專利名稱：加速度檢測元件的安裝配置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種在沖擊檢測中使用的加速度檢測元件的安裝配置結(jié)構(gòu)。
現(xiàn)有一種由兩端固定型的雙壓電晶片型元件構(gòu)成的加速度檢測元件。例如在

圖11中以簡化方式表示的常規(guī)元件的實例中，加速度傳感器20a包括一作為加速度檢測元件的雙晶片型元件1和包含該元件的絕緣殼體2，在將該殼體2定位之后將其以固定的方式安裝到例如為電路板的傳感器安裝端面3上。
雙晶片型元件1呈矩形片狀，由疊層的兩個壓電陶瓷片6結(jié)合構(gòu)成，在每個陶瓷片的頂面和底面形成有信號電極4和中間電極5。經(jīng)過中間電極5對置粘接的兩壓電陶瓷片6中的每一個沿著厚度方向產(chǎn)生極化，與另一個壓電陶瓷片6的極化傳感方向相反。在圖11中的虛線箭頭標(biāo)志標(biāo)注該極化方向。在這個實例中的各個信號電極4沿著各個壓電陶瓷片6的縱向形成，并延伸到彼此不同的端部部分。
同時，絕緣殼體2是由一對緊固框形件7和一對殼體蓋板8構(gòu)成，該緊固框形件7在平面上呈溝道狀，僅在厚度方向沿雙晶片形元件1的縱向?qū)蓚€端部部分壓緊，一對殼體蓋板8將由雙晶片型元件1和與該元件橫向相對配置的兩個固緊框形件7形成的敞開端面封閉。包含在絕緣殼體2中的雙晶片型元件1的各個信號電極4連接到在絕緣的殼體2的外部端面上形成的彼此不同的外部電極上(未表示)。
將構(gòu)成絕緣殼體2的緊固框形件7或殼體蓋板8的外表面定位并安裝在傳感器安裝端面3上，借此安裝加速度傳感器。雙晶片型元件1的各個信號電極4經(jīng)過在絕緣殼體2上形成的外部電極連接到在傳感器安裝端面3上的連線圖形線路(未表示)上。這些連線圖形線路連接到信號處理電路(未表示)上。信號處理電路通過處理由加速度傳感器輸出的電信號檢測由沖擊引起的加速度。
圖12表示這種加速度檢測元件的另一個常規(guī)實例，其與上述常規(guī)實例的區(qū)別在于極化的形式。圖12表示的電極及元件比在圖11中的加速度檢測元件的相應(yīng)部分更詳細(xì)。
加速度傳感器20b包括的壓電陶瓷元件主體23呈矩形片狀，在其主表面上形成信號輸出電極21，以及在其之中內(nèi)置與信號輸出電極21相平行的內(nèi)部電極22。每一個信號輸出電極21是由三個表面電極24和一個連接電極25構(gòu)成的，三個表面電極24沿著壓電陶瓷元件主體23的縱向分別在中央位置和二端部位置分布，連接電極25將各表面電極24共同覆蓋起來。
一個加速度元件由信號輸出電極21和壓電陶瓷元件主體23構(gòu)成。
信號輸出電極21中的一個側(cè)電極(在圖12中為頂側(cè))延伸直到壓電陶瓷元件主體23的一個外端面(在圖12中為左側(cè))上。同時，信號輸出電極21中的另一個側(cè)電極(在圖12中為底側(cè))延伸直到另一外端面上(在圖12中為右側(cè))。此外，構(gòu)成兩壓電陶瓷元件主體23且隔著內(nèi)部電極22彼此對置的陶瓷元件區(qū)26和27沿縱向分別分成三個部分，即中央部分26a和27a以及經(jīng)過邊界形成的兩側(cè)端部部分26b和27b，在該邊界處由于加速度引起的應(yīng)力方向是變化的。通過利用內(nèi)部電極22和各表面電極24，在沿厚度且彼此不同的傳感方向上，中央部分26a和27a以及端部部分26b和27b的兩側(cè)產(chǎn)生極化。
其中，用H和I指示構(gòu)成陶瓷元件區(qū)26的中央部分26a和端部部分26b的極化方向，它們彼此不同，用J和K指示構(gòu)成陶瓷元件區(qū)27的中央部分27a和端部部分27b彼此不同的極化方向。此外，在這種情況下，例如中央部分26a和27a的極化方向指示H和J是向內(nèi)指示的，其中這兩個方向指示是彼此相同的；端部部分26b和27b的極化方向指示I和K是向外指示的，其中兩個方向指示是彼此相背的。
加速度傳感器20b沿縱向的兩端以固定方式由一對在側(cè)向視圖上呈溝道狀的固緊框形件28支承。在壓電陶瓷元件主體23的主表面上形成的各個信號輸出電極21連接到壓電陶瓷元件主體23和緊固框形件28的不同外端面上形成的外部輸出電極29和30上。
由于如下的原因，使用具有這種結(jié)構(gòu)的加速度傳感器20b。當(dāng)在包括由信號輸出電極21、壓電陶瓷元件主體23構(gòu)成的加速度檢測元件的加速度傳感器20b上產(chǎn)生加速度時，構(gòu)成加速度陶瓷元件主體23的陶瓷元件區(qū)26和27中的中央部分26a和27a以及端部部分26b和27b由于慣性力的作用產(chǎn)生變形。在這種情況下，各個部分26a、27a、26b和27b承受由該變形引起的拉伸應(yīng)力和壓縮應(yīng)力。在各個部分26a、27a、26b和27b，產(chǎn)生電荷的數(shù)量由于各個指示方向(從H到K)的極化作用的疊加作用而增加，加速度傳感器20b承受的應(yīng)力和總的電荷產(chǎn)生量得到增加，這就提高了加速度傳感器的檢測靈敏度。
同時，當(dāng)沿與壓電陶瓷片6或23的表面垂直的方向即沿厚度方向產(chǎn)生加速度時，在加速度傳感器20a或20b中輸出最大電信號。此外，當(dāng)沿相反的方向即沿與之成180°的方向產(chǎn)生加速度時，輸出具有相同絕對值但具有相反的正/負(fù)號的最大電信號。即產(chǎn)生加速度的方向為形成最大靈敏度的方向，即為稱為加速度傳感器主軸的最大靈敏度方向P。當(dāng)沿與在加速度傳感器20a或20b中的壓電陶瓷片6或23的表面相切的方向產(chǎn)生加速度時，沒有電信號輸出，因而檢測靈敏度為零。同時，當(dāng)沿介于垂直方向和切線方向之間的一個方向產(chǎn)生加速度時，檢測靈敏度具有的量值對應(yīng)于由最大靈敏度方向P和產(chǎn)生加速度的方向形成的夾角θ，即該方向的靈敏度的量值為最大靈敏度S與Cosθ的乘積。
當(dāng)將具有上述常規(guī)結(jié)構(gòu)的加速度傳感器20a裝到如圖11所示的傳感器安裝端面3上時，最大靈敏度方向P或者平行或者垂直于傳感器安裝端面3。如圖11所示，將二維正交座標(biāo)軸(平面座標(biāo)軸)X和Y置于傳感器安裝端面3上，并設(shè)定三維坐標(biāo)軸(空間坐標(biāo)軸)X、Y和Z以傳感器安裝端面3作為X-Y平面，使得在其中，把與雙晶片型壓電元件1結(jié)合的絕緣殼體2的其中一個殼體蓋板8安裝在傳感器安裝端面3上，以及這樣設(shè)定，以便在其中加速度傳感器20a的縱向配置的最大靈敏度方向P就是傳感器安裝端面3上的Y軸的方向，那么沿X軸或Z軸的加速度即在X-Z平面中的任一方向上產(chǎn)生的加速度就不能被檢測到。
此外，盡管沒有說明，當(dāng)將絕緣殼體2的緊固框形件7的其中之一裝在傳感器安裝端面3上時，其中設(shè)定正交的坐標(biāo)軸X和Y以及使加速度傳感器20a的最大靈敏度方向P為與傳感器安裝端面3垂直的Z軸的方向，在由X軸和Y軸構(gòu)成的X-Y平面中的任一方向的加速度不能被檢測到。因此，要檢測沿相互正交的坐標(biāo)軸X、Y和Z的各自方向產(chǎn)生的加速度，需要在傳感器安裝端面3上安裝三個加速度傳感器，它們的最大靈敏度方向P分別為X軸、Y軸、Z軸的方向，這就增加了加速度傳感器元件的數(shù)量和安裝空間，使得費用提高，使處理由三個加速度傳感器輸出電信號的信號處理電路復(fù)雜。
此外，當(dāng)將圖12所示的加速度傳感器20b安裝到傳感器安裝端面3上取代加速度傳感器20a時，自然會產(chǎn)生同樣的問題。
為了避免這種不便，已經(jīng)提出一種加速度檢測元件，通過使加速度檢測元件的最大靈敏度方向從傳感器安裝端面向上傾斜，使該元件能夠檢測沿正交的X、Y和Z軸的三個方向產(chǎn)生的加速度。盡管沒有說明，邊種加速度檢測元件已公開在未經(jīng)審查的日本專利公開文件133974/93號上，其中呈矩形片狀的加速度檢測元件的最大靈敏度方向被傾斜，與傳感器安裝端面成45°，以及加速度檢測元件中的一邊線進一步傾斜，從元件安裝基底的一條邊線傾斜成45°。當(dāng)使用在加速度傳感器中具有這種結(jié)構(gòu)的加速度檢測元件時，某種程度上，沿X軸、Y軸和Z軸(在下文中這三個方向與圖11中所示一致)的三個方向產(chǎn)生的加速度可以利用單一的元件來進行檢測。
然而，即使沿三個正交的坐標(biāo)軸X、Y、Z的三個方向產(chǎn)生的加速度可以被檢測，沿所有方向的加速度仍不能被檢測。不可能檢測在與最大靈敏度方向正交的平面中產(chǎn)生的加速度。再者，盡管在上述結(jié)構(gòu)中采用使最大靈敏度方向與Z軸自然傾斜45°，在這種情況下，X軸和Y軸的方向與最大靈敏度方向?qū)嶋H上成60°傾斜，因此，沿X軸、Y軸和Z軸的檢測靈敏度實際上是不相同的。
考慮克服這種不便而提出本發(fā)明，本發(fā)明的目的是提供加速度檢測元件的安裝裝置，利用盡可能少數(shù)量的檢測元件能夠檢測寬方向范圍的加速度，并且對在沿正交的坐標(biāo)軸各方向產(chǎn)生的加速度具有基本相同的靈敏度。
為了實現(xiàn)該目的，本發(fā)明提供一種包含兩個加速度檢測元件的加速度檢測元件的安裝裝置，其中一個加速度檢測元件的第一最大靈敏度方向為從Y軸朝Z軸傾斜40°到50°，而另一個加速度檢測元件的第二最大靈敏度方向為從X軸朝Z軸傾斜40°到50°。此外，在這種情況下的加速度檢測元件是兩端固定型壓電陶瓷元件構(gòu)成的雙晶片型元件。
此外，為了實現(xiàn)該目的，本發(fā)明提供一種包含兩個加速度檢測元件的加速度檢測元件的安裝裝置，還包含一計算裝置，用于對從各加速度檢測元件輸出的電信號的絕對值的和進行計算，并且其中一個加速度檢測元件的第一最大靈敏度方向由Y軸朝Z軸傾斜20°到30°，而另一個加速度檢測元件的第二最大靈敏度方向由X軸朝Z軸傾斜20°到30°。此外，在這種情況下的加速度檢測元件是兩端固定型的壓電陶瓷元件構(gòu)成的雙晶片型元件。
此外，本發(fā)明提供一種加速度檢測元件的安裝裝置，其中在呈矩形片狀的壓電陶瓷元件主體的內(nèi)側(cè)部分裝有內(nèi)部電極，它們以分開的方式沿縱向分布在壓電陶瓷元件主體的中央位置和兩端位置，在壓電陶瓷元件主體的主表面上裝有信號輸出電極，以及經(jīng)過內(nèi)部電極彼此對置的壓電陶瓷元件主體沿縱向的各個中央部分和端部部分沿厚度方向的不同傳感方向產(chǎn)生極化。
圖1是表示根據(jù)第一實施例的加速度檢測元件結(jié)構(gòu)的局部切去的透視圖；圖2是表示第一實施例的加速度檢測元件的安裝結(jié)構(gòu)的解釋性視圖；圖3是表示第一實施例的安裝結(jié)構(gòu)的工作狀況的功能方塊圖；圖4是表示根據(jù)第二實施例的加速度檢測元件的安裝結(jié)構(gòu)的局部切去的透視圖；圖5是表示第二實施例的加速度檢測元件的安裝結(jié)構(gòu)的解釋性視圖；圖6是表示第二實施例的安裝結(jié)構(gòu)的工作狀況的功能方塊圖；圖7是根據(jù)第三實施例的加速度檢測元件的局部切開的透視圖；圖8(a)、8(b)和8(c)是表示在第三實施例中的制造方法的前級步驟的說明性斷面圖；圖9(a)和9(b)是表示在第三實施例中的制造方法的后級步驟的說明性斷面圖；圖10(a)、10(b)和10(c)表示在第三實施例中的制造方法的前級步驟變換實例的說明性斷面圖；圖11是表示根據(jù)常規(guī)實例的加速度檢測元件結(jié)構(gòu)的局部切去的透視圖；圖12是表示根據(jù)另一個常規(guī)實施例的壓電元件的結(jié)構(gòu)的局部切開的透視圖；實施例1參照附圖對本發(fā)明的實施例1進行解釋。
圖1是表示加速度傳感器的局部切去的透視圖，它是根據(jù)第一實施例的加速度檢測元件的局部安裝結(jié)構(gòu)，圖2是表示該加速度檢測元件的總體安裝結(jié)構(gòu)的解釋性視圖，以及圖3是表示第一實施例的安裝結(jié)構(gòu)的工作狀況的功能方塊圖。此外，包括加速度檢測元件的加速度傳感器的結(jié)構(gòu)基本上與在常規(guī)實例中的結(jié)構(gòu)相同。因此，與在圖11中所示相同的圖1和圖2中的部分或元件用相同的標(biāo)注表示，對它們的詳細(xì)解釋省略了。
如圖1所示，在第一實施例中的加速度傳感器A或B由用作加速度檢測元件的兩端固定型雙晶片型元件1和包含雙晶片型元件1的絕緣殼體2構(gòu)成。將加速度傳感器A和B安裝到例如為電路板的傳感器安裝端面3上。在這一實例中的雙晶片型元件1安放和定位在絕緣殼體2中，其中的狀態(tài)為最大靈敏度方向P與傳感器安裝端面3成傾斜關(guān)系。將最大靈敏度方向P設(shè)定為向上與傳感器安裝端面3成一傾斜角度，為40°或40°以上和50°或50°以下，在下文例如為45°。
在第一實施例的雙晶片型元件1中，一對壓電陶瓷片6呈矩形片狀，在每個陶瓷片的頂面和底面上形成信號電極4和中間電極5，將這一對陶瓷片對置并粘接在一起，它們的端部部分按與厚度方向成45°傾斜角的相應(yīng)傾斜面切去。經(jīng)過中間電極5粘接的各個壓電陶瓷片6沿厚度方向以彼此不同的傳感方向被極化，并且各個信號電極4沿與常規(guī)實例相同的各自的壓電陶瓷片6的縱向延伸到互不相同的端部部分。此外，在這個實例中的絕緣殼體2由像在常規(guī)實例中一樣的緊固框形件7和殼體蓋板8構(gòu)成，并且雙晶片型元件1的各個信號電極4連接到在絕緣殼體2的彼此不同的外端面上形成的外部電極(未表示)上。
同時，由圖2所示，加速度檢測元件的安裝結(jié)構(gòu)具有兩個加速度傳感器A和B，它們與分別沿正交的坐標(biāo)軸X和Y的方向相同的方向安裝在傳感器安裝端面3上。此外，由圖3所示，該安裝結(jié)構(gòu)連接到第一和第二比較器電路X1和X2上，這二個比較器電路實現(xiàn)比較器的功能，對由電子元件A、B分別輸出的電信號VA和VB進行比較處理，一個邏輯電路X3對由第一和第二比較器電路X1和X2分別輸出的比較器信號VS1和VS2實現(xiàn)OR邏輯運算處理。比較器電路X1和X2以及邏輯電路X3集成在一信號處理電路(未表示)中。
通過將構(gòu)成絕緣殼體2的殼體蓋板8的外表面定位和固定在傳感器安裝端面3上來安裝加速度傳感器A和B。雙晶片型元件1的各個信號電極4經(jīng)過在絕緣殼體2上的外部電極(未表示)利用焊接等方式連接到已經(jīng)形成在傳感器安裝端面3上的連線圖形線路(未表示)上。用作加速度檢測元件和包含在加速度傳感器A中的雙晶片型元件1的最大靈敏度方向P處在向上傾斜即從Y軸到Z軸取45°角的方向上。另用作加速度檢測元件并包含在加速度傳感器B中的雙晶片型的元件1的最大靈敏度方向P處在向上傾斜即從X軸到Z軸傾斜的方向上。
下面，參照圖2和圖3將解釋在這一實施例中的加速度檢測元件的安裝結(jié)構(gòu)的工作狀況。在如下的解釋中，加速度檢測元件(加速度傳感器A和B)的最大靈敏度為S(mv/G)，其中G是重力加速度，以及用于檢測沖擊的處在某些量值或其以上的閾值指定為S1和S2。
首先，假設(shè)一種情況，其中使按圖2所示的定位關(guān)系配置的兩個加速度傳感器A和B的安裝結(jié)構(gòu)，沿正交的座標(biāo)軸X的正方向產(chǎn)生1G的加速度。那么，沿與Y軸方向相同的方向配置的加速度傳感器A的檢測靈敏度為0，而沿與X軸方向相同的方向配置的加速度傳感器B的檢測靈敏度由最大靈敏度S與Cos45°的乘積來表示。因此，在這種情況下由加速度傳感器A輸出的電信號VA為0(mv)，由加速度傳感器B輸出的電信號VB為S Cos45°×1(mv)。在僅輸入電信號VB的第二比較器電路X2中，利用作為閾值的預(yù)定值S2進行比較器運算處理。即當(dāng)VB＞S2時，比較器信號VS2＝1以及當(dāng)VB≤S2時，比較器信號VS2＝0。由第二比較器電路X2輸出的比較器信號VS2送到邏輯電路X3。
此外，當(dāng)沿正交的Y坐標(biāo)軸的正方向產(chǎn)生1G的加速度時，沿與Y軸方向相同的方向配置的加速度傳感器A的檢測靈敏度由最大靈敏度S與Cos45°的乘積表示，而沿與X軸方向相同的方向配置的加速度傳感器B的檢測靈敏度為0。相應(yīng)地，在這種情況下，由加速度傳感器A輸出的電信號VA由S×Cos45°×1(mv)來表示，由加速度傳感器B輸出的電信號VB為0(mV)。因此，在僅輸入來自加速度傳感器A的電信號VA的第一比較器電路X1中，利用作為閾值的預(yù)定值S1進行比較器運算處理。即當(dāng)VA＞S1時，比較器信號VS1＝1，當(dāng)VA≤S1時，比較器信號VS1＝0。在此之后，由第一比較器電路X1輸出的比較器信號VS1送到邏輯電路X3。
同時，當(dāng)沿正交的坐標(biāo)軸Z的正方向產(chǎn)生1G的加速度時，加速度傳感器A和B的兩個檢測靈敏度由最大靈敏度S與Cos45°的乘積表示，由加速度傳感器A和B輸出的信號VA和VB由S×Cos45°×1(mv)表示。此外，在僅輸入來自加速度傳感器A的電信號VA的第一比較器電路X1中，利用作為閾值的S1進行比較器運算處理，而在僅輸入來自加速度傳感器B的電信號VB的第二比較器電路X2中，利用作為閾值的S2進行比較器運算處理。在此之后，將由第一和第二比較器電路X1和X2輸出的比較器信號VS1和VS2送到邏輯電路X3。
此外，在輸入來自比較器電路X1和X2的比較器信號VS1和VS2的其中兩個或其中一個邏輯電路X3中，根據(jù)比較器信號VS1和VS2進行0R邏輯運算處理，即進行假如VS1＝1或VS2＝1時產(chǎn)生邏輯電路信號Vt＝1的OR邏輯運算處理。在此之后，將邏輯電路信號VL輸出到外側(cè)。
如上面解釋的，當(dāng)采用這一實施例中的加速度檢測元件的安裝結(jié)構(gòu)時，對于正交的坐標(biāo)軸X、Y和Z的其中任一個方向，各檢測靈敏度具有基本相同的范圍，即形成的檢測靈敏度為最大靈敏度S與Cos45°的乘積。此外，在這一實施例中的安裝結(jié)構(gòu)中，檢測靈敏度為0的方向僅為與加速度A和B的最大靈敏度方向P相正交的方向，因此形成一個可以在寬方向范圍檢測加速度的優(yōu)點。
順便說，盡管在這一實施例的安裝結(jié)構(gòu)中，分別包含在加速傳感器A和B中的雙晶片型元件1的最大靈敏度方向P由傳感器安裝端面3傾斜為45°的傾斜角。然而，已由本發(fā)明的發(fā)明人確認(rèn)，該傾斜角并不限于45°，而是實際上可以在40°或40°以上及50°或50°以下的范圍內(nèi)。在40°傾斜角的情況下，Cos40°與Cos45°之比即Cos40°/Cos45°＝1.083…。在50°傾斜角θ的情況下，Cos50°與Cos45°的比即Cos50°/Cos45°＝0.909…。因此，該比值基本上處在在45°傾斜角的情況下的數(shù)值的±10％的范圍內(nèi)。因此，很明顯，沿正交的坐村軸X、Y和Z中的任一方向上可以產(chǎn)生與在這一實施例中基本相同的檢測靈敏度。
實施例2圖4是表示一個加速度傳感器的局部切去的透視圖，它是在第二實施例中的加速度檢測元件的部分安裝結(jié)構(gòu)，圖5是表示加速度檢測元件的總體安裝結(jié)構(gòu)的解釋性視圖，圖6是表示第二實施例的安裝配置結(jié)構(gòu)的工作狀況的功能方塊圖。此外，由于包括加速度檢測元件的加速度傳感器的結(jié)構(gòu)本身與在常規(guī)實例和第一實施例中所述基本相同，因而在圖4和圖5中與圖11和圖1相同的部分或元件，附加相同的標(biāo)注并且對它們的詳細(xì)解釋將被省略。
如圖4所示，與第二實施例相對應(yīng)的每個加速度傳感器分別由雙端固定型雙晶片型元件1和包含該元件的絕緣殼體2構(gòu)成，將這些加速度傳感器安裝到例如電路板的傳感器安裝端面3上。在這一實例中的雙晶片型元件1安放和定位在絕緣殼體2中，所處狀態(tài)為與傳感器安裝端面23成傾斜關(guān)系，以及將最大靈敏度方向P設(shè)定成使其與傳感器安裝端面3形成向上傾斜角θ，其范圍為20°及20°以上和30°及30°以下，例如為25°。
在用作第二實施例的加速度檢測元件的雙晶片型元件1中，一對壓電陶瓷片6都呈矩形片狀，在每一個陶瓷片的頂面和底面上形成信號電極4和中間電極5，兩陶瓷片對置并粘接，并且它們的邊緣部分被沿與厚度方向成相應(yīng)傾斜角θ為25°的傾斜面切去。此外，經(jīng)過中間電極5粘接的各個壓電陶瓷片6在厚度方向上按彼此相反的傳感方向形成極化，各自的信號電極4沿著與常規(guī)實例相同的各個壓電陶瓷片6的縱向延伸到彼此不同的端部部分。此外，在這一實例中的絕緣殼體2像常規(guī)實例中一樣由緊固框形件7和殼體蓋板8構(gòu)成，將雙晶片型元件1的各信號電極4連接到在絕緣殼體2的不同外端面上形成的外部電極(未表示)上。
如圖5和圖6所示，在第二實施例中的加速度檢測元件的安裝配置結(jié)構(gòu)連接到兩個加速度傳感器A′和B′上，這兩個傳感器沿與正交的坐標(biāo)軸X和Y方向相同的方向安裝到同一傳感器安裝端面3上，還連接到計算裝置X4再連接到比較電路X5上，計算裝置X4用于計算分別由加速度傳感器A′和B′輸出的電信號的絕對值的和(|V′A|+，|V′B|)。實現(xiàn)上述計算的計算裝置X4的結(jié)構(gòu)是公知的，對它們的詳細(xì)解釋將省略。
將構(gòu)成絕緣殼體2的殼體蓋板8的外表面定位和固定，借此將各個加速度傳感器A′和B′安裝固定在傳感器安裝端面3上。將雙晶片型元件1的各個信號電極4經(jīng)過在絕緣殼體2上形成的外部電極(未表示)利用焊接等方式連接到在傳感器安裝端面3上形成的各自連線圖形線路(未表示)上。在這一實例中，包含在加速度傳感器A′中的雙晶片型元件1的最大靈敏度方向P向上傾斜，由Y軸向Z軸傾斜25°，而包含在加速度傳感器B′中的雙晶片型元件1的最大靈敏度方向P向上傾斜，由X軸向Z軸傾斜25°。
下面參照圖5和圖6詳細(xì)介紹在第二實施例中加速度檢測元件的安裝配置結(jié)構(gòu)的工作狀況。在如下的介紹中，加速度檢測元件(加速度傳感器A′和B′)的最大靈敏度為S′(mv/G)，其中G是重力加速度。
下面，假設(shè)一種情況，其中使由按圖9所示的位置關(guān)系分布的兩個加速度傳感器A′和B′構(gòu)成的安裝結(jié)構(gòu)沿正交的座標(biāo)軸X的正方向產(chǎn)生1G的加速度。那么，沿與Y軸方向同方向安裝的加速度傳感器A′的檢測靈敏度由最大靈敏度S′與Cos90°的乘積表示，沿與X軸方向同方向安裝的加速度傳感器B′的檢測靈敏度由最大靈敏度S′與Cos25°的乘積表示。由加速度傳感器A′輸出的電信號VA′由S′×Cos90°×1(mv)表示，由加速度傳感器B′輸出的電信號VB′由S′×Cos25°×1(mv)來表示。在計算裝置X4中，計算由加速度傳感器A′和B′分別輸出的電信號A′和B′的絕對值的和(|A′|+|B′|)即，|S′×Cos90°|＋|S′×Cos25°|＝S′×0.91(mv)作為合成信號V′AB。將根據(jù)這一程序已經(jīng)計算的合成信號VAB′輸出到比較器電路X5。在比較器電路X5中，利用作為閾值的預(yù)定值S0進行比較器運算處理。在比較器電路X5中，當(dāng)VAB′＞S0時，比較器信號V′S＝1，當(dāng)VAB′＜S0時，比較器信號VS1′＝0。在此之后，將比較器信號VS′輸出到外部。此外，盡管上面介紹是針對這樣一種狀況，即其中沿正交的坐標(biāo)軸X的正方向產(chǎn)生1GR加速度，但同樣適用于這樣一種狀況，即其中沿正交的坐標(biāo)軸Y的正方向產(chǎn)生1G的加速度，計算出S′×0.91(mv)作為合成信號V′AB。
此外，在使用圖5所示的安裝結(jié)構(gòu)沿正交的坐標(biāo)軸Z的正方向產(chǎn)生1GR加速度的情況下，進行如下的運算處理。沿與Z軸方向相同方向的加速度傳感器A′和B′的檢測靈敏度由最大靈敏度S′與Cos65°的乘積來表示，即由S′與Cos(90°-25°)的乘積表示，這是由于加速度傳感器A′和B′與傳感器安裝端面3所成傾斜角為25°。因此，在這種情況下，分別由加速度傳感器A′和B′輸出的電信號兩者都用S′×Cos65°×1(mv)來表示。在計算裝置X4中，計算分別由加速度傳感器A′和B′輸出的電信號VA′和VB′的絕對值的和，即|S′×Cos65°|＋|S′×Cos65°|＝S′×0.85(mv)作為合成信號VAB。
在第二實施例中的加速度檢測元件的安裝結(jié)構(gòu)中，沿正交的坐標(biāo)軸X、Y和Z軸的任一方向，具有基本上相同的檢測靈敏度。此外，在第二實施例的安裝配置結(jié)構(gòu)中，檢測靈敏度為0的方向是分別與加速度傳感器A′和B′的最大靈敏度方向P正交的方向，因此提供的優(yōu)點是可以在寬方向范圍內(nèi)檢測加速度。
順便說，根據(jù)第二實施例，在沿X軸和Y軸方向產(chǎn)生加速度情況下的合成信號VAB′是S′×0.91(mv)，以及在沿Z軸方向產(chǎn)生加速度情況下的合成信號VAB′是S′×0.85(mV)。由于從方便制造的觀點出發(fā)，在加速度傳感器A′和B′中的加速度檢測元件(雙晶片型元件1)與傳感器安裝端面3形成的傾斜角θ設(shè)定為25°，故引起該差別。通過該傾斜角θ設(shè)定為26.565…°，在計算中得到沿X軸、Y軸和Z軸中任一方向的完全相同的檢測靈敏度。
已經(jīng)由本發(fā)明的發(fā)明人進行的調(diào)查研究所證實，當(dāng)各雙晶片型元件1的最大靈敏度方向P與傳感器安裝端3形成的傾斜角在0°到90°之間變化時，且分別包含兩個加速度傳感器A′和B′的雙晶片型元件1沿著與正交的坐標(biāo)軸X和Y的方向相同的方向在傳感器安裝端面3上分布，將由加速度傳感器A′和B′輸出的電信號V′A和V′B的絕對值的和(|VA′|＋|VB′|的變化表示在表1中。
表1
在表1中通過計算由加速度傳感器A′和B′輸出的電信號VA′和VB′的絕對值的和清楚地表明，僅在這樣一種情況下，即其中各個加速度傳感器A′和B′的最大靈敏度方向P與傳感器安裝端面3所成傾斜角在從20°到30°的范圍時，在相互正交的三個軸的方向上的檢測靈敏度才基本相同。
實施例3下面解釋本發(fā)明的第三實施例。第三實施例公開了適用于第一和第二實施例的加速度檢測元件的結(jié)構(gòu)和制造方法。
圖7是表示移去殼體蓋板狀態(tài)下的加速度傳感器的部分剖開的透視圖，包括了根據(jù)第三實施例的加速度檢測元件，圖8(a)到8(c)為表示了在加速度檢測元件的制造方法的前級步驟的說明性斷面圖，圖9(a)和9(b)為表示了上述制造方法的后級步驟的說明性的斷面圖，以及圖10(a)到10(c)為在上述制造方法的前級步驟中的改進實例的說明性斷面圖。
包括一個加速度檢測元件的加速度檢測元件C由雙晶片結(jié)構(gòu)構(gòu)成，它能實現(xiàn)與常規(guī)實例中相同的功能。如圖7所示，傳感器包括呈矩形片狀且具有預(yù)定厚度的壓電陶瓷元件主體32，例如用對半成品壓電陶瓷制的片進行焙燒的方法制成的壓電陶瓷元件主體32。在每個壓電陶瓷元件主體32的主表面上形成單層結(jié)構(gòu)的信號輸出電極33。在一側(cè)上的信號輸出電極33(在圖7中為頂側(cè))延伸到壓電陶瓷元件主體32的一側(cè)外緣表面(在圖7中為左側(cè))。同時，在另一側(cè)上的信號輸出電極33(在圖7中為底側(cè))延伸到壓電陶瓷元件主體32的另一側(cè)外緣表面(在圖7中為右側(cè))。
在各壓電陶瓷元件主體32的內(nèi)部部分處，內(nèi)置沿縱向分別在中央位置和端部位置分布的三個內(nèi)部電極34使其與信號輸出電極相平行。通過隔著三個內(nèi)部電極34彼此對置且構(gòu)成壓電陶瓷元件主體32的陶瓷元件區(qū)35和36，與內(nèi)部電極34相似，沿壓電陶瓷元件主體32的縱向分為3個部分即中央部分35a和36a以及端部部分35b和36b。此外，在陶瓷元件區(qū)35和36中的各個中央部分35a和36a以及端部部分35b和36b沿厚度方向像在常規(guī)實例中一樣，沿相互不同的傳感方向形成極化。
加速度檢測元件由壓電陶瓷元件主體32，信號輸出電極33和內(nèi)部電極34組成。
通過利用信號輸出電極33和內(nèi)部電極34形成陶瓷元件區(qū)35和36的極化。這里，構(gòu)成陶瓷元件區(qū)35的中央部分35a和端部部分35b產(chǎn)生沿傳感方向H和I的極化。構(gòu)成陶瓷元區(qū)36的中央部分36a和端部部分36b產(chǎn)生沿傳感方向J和K的極化。此外，沿加速度傳感器C縱向的兩個端部邊緣由在側(cè)向視圖上呈溝道狀的一對緊固框形件37以固定方式支承。將形成在壓電陶瓷元件主體32的主表面上的信號輸出電極33連接到形成在二壓電陶瓷元件主體32的相互不同的外端面和緊固框形件37上的各自外部輸出電極38和39上。
接著，參照在圖8(a)到8(c)以及圖9(a)和圖9(b)中表示步驟的說明性的斷面圖，解釋如在圖7中所示的包括加速度檢測元件的加速度傳感器C的制造過程。此外，在這些視圖中，利用虛線將與每個加速度傳感元件和加速度傳感元件C相對應(yīng)的范圍和形狀分隔開來。
首先，如圖8(a)所示，制備呈矩形片狀且尺寸和形狀與構(gòu)成加速度檢測元件的多個壓電陶瓷元件主體32的尺寸和形狀相對應(yīng)的半成品片，即制備由壓電陶瓷制的和最終要變?yōu)樘沾稍^(qū)35和36的兩個半成品片。另外，利用絲網(wǎng)印刷法或類似方法在一個半成品片40的一個表面上(在圖8(a)中為底部的一個)敷上銀、銀-鈀或類似物的導(dǎo)電糊，即敷在沿縱向與每個壓電陶瓷元件主體32相對應(yīng)的一個端面上的每個中央位置和每個端部位置上，在接近1000℃的溫度下干燥導(dǎo)電糊，借此形成彼此分開分布的內(nèi)部電極圖形結(jié)構(gòu)41。
如圖8(b)所示，在半成品片的另一側(cè)面，即未形成內(nèi)部電極圖形結(jié)構(gòu)41的半成品片40的側(cè)面層疊到已經(jīng)形成各自內(nèi)部電極圖形結(jié)構(gòu)41的半成品片40的端面上，將該組件在接近100℃的溫度下進行烘焙。然后，通過烘焙將呈層疊狀態(tài)的兩個半成品片40粘接在一起，借此制備一個整體的壓電陶瓷基體42。進而，與烘焙處理一起同時進行對夾在兩個半成品片40之間的內(nèi)部電極圖形結(jié)構(gòu)41的烘部，形成彼此分開分布的各個內(nèi)部電極34。
接著，如在圖8(c)中所示，將導(dǎo)電糊分別敷在壓電陶瓷基體42的主表面上，通過在接近100℃的溫度下，干燥該敷糊的基本42形成信號輸出電極圖形結(jié)構(gòu)43，并將該組件在接近800℃的溫度下烘焙，借此形成各自的信號輸出電極33。在此之后，通過在信號輸出電極33和內(nèi)部電極34之間施加直流電場，使構(gòu)成壓電陶瓷元件主體32的陶瓷元件區(qū)35和36的中央部分35a和36a以及端部部分35b和35b形成極化。此外，各個部分35a、36a、35b和36b的極化產(chǎn)生如圖7所示的從H到K的極化傳感方向。
在此之后，如圖9(a)所示，制備各緊固框形件基體45，其中在內(nèi)表面上的每個預(yù)定位置處形成每一個都具有預(yù)定寬度的凹槽44，并且通過將各自的緊固框形件基體45糊到已經(jīng)形成信號輸出電極33的壓電陶瓷基體42上而形成一整體。另外，在各個虛線處將壓電陶瓷基體42和緊固框形件基體45切斷，各虛線是分隔各個范圍而確定的，每個范圍具有的尺寸和形狀與每個壓電陶瓷元件主體32相對應(yīng)。這樣，就構(gòu)成了圖9(b)中所示的加速度傳感器，即由一對緊固框形件37和包含壓電陶瓷元件主體32、信號輸出電極33和內(nèi)部電極34的加速度檢測元件構(gòu)成。
然后，將外部輸出電極38和39形成在加速度檢測元件的各自外端面上，即形成在壓電陶瓷元件主體32和緊固框形件37的外部端面上，利用框形件37才最終形成如在圖7中所示的雙晶片結(jié)構(gòu)的加速度傳感器C。進而，將各自的信號輸出電極33連接到成T形的各個外部輸出電極38和39上并且使其彼此導(dǎo)通。
順便說，根據(jù)第三實施例的加速度傳感器C的制造方法并不限于從圖8(a)到8(c)所示的工藝過程，也可采用在圖10(a)到圖10(c)所示的工藝過程。圖10(a)到10(c)表示了在制造加速度檢測元件的前級步驟中的改進實例，在圖10(a)到10(c)中，對于與在圖8(a)到8(c)中的各元件和各部分共同的對應(yīng)部分附加相同的標(biāo)注。
如在圖10(a)中所示，在這一改進實例中，首先制備先前已經(jīng)經(jīng)過烘焙的呈矩形片狀的壓電陶瓷片，即其尺寸和形狀與構(gòu)成加速度傳感器的多個壓電陶瓷元件主體32相對應(yīng)的兩個壓電陶瓷片47。在各個壓電陶瓷片47的表面上，即在每個與單個壓電陶瓷元件主體32相對應(yīng)的表面上沿縱向分布的中央位置和端部位置處敷以導(dǎo)電糊并進行干燥，借此形成彼此分開分布的各個內(nèi)部電極圖形結(jié)構(gòu)41。
在此之后，如圖10(b)所示，將導(dǎo)電糊敷到各個壓電陶瓷片47的另一個面上，借此形成信號輸出電極圖形結(jié)構(gòu)43，將內(nèi)部電極圖形結(jié)構(gòu)41和信號輸出電極圖形結(jié)構(gòu)43同時進行烘焙，通過烘焙形成各個信號輸出電極33和各個內(nèi)部電極34。通過在各個壓電陶瓷片47中的各個信號輸出電極33和內(nèi)部電極34之間施加直流電場，使沿備個壓電陶瓷片47的縱向分布的中央部分47a和端部部分47b產(chǎn)生極化。各個壓電陶瓷片47最終變成陶瓷元件區(qū)35和36，以及在這種作業(yè)中在陶瓷元件區(qū)35和36中的中央部分35a和36a以及端部部分35b和36b被極化。
此外，如圖10(c)所示，將其上已經(jīng)形成各個內(nèi)部電極34的壓電陶瓷片47的表面利用熱固性粘接劑(未表示)進行粘接，并將該組件加熱，通過加熱使各壓電陶瓷片47結(jié)合成為壓電陶瓷基體42。根據(jù)在上述工藝過程中已經(jīng)形成的壓電陶瓷基體42具有如圖8(c)中所示的相同結(jié)構(gòu)。在此之后，對整體的壓電陶瓷基體42進行如在圖9(a)和9(b)中所示制造方法的后級步驟，借此最終形成如圖7所示的具有雙晶片結(jié)構(gòu)的加速度傳感器C。
根據(jù)在第三實施例中的加速度檢測元件和制造方法，在將內(nèi)部電極分開之后，進行極化處理。因此，在分開先前形成的表面電極之后，不需要進行極化處理，以及在極化處理之后，也不需要通過形成連接電極來構(gòu)成信號輸出電極。
此外，由于能夠自然地形成第三實施例中的加速度傳感器C，使得由壓電陶瓷元件主體32、信號輸出電極33和內(nèi)部電極34構(gòu)成的加速度檢測元件像在第一和第二實施例中所用的加速度傳感器一樣，與傳感器安裝端面形成傾斜角。
如上面解釋的，根據(jù)本發(fā)明的加速度檢測元件的安裝結(jié)構(gòu)，通過利用兩個加速度檢測元件能夠在具有基本相同的檢測靈敏度的情況下檢測沿相互正交的三個軸的方向上產(chǎn)生的加速度，并可以檢測寬方向范圍內(nèi)的加速度。因而，本發(fā)明產(chǎn)生的效果是不僅簡化了安裝配置結(jié)構(gòu)而且降低了成本。
此外，根據(jù)本發(fā)明的加速度檢測元件和制造方法，在壓電陶瓷元件主體的內(nèi)側(cè)部分配置分開分布的內(nèi)部電極并且利用內(nèi)部電極使在陶瓷元件區(qū)中的各個部分產(chǎn)生極化。因此，在壓電陶瓷元件主體的主表面上先前形成分開的表面電極之后不需要進行極化處理，以及在極化之后，不需要通過形成連接電極來構(gòu)成具有兩層結(jié)構(gòu)的信號輸出電極。因此，本發(fā)明產(chǎn)生一種效果，在構(gòu)成兩層結(jié)構(gòu)的信號輸出電極時不會引起各種不便，可以節(jié)省制造加速度檢測元件的時間和勞動量。
權(quán)利要求
1.一種相關(guān)于相互正交的X、Y、Z軸的加速度檢測元件的安裝配置結(jié)構(gòu)，包含兩個加速度檢測元件，其中第一加速度檢測元件具有一最大靈敏度方向，該方向為從Y軸朝向Z軸傾斜40°到50°，第二加速度檢測元件具有一最大靈敏度方向，該方向為從X軸朝向Z軸傾斜40°到50°，因此沿所述各軸的所有三個方向具有基本恒定的加速度檢測靈敏度。
2.一種相關(guān)于相互正交的X、Y、Z軸的加速度檢測元件的安裝配置結(jié)構(gòu)，包含兩個加速度檢測元件；—計算電路，用于計算由各加速度檢測元件輸出的電信號的絕對值的和；以及其中第一加速度檢測元件具有一最大靈敏度方向，該方向為從Y軸朝向Z軸傾斜20°到30°，以及第二加速度檢測元件具有一最大靈敏度方向，該方向為從X軸朝向Z軸傾斜20°到30°，因此沿所述各軸的所有三個方向具有基本恒定的加速度檢測靈敏度。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的加速度檢測元件的安裝配置結(jié)構(gòu)，其中每一個加速度檢測元件包含在其兩端固定的壓電陶瓷雙晶片型元件。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的加速度檢測元件的安裝配置結(jié)構(gòu)，其中所述元件包含一對呈矩形片狀的陶瓷元件主體；內(nèi)部電極設(shè)在各壓電陶瓷元件主體之間的內(nèi)部并沿壓電陶瓷元件主體的縱向以彼此分開的方式配置在中央部分和端部部分，信號輸出電極設(shè)在壓電陶瓷元件主體的外部主表面上，以及經(jīng)過內(nèi)部電極沿壓電陶瓷元件主體的縱向彼此對置的各中央部分和端部部分在厚度方向上以相反的傳感方向產(chǎn)生極化。
5.一種制造加速度檢測元件的方法，包含的步驟是制備兩個呈矩形片狀且由壓電陶瓷制的半成品片；沿第一個半成品片的第一表面的縱向?qū)?dǎo)電糊敷在中央位置和端部位置，借此形成各自的內(nèi)部電極圖形結(jié)構(gòu)；將第二個半成品片的第一面層疊在第一半成品片的第一面上，在該第一半成品片上已經(jīng)形成內(nèi)部電極圖形結(jié)構(gòu)；通過烘焙處理進行烘焙，以便同時形成內(nèi)部電極和壓電陶瓷元件主體；在壓電陶瓷元件主體的第二主表面上敷以導(dǎo)電糊之后，通過烘焙處理形成信號輸出電極；以及通過利用各信號輸出電極和各內(nèi)部電極，使壓電陶瓷元件主體的中央部分和端部部分產(chǎn)生極化。
6.一種制造加速度傳感元件的方法，包含的步驟是制備和烘焙兩個呈矩形片狀的壓電陶瓷片；沿著各個壓電陶瓷片的第一面的縱向?qū)?dǎo)電糊敷到中央位置和端部位置，借此形成各自的內(nèi)部電極′在將導(dǎo)電糊敷在各個壓電陶瓷片的第二面形成信號輸出電極圖形結(jié)構(gòu)之后，通過烘焙處理形成內(nèi)部電極和信號輸出電極；通過利用各自的信號輸出電極和各自的內(nèi)部電極使各個壓電陶瓷片的中央部分和端部部分形成極化；以及粘接其上已形成內(nèi)部電極的壓電陶瓷片的各第二面，借此形成壓電陶瓷元件主體。
7.一種加速度傳感器，包含相關(guān)于相互正交的X、Y、Z軸安裝的兩個加速度檢測元件；其中第一個加速度檢測元件具有一最大靈敏度方向，該方向從Y軸朝向Z軸傾斜40°到50°，以及第二個加速度檢測元件具有一最大靈敏度方向，該方向從X軸朝向Z軸傾斜40°到50°，借此沿著所述各軸的所有三個方向具有基本恒定的加速度檢測靈敏度。
8.一種加速度傳感器，包括相關(guān)于相互正交的X、Y、Z軸安裝的兩個加速度檢測元件；一計算裝置，用于計算由各個加速度檢測元件輸出的電信號的絕對值的和；以及其中第一個加速度檢測元件具有一最大靈敏度方向，該方向為從Y軸朝向Z軸傾斜20°到30°，以及第二個加速度檢測元件具有一最大靈敏度方向，該方向為從X軸朝向Z軸傾斜20°到30°，借此沿所述各軸的所有三個方向具有基本恒定的加速度檢測靈敏度。
全文摘要
一種加速度檢測元件安裝配置結(jié)構(gòu)，它用盡可能少的元件檢測較寬方向范圍內(nèi)的加速度且對于沿正交的各坐標(biāo)軸中任一方向產(chǎn)生的加速度具有基本相同的檢測靈敏度，兩個加速度檢測元件配置在正交的X、Y、Z坐標(biāo)系統(tǒng)中的X-Y元件安裝端面上，使其方向與元件安裝端面上X軸和Y軸的方向相同，兩元件之一的最大靈敏度方向為從X軸朝向Z軸傾斜40°和50°，另一個則為從X軸朝向Z軸傾斜40°到50°。
文檔編號G01P15/09GK1146558SQ9512165
公開日1997年4月2日 申請日期1995年12月12日 優(yōu)先權(quán)日1994年12月12日
發(fā)明者多保田純, 宇波俊彥, 井上二郎 申請人:株式會社村田制作所