DE10200903B4

DE10200903B4 - Beschleunigungssensor und Verfahren zum Herstellen desselben

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Publication number: DE10200903B4
Application number: DE2002100903
Authority: DE
Inventors: Mitsugu Ogiura
Original assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2001-01-12
Filing date: 2002-01-11
Publication date: 2005-12-01
Anticipated expiration: 2022-01-12
Also published as: US6619124B2; JP3574898B2; US20020139189A1; DE10200903A1; JP2002214248A

Abstract

Beschleunigungssensor, der folgende Merkmale aufweist:
ein piezoelektrisches Element (2), das durch Stapeln einer geraden Anzahl von piezoelektrischen Schichten (2a–2d), die größer als oder gleich sechs Schichten ist, gebildet ist;
Trageglieder (10, 11) zum Tragen beider Enden des piezoelektrischen Elements in der Längsrichtung; und
Elektroden (3, 4, 5, 6, 7, 8, 9), die zwischen den Schichten und auf der Vorder- und der Rückfläche des piezoelektrischen Elements vorgesehen sind,
wobei die Zwischenschichtelektroden (3, 4, 5, 6, 7) Elektroden (4, 6), 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 (2) angelegt werden, in Abschnitte segmentiert sind, und Führungselektroden (3, 5, 7), die zu den Enden des piezoelektrischen Elements in der Längsrichtung geführt sind, umfassen,
wobei die beiden Typen von Zwischenschichtelektroden abwechselnd gestapelt sind, wobei sich die piezoelektrischen Schichten zwischen...

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Beschleunigungssensoren und Herstellungsverfahren derselben.

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 beide 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.

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.

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.

Um die Ladungsempfindlichkeit zu verbessern, wird ein Beschleunigungssensor vorgeschlagen, der ein piezoelektrisches Element umfaßt, das durch Stapeln von zumindest drei Piezokeramikschichten gebildet wird (siehe ungeprüfte japanische Patentanmeldung Nr. 10-62445). Die gestapelten Piezokeramikschichten bilden ein Laminat, wobei zwischen den Piezokeramikschichten abwechselnd erste und zweite Elektroden gebildet sind. Die ersten Elektroden erstrecken sich zu jeweiligen Enden des Laminats. Jede der Piezokeramikschichten weist über den gesamten Bereich eine einheitliche Polarisation auf, wobei die Polarisationsrichtung in einer Dickenrichtung liegt. 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 über den gesamten Bereich der piezoelektrischen Schicht einheitlich ist und nicht umgekehrt werden kann. Somit kann eine Ladung lediglich aus dem Mittelabschnitt eines piezoelektrischen Kristalls extrahiert werden, und die Ladungsextraktionseffizienz ist nicht sehr hoch.

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.

Diese Aufgabe wird durch Beschleunigungssensoren gemäß Anspruch 1 oder Anspruch 2 oder durch Herstellungsverfahren gemäß Anspruch 3, Anspruch 4, Anspruch 5 oder Anspruch 6 gelöst.

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.

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.

Die vorstehenden Ziele werden durch eine Schaffung eines Beschleunigungssensors und eines Herstellungsverfahrens desselben gemäß den folgenden Aspekten der vorliegenden Erfindung erreicht.

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 sechs 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 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 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 Führungselektrode, die zu dem Ende in der Längsrichtung geführt ist. 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. 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.

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 Führungselektroden, die zu den Enden in der Längsrichtung geführt sind. 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 ge führt, 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 beide Endabschnitte jeder piezoelektrischen Schicht in entgegengesetzten Richtungen polarisiert sind.

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 sechs 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 beide 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.

Wenn der Beschleunigungssensor eine Struktur aufweist, bei der beide Enden des piezoelektrischen Elements getragen werden, sind der Mittelabschnitt und beide Endabschnitte 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 beide 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.

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 beide Endabschnitte in unterschiedlichen Richtungen polarisiert sind. Durch ein Sammeln einer Ladung von den Führungselektroden ist es möglich, die erzeugte Ladung effizient zu extrahieren.

In einem Fall, bei dem die Anzahl von piezoelektrischen Schichten 4n ist (n ist eine Ganzzahl, die größer als oder gleich 2 ist), und in einem Fall, bei dem die Anzahl von piezoelektrischen Schichten 4n + 2 ist (n ist eine Ganzzahl, die größer als oder gleich 1 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 + 2 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.

Wenn die Anzahl von piezoelektrischen Schichten 4n 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.

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 beide Endabschnitte jeder piezoelektrischen Schicht in der Längsrich tung 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.

Gemäß einem Beschleunigungssensor der vorliegenden Erfindung weist ein piezoelektrisches Element eine Struktur auf, die durch Stapeln einer geraden Anzahl von piezoelektrischen Schichten, die größer als oder gleich sechs Schichten ist, oder einer ungeraden Anzahl von piezoelektrischen Schichten, die größer als oder gleich fünf Schichten ist, 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.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend Bezug nehmend auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
1 eine perspektivische Ansicht eines Beschleunigungssensors gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
2 eine Vorderansicht des in 1 gezeigten Beschleunigungssensors;
3A–3F Ablaufdiagramme zum Veranschaulichen eines Herstellungsverfahrens zum Herstellen des in 1 gezeigten Beschleunigungssensors;
4 eine Vorderansicht eines Beschleunigungssensors gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
5 eine Vorderansicht eines Beschleunigungssensors gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
6 eine Vorderansicht eines Beschleunigungssensors gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
1–3 zeigen einen Beschleunigungssensor gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
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.
Das piezoelektrische Element 2 des ersten Ausführungsbeispiels wird durch Stapeln von sechs streifenförmigen, dünnen piezoelektrischen Schichten 2a, 2b, 2c, 2d, 2e und 2f, die aus Piezokeramik gebildet sind, und durch ein einstückiges Brennen der piezoelektrischen Schichten 2a–2f gebildet. Zwischen den Schichten des piezoelektrischen Elements 2 sind Elektroden 3–7 vorgesehen. Auf der Vorder- und der Rückfläche des piezoelektrischen Elements 2 sind Elektroden 8 und 9 vorgesehen. Die Zwischenschichtelektroden 3–7 umfassen die segmentierten Elektroden 4 und 6 und die Führungselektroden 3, 5 und 7. Die segmentierten Elektroden 4 und 6 sind 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, jeweils in drei Abschnitte segmentiert. Die Führungselektroden 3, 5 und 7 werden zu unterschiedlichen Enden des piezoelektrischen Elements 2 in der Längsrichtung geführt. Die zwei Typen von Zwischenschichtelektroden 3–7 sind abwechselnd gestapelt, wobei sich die piezoelektrischen Schichten 2b–2e zwischen denselben befinden. Die Zwischenschichtelektrode 5 in der Mitte des piezoelektrischen Elements 2 in der Dickenrichtung ist eine Führungselektrode, die zu dem Ende des piezoelektrischen Elements 2 in der Längsrichtung geführt ist. Die Anzahl von segmentierten Abschnitten der segmentierten Elektroden 4 und 6 ist nicht auf drei begrenzt. Überdies können die segmentierten Elektroden 4 und 6 an anderen Punkten als den Wendepunkten segmentiert sein.
Die Elektroden 8 und 9 auf der Vorder- und der Rückfläche des piezoelektrischen Elements 2 werden zu demselben Ende wie dem der Führungselektrode 5 in der Mitte in der Dickenrichtung geführt, um die erzeugte Ladung zu extrahieren. Ähnlich den segmentierten Elektroden 4 und 6 umfassen die Elektroden 8 und 9 Elektroden 8a–8c und Elektroden 9a–9c, die durch ein Unterteilen der Elektroden in drei in der Nähe der Wendepunkte erhalten werden, und Verbindungselektroden 8d und 9d zum Verbinden der Elektroden 8a–8c bzw. 9a–9c. Unter den Elektroden 8a–8c und 9a–9c werden die Elektroden 8c und 9d zu einem Ende des piezoelektrischen Elements 2 in der Längsrichtung geführt. Es ist nicht notwendig, daß jede der Verbindungselektroden 8d und 9d eine einzelne Elektrode ist. Beispielsweise kann die Verbindungselektrode 8d eine Elektrode, die die Elektroden 8a und 8b verbindet, und eine Elektrode, die die Elektroden 8a und 8c verbindet, umfassen.
Auf beiden Endflächen des piezoelektrischen Elements 2 in der Längsrichtung, einschließlich Endflächen der Tragerahmen 10 und 11, sind externe Elektroden 12 und 13 gebildet. Die externe Elektrode 12, die auf einer Endfläche gebildet ist, leitet zu den Führungselektroden 3 und 7. Die externe Elektrode 13, die auf der anderen Endfläche gebildet ist, leitet zu den Elektroden 8 und 9 auf der Vorder- und der Rückfläche und zu der Führungselektrode 5.
Die piezoelektrischen Schichten 2a–2f sind in den durch die fettgedruckten Pfeile in 2 angegebenen Richtungen polarisiert. Im einzelnen sind die piezoelektrischen Schichten auf beiden Seiten der Führungselektroden 3, 5 und 7 polarisiert, so daß, wenn die Beschleunigung G an das piezoelektrische Element 2 in der Plattendickenrichtung angelegt wird, eine Ladung, die dieselbe Polarität aufweist, aus den Führungselektroden 3, 5 und 7 in den piezoelektrischen Schichten auf beiden Seiten der Führungselektroden 3, 5 und 7 extrahiert werden kann. Ferner sind der Mittelabschnitt und die beiden Endabschnitte jeder piezoelektrischen Schicht in entgegengesetzten Richtungen polarisiert. Bei dem ersten Ausführungsbeispiel liegt der Mittelabschnitt jeder der ersten und sechsten Schicht 2a und 2f in Richtung A vor, und beide Endabschnitte derselben liegen in Richtung B vor. Der Mittelabschnitt jeder der zweiten bis fünften Schicht 2b–2e liegt in Richtung B vor, und beide Endabschnitte derselben liegen in Richtung A vor.
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 bis dritten Schicht 2a–2c einer Expansionsspannung unterworfen, und die Endabschnitte dersel ben sind einer Kontraktionsspannung unterworfen. Die Mittelabschnitte der vierten bis sechsten Schicht 2d–2f 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 den Führungselektroden 3 und 7 eine negative Ladung erzeugt, und an den Elektroden 8 und 9 auf der Vorder- und der Rückfläche und der Führungselektrode 5 wird eine positive Ladung erzeugt. Die negative Ladung wird aus der auf einer Endfläche gebildeten externen Elektrode 12 extrahiert, und die positive Ladung wird aus der auf der anderen Endfläche gebildeten externen Elektrode 13 extrahiert.
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.

Tabelle 1 zeigt einen Vergleich zwischen dem piezoelektrischen Sensor 1A, der das sechsschichtige 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 beide 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 beide 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 B1 sind. Die dem Vergleich unterzogenen piezoelektrischen Elemente weisen dieselbe Form auf.

Wie aus der Tabelle 1 klar hervorgeht, ist die Kapazität des Beschleunigungssensors 1A der vorliegenden Erfindung 4,5 mal bis 18 mal so hoch wie die der bekannten Beschleunigungssensoren X und Y. Die Menge an durch den Beschleunigungssensor 1A erzeugter Ladung ist 2,3 mal bis 4,7 mal so hoch wie die der bekannten Beschleunigungssensoren X und Y. Daraus kann geschlossen werden, daß der Beschleunigungssensor 1A eine gute Erfassungsempfindlichkeit aufweist.

Tabelle 1

Unter Bezugnahme auf 3A–3F wird nun ein Herstellungsverfahren zum Herstellen des Beschleunigungssensors 1A, der wie oben beschrieben angeordnet ist, beschrieben.

Unter Bezugnahme auf 3A werden bei dem Verfahren sechs dünne rechteckige Keramikgrünlagen G1–G6 einer Größe, die für eine Mehrzahl von piezoelektrischen Elementen groß genug ist, hergestellt. Unter den Keramikgrünlagen G1–G6 wird eine leitfähige Paste, die die Führungselektrode 3 werden soll, auf die obere Oberfläche der zweiten Grünlage G2 unter Verwendung eines Siebdruckverfahrens oder derglei chen 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. Eine leitfähige Paste, die die segmentierte Elektrode 6 werden soll, wird auf die obere Oberfläche der fünften Grünlage G5 aufgebracht. Eine leitfähige Paste, die die Führungselektrode 7 werden soll, wird auf die obere Oberfläche der sechsten Grünlage G6 aufgebracht. Die Aufbringungsmuster der Elektroden 3–7 bilden Streifenelektroden, die sich in einer senkrecht zu der Zeichnung verlaufenden Richtung erstrecken. Auf die obere Grünlage G1 wird keine leitfähige Paste aufgebracht.

Unter Bezugnahme auf 3B werden die sechs Grünlagen G1–G6 unter Verwendung von Druck gestapelt und befestigt, wodurch ein geschichteter Verbundkörper L gebildet wird. Die Führungselektroden 3, 5 und 7 und die segmentierten Elektroden 4 und 6 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 3–7, die innen gebildet sind, gebacken. Dementsprechend wird ein gebrannter Piezokeramikverbundkörper F gebildet.

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 8a–8c und 9a–9c gebildet. Ein elektrisches Gleichfeld wird an die Elektroden 8a–8c und 9a–9c und zwischen den Führungselektroden 3, 5 und 7 und den segmentierten Elektroden 4 und 6 angelegt, wodurch der gebrannte Piezokeramikverbundkörper F in den Richtungen A und B polarisiert wird. Da die Zwischenschichtelektroden 3–7 in dem gebrannten Pie zokeramikverbundkörper F vorgesehen sind, ist es schwierig, an diese Elektroden 3–7 ein elektrisches Feld anzulegen. Die Elektroden 3–7 sind Streifenelektroden, die sich in der Tiefenrichtung des gebrannten Piezokeramikverbundkörpers F (senkrecht zu der Zeichnung) erstrecken. Um ein elektrisches Feld an die Elektroden 3–7 anzulegen, wird ein Ende jeder der Elektroden 3–7 außerhalb des gebrannten Piezokeramikverbundkörpers F geführt. Durch Anlegen eines elektrischen Gleichfelds zwischen den Elektroden 3–7 und den Elektroden 8a–8c und 9a–9c auf der Vorder- und der Rückfläche kann der gebrannte Piezokeramikverbundkörper F in gewünschten Richtungen polarisiert werden.

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.

Nach der Polarisierung, wie in 3D gezeigt, werden die Verbindungselektroden 8d und 9d zum Verbinden der segmentierten Elektroden 8a–8c und 9a–9c auf der Vorder- und der Rückfläche des gebrannten Piezokeramikverbundkörpers F gebildet. Die Verbindungselektroden 8d und 9d können durch ein Drucken einer leitfähigen Paste oder durch ein Dünnfilmbildungsverfahren, wie zum Beispiel Zerstäuben oder Aufdampfen, gebildet werden.

Nachdem die Verbindungselektroden 8d und 9d 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.

Anschließend werden die externen Elektroden 12 und 13 auf beiden Endflächen jedes Sensorelements E gebildet. Folglich wird der in 1 und 2 gezeigte Beschleunigungssensor 1A gebildet.

Bei dem in den 3A–3F gezeigten Herstellungsverfahren sind die segmentierten Elektroden 8a–8c und 9a–9c für eine Polarisierung auf der Vorder- und der Rückfläche des piezoelektrischen Elements gebildet. Nach der Polarisierung werden die Verbindungselektroden 8d und 9d zum Verbinden der segmentierten Elektroden 8a–8c und 9a–9c bereitgestellt. Alternativ dazu werden die segmentierten Elektroden 8a–8c und 9a–9c nach der Polarisierung entfernt. Anschließend können neue Elektroden 8 und 9, die zu unterschiedlichen Enden des piezoelektrischen Elements in der Längsrichtung führen, gebildet werden.

In diesem Fall können die Führungselektroden 8 und 9 durch ein Drucken einer leitfähigen Paste oder durch ein Dünnfilmbildungsverfahren, wie beispielsweise Zerstäuben oder Aufdampfen, gebildet werden.

4 zeigt einen Beschleunigungssensor gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.

Bei einem Beschleunigungssensor 1B des zweiten Ausführungsbeispiels beträgt die Anzahl von piezoelektrischen Schichten, die ein piezoelektrisches Element 20 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.

Das piezoelektrische Element 20 wird durch Stapeln von acht piezoelektrischen Schichten 20a–20h und ein einstückiges Brennen der piezoelektrischen Schichten 20a–20h gebildet. Zwischen den Schichten des piezoelektrischen Elements 20 sind Elektroden 21–27 gebildet. Auf der Vorder- und der Rückfläche des piezoelektrischen Elements 20 sind Elektroden 28 und 29 gebildet. Die Zwischenschichtelektroden 21–27 umfassen die segmentierten Elektroden 21, 23, 25 und 27, 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, 24 und 26, die zu unterschiedlichen Enden des piezoelektrischen Elements 20 in der Längsrichtung geführt sind. Die beiden Typen von Zwischenschichtelektroden 21–27 sind abwechselnd gestapelt, wobei sich die piezoelektrischen Schichten 20a und 20f zwischen denselben befinden. Die Zwischenschichtelektrode 24 in der Mitte des piezoelektrischen Elements 20 in der Dickenrichtung ist eine Führungselektrode, die zu dem Ende in der Längsrichtung geführt ist.

Die Elektroden 28 und 29 auf der Vorder- und der Rückfläche des piezoelektrischen Elements 20 werden zu demselben Ende wie dem der Führungselektrode 24 in der Mitte in der Dickenrichtung geführt, um eine erzeugte Ladung zu extrahieren. Externe Elektroden 30 und 31 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 30 leitet zu den Führungselektroden 22 und 26. Die auf der anderen Endfläche gebildete externe Elektrode 31 leitet zu den auf der Vorder- und der Rückfläche gebildeten Elektroden 28 und 29 und zu der Führungselektrode 24.

Die piezoelektrischen Schichten 20a–20h sind in den durch die fettgedruckten Pfeile in 4 angezeigten Richtungen polarisiert. Im einzelnen sind die piezoelektrischen Schichten 20a–20h in der Dickenrichtung polarisiert, so daß die piezoelektrischen Schichten auf beiden Seiten der Zwischenschichtelektroden 22 und 26 in entgegengesetzten Richtungen polarisiert sind und so daß der Mittelabschnitt und beide Endabschnitte jeder piezoelektrischen Schicht in entgegengesetzten Richtungen polarisiert sind. Die Zwischenschichtelektrode 24 in der Mitte in der Dickenrichtung ist so polarisiert, daß die piezoelektrischen Schichten auf beiden Seiten der Zwischenschichtelektrode 24 in entgegengesetzten Richtungen polarisiert sind und so daß der Mittelabschnitt und die beiden Endabschnitte jeder piezoelektrischen Schicht in entgegengesetzten Richtungen polarisiert sind. Bei dem zweiten Ausführungsbeispiel liegen die Mittelabschnitte der ersten, zweiten, siebten und achten Schicht 20a, 20b, 20g und 20h in der Richtung A vor, und beide Endabschnitte derselben liegen in der Richtung B vor. Die Mittelabschnitte der dritten bis sechsten Schicht 20c–20f liegen in der Richtung B vor, und beide Endabschnitte derselben liegen in Richtung A vor. Wenn die Beschleunigung G in der durch den Pfeil angegebenen Richtung an das piezoelektrische Element 20 angelegt wird, wie in 4 gezeigt ist, werden der Mittelabschnitt und beide Endabschnitte jeder Schicht einer Expansionsspannung und einer Kontraktionsspannung unterworfen. Auf der Basis der Beziehungen zwischen den Spannungen und den Polarisierungsrichtungen wird an den Führungselektroden 22 und 26 eine negative Ladung erzeugt, und an der Elektrode 24 und an den Elektroden 28 und 29 auf der Vorder- und der Rückfläche wird eine positive Ladung erzeugt. Die negative Ladung wird aus der externen Elektrode 30 extrahiert, und die positive Ladung wird aus der externen Elektrode 31 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 1B eine höhere Erfassungsempfindlichkeit auf, als bis dahin erreicht wurde.

5 zeigt einen Beschleunigungssensor gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.

Ein Beschleunigungssensor 1C des sechsten Ausführungsbeispiels verwendet ein piezoelektrisches Element 40, 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.

Das piezoelektrische Element 40 wird durch Stapeln von sieben piezoelektrischen Schichten 40a–40e und ein einstückiges Brennen der piezoelektrischen Schichten 40a–40e gebildet. Zwischen den Schichten des piezoelektrischen Elements 40 sind Elektroden 41–44 gebildet. Auf der Vorder- und der Rückfläche des piezoelektrischen Elements 40 sind Elektroden 45 und 46 gebildet. Die Zwischenschichtelektroden 41–44 umfassen die segmentierten Elektroden 41 und 44, 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 40 angelegt werden, in drei Abschnitte segmentiert sind, und die Führungselektroden 42 und 43, die zu unterschiedlichen Enden des piezoelektrischen Elements 40 in der Längsrichtung geführt sind. Die Zwischenschichtelektroden 42 und 43, die auf beiden Seiten der piezoelektrischen Schicht 40c in der Mitte des piezoelektrischen Elements 40 in der Dickenrichtung angeordnet sind, sind Führungselektroden, die zu den Enden in der Längsrichtung geführt sind. Die beiden Typen von Zwischenschichtelektroden 41–44 sind abwechselnd gestapelt, wobei sich die piezoelektrischen Schichten 40a–40g zwischen denselben befinden, mit Ausnahme der piezoelektrischen Schicht 40c in der Mitte in der Dickenrichtung.

Die Elektroden 45 und 46 auf der Vorder- und der Rückfläche des piezoelektrischen Elements 40 werden zu unterschiedlichen Enden des piezoelektrischen Elements 40 in der Längsrichtung geführt, um eine erzeugte Ladung zu extrahieren. Auf beiden Endflächen des piezoelektrischen Elements 40 in der Längsrichtung, einschließlich der Endflächen der Trage rahmen 10 und 11, sind externe Elektroden 47 und 48 gebildet. Die auf einer Endfläche gebildete externe Elektrode 47 leitet zu der Elektrode 46 auf der Rückfläche und zu der Führungselektrode 42. Die auf der anderen Endfläche gebildete externe Elektrode 48 leitet zu der auf der Vorderfläche gebildeten Elektrode 45 und zu der Führungselektrode 43.

Die piezoelektrischen Schichten 40a–40e sind in den durch die fettgedruckten Pfeile in 5 angezeigten Richtungen polarisiert. Im einzelnen sind. die piezoelektrischen Schichten 40a–40e in der Dickenrichtung polarisiert, so daß der Mittelabschnitt und die beiden Endabschnitte jeder piezoelektrischen Schicht in entgegengesetzten Richtungen polarisiert sind. Bei dem dritten Ausführungsbeispiel liegen die Mittelabschnitte der ersten und zweiten Schicht 40a und 40b in der Richtung A vor, und beide Endabschnitte derselben liegen in Richtung B vor. Die Mittelabschnitte der vierten und fünften Schicht 40d und 40e liegen in Richtung B vor, und beide Endabschnitte derselben liegen in Richtung A vor. Die piezoelektrische Schicht 40c 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 40 angelegt wird, wie in 5 gezeigt ist, sind der Mittelabschnitt und beide Endabschnitte jeder Schicht einer Expansionsspannung und einer Kontraktionsspannung unterworfen. Auf der Basis der Beziehungen zwischen den Spannungen und den Polarisierungsrichtungen wird an der Führungselektrode 42 und der Rückflächenelektrode 46 eine negative Ladung erzeugt, und an der Führungselektrode 43 und der Vorderflächenelektrode 45 wird eine positive Ladung erzeugt. Die negative Ladung wird aus der externen Elektrode 47 extrahiert, und die positive Ladung wird aus der externen Elektrode 48 extrahiert.

Obwohl die piezoelektrische Schicht 40c in der Mitte in der Dickenrichtung eine neutrale Schicht ist, die keine Ladung erzeugt, kann eine Ladung, ähnlich dem ersten Ausführungsbeispiel, aus dem Mittelabschnitt und den beiden Endabschnitten in der Längsrichtung extrahiert werden. Somit ist die Menge an Ladung, die als Antwort auf das Anlegen der Beschleunigung G erzeugt wird, erhöht, und der Beschleunigungssensor 1C weist eine höhere Erfassungsempfindlichkeit auf, als bis dahin erreicht wurde.

6 zeigt einen Beschleunigungssensor gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.

Ein Beschleunigungssensor 1D des fünften Ausführungsbeispiels verwendet ein piezoelektrisches Element 50, 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.

Das piezoelektrische Element 50 wird durch Stapeln von sieben piezoelektrischen Schichten 50a–50g und ein einstückiges Brennen der piezoelektrischen Schichten 50a–50g gebildet. Zwischen den Schichten des piezoelektrischen Elements 50 sind Elektroden 51–56 gebildet. Auf der Vorder- und der Rückfläche des piezoelektrischen Elements 50 sind Elektroden 57 und 58 gebildet. Die Zwischenschichtelektroden 51–56 umfassen die segmentierten Elektroden 52 und 55, 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, 53, 54 und 56, die zu unterschiedlichen Enden des piezoelektrischen Elements in der Längsrichtung geführt sind. Die Zwischenschichtelektroden 53 und 54, die auf beiden Seiten der piezoelektrischen Schicht 50d in der Mitte des piezoelektrischen Elements 50 in der Dickenrichtung angeordnet sind, sind Führungselektroden, die zu den Enden in der Längsrichtung geführt sind. Die beiden Typen von Zwi schenschichtelektroden 51–56 sind abwechselnd gestapelt, wobei sich die piezoelektrischen Schichten 50a–50g zwischen denselben befinden, mit Ausnahme der piezoelektrischen Schicht 50d in der Mitte der Dickenrichtung.

Die Elektroden 57 und 58 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 55 umfassen die Elektroden 57 und 58 Elektroden 57a–57c und 58a–58c, die durch ein Segmentieren von Elektroden in drei Abschnitte in der Nähe der Wendepunkte erhalten werden, und Verbindungselektroden 57d und 58d zum Verbinden der Elektroden 55a–55c und 56a–56c. Die Elektroden 57 und 58 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 59 und 60 gebildet. Die auf einer Endfläche gebildete externe Elektrode 59 leitet zu der Elektrode 57 auf der Vorderfläche und zu den Führungselektroden 53 und 56. Die auf der anderen Endfläche gebildete externe Elektrode 60 leitet zu der auf der Rückfläche gebildeten Elektrode 58 und zu den Führungselektroden 51 und 54.

Die piezoelektrischen Schichten 50a–50g sind in den durch die fettgedruckten Pfeile in 6 angezeigten Richtungen polarisiert. Im einzelnen sind die piezoelektrischen Schichten 50a–50g in der Dickenrichtung polarisiert, so daß eine Ladung, die dieselbe Polarität aufweist, aus den Führungselektroden 51 und 56 in den piezoelektrischen Schichten auf beiden Seiten der Führungselektroden 51 und 56 extrahiert werden kann und so daß der Mittelabschnitt und beide Endabschnitte jeder piezoelektrischen Schicht in entgegengesetzten Richtungen polarisiert sind. Bei dem vierten Ausführungsbeispiel liegen die Mittelabschnitte der zweiten, dritten und siebten Schicht 50b, 50c und 50g in Richtung A vor, und beide Endabschnitte derselben liegen in Richtung B vor. Die Mittelabschnitte der ersten, fünften und sechsten Schicht 50a, 50e und 50f liegen in Richtung B vor, und beide Endabschnitte derselben liegen in Richtung A vor. Die piezoelektrische Schicht 50d in der Mitte der Dickenrichtung ist eine neutrale Schicht, die nicht polarisiert ist. Wenn die Beschleunigung G in der Plattendickenrichtung an das piezoelektrische Element 50 angelegt wird, wie in 6 gezeigt ist, sind der Mittelabschnitt und beide Endabschnitte jeder Schicht einer Expansionsspannung und einer Kontraktionsspannung unterworfen. Auf der Basis der Beziehungen zwischen den Spannungen und den Polarisierungsrichtungen wird an den Führungselektroden 53 und 56 und der Vorderflächenelektrode 57 eine negative Ladung erzeugt, und an den Führungselektroden 51 und 54 und der Rückflächenelektrode 58 wird eine positive Ladung erzeugt. Die negative Ladung wird aus der externen Elektrode 59 extrahiert, und die positive Ladung wird aus der externen Elektrode 60 extrahiert.

Obwohl die piezoelektrische Schicht 50d 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 1D eine höhere Erfassungsempfindlichkeit auf, als bis dahin erreicht wurde.

Bei den vorstehenden Ausführungsbeispielen wurde ein Fall, bei dem die Anzahl von Schichten 4n + 2 beträgt, bei dem ersten Ausführungsbeispiel beschrieben. Ein Fall, bei dem die Anzahl von Schichten 4n (n ist größer als oder gleich 2) beträgt, wurde bei dem zweiten Ausführungsbeispiel beschrieben. Ein Fall, bei dem die Anzahl von Schichten 4n + 1 beträgt, wurde bei dem dritten Ausführungsbeispiel beschrieben. Ein Fall, bei dem die Anzahl von Schichten 4n + 3 beträgt, wurde bei dem vierten Ausführungsbeispiel beschrieben. Diese Fälle sind lediglich einige Beispiele. Die Anzahl von Schichten kann erhöht werden.

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.

Claims

Beschleunigungssensor, der folgende Merkmale aufweist: ein piezoelektrisches Element (2), das durch Stapeln einer geraden Anzahl von piezoelektrischen Schichten (2a–2d), die größer als oder gleich sechs Schichten ist, gebildet ist; Trageglieder (10, 11) zum Tragen beider Enden des piezoelektrischen Elements in der Längsrichtung; und Elektroden (3, 4, 5, 6, 7, 8, 9), die zwischen den Schichten und auf der Vorder- und der Rückfläche des piezoelektrischen Elements vorgesehen sind, wobei die Zwischenschichtelektroden (3, 4, 5, 6, 7) Elektroden (4, 6), 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 (2) angelegt werden, in Abschnitte segmentiert sind, und Führungselektroden (3, 5, 7), die zu den Enden des piezoelektrischen Elements in der Längsrichtung geführt sind, umfassen, wobei die beiden Typen von Zwischenschichtelektroden abwechselnd gestapelt sind, wobei sich die piezoelektrischen Schichten zwischen denselben befinden, wobei die Zwischenschichtelektrode (5) in der Mitte des piezoelektrischen Elements in der Dickenrichtung die Führungselektrode ist, die zu dem Ende in der Längsrichtung geführt ist, wobei die Elektroden (8, 9) auf der Vorder- und der Rückfläche des piezoelektrischen Elements (2) zu den Enden des piezoelektrischen Elements in der Längsrich tung geführt sind, um eine erzeugte Ladung zu extrahieren, und wobei die piezoelektrischen Schichten (2a–2f) in der Dickenrichtung polarisiert sind, so daß, wenn die Beschleunigung angelegt ist, eine Ladung, die dieselbe Polarität aufweist, aus den Führungselektroden, die zu den Enden in der Längsrichtung in den piezoelektrischen Schichten auf beiden Seiten der Führungselektroden geführt sind, extrahiert wird, und so daß der Mittelabschnitt und beide Endabschnitte jeder piezoelektrischen Schicht in entgegengesetzten Richtungen polarisiert sind.
Beschleunigungssensor, der folgende Merkmale aufweist: ein piezoelektrisches Element (40), das durch Stapeln einer ungeraden Anzahl von piezoelektrischen Schichten (40a–40e), die größer als oder gleich fünf Schichten ist, gebildet ist; Trageglieder (10, 11) zum Tragen beider Enden des piezoelektrischen Elements (50) in der Längsrichtung; und Elektroden (41–46), die zwischen den Schichten und auf der Vorder- und der Rückfläche des piezoelektrischen Elements gebildet sind, wobei die Zwischenschichtelektroden Elektroden (41, 44), 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 (42, 43), die zu den Enden des piezoelektrischen Elements in der Längsrichtung geführt sind, umfassen, wobei die Zwischenschichtelektroden (42, 43), die auf beiden Seiten der piezoelektrischen Schicht in der Mitte des piezoelektrischen Elements in der Dickenrichtung angeordnet sind, die Führungselektroden sind, die zu den Enden in der Längsrichtung geführt sind, wobei die beiden Typen von Zwischenschichtelektroden abwechselnd gestapelt sind, wobei sich die piezoelektrischen Schichten zwischen denselben befinden, mit Ausnahme der piezoelektrischen Schicht (40c) in der Mitte in der Dickenrichtung, wobei die Elektroden (45, 46) auf der Vorder- und der Rückfläche des piezoelektrischen Elements zu den Enden des piezoelektrischen Elements in der Längsrichtung geführt sind, um eine erzeugte Ladung zu extrahieren, und wobei von den piezoelektrischen Schichten die piezoelektrische Schicht (40c) in der Mitte in der Dickenrichtung nicht polarisiert ist, und die anderen piezoelektrischen Schichten in der Dickenrichtung polarisiert sind, so daß, wenn die Beschleunigung angelegt ist, eine Ladung, die dieselbe Polarität aufweist, aus den Führungselektroden, die zu den Enden in der Längsrichtung in den piezoelektrischen Schichten auf beiden Seiten der Führungselektroden geführt sind, extrahiert wird, und so daß der Mittelabschnitt und beide Endabschnitte jeder piezoelektrischen Schicht in entgegengesetzten Richtungen polarisiert sind.
Herstellungsverfahren zum Herstellen eines Beschleunigungssensors, das folgende Schritte aufweist: Erzeugen von 4n + 2 Planaren Grünlagen, die aus einer Piezokeramik hergestellt sind, wobei n eine Ganzzahl ist, die größer als oder gleich 1 ist; Aufbringen einer leitfähigen Paste auf Oberflächen von mindestens zwei der Grünlagen an Positionen, die einem Mittelabschnitt und den beiden Endabschnitten einzelner piezoelektrischer Elemente in der Längsrichtung entsprechen, wodurch segmentierte Elektroden für eine Mehrzahl von piezoelektrischen Elementen gebildet werden; Aufbringen einer leitfähigen Paste auf Oberflächen von mindestens drei der anderen Grünlagen, so daß die leitfähige Paste zu Positionen geführt wird, die Enden jedes piezoelektrischen Elements in der Längsrichtung entsprechen, wodurch Führungselektroden für die Mehrzahl von piezoelektrischen Elementen gebildet werden; Stapeln der Grünlagen, so daß die segmentierten Elektroden und die Führungselektroden abwechselnd angeordnet sind und so daß die Elektrode in der Mitte in der Dickenrichtung die Führungselektrode ist; Brennen der Grünlagen, um einen gebrannten Piezokeramikverbundkörper zu erzeugen, der eine Mehrzahl von piezoelektrischen Schichten umfaßt, und gleichzeitiges Backen der leitfähigen Paste; Bilden von Polarisierungselektroden auf der Vorder- und der Rückfläche des gebrannten Piezokeramikverbundkörpers, wobei die Polarisierungselektroden gemäß den Positionen, die dem Mittelabschnitt und den beiden Endabschnitten jedes piezoelektrischen Elements entsprechen, in Abschnitte segmentiert werden; Anlegen eines elektrischen Gleichfeldes an die Polarisierungselektroden und zwischen die segmentierten Elektroden und die Führungselektroden, um den gebrannten Piezokeramikverbundkörper in der Dickenrichtung zu polarisieren, so daß, wenn eine Beschleunigung angelegt wird, eine Ladung, die dieselbe Polarität auf weist, aus den Führungselektroden in den piezoelektrischen Schichten auf beiden Seiten der Führungselektroden extrahiert wird und so daß der Mittelabschnitt und die beiden Endabschnitte jeder piezoelektrischen Schicht in entgegengesetzten Richtungen polarisiert werden; Verbinden der Abschnitte der Polarisierungselektroden oder Bilden von durchgehenden Elektroden nach einem Entfernen der Polarisierungselektroden, wodurch Führungselektroden, die zu den Enden des piezoelektrischen Elements in der Längsrichtung führen, auf der Vorder- und der Rückfläche des piezoelektrischen Elements gebildet werden, Schneiden des gebrannten Piezokeramikverbundkörpers in einzelne piezoelektrische Elemente; und Bilden von externen Elektroden auf beiden Endflächen des geschnittenen piezoelektrischen Elements und Verbinden der externen Elektroden und der Führungselektroden, die in und auf der Vorder- und der Rückfläche des piezoelektrischen Elements gebildet werden.
Herstellungsverfahren zum Herstellen eines Beschleunigungssensors, das folgende Schritte aufweist: Erzeugen von 4n planaren Grünlagen, die aus einer Piezokeramik hergestellt sind, wobei n eine Ganzzahl ist, die größer als oder gleich 2 ist; Aufbringen einer leitfähigen Paste auf Oberflächen von mindestens vier der Grünlagen an Positionen, die einem Mittelabschnitt und beiden Endabschnitten einzelner piezoelektrischer Elemente in der Längsrichtung entsprechen, wodurch segmentierte Elektroden für eine Mehrzahl von piezoelektrischen Elementen gebildet werden; Aufbringen einer leitfähigen Paste auf Oberflächen mindestens drei der anderen Grünlagen, so daß die leitfähige Paste zu Positionen geführt wird, die Enden jedes piezoelektrischen Elements in der Längsrichtung entsprechen, wodurch Führungselektroden für die Mehrzahl von piezoelektrischen Elementen gebildet werden; Stapeln der Grünlagen, so daß die segmentierten Elektroden und die Führungselektroden abwechselnd angeordnet sind und so daß die Elektrode in der Mitte in der Dickenrichtung die Führungselektrode ist; Brennen der Grünlagen, um einen gebrannten Piezokeramikverbundkörper zu erzeugen, der eine Mehrzahl von piezoelektrischen Schichten umfaßt, und gleichzeitiges Backen der leitfähigen Paste; Bilden von Führungselektroden auf der Vorder- und der Rückfläche des gebrannten Piezokeramikverbundkörpers, wobei die Führungselektroden zu Positionen, die den Enden jedes piezoelektrischen Elements in der Längsrichtung entsprechen, geführt sind; Anlegen eines elektrischen Gleichfeldes zwischen die segmentierten Elektroden und die Führungselektroden, um den gebrannten Piezokeramikverbundkörper in der Dickenrichtung zu polarisieren, so daß, wenn eine Beschleunigung angelegt wird, eine Ladung, die dieselbe Polarität aufweist, aus den Führungselektroden in den piezoelektrischen Schichten auf beiden Seiten der Führungselektroden extrahiert wird und so daß der Mittelabschnitt und die beiden Endabschnitte jeder piezoelektrischen Schicht in entgegengesetzten Richtungen polarisiert werden; Schneiden des gebrannten Piezokeramikverbundkörpers in einzelne piezoelektrische Elemente; und Bilden von externen Elektroden auf beiden Endflächen des geschnittenen piezoelektrischen Elements und Verbinden der externen Elektroden und der Führungselektroden, die in und auf der Vorder- und der Rückfläche des piezoelektrischen Elements gebildet werden.
Herstellungsverfahren zum Herstellen eines Beschleunigungssensors, das folgende Schritte aufweist: Erzeugen von 4n + 1 planaren Grünlagen, die aus einer Piezokeramik hergestellt sind, wobei n eine Ganzzahl ist, die größer als oder gleich 1 ist; Aufbringen einer leitfähigen Paste auf Oberflächen mindestens zweier der Grünlagen an Positionen, die einem Mittelabschnitt und beiden Endabschnitten einzelner piezoelektrischer Elemente in der Längsrichtung entsprechen, wodurch segmentierte Elektroden für eine Mehrzahl von piezoelektrischen Elementen gebildet werden; Aufbringen einer leitfähigen Paste auf Oberflächen mindestens zweier der anderen Grünlagen, so daß die leitfähige Paste zu Positionen geführt wird, die Enden jedes piezoelektrischen Elements in der Längsrichtung entsprechen, wodurch Führungselektroden für die Mehrzahl von piezoelektrischen Elementen gebildet werden; Stapeln der Grünlagen, so daß die auf beiden Seiten der piezoelektrischen Schicht in der Mitte in der Dickenrichtung angeordneten Elektroden die Führungselektroden sind und so daß die segmentierten Elektroden und die Führungselektroden in den anderen piezoelektrischen Schichten abwechselnd angeordnet sind; Brennen der Grünlagen, um einen gebrannten Piezokeramikverbundkörper zu erzeugen, der eine Mehrzahl von piezoelektrischen Schichten umfaßt, und gleichzeitiges Backen der leitfähigen Paste; Bilden von Führungselektroden auf der Vorder- und der Rückfläche des gebrannten Piezokeramikverbundkörpers, wobei die Führungselektroden zu den Positionen, die den Enden jedes piezoelektrischen Elements in der Längsrichtung entsprechen, geführt sind; Anlegen eines elektrischen Gleichfeldes zwischen die segmentierten Elektroden und die Führungselektroden, um den gebrannten Piezokeramikverbundkörper in der Dickenrichtung zu polarisieren, so daß, wenn eine Beschleunigung angelegt wird, eine Ladung, die dieselbe Polarität aufweist, aus den Führungselektroden in den piezoelektrischen Schichten auf beiden Seiten der Führungselektroden extrahiert wird und so daß der Mittelabschnitt und die beiden Endabschnitte jeder piezoelektrischen Schicht in entgegengesetzten Richtungen polarisiert werden; Schneiden des gebrannten Piezokeramikverbundkörpers in einzelne piezoelektrische Elemente; und Bilden von externen Elektroden auf beiden Endflächen des geschnittenen piezoelektrischen Elements und Verbinden der externen Elektroden und der Führungselektroden, die in und auf der Vorder- und der Rückfläche des piezoelektrischen Elements gebildet werden.
Herstellungsverfahren zum Herstellen eines Beschleunigungssensors, das folgende Schritte aufweist: Erzeugen von 4n + 3 planaren Grünlagen, die aus einer Piezokeramik hergestellt sind, wobei n eine Ganzzahl ist, die größer als oder gleich 1 ist; Aufbringen einer leitfähigen Paste auf Oberflächen mindestens zweier der Grünlagen an Positionen, die einem Mittelabschnitt und beiden Endabschnitten einzelner piezoelektrischer Elemente in der Längsrichtung entsprechen, wodurch segmentierte Elektroden für eine Mehrzahl von piezoelektrischen Elementen gebildet werden; Aufbringen einer leitfähigen Paste auf Oberflächen von mindestens vier der anderen Grünlagen, so daß die leitfähige Paste zu Positionen geführt wird, die Enden jedes piezoelektrischen Elements in der Längsrichtung entsprechen, wodurch Führungselektroden für die Mehrzahl von piezoelektrischen Elementen gebildet werden; Stapeln der Grünlagen, so daß die auf beiden Seiten der piezoelektrischen Schicht in der Mitte in der Dickenrichtung angeordneten Elektroden die Führungselektroden sind und so daß die segmentierten Elektroden und die Führungselektroden in den anderen piezoelektrischen Schichten abwechselnd angeordnet sind; Brennen der Grünlagen, um einen gebrannten Piezokeramikverbundkörper zu erzeugen, der eine Mehrzahl von piezoelektrischen Schichten umfaßt, und gleichzeitiges Backen der leitfähigen Paste; Bilden von Polarisierungselektroden auf der Vorder- und der Rückfläche des gebrannten Piezokeramikverbundkörpers, wobei die Polarisierungselektroden gemäß den Positionen, die dem Mittelabschnitt und den beiden Endabschnitten jedes piezoelektrischen Elements entsprechen, in Abschnitte segmentiert werden; Anlegen eines elektrischen Gleichfeldes an die Polarisierungselektroden und zwischen die segmentierten Elektroden und die Führungselektroden, um den gebrannten Piezokeramikverbundkörper in der Dickenrichtung zu polarisieren, so daß, wenn eine Beschleunigung angelegt wird, eine Ladung, die dieselbe Polarität aufweist, aus den Führungselektroden in den piezoelektrischen Schichten auf beiden Seiten der Führungselektroden extrahiert wird und so daß der Mittelabschnitt und beide Endabschnitte jeder piezoelektrischen Schicht in entgegengesetzten Richtungen polarisiert werden; Verbinden der Abschnitte der Polarisierungselektroden oder Bilden von durchgehenden Elektroden nach einem Entfernen der Polarisierungselektroden, wodurch Führungselektroden, die zu den Enden des piezoelektrischen Elements in der Längsrichtung führen, auf der Vorder- und der Rückfläche des piezoelektrischen Elements gebildet werden, Schneiden des gebrannten Piezokeramikverbundkörpers in einzelne piezoelektrische Elemente; und Bilden von externen Elektroden auf beiden Endflächen des geschnittenen piezoelektrischen Elements und Verbinden der externen Elektroden und der Führungselektroden, die in und auf der Vorder- und Rückfläche des piezoelektrischen Elements gebildet sind.