JPH0310162A

JPH0310162A - 圧電型加速度センサ装置

Info

Publication number: JPH0310162A
Application number: JP14557389A
Authority: JP
Inventors: Satoshi Kunimura; 國村　智
Original assignee: Fujikura Ltd
Current assignee: Fujikura Ltd
Priority date: 1989-06-08
Filing date: 1989-06-08
Publication date: 1991-01-17

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〕この発明は、膜状圧電体を用いた圧電型加速度センサ装
置に係り、特に構造が簡単で小型化が可能であり、感知
軸方向に直交する方向の加速度による出力が微少である
圧電型加速度センサ装置に関する。

〔従来の技術〕

従来の圧Ｎ型加速度センサ（以下、センサと略記する。

）の例として、第１６図に示すようなものかある。この
センサは特開昭５６−１０２５８号公報に開示されたも
ので圧電性ポリマーなとの圧電材料からなる円板状の振
動膜１をその周縁部で環状の枠体２に固定し、振動膜１
の中心の両面に慣性質量として機能する荷重体３を設け
、枠体２を台座４に固定したものである。

そして、このセンサでは、振動膜１の膜面に直交し、荷
重体３の中心を通る軸か加速度の感知軸Ｇとなっている
。

このようなセンサては、その台座４を被測定物に取り付
けることにより、被測定物の感知軸Ｇ方向の加速度変化
を検知することができる。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかしながら、このセンサにあっては、感知軸Ｇ方向に
直交する方向の加速度か加わった際にも、荷重体３がそ
の方向に変位し、振動膜１に歪が生じて電気的出力が生
じてしまう欠点があった。

また、構造が複雑で、製造が面倒である不都合もあり、
測定可能な周波数帯域が狭（、その変更も困難である欠
点もあった。

このような従来のセンサの欠点を解消するため、本発明
者等は、被測定物に剛に取り付けられる台座と、この台
座の感知軸に垂直な測定面に固着された膜状圧電体と、
この膜状圧電体上に固着され、慣性質量部として作用す
る剛体からなる荷重体から構成され、膜状圧電体の平面
形状が、前記測定面に平行な面において感知軸を対称の
中心とする点対称であり、荷重体は、それの膜状圧電体
に接する面の平面形状が感知軸を対称の中心とする点対
称であり、かつ感知軸を通り、測定面に垂直な無数の平
面で断面した時、すべての断面について感知軸を対称軸
とする線対称としたことを特徴とするセンサを案出し、
先に特許出願している。

かかるセンサは、したがって構造が極めて簡単であり、
感知軸方向に直交する方向の加速度か加わった時の出力
が極めて小さく、しかも測定可能な周波数帯域が広いな
どの利点を有している。

ところで、この新しいタイプのセンサを実際に使用する
には、適当なパッケージ内にセンサを収容するとともに
センサからの出力を電圧に変換するためのインピーダン
ス変換回路や出力増幅のための増幅回路などとこれら電
気回路の駆動用電池を収容したセンサ装置として用いら
れることが多い。これは、外付回路部品や電源装置を改
めて用意しなくてもセンサ装置からの出力をそのまま利
用することができるとともに、電源ラインなどから外部
流音を拾うことがなく、Ｓ／Ｎ比を高くとれるなどの利
点があるためである。

しかしながら、このようにパッケージ内に種々の電気回
路や電池を収容したセンサ装置では、どうしても大型と
ならざるを得ないと言う欠点かある。

〔課題を解決するための手段〕

この発明にあっては、台座と、この台座の感知軸に垂直
な測定面に固着された膜状圧電体と、この膜状圧電体上
に固着され、慣性質量部として作用する剛体からなる荷
重体を有し、膜状圧電体は、その平面形状が、前記測定面に平行な面
において感知軸を対称の中心とする点対称とされ、荷重体は、それの膜状圧電体に接する面の平面形状か感
知軸を対称の中心とする点対称てあり、かつ感知軸を通
り、前記測定面に垂直な無数の平面で断面した時、すべ
ての断面について感知軸を対称軸とする線対称とされた
センサと、前記膜状圧電体からの電気的出力を処理する
処理回路と、この処理回路の駆動用電池とがパッケージ内に内蔵され
ている圧電型速度センサ装置であって、前記駆動用電池
を前記荷重体の一部として用いたセンサ装置によって上
記課題を解決した。

以下、この発明の詳細な説明する。

第１図は、この発明の圧電型加速度センサ装置の一例を
示すもので、図中符号１１はセンサである。このセンサ
１１は台座１２、膜状圧電体１３および荷重体１４から
なるもので、金属からなる中空筒状のパッケージ１５内
の取付部１６に台座１２を適宜の固定手段で固定するこ
とにより、取り付けられている。また、センサ１１の台
座１２の下面には膜状圧電体１３からの電気的出力を処
理するためのインピーダンス変換回路や増幅回路を搭載
した回路基板１７が取り付けられている。

さらに、この回路基板１７からの出力リード線１８．１
８が、パッケージ１５の下部に取り付けられたコネクタ
のレセプタクル１９の端子に接続され、このレセプタク
ル１９に、接続ケーブル２０を接続したプラグ２１を挿
入することにより、センサ装置からの信号を外部に出力
できるようになっている。

第２図は、前記センサ１１を詳しく示すもので、このセ
ンサ１１は前述のように台座１２、膜状圧電体１３およ
び荷重体１４から構成されるものである。

台座１２はセンサの基体をなし、十分な剛性を有する材
料、例えば鋼、黄銅、アルミニウムなどから作られてい
る。また、台座１２をなす材料の弾性率は後述の膜状圧
電体のそれ以上とされ、台座１２の厚さは膜状圧電体の
数倍であることか望ましい。

ここでの台座１２はその形状が円柱状となっているが、
これに限られることはなく、板状、直方体状などでもよ
い。

この台座１２の一つの表面は、平坦かつ平滑な測定面２
２となっている。この測定面２２は、このセンサの加速
度の感知軸Ｇに対して正確に垂直とされた垂直面である
必要がある。

この台座１２の測定面２２上には、膜状圧電体１３が台
座１２に一体に強固に固着されている。

膜状圧電体１３は、圧電性を有する材料からなる厚さ１
０〜５００μｍのフィルム状のものであって、その厚さ
が十分に均一でかつ全体が十分に均質なものが用いられ
る。圧電性を有する材料としては、ポリフッ化ビニリデ
ン、ポリ塩化ビニリデン、ポリフッ化ビニル、ポリ塩化
ビニル、ナイロン１１やポリメタフェニレンイソフタラ
ミドなどのナイロン、テトラフロロエチレン、トリフロ
ロエチレン、フッ化ビニルなどとフッ化ビニリデンとの
共重合体、酢酸ビニノペブロビオン酸ビニル、安息香酸
ビニルなどとシアン化ビニリデンとの共重合体、ポリフ
ッ化ビニリデンとポリカーホ不イトとのブレンドポリマ
ー、ポリフッ化ビニリデンとポリフッ化ビニルとのブレ
ンドポリマー等のボッマー系のほかに、チタン酸金属塩
、チタン酸ジルコン酸金属塩等の圧電材料の粉末をポリ
マーに添加、分散したものなどが用いられる。この膜状
圧電体１３の両面には出力取出し用のアルミニウム箔な
どの、電極（図示せず）が設けられている。

また、この膜状圧電体１３と台座１１との固着は、エポ
キシ系接着剤などの硬化型の接着剤を用いて行われる。

そして、この膜状圧電体１３にあっては、その平面形状
がクロストークを低減するうえで重要である。

この発明におけるクロストークとは、センサの感知軸Ｇ
方向の加速度を受けた時の出力Ｐ１と、感知軸Ｇに直交
する方向の加速度を受けた時の出力Ｐ、との比ｐ　、／
　ｐ　＋で表されるものである。

膜状圧電体１３の平面形状が、測定面２２に平行な面に
おいて感知軸Ｇを対称の中心とする点対称でなければな
らない。第２図に示した例では円形となっているが、こ
れ以外に上記条件を満たす平面形状としては、例えば第
３図ないし第８図に示すようなものがある。第３図は平
行四辺形、第４図は円、第５図は楕円、第６図は正六角
形、第７図はへ角形、第８図は円環形である。これらの
図において符号Ｇはいずれも感知軸Ｇを示す。これらの
平面形状はすべて感知軸Ｇを対称の中心とする点対称と
なっている。勿論、これら以外の平面形状でも上記条件
を満たせば採用可能である。

このような膜状圧電体１３上には、慣性質量部として機
能する剛体からなる荷重体１４が一体に固着されている
。この荷重体１４は加速度を受けて変位し膜状圧電体１
３に歪みまたは応力を生せしめるもので、その重量はセ
ンサの単位加速度力たりの電気的出力に関係するため、
特に限定されることはないが、膜状圧電体１３にクリー
プを生じせしめない範囲とされる。荷重体１４と膜状圧
電体１３の固着は、台座１２と膜状圧電体１３の固着と
同様である。

この荷重体１４は、前記回路基板１７に搭載された回路
群を駆動するための電源となるホタン型電池などの電池
２３と、この電池２３を載せる円板状の載置板２４と、
電池２３を固定する帯状の電池押え２５とから構成され
ている。

そして、この荷重体１４については、その立体形状がク
ロストロークを低減するうえで重要である。

まず、荷重体１４の膜状圧電体１３と接する面、すなわ
ち載置板２４の底面は感知軸Ｇに対して正確に垂直であ
り、かつ底面の平面形状が感知軸Ｇを対称の中心とする
線対称である必要がある。よって、この条件を満たす形
状としては先の膜状圧電体１３の平面形状と同様に例え
ば第３図ないし第８図に示すものか採用できる。ただし
、膜状圧電体１３と載置板２４との組み合わせにおいて
、載置板２４の底面の平面形状と膜状圧電体１３の平面
形状とは必ずしも同一形状である必要はなく、例えば膜
状圧電体１３の平面形状が正方形で、載置ｖｉ、２４の
底面の平面形状が円形の組み合わせであってもよ（、後
述するように感知軸Ｇを同じくすればかまわない。

また、同時に荷重体１４は、感知軸Ｇを通り、底面に垂
直な無敗の平面で断面した時にすべての断面について感
知軸Ｇを対称軸とする線対称である必要がある。このた
めには、荷重体１４を構成する載置板２４、電池２３お
よび電池押え２５のそれぞれがこの条件を満たす必要が
ある。この線対称の条件を満たす立体形状としては、第
９図ないし第１５図に示すものがある。第９図に示した
ものは板状であり、第１０図のものは柱状、第１１図は
錐状、第１２図のものは球を平面で切り取ったもの、第
１３図のものは楕円体を平面で切り取ったもの、第１４
図のものは柱状の内部に空間を形成したもの、第１５図
のものは柱体と板体とを組み合わせたものである。これ
らの図において、Ｇは感知軸と一致する対称軸である。

また、この線対称の条件を満たす荷重体１４は、したが
って荷重体１４全体としての重心が感知軸Ｇ上に位置す
ることになるとともに、電池２３、載置板２４、電池押
え２５のそれぞれの重心もまた同時に感知軸Ｇ上にある
ことになる。

また、荷重体１４は、それぞれが強固に固着し、全体と
して剛体とみなしうるちのであることが必要であり、そ
れぞれが加速度を受けて別の変位を起こすものであって
はならない。

そして、このような条件、すなわち対称性を有する荷重
体１４はその対称軸を膜状圧電体１３の対称中心に一致
させて、言い換えれば感知軸Ｇ上に膜状圧電体１３の対
称中心と荷重体１４の対称軸とを一致させて配置され、
固着されている。

このようなセンサ装置はパッケージ１５を被測定物に取
り付けて用いられ、その、感知軸Ｇ方向の加速度を測定
することができる。

この構成のセンサ装置にあっては、センサ１１が台座１
２と膜状圧電体１３と荷重体１４とを単に積層したもの
であるので、構造が簡単であり、製造が容易となり、小
型化も可能となる。

また、膜状圧電体１３の平面形状が感知軸Ｇを対称中心
とする点対称であり、荷重体Ｉ４の底面の平面形状が感
知軸Ｇを対称中心とする点対称であり、同時に荷重体１
４の立体形状が感知軸Ｇを通る、平面においてすべて感
知軸Ｇを対称軸とする線対称であるので、クロストーク
が微かである。

一般に、センサ１１にその感知軸方向以外の方向の加速
度が加わった場合、ベクトル分解の法則によって感知軸
に直交する少なくとも二つ方向の成分と感知軸方向の成
分とに分けられる。この感知・軸に直交する方向の成分
は、荷重体１４の重心に作用し、重心を中心とする曲げ
モーメントが荷重体Ｉ４に働くことになる。このため、
膜状圧電体１３の一部には圧縮力が作用し、残部には引
張力が作用することになる。膜状圧電体１３は、圧縮力
と引張力とで反対符号の電荷を生じるが、この電荷量が
等しければ互いに打ち消されて出力が出力されな（なる
。したがって、膜状圧電体１３に互いに大きさが等しい
圧縮力と引張力とが作用すれば、膜状圧電体１３からの
出力はゼロになり、感知軸方向以外の方向の加速度を検
出しな（なる。

この発明では、膜状圧電体【３および荷重体Ｉ４のそれ
ぞれの形状に、上述のような対称性を持たせていること
から、感知軸Ｇ方向以外の加速度が加わっても膜状圧電
体１３には等しい大きさの圧縮力と引張力とが作用する
ことになって、膜状圧電体１３からの出力がなく、クロ
ストークが極めて小さいものとなる。

また、このセンサ装置は、その測定可能周波数の上限が
高く、測定可能周波数帯域が広いものとなる。この種の
センサ装置の測定可能周波数の上限はセンサ１１の共振
周波数によって定まる。この発明でのセンサ１１の共振
周波数は、その構造から台座１２と荷重体１４との間に
存在するもの、すなわち膜状圧電体１３、接着剤層、電
極などの弾性率を荷重体１４の質量で除した値に比例す
るため、従来の振動膜型のセンサの共振周波数に比べて
２桁以上高くなり、キロヘルツのオーダーとなる。但し
、接着剤層の弾性率が低くなると共振周波数が低下する
ので、留意すべきである。

このため、膜状圧電体１３と台座１２および荷重体１４
との固着に接着剤を用いるものでは、接着剤層の弾性率
をＥＡ、厚さをｔＡとし、膜状圧電体１３の弾性率をＥ
ｐ、厚さをｔｐとしたとき、次の式で表される関係を満
足する必要がある。

（ＥＡ／ｔＡ）／（ＥＰ／ｌＰ）≧０．　１この式の意
味するところは、加速度によって荷重体１４に生じた力
か接着剤層によって吸収緩和されることなく膜状圧電体
１３に伝わるための条件であり、上式の値が０．１未満
となると接着剤層による吸収緩和が無視できなくなり、
上述のように共振周波数が低下し一測定可能周波数帯域
を狭めることなる。

なお、上式における接着剤層の厚さは、台座１２と荷重
体１４との間の存在するすべての接着剤層の厚さを言う
。また、接着剤の種類が異なり、弾性率も異なる場合に
は、それぞれの接着剤層での弾性率と厚さの比を求め、
これを合計して上式に代入すればよい。

したがって、接着剤としてはエポキシ系、フェノール系
、ンアノアクリレート系などの硬化型で、弾性率の高い
ものを選択すべきであり、ゴム系などの粘着型は不適切
である。また、導電性接着剤を用いることもできる。

また、このセンサ装置では、インピーダンス変換回路等
の回路群およびこれを駆動する電池２３をパッケージ１
５内に収容しているので、外部ノイズを拾うことがなく
、Ｓ／Ｎ比が高くなる。さらに、この電池２３や載置板
２４、電池押え２５を荷重体１４としているので、改め
て荷重体を設ける必要がなく、センサ装置全体を小型化
することが可能となる。またさらに、センサ装置の供用
時には、単にセンサ装置のレセプタクル１９に接続ケー
ブル２０を接続したプラグ２１を挿し込むだけで測定可
能となり、実用上極めて便利なものとなる。

また、上述の例では、電池２３を載置板２４に載せたう
え電池押え２５で電池２３を固定しているが、これに限
られることはなく、電池２３をその一方の電極が直接膜
状圧電体１３の一方の表面電極に導通状態で接触するよ
うに固定することも可能である。また、回路基板１７を
電池押え２５上に固定するようにし、回路基板１７を荷
重体１４の一部とするようにしてもよい。さらに、電池
２．３もボタン型電池に限られることはない。

以下、具体例を示す。

（実施例）台座となる部材として、厚さ０．５ｍｍのガラス繊維エ
ポキシ樹脂積層板を用意し、これを直径１０ｍｍのディ
スク状に切り抜いたものを台座とした。

この台座の片面に厚さ１００μｍ、直径１０ｍｍのポリ
フッ化ビニリデンの膜状圧電体くアルミニウム蒸着電極
付き）をエポキシ系接着剤で接着した。

この膜状圧電体上に厚さ２ｍｍ、直径１０ｍｍの黄銅製
の載置板をエポキシ系接着剤で接着し、これの上に厚さ
３．０ｍｍ、直径９ｍｍのボタン型電池を載せ、黄銅板
を折り曲げて作った帯状の電池押えでボタン型電池を固
定した。各部材は、その中心が互いに同一軸上に位置す
るように配置したことは言うまでもない。電池、載置板
および電池押えからなる荷重体の重量は３ｇである。

このセンサを内径１２ｍｍ、高さ１５ｍｍの黄銅製のパ
ッケージ内に回路基板ともども収容して、センサ装置と
した。

（比較例）実施例において荷重体として厚さ４．５ｍｍ、直径１０
ｍｍ、重ｆｆ１３ｇの黄銅製円柱体を用いた他は同様に
してセンサ装置を得た。たたし、外部電源からの電源線
で回路基板に電源を供給するようにした。

これらセンサ装置を加振器に取り付け、１００Ｈｚ　　
ＩＧの振動を加えて、その出力を測定し、同時にセンサ
装置から１．５ｍ離れた位置で出力ｌｋｗのモードルを
運転させて、出力信号のＳ／Ｎ比を測定した。

実施例のセンサ装置では加速度検出出力は３ｍＶ／Ｇで
あり、Ｓ／Ｎ比は４ＱｄＢであった。また比較例のセン
サ装置では検出出力は３　ｍ　Ｖ　／　Ｇであったが、
Ｓ／Ｎ比は１５ｄＢであった。ここでのＳ／’Ｎ比は５
ＱＨｚのノイズと１ｏＯＨｚの出力との比をｄＢで表し
たものである。

また、いずれのセンサ装置においても、クロストーク３
〜４％であり、測定可能周波数帯域はＯｌ　Ｈｚ　〜２
　Ｋ　Ｈｚであった。

〔発明の効果〕

以上説明したように、この発明の圧電型加速度センサ装
置は、台座と、この台座の感知軸に垂直な測定面に固着
された膜状圧電体と、この膜状圧電体上に固着され、慣
性質量部として作用する剛体からなる荷重体を有し、膜状圧電体は、その平面形状が、前記測定面に平行な面
において感知軸を対称の中心とする点対称とされ、荷重体は、それの膜状圧電体に接する面の平面形状が感
知軸を対称の中心とする点対称であり、かつ感知軸を通
り、前記測定面に垂直な無数の平面で断面した時、すべ
ての断面について感知軸を対称軸とする線対称とされた
センサと、前記膜状圧電体からの電気的出力を処理する
処理回路と、この処理回路の駆動用電池とがパッケージ内に内蔵され
ている圧電型加速度センサ装置であって、前記駆動用電
池を前記荷重体の一部として用いたものであるので、構
造が簡単で、小型化を計ることが容易であり、クロスト
ークが極めて小さいものとなる。また、実用に際しても
取扱いが簡便で速やかな測定が行える。さらに、外部雑
音を拾うことがなく、出力信号はそのＳ／Ｎ比が高くな
る。また、測定可能周波数帯域も広いなどの効果がある
。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の圧電型加速度センサ装置の一例を示
す概略断面図、第２図はこの発明の圧電型加速度センサ装置で用いられ
る加速度センサの例を示す分解斜視図、第３図ないし第
８図はいずれもこの発明で用いられる膜状圧電体の平面
形状の例を示す平面図、第９図ないし第１５図はいずれ
もこの発明で用いられる荷重体の立体形状の例を示す断
面図、第１６図は従来の圧電型加速度センサの例を示す
概略構成図である。２・・・・・・台座、３、・・・・・・膜状圧電体、４・・・・・・荷重体、５・・・・・・パッケージ、７・・・・・・回路基板、３・・・・・・電池、４・・・・・・載買板、５・・・・・・電池押え。

Claims

【特許請求の範囲】

（１）台座と、この台座の感知軸に垂直な測定面に固着
された膜状圧電体と、この膜状圧電体上に固着され、慣
性質量部として作用する剛体からなる荷重体を有し、膜状圧電体は、その平面形状が、前記測定面に平行な面
において感知軸を対称の中心とする点対称とされ、荷重体は、それの膜状圧電体に接する面の平面形状が感
知軸を対称の中心とする点対称であり、かつ感知軸を通
り、前記測定面に垂直な無数の平面で断面した時、すべ
ての断面について感知軸を対称軸とする線対称とされた
センサと、前記膜状圧電体からの電気的出力を処理する処理回路と
、この処理回路の駆動用電池とがパッケージ内に内蔵され
ている圧電型加速度センサ装置であって、前記駆動用電
池を前記荷重体の一部として用いたことを特徴とする圧
電型加速度センサ装置。
（２）請求項（１）記載の圧電型加速度センサ装置にお
いて、膜状圧電体が台座および荷重体に接着剤にて固着
され、その接着剤層の厚さをｔ＿Ａ、弾性率をＥ＿Ａと
し、膜状圧電体の厚さをｔ＿Ｐ、弾性率をＥ＿Ｐとして
、下式の関係を満足することを特徴とする圧電型加速度
センサ装置。（Ｅ＿Ａ／ｔ＿Ａ）／（Ｅ＿Ｐ／ｔ＿Ｐ）≧０．１