JPH03242557A - 圧電型加速度センサ - Google Patents
圧電型加速度センサInfo
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- JPH03242557A JPH03242557A JP3873590A JP3873590A JPH03242557A JP H03242557 A JPH03242557 A JP H03242557A JP 3873590 A JP3873590 A JP 3873590A JP 3873590 A JP3873590 A JP 3873590A JP H03242557 A JPH03242557 A JP H03242557A
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Landscapes
- Pressure Sensors (AREA)
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。
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j
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、特に焦電効果によるノイズ出力を低パと、・こしの
に関する。
り、特に焦電効果によるノイズ出力を低パと、・こしの
に関する。
「従来の技術」
圧電型加速度センサには、(オ料によって大別すれば、
無機・セラミックスの圧電体を加速度感知部に用いたも
のと、ポリマ系の圧電体を用いたしのがある。
無機・セラミックスの圧電体を加速度感知部に用いたも
のと、ポリマ系の圧電体を用いたしのがある。
無機・セラミックス系のセンサは、精度が良く、使用可
能温度範囲が広い等の利点があるが、衝撃によって破壊
しやすく、小型化しにくい等の問題がある。これは、チ
タン酸ジルコン酸塩系セラミック圧電体による加速度セ
ンサを例にして考えるに、感知部を焼結によって成形す
るために小型化が困難であるとともに、感知部の物性と
しての脆さが耐衝撃性を損なっていると考えられる。
能温度範囲が広い等の利点があるが、衝撃によって破壊
しやすく、小型化しにくい等の問題がある。これは、チ
タン酸ジルコン酸塩系セラミック圧電体による加速度セ
ンサを例にして考えるに、感知部を焼結によって成形す
るために小型化が困難であるとともに、感知部の物性と
しての脆さが耐衝撃性を損なっていると考えられる。
一方、ポリマ系のセンサは、公開された特許公報や一般
に市販されているセンサによれば、圧電性ポリマのノー
トのみならず、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混和物のノートを用いた乙のであっ
て、耐衝撃性(よ改善されているが、必ずしら小型では
なく、測定可能な周波数帯域が狭く、クロストークが悪
く、正味の出力感度が低い等の問題がある。
に市販されているセンサによれば、圧電性ポリマのノー
トのみならず、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混和物のノートを用いた乙のであっ
て、耐衝撃性(よ改善されているが、必ずしら小型では
なく、測定可能な周波数帯域が狭く、クロストークが悪
く、正味の出力感度が低い等の問題がある。
なわ、商運した加速度センサの一例として、特開昭56
−10258号公報に開示されたも′のか知られている
。この加速度センサは第18図に示す上うに、圧型ポリ
マ製の振動膜1をその周縁部で環状の枠体2に固定し、
振動膜Iの中心部の両面に慣11−質量として機能オろ
荷重体3を設け、枠体2を台座4に固定してなるもので
ある。
−10258号公報に開示されたも′のか知られている
。この加速度センサは第18図に示す上うに、圧型ポリ
マ製の振動膜1をその周縁部で環状の枠体2に固定し、
振動膜Iの中心部の両面に慣11−質量として機能オろ
荷重体3を設け、枠体2を台座4に固定してなるもので
ある。
ところが、この構造の加速度センサにおいても、ポリマ
製の振動膜1の周辺を固定した振動膜構造てあり、ポリ
マの弾性率が低いことに起因し、感知軸Gに直行する方
向の加速度ら検出してしまうために、前述のようなりロ
ストークの問題などを生じる欠点がある。
製の振動膜1の周辺を固定した振動膜構造てあり、ポリ
マの弾性率が低いことに起因し、感知軸Gに直行する方
向の加速度ら検出してしまうために、前述のようなりロ
ストークの問題などを生じる欠点がある。
」二連のように圧電型加速度センサの性能は、圧電体の
材質わよびセンサの構造と深くかかわっていると考えら
れる。
材質わよびセンサの構造と深くかかわっていると考えら
れる。
そこで本発明者らは、以−Lのような従来のセンサの欠
点を解消するために、被測定物に剛に取り付1すられる
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を具備したことを
特徴とするセンサを案出し、先に特願平1−11325
5号として特許出願している。
点を解消するために、被測定物に剛に取り付1すられる
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を具備したことを
特徴とするセンサを案出し、先に特願平1−11325
5号として特許出願している。
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。
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。
「発叩が解決しようとする課題」
しかしながら、この新しいタイプのセンサにおいて乙以
下のような不都合の解決が必要であった。
下のような不都合の解決が必要であった。
前記構造のセンサは、温度の変動によって膜状圧電体に
部分的に温度変化を生じると、この温度分布に起因する
焦電効果によって余分な電気出力を生し、これがノイズ
出力となるので、周囲の温度変化が激しい場所での使用
は困難であった。
部分的に温度変化を生じると、この温度分布に起因する
焦電効果によって余分な電気出力を生し、これがノイズ
出力となるので、周囲の温度変化が激しい場所での使用
は困難であった。
また、焦電効果によるノイズ出力は、周波数成分として
は低周波数剃にあるので、バイパスフィルタを使用する
ことによってカットすることちてきるか、そうすると、
低周波数ff111の加速度ら測定できなくなるという
不都合があった。
は低周波数剃にあるので、バイパスフィルタを使用する
ことによってカットすることちてきるか、そうすると、
低周波数ff111の加速度ら測定できなくなるという
不都合があった。
そこで、本発明者らは、この焦電効果によるノイズ出力
低減策として、特願平1−190824号、わよび、特
願平1−229807号において特許出願を行っている
。
低減策として、特願平1−190824号、わよび、特
願平1−229807号において特許出願を行っている
。
これらの特許出願にわいては、分極方向が互いに逆j−
j向の膜状圧電体を積層してなるバイモルフJ、レメ/
トを圧電体ブロック内に組み込み、膜状圧・d体のすさ
方向の温度変化を生じた場合、分極方向の児なる膜状圧
電体どうしの士の余分な起電力を71ち哨才ことによっ
て焦電効果によるノイズ11力の問題を解消したちので
あった。
j向の膜状圧電体を積層してなるバイモルフJ、レメ/
トを圧電体ブロック内に組み込み、膜状圧・d体のすさ
方向の温度変化を生じた場合、分極方向の児なる膜状圧
電体どうしの士の余分な起電力を71ち哨才ことによっ
て焦電効果によるノイズ11力の問題を解消したちので
あった。
ところが、前記構造の加速度センサは、圧電体内部の温
度分布、例えば、検知部のどちらか一面(1111から
熱伝導によって温度変化を生じた場合は有効であるが、
設置雰囲気全体の急激な温度変化に対しては効果が期待
できない。よって、現状では、1用達度センザのパッケ
ージ等で頑強に熱絶縁を施−1一方向のみからの熱伝達
によってのみ検知部の温度変化が生しるように設計し、
製造する必要があった。
度分布、例えば、検知部のどちらか一面(1111から
熱伝導によって温度変化を生じた場合は有効であるが、
設置雰囲気全体の急激な温度変化に対しては効果が期待
できない。よって、現状では、1用達度センザのパッケ
ージ等で頑強に熱絶縁を施−1一方向のみからの熱伝達
によってのみ検知部の温度変化が生しるように設計し、
製造する必要があった。
本発明は前記課題を解決するためになされたしので、焦
電効果によるノイズ出力を低減することができ、温度変
化の激しい環境において使用することができる圧電型加
速度センサを提供することを目的とする。
電効果によるノイズ出力を低減することができ、温度変
化の激しい環境において使用することができる圧電型加
速度センサ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1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ろ台座と、この台座の測定面
に固着され電極を備えた膜状圧電体と、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
重体とを有する検知部を備え、前記検知部の側方に検知
部に近接させて前記膜状圧電体と同一材料製で同一厚さ
の膜状圧電体からなるM)供用圧電体を設け、膜状圧電
体と補償用圧電体が両者の電気出力の差動電圧を取り出
せるように結線してなるものである。
測定物に剛に取り付けられろ台座と、この台座の測定面
に固着され電極を備えた膜状圧電体と、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
重体とを有する検知部を備え、前記検知部の側方に検知
部に近接させて前記膜状圧電体と同一材料製で同一厚さ
の膜状圧電体からなるM)供用圧電体を設け、膜状圧電
体と補償用圧電体が両者の電気出力の差動電圧を取り出
せるように結線してなるものである。
以下、この発明の詳細な説明する。
第1図と第2図は、この発明のセンサの一例を示す乙の
で、台座1j上に、膜状圧電体13と荷重体14が積層
されて検知部Aが構成されている。
で、台座1j上に、膜状圧電体13と荷重体14が積層
されて検知部Aが構成されている。
前記台座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、十分な剛性を存する材料、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11をなす材料の弾姓串は後述の膜状圧電体のそ
れ以上とされ、台座II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11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
はむく、板状、円柱状などの形状でもよい。
り付けられるもので、十分な剛性を存する材料、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11をなす材料の弾姓串は後述の膜状圧電体のそ
れ以上とされ、台座II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11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
はむく、板状、円柱状などの形状でもよい。
この台座11の一つの表面(上面)は、平坦かつゝ1乙
滑な測定面とむっでし)る。この測定面は、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IR直
面である必要がある。
滑な測定面とむっでし)る。この測定面は、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IR直
面である必要がある。
この台座11の測定面上には接着層を介して膜状圧電体
13が台座11に対して一体に強固に固着されている。
13が台座11に対して一体に強固に固着されている。
この実施例の膜状圧電体13は、圧電性を有する(オ料
からなる厚さ10〜100μmのフィルム状のらのであ
って、その厚さか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、プロピオン酸ヒ
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、チタン酸ノ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
れろ。
からなる厚さ10〜100μmのフィルム状のらのであ
って、その厚さか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、プロピオン酸ヒ
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、チタン酸ノ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
れろ。
この膜状圧電体13の上面(表面)と下面(裏面)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
が設けられている。そして、この膜状圧電体13と台座
11との固着は、エボキノ系接着剤などの硬化型の接着
剤を用いて行われる。
、電気出力取出用のアルミニウム箔などからなる電極層
が設けられている。そして、この膜状圧電体13と台座
11との固着は、エボキノ系接着剤などの硬化型の接着
剤を用いて行われる。
このようt工膜状圧電体13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が接着14を介して
一体に固着されている。この荷重体I・1は加速度を受
けて変位し膜状圧電体13に歪みまたは応力を生せしめ
るもので、その重量はセン→l−b”’+ lli、
(d、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(よないが、膜状圧電体lj3にタリー
ブを生しせしめない範囲とされろ。荷重体11と膜状圧
電体I3の固着は、台座11と摸伏1f:市体I3の固
着と同様である。
て機能する剛体からなる荷重体14が接着14を介して
一体に固着されている。この荷重体I・1は加速度を受
けて変位し膜状圧電体13に歪みまたは応力を生せしめ
るもので、その重量はセン→l−b”’+ lli、
(d、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(よないが、膜状圧電体lj3にタリー
ブを生しせしめない範囲とされろ。荷重体11と膜状圧
電体I3の固着は、台座11と摸伏1f:市体I3の固
着と同様である。
方、台f4< I +の上面てあって検知部Aの膜状!
■[凰R,x l 3の側方に:よ、前記膜状圧電体I
3と同一・(イ科て、hって、同一厚さの膜状圧電体か
らなるhli I音[H圧電体15が接着されている。
■[凰R,x l 3の側方に:よ、前記膜状圧電体I
3と同一・(イ科て、hって、同一厚さの膜状圧電体か
らなるhli I音[H圧電体15が接着されている。
この補償用r■x 爪体I5を固着する位置は、検知部
Aになるべく近い部分であることが好ましく、できれば
5mm以内か好ましい。
Aになるべく近い部分であることが好ましく、できれば
5mm以内か好ましい。
第2図は、膜状圧電体13と補償用圧電体15う・らの
電気出力を得るための結線構造の一例を示【う、って、
この結線構造は、膜状圧電体13の出ツノと?Ili償
用圧重用圧電体15ノの両者の出力の差を出力するため
のらのである。即ち、この例では、膜状圧電体13の分
極方向と補償用圧電体I5の分極方向とをいずれら第2
図に示すように上向きとしであるのて、膜状圧電体I3
の底面側の電極と補償用圧電体I5の底面111+1の
電極を接続線16て結線し、膜状圧電体13の上面側の
電極に引き出し線17を接続し、補償用圧電体15の」
−面側の電極に引き出し線18を接続して構成し、引き
出し線17.18からセンサの出力を取り出せるように
構成されている。
電気出力を得るための結線構造の一例を示【う、って、
この結線構造は、膜状圧電体13の出ツノと?Ili償
用圧重用圧電体15ノの両者の出力の差を出力するため
のらのである。即ち、この例では、膜状圧電体13の分
極方向と補償用圧電体I5の分極方向とをいずれら第2
図に示すように上向きとしであるのて、膜状圧電体I3
の底面側の電極と補償用圧電体I5の底面111+1の
電極を接続線16て結線し、膜状圧電体13の上面側の
電極に引き出し線17を接続し、補償用圧電体15の」
−面側の電極に引き出し線18を接続して構成し、引き
出し線17.18からセンサの出力を取り出せるように
構成されている。
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。
クロストークを低減する上で重要である。
この発明におIJ′るクロス)・−りとは、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
2/P、で表されるものである。
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
2/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、台座IIの測定面
に平行な面にむいて感知軸Gを対称の中心とする点対称
でなければならない。第1図に示ず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3図ないし第8図に示すようならのかある
。第3図は平行四辺形、第4図は円形、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。
に平行な面にむいて感知軸Gを対称の中心とする点対称
でなければならない。第1図に示ず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3図ないし第8図に示すようならのかある
。第3図は平行四辺形、第4図は円形、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、前記荷重体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て重要である。
ストークを低減するうえて重要である。
まず、6:1重体14の膜状圧電体13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てあ
り、かつ底面の平面形状が感知l1hG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
ず形状として(よ先の膜状圧電体13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。
下、底面と言う。)は感知軸Gに対して正確に垂直てあ
り、かつ底面の平面形状が感知l1hG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
ず形状として(よ先の膜状圧電体13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13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I3
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13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ムい。
おいて、荷重体I4の底面の平面形状と膜状圧電体I3
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13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ムい。
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1こついて
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1
5図に示すものがある。
直な無数の平面で断面した時にすべての断面1こついて
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1
5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1I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。この線対称の条件
を満たす荷重体I4の重心は感知軸G上に位置すること
になる。
状、第1I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。この線対称の条件
を満たす荷重体I4の重心は感知軸G上に位置すること
になる。
また、δ;丁玉体14は、その全体が同質の材料からむ
ろらのの池に、異なる材料からなる複合材で形成オろこ
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ろらのであることが
必要であり、それぞれが加速度を受けて別の変位を起こ
すものてあってはへらへい。
ろらのの池に、異なる材料からなる複合材で形成オろこ
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ろらのであることが
必要であり、それぞれが加速度を受けて別の変位を起こ
すものてあってはへらへい。
そして、このような条件、すなわち対称性を有4−ろ6
:トn体1・1はその対称軸を膜状圧電体13のズ・[
作中心に一致させて、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。
:トn体1・1はその対称軸を膜状圧電体13のズ・[
作中心に一致させて、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。
次に1ラス記構成の加速、空センサの作用について説明
する。
する。
11’l RE、構成のセンサは台座II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I4が膜状圧電体■3に加速度に[ぶじ
た荷重を負荷し、この負荷に応じた歪の発“j: ;二
J、uついて膜状圧電体13の表面側の電極と裏面側の
電極に電位差を生じる。ここて、膜状圧電体13は、加
速度検知部Aにあり、上に荷重体I4を有しているので
、加速度に応じた電位差が得られるが、Nli償用圧用
圧電体15荷重が乗っていないのて、加速度を与えても
電位差を生じることはない。従って引き出し線17,1
13間において、電位差を測定することにより加速度の
大きさを判定することができる。
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I4が膜状圧電体■3に加速度に[ぶじ
た荷重を負荷し、この負荷に応じた歪の発“j: ;二
J、uついて膜状圧電体13の表面側の電極と裏面側の
電極に電位差を生じる。ここて、膜状圧電体13は、加
速度検知部Aにあり、上に荷重体I4を有しているので
、加速度に応じた電位差が得られるが、Nli償用圧用
圧電体15荷重が乗っていないのて、加速度を与えても
電位差を生じることはない。従って引き出し線17,1
13間において、電位差を測定することにより加速度の
大きさを判定することができる。
しかし、加速度センサの設置環境において、加速度を与
えなくとも、急激な温度変化を与えろと、焦電効果によ
って膜状圧電体13と補償用圧電体15の双方に出力を
生じる。
えなくとも、急激な温度変化を与えろと、焦電効果によ
って膜状圧電体13と補償用圧電体15の双方に出力を
生じる。
この時の膜状圧電体13の電気出)Jと補償用圧電体1
5の電気出力は、士の方向が逆であり、しかも、圧電体
13,1.5は同一材料で構成されて厚さも同一である
ので、両電気出力は打ち消しあう結果、引き出し線17
.18間に電位差は生しない。
5の電気出力は、士の方向が逆であり、しかも、圧電体
13,1.5は同一材料で構成されて厚さも同一である
ので、両電気出力は打ち消しあう結果、引き出し線17
.18間に電位差は生しない。
ただし、以上の説明は、圧電体13.15が同様の温度
変化を受けた場合に適用できることであるので、圧電体
13.15は同一空間内(同一バンケーノ内など)に、
しかも、近接させた距離(好ましくは5mm以内)に設
置ずろことが望ましい。従って例えば、同一圧電体の電
極を2分割し、片方に荷重体を載せ、他方に荷重体を載
せないで補償周圧爪体として構成することも可能である
。
変化を受けた場合に適用できることであるので、圧電体
13.15は同一空間内(同一バンケーノ内など)に、
しかも、近接させた距離(好ましくは5mm以内)に設
置ずろことが望ましい。従って例えば、同一圧電体の電
極を2分割し、片方に荷重体を載せ、他方に荷重体を載
せないで補償周圧爪体として構成することも可能である
。
また、円圧電体13.15の作動出力をセッサ出力とし
ているために、台座11が変形するなどの原因によって
コモンモードノイズ出力を生じても、それらのノイズ出
力を相殺することでノイズ出力の値を小さくすることが
できろ。
ているために、台座11が変形するなどの原因によって
コモンモードノイズ出力を生じても、それらのノイズ出
力を相殺することでノイズ出力の値を小さくすることが
できろ。
一方、以上の構成のセンサにあっては、台座IIと膜状
圧電体13と荷重体14とを屯に積層したちのであり、
圧電体I3に形成する電極層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。
圧電体13と荷重体14とを屯に積層したちのであり、
圧電体I3に形成する電極層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13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の底面の下面形状が感
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
MG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。
とする点対称であり、荷重体14の底面の下面形状が感
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
MG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、セッ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やmに
直交する少なくとも二つ方向の成分と感知軸方向の成分
とに分(t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
ーメントか荷重体14に働くことになる。このため、膜
状圧電体I3の一部には圧縮力が作用し、残部には引張
ツノ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、膜状圧電体13
の電極から生じる電位に差異を生じるが、前記反対符号
の電荷肴が等しければ、各電極から発生ずる電喰の合計
値は変動しない。
加わった場合、ベクトル分解の法則によって感知やmに
直交する少なくとも二つ方向の成分と感知軸方向の成分
とに分(t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
ーメントか荷重体14に働くことになる。このため、膜
状圧電体I3の一部には圧縮力が作用し、残部には引張
ツノ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、膜状圧電体13
の電極から生じる電位に差異を生じるが、前記反対符号
の電荷肴が等しければ、各電極から発生ずる電喰の合計
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。
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I3には等しい大きさのFE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
、クロストークか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−4“るには、分割電極を感知軸
Gを対トl:の中心とする点対称配置することが好まし
い。
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I3には等しい大きさのFE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
、クロストークか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−4“るには、分割電極を感知軸
Gを対トl:の中心とする点対称配置することが好まし
い。
まl二、このセッサは、その測定可能周波数の上限か高
く、測定可能周波数帯域が広いものとなる。
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j(
振周波敢によって定まる。
振周波敢によって定まる。
こ、)光切でのセンサの共振周波数は、その構造か萱台
座11と荷重体14との間に存在するもの、A−なわち
膜状圧電体I3、接着層、電極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桁以上高くなり、キロヘル
ツのオーダーとなる。
座11と荷重体14との間に存在するもの、A−なわち
膜状圧電体I3、接着層、電極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・9又
下オるので、留意すべきである。
下オるので、留意すべきである。
このため、膜状圧電体13と台座11および荷重体14
との固着1こ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I3の弾性率を
Ep1厚さをtpとしたとき、次の式で表される関係を
満足する必要かある。
との固着1こ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I3の弾性率を
Ep1厚さをtpとしたとき、次の式で表される関係を
満足する必要かある。
(EA /l A ) /(Ep/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
生じた力が接着層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
帯域を決めることなる。
の式の意味するところは、加速度によって荷重体14に
生じた力が接着層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
帯域を決めることなる。
なお、上式における接着層の厚さは、台座11と荷重体
I4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。
I4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。
したかって、接着剤としてはエボキ/系、フエノール系
、ノアノアクリレーI・系などの硬化型で、弾性率の高
いし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らできる。
、ノアノアクリレーI・系などの硬化型で、弾性率の高
いし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らできる。
むお、ボj記実施例にわいては、膜状圧電体I3として
jli層のものを用いたが、膜状圧電体I3は多層横這
の乙のでも差し支えない。また、第16図に示すように
、極性の児なる膜状圧電体3031を中間−、Ii 体
32を介して積層し、積層された膜状圧電体30.31
の上下両面に端部爪棒33を形成してなるバイモルフエ
レメント35を形成して、膜状圧電体13の代わりにこ
のバイモルフエレメント35を用いても良い。
jli層のものを用いたが、膜状圧電体I3は多層横這
の乙のでも差し支えない。また、第16図に示すように
、極性の児なる膜状圧電体3031を中間−、Ii 体
32を介して積層し、積層された膜状圧電体30.31
の上下両面に端部爪棒33を形成してなるバイモルフエ
レメント35を形成して、膜状圧電体13の代わりにこ
のバイモルフエレメント35を用いても良い。
一方、717図(よ、本定四の結線構造の他の例を示“
4゛らのて、このρjでは、膜状圧電体13の分極方向
とMti償用圧和体15の分桶方向か逆方向に向いてい
る場合の例である。この例では、膜状圧電体13の上面
側の電極と補償用圧電体15の底面伸1f)電極とか接
続線19て結線され、膜状圧電体I3の底rfi’i
fullに引き出し線20が接続され、補(賞用圧電体
15の上面側の電極に引き出し線2Iが接続されて構成
されている。
4゛らのて、このρjでは、膜状圧電体13の分極方向
とMti償用圧和体15の分桶方向か逆方向に向いてい
る場合の例である。この例では、膜状圧電体13の上面
側の電極と補償用圧電体15の底面伸1f)電極とか接
続線19て結線され、膜状圧電体I3の底rfi’i
fullに引き出し線20が接続され、補(賞用圧電体
15の上面側の電極に引き出し線2Iが接続されて構成
されている。
この例の構造においては、焦電効果によって膜状圧電体
I3に生じた電気出力とM@用正圧電体15生じた電気
中)Jの方向が逆であるので、互いに打ち消しあう結果
、焦電効果による余分な出力変動は生じない。
I3に生じた電気出力とM@用正圧電体15生じた電気
中)Jの方向が逆であるので、互いに打ち消しあう結果
、焦電効果による余分な出力変動は生じない。
「実施例11
厚さ5mmのアルミニウム板を台座とし、これの上面に
、厚さ100μmで縦10mm、 lis t Omm
の正方形状の2枚のPVDF圧電フィルトをTiし)に
2mm離間させた状態でエボキノ系接着剤で接着した。
、厚さ100μmで縦10mm、 lis t Omm
の正方形状の2枚のPVDF圧電フィルトをTiし)に
2mm離間させた状態でエボキノ系接着剤で接着した。
このIT:、市フィルl、の上下両面には、Cu/Ni
電極が形成されてい4゜また、2枚のP V I) F
圧電フィルムのうりの1枚の上に、質量10gの荷重体
をエボキノ系接着剤で固着してセッサを構成した。なお
、このセンサの構造では、第2図に示す結線構造を採用
した。
電極が形成されてい4゜また、2枚のP V I) F
圧電フィルムのうりの1枚の上に、質量10gの荷重体
をエボキノ系接着剤で固着してセッサを構成した。なお
、このセンサの構造では、第2図に示す結線構造を採用
した。
「実施例2」
実施例Iと同等の圧電フィルムを用いてセンサを購峻乙
、W(+、線描這については第17図に示ず構造を採用
した。
、W(+、線描這については第17図に示ず構造を採用
した。
1−尖施削3−。
実施例1の構造にわいて、荷重体を載せない方の「f爪
フイlしふを厚さ100μm、平面形状が5\5mmの
ちのを使用してセッサを構成した。
フイlしふを厚さ100μm、平面形状が5\5mmの
ちのを使用してセッサを構成した。
−比較例1−
J7さ5mmJ)アルミニウム板上に1辺10mmの正
方彩伏、) P V l) Fフィルムを固着し、更に
その上に出力10gの荷重体を1妾nし、このP V
I) Fフ(’L・−′、5)両:njh・、5出力を
取り中子構造のセンサを(1が:戊し、r・ 比較例こ ス′:1色例1と111等、つ構i戊で荷7R体を1]
改U゛ない方の1’ V I) Fフfルムの厚さを5
0μm圭してセッサを構成した。
方彩伏、) P V l) Fフィルムを固着し、更に
その上に出力10gの荷重体を1妾nし、このP V
I) Fフ(’L・−′、5)両:njh・、5出力を
取り中子構造のセンサを(1が:戊し、r・ 比較例こ ス′:1色例1と111等、つ構i戊で荷7R体を1]
改U゛ない方の1’ V I) Fフfルムの厚さを5
0μm圭してセッサを構成した。
以上、)構造8採用した6例のセンサについて、以下の
ような測定試験を11′った。
ような測定試験を11′った。
(1)活水出力測定試験
7ノビ一グンス変換回路を介してIGあたりのセンナの
基本出力を測定した。(ピーク値)(2)温度変動に対
する出力変化試験 インピーダンス変換回路およびセッサをナイロン6製の
パッケージに組み込み、熱風を吹き付けてセッサ近傍の
1M eがI ’C上昇した時にどれだけ出力の変動が
起こるかを測定した。
基本出力を測定した。(ピーク値)(2)温度変動に対
する出力変化試験 インピーダンス変換回路およびセッサをナイロン6製の
パッケージに組み込み、熱風を吹き付けてセッサ近傍の
1M eがI ’C上昇した時にどれだけ出力の変動が
起こるかを測定した。
以上の試験結果を第1表に示す。
第 1 表
第1kに示す結果から、本発明のセンサは温度変化に応
じた出刃変動を小さくすることができろことか明らかに
なった。また、比較例2のセンサにあっては、2枚のr
r:、電フィルムの厚さが異なり、同等のか衝撃に対す
る焦電出力が異なるために、両正電フィルムの作動出力
をとっても出力変動が生している。
じた出刃変動を小さくすることができろことか明らかに
なった。また、比較例2のセンサにあっては、2枚のr
r:、電フィルムの厚さが異なり、同等のか衝撃に対す
る焦電出力が異なるために、両正電フィルムの作動出力
をとっても出力変動が生している。
[−発明の効果」
以」−説明したように請求項Iに記載した発明は、加速
度を検出する膜状圧電体の他に補償用圧電体を検出部り
傍に備え、両者の差動出力により加速度を検出てきるよ
うにしたので、環境温度の急激へ変化か生しても、焦電
効果によるノイズ出力を大幅に少なくすることができ、
加速度の測定精度を向上させることができる。
度を検出する膜状圧電体の他に補償用圧電体を検出部り
傍に備え、両者の差動出力により加速度を検出てきるよ
うにしたので、環境温度の急激へ変化か生しても、焦電
効果によるノイズ出力を大幅に少なくすることができ、
加速度の測定精度を向上させることができる。
また、円圧電体の差動出力をセンサ出力とするために、
温度変動以外のコモンモードノイズ、例えば、チ゛ン座
の変形により生しるノイズ出力を小さくすることかでき
る効果がある。
温度変動以外のコモンモードノイズ、例えば、チ゛ン座
の変形により生しるノイズ出力を小さくすることかでき
る効果がある。
更に、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。
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。
第1図と第2図は本発明の一実施例を示すしので、第1
図は斜視図、第2図は圧電体の結線図、第3図ないし第
8図はそれぞれ膜状圧電体の平面形状の変形例を示す図
、第9図ないし第15図はそれぞれ荷重体の断面形状の
変形例を示す図、第16図はバイモルフエレメントを示
す断面図、第17図は本発明の加速度センサの他の例の
結線図、第18図は従来の加速度センサを示す断面図で
ある。 A・検知部、II・・台座、I3・・膜状圧電体、14
・・6;1重体、15−補償用圧電体、G・感知軸、1
6.18・・引き出し線、20.21 出力線。
図は斜視図、第2図は圧電体の結線図、第3図ないし第
8図はそれぞれ膜状圧電体の平面形状の変形例を示す図
、第9図ないし第15図はそれぞれ荷重体の断面形状の
変形例を示す図、第16図はバイモルフエレメントを示
す断面図、第17図は本発明の加速度センサの他の例の
結線図、第18図は従来の加速度センサを示す断面図で
ある。 A・検知部、II・・台座、I3・・膜状圧電体、14
・・6;1重体、15−補償用圧電体、G・感知軸、1
6.18・・引き出し線、20.21 出力線。
Claims (1)
- 被測定物に剛に取り付けられる台座と、この台座の測定
面に固着され電極を備えた膜状圧電体と、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
荷重体とを有する検知部を備え、前記検知部の側方に検
知部に近接させて前記膜状圧電体と同一材料製で同一厚
さの膜状圧電体からなる補償用圧電体を設け、膜状圧電
体と補償用圧電体を両者の電気出力の差動電圧を取り出
せるように結線してなることを特徴とする圧電型加速度
センサ。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP3873590A JPH03242557A (ja) | 1990-02-20 | 1990-02-20 | 圧電型加速度センサ |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP3873590A JPH03242557A (ja) | 1990-02-20 | 1990-02-20 | 圧電型加速度センサ |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPH03242557A true JPH03242557A (ja) | 1991-10-29 |
Family
ID=12533586
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP3873590A Pending JPH03242557A (ja) | 1990-02-20 | 1990-02-20 | 圧電型加速度センサ |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JPH03242557A (ja) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO1993013426A1 (en) * | 1991-12-23 | 1993-07-08 | Elf Atochem North America Inc. | Multi-mode accelerometer |
-
1990
- 1990-02-20 JP JP3873590A patent/JPH03242557A/ja active Pending
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO1993013426A1 (en) * | 1991-12-23 | 1993-07-08 | Elf Atochem North America Inc. | Multi-mode accelerometer |
US5452612A (en) * | 1991-12-23 | 1995-09-26 | The Whitaker Corporation | Multi-mode accelerometer |
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