JPH0711534B2 - 圧電型加速度センサ− - Google Patents
圧電型加速度センサ−Info
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- JPH0711534B2 JPH0711534B2 JP2665187A JP2665187A JPH0711534B2 JP H0711534 B2 JPH0711534 B2 JP H0711534B2 JP 2665187 A JP2665187 A JP 2665187A JP 2665187 A JP2665187 A JP 2665187A JP H0711534 B2 JPH0711534 B2 JP H0711534B2
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Landscapes
- Measurement Of Mechanical Vibrations Or Ultrasonic Waves (AREA)
Description
【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は、物体の振動などを検出する加速度センサーに
係わり、特にピエゾ効果を応用した圧電型加速度センサ
ーに係わる。
係わり、特にピエゾ効果を応用した圧電型加速度センサ
ーに係わる。
従来の技術 物体に作用する衝撃の検出，振動の測定等のために、物
体の慣性速度を検出する装置の−加速度センサーが広く
もちいられている。
体の慣性速度を検出する装置の−加速度センサーが広く
もちいられている。
この加速度センサーには、動作原理，形態の違いによっ
て、静電型，圧電型、光電型、サーボ型等様々なものが
提案され、また実用されている。
て、静電型，圧電型、光電型、サーボ型等様々なものが
提案され、また実用されている。
そのなかでも、圧電型加速度センサーは構造が簡単で、
小型軽量かつ堅牢という特徴の故に、最も広く用いられ
ているもののうちの一つである。
小型軽量かつ堅牢という特徴の故に、最も広く用いられ
ているもののうちの一つである。
圧電型加速度センサーとは、チタン酸バリウム，ジルコ
ン酸塩等の強誘電体セラミクス、あるいは水晶等が示
す、機械的変形をうけると電気信号を発生するという性
質−ピエゾ効果を利用するもので、所定の重りに加わる
慣性力をピエゾ素子に作用させてその結果生じる電気出
力を検出して、慣性加速度を求めるものである。
ン酸塩等の強誘電体セラミクス、あるいは水晶等が示
す、機械的変形をうけると電気信号を発生するという性
質−ピエゾ効果を利用するもので、所定の重りに加わる
慣性力をピエゾ素子に作用させてその結果生じる電気出
力を検出して、慣性加速度を求めるものである。
この時、ピエゾ素子から電気信号を取り出す方法として
は開放電圧を取り出す方法と短絡電荷を取り出す方法と
があり、従来の圧電型加速度センサーにおいてはそのい
ずれかの方法を用いている。
は開放電圧を取り出す方法と短絡電荷を取り出す方法と
があり、従来の圧電型加速度センサーにおいてはそのい
ずれかの方法を用いている。
発明が解決しようとする問題点 このように構成した圧電型加速度センサーの感度は、単
位作用力当たりに発生する開放電圧、あるいは短絡電荷
に比例することになるが、いずれの場合にもその温度依
存性が問題となる。これは主としてピエゾ素子の材料定
数の温度依存性に起因するものであるが、以下この問題
について記述する。
位作用力当たりに発生する開放電圧、あるいは短絡電荷
に比例することになるが、いずれの場合にもその温度依
存性が問題となる。これは主としてピエゾ素子の材料定
数の温度依存性に起因するものであるが、以下この問題
について記述する。
ピエゾ素子に作用する力と発生電気出力の間には、適当
な方向成分に注目すると以下のような関係が成り立つ。
な方向成分に注目すると以下のような関係が成り立つ。
Ｑ＝Ａ・Ｖ＋Ｂ・Ｆ F:作用力 Q:発生電荷 V:発生電圧 ここでＡおよびＢはピエゾ素子の形状，材料定数等によ
って定まる比例係数である。
って定まる比例係数である。
上式でＱ＝０としたときのＶ（即ち開放電圧）とＦの
比：KV、Ｖ＝０としたときのＱ（即ち短絡電荷）とＦの
比：KQがそれぞれセンサー感度に比例することになる。
KV，KQをＡおよびＢで表すと、 KV＝−B/A KQ＝Ｂ 従ってＡおよびＢが温度によって変動すると、センサー
感度も変わる。このとき、比例定数ＡおよびＢの決定要
素のうち、形状に関するものについては無視できる材料
定数の温度依存性が問題となる。
比：KV、Ｖ＝０としたときのＱ（即ち短絡電荷）とＦの
比：KQがそれぞれセンサー感度に比例することになる。
KV，KQをＡおよびＢで表すと、 KV＝−B/A KQ＝Ｂ 従ってＡおよびＢが温度によって変動すると、センサー
感度も変わる。このとき、比例定数ＡおよびＢの決定要
素のうち、形状に関するものについては無視できる材料
定数の温度依存性が問題となる。
一般に比例定数ＡおよびＢについて支配的な材料定数は
誘電率：E33、圧電率D31であり、それらは近似的に以下
のような比例関係で結ばれる。
誘電率：E33、圧電率D31であり、それらは近似的に以下
のような比例関係で結ばれる。
Ａ∝E33 Ｂ∝D31 従って、 KV∝−D31／E33＝−G31 KQ∝D31 この圧電定数G31，D31の温度依存性の典型例を圧電型加
速度センサーによく用いられている圧電セラミクスにつ
いて第３図に示す。
速度センサーによく用いられている圧電セラミクスにつ
いて第３図に示す。
従ってこの圧電材料を用いて加速度センサーを構成した
場合その感度は、開放電圧を取り出すような方法を用い
た場合には第３図（ａ）に示すような、また短絡電荷を
取り出すような方法を用いた場合には第３図（ｂ）に示
すような温度依存性をもつことになる。
場合その感度は、開放電圧を取り出すような方法を用い
た場合には第３図（ａ）に示すような、また短絡電荷を
取り出すような方法を用いた場合には第３図（ｂ）に示
すような温度依存性をもつことになる。
そしてこのような温度依存性−即ちD31，G31がそれぞれ
温度依存性を持ち、しかもそれが互いに傾きが逆向きに
なるという特性はここにあげた例に特異なものではな
く、程度の差こそあれ圧電材料一般について存在する。
温度依存性を持ち、しかもそれが互いに傾きが逆向きに
なるという特性はここにあげた例に特異なものではな
く、程度の差こそあれ圧電材料一般について存在する。
本発明は、かかる感度の温度依存性の少ない、高精度な
加速度センサーを提供することを目的とする。
加速度センサーを提供することを目的とする。
問題点を解決するための手段 本発明は上記問題点を解決するため、２枚のピエゾ素子
を、互いに一方の電極面が力学的に結合しかつ電気的に
導通するように張合わせたバイモルフ構造素子を用い、
一方のピエゾ素子からその開放電圧に比例した電気信号
を取り出し、他方のピエゾ素子からはその短絡電荷に比
例した電気信号を取り出して、これを加算することによ
り上記の目的を達するものである。
を、互いに一方の電極面が力学的に結合しかつ電気的に
導通するように張合わせたバイモルフ構造素子を用い、
一方のピエゾ素子からその開放電圧に比例した電気信号
を取り出し、他方のピエゾ素子からはその短絡電荷に比
例した電気信号を取り出して、これを加算することによ
り上記の目的を達するものである。
作用 以上のような手段によれば、材料定数の温度依存性を相
殺して、温度の変動に対して感度の変化の小さい高精度
な加速度センサーを実現することができる。
殺して、温度の変動に対して感度の変化の小さい高精度
な加速度センサーを実現することができる。
実施例 以下本発明の一実施例について図面を用いて説明する。
第１図は本発明の圧電型加速度センサーの一実施例を示
すブロック図である。
すブロック図である。
第１図において1a,1bは各々両面に電極を形成した等し
い形状，材質を有する一対のピエゾ素子であり、２は前
記２枚のピエゾ素子の夫々の一方の面と力学的に結合す
るとともに電気的に導通する金属板で全体としてバイモ
ルフ構造素子を形成しており、さらに、このバイモルフ
構造素子は、固定部材３によって支持され片持ち梁構造
をなしている。
い形状，材質を有する一対のピエゾ素子であり、２は前
記２枚のピエゾ素子の夫々の一方の面と力学的に結合す
るとともに電気的に導通する金属板で全体としてバイモ
ルフ構造素子を形成しており、さらに、このバイモルフ
構造素子は、固定部材３によって支持され片持ち梁構造
をなしている。
また、４は1aのピエゾ素子の開放電圧に比例した出力を
発生する電圧増幅器であり、５は1bのピエゾ素子の短絡
電荷に比例した出力を発生する電荷増幅器であり、４の
電圧増幅器、５の電荷増幅器の出力は、６の加算器によ
ってそれぞれKa,Kbの重み付けで加算される。
発生する電圧増幅器であり、５は1bのピエゾ素子の短絡
電荷に比例した出力を発生する電荷増幅器であり、４の
電圧増幅器、５の電荷増幅器の出力は、６の加算器によ
ってそれぞれKa,Kbの重み付けで加算される。
このような構成で固定部材３に慣性加速度が生じると前
記バイモルフ素子にはこの慣性加速度に伴う反力として
の慣性力が作用して撓みを生じ、1a,1bのピエゾ素子は
それにみあった電気信号を発生するが、その感度はこれ
を開放電圧として取り出した場合、および短絡電荷とし
て取り出した場合、それぞれ圧電定数G31，D31の温度特
性に付随して温度依存性をもつ。
記バイモルフ素子にはこの慣性加速度に伴う反力として
の慣性力が作用して撓みを生じ、1a,1bのピエゾ素子は
それにみあった電気信号を発生するが、その感度はこれ
を開放電圧として取り出した場合、および短絡電荷とし
て取り出した場合、それぞれ圧電定数G31，D31の温度特
性に付随して温度依存性をもつ。
この温度依存性は第３図に示したようなものになるの
で、互いにその変化を打ち消すように電圧増幅器のゲイ
ン、電荷増幅器のゲインおよび加算器の重み付けの比を
設定することによって、温度変化に対する感度変化が、
電圧増幅器または電荷増幅器を単独で用いた場合に較べ
てはるかに小さくすることができる。
で、互いにその変化を打ち消すように電圧増幅器のゲイ
ン、電荷増幅器のゲインおよび加算器の重み付けの比を
設定することによって、温度変化に対する感度変化が、
電圧増幅器または電荷増幅器を単独で用いた場合に較べ
てはるかに小さくすることができる。
例えば従来の技術の説明において例に上げた圧電セラミ
クスを用いた場合にはその傾きの絶対値が常温付近にお
いてD31の方が約1.5倍大きいので、常温付近において電
圧増幅したものと電荷増幅したものの感度比が1.5:1に
なるように設定すれば、合成された感度の温度依存性は
第４図のように改善され、常温付近ではほぼフラットに
なる。
クスを用いた場合にはその傾きの絶対値が常温付近にお
いてD31の方が約1.5倍大きいので、常温付近において電
圧増幅したものと電荷増幅したものの感度比が1.5:1に
なるように設定すれば、合成された感度の温度依存性は
第４図のように改善され、常温付近ではほぼフラットに
なる。
このときピエゾ素子1aと1bはともにバイモルフ構造の一
部をなしているので、その作用力から撓みに至るレスポ
ンスは完全に同等で、また等しい形状，材質のものを用
いているので、ピエゾ素子を独立に設けて各々の出力を
電圧検出，電荷検出してこれを加算する場合に問題とな
るような、両者のレスポンスの不整合に起因する不都合
がない。
部をなしているので、その作用力から撓みに至るレスポ
ンスは完全に同等で、また等しい形状，材質のものを用
いているので、ピエゾ素子を独立に設けて各々の出力を
電圧検出，電荷検出してこれを加算する場合に問題とな
るような、両者のレスポンスの不整合に起因する不都合
がない。
また、特別な温度検出手段を設けてこの情報からゲイン
に補正を加える方式と比較した場合、構成が遥かに簡便
であるのみならず、熱伝導性の非常に高い金属板を介し
て隣接する２つのピエゾ素子が相補的に温度依存性を補
正するので、加速度応答部と温度検出部の温度誤差に起
因する補正誤差を生じることもない。
に補正を加える方式と比較した場合、構成が遥かに簡便
であるのみならず、熱伝導性の非常に高い金属板を介し
て隣接する２つのピエゾ素子が相補的に温度依存性を補
正するので、加速度応答部と温度検出部の温度誤差に起
因する補正誤差を生じることもない。
以上が本発明の一実施例の構成および動作についての説
明であるが、その回路部分の具体例について第２図の回
路図を用いて詳細に説明する。
明であるが、その回路部分の具体例について第２図の回
路図を用いて詳細に説明する。
第２図において1a,1bおよび４−６はそれぞれ第１図で
説明した通りのものであり、４−６について、その具体
例を回路図として示している。
説明した通りのものであり、４−６について、その具体
例を回路図として示している。
４はピエゾ素子1aの発生する電気出力を開放電圧として
取り出すための電圧増幅器であり、容量性ハイインピー
ダンスな出力特性をもつピエゾ素子から電圧情報を取り
出して、ローインピーダンス化し処理しやすいようにす
るインピーダンス変換器として働いている。
取り出すための電圧増幅器であり、容量性ハイインピー
ダンスな出力特性をもつピエゾ素子から電圧情報を取り
出して、ローインピーダンス化し処理しやすいようにす
るインピーダンス変換器として働いている。
ここでR1はオペアンプA1の正入力をバイアスするための
バイアス抵抗であり動作上不可欠であるが、電圧増幅器
４の低域特性を阻害する要因となるので、出力オフセッ
トおよびノイズに問題の無い範囲で極力大きな値を用い
ることが望ましく、そのためにはオペアンプA1に入力バ
イアス電流の小さなもの（例えばFET入力タイプ）を用
いるなどの考慮が必要である。
バイアス抵抗であり動作上不可欠であるが、電圧増幅器
４の低域特性を阻害する要因となるので、出力オフセッ
トおよびノイズに問題の無い範囲で極力大きな値を用い
ることが望ましく、そのためにはオペアンプA1に入力バ
イアス電流の小さなもの（例えばFET入力タイプ）を用
いるなどの考慮が必要である。
５はピエゾ素子1bの発生する電気出力を短絡電荷として
取り出すための電荷増幅器であり、ピエゾ素子1bの発生
する電荷量に比例した電圧信号を発生する電荷−電圧変
換器として働いている。
取り出すための電荷増幅器であり、ピエゾ素子1bの発生
する電荷量に比例した電圧信号を発生する電荷−電圧変
換器として働いている。
より具体的には、オペアンプA2の負帰還作用によって短
絡電流（短絡電荷の微分）に等しい電流をコンデンサー
Ｃにチャージ（積分）してその端子電圧を取り出すとい
う部分→積分動作によって短絡電荷を復元し、それに比
例した電圧出力を得るものである。
絡電流（短絡電荷の微分）に等しい電流をコンデンサー
Ｃにチャージ（積分）してその端子電圧を取り出すとい
う部分→積分動作によって短絡電荷を復元し、それに比
例した電圧出力を得るものである。
ここでR2は電圧増幅器４におけるR1と同じようにオペア
ンプA2の負入力をバイアスするためのものであり、やは
り低域特性の阻害要因となるので、上述のような配慮が
必要になる。
ンプA2の負入力をバイアスするためのものであり、やは
り低域特性の阻害要因となるので、上述のような配慮が
必要になる。
６は電圧増幅器４および電荷増幅器５の出力を所定の重
み付けをして加算するための加算器であり、それぞれを
ゲインR3/Ra、R3/Raで増幅した後線形に合成した出力を
発生する（従って重み付けの比は1/Ra:1/Rbとなる）。
み付けをして加算するための加算器であり、それぞれを
ゲインR3/Ra、R3/Raで増幅した後線形に合成した出力を
発生する（従って重み付けの比は1/Ra:1/Rbとなる）。
なお本実施例においてはバイモルフをピエゾ素子の間に
金属板を挟むような構造にしたが、これは単に機械的補
強と電気端子引き出しの便宜の為であり、この２つに問
題がなければ、ピエゾ素子を直接張合わせるような構造
にしてもなんら差し支えない。
金属板を挟むような構造にしたが、これは単に機械的補
強と電気端子引き出しの便宜の為であり、この２つに問
題がなければ、ピエゾ素子を直接張合わせるような構造
にしてもなんら差し支えない。
また、本実施例においては片持ち梁構造を用いたが、本
発明はこれに限定されるものでは勿論なく、一般に圧電
型加速度センサーとして用いられている構造の全てに適
用し得る。
発明はこれに限定されるものでは勿論なく、一般に圧電
型加速度センサーとして用いられている構造の全てに適
用し得る。
発明の効果 以上詳細に説明して明らかなように、本発明の圧電型加
速度センサーは、バイモルフ構造をなす一対のピエゾ素
子を用い、一方のピエゾ素子からその開放電圧に比例し
た電気信号を取り出し、他方のピエゾ素子からはその短
絡電荷に比例した電気信号を取り出して、これを加算す
るように構成しているので、ピエゾ素子に固有の材料特
性の温度変化を相殺して、感度の温度依存性の小さい高
精度な特性を実現することができる。
速度センサーは、バイモルフ構造をなす一対のピエゾ素
子を用い、一方のピエゾ素子からその開放電圧に比例し
た電気信号を取り出し、他方のピエゾ素子からはその短
絡電荷に比例した電気信号を取り出して、これを加算す
るように構成しているので、ピエゾ素子に固有の材料特
性の温度変化を相殺して、感度の温度依存性の小さい高
精度な特性を実現することができる。
第１図は本発明の一実施例のバイモルフ素子を示す斜視
図、第２図は一実施例の回路構成を示す回路図、第３図
は圧電セラミクスの材料定数の温度依存性の典型例を示
すグラフ、第４図は本発明の一実施例における感度の温
度依存性を示すグラフである。 1a,1b……ピエゾ素子、２……金属板、３……固定部
材、４……電圧増幅器、５……電荷増幅器、６……加算
器。
図、第２図は一実施例の回路構成を示す回路図、第３図
は圧電セラミクスの材料定数の温度依存性の典型例を示
すグラフ、第４図は本発明の一実施例における感度の温
度依存性を示すグラフである。 1a,1b……ピエゾ素子、２……金属板、３……固定部
材、４……電圧増幅器、５……電荷増幅器、６……加算
器。
Claims (3)
- 【請求項１】各々両面に電極を形成した２枚のピエゾ素
子を互いに一方の電極面が力学的に結合しかつ電気的に
導通するように張合わせたバイモルフ構造素子と、前記
バイモルフ構造素子に被検出加速度に応じた慣性力を与
えて撓みを生じさせるための質量要素と、一方のピエゾ
素子の開放電圧に比例した出力を発生する電圧増幅器
と、他方のピエゾ素子の短絡電荷に比例した出力を発生
する電荷増幅器と、前記電圧増幅器の出力および前記電
荷増幅器の出力を加算する加算手段とを備えたことを特
徴とする圧電型加速度センサー。 - 【請求項２】バイモルフ素子が、２枚のピエゾ素子を金
属板を介して張合わせた構造であることを特徴とする、
特許請求の範囲第（１）項記載の圧電型加速度センサ
ー。 - 【請求項３】バイモルフ素子に被検出加速度に応じた慣
性力を与えて撓みを生じさせるための質量要素が、前記
バイモルフ素子それ自身であることを特徴とする、特許
請求の範囲第（１）項記載の圧電型加速度センサー。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2665187A JPH0711534B2 (ja) | 1987-02-06 | 1987-02-06 | 圧電型加速度センサ− |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2665187A JPH0711534B2 (ja) | 1987-02-06 | 1987-02-06 | 圧電型加速度センサ− |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS63195573A JPS63195573A (ja) | 1988-08-12 |
| JPH0711534B2 true JPH0711534B2 (ja) | 1995-02-08 |
Family
ID=12199340
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2665187A Expired - Lifetime JPH0711534B2 (ja) | 1987-02-06 | 1987-02-06 | 圧電型加速度センサ− |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH0711534B2 (ja) |
Families Citing this family (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP5609613B2 (ja) * | 2010-12-14 | 2014-10-22 | 株式会社村田製作所 | 衝撃及び音響センサ |
| US9841316B2 (en) * | 2014-10-01 | 2017-12-12 | Vicont, Inc. | Piezoelectric vibration sensor for monitoring machinery |
-
1987
- 1987-02-06 JP JP2665187A patent/JPH0711534B2/ja not_active Expired - Lifetime
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPS63195573A (ja) | 1988-08-12 |
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