JPH0157305B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、重合体変換器部材を有する圧電性加
速度検出器に関する。

一般に、圧電性加速度検出器は、２つの主要構
成部品を有する。第１の主要構成部品は、平担状
の圧電性変換器であり、片面が検出器を含むケー
スに固定されている。一方、第２の構成部品は、
振動主体部と称される質量Ｍであり、変換器部材
の他面に固定されている。そして、加速度ｇの作
用下で圧電性部材に質量Ｍが力Mgを加え、圧電
性部材が測定回路へMgに比例するすなわちＭが
既知であるからｇに比例する電荷量を供給する。

先行技術による圧電性材料としては、一般には
圧電係数ｄ（クローン／ニユートンで示される）
の大きな分極された強誘電性セラミツクが使用さ
れていた。これらの検出装置の応答性は温度に依
存する。そして、温度に対して検出装置の出力電
圧が依存しないことが最重要である場合には、圧
電性材料として、強誘導性単結晶あるいは均一な
単結晶性石英が使用可能である。しかしながら、
これらの材料より成る検出装置は経済的でない。
さらに、ある種の検出器の出力信号はその振幅が
非常に小さいので、複雑な電子的整合を行うこと
を要し、また増幅回路を要し、高価となる。ま
た、圧電効果を生ずる重合体圧電膜のほぼ中央に
引張力を付与する重錘を取付けて圧電効果を高め
る考案も公開されている。

最近入手可能となつた圧電性重合体のフイルム
は、その圧電係数ｄが石英の圧電係数（１ないし
５×10^-12C／Ｎ）と強誘電性物質のそれ（100な
いし500×10^-12C／Ｎ）との中間のものがある。
限定するものではないが、例えば次のとおりであ
る。ポリフツ化ビニリデン（PVF₂：ｄ＝10ない
し20×10^-12C／Ｎ）、ポリフツ化ビニリデン／ポ
リテトラフルオロエチレン共重合体（PVF₂−
PTFE：ｄ＝５ないし10×10^-12C／Ｎ）、ポリ塩
化ビニル（PVC：ｄ＝１ないし５×10^-12C／Ｎ）
およびポリフツ化ビニル（PVF：ｄ＝２ないし
７×10^-12C／Ｎ）。そして、これらの重合体は成
形および溶融後、印加電場が500kV／cmないし数
MV／cmで分極時間が数分ないし数時間の下で、
典形的には80ないし120℃の温度に維持すること
により圧電性を付与される。次いで、重合体は、
電場の下で雰囲気温度に置かれる（例えば30分
間）。

これらの重合体の長所は、大変経済的であると
共に任意形状に成形可能であることにある。しか
しながら、種々の用途とくに一般の利用に供する
ために、非常に安価な加速度検出装置が必要にな
つて来ている。特に限定するものではないが、遠
心力型回転機器（例えば洗たく機のドラム）にお
けるアンバランス検出、衝撃（例えばドアが閉じ
る際にドアに加わる衝撃）の検出、あるいは車輛
と障害物との間の衝撃検出等が挙げられる。

本発明は、適宜処理を施された後、２つの導電
性電極間の重合体材料のフイルム領域が圧電性特
性を有し、また、変位可能かつ検出すべき加速度
を受ける振動主体部の変位に関連している高分子
変換器部材を備えており、前記電極の端子に電圧
が発生し、前記振動主体部が前記重合材料の一以
上の所定領域により形成される加速度検出装置に
関する。

以下、図面を参照して、本発明を実施例に基づ
いて説明する。

なお、図において同一の構成要素は同一の参照
符合で示してある。

第１図は、先行技術による加速度検出器の構成
を概略的に示している。圧電材料の薄板の形式を
とる変換器部材１は、例えば導電性接着剤により
ケース４に固定されている。また、ケース４の壁
は、第１の電極を形成している。例えば導電性材
料から形成される振動主体部３は、前述の導電性
接着剤２で接着され、前記変換器部材１上に配置
される。前記ケースが対象の位置へ好適な固定手
段８により固定され、振動を受けあるいは振動を
発生すると、前記振動主体部３およびケース４の
内壁でそれぞれ形成される電極間に電圧が生ず
る。この電圧は、振動主体部上の溶接された接続
体５と実際のケースとの間に集められる。前記変
換器部材１の端子に収集された信号は、コネクタ
CNと出力ケーブル６（例えば同軸ケーブル）に
より適宜測定装置へ伝送される。

本発明によれば、第１図の変換器部材１と振動
主体部３とを単一部材に一体化できる。さらに使
用材料が重合体であるから、非常に安価であると
共に所望のいかなる成形をも行える。

第２図は、本発明による加速度検出装置の第１
の実施例を示し、また特定的には本発明の第１の
態様を示している。フイルムは、有極性重合体材
料を成形して形成する。この材料は、例えば、前
述した材料あるいは次に示す材料から選択可能で
ある。即ち、ポリクロロトリフルオロエチレン、
ポリフツ化ビニル／ポリテトラフルオロエチレ
ン、あるいは、ポリエチレン、ポリ塩化ビニルま
たはポリフツ化ビニリデンを組成とする塩素処理
を施した合成ポリエチレンから選択可能である。

円形フイルム１１は、同一の重合体材料が充填
された容積を限定する中央瘤状部を有している。
そして、この瘤状部が振動主体部を形成する。

前記変換器フイルムは、また、円形断面１３を
有する周方向瘤状部１２を有している。この瘤状
部は、第３図に図示のとおりケース内でのその配
置は可能とする。そして、前記円筒状ケースは、
組立てられるべき２つの部分４１および４２を有
する。組立て手段は、第３図に示した手段４７，
４６および４５あるいは他の好適手段により構成
できる。ハーフケースの各々は壁から堀り抜かれ
かつ瘤状部１２と同一径の半円形断面を有する環
状溝４３あるいは４４を有している。

第３図は、前記ケース内に配置された本発明に
よる検出装置を示す分解図である。隠れた部分を
示すために一部が断面で示されている。

成形工程につづく製造工程において、変換器フ
イルムの２つの面が金属化されて電極１６および
１７を形成する。次いで接続ワイヤ１４および１
５が、例えば電極への溶接によりあるいは接着剤
を用いての接着により固定される。第３図の図示
例において、ケースの２つの部分は絶縁材料で製
造される。前記ケースの外方の接点を通るように
接続具が設けられている。このために、第３図は
金属板４８，４９を示しており、また、２つの導
体５１および５２を組込んだ接続ケーブル５０
は、検出装置の両端子において収集される信号を
好適な測定機器へ伝達する。

２分割型ケース自体に金属部分を設け、締付に
より第４図に示すとおり、圧電性フイルムの電極
との接触を直接的に確保することができる。そし
て、接点ワイヤ１４および１５を、溶接あるいは
ねじ込みあるいは他の方法により前記ケースの２
つの部分４１および４２の直接固定できる。

製造中、重合体変換器フイルムは、永久的な圧
電特性を与えるための処理を受ける。この処理に
関しては以前に述べたが、特定的には２つの電極
を約1MV／cmの電場を発生可能な高電圧源に接
続し、次いでフイルムを80℃ないし120℃の温度
範囲に置くことによる電気的分極工程を備えてい
る。このフイルムは、さらに電場の下で雰囲気温
度に置かれる（例えば30分間）。

圧電材料を得るための上記工程が当該技術分野
において周知であるので、詳述しない。

第５図は、振動主体部として働らきかつ変換器
としての中央部分１１と同一材料で形成された大
きな環状瘤状部１０を有する本発明による加速度
検出装置の第２の実施例を説明している。この実
施例は、第２図の検出装置の結合構造を構成す
る。前記構造は、自己支持型であり、堅固な支持
体７０へ固定される。前記支持体を、ケースの一
方の部分で構成可能である。前記組立て体は、回
転軸Δを有する。支持体を導電性材料で形成可能
であり、その場合には接続１５を省略できる。

第６図は、本発明による加速度検出装置の第１
の態様における第３の実施例を示している。高分
子材料フイルムは、平行六面体１１の形式であ
り、中央瘤状部を有している。前記中央瘤状部
は、部分φが円筒１０であり回転軸Δ′が変換器
平面１１−１１′に対して平行である形式をとる。
この中央円筒瘤状部は、変換器を、検出装置ケー
スに固定された２つの堅固な支持体７１および７
２により両端部が把持された２つの同等の部分１
１および１１′に分割している。

前述の構造に比べてより単純な構造の検出装置
に関し、検出装置の作動を説明する数値列を述べ
る。

前記振動主体部は、２つの箔部１１および１
１′により支持体上に把持された直径φが２mmで
長さｌが２が１cmである円筒を備えている。各箔
部は、厚さが30μｍで表面積l1×l2が0.5×１cm²で
ある。使用材料はPVF₂であり、その特性パラメ
ータは以下のとおりである。

●コンプライアンス：Ｓ＝2.5×10^-10m²／Ｎ ●横方向圧電係数 ：ｄ＝５×10^-12C／Ｎ ●比 重 ：ρ＝1.85×10³Kg／m³ ●誘 電 率 ：10^-10F／ｍ 装置が平面１１−１１′に垂直な加速度ｇを受
けると、装置は、振動主体部に力Ｆを加える。そ
して各箔部１１，１１′の平面内の力は、 Ｆ≠（F²／2S）^1/3である。ここで「≠」は殆ど等し いことを意味している。

したがつて、第７図の自由物体概略図を参照す
ると、l1はl1＋Δl1となり、平面１１および１
１′は水平方向に対して角度αを形成する。

よつて、 cosα＝l1／l1＋Δl1＝１／１＋Δl1／l1 Δl1／l1＝SF₁および F₁＝Ｆ／2sinα≠（f²／2S）^1/2 １グラムの力の加速度に対して、 Ｆ＝πφ²／４Lρ＝5.85×10^-5N ここでF₁＝1.89N この力は、別個の各箔部の縁部に次に示す圧力
Ｘを印加する。

Ｘ＝F₁／Ｓ＝F₁／el1＝6.3×10⁵N／m² そして、次の電荷密度が生じる。

δ＝Xd＝3.15×10^-6C／m² したがつて、単位表面積あたりの平面１１−１
１′の容量は、 γ＝3.33×10^-6F／m² したがつて、発生電圧は、 Ｖ＝σ／γ≠１ボルト この検出装置の出力電圧は、直線性を有しない
が、この電圧は使用手段の単純さを考慮すると高
いと云える。種々の用途において、非線形性から
何の不利益をもこうむらない。変換器が高インピ
ーダンスであるので、例えば、検出装置を含むケ
ース内に直接配置可能なMOS FETトランジス
タの入力へ出力信号を伝達させることにより前記
インピーダンスを適合させねばならない。前述の
構成に関してもこれは当てはまる。そして、この
検出装置は、振動検出に対してとくに有用であ
る。そして、相対的には安価であるので洗たく機
ドラムのアンバランス検出のような一般的用途に
対して好適である。

製造業者は、皆、洗たくの際、最大負荷で運転
することを推奨するが、この負荷を越えると、駆
動モータが適正動作不能となつたり損傷すること
になる。

検出装置ケースは、例えば、第３図に示すとお
り、ラグ６０を固定することにより、ドラムと一
体的に移動するシヤシに対して固定可能である。
一般に、洗たく機は、固定シヤシと、シヨツクア
ブソーバで支持された可動シヤシを有している。
この可動シヤシには回転ドラムが組込まれてい
る。本発明による検出装置は、ドラムの過大なア
ンバランスによる異常な振幅の振動を検出可能で
ある。このような用途に対しては、“オール・オ
ア・ナツシング”的な応答で充分であり、検出装
置の非直線性は短所とならない。所定基準以上の
アンバランスが生じると、MOS FET トラン
ジスタを組込んだ検出装置に関連している電子回
路は、電気的リレーに対し信号を伝達する。この
信号は、リレーを作動させかつ過負荷時のモータ
への電源を遮断する。そして、ドラムが幾つかの
異なる速度で回転可能であるならば、過負荷検出
時に、より高速度への変化をこの安全装置が防止
可能となる。前述の応用は、衣服の洗たく機に限
定されるものではなく、遠心力型の全ての回転機
に拡張できる。

第２の態様にしたがう一実施例を以下第８図を
参照して説明する。この態様によれば、検出装置
は構造がコンパクトである成形タイプであり、第
８図に示すとおり、例えば円筒状である。変換器
部分を構成するために必要な電極は、重合体材料
中に埋設されており、２つの平担かつ平行な金属
円板１６および１７により形成される。厚さｅの
２つの電極間の領域のみが活性化される。この目
的で２つの電極が高電圧で付勢され、前記領域を
分極しかつ前述の工程にしたがつて永久的な圧電
特性を生じさせる。前記検出装置の上方部分すな
わち上方電極と検出装置の上面との間の高さｈに
わたる重合体質量は、前記振動主体部１０を形成
する。

数値例として検出装置の特性パラメータを挙げ
ると次のとおりである。

φ＝１cm ｈ＝１cm ｅ＝１mm 振動主体部＝πφ²／４（ｈ−ｅ）ρ ＝1.3×10^-3Kg 重合体材料は、第６図の構造のための使用材料
と同一であり、したがつて、圧力は Ｘ＝Ｆ／Ｓ＝66N／m² 長手方向圧電係数がd₃₃＝５×10^-12C／Ｎであ
るとき１グラムの力の加速度に対して、電極に生
ずる電荷密度はσ＝3.31×10^-12Cである。したが
つて、表面容量は、γ＝10^-7F／m²であり、電極
１６および１７の端子における電圧はＶ＝33μV
である。

前述の検出装置とは異なり、本検出装置は機械
的増幅効果を有せず、その応答性は弱いが直線性
を呈する。

前述の場合と同様、電子的なインピーダンス整
合回路を設ける必要がある。前述の場合には前記
回路は、前記電極の端子において収集される信号
の増幅も行わねばならない。この目的のため、第
８図において参照符号９０で示されたハイプリツ
ド型モジユールを使用しており、それは入力段と
して高入力インピーダンスのMOS FET トラ
ンジスタを有している。このモジユールは、重合
体材料中に埋設可能である。電気的接続体１６０
および１７０は、電極１６，１７の端子において
収集された電気信号をモジユール９０へ伝達す
る。この検出装置は２部分型ケース８０，８１内
へ挿入可能であり、電気化学的なキヤパシタケー
スに対して通常使用される構造と同一構造を有す
る。接続ケーブル９１はモジユール９０により増
幅された信号を検出装置ケースの外面へ伝達し、
また、前記ケースへその作動に要する電力を供給
する。ケーブル９１は、このように検出された増
幅された信号の供給および操作のための外部回路
へ接続される。前記ケースは、ナツト８２によつ
てシヤシ７へ固定可能である。そして、前記シヤ
シは、検出すべき振動を受けあるいは発生し、ま
た、固定のための孔８３を有している。しかしな
がら、他の固定方法の使用が可能であり、前記検
出装置ケースは、所望用途に最適な形状にするこ
とができる。こう云つた点は本発明の範囲に属し
ない。

限定するものではないが、この経済的な検出装
置は、ドアが閉じる際のシヨツクの検出、車輛と
障害物との間の衝撃検出等の一般的用途にも使用
可能である。

本発明は、前述の実施例に限定されるものでは
なく、加速度検出器を利用するいかなる用途にも
係るものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は、従来周知の加速度検出装置の概略図
である。第２図ないし第４図は、本発明の第１の
態様による検出装置の第１の実施例を示す図であ
る。第５図は、本発明装置の第２の実施例を示す
図である。第６図および第７図は、本発明装置の
第３の実施例を示す図である。第８図は、本発明
装置の第２の態様による実施例を示す図である。 １……変換器部材、３……振動主体部、４……
ケース、５……接続体、６……出力ケーブル、８
……固定手段、１０……瘤状部、１１……フイル
ム、１２……周方向瘤状部、１４，１５……接続
ワイヤ、１６，２７……電極。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 適切な処理をほどこしたのちに、少なくと
   も、検出されるべき加速を受けると変位する振動
   主体部の変位により端子に電圧が発生する２つの
   導電性電極に挟まれた領域にピエゾ電気の特性を
   有する重合体の変換器部材を備えている加速検出
   装置において、前記重合体物質をモールドするこ
   とにより得られるフイルムの表面の１以上の所定
   領域に瘤状部を有し、該瘤状部が前記振動主体部
   を形成し、前記２つの導電性電極が、それぞれ前
   記フイルムの両側に設けられている変換器部材を
   有することを特徴とする加速検出装置。 ２ 前記２つの導電性電極が、前記変換器部材を
   形成する前記フイルムの２つの平面に設けられた
   金属被覆によつて形成される前記特許請求の範囲
   第１項に記載の装置。 ３ 前記変換器部材が前記フイルムの平面に垂直
   な軸に関する回転体構造を有し、前記瘤状部が同
   一回転軸を有する中央ドーム部の形状を呈する前
   記特許請求の範囲第２項に記載の装置。 ４ 前記変換器部材が、円形断面を有するソリツ
   ドの円周リングを形成する付加的瘤状部を有し、
   前記充実の円周リングが配設される半円形断面の
   還状溝部を壁の端部に有する２つの堅固なハーフ
   ケースにより形成されるケース内に前記変換器部
   材が配置され、また前記２つのハーフケースが対
   面するように組立てられ、かつ固定手段により所
   定位置に維持される前記特許請求の範囲第３項に
   記載の装置。 ５ 前記２つのハーフケースが導電性材料で形成
   され、各々が、前記フイルムの２つの面に配置さ
   れた前記２つの電極の一方と確実に電気的接触を
   行い、円周リングが組立て終了後前記２つのハー
   フケースを互いに電気的に絶縁する前記特許請求
   の範囲第４項に記載の装置。 ６ 前記変換器部材が、前記フイルムの平面に垂
   直な軸に関する回転構造を有し、前記瘤状部が円
   形断面の円周リングの形式であり、前記変換器部
   材がその中央部において堅固な支持体に機械的に
   結合されかつ前記支持体によりケース内に維持さ
   れる前記特許請求の範囲第２項に記載の装置。 ７ 前記変換器部材が矩形状であり、前記瘤状部
   が円筒状であり、その回転軸が前記矩形の一側面
   に対して平行でありかつ２つの同等部分に分割
   し、また前記２つの部分の回転軸に並行な端部の
   各々が、フレーム内に堅固に把持される前記特許
   請求の範囲第２項に記載の装置。 ８ 前記変換器部材が、重合体物質を成形して得
   られた縦長の物体の形式であり、軸のまわりにそ
   の最大寸法の半径で設けられており、また、互い
   に対向している前記軸に垂直な平面の２つの平板
   状電極が、変換器の第１の端部付近において重合
   体物質中に埋設されており、前記２つの電極間に
   おける前記重合体の領域が活性化されて圧電効果
   を有し、また前記２つの電極と前記変換器の第２
   の端部との間における重合体物質の領域が、前記
   振動主体部を形成する前記特許請求の範囲第１項
   に記載の装置。 ９ １以上の高入力インピーダンスを組込んだ電
   子的整合回路を有している前記特許請求の範囲第
   １項に記載の装置。