JP3239709B2 - 加速度センサ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は加速度センサに関
し、特にたとえば、カーナビゲーションシステムなどに
用いられる圧電素子を利用した加速度センサに関する。

【０００２】

【従来の技術】図１０は従来の加速度センサの一例を示
す図解図である。加速度センサ１は、基板２を含む。基
板２の一方面上には、圧電素子３が形成される。基板２
の一端は固定され、基板２の他端には重り４が取り付け
られる。この加速度センサ１では、加速度が加わったと
きに重り４に力がかかり、基板２が屈曲する。基板２の
屈曲に応じて圧電素子３も屈曲し、その屈曲に応じて圧
電素子３に電荷が発生する。圧電素子３に発生する電荷
の極性は、基板２の屈曲の向きによって逆になる。した
がって、圧電素子３の出力電圧を測定すれば、電圧の大
きさから加速度の大きさを知ることができ、極性から加
速度の方向を知ることができる。

【０００３】また、図１１に示すように、基板２の両端
が支持される場合もある。この加速度センサ１では、基
板２の中央部に重り４が取り付けられる。さらに、重り
４の両側には、圧電素子３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｄが形成
される。この加速度センサ１では、圧電素子３ａ，３ｂ
と圧電素子３ｃ，３ｄとが、互いに逆方向に分極を施さ
れている。つまり、圧電素子３ａ，３ｂが外側から基板
２側に向かって分極を施されているとき、圧電素子３
ｃ，３ｄは基板２側から外側に向かって分極を施されて
いる。したがって、圧電素子３ａ〜３ｄに同じ駆動信号
を与えると、圧電素子３ａ，３ｂと圧電素子３ｃ，３ｄ
とは逆の変位をする。そのため、基板２は、重り４の両
側で逆向きの振動をする。つまり、重り４の一方側で基
板２が伸びたとき、重り４の他方側で基板２が収縮す
る。逆に、重り４の一方側で基板２が収縮したとき、重
り４の他方側で基板２が伸びる。したがって、基板２
は、その全長が変わらない状態で長さ振動する。

【０００４】さらに、たとえば対向する圧電素子３ｃ，
３ｄが、差動回路に接続される。圧電素子３ｃ，３ｄは
基板２側から外側に向かって分極しているため、加速度
が加わっていないときには、圧電素子３ｃ，３ｄから同
じ信号が出力される。このとき、差動回路からは信号が
出力されない。加速度センサ１に加速度が加わると、重
り４に力がかかり、基板２に反りが生じる。そのため、
圧電素子３ｃ，３ｄから基板２の反りに応じた信号が出
力される。しかしながら、圧電素子３ｃ，３ｄは両方と
も基板２側から外側に向かって分極しているため、分極
方向に対する屈曲状態が逆となり、圧電素子３ｃ，３ｄ
からは異なる信号が出力される。したがって、差動回路
からは、加速度に対応した出力信号を得ることができ
る。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】これらの加速度センサ
では、雰囲気温度が変化すると、基板と圧電素子との熱
膨張係数の違いのため、基板が湾曲してしまう。それに
より、圧電素子に電荷が発生するが、発生した電荷が加
速度によるものか温度変化によるものかを区別すること
ができない。そのため、加速度が加わっていないにもか
かわらず、加速度が加わっているかのように誤検知する
恐れがある。

【０００６】また、図１１に示す加速度センサでは、基
板の両端が支持されているため、加速度による基板の変
位を大きくすることができない。そのため、圧電素子の
出力信号も小さく、感度が低いという問題がある。

【０００７】それゆえに、この発明の主たる目的は、加
速度の検出感度が大きく、しかも雰囲気温度の変化に伴
う信号の影響を小さくすることができる加速度センサを
提供することである。

【０００８】

【課題を解決するための手段】この発明は、一方面上に
複数の圧電素子が形成される面を有する板状の基板と、
基板の複数の圧電素子が形成された面の長さ方向両端か
ら延びる剛性のある材料で形成された２つの連結手段
と、２つの連結手段の両方の延びた先に取り付けられる
１つの重りとを含み、重りは基板の複数の圧電素子が形
成された面の中央部で基板と直交する線上に重心が配置
される、加速度センサである。この加速度センサにおい
て、複数の圧電素子は基板の複数の圧電素子が形成され
た面の長手方向中央部を挟んで両側に形成され、連結手
段としての２つの連結棒は基板の複数の圧電素子が形成
された面の長手方向の両端から重りに向かって延びるよ
うに形成される。また、複数の圧電素子は基板の複数の
圧電素子が形成された面の長手方向の中央部を挟んで両
側に形成され、連結手段は基板の長手方向の両側を折り
曲げることによって形成され、連結手段である基板の両
端部に重りが取り付けられてもよい。さらに、基板は長
手方向の両端側が１つの平面上で対向するように折り曲
げられ、複数の圧電素子が基板の対向部の両側の一方面
にそれぞれ形成されることによって、１つの平面上で対
向する両端側が複数の圧電素子が形成された面となり、
基板の両端側を除く部分が連結手段となり、重りは基板
の中央部に取り付けられもよい。

【０００９】基板の長手方向に加速度が加わったとき、
重りに力がかかり、それによって重りが変位する。この
とき、連結手段によって、圧電素子の形成された基板の
面の一端側が押され、他端側が引っ張られる。そのた
め、圧電素子の形成された基板の一端側と他端側とが、
互いに逆方向に変位する。

【００１０】また、雰囲気温度が変化したとき、基板と
圧電素子との熱膨張係数の違いにより、基板が屈曲す
る。このとき、複数の圧電素子は、基板の一方面側に形
成されているため、基板は必ず一定の方向に屈曲する。
つまり、圧電素子の形成された基板の面の一端側および
他端側が、同じ方向に変位するように屈曲する。したが
って、加速度による基板の屈曲状態と雰囲気温度の変化
による基板の屈曲状態とが異なり、複数の圧電素子の出
力信号の関係も異なる。これらの出力信号の関係から、
雰囲気温度の変化による信号を相殺し、加速度に対応し
た信号のみを得ることができる。

【００１１】

【発明の効果】この発明によれば、加速度が加わったと
きと雰囲気温度が変化したときとで、基板の屈曲状態に
違いをつけることができる。基板の屈曲状態が違ってい
れば、圧電素子から得られる信号も異なり、雰囲気温度
の変化による信号のみを相殺することができる。したが
って、加速度に対応した信号のみを得ることができ、検
出誤差を小さくすることができる。

【００１２】この発明の上述の目的，その他の目的，特
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。

【００１３】

【発明の実施の形態】図１はこの発明の加速度センサの
一例を示す斜視図であり、図２はその断面図である。加
速度センサ１０は、矩形板状の基板１２を含む。基板１
２の一方面上には、２つの圧電素子１４ａ，１４ｂが形
成される。これらの圧電素子１４ａ，１４ｂは、基板１
２の長手方向の中央部の両側に形成される。圧電素子１
４ａは、たとえば圧電セラミックなどで形成される圧電
層１６ａを含む。この圧電層１６ａの両面に電極１８
ａ，２０ａが形成される。そして、一方の電極２０ａ
が、基板１２に接着される。同様に、圧電素子１４ｂは
圧電層１６ｂを含み、その両面に電極１８ｂ，２０ｂが
形成される。そして、一方の電極２０ｂが基板１２に接
着される。これらの圧電素子１４ａ，１４ｂにおいて
は、圧電層１６ａ，１６ｂは、同じ方向に分極を施され
ている。つまり、圧電層１６ａ，１６ｂは、たとえば外
側から基板１２側に向かって分極している。

【００１４】基板１２の長手方向の両端には、連結手段
としての連結棒２２が取り付けられる。連結棒２２は、
剛性のある材料で形成される。２つの連結棒２２は同じ
長さに形成され、基板１２の他方面側で重り２４に連結
される。したがって、重り２４は、基板１２の中央部で
基板１２に直交する線上に配置される。なお、図１にお
いて、３角形は支持部を示している。つまり、基板１２
の長手方向の中央部において、基板１２の両側部が支持
される。さらに、２つの圧電素子１４ａ，１４ｂは、差
動回路に接続される。

【００１５】この加速度センサ１０では、基板１２の長
手方向に向かって加速度が加わると、重り２４に力が働
き、それによって重り２４は変位する。そのため、図３
に示すように、基板１２の一方端が連結棒２２によって
押され、他方端が連結棒２２によって引っ張られる。し
たがって、基板１２の両端は、互いに逆方向に変位す
る。それによって、圧電素子１４ａ，１４ｂも、互いに
逆方向に屈曲する。圧電素子１４ａ，１４ｂの圧電層１
６ａ，１６ｂは、同じ方向に分極しているため、逆方向
に屈曲することにより、逆極性の電荷が発生する。した
がって、差動回路からは、加速度に対応した大きい出力
信号を得ることができる。

【００１６】また、雰囲気温度が変化したとき、基板１
２と圧電素子１４ａ，１４ｂの熱膨張係数が異なるた
め、基板１２が湾曲する。このとき、圧電素子１４ａ，
１４ｂは基板１２の一方面上に形成されているため、こ
れらの圧電素子１４ａ，１４ｂの形成された部分は、同
じ方向に屈曲する。つまり、図４の実線で示すように、
基板１２が圧電素子１４ａ，１４ｂの方向に湾曲する
か、または一点鎖線で示すように、圧電素子１４ａ，１
４ｂと逆の方向に湾曲する。この加速度センサ１０の構
造では、雰囲気温度の変化によって、図３に示すような
屈曲状態になることはない。したがって、圧電素子１４
ａ，１４ｂに発生する電荷は同じ極性となり、圧電素子
１４ａ，１４ｂの出力信号は差動回路で相殺される。

【００１７】このように、この加速度センサ１０では、
雰囲気温度の変化によって発生する信号は相殺され、加
速度に対応した信号のみを得ることができる。したがっ
て、温度変化がある場所で加速度センサ１０を使用して
も、正確に加速度を検出することができる。しかも、基
板１２は中央部で支持されているため、両端支持のよう
に基板１２の屈曲が邪魔されず、基板１２の両端部を大
きく変位させることができる。したがって、圧電素子１
４ａ，１４ｂから大きい出力信号を得ることができ、加
速度の検出感度を良好にすることができる。

【００１８】このような加速度センサ１０としては、図
５に示すように、基板１２の両端側を折り曲げて連結手
段としてもよい。この加速度センサ１０では、基板１２
の両端側が鋭角的に折り曲げられている。そして、基板
１２の折り曲げられた両端部に、３角形状の重り２４が
取り付けられる。この場合、重り２４は、たとえば溶接
などによって基板１２の両端部に取り付けられる。もち
ろん、重り２４は、接着剤などを用いて取り付けられて
もよい。このような加速度センサ１０でも、図１に示す
加速度センサと同様にして、雰囲気温度の変化による圧
電素子１４ａ，１４ｂからの出力信号を相殺することが
できる。

【００１９】さらに、図６に示すように、圧電素子１４
ａ，１４ｂが形成された基板１２の面とほぼ同じ長さの
重り２４を用いてもよい。この場合、基板１２の両端側
は、圧電素子１４ａ，１４ｂが形成された面にほぼ直交
するように折り曲げられる。このように、重り２４の形
状は任意に変更可能であるが、基板１２の圧電素子１４
ａ，１４ｂが形成された面の中央部で基板１２に直交す
る線上に重り２４の重心が存在するように配置される。

【００２０】また、図７に示すように、基板１２を長手
方向の中央部を含む３か所で折り曲げ、基板１２の両端
部が対向するように突き合わされてもよい。この加速度
センサ１０では、基板１２の中央部すなわち折り曲げら
れた部分に、重り２４が取り付けられる。そして、突き
合わされた基板１２の両端部の両側に、圧電素子１４
ａ，１４ｂが形成される。したがって、圧電素子１４
ａ，１４ｂが形成された基板１２の面と、重り２４の取
付け部との間の基板１２部分が、連結手段として用いら
れる。この加速度センサ１０では、突き合わされた基板
１２の両端部において、基板１２の両側部が支持され
る。すなわち、圧電素子１４ａ，１４ｂの間において、
基板１２が支持される。この加速度センサ１０も、図１
に示す加速度センサと同様にして、雰囲気温度の変化に
よる圧電素子１４ａ，１４ｂからの出力信号を相殺する
ことができる。

【００２１】さらに、図８に示すように、基板１２の圧
電素子１４ａ，１４ｂが形成される面は、その幅方向に
対向するように形成されてもよい。この加速度センサ１
０を形成するために、たとえば図９に示すような板材３
０が用いられる。この板材３０は、両端側が中間部の幅
の半分となるように形成されている。これらの部分は、
板材３０の幅方向の一方側および他方側に形成される。
この板材３０を折り曲げることによって、基板１２が形
成される。このとき、板材３０の両端側が幅方向で重な
るように、板材３０が折り曲げられる。

【００２２】この加速度センサ１０では、基板１２の両
端が支持される。そして、基板１２の対向した部分に、
圧電素子１４ａ，１４ｂが形成される。この場合、上述
の各加速度センサに比べて、圧電素子１４ａ，１４ｂを
長くすることができる。しかも、基板１２の両端が支持
されているため、加速度が加わったときに、基板１２の
圧電素子１４ａ，１４ｂが形成された部分が大きく変形
する。それによって、圧電素子１４ａ，１４ｂの変形も
大きくすることができ、大きい出力信号を得ることがで
きる。したがって、加速度の検出感度を良好にすること
ができる。

【００２３】なお、上述の加速度センサ１０では、圧電
素子１４ａ，１４ｂの出力電圧を測定することによって
加速度を検出したが、圧電素子１４ａ，１４ｂに発振回
路を接続して励振してもよい。この場合、圧電素子１４
ａ，１４ｂが変形することによって、たとえば共振周波
数やインピーダンスが変化する。したがって、圧電素子
１４ａ，１４ｂから出力される信号の周波数の変化やイ
ンピーダンスの変化などから、加速度を検出することが
できる。この場合も、雰囲気温度の変化による圧電素子
１４ａ，１４ｂの変形は同じであるため、共振周波数や
インピーダンスも同じように変化する。したがって、圧
電素子１４ａ，１４ｂの共振周波数の変化やインピーダ
ンスの変化も相殺することができ、温度変化による影響
を小さくすることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の加速度センサの一例を示す斜視図で
ある。

【図２】図１に示す加速度センサの断面図である。

【図３】図１に示す加速度センサに加速度が加わったと
きの状態を示す図解図である。

【図４】図１に示す加速度センサが温度変化によって変
形したときの状態を示す図解図である。

【図５】この発明の加速度センサの他の例を示す斜視図
である。

【図６】この発明の加速度センサのさらに他の例を示す
斜視図である。

【図７】この発明の加速度センサの別の例を示す斜視図
である。

【図８】この発明の加速度センサのさらに別の例を示す
斜視図である。

【図９】図８に示す加速度センサに用いられる基板を作
製するための板材を示す平面図である。

【図１０】従来の加速度センサの一例を示す図解図であ
る。

【図１１】従来の加速度センサの他の例を示す図解図で
ある。

【符号の説明】

１０ 加速度センサ １２ 基板 １４ａ １４ｂ 圧電素子 ２２ 連結棒 ２４ 重り

Claims (4)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 一方面上に複数の圧電素子が形成される
   面を有する板状の基板、前記基板の前記複数の圧電素子が形成された面の長さ方
   向 両端から延びる剛性のある材料で形成された２つの連
   結手段、および前記２つの連結手段の両方の延びた先に
   取り付けられる１つの重りを含み、 前記重りは前記基板の前記複数の圧電素子が形成された
   面の中央部で前記基板と直交する線上に重心が配置され
   る、加速度センサ。
2. 【請求項２】 前記複数の圧電素子は前記基板の前記複
   数の圧電素子が形成された面の長手方向中央部を挟んで
   両側に形成され、前記連結手段としての２つの連結棒は 前記基板の前記複
   数の圧電素子が形成された面の長手方向の両端から前記
   重りに向かって延びるように形成される、請求項１に記
   載の加速度センサ。
3. 【請求項３】 前記複数の圧電素子は前記基板の前記複
   数の圧電素子が形成された面の長手方向の中央部を挟ん
   で両側に形成され、前記連結手段は 前記基板の長手方向の両側を折り曲げる
   ことによって形成され、前記連結手段である 前記基板の両端部に前記重りが取り
   付けられた、請求項１に記載の加速度センサ。
4. 【請求項４】 前記基板は長手方向の両端側が１つの平
   面上で対向するように折り曲げられ、前記複数の圧電素
   子が前記基板の対向部の両側の一方面にそれぞれ形成さ
   れることによって、前記１つの平面上で対向する両端側
   が複数の圧電素子が形成された面となり、 前記基板の両端側を除く部分が前記連結手段となり、 前
   記重りは前記基板の中央部に取り付けられた、請求項１
   に記載の加速度センサ。