JP2607403B2 - ２軸加速度センサ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、２軸加速度センサに
関し、より詳しくは、自動車の衝突時の安全確保のため
のエアバックシステムなどの衝撃検出装置、あるいは悪
路における乗り心地改善のための機構などにおいて加速
度の大きさや方向などの検出のために使用される加速度
センサであって、１個のセンサで２方向の加速度の検出
が可能であり、また加速度が検出可能状態か否かを自ら
判断できる自己診断機能を備えた、２軸加速度センサに
関するものである。

【０００２】

【従来の技術】加速度の検出には種々の方式のものが実
用化されている。その中でも特に、圧電セラミックスを
用いて構成される加速度センサは、構造が簡単で、また
高温での使用が可能であるなど特長を持つため、上記の
他、各種機械における振動検出、あるいは自動車におけ
るエンジンのノッキング検出などに、広く使用されてい
る。

【０００３】図４は従来の圧電方式の加速度センサを示
したものである。図において、両端面に電極が形成され
ており、また厚さ方向に分極された圧電セラミックス円
環１２，１２が端子板９を介して分極の向きが逆向きに
なるように重ねられるとともに、これらが重り７ととも
にケースを兼ねたベース１１にボルト８によって締め付
けられた構造が採られている。

【０００４】この従来の加速度センサでは、圧電セラミ
ックス円環１２の厚さ方向にベース１１が振動した場
合、圧電セラミックス円環１２には下式(1) で表される
力Ｆが作用し、またこの際、圧電セラミックス円環１２
の電極間には下式(2) で表される電圧が発生する。

【０００５】 Ｆ＝Ｍ・α (1) Ｖ＝ｋ・Ｆ (2) 上式(1) ，(2) おいて、Ｍは重りの質量、αは加速度、
ｋは比例定数である。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来の加速度センサは、圧電セラミックス円環１２の厚さ
方向，即ち１方向の加速度成分だけしか検出することが
できないものである。従って、例えばＸ，Ｙ軸の２方向
の加速度を検出するための２軸加速度センサを得ようと
すれば、この加速度センサを２個用いる必要があり、こ
の場合には構造的に複雑になり、またセンサが大型化す
るという問題がある。

【０００７】また、この加速度センサを自動車などに取
付け時には２つの加速度センサを正確に直角に角度調整
しつつ組合せる必要があるが、この角度調整がなかなか
難しく、精度良く直角度を出すことが困難であるなどの
問題がある。

【０００８】一方、この種の加速度センサが使用される
例えばエアバックシステム等の衝撃検出装置において
は、通常、自己の信頼性を高めるためにセンサ単体およ
び処理回路の故障の有無を自己診断している。

【０００９】この種の自己診断の方式としては、一般的
に、外部より加速度センサに機械的振動を印加すること
で、加速度センサ単体および処理回路の自己診断してい
る。ところがこの場合、外部に振動駆動装置が必要であ
り、このためシステム全体が大がかりとなるという問題
がある。

【００１０】また、圧電セラミックスの静電容量を計測
することで自己診断をする方式もあるが、この方式の場
合には信号線の断線は検出できるものの、圧電的な特性
の劣化などを精度良く検出することができないという問
題がある。

【００１１】更に、例えば特公昭63ー 241467 号に記載
されたような、圧電セラミックスにパルス状の歪みを発
生させ、その時の出力電圧を検出することで自己診断機
能を持たせた方式もあるが、１軸の加速度センサにだけ
適用可能であり、複数の信号線から構成される２軸の加
速度センサの場合には適用できない。

【００１２】この発明は、従来の加速度センサにおける
上記のような欠点がなく、簡単な構造でしかも２つの方
向の加速度を検出することが可能であり、またそれ自体
で２軸の加速度を検出可能状態か否かを判断できる自己
診断を行なえる、２軸加速度センサを提供することを目
的とする。

【００１３】

【問題点を解決するための手段】この発明の２軸加速度
センサは、圧電セラミックス円柱の外周面に長さ方向と
平行に形成した８の倍数個の帯状電極を、前記外周面の
円周方向において一つおきに出力電極とし且つ前記帯状
電極の残りを共通アース電極とし、前記圧電セラミック
ス円柱の外周面に円周方向に設けられた帯状電極を前記
共通アース電極に接続し、前記円周方向に設けられた帯
状電極と平行で且つ所定の間隔をあけて帯状電極を形成
して入力電極とし、また前記８の倍数個の帯状電極にお
いて、隣り合う電極間隙部に前記円周方向に対してそれ
ぞれ逆向きに分極処理を施し、前記円周方向に設けられ
た帯状電極と前記入力電極の間隙部に長さ方向に分極処
理を施し、更に前記圧電セラミックス円柱の前記入力電
極側の端部をベースに固定してなることを要旨とするも
のである。

【００１４】そして、上記構成において、ベースが前記
圧電セラミックス円柱の中心軸と直角な面方向に振動し
た時、出力電極の内の上記中心軸に対して互いに向い合
う１対の電極に発生する電圧の差動電圧から上記１対の
電極を結ぶ方向の加速度成分を検出することで、上記面
内の直交する２方向の加速度成分を検出可能とするとと
ができる。また、ベースが振動しない状態において、上
記円周方向に設けられた帯状電極と入力電極との間に交
流電圧もしくはパルス電圧を印加し逆圧電効果によって
圧電セラミックス円柱を励振した時に発生する出力電極
の電圧を検出して、加速度検出可能状態か否かの自己診
断を行なえば良い。

【００１５】

【作用】上記構成によれば、１つの圧電セラミックス円
柱によって２方向の加速度成分を検出することができ
る。そしてこの結果、簡単な構造で直交する２方向の加
速度を同時に検出することが可能となる。

【００１６】また、上記のように逆圧電効果によって圧
電セラミックス円柱を励振することで、各出力電極に均
等に出力電圧を発生させることができ、またこのためこ
れら出力電極のみならず複数の出力信号線のチェックを
同時に行なえる結果、２軸の加速度センサにおける精度
の良い自己診断が可能となる。

【００１７】

【実施例】以下に帯状電極を８個用いて構成される、本
発明の２軸加速度センサの実施例を説明する。

【００１８】図１(A) ，(B) において、本発明の２軸加
速度センサ１は、圧電セラミックス円柱１０、並びにこ
の底部（後述する入力電極３側の端部）に設けられたベ
ース１１とを有して構成される。圧電セラミック円柱１
０の外周面には、この圧電セラミック円柱１０の長さ
（軸）方向と平行に８個の帯状電極が略等間隔で形成さ
れている。これら８個の帯状電極は、１つおきの帯状電
極がそれぞれ共通アース電極９１，９３，９５，９７
で、また残りの１つおきの帯状電極が出力電極９２，９
４，９６，９８となっている。

【００１９】一方、圧電セラミックス円柱１０の外周面
において、上記８個の帯状電極の図において下側には、
円周方向に環状の帯状電極２が設けられている。この帯
状電極２は、上記共通アース電極９１，９３，９５，９
７の下端にそれぞれ接続されている。また、帯状電極２
の下側には、これと平行で且つ所定の間隔をあけて、入
力電極３となる帯状電極が形成されている。

【００２０】更に、上記の８個の帯状電極の隣り合う電
極間隙部には、円周方向に対してそれぞれ逆向きに分極
処理が施されている。一方、上記の帯状電極２と入力電
極３との間には、長さ方向に分極処理が施されている。

【００２１】図２はこの実施例の２軸加速度センサ１に
おける圧電セラミックス円柱１０と差動増幅器４，５と
の接続状態を示したもので、差動増幅器４の（−）側端
子には出力電極９２の出力が、また（＋）側端子には圧
電セラミックス円柱１０の中心軸に対して出力電極９２
と向い合うように位置する出力電極９６の出力が、それ
ぞれ接続されている。

【００２２】一方、差動増幅器５の（−）側端子には、
上記出力電極９２から図において右周りに正確に９０°
ずれた位置に設けられた出力電極９４の出力が接続され
ている。また（＋）側端子にはこの出力電極９４の上記
中心軸に対して向い合う位置にある出力電極９８の出力
が、それぞれ接続されている。

【００２３】以上の構成において、出力電極９２と９６
とを結ぶ方向に振動的な加速度２０が加わった場合、圧
電セラミックス円柱１０には同じ方向に応力２５が作用
する。

【００２４】この時、アース電極９１と９３から出力電
極９２の方向には分極２１が、またアース電極９５と９
７から出力電極９６の方向には分極２２がそれぞれ処理
されているため、出力電極９２において分極２１の方向
と同じ向きに応力２５が作用するとともに出力電極９６
では分極２１の方向と逆向きな応力２５が作用し、この
結果、アース電極９１，９３，９５，９７と出力電極９
２との間には（＋）電圧が、またアース電極９１，９
３，９５，９７と出力電極９６との間にはこれと逆極性
の（−）電圧がそれぞれ発生する。

【００２５】また、出力電極９４の分極２３の方向と出
力電圧９８の分極２４の方向はそれぞれ応力２５の方向
と直交しているので、出力電極９４，９８には電圧が発
生しない。

【００２６】よって、差動増幅器４による出力電極９
２，９４の差動出力電圧は加えられた加速度２０の大き
さにほぼ比例する。これに対し、差動増幅器５による出
力電極９４，９８の差動出力電圧は０となる。

【００２７】同様にして、出力電極９４と９８とを結ぶ
方向に振動的な加速度が加わった場合、これらの出力電
極９４，９８には逆極性の電圧が発生し、従って差動増
幅器５による出力電極９４，９８の差動出力電圧は加え
られた加速度の大きさにほぼ比例するのに対し、差動増
幅器４による出力電極９２，９６の差動出力電圧は０と
なる。

【００２８】以上のようにして、差動増幅器４，５の差
動出力電圧によって、圧電セラミックス円柱の中心軸と
直角な面内の直交する２方向の加速度成分を検出するこ
とができる。

【００２９】更に、加えられる加速度の方向が出力電極
９２と９６あるいは出力電極９４と９８の対向軸方向と
異なる場合には、これら２つの対向軸方向における上記
加速度の２つの成分が、差動増幅器４，５によってそれ
ぞれ検出される。よって、差動増幅器４，５における検
出信号値を演算処理することで、上記加速度の方向と大
きさを求めることができる。

【００３０】次に、実施例の２軸加速度センサにおける
自己診断機能を説明する。

【００３１】即ち、図３で、比較器６１〜６４の（−）
側端子には、出力電極９２，９４，９６，９８の出力
が、それぞれ接続されている。またこれら比較器６１〜
６４の（＋）側端子には、所定の設定電圧Ｖ１がそれぞ
れ接続されている。

【００３２】そして、図１(A) において、入力電極３と
共通アース電極９１，９３，９５，９７あるいは帯状電
極２との間に所定の交流電圧ないしパルス電圧を印加す
れば、逆圧電効果によって圧電セラミックス円柱１０が
その長さ方向に振動する。この時、一般的に円柱が長さ
方向に伸縮振動している場合にはポアソン比によって円
柱はその直径方向にも伸縮振動するので、圧電セラミッ
クス円柱１０内には図３のように応力２６が直径方向に
発生する。またこの時、出力電極９２，９４，９６，９
８の分極方向は圧電セラミックス円柱１０の中心軸から
外周面の方向に対して同相となるため、これら出力電極
９２，９４，９６，９８からは同じ極性で且つ同じ大き
さの電圧Ｖ２が発生する。

【００３３】よって、比較器６１〜６４における設定電
圧Ｖ１を、上記電圧Ｖ２が入力した時にハイレベルの信
号を出力するように予め設定しておけば、比較器６１〜
６４の信号はハイレベルとなる一方、差動増幅器３によ
る出力電極９２と９６の差動出力電圧、並びに差動増幅
器４による出力電極９４と９８の差動出力電圧はいずれ
も０の出力信号となる。そしてこの場合において、圧電
セラミックス円柱１０および信号処理回路中の１軸若し
くは１結線において故障がない限り、上記の出力信号が
得られる。

【００３４】そこで、この２軸加速度センサ１に加速度
が印加されていない状態、例えば自動車の運転開始前な
どにおいて、所定の交流電圧やパルス信号などを圧電セ
ラミックス円柱１０に設けた入力電極３に印加し、その
際に逆圧電効果によって発生する出力電圧９２，９４，
９６，９８の出力電圧Ｖ２に、例えば上記のように比較
器を用いた信号処理を施すことで、２軸同時に圧電セラ
ミックス円柱１０および信号処理回路が正常化否かを自
己診断することができる。

【００３５】尚、以上説明した自己診断機能の処理回路
は、差動増幅器や比較器を用いた構成であるが、この
他、演算増幅器，Ａ／Ｄ変換器等によって構成すること
も勿論可能である。

【００３６】また以上は、圧電セラミックス円柱１０を
単体で振動系を構成した例であるが、例えば検出すべき
加速度の周波数が低い場合には図５に例示したように、
圧電セラミックス円柱１０の上部に重り７を固着して負
荷する構造とすれば良い。この重り７を負荷すること
で、圧電セラミックス円柱１０に対する加速度の作用が
増幅される結果、出力感度を大きくすることができる。

【００３７】

【発明の効果】以上の通り、この発明によれば、簡単な
構造でしかも２つの方向の加速度を検出することが可能
であり、また２軸の加速度を検出可能状態か否かの自己
診断が行なえる、２軸加速度センサを提供することがで
きる。

【図面の簡単な説明】

【図１】(A) は実施例の２軸加速度センサに用いる圧電
セラミックス円柱とベースを組合せた状態の斜視図、
(B) はこの圧電セラミックス円柱の断面図である。

【図２】実施例における圧電セラミックス円柱と差動増
幅器との接続関係を示した説明図である。

【図３】実施例の２軸加速度センサにおける自己診断機
能の説明図である。

【図４】２軸加速度センサの他例の斜視図である。

【図５】加速度センサの従来例の斜視図である。

【符号の説明】

１ ２軸加速度センサ ２，３ 帯状電極 ４，５ 差動増幅器 ７ 重り ８ ボルト ９ 端子板 １０ 圧電セラミックス円柱 １１ ベース １２ 圧電セラミックス円環 ２０ 加速度 ２１〜２４ 分極 ２５，２６ 応力 ６１〜６４ 比較器 ９１，９３，９５，９７ 出力電極 ９２，９４，９６，９８ 共通アース電極

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平３−273167（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−188079（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−213068（ＪＰ，Ａ) 特公 昭52−8111（ＪＰ，Ｂ２) 特公 昭54−39146（ＪＰ，Ｂ２) 特公 昭54−43905（ＪＰ，Ｂ２)

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 圧電セラミックス円柱の外周面に長さ方
   向と平行に形成した８の倍数個の帯状電極を、前記外周
   面の円周方向において一つおきに出力電極とし且つ前記
   帯状電極の残りを共通アース電極とし、前記圧電セラミ
   ックス円柱の外周面に円周方向に設けられた帯状電極を
   前記共通アース電極に接続し、前記円周方向に設けられ
   た帯状電極と平行で且つ所定の間隔をあけて帯状電極を
   形成して入力電極とし、また前記８の倍数個の帯状電極
   において、隣り合う電極間隙部に前記円周方向に対して
   それぞれ逆向きに分極処理を施し、前記円周方向に設け
   られた帯状電極と前記入力電極の間隙部に長さ方向に分
   極処理を施し、更に前記圧電セラミックス円柱の前記入
   力電極側の端部をベースに固定してなることを特徴とす
   る２軸加速度センサ。
2. 【請求項２】 前記ベースが前記圧電セラミックス円柱
   の中心軸と直角な面方向に振動した時、前記出力電極の
   内の前記中心軸に対して互いに向い合う１対の電極に発
   生する電圧の差動電圧から前記１対の電極を結ぶ方向の
   加速度成分を検出することで、前記面内の直交する２方
   向の加速度成分を検出可能とするとともに、前記ベース
   が振動しない状態において、前記円周方向に設けられた
   帯状電極と前記入力電極との間に交流電圧もしくはパル
   ス電圧を印加し逆圧電効果によって前記圧電セラミック
   ス円柱を励振した時に発生する前記出力電極の電圧を検
   出して、加速度検出可能状態か否かの自己診断を行なう
   ことを特徴とする請求項１記載の２軸加速度センサ。