JPH0295263A - 振動加速度センサ - 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 本発明は圧電材料の電気機械変換特性を利用し、物体の
振動やそれによって生じる加速度を検出する振動加速度
センサに関するものである。

従来の技術 従来、振動物体における弾性振動を検出する圧電形速動
加速度センサとして、圧電素子の厚さ方向の圧縮、引っ
張り力を利用した縦効果型と、せんだん力を利用したせ
んだん効果型が一般的であるが、振動物体の固有振動数
に共振周波数を合わせ特定周波数成分のみを検出する、
あるいは所定周波数領域の振動成分を検出し、低周波に
おける感度向上を図った場合には横効果型、すなわち屈
曲振動モードを利用した片持ち染型構造の振動子が広く
知られている。片持ち染型構造を取る振動加速度センサ
の場合、振動子の一端固定という固定条件の実現が難し
いが、特開昭５９−７０９２３号公報に示されているよ
うに、振動検出部分である片持ち染型構造の屈曲振動子
を、円板等の板状貼り合わせ圧電素子中に切り込みを設
けて作りこみ、前記屈曲振動子はその一端において貼り
合わせ板状圧電素子と一体であり、屈曲振動子の周囲を
固定支持することにより、固定条件の安定化が図られて
いるものがある。

発明が解決しようとする課題 しかしながら振動検出に対して安定化が図られても、温
度変化に対しての信号の安定化が図られていない。

このような従来の圧電型振動加速度センサでは、加速度
のような機械力を検出すると同時に、周囲の温度変化に
対し電荷を発生する。圧電材料がもつ焦電効果によるも
ので、電荷発生は次式で与えられる。

ｄＱ／ｄ　ｔ＝に−ｄＴ／ｄ　ｔ　　　　（１）ここて
Ｑは電荷、Ｔは温度、ｔは時間、そしてｋは比例定数を
表す。即ち、この電荷の発生は検出すべき加速度によっ
て発生した電荷と区別することが不可能であり、加速度
の検出に大きな誤差をもたらす。圧電材料を２枚貼り合
わせた構造の加速度センサは、分極軸方向が互いに逆と
なるよう貼り合わせ、上下面を信号取り出し電極とする
直列型、及び分極軸方向を揃え、上下面電極の導通をと
り貼り合わせ面電極と共に信号取り出し電極とした並列
型では、理論的には前記発生電荷を打ち消しあうことが
できるが、従来の加速度センサては圧電材料への熱の伝
わり方が不均一で、加速度検出部分である屈曲振動モー
ド振動子からの信号取り出し部分等による非対称な電極
により、また貼り合わせる圧電素子の厚さ、長さ等の形
状の違いにより過酷な温度条件下では焦電による発生電
荷を相殺しきれず出力信号が現れ、高精度な加速度セン
サを供給できなかった。

また、温度変化に対して圧電材料そのものの特性が変化
するため感度が変わってしまうのでサーミスタ等を用い
て温度補正を行なう必要があった。

請求項１０本発明は、このような従来のセンサの課題に
鑑み、温度変化により生じる焦電出力信号を低減させ、
高精度な振動加速度センサを提供することを特徴とする 請求項２の本発明は、温度変化によって変化する感度の
補正を同じ貼り合わせ圧電素子を用いておこなう高精度
な振動加速度センサを提供することを目的とする。

課題を解決するための手段 請求項１の本発明は、厚さ方向に分極軸を有し、上下面
に電極を有する板状圧電素子２枚を分極軸方向が同一方
向となるごとく貼り合わせた構造の貼り合わせ圧電素子
と、前記貼り合わせ圧電素子に切り抜きを設けることに
より形成された屈曲振動モード振動子と、前記屈曲振動
モード振動子の周囲玉下面を熱伝導率の大きな材料で挟
持固定する固定部材から構成され、前記貼り合わせ圧電
素子の上下面電極を短絡して共通電極とし、前記貼り合
わせ圧電素子の貼り合わせ面電極を前記屈曲振動モード
振動子部分の電極と周囲電極とで分離してそれぞれ信号
取り出し電極とし、前記屈曲振動モード振動子の出力信
号から前記屈曲振動モード振動子の周囲電極の信号を減
じるようにして、上記目的を達成するものである。

請求項２の本発明は、請求項１における貼り合わせ面周
囲電極と共通電極間の温度による容量変化を利用し、前
記屈曲振動モード振動子からの加速度信号を補正するよ
うにして、上記目的を達成するものである。

作用 請求項１の本発明において、屈曲振動モード振動子の周
囲上下面を熱伝導率の大きな金属等の固定部材により固
定しており、周囲からの熱は固定部材を通り振動子に対
してほぼ均一に伝達されるので場所による温度勾配が低
減され、ざらに固定部材の上下面に熱伝導の悪い樹脂等
からなる薄板を取り付け、周囲を樹脂でモールドしであ
ることから前記固定部材までの熱伝達に遅れが生じセン
サ出力に与える影響を少なくすることができる。

さらに、貼り合わせる圧電素子の形状の違いによる焦電
出力は、同一圧電素子である貼り合わせ面周囲電極から
の信号を、センサ出力信号から減算することにより低減
させることができる。

請求項２の本発明において、同一圧電素子の容重変化か
ら温度補正を行なうので、より高精度な特性が得られる
。

実施例 以下、本発明の実施例について、図面を用いて詳細に説
明する。

請求項１の本発明は、過渡的な温度変化により生じる焦
電出力信号を低減させ、高精度な振動加速度センサを供
給しようとするもので、第１図は本発明の振動加速度セ
ンサの一実施例を示すブロック図、第２図（ａ）は貼り
合わせ圧電素子、同図（ｂ）は貼り合わせる圧電素子の
電極を示す斜視図、第３図は屈曲ｍｆＪＪモード娠動子
の周囲が固定された振動検出ユニットを示す分解斜視図
である。厚さ方向に分極軸を有し、上下面に電極を形成
した板状圧電素子５．５′を貼り合わせた構造の貼り合
わせ圧電素子６に、レーザ加工等によって″コ″の字状
の切り抜き８（スリット）を形成し、スリット８で囲ま
れた部分は片持ち梁型構造の屈曲振動モード振動子７（
以後、屈曲振動子と呼ぶ）となる。貼り合わせ圧電素子
６の貼り合わせ面電極は、屈曲振動子７の電極５ａと周
囲電極５ｂとに分離されている。板状圧電素子５．５′
の分極軸方向（第２図の矢印）を揃えて貼り合わせた並
列型では、屈曲振動子７の上下面電極の導通を図り共通
電極とし、貼り合わせ面電極５ａ、５ｂと共に出力取り
出し用電極となる。振動検出ユニット１０は、屈曲振動
子７の周囲を固定するため熱伝導率の大きな金属等から
なり屈曲振動子７の変位部分に溝９ａ、９ｂを有する固
定部材９．９′で貼り合わせ圧電素子６を挟み込み、接
着等により固定したものである。屈曲振動子７の信号出
力ｌと屈曲振動子７の周囲電極からの信号出力２を、イ
ンピーダンス変換及び増幅回路３．３′にそれぞれ通し
、増幅回路３′の出力が減算されるよう増幅回路３．３
′の出力を差動増幅回路４で処理してセンサ出力として
いる。このような構造を取ることにより、周囲からの熱
は固定部材９．９′を通して伝達されるので加速度検出
部分である屈曲振動子７へは周囲の固定部分からほぼ均
一に伝達され、場所による温度勾配を低減させている。

さらに貼り合わせる板状圧電素子５．５′の厚さ等の違
いにより生じる焦電出力は、屈曲振動子７の信号出力ｌ
と屈曲振動子７の周囲電極からの信号出力２に共に出力
されるが、固定部分であり加速度信号を出力しない周囲
電極からの信号出力２を屈曲振動子７の信号出力１から
減算するように構成すれば加速度信号から焦電出力信号
を取り除くことができ、加速度を高精度に検出できる。

第４図はセンサの縦断面図、第５図はセンサの分解斜視
図である。振動検出ユニッ）１０の上下面にインピーダ
ンス変換および増幅回路３．３゛、差動増幅回路４で構
成された信号処理回路１３を形成しているプリント基板
等の熱伝導の悪い樹脂薄板１２ａ、１２ｂを取り付け、
センサ基本ユニッ）１１を構成し、金属等からなる振動
検出物体への取り付は用筺体１４へ固定されている。振
動検出物体からの熱変化は、筺体１４を通して伝達され
るが、熱伝導の悪いプリント基板１２ｂを介するため振
動検出ユニッ）１０ｆで伝わるのに時間遅れを生じ焦電
による信号成分がより低周波になるとともに、前記（１
）式で示した温度の時間変化分が小さくなるので信号が
減衰されるのでセンサ信号への影響を低減できる。セン
サカバー１５とセンサ基本ユニッ）１１の空間を樹脂モ
ールド１６することにより、ざらにセンサ信号への影響
を低減できる。このように、温度変化により生じる出力
信号を低減させ、加速度を高精度に検出できる。

請求項２の本発明は、温度変化により生じるセンサの感
度変化の補正を、同じ圧電素子を用いておこない高精度
な振動加速度センサを供給しようとするもので、第６図
は本発明の１実施例を示すブロック図である。屈曲振動
子７からの出力信号ｌは、インピーダンス変換および増
幅回路３を通して、電圧制御増幅器（ＶＣＡ）２０へ入
力され、貼り合わせ面周囲電極５ｂと貼り合わせ圧電素
子の上下面電極を短絡させた共通電極園の容ｆｌｔ１７
を用いてパルス発生回路１８により容量に応じた周波数
のパルスを発生し、該パルス周期により一定信号を積分
し、積分値を保持する積分・ホールド回路１９からの直
流信号により、電圧制御増幅器（ＶＣＡ）２０の増幅率
を変えてセンサ出力信号としている。容量１７が温度に
対して変化するとパルス周期が変わるので積分値が変わ
り、電圧制御増幅器２０への制御直流電圧が変わるので
温度に対してセンサ出力を制御できることになる。

容量１７は屈曲振動子７と同一な貼り合わせ圧電素子か
ら構成されて部分の値なので、正確な温度変化を示し、
高精度な温度補正をおこなうことができる。

第７図は、請求項２に係る本発明の振動加速度センサの
他の実施例を示すブロック図である。屈曲振動子７から
の出力信号ｌは、インピーダンス変換および増幅器＃１
３を通して、電圧制御増幅器（ＶＣＡ）２０へ入力され
、貼り合わせ面周囲電極５ｂと貼り合わせ圧電素子の上
下面電極を短絡させた共通電極［ゴの容ｆｌ１７を用い
て、パルス発生器２２からの一定パルス周期で積分をお
こない、積分結果を保持する積分・ホールド回路２１か
らの直流電圧を電圧制御増幅回路２０のＭ制御電圧とし
ている。容ｆｆｔ１７の変化により積分値が変わるので
センサ出力を制御できることになり、高精度な温度補正
をおこなうことができる。

発明の効果 本発明によれば、振動検出ユニットでは周囲からの熱は
固定部材を通り振動子に対してほぼ均一に伝達されるの
で場所による温度勾配が低減され、さらに、振動検出ユ
ニットの上下面に熱伝導の悪い樹脂等からなる薄板を取
り付け、周囲を樹脂でモールドしであることから前記振
動検出ユニットまでの熱伝達に遅れが生じセンサ出力に
与える影響を少なくすることができる。貼り合わせ圧電
素子の形状誤差による焦電出力は、同一バラツキを持つ
貼り合わせ面周囲電極からの信号をセンサ出力信号から
減算することにより低減させることができる。

請求項２の本発明においては、同一圧電素子の容量変化
から温度補正を行なうので、より高精度な特性が得られ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は請求項１の発明の振動加速度センサの一実施例
を示すブロック図、第２図（ａ）は同実施例の貼り合わ
せ圧電素子、同図（ｂ）は同実施例の貼り合わせる圧電
素子の電極を示す斜視図、第３図は同実施例の振動検出
ユニットを示す分解斜視図、第４図は同実施例のセンサ
の縦断面図、第５図は同実施例のセンサの分解斜視図、
第６図は請求項２の本発明の一実施例を示すブロック図
、第７図は請求項２の本発明の他の実施例を示すブロッ
ク図である。 ｌ・・・屈曲振動子出力、２・・・屈曲振動子の周囲電
極からの信号出力、３．３′・・・インピーダンス変換
および増幅回路、４・・・差動増幅器、５．５′・・・
板状圧電素子、５ａ、５ｂ・・・電極、６・・・貼り合
わせ圧電素子、７・・・屈曲振動モード振動子、ＩＯ・
・・振動検出ユニット、１１・・・センサ基本ユニット
、１３・・・信号処理回路、】７・・・屈曲振動子周囲
部分の容量、１８．２１・・・パルス発生回路、１９．
２１・・・積分・ホールド回路、２０・・・電圧制御増
幅器。 代理人の氏名　弁理士　粟野重孝　はか１名第 ］ 図 ］屈曲振動子比カイ８号 ンだ曲１尺Φカ子周刊耶分出カイ３号 第 図 第 図 （ａ） ５ａ　１１掻 （ｂ） 第 図 第 図 第 図 ２２パルス発任回発

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）厚さ方向に分極軸を有し、上下面に電極を有する
   板状圧電素子２枚が、分極軸方向が同一方向となるごと
   く貼り合わされた構造の貼り合わせ圧電素子と、前記貼
   り合わせ圧電素子に切り抜きを設けることにより形成さ
   れた屈曲振動モード振動子と、前記屈曲振動モード振動
   子の周囲上下面を熱伝導率の大きな材料で挟持固定する
   固定部材とを備え、前記貼り合わせ圧電素子の上下面電
   極が短絡されて共通電極とされ、前記貼り合わせ圧電素
   子の貼り合わせ面電極が前記屈曲振動モード振動子部分
   の電極と周囲電極とで分離されそれぞれ信号取り出し電
   極とされ、前記屈曲振動モード振動子の出力信号から前
   記屈曲振動モード振動子の周囲電極の信号が減じられる
   ことを特徴とする振動加速度センサ。
2. （２）厚さ方向に分極軸を有し、上下面に電極を有する
   板状圧電素子２枚が、分極軸方向が同一方向となるごと
   く貼り合わされた構造の貼り合わせ圧電素子と、前記貼
   り合わせ圧電素子に切り抜きを設けることにより形成さ
   れた屈曲振動モード振動子と、前記屈曲振動モード振動
   子の周囲上下面を熱伝導率の大きな材料で挟持固定する
   固定部材とを備え、前記貼り合わせ圧電素子の上下面電
   極が短絡されて共通電極とされ、前記貼り合わせ圧電素
   子の貼り合わせ面電極が前記屈曲振動モード振動子部分
   の電極と周囲電極とで分離され、前記貼り合わせ合わせ
   面周囲電極と前記共通電極間の容量値を利用して、前記
   屈曲振動モード振動子からの加速度信号を補正するよう
   にしたことを特徴とする振動加速度センサ。