JPH11258262A

JPH11258262A - 圧電センサ

Info

Publication number: JPH11258262A
Application number: JP10057981A
Authority: JP
Inventors: Chikaichi Ito; 親市伊藤
Original assignee: Hitachi Metals Ltd
Current assignee: Proterial Ltd
Priority date: 1998-03-10
Filing date: 1998-03-10
Publication date: 1999-09-24

Abstract

(57)【要約】【課題】量産性に優れ、衝撃、加速度に対して高感度
の圧電センサを提供する。【解決手段】両持ち梁構造の圧電センサにおいて、長
板状の圧電素子の中央部に弾性部材を設置する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は機械的な衝撃および
加速度を電気エネルギーに変換して衝撃、加速度を検出
する圧電素子を用いた圧電センサに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】圧電センサは例えば自動車の安全装置の
一つであるエアバックを膨らませるための信号源となる
加速度検出装置に使用される。従来の圧電センサの構成
と動作を図３を用いて説明する。なお以下のすべての図
において斜線部は特に電極を示し、同一機能の部分には
同一符号を付けるものとする。従来例として図３に示す
ものは圧電素子の長さ方向の片側端を固定する片持ち梁
方式の圧電センサである。

【０００３】図中の１は例えばＰｂＴｉＯ₃−ＰｂＺｒ
Ｏ₃（ＰＺＴ）からなる圧電体である。この圧電体の図
中上下面には例えば銀焼き付けにより設けられた一対の
電極３、４が形成されている。またこの圧電体は厚み方
向に分極処理されている。このように形成された圧電素
子は、片側端を支持体５に取り付けられる。このような
構成において図中矢印方向に加速度が加えられると、こ
の加速度によって生じる力、すなわち圧電素子の自重と
加速度の積によって圧電素子が歪み、出力電圧が生じ
る。このような片持ち梁方式の圧電センサの他に圧電素
子の長さ方向の両端を固定する両持ち梁方式の圧電セン
サがある。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】従来の片持ち梁方式圧
電センサは加速度や衝撃に対する感度は高いが圧電素子
の自由端で不要振動を生じやすく、得られる衝撃、加速
度値の再現性および信頼性に問題があった。また圧電セ
ンサ間の衝撃、加速度値のばらつきは圧電素子の寸法精
度に影響されるため該圧電素子は高い寸法精度が要求さ
れる。

【０００５】圧電素子の外形寸法において、厚さ寸法は
圧電体の原料粉末の粒度調整、焼結温度、焼結雰囲気の
制御等を適宜調整することで寸法精度よく形成できる
が、長さ寸法は支持体への取付精度によって決定される
ため、片持ち梁方式の圧電センサの組立には困難を要し
た。また幅寸法は圧電素子を支持体へ取付した後、研磨
加工等の機械加工によって寸法調整が必要であり、片持
ち梁方式では機械加工時に圧電素子の自由端が大きく変
形し機械的な破損が生じたりした。

【０００６】一方両持ち梁方式の圧電センサは圧電素子
の両端を支持体に取付るので、圧電素子の長さ寸法の精
度は支持体の長さで容易に規定出来、また幅寸法調整時
の機械加工による機械的な破損も減少する。しかしなが
ら圧電素子の両端が固定されているので、衝撃や加速度
に対する圧電素子の変形が制限され、前記片持ち梁方式
の圧電センサと比べ衝撃や加速度に対する感度が小さい
という問題があった。さらには、圧電素子の中央部と端
部近傍とでは歪みの挙動が異なるので、圧電素子の変形
に応じた起電力を有効に取り出すことは困難であった。

【０００７】本発明は上述の問題点を解決するためにな
されたもので、量産性に優れ、衝撃、加速度に対して高
感度の圧電センサを得ることを目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上述の課題を解決するた
め鋭意研究の結果、発明者らは著しく構成を改善した圧
電センサに想到したものである。本発明の圧電センサ
は、長板状の圧電素子を長さ方向の両端側で支持体に固
定した圧電センサであって、前記圧電素子は長さ方向の
両端側に圧電体を有し、一対の圧電体に挟まれた部分で
長さ方向の中心を含む中央部に少なくとも１つ以上の弾
性部材を有する。

【０００９】一対の圧電体に挟まれた部分で長さ方向の
中心を含む中央部に配置する弾性部材は、少なくとも前
記圧電体よりもヤング率が小さく、そのヤング率は０．
２×１０⁷Ｎ／ｍ²〜０．３×１０¹⁰Ｎ／ｍ²であって、
長さ方向に０．０５ｍｍ〜１．５ｍｍの幅で形成してい
る。さらに前記一対の圧電体の主表面に形成した電極
を、弾性部材表面に形成した導体膜により電気的に接続
するとともに、前記圧電体をそれぞれバイモルフ構造と
している。

【００１０】

【発明の実施の形態】本発明に係る圧電センサの概要を
図１、図２を用いて説明する。図１は本発明の一実施例
に係る圧電センサの断面図である。図２は本発明の一実
施例に係る圧電センサに用いる圧電素子である。図示し
た矢印は圧電体の分極方向を表している。なお図１、図
２は本発明の特徴を明確にするように模式的に図示して
いるため、支持体や圧電素子の寸法、縮尺等は実際とは
一致しない。

【００１１】この圧電センサは、圧電素子の長さ方向の
両端を固定する両持ち梁方式の圧電センサである。ここ
で使用する圧電素子は、該圧電素子の厚さ方向に分極さ
れた二つの圧電体を変形が容易な弾性部材で接合した構
造としている。このような構造により衝撃や加速度によ
る圧電素子の変形は従来の両持ち梁方式のものと比べ容
易となり感度が向上するとともに起電力の取り出しも容
易となる。また、片持ち梁方式のものと比べ機械加工時
に機械的な破損が発生することが無い。

【００１２】前記弾性部材はすくなくとも前記圧電体よ
りも小さいヤング率であることか好ましい。さらに好ま
しくは、弾性体のヤング率が０．２×１０⁷Ｎ／ｍ²〜
０．３×１０¹⁰Ｎ／ｍ²である。ヤング率が０．２×１
０⁷Ｎ／ｍ²未満であると、圧電素子の不要振動が生じ易
くなり衝撃、加速度値の再現性や信頼性の点で好ましく
ない。またヤング率が０．３×１０¹⁰Ｎ／ｍ²以上であ
ると衝撃や加速度に対する感度が小さくなり本発明の効
果が得られなくなり好ましくない。

【００１３】圧電センサとして感度は２．０ｍＶ／Ｇ以
上が望ましく、前記弾性部材は長さ方向に０．０５ｍｍ
〜１．５ｍｍの幅で形成するのが好ましい。幅が１．５
ｍｍを超えると衝撃や加速度に対する感度が小さくなり
本発明の効果が得られなくなり好ましくない。また幅が
０．０５ｍｍであると弾性部材を精度良く形成する事が
困難であるとともに圧電素子の組立も困難となるので好
ましくない。

【００１４】前記圧電素子の２つの圧電体の主表面に形
成した電極同士を例えば前記電極と同じ材質の導体やＡ
ｕ、Ａｇ等の導体で接続し電極を同電位に保つことが好
ましい。また前記圧電体をバイモルフ構造の圧電体とす
ることで、モノモルフ構造の圧電体を用いるよりも高い
出力電圧を得ることが出来る。

【００１５】前記弾性部材とは、例えばプラスチック
ス、ゴム、接着剤である。かかる知見をもとに発明の実
施を行った。

【００１６】

【実施例】（実施例１）初めに圧電体の作成方法につい
て説明する。ドクターブレード法によりＰＺＴ系圧電セ
ラミックスのグリーンシートを作製した。その後、スク
リーン印刷法によりＡｇ・Ｐｄペーストを用いてグリー
ンシート上に内部電極６を印刷し、内部電極６を形成し
たグリーンシートを積層、圧着し、所定形状に切断して
成形体を脱脂後大気中１１００℃で２時間焼成した。さ
らに電極３、４を印刷し焼付して、内部電極６と電極
３、４間に分極電界を印加し厚み方向の分極処理を施し
た。

【００１７】この圧電体を切断機で切断し、さらに長さ
０．２ｍｍ〜２．０ｍｍのプラスチック板（ヤング率
０．１×１０⁹Ｎ／ｍ²、密度０．９×１０³ｋｇ／ｍ³）
をエポキシ系の接着剤を使用し前記圧電体で挟み込み加
熱接着した。その後圧電体の両主面のプラスチック板部
にＡｕを蒸着した。さらにこれを切断機で切断し長さ
７．４ｍｍ、幅０．９５ｍｍ、厚さ０．２４ｍｍのバイ
モルフ構造の圧電素子を作製した。この圧電素子を支持
体に組み込み、支持体とともに研磨加工を行い圧電素子
の幅を０．８５ｍｍとした両持ち梁方式の圧電センサを
作製した。

【００１８】この圧電センサを加振器に取付け最大１０
Ｇの振動を加え出力電圧をシンクロスコープで測定し、
圧電素子の感度を評価した。その結果を１Ｇ当たりの出
力電圧として表１に示す。

【００１９】

【表１】

【００２０】プラスチックス板の長さが０．２ｍｍ〜
１．５ｍｍのＮｏ．１〜Ｎｏ．３の試料では、１ＫＨｚ
で２．２ｍＶ／Ｇ〜３．３ｍＶ／Ｇの出力が得られた。
また研磨加工時に機械的な破損も生じ無かった。プラス
チックス板の長さが２．０ｍｍのＮｏ．４の試料では１
ＫＨｚで０．３ｍＶ／Ｇの出力しか得られなかった。

【００２１】（実施例２）実施例１と同様に作製した圧
電体を、エポキシ系の接着剤を使用し加熱接着した。そ
の後圧電体の両主面の接着部にＡｕを蒸着した。さらに
これを切断機で切断し長さ７．４ｍｍ、幅０．９５ｍ
ｍ、厚さ０．２４ｍｍで中央部が長さ０．０５ｍｍの弾
性部材を有するバイモルフ構造の圧電素子を作製した。
この圧電素子を支持体に組み込み、支持体とともに研磨
加工を行い圧電素子の幅を０．８５ｍｍとした両持ち梁
方式の圧電センサを作製した。この圧電センサの感度を
評価したところ、１ＫＨｚで２．５ｍＶ／Ｇの出力が得
られた。

【００２２】（比較例１）実施例１と同様に作製した圧
電体を、切断機で切断し長さ７．４ｍｍ、幅０．９５ｍ
ｍ、厚さ０．２４ｍｍのバイモルフ構造の圧電素子を作
製した。この圧電素子を支持体に組み込み、支持体とと
もに研磨加工を行い圧電素子の幅を０．８５ｍｍとした
両持ち梁方式の圧電センサを作製した。この圧電センサ
の感度を評価したところ、１ＫＨｚで０．３ｍＶ／Ｇの
出力しか得られなかった。

【００２３】（比較例２）実施例１と同様に作製した圧
電体を、切断機で切断し長さ３．７ｍｍ、幅０．９５ｍ
ｍ、厚さ０．２４ｍｍのバイモルフ構造の圧電素子を作
製した。この圧電素子を支持体に組み込み、支持体とと
もに研磨加工を行い圧電素子の幅を０．８５ｍｍとした
片持ち梁方式の圧電センサを作製した。この圧電センサ
の感度を評価したところ１ＫＨｚで２．８ｍＶ／Ｇの出
力が得られたが、研磨加工時に１０個中６個に機械的な
破損が生じた。

【００２４】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、量
産性に優れ、衝撃、加速度に対して高感度の圧電センサ
を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例に係る圧電センサの斜視図で
ある。

【図２】本発明の圧電センサに用いる圧電素子の斜視図
である。

【図３】従来の圧電センサの斜視図である。

【符号の説明】

１圧電体２弾性部材３電極４電極５支持体６内部電極

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】長板状の圧電素子を長さ方向の両端側で
支持体に固定した圧電センサであって、前記圧電素子は
長さ方向の両端側に圧電体を有し、一対の圧電体に挟ま
れた部分で長さ方向の中心を含む中央部に少なくとも１
つ以上の弾性部材を有することを特徴とする圧電セン
サ。
【請求項２】前記弾性部材は前記圧電体よりもヤング
率が小さいことを特徴とする請求項１に記載の圧電セン
サ。
【請求項３】前記弾性部材のヤング率が０．２×１０
⁷Ｎ／ｍ²〜０．３×１０¹⁰Ｎ／ｍ²であることを特徴と
する請求項１又は２に記載の圧電センサ。
【請求項４】前記弾性部材を長さ方向に０．０５ｍｍ
〜１．５ｍｍの幅で形成したことを特徴とする請求項１
ないし３のいずれかに記載の圧電センサ。
【請求項５】前記一対の圧電体の主表面に形成した電
極が、弾性部材表面に形成した導体膜で電気的に接続す
ることを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載
の圧電センサ。
【請求項６】前記一対の圧電体がそれぞれバイモルフ
構造であることを特徴とする請求項１ないし５のいずれ
かに記載の圧電センサ。