JPH03108672A - 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Ｊ 物理量である加速度の検出は、 Ｆ＝ｎ＋α （ただし、Ｆ：力、Ｉｌ：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ｍ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ナにおい
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［圧縮型コ。

（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の分極軸方向と開方、同な面に対
するずれとして発生する［剪断型］。

（ハ）支持体Ｓに圧７１１索子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
か加わると、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には、（イ
）の圧縮型、あるいは（ロ）の’ＪＪ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。

本発明台等は、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、検出感度を向上さけるこ
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寒、−般の圧電
素子においては、歪みの生じる位置や歪みの方向によっ
て圧電定数が変化する現象があり、歪みの方向によって
圧電定数が相違するものにおいては、圧電素子の表面に
おける周方向の位置や、半径方向の位置によって電荷の
正負が異なる部分が同一面上に同時に発生する現象が起
こることを知見１．た。

本発明は、上記知見に鑑みてなされたものであり、各所
で発生ずる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段」 本発明は、上記課題を解決するための手段を提案してい
る。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Ｉ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３の両面に分割電極４Ａ・４Ｂ・４
Ｃ・４Ｄが一体に設けられ、該分割電極４Ａ・４Ｂ・４
Ｃ・４Ｄは、圧電素子３の表面上に検知部ｌの中心を原
点とする極座標系の任意点「、θをとり、該任意点ｒ、
θにおける圧電定数が最大となる方向の圧電定数をｅａ
ｌその方向と直交する方向の圧電定数をΘｂとし、前記
極座標系の任意点ｒ、θにおける半径方向の歪みをεｒ
、円周方向の歪みをεｅとしたとき、 （ｅａｃｏｓ’θ＋Θｂｓｆｎ’θ）εｒ＋（ｅａｓｉ
ｎ’θ＋ΘｂｃＯ８’θ）ｅ　Ｏ＞　Ｏ＝（ｉ　）の関
係が成立する部分と、 （ｅａｃｏｓ’θ＋Θｂｓｉｎ’θ）εｒ＋　（ｅ　ａ
　ｓｉｎ’０　＋　ｅ　ｂ　ｃｏｓ”θ）５　ｅ　＜　
０　＝−（ｉｉ　）の関係が成立する部分とに分割して
設けられ、かつ、分割電極４Ａ・４Ｂ・４Ｃ・４Ｄが圧
電素子３に対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の間を並列接続して同
一極性の電荷を検出することを特徴とする圧電型加速度
センサとしている。

「作用　」 検知部１の圧電素子３７こ、その厚さ方向に−様な加速
度が加イっったとき、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／
ｍ）、Ｃ：静電８舟である。

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、Ｑｌ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）が反対になる電荷が同時に発生する。

この二つの電荷Ｑ＋　　”Ｑｌを、第３図の電気的等価
回路モデル図に示すように、チャージアンプＩＯで集め
て処理することなどにより、総合電荷Ｑ＝ＱＩ　＋Ｑｔ に対応する電気ｍ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か発生す
ることがあり、圧電素子３の片側表面に発生した全電荷
を同一７１Ｘ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、圧１！索子３が歪みを生じたときの圧電特性、
つまり、圧電定数が方向によって相違する（異方性を有
する場合であると、前述したｉ式と１１式が成立する）
範囲では、極性、正負が異なるので、周方向の角度を設
定して、圧電素子３の表面において、ある瞬間に正極性
となる部分と負極性となる部分とに分けて、電荷Ｑ、と
電荷Ｑ、とを集めるようにして、異方性の電荷を同一電
極で集めるのを避ける。

一方、圧電素子３の表裏？こ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−／ＩＤ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４Ｇ−
／ＩＤの面積とに差がある分だけ影響を及ぼすことにな
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１は検知部、２は振
動体、３は圧電素子、４Ａ・４Ｂ・４Ｃ・４Ｄは分′Ｉ
ＩＪｍ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、圧電素子３と分割電極４Ａ・４Ｂ・４
Ｃ・４Ｄと裏打ちＩｔ８とその接若層９との積に７　＋
＋’ｌ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は、内径
７ｆｆｌＩ１１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らに、張架状態に支持されてい
る。

前記圧電素子３は、高分子系圧電フィルム（ポリフッ化
ビニリデン材等）が採用され、圧電特性に異方性（方向
性）を有しており、厚さ３０μｍの高分子系圧電フィル
ムの裏面に、エポキシ樹脂系接着剤により厚さ１５μｍ
の銅箔からなる裏打ち材８を貼付したものなどが適用さ
れ、圧電素子３と裏打ち材８との間が接着Ｂ９によって
電気的に絶縁状聾とされているとともに、圧電素子３の
両面に、分割電極４Ａ・４Ｂ・４Ｃ・４Ｄが一体に形成
される。

つまり、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
称状態に組み合わけて形成されるものであるが、裏面側
の分割電極４Ｂ・４Ｄは、前述の接着層９によって覆わ
れることにより裏打ち材８に対して電気絶縁状態とされ
ている。

このような分割電極４Ａ・４Ｂは、圧電素子３の両面に
アルミ蒸着法によって一体に形成した厚さ０．０５〜０
．１μｍ程度の蒸着アルミ層を、化学エツチング加工に
よって不要部分を除去するなどの方法で、第１図に示す
ように形成されるものであり、圧電素子３の表裏面に同
心円状および面対称状態に、外側の分割電極４Ａ・４Ｂ
と内側の分割電極４Ｃ・４Ｄとが組み合わせ状態に形成
され、裏面側の分割電極４Ｂ・４Ｄは、前記接着層９で
覆われることによって、裏打ち材８に対して電気的に絶
縁されている。

そして、外側の分割電極４Ａ・４Ｂは、その外径が約７
１１Ｉａで振動穴６ａの中に収まる程度、内径が前述し
た（ｉ）（ｉｉ）式の境界近傍（例えば直径４．８ａｍ
程度）となる環状をなし、圧電定数が最大となる方向を
０度としたときに、＋７０〜＋１１０度および−７０〜
−１１０度の範囲をエツチング加工して切り離すことに
より、円環状の一部に切り雌し部４ｅが形成されて、前
記端子導体７Ｂを半径外方向に導いており、その反対側
に、前記範囲を除去した切欠分４ｆと一部を残して半径
外方向に膨出させた接続導体４ｇとが形成され、該接続
導体４ｇが、前記端子導体７Ａと接続されている。

また、内側の分割電極４Ｃ・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の内径に合わ仕て形成された環状の部分に
、前述した＋７０〜＋ＩＩＯ度および−７０〜−１１０
度の範囲をほぼ外径７■まで拡大形成した扇形部分４ｆ
を付加したものとされ、一方の扇形部分７１が前記端子
導体７Ａと接続されることになる。

なお、外側の分′ｌＩＪ？Ｉｌｔ極４Ａ・４Ｂと内側の
分割電極４Ｃ・４Ｄとの間隙は、例えば１０μＩに設定
されている。

前記固定部６は、ガラス−エポキシ樹脂積層板を切削加
工して、内径７ｍｆｆ１１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る。

［実験例］ 第１図および第２図（実施例）に基づくサンプル＃ｌと
、比較のための類似構造の後述するサンプル＃２および
サンプル＃３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４．８ｆｆｉｆ
ｆｌの環状のもので、＋７０〜＋１１０度および−７０
〜−１１０度の範囲を除去したものと、内側の分割電極
４Ｃ・４Ｄとして、外径４．８ｍｍ、内径２．７１１ｎ
＋の環状体扇形部分を４ｇ・４１を付加したものとを組
み合わせ、かつ、内外の分割電極４Ａ・４Ｂ・４Ｃ・４
Ｄの間隙を５０μｍとし、圧電素子３の中心部に２．７
ｍｍの孔５を明けたもの。

くサンプル＃２〉 サンプル＃１における外側の分割電極４Ａ・４Ｂの部分
のみを設け、他の部分をエツチングによって除去した状
態のもの。

〈サンプル＃３〉 サンプル＃１における分割電極４Ａ・４　Ｂ　−４０・
４Ｄの環状部分に準する単純な環状７Ｉｆ極、つまり、
内径４．８ｍ１ｍおよび外径７ｍｌ１ｌの外側電極と外
径４．８１および内径２，７ＩＩ１ｍの内側電極を組み
合わせた完全な円環状の電極で、圧電定数が高くなる方
向に関連する除去や扇形部分などの異方性を考慮してい
ないもの。

これらのサンプル＃Ｉないし＃３について、次の試験Ａ
および試験Ｂを行なった。

［試験Ａ］ １００ｔｌ　ｚ、　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ｌとしたときのサンプル＃２およ
びサンプル＃３の相対出力比を第１表に示す。

第２表 第１表 ［試験Ｂコ １００１−１　ｚ、　Ｉ　Ｃ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）した。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＃１ないしサンプル＃３において、初
期出力を１としたときの相対出力比を第２表に示す。

これらの比較結果を整理して説明すると、サンプル＃１
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およびサンプル＃３と比較して、発生出力その
ものが数！θ％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２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、焦電効果が現れにく
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、焦電効果が現れてお
り、また、サンプル＃３は、サンプル＃１よりも特性変
化が大きくなる傾向を示した。

したがって、第１表と第２表とに示す納采を総合すると
、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〕 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）圧電素子を高分子系以外のもので、かつ、圧電特
性に方向性（異方性）を有するものに適用すること。

（ｂ）圧電素子における弾性率の温度依存性が大きい場
合において、共通電極に弾性率の高い金属箔、金属板な
どを裏打ち材として採用する際に、次式の条件を満足さ
せること。

ＥｙＴｖ’　／　ＥｐＴｐ３≧５−−　（ｉｖ　）ただ
し、 Ｅｖ：Ｊｔ：通電棒の弾性率 １゛ｖ：共通電極の厚さ Ｅｐ：圧電素子の弾性率 Ｔｐ：圧電素子の厚さ （Ｃ）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と。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。

（ｄ）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ζこ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。

■圧電素子が異方性を有する場合に、圧電定数が最大と
なる方向に対しての角度を勘案して分離電極を設けるこ
とにより、異方性が存在することを利用して、検出出力
をさらに増太さ仕る改善を行なうことができる。

■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、焦電効果によっ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？１１を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、検出出力を安定さ仕ることができる。

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
矢視図親図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＃Ｒ造例を示す正断面図である。 ！・・・・・・検知部、 ２・・・・・・振動体、 ３・・・・・・圧電素子、 ４Ａ・４Ｂ・・・・・・分割電極、 ４Ｃ・・・・・・共通電極、 ４ｄ・・・・・・切欠部、 ４ｅ・・・・・・接続導体、 ４ｒ・・・・・・扇形部分、 ５・・・・・・孔（円形孔）、 ６・・・・・・固定部（固定枠）、 ６ａ・・・・・・振動穴、 ７Ａ・７Ｂ・・・・・・端子導体、 ８・・・・・・裏打ち材、 ９・・・・・・接着層、 １０・・・・・・チャージアンプ。

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分割電極（４Ａ・４Ｂ・４Ｃ・４
   Ｄ）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、該任意点における圧電定数が最大となる方
   向の圧電定数をΘａ、その方向と直交する方向の圧電定
   数をΘｂとし、前記極座標系の任意点における半径方向
   の歪みをεｒ、円周方向の歪みをε＿θとしたとき、 （Θａｃｏｓ＾２θ＋Θｂｓｉｎ＾２θ）εｒ＋（Θａ
   ｓｉｎ＾２θ＋Θｂｃｏｓ＾２θ）ε＿θ＞０・・・・
   ・・（ｉ）の関係が成立する部分と、 （Θａｃｏｓ＾２θ＋Θｂｓｉｎ＾２θ）εｒ＋（Θａ
   ｓｉｎ＾２θ＋Θｂｃｏｓ＾２θ）ε＿θ＜０・・・・
   ・・（ｉｉ）の関係が成立する部分とに分割して設けら
   れ、かつ、分割電極が圧電素子に対して面対称状態に設
   けられてなり、複数の分割電極の間を並列接続して同一
   極性の電荷を検出することを特徴とする圧電型加速度セ
   ンサ。