JPH03135774A

JPH03135774A - 圧電型加速度センサ装置

Info

Publication number: JPH03135774A
Application number: JP27311189A
Authority: JP
Inventors: Satoshi Kunimura; 國村　智; Shiro Nakayama; 中山　四郎; Katsuhiko Takahashi; 克彦高橋; Takayuki Imai; 隆之今井
Original assignee: Fujikura Ltd
Current assignee: Fujikura Ltd
Priority date: 1989-10-20
Filing date: 1989-10-20
Publication date: 1991-06-10

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

【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）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）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