(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
検出素子と、この検出素子の長さ方向一端部、両端部または中央部を支持する支持部材とを備え、
上記検出素子は４層の圧電セラミックよりなる圧電体層を積層したものであり、
上記圧電体層はそれぞれ厚み方向に分極されており、厚み方向中心を間にしてその両側の圧電体層は同一方向に分極され、それ以外の圧電体層は隣合う圧電体層と逆方向に分極されており、
上記検出素子は厚み方向中心から外側に向かってそれぞれ第１層と第２層とを有し、
上記検出素子の厚み方向の中心、第１層と第２層との間、および第２層の外表面とにそれぞれ電極が設けられ、
上記各層の圧電体層とその両側の電極とによって、加速度が印加された時に電荷を発生するセルを構成し、
厚み方向中心を間にして同一側の第１層と第２層とで形成されるセルが電気的に並列に接続され、
厚み方向で両側の第１層同士および第２層同士はそれぞれ同じ厚みに形成され、
第１層と第２層の合計厚みに対し、第１層の厚みの比率が６２〜７６％とされていることを特徴とする加速度センサ。
【請求項２】
上記圧電体層は、同一厚みのセラミックシートを１枚ないし複数枚積層したものであり、第１層は第２層の２倍の枚数のセラミックシートを積層したものであ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】
検出素子と、この検出素子の長さ方向一端部、両端部または中央部を支持する支持部材とを備え、
上記検出素子は６層の圧電セラミックよりなる圧電体層を積層したものであり、
上記圧電体層はそれぞれ厚み方向に分極されており、厚み方向中心を間にしてその両側の圧電体層は同一方向に分極され、それ以外の圧電体層は隣合う圧電体層と逆方向に分極されており、
上記検出素子は厚み方向中心から外側に向かってそれぞれ第１層と第２層と第３層を有し、
上記検出素子の厚み方向の中心、第１層と第２層との間、第２層と第３層との間、および第３層の外表面とにそれぞれ電極が設けられ、
上記各層の圧電体層とその両側の電極とによって、加速度が印加された時に電荷を発生するセルを構成し、
厚み方向中心を間にして同一側の第１層と第２層と第３層で形成されるセルが電気的に並列に接続され、
厚み方向で両側の第１層同士、第２層同士、第３層同士はそれぞれ同じ厚みに形成され、
第１層〜第３層の合計厚みに対し、第１層の厚みの比率が５１〜６２％とされ、かつ第１層と第２層の合計厚みの比率が７２〜８７％とされていることを特徴とする加速度センサ。
【請求項４】
検出素子と、この検出素子の長さ方向一端部を支持する支持部材とを備え、
上記検出素子は２層以上の圧電セラミックよりなる圧電体層を積層したものであり、
上記圧電体層の層間および外表面にそれぞれ加速度の印加に伴って発生する電荷を取り出すための電極が設けられ、
上記検出素子の自由端側に、少なくとも一方の極性の電荷を取り出すための電極が形成されない電極ギャップが設けられ、
上記検出素子の自由長に対する電極ギャップの長さの比率が２０〜７０％とされていることを特徴とする加速度センサ。
【請求項５】
上記検出素子の電極ギャップが設けられた自由端側の側面に、検出素子の自由端まで延びる電極を相互に接続する接続電極が設けられていることを特徴とする請求項４に記載の加速度センサ。
【請求項６】
上記検出素子は４層の圧電セラミックよりなる圧電体層を積層したものであり、
上記圧電体層はそれぞれ厚み方向に分極されており、厚み方向中心を間にしてその両側の圧電体層は同一方向に分極され、それ以外の圧電体層は隣合う圧電体層と逆方向に分極されており、
上記検出素子は厚み方向中心から外側に向かってそれぞれ第１層と第２層とを有し、
上記検出素子の厚み方向の中心、第１層と第２層との間、および第２層の外表面とにそれぞれ電極が設けられ、
上記各層の圧電体層とその両側の電極とによって、加速度が印加された時に電荷を発生するセルを構成し、
厚み方向中心を間にして同一側の第１層と第２層とで形成されるセルが電気的に並列に接続され、
厚み方向で両側の第１層同士および第２層同士はそれぞれ同じ厚みに形成され、
第１層と第２層の合計厚みに対し、第１層の厚みの比率が６２〜７６％とされていることを特徴とする請求項４に記載の加速度センサ。
【請求項７】
上記第１層と第２層との間の電極の一端は上記支持部材によって支持された検出素子の端面まで延ばされ、他端は上記検出素子の自由端側から電極ギャップを残して終端となり、
上記厚み方向の中心の電極と、第２層の外表面の電極とは、上記支持部材によって支持された検出素子の付け根付近から検出素子の自由端まで延ばされ、
上記検出素子の自由端側の側面に、上記厚み方向の中心の電極と上記第２層の外表面の電極とを相互に接続し、かつ第１層と第２層との間の電極と接続されない接続電極が設けられていることを特徴とする請求項６に記載の加速度センサ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は圧電セラミックス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、種々のものが提案されている。一般に、この種の加速度センサにおいて、感度とは電圧感度と電荷感度の２種類がある。電荷感度の増加は、後段に増幅器を接続した場合、加速度センサと増幅器との接続部に影響を及ぼす外部機器や回路からの電磁ノイズに対してＳ／Ｎ比を高めることができる。一方、電圧感度の増加は、増幅器自体が発生する電圧ノイズに対してＳ／Ｎ比を高めることができる。したがって、外部からの電磁ノイズと増幅器の内部ノイズの両方に対してＳ／Ｎ比を高めるには、電荷感度と電圧感度の両方を増加させることが必要になる。つまり、電荷感度と電圧感度の積の１／２として表される発生エネルギーが大きいことが、高Ｓ／Ｎすなわち高感度のセンサであると言える。
【０００３】
特開平１０−６２４４５号公報には、各層の厚みがほぼ同一の３層以上の圧電セラミックスを積層し、各層で電気的に並列接続した加速度センサが示され、積層数を増やすことで電荷感度を高めることができるようになっている。しかし、このような構造の加速度センサでは、検出素子の全体の厚みを一定にしたまま、積層数を増やすと、各層の厚みが薄くなり、静電容量が増加する分、各層に発生する電圧感度は低下する。また、内側層の発生電位が外側層に比べて低いので、これらを並列接続すると、検出素子全体での電圧感度は各層の電圧の平均となり、全体としての電圧感度は、積層数を増やすほど逆に低下することになる。その結果、発生エネルギーは大きく改善されない。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
例えば、片持ち構造で、検出素子の全体の厚みが０．４２ｍｍ、支持部を除いた自由長が３．０ｍｍ、検出素子の幅が０．４ｍｍである２層タイプと４層タイプの２種類の加速度センサについて、感度を比較すると、表１のようになる。すなわち、４層タイプは２層タイプに比べて電荷感度が大きく向上している反面、電圧感度が低下し、両者の発生エネルギーは変わらないという結果が出た。なお、ここでは図示していないが、各層が電気的に並列接続された状態での特性である。
【０００５】
【表１】
0004190208.tif 000002
【０００６】
上記特性は、比較条件として、検出素子の全体厚み、自由長を同一としている。その理由は、厚みと自由長を含めた形状の特性として、
電荷感度Ｑ＝ｋｄ・ＷＬ3 ／Ｔ
電圧感度Ｖ＝ｋｇ・Ｌ2
の関係があり、これら形状を変更すると、特性が変わるためである。ここで、Ｌ：自由長、Ｗ：検出素子の幅、Ｔ：検出素子の全体厚み、ｇ，ｄ：圧電定数、ｋ：その他の係数である。
上記式から、電荷・電圧感度を共に上げるには、自由長Ｌを増やせばよく、また厚みＴを小さくすると、電荷感度が増加し、電圧感度は変わらないため、発生エネルギーは増加する。しかし、Ｌを大きくするには、サイズが大きくなり、一方Ｔを小さくすると、強度が低下し、さらに検出部の共振周波数が低下するため、高い周波数での加速度を正確に測定できなくなるなど、寸法には制約がある。
【０００７】
また、特開平９−２６４３３号公報には、片持ち構造で、長さ方向の全域に亘って中間電極と表面電極とが形成された２層構造の加速度センサが開示されている。加速度が加わった時、出力が出るのは、加速度により応力が発生し、これに応じて電荷が発生するためであるが、片持ち構造の場合、この応力は検出素子の根元部近傍で大きく、先端側ほど小さくなる。このような状態では、先端部は電荷の発生にあまり寄与せず、容量成分のみが電気的に並列接続された状態と等価になる。したがって、検出素子全体での電圧感度は長さ方向全体の平均となり、全体としての電圧感度は、根元部近傍のみに電極がある場合に比べて低下し、発生エネルギーを大きくできない。
【０００８】
そこで、本発明の目的は、自由長や厚みを変更せずに、発生エネルギーを大幅に増加させ、高感度化を実現できる加速度センサを提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記目的は請求項１，３および４に係る発明によって達成される。
請求項１に係る発明は、検出素子と、この検出素子の長さ方向一端部、両端部または中央部を支持する支持部材とを備え、上記検出素子は４層の圧電セラミックよりなる圧電体層を積層したものであり、上記圧電体層はそれぞれ厚み方向に分極されており、厚み方向中心を間にしてその両側の圧電体層は同一方向に分極され、それ以外の圧電体層は隣合う圧電体層と逆方向に分極されており、上記検出素子は厚み方向中心から外側に向かってそれぞれ第１層と第２層とを有し、上記検出素子の厚み方向の中心、第１層と第２層との間、および第２層の外表面とにそれぞれ電極が設けられ、上記各層の圧電体層とその両側の電極とによって、加速度が印加された時に電荷を発生するセルを構成し、厚み方向中心を間にして同一側の第１層と第２層とで形成されるセルが電気的に並列に接続され、厚み方向で両側の第１層同士および第２層同士はそれぞれ同じ厚みに形成され、第１層と第２層の合計厚みに対し、第１層の厚みの比率が６２〜７６％とされていることを特徴とする加速度センサである。
【００１０】
請求項３に係る発明は、検出素子と、この検出素子の長さ方向一端部、両端部または中央部を支持する支持部材とを備え、上記検出素子は６層の圧電セラミックよりなる圧電体層を積層したものであり、上記圧電体層はそれぞれ厚み方向に分極されており、厚み方向中心を間にしてその両側の圧電体層は同一方向に分極され、それ以外の圧電体層は隣合う圧電体層と逆方向に分極されており、上記検出素子は厚み方向中心から外側に向かってそれぞれ第１層と第２層と第３層を有し、上記検出素子の厚み方向の中心、第１層と第２層との間、第２層と第３層との間、および第３層の外表面とにそれぞれ電極が設けられ、上記各層の圧電体層とその両側の電極とによって、加速度が印加された時に電荷を発生するセルを構成し、厚み方向中心を間にして同一側の第１層と第２層と第３層で形成されるセルが電気的に並列に接続され、厚み方向で両側の第１層同士、第２層同士、第３層同士はそれぞれ同じ厚みに形成され、第１層〜第３層の合計厚みに対し、第１層の厚みの比率が５１〜６２％とされ、かつ第１層と第２層の合計厚みの比率が７２〜８７％とされていることを特徴とする加速度センサである。
【００１１】
請求項４に係る発明は、検出素子と、この検出素子の長さ方向一端部を支持する支持部材とを備え、上記検出素子は２層以上の圧電セラミックよりなる圧電体層を積層したものであり、上記圧電体層の層間および外表面にそれぞれ加速度の印加に伴って発生する電荷を取り出すための電極が設けられ、上記検出素子の自由端側に、少なくとも一方の極性の電荷を取り出すための電極が形成されない電極ギャップが設けられ、上記検出素子の自由長に対する電極ギャップの長さの比率が２０〜７０％とされていることを特徴とする加速度センサである。
【００１２】
請求項１に係る加速度センサの場合、検出素子は４層の圧電セラミックよりなる圧電体層を積層したものであり、厚み方向内側の第１層の厚みが、外側の第２層に比べて厚い。具体的には、第１層と第２層の合計厚みに対し、第１層の厚みの比率が６２〜７６％とされている。従来のように、４層の厚みがすべて同一の場合、積層数を増やすことで電荷感度を高めても、内側層の発生電位が外側層に比べて低いので、これらを並列接続すると電圧感度は低下し、全体としての発生エネルギーは増えない。これに対し、本発明のように内側層を厚く、外側層を薄くし、両層で発生する電位をできるだけ等しくすれば、発生エネルギーを増大させることができる。
実験によると、第１層の厚みの比率が全体の略７０％の場合、同一厚みの場合に比べて約２０％の発生エネルギーの上昇が見られ、第１層の厚みの比率が６２〜７６％の範囲でも１６％以上の上昇が見られた。
【００１３】
請求項１において、第１層および第２層の圧電体層を個別の厚みのセラミックシートで形成することも可能であるが、請求項２のように、圧電体層を同一厚みのセラミックシートを１枚ないし複数枚積層したものとし、第１層を第２層の２倍の枚数のセラミックシートを積層したものとすれば、第１層の厚みの比率を全体の略７０％とすることができ、最大の発生エネルギーを得ることができる。この場合、同じ厚みのセラミックシートを用いて検出素子を製造できるので、厚みの調整が容易で、製造コストを低減できる。
【００１４】
請求項３は、検出素子の積層数を６層としたものであり、内側層から外側層にかけて漸次厚みを薄くし、３層で発生する電位をできるだけ等しくすることで、発生エネルギーを増大させることができる。
第１層〜第３層の合計厚みに対し、第１層の厚みの比率を５１〜６２％とし、第１層と第２層の合計厚みの比率を７２〜８７％とすることで、全ての層が同一厚みの場合に比べて発生エネルギーを大幅に向上させることができる。
【００１５】
請求項４は、検出素子を片持ち構造とした場合において、検出素子の根元部付近に電極を設ける、換言すれば先端部の電極を除去することで、電圧感度を大幅に向上させたものである。すなわち、片持ち構造の検出素子に加速度が加わった時、大きな出力が出るのは、検出素子の根元部近傍であるから、電荷の発生にあまり寄与しない先端部の電極を除去している。そのため、電荷の大きい部分だけから電荷を引き出すことができ、発生エネルギーを大きくすることができる。
電極ギャップを大きくすると、電極面積が小さくなるため電荷感度は小さくなるが、逆に電位の低い先端部の影響が小さくなるため、電圧感度は大きくなる。その結果、発生エネルギーは電極ギャップの比率がある範囲となったとき最大となる。実験によると、検出素子の自由長に対する電極ギャップの長さの比率がほぼ５０％で発生エネルギーが最大となり、全面電極の場合に比べて約４５％大きくなる。また、２０〜７０％の範囲でも、約２０％以上の発生エネルギーの増加が得られる。
この場合、請求項５のように、検出素子の電極ギャップが設けられた自由端側の側面に、検出素子の自由端まで延びる電極を相互に接続する接続電極を設けるのがよい。
【００１６】
請求項６では、請求項４に係る発明に、請求項１の発明を組み合わせたものである。この場合には、電極ギャップによる発生エネルギーの増加に加え、第１層と第２層の厚みの違いによる発生エネルギーの増加が得られるので、その相乗効果により非常に感度の高い加速度センサを得ることができる。
【００１７】
請求項７では、請求項６に係る加速度センサにおいて、第１層と第２層との間の電極と、厚み方向の中心の電極および第２層の外表面の電極とをそれぞれ外部へ引き出すための構造に関するものである。すなわち、第１層と第２層との間の電極の一端は上記支持部材によって支持された検出素子の端面まで延ばされ、他端は検出素子の自由端側から電極ギャップを残して終端となっている。一方、厚み方向の中心の電極と、第２層の外表面の電極とは、支持部材によって支持された検出素子の付け根付近から検出素子の自由端まで延ばされている。そして、検出素子の自由端側の側面に設けた接続電極で、厚み方向の中心の電極と第２層の外表面の電極とを相互に接続してある。
この場合には、検出素子の側面に接続電極を形成することで、厚み方向の中心の電極と第２層の外表面の電極とを相互に接続できるので、接続が確実であり、しかも接続電極が電極ギャップに設けられるので、接続電極と第１層と第２層との間の電極との電気的導通を防止できる。さらに、検出素子の側面に接続電極を形成すればよいので、検出素子の端面に接続電極を形成する場合のような複雑な処理が不要となる。
【００１８】
【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、検出素子２の長さ方向一端部を断面コ字形の一対の支持枠（支持部材）１０，１１で接着支持したものである。支持枠１０，１１はセラミックや樹脂等の絶縁材料で形成されている。支持枠１０，１１の一方の保持部１０ａ，１１ａの間には異方性導電接着剤１６を介して検出素子２の一端部が接着保持されており、他方の保持部１０ｂ，１１ｂの間には異方性導電接着剤１７を介して検出素子２と同じ厚みを持つ端部材１５が接着保持されている。加速度センサ１Ａは、端部材１５を検出素子２と一体に形成した状態で、一方の支持枠１０（または１１）に両端部で接着した後、検出素子２と端部材１５との間をダイサーなどによって切断し、その後、他方の支持枠１１（または１０）を接着することで、効率よく製造できる。支持枠１０，１１と検出素子２との間には、加速度Ｇが作用した時に検出素子２が撓み得る空間１３，１４が形成されている。
【００１９】
この実施例の検出素子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〜２ｄを積層し、一体に焼成したものである。検出素子２は厚み方向中心から外側に向かってそれぞれ第１層２ａ，２ｃと第２層２ｂ，２ｄとを有し、検出素子２の厚み方向中心には中心電極３が、第１層２ａ，２ｃと第２層２ｂ，２ｄとの間には層間電極４ａ，４ｂが、第２層２ｂ，２ｄの外表面には表面電極５ａ，５ｂがそれぞれ設けられている。上記電極３，４ａ，４ｂ，５ａ，５ｂによって挟まれた４層の圧電体層２ａ〜２ｄによって、４個のセル▲１▼〜▲４▼が構成される。
【００２０】
厚み方向で両側の第１層２ａ，２ｃは互いに同じ厚みに形成され、第２層２ｂ，２ｄも互いに同じ厚みに形成されている。そして、第１層２ａ（２ｃ）と第２層２ｂ（２ｄ）の合計厚みＴ2 に対し、第１層２ａ（２ｃ）の厚みＴ1 の比率が６２〜７６％とされている。すなわち、
０．６２≦Ｔ1 ／Ｔ2 ≦０．７６
の範囲に設定されている。
【００２１】
上記第１層２ａ，２ｃと第２層２ｂ，２ｄとの間に設けられた層間電極４ａ，４ｂの一端は、支持枠１０，１１によって支持された検出素子２の端面まで延ばされ、支持枠１０，１１の一端面および検出素子２の一端面に連続的に形成された外部電極６と電気的に接続されている。層間電極４ａ，４ｂの他端は検出素子２の自由端から所定寸法だけ後退した位置で終端となっている。検出素子２の自由端から層間電極４ａ，４ｂの他端までの無電極部分を電極ギャップと呼ぶと、検出素子２の自由長Ｌｆに対する電極ギャップＬｇの長さの比率（電極ギャップ率）が２０〜７０％とされている。すなわち、
０．２≦Ｌｇ／Ｌｆ≦０．７
の範囲に設定されている。
【００２２】
上記中心電極３と表面電極５ａ，５ｂは、支持枠１０，１１によって支持された検出素子２の付け根付近から検出素子２の自由端まで延びている。特に、表面電極５ａ，５ｂは支持枠１０，１１の保持部１０ａ，１１ａに接着される部分まで延びているが、外部電極６が形成された端面から所定距離手前で終端となっている。また、支持枠１０，１１の内面にはそれぞれ内面電極１０ｃ，１１ｃが形成されており、内面電極１０ｃ，１１ｃの両端は保持部１０ａ，１０ｂ、１１ａ，１１ｂまで延びている。一方の保持部１０ａ，１１ａまで延びる内面電極１０ｃ１１ｃの一端は、外部電極６が形成された端面から所定距離手前で終端となっており、異方性導電接着剤１６によって表面電極５ａ，５ｂの一端と電気的に接続されている。異方性導電性接着剤１６は、面方向には導電性を持たず、厚み方向にのみ導電性を有するので、内面電極１０ｃ，１１ｃおよび表面電極５ａ，５ｂは外部電極６と導通しない。なお、異方性導電接着剤１６に代えて、内面電極１０ｃ，１１ｃと表面電極５ａ，５ｂとの接着部のみ等方性導電接着剤を使用し、外部電極６との近傍部分は絶縁性接着剤を使用してもよい。保持部１０ｂ，１１ｂまで延びる内面電極１０ｃ，１１ｃの他端は、支持枠１０，１１の他端面および端部材１５の端面に形成された外部電極７と電気的に接続されている。なお、端部材１５と保持部１０ｂ，１１ｂとを接着する接着剤１７は、ここでは製造工程上、異方性導電接着剤を用いたが、等方性導電性接着剤または絶縁性接着剤であってもよい。
【００２３】
上記検出素子２の自由端側の側面には、蒸着やスパッタリングなどによって接続電極１８が形成されている。この接続電極１８は、中心電極３と表面電極５ａ，５ｂとを相互に接続するためのものであり、検出素子２の電極ギャップＬｇの領域に形成されているため、層間電極４ａ，４ｂとは接続されない。この接続電極１８は、図１，図２に示した面と反対側の側面にも同じように形成することで、冗長性をもって接続することができる。この実施例では、検出素子２の側面だけでなく、支持枠１０，１１の側面や端部材１５の側面にも接続電極１８が設けられているが、これら電極は工法上形成されたものであり、必須ではない。
なお、上記のように検出素子２の側面に接続電極１８を設ける場合のほか、検出素子２の自由端側の端面に接続電極１８を設けることで、中心電極３と表面電極５ａ，５ｂとを相互に接続してもよい。
【００２４】
上記のように接続電極１８を設けることで、中心電極３と表面電極５ａ，５ｂとが互いに検出素子２の先端部で接続されるとともに、支持枠１０，１１の内面電極１０ｃ，１１ｃによってセンサ１Ａの端部の外部電極７まで接続される。そのため、支持枠１０または１１の一方の側の接続経路が切れても、他方の経路で維持でき、冗長性をもって接続できる。なお、一方の支持枠にのみ内面電極を設けてもよいことは勿論である。
【００２５】
上記のように各層の電極を接続することで、図３のように、厚み方向中心を間にして同一側の第１層２ａと第２層２ｂとで形成されるセル▲１▼，▲２▼が電気的に並列に接続され、第１層２ｃと第２層２ｄとで形成されるセル▲３▼，▲４▼が電気的に並列に接続される。この実施例では、外部電極６が層間電極４ａ，４ｂを相互に接続し、外部電極７が内面電極１０ｃ，１１ｃを介して中心電極３および表面電極５ａ，５ｂを相互に接続しているので、全てのセル▲１▼〜▲４▼が電気的に並列に接続されている。
【００２６】
圧電体層２ａ〜２ｄは、図１，図２に矢印Ｐで示すように、厚み方向に分極されている。厚み方向中心から一方側の第１層２ａおよび第２層２ｂでは、層間電極４ａを間にして外向きに分極され、厚み方向中心から他方側の第１層２ｃおよび第２層２ｄでは、層間電極４ｂを間にして内向きに分極されている。そのため、中心電極３を挟んだ第１層２ａおよび２ｃは同じ向きに分極されている。なお、電極ギャップ部は、共通に接続された中心電極３、および表面電極５ａ，５ｂによって囲まれており、これら部分では静電容量を持たず、また仮に電荷や電圧が発生してもキャンセルされるため、電極ギャップ部の分極の有無や方向は問わない。
【００２７】
上記構成よりなる加速度センサ１Ａにおいて、加速度Ｇが加わった時の電荷および電圧の発生状況を図４に示す。
図４で矢印方向に加速度Ｇが加わると、慣性により検出素子２は加速度方向と逆方向に撓み、検出素子２の上半分には圧縮応力、下半分には引張応力が発生する。そのため、中心電極３と表面電極５ａ，５ｂにはプラスの電荷が発生し、層間電極４ａ，４ｂにはマイナスの電荷が発生する。その結果、層間電極４ａ，４ｂと導通する一方の外部電極６にはマイナスの電荷が、中心電極３および表面電極５ａ，５ｂと導通する他方の外部電極７にはプラスの電荷が取り出される。
【００２８】
ここで、第１層２ａ（２ｃ）と第２層２ｂ（２ｄ）の合計厚みＴ2 に対し、第１層２ａ（２ｃ）の厚みＴ1 の比率を６２〜７６％とすることで、感度が向上する理由を、図５を参照して説明する。
図５（ａ）のように、片持支持された４層構造の検出素子が加速度Ｇを受けて撓みを生じた場合、圧電体層の内部応力は、厚み方向中心（中性面）を原点とすると、表面に近づくほど大きくなる。なお、説明を簡単にするため、各層の電気的接続は図５（ｂ）に示すようにそれぞれ隣接する電極同士のみが接続されるものとし、分極方向も中性面から片側方向ではすべて同一方向とし、応力は中性面に対して対称のため、片側のみについて考える。こうすることで、各層に発生した電荷は他の層に流れることがなく、加速度により発生した電荷が維持される。実際のセンサとして構成するには、例えば図１，２に示すように電荷および電圧がキャンセルしない方向に電極を接続すればよい。
【００２９】
中性面から距離ｔだけ離れた箇所での応力により発生する電荷密度Ｄは、式（１）で表される。
Ｄ＝ａｇｔ                  ・・・（１）
ここで、ａは圧電定数や構造パラメータを含む定数、ｇは印加加速度であり、Ｄの単位はクーロン／ｍ2 である。また、この電荷によって厚み方向にｔの箇所で発生する電位Ｖは、同じく中性面を原点とすると、（２）式で表される。
Ｖ＝∫Ｄ／ε・ｄｔ＝１／２・ａ／ε・ｇｔ2   ・・・（２）
ここで、εは誘電率である。
したがって、図５の表面電極ｎ＝２での電位Ｖ2 は、ｔ＝Ｔ2 より
Ｖ2 ＝１／２・ａ／ε・ｇＴ2 2         ・・・（３）
となる。
【００３０】
次に、第１層の下側電極ｎ＝０と上側電極ｎ＝１間に発生する電位をΔＶ1 、第２層の下側電極ｎ＝１と上側電極ｎ＝２間に発生する電位をΔＶ2 とする。このような電位が生じた２つの層を、電気的に並列に接続する場合、両層の電位が異なると、加速度により発生した電荷は、電位が高い層から低い層へ、両層の電位が等しくなるまで流れる。そのため、センサ内部でのエネルギーのロスが生じ、電圧感度と電荷感度の積である発生エネルギーが相対的に減少する。
そこで、エネルギーロスを最小限にするには、両層で発生する電位が等しい、つまりΔＶ1 ＝ΔＶ2 ＝ΔＶであるときが最大の発生エネルギーを生じる。この場合の両層の電位は、（３）式から
ΔＶ＝Ｖ2 ／Ｎ＝１／２・ａ／ε・ｇＴ2 2 ／Ｎ    ・・・（４）
となる。ここで、Ｎは片側の層数であり、図５のように中性面を対称として２層の場合、Ｎ＝２とする。また、ｎ層目の電極に発生する電位Ｖｎは、中性面を原点として（４）式を使うと、
Ｖｎ＝ｎ・ΔＶ＝１／２・ａ／ε・ｇＴ2 2 ・ｎ／Ｎ  ・・・（５）
となる。つまり、（５）式はエネルギーロスを防ぐための各層の電位が等しくなる電位を表す。
一方、Ｖｎは厚みｔの部分での電位として（２）式から求まる。従って、片側Ｎ層のセンサ構造で、各層の電位ΔＶが等しくなるｎ層目の電極までの距離ｔは、（２），（５）の連立方程式からｔを解けば求まる。
ｔ＝Ｔ√（ｎ／Ｎ）              ・・・（６）
ここで、Ｔは片側の総厚みである。
（６）式の結果をまとめると、表２のようになる。なお、表２には、Ｎ＝２とＮ＝３の両方の結果が示されている。
【００３１】
【表２】
0004190208.tif 000003
【００３２】
表２から明らかなように、図５にある片側２層（Ｎ＝２）の構成では、エネルギーが最大になる電極ｎ＝１の位置は、片側総厚Ｔの７１％であることが判る。同様に、図示しないが、片側３層（Ｎ＝３）の構成では、内側から第１層の上側電極ｎ＝１の位置がＴの５８％、第２層の上側電極ｎ＝２の位置が８２％となる。
【００３３】
図６（ａ），（ｂ）は、図１，図２の実施例において、第１層比率を変えて、電圧感度、電荷感度を有限要素法によって数値計算した結果である。センサの形状は、図２において、自由長Ｌｆ＝３．０ｍｍ、素子厚み（２Ｔ）＝０．４２ｍｍ、電極ギャップ率（Ｌｇ／Ｌｆ）＝５０％とし、第１層比率（Ｔ1 ／Ｔ2 ）を５０％〜８６％まで変えた場合の電荷感度、電圧感度、発生エネルギーを求めた。
図６から明らかなように、電荷感度は第１層比率を大きくするほど単調増加し、一方、電圧感度は第１層比率が概略６０％で最大となり、その後は第１層比率が大きくなるほど低下する。そのため、発生エネルギーは、第１層比率を概略７０％としたときに最大となり、従来の第１層比率（５０％）に比べて発生エネルギーが２０％増加する。なお、第１層比率を概略７０％としたときに発生エネルギーは最大となるが、概ね６２〜７６％の範囲で１６％以上のエネルギー増加となり、この範囲でも十分な効果が発揮された。
【００３４】
なお、第１層比率を７０％とした場合に限らず、第１層比率を６６．７％とした場合もエネルギーがほぼ最大となる。つまり、第１層厚みを第２層厚みの２倍（例えば第１層厚み１４０μｍ、第２層厚み７０μｍ）とした場合でも、最大エネルギーが得られる。このことは、例えば７０μｍの厚みのセラミックシートを片側３層積層し、そのうち第１層をセラミックシート２層で構成し、第２層をセラミックシート１層で構成すれば、高感度の検出素子を実現できることを意味する。この方法であれば、同じ厚みのセラミックシートだけを用いるので、効率よく検出素子を製造できるという利点がある。
【００３５】
次に、電極ギャップＬｇを自由長Ｌｆの２０〜７０％とすることで、感度が向上する理由を、図７を参照して説明する。
図７は片持ち支持された４層構造の検出素子を示し、中心電極（ｎ＝０）と層間電極（ｎ＝１）と表面電極（ｎ＝２）とを、それぞれ検出素子の自由端から所定寸法（電極ギャップＬｇ）だけ後退した位置で終端としてある。ここでは、説明を簡単にするため、各層の分極方向を同一方向としてある。
上記検出素子において、加速度が加わった時の応力分布は、支持部の近傍ほど大きく、自由端に近づくほど小さくなる。そのため、自由端部での電荷の発生は相対的に小さく、電位も小さい。このような状態では、電位の高い支持部近傍から電位の低い自由端側に電荷の移動が発生し、エネルギーロスを生じる。したがって、自由端部では一定の範囲で電極ギャップを設ける方がエネルギーが大きくなる。このことを、図２において、自由長Ｌｆ＝３．０ｍｍ、素子厚み（２Ｔ）＝０．４２ｍｍ、第１層厚み＝０．１４ｍｍ、第２層厚み＝０．０７ｍｍとし、電極ギャップ率（Ｌｇ／Ｌｆ）を変えながら、電圧感度、電荷感度、発生エネルギーを前述と同様に求めたのが図８である。
【００３６】
図８から明らかなように、電極ギャップ率が０％、つまり全面電極の従来例の場合に比べて、電極ギャップ率を大きくすると、電荷感度は電極面積が小さくなるため小さくなるが、逆に電圧感度は電位の低い自由端側の影響が小さくなるため、高くなる。その結果、発生エネルギーは電極ギャップ率が概略５０％の場合に最大となり、全面電極の場合に比べて概略４５％大きくなる。なお、電極ギャップ率が２０〜７０％の範囲でも２０％以上の発生エネルギーの増加が可能となり、十分な効果が得られる。
【００３７】
図６および図８を総合すると次のようになる。すなわち、片持ち構造の４層タイプの加速度センサにおいて、電極が全面電極でかつ４層が同一厚みの場合（従来例）と、図１，図２に示されるような第１層比率（Ｔ1 ／Ｔ2 ）を６２〜７６％とし、かつ電極ギャップ率（Ｌｇ／Ｌｆ）を２０〜７０％とした場合（本発明）とを比較すると、本発明では従来例に比べて発生エネルギーが３９％以上増加する。特に、第１層比率（Ｔ1 ／Ｔ2 ）を６６．７〜７１．４％とし、かつ電極ギャップ率（Ｌｇ／Ｌｆ）を４５〜５５％とした場合には、発生エネルギーの増分は７０％以上になる。
つまり、検出素子の自由長や厚みを変更せずに、発生エネルギーを大幅に増加させることができ、高感度化の加速度センサを実現できる。
【００３８】
図９は本発明に係る加速度センサの第２実施例を示す。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。
この実施例の加速度センサ１Ｂは、一端部が支持枠１０，１１によって支持された片持ち構造の検出素子２０を備えている。検出素子２０は短冊形状の薄肉な圧電セラミックよりなる６層の圧電体層２０ａ〜２０ｆを積層し、一体に焼成したものである。検出素子２０は厚み方向中心から外側に向かってそれぞれ第１層２０ａ，２０ｄ、第２層２０ｂ，２０ｅ、第３層２０ｃ，２０ｆとを有し、検出素子２０の厚み方向中心には中心電極２１が、第１層２０ａ，２０ｄと第２層２０ｂ，２０ｅとの間には層間電極２２ａ，２２ｂが、第２層２０ｂ，２０ｅと第３層２０ｃ，２０ｆとの間には層間電極２３ａ，２３ｂが、第３層２０ｃ，２０ｆの外表面には表面電極２４ａ，２４ｂがそれぞれ設けられている。上記電極２１、２２ａ，２２ｂ、２３ａ，２３ｂ、２４ａ，２４ｂによって挟まれた６層の圧電体層２０ａ〜２０ｆによって、６個のセルが構成される。そして、中心電極２１を間にして片側の３層において、隣り合う圧電体層が互いに厚み方向に逆向きに分極され、中心電極２１を挟んで両側の第１層２０ａ，２０ｄが同一方向に分極されている。
【００３９】
厚み方向で両側の第１層２０ａと２０ｄ、第２層２０ｂと２０ｅおよび第３層２０ｃと２０ｆは、互いに同じ厚みに形成されている。そして、第１層〜第３層の合計厚みＴ3 に対し、第１層の厚みＴ1 の比率が５１〜６２％とされ、第１層と第２層の合計厚みＴ2 の比率が７２〜８７％とされている。特に、Ｔ1 ／Ｔ3 ≒０．５８、Ｔ2 ／Ｔ3 ≒０．８２とするのがよい。
このような厚みに設定した理由は、表２で説明した通りである。
【００４０】
中心電極２１と層間電極２３ａ，２３ｂは同一形状に形成されており、外部電極６が設けられた検出素子２０の一端から検出素子２０の中間部まで延びている。つまり、検出素子２０の自由端側には電極ギャップＬｇが設けられ、この電極ギャップＬｇの自由長Ｌｆに対する比率（電極ギャップ率）は２０〜７０％とされている。
層間電極２２ａ，２２ｂと表面電極２４ａ，２４ｂもほぼ同一形状に形成されており、検出素子２０の付け根付近から自由端まで延びている。そして、表面電極２４ａ，２４ｂは支持枠１０，１１の内面電極１０ｃ，１１ｃと導通している。検出素子２０の自由端側の側面には接続電極１８が形成され、この接続電極１８によって層間電極２２ａ，２２ｂと表面電極２４ａ，２４ｂとが相互に接続されている。この場合も、接続電極１８に代えて、検出素子２０の自由端側の端面に接続電極を設けることで、層間電極２２ａ，２２ｂと表面電極２４ａ，２４ｂとを相互に接続してもよい。
上記のように各層の電極を接続することで、図１０のように、各層で構成される６個のセル▲１▼〜▲６▼が電気的に並列に接続される。
【００４１】
上記実施例の加速度センサ１Ｂの場合も、第１実施例と同様に、第１層の厚みＴ1 の比率を５１〜６２％、第１層と第２層の合計厚みＴ2 の比率を７２〜８７％とし、かつ電極ギャップ率（Ｌｇ／Ｌｆ）を２０〜７０％とすることで、従来の６層構造の加速度センサに比べて発生エネルギーが大幅に増加する。つまり、検出素子の自由長や厚みを変更せずに、発生エネルギーを大幅に増加させることができ、高感度化の加速度センサを実現できる。
【００４２】
図１１は本発明に係る加速度センサの第３実施例を示す。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。
この実施例の加速度センサ１Ｃは、一端部が支持枠１０，１１によって片持ち支持された検出素子３０を備えており、検出素子３０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３０ａ，３０ｂを積層し、一体に焼成したものである。検出素子３０の厚み方向中心には中心電極３１が設けられ、表裏面には表面電極３２ａ，３２ｂが設けられている。２つの圧電体層３０ａ，３０ｂは厚み方向に同一方向に分極されている。
中心電極３１は外部電極６が設けられた検出素子３０の一端から検出素子２０の中間部まで延びている。つまり、検出素子３０の自由端側には電極ギャップＬｇが設けられ、この電極ギャップＬｇの自由長Ｌｆに対する比率（電極ギャップ率）は２０〜７０％とされている。
表面電極３２ａ，３２ｂは検出素子３０の付け根付近から自由端まで延び、表面電極３２ａ，３２ｂは支持枠１０，１１の内面電極１０ｃ，１１ｃと導通している。検出素子３０の自由端側の側面には接続電極１８が形成され、この接続電極１８によって表面電極３２ａ，３２ｂは相互に接続されている。但し、中心電極３１とは導通していない。
この場合も、各層で構成される２個のセルが電気的に並列に接続される。
【００４３】
この実施例の加速度センサ１Ｃの場合、電極ギャップ率（Ｌｇ／Ｌｆ）を２０〜７０％とすることで、従来の２層構造の加速度センサに比べて発生エネルギーを増加させることができる。
図１２は、図１１の構造の加速度センサ１Ｃにおいて、電極ギャップ率を変化させた時の電圧感度、電荷感度、発生エネルギーを求めたものである。
この場合も、電極ギャップ率が５０％のときに発生エネルギーが最大になり、全面電極の場合に比べて概略４３％大きくなる。また、同様に、電極ギャップ率が２０〜７０％の範囲でも２０％以上の発生エネルギーの増加が可能となり、十分な効果が得られることがわかる。
なお、図１１では２層の分極方向が同一方向で、電気的に並列接続されているが、上記効果は、前述の特開平９−２６４３３号公報に示された構造の検出素子でも同様に得られる。すなわち、２層の分極方向を逆向きとし、電気的に直列接続したものでもよい。電極ギャップ率が２０〜７０％の範囲で発生エネルギーが増加する効果は、積層数や分極の向き、電気的な接続方法によらず、検出素子の一端側を保持した片持ち構造全てに当てはまるものである。
【００４４】
図１３は本発明に係る加速度センサの第４実施例を示す。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。
この実施例の加速度センサ１Ｄは、前述の特開平１０−６２４４５号公報に示された６層構造のセンサにおいて、その圧電体層の厚みを変えたものである。すなわち、センサ１Ｄは両端部が支持枠１０，１１によって支持された両持ち構造の検出素子４０を備えたものであり、検出素子４０は短冊形状の薄肉な圧電セラミックよりなる６層の圧電体層４０ａ〜４０ｆを積層し、一体に焼成したものである。検出素子４０は厚み方向中心から外側に向かってそれぞれ第１層４０ａ，４０ｄ、第２層４０ｂ，４０ｅ、第３層４０ｃ，４０ｆとを有し、検出素子４０の厚み方向中心には中心電極４１が、第１層４０ａ，４０ｄと第２層４０ｂ，４０ｅとの間には層間電極４２ａ，４２ｂが、第２層４０ｂ，４０ｅと第３層４０ｃ，４０ｆとの間には層間電極４３ａ，４３ｂが、第３層４０ｃ，４０ｆの外表面には表面電極４４ａ，４４ｂがそれぞれ設けられている。上記電極４１、４２ａ，４２ｂ、４３ａ，４３ｂ、４４ａ，４４ｂによって挟まれた６層の圧電体層４０ａ〜４０ｆによって、６個のセルが構成される。そして、中心電極４１を間にして片側の３層において、隣り合う圧電体層が互いに厚み方向に逆向きに分極され、中心電極４１を挟んで両側の第１層４０ａ，４０ｄが同一方向に分極されている。
【００４５】
厚み方向で両側の第１層４０ａと４０ｄ、第２層４０ｂと４０ｅおよび第３層４０ｃと４０ｆは、互いに同じ厚みに形成されている。そして、第１層〜第３層の合計厚みＴ3 に対し、第１層の厚みＴ1 の比率が５１〜６２％とされ、第１層と第２層の合計厚みＴ2 の比率が７２〜８７％とされている。特に、Ｔ1 ／Ｔ3 ≒０．５８、Ｔ2 ／Ｔ3 ≒０．８２とするのがよい。
このような厚みに設定した理由は、表２で説明した通りである。
【００４６】
中心電極４１と層間電極４３ａ，４３ｂは同一形状に形成されており、外部電極７が設けられた検出素子４０の一端から検出素子４０の中間部まで延びている。層間電極４２ａ，４２ｂと表面電極４４ａ，４４ｂもほぼ同一形状に形成されており、外部電極６が設けられた検出素子４０の他端から検出素子４０の中間部まで延びている。
上記のように各層の電極を接続することで、図１０と同様に、各層で構成される６個のセルが電気的に並列に接続される。
【００４７】
上記実施例の加速度センサ１Ｄの場合、合計厚みＴ3 に対する第１層の厚みＴ1 の比率を５１〜６２％、第１層と第２層の合計厚みＴ2 の比率を７２〜８７％とすることで、従来の６層構造の加速度センサ（例えば特開平１０−６２４４５号公報参照）に比べて発生エネルギーが大幅に増加する。つまり、検出素子の自由長や厚みを変更せずに、発生エネルギーを大幅に増加させることができ、高感度化の加速度センサを実現できる。
【００４８】
本発明は上記実施例に限定されるものではない。
請求項１に係る発明の場合、検出素子は片持ち構造に限らず、両持ち構造あるいは中央支持構造であってもよい。即ち、第１実施例の４層構造においても、検出素子を両持ち構造としてもよい。
また、電極ギャップＬｇは、第１実施例では層間電極４ａ，４ｂに設け、第２実施例では中心電極２１および層間電極２３ａ，２３ｂに設け、第３実施例では中心電極３１に設けたが、これに限るものではない。要するに、加速度が印加されたとき、検出素子の自由端側に応力による電荷が発生しない領域、あるいは仮に電荷が発生しても外部に取り出せない領域を、検出素子の自由端側に形成すればよい。
【００４９】
【発明の効果】
以上の説明で明らかなように、請求項１に係る発明によれば、４層構造の検出素子のうち、厚み方向中心寄りの第１層の厚みが外側の第２層に比べて厚く、第１層と第２層の合計厚みに対する第１層の厚みの比率が６２〜７６％とされているので、４層の厚みがすべて同一の場合に比べて発生エネルギーを増大させることができる。そのため、自由長や厚みを変更せずに、高感度な加速度センサを得ることができる。
【００５０】
また、請求項３では、６層構造の検出素子において、内側層から外側層にかけて所定割合ずつ厚みを漸次薄くし、３層で発生する電位をできるだけ等しくすることで、発生エネルギーを増大させることができる。そのため、全ての層が同一厚みの場合に比べて発生エネルギーを大幅に向上させることができる。
【００５１】
請求項４に係る発明によれば、片持ち構造の検出素子において、電荷の発生にあまり寄与しない自由端側の電極を除去することで、電荷の強い部分だけから電荷を引き出すことができ、発生エネルギーを大きくすることができる。特に、検出素子の自由長に対する電極ギャップの長さの比率を２０〜７０％とすることで、従来の全面電極の場合に比べて約２０％以上の発生エネルギーの増加を得ることができる。そのため、自由長や厚みを変更せずに、高感度な加速度センサを得ることができる。
【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印加時における作動説明図である。
【図５】厚み比率による発生エネルギーの影響を説明するための図であり、（ａ）は４層構造の加速度センサの構造図、（ｂ）はその回路図である。
【図６】第１層比率と感度との関係を示す図であり、（ａ）はその特性図、（ｂ）は数値データである。
【図７】電極ギャップ率による発生エネルギーの影響を説明するための４層構造の加速度センサの構造図である。
【図８】電極ギャップ率と感度との関係を示す図であり、（ａ）はその特性図、（ｂ）は数値データである。
【図９】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１０】図９に示す加速度センサの回路図である。
【図１１】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１２】図１１に示す加速度センサの電極ギャップ率と感度との関係を示す図であり、（ａ）はその特性図、（ｂ）は数値データである。
【図１３】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。
【符号の説明】
１Ａ，１Ｂ，１Ｃ  加速度センサ
２，２０，３０，４０    検出素子
３                中心電極
４ａ，４ｂ        層間電極
５ａ，５ｂ        表面電極
６，７            外部電極
１０，１１        支持枠（支持部材）
▲１▼〜▲６▼            セル
【図１】
0004190208.tif 000004
【図２】
0004190208.tif 000005
【図３】
0004190208.tif 000006
【図４】
0004190208.tif 000007
【図５】
0004190208.tif 000008
【図６】
0004190208.tif 000009
【図７】
0004190208.tif 000010
【図８】
0004190208.tif 000011
【図９】
0004190208.tif 000012
【図１０】
0004190208.tif 000013
【図１１】
0004190208.tif 000014
【図１２】
0004190208.tif 000015
【図１３】
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