JP3966025B2 - 加速度センサ - Google Patents
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Description
【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１００ｍＧ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、本発明の第１実施形態は、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、上記圧電素子は層間電極を間にして２層の圧電体層を積層したものであり、上記圧電素子の表裏主面には電極が形成されており、上記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２層の圧電体層のそれぞれにおいて、３つの領域が厚み方向に同一方向に分極されており、かつ厚み方向に隣合う圧電体層の分極方向が同一方向であり、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２分割された表裏主面の電極のうち一方の境界を間にして他方の境界とは逆側に位置する表裏主面の電極が上記圧電素子の長さ方向一端部に引き出され、上記２分割された層間電極のうち他方の境界を間にして一方の境界とは逆側に位置する層間電極が上記圧電素子の長さ方向他端部に引き出されていることを特徴とする加速度センサを提供する。
本発明の第２の実施形態は、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、上記圧電素子は層間電極を間にして２層の圧電体層を積層したものであり、上記圧電素子の表裏主面には電極が形成されており、上記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２層の圧電体層のそれぞれにおいて、３つの領域が厚み方向に同一方向に分極されており、かつ厚み方向に隣合う圧電体層の分極方向が逆方向であり、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２分割された表側主面の電極のうち一方の境界を間にして他方の境界とは逆側に位置する表側主面の電極が上記圧電素子の長さ方向一端部に引き出され、上記２分割された裏側主面の電極のうち他方の境界を間にして一方の境界とは逆側に位置する裏側主面の電極が上記圧電素子の長さ方向他端部に引き出さ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。
【００１３】
第１実施形態では、各層の３つのセル（領域）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】
第２実施形態では、２つの層の６つのセル（領域）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１０ａ，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，３ｂ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，６ｂ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５ａ，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１Ａ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，２ｂ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，５ｂ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，６ｂ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１Ｂ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。
【００３５】
【発明の効果】
以上の説明で明らかなように、本発明に係る加速度センサによれば、２層の圧電体層内において、長さ方向に配列された３つの領域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、２つの圧電体層の３つの領域または２つの圧電体層の６つの領域が直列接続されているので、その内の１つの領域で電極間の絶縁抵抗が劣化しても、他の領域は特性を維持でき、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つの領域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
【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】
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１００ｍＧ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、本発明の第１実施形態は、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、上記圧電素子は層間電極を間にして２層の圧電体層を積層したものであり、上記圧電素子の表裏主面には電極が形成されており、上記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２層の圧電体層のそれぞれにおいて、３つの領域が厚み方向に同一方向に分極されており、かつ厚み方向に隣合う圧電体層の分極方向が同一方向であり、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２分割された表裏主面の電極のうち一方の境界を間にして他方の境界とは逆側に位置する表裏主面の電極が上記圧電素子の長さ方向一端部に引き出され、上記２分割された層間電極のうち他方の境界を間にして一方の境界とは逆側に位置する層間電極が上記圧電素子の長さ方向他端部に引き出されていることを特徴とする加速度センサを提供する。
本発明の第２の実施形態は、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、上記圧電素子は層間電極を間にして２層の圧電体層を積層したものであり、上記圧電素子の表裏主面には電極が形成されており、上記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２層の圧電体層のそれぞれにおいて、３つの領域が厚み方向に同一方向に分極されており、かつ厚み方向に隣合う圧電体層の分極方向が逆方向であり、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２分割された表側主面の電極のうち一方の境界を間にして他方の境界とは逆側に位置する表側主面の電極が上記圧電素子の長さ方向一端部に引き出され、上記２分割された裏側主面の電極のうち他方の境界を間にして一方の境界とは逆側に位置する裏側主面の電極が上記圧電素子の長さ方向他端部に引き出さ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。
【００１３】
第１実施形態では、各層の３つのセル（領域）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】
第２実施形態では、２つの層の６つのセル（領域）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１０ａ，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，３ｂ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，６ｂ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５ａ，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】
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】
表３から明らかなように、加速度センサ１Ａ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，２ｂ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，５ｂ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，６ｂ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１Ｂ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。
【００３５】
【発明の効果】
以上の説明で明らかなように、本発明に係る加速度センサによれば、２層の圧電体層内において、長さ方向に配列された３つの領域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、２つの圧電体層の３つの領域または２つの圧電体層の６つの領域が直列接続されているので、その内の１つの領域で電極間の絶縁抵抗が劣化しても、他の領域は特性を維持でき、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つの領域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 (2)
- 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、
上記圧電素子は層間電極を間にして２層の圧電体層を積層したものであり、
上記圧電素子の表裏主面には電極が形成されており、
上記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２層の圧電体層のそれぞれにおいて、３つの領域が厚み方向に同一方向に分極されており、かつ厚み方向に隣合う圧電体層の分極方向が同一方向であり、
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２分割された表裏主面の電極のうち一方の境界を間にして他方の境界とは逆側に位置する表裏主面の電極が上記圧電素子の長さ方向一端部に引き出され、上記２分割された層間電極のうち他方の境界を間にして一方の境界とは逆側に位置する層間電極が上記圧電素子の長さ方向他端部に引き出されていることを特徴とする加速度センサ。 - 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、
上記圧電素子は層間電極を間にして２層の圧電体層を積層したものであり、
上記圧電素子の表裏主面には電極が形成されており、
上記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２層の圧電体層のそれぞれにおいて、３つの領域が厚み方向に同一方向に分極されており、かつ厚み方向に隣合う圧電体層の分極方向が逆方向であり、
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２分割された表側主面の電極のうち一方の境界を間にして他方の境界とは逆側に位置する表側主面の電極が上記圧電素子の長さ方向一端部に引き出され、上記２分割された裏側主面の電極のうち他方の境界を間にして一方の境界とは逆側に位置する裏側主面の電極が上記圧電素子の長さ方向他端部に引き出されていることを特徴とする加速度センサ。
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