CN1127360A - 加速度传感器 - Google Patents
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Abstract
在装有由压电陶瓷构成并支持成横杆状传感器体的加速度传感器中，构成传感器体的结构具有耐冲击性强，处理容易，信噪比大、动态范围宽、输出偏差小的特点。传感器体(10)由压电陶瓷(11)和贴在该压电晶体表面上的金属基板(12)构成，并且使金属基板(12)的厚度T2相对于压电陶瓷(11)的厚度比T2/T1在0.5-1.3的范围内。
Description
本发明涉及采用由压电体构成并将其一端或两端支持在横杆状长元件上的传感器体的加速度传感器。
这种加速度传感器的构成是当加速度作用在支持在横杆上的长形传感器体上时传感器体就发生挠曲，通过检测在此时由传感器体中产生的压电电压可以计算作用在传感器体上的加速度，通常，传感器体通过引线与用于构成检测压电电压的电路(以下根据情况简称为电路)相连接。另外，在这种加速度传感器中，将传感器体安装保持在树脂等制成的外壳内并容易地对加速度传感器进行一般的处理。
这种加速度传感器用的传感器体主要包括下述两种公知的主要类型。
一种是由用粘接剂等将两枚PZT(锆钛酸铅)系压电陶瓷重叠贴合的元件构成的传感器体。这种传感器体又进一步分为使已极化的两枚PZT系压电体按照极化方向彼此相反的方式贴合的所谓双压电晶片型和使已分极的PZT系压电晶体陶瓷片与未极化的PZT系压电陶瓷片贴合两种。
为了使两枚压电陶瓷重叠贴合的那种加速度传感器保持相同的组成并且使两枚压电晶体贴合，可以使贴合的两枚压电陶瓷的厚度比相同并且贴合成横杆状的传感器体。
另外一种是将所谓PVDF(聚氟乙烯树脂)的压电体聚合物与金属板贴合后的元件构成的传感器体。
不管哪种传感器体，通常都是通过在压电体的表面上涂覆一层银或铅等形成压电体的电极。
对于压电体聚合物同金属板贴合的那种传感器来说，由于压电体聚合物的弹性系数比金属的弹性系数小百分之一，所以可以忽略压电体聚合物的弹性系数，将0.02-0.1mm厚的压电体聚合物贴合在0.1-0.3mm的金属板上便可以获得一个具有模杆状的加速度传感器。
通过将压电陶瓷贴合形成的那种传感器体存在因脆性大而使耐冲击性能低的问题，由于发脆会使对传感器体的处理有困难，特别是在封装等情况下传感器体发生破损的可能性很高。
此外，对加速度传感器体来说，希望其具有大的静电电容，而为了使这种传感器体的静电电容变大，必需增加构成传感器晶体的面积，且减薄其厚度。可是，对于种传感器体来说，为了使传感器体保持一定强度，必须确保待贴合的陶瓷厚度在一定值以上(通常在100μm以上)，因此，使通过减薄厚增加电容的方案变得困难。而如果增加待贴合的陶瓷面积，仅此一项就能使传感体变大，这又使加速度传感器小型化成为困难。
另外，对于这种传感器体，由于陶瓷之间是通过贴合的构成的，所以加工过的传感器体之间存在厚度精度，温度特性误差大等问题。
而对于通过将所谓压电体聚合物PVDF贴合在金属板上的那种传感器来说，由于金属板具有加强板的功能，所以具有耐冲击性强和也容易处理的优点。
可是，在将PVDF作为传感器体使用的情况下，由于其介电常数比PZT系的陶瓷小，所以不能获得大的实用的静电电容，如果利用PVDF作为传感器体，其实用的静电电容通常在20PF以下。电容量这么小的传感器体只能在低端截止频率为20Hz左右使用，在这种情况下，必须在电路中使用非常大的电阻(从数而MΩ到GΩ)由于这样的电阻是特殊的，并且是高成本的，所以还不可避免的存在构成电路的高成本问题。
另外，由于PVDF的居里点温度低于125°，所以存在内热差的问题。因此，又使在构成电路的基板等上对采用这种传感器体的加速度传感器进行SMT(超小型)装配变得困难，焊锡反射流产生的热经过引线传到传感器体上，这是使传感器体特性可能变坏的原因。
鉴于以上情况，本发明的目的是提供一种具有输出偏差小，信噪比大、动态范围宽、耐冲击性能强、处理容易、耐热性能强、在进一步小型化的同时，能使静电电容增加的传感器体的加速度传感器。
为了达到上述目的，对上述长传感器体来说本发明的特征在于：加速度传感器采用了由厚度为T1的上述压电陶瓷且在该陶瓷单面上涂覆厚度大于0.5T1并且小于1.3T1范围内的金属基板构成的传感器体。
虽然可以采用具有对压电陶瓷有加强板作用的各种板作为金属基板，但是最好采用具有与压电陶瓷的热膨胀系数相近的金属基板。此外，金属基板对压电晶体弯曲时所产生的压电电压起导电通路的作用。
可以采用钛锆酸铝(PZL)系BaTiO3系压电陶瓷作为压电晶体，另外，为了使压电晶体陶瓷的表面具有对在压电区陶瓷弯曲时所产生的压电电压有导电通路的功能，必需在上面形成涂覆银、铝等金属的电极。
虽然从增加静电电容的观点上看，压电晶体陶瓷的厚度T1最好是薄一些，但是从传感器体的耐湿性、除气时的耐电性能、制造过程的处理上看对厚度的变薄是有一定限制的。一般可用的厚度是在0.03-0.2mm范围内，特别可取的是在0.05-0.1mm范围内。关于贴合金属基板厚度T2，如果把具有根据下述理由确定的厚度范围的金属板贴合上，将不能形成实用的传感器。
如果使金属基板变厚，则由于传感器体的刚性变大而使传感器体弯曲困难。这样将使单位加速度在压电陶瓷上产生的压电电压降低，从而使传感器体的灵敏度降低。
如果使金属基板的厚度薄得近似为零，则会使传感器体的弯曲中性线偏靠向压电陶瓷的厚度中心线一侧。如果传感器件的弯曲中性线靠近压电陶瓷的中心线，则由压电陶瓷弯曲应力引起的电荷在以传感器体的中性线为中心的伸长侧和压缩侧上互相抵消，其结果是使压电电荷减少，这样仍然会使传感器体的灵敏度下降。
如果只是简单地将任意厚度比的压电陶瓷与金属基板贴合起来，将不可能获得动态范围宽信噪比大和输出误差小的传感器。为了能获得实用的加速度传感器，在两者之间存在合适的厚度比。
根据待使用的压电陶瓷的性能，横杆的尺寸和静电电容等设计值可以确定压电陶瓷的厚度T1，将压电晶体同与厚度等于0.5-1.3个T1的金属基板贴合成传感器体。
根据本发明，由于采用由金属基板和压电陶瓷构成传感器体，从而可以使传感器体的耐热性提高并且还可以提高传感器体的强度。
由于传感器体耐热性能的提高，而使在将加速度传感器安装在基板上时焊锡对基板上引线的一端没有影响。因此可以使加速度传感器相对于基板形成小型化的安装等，改善了安装作业性。另外，由于提高了传感器体的强度，使对传感器体的处理变为容易，并使在封装时使传感器体发生破损的可能性大幅度降低。
由于使压电陶瓷盖在金属基板上，所以与从前的压电陶瓷相比可以大幅度地变薄(例如50μm范围)，在使传感器体结构紧凑的同时，还能使静电电容增加。
特别是通过把金属基板的厚度设计成使其为所涂覆的压电陶瓷厚度T1的0.5-1.3倍范围内，则可以制成耐用的、信噪比大、动态范围宽和输出误差小的传感器体。
如果根据上述的本发明，通过使用把处在一定范围内厚度的金属基板覆盖在压电体传感器上制成的传感器体，可以获得耐冲击性能高、处理容易、电路组成成本可以降低、而且信噪比大、动态范围宽、输出误差小的加速度传感器。
图1是用在本发明加速度传感器上的传感器体的一个实施例的斜视图。
图2是保持图1所示传感器体的固定轴的斜视图。
图3是沿图2中的III-III线剖切的剖视图。
图4是说明试验方法的示意图。
图5是图4的试验电路的构成图。
图6是表示传感器体的具体例1到15的特性表格。
图7是表示传感器体的对照例1到11的特性表格。
图8是表示传感器的具体例16到30的特性表格。
图中：
10、传感器体
11、压电陶瓷
12、金属基极
13、电极层
14、固定夹具
40、试验电路
下面结合附图说明本发明的实施例。
图1是用在本发明的加速度传感器上的传感器体的一个实施例的斜视图。如图所示，传感器体10是由长为L、宽为W、厚为T1的压电陶瓷11与长为L、宽为W、厚为T2的金属基板12贴合而成，压电陶瓷11的单面上形成有由银、铜等构成的电极层13。将金属基板12的厚度T2设定为压电陶瓷11的厚度T1的0.5-1.3倍。
可以采用メガセラ株式会社制造的PZT系列压电陶瓷M材料或相同的T材料、U材料、D材料、B材料等各种材料作为用作压电体陶瓷的材料。这些压电陶瓷材料的特性列在表1中。
表1
| 压电陶瓷的种类 | M | T | U | D | B |
| 比介电常数(ε33/ε0) | 1800 | 2500 | 1450 | 4500 | 1550 |
| 压电额定输出(g31)[×10-3V/N] | -10.3 | -9.3 | -11.5 | -8.75 | -10.6 |
| 弹性系数(Y11)[×1010N/m2] | 6.5 | 6.4 | 7.1 | 6.7 | 7.4 |
| 密度[×103kg/m3] | 7.7 | 7.7 | 7.8 | 7.8 | 7.5 |
可以采用铅、或青铜、铜、42合金、不锈钢等作为金属基板的材料。
表2
| 金属基板的种类 | 铝 | 磷青铜 | 铜 | 42合金 | 不锈铜 |
| 弹性系数[×10N/m2]密度[×103kg/m3]泊松比 | 702.700.36 | 1208.840.38 | 1308.930.37 | 1558.150.28 | 1977.910.30 |
下面就在改变上述各种压电陶瓷材料和金属材料两者的厚度比(T2/T1)之后组合构成的传感器体的灵敏度等的研究试验进行说明。图2是传感器体的固定夹具的斜视图，图3是沿图2的III-III线剖切的剖视图，图4是试验装置的概略图1、图5是图4中所示的试验电路的构成图。
首先，将传感器10在图2所示的固定夹具20上安装成单悬臂横杆形。固定夹具20由金属制的上模21、下模22和配置在上模21及下模22之间并使两者绝缘的树脂制的中模23组成。通过上模21和下模22从上下夹住并保持传感器体10的一端。具体地说，上模21与电极层13接触，下模22与金属基板12接触。另外固定夹具20保持的传感器体10和范围为传感器体10的长度L的五分之一。
保持传感器体10的固定夹具20象图4所示那样通过安装台31配置在B&K的振动激励器32上，来自内装在动态信号分析器(ビエ一レツドパツカ一ド株式会社制的HP3562)33的振动器33a的信号经功率放大器(B&K 2706)放大后输入给振动激励器32。振动激励器32的振动强度和频率根据从安装在安装台31上的标准检波器(B&K2635)经充电电路36输入给多量程测量表37，其根据鉴别信号进行设定。
固定夹具20的上模21的端子与试验电路40连接，下模22的端子接地。如图5所示，压电晶体陶瓷11的信号线与试验电路40内的EFT41的栅极相连接，FET41的漏极的输出与同于观测传感器体10的灵敏度[mv/G]、可能检测的最小加速度和-3dB时的截止频率等的示波器(COR 5502)，多量程测量表52或动态信号分析器33相连接。
其结果示在图6、图7和图8中。
在图6中示出了将上述的メガセラ制造的M材料(长5mm，宽1.2mm、厚50μm)与具有对M材料的厚度T1的厚度比T2/T1处在0.5-1.3范围内的厚度T2的各种金属基板材料(长5mm，宽1.2mm)组合的具体例1至15。
在图7中示出了将相同的M材料(长5mm，宽1.2mm、厚50μm)与具有对M材料的厚度T1的厚度比T2/T1为0.4或1.4的厚度T2的各种金属基板材料(长5mm，宽1.2mm)组合的对照例1至10，以及由AMP公司制造的PVDF(长5mm，宽1.2mm、厚28μm)同磷青铜基板(长5mm，宽1.2mm、厚200μm)组合的对照例11。
在图8中示出了由メガセラ制造的D材料(长5mm，宽1.2mm、厚度50μm)与具有对M材料的厚度T1的厚度比T2/T处在0.5-1.3范围内的厚度T2的各种金属基板材料(长5mm，宽1.2mm)相组合的具体例16至30。
从图6至图8中可以清楚看出，具体例1至30中传感器体的灵敏度提高，并且制品间的灵敏度偏差变小，与此相反，由于对照例1至11中的传感器体的灵敏度降低，并且制品间的灵敏度偏差变大，所以不能供实际应用。在图6至图8中用″○″表示优，用″×″表示劣。
接着通过精细地在0.5-1.3范围内改变厚度比T2/T1研究哪个厚度比是最适合的。试验是在上述的M、T、U、D和B材料(厚度50μm)上贴合厚度不同的各种金属基板(厚度为25μm，30μm，35μm，40μm，45μm，50μm，60μm，65μm中任何一个)而形成传感器体，然后对这些传感器体的灵敏度进行测试。
在表3中示出了测试结果，在表3中示出了在压电晶体陶瓷材料同金属基板材料的组合中，表现出各个最大灵敏度的传感体的金属基板材料的厚度(μm)
表3
单位(μm)
| 金属基板压电陶瓷 | 铝 | 磷青铜 | 铜 | 42合金 | 不锈钢 |
| MTUDB | 4545454545 | 4545505045 | 4545455045 | 4545455045 | 4545405045 |
从表3中可以看出，尽管金属板材料的弹性系数、密度、泊松比是随着材料的种类而不同的(参照图2)，但是只要采用相同尺寸的厚度(40μm-50μm)，而不管哪种基板材料作传感器体都显示出优良的灵敏度。据此，不难理解，作为传感器体的灵敏度与其说同构成传感器体的压电陶瓷材料和金属基板材料的种类有关，还不如说是受厚度比T2/T1的大小支配，只要选择合适的厚度比(0.5≤T2/T1≤1.3)就可以构成灵敏度高的传感器体。
另外，如果传感器体的共振频率在要测定加速度的仪器的固有频率或其高次谐波附近，则可以在压电晶体上或金属基板上贴合高分子材料作为阻尼材料。可是，高分子材料的弹性系数是压电晶体和金属基板的弹簧系数的百分之一左右，所以在这样的条件下本发明也是适用的。
Claims (1)
1.一种具有横杆状传感器体的加速度传感器其特征在于，由厚度为T1的压电陶瓷与厚度在1.3T1以下到0.5T1以上范围内的金属基板互相贴合而成。
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