JPH03214062A - 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〕 この発明は、膜状圧電体を用いた圧電型加速度センサに
関し、その耐衝撃性を向上せしめたものである。

〔従来の技術〕

本発明者等は、先に被測定物に剛に取り付けられる台座
と、この台座の感知軸に垂直な測定面に固着された膜状
圧電体と、この膜状圧電体上に固着され慣性質量部とし
て作用する剛体からなる荷重体を具備した圧電型加速度
センサ（以下、センサと略記する。）を提案している（
特願平１−１１３２５５号など）。

このようなセンサにおける膜状圧電体からの信号取出用
の電極の形成方法として、アルミニウム箔や銅箔などの
金属箔を電極とし、これをエポキシ系接着剤などの誘電
性接着剤で接着するものがある。

この電極の形成方法は、電極をアルミニウムなどの金属
の蒸着によって形成するものに比べ、膜状圧電体と電極
との接合強度が大きく、感知軸に直交する方向の衝撃力
に対して強い利点がある。

しかしながら、センサの用途等によっては１０００Ｇを
越える衝撃力が加わる場合があり、このような場合には
耐衝撃性が不足することがある。

これは、膜状圧電体として、主にポリスフ化ビニリデン
、ポリフ、化ビニルなどのフッ素樹脂が用いられ、これ
らフッ素樹脂は元々不活性で接着性に劣ることから膜状
圧電体と金属箔電極との十分な接青力か１積られないこ
とに起因している。

〔発明か解決しようとする課題〕

よって、この発明の課題は、膜状圧電体と金属電極との
接着か強固に行え、耐衝撃性の高いセン→引を１１１る
ことにある。

〔課題を解決するたｙ）の手段］ フ、・素柑脂からなる膜状圧電体の金属電極との接青面
をｒ・め活性化処理しておくことを１段とする５３ 〔作　用〕 活性化処理によ−）で膜状圧電体の接着性が向−■−し
、膜状１−１−電体と金属電極との接青力か人きく増ノ
くする７、これによりセンサの耐衝撃性が向上する。

以ｔ゛、この発明の詳細な説明する。

第１図は、この発明のセンサの一例を示すもので、図中
符号１は台座である。

この台座ｌはセンサの基体をなし、１−分な剛性を有す
る材料、例えば鋼、黄銅、アルミニウムなどの金属、ガ
ラス、セラミックス、繊維強化プラス千ツク、硬質プラ
スチックスなどから作られている。また、台座１をなす
材料の弾性率は後述の膜状圧電体のそれ以上とされ、台
座１の厚さは膜状圧電体の数倍であることが望ましい。

ここでの台座１はその形状が円柱状となっているが、こ
れに限られることはなく、板状、直方体などでもよい。

この台座１の一つの表面は、平坦かつ平滑な測定面２と
なっている。この測定面２は、このセンサの加速度の感
知軸Ｇに対して正確に垂直とされた垂直面である必要が
ある。

この台座ｌの測定面２上には、センサ部３が台座１に一
体にエポキシ系接着剤などによって強固に固ｄされてい
る。

このセンサ部３は、膜状圧電体４と、この膜状圧電体４
の両面に接着された金属電極５，５とから構成されてい
る。ここで用いられる膜状圧電体４としては、ポリフッ
化ビニリデン、ポリマ・ノ化ビニル、７ノ化ビニリデン
−フッ化ビニル−四フッ化エチレン共重合体、ポリマフ
化ビニルとポリフッ化ビニリチンとのブレンドポリマー
、圧電セラミックス分散７ノ素柑脂なとのフッ素樹脂を
主体とするものが用いられ、その厚みはｌＯ〜３００μ
ｍ程度とされる。

そして、このような膜状圧電体４の表面は、活性化処理
が施されている。この活性化処理は、フッ素樹脂からな
る膜状圧電体表面を活性化して接着剤との親和性を高ｙ
）るためのもので、具体的な処理り法としては溶融ナト
リウムなとの溶融アルカＪ全属に浸漬する方法や市販の
活性ナトリウムを３有するフッ素柑脂処理剤、例えば（
株）潤Ｔ社う１１テトラエ・、チ」　（商品名）に浸漬
する方法、熱強酸や熱強アルカリ、ハロゲン化溶剤に浸
漬するｈ゛法などがある。これらの活性化処理は、その
処理の度合が過剰になると膜状圧電体４自身が劣化する
ので、注意か必要であり、」二記［−テトラエッチ］に
浸漬する方法では、５〜１０秒間程度の浸）Ｖが好適で
ある。

また、金属電極５としては、厚さ１０〜５０μｍ程度の
銅箔、アルミニウム箔などが用いられる。　この膜状圧
電体４と金属電極５．５との接ｎは、エポキシ系接着剤
、フェ／−ル系接着剤、／アノアクリレート系接着剤な
どの誘電性接着剤を用いて行われる。

このセンサ部３は、その形状が第１図に示すように円板
状となっており、台座１の感知軸Ｇにその中心軸が一致
するように接合されている。

また、このセンサ部３上には、荷重体６が一体にエポキ
シ系接着剤などによって強固に固着されている。荷重体
６は、センサの慣性質量部として機能する剛体からなり
、加速度を受けて変位し、センサ部３の膜状圧電体４に
歪みまたは応力を生せしめるもので、その重量はセンサ
の中位加速度当たりの電気的出力に関係するため、特に
限定されることはないが、膜状圧電体４にクリープを生
ぜしめない範囲とされる。通常は黄銅合金などの比重の
大きい材料で構成することが、センサの全高を低くでき
て好ましい。

また、荷重体６は、その全体が同質の材料からなるもの
の他に、異なる材料からなる複合材で形成することもで
きるが、この場合には、それぞれの材料が強固に固着し
、全体として剛体とみなしうるものであることが必要で
あり、それぞれが加速度を受けて別の変位を起こすもの
であってはならない。

この荷重体６も、その形状が円柱状とされており、台座
ｌの感知軸Ｇにその中心軸が一致するように積層されて
いる。

このようなセンサにあっては、膜状圧電体４の表面が活
性化処理されて、接着性が改善されているので、金属電
極５．５と強力に接着された状態となる。また、センサ
部３の金属電極５，５は台座１および荷重体６に対して
エポ牛シ系接行剤などによって強固に固着されている。

このため、このセンサの各部材全部はそれぞれ強固に固
着一体化された状態となり、これらの接合部に弱い個所
が存在しなくなる。よって、感知軸Ｇに直交する方向か
ら強大な衝撃力が加わった場合でも、接合部が破壊する
ことがなく、極めて耐衝撃性の高いものとなる。

また、この例のセンサでは、センサ部３および荷重体６
の平面形状が円形で、かつそれらの中心軸を感知軸Ｇに
一致させであるので、クロストークが低いものとなって
いる。

この発明におけるクロストークとは、センサの感知軸Ｇ
方向の加速度を受けた時の出力Ｐ１と、感知軸Ｇに直交
する方向の加速度を受けた時の出力Ｐ、との比Ｐ　、／
　Ｐ　、で表されるものである。

このクロストークの低減のための条件は、２つあり、そ
の１つは膜状圧電体４の平面形状に関するものであり、
残る１つは荷重体６の立体形状およびセンサ部３に接す
る面の平面形状に関するものである。

まず、膜状圧電体４の平面形状は、測定面２に平行な面
において感知軸Ｇを対称の中心とする点対称でなければ
ならない。第１図に示した例では円形となっているが、
これ以外に上記条件を満たす平面形状としては、平行四
辺形、正方形、楕円、正六角形、六角形、円環形などで
ある。これらの平面形状はすべて感知軸Ｇを対称の中心
とする点対称となっている。勿論、これら以外の平面形
状でも上記条件を満たせば採用可能である。

また、金属電極５の平面形状も同様に感知軸Ｇを対称の
中心とする点対称であることが望ましく、通常は膜状圧
電体４の平面形状と同一とされることが多い。

つぎに、荷重体６のセンサ部３に接する面の平面形状が
感知軸Ｇに対して正確に垂直であり、かつ底面の平面形
状が感知軸Ｇを対称の中心とする線対称である必要があ
る。よって、この条件を満たす形状としては先の膜状圧
電体４の平面形状と同様のものが採用できる。ただし、
膜状圧電体４と荷重体６との組み合わせにおいて、荷重
体６の底面の平面形状と膜状圧電体４の平面形状とは必
ずしも同一形状である必要はなく、例えば膜状圧電体４
の平面形状が正方形で、荷重体６の底面の平面形状が円
形の組み合わせであってもよく、後述するように感知軸
Ｇを同じくすればかまわない。

また、同時に荷重体６は、感知軸Ｇを通り、底面に垂直
な無数の平面で断面した時にすべての断面について感知
軸Ｇを対称軸とする線対称である必要がある。この線対
称の条件を満たすものとしては、第２図ないし第８図に
示すものがある。第２図に示したものは板状であり、第
３図のものは柱状、第４図は錐状、第５図のものは球を
平面で切り取ったもの、第６図のものは楕円体を平面で
切り取ったもの、第７図のものは柱状の内部に空１１１
１を形成したもの、第８図のものは柱体と板体とを組み
合わせたものである。これらの図にお（＼て、符号Ｓは
底面を示し、Ｇは感知軸と一致する対称軸である。また
、この線対称の条件を満たす荷重体６は、したがってそ
の重心が感知軸Ｇ上に位置することになる。

そして、このような条件、すなわち対称性を有する荷重
体６はその対称軸をセンサ部３の対称中心に一致させて
、言い換えれば感知軸Ｇ上にセンサ部３の対称中心と荷
重体６の対称軸とを一致させて配置され、固着されねば
ならない。

以」二のような条件を満足する荷重体６と膜状圧電体４
との絹合わせにより、クロストークを低いものとするこ
とができる。

−・般に、センサにその感知軸方向以外の方向の加速度
が加わった場合、ベクトル分解の法則によ−）で感知軸
に直交する少なくとも二つの方向の成分と感知軸方向の
成分とに分けられる。この感知軸に直交するノｊ向のｒ
成分は、荷重体６の重心に作用し、重心を中心とする曲
げモーメントが荷重体６に働くことになる。このため、
膜状圧電体４の部には圧縮力か作用し、残部には引Ｉｊ
Ｒ力か作用することになる。膜状圧電体４は、Ｉｆ−縮
力と引張力とで反λ、１符号の電荷を生しるか、この電
荷（配か等し、ければ１ｊいに打ち消されて出力が出力
されなくなる９、シたか−〕で、膜状圧電体・１に互い
に入きさか等しい圧縮力と引張力とが作用すれば、膜状
［を電体４からの出力はセロになり、感知軸方向以外の
方向の加速度を検出しなくなる。

よ−パＣ１膜状圧電体４および荷重体６のそれぞれの）
ｆ′／状に、１−述のような対称性を持たせれば、感知
軸Ｇ方向以外の加速度が加わっても膜状圧電体４には等
しい大きさの圧縮力と引張力とが作用することになって
、膜状圧電体４からの出力がなく、クロストークが極め
て小さいものとなる。

また、このセンサは、その測定可能周波数ノ１−限が高
く、測定可能周波数帯域が広いものとなる。

この種のセンサの測定可能周波数の北限はセンサの共振
周波数によって定まる。このセンサの共振周波数は、そ
の構造から台座ｌと前重体６との間に存在するもの、す
なわち膜状圧電体４、金属電極５，５およびこれらを接
着する接着剤層の弾性率を荷重体６の質量で除した値に
比例するため、従来の振動膜型のセンサの共振周波数に
比べて２積置に高くなり、キロヘルプのオーダーとなる
。

但し、接骨剤層の弾性率が低くなると共振周波数か低下
するので、留意すべきである。

このため、センサ部３自体およびこれと台座１および荷
重体６との固着に用いられる接着剤については、接着剤
層と金属電極５の複合等価弾性率をＥＡ、これらの厚さ
の和をｔＡとし、膜状圧電体４の弾性率をＩε１、厚さ
を１．としたとき、次の式で表される関係を満足する必
要かある。

（ＥＡ／　ｔ　Ａ）　／　（ＥＰ／　ｔ　ｐ）≧０．１
この式のき味するところは、加速度によって荷重体６に
士じた力が接骨剤層および金属電極５に上−）で吸収緩
和されることなく膜状圧電体４によく伝わるための条件
であり、１−式の値がＯ１未満となると接着剤層による
吸収緩和が無視できなくなり、■、述のように共振周波
数か低下し、測定１す能周波数帯域を狭めることなる。

なお、接着剤の種類が異なり、弾性率も異なる場合には
、それぞれの接着剤層での弾性率と厚さの比を求め、こ
れを合計して−Ｌ式に代入すればよい１、 したか−】で、ここでの接骨剤としてはエポキシ系、フ
１　、／−ル系、／アノアクリレート系なとの硬化型で
、弾性率の高いものを選択すべきであり、コム系などの
粘着型は不適切である。

以）゛、［１体例を示す。

（実施例１） 膜状圧電体として、厚さ１００μｍのポリフッ化ビニリ
デンフィルムを用意し、これを活性化処理剤の「テトラ
エッチ１申に常温で１０秒間浸漬したのち水洗した。こ
れを乾燥後、その両面に厚さ３０　ｔｔ　ｍの胴箔の金
属電極をエポキシ系接着剤で接青し、このものを１ＣＩ
１１角の正方形に切断してセンサ部とした。このセンサ
部を厚さ５１ＩＩＩｌのアルミニウム製の板状の台座に
エポキシ系接着剤で接青し、このセンサ部の１−に画一
製で、底面がｌｅｅ角の直方体の荷重体を同じくエポキ
シ系接着剤で、その中心軸がセンサ部の中心軸と一致す
るように接骨してセンサを作成した。

（実施例２） 膜状圧電体の片面にのみ「テトラエッチ」を１０秒間常
温で接触せしめた以外は実施例１と同様にしてセンサを
作成した。

（比較例１） 膜状圧電体に処理を施さず、実施例１と同様にしてセン
サを作成した。

く比較例２） 膜状圧電体を１テトラエツチ」中に常温で２秒間浸漬し
た以外は実施例１と同様にしてセンサを作成した。

（比較例３） 膜状圧電体を「テトラエッチＪ中に常温で１分間浸漬し
た以外は実施例１と同様にしてセンサを作成した。

これらの実施例および比較例で得られたセンサについて
、谷センサの基本出力と耐衝撃性を評価した。

センサの基本出力はインピーダンス変換回路を接続して
電圧出力として検出した。また、耐衝撃性については、
感知軸に直交する方向に５０００Ｇの衝撃加速度を加え
、センサ部が破壊されるまでに加えた衝撃の回数で評価
した。

結果を第１表に示す。

第 ■ 表 第１表の結果から、この発明のセンサではセンサ出力に
はほとんど変化はないが、耐衝撃性が太き（向上してい
ることがわかる。また、処理の度合が過剰となるとく比
較例３）、耐衝撃性が逆に低下し、センサ出力も低下し
ている。これは、膜状圧電体の内部にまで薬剤が浸透し
、膜状圧電体そのものを劣化せしめているためと思われ
る。

〔発明の効果〕

以上説明したように、この発明の圧電型加速度センサは
、フッ素樹脂からなる膜状圧電体の表面に活性化処理を
施し、金属電極との接着力を高めたものであるので、大
きな衝撃力が作用しても、膜状圧電体と金属電極との接
着が破壊することがな（、耐衝撃性が極めて優れたもの
となる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明のセンサの一例を示す分解斜視図、第
２図ないし第８図はいずれもこの発明のセンサに好適な
荷重体の立体形状の例を示す断面図である。 ｌ・・・・・・台座、 ２・・・・・・測定面、 ３・・・・・・センサ部、 ４・・・・・・膜状圧電体、 ５・・・・・・金属電極、 ６・・・・・荷重体。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 被測定物に剛に取り付けられる台座と、この台座の感知
   軸に垂直な測定面に固着された膜状圧電体と、この膜状
   圧電体上に固着され慣性質量部として作用する剛体から
   なる荷重体を有し、膜状圧電体の少なくとも片面には金
   属電極が誘電性接着剤で接着されてなる圧電型加速度セ
   ンサにおいて、膜状圧電体がフッ素樹脂からなり、かつ
   その金属電極が接着される面が活性化処理されているこ
   とを特徴とする圧電型加速度センサ。