JPH1062445A - 加速度センサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 大型化を招くことなく、電荷感度を高めるこ
とができ、かつ低周波の加速度を確実に測定することを
可能とする圧電式加速度センサを得る。 【解決手段】 圧電体層２５〜３０を、電極３１〜３５
を介して積層してなり、かつ両主面に電極３６，３７が
形成されている一体焼成型の圧電素子２２を、長さ方向
両端においてケース部材２３，２４で支持してなり、３
以上の圧電体層２５〜３０が、加速度が作用したとき
に、電極の両側の圧電体層が該電極から同一極性の電荷
を取り出し得るように分極処理されている、加速度セン
サ２１。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、圧電素子を用いて
構成された加速度センサに関し、より詳細には、例えば
車両用エアバッグに用いられる加速度センサであって、
複数の圧電体層を積層してなる圧電素子を用いた加速度
センサの改良に関する。

【０００２】

【従来の技術】例えば車両用エアバッグにおいて、衝突
等により生じる加速度を検出してエアバッグを動作させ
るために、圧電体を利用した加速度センサが用いられて
いる。この種の加速度センサとしては、従来より種々の
構造のものが提案されているが、検出感度を高め得るも
のとして、バイモルフ型圧電素子を利用した加速度セン
サが知られている（例えば特開平６−２７３４３９号公
報、特開平６−３２４０７３号公報など）。

【０００３】バイモルフ型圧電素子を利用した従来の加
速度センサの一例を図１を参照して説明する。加速度セ
ンサ１は、バイモルフ型圧電素子２と、絶縁ケース３と
を備える。この加速度センサ１は、通常、図示のように
取り付け基板４上に取り付けられる。

【０００４】バイモルフ型圧電素子２は、第１，第２の
圧電セラミック板５，６を貼り合わせた構造を有する。
第１の圧電セラミック板５の外側主面には、第１の信号
電極７が形成されており、第２の圧電セラミック板６の
外側主面には、第２の信号電極８が形成されている。第
１，第２の信号電極７，８は、圧電素子２の長手方向中
央領域において、圧電セラミック板５，６を介して対向
されている。また、第１，第２の圧電セラミック板５，
６の間には、中間電極９が形成されている。中間電極９
は、第１，第２の信号電極７，８が対向されている部分
に形成されている。

【０００５】また、第１，第２の圧電セラミック板５，
６は、それぞれ、図１の破線の矢印で示すように分極処
理されている。すなわち、第１，第２の圧電セラミック
板５，６は厚み方向に一様に分極処理されており、かつ
第１の圧電セラミック板５の分極方向は、第２の圧電セ
ラミック板６の分極方向とは逆方向とされている。第１
の信号電極７は、圧電素子２の長手方向に沿う一方端部
に引き出されており、第２の信号電極８は、他方端部に
引き出されている。

【０００６】絶縁ケース３は、第１，第２の挟持部材１
０，１１と、平板状のケース基板１２，１３とを有す
る。第１，第２の挟持部材１０，１１は、それぞれ、圧
電素子２の長さ方向両端近傍において圧電素子２の外側
主面に固着されている。第１，第２の挟持部材１０，１
１は、凹部１０ａ，１１ａを有する。凹部１０ａ，１１
ａは、圧電素子２の変位を妨げないための空間を形成す
るために設けられている。すなわち、圧電素子２は、第
１，第２の挟持部材１０，１１により長さ方向両端にお
いて支持されている。

【０００７】ケース基板１２の上面には、凹部１２ａが
形成されている。また、想像線で示されているケース基
板１３の下面にも、同様に凹部が設けられている。上記
加速度センサ１は、圧電素子２の厚み方向に沿って作用
する加速度に対し良好な感度を示す。しかしながら、圧
電素子２の幅方向に沿って作用する加速度については感
度を有しない。すなわち、加速度を検出し得ない特定の
無感度方向Ｑが存在する。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】上記バイモルフ型圧電
素子２では、バイモルフ構造により電圧感度が高められ
るが、圧電素子２が持つ静電容量は比較的小さい。従っ
て、電荷感度が低くならざるを得なかった。そのため、
チャージアンプを用いて検出出力を増幅した場合、ＳＮ
比が低下せざるを得なかった。

【０００９】また、圧電素子２の静電容量が小さい場
合、増幅器の入力インピーダンスとの間で形成されるハ
イパスフィルタの低域カットオフ周波数が高くなり、低
周波成分の測定を行うことができなくなるという問題が
あった。また、低い周波数の成分を測定するために、増
幅器のインピーダンスを高めた場合には、ノイズが大き
くなり、ＳＮ比が悪化することになる。

【００１０】もっとも、加速度センサ１においても、圧
電セラミック板５，６の厚みを薄くしたり、圧電素子２
の幅方向寸法を増大させることにより、静電容量を高め
ることは可能である。しかしながら、圧電素子２の幅方
向寸法を増大させた場合には、加速度センサ１の大型化
を招き、市場の要求に応えることができなくなる。ま
た、圧電セラミック板５，６の厚みを薄くした場合に
は、機械的強度が低下し、量産性が損なわれたり、加速
度が作用した際に破壊し易くなったりする。

【００１１】本発明の目的は、大型化や機械的強度の低
下を招くことなく、電荷感度を高めることができ、従っ
てＳＮ比の低下を招くことなく低周波の加速度をも正確
に検出し得る加速度センサを提供することにある。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明の広い局面によれ
ば、上記課題を達成するものとして、圧電素子と、圧電
素子の長さ方向両端で前記圧電素子を支持しているケー
ス部材とを備え、前記圧電素子が、３層以上の圧電体層
を積層してなり、圧電体層間及び最外層に設けられた電
極を有し、前記複数の電極は、交互に圧電素子の長さ方
向一端または他端に引き出されており、前記圧電体層
は、加速度が作用した際に、電極の両側の圧電体層にお
いて同一極性の電荷が該電極から取り出されるように分
極処理されていることを特徴とする、加速度センサが提
供される。

【００１３】本発明の加速度センサでは、３以上の圧電
体層を積層してなり、加速度が作用した際に、電極の両
側の圧電体層において同一極性の電荷が取り出されるよ
うに圧電体層が分極処理されているため、後述の実施の
形態の説明から明らかなように、静電容量及び電荷感度
を高めることができる。なお、上記圧電素子における分
極は、少なくとも複数の電極が圧電体層を介して重なり
合っている領域において行われていればよい。

【００１４】また、本発明の特定的な局面では、圧電素
子において、３以上の圧電体層のうち、内部に配置され
ている少なくとも１つの圧電体層が、分極されていない
中性層とされている。このような中性層を配置すること
により、分極に際しての電圧の印加を容易に行うことが
できる。好ましくは、中性層は、圧電体層のうち厚み方
向中央の層に配置され、より好ましくは圧電体層の数は
３以上の奇数であり、中央の層が中性層とされる。この
ように中性層の両側の圧電体層の数を等しくすることに
より、積層型の圧電素子がより円滑に駆動され得る。

【００１５】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照しつつ、本発明
の加速度センサの実施例を説明する。第１の実施例 図２は、本発明の第１の実施例に係る加速度センサを説
明するための略図的斜視図である。

【００１６】図２において、加速度センサ２１は、複数
の圧電体層を積層してなる積層型の圧電素子２２と、ケ
ース部材２３，２４とを備えている。ケース部材２３及
び想像線で示されているケース部材２４は、それぞれ、
凹部２３ａ，２４ａを有する。ケース部材２３，２４
は、凹部２３ａ，２４ａの両側において、圧電素子２２
に固着されている。すなわち、圧電素子２２は、ケース
部材２３，２４により、その長手方向両端で支持されて
いる。

【００１７】なお、ケース部材２３，２４は、図１に示
した従来技術の挟持部材１０，１１に相当するものであ
り、本実施例の加速度センサ２１においても、図１に示
した加速度センサ１の場合と同様に、圧電素子２２を保
護するためにケース基板などの他のケース部材が取り付
けられる。

【００１８】ケース部材２３，２４は、アルミナなどの
絶縁性セラミックスもしくは合成樹脂等の適宜の絶縁性
材料で構成されている。本実施例の加速度センサ２１の
特徴は、上記圧電素子２２が３以上の圧電体層を電極を
介して積層されていることにある。

【００１９】すなわち、図２の圧電素子２２を誇張して
拡大した平面図である図３から明らかなように、複数の
圧電体層２５〜３０が積層されている。圧電体層２５〜
３０間には、それぞれ、電極３１〜３５が配置されてい
る。また、圧電素子２２の外側主面にも、電極３６，３
７が形成されている。本実施例では、上記電極３１〜３
７と、圧電体層２５〜３０はセラミック一体焼成技術を
用いて一体焼成型の焼結体として構成されている。もっ
とも、圧電体層２５〜３０は、予め焼成された圧電セラ
ミック板を電極３１〜３５を介して貼り合わせ、両側主
面に電極３６，３７を形成したものであってもよい。

【００２０】好ましくは、本実施例のように、一体焼成
型の焼結体として構成され、その場合には、圧電体層２
５〜３０の厚みを薄くすることが容易となり、静電容量
の増大を容易に図ることができる。

【００２１】圧電体層２５〜３０は、圧電セラミック
ス、例えばチタン酸ジルコン酸鉛系圧電セラミックスで
構成されるが、圧電セラミックス以外の水晶やＬｉＴａ
Ｏ₃ などの圧電単結晶により構成してもよい。

【００２２】電極３１〜３７は、Ａｇ−Ｐｄ合金やＡｇ
などの適宜の導電性に優れた金属材料により構成されて
いる。電極３１〜３５及び電極３６，３７は、圧電素子
２２の長さ方向中央領域において圧電体層を介して対向
するように構成されている。すなわち、圧電素子２２の
長さ方向中央領域において、電極３１〜３７が対向され
ている。

【００２３】また、電極３１〜３５及び電極３６，３７
は、上記積層方向を厚み方向とした場合、圧電素子２２
の厚み方向順に、交互に圧電素子の長さ方向の一端また
は他端に引き出されている。

【００２４】圧電体層２５〜３０は、それぞれ、図示の
矢印で示す方向に分極処理されている。図３において、
上向きの矢印方向をＡ、下向きの矢印方向をＢとした場
合、圧電体層２５，２７，２８，３０がＡ方向に分極処
理されており、圧電体層２６，２９は逆方向であるＢ方
向に分極処理されている。

【００２５】この分極の関係は、加速度が作用した際
に、電極の両側の圧電体層において同一極性の電荷が該
電極から取り出されるように定められている。例えば、
圧電体層２５，２６は、加速度が作用した際に、電極３
１から同一極性の電荷が取り出されるように、圧電体層
２５がＡ方向に、圧電体層２６がＢ方向に分極処理され
ている。また、圧電体層２７については、加速度が作用
した際に圧電体層２６，２７において、電極３２から同
一極性の電荷が取り出されるように分極処理されてい
る。従って、圧電体層２７は、圧電体層２６とは逆にＡ
方向に分極処理されている。このように、圧電体層２５
〜２７では、厚み方向において交互に逆方向に分極処理
されている。

【００２６】また、圧電体層２８〜３０についても、厚
み方向において交互に逆方向に分極処理されている。し
かしながら、圧電体層２７と、圧電体層２８とは、同一
方向すなわちＡ方向に分極処理されている。これは、圧
電体層２５〜２７と、圧電体層２８〜３０とが、加速度
が作用した際に逆方向に変形するからである。これを、
図４を参照して説明する。

【００２７】加速度が圧電素子２２の厚み方向に作用
し、図４に示すように変形したと仮定する。この場合、
圧電体層２５〜２７では、伸びストレスが加わり、圧電
体層２８〜３０では縮みストレスが加わる。上記伸びス
トレス及び縮みストレスが発生している状態は、図４に
おいて、下記の記号により示されている。

【００２８】

【数１】

【００２９】従って、図４に示すように上方に突出する
ように圧電素子２２がたわんだ場合、電極３６，３２，
３４，３７では、図示の記号で示すようにマイナスの極
性の電荷が取り出され、電極３１，３３，３５では、図
示の記号で示すようにプラスの極性の電荷が取り出され
る。

【００３０】従って、上記圧電体層２５〜３０を電極３
１〜３５を介して積層し、電極３６，３７を形成した構
造では、加速度が作用したことにより発生する電荷が効
果的に取り出され、電荷感度が高められることがわか
る。

【００３１】本実施例の加速度センサ２１では、上記の
ようにして電荷が取り出されるため、大型化を厭わない
のであれば、圧電体層の数は多ければ多いほど好まし
い。また、厚み方向にたわんだ場合の伸びストレスと縮
みストレスとがバランスされていることが好ましく、従
って、圧電体層の数は偶数である方が好ましく、それに
よって検出感度を高め得る。

【００３２】また、圧電体層２５〜３０の厚みについて
は、厚みが薄ければ薄いほど、静電容量を高めることが
でき好ましい。また、本実施例では、圧電素子２２が上
記のように一体焼成により構成されているため、圧電体
層２５〜３０を容易に薄くし得るため、圧電素子２２の
小型化を図りつつ静電容量を効果的に高め得る。なお、
図３に示したように圧電体層２５〜３０を分極処理する
に際しては、３種類の電圧を用いることにより、あるい
は分極を２回に分けて行えばよい。

【００３３】加速度センサ２１を絶縁ケースに収納した
構造を得るに際しては、上述した圧電素子２２を得た後
に、ケース部材２３，２４を固着し、しかる後、図５に
示すように上下からケース基板３８，３９を取り付ける
ことにより行い得る。ケース基板３８，３９は、それぞ
れ、内面側に凹部３９ａ（ケース基板３８側については
凹部は図示されず）が設けられている。凹部３９ａは、
圧電素子２２の変位を妨げないために設けられている。

【００３４】ケース基板３８，３９についても、ケース
部材２３，２４と同様に、適宜の絶縁性材料で構成する
ことができる。なお、本実施例では、圧電体層２５〜３
０は、図３の矢印方向に各層の全体が分極処理されてい
たが、分極処理は、電極３１〜３７が対向し合っている
長さ方向中央領域だけであってもよい。

【００３５】また、電極３１〜３７が対向している領域
の電極対向長ＥＬ（図３参照）が短いほど、大きな出力
電圧を得ることができるが、静電容量は小さくなる。逆
に、電極対向長ＥＬが長いほど、出力電圧は小さくなる
が、静電容量は高くなる。従って、電極対向長ＥＬを調
整することにより、目的や用途に応じた加速度センサを
容易に提供することができる。

【００３６】第２の実施例 図６は、本発明の第２の実施例に係る加速度センサを説
明するための略図的平面図である。

【００３７】加速度センサ４１では、圧電素子４２に、
ケース部材４３，４４が固着されている。ケース部材４
３，４４は、第１の実施例において示したケース部材２
３，２４と同様に構成されている。

【００３８】圧電素子４２では、圧電体層４５〜４９が
積層されており、圧電体層４５〜４９間には、電極５０
〜５３が積層されており、圧電素子４２の外側主面に
は、電極５４，５５が形成されている。第１の実施例で
用いた圧電素子２２と異なる点は、圧電体層の数が５層
であり、かつ中央の圧電体層４７が分極処理されていな
いことにある。

【００３９】圧電体層４５は、図示の上向き方向をＡ方
向、下向き方向をＢ方向とした場合、矢印で示すように
Ａ方向に分極処理されており、圧電体層４６はＢ方向に
分極処理されている。すなわち、加速度が作用し、たわ
んだ場合に、圧電体層４５，４６から電極５０により同
一極性の電荷が取り出されるように、圧電体層４５，４
６が上記のように分極処理されている。同様に圧電体層
４８，４９についても、電極５３から同一極性の電荷が
取り出されるように、圧電体層４８，４９が図示のよう
にＡ方向及びＢ方向にそれぞれ分極処理されている。ま
た、圧電体層４６と、圧電体層４８は、図示のように逆
方向に分極処理されている。

【００４０】本実施例の加速度センサ４１において、加
速度が作用し、圧電素子４２がたわんだ場合の電荷の発
生状況を図７を参照して説明する。図７に示すように、
中央部が上向きにたわんだ場合、圧電体層４５，４６に
は伸びストレスが、圧電体層４８，４９には縮みストレ
スが発生する。そのため、電極５０，５２，５５ではプ
ラスの電荷が取り出され、電極５４，５１，５３からは
マイナスの電荷が取り出される。

【００４１】本実施例の加速度センサ４１においても、
上記のように５層の圧電体層が積層されており、電極５
０〜５５から発生した電荷が効果的に取り出されるた
め、従来の加速度センサに比べて電荷感度を効果的に高
め得る。加えて、５層の圧電体層４５〜４９を積層した
構造を有するため、静電容量も高められる。

【００４２】さらに、中性層としての圧電体層４７は、
分極処理されていないため、積極的に電荷を発生しない
が、伸びストレスが加わる圧電体層４５，４６と、縮み
ストレスが加わる圧電体層４８，４９とを緩衝するよう
に機能する。従って、分極処理されていない圧電体層４
７を設けたとしても、作用した加速度を確実に検出する
ことができる。また、本実施例では、上記圧電体層４７
が設けられているため、圧電体層４５，４６，４８，４
９の分極については、２種類の電圧を用いて一度に行う
ことができる。すなわち、第１の実施例の加速度センサ
２１の場合に比べて、分極作業を容易に行うことができ
る。

【００４３】なお、圧電素子４２についても、圧電素子
２２の場合と同様に、一体焼成型の焼結体として構成さ
れてもよく、あるいは予め焼成された圧電板を貼り合わ
せることにより構成してもよい。また、ケース部材４
３，４４の固着された圧電素子４２の上下に、第１の実
施例のケース基板３８，３９と同様のケース基板を固着
してもよい。

【００４４】変形例 第１の実施例の加速度センサ２１では、圧電素子２２
は、回路基板等に実装される際に底面となるケース基板
の底面に対し圧電素子２２の無感度方向Ｑが直交する方
向に圧電素子２２が取り付けられていた。従って、垂直
方向に加速度が作用した場合には、そのような加速度を
検出することができなかった。

【００４５】これに対して、図８に示すように、圧電素
子６１を、最大感度軸が水平方向に対してθだけ傾斜す
るように取り付けることにより、垂直方向に作用する加
速度も効果的に検出することができる。

【００４６】すなわち、図８に示す構造では、ケース部
材６２，６３の圧電素子６１に固着される面が水面面に
対して（９０°−θ）だけ傾斜されており、それによっ
て圧電素子６１の最大感度軸が水辺方向に対しθだけず
らされている。

【００４７】なお、上記傾斜角度θについては、０°よ
り大きく、９０°未満であれば任意の角度とし得るが、
水平方向及び垂直方向に作用する加速度を効果的に検出
するには、θを０°より大きく、４５°以下とするのが
望ましく、特に４５°にすることが好ましい。

【００４８】なお、図９は第１の実施例の加速度センサ
２１の変形例であるが、第２の実施例の加速度センサ４
１においても、同様に圧電素子４２を傾斜させることに
より、様々な方向の加速度を水平面に取り付けた加速度
センサにより検出することができる。

【００４９】

【発明の効果】本発明の加速度センサでは、圧電素子が
３層以上の圧電体層を積層した構造を有し、電極が交互
に圧電素子の長さ方向一端または他端に引き出されてお
り、かつ圧電体層が上記のように分極処理されているた
め、電荷感度を高めることができ、かつ静電容量を大き
くすることができる。従って、大型化を招くことなく、
低周波の加速度成分を測定し得る圧電式加速度センサを
提供することが可能となる。

【００５０】加えて、圧電体層の厚みをさほど薄くせず
とも静電容量を高めることができるため、機械的強度の
低下も生じ難い。さらに、圧電素子を一体焼成型の焼結
体で構成した場合には、圧電体層の厚みを薄くした場合
であっても、製造に際して圧電体層の割れ等が生じ難
い。従って、より一層静電容量を大きくすることができ
るため、低周波成分の測定が一層容易となる。

【００５１】さらに、圧電素子において、３以上の圧電
体層のうち、内部に配置されている少なくとも１つの圧
電体層を分極されていない中性層で構成した場合には、
２種類の電圧で圧電体層を分極処理することができるた
め、分極作業を容易とすることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】従来の加速度センサを説明するための斜視図。

【図２】本発明の第１の実施例に係る加速度センサを説
明するための斜視図。

【図３】第１の実施例の加速度センサの圧電素子の分極
構造を説明するための模式的平面図。

【図４】第１の実施例の加速度センサにおいて、加速度
が作用した場合のストレスの発生状況を説明するための
平面図。

【図５】第１の実施例の加速度センサを組み立てる工程
を説明するための斜視図。

【図６】本発明の第２の実施例の加速度センサの模式的
平面図。

【図７】第２の実施例の加速度センサにおいて加速度が
作用した場合の電荷発生状況を説明するための平面図。

【図８】第１の実施例の加速度センサの変形例を説明す
るための斜視図。

【符号の説明】

２１…加速度センサ ２２…圧電素子 ２３，２４…ケース部材 ２５〜３０…圧電体層 ３１〜３７…電極 ４１…加速度センサ ４２…圧電素子 ４３，４４…ケース部材 ４５〜４９…圧電体層 ５０〜５５…電極 ６１…加速度センサ ６２…圧電素子 ６３，６４…ケース部材

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 圧電素子と、圧電素子の長さ方向両端で
   前記圧電素子を支持しているケース部材とを備え、 前記圧電素子が、３層以上の圧電体層を積層してなり、
   圧電体層間及び最外層に設けられた電極を有し、 前記複数の電極は、交互に圧電素子の長さ方向一端また
   は他端に引き出されており、 前記圧電体層は、加速度が作用した際に、電極の両側の
   圧電体層において同一極性の電荷が該電極から取り出さ
   れるように分極処理されていることを特徴とする、加速
   度センサ。
2. 【請求項２】 前記圧電素子は、複数の電極が圧電体層
   を介して重なり合っている領域において分極処理されて
   いる、請求項１に記載の加速度センサ。
3. 【請求項３】 前記圧電素子において、３以上の圧電体
   層のうち、内部に配置されている少なくとも１つの圧電
   体層が分極されていない中性層とされている、請求項１
   または２に記載の加速度センサ。