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Die vorliegende Erfindung bezieht
sich auf Beschleunigungssensoren und Herstellungsverfahren derselben.
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Ein bekannter Beschleunigungssensor,
der eine Piezokeramik (piezoelektrische Keramik) verwendet, ist
beispielsweise in der ungeprüften
japanischen Patentanmeldung Nr. 6-273439 beschrieben. Der bekannte Beschleunigungssensor
umfaßt
ein piezoelektrisches Element, das eine bimorphe Struktur aufweist.
Das bimorphe piezoelektrische Element wird durch ein Verbinden eines
Paares von Piezokeramikschichten, so daß sie einander gegenüberliegen,
gebildet, wobei eine dazwischenliegende Elektrode zwischen den Piezokeramikschichten
vorgesehen wird und an den Vorder- und Rückflächen des bimorphen piezoelektrischen
Elements Signalextraktionselektroden bereitgestellt werden. Das
bimorphe piezoelektrische Element ist in einer Doppelträgerstruktur
eingehäust
und wird durch dieselbe getragen. Bei dem Beschleunigungssensor
sind ein Mittelabschnitt und die beiden Endabschnitte jeder der
Piezokeramikschichten in der Längsrichtung
in entgegengesetzten Richtungen polarisiert. Somit kann eine in
dem Mittelabschnitt und in beiden Endabschnitten erzeugte Ladung
extern extrahiert werden. Folglich kann die Ladungsextraktionseffizienz
verbessert werden.
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Bei dem bimorphen Beschleunigungssensor
ist es notwendig, den Mittelabschnitt und die Endabschnitte jeder
der Piezokeramikschichten unterschiedlich zu polarisieren. Zu diesem
Zweck sind Oberflächenelektroden,
die voneinander getrennt sind, auf einer Oberfläche der Piezokeramikschicht
gebildet, und nach einer Polarisierung wird eine Verbindungselektrode,
die die Oberflächenelektroden
vollständig
bedeckt, gebildet, wodurch eine Signalextraktionselektrode gebildet
wird. Ein Beschleunigungssensor, der die Last einer Zwei-Stufen-Elektrodenbildung
verringern kann, ist in der ungeprüften japanischen Patentanmeldung
Nr. 8-166401 vorgeschlagen.
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Bei beiden der oben beschriebenen
Beschleunigungssensoren wird das piezoelektrische Element durch
die beiden Piezokeramikschichten gebildet, und die Kapazität des piezoelektrischen
Elements ist relativ klein. Somit ist die Ladungsempfindlichkeit
nicht sehr hoch.
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Um die Ladungsempfindlichkeit zu
verbessern, wird ein Beschleunigungssensor vorgeschlagen, der ein
piezoelektrisches Element umfaßt,
das durch Stapeln von drei Piezokeramikschichten gebildet wird (siehe ungeprüfte japanische
Patentanmeldung Nr. 10-62445). In diesem Fall wird die Kapazität durch
ein Erhöhen der
Anzahl von piezoelektrischen Schichten, die gestapelt werden, erhöht. Folglich
kann die Ladungsempfindlichkeit verbessert werden. Jedoch ist die
Struktur insofern beschränkt,
als die Polarisierungsrichtung in derselben piezoelektrischen Schicht
nicht umgekehrt werden kann. Somit kann eine Ladung lediglich aus
dem Mittelabschnitt eines piezoelektrischen Kristalls extrahiert
werden, und die Ladungsextraktionseffizienz ist nicht sehr hoch.
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Es ist die Aufgabe der vorliegenden
Erfindung, Beschleunigungssensoren und Verfahren zum Herstellen
von Beschleunigungssensoren zu schaffen, so daß die Ladungsextraktionseffizienz
und die Ladungsempfindlichkeit erhöht sind.
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Diese Aufgabe wird durch Beschleunigungssensoren
gemäß Anspruch
1 oder Anspruch 3 oder durch Herstellungsverfahren gemäß Anspruch
5, Anspruch 6, Anspruch 7 oder Anspruch 8 gelöst.
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Dementsprechend ist es ein Ziel der
vorliegenden Erfindung, einen Beschleunigungssensor zu schaffen,
der eine durch ein Anlegen einer Beschleunigung erzeugte Ladung
effizient sammeln kann und der eine hohe Ladungsempfindlichkeit
und eine hohe Erfassungsempfindlichkeit aufweist.
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Ein weiteres Ziel der vorliegenden
Erfindung besteht darin, ein Herstellungsverfahren zum effizienten Herstellen
eines Beschleunigungssensors zu schaffen, der dünn und klein ist und der eine
hohe Erfassungsempfindlichkeit aufweist.
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Die vorstehenden Ziele werden durch
eine Schaffung eines Beschleunigungssensors und eines Herstellungsverfahrens
desselben gemäß den folgenden
Aspekten der vorliegenden Erfindung erreicht.
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Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden
Erfindung wird ein Beschleunigungssensor geschaffen, der folgende
Merkmale umfaßt:
ein piezoelektrisches Element, das durch Stapeln einer geraden Anzahl
von piezoelektrischen Schichten, die größer als oder gleich vier Schichten
ist, gebildet ist; Trageglieder zum Tragen beider Enden des piezoelektrischen
Elements in der Längsrichtung;
und Elektroden, die zwischen den Schichten und auf der Vorder- und
der Rückfläche des
piezoelektrischen Elements vorgesehen sind. Die Zwischenschichtelektroden
umfassen eine Elektrode, die in der Längsrichtung in der Nähe von Wendepunkten
zwischen einer Expansionsspannung und einer Kontraktionsspannung,
die als Antwort auf das Anlegen einer Beschleunigung an das piezoelektrische
Element angelegt werden, in Abschnitte segmentiert ist, und Führungselektroden,
die zu den Enden des piezoelektrischen Elements in der Längsrichtung
geführt
sind. Die zwei Typen von Zwischenschichtelektroden sind abwechselnd
gestapelt, wobei die piezoelektrischen Schichten zwischen denselben
liegen. Die Zwischenschichtelektrode in der Mitte des piezoelektrischen
Elements in der Dickenrichtung ist die segmentierte Elektrode. Die
Elektroden auf der Vorder- und der Rückfläche des piezoelektrischen Elements
sind zu den Enden des piezoelektrischen Elements in der Längsrichtung
geführt,
um eine erzeugte Ladung zu extrahie ren. Die piezoelektrischen Schichten
sind in der Dickenrichtung polarisiert, so daß, wenn die Beschleunigung
angelegt wird, eine Ladung, die dieselbe Polarität aufweist, aus den Führungselektroden
extrahiert wird, die zu den Enden in der Längsrichtung in den piezoelektrischen
Schichten an beiden Seiten der Führungselektroden
geführt
sind, und so daß der
Mittelabschnitt und die beiden Endabschnitte jeder piezoelektrischen
Schicht in entgegengesetzten Richtungen polarisiert sind.
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Gemäß einem zweiten Aspekt der
vorliegenden Erfindung wird ein Beschleunigungssensor geschaffen,
der folgende Merkmale umfaßt:
ein piezoelektrisches Element, das durch Stapeln einer ungeraden
Anzahl von piezoelektrischen Schichten, die größer als oder gleich fünf Schichten
ist, gebildet ist; Trageglieder zum Tragen beider Enden des piezoelektrischen
Elements in der Längsrichtung;
und Elektroden, die zwischen den Schichten und auf der Vorder- und
der Rückfläche des
piezoelektrischen Elements gebildet sind. Die Zwischenschichtelektroden
umfassen Elektroden, die in der Längsrichtung in der Nähe von Wendepunkten
zwischen einer Expansionsspannung und einer Kontraktionsspannung,
die als Antwort auf das Anlegen einer Beschleunigung an das piezoelektrische
Element angelegt werden, in Abschnitte segmentiert sind, und Führungselektroden,
die zu den Enden des piezoelektrischen Elements in der Längsrichtung
geführt
sind. Die Zwischenschichtelektroden, die an beiden Seiten der piezoelektrischen
Schicht in der Mitte des piezoelektrischen Elements in der Dickenrichtung
angeordnet sind, sind die segmentierten Elektroden. Die beiden Typen
von Zwischenschichtelektroden sind abwechselnd gestapelt, wobei
sich die piezoelektrischen Schichten zwischen denselben befinden,
mit Ausnahme der piezoelektrischen Schicht in der Mitte der Dickenrichtung.
Die Elektroden auf der Vorder- und
der Rückfläche des
piezoelektrischen Elements sind zu den Enden des piezoelektrischen
Elements in der Längsrichtung
geführt,
um eine erzeugte Ladung zu extrahieren. Unter den piezoelektrischen
Schichten ist die piezoelektrische Schicht in der Mitte der Dickenrichtung
nicht polarisiert. Die anderen piezoelektrischen Schichten sind
in der Dickenrichtung polarisiert, so daß, wenn die Beschleunigung
angelegt wird, eine Ladung, die dieselbe Polarität aufweist, aus den Führungselektroden
extrahiert wird, die zu den Enden in der Längsrichtung in den piezoelektrischen
Schichten an beiden Seiten der Führungselektroden
geführt sind,
und so daß der
Mittelabschnitt und die beiden Endabschnitte jeder piezoelektrischen
Schicht in entgegengesetzten Richtungen polarisiert sind.
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Der Beschleunigungssensor gemäß dem ersten
Aspekt der vorliegenden Erfindung weist eine Struktur auf, bei der
das piezoelektrische Element eine gerade Anzahl von piezoelektrischen
Schichten, die größer als oder
gleich vier Schichten ist, umfaßt.
Der Beschleunigungssensor gemäß dem zweiten
Aspekt der vorliegenden Erfindung weist eine Struktur auf, bei der
das piezoelektrische Element eine ungerade Anzahl von piezoelektrischen
Schichten, die größer als
oder gleich fünf
Schichten ist, umfaßt.
Bei beiden Strukturen ist die Anzahl von piezoelektrischen Schichten
größer als
die eines Zweischicht-Beschleunigungssensors. Somit kann die Kapazität erhöht werden.
Da der Mittelabschnitt und die beiden Endabschnitte jeder der piezoelektrischen Schichten
in entgegengesetzten Richtungen polarisiert sind, kann eine in dem
Mittelabschnitt und in beiden Endabschnitten des piezoelektrischen
Elements erzeugte Ladung effizient gesammelt werden, wodurch die Ladungsextraktionseffizienz
erhöht
wird. Folglich kann, obwohl der Beschleunigungssensor eine Mehrschichtstruktur
aufweist, eine erzeugte Ladung sowohl aus dem Mittelabschnitt als
auch aus den Endabschnitten extrahiert werden. Somit weist der Beschleunigungssensor
eine höhere
Ladungsempfindlichkeit auf, als sie zuvor erreicht wurde.
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Wenn der Beschleunigungssensor eine
Struktur aufweist, bei der beide Enden des piezoelektrischen Elements
getragen werden, sind der Mittelabschnitt und die beiden Endab schnitte
des piezoelektrischen Elements als Antwort auf das Anlegen einer
Beschleunigung unterschiedlichen Spannungen (Kontraktion und Expansion)
unterworfen. Um eine erzeugte Ladung zu erhalten, die dieselbe Polarität aufweist,
ist es notwendig, die Polarisierungsrichtung in jeder Schicht umzukehren.
Bei einem Polarisieren jeder Schicht ist es im einzelnen notwendig,
Spannungen, die unterschiedliche Polaritäten aufweisen, an den Mittelabschnitt
und an die beiden Endabschnitte anzulegen. Um Kurzschlüsse zu verhindern,
ist es notwendig, die Oberflächenelektroden
und die Zwischenschichtelektroden gemäß jeder Region, an die eine
Spannung angelegt wird, elektrisch zu trennen. Zur selben Zeit kann
durch ein elektrisches Verbinden der Elektroden in den Regionen
eine Ladung gesammelt werden. Im allgemeinen ist es notwendig, nach
einer Polarisierung die Elektroden in den Regionen elektrisch zu
verbinden. Wenn die Elektroden in der Keramik getrennt sind, ist
es jedoch technisch unmöglich, die
Elektroden nach der Polarisierung in einem solchen geschichteten
Verbundkörper,
der durch ein gleichzeitiges Brennen der Elektroden und der Piezokeramik
erzeugt wird, zu verbinden.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung
sind eine Elektrode (segmentierte Elektrode) in der Keramik sowie Elektroden
(Führungselektroden),
die zu den Enden des piezoelektrischen Elements in der Längsrichtung
geführt
sind, abwechselnd gebildet, und zwischen diesen Elektroden wird
eine Polarisierung durchgeführt,
wodurch eine Struktur erzielt wird, bei der der Mittelabschnitt
und die beiden Endabschnitte in unterschiedlichen Richtungen polarisiert
sind. Durch ein Sammeln einer Ladung von den Führungselektroden ist es möglich, die erzeugte
Ladung effizient zu extrahieren.
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In einem Fall, bei dem die Anzahl
von piezoelektrischen Schichten 4n ist, und in einem Fall, bei dem die
Anzahl von piezoelektrischen Schichten 4n + 2 ist, unterscheiden
sich Polarisierungselektroden, die auf der Vorder- und der Rückfläche eines
gebrannten Piezokeramikverbundkörpers
gebildet sind, von der Form her. Im einzelnen, wenn die Anzahl von
piezoelektrischen Schichten 4n beträgt, ist es notwendig, segmentierte
Polarisierungselektroden auf der Vorder- und der Rückfläche des
gebrannten Piezokeramikverbundkörpers
zu bilden. Mit den segmentierten Elektroden kann die erzeugte Ladung
nicht aus den Enden in der Längsrichtung extrahiert
werden. Es ist also notwendig, eine Verbindungselektrode zum Verbinden
der segmentierten Elektroden zu bilden. Alternativ dazu können die
segmentierten Elektroden entfernt werden, und anschließend können neue
Elektroden, die zu den Enden des piezoelektrischen Elements in der
Längsrichtung
geführt
sind, gebildet werden. Folglich kann die Ladung extrahiert werden.
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Wenn die Anzahl von piezoelektrischen
Schichten 4n + 2 beträgt,
werden die Polarisierungselektroden durch ein Bilden von Führungselektroden
bereitgestellt, die zu den Enden in der Längsrichtung auf der Vorder- und
der Rückfläche des
gebrannten Piezokeramikverbundkörpers
geführt
sind. Diese Elektroden können
als Elektroden, aus denen Ladung extrahiert werden kann, verwendet
werden.
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Bei dem Beschleunigungssensor gemäß dem ersten
Aspekt der vorliegenden Erfindung kann die Anzahl von piezoelektrischen
Schichten vier betragen. In diesem Fall ist die Struktur die einfachste,
und die Ladung kann effizient extrahiert werden. Der Beschleunigungssensor
ist somit für
eine Massenproduktion geeignet, und die Kosten sind verringert.
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Bei dem Beschleunigungssensor gemäß dem zweiten
Aspekt der vorliegenden Erfindung kann die Anzahl von piezoelektrischen
Schichten fünf
betragen. In diesem Fall liegt in der Mitte der Dickenrichtung eine Zwischenschicht
vor, die nicht polarisiert ist. Ähnlich
dem Vierschicht-Beschleunigungssensor
kann eine Ladung effizient extrahiert werden.
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Gemäß einem dritten Aspekt der
vorliegenden Erfindung wird ein Herstellungsverfahren zum Herstellen
eines Beschleunigungssensors geschaffen. Segmentierte Elektroden
und Elektroden, die in der Längsrichtung
verbunden sind, sind abwechselnd gestapelt. Vor einem Schneiden
eines gebrannten Piezokeramikverbundkörpers (der als Basis fungiert)
in einzelne Elemente werden die segmentierten Elektroden extern
geführt. Durch
Anlegen eines elektrischen Gleichfeldes zwischen den segmentierten
Elektroden und den in der Längsrichtung
verbundenen Elektroden wird eine Polarisierung durchgeführt, so
daß der
Mittelabschnitt und die beiden Endabschnitte jeder piezoelektrischen
Schicht in der Längsrichtung
in entgegengesetzten Richtungen polarisiert sind. Gemäß der vorliegenden
Erfindung werden Keramikgrünlagen
gestapelt, und ein Brennen der Keramikgrünlagen und ein Backen einer
leitfähigen
Paste werden gleichzeitig durchgeführt. Obwohl der Beschleunigungssensor
eine Mehrschichtstruktur aufweist, kann ein dünnes piezoelektrisches Element
erreicht werden. Somit kann die Kapazität verbessert werden. Da der
gebrannte Piezokeramikverbundkörper
nach einer Polarisierung in Elemente geschnitten wird, eignet sich
das Herstellungsverfahren für
eine Massenproduktion und ist in der Lage, gleichmäßige piezoelektrische
Elemente zu erzeugen.
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Gemäß einem Beschleunigungssensor
der vorliegenden Erfindung weist ein piezoelektrisches Element eine
Struktur auf, die durch Stapeln von mindestens vier piezoelektrischen
Schichten erhalten wird. Eine als Antwort auf das Anlegen einer
Beschleunigung erzeugte Ladung kann aus dem Mittelabschnitt und
beiden Endabschnitten jeder piezoelektrischen Schicht extrahiert
werden. Die Kapazität
kann erhöht
werden, und die Ladung kann effizient gesammelt werden. Folglich
ist es möglich,
einen Beschleunigungssensor mit einer hohen Erfassungsempfindlichkeit
zu erzielen.
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Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden
Erfindung werden nachfolgend Bezug nehmend auf die beiliegenden
Zeichnungen näher
erläutert.
Es zeigen:
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1 eine
perspektivische Ansicht eines Beschleunigungssensors gemäß einem
ersten Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung;
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2 eine
Vorderansicht des in 1 gezeigten
Beschleunigungssensors;
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3A – 3F Ablaufdiagramme, die ein
Herstellungsverfahren zum Herstellen des in 1 gezeigten Beschleunigungssensors zeigen;
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4 eine
perspektivische Ansicht eines Beschleunigungssensors gemäß einem
zweiten Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung;
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5 eine
Vorderansicht eines Beschleunigungssensors gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der
vorliegenden Erfindung;
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6 eine
Vorderansicht eines Beschleunigungssensors gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel der
vorliegenden Erfindung;
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7 eine
Vorderansicht eines Beschleunigungssensors gemäß einem fünften Ausführungsbeispiel der vorliegenden
Erfindung; und
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8 eine
Vorderansicht eines Beschleunigungssensors gemäß einem sechsten Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung.
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1 – 3 zeigen einen Beschleunigungssensor gemäß einem
ersten Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung.
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Ein Beschleunigungssensor 1A wird
durch ein Tragen eines piezoelektrischen Elements 2 an
beiden Enden in der Längsrichtung
durch ein Paar von Tragerahmen (Tragegliedern) 10 und 11 gebildet,
die einen im wesentlichen U-förmigen
Querschnitt aufweisen. Die Tragerahmen 10 und 11 sind
aus einer isolierenden Keramik gebildet, die ungefähr denselben
Wärmeausdehnungskoeffizienten
aufweist wie das piezoelektrische Element 2. In den Tragerahmen 10 und 11 sind
konkave Abschnitte 10a und 11a vorgesehen, um
das piezoelektrische Element 2 in die Lage zu versetzen,
sich als Antwort auf eine Beschleunigung G zu biegen.
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Das piezoelektrische Element 2 des
ersten Ausführungsbeispiels
wird durch Stapeln von vier streifenförmigen, dünnen piezoelektrischen Schichten 2a, 2b, 2c und 2d,
die aus Piezokeramik gebildet sind, und durch ein einstückiges Brennen
der piezoelektrischen Schichten 2a – 2d gebildet. Zwischen
den Schichten des piezoelektrischen Elements 2 sind Elektroden 3, 4 und 5 vorgesehen.
Auf der Vorder- und der Rückfläche des piezoelektrischen
Elements 2 sind Elektroden 6 und 7 vorgesehen.
Die Zwischenschichtelektroden 3 – 5 umfassen die segmentierte
Elektrode 4 und die Führungselektroden 3 und 5.
Die segmentierte Elektrode 4 ist in der Längsrichtung
in der Nähe
von Wendepunkten zwischen einer Expansionsspannung und einer Kontraktionsspannung,
die als Antwort auf das Anlegen einer Beschleunigung an das piezoelektrische
Element 2 angelegt werden, in drei Abschnitte segmentiert.
Die Führungselektroden 3 und 5 werden
zu unterschiedlichen Enden des piezoelektrischen Elements 2 in
der Längsrichtung
geführt.
Die zwei Typen von Zwischenschichtelektroden 3 – 5 sind
abwechselnd gestapelt, wobei sich die piezoelektrischen Schichten 2a – 2d zwischen denselben
befinden. Die Zwischenschichtelektrode 4 in der Mitte des
piezoelektrischen Elements 2 in der Dickenrichtung ist
eine segmentierte Elektrode, die in drei Abschnitte segmentiert
ist. Die Anzahl von segmentierten Abschnitten der segmentierten
Elektrode 4 ist nicht auf drei begrenzt.
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Überdies
kann die segmentierte Elektrode 4 an anderen Punkten als
den Wendepunkten segmentiert sein.
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Die Elektroden 6 und 7 auf
der Vorder- und der Rückfläche des
piezoelektrischen Elements 2 werden zu unterschiedlichen
Enden des piezoelektrischen Elements 2 in der Längsrichtung
geführt,
um die erzeugte Ladung zu extrahieren. Ähnlich der segmentierten Elektrode 4 umfassen
die Elektroden 6 und 7 Elektroden 6a – 6c und
Elektroden 7a – 7c,
die durch ein Unterteilen der Elektroden in drei in der Nähe der Wendepunkte erhalten
werden, und Verbindungselektroden 6d und 7d zum
Verbinden der Elektroden 6a – 6c bzw. 7a – 7c. Unter
den Elektroden 6a – 6c und 7a – 7c wird
die Elektrode 6b zu einem Ende des piezoelektrischen Elements 2 in
der Längsrichtung
geführt,
und die Elektrode 7c wird zu dem anderen Ende des piezoelektrischen
Elements 2 in der Längsrichtung
geführt.
Es ist nicht notwendig, daß jede
der Verbindungselektroden 6d und 7d eine einzelne
Elektrode ist. Beispielsweise kann die Verbindungselektrode 6d eine
Elektrode, die Elektroden 6a und 6b verbindet,
und eine Elektrode, die die Elektroden 6a und 6c verbindet,
umfassen.
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Auf beiden Endflächen des piezoelektrischen
Elements 2 in der Längsrichtung,
einschließlich
Endflächen
der Tragerahmen 10 und 11, sind externe Elektroden 8 und 9 gebildet.
Die externe Elektrode 8, die auf einer Endfläche gebildet
ist, leitet zu der Elektrode 6 auf der Vorderfläche und
zu der Führungselektrode 5.
Die externe Elektrode 9, die auf der anderen Endfläche gebildet
ist, leitet zu der Elektrode 7 auf der Rückfläche und
zu der Führungselektrode 3.
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Die piezoelektrischen Schichten 2a, 2b, 2c und 2d sind
in den durch die fettgedruckten Pfeile in 2 angegebenen Richtungen polarisiert.
Im einzelnen sind die piezoelektrischen Schichten 2a, 2b, 2c und 2d in der
Dickenrichtung polarisiert, so daß die piezoelektrischen Schichten
auf beiden Seiten der Zwischenschichtelektroden 3 – 5 in
entgegengesetzten Ausrichtungen polarisiert sind und so daß der Mittelabschnitt
und die beiden Endabschnitte jeder piezoelektrischen Schicht in
entgegengesetzten Richtungen polarisiert sind. Bei dem ersten Ausführungsbeispiel
liegt der Mittelabschnitt jeder der ersten und dritten Schicht 2a und 2c in
Richtung A vor, und die beiden Endabschnitte derselben liegen in
Richtung B vor. Der Mittelabschnitt jeder der zweiten und vierten
Schicht 2b und 2d liegt in Richtung B vor, und
die beiden Endabschnitte derselben liegen in Richtung A vor. Wenn
an das piezoelektrische Element 2 in der Plattendickenrichtung
eine Beschleunigung G angelegt wird, kann eine Ladung, die dieselbe
Polarität
aufweist, aus den Führungselektroden 3 und 5 in
den piezoelektrischen Schichten auf beiden Seiten der Führungselektroden 3 und 5 extrahiert
werden.
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Wenn beispielsweise in der durch
den Pfeil in 2 angezeigten
Richtung eine Beschleunigung G angelegt wird, wird der Mittelabschnitt
des piezoelektrischen Elements 2 aufgrund einer Trägheit verformt,
so daß er
in der Aufwärtsrichtung
in 2 konvex ist. Folglich
sind die Mittelabschnitte der ersten Schicht 2a und der zweiten
Schicht 2b einer Expansionsspannung unterworfen, und die
Endabschnitte derselben sind einer Kontraktionsspannung unterworfen.
Die Mittelabschnitte der dritten Schicht 2c und der vierten
Schicht 2d sind einer Kontraktionsspannung unterworfen,
und die Endabschnitte derselben sind einer Expansionsspannung unterworfen.
Auf der Basis der Beziehungen zwischen den Spannungen und den Polarisierungsrichtungen
wird an der Elektrode 6 auf der Vorderfläche und
der Führungselektrode 5 eine
negative Ladung erzeugt, und an der Elektrode 7 auf der
Rückfläche und
der Führungselektrode 3 wird
eine positive Ladung erzeugt. Die negative Ladung wird aus der auf
einer Endfläche
gebildeten externen Elektrode 8 extrahiert, und die positive
Ladung wird aus der auf der anderen Endfläche gebildeten externen Elektrode 9 extrahiert.
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Obwohl der Beschleunigungssensor 1A eine
geschichtete Struktur aufweist, kann eine erzeugte Ladung sowohl
aus dem Mittelabschnitt als auch den Endabschnitten jeder piezoelektrischen
Schicht gesammelt werden. Somit wird die Menge an Ladung, die als
Antwort auf das Anlegen der Beschleunigung G gesammelt wird, erhöht, und
der Beschleunigungssensor 1A weist eine höhere Erfassungsempfindlichkeit
auf, als sie vorher erzielt wurde.
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Tabelle 1 zeigt einen Vergleich zwischen
dem piezoelektrischen Sensor 1A, der das vierschichtige
piezoelektrische Element 2 bei dem ersten Ausführungsbeispiel
verwendet, einem Beschleunigungssensor X (siehe 1 der ungeprüften japanischen Patentanmeldung
Nr. 8-166401), der eine Zweischichtstruktur aufweist und der in
der Dickenrichtung polarisiert ist, so daß piezoelektrische Schichten
auf beiden Seiten einer inneren Elektrode in entgegengesetzten Richtungen
polarisiert sind und so daß der
Mittelabschnitt und die beiden Endabschnitte jeder piezoelektrischen
Schicht in entgegengesetzten Richtungen polarisiert sind, und einem
Beschleunigungssensor Y (sie 1 der
ungeprüften
japanischen Patentanmeldung Nr. 2000-121661), der desgleichen eine
Zweischichtstruktur aufweist und der in der Dickenrichtung polarisiert
ist, so daß piezoelektrische
Schichten auf beiden Seiten einer inneren Elektrode in derselben
Richtung polarisiert sind und so daß der Mittelabschnitt und die
beiden Endabschnitte jeder piezoelektrischen Schicht in entgegengesetzten Richtungen
polarisiert sind. Der Vergleich wird angegeben, indem angenommen
wird, daß die
Kapazität,
die erzeugte Ladung und die Spannungsempfindlichkeit eines Beschleunigungssensors
B 1 sind.
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Wie aus der Tabelle 1 klar hervorgeht,
ist die Kapazität
des Beschleunigungssensors 1A der vorliegenden Erfindung
2,5 – 10mal
so hoch wie die der bekannten Beschleunigungssensoren X und Y. Die
Menge an durch den Beschleunigungssensor 1A erzeugter Ladung
ist 1,8mal bis 3,6mal so hoch wie die der bekannten Beschleunigungssensoren
X und Y. Daraus kann geschlossen werden, daß der Beschleunigungssensor 1A eine
gute Erfassungsempfindlichkeit aufweist.
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Unter Bezugnahme auf 3A – 3F wird nun ein Herstellungsverfahren
zum Herstellen des Beschleunigungssensors 1A, der wie oben
beschrieben angeordnet ist, beschrieben.
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Unter Bezugnahme auf 3A werden
bei dem Verfahren vier dünne
rechteckige Keramikgrünlagen G1 – G4 einer
Größe, die
für eine
Mehrzahl von piezoelektrischen Elementen groß genug ist, hergestellt. Unter den
Keramikgrünlagen
G1 – G4
wird eine leitfähige
Paste, die die Führungselektrode 3 werden
soll, auf die obere Oberfläche
der zweiten Grünlage
G2 unter Verwendung eines Siebdruckverfahrens oder dergleichen aufgebracht.
Desgleichen wird eine leitfähige
Paste, die die segmentierte Elektrode 4 werden soll, auf
die obere Oberfläche
der dritten Grünlage
G3 aufgebracht. Eine leitfähige
Paste, die die Führungselektrode 5 werden soll,
wird auf die obere Oberfläche
der vierten Grünlage
G4 aufgebracht. Die Aufbringungsmuster der Elektroden 3 – 5 bilden
Streifenelektroden, die sich in einer senkrecht zu der Zeichnung
verlaufenden Richtung erstrecken. Auf die obere Grünlage G1
wird keine leitfähige
Paste aufgebracht.
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Unter Bezugnahme auf 3B werden
die vier Grünlagen
G1 – G4
unter Verwendung von Druck gestapelt und befestigt, wodurch ein
geschichteter Verbundkörper
L gebildet wird. Die Führungselektroden 3 und 5 und
die segmentierte Elektrode 4 befinden sich zwischen den
Grünlagen.
Der geschichtete Verbundkörper L
wird bei einer vorbestimmten Temperatur (beispielsweise ungefähr 1000 ° C) gebrannt,
und somit werden die gestapelten Grünlagen miteinander verbunden.
Zur selben Zeit werden auch die Elektroden 3 – 5,
die innen gebildet sind, gebacken. Dementsprechend wird ein gebrannter
Piezokeramikverbundkörper
F gebildet.
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Unter Bezugnahme auf 3C wird eine leitfähige Paste auf die Vorder-
und Rückfläche des
gebrannten Piezokeramikverbundkörpers
F aufgebracht. Anschließend
wird der gebrannte Piezokeramikverbundkörper F einem Trocknen und Backen
unterworfen. Folglich werden die segmentierten Elektroden 6a – 6c und 7a – 7c gebildet.
Ein elektrisches Gleichfeld wird an die Elektroden 6a – 6c und 7a – 7c und
zwischen den Führungselektroden 3 und 5 und
der segmentierten Elektrode 4 angelegt, wodurch der gebrannte
Piezokeramikverbundkörper
F in den Richtungen A und B polarisiert wird. Da die Zwischenschichtelektroden 3, 4 und 5 in dem
gebrannten Piezokeramikverbundkörper
F vorgesehen sind, ist es schwierig, an diese Elektroden 3 – 5 ein
elektrisches Feld anzulegen. Die Elektroden 3 – 5 sind
Streifenelektroden, die sich in der Tiefenrichtung des gebrannten
Piezokeramikverbundkörpers
F (senkrecht zu der Zeichnung) erstrecken. Um ein elektrisches Feld
an die Elektroden 3 – 5 anzulegen,
wird ein Ende jeder der Elektroden 3, 4 und 5 außerhalb
des gebrannten Piezokeramikverbundkörpers F geführt. Durch Anlegen eines elektrischen
Gleichfelds zwischen den Elektroden 3 – 5 und den Elektroden 6a – 6c und 7a – 7c auf
der Vorder- und der Rückfläche kann
der gebrannte Piezokeramikverbundkörper F in gewünschten
Richtungen polarisiert werden.
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Die Polarisierung kann durch eine
Mehrzahl von Schritten durchgeführt
sind. Alternativ dazu kann die Polarisierung durch einen einzigen
Schritt unter Verwendung einer Mehrzahl von Spannungen, die unterschiedliche
Polaritäten
aufweisen, durchgeführt
sind.
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Nach der Polarisierung, wie in 3D gezeigt, werden die Verbindungselektroden 6d und 7d zum
Verbinden der segmentierten Elektroden 6a – 6c und 7a – 7c auf
der Vorder- und der Rückfläche des
gebrannten Piezokeramikverbundkörpers
F gebildet. Die Verbindungselektroden 6d und 7d können durch
ein Drucken einer leitfähigen
Paste oder durch ein Dünnfilmbildungsverfahren,
wie zum Beispiel Zerstäuben
oder Aufdampfen, gebildet werden.
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Nachdem die Verbindungselektroden 6d und 7d gebildet
sind, wie in 3E gezeigt
ist, werden die Tragerahmen 10M und 11M, die als Basis fungieren,
mit der Vorder- und der Rückfläche des
gebrannten Piezokeramikverbundkörpers
F verbunden. Der gebrannte Piezokeramikverbundkörper F und die Tragerahmen 10M
und 11M werden in der Längsrichtung
(Schnittlinie CL) und in einer parallel zu der Zeichnung verlaufenden
Richtung in Elemente geschnitten, wodurch ein in 3F gezeigtes Sensorelement E erzeugt
wird.
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Anschließend werden die externen Elektroden 8 und 9 auf
beiden Endflächen
jedes Sensorelements E gebildet. Folglich wird der in 1 und 2 gezeigte Beschleunigungssensor 1A gebildet.
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4 zeigt
einen Beschleunigungssensor gemäß einem
zweiten Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung.
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Bei einem Beschleunigungssensor 1B des
zweiten Ausführungsbeispiels
ist jede der Elektroden 6 und 7, die auf der Vorder-
und der Rückfläche des
piezoelektrischen Elements 2 gebildet sind, eine durchgehende Elektrode.
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Bei dem ersten Ausführungsbeispiel
umfassen die auf der Vorder- und der Rückfläche des piezoelektrischen Elements 2 gebildeten
Elektroden 6 und 7 einen Satz der segmentierten
Elektroden 6a – 6c und 7a – 7c für eine Polarisierung
und die Verbindungselektroden 6d und 7d zum Abdecken
der segmentierten Elektroden 6a – 6c und 7a – 7c.
Wenn die Verbindung zwischen den beiden Typen von Elektroden schwach
wird, erhöht
sich das Risiko einer Ablösung.
Um eine Ablösung
zu verhindern, werden die segmentierten Elektroden 6a – 6c und
7a – 7c für eine Polarisierung
entfernt, und anschließend
werden neue Führungselektroden 6 und 7,
die zu unterschiedlichen Enden des piezoelektrischen Elements 2 in
der Längsrichtung
geführt
sind, gebildet.
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Die Führungselektroden 6 und 7 werden
durch ein Drucken einer leitfähigen
Paste oder durch ein Dünnfilmbildungsverfahren
wie beispielsweise Zerstäuben
oder Aufdampfen gebildet.
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5 zeigt
einen Beschleunigungssensor gemäß einem
dritten Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung.
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Bei einem Beschleunigungssensor 1C des
dritten Ausführungsbeispiels
beträgt
die Anzahl von piezoelektrischen Schichten, die ein piezoelektrisches
Element 20 bilden, sechs. Da die Tragerahmen 10 und 11 dieselben
sind wie die in 2 gezeigten,
werden dieselben Bezugszeichen vergeben, und auf wiederholte Beschreibungen
der gemeinsamen Abschnitte wird verzichtet.
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Das piezoelektrische Element 20 wird
durch Stapeln von sechs piezoelektrischen Schichten 20a – 20f und
ein einstückiges
Brennen der piezoelektrischen Schichten 20a – 20f gebildet.
Zwischen den Schichten des piezoelektrischen Elements 20 sind
Elektroden 21 – 25 gebildet.
Auf der Vorder- und der Rückfläche des
piezoelektrischen Elements 20 sind Elektroden 26 und 27 gebildet.
Die Zwischenschichtelektroden 21 – 25 umfassen die
segmentierten Elektroden 21, 23 und 25,
die in der Längsrichtung
in der Nähe
von Wendepunkten zwischen einer Expansionsspannung und einer Kontraktionsspannung,
die als Antwort auf das Anlegen einer Beschleunigung an das piezoelektrische
Element 20 angelegt werden, in drei Abschnitte segmentiert
sind, und die Führungselektroden 22 und 24,
die zu unterschiedlichen Enden des piezoelektrischen Elements 20 in
der Längsrichtung
geführt
sind. Die beiden Typen von Zwischenschichtelektroden 21 – 25 sind
abwechselnd gestapelt, wobei sich die piezo elektrischen Schichten 20a und 20f zwischen
denselben befinden. Die Zwischenschichtelektrode 23 in
der Mitte des piezoelektrischen Elements 20 in der Dickenrichtung
ist eine segmentierte Elektrode, die in drei Abschnitte segmentiert
ist.
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Die Elektroden 26 und 27 auf
der Vorder- und der Rückfläche des
piezoelektrischen Elements 20 werden zu unterschiedlichen
Enden des piezoelektrischen Elements 20 in der Längsrichtung
geführt,
um eine erzeugte Ladung zu extrahieren. Externe Elektroden 28 und 29 sind
auf beiden Endflächen
des piezoelektrischen Elements 20 in der Längsrichtung
gebildet, einschließlich
der Endflächen
der Tragerahmen 10 und 11. Die auf einer Endfläche gebildete
externe Elektrode 28 leitet zu der Elektrode 27 auf
der Rückfläche und
zu der Führungselektrode 22.
Die auf der anderen Endfläche
gebildete externe Elektrode 29 leitet zu der auf der Vorderfläche gebildeten
Elektrode 26 und zu der Führungselektrode 24.
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Die piezoelektrischen Schichten 20a – 20f sind
in den durch die fettgedruckten Pfeile in 5 angezeigten Richtungen polarisiert.
Im einzelnen sind die piezoelektrischen Schichten 20a – 20f in
der Dickenrichtung polarisiert, so daß die piezoelektrischen Schichten
auf beiden Seiten der Zwischenschichtelektroden 22 – 24 in
entgegengesetzten Richtungen polarisiert sind und so daß der Mittelabschnitt
und die beiden Endabschnitte jeder piezoelektrischen Schicht in
entgegengesetzten Richtungen polarisiert sind. Die piezoelektrischen
Schichten auf beiden Seiten der Zwischenschichtelektroden 21 und 25 sind
in derselben Richtung polarisiert. Bei dem dritten Ausführungsbeispiel
liegen die Mittelabschnitte der ersten, zweiten und vierten Schicht 20a, 20b und 20d in
der Richtung A vor, und die beiden Endabschnitte derselben liegen
in der Richtung B vor. Die Mittelabschnitte der dritten, fünften und
sechsten Schicht 20c, 20e und 20f liegen
in der Richtung B vor, und die beiden Endabschnitte derselben liegen
in Richtung A vor. Wenn die Beschleunigung G in der Plattendickenrichtung
an das piezoelektrische Element 20 angelegt wird, kann
eine Ladung, die dieselbe Polarität aufweist, aus den Führungselektroden 22 und 24 in
den piezoelektrischen Schichten auf beiden Seiten der Führungselektroden 22 und 24 extrahiert
werden. Wenn die Beschleunigung G in der durch den Pfeil angegebenen Richtung
angelegt wird, wie in 5 gezeigt
ist, werden der Mittelabschnitt und die beiden Endabschnitte jeder Schicht
einer Expansionsspannung und einer Kontraktionsspannung unterworfen.
Auf der Basis der Beziehungen zwischen den Spannungen und den Polarisierungsrichtungen
wird an der Führungselektrode 22 und
der Rückflächenelektrode 27 eine
negative Ladung erzeugt, und an der Führungselektrode 24 und
der Vorderflächenelektrode 26 wird
eine positive Ladung erzeugt. Die negative Ladung wird aus der externen
Elektrode 28 extrahiert, und die positive Ladung wird aus
der externen Elektrode 29 extrahiert.
-
Ähnlich
dem ersten Ausführungsbeispiel
wird in diesem Fall die Menge an Ladung, die als Antwort auf das
Anlegen der Beschleunigung G erzeugt wird, erhöht. Somit weist der Beschleunigungssensor 1C eine
höhere
Erfassungsempfindlichkeit auf, als bis dahin erreicht wurde.
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6 zeigt
einen Beschleunigungssensor gemäß einem
vierten Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung.
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Bei einem Beschleunigungssensor 1D des
vierten Ausführungsbeispiels
beträgt
die Anzahl von piezoelektrischen Schichten, die ein piezoelektrisches
Element 30 bilden, acht. Da die Tragerahmen 10 und 11 dieselben
sind wie die in 2 gezeigten,
werden dieselben Bezugszeichen vergeben, und auf wiederholte Beschreibungen
der gemeinsamen Abschnitte wird verzichtet.
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Das piezoelektrische Element 30 wird
durch Stapeln von acht piezoelektrischen Schichten 30a – 30h und
ein einstückiges
Brennen der piezoelektrischen Schichten 30a – 30h gebildet.
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Zwischen den Schichten des piezoelektrischen
Elements 30 sind Elektroden 31 – 37 gebildet.
Auf der Vorder- und der Rückfläche des
piezoelektrischen Elements 30 sind Elektroden 38 und 39 gebildet.
Die Zwischenschichtelektroden 31 – 37 umfassen die
segmentierten Elektroden 32, 34 und 36,
die in der Längsrichtung
in der Nähe
von Wendepunkten zwischen einer Expansionsspannung und einer Kontraktionsspannung, die
als Antwort auf das Anlegen einer Beschleunigung an das piezoelektrische
Element 30 angelegt werden, in drei Abschnitte segmentiert
sind, und die Führungselektroden 31, 33, 35 und 37,
die zu unterschiedlichen Enden des piezoelektrischen Elements in
der Längsrichtung
geführt
sind. Die beiden Typen von Zwischenschichtelektroden 31 – 37 sind
abwechselnd gestapelt, wobei sich die piezoelektrischen Schichten 30a – 30h zwischen
denselben befinden. Die Zwischenschichtelektrode 34 in
der Mitte des piezoelektrischen Elements 30 in der Dickenrichtung
ist eine segmentierte Elektrode, die in drei Abschnitte segmentiert
ist.
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Die Elektroden 38 und 39 auf
der Vorder- und der Rückfläche des
piezoelektrischen Elements 30 werden zu unterschiedlichen
Enden des piezoelektrischen Elements 30 in der Längsrichtung
geführt,
um eine erzeugte Ladung zu extrahieren. Ähnlich den segmentierten Elektroden 32, 34 und 36 umfassen
die Elektroden 38 und 39 Elektroden 38a – 38c und 39a – 39c,
die dadurch erhalten werden, daß die
Elektroden in der Längsrichtung
in der Nähe
von Wendepunkten in drei Abschnitte unterteilt werden, und Verbindungselektroden 38d – 39d zum
Verbinden der Elektroden 38a – 38c und 39a – 39c.
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Die Elektroden 38 und 39 auf
der Vorder- und der Rückfläche des
piezoelektrischen Elements 30 werden zu unterschiedlichen
Enden des piezoelektrischen Elements 30 in der Längsrichtung
geführt,
um eine erzeugte Ladung zu extrahieren. Auf beiden Endflächen des
piezoelektrischen Elements 30 in der Längsrichtung, einschließlich der
Endflächen
der Tragerahmen 10 und 11, sind externe Elektroden 40 und 41 gebildet. Die
auf einer Endfläche
gebildete externe Elektrode 40 leitet zu der Elektrode 38 auf
der Vorderfläche
und zu den Führungselektroden 33 und 37.
Die auf der anderen Endfläche
gebildete externe Elektrode 41 leitet zu der auf der Rückfläche gebildeten
Elektrode 39 und zu den Führungselektroden 31 und 35.
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Die piezoelektrischen Schichten 30a – 30h sind
in den durch die fettgedruckten Pfeile in 6 angezeigten Richtungen polarisiert.
Im einzelnen sind die piezoelektrischen Schichten 30a – 30h in
der Dickenrichtung polarisiert, so daß eine Ladung, die dieselbe
Polarität
aufweist, aus den Führungselektroden 31, 33, 35 und 37 in
den piezoelektrischen Schichten auf beiden Seiten der Führungselektroden 31, 33, 35 und 37 extrahiert
werden kann und so daß der
Mittelabschnitt und die beiden Endabschnitte jeder piezoelektrischen
Schicht in entgegengesetzten Richtungen polarisiert sind. Bei dem
vierten Ausführungsbeispiel
liegen die Mittelabschnitte der zweiten, dritten, fünften und
achten Schicht 30b, 30c, 30e und 30h in
der Richtung A vor, und die beiden Endabschnitte derselben liegen
in Richtung B vor. Die Mittelabschnitte der ersten, vierten, sechsten und
siebten Schicht 30a, 30d, 30f und 30g liegen
in Richtung B vor, und die beiden Endabschnitte derselben liegen
in Richtung A vor. Wenn eine Beschleunigung G in der Plattendikkenrichtung
an das piezoelektrische Element 30 angelegt wird, wie in 6 gezeigt ist, sind der
Mittelabschnitt und die beiden Endabschnitte jeder Schicht einer
Expansionsspannung und einer Kontraktionsspannung unterworfen. Auf
der Basis der Beziehungen zwischen den Spannungen und den Polarisierungsrichtungen
wird an den Führungselektroden 33 und 37 und
der Vorderflächenelektrode 38 eine
negative Ladung erzeugt, und an den Elektroden 31 und 35 und
der Rückflächenelektrode 39 wird
eine positive Ladung erzeugt. Die negative Ladung wird aus der externen
Elektrode 40 extrahiert, und die positive Ladung wird aus
der externen Elektrode 41 extrahiert.
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Ähnlich
dem ersten Ausführungsbeispiel
wird in diesem Fall die Menge an Ladung, die als Antwort auf das
Anlegen der Beschleunigung G erzeugt wird, erhöht. Somit weist der Beschleunigungssensor 1D eine
höhere
Erfassungsempfindlichkeit auf, als bis dahin erreicht wurde.
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5 zeigt
einen Beschleunigungssensor gemäß einem
fünften
Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung.
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Ein Beschleunigungssensor 1E des
fünften
Ausführungsbeispiels
verwendet ein piezoelektrisches Element 50, das fünf piezoelektrische
Schichten aufweist. Da die Tragerahmen 10 und 11 dieselben
sind wie die in 2 gezeigten,
werden dieselben Bezugszeichen vergeben, und auf wiederholte Beschreibungen
der gemeinsamen Abschnitte wird verzichtet.
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Das piezoelektrische Element 50 wird
durch Stapeln von fünf
piezoelektrischen Schichten 50a – 50e und ein einstückiges Brennen
der piezoelektrischen Schichten 50a – 50e gebildet. Zwischen
den Schichten des piezoelektrischen Elements 50 sind Elektroden 51 – 54 gebildet.
Auf der Vorder- und der Rückfläche des piezoelektrischen
Elements 50 sind Elektroden 55 und 56 gebildet.
Die Zwischenschichtelektroden 51 – 54 umfassen die
segmentierten Elektroden 52 und 53, die in der
Längsrichtung
in der Nähe
von Wendepunkten zwischen einer Expansionsspannung und einer Kontraktionsspannung,
die als Antwort auf das Anlegen einer Beschleunigung an das piezoelektrische
Element 50 angelegt werden, in drei Abschnitte segmentiert
sind, und die Führungselektroden 51 und 54,
die zu unterschiedlichen Enden des piezoelektrischen Elements 50 in
der Längsrichtung
geführt
sind. Die Zwischenschichtelektroden 52 und 53,
die auf beiden Seiten der piezoelektrischen Schicht 50c in
der Mitte des piezoelektrischen Elements 50 in der Dickenrichtung
angeordnet sind, sind die segmentierten Elektroden. Die beiden Typen
von Zwischenschichtelektroden 51 – 54 sind abwechselnd
gestapelt, wobei sich die piezoelektrischen Schichten 50a –
50e zwischen
denselben befinden, mit Ausnahme der piezoelektrischen Schicht 50c in
der Mitte der Dickenrichtung.
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Die Elektroden 55 und 56 auf
der Vorder- und der Rückfläche des
piezoelektrischen Elements 50 werden zu unterschiedlichen
Enden des piezoelektrischen Elements 50 in der Längsrichtung
geführt,
um eine erzeugte Ladung zu extrahieren. Ähnlich den segmentierten Elektroden 52 und 53 umfassen
die Elektroden 55 und 56 Elektroden 55a – 55c und 56a – 56c,
die durch ein Segmentieren von Elektroden in drei Abschnitte in der
Nähe der
Wendepunkte erhalten werden, und Verbindungselektroden 55d und 56d zum
Verbinden der Elektroden 55a – 55c und 56a – 56c.
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Um den Mittelabschnitt und die beiden
Endabschnitte einzeln zu polarisieren, umfassen die Elektroden 55 und 56 auf
der Vorder- und der Rückfläche des
piezoelektrischen Elements 50 ähnlich den segmentierten Elektroden 52 und 53 die
Elektroden 55a – 55c und 56a – 56c,
die dadurch erhalten werden, daß die
Elektroden in der Nähe
der Wendepunkte in drei Abschnitte unterteilt werden, und die Verbindungselektroden 55d und 56d zum
Verbinden der Elektroden 55a – 55c und 56a – 56c.
Die Elektroden 55 und 56 auf der Vorder- und der
Rückfläche werden
zu unterschiedlichen Enden des piezoelektrischen Elements 50 in
der Längsrichtung geführt, um
eine erzeugte Ladung zu extrahieren. Auf beiden Endflächen des
piezoelektrischen Elements 50 in der Längsrichtung, einschließlich der
Endflächen
der Tragerahmen 10 und 11, sind externe Elektroden 57 und 58 gebildet.
Die auf einer Endfläche
gebildete externe Elektrode 57 leitet zu der Elektrode 56 auf
der Rückfläche und
zu der Führungselektrode 51.
Die auf der anderen Endfläche
gebildete externe Elektrode 58 leitet zu der auf der Vorderfläche gebildeten
Elektrode 55 und zu der Führungselektrode 54.
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Die piezoelektrischen Schichten 50a – 50e sind
in den durch die fettgedruckten Pfeile in 7 angezeigten Richtungen polarisiert.
Im einzelnen sind die piezoelektrischen Schichten 50a – 50e in
der Dickenrichtung polarisiert, so daß eine Ladung, die dieselbe
Polarität
aufweist, aus den Führungselektroden 51 und 54 in
den piezoelektrischen Schichten auf beiden Seiten der Führungselektroden 51 und 54 extrahiert
werden kann und so daß der
Mittelabschnitt und die beiden Endabschnitte jeder piezoelektrischen
Schicht in entgegengesetzten Richtungen polarisiert sind. Bei dem
fünften
Ausführungsbeispiel
liegen die Mittelabschnitte der ersten und vierten Schicht 50a und 50d in
Richtung A vor, und die beiden Endabschnitte derselben liegen in Richtung
B vor. Die Mittelabschnitte der zweiten und fünften Schicht 50b und 50e liegen
in Richtung B vor, und die beiden Endabschnitte derselben liegen
in Richtung A vor. Die piezoelektrische Schicht 50c in
der Mitte der Dikkenrichtung ist eine neutrale Schicht, die nicht
polarisiert ist. Wenn die Beschleunigung G in der Plattendickenrichtung
an das piezoelektrische Element 50 angelegt wird, wie in 7 gezeigt ist, sind der
Mittelabschnitt und die beiden Endabschnitte jeder Schicht einer
Expansionsspannung und einer Kontraktionsspannung unterworfen. Auf
der Basis der Beziehungen zwischen den Spannungen und den Polarisierungsrichtungen
wird an der Führungselektrode 51 und
der Rückflächenelektrode 56 eine
negative Ladung erzeugt, und an der Führungselektrode 54 und
der Vorderflächenelektrode 55 wird
eine positive Ladung erzeugt. Die negative Ladung wird aus der externen
Elektrode 57 extrahiert, und die positive Ladung wird aus
der externen Elektrode 58 extrahiert.
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Obwohl die piezoelektrische Schicht 50c in
der Mitte der Dickenrichtung eine neutrale Schicht ist, die keine
Ladung erzeugt, kann, ähnlich
dem ersten Ausführungsbeispiel,
eine Ladung aus dem Mittelabschnitt und beiden Endabschnitten in
der Längsrichtung
extrahiert werden. Somit wird die Menge an Ladung, die als Antwort
auf das Anlegen der Beschleunigung G erzeugt wird, erhöht, und
somit weist der Beschleunigungssensor 1E eine höhere Erfassungsempfindlichkeit
auf, als bis dahin erreicht wurde.
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8 zeigt
einen Beschleunigungssensor gemäß einem
sechsten Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung.
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Ein Beschleunigungssensor 1F des
sechsten Ausführungsbeispiels
verwendet ein piezoelektrisches Element 60, das sieben
piezoelektrische Schichten aufweist. Da die Tragerahmen 10 und 11 dieselben
sind wie die in 2 gezeigten,
werden dieselben Bezugszeichen vergeben, und auf wiederholte Beschreibungen der
gemeinsamen Abschnitte wird verzichtet.
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Das piezoelektrische Element 60 wird
durch Stapeln von sieben piezoelektrischen Schichten 60a – 60g und
ein einstükkiges
Brennen der piezoelektrischen Schichten 60a – 60g gebildet.
Zwischen den Schichten des piezoelektrischen Elements 60 sind
Elektroden 61 – 66 gebildet.
Auf der Vorder- und
der Rückfläche des
piezoelektrischen Elements 60 sind Elektroden 67 und 68 gebildet.
Die Zwischenschichtelektroden 61 – 66 umfassen die
segmentierten Elektroden 61, 63, 64 und 66,
die in der Längsrichtung
in der Nähe
von Wendepunkten zwischen einer Expansionsspannung und einer Kontraktionsspannung,
die als Antwort auf das Anlegen einer Beschleunigung an das piezoelektrische
Element 60 angelegt werden, in drei Abschnitte unterteilt sind,
und die Führungselektroden 62 und 65,
die zu unterschiedlichen Enden des piezoelektrischen Elements 60 in
der Längsrichtung
geführt
sind. Die Zwischenschichtelektroden 63 und 64,
die auf beiden Seiten der piezoelektrischen Schicht 60d in
der Mitte des piezoelektrischen Elements 60 in der Dickenrichtung
angeordnet sind, sind die segmentierten Elektroden. Die zwei Typen
von Zwischenschichtelektroden 61 – 66 sind abwechselnd
gestapelt, wobei sich die piezoelektrischen Schichten 60a – 60g zwischen
denselben befinden, mit Ausnahme der piezoelektrischen Schicht 60d in
der Mitte der Dickenrichtung.
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Die Elektroden 67 und 68 auf
der Vorder- und der Rückfläche des
piezoelektrischen Elements 60 werden zu unterschiedli chen
Enden des piezoelektrischen Elements 60 in der Längsrichtung
geführt,
um eine erzeugte Ladung zu extrahieren. Auf beiden Endflächen des
piezoelektrischen Elements 60 in der Längsrichtung, einschließlich der
Endflächen
der Tragerahmen 10 und 11, sind externe Elektroden 69 und 70 gebildet. Die
auf einer Endfläche
gebildete externe Elektrode 69 leitet zu der Elektrode 68 auf
der Rückfläche und
zu der Führungselektrode 62.
Die auf der anderen Endfläche
gebildete externe Elektrode 70 leitet zu der auf der Vorderfläche gebildeten
Elektrode 67 und zu der Führungselektrode 65.
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Die piezoelektrischen Schichten 60a – 60g sind
in den durch die fettgedruckten Pfeile in 8 angezeigten Richtungen polarisiert.
Im einzelnen sind die piezoelektrischen Schichten 60a – 60g in
der Dickenrichtung polarisiert, so daß eine Ladung, die dieselbe
Polarität
aufweist, aus den Führungselektroden 62 und 65 in
den piezoelektrischen Schichten auf beiden Seiten der Führungselektroden 62 und 65 extrahiert
werden kann und so daß der
Mittelabschnitt und die beiden Endabschnitte jeder piezoelektrischen
Schicht in entgegengesetzten Richtungen polarisiert sind. Bei dem
sechsten Ausführungsbeispiel
liegen die Mittelabschnitte der ersten, zweiten und fünften Schicht 60a, 60b und 60e in
Richtung A vor, und die beiden Endabschnitte derselben liegen in
Richtung B vor. Die Mittelabschnitte der dritten, sechsten und siebten
Schicht 60c, 60f und 60g liegen in Richtung
B vor, und die beiden Endabschnitte derselben liegen in Richtung
A vor. Die piezoelektrische Schicht 60d in der Mitte in
der Dickenrichtung ist eine neutrale Schicht, die nicht polarisiert
ist. Wenn eine Beschleunigung G in der Plattendickenrichtung an
das piezoelektrische Element 60 angelegt wird, wie in 8 gezeigt ist, sind der
Mittelabschnitt und die beiden Endabschnitte jeder Schicht einer
Expansionsspannung und einer Kontraktionsspannung unterworfen. Auf
der Basis der Beziehungen zwischen den Spannungen und den Polarisierungsrichtungen
wird an der Führungselektrode 62 und
der Rückflächenelektrode 68 eine
negative Ladung erzeugt, und an der Führungselektrode 65 und
der Vorderflächenelektrode 67 wird
eine positive Ladung erzeugt. Die negative Ladung wird aus der externen
Elektrode 69 extrahiert, und die positive Ladung wird aus
der externen Elektrode 70 extrahiert.
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Obwohl die piezoelektrische Schicht 60d in
der Mitte in der Dickenrichtung eine neutrale Schicht ist, die keine
Ladung erzeugt, kann, ähnlich
dem ersten Ausführungsbeispiel,
eine Ladung aus dem Mittelabschnitt und beiden Endabschnitten in
der Längsrichtung
extrahiert werden. Somit wird die Menge an Ladung, die als Antwort
auf das Anlegen der Beschleunigung G erzeugt wird, erhöht, und
der Beschleunigungssensor 1F weist eine höhere Erfassungsempfindlichkeit
auf, als bis dahin erreicht wurde.
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Bei den vorstehenden Ausführungsbeispielen
wurde ein Fall, bei dem die Anzahl von Schichten 4n beträgt, bei
dem ersten, zweiten und vierten Ausführungsbeispiel beschrieben.
Ein Fall, bei dem die Anzahl von Schichten 4n + 2 beträgt, wurde
bei dem dritten Ausführungsbeispiel
beschrieben. Ein Fall, bei dem die Anzahl von Schichten 4n + 1 beträgt, wurde
bei dem fünften
Ausführungsbeispiel
beschrieben. Ein Fall, bei dem die Anzahl von Schichten 4n + 3 beträgt, wurde
bei dem sechsten Ausführungsbeispiel
beschrieben. Diese Fälle sind
lediglich einige Beispiele. Die Anzahl von Schichten kann erhöht werden.
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Bei dem in 3 gezeigten
Beispiel wird das piezoelektrische Element durch Stapeln der Keramikgrünlagen durch
den Zwischenstoff einer leitfähigen
Paste und durch ein gleichzeitiges Brennen der Keramikgrünlagen gebildet.
Alternativ dazu kann ein piezoelektrisches Element durch Stapeln
einer Mehrzahl von vorgebrannten Keramiklagen gebildet werden. Die
Verwendung von Keramikgrünlagen
ist jedoch gegenüber
der Verwendung von vorgebrannten Keramiklagen insofern vorteilhaft,
als durch Stapeln der Keramikgrünlagen ein
dünneres
piezoelektrisches Element gebildet werden kann. Somit kann die Kapazität erhöht werden,
und das piezoelektrische Element kann miniaturisiert werden. Ferner
kann das Herstellungsverfahren vereinfacht werden. Aus diesen Gründen ist
die Verwendung von Keramikgrünlagen
vorzuziehen.
