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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Beschleunigungssensor
unter Verwendung einer piezoelektrischen Keramik.
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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 ½ des Produkts der
Ladungsempfindlichkeit und der Spannungsempfindlichkeit dargestellt
wird.
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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.
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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
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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
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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.
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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.
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Aus
der
DE 10200903 A1 ist
ein Beschleunigungssensor und ein Verfahren zum Herstellen desselben bekannt.
Der Beschleunigungssensor umfasst ein piezoelektrisches Element
und einen Tragerahmen zum Tragen der Enden des piezoelektrischen
Elements in der Längsrichtung.
Das piezoelektrische Element ist durch Stapeln einer geraden Anzahl
von piezoelektrischen Schichten, die größer oder gleich sechs Schichten ist,
gebildet. Zwischen den Schichten und auf einer Vorderseite und einer
Rückseite
des Elements sind Elektroden vorgesehen. Die Zwischenschichtelektroden,
die segmentierte Elektroden umfassen, sind abwechselnd gestapelt,
wobei sich die piezoelektrische Schichten zwischen denselben befinden.
Die mittlere Zwischenschichtelektrode ist eine Führungselektrode. Die piezoelektrischen
Schichten in der Dickenrichtung polarisiert, so dass eine Ladung,
die dieselbe Polarität
aufweist, aus den Elektroden extrahiert wird, wenn eine Beschleunigung
angelegt wird. Ferner sind der Mittelabschnitt und beide Endabschnitte
jeder piezoelektrischen Schicht in entgegengesetzten Richtungen
polarisiert.
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Es
ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Beschleunigungssensor
mit verbesserten Charakteristika zu schaffen.
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Diese
Aufgabe wird durch einen Beschleunigungssensor gemäß Anspruch
1, 3 oder 4 gelöst.
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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.
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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%.
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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%.
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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%.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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 ei ne 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.
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Bevorzugte
Ausführungsbeispiele
der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend Bezug nehmend auf
die beigefügten
Zeichnungen näher
erläutert.
Es zeigen:
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1 eine
perspektivische Ansicht eines Beschleunigungssensors gemäß einem
ersten Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung;
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2 eine
Vorderansicht des Beschleunigungssensors aus 1;
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3 ein
Schaltungsdiagramm des Beschleunigungssensors aus 1;
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4 einen
Betrieb des Beschleunigungssensors aus 1, wenn
eine Beschleunigung angewendet wird;
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5A und 5B Auswirkungen
einer erzeugten Energie gemäß dem Verhältnis einer
Dicke, wobei 5A die Konfiguration eines vierschichtigen
Beschleunigungssensors zeigt und 5B das
Schaltungsdiagramm desselben ist;
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6A und 6B die
Beziehung zwischen dem Verhältnis
einer ersten Schicht und der Empfindlichkeit, wobei 6A die
Charakteristika zeigt und 6B numerische
Daten zeigt;
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7 die
Konfiguration des vierschichtigen Beschleunigungssensors zum Darstellen
von Auswirkungen einer erzeugten Energie gemäß dem Verhältnis eines Elektrodenfreiraums;
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8A und 8B die
Beziehung zwischen dem Verhältnis
des Elektrodenfreiraums und der Empfindlichkeit, wobei 8A die
Charakteristika zeigt und 8B numerische
Daten zeigt;
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9 eine
Vorderansicht eines Beschleunigungssensors gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der
vorliegenden Erfindung;
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10 ein
Schaltungsdiagramm des Beschleunigungssensors aus 9;
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11 eine
Vorderansicht eines Beschleunigungssensors gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der
vorliegenden Erfindung;
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12A und 12B die
Beziehung zwischen dem Verhältnis
des Elektrodenfreiraums und der Empfindlichkeit des Beschleunigungssensors
aus 11, wobei 12A die
Charakteristika zeigt und 12 numerische
Daten zeigt; und
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13 eine
Vorderansicht eines Beschleunigungssensors gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel der
vorliegenden Erfindung.
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Die 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.
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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).
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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.
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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.
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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 Er fassungselementes 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 Innenoberflächenelektroden 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 Innenoberflächenelektroden 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.
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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 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.
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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.
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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 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 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.
-
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 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 5a und 5b beschrieben.
-
Wie
in 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 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 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 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 Po tential 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·gT22/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 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 Gleich machen
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 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 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 2 gezeigten Konfiguration: freie
Län ge 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 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 7 beschrieben. 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 Feiendseite, 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 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 2 gezeigten Konfiguration verändert.
-
Wie
aus den 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 E lektrodenfreiraum 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 Elektrodezwischenraum 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 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 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.
-
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 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.
-
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%.
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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 12A und 12B zeigen
die Spannungsempfindlichkeit, Ladungsempfindlichkeit und erzeugte
Energie, wenn das Verhältnis
des Elektrodenfreiraums in dem Beschleunigungssensor 1C,
der die in 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 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.
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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 piezoelektri sche 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 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 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 E lektrodenfreiraum
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.
