JPH032667A - 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、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１９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ｌ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が加わった時の出力
が極めて小さ（、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
いセンサ全体が大きくなってしまう。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。

〔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、２以上の同形の小片に分割され、これら
小片は感知軸を対称の中心とする点対称の位置に配置さ
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、 前記荷重体の膜状圧電体に接する底面の面積が前記膜状
圧電体の小片の面積の総和よりも太き（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ＩＩ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、４枚の同一形状の膜
状圧電体小片１３・・・が台座１１に一体に強固に固着
されている。

膜状圧電体小片１３は、圧電性を有する材料からなる厚
さ１０〜５００μｍ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／、フッ化ビニルなトドフッ化ヒニリデ
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チンとの共重合体、
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。

この膜状圧電体小片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、この膜状圧電体小片Ｉ３と台座＋１との固着は、
エポキシ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、これらの膜状圧電体小片１３・・・にあっては
０、測定面１２上での平面的な配置形態がクロストーク
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。

すなわち、この例では４枚の同一の大きさの円形の膜状
圧電体小片１３・・・が台座１１の測定面１２上に、感
知軸Ｇを対称の中心として点対称の位置に配置されてい
る。このような複数の膜状圧電体小片１３・・が感知軸
Ｇを対称の中心として点対称の位置に配置される例とし
ては、第２図ないし第５図に示すようなものがある。こ
れらの図においてＧは感知軸を示し、Ｓは後述する荷重
体の底面を示す。第２図ないし第５図に示したものでは
、各膜状圧電体小片Ｉ３・・・はいずれも感知軸Ｇを対
称の中心とする点対称の位置に配置されている。

また、１つの膜状圧電体小片１３の平面形状は任意であ
るが、１つの測定面１２上に配置されるものは、点対称
の条件を満たすうえで当然円形である必要があり、また
クロストークを減少させるために、それぞれの面積が同
一であることが必要となる。さらに、膜状圧電体小片１
３・・・の数は図示した４枚に限られることなく、５枚
、６枚、７枚、８枚などであってもよい。さらに、膜状
圧電体小片１３・・・のそれぞれの電極は並列に接続さ
れて、出力されるように結線されている。また、１つの
測定面１２上に配置される膜状圧電体小片１３・・のそ
れぞれは同一の圧電材料から作られ、それぞれからの出
力が等しいことも必要である。

このような膜状圧電体小片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
状圧電体小片１３・・・に歪みまたは応力を生せしめる
もので、その重量はセンサの単位加速度角たりの電気的
出力に関係するため、特に限定されることはないが、膜
状圧電体小片１３・・・にクリープを生じせしめない範
囲とされる。

荷重体１４と膜状圧電体小片１３・・・の固着は、台座
１１と膜状圧電体小片１３・・・の固着と同様である。

。 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の膜状圧電体小片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、この条件を満たす形状としては例えば第６図な
いし第１１図に示すものが採用できる。これらの図にお
いてＧは同様に感知軸を示す。

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１２図ないし第１
８図に示すものがある。第１２図に示したものは板状で
あり、第１３図のものは柱状、第１４図は錐状、第１５
図のものは球を平面で切り取ったもの、第１６図のもの
は楕円体を平面で切り取ったもの、第１７図のものは柱
状の内部に空間を形成したもの、第１８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複合材で形成することも
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小片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
小片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。

さらに、この発明のセンサでは、膜状圧電体小片１３・
・・の面積の総和が荷重体１４の底面Ｓの面積よ、り小
さくなっている。すなわち、台座１１と荷重体１４との
間には、膜状圧電体が存在しない空間が形成されている
。また、荷重体１４の底面の面積と膜状圧電体小片１３
・・の面積の総和との比は１・０２〜１：０８程度とさ
れ、この比が大きくなるほど出力が増大して好ましいが
、あまり太き（なると膜状圧電体小片１３がクリーフを
起こすので好ましくなく、通常は上記範囲内で適宜設定
される。さらに、上述の膜状圧電体が存在しない空間に
、必要に応じて絶縁材料からなる絶縁シートを配置する
ことができ、この絶縁シートの材料として、膜状圧電体
小片Ｉ３・および接着剤層よりもその弾性率の温度変化
率が小さいものを選択すれば、センサ出力の温度依存性
が減少して好ましい。

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と膜状圧電体小
片１３・・・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、膜状圧電体小片１３・・・の平面配置形態が感知
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１４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、
クロストークか微かである。

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Ｉ４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
圧電体小片１３・・・のあるものには圧縮力が作用し、
あるもの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、膜状圧電体小片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、膜状圧電体小片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、膜状圧電体小片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
も膜状圧電体小片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、膜状圧電体小片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小片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、従来の臥動膜型のセンサの共振周波数に
比へて２　ｔ１１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
数が低下するので、留意すべきである。

このため、膜状圧電体小片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、膜状圧電体の弾性
率をＥＰ、厚さをｔｐとしたとき、次の式で表される関
係を満足する必要がある。

ｌＡ／ｔＡ）　／　（ＥＰ／ｔｐ）≧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Ｏ，１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へ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、接着剤としてはエポ牛ノ系、フェノール系
、ンアノアクリレート系などの硬化型で、弾性率の高い
ものを選択すべきであり、コム系なとの粘着型は不適切
である。また、導電性接着剤を用いることもできる。

以下、具体例を示して作用効果を明確にする。

（比較例） 台座となる部材として厚さ１ｍｍ、ｔＡｌｏｍｍ、縦１
０ｍｍのガラスエポキシ板（ガラス繊維強化エポキシ樹
脂積層板）を用意し、これの片面に厚さ１１０μｍのポ
リフッ化ビニリデンからなり、１辺が１０ｍｍの正方形
の膜状圧電体を中心軸を一致させてエボキ／系接首剤で
接ＷＬ、この上に中心軸を一致させて、厚さが５．０ｍ
ｎ＋で底面が１０ｍｍｘ１０ｍｍの銅製の荷重体をエポ
キ／系接首剤で接着してセンサとした。このものの荷重
体の底面の面積と膜状圧電体の面積の比はｌ：１である
。

（実施例１〜４） 台座となる部材として厚さＩ　ｎ＋ｍ、　１ｍ　ｌ　Ｏ
ｍｍ、縦１０ｍｍのガラスエポキシ板を用意した。この
台座の片面に第２図に示すような４枚の正方形の膜状圧
電体小片を各隅部にエボキ／系接着剤で接着した。

ついで、この上に底面がｌ　ＯｍｍＸ　１０ｍｍの正方
形の銅製の荷重体を中心軸を一致させてエボキ／系接着
剤で接着してセンサとした。

この際、荷重体の底面の面積と４枚の膜状圧電体小片の
面積の総和との比を以下のように変化させるとともに、
荷重体の厚さも変化させた。

荷重体の底面積・膜状圧電体小片の面積の総和１：０．
５　　　　（実施例１） １：０．３　　　　（実施例２） １：０．２　　　　（実施例３） １：０．１　　　　（実施例４） これら実施例および比較例で得られたセンサについて、
感知軸方向でのｌＧ当たりのセンサ出力が比較例のセン
サを１としたときに、各実施例のセン、すにおいてもそ
の出力が１となるような荷重体の厚さ（荷重体の重工）
を求めた。また、クロストークを測定した。

結果を次表に示す。

表 表から明らかなように、実施例においては、比較例と同
一出力を得るための荷重体の厚さ、すなわち荷重体の重
量を小さくすることができ、高出力であることがわかる
。また、これによりセンサを小型化することができる。

さらに、クロストークも、より減少することがわかる。

なお、比較例および実施例のすべてのセンサの測定可能
周波数帯域はＯ，ＩＨｚ〜３ＫＨｚ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、２以上の同形の
小片に分割され、これら小片は感知軸を対称の中心とす
る点対称の位置に配置され、 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、 前記荷重体の膜状圧電体に接する底面の面積が前記膜状
圧電体の小片の面積の総和よりも大きいものであるので
、構造が簡単であり、小型化を計ることが容易であり、
またクロストークが極めて少ないものとなる。また、セ
ンサ出力が大きくなり、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
度が大きいなどの効果がある。

【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５図はいずれもこの発明で用いられる膜
状圧電体の配置状態の例を示す平面図、第６図ないし第
１１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１２図ないし第１８図はいずれもこの発明で用いられ
る荷重体の立体形状の例を示す断面図、第１９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。 １１・・・・・台座、 １２・・・・・・測定面、 Ｇ　、・感知軸、 １３・・・・・膜状圧電体小片、 １４・・・・荷重体。

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、２以上の同
   形の小片に分割され、これら小片は感知軸を対称の中心
   とする点対称の位置に配置され、 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、 前記荷重体の膜状圧電体に接する底面の面積が前記膜状
   圧電体の小片の面積の総和よりも大きいことを特徴とす
   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