JPH03135774A - 圧電型加速度センサ装置 - Google Patents

圧電型加速度センサ装置

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JPH03135774A
JPH03135774A JP27311189A JP27311189A JPH03135774A JP H03135774 A JPH03135774 A JP H03135774A JP 27311189 A JP27311189 A JP 27311189A JP 27311189 A JP27311189 A JP 27311189A JP H03135774 A JPH03135774 A JP H03135774A
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JP
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pedestal
sensor
piezoelectric
sensor device
sensing axis
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JP27311189A
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Satoshi Kunimura
國村 智
Shiro Nakayama
中山 四郎
Katsuhiko Takahashi
克彦 高橋
Takayuki Imai
隆之 今井
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Fujikura Ltd
Original Assignee
Fujikura Ltd
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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ッサ装
置に係り、特に構造が簡単で小型化が可能であり、温度
特性が良好でしかも、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〕
従来の圧電型加速度センサ(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がある。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ど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l
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の中心を通る軸が加速度の感知軸Gとなっている
このようなセンサでは、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が加わった際にも、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く、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IPJ状圧電圧電体上着され、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′1..I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、先に特願平1−113255号として特許
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が加わった時の出力
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外部雑音を拾
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がある。
また、パッケージの外部での温度変動がパッケージを経
て台座から膜状圧電体に伝わり、膜状圧電体の厚さ方向
に温度分布が生じこの温度分布に起因する焦電効果によ
って加速度変化によらない電気的出力が膜状圧電体から
出力され、センサとしての温度特性が良好でないという
不都合もある。
〔課題を解決するための手段〕
この発明においては、台座と、この台座の感知軸に垂直
な測定面に固着されるとともに膜状圧電体を支持板で挟
んで形成された検知部と、この検知部上に固着され慣性
質量部として作用する剛体からなる荷重体を有してなる
センサに、膜状圧電体からの電気的出力を処理する処理
回路基板を前記台座の測定面の反対側に取り付け、この
ものを中空パッケージ内に収め、センサをその台座の周
辺部のみにおいて中空パッケージに浮かした状態で固定
することによって、上記課題を解決するようにした。
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、検知部13および荷重体14からな
るものである。そして、このセンサ11は中空パッケー
ジ15内に収容、固定されて圧電型加速度センサ装置(
以下、センサ装置と略記する。)とされている。
中空パッケージ15は、プラスチック、金属、セラミッ
クスなどの材料からなる中空筒状のものであって、その
長手方向のほぼ中央よりやや下側には中空バ・7ケージ
15の内方に突出する環状のセンサ取付部16が一体に
設けられている。また、中空パッケージ15の基部には
円板状の取付板部I7か一体に取り付けられており、こ
の取付板部17を被測定物に固定することによってこの
センサ装置が被測定物に取り付けられるようになってい
る。
また、中空パッケージ15のセンサ取付部16には、セ
ンサ11の台座12の周辺部のみが掛は渡すようにして
載せられ、ネジ止めなど適宜の固定手段によって、台座
12周辺部をセンサ取付部16に固定することにより、
センサ11が中空パッケージ15内でt7かした状態で
収容、固定され、これにより台座12の下面側には空隙
が形成されるようになっている。
また、センサ11の台座12の下面には検知部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18が取り付けられてい
る。さらに、この回路基板18からの出力リード線19
.19およびこの回路基板18に作動用の電力を供給す
る電源線20゜20が、中空バフケージ15の下部に取
り付けられたコネクタのレセプタクル21の端子に接続
され、このレセプタクル21に、接続ケーブル22を接
続したプラグ23を挿入することにより、センサ装置に
電力を供給するとともに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、検知部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」二とされ、台座12の厚さは膜状圧電体
の数倍であることが望ましい。
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
4となっている。この測定面24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24上には、検知部13が台座1
2に一体にエポキ7系接着剤などによって強固に円管さ
れている。
この検知部13は、第2図に示すように円板状の膜状圧
電体25の両面に円板状の支持板2626を同行してな
るものである。ここで用いられる膜状圧電体25として
は、圧電性を有する材料からなる厚さ10〜300μm
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。圧電性をを
する材t4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+1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、化ビニルなどとフッ化ビニリデンとの共重合体、酢
酸ビニル、プロピオン酸ビニル、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
ンとポリカーボネ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
等のポリマー系のほかに、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25の両面には出力取出し用のアルミニ
ウム’748膜や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、膜状圧電体25は1枚である必要はなく、2枚以
上を導電性接着剤で積層した積層構造のものでもよい。
また、支持板26としては、剛性の十分な板状体が用い
られ、例えばアルミニウム、鋼、銅合金などの金属板、
セラミックス板、ガラス板、ガラス繊維強化エポキシ樹
脂、ガラス繊維強化ポリエステル樹脂などのガラス繊維
強化プラスチック(FRP)板などが用いられ、その厚
さは05LIIIl〜2mm程度とされる。膜状圧電体
25と支持板26゜26との固着には、エボキ/系接着
剤などを用いて接着する方法が採用される。このような
検知部13は、したがって、全体として剛な板状を呈し
、その厚さも数mm前後となって、取扱いが容易となる
。また、支持板26.26に導電性のものを用い、膜状
圧電体25との接着に導電性接着剤を用いれば、支持板
26.26をそのまま膜状圧電体25の出力取出し用電
極とすることができる。
また、検知部13の膜状圧電体25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。
このクロストークの低減のために、膜状圧電体14はそ
の平面形状が、測定面24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りているが、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
図は正方形、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。
また、支持板26の平面形状も同様に感知軸Gを対称の
中心とする点対称であることが望ましく、通常は膜状圧
電体25の平面形状と同一とされることが多い。
このような検知部13の上には、第2図に示すように憤
性質爪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
位し感知部13の膜状圧電体25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25にクリープを生じせしめない範囲
とされる。荷重体15と検知部13の固着は、エボキン
系接着剤などによって行われる。
また、この荷重体14については、その立体形状カフロ
ストローフを低減するうえで重要である。
まず、荷重体14の検知部13の支持板26と接する面
(以下、底面と言う。)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25の平面形状と同様に
例えば第3図ないし第8図に示すものが採用できる。た
だし、膜状圧電体25と荷重体14との組み合わせにお
いて、荷重体14の底面の平面形状と膜状圧電体25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25の平面形状が正方形で、荷重体14の
底面の平面形状が円形の組み合わせであってもよく、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
直な無数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。この線
対称の条件を満たすものとしては、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、符号Sは底面を示し、
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、したがってその重心が感
知軸G上に位置することになる。
また、荷重体14は、その全体が同質の材料からなるも
のの他に、異なる材料からなる複合材で形成することも
できるが、この場合には、それぞれの材料が強固に固着
し、全体として剛体とみなしうるも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はその対称軸を検知部13の対称中心に一致させ
て、言い換えれば感知軸G上に検知部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その中空パッケージ15の取付
板部17を被測定物に取り付けることにより、その感知
軸G方向の加速度を測定することができる。
このような構成のセンサ装置にあっては、台座12と検
知部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25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14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の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14に働くことになる。このため、膜状
圧電体25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25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Inが等
しければ互いに打ち消されて出力が出力されなくなる。
したがって、膜状圧電体25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25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
しなくなる。
この発明では、検知部13および荷重体14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2
5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25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25、支持板26.
26およびこれらを接着する接着剤層の弾性率を荷重体
14のWffi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
か低(なると共振周波数か低下するので、留意すべきで
ある。
このため、検知部13自体およびこれと台座12および
荷重体14との固着に用いられる接着剤については、接
着剤層と支持板26の複合等価弾性率をEA、これらの
厚さの相をtAとし、膜状圧電体25の弾性率をEP、
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/lA)/(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に生じた力が
接着剤層および支持板26゜26によって吸収緩和され
ることなく膜状圧電体25によく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、測定可能周波数帯域を狭めることなる。
なお、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、ここでの接着剤としてはエポキ/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、ゴム累などの粘着型
は不適切である。
また、検知部13は、厚さ数mm程度の剛体となるので
、取扱いが容易となり、センサの製造時等において手間
を要することがなくなる。さらに、支持板26.26に
金属板を用いて出力取出し用電極を兼ねさせたものでは
、リードワイヤの取り付けが簡便に行える利点もある。
また、このセンサ装置では、インピーダンス交換回路等
を搭載した回路基板18をセンサ11の台座12の下面
側に配置しているので、中空パッケージ15内に収容さ
れた状態となり、外部ノイズを拾うことがな(S/N比
が高くなるとともに電圧としての出力となる。また、セ
ンサ装置の底面積が広くなることがなく、センサ装置全
体を小型化できる。さらに、センサ装置の供用時には、
単に装置のレクセブタクル21に接続ケーブル22を接
続したプラグ23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。
さらに、このセンサ装置にあっては、センサ11全体が
台座12の周辺部のみで固定され、浮いた状態で固定さ
れ、台座12の下方に空隙が形成されているため、中空
パッケージ15の外部からの温度変化に伴う熱の流入出
がわずかとなり、センサ11の検知部13の膜状圧電体
25に伝わる熱が極めて少なくなり、膜状圧電体25に
温度分布が生じることがわずかとなり、焦電効果による
出力がほとんどないものとなる。よって、センサ装置外
部での温度変化による出力が出力されることがほとんど
な(、温度特性が良好となる。
以下、具体例を示す。
(実施例) 厚さ1 mm、直径9Iのセラミックス製円板を台座と
した。厚さ100μm1直径6+I++のポリフッ化ビ
ニリデンの膜状圧電体(アルミニウム蒸着電極付き)を
厚さl mm、直径6mmのガラスエポキシ板2枚で挿
んでエポキシ系接着剤で固着して形成した検知部を上記
台座の一方の表面にエポキシ系接着剤で接合し、さらに
この検知部上に直径6IIII11の黄銅製円柱体(重
ffilog)の荷重体を同様にエポキシ系接着剤で接
合してセンサとした。このセンサを第1図に示すように
アルミニウム鋳物製の中空パッケージ内に浮かした状態
で収容、固定した。センサの下面にはインピーダンス変
換回路を搭載した回路基板を取り付けてこの発明のセン
サ装置とした。
(比較例1) 実施例1のセンサ装置において、センサの台座の下側の
空隙をエポキシ樹脂で充填したもの。
(比較例2) 厚さ] mmS横1 cm、縦1.5cI++のセラミ
ックス製基板を台座とし、これの一方の面に実施例1で
用いた検知部および荷重体を積層するとともにこの検知
部および荷重体の積層物の側方の基板上に同様の回路基
板を配置し、これら全体を弁箱状のアルミニウム鋳物製
のパッケージ内に収容、固定してセンサ装置とした。た
だし、台座となるセラミックス製基板がパッケージの一
側面を兼ね、該フ、ζ板裏面か外部に露出した構造とな
っている。
実施例および比較例1.2で作成した3種のセンサ装置
をそれぞれ厚さ10mmのアルミニウム板に取り付け、
センサの台座側の方向からl0cmの距離を置いて80
’Cの温風を10秒間吹き付けて、焦電効果による出力
を測定した。
イξ電出力(最大値)は、実施例のセンサ装置で100
mV、比較例1のもので300mV、比較例2のもので
350mVであり、実施例のセンサ装置では、焦電効果
による出力が小さくなることがわかる。また、実施例の
ものでは、センサ装置全体が小型化されており、また空
隙部があるので、軽量化も可能である。
〔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
されるとともに膜状圧電体を支持板で挟んで形成された
検知部と、この検知部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てなるセンサに、膜状
圧電体からの電気的出力を処理する処理回路基板を前記
台座の測定面の反対側に取り付け、このものを中空パッ
ケージ内に収め、センサをその台座の周辺部のみにおい
て中空パッケージに浮かした状態で固定したものである
ので、小型化が可能であり、焦電効果による出力が生じ
ることがなく、温度特性が良好である。また、クロスト
ークを小さくすることができるとともに測定可能周波数
帯域が広いなどの利点を有する。
【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に用いられ
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。 7・・・・・・取付板部、 8・・・回路基板、 9・・・・・出力リード線、 0・・・・電源線、 1・・・・・・レクセプタクル、 2・ ・接続ケーブル、 3・・・・・プラグ、 4・・・・測定面、 5・・・・・膜状圧電体、 6−・支持板。

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. (1)台座と、この台座の感知軸に垂直な測定面に固着
    されるとともに膜状圧電体を支持板で挟んで形成された
    検知部と、この検知部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てなるセンサに、膜状
    圧電体からの電気的出力を処理する処理回路基板を前記
    台座の測定面の反対側に取り付け、このものを中空パッ
    ケージ内に収め、センサをその台座の周辺部のみにおい
    て中空パッケージに浮かした状態で固定したことを特徴
    とする圧電型加速度センサ装置。
  2. (2)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
    たことを特徴とする圧電型加速度センサ装置。
  3. (3)請求項(1)記載の圧電型加速度センサ装置にお
    いて、膜状圧電体と支持板、支持板と台座および荷重体
    が接着剤にて固着され、その接着剤層の厚さと支持板の
    厚さの和をt_A、接着剤層と支持板の複合等価弾性率
    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
JP27311189A 1989-05-02 1989-10-20 圧電型加速度センサ装置 Pending JPH03135774A (ja)

Priority Applications (6)

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JP27311189A JPH03135774A (ja) 1989-10-20 1989-10-20 圧電型加速度センサ装置
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