JP2005265507A - 加速度センサ - Google Patents

Abstract

【課題】 高周波振動と低周波振動が混在する振動を１台で検出する加速度センサを提供する。
【解決手段】 加速度センサ１は、本体１０に入力コネクタ１２と出力コネクタ１４を有する。支柱２０に圧電素子３０が支持され、外周部に錘４０が当接される。錘４０の上部には電子基板５０が取付けられる。電子基板５０上には電子部品６０とともに加速度センサＩＣ７０が搭載される。加速度センサＩＣ７０は、ピエゾ抵抗型等のＩＣパッケージされたセンサで低周波の振動を検知する。圧電素子のセンサは高周波の振動を検知し、１台で広範囲な振動を検知することができる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、超低周波から高周波までの計測周波数範囲の広い加速度センサに関する。

従来、振動加速度を計測するための接触型加速度センサには圧電型、動電型、差動トランス型、ストレンゲージ型、ピエゾ抵抗型、ピエゾ容量型等がある。それぞれ特長を持ち、計測目的によってどのタイプのセンサを使用するかを決めることになる。

計測対象で発生している振動現象としては、例えば図５に示すように、低周波の振動中に高周波の振動が混在している高周波の振動を計測する接続型のセンサとして、圧電型のセンサが知られている。

下記の特許文献は、圧電型振動センサを開示する。
しかしながら、低周波の振動の測定にはピエゾ容量型等の低周波振動センサを別個に用意して並用する必要があった。
特開平５−２０３６６３号公報

本発明の目的は、超低周波から高周波までの周波数範囲の振動を計測することができる加速度センサを提供するものである。

本発明の加速度センサは、基本的な手段として、電源入力コネクタと出力コネクタを有するセンサ本体と、センサ本体に取付けられる圧電素子と圧電素子に当接される錘とを備えて高周波振動を検出する圧電型加速度センサと、錘に取付けられる電子基板と、電子基板に搭載されて低周波振動を検出する加速度センサＩＣを備える。

そして、加速度センサＩＣは、ピエゾ抵抗型、ピエゾ容量型又は静電容量型のＩＣパッケージされた加速度センサであり、さらに、圧電型加速度センサの出力が通過するハイパスフィルタ回路と、加速度センサＩＣの出力が通過するローパスフィルタ回路とハイパスフィルタ回路の出力とローパスフィルタ回路の出力が入力される比較回路を備え、比較回路は入力される２つの信号のうち大きな方の信号を選択して出力する機能を備えるものである。

本発明によれば、圧電型加速度センサの構成部品である、錘に圧電型増幅アンプの電子回路基板を設置し、更にその電子回路基板上にピエゾ抵抗型、ピエゾ容量型、静電容量型等のＩＣパッケージされた加速度センサおよびそれに伴う電子回路を設けることにより１個の加速度センサのみで図５に示すようなＤＣ（直流成分）を含む超低周波から数ｋＨｚに渡る高周波を測定することができる。

図１は、本発明の加速度センサの構造を示す説明図である。
全体を符号１で示す加速度センサは、本体１０を有し、本体１０に電源入力コネクタ１２と信号の出力コネクタ１４を備える。電源入力コネクタ１２と出力コネクタ１４は、それぞれラインＬ_１，Ｌ_２を介して後述する電子基板５０の回路に連結されている。

本体１０のベース１６上には、支柱２０が立設され、支柱２０の外周部に圧電素子３０が取付けられる。この圧電素子の外周部には錘４０が取付けられる。これらの部材の外周部は、ケース１８で覆われて保護される。
錘４０が振動を受けると、錘４０の作動により圧電素子にかかる圧力が変化し、電気信号を発する。この圧電素子の信号は、圧電素子３０の上部に装備される電子基板５０に伝達される。電子基板５０上には各種の電子部品６０が搭載されており、電源回路、増幅回路、フィルタ回路、比較回路等が構成されている。

この電子基板上には、ピエゾ抵抗型、ピエゾ容量型、静電容量型等のＩＣパッケージされた加速度センサ７０が搭載される。
本明細書中にあっては、上述したＩＣパッケージされた加速度センサ７０を加速度センサＩＣと称する。

図２は、本発明の加速度センサの構成を示す制御回路のブロック図である。
全体を符号１００で示す制御回路は、電源回路１１０を有し、加速度センサＩＣ１２０とその増幅回路１２２、ローパスフィルタ（ＬＰＦ）回路１２４と比較回路１５０に電力を供給する。
電源回路１１０は、同時に圧電素子３０の出力１３０を増幅する増幅回路１３２、ハイパスフィルタ（ＨＰＦ）回路１３４にも電力を供給する。

加速度センサＩＣ１２０で検知された低周波振動による出力は、増幅回路１２２で増幅され、ローパスフィルタ１２４を通過し、ライン１２６を介して比較回路１５０へ送られる。

圧電素子で検知された高周波振動による出力１３０は、増幅回路１３２で増幅され、ハイパスフィルタ１３４を通過し、ライン１３６を介して比較回路１５０へ送られる。比較回路１５０では、入力された信号を比較して、セレクトハイ出力としてライン１６０へ出力する。
セレクトハイ信号は、後述するように、立上りの良い加速度ＩＣの出力特性と維持性の良い圧力素子の出力特性を選択して組合されたものである。

図３は、本発明の加速度センサの出力特性を示すグラフである。
圧電素子３０の出力回路１３０の周波数特性は比較的高いので、例えばハイパスフィルタ１３４を図３に示すように、３０Ｈｚに設定しておき、圧電素子の高周波数特性が５０００Ｈｚ程度と仮定すると、図の実線カーブＫ_１で示すような特性を示す。

一方、加速度センサＩＣ７０の回路１２０からの出力は増幅回路１２２で増幅されて、ローパスフィルタ１２４を通路し、ライン１２６を介して比較回路１５０へ入力される。
加速度センサＩＣは、ＤＣ〜５００Ｈｚ程度の周波数特性を有する。
そこで、ローパスフィルタ１２４を３０Ｈｚに設定しておくと、破線のカーブＫ_２で示すような特性を示す。

そこで、ローパスフィルタ１２４を３０Ｈｚに設定しておくと、破線のカーブＫ_２で示すような特性を示す。
比較回路１５０は、ライン１２６，１３６からの入力信号を比較し、常に大きい方の入力信号を選択してライン１６０側へ出力する。

そこで、パスフィルタ１２４，１３４で設定された３０Ｈｚ以下では、加速度ＩＣからの出力が選択され、３０Ｈｚ以上では、圧電素子からの出力が選ばれる。
Ｋ_１とＫ_２の出力を予め増幅回路の調整で、Ｋ_１＝Ｋ_２＝Ｖ_０としておけば、合成された出力特性は、図の（ｂ）で示す一点鎖線のカーブＫ_３となる。
本発明の加速度センサは以上のように、１つのセンサでＤＣから高周波までの加速度信号を検出することができる。

上述した周波数特性は、使用する圧電素子３０や加速度センサＩＣ７０の特性によってローパスフィルタ１２４とハイパスフィルタ１３４の遮断周波数を任意に調整することができる。
また、各増幅回路２２，１３２の増幅度の圧電素子と加速度センサＩＣの出力が同一となるように設定される。

図４は、比較回路１５０の構成の一例を示す。
比較回路１５０は、コンパレータ１５２とアナログスイッチ１５４を有する加速度センサＩＣ１２０のライン１２６からの入力信号と、圧電素子信号１３０のライン１３６からの入力信号は、コンパレータ１５２で比較され、アナログスイッチ１５４は大きな方の信号を選択して、ライン１６０へ出力する。

本発明の加速度センサの説明図。 本発明の加速度センサのブロック図。 本発明の加速度センサの出力特性を示すグラフ。 本発明の加速度センサの比較回路の説明図。 計測対象の振動波形を示す説明図。

符号の説明

１ 加速度センサ
１０ 本体
２０ 支柱
３０ 圧電素子
４０ 錘
５０ 電子基板
６０ 電子部品
７０ 加速度センサＩＣ

Claims (3)

1. 電源入力コネクタと出力コネクタを有するセンサ本体と、センサ本体に取付けられる圧電素子と圧電素子に当接される錘とを備えて高周波振動を検出する圧電型加速度センサと、錘に取付けられる電子基板と、電子基板に搭載されて低周波振動を検出する加速度センサＩＣを備える加速度センサ。
2. 加速度センサＩＣは、ピエゾ抵抗型、ピエゾ容量型又は静電容量型のＩＣパッケージされた加速度センサである請求項１記載の加速度センサ。
3. 圧電型加速度センサの出力が通過するハイパスフィルタ回路と、加速度センサＩＣの出力が通過するローパスフィルタ回路とハイパスフィルタ回路の出力とローパスフィルタ回路の出力が入力される比較回路を備え、
   比較回路は入力される２つの信号のうち大きな方の信号を選択して出力する機能を備える加速度センサ。

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