JPH07209071A

JPH07209071A - 圧電型振動センサ

Info

Publication number: JPH07209071A
Application number: JP6005465A
Authority: JP
Inventors: Katsuhiko Takahashi; 克彦高橋; Satoshi Kunimura; 智國村; Takayuki Imai; 隆之今井
Original assignee: Fujikura Ltd
Current assignee: Fujikura Ltd
Priority date: 1994-01-21
Filing date: 1994-01-21
Publication date: 1995-08-11

Abstract

(57)【要約】【目的】製造が容易で、焦電性による出力の大幅な低
減が可能であり、かつ小型化が可能な圧電型振動センサ
の提供。【構成】台座３上に、圧電体７の両面に電極を設けた
検知部５を剛に取り付け、さらにこ検知部５の一方の電
極は二つに分割された分割電極ａ₁、ａ₂で、これら二つ
の分割電極ａ₁、ａ₂の形状はこれら分割電極を分割する
線分を対称の中心とする線対称であり、検知部５の他方
の電極は分割されていない共通電極ｂであり、二つの分
割電極ａ₁、ａ₂は共通電極ｂを介して電気的に直列に接
続されており、荷重体９の形状は該荷重体９を上記線分
に対して上方から投影したとき上記線分を対称の中心と
する線対称であり、検知軸は検知部５の電極面と平行
で、かつ上記線分に垂直な方向であり、センサの出力は
二つの分割電極ａ₁、ａ₂のそれぞれと共通電極ｂとの間
に生じる電荷量あるいは電位差の和として得られる圧電
型振動センサ。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は圧電型振動センサに関
し、その感度の向上と、焦電ノイズによる誤動作の低減
を実現したものである。

【０００２】

【従来の技術】一般に振動センサは、機械設備等に関し
てはその振動を測定し機械の異常を監視、診断する設備
診断に用いられている。また、民生機器においても振動
の有無や大きさによって様々な制御を行う商品、例えば
ビデオカメラの手振れ防止機構、ハードディスクドライ
ブ、フロッピィディスクドライブ等の振動や衝撃による
データ読み込みや書き込みエラーの防止機構に用いられ
ている。このような振動センサの一種に圧電型振動セン
サがあり、この圧電型振動センサには片持ち梁型、ダイ
アフラム型、剪断型、圧縮型等、振動の検知方式によっ
ていくつかのタイプに分けられる。

【０００３】ところで、圧縮型の圧電型振動センサ（以
下、圧電型振動センサと略記する。）では、板状あるい
はフィルム状の圧電体の両面に信号取り出し用の電極が
設けられて検知部とし、さらにこの電極にリード線等が
接続されてセンサの信号を出力できるようになってい
る。そして検知部の一方の面は上記検知部からの出力を
処理する処理回路が搭載された基板やセンサパッケージ
等の台座に剛に固定され、他方の面には荷重体が剛に固
定される。このような構成の圧電型振動センサでは、圧
電体上に設けられた電極面と垂直な方向の振動を受ける
と、荷重体の慣性力により、圧電体はその力すなわち加
速度に比例した圧縮および引張の応力を受け、圧電体に
設けられた電極上にその応力の大きさに比例した電荷が
誘起され一対の電極間に電位差が生じ、センサ出力が得
られ振動（加速度）の大きさを知ることができる。ま
た、直交座標系において、この振動検知方向と直交する
他の二方向の振動については、検知部を検知軸に対し点
対称に形成することによって、電極上に発生した誘起電
荷は電極内で互いに相殺され、出力は得られない。従っ
て指向性に優れた圧電型振動センサを得ることができる
（特願平１−２７３１１１号）。

【０００４】そこで従来の圧電型振動センサでは、上述
したようにその構造が比較的単純で指向性にも優れるた
め、振動センサに多く採用されている。しかしながらそ
の単純な構造と圧電体が元々有している特徴によって次
のような欠点が指摘されている。まず第一点目は、その
構造に起因するものであり、圧縮型では前述したよう
に、圧電体の両面に電極を設けるためその両面に出力を
取り出すためのリード線を接続する必要があるが、これ
によって圧電型振動センサを製造するための作業が煩雑
になり、手間がかかる分その価格が高くなったり、また
大量生産に向かないためやはり価格が高くなるといった
欠点があった。

【０００５】第二点目は、圧電体が元々有している性質
に起因するものであり、すなわち圧電体は圧電性と同時
に焦電性を有しているため、周囲の温度変化に対しても
圧電体上の電極に電荷が誘起され、圧電型振動センサが
誤動作して出力が生じてしまう。この出力は周囲の温度
変化が急激なほど大きく、圧電体そのものの焦電性の感
度は非常に高いという問題があった。このような問題を
解決するため、従来は圧電型振動センサ本体のボディを
厚くしたり、熱伝導の悪い材料を使うなどして、熱が伝
わりにくい構造とすることで、焦電ノイズを低く抑えて
いたが、これらもやはりコストアップの一因となってし
まう。また圧電体の両面の電極のそれぞれにリード線を
接続したものは、精密機器内への実装等を考えると小型
化に制約があり実現が難しいという欠点があった。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、上記事情に
鑑みてなされたもので、製造が容易で、焦電性による出
力の大幅な低減が可能であり、かつ小型化が可能な圧電
型振動センサを得ることにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明は、台座上に、圧
電体の両面に電極を設けた検知部を剛に取り付け、さら
にこの検知部上に荷重体を剛に取り付けてなる圧電型振
動センサにおいて、検知部の一方の電極は二つに分割さ
れた分割電極で、これら二つの分割電極の形状はこれら
分割電極を分割する線分を対称の中心とする線対称であ
り、他方の電極は分割されていない共通電極であり、上
記二つの分割電極は上記共通電極を介して電気的に直列
に接続されており、上記荷重体の形状は該荷重体を上記
線分に対して上方から投影したとき前記線分を対称の中
心とする線対称であり、検知軸は検知部の電極面と平行
で、かつ上記線分に垂直な方向であり、センサの出力は
前記二つの分割電極のそれぞれと共通電極との間に生じ
る電荷量あるいは電位差の和として得られることを特徴
とする。上記分割電極を分割する線分は、電極ギャップ
であって、かつその形状が直線状であることが好まし
い。

【０００８】

【実施例】図１は本発明の圧電型振動センサの一実施例
を示す斜視図である。この圧電型振動センサは、台座３
と、この台座３上に剛に取り付けられた検知部５と、こ
の検知部５上に剛に取り付けられた荷重体９とから概略
構成されている。

【０００９】台座３は、十分な剛性を有するものであ
り、検知部５からの電気的出力を処理する処理回路が搭
載された基板や圧電型振動センサを収納するパッケージ
等が挙げられる。

【００１０】検知部５は、圧電性を有する材料からなる
圧電体７を金属箔からなる第一の電極１１と第二の電極
１２とで挾んでなるものである。上記圧電性を有する材
料としては、チタン酸ジルコン酸鉛、チタン酸鉛、チタ
ン酸バリウムなどの無機質圧電材料やポリフッ化ビニリ
デンなどの強誘電性高分子材料などが用いられる。

【００１１】第一の電極１１は、台座３と圧電体７との
間にあるものであり、図２に示すように電極ギャップ
（線分）１３により二つに分割されて、第一分割電極ａ
₁と第二分割電極ａ₂から構成されている。これら第一分
割電極ａ₁、第二分割電極ａ₂の形状は、電極ギャップ１
３を対称の中心とする線対称になっている。この電極ギ
ャップ（線分）１３は、直線状であることが望ましい。

【００１２】第二の電極１２は、圧電体７と荷重体９と
の間にあるものであり、分割されていない（以下、この
第二の電極１２を共通電極ｂとする。）。そして、第一
分割電極ａ₁と第二分割電極ａ₂とは、図３に示すように
共通電極ｂを介して電気的に直列に接続されており、ま
た、第一分割電極ａ₁と第二分割電極ａ₂のそれぞれには
出力を取り出すためのリード線（図示略）の一端部が接
続されている。また、これらリード線の他端部は、電気
的出力を処理する処理回路の接続端子（図示略）に接続
されている。そして、圧電型振動センサが振動を検知し
た場合、その振動の大きさは、出力（Ｖ）の大きさによ
り評価でき、このとき出力（Ｖ）は図３に示すように第
一分割電極ａ₁と共通電極ｂとの間の電荷量あるいは電
位差（Ｖ_a1-b）と、共通電極ｂと第二分割電極ａ₂との
間の電荷量あるいは電位差（Ｖ_b-a2）の和（Ｖ_a1-b＋Ｖ
_b-a2）として得られるようになっている。

【００１３】荷重体９は、慣性質量部として機能する剛
体からなるものであり、振動（加速度）を受けて変位
し、検知部５の圧電体７に歪みまたは応力を生じせしめ
るもので、その形状は該荷重体９を電極ギャップ１３に
対して上方から投影したとき電極ギャップ１３を対称の
中心とする線対称となっている。

【００１４】このような構成の圧電型振動センサは、検
知部５の電極面と平行で、かつ電極ギャップ１３に垂直
な方向が検知軸Ｇとなっており、この方向の振動成分を
検出し、他の方向の振動成分に対して不感となる。

【００１５】つぎに、図１に示した圧電型振動センサに
おいて、振動が検出される原理を説明する。図１の圧電
型振動センサが、検知部５の電極面と平行で、かつ電極
ギャップ１３に垂直な方向からの振動を受けた場合、検
知部５は荷重体９の慣性力によって、台座３の固定面を
支点にして回転のモーメント力を生じ、圧電体７を電極
ギャップ１３に対して上方から投影したとき、圧電体７
の電極ギャップ１３を対称線とする両側に、それぞれ圧
縮と引張という逆方向で、しかも電極ギャップ１３に対
して線対称の位置で絶対値の等しい応力を受ける。する
と、図３に示すように第一分割電極ａ₁と共通電極ｂと
の間の電荷量あるいは電位差（Ｖ_a1-b）と、共通電極ｂ
と第二分割電極ａ₂との間の電荷量あるいは電位差（Ｖ
_b-a2）は等しくなり、その和（Ｖ_a1-b＋Ｖ_b-a2）が出力
（Ｖ）として得られ、振動の大きさを知ることができ
る。

【００１６】また、図１の圧電型振動センサが、検知部
５の電極面と平行で、かつ検知軸Ｇと垂直な方向からの
振動を受けた場合、第一分割電極ａ₁、第二分割電極ａ₂
のそれぞれと共通電極ｂ間で誘起される電荷が相殺さ
れ、電位差は生じず出力は得られない。また、図１の圧
電型振動センサが圧電体７の面と垂直な方向からの振動
を受けた場合、荷重体９の慣性力により、圧電体７には
ほぼ一様に応力が生じ、第一分割電極ａ₁と共通電極ｂ
間の電位差（Ｖ_a1-b）と、共通電極ｂと第二分割電極ａ
₂間の電位差（Ｖ_b-a2）との間には、下記式（Ｉ）に示
すような関係が成り立つ。Ｖ_a1-b＝−Ｖ_b-a2 ・・・（Ｉ）従って、第一分割電極ａ₁と共通電極ｂ間の電位差（Ｖ
_a1-b）と、共通電極ｂと第二分割電極ａ₂間の電位差
（Ｖ_b-a2）との和は０となり、出力は得られない。こ
のように実施例の圧電型振動センサは、従来の圧電型振
動センサと同様に振動検出方向について優れた指向性を
有している。

【００１７】つぎに、図１に示した圧電型振動センサに
おいて、焦電性による出力が大幅に低減される原理を説
明する。図１の圧電型振動センサでは、急激な温度変化
が加わった場合、第一分割電極_a1、第二分割電極_a2のそ
れぞれと共通電極ｂとの間に焦電効果による電荷が誘起
され、電位差が生じる。焦電効果により誘起される電荷
は、温度変化の方向すなわち温度の上昇または下降と、
圧電体７の分極方向に依存するため、第一分割電極
_a1面、第二分割電極_a2面のそれぞれと共通電極ｂ面とで
異る符号の電荷が誘起されるが、その大きさは圧電体７
の同一面内ではほぼ等しい。従って、このとき第一分割
電極ａ₁と共通電極ｂ間に生じる焦電出力による電位差
（Ｖ_a1-b）と、共通電極ｂと第二分割電極ａ₂間に生じ
る焦電出力による電位差（Ｖ_b-a2）との和（Ｖ_a1-b＋Ｖ
_b-a2）は０となり、焦電効果による出力は得られない。

【００１８】図１の圧電型振動センサにあっては、圧電
体７の片面に設けられた第一分割電極ａ₁と第二分割電
極ａ₂とは共通電極ｂを介して電気的に直列に接続され
ていることから、出力を取り出すためのリード線も圧電
体の片側に接続すればよいので、圧電体の両面の電極に
リード線を接続していた従来の圧電型振動センサと異
り、リード線の接続にワイヤボンディングなど半導体製
造等に使用される装置を利用できる。また検知部５の分
割電極側を台座３に固定する場合は、電気的出力を処理
する処理回路上に直接載せることが可能であるので、ワ
イヤーボディングの手間がかからない。従って、実施例
の圧電型振動センサは、製造が容易であり、大量生産が
できるので、コストの低減が可能である。また、出力を
取り出すためのリード線を圧電体７の片側に接続すれば
よいことから、その分小型化が可能で、精密機器への実
装が可能となる。また、焦電効果によるノイズが大幅に
低減されるので、コストの低減が可能であり、さらにま
た振動の検出値の信頼性が向上する。また、第一分割電
極ａ₁と共通電極ｂ間に生じる電位差（Ｖ_a1-b）と、共
通電極ｂと第二分割電極ａ₂間に生じる電位差
（Ｖ_b-a2）との和（Ｖ_a1-b＋Ｖ_b-a2）が出力として得ら
れるので、検知軸Ｇ方向の振動に対する感度が高い。

【００１９】以下、具体例を示す。（実施例）図１に示されるような圧電型振動センサを以
下のようにして作製した。まず、厚さ４５０μｍ、長さ
３ｍｍ、幅３ｍｍのチタン酸ジルコン酸鉛製の圧電体７
の一面に、厚さ３０μｍ、長さ１．３ｍｍ、幅３ｍｍの
銅箔製の分割電極の二枚を電極ギャップが４００μｍと
なるようにエポキシ系接着剤を用いて貼着し、ついで圧
電体７の分割電極が貼られた面と相対する面に、厚さ３
０μｍ、長さ３ｍｍ、幅３ｍｍの銅箔製の共通電極ｂを
エポキシ系接着剤を用いて貼着し、検知部５を作製し
た。ついで、作製した検知部５の分割電極面を、上記検
知部５からの電気的出力を処理するためのインピーダン
ス交換回路、増幅回路、これらの接続端子部を含む電気
回路が搭載されたアルミナ製基板上の接続端子部に導電
性接着剤を用いて固着した。ついで、上記検知部５の共
通電極の上面に、質量１ｇ、厚さ１ｍｍ、長さ６ｍｍ、
幅３ｍｍの真ちゅう製の荷重体９をエポキシ系接着剤を
用いて固着して圧電型振動センサを得た。これを実施例
の圧電型振動センサとした。この圧電型振動センサにお
いては、検知部５の電極面と平行で、かつ電極ギャップ
１３に垂直な方向が検知軸となっている。

【００２０】（比較例）図４に示すような圧電型振動セ
ンサ（特願平３−１３９６３８号）を以下のようにして
作製した。まず、上記実施例で用いたものと同様の圧電
体７の両面に、厚さ３０μｍ、長さ３ｍｍ、幅３ｍｍの
銅箔製の電極２１をエポキシ系接着剤を用いて貼着し、
検知部５を作製した。ついで、作製した検知部５の一方
の電極２１の上面に、厚さ１ｍｍ、長さ３ｍｍ、幅３ｍ
ｍのＦＲＰ製の支持体２２を設け、これの一部に切り欠
きをいれて電極２１を露出させ、これにリード線の一端
部を接続した。また、検知部５の他方の電極２１面を、
上記検知部５からの電気的出力を処理するためのインピ
ーダンス交換回路、増幅回路、これらの接続端子部を含
む電気回路が搭載されたアルミナ製基板２３上の一つの
接続端子部に直接導電性接着剤を用いて固着し、上記リ
ード線の他端部をもう一つの接続端子部に接続した。つ
いで、上記検知部５の支持体２２の上面に、質量１ｇ、
厚さ１ｍｍ、長さ４．２５ｍｍ、幅４．２５ｍｍの真ち
ゅう製の荷重体９をエポキシ系接着剤を用いて固着して
圧電型振動センサを得た。これを比較例の圧電型振動セ
ンサとした。この圧電型振動センサにおいては、上記実
施例と同方向が検知軸となっている。

【００２１】そして、上記実施例の圧電型振動センサと
比較例の圧電型振動センサについて、それぞれの検知軸
方向およびこの検知軸方向と直交する二方向（直交方向
１、直交方向２とする。）に８０Ｈｚ、１Ｇの正弦加速
度を与えたときの感度をそれぞれ測定した。その結果を
下記表１に示す。

【００２２】

【表１】

【００２３】上記表１に示した結果から明かなように、
実施例の圧電型振動センサは比較例の圧電型振動センサ
に比べて検知軸方向の感度が約３倍であることが分る。
また、指向性については実施例および比較例の圧電型振
動センサともに優れており、検知軸方向と直交する二方
向の感度はそれぞれ５％未満に収まっていることが分
る。

【００２４】つぎに、実施例の圧電型振動センサと比較
例の圧電型振動センサをそれぞれ室温から６０℃の恒温
槽に移したときの焦電出力を測定した。ここでの測定
は、先に行った感度の測定結果において得られた１Ｇ当
りの感度に対し、最大で何倍の焦電出力が得られるか
（焦電感度）、また、同センサ感度に対し±１０％の出
力範囲に収まるのにかかる時間（収束時間）の２点につ
いて評価した。その結果を下記表２に示す。

【００２５】

【表２】

【００２６】上記表２に示した結果から明かなように実
施例の圧電型振動センサは、比較例の圧電型振動センサ
に比べて焦電効果による出力が大幅に少なく、焦電感度
が低いことが分る。

【００２７】

【発明の効果】以上説明したように本発明の圧電型振動
センサは、圧電体の片面に設けられた二つの分割電極が
共通電極を介して電気的に直列に接続されたものである
から、出力を取り出すためのリード線も圧電体の片側に
接続すればよいので、圧電体の両面の電極にリード線を
接続する従来の圧電型振動センサと異り、リード線の接
続にワイヤボンディングなど半導体製造等に使用される
装置を利用でき、また検知部の分割電極側を台座に固定
する場合は、電気的出力を処理する処理回路上に直接乗
せることが可能であるので、ワイヤーボディングの手間
がかからない。従って、本発明の圧電型振動センサは、
製造が容易であり、大量生産ができるので、コストの低
減が可能である。また、出力を取り出すためのリード線
を圧電体の片側に接続すればよいことから、その分小型
化が可能で、精密機器への実装が可能となる。また、焦
電効果によるノイズが大幅に低減されるので、コストの
低減が可能であり、さらにまた振動の検出値の信頼性が
向上する。また、二つの分割電極のそれぞれと共通電極
間に生じる電位差の和が出力として得られるので、検知
軸方向の振動に対する感度が高い。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の圧電型振動センサの一実施例を示す
斜視図である。

【図２】図１に示した圧電型振動センサのＸ−Ｘ線に
沿った断面図である。

【図３】図１に示した圧電型振動センサの二つの分割
電極を共通電極を介して電気的に直列に接続した等価回
路を示す図である。

【図４】比較例の圧電型振動センサを示す斜視図であ
る。

【符号の説明】

３・・・台座、５・・・検知部、７・・・圧電体、９・・・荷重体、
１１・・・第一の電極、ａ₁・・・第一分割電極、ａ₂・・・第二
分割電極、１２・・・第二の電極、ｂ・・・共通電極、１３・・
・電極ギャップ、Ｇ・・・検知軸

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】台座上に、圧電体の両面に電極を設けた
検知部を剛に取り付け、さらにこの検知部上に荷重体を
剛に取り付けてなる圧電型振動センサにおいて、検知部の一方の電極は二つに分割された分割電極で、こ
れら二つの分割電極の形状はこれら分割電極を分割する
線分を対称の中心とする線対称であり、検知部の他方の
電極は分割されていない共通電極であり、前記二つの分
割電極は前記共通電極を介して電気的に直列に接続され
ており、前記荷重体の形状は該荷重体を前記線分に対し
て上方から投影したとき前記線分を対称の中心とする線
対称であり、検知軸は検知部の電極面と平行で、かつ前
記線分に垂直な方向であり、センサの出力は前記二つの
分割電極のそれぞれと共通電極との間に生じる電荷量あ
るいは電位差の和として得られることを特徴とする圧電
型振動センサ。
【請求項２】分割電極を分割する線分が電極ギャップ
であって、かつ該電極ギャップの形状が直線状であるこ
とを特徴とする請求項１記載の圧電型振動センサ。