JPH02173573A - 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Ｊ 本発明は、高分子系圧電素子を用いて振動体の加速度を
検出する圧電型加速度センサに係り、特に、軽量小型で
加速度に対する検出出力の直線性を向上させたものであ
る。

「従来の技術」 物理量である加速度の検出は、 Ｆ　＝　騰　α （ただし、Ｆ：力、１１：質ｍ、α：加速度）で与えら
れ、加えられた力と比例関係にある。

加速度センサは、力という機械量を電気量に変換して検
出するもので、この変換方式には、圧電型、サーボ型、
歪みゲージ型などがある。この中で加速度センサにおい
ては圧電型が現在最も普及している。

圧電型加速度センサは、検知部に備えられた圧Ｎ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、萌記圧？ｔｉ、を子の歪
みの発生の仕方の違いにより、第４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Ｐ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ｉｓ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が破断力を受
け、歪みが圧電素子Ｐ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［　’ＩＩ断型］。

（ハ）支持体Ｓに圧電素子Ｐが片持ち梁状に取り付けら
れ、その先端に取り付けられた盾り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［片持ち梁型］。

のそれぞれである。

例えば中高周波の振動体の加速度を検出するｌこは、（
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
ち梁型が用いられるなど、周波数、あるいはこの他に加
速度の大きさや測定範囲などによって使い分けられてい
る。

「発明が解決しようとする課題」 上記片持ち梁型の検知部は、低周波の振動体の加速度を
検出するのに有利であるが、圧電素子の一端を支持体Ｓ
に固定する場合の固定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、圧電素子として一般的なＰ　ｂ（Ｚ　ｒ、Ｔ　ｉ
）Ｏｓ系［ＰＺＴと略称される　コや、Ｐ　ｂＴ　１０
　ｓ、　　ＢａＴ　１０　、　（１’　ｂ、Ｌａ、Ｚｒ
。

ＴＩ）０３　［ＰＬＺＴと略称される　］等の一般的な
セラミックス練圧ｍ材料は、剛性が浸れているものの、
脆く欠は易いという性質を有しているので、加工性に劣
り、かつ衝撃に弱く壊れ易いために上記片持ち梁型には
不適当である。

ところで、圧電材料には、上記セラミックス系の他に、
ポリフッ化ビニリデンやポリ塩化ビニリデンなどの高分
子系材料があり、これら高分子系材料は、セラミックス
系材料と比べると、（ａ）可撓性に浸れている。

（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、電圧出力定数が大きい。

（ｄ）絶縁性に優れている。

といったような特長があり、このため、例えば上記片持
ち梁型に適していると考えられるが、高分子系圧電材料
を単独の振動膜として用いた場合、共振周波数が低くな
り、また、振動加速度の周波数が変化すると、これにと
もなって出力も変化してしまうという難点を有している
。

そこで、第４図の（ニ）に示すように、円環状の固定枠
Ｓの間に円形膜状の圧電素子Ｐと振動板とを積層させた
状態で取り付け、積層構造部分を慣性質量Ｍとする「振
動膜型Ｊ（実開昭６１−９６３４０号公報）が提案され
ている。この振動模型は、円形膜状に圧電素子Ｐが取り
付けられていることから、上記（ハ）の片持ち梁型の難
点をある程度解決できると期待される。振動板の剛性、
すなわち、変形こわさを高分子系圧電素子Ｐより相対的
に十分大きくすることにより、検知部の総合的な振動特
性を改良して、高分子系圧電素子Ｐの圧電性を損なうこ
となく、共振周波数特性を改良するとともに、出力の増
大が期待されるが、低加速度、低周波領域の加速度検出
の周波数特性ならびに精度に対しては不十分である。

一方、実開昭６１−９９０２６号公報に開示されている
技術では、振動膜の中央部Ｉこ、Ｖ字状あるいは舌形状
の片持ち梁型撓み部を形成するようにして、膜の厚さ方
向の振動検出特性を改良しようとしている。しかし、こ
の技術では、主とじて舌形状の部分の片持ち梁部分に振
動特性が影響されると考えられ、上記（Ｃ）の片持ち梁
型の欠点が現れる可能性が大きく、広範囲の振動周波数
および振幅の検出や、温度範囲の大きい環境での加速度
検出が不安定となる懸念がある。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、次の
目的を達成しようとしている。

（ｉ）高分子系圧電素子の特長を生かすとともに、その
欠点を克服すること。

（ｉｉ）特に、振動加速度に対する検出出力値の比例直
線性を得ること。

（ｉｉｉ）安定した出力特性、周波数特性を得ること。

「課題を解決するための手段」 本発明に係る圧電型加速度センサは、第１の手段として
、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基本構成に加えて、前
記検知部は、固定部における真円状穴の中に振動板とｌ
Ｉ膜状の高分子系圧電素子との積層体が張架状態に支持
されるとともに、該積層体の中心部に真円状穴と同心円
状の円形孔が形成され、円形孔の内径が真円状穴の内径
の里５ないし７０％のｆ１＠であり、該検知部における
振動板は、そのヤング率Ｅｖおよび厚さ寸法Ｔｖと、圧
電素子のヤング率Ｅ「および厚さ寸法Ｔｆとの間に、 （Ｅｖ　×Ｔｖ３）／（Ｅｆ　ｘ’ｒｒす≧５　＝−（
ｉ　）なる関係を有するものとされ、振動板における計
測最大加速度Ｇ　ｍａｘ時の許容たわみ屓ωｌ１ａＸが
、振動板の厚みｈの４０％以内に設定されている構成を
具備するものである。

また、第２の手段として、振動板の許容たわみ爪ωｌａ
Ｘが、次の関係を有する構成を第１の手段に付加してい
る。

ただし、ｂ＝固定枠の半径（ｃｍ） ａ：孔の半径（ｃｍ） ρ：ｆｉ動板の密度（ｋｇ／ｃｍ”） シ：振動板のポアソン比 Ｅｖ：振動板の弾性率（Ｎ／ｃｍ’） Ｔｖ：振動板の厚さ（ｃｍ） である。

「作用」 圧電素子は、外力を受けると、その力の加速度に比例し
た歪みを生じるとともに電荷Ｑを発生するパ。

一般に、周辺が固定され膜厚が均一な薄膜が、外力を受
けて振動する場合、その歪み量は、中央部よりも周辺部
の方が大である。そこで、仮に中央部と周辺部を分けて
考えてみる。

圧電素子の静電容量をＣとすると、電極間電荷Ｑの間に
は、 の関係が成り立つ。圧電素子において、周辺部の発生電
荷および静電容量をそれぞれＱａ、Ｃｅ。

中央部の発生電荷および静電容量をそれぞれＱｃ、Ｃｃ
とすると、電極間電圧Ｖ０との間には、Ｑｅ　＋Ｑｃ　
＝（Ｇｏ　＋Ｃｃ　　）Ｖ。

であり、Ｑｅ＞Ｑｃであるので、 Ｑｅ　＝ｉｉ＝（Ｃｅ　＋ｃｃ　　）ＶＯとなる。した
がって、電極Ｈ電圧Ｖ。は、となる。圧電素子は中央部
に貢通状態の円形孔を有していることにより、電極間電
圧は となり、したがって、 となる。圧電素子の厚さは均一であるから、円形孔がな
いと仮定した場合の圧電素子の面積をＡ、、そして、円
形孔を存する圧電素子の面積をＡとすると、それぞれの
静電容量は、Ａ、およびＡに比例するから、 となる。この式から、円形孔を形成しである圧電素子の
方が、検出感度が高いらのが得られることがわかる。ま
た、円形孔を形成しである分だけ検知部が軽量化される
。

また、検知部は、所望の振動特性を得るために、円形孔
と真円状穴（圧電素子が振動する穴）との内径の比率、
振動部分の剛性などを変化させることが有効であると考
えられる。この場合にあって、円形孔の内径が、真円状
穴の内径の１５％ないし７０％であり、振動板の剛性が
圧１１ｆ素子の剛性の５倍以上である関係を有すると、
高分子系圧電素子の特長を生かして、円形孔の無いもの
の欠点を克服することが可能となり、安定した出力特性
と周波数特性とが得られる。

一方、振動板が加速度を受けたときの圧電素子の変形層
は、主として振動板？こ支配されるものとなるが、計測
すべき最大許容たわみ量を振動板の厚さの４０％以内と
する設定を行なうことにより、加速度とセンサ出力との
比例関係の直線性を確保して、精密計測を可能としてい
る。

「実施例」 以下、本発明に係る圧電型加速度センサの実施例につい
て、第１図ないし第３図を参照して説明する。

第１図ないし第３図は、一実施例における圧電型加速度
センサの検知部！を示すらので、この検知部ｌは、円板
状に形成された振動板２と、この振動板２の表面に一体
的に固着された薄膜状の高分子系圧電素子３と、この圧
電素子３の表面に一体に取り付けられた電極４とを積層
一体化しているとともに、これら積層体Ｒの中心部に、
円形孔５が形成されており、前記積層体Ｒは、その周縁
部を円環状の固定部（固定枠）６で挾むようにして、そ
の固定部６の真円状穴６ａの中に、円形孔５が同心円状
に配置されるように張架状態に支持されている。

そして、振動する部分、つまり、前記真円状穴６ａの中
で振動する積層体Ｒは、第２図に示すように、固定部６
の外径をＤｏ、内径をｄｏ、振動板２の部分の円形孔５
の内径をｄ、圧電素子３の部分の円形孔５の内径をｄ、
とじたとき、 Ｄ、　＞ｄｏ＞ｄ　＝ｄ＋ の関係であり、真円状穴６ａの中の部分が、振動によっ
て厚さ方向に変形するように設定される。

この振動板２は、ヤング率が高く、かつ、耐衝撃性に優
れた材料によって形成することが好ましく、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
鋼等の合金からなる金属材料が用いられるか、この他に
も、ガラスｔａｔｆｆｌあるいはカーボン繊維等とプラ
スチックとの複合材料も高ヤング率である点から適して
いる。

前記圧電素子３は、前記振動板２とほぼ同径で、中心に
振動板２の内径ｄの孔と同径ｄ１の孔、つまり、同径の
円形孔５が形成されたフィルム状材の両面に、蒸着等の
薄膜形成法により電極４・４が被覆状態に形成されたも
のである。そして、この圧電素子３は、萌記振動板２の
上面に、互いの円形孔５を一致させて積層一体化した状
態となっている。この一体化手段は、メツキや接着など
の任意の方法により行なうことができる。

訪記圧電素子３のフィルム状材の基材部分は、高分子系
材料、ポリフッ化ビニル、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶ
ＤＦ　）、ポリ塩化ビニリデン、ナイロン１１、ポリカ
ーボネート、ポリ（ｆｆｉ−フェニレンイソフタルアミ
ド）フッ化ビニリデン−四フッ化エヂレン共重合体、フ
ッ化ビニリデン−フッ化ビニル共重合体、フッ化ビニリ
デン−三フッ化共重合体、シアン化ビニリデン−酢酸ビ
ニル共重合体、あるいは、これらと他の熱可塑性樹脂と
の混合物が好適である。

また、この他にＰｂ（Ｚｒ、Ｔｉ）Ｏａ　、ＰｂＴＭＯ
ｓ、（Ｐｂ、Ｌａ）（Ｚｒ、ＴＩ）０．、ＢａＴｉＣ）
ｓ、Ｂａ（Ｚｒ。

Ｔ　ｉ）Ｏｓ　、（Ｂ　ａ、　Ｓ　ｒ）Ｔ　ｔｏ　ｓ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を用いてもよい。

なお、上記圧電素子３のフィルム部分は、セラミックス
系と異なりヤング率が低い。したがって、圧電素子３は
、振動板２と一体化されることにより、圧電性を損なう
ことなく、振動モードを振動板２の厚さ、径の大きさお
よび材料のヤング率で任意に選択することができる。

これらの検知Ｉｌｌこおいて、円形孔５の内径ｄと、真
円状穴６ａの内径ｄ。との間には、次の関係が付与され
る。

０．１５≦ｄ／　ｄ、≦Ｑ、７−・−−−−Ｃａ）この
（ａ）式では、言い替えると、円形孔５の面積が真円状
穴６ａの面積の２．２５％ないし４９％の範囲であるこ
とを意味する。ただし、円形孔５において、振動板用孔
２ａが圧電素子用孔３ａより大きい場合は、振動板用孔
２ａを基準として設定する。

また、振動板２のヤング率Ｅｖおよび厚さ寸法Ｔｖと、
圧ｒｒｉ素子３のヤング率Ｅｆおよび厚さＴｆとの間に
は、 （Ｅｖ　ＸＴｖ’　）／（Ｅｆ　ＸＴｒ’　）≧５−・
・・（ｂ）なる関係を有するように設定される。

さらに、振動板２における許容たわみｍωｍａＸは、後
述する理由により、計測すべき最大加速度Ｇ　ｍａｘと
の関連において決定され、ωｍａｘ≦０．４Ｘ　ｈ　−
−−−−−Ｃｃ）なる関係、さらに詳しくは前述の（１
１）式を満足さＵるように設定される。

く実験例〉 前述した（ａ）　（ｂ）　（ｃ）の条件の一部をＮ４た
さないザンプル＃Ｉないし＃１０と、これらの条件をず
べて満たずザンプル＃ｌｌないし＃２０とについて比較
した。比較結果を第１表に示す。

＊　１　：　ＯＧ＝Ｇｍａｘの範囲での比例直線性＊２
：　＃９および＃ｌＯを１としたときのＱ　ｗａｘでの
出力比 ただし、 Ｘ　＝（ＥｖＴｖ’　）／（ＥｆＴｒ″）Ｙ＝ωｍａｘ
／ｈ Ｚ−円形孔の直径／真円状穴の直径 であり、さらに、実験例に使用したサンプル＃１ないし
＃２０の仕様は、次の通りである。

圧電素子 材質：ポリフッ化ビニリデン延伸フィルム圧電定数ｄｓ
ｒ　：　２０　ｐｃ／　Ｎヤング率Ｅｆ　：　２ＪＸｌ
Ｏ’Ｐａ 厚さ＝９μｍないし３５μｌ 大きさ：　ｄ、＝　７　ｆｆ１ｍ％ｄ　＝０．７ｍ＋＋
＋ないし５．６ｎｕｎ、振動板 材質；ｇｌ箔およびニッケル ヤング率Ｅｖ　：　１３．０ＸｌＯＩ０Ｐａ（Ｃｕ）ヤ
ング率Ｅ　ｂ　：　２０．２Ｘ　２１）ＩｏＰ　ａ（Ｎ
　Ｄ厚さ＝３．５μｍないし１７μｍ 大きさ：ｄｏ＝７１、ｄ、＝ｄと同じ 固定部（固定枠） 材質ニガラス強化エポキシ樹脂 厚さ三片側　ｌａｍ 大きさ：　ｄ、＝　７ｍｍ、　Ｄｏ＝　Ｉ　３ｎ＋直線
性は、振動周波数ＩＨｚないし１０００１−１ｚの範囲
において誤差５％以内のものを［良〕、周波数特性も振
動周波数１）１ｚないし１０００１（ｚの範囲において
誤差１０％以内のむのを［良］、総合判定は、直線性お
よび周波数特性が［良］で、かつ、出力値が１以上であ
るものを［良］とした。

この結果、サンプル＃１１ないし＃２０のもの、つまり
、前述した（ａ）　（ｈ）　（ｃ）式の条件をすべて満
たすものは、他のものと比較して、検出出力の絶対値、
直線性、周波数特性のすべての点で優れており、特に、
広い加速度箱ＶＢＯＧないし１００Ｇにおいて、検出出
力の直線性が得られることが明らかとなった。

なお、振動板の材質は、前述した銅箔、ニッケルの他、
亜鉛などの他の金属でも良く、固定部（固定枠）につい
ても、剛性が高く圧電素子および振動板を確実に同定で
きるものであれば特に材料を限定するしのではない。

「発明の効果コ 以上説明したように、本発明に係る圧電型加速度センサ
によれば、圧電素子を真円状穴の中で振動させるととも
に、そのｒ！ｉ動時のたわみ贋を振動板の厚さと関連づ
けて設定し、中心孔の大きさや変形こわさなどとの条件
を加味した構成とすることによって、以下のような優れ
た効果を奏するものである。

■高分子系圧１ｒ１素子の特徴を生かすとともに、加速
度の大きさの計測範囲を広範囲とすることができる。

■広範囲の加速度範囲、周波数域において、出力の直線
性を得ることができる。

■出力電圧が高感度で得られ、検出部の小型、軽量化を
達成できる。

【図面の簡単な説明】

第１図ないし第３図は本発明に係る圧電型加速度センサ
の一実施例を示すもので、′：５１図は平面図、第２図
は斜視図、第３図は正断面図、第４図の（イ）〜（ニ）
は圧電型加速度センサの従来措造例を示す正断面図であ
る。 ！・・・・・・検知部、 ２・・・・・・振動板、 ２ａ・・・・・・振動板用孔、 ３・・・・・・圧電素子（圧電フィルム）、３ａ・・・
・・・圧電素子用孔、 ４・・・・・・電極、 ５・・・・・・円形孔、 ６・・・・・・固定部（固定枠）、 ６ａ・・・・・・真円状穴（振動穴）、Ｒ・・・・・・
積層体。

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
   において、 前記検知部（１）は、固定部（６）における真円状穴（
   ６ａ）の中に振動板（２）と薄膜状の高分子系圧電素子
   （３）との積層体（Ｒ）が張架状態に支持されるととも
   に、該積層体の中心部に真円状穴と同心円状の円形孔（
   ５）が形成され、円形孔の内径が真円状穴の内径の１５
   ないし７０％の範囲とされ、 該検知部における振動板（２）は、そのヤング率Ｅｖお
   よび厚さ寸法Ｔｖと、圧電素子（３）のヤング率Ｅｆお
   よび厚さ寸法Ｔｆとの間に、 （Ｅｖ×Ｔｖ＾３）／（Ｅｆ×Ｔｆ＾３）≧５ なる関係を有するものとされ、 振動板（２）における計測最大加速度Ｇｍａｘ時の許容
   たわみ量ωｍａｘが、振動板の厚みｈの４０％以内に設
   定されていることを特徴とする圧電型加速度センサ。
2. ２．振動板（２）の許容たわみ量ωｍａｘが、次の条件
   を満足することを特徴とする請求項１記載の圧電型加速
   度センサ。 ▲数式、化学式、表等があります▼ ▲数式、化学式、表等があります▼ ▲数式、化学式、表等があります▼ ただし、ｂ：固定部の真円状穴の半径（ｃｍ） ａ：円形孔の半径（ｃｍ） ρ：振動板の密度（ｋｇ／ｃｍ＾２） ν：振動板のポアソン比 Ｅｖ：振動板の弾性率（Ｎ／ｃｍ＾２） Ｔｖ：振動板の厚さ（ｃｍ）