JPH02234064A - 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、圧電型加速度センサに係り、特に、圧電特性
の異方性を有する加速度センサの検出感度を向上させる
技術に関するものである。

「従来技術」 物理量である加速度の検出は、 Ｆ＝ａ＋　　α （ただし、Ｆ：力、Ｉ：質量、α；加速度）で与えられ
、加えられた力と比例関係にある。

加速度センナは、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
生の仕方の違いにより、第４図の（イ）〜（ハ）に示す
ように、大略３Ｎ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］。

（口）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［剪断型］。

（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［片持ち梁型コ。

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には、（イ
）の圧縮型、あるいは（口）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」 ところで［片持ち梁型コは、低周波、低加速度の検出に
優れているが、この場合、圧電素子の一端を支持体に固
定する場合の固定条件の実現が錐しく、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。

本発明者等は、前に、特願昭６２−２５８７８０号他に
おいて、固定枠の中に圧電素子を支持させるとともに、
振動部分の中心部に孔を明けることにより、検出感度を
向上させることの可能な圧電型加速度センサを提案した
。

その後において、さらに研究を重ねた結果、一般の圧電
素子においては、歪みの生じる表面方向や位置により電
荷発生効率が変化する現象があり、電荷発生がほぼ０と
なる部分や、発生電荷が負となる部分があることを知見
した。

本発明は、上記知見に鑑みてなされたものであり、発生
電荷の有効部分だけを取り出１，て、一層の高感度化を
図ることを目的としている。

「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圧電型加速度センサに
おいて、前記検知部は、固定部における振動穴の中に、
中心部に孔が形成された薄膜状の圧電素子が張架状態に
支持されるとともに、該圧電素子の表面に電極が一体に
設けられてなり、電極は、圧電率が最大となるＸ軸方向
の圧電歪定数をｄｘ，　Ｘ軸方向と直交するＹ軸方向の
圧電歪定数をｄｙ、圧電素子の表面上において検知部の
中心を原点とする極座標系の任意点における半径方向の
歪みをεｒ，周方向の歪みをεθ、Ｘ軸方向とのずれ角
度をθとしたとき、 の関係が成立する範囲に設けられる構成を具備している
。

また、第２の手段とし．て、圧電素子の両面に一体に設
けられる電極の一方が、圧電素子の表面全面に設けられ
ている構成を、第１の手段に付加している。

「作用　」 検知郎に加速度が加わったときに、圧電素子の厚さ方向
の振動部分に歪みを生じるが、任意点の位置における半
径方向と周方向との歪み状態は、場所によって引っ張り
歪みあるいは圧縮歪みとなる。したがって、圧電素子の
片側の表面を見ると、正と負の電荷が同時に発生してい
る部分があり、この場合に、片側表面の全部の電荷を同
一電極で集めると、電荷を相殺した状態で．取り出すこ
とになり、見掛け上の発生電荷が少なくなる。

例えば、中心の孔付近と固定部付近や、検知部の中心を
原点とした極座標系で考えると、発生する電荷の符号が
場所により異なる現象が生じる。

第３図に示す任意点（ＰＫ．Ｐｙ）において、半径方向
の歪みをεｒ１周方向の歪みをεｅ１Ｘ軸方向の圧電歪
定数をｄｘ，　Ｙ軸方向の圧電歪定数をｄＹ，　Ｘ軸方
向とのずれ角度をθとすると、任意点（極座標乙ｅ）の
発生電荷量Ｑは、次の（１１）式で表される。（この場
合、圧電率の最大方向をＸ軸方向にとる） Ｑ　＝　Ｅ　Ｘ　（（ｄｘｃｏｓ”θ＋ｄｙｓｉｎ”θ
）εｒ＋　（ｄｙｃｏｓ”θ＋ｄｘｓｊｎ″θ）６　ｅ
）　　−−（ｉｉ　）ただし、Ｅ；圧電素子の弾性率 そして、Ｑ≦０となる範囲は、 の条件を満たす範囲となる。したがって、この範囲には
電極を設けないようにすることが望ましい。

一方、固定部により支持されて振動しない部分は、歪み
を生じないため、電荷発生量は常時０であるから、電極
を省略してもよい。かつ、ＦＥＴ等によりインピーダン
ス変換をする場合に、出力電圧の低下につながるため、
これらの部分を避けた箇所に電極を配設する。つまり、
（ｉ）式の関係が成立する部分、すなわち、より大きな
同一極性の電荷が発生するＸ軸方向の付近を主体に電極
を設け、孔周辺部やＹ軸方向に相当する発生電荷の異な
る部分や、固定部のように電荷を発生しない部分には、
電極を設けないようにした状態で発生電荷を取り出すよ
うにすることにより、電荷の取り出し量を増加させ出力
向上を図るものである。

「実施例」 以下、第１図および第２図を参照して、本発明に係る圧
電型加速度センサの一実施例について説明する。

第１図および第２図において、符号１は検知郎、２は振
動体、３は圧電素子、４は電極、４ａはその端子部、５
は円形状などの孔（円形孔）、６は固定部（固定枠）、
６ａは振動穴である。

前記振動体２は、厚さ９μｌの高分子系圧電素子３の上
側（第２図において上面）と下側（第２図の下面）とに
、電極４を一体に設けてなるものであり、中心郎に内径
２．７ｍｍの円形状の孔（円形孔）５を明けたものであ
る。そして、内径７ａＩＩｌ１外径ｌ３ＩＩＩＩ１の円
形枠状の固定部６で挾むようにして、孔５の中心が円形
状の振動穴６ａと同心円状に配置されるとともに張架状
態に支持されている。

而記高分子系圧電素子３は、圧電性に異方性を有して、
第１図に示すＸ軸方向の圧電歪定数ｄｘがＹ軸方向の圧
電歪定数ｄｙの５倍であ．る。

そして、上側の電極４は、厚さ０．１μｍのアルミニウ
ムを真空蒸着した後に、化学エッチングによって第１図
に示す形状としたものが適用され、外径７　＋ｓ＋ｉ，
内径４．８ｍｓ＋の大きさで、第２図に示すように、振
動穴６ａに収まる最大径とされて、内周縁を孔５の外側
に離間した位置に配置するように設定されており、さら
に、第１図に示すように、電荷を取り出すための端子郎
４ａの部分が、Ｙ軸方向に固定部６まで延ばされて挾ま
れるように設定され、その近傍とその対称位置に角度α
の切欠部分４ｂが形成されている。

前記下側の電極４は、振動板を兼用するものであり、厚
さ５μ―のニッケルめっき層によって形成されていると
ともに、高分子系圧電素子３の大きさに合わせて設定さ
れている。

［実験例］ 第１図および第２図例、その類似構造の圧電型加速度セ
ンサのサンプルＩないしサンプル■を作り、電極形状に
よる振動特性の差を検討した。

〈サンプル＃１〉 第１図例のもの、つまり、上側の電極４が内径４．８ｍ
ｓ，外径７一量であり、下側電極４が圧電素子３と同一
形状であり、中心部に２。７ｓａ＋の孔５を明け、端子
郎４ａと切欠部分４ｂを有するもの。切欠郎分４ｂの形
成範囲は、Ｘ軸に対してそれぞれ７０°ないしｌｌθ°
である（この範囲を除去した）。

〈サンプル＃２〉 固定部６も含め、圧電素子３の上下両面全体に電極４を
一体に設け、中心郎に２．７ｍｏ＋の孔５を明けたもの
み くサンプル＃３〉 上側の電極４が内径４．８ｒａｍ，外径ｆ３ｍｍで固定
部６の部分にもアルミニウム層があり、下側電極４が圧
電素子３と同一形状であり、中心部に２．７１の孔５を
明けたもの。

これらのサンプル＃ｌ〜＃３について、　それぞれ２０
０Ｈｚ，　ｆ　Ｇの正弦波振動加速度を加え、このとき
の発生電萄および発生電圧を、それぞれサンプル１を１
００として比較した。この比較結果を第１表に示す。

第１表 これらの比較結果を整理して説明すると、サンプル＃ｌ
１つまり、発明の一実施例の条件を有するものは、他の
サンプルと比較して発生電荷および発生電圧の両方の点
で優れており、検出感度が高いことが明らかで、＃３と
比較して、切欠部分４ｂの存在や固定部６の導電部分を
除去したことが、特性の向上に寄与していると思われる
。

サンプル＃２は、従来技術に準じたものであるが、各サ
ンプルの中ではもっとも発生電圧が低い値を示した。

サンプル＃３は、発生電圧が中間的な値を示した。これ
は、上側の電極４が中心の孔５の周辺から除去されて形
成されているために、振動穴６ａの中の範囲では、前述
したＸ軸方向の歪みとＹ軸方向の歪みとがそれぞれ同一
極性となって、感度を向上させたものであると考えられ
、かつ、上側の電極４の周辺部が、＃１の切欠部分４ｂ
に相当する部分や、固定部６の部分にも存在するために
、全体としての電荷の取り゛出し効率と発生電圧とを低
下させた分だｊナ、サンプル＃１と比較１，て特性が悪
くなったものと考えられる。

［他の実施態様Ｊ （ａ）電極４の上下の大きさおよび形状を同一にすると
ともに、圧電素子３の部分を第２図に示すＰＩ　ｊこ準
じて、振動六６ａに収まる程度の最大径および内周縁が
孔５の外側に位置するように設定すること。

（ｂ）圧電素子を高分子系以外の異方性を有する材料と
すること。

（Ｃ）電極４を例えばスパッタリング法や真空蒸着等で
マスクを用いて形成する等の手段により形成すること。

「発明の効果」 以上説明したように、本発明に係る圧電型加速度センナ
によれば、振動部分に孔を明けることにより、加速度検
出出力を増大させることができるとともに、圧電率に異
方性を存する圧電素子表面において、発生電荷の極性が
同一となる部分に電極を配して電荷の取り出しを行なう
ようにしたから、異方性が存在することを利用して電荷
の取り出し量を増加させ、一層の検出出力の向上・を図
ることができるなどの効果を奏するものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る圧電型加速度センサの一実施例を
示す平面図、第２図は第１図の■一■線矢視図、第３図
は圧電素子の表面上における極座標系の歪みのモデル図
、第４図の（イ）〜（二）は圧電型加速度センサの従来
構造例を示す正断面図である。 １・・・・・・検知部、 ２・・・・・・振動体、 ３・・・・・・圧電素子（高分子系圧電素子）、４・・
・・・・電極、 ４ａ・・・・・・端子郎、 ４ｂ・・・・・・切欠郎分、 ５・・・・・・孔（円形孔）、 ６・・・・・・固定部（固定枠）、 ６ａ・・・・・・振動穴。 出顆人　藤倉電線株式会社 図 （口）　Ｆ ↓

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
   る振動穴（６ａ）の中に、中心部に孔（５）が形成され
   た薄膜状の圧電素子（３）が張架状態に支持されるとと
   もに、該圧電素子の表面に電極（４）が一体に設けられ
   てなり、電極は、圧電率が最大となるＸ軸方向の圧電歪
   定数をｄｘ、Ｘ軸方向と直交するＹ軸方向の圧電歪定数
   をｄｙ、圧電素子の表面上において検知部の中心を原点
   とする極座標系の任意点における半径方向の歪みをεｒ
   、周方向の歪みをεθ、Ｘ軸方向とのずれ角度をθとし
   たとき、 ｔａｎ＾２θ＞−ｄｘεｒ＋ｄｙε＿θ／ｄｙεｒ＋ｄ
   ｘε＿θの関係が成立する範囲に設けられることを特徴
   とする圧電型加速度センサ。
2. 　２．圧電素子（３）の両面に一体に設けられる電極（
   ４）の一方が、圧電素子の表面全面に設けられているこ
   とを特徴とする請求項１記載の圧電型加速度センサ。