JPH032669A - 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、特に構造が簡単であり、出力か高＜、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■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（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、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としたセ
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、彼ビ則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
０〜５００μｍ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、ポリフッ化ビニリチ
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ＩＩ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、安す香酸
ビニルなどとシ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、ポリフッ化ビニリチンとポリフッ化ビニルとのブレ
ンドポリマー等のボッマー系のほかに、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、エボ
キン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て重要である。

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Ｐ１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Ｉ３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ｌｉｄ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せしめるもので、その重量はセ
ンサの単位加速反力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安がある。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図に示すものかある。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２　ｌ１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、したがってその正６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か必要
であり、それぞれが１ノロ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ｆ！ト中心に
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１４の対称軸とを一致させて配置さ
れ、固着されている。

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／−ト１５と荷重体１４とを単に積層したもの
であるので、構造か簡単であり、製造か容易となり、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ｆＶｂ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１４の立体形状か！・８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１３の一部には圧縮力が作用し、残部には引張力
か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か、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方向以外の加速度か加わっても膜状圧電
体Ｉ３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１１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、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
Ｐ、厚さをｔ、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／ｌＡ）　／　（ＥＰ／ｌ　ｐ）≧０．　１この
式の意味するところは、加速度によって荷重体ｊ４に生
じた力が接着剤層によって吸収緩トＤ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０
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、接着剤としてはエポキシ系、フェノール系
、７７ノアクリレート系なとの硬化型で、弾性率の高い
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に発生する電荷量が
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
まりにも太き（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の質量を小さくすることができ、これによって荷
重体Ｉ４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も低下し、クロストークが
〜層低減できる。

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５ｍｍのアルミニウム仮を用
意し、これの片面に厚さ１００μｍ、１辺の長さがｉｏ
＋ｎｏ＋の正方形で、その中心に直径８ｍｍの円形の穴
を中心を同じくしてあけたポリフッ化ビニリデンの膜状
圧電体（アルミニウム蒸着電極付き）をエポキシ系接着
剤で接着した。膜状圧電体の弾性率は２．７Ｘ］０９Ｐ
、、接着剤層の厚さは約１２μｍである。

次に、荷重体として、黄銅からなり、底面が１０ｍｍＸ
１０＋ｎｍの正方形で高さが１５ｍｍ、質量１２゜５ｇ
のものを用意した。この荷重体を上述の膜状圧電体上に
その対称軸と荷重体の対称軸とが一致するように配し、
エポキシ系接着剤によって接着剤層の厚さが約１０μｍ
となるように接着して、センサとした。

（実施例２） 実施例１において、膜状圧電体の平面形状として、正六
角形の中心に中心を同じくして円形の穴をあけたものを
用い、荷重体にその底面の平面形状が膜状圧電体と同一
の正六角形で、高さが１５ｍｍ、質量１２．５ｇの黄銅
製のものを用いる池は同様にしてセンサを作成した。荷
重体の底面の面積と膜状圧電体の面積との比は２とした
。

（実施例３） 実施例Ｉにおいて、膜状圧電体の平面形状として、正方
形の中心に中心を同じくして正方形の穴をあけたものを
用い、荷重体にその底面の平面形状が膜状圧電体と同一
の正方形で、高さが１５ｍａ＋、質ｆｆｔ１２．５ｇの
黄銅製のものを用いる他は同様にしてセンサを作成した
。荷重体の底面の面積と膜状圧電体の面積との比は２と
した。

（実施例４） 実施例１において、膜状圧電体の平面形状として、楕円
環状のものを用い、荷重体にその底面の平面形状が楕円
形で、高さが１５１１ＩＩ１１１質１１２５ｇの黄銅製
のものを用いる他は同様にしてセンサを作成した。荷重
体の底面の面積と膜状圧電体の面積との比は２とした。

（比較例） 台座となる部材として厚さ５ＩＩｌＯ１のアルミニウム
阪を用意し、これの片面に厚さ１００μｍ、１辺の長さ
が１０ｍｍの正方形のポリフッ化ビニリデンの膜状圧電
体くアルミニウム蒸着電極付き）をエポキシ系接着剤で
接着した。この上に、底面の平面形状がｌ０ｍｍ角の正
方形で高さが３０１１１ｍ、質量２５ｇの黄銅製の荷重
体を対称軸を一致させてエポキシ系接着剤にて接着して
、センサとした。

これら実施例および比較例でのセンサについて次のよう
な性能評価試験を行った。

各センサの出力は、インピーダンス変換回路を接続して
、電圧として出力させた。

加速度検知に関する性能評価試験として、次の項目の評
価を行った。

（１）感知軸方向でのＩＧ当たりのセンサ出力（Ｖ）（
インピーダンス変換回路によるゲイン補正後の値）及び
最小検知加速度（ｓ　／　ｎ　＝　３　）ココテ、Ｇ：
重力加速度（９，８ｍ／ｓす（２）測定可能周波数範囲
（中心周波数における出力の±１０％の範囲） （３）クロストーク（感知軸と直交する方向でｌＧの加
速度を加えた場合の出力と感知軸ｌＧ比出力の比を％表
示） （４ン耐横方向衝撃性（１ｍの高さから、コンクリート
床上にセンサを隅向きになるように落下させたとき、荷
重体と膜状圧電体との接着が剥がれか否か） 結果を次表に示す。

以　　下　　余　　白 上表に見られるように比較例は、本発明のセンサに比べ
、耐構衝撃性が著しく劣ることがわかる。

〔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
、彼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、憤性重徂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としたも
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
解斜児図、 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＋’ｒ’４
　ｍ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。 １１　・・ Ｐ・・・

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るこ
   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