JP2017009414A - Piezoelectric sensor - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、圧電センサに係り、特に、低温から高温の範囲（例えば−５０℃〜１７０℃）内全域において電圧感度の温度補償に対応する圧電式加速度センサや圧電式圧力センサなどに好適に利用できる圧電センサに関する。 The present invention relates to a piezoelectric sensor, and in particular, is suitably used for a piezoelectric acceleration sensor, a piezoelectric pressure sensor, and the like that correspond to temperature compensation of voltage sensitivity in the entire range from a low temperature to a high temperature (for example, −50 ° C. to 170 ° C.). The present invention relates to a piezoelectric sensor.
従来の圧電センサは、例えば、圧電素子と、圧電素子に電気的に接続したチャージアンプと、を備える。また、チャージアンプは、フィードバックコンデンサを有する。フィードバックコンデンサとしては、圧電素子と同じ材質で構成され、かつ、分極されていないコンデンサ（以下、「同材質コンデンサ」という。）が用いられる（特許文献１を参照）。 A conventional piezoelectric sensor includes, for example, a piezoelectric element and a charge amplifier electrically connected to the piezoelectric element. The charge amplifier has a feedback capacitor. As the feedback capacitor, a capacitor made of the same material as that of the piezoelectric element and not polarized (hereinafter referred to as “the same material capacitor”) is used (see Patent Document 1).
しかしながら、従来の圧電センサにおいては、フィードバックコンデンサとして同材質コンデンサを用いたとしても、フィードバックコンデンサの静電容量の変化率が圧電素子の電荷感度の変化率より大きくなってしまう。圧電センサの電圧感度Ｓｖは、圧電素子の電荷感度Ｓｑに比例し、フィードバックコンデンサの静電容量Ｃｆに反比例する（Ｓｖ＝Ｓｑ／Ｃｆ）。その結果、使用温度が室温等の基準温度に対して低温側又は高温側に変化すると、電圧感度Ｓｖの変化率が大きくなってしまうという問題があった。 However, in the conventional piezoelectric sensor, even if the same material capacitor is used as the feedback capacitor, the change rate of the capacitance of the feedback capacitor is larger than the change rate of the charge sensitivity of the piezoelectric element. The voltage sensitivity Sv of the piezoelectric sensor is proportional to the charge sensitivity Sq of the piezoelectric element and inversely proportional to the electrostatic capacitance Cf of the feedback capacitor (Sv = Sq / Cf). As a result, there has been a problem that when the operating temperature changes to a low temperature side or a high temperature side with respect to a reference temperature such as room temperature, the rate of change of the voltage sensitivity Sv increases.
また、圧電素子の電荷感度の変化率とフィードバックコンデンサの静電容量の変化率を同程度にすることは理論上可能であっても、圧電素子の製品誤差が必ず生じることを考慮すると、上記のような理想的なフィードバックコンデンサを選定又は製作することは技術的及び経済的に困難であるという問題があった。 In addition, even if it is theoretically possible to make the rate of change of the charge sensitivity of the piezoelectric element and the rate of change of the capacitance of the feedback capacitor comparable, considering that the product error of the piezoelectric element necessarily occurs, the above-mentioned There is a problem that it is technically and economically difficult to select or manufacture such an ideal feedback capacitor.
そこで、本発明はこれらの点に鑑みてなされたものであり、電圧感度の温度補償を高精度かつ容易に実現することができる圧電センサを提供することを本発明の目的としている。 Accordingly, the present invention has been made in view of these points, and an object of the present invention is to provide a piezoelectric sensor capable of easily and accurately realizing temperature compensation of voltage sensitivity.
（１）前述した目的を達成するため、本発明の圧電センサは、圧電素子と、圧電素子と同じ材質で構成されており分極されていない同材質コンデンサからなる第１フィードバックコンデンサと圧電素子が有する電荷感度の温度変化率より小さな温度変化率の静電容量を有する第２フィードバックコンデンサとを接続して構成されるフィードバックコンデンサユニットを有するとともに、圧電素子に電気的に接続されているチャージアンプと、を備えることを特徴としている。 (1) In order to achieve the above-described object, the piezoelectric sensor of the present invention includes a piezoelectric element, a first feedback capacitor composed of the same material capacitor that is made of the same material as the piezoelectric element, and is not polarized, and the piezoelectric element. A charge amplifier having a feedback capacitor unit configured by connecting a second feedback capacitor having a capacitance with a temperature change rate smaller than the temperature change rate of the charge sensitivity, and electrically connected to the piezoelectric element; It is characterized by having.
これにより、圧電素子が有する電荷感度の温度変化率よりも静電容量の温度変化率を大きくし、かつ温度に対して圧電素子の電荷感度と同様な傾向を有する第１フィードバックコンデンサ及び圧電素子が有する電荷感度の温度変化率より小さな温度変化率の静電容量を有する第２フィードバックコンデンサを組合せた回路をフィードバックコンデンサユニットとして使用するので、フィードバックコンデンサユニットが有する静電容量の温度変化率を圧電素子が有する電荷感度の温度変化率と同程度の値に容易に設定することができる。また、チャージアンプのゲインとの関係から第１フィードバックコンデンサ及び第２フィードバックコンデンサの静電容量は約１０〜１０００ｐＦ程度で十分であり、それらの各サイズはいずれも小さいことから、それらを組み合わせたフィードバックコンデンサユニットのサイズも小さいままである。その結果、本発明の圧電センサを従来と同程度のサイズにすることができる。 As a result, the first feedback capacitor and the piezoelectric element have a capacitance temperature change rate larger than the charge sensitivity temperature change rate of the piezoelectric element and have the same tendency as the charge sensitivity of the piezoelectric element with respect to temperature. Since a circuit in which a second feedback capacitor having a capacitance with a temperature change rate smaller than the temperature change rate of charge sensitivity is used as the feedback capacitor unit, the temperature change rate of the capacitance of the feedback capacitor unit is determined as a piezoelectric element. Can be easily set to a value similar to the rate of change in temperature of charge sensitivity. In addition, the capacitance of the first feedback capacitor and the second feedback capacitor is sufficient to be about 10 to 1000 pF from the relationship with the gain of the charge amplifier, and since the size of each of them is small, feedback combining them. The size of the capacitor unit also remains small. As a result, the size of the piezoelectric sensor of the present invention can be made the same as before.
（２）また、本発明の圧電センサにおいて、第２フィードバックコンデンサの温度係数は、圧電センサの使用許容温度の範囲内において±１００ｐｐｍ／℃以下であることが好ましい。 (2) In the piezoelectric sensor of the present invention, it is preferable that the temperature coefficient of the second feedback capacitor is ± 100 ppm / ° C. or less within the allowable temperature range of the piezoelectric sensor.
これにより、第２フィードバックコンデンサの温度変化率を０に近似させてもフィードバックコンデンサユニットの温度変化率を約±５％の精度で設定することができるので、第１フィードバックコンデンサ及び第２フィードバックコンデンサの各静電容量を選択する労力を大幅に軽減することができる。 Thus, even if the temperature change rate of the second feedback capacitor is approximated to 0, the temperature change rate of the feedback capacitor unit can be set with an accuracy of about ± 5%. The labor for selecting each capacitance can be greatly reduced.
（３）また、本発明の圧電センサにおいて、第２フィードバックコンデンサは、セラミックコンデンサであることが好ましい。 (3) In the piezoelectric sensor of the present invention, the second feedback capacitor is preferably a ceramic capacitor.
これにより、第２フィードバックコンデンサとしてのセラミックコンデンサの温度係数は±約３０ｐｐｍ／℃であるから、その温度変化率を０に近似させてもフィードバックコンデンサユニットの温度変化率を約±２％の精度で設定することができるので、第１フィードバックコンデンサ及び第２フィードバックコンデンサの各静電容量の選択する労力を大幅に軽減することができる。また、市販のセラミックコンデンサは容易に入手可能であり、第２フィードバックコンデンサの選択自由度を高めることができる。また、第２フィードバックコンデンサが耐熱性に優れたセラミックコンデンサであることによって、圧電センサを従来よりも高温で使用することができる。 As a result, the temperature coefficient of the ceramic capacitor as the second feedback capacitor is ± about 30 ppm / ° C. Therefore, even if the temperature change rate is approximated to 0, the temperature change rate of the feedback capacitor unit is accurate to about ± 2%. Since it can be set, the labor for selecting each capacitance of the first feedback capacitor and the second feedback capacitor can be greatly reduced. Moreover, a commercially available ceramic capacitor is easily available, and the degree of freedom in selecting the second feedback capacitor can be increased. Further, since the second feedback capacitor is a ceramic capacitor having excellent heat resistance, the piezoelectric sensor can be used at a higher temperature than before.
（４）また、本発明の圧電センサにおいて、フィードバックコンデンサユニットは、第１フィードバックコンデンサと、第２フィードバックコンデンサと、を並列に接続して構成されることが好ましい。 (4) In the piezoelectric sensor of the present invention, the feedback capacitor unit is preferably configured by connecting a first feedback capacitor and a second feedback capacitor in parallel.
これにより、フィードバックコンデンサユニットの静電容量Ｃｆは第１フィードバックコンデンサの静電容量Ｃｆ１と第２フィードバックコンデンサの静電容量Ｃｆ２とを足して得た値（Ｃｆ＝Ｃｆ１＋Ｃｆ２）となるので、フィードバックコンデンサユニットの設計時にその静電容量の計算を容易にすることができる。また、並列接続時に使用する第１フィードバックコンデンサの静電容量が直列接続時に使用する第１フィードバックコンデンサの静電容量よりも小さくなり、その分だけ第１フィードバックコンデンサのサイズも小さくなるので、圧電センサを小型化させることができる。 Accordingly, the capacitance Cf of the feedback capacitor unit becomes a value obtained by adding the capacitance Cf1 of the first feedback capacitor and the capacitance Cf2 of the second feedback capacitor (Cf = Cf1 + Cf2). The capacitance can be easily calculated at the time of designing. In addition, the capacitance of the first feedback capacitor used in parallel connection is smaller than the capacitance of the first feedback capacitor used in series connection, and the size of the first feedback capacitor is accordingly reduced. Can be reduced in size.
本発明の圧電センサによれば、フィードバックコンデンサユニットが有する静電容量の温度変化率を圧電素子が有する電荷感度の温度変化率と同程度の値に設定することが容易となるので、電圧感度の温度補償を高精度かつ容易に実現することができるという効果を奏する。 According to the piezoelectric sensor of the present invention, it becomes easy to set the temperature change rate of the capacitance of the feedback capacitor unit to a value similar to the temperature change rate of the charge sensitivity of the piezoelectric element. There is an effect that temperature compensation can be easily realized with high accuracy.
以下、図を用いて、本実施形態の圧電センサを説明する。 Hereinafter, the piezoelectric sensor of this embodiment will be described with reference to the drawings.
［１］圧電センサ１の構成
図１は、本実施形態の第１フィードバックコンデンサ及び第２フィードバックコンデンサを並列接続した圧電センサの一例を示す等価回路図である。図２は、本実施形態の第１フィードバックコンデンサ及び第２フィードバックコンデンサを直列接続した圧電センサの一例を示す等価回路図である。
[1] Configuration of Piezoelectric Sensor 1 FIG. 1 is an equivalent circuit diagram showing an example of a piezoelectric sensor in which a first feedback capacitor and a second feedback capacitor of this embodiment are connected in parallel. FIG. 2 is an equivalent circuit diagram showing an example of a piezoelectric sensor in which a first feedback capacitor and a second feedback capacitor of this embodiment are connected in series.
本実施形態の圧電センサは、例えば、チャージアンプ（プリアンプ）を内蔵した圧電式加速度センサや圧電式圧力センサなど、加速度や力を低インピーダンスの電気信号に変換するセンサを想定している。また、圧電センサは、例えば、フィードバックコンデンサを内蔵する圧電式加速度センサや圧電式圧力センサなど、低温から高温の範囲（例えば−５０℃〜１７０℃）内全域において電圧感度の温度補償に対応するセンサを想定している。 The piezoelectric sensor of the present embodiment is assumed to be a sensor that converts acceleration and force into an electrical signal with a low impedance, such as a piezoelectric acceleration sensor or a piezoelectric pressure sensor with a built-in charge amplifier (preamplifier). In addition, the piezoelectric sensor is a sensor corresponding to temperature compensation of voltage sensitivity in the entire range from a low temperature to a high temperature (for example, −50 ° C. to 170 ° C.) such as a piezoelectric acceleration sensor or a piezoelectric pressure sensor with a built-in feedback capacitor. Is assumed.
したがって、本実施形態の圧電センサ１は、図１又は図２に示すように、圧電素子１０と、チャージアンプ２０と、を備える。 Therefore, the piezoelectric sensor 1 of the present embodiment includes the piezoelectric element 10 and the charge amplifier 20 as shown in FIG. 1 or FIG.
（１）圧電素子１０
圧電素子１０は、力を受けると電荷（高インピーダンスの電気信号）を生じるといった圧電効果を生じる素子である。本実施形態の圧電素子１０は、所望の面に電極を有している。また、その電極とチャージアンプ２０とは電気的に接続されている。圧電素子の材質としては、例えば、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）、や水晶などが用いられる。電極の材質としては、ニッケル（Ｎｉ）や金（Ａｕ）などが用いられる。
(1) Piezoelectric element 10
The piezoelectric element 10 is an element that produces a piezoelectric effect in which an electric charge (a high-impedance electric signal) is generated when a force is applied. The piezoelectric element 10 of this embodiment has an electrode on a desired surface. The electrode and the charge amplifier 20 are electrically connected. As a material of the piezoelectric element, for example, lead zirconate titanate (PZT), crystal, or the like is used. As the material of the electrode, nickel (Ni), gold (Au), or the like is used.
また、本実施形態の圧電センサ１が圧電式加速度センサである場合、圧電素子１０は、例えば、圧電式加速度センサの本体部となるベースと重錘の間においてネジや接着剤などの固定材を用いて固定される。そして、圧電式加速度センサが加速度を受けると、その加速により重錘に生じた力が圧電素子１０に加わり、その圧電素子１０に電荷が発生する。 Further, when the piezoelectric sensor 1 of the present embodiment is a piezoelectric acceleration sensor, the piezoelectric element 10 is made of, for example, a fixing material such as a screw or an adhesive between a base serving as a main body of the piezoelectric acceleration sensor and a weight. Fixed using. When the piezoelectric acceleration sensor receives acceleration, a force generated on the weight due to the acceleration is applied to the piezoelectric element 10, and an electric charge is generated in the piezoelectric element 10.
（２）チャージアンプ２０
チャージアンプ２０は、圧電素子１０から得た電荷に比例した電圧を出力する増幅器である。このチャージアンプ２０は、その出力電圧の増幅率を決める帰還静電容量となるフィードバックコンデンサユニット３０と、オペアンプ又はトランジスタなどで構成される。また、このチャージアンプ２０は圧電センサ１に内蔵されている。これは、チャージアンプ２０が圧電センサ１に内蔵されていない場合に、圧電センサ１と外付用チャージアンプとを接続する外付用接続ケーブルの浮遊容量が原因となって圧電素子１０から出力された電気信号にノイズが発生することを除くためである。
(2) Charge amplifier 20
The charge amplifier 20 is an amplifier that outputs a voltage proportional to the electric charge obtained from the piezoelectric element 10. The charge amplifier 20 includes a feedback capacitor unit 30 serving as a feedback capacitance that determines the amplification factor of the output voltage, and an operational amplifier or a transistor. The charge amplifier 20 is built in the piezoelectric sensor 1. This is output from the piezoelectric element 10 due to the stray capacitance of the external connection cable connecting the piezoelectric sensor 1 and the external charge amplifier when the charge amplifier 20 is not built in the piezoelectric sensor 1. This is to eliminate the generation of noise in the electrical signal.
（３）フィードバックコンデンサユニット３０
フィードバックコンデンサユニット３０は温度補償用コンデンサとしての役割を果たす。そのため、フィードバックコンデンサユニット３０は、圧電素子１０の温度環境と同様の温度環境になるように、圧電センサ１内において圧電素子１０の近くに配置されることが好ましい。
(3) Feedback capacitor unit 30
The feedback capacitor unit 30 serves as a temperature compensating capacitor. Therefore, the feedback capacitor unit 30 is preferably arranged in the vicinity of the piezoelectric element 10 in the piezoelectric sensor 1 so as to have a temperature environment similar to the temperature environment of the piezoelectric element 10.
また、フィードバックコンデンサユニット３０は、第１フィードバックコンデンサ３１と、第２フィードバックコンデンサ３２と、を有する。第１フィードバックコンデンサ３１及び第２フィードバックコンデンサ３２の接続方法としては、温度補償の観点から、図１に示すような並列接続又は図２に示すような直列接続のどちらでもよい。その一方、フィードバックコンデンサユニット３０の設計容易性の観点から、第１フィードバックコンデンサ３１及び第２フィードバックコンデンサ３２の接続方法としては、図１に示すような並列接続が好ましい。 The feedback capacitor unit 30 includes a first feedback capacitor 31 and a second feedback capacitor 32. The connection method of the first feedback capacitor 31 and the second feedback capacitor 32 may be either parallel connection as shown in FIG. 1 or series connection as shown in FIG. 2 from the viewpoint of temperature compensation. On the other hand, from the viewpoint of ease of design of the feedback capacitor unit 30, the connection method of the first feedback capacitor 31 and the second feedback capacitor 32 is preferably parallel connection as shown in FIG. 1.
（３−１）第１フィードバックコンデンサ３１
第１フィードバックコンデンサ３１は、圧電素子１０が有する電荷感度の温度変化率より大きな温度変化率の静電容量を有する。
(3-1) First feedback capacitor 31
The first feedback capacitor 31 has a capacitance with a temperature change rate larger than the temperature change rate of the charge sensitivity of the piezoelectric element 10.
第１フィードバックコンデンサ３１としては、圧電素子１０と同じ材質で構成され、かつ、分極されていない同材質コンデンサであることが好ましい。 The first feedback capacitor 31 is preferably made of the same material as that of the piezoelectric element 10 and is not polarized.
また、第１フィードバックコンデンサ３１は、１個のコンデンサで構成されていてもよいし、２個以上の合成コンデンサで構成されていてもよい。 The first feedback capacitor 31 may be composed of one capacitor, or may be composed of two or more synthetic capacitors.
（３−２）第２フィードバックコンデンサ３２
第２フィードバックコンデンサ３２は、圧電素子１０が有する電荷感度の温度変化率より小さな温度変化率の静電容量を有する。
(3-2) Second feedback capacitor 32
The second feedback capacitor 32 has a capacitance with a temperature change rate smaller than the temperature change rate of the charge sensitivity of the piezoelectric element 10.
第２フィードバックコンデンサ３２の温度係数は、圧電センサ１の使用許容温度の範囲内において±１００ｐｐｍ／℃以下であることが好ましい。このようにすれば、フィードバックコンデンサユニット３０の温度変化率を約±５％の範囲内において高精度に設定することができる。さらに、第２フィードバックコンデンサ３２としては、温度係数が±３０ｐｐｍ／℃以下のセラミックコンデンサであることが好ましい。このようにすれば、フィードバックコンデンサユニット３０の温度変化率を約±２％の範囲内において高精度で設定することができる。 The temperature coefficient of the second feedback capacitor 32 is preferably ± 100 ppm / ° C. or less within the allowable temperature range of the piezoelectric sensor 1. In this way, the temperature change rate of the feedback capacitor unit 30 can be set with high accuracy within a range of about ± 5%. Further, the second feedback capacitor 32 is preferably a ceramic capacitor having a temperature coefficient of ± 30 ppm / ° C. or less. In this way, the temperature change rate of the feedback capacitor unit 30 can be set with high accuracy within a range of about ± 2%.
また、第２フィードバックコンデンサ３２は、１個のコンデンサで構成されていてもよいし、２個以上の合成コンデンサで構成されていてもよい。 The second feedback capacitor 32 may be composed of one capacitor, or may be composed of two or more synthetic capacitors.
（３−３）フィードバックコンデンサユニット３０の設計原理
（３−３−１）温度補償の基本原理
式１は、基準温度２０度におけるチャージアンプ２０の電圧感度Ｓｖｏ、基準温度２０度における圧電素子１０の電荷感度Ｓｑｏ及び基準温度２０度におけるフィードバックコンデンサユニット３０の静電容量Ｃｆｏ、並びに、任意温度におけるチャージアンプ２０の電圧感度Ｓｖ、任意温度における圧電素子１０の電荷感度Ｓｑ及び任意温度におけるフィードバックコンデンサユニット３０の静電容量Ｃｆの関係を示す。Ｓｖの温度変化率ｚ（ｔ−２０）、Ｓｑの温度変化率ｙ（ｔ−２０）又はＣｆの温度変化率ｘ（ｔ−２０）は、Ｓｖｏ、Ｓｑｏ又はＣｆｏの各温度変化率を基準に算出されている。
(3-3) Design Principle of Feedback Capacitor Unit 30 (3-3-1) Basic Principle of Temperature Compensation Equation 1 shows the voltage sensitivity Svo of the charge amplifier 20 at a reference temperature of 20 degrees and the piezoelectric element 10 at a reference temperature of 20 degrees. The capacitance Cfo of the feedback capacitor unit 30 at the charge sensitivity Sqo and the reference temperature of 20 degrees, the voltage sensitivity Sv of the charge amplifier 20 at the arbitrary temperature, the charge sensitivity Sq of the piezoelectric element 10 at the arbitrary temperature, and the feedback capacitor unit 30 at the arbitrary temperature. The relationship of the electrostatic capacitance Cf is shown. The temperature change rate z (t-20) of Sv, the temperature change rate y (t-20) of Sq, or the temperature change rate x (t-20) of Cf is based on each temperature change rate of Svo, Sqo or Cfo. It has been calculated.
式１に示す通り、チャージアンプ２０の電圧感度Ｓｖは、圧電センサ１の使用温度にかかわらず、圧電素子１０の電荷感度Ｓｑに比例し、フィードバックコンデンサユニット３０の静電容量Ｃｆに反比例する（Ｓｖ＝Ｓｑ／Ｃｆ）。 As shown in Equation 1, the voltage sensitivity Sv of the charge amplifier 20 is proportional to the charge sensitivity Sq of the piezoelectric element 10 regardless of the operating temperature of the piezoelectric sensor 1 and inversely proportional to the capacitance Cf of the feedback capacitor unit 30 (Sv = Sq / Cf).
また、式２は、式１に基づき、チャージアンプ２０の電圧感度Ｓｖの温度変化率ｚ（ｔ−２０）を示している。 Further, Expression 2 shows the temperature change rate z (t−20) of the voltage sensitivity Sv of the charge amplifier 20 based on Expression 1.
式２に示す通り、圧電素子１０の電荷感度Ｓｑの温度変化率ｙ（ｔ−２０）の上昇にともなってチャージアンプ２０の電圧感度Ｓｖの温度変化率ｚ（ｔ−２０）は上昇し、フィードバックコンデンサユニット３０の静電容量Ｃｆの温度変化率ｘ（ｔ−２０）の上昇にともなってチャージアンプ２０の電圧感度Ｓｖの温度変化率ｚ（ｔ−２０）は減少する（式：ｚ（ｔ−２０）＝（１＋ｙ（ｔ−２０））／（１＋ｘ（ｔ−２０））−１）。例えば、圧電素子１０の電荷感度Ｓｑの温度変化率ｙ（ｔ−２０）とフィードバックコンデンサユニット３０の静電容量Ｃｆの温度変化率ｘ（ｔ−２０）とが同じ場合（ｙ（ｔ−２０）＝ｘ（ｔ−２０））、チャージアンプ２０の電圧感度Ｓｖの温度変化率ｚ（ｔ−２０）は０になる（式：ｚ（ｔ−２０）＝０）。しかし、上記の通り、フィードバックコンデンサとして同材質コンデンサを用いたとしても、同材質コンデンサのみでは、その静電容量Ｃｆの変化率が圧電素子１０の電荷感度Ｓｑの変化率より大きくなってしまう。 As shown in Equation 2, the temperature change rate z (t-20) of the voltage sensitivity Sv of the charge amplifier 20 increases as the temperature change rate y (t-20) of the charge sensitivity Sq of the piezoelectric element 10 increases, and feedback. As the temperature change rate x (t-20) of the capacitance Cf of the capacitor unit 30 increases, the temperature change rate z (t-20) of the voltage sensitivity Sv of the charge amplifier 20 decreases (formula: z (t−). 20) = (1 + y (t−20)) / (1 + x (t−20)) − 1). For example, when the temperature change rate y (t-20) of the charge sensitivity Sq of the piezoelectric element 10 and the temperature change rate x (t-20) of the capacitance Cf of the feedback capacitor unit 30 are the same (y (t-20)). = X (t-20)), the temperature change rate z (t-20) of the voltage sensitivity Sv of the charge amplifier 20 becomes 0 (formula: z (t-20) = 0). However, as described above, even if the same material capacitor is used as the feedback capacitor, the change rate of the capacitance Cf is larger than the change rate of the charge sensitivity Sq of the piezoelectric element 10 only with the same material capacitor.
そのため、本実施形態の圧電センサ１に対して温度補償する場合、例えば以下の条件が必要になる。 Therefore, when temperature compensation is performed for the piezoelectric sensor 1 of the present embodiment, for example, the following conditions are required.
（Ａ）Ｃｆとの温度変化率ｘ（ｔ−２０）とＳｑの温度変化率ｙ（ｔ−２０）との正負が同じ。 (A) The sign of the temperature change rate x (t-20) with Cf and the temperature change rate y (t-20) with Sq are the same.
（Ｂ）ｘ（ｔ−２０）の絶対値がｙ（ｔ−２０）の絶対値より大きい。 (B) The absolute value of x (t-20) is larger than the absolute value of y (t-20).
（Ｃ）ｘ（ｔ−２０）とｙ（ｔ−２０）とがそれぞれ比例関係又はそれとの近似関係を有する。 (C) x (t-20) and y (t-20) each have a proportional relationship or an approximate relationship therewith.
上記条件（Ａ）〜（Ｃ）を満たす場合、圧電センサ１の使用温度が変化しても「チャージアンプ２０の電圧感度Ｓｖの温度変化率ｚ（ｔ−２０）≒０」であれば「電圧感度Ｓｖ＝一定」になるため、圧電センサ１に対して温度補償をなし得る。 When the above conditions (A) to (C) are satisfied, even if the operating temperature of the piezoelectric sensor 1 changes, if “temperature change rate z (t−20) ≈0 of voltage sensitivity Sv of the charge amplifier 20” is “voltage” Since the sensitivity Sv = constant ”, temperature compensation can be performed for the piezoelectric sensor 1.
（３−３−２）フィードバックコンデンサユニット３０の設計原理
式３は、フィードバックコンデンサユニット３０を構成する第１フィードバックコンデンサ３１及び第２フィードバックコンデンサ３２の各静電容量Ｃｆ１、Ｃｆ２と、基準温度２０度における第１フィードバックコンデンサ３１及び第２フィードバックコンデンサ３２の各静電容量Ｃｆ１ｏ、Ｃｆ２ｏと、の関係を示す。Ｃｆ１の温度変化率ｘ１（ｔ−２０）又はＣｆ２の温度変化率ｘ２（ｔ−２０）は、Ｃｆ１ｏ又はＣｆ２ｏの各温度変化率を基準に算出されている。
(3-3-2) Design Principle of Feedback Capacitor Unit 30 Equation 3 shows the capacitances Cf1 and Cf2 of the first feedback capacitor 31 and the second feedback capacitor 32 constituting the feedback capacitor unit 30 and a reference temperature of 20 degrees. The relationship between the capacitances Cf1o and Cf2o of the first feedback capacitor 31 and the second feedback capacitor 32 in FIG. The temperature change rate x1 (t-20) of Cf1 or the temperature change rate x2 (t-20) of Cf2 is calculated based on the temperature change rate of Cf1o or Cf2o.
フィードバックコンデンサユニット３０において、第１フィードバックコンデンサ３１及び第２フィードバックコンデンサ３２は、上記の通り、並列又は直列に接続されている。また、フィードバックコンデンサユニット３０は第１フィードバックコンデンサ３１及び第２フィードバックコンデンサ３２から構成される合成コンデンサであるため、フィードバックコンデンサユニット３０の静電容量Ｃｆ及びＣｆ０は第１フィードバックコンデンサ３１の静電容量Ｃｆ１及び第２フィードバックコンデンサ３２の静電容量Ｃｆ２に依存する。 In the feedback capacitor unit 30, the first feedback capacitor 31 and the second feedback capacitor 32 are connected in parallel or in series as described above. Further, since the feedback capacitor unit 30 is a composite capacitor composed of the first feedback capacitor 31 and the second feedback capacitor 32, the capacitances Cf and Cf0 of the feedback capacitor unit 30 are the capacitances Cf1 of the first feedback capacitor 31. And the capacitance Cf2 of the second feedback capacitor 32.
ここで、第１フィードバックコンデンサ３１の静電容量Ｃｆ１及び第２フィードバックコンデンサ３２の静電容量Ｃｆ２は、式３に示すように、基準温度２０度における第１フィードバックコンデンサ３１及び第２フィードバックコンデンサ３２の各静電容量Ｃｆ１ｏ、Ｃｆ２ｏ、及び、その各温度変化率ｘ１（ｔ−２０）、ｘ２（ｔ−２０）に依存する。つまり、Ｃｆ１ｏ、Ｃｆ２ｏ、ｘ１（ｔ−２０）及びｘ２（ｔ−２０）を調整することにより、フィードバックコンデンサユニット３０において所望又はそれに近い温度変化率ｘ（ｔ−２０）を得ることができる。 Here, the electrostatic capacitance Cf1 of the first feedback capacitor 31 and the electrostatic capacitance Cf2 of the second feedback capacitor 32 are the values of the first feedback capacitor 31 and the second feedback capacitor 32 at the reference temperature of 20 degrees as shown in Expression 3. It depends on the capacitances Cf1o and Cf2o and their respective temperature change rates x1 (t-20) and x2 (t-20). That is, by adjusting Cf1o, Cf2o, x1 (t-20), and x2 (t-20), the feedback capacitor unit 30 can obtain a desired or close temperature change rate x (t-20).
（３−３−３）並列接続時のフィードバックコンデンサユニット３０
図３は、本実施形態の第１フィードバックコンデンサ３１及び第２フィードバックコンデンサ３２を並列接続した圧電センサ１における温度変化率を示すグラフである。
(3-3-3) Feedback capacitor unit 30 in parallel connection
FIG. 3 is a graph showing a temperature change rate in the piezoelectric sensor 1 in which the first feedback capacitor 31 and the second feedback capacitor 32 of the present embodiment are connected in parallel.
図３に示すように、圧電素子１０の電荷感度Ｓｑにおける温度変化率ｙ（ｔ−２０）は、基準温度２０℃の温度変化率を０としたとき、温度上昇に対してほぼ比例的に上昇する。 As shown in FIG. 3, the temperature change rate y (t−20) in the charge sensitivity Sq of the piezoelectric element 10 increases almost proportionally to the temperature increase when the temperature change rate at the reference temperature of 20 ° C. is 0. To do.
また、上記条件（Ａ）〜（Ｃ）を満たす又は上記条件に近づくように、第１フィードバックコンデンサ３１及びその静電容量Ｃｆ１を選定又は作成する。このような場合、図３に示すように、基準温度２０℃の温度変化率を０としたとき、温度上昇に対して第１フィードバックコンデンサ３１の静電容量Ｃｆ１の温度上昇率ｘ（ｔ−２０）がほぼ比例的に上昇する。また、第１フィードバックコンデンサ３１は同材質コンデンサであるため、図３に示すような温度特性のグラフが得られやすい。 Further, the first feedback capacitor 31 and its electrostatic capacitance Cf1 are selected or created so as to satisfy the conditions (A) to (C) or approach the above conditions. In such a case, as shown in FIG. 3, when the rate of temperature change at the reference temperature of 20 ° C. is set to 0, the temperature increase rate x (t−20) of the capacitance Cf1 of the first feedback capacitor 31 with respect to the temperature increase. ) Rises almost proportionally. Further, since the first feedback capacitor 31 is the same material capacitor, a graph of temperature characteristics as shown in FIG. 3 is easily obtained.
フィードバックコンデンサユニット３０が第１フィードバックコンデンサ３１のみの場合、図３に示すように、基準温度２０℃の各温度変化率を０としたとき、温度上昇に対してチャージアンプ２０の電圧感度Ｓｖの温度変化率ｚ（ｔ−２０）がほぼ比例的に下降する。 When the feedback capacitor unit 30 is only the first feedback capacitor 31, as shown in FIG. 3, the temperature of the voltage sensitivity Sv of the charge amplifier 20 with respect to the temperature rise when each temperature change rate at the reference temperature of 20 ° C. is zero. The rate of change z (t-20) decreases almost proportionally.
そして、電圧感度Ｓｖ＝一定に近づけるためには、上記の通り、「チャージアンプ２０の電圧感度Ｓｖの温度変化率ｚ（ｔ−２０）≒０」、すなわち、「フィードバックコンデンサユニット３０の静電容量Ｃｆの温度変化率ｘ（ｔ−２０）≒圧電素子１０の電荷感度Ｓｑの温度変化率ｙ（ｔ−２０）」になればよい。 In order to approach voltage sensitivity Sv = constant, as described above, “temperature change rate z (t−20) ≈0 of voltage sensitivity Sv of charge amplifier 20” = 0, that is, “capacitance of feedback capacitor unit 30”. Cf temperature change rate x (t-20) ≈piezoelectric element 10 charge sensitivity Sq temperature change rate y (t-20).
そこで、フィードバックコンデンサユニット３０において第１フィードバックコンデンサ３１及び第２フィードバックコンデンサ３２を並列接続している。 Therefore, in the feedback capacitor unit 30, the first feedback capacitor 31 and the second feedback capacitor 32 are connected in parallel.
ここで、式４は、式１〜３に基づき、調整可能なＣｆ１ｏ、Ｃｆ２ｏ、ｘ１（ｔ−２０）及びｘ２（ｔ−２０）を用いて並列時のフィードバックコンデンサユニット３０の静電容量Ｃｆの温度変化率ｘ（ｔ−２０）を算出する計算式を示す。 Here, Expression 4 is based on Expressions 1 to 3, and the capacitance Cf of the feedback capacitor unit 30 in parallel using Cf1o, Cf2o, x1 (t-20), and x2 (t-20) that can be adjusted. The calculation formula which calculates temperature change rate x (t-20) is shown.
式４に示す通り、電荷感度Ｓｑより大きな温度変化率ｘ１（ｔ−２０）を有する第１フィードバックコンデンサ３１の静電容量Ｃｆ１を減らし、電荷感度Ｓｑより小さな温度変化率ｘ２（ｔ−２０）を有する第２フィードバックコンデンサ３２の静電容量Ｃｆ２を増やしつつ、フィードバックコンデンサユニット３０の静電容量Ｃｆをほぼ一定に保つことは可能である。 As shown in Equation 4, the capacitance Cf1 of the first feedback capacitor 31 having a temperature change rate x1 (t-20) larger than the charge sensitivity Sq is reduced, and a temperature change rate x2 (t-20) smaller than the charge sensitivity Sq is obtained. It is possible to keep the capacitance Cf of the feedback capacitor unit 30 substantially constant while increasing the capacitance Cf2 of the second feedback capacitor 32.
つまり、フィードバックコンデンサユニット３０において第１フィードバックコンデンサ３１及び第２フィードバックコンデンサ３２を並列接続した場合、Ｃｆ１ｏ、Ｃｆ２ｏ、ｘ１（ｔ−２０）及びｘ２（ｔ−２０）を調整することにより「フィードバックコンデンサユニット３０の静電容量Ｃｆの温度変化率ｘ（ｔ−２０）≒圧電素子１０の電荷感度Ｓｑの温度変化率ｙ（ｔ−２０）」に近づけることができるので、温度変化に対してチャージアンプ２０の電圧感度Ｓｖの温度変化率ｚ（ｔ−２０）を０に近似させることができる。 That is, when the first feedback capacitor 31 and the second feedback capacitor 32 are connected in parallel in the feedback capacitor unit 30, the “feedback capacitor unit” is adjusted by adjusting Cf1o, Cf2o, x1 (t-20), and x2 (t-20). Since the temperature change rate x (t-20) of the capacitance Cf of 30 can be approximated to the "temperature change rate y (t-20) of the charge sensitivity Sq of the piezoelectric element 10," the charge amplifier 20 responds to the temperature change. The temperature change rate z (t-20) of the voltage sensitivity Sv can be approximated to zero.
第１フィードバックコンデンサ３１が同材質コンデンサであるからｘ（ｔ−２０）とｙ（ｔ−２０）との温度特性が基準温度（２０℃）に対して同様な傾向であり、図３に示すように、第２フィードバックコンデンサ３２なし（＝温度補償なし）に比べ、第２フィードバックコンデンサ３２あり（＝温度補償あり）の場合には大幅に温度変化率を小さくすることができる。 Since the first feedback capacitor 31 is the same material capacitor, the temperature characteristics of x (t-20) and y (t-20) have the same tendency with respect to the reference temperature (20 ° C.), as shown in FIG. In contrast, when the second feedback capacitor 32 is provided (= with temperature compensation), the temperature change rate can be significantly reduced as compared with the case without the second feedback capacitor 32 (= no temperature compensation).
なお、第２フィードバックコンデンサ３２がセラミックコンデンサである場合、温度係数が約３０ｐｐｍ以下の市販品を使用することにより、ｘ２（ｔ−２０）＝０として計算しても製品上問題がない。これにより、フィードバックコンデンサユニット３０の静電容量Ｃｆの温度変化率ｘ（ｔ−２０）の設定の際、変数がＣｆ１ｏ、Ｃｆ２ｏ及びｘ１（ｔ−２０）の３つに減らすことができる。 In addition, when the 2nd feedback capacitor 32 is a ceramic capacitor, even if it calculates as x2 (t-20) = 0 by using a commercial item with a temperature coefficient of about 30 ppm or less, there is no problem on a product. Thereby, when setting the temperature change rate x (t-20) of the capacitance Cf of the feedback capacitor unit 30, the variable can be reduced to three of Cf1o, Cf2o, and x1 (t-20).
（３−３−４）直列接続時のフィードバックコンデンサユニット３０
図４は、本実施形態の第１フィードバックコンデンサ３１及び第２フィードバックコンデンサ３２を直列接続した圧電センサ１における温度変化率を示すグラフである。
(3-3-4) Feedback capacitor unit 30 in series connection
FIG. 4 is a graph showing a temperature change rate in the piezoelectric sensor 1 in which the first feedback capacitor 31 and the second feedback capacitor 32 of the present embodiment are connected in series.
また、式５は、式１〜３に基づき、調整可能なＣｆ１ｏ、Ｃｆ２ｏ、ｘ１（ｔ−２０）及びｘ２（ｔ−２０）を用いて直列時のフィードバックコンデンサユニット３０の静電容量Ｃｆの温度変化率ｘ（ｔ−２０）を算出する計算式を示す。 Further, Expression 5 is based on Expressions 1 to 3, and the temperature of the capacitance Cf of the feedback capacitor unit 30 in series using Cf1o, Cf2o, x1 (t-20), and x2 (t-20) that can be adjusted. The calculation formula which calculates change rate x (t-20) is shown.
直列接続時のフィードバックコンデンサユニット３０は、図４及び式５に示すように、上記した並列接続時のフィードバックコンデンサユニット３０と同様、Ｃｆ１ｏ、Ｃｆ２ｏ、ｘ１（ｔ−２０）及びｘ２（ｔ−２０）を調整することにより「フィードバックコンデンサユニット３０の静電容量Ｃｆｔの温度変化率ｘ（ｔ−２０）≒圧電素子１０の電荷感度Ｓｑの温度変化率ｙ（ｔ−２０）」に近づけることができる。そのため、温度変化に対してチャージアンプ２０の電圧感度Ｓｖｔの温度変化率ｚｔを０に近似させることができる。 As shown in FIGS. 4 and 5, the feedback capacitor unit 30 at the time of series connection is Cf1o, Cf2o, x1 (t-20) and x2 (t-20) similarly to the feedback capacitor unit 30 at the time of parallel connection. Can be brought close to “temperature change rate x (t−20) of electrostatic capacitance Cft of feedback capacitor unit 30≈temperature change rate y (t−20) of charge sensitivity Sq of piezoelectric element 10” ”. Therefore, the temperature change rate zt of the voltage sensitivity Svt of the charge amplifier 20 can be approximated to 0 with respect to the temperature change.
また、上記したとおり、第１フィードバックコンデンサ３１が同材質コンデンサなので、ｘ（ｔ−２０）とｙ（ｔ−２０）との温度特性が基準温度（２０℃）に対して同様な傾向になる。そのため、図４に示すように、第２フィードバックコンデンサ３２なし（＝温度補償なし）に比べ、第２フィードバックコンデンサ３２あり（＝温度補償あり）の場合には大幅に温度変化率を小さくすることができる。 In addition, as described above, since the first feedback capacitor 31 is the same material capacitor, the temperature characteristics of x (t-20) and y (t-20) tend to be the same with respect to the reference temperature (20 ° C.). Therefore, as shown in FIG. 4, when the second feedback capacitor 32 is provided (= with temperature compensation), the temperature change rate can be greatly reduced as compared with the case without the second feedback capacitor 32 (= no temperature compensation). it can.
なお、第２フィードバックコンデンサ３２がセラミックコンデンサである場合、温度係数が約３０ｐｐｍ以下の市販品を使用することで、ｘ２（ｔ−２０）＝０として計算しても製品上問題がない。これにより、フィードバックコンデンサユニット３０の静電容量Ｃｆの温度変化率ｘ（ｔ−２０）の設定の際、変数がＣｆ１ｏ、Ｃｆ２ｏ及びｘ１（ｔ−２０）の３つに減らすことができる。特に、直列接続時の合成静電容量の計算が並列接続時の合成静電容量の計算よりも複雑である。そのため、変数が１個減少することは、フィードバックコンデンサの設計を容易にすることができる。 In addition, when the 2nd feedback capacitor 32 is a ceramic capacitor, even if it calculates as x2 (t-20) = 0 by using a commercial item with a temperature coefficient of about 30 ppm or less, there is no problem on a product. Thereby, when setting the temperature change rate x (t-20) of the capacitance Cf of the feedback capacitor unit 30, the variable can be reduced to three of Cf1o, Cf2o, and x1 (t-20). In particular, the calculation of the combined capacitance at the time of series connection is more complicated than the calculation of the combined capacitance at the time of parallel connection. Therefore, the reduction of one variable can facilitate the design of the feedback capacitor.
［２］効果
次に、本実施形態の圧電センサ１の効果を説明する。
[2] Effects Next, effects of the piezoelectric sensor 1 of the present embodiment will be described.
（１）本実施形態の圧電センサ１は、圧電素子１０と、圧電素子１０と同じ材質で構成されており分極されていない同材質コンデンサからなる第１フィードバックコンデンサ３１と圧電素子１０が有する電荷感度の温度変化率より小さな温度変化率の静電容量を有する第２フィードバックコンデンサ３２とを接続して構成されるフィードバックコンデンサユニット３０を有するとともに、圧電素子１０に電気的に接続されているチャージアンプ２０と、を備えることを特徴としている。 (1) The piezoelectric sensor 1 of the present embodiment includes the piezoelectric element 10 and the charge sensitivity of the piezoelectric element 10 and the first feedback capacitor 31 made of the same material as the piezoelectric element 10 and made of the same material capacitor that is not polarized. The charge amplifier 20 includes a feedback capacitor unit 30 configured by connecting a second feedback capacitor 32 having a capacitance with a temperature change rate smaller than the temperature change rate of the piezoelectric element 10 and is electrically connected to the piezoelectric element 10. It is characterized by providing these.
これにより、圧電素子が有する電荷感度の温度変化率よりも静電容量の温度変化率を大きくし、かつ温度に対して圧電素子１０の電荷感度と同様な傾向を有する第１フィードバックコンデンサ３１及び圧電素子が有する電荷感度の温度変化率より小さな温度変化率の静電容量を有する第２フィードバックコンデンサ３２を組合せた回路をフィードバックコンデンサユニット３０として使用するので、フィードバックコンデンサユニット３０が有する静電容量の温度変化率を圧電素子１０が有する電荷感度の温度変化率と同程度の値に容易に設定することができる。また、チャージアンプ２０のゲインとの関係から第１フィードバックコンデンサ３１及び第２フィードバックコンデンサ３２の静電容量は約１０〜１０００ｐＦ程度で十分であり、それらの各サイズはいずれも小さいことから、それらを組み合わせたフィードバックコンデンサユニット３０のサイズも小さいままである。その結果、本実施形態の圧電センサ１を従来と同程度のサイズにすることができる。 Thereby, the temperature change rate of the capacitance is larger than the temperature change rate of the charge sensitivity of the piezoelectric element, and the first feedback capacitor 31 and the piezoelectric element having the same tendency as the charge sensitivity of the piezoelectric element 10 with respect to the temperature. Since a circuit in which the second feedback capacitor 32 having a capacitance with a temperature change rate smaller than the temperature change rate of the charge sensitivity of the device is used as the feedback capacitor unit 30, the temperature of the capacitance of the feedback capacitor unit 30 The rate of change can be easily set to a value comparable to the temperature change rate of the charge sensitivity of the piezoelectric element 10. In addition, the capacitance of the first feedback capacitor 31 and the second feedback capacitor 32 is sufficient to be about 10 to 1000 pF from the relationship with the gain of the charge amplifier 20, and since each of these sizes is small, The size of the combined feedback capacitor unit 30 also remains small. As a result, the size of the piezoelectric sensor 1 of the present embodiment can be made the same as the conventional size.
（２）また、本実施形態の圧電センサ１において、第２フィードバックコンデンサ３２の温度係数は、圧電センサ１の使用許容温度の範囲内において±１００ｐｐｍ／℃以下であることが好ましい。 (2) In the piezoelectric sensor 1 of the present embodiment, the temperature coefficient of the second feedback capacitor 32 is preferably ± 100 ppm / ° C. or less within the allowable temperature range of the piezoelectric sensor 1.
これにより、第２フィードバックコンデンサ３２の温度変化率を０に近似させてもフィードバックコンデンサユニット３０の温度変化率を約±５％の精度で設定することができるので、第１フィードバックコンデンサ３１及び第２フィードバックコンデンサ３２の各静電容量を選択する労力を大幅に軽減することができる。 Thus, even if the temperature change rate of the second feedback capacitor 32 is approximated to 0, the temperature change rate of the feedback capacitor unit 30 can be set with an accuracy of about ± 5%. The labor for selecting each capacitance of the feedback capacitor 32 can be greatly reduced.
（３）また、本実施形態の圧電センサ１において、第２フィードバックコンデンサ３２は、セラミックコンデンサであることが好ましい。 (3) In the piezoelectric sensor 1 of the present embodiment, the second feedback capacitor 32 is preferably a ceramic capacitor.
これにより、第２フィードバックコンデンサ３２としてのセラミックコンデンサの温度係数は±約３０ｐｐｍ／℃であるから、その温度変化率を０に近似させてもフィードバックコンデンサユニット３０の温度変化率を約±２％の精度で設定することができるので、第１フィードバックコンデンサ３１及び第２フィードバックコンデンサ３２の各静電容量の選択する労力を大幅に軽減することができる。また、市販のセラミックコンデンサは容易に入手可能であり、第２フィードバックコンデンサ３２の選択自由度を高めることができる。また、第２フィードバックコンデンサ３２が耐熱性に優れたセラミックコンデンサであることによって、圧電センサ１を従来よりも高温で使用することができる。 Thus, the temperature coefficient of the ceramic capacitor as the second feedback capacitor 32 is ± about 30 ppm / ° C. Therefore, even if the temperature change rate is approximated to 0, the temperature change rate of the feedback capacitor unit 30 is about ± 2%. Since it can set with accuracy, the labor for selecting each capacitance of the first feedback capacitor 31 and the second feedback capacitor 32 can be greatly reduced. Moreover, a commercially available ceramic capacitor is easily available, and the degree of freedom in selecting the second feedback capacitor 32 can be increased. Further, since the second feedback capacitor 32 is a ceramic capacitor having excellent heat resistance, the piezoelectric sensor 1 can be used at a higher temperature than in the past.
（４）また、本実施形態の圧電センサ１において、フィードバックコンデンサユニット３０は、第１フィードバックコンデンサ３１と、第２フィードバックコンデンサ３２と、を並列に接続して構成されることが好ましい。 (4) Moreover, in the piezoelectric sensor 1 of this embodiment, the feedback capacitor unit 30 is preferably configured by connecting a first feedback capacitor 31 and a second feedback capacitor 32 in parallel.
これにより、フィードバックコンデンサユニット３０の静電容量Ｃｆは第１フィードバックコンデンサ３１の静電容量Ｃｆ１と第２フィードバックコンデンサ３２の静電容量Ｃｆ２とを足して得た値（Ｃｆ＝Ｃｆ１＋Ｃｆ２）となるので、フィードバックコンデンサユニット３０の設計時にその静電容量の計算を容易にすることができる。また、並列接続時に使用する第１フィードバックコンデンサ３１の静電容量が直列接続時に使用する第１フィードバックコンデンサ３１の静電容量よりも小さくなり、その分だけ第１フィードバックコンデンサ３１のサイズも小さくなるので、圧電センサ１を小型化させることができる。 As a result, the capacitance Cf of the feedback capacitor unit 30 becomes a value obtained by adding the capacitance Cf1 of the first feedback capacitor 31 and the capacitance Cf2 of the second feedback capacitor 32 (Cf = Cf1 + Cf2). It is possible to easily calculate the capacitance when the feedback capacitor unit 30 is designed. Further, the capacitance of the first feedback capacitor 31 used in the parallel connection is smaller than the capacitance of the first feedback capacitor 31 used in the serial connection, and the size of the first feedback capacitor 31 is also reduced accordingly. The piezoelectric sensor 1 can be reduced in size.
すなわち、本実施形態の圧電センサ１によれば、フィードバックコンデンサユニット３０が有する静電容量の温度変化率を圧電素子１０が有する電荷感度の温度変化率と同程度の値に設定することが容易となるので、電圧感度の温度補償を高精度かつ容易に実現することができるという効果を奏する。 That is, according to the piezoelectric sensor 1 of the present embodiment, it is easy to set the temperature change rate of the capacitance of the feedback capacitor unit 30 to a value comparable to the temperature change rate of the charge sensitivity of the piezoelectric element 10. Therefore, there is an effect that temperature compensation of voltage sensitivity can be easily realized with high accuracy.
なお、本発明は、前述した実施形態などに限定されるものではなく、必要に応じて種々の変更が可能である。 In addition, this invention is not limited to embodiment mentioned above etc., A various change is possible as needed.
１ 圧電センサ
１０ 圧電素子
２０ チャージアンプ
３０ フィードバックコンデンサユニット
３１ 第１フィードバックコンデンサ
３２ 第２フィードバックコンデンサ
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Piezoelectric sensor 10 Piezoelectric element 20 Charge amplifier 30 Feedback capacitor unit 31 1st feedback capacitor 32 2nd feedback capacitor
Claims (4)
前記圧電素子と同じ材質で構成されており分極されていない同材質コンデンサからなる第１フィードバックコンデンサと前記圧電素子が有する電荷感度の温度変化率より小さな温度変化率の静電容量を有する第２フィードバックコンデンサとを接続して構成されるフィードバックコンデンサユニットを有するとともに、前記圧電素子に電気的に接続されているチャージアンプと、
を備えることを特徴とする圧電センサ。 A piezoelectric element;
A first feedback capacitor composed of the same material capacitor that is made of the same material as the piezoelectric element and is not polarized, and a second feedback having a capacitance with a temperature change rate smaller than the temperature change rate of charge sensitivity of the piezoelectric element. Having a feedback capacitor unit configured by connecting a capacitor, and a charge amplifier electrically connected to the piezoelectric element;
A piezoelectric sensor comprising:
ことを特徴とする請求項１に記載の圧電センサ。 2. The piezoelectric sensor according to claim 1, wherein a temperature coefficient of the second feedback capacitor is ± 100 ppm / ° C. or less within a range of allowable use temperature of the piezoelectric sensor.
ことを特徴とする請求項２に記載の圧電センサ。 The piezoelectric sensor according to claim 2, wherein the second feedback capacitor is a ceramic capacitor.
ことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の圧電センサ。
The piezoelectric capacitor according to any one of claims 1 to 3, wherein the feedback capacitor unit is configured by connecting the first feedback capacitor and the second feedback capacitor in parallel. Sensor.
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2023098782A (en) * | 2021-12-29 | 2023-07-11 | 株式会社富士セラミックス | Piezoelectric type voltage output acceleration sensor |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US2857462A (en) * | 1956-07-12 | 1958-10-21 | Rca Corp | Transistor amplifier circuit |
| JPS6442460U (en) * | 1987-06-03 | 1989-03-14 | ||
| JPH0560643A (en) * | 1991-09-04 | 1993-03-12 | Matsushita Electric Ind Co Ltd | Piezoelectric pressure sensor |
-
2015
- 2015-06-22 JP JP2015124554A patent/JP6509644B2/en active Active
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US2857462A (en) * | 1956-07-12 | 1958-10-21 | Rca Corp | Transistor amplifier circuit |
| JPS6442460U (en) * | 1987-06-03 | 1989-03-14 | ||
| JPH0560643A (en) * | 1991-09-04 | 1993-03-12 | Matsushita Electric Ind Co Ltd | Piezoelectric pressure sensor |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2023098782A (en) * | 2021-12-29 | 2023-07-11 | 株式会社富士セラミックス | Piezoelectric type voltage output acceleration sensor |
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