JPS61269072A - 圧電式加速度センサ− - 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、圧電セラミックと錘（おもり）とを組合わせ
て加速度を求める圧電式加速度センサーに関するもので
ある。

〔発明の概要〕

本発明は、圧電式加速度センサーにおいて圧電セラミッ
クに厚さ０．５鶴以下の分極処理された圧電セラミック
素子を２枚以上積層したものを用いることにより、電荷
感度及び静電容量を非常に太き（すると共にコストの低
下を可能としたものである。

〔従来の技術〕

圧電式加速度センサーは、錘が受ける加速度と錘の質量
による力が圧電セラミックに加わるとき、加速度に比例
した電荷が発生することを利用して加速度を求めるもの
である。第７図は、従来の圧縮型の圧電式加速度センサ
ーの一例を示す一部切開正面図である。同図において、
（１）は圧電セラミック、（２１は錘、（３）はバネ座
金、（４）は予圧ボルト、（５）はリード線、（６）は
カバー、（７）はコネクター、（８）はフレームである
。

第８図は、第７図の圧電セラミック（１）の従来例を示
し、同図Ａは単層のもの、同図Ｂは接着により積層した
もの、同図Ｃは２層のものを示す、これらの図において
（１１）は圧電セラミック素子、第８図Ａ及びＢにおい
て（１２）は外部電極、（１３）は絶縁板、第８図Ｃに
おいて（１４）は電極板である。第８図Ｂおける圧電セ
ラミック素子（１１）は、厚さが０．５　ｍより大きい
ものである。これらの圧電セラミック素子（１１）には
、例えばジルコン・チタン酸鉛、チタン酸鉛、水晶、ニ
オブ酸鉛、ニオブ酸リチウム等が用途に総じて使用され
ている。

〔発明が解決しようとする問題点〕

圧電式加速度センサーの感度は単位加速度光たりの電荷
量で表わされるが、圧電セラミック（１）がどの組成の
ものにせよ、第８図Ａのような単層は最も感度が低い、
第８図Ｂのように積層にすれば、単層の厚さの分割度に
応じて感度は上がるが、従来の積層は薄く加工した圧電
セラミック素子を接着により積み重ねているため、反り
、割れなどにより１枚１枚の圧電セラミック素子を０．
５謹以下にできないという制約があった。また、接着剤
で接着するため、接着剤の影響で加工精度が悪くなるば
かりでなく、加速度センサーの使用温度限界が接着剤の
耐熱性によって左右される。しかも、接着剤は圧電性を
示さないので、忠実な振動特性が得られない欠点がある
。したがって、従来の接着により積層したものでは、積
層にした効果が小さい。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明は〜例えばグリーンシート法で製造した圧電セラ
ミック素子１枚の厚さが従来より薄い（０，５ｗｒ以下
）積層圧電セラミックを用いることにより、感度を高め
ると共に接着剤の使用を不要とした。

〔作用〕

積層圧電セラミックにおける圧電セラミック素子の厚さ
が薄くなればなる程、一定の高さに対して積層数を多く
することができるので、電荷感度及び静電容量が向上す
る。

〔実施例〕

以下、図面により本発明の好適な実施例を説明する。

第１図は、本発明の実施例を示す一部切開断面図である
。この図において、第７図と対応する部分には同一の符
号を付して説明を省略する。（９）は絶縁リング、（１
０）は本発明に用いる積層圧電セラミックを示す、第２
図は第１図の積層圧電セラミック（ｌＯ）の構造例を示
す拡大図で、同図Ａは上面図、同図Ｂは縦断面図である
。この図において、（１１）は分極処理された圧電セラ
ミック素子、（１２）は外部電極、（１３）は絶縁板、
（１４）は内部電極、（１５）は絶縁保ｗｔ護である。

圧電セラミック素子（１１）は、例えばチタン酸ジルコ
ニウム酸鉛を用いたセラミックの圧電材層であり、厚さ
ｔは０．５鶴以下（例えば０．２３ｍ）でリング状を呈
している。内部電極（１４）は、例えば銀・パラジウム
合金を用い例えば厚さ５μｍの非常に薄い電極層であり
、圧電セラミック素子（１１）を同一形状である。絶縁
保護膜（１５）は、例えばガラスのような絶縁体の被膜
である。外部電極（１２）は、内部電極（１４）の端面
を１つおきに電気的に接続するため、例えば銀ペースト
を塗布したものである。

次に、このような積層圧電セラミック（１０）の製造方
法を述べる。

先ず、チタン酸鉛などを用いたセラミックの仮焼粉末を
準備し、小量のポリビニルブチラール等の有機バインダ
ー及びフタル酸ジオクチル等の可［Ｑと共に、エチルセ
ロソルブ等の有機溶媒中に分散させて泥漿を作る。この
泥漿をドクターブレードを用いたスリップキャスティン
グ法により定　　　　　　　ｉ速で移動するポリエステ
ル・フィルム面上に流下させて、厚さ３５０μ−のグリ
ーン＞−トを形成する０次いで、このグリーンシートを
ポリエステル・フィルム面から剥離した後、第３図Ａに
示すように例えば縦７０ｆｌ×横１００　ｔｍ寸法の矩
形状に打ち抜く、この矩形状グリーンシート（１７）の
一方の面には、ペーストが透過できない半円形のパター
ンを形成したマスクをもつ印刷スクリーン（図示せず）
を用い、銀粉末とパラジウム粉末の混合粉をビヒクルと
共にペースト化させた混合ペーストを印刷して、内部電
極層（１８）を形成する。

この混合ペーストを印刷したグリーンシート（１７）を
１枚おきに１８０°回転して所望の枚数だけ積み重ね、
熱プレスで上下から圧着して積層体を形成する（第３図
Ｃ参照）、この積層体には前述の有機バインダー及び可
塑剤が含まれているので、温度５００℃まで加熱して可
塑剤を蒸発させ、且つ有機バインダーを分解させて除去
する。

そして、この積層体を次の焼成プロファイルで焼成する
。すなわち、５℃／分の上昇温度で温度１１２０℃まで
加熱し、温度１１２０℃で２時間保持し、その後自然冷
却する。焼成後の内部電極層（１８）間の圧電セラミッ
ク素子層（１１）の厚みは、試作品において０．２３鶴
であった。焼成の完了した積層体を超音波加工法などの
手段により円筒状に切削加工して、第３図Ｂの如き円筒
体（１９）を形成し、その中心軸に貫通する中心孔（２
０）を設ける。これは、第３図Ａに示す混合ペーストが
印刷されていない半円形の箇所を超音波加工機のホーン
先端に固定された工具で打ち抜いて作ることができる。

そうすると、第３図Ｃ（断面図）に示すように、中心孔
（２０）の内側面に内部電極ＩＩ（１Ｂ）の端面が１層
おきに露出する。これらの端面を含む内壁に銀ペースト
を塗り、１対の仮電極層（２１）を作る。

次に、円筒体（１９）の外側面の一部分に・第３図Ｂに
示すようにアクリル樹脂などから成るマスキング剤（２
２）を塗布する。内壁に形成した仮電極層（２１）を用
い、電気泳動法により、円筒体（１９）の外側面に露出
した内部電極層（１８）の端面を１層おきにガラス等の
絶縁体で被覆し、絶縁保ｉ！膜（ｔｓ）を形成する。更
にもう１回、同様の方法により、１回目の処理で絶縁保
護膜（１５）が形成されなかった内部電極層（１Ｂ）の
端面を１層おきに絶縁体で被う、なお、マスキング剤（
２２）は、絶縁保護ＩＩ！！（１５）を作る過程で蒸発
させて除去する。

この絶縁保護膜（１５）が形成された円筒体（１９）の
中心孔（２０）の内壁を、第２図に示すように、内部電
極層（１８）の端面が全面に露出する（すなわち、内部
電極（１４）が形成される）大きさに超音波加工法を用
いて加工し直す、加工完了後、円筒体（１９）の外側面
に銀などの導電性ペーストを塗布して外部電極（１２）
を形成し、積層圧電セラミック（１０）が完成する。

上述の製造方法においては、厚さが３５０μ−のグリー
ンシート（１７）を使用して円筒形の積層圧電セラミッ
ク（１０）を作ったが、スリップキャスティング法によ
れば、グリーンシート（１７）を厚さが２０μｍ位まで
は容易にピンホールがない状態で作成することができる
。また、内部電極Ｊ’！！（１８）間の圧電セラミック
素子層（１１）の厚さは、薄いグリーンシート（１７）
を積層することによりコントロールすることも可能であ
る。

以上、グリーンシート法による積層圧電セラミック（ｌ
Ｏ）の製造方法について説明したが、本発明においては
、積層圧電セラミックの１層の厚さを０．５鵡以下とし
うるものであれば他の方法を用いてもよい。

次に、積層圧電セラミック（ｌＯ）を用いる本発明の圧
電式加速度センサーの動作の概要を述べる。

第４図は圧電式加速度センサーの等価回路１！ｌで、同
Ｂ！ＪＡは電荷等価回路、同図Ｂは電圧等価回路を示す
、圧電式加速度センサーの共振周波数をｆｎとすると、 ｒ　ｎ−（ＥＳ／ＭＮｔ　）　１′２／２π　　　　・
・・・・・（１）ただし、ｔは圧電素子１枚の厚さくｍ
）Ｎは圧電素子の積層数（枚） Ｍは錘の質量（ｇ） Ｅは圧電素子のヤング率（Ｎ／ｎｆ） Ｓは圧電素子の断面積（−） 総出力電荷をＱ（Ｃ１とすると、 Ｑ　ｍ　Ｎｄ３３Ｆ　−Ｎｄ３３Ｍ　’ｉ　　　　　　
　　・・・・・・（２）ただし、６３３は圧電常数（ｍ
／Ｖ） 静電容量をＣｒ、（Ｆ）とすると、 Ｃ，−εＴ″ＳＮ／ｌ　　　　　　　　　・・・・・・
（３）ただし、εｔｕは誘電率（Ｆ／ｍ） 出力電圧をＥｏｃ（Ｖ）とすると、　　　　　　　　　
　　　　　１□・Ｅｏｃ−Ｑ／　Ｃｒｔ　　　　　　　
　　　　　　　　　・・・・・・＜４３いま、積層圧電
セラミック（１０）を圧電セラミック材Ｎ−１０（チタ
ン酸鉛）によりグリーンシート　　　　　　□７ｊ′ 法で作った場合を例にとると、圧電セラミック素　　　
　　　：子（１１）のヤング率Ｅは０．５５３　ｘ　１
０”　Ｎ　／　ｒｄである。そこで、錘（２）の質量Ｍ
を１０ｇとし、積層圧電セラミック（１０）の外形を第
５図のようなリング状で外径り一φ１０ｗｍ、内径ｄ−
φ８＋ｎ（断面積Ｓπ −−（Ｄ２−ｄ２）とし、素子の厚みｔ　＝　０．２２
８鶴、積層数Ｎ　−１５枚として、（１）式より共振周
波数を計算すると、ｆ　ｎ　＝　３４ｋＨｚになる。圧
電材Ｎ−１Ｏの圧電常数ｄ３３は６，３５Ｘ　１０−”
ｍ　／　Ｖであるので（２）式より電荷感度ｑを求める
と、ｑ　＝　９３３４５　ｐＣ／を得る。また、圧電材
Ｎ−１０の誘電率８Ｔ３３も既知なので、（３）式より
静電容量を求めると、ＣＭ−１３２３４９９Ｆを得る。

第６図は、圧電式加速度センサーをケーブル及び電荷増
幅器と組合わせて使用する場合の回路図である。図中、
ＣＳはケーブルの浮遊容量、Ｅｉｎは信号成分、ＥＮは
ノイズ電圧、Ｃｆは帰還コンデンサ、Ｅｏは出力電圧を
表わす、ここに、（４３式で示したように、Ｅｏｃ＝Ｑ
／Ｃｉであり、次の関係が成立つ。

Ｅｉｎ＝Ｅｏｃ　（Ｃｇ　／　（Ｃｇ　＋Ｃｓ　）　）
　　＝（５１Ｅｏ／Ｅｉｎ＝（Ｃｇ＋ＣｒＪ）／Ｃｆ　
　　−（６１ゆえに、Ｅｏ　−ＥｏｃＸＣｉ　／Ｃｆ　
　　　　　・・・（ηすなわち、静電容ｔｉ　Ｃｔｔの
値が大きいほど出力電圧Ｅｏは大きくなる。

上記の計算値に対し、従来の接着法による場合の計算値
は次のようになる。圧電セラミックの形状を上記と同様
とすると、Ｎ　ｔ　＝　１５ｘ　Ｏ，２２８＝、　　　
３．４２鶴でｔ＞９．５ｍであるから、Ｎ＝６とすると
ｔ　＝　０．５７ｍとなる。上記と同様に、圧電材料を
Ｎ−１０として共振周波数ｆｎ、電荷感度ｑ及び静電容
量ＣＭを求めると、ｆ　ｎ　＝　３４ｋＨｚ　、　ｑ　
＝　３７３．３８ｐＣ／　Ｇ、　Ｃｖｔ　＝　２１９６
ｐＦとなる。また、単層の場合は、それぞれｆ　ｎ　＝
　３４ｋＨｚ　、　ｑ　＝　８２．２３ｐＣ／　Ｇ。

ＣＩ！　＝　１．２５１７ｐＰとなる。

次表は、以上の結果を比較したものである。

この表から、グリーンシート法によればＮを大きくでき
、静電容量及び電荷感度が著しく向上することが分かる
。これは、素子１枚の厚みｔを従来より薄くして積層に
した場合、従来例と比較して如何に効果が大きくなるか
を示している。

なお、上述においては圧縮型の実施例を示したが、本発
明を剪断型、円錐型、ベンディング型などの他の型の圧
電式加速度センサーに適用することも可能である。

〔考案の効果〕

以上説明したとおり、本発明によれば、次の如き顕著な
効果が得られる。

（イ）従来に比べて、電荷感度及び静電容量が共に非常
に大きくなる。

（ロ）したがって、出力電圧も著しく太き（なる。

（ハ）厚さ０．５ｆｉ以下の圧電セラミック素子による
積層圧電セラミックは、例えばグリーンシート法により
製造容易である。

（ニ）グリーンシート法によるときは、接着剤を使用し
ないのでその影響を受けない、また、接着作業がないた
めコストの低下をもたらす。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例（圧縮型）を示す一部切開断面
図、第２図は本発明に用いる積層圧電セラミックの構造
例を示す拡大図、第３図は上記積層圧電セラミックの製
造工程の一部を示す図、第４図は圧電式加速度センサー
の等価回路図、第５図は圧電セラミックの外形図、第６
図は圧電式加速度センサーの使用状態を示す回路図、第
７図は従来例（圧縮型）を示す一部切開断面図、第８図
は従来の圧電セラミックの例を示す図である。 （１０）　　・・・本発明に用いる積層圧電セラミック
、（１１）・・・厚さ０．５ｆｉ以下の圧電セラミック
素子、（２）・・・錘。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 錘と、厚さ０．５ｍｍ以下の分極処理された圧電セラミ
   ック素子を２枚以上積層した積層圧電セラミックとを具
   えることを特徴とする圧電式加速度センサー。