JPH01123156A - 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
出する圧電を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＝ｍ　　α （Ｆ：力、ｍ：質量、ａ：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６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」。

（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「剪断を」。

（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く微小振動の検出が可能な（
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（たとえば固定部分の
歪みを零にするという条件）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）Ｏｓ系（ＰＺＴと略称される〕や、Ｐ　ｂＴ　ｉｏ
　ｓ、Ｂ　ｓＴ　ｉｏ　１（Ｐ　ｂ、　Ｌ　ａＸＺ　ｒ
。

Ｔ　ｉ）Ｏｓ　（Ｐ　Ｌ　Ｚ　Ｔ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。

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さ、 （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。

（ｄ）絶縁性に優れている。

というような特長があり、このため、たとえば上記片持
ちはり型に適していると考えられるが、剛性が低いため
に、安定した出力が得られにくいという不具合がある。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであって、上
述の「片持ちはり型」の特長を生かすとともにその欠点
を克服して、より安定した周波数特性および良好な指向
特性が得られる圧電型加速度センサを提供することを目
的としている。

［問題点を解決するための手段］ 本発明の圧電型加速度センサは、上記目的を達成するた
めに、その検知部が、凹所が形成された台座と、湾曲し
た板バネからなり前記台座に対し凹面が台座側に向けら
れ前記凹所をまたぐよう配される振動板と、この振動板
の前記凹面に接着される高分子系圧電素子と、前記台座
の前記凹所にその一端が固定されて前記振動板の中央部
を貫通する支柱と、この支柱の他端部に固定される固定
部とからなり、この固定部によって、前記振動板が平に
されてバネ力を蓄えられた状態で前記台座に固定されて
なることを特徴とし、さらに、前記振動板のヤング率Ｅ
１１断面二次モーメント■８と、前記圧電素子のヤング
率ＥＰ、断面二次モーメントＩＰとの間に、 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２図を参照して本発明をさらに詳
しく説明する。

第１図は、本発明に係る加速度センサの検知部１を示し
ている。図中符号２は中央部に矩形の凹所２ａが形成さ
れた薄い直方体状の台座、３は通常所定の曲率で湾曲し
ている長方形状の板バネからなり、中央部に円形孔３ａ
が固定された振動板である。

前記台座２の凹所２ａ中央部には、円筒状の支柱４が、
その軸を凹所２ａ底面に対し垂直にされて、ねじ込み等
の固定手段により固定されている。

前記振動板３が湾曲した状態における湾曲端３ｂ間の長
さ（第１図のｉで示す・・・以下この長さを「わたり」
と称す）は、台座２に形成された凹所２１の長さよりわ
ずかに大きく設定されている。また、振動板３の凹面３
Ｃの、前記円形孔３ａの両側には、長方形状の圧電フィ
ルム（圧電素子）５が、それぞれ１枚ずつ計２枚、接着
剤等により接着されている。この圧電フィルム５は、高
分子系材料からなる薄膜状の基材の両面に、蒸着等の薄
膜形成法により電極が被覆されたものである。

前記振動板３は、ヤング率が高い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。

また、前記圧電フィルム５を構成する基材は、前述のよ
うに高分子系材料によって形成されているが、その材料
としては、ポリフッ化ビニル、ポリ７ツ化ビニリデン（
ＰＶＤＦ）、ポリ塩化ビニル、ナイロン１１、ポリカー
ボネート、ポリ（ｍ−７エニレンイソフタルアミド）フ
ッ化ビニリデン−四７ツ化エチレン共重合体、フッ化ビ
ニリデン−フッ化ビニル共重合体、７ツ化ビニリデン−
三フフ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　ｉ）Ｏ
ｓ、Ｐ　ｂＴ　ｉＯ、、（Ｐ　ｂ、Ｌ　ａ）（Ｚ　ｒ、
Ｔ　ｉ）０　、、ＢａＴｉＯｓ、Ｂ　ｓ（Ｚ　ｒ、　Ｔ
　ｉ）Ｏｌ（Ｂ　ａ、　Ｓ　ｔ）Ｔ　ｉＯ、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
子中に混ぜたものも用いることができる。

また、振動板３と圧電フィルム５との間には、振動板３
の″変形こわさ” 圧電フィルム５の″変形こわさ” の関係が成り立っている。ここで、 Ｅ８　：振動板のヤング率 ＥＰ　：圧電フィルムのヤング率 ＩＢ　：振動板の断面二次モーメント ■、：圧電フィルムの断面二次モーメントであり、また
、″変形こわさ”とは、 ヤング率ＥＸ断面二次モーメントＩ で表され、また、断面二次モーメント■は、（ｄ：曲げ
方向の断面の幅、ｔ：厚さ）で表される。

そして、前記振動板３は、第１図に示すように、圧電フ
ィルム５が接着された凹面３ｃが台座２側に向けられ、
湾曲端３ｂが台座２の表面に係合されて凹所２ａをまた
ぐよう配され、さらに、円形孔３ａに支柱４を貫通され
た状態で、支柱４の突端に固定された固定部６により平
となるよう押圧された状態で台座２に固定されている。

これによって振動板３は、バネ力が蓄えられた状態とな
っている。固定部６は、支柱４に対して、たとえば、ね
じ等の固定手段により固定される。

上記のように構成された検知部１は、導電性を有するシ
ールドケース７の中に収納されている。

また、前記圧電フィルム５の両面に被覆された電極には
、振動板３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、この端子
からの出力信号は、第２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、このインピー
ダンス変換回路８と前記端子は、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。

次ｌ二、上記検知部ｌの作用を説明する。圧電フィルム
５は、外力（振動）を受けると、その力の加速度に比例
した（変形）歪みを生じるとともに電荷を発生する。

振動板３と圧電フィルム５を接着剤によって貼り合わせ
一体化させた場合、振動板３の”変形こわさ”を、圧電
フィルム５の”変形こわさ”が無視できるほど大きく取
れば、検知部１の振動加速度による変形は、振動板３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５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５に対して振動板３が１０倍以上となっているので、
圧電フィルム５の出力特性は損なわれることなく、また
その発生出力は安定性に優れたものが得られる。

なお、上記実施例においては、振動板３に接着された圧
電フィルム５は２枚であるが、枚数はこれに限られず少
なくとも１枚であればよく、検知部を作製する難易性か
ら数枚に分割することは任意である。

また、上記高分子系材料からなる圧電フィルム５は、セ
ラミクス系とは異なりヤング率が低いので、接着剤によ
って容易に振動板３に接着することができる。このよう
に、圧電フィルム５は振動板３と接着されて一体化され
ることから、圧電性を損なうことなく、振動加速度が加
わったときの振動モードを、振動板のヤング率と断面二
次モーメントで任意に選択することができる。

［実施例〕 統いて、本発明の具体的な実施例について、２種類の比
較例を参照しながら説明する。

■実施例（第１図の検知部１の構造を有するもの） ・振動板 １８−８ステンレスによって、わたり２０１１１１１％
幅１０ｍｍ、曲率半径３８　ｆｆ１ｌ！ｌ、厚さ１００
μｍに形成したもので、ヤング率Ｅ、２．Ｏｘ　１０目
Ｐａ・圧電フィルム 基材：ポリふっ化ビニリデン延伸フィルムによって、長
さ６　ｍｍ、幅１０ｍｍ。

厚さ３０μｍのサイズに形成したもの 圧電定数ｄｓｔ：２０ｐｃ／Ｎ ヤング率Ｅｐ：２．３ｘｌＯ”Ｐ１ ■比較例その１（第１図の検知部ｌの構造を有するもの
） 上記実施例と同一の構成条件であるが、振動板の厚さを
１０μｍとした。この結果、 である。

■比較例その２（第３図（イ）（ロ）に示す片持ちはり
型の検知部１０の構造を有するもの）検知部ｌＯは、長
方形状の振動板１１の表面に、圧電フィルム１２が接着
されてなるはり１３が、その−辺に取り付けられた固定
枠１４に支持された構成となっている。前記圧電フィル
ム１２は、高分子系材料からなる薄膜状の基材１２ａの
両面に電極１２ｂが被覆されたものである。

そして、はりの振動板が、厚さ３０μｍの銅はく、ヤン
グ率１．３Ｘ１０”であって、はりの長さＬ　７　ｌ、
輻Ｄ１０ＩＩＩＩ＋の条件で、上記検知部１０の構造を
有するものを作製した。

上記実施例および比較例その１における周波数と出力と
の関係を第４図のグラフに示す（■が実施例、■が比較
例その１）。これを見れば明らかなように、ＥＢ−Ｉ８
／ＥＰ−ＩＰが、３．２Ｘ１０３と１０以上の高い値を
示す実施例は、周波数の高低にか°かわらず安定したフ
ラットな出力が得られているが、Ｅａ・■、／ＥＰ−Ｉ
Ｐが３．２と１０以下の低い値である比較例その１は、
周波数が高くなるにしたがい出力が落ち、一定した出力
が得られていない。

次に、上記実施例および比較例その２に対し、Ｘ方向（
実施例においてわたり方向、比較例その２において長さ
Ｌ方向）、Ｙ方向（実施例において幅方向、比較例その
２において幅り方向）、Ｚ方向（実施例、比較例その２
においていずれも振動板の面と直交する方向）の３方向
に、２０Ｈ２の振動加速度を加えたときの、この振動加
速度と出力との関係を第５図に示す（■が実施例、■が
比較例その２）。

実施例においては、検知方向Ｚに対して垂直なＸ１Ｙ方
向のうち、Ｘ方向の出力は１％、Ｙ方向の出力は検出さ
れず、良好な指向特性を示している。ところが、比較例
その２におけるＸ方向、Ｙ方向の出力は、加速度０．５
Ｇでいずれも１７％と、実施例より指向特性が劣ってい
ることがわかる。

［発明の効果］ 以上説明したように、本発明の圧電を加速度センサによ
れば、その検知部が、凹所が形成された台座と、湾曲し
た板バネからなり前記台座に対し凹面が台座側に向けら
れ前記凹所をまたぐよう配される振動板と、この振動板
の前記凹面に接着される高分子系圧電素子と、前記台座
の前記凹所にその一端が固定されて前記振動板の中央部
を貫通する支柱と、この支柱の他端部に固定される固定
部とからなり、この固定部によって、前記振動板が平に
されてバネ力を蓄えられた状態で前記台座に固定されて
なることを特徴とし、さらに、前記振動板のヤング率Ｅ
Ｂｖ断面二次モーメント！、と、前記圧電素子のヤング
率ＥＰ１断面二次モーメント■、との間に、 なる関係を有することを含むものであるから、指向特性
が良好で、低加速度でも安定した出力を得ることができ
、また、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！きるという効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の圧電を加速度センサの検知部を示す側
断面図、第２図は検知部が組み込まれる回路図、第３図
（イ）（ロ）は比較例その２の検知部を示す平面図およ
び側断面図、第４図は実施例と比較例その１の出力特性
を表す図、第５図は実施例と比較例その２の指向特性を
表す図、第６図（イ）〜（ハ）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。 ｌ・・・・・・検知部、２・・・・・・台座、　２ａ・
・・・・・凹所、３・・・・・・振動板、３ｃ・・・・
・・凹面、４・・・・・・支柱、５・・・・・・圧電フ
ィルム（圧電素子）、６・・・・・・固定部。

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、凹所が形成された台座と
   、湾曲した板バネからなり前記台座に対し凹面が台座側
   に向けられ前記凹所をまたぐよう配される振動板と、こ
   の振動板の前記凹面に接着される高分子系圧電素子と、
   前記台座の前記凹所にその一端が固定されて前記振動板
   の中央部を貫通する支柱と、この支柱の他端部に固定さ
   れる固定部とからなり、この固定部によって、前記振動
   板が平にされてバネ力を蓄えられた状態で前記台座に固
   定され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断面二次モーメン
   トＩ＿Ｂと、前記圧電素子のヤング率Ｅ＿Ｆ、断面二次
   モーメントＩ＿Ｆとの間に、 （Ｅ＿Ｂ・Ｉ＿Ｂ）／（Ｅ＿Ｆ・Ｉ＿Ｐ）≧１０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。