JPH039266A - 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、圧電素子
の圧電特性に異方性が付与されている加速度センサの検
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＝ｍ　　α （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の分極軸方向と同方向な面に対す
るずれとして発生する［剪断型　コ。

（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」 ところで［片持ち梁型１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
特性や感度か安定しにくいという不具合がある。

本発明者等は、府に、特願昭６２−２５８７８０号他に
おいて、第１図に示すように固定枠の中に圧電素子を支
持さけ手段に、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や、歪みを付与したときの方向に
よって圧電特性に差が生じ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
電位差の有効部分だけを取り出して、層の高感度化を図
り、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図および第２図に示すように、検知部１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の表面に分割電極４Ａ・４Ｂが一体
に設けられ、該分割電極４Ａ・４Ｂは、圧電素子３の表
面上における検知部ｌの中心を原点とする極座標系にお
いて、圧電定数が最大となる方向の圧電定数をｅａ、そ
の方向と直交する方向の圧電定数をｅｂ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ε
ｒ１円周方向の歪みをεθとしたとき、面に垂直に一様
にある大きさの加速度が加わったとき、 （ｅａｃｏｓ２θ＋ｅｂｓｉｎ２θ）εｒ＋（ｅａｓｉ
ｎ２θ＋ｅｂｃｏｓ２θ）ｅ　Ｏ＞　０−（ｉ　）の関
係が成立する部分と、 （ｅａｃｏｓ２θ＋ｅｂｓｉｎ’θ）εｒ＋（ｅａｓｉ
ｎ”θ＋ｅｂｃｏｓ”θ）５６　＜　０−・・・−（ｉ
ｉ　）の関係が成立する部分とに分割して設けられ、圧
型素子３の裏面に、両分割電極４Ａ・４Ｂに対して裏打
ち状態の中間電極４Ｃが設けられてなり、前記分割電極
４Ａ・４Ｂ間の電位差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。

Ｆ作用　Ｊ 検知部１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。

Ｖｏｕｔ　＝　　”　”　　　　　・−・・（ｖ　）た
だし、ε；歪み、Ｓ：面積、ｅ：圧電歪定数（ｐｃ／ｍ
）、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の表面と共通電極４Ｃとの間に
、ある瞬間に発生する電位差は、正の電位差と負の電位
差とが同時に出現する。このとき、圧電素子３の歪みの
方向は、孔５の近傍および固定部６の近傍の一部（圧電
特性が方向性を有している場合は、検知部１の中心を原
点とする極座標の円周方向の角度によって定まる範囲）
と、固定部６の近傍の残りの部分とで異なり、前述のよ
うに設定された分割電極４Ａ・４Ｂとの間には、第３図
の電気的等価回路モデルにおいて、■、およびＶ、で示
すように、正負の関係を持つ二つの電位差が同時に発生
することになる。

この二つの電位差ＶＩおよびＶ、に対して、分割電極４
Ａ・４Ｂの間の出力電位差Ｖ　ｏｕｔとして取り出すと
、 出力電位差（電圧）Ｖｏｕｔ　＝Ｖ、　＋Ｖ２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＃＃ｉ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、電荷の一部か相殺されるた
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、圧電素子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）式との
成立する範囲では、発生電荷の符号が異なるので、円周
方向の角度を設定して共通電極４Ｃに対しである瞬間に
正電位となる部分と、負電位となる部分とに分けて出力
を得るようにして、検出感度を向上させる。

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、共通電極４Ａ・４Ｂの間の電圧を検出するこ
とによって、二つの電圧が加算されて高い出力を得るこ
とが可能となる。

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（いわゆる焦眉効果が生じた場合
）であると、圧電素子３の同一表面で電位差を検出する
ことによって、電荷の相殺がなされて温度差の影響が少
なくなるため、誤差の発生を低減するものとなる。

「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は分ｖＩ電極、４Ｃ
は共通電極、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、７Ａ７Ｂ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と共
通電極４Ｃとの積層構造体であり、共通電極４Ｃを兼ね
る厚さ５μｍのニッケル振動板の上に厚さ９μｍの高分
子系圧電フィルムからなる圧電素子３が一体に設けられ
、これらの中心部に内径２．７ｍｍの円形状の孔（円形
孔）５を明けたものである。

前記圧電素子３は、前述した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）を有している。

前記、分割電極４Ａ・４Ｂおよび共通電極４Ｃは、大き
さおよび形状か相違しており、二つの分割電極４Ａ・４
Ｂは、圧電素子３の表面に、同心円状および角度を設定
して、組み合わせた状態に一体に形成される。

外側の分割電極４Ａは、その外径が約７ｍｍで振動穴６
ａの中に収まる程度、内径が４　、８ｍｍの環状をなし
、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〜部に切り
離し部４ｄ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状
態の切欠部４ｅと、一部を残した状態の接続導体４ｆと
が形成され、該接続導体４ｅを経由し７て、前記端子導
体７Ａと接続されている。

そして、内側の分割電極４Ｂは、その外径が外側の分割
電極４Ａと小間隙を形成する程度で、その内径が前記孔
５の内径に合わせて形成された環状の部分に、＋７０〜
＋１１０度および一７０〜１１０度の範囲をほぼ外径７
ｍｍまで拡大形成した扇形部分４ｇ・４ｈを付加したも
のとされ、一方の扇形部分４ｈが前記端子導体７Ｂと接
続されることになる また、分割電極４Ａ・４Ｂは、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厚さ０．０５〜０．１
μｍ程度の蒸着層を、化学エツチング加工によって、第
１図に示すように、不要部分を除去した状態とすること
によって形成され、分割電極４Ａ・４Ｂの間隙は、１０
μｍに設定されている。

一方、共通電極４Ｃは、その平面形状が圧電素子３と同
一で、前述したように中心部に２．７ｍｍの孔５が明け
られたものである。

前記固定部６は、例えばガラスーエポキン樹脂積層板を
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を張架状聾に支持するようにしてる
。

［実験例コ 第１図および第２図（実施例）に基づくサンプル＃Ｉ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＃ｌ〉 第１図および第２図例のもの。つまり、分割電極４Ａ・
４Ｂおよび共通電極４Ｃを有し、中心部に２．７ｍｍの
孔５を明けたもの。

くサンプル＃２〉 サンプル＃２における分割電極４Ｂの部分を、エツチン
グによって除去したもの。

〈サンプル＃３〉 サンプル＃ｌにおける分割電極４Ａ・４Ｂに準するもの
の、内径４，８．ｍｍおよび外径７ｍｍの完全な円環状
の外側電極、内径２．７ｍｍおよび外径４゜８ｍｍの完
全な円環状の内側電極、電極間路Ｍ１０μｍとし、異方
性を考慮していないもの。

これらのサンプル＃ｌ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コ １００Ｈｚ、　Ｉ　Ｇの正弦波振動加速度を加えたとき
の出力（電圧）を測定した。

試験Ａの結果 サンプル＃１の出力を１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１こ示す。

第１表 ［試験Ｂ　コ 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！（２３℃）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？こ放熱（放冷）した。そのときの出
力（電圧）変化をａｒｔ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。

第２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およびサンプル＃３と比較して、検出出力その
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２表により、雰囲気温度が過渡的に変化した場
合には、サンプル＃Ｉの特性変化か少なく、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＃３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＃２は、サンプル＃ｌよりも特性差が若干大きく
なる傾向がある。

したがって、第１表と第２表とに示す値の積を考慮する
と明らかなように、サンプル＃１は、検出用ツノを十分
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１ 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
どを採用する際に、次式の条件を満足さ仕ること。

ＥｖＴｖ’　／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 （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。

■圧電素子表面において、極性が相異する二つの発生電
位差を加算するようにしたから、−層の検出出力の向上
を図ることができる。

■圧電素子が異方性を有する場合には、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
交さらに増大させる改善を行なうことができる。

■検知部に過渡的な温度差が生じた場合においても、−
表面で電圧差を検出するようにしているため、厚さ方向
の温度差が生じることに基づく焦電効果の影響を受ける
ことが少なく、誤差の発生を低減することができる。

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。 １・・・・・検知部、 ２・・・・・振動体、 ３・・・・・・圧電素子、 ４Ａ・４Ｂ・・・・・・分割電極、 ４Ｃ・・・・・・共通電極、 ４ｄ・・・・・・切り離し部、 ４ｅ・・・・・・切欠部、 ４ｆ・・・・・・接続導体、 ４ｇ・・・・・・扇形部分、 ４ｈ・・・・・・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。

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、
   該圧電素子の表面に分割電極（４Ａ・４Ｂ）が一体に設
   けられ、該分割電極は、圧電素子の表面上における検知
   部の中心を原点とする極座標系において、圧電定数が最
   大となる方向の圧電定数をｅ＿ａ、その方向と直交する
   方向の圧電定数をｅ＿ｂ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ε＿θとしたとき、 （ｅ＿ａｃｏｓ＾２θ＋ｅ＿ｂｓｉｎ＾２θ）εｒ＋（
   ｅ＿ａｓｉｎ＾２θ＋ｅ＿ｂｃｏｓ＾２θ）ε＿θ＞０
   ・・・・・・（ｉ）の関係が成立する部分と、 （ｅ＿ａｃｏｓ＾２θ＋ｅｂｓｉｎ＾２θ）εｒ＋（ｅ
   ＿ａｓｉｎ＾２θ＋ｅ＿ｂｃｏｓ＾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、圧電素子の裏面に、両分割電極に対して裏打
   ち状態の中間電極（４Ｃ）が設けられてなり、前記分割
   電極間の電位差を検出することを特徴とする圧電型加速
   度センサ。