JPH01123155A - 圧電型加速度センサ - 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、高分子系圧電素子を用い振動体の加速度を検
出する圧電を加速度センサに係り、特に、低加速度、低
周。波領域に用いて好適な圧電型加速度センサに関する
ものである。

［従来の技術］ 物理量である加速度の検出は、 Ｆ　コ　ｍα （Ｆ：力、ｍ：質量、ａ：加速度） にしたがい、加えられた力に応じて求められる。

この力という機械量を電気量に変換する方式としては、
圧電型、サーボ型、歪みゲージ型等があるが、この中で
加速度センサに用いられるものとして現在膜も普及して
いるのが圧電型である。

圧電型加速度センサは、検知部に備えられた圧電素子に
外力が加わって歪みを受けると、その力の大きさに比例
した電気量を発生する圧電効果を利用したものである。

そして、その検知部としては、前記圧電素子の歪みの発
生のし方の違いにより、第５図の（イ）〜（ハ）に示す
ように、大略３種類ある。これらを簡単に説明すると、 （イ）支持体Ｓの周囲に取り付けられた重りＭに力Ｆが
加わると、重りＭと基板との間に配された圧電素子Ｐが
圧縮され圧電素子の分極軸の軸方向と同じ方向に歪みが
発生する「圧縮型」。

（ロ）支持体Ｓの周囲に圧電素子Ｐを介して取り付けら
れた重りＭに力Ｆが加わると、圧電素子Ｐが剪断力を受
け、歪みが圧電素子の分極軸方向と同方向な面に対する
ずれとして発生する「剪断型」。

（ハ）支持体Ｓに圧電素子Ｐが片持ちはり状に取り付け
られ、その先端に取り付けられた重りＭに対して力Ｆが
加わると、歪みが圧電素子の分極軸方向に対し直角方向
に発生する　「片持ちはり型」。

のそれぞれである。

そして、たとえば、中高周波の振動体の加速度を検出す
るには、（イ）の圧縮型、あるいは（ロ）の剪断型が用
いられ、低周波の振動体の加速度を検出する場合には、
これらよりも検出感度が高く微小振動の検出が可能な（
ハ）の片持ちはり型が用いられる等、周波数、あるいは
この他に加速度の大きさや測定範囲等によって使い分け
られている。

［発明が解決しようとする問題点］ ところで、主に低周波の加速度を検出するのに有利な上
記片持ちはり型の検知部の場合、圧電素子の一端を、支
持体Ｓに固定するという固定条件（たとえば固定部分の
歪みを零にするという条件）の実現が難しく、このため
、周波数特性や感度が安定しにくいという不具合がある
。特に、圧電素子トシテ一般的ｔｔ　Ｐ　ｂ（Ｚ　ｒ、
Ｔ　ｉ）Ｏｓ系（ＰＺＴと略称される〕や、Ｐ　ｂＴ　
ｉｏ　３、ＢａＴｉ０．（Ｐｂ、ＬａＸＺｒ。

Ｔｉ）Ｏｓ（ＰＬＺＴと略称される〕等の一般的なセラ
ミクス製圧電材料は、剛性が優れているものの、脆く欠
けやすいという性質を有しているので、加工性に劣り、
かつ衝撃に弱くこわれやすいので上記片持ちはり型には
不適当である。

ところで、圧電材料には、上記セラミクス系の他に、ポ
リフッ化ビニリデン等の高分子系材料があり、これら高
分子系材料は、セラミクス系と比べると、 （＆）可撓性に優れている。

（ｂ）加工性に富み薄膜化、大面積化が可能である。

（Ｃ）誘電率が小さいために、電圧出力定数（ｇ）が大
きい。

（ｄ）絶縁性に優れている。

というような特長があり、このため、たとえば上記片持
ちはり型に適していると考えられるが、剛性が低いため
に、安定した出力が得られにくいという不具合がある。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであって、上
述の「片持ちはり型」の特長を生かすとともにその欠点
を克服して、より安定した周波数特性が得られる圧電型
加速度センサを提供することを目的としている。

Ｅ問題点を解決するための手段］ 本発明の圧電型加速度センサは、上記目的を達成するた
めに、その検知部が、台座と、所定の曲率で湾曲した板
バネからなり前記台座に対し凹面が台座側に向けられて
載置される振動板と、この振動板の前記凹面に接着され
る高分子系圧電素子と、前記台座にその一端が固定され
て前記振動板の中央部を貫通する支柱と、この支柱の他
端部に固定される固定部とからなり、この固定部によっ
て、前記振動板がその湾曲半径が大きくなるよう押圧さ
れバネ力を蓄えられた状態で前記台座に固定されてなる
ことを特徴とし、さらに、前記振動板のヤング率Ｅ１％
断面二次モーメント■、と、前記圧電素子のヤング率Ｅ
Ｆ、断面二次モーメント■、との間に、 なる関係を有することを含むものである。

以下、第１図ないし第２図を参照して本発明をさらに詳
しく説明する。

Ｍ１図（イ）（ロ）（ハ）は、本発明に係る加速度セン
サの検知部１を示している。図中符号２は平面視正方形
状の板材からなる台座、３は通常所定の曲率で湾曲して
いる長方形状の板ノ＜ネからなり、中央部に円形孔３ａ
が固定された振動板である。

前記台座２の中央部には、第１図（ハ）に示すように、
ねじ孔２ａが形成されており、ここに、両端にねじｓ４
　ａ　ｓ　４　ｂ　　が形成された円筒状の支柱４が、
その軸を台座２に対し垂直にされてその一端のねじ部４
ａがねじ込まれることにより固定されている。

前記振動板３が湾曲した状態における湾曲端３ｂ間の長
さ（第１図（ロ）のｔで示す・・・以下この長さを「わ
たり」と称す）は、台座２の一辺の長さよりも十分に短
く設定されている。また、この振動板３の凹面３ｃの、
前記円形孔３ａの両側には、長方形状の圧電フィルム（
圧電素子）５が、それぞれ１枚ずつ計２枚、接着剤等に
より接着されている。

この圧電フィルム５は、高分子系材料からなる薄膜状の
基材の両面に、蒸着等の薄膜形成法により電極が被覆さ
れたものである。

前記振動板３は、ヤング率が高い材料によって形成する
のが望ましく、主に、鉄、銅、ニッケル等の単一金属、
あるいは黄銅、ステンレス等の合金からなる金属材料が
用いられるが、この他にも、ガラス繊維あるいはカーボ
ン繊維等のプラスチラグとの複合材料も高ヤング率の点
から適している。

また、前記圧電フィルム５を構成する基材は、前述のよ
うに高分子系材料によって形成されているが、その材料
としては、ポリフッ化ビニル、ポリフッ化ビニリデン（
ＰＶＤＦ）、ポリ塩化ビニル、ナイロン１１．ポリカー
ボネート、ポリ（ｍ−）ユニしンイソフタルアミド）フ
ッ化ビニリデン−四フッ化エチレン共重合体、フッ化ビ
ニリデン−フッ化ビニル共重合体、７ツ化ビニリデン−
三フッ化エチレン共重合体、シアン化ビニリデン−酢酸
ビニル共重合体、あるいは、これら２種以上の混合物、
あるいは、これらと他の熱可塑性樹脂との混合物が好適
である。また、コ（７）他に、Ｐ　ｂ（Ｚ　ｒ、Ｔ　ｉ
）Ｏｓ、Ｐ　ｂＴ　ｉｏ　ｓ、（Ｐ　ｂ、Ｌ　！ＸＺ　
ｒ、Ｔ　ｉ）Ｏ、、Ｂ　ａＴ　ｉｏ　ｓ、Ｂ　ａｃＺ　
ｒ、Ｔ　ｉ）０３、（Ｂ　ａ、　Ｓ　ｒ）Ｔ　ｉｏ　３
等の無機圧電材料の微粉末を熱可塑性樹脂や熱硬化性樹
脂等の高分子中に混ぜたものも用いることができる。

また、振動板３と圧電フィルム５との間には、の関係が
成り立っている。ここで、 Ｅ８　：振動板のヤング率 ＥＰ　：圧電フィルムのヤング率 ■Ｂ　＝振動板の断面二次モーメント ＩＰ　：圧電フィルムの断面二次モーメントであり、ま
た、′変形こわさ“とは、 ヤング率ＥＸ断面二次モーメント！ で表され、また、断面二次モーメント■は、（ｄ：曲げ
方向の断面の幅、ｔ：厚さ）で表される。

そして、前記振動板３は、圧電フィルム５が接着された
凹面３Ｃが台座２側に向けられ、かつ円形孔３ａに支柱
４が貫通されて台［２に載置され、さらに、支柱４他端
のねじ部４ｂに螺合される固定部６により、湾曲半径が
通常より大きくなるよう押圧された状態で台座２に固定
されている。

これによって振動板３は、バネ力が蓄えられた状態とさ
れる。また、固定部６を適宜に回転して上下に移動させ
ることにより、振動板３の湾曲半径（バネ力）を調整す
ることができ、もって、振動モードすなわち圧電フィル
ム５の出力の調整ができるようになっている。なお、こ
の際、振動板３の湾曲端３ｂが台座２の表面を滑動する
が、この滑動がスムーズとなるよう振動板３の湾曲端３
ｂは折り曲げられ、台座２への当接部分が曲面をなして
いる。

上記のように構成された検知部１は、導電性を有するシ
ールドケース７の中に収納されている。

また、前記圧電フィルム５０両面に被覆された電極には
、振動板３が振動することによって発する信号を取り出
すための図示せぬ端子が取り付けられており、この端子
からの出力信号は、第２図に示すように、インピーダン
ス変換回路８を介して測定される。なお、このインピー
ダンス変換回路８と前記端子は、ローノイズケーブル９
によって接続され、また、前記シールドケース７はアー
スされている。

次に、上記検知部１の作用を説明する。圧電フィルム５
は、外力（振動）を受けると、その力の加速度に比例し
た（変形）歪みを生じるとともに電荷を発生する。

振動板３と圧電フィルム５を接着剤によって貼り合わせ
一体化させた場合、振動板３の”変形こわさ″を、圧電
フィルム５の”変形こわさ”が無視できるほど大きく取
れば、検知部１の振動加速度による変形は、振動板３の
変形に依存することになり、しかも、変形による圧電フ
ィルム５の出力特性は損なわれない。この”変形こわさ
”の比は、上記（ａ）の式で示したごとく、圧電フィル
ム５に対して振動板３が１０倍以上となっているので、
圧電フィルム５の出力特性は損なわれることなく、また
その発生出力は安定性に優れたものが得られる。

なお、上記実施例においては、振動板３に接着された圧
電フィルム５は２枚であるが、枚数はこれに限られず少
なくとも１枚であればよく、検知部を作製する難易性か
ら数枚に分割することは任意である。

まｔ；、上記高分子系材料からなる圧電フィルム５は、
セラミクス系とは異なりヤング率が低いので、接着剤に
よって容易に振動板３に接着することができる。このよ
うに、圧電フィルム５は振動板３と接着されて一体化さ
れることから、圧電性を損なうことなく、振動加速度が
加わったときの振動モードを、振動板のヤング率と断面
二次モーメントで任意に選択することができる。

［実施例］ 続いて、本発明の具体的な実施例について、比較例と参
照しながら説明する。

・振動板 １８−８ステンレス製で、輻１０ｍ１１％曲率半径Ｌｏ
ａｍ、厚さ１００μｍ。

ヤング率ＥＢ：２．０Ｘ１０”Ｐａ ・圧電フィルム 基材：ポリぶつ化ビニリデン延伸フィルム製、長さ５ｍ
ｍ５１１１０ｍｍ、厚さ３０ｐｍ圧電定数ｄｓ＋：２０
ｐｃ／Ｎ ヤング率Ｅｐ：２．３Ｘ１０’　Ｐｓ 上記を同一条件として、第１図の検知部１と同じ構造を
有し、かつ、下表に示す条件が異なる実施例および比較
例を作製した。

上記各実施例および比較例における周波数と出力との関
係を第３図に示す（■■■が実施例、■が比較例）。こ
れを見れば明らかなように、Ｅ、・Ｉ　ｎ／　Ｅ　Ｐ・
Ｉ、が、１０以上の高い値を示す各実施例は、周波数の
高低にかかわらずそれぞれ安定したフラットな出力が得
られているが、Ｅｌｌ−Ｉｍ／ＥＰ・■、が３．２と１
０以下の低い値である比較例は、周波数が高くなるにし
たがい出力が落ち、一定した出力が得られていない。

次に、上記各実施例の加速度に対する出力を第４図に示
す。各実施例において、加速度と出力双方には直線的な
比例関係が見られ、これによって良好な出力直線性を有
していることがわかる。

［発明の効果］ 以上説明したように、本発明の圧電型加速度センサによ
れば、その検知部が、台座と、所定の曲率で湾曲した板
バネからなり前記台座に対し凹面が台座側に向けられて
載置される振動板と、この振動板の前記凹面に接着され
る高分子系圧電素子と、前記台座にその一端が固定され
て前記振動板の中央部を貫通する支柱と、この支柱の他
端部に固定される固定部とからなり、この固定部によっ
て、前記振動板がその湾曲半径が大きくなるよう押圧さ
れバネ力を蓄えられた状態で前記台座に固定されてなる
ことを特徴とし、さらに、前記振動板のヤング率ＥＩ１
１断面二次モーメンｌ−１，と、前記圧電素子のヤング
率ＥＰｓ断面二次モーメント！、との間に、 なる関係を有することを含むものであるから、出力直線
性が良好で、低加速度でも安定した出力を得ること、お
よび、振動板と圧電素子の変形こわさを上記式のごとく
制限することにより検知部の出力の周波数に対する安定
性を良くすることが可能となり、さらに固定部の位置を
制御して振動板の振動モードを調整することにより、出
力の微調製を行なうことができるという効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

第１図（イ）（ロ）（ハ）は本発明の圧電型加速度セン
サの検知部を示す図で、（イ）は平面図（ロ）は側断面
図（ハ）は分解斜視図、第２図は検知部が組み込まれる
回路図、第３図は各実施例および比較例の出力周波数特
性を表す図、第４図は実施例の出力特性を表す図、第５
図（イ）〜（ハ）はそれぞれ従来の圧電型加速度センサ
の検知部の構造を示す断面図である。 ■・・・・・・検知部、　２・・・・・・台座、３・・
・・・・振動板、　３ｃ・・目・・凹面、４・・・・・
・支柱、　　　５・・・・・・圧電フィルム（圧電素子
）、６°・・・・・・固定部。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）　検知部に備えられた圧電素子の歪みにともなっ
   て発生する電気量から加速度を検出する圧電型加速度セ
   ンサであって、前記検知部は、台座と、所定の曲率で湾
   曲した板バネからなり前記台座に対し凹面が台座側に向
   けられて載置される振動板と、この振動板の前記凹面に
   接着される高分子系圧電素子と、前記台座にその一端が
   固定されて前記振動板の中央部を貫通する支柱と、この
   支柱の他端部に固定される固定部とからなり、この固定
   部によって、前記振動板がその湾曲半径が大きくなるよ
   う押圧されバネ力を蓄えられた状態で前記台座に固定さ
   れてなることを特徴とする圧電型加速度センサ。
2. （２）　前記振動板のヤング率Ｅ＿Ｂ断面二次モーメン
   トＩ＿Ｂと、前記圧電素子のヤング率Ｅ＿Ｐ、断面二次
   モーメントＩ＿Ｐとの間に、 （Ｅ＿Ｂ・Ｉ＿Ｂ）／（Ｅ＿Ｐ・Ｉ＿Ｆ）≧１０なる関
   係を有することを特徴とする特許請求の範囲第１項記載
   の圧電型加速度センサ。