DE10322979A1

DE10322979A1 - Beschleunigungssensor

Info

Publication number: DE10322979A1
Application number: DE10322979A
Authority: DE
Inventors: Jun Tabota
Original assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2002-05-21
Filing date: 2003-05-21
Publication date: 2003-12-11
Anticipated expiration: 2023-05-22
Also published as: CN1721859A; JP4190208B2; CN1460862A; CN100389329C; US6766690B2; JP2003337140A; CN1232828C; US20030217598A1; DE10322979B4

Abstract

Ein Beschleunigungssensor umfaßt ein Erfassungselement und ein Paar von Trägerbauteilen zum Tragen des Erfassungselementes an einem Ende in der Longitudinalrichtung desselben. Das Erfassungselement umfaßt vier laminierte piezoelektrische Schichten und Elektroden sind in der Mitte in der Dickenrichtung des Erfassungselementes, zwischen einem Paar erster Schichten und einem Paar zweiter Schichten und auf den äußeren Oberflächen des Paares zweier Schichten, vorgesehen. Zellen, die durch die ersten und zweiten Schichten an jeder Seite der Mitte in der Dickenrichtung gebildet sind, sind elektrisch parallel geschaltet. Das Paar erster Schichten weist die gleiche Dicke auf und das Paar zweiter Schichten weist die gleiche Dicke auf und das Verhältnis der Dicke T¶1¶ jeder ersten Schicht zu der Gesamtdicke T¶2¶ jeder ersten und zweiten Schicht beträgt 62 bis 76%.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Beschleunigungssensor unter Verwendung einer piezoelektrischen Keramik.

Verschiedene Typen von Beschleunigungssensoren unter Verwendung einer piezoelektrischen Keramik wurden vorgeschlagen. Allgemein werden in Beschleunigungssensoren zwei Arten von Empfindlichkeiten verwendet: eine Spannungsempfindlichkeit und eine Ladungsempfindlichkeit. Durch ein Erhöhen der Ladungsempfindlichkeit kann ein S/N-Verhältnis hinsichtlich eines elektromagnetischen Rauschens, das durch externe Vorrichtungen und eine Schaltung bewirkt wird, die den Übergang zwischen dem Beschleunigungssensor und einem Verstärker beeinflussen, der mit der nachfolgenden Stufe verbunden ist, erhöht werden. Andererseits kann durch ein Erhöhen der Spannungsempfindlichkeit ein S/N-Verhältnis (Signal/Rauschverhältnis) hinsichtlich des Spannungsrauschens, das durch den Verstärker selbst bewirkt wird, erhöht werden. Deshalb müssen, um das S/N-Verhältnis bezüglich sowohl eines externen elektromagnetischen Rauschens als auch eines Rauschens im Inneren des Verstärkers zu erhöhen, sowohl eine Ladungsempfindlichkeit als auch eine Spannungsempfindlichkeit erhöht werden. Dies bedeutet, daß in einem Sensor mit hohem S/N oder einem sehr empfindlichen Sensor eine große Menge Energie erzeugt wird, wobei die Energie als S des Produkts der Ladungsempfindlichkeit und der Spannungsempfindlichkeit dargestellt wird.

Die ungeprüfte japanische Patentanmeldung Nr. 10-62445 offenbart einen Beschleunigungssensor, der drei oder mehr laminierte piezoelektrische Keramikschichten umfaßt, wobei jede Schicht im wesentlichen die gleiche Dicke aufweist, und wobei die Schichten elektrisch parallel geschaltet sind. In diesem Beschleunigungssensor kann die Ladungsempfindlichkeit durch ein Erhöhen der Anzahl von Schichten erhöht werden. Bei diesem Beschleunigungssensor wird jedoch durch ein Erhöhen der Anzahl von Schichten, während die Gesamtdicke eines Erfassungselementes gleich gehalten wird, die Dicke jeder Schicht reduziert und eine Kapazität nimmt zu. So nimmt die Spannungsempfindlichkeit an jeder Schicht entsprechend ab. Außerdem ist das Potential an einer inneren Schicht geringer als das an einer äußeren Schicht. Deshalb ist durch ein Parallelschalten dieser Schichten die Spannungsempfindlichkeit des gesamten Erfassungselementes der Durchschnitt der Spannung jeder Schicht und die Gesamtspannungsempfindlichkeit wird mit zunehmender Anzahl laminierter Schichten gesenkt. Als ein Ergebnis nimmt die erzeugte Energie nicht wesentlich zu.

Tabelle 1 zeigt die Empfindlichkeit zweier Typen von Beschleunigungssensoren: einem zweischichtigen Typ und einem vierschichtigen Typ. Hierin weist jeder Beschleunigungssensor eine an einem Ende getragene bzw. einseitig eingespannte Struktur auf, wobei die Dicke des gesamten Erfassungselementes 0,42 mm beträgt, die freie Länge mit Ausnahme eines Trägerabschnitts beträgt 3,0 mm und die Breite des Erfassungselementes beträgt 0,4 mm. Wie dies ersichtlich ist, weist der vierschichtige Sensor eine sehr viel höhere Ladungsempfindlichkeit auf als der zweischichtige Sensor, die Spannungsempfindlichkeit jedoch ist niedrig und so ist die Menge erzeugter Energie in beiden Sensoren die gleiche. Diese Tabelle zeigt die Charakteristik in einem Zustand, in dem jede Schicht elektrisch parallel zueinander geschaltet ist, obwohl der Zustand in keiner Figur gezeigt ist. Tabelle 1

Bei der oben gezeigten Charakteristik sind die gesamte Dicke und die freie Länge des Erfassungselementes in den beiden Typen von Sensoren gleich, um die beiden Sensoren zu vergleichen. Bei der Charakteristik der Form, einschließlich der Dicke und der freien Länge, sind folgende Gleichungen erfüllt:

Ladungsempfindlichkeit Q = kd.WL³/L und
Spannungsempfindlichkeit V = kg.L²

Wenn diese Form verändert wird, verändert sich auch die Charakteristik. Hierin stellt L die freie Länge dar; W stellt die Breite des Erfassungselementes dar; T stellt die Gesamtdicke des Erfassungselementes dar; g und d stellen eine piezoelektrische Konstante dar und k stellt einen anderen Koeffizienten dar. Gemäß den vorangegangenen Gleichungen sollte die freie Länge L erhöht werden, um eine Ladungsempfindlichkeit und eine Spannungsempfindlichkeit zu erhöhen. Ebenso nimmt, wenn die Dicke T gesenkt wird, die Ladungsempfindlichkeit zu und die Spannungsempfindlichkeit verändert sich nicht und so nimmt die erzeugte Energie zu. Die Größe jedoch nimmt durch ein Erhöhen von L zu und die Stärke nimmt durch ein Senken von T ab. In diesem Fall nimmt eine Resonanzfrequenz an einem Erfassungsabschnitt ab, so daß die Beschleunigung bei hoher Frequenz nicht genau gemessen werden kann. So ist die Größe eingeschränkt.

Die ungeprüfte japanische Patentanmeldung Nr. 9-26433 offenbart einen zweischichtigen Beschleunigungssensor, der eine an einem Ende getragene Struktur aufweist. Bei diesem Beschleunigungssensor sind eine Zwischenelektrode und eine Oberflächenelektrode über der gesamten Länge desselben gebildet. Wenn eine Beschleunigung auf den Sensor angewendet wird, wird eine Belastung aufgrund der Beschleunigung erzeugt und außerdem wird eine Ladung erzeugt, so daß ein Ausgangssignal erzeugt wird. Bei einer an einem Ende getragenen Struktur ist die Belastung in der Umgebung des getragenen Abschnittes des Erfassungselementes groß und wird in Richtung des freien Endes desselben kleiner. Unter diesem Zustand trägt das freie Ende nicht soviel zu einer Erzeugung einer Ladung bei und dieser Zustand ist gleichwertig zu einem Zustand, bei dem nur Kapazitätskomponenten elektrisch parallel geschaltet sind. Deshalb ist eine Spannungsempfindlichkeit des gesamten Erfassungselementes der Durchschnitt der gesamten Länge. Außerdem nimmt die gesamte Spannungsempfindlichkeit verglichen mit einem Fall ab, bei dem eine Elektrode nur nahe des getragenen Abschnittes vorgesehen ist, wobei so eine erzeugte Energie nicht erhöht werden kann.

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Beschleunigungssensor mit verbesserten Charakteristika zu schaffen.

Diese Aufgabe wird durch einen Beschleunigungssensor gemäß Anspruch 1, 3 oder 4 gelöst.

Folglich besteht ein Vorteil der vorliegenden Erfindung darin, daß sie einen hochempfindlichen Beschleunigungssensor schafft, bei dem eine erzeugte Energie ohne ein Verändern der freien Länge und einer Dicke desselben wesentlich erhöht werden kann.

Um die vorangegangene Aufgabe zu lösen, wird gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung ein Beschleunigungssensor bereitgestellt, der ein Erfassungselement und ein Paar von Trägerbauteilen zum Tragen des Erfassungselementes an einem Ende, beiden Enden oder einem Mittelabschnitt in der Longitudinalrichtung desselben aufweist. Das Erfassungselement umfaßt vier laminierte piezoelektrische Schichten, wobei jede Schicht eine piezoelektrische Keramik aufweist. Die vier piezoelektrischen Schichten umfassen ein Paar erster Schichten, die in der Mitte in der Dickenrichtung angeordnet sind, und ein Paar zweiter Schichten, die das Paar erster Schichten sandwichartig umgeben. Elektroden sind in der Mitte in der Dickenrichtung des Erfassungselementes, zwischen dem Paar erster Schichten und dem Paar zweiter Schichten und auf den äußeren Oberflächen des Paars zweiter Schichten vorgesehen. Zellen, die durch die ersten und zweiten Schichten gebildet sind, die an der gleichen Seite hinsichtlich der Mitte in der Dickenrichtung angeordnet sind, sind elektrisch parallel geschaltet. Das Paar erster Schichten weist die gleiche Dicke auf und das Paar zweiter Schichten weist die gleiche Dicke auf. Das Verhältnis der Dicke jeder ersten Schicht zu der Gesamtdicke jeder ersten und zweiten Schicht beträgt 62 bis 76%.

Gemäß einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Beschleunigungssensor bereitgestellt, der ein Erfassungselement und ein Paar von Trägerbauteilen zum Tragen des Erfassungselementes an einem Ende, beiden Enden oder einem Mittelabschnitt in der Longitudinalrichtung desselben aufweist. Das Erfassungselement umfaßt sechs laminierte piezoelektrische Schichten, wobei jede Schicht eine piezoelektrische Keramik aufweist. Die sechs piezoelektrischen Schichten umfassen ein Paar erster Schichten, die in der Mitte in der Dickenrichtung positioniert sind, ein Paar zweiter Schichten, die das Paar erster Schichten sandwichartig umgeben, und ein Paar dritter Schichten, die in der äußeren Seite positioniert sind. Elektroden sind in der Mitte in der Dickenrichtung des Erfassungselementes, zwischen dem Paar erster Schichten und dem Paar zweiter Schichten, zwischen dem Paar zweiter Schichten und dem Paar dritter Schichten und auf den äußeren Oberflächen des Paars dritter Schichten vorgesehen. Zellen, die durch die ersten, zweiten und dritten Schichten gebildet sind, die an der gleichen Seite hinsichtlich der Mitte in der Dickenrichtung angeordnet sind, sind elektrisch parallel geschaltet. Das Paar erster Schichten weist die gleiche Dicke auf, das Paar zweiter Schichten weist die gleiche Dicke auf und das Paar dritter Schichten weist die gleiche Dicke auf. Das Verhältnis der Dicke jeder ersten Schicht zu der Gesamtdicke jeder ersten, zweiten und dritten Schicht beträgt 51 bis 62%. Das Verhältnis der Gesamtdicke jeder ersten und zweiten Schicht zu der Gesamtdicke jeder ersten, zweiten und dritten Schicht beträgt 72 bis 87%.

Gemäß einem dritten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Beschleunigungssensor bereitgestellt, der ein Erfassungselement und ein Paar von Trägerbauteilen zum Tragen des Erfassungselementes an einem Ende in der Longitudinalrichtung desselben aufweist. Das Erfassungselement umfaßt zwei oder mehr laminierte piezoelektrische Schichten, wobei jede Schicht eine piezoelektrische Keramik aufweist. Elektroden sind zwischen den piezoelektrischen Schichten und auf den äußeren Oberflächen der piezoelektrischen Schichten vorgesehen. Ein Elektrodenfreiraum ist in der Freiendseite des Erfassungselementes vorgesehen, wobei der Elektrodenfreiraum eine Region ist, an der zumindest eine von Elektroden, die den piezoelektrischen Schichten zwischen denselben zugewandt sind, nicht gebildet ist. Das Verhältnis der Länge des Elektrodenfreiraums zu der freien Länge des Erfassungselementes beträgt 20 bis 70%.

Bei dem Beschleunigungssensor gemäß dem ersten Aspekt umfaßt das Erfassungselement die vier laminierten piezoelektrischen Schichten, die eine piezoelektrische Keramik aufweisen, wobei die Dicke jeder ersten Schicht größer als die jeder zweiten Schicht ist. Insbesondere ist das Verhältnis der Dicke jeder ersten Schicht zu der Gesamtdicke jeder ersten und zweiten Schicht 62 bis 76%. Wenn die Dicke jeder der vier Schichten die gleiche wie in der bekannten Technik ist, ist das Potential der inneren Schicht selbst dann geringer als das der äußeren Schicht, wenn die Ladungsempfindlichkeit durch ein Erhöhen der Anzahl von Schichten erhöht wird. So nimmt die Spannungsempfindlichkeit durch ein Parallelschalten der Schichten ab und die Menge erzeugter Energie nimmt nicht zu. Andererseits kann, wenn die innere Schicht dicker als die äußere Schicht ist, so daß das Potential in beiden Schichten nahezu gleich zueinander wie bei der vorliegenden Erfindung ist, die erzeugte Energie erhöht werden. Bei einem Beispiel nahm, wenn das Verhältnis der Dicke jeder ersten Schicht in etwa 70% betrug, die erzeugte Energie um etwa 20% verglichen mit dem Fall zu, in dem die erste und zweite Schicht die gleiche Dicke aufweisen. Ferner nahm, wenn das Verhältnis der Dicke jeder ersten Schicht 62 bis 76% betrug, die erzeugte Energie um 16% oder mehr zu.

Bei dem Beschleunigungssensor gemäß dem ersten Aspekt kann jede der ersten und zweiten piezoelektrischen Schichten durch eine Keramiklage gebildet sein, die eine vorbestimmte Dicke aufweist. Alternativ kann jede der piezoelektrischen Schichten durch ein Laminieren einer oder mehrerer Keramiklagen gebildet sein, wobei jede Lage die gleiche Dicke aufweist. In diesem Fall ist, wenn die Anzahl von Keramiklagen, die in jeder ersten Schicht enthalten sind, zweimal die Anzahl der Keramiklagen ist, die in jeder zweiten Schicht enthalten sind, das Verhältnis der Dicke jeder ersten Schicht etwa 70% und so kann eine maximale Energie erhalten werden. In diesem Fall kann, da das Erfassungselement unter Verwendung von Keramiklagen gebildet werden kann, die die gleiche Dicke aufweisen, die Dicke ohne weiteres eingestellt werden und Herstellungskosten können reduziert werden.

Bei dem zweiten Aspekt ist die Anzahl von Schichten, die in dem Erfassungselement enthalten sind, sechs und die Dicke der Schichten ist an der inneren Seite groß und an der äußeren Seite klein, so daß das in den drei Schichten erzeugte Potential fast gleich ist. Folglich kann die erzeugte Energie erhöht werden. Außerdem kann durch ein Setzen des Verhältnisses der Dicke jeder ersten Schicht zu der Gesamtdicke jeder ersten, zweiten und dritten Schicht auf 51 bis 62% und ein Setzen des Verhältnisses der Gesamtdicke jeder ersten und zweiten Schicht auf 72 bis 87% die erzeugte Energie verglichen mit dem Fall wesentlich erhöht werden, in dem alle Schichten die gleiche Dicke aufweisen.

Bei dem Erfassungselement, das einen an einem Ende getragenen Aufbau aufweist, gemäß dem dritten Aspekt kann durch ein Bereitstellen von Elektroden in der Umgebung eines verbundenen Abschnitts des Erfassungselementes, anders ausgedrückt durch ein Entfernen der Elektrode an der Freiendseite des Erfassungselementes, die Spannungsempfindlichkeit wesentlich erhöht werden. Dies bedeutet, daß, wenn eine Beschleunigung auf das Erfassungselement angewendet wird, das einen an einem Ende getragenen Aufbau aufweist, ein größerer Ausgang nur aus der Umgebung des verbundenen Abschnitts des Erfassungselementes erzeugt wird. So ist die Elektrode in der Freiendseite des Erfassungselementes, was geringe Auswirkungen auf die Erzeugung einer Ladung hat, nicht notwendig. Deshalb kann eine Ladung aus dem Abschnitt erhalten werden, der eine große Menge an Ladung erzeugt, und eine erhöhte Energie kann erzeugt werden. Durch ein Erhöhen der Fläche des Elektrodenfreiraums wird die Fläche der Elektrode klein und so nimmt die Ladungsempfindlichkeit ab. Die Auswirkung des Freiendabschnitts, der ein niedriges Potential aufweist, wird jedoch klein und so nimmt die Spannungsempfindlichkeit zu. Als ein Ergebnis erreicht die erzeugte Energie ein Maximum, wenn das Verhältnis des Elektrodenfreiraums in einem vorbestimmten Bereich liegt. Gemäß einem Beispiel wird eine maximale Energie erzeugt, wenn das Verhältnis des Elektrodenfreiraums zu der freien Länge des Erfassungselementes in etwa 50% beträgt. In diesem Fall ist die Menge erzeugter Energie verglichen mit dem Fall, in dem der Elektrodenfreiraum nicht vorgesehen ist, um etwa 45% größer. Außerdem kann ein Anstieg von 20% oder mehr der erzeugten Energie realisiert werden, wenn das Verhältnis des Elektrodenfreiraumes 20 bis 70% beträgt. In diesem Fall ist eine Verbindungselektrode zum Verbinden der Elektroden, die sich zu dem freien Ende des Erfassungselementes erstrecken, vorzugsweise auf einer Seitenoberfläche in der Freiendseite des Erfassungselementes vorgesehen, das mit dem Elektrodenfreiraum versehen ist.

Außerdem können der erste und dritte Aspekt kombiniert werden. In diesem Fall wird eine erhöhte Energie aufgrund der Differenz der Dicke der ersten und zweiten Schichten sowie des Elektrodenfreiraums erzeugt. Deshalb kann ein sehr empfindlicher Beschleunigungssensor durch den synergetischen Effekt erzielt werden.

Ferner können die Elektroden zwischen dem Paar erster Schichten und dem Paar zweiter Schichten, die Elektroden in der Mitte in der Dickenrichtung und die Elektroden auf den äußeren Oberflächen des Paars zweiter Schichten nach außen erweitert sein. Dies bedeutet, daß ein Ende jeder der Elektroden zwischen dem Paar erster Schichten und dem Paar zweiter Schichten auf der Endoberfläche des Erfassungselementes positioniert ist, das durch die Trägerbauteile gestützt wird, wobei das andere Ende jeder der Elektroden in einer vorbestimmten Entfernung von dem freien Ende des Erfassungselementes positioniert ist, um den Elektrodenfreiraum zu bilden. Andererseits erstrecken sich die Elektrode in der Mitte in der Dickenrichtung und die Elektroden auf den äußeren Oberflächen des Paars zweiter Schichten von der Umgebung eines proximalen Endes des Erfassungselementes, das durch die Trägerbauteile getragen wird, zu dem freien Ende des Erfassungselementes. Außerdem sind die Elektrode in der Mitte in der Dickenrichtung und die Elektroden auf den äußeren Oberflächen des Paars zweiter Schichten durch die Verbindungselektrode, die auf einer Seitenoberfläche in der Freiendseite des Erfassungselementes vorgesehen ist, verbunden.

In diesem Fall können die Elektrode in der Mitte in der Dickenrichtung und die Elektroden auf den äußeren Oberflächen des Paars zweiter Schichten durch ein Bilden der Verbindungselektrode auf einer Seitenoberfläche des Erfassungselementes verbunden sein. Mit dieser Konfiguration kann eine Verbindung sichergestellt werden. Außerdem ist, da die Verbindungselektrode an dem Elektrodenfreiraum vorgesehen ist, die Verbindungselektrode nicht elektrisch mit der Elektrode zwischen dem Paar erster Schichten und dem Paar zweiter Schichten verbunden. Ferner ist, da die Verbindungselektrode auf einer Seitenoberfläche des Erfassungselementes vorgesehen sein kann, ein kompliziertes Verfahren im Gegensatz zu dem Fall, bei dem die Verbindungselektrode auf der Endoberfläche des Erfassungselementes gebildet ist, nicht notwendig.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend Bezug nehmend auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine perspektivische Ansicht eines Beschleunigungssensors gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
Fig. 2 eine Vorderansicht des Beschleunigungssensors aus Fig. 1;
Fig. 3 ein Schaltungsdiagramm des Beschleunigungssensors aus Fig. 1;
Fig. 4 einen Betrieb des Beschleunigungssensors aus Fig. 1, wenn eine Beschleunigung angewendet wird;
Fig. 5A und 5B Auswirkungen einer erzeugten Energie gemäß dem Verhältnis einer Dicke, wobei Fig. 5A die Konfiguration eines vierschichtigen Beschleunigungssensors zeigt und Fig. 5B das Schaltungsdiagramm desselben ist;
Fig. 6A und 6B die Beziehung zwischen dem Verhältnis einer ersten Schicht und der Empfindlichkeit, wobei Fig. 6A die Charakteristika zeigt und Fig. 6B numerische Daten zeigt;
Fig. 7 die Konfiguration des vierschichtigen Beschleunigungssensors zum Darstellen von Auswirkungen einer erzeugten Energie gemäß dem Verhältnis eines Elektrodenfreiraums;
Fig. 8A und 8B die Beziehung zwischen dem Verhältnis des Elektrodenfreiraums und der Empfindlichkeit, wobei Fig. 8A die Charakteristika zeigt und Fig. 8B numerische Daten zeigt;
Fig. 9 eine Vorderansicht eines Beschleunigungssensors gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
Fig. 10 ein Schaltungsdiagramm des Beschleunigungssensors aus Fig. 9;
Fig. 11 eine Vorderansicht eines Beschleunigungssensors gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
Fig. 12A und 12B die Beziehung zwischen dem Verhältnis des Elektrodenfreiraums und der Empfindlichkeit des Beschleunigungssensors aus Fig. 11, wobei Fig. 12A die Charakteristika zeigt und Fig. 12 numerische Daten zeigt; und
Fig. 13 eine Vorderansicht eines Beschleunigungssensors gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
Die Fig. 1 bis 4 zeigen einen Beschleunigungssensor 1A gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Der Beschleunigungssensor 1A umfaßt ein Erfassungselement 2. Ein Endabschnitt in der Longitudinalrichtung des Erfassungselementes 2 ist mit einem Paar von Trägerrahmen (Trägerbauteilen) 10 und 11 verbunden und wird durch dasselbe getragen, wobei jeder der Trägerrahmen einen U-förmigen Querschnitt aufweist. Die Trägerrahmen 10 und 11 weisen ein isolierendes Material, wie z. B. eine Keramik oder ein Harz, auf. Ein Endabschnitt des Erfassungselementes 2 ist zwischen Halteabschnitten 10a und 11a der Trägerrahmen 10 und 11 über ein anisotropes, leitfähiges Haftmittel 16 verbunden und wird zwischen denselben gehalten. Außerdem ist ein Endbauteil 15, dessen Dicke die gleiche wie die des Erfassungselementes 2 ist, zwischen Halteabschnitte 10b und 11b über ein anisotropes, leitfähiges Haftmittel 17 verbunden und wird zwischen denselben gehalten. Der Beschleunigungssensor 1A kann wirksam durch das folgende Verfahren hergestellt werden. Dies bedeutet, daß ein Kombinationsbauteil, das das Erfassungselement 2 und das Endbauteil 15 umfaßt, gebildet wird, beide Enden des Kombinationsbauteils mit einem der Trägerrahmen 10 und 11 verbunden werden, der Grenzabschnitt zwischen dem Erfassungselement 2 und dem Endbauteil 15 unter Verwendung einer Vereinzelungsvorrichtung oder dergleichen geschnitten wird und der andere der Trägerrahmen 10 und 11 mit dem Erfassungselement 2 und dem Endbauteil 15 verbunden wird. Räume 13 und 14 sind zwischen dem Erfassungselement 2 und den Trägerrahmen 10 und 11 gebildet, so daß das Erfassungselement 2 sich biegen kann, wenn eine Beschleunigung G auf dasselbe wirkt.
Das Erfassungselement 2 dieses Ausführungsbeispiels ist durch ein Laminieren von vier piezoelektrischen Schichten 2a bis 2d, wobei jede Schicht dünn-streifenförmig ist und eine piezoelektrische Keramik aufweist, und ein darauffolgendes Backen der laminierten Schichten hergestellt. In dem Erfassungselement 2 sind erste Schichten 2a und 2c mit der Mitte in der Dickenrichtung zwischen denselben laminiert und zweite Schichten 2b und 2d umgeben die ersten Schichten 2a und 2c sandwichartig. Ferner ist eine Mittelelektrode 3 in der Mitte in der Dickenrichtung des Erfassungselementes 2 vorgesehen, Zwischenschichtelektroden 4a und 4b sind zwischen der ersten Schicht 2a und der zweiten Schicht 2b bzw. zwischen der ersten Schicht 2c und der zweiten Schicht 2d vorgesehen und Oberflächenelektroden 5a und 5b sind auf den äußeren Oberflächen der zweiten Schichten 2b und 2d vorgesehen. Die vier piezoelektrischen Schichten 2a bis 2d, die durch die Elektroden 3, 4a, 4b, 5a und 5b sandwichartig umgeben sind, bilden vier Zellen (1) bis (4).
Die ersten Schichten 2a und 2c weisen die gleiche Dicke auf und auch die zweiten Schichten 2b und 2d weisen die gleiche Dicke auf. Das Verhältnis einer Dicke T₁ der ersten Schicht 2a (2c) zu einer Gesamtdicke T₂ der ersten Schicht 2a (2c) und der zweiten Schicht 2b (2d) beträgt 62 bis 76%. Dies bedeutet, daß der Ausdruck 0,62 ≤ T₁/T₂ ≤ 0,76 erfüllt ist.
Ein Ende jeder der Zwischenschichtelektroden 4a und 4b, die zwischen der ersten Schicht 2a und der zweiten Schicht 2b bzw. zwischen der ersten Schicht 2c und der zweiten Schicht 2d vorgesehen sind, erstreckt sich zu der Endoberfläche des Erfassungselementes 2, das durch die Trägerrahmen 10 und 11 getragen wird. Folglich sind die Zwischenschichtelektroden 4a und 4b elektrisch mit einer äußeren Elektrode 6 verbunden, die kontinuierlich auf Endoberflächen der Trägerrahmen 10 und 11 und dem Erfassungselement 2 gebildet ist. Das andere Ende jeder der Zwischenschichtelektroden 4a und 4b ist in einer vorbestimmten Entfernung von dem freien Ende des Erfassungselementes 2 positioniert. Ein elektrodenfreier Abschnitt, der sich von dem freien Ende des Erfassungselementes 2 zu dem anderen Ende jeder der Zwischenschichtelektroden 4a und 4b erstreckt, wird als ein Elektrodenfreiraum bezeichnet. Das Verhältnis der Länge des Elektrodenfreiraums Lg zu der freien Länge Lf des Erfassungselementes 2 (Elektrodenfreiraumverhältnis) beträgt 20 bis 70%. Dies bedeutet, daß der Ausdruck 0,2 ≤ Lg/Lf ≤ 0,7 erfüllt ist.
Die oben beschriebene Mittelelektrode 3 und die Oberflächenelektrode 5a und 5d erstrecken sich von der Umgebung des verbundenen Abschnitts des Erfassungselementes 2 und der Halteabschnitte 10a und 11a zu dem freien Ende des Erfassungselementes 2. Insbesondere erstrecken sich die Oberflächenelektroden 5a und 5b zu dem verbundenen Abschnitt des Erfassungselementes 2 und der Halteabschnitte 10a und 11a der Trägerrahmen 10 und 11, d. h. ein Ende jeder der Oberflächenelektroden 5a und 5b ist in einer vorbestimmten Entfernung von der Endoberfläche, auf der die externe Elektrode 6 gebildet ist, positioniert. Ferner sind Inneroberflächenelektroden 10c und 11c auf den inneren Oberflächen der Trägerrahmen 10 und 11 gebildet und die Inneroberflächenelektroden 10c und 11c erstrecken sich von den Halteabschnitten 10a und 11a zu den Halteabschnitten 10b und 11b. Ein Ende jeder der Inneroberflächenelektroden 10c und 11c, die sich zu den Halteabschnitten 10a und 11a erstrecken, ist in einer vorbestimmten Entfernung von der Endoberfläche positioniert, an der die externe Elektrode 6 gebildet ist, so daß die Inneroberflächenelektroden 10c und 11c elektrisch mit den Oberflächenelektroden 5a und 5b über das anisotrope, leitfähige Haftmittel 16 verbunden sind. Das anisotrope, leitfähige Haftmittel 16 weist keine Leitfähigkeit in der Ebenenrichtung auf, weist jedoch eine Leitfähigkeit nur in der Dickenrichtung auf. Deshalb stehen die Inneroberflächenelektroden 10c und 11c und die Oberflächenelektroden 5a und 5b in keiner Leitung mit der externen Elektrode 6. Anstatt eines Verwendens des anisotropen, leitfähigen Haftmittels 16 kann ein isotropes, leitfähiges Haftmittel zum Verbinden der Inneroberflächenelektroden 10c und 11c mit den Oberflächenelektroden 5a und 5b verwendet werden und ein isolierendes Haftmittel kann in der Umgebung der externen Elektrode 6 verwendet werden. Das andere Ende jeder der Inneroberflächenelektroden 10c und 11c, die sich zu den Halteabschnitten 10b und 11b erstrecken, ist elektrisch mit einer externen Elektrode 7 verbunden, die auf den anderen Endoberflächen der Trägerrahmen 10 und 11 und des Endbauteils 15 gebildet ist. Wenn das Haftmittel 17 zum Verbinden des Endbauteils 15 mit den Halteabschnitten 10b und 11b verwendet wird, wird ein anisotropes, leitfähiges Haftmittel zur Bequemlichkeit des Herstellungsverfahrens verwendet. Ein isotropes, leitfähiges Haftmittel oder ein isolierendes Haftmittel kann jedoch ebenso verwendet werden.
Eine Verbindungselektrode 18 ist durch Verdampfung oder Aufschleudern auf eine Seitenoberfläche in der Freiendseite des Erfassungselementes 2 gebildet. Die Verbindungselektrode 18 ist zum Verbinden der Mittelelektrode 3 und der Oberflächenelektroden 5a und 5b vorgesehen. Außerdem ist, da die Verbindungselektrode 18 in der Region des Elektrodenfreiraums Lg des Erfassungselementes 2 gebildet ist, dieselbe nicht mit den Zwischenschichtelektroden 4a und 4b verbunden. Durch ein Bilden der Verbindungselektrode 18 ebenso auf einer Seitenoberfläche gegenüber der Oberfläche, die in den Fig. 1 und 2 betrachtet wird, kann eine redundante Verbindung realisiert werden. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist die Verbindungselektrode 18 auf den Seitenoberflächen der Trägerrahmen 10 und 11 und des Endbauteils 15 sowie auf der Seitenoberfläche des Erfassungselementes 2 gebildet. Dies dient jedoch einer Bequemlichkeit des Herstellungsverfahrens und die Verbindungselektrode 18 kann auf den Seitenoberflächen der Trägerrahmen 10 und 11 und des Endbauteils 15 unter Umständen nicht gebildet sein. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist die Verbindungselektrode 18 auf der Seitenoberfläche des Erfassungselementes 2 vorgesehen. Alternativ kann die Verbindungselektrode 18 auf der Endoberfläche in der Freiendseite des Erfassungselementes 2 vorgesehen sein, so daß die Mittelelektrode 3 mit den Oberflächenelektroden 5a und 5b verbunden ist.
Durch ein Bereitstellen der Verbindungselektrode 18 sind die Mittelelektrode 3 und die Oberflächenelektroden 5a und 5b an dem Ende des Erfassungselementes 2 verbunden und diese Elektroden sind mit der externen Elektrode 7, die an dem Ende des Sensors 1A gebildet ist, durch die Inneroberflächenelektroden 10c und 11c der Trägerrahmen 10 und 11 verbunden. Folglich kann, selbst wenn der Verbindungspfad eines der Trägerrahmen 10 und 11 unterbrochen ist, der andere Verbindungspfad verwendet werden, so daß eine redundante Verbindung realisiert sein kann. Natürlich kann die Inneroberflächenelektrode auch an nur einem der Trägerrahmen vorgesehen sein.
Durch ein Verbinden der Elektrode jeder Schicht auf die oben beschriebenen Weise sind Zellen (1) und (2), die durch die erste Schicht 2a und die zweite Schicht 2b gebildet sind, die in einer Seite der Mitte in der Dickenrichtung sind, elektrisch parallel geschaltet und Zellen (3) und (4), die durch die erste Schicht 2c und die zweite Schicht 2d gebildet sind, die in der anderen Seite sind, sind elektrisch parallel geschaltet, wie in Fig. 3 gezeigt ist. Bei diesem Ausführungsbeispiel sind die Zwischenschichtelektroden 4a und 4b durch die externe Elektrode 6 verbunden und die Mittelelektrode 3 und die Oberflächenelektroden 5a und 5b sind durch die Inneroberflächenelektroden 10c und 11c und die externe Elektrode 7 verbunden. Folglich sind alle Zellen (1) bis (4) elektrisch parallel geschaltet.
Wie durch Pfeile P in den Fig. 1 und 2 angezeigt ist, sind die piezoelektrischen Schichten 2a bis 2d in der Dickenrichtung polarisiert. Die erste Schicht 2a und die zweite Schicht 2b in einer Seite der Mitte in der Dickenrichtung sind nach außen polarisiert, wobei die Zwischenschichtelektrode 4a die Mitte ist. Andererseits sind die erste Schicht 2c und die zweite Schicht 2d in der anderen Seite in Richtung der Zwischenschicht 4b nach innen polarisiert. Deshalb sind die ersten Schichten 2a und 2c, die die Mittelelektrode 3 sandwichartig umgeben, in der gleichen Richtung polarisiert. Der Elektrodenfreiraumabschnitt ist durch die Mittelelektrode 3 und die Oberflächenelektroden 5a und 5b umgeben, die miteinander verbunden sind, und der Elektrodenfreiraumabschnitt weist keine Kapazität auf. Ferner werden, wenn eine Ladung oder Spannung an diesem Abschnitt erzeugt wird, dieselben beseitigt. Folglich müssen die Existenz und die Richtung einer Polarisierung an dem Elektrodenfreiraumabschnitt nicht berücksichtigt werden.
Fig. 4 zeigt einen Zustand, bei dem eine Ladung und eine Spannung durch ein Anlegen einer Beschleunigung G an den Beschleunigungssensor 1A erzeugt werden, der die oben beschriebene Konfiguration aufweist. In Fig. 4 biegt sich, wenn eine Beschleunigung G in der Richtung angelegt wird, die durch den Pfeil angezeigt ist, das Erfassungselement 2 durch Trägheit in der Richtung entgegengesetzt zu der Beschleunigungsrichtung, eine Druckbelastung wird in der oberen Hälfte des Erfassungselementes 2 erzeugt und eine Zugbelastung wird in der unteren Hälfte erzeugt. Deshalb wird eine positive Ladung in der Mittelelektrode 3 und den Oberflächenelektroden 5a und 5b erzeugt und eine negative Ladung wird in den Zwischenschichtelektroden 4a und 4b erzeugt. Als ein Ergebnis wird eine negative Ladung an die externe Elektrode 6 ausgegeben, die in Leitung mit den Zwischenschichtelektroden 4a und 4b steht, und eine positive Ladung wird an die externe Elektrode 7 ausgegeben, die in Leitung mit der Mittelelektrode 3 und den Oberflächenelektroden 5a und 5b steht.
Nun wird der Grund, warum eine Empfindlichkeit durch ein Setzen des Verhältnisses der Dicke T₁ der ersten Schicht 2a (2c) zu der Gesamtdicke T₂ der ersten Schicht 2a (2c) und der zweiten Schicht 2b (2d) auf 62 bis 76% erhöht werden kann, Bezug nehmend auf die Fig. 5a und 5b beschrieben.
Wie in Fig. 5a gezeigt ist, ist, wenn das vierschichtige Erfassungselement, das an einem Ende getragen wird, aufgrund einer Beschleunigung G gebogen wird, die innere Belastung der piezoelektrischen Schicht in Richtung der äußeren Oberflächen größer, wobei die Mitte in der Dickenrichtung (neutrale Oberfläche) Ausgangspunkt ist. Zur Klarheit sind jeweilige angrenzende Elektroden elektrisch in den Schichten verbunden, wie in Fig. 5B gezeigt ist. Außerdem ist die Polarisierungsrichtung nur eine in einer Seite der neutralen Oberfläche. Die Belastung ist hinsichtlich der neutralen Oberfläche symmetrisch und so wird nur eine Seite zur Beschreibung verwendet. Folglich fließt eine Ladung, die in jeder Schicht erzeugt wird, nicht zu einer anderen Schicht hinaus und so kann eine durch eine Beschleunigung erzeugte Ladung beibehalten werden. Um einen tatsächlichen Sensor zu bilden, sollten die Elektroden z. B. in der Richtung verbunden sein, in der eine Ladung und eine Spannung nicht beseitigt werden, wie in den Fig. 1 und 2 gezeigt ist.
Eine Ladungsdichte D, die durch eine Belastung in einer Entfernung t von der neutralen Oberfläche erzeugt wird, kann durch Gleichung (1) dargestellt werden.

D = agt (1)
Hier stellt "a" eine Konstante dar, die eine piezoelektrische Konstante und einen Aufbauparameter umfaßt, "g" stellt eine angewendete Beschleunigung dar und die Einheit von D ist Coulomb/m². Außerdem kann ein Potential V, das in einer Entfernung t in der Dickenrichtung durch diese Ladung erzeugt wird, durch eine Gleichung (2) dargestellt werden, wenn die neutrale Oberfläche als der Ursprungspunkt betrachtet wird.

V = ∫ D/e.dt = 1/2.a/e.gt² (2)
Hierin stellt e die Permittivität dar. Deshalb kann ein Potential V₂ an der Oberflächenelektrode n = 2 in Fig. 5a durch die folgende Gleichung basierend auf t = T₂ dargestellt werden.

V₂ = 1/2.a/e.gT₂ ² (3)
Das Potential, das zwischen einer unteren Elektrode n = 0 und einer oberen Elektrode n = 1 der ersten Schicht erzeugt wird, ist durch ΔV₁ dargestellt und das Potential, das zwischen einer unteren Elektrode n = 1 und einer oberen Elektrode n = 2 der zweiten Schicht erzeugt wird, ist durch ΔV₂ dargestellt. Wenn diese beide Schichten, in denen ein Potential erzeugt wird, elektrisch parallel geschaltet sind, und wenn das Potential der beiden Schichten sich voneinander unterscheidet, wird eine Ladung, die durch eine Beschleunigung erzeugt wird, von einer Hochpotentialschicht zu einer Niedrigpotentialschicht zum Fließen gebracht, bis das Potential in beiden Schichten gleich zueinander wird. Folglich wird ein Energieverlust im Inneren des Sensors bewirkt und so nimmt eine erzeugte Energie, die das Produkt der Spannungsempfindlichkeit und der Ladungsempfindlichkeit ist, relativ ab. Um den Energieverlust zu minimieren, sollte das an jeder Schicht erzeugte Potential gleich gemacht werden. Dies bedeutet, daß eine maximale Energie erzeugt werden kann, wenn eine Gleichung ΔV₁ = ΔV₂ = ΔV erfüllt ist. In diesem Fall wird das Potential beider Schichten durch die folgende Gleichung basierend auf Gleichung (3) dargestellt.

ΔV = V₂/N = 1/2.a/e.gT₂ ²/N (4)
Hier ist N die Anzahl von Schichten an einer Seite. Wenn die beiden Schichten in jeder Seite gebildet sind, wobei die neutrale Oberfläche die Symmetrieachse ist, wie in Fig. 5A gezeigt ist, gilt N = 2. Außerdem kann ein Potential Vn, das in der Elektrode der n-ten Schicht erzeugt wird, durch die folgende Gleichung dargestellt werden, in der die neutrale Oberfläche als der Ursprungspunkt betrachtet wird und Gleichung (4) verwendet wird.

Vn = n.ΔV = 1/2.a/e.gT₂ ².n/N (5)
Dies bedeutet, daß Gleichung (5) das Potential darstellt, mit dem das Potential jeder Schicht gleich wird, so daß ein Energieverlust vermieden werden kann.
Andererseits ist Vn ein Potential bei der Dicke t und kann aus Gleichung (2) erhalten werden. Deshalb kann in einer Sensorstruktur, deren eine Seite n Schichten umfaßt, eine Entfernung t zu der Elektrode der n-ten Schicht zum Gleichmachen des Potentials ΔV in jeder Schicht durch ein Herausfinden von t erhalten werden, das durch ein gleichzeitiges Lösen der Gleichungen (2) und (5) erhalten werden kann.

T = T √(n/N) (6)

Hierin ist T die Gesamtdicke einer Seite.
Tabelle 2 zeigt die Ergebnisse der Gleichung (6). In Tabelle 2 sind beide Ergebnisse von N = 2 und N = 3 gezeigt.
Tabelle 2
Es ist aus Tabelle 2 klar, daß in der Konfiguration der Fig. 5A und 5B, in denen zwei Schichten in einer Seite vorgesehen sind (N = 2), die Position der Elektrode n = 1 für ein Erzielen einer maximalen Energie bei 71% der Gesamtdicke einer Seite liegt. Ähnlich ist, obwohl dies nicht gezeigt ist, in der Konfiguration, in der drei Schichten in einer Seite vorgesehen sind (N = 3), die Position der oberen Elektrode n = 1 der ersten Schicht bei 58% von T und die Position der oberen Elektrode n = 2 der zweiten Schicht liegt bei 82%.
Die Fig. 6A und 6B zeigen die Ergebnisse, die durch ein Berechnen der Spannungsempfindlichkeit und der Ladungsempfindlichkeit durch ein Verwenden eines Finite-Elemente- Verfahrens, durch ein Verändern des Verhältnisses der ersten Schicht, erhalten werden. Die Form des Sensors ist wie folgt mit der in Fig. 2 gezeigten Konfiguration: freie Länge Lf = 3,0 mm; Elementdicke (2T) = 0,42 mm, das Verhältnis des Elektrodenfreiraums (Lg/Lf) = 50%. Mit dieser Bedingung wurden die Ladungsempfindlichkeit, die Spannungsempfindlichkeit und die erzeugte Energie, wenn das Verhältnis der ersten Schicht (T₁/T₂) in dem Bereich von 50% bis 86% verändert wird, erhalten. Wie aus den Fig. 6A und 6B klar ist, nimmt die Ladungsempfindlichkeit monoton mit einem zunehmenden Verhältnis der ersten Schicht zu. Andererseits erreicht die Spannungsempfindlichkeit ein Maximum, wenn das Verhältnis der ersten Schicht in etwa 60% beträgt, und nimmt ab, wenn das Verhältnis der ersten Schicht ansteigt. Deshalb wird eine maximale Energie erzeugt, wenn das Verhältnis der ersten Schicht in etwa 70% beträgt, und die Menge an Energie zu diesem Zeitpunkt ist um 20% größer als bei der bekannten Technik, in der das Verhältnis der ersten Schicht 50% beträgt. Die erzeugte Energie ist maximal, wenn das Verhältnis der ersten Schicht etwa 70% beträgt, wobei die Energie jedoch um 16% oder mehr ansteigt, wenn das Verhältnis der ersten Schicht in etwa 62 bis 76% ist. Dies bedeutet, daß eine ausreichende Auswirkung in diesem Bereich erzielt werden kann.
Ferner ist die erzeugte Energie im wesentlichen maximal, wenn das Verhältnis der ersten Schicht 66,7% beträgt. Dies bedeutet, daß, wenn die Dicke der ersten Schicht zweimal die Dicke der zweiten Schicht ist (z. B. ist die Dicke der ersten Schicht 140 µm und die Dicke der zweiten Schicht ist 70 µm), eine maximale Energie erhalten werden kann. Dies bedeutet, daß ein sehr empfindliches Erfassungselement durch ein Laminieren dreier Keramiklagen in einer Seite realisiert werden kann, wobei jede Lage eine Dicke von 70 µm aufweist, wobei eine erste Schicht zwei der Keramiklagen umfaßt und eine zweite Schicht eine Keramiklage umfaßt. Mit diesem Verfahren kann, da die Dicke aller Keramiklagen die gleiche ist, so daß Erfassungselement wirksam hergestellt werden.
Als nächstes wird der Grund, warum eine Empfindlichkeit durch ein Setzen der Länge des Elektrodenfreiraums Lg auf 20 bis 70% der freien Länge Lf erhöht wird, Bezug nehmend auf Fig. 7 beschrieben. Fig. 7 zeigt ein vierschichtiges Erfassungselement, das an einem Ende getragen wird. Das Erfassungselement umfaßt eine Mittelelektrode (n = 0), Zwischenschichtelektroden (n = 1) und Oberflächenelektroden (n = 2), wobei ein Ende jeder der Elektroden in einer vorbestimmten Entfernung (Länge des Elektrodenfreiraums Lg) von dem freien Ende des Erfassungselementes positioniert ist. Hierin sind die Polarisierungsrichtungen der Schichten zur Klarheit die gleichen.
Bei diesem Erfassungselement ist die Belastung, die verteilt wird, wenn eine Beschleunigung an dasselbe angelegt wird, in der Umgebung des Trägerabschnitts größer und wird in Richtung des freien Endes geringer. Deshalb ist die Menge einer Ladung, die an dem freien Ende erzeugt wird, relativ klein und das Potential ist gering. In diesem Zustand bewegt sich eine Ladung von der Umgebung des Trägerabschnitts, wo das Potential hoch ist, zu der Freiendseite, wo das Potential niedrig ist, und so wird ein Energieverlust bewirkt. Deshalb kann eine größere Energiemenge durch ein Bereitstellen eines Elektrodenfreiraums in einem vorbestimmten Bereich des Freiendabschnitts erzielt werden. Die Fig. 8A und 8B zeigen die Spannungsempfindlichkeit, Ladungsempfindlichkeit und eine erzeugte Energie unter den folgenden Bedingungen: freie Länge Lf = 3,0 mm, Dicke des Elementes (2T) = 0,42 mm. Dicke der ersten Schicht = 0,14 mm, Dicke der zweiten Schicht = 0,07 mm und das Verhältnis des Elektrodenfreiraums (Lg/Lf) wird in der in Fig. 2 gezeigten Konfiguration verändert.
Wie aus den Fig. 8A und 8B klar ist, wird durch ein Erhöhen des Verhältnisses des Elektrodenfreiraums die Fläche der Elektrode reduziert und so nimmt die Ladungsempfindlichkeit verglichen mit der bekannten Technik ab, bei der das Verhältnis des Elektrodenfreiraums 0% ist, d. h. der Elektrodenfreiraum nicht vorgesehen ist. Andererseits erhöht die Spannungsempfindlichkeit sich aufgrund der reduzierten Auswirkung in der Freiendseite, wo das Potential niedrig ist. Als ein Ergebnis wird eine maximale Energie erzeugt, wenn das Verhältnis des Elektrodenfreiraums in etwa 50% beträgt. In diesem Fall ist die Menge an Energie um 45% größer als in einem Fall, in dem der Elektrodenzwischenraum nicht vorgesehen ist. Die Menge erzeugter Energie kann um 20% erhöht werden, wenn das Verhältnis des Elektrodenfreiraums 20 bis 70% beträgt, wo eine ausreichende Auswirkung erzielt werden kann.
Das Folgende ist aus den Fig. 6A, 6B, 8A und 8B ersichtlich. Bei dem vierschichtigen Beschleunigungssensor, der einen an einem Ende getragenen Aufbau aufweist, ist die Menge erzeugter Energie bei der vorliegenden Erfindung verglichen mit der bekannten Technik um 39% oder mehr größer. Dies bedeutet, daß bei der bekannten Technik der Elektrodenfreiraum nicht vorgesehen ist und jede der vier Schichten die gleiche Dicke aufweist, wobei bei der vorliegenden Erfindung das Verhältnis der ersten Schicht (T₁/T₂) 62 bis 76% ist und das Verhältnis des Elektrodenfreiraums (Lg/Lf) 20 bis 70% ist, wie in den Fig. 1 und 2 gezeigt ist. Insbesondere ist, wenn das Verhältnis der ersten Schicht (T₁/T₂) 66, 7 bis 71,4% ist und das Verhältnis des Elektrodenfreiraums (Lg/Lf) 45 bis 55% ist, das Verhältnis eines Anstiegs bei der erzeugten Energie 70% oder mehr. Folglich kann die Menge erzeugter Energie ohne ein Verändern der freien Länge und der Dicke des Erfassungselementes wesentlich erhöht werden und so kann ein sehr empfindlicher Beschleunigungssensor realisiert werden.
Fig. 9 zeigt einen Beschleunigungssensor 1B gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Bei diesem Ausführungsbeispiel sind Teile, die die gleichen wie diejenigen bei dem ersten Ausführungsbeispiel sind, durch die gleichen Bezugszeichen bezeichnet und die entsprechende Beschreibung ist weggelassen.
Der Beschleunigungssensor 1B dieses Ausführungsbeispiels umfaßt ein Erfassungselement 20 einer an einem Ende getragenen Struktur. Dies bedeutet, daß das Erfassungselement 20 an einem Ende durch Trägerrahmen 10 und 11 getragen wird. Das Erfassungselement 20 ist durch ein Laminieren von sechs piezoelektrischen Schichten 20a bis 20f, wobei jede Schicht dünn-streifenförmig und eine piezoelektrische Keramik aufweist, und durch ein Backen der Schichten hergestellt. In dem Erfassungselement 20 sind erste Schichten 20a und 20d mit der Mitte in der Dickenrichtung zwischen denselben laminiert, zweite Schichten 20b und 20e umgeben die ersten Schichten 20a und 20d sandwichartig und dritte Schichten 20c und 20f sind an der äußeren Seite gebildet. Ferner ist eine Mittelelektrode 21 in der Mitte in der Dickenrichtung des Erfassungselementes 20 vorgesehen, Zwischenschichtelektroden 22a und 22b sind zwischen der ersten Schicht 20a und der zweiten Schicht 20b bzw. zwischen der ersten Schicht 20d und der zweiten Schicht 20e vorgesehen, Zwischenschichtelektroden 23a und 23b sind zwischen der zweiten Schicht 20b und der dritten Schicht 20c bzw. zwischen der zweiten Schicht 20e und der dritten Schicht 20f vorgesehen und Oberflächenelektroden 24a und 24b sind auf den äußeren Oberflächen der dritten Schichten 20c und 20f vorgesehen. Die sechs piezoelektrischen Schichten 20a bis 20f, die durch die Elektroden 21, 22a, 22b, 23a, 23b, 24a und 24b sandwichartig umgeben sind, bilden sechs Zellen. In den drei Schichten in jeder Seite der Mittelelektrode 21 ist jede von angrenzenden piezoelektrischen Schichten in der entgegengesetzten Richtung in der Dickenrichtung polarisiert und die ersten Schichten 20a und 20d, die die Mittelelektrode 21 sandwichartig umgeben, sind in der gleichen Richtung polarisiert.
Die symmetrisch positionierten ersten Schichten 20a und 20d, zweiten Schichten 20b und 20e und dritten Schichten 20c und 20f weisen jeweils die gleiche Dicke auf. Ferner beträgt das Verhältnis der Dicke T₁ jeder ersten Schicht zu der Gesamtdicke T₃ jeder Kombination erster bis dritter Schichten 51 bis 62% und das Verhältnis der Gesamtdicke T₂ jeder Kombination erster und zweiter Schichten zu der Gesamtdicke T₃ jeder Kombination erster bis dritter Schichten beträgt 72 bis 87%. Noch bevorzugter gilt T₁/T₃ ≍ 0,58 und T₂/T₃ ≍ 0,82. Der Grund für ein Setzen der Dicke auf diesen Wert wurde oben Bezug nehmend auf Tabelle 2 beschrieben.
Die Mittelelektrode 21 und die Zwischenschichtelektroden 23a und 23b weisen die gleiche Form auf und erstrecken sich von einem Ende des Erfassungselementes 20, das mit einer externen Elektrode 6 versehen ist, zu einem Zwischenabschnitt des Erfassungselementes 20. Dies bedeutet, daß ein Elektrodenfreiraum Lg in der Freiendseite des Erfassungselementes 20 vorgesehen ist und das Verhältnis des Elektrodenfreiraums Lg zu der freien Länge Lf 20 bis 70% beträgt.
Außerdem weisen die Zwischenschichtelektroden 22a und 22b fast die gleiche Form wie die der Oberflächenelektroden 24a und 24b auf und die Zwischenschichtelektroden 22a und 22b und die Oberflächenelektroden 24a und 24b erstrecken sich von der Umgebung des verbundenen Abschnitts des Erfassungselementes 20 zu dem freien Ende desselben. Ferner stehen die Oberflächenelektroden 24a und 24b in Leitung mit Inneroberflächenelektroden 10c und 11c der Trägerrahmen 10 und 11. Eine Verbindungselektrode 18 ist auf einer Seitenoberfläche in der Freiendseite des Erfassungselementes 20 gebildet, so daß die Zwischenschichtelektroden 22a und 22b mit den Oberflächenelektroden 24a und 24b durch die Verbindungselektrode 18 verbunden sind. Auch in diesem Fall können die Zwischenschichtelektroden 22a und 22b mit den Oberflächenelektroden 24a und 24b durch ein Bereitstellen der Verbindungselektrode auf der Endoberfläche in der Freiendseite des Erfassungselementes 20 verbunden werden. Durch ein Verbinden der Elektrode jeder Schicht auf die oben beschriebene Weise sind die sechs Zellen (1) bis (6), die die Schichten umfassen, parallel geschaltet, wie in Fig. 10 gezeigt ist.
Wie bei dem ersten Ausführungsbeispiel kann bei dem Beschleunigungssensor 1B dieses Ausführungsbeispiels die Menge erzeugter Energie verglichen mit dem bekannten sechsschichtigen Beschleunigungssensor wesentlich durch ein Setzen des Verhältnisses der Dicke T₁ jeder ersten Schicht auf 51 bis 62%, des Verhältnisses der Gesamtdicke T₂ jeder Kombination erster und zweiter Schichten auf 72 bis 87% und des Verhältnisses des Elektrodenfreiraums (Lg/Lf) auf 20 bis 70% erhöht werden. Dies bedeutet, daß die Menge erzeugter Energie wesentlich ohne ein Verändern der freien Länge und Dicke des Erfassungselementes erhöht werden kann und so ein sehr empfindlicher Beschleunigungssensor realisiert werden kann.
Fig. 11 zeigt einen Beschleunigungssensor 1C gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Bei diesem Ausführungsbeispiel sind Teile, die die gleichen wie diejenigen bei dem ersten Ausführungsbeispiel sind, durch die gleichen Bezugszeichen bezeichnet und die entsprechende Beschreibung ist weggelassen.
Der Beschleunigungssensor 1C dieses Ausführungsbeispiels umfaßt ein Erfassungselement 30 und eine an einem Ende getragene Struktur. Dies bedeutet, daß das Erfassungselement 30 an einem Ende durch Trägerrahmen 10 und 11 getragen wird. Das Erfassungselement 30 ist durch ein Laminieren zweier piezoelektrischer Schichten 30a und 30b, wobei jede Schicht dünn-streifenförmig ist und eine piezoelektrische Keramik aufweist, und durch ein Backen der Schichten hergestellt. Eine Mittelelektrode 31 ist in der Mitte in der Dickenrichtung des Erfassungselementes 30 vorgesehen und Oberflächenelektroden 32a und 32b sind auf den äußeren Oberflächen der Schichten 30a bzw. 30b vorgesehen. Die beiden piezoelektrischen Schichten 30a und 30b sind in der gleichen Richtung in der Dickenrichtung polarisiert.
Die Mittelelektrode 31 erstreckt sich von einem Ende des Erfassungselementes 30, das mit einer externen Elektrode 6 versehen ist, zu einem Zwischenabschnitt des Erfassungselementes 30. Dies bedeutet, daß ein Elektrodenfreiraum Lg in der Freiendseite des Erfassungselementes 30 vorgesehen ist und das Verhältnis des Elektrodenfreiraums Lg zu der freien Länge Lf beträgt 20 bis 70%.
Die Oberflächenelektroden 32a und 32b erstrecken sich von der Umgebung des verbundenen Abschnitts des Erfassungselementes 30 zu dem freien Ende desselben. Ferner stehen die Oberflächenelektroden 32a und 32b in Leitung zu Inneroberflächenelektroden 10c und 11c der Trägerrahmen 10 und 11. Außerdem ist eine Verbindungselektrode 18 auf einer Seitenoberfläche in der Freiendseite des Erfassungselementes 30 gebildet, so daß die Oberflächenelektroden 32a und 32b durch die Verbindungselektrode 18 verbunden sind. Die Oberflächenelektroden 32a und 32b stehen jedoch nicht in Leitung zu der Mittelelektrode 31. In diesem Fall sind auch zwei Zellen, die die Schichten umfassen, elektrisch parallel geschaltet.
Bei diesem Beschleunigungssensor 1C kann die Menge erzeugter Energie verglichen mit dem bekannten zweischichtigen Beschleunigungssensor durch ein Setzen des Verhältnisses des Elektrodenfreiraums (Lg/Lf) auf 20 bis 70% erhöht werden.
Die Fig. 12A und 12B zeigen die Spannungsempfindlichkeit, Ladungsempfindlichkeit und erzeugte Energie, wenn das Verhältnis des Elektrodenfreiraums in dem Beschleunigungssensor 1C, der die in Fig. 11 gezeigt Konfiguration aufweist, verändert wird. Auch in diesem Fall ist die erzeugte Energie maximal, wenn das Verhältnis des Elektrodenfreiraums 50% beträgt, und die Menge von Energie ist verglichen mit dem Fall um etwa 43% größer, bei dem der Elektrodenfreiraum nicht gebildet ist. Außerdem kann die Menge erzeugter Energie um 20% oder mehr erhöht werden, wenn das Verhältnis des Elektrodenfreiraums 20 bis 70% beträgt, und so kann eine ausreichende Wirkung erhalten werden.
In Fig. 11 ist die Polarisierungsrichtung der beiden Schichten die gleiche und die beiden Schichten sind elektrisch parallel geschaltet. Die oben beschriebene Wirkung kann auch bei dem Erfassungselement erzielt werden, das die Konfiguration aufweist, die in der ungeprüften japanischen Patentanmeldung Nr. 9-26433 offenbart ist. Dies bedeutet, daß die Polarisierungsrichtung der beiden Schichten entgegengesetzt zueinander sein kann und die beiden Zellen elektrisch in Serie geschaltet sein können. Die Wirkung eines Anstiegs einer erzeugten Energie, die erhalten wird, wenn das Verhältnis des Elektrodenfreiraums 20 bis 70% beträgt, kann durch ein Aufnehmen eines an einem Ende getragenen Aufbaus erzielt werden, bei dem das Erfassungselement an einem Ende desselben getragen wird. In diesem Fall werden die Anzahl von Schichten, die Polarisierungsrichtung und ein Verfahren zur elektrischen Verbindung nicht betrachtet.
Fig. 13 zeigt einen Beschleunigungssensor 1D gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Bei diesem Ausführungsbeispiel sind Teile, die die gleichen wie diejenigen bei dem ersten Ausführungsbeispiel sind, durch die gleichen Bezugszeichen bezeichnet und die entsprechende Beschreibung ist weggelassen.
Der Beschleunigungssensor 1D weist eine ähnliche Konfiguration auf wie die des sechsschichtigen Sensors, der in der ungeprüften japanischen Patentanmeldung Nr. 10-62445 offenbart ist, mit der Ausnahme, daß die Dicke der piezoelektrischen Schicht verändert ist. Dies bedeutet, daß der Beschleunigungssensor 1D ein Erfassungselement 40 umfaßt, dessen beide Enden durch Trägerrahmen 10 und 11 getragen werden. Das Erfassungselement 40 ist durch ein Laminieren von sechs piezoelektrischen Schichten 40a bis 40f, wobei jede Schicht dünn-streifenförmig ist und eine piezoelektrische Keramik aufweist, und durch ein Backen der Schichten hergestellt. Das Erfassungselement 40 umfaßt erste Schichten 40a und 40d, die die Mitte in der Dickenrichtung sandwichartig umgeben, zweite Schichten 40b und 40e, die die ersten Schichten 40a und 40d sandwichartig umgeben, und dritte Schichten 40c und 40f an der äußeren Seite. Außerdem ist eine Mittelelektrode 41 in der Mitte in der Dickenrichtung des Erfassungselementes 40 vorgesehen, Zwischenschichtelektroden 42a und 42b sind zwischen der ersten Schicht 40a und der zweiten Schicht 40b bzw. zwischen der ersten Schicht 40d und der zweiten Schicht 40e vorgesehen, Zwischenschichtelektroden 43a und 43b sind zwischen der zweiten Schicht 40b und der dritten Schicht 40c bzw. zwischen der zweiten Schicht 40e und der dritten Schicht 40f vorgesehen und Oberflächenelektroden 44a und 44b sind auf den äußeren Oberflächen der dritten Schichten 40c und 40f vorgesehen. Die sechs piezoelektrischen Schichten 40a bis 40f, die durch die oben beschriebenen Elektroden 41, 42a, 42b, 43a, 43b, 44a und 44b sandwichartig umgeben sind, bilden sechs Zellen. In den drei Schichten in jeder Seite der Mittelelektrode 41 ist jede von angrenzenden piezoelektrischen Schichten in der entgegengesetzten Richtung in der Dickenrichtung polarisiert und die ersten Schichten 40a und 40d, die die Mittelelektrode 41 sandwichartig umgeben, sind in der gleichen Richtung polarisiert.
Die symmetrisch positionierten ersten Schichten 40a und 40d, die zweiten Schichten 40b und 40e und die dritten Schichten 40c und 40f weisen jeweils die gleiche Dicke auf. Ferner beträgt das Verhältnis der Dicke T₁ jeder ersten Schicht zu der Gesamtdicke T₃ jeder Kombination erster bis dritter Schichten 51 bis 62% und das Verhältnis der Gesamtdicke T₂ jeder Kombination erster und zweiter Schichten zu der Gesamtdicke T₃ jeder Kombination erster bis dritter Schichten beträgt 72 bis 87%. Noch bevorzugter gilt T₁/T₃ ≍ 0,58 und T₂/T₃ ≍ 0,82. Der Grund für ein Setzen der Dicke auf diesen Wert wurde oben Bezug nehmend auf Fig. 2 beschrieben.
Die Mittelelektrode 41 und die Zwischenschichtelektroden 43a und 43b weisen die gleiche Form auf und erstrecken sich von einem Ende des Erfassungselements 40, das mit einer externen Elektrode 7 versehen ist, zu einem Zwischenabschnitt des Erfassungselementes 40. Die Zwischenschichtelektroden 42a und 42b weisen die gleiche Form auf wie diejenige der Oberflächenelektroden 44a und 44b. Die Zwischenschichtelektroden 42a und 42b und die Oberflächenelektroden 44a und 44b erstrecken sich von dem anderen Ende des Erfassungselementes 40, das mit einer externen Elektrode 6 versehen ist, zu einem Zwischenabschnitt des Erfassungselementes 40. Durch ein Verbinden der Elektrode jeder Schicht auf die oben beschriebene Weise sind die sechs Zellen, die die Schichten umfassen, elektrisch parallel geschaltet, wie in Fig. 10.
Bei dem Beschleunigungssensor 1D dieses Ausführungsbeispiels kann die Menge erzeugter Energie verglichen mit dem bekannten sechsschichtigen Beschleunigungssensor (siehe zum Beispiel ungeprüfte japanische Patentanmeldung Nr. 10-62445) durch ein Setzen des Verhältnisses der Dicke T₁ jeder ersten Schicht zu der Gesamtdicke T₃ auf 51 bis 62% und des Verhältnisses der Gesamtdicke T₂ jeder Kombination erster und zweiter Schichten auf 72 bis 87% wesentlich erhöht werden. Dies bedeutet, daß die Menge erzeugter Energie wesentlich ohne ein Verändern der freien Länge und der Dicke des Erfassungselementes erhöht werden kann, und so kann ein sehr empfindlicher Beschleunigungssensor realisiert werden.
Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die oben beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt. Das Erfassungselement kann unter Umständen keinen an einem Ende getragenen Aufbau aufweisen und kann unter Umständen einen an beiden Enden getragenen Aufbau oder einen in der Mitte getragenen Aufbau aufweisen. Dies bedeutet, daß das vierschichtige Erfassungselement des ersten Ausführungsbeispiels an beiden Enden desselben getragen werden kann. Außerdem ist der Elektrodenfreiraum Lg für die Zwischenschichtelektroden 4a und 4b bei dem ersten Ausführungsbeispiel, für die Mittelelektrode 21 und die Zwischenschichtelektroden 23a und 23b bei dem zweiten Ausführungsbeispiel und für die Mittelelektrode 31 bei dem dritten Ausführungsbeispiel vorgesehen. Die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht auf diese Konfiguration beschränkt. Dies bedeutet, daß eine Region, bei der keine Ladung aufgrund einer Belastung erzeugt wird, wenn eine Beschleunigung angelegt wird, oder eine Region, bei der eine erzeugte Ladung nicht aus derselben ausgegeben wird, in der Freiendseite des Erfassungselementes gebildet sind sollte.

Claims

1. Beschleunigungssensor (1A; 1B; 1C; 1D) mit folgenden Merkmalen:
einem Erfassungselement (2; 20; 30; 40); und
einem Trägerbauteil (10, 11) zum Tragen des Erfassungselementes an einem Ende, beiden Enden oder einem Mittelabschnitt in der Longitudinalrichtung des Erfassungselementes (2; 20; 30; 40),
wobei das Erfassungselement vier laminierte piezoelektrische Schichten umfaßt, wobei jede Schicht eine piezoelektrische Keramik aufweist,
wobei die vier piezoelektrischen Schichten ein Paar erster Schichten, die in der Mitte in der Dickenrichtung angeordnet sind, und ein Paar zweiter Schichten, die das Paar erster Schichten sandwichartig umgeben, umfassen,
wobei Elektroden in der Mitte in der Dickenrichtung des Erfassungselementes, zwischen dem Paar erster Schichten und dem Paar zweiter Schichten und auf den äußeren Oberflächen des Paares zweiter Schichten vorgesehen sind,
wobei Zellen (1, 2, 3, 4; 5, 6), die durch die ersten und zweiten Schichten gebildet sind, die auf der gleichen Seite hinsichtlich der Mitte in der Dickenrichtung angeordnet sind, elektrisch parallel geschaltet sind,
wobei das Paar erster Schichten die gleiche Dicke aufweist und das Paar zweiter Schichten die gleiche Dicke aufweist, und
wobei das Verhältnis der Dicke jeder ersten Schicht zu der Gesamtdicke jeder ersten und zweiten Schicht 62% bis 76% beträgt.

2. Beschleunigungssensor gemäß Anspruch 1, bei dem jede der piezoelektrischen Schichten eine oder mehrere Keramiklagen umfaßt, die die gleiche Dicke aufweisen, und die Anzahl von Keramiklagen, die in jeder ersten Schicht enthalten sind, zweimal die Anzahl von Keramiklagen ist, die in jeder zweiten Schicht enthalten sind.

3. Beschleunigungssensor (1B) mit folgenden Merkmalen:
einem Erfassungselement (20); und
einem Trägerbauteil (10, 11) zum Tragen des Erfassungselementes an einem Ende, beiden Enden oder einem Mittelabschnitt in der Longitudinalrichtung desselben,
wobei das Erfassungselement sechs laminierte piezoelektrische Schichten (20a-20f) umfaßt, wobei jede Schicht eine piezoelektrische Keramik aufweist,
wobei die sechs piezoelektrischen Schichten ein Paar erster Schichten, die in der Mitte in der Dickenrichtung angeordnet sind, ein Paar zweiter Schichten, die das Paar erster Schichten sandwichartig umgeben, und ein Paar dritter Schichten, die auf der äußeren Seite der zweiten Schichten angeordnet sind, umfassen,
wobei Elektroden in der Mitte in der Dickenrichtung des Erfassungselementes (20), zwischen dem Paar erster Schichten und dem Paar zweiter Schichten, zwischen dem Paar zweiter Schichten und dem Paar dritter Schichten und auf den äußeren Oberflächen des Paars dritter Schichten vorgesehen sind,
wobei Zellen, die durch die ersten, zweiten und dritten Schichten gebildet sind, die auf der gleichen Seite hinsichtlich der Mitte in der Dickenrichtung angeordnet sind, elektrisch parallel geschaltet sind,
wobei das Paar erster Schichten die gleiche Dicke aufweist, das Paar zweiter Schichten die gleiche Dicke aufweist und das Paar dritter Schichten die gleiche Dicke aufweist,
wobei das Verhältnis der Dicke (T₁) jeder ersten Schicht zu der Gesamtdicke (T₃) jeder ersten, zweiten und dritten Schicht 51% bis 62% beträgt, und
wobei das Verhältnis der Gesamtdicke jeder ersten und zweiten Schicht zu der Gesamtdicke jeder ersten, zweiten und dritten Schicht 72% bis 87% beträgt.

4. Beschleunigungssensor mit folgenden Merkmalen:
einem Erfassungselement; und
einem Trägerbauteil (10, 11) zum Tragen des Erfassungselementes an einem Ende in der Longitudinalrichtung desselben,
wobei das Erfassungselement zwei oder mehr laminierte piezoelektrische Schichten umfaßt, wobei jede Schicht eine piezoelektrische Keramik aufweist,
wobei Elektroden zwischen den piezoelektrischen Schichten und auf den äußeren Oberflächen der piezoelektrischen Schichten vorgesehen sind,
wobei ein Elektrodenfreiraum (Lg) in der Freiendseite des Erfassungselementes vorgesehen ist, wobei der Elektrodenfreiraum eine Region ist, bei der zumindest eine der Elektroden, die einander mit den piezoelektrischen Schichten zwischen denselben zugewandt sind, nicht vorgesehen ist, und
wobei das Verhältnis der Länge des Elektrodenfreiraumes zu der freien Länge des Erfassungselementes 20% bis 70% beträgt.

5. Beschleunigungssensor gemäß Anspruch 4, bei dem eine Verbindungselektrode (18) zum Verbinden der Elektroden, die sich zu dem freien Ende des Erfassungselementes erstrecken, auf einer Seitenoberfläche in der Freiendseite des Erfassungselementes vorgesehen ist, in dem der Elektrodenfreiraum vorgesehen ist.

6. Beschleunigungssensor gemäß Anspruch 4 oder 5,
bei dem das Erfassungselement vier laminierte piezoelektrische Schichten umfaßt, wobei jede Schicht eine piezoelektrische Keramik aufweist,
wobei die vier piezoelektrischen Schichten ein Paar erster Schichten, die in der Mitte in der Dickenrichtung angeordnet sind, und ein Paar zweiter Schichten, die das Paar erster Schichten sandwichartig umgeben, umfassen,
wobei Elektroden in der Mitte in der Dickenrichtung des Erfassungselements, zwischen dem Paar erster Schichten und dem Paar zweiter Schichten und auf den äußeren Oberflächen des Paares zweiter Schichten vorgesehen sind,
wobei Zellen, die durch die ersten und zweiten Schichten gebildet sind, die auf der gleichen Seite hinsichtlich der Mitte in der Dickenrichtung angeordnet sind, elektrisch parallel geschaltet sind,
wobei das Paar erster Schichten die gleiche Dicke aufweist und das Paar zweiter Schichten die gleiche Dicke aufweist, und
wobei das Verhältnis der Dicke jeder ersten Schicht zu der Gesamtdicke jeder ersten und zweiten Schicht 62% bis 76% beträgt.

7. Beschleunigungssensor gemäß Anspruch 6,
bei dem ein Ende jeder der Elektroden zwischen dem Paar erster Schichten und dem Paar zweiter Schichten sich zu der Endoberfläche des Erfassungselementes erstreckt, das durch die Trägerbauteile (10, 11) getragen wird, und das andere Ende jeder der Elektroden in einer vorbestimmten Entfernung von dem freien Ende des Erfassungselementes positioniert ist, um den Elektrodenfreiraum (Lg) zu definieren,
wobei die Elektrode in der Mitte in der Dickenrichtung und die Elektroden auf den äußeren Oberflächen des Paares zweiter Schichten sich von der Umgebung eines proximalen Endes des Erfassungselementes, das durch die Trägerbauteile getragen wird, zu dem freien Ende des Erfassungselementes erstrecken, und
wobei eine Verbindungselektrode (18) zum Verbinden der Elektrode in der Mitte in der Dickenrichtung und der Elektroden auf den äußeren Oberflächen des Paares zweiter Schichten auf einer Seitenoberfläche in der Freiendseite des Erfassungselementes vorgesehen ist, wobei die Verbindungselektrode nicht mit den Elektroden zwischen dem Paar erster Schichten und dem Paar zweiter Schichten verbunden ist.