DE69817453T2

DE69817453T2 - Piezoelektrischer Beschleunigungssensor

Info

Publication number: DE69817453T2
Application number: DE69817453T
Authority: DE
Inventors: Tetsuro Osaka-shi Otsuchi; Katsu Osaka-shi Takeda; Katsunori Takatsuki-shi Moritoki; Osamu Kyotanabe-shi Kawasaki; Junichi Osaka-shi Kato; Kouji Joyo-shi Kawakita; Hiroshi Hirakata-shi Kagata
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp
Priority date: 1997-06-04
Filing date: 1998-06-04
Publication date: 2004-03-18
Anticipated expiration: 2018-06-05
Also published as: US6050144A; EP0882987B1; US6227051B1; DE69817453D1; EP0882987A1

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG 1. Erfindungsfeld
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Beschleunigungssensor für die Verwendung bei der Messung einer Beschleunigung, bei der Feststellung einer Schwingung usw.
2. Stand der Technik
In den vergangenen Jahren wurde die Größe von elektronischen Einrichtungen weiter reduziert, wobei tragbare elektronische Einrichtungen wie etwa Notebook-Computer eine stärkere Verbreitung fanden. Um die Zuverlässigkeit einer derartigen elektronischen Einrichtung bei Stößen zu verbessern, besteht ein Bedarf für einen kleinen Hochleistungs-Beschleunigungssensor (Stoßsensor), der an einer Oberfläche angebracht werden kann. Wenn zum Beispiel ein Stoß einwirkt, während auf einer Festplatte mit hoher Dichte geschrieben wird, kann der Schreibkopf versetzt werden. Dadurch können Datenschreibfehler verursacht werden, und es kann sogar der Schreibkopf beschädigt werden. Deshalb ist es erforderlich, den auf die Festplatte einwirkenden Stoß festzustellen und die Schreiboperation zu unterbrechen bzw. den Kopf zu einer sicheren Position zurückzuziehen.
Weiterhin besteht ein zunehmender Bedarf für einen Beschleunigungssensor zur Stoßfeststellung, der in einer Airbageinrichtung verwendet werden kann, um einen Fahrinsassen vor einem Stoß während eines Autounfalls zu schützen, sowie für die Feststellung einer Beschleunigung, um die Spannung des Sicherheitsgurtes zu steuern. Diese Beschleunigungssensoren sollten weiterhin ein reduziertes Gewicht und eine reduzierte Größe aufweisen.
Es können piezoelektrische Keramiken als Beschleunigungssensor verwendet werden. Wenn die zu einer Beschleunigung proportionale Kraft auf eine piezoelektrische Keramik angewendet wird, wird die piezoelektrische Keramik intern verzerrt, sodass eine elektrische Ladungen an beiden Oberflächen der piezoelektrischen Keramik erzeugt werden. 38 zeigt den Aufbau des piezoelektrischen Keramikelements 500 eines herkömmlichen Beschleunigungssensor des piezoelektrischen Typs. Der Aufbau sieht vor, dass eine Metallplatte mit einer piezoelektrischen Keramik 50 verbunden ist, die in der Form einer Platte oder Scheibe ausgebildet ist. Elektroden sind jeweils an der oberen und unteren Oberfläche der piezoelektrischen Keramik 50 angeordnet. Die auf einer der zwei Oberflächen angeordnete Elektrode ist in zwei Teile geteilt, die als Ansteuerelektrode 52 und als Feststellungselektrode 51 für die Selbstdiagnose verwendet werden. Wenn das piezoelektrische Keramikelement 500 gebogen wird und in der vertikalen Richtung vibriert, wird eine elektrische Ladung an einer Ausgabeelektrode erzeugt.
39 zeigt eine gewöhnliche Signalverarbeitungsschaltung eines Beschleunigungssensors des piezoelektrischen Typs. Ein Beschleunigungssensor zum Messen einer Beschleunigung umfasst eine Sourcefolgerschaltung, die einen Feldeffekttransistor (FET) verwendet. Die Sourcefolgerschaltung weist eine große Impedanzwandlungseffizienz auf, wobei die Verstärkung der Schaltung bei ungefähr 0 dB liegt.
In der in 39 gezeigten Schaltung wird ein Ausgabefrequenzbereich auf einer niederfrequenten Seite durch eine elektrostatische Kapazität C11 des Beschleunigungssensors und eine Grenzfrequenz bestimmt, die durch eine Zeitkonstante (1/ωs) eines Hochpassfilters definiert wird, der durch einen Widerstand Rh gebildet wird, der parallel zu dem Beschleunigungssensor verbunden ist. Die Grenzfrequenz fhc des Hochpassfilters ist: fhc = 1/ωs = 1 / (2π * C11 * Rh)
Obwohl die Kapazität einer Beschleunigungssensors des piezoelektrischen Typs allgemein von der Form des Beschleunigungssensors abhängig ist, weist ein piezoelektrischer Sensor, der unter Verwendung einer piezoelektrischen Keramik hergestellt wird, einige wenige hundert pF auf. Andererseits weist der Widerstand Rh ungefähr 1 M bis 10 MΩ auf, wenn ein Vielzweck-Chipwiderstand verwendet wird, der den Widerstand Rh als Gatewiderstand nutzt. Im Falle eines piezoelektrischen Sensors, der eine piezoelektrische Keramik verwendet, liegt die Grenzfrequenz also bei einigen hundert Hz.
Wie oben beschrieben wird die untere Grenze einer messbaren Frequenz des Beschleunigungssensors des piezoelektrischen Typs durch eine Kapazität des Beschleunigungssensors und einen damit verbundenen Widerstandswert bestimmt, der die Ausgabe auf der niederfrequenten Seite vermindert.
Im Folgenden werden die Prinzipien der Selbstdiagnose beschrieben. Ein Selbstdiagnoseimpuls wird an der Ansteuerelektrode für die Selbstdiagnose des piezoelektrischen Elements von einem Sender angelegt. In Reaktion auf den Selbstdiagnoseimpuls vibriert das piezoelektrische Element, wobei die Schwingung den Beschleunigungssensor in Schwingung versetzt. In dieser Stufe wird eine elektrische Ladung in Übereinstimmung mit dem Grad der Schwingung an der Feststellungselektrode entwickelt und durch die Signalverarbeitungsschaltung zu einer Spannung gewandelt. Wenn sich die Spannung, die in Folge einer Feststellung der durch den Selbstdiagnoseimpuls erzeugten Schwingung erhalten wird, von einem zuvor festgesetzten Wert unterscheidet, diagnostiziert die Signalverarbeitungsschaltung, dass sich der Beschleunigungssensor in einem anormalen Zustand befindet, und führt Prozeduren zum Reagieren auf diese Anormalität durch. Auf diese Weise kann eine Funktion zur Selbstdiagnose von einer Fehlfunktion des Beschleunigungssensors vorgesehen werden.
Wenn ein Beschleunigungssensor unter Verwendung einer piezoelektrischen Keramik in einer Sicherheitseinrichtung wie etwa einem Airbag verwendet wird, um den Komfort während einer Fahrt auf einer steinigen Straße zu verbessern, sollte eine Beschleunigung bis zu einem möglichst niedrigen Frequenzbereich festgestellt werden können und sollten eine hervorragende Feststellungsempfindlichkeit in einem feststellbaren Bereich, ein kleiner pyroelektrischer Effekt und eine Selbstdiagnosefähigkeit vorgesehen sein.
Um eine Beschleunigung bis zu einem möglichst niedrigen Frequenzbereich festzustellen, muss die oben genannte Grenzfrequenz klein sein. Deshalb müssen die Kapazität des Beschleunigungssensors sowie der mit dem Beschleunigungssensor verbundene Widerstandswert erhöht werden.
Um dies zu vermeiden, wird gemäß einem Ansatz der Widerstand Rh erhöht, der parallel mit dem Beschleunigungssensor verbunden ist, um die Grenzfrequenz fhc zu reduzieren und dementsprechend eine konstante Ausgabe bei einer niedrigen Frequenz zu erhalten. Ein Widerstand von mehr als 10 MΩ ist jedoch sehr kostspielig, sodass dieser Ansatz nicht realistisch ist.
Wenn jedoch ein Leckstrom oder ähnliches zwischen den auf einem Befestigungssubstrat angeordneten Drähten nicht berücksichtigt wird, kann kein wesentlich hoher Wiederstand erhalten werden. Ein Glied wie etwa ein Schutzring zum Verhindern eines Leckstroms muss an einem Verbindungsanschluss des Widerstandsglieds zum Substrat angeordnet werden. Es besteht jedoch das Problem, dass sich eine Änderung in den Umgebungsbedingungen wie etwa der Feuchtigkeit auf einen Leckstrom zwischen den Drähten des Substrats auswirkt, sodass ein offensichtlicher Widerstandswert klein wird.
Weiterhin kann zwar die Signalverarbeitungsschaltung, die in 39 als integrierte Schaltung wie etwa der Widerstand Rh gezeigt ist, einfach ausgebildet werden, wobei sich jedoch ein hoher Widerstand von 10 MΩ oder mehr mit der derzeitigen Halbleitertechnologie nur schwer in eine integrierte Schaltung integrieren lässt. Deshalb muss ein hoher Widerstand separat zu dem Beschleunigungssensor und der Signalverarbeitungsschaltung vorbereiten und dann verbunden werden, wodurch die Anzahl der Montageteile erhöht und die Montagefläche vergrößert wird, wodurch das Bemühen um eine Reduktion der Größe einer Stoßfeststellungsvorrichtung oder ähnlichem vereitelt wird.
Ein alternativer Ansatz besteht darin, die elektrostatische Kapazität C11 des Beschleunigungssensors zu erhöhen. Wenn es sich um das gleiche Material handelt, werden eine elektrostatische Kapazität oder ein Beschleunigungssensor größer, wenn die Dicke eines piezoelektrischen Elements dünner und die Fläche größer sind. Wenn das piezoelektrische Element jedoch dünn ausgebildet wird, wird die mechanische Stärke des piezoelektrischen Elements vermindert, sodass das piezoelektrische Element leicht bricht, weshalb während der Herstellung vorsichtig mit dem piezoelektrischen Element umgegangen werden muss. Wenn das piezoelektrische Element jedoch mit einer großen Fläche ausgebildet wird, kann keine kompakte Größe realisiert werden. Weil weiterhin die Form des piezoelektrischen Elements eine Resonanzfrequenz bestimmt, die in engem Zusammenhang mit einem Messfrequenzband steht, kann die Form des piezoelektrischen Elements nicht einfach geändert werden, was ein Problem darstellt. Deshalb sollte die Kapazität mittels einem anderen Ansatz erhöht werden.
Aber auch wenn eine Feststellung innerhalb eines vorbestimmten Frequenzbereichs möglich ist, muss die Empfindlichkeit der Feststellung hoch sein. Wenn übrigens dieselbe piezoelektrische Keramik verwendet wird, ist die Menge der durch die Schwingung erzeugten elektrischen Ladungen konstant. Weil Q (elektrische Ladungen) = C (Kapazität) V (Empfindlichkeit), ist die Empfindlichkeit höher, wenn die Kapazität kleiner ist.
Damit also der Beschleunigungssensor in einem möglichst niedrigen Frequenzbereich feststellen kann und eine hohe Empfindlichkeit aufweist, muss die Kapazität groß sein und muss die Größe entsprechend gewählt werden.
Was weiterhin die Empfindlichkeit betrifft: wenn nur wenige elektrische Ladungen während einer Schwingung erzeugt werden, müssen Verstärker in zwei Stufen verwendet werden, um ein Signal zu verstärken, wodurch die Schaltung komplex wird. Weil gleichzeitig auch das Rauschen verstärkt wird, verschlechtert sich das Signal/Rauschen-Verhältnis. Um eine Fehlfunktion zu verhindern, muss die Schaltung noch komplexer aufgebaut werden.
Wenn weiterhin der Sender einen Oszillationsimpuls zu der Ansteuerelektrode für die Selbstdiagnose zuführt, wird der Oszillationsimpuls mit einer niedrigen Frequenz betrieben und wird die Schwingung durch die Feststellungselektrode festgestellt. Weil die Kapazität des piezoelektrischen Elements an dem Teil der Schwingungserfassungselektrode wie weiter unten erläutert klein ist, ist die Ausgabespannung aus der Schwingungserfassungselektrode klein. Weil die Schwingungserfassungselektrode nicht über dem gesamten piezoelektrischen Element angeordnet wird, ist die Ausgabespannung sogar noch kleiner als die Kapazität des piezoelektrischen Elements als ganzem. Außerdem ist die Menge der elektrischen Ladungen, die an der Schwingungserfassungselektrode erzeugt werden, in Abhängigkeit von der Größe der Oberfläche klein.
Wenn die Ausgabespannung bei einer niedrigen Frequenz für die Feststellung der Schwingung während der Selbstdiagnose klein wird, verschlechtert sich die Genauigkeit der Selbstdiagnose bei einer niedrigen Frequenz. Das führt zu dem Problem, dass die Selbstdiagnose nicht in allen Frequenzbandbereichen korrekt durchgeführt werden kann.
Weiterhin wird die Schwingung nicht festgestellt, wenn die Oberfläche der Selbstdiagnoseelektrode zu klein ist, während sich die Schwingung verstärkt und das piezoelektrische Element zerstört wird, wenn die Oberfläche der Selbstdiagnoseelektrode zu groß ist. Wenn jedoch die Oberfläche der Selbstdiagnoseelektrode reduziert wird und die Distanz zu der Feststellungselektrode entsprechend groß wird, wird der Teil ohne Elektrode in dem Element vergrößert. Wenn ein Teil mit einer Elektrode und ein Teil ohne Elektrode in der Oberfläche der piezoelektrischen Elementschicht vorgesehen sind, biegt oder rollt sich das piezoelektrische Element aufgrund einer Differenz des Kontraktionskoeffizienten, sodass unmöglich ein stabiles und nicht gebogenes Element erhalten werden kann.
DE 3817354 gibt einen piezoelektrischen Sensor zum Feststellen einer dynamischen oder kinetischen Energie an. US5473930 gibt einen Beschleunigungssensor mit ungleichnamig polarisierten piezoelektrischen Platten an. JP0606827 und JP08101060 geben jeweils einen Beschleunigungssensor an.
Zusammenfassung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung nimmt auf die verschiedenartigen Probleme aus dem Stand der Technik Bezug, die oben beschrieben wurden. Dementsprechend ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen kleinen Beschleunigungssensor anzugeben, bei dem kein hoher Widerstand an einem Substrat angebracht werden muss, der eine hohe Empfindlichkeit aufweist, der eine Erhöhung der Ausgabespannung auch bei einem niedrigen Frequenzbereich gegen eine konstante Beschleunigung vermeidet, der eine flache Frequenzkennlinie der Ausgabespannung realisiert, der eine genaue Selbstdiagnose in einem breiten Frequenzbereich durchführt und der das Abrufen eines Signals ermöglicht.
Ein Beschleunigungssensor der vorliegenden Endung umfasst die Merkmale von Anspruch 1.
Der Beschleunigungssensor gemäß der vorliegenden Erfindung nutzt die Tatsache, dass in der Richtung der Dicke eines piezoelektrischen Elements eine groß Anzahl von elektrischen Ladungen in der Nähe einer Oberfläche des Elements erzeugt werden, während in der Längsrichtung des Elements eine große Anzahl von elektrischen Ladungen in der Nähe eines zentralen Teils des Elements erzeugt werden, wo das Element gehalten wird. Wenn eine Spannung auf das piezoelektrische Element einwirkt, biegt sich das Element, sodass die Oberfläche des Elements und damit auch der zentrale Teil des Elements, an dem das Element gehalten wird, stark verformt wird. Der Beschleunigungssensor gemäß der vorliegenden Erfindung nutzt die elektrischen Ladungen, die durch diesen piezoelektrischen Effekt erzeugt werden, effizient.
Der Beschleunigungssensor weist eine Schichtstruktur und eine große elektrostatische Kapazität auf. Deshalb hat der Beschleunigungssensor eine kleine Größe, ohne dass die geschichteten Elemente gebogen werden, sodass extern kein hoher Widerstand an einem Substrat angebracht werden muss, kein spezielles Glied oder ähnliches zum Befestigen eines Widerstandsglieds am Substrat vorgesehen werden muss, der Beschleunigungssensor eine hohe Empfindlichkeit auch für niedrige Frequenzen aufweist, eine genaue Selbst diagnose in einem breiten Frequenzbereich durchführt und eine einfache Rückführung von elektrischen Ladungen von den Elektroden gestattet.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine Ansicht, die das Aussehen eines piezoelektrischen Elements zeigt, das in einem Beschleunigungssensor gemäß einem ersten Beispiel zur Erläuterung der vorliegenden Erfindung verwendet wird.
2 ist eine Querschnittsansicht des piezoelektrischen Elements, das in dem Beschleunigungssensor gemäß dem ersten Beispiel zur Erläuterung der vorliegenden Erfindung verwendet wird.
3 ist eine Draufsicht auf die Elektroden des piezoelektrischen Elements, das in dem Beschleunigungssensor gemäß dem ersten Beispiel zur Erläuterung der vorliegenden Erfindung verwendet wird.
4 ist eine Querschnittsansicht des Beschleunigungssensors gemäß dem ersten Beispiel zur Erläuterung der vorliegenden Erfindung.
5 ist eine Draufsicht auf ein Halteglied des Beschleunigungssensors gemäß dem ersten Beispiel zur Erläuterung der vorliegenden Erfindung.
6 ist eine Ansicht, die die Prinzipien des Betriebs des Beschleunigungssensors gemäß dem ersten Beispiel zur Erläuterung der vorliegenden Erfindung zeigt.
7 ist ein Blockdiagramm, das die Signalverarbeitung unter Verwendung des Beschleunigungssensors gemäß dem ersten Beispiel zur Erläuterung der vorliegenden Erfindung zeigt.
8 ist eine Querschnittansicht eines piezoelektrischen Elements, das in einem Beschleunigungssensor gemäß einem zweiten Beispiel zur Erläuterung der vorliegenden Erfindung verwendet wird.
9 ist eine Draufsicht auf die Elektroden des piezoelektrischen Elements, das in dem Beschleunigungssensor gemäß dem zweiten Beispiel zur Erläuterung der vorliegenden Erfindung verwendet wird.
10 ist eine Ansicht, die das Aussehen eines piezoelektrischen Elements zeigt, das in einem Beschleunigungssensor gemäß einem dritten Beispiel zur Erläuterung der vorliegenden Erfindung verwendet wird.
11 ist eine Draufsicht auf die Elektroden des piezoelektrischen Elements, das in dem Beschleunigungssensor gemäß dem dritten Beispiel zur Erläuterung der vorliegenden Erfindung verwendet wird.
12 ist eine Draufsicht auf ein Halteglied des Beschleunigungssensor gemäß dem dritten Beispiel zur Erläuterung der vorliegenden Erfindung.
13 ist eine Draufsicht auf die Elektroden des piezoelektrischen Elements, das in dem Beschleunigungssensor gemäß dem dritten Beispiel zur Erläuterung der vorliegenden Erfindung verwendet wird.
14 ist eine Ansicht, die das Aussehen eines piezoelektrischen Elements zeigt, das in einem Beschleunigungssensor gemäß einem vierten Beispiel zur Erläuterung der vorliegenden Erfindung verwendet wird.
15 ist eine Draufsicht auf die Elektroden des piezoelektrischen Elements, das in dem Beschleunigungssensor gemäß dem vierten Beispiel zur Erläuterung der vorliegenden Erfindung verwendet wird.
16 ist eine Querschnittansicht des piezoelektrischen Elements, das in dem Beschleunigungssensor gemäß dem vierten Beispiel zur Erläuterung der vorliegenden Erfindung verwendet wird.
17 ist eine Draufsicht auf die Elektroden des piezoelektrischen Elements, das in dem Beschleunigungssensor gemäß dem vierten Beispiel zur Erläuterung der vorliegenden Erfindung verwendet wird.
18 ist eine Draufsicht auf die Elektroden des piezoelektrischen Elements, das in dem Beschleunigungssensor gemäß dem vierten Beispiel zur Erläuterung der vorliegenden Erfindung verwendet wird.
19 ist eine Draufsicht auf die Elektroden des piezoelektrischen Elements, das in dem Beschleunigungssensor gemäß einem weiteren Beispiel zur Erläuterung der vorliegenden Erfindung verwendet wird.
20 ist eine Draufsicht auf die Elektroden des piezoelektrischen Elements, das in dem Beschleunigungssensor gemäß dem Beispiel zur Erläuterung der vorliegenden Erfindung von 19 verwendet wird.
21 ist eine Draufsicht auf das Halteglied des Beschleunigungssensors gemäß dem Beispiel zur Erläuterung der vorliegenden Erfindung von 19.
22 ist eine Ansicht, die das Aussehen eines piezoelektrischen Elements zeigt, das in einem Beschleunigungssensor gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendet wird.
23 ist eine Querschnittansicht des piezoelektrischen Elements, das in dem Beschleunigungssensor gemäß der ersten bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendet wird.
24 ist eine Draufsicht auf die Elektroden des piezoelektrischen Elements, das in dem Beschleunigungssensor gemäß der ersten bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendet wird.
25(a) ist eine Ansicht, die das Aussehen des Beschleunigungssensors gemäß der ersten bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
25(b) ist eine Querschnittansicht des Beschleunigungssensors gemäß der ersten bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
26 ist eine Draufsicht auf ein Halteglied des Beschleunigungssensors gemäß der ersten bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
27 ist ein Blockdiagram, das eine Signalverarbeitung unter Verwendung des Beschleunigungssensors gemäß der ersten bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
28(a) ist eine Querschnittansicht eines piezoelektrischen Elements, das in einem Beschleunigungssensors gemäß einer zweiten bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendet wird.
28(b) ist eine Ansicht, die das Aussehen des piezoelektrischen Elements von 28(a) zeigt.
29 ist eine Draufsicht auf die Elektroden des piezoelektrischen Elements, das in dem Beschleunigungssensor gemäß der zweiten bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendet wird.
30 ist eine Ansicht, die das Aussehen eines piezoelektrischen Elements zeigt, das in einem Beschleunigungssensor gemäß einer dritten bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendet wird.
31 ist eine Draufsicht auf die Elektroden des piezoelektrischen Elements, das in einem Beschleunigungssensor gemäß der dritten bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendet wird.
32 ist eine Ansicht, die das Aussehen eines piezoelektrischen Elements zeigt, das in einem Beschleunigungssensor gemäß einer vierten bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendet wird.
33 ist eine Draufsicht auf die Elektroden des piezoelektrischen Elements, das in einem Beschleunigungssensor gemäß der vierten bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendet wird.
34 ist eine Ansicht, die das Aussehen eines piezoelektrischen Elements zeigt, das in einem Beschleunigungssensor gemäß einer fünften bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendet wird.
35 ist eine Draufsicht auf die Elektroden des piezoelektrischen Elements, das in einem Beschleunigungssensor gemäß der fünften bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendet wird.
36 ist eine Ansicht, die das Aussehen eines piezoelektrischen Elements zeigt, das in einem Beschleunigungssensor gemäß einer sechsten bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendet wird.
37 ist eine Draufsicht auf die Elektroden des piezoelektrischen Elements, das in einem Beschleunigungssensor gemäß der sechsten bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendet wird.
38 ist eine Draufsicht auf die Elektroden eines piezoelektrischen Elements, das in einem herkömmlichen Beschleunigungssensor verwendet wird.
39 ist eine Ansicht, die eine Signalverarbeitungsschaltung zeigt, die allgemein in einem Beschleunigungssensor verwendet wird.
40 ist eine Draufsicht auf die demontierten Elektroden des piezoelektrischen Elements, das in dem Beschleunigungssensor gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendet wird.
41 ist eine Schnittansicht, die das Element von 40 zeigt.
42 ist eine Ansicht, die das Aussehen des piezoelektrischen Elements von 40 zeigt.
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Im Folgenden werden Beispiele zur Erläuterung der Erfindung sowie bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung mit Bezug auf 1 bis 42 beschrieben.
<Erstes Beispiel>
1 ist eine Ansicht, die das Aussehen eines piezoelektrisches Elements zeigt, das in einem Beschleunigungssensor gemäß einem ersten Beispiel zur Erläuterung der vorliegenden Erfindung verwendet wird. Das piezoelektrische Element 100 wird in einer rechteckigen Form als ein Stapel aus den drei Schichten 4-1, 4-2 und 4-3 ausgebildet. Jede Schicht wird durch eine flache Keramik gebildet, die hauptsächlich Bleizirkonattitanat enthält. Die Schicht 4-1 und die Schicht 4-2 weisen beide eine Dicke von 50 μm (vorzugsweise zwischen 10 μm und 80 μm) auf, während die Schicht 4-2 eine Dicke von 100 μm aufweist. Weil die flachen Keramiken gestapelt und gesintert werden, ist jede Schicht dünner ausgebildet, sodass die elektrostatische Kapazität jeder Schicht größer ist als wenn die piezoelektrischen Keramikplatten miteinander gebondet sind. Zwei Elektroden 1a und 2a sind zueinander beabstandet auf der oberen Oberfläche der Schicht 4-1 derart angeordnet, wobei die Elektroden rechteckig ausgebildet sind und sich parallel zueinander in der Längsrichtung erstrecken. Außerdem, was jedoch in 1 nicht gezeigt ist, ist eine Elektrode 3b (die ein Teil einer gemeinsamen Elektrode ist) auf der unteren Oberfläche der Schicht 4-3 ausgebildet. Die Elektrode 1a und eine Elektrode 2b sind nebeneinander in einem Teil der Kantenoberflächen (d. h. der linken, vorderen Seite in 1) ausgebildet. Die Elektroden sind alle aus Silber und weisen eine Dicke von 1.000 A (Angström, im Folgenden einfach als „A" angegeben) bis 10.000 A auf.
2 ist eine Querschnittansicht des piezoelektrischen Elements 100 entlang der Linie X-X' in dem Elektrodenteil 1a. 3 ist eine Draufsicht auf die Elektroden der entsprechenden Schichten. Die Elektroden 1b und 2b, die zwischen den Schichten 4-2 und 4-3 ausgebildet sind, weisen annähernd dieselbe Form auf und sind ähnlich unterteilt wie die Elektroden 1a und 2a auf der Oberfläche der Schicht 4-1, sodass sie jeweils mit einer rechteckigen Form ausgebildet sind und sich parallel in der Längsrichtung erstrecken. Die Elektrode 1a ist an einer Kantenoberfläche mit der Elektrode 1b verbunden, die zwischen den Schichten 4-2 und 4-3 ausgebildet ist. Obwohl nicht in 2 gezeigt, ist die Elektrode 2a wie die Elektrode 1 auf ähnliche Weise mit der internen Elektrode 2b verbunden. Entsprechend sind die Elektrode 3b auf der unteren Oberfläche und die Elektrode 3a (d. h. ein Teil der gemeinsamen Elektrode) zwischen den Schichten 4-1 und 4-2 an gegenüberliegenden Kantenoberflächen mit der Elektrode 1 verbunden. Für die Verbindung sind die Elektroden 1a, 2a, 1b und 2b derart ausgebildet, dass sie sich zu einer Kante (auf der linken Seite in 1) erstrecken. Die Elektroden 1b und 2b sind etwas von der Kante auf der rechten Seite in 1 zurückgezogen, um einen Kurzschluss mit dem Verbindungsteil zu der Elektrode 3 zu verhindern. Entsprechend sind die Elektroden 3a und 3b derart ausgebildet, dass sie sich zu der Kante auf der rechten Seite in 1 erstrecken, wobei sie jedoch etwas von der Kante auf der linken Seite in 1 zurückgezogen sind.
Die Schichten 4-1 und 4-3 sind polarisiert, wobei die Polarisationsrichtungen einander entgegengesetzt sind. Die Schicht 4-2 ist nicht polarisiert.
Wenn die entsprechenden Elektroden auf diese Weise verbunden werden, wird eine Impedanz, die durch die Schicht 4-1 und die Elektroden 1a und 3a auf beiden Oberflächen der Schicht 4-1 gebildet wird, elektrisch parallel mit einer Impedanz verbunden, die durch die Schicht 4-3 und die Elektroden 1b und 3b auf beiden Oberflächen der Schicht 4-3 gebildet wird. Daher entspricht die elektrostatische Kapazität des piezoelektrischen Elements als ganzem der Summe der elektrostatischen Kapazitäten der entsprechenden Schichten. Weil weiterhin die entsprechenden Schichten übereinander gestapelt sind, müssen die entsprechenden Schichten als ganzes nur eine vorbestimmte Stärke aufrechterhalten, sodass jede einzelne Schicht als eine dünne Schicht ausgebildet werden kann, wodurch die elektrostatische Kapazität erhöht wird. Weil außerdem die elektrostatischen Kapazitäten der entsprechenden Schichten summiert werden, um die elektrostatische Gesamtkapazität vorzusehen, kann eine größere elektrostatische Kapazität erhalten werden als bei einem piezoelektrischen Element, das nur durch eine einzige Schicht mit derselben Dicke gebildet wird.
4 ist eine Querschnittansicht des Beschleunigungssensors, der das piezoelektrische Element von 1 bis 3 verwendet. Das piezoelektrische Element 100, das an einem zentralen Teil in der Längsrichtung durch Halteglieder 7a und 7b gehalten wird, ist in einem Behälter 12 untergebracht. Der Behälter 12 besteht aus Aluminiumoxid. Außerhalb des Behälters 12 sind externe Elektroden 9a, 9b und 9c angeordnet. Die externen Elektroden 9a, 9b und 9c werden erhalten, indem Lotschichten aus Ni ausgebildet werden. Die externen Elektroden 9a, 9b und 9c sind über die Halteglieder 7a und 7b jeweils mit den Elektroden 1a, 2a und 3b verbunden, sodass elektrische Ladungen rückgeführt werden können, die durch eine Beschleunigung außerhalb des Behälters 12 erzeugt werden.
5 ist eine Ansicht, die einen Zustand zeigt, in dem das Halteglied 7a an dem piezoelektrischen Element befestigt ist (nur eine Befestigungskante des Haltgliedes 7a ist gezeigt). Leitende Schichten 8a und 8b sind an dem Halteglied 7a an einer Kontaktoberfläche mit dem piezoelektrischen Element wie in 5 gezeigt angeordnet. Die leitenden Schichten 8a und 8b kontaktieren die Elektroden 1a und 2a, die auf der Oberfläche des piezoelektrischen Elements 100 angeordnet sind. Weiterhin sind die leitenden Schichten 8a und 8b elektrisch mit den externen Elektroden 9a und 9b verbunden, um die elektrischen Ladungen rückzuführen. Die leitende Schicht 8 und die Elektroden 1a und 2a können unter Verwendung eines leitenden Klebers miteinander gebondet werden.
Wenn das piezoelektrische Element mit einer rechteckigen Form verwendet wird und eine Beschleunigung in der Richtung parallel zu einem Substrat, auf dem der Beschleunigungssensor angebracht ist, festgestellt werden soll, muss das piezoelektrische Element annähernd senkrecht zu dem Substrat angebracht werden. Mit anderen Worten muss die Elektrodenoberfläche des piezoelektrischen Elements 100 ungefähr senkrecht zu dem Montagesubstrat sein. Auch wenn das piezoelektrische Element mit einer rechteckigen Form aufrecht montiert wird, ist die Höhe des Beschleunigungssensors nicht hoch, sodass ein Beschleunigungssensor mit kleinen Abmessungen realisiert werden kann.
6 ist eine Ansicht, die die Prinzipien der Operationen des Beschleunigungssensors zeigt. Bei einer Beschleunigung in der vertikalen Richtung biegt sich das wie in 6 gezeigt an dem zentralen Teil angebrachte piezoelektrische Element 100 und vibriert. Dabei dehnt sich eine der zwei Oberflächenschichten der insgesamt drei Schichten, während sich die andere Oberflächenschicht kontrahiert, wodurch eine Verzerrung erzeugt wird. In diesem Beispiel dehnt sich die Schicht 4-1 und kontrahiert sich die Schicht 4-3, wobei die Verzerrung elektrische Ladungen erzeugt. Weil die Polarisationsrichtungen der Schicht 4-1 und der Schicht 4-3 entgegengesetzt sind, werden elektrische Ladungen derselben Polarität an den Elektroden 1a, 1b, den Elektroden 2a, 2b und den Elektroden 3a, 3b erhalten. Die an der Schicht 4-1 und der Schicht 4-3 erzeugten elektrischen Ladungen werden addiert, sodass eine große Menge von elektrischen Ladungen erhalten werden kann.
Während wie oben beschrieben eine große Verzerrung zwischen der vorderen Oberfläche und der hinteren Oberfläche des piezoelektrischen Elements erzeugt wird, kann aufgrund der Anordnung der polarisierten piezoelektrischen Gliedschichten in diesem Beispiel auch die Empfindlichkeit erhöht werden.
7 ist ein Blockdiagramm einer Beschleunigungsfeststellungsvorrichtung, die eine Selbstdiagnosefunktion unter Verwendung eines Beschleunigungssensors aufweist. Während der Selbstdiagnose werden die Elektroden 2a und 2b als Ansteuerelektrode verwendet und werden die Elektroden 1a und 1b als Schwingungserfassungselektrode verwendet. Die externe Elektrode 9b ist mit einer Ansteuerschaltung 10a verbunden, um eine Schwingung für die Selbstdiagnose zu erzeugen. Die Ansteuerschaltung 10a erzeugt eine Wechselspannung, die an der Elektrode 2, d. h. an der Ansteuerelektrode zum Ansteuern des piezoelektrischen Elements, und an der Elektrode 3 über die externen Elektroden 9b und 9c angelegt wird. Die Wechselspannung entwickelt elektrische Felder innerhalb der Schicht 4-1 und der Schicht 4-3. Obwohl die elektrischen Felder in derselben Richtung angelegt werden, werden wegen der unterschiedlichen Polarisationsrichtungen Verzerrungen in entgegengesetzten Richtungen erzeugt, sodass sich das piezoelektrische Element als ganzes biegt und vibriert. Die Schwingung erzeugt wie oben beschrieben elektrische Ladungen, die durch die Elektroden 1a und 1b, die als Schwingungserfassungselektrode dienen, sowie durch die Elektroden 3a und 3b festgestellt werden. Die festgestellten elektrischen Ladungen werden zu den externen Elektroden 9a und 9c geführt, die mit einer Impedanzwandlungsschaltung 10b verbunden sind. Die Impedanzwandlungsschaltung 10b wird allgemein durch einen FET oder ähnliches gebildet. Eine Ausgabespannung aus der Impedanzwandlungsschaltung 10b wird zu einer Beschleunigungsfeststellungsschaltung und einer Anormalitätsfeststellungsschaltung 10c geführt, die bestimmt, ob das piezoelektrische Element anormal ist. Allgemein wird die Anormalitätsfeststellungsschaltung 10c durch ein Hochpassfilter, ein Tiefpassfilter, eine Glättungsschaltung, einen Vergleichen usw. gebildet. Eine Anormalitätsdiagnose wird realisiert, indem entschieden wird, ob die Anormalitätsfeststellungsschaltung 10b eine Spannung in Entsprechung zu einem vorbestimmten Wert in Reaktion auf die Wechselspannung aus dem Sender 10a ausgibt. Wenn das piezoelektrische Element anormal ist, gibt die Anormalitätsfeststellungsschaltung eine Anweisung aus, die eine Verarbeitung für die Handhabung der Anormalität fordert.
Weil der Ansteuerelektrodenteil gestapelt ist, ist jede Schicht dünn und weist ein großes elektrisches Feld auf. Deshalb kann eine Wechselspannung mit einer kleinen Amplitude von der Oszillationsschaltung zugeführt werden, um ein Biegen und Vibrieren mit einer großen Amplitude zu erhalten, wodurch die Genauigkeit der Selbstdiagnose verbessert wird.
Weil die Ansteuerelektrode weiterhin derart ausgebildet ist, dass sie sich entlang der gesamten Länge des piezoelektrischen Elements in der Längsrichtung erstreckt, kann eine Verzerrung des gesamten piezoelektrischen Elements vorgesehen werden. Es kann also effizient eine Schwingung erzeugt werden, um auch bei einer niedrigen Spannung eine genaue Selbstdiagnose durchzuführen.
Außerdem wird auch der Feststellungselektrodenteil geschichtet, sodass die elektrostatische Kapazität groß ist. Es ist also möglich, eine Schwingung festzustellen, die durch die Oszillationsschaltung mit einer hohen Empfindlichkeit induziert wird, ohne dass hierfür ein hoher Widerstand für die Impedanzwandlungsschaltung verwendet werden muss, weshalb wiederum eine genaue Selbstdiagnose in einem breiten Frequenzbereich durchgeführt werden kann.
Weil die durch das Stapeln der dünnen Schichten gebildeten Kondensatoren parallel miteinander in dem piezoelektrischen Element 100 verbunden werden, ist auch während der regulären Feststellung einer Beschleunigung die elektrostatische Kapazität des piezoelektrischen Elements als ganzes groß. Weiterhin kann jede Schicht dünn ausgebildet werden, ohne dass dadurch die mechanische Stärke des piezoelektrischen Elements als ganzes beeinträchtigt wird. Es ist deshalb möglich, eine ausreichend hohe Empfindlichkeit zu erhalten, um mit einer Beschleunigung mit einer niedrigen Frequenz umzugehen, sodass ohne einen hohen Widerstand gemessen werden kann.
Während der regulären Feststellung einer Beschleunigung können die Ansteuerelektroden 2a und 2b sowie die Schwingungserfassungselektroden 1a und 1b als Elektrode zum Feststellen einer Beschleunigung verwendet werden, die mit der Impedanzwandlungsschaltung verbunden ist, um eine noch höhere Empfindlichkeit zu erhalten.
Obwohl die Schicht 4-2 nicht polarisiert ist, kann aufgrund der Anordnung der Schicht, auch wenn die Schicht 4-1 und die Schicht 4-3 extrem dünn ausgebildet sind, die Stärke des piezoelektrischen Elements als ganzem aufrechterhalten werden. Weiterhin sieht die Schicht 4-2 den Effekt einer Erhöhung der elektrostatischen Kapazität vor.
Das Verfahren zum Halten des piezoelektrischen Elements ist nicht darauf beschränkt, dass das piezoelektrische Element an dem Zentrum gehalten wird, sondern es kann auch an nur einem Ende oder an beiden Enden gehalten werden.
Die Selbstdiagnoseschaltung und die Impedanzwandlungsschaltung sind nicht auf die in 7 gezeigten beschränkt.
Die Polarisationsrichtungen sind nicht auf die in den Zeichnungen gezeigten beschränkt. Es ist lediglich erforderlich, dass die Polarisationsrichtungen einander entgegengesetzt sind.
Die Elektroden 1a und 1b können als die Ansteuerelektrode verwendet werden, und die Elektroden 2a und 2b können als die Feststellungselektrode verwendet werden.
Die Schichten müssen nicht dieselbe Dicke aufweisen, wobei es jedoch vorteilhaft ist, wenn die Schicht 4-1 und die Schicht 4-3 ungefähr dieselbe Dicke aufweisen. Die Schicht 4-2 kann dicker als die anderen Schichten sein, wobei in diesem Fall die Schicht 4-2 zu einer Verbesserung der Widerstandsfähigkeit gegenüber Stößen beiträgt.
<Zweites Beispiel>
8 ist eine Querschnittansicht eines piezoelektrischen Elements eines Beschleunigungssensors gemäß einem anderen Beispiel zur Erläuterung der vorliegenden Erfindung. Das piezoelektrisch Element 102 ist in einer rechteckigen Form als ein Stapel aus den drei Schichten 14-1, 14-2 und 14-3 ausgebildet. Die Schichten 14-1 und 14-3 sind polarisiert, wobei die Polarisationsrichtungen gleich sind. 9 ist eine Draufsicht auf die Elektroden des piezoelektrischen Elements. Die Elektroden 11a und 11b und die Elektroden 12a und 12b sind parallel zueinander auf der oberen Oberfläche und der unteren Oberfläche des piezoelektrischen Elements ausgebildet, und jeweils an Kantenoberflächen miteinander verbunden. Die Elektroden 13a und 13b sind innerhalb des piezoelektrischen Elements annähernd über der gesamten Oberfläche mit Ausnahme der Kantenoberflächen und der Teile ausgebildet, die als Verbindungsteile zu den Elektroden 11 und 12 dienen, und sind auf der den Verbindungsteilen gegenüberliegenden Seite mit den Elektroden 11 und 12 verbunden. Ein durch die Schicht 14-1 gebildeter Kondensator und ein durch die Schicht 14-3 gebildeter Kondensator sind parallel miteinander verbunden. Die elektrostatische Kapazität entspricht der Summe der elektrostatischen Kapazitäten der entsprechenden Schichten und ist dementsprechend hoch.
Die Schichten 14-1, 14-2 und 14-3 sind jeweils aus einer Keramik ausgebildet, die hauptsächlich Bleizirkionattitanat enthält. Silber wird für die Elektroden verwendet.
Obwohl die Polarisationsrichtungen der Schichten 14-1 und 14-3 gleich sind, werden, weil die Elektroden in einer anderen Richtung als in 2 gezeigt verbunden sind, elektrische Ladungen derselben Polarisation an der Elektrode 11a und der Elektrode 11b aufgrund eines Biegens und Vibrierens erzeugt, sodass eine Beschleunigung festgestellt werden kann.
Die Schicht 14-2 spielt eine Rolle dabei, die Stärke des piezoelektrischen Elements 102 und damit die Widerstandsfähigkeit gegenüber Stößen zu erhöhen.
In dem ersten Beispiel wird eine Impedanz, die durch die unpolarisierte Schicht 4-2 in der Mitte und durch die Elektroden 3a, 1b gebildet wird, elektrisch parallel mit der Impedanz, die durch die Schicht 4-1 und die Elektroden 1a, 3a gebildet wird, sowie mit der Impedanz, die durch die Schicht 4-3 und die Elektroden 1b, 3b gebildet wird, verbunden, wobei die Impedanz der unpolarisierten Schicht 4-2 als Gesamtimpedanz des gesamten Elements dient. Aber die derart unpolarisierte Schicht 4-2 erzeugt keine elektrische Ladung, wenn sie eine Beschleunigung erfährt, sodass die elektrische Ladung die Ausgabe reduziert und die Empfindlichkeit des Sensors vermindert. Weil jedoch die Schicht 4-2 gemäß dem zweiten Beispiel mit der gegenüberliegenden Oberfläche zwischen den Elektroden 13a und 13b angeordnet ist, wird die elektrostatische Kapazität dieser Schicht nicht zu den elektrostatischen Kapazitäten der Schicht 14-1 und der Schicht 14-2 addiert, sodass dementsprechend die Empfindlichkeit erhöht wird.
Die Selbstdiagnose wird ähnlich wie in 7 gezeigt durchgeführt, wobei die Elektrode 11 als Schwingungserfassungselektrode und die Elektrode 12 als Ansteuerelektrode verwendet werden.
Eine leitende Schicht zum Rückführen der elektrischen Ladungen von den Elektroden wird durch die Halteglieder ähnlich wie in 5 gezeigt vorgesehen.
<Drittes Beispiel>
10 ist eine Ansicht, die das Aussehen eines piezoelektrischen Elements eines Beschleunigungssensors gemäß einem weiteren Beispiel zur Erläuterung der vorliegenden Erfindung zeigt, und 11 ist eine Draufsicht auf die Elektroden in entsprechenden Schichten des piezoelektrischen Elements.
Das piezoelektrische Element 200 ist in einer rechteckigen Form ausgebildet und weist einen Stapelaufbau aus den drei Schichten 24-1, 24-2 und 24-3 auf. Die Schichten 24-1 und 24-3 sind in einander entgegengesetzten Richtungen polarisiert.
Die Elektroden 21a und 22a sind auf der oberen Oberfläche des piezoelektrischen Elements angeordnet, eine Elektrode 23a ist zwischen der Schicht 24-1 und der Schicht 24-2 angeordnet, Elektroden 21b und 22b sind zwischen der Schicht 24-2 und der Schicht 24-3 angeordnet, und eine Elektrode 23b ist auf der unteren Oberfläche angeordnet. Die Elektroden 21a und 22a sind jeweils auf der linken Seite und der rechten Seite annähernd in einer symmetrischen Konfiguration mit Bezug auf das Zentrum des piezoelektrischen Elements in der Längsrichtung ausgebildet. Die Elektroden 21b und 22b weisen annähernd dieselben Formen auf wie die Elektroden 21a und 22a. Die Elektroden 21a und 21b sind miteinander an einer Kantenoberfläche entlang der längeren Seiten des piezoelektrischen Elements 200 verbunden, genauso wie die Elektroden 22a und 22b. Die Elektroden 23a und 23b sind annähernd über die gesamte Oberfläche des piezoelektrischen Elements 200 mit Ausnahme der Verbindungsteile mit den Elektroden 21 und 22 angeordnet und an Seitenoberflächen entlang der kürzeren Seiten miteinander verbunden.
Da die Elektroden derart miteinander verbunden sind, sind ein Kondensator, der durch die Schicht 24-1 gebildet wird, und ein Kondensator, der durch die Schicht 24-3 gebildet wird, parallel zueinander verbunden, wodurch die elektrostatische Kapazität des piezoelektrischen Elements erhöht wird. Weil es sich weiterhin um einen gestapelten Aufbau handelt und die nicht polarisierte Schicht 24-2 die Widerstandsfähigkeit gegenüber Stößen erhöht, kann jede der Schichten dünn ausgebildet werden und kann die elektrostatische Kapazität erhöht werden.
Die Elektrode 21 weist eine wie 11 gezeigte Form auf, deren oberer Teil sich vom Zentrum nach links erstreckt und deren unterer Teil nach rechts zurückgezogen ist. Die Elektrode 21 ist genau entgegengesetzt geformt. Derartige gestufte Formen werden gewählt, um elektrische Ladungen einfach von den Elektroden zurückzuführen. Das piezoelektrische Element 200 wird an seinem Zentrum in der Längsrichtung ähnlich wie in 4 gehalten. 12 zeigt den Aufbau einer leitenden Schicht an einer Oberfläche, die eine Elektrodenoberfläche eines Halteglieds kontaktiert. Das Halteglied 27 umfasst leitende Schichten 28a und 28b, die jeweils die Elektroden 21a und 22a für eine elektrische Verbindung kontaktieren. Ähnlich wie in 4 sind die leitenden Schichten 28a und 28b mit externen Elektroden des Behälters verbunden. Dadurch können elektrische Ladungen zurückgeführt werden, die an den Elektroden 21a und 22a außen erzeugt werden.
Dieser Aufbau der Elektroden erfordert lediglich, dass ein Zwischenraum für die Isolation der Elektroden an der Position des Halteteils vorgesehen wird, wobei die Elektroden jedoch über die gesamte Breite der andren Oberfläche des piezoelektrischen Elements ausgebildet werden können, sodass die elektrostatische Kapazität pro Oberfläche erhöht werden kann.
Die Operationen zum Feststellen einer Beschleunigung sind den in 6 gezeigten ähnlich.
Weiterhin ist eine Selbstdiagnose mittels einer Schaltung möglich, die derjenigen von 7 ähnlich ist, wobei die Elektrode 21 als Schwingungserfassungselektrode und die Elektrode 22 als Ansteuerelektrode verwendet werden. Wen durch die Oszillationsschaltung eine Wechselspannung an der Elektrode 22 angelegt wird, wird das piezoelektrische Element 200 als ganzes gebogen und vibriert, da es am Zentrum gehalten wird. Die Schwingung wird durch die Schwingungserfassungselektrode festgestellt, und eine Fehlfunktion wird in Übereinstimmung mit einer Ausgabespannung aus der Schwingungserfassungselektrode diagnostiziert. Weil der Schwingungserfassungsteil und der Ansteuerteil beide einen gestapelten Aufbau aufweisen, weisen beide Teile hohe elektrostatische Kapazitäten auf, wodurch eine Selbstdiagnose auch dann realisiert werden kann, wenn die Frequenz niedrig ist.
Die Materialien zum Ausbilden der Schichten und Elektroden sind den in dem ersten Beispiel verwendeten ähnlich.
Eine Selbstdiagnose kann unter Verwendung der Elektrode 21 als Ansteuerelektrode und der Elektrode 22 als Schwingungserfassungselektrode durchgeführt werden.
Anstatt weiterhin die Elektroden 21a und 21b an den längeren Seiten der Elektroden zu verbinden, kann ein Verbindungsteil 21c für die Elektrode 21 entlang der Kanten der längeren Seiten wie in 13 gezeigt ausgebildet werden, sodass die Elektroden 21a und 21b miteinander verbunden werden, während die Elektroden 22a und 22b an Kanten der kürzeren Seiten miteinander verbunden werden.
<Viertes Beispiel>
14 ist eine Ansicht, die das Aussehen eines piezoelektrischen Elements eines Beschleunigungssensors gemäß einem weiteren Beispiel zur Erläuterung der vorliegenden Erfindung zeigt, und 15 ist eine Draufsicht auf die Elektroden in entsprechenden Schichten des piezoelektrischen Elements.
Das piezoelektrische Element 300 ist als eine Scheibe ausgebildet, die ein Durchgangsloch 35 im Zentrum sowie einen gestapelten Aufbau mit den Schichten 34-1, 34-2 und 34-3 aufweist. Die Schichten 34-1 und 34-2 sind in entgegengesetzten Richtungen polarisiert.
Die Elektroden 31a und 32a sind auf der oberen Oberfläche des piezoelektrischen Elements 300 angeordnet, eine Elektrode 33a ist zwischen der Schicht 34-1 und der Schicht 34-2 angeordnet, Elektroden 31b und 32b sind zwischen der Schicht 34-2 und der Schicht 34-3 angeordnet, und eine Elektrode 33b ist auf der unteren Oberfläche angeordnet. Die Elektroden 31a und 32a sind konzentrisch mit dem Zentrum des piezoelektrischen Elements angeordnet. Die Elektroden 31b und 32b weisen annähernd dieselben Formen auf wie die Elektroden 31a und 32a. Die Elektroden 31a und 31b sind miteinander an einer Kantenoberfläche eines inneren peripheren Teils des piezoelektrischen Elements 300 verbunden Die Elektroden 32a und 32b sind miteinander an einer Kantenoberfläche eines äußeren peripheren Teils des piezoelektrischen Elements verbunden. Die Elektroden 33a und 33b sind annähernd über die gesamte Oberfläche des piezoelektrischen Elements 200 mit Ausnahme der Verbindungsteile zu den Elektroden 31 und 32 angeordnet und an Seitenoberflächen auf dem äußeren peripheren Teil miteinander verbunden. Da die Elektroden derart miteinander verbunden sind, sind ein Kondensator, der durch die Schicht 34-1 gebildet wird, und ein Kondensator, der durch die Schicht 34-3 gebildet wird, parallel zueinander verbunden, wodurch die elektrostatische Kapazität des piezoelektrischen Elements erhöht wird. Weil es sich weiterhin um einen gestapelten Aufbau handelt und die nicht polarisierte Schicht 34-2 die Widerstandsfähigkeit gegenüber Stößen erhöht, kann jede der Schichten dünn ausgebildet werden und kann die elektrostatische Kapazität erhöht werden. Die Materialien zum Ausbilden der Schichten und Elektroden sind den in dem ersten Beispiel verwendeten ähnlich.
16 ist eine Querschnittansicht eines Beschleunigungssensors, der das piezoelektrische Element 300 verwendet. Das piezoelektrische Element 300 wird an einem zentralen Teil durch ein Halteglied 37 gehalten, das sich durch das Durchgangsloch 35 des piezoelektrischen Elements 300 erstreckt und das piezoelektrische Element 300 an den beiden Oberflächen des piezoelektrischen Elements 300 unterdrückt. Die Prinzipien für die Feststellung sind denjenigen von 6 ähnlich. Bei einer Beschleunigung in der vertikalen Richtung von 16 biegt sich das am Zentrum gehaltene piezoelektrische Element und vibriert. Eine dabei verursachte Verzerrung erzeugt elektrische Ladungen, wodurch die Beschleunigung festgestellt werden kann. Weil die Schichten 34-1 und 34-3 in entgegengesetzten Richtungen polarisiert werden, werden elektrische Ladungen derselben Polarität an den miteinander verbundenen Elektroden der Schichten erzeugt.
Die Elektrode 32a und die Elektrode 33c, die eine in dem Halteglied 37 (nicht gezeigt) angeordnete leitende Schicht kontaktieren, sind elektrisch miteinander verbunden. Weil weiterhin die leitende Schicht 8 mit den externen Elektroden 39a und 39c verbunden ist, werden elektrische Ladungen nach außen zurückgeführt. Die Elektrode 33b ist mit der externen Elektrode 39b über eine Verdrahtung (nicht gezeigt) verbunden.
Wenn keine Verdrahtung zu der Elektrode an dem äußeren peripheren Teil verwendet werden soll, können die auf der Oberfläche des piezoelektrischen Elements ausgebildeten Elektroden 31a und 31b mit anderen Formen vorgesehen werden. 17 ist eine Draufsicht, die einen anderen Aufbau der Elektroden auf der Oberfläche des piezoelektrischen Elements zeigt. Eine Kerbe ist teilweise in der Elektrode 21a ausgebildet, und es ist ein Verbindungsteil 32c für die Verbindung der Elektrode 32a mit dem zentralen Teil angeordnet. Der Aufbau der Elektroden ist ansonsten ähnlich wie der in 15 gezeigte. Weil der Verbindungsteil 32c derart ausgebildet ist, dass er sich zu dem zentralen Teil des piezoelektrischen Elements erstreckt, und weil eine leitende Schicht in dem Halteglied 37 ausgebildet ist und durch den leitenden Teil 32c leitend gemacht wird, kann die elektrische Verbindung mit der externen Elektrode 39b ohne eine Verdrahtung sichergestellt werden. Obwohl die Elektroden in komplexen Formen ausgebildet sind, kann der Beschleunigungssensor einfach hergestellt und mit einer kleinen Form ausgebildet werden, weil keine Verdrahtung erforderlich ist.
Eine Selbstdiagnose wird ähnlich wie in 7 gezeigt durchgeführt. Für die Selbstdiagnose, bei der die Elektrode 32 als Ansteuerelektrode verwendet wird, wird durch die Oszillationsschaltung eine Wechselspannung zwischen der Elektrode 32 und der Elektrode 33 angelegt, sodass sich das piezoelektrische Element biegt und vibriert. Die Schwingung wird unter Verwendung der Elektrode 32 als Schwingungserfassungselektrode zu einer Spannung gewandelt, und es wird eine Fehlfunktion diagnostiziert. Der gestapelte Aufbau der dünnen Schichten erhöht die elektrostatischen Kapazitäten, sodass auch bei einer niedrigen Frequenz eine genaue Selbstdiagnose realisiert werden kann.
Es kann jedoch auch ein Beschleunigungssensor erhalten werden, ohne dass ein Loch in dem piezoelektrischen Element ausgebildet wird. 18 ist eine Draufsicht auf die Elektroden in einem Aufbau, in dem kein Durchgangsloch in dem piezoelektrischen Element ausgebildet ist. Die Schichtstruktur und ähnliches des piezoelektrischen Elements mit Ausnahme der Elektroden sind ähnlich wie in 14. Die Elektrode 31 ist kreisförmig am Zentrum des piezoelektrischen Elements ausgebildet, während die Elektrode 32 in einer konzentrischen Torusform ausgebildet ist. Die Elektrode 32a ist mit der Elektrode 32b, die zwischen der Schicht 34-2 und der Schicht 34-3 angeordnet ist, über den an den Kanten der längeren Seiten angeordneten Verbindungsteil 32c verbunden. Ein Verbindungsteil 31d mit einer schmalen Breite erstreckt sich von der Elektrode 31a zu dem äußeren peripheren Teil. Auf ähnliche Weise erstreckt sich ein Verbindungsteil 31c zu der Elektrode 31b, die zwischen der Schicht 34-2 und der Schicht 34-3 angeordnet ist. Der Verbindungsteil 31c und der Verbindungsteil 31d sind elektrisch an dem äußeren peripheren Teil verbunden, wodurch die Elektroden 31a und 31b leitend miteinander verbunden sind. Die Elektrode 33a, die zwischen der Schicht 34-1 und der Schicht 34-2 angeordnet ist, ist mit der an der unteren Oberfläche des piezoelektrischen Elements angeordneten Elektrode 33b über einen Verbindungsteil 33c verbunden, der an einer Kante des äußeren peripheren Teils des piezoelektrischen Elements angeordnet ist. Weiterhin ist ähnlich wie in 17 gezeigt ein Verbindungsteil 32c für die Leitung von der Elektrode 32 und dem zum Halten am Zentrum vorgesehenen Halteglied ausgebildet.
Die Elektrode 32 kann als Feststellungselektrode verwendet werden, und die Elektrode 31 kann als Ansteuerelektrode verwendet werden.
<Fünftes Beispiel>
19 ist eine Ansicht, die das Aussehen eines piezoelektrischen Elements eines Beschleunigungssensors gemäß einem weiteren Beispiel zur Erläuterung der vorliegenden Erfindung zeigt, 20 ist eine Draufsicht auf Elektroden in entsprechenden Schichten des piezoelektrischen Elements, und 21 ist eine Draufsicht auf ein Halteglied des Beschleunigungssensor gemäß diesem Beispiel.
Eine Elektrode 1a ist an einem zentralen Teil des Elements entlang der längeren Seiten des piezoelektrischen Elements 100 angeordnet, und die andere Elektrode 2a ist an einem peripheren Teil angeordnet. Die an einem peripheren Teil angeordnete Elektrode 2a ist über einen Verbindungsteil 10 verbunden, der an einer Kante angeordnet ist. Wenn man annimmt, dass in diesem Aufbau die Elektrode 1a an der Innenseite die Ansteuerelektrode ist, erstreckt sich die Ansteuerelektrode über die gesamte Länge entlang der längeren Seiten und ist an dem zentralen Teil angeordnet, sodass eine gleichmäßigere Ansteuerung für das gesamte Element vorgesehen werden kann als bei dem anderen Elektrodenaufbau. Deshalb kann eine Selbstdiagnose in einem Zustand durchgeführt werden, der einer einwirkenden Beschleunigung näher ist. Die Rückführung von den Elektroden zu externen Elektroden wird durch leitende Schichten 8a und 8b realisiert, die in einem Halteglied 7a ausgebildet sind. Für die Verbindung mit der im zentralen Teil ausgebildeten Elektrode 1a kann eine Isolationsschicht 9 auf den Elektroden derart angeordnet werden, dass ein Kurzschluss mit der Elektrode 2a an dem peripheren Teil verhindert wird. Die Isolationsschicht kann ein SiO₂-Film, ein Si₃Ni₄-Film, ein Polyimidfilm usw. sein. Alternativ hierzu kann ein Isolationskleber wie etwa ein Epoxidharz oder ein Silikonharz aufgetragen werden, um die Isolationsschicht zu erhalten. Außerdem kann eine Verbindung mit der Elektrode des peripheren Teils durch eine Erstreckung zu der externen Elektrode anstelle des Verbindungsteils für die Elektrodenoberfläche realisiert werden.
<Erste bevorzugte Ausführungsform>
22 ist eine Ansicht, die das Aussehen eines piezoelektrischen Elements zeigt, das in einem Beschleunigungssensor gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendet wird.
Das piezoelektrische Element 100 weist einen rechteckigen Aufbau auf, der durch einen Stapel aus den drei Schichten 4-1, 4-2 und 4-3 gebildet wird. Jede Schicht wird durch eine flache Keramik gebildet, die hauptsächlich Bleizirkonatitanat enthält. Die Schicht 4-1 und die Schicht 4-3 weisen eine Dicke von 50 μm auf, während die Schicht 4-2 eine Dicke von 100 μm aufweist. Vorzugsweise liegt die Dicke der Schichten zwischen ungefähr 10 und 100 μm. Die Gesamtdicke liegt vorzugsweise zwischen 150 und 350 μm. Weil flache Keramiken gestapelt und gesintert werden, ist jede Schicht dünner ausgebildet, sodass die elektrostatische Kapazität jeder Schicht größer ist als wenn piezoelektrische Keramikplatten miteinander gebondet werden. Die Elektroden 1a und 2a sind zueinander beabstandet auf der oberen Oberfläche der Schicht 4-1 angeordnet. Die Elektrode 1a ist in der Nähe eines zentralen Halteteils ist angeordnet, um als Schwingungserfassungselektrode zu dienen. Die Elektrode 2a ist an beiden Kanten des Rechtecks in der Längsrichtung ausgebildet, um als Ansteuerelektrode für die Selbstdiagnose zu dienen. Die Ansteuerelektroden an den beiden Kanten sind miteinander über einen Verbindungsteil verbunden, der entlang der längeren Seiten des piezoelektrischen Elements ausgebildet ist. Obwohl nicht in 22 gezeigt, ist weiterhin eine Elektrode 3b an der unteren Oberfläche der Schicht 4-3 ausgebildet. Die Elektrode 1a und die Elektrode 2b sind aneinander anschließend in einem Teil an den Kantenoberflächen ausgebildet. In Abhängigkeit von der Sintertemperatur wird Silberpalladium für die interne Elektrode und die Oberflächenelektrode verwendet und wird Silber für die Elektroden an den Kantenoberflächen verwendet.
23 ist eine Querschnittansicht des piezoelektrischen Elements 100 entlang der Längsrichtung. 24 ist eine Draufsicht auf die Elektroden in den entsprechenden Schichten. Die Elektroden 1b und 2b, die zwischen der Schicht 4-2 und der Schicht 4-3 angeordnet sind, weisen annähernd dieselben Formen auf wie die Elektroden 1a und 2a, die auf der Oberfläche der Schicht 4-1 angeordnet sind. Die Elektrode 1b ist in der Nachbarschaft des zentralen Halteteils ausgebildet und dient als Schwingungserfassungselektrode. Die Elektrode 2b ist mit den beiden Kanten des Rechtecks in der Längsrichtung durch das Zentrum der längeren Seiten des piezoelektrischen Elements verbunden und dient als Ansteuerelektrode für die Selbstdiagnose. Obwohl nicht in 22 gezeigt, ist die Elektrode 1a mit der Elektrode 1b verbunden, die zwischen der Schicht 4-2 und der Schicht 4-3 an der Kantenoberfläche angeordnet ist, während die Elektrode 2a mit der internen Elektrode 2b verbunden ist. In ähnlicher Weise sind die Elektrode 3b an der unteren Oberfläche und die Elektrode 3a, die zwischen der Schicht 4-1 und der Schicht 4-2 angeordnet ist, miteinander an der zur Elektrode 1 gegenüberliegenden Seite verbunden. Um einen Kurzschluss zwischen den Elektroden 1a, 1b und dem Verbindungsteil oder einen Kurzschluss zwischen den Elektroden 2a, 2b und dem Verbindungsteil zu verhindern, ist die Elektrode 3a etwas von der Kante zurückgezogen.
Die Schichten 4-1 und 4-3 sind polarisiert, wobei die Polarisationsrichtungen einander entgegengesetzt sind. Die Schicht 4-2 ist nicht polarisiert.
Da die Elektroden auf diese Weise miteinander verbunden sind, werden eine Impedanz, die durch die Schicht 4-1 und die Elektroden auf beiden Oberflächen derselben gebildet wird, und eine Impedanz, die durch die Schicht 4-3 und die Elektroden auf den beiden Oberflächen derselben gebildet wird, elektrisch parallel miteinander verbunden.
Deshalb entspricht die elektrostatische Kapazität des piezoelektrischen Elements als ganzem der Summe der elektrostatischen Kapazitäten der entsprechenden Schichten. Weil weiterhin die entsprechenden Schichten übereinander gestapelt sind, müssen die entsprechenden Schichten nur als ganzes eine vorbestimmte Stärke aufweisen, wobei jede einzelne Schicht dünn ausgebildet werden kann, um die elektrostatische Kapazität zu erhöhen. Weil außerdem die elektrostatischen Kapazitäten der entsprechenden Schichten addiert werden, um die elektrostatische Gesamtkapazität vorzusehen, kann eine größere elektrostatische Kapazität erhalten werden als bei einem piezoelektrischen Element, das durch eine einzige Schicht mit entsprechender Dicke gebildet wird.
25(a) ist eine Ansicht, die das Aussehen eines Beschleunigungssensors zeigt, der das piezoelektrische Element von 22 bis 24 verwendet, und 25(b) ist eine Querschnittansicht des Beschleunigungssensors. Das piezoelektrische Element 100 wird an einem zentralen Teil in der Längsrichtung durch Halteglieder 7a und 7b gehalten und ist in dem Behälter 12 enthalten. Der Behälter 12 besteht aus Aluminiumoxid. Außerhalb des Behälters 12 sind externe Elektroden 9a, 9b und 9c angeordnet. Die externen Elektroden 9a, 9b und 9c werden erhalten, indem Lotschichten aus Ni ausgebildet werden. Die externen Elektroden 9a, 9b und 9b sind jeweils über die leitenden Schichten 8a, 8b und 8c und die Halteglieder 7a und 7b mit den Elektroden 1a, 2a und 3b verbunden, sodass die elektrischen Ladungen rückgeführt werden können, die durch eine Beschleunigung außerhalb des Behälters 12 erzeugt werden.
26 zeigt die leitenden Schichten des Halteglieds 7a. Wie in 16 gezeigt, sind die leitenden Schichten 8a und 8b auf einer Kontaktoberfläche des Halteglieds 7a angeordnet, die das piezoelektrische Element kontaktiert. Die leitenden Schichten 8a und 8b kontaktieren die Elektroden 1 und 2a, die auf der Oberfläche des piezoelektrischen Elements 100 angeordnet sind. Weiterhin sind die leitenden Schichten 8a und 8b elektrisch mit den externen Elektroden 9a und 9b verbunden, um die elektrischen Ladungen nach außen zurückzuführen. Die leitende Schicht 8 und die Elektroden 1a und 2a können unter Verwendung eines leitenden Klebers miteinander gebondet werden.
Da das piezoelektrische Element wie weiter oben mit Bezug auf 5 gezeigt eine rechteckige Form aufweist, ist die Höhe des Beschleunigungssensors auch dann nicht hoch, wenn das piezoelektrische Element aufrecht angebracht wird, sodass ein Beschleunigungssensor mit kleiner Größe realisiert werden kann.
Wenn wie weiter oben mit Bezug auf 6 beschrieben eine Beschleunigung in der vertikalen Richtung einwirkt, kann eine große Menge von elektrischen Ladungen erhalten werden.
Obwohl also eine große Verzerrung zwischen der vorderen Oberfläche und der hinteren Oberfläche des piezoelektrischen Elements verursacht wird, kann auch die Empfindlichkeit erhöht werden, weil in dieser bevorzugten Ausführungsform polarisierte Schichten des piezoelektrischen Elements angeordnet sind.
Obwohl das piezoelektrische Element vor allem in der Nachbarschaft zum Zentrum, wo das piezoelektrische Element gehalten wird, und weniger an den Kanten verzerrt wird, kann die Empfindlichkeit erhöht werden, weil die Elektrode zur Feststellung der Schwingung in dem zum Zentrum benachbarten Teil angeordnet ist, wo das piezoelektrische Element in der bevorzugten Ausführungsform gehalten wird.
27 ist ein Blockdiagramm, das eine Beschleunigungsfeststellungsvorrichtung zeigt, die eine Selbstdiagnosefunktion unter Verwendung eines Beschleunigungssensors aufweist. Während der Selbstdiagnose werden die Elektroden 2a und 2b als Ansteuerelektrode verwendet und werden die Elektroden 1a und 1b als Schwingungserfassungselektrode verwendet. Die Elektroden 3a und 3b dienen als gemeinsame Elektrode und sind über die externe Elektrode 9c geerdet. Die externe Elektrode 9b ist mit einer Ansteuerschaltung 10a verbunden, um die Schwingung für die Selbstdiagnose vorzusehen. Die Ansteuerschaltung erzeugt eine Wechselspannung, die an der Elektrode 2, d. h. der Ansteuerelektrode zum Ansteuern des piezoelektrischen Elements, und an der Elektrode 3 über die externen Elektroden 9a und 9c angelegt wird. Die Wechselspannung entwickelt elektrische Felder innerhalb der Schicht 4-1 und der Schicht 4-3. Obwohl die elektrischen Felder in derselben Richtung angelegt werden, werden Verzerrungen in entgegengesetzten Richtungen erzeugt, sodass sich das piezoelektrische Element als ganzes biegt und vibriert, weil die Polarisationsrichtungen unterschiedlich sind. Die Schwingung erzeugt wie oben beschrieben elektrische Ladungen, die durch die Elektroden 1a und 1b, die als Schwingungserfassungselektroden dienen, und die Elektroden 3a und 3b festgestellt werden. Die festgestellten elektrischen Ladungen werden zu den externen Elektroden 9a und 9c geführt, die mit einer Impedanzwandlungsschaltung 10b verbunden sind. Die Impedanzwandlungsschaltung 10b wird allgemein durch einen FET oder ähnliches gebildet. Eine Ausgabespannung aus der Impedanzwandlungsschaltung 10b wird zu einer Beschleunigungsfeststellungsschaltung und einer Anormalitätsfeststellungsschaltung 10c geführt, die bestimmt, ob das piezoelektrische Element anormal ist. Allgemein wird die Anormalitätsfeststellungsschaltung 10c durch einen Hochpassfilter, einen Tiefpassfilter, eine Glättungsschaltung, einen Vergleichen usw. gebildet. Eine Anormalitätsdiagnose wird realisiert, indem entschieden wird, ob die Anormalitätsfeststellungsschaltung 10b eine Spannung in Entsprechung zu einem vorbestimmten Wert in Reaktion auf die Wechselspannung aus dem Sender 10a ausgibt. Wenn das piezoelektrische Element anormal ist, gibt die Anormalitätsfeststellungsschaltung eine Anweisung aus, die eine Verarbeitung für die Handhabung der Anormalität fordert.
Weil der Ansteuerelektrodenteil gestapelt ist, ist jede Schicht dünn und weist ein großes elektrisches Feld auf. Deshalb kann eine Wechselspannung mit einer kleinen Amplitude von der Oszillationsschaltung zugeführt werden, um ein Biegen und Vibrieren mit einer großen Amplitude zu erhalten, wodurch die Genauigkeit der Selbstdiagnose verbessert wird.
Weiterhin ist auch der Feststellungselektrodenteil gestapelt, sodass die elektrostatische Kapazität groß ist. Deshalb kann eine durch die Oszillationsschaltung induzierte Schwingung mit einer großen Empfindlichkeit festgestellt werden, ohne dass ein hoher Widerstand für die Impedanzwandlungsschaltung erforderlich ist, sodass eine genaue Selbstdiagnose in einem breiten Frequenzbereich durchgeführt werden kann.
Weil die dünnen Schichten übereinander gestapelt und parallel miteinander in dem piezoelektrischen Element 100 verbunden werden, ist auch während der regulären Feststellung einer Beschleunigung die elektrostatische Kapazität des piezoelektrischen Elements als ganzes groß. Weiterhin kann jede Schicht dünn ausgebildet werden, ohne dass dadurch die mechanische Stärke des piezoelektrischen Elements als ganzes beeinträchtigt wird. Es ist deshalb möglich, eine ausreichend hohe Empfindlichkeit zu erhalten, um mit einer Beschleunigung mit einer niedrigen Frequenz umzugehen, sodass ohne einen hohen Widerstand gemessen werden kann.
Während der regulären Feststellung einer Beschleunigung können die Ansteuerelektroden 2a und 2b sowie die Schwingungserfassungselektroden 1a und 1b als die Elektrode zum Feststellen einer Beschleunigung verwendet werden, die mit der Impedanzwandlungsschaltung verbunden ist, um eine noch höhere Empfindlichkeit zu erhalten.
Obwohl die Schicht 4-2 nicht polarisiert ist, kann aufgrund der Anordnung der Schicht, auch wenn die Schicht 4-1 und die Schicht 4-3 extrem dünn ausgebildet sind, die Stärke des piezoelektrischen Elements als ganzem aufrechterhalten werden. Weiterhin sieht die Schicht 4-2 den Effekt einer Erhöhung der elektrostatischen Kapazität vor.
Es folgt die Beschreibung eines Vergleichs zwischen einem Beschleunigungssensor, der unter Verwendung der Elektroden (siehe 3) des piezoelektrischen Elements für den Beschleunigungssensor gemäß des ersten Beispiels hergestellt wurde (die Schicht 4-1 und die Schicht 4-3 sind 50 μm dick, die Schicht 4-2 ist 100 μm dick, das piezoelektrische Element weist eine Größe von 1,3 mm × 8,0 mm × 0,2 mm auf, und die Schwingungserfassungselektrode und die Ansteuerelektrode weisen jeweils eine Größe von 0,5 mm × 7,8 mm auf), und Beschleunigungssensoren, die jeweils unter Verwendung der Elektroden (siehe 24) des piezoelektrischen Elements für den Beschleunigungssensor gemäß der ersten bevorzugten Ausführungsform hergestellt wurden (die Schicht 4-1 und die Schicht 4-3 sind 50 μm dick, die Schicht 4-2 ist 100 μm dick, das piezoelektrische Element weist eine Größe von 1,2 mm × 8,0 mm × 0,2 mm auf, die Feststellungselektrode weist eine Breite von 1,0 mm und verschiedene Längen von 2 mm, 3 mm, 4 mm, 5 mm und 6 mm in der Längsrichtung um den Haltepunkt auf, und die Ansteuerelektrode ist an einem verbleibenden Teil mit Ausnahme eines 0,2 mm breiten Isolationsteils befestigt).
Die Tabelle 1 gibt die Oberflächen, die Empfindlichkeiten, die Produkte aus den Kapazitäten und den Empfindlichkeiten usw. dieser derart hergestellten Beschleunigungssensoren an.
Tabelle 1
Auch wenn die gleiche Menge von elektrischen Ladungen erzeugt wird, ist die Empfindlichkeit bei einer großen Kapazität gering. Wenn die Schwingungserfassungsteile der Beschleunigungssensoren gemäß der ersten bevorzugten Ausführungsform annähernd dieselbe Kapazität wie der Schwingungserfassungssteil des Beschleunigungssensors gemäß dem ersten Beispiel aufweist, wird die Empfindlichkeit wie in Tabelle 1 angegeben verdoppelt. Dies geht z. B. aus einem Vergleich zwischen dem Beschleunigungssensor gemäß dem ersten Beispiel und dem Beschleunigungssensor Nr. 3 gemäß der ersten bevorzugten Ausführungsform hervor. Weiterhin weist jeder der Sensoren mit verschiedenen Längen des Schwingungserfassungselektrodenteils eine stark verbesserte Empfindlichkeit auf. Während die Produkte aus den Kapazitäten und Empfindlichkeiten die Mengen der elektrischen Ladungen angeben, sind die Menge der elektrischen Ladungen bei den Beschleunigungssensoren gemäß der ersten bevorzugten Ausführungsform 1,5 Mal so groß wie bei dem Beschleunigungssensor gemäß dem ersten Beispiel. Wenn nämlich die Schwingungserfassungselektrode in der Nähe der Halterung angeordnet ist, wird die Empfindlichkeit verbessert und das Rauschen reduziert, wobei weiterhin eine Verstärkung mit nur einem einstufigen Verstärker für die Schaltung möglich ist.
Die Selbstdiagnoseschaltung und die Impedanzwandlungsschaltung sind nicht auf die in 27 gezeigten beschränkt.
Die Polarisationsrichtungen sind nicht auf die in den Zeichnungen gezeigten beschränkt. Es ist lediglich erforderlich, das die Polarisationsrichtungen einander entgegengesetzt sind.
<Zweite bevorzugte Ausführungsform>
28A ist eine Querschnittansicht eines piezoelektrischen Elements eines Beschleunigungssensors gemäß einer anderen bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. 28B ist eine perspektivische Ansicht des piezoelektrischen Elements.
Das piezoelektrische Element 100 weist einen Aufbau mit rechteckiger Form auf, der durch einen Stapel aus den drei Schichten 14-1, 14-2 und 14-3 gebildet wird. Die Schichten 14-1 und 14-2 sind polarisiert, wobei die Polarisationsrichtung die gleiche ist. 29 ist eine Draufsicht auf die Elektroden des piezoelektrischen Elements. Zwei Elektroden 11a und 12a sind zueinander beabstandet auf der oberen Oberfläche der Schicht 14-1 angeordnet. Die Elektrode 11a ist in der Nachbarschaft zu einem zentralen Halteteil ausgebildet und dient als Schwingungserfassungselektrode. Die Elektrode 12a ist an beiden Kanten des Rechtecks in der Längsrichtung ausgebildet und dient als Ansteuerelektrode für die Selbstdiagnose, wobei sie über einen Verbindungsteil in der Nähe des Zentrums der längeren Seiten des piezoelektrischen Elements verbunden ist. Elektroden 13a und 13b erstrecken sich annähernd über die gesamte Oberfläche des piezoelektrischen Elements mit Ausnahme der Kantenoberflächen und der diese umgebenden Teile, die als Verbindungsteile zu den Elektroden 11 und 12 dienen und auf der den Elektroden 11 und 12 gegenüberliegenden Seite miteinander verbunden sind. Die Schichten 14-1 und 14-3 sind parallel zueinander verbunden, sodass die elektrostatische Kapazität des piezoelektrischen Elements der Summe der Kapazitäten der entsprechenden Schichten entspricht und dementsprechend groß ist.
Die Schichten 4-1, 4-2 und 4-3 werden jeweils durch flache Keramiken gebildet, die hauptsächlich Bleizirkonattitanat enthalten. Silberpalladium wird für die Elektroden verwendet.
Obwohl die Polarisationsrichtungen der Schichten 14-1 und 14-3 gleich sind, werden elektrische Ladungen derselben Polarität an der Elektrode 11a und der Elektrode 11b in Reaktion auf das Biegen und Vibrieren erzeugt, weil die Elektroden in einer anderen Richtung als in 2 gezeigt verbunden sind, sodass eine Beschleunigung festgestellt werden kann.
Die Schicht 14-2 spielt eine Rolle bei der Verstärkung des piezoelektrischen Elements 102 und bei der Erhöhung der Widerstandsfähigkeit gegenüber Stößen.
In dem ersten Beispiel ist eine Impedanz, die durch die unpolarisierte Schicht 4-2 in der Mitte und die Elektroden 3a, 1b gebildet wird, elektrisch parallel mit der Impedanz, die durch die Schicht 4-1 und die Elektroden 1a, 3a gebildet wird, und mit der Impedanz, die durch die Schicht 4-3 und die Elektroden 1b, 3b gebildet wird, verbunden, wobei die Impedanz der unpolarisierten Schicht 4-2 als Gesamtimpedanz für das gesamte Element dient. Aber eine derartige unpolarisierte Schicht 4-2 erzeugt keine elektrische Ladung bei einer Beschleunigung, sodass die elektrische Ladung die Ausgabe reduziert und die Empfindlichkeit des Beschleunigungssensors beeinträchtigt. Weil jedoch die gegenüberliegende Oberfläche der Schicht 14-2 gemäß der zweiten bevorzugten Ausführungsform zwischen den Elektroden 13a und 13b angeordnet ist, wird die elektrostatische Kapazität dieser Schicht nicht zu den elektrostatischen Kapazitäten der Schicht 14-1 und der Schicht 14-2 addiert, sodass die Empfindlichkeit erhöht wird.
Eine Selbstdiagnose wird ähnlich wie in 7 durchgeführt, wobei die Elektrode 11 als Schwingungserfassungselektrode und die Elektrode 12 als Ansteuerelektrode verwendet wird.
Eine leitende Schicht zum Rückführen von elektrischen Ladungen von den Elektroden wird durch die Halteglieder ähnlich wie in 5 gezeigt vorgesehen.
Ein Beschleunigungssensor wurde unter Verwendung der Elektrode hergestellt, die in 29 des piezoelektrischen Elements gemäß der zweiten bevorzugten Ausführungsform gezeigt sind, sodass die Schicht 4-1 und die Schicht 4-3 jeweils 50 μm dick waren, die Schicht 4-2 100 μm dick war und das piezoelektrische Element eine Größe von 1,2 mm × 8,0 mm × 0,2 mm hatte. Wie in der ersten bevorzugten Ausführungsform wurde die Schwingungserfassungselektrode gemäß der zweiten bevorzugten Ausführungsform mit einer Breite von 1,0 mm und verschiedenen Längen ausgebildet, wobei die Ansteuerelektrode für die Selbstdiagnose in dem verbleibenden Teil ausgebildet wurde. Die Empfindlichkeit bei 40 Hz und eine Ausgabe zur Angabe der Selbstdiagnoseempfindlichkeit bei Anlegung von 1 V des hergestellten Beschleunigungssensors waren um 25% höher als bei dem ersten Beispiel. Wenn also die Schwingungserfassungselektrode in der Nähe der Halterung angeordnet wird, wird die Empfindlichkeit verbessert und wird das Rauschen reduziert, wobei weiterhin eine Verstärkung mit nur einem einstufigen Verstärker in der Schaltung möglich ist.
<Dritte bevorzugte Ausführungsform>
30 ist eine Ansicht, die das Aussehen eines piezoelektrischen Elements eines Beschleunigungssensors gemäß einer anderen bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt, und 31 ist eine Draufsicht auf die Elektroden in entsprechenden Schichten des piezoelektrischen Elements.
Das piezoelektrische Element 200 ist als eine Scheibe ausgebildet, die an ihrem Zentrum ein Durchgangsloch 35 umfasst, und weist einen gestapelten Aufbau aus den drei Schichten 24-1, 24-2 und 24-3 auf. Die Schichten 24-1 und 24-2 sind in entgegengesetzten Richtungen polarisiert.
Die Elektroden 21a und 22a sind auf der oberen Oberfläche des piezoelektrischen Elements 200 angeordnet, eine Elektrode 23a ist zwischen der Schicht 24-1 und der Schicht 24-2 angeordnet, Elektroden 21b und 22b sind zwischen der Schicht 24-2 und der Schicht 24-3 angeordnet, und eine Elektrode 23b ist auf der unteren Oberfläche angeordnet. Die Elektroden 21a und 22a sind zueinander beabstandet auf der oberen Oberfläche der Schicht 24-1 angeordnet. Die Elektrode 21a ist in der Nähe eines zentralen Haltteils ausgebildet und dient als Schwingungserfassungselektrode. Die Elektrode 22a ist an beiden Kanten des Rechtecks in der Längsrichtung ausgebildet und dient als Ansteuerelektrode für die Selbstdiagnose, wobei sie über einen Verbindungsteil in der Nähe des Zentrums der längeren Seiten des piezoelektrischen Elements verbunden ist. Die Elektrode 21b ist in der Nähe eines zentralen Halteteils derart ausgebildet, dass die Elektrode 21b genau über die Schichtbreite des piezoelektrischen Elements angeordnet ist und als Schwingungserfassungselektrode dient. Die Elektrode 22b ist an beiden Kanten des Rechtecks in der Längsrichtung ausgebildet und dient als Ansteuerelektrode für die Selbstdiagnose. Die Elektroden 21a und 21b sind an einer Kantenoberfläche entlang der längeren Seiten des piezoelektrischen Elements 200 miteinander verbunden. Dies gilt auch für die Elektroden 22a und 22b. Die Elektroden 23a und 23b sind annähernd über die gesamte Oberfläche des piezoelektrischen Elements 200 mit Ausnahme von Verbindungsteilen zu den Elektroden 21 und 22 angeordnet und miteinander an der Kantenoberfläche auf der gegenüberliegenden längeren Seite verbunden.
Wenn die Elektroden derart verbunden sind, sind ein durch die Schicht 24-1 gebildeter Kondensator und ein durch die Schicht 24-3 gebildeter Kondensator parallel miteinander verbunden, wodurch die elektrostatische Kapazität des piezoelektrischen Elements erhöht wird. Weil weiterhin die Elektrode 21b in der Nähe des zentralen Halteteils derart ausgebildet ist, dass die Elektrode 21b genau über die Schichtbreite des piezoelektrischen Glieds angeordnet ist, wird eine große Menge von elektrischen Ladungen erzeugt, wird die Empfindlichkeit weiter erhöht und wird das Rauschen reduziert, wobei weiterhin eine Verstärkung mit nur einem einstufigen Verstärker in der Schaltung möglich ist. Weil außerdem der Aufbau gestapelt ist und die unpolarisierte Schicht 24-2 die Widerstandsfähigkeit gegenüber Stößen erhöht, kann jede Schicht dünn ausgebildet werden, wodurch die elektrostatische Kapazität erhöht wird.
Das piezoelektrische Element 200 wird an seinem Zentrum in der Längsrichtung ähnlich wie in 4 gezeigt gehalten, wobei eine leitende Schicht auf einer Oberfläche ausgebildet ist, die die Elektrodenoberfläche eines Halteglieds ähnlich wie in 5 gezeigt kontaktiert.
Die Operationen zum Feststellen einer Beschleunigung sind ähnlich wie die in 6 gezeigten.
Eine Selbstdiagnose wird ähnlich wie in 7 gezeigt durchgeführt, wobei die Elektrode 21 als Schwingungserfassungselektrode und die Elektrode 22 als Ansteuerelektrode verwendet wird.
Die Materialien zum Ausbilden der Schichten des piezoelektrischen Elements und der Elektroden sowie die Größe des Elements sind ähnlich wie in dem ersten Beispiel.
<Vierte bevorzugte Ausführungsform>
32 ist eine Ansicht, die das Aussehen eines piezoelektrischen Elements eines Beschleunigungssensors gemäß einer anderen bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt, und 33 ist eine Draufsicht auf die Elektroden in entsprechenden Schichten des piezoelektrischen Elements.
Das piezoelektrische Element 300 weist einen rechteckigen Aufbau auf, der durch einen Stapel aus den drei Schichten 34-1, 34-2 und 34-3 gebildet wird. Die Schichten 34-1 und 34-2 sind in entgegengesetzten Richtungen polarisiert. Die Elektroden 31a und 32a sind auf der oberen Oberfläche des piezoelektrischen Elements 300 angeordnet, eine Elektrode 33a ist zwischen der Schicht 34-1 und 34-2 angeordnet, Elektroden 31b und 32b sind zwischen der Schicht 34-2 und der Schicht 34-3 angeordnet, und eine Elektrode 33b ist auf der unteren Oberfläche angeordnet. Zwei Elektroden 31a und 32a sind zueinander beabstandet auf der oberen Oberfläche der Schicht 34-a angeordnet. Die Elektrode 31a ist in der Nähe eines zentralen Halteteils ausgebildet und dient als Schwingungserfassungselektrode. Die Elektrode 32a ist an den beiden Kanten des Rechtecks in der Längsrichtung ausgebildet und dient als Ansteuerelektrode für die Selbstdiagnose und wird durch einen Verbindungsteil verbunden, der in der Nähe des Zentrums der längeren Seiten des piezoelektrischen Elements ausgebildet ist. Die Elektroden 31a und 32a sind mit einem vorbestimmten Abstand zueinander ausgebildet. Die Elektrode 31b ist in der Nähe eines zentralen Halteteils ausgebildet und dient als Schwingungserfassungselektrode. Die Elektrode 32b ist an beiden Kanten des Rechtecks in der Längsrichtung ausgebildet und dient als Ansteuerelektrode für die Selbstdiagnose. Die Elektroden 31a und 32b sind miteinander an einer Kantenoberfläche entlang der längeren Seiten des piezoelektrischen Elements 300 verbunden. Dasselbe gilt für die Elektroden 32a und 32b. Die Elektroden 33a und 33b sind annähernd über die gesamte Oberfläche des piezoelektrischen Elements 300 mit Ausnahme der Verbindungsteile zu den Elektroden 31 und 32 angeordnet und miteinander an der Kantenoberfläche an der gegenüberliegenden längeren Seite verbunden.
Weil die Schwingungserfassungselektrode 31 und die Selbstdiagnoseelektrode 32 mit einem vorbestimmten Abstand zueinander angeordnet sind, kann optional das Verhältnis zwischen der Fläche der Schwingungserfassungselektrode und der Fläche der Selbstdiagnoseelektrode geändert werden, um eine entsprechende elektrostatische Kapazität vorzusehen, wodurch der Freiheitsgrad beim Entwurf der Schaltung für das System erhöht wird.
<Fünfte bevorzugte Ausführungsform>
34 ist eine Ansicht, die das Aussehen eines piezoelektrischen Elements eines Beschleunigungssensors gemäß einer anderen bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt, und 35 ist eine Draufsicht auf die Elektroden in entsprechenden Schichten des piezoelektrischen Elements.
Das piezoelektrische Element 400 weist einen rechteckigen Aufbau auf, der durch einen Stapel aus den drei Schichten 44-1, 44-2 und 44-3 gebildet wird. Die Schichten 44-1 und 44-2 sind in entgegengesetzten Richtungen polarisiert. Elektroden 41a und 42a sind auf der oberen Oberfläche des piezoelektrischen Elements 400 angeordnet, eine Elektrode 43a ist zwischen der Schicht 44-1 und der Schicht 44-2 angeordnet, Elektroden 41b und 42b sind zwischen der Schicht 44-2 und der Schicht 44-3 angeordnet, und eine Elektrode 43b ist auf der unteren Oberfläche angeordnet. Die zwei Elektroden 41a und 42a sind zueinander beabstandet auf der oberen Oberfläche des Schicht 44-1 angeordnet. Die Elektrode 41a ist in der Nähe eines zentralen Halteteils ausgebildet und dient als Schwingungserfassungselektrode. Die Elektrode 42a ist an den beiden Kanten des Rechtecks in der Längsrichtung ausgebildet und dient als Ansteuerelektrode für die Selbstdiagnose.
Weiterhin ist ein Teil ohne Elektroden außerhalb der Elektroden 42a und 42b ausgebildet. Die Elektrode 41b ist in der Nähe eines zentralen Halteteils ausgebildet und dient als Schwingungserfassungselektrode. Die Elektrode 42b ist an den beiden Kanten des Rechtecks in der Längsrichtung ausgebildet und dient als Ansteuerelektrode für die Selbstdiagnose. Die Elektroden 41a und 41b sind miteinander an einer Kantenoberfläche entlang der längeren Seiten des piezoelektrischen Elements 400 verbunden. Dasselbe gilt für die Elektroden 42a und 42b. Außerdem sind die Elektroden 43a und 43b annähernd über die gesamte Oberfläche des piezoelektrischen Elements mit Ausnahme der Verbindungsteile zu den Elektroden 41 und 42 angeordnet und miteinander an der Kantenoberfläche auf der gegenüberliegenden längeren Seite verbunden.
Weil weiterhin der Teil ohne Elektroden außerhalb der Elektroden 42a und 42b ausgebildet ist, wird die Resonanzfrequenz, die durch die gesamte Länge des piezoelektrischen Elements bestimmt wird, nicht extrem hoch, sodass eine bevorzugte Resonanzfrequenz erhalten wird. Weiterhin kann das Verhältnis der Fläche der Selbstdiagnoseelektrode willkürlich variiert werden, wodurch die Flexibilität des Entwurfs für den Sensor erhöht wird.
<Sechste bevorzugte Ausführungsform>
36 ist eine Ansicht, die das Aussehen eines piezoelektrischen Elements eines Beschleunigungssensors gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt, und 37 ist eine Draufsicht auf die Elektroden in entsprechenden Schichten des piezoelektrischen Elements.
Das piezoelektrische Element 500 weist einen rechteckigen Aufbau auf, der durch einen Stapel aus drei Schichten 54-1, 54-2 und 54-3 gebildet wird. Die Schichten 54-1 und 54-2 sind in entgegengesetzten Richtungen polarisiert. Elektroden 51a und 52a sind auf der oberen Oberfläche des piezoelektrischen Elements 500 angeordnet, eine Elektrode 54a ist zwischen der Schicht 54-1 und der Schicht 54-2 angeordnet, Elektroden 51b und 52b sind zwischen der Schicht 54-2 und der Schicht 54-3 angeordnet, und eine Elektrode 54b ist auf der unteren Oberfläche angeordnet. Die zwei Elektroden 51a und 52a sind zueinander beabstandet auf der oberen Oberfläche der Schicht 54-1 angeordnet. Die Elektrode 51a ist in der Nähe eines zentralen Halteteils ausgebildet und dient als Schwingungserfassungselektrode. Die Elektrode 52a ist an beiden Kanten des Rechtecks in der Längsrichtung ausgebildet und dient als Ansteuerelektrode für die Selbstdiagnose, wobei sie durch einen Verbindungsteil verbunden wird, der in der Nähe des Zentrums der längeren Seiten des piezoelektrischen Elements ausgebildet ist.
Eine Elektrode (d. h. ein Dummy-Glied) 53a ist ein Teil eines Dummy-Glieds, das weder mit der Schwingungserfassungselektrode noch mit der Selbstdiagnoseelektrode verbunden ist. Die Elektrode 51b ist in der Nähe eines zentralen Halteteils ausgebildet und dient als Schwingungserfassungselektrode. Die Elektrode 52b ist an den beiden Kanten des Rechtecks in der Längsrichtung ausgebildet und dient als Ansteuerelektrode für die Selbstdiagnose. Die Elektrode (d. h. das Dummy-Glied) 53b ist eine Dummy-Elektrode, die weder mit der Schwingungserfassungselektrode noch mit der Selbstdiagnoseelektrode verbunden ist. Die Elektroden 51a und 51b sind miteinander an einer Kantenoberfläche entlang der längeren Seiten des piezoelektrischen Elements 500 verbunden. Dasselbe gilt für die Elektroden 52a und 52b. Weiterhin sind die Elektroden 54a und 54b annähernd über die gesamte Oberfläche des piezoelektrischen Elements mit Ausnahme der Verbindungsteile zu den Elektroden 51 und 52 angeordnet und miteinander an der Kantenoberfläche auf der gegenüberliegenden längeren Seite verbunden.
Die Operationen zum Feststellen einer Beschleunigung sind denjenigen von 6 ähnlich.
Eine Selbstdiagnose wird ähnlich wie in 7 gezeigt durchgeführt, wobei die Elektrode 51 als Schwingungserfassungselektrode und die Elektrode 52 als Ansteuerelektrode verwendet wird.
Weil eine Dummy-Elektrode vorgesehen ist, kann eine Verwertung aufgrund einer Differenz in der Sinter-induzierten Kontraktion verhindert werden, die je nach dem erzeugt wird, ob die Elektroden in dem piezoelektrischen Element angeordnet sind oder nicht.
In allen oben beschriebenen bevorzugten Ausführungsformen und Beispielen sind die entsprechenden Schichten des piezoelektrischen Elements nicht auf Schichten beschränkt, die hauptsächlich Bleizirkonattitanat enthalten. Statt dessen können die entsprechenden Schichten des piezoelektrischen Elements hauptsächlich Bleittitanat, Bleizirkonat, Lanthanblei usw. enthalten. Außerdem ist das Material für die Elektroden nicht auf Silber beschränkt. Statt dessen kann auch Gold, Chrom, Nickel, Kupfer oder ähnliches als Material für die Elektrode verwendet werden. Es können auch verschiedene Materialien übereinander geschichtet werden, um die Elektroden zu bilden; oder es können Legierungen der Materialien für die Elektroden verwendet werden. Das Material des Behälters ist nicht auf Aluminiumoxid beschränkt, sondern kann ein Metall, Kunstharz usw. sein. Das Material für die externen Elektroden ist nicht auf Silberlot beschränkt, sondern kann ein rückfließbares Material wie etwa Silberlot sein.
Die Anzahl der gestapelten Schichten ist nicht auf drei beschränkt. Wenn eine große Anzahl von Schichten übereinander gestapelt wird, können die Elektroden jeder zweiten Schicht an den Kantenoberflächen verbunden werden. Zum Beispiel zeigen 40, 41 und 42 fünf übereinander gestapelte Schichten. Dabei ist 40 eine Draufsicht auf die demontierten Elektroden des piezoelektrischen Elements, die in dem Beschleunigungssensor gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendet werden, ist 41 eine Schnittansicht auf das Element von 40 und ist 42 eine Ansicht, die das Aussehen des piezoelektrischen Elements von 40 zeigt.
In allen oben beschriebenen Ausführungsformen und Beispielen kann für die Einrichtung zum Feststellen einer Beschleunigung ein anderes Verfahren als das Impedanzwandlungsverfahren verwendet werden.
Es ist also möglich, einen kleinen Beschleunigungssensor zu realisieren, der eine hohe elektrostatische Kapazität aufweist, auch bei einer niedrigen Frequenz eine hohe Empfindlichkeit aufrechterhält und eine genaue Selbstdiagnose in einem niedrigen Frequenzbereich durchführt, ohne dass eine Einrichtung für die elektrische Verbindung wie etwa eine Verdrahtung erforderlich ist.

Claims

Beschleunigungssensor, der umfasst: ein piezoelektrisches Element (100, 200, 300, 400, 500), das eine Schicht piezoelektrischer Glieder, in der eine Vielzahl piezoelektrischer Glieder (4-1, 4-2, 4-3, 14-1, 14-2, 14-3, 24-1, 24-2, 24-3, 34-1, 34-2, 34-3, 44-1, 44-2, 44-3, 54-1, 54-2, 54-3) geschichtet sind, und Elektroden (1a, 1b, 2a, 2b, 3a, 3b, 11a, 11b, 12a, 12b, 13a, 13b, 21a, 21b, 22a, 22b, 23a, 23b, 31a, 31b, 32a, 32b, 33a, 33b, 41a, 42b, 43a, 43b, 51a, 51b, 52a, 51b, 52a, 52b, 54a, 54b) enthält, die an einander gegenüberliegenden Hauptflächen der Schicht piezoelektrischer Glieder angeordnet sind; und ein Trägerglied (7a, 7b), das das piezoelektrische Element (100, 200, 300, 400, 500) trägt, wobei einige piezoelektrische Glieder (4-1, 4-2, 4-3, 14-1, 14-2, 14-3, 24-1, 24-2, 24-3, 34-1, 34-2, 34-3, 44-1, 44-2, 44-3, 54-1, 54-2, 54-3) der Schicht piezoelektrischer Glieder polarisiert sind und die Elektroden (1a, 1b, 2a, 2b, 3a, 3b; 11a, 11b, 12a, 12b, 13a, 13b, 21a, 21b, 22a, 22b, 23a, 23b, 31a, 31b, 32a, 32b, 33a, 33b, 41a, 42b, 43a, 43b, 51a, 51b, 52a, 51b, 52a, 52b, 54a, 54b) an beiden Flächen des polarisierten piezoelektrischen Gliedes (4-1, 4-2, 4-3, 14-1, 14-2, 14-3, 24-1, 24-2, 24-3, 34-1, 34-2, 34-3, 44-1, 44-2, 44-3, 54-1, 54-2, 54-3) angeordnet sind, und Impedanzen, die durch die polarisierten piezoelektrischen Glieder (4-1, 4-2, 4-3, 14-1, 14-2, 14-3, 24-1, 24-2, 24-3, 34-1, 34-2, 34-3, 44-1, 44-2, 44-3, 54-1, 54-2, 54-3) und die Elektroden (1a, 1b, 2a, 2b, 3a, 3b, 11a, 11b, 12a, 12b, 13a, 13b, 21a, 21b, 22a, 22b, 23a, 23b, 31a, 31b, 32a, 32b, 33a, 33b, 41a, 42b, 43a, 43b, 51a, 51b, 52a, 51b, 52a, 52b, 54a, 54b) an beiden Flächen der polarisierten piezoelektrischen Glieder (4-1, 4-2, 4-3, 14-1, 14-2, 14-3, 24-1, 24-2, 24-3, 34-1, 34-2, 34-3, 44-1, 44-2, 44-3, 54-1, 54-2, 54-3) gebildet werden, parallel zueinander elektrisch verbunden sind, wobei das piezoelektrische Element in einer rechteckigen Form ausgebildet ist, eine Elektrode (1a, 1b, 2a, 2b, 3a, 3b, 11a, 11b, 12a, 12b, 21a, 21b, 22a, 22b, 31a, 31b, 32a, 32b, 41a, 42b, 43a, 43b, 51a, 51b, 52a, 51b, 52a, 52b), die an wenigstens einer Fläche der Schicht piezoelektrischen Glieder vorhanden ist, in zwei Elektroden (1a, 1b, 2a, 2b, 3a, 3b, 11a, 11b, 12a, 12b, 21a, 21b, 22a, 22b, 31a, 31b, 32a, 32b, 41a, 42b, 43a, 43b, 51a, 51b, 52a, 51b, 52a, 52b) unterteilt ist, das Trägerteil (7a, 7b) im Wesentlichen in einer Mitte längerer Seiten der Schicht piezoelektrischer Glieder trägt, sich eine der unterteilten zwei Elektroden (1a, 1b, 11a, 11b, 21a, 21b, 31a, 31b, 41a, 41b, 51a, 51b) in einer Mitte der Fläche des piezoelektrischen Elementes (100, 200, 300, 400, 500) befindet, die andere der zwei Elektroden (2a, 2b, 12a, 12b, 22a, 22b, 32a, 32b, 42a, 42b, 52a, 52b) an den beiden Rändern der Fläche des piezoelektrischen Elementes (100, 200, 300, 400, 500) in der Längsrichtung oder in der Nähe derselben angeordnet ist und die Teile der Elektrode (2a, 2b, 12a, 12b, 22a, 22b, 32a, 32b, 42a, 42b, 52a, 52b) an den beiden Rändern oder in ihrer Nähe elektrisch miteinander verbunden sind.
Beschleunigungssensor nach Anspruch 1, wobei die Schicht piezoelektrischen Glieder in rechteckiger Form ausgebildet ist und die zwei unterteilten Elektroden (1a, 1b, 2a, 2b, 3a, 3b, 11a, 11b, 12a, 12b, 21a, 21b, 22a, 22b, 31a, 31b, 32a, 32b, 41a, 42b, 43a, 43b, 51a, 51b, 52a, 51b, 52a, 52b) im Wesentlichen entlang längerer Seiten des piezoelektrischen Elementes (100, 200, 300, 400, 500) angeordnet sind.
Beschleunigungssensor nach Anspruch 1, wobei die Schicht piezoelektrischer Glieder in einer rechteckigen Form ausgebildet ist und die unterteilten zwei Elektroden (1a, 1b, 2a, 2b, 3a, 3b, 11a, 11b, 12a, 12b, 21a, 21b, 22a, 22b, 31a, 31b, 32a, 32b, 41a, 42b, 43a, 43b, 51a, 51b, 52a, 51b, 52a, 52b) im Wesentlichen entlang kürzerer Seiten des piezoelektrischen Elementes (100, 200, 300, 400, 500) angeordnet sind.
Beschleunigungssensor nach Anspruch 2 oder 3, wobei das piezoelektrische Element (100, 200, 300, 400, 500) im Wesentlichen in einer Mitte der längeren Seiten der Schicht piezoelektrischer Glieder getragen wird, die eine rechteckige Form hat.
Beschleunigungssensor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei elektrische Verbindung der Elektroden (1a, 1b, 2a, 2b, 3a, 3b, 11a, 11b, 12a, 12b, 13a, 13b, 21a, 21b, 22a, 22b, 23a, 23b, 31a, 31b, 32a, 32b, 33a, 33b, 41a, 42b, 43a, 43b, 51a, 51b, 52a, 51b, 52a, 52b, 54a, 54b) mit einer anderen Elektrode, die extern angeordnet ist, über das Trägerelement (7a, 7b) hergestellt wird.
Beschleunigungssensor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei von den zwei Elektroden (1a, 1b, 2a, 2b, 3a, 3b, 11a, 11b, 12a, 12b, 21a, 21b, 22a, 22b, 31a, 31b, 32a, 32b, 41a, 42b, 43a, 43b, 51a, 51b, 52a, 51b, 52a, 52b) eine als Ansteuerelektrode (2a, 2b, 12a, 12b, 22a, 22b, 32a, 32b, 42a, 42b, 52a, 52b) zur Selbstdiagnose dient und die andere (1a, 1b, 11a, 11b, 21a, 21b, 31a, 31b, 41a, 41b, 51a, 51b) als Schwingungserfassungselektrode dient.
Beschleunigungssensor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die eine der unterteilten Elektroden (1a, 1b, 11a, 11b, 21a, 21b, 31a, 31b, 41a, 41b, 51a, 51b), die sich näher an einer Mitte des piezoelektrischen Elementes befindet, als eine Schwingungserfassungselektrode dient und die andere (2a, 2b, 12a, 12b, 22a, 22b, 32a, 32b, 42a, 42b, 52a, 52b) der zwei Elektroden (1a, 1b, 2a, 2b, 3a, 3b, 11a, 11b, 12a, 12b, 21a, 21b, 22a, 22b, 31a, 31b, 32a, 32b, 41a, 42b, 43a, 43b, 51a, 51b, 52a, 51b, 52a, 52b) als eine Ansteuerelektrode für Selbstdiagnose dient.
Beschleunigungssensor nach Anspruch 7, wobei die Ansteuerelektrode (2a, 2b, 12a, 12b, 22a, 22b, 32a, 32b, 42a, 42b, 52a, 52b) auch an den beiden Rändern der anderen Fläche F der Schicht piezoelektrischer Glieder oder in ihrer Nähe angeordnet ist und die Teile der Ansteuerelektroden (2a, 2b, 12a, 12b, 22a, 22b, 32a, 32b, 42a, 42b, 52a, 52b), an beiden Rändern der Fläche F oder in ihrer Nähe ebenfalls auf der Fläche F elektrisch miteinander verbunden sind.
Beschleunigungssensor nach Anspruch 7, wobei die Ansteuerelektrode (2a, 2b, 12a, 12b, 22a, 22b, 32a, 32b, 42a, 42b, 52a, 52b) auch an den beiden Rändern der anderen Fläche F der Schicht piezoelektrischer Glieder oder in ihrer Nähe angeordnet ist und die Teile der Ansteuerelektroden (2a, 2b, 12a, 12b, 22a, 22b, 32a, 32b, 42a, 42b, 52a, 52b) an beiden Rändern oder in ihrer Nähe, an der Fläche F nicht miteinander verbunden sind.
Beschleunigungssensor nach Anspruch 7, wobei ein Scheinglied (53a, 53b) zwischen der Schwingungserfassungselektrode (7) und den Ansteuerelektroden (2a, 2b, 12a, 12b, 22a, 22b, 32a, 32b, 42a, 42b, 52a, 52b) angeordnet sind, die auf der gleichen Fläche der Schicht piezoelektrischer Glieder ausgebildet sind, und das Scheinglied (53a, 53b) nicht mit der Schwingungserfassungselektrode (1a, 1b, 11a, 11b, 21a, 21b, 31a, 31b, 41a, 41b, 51a, 51b) und den Ansteuerelektroden (2a, 2b, 12a, 12b, 22a, 22b, 32a, 32b, 42a, 42b, 52a, 52b) verbunden ist.
Beschleunigungssensor nach einem der Ansprüche 7 bis 10, wobei die Schwingungserfassungselektrode (1a, 1b, 11a, 11b, 21a, 21b, 31a, 31b, 41a, 41b, 51a, 51b) und die Ansteuerelektroden (2a, 2b, 12a, 12b, 22a, 22b, 32a, 32b, 42a, 42b, 52a, 52b) mit einer anderen Elektrode, die extern angeordnet ist, über das Trägerglied (7a, 7b) verbunden sind.