JPH03181865A - 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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JPH03181865A
JPH03181865A JP32224689A JP32224689A JPH03181865A JP H03181865 A JPH03181865 A JP H03181865A JP 32224689 A JP32224689 A JP 32224689A JP 32224689 A JP32224689 A JP 32224689A JP H03181865 A JPH03181865 A JP H03181865A
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JP
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circuit board
sensor
piezoelectric
package
sensing axis
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Application number
JP32224689A
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English (en)
Inventor
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ンサ装
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17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l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
に接する而の平面形状が感知軸を対称の中心とする点対
称面の平面形状が感知軸を通り、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。
〔課題を解決するための手段〕
この発明においては、回路基板と、この回路基板の感知
軸に垂直な一方の面を形成する測定面に固着された、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
知部上に固着された慣性質量部として作用する剛体から
なる荷重体とを有してなるセンサの、上記回路基板の他
方の面に膜状圧電体からの電気的出力を処理する処理回
路基板を取付け、このものを中空パッケージ内に収めて
、センサの回路基板をその周辺部のみにおいて、中空パ
ッケージ内に浮かした状態で固定することにより、上記
課題を解決した。
さらに、回路基板の周縁部を中空パッケージに浮かして
固定する際、パッケージと回路基板との間に熱応力が発
生するのを緩和するバッファー層を介して固定すること
により、温度特性をさらに良好とした。
以下、この発明の詳細な説明する。
第1図は、本発明に係る第1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、台座を兼ねる回路基板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、センサ装置という
。)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パッケージ1
5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17が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の回路基板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、
回路基板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内で浮かした
状態で収容、固定され、これにより回路基板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の回路基板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
回路や増幅回路が取り付けられている。さらに、この回
路基板12からの出力リード線18.18およびこの回
路基板12に作動用の電力を供給する電源線19.19
が、中空パッケージ15の下部に取り付けられたコネク
タのレセプタクル20の端子に接続され、このレセプタ
タル20に、接続ケーブル21を接続したプラグ22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は前述のように回路基板12、検知部13およ
び荷重体14から構成されるものである。
回路基板12はセンサの基体をなし、十分な剛性を有す
る電気絶縁性材料、例えばセラミックス系材料などから
作られている。また、回路基板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、回路基板12の
厚さは膜状圧電体の数倍であることが望ましい。
ここでの回路基板12はその形状が円板状となっている
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。
この回路基板12の一つの表面は、平坦かつ平滑な測定
面23となっている。この測定面23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。
この回路基板12の測定面23上には、検知部13が回
路基板12に一体にエポキシ系接着剤などによって強固
に固着されている。
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24の両面に円板状の支持板25゜25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24とし
ては、圧電性を有する材料からなる厚さ10〜300μ
m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、ボ’J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
、フッ化ビニルなトド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24の両面には出力取出し用のアルミニ
ウム蒸着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24は1枚である必要はなく、2枚以
」二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25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(F RP)板などが用いられ、その
厚さは0.51〜2ms+程度とされる。膜状圧電体2
4と支持板25.25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1前後となって、取扱いが容易となる。ま
た、支持板25.25に導電性のものを用い、膜状圧電
体24との接着に導電性接着剤を用いれば、支持板25
.25をそのまま膜状圧電体24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24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24はそ
の平面形状が、測定面23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
図は正方形、第5図は楕円、第6図は正六角形、第7図
は六角形、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25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24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
位し検知部13の膜状圧電体24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24にクリープを生じせしめない範囲
とされる。荷重体14と検知部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の検知部13の支持板25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
面の平面形状が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24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24と荷重体14との組み合わせに
おいて、荷重体I4の底面の平面形状と膜状圧電体24
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24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、荷電体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、台座兼用の回
路基板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
、特に台座を回路基板12で兼用しているので、高さ方
向の寸法を短小化でき、小型化も可能となる。
また、膜状圧電体24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]・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24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24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くなる。
したがって、膜状圧電体24にれば、膜状圧電体24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
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24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、iUI+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17) 発明でのセン
サ11の共振周波数は、その構造から回路基板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2
4、支持板25゜25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、検知部13自体およびこれと回路基板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25の複合等価弾性率をEA、これ
らの厚さの和をtAとし、膜状圧電体24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/l A) / up/l p)≧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に生し
た力が接着剤層および支持板25゜25によって吸収緩
和されることなく膜状圧電体24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シ系、フェ
ノール系、シ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、検知部13は、厚さ数■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25.25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12をセンサ11に使用しているの
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く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、台座を使用せず、回路
基板を台座と兼用しているので、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、単に装置のレセプタ
クル20に接続ケーブル21を接続したプラグ22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
回路基板12の周辺部のみで浮いた状態で固定され、回
路基板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
少なく、センサIIの検知部13の膜状圧電体24に伝
わる熱が極めて少なくなり、膜状圧電体24に温度分布
が生じることが少なく、焦電効果による出力の変動が小
さくなる。
また第16図は、第2発明のセンサ装置の一例を示すも
ので、熱応力を緩和するため、パッケージ15のセンサ
取付部16と回路基板12の間にバッファー層31を介
在させたものである。
なお、第1図と同一部分に同一符号を付し、また、第2
図ないし第15図は第1発明と同じであるのでその説明
を省略する。
」二記バッファー層31は、その形状が円環状の12の
弾性率より低い弾性率であることが必要で、特に、例え
ばガラスエポキシ積層板のように縦方向の弾性率が高(
、横方向の弾性率がこれよりも低いものが好ましい。さ
らに、バッファー層31のパッケージ15のバッファー
層31固定面方向の弾性率が、回路基板12およびパッ
ケージ15の弾性率より小さく、回路基板の線膨張率を
α、パッケージの線膨張率をβ、バッファー層の厚さを
tとした場合、 (a二り土≦I X I O−’ (’C−’・t −
1)を満足するものが好適である。
すなわち、上式はパッケージおよび回路基板の線膨張係
数の差による応力をバッファー層によって吸収する程度
を表すものである。
以下、バッファー層を取付けた第2発明の具体例を示す
実施例1,2、比較例1〜3 厚さ1.Os*のガラスエポキシ板2枚で、厚さした後
51角に裁断して、その上に同一底面積のしんちゅうブ
ロックを荷重体(重さIg)を接着した。これを直径9
 mm、厚さ0.7mmのアルミナ製回路基板に接着し
、これをしんちゅうポリアミド樹脂複合体のパッケージ
に、種々な材質のバッファー層を介してそれぞれ取付け
やセンサ装置を作製した。
これらのセンサ装置の雰囲気温度を一り0℃〜70’C
で変動させ、常温出力に対する変化を調べた。結果を第
1表に示す。
以 下 余 白 以上のように、バッファー層を設けることにより温度特
性が改善されることがわかる。
〔発明の効果〕
以上説明したように、本発明に係る第1発明のセンサ装
置は、組立が容易、かつ小型化が可能で、膜状圧電体に
対する熱伝導が少なくなる。
また、クロストークを小さくすることができるとともに
、測定可能周波数が広い等の利点を有する。
また第2発明は、第1発明の利点はそのまま保有し、温
度特性が良好となる。
【図面の簡単な説明】
第1図はこの発明に係る第1発明のセンサ装置の一例を
示す概略図、第2図はこの発明のセンサノ例を示す分解
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図は第2発明のセンサ装置
の一例メニ 、−−+ 虹ば田を 呂ハ   勺ff1
7F!万 1争 づ址 虫ITI  Jデ ・ノ →←
 n)Dλ1 メ: 6÷す概略構成図である。 1・・・・・・センサ、 2・・・・・・回路基板、 3・・・・・・検知部、 4・・・・・・荷重体、 5・・・・・・中空パッケージ 6・・・・・・センサ取付部、 7・・・・・・取付板部、 8・・・・・・出力リード線、 9・・・・・・電源線、 O・・・・・・レセプタクル、 l・・・・・・接続ケーブル、 2・・・・・・プラグ、 3・・・・・・測定面、 4・・・・・・膜状圧電体、 5・・・・・・支持板、 l・・・・・・バッファー層。 (パッケージ)

Claims (6)

    【特許請求の範囲】
  1. (1)回路基板と、この回路基板の感知軸に垂直な一方
    の面を形成する測定面に固定されるとともに、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
    体とを有してなるセンサの、上記回路基板の他方の面に
    膜状圧電体からの電気出力を処理する処理回路を取付け
    、このものを中空パッケージ内に収め、センサの上記回
    路基板をその周辺部のみにおいて、中空パッケージ内に
    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)回路基板と、この回路基板の感知軸に垂直な一方
    の面を形成する測定面に固着されるとともに、膜状圧電
    体を支持体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
    体とを有してなるセンサの、上記回路基板の他方の面に
    膜状圧電体からの電気出力を処理する処理回路を取付け
    、このものを中空パッケージ内に収め、センサの上記回
    路基板をその周辺部のみで、パッケージと回路基板との
    間に熱応力の発生を緩和するバッファー層を介して中空
    パッケージ内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。
  3. (3)バッファー層のパッケージとの固定面方向の弾性
    率が回路基板およびパッケージのいずれの弾性率より小
    さいことを特徴とする請求項(2)記載の圧電型加速度
    センサ装置。
  4. (4)回路基板の線膨張率をα、パッケージの線膨張率
    をβ、バッファー層の厚さをtとした場合次式を満足す
    ることを特徴とする請求項(2)または(3)記載の圧
    電型加速度センサ装置。 |α−β|/t≦1×10^−^4(℃^−^1・mm
    ^−^1)
  5. (5)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、それの支持板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
    とを特徴とする請求項(1)または(2)記載の圧電型
    加速度センサ装置。
  6. (6)膜状圧電体と支持板、支持板と回路基板および荷
    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
    る請求項(1)または(2)記載の圧電型加速度センサ
    装置。 (E_A/t_A)/(E_P/t_P)≧0.1
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