JPH039265A - 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」 本発明は、圧電型加速度センサに係り、特に、加速度セ
ンサの検出感度を向上させ、かつ、焦電効果による出力
変動を低減する技術に関するものである。

Ｕ従来技術Ｊ 物理量である加速度の検出は、 Ｆ＝ｍα （ただし、Ｆ：力、ｍ：質量、α：加速度）で与えられ
、加えられた力と比例関係にある。

加速度センサは、力という機械量を電気量に変換して検
出するもので、この変換方式には、圧電型、サーボ型、
歪みゲージ型などがある。この中で加速度センサにおい
ては圧電型が現在最も普及している。

圧電型加速度センサは、検知部に備えられた圧型素子に
外力が加わって歪みを受けると、その力の大きさに比例
した電気量を発生する圧電効果を利用したものである。

そして、その検知部としては、前記圧電素子の歪みの発
生の仕方の違いにより、第４図の（イ）〜（ハ）に示す
ように、大略３種類ある。これらを簡単に説明すると、 （イ）支持体Ｓの周囲に取り付けられた重りＭに力Ｆが
加わると、重りＭと基板との間に配された圧電素子Ｐが
圧縮され、圧電素子Ｐの分極軸の軸方向と同じ方向に歪
みが発生するＵ圧縮量コ。

（ロ）支持体Ｓの周囲に圧電素子Ｐを介し、て取り付け
られた重りＭに力Ｆが加わると、圧電素子Ｐが剪断力を
受け、歪みが圧電索子Ｐの分極軸方向と同方向な面に対
するずれとして発生する「剪断型ｊ。

（ハ）支持体Ｓに圧電素子Ｐが片持ち梁状に取り付けら
れ、その先端に取り付けられた重りＭに対して力Ｆが加
わると、歪みが圧電素子の分極軸方向に対し直角方向に
発生する［片持ち梁型コ。

のそれぞれである。

例えば中高周波の振動体の加速度を検出するには、（イ
）の圧縮型、あるいは（ロ）の剪断型が用いられ、低周
波の振動体の加速度を検出する場合には、これらよりも
検出感度が高く微小振動の検出が可能な（ハ）の片持ち
梁型が用いられるなど、周波数、あるいはこの他に加速
度の大きさや測定範囲などによって使い分けられている
。

「発明が解決しようとする課題Ｊ ところで［片持ち梁型］は、低周波、低加速度の検出ｊ
こ険れているが、この場合、圧電素子の一端を支持体に
固定する場合の固定条件の実現が難しく、このため周波
数特性や感度が安定しにくいという不具合がある。

本発明者等は、府に、特願昭６２−２５８７８０号他に
おいて、第４図の（ニ）に示すように固定枠の中に圧電
素子を支持させる手段に、振動部分の中心部に孔を明け
る手段を付加するこよにより、検出感度を向上させるこ
との可能な圧電型加速度センサを提案した。

その後１こおいて、さらに研究を重ねた結果、般の圧電
素子においては、歪みの生じる位置により電荷発生効率
が変化する現象があり、電荷発生がほぼ０となる部分や
、発生電荷の符号が異なる部分があることを知見した。

本発明は、上記知見に鑑みてなされたものであり、発生
電位差の有効部分だけを取り出して、−層の高感度化を
図ることを目的としている。

「課題を解決するための手段」 本発明に係る圧電型加速度センサは、第１図および第２
図に示すように、検知部ｌに備えられた圧電素子３の歪
みにともなって発生する電気量から加速度を検出する基
本構成に加えて、前記検知部ｌは、固定部６における振
動穴６ａの中に、中心部に孔５が形成された薄膜状の圧
電素子３が張架状態に支持されるとともに、該圧電素子
３の表面に分割電極４Ａ・４Ｂが一体に設けられ、該分
割電極４Ａ・４Ｂは、圧電素子３の表面上１こおいて検
知部ｌの中心を原点とする極座標系の任意点（ｒ、θ　
）におけるに軸方向の歪みをεｒ、θ軸方向の歪みをε
ｅとしたとき、 εｒ＋εθ〉　０・・・・・・（ｉ） およびε「十εθ〈　０・・・・・・（ｉｉ）の関係が
成立する部分に分割して設けられ、圧電素子３の裏面に
、両分割電極４Ａ・４Ｂに対して裏打ち状態の共通電極
４Ｃが設けられてなり、前記分割電極４Ａ・４Ｂ間の電
位差を検出する構成を具備している。

「作用　」 検知部１の圧電素子３に、その厚さ方向に−様な加速度
が加わったとき、振動部分に歪みを生じて、次式の出力
が得られる。

Ｖｏｕｔ　＝　　８８Ｓ−（ｉｉｉ） ただし、ε：歪み、Ｓ；面積、ｅ：圧電歪定数（ｐｃ／
＋）、Ｃ：静電容量である。

また、圧電素子３に生じる歪みは、場所、方向によって
引っ張り歪みあるいは圧縮歪みとなる。

したがって、圧電素子３の表面には、第３図の電気的等
価回路モデルにおいて、ＶｌおよびＶｌで示すように、
共通電極４Ｃに対して正負の関係を持つ二つの電位差が
同時に発生することになる。

この二つの電位差Ｖ＋およびＶ、に対し、て、分割電極
４Ａ・４Ｂの間の出力電位差ｖ　ｏｕｔとして取り出す
と、 出力電位差（電圧）Ｖｏｕｔ　＝Ｖ、　＋ｖ。

が得られることになる。

さらに、検知部Ｉの中心を原点とした極座標系で考える
と、ｒ軸方向とθ軸方向とで符号の異なる電荷が発生す
ることがあり、圧電素子３の片側表面に発生した全電荷
を同一電極で集めると、例えば、孔５の周辺部と固定部
６の近傍との発生電荷を同一電極で取り出すと、電荷を
相殺した状態で取り出すことになり、見掛は上の発生電
荷が少なくなる。

そこで、例えばある瞬間にεｒ＋εθ〉０の関係が成立
する部分が共通電極４Ｃに対して、正電位であるときに
は、εｒ十εｏくＯの関係が成立する部分が共通電極４
Ｃに対して負電位となるために、共通電極４Ａ・４Ｂの
間の電圧を検出することによって、二つの電圧が加算さ
れて高い出力を得ることが可能となる。

一方、圧電素子３の表裏に温度差が生じ一部とに基づい
て電荷が発生した場合（いわゆる焦電効果が生じた場合
）であると、圧電素子３の同一表面で電位差を検出する
ことによって、電荷の相殺がなされて温度差の影響が少
なくなるため、誤差の発生を低減するものとなる。

「実施例Ｊ 以下、本発明に係る圧電型加速度センサの一実施例につ
いて説明する。

第１図および第２図において、符号Ｉは検知部、２は振
動体、３は圧電素子、４Ａ・４Ｂは分割電極、４Ｃは共
通電極、５は円形状などの孔（円形孔）、６は固定部（
固定枠）、６ａは振動穴、７Ａ・７Ｂは端子導体である
。

前記振動体２は、厚さ３０μｍのセラミック系圧電素子
３の両面に、厚さ０．０５〜Ｏ１μｍのアルミニウムを
真空蒸着すること等により、分割電極４Ａ・４Ｂおよび
共通電極４Ｃを一体に設けるとともに、圧電素子３の中
心部に内径２．７ｍｍの円形状の孔（円形孔）５を明け
たものである。そして、内径７ｍｍ、外径１３ｍｍの円
形の枠状の固４部６で挾むようにして、孔５の中心が円
形状の振動穴６ａと同心円状に配置されるとともに張架
状態に支持されている。

また、分割電極４Ａ・４Ｂおよび共通電極４Ｃは、大き
さおよび形状が相違しており、二つの分割電極４Ａ・４
Ｂは、圧電素子３の表面に同心円状に組み合わ什られて
なるものである。外側の分割電極４Ａは、その外径が振
動穴６ａの中に収まる程度で、内径が前述した（ｉ）（
ｉｉ）式の境界近傍とされ、円環状の一部に切欠部４ｄ
が形成されて、前記端子導体７Ｂを半径外方向に導いて
おり、その反対側において前記端子導体７Ａと接続され
ている。

そして、内側の分割電極４Ｂは、その外径が外側の分割
電極４Ａと小間隙を形成する程度で、その内径が萌記孔
５の内径に合わせて形成され、かつ、前記端子導体７Ｂ
と接続されている。

一方、共通電極４Ｃは、その平面形状が圧電素子３と同
一で、中心部に２．７ｍｍの孔５が明けられたものであ
る。

［実験例〕 第１図および第２図（実施例）に基づくサンプル＃１と
、比較のための類似構造の後述するサンプル＃２とを作
製し、電極形状による振動特性の差を検討した。

〈サンプル＃１〉 第１図および第２図例のもの、つまり、分割電極４Ａが
内径４．８ｍｍ、外径７ｍｍ、分割電極４Ｂが内径２．
７ｍｍ、外経約４　、８ｍｍ、分割電極４Ａ・４Ｂの間
隙約１０μｍ１共通電極４Ｃが圧電素子３と同一形状で
あり、中心部に２．７ｎｏ＋＋の孔５を明けたもの。

〈サンプル＃２〉 圧電素子３の表面に分割電極４Ａと同一の電極（内径４
．８ｍｍ、外径７ｆｆｌＩ１１）を一体に設け、分割電
極４Ｂに相当する部分を無くし、かつ、サンプル＃Ｉの
共通電極４Ｃと同一形状の裏面電極を設けたもの。

これらのサンプル＃１および＃２について、次の試験Ａ
および試験Ｂを行なった。

［試験Ａ］ １００Ｈｚ、　Ｉ　Ｇの正弦波振動加速度を加えたとき
の出力（電圧）を測定した。

試験Ａの結果 サンプル＃Ｉの出力を１００としたとき、サンプル＃２
の出力は７Ｉであった。

［試験Ｂコ １００Ｈｚ、　Ｉ　Ｇの正弦波振動加速度を加えた状態
で、試験雰囲気を室温（２３°Ｃ）から３０秒後に５０
’Ｃになるように急速加熱し、３０秒間温度を保った後
、再び室温に戻すように放熱（放冷）した。そのときの
出力（電圧）変化を測定した。

試験Ｂの結果 それぞれサンプル＃１およびサンプル＃２において、初
期出力を１としてその比較結果を第１表に示す。

第１表 これらの比較結果を整理して説明すると、サンプル＃１
１つまり、発明の一実施例の条件を満たすものは、サン
プル＃２と比較して発生出力そのものが４０％程度大き
くなり、検出感度が高いことが明らかである。

また、雰囲気温度が過渡的に変化した場合の特性変化が
小さく、温度特性上有利であるとともに、焦電効果が現
れにくいことを意味している。

［池の実施態様］ （ａ）圧電素子をセラミック系以外のものとすること。

（ｂ）圧電素子における弾性率の温度依存性が大きい場
合において、共通電極に弾性率の高い金属箔、金属板な
どを採用する際に、次式の条件を満足させること。

ＥｖＴｖ３／ＥｐＴｐ３≧５−−　（ｉｖ　）ただし、 ＥＶ：共通電極の弾性率 ＴＶ：共通電極の厚さ Ｅｐ：圧電素子の弾性率 Ｔｐ：圧電素子の厚さ （Ｃ）各電極４Ａ・４Ｂ・４Ｃを例えばスパッタリング
法や真空蒸着等でマスクを用いて形成すること。あるい
は化学的エツチング等の手段により形成すること。

（ｄ）分割電極４Ａ・４Ｂの間隙を小さくする場合、そ
の限度を５μｍ以上として、電極間の電流漏洩を防止す
ること。

「発明の効果」 以上説明したように、本発明に係る圧電型加速度センサ
によれば、振動部分に孔を明けることにより、加速度検
出出力を増大させることができるとともに、圧電素子表
面において、極性が相異する二つの発生電位差を加算す
るようにしたから、−層の検出出力の向上を図ることが
できる。また、検知部に過渡的な温度差が生じた場合に
おいて、−表面で電圧差を検出するため、温度差に基づ
く焦電効果の影響を受けることが少なく、誤差の発生を
低減することができるなどの効果を奏するものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る圧電型加速度センサの一実施例を
示す一部を切欠した平面図、第２図は第１図の■−■線
矢視図、第３図は本発明に係る圧電型加速度センサの電
気的等価回路モデル図、第４図の（イ）〜（ニ）は圧電
型加速度センサの従来構造例を示す正断面図である。 １・・・・・・検知部、 ２・・・・・・振動体、 ３・・・・・・圧電素子、 ４Ａ・４Ｂ・・・・・・分割電極、 ４Ｃ・・・・・・共通電極、 ４ｄ・・・・・・切欠部、 ５・・・・・・孔（ 円形孔 ）、 ６　・・・ ・・固定部（ 固定枠 ）、 ６ａ・・・ ・・振動穴、 ７　Ａ　・ ７Ｂ・・・・・・端子導体。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 検知部に備えられた圧電素子の歪みにともなって発生す
   る電気量から加速度を検出する圧電型加速度センサにお
   いて、前記検知部（１）は、固定部（６）における振動
   穴（６ａ）の中に、中心部に孔（５）が形成された薄膜
   状の圧電素子（３）が張架状態に支持されるとともに、
   該圧電素子の表面に分割電極（４Ａ・４Ｂ）が一体に設
   けられ、該分割電極は、圧電素子の表面上において検知
   部の中心を原点とする極座標系の任意点（ｒ、θ）にお
   けるに軸方向の歪みをεｒ、θ軸方向の歪みをε＿θと
   したとき、 εｒ＋ε＿θ＞０・・・・・・（ｉ） およびεｒ＋ε＿θ＜０・・・・・・（ｉｉ）の関係が
   成立する部分に分割して設けられ、圧電素子の裏面に、
   両分割電極に対して裏打ち状態の共通電極（４Ｃ）が設
   けられてなり、前記分割電極間の電位差を検出すること
   を特徴とする圧電型加速度センサ。