JP2003254989A

JP2003254989A - 加速度センサ

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Publication number: JP2003254989A
Application number: JP2002058126A
Authority: JP
Inventors: Jiyun Tahoda; 純多保田
Original assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2002-03-05
Filing date: 2002-03-05
Publication date: 2003-09-10
Anticipated expiration: 2022-03-05
Also published as: US6807859B2; JP3966025B2; US20030172733A1

Abstract

(57)【要約】【課題】電荷感度と電圧感度との積であるエネルギーを
できるだけ落とさずに、電圧感度を高くし、内部ノイズ
の要因が大きい使用環境に適した加速度センサを提供す
る。【解決手段】加速度センサ１Ａは、圧電素子２と、圧電
素子の長さ方向両端部を支持する支持部材１０，１１と
を備える。圧電素子２は２層の圧電体層２ａ，２ｂを積
層したものであり、圧電体層２ａ，２ｂは加速度が加わ
った時に長さ方向に応力が逆転する２つの境界Ｂ１，Ｂ
２によって長さ方向に３つのセル1)〜3)、4)〜6)に分割
されている。２層の圧電体層２ａ，２ｂはそれぞれ、長
さ方向に並んだセルの分極方向が同一方向となるように
厚み方向に分極される。一方の圧電体層２ａの３つのセ
ル1)〜3)と、他方の圧電体層２ｂの３つのセル4)〜6)と
がそれぞれ直列接続され、かつ両層のセルが並列接続さ
れるように、層間電極３ａ，３ｂと主面電極５ａ，５
ｂ，６ａ，６ｂとが設けられる。圧電素子２の長さ方向
の異なる端部に電極５ａ，６ａと電極３ｂとが引き出さ
れる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は圧電素子を用いた加
速度センサに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、圧電セラミックスを利用した加速
度センサとして、特開平６−２７３４３９号公報には、
２枚の圧電セラミックス層を貼り合わせ、各層を加速度
が加わった時に長さ方向に応力が逆転する２つの境界に
よって長さ方向に３つの領域に分割し、これらを並列に
接続した後、２つの層を直列に接続した構造のものが提
案されている。図８はこの加速度センサの加速度Ｇが作
用した時の発生電荷およびその回路を示す。また、特開
２０００−１２１６６１号公報には、２枚の圧電セラミ
ックス層を貼り合わせ、各層を加速度が加わった時に長
さ方向に応力が逆転する２つの境界によって長さ方向に
３つの領域に分割するとともに、これらを並列に接続し
た後、２つの層をさらに並列に接続した構造の加速度セ
ンサが提案されている。図９はこの加速度センサの加速
度Ｇが作用した時の発生電荷およびその回路を示す。

【０００３】前者の場合には、１つの層内における３つ
の領域で構成されるセル1)〜3)と4)〜6)とがそれぞれ並
列接続され、後者の場合には、２つの層における６つの
セル1)〜6)が並列接続される。そのため、各層のセルで
発生する電圧が加算されず、各層で発生する電圧感度が
低く、高い感度を必要とする用途には十分対応できなか
った。特に後者の場合には、６個のセル1)〜6)がすべて
並列に接続されるので、前者に比べて電圧感度がさらに
半分になる。電圧感度を高くするには、センサに接続さ
れる電圧アンプのゲインを上げればよい。しかし、アン
プのゲインを上げると、アンプの入力に加わるノイズ成
分も増幅されるので、Ｓ／Ｎ比が悪化し、微小な加速度
を測定する目的には効果がない。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ところで、圧電セラミ
ックスを利用した加速度センサでは、それ自体からノイ
ズが発生することはない。ノイズの発生源は、センサと
回路の入力端子との間に侵入する外部ノイズと、アンプ
を構成するオペアンプの入力段に発生する入力換算電圧
ノイズに起因する内部ノイズとに大別される。これらノ
イズを説明するために、図１０にチャージアンプの例
を、図１１に電圧アンプの例を示す。ここで、センサＳ
は電圧感度Ｖｓ、電荷感度Ｑｓ、静電容量Ｃｓの特性を
持つとする。なお、Ｑｓ＝Ｖｓ×Ｃｓの関係があること
は知られている。このとき、両アンプ方式での回路込み
でのＧ感度は、表１のようになる。チャージアンプでは
電荷感度Ｑｓに比例し、電圧アンプでは電圧感度Ｖｓに
比例する。

【０００５】

【表１】

【０００６】次に、外部ノイズについて考える。外部ノ
イズＶｎはセンサＳとアンプＯＰの入力端子とのライン
に容量Ｃｃで静電的に結合され、そのノイズ源の大きさ
をＶｎとする。外部ノイズはそれぞれアンプを通した出
力として、表１のような外部ノイズ電圧Ｖonとなって現
れる。なお、ノイズでは極性は重要ではないため、表１
では全ての項目で絶対値として表してある。チャージア
ンプでは、結合容量Ｃｃと帰還容量Ｃ１とで反転アンプ
が形成され、外部ノイズ電圧はＶｎにこの増幅率（Ｃｃ
／Ｃ１）を掛けた大きさになる。電圧アンプでは、結合
容量ＣｃとセンサＳの容量Ｃｓで分圧された後、ボルテ
ージフォロワーとして出力される。ここで、Ｓ／Ｎ比の
逆数として、ノイズの大きさをＧのレベルで表すＧ換算
ノイズを定義すると、Ｇ換算ノイズはノイズ電圧／Ｇ感
度となる。Ｇ換算ノイズが例えば１００ｍＧとすると、
回路出力に加速度の印加がない場合でも、常に１００ｍ
Ｇに相当するノイズが発生するため、それ以下の加速度
は測れないことになる。Ｇ換算外部ノイズは、両回路で
表１のようになる。これから、Ｇ換算外部ノイズは、回
路方式に関係なく、電荷感度Ｑｓが大きいほど小さく、
より小さな加速度が測れることになる。

【０００７】一方、内部ノイズ電圧は、表１のようにな
る。内部ノイズＥｎはオペアンプＯＰの正の入力端子に
発生するため、チャージアンプではセンサＳの容量Ｃｓ
と帰還容量Ｃ１とで非反転アンプが形成され、Ｅｎにこ
れら増幅率を掛けて出力される。電圧アンプでは、ゲイ
ン１のボルテージフォロワーになっているため、Ｅｎが
そのまま出力される。これから、Ｇ換算内部ノイズは、
これらノイズ電圧ＶonをＧ感度Ｖosで割ることで、表１
のようになる。これより、Ｇ換算内部ノイズは、回路方
式に関係なく電圧感度Ｖｓが大きいほど小さく、より小
さな加速度が測れることになる。

【０００８】以上のことから、電荷と電圧の両感度とも
大きなセンサが優れることになるが、これらの積である
Ｑｓ・Ｖｓ／２は、加速度によって発生するエネルギー
Ｅｓに相当し、これを大きくすることは、形状が大きく
なるなど問題を生じる。ところで、ここで説明した外部
ノイズはプリント回路基板のレイアウト等に依存し、ま
た内部ノイズは使用されるオペアンプ等のアンプ特性に
依存する。したがって、センサとしては使用される機器
の状態に応じて、両者の積であるエネルギーＥｓをでき
るだけ落とさずに、電荷感度Ｑｓまたは電圧感度Ｖｓの
どちらかをより重視した特性に合わせ込むことが有効に
なる。これからすると、先に述べた２つの公報に記載さ
れたセンサでは電荷感度が大きいため、外部ノイズが大
きい用途には適するが、電圧感度が小さいため、内部ノ
イズが大きな用途には向かないことになる。

【０００９】そこで、本発明の目的は、電荷感度と電圧
感度との積であるエネルギーをできるだけ落とさずに、
電圧感度を高くし、内部ノイズの要因が大きい使用環境
に適した加速度センサを提供することにある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、請求項１に係る発明は、圧電素子と、この圧電素子
の長さ方向両端部を支持する支持部材とを備え、上記圧
電素子は２層以上の圧電体層を積層したものであり、上
記外側の２層の圧電体層は、加速度が加わった時に長さ
方向に応力が逆転する２つの境界によって長さ方向に３
つの領域に分割されており、上記外側の２層の圧電体層
のぞれぞれにおいて、各領域で構成されるセルが厚み方
向に同一方向に分極されており、上記長さ方向に配列さ
れた３つのセルが電気的に直列に接続されるように、上
記圧電素子の表裏主面および層間に電極が設けられてい
ることを特徴とする加速度センサを提供する。

【００１１】本発明に係る加速度センサの場合、外側の
２層の圧電体層内において、長さ方向に配列された３つ
のセルが電気的に直列に接続されるため、従来のように
並列接続されたものに比べて電圧感度を相対的に高くす
ることができる。一方、電荷感度は低下するが、積であ
るエネルギーは従来のものと大差なくすることができ
る。つまり、発生エネルギーの劣化を抑えながら、電圧
感度を高くすることで、内部ノイズが大きな用途に適し
た加速度センサを得ることができる。また、外側の２つ
の圧電体層の３つのセルまたは２つの圧電体層の６つの
セルが直列接続されているので、たとえ特定のセルで電
極間の絶縁抵抗が劣化しても他のセルは特性を維持でき
るので、センサ特性としての劣化を緩和できる。したが
って、必要な絶縁性を低くできる分、層厚を薄くし、感
度を上げることが可能となる。

【００１２】また、従来の加速度センサでは、長さ方向
に３分割された各セルのうち、隣合うセルで分極方向が
逆転しているため、分極時には外部電極を３つのセルに
分割し、分極方向に応じた電圧を印加した後、これら外
部電極を接続するための電極を形成するという作業が必
要であった。これに対し、本発明の加速度センサでは、
２層の圧電体層のぞれぞれにおいて、１つの圧電体層内
における３つのセルが同一方向に分極されているため、
長さ方向で分極方向を逆転させる必要がなく、最初から
最終形状の電極を形成しておくことができる。したがっ
て、分極作業および電極の形成作業が簡素化され、製造
コストを低減できる。なお、本発明の圧電素子は、２層
の圧電体層を積層したものに限らず、３層以上の圧電体
層を積層したものでもよい。

【００１３】請求項２は、本発明にかかる加速度センサ
の一例の分極方向および電極形状を特定したものであ
る。すなわち、外側の２層の圧電体層の全てのセルを同
一方向に分極し、圧電素子の表裏主面の電極を２つの境
界のうち一方の境界で長さ方向に２分割し、圧電素子の
層間電極を２つの境界のうち他方の境界で長さ方向に２
分割し、圧電素子の長さ方向の一端部に表裏主面の電極
を引き出し、他端部に層間電極を引き出したものであ
る。この場合には、各層の３つのセルが直列接続され、
かつ２つの層が並列接続される。そのため、電圧感度が
図８に示す従来例に比べて１．５倍、図９に示す従来例
に比べて３倍となり、電荷感度は図８に示す従来例に比
べて０．６倍、図９に示す従来例に比べて０．３倍とな
るが、エネルギー的には０．９倍となり、ほぼ同じとな
る。したがって、エネルギーをできるだけ落とさずに、
電圧感度を高くすることができ、内部ノイズが大きい用
途に適した加速度センサを実現できる。また、全てのセ
ルの分極方向が同一方向であるから、製造工程が簡素と
なり、製造コストを低減できる。

【００１４】請求項３は、本発明にかかる加速度センサ
の他の例の分極方向および電極形状を特定したものであ
る。すなわち、外側の一方の圧電体層のセルと他方の圧
電体層のセルとを逆方向に分極し、圧電素子の表側主面
の電極を２つの境界のうち一方の境界で長さ方向に２分
割し、圧電素子の裏側主面の電極を２つの境界のうち他
方の境界で長さ方向に２分割し、圧電素子の層間電極を
２つの境界で長さ方向に３分割し、圧電素子の長さ方向
の一端部に表側主面の電極を引き出し、他端部に裏側主
面の電極を引き出したものである。この場合には、２つ
の層の６つのセルが直列接続される。そのため、電圧感
度が図８に示す従来例に比べて３倍、図９に示す従来例
に比べて６倍となり、電荷感度は図８に示す従来例に比
べて０．３倍、図９に示す従来例に比べて０．１５倍と
なるが、エネルギー的には０．９倍となり、ほぼ同じと
なる。したがって、エネルギーをできるだけ落とさず
に、電圧感度を高くすることができ、内部ノイズが大き
い用途に適した加速度センサを実現できる。また、各層
の長さ方向の３つのセルの分極方向が同一方向であるか
ら、製造工程が簡素となり、製造コストを低減できる。

【００１５】

【発明の実施の形態】図１〜図４は本発明にかかる加速
度センサの第１実施例を示す。この加速度センサ１Ａ
は、圧電素子（検出素子）２の長さ方向両端部を断面コ
字形の一対の支持枠（支持部材）１０，１１で両端支持
したものである。支持枠１０，１１は圧電素子２と熱膨
張係数がほぼ等しい絶縁性セラミック等で構成されてい
る。支持枠１０，１１の内面には、加速度Ｇが作用した
時に圧電素子２が撓み得る空間を形成するための凹部１
０ａ，１１ａが形成されている。

【００１６】この実施例の圧電素子２は、短冊形状の薄
肉な圧電セラミックよりなる２層の圧電体層２ａ，２ｂ
を積層し、一体に焼成したものである。各層の厚みは、
電荷感度を高めるため、例えば１００μｍ以下の層厚に
形成するのがよい。圧電素子２の層間には電極３ａ，３
ｂが設けられ、表裏主面に電極５ａ，５ｂおよび６ａ，
６ｂが設けられている。２つの圧電体層２ａ，２ｂは、
加速度Ｇが印加されたときに応力が逆転する２つの境界
Ｂ１，Ｂ２によって長さ方向に３つの領域に分割されて
おり、それぞれの領域が６個のセル1)〜6)を構成してい
る。そして、全てのセルが厚み方向に同一方向に分極さ
れている。図１，図２，図４に分極方向Ｐを太線矢印で
示してある。

【００１７】層間電極３ａ，３ｂは、境界Ｂ２で長さ方
向に２分割されている。層間電極３ａは４つのセル1)，
2)と4)，5)との間に連続的に形成されており、その一端
は圧電素子２の左端面の手前で終端となり、他端は境界
Ｂ２の直前で終端となっている。また、層間電極３ｂは
セル3)と6)との間に設けられており、その一端は他方の
境界Ｂ２の直前で終端となり、他端は圧電素子２の右端
面へ引き出されている。

【００１８】表裏主面の電極５ａ，５ｂおよび６ａ，６
ｂは、境界Ｂ１で長さ方向に２分割されている。主面電
極５ａ，６ａの一端は圧電素子２の左端面へ引き出さ
れ、他端は境界Ｂ１の直前で終端となっている。また、
主面電極５ｂ，６ｂの一端は境界Ｂ１の直前で終端とな
り、他端は圧電素子の右端面の手前で終端となってい
る。つまり、主面電極５ａ，６ａはそれぞれセル1)と4)
の表面に形成され、主面電極５ｂ，６ｂはそれぞれセル
2)，3)の表面およびセル5)，6)の表面に形成されてい
る。

【００１９】支持枠１０，１１の両端面を含む圧電素子
２の長さ方向両端面には、外部電極７，８が形成されて
いる。一方の端面に形成された外部電極７は、表主面の
電極５ａおよび裏主面の電極６ａと導通しており、他方
の端面に形成された外部電極８は、層間電極３ｂと導通
している。

【００２０】上記のように層間電極３ａ，３ｂ、表裏電
極５ａ，５ｂ、６ａ，６ｂ、外部電極７，８を設けるこ
とで、図３に示されるような回路が構成される。すなわ
ち、一方の圧電体層２ａにおいて、長さ方向に配列され
た３つのセル1)〜3)が直列に接続され、他方の圧電体層
２ｂにおいても、長さ方向に配列された３つのセル4)〜
6)が直列に接続されている。そして、一方の層２ａに設
けられたセル1)〜3)で構成される回路と、他方の層２ｂ
に設けられたセル4)〜6)で構成される回路とが電気的に
並列接続されている。なお、図３に示されるように、セ
ル1)とセル2)との接続部と、セル4)とセル5)との接続部
とが層間電極３ａを介して接続されることになるが、上
下２層の圧電体層２ａ，２ｂは対称形状であるから、こ
れら接続部の電位は同電位となる。そのため、上記接続
部が接続されているかいないかに拘わらず、回路的には
同じ特性となる。

【００２１】上記加速度センサ１Ａに加速度Ｇが作用し
た場合の発生電荷について、図４を参照して説明する。
図４に矢印で示すように下向きの加速度Ｇが作用する
と、慣性によって圧電素子２の中央部が図４の上方へ凸
となるよう変位する。そのため、上側の圧電体層２ａの
中央部のセル2)には引張応力が作用し、両端部のセル
1)，3)には圧縮応力が作用する。逆に、下側の圧電体層
２ｂの中央部のセル5)には圧縮応力が作用し、両端部の
セル4)，6)には引張応力が作用する。上記応力と分極方
向Ｐとの関係に基づいて、表主面の一方の電極５ａには
プラスの電荷が発生し、他方の電極５ｂには境界Ｂ２を
間にして片側にはマイナス、他側にはプラスの電荷が発
生する。他方、裏主面の一方の電極６ａにはプラスの電
荷が発生し、他方の電極６ｂには境界Ｂ２を間にして片
側にはマイナス、他側にはプラスの電荷が発生する。こ
れと対応する層間電極３ａには境界Ｂ１を間にして片側
にはマイナスの電荷が発生し、他側にはプラスの電荷が
発生する。上記電極５ｂ，６ｂ，３ａの発生電荷は互い
にキャンセルし合う。そして、層間電極３ｂにはマイナ
スの電荷が発生する。その結果、プラスの電荷は電極５
ａ，６ａと接続された外部電極７から取り出され、マイ
ナスの電荷は電極３ｂと接続された外部電極８から取り
出される。

【００２２】上記圧電素子２は、例えば次のようにして
製造することができる。まず２層の圧電セラミックスの
グリーンシートを準備し、一方のグリーンシートに層間
電極３ａ，３ｂにあたる電極ペーストを印刷し、その上
に他方のグリーンシートを積層圧着し、焼成する。その
後、表裏の主面電極５ａ，５ｂ，６ａ，６ｂとして電極
ペーストを印刷した後、焼成する。次に主面電極間、ま
たは主面電極と層間電極との間に所定の電圧を印加して
分極処理する。分極に層間電極３ａ，３ｂを用いる場
合、図２では層間電極３ａが外部に引き出されていない
が、紙面の厚み方向に引き出せばよい。その後、２層の
圧電セラミックス板を所定の大きさにカットすること
で、圧電素子２を得ることができる。なお、別の製造方
法として、予め焼成した２枚の圧電セラミックス板に、
層間電極と主面電極とを印刷、焼成した後、接着剤によ
って貼り合わせてもよい。

【００２３】表２は、各セル1)〜6)を独立の構成とした
場合に、加速度が加わった時の各セルの電気的特性を示
す。ここでは、各セルに発生する電圧感度Ｖは等しく、
両端のセル1)，3)，4)，6)に比べて、中央部のセル2)，
5)の面積がほぼ２倍であるため、電荷感度Ｑ，静電容量
Ｃは２倍になる。また、エネルギーＥ＝Ｖ×Ｑ／２であ
るから、セル2)，5)のエネルギーは他のセルのエネルギ
ーの２倍になる。

【００２４】

【表２】

【００２５】表３は、図８，図９に示された従来の加速
度センサと、本発明の第１実施例の加速度センサ１Ａお
よび後述する第２実施例の加速度センサ１Ｂとについ
て、電圧感度、電荷感度、静電容量およびエネルギーを
比較したものである。

【００２６】

【表３】

【００２７】表３から明らかなように、加速度センサ１
Ａでは、圧電体層２ａ内で３つのセル1)，2)，3)が直列
接続され、圧電体層２ｂ内でも３つのセル4)，5)，6)が
直列接続されるので、各セルの電圧が加算され、各層毎
の発生電位が高くなる。そのため、電圧感度を従来のよ
うな並列接続型（図８，図９参照）に比べて１．５倍〜
３倍に高めることができる。一方、エネルギーの点で
は、従来例が４Ｅであるのに対し、第１実施例では３．
６Ｅであり、大差がないことがわかる。これにより、第
１実施例の加速度センサ１Ａでは、発生エネルギーの劣
化を抑えながら、センサの感度特性として、相対的に電
圧感度を高めることができる。そのため、内部ノイズの
要因が大きな使用環境に適したセンサを提供できる。

【００２８】主面電極と層間電極は、圧電体層２ａ，２
ｂの上下面で対向しており、しかも各層２ａ，２ｂの厚
みは例えば１００μｍ以下と非常に薄い。厚みを含めた
形状による特性は、電荷感度Ｑ＝ｋｄ・ＷＬ³ ／Ｔ電圧感度Ｖ＝ｋｇ・Ｌ² で表される。ここで、Ｌ：支持枠で挟まれる長さ、Ｗ：
検出素子の幅、Ｔ：検出素子の厚み、ｇ，ｄ：圧電定
数、ｋ：その他の係数である。上式から明らかなよう
に、層厚が薄いほど電荷感度が高い。一方、電圧感度は
厚みに関係しないため、エネルギーは層厚が薄いほど高
くなる。そのため、できるだけ層厚を薄くすれば、感度
の高いセンサを構成できる。他方で、主面電極と層間電
極は圧電体層の側面で厚み分のギャップをもって絶縁性
を維持する必要がある。層厚を薄くすると、両電極の絶
縁抵抗の確保が困難になる。特に、両電極間の絶縁低下
は、側面にわたり均一に起こるのではなく、加工時の不
純物などと検出部を囲むパッケージに侵入した水分とが
反応して、局部的に起こることが多い。本実施例では、
各層のセルが３つの直列接続となっており、例え特定の
セルで電極間の絶縁抵抗が劣化しても、残る２つのセル
は特性を維持できるため、センサ特性としての劣化の程
度を緩和できる。最悪の場合、１つのセルが完全にショ
ートしても、残りの２つのセルによって２／３の特性を
確保できる。したがって、必要な絶縁性程度を低くでき
る分、層厚を薄くし、感度を上げることが可能になる。

【００２９】従来例（図８，図９）の場合、長手方向の
３つの領域で分極方向を逆転させる必要があり、そのた
め分極時には外部電極を３つの領域に分割して形成し、
分極方向に応じた電圧を印加した後、これら外部電極を
相互に接続するという作業が必要である。これに対し、
本実施例では、長手方向の分極方向が全て同じ方向であ
るから、最初から表裏の主面電極を形成し、これら主面
電極を用いて分極を行うことができる。そのため、作業
性が向上し、製造コストを低減できる。

【００３０】図５〜図７は本発明に係る加速度センサの
第２実施例を示す。この実施例の加速度センサ１Ｂは、
圧電素子２を構成する２層の圧電体層２ａ，２ｂの分極
方向を逆方向とするとともに、層間電極を３分割し、裏
面側の主面電極６ａ，６ｂを表面側の主面電極５ａ，５
ｂと点対称形状としたものである。なお、第１実施例と
同一部分には同一符号を付して重複説明を省略する。

【００３１】層間電極３ａ，３ｂ，３ｃは、境界Ｂ１，
Ｂ２で長さ方向に３分割されており、いずれの層間電極
も圧電素子２の長さ方向の端面まで引き出されていな
い。したがって、外部電極７，８とは導通していない。
表面に設けられた主面電極５ａ，５ｂは境界Ｂ１で長さ
方向に２分割されており、主面電極５ａの一端は圧電素
子２の左端面へ引き出され、他端は境界Ｂ１の直前で終
端となっている。また、主面電極５ｂの一端は境界Ｂ１
の直前で終端となり、他端は圧電素子の右端面の手前で
終端となっている。裏面に設けられた主面電極６ａ，６
ｂは境界Ｂ２で長さ方向に２分割されており、主面電極
６ａの一端は圧電素子２の左端面の手前で終端となり、
他端は境界Ｂ２の直前で終端となっている。また、主面
電極６ｂの一端は境界Ｂ２の直前で終端となり、他端は
圧電素子２の右端面まで引き出されている。つまり、圧
電素子２で発生した電荷を取り出すため、表面の主面電
極５ａが外部電極７と接続され、裏面の主面電極６ｂが
外部電極８と接続されている。この場合、６個のセル1)
〜6)は、図６に示すように、すべて直列接続となる。

【００３２】この加速度センサ１Ｂに加速度Ｇが作用す
ると、図７に示すように、上側の圧電体層２ａの中央部
のセル2)には引張応力が作用し、両端部のセル1)，3)に
は圧縮応力が作用する。逆に、下側の圧電体層２ｂの中
央部のセル5)には圧縮応力が作用し、両端部のセル4)，
6)には引張応力が作用する。上記応力と分極方向Ｐとの
関係に基づいて、表主面の一方の電極５ａにはプラスの
電荷が発生し、他方の電極５ｂには境界Ｂ２を間にして
片側にはマイナス、他側にはプラスの電荷が発生する。
他方、裏主面の一方の電極６ａには境界Ｂ１を間にして
片側にはマイナス、他側にはプラスの電荷が発生し、他
方の電極６ｂにはマイナスの電荷が発生する。また、層
間電極３ａ，３ｂ，３ｃには、それぞれマイナスとプラ
スの両方の電荷が発生し、キャンセルし合う。その結
果、プラスの電荷は電極５ａと接続された外部電極７か
ら取り出され、マイナスの電荷は電極６ｂと接続された
外部電極８から取り出される。

【００３３】第２実施例の加速度センサ１Ｂでは、全て
のセル1)〜6)が直列に接続されていることから、表３に
示すように、電圧感度が６Ｖとなり、従来例は勿論、第
１実施例より電圧感度が高くなる。一方、エネルギーの
点では、従来例が４Ｅであるのに対し、３．６Ｅであ
り、大差がない。そのため、本実施例の加速度センサ１
Ｂでは、発生エネルギーの劣化を抑えながら、センサの
感度特性としての電圧感度を高めることができる。ま
た、第１実施例と同様に、いずれかのセルの絶縁抵抗が
劣化しても、直列接続された他のセルには影響を与えな
いので、特性劣化を抑制できる。つまり、絶縁抵抗の低
下による影響を緩和できるので、圧電体層２ａ，２ｂを
一層薄くでき、高感度の加速度センサを実現できる。ま
た、各層２ａ，２ｂに設けられる３つのセルの分極方向
がそれぞれ同一方向であるから、分極処理が容易にな
る。

【００３４】本発明は上記実施例に限定されるものでは
ない。例えば、図５に示された第２実施例の加速度セン
サ１Ｂでは、圧電体層２ａ，２ｂの分極方向Ｐを相反方
向としたが、これとは逆に、対向方向としても同様の作
用効果を有する。但し、発生電荷の極性が逆になる。ま
た、加速度センサ１Ａ，１Ｂを３層以上の圧電体層で構
成することも可能である。

【００３５】

【発明の効果】以上の説明で明らかなように、請求項１
に係る加速度センサによれば、外側の２層の圧電体層内
において、長さ方向に配列された３つのセルが電気的に
直列に接続されるため、並列接続されたものに比べて電
圧感度を相対的に高くすることができる。一方、電荷感
度は低下するが、電圧感度と電荷感度との積であるエネ
ルギーは従来のものと大差なくすることができる。つま
り発生エネルギーの劣化を抑えながら、電圧感度を高く
することで、内部ノイズが大きな用途に適した加速度セ
ンサを得ることができる。また、外側の２つの圧電体層
の３つのセルまたは２つの圧電体層の６つのセルが直列
接続されているので、その内の１つのセルで電極間の絶
縁抵抗が劣化しても、他のセルは特性を維持でき、セン
サ特性としての劣化を緩和できる。したがって、必要な
絶縁性を低くできる分だけ層厚を薄くでき、感度を上げ
ることが可能となる。さらに、本発明の加速度センサで
は、１つの圧電体層内における３つのセルが同一方向に
分極されているため、長さ方向で分極方向を逆転させる
必要がなく、最初から主面電極を形成して分極を行うこ
とができる。したがって、製造工程が簡素化され、製造
コストを低減できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明にかかる加速度センサの第１実施例の斜
視図である。

【図２】図１に示した加速度センサの正面図である。

【図３】図１に示した加速度センサの回路図である。

【図４】図１に示した加速度センサの加速度Ｇの印加時
における作動説明図である。

【図５】本発明にかかる加速度センサの第２実施例の正
面図である。

【図６】図５に示す加速度センサの回路図である。

【図７】図５に示す加速度センサの加速度Ｇの印加時に
おける作動説明図である。

【図８】従来の加速度センサの一例の加速度印加時の動
作説明図および回路図である。

【図９】従来の加速度センサの他の例の加速度印加時の
動作説明図および回路図である。

【図１０】チャージアンプの一例の回路図である。

【図１１】電圧アンプの一例の回路図である。

【符号の説明】

１Ａ，１Ｂ加速度センサ２圧電素子３ａ，３ｂ，３ｃ層間電極５ａ，５ｂ，６ａ，６ｂ主面電極７，８外部電極１０，１１支持枠（支持部材） 1)〜6) セル

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】圧電素子と、この圧電素子の長さ方向両端
部を支持する支持部材とを備え、上記圧電素子は２層以
上の圧電体層を積層したものであり、上記外側の２層の
圧電体層は、加速度が加わった時に長さ方向に応力が逆
転する２つの境界によって長さ方向に３つの領域に分割
されており、上記外側の２層の圧電体層のぞれぞれにお
いて、各領域で構成されるセルが厚み方向に同一方向に
分極されており、上記長さ方向に配列された３つのセル
が電気的に直列に接続されるように、上記圧電素子の表
裏主面および層間に電極が設けられていることを特徴と
する加速度センサ。
【請求項２】上記外側の２層の圧電体層の全てのセルが
同一方向に分極されており、上記圧電素子の表裏主面の
電極は、上記２つの境界のうち一方の境界で長さ方向に
２分割されており、上記圧電素子の層間電極は、上記２
つの境界のうち他方の境界で長さ方向に２分割されてお
り、上記圧電素子の長さ方向の一端部に表裏主面の電極
が引き出され、他端部に層間電極が引き出されているこ
とを特徴とする請求項１に記載の加速度センサ。
【請求項３】上記外側の一方の圧電体層のセルと他方の
圧電体層のセルとが逆方向に分極されており、上記圧電
素子の表側主面の電極は、上記２つの境界のうち一方の
境界で長さ方向に２分割されており、上記圧電素子の裏
側主面の電極は、上記２つの境界のうち他方の境界で長
さ方向に２分割されており、上記圧電素子の層間電極
は、上記２つの境界で長さ方向に３分割されており、上
記圧電素子の長さ方向の一端部に表側主面の電極が引き
出され、他端部に裏側主面の電極が引き出されているこ
とを特徴とする請求項１に記載の加速度センサ。