KR100255107B1 - 가속도 센서 - Google Patents

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무라타 야스타카
가부시키가이샤 무라타 세이사쿠쇼
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Abstract

본 발명은 압전식 가속도 센서(piezoelectric type acceleration sensor)에 관한 것으로, 본 발명에 따른 가속도 센서는 소형이며, 전하 감도가 높고 정전 용량이 크며, 3층 이상의 압전체층으로 구성된 적층체(laminate)를 구비한 압전 소자(piezoelectric element)를 포함한다. 압전체층간에 및 적층체의 상하주면에 전극이 공급된다. 압전 소자는 반대측 단부들에서 지지된다. 인접한 압전체층들은 분극되어, 인접한 압전체층들 사이에 끼인 전극에 동일한 극성의 전하가 축적된다.

Description

가속도 센서
본 발명은 압전 소자(piezoelectric element)를 포함한 가속도 센서(acceleration sensor)에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 차량용 에어백에 사용되는 가속도 센서에 관한 것이다.
압전 소자를 이용한 가속도 센서는, 충격에 의해 발생된 가속도를 검출하기 위하여 차량에 장착된 에어백에 사용되어 왔다. 본 발명에는 다양한 구조를 갖는 가속도 센서들이 제안되었고, 검출 감도가 높은, 바이모프(bimorph)형 압전 소자를 사용한 가속도 센서가 일본 특허 출원 제 6-273439호, 제 6-324073호 등에 기재되어 있다.
도 1에서 보는 바와 같이, 바이모프형 압전 소자를 사용한 종래의 가속도 센서 1은 바이모프형 압전 소자 2 및 절연성 케이스 3을 구비한다. 가속도 센서 1은 기판 4 상에 장치된다.
바이모프형 압전 소자 2는 제 1 압전 세라믹판 5와 제 2 압전 세라믹판 6을 적층하여 구성된다. 제 1 신호 전극(signal electrode) 7과 제 2 신호 전극 8은 각각 제 1 압전 세라믹판 5와 제 2 압전판 6의 외주면에 형성된다. 압전 소자 2의 길이 방향의 중앙영역에서, 압전성 세라믹판 5, 6에 제 1 신호 전극 7과 제 2 신호 전극 8은 중첩된다. 제 1 압전 세라믹판 5와 제 2 압전 세라믹판 6과의 사이에 중간 전극 9가 형성되며, 중간 전극 9는 제 1 신호 전극 7의 중첩 부분과 제 2 신호 전극 8의 중첩 부분과의 사이에 배치된다.
제 1 압전 세라믹판 5와 제 2 압전 세라믹판 6은 서로 대향하는 방향으로 균일하게 분극처리된다. 제 1 신호 전극 7은 압전 소자 2의 두 반대측 단부 중 한쪽 단부에서 길이 방향으로 연장되며, 반면, 제 2 신호 전극 8은 압전 소자 2의 다른쪽 단부에서 길이 방향으로 연장된다.
절연성 케이스 3은 제 1 클립부재(clip portion) 10, 제 2 클립부재 11 및 기판 12, 13으로 구성된다. 클립부재 10, 11은 각각 오목부 10a, 11a를 구비하며, 길이 방향의 양단부에서 압전 소자 2를 클립하며, 이로 인하여, 압전 소자 2를 변위시키면서, 길이 방향의 양단부에서 압전 소자 2를 지지한다. 기판 12, 13은 각각 오목부 12a와 오목부(도시하지 않음)를 가지며, 클립부재 10, 11이 직면하는 방향에 대하여 수직인 방향으로 압전 소자 2를 클립한다.
바이모프형 압전 소자 2는 압전 소자 2의 두께 방향으로는 가속도에 대한 감도가 양호하며, 화살표 Q로 나타낸 방향으로는 가속도에 대한 감도가 없다.
바이모프형 압전 소자 2가 합당한 감도 전위(sensing potential)를 출력할지라도, 바이모프형 압전 소자 2의 정전 용량(static capacitance)이 작으므로, 전하 감도는 작다. 따라서, 전하 증폭기(charge amplifier)를 사용하여 출력 감도를 증폭시킬 때, 신호 대 노이즈(SN) 비는 저하된다.
또한, 전하 증폭기와 바이모프형 압전 소자 2와의 사이에서 생성된 고역통과형 필터는, 저주파측에서 차단 주파수(cutoff frequency)가 크므로, 바이모프형 압전 소자 2에 의해 검출된 신호의 저주파 성분은 측정되지 않는 문제점이 발생한다. 저주파 성분을 측정하기 위하여 전하 증폭기의 임피던스를 증가시키는 경우에, 검출된 신호의 노이즈가 증가되어, SN비는 저하된다.
압전 소자 2의 두께를 더 얇게 하고 폭을 더 크게 하여, 정전 용량을 증가시킬 수 있다. 그러나, 압전 소자 2의 폭을 더 크게 하는 경우에, 가속도 센서가 대형화되어 상업상 불리하다. 한편, 압전 소자 2의 두께를 얇게 하는 경우에, 압전 소자 2의 기계적 강도가 저하되어 생산성이 감소되며, 가속도가 크므로 파괴가능성이 커진다.
상기한 이유로 인하여, 소형이며 기계적 강도가 적절하고, 전하 감도가 높으며 정전 용량이 큰 가속도 센서가 필요하다.
본 발명은 이러한 필요를 충족시키는 가속도 센서를 제공한다. 가속도 센서는 적어도 3층의 압전체층, 복수개의 제 1 전극 및 복수개의 제 2 전극을 구비한 압전 소자로 구성된다. 압전체층들은 서로 두께 방향으로 적층되어, 그의 길이 방향으로 제 1 단부와 제 2 반대측 단부를 구비한 적층체를 형성한다. 압전체층간에 및 적층체의 상하 주면에 제 1 및 제 2 전극이 교대로 설치되며, 제 1 전극들은 제 1 단부에서 제 2 단부쪽으로 연장되고, 제 2 전극들은 제 2 단부에서 제 1 단부쪽으로 연장되며, 압전체층을 경유하여 서로 부분적으로 중첩한다. 가속도 센서는, 적층체의 제 1 및 제 2 단부 근처에서 압전 소자를 지지하는 지지체(support)를 더 포함한다. 압전 소자가 가속도에 의해 발생된 충격을 받을 때, 압전체층들은, 제 1 및 제 2 전극에 반대의 극성을 갖는 전하가 각각 축적되도록 두께 방향으로 분극된다.
제 1 및 제 2 전극이 중첩된 영역에서 압전체층은 분극될 수 있다.
한 구현예에서, 적층된 압전체층 중 적어도 한 층은 분극되지 않는다.
다른 구현예에서, 압전 소자는 3층보다 큰 짝수 층의 압전체층을 구비하며, 적층체의 중앙에 배치된 한쌍의 압전체층을 제외한, 인접한 압전체층들이 서로 반대 방향으로 분극되며, 한쌍의 압전체층은 동일 방향으로 분극된다.
또 다른 구현예에 따르면, 압전 소자는 2층보다 큰 홀수 층의 압전체층을 구비하며, 상기한 압전 소자의 중앙에 배치된 한층의 압전체층을 제외한, 모든 압전체층들이 분극된다.
또 다른 구현예에 따르면, 가속도 센서의 기판상에, 기판에 대하여 90°의 각도로 적층체를 지지하는 지지체를 장착한다. 각도는 0°∼90°인 것이 유리하며, 45°이하의 각도인 것이 더욱 바람직하다.
본 발명의 바람직한 구현예에 따르면, 각 압전체층에서 유도된 양전하 및 음전하는 취소되지 않고 제 1 전극 및 제 2 전극에 효율적으로 축적된다. 이러한 구조로 인하여, 또한, 정전 용량이 큰 가속도 센서를 얻는다. 그러므로, 전하 감도가 높으며, 저주파 성분을 갖는 가속도를 검출할 수 있는 소형의 압전형 가속도 센서를 얻을 수 있다.
첨부한 도면과 다음의 상세한 설명을 참조하면, 본 발명에 따른 이들 및 이외의 다른 특징, 측면 및 이점을 더 용이하게 이해할 수 있을 것이다.
도 1은 종래의 가속도 센서의 사시도이다.
도 2는 본 발명의 제 1 구현예에 따른 가속도 센서의 사시도이다.
도 3은 도 2에 나타낸 가속도 센서의 압전 소자의 분극 방향을 설명한 모식적 평면도이다.
도 4는 도 2에 나타낸 가속도 센서의 압전 소자에서 발생된 강도 및 전하를 설명한 모식적 평면도이다.
도 5는 기판과 합체된 도 2의 가속도 센서를 나타낸 사시도이다.
도 6은 본 발명의 제 2 구현예에 따른 가속도 센서의 모식적 평면도이다.
도 7은 도 6에 나타낸 가속도 센서에서 압전 소자에서 발생된 강도 및 전하를 설명한 모식적 평면도이다.
도 8은 도 2 또는 도 6에 나타낸 가속도 센서의 변형예를 나타낸 사시도이다.
<도면의 주요 부호에 대한 설명>
21 : 가속도 센서 43, 44 : 지지체
22 : 압전 소자 45∼49 : 압전체층
23, 24 : 지지체 50∼55 : 전극
25∼30 : 압전체층 61 : 가속도 센서
31∼37 : 전극 62 : 압전 소자
41 : 가속도 센서 63, 64 : 지지체
42 : 압전 소자
이하에서, 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 구현예를 상세히 설명한다.
〈제 1 구현예〉
도 2는 본 발명의 한 구현예에 따른 가속도 센서 21의 사시도이고, 도 3은 평면도이다. 가속도 센서 21은 압전 소자 22 및 지지체 23, 24(명확히 하기 위해 지지체 24를 그림자선으로 나타냄)로 구성된다.
압전 소자 22는 적층체 70, 제 1 전극 31, 33, 35 및 제 2 전극 32, 34, 36, 37을 구비한다. 적층체 70은 압전체층 25∼30을 적층하여 형성되고, 제 1 단부 71과 제 2 반대측 단부 72를 구비한다.
지지체 23, 24는 각각 오목부 23a, 24a를 구비하므로, 오목부 23a, 24a의 양측에 한 쌍의 돌출부가 각각 형성된다. 지지체 23, 24의 돌출부는 적층체 70의 단부 71, 72의 근처에 부착되므로, 지지체 23, 24에 의해 적층체 70이 지지된다. 지지체 23, 24는 절연성 세라믹(알루미나 등), 합성 수지 등의 절연체로 형성될 수 있다.
도 3에서 보는 바와 같이, 압전체층 25∼30간에 및 적층체 70의 상하 주면에, 제 1 전극 31, 33, 35와 제 2 전극 32, 34, 36, 37이 교대로 설치된다. 제 1 전극 31, 33, 35는 제 1 단부 71에서 제 2 단부 72쪽으로 연장되고, 제 2 전극 32, 34, 36, 37은 제 2 단부 72에서 제 1 단부 71쪽으로 연장된다. 또한, 제 1 전극 31, 33, 35와 제 2 전극 32, 34, 36, 37은, 압전체층 25∼30을 경유하여 EL로 기재된 영역에서 서로 부분적으로 중첩한다.
본 구현예에서, 제 1 전극 31, 33, 35, 제 2 전극 32, 34, 36, 37 및 압전체층 25∼30은 세라믹 일체 소성 기술(ceramic integrated sintering technique)을 이용하여 소성체로 일체화된다. 이 경우에, 압전체층 25∼30의 두께를 줄이기가 용이하며, 압전체층 25∼30의 정전 용량을 증가시킬 수 있다. 다른 방법으로써, 압전체층 25∼30을 각각 소결한 후에, 압전체층 25∼30을 제 1 전극 31, 33, 35 및 제 2 전극 32, 34, 36, 37와 부착할 수 있다.
압전체층 25∼30은 티탄산-지르콘산화납(lead titanate zirconate)계 압전 세라믹이나 수정, LiTaO3등의 압전 단결정으로 형성된다. 제 1 전극 31, 33, 35 및 제 2 전극 32, 34, 36, 37은 Ag, Ag-Pd 등의 전기도전성이 우수한 금속 물질로 형성된다.
도 3에서 보는 바와 같이, 압전체층 25∼30 모두가 두께 방향을 따라 분극되지만, 압전체층 25, 27, 28, 30의 분극 방향은 압전체층 26, 29의 분극 방향과 반대이다. 압전 소자 22가 가속도에 의해 발생된 충격을 받을 때, 압전체층 25∼30 각각의 분극 방향은, 반대 극성을 갖는 전하들을 각각 제 1 및 제 2 전극에 축적시키는 방향으로 결정된다. 압전체층 25∼30은, 제 2 전극 36, 32에 고전압, 제 1 전극 31, 33, 35에 중전압 및 제 2 전극 34, 37에 저전압을 인가하면, 즉시 분극될 수 있다. 다른 방법으로써, 예를 들어, 처음에 제 2 전극 36, 32에 고전압 및 제 1 전극 31, 33에 저전압을 인가하고, 나중에 제 1 전극 33, 35에 고전압 및 제 2 전극 34, 37에 저전압을 인가하여, 압전체층 25∼30을 분극할 수 있다.
도 4를 참조하여, 가속도 센서 21의 작동을 상세히 설명할 것이다. 도 4는 가속도 센서 21의 압전 소자 22에서 발생된 강도와 전하를 설명한 모식적 평면도이다. 도 4에서 보는 바와 같이, 가속도 센서 21이 충격 73에 의해 발생된 가속도를 받을 때, 압전 소자 22는, 압전체층 25∼30의 각 중심부가 충격 73에 대항하여 반응하여 지지체 23측으로 돌출된 형상으로 변형된다. 이 결과로, 압전체층 25∼27은 확장되고, 압전체층 25∼27에 외향 화살표(<―>)로 나타낸 인장 강도(tensile stress)가 발생한다. 반면에, 압전체층 28∼30은 수축되고, 압전체층 28∼30에 내향 화살표(>―<)로 나타낸 압축 강도(compressive stress)가 발생한다.
압전체층 25의 분극 방향과 압전체층 25에 발생된 강도의 방향간의 관계로 인하여, 제 2 전극 36과 접촉한 압전체층 25의 표면에 음전하가 유도되고, 제 1 전극 31과 접촉한 압전체층 25의 표면에 양전하가 유도된다. 이것으로 인하여, 제 2 전극 36과 제 1 전극 31에 음전하와 양전하가 각각 축적된다. 이 경우에, 압전체층 25의 분극 방향의 반대 방향으로 압전체층 26이 분극되므로, 제 1 전극 31과 접촉한 압전체층 26의 표면에 양전하가 유도된다. 즉, 압전체층 25와 26의 분극 방향을 제 1 전극 31로부터 멀어지는 방향으로 정하여, 압전체층 25와 26을 분극하므로, 압전체층 25와 26에 의해, 제 1 전극 31에는 동일한 극성의 전하(이 경우, 양전하)가 축적된다.
동일한 양상으로, 제 2 전극 32를 삽입하여, 제 2 전극 32를 향하도록 압전체층 26과 27의 분극 방향을 지정하여, 압전체층 26과 27을 분극시킨다. 이로 인하여, 압전체층 26과 27로부터 유도된 음전하는 제 2 전극 32에 축적된다.
가속도 센서 21이 충격 73에 의해 발생된 가속도를 받을 때, 압전체층 28∼30은 수축되는 경향이 있다. 그러므로, 분극 방향과 유도 전하의 극성과의 관계가 역변환된다. 구체적으로는, 제 1 전극 35를 향하는 방향으로 분극되며, 압전체층 29와 30의 사이에 삽입된 제 1 전극 35에 양전하가 축적된다. 동일한 양상으로, 제 2 전극 34에 음전하가 또한 축적된다.
제 1 전극 33은, 둘다가 동일한 방향으로 분극된 압전체층 27과 압전체층 28의 사이에 삽입된다. 그러나, 압전체층 27과 압전체층 28에서 인장 강도 및 압축 강도가 각각 발생하므로, 제 1 전극 33에 양전하만이 축적된다.
따라서, 가속도에 의해 압전체층 25∼30 각각에서 유도된 양전하 및 음전하는 취소되지 않고, 제 1 전극 31, 33, 35 및 제 2 전극 32, 34, 36, 37에 효율적으로 축적된다. 그러므로, 가속도 센서 21의 전하 감도는 높아질 수 있다.
상기한 설명으로 알 수 있는 바와 같이, 가속도 센서가 최대한 많은 압전체층을 가지게 하여, 압전 소자에 축적되는 전하를 증가시키는 것이 바람직하다. 게다가, 압전 소자 22의 인장 강도와 압축 강도가 균형을 이루도록 하는 것이 바람직하다. 따라서, 3층보다 큰 짝수 층의 압전층을 갖는 것이 바람직하다. 이 경우에, 적층체의 중앙에 배치된 한쌍의 압전체층은 동일한 방향으로 분극되고, 다른 압전체층들은 인접한 압전체층과 반대 방향으로 분극된다. 정전 용량을 증가시키기 위하여 압전체층의 두께는 최대한 얇게 하는 것이 더욱 바람직하다.
각 압전체층이 균일하고 완전하게 분극되더라도, 제 1 및 제 2 전극이 중첩하는 EL 영역(도 3에 도시)에서만 분극될 수 있다. 게다가, 길이 방향으로의 EL 영역이 줄어들 때 제 1 및 제 2 전극에 따른 출력 전압은 증가된다. 정전 용량은 출력 전압과 교환(trade-off) 관계에 있다. 따라서, 길이 방향으로 EL 영역의 길이를 조정함으로써, 특정한 적용 특성을 갖는 가속도 센서를 얻을 수 있다.
본 구현예에 따른 가속도 센서는 기판과 합체되어, 피복내에 압전 소자를 지지할 수 있다. 도 5에서 보는 바와 같이, 가속도 센서 74는 압전 소자 22, 지지체 23, 24 및 기판 38, 39로 구성된다. 압전 소자 22 및 지지체 23, 24는 도 2에 나타낸 가속도 센서 21과 동일한 양상으로 구성되고, 압전 소자 22는 지지체 23, 24와 서로 직면하는 방향에 수직인 방향으로 기판 38과 39에 삽입된다. 기판 38과 39의 내표면에 오목부(도시하지 않음)와 오목부 39a가 각각 형성되어, 압전 소자 22를 배치시키는 자유 공간을 확보하게 된다. 기판 23과 24는 절연체로 형성할 수 있다.
〈제 2 구현예〉
도 6은 본 발명의 다른 구현예에 따른 가속도 센서 41의 평면도이다. 도 6에 나타낸 가속도 센서 41은, 압전체층의 수 및 압전체층의 분극 방향에 있어서, 도 2에 나타낸 가속도 센서 21과 다르다.
가속도 센서 41은 압전 소자 42와 지지체 43, 44로 구성된다. 압전 소자 42는 적층체 75, 제 1 전극 50, 52, 55 및 제 2 전극 51, 53, 54를 구비한다. 적층체 75는 압전체층 45∼49을 적층하여 형성되고, 제 1 단부 76과 제 2 반대측 단부 77을 갖는다.
지지체 43, 44는 각각 오목부 43a, 44a를 구비하므로, 오목부 43a, 44a의 양측에 한 쌍의 돌출부가 각각 제공된다. 지지체 43, 44의 돌출부는 적층체 75의 단부 76, 77의 근처에 부착되므로, 지지체 43, 44에 의해 적층체 75가 지지된다. 지지체 43, 44는 절연성 세라믹(알루미나 등), 합성 수지 등의 절연체로 형성될 수 있다. 제 1 구현예에 설명한 바와 같은 양상으로, 가속도 센서 41은 기판과 합체되어, 피복내에 압전 소자 42를 지지할 수 있다.
상기한 압전체층 45∼49의 사이 부분에 및 적층체 75의 상하 주면에 제 1 전극 50, 52, 55와 제 2 전극 51, 53, 54를 교대로 제공한다. 제 1 전극 50, 52, 55는 제 1 단부 76에서 제 2 단부 77쪽으로 연장되고, 제 2 전극 51, 53, 54는 제 2 단부 77에서 제 1 단부 76쪽으로 연장된다. 또한, 제 1 전극 50, 52, 55 및 제 2 전극 51, 53, 54는, 압전체층 24∼49를 경유하여 서로 부분적으로 중첩된다.
본 구현예에서, 제 1 전극 50, 52, 55, 제 2 전극 51, 53, 54 및 압전체층 45∼49는 세라믹 일체 소성 기술을 이용하여 소성체로 일체화된다. 다른 방법으로써, 압전체층 45∼49를 각각 소결한 후에, 압전체층 45∼49를 제 1 전극 50, 52, 55 및 제 2 전극 51, 53, 54와 부착할 수 있다. 압전체층 45∼49, 제 1 전극 50, 52, 55 및 제 2 전극 51, 53, 54는, 제 1 구현예에서와 동일한 재료로 형성될 수 있다.
도 6에서 보는 바와 같이, 압전체층 45, 46, 48, 49는 두께 방향을 따라 분극되지만, 적층체 75의 중심에 배치된 압전체층 47은 분극되지 않는다. 압전체층 45와 48의 분극 방향은 압전체층 46과 49의 분극 방향과 반대이다. 압전 소자 42가 가속도에 의해 발생된 충격을 받을 때, 압전체층 45, 46, 48, 49의 분극 방향은, 반대 극성을 갖는 전하들을 각각 제 1 및 제 2 전극에 축적시키는 방향으로 결정된다.
도 7은 가속도 센서 41의 압전 소자 42에서 발생된 강도 및 전하를 설명한 모식적 평면도이다. 도 7에서 보는 바와 같이, 압전 소자 42는, 압전체층 45∼49의 각 중심부가 충격으로 인하여 상측으로 돌출된 형상으로 변형될 때, 압전체층 45, 46은 확장되고, 압전체층 45, 46에 외향 화살표(<―>)로 나타낸 인장 강도가 발생된다. 반면에, 압전체층 48과 49는 수축되고, 압전체층 48과 49에 내향 화살표(>―<)로 나타낸 압축 강도가 발생된다. 압전체층 47은 분극되지 않으므로, 압전체층 47은 전하를 발생시키지 않는다.
제 1 구현예에 상세히 설명한 바와 같이, 압전체층 45와 46은 반대 방향으로 분극되므로, 제 1 전극 50과 접촉한 압전체층 45와 46의 표면에 동일한 극성의 전하가 유도된다. 이것으로 인하여, 제 1 전극 50에 동일한 극성의 전하가 취소되지 않고 축적된다. 도 7의 경우에, 제 1 전극 50에 양전하가 축적되고, 반면에, 제 2 전극 51과 54에 음전하가 축적된다.
압전체층 48과 49는 수축되는 경향이 있다. 그러므로, 분극 방향과 유도 전하의 극성과의 관계가 역변환된다. 구체적으로는, 압전체층 48과 49와의 사이에 삽입된 제 2 전극 53에 음전하가 축적된다. 또한 제 1 전극 52와 55에 양전하가 축적된다.
따라서, 충격에 의해 압전체층 45, 46, 48, 49에 유도된 양전하 및 음전하는 취소되지 않고, 제 1 전극 50, 52, 55 및 제 2 전극 51, 53, 54에 효율적으로 축적된다. 그러므로, 가속도 센서 41의 전하 감도는 높아질 수 있다.
상기한 바와 같이 압전체층 47이 전하를 발생시키지 않더라도, 압전체층 47은 버퍼(buffer)로서 작용하여, 압전체층 45, 46에서 발생된 인장 강도와 압전체층 48, 49에서 발생된 압축 강도를 경감시킨다. 압전체층 47은 또한 압전 소자 42의 정전 용량을 증가시키는 요인이 된다. 게다가, 이 구조에 따라, 두 종류의 전압을 사용함으로써, 예를 들어, 제 1 전극 50과 제 2 전극 53에 저전압을 인가하고, 제 1 전극 52, 55 및 제 2 전극 51, 54에 고전압을 인가함으로써, 압전체층 45, 46, 48, 49는 즉시 분극될 수 있다. 그러므로, 분극 공정을 간략화할 수 있다.
압전 소자 42의 인장 강도 및 압축 강도가 균형을 이루게 하고, 비분극층의 수가 최대한 줄여, 압전 소자 42의 전하 감도를 높게 하는 것이 바람직하다. 따라서, 2층보다 큰 홀수 층의 압전층을 구비하는 것이 바람직하며, 적층체의 중앙에 배치된 한쌍의 압전체층은 분극되지 않는다.
〈변형예〉
가속도 센서 21 및 41에서, 가속도 센서 21 및 41의 주면에 평행인 방향으로 압전체층을 적층시키고, 지지체를 이용하여 압전 소자 22 및 42를 지지시켰다. 압전 소자 22 및 42는 적층 방향에서 최대 감도를 가지며, 적층 방향에 대하여 수직인 방향에서는 감도가 없으므로, 가속도 센서 21 및 41은 주면에 대하여 수직인 방향에서 감도가 없다.
압전체층의 적층 방향을 기울여서, 주면에 대하여 수직일 때에도 가속도를 검출할 수 있다. 도 8에서 보는 바와 같이, 압전 소자 21 또는 41과 동일한 구조를 갖는 압전 소자 61은, 압전체층의 적층 방향 78이 주면 79에 대하여 θ각도만큼 기울어진 각도에서, 지지체 62 및 63에 의해 지지된다. 그 결과로, 압전 소자 61이 최대 감도를 가질 때의 각도는 주면 79에 대하여 θ각도만큼 기울어진 각도이다. 각도 θ는 0<θ≤90 범위의 임의의 각도로 설정할 수 있지만, 45°이하의 각도로 설정하는 것이 바람직하다. 최적 각도는 45°이다.
상세히 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 가속도 센서의 압전 소자는 3층 이상의 압전체층을 적층하며, 인접한 압전체층은 분극되어, 인접한 압전체층들간에 삽입된 전극에, 동일한 극성의 전하가 축적된다. 이로 인하여, 전하 감도가 높으며, 정전 용량이 큰 가속도 센서를 제공하게 된다. 그러므로, 저주파 성분을 갖는 가속도를 검출할 수 있는 소형의 압전형 가속도 센서를 얻을 수 있다.
게다가, 압전 소자는, 압전체층의 두께를 얇게 하지 않고도 압전 소자의 정전 용량이 증가될 수 있을 정도로, 높은 기계적 강도를 가질 수 있다. 세라믹 일체 소성 기술을 이용하여 압전 소자를 형성하는 경우에, 제조 공정시에 압전체층을 균열시키지 않으면서, 압전체층을 얇게 할 수 있다. 그러므로, 정전 용량은 더욱 커질 수 있고, 이로 인하여, 저주파 성분을 갖는 가속도의 측정이 용이하게 된다.
압전 소자의 적층체가 분극되지 않은 압전체층을 포함할 때, 두 종류의 전압을 인가함으로써, 적층체의 나머지 압전체층을 분극화할 수 있다. 이것이 제조 공정을 간략화시킨다.
본 발명에 따른 바람직한 구현예가 기재되었지만, 하기의 청구항의 범위내에 포함되기만 하면, 다양한 방식으로 기재된 원리를 수행할 수 있다. 따라서, 본 발명의 범위는 청구항에 기재된 것만으로 한정되지 않는다.
본 발명의 가속도 센서는, 압전 소자가 3층 이상의 압전체층을 적층한 구조를 가지며, 전극들은 교대로 압전 소자의 길이 방향으로 한쪽 단부에서 다른쪽 단부쪽으로 연장되며, 압전체층들이 분극되면, 전하 감도가 높으며 정전 용량이 커진다. 따라서, 대형화를 초래하지 않으면서 저주파의 가속도 성분을 측정할 수 있는 압전식 가속도 센서를 제공하는 것이 가능하다.
게다가, 압전 소자의 두께를 더 얇게 하는 경우에, 정전 용량은 증가되지만, 기계적 강도가 저하되어 불리하다. 따라서, 압전 소자를 일체 소성형의 소결체로 구성하여, 압전체층의 두께를 얇게 하여도, 제조 공정시에 압전체층을 균열시키지 않을 수 있다. 그러므로, 정전 용량은 더욱 커질 수 있고, 이로 인하여, 저주파 성분을 갖는 가속도의 측정이 용이하게 된다.
따라서, 압전 소자에 있어서, 3층 이상의 압전체층으로 구성되며, 내부에 배치된 압전체층들 중에서 적어도 한 층은 분극처리하지 않는 경우에, 두 종류의 전압을 압전체층에 분극처리함으로써, 분극 작업을 용이하게 할 수 있다.

Claims (8)

  1. 적어도 3층의 압전체층, 복수개의 제 1 전극 및 복수개의 제 2 전극을 구비한 압전 소자로서,
    상기한 압전체층은 서로 두께 방향으로 적층되어, 그의 길이 방향으로 제 1 단부와 제 2 반대측 단부를 구비한 적층체를 형성하며,
    상기한 제 1 전극들 및 제 2 전극들은, 상기한 압전체층간에 및 상기한 적층체의 상하면에, 상기한 제 1 전극들은 상기한 제 2 단부에서 제 1 단부쪽으로 연장되고, 상기한 제 2 전극들은 상기한 제 1 단부에서 제 2 단부쪽으로 연장되도록, 그리고 상기한 압전체층을 경유하여 서로 부분적으로 중첩되도록 교대로 설치된 압전 소자; 및
    상기한 적층체의 제 1 및 제 2 단부 근처에서 상기한 압전 소자를 지지하는 지지체(support)를 포함하는 가속도 센서로서,
    상기한 압전 소자가 가속도에 의해 두께 방향으로 충격을 받을 때, 상기한 압전체층들은, 상기한 제 1 및 제 2 전극들에 반대의 극성을 갖는 전하가 각각 축적되도록 두께 방향으로 분극됨을 특징으로 하는 가속도 센서.
  2. 제 1항에 있어서, 상기한 압전체층들은 적어도 상기한 제 1 및 제 2 전극이 중첩된 영역에서 분극됨을 특징으로 하는 가속도 센서.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기한 적층된 압전체층들 중에서 적어도 한 층은 분극되지 않음을 특징으로 하는 가속도 센서.
  4. 제 1항에 있어서, 상기한 압전 소자는 3층보다 큰 짝수 층의 상기한 압전체층들을 구비하며, 상기한 압전체층들 중에서, 상기한 적층체의 중앙에 배치된 한쌍의 압전체층을 제외한, 인접한 압전체층들이 서로 반대 방향으로 분극되며, 상기한 한쌍의 압전체층은 동일 방향으로 분극됨을 특징으로 하는 가속도 센서.
  5. 제 1항에 있어서, 상기한 압전 소자는 2층보다 큰 홀수 층의 상기한 압전체층들을 구비하며, 상기한 압전체층들 중에서, 상기한 압전 소자의 중앙에 배치된 한층의 압전체층을 제외한, 모든 압전체층이 분극됨을 특징으로 하는 가속도 센서.
  6. 제 1항에 있어서, 상기한 지지체가 장착된 기판을 더 포함하며, 상기한 지지체는 상기한 기판에 대하여 90°의 각도로 상기한 적층체를 지지함을 특징으로 하는 가속도 센서.
  7. 제 6항에 있어서, 상기한 지지체는 0°∼90°의 각도로 상기한 적층체를 지지함을 특징으로 하는 가속도 센서.
  8. 제 7항에 있어서, 상기한 지지체는 45°이하의 각도로 상기한 적층체를 지지함을 특징으로 하는 가속도 센서.
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