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JPH032668A - Piezoelectric acceleration sensor - Google Patents

Piezoelectric acceleration sensor

Info

Publication number
JPH032668A
JPH032668A JP13832389A JP13832389A JPH032668A JP H032668 A JPH032668 A JP H032668A JP 13832389 A JP13832389 A JP 13832389A JP 13832389 A JP13832389 A JP 13832389A JP H032668 A JPH032668 A JP H032668A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
piezoelectric
film
sensing axis
symmetry
pedestal
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
JP13832389A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Takayuki Imai
隆之 今井
Shiro Nakayama
中山 四郎
Satoshi Kunimura
國村 智
Katsuhiko Takahashi
克彦 高橋
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Fujikura Ltd
Original Assignee
Fujikura Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Fujikura Ltd filed Critical Fujikura Ltd
Priority to JP13832389A priority Critical patent/JPH032668A/en
Publication of JPH032668A publication Critical patent/JPH032668A/en
Pending legal-status Critical Current

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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。
(57) [Summary] This bulletin contains application data before electronic filing, so abstract data is not recorded.

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か微少である圧電型加速
度センサに関する。
[Detailed Description of the Invention] [Industrial Application Field] The present invention relates to a piezoelectric acceleration sensor using a film-like piezoelectric material, which has a simple structure and high output, and is particularly suitable for use in the direction perpendicular to the sensing axis. This invention relates to a piezoelectric acceleration sensor whose output due to acceleration is minute.

〔従来の技術〕[Conventional technology]

従来の圧電型加速度センサ(以下、センサと略記する。 Conventional piezoelectric acceleration sensor (hereinafter abbreviated as sensor).

)の例として、第17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l
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。
) is shown in FIG. 17. This sensor is disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 56-10258, in which a disc-shaped vibrating membrane 1 made of a piezoelectric material such as a piezoelectric polymer is fixed to an annular frame 2 at its peripheral edge, and the vibrating membrane l
A load body 3 functioning as an inertial mass is provided on both sides of the center, and a frame body 2 is fixed to a pedestal 4.

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
In this sensor, the acceleration sensing axis G is an axis that is perpendicular to the membrane surface of the vibrating membrane I and passes through the center of the load body 3.

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。
With a sensor like this, by attaching the pedestal 4 to the object to be measured, it is possible to detect changes in the acceleration of the object to be measured in the direction of the sensing axis G.

〔発明が解決しようとする課題〕[Problem to be solved by the invention]

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。
However, in this sensor, even when acceleration is applied in a direction perpendicular to the direction of the sensing axis G, the load body 3 is displaced in that direction, causing distortion in the vibrating membrane l and producing an electrical output. There was a drawback.

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。
There is also the disadvantage that the structure is complex and manufacturing is troublesome.
Another drawback was that the measurable frequency band was narrow and it was difficult to change it.

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ス
・i弥であり、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。
In order to eliminate such drawbacks of conventional sensors, the present inventors developed a pedestal that is rigidly attached to the object to be measured, a piezoelectric film that is fixed to a measurement surface perpendicular to the sensing axis of the pedestal, and
It is composed of a rigid load body that is fixed on the membrane piezoelectric body and acts as an inertial mass part, and the planar shape of the membrane piezoelectric body has the sensing axis as the center of symmetry in a plane parallel to the measurement surface. It is point symmetric, and the planar shape of the surface in contact with the membrane piezoelectric material of the load body is a point S, which has the sensing axis as the center of symmetry, and there are countless points passing through the sensing axis and perpendicular to the measurement surface. He has devised a sensor that is characterized by line symmetry with the sensing axis as the axis of symmetry for all cross sections when cut along the plane of , and has previously applied for a patent.

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。
Such a sensor is therefore extremely simple in construction;
It has the advantage that the output when acceleration is applied in a direction perpendicular to the sensing axis is extremely small, and the measurable frequency band is wide.

しかしながら、この新しいタイプのセンサにおいても以
下のような不都合のその解決が必要であった。すなわち
、センサの電圧による出力を増大させるためには膜状圧
電体の厚さを厚くすればよいことになるが、厚い膜状圧
電体ではそれのポーリング処理が困難であり、双極子の
配向が悪く、圧電定数が小さくなったり、その値がばら
ついたりする不都合がある。
However, even in this new type of sensor, it was necessary to solve the following disadvantages. In other words, in order to increase the voltage output of the sensor, it is sufficient to increase the thickness of the film piezoelectric material, but with a thick film piezoelectric material, it is difficult to perform poling processing, and the orientation of the dipoles may be affected. Unfortunately, the piezoelectric constant may become small or its value may vary.

また、電荷としての出力感度を増大させるには、膜状圧
電体の面積を大きくしてやればよいことになるが、膜状
圧電体の面積を大きくすることはセンサの大型化につな
がり、小型化の要望に合わなく 九こる。
Furthermore, in order to increase the output sensitivity as a charge, it is sufficient to increase the area of the membrane piezoelectric material, but increasing the area of the membrane piezoelectric material leads to an increase in the size of the sensor, and it is necessary to make the sensor smaller. It didn't meet my request.

〔課題を解決するための手段〕[Means to solve the problem]

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2枚以上
が積層された積層構造とされるとともにこれらの積層界
面で導通状態とされ、 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。
This invention includes a pedestal that is rigidly attached to an object to be measured, a piezoelectric film fixed to a measurement surface perpendicular to the sensing axis of the pedestal, and a piezoelectric film fixed to the piezoelectric film that has an inertial mass. The piezoelectric membrane has a load body made of a rigid body that acts as a part, and the membrane piezoelectric body has a planar shape that is point symmetrical with respect to the sensing axis as the center of symmetry in a plane parallel to the measurement surface, and two or more pieces are The load body has a laminated structure and is electrically conductive at the interface between these laminations, and the planar shape of the surface in contact with the membrane piezoelectric material is point symmetrical with the sensing axis as the center of symmetry, and The above-mentioned problem has been solved by a sensor that, when cross-sectioned through countless planes passing through the sensing axis and perpendicular to the measurement surface, has linear symmetry with the sensing axis as the axis of symmetry for all cross-sections.

以下、この発明の詳細な説明する。The present invention will be explained in detail below.

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、すの基体
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。
FIG. 1 shows an example of the sensor of the present invention, and the reference numeral 11 in the figure is a pedestal. This pedestal 11 forms the base of the sensor, is rigidly attached to the object to be measured, and is made of a material having sufficient rigidity, such as steel, brass, aluminum, etc. Further, it is desirable that the elastic modulus of the material forming the pedestal 11 is higher than that of the film-like piezoelectric material described later, and the thickness of the pedestal 11 is several times that of the film-like piezoelectric material.

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、直方体などでもよい
The pedestal 11 here has a cylindrical shape,
The shape is not limited to this, and may be a plate shape, a rectangular parallelepiped, or the like.

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。
One surface of this pedestal 11 is a flat and smooth measurement surface 1.
2. This measurement plane 12 needs to be a vertical plane that is exactly perpendicular to the acceleration sensing axis G of this sensor.

この台座11の測定面12上には、2枚の膜状圧電体1
3.13が互いに積層されて台座11に対して一体に強
固に固着されている。
On the measurement surface 12 of this pedestal 11, two membrane-like piezoelectric materials 1 are placed.
3 and 13 are stacked on top of each other and firmly fixed to the base 11.

膜状圧電体13は、圧電性を有する材料からなる厚さ1
0〜100μm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(友、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、安息香
酸ビニルなどと7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、ポリフッ化ビニリデ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籾の粉末をポ
リマーに添加、分散したものなどが用いられる。
The film-like piezoelectric body 13 is made of a piezoelectric material and has a thickness of 1
A film-like material with a thickness of 0 to 100 μm, sufficiently uniform in thickness, and sufficiently homogeneous as a whole is used. Piezoelectric materials include polyvinylidene fluoride, polyvinylidene chloride, polyvinyl fluoride, polyvinyl chloride, nylons such as nylon 11 and polymetaphenylene isophthalamide, tetrafluoroethylene, trifluoroethylene, vinyl fluoride, etc. and copolymers of vinylidene fluoride, vinyl acetate, vinyl propionate, vinyl benzoate, etc., and vinylidene heptaanide, blend polymers of polyvinylidene fluoride and polycarbonate, polyvinylidene fluoride and polyvinyl fluoride, etc. In addition to Bommer-based polymers such as blended polymers, piezoelectric materials such as metal titanate, metal titanate zirconate, and other piezoelectric grain powders are added to and dispersed in polymers.

これら2枚の膜状圧電体13.13は互いに同一の形状
で同一の圧電特性を有するものであり、互いに導電性接
着剤などを用いて2枚の表面が電気的に導通状態となる
ように接着されて積層された構造となっており、この積
層物の両面には出力取り出し用のアルミニウム箔などの
電極く図示せず)が設けられている。そして、この2枚
の膜状圧電体13.13の積層物と台座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。2枚の膜状圧電体13.13の厚さは同一であっ
ても、異なっていてもよい。
These two film-like piezoelectric bodies 13.13 have the same shape and the same piezoelectric properties, and are made so that their surfaces are electrically conductive using a conductive adhesive or the like. It has a bonded and laminated structure, and electrodes such as aluminum foil (not shown) for outputting output are provided on both sides of the laminated body. The laminate of the two film-like piezoelectric bodies 13.13 is fixed to the pedestal 11 using a hardening adhesive such as an Evoquin adhesive. The thicknesses of the two film-like piezoelectric bodies 13.13 may be the same or different.

そして、この膜状圧電体I3にあっては、その平面形状
かクロストークを低減するうえで重要である。
The planar shape of the piezoelectric film I3 is important for reducing crosstalk.

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。
Crosstalk in this invention refers to the sensing axis G of the sensor.
The ratio of the output P1 when receiving acceleration in the direction to the output P when receiving acceleration in the direction perpendicular to the sensing axis G, P, /
It is expressed as P.

膜状圧電体13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
らない。第1図に示した例では円形となっているが、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7図に示すようなものがある。第2図は平
行四辺形、第3図は正方形、第4図は楕円、第5図は正
六角形、第6図は六角形、第7図は円環形である。これ
らの図において符号Gはいずれも感知軸Gを示す。
The planar shape of the piezoelectric film 13 must be point symmetrical with respect to the sensing axis G as the center of symmetry in a plane parallel to the measurement surface 12. The example shown in FIG. 1 is circular, but other planar shapes that satisfy the above conditions include those shown in FIGS. 2 to 7, for example. 2 is a parallelogram, FIG. 3 is a square, FIG. 4 is an ellipse, FIG. 5 is a regular hexagon, FIG. 6 is a hexagon, and FIG. 7 is a torus. In these figures, the symbol G indicates the sensing axis G.

これらの平面形状はすべて感知軸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。
All of these planar shapes are point symmetrical with respect to the sensing axis G as the center of symmetry. Of course, planar shapes other than these can also be used if the above conditions are met.

このような膜状圧電体13.13の積層物の上には、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13.13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13.13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13.13の積層物
の固着は、台座11と膜状圧電体13の固着と同様であ
る。
A load body 14 made of a rigid body and functioning as an inertial mass section is integrally fixed onto the laminate of such film-like piezoelectric bodies 13.13. This load body 14 is displaced in response to acceleration and causes strain or stress on the membrane piezoelectric body 13.13, and its weight is related to the electrical output per unit acceleration force of the sensor, so it is particularly limited. Not that, but
It is set within a range that does not cause creep in the piezoelectric film 13.13. The fixation of the laminate of the load body 14 and the piezoelectric film 13.13 is similar to the fixation of the pedestal 11 and the piezoelectric film 13.

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。
Furthermore, the three-dimensional shape of the load body 14 is important for reducing cross strokes.

まず、荷重体14の膜状圧電体13.13の積層物と接
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先の膜状圧電体13の平面形状と
同様に例えば第2図ないし第7図に示すものが採用でき
る。ただし、膜状圧電体13と荷重体14との組み合わ
せにおいて、荷重体14の底面の平面形状と膜状圧電体
13の平面形状とは必ずしも同一形状である必要はなく
、例えば膜状圧電体13の平面形状が正方形で、荷重体
14の底面の平面形状が円形の組み合わせであってもよ
く、後述するように感知軸Gを同じくすればかまわない
First, the surface of the load body 14 that is in contact with the laminate of the piezoelectric film 13.13 (hereinafter referred to as the bottom surface) is exactly perpendicular to the sensing axis G, and the planar shape of the bottom surface is parallel to the sensing axis G. It must be symmetrical about the center of symmetry. Therefore, as the shape that satisfies this condition, the shapes shown in FIGS. 2 to 7, for example, can be adopted, similar to the planar shape of the film-like piezoelectric body 13 described above. However, in the combination of the membrane piezoelectric body 13 and the load body 14, the planar shape of the bottom surface of the load body 14 and the plane shape of the membrane piezoelectric body 13 do not necessarily have to be the same. The planar shape of the load body 14 may be a square, and the bottom surface of the load body 14 may have a circular planar shape, as long as the sensing axes G are the same, as will be described later.

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8図ないし第14
図に示すものがある。
At the same time, when the load body 14 is cross-sectioned by countless planes passing through the sensing axis G and perpendicular to the bottom surface, it is necessary that all the cross sections have line symmetry with the sensing axis G as the axis of symmetry. Figures 8 to 14 satisfy this condition of line symmetry.
There is one shown in the figure.

第8図に示したものは板状であり、第9図のものは柱状
、第1O図は錐状、第11図のものは球を平面で切り取
ったもの、第12図のものは晴円体を平面で切り取った
もの、第13図のものは柱状の内部に空間を形成したも
の、第14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。
The one shown in Figure 8 is plate-shaped, the one in Figure 9 is columnar, the one in Figure 10 is cone-shaped, the one in Figure 11 is a sphere cut out on a plane, and the one in Figure 12 is a clear circle. The body is cut out on a plane, the one in Figure 13 has a columnar shape with a space inside, and the one in Figure 14 is a combination of a column and a plate. In these figures, the symbol S indicates the bottom surface, and the symbol G
is the axis of symmetry that coincides with the sensing axis. Furthermore, the load body 14 that satisfies this condition of line symmetry has its center of gravity located on the sensing axis G.

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。
In addition, the load body 14 can be made of a composite material made of different materials in addition to being made of the same material as a whole, but in this case, each material is firmly fixed and the whole is rigid. It is necessary that each of them be unique, and that each of them must not cause different displacements when subjected to acceleration.

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1313の積層物の対
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13.13の積層物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。
Under these conditions, the load body 14 having symmetry has its axis of symmetry aligned with the center of symmetry of the laminate of the membrane piezoelectric bodies 1313. In other words, the membrane piezoelectric bodies 13.13 are aligned on the sensing axis G. The center of symmetry of the laminate and the axis of symmetry of the load body 14 are aligned and fixed.

このようなセンサはその台座11を彼測定物に取り付け
られて用いられ、その感知軸G方向の加速度を測定する
口とができる。
Such a sensor is used by attaching its pedestal 11 to an object to be measured, thereby creating an opening for measuring acceleration in the direction of its sensing axis G.

第15図および第16図は、ともにこの例のセンサの出
力取り出しのための結線図である。第15図に示した例
は、2枚の膜状圧電体13.13の積層物の一方の面の
電極と他方の面の電極と、をそれぞれ出力取り出し用の
電極としたもので、このような結線を行うことによって
直列接続となって厚さが2倍の膜状圧電体を用いたもの
に相当することになる。また、第16図に示した例は、
2枚の膜状圧電体13.13の積層物の両方の面の電極
を互いに接続して一方の出力取り出し用電極とし、2枚
の膜状圧電体13.13の積層界面の導電性接着剤層を
他方の出力取り出し用電極としたもので、このような結
線を行うことによって面積が2倍の膜状圧電体を用いた
ものに相当することになる。なお、第15図および第1
6図中において矢印は双極子の向きを示す。
15 and 16 are both connection diagrams for extracting the output of the sensor of this example. In the example shown in FIG. 15, the electrodes on one side and the electrodes on the other side of a stack of two membrane piezoelectric bodies 13.13 are used as output output electrodes, respectively. By making these connections, a series connection is achieved, which corresponds to using a film-like piezoelectric material twice the thickness. In addition, the example shown in FIG.
Electrodes on both sides of the laminate of the two membrane piezoelectric bodies 13.13 are connected to each other to form one output extraction electrode, and a conductive adhesive is applied to the laminated interface of the two membrane piezoelectric bodies 13.13. This layer is used as the other output extraction electrode, and by making such connections, it becomes equivalent to using a film-like piezoelectric material with twice the area. In addition, Fig. 15 and Fig. 1
In Figure 6, arrows indicate the direction of the dipole.

この構成のセンサにあっては、台座11と膜状圧電体1
3.13の積層物と荷重体14とを単に積層したもので
あるので、構造が簡単であり、製造力S容易となり、小
型化も可能となる。
In the sensor with this configuration, the pedestal 11 and the film-like piezoelectric material 1
Since the laminate of 3.13 and the load body 14 are simply laminated, the structure is simple, the manufacturing capacity S is easy, and miniaturization is also possible.

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、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1
4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、クロストークが
微かである。
Further, the planar shape of the membrane piezoelectric body 13 is point symmetrical with respect to the sensing axis G, and the planar shape of the bottom surface of the load body 14 is point symmetrical with the sensing axis G as the center of symmetry, and at the same time, the load body 1
Since the three-dimensional shapes of No. 4 are all line-symmetrical in a plane passing through the sensing axis G with the sensing axis G as the axis of symmetry, crosstalk is slight.

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14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。
Generally, when acceleration is applied to a sensor in a direction other than the direction of its sensing axis, it is divided into at least two components, one in the direction perpendicular to the sensing axis and the other in the direction of the sensing axis, according to the law of vector decomposition. This component in the direction perpendicular to the sensing axis acts on the center of gravity of the load body 14, and a bending moment about the center of gravity acts on the load body 14. Therefore, a compressive force acts on a part of the piezoelectric film 13, and a tensile force acts on the remaining part. In the piezoelectric film 13, the compressive force and the tensile force generate charges of opposite signs, or if the amounts of charges are equal, they cancel each other out and no output is output. Therefore, if a compressive force and a tensile force of equal magnitude act on the piezoelectric film 13, the output from the piezoelectric film 13 becomes zero, and acceleration in directions other than the sensing axis direction is no longer detected.

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方向以外の加速度が加わっても膜状圧電
体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。
In this invention, since the shapes of the piezoelectric film 13 and the load body 14 have the above-mentioned symmetry, the piezoelectric film 13 is not affected even if acceleration is applied in a direction other than the direction of the sensing axis G. Since compressive force and tensile force of equal magnitude act on the piezoelectric film 13, there is no output from the piezoelectric film 13, and crosstalk becomes extremely small.

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。
Further, this sensor has a high upper limit of its measurable frequency and a wide measurable frequency band.

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.+3、接着剤層、
電極などの弾性率を荷重体14の質mで除した値に比例
するため、従来の振動模型のセンサの共振周波数に比べ
て2 Ni以上高くなり、キロヘルプのオーダーとなる
。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。
The upper limit of the measurable frequency of this type of sensor is determined by the sensor's resonant frequency. Due to its structure, the resonance frequency of the sensor in this invention is determined by the resonance frequency of the membrane piezoelectric material 13. +3, adhesive layer,
Since it is proportional to the value obtained by dividing the elastic modulus of the electrode etc. by the quality m of the load body 14, it is higher than the resonant frequency of the conventional vibration model sensor by more than 2 Ni, and is on the order of kilohelp. However, it should be noted that as the elastic modulus of the adhesive layer decreases, the resonance frequency decreases.

このため、膜状圧電体13.13の積層物と台座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tいとし、膜状圧電体1
3の弾性率をEP、厚さを[、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。
Therefore, in the case where an adhesive is used to fix the laminate of the membrane piezoelectric material 13.13 to the pedestal 11 and the load body 14, the elastic modulus of the adhesive layer is EA, the thickness is t, 1
When the elastic modulus of 3 is EP and the thickness is [, it is necessary to satisfy the relationship expressed by the following formula.

(E A/ t A) / (E p/ j 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1
4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(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。
(E A/ t A) / (E p/ j p)≧0
1 What this formula means is that the load body 1
This is a condition for the force generated in 4 to be transmitted to the membrane piezoelectric material 13 without being absorbed and relaxed by the adhesive layer, and if the value of the above equation is less than 0.1, the absorption and relaxation by the adhesive layer cannot be ignored. (As mentioned above, the resonant frequency decreases, narrowing the measurable frequency band.

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。
Note that the thickness of the adhesive layer in the above formula refers to the thickness of all adhesive layers existing between the pedestal 11 and the load body 14. In addition, if the type of adhesive is different and the modulus of elasticity is different, calculate the ratio of the modulus of elasticity and thickness of each adhesive layer,
All you have to do is add this up and substitute it into the above formula.

したがって、接着剤としてはエボキン系、フェノール系
、シアノアクリレート系などの硬化142で、弾性率の
高いものを選択すべきであり、コ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
Therefore, the adhesive should be selected from Evoquin, phenol, and cyanoacrylate adhesives that are hardened 142 and have a high elastic modulus, and adhesive types such as Comb adhesives are inappropriate. Moreover, a conductive adhesive can also be used.

また、このセンサにあっては、2枚の膜状圧電体13.
13を導通状態で積層した構造を有しているために、検
知出力が大きくなる。すなわち、第15図に示すような
電極の結線を行えば、それぞれの膜状圧電体13.13
が同一の圧電特性を有していれば、出力取り出し電極間
に発生する電圧は、1枚の時に比べて2倍となる。また
、第16図に示すような電極の結線を行えば、並列接続
となって2倍の面積を持つ膜状圧電体に相当し、出力取
り出し用電極間に発生する電荷が2倍となり、ともに検
知出力を増大することが可能となる。
Moreover, in this sensor, two membrane-like piezoelectric bodies 13.
13 are laminated in a conductive state, the detection output is large. That is, if the electrodes are connected as shown in FIG.
If they have the same piezoelectric properties, the voltage generated between the output extraction electrodes will be twice that when there is only one sheet. In addition, if the electrodes are connected as shown in Figure 16, they will be connected in parallel, which corresponds to a membrane piezoelectric material with twice the area, and the electric charge generated between the output extraction electrodes will be doubled. It becomes possible to increase the detection output.

以下、具体例を示して作用効果を明確にする。Hereinafter, specific examples will be shown to clarify the effects.

(実施例1) 台座となる部材として厚さ5mmのアルミニウム阪壱用
息した。また、厚さ100μm、1辺が101aI11
の正方形のポリフッ化ビニリデンの膜状圧電体を2枚導
電性エボキン系接着剤で貼合わせ、さらにこれの両面に
アルミニウム蒸着電極を設けたものを作成した。この積
層膜状圧電体を台座にエポキシ系接着剤で接合し、さら
にこの上に底面が10mmの正方形で重量Log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で接
合した。
(Example 1) An aluminum plate with a thickness of 5 mm was used as a member to serve as a pedestal. Also, the thickness is 100 μm, and one side is 101aI11
Two square piezoelectric films made of polyvinylidene fluoride were bonded together using a conductive Evoquin adhesive, and aluminum vapor-deposited electrodes were provided on both sides. This laminated film-like piezoelectric body was bonded to a pedestal with an epoxy adhesive, and furthermore, a brass load body having a square bottom surface of 10 mm and a weight of Log was bonded thereon with an epoxy adhesive with the axes of symmetry aligned.

ついで、第15図に示すような出力取り出しのための結
線を行ってセンサとした。
Then, wiring was made to take out the output as shown in FIG. 15 to prepare a sensor.

(実施例2) 実施例1において、荷重体として底面が14mmの正方
形で重ff120gの黄銅製のものを用い、出力取り出
しのための結線を第16図に示したように行った以外は
同様にしてセンサとした。
(Example 2) The same procedure as in Example 1 was carried out except that a square load body with a bottom surface of 14 mm and a weight of 120 g made of brass was used, and the wiring for taking out the output was made as shown in Fig. 16. It was used as a sensor.

(比較例)) 実施例1において、膜状圧電体として厚さ200μm、
1辺が10mmの正方形のポリフッ化ビニリデンのもの
を1枚用いた以外は同様にしてセンサとした。ただし、
出力の取り出しは膜状圧電体の両面の電極を用いて行っ
た。
(Comparative example)) In Example 1, the film-like piezoelectric material had a thickness of 200 μm,
A sensor was prepared in the same manner except that one piece of polyvinylidene fluoride having a square shape of 10 mm on each side was used. however,
Output was extracted using electrodes on both sides of the piezoelectric film.

(比較例2) 実施例2において、膜状圧電体として厚さ100μm、
1辺が14mmの正方形のポリフッ化ビニリデンのもの
を1枚用いた以外は同様にしてセンサとした。ただし、
出力の取り出しは膜状圧電体の両面の電極を用いて行っ
た。
(Comparative Example 2) In Example 2, the film-like piezoelectric material had a thickness of 100 μm,
A sensor was prepared in the same manner except that one piece of polyvinylidene fluoride having a square shape of 14 mm on one side was used. however,
Output was extracted using electrodes on both sides of the piezoelectric film.

これらのセンサについて出力を測定し評価した。The output of these sensors was measured and evaluated.

実施例1および比較例1のセンサについては、出力はイ
ンピーダンス変換回路に接続して電圧として出力させた
。また、実施例2および比較例2のセンサについては、
出力はチャージアンプにより電荷として出力させた。そ
れぞれのセンサを20個作成して評価し、その出力の平
均値およびそのばらつきを次表に示した。
For the sensors of Example 1 and Comparative Example 1, the output was connected to an impedance conversion circuit and output as a voltage. Furthermore, regarding the sensors of Example 2 and Comparative Example 2,
The output was output as a charge by a charge amplifier. Twenty sensors of each type were created and evaluated, and the average value and variation of their outputs are shown in the following table.

表から明らかなように、実施例1と比較例1を比べると
出力、ばらつきの点で明らかに実施例Iが優れている。
As is clear from the table, when Example 1 and Comparative Example 1 are compared, Example I is clearly superior in terms of output and variation.

また、実施例2と比較例2を比べると性能は同等である
が大きさの点で実施例のものは小型となり優れている。
Further, when comparing Example 2 and Comparative Example 2, the performance is the same, but in terms of size, the Example is smaller and superior.

また、いずれのセンサについても、そのクロストークは
3〜5%の範囲であり、測定可能周波数帯域は、Q、l
Hz〜2KZであった。
In addition, for both sensors, the crosstalk is in the range of 3 to 5%, and the measurable frequency band is Q, l
It was Hz~2KZ.

〔発明の効果〕〔Effect of the invention〕

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、慣性重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2枚以上が積層された積層溝造
とされるとともにこれらの積層界面て導通状態とされ、 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fi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、高出力となり、またクロストークが極め
て少ないものとなる。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。
As explained above, the piezoelectric acceleration sensor of the present invention includes a pedestal rigidly attached to an object to be measured, a film-like piezoelectric material fixed to a measurement surface perpendicular to the sensing axis of the pedestal, and a piezoelectric film-like It has a load body made of a rigid body that is fixed on the body and acts as an inertial weight part, and the membrane piezoelectric body has a planar shape that is point symmetrical with the sensing axis as the center of symmetry in a plane parallel to the measurement plane. The load body is made of a laminated groove structure in which two or more sheets are laminated, and the interface between these laminations is in a conductive state. The structure is symmetrical with respect to the center, and when cut through countless planes passing through the sensing axis and perpendicular to the measurement surface, all cross sections are line symmetrical with the sensing axis being the fi axis. is simple, easy to miniaturize, provides high output, and has extremely little crosstalk. Furthermore, the measurable frequency band is wide, it is easy to design a measurement application, and there is a large degree of freedom in design.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of drawings]

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7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8図ないし第
14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・15図および第16図はいず
れもこの発明での膜状圧電体の出力取り出しのための結
線を示す図、 第17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。 第1図 1・・・・・台座、 2・・・・・測定面、 ・・・・感知軸、 3・・・・・・膜状圧電体、 4・・・・・・荷重体。
FIG. 1 is an exploded perspective view showing an example of a piezoelectric acceleration sensor of the present invention, FIGS. Figures 1 to 14 are all cross-sectional views showing examples of the three-dimensional shape of the load body used in the present invention, and Figures 15 and 16 are cross-sectional views showing examples of the three-dimensional shape of the load body used in this invention. FIG. 17 is a schematic configuration diagram showing an example of a conventional piezoelectric acceleration sensor. Fig. 1 1...Pedestal, 2...Measurement surface,...Sensing axis, 3...Membrane piezoelectric material, 4...Loading body.

Claims (2)

【特許請求の範囲】[Claims] (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2枚以上が積層された積層
構造とされるとともにこれらの積層界面で導通状態とさ
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。
(1) A pedestal that is rigidly attached to the object to be measured, a piezoelectric film that is fixed to the measurement surface perpendicular to the sensing axis of the pedestal, and a piezoelectric film that is fixed to the piezoelectric film and acts as an inertial mass part. The membrane piezoelectric material has a load body made of a rigid body, and the planar shape of the film piezoelectric material is point symmetrical with respect to the sensing axis as the center of symmetry in a plane parallel to the measurement surface, and the film piezoelectric material is a laminated layer in which two or more sheets are laminated. The load body has a structure in which the plane shape of the surface in contact with the membrane piezoelectric material is symmetrical with respect to the sensing axis as the center of symmetry, and the plane shape of the surface in contact with the membrane piezoelectric material is symmetrical with respect to the sensing axis. A piezoelectric acceleration sensor, characterized in that, when cut through countless planes perpendicular to the measurement surface, all the cross sections are symmetrical with respect to a sensing axis as an axis of symmetry.
(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
(2) In the piezoelectric acceleration sensor according to claim (1), the film-like piezoelectric body is fixed to the pedestal and the load body with an adhesive, the thickness of the adhesive layer is t_A, the elastic modulus is E_A,
A piezoelectric acceleration sensor characterized in that the thickness of the piezoelectric film is t_p and the modulus of elasticity is E_p, and the following relationship is satisfied. (E_A/t_A)/(E_p/t_p)≧0.1
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