JP3139212B2 - 加速度センサ - Google Patents
加速度センサInfo
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Description
特にたとえば、複数の向きの加速度を検出することがで
きる加速度センサに関する。
を検出することができる加速度センサを製造することは
困難であった。そこで、発明者は、図9および図10に
示すような加速度センサ1を作製した。この加速度セン
サ1は、角柱状の振動体2を含む。振動体2の長さ方向
の中央部の一方側には、対向する側面に圧電素子3が形
成される。さらに、振動体2の長さ方向の中央部の他方
側には、別の対向する側面に圧電素子4が形成される。
これらの圧電素子3,4に駆動信号を印加することによ
って、振動体2を長さ方向に振動させることができる。
振動体2に長さ振動をさせることによって、振動体2に
慣性が与えられる。
る向きに加速度が加わると、振動体2には圧電素子3形
成面に直交する向きに撓みが生じる。この撓みによっ
て、振動体2の両面の圧電素子3に電圧が生じる。これ
らの電圧は互いに逆位相となるため、差動回路などでそ
の差を測定すれば、加速度センサ1に加わった加速度を
検出することができる。このとき、振動体2には慣性が
与えられているため、微小な加速度も検出することがで
きる。なお、2つの圧電素子3を差動回路に接続すれ
ば、振動体2を振動させるための駆動信号は相殺され、
加速度に応じた出力信号のみを取り出すことができる。
同様にして、圧電素子4に直交する向きの加速度も検出
することができる。したがって、この加速度センサ1を
用いれば、直交する向きの加速度を検出することができ
る。
うな従来の加速度センサでは、振動体が角柱状であるた
め、加速度が加わる向きの厚みが大きく、加速度による
振動体の撓み量が少ない。そのため、振動体の撓みによ
って圧電素子に発生する電圧が小さく、加速度の検出感
度を大きくすることが困難であった。
数の向きの加速度を検出することができ、しかも検出感
度が大きい加速度センサを提供することである。
た形状に連結される複数の板状の振動体と、複数の振動
体の主面上に形成される圧電素子とを含み、圧電素子に
駆動信号を印加することによって、連結された複数の振
動体を折れ曲がった部分の両側で伸びと縮みとが逆とな
るような長さ振動をするようにした、加速度センサであ
る。また、この発明は、折れ曲がった形状に連結される
圧電体で形成された複数の板状の振動体と、複数の振動
体の主面上に形成される電極とを含み、電極に駆動信号
を印加することによって、連結された複数の振動体を折
れ曲がった部分の両側で伸びと縮みとが逆となるような
長さ振動をするようにした、加速度センサである。
は電極に駆動信号を印加することにより、振動体を長さ
方向に振動させることができ、振動体に慣性が与えられ
る。この状態で、いずれかの振動体の主面に直交する向
きに加速度が加わると、その振動体に撓みが生じる。こ
のとき、振動体は板状であるため、角柱状の振動体に比
べて大きい撓み量を得ることができる。圧電素子または
電極は、板状の振動体の主面に形成されており、しかも
各振動体は折れ曲がった形状に連結されている。そのた
め、圧電素子の圧電体または圧電体で形成された振動体
には、各振動体の主面に直交する向きの加速度成分に対
応した電圧が発生する。
交する向きの加速度成分に対応して、圧電素子または電
極から出力電圧を得ることができるため、それぞれの振
動体の主面に直交する向きの加速度成分を検出すること
ができる。しかも、振動体が板状であるため、加速度に
よる撓み量が大きく、それに応じて出力電圧も大きくな
る。したがって、小さい加速度に対しても、大きい出力
電圧を得ることができ、検出感度の大きい加速度センサ
を得ることができる。
徴および利点は、図面を参照して行う以下の実施例の詳
細な説明から一層明らかとなろう。
り、図2はその断面図である。加速度センサ10は、矩
形板状の第1の振動体12を含む。第1の振動体12の
長手方向の端部には、矩形板状の第2の振動体14が形
成される。第1の振動体12および第2の振動体14
は、直交するように折れ曲がった形状に配置される。こ
のとき、第1の振動体12と第2の振動体14とは、互
いの幅方向の両端および中央部で連結される。したがっ
て、第1の振動体12と第2の振動体14の間には、そ
の幅方向に2つの孔15が形成される。第1の振動体1
2および第2の振動体14は、たとえばエリンバ,鉄−
ニッケル合金,石英,ガラス,水晶,セラミックなど、
一般的に機械的な振動を生じる材料で形成される。第1
の振動体12と第2の振動体14との連結は、たとえば
溶接や接着などにより行うことができる。また、金属板
を打抜き加工し、その中央部で折り曲げることによっ
て、連結された第1の振動体12および第2の振動体1
4を形成してもよい。
れぞれ圧電素子16a,16bが形成される。圧電素子
16aは、たとえば圧電セラミックで形成される圧電板
18aを含む。この圧電板18aの両面に、電極20
a,22aが形成される。そして、一方の電極22a
が、第1の振動体12の主面に接着される。同様に、圧
電素子16bは圧電板18bを含み、圧電板18bの両
面に電極20b,22bが形成される。そして、一方の
電極22bが、第1の振動体12の主面に接着される。
これらの圧電素子16a,16bにおいては、それぞれ
圧電板18a,18bは、外側から第1の振動体12側
に向かって分極させられる。
は、それぞれ圧電素子24a,24bが形成される。圧
電素子24a,24bは圧電板26a,26bを含み、
これらの圧電板26a,26bの両面に、電極28a,
30aおよび電極28b,30bが形成される。そし
て、一方の電極30a,30bが、第2の振動体14の
主面に接着される。これらの圧電素子24a,24bに
おいては、圧電板26a,26bは、第2の振動体14
側から外側に向かって分極させられる。
に支持される。第1のフレーム32はコ字状に形成さ
れ、その中央部に第1の振動体12が取り付けられる。
このとき、第1の振動体12は、その幅方向の両端で第
1のフレーム32に接続される。したがって、第1の振
動体12と第1のフレーム32との接続部分には、孔3
4が形成される。さらに、第1の振動体12の端部側に
は、重り36が形成される。
ーム38に支持される。第2のフレーム38はコ字状に
形成され、その中央部に第2の振動体14が取り付けら
れる。このとき、第2の振動体14は、その幅方向の両
端で第2のフレーム38に接続される。したがって、第
2の振動体14と第2のフレーム38との接続部分に
は、孔40が形成される。さらに、第2の振動体14の
端部側には、重り42が形成される。
38は、第1の振動体12および第2の振動体14と同
様に、直交するように折れ曲がった形状に連結される。
そして、加速度センサ10を使用するときには、たとえ
ば第1のフレーム32と第2のフレーム38との連結部
分が支持される。
3に示すように、抵抗50a,50b,50c,50d
を介して、圧電素子16a,16b,24a,24b
に、発振回路52が接続される。また、圧電素子16
a,16bは、第1の差動回路54に接続され、圧電素
子24a,24bは第2の差動回路56に接続される。
は、発振回路52から圧電素子16a,16b,24
a,24bに、同位相の駆動信号が印加される。圧電素
子16a,16bは互いに対向するように形成され、別
の圧電素子24a,24bも互いに対向するように形成
されているため、各振動体12,14は長さ方向に振動
する。また、圧電素子16a,16bと圧電素子24
a,24bとは逆方向に分極しているため、同位相の駆
動信号によって互いに逆方向に変位する。したがって、
図4の矢印に示すように、第1の振動体12が伸びると
き、第2の振動体は収縮する。また、図5の矢印に示す
ように、第1の振動体12が収縮するとき、第2の振動
体14は伸びる。このようにして、第1の振動体12お
よび第2の振動体14は、その長さ方向に振動する。こ
のとき、第1の振動体12と第2の振動体14との連結
部分近傍は、図4および図5の矢印に示すように、互い
の振動体の長さ方向に向かって折れ曲がるように変位す
るものと考えられる。したがって、各振動体12,14
の両端部の変位が吸収され、各振動体12,14のフレ
ーム側の端部は変位しないため、各フレーム32,38
への振動漏れが少ない。そのため、安定した振動を得る
ことができる。
が振動することによって、これらの振動体12,14に
慣性が与えられる。この状態で、たとえば第1の振動体
12の主面に直交する向きに加速度が加わると、図6に
示すように、第1の振動体12はその主面に直交する向
きに撓む。このとき、加速度は第2の振動体14の長さ
方向に加わるため、第2の振動体14には撓みが発生し
ない。また、第2の振動体14は、幅方向の両端部で第
2のフレーム38に支持されているため、その中央部で
支持されている場合のように、幅方向に振れることが防
止される。また、第1の振動体12と第2の振動体14
とは、幅方向の両端部および中央部で連結されているた
め、中央部のみで連結されている場合に比べて、連結部
分におけるねじれなどを防止することができる。このよ
うに第2の振動体14の幅方向の振れを防ぐためには、
第2の振動体14の端部全体が第2のフレーム38に支
持されてもよく、その場合孔40は形成されない。ま
た、第1の振動体12と第2の振動体14との連結部分
についても、幅方向の全体で連結されてもよく、その場
合孔15は形成されない。
の振動体12の振動が妨げられ、共振特性が変化する。
この共振特性の変化を測定することにより、加速度を検
出することができる。このようにして加速度を検出する
ためには、圧電素子16a,16bに発生する電圧を測
定すればよい。圧電素子16a,16bの出力電圧は、
第1の差動回路54で測定される。加速度センサ10に
加速度が加わっていないときには、圧電素子16a,1
6bに同位相で同じ大きさの電圧が発生する。したがっ
て、第1の差動回路54の出力は0となる。また、加速
度センサ10に加速度が加わって第1の振動体12が撓
むと、対向する圧電素子16a,16bには逆位相の電
圧が発生する。そのため、対向する圧電素子16a,1
6bの出力電圧の差を測定することにより、第1の差動
回路54から大きい出力信号を得ることができる。した
がって、第1の振動体12の主面に直交する向きの加速
度を高感度で検出することができる。なお、圧電素子1
6a,16bに印加される駆動信号は、第1の差動回路
54で相殺されるため、第1の差動回路54からは出力
されない。
向きに加速度が加わると、図7に示すように、第2の振
動体14が撓む。そして、それによって発生する圧電素
子24a,24bの出力電圧の差を第2の差動回路56
で測定することにより、加速度を検出することができ
る。この場合においても、第1の振動体12の振れを防
ぐために、その幅方向の両端部で第1のフレーム32に
支持されているが、第1の振動体12の端部全体で第1
のフレーム32に支持されてもよく、その場合孔34は
形成されない。
2の振動体14の主面のどちらにも直交しない加速度が
加わったとき、それぞれの振動体12,14は、その主
面に直交する加速度成分に対応した撓み量で変形する。
したがって、第1の差動回路54および第2の差動回路
56からは、それぞれの振動体12,14の主面に直交
する加速度成分に対応した信号が出力される。そのた
め、これらの出力信号から、振動体12,14を連結し
た部分の線に直交する全ての向きの加速度を算出するこ
とができる。
2,14の端部に重り36,42が形成されているた
め、第1の振動体12や第2の振動体14が撓んだとき
に、重り36,42の質量によって撓みが大きくなる。
そのため、小さい加速度が加わっても、大きい出力信号
を得ることができ、検出感度の良好な加速度センサを得
ることができる。
12,14が板状に形成されているため、従来の角柱状
の振動体を用いた加速度センサに比べて、同じ加速度に
対する振動体の撓み量を大きくすることができる。した
がって、従来の加速度センサに比べて、同じ加速度に対
する出力信号を大きくすることができ、検出感度を大き
くすることができる。
2および第2の振動体14に別の圧電素子60a,60
bおよび圧電素子62a,62bを形成してもよい。そ
して、圧電素子16a,16bおよび圧電素子24a,
24bは駆動用として用いられ、圧電素子60a,60
bおよび圧電素子62a,62bは検出用として用いら
れる。この場合、圧電素子60a,60bおよび圧電素
子62a,62bの出力電圧を測定することにより、加
速度センサ10に加わった加速度を検出することができ
る。
a,16bと圧電素子24a,24bとを逆方向に分極
したが、全ての圧電素子を同じ方向に分極してもよい。
つまり、圧電素子16a,16b,24a,24bを外
側から振動体側に向かって分極してもよいし、振動体側
から外側に向かって分極してもよい。このような場合、
圧電素子16a,16bに印加される駆動信号と圧電素
子24a,24bに印加される駆動信号とは、互いに逆
位相である。このようにしても、第1の振動体12と第
2の振動体14とを、伸びと縮みとが逆になるように振
動させることができる。
は、圧電セラミックで形成してもよい。この場合、上述
の各実施例と同様の位置に、電極が形成される。そし
て、これらの電極に駆動信号を印加することによって、
振動体12,14を振動させることができる。また、電
極からの出力電圧を測定することによって、加速度を検
出することができる。
交していなくてもよい。これらの振動体12,14が折
れ曲がった形状に連結されていれば、その主面に直交す
る加速度成分を検出することができるため、その加速度
成分と振動体12,14の交差角度から全ての方向の加
速度を算出することができる。
部でフレーム32,38に支持されているが、図1に示
すような振動体12,14の長さ方向に延びて支持する
方法に限らない。たとえば、振動体12,14の幅方向
の両端部から斜め方向に延びてフレーム32,38に支
持されてもよく、また振動体12,14の幅方向に延び
てフレーム32,38に支持されてもよい。また、フレ
ーム32,38は振動体12,14の両側に平行して形
成されているが、振動体12,14の片側だけに形成さ
れていてもよい。
を示す回路図である。
動状態を示す図解図である。
動状態を示す図解図である。
に直交する加速度が加わったときの状態を示す図解図で
ある。
に直交する加速度が加わったときの状態を示す図解図で
ある。
例を示す斜視図である。
面図であり、(B)はその側面図である。
Claims (2)
- 【請求項1】 折れ曲がった形状に連結される複数の板
状の振動体、および前記複数の振動体の主面上に形成さ
れる圧電素子を含み、 前記圧電素子に駆動信号を印加することによって、連結
された前記複数の振動体を折れ曲がった部分の両側で伸
びと縮みとが逆となるような長さ振動をするようにし
た、加速度センサ。 - 【請求項2】 折れ曲がった形状に連結される圧電体で
形成された複数の板状の振動体、および前記複数の振動
体の主面上に形成される電極を含み、 前記電極に駆動信号を印加することによって、連結され
た前記複数の振動体を折れ曲がった部分の両側で伸びと
縮みとが逆となるような長さ振動をするようにした、加
速度センサ。
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US08/521,426 US5652385A (en) | 1993-03-01 | 1995-08-30 | Piezoelectric vibrator and acceleration sensor using the same |
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-
1993
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