JP2010014510A - センシング装置 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、機械量を検出するセンシング装置の小型化を実現することを目的とする。
【解決手段】そして、この目的を達成するために本発明は、圧電材料を有する第１の振動子１１と、前記第１の振動子１１の一端にその一端が機械的結合された圧電材料を有する第２の振動子１２と、前記第１、第２の振動子１１、１２間に設けられた錘１３と、前記第１、第２の振動子１１、１２の内少なくとも一方に駆動振動を与える駆動電極１４と、前記第１、第２の振動子の内少なくとも一方の振幅を検出する検出電極１５とを備え、前記第１、第２の振動子１１、１２が縮退状態となっている範囲で機械量を検出するセンシング装置としたものである。
【選択図】図１

Description

本発明は、自動車やカーナビゲーション等に用いられる加速度センサや傾斜角センサ等のセンシング装置に関するものである。

従来この種のセンシング装置は、図５に示すような圧電材料を有する振動子１を、例えば自動車の進行方向にその長手方向が一致するよう配置し、前記振動子１の一端１Ａを固定すると共に他端１Ｂに錘２を配置し、前記振動子１の一部に駆動振動を与える駆動電極と振動数を検出する検出電極とを設ける構成としていた。そして、例えば自動車が加速し、加速度がこのセンシング装置に加わると、それに伴い前記振動子１が伸縮し、前記検出電極により検出される周波数が変化する。この変化を加速度としてあるいは傾斜角として算出する構成としていた。

なお、この出願に関する先行技術文献情報としては、例えば、特許文献１が知られている。
特開２００４−２５１７０２号公報

このような従来のセンシング装置では、小型化が難しいことが問題となってしまっていた。

すなわち、上記従来の構成においては、センシング信号を周波数として検出していたため、これを電圧に変換するＦ／Ｖ変換回路が必要不可欠となり、その結果として小型化が難しくなってしまっていた。

そこで本発明は、センシング装置の小型化を実現することを目的とする。

そして、この目的を達成するために本発明は、圧電材料を有する第１の振動子と、前記第１の振動子の一端にその一端が機械的結合された圧電材料を有する第２の振動子と、前記第１、第２の振動子間に設けられた錘と、前記第１、第２の振動子の内少なくとも一方に駆動振動を与える駆動電極と、前記第１、第２の振動子の内少なくとも一方の振幅を検出する検出電極とを備え、前記第１、第２の振動子が縮退状態となっている範囲で機械量を検出するセンシング装置としたものである。

この構成により、周波数ではなく前記振動子の振幅をセンシング信号として検出することができるため、Ｆ／Ｖ変換回路が不要となり、その結果として小型化を実現することができるのである。

（実施の形態１）
以下、本発明の実施の形態１におけるセンシング装置について図面を参照しながら説明する。

図１に示すごとく、圧電材料を有する第１の振動子１１と、前記第１の振動子１１の一端にその一端が機械的結合された圧電材料を有する第２の振動子１２と、前記第１、第２の振動子１１、１２間に設けられた錘１３と、前記第１、第２の振動子１１、１２の内少なくとも一方に駆動振動を与える駆動電極１４と、前記第１、第２の振動子１１、１２の内少なくとも一方の振幅を検出する検出電極１５とを備えている。

具体的には、前記検出電極１５が第１の検出電極１５Ａと第２の検出電極１５Ｂからなり、前記第１の検出電極１５Ａが前記第１の振動子１１の他端に設けられ、前記第２の検出電極１５Ｂが前記第２の振動子１２の他端に設けられ、前記駆動電極１４が前記第１、第２の振動子１１、１２の一端にそれぞれ第１の駆動電極１４Ａ、第２の駆動電極１４Ｂとして設けられた構成としている。そして、前記第１、第２の振動子１１、１２が縮退状態となっている範囲で加速度などの機械量を検出する。

ここで、縮退状態について説明する。

まず、図１における前記第１の振動子１１の全長をｘ、前記第２の振動子１２の全長を（１−ｘ）とし、前記第１、第２の振動子１１、１２の全長が可変状態にあるとする。そして、前記第１の振動子１１の他端と前記第２の振動子１２の他端はそれぞれ固定されており、例えば、自動車にこの２つの振動子の長手方向が前記自動車の進行方向と一致するよう配置されているとする。ここで、図１における矢印方向に加速度が加わったとすると、慣性の法則により、前記錘１３が前記第２の振動子１２側に移動するため、その周波数が変化する。

その周波数の変化を示すのが図２である。図２は横軸に前記第１の振動子１１の全長であるｘをとっており、縦軸に周波数をとっている。前記第１の振動子１１が前記第２の振動子１２と機械的結合関係に無い場合、前記第１の振動子１１の周波数は直線Ａに示すごとく前記振動子１１の全長ｘが大きくなるに従って低くなる。一方、前記第２の振動子１２は、前記第１の振動子１１の全長ｘが大きくなるにしたがってその全長（１−ｘ）が小さくなるため、前記第２の振動子１２の周波数は図２の直線Ｂに示すごとく、前記第１の振動子１１の全長ｘが大きくなるに従って高くなる。

ここで、前記第１、第２の振動子１１、１２が機械的結合された場合、図２に示した直線Ａは曲線Ｃへ、直線Ｂは曲線Ｄへと変化する。そして、前記第１の振動子１１の全長ｘと前記第２の振動子１２の全長（１−ｘ）とが近接するある範囲で、前記第１の振動子１１の周波数と前記第２の振動子１２の周波数とが一定となる。これが縮退状態である。

なお、この縮退状態については永井健三、今野正共著の「電気機械振動子とその応用」の２６１頁を参照されたい。

このような縮退状態においては、図２に示すごとく周波数が一定となる一方で、前記第１、第２の振動子１１、１２の振幅状態に変化が起こる。本実施の形態のように、図１に示す矢印方向に加速度が加わった場合には、前記第１の振動子１１の全長ｘが短くなると共にその振幅が小さくなり、前記第２の振動子１２の全長（１−ｘ）が長くなると共にその振幅が大きくなる。この変化を前記第１、第２の検出電極１５Ａ、１５Ｂにより検出し、それを加速度として算出するのである。

なお、加速度の算出方法としては、図３に示すごとく、前記第１の振動子１１に対応する第１の振幅を前記第１の検出電極１５Ａから検出すると共に前記第２の振動子１２に対応する第２の振幅を前記第２の検出電極１５Ｂから検出し、これら第１、第２の振幅の差を差動増幅器１６で演算して出力する方法であれば、より高精度な加速度の算出を可能とすることができる。

なお、本実施の形態においては、前記第１の検出電極１５Ａが前記第１の振動子１１の他端に設けられ、前記第２の検出電極１５Ｂが前記第２の振動子１２の他端に設けられ、前記駆動電極１４が前記第１、第２の振動子１１、１２の一端に第１の駆動電極１４Ａ、第２の駆動電極１４Ｂとして設けられた構成として説明したが、図４に示すごとく、前記第１の検出電極１５Ａが前記第１の振動子１１の一端に設けられ、前記第２の検出電極１５Ｂが前記第２の振動子１２の一端に設けられ、前記第１の駆動電極１４Ａが前記第１の振動子１１の他端に設けられ、前記第２の駆動電極１４Ｂが前記第２の振動子１２の他端に設けられた構成としても構わない。

なお、第１、第２の振動子１１、１２は、圧電材料そのものでもよく、また、金属、セラミック等の振動部材と圧電材料とを一体化させたものでも構わない。

なお、本実施の形態においては加速度センサを例に挙げ説明したが、傾斜角センサとしても応用可能である。具体的には、図１の第１の振動子１１が斜面における高位置に存在し、第２の振動子１２が低位置に存在する場合、前記錘１３が前記第２の振動子１２側に移動する。そして、上述した原理により前記第１、第２の振動子１１、１２の振幅変化から傾斜角としてその値を算出することが可能である。

なお、自動車にこのセンシング装置を搭載し、前記自動車の進行方向に当該センシング装置の長手方向が一致するよう配置した場合において、前記自動車が坂道を走った場合には、加速度情報と傾斜角情報とが混在した形で振幅変化に現れるわけであるが、前記自動車が発進してから停止するまでの加速度は積分すると０となるため、その値を相殺することにより、傾斜角のみを抽出して算出することも可能である。

なお、自動車の走行距離を測定する走行センサと組合せば、上述のごとく算出した傾斜角の正弦を取った値に前記走行距離を乗算することにより、高度計としての応用も可能である。

本発明のセンシング装置は、小型化を実現することができるという効果を有し、自動車やカーナビゲーション装置等において有用である。

本発明の実施の形態１におけるセンシング装置の斜視図 本発明の実施の形態１のセンシング装置における第１の振動子の全長と第１、第２の振動子の周波数との関係を示す図 本発明の実施の形態１におけるセンシング装置の電気回路図 本発明の実施の形態１におけるセンシング装置の他の実施例を示す斜視図 従来のセンシング装置における振動子の上面図

符号の説明

１１ 第１の振動子
１２ 第２の振動子
１３ 錘
１４ 駆動電極
１５ 検出電極

Claims (5)

1. 圧電材料を有する第１の振動子と、
   前記第１の振動子の一端にその一端が機械的結合された
   圧電材料を有する第２の振動子と、
   前記第１、第２の振動子間に設けられた錘と、
   前記第１、第２の振動子の内少なくとも一方に駆動振動を与える駆動電極と、
   前記第１、第２の振動子の内少なくとも一方の振幅を検出する検出電極とを備え、
   前記第１、第２の振動子が縮退状態となっている範囲で機械量を検出する
   センシング装置。
2. 前記検出電極が第１の検出電極と第２の検出電極からなり、
   前記第１の検出電極が前記第１の振動子の他端に設けられ、
   前記第２の検出電極が前記第２の振動子の他端に設けられ、
   前記駆動電極が前記第１、第２の振動子の内の少なくとも一方の一端に設けられた
   請求項１に記載のセンシング装置。
3. 前記振幅は前記第１の振動子に対応する第１の振幅と
   前記第２の振動子に対応する第２の振幅とからなり、
   前記第１の検出電極から前記第１の振幅を検出し、
   前記第２の検出電極から前記第２の振幅を検出し、
   前記第１、第２の振幅の差を演算して出力する
   請求項２に記載のセンシング装置。
4. 前記検出電極が第１の検出電極と第２の検出電極からなり、
   前記第１の検出電極が前記第１の振動子の一端に設けられ、
   前記第２の検出電極が前記第２の振動子の一端に設けられ、
   前記駆動電極が第１の駆動電極と第２の駆動電極とからなり、
   前記第１の駆動電極が前記第１の振動子の他端に設けられ、
   前記第２の駆動電極が前記第２の振動子の他端に設けられた
   請求項１に記載のセンシング装置。
5. 前記振幅は前記第１の振動子に対応する第１の振幅と
   前記第２の振動子に対応する第２の振幅とからなり、
   前記第１の検出電極から前記第１の振幅を検出し、
   前記第２の検出電極から前記第２の振幅を検出し、
   前記第１、第２の振幅の差を演算して出力する
   請求項４に記載のセンシング装置。

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