JPH01100461A - 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、高分子系圧電素子を用い振動体の加速度を検
出する圧電型加速度センサに係り、特に、低加速度、低
周波領域に用いて好適な圧電型加速度センサに関するも
のである。

［従来の技術］ 物理量である加速度の検出は、 Ｆ＝ｍσ （Ｆ：力、ｍ：質量、α：加速度） にしたがい、加えられた力に応じて求められる。

この力という機械量を電気量に変換する方式としては、
圧電型、サーボ型、歪みゲージ型等があるが、この中で
加速度センサに用いられるものとして現在量も普及して
いるのが圧電型である。

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
生のし方の違いにより、第８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
圧縮され圧電素子の分極軸の軸方向と同じ方向に歪みが
発生する「圧縮型Ｊ、　　　・（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」。

（ハ）支持体Ｓに圧電素子Ｐが片持ちはり状に取り付け
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　「片持ちはり型」。

のそれぞれである。

そして、たとえば、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い（ハ）の片持ちはり型が用
いられる等、周波数、あるいはこの他に加速度の大きさ
や測定範囲等によって使い分けられている。

［発明が解決しようとする問題点］ ところで、主に低周波の加速度を検出するのに有利な上
記片持ちはり型の検知部の場合、圧電素子の一端を支持
体Ｓに固定するという固定条件の実現が難しく、このた
め、周波数特性や感度が安定しにくいという不具合があ
る。特に、圧電素子トシテ一般的なＰ　ｂ（Ｚ　ｒ、Ｔ
　ｉ）０　、系（ＰＺＴと略称される〕や、ＰｂＴｉＯ
３、Ｂ　ａＴ　ｉｏ　、（Ｐ　ｂ、　Ｌ　ａ）（Ｚ　ｒ
。

Ｔｉ）Ｏｓ（ＰＬＺＴと略称される〕等の一般的なセラ
ミクス製圧電材料は、剛性が優れているものの、脆く欠
けやすいという性質を有しているので、加工性に劣り、
かつ衝撃に弱くこわれやすいので上記片持ちはり型には
不適当である。

そこで、上記片持ちはり聾と同様の原理を用いたものと
して、第８図の（ニ）に示すように、円環状の固定枠Ｓ
間に円形膜状の圧電素子Ｐが取り付けられ、圧電素子Ｐ
自身が慣性質量となって重りＭとなり、かつ振動して歪
みが発生する「振動膜型」がある。

この振動模型は、円形膜状に圧電素子Ｐが取り付けられ
ていることから、上記（ハ）の片持ちはり型の欠点をあ
る程度克服しているが、圧電素子Ｐの変形（歪み）がそ
れ自身の振動モードに制限されるために、歪みが小さく
出力が弱いという欠点を有している。

ところで、圧電材料には、上記セラミクス系の他に、ポ
リ７ツ化ビニリデン等の高分子系材料があり、これら高
分子系材料は、セラミクス系と比べると、 （ａ）可撓性に優れている。

（ｂ）加工性に富み薄膜化、大面積化が可能である。

（ｃ）誘電率が小さいために、電圧出力定数（ｇ）が大
きい。

（ａ）絶縁性に優れている。

といったような特長があり、このため、たとえば上記振
動膜型に適していると考えられるが、高分子系圧電材料
を単独の振動膜として用いた場合、共振層波数が低くな
り、また、振動加速度の周波数が変化すると、これにと
もなって出力も変化してしまうという問題点を有してい
る。

［問題点を解決するための手段］ 本発明の加速度センサは上記問題点を解決するためにな
されたものであって、その検知部が、円環状の固定部を
有する振動板の表面に、中央部に円形孔が形成された高
分子系材料からなる薄膜状の圧電素子を、前記円形孔が
前記固定部と同心円状となるよう一体に設けてなること
を特徴とし、前記振動板のヤング率Ｅ８、厚さｔＩｌ＆
前記圧電素子のヤング率ＥＰｓ厚さ１．との間には、な
る関係を有することを含むものである。

以下、第１図ないし第３図を参照して本発明をさらに詳
しく説明する。

第１図（イ）（ロ）（ハ）は、本発明に係る加速度セン
サの検知部１を示すもので、この検知部１は、円板状に
形成された振動板２と、この振動板２の一方の表面に接
着剤によって貼り合わされることにより、振動板２に一
体的に固着された圧電フィルム（圧電素子）３と、振動
板２および圧電フィルム３の周縁部を挟むよう取り付け
られた円環状の固定枠（固定部）４とから構成されてい
る。

前記振動板２は、外径Ｄ０の固定枠４が接していない部
分、すなわち、固定枠４の内径ｄ、より内側の円板状の
部分が、その軸心方向に変形（１１！動）するようにな
っている。この振動板２は、ヤング率が高く、かつ耐衝
撃性に富む材料によって形成するのが望ましく、主に、
鉄、銅、ニッケル等の単一金属、あるいは黄銅、ステン
レス等の合金からなる金属材料が用いられるが、この他
にも、ガラス繊維あ゛るいはカーボン繊維等のプラスチ
ックとの複合材料も高ヤング率の点から適している。

前記圧電フィルム３は、前記振動板２と略同径で、中心
に直径ｄの円形孔５ａが形成されたリング状の基材５の
両面に、蒸着等の薄膜形成法により電極６ｍ、６ｂが被
覆されたもので、前記振動板２の片側の表面に、前記円
形孔５ａが同心円状なるよう配され、接着剤により振動
板２に接着されている。

前記圧電フィルム３の前記基材５は、高分子系材料によ
って形成されており、その材料としては、ポリフッ化ビ
ニル、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）、ポリ塩化ビ
ニル、ナイロン１１、ポリカーボネート、ポリ（ｍ−フ
ェニレンイソフタルアミド）７ツ化ビニリデン−四フッ
化エチレン共重合体、７ツ化ビニリデン−フッ化ビニル
共重合体、フッ化ビニリデン−三７ツ化エチレン共重合
体、シアン化ビニリデン−酢酸ビニル共重合体、あるい
は、これら２種以上の混合物、あるいは、これらと他の
熱可塑性樹脂との混合物が好適である。また、この他に
％　Ｐ　ｂ（Ｚ　ｒ、Ｔ　＋）０３、ＰｂＴｉＯｘ、（
Ｐｂ、Ｌｘ）（Ｚ　ｒ、Ｔ　ｉ）０３、Ｂ　ａＴ　ｔｏ
　３、Ｂ　ａ（Ｚ　ｒ、　Ｔ　ｉ）Ｏ、、（Ｂ　ａ　＊
　Ｓ　ｒ　）　Ｔ　＋　０３等の無機圧電材料の微粉末
を熱可塑性樹脂や熱硬化性樹脂等の高分子中に混ぜたも
のを用いてもよい。

なお、上記高分子系材料からなる圧電フィルム３の基材
５は、セラミクス系とは異なりヤング率が低い。したが
って、圧電フィルム３は、振動板２と接着されて一体化
されることにより、圧電性を損なうことなく振動モード
を振動板の厚さ、径の大きさおよび材料のヤング率で任
意に選択することができる。

そして、振動板２と圧電フィルム３との間には、Ｅ８：
振動板のヤング率、 ＥＰ：圧電フィルムのヤング率 ｔＢ：振動板の厚さ ｔＰ：圧電フィルムの厚さ の関係が成り立っている。

そして、上記構成による検知部１は、第３図に示すよう
に、導電性を有するシールドケース７に収納されている
。また、前記各電極６ａ、６ｂには、振動板２が振動す
ることによって発する信号を取り出すための図示せぬ端
子が取り付けられており、前記端子からの出力信号は、
第３図に示すように、インピーダンス変換回路８を介し
て測定される。

なお、検知部ｌの端子とインピーダンス変換回路８とは
、ローノイズケーブル９によって接続され、また、前記
シールドケース７はアースされている。

また、第２図は本発明の第２実施例の検知部ｌＯを示し
ており、この検知部１０は、圧電フィルム３の外径が固
定枠４の内径ｄ０と一致している点が上記第１実施例の
検知部１と異なるものである。

次に、上記検知部１および検知部１０の作用を説明する
。

圧電フィルム３は、外力を受けると、その力の加速度に
比例した歪みを生じるとともに電荷Ｑを発生する。

一般に、周辺が固定され膜厚が均一な円形の薄膜が、外
力を受けて振動する場合、その変形量は、第４図（Ｋが
薄膜）に示すように、中央部よりも周辺部の方が大であ
る。そこで、仮に中央部と周辺部を分けて考えてみる。

圧電フィルム３の静電容量をＣとすると、電極間電圧Ｖ
と電荷Ｑの間には、 Ｖ−１ の関係が成り立つ。圧電フィルム３において、周辺部の
発生電荷および静電容量をそれぞれＱ　ｅ　ｓＣｅ、中
央部の発生電荷および静電容量をそれぞれＱｃｌＣｃと
すると、電極間電圧Ｖ０との間には、Ｑ　ｅ　＋Ｑ　ｃ
　＝（Ｃｅ　＋Ｃｃ）Ｖ。

であり、Ｑｅ＞ＱＣであるので、 Ｑｅ＃（Ｃｅ＋Ｃｃ）Ｖ。

となる。したがって、電極間電圧Ｖ０は、となる。圧電
フィルム３は中央部に円形孔５ａを有していることによ
り、電極間電圧Ｖはとなり、したがって、 となる。圧電フィルム３の厚さは均一であるから、円形
孔５ａがないと仮定した場合の圧電フィルム３の面積を
八〇、そして、円形孔５ａを有する圧電フィルム３の面
積をＡとすると、それぞれの静電容量Ｃは、Ａａおよび
Ａに比例するから、となる。この式から、円形孔５ａを
形成しである本実施例の圧電フィルム３の方が検出感度
が高いものが得られることがわかる。また、円形孔５ａ
を形成しであるから、検知部１が軽量化されるという利
点もある。

また、薄膜円板状の振動板２は、微小変形領域では中心
対称のはりと考えることもできる。この場合振動板２の
″変形こわさ″は、 Ｅ（ヤング率）ＸＩ（断面二次モーメント）で表される
。（Ｉ：断面二次モーメントは厚さｄの３乗に比例する
） 振動板２と圧電フィルム３を接着剤によって貼り合わせ
一体化させた場合、振動板２の”変形こわさ″を、圧電
フィルム３の”変形こわさ”が無視できるほど大きく取
れば、検知部ｌの振動加速度による変形は、振動板２の
変形に依存することになり、しかも、変形による圧電フ
ィルム３の出力特性は損なわれない。この″変形こわさ
”の比は、上記（ａ）の式で示したごとく、圧電フィル
ム３に対して振動板２が５倍以上となっているので、圧
電フィルム３の発生出力は安定性に優れたものが得られ
る。

［実施例］ 続いて、本発明の具体的な実施例について、第５図およ
び第６図に示す構造を有する検知部２０および３０と比
較しながら説明する。これら比較例のうち、第５図の検
知部２０は、円形孔を有さない高分子系材料からなる円
板状の基材２１の両面に電極６ａ、６ｂが被覆されてな
る圧電フィルム２２の周縁に固定枠４が取り付けられた
もの、また、第６図の検知部３０は、円板状の振動板３
１の片側の表面に、上記検知部２０の圧電フィルム２２
と同一構成の圧電フィルム３２が接着剤により貼り合わ
されたものである。

実施例■〜■ ・固定枠 外径Ｄ　６　：　２０　ｆｌ１ｍ１内径ｄｏ：１５ｍｎ
。

・圧電フィルム 基材：ポリぶつ化ビニリデン延伸フィルム、厚さ２３０
μｍ１ 中央に形成された円形孔の径：６ｍｍ。

圧電定数ｄ３＋：２０ｐｃ／Ｎ ヤング率Ｅｐ：２．３Ｘ１０”　Ｐａ の同一条件で、別表（１）に示すような検知部を作成し
た。なお、比較例■〜■を別表〔２〕に示す。

これら実施例および比較例の、周波数と出力との関係を
第７図のグラフに示すが、これを見れば明らかなように
、圧電フィルムに円形孔があけられ、かつ、Ｅ８・ｔｍ
３／ＥＰ−ｔＰ′が５以上の高い値を示す各実施例■〜
■は、周波数の高低にかかわらず安定した出力が得られ
ているが、圧電フィルムに円形孔が形成されていないも
の（比較例■■）、あるいは、ＥＢ−ｔＢ３／ＥＰ−ｔ
Ｐ３が５以下の小さい値を示すもの（比較例■）は、各
実施例■〜■と比較すると一定した出力が得られていな
い。　・［発明の効果］ 以上説明したように、本発明の圧電型加速度センサによ
れば、検知部が、円環状の固定部を有する振動板の表面
に、中央部に円形孔が形成された高分子系材料からなる
薄膜状の圧電素子を、前記円形孔が前記固定部と同心円
状となるよう一体に設けてなることを特徴とし、前記振
動板のヤング率ＥＢ、厚さｔＢと前記圧電素子のヤング
率ＥＰｓ厚さｔ、との間に、 なる関係を有することを含むものであるから、以下のよ
うな効果を奏する。

■円板状の振動板に取り付けられた圧電素子の中心に円
形孔゛が形成されているために、検知部が発する信号の
出力が一定でかつ強いものを得ることができるとともに
、検知部１個当たりの圧電素子材料の実着量が少なくな
り、軽量化が実現できる。

■振動板と圧電素子の変形こわさを上記式のごとく制限
することにより、検知部の出力の周波数に対する安定性
を良くすることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図（イ）（ロ）（ハ）は本発明の圧電型加速度セン
サの検知部を示すそれぞれ平面図、斜視図、断面図、第
２図は第２実施例の断面図、第３図は回路図、第４図は
薄膜の振動状態を表す模式図、第５図および第６図はそ
れぞれ比較例の断面図、第７図は各実施例と各比較例の
出力特性を表す図、第８図（イ）〜（ニ）はそれぞれ従
来の圧電型加速度センサの検知部の構造を示す断面図で
ある。 １．１０・・・・・・検知部、　　　　　２・・・・・
・振動板、３・・・・・・圧電フィルム（圧電素子）、
４・・・・・・固定枠（固定部）、　　　５３・・・・
・・円形孔。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）　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
   ンサであって、前記検知部は、円環状の固定部を有する
   振動板の表面に、中央部に円形孔が形成された薄膜状の
   高分子系圧電素子を前記固定部と同心円状となるよう一
   体に設けてなることを特徴とする圧電型加速度センサ。
2. （２）　前記振動板のヤング率Ｅ＿Ｂ、厚さｔ＿Ｂと、
   前記圧電素子のヤング率Ｅ＿Ｐ、厚さｔ＿Ｐとの間に、
   Ｅ＿Ｐ・ｔ＿Ｐ＾３／Ｅ＿Ｂ・ｔ＿Ｂ＾３≧５なる関係
   を有することを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の
   圧電型加速度センサ。