JP2000162234A - 圧電センサ回路 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】消費電力の削減と、リファレンス電圧の安定
化。 【解決手段】圧電体素子１の出力をインピーダンス変換
手段２によりインピーダンス変換したうえで、増幅手段
４で増幅して出力する圧電センサ回路において、圧電セ
ンサ回路に対してリファレンス電圧Ｖ_Rを供給するリフ
ァレンス電圧発生手段１０を、インピーダンス変換手段
２の動作電流により動作させた。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は加速度や振動に応じ
た出力を出力する圧電センサ回路に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来から、この種の圧電センサ回路は、
図４で示すように、圧電体素子１と、インピーダンス変
換回路２と、フィルタ回路３と、増幅回路４と、リファ
レンス電圧発生回路５とを備えている。インピーダンス
変換回路２は、ソースフォロワ回路方式のＦＥＴ６と抵
抗Ｒ１、Ｒ２とを備えて構成されており、圧電体素子１
の出力側に設けられている。フィルタ回路３はコンデン
サＣ３と抵抗Ｒ３とを備えたハイパスフィルタから構成
されており、インピーダンス変換回路２の出力側に設け
られている。増幅回路４は、オペアンプ７と、抵抗Ｒ
４、Ｒ５と、コンデンサＣ４とを備えて構成されてお
り、フィルタ回路３の出力側に設けられている。リファ
レンス電圧発生回路５は、ツェナーダイオード（定電圧
ダイオード）Ｄ１と、抵抗Ｒ６と、コンデンサＣ５とを
備えて構成されており、この圧電フィルタ回路（具体的
には、オペアンプ８）にリファレンス電圧Ｖ_Rを供給し
ている。

【０００３】この圧電センサ回路は次のように動作す
る。

【０００４】加速度や振動による力が発生すると、圧電
体素子１に圧電効果が生じて電圧が発生する。発生した
圧電体素子１の出力信号（電圧）はインピーダンス変換
回路２によってインピーダンス変換されたうえで、フィ
ルタ回路３により信号中の不要な周波数成分が除去さ
れ、さらに、増幅回路４で増幅されることで、増幅され
たセンサ出力が得られるようになっている。

【０００５】リファレンス電圧発生回路５は、上述した
ように、この圧電センサ回路に対するリファレンス電圧
Ｖ_Rを作成して増幅手段４（具体的にはオペアンプ７）
に供給している。リファレンス電圧発生回路５は、電源
電圧Ｖccに直接接続されており、リファレンス電圧発生
回路５の出力（リファレンス電圧Ｖ_R）は増幅回路４の
入力段に設けられた抵抗Ｒ５を介して増幅回路４に供給
され、これにより、単電源駆動による増幅が可能となっ
ている。

【０００６】このように構成された圧電センサ回路は、
可動部分が殆どないため壊れにくく、構造が比較的単純
であるため安価で小型化が容易であるという特徴があ
り、広く使用されている。特に携帯機器や振動の監視器
等にも圧電センサが用いられている。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】このような圧電センサ
においては、圧電センサ回路の駆動電源としては専ら電
池が用いられており、長期間に渡って使用するために
は、圧電センサ回路の消費電力を低減することが課題と
なっている。しかしながら、上述した従来の圧電センサ
回路では、消費電力は、インピーダンス変換回路２、リ
ファレンス電圧発生回路５、増幅回路４のそれぞれで消
費される電力の和となる。そのため、それぞれの回路に
おいて生じるコンデンサやダイオードによる漏れ電流及
び抵抗によって、圧電センサ回路の消費電力の低減には
限界があった。

【０００８】また、電池を用いて圧電センサ回路の出力
信号を増幅する場合にはリファレンス電圧を基準として
出力を取り出すわけだが、リファレンス電圧が変動する
と、正確なセンサの出力が得られず、誤動作が生じる要
因となる。しかしながら、従来の圧電センサ回路のリフ
ァレンス電圧発生回路５は、電源電圧Ｖccに直接接続さ
れているため、電源電圧Ｖcc等にノイズ等が混入する
と、リファレンス電圧が不安定になってしまい、誤動作
を引き起こす要因になっていた。

【０００９】したがって、本発明は、安定なリファレン
ス電圧を有し低消費電力である圧電センサ回路の提供を
目的としている。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に本発明は、圧電体素子と、この圧電体素子の出力イン
ピーダンスを変換するインピーダンス変換手段と、イン
ピーダンス変換手段の出力を増幅する増幅手段とを備え
る圧電センサ回路であって、この圧電センサ回路に対し
てリファレンス電圧を供給するリファレンス電圧発生手
段を備え、このリファレンス電圧発生手段を前記インピ
ーダンス変換手段の駆動電流により動作させたことで、
上述した課題を解決している。

【００１１】

【発明の実施の形態】本発明の請求項１記載の発明は、
加速度や振動による力を圧電効果によって電圧に変換す
る圧電体素子と、この圧電体素子の出力インピーダンス
を変換するインピーダンス変換手段と、インピーダンス
変換手段の出力を増幅する増幅手段とを備える圧電セン
サ回路であって、この圧電センサ回路に対してリファレ
ンス電圧を供給するリファレンス電圧発生手段を備え、
このリファレンス電圧発生手段を前記インピーダンス変
換手段の動作電流により動作させたことに特徴を有して
おり、これにより次のような作用を有する。すなわち、
リファレンス電圧発生回路の動作電源を別途設ける必要
がなくなり、その分、消費電力が削減される。また、イ
ンピーダンス変換手段の動作電流は安定しているため
に、この動作電流により動作するリファレンス電圧発生
手段の出力（リファレンス電圧）は安定することにな
る。

【００１２】本発明の請求項２に記載の発明は、請求項
１に係る圧電センサ回路であって、前記リファレンス電
圧発生手段は前記インピーダンス変換手段の動作電流に
より動作するダイオードを備えていることに特徴を有し
ており、これにより、次のような作用を有する。すなわ
ち、ダイオードの出力は入力に影響を受けにくく安定し
ているので、その分、さらに、リファレンス電圧発生回
路の出力（リファレンス電圧）は安定する。

【００１３】本発明の請求項３に記載の発明は、請求項
２に係る圧電センサ回路であって、前記ダイオードの出
力を変圧する変圧手段を備えていることに特徴を有して
おり、これにより次のような作用を有する。すなわち、
ダイオードの出力電圧は安定しているものの、その出力
電圧は一定であるので、比較的低電圧（例えば、０．６
Ｖ）の値で固定されており、他の値を出力できない構成
となっている。そのため、所望するリファレンス電圧が
ダイオードの出力電圧とは異なる（例えば高い）場合に
は、変圧手段を設けてダイオードの出力電圧をこの変圧
手段により所望のリファレンス電圧まで変圧（昇圧）さ
せることができる。

【００１４】本発明の請求項４に記載の発明は、請求項
１に係る圧電センサ回路であって、前記リファレンス電
圧発生手段は、前記インピーダンス変換手段の動作電流
により動作するツェナーダイオードを備えていることに
特徴を有しており、これにより次のような作用を有す
る。すなわち、ツェナーダイオードの出力電圧は安定し
ており、さらには、出力電圧の異なる種々の製品があ
る。そのため、所望するリファレンス電圧が得られるツ
ェナーダイオードを選択して用いれば、別途変圧手段を
設けることなく、所望のリファレンス電圧が得られる。
そのため、変圧手段を設ける必要がない分、部品点数が
削減できるうえ、消費電力をさらに低減できる。

【００１５】以下、本発明の実施の形態について図面を
参照しながら説明する実施の形態１ 図１は本発明の実施の形態１である圧電センサ回路であ
り、図１において、１は圧電体素子、２はインピーダン
ス変換回路、３はフィルタ回路、４は増幅回路、１０は
リファレンス電圧発生回路である。

【００１６】インピーダンス変換回路２は、ソースフォ
ロワの回路方式を採るＦＥＴ６と、抵抗Ｒ１、抵抗Ｒ２
とを備えて構成されており、ＦＥＴ６のゲートが圧電体
素子１の出力側に、ＦＥＴ６のドレインが電源電圧Ｖcc
にそれぞれ接続されている。フィルタ回路３は、コンデ
ンサＣ３と抵抗Ｒ３とから構成されたハイパスフィルタ
であって、ＦＥＴ６のソース側に接続されている。増幅
回路４はオペアンプ７と、抵抗Ｒ４、抵抗Ｒ５と、コン
デンサＣ４とを備えて構成されており、フィルタ回路３
の出力側に接続されている。

【００１７】以上の構成は基本的には従来例と同様であ
る。本実施の形態は、リファレンス電圧発生回路１０の
構成に特徴がある。リファレンス電圧発生回路１０は、
ツェナーダイオードＤ２と、コンデンサＣ５とを備えて
構成されており、ＦＥＴ６のソースとアースの間に設け
られている。ツェナーダイオードＤ２はＦＥＴ６のドレ
イン電流に対して逆方向に接続されており、これにより
ツェナーダイオードＤ２は、インピーダンス変換回路２
のドレイン電流（動作電流）を逆方向電流として利用し
て動作するようになっている。コンデンサＣ５は、ツェ
ナーダイオードＤ２に対して並列に接続されており、リ
ファレンス電圧Ｖ_Rをより安定化するために設けられて
いる。

【００１８】このように構成されたリファレンス電圧発
生回路１０においては、ツェナーダイオードＤ２の出力
電圧は一定であって、さらには、その電圧値は、実装す
るツェナーダイオードＤ２の種類を選択することによ
り、任意に設定することが可能である。そのため、設計
上、この圧電センサ回路のリファレンス電圧Ｖ_Rとして
必要な電圧値が求められれば、それに応じてツェナーダ
イオードＤ２を選定すればよい。そうすれば、ツェナー
ダイオードＤ２の出力電圧を変圧する手段を設けること
なく、リファレンス電圧発生回路１０を構成することが
できる。

【００１９】リファレンス電圧発生回路１０の出力（リ
ファレンス電圧Ｖ_R）は、増幅回路４の入力段に設けら
れた抵抗Ｒ５を介してオペアンプ７に入力されている。
増幅回路４では、抵抗Ｒ４とコンデンサＣ４とから構成
されるローパスフィルタによって必要な周波数帯域の信
号成分よりも高域側の周波数成分を除去したうえで、Ｆ
ＥＴ６の出力を増幅している。

【００２０】なお、増幅回路４は、トランジスタやＦＥ
Ｔを用いて構成しても良い。また、本実施の形態では、
フィルタ回路３をコンデンサＣ３と抵抗Ｒ３とからなる
ハイパスフィルタで構成しているが、この回路構成に限
定されずハイパスフィルタとローパスフィルタの両機能
を持たせるような構成にしても良い。さらには、インピ
ーダンス変換回路２として、ソース接地回路を用いても
良い。

【００２１】次に、このように構成された本実施の形態
の圧電センサ回路の消費電流を、従来のの圧電センサ回
路の消費電流との比較において説明する。

【００２２】図４に示す従来の圧電センサ回路における
リファレンス電圧発生回路５の消費電流はＶcc／Ｒ７
（Ａ）となる。そのため、インピーダンス変換回路２の
消費電流をＩi（Ａ）とすると、リファレンス電圧発生
回路５の消費電流とインピーダンス変換回路の消費電流
との和はＶcc／Ｒ７＋Ｉi（Ａ）となる。

【００２３】これに対して、本実施の形態の圧電センサ
回路においては、リファレンス電圧発生回路１０に使用
されているツェナーダイオードＤ２の動作抵抗はＦＥＴ
６に接続された抵抗Ｒ２に比して殆ど無視できる値とな
っている。そのため、インピーダンス変換回路２の消費
電流はほとんどＩi（Ａ）となり、従来例と同等の値と
なる。一方、リファレンス電圧発生回路１０では、電源
電圧Ｖccから動作電流の供給を受けておらず、インピー
ダンス変換回路２のドレイン電流から動作電流の供給を
受けている。そのため、リファレンス電圧発生回路５の
消費電流とインピーダンス変換回路２の消費電流との和
はＩi（Ａ）となる。そのため、本実施の形態の圧電セ
ンサ回路では、従来におけるリファレンス電圧発生回路
５での消費電流Ｖcc／Ｒ７（Ａ）を必要としない分、消
費電流が低減されている。

【００２４】また、本実施の形態の圧電センサ回路は次
のような特徴もある。すなわち、インピーダンス変換回
路２は上述したように、ソースファロア回路方式のＦＥ
Ｔ６を用いている。このようなＦＥＴ６では、 ・その動作点がドレイン−ソース間の電圧で決まるた
め、ＦＥＴ６のソース電圧は電源側のノイズや変動の影
響を受けない、 ・ＦＥＴ６のゲートに入力される圧電体素子１の出力信
号はソース電圧に比して非常に微小となる、 という特徴があり、このような特徴により、ＦＥＴ６の
ドレイン電流の変化は微小なものとなる。

【００２５】そのため、リファレンス電圧発生用のツェ
ナーダイオードＤ２の動作電流として、微小変化しか生
じないドレイン電流を用いている本実施の形態の圧電セ
ンサ回路では、リファレンス電圧Ｖ_R（ツェナーダイオ
ードＤ２により発生される）は安定することになる。

【００２６】本実施の形態の圧電センサ回路では、さら
に次のような特徴もある。すなわち、従来の圧電センサ
回路においては、リファレンス電圧発生回路５の抵抗Ｒ
６によってツェナーダイオードＤ１に供給する動作電流
を調整し、リファレンス電圧Ｖ_Rの電圧値を設定してい
た。これに対して、本実施の形態の圧電センサ回路にお
いては、リファレンス電圧発生回路１０のツェナーダイ
オードＤ２の動作電流はインピーダンス変換回路２のド
レイン電流により供給されるため、従来例において必要
であった電流調整用抵抗Ｒ６は不要となる。このような
用途に用いられる抵抗Ｒ６は数ＭΩオーダの高抵抗が必
要であるため、電流調整用抵抗Ｒ６を必要としない分、
本実施の形態の圧電センサ回路では、回路部品点数を削
減することができ、その分、コストダウンを図ることが
できる。

【００２７】以上のように、本実施の形態の圧電センサ
回路は、リファレンス電圧発生回路１０のツェナーダイ
オードＤ２の動作電流をインピーダンス変換回路２のド
レイン電流により供給することで、回路の低消費電力
化、リファレンス電圧の安定化、そして小型・低コスト
化することができる。

【００２８】実施の形態２ 図２は本発明の実施の形態２の圧電センサ回路の構成を
示すブロック図である。図２において、１は圧電体素
子、１１はインピーダンス変換回路、３はフィルタ回
路、４は増幅回路、１２はリファレンス電圧発生回路で
あって、インピーダンス変換回路１１と、リファレンス
電圧発生回路１２以外の構成は、実施の形態１と同様で
あるため、それらについての説明は省略する。

【００２９】本実施の形態では、インピーダンス変換回
路１１を構成するＦＥＴ１３としてソース接地の回路方
式のものを用いることにより、インピーダンス変換と併
せて増幅する機能を有し、増幅回路４の利得に限界を改
善し、より大きな圧電センサ回路出力が得られるように
なっている。

【００３０】また、リファレンス電圧発生回路１２はダ
イオードＤ３と、バッファーアンプ１４と、分圧抵抗Ｒ
７、Ｒ８を備えて構成されている。ダイオードＤ３はＦ
ＥＴ１３のドレイン電流に対して順方向に接続されてお
り、インピーダンス変換回路１１のドレイン電流をダイ
オードＤ３の順方向電流として利用して動作している。

【００３１】次に、本実施の形態の圧電センサ回路にお
いて特徴となるリファレンス電圧Ｖ_Rの安定について説
明する。ダイオードＤ３に電流が流れると順方向電圧が
発生する。ダイオードＤ３を構成する一般的なダイオー
ドにおいては、順方向に数百ｎＡ〜数百μＡが流れると
その両端電圧は０．６Ｖとなる電圧−電流特性を有して
いる。そのため、ダイオードＤ３の両端電圧はドレイン
電流の変動の影響を受けず、０．６Ｖで一定となる。本
実施の形態では、このようなダイオードを特性を活かし
て、ダイオードＤ３の両端電圧により、リファレンス電
圧Ｖ_Rを作成しており、電源側からのノイズやドレイン
電流の変動の影響を受けることのない安定したリファレ
ンス電圧Ｖ_Rを得ることができる。ただし、本実施の形
態の構成では、温度によってこのダイオードＤ３の両端
電圧は異なるので注意が必要ではある。

【００３２】また、上述したように、ダイオードＤ３の
出力電圧は０．６Ｖでほぼ不変となる。そのため、ダイ
オードＤ３の出力電圧（０．６Ｖ）がリファレンス電圧
Ｖ_Rと同等の値となるのであれば不都合はないが、通
常、圧電センサ回路におけるリファレンス電圧Ｖ_Rとし
て求められる電圧は、ダイナミックレンジを大きく取る
ために０．６Ｖとなるのは稀である。そのため、ダイオ
ードＤ３の出力電圧を所望するリファレンス電圧Ｖ_Rに
変圧する必要がある。そこで、本実施の形態では、ダイ
オードＤ３の出力側に、出力電圧の変圧手段として、バ
ッファーアンプ１４と分圧抵抗Ｒ７、Ｒ８を設けてお
り、バッファーアンプ１４によりダイオードＤ３の出力
電圧を任意の電圧値に変圧（この場合は昇圧）してリフ
ァレンス電圧Ｖ_Rを作成している。なお、この場合にお
いても、電源側からのノイズやドレイン電流の変動の影
響を受けず、安定した任意のリファレンス電圧ＶＲが得
ることができるにはもちろんである。

【００３３】次に、本実施の形態の圧電センサ回路の消
費電流を、従来のの圧電センサ回路の消費電流との比較
において説明する。

【００３４】従来の圧電センサ回路においては、リファ
レンス電圧発生回路５での消費電流をＩ_R（Ａ）、イン
ピーダンス変換回路２での消費電流をＩi（Ａ）とする
と、両回路５、２の消費電流の和はＩ_R＋Ｉi（Ａ）とな
る。これに対して、本実施の形態の圧電センサ回路で
は、インピーダンス変換回路１１のドレイン電流をリフ
ァレンス電圧発生回路１２におけるダイオードＤ３の順
方向電流（駆動電流）として用いているので、両回路１
１、１２の消費電流の和はＩ_R（Ａ）となる。このよう
に、本実施の形態では、インピーダンス変換回路１２に
おける消費電流Ｉi（Ａ）を削減できる分、従来例に比
べて低消費電力となっている。

【００３５】実施の形態３ 図３は本発明の実施の形態である圧電センサ回路の構成
を示すブロック図である。図３において、１は圧電体素
子、１１はインピーダンス変換回路、３はフィルタ回
路、４は増幅回路、１５はリファレンス電圧発生回路で
あって、リファレンス電圧発生回路１５以外の構成は、
実施の形態２と同様であるため、それらについての説明
は省略する。

【００３６】本実施の形態では、リファレンス電圧発生
回路１５において、実施の形態２におけるダイオードＤ
３に代えてＦＥＴ１６を備えて構成している点に特徴が
ある。なお、リファレンス電圧発生回路１５を構成する
他の構成（バッファーアンプ１４および抵抗Ｒ７、Ｒ
８）については、実施の形態２と同様である。

【００３７】ＦＥＴ１６は、ドレインとソースとが接地
されており、さらには、インピーダンス変換回路１１を
構成するＦＥＴ１３のドレイン電流が、ＦＥＴ１６のゲ
ート入力となるように接続されている。

【００３８】ＦＥＴ１６においては、ドレインとソース
とを短絡しているので、ゲートとドレインもしくはソー
スがダイオードのアノードとカソードに相当し、ダイオ
ードと同様に使える。したがって、ＦＥＴ１６のドレイ
ン−接地間の電圧はドレイン電流の変動の影響を受けず
０．６Ｖで一定となる。そのため、ＦＥＴ１６のドレイ
ン−接地間の電圧によってリファレンス電圧Ｖ_Rを得る
本実施の形態のリファレンス電圧発生回路１５では、電
源側からのノイズやドレイン電流の変動の影響を受ける
ことなく安定したリファレンス電圧Ｖ_Rを得ることがで
きる。さらには、リファレンス電圧発生回路１５では、
ＦＥＴ１６を用いているために、ダイオードを用いるよ
りも漏れ電流が少ないうえに、同程度の低漏れ電流のダ
イオードよりも安価に、リファレンス電圧発生回路１５
を構成することができる。

【００３９】なお、本実施の形態におけるＦＥＴ１６の
出力電圧は、実施の形態２におけるダイオードＤ３と同
様に０．６Ｖでほぼ不変となるという特性を有している
ために、ＦＥＴ１６の出力側に、出力電圧の変圧手段と
して、バッファーアンプ１４と分圧抵抗Ｒ７、Ｒ８を設
けているのは、実施の形態２と同様である。

【００４０】また、本実施の形態におけるリファレンス
電圧Ｖ_Rの安定性、低消費電力という特徴は、実施の形
態２と同様であるので、その説明は省略する。

【００４１】

【発明の効果】以上述べたように本発明によれば、リフ
ァレンス電圧発生手段をインピーダンス変換手段の動作
電流により動作させたので、別途、リファレンス電圧発
生手段の動作電源を設定していた従来例に比べて、動作
電源の消費電流相当分が不要となり、その分、消費電力
を低減することができた。

【００４２】また、出力値が安定しているインピーダン
ス変換手段の出力電圧によりリファレンス電圧発生手段
を動作させるために、リファレンス電圧発生手段の出力
は、電源電圧の変動や電源ラインからのノイズの混入に
よる影響を受けにくくなり、その分、リファレンス電圧
を安定させることができた。

【図面の簡単な説明】

【図1】本発明の実施の形態１に係る圧電センサ回路の
構成図である。

【図２】本発明の実施の形態２に係る圧電センサ回路の
構成図である。

【図３】本発明の実施の形態３に係る圧電センサ回路の
構成図である。

【図４】従来例の圧電センサ回路の構成図である。

【符号の説明】

１ 圧電体素子 ２ インピー
ダンス変換回路 ３ フィルタ回路 ４ 増幅回路 ６ ＦＥＴ ７ オペアン
プ １０ リファレンス電圧発生回路 １１ インピ
ーダンス変換回路 １２ リファレンス電圧発生回路 １３ ＦＥＴ １４ バッファーアンプ １５ リファ
レンス電圧発生回路 １６ ＦＥＴ Ｄ２ ツェナ
ーダイオード Ｄ３ ダイオード Ｖ_R リファ
レンス電圧

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 冨田 佳宏 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器 産業株式会社内 Ｆターム(参考） 2F077 AA16 AA36 MM07 TT05 TT06 UU04

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 圧電体素子と、この圧電体素子の出力イ
   ンピーダンスを変換するインピーダンス変換手段と、こ
   のインピーダンス変換手段の出力を増幅する増幅手段と
   を備える圧電センサ回路であって、 この圧電センサ回路に対してリファレンス電圧を供給す
   るリファレンス電圧発生手段を備え、このリファレンス
   電圧発生手段を前記インピーダンス変換手段の動作電流
   により動作させたことを特徴とする圧電センサ回路。
2. 【請求項２】 請求項１記載の圧電センサ回路であっ
   て、 前記リファレンス電圧発生手段は前記インピーダンス変
   換手段の動作電流により動作するダイオードを備えてい
   ることを特徴とする圧電センサ回路。
3. 【請求項３】 請求項２記載の圧電センサ回路であっ
   て、 前記ダイオードの出力を変圧する変圧手段を備えている
   ことを特徴とする圧電センサ回路。
4. 【請求項４】 請求項１記載の圧電センサ回路であっ
   て、 前記リファレンス電圧発生手段は、前記インピーダンス
   変換手段の動作電流により動作するツェナーダイオード
   を備えていることを特徴とする圧電センサ回路。