心电极21，在第1层20a、20d与第2层20b、2e之间设有层间电极22a、22b，在第2层20b、20e与第3层20c、20f之间设有层间电极23a、23b，在第3层20c、20f的外表面设有表面电极24a、24b。由上述电极21、22a、22b、23a、23b、24a、24b所夹住的6层的压电体层20a～20f，构成了6个单元。并且，在以中心电极21为界的单侧的3层中，相邻的压电体层在厚度方向相互反向极化，夹住中心电极21的两侧的第1层20a、20d为同向极化。

在厚度方向两侧的第1层20a和20d、第2层20b和20e及第3层20c和20f以相互同样的厚度形成。并且，第1层的厚度T₁与第1层～第3层的合计厚度T₃之比率为51～62％，第1层和第2层的合计厚度T₂与第1层～第3层的合计厚度T₃之比率为72～87％。特别是，最好使T₁/T₃0.58，T₂/T₃0.82。

设定这种厚度的理由如表2所述。

中心电极21和层间电极23a、23b形成为同一形状，从设有外部电极6的检测元件20的一端延伸到检测元件20的中间部为止。也就是说，在检测元件20的自由端侧设有电极间隙Lg，该电极间隙Lg相对于自由长Lf的比率(电极间隙率)被设定为20～70％。

层间电极22a、22b与表面电极24a、24b也大致为同一形状，从检测元件20的根部附近延伸到自由端。并且，表面电极24a、24b与支承框10、11的内面电极10c、11c是导通的。在检测元件20的自由端侧的侧面上形成有连接电极18，经该连接电极18，层间电极22a、22b与表面电极24a、24b相互连接。这种情况下，也可以替代连接电极18，通过在检测元件20的自由端侧的端面上设置连接电极，将层间电极22a、22b与表面电极24a、24b相互连接。

通过如上所述地将各层电极连接，如图10所示，由各层所构成的6个单元①～⑥形成电并联连接。

上述实施例的加速度传感器1B的情况也与实施例1同样，通过使第1层的厚度T₁的比率为51～62％，使第2层和第1层的合计厚度T₂的比率为72～87％，并且使电极间隙率(Lg/Lf)20～70％，可以使发生能量比现有技术的6层结构的加速度传感器大幅度增加。也就是说，不改变检测元件的自由长和厚度，可以使发生能量大幅度增加，可以实现高灵敏度的加速度传感器。

图11示出了本发明加速度传感器的实施例3。其中，与实施例1相同的部分采用了相同的符号而省略其说明。

该实施例的加速度传感器1C，具有一端部由支承框10、11单端支承的检测元件30，检测元件30是将由带状的薄壁厚的压电陶瓷构成的2层压电体层30a、30b叠加并经一体烧结而成。在检测元件30的厚度方向中心设有中心电极31，表背面上设有表面电极32a、32b。2个压电体层30a、30b在厚度方向沿同一方向极化。

中心电极31由设有外部电极6的检测元件30的一端延伸到检测元件30中间部。也就是说，在检测元件30的自由端侧上设有电极间隙Lg，该电极间隙Lg相对于自由长Lf的比率(电极间隙率)被设定为20～70％。

表面电极32a、32b从检测元件的根部附近延伸到自由端，表面电极32a、32b与支承框10、11的内面电极10c、11c导通。在检测元件30的自由端侧的侧面上形成有连接电极18，经该连接电极18，表面电极32a、32b相互连接。但与中心电极31不导通。

这种情况下，由各层构成的2个单元也构成电并联连接。

该实施例的加速度传感器1C，通过使电极间隙率(Lg/Lf)为20～70％，可以使发生能量比现有技术的2层结构的加速度传感器有所增加。

图12是在图11的结构的加速度传感器1C中使电极间隙率变化时的电压灵敏度、电荷灵敏度、发生能量。

这种情况下，电极间隙率为50％时发生能量成为最大，与整个电极时相比大致增加了43％。另外，同样地，即使在电极间隙率为20～70％的范围也可以有20％以上的发生能量的增加，也可以得到充分的效果。

此外，在图11中虽然2层的极化方向为同一方向且构成电并联连接，但上述效果在所述特开平9-26433号公告所示的结构的检测元件上也同样可以得到。也就是说，也可以使2层的极化方向相反，构成电串联连接。在电极间隙率为20～70％的范围内发生能量增加大效果不受层叠数、极化方向及电连接方法的影响，可适用于所有的将检测元件的一端侧保持的单端支承结构。

图13示出了本发明加速度传感器的实施例4。其中，与实施例1相同的部分采用了相同的符号而省略其说明。

该实施例的加速度传感器1D，是在所述特开平10-62445号公告所示的6层结构的传感器中改变了其压电体层的厚度。也就是说，传感器1D具有两端部由支承框10、11两端支承结构的检测元件40，检测元件40是将由带状的薄壁厚的压电陶瓷构成的6层压电体层40a～40f叠加并经一体烧结而成。检测元件40从厚度方向的中心向外侧分别形成有第1层40a、40d、第2层40b、40e、及第3层40c、40f，在检测元件40的厚度方向中心设有中心电极41，在第1层40a、40d与第2层40b、4e之间设有层间电极42a、42b，在第2层40b、40e与第3层40c、40f之间设有层间电极43a、43b，在第3层40c、40f的外表面设有表面电极44a、44b。由上述电极41、42a、42b、43a、43b、44a、44b所夹住的6层的压电体层40a～40f，构成了6个单元。并且，在以中心电极41为界的单侧的3层中，相邻的压电体层在厚度方向相互反向极化，夹住中心电极41的两侧的第1层40a、40d为同向极化。

在厚度方向两侧的第1层40a和40d、第2层40b和40e及第3层40c和40f以相互同样的厚度形成。并且，第1层的厚度T₁与第1层～第3层的合计厚度T₃之比率为51～62％，第1层和第2层的合计厚度T₂与第1层～第3层的合计厚度T₃之比率为72～87％。特别是，最好使T₁/T₃0.58，T₂/T₃0.82。

设定这种厚度的理由如表2所述。

中心电极41和层间电极43a、43b形成为同一形状，从设有外部电极7的检测元件40的一端开始延伸到检测元件40的中间部为止。层间电极42a、42b与表面电极44a、44b也大致为同一形状，从设有外部电极6的检测元件40的另一端开始延伸到检测元件40的中间部。

通过如上所述地将各层电极连接，与图10同样，由各层所构成的6个单元形成电并联连接。

上述实施例的加速度传感器1D，通过使第1层的厚度T₁与合计厚度T₃的比率为51～62％，使第1层和第2层的合计厚度T₂的比率为72～87％，并且使电极间隙率(Lg/Lf)20～70％，可以使发生能量比现有技术的6层结构的加速度传感器(例如特开平10-62445号公告参照)大幅度增加。也就是说，不改变检测元件的自由长和厚度，可以使发生能量大幅度增加，可以实现高灵敏度的加速度传感器。

本发明并不局限于上述实施例。

在本发明之1的情况下，检测元件并不局限于单端支承结构，也可以是两端支承结构或中央支承结构。也就是说，即使在实施例1的4层结构中，也可以构成将检测元件两端支承的结构。

另外，电极间隙Lg，在实施例1中是设置在层间电极4a、4b上；在实施例2中是设置在中心电极21及层间电极23a、23b上；在实施例3中是设置在中心电极31上，但并不局限于此。总之，只要将在施加有加速度时的在对检测元件自由端侧的应力作用下而不产生电荷的区域、或即使产生电荷也无法被取出到外部的区域，形成在检测元件的自由端侧即可。

通过以上说明可知，依据本发明之1，由于4层结构的检测元件中，靠近厚度方向中心的第1层的厚度比外侧的第2层的厚，并使第1层的厚度与第1层和第2层的合计厚度的比率为62～76％，可以使发生能量比4层厚度全部相同时增大。因此，可以在不改变自由长和厚度的情况下，得到高灵敏度的加速度传感器。

另外，在本发明之3中，通过在6层结构的检测元件中，从内侧层到外侧层按规定比例逐渐减小厚度，使在3层上所产生的电位尽量相等，可以使发生能量增大。因此，与所有的层为同一厚度时相比，可以大幅度提高发生能量。

依据本发明之4，通过在单端支承结构的检测元件中，去除对电荷的产生基本上不起作用的自由端侧的电极，可以只从电荷强的部分取得电荷，因而可以增大发生能量。特别是通过使电极间隙的长度与检测元件的自由长的比率为20～70％，与现有技术的整个电极时的情况相比，可以发生能量大致增加20以上。因此，可以在不改变自由长和厚度的情况下，得到高灵敏度的加速度传感器。

Claims (4)

1.一种加速度传感器，包括检测元件、和支承该检测元件的长边方向的一端部的支承部件，其特征在于：

所述检测元件是将由2层以上的压电陶瓷构成压电体层叠层而构成，

在所述压电体层的层间及外表面上分别设有电极，

在所述检测元件的自由端侧，以所述压电体层为界构成对向的电极的至少一方设有未形成电极的电极间隙，

电极间隙的长度与所述检测元件的自由长的比率为20～70％。

2.根据权利要求1所述的加速度传感器，其特征在于：在设有所述检测元件的电极间隙的自由端侧的侧面，设有将延伸到检测元件的自由端的电极相互连接的连接电极。

3.根据权利要求1所述的加速度传感器，其特征在于：所述检测元件是将由4层的压电陶瓷构成压电体层叠层而构成，

所述压电体层从厚度方向中心向外侧分别具有第1层和第2层，

在所述检测元件的厚度方向的中心、第1层与第2层之间、第2层的外表面上分别设有电极，

以厚度方向中心为界由在同一侧第1层和第2层所形成的单元为电并联连接，

形成在厚度方向两侧的一对第1层及一对第2层分别具有相同的厚度，

第1层的厚度与第1层和第2层的合计厚度的比率为62～76％。

4.根据权利要求3所述的加速度传感器，其特征在于：所述第1层与第2层之间的电极的一端延伸到受所述支承部件支承的检测元件的端面，另一端从所述检测元件的自由端侧开始空开电极间隙而构成终端，

所述厚度方向的中心的电极和第2层的外表面的电极，从受到所述支承部件支承的检测元件的根部附近延伸到检测元件的自由端，

在所述检测元件的自由端侧的侧面，设有将所述厚度方向的中心的电极与所述第2层的外表面的电极相互连接、并且不与第1层和的第2层之间的电极连接的连接电极。

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