JPH032666A - 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、特に構造が簡単で高出力であり、出力の温度変化
が微かであって、かつ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２６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か加わった時の出力
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、
出力を増加させようとするとセンサ全体が大型化する不
都合があった。すなわち、この種のセンサではその検知
出力は膜状圧電体の単位面積に作用する圧力に比例する
ため、荷重体の質量を大きくする必要が生じる。荷重体
の質量を増大するには必然的に荷重体が大型化してしま
いセンサ全体が太き（なってしまう。また、荷重体が大
型化することは、その高さが高くなることにもつながり
、感知軸の横方向からの衝撃に弱く、感知軸に対して直
交する方向の加速度を検知しやすくなるなどの不都合も
生じる。

また、センサの雰囲気温度が変化すると、膜状圧電体の
弾性率が変化し、同一の加速度を受けた場合でも膜状圧
電体の変形量が変化し、これによって出力が大きく変動
し、温度依存性が大きいと言う不具合もある。

〔課題を解決するための手段〕

この発明にあっては、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を有し、 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であり、かつ
その内部には感知軸を対称の中心とする点対称の空間が
形成され、 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り
、 前記膜状圧電体の字曲には絶縁材料が配され、この絶縁
材料の弾性率の温度変化率が、台座および荷重体を除い
た部分の等価弾性率の温度変化率より小さくしたセンサ
によって上記課題を解決した。

以下、この発明の詳細な説明する。

第１図は、この発明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１１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はその形状が円柱状となっているが、
これに限られることはなく、板状、直方体状などでもよ
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
必要がある。

この台座１１の測定面１２上には、膜状圧電体１３が台
座１１に一体に強固に固着されている。

膜状圧電体１３は、圧電性を有する材料からなる厚さ１
０〜５００８ｍ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ｌｌ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７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
ッドポリマー等のボリア−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１３の両面には出力取出し用のアルミニウム箔な
どの電極（図示せず）が設けられている。

また、この膜状圧電体１３と台座１１との固着は、エポ
キ／系接着剤などの硬化型の接着剤を用いて行われる。

そして、この膜状圧電体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Ｐ、と、感知軸Ｇに直交
する方向の等しい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。

膜状圧電体１３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
らず、また同時に膜状圧電体１３の平面内部に感知軸Ｇ
を対称とする点対称の閉じられた空間Ｐが形成されてい
なければならない。

第１図に示した例では円環状となっているが、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１２図に示すようなものがある。これらの図にお
いて符号Ｇはいずれも感知軸Ｇを示す。これらの膜状圧
電体１３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とともに空間Ｐもまた感知軸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１３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が一体に固着されている
。この荷重体１４は加速度を受けて変位し膜状圧電体１
３に歪みまたは応力を生ぜしめるもので、その重重はセ
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１３にクリー
プを生じせしめない範囲とされる。荷重体１４と膜状圧
電体１３の固着は、台座１１と膜状圧電体１３の固冴と
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
ストロークを低減するうえで重要である。

まず、荷重体１４の膜状圧電体Ｉ３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、この条件を満たす平面形
状としては第１３図ないし第１８図に示すものが採用で
きる。

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１９図ないし第２
５図に示すものがある。第１９図に示したものは板状で
あり、第２０図のものは柱状、第２１図は錐状、第２２
図のものは球を平面で切り取ったもの、第２３図のもの
は楕円体を平面で切り取ったもの、第２４図のものは柱
状の内部に空間を形成したもの、第２５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、荷重体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腹合材で構成することも
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１４はその対称軸を膜状圧電体１３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１３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。

また、前記膜状圧電体１３の空間Ｐ内には、第１図に示
すように絶縁材料からなる絶縁シート１５が配置されて
いる。この絶縁シート１５は、その弾性率の温度変化率
が台座１１および荷重体１４を除いた部分、換言すれば
膜状圧電体１３および接着剤層からなる部分の等低弾性
率の温度変化率よりも小さい絶縁材料からなるものであ
る。ここで前記等価弾性率Ｅは、膜状圧電体１３の厚さ
をｔｌ、弾性率をＥｐ、接着剤層の厚さを［Ａ、伸性率
をＥＡとすると、次式で示されるものである。

Ｅ−〔（ｔＰ／ＥＰ）＋（ｔＡ／ＥＡ）〕例えば、膜状
圧電体１３にポリフッ化ビニリデンを用いた場合には、
絶縁シート１５には、ポリイミド、ポリフェニレンオキ
サイド、エポキシ樹脂などからなるものが用いられる。

この絶縁シート１５の厚さは、常温において膜状圧電体
１３の厚さとほぼ同一とされ、またその平面形状につい
ては特に限定されない。また、膜状圧電体１３内の空間
Ｐ内を完全に満たす必要はなく、この例のように空間Ｐ
が一部残っていてもよく、膜状圧電体１３の面積と絶縁
シート１５の面積の比も特に限定されず、出力の温度変
化を小さくするように適宜法められる。また、絶縁シー
）Ｌ５は、台座１１および荷重体１４に対してエポキシ
系接着剤などを用いて、一体に接着されている。

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
ことができる。

この構成のセンサにあっては、台座１１と膜状圧電体１
３と絶縁シート１５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、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、かつ感知軸Ｇを対称の中心とする
点対称の空間Ｐが形成されており、また荷重体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Ｉ４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ｔ４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１３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
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１３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１４との間に存在
するもの、すなわち膜状圧電体１３、接着剤層、電極な
どの弾性率を荷重体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、牛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ＥＡ、厚さをｔＡとし、膜状圧電体１３の弾性率をＥ
Ｐ１厚さを【、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／ｔＡ）／（ＥＰ／ｌＰ）≧０１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
着剤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０１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、上式における接着剤層の厚さは、台座１１と荷重
体１４との間の存在するすべての接着剤層の厚さを言う
。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、接着剤としてはエボキン系、フェノール系
、シアノアクリレート系などの硬化型で、弾性上の高い
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、このようなセンサでは、荷重体１４の底面Ｓの面
積に比べて、膜状圧電体１３が面積が小さくなることか
ら、膜状圧電体１３の単位面積当たりの荷重体１４によ
る圧力が高くなって膜状圧電体１３に発生する電荷１が
増大し、センサの検知出力が大きくなる。よって、荷重
体１４の底面Ｓの面積とこの底面Ｓに接している膜状圧
電体１４の面積との比を大きくすればするほど、センサ
出力が増大して好ましくなる。しかし、この面積比があ
まりにも大きくなると膜状圧電体１３にクリープが生じ
て不都合となるので、通常は２〜１０の範囲に収めるこ
とが望ましい。また、同一の出力を得るためには、荷重
体１４の質量を小さ（することができ、これによって荷
重体１４を小型化することができ、その高さを低くする
ことができる。また、これによって荷重体１４の重心位
置を下げることができるので、感知軸方向Ｇに直交する
方向の加速度を検知する度合ら低下し、クロストークが
一層低減できる。

また、膜状圧電体１３の空間Ｐ内には、弾性率の温度変
化率の小さい絶縁シート１５か配置されているので、雰
囲気温度が変化して膜状圧電体１３の弾性率が変化して
も、これに起因する出力の変動か微かなものになる。す
なわち、絶縁ンート１５、の弾性率の温度変化が小さい
ことから、例えば雰囲気温度が上昇して膜状圧電体１３
の弾性率か低下し、加速度を受けた際、膜状圧電体１３
は常温時よりも太き（変形（あるいは歪）し出力が大き
くなるが、絶縁ンート１５が台座１１と荷重体１４との
間に存在し、これの弾性率の変化か小さいので、膜状圧
電体１３の見掛けの弾性率は絶縁ンート１５が存在しな
い場合に比べてその低下が小さくなり、出力が大きくな
る度合が小さくなる。

以下、具体例を示して作用効果を明確にする。

（実施例１） 台座となる部材として厚さ５　ｍｍ５ｔ＆　１５　ｍｍ
、縦１５＋ｕｎの黄銅製のチップを用意し、これの上に
、厚さ１１０μｍのポリフッ化ビニリデンからなり、１
辺が）Ｑｍｍの正方形で、その中心に中心軸を一致させ
た円形の空間を形成した膜状圧電体をエポキシ系接骨剤
で接着した。接着剤層の厚さは１０μｍである。膜状圧
電体の面積と空間の面積との比は１１とした。

この空間内に、厚さ１１０μｍのポリイミドからなる円
形の絶縁シートを同様のエポキシ系接着剤で接着した。

絶縁シートの面積と空間部の面積との比は０．９・ｌと
した。また、膜状圧電体の弾性率の温度変化率と絶縁シ
ートの弾性率の温度変化率との比は１・０．２６である
。

ついで、これの上に厚さ５Ｉで１辺が１０ｍ１ｌｌの直
方体の黄銅製の荷重体を中心軸を膜状圧電体の対称軸に
一致させてエポキシ系接骨剤で接着してセンサとした。

なお、膜状圧電体および絶縁／−トの弾性率の温度変化
率の算出は、以下の式の通りである。

（実施例２） 実施例１において、絶縁／−トとしてポリフェニレンオ
キサイドからなるものを用いた以外は同様にしてセンサ
を作成した。

このセンサにおける膜状圧電体の弾性率の温度変化率と
絶縁シートの弾性率の温度変化率との比は１、：０．５
２である。

（比較例１） 実施例１において、膜状圧電体の空間内に何も入れない
もの。

（比較例２） 実施例１において、絶縁シートとしてポリオキシメチレ
ンからなるものを用いた以外は同様にしてセンサを作成
した。

このセンサにおける膜状圧電体の弾性率の温度変化率と
絶縁シートの弾性率の温度変化率と絶縁シートの弾性率
の温度変化率との比は１．１２である。

（比較例３） 実施例１において、膜状圧電体として１辺が１０ｍｍの
正方形のもの（空間を有しないもの）を用いた他は同様
にしてセンサを得た。

これら実施例および比較例でのセンサについて、雰囲気
温度２０°Ｃ，−２０°Ｃ，８０’Ｃでそれぞれ同一加
速度を与え、その出力を測定し、２０°Ｃでの出力をＩ
としたときの一２０℃および８０℃での出力比を算出し
た。

結果を次表に示す。

表 表の結果から明らかなように、この発明のセンサでは、
出力の温度依存性を大幅に改善されていることがわかる
。

また、実施例１．２および比較例１．２．３のセンサは
、いずれもクロストークは３〜５％で、測定可能周波数
帯域はＱ、１）ｌｚ〜３ＫＨｚであった。また、２０　
’Ｃでのセンサ出力（ｒｍｓ）　　は、実施例１のセン
サが約２ｍ　Ｖ　／　Ｇであり、比較例３のセンサが約
３　ｍ　Ｖ　／　Ｇであった。

〔発明の効果〕

以上説明したように、この発明の圧電型加速度センサは
、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、慣性重重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
する点対称であり、かつその内部には感知軸を対称の中
心とする点対称の空間が形成され、 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ズＩ称軸とする線対称であり
、 前記膜状圧電体の空間には絶縁材料が配され、この絶縁
材料の弾性率の温度変化率か、台座および荷重体を除い
た部分の等価弾性率の温度変化率より、小さいものであ
るので、構造がＵＩ単であり、小型化を計ることが容易
であり、高出力となり、またクロストークが極めて少な
いものとなる。また、出力の温度依存性も小さなものと
なる。さらに、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あり、設計の自由度が大きいなと
の効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の圧電型加速度センサの一例を示す分
解斜視図、 第２図ないし第１２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１３図ない
し第１８図はいずれもこの発明で用いられる荷重体の底
面の平面形状の例を示す平面図、 第１９図ないし第２５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２６図は従来
の圧電型加速度センサの例を示す概略構成図である。 ・・台座、 ・−測定面、 ・・感知軸、 ・膜状圧電体、 荷重体、 空間、 ・・・・絶縁／−ト。

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
   心とする点対称であり、かつその内部には感知軸を対称
   の中心とする点対称の空間が形成され、 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り、 前記膜状圧電体の空間には絶縁材料が配され、この絶縁
   材料の弾性率の温度変化率が、台座および荷重体を除い
   た部分の等価弾性率の温度変化率より小さいことを特徴
   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て固着され
   、その接着剤層の厚さをｔ＿Ａ、弾性率をＥ＿Ａとし、
   膜状圧電体の厚さをを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