JPH032668A - 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
係り、特に構造が簡単で高出力であり、感知軸方向に直
交する方向の加速度による出力か微少である圧電型加速
度センサに関する。

〔従来の技術〕

従来の圧電型加速度センサ（以下、センサと略記する。

）の例として、第１７図に示すようなものがある。この
センサは特開昭５６−１０２５８号公報に開示されたも
ので圧電性ポリマーなどの圧電材料からなる円板状の振
動膜１をその周縁部で環状の枠体２に固定し、振動膜ｌ
の中心の両面に慣性質量として機能する荷重体３を設け
、枠体２を台座４に固定したものである。

そして、このセンサでは、振動膜ｌの膜面に直交し、荷
重体３の中心を通る軸が加速度の感知軸Ｇとなっている
。

こ、のようなセンサでは、その台座４を被測定物に取り
付けることにより、被測定物の感知軸Ｇ方向の加速度変
化を検知することができる。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかしながら、このセンサにあっては、感知軸Ｇ方向に
直交する方向の加速度が加わった際にも、荷重体３がそ
の方向に変位し、振動膜ｌに歪が生じて電気的出力が生
じてしまう欠点があった。

また、構造が複雑で、製造が面倒である不都合もあり、
測定可能な周波数帯域が狭く、その変更も困難である欠
点もあった。

このような従来のセンサの欠点を解消するため、本発明
者等は、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から構成され、膜状圧電体の平面
形状が、前記測定面に平行な面において感知軸を対称の
中心とする点対称であり、荷重体は、それの膜状圧電体
に接する面の平面形状が感知軸を対称の中心とする点ス
・ｉ弥であり、かつ感知軸を通り、測定面に垂直な無数
の平面で断面した時、すべての断面について感知軸を対
称軸とする線対称としたことを特徴とするセンサを案出
し、先に特許出願している。

かかるセンサは、したがって構造が極めて簡単であり、
感知軸方向に直交する方向の加速度が加わった時の出力
が極めて小さく、しかも測定可能な周波数帯域が広いな
どの利点を有している。

しかしながら、この新しいタイプのセンサにおいても以
下のような不都合のその解決が必要であった。すなわち
、センサの電圧による出力を増大させるためには膜状圧
電体の厚さを厚くすればよいことになるが、厚い膜状圧
電体ではそれのポーリング処理が困難であり、双極子の
配向が悪く、圧電定数が小さくなったり、その値がばら
ついたりする不都合がある。

また、電荷としての出力感度を増大させるには、膜状圧
電体の面積を大きくしてやればよいことになるが、膜状
圧電体の面積を大きくすることはセンサの大型化につな
がり、小型化の要望に合わなく　九こる。

〔課題を解決するための手段〕

この発明にあっては、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
体は、その平面形状が、前記測定面に平行な面において
感知軸を対称の中心とする点対称であり、かつ２枚以上
が積層された積層構造とされるとともにこれらの積層界
面で導通状態とされ、 荷重体は、それの膜状圧電体に接する面の平面形状が感
知軸を対称の中心とする点対称であり、かつ感知軸を通
り、前記測定面に垂直な無数の平面で断面した時、すべ
ての断面について感知軸を対称軸とする線対称としたセ
ンサによって上記課題を解決した。

以下、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１１は台座である。この台座１１はセン、すの基体
をなし、被測定物に剛に取り付けられるもので、十分な
剛性を有する材料、例えば鋼、黄銅、アルミニウムなど
から作られている。また、台座１１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１１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１１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１１の一つの表面は、平坦かつ平滑な測定面１
２となっている。この測定面１２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１１の測定面１２上には、２枚の膜状圧電体１
３．１３が互いに積層されて台座１１に対して一体に強
固に固着されている。

膜状圧電体１３は、圧電性を有する材料からなる厚さ１
０〜１００μｍのフィルム状のものであって、その厚さ
が十分に均一でかつ全体が十分に均質なものが用いられ
る。圧電性を有する材料として（友、ポリフッ化ビニリ
デン、ポリ塩化ビニリデン、ポリフッ化ビニル、ポリ塩
化ビニル、ナイロン１１やポリメタフェニレンイソフタ
ラミドなどのナイロン、テトラフロロエチレン、トリフ
ロロエチレン、フッ化ビニルなどとフッ化ビニリデンと
の共重合体、酢酸ビニル、プロピオン酸ビニル、安息香
酸ビニルなどと７アン化ビニリデンとの共重合体、ポリ
フッ化ビニリデンとポリカーボネイトとのブレンドポリ
マー、ポリフッ化ビニリデンとポリフッ化ビニルとのブ
レンドポリマー等のボッマー系のほかに、チタン酸金属
塩、チタン酸ジルコン酸金属塩等の圧電材籾の粉末をポ
リマーに添加、分散したものなどが用いられる。

これら２枚の膜状圧電体１３．１３は互いに同一の形状
で同一の圧電特性を有するものであり、互いに導電性接
着剤などを用いて２枚の表面が電気的に導通状態となる
ように接着されて積層された構造となっており、この積
層物の両面には出力取り出し用のアルミニウム箔などの
電極く図示せず）が設けられている。そして、この２枚
の膜状圧電体１３．１３の積層物と台座１１との固着は
、エボキン系接着剤などの硬化型の接着剤を用いて行わ
れる。２枚の膜状圧電体１３．１３の厚さは同一であっ
ても、異なっていてもよい。

そして、この膜状圧電体Ｉ３にあっては、その平面形状
かクロストークを低減するうえで重要である。

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。

膜状圧電体１３の平面形状が、測定面１２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、例えば第
２図ないし第７図に示すようなものがある。第２図は平
行四辺形、第３図は正方形、第４図は楕円、第５図は正
六角形、第６図は六角形、第７図は円環形である。これ
らの図において符号Ｇはいずれも感知軸Ｇを示す。

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。

このような膜状圧電体１３．１３の積層物の上には、慣
性質量部として機能する剛体からなる荷重体１４が一体
に固着されている。この荷重体１４は加速度を受けて変
位し膜状圧電体１３．１３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単位加速度力たりの電気
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１３．１３にクリープを生じせしめない範囲
とされる。荷重体１４と膜状圧電体１３．１３の積層物
の固着は、台座１１と膜状圧電体１３の固着と同様であ
る。

また、この荷重体１４については、その立体形状がクロ
ストロークを低減するうえで重要である。

まず、荷重体１４の膜状圧電体１３．１３の積層物と接
する面（以下、底面と言う。）は感知軸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１３の平面形状と
同様に例えば第２図ないし第７図に示すものが採用でき
る。ただし、膜状圧電体１３と荷重体１４との組み合わ
せにおいて、荷重体１４の底面の平面形状と膜状圧電体
１３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１３の平面形状が正方形で、荷重体
１４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１４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８図ないし第１４
図に示すものがある。

第８図に示したものは板状であり、第９図のものは柱状
、第１Ｏ図は錐状、第１１図のものは球を平面で切り取
ったもの、第１２図のものは晴円体を平面で切り取った
もの、第１３図のものは柱状の内部に空間を形成したも
の、第１４図のものは柱体と板体とを組み合わせたもの
である。これらの図において、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１４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。

また、荷重体１４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ち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。

そして、このような条件、すなわち対称性を有する荷重
体１４はその対称軸を膜状圧電体１３１３の積層物の対
称中心に一致させて、言い換えれば感知軸Ｇ上に膜状圧
電体１３．１３の積層物の対称中心と荷重体１４の対称
軸とを一致させて配置され、固着されている。

このようなセンサはその台座１１を彼測定物に取り付け
られて用いられ、その感知軸Ｇ方向の加速度を測定する
口とができる。

第１５図および第１６図は、ともにこの例のセンサの出
力取り出しのための結線図である。第１５図に示した例
は、２枚の膜状圧電体１３．１３の積層物の一方の面の
電極と他方の面の電極と、をそれぞれ出力取り出し用の
電極としたもので、このような結線を行うことによって
直列接続となって厚さが２倍の膜状圧電体を用いたもの
に相当することになる。また、第１６図に示した例は、
２枚の膜状圧電体１３．１３の積層物の両方の面の電極
を互いに接続して一方の出力取り出し用電極とし、２枚
の膜状圧電体１３．１３の積層界面の導電性接着剤層を
他方の出力取り出し用電極としたもので、このような結
線を行うことによって面積が２倍の膜状圧電体を用いた
ものに相当することになる。なお、第１５図および第１
６図中において矢印は双極子の向きを示す。

この構成のセンサにあっては、台座１１と膜状圧電体１
３．１３の積層物と荷重体１４とを単に積層したもので
あるので、構造が簡単であり、製造力Ｓ容易となり、小
型化も可能となる。

また、膜状圧電体１３の平面形状が感知軸Ｇを対称中心
とする点対称であり、荷重体１４の底面の平面形状が感
知軸Ｇを対称中心とする点対称であり、同時に荷重体１
４の立体形状が感知軸Ｇを通る平面においてすべて感知
軸Ｇを対称軸とする線対称であるので、クロストークが
微かである。

一般に、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って感知軸に直
交する少なくとも二つ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方向の成分は、荷
重体１４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１４に働くことになる。このため、膜状圧
電体１３の一部には圧縮力が作用し、残部には引張力が
作用することになる。膜状圧電体１３は、圧縮力と引張
力とで反対符号の電荷を生じるか、この電荷量が等しけ
れば互いに打ち消されて出力が出力されなくなる。した
がって、膜状圧電体１３に互いに大きさが等しい圧縮力
と引張力とが作用すれば、膜状圧電体１３からの出力は
ゼロになり、感知軸方向以外の方向の加速度を検出しな
くなる。

この発明では、膜状圧電体１３および荷重体１４のそれ
ぞれの形状に、上述のような対称性を持たせていること
から、感知軸Ｇ方向以外の加速度が加わっても膜状圧電
体１３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１３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の上限が高く
、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上限はセンサの共振
周波数によって定まる。この発明でのセンサの共振周波
数は、その構造から台座１１と荷重体１４との間に存在
するもの、すなわち膜状圧電体１３．＋３、接着剤層、
電極などの弾性率を荷重体１４の質ｍで除した値に比例
するため、従来の振動模型のセンサの共振周波数に比べ
て２　Ｎｉ以上高くなり、キロヘルプのオーダーとなる
。但し、接着剤層の弾性率が低くなると共振周波数が低
下するので、留意すべきである。

このため、膜状圧電体１３．１３の積層物と台座１１お
よび荷重体１４との固着に接着剤を用いるものでは、接
着剤層の弾性率をＥＡ、厚さをｔいとし、膜状圧電体１
３の弾性率をＥＰ、厚さを［、としたとき、次の式で表
される関係を満足する必要がある。

（Ｅ　Ａ／　ｔ　Ａ）　／　（Ｅ　ｐ／　ｊ　ｐ）≧０
１この式の意味するところは、加速度によって荷重体１
４に生じた力が接着剤層によって吸収緩和されることな
く膜状圧電体１３に伝わるための条件であり、上式の値
が０．１未満となると接着剤層による吸収緩和が無視で
きな（なり、上述のように共振周波数が低下し、測定可
能周波数帯域を狭めることなる。

なお、上式における接着剤層の厚さは、台座１１と荷重
体１４との間の存在するすべての接着剤層の厚さを言う
。また、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、
これを合計して上式に代入すればよい。

したがって、接着剤としてはエボキン系、フェノール系
、シアノアクリレート系などの硬化１４２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。また、導電性接着剤を用いることもできる
。

また、このセンサにあっては、２枚の膜状圧電体１３．
１３を導通状態で積層した構造を有しているために、検
知出力が大きくなる。すなわち、第１５図に示すような
電極の結線を行えば、それぞれの膜状圧電体１３．１３
が同一の圧電特性を有していれば、出力取り出し電極間
に発生する電圧は、１枚の時に比べて２倍となる。また
、第１６図に示すような電極の結線を行えば、並列接続
となって２倍の面積を持つ膜状圧電体に相当し、出力取
り出し用電極間に発生する電荷が２倍となり、ともに検
知出力を増大することが可能となる。

以下、具体例を示して作用効果を明確にする。

（実施例１） 台座となる部材として厚さ５ｍｍのアルミニウム阪壱用
息した。また、厚さ１００μｍ、１辺が１０１ａＩ１１
の正方形のポリフッ化ビニリデンの膜状圧電体を２枚導
電性エボキン系接着剤で貼合わせ、さらにこれの両面に
アルミニウム蒸着電極を設けたものを作成した。この積
層膜状圧電体を台座にエポキシ系接着剤で接合し、さら
にこの上に底面が１０ｍｍの正方形で重量Ｌｏｇの黄銅
製の荷重体を対称軸を一致させてエポキシ系接着剤で接
合した。

ついで、第１５図に示すような出力取り出しのための結
線を行ってセンサとした。

（実施例２） 実施例１において、荷重体として底面が１４ｍｍの正方
形で重ｆｆ１２０ｇの黄銅製のものを用い、出力取り出
しのための結線を第１６図に示したように行った以外は
同様にしてセンサとした。

（比較例）） 実施例１において、膜状圧電体として厚さ２００μｍ、
１辺が１０ｍｍの正方形のポリフッ化ビニリデンのもの
を１枚用いた以外は同様にしてセンサとした。ただし、
出力の取り出しは膜状圧電体の両面の電極を用いて行っ
た。

（比較例２） 実施例２において、膜状圧電体として厚さ１００μｍ、
１辺が１４ｍｍの正方形のポリフッ化ビニリデンのもの
を１枚用いた以外は同様にしてセンサとした。ただし、
出力の取り出しは膜状圧電体の両面の電極を用いて行っ
た。

これらのセンサについて出力を測定し評価した。

実施例１および比較例１のセンサについては、出力はイ
ンピーダンス変換回路に接続して電圧として出力させた
。また、実施例２および比較例２のセンサについては、
出力はチャージアンプにより電荷として出力させた。そ
れぞれのセンサを２０個作成して評価し、その出力の平
均値およびそのばらつきを次表に示した。

表から明らかなように、実施例１と比較例１を比べると
出力、ばらつきの点で明らかに実施例Ｉが優れている。

また、実施例２と比較例２を比べると性能は同等である
が大きさの点で実施例のものは小型となり優れている。

また、いずれのセンサについても、そのクロストークは
３〜５％の範囲であり、測定可能周波数帯域は、Ｑ、ｌ
Ｈｚ〜２ＫＺであった。

〔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
、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、慣性重量部として作用する剛体
からなる荷重体を有し、膜状圧電体は、その平面形状が
、前記測定面に平行な面において感知軸を対称の中心と
する点対称であり、かつ２枚以上が積層された積層溝造
とされるとともにこれらの積層界面て導通状態とされ、 荷重体は、それの膜状圧電体に接する面の平面形状が感
知軸を対称の中心とする点対称であり、かつ感知軸を通
り、前記測定面に垂直な無数の平面で断面した時、すべ
ての断面について感知軸を対ｆｉ軸とする線対称とした
ものであるので、構造が簡単であり、小型化を計ること
が容易であり、高出力となり、またクロストークが極め
て少ないものとなる。さらに、測定可能周波数帯域が広
く、測定用途に合致した設計が容易であり、設計の自由
度が大きいなどの効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の圧電型加速度センサの一例を示す分
解斜視図、 第２図ないし第７図はいずれもこの発明で用いられる膜
状圧電体の平面形状の例を示す平面図、第８図ないし第
１４図はいずれもこの発明で用いられる荷重体の立体形
状の例を示す断面図、第・１５図および第１６図はいず
れもこの発明での膜状圧電体の出力取り出しのための結
線を示す図、 第１７図は従来の圧電型加速度センサの例を示す概略構
成図である。 第１図 １・・・・・台座、 ２・・・・・測定面、 ・・・・感知軸、 ３・・・・・・膜状圧電体、 ４・・・・・・荷重体。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （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、膜状圧電体は、その平面形
   状が、前記測定面に平行な面において感知軸を対称の中
   心とする点対称であり、かつ２枚以上が積層された積層
   構造とされるとともにこれらの積層界面で導通状態とさ
   れ、 荷重体は、それの膜状圧電体に接する面の平面形状が感
   知軸を対称の中心とする点対称であり、かつ感知軸を通
   り、前記測定面に垂直な無数の平面で断面した時、すべ
   ての断面について感知軸を対称軸とする線対称であるこ
   とを特徴とする圧電型加速度センサ。
2. （２）請求項（１）記載の圧電型加速度センサにおいて
   、膜状圧電体が台座および荷重体に接着剤にて固着され
   、その接着剤層の厚さをｔ＿Ａ、弾性率をＥ＿Ａとし、
   膜状圧電体の厚さをｔ＿ｐ、弾性率をＥ＿ｐとして、下
   式の関係を満足することを特徴とする圧電型加速度セン
   サ。 （Ｅ＿Ａ／ｔ＿Ａ）／（Ｅ＿ｐ／ｔ＿ｐ）≧０．１