JPS62153766A - 積層型圧電セラミツク素子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、加速度センサーに用いて好適の積層型圧電セ
ラミック素子に関するものである。

〔従来の技術〕

第７図は、従来の圧電式加速度センサーの例を示す一部
断面図である。いま、センサー底面はＸｙ平面に平行で
あるとし、２方向の振動（加速度）をセンサーに加える
と、錘（おもり）（２）による圧縮応力が圧電セラミッ
ク素子（１）に作用し、圧電セラミック素子＋１１の表
面に電荷が発生する０発生した電荷は、電極（図示せず
）、リード線（５）を通じてコネクタ（７）に運ばれ、
外部に電気信号として取り出される。予圧ボルト（４）
は錘（２）と素子（１１が離れないように固定するもの
で、予圧ボルト（４）と錘（２）の間にはバネ座金（３
）が、素子＋１１の内壁とベース（８）の間には絶縁リ
ング（９）がある。カバー（６）は、急激な環境変化の
影響を和らげると共にセンシング部を保護する。この構
造の加速度センサーは、単層型から積層型の圧電セラミ
ック素子が使用できる。

第６図は上記加速度センサーに用いる圧電セラミンク素
子の各種の例を示すもので、同図Ａは単層型、同図Ｂは
２Ｎ型、同図Ｃ−Ｅは積層型をそれぞれ示す斜視図であ
る。第６図Ａのものは、圧電セラミックスαωの両端に
電極（１１）を、その外側に絶縁物（１２）を有する。

リード線（５）と電極（１１）の接続に導電性ペースト
等の材料（工３）を用い、この材料（１３）が素子側面
にはみ出して付着すれば、これが広義の外部電極になる
。第６図Ｂのものは、２つの圧電セラミックスαのの間
に金属板（１４）を介し、両方の圧電セラミックス０ω
から電気出力を得る。これら単層型及び２層型の素子は
、後述の積層型に比べると出力感度が落ちる。

錘（２）の重量を増し素子（１）に加わる応力を大きく
することにより感度を上げる方法もあるが、加速度セン
サー重量の増加、共振周波数の低下、耐加速度衝撃性の
減少という結果をもたらし、加速度センサーの使用範囲
が狭くなる。

第６図Ｃ−Ｈのものは、圧電セラミックスを複数枚積み
重ねたため積層枚数に比例した電荷を発生し、同図Ａ、
Ｈのものを用いた加速度センサーより高感度のものが得
られる。第６図Ｃは同図Ａを、第６図りは同図Ｂを応用
して積層としたもので、対応部分には同一の符号を付し
て説明を省略する。第６図Ｃ及びＤのものは、リード線
（５）を１本ずつ接続しなければならないので作業効率
が悪く、特に第６図りのものは、金属板（１４）を１眉
ごとに挾まなければならず、素子寸法の精度のばらつき
等により素子製造の再現性が悪く、コスト高になる。し
かも、両方とも、リード線（５）の接続点が多いので素
子サイズの制約、素子強度の低下などの欠点がある。こ
れに対し、第６図Ｅのものは、外部電極（１５）を用い
ており、上述の欠点がない。外部電極を有する積層型圧
電セラミック素子は、グリーンシート法などにより量産
が可能であってコストが安く、加速度センサーに用いる
場合に小形・軽量、高感度、高共振周波数などの利点が
ある。

〔発明が解決しようとする問題点〕

しかしながら、従来の積層型圧電セラミック素子は、電
気信号を機械撮動や音響振動に変換する素子としての用
途が主で、加速度センサーに使用されるのは稀であった
。したがって、外部電極の影響が明確にされておらず、
従来の積層型圧電セラミック素子では外部電極の位置が
規定されていない。このような理由から、従来の積層型
圧電セラミック素子を用いた加速度センサーは、外部電
極の影響が加わってその基本特性の１つである横感度が
大きく、そのため、一方向成分のみの加速度を厳密に測
定することが難しいという問題点があった。ここで、横
感度とは、例えば第７図中のｘｙ平面に平行な加速度を
与えた時に発生する電気出力である。

〔問題点を解決するための手段〕

加速度センサーは、通常第７図における２方向の加速度
を測定するもので、この加速度により錘（２）は圧電セ
ラミック素子（１）に伸縮応力を及ぼす。

これを直方体素子で模型的に示すと、第５図へのように
なる。分極方向Ｐはｘｙ平面に垂直な方向であり、加速
度α１によって錘から引張り応力がＦｌが方向に作用し
、素子底面及び上面（ｘｙ平面に平行な面）に電荷を発
生する。よって、この面に電極を設け、電気出力を得る
。第７図において、ｘｙ平面に平行な加速度成分が加わ
ると、錘（２）は圧電セラミック素子（１）にせん断応
力を及ぼす。

これを直方体素子で模型的に示すと、第５図Ｂのように
なる。分極方向Ｐは、同図Ａと同様である。

加速度α２によって錘からせん断応力がＦ２方向に作用
し、素子側面β、γに互いに極性の異なる電荷を発生す
る。β及びＴに相当する面に電極を設けると電気出力を
発生し、横感度増加の原因の１つになる。外部電極を有
する圧電セラミック素子では、外部電極位置が側面にあ
るので、横振動によって素子側面に発生する電荷の影響
を免れることはできない。

そこで、外部電極を有する圧電セラミック素子について
上述の現象を考える。第３図は、リング（又は短管）状
圧電セラミック素子の上面図である。Ａ及びＢは外部電
極（第６図Ｃ−Ｈ）を示し、Ｘ及びＸ方向は第７図のｘ
、Ｘ方向に対応し、θは、外部電極Ａと素子中心を結ぶ
直線を基準として素子中心から見た外部電極Ａ、Ｂ間の
角度を示す。間接的には、θは両電極面の向かい合う角
度を示している。簡単のため、外部電極Ａと素子中心を
結ぶ直線をＸ方向と平行になるようにし、Ｘ方向及びＸ
方向の振動を与える場合を考える。Ｘｙ平面に平行な加
速度の大きさをαとすると、横振動では第５図Ｂに従い
電極面に垂直な加速度成分によって電気出力が発生する
ので、外部電極Ａは、素子側面に発生する電荷から加速
度がＸ方向の時に最大の電気出力を、Ｘ方向の時に最小
の電気出力を受ける。外部電極Ｂについては、上述のよ
うに電極面に対して垂直な加速度成分を考えると、Ｘ方
向及びＸ方向の加速度の大きさαに対し、各方向の加速
度の電気出力に関与する加速度成分は、 Ｘ方向の加速度を加えるとき、第４図Ａよりαｙ＝α・
　ｓｉｎθ Ｘ方向の加速度を加えるとき、第４図ＢよりαＸ　−α
”　ｃｏｓθ 第３図において、外部電極Ａ、Ｂの位置関係がθ＝０°
、４５°、９０°、　　１３５”　、　　１８０°、　
　２７０’の場合を例に取り、素子側面の発生電荷によ
る外部電極の電気出力を調べると、表１のようになる。

ただし、外部電極Ａは前述の位置にあり、加速度αがＸ
方向のきの外部電極Ａの電気出力を＋１００とし、加速
度αがＸ方向のときの外部電極Ａの電気出力を０として
、外部電極Ａを基準にした外部電極Ｂの電気出力を表１
に示した。なお、表には電気的極性（符号）も付けであ
る。

表　　　１ 従来の外部電極の位置関係角θは不定であったから、横
感度特性は個々の素子によって異なりその補償ができな
かたった。本発明では、補償ができるような外部電極の
位置を求め、その位置に外部電極を設けるようにした。

次に、補償方法の例を示す。

（イ）２つの外部電極間で補償する方法これは、一方の
外部電極を基準にして地方の外部電極の電気出力を補正
する方法である。この方法を用いるには、横方向からの
加速度に対し、２つの外部電極から発生する電気出力が
同等であることが必要である。同等な電気出力を得るに
は、表１より、２つの外部電極の位置関係をθ−０゛に
すればよいことが分かる。θ＝０゛の構造は、２つの外
部電極を隣接（又はできるだけ近接）した位置に設ける
ことにより、近似的に得られる。

（ロ）各外部電極について補正した後に電気出力を得る
方法 これは、２つの外部電極の各々に補償用電極を取付け、
素子側面の発生電荷の影響を相殺してから各外部電極よ
り電気出力を得る方法である。この方法を用いるには、
横方向の加速度に対する外部電極の電気出力と補償用電
極の電気出力の値は、極性が逆で絶対値が同じでなけれ
ばならない、極性が逆で絶対値が同じ電気出力を得るに
は、表１より、外部電極と補償用電極の位置関係をθ−
１８０°にすればよいことが分かる。θ−１８０°の構
造としては、外部電極と補償用電極を素子中心線上の向
かい合った位置（互いに反対側の対向位置）に設けるこ
とになる。

上述の補償方法の違いにより、本発明は２つの発明に分
けられる。以下、（イ）の補償方法を用いるものを第１
の発明、（ロ）の補償方法を用いるものを第２の発明と
いうことにする。

〔作用〕

本発明によれば、外部電極を有する圧電セラミック素子
を加速度センサーに用いる場合、素子側面に発生する電
荷が電気的に補償され、横感度が大幅に小さくなる。

〔実施例〕

第１図は第１発明の実施例を示すもので、同図Ａは上面
図、同図Ｂは一部切断斜視図である。これらの図におい
て、ＣＩＱＩは分極処理された圧電セラミックス、Ｎ及
びＱは外部電極、（１６）は内部電極、（エフ）は絶縁
保護膜を示す。外部電極Ｎ、　Ｑは、互いに異なる内部
電極（１６）の端面を１つおきに、例えば銀ペースト等
の導電材料を塗布して接続したものであり、接続しない
内部電極（１６）の端面には、例えばガラスのような絶
縁体を用いて絶縁保護膜（１７）を形成する。２つの外
部電極Ｎ、Ｑはそれぞれ異なる内部電極（１６）に接続
され、外部電極Ｑは出力端子に、外部電極Ｎはアースに
接続される。このように外部電極Ｎ及びＱを隣接させた
構造にすれば、どの横方向からの加速度でも素子側面の
発生電荷による電気出力がほぼ同一になり、その影響が
補償される。

第２図は第２発明の実施例を示すもので、同図Ａは上面
図、同図Ｂは同図Ａの直線ｌに沿って切断した斜視図、
同図Ｃは同図Ａの直線ｍに沿って切断した斜視図である
。これらの図において、第１図と対応する部分には同一
の符号を付しである。

外部電極ＳとＴ、ＲとＵは、それぞれ素子中心線上の対
向位置にあり、それぞれ同−眉の内部電極（１６）に１
つおきに接続される。接続しない内部電極（１６）の端
面ば、同様に絶縁保護膜（１７）で被っている。素子中
心線上で対向しない位置にある外部電極、例えばＲとＳ
は、互いに異なる内部電極（１６）に接続されている。

そして、同一の内部電極（工６）に接続された外部電極
Ｓ、Ｔは互いに結線されて出力端子に、外部電極ＲとＵ
は互いに結線されてアースに接続される。上述の構成に
より、横方向の加速度を受けたとき、素子側面の発生電
荷により電気出力は対向する電極同士で相殺され、出力
リード線（１８）からの電気出力も接地リード線（１９
）からの電気出力も共にゼロとなる。

なお、本発明は、上述の実施例に示したリング（又は短
管）状素子に限らず、直方体をはじめ多角柱状の素子と
してもよいものである。

〔発明の効果〕

以上説明したとおり、本発明によれば、次の如き顕著な
効果が得られる。

（ａ）　　本発明による圧電素子を用いた加速度センサ
ーは、縦方向の加速度成分の電気出力に影響を与えるこ
となく横感度が小さくなるので、従来の外部電極を有す
る圧電素子を用いた加速度センサーより厳密に１方向の
加速度成分を測定することが可能となる。

（ｂ）　　本発明による圧電素子を用いた加速度センサ
ーは、小形軽量及び高感度という積層型圧電素子の特徴
が加わるので、振動計測用として最適である。

【図面の簡単な説明】

第１図は第１発明の実施例を示す図、第２図は第２発明
の実施例を示す図、第３及び第４図は本発明を説明する
ための図、第５図は横感度を説明するための図、第６図
は従来の圧電セラミック素子の例を示す斜視図、第７図
は従来の圧電式加速度センサーの一例を示す一部断面図
である。 ０φ・・・・圧電セラミックス、（１６）・・・・内部
電極、（Ｎ、Ｑ）、　　（Ｓ、Ｒ）　　・・・・外部電
極、（Ｔ、　　Ｕ）　　・・・・補償用電極。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、複数の同一形状の圧電セラミックスを積み重ね、こ
   れら圧電セラミックスの接合面に内部電極を形成し、こ
   れら内部電極のうち互いに異なるものを１つおきに接続
   して１対の外部電極を形成し、これら１対の外部電極を
   できる限り近接して設けたことを特徴とする積層型圧電
   セラミック素子。 ２、複数の同一形状の圧電セラミックスを積み重ね、こ
   れら圧電セラミックスの接合面に内部電極を形成し、こ
   れら内部電極のうち互いに異なるものを１つおきに接続
   して１対の外部電極を形成し、これら１対の外部電極の
   反対側対向位置にそれぞれ補償用電極を設け、互いに対
   応する外部電極と補償用電極とを接続したことを特徴と
   する積層型圧電セラミック素子。