JPH01172760A - Piezoelectric type acceleration sensor - Google Patents

Piezoelectric type acceleration sensor

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JPH01172760A
JPH01172760A JP33241587A JP33241587A JPH01172760A JP H01172760 A JPH01172760 A JP H01172760A JP 33241587 A JP33241587 A JP 33241587A JP 33241587 A JP33241587 A JP 33241587A JP H01172760 A JPH01172760 A JP H01172760A
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JP
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diaphragm
piezoelectric
protective film
piezoelectric element
film
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Application number
JP33241587A
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Japanese (ja)
Inventor
Shigemi Takahashi
重美 高橋
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Fujikura Ltd
Original Assignee
Fujikura Ltd
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Abstract

PURPOSE:To hold a stable output characteristic and frequency characteristic over a long period of time, by providing a vibration plate, a piezoelectric element and a protective film. CONSTITUTION:When the rigidity of a vibration plate 3, that is, the deformation rigidity thereof is made sufficiently larger than that of a piezoelectric element 5, stable output is obtained, because the vibration of a detection part is determined by the vibration mode of the vibration plate 3 and the output characteristic of the piezoelectric element 5 is not damaged. Further, by setting the deformation rigidity of a protective film 6 so as to lower the same to a degree not damaging the vibration mode of the detection part depending on the vibration plate 3, the vibration plate 3 or the piezoelectric element 5 can be protected from external environment without damaging the inherent frequency or output characteristic of the detection part. In addition, the release of the piezoelectric element 5 from the vibration plate 3 is also prevented by the protective film 6.

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。
[Detailed Description of the Invention] [Industrial Application Field] The present invention relates to a piezoelectric acceleration sensor that detects the acceleration of a vibrating body using a polymer-based piezoelectric element, and is particularly suitable for use in low acceleration and low frequency regions. The present invention relates to a suitable piezoelectric acceleration sensor.

[従来の技術] 物理出である加速度の検出は、 F  = 肩 α (F:力、IR=質m1α;加速度) にしたがい、加えられた力に応じて求められる。[Conventional technology] Detection of acceleration, which is a physical output, is F = Shoulder α (F: force, IR=quality m1α; acceleration) is required according to the applied force.

この力という機械量を電気m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。
The method of converting this mechanical quantity of force into electricity m is as follows:
There are piezoelectric types, servo types, strain gauge types, etc., and among these, the piezoelectric type is currently the most popular type used in acceleration sensors.

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。
A piezoelectric acceleration sensor utilizes a piezoelectric effect that generates an amount of electricity proportional to the magnitude of the force when an external force is applied to a piezoelectric element provided in a detection section and the piezoelectric element is distorted.

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3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m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」。
There are approximately three types of detection portions as shown in (a) to (c) in FIG. 3, depending on the way in which distortion occurs in the piezoelectric element. To briefly explain these, (a) When a force F is applied to the weight M attached around the support S, the piezoelectric element P placed between the weight M and the substrate is compressed, and the piezoelectric element is polarized. A "compression type" in which strain occurs in the same direction as the axial direction of the shaft.

(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」。
(b) When force F is applied to the weight M attached around the support S through the piezoelectric element P, the piezoelectric element P receives a shearing force, and the strain is applied to the plane in the same direction as the polarization axis direction of the piezoelectric element. "Shear type" that occurs as a deviation.

(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
に発生ずる 「片持ちはり型」。
(c) When a piezoelectric element P is attached to a support S in the form of a cantilever, and a force F is applied to a weight M attached to the tip of the piezoelectric element P, a strain is generated in a direction perpendicular to the polarization axis direction of the piezoelectric element. A "cantilever beam" type is created.

のそれぞれである。each of them.

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。
For example, to detect the acceleration of a vibrating body at medium and high frequencies, the compression type (a) or the shear type (b) is used, and when detecting the acceleration of a vibrating body at low frequencies,
It has higher detection sensitivity than these and can detect minute vibrations (
The cantilever type shown in c) is used, and different methods are used depending on the frequency, the magnitude of acceleration, the measurement range, etc.

[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、圧電素子として一般的なP b(Z r、T 
i)Os系(PZTと略称される〕や、PbTi0a、
l3aTiO,(Pb、La)(Zr。
[Problems to be Solved by the Invention] Incidentally, in the case of the cantilever-type detection section that is advantageous mainly for detecting low-frequency acceleration, one end of the piezoelectric element is fixed to the support S. It is difficult to realize the conditions (for example, the condition that the distortion of the fixed part be zero), and as a result, there is a problem that the frequency characteristics and sensitivity are difficult to stabilize. In particular, P b (Z r, T
i) Os-based (abbreviated as PZT), PbTi0a,
l3aTiO, (Pb, La) (Zr.

’l’i)O,(P L ZT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。
Although general ceramic piezoelectric materials such as 'l'i) O, (abbreviated as P L ZT) have excellent rigidity, they are brittle and easily chipped, so they have poor workability. In addition, it is weak against impact and easily breaks, so it is unsuitable for the cantilever type.

ところで、圧電材料には、上記セラミクス系の他に、ポ
リフッ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)可撓性に侵れている。
By the way, in addition to the ceramics mentioned above, piezoelectric materials include polymeric materials such as polyvinylidene fluoride, and compared to ceramics, these polymeric materials have (a) less flexibility; .

(b)加工性に富み薄膜化、大面積化が可能である。(b) It has excellent processability and can be made into a thin film and large area.

(c)誘電率が小さいために、電圧出力定数(g)が大
きい。
(c) Since the dielectric constant is small, the voltage output constant (g) is large.

(d)絶縁性に優れている。(d) Excellent insulation properties.

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、剛性か低いため
に、安定した出力が得られにくいという不具合がある。
For this reason, it is considered to be suitable for the above-mentioned cantilever type, but it has the disadvantage that it is difficult to obtain stable output due to its low rigidity.

さらに、上記各圧電型加速度センサは、いずれら検出部
が露出したもが造になっているため、外部環境、例えば
温度、湿度等の急激な変化に弱く、結露などにより出力
特性の経時変化を起こしやすく長期間の使用に耐えない
という問題もあった。
Furthermore, since each of the piezoelectric acceleration sensors mentioned above is constructed with an exposed detection section, it is susceptible to sudden changes in the external environment, such as temperature and humidity, and changes in output characteristics over time due to condensation, etc. There was also the problem that it was easy to wake up and could not withstand long-term use.

本発明は、上記事情に鑑みてなされたしのであって、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、安定した出力特性、周波数特性を長期間に渡
って保つことができる実用性の高い圧電型加速度センサ
を提供することを目的としている。
The present invention has been made in view of the above circumstances, and aims to take advantage of the features of the "cantilever beam type" described above, overcome its drawbacks, and maintain stable output characteristics and frequency characteristics over a long period of time. The purpose of this research is to provide a highly practical piezoelectric acceleration sensor that can perform

[問題点を解決するための手段] 本発明は、その検知部が、凹所が形成された台座に対し
、その凹面が台座側に向けられ前記凹所をまlこぐよう
配される湾曲した振動板と、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、これら振動板および高分
子系圧?′IX索子を覆って、該振動板および高分子系
圧電素子を外部環境から保護する保護膜と、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
11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。そして、前記振動板のヤング率
EB%断面二次モーメントIaと、it記保護膜のヤン
グ率Eps断面二次モーメントipとの間の関係を、 を満たすように定めれば、より好ましいものである。
[Means for Solving the Problems] The present invention provides a curved detection section in which the detection section is arranged on a pedestal in which a recess is formed so that its concave surface is directed toward the pedestal side and it runs parallel to the recess. A diaphragm, a polymer-based piezoelectric element bonded to the concave surface of this diaphragm, and a diaphragm and a polymer-based piezoelectric element. 'A protective film that covers the IX strand and protects the diaphragm and the polymer piezoelectric element from the external environment, and one end of which is fixed to the recess of the pedestal and extends through the center of the diaphragm. It is characterized by comprising a column and a fixing part fixed to the other end of the column, and the fixing part fixes the diaphragm to the pedestal in a flat state and storing a spring force. shall be. It is more preferable if the relationship between the Young's modulus EB% moment of inertia of the diaphragm and the second moment of inertia of the Young's modulus Eps of the protective film ip is determined to satisfy the following: .

[作用] 以上の構成においては、振動板の剛性、すなわち変形こ
わさを、高分子系圧電素子の変形こわさより十分に大き
くしておけば、検知部の振動は振動板の振動モードによ
って決定されるため、安定した出力が得られ、しかも高
分子系圧電素子の出力特性は損なわれない。
[Function] In the above configuration, if the stiffness of the diaphragm, that is, the deformation stiffness, is made sufficiently larger than the deformation stiffness of the polymer piezoelectric element, the vibration of the detection unit is determined by the vibration mode of the diaphragm. Therefore, stable output can be obtained, and the output characteristics of the polymer piezoelectric element are not impaired.

さらに、保護膜の変形こわさを、振動板に依存する検出
部の振動モードを損なわない程度に低く設定することに
より、検知部本来の周波数特性や出力特性を損なうこと
なく振動板や高分子系圧?ff素子を外部環境から保護
することができる。加えて、保護膜により振動板からの
高分子系圧電素子の剥がれも防止される。
Furthermore, by setting the deformation stiffness of the protective film to a low level that does not impair the vibration mode of the detection part that depends on the diaphragm, we can reduce the pressure of the diaphragm and polymer system without impairing the original frequency characteristics and output characteristics of the detection part. ? The FF element can be protected from the external environment. In addition, the protective film also prevents the polymer piezoelectric element from peeling off from the diaphragm.

[実施例〕 以下、第1図および第2図を参照して本発明の詳細な説
明する。
[Example] The present invention will be described in detail below with reference to FIGS. 1 and 2.

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。
FIG. 1 shows a detection section 1 of an acceleration sensor according to the present invention. In the figure, reference numeral 2 is a thin rectangular parallelepiped base with a rectangular recess 2a formed in the center, and 3 is a rectangular plate spring that is usually curved at a predetermined curvature, with a circular hole 3a in the center.
is a fixed diaphragm.

119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。
119 In the center of the recess 2a of the pedestal 2, there is a cylindrical support 4.
However, its axis is perpendicular to the bottom surface of the recess 2a, and it is fixed by a fixing means such as screwing.

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Q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2a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
剤等により接骨されている。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、蒸若等の薄
膜形成法により電極が被覆されたものである。
The length between the curved ends 3b when the diaphragm 3 is curved (indicated by Q in FIG. 1...hereinafter, this length will be referred to as "crossing")
) is set slightly larger than the length of the recess 2a formed in the base 2. In addition, the concave surface 3 of the diaphragm 3
Two rectangular piezoelectric films (piezoelectric elements) 5, one on each side, are attached to both sides of the circular hole 3a using an adhesive or the like. This piezoelectric film 5 has electrodes coated on both sides of a thin film-like base material made of a polymeric material by a thin film forming method such as vapor deposition.

重犯振動板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。
The serious crime diaphragm 3 is preferably formed of a material with a high Young's modulus, and is mainly made of a single metal such as iron, copper, nickel, etc.
Alternatively, a metal material made of an alloy such as brass or stainless steel is used, but a composite material with plastic such as glass fiber or carbon fiber is also suitable from the viewpoint of a high Young's modulus.

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、ポリフッ化ビニリデン(
P V D F )、ポリ塩化ビニル、ナイロン9、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)フッ化ビニリデン−四フッ化エチレ
ン共重合体、フッ化ビニリデン−フッ化ビニル」(重合
体、フッ化ビニリデン−三フッ化エチレン共重合体、シ
アン化ビニリデン−酢酸ビニル」(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)03、P bT io a、(+
’ b、L aXZ r、T 1)03、na’l’i
o++、r3a(Zr、Ti)Os、(r3a、Sr)
’I”iol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。
The base material constituting the piezoelectric film 5 is made of a polymeric material as described above, and examples of the material include polyvinyl fluoride, polyvinylidene fluoride (
P V D F ), polyvinyl chloride, nylon 9, nylon 11. Polycarbonate, poly(m-phenylene isophthalamide) vinylidene fluoride-ethylene tetrafluoride copolymer, vinylidene fluoride-vinyl fluoride (polymer, vinylidene fluoride-ethylene trifluoride copolymer, vinylidene cyanide) Vinyl acetate” (polymer, or
Mixtures of two or more of these or mixtures of these and other thermoplastic resins are suitable. In addition to this, P
b(Z r, T i) 03, P bT io a, (+
' b, L aXZ r, T 1) 03, na'l'i
o++, r3a (Zr, Ti) Os, (r3a, Sr)
It is also possible to use a mixture of fine powder of an inorganic piezoelectric material such as 'I'' iol in a polymer such as a thermoplastic resin or a thermosetting resin.

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1変形こわさ“ の関係が成り立っている。ここで、 Ell :振動板のヤング率、 EP :圧電フィルムのヤング率、 !ロ:振動板の断面二次モーメント、 ■P :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! で表され、また、断面二次モーメント■は、t3 (d:曲げ方向の断面の幅、t:厚さ)で表される。
Further, between the diaphragm 3 and the piezoelectric film 5, the diaphragm 3
The following relationship holds true: "Deformation stiffness" of the piezoelectric film 5 "One deformation stiffness of the piezoelectric film 5" where Ell: Young's modulus of the diaphragm, EP: Young's modulus of the piezoelectric film, !B: second moment of area of the diaphragm, ■P: second moment of area of piezoelectric film,
In addition, "deformation stiffness" means Young's modulus EX moment of inertia! The moment of inertia of area (2) is expressed as t3 (d: width of cross section in the bending direction, t: thickness).

また、圧電フィルム5が接着された振動板3は、当該振
動板3および圧電フィルム5を外部環境、例えば温度、
湿度等の急激な変化から保護する保護膜6によって覆わ
れている。この保護膜6に使用される材料としては、エ
ポキシ樹脂、シリコン樹脂等の熱硬化性樹脂や光硬化性
樹脂が単独、もしくは溶剤塗料型にした上で用いられ、
また、これら以外にも、ポリエチレン等の熱可塑性樹脂
や5ins等の無機物の溶剤塗料型、さらには、ポリエ
チレン、ポリパラキシリレン等の有機物や5iO1等の
無機物の蒸着膜やスパッタによる薄膜を用いてもよい。
Further, the diaphragm 3 to which the piezoelectric film 5 is bonded is able to maintain its diaphragm 3 and the piezoelectric film 5 in an external environment such as temperature
It is covered with a protective film 6 that protects it from sudden changes in humidity and the like. As the material used for this protective film 6, thermosetting resins such as epoxy resins and silicone resins and photocuring resins are used alone or in the form of solvent paints.
In addition to these, we also use thermoplastic resins such as polyethylene, solvent paints of inorganic materials such as 5ins, and thin films made by vapor deposition or sputtering of organic materials such as polyethylene, polyparaxylylene, and inorganic materials such as 5iO1. Good too.

そして、振動板3と保護膜6との間には、振動板の″変
形こわさ″ 保護膜の″変形こわさ″ Ea:振動板のヤング率、 !〕!:保護膜のヤング率、 ■ロ:振動板の断面二次モーメント、 11:保護膜の断面二次モーメント、 の関係が成り立っている。なお、この場合の1+すなわ
ち保護膜6の断面二次モーメントは上記振動板3ないし
は圧電フィルム5と同様に。
And, between the diaphragm 3 and the protective film 6, the "deformation stiffness" of the diaphragm, the "deformation stiffness" of the protective film, Ea: Young's modulus of the diaphragm, ! ]! : Young's modulus of the protective film, ■B: Second moment of area of the diaphragm, 11: Second moment of area of the protective film. In this case, 1+, that is, the moment of inertia of the area of the protective film 6 is the same as that of the diaphragm 3 or the piezoelectric film 5 described above.

d、:保護膜の曲げ方向の幅、 t、:保護膜の曲げ方向の厚さ、 で求められる値である。d: width of the protective film in the bending direction; t: thickness of the protective film in the bending direction; This is the value found by

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 (1111に
向けられ、湾曲端3bが台座2の表面に、保護1関6を
介して係合されて凹所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tt、4
の突端に固定された固定部7により”+l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7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。
As shown in FIG. The supports tt, 4 are arranged so as to be engaged with each other so as to straddle the recess 2a, and the supports 4 are inserted through the circular holes 3a.
The diaphragm 3 is fixed to the pedestal 2 in a state where it is pressed so as to be ``+l'' by a fixing part 7 fixed to the tip end of the diaphragm 3. As a result, the diaphragm 3 is in a state where spring force is stored.Fixing part 7 is fixed to the support column 4, for example, by a fixing means such as a screw.

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8の中に収納されている。
The detection unit 1 configured as described above is housed in a conductive shield case 8.

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U−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9を介して測定される。なお、このインピ
ーダンス変換回路9と面記端子は、ローノイズケーブル
lOによって接続され、また、前記シールドケース8は
アースされている。
Further, a terminal (not shown) is attached to the electrodes coated on both sides of the piezoelectric film 5 to take out a signal emitted by the vibration of the diaphragm 3, and the output signal from this terminal is As shown in FIG. 2, it is measured via an impedance conversion circuit 9. Note that this impedance conversion circuit 9 and the surface terminal are connected by a low noise cable IO, and the shield case 8 is grounded.

次に、」二足検知部lの作用を説明する。Next, the operation of the two-leg detection section 1 will be explained.

圧電フィルム5は、外力(振動)を受けろと、その力の
加速度に比例した(変形)歪みを生じろとと乙に電荷Q
を発生するが、振動板3と圧電フィルム5が接着剤によ
って貼り合わされて一体化され、振動板3の″変形こわ
さ″と圧電フィルム5の“変形こわさ“の比が上式(a
)で示したごとく、圧電フィルム5に対して振動板3 
h< l 0倍以上となっているので、振動板3は圧電
フィルム5の制約を受けずに振動し、圧電フィルム5か
らは振動板3の振動に従って出力が発生ずることになり
、発生出力は安定性に浸れたものとなる。しかも、上記
高分子系材料からなる圧7(i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ため、接着による
圧電フィルム5の出力特性の劣化ら発生しない。
The piezoelectric film 5 receives an external force (vibration) and generates a distortion (deformation) proportional to the acceleration of the force.
However, when the diaphragm 3 and the piezoelectric film 5 are bonded together and integrated with an adhesive, the ratio of the "deformation stiffness" of the diaphragm 3 to the "deformation stiffness" of the piezoelectric film 5 is expressed by the above formula (a
), the diaphragm 3 is connected to the piezoelectric film 5.
Since h < l is 0 times or more, the diaphragm 3 vibrates without being constrained by the piezoelectric film 5, and the piezoelectric film 5 generates an output according to the vibration of the diaphragm 3, and the generated output is It is steeped in stability. In addition, the piezoelectric film 5 made of the polymeric material has a low Young's modulus unlike ceramics, so it can be easily adhered to the diaphragm 3 with an adhesive. No deterioration of output characteristics occurs.

そして、振動板3と圧電フィルム5は保護膜6で;aれ
ているために、振動板3は保護膜Gの制約を受けて振動
するのであるが、保護膜6の″変形こわさ″を、振動板
3の″変形こわさ″に比して十分1: 小さく定められ
ていれば、保護膜6が振動板3の振動に与えろ制約は無
視しうる程度となり、従って、保護膜6を付加したこと
による圧?Iliフィルム5の出力の低下は発生しない
。本実施例の場合では、″変形こわさ″の比は、特に上
式(b)で示したごとく、保護膜6の″変形こわさ″が
振動仮6の″変形こわさ″のl/20以下となっている
ため、振動板3と圧電フィルム5張り合わせたことによ
って得られた優れた周波数特性や出力特性をなんら損な
うことなく、振動板3や圧電フィルム5を外部環境、す
なわち温度や湿度等の急激な変化から保護することがで
き、検出部lの対環境性が向上し、経時変化の発生を防
止できるのである。加えて、保護膜6によって振動板3
と圧電フィルム5の剥がれも防止されるため、さらに検
知部lの寿命が延び、安定した周波数特性、出力特性を
長期間に渡って得ることができるのである。
Since the diaphragm 3 and the piezoelectric film 5 are separated by the protective film 6, the diaphragm 3 vibrates under the constraints of the protective film G. 1 enough compared to the "deformation stiffness" of the diaphragm 3: If it is set small, the restriction that the protective film 6 exerts on the vibration of the diaphragm 3 will be negligible, and therefore the addition of the protective film 6 is Pressure caused by? No reduction in the output of the Ili film 5 occurs. In the case of this embodiment, the ratio of "deformation stiffness" is such that the "deformation stiffness" of the protective film 6 is less than 1/20 of the "deformation stiffness" of the vibration temporary 6, as shown in the above equation (b). Therefore, the diaphragm 3 and the piezoelectric film 5 can be exposed to sudden changes in the external environment, such as temperature and humidity, without any loss in the excellent frequency characteristics and output characteristics obtained by laminating the diaphragm 3 and the piezoelectric film 5 together. This makes it possible to protect the detection unit 1 from changes, improve the environmental resistance of the detection unit 1, and prevent the occurrence of changes over time. In addition, the diaphragm 3 is protected by the protective film 6.
Since peeling of the piezoelectric film 5 is also prevented, the life of the detection unit 1 is further extended, and stable frequency characteristics and output characteristics can be obtained over a long period of time.

次に、第1図に示す本実施例の圧電型加速度センサを、
振動板3および圧電フィルム5の条件を一定に保ったう
えで、保護膜6の変形こわさを上式(b)の範囲内で変
化させて2FIj類製作し、さらに比較例として振動板
3および圧電フィルム5を実施例と同一条件に保ったう
えで、保護膜の無いものおよび、変形こわさが上式(b
)の範囲外のものをそれぞれ製作し、各センサに所定の
ヒートザイクル試験、及び落下試験を施したときの結果
を別表1に7+Cづき説明する。なお、この時の各試験
条件は以下の通りである。
Next, the piezoelectric acceleration sensor of this embodiment shown in FIG.
After keeping the conditions of the diaphragm 3 and the piezoelectric film 5 constant, 2FIj types were manufactured by changing the deformation stiffness of the protective film 6 within the range of the above formula (b), and as a comparative example, the diaphragm 3 and the piezoelectric film 5 were After maintaining the film 5 under the same conditions as in the example, the film without a protective film and the deformation stiffness were calculated using the above formula (b
) were fabricated, and each sensor was subjected to a prescribed heat cycle test and drop test. The results are explained in Attached Table 1 for 7+C. The test conditions at this time are as follows.

■センサ製作条件 ・振動板 材質:18−8ステンレス 寸法:厚さ100μm、幅10mm。■Sensor manufacturing conditions ・Vibration plate Material: 18-8 stainless steel Dimensions: 100μm thick, 10mm wide.

わたり20mm、曲率半径38mm ヤング率Ea: 2.OX I O”  Pa・圧マα
フィルム 基材:ポリぶつ化ビニリデン延伸フィルム寸法:幅10
mm、長さ6 m m 、厚さ30μm圧マU定数ds
+: 20 p c/ Nヤング率Ep: 2.3x 
10”  Pa・保護膜 材質:エポキシ樹脂 ヤング率E+:3.0XIO’  r’a■ヒートザイ
クル試験条件 温度範囲ニー20°C〜80°C l!l!L度変化率=lO°C/ Hrザイクル敗:5
0サイクル ■落下試験条件 コンクリート床上1mの高さより、センサを100回落
下させ、試験後の出力が、試験前の出力に対して±5%
以上相違するものの個数を数えた。
Width: 20 mm, radius of curvature: 38 mm Young's modulus Ea: 2. OX I O” Pa・Pressure α
Film base material: Polyvinylidene ester stretched film Dimensions: Width 10
mm, length 6 mm, thickness 30 μm pressure U constant ds
+: 20 p c/N Young's modulus Ep: 2.3x
10" Pa・Protective film material: Epoxy resin Young's modulus E+: 3.0 Seikle loss: 5
0 cycle ■ Drop test conditions The sensor is dropped 100 times from a height of 1 m above the concrete floor, and the output after the test is ±5% of the output before the test.
The number of items with the above differences was counted.

■センザ加振周波敢:201(z 別表1からも明らかなように、保護膜のない比較例1に
おいては、ヒートサイクル試験後にその出力が70%に
低下しており、外部環境の変化に対して耐久性が劣り、
長期間の使用において出力特性の低下は免れないことが
わかる。これに対して保護膜のある実施例1、実施例2
および比較例2については、ヒートサイクル試験後も出
力の低下は殆ど発生せず、振動板および圧電フィルムを
保護膜で覆うことにより、長期間に渡って安定した出力
特性をt(i持できることがわかる。また、保護膜のな
い比較例1では、落下試験後に20個中2個が出力に異
常をきたしたのに対し、保護膜のあるしのでは出力異常
は発生仕ず、保護膜により対衝撃性ら改善されているこ
とがわかる。
■Sensor excitation frequency: 201 (z) As is clear from Attached Table 1, in Comparative Example 1 without a protective film, the output decreased to 70% after the heat cycle test, and it is difficult to resist changes in the external environment. and have poor durability,
It can be seen that the output characteristics inevitably deteriorate during long-term use. In contrast, Example 1 and Example 2 with a protective film
Regarding Comparative Example 2, there was almost no decrease in output even after the heat cycle test, and by covering the diaphragm and piezoelectric film with a protective film, stable output characteristics could be maintained over a long period of time. In addition, in Comparative Example 1 without a protective film, 2 out of 20 had abnormal output after the drop test, whereas with the protective film, no output abnormality occurred; It can be seen that impact resistance has been improved.

続いて、上記各センサを、周波数200112近辺まで
の低周波領域内で逐次周波数を変化させて振動さ仕たと
きの出力測定結果を第4図に示ず。
Next, FIG. 4 shows the output measurement results when each of the above-mentioned sensors was vibrated by successively changing the frequency within a low frequency region up to a frequency of around 200112.

保護膜の変形こわさが、上式(b)の範囲内にある実施
例1、実施例2および保護膜の無い比較例1にでは全周
波数域において安定した出力を保っていることが確認さ
れたのに対して、保護膜の変形こわさが、上式(b)の
範囲を越える比較例2では保護膜が振動板の振動モード
に悪影響を与えるために、周波数特性が劣化しているこ
とがわかる。
It was confirmed that in Examples 1 and 2, where the deformation stiffness of the protective film was within the range of formula (b) above, and Comparative Example 1, which did not have a protective film, stable output was maintained in the entire frequency range. On the other hand, in Comparative Example 2, where the deformation stiffness of the protective film exceeds the range of formula (b) above, it can be seen that the protective film adversely affects the vibration mode of the diaphragm, resulting in a deterioration of the frequency characteristics. .

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%E易性
から数枚に分割することは任心である。
In the above embodiment, the number of piezoelectric films 5 bonded to the diaphragm 3 is two, but the number is not limited to this and may be at least one. It is arbitrary to divide it into pieces.

[発明の効果] 以上説明したように、本発明の圧7r1ffi加速度セ
ンザによれば、圧?lli素子が振動板の振動に伴って
出力を発するので、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、加えて、振動板と圧電素子が
保護膜で覆われているために、耐環境性が向上し、さら
に振動板と圧電素子の剥がれも防止されて耐衝撃性も向
上し、長期間に渡って安定した出力特性、周波数特性を
保つことができ、その実用性は極めて高い。
[Effects of the Invention] As explained above, according to the pressure 7r1ffi acceleration sensor of the present invention, pressure? Since the lli element emits an output in accordance with the vibration of the diaphragm, the stability of the output of the detection section relative to the frequency can be improved.In addition, since the diaphragm and piezoelectric element are covered with a protective film, It has improved environmental resistance, prevents the diaphragm and piezoelectric element from peeling off, improves impact resistance, and maintains stable output and frequency characteristics over a long period of time, making it extremely practical. .

そして、前記振動板のヤング率EB、断面二次モーメン
ト■8と、前記保護膜のヤング率E1、断面二次モーメ
ントI+との間の関係を、 を満たすように定めれば、保護膜による出力特性、周波
数特性の劣化は発生U°ず、さらに実用性の高い圧電型
加速度センサが提供できるのである。
If the relationship between the Young's modulus EB and the moment of inertia of the area 8 of the diaphragm and the Young's modulus E1 and the moment of inertia of the area I+ of the protective film is determined to satisfy the following, the output from the protective film is A piezoelectric acceleration sensor with higher practicality can be provided without causing any deterioration of characteristics or frequency characteristics.

以下余白。Margin below.

別表[1コAttached table [1 piece

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of the drawing]

第1図は本発明の圧電型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)〜(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、第4図は本発明の実施例
と比較例の周波数特性を示す図である。 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・・・・・・保護膜、7・・・
・・・固定部。
Fig. 1 is a side sectional view showing the detection part of the piezoelectric acceleration sensor of the present invention, Fig. 2 is a circuit diagram in which the detection part is incorporated, and Figs. 3 (a) to (c) show conventional piezoelectric acceleration. FIG. 4 is a cross-sectional view showing the structure of the detection part of the sensor, and is a diagram showing frequency characteristics of an example of the present invention and a comparative example. l...Detection unit, 2...Pedestal, 2a.
...Recess, 3...Diaphragm, 3c...
... Concave surface, 4 ... Support column, 5 ... Piezoelectric film (piezoelectric element), 6 ... Protective film, 7 ...
···Fixed part.

Claims (2)

【特許請求の範囲】[Claims] (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に対
し、その凹面が前記台座側に向けられ前記凹所をまたぐ
よう配される湾曲した振動板と、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、これら振動板および
高分子系圧電素子を覆って、該振動板および高分子系圧
電素子を外部環境から保護する保護膜と、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。
(1) A piezoelectric acceleration sensor that detects acceleration from an amount of electricity generated as a result of distortion of a piezoelectric element provided in a detection part, wherein the detection part a curved diaphragm arranged to face the pedestal side and straddle the recess; a polymer piezoelectric element adhered to the concave surface of the diaphragm; a protective film that protects the diaphragm and the polymer-based piezoelectric element from the external environment; a support whose one end is fixed to the recess of the pedestal and passes through the center of the diaphragm; A piezoelectric acceleration sensor comprising a fixing part fixed to an end part, the fixing part fixing the diaphragm to the base in a flat state and storing a spring force.
(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、前記保護膜のヤング率E_I、断面二次モ
ーメントI_Iとの間に、 E_B・I_B/E_I・I_I≧20 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。
(2) A relationship such as E_B・I_B/E_I・I_I≧20 exists between the Young's modulus E_B and the second moment of inertia I_B of the diaphragm and the Young's modulus E_I and the second moment of inertia I_I of the protective film. Claim 1 characterized by
The piezoelectric acceleration sensor described in .
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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE19522651A1 (en) * 1994-10-12 1996-04-18 Mitsubishi Electric Corp Semiconductor acceleration sensor esp. for antiblocking brake system or air bag system
JP2007333618A (en) * 2006-06-16 2007-12-27 Univ Kansai Acceleration sensor
JP2020020597A (en) * 2018-07-30 2020-02-06 株式会社バルカー Vibration sensor

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