JPH0320671A - 圧電型加速度センサおよびその出力調整方法 - 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、特に電気出力を均一化したものに関する。

〔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。

）の一例として、第１７図に示すものが知られている。

このセンサは特開昭５６−１０２５Ｂ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科からなる円板
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の中心の両面に慣仕質量として機能する荷重体３
を設け、枠体２を台座４に固定した乙のである。

そして、このセンサでは、振動膜【の膜而に直交し、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を披測定物に取り付
けろことにより、彼測定物の感知軸Ｃ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に盃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、それの膜伏圧電体
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
とずる線対称としたことを特徴とするセンサを案出し、
先に特許出願している。

かかるセンサは、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ノイズ出力が極
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
下のような不都合の解決が必要であった。

前記構造のセンサの電気出力は、個々の荷重体の質量の
違い、個々の圧電体の厚さのばらつき、個々の圧電体の
圧電率のばらつきなどによってセンサ固体間の出力にば
らつきを生じ、品質保証の面で問題を生じるおそれがあ
る。そして、前記出力のばらつきを生じる要因のうち、
荷重体の質量は、制御することが可能であるが、圧電体
個々の厚さのばらつきや圧電体個々の圧電定数のばらつ
きは圧電体の製造時に必然的に生じるものであり、この
要因を解消することは困難であった。

本発明は前記課題を解決するためになされたもので、セ
ンサを大量生産した場合であっても、各センサの個々の
間の出力のばらつきを少なくして均一な出力のセンサを
得ることが容易にできる圧電型加速度センサおよびその
出力凋整方法を提供することを目的とする。

〔課題を解決するための手段〕

請求項ｌに記載の発明は前記課題を解決ｔるために、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
電体に形成された電極と、前記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を有し
、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、荷重体が
、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
測定面に垂直な無敗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ずる線対称であるとともに、
前記荷重体が、質量の異なる複数の分割荷重体を感知軸
の軸方向に沿って一体に積層してなるものである。

請求項２に記載した発明は前記課題を解決するために、
請求項ｌに記載した圧電型加速度センサの出力を調節す
る方法において、膜状圧電体の上に分割荷重体を固着す
る際に、基準の分割荷重体を固着した状態で加速度の仮
測定を行い、基準の出力より低い出力が得られた場合、
前記分割荷重体の上に、この分割荷重体よりも質量の小
さい他の分割荷重体を１つ以上固着して再度加速度の仮
測定を行う操作を、出力が規定範囲内に収まるまで１回
以上行って出力パ節を行うものである。

以下、この発明を詳しく説明する。

第ｌ図はこの発明のセンサの一例を示すもので、図中符
号１ｌは板状の台座である。この台座！ｌはセンサの基
体をなし、彼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
、または、プラスチックなどから作られている。また、
台座１ｌ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以上で
あることが望ましい。この例の台座１１は板状に形成さ
れているが、台座＋１の形状はこれに限られるものでは
なく、直方体状、円柱状などの形状でもよい。

この台座１１の一つの表面は、平坦かつ平滑な測定面ｌ
２となっている。この測定面ｌ２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の測定面ｌ２上には膜状圧電体ｌ３が台座
ＩＩに対して一体に強固に固着されている。

膜状圧電体ｌ３は、圧電性を有する材料からなる厚さｌ
Ｏ〜５００μｍ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主として
用いられる。圧電性を有する材料としては、ボリフッ化
ビニリデン、ポリ塩化ビニリデン、ボリフッ化ビニル、
ポリ塩化ビニル、ナイロン目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
リフロ口エチレン、フヅ化ビニルなどとフッ化ヒニリデ
ンとの共重合体、酢酸ビニル、ブロビオン酸ビニル、安
息香酸ビニルなどとンアン化ビニリデンとの共重合体、
ボリフッ化ビニリデンとボリカーボネイトとのブレンド
ボリマー、ボリフッ化ビニリデンとボリフッ化ビニルと
のブレンドボリマー等のボリマー系のほかに、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
をボリマーに添加、分散したものなどが用いられる。

この膜状圧電体ｌ３の上面（表面）には、電気出力取出
用のアルミニウム箔などからなる電極層（図示略）が設
けられるとともに、膜状圧電体ｌ３の底面（裏面）にも
同様の電極層が設けられている。

そして、この膜伏圧電体ｌ３と台座１ｌとの固着は、エ
ボキシ系接着剤などの硬化型の接着剤を用いて行われる
。

また、前記膜状圧電体ｌ３にあっては、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。

まず、膜状圧電体１３の平面形状が、測定面ｌ２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図に示す例では長方形となっている
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２図ないし第７図に示すようなものがある。第２
図は平行四辺形、第３図は円形、第４図は楕円、第５図
は正六角形、第６図は八角形、第７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。

このような膜状圧電体ｌ３の上には、慣性質量部として
機能する剛体からなる荷重体１４が一体に接着されてい
る。この例の荷重体ｌ４は、分割荷重体１４ａと、この
分割荷重体１４ａの上に接着された分割荷重体１４ｂと
、この分割荷重体＋４ｂの上に接着された分割荷重体１
４ｃとから構成されている。

荷重体ｌ４は、全体が剛体からなるもので、この例では
３つの分割荷重体１４ａｊ４ｂ，１４ｃがいずれも剛体
からなる。ただし、台座１１をガラス繊維入りエボキシ
樹脂などから形成した場合は、分割荷重体１４ａも同質
の樹脂から形成することが好ましく、この場合は分割荷
重体１４ｂを黄銅などの比重の大きな金属材などから形
成する。前記分割荷重体１４ｂはその重量が他の分割荷
重体１４ａ，１４ｃに比較して最も大きく、この分割荷
重体１４ｂが荷重体ｌ４の全体重量に匹敵する質量に設
定される。また、荷重体ｌ４を構成する分割荷重体１　
４ａ，ｉ　４ｂ，Ｉ　４ｃはそれぞれが強固に固着し、
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グげて別の変位を起こすもので
あってはならない。

荷重体１４は加速度を受けて変位Ｌ．　Ｍ状ｎ−：　？
Ｔ１体１３に歪みまたは応力を生ぜしめるしので、その
重量はセンザの単位加速度当たりの電気的出力（，′−
関係するため、特に限定されることはないが、膜状圧電
体ｌ３にクリープを生じせしめない範聞とされる。荷重
体ｌ４と膜状圧電体ｌ３の固着は、台座１ｌと膜状圧電
体１３の固着と同様である。

また、この荷重体１４については、その立体形状がクロ
ストークを低減するうえで重要である。

まず、荷重体ｌ４の膜伏圧電体１３と接する而（底ｉｌ
ｆｉ）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ｌ３の平面形状と同様に例えば第２図ない
し第７図に示すものが採用できる。ただし、膜状圧電体
１３と荷重体Ｉ４との絹み合わせにおいて、荷重体１４
の底ｉ：Ｉｉｉの平面形状た膜状圧電体ｌ３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
１．ＩＥ　ｉ．体ｌ３の平面形状が正方形で、荷重体１
４の底『：ｊの平面形状が円形の組み合わせであっても
よく、後述する上うに感知軸Ｇを同じくすればかまわＬ
１″い。

また、同時に荷重体ｌ４は、感知軸Ｇを通ｔ）、底面に
垂直な無数の平面で断面した時にすべで（２）断面につ
いて感知軸Ｇを対称軸と；ず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一′しては、第８図な
いし第１４図に示すものがある．．第８図に示したもの
は板状であり、第９図のものは柱状、第ＩＯ図は雄状、
第１１図のものは球を平面で切り取ったもの、第１２図
のものは楕円｛４・゛を平而で切り取ったもの、第１３
図のものは柱状の内部に空間を形成したもの、第１４図
のもご９｛、ラ、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，、Ｃは
感カ１軸．と一致する対称軸である。この線対称の条件
を満たす荷重体１４の重心は感知軸Ｇ　ｉに位置するこ
とになる。

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はその対称軸を膜状圧電体ｌ３の対称中心に一致
させて、言い換えれば感知軸Ｇ上に膜状圧電体ｌ３の対
称中心と荷重体ｌ４の対称軸とを一致させて配置され、
固着されている。

次に前記構成のセンサを製造する場合に行う出力凋節方
法について説明する。

センサを製造する場合、まず、台座１１に膜状圧電体ｌ
３と分割荷重体１４ａと分割荷重体ｔ４ｂを固着する。

そして、この状態で台座ｌ１を被測定物に取り付けて加
速度の仮測定を行う。仮測定に際し、使用する膜状圧電
体１３の厚さと圧電材料の種類と、分割荷重体１４ａ，
１４ｂの重徂値が決定されているので、所定の加速度を
加えた場合に得られる出力量は計算により算定されるの
で、予め設定された所定の加速度を加えた場合、出力が
どの程度得られるものかを把握しておく。また、製造す
るセンサの品質に応じ、許容される出力のばらつきの範
囲も把握しておく。

この仮測定を行った結果、得られた出力が許容される範
囲内に納まった場合は、この状態でセ゛／サを完或品と
する。この場合の完成品は第１５１Ｘ＋に示すようにな
る。

また、仮測定の結果が前記許容範囲から外れ、，加速度
の値か許容範囲を下回った場合は、更に別の分割荷重体
１４ｃを分割荷重体１４ｂの上に固若する。ここで用い
る分割荷重体ｆ４ｃは前記分割荷重体ｌ４ｂよりも質量
が小さいものを用いる。

この分割荷重体１４ｃを固着した後に再び加速度の測定
を行い、許容範囲内に出力が到達したならば調整終了と
して第１図に示すセンサを完成品とする。

なお、この調整を行った後に未だ出力が不足の場合は、
第１６図に示すように分割荷重体ｌ４（４よりも質量の
小さい分割荷重体！４ｄを分割荷重体１４ｃの上に固着
して出力調節すれば良い。

ここで前記のように加える分割荷重体１４ｃあるいは分
割荷重体１４ｄの追加方法は、任意であり、接着剤によ
る貼り合わせ法、溶融物質の滴下による形成法、メッキ
法により電気化学的に析出４−る方法などのいずれの方
法を用いても良い。

以上のように荷重体ｌ４の重量凋節をするならば、許容
範囲内に出力が調整された加速度センサを得ることがで
きる。

前記構成のセンサはその台座１ｌを被測定物に取り付け
て用いられ、その感知軸Ｇ方向に加速度が作用すると、
荷重体ｌ４が膜状圧電体ｌ３に加速度に応じた荷重を負
荷し、この負荷に応じた歪の発生に基づいて膜状圧電体
ｌ３の表面側と裏面側に電位差を生じる。この電位差で
もって加速度の大小を測定することができる。

この構成のセンサにあっては、台座ｌ１と膜状圧電体１
３と荷重体ｌ４とを単に積層したものであり、圧電体ｌ
３に形成する電極も一般の成膜プロセスなどを適用でき
るので、構造が簡単で製造が容易となり、小型化も可能
となる。

また、膜状圧電体ｌ３の平面形伏が感知軸Ｇを対称中心
とする点対称であり、荷重体ｌ４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ｉ
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、ベクトル分解の法間によって感知軸に直
交する少なくとも二つ方向の戊分と感知軸方向の戊分と
に分けられる。この感知軸に直交する方向の威分は、荷
重体ｌ４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に動くことになる。このため、膜状圧
電体ｌ３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１３には、圧縮力と引
張力とで反対符号の電荷を生じるが、前記反対符号の電
荷量が等しければ、出力は変動しない。

したがって、膜状圧電体Ｉ３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１３からの出
力変動はゼロになり、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、膜状圧電体ｌ３および荷重体ｌ４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ｌ３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ｌ３からの出力変動がなく、
クロストークが極めて小さいものとなる。このようにク
ロストークを少なくするには、分割電極を感知ＭＧを対
称の中心とする点対称配置することが好ましい。

また、このセンサは、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ｌ４との間に存在
するもの、すなわち膜状圧電体ｌ３、接着層、電極層の
弾性率を荷重体Ｉ４の質量で除した値に比例するため、
従来の振動模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
層の弾性率が低くなると共振周波敢か低下するので、留
意すべきである、 このため、膜状圧電体ｌ３と台座１１および荷重体１４
との固着に接着剤を用いるものでは、接着剤層の弾性率
をＥ　Ａ　Ｎ厚さをｔＡとし、膜状圧電体ｌ３の弾性率
をＥＬ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　）　／（Ｅｐ／ｔ　ｐ）≧０」この
式の意味するところは、加速度によって荷重体ｌ４に生
じた力が接着層ζこよって吸収緩和されることなく膜状
圧電体ｌ３に伝わるための条件であり、上式の値が０．
１未満となると接着層による吸収緩和が無視できな《な
り、上述のように共振周波数が低下し、厠定可能周波数
帯域を狭めることなる。

なお、上式における接着層の厚さは、台座ｌ１と荷重体
ｌ４との間の存在するすべての接着層の厚さの合計を言
う。また、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。

（，，たがって、接着剤としてはエボキシ系、フ工ノー
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、導電性接着剤を用いることもできる
。

以下、具体例を示して作用効果を明確にする，、（実施
例！） 厚さｌｍｓのガラス繊維入りエボキシ樹脂板を台座とし
、この台座に厚さｌｌＯμｍ，１辺１ｔ）＋ｎａ＋の正
方形状の圧電シートを接着した。圧電シートには、ボリ
フッ化ビニリデンフイルムを用い、その表裏面にアルミ
ニウム蒸着電極層を形成したものを用いた。さらにこの
圧電ンートの上に、厚さ！　ｍｍのガラス繊維入りエボ
キシ樹脂層をエボキシ系接着剤で接着し、更にその」＝
に、厚さが５旧の抗銅製の分割荷重体を圧電シートの対
称軸と荷重の対称軸が一致するようにエボキシ系接着剤
で接着した。また、この分割荷重体を固着したところで
所定の加速度を加えて出力を測定する仮測定を行い、そ
の際の出力が許容範囲よりも低いものについては、前記
分割荷重体より質量か小さい分割荷重体を更に固着し、
出力を許容範囲内に納めた。

以上の構成の加速度センサを実施例ｌとする。

（比較例！） 前記実施例１の構造において、最後に固着しノコ質量の
小さい分割荷重体を固着していないものを比較例ｌとす
る。

前記実施例１のセンサと比較例１のセンサについて、各
５０個の試料を作成し、＋００Ｈｚ，ＩＧの正弦波振動
を加え、その時のピーク出力を測定した。測定した値か
らそれぞれ平均値を求め、平均値の±５％の範囲内に出
力を持つ試料の割合を求めた。その結果、 以上の結果を得ることができ、本発明に係る試料の出力
が安定していることが判明した。

〔発明の効果〕

以上説明したように請求項ｌに記載した発明は、，膜状
圧電体に負荷を与える荷重体を質量の異なる分割荷重体
の積層構造としたので、分割荷重体の敢を調節すること
で荷重体の質量を微調整することができ、これにより、
膜状圧電体の厚さのばらつきや圧電定数のばらつきなど
が生じた場合であっても荷重体の質量を凋整することで
これらのばらつきの影響を排除することができる。従っ
て電気出力の安定した高品質の加速度センサを得ること
ができる。

また、この発明のセンサは台座と膜状圧電体と荷重体を
積層して固着したものであるので、構造が簡単で小型化
も容易にできる。更に、クロストークが極めて少なく、
測定可能周波数帯域が広く、測定用途に合致した設計が
容易で設計の自由度が大きいなどの効果がある。

一方、この発明の方法によれば、加速度を加えて出力を
仮測定し、出力が許容範囲より少ない場合に分割積層体
を増加してセンサを完成させるので、大量生産した場合
であっても均一の出力を示す加速度センサを製造するこ
とができる。従って測定誤差の少ない高品質の加速度セ
ンサを製造できる効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施例の一部を破断した斜視図、
第２図ないし第７図はいずれもこの発明で用いられる膜
伏圧電体の平面形状の例を示す図、第８図ないし第ｌ４
図はいずれもこの発明で用いられる荷重体の立体形状を
示す断面図、第ｌ５図と第１６図はこの発明の方法を説
明するためのもので、第ｌ５図は４つの分割荷重体を積
層した状態を示す斜視図、第１６図は２つの分割荷重体
を積層した状態を示す斜視図、第＋７図は従来の加速度
センサを示す断面図である。 １１・・・台座、ｌ２・・・測定面、ｌ３・・・膜状圧
電体，、１　４　・・・荷重体、１　４ａ，ｌ　４ｂ，
Ｉ．　４ｃ・−分割荷重体，，Ｇ・・・感知軸、。

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膜状圧電体と、こ
   の膜状圧電体に形成された電極と、前記膜状圧電体上に
   固着され、慣性質量部として作用する剛体からなる荷重
   体を有し、 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、荷重体が、
   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であるとともに、 前記荷重体が、質量の異なる複数の分割荷重体を感知軸
   の軸方向に沿って一体に積層してなることを特徴とする
   圧電型加速度センサ。
2. （２）請求項１に記載した圧電型加速度センサの出力を
   調節する方法において、膜状圧電体の上に分割荷重体を
   固着する際に、基準の分割荷重体を固着した状態で加速
   度の仮測定を行い、基準の出力より低い出力が得られた
   場合、前記分割荷重体の上に、この分割荷重体よりも質
   量の小さい他の分割荷重体を１つ以上固着して再度加速
   度の仮測定を行う操作を、出力が規定範囲内に収まるま
   で１回以上行って出力調節を行うことを特徴とする圧電
   型加速度センサの出力調節方法。