JPH02203274A - 圧電型加速度センサによる加速度検出方法 - 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、圧電を加速度センサによる加速度検出方法に
関し、特に、高加速度が加わった場合に振動部分の変形
を抑制し、センサの耐久性を向上させるものである。

「従来の技術」 物理量である加速度の検出は、 Ｆ−ｒｎα （ただし、Ｆ；力、ｍ；質量、α；加速度）で与えられ
、加えられた力と比例関係にある。

加速度センサは、力という機械量を電気量に変換して検
出するもので、この変換方式には、圧電型、サーボ型、
歪みゲージ型などがある。この中で加速度センサにおい
ては圧電型が現在量も普及している。

圧電型加速度センナは、検知部に備えられた圧電素子に
外力が加わって歪みを受けると、その力の大きさに比例
した電気量を発生する圧電効果を利用したものである。

そして、圧電材料としては、Ｐ　ｂ（Ｚ　ｒ、Ｔ　ｉ）
Ｏｓ系［ＰＺＴと略称される　］や、ＰｂＴｉＯ３，Ｂ
ａＴｉｏ、（Ｐｂ、Ｌａ、Ｚｒ、ＴｉンＯｓ　［ＰＬＺ
Ｔと略称される　］等の一般的なセラミックス材料、ポ
リフッ化ビニリデンやポリ塩化ビニリデンなどの高分子
系材料があり、検出周波数、許容加速度の大きさや測定
範囲などによって使い分けられている。

従来、加速度センサの例として、実開昭６１−９６３４
０号公報や、実開昭６１−９９０２６号公報の技術が提
案されており、振動検出特性の改良を行なおうとしてい
る。

「発明が解決しようとする課題」 しかし、加速度センサは、外力（加速度）が加わえられ
たときに、振動部分が変位して圧電素子部分を歪ませ、
その歪み量に比例した電荷（電位差）を発生させるもの
であるから、加速度の大きさと圧電素子部分の歪み量と
が正確な比例関係を維持することが望ましい。振動部分
（例えば振動板）が弾性変形範囲を越えて振動するよう
な大きな加速度が加わると、塑性変形の発生に伴って、
振動部分が劣化して加速度検出誤差の増大を招いたり、
振動部分が破壊されて加速度検出そのものが不可能とな
る現象を生じる。

また、小さな塑性変形の場合でも、−炭田性変形が生じ
ると、加速度検出の再現性が損なわれてしまうことにな
る。

本発明は、振動部分の塑性変形を積極的に防止して、加
速度検出の信頼性と検出精度とを向上させ、かつ、セン
サの耐久性を向上させる目的を有するものである。

「課題を解決するための手段」 上記課題を達成するための２つの手段を提案している。

第１の手段は、振動板の変位時に、該振動板の表面に貼
付した圧電素子の歪みに基づいて発生する電位差によっ
て加速度を検出する方法であって、振動板のたわみ量が
振動板の厚さの０．４倍以下となる加速度の範囲である
かどうかを判別し、該範囲を越えている場合には、前記
圧電素子または同型の圧電素子に逆電位差を印加して、
たわみ量を減少させる加速度検出方法である。

第２の手段は、逆電位差発生の基準とする加速度と、逆
電位差によって打ち消す分に対応する加速度とを加算し
て、測定すべき加速度を算出する構成要件を第１の手段
に付加している加速度検出方法である。

「作用」 これらの各手段にあって、加速度が加わることにより振
動板が変位すると、その表面に貼付されている圧電素子
の歪み量に比例した電荷（電位差）を発生する。この電
荷を加速度に換算することにより加速度の検出がなされ
る。

加速度の検出とともに、振動板のたわみ量が厚さの０．
４倍以下となる加速度範囲であるかどうかの判別を行な
って、加速度範囲を越えている場合には、電位差を圧電
素子に印加したときに、圧電素子が歪む現象を使用して
、振動板を逆方向に変位させる駆動を行なって正方向の
変位、と相殺し、振動板の全体変位量が弾性変形範囲内
に収まるようにする。

そして、振動板の変位が同方向に引き続き生じると、そ
の変位量を補償するように、逆電位差を圧電素子に印加
することが繰り返される。

したがって、振動板は、弾性変形範囲内での振動が繰り
返されることになり、高加速度が加えられた場合におい
ても、振動板の実質的な変位量が、たわみ量の許容値の
範囲内に抑制される。

また、高加速度が加えられＩ；場合には、振動板そのも
のは弾性変形範囲内の振動しかしないが、逆電位差発生
の基準とする加速度分と、逆電位差を印加することによ
って減少させる加速度分とを加算することにより、全体
の測定すべき加速度が求められる。

「実施例」 以下、本発明に係る圧電型加速度センサによる加速度検
出方法の実施例について、図面を参照して説明する。

第１図は、加速度検出方法を実施するための全体構成の
結線図を示している。

該第１図において、符号ｌは検知部、２は円板状に形成
された振動板、３は二の振動板２の表面に一体的に固着
された薄膜状の高分子系圧電素子、４はこの圧電素子３
の表面に一体に取り付けられた電極、Ｒは積層体で振動
板２と圧電素子３と電極４とを積層一体化してなるもの
を示しているとともに、これら積層体Ｒの中心部に、円
形孔５が形成されており、前記積層体Ｒは、その周縁部
を円環状の固定部（固定枠）６で挾むようにして、その
固定部６の真円状穴６ａの中に、円形孔５が同心円状に
配置されるように張架状態に支持されている。

そして、検知部ｌには、超高速スイッチング回路７、イ
ン−ダンス変換回路８、増幅回路９、データ処理回路１
０、加速度レベル表示装［１１が接続されて、加速度の
検出がなされるどともに、逆電位差を後述するように付
与するために、遅延回路Ｉ２と逆電圧発生回路１３と電
圧レベル設定回路口とが接続されている。

さらに詳細を説明すると、振動する部分、つまり、前記
積層体Ｒは、固定部６における真円状穴６ａの中に位置
する部分が厚さ方向に変形して、振動するように設定さ
れている。

また、前記振動板２は、ヤング率が高く、かつ、耐衝撃
性に優れた材料によって形成することが好ましく、主に
、鉄、銅、ニッケル等の単一金属、あるいは黄銅、ステ
ンレス鋼等の合金からなる金属材料が用いられるが、こ
の他にも、ガラス繊維あるいはカーボン繊維等とプラス
チックとの複合材料も高ヤング率である点から適してい
る。

前記圧電素子３は、前記振動板２と同径に形成され、円
形孔５が形成されたフィルム状材の両面に、蒸着等の薄
膜形成法により電極４・４が被覆状態に形成されたもの
である。そして、圧電素子３のフィルム状材の基材部分
は、高分子系材料、ポリフッ化ビニル、ポリフッ化ビニ
リデン（ＰｖＤＦ　　）、ポリ塩化ビニリデン、ナイロ
ン１１．ポリカーボネート、ポリ（ｍ−）二二しンイン
フタルアミド）フッ化ビニリデン−四フッ化エチＩ／ン
共重合体、フッ化ビニリデン−フッ化ビニル共重合体、
フッ化ビニリデン−三７ツ化共重合体、シアン化ビニリ
デン−酢酸ビニル共重合体、これらと他の熱可塑性樹脂
どの混合物などが好適であり、Ｐ　ｂ（Ｚ　ｒ、Ｔ　ｉ
）０３　、Ｐ　ｂＴ　ｉｏ　、、（Ｐ　ｂ、　Ｌ　ＩＸ
Ｚ　ｒ、Ｔｉ）Ｏｘ　、ＢａＴｉ０ｎ、Ｂ　ａ（Ｚ　ｒ
、Ｔ　ｉ）０３　％　（Ｂ　ａ。

Ｓ　ｒ）’ｒ　ｉｏ　、等の無機圧電材料の微粉末を熱
可塑性樹脂や熱硬化性樹脂等の高分子中に混ぜたもの、
あるいは、セラミックス系などを適用することができる
。

振動板２と圧電素子３とを貼付して一体化してなる構造
の場合には、円形孔５の内径ｄと、真円状穴６ａの内ｆ
ｉ　ｄ。との間には、次の関係が付与される。

０．１５≦ｄ／ｄ、≦０．７−・・　＝＝　（ａ）また
、振動板２のヤング率Ｅｖおよび厚さ寸法Ｔｖと、圧電
素子３のヤング率Ｅｆおよび厚さＴｆとの間には、 （Ｅｖ　ｘＴｖ’　）／（Ｅｌ　ｘＴＩ３）≧５・・・
・・・（ｂ）なる関係を有するように設定される。

そして、振動板２の部分の許容たわみ量（ｆｆｌ性変形
が生じない範囲のたりみ量）Ｗは、振動板２の厚さをｈ
とするとき、 Ｗ≦０．　４ｂ　　　　　　　　　　　　・・・・・・
（ｃ）の関係が成立する範囲とされる。高加速度の印加
によって、たわみ量が（ｃ）式の範囲を越えるどきには
、許容たわみ量以下に抑制する後述の手段が講じられる
。

く許容たわみ量以下の加速度検出〉 比較的小さな加速度を検出する場合には、第１図におい
て、実線の矢印で示すように、検出部１の出力信号をイ
ンピーダンス変換回路８に送り込み、インピーダンス変
換回路８によってインピーダンス変換を行なうどともに
、そのデータを増幅器９により必要なレベルまで増幅し
、データ処理回路１０によって電圧値などに変換してピ
ーク電圧などを読み取り易くし、加速度レベルの算出を
行なうと同時に、このときの加速度が、振動板２のたわ
み量を（ｃ）式の範囲とするレベルであるかどうかの判
別を行なう。

そして、たわみ量が（Ｃ）式の範囲内に収まっていると
きに、これに対応する加速度１〆ベルは、加速度レベル
表示装置ＩＩによって、加速度として表示するなどの加
速度検出方法が行なわれる。

〈許容たわみ量より大きい加速度の検出〉高加速度が印
加された場合、つまり、許容限度を越える加速度が加え
られた場合は、次のようにして、振動板２のたわみ量を
（ｃ）式の範囲内に抑制する（いわゆるリミッタを作動
させる）。

第１図において実線の矢印で示した回路による通常の加
速度検出を行なっている場合、データ処理回路１０にお
いて、（Ｃ）式の範囲を越える大きさのたわみ量に対応
する加速度レベルであると判別されたときには、加速度
レベル表示装置１！による加速度表示および検出を中断
するか、あるいは−時中断し、第１図において、破線の
矢印で示す回路を作動させる。

超高速スイッチング回路７を作動させることにより、検
知部ｌの出力信号を超高速スイッチング回路７において
複数分割し、その複数分割しｔ；出力信号を一つ置きに
インピーダンス変換回路８に送り込み、インピーダンス
変換回路８によりインピーダンス変換を行ない、そのデ
ータを増幅器９によって必要なレベルにまで増幅し、さ
らに、データ処理回路１０によって分割されたデータを
積分処理するなどにより、連続しｔ；波形の電圧値など
に変換することにより、加速度検出を行なうとどもに、
加速度検出に使用した一つ置きの出力信号に対応するデ
ータ信号を、遅延回路１２によって複数分割時間だけ遅
延させて逆電圧発生回路１３に送り、加速度検出に使用
されていない時間を使って、逆電位差（逆電圧）を発生
させ、圧電素子３に印加することによって振動板２を逆
方向に変位させる駆動を行なって正方向の変位と相殺し
、振動板の全体変位量が（ｃ）式の弾性変形範囲内に収
まるようにする。

この場合の逆電位差の大きさは、電圧レベル設定回路１
４の指令によって行なわれ、例えば、前述しＩ：（Ｃ）
式の範囲を越える分（差の分）のたわみ量を振動板２に
付与して、（ｃ）式を満足する基準加速度に対して、こ
の基準加速度を越えた分の逆電位差を設定し、弾性変形
範囲内のたわみ量を保障する。

そして、振動板の変位が同方向に引き続き生じると、そ
の変位量を補償するように、逆電位差を圧電素子に印加
することが繰り返される。

したがって、振動板２は、弾性変形範囲内で振動が繰り
返されることになり、高加速度が加えられた場合におい
ても、振動板２の実質的な変位量が、たわみ量の許容値
の範囲内に抑制される。

また、高加速度が加えられた場合の加速度検出を必要と
する場合は、前述したように、振動板２のたわみ量を（
ｃ）式の範囲内に抑制する（リミッタを作動させる　）
基準加速度の大きさに、逆電位差を印加することによっ
て減少させる加速度を加算することにより、全体の測定
すべき加速度が求められ、この加速度レベルが加速度レ
ベル表示装置ＩＩにより、加速度として表示される。

く実験例〉 第１図に示した加速度センサ（検知部１　）を使用して
、加速度検出方法の比較を行なった。

比較用のサンプルとして、以下に説明する実施例サンプ
ル、比較例サンプルを用意した。

［実施例サンプル］ 弾性変形範囲以上の加速度（１，５Ｇ　）が印加された
ときに、リミッタを作動させる方法。つまり、８．５Ｇ
を越えた分について逆電位差を付与する補償を行なった
もの。

［比較例サンプル］ 実施例サンプルど構造は同じであるが、リミッタによる
補償を行なわなかったもの。

また、実験に使用した加速度センサの仕様は、次の通り
である。

［圧電素子コ 材質：ポリフッ化ビニリデン延伸フィルム弾性率Ｅｆ　
：　３　Ｘ１ｌｌ’　Ｎ７ｃｍ”圧電定数ｄＢ：　２５
　ｐｃ／　Ｎ 比誘電率　：１２．５ 厚さ：　９μｍ 大ささ：振動部分の直径７　ａｍ、円形孔２．７１ｍｍ
１「振動板」 材質：ニッケルめっき 弾性率Ｅ　ｖ　：　２０．２Ｘ　１０’　Ｎ　／　ｃｍ
”厚さ：　　５μ量 大きさ：振動部分の直径７ｉｍ 第１表 （連続負荷時の劣化） ［固定部（固定枠）］ 材質ニガラス強化エポキシ樹脂 厚さ：片側　１＋＋＋ｍ 大きさ：真円状穴内径７■、外径１３醜履［連続負荷に
よる劣化特性］ 実施例サンプル、比較例サンプルによる各方法において
、２００８２．５０　Ｇの正弦振動加速度を連続印加し
た後、２ＨＨｚｌＧでの出力を測定した。

連続負荷後の出力値は、初期出力値を１とした場合、第
１表に示すようになった。

この結果から、実施例サンプルでは、５０Ｇの加速度が
連続して長時間加わった場合においても、センサ出力の
低下がまったく認められず、一方、比較例サンプルでは
、時間経過とともにセンサ出力の低下が著しくなる現象
（経時変化）が認められ、加速度がセンサに連続して付
与される場合の耐久性と検出精度の維持の点では、実施
例方法の優位性が明らかとなった。

く他の実施態様〉 本発明にあっては、次の手段を採用することができる。

（イ）振動板の材質を前述したニッケルの銅、亜鉛など
の他の金属とすること。

（ロ）固定部（固定枠）を剛性が高く、かつ、圧電素子
および振動板を確実に固定することの可能な任意の材料
で形成すること。

（ハ）加速度検出用圧電素子と振動板道変位用圧電素子
とを別々に取り付けて振動板にを変位させること。

（ニ）許容たわみ量以下に相当する加速度でリミッタを
作動させ、その下または上の加速度検出を行なうこと。

「発明の効果」 以上説明しｔ；ように、本発明に係る圧電型加速度セン
サによる加速度検出方法は、 ■加速度印加時における振動板のたわみ量が許容値を越
える加速度であるかどうかを検出して、加速度が大きい
場合には、圧電素子に逆電位差を印加して、たわみ量を
減少させる手段を講じるようにしている（いわゆるリミ
ッタを働かせている）ので、高加速度時にＶける振動板
のたわみ量を許容値以下に抑制して、ｍａ変形の発生を
防止し、振動板の変位を弾性変形範囲内とする保護を行
ない、耐久性を向上させることができる。

■振動板などのたわむ部分が弾性変形範囲に抑制されて
、塑性変形を生じることがないので、高加速度が印加さ
れる場合や、加速度印加が長時間に及ぶような場合にあ
っても、経時変化を抑制して長期間にわたって高い検出
精度を維持し、加速度センサの信頼性を向上させること
ができる。

■たわみ量が許容範囲を纏えるような加速度印加時に、
リミッタを働かせることによって、異常な加速度による
誤差の発生を防止し、小型の加速度センサなどにおいて
、検出感度を高めた場合においても、加速度検出を支障
なく行なうことができる。

■リミッタの作動を開始させる加速度とこれを越えた分
の加速度との和とによって、全体の加速度の大きさを算
出することが容易であり、加速度範囲を拡大するなどの
実用性を向上させることができる。

などの優れｔ；効果を奏するものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る圧電型加速度センサの加速度検出
方法を実施するための全体構成の結線図である。 １・・・・・・検知部、 ２・・・・・・振動板、 ３・・・・・・圧電素子（高分子系圧電素子）、４・・
・・・・電極、 ５・・・・・・円形孔、 ６・・・・・・固定部（固定枠）、 ６ａ・・・・・・真円状穴、 ７・・・・・・超高速スイッチング回路、８・・・・・
・インピーダンス変換回路、９・・・・・・増幅回路、 １０・・・・・・データ旭理回路、 １１・・・・・・加速度レベル表示装置、１２・・・・
・・遅延回路、 ■・・・・・・逆電圧発生回路、 目・・・・・・電圧レベル設定回路、 Ｒ・・・・・・積層体。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. １．振動板の変位時に、該振動板の表面に貼付した圧電
   素子の歪みに基づいて発生する電位差によって加速度を
   検出する方法であって、振動板のたわみ量が振動板の厚
   さの０．４倍以下となる加速度の範囲であるかどうかを
   判別し、該範囲を越えている場合には、前記圧電素子ま
   たは同型の圧電素子に逆電位差を印加して、たわみ量を
   減少させることを特徴とする圧電型加速度センサによる
   加速度検出方法。
2. ２．逆電位差発生の基準とする加速度と、逆電位差によ
   って打ち消す分に対応する加速度とを加算して、測定す
   べき加速度を算出することを特徴とする請求項１記載の
   圧電型加速度センサによる加速度検出方法。