JPH03179268A - 圧電型加速度センサ - Google Patents

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に
係り、特に構造が簡単で、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り、かつ温度特性が良好な
圧電型加速度センサに関する。

〔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２０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との圧電材料からなる円板状の振
動膜ｌ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ｆｉ重体３，３
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ｌ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ｉ（１＋１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。

〔発明か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に歪か生じて電気的出力が生
じてしまう欠点かあった。

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、
この膜状圧電体上に固着され、慣性Ｅｔｆｆｉ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
ス４　＋３ｒ＝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
の中心とする点ス・ｊ称であり、かつ感知軸を通り、１
ｌｌｌｌ定而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１−１１３２
５５号として特許出願している。

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

しかしながら、この新しいタイプのセンサにおいても以
下のような不都合があり、その解決か必要であった。す
なわち、ここで使用される膜状圧電体の厚さは、通常約
１００μｍ程度の薄いものであるため、センサの組立、
製造に際しては膜状圧電体の取扱いが面倒であり、台座
および荷重体に膜状圧電体を接着する操作等に手間がか
かるなどの不都合がある。

このため、本発明者等は、さらに薄い膜状圧電体の取扱
性を改良するため、膜状圧電体の両面に板状の剛体から
なる支持板を固着して感知部となし、この感知部を台座
と荷重体とで挾むことにより」二連の不具合を解消しう
ろことを案出し、同様に特願平１−２５１４０５号とし
て特許出願した。

しかしながら、この先願発明においては、センサの雰囲
気温度の変動が支持板を介して膜状圧電体に伝達し、こ
の温度変化に基づいて膜状圧電体の焦電効果に起因する
出力変動が生ずる欠点があった。

〔課題を解決するための手段〕

上述の課題を解決するため、この発明ては、感知部を構
成する支持板として、熱伝導率かＯ５Ｗｍ−Ｉ　Ｋ　−
１より小さい材料を使用することを解決手段とした。

以下、この発明の詳細な説明する。

第１図は、この発明センサの一例を示すもので、図中符
号１１は台座である。この台座１１はセンサの基体をな
し、被測定物に剛に取り付けられるもので、十分な剛性
を有する材料、例えば鋼、黄銅、アルミニウムなどの金
属、ガラス、セラミックス、硬質プラスチックスなとか
ら作られている。

また、台座１１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１１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１１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、直方体などでもよい
。

この台座１１の一つの表面は、平坦かつ平滑な測定面１
２となっている。この測定面１２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１１のｆｆ１ｌｌ定而１２上には、感知部１３
がエボキン系接着剤などによって一体に固着されている
。

この感知部１３は、第２図に示すように円板状の膜状圧
電体！４の両面に円板状の支持板１５１５を固着してな
るものである。ここで用いられる膜状圧電体１４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
かつ全体か十分に均質なものが用いられる。圧電性を有
する材ネ１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、化ビニルなトトフｙ　化ヒニリテンとの共重合体、
酢酸ビニル、プロピオン酸ビニル、安息香酸ビニルなと
とシアン化ビニリデントの共重合体、ポリフッ化ビニリ
デンとポリカー十不イトとのフ゛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１４の両面には出力取出し用のアルミニ
ウム箔やアルミニウム蒸着膜などの電極（図示せず）が
設けられている。

また、膜状圧電体１４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１５としては、剛性が十分で、かつその熱
伝導率が０．５Ｗｍ−’に一’よりも小さい材料の板状
体が用いられ、例えばセラミックス板、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（Ｆ　ＲＰ）板
などが用いられ、その厚さは０．５ｍｍ〜２１１１！＋
１程度とされる。熱伝導率が０．５Ｗｍ−ＩＫ−１を越
えると、外部の温度変動が膜状圧電体１４に伝わり焦電
効果による出力変動が大きくなる。膜状圧電体１４と支
持板１５゜１５との固着には、エポキシ系接着剤などを
用いて接着する方法が採用される。このような感知部１
３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、取扱いか容易となる。

また、感知部１３の膜状圧電体１４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Ｐ、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１２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むい。第１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
図は正方形、第５図は楕■、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１５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１４の平面形状と同一とされることが多い。

このような感知部１３の上には、第１図に示すように慣
性質量部として機能する剛体からなる荷重体１６が一体
に固着されている。この荷重体１６は加速度を受けて変
位し感知部１３、すなわち膜状圧電体１４に歪みまたは
応力を生ぜしめるもので、その重量はセンサの単位加速
度当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１４にクリープを生じせしめ
ない範囲とされる。荷重体１６と感知部１３の固着は、
エポキシ系接着剤などによって行われる。

また、この荷重体１６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１６の感知部１３の支持板１５と惇１ドア
、石　／　　Ｉｒｌ　ｉ　　　　ギヒ石　シ　１ン　ふ
　　　）　　ｒ→　ｅウシ０１山　ｍ＋−ウＪ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１４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１４と荷重体Ｉ６との組み合わ
せにおいて、荷重体１６の底面の平面形状と膜状圧電体
１４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１４の平面形状かｉＥ方形で、荷重
体１６の底面の平面形状か固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１６は、感知軸Ｇを通り、底面に垂
直な無数の平面で断面した特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
図に示すものかある。

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１６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１６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１６はその対称軸を感知部１３の対称中心に一致させ
て、言い換えれば感知軸Ｇ上に感知部１３の対称中心と
荷重体１６の対称軸とを一致させて配置され、固着され
ている。

このようなセンサはその台座１１を被測定物に取り付け
られて用いられ、その感知軸Ｇ方向の加速度を１ｆｉ１
１定することができる。

このような構成のセンサにあっては、台座１１と感知部
１３と荷重体１６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１４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１６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
６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ｚ＝ｔ　ｔｉ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１６の重心に作用し、重心を中心とする曲げモー
メントか荷重体１６に働くことになる。このため、膜状
圧電体ｌ・１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１４は、圧縮力と
引張力とで反ス４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くなる
。したがって、膜状圧電体１４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１４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、感知部１３および荷重体１６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１
４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１４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、このセンサは、その測定可能周波数の−に限が高
く、測定可能周波数帯域が広いものとなる。

この種のセンサの測定可能周波数の上限はセンサの共振
周波数によって定まる。この発明でのセンサの共振周波
数は、その構造から台座１１と荷重体１６との間に存在
するもの、すなわち膜状圧電体１４、支持板１５．１５
およびこれらを接着する接着剤層の弾性率を荷重体１６
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、牛ロヘル
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、感知部１３自体およびこれと台座１１および
荷重体１６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１５の複合等価伸性率をＥＡ、これらの
厚さの和をＬＡとし、膜状圧電体１４の弾性率をＥＰ、
厚さを１Ｐ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／　ｔ　Ａ）　／　ｕｐ／　ｔ　ｐ）全０．１こ
の式の意味するところは、加速度によって荷重体１６に
生じた力が接着剤層および支持板１５１５によって吸収
緩和されることなく膜状圧電体１４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てきなくなり、上述のように共振周
波数か低下し、創意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、感知部１３は、厚さ数１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。また、支持板１５の熱伝導率が
０．５Ｗｍ−’に一’以下であるので、センサの外部雰
囲気温度の変動が、時間的に十分緩和されて膜状圧電体
１４に伝えられる。

このため、焦電効果による膜状圧電体１４からの出力は
極めて微かなものとなり、センサ出力の温度特性が優れ
たものとなる。

第１６図はこの発明のセンサの感知部１３の他の例を示
すものである。この感知部１３は、円板状の膜状圧電体
１４の両面に、切込部１７が形成された支持板１５．１
５が固着されてなるものである。ここでの支持板１５は
、同様にその熱伝導率か０．５Ｗｍ−’に一’以下の材
料から構成され、その外形は膜状圧電体１４と同一形状
の円板状ではあるが、その一部に半円状の切込部１７が
形成されたものである。切込部１７は、その大きさか膜
状圧電体１４の面積の２５％以下とされ、２５％を越え
ると対称性が損なわれ横軸方向の加速度を検知し、クロ
ストークが大きくなり、また接着面積が小さくなり、接
着力が低下し、耐構衝撃性か低くなるという不都合があ
る。また、切込部１７は支持板１５の外部に開口してい
る必要がある。切込部１７自体の形状は特に限定されず
、第１６図に示す半円状のもの以外に、角状のものなど
が用いられるが２枚の支持板１５．１５については同一
形状でなければならない。そして、この切込部１７が形
成された支持板１５は、その２枚か膜状圧電体１４の両
面に貼り付けられる際、第１Ｇ図に示すように、一方の
支持板１５を感知軸Ｇを回転中心として１８０度回転し
たとき、その切込部１７が他方の支持板１５の切込部１
７に完全に重なり合い一致するような位置に配置されね
ばならない。この条件が満たされない場合は、感知部１
３自体の対称性が損なわれ、センサのクロストークが悪
化する。

第１７図ないし第１９図は、この例のセンサにおける支
持板１５の変形例を示すものであり、第１７図に示した
支持板１５は、第４図に示した形状の膜状圧電体１４と
組み合わせられ、第１９図に示した支持板１５は第３図
に示した膜状圧電体１４と組み合わせられる。なお、第
１７図ないし第１９図で破点で示した切込部１７は、い
ずれも、２枚の支持板１５．１５を膜状圧電体１４を挟
んで配置する際の他方の支持板１５における切込部を示
すもので、一方の支持板１５を感知軸Ｇを回転中心とし
て１８０度回転したときに切込部１７が重なり合うよう
な位置に配されていることがわかる。

このような感知部１３にあっては、先の例と同様に厚さ
が￥ｉｍｍとなり、剛な板状となるので、取扱いが容易
となるとともに、支持板１５の切込部１７を利用して膜
状圧電体１４に出力取出し用のノードワイヤや端子を取
り付けることが可能となる。また、２枚の支持板１５の
切込部１７か互いに対称的に配置されているので、切込
部（７がｌ′ｆ在するにもかかわらず感知部１３全体と
しての対称性がさほど低下せず、クロストークか悪化す
ることちない。

以下、具体例を示して作用効果を明確にする。

（実施例） 厚さ５ｍｍのアルミニウム板を台座とし、この上に感知
部をエポキシ系接着剤にて接着した。感知部には、膜状
圧電体としての１辺１ｃｍの正方形で厚さ１００μｍの
ボリフ、化ビニリデンフィルム（アルミニウムｉ＠着電
極付き）の両面に１辺Ｊａｍの正方形で厚さ１ｍｍ、熱
伝導率Ｑ　　２Ｗｍ−’にのガラスエボキン板（支持板
）をエポキシ系接着剤で接着したものを使用した。この
感知部の上に、屈面形状がｌ　ｃｍＸ　ｌ　ｃｍの正方
形で重さが１０ｇの黄銅製の荷重体を対称軸を合わせて
エポキシ系接着剤で接着してセンサとした。

ポリフン化ビニリデンフィルムの弾性率は２．７　Ｘ　
Ｉ　ＯＩ′Ｐ　ａ、接着剤層およびガラスエボキン板（
支持板）の複合等価弾性率は１．６ＸＩＯ９Ｐａ、接着
剤層の厚さは約２４μｍであった。

（比較例１） 実施例において、感知部の支持板として、１辺１ｃｍの
正方形で厚さ１ｍ１Ｔｌのアルミニウム板を用いた以外
は同様にしてセンサを作成した。

（比軽例２） 実施例において、感知部の支持板として、エボキン樹脂
に銅粉末を充填して厚さ１ｍｍの板状に成形したもの（
熱伝導率ｌＷｍ−’に一’）を用いた以外は同様にして
センサ作成した。

これらの三種のセンサについて、その温度特性を検討し
た。すなわち、センサに熱風を吹きつけ、センサ近傍の
温度を急激に変化させたとき、温度１　’Ｃ当たりどれ
だけの出力の変動が起こるかを評価した。出力はセンサ
のＩＧの出力に対する比とした。

結果を第１表に示す。

第 表 笛１表の結果から明らかなように、本発明のセンサは温
度変化に基つく出力を小さく抑えることができる。

〔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に
あっては、台座と荷重体とに挾持される感知部として、
膜状圧電体の両面に板状の剛体からなり、その熱伝導率
が０．５Ｗｍ−’に一’以下のに侍医を円管したものを
用いたので、膜状圧電体か岬ｌな板体となって取扱いが
容易となって、センサ製造時等において手間を要するこ
とかなくなる。

また、センサの外部雰囲気温度の変動があっても、この
温度変動に基つく出力変動が微かであり、温度特性が良
好となる。さらに、クロストークが良好で、耐衝撃性に
優れ測定可能な周波数帯域が広いなどの利点をも有して
いる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明のセンサの一例を示す分解斜視図、 第２図はこの発明に用いられる感知部の例を示す分解斜
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図はこの発明に用いられる
感知部の他の例を示す分解斜視図、 第１７図ないし第１９図はこの発明に用いられる支持板
の平面形状の例を示す平面図、第２０図は従来の圧電型
加速度センサの例を示す概略断面図である。 １・・・　台座、 ２・・・・測定面、 ３・・　感知部、 ４　・・・・膜状圧電体、 ５・・・・支持板、 ６・・・・・荷重体。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）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感知部と、この感
   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、 前記感知部は、膜状圧電体と、この膜状圧電体の両面に
   固着された板状の剛体からなる２枚の支持板とからなり
   、支持板をなす材料の熱伝導率が０．５Ｗｍ＾−＾１Ｋ
   ＾−＾１以下とされ、かつ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、 前記荷重体は、それの感知部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であること
   を特徴とする圧電型加速度センサ。
2. （２）請求項（１）記載の圧電型加速度センサにおいて
   、膜状圧電体と支持板、支持板と台座および荷重体が接
   着剤により固着され、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。 （Ｅ＿Ａ／ｔ＿Ａ）／（Ｅ＿Ｐ／ｔ＿Ｐ）≧０．１