(57)【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、
前記圧電素子は４層の圧電体層を積層してなり、
前記圧電素子の層間および表裏主面に電極が設けられ、
前記層間の電極は、加速度が印加されたときに圧電素子に加わる伸びストレスと縮みストレスの変極点付近で長さ方向に分割され、圧電素子の長さ方向の端部に引き出されていない分割電極と、圧電素子の長さ方向の一端部に引き出された第１の引出電極と、圧電素子の長さ方向の他端部に引き出された第２の引出電極とで構成され、
前記第１の引出電極と第２の引出電極との間に前記分割電極が位置するように前記分割電極と第１，第２の引出電極とが圧電体層を挟んで交互に配置されており、
前記圧電素子の厚み方向中央に前記分割電極が設けられ、
前記圧電素子の第１の引出電極と１つの圧電体層を間にして対向する表裏一方の主面電極は、圧電素子の長さ方向の他端部に引き出されており、
前記圧電素子の第２の引出電極と１つの圧電体層を間にして対向する表裏他方の主面電極は、圧電素子の長さ方向の一端部に引き出されており、
前記圧電体層は、前記分割電極および第１，第２の引出電極の両側の圧電体層において分極方向が逆方向で、かつ同一の圧電体層内において中央部と両端部とで分極方向が逆方向となるように、厚み方向に分極され、
加速度が作用した際に、前記第１の引出電極と前記表裏他方の主面電極とから第１の極性の電荷が取り出され、前記第２の引出電極と前記表裏一方の主面電極とから第１の極性と異なる第２の極性の電荷が取り出されることを特徴とする加速度センサ。
【請求項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、
前記圧電素子は６層以上の偶数層の圧電体層を積層してなり、
前記圧電素子の層間および表裏主面に電極が設けられ、
前記層間の電極は、加速度が印加されたときに圧電素子に加わる伸びストレスと縮みストレスの変極点付近で長さ方向に分割され、圧電素子の長さ方向の端部に引き出されていない分割電極と、圧電素子の長さ方向の一端部に引き出された第１の引出電極と、圧電素子の長さ方向の他端部に引き出された第２の引出電極とで構成され、
前記第１の引出電極と第２の引出電極との間に前記分割電極が位置するように前記分割電極と第１，第２の引出電極とが圧電体層を挟んで交互に配置されており、
前記圧電素子の表裏主面の主面電極は、発生した電荷を取り出すために、圧電素子の長さ方向の異なる端部に引き出されており、
前記圧電素子の厚み方向中央に１つの前記分割電極が設けられ、
前記厚み方向中央の分割電極および第１，第２の引出電極の両側の圧電体層は、分極方向が逆方向で、かつ同一の圧電体層内において中央部と両端部とで分極方向が逆方向となるように厚み方向に分極され、
前記厚み方向中央の分割電極以外の分割電極の両側の圧電体層は、分極方向が同一方向で、かつ同一の圧電体層内において中央部と両端部とで分極方向が逆方向となるように厚み方向に分極され、
加速度が作用した際に、前記長さ方向の同一の端部に引き出された引出電極および主面電極から同一極性の電荷が取り出されることを特徴とする加速度センサ。
【請求項３】
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、
前記圧電素子は５層以上の奇数層の圧電体層を積層してなり、
前記圧電素子の層間および表裏主面に電極が設けられ、
前記層間の電極は、加速度が印加されたときに圧電素子に加わる伸びストレスと縮みストレスの変極点付近で長さ方向に分割され、圧電素子の長さ方向の端部に引き出されていない分割電極と、圧電素子の長さ方向の一端部に引き出された第１の引出電極と、圧電素子の長さ方向の他端部に引き出された第２の引出電極とで構成され、
前記圧電素子の厚み方向中央の圧電体層を挟む両側の層間の電極が前記分割電極であり、
前記厚み方向中央の圧電体層を除く他の層において、前記第１の引出電極と第２の引出電極との間に前記分割電極が位置するように前記分割電極と第１，第２の引出電極とが圧電体層を挟んで交互に配置されており、
前記圧電素子の表裏主面の電極は、発生した電荷を取り出すために、圧電素子の長さ方向の異なる端部に引き出された電極であり、
前記圧電体層のうち、厚み方向中央の圧電体層は分極されておらず、他の圧電体層のうち前記引出電極の両側の圧電体層において分極方向が逆方向で、かつ同一の圧電体層内において中央部と両端部とで分極方向が逆方向となるように厚み方向に分極され、
加速度が作用した際に、前記長さ方向の同一の端部に引き出された引出電極および主面電極から同一極性の電荷が取り出されることを特徴とする加速度センサ。
【請求項４】
前記圧電素子は５層の圧電体層を積層してなり、
前記厚み方向中央の圧電体層を除く他のすべての層は、前記層間の電極の両側の圧電体層において分極方向が逆方向となるように、厚み方向に分極されていることを特徴とする請求項３に記載の加速度センサ。
【請求項５】
４ｎ枚（ｎは１以上の整数）の圧電セラミックからなる平板状のグリーンシートを準備する工程と、
少なくとも１枚の前記グリーンシートの表面に、個々の圧電素子の長さ方向中央部および両端部と対応する位置ごとに導電ペーストを塗布して分割電極を複数素子分形成する工程と、
他の少なくとも１枚の前記グリーンシートの表面に、個々の圧電素子の長さ方向一端部と対応する位置に引き出されるように導電ペーストを塗布して第１の引出電極を複数素子分形成する工程と、
他の少なくとも１枚の前記グリーンシートの表面に、個々の圧電素子の長さ方向他端部と対応する位置に引き出されるように導電ペーストを塗布して第２の引出電極を複数素子分形成する工程と、
前記第１の引出電極と第２の引出電極との間に前記分割電極が位置するように前記分割電極と第１，第２の引出電極とが交互に、かつ厚み方向中央の電極が分割電極となるように前記グリーンシートを積層し、かつ最上層に導電ペーストを塗布していないグリーンシートを積層して積層体を得る工程と、
前記積層体を焼成処理によって焼成し、複数の圧電体層よりなる圧電セラミック焼成体を作製すると同時に、前記導電ペーストを焼き付ける工程と、
前記圧電セラミック焼成体の表裏主面に、個々の圧電素子の長さ方向中央部および両端部と対応する位置ごとに分割された分極用電極を形成する工程と、
前記分極用電極および分割電極と引出電極との間に直流電界を印加し、圧電セラミック焼成体に対し、前記引出電極の両側の圧電体層において分極方向が逆方向で、かつ同一の圧電体層内において中央部と両端部とで分極方向が逆方向となるように、厚み方向に分極処理を行う工程と、
前記分極用電極同士を相互に接続するか、または分極用電極を除去した後、新たに連続した電極を形成することにより、圧電素子の表裏主面に長さ方向の異なる端部に引き出された主面電極を形成する工程と、
前記圧電セラミック焼成体を個々の圧電素子にカットする工程と、
前記カットされた圧電素子の両端面に外部電極を形成し、この外部電極と圧電素子の内部に形成された前記引出電極および表裏主面に形成された前記主面電極とを接続する工程と、を有する加速度センサの製造方法。
【請求項６】
４ｎ＋２枚（ｎは１以上の整数）の圧電セラミックからなる平板状のグリーンシートを準備する工程と、
少なくとも３枚の前記グリーンシートの表面に、個々の圧電素子の長さ方向中央部および両端部と対応する位置ごとに導電ペーストを塗布して分割電極を複数素子分形成する工程と、
他の少なくとも１枚の前記グリーンシートの表面に、個々の圧電素子の長さ方向一端部と対応する位置に引き出されるように導電ペーストを塗布して第１の引出電極を複数素子分形成する工程と、
他の少なくとも１枚の前記グリーンシートの表面に、個々の圧電素子の長さ方向他端部と対応する位置に引き出されるように導電ペーストを塗布して第２の引出電極を複数素子分形成する工程と、
前記第１の引出電極と第２の引出電極との間に前記分割電極が位置するように前記分割電極と第１，第２の引出電極とが交互に、かつ厚み方向中央の電極が分割電極となるように前記グリーンシートを積層し、かつ最上層に導電ペーストを塗布していないグリーンシートを積層して積層体を得る工程と、
前記積層体を焼成処理によって焼成し、複数の圧電体層よりなる圧電セラミック焼成体を作製すると同時に、前記導電ペーストを焼き付ける工程と、
前記圧電セラミック焼成体の表裏主面に、個々の圧電素子の長さ方向の異なる端部と対応する位置に引き出された主面電極を形成する工程と、
前記主面電極および分割電極と前記引出電極との間に直流電界を印加し、圧電セラミック焼成体に対し、前記引出電極の両側の圧電体層において分極方向が逆方向で、かつ同一の圧電体層内において中央部と両端部とで分極方向が逆方向となるように、厚み方向に分極処理を行う工程と、
前記圧電セラミック焼成体を個々の圧電素子にカットする工程と、
前記カットされた圧電素子の両端面に外部電極を形成し、この外部電極と圧電素子の内部に形成された前記引出電極および表裏主面に形成された前記主面電極とを接続する工程と、を有する加速度センサの製造方法。
【請求項７】
圧電セラミックからなる平板状のグリーンシートを４ｎ＋１枚（ｎは１以上の整数）準備する工程と、
少なくとも２枚のグリーンシートの表面に、個々の圧電素子の長さ方向中央部および両端部と対応する位置ごとに導電ペーストを塗布して分割電極を複数素子分形成する工程と、
他の少なくとも１枚の前記グリーンシートの表面に、個々の圧電素子の長さ方向一端部と対応する位置に引き出されるように導電ペーストを塗布して第１の引出電極を複数素子分形成する工程と、
他の少なくとも１枚の前記グリーンシートの表面に、個々の圧電素子の長さ方向他端部と対応する位置に引き出されるように導電ペーストを塗布して第２の引出電極を複数素子分形成する工程と、
厚み方向中央の層を挟む両側の電極が分割電極で、その他の層では前記第１の引出電極と第２の引出電極との間に前記分割電極が位置するように前記分割電極と第１，第２の引出電極とが交互になるように前記グリーンシートを積層し、かつ最上層に導電ペーストを塗布していないグリーンシートを積層して積層体を得る工程と、
前記積層体を焼成処理によって焼成し、複数の圧電体層よりなる圧電セラミック焼成体を作製すると同時に、前記導電ペーストを焼き付ける工程と、
前記圧電セラミック焼成体の表裏主面に、個々の圧電素子の長さ方向中央部および両端部と対応する位置ごとに分割された分極用電極を形成する工程と、
前記分極用電極および分割電極と引出電極との間に直流電界を印加し、圧電セラミック焼成体に対し、前記引出電極の両側の圧電体層において分極方向が逆方向で、かつ同一の圧電体層内において中央部と両端部とで分極方向が逆方向となるように、厚み方向に分極処理を行う工程と、
前記分極用電極同士を相互に接続するか、または分極用電極を除去した後、新たに連続した電極を形成することにより、個々の圧電素子の表裏主面に長さ方向の異なる端部に引き出された主面電極を形成する工程と、
前記圧電セラミック焼成体を個々の圧電素子にカットする工程と、
前記カットされた圧電素子の両端面に外部電極を形成し、この外部電極と圧電素子の内部に形成された前記引出電極および表裏主面に形成された前記主面電極とを接続する工程と、を有する加速度センサの製造方法。
【請求項８】
４ｎ＋３枚（ｎは１以上の整数）の圧電セラミックからなる平板状のグリーンシートを準備する工程と、
少なくとも４枚のグリーンシートの表面に、個々の圧電素子の長さ方向中央部および両端部と対応する位置ごとに導電ペーストを塗布して分割電極を複数素子分形成する工程と、
他の少なくとも１枚の前記グリーンシートの表面に、個々の圧電素子の長さ方向一端部と対応する位置に引き出されるように導電ペーストを塗布して第１の引出電極を複数素子分形成する工程と、
他の少なくとも１枚の前記グリーンシートの表面に、個々の圧電素子の長さ方向他端部と対応する位置に引き出されるように導電ペーストを塗布して第２の引出電極を複数素子分形成する工程と、
厚み方向中央の層を挟む両側の電極が分割電極で、その他の層では前記第１の引出電極と第２の引出電極との間に前記分割電極が位置するように前記分割電極と第１，第２の引出電極とが交互になるように前記グリーンシートを積層し、かつ最上層に導電ペーストを塗布していないグリーンシートを積層して積層体を得る工程と、
前記積層体を焼成処理によって焼成し、複数の圧電体層よりなる圧電セラミック焼成体を作製すると同時に、前記導電ペーストを焼き付ける工程と、
前記圧電セラミック焼成体の表裏主面に、個々の圧電素子の長さ方向の異なる端部と対応する位置に引き出された主面電極を形成する工程と、
前記主面電極および分割電極と引出電極との間に直流電界を印加し、圧電セラミック焼成体に対し、前記引出電極の両側の圧電体層において分極方向が逆方向で、かつ同一の圧電体層内において中央部と両端部とで逆方向となるように厚み方向に分極処理を行う工程と、
前記圧電セラミック焼成体を個々の圧電素子にカットする工程と、
前記カットされた圧電素子の両端面に外部電極を形成し、この外部電極と圧電素子の内部に形成された前記引出電極および表裏主面に形成された前記主面電極とを接続する工程と、を有する加速度センサの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は加速度センサおよびその製造方法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、例えば特開平６−２７３４３９号公報に記載のように、一対の圧電セラミック層を対面接合し、その層間に中間電極を設け、表裏主面に信号取出電極を設けたバイモルフ構造の圧電素子を備え、この素子をケース内に両持ち梁構造で収納支持したものが提案されている。この加速度センサでは、圧電セラミック層の長さ方向中央部と両端部とで互いに分極方向を逆にすることで、圧電素子の中央部と両端部双方で発生した電荷を外部へ取り出すことができ、電荷の取り出し効率を高めることができる。
【０００３】
また、前記バイモルフ構造の加速度センサでは、圧電セラミック層の中央部と端部それぞれに分極処理を実行する必要上、互いに分離して形成された表面電極を圧電セラミック層の表面に形成しておき、分極処理後に表面電極を一括して覆う接続電極を形成して信号取出電極とする必要がある。このような２回にわたる電極形成を省略して製造の手間を省くことができる加速度センサが、特開平８−１６６４０１号公報で提案されている。
【０００４】
しかし、前記いずれの構造の加速度センサも、圧電素子が２層の圧電セラミック層で構成されるので、圧電素子のもつ静電容量が比較的小さい。そのため、電荷感度はさほど高くできなかった。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
そこで、電荷感度を高めるため、圧電素子を３層以上積層する加速度センサが提案されている（特開平１０−６２４４５号公報参照）。この場合には、圧電体層の積層数を増やすことにより、静電容量を大きくし、電荷感度を高めることが可能である。しかし、この構造ではそれぞれ同一の圧電体層内で分極方向を反転できないことから、電荷を取り出せる領域は圧電体の中央部分に限られ、電荷の取り出し効率が決して高いとは言えない。
【０００６】
そこで、本発明の目的は、加速度の印加によって発生する電荷を効率よく収集できるとともに、高い電荷感度を有し、検出感度の高い加速度センサを提供することにある。
他の目的は、製造効率がよく、薄型かつ小型で、検出感度の高い加速度センサを製造できる製造方法を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
請求項１に係る加速度センサは、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、前記圧電素子は４層の圧電体層を積層してなり、前記圧電素子の層間および表裏主面に電極が設けられ、前記層間の電極は、加速度が印加されたときに圧電素子に加わる伸びストレスと縮みストレスの変極点付近で長さ方向に分割され、圧電素子の長さ方向の端部に引き出されていない分割電極と、圧電素子の長さ方向の一端部に引き出された第１の引出電極と、圧電素子の長さ方向の他端部に引き出された第２の引出電極とで構成され、前記第１の引出電極と第２の引出電極との間に前記分割電極が位置するように前記分割電極と第１，第２の引出電極とが圧電体層を挟んで交互に配置されており、前記圧電素子の厚み方向中央に前記分割電極が設けられ、前記圧電素子の第１の引出電極と１つの圧電体層を間にして対向する表裏一方の主面電極は、圧電素子の長さ方向の他端部に引き出されており、前記圧電素子の第２の引出電極と１つの圧電体層を間にして対向する表裏他方の主面電極は、圧電素子の長さ方向の一端部に引き出されており、前記圧電体層は、前記分割電極および第１，第２の引出電極の両側の圧電体層において分極方向が逆方向で、かつ同一の圧電体層内において中央部と両端部とで分極方向が逆方向となるように、厚み方向に分極され、加速度が作用した際に、前記第１の引出電極と前記表裏他方の主面電極とから第１の極性の電荷が取り出され、前記第２の引出電極と前記表裏一方の主面電極とから第１の極性と異なる第２の極性の電荷が取り出されることを特徴とする加速度センサである。
請求項２に係る加速度センサは、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、前記圧電素子は６層以上の偶数層の圧電体層を積層してなり、前記圧電素子の層間および表裏主面に電極が設けられ、前記層間の電極は、加速度が印加されたときに圧電素子に加わる伸びストレスと縮みストレスの変極点付近で長さ方向に分割され、圧電素子の長さ方向の端部に引き出されていない分割電極と、圧電素子の長さ方向の一端部に引き出された第１の引出電極と、圧電素子の長さ方向の他端部に引き出された第２の引出電極とで構成され、前記第１の引出電極と第２の引出電極との間に前記分割電極が位置するように前記分割電極と第１，第２の引出電極とが圧電体層を挟んで交互に配置されており、前記圧電素子の表裏主面の主面電極は、発生した電荷を取り出すために、圧電素子の長さ方向の異なる端部に引き出されており、前記圧電素子の厚み方向中央に１つの前記分割電極が設けられ、前記厚み方向中央の分割電極および第１，第２の引出電極の両側の圧電体層は、分極方向が逆方向で、かつ同一の圧電体層内において中央部と両端部とで分極方向が逆方向となるように厚み方向に分極され、前記厚み方向中央の分割電極以外の分割電極の両側の圧電体層は、分極方向が同一方向で、かつ同一の圧電体層内において中央部と両端部とで分極方向が逆方向となるように厚み方向に分極され、加速度が作用した際に、前記長さ方向の同一の端部に引き出された引出電極および主面電極から同一極性の電荷が取り出されることを特徴とする加速度センサである。
【０００８】
請求項３に係る加速度センサは、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、前記圧電素子は５層以上の奇数層の圧電体層を積層してなり、前記圧電素子の層間および表裏主面に電極が設けられ、前記層間の電極は、加速度が印加されたときに圧電素子に加わる伸びストレスと縮みストレスの変極点付近で長さ方向に分割され、圧電素子の長さ方向の端部に引き出されていない分割電極と、圧電素子の長さ方向の一端部に引き出された第１の引出電極と、圧電素子の長さ方向の他端部に引き出された第２の引出電極とで構成され、前記圧電素子の厚み方向中央の圧電体層を挟む両側の層間の電極が前記分割電極であり、前記厚み方向中央の圧電体層を除く他の層において、前記第１の引出電極と第２の引出電極との間に前記分割電極が位置するように前記分割電極と第１，第２の引出電極とが圧電体層を挟んで交互に配置されており、前記圧電素子の表裏主面の電極は、発生した電荷を取り出すために、圧電素子の長さ方向の異なる端部に引き出された電極であり、前記圧電体層のうち、厚み方向中央の圧電体層は分極されておらず、他の圧電体層のうち前記引出電極の両側の圧電体層において分極方向が逆方向で、かつ同一の圧電体層内において中央部と両端部とで分極方向が逆方向となるように厚み方向に分極され、加速度が作用した際に、前記長さ方向の同一の端部に引き出された引出電極および主面電極から同一極性の電荷が取り出されることを特徴とする加速度センサである。
【０００９】
請求項１に係る加速度センサでは、圧電素子が４層以上の偶数の圧電体層を積層した構造であり、請求項３に係る加速度センサでは、圧電素子が５層以上の奇数の圧電体層を積層した構造であり、いずれの構造も２層構造の加速度センサに比べて圧電体層の積層数が多いので、静電容量を高めることができる。しかも、圧電体層が、その長さ方向中央部と両端部とで互いに逆方向に分極されているので、圧電素子の中央部と両端部双方で発生した電荷を効率よく収集でき、電荷の取り出し効率を高めることができる。その結果、多層積層体でありながら中央部と両端部の双方から発生電荷を取り出すことができ、従来に比べて高い電荷感度を持つ加速度センサを得ることができる。
【００１０】
圧電素子の両端を支持する構造の加速度センサの場合、中央部と両端部では加速度印加時に素子に加わるストレスが圧縮と伸びで異なるため、同一極性の発生電荷を得るには、同一層内で分極方向を逆転させる必要がある。すなわち、分極処理として中央部と両端部とで異なる極性の電圧を印加する必要があり、セラミック表面や層間の電極はショートを防ぐため、印加電圧領域ごとに電気的に分離する必要がある。一方、電荷を収集する場合には各領域の電極は電気的に接続されている必要がある。通常は、分極処理後、各領域の電極を接続するプロセスが必要であるが、セラミック内部にて電極を分離した場合、分極後に電極を接続することは、電極と圧電セラミックとを同時焼成する積層体では技術的に不可能である。
そこで、本発明では、セラミック内部に分割された電極（分割電極）と圧電素子の長さ方向の端部に引き出された電極（引出電極）とを交互に形成し、それらの間で分極処理を行うことで、中央部と両端部とで分極方向が異なる構造を作製することができる。そして、引出電極を介して電荷を収集することで、発生電荷を効率よく取り出すことができる。
【００１１】
圧電体層の数が４ｎの場合と４ｎ＋２の場合とで、圧電セラミック焼成体の表裏主面に形成される分極用電極の形状が異なる。すなわち、圧電体層が４ｎの場合には圧電セラミック焼成体の表裏主面には分割された分極用電極を形成する必要がある。しかし、分割状態のままでは発生した電荷を長さ方向の端部へ取り出すことができないので、これら分割電極を相互に接続する接続用電極を形成したり、分割電極を一旦除去した後、新たに圧電素子の長さ方向の端部に引き出された電極を形成することで、電荷を取り出すことができる。
一方、圧電体層が４ｎ＋２の場合には、分極用電極として圧電セラミック焼成体の表裏主面に長さ方向端部へ引き出す電極を形成すればよいので、この電極をそのまま電荷取出用の電極として用いることができる。
【００１２】
請求項２では、圧電体層の数を４層としたものである。４層の場合には、構造が最もシンプルで効率よく電荷を取り出すことができ、しかも量産性およびコストに優れるので、望ましい。
また、請求項４では、圧電体層の数を５層としたものである。５層の場合には、厚み方向中央に分極されない中間層が介在するが、４層の場合と同様に、効率良く電荷を取り出すことができる。
【００１３】
請求項５〜８に記載の製造方法によれば、分割された電極と長手方向に接続された電極とを交互に積層した構造とし、圧電セラミック焼成体を各素子に細分する前の親基板の状態で、分割された電極を外部に引き出し、この電極と長手方向に接続された電極との間に直流電界を印加することで、圧電体層を長手方向中央部と両端部の分極方向が逆になるように分極可能となる。また、本発明ではグリーンシートの状態で積層し、その焼成と導電ペーストの焼付けとを同時に行うので、多層構造でありながら、薄型の圧電素子を得ることができ、静電容量の向上を実現できる。そして、分極処理後に圧電セラミック焼成体をカットして個々の素子に細分するので、量産性が高く、均質な圧電素子を得ることができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
図１〜図３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２の長さ方向両端部を断面コ字形の一対の支持枠１０，１１（支持部材）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。
【００１５】
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４層の圧電体層２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄを積層し、一体に焼成したものであり、圧電素子２の層間に電極３，４，５が設けられ、表裏主面に電極６，７が設けられている。層間電極３〜５は、加速度が印加されたときに圧電素子２に加わる伸びストレスと縮みストレスの変極点付近で長さ方向に３分割された分割電極４と、圧電素子２の長さ方向の異なる端部に引き出された引出電極３，５とで構成されている。そして、これら２種類の層間電極３〜５が圧電体層２ａ〜２ｄを挟んで交互に積層されている。圧電素子２の厚み方向中央の層間電極４が３分割された分割電極である。なお、分割電極４の分割数は３分割に限定するものではなく、変極点以外の部分でさらに分割されていてもよい。
【００１６】
圧電素子２の表裏主面の電極６，７は、発生した電荷を取り出すために、圧電素子の長さ方向の異なる端部に引き出されている。これら電極６，７は、前記分割電極４と同様に、変極点付近で長さ方向に３分割された電極６ａ〜６ｃおよび７ａ〜７ｃと、これら電極を相互に接続する接続電極６ｄ，７ｄとで構成されている。分割された電極のうち、電極６ｂは圧電素子２の長さ方向一端部に引き出されており、電極７ｃは圧電素子２の長さ方向他端部に引き出されている。なお、接続電極６ｄ，７ｄは単一の電極である必要はなく、例えば電極６ａと６ｂとの間、電極６ａと６ｃとの間を個別に接続する電極であってもよい。
【００１７】
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８，９が形成されている。一方の端面に形成された外部電極８は、表主面の電極６および引出電極５と導通しており、他方の端面に形成された外部電極９は、裏主面の電極７および引出電極３と導通している。
【００１８】
前記圧電体層２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄは、図２の太線矢印で示すような方向に分極されている。つまり、層間電極３〜５の両側の圧電体層において逆方向となるように、かつ同一の圧電体層内において中央部と両端部とで逆方向となるように厚み方向に分極されている。この実施例では、第１，第３の層２ａ，２ｃの中央部がＡ方向で両端部がＢ方向であり、第２，第４の層２ｂ，２ｄの中央部がＢ方向で両端部がＡ方向である。そのため、加速度Ｇが圧電素子２の板厚方向に作用した際に、引出電極３，５の両側の圧電体層において同一極性の電荷がこの電極から取り出されるようになっている。
【００１９】
例えば、図２の矢印方向に加速度Ｇが作用した場合、慣性によって圧電素子２の中央部が図２の上方へ凸となるよう変位する。そのため、第１の層２ａと第２の層２ｂの中央部に伸びストレスが作用し、両端部に縮みストレスが作用する。また、第３の層２ｃと第４の層２ｄの中央部に縮みストレスが作用し、両端部に伸びストレスが作用する。前記ストレスと分極の方向との関係に基づいて、表主面の電極６と引出電極５にはマイナスの電荷が発生し、裏主面の電極７と引出電極３にはプラスの電荷が発生する。マイナスの電荷は、一方の端面に形成された外部電極８から取り出され、プラスの電荷は、他方の端面に形成された外部電極９から取り出される。
したがって、この加速度センサ１Ａでは、積層構造でありながら、各圧電体層の中央部と両端部の双方から発生電荷を収集できるので、加速度Ｇの印加に伴う電荷収集量が増え、検出感度を従来に比べて高めることができる。
【００２０】
表１は、前記実施例における４層構造の圧電素子２を用いた加速度センサ１Ａと、２層構造で、内部電極の両側の圧電体層において逆方向となるように、かつ中央部と両端部で逆方向となるように厚み方向に分極した加速度センサＸ（特開平８−１６６４０１号公報の図１参照）と、同じく２層構造で、内部電極の両側の圧電体層において同方向となるように、かつ中央部と両端部で逆方向となるように厚み方向に分極した加速度センサＹ（特開２０００−１２１６６１号公報の図１参照）について、その静電容量、発生電荷、電圧感度を、加速度センサＢを１として比較したものである。
表１から明らかなように、本発明にかかる加速度センサ１Ａの静電容量は従来の加速度センサＸ，Ｙに比べて２．５倍〜１０倍と高く、発生電荷も１．８倍〜３．６倍と高い。その結果、検出感度が最も良好であることがわかる。
【００２１】
【表１】
0003642026.tif 000002
【００２２】
次に、前記構成よりなる加速度センサ１Ａの製造方法を、図３にしたがって説明する。
まず、図３の（ａ）で示すように、複数の圧電素子分の大きさを有する薄肉な矩形状のセラミックグリーンシートＧ１〜Ｇ４を４枚準備する。このうち、第２層のグリーンシートＧ２の上面に引出電極３となる導電ペーストをスクリーン印刷などの手法を用いて塗布し、同様に第３層のグリーンシートＧ３の上面に分割電極４となる導電ペーストを塗布し、第４層のグリーンシートＧ４の上面に引出電極５となる導電ペーストを塗布する。電極３〜５の塗布パターンは、図３の紙面に垂直な方向に延びる帯状電極とすればよい。なお、最上層のグリーンシートＧ１には導電ペーストを塗布しない。
【００２３】
次に、図３の（ｂ）のように、４枚のグリーンシートＧ１〜Ｇ４を積層、圧着して積層体Ｌを得る。このとき、引出電極３，５および分割電極４がグリーンシートの間で挟まれる。そして、この積層体Ｌを所定温度（例えば１０００℃程度）で焼成処理すると、積層状態のグリーンシート同士が互いに接合され、同時に内部に設けられた電極３〜５も焼き付けられ、圧電セラミック焼成体Ｆを得る。
【００２４】
次に、図３の（ｃ）のように、圧電セラミック焼成体Ｆの表裏主面に導電ペーストを塗布し、乾燥、焼付けを行い、分割された電極６ａ〜６ｃおよび７ａ〜７ｃを形成する。そして、これら電極６ａ〜６ｃおよび７ａ〜７ｃ、引出電極３，５、分割電極４の間に直流電界を印加することにより、圧電セラミック焼成体Ｆに対し、Ａ，Ｂ方向の分極処理を行う。特に、層間電極３，４，５は圧電セラミック焼成体Ｆの内部に埋設されているので、これら電極に電界を印加することは困難であるが、これら電極３，４，５はいずれも圧電セラミック焼成体Ｆの奥行き方向（紙面と垂直な方向）に延びる帯状電極であるから、これら電極３，４，５の一端を圧電セラミック焼成体Ｆの外部へ引き出し、これら電極３，４，５および表裏主面の電極６ａ〜６ｃ、７ａ〜７ｃとの間に直流電界を印加することで、所望の方向に分極することができる。
なお、分極方法として、複数回にわたって分極を実施してもよいし、電位差のある複数種類の電圧を利用して１回で分極を実施してもよい。
【００２５】
分極終了後、図３の（ｄ）のように、圧電セラミック焼成体Ｆの表裏主面に、分割された電極６ａ〜６ｃおよび７ａ〜７ｃを相互に接続するための接続電極６ｄ，７ｄを形成する。この接続電極６ｄ，７ｄは、導電ペーストを印刷して形成してもよいが、スパッタリングや蒸着などの薄膜形成法で形成してもよい。
【００２６】
接続電極６ｄ，７ｄを形成した後、図３の（ｅ）のように、親基板状態の支持枠１０Ｍ，１１Ｍを圧電セラミック焼成体Ｆの表裏主面に接着する。そして、圧電セラミック焼成体Ｆと支持枠１０Ｍ，１１Ｍとを長さ方向（カットラインＣＬ）および紙面と平行な方向でカットすることにより、図３の（ｆ）のようなセンサ素子Ｅを得る。
その後、各センサ素子Ｅの両端面に外部電極８，９を形成することにより、図１，図２に示す加速度センサ１Ａを得ることができる。
【００２７】
図４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では、圧電素子２の表裏主面に設けられる電極６，７を連続した１つの電極としたものである。
第１実施例では、圧電素子２の表裏主面に設けられる電極６，７を、分極用の分割電極６ａ〜６ｃおよび７ａ〜７ｃと、その上を覆う接続電極６ｄ，７ｄとの組み合わせとしたものであるが、２種類の電極の接合性が悪くなると、剥離の恐れが生じる。そこで、分極用の分割電極６ａ〜６ｃ、７ａ〜７ｃを一旦除去し、その後で新たに圧電素子２の長さ方向の異なる端部に引き出された引出電極６，７を形成したものである。
引出電極６，７の形成方法は、導電ペーストを印刷して形成する方法や、スパッタリング，蒸着などの薄膜形成法を用いてもよい。
【００２８】
図５は本発明に係る加速度センサの第３実施例を示す。
この実施例の加速度センサ１Ｃでは、圧電素子２０の圧電体層の数を６層としたものである。なお、支持枠１０，１１は図２と同一であるため、同一符号を付して重複説明を省略する。
圧電素子２０は６層の圧電体層２０ａ〜２０ｆを積層し、一体に焼成したものであり、圧電素子２０の層間に電極２１〜２５が設けられ、表裏主面に電極２６，２７が設けられている。層間電極２１〜２５は、加速度が印加されたときに圧電素子２０に加わる伸びストレスと縮みストレスの変極点付近で長さ方向に３分割された分割電極２１，２３，２５と、圧電素子２０の長さ方向の異なる端部に引き出された引出電極２２，２４とで構成されている。そして、これら２種類の層間電極２１〜２５が圧電体層２０ａ〜２０ｆを挟んで交互に積層されている。圧電素子２０の厚み方向中央の層間電極２３が３分割された分割電極である。
【００２９】
圧電素子２０の表裏主面の電極２６，２７は、発生した電荷を取り出すために、圧電素子２０の長さ方向の異なる端部に引き出されている。支持枠１０，１１の両端面を含む圧電素子２０の長さ方向両端面には、外部電極２８，２９が形成されている。一方の端面に形成された外部電極２８は、裏主面の電極２７および引出電極２２と導通しており、他方の端面に形成された外部電極２９は、表主面の電極２６および引出電極２４と導通している。
【００３０】
前記圧電体層２０ａ〜２０ｆは、図５の太線矢印で示すような方向に分極されている。つまり、層間電極２２〜２４の両側の圧電体層において逆方向となるように、かつ同一の圧電体層内において中央部と両端部とで逆方向となるように厚み方向に分極されている。また、層間電極２１および２５については、その両側の圧電体層で同方向に分極されている。この実施例では、第１，第２および第４の層２０ａ，２０ｂ，２０ｄの中央部がＡ方向で両端部がＢ方向であり、第３，第５および第６の層２０ｃ，２０ｅ，２０ｆの中央部がＢ方向で両端部がＡ方向となっている。そのため、加速度Ｇが圧電素子２０の板厚方向に作用した際に、引出電極２２，２４の両側の圧電体層において同一極性の電荷がこの電極から取り出されるようになっている。したがって、矢印方向に加速度Ｇが作用した場合、図示するように各層の中央部と両端部とで伸びストレスと縮みストレスとが作用し、これらストレスと分極の方向との関係に基づいて、引出電極２２と裏面電極２７にはマイナスの電荷が発生し、引出電極２４と表面電極２６にはプラスの電荷が発生し、マイナスの電荷は外部電極２８から取り出され、プラスの電荷は外部電極２９から取り出される。
この場合も、第１実施例と同様に、加速度Ｇの印加に伴う電荷の発生量が増え、検出感度を従来に比べて高めることができる。
【００３１】
図６は本発明に係る加速度センサの第４実施例を示す。
この実施例の加速度センサ１Ｄでは、圧電素子３０の圧電体層の数を８層としたものである。なお、支持枠１０，１１は図２と同一であるため、同一符号を付して重複説明を省略する。
圧電素子３０は８層の圧電体層３０ａ〜３０ｈを積層し、一体に焼成したものであり、圧電素子３０の層間に電極３１〜３７が設けられ、表裏主面に電極３８３９が設けられている。層間電極３１〜３７は、加速度が印加されたときに圧電素子３０に加わる伸びストレスと縮みストレスの変極点付近で長さ方向に３分割された分割電極３２，３４，３６と、圧電素子３０の長さ方向の異なる端部に引き出された引出電極３１，３３，３５，３７とで構成されている。そして、これら２種類の層間電極３１〜３７が圧電体層３０ａ〜３０ｈを挟んで交互に積層されている。圧電素子３０の厚み方向中央の層間電極３４が３分割された分割電極である。
【００３２】
圧電素子３０の表裏主面の電極３８，３９は、発生した電荷を取り出すために、圧電素子３０の長さ方向の異なる端部に引き出されている。これら電極３８，３９は、前記分割電極３２，３４，３６と同様に、変極点付近で長さ方向に３分割された電極３８ａ〜３８ｃおよび３９ａ〜３９ｃと、これら電極を接続する接続電極３８ｄ，３９ｄとで構成されている。
【００３３】
圧電素子３０の表裏主面の電極３８，３９は、発生した電荷を取り出すために、圧電素子３０の長さ方向の異なる端部に引き出されている。支持枠１０，１１の両端面を含む圧電素子３０の長さ方向両端面には、外部電極４０，４１が形成されている。一方の端面に形成された外部電極４０は、表主面の電極３８および引出電極３３，３７と導通しており、他方の端面に形成された外部電極４１は、裏裏面の電極３９および引出電極３１，３５と導通している。
【００３４】
前記圧電体層３０ａ〜３０ｈは、図６の太線矢印で示すような方向に分極されている。つまり、引出電極３１，３３，３５，３７の両側の圧電体層において同一極性の電荷がこの電極から取り出されるように、かつ同一の圧電体層内において中央部と両端部とで逆方向となるように厚み方向に分極されている。この実施例では、第２，第３，第５および第８の層３０ｂ，３０ｃ，３０ｅ，３０ｈの中央部がＡ方向で両端部がＢ方向であり、第１，第４，第６および第７の層３０ａ３０ｄ，３０ｆ，３０ｇの中央部がＢ方向で両端部がＡ方向となっている。そのため、加速度Ｇが圧電素子３０の板厚方向に作用した際、図示するように各層の中央部と両端部とで伸びストレスと縮みストレスとが作用し、これらストレスと分極の方向との関係に基づいて、引出電極３３，３７と表面電極３８にはマイナスの電荷が発生し、引出電極３１，３５と裏面電極３９にはプラスの電荷が発生し、マイナスの電荷は外部電極４０から取り出され、プラスの電荷は外部電極４１から取り出される。
この場合も、第１実施例と同様に、加速度Ｇの印加に伴う電荷の発生量が増え、検出感度を従来に比べて高めることができる。
【００３５】
図７は本発明に係る加速度センサの第５実施例を示す。
この実施例の加速度センサ１Ｅは、５層の圧電体層を有する圧電素子５０を用いたものである。なお、支持枠１０，１１は図２と同一であるため、同一符号を付して重複説明を省略する。
圧電素子５０は５層の圧電体層５０ａ〜５０ｅを積層し、一体に焼成したものであり、圧電素子５０の層間に電極５１〜５４が設けられ、表裏主面に電極５５５６が設けられている。層間電極５１〜５４は、加速度が印加されたときに圧電素子５０に加わる伸びストレスと縮みストレスの変極点付近で長さ方向に３分割された分割電極５２，５３と、圧電素子５０の長さ方向の異なる端部に引き出された引出電極５１，５４とで構成されている。圧電素子５０の厚み方向中央の圧電体層５０ｃを挟む両側の層間電極５２，５３が分割された電極であり、厚み方向中央の圧電体層５０ｃを除く他の層において、２種類の層間電極５１〜５４が圧電体層を挟んで交互に積層されている。
【００３６】
圧電素子５０の表裏主面の電極５５，５６は、発生した電荷を取り出すために、圧電素子５０の長さ方向の異なる端部に引き出されている。これら電極５５，５６は、前記分割電極５２，５３と同様に、変極点付近で長さ方向に３分割された電極５５ａ〜５５ｃおよび５６ａ〜５６ｃと、これら電極を接続する接続電極５５ｄ，５６ｄとで構成されている。
【００３７】
圧電素子５０の表裏主面の電極５５，５６は、中央部と両端部とで個別に分極するため、前記分割電極５２，５３と同様に、変極点付近で長さ方向に３分割された電極５５ａ〜５５ｃおよび５６ａ〜５６ｃと、これら電極を接続する接続電極５５ｄ，５６ｄとで構成されている。表裏主面の電極５５，５６は、発生した電荷を取り出すために、圧電素子５０の長さ方向の異なる端部に引き出されている。支持枠１０，１１の両端面を含む圧電素子５０の長さ方向両端面には、外部電極５７，５８が形成されている。一方の端面に形成された外部電極５７は、裏主面の電極５６および引出電極５１と導通しており、他方の端面に形成された外部電極５８は、表主面の電極５５および引出電極５４と導通している。
【００３８】
前記圧電体層５０ａ〜５０ｅは、図７の太線矢印で示すような方向に分極されている。つまり、引出電極５１，５４の両側の圧電体層において同一極性の電荷がこの電極から取り出されるように、かつ同一の圧電体層内において中央部と両端部とで逆方向となるように厚み方向に分極されている。この実施例では、第１，第４の層５０ａ，５０ｄの中央部がＡ方向で両端部がＢ方向であり、第２，第５の層５０ｂ，５０ｅの中央部がＢ方向で両端部がＡ方向となっている。また、厚み方向中央部の圧電体層５０ｃは分極されない中性層となっている。そのため、加速度Ｇが圧電素子５０の板厚方向に作用した際、図示するように各層の中央部と両端部とで伸びストレスと縮みストレスとが作用し、これらストレスと分極の方向との関係に基づいて、引出電極５１と裏面電極５６にはマイナスの電荷が発生し、引出電極５４と表面電極５５にはプラスの電荷が発生し、マイナスの電荷は外部電極５７から取り出され、プラスの電荷は外部電極５８から取り出される。
この場合には、厚み方向中央部の圧電体層５０ｃは電荷を発生しない中性層であるが、第１実施例とほぼ同様に、長さ方向中央部と両端部とでそれぞれ電荷を取り出すことができるため、加速度Ｇの印加に伴う電荷の発生量が増え、検出感度を従来に比べて高めることができる。
【００３９】
図８は本発明に係る加速度センサの第６実施例を示す。
この実施例の加速度センサ１Ｆは、７層の圧電体層を有する圧電素子６０を用いたものである。なお、支持枠１０，１１は図２と同一であるため、同一符号を付して重複説明を省略する。
圧電素子６０は７層の圧電体層６０ａ〜６０ｇを積層し、一体に焼成したものであり、圧電素子６０の層間に電極６１〜６６が設けられ、表裏主面に電極６７，６８が設けられている。層間電極６１〜６６は、加速度が印加されたときに圧電素子６０に加わる伸びストレスと縮みストレスの変極点付近で長さ方向に３分割された分割電極６１，６３，６４，６６と、圧電素子６０の長さ方向の異なる端部に引き出された引出電極６２，６５とで構成されている。圧電素子６０の厚み方向中央の圧電体層６０ｄを挟む両側の層間電極６３，６４が分割された電極であり、厚み方向中央の圧電体層６０ｄを除く他の層において、２種類の層間電極６１〜６６が圧電体層を挟んで交互に積層されている。
【００４０】
圧電素子６０の表裏主面の電極６７，６８は、発生した電荷を取り出すために、圧電素子６０の長さ方向の異なる端部に引き出されている。支持枠１０，１１の両端面を含む圧電素子６０の長さ方向両端面には、外部電極６９，７０が形成されている。一方の端面に形成された外部電極６９は、裏主面の電極６８および引出電極６２と導通しており、他方の端面に形成された外部電極７０は、表主面の電極６７および引出電極６５と導通している。
【００４１】
前記圧電体層６０ａ〜６０ｇは、図８の太線矢印で示すような方向に分極されている。つまり、引出電極６２，６５の両側の圧電体層において同一極性の電荷がこの電極から取り出されるように、かつ同一の圧電体層内において中央部と両端部とで逆方向となるように厚み方向に分極されている。この実施例では、第１，第２，第５の層６０ａ，６０ｂ，６０ｅの中央部がＡ方向で両端部がＢ方向であり、第３，第６，第７の層６０ｃ，６０ｆ，６０ｇの中央部がＢ方向で両端部がＡ方向となっている。また、厚み方向中央部の圧電体層６０ｄは分極されない中性層となっている。そのため、加速度Ｇが圧電素子６０の板厚方向に作用した際、図示するように各層の中央部と両端部とで伸びストレスと縮みストレスとが作用し、これらストレスと分極の方向との関係に基づいて、引出電極６２と裏面電極６８にはマイナスの電荷が発生し、引出電極６５と表面電極６７にはプラスの電荷が発生し、マイナスの電荷は外部電極６９から取り出され、プラスの電荷は外部電極７０から取り出される。
この場合には、厚み方向中央部の圧電体層６０ｄは電荷を発生しない中性層であるが、第１実施例とほぼ同様に、長さ方向中央部と両端部とでそれぞれ電荷を取り出すことができるため、加速度Ｇの印加に伴う電荷の発生量が増え、検出感度を従来に比べて高めることができる。
【００４２】
前記実施例では、４ｎ層の例として第１，第２および第４実施例を例示し、４ｎ＋２層の例として第３実施例を例示し、さらに４ｎ＋１層の例として第５実施例を例示し、４ｎ＋３層の例として第６実施例を例示した。これらの例はほんの数例であり、層数を増やすことは可能である。
また、図３ではセラミックグリーンシートを導電ペーストを介して積層し、同時焼成により圧電素子を得るようにしたが、予め焼成済のセラミック板を複数枚積層して圧電素子を得るようにしてもよい。ただし、グリーンシートの状態で積層した方がより薄肉に構成でき、静電容量の拡大と小型化とを実現できるとともに、製造工程を簡素化できるので、好ましい。
【００４３】
【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、圧電素子が４層以上の圧電体層を積層した構造を持ち、しかも加速度の印加に伴って圧電体層の長さ方向中央部と両端部とで発生する電荷をそれぞれ取り出すことができるようになっているので、静電容量が大きく、かつ電荷を効率よく収集できる。その結果、検出感度の高い加速度センサを実現できる。
【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製造方法を示す工程図である。
【図４】本発明にかかる加速度センサの第２実施例の斜視図である。
【図５】本発明にかかる加速度センサの第３実施例の正面図である。
【図６】本発明にかかる加速度センサの第４実施例の正面図である。
【図７】本発明にかかる加速度センサの第５実施例の正面図である。
【図８】本発明にかかる加速度センサの第６実施例の正面図である。
【符号の説明】
１Ａ〜１Ｆ        加速度センサ
２                圧電素子
３，５            引出電極
４                分割電極
６，７            主面電極
８，９            外部電極
１０，１１        支持枠（支持部材）
【図１】
0003642026.tif 000003
【図２】
0003642026.tif 000004
【図３】
0003642026.tif 000005
【図４】
0003642026.tif 000006
【図５】
0003642026.tif 000007
【図６】
0003642026.tif 000008
【図７】
0003642026.tif 000009
【図８】
0003642026.tif 000010