JPH0252256A

JPH0252256A - 加速度計

Info

Publication number: JPH0252256A
Application number: JP16718289A
Authority: JP
Inventors: John Christopher Henry; ジョン・クリストファー・ヘンリー
Original assignee: Pennwalt Corp
Current assignee: Pennwalt Corp
Priority date: 1988-07-01
Filing date: 1989-06-30
Publication date: 1990-02-21
Also published as: DK326089A; AU3664389A; EP0355289A1; AU619858B2; DK326089D0

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、電気機械的トランスジューサに関し、特定す
ると重合体圧電性物質をトランスジュサ素子として使用
する加速度計に関する。

［従来技術］振動分析においては、対象物が過度の運動を受けるとき
対象物に加わる力を決定するために、加速度計が使用さ
れる。例えば、加速度計は、機械内の振動レベルが連続
的にモニタできるように機械内に取り付けられることが
多い。機械内の振動レベルの急激な変化は、機械の故障
がまさに起こりそうであることを示すことが多い。さら
に、特定の部品が、加えられると故障を起こすような力
を受けないように、この特定の部品の振動レベルをモニ
タすることが望ましいことがしばしばある。

加速度計は、一般に、チタン酸バリウムのようなセラミ
ック圧電性物質を採用するが、このような物質は、振動
加速度に比例した電気的出力を生ずる。セラミック圧電
性トランスジューサ素子は、質量が圧電トランスジュー
サに圧縮力か専断力のいずれかを加えるように、加速度
計内に型造られる。圧縮力型加速度計は、一般に、基部
材と中央に配置された直立ポストとより成る。複数の輪
状に賦型されたセラミック圧電ディスクが、積層配置で
このポストの回りに同軸的に配置される。また、慣性質
量体が、圧電ディスクの積層上に載置されるように、ポ
ストの回りにこれも同軸的に配置される。この質量体は
、一定の力が圧電素子に加わるように、合成スプリング
で予め負荷してもよい。加速度計が振動を受けると、質
量体は圧電ディスクに力を加え、質量体の加速度に比例
する電荷が発生ずる。圧縮型加速度計の例は、１９６８
年８月１３日付でＪ、Ｃ，Ｒｉｅｄｅｌに発行された米
国特許第３．３９７．３２９号に見い出すことができる
。

剪断型加速度計も、基部材と直立ポスト部材を備えるが
、ポストは三角断面を有する。圧電素子が、ポストの各
主面に固定されている。ついで、慣性質量体が、各圧電
素子の露出主面に取り付けられる。中心ポストの回りに
は、リングが同軸的に配置されていて、圧電素子と慣性
質量体を一緒にクランプする。加速度計が振動せしめら
れるとき、慣性質量体は圧電素子に剪断力を加え、圧電
素子は、加速度に比例した出力信号を生ずる。

［発明の課題］セラミック圧電素子を採用するこれらの加速度計は、種
々の応用に有用であるが、振動分析を受けるべき対象物
上に容易に装着することができるような、計量で廉価な
加速度計の必要性が生じてきている。

［課題を解決するための手段］本発明の加速度計は、対向する第１および第２の表面を
有する圧電性重台体ボディーを備える。

の少なくとも一部上に配置された導電層と電気的に接触
している。この導電層は第１の電極を形成する。第２の
電極としても機能する導電性慣性質量体が、圧電性重台
体ボディーの第２の表面と電気的に接触して配置されて
いる。基板がその主面に実質的に垂直な方向に加速され
ると、第１および第２の電極間に電気的出力が発生され
る。

本発明の他の実施例として、圧電性重台体ボディーの第
２表面上に、導電層が配置され、これが第２の電極とし
て働く。ついで、第２電極上に、慣性質量体が配置され
る。

［実施例］本発明の加速度計は、圧電性重台体物質から構成された
変換素子を備える。ポリ弗化ビニリデン（ＰＶＤＦ）フ
ィルムは、圧電性性質を有する重合体の１例である。ポ
リ弗化ビニリデンは、約５０％結晶質であり、５０％ア
モルファスである。ＰＶＤＦの主結晶質形式は、高極性
ベーター形式および非極性アルファ形式である。有用な
圧電活性は、極性べター形式と関連する。ＰＶＤＦの圧
電活性を増すために、フィルムは機械的に配向され、強
い電界を受け（別の観点ではポーリングとして知られる
）、配向され、極性化されたヘータ形式の結晶質を優勢
にせしめる。このようにして処理されたポリ弗化ビニリ
デンフィルムは、米国フィラデルフィア所在のＰｅｎｎ
ｗａｌｔ　Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎから商業的に入手し
得る。主割合のポリ弗化ビニリデンおよび少なくとも１
種の共重合可能なコモノマー、好ましくは弗素化オレフ
ィンコモノマー例えばトリフルオルエチレンおよびテト
ラフルオルエチレンを有する共重合体を、本発明に使用
できる。他の有用な圧電性重台体としては、弗化ビニリ
デンおよびポリシアン酸ビニルを含む共重合体および三
元共重合体などがある。好ましい圧電性重台体物質とし
ては、約６５〜９５モル％の弗化ビニリデンおよび約３
５〜５モル％のトリフルオルエチレンより成る共重合体
が含まれる。

第１図および第２図を参照すると、本発明の第１の実施
例の加速度計が、総括的に１０として指示されている。

図面において同一の参照番号は同種の部品を指示してい
る。

加速度計１０は、剛性の絶縁性基板１２を含むが、これ
は熱的にも絶縁性とし得る。基板１２は、アルミナのよ
うなセラミックから製造できる。Ｃｏｒｎｉｎｇ社から
入手し得るＭＡＣＯＲのような加工可能なセラミックも
、基板１２として使用できる。基板１２として使用する
のに適当な他の物質としては、ガラス補強ＰＣＢ板、補
強プラスチックエポキシ板、シリコンカーバイド、ＰＹ
ＲＥＸ　（Ｒ）およびその他のガラス製品などがある。

第１の電極を形成する導電性層１４が、基板１２の第１
の主面上に配置されている。導電層１４は、ステンレス
スチールまたは黄銅のような導電物質の薄膜とし得る。

導電層１４はまた、加速度計の他の部分との電気的接続
をなすのに使用されるタブ部分１４　を含む。

加速度計１０はまた、圧電性重台体ボディー１６をを備
えるが、この重合体ボディーは、第１図に示されるよう
に、２枚の圧電性重台体フィルム１８および２０より成
る。圧電性重台体フィルムは、第１導電層１４が配置さ
れる基板１２の主面に対して実質的に垂直な方向に分極
されるように処理されている。圧電性重台体ボディー１
６は２層１８および２０として示されているが、単層ま
たは２以上の層より構成してもよい。多層構造は、加速
度計の感度、キャパシタンスまたはその両者を増すから
好ましい。

第２の電極としても機能する導電性慣性質量体２２が、
圧電性重台体ボディーと面接触下に配置されている。慣
性質量体２２は、リードとして機能するより薄い導電性
層２６を挟む２枚の導電性層２６および２８より成る。

薄い導電性層２６上のタブ部分２６′は、加速度計の他
の部分と電気的接続をなすにに使用される。導電性慣性
質量体は、基板１２がその主面に対して実質的に垂直な
方向において加速されるとき、質量が圧電性重台体ボデ
ィーに加わって、それぞれ第１および第２電極として機
能している層１４および２６間に電気的出力を生ずるよ
うに、十分の重量を有すべきである。導電性層２４．２
６および２８は、ステンレススチールまたは黄銅シート
のような種々の導電性材料から造ることができる。

基板１２、第１導電層１４、圧電性重台体フィルム１８
および２０、および導電層２４．２６および２８は、す
べて積層配置で接着固定され、それぞれ第１および第２
電極１４および第２６間に、基板の主面に実質的に垂直
な加速度成分に比例する出力が発生するようになされて
いる。積層配置は、Ｌｏｒｄ　Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ
　　から人手し得る非常に薄いエラストマポリウレタン
接着剤で層を一緒に固定することによって形成し得る。

この接着剤は非導電性であるが、隣接する層間に十分の
面接触面および電気的伝導を許容するに十分薄い。代り
に、エポキシのような導電性接着剤も、積層アセンブリ
を形成するのに使用できる。さらに、圧電性重台体フィ
ルム１８および２０は、アセトンによる溶剤溶着によっ
て一緒に結合してもよい。

可撓性絶縁性重合体フィルム３０も、同様に、前述の積
層配置に隣接して基板１２の一部に接着固定されている
。フィルム３０は、Ｄｕ　Ｐｏｎｔ社から入手し得るＭ
ＹＬＡＲ（Ｒ）のような薄いポリエチレンテレフタレー
トフィムシートから製造できる。商標ＫＥＰＴＯＨの下
でＤｕｐｏｎｔ社から人手し得るポリイミドのような他
の商業的に人手し得る絶縁性重合体フィルムも使用でき
る。この可撓性絶縁性層３０は、導電線（または導電体
）３６．３８および４０とともに、加速度計と電気的接
続をなすためのり一トとして機能する。圧電性重台体ボ
ディー１６により発生される電気的出力を処理するため
の処理回路は、絶縁性層３０上に配置される。例示的目
的のみのため、抵抗３２および電界効果トランジスタ３
４が、圧電性重台体ボディー１６により発生される出力
を増幅しそれとインピーダンス整合をなすための回路と
して示されている。種々の従来形式の処理回路を加速度
計上に採用できることを理解されたい。抵抗３２は接合
領域３２′および３２°′を備えているが、これは、回
路の他の部品または圧電性重台体ボディーと電気的接続
をなすのに使用できる。同様に、電界効果トランジスタ
３４も接合パッド３４’　　３４°゛および３４　”’
を備える。抵抗３２、電界効果トランジスタ３４および
タブ部分１４′および２６°′間の電気的接続は、ワイ
ヤ接合のような従来の技術を使用してなし得る。

可撓性絶縁性重合体フィルム３０は、電気的隔絶の目的
のため離間された導電線３６．３８および４０を備える
。導電線３６．３８および４０は、絶縁性重合体フィル
ム３０に接着固定された銅のような導電箔とし得る。代
りに、導電線は、適当な重合体マトリックスに分散され
た微細分割導電性金属のようなプリントされた導電性イ
ンクとし得る。微細分割銀を含むインクが特に適当であ
る。

絶縁性重合体フィルム３０はまた、加速度計の部品との
外部的電気的接続をなすための手段４２を備える。手段
４２は、商業的に入手し得るクリンプオンコネクタとし
得る。しかしながら、外部的電気的接続をなすためのは
んだパッドまたはその他の従来の電気的接続を、図示の
ビン形式のコネクタに変えることができる。第１の導電
線３６は、第１電極１４のタブ部分１４°と電気的に接
続できる。第１の導電線３６はまた、コネクタ４２上に
示される接地用ビン４４と電気的接続をなす。第２導電
線３８は、電界トランジスタ３４上の端子部分３４′と
電気的に接続される。第２導電線３８はまた、加速度計
により発生される出力信号を、コネクタ４２に示される
出力ビン４６に供給する。第３の導電線４０は、コネク
タ４２上の電力供給ビン４８に電気的に接続され、また
電界効果トランジスタ３４上の電源端子３４°パと電気
的接続をなす。

第１図および第２図には示されていないが、導電線３６
．３８および４０を含む絶縁性フィルムは、導電線を周
囲環境から電気的に隔絶するために、ＭＹＬＡＲのよう
な他の薄い絶縁性重合体フィルムで覆ってもよい。第１
電極１４、圧電性重台体ボディー１６、導電性慣性質量
２２および処理回路のすべての露出部分は、重合体絶縁
性物質内にカプセル収納してもよいし、金属ケーシング
内に納めてもよい。重合体絶縁性層が採用される場合、
該部分は、加速度計を電磁的干渉信号から遮蔽するため
金属化してもよい。外部金属化は、接地の目的のため第
１導電線３６に電気的部分に接続されよう。

第３図を参照すると、本発明の第２の実施例の加速度計
が、５０で指示されている。加速度計５０は、第２の電
極を形成する導電層５２が、圧電性重台体１６および慣
性質量５４間に配置されている点で第１および第２図に
図示される加速度計１０と異なる。導電層５２はまた、
加速度計の他の部品と電気的接続をなすためのタブ部分
５２°を備える。慣性質量体５４は、第２の電極として
機能する必要がないから、ポリカーボネートまたはアク
リル樹脂シートのような絶縁性物質から製造してよい。

代りに、慣性質量体５４は、第１の実施例に対して前述
したように、ステンレスウチールまたは黄銅のような導
電性材料から製造してもよいし、あるいはそれを、ポリ
エチレンテレフタレートのような絶縁性物質のボディー
内に電気的に隔絶してもよい。それぞれ第１および第２
の電極を形成する導電層１４および５２はまた、組立前
に圧電性重台体ボディー１６上に形成された導電層とし
得る。普通、これらの暦は、スクリーン印刷導電性イン
クまたは従来のフィルム付着技術を使用して被着される
金属化層のいずれかである。電極１４および５２が、組
立前に圧電性重台体ボディー上に形成される場合、一般
に。

導電性タブ部分が低温度はんだを使用して電極上にはん
だ付けされ、電極と電気的接続がなされ得るようにされ
る。

第４図は、本発明の第３の実施例を示すものであり、こ
れが６０で総括的に指示されている。この実施例は、先
に前述した加速度計１０または５０のいずれかとの関連
において使用できる。この実施例では、可撓性の絶縁性
重合体フィルム３０が、圧電性重台体ボディー１６を含
む積層配置の下に延びている。可撓性絶縁性重合体フィ
ルム３０は、コネクタ４２上の接地ビン４４と電気的に
接続される、拡大部分６２°を備える導電線６２を包含
している。拡大部分６２°は第１導電層１４の下に延び
ており、両層間に電気的接続が確立されるようになされ
ている。代りに、加速度計１０および５０においては、
第１の導電［１４は排除でき、拡大導電性部分６２°は
、圧電性重台体フィルム１６と面接触せしめられ、第１
電極として機能することになろう。導電線６２および拡
大部分６２°は、第１図および第２図に関して前述した
のと同じ技術を使用して製造できよう。

加速度計１０および５０は、処理回路および圧電性重台
体ボディー１６と反対の基板１２の表面に単に接着剤ま
たは圧力感知テープを被着することによって振動を受け
る対象物上に取り付けることかできる。

本発明の加速度計の寸法は、応用に依存して変えること
ができる。しかしながら、加速度計は、複数の積層から
成るから、小パッケージ寸法を有するように造ることが
できる。例えば、基板は、既約１２ミリメータＸ６ミリ
メータとし得、そして加速度計の全高は、約２ミリメー
タはどの低さとし得る。この寸法の加速度計は、普通約
０．２〜１．０グラムの重量の慣性質量を有するであろ
う。

これらの寸法は、単に、本発明の加速度計を作り得る小
型でコンパクトな寸法の例示である。

［発明の効果］加速度計は、小寸法なので、約２グラム以下（１０イン
チのり一トおよびコネクタを含め）のように軽量であり
、従来の重い圧電性セラミック加速度計をこれまで受は
入れなかったような振動部品上に使用できる。さらに、
加速度計は複数の積層部材より成るから、その製造コス
トは十分に低く、加速度計を使い捨てセンサとして使用
することを可能にするであろう。また、圧電性重台体ボ
ディーの可撓性の性質や積層設計のため、加速度計は高
衝撃に抗することができる。

本発明の加速度計は、圧電性ボディーに隣接して配置さ
れる基板の主面に平行な加速度成分に応答して少量の電
気的エネルギしか発生しない。これは、加速度計のサン
ドイッチ状構造により、圧電性ボディーかクランプされ
、上述の方向におけるどのような応力の影響も減ぜられ
るからである。しかしながら、この主面に垂直な加速度
成分は、慣性質量によって圧電性ボディー上に誘起され
る応力のため、相当な電気的出力を生ずる。もしも、圧
電性ボディーがクランプされていなかったならば、基板
表面に垂直な加速度成分に対する加速度計の感度は、相
当に減ぜられることになろう。これは、主面に平行に作
用する応力により発生ずる電気的出力の極性は、主面に
垂直な方向に作用する応力により発生される極性に反対
になるからであろう。このように、本発明の加速度計の
サンドウィッチ構造のため、加速度ベクトルの単一の成
分が精確に測定されることが可能となる。

４、図　の。　な１日第１図は圧電性重台体ボディー上の電極の一つとして慣
性質量を使用する本発明の加速度計の側面図、第２図は
第１図に示される加速度計の平面図、第３図は慣性質量
体と圧電性重台体ボディーとの間に別個の電極か配置さ
れる、本発明の第２の実施例の加速度計の側面図、第４
図は第１電極および加速度計と電気的接続をなすための
り−トとして機能する複数の導電線を有する絶縁性重合
体層を採用する本発明のさらに他の実施例である。

１４：３２・３６゜５０．６０：加速度計絶縁性基盤導電層圧電性重台体ボディー２０：　圧電性重台体フィルム導電性慣性質量体２６．２８　　導電層絶縁性重合体フィルム抵抗電界効果トランジスタ３８．４０・導電線接続手段４６　４８：ビン導電層慣性質量６２・　導電線６２°　：拡大部分

Claims

【特許請求の範囲】

（１）主面を有する剛性の絶縁性基板と、該基板の主面
の少なくとも一部上に配置されて、第１の電極を形成す
る導電層と、対向する第１および第２の表面を有し、第
１の表面が前記導電層と電気的に接触している圧電性重
合体ボディーと、該重合体ボディーの前記第２表面と電
気的に接触していて、第２の電極を形成する導電性慣性
質量とを備え、前記第１および第２電極間に、前記基板
の主面に実質的に垂直な加速度成分に比例する電気的出
力が発生されることを特徴とする加速度計。
（２）前記基板上に前記ボディーに隣接して配置され、
電気的出力を処理する処理手段を備える特許請求の範囲
第１項記載の加速度計。
（３）前記処理手段が、増幅およびインピーダンス整合
回路を含む特許請求の範囲第２項記載の加速度計。
（４）前記圧電性重合体ボディーが、面対面接触の複数
の圧電性重合体フィルムであり、該各フィルムが、前記
基板に実質的に垂直な方向に分極されている特許請求の
範囲第３項記載の加速度計。
（５）前記圧電性重合体フィルムの少なくとも一つが、
弗化ビニリデンより成る特許請求の範囲第４項記載の加
速度計。
（６）前記圧電性重台体フィルムの少なくとも一つが、
弗化ビニリデンおよびトリフルオルエチレンの共重合体
である特許請求の範囲第４項記載の加速度計。
（７）電気的に相互に隔絶された複数の導電体を有する
絶縁性重合体フィルムを備え、該絶縁性重合体フィルム
の少なくとも一部が、前記複数の導電体の少なくとも一
つが前記処理手段と電気的に接続されるように前記基板
上に配置されている特許請求の範囲第３項記載の加速度
計。
（８）前記絶縁性重合体フィルムの少なくとも一部が、
前記基板と前記第１電極との間に配置されていて、前記
複数の導電体の少なくとも一つが前記第１電極と電気的
に接続されるようになされている特許請求の範囲第７項
記載の加速度計。
（９）前記第１電極および該第１電極と接続される前記
導電体が、前記絶縁性重合体フィルム上に形成された連
続層である特許請求の範囲第８項記載の加速度計。
（１０）前記第２電極が、ステンレススチールおよび黄
銅より成る群から選択された物質から造られる特許請求
の範囲第９項記載の加速度計。
（１１）前記第１および第２電極が、各々、ステンレス
スチールおよび黄銅より成る群から選択された物質から
造られる特許請求の範囲第３項記載の加速度計。
（１２）前記剛性の絶縁性基板がセラミック物質より成
る特許請求の範囲第３項記載の加速度計。
（１３）前記基板、前記第１電極、前記圧電性重合体ボ
ディーおよび前記第２電極を形成する導電性慣性質量体
が、サンドイッチ状形態に一緒に取り付けられており、
前記第１電極下に配置される前記基板表面に実質的に平
行な加速度成分に応答して、前記第１および第２電極間
に最小の電気的出力しか発生しないようになされた特許
請求の範囲第１項記載の加速度計。
（１４）剛性の絶縁性基板と、該基板の少なくとも一部
上に配置されて、第１の電極を形成する第１の導電層と
、対向する第１および第２の表面を有しており、該第１
表面が前記第１導電層と電気的に接触している圧電性重
合体ボディーと、前記ボディーの前記第２表面と電気的
に接触しており、第２の電極を形成している第２の導電
層と、該第２導電層上に配置される慣性質量体とを備え
、前記第１電極の下に配置される前記基板表面に実質的
に垂直な加速度成分に比例する電気的出力が、第１およ
び第２電極間に発生されることを特徴とする加速度計。
（１５）前記基板上に前記重合体ボディーに隣接して配
置され、電気的出力を処理する処理手段を備える特許請
求の範囲第１４項記載の加速度計。
（１６）前記処理手段が、増幅およびインピーダンス整
合回路を含む特許請求の範囲第１５項記載の加速度計。
（１７）前記圧電性重合体ボディーが、面対面接触の複
数の圧電性重合体フィルムであり、該各フィルムが、前
記基板に実質的に垂直な方向に分極されている特許請求
の範囲第１６項記載の加速度計。
（１８）前記圧電性重合体フィルムの少なくとも一つが
、弗化ビニリデンより成る特許請求の範囲第１７項記載
の加速度計。
（１９）前記圧電性重合体フィルムの少なくとも一つが
、弗化ビニリデンおよびトリフルオルエチレンの共重合
体である特許請求の範囲第１７項記載の加速度計。
（２０）電気的に相互に隔絶された複数の導電体を有す
る絶縁性重合体フィルムを備え、該絶縁性重合体フィル
ムの少なくとも一部が、前記複数の導電体の少なくとも
一つが前記処理手段と電気的に接続されるように前記基
板上に配置されている特許請求の範囲第１５項記載の加
速度計。
（２１）前記絶縁性重合体フィルムの少なくとも一部が
、前記基板と前記第１電極都の間に配置されていて、前
記複数の導電体の少なくとも一つが前記第１電極と電気
的に接続されるようになされている特許請求の範囲第２
０項記載の加速度計。
（２２）前記第１電極および該第１電極と接続される導
電体が、前記絶縁性重合体フィルム上に形成された連続
層である特許請求の範囲第２１項記載の加速度計。
（２３）前記第２電極が、ステンレススチールおよび黄
銅より成る群から選択された物質から造られる特許請求
の範囲第２２項記載の加速度計。
（２４）前記第１および第２電極が、各々、ステンレス
スチールおよび黄銅より成る群から選択された物質から
造られる特許請求の範囲第１５項記載の加速度計。
（２５）前記剛性の絶縁性基板がセラミック物質より成
る特許請求の範囲第１５項記載の加速度計。
（２６）前記基板、前記第１電極、前記圧電性重合体ボ
ディー、前記第２電極および前記慣性質量体が、サンド
イッチ状形態に一緒に固定され、前記第１電極下に配置
される前記基板表面に実質的に平行な加速度成分に応答
して、前記第１および第２電極間に最小の電気的出力し
か発生しないようになされた特許請求の範囲第１４項記
載の加速度計。