JPH01312425A - 力学量センサ - 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、振動、衝撃などの強さに相関する力学量、
すなわち振動、衝撃などによって生じる加速度を検知す
るための力学量センサに関するもので、特に、人体が「
揺れ」として感じる０、０１Ｈｚ〜５０Ｈｚ程度の超低
周波帯域における振動、衝撃などを感度良く検出するた
めのセンサに関するものである。この発明の力学量セン
サは、たとえば地震の検知用として、また、自動車の走
行時の姿勢制御用やブレーキング時の減速効果の確認用
として用いることができる。

［従来の技術］ 力学量の検知には、種々の方法が考えられるが、安価で
かつ感度の良いセンサとしては、圧電式のものが主流と
なっている。実用化されている圧電式力学量センサには
、第１０図に示すような圧電素子１，２の縦効果を利用
するものや、第１１図に示すような金属板３の両面に圧
電素子４．５を貼合わせた円板バイモルフ６の屈曲変形
により電気信号を取出すもの、などがある。

［発明が解決しようとする課題］ 上述した２つの形式のセンサのうち、後者のものは、前
者のものに比べて、同一加速度に対する変形量、したが
って発生電荷量がより大きく、低周波帯域での感度が優
れているという特徴を有しているが、次の２点が問題と
して残されていた。

その第１は、第１２図に示した圧電電圧検出回路におい
て、圧電素子７からの信号を電圧として取出すためには
、高いインピーダンスで受けなければならないことであ
る。通常は、ＩＭΩ以上である。このことは、外来ノイ
ズに対するシールドを十分にする必要があり、また、信
号線の引き回しにも一定の制約を与える。さらに、圧電
素子７の容量Ｃと入力インピーダンスＲとは、ｆ−１／
（２πＣＲ）［Ｈｚ］の周波数で決定される遮断周波数
を持ったバイパスフィルタを構成する。したがって、超
低周波帯域における加速度を検知したい場合には、Ｒを
さらに大きなものにする必要があり、その点で、さらに
高い耐ノイズ性が要求されるが、これら両方の要件を満
たすことは、実用上、困難であった。

その第２は、圧電素子は、また焦電素子でもあることに
起因する。たとえば、０．　１　Ｈｚ程度の加速度を検
知する場合には、外部の温度変化による焦電電圧が無視
できないことがある。すなわち、圧電効果と焦電効果と
は、共に分極軸方向の結晶伸縮に由来する現象であるた
め、それぞれを単一の信号として分離できないという問
題点があった。

そこで、この発明は、上述した従来技術の問題点を解消
すべくなされたもので、外来ノイズに対して強く、低周
波帯域での検知に制約を受けず、さらに、焦電効果の影
響がない、力学量センサを提供することを目的とするも
のである。

［課題を解決するための手段］ この発明に係る力学量センサは、上述した技術的課題を
解決するため、次のような構成を備えることが特徴であ
る。

まず、固定部材と、外部からの力によってその少な（と
も一部が固定部材に対して変位する変位部材とを備える
。固定部材には、第１の超音波トランスデユーサが設け
られる。他方、変位部材の変位する部分には、第２の超
音波トランスデユーサが設けられる。この第２の超音波
トランスデユーサは、第１の超音波トランスデユーサに
対して空間を介して対向するように配置される。これら
第１および第２の超音波トランスデユーサのいずれか一
方は、送信側トランスデユーサとされ、同じくいずれか
他方は、受信側トランスデユーサとされる。送信側トラ
ンスデユーサには、これを励振するための励振信号が、
入力信号発生手段から与えられる。そして、送信側トラ
ンスデユーサの出力を空間を介して受ける、受信側トラ
ンスデユーサの出力は、出力処理手段によって処理され
る。

この出力処理手段は、変位部材の変位に応じて空間の距
離が変わることによってＡＭ変調を受けた受信側トラン
スデユーサの出力を復調するための手段を含む。

［発明の作用および効果］ この発明の力学量センサにおいて、外部からの振動また
は衝撃など、外部から何らかの力が与えられるとき、変
位部材は、その少なくとも一部が所定の加速度を持って
変位する。この変位量は、加速度の大きさに実質的に比
例する。変位部材のこのような変位に応じて、第１の超
音波トランスデユーサと第２の超音波トランスデユーサ
との間、すなわち送信側トランスデユーサと受信側トラ
ンスデユーサとの間の距離が変化する。受信側トランス
デユーサは、送信側トランスデユーサからの音圧を受け
て常時共鳴しているが、このような距離の変化を生じた
とき、受信側トランスデユーサの出力電圧波形がＡＭ変
調を受けることになる。

したがって、このＡＭ変調を受けた出力波形を復調すれ
ば、その復調出力は、検知しようとする力学量の関数と
なる。このようにして、受信側トランスデユーサの出力
を復調すれば、それが得ようとする力学量を表わす信号
として取出すことができる。

また、この発明において用いられる超音波トランスデユ
ーサは、そのインピーダンスが小さく、特に、受信側ト
ランスデユーサにあっては、たとえば数１０にΩ以下と
することができる。したがって、このようなトランスデ
ユーサを回路に組込んだとき、外来ノイズの影響を小さ
く抑えることができる。

また、この発明の力学量センサは、変位部材の変位量の
みが信号の源となり、この変位が持続的であれば、出力
も持続して、それに相関した電圧値を示すため、基本的
には、直流に基づく測定が可能である。したがって、電
気的な遮断周波数から来る制約がなく、超低周波帯域で
の振動、衝撃等を問題なく検知することができる。

さらに、受信側トランスデユーサは送信側トランスデユ
ーサからの音圧を受けて常時共鳴しており、電荷は常に
充放電を繰返している。したがって、外部温度変化によ
る焦電効果による電荷は、直ちに放電され、焦電効果の
影響を受けず、感度の高い検知が可能である。

［実施例の説明］ 第１図は、この発明の一実施例としての力学量センサを
示す斜視図であり、第２図は、同じく断面図である。な
お、センサは、通常、外側を取囲むケースに収納される
が、第１図および第２図には、そのようなケースの図示
が省略されている。

センサは、固定部材としてのベース１１と、変位部材と
しての金属薄板１２とを備える。金属薄板１２は、ベー
ス１１に片持ち支持されており、それによって、外部か
ら与えられる力によってその少なくとも一部、特にその
自由端部がベース１１に対して変位することができる。

なお、変位部材を構成する金属薄板は、たとえば、カー
ボンファイバ強化プラスチックの板、等に置換えられて
もよい。すなわち、変位部材に要求される好ましい性質
は、機械的Ｑが低く　（すなわち、残響振動が少なく）
、弾性を有していることである。このような性質を満た
す限り、変位部材は、どのような材料から構成されても
よい。

ベース１１には、第１の超音波トランスデユーサ１３が
設けられ、他方、金属薄板１２の自由端部には、第２の
超音波トランスデユーサ１４が設けられる。これら第１
および第２の超音波トランスデユーサ１２および１３は
、所定の空間１５を介して互いに対向するように配置さ
れている。

第１および第２の超音波トランスデユーサ１３および１
４は、この実施例では、互いに同じ構造を有しており、
それぞれ、ユニモルフ型振動板１６ａおよび１６ｂの上
にロート状共振子１７ａおよび１７ｂを取付けた構造の
ものである。そして、これら超音波トランスデユーサ１
３．１４として、たとえば４０ｋＨｚの共振周波数を持
つものが用いられる。

第１および第２の超音波トランスデユーサ１３および１
４のいずれを送信側および受信側とするかは全く任意で
あるが、この実施例では、第１の超音波トランスデユー
サ１３が送信側トランスデユーサとされ、第２の超音波
トランスデユーサ１４が受信側トランスデユーサとされ
ている。したがって、送信側トランスデユーサ１３のリ
ード線１８ａ、１８ｂが、第３図を参照して後述する送
信側の回路に結線され、他方、受信側トランスデユーサ
１４のリード線１９ａ、１９ｂが、受信側の回路に結線
される。

第３図を参照して、送信側トランスデユーサ１３には、
送信側回路に含まれる入力信号発生手段としての発振回
路２０から、第４図のＡで示すような矩形波の波形（４
０ｋＨｚ）を有する励振信号が与えられる。これによっ
て、送信側トランスデユーサ１３は、励振され、この励
振によって発生された音圧は、空間１５を介して受信側
トランスデユーサ１４によって受けられる。このとき、
空間１５の距離が一定の場合には、受信側トランスデユ
ーサ１４は、第４図のＢで示すような正弦波の波形を有
する信号を出力する。この受信側トランスデユーサ１４
からの出力は、受信側の回路によって処理される。この
出力処理手段としては、感度調整回路２１、ＡＭ復調回
路２２および増幅・ローパスフィルタ回路２３を備える
。

今、第１図および第２図に示した金属薄板１２の屈曲変
位量Ｘは、次式によって表わされる。

ｘ−（４Ｆ悲３）／（Ｅｂｔ’） ここに、Ｆは力、区は有効長、ｔは金属薄板１２の厚み
、ｂは金属薄板１２の幅、Ｅはヤング率である。また、
加速度をａ（ｍ／５ｅｅ２）とし、質量をｍとしたとき
、 −ｍａ の関係が成立つので、上述した屈曲変位量ｘは、ｘ−［
（４ｒｒｌ！　３　）　　／　　（Ｅｂ　　ｔ’　　）
　　コ　ａで表わされるため、屈曲変位Ｈｋｘは加速度
ａに比例することになる。したがって、送信側トランス
デユーサ１３と受信側トランスデユーサ１４との間の空
間１５の距離は、実質的に、加速度ａに比例して変化す
ることになる。

なお、空間１５の距離は、たとえば、約２ｍｍ程度に選
ばれる。実験的には、この空間１５の距離が大きくなれ
ば、受信側トランスデユーサ１４の出力電圧は小さくな
り、また、センサの形状も大きくなるが、１／４波長以
内であれば、受信波形の歪はほとんどないことを確認し
た。

上述のように、空間１５の距離が変化すると、受信側ト
ランスデユーサ１４の出力信号は、ＡＭ変調を受けるこ
とになる。たとえば、第５図のＣは、ＡＭ変調された受
信波形を示している。このように、ＡＭ変調を受けた受
信側トランスデユーサ１４からの出力信号は、感度調整
回路２１において、インピーダンス変換もしくは増幅を
受けて、一定振幅の連続波に変換され、次いで、ＡＭ復
調回路２２において復調され、さらに、搬送波である４
０ｋＨｚの信号のリップルを除きかつ増幅するための増
幅・ローパスフィルタ回路２３を通して出力される。第
５図のＤは、ＡＭ復調回路２２および増幅・ローパスフ
ィルタ回路２３を経て、復調かつ増幅された波形を示し
ている。

実際に、加振器により、１０Ｈｚの振動を、０゜２Ｇ、
０．４Ｇ、０．６Ｇ、０．８Ｇおよび１゜０Ｇの各加速
度でセンサに加えてみた。第６図は、これらのうち、０
．２Ｇ、０．６Ｇおよび１．０Ｇの加速度の振動をセン
サに加えた場合の、出力電圧を示す波形図である。第６
図かられかるように、加速度の増加に伴なって、得られ
た出力電圧は高くなっている。第７図には、加速度と出
力電圧との関係が示されている。たとえば、加速度１゜
０Ｇでは、第６図および第７図に示すように、約１．５
Ｖのピーク・トウ・ピーク電圧が得られており、また、
第７図に示すように、加速度と出力電圧との間には、直
線的な関係が得られている。

したがって、この実施例によれば、加速度すなわち力学
量を検知するセンサとして十分に実用可能であることが
わかる。

この発明に係る力学量センサは、第１図および第２図に
示すような構造のものには限らない。

たとえば、第８図に示すように、金属薄板１２ａを、ベ
ース１１ａに対して弾性体２４を介して周辺支持しても
よく、また、第９図に示すように、金属薄板１２ｂをベ
ースｌｌｂに対して周辺固定してもよい。

なお、第８図および第９図において、第２図に示す部分
に相当の部分は同様の参照符号を付し、重複する説明は
省略する。

また、超音波トランスデユーサとしては、図示したよう
な、ロート状共振子１７ａ、１７ｂを取付けたもののほ
か、単なるバイモルフ素子やユニモルフ素子を用いても
よい。

また、変位部材として、それ自身が屈曲可能な金属薄板
１２，１２ａ、１２ｂを用いるほか、別の弾性部材によ
り保持された部材に置換えられてもよい。

【図面の簡単な説明】

第１図は、この発明の一実施例となる力学量センサを示
す斜視図である。第２図は、第１図に示したセンサの断
面図である。第３図は、センサを駆動かつ、センサによ
って検出された力学量をアナログ出力として取出す回路
の一例を示す。第４図は、第３図に示した回路によって
送信側トランスデユーサ１３に与えられる励振信号の波
形（Ａ）と、受信側トランスデユーサ１４から出力され
る出力信号の波形（Ｂ）とを示す。第５図は、変調を受
けた受信側トランスデユーサ１４の出力信号の波形（Ｃ
）と、復調された信号の波形（Ｄ）とを示す。第６図は
、種々の加速度によって励振された場合の出力電圧の波
形を示す。第７図は、この発明に係るセンサによって達
成される加速度と出力電圧との関係を示すグラフである
。 第８図および第９図は、それぞれ、この発明の他の実施
例としての力学量センサを示す断面図である。 第１０図および第１１図は、従来の圧電式力学量センサ
の構造の概略を示す。第１２図は、たとえば第１１図に
示されたセンサに関連して用いられる圧電電圧検出回路
を示す。 図において、１１．　１１　ａ、　　１　ｌ　ｂはベー
ス（固定部材）、１２，１２ａ、１２ｂは金属薄板（変
位部材）、１３は第１の超音波トランスデユーサまたは
送信側トランスデユーサ、１４は第２の超音波トランス
デユーサまたは受信側トランスデユーサ、１５は空間、
１２は発振回路（入力信号発生手段）、２２はＡＭ復調
回路である。 ｆＯＰｓｅｃ／ｌ！’＋Ｖ 主力ｔ　７ｉ−（ｒｏｏｎｓｖ７ａ；ｖ）第７図 ｏ　　　　　ｏ、ｚ　　　　ｏ、１＋ｏ、ｂ　　　　ｏ
、ｓ　　　　　ｔ、。 〃σ達彦（Ｃｒ）

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 固定部材と、 外部から与えられる力によってその少なくとも一部が前
   記固定部材に対して変位する変位部材と、前記固定部材
   に設けられる第１の超音波トランスデューサと、 前記変位部材の変位する部分に設けられかつ前記第１の
   超音波トランスデューサに対して空間を介して対向する
   ように配置される第２の超音波トランスデューサと、 前記第１および第２の超音波トランスデューサのいずれ
   か一方である送信側トランスデューサに、これを励振す
   るための励振信号を与えるための入力信号発生手段と、 前記送信側トランスデューサの出力を前記空間を介して
   受ける、前記第１および第２の超音波トランスデューサ
   のいずれか他方である受信側トランスデューサの出力を
   処理するための出力処理手段と、 を備え、 前記出力処理手段は、前記変位部材の変位に応じて前記
   空間の距離が変わることによって、ＡＭ変調を受けた前
   記受信側トランスデューサの出力を復調するための手段
   を含む、 力学量センサ。