JPH0310163A - 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、圧電型加速度センサに係り、特に、加速度セ
ンサの検出感度を向上させ、かつ、・焦電効果による出
力変動を低減す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＝ｍα （ただし、Ｆ：力、ｍ：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。

加速度センサは、力という機械量を電気量に変換して検
出する乙ので、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型素子に
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１゜（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［片持ち粱型］。

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
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Ｊ 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難しく、このため周波数
特性や感度が安定Ｌ７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、第４図の（ニ）に示すように固定枠の中に圧電
素子を支持させる手段に、振動部分の中心部に孔を明け
る手段を付加することにより、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、般の圧電素
子においては、歪みの生じる位置により電荷発生効率が
変化する現象があり、同一表面上においても、発生電荷
の極性が異なる部分が同時に発生する現象が起こること
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
電荷の極性を一致させた状態で電荷を取り出して、−層
の高感度化を図り、かつ、検出出力の安定性を得ること
を目的としている。

「課題を解決するための手＆Ｊ 本発明に係る圧電型加速度センサは、第１図及び第２図
に示すように、検知部Ｉに備えられた圧電素子３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ｌは、固定部６における振動
式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３
の両面に半径方向に間隔を空けた分割電極４Ａ・４Ｂ・
４Ｃ・４Ｄが一体に設けられ、該分割電極４Ａ・４Ｂ・
４Ｃ・４Ｄは、圧電素子３の表面上に、検知部！の中心
を原点とする極座標系の任意点ｒ、θをとり、該任意点
におけるｒ軸方向の歪みをεｒ、θ軸方向の歪みをεθ
としたとき、 εｒ＋εθ〉　０　　　　・・・・・・（ｉ）およびε
ｒ＋εｏく　０　　　　・・・・・（ｉｉ）の関係が成
立する部分に分割して面対称状態に設けられてなり、複
数の分割電極４Ａ・４Ｂ・４Ｃ・４Ｄの間を並列接続状
態として同一極性の電荷を取り出す構成を具備している
。

「作用」 検知部ｌの圧電素子３に、その厚さ方向に−様な加速度
が加わったとき、振動部分に歪みを生じて、次式の出力
が得られる。

ただし、ε：歪み、Ｓ：面積、ｅ：圧電歪定数（ｐｃ／
Ｎ）、Ｃ：静電容量である。

また、圧電素子３に生じる歪みは、場所、方向によって
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３の表面には、第３図の電気的等
価回路モデルにおいて、Ｑ、およびＱ２で示すように、
圧電素子３の歪みの位置によって、つまり、外側電極４
Ａ・４Ｂおよび内側電極４Ｃ・４Ｄの位置の違いによっ
て、極性（正負）が反対になる電荷か同時に発生する。

この二つの電荷Ｑ、−Ｑ、を第３図に示す電気的等価回
路モデル図に示すように、ヂャージアンプ８で集めるこ
とにより、 総合電荷Ｑ＝ＱＩ　十〇２ に対応する電気量が得られることになる。

ここで、検知部１の中心を原点とした極座標系を考える
と、ｒ軸方向とθ軸方向とで符号の異なる電荷が発生す
ることがあり、圧電素子３の片側表面に発生した全電荷
を同一電極で集めると、電荷の一部が相殺されるために
、見掛は上の発生電荷が少なくなる傾向を生じる。

そこで、面に垂直な一方向の力が加わったときに、εｒ
＋εθ〉０の関係が成立する範囲と、εｒ＋εθ〈０の
関係が成立する範囲とで分割して、外側電極４Ａ・４Ｂ
の間、内側電極４Ｃ・４Ｄの間で全電荷を取り出すよう
に、例えば、孔５の周辺部と固定部６の近傍との発生電
荷を分割して取り出して寄せ集めることによって、二つ
の電荷Ｑ１　・Ｑ２が加算され、発生電荷を無駄なく集
めることか可能となる。

一方、圧電素子３の表裏に温度差が生じることに基づい
て電荷が発生した場合（いわゆる焦電効果が生じた場合
）であると、その焦電効果による発生電荷が、例えば外
側電極４Ａ・４Ｂと同極性であるとすると電荷が加算さ
れることになるが、反対に、内側電極４Ｃ・４Ｄに対し
て相殺し合うので、電荷を総合した状態で考えると、概
略的に外側電極４Ａ・４Ｂの面積と内側電極４ｃ・４Ｄ
の面積とに差カイある分だｌす影響を及ぼすことＪこな
り、焦電効果による影響が少なくなって誤差の発生を低
減し得るものとなる。

「実施例」 以下、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Ｉは検知部、２は振
動体、３は圧電素子、４Ａ・４Ｂ・４Ｃ・−１Ｄは分割
電極、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、７Ａ・７Ｂは端子導体である。

前記振動体２は、厚さ３０μｍのセラミック系圧電素子
３の両面に、真空蒸着法によってアルミを厚さ０．０５
〜Ｏ１μｍ程度蒸着して、分割電極４Ａ・４Ｂ・４Ｃ・
４Ｄを形成してなる積層構造体であり、中心部に内径２
．７ｍｍの孔（円形孔）５を明けたものである。そして
、振動体２等は、内径７　ｍｍ、外径１３ｍｍの円形の
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。

また、分割電極４Ａ・４Ｂ・４Ｃ・４Ｄは、第１図に示
すように、圧電素子３の表裏面に同心円状にかつ面対称
状態に組み合わせて形成される。

そして、外側の分割電極４Ａ・４Ｂは、その外径が約７
ｍｍで振動穴６ａの中に収まる程度で、内径が前述した
（ｉ）（ｉｉ）式の境界近傍（例えば直径４．８ｍｍ程
度）とされ、円環状の一部に切欠部４ｅが形成さ・れて
、首記端子導体７Ｂを半径外方向に導いており、その反
対側において前記端子導体７Ａと接続されている。さら
に、内側の分割型％４Ｇ・４Ｄは、その外径が外側の分
割電極４Ａ・４Ｂと小間隙を形成する程度で、その内径
が前記孔５の内径に合わけて形成され、かつ、前記端子
導体７Ｂと接続されている。このような分割電極４Ａ・
４Ｂは、前述したように、アルミ蒸着法によって圧電素
子３の表面に一体に形成した蒸着層を、化学エツチング
加工によって、第１図に示すよう？こ、不要部分を除去
することなどの方法によって形成されるとともに、分割
電極４Ａ・４Ｂの間隙は、１０μｍに設定されている。

首記固定部６は、ガラス−エポキシ樹脂積層板を切削加
工して、内径７　ｍｍ、外径１３ｍｍの円形の枠状とし
、振動体２を厚さ方向に挾むようにして、孔５の中心が
円形状の振動穴６ａと同心円状になる配置とするととも
に、振動体２を張架状態に支持するようにしている。

［実験例コ 第１図および第２図（実施例）に基づくサンプル＃１と
、比較のための類似構造の後述するサンプル＃２とを作
製し、電極形状による振動特性の差を検討した。

〈サンプル＃Ｉ〉 第１図および第２図例のもの。つまり、外側の分割電極
４Ａ・４Ｂとして、外径７　ｍｍ、内径４８ｍｍの環状
のもので、一部に切り離し部４ｅが形成されているもの
と、内側の分割電極４Ｃ・４Ｄとして、外径４　、８ｍ
ｍ、内径２．７ｍｍの環状のものとを組み合わせ、かつ
、内外の分割電極４Ａ・４Ｂ・４Ｃ・４Ｄの間隙を５０
μｍとし、圧電素子３の中心部に　２．７ｍｍの孔５を
明けたもの。

〈サンプル＃２〉 サンプル＃ｌにおける表面側で外側の分割電極４Ａの部
分のみを環状に設け、圧電素子３の裏側−面に一様に電
極を設け、中心部に２．７ｍｍの孔を明けたもの。

これらのサンプル＃１および＃２について、次の試験Ａ
および試験Ｂを行なった。

「試験Ａ］ １００Ｈｚ、　Ｉ　Ｇの正弦波振動加速度を加えたとき
の出力を測定した。

試験Ａの結果 サンプル＃Ｉの出力を１００としたとき、サンプル＃２
の相対出力比は７２であった。

「試験Ｂ］ １００ＨＺ、　Ｉ　Ｇの正弦波振動加速度を加えた状態
で、試験雰囲気を室温（２０℃）から３０秒後に５０℃
になるように急速加熱し、３０秒間温度を保った後、再
び室温に戻すように放熱（放冷）（また。そのときの出
力変化を測定した。

試験Ｂの結果 それぞれサンプル＃Ｉおよびサンプル＃２において、初
期出力を１としたときの相対出力比を第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＃１
、つまり、発明の一実施例の条件を満たすものは、サン
プル＃２と比較して、発生出力そのものが数ＩＯ％程度
大きくなり、検出感度を高くできることが明らかである
。

また、第１表により、雰囲気温度が過渡的に変化する条
件下で検討すると、サンプル＃１は、特性変化が少なく
、、温度特性上有利であるとともに、焦電効果か現れに
くいことを意味しているが、サンプル＃２では、過渡的
な温度変化によって特性差、つまり、焦電効果が現れて
、特性変化が大きくなる傾向を示した。

したがって、試験Ａおよび試験Ｂとで得られた結果を総
合すると、サンプル＃１は、検出出力を十分に高めて高
感度化を達成でき、かつ、温度特性”および焦電効果の
点でも有利となる。

［他の実施態様コ 本発明にあっては、次の実施態様を採用することができ
る。

（ａ）圧電素子をセラミック系以外のものとすること。

（ｂ）圧電素子における弾性率の温度依存性が大きい場
合に、圧電素子に裏打ち材を貼付Ｌ７て、振動体として
の性能を改良すること。

（ｃ）裏打ち材を貼付する場合、次式の条件を満足させ
ること。

ＥｖＴｖ３／ＥｐＴｐ３≧５−−−−−−　（ｉｖ　）
ただし、 Ｅｖ：共通電極の弾性率 Ｔｖ：共通電極の厚さ Ｅｐ；圧電素子の弾性率 Ｔｐ：圧電素子の厚さ （ｄ）各電極４Ａ・４Ｂ・４Ｃ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こ七。あるい
は化学的エツチング等の手段により形成すること。

（ｅ）分割電極４Ａ・４Ｂの間隙を小さくする場合、そ
の限度を５μｍ以上として、電極間の電流漏洩を防止す
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サ
によれば、 ■振動体に孔を明けることによって、加速度検出出力を
増大させることができる。

■圧電素子の両面に、分割電極を設けて両極性の電荷を
同時に集めて利用するようにしているから、極性の相異
する電荷が発生した場合における検出出力を向上させる
ことができるとともに、両極性の電荷が同時に発生した
場合に打ち消し合う現象の発生を防止して、検出感度を
向上させることができる。

■圧電素子の両面に分割電極を設けて、圧電素子の一表
面に同時に発生した極性の異なる両電荷を集合させるよ
うにしているため、焦電効果によりて圧電素子の一表面
に誤差となる電荷が生じた場合において、その誤差とな
る電荷が一表面の正電荷および負電荷に対してそれぞれ
増減する方向となって結果的に相殺されるので、焦電効
果の影響を受けることが少なくなる。

■上記により、圧電素子の表裏に過渡的な温度差が生じ
た場合に、表裏の圧電素子特性差による誤差の発生を低
減し、検出出力を安定させることができる。

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
示す一部を切欠した平面図、第２図は第１図の■−■線
矢視図、第３図は本発明に係る圧電型加速度センサの電
気的等価回路モデル図、第４図の（イ）〜（ニ）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。 ！・・・・・検知部、 ２・・・・・・振動体、 ｅ ４ｒ・・ ４ｇ　・ ５　・・・ ６　・・ ａ 　Ａ ・・・・・圧電素子、 Ａ・４Ｂ・４Ｃ・４Ｄ・・・・・・分割電極、・・・・
切り離し部、 接続導体、 ・・扇形部分、 ・・孔（円形孔）、 ・固定部（固定枠）、 振動穴、 ・７Ｂ・・・・・・端子導体、 ・・・・チャージアンプ。 第１図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 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、
   該圧電素子の両面に半径方向に間隔を空けた分割電極（
   ４Ａ・４Ｂ・４Ｃ・４Ｄ）が一体に設けられ、該分割電
   極は、圧電素子の表面上に、検知部の中心を原点とする
   極座標系の任意点（ｒ，θ）をとり、該任意点における
   ｒ軸方向の歪みをεｒ，θ軸方向の歪みをεθとしたと
   き、 εｒ＋εθ＞０（ｉ） およびεｒ＋εθ＜０（ｉｉ） の関係が成立する部分に分割して両面対称状態に設けら
   れてなり、複数の分割電極の間を並列接続状態として同
   一極性の電荷を取り出すことを特徴とする圧電型加速度
   センサ。