JPH0320672A - 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〕 この発明は模状圧電体を用いた圧電型加速度センサに係
り、特に大型にすることなく電気出力を向上させたもの
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２２図に示すものが知られている。

このセンサは特開昭５６−１０２５８号公報に開示され
たもので、圧電性ボ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２Ｊこ固定し、
振動膜Ｉ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を披測定物に取り付
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
直交ケ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＠ノ・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ザにおいても以
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、感知部にかかる圧力に
比例するので、電気出力を壜大させるためには、荷重体
を大きくする必要がある。ところが、前記荷重体を大き
くすることは、センサの大型化につながるので好ましく
ない．，また、荷重体を大きくすると、荷重体の高さが
高くなるので、横方向（感知軸に直角な方向）の加速度
をも検知してしまう不具合を生じる問題がある。

〔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するために、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
電体の両面に形威された電極と、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
重体は、それの膜状圧電体に接する面の平面形伏が感知
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一方
、膜状圧電体の両面の電極を各々複数の分割電極に分割
し、各分割電極を電気的に直列接続してなるものである
。

請求項２に記載の発明は前記課題を解決するために、請
求項ｌ記載の圧電型加速度センサにおいて、膜状圧電体
が台座および荷重体に接着剤により固着され、その接着
層の厚さをｔ　Ａ　ｓ弾性率をＥＡとし、膜状圧電体の
厚さをｔ　ｐ，弾性率をＥｐとして、（ＦＡ　／Ｌ　Ａ
　）　／　（Ｅｐ／ｔ　ｐ）≧Ｏ　Ｉなる関係を満足さ
せたものである。

以下、この発明を詳しく説明する。

第１図ないし第４図は、この発明のセンサの−・例を示
すもので、図中符号１ｌは直方体状の台Ｉ・ｙ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、アルミニウムなどから作られている。また
、台座ｔｉ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。この例の台座ｌ１は直方体状に形
成されているが、台座１１の形状はこれに限られるもの
ではなく、板状、円柱状などの形状でもよい。

この台座ｌ１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ｌ！の測定面ｌ２上には接着層１２ａを介して
膜状圧電体ｌ３が台座１１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ざｌ
Ｏ〜１００μ鴎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、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ｉｔやポリメタフェニレンイソフタラ
ミドなどのナイロン、テトラフ口口エチレン、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、ブロピオン酸ビニル、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、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
、チタン酸ノルコン酸金属塩等、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ｌ３ａ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１３ｂが設けられている。そして、この膜状圧
電体１３と台座ｌ！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。

前記電極層１３ａと電極層１３ｂはこの例では正方形状
の４つの分割電極から構成されている。電極層１３ａは
、電極層１３ａを表面側から見た第３図（ａ）に示すよ
うに、分割電極Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄの４つに分割され、電極
層１３ｂは、電極層１３ｂを裏面側から見た第３図（ｂ
）に示すように、分割電極Ａ゜Ｂ’，Ｃ’．Ｄ’の４つ
に分割されている。なお、電極層１３ａ．１３ｂにおい
ては、第４図に示すように、分割電極Ａの下方に分割電
極Ａ゜が、分割電極Ｂの下方に分割電極Ｂ゛が、分割電
極Ｃの下方に分割電極層Ｃ“が、分割電極Ｄの下方に分
割電極層Ｄ′がそれぞれ設けられ、各分割電極はそれぞ
れ電気的に直列に接続されている。

前記各分割電極を直列接続するには、例えば、分割電極
Ａと分割電極Ｂ゜を結線し、分割電極Ｂと分割電極Ｃ゜
を結線し、分割電極Ｃと分割電極Ｄ゛を結線すれば良く
、電気信号の出力線は分割電極Ａ゛と分割電極Ｄに接続
すれば良い。この直列接続時の接続順序は前記の順序に
限らず、他の順序でも良い。更に、各分割電極を結線す
るには、膜状圧電体ｌ３の側面に真空蒸着などの成膜法
で導電膜を形成するなどの手段を行えば良い。

なお、前記の例では４つの分割電極をいずれも直列接続
したが、分割電極のうち２つあるいは３つを直列接続し
ても良い。

また、各分割電極を構戊する材料と形状、および形戚手
段は特に制限されない。更に、電極層ｌ３ａ，１３ｂの
分割数はいくつであっても良いし、各分割電極の形状と
面積は同一である必要もない。

一方、前記膜状圧電体１３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、センナの感知軸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　ｔ　
／　ｐ　１で表されるものである。

まず、膜状圧電体ｌ３の平面形状か、測定面１２に平行
な而において感知軸Ｇを対称の中心とする点対称でなけ
ればならない。第ｌ図と第４図に示す例では長方形とな
っているが、これ以外に」二記条件を満たす平面形状と
しては、例えば第５図ないし第ｌＯ図に示すようなもの
がある。第５図は平行四辺形、第６図は円形、第７図は
楕円、第８図は正六角形、第９図は八角形、第ｌＯ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ｌ４が接着層１４ａを介し
て一体に固着されている。この荷重体ｌ４は加速度を受
けて変位し膜状圧電体ｌ３ζこ歪みまたは応力を生ぜし
めるもので、そのＭ量けセンサの単位加速度当たりの電
気的出力に関係ｔるため、特に限定されることはないが
、模状圧電体ｌ３にクリープを生じせしめない範囲とさ
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ｉ４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の膜状圧電体ｌ３と接する而（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ｌ３の平面形状と同様に例えば第
５図ないし第ｌＯ図Ｉこ示すものが採用できる。ただし
、膜状圧電体ｌ３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
状圧電体ｌ３の平面形状が正方形で、荷重体ｌ４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！４は、感知Ｉ！ＩＩＧ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１１図ない
し第１７図に示すものがある。第１１図に示したものは
板状であり、第１２図のものは柱状、第１３図は錐状、
第１４図のものは球を平面で切り取ったもの、第１５図
のものは楕円体を平面で切り取ったもの、第１６図のも
のは柱状の内部に空間を形成したもの、第１７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。この線対称の条件を満たす荷
重体１４の重心は感知軸Ｇ上に位置することになる。

また、荷重体ｌ４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或することも
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ち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ｌ４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！３の対
称中心と荷重体！４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
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１３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。この場合、膜
状圧電体ｌ３の分割電極Ａと分割電極Ａ゛、分割？！極
Ｂと分割電極Ｂ゜、分割電極Ｃと分割電ｔｉｃ’、分割
電極Ｄと分割電極Ｄ゜のいずれにも電位差が生じ、これ
らが直列接続されているので、各電位差は４倍に増幅さ
れて出力される。従って電極Ｍｌ　３　ａと電極層１３
ｂを分割して各分割電極を直列接続することで、荷重体
１４の質量を増加させることなく電気出力を増大させる
ことができる。

この構成のセンサｊこあっては、台座１ｌと膜状圧電体
ｌ３と荷重体ｌ４とを単に積層したものであり、圧電体
１３に形成する電極１３ａ，１３ｂ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の平面形状が感知軸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
袖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ー）て感知軸に
直交する少なくとも二つ方向の成分と感知軸方向のｒＫ
分とに分けられる。この感知軸に直交する方向の戒分は
、荷電体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ｌ４に働くことになる。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ｌ３には、圧縮力
と引張力とで反対符号の電荷を生じ、各分割電極から生
じる電位に差異を生じるが、前記反対符号の電荷量が等
しければ、各分割電極から発生する電位の合計値は変動
しない。したがって、膜状圧電体１３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＋３
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【４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１３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、分割電極を感知軸Ｇ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ナの共振
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Ｉｆと荷重体！４との間に存在
するもの、すなわち膜状圧電体１３、接着層１２ａ，１
４ａ，電極層１３ａ，１３ｂの弾性率を荷重体１４の質
量で除した値に比例するため、従来の振動模型のセンザ
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
共振周波数が低下するので、留意すべきである。

このため、膜状圧電体１３と台座１ｌおよび荷重体ｌ４
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ＥＡ，厚さをｔＡとし、膜状圧電体１３の弾性率をＥ
ｐ１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）≧０．１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１２ａ．１４ａによって吸収緩和され
ることなく膜状圧電体１３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１２ａ．ｌ４ａ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、上式における接着層の厚さは、台座１１と荷重体
▲４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１類が異なり、弾性率ら異なる場合
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。

したがって、接着剤としてはエボキシ系、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、導電性接着剤を用いることもできる。

また、このセンサにあっては、膜状圧電体ｌ３の両面に
形成した電極層１３ａ．．ｌ３ｂを複数に分割し、それ
ぞれを直列接続した構造を有しているために、検知出力
が大きくなる。すなわち、第２図と第３図に示すように
電極を分割し、直列接続を行えば、それぞれの分割電極
か同一の圧電特性を有していれば、出力取り出し電極間
に発生する電圧は、！枚の時に比べて４倍となる。

以下、具体例を示して作用効果を明確にする。

（比較例ｌ） 厚さ５Ｉ１１ｍのアルミニウム板を台座とし、このアル
ミニウム板に厚さ１００μｔａ，　　１辺１０＋ｓｍの
正方形状の圧電シートをエポキシ系接着剤にて接着した
。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。さらにこの圧電シートの上に、底面がｌＯ
ｆｆｉＩｌ１の正方形状であって高さが１２Ｉｌｌｌ１
質量１０ｇの黄銅製の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。以上の構成の加速度センサを比較例ｌとする。

（比較例２） 前記比較例ｌの構造において、荷重体の高さと質量を２
倍とした加速度センサを比較例２とする。

（比較例３） 前記比較例ｌの構造において、荷重体の高さと質量を４
倍とした加速度センサを比較例３とする。

（実施例ｌ） 前記比較例ｌと同等の構造を採用するとともに、圧電体
に形成したアルミニウム蒸着電極層を複数の分割電極に
分割形成したものを実施例１．２．３とする。

実施例ｌの分割電極は、第１８図と第１９図に示す分割
電［ｉＥ，Ｆと分割電極Ｅ“，Ｆ′のように−ヒｆ各２
分割した構戊とした。

実施例２の分割電極は、第３図（ａ）と第３図（ｂ）に
示す各々正方形状の分割電極Ａ　，Ｂ　，Ｃ　，Ｄと分
割電４ｆｉＡ’，Ｂ’，Ｃ’．Ｄ’のように上下各４分
割した構成とした。

実施例３の分割電極は、第２０図と第２１図に示す各々
２等辺三角形状の分割電極１　，Ｊ　，Ｋ，Ｌト分割電
極１　’，Ｊ　’，Ｋ’，Ｌ’のように上下各４分割し
た構成とした。

また、各分割電極の接続状態と信号出力線の弓出位置は
、以下の第ｉ表に示すように設定した。

第ｌ表 各実施例および比較例の加速度センサについて、出力を
インピーダンス変換回路に接続して電圧として出力させ
た。そして、主感知軸方向にＩＧの加速度を加えた場合
のＩＧあたりのセンサ出力とクロストーク（主感知軸と
直交する方向でＩＧの加速度を加えた場合の出力と主感
知軸ＩＧ出力との比）を測定した。その結果を第２表に
示す。

（以下、余白） 第２表 第２表に示す結果から明らかなように、実施例１　，２
　．３の加速度センサは、電極を分割していない加速度
センサに比較すると、荷重体の質量を大きくすることな
く、また、クロストークを悪化させることなく出力を２
倍あるいは４倍に向上させ得ることが判明した。

〔発明の効果〕

以上説明したようにこの発明のセンサは、台座と膜状圧
電体と電極と荷重体を固着してなるものであるので、構
造が簡単で小型化を計ることが容易にできる。更に、電
極を複数に分割し、各分割電極を直列接続しているので
、出力電圧を大きくすることができ、検出感度が向上す
る。また、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。

【図面の簡単な説明】

第１図ないし第４図はこの発明の一実施例を示すもので
、第１図は加速度センナの側面図、第２図は加速度セン
サの一郎を破断した斜視図、第３図（ａ）は膜状圧電体
の平面図、第３図（ｂ）は膜状圧電体の底面図、第４図
（よ膜状圧電体の斜蜆図、節５図ないし第ｌＯ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
示す図、第１１図ないし第ｌ７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１８図は
実施例２で用いた膜状圧電体の平面図、第ｌ９図は実施
例２で用いｌこ膜状圧電体の底面図、第２０図は実施例
３で用いた膜状圧電体の平面図、第２１図は実施例３で
用いた分割電極の底面図、第２２図は従来の加速度セン
サの一構造例を示す概略構成図である。 第２図 １１・・・台座、ｌ２・・・測定而、１２ａ・・・接着
層、１３・・・膜状圧電体、１３ａ，１３ｂ・・・電極
層、ｌ４・・荷重体、ｌ４ａ・・・接着層、Ｇ・・・感
知軸、Ａ　，Ａ’Ｂ，Ｂ’，Ｃ，Ｃ’，ＤＳＤ’・・・
分割電極。

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
   の膜状圧電体の両面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である一
   方、 膜状圧電体の両面の電極が各々複数の分割電極に分割さ
   れ、各分割電極が電気的に直列接続されてなることを特
   徴とする圧電型加速度センサ。
2. （２）請求項１記載の圧電型加速度センサにおいて、膜
   状圧電体が台座および荷重体に接着剤により固着され、
   その接着層の厚さをｔＡ、弾性率をＥＡとし、膜状圧電
   体の厚さををｔＰ、弾性率をＥＰ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。 （ＥＡ／ｔＡ）／（ＥＰ／ｔＰ）≧０．１