JPH03183962A - 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、その製造か容易で、か
つ剪断による耐衝撃性の高い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３，３を
設け、枠体２を台座４に固定したものである。

そして、このセンサては、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ｌ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り、
特に振動膜１は耐衝撃性が低い。

上記振動膜を材料によって大別すると、無機セラミック
スの圧電体よりなるものと、ポリマ系の圧電体よりなる
ものがある。無機セラミックス系のものは、精度がよく
、使用可能温度範囲が広い等の長所はあるが、破壊し易
い。

ポリマ系のものは、圧電性ポリマシートのみのものと、
無機セラミックス系圧電体の粉体をポリマ中に分散させ
たものとかあって、その耐衝撃性は改善されるか、測定
可能な周波数帯域が狭く、クロストークが劣り、正味の
出力感度が低い。

上記センサは、加速度感知部が、周辺を固定した振動膜
構造のため、ポリマ系のものを使用して耐衝撃性を改善
しても、その弾性率が低いことにより、上記測定可能な
周波数帯域が狭い等の問題点を生ずる。

このような従来のセンサの欠点を解〆肖するため、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。

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、その解決が必要であった。す
なわち、通常これらのセンサの膜状圧電体には、電極と
して金属蒸着膜や、金属箔を接着剤で接着したものを使
用している。しかし、上記金属蒸着膜は膜状圧電体との
接着力が弱く、衝撃によって剥離し易い。また、金属箔
と膜状圧電体とを接着剤て接着したものは、剥離強度は
大きいものの、剪断方向の衝撃性に弱い欠点がある。

さらに金属箔と膜状圧電体とを接着するのに絶縁性の接
着剤を用いた場合、圧電体と電極との間に絶縁層が形成
されるため、出力が低下する不都合を生ずる。

〔課題を解決するための手段〕

上記の課題を解決するため、本発明においては、膜状圧
電体の両面に金属材料よりなる電極箔を導電性粘着テー
プによって固着した感知部を用い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、請求項（１）記載の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て、
十分な剛性を有する材料、例えば鋼、黄銅、アルミニウ
ムなとの金属、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１
１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はその形状か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
必要かある。

この台座１１の測定面１２上には、感知部１３がエポキ
シ系接着剤なと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１４の両面に円板状の、例えば銅、アルミニウム等
の金属製の電極箔１５を導電性粘着性テープ１６で固着
してなるものである。ここで用いられる導電性粘着テー
プ１６（以下粘着テープという）は、カーボン粉末等を
含有する導電性のもので、等方導電性粘着テープ、或は
異方導電性粘着テープのいずれてもよいが、膜状圧電体
１４の出力を電極箔１５に伝えるため、接触抵抗は０．
００１Ω／ｃｍ２以下であることが望ましい。

また９０’剥離粘着力か３５０ｇ／ｃｍ以上、剪断剥離
力が４　、５　ｋｇ／　Ｃｍ２以」二であることが好ま
しい。

また、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■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ボリカーホネイトとのブ
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、分散したものなとが用いられ
る。

上記、膜状圧電体１４は１枚である必要はなく、２枚以
上を導電性接着剤て積層した積層構造のものでもよい。

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上で重要である。

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、感知軸に直交す
る方向の加速を受けた時の出力Ｐｔとの比Ｐ　、／　Ｐ
　、て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ない。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
はすへて感知軸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ても上記条件を満たせ
ば採用可能である。

また、電極箔１５および粘着テープ１６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。

このような感知部１３の」二には、第■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１７が一
体に固着されている。この荷重体１７は加速度を受けて
変位し感知部１３、すなわち膜状圧電体】４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１７と感知部１３の固着は
、エポキン系接着剤なとによって行われる。

また、この荷重体１７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１７の感知部１３の電極箔（５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か感知軸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の平面形状と同碌に
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１４と荷重体１７との組み合わせにお
いて、荷重体１７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の平面形状か正方形で、荷重体１７の
底面の平面形状が円形の組み合わせてあってもよく、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１７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へ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かある。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１７は、したがってその重心か感
知軸Ｇ上に位置することになる。

また、荷重体１７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
てきるが、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ちのであることか必要
であり、それぞれか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１ する荷重体１７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ｌＩ＋１ｌｌＧ」二に感
知部１３の対称中心と荷重体１７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方向の加速度を測定する
ことかできる。

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１７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１７の底面の平面形状か感
知軸Ｇを対称中心とする点対称であり、同時に荷重体１
７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２ 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１７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１７に働くことにな
る。このため、膜状圧電体１４の一部には圧縮力か作用
し、残部には引張力か作用することになる。膜状圧電体
１４は、圧縮力と引張力とて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１７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上限か高＜
、測定可能周波数帯域か広いものとなる。

この種のセンヅ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１７との間に存在
するもの、すなわち膜状圧電体１４、？４極箔１５．１
５、これらを固着する導電性粘着テープおよび接着剤の
弾性率を荷重体１７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、キロヘルツのオーターとなる。但し、導電性
粘着テープ層、接着剤層の弾性率か低くなると共振周波
数か低下するので、留意すべきである。

このため、感知部■３自体およびこれと台座１１および
荷重体１７との固着に用いられる接着剤については、接
着剤層と電極箔１５および粘着テープ１６との複合等価
弾性率をＥＡｌ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かある。

（ＥＡｌｌＡ）／（ＥＰ／ｌＰ）≧Ｏ１この式の意味す
るところは、加速度によって荷重体１７に生した力か接
着剤層、電極箔１５゜１５、粘着性テープ１６．１６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０１未満となると上
記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、接着剤および粘着テープの種類が異なり、弾性率
も異なる場合には、それぞれの接着剤層または粘着テー
プ層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て、弾性
率の高いものを選択すべきである。

また、このセンサでは、粘着テープ１６で膜状圧電体１
４と電極箔１５とを接合しているため、粘着テープ１６
が接着剤に比べて高い衝撃力のダンピング効果を発揮し
、センサを誤って落とした場合などに測定範囲を超える
力が加わっても感知５ 部１３が破壊することなく、その破損や性能の低下が防
止される。そして、粘着テープＸ６の９０度剥離粘着力
が３５０ｇ／ｃｍ以上、剪断剥離力か４．５ｋｇ／ｃｍ
’以上の場合には約３ｇ／ｃｍ’以下の荷重を有する本
発明のセンサにおいては、約３０００Ｇの衝撃加速度に
耐えることか出来る。

〔実施例〕

次に実施例、比較例を示して本発明を説明する。

実施例１ 第１６図に示すようなセンサを作製して試料とした。す
なわち膜状圧電体１４として、１１０μｍ（厚さ）Ｘ５
ｍｍ（幅）Ｘ５ｍｍのＰＶＤＦ　（ポリフッ化ビニリデ
ン）フィルムを用い、この両面に、電極箔１５として厚
さ３０μｍのＣｕ箔を、厚さが５０μｍ、接触抵抗か０
．００１Ω／　ｃｍ２で剪断剥離力が４．８ｋｇ／ｃｍ
’　　９０°剥離力が３７０ｇ／ｃｍの異方導電性の粘
着テープ１６によって固定して感知部１３を作製した。

この感知部と、重さが０．８４ｇ、４　ｍｍ　（厚さ）
Ｘ５ｍｍＸ５ｍｍの真ちゅうよりなる荷重Ａと、６ １．５ｍｍ（厚さ）のガラス入りエポキシ樹脂よりなる
荷重Ｂとを一体化した荷重１７およびアルミニウム製ノ
厚さ２ｍｍの台座１１とをエポキシ樹脂によって接着し
て、センサ作製した。

比較例１ 厚さが５０μｍ＝接帥抵抗が０．５Ω／ｃｍ”、剪断剥
離力が３ｋｇ／ｃｍ２．９０°剥離力が２００ｇ／ｃｍ
の粘着テープを用いた以外は、実施例１と同じにしてセ
ンサを作製した。

比較例２ 膜状圧電体と電極箔とを２液温合タイプのエポキシ樹脂
接着剤を使用して接着した以外は、実施例１と同じにし
てセンサを作製した。

比較例３ 膜状圧電体の面に電極箔として厚さ１０００人アルミニ
ウムを蒸着して感知部とした以外は実施例１と同じにし
てセンサを作製した。

これらのセンサを約２　、５　ｋｇのおもりに取付け１
ｍの高さからコンクリートブロック上に落下させた。こ
の際の衝撃は約３０００Ｇとなる。

上記各センサの初期出力を１とし、落下回数を重ねた場
合の出力を調べた。結果を第１表に示す。

なお、参考のためそれぞれの初期出力を併記した。

第 表 〔発明の効果〕 以上説明したように、本発明に係るセンサは圧電体と電
極箔とを導電性粘着テープによって固定しているので耐
衝撃性が大幅に向上し、強い衝撃が何回加わっても、初
期出力が保持され、出力が変化せず、またクロストーク
か優れている等の長所を有する。

【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図は本発明の実施例、比較
例に用いたセンサの斜視図、 第１７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。 １１・・・・・・台座、１２・・・・測定面、１３・・
・・・感知部、１４・・・・・膜状圧電体、１５・・・
・電極箔、１６・・・・・・導電性粘着テープ、１７　
・・・荷重体。

Claims (3)

【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
   導電性粘着テープによって固着された金属材料からなる
   ２枚の電極箔とからなり、電極箔と、導電性粘着テープ
   と膜状圧電体とはその平面形状が同一とされ、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）の圧電型加速センサにおいて、導電
   性粘着テープは、９０°剥離粘着力が３５０ｇ／ｃｍ以
   上、剪断粘着力が５ｋｇ／ｃｍ＾２以上あることを特徴
   とする圧電型加速度センサ。
3. （３）請求項（１）または（２）記載の圧電型加速度セ
   ンサにおいて、膜状圧電体の両面に電極箔を導電性粘着
   テープによって取付けた感知部と台座および荷重体が接
   着剤によって固着され、接着剤層、電極箔、導電性粘着
   テープの厚さの和をｔ＿Ａ、これら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