專利名稱：加速度傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及采用壓電元件的加速度傳感器，尤其涉及一種適用于車(chē)輛內(nèi)安裝的氣囊的加速度傳感器。采用壓電元件的加速度傳感器已應(yīng)用于裝在汽車(chē)?yán)锏臍饽?，以檢測(cè)因撞擊而產(chǎn)生的加速度。已經(jīng)建議的加速度傳感器具有各種結(jié)構(gòu)，第6-273439，6-324073號(hào)等日本特開(kāi)平公報(bào)披露了一種采用雙晶壓電元件、高靈敏度的加速度傳感器。
如

圖1所示，采用雙晶型壓電元件的常規(guī)加速度傳感器1具有雙晶壓電元件2和絕緣殼體3。加速度傳感器1安裝在基片4上。
雙晶壓電元件2具有這樣一種結(jié)構(gòu)，其中，第一壓電陶瓷板5和第二壓電陶瓷板6層疊在一起。第一信號(hào)電極7和第二信號(hào)電極8分別在第一壓電陶瓷板5和第二壓電陶瓷板6的外表面上形成。第一信號(hào)電極7和第二信號(hào)電極8在沿壓電元件2的長(zhǎng)度方向的中部經(jīng)壓電陶瓷板5和6重疊。中間電極9在第一壓電陶瓷板5與第二壓電陶瓷板6之間形成，如此，中間電極9則位于第一信號(hào)電極7與第二信號(hào)電極8的重疊部分之間。
第一壓電陶瓷板5和第二壓電陶瓷板6相互以相反的方向均勻地極化。第一信號(hào)電極7沿著其長(zhǎng)度方向朝壓電元件2相反兩端的一端延伸，而第二信號(hào)電極8沿著其長(zhǎng)度方向朝壓電元件2的另一端延伸。
絕緣殼體3包括第一夾持部10、第二夾持部11以及基片12和13。夾持部10和11分別具有凹槽10a和11a，它在其長(zhǎng)度方向的兩端夾持壓電元件2，由此在其長(zhǎng)度方向的兩端固定壓電元件2，但允許壓電元件2振動(dòng)?；?2和13分別具有凹槽12a和凹槽(未圖示)，并以與夾持部10和11面對(duì)面方向相垂直的方向夾持壓電元件2。
雙晶壓電元件2對(duì)沿著其厚度方向的加速度具有優(yōu)良的靈敏度，而對(duì)箭頭Q所示方向的加速度并不靈敏。
盡管雙晶壓電元件2輸出一個(gè)適當(dāng)?shù)母袘?yīng)電位，但由于雙晶壓電元件2的靜態(tài)電容較小，故感應(yīng)電荷也小。因此，當(dāng)利用電荷放大器(charge amplifier)放大感應(yīng)輸出時(shí)，其信噪比(SN)降低。
此外還產(chǎn)生了這樣一個(gè)問(wèn)題，由于電荷放大器與雙晶壓電元件2之間形成的一個(gè)高通濾波器在低頻側(cè)具有高截止頻率，故無(wú)法測(cè)量由雙晶壓電元件2所測(cè)信號(hào)的低頻分量。在電荷放大器的阻抗增大到可測(cè)得低頻分量的情況下，被測(cè)信號(hào)上的噪聲增加得使SN比下降。
通過(guò)使壓電元件2的厚度更薄或使其寬度更寬，可以增加靜態(tài)電容。然而，在使壓電元件2的寬度更寬的情況下，將導(dǎo)致加速度傳感器的體積增大，這將不利于商品化的要求。另一方面，在使壓電元件2更薄的情況下，壓電元件2的機(jī)械強(qiáng)度下降，這將減少其產(chǎn)量并增加了因遭較大的加速度而被毀壞的可能性。
為此，需要有這樣一種加速度傳感器，它除了尺寸小并有合適的機(jī)械強(qiáng)度外，還具有較高的負(fù)荷靈敏度和較大的靜態(tài)電容。
本發(fā)明提供一種能滿足此要求的加速度傳感器。該加速度傳感器包括一個(gè)具有至少三個(gè)壓電層的壓電元件、多個(gè)第一電極和多個(gè)第二電極。壓電層相互沿厚度方向?qū)盈B，形成沿其長(zhǎng)度方向具有相對(duì)的第一和第二端的疊層。第一和第二電極交替設(shè)置在壓電層之間以及疊層的頂面和底面上，使第一電極從第一端延伸到第二端，使第二電極從第二端延伸到第一端，且經(jīng)由壓電層而相互部分重疊。加速度傳感器進(jìn)一步包括支承體，用以將壓電元件支承在疊層的第一端和第二端附近。壓電層沿厚度方向極化，當(dāng)壓電元件接收到因加速度產(chǎn)生的撞擊時(shí)，使具有相反極性的電荷分別累積在第一和第二電極上。
壓電層可以在第一和第二電極重疊的區(qū)域極化。
在一個(gè)實(shí)施例中，層疊的壓電層中至少有一層未極化。
另一個(gè)實(shí)施例中，壓電元件具有大于3的偶數(shù)個(gè)壓電層，除了位于疊層中間的一對(duì)壓電層外，相鄰的壓電層相互以相反的方向極化，上述一對(duì)壓電層以相同的方向極化。
根據(jù)另一個(gè)實(shí)施例，壓電元件具有大于2的奇數(shù)個(gè)壓電層，除了位于所述壓電元件中間的一個(gè)壓電層外，其它壓電層均被極化。
根據(jù)另一個(gè)實(shí)施例，加速度傳感器包括基片，其上安裝支承體，支承體以相對(duì)基片為90度的角度支承疊層。較佳地該角度為0至90度之間，最好等于或小于45度。
根據(jù)本發(fā)明的較佳實(shí)施例，在每個(gè)壓電層中感應(yīng)的正、負(fù)電荷有效地累積在第一電極和第二電極上不會(huì)消失。此結(jié)構(gòu)還使加速度傳感器具有較大的靜態(tài)電容。由此可以實(shí)現(xiàn)具有較高負(fù)荷靈敏度，能檢測(cè)含低頻分量的加速度且體積較小的壓電型加速度傳感器。
結(jié)合附圖參照以下詳細(xì)的描述，本發(fā)明上述和其它的特征、內(nèi)容和優(yōu)點(diǎn)將變得更加清楚。
圖1是常規(guī)加速度傳感器的透視圖。
圖2是根據(jù)本發(fā)明第一個(gè)實(shí)施例的加速度傳感器的透視圖。
圖3是一個(gè)平面示意圖，它表示圖2所示加速度傳感器中壓電元件的極化方向。
圖4是一個(gè)平面示意圖，它表示圖2所示加速度傳感器中壓電元件中所產(chǎn)生的應(yīng)力和電荷。
圖5是根據(jù)本發(fā)明的圖2所示配有基片的加速度傳感器的分解透視圖。
圖6是根據(jù)本發(fā)明第二個(gè)實(shí)施例的加速度傳感器的平面示意圖。
圖7是一個(gè)平面示意圖，它表示圖6所示加速度傳感器中壓電元件中產(chǎn)生的應(yīng)力和電荷。
圖8是表示對(duì)圖2或圖6所示加速度傳感器所作變化的透視圖。
以下將參照附圖詳細(xì)描述本發(fā)明的較佳實(shí)施例。
第一實(shí)施例圖2是表示根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的加速度傳感器21的透視圖，圖3是它的平面圖。加速度傳感器21包括壓電元件22和支承體23和24(為清楚起見(jiàn)，支承體24用虛線表示)。
壓電元件22具有疊層70、第一電極31、33和35，以及第二電極32、34、36和37。通過(guò)層疊壓電層25-30形成疊層，它具有第一端71和相反的第二端72。
支承體23和24分別具有凹槽23a和24a，成對(duì)突起分別設(shè)置在凹槽23a和24a的兩側(cè)。支承體23和24的突起設(shè)置在疊層70兩端71和72的附近，由此通過(guò)支承體23和24固定疊層70。支承體23和24可以由絕緣材料，諸如絕緣陶瓷(礬土或類(lèi)似材料)、合成樹(shù)脂等等形成。
如圖3所示，第一電極31、33和35以及第二電極32、34。36和37交替設(shè)置在壓電層25-30之間，并位于疊層70的頂面和底面。第一電極31、33和35從第一端71延伸到第二端72，第二電極32、34、36和37從第二端72延伸到第一端71。此外，第一電極31、33和35以及第二電極32、34、36和37在EL所示的區(qū)域經(jīng)由壓電層25-30相互部分疊加。
本實(shí)施例中，第一電極31、33和35，第二電極32、34、36和37以及壓電層25-30采用陶瓷集成燒結(jié)技術(shù)集成為一種燒結(jié)的結(jié)構(gòu)。這樣就便于減小壓電層25-30的厚度，增加壓電層25-30的靜態(tài)電容。另外，壓電層25-30也可以在壓電層25-30分別燒結(jié)之后，再與第一電極31、33和35以及第二電極32、34、36和37粘合。
壓電層25-30由壓電陶瓷諸如鈦酸鋯酸鉛或壓電單晶諸如石英、LiTaO3或類(lèi)似材料制成。第一電極31、33和35以及第二電極32、34、36和37由導(dǎo)電率優(yōu)良的金屬材料諸如Ag，Ag-Pd或類(lèi)似的材料制成。
如圖3所示，所有壓電層25-30均沿著其厚度方向極化，但壓電層25、27、28和30的極化方向與壓電層26和29的極化方向相反。壓電層25-30每一層的極化方向如此確定，使得當(dāng)壓電元件22接收到由加速度引起的撞擊時(shí)，具有相反極性的電荷分別聚積在第一和第二電極。通過(guò)向第二電極36和32施加一個(gè)高壓，向第一電極31、33和35施加一個(gè)中壓，向第二電極34和37施加一個(gè)低壓，可以立刻使壓電層25-30極化。此外，例如通過(guò)首先向第二電極36和32施加一個(gè)高壓，向第一電極31和33施加一個(gè)低壓，然后向第一電極33和35施加一個(gè)高壓，向第二電極34和37施加一個(gè)低壓，也可以使壓電層25-30極化。
以下將參照?qǐng)D4詳細(xì)說(shuō)明加速度傳感器21的操作。圖4示出一個(gè)平面示意圖，它說(shuō)明在加速度傳感器21的壓電元件22中所產(chǎn)生的應(yīng)力和電荷。如圖4所示，當(dāng)加速度傳感器21接收到由撞擊73引起的加速度時(shí)，壓電元件22變形使得壓電層25-30中每個(gè)壓電層的中心因相對(duì)該撞擊73的反作用而向支承體23突出。結(jié)果，壓電層25-27膨脹，在壓電層25-27中產(chǎn)生向外所指箭頭所示的張應(yīng)力。另一方面，壓電層28-30收縮，在壓電層28-30中產(chǎn)生向內(nèi)所指箭頭所示的壓應(yīng)力。
假如壓電層25的極化方向與其中所產(chǎn)生應(yīng)力的方向之間的關(guān)系，使得與第二電極36接觸的壓電層25的表面上感應(yīng)出負(fù)電荷，并使得與第一電極31接觸的壓電層25的表面上感應(yīng)出正電荷，這將導(dǎo)致負(fù)電荷和正電荷分別累積在第二電極36和第一電極31上。此時(shí)，由于壓電層26以與壓電層25的極化方向相反的方向極化，故在與第一電極31接觸的壓電層26的表面上感應(yīng)出正電荷。即，由于壓電層25和26極化使壓電層25和26的極化方向離開(kāi)第一電極31，相同極性的電荷(本例中為正電荷)通過(guò)壓電層25和26累積在第一電極31上。
同樣，夾持第二電極32的壓電層26和27的極化使壓電層26和27的極化方向朝向第二電極32，這樣，來(lái)自壓電層26和27的負(fù)電荷累積在第二電極32上。
當(dāng)加速度傳感器21接收因撞擊73而產(chǎn)生的加速度時(shí)，壓電層28-30受到壓縮。因此，感應(yīng)電荷的極化方向與極性之間的關(guān)系是相反的。尤其是，正電荷累積在由壓電層29和30所夾持的第一電極3 5上，而壓電層29和30的極化方向分別朝向第一電極35。負(fù)電荷也按相同的方式累積在第二電極34上。
第一電極33由以相同方向極化的壓電層27和28夾持。然而，由于張應(yīng)力和壓應(yīng)力分別在壓電層27和28中產(chǎn)生，故僅有正電荷累積在第一電極33上。
相應(yīng)地，因加速度而在壓電層25-30每個(gè)壓電層中感應(yīng)的正電荷和負(fù)電荷可有效地累積在第一電極31、33和35以及第二電極32、34、36和37上而不會(huì)消失。由此可以提高加速度傳感器21的負(fù)荷靈敏度。
從上述說(shuō)明中可見(jiàn)，最好加速度傳感器具有盡可能多的壓電層，由此增加在壓電元件22中累積的電荷。此外，最好使壓電元件22中的張應(yīng)力和壓應(yīng)力保持平衡，因此，壓電層的數(shù)目最好為大于3的偶數(shù)。此例中，位于疊層中間的一對(duì)壓電層以相同的方向極化，其它壓電層以與相鄰壓電層極化方向相反的方向極化。進(jìn)一步，由于其靜態(tài)電容增加，最好壓電層做得盡可能地薄。
盡管每個(gè)壓電層均勻而完整地極化，然而僅有第一和第二電極相重疊的區(qū)域EL(圖3)可以極化。此外，跨接在第一和第二電極上的輸出電壓隨著區(qū)域EL沿縱向減小而增大。靜態(tài)電容與輸出電壓具有折衷的關(guān)系。因此，通過(guò)沿縱向調(diào)節(jié)區(qū)域EL的長(zhǎng)度，可以形成具有專用特性的加速度傳感器。
根據(jù)本實(shí)施例的加速度傳感器可以與基片結(jié)合在一起，以便將壓電元件固定在殼體上。如圖5所示，加速度傳感器74包括壓電元件22、支承體23和24以及基片38和39。壓電元件22和支承體23和24構(gòu)成圖2所示的加速度傳感器21，壓電元件22由基片38和39沿著與支承體23和24相互面對(duì)面的方向相垂直的方向夾持。凹槽(未圖示)和凹槽39a分別在基片38和39的內(nèi)側(cè)形成，這樣就保證有一個(gè)自由空間供壓電元件22移動(dòng)?；?3和24可以由絕緣材料制成。
第二實(shí)施例圖6是一個(gè)平面圖，它表示根據(jù)本發(fā)明第二個(gè)實(shí)施例的加速度傳感器41。圖6所示加速度傳感器41與圖2所示加速度傳感器21的不同之處在于壓電層的數(shù)目和極化方向。
加速度傳感器41包括壓電元件42和支承體43和44。壓電元件42具有疊層75、第一電極50、52和55以及第二電極51、53和54。疊層75通過(guò)層疊壓電層45-49形成，它具有第一端76和相對(duì)的第二端77。
支承體43和44分別具有凹槽43a和44a，這樣，一對(duì)突起分別設(shè)置在凹槽43a和44a的兩側(cè)。支承體43和44的突起置于疊層75兩端76和77的附近，疊層75因此由支承體43和44固定。支承體43和44可以由絕緣材料制成，諸如絕緣陶瓷(礬土或類(lèi)似材料)、合成樹(shù)脂等等。加速度傳感器41可以與第一個(gè)實(shí)施例中所述的基片結(jié)合在一起，以便將壓電元件42固定在殼體中。
第一電極50、52和55以及第二電極51、53和54交錯(cuò)設(shè)置在所述壓電層45-49之間以及疊層75的頂面和底面上。第一電極50、52和55從第一端76延伸到第二端77，第二電極51、53和54從第二端77延伸到第一端76。此外，第一電極50、52和55以及第二電極51、53和54經(jīng)由壓電層45-49相互部分重疊。
通過(guò)采用陶瓷集成燒結(jié)技術(shù)，第一電極50、52和55、第二電極51、53和54以及壓電層45-49可以集成為一個(gè)燒結(jié)的結(jié)構(gòu)。此外，也可以在壓電層45-49分別燒結(jié)后，再將壓電層45-49與第一電極50、52和55以及第二電極51、53和54粘合在一起。壓電層45-49，第一電極50、52和55以及第二電極51、53和54可以用與第一個(gè)實(shí)施例中所述相同的材料制成。
如圖6中箭頭所示，壓電層45、46、48和49沿著其厚度方向極化，而位于疊層75中間的壓電層47未極化。壓電層45和48的極化方向與壓電層46和49的極化方向相反。確定壓電層45、46、48和49的極化方向，使得當(dāng)壓電元件42接收因加速度而引起的撞擊時(shí)，分別在第一和第二電極上累積相反極性的電荷。
圖7示出一個(gè)平面示意圖，它表示在加速度傳感器41的壓電元件42中所產(chǎn)生的應(yīng)力和電荷。如圖7所示，當(dāng)壓電元件42變形以致于壓電層45-49每個(gè)壓電層的中心因撞擊而向上側(cè)突起時(shí)，壓電層45和46膨脹，在壓電層45和46中產(chǎn)生向外所指箭頭所示的張應(yīng)力。另一方面，壓電層48和49收縮，在壓電層48和49中產(chǎn)生向內(nèi)所指箭頭所示的壓應(yīng)力。注意，因壓電層47未極化故它不產(chǎn)生電荷。
如第一個(gè)實(shí)施例中詳細(xì)說(shuō)明的，由于壓電層45和46以相反方向極化，故在與第一電極50相接觸的壓電層45和46的表面上感應(yīng)出相同極性的電荷。這樣，同極性的電荷累積在第一電極50上而不會(huì)消失。在圖7所示的例子中，正電荷累積在第一電極50上而負(fù)電荷累積在第二電極51和54上。
壓電層48和49收縮。因此，感應(yīng)電荷的極化方向與極性之間的關(guān)系相反。尤其是，負(fù)電荷累積在由壓電層48和49所夾持的第二電極53上。正電荷也累積在第一電極52和55上。
因此，因撞擊而在壓電層45、46、48和49中感應(yīng)的正、負(fù)電荷分別有效地累積在第一電極50、52和55以及第二電極51、53和54上不會(huì)消失。由此可以提高加速度傳感器41的負(fù)荷靈敏度。
盡管壓電層47未產(chǎn)生如上所述的電荷，但壓電層47相當(dāng)于一個(gè)緩沖器，以釋放壓電層45和46中產(chǎn)生的張應(yīng)力以及壓電層48和49中產(chǎn)生的壓應(yīng)力。壓電層47還有助于增大壓電元件42的靜態(tài)電容。此外，根據(jù)此種結(jié)構(gòu)，通過(guò)采用兩種電壓，例如向第一電極50和第二電極53施加一個(gè)低壓，向第一電極52和55以及第二電極5 1和54施加一個(gè)高壓，可以立刻極化壓電層45、46、48和49。因此，可以簡(jiǎn)化極化過(guò)程。
壓電元件42中，最好使張應(yīng)力和壓應(yīng)力平衡，并使非極化層的數(shù)目減至最少，這樣，壓電元件42將具有優(yōu)良的負(fù)荷靈敏度。因此，壓電層的數(shù)目較佳地為大于2的奇數(shù)，位于疊層中間的一個(gè)壓電層未極化。
對(duì)上述實(shí)施例的變換在加速度傳感器21和41中，壓電元件22和42由支承體支承，使壓電層的層疊方向與加速度傳感器21和41的主表面平行。由于壓電元件22和42在層疊方向上具有最大靈敏度，而在與層疊方向垂直的方向上無(wú)靈敏度，故加速度傳感器21和41在與主表面垂直的方向上無(wú)靈敏度。
為了能檢測(cè)到垂直于主表面的加速度，可以使壓電層的層疊方向傾斜。如圖8所示，通過(guò)支承體62和63支承與壓電元件21或41有相同結(jié)構(gòu)的壓電元件61，這樣，壓電層的層疊方向78相對(duì)主表面79就傾斜了一個(gè)角度θ。結(jié)果，壓電元件61的最大靈敏度軸線相對(duì)主表面79傾斜了一個(gè)角度θ，角度θ可以設(shè)置為大于0度小于90度的一個(gè)任意值，但較佳地設(shè)置為等于或小于45度的角度。最佳的角度為45度。
如前所述，根據(jù)本發(fā)明的加速度傳感器的壓電元件具有3層以上的層疊壓電層，相鄰的壓電層極化得使具有相同極性的電荷累積在插在相鄰壓電層之間的電極上。此種結(jié)構(gòu)提供了具有較高負(fù)荷靈敏度和較大靜態(tài)電容的加速度傳感器。因此，可以實(shí)現(xiàn)能檢測(cè)含低頻分量的加速度且體積較小的壓電型加速度傳感器。
再者，由于無(wú)需使壓電層做薄即可增大壓電元件的靜態(tài)電容，故壓電元件可以有較大的機(jī)械強(qiáng)度。在用陶瓷集成燒結(jié)技術(shù)形成壓電元件的情況下，可以使壓電層做薄，而在制造過(guò)程中不會(huì)在壓電層中產(chǎn)生裂縫。因此，靜態(tài)電容可以進(jìn)一步增大，即可方便地測(cè)得具有低頻分量的加速度。
當(dāng)壓電元件疊層包含未極化的壓電層時(shí)，疊層中的其余壓電層可以利用兩種電壓極化。這樣就簡(jiǎn)化了制造過(guò)程。
盡管以上描述了本發(fā)明的較佳實(shí)施例，然而根據(jù)其中所述原理實(shí)施的各種方式均屬于所附權(quán)利要求書(shū)的范圍。因此，除了所附權(quán)利要求書(shū)所述的內(nèi)容，本發(fā)明的范圍顯然并不局限于上述的實(shí)施例。
權(quán)利要求
1.一種加速度傳感器，包括具有至少三個(gè)壓電層的壓電元件、多個(gè)第一電極和多個(gè)第二電極，所述壓電層相互沿厚度方向?qū)盈B，形成沿其長(zhǎng)度方向具有相對(duì)的第一和第二端的疊層，所述第一和第二電極交替設(shè)置在壓電層之間以及所述疊層的頂面和底面上，使所述第一電極從第二端延伸到所述第一端，使所述第二電極從所述第一端延伸到所述第二端，且經(jīng)由所述壓電層而相互部分重疊；以及支承體，用以將所述壓電元件支承在所述疊層的所述第一端和所述第二端附近，其特征在于，所述壓電層沿厚度方向極化，當(dāng)所述壓電元件接收到在厚度方向因加速度產(chǎn)生的撞擊時(shí)，使具有相反極性的電荷分別累積在所述第一和第二電極上。
2.如權(quán)利要求1所述的加速度傳感器，其特征在于，所述壓電層至少在所述第一和第二電極重疊的區(qū)域極化。
3.如權(quán)利要求1所述的加速度傳感器，其特征在于，所述層疊的壓電層中有至少一個(gè)層未極化。
4.如權(quán)利要求1所述的加速度傳感器，其特征在于，所述壓電元件具有大于3的偶數(shù)個(gè)壓電層，除了位于所述疊層中間的一對(duì)壓電層外，相鄰的壓電層相互以反方向極化，所述一對(duì)壓電層以同方向極化。
5.如權(quán)利要求1所述的加速度傳感器，其特征在于，所述壓電元件具有大于2的奇數(shù)個(gè)壓電層，除了位于所述壓電元件中間的一個(gè)壓電層外，其它所述壓電層均被極化。
6.如權(quán)利要求1所述的加速度傳感器，其特征在于進(jìn)一步包括基片，其上安裝支承體，所述支承體相對(duì)基片以90度的角度支承所述疊層。
7.如權(quán)利要求6所述的加速度傳感器，其特征在于，所述支承體以0至90度之間的角度支承所述疊層。
8.如權(quán)利要求7所述的加速度傳感器，其特征在于，所述支承體以等于或小于45度的角度支承所述疊層。
全文摘要
一種體積小巧、具有較高負(fù)荷靈敏度和較大靜態(tài)電容的壓電型加速度傳感器,包括具有3個(gè)以上壓電層之疊層的壓電元件。電極設(shè)置在壓電層之間和疊層的頂面和底面。壓電元件支承在相對(duì)兩端。相鄰的壓電層被極化,從而使具有相同極性的電荷累積在插在相鄰壓電層之間的電極上。
文檔編號(hào)G01P15/09GK1178326SQ97117619
公開(kāi)日1998年4月8日 申請(qǐng)日期1997年8月13日 優(yōu)先權(quán)日1996年8月13日
發(fā)明者荻浦美嗣, 多保田純 申請(qǐng)人:株式會(huì)社村田制作所