JP6931637B2 - 圧電型加速度センサ - Google Patents

Description

本発明は、圧電型加速度センサ、特に圧電素子の温度特性を補償する圧電型加速度センサに関する。

圧電型加速度センサは、検出素子である圧電素子に負荷質量を保持させる構造となっており、センサに加速度が加わった場合、負荷質量には慣性力が働き、この負荷質量を保持している圧電素子にはその慣性力が加わる。圧電素子は力が加えられるとその力に比例した電荷を発生する特性を持つことから、圧電素子に加わった慣性力によって電荷が発生する。結果、圧電型加速度センサの電荷出力は加わった加速度に比例し加速度信号として利用できる。一般的な圧電型加速度センサは、具体的には図１に示すような構造からなる。電極板３を挟んで２層の圧電素子１、１、及び負荷質量２を締め付けネジ４によりケース６に締め付けている。圧電素子により発生した電荷はこの電極板３からコネクタ５、導線７を経由し、図示しない計測装置（チャージアンプなどの増幅器）等に出力される。

通常、この電荷発生型のセンサからの信号は、一般にチャージアンプと呼称される電荷信号変換アンプを用いて電荷を電圧信号に変換している。逆位相で無限大のゲインを持つアンプの反転入力と出力間に帰還コンデンサ（積分コンデンサ）を設けた電荷信号変換アンプ方式が多用されている。このように、圧電センサから出力される電荷信号は、チャージアンプによって電圧信号に変換され、その後加速度信号として各種信号処理され利用されてきた。

このような、圧電型加速度センサは、他の方式（サーボ式、半導体式や歪みゲージ式）と比較して堅牢で周波数帯域も、使用加速度範囲も広く、また使用温度範囲も広いという特徴があり、このため特に産業用に広く使用されてきた。
しかしながら、圧電型加速度センサの感度特性は温度の影響を受けるという課題解決が求められていた。すなわち、圧電型加速度センサは、検出素子である圧電素子の特性に温度特性があり、温度が変化すると同じ力が加わっても発生する電荷量が変化する。またこの検出素子を保持する部材など（主に金属）も温度によって膨張/収縮し検出素子を固定している力が変化して、検出素子の電荷を発生する特性にも影響する欠陥が避けられない。
したがって、圧電型加速度センサの感度特性における温度の影響を回避する対策が必要となっていた。

この対策として、圧電素材自体その附属する部材、また、検出した加速度のデータを電気的に補正する方法の研究が求められてきた。前者にあっては、圧電素子の材料特性を改良することが必要とされ、特殊な材質の圧電素子が必要となっていた。しかしながら、温度による変動の少ない圧電素材は、検出感度が非常に低くなることが多い。またセンサに附属する部材に熱膨張係数の少ない材料を採用する方法もあるが、十分に熱膨張係数の影響を抑えることが困難であった。

後者にあっては、別途温度センサを内蔵し、検出した加速度のデータを電気的に補正する方法もあるが、この方法では、温度センサを検出素子と温度が一致する環境に設置する必要があるが実施は困難でもあり、そのため加速度検出部と温度センサの温度が一致するとは限らず正確な温度補正は困難であった。
そこで、我々の研究で、センサ出力における温度補償を行う回路構成等の工夫による課題解決を図ることとした。

特許文献１によれば、圧電加速度センサにおいて、圧電素子に並列に接続されたチャージアンプの積分コンデンサに正の温度特性をもつコンデンサを使用することで、正の温度特性をもつ電荷感度の出力を電圧感度に変換する動作において補正しようとしている。
しかしながら、チャージアンプあるいは積分コンデンサは検出部である圧電素子と全く同じ場所には存在できないため、温度が安定しているときは温度補正が可能であるが、特に温度が変化している過度期には温度差が大きくなって正確な温度補正は困難であるという問題がある。

特許文献２によれば、圧電素子の静電容量とバッファーアンプの入力の負荷抵抗によって低域遮断周波数が決定される。圧電素子の静電容量は温度特性を持つため、この圧電素子の静電容量が温度によって変動すると低域遮断周波数も変動することになる。このため、負荷抵抗に並列にコンデンサを接続することで静電容量の温度特性を良好にしようとしている。
しかしながら、この特許の目的は温度変化による低域遮断周波数の変動を減ずることであり、温度による感度変動を補正することを目的としていない。

実開平２−１５０５６７号公報 特開平８−１４６０３２号公報

本発明の課題は、一般的な圧電型加速度センサの電荷感度の温度特性に起因した測定誤差の解消を図るにある。この解決にあたり、予め、圧電型加速度センサの電荷感度とその静電容量の温度特性の傾向分析を行い、その対策として、圧電型加速度センサの電荷感度における出力段階で所定の温度補正用コンデンサを信号出力に対して直列に接続することにより課題解決を図った。
より具体的には、加速度センサが出力する電荷が、追加する温度補正用コンデンサと加速度検出部の圧電素子の静電容量との直列合成静電容量と、加速度検出部の圧電素子が発生する電荷とその静電容量から求まる電圧値との積になることに着目し課題解決を図ったものである。

本発明はかかる事情に鑑みなされたものであり、温度補正方法は、サーミスタ等の温度補正用の特別な部品を使用する必要がなく、容易に入手可能な温度による容量変化の少ないコンデンサが使用可能で、非常に安価に実現できる。

また、この温度補正用コンデンサは原理的に加速度検出部の圧電素子の近傍に設置する必要もなく、圧電素子と温度補正用コンデンサの間に温度差があっても温度補正に影響しないため、センサの構造上の自由度が大きく、温度補正用コンデンサは中継基板あるいは内蔵チャージアンプ等の検出部から離れたプリント基板上に設置することもできる。また、急激な温度変化がある用途でも正確な温度補正が可能である。

本発明は、圧電型電荷出力加速度センサに静電容量Ｅを有する温度補正用コンデンサを直列に接続してなる電荷感度を平坦化させた程度が０．９ないし１．０５の範囲内とさせた前記センサにおいて、前記静電容量Ｅが、それぞれ測定して得られた前記センサの温度補正範囲下限温度−４０℃での静電容量をＤ、上限温度＋１２０℃での静電容量をＣＯＨ、前記下限温度での電荷感度ＳＱＬ、前記上限温度での電荷感度ＳＱＨから式（１０）、（１１）により算出された前記センサの電荷感度の温度係数Ａ、静電容量の温度係数Ｂと、式（２）〜（９）より得られた式（１）から算出された静電容量Ｅである圧電型電荷出力加速度センサ。
Ｅ＝Ｄ・（Ａ−Ｂ）／（１−Ａ） ・・・・・・・・・・ （１）
ＣＬ＝Ｄ・Ｅ／（Ｄ＋Ｅ） ・・・・・・・・・・・・・ （２）
ＣＨ＝ＣＯＨ・Ｅ／（ＣＯＨ＋Ｅ） ・・・・・・・・・ （３）
ＳＶＬ＝ＳＱＬ／Ｄ ・・・・・・・・・・・・・・・ （４）
ＳＶＨ＝ＳＱＨ／ＣＯＨ ・・・・・・・・・・・・・ （５）
ＳＱＬＬ＝ＣＬ・ＳＶＬ＝ＣＬ・ＳＱＬ／Ｄ ・・・・ （６）
ＳＱＨＨ＝ＣＨ・ＳＶＨ＝ＣＨ・ＳＱＨ／ＣＯＨ ・・ （７）
ＳＱＬＬ＝ＳＱＨＨ ・・・・・・・・・・・・・・・ （８）
ＳＱＬ／（Ｄ＋Ｅ）＝ＳＱＨ／（ＣＯＨ＋Ｅ） ・・・ （９）
ＳＱＨ＝Ａ・ＳＱＬ ・・・・・・・・・・・・・・・ （１０）
ＣＯＨ＝Ｂ・Ｄ ・・・・・・・・・・・・・・・・ （１１）
ここで、下限温度での電圧感度をＳＶＬ、上限温度での電圧感度をＳＶＨ、下限温度での電荷感度をＳＱＬＬ、上限温度での電荷感度はＳＱＨＨである、により提供される。

本発明は、また、前記温度補償を行う温度範囲での平坦化した程度を０．９５ないし１．０５の範囲内とさせた前記圧電型電荷出力加速度センサにより提供される。
さらに、前記電荷感度の補償前後を比較した２０℃を基準とした変化係数が０．９５から１.０５の範囲で、−４０℃から＋１２０℃で使用可能な請求項１又は２記載の圧電型電荷出力加速度センサにより効果的に提供される。

本発明によれば、圧電型電荷出力加速度センサとして、前記温度補正用コンデンサを検出部８に直列に接続したことで、圧電型電荷出力加速度センサの電荷感度の温度による変化係数を低減させた。さらに、前記温度補正用コンデンサの容量を選択することで広範囲な温度範囲で使用可能な圧電型電荷出力加速度センサとする効果が得られる。
より望ましくは、前記電荷感度の補償前後を比較した２０℃を基準とした変化係数が０．９５から１．０５の範囲で、−４０℃から＋１２０℃で使用可能な前記記載の圧電型電荷出力加速度センサにより提供される効果が得られる。
この結果、前記した本発明のより簡単な回路構成を選択することで極めて効果的な圧電型電荷出力加速度センサとしての効果が得られる。
前記温度補正用コンデンサは容易に入手可能な温度係数の極めて小さい（例えば±６０ｐｐｍ以内）のセラミックコンデンサが使用可能であり、温度補正用コンデンサの設置場所が限定されないため、温度補正用コンデンサが温度検出のために検出部に接触している必要もなく、さらには近傍である必要さえもなく極めて自由度が高い。

圧電型加速度センサの構造は図１が一般的だが、これに限定されない、本発明の原理に沿った他の構造、例えば、チャージアンプへの接続ケーブルを他の方法によっても適用可能である。

図１は圧電型加速度センサの基本構成図である。 図２は本発明による圧電型加速度センサの等価回路である。 図３は本発明の加速度センサの等価回路で、検出部８を電圧源と静電容量で表しており、温度補正用コンデンサ９が接続されている。 図４は圧電型加速度センサの検出部の温度による電荷感度及び検出部の温度による静電容量の変化を示した温度特性図である。 図５は図４を電荷感度の変化係数Ａ、検出部の静電容量Ｄの温度による変化係数Ｂ、検出部の電圧感度の温度による変化係数Ｃを示した温度特性図であり、２０℃に対する電荷感度の変化係数Ａは１．３、静電容量の温度係数Ｂは１．５９となっている。 図６は本発明の実施例で、圧電型加速度センサの電荷感度の温度特性を温度補正前と温度補正を実施後の温度特性図である。

以下、本発明を実施するための形態をもとに図面を参照しながら説明する。各図面に示される構成、部材、処理には、同一の符号を付するものとし、適宜重複した説明は省略する。また、実施をするための形態は、発明を限定するものではなく例示であって、実施の形態に記述されるすべての特徴やその組み合わせは、必ずしも発明の本質的なものであるとは限らない。

以下、本発明の実施例を図１ないし図６を用いて具体的に説明する。
図２は本発明の圧電型電荷出力加速度センサ（以下、「加速度センサ」と略記することがある。）を検出部８と温度補正用コンデンサ９で表した等価回路である。さらに、図３は検出部８を、電圧源１１と検出部静電容量１０（静電容量Ｄ）として示し、これに本発明による付加する温度補正用コンデンサ９からなる等価回路図である。

ところで、一般に圧電型電荷出力加速度センサの使用温度環境としては少なくとも低温域（−４０℃）から高温域（１２０℃、通常は８０℃程度）での安定した温度特性が求められている。
ここで温度特性を図４に、横軸は温度、その範囲は−２０℃から１２０℃として示した。縦軸の左は加速度センサの検出部８の内部静電容量（単位ｐＦ）を表し、縦軸の右は加速度センサの検出部８の電荷感度（単位ｐＣ／ｍ／ｓ^２）を表している。

しかしながら、図４ないし図５に示すように、同じ加速度が加わっても、加速度センサの検出部８の電荷出力の電荷感度は温度により変化する。図５は検出部８の温度による電荷感度の変化係数Ａと、同検出部８の静電容量の温度による変化係数Ｂを表している。温度２０℃を基準（図４の２０℃における値を1とした。）として、検出部の温度１２０℃における電荷感度の変化係数Ａ、同検出部８の静電容量の温度による変化係数Ｂを示した。
各変化係数は、温度２０℃に対比した変化を見ると、−２０℃付近よりも１２０℃付近の方が変化係数の傾斜が高まる傾向が認められ、直線とはなっておらず、本発明による温度補正を実施しても完全に温度係数を１とすることはできず、ある幅を持つことが分かる。

また、電荷感度の変化係数Ａに着目してみよう。図５からも見られるが温度２０℃に対し、−２０℃付近で約０．９、１２０℃付近で約１．３と変化係数が認められる。これらの測定から見られるようにこれらは常温に比べ、加速度の測定には温度依存のエラーが無視できない相当程度の大きさであることが認められる。
このように、圧電型電荷出力加速度センサの電荷感度は温度によって変化し、具体的には、温度上昇に対し約０．３％／℃ほどの傾きで大となることが確認できた。

この測定は、検出部８を持つ加速度センサを恒温槽内に載置して振動を加えて測定を行った。各温度下でそれぞれ検出部静電容量、電荷感度を求め図示したものである。
また、加速度センサは使用する圧電材料等の製造ばらつきにより図４のカーブに変動があり、実験的には±５％程度であった。さらに、異なる圧電材料間ではより異なる差異が生じる結果が確認されている。

このため本発明にあっては、予め、図４についてのデータを取ることが必要である。同一圧電材料間では、いくつかのサンプルデータを取り平均値としての図４のカーブを得ることが必要である。

つぎに、本発明では、加速度センサの検出部８の電荷感度が電圧感度と検出部静電容量との積であることを利用し、検出部８の静電容量の温度係数Ｂを、電圧感度温度係数との積が１となる係数に補正できれば電荷感度の温度係数は１、つまり温度に対する変化が最小の値とすることができる。具体的な方法は、加速度センサの検出部８に対して、温度補正用コンデンサを直列に接続することで、疑似的に検出部静電容量の温度係数を調整する。
具体的には、温度補正用コンデンサ９（静電容量Ｅ）を用いて、これを、前記温度補正用コンデンサ９と検出部８を直列に接続させることで、図６に示す結果が得られた。
それによると、温度補正前の圧電型電荷出力の電荷感度特性は２０℃基準として１２０℃で１．１２に対し、温度補償後（温度補正用コンデンサ９の追加）では、２０℃を基準として０．９８（１２０℃）への大幅な改善が認められた。

以下、温度補正用コンデンサ９（静電容量Ｅ）を求める計算式の理論的な説明を行う。
一般に、電荷は電荷源の静電容量と電圧の積として表される。
検出部８の温度補正範囲下限温度での静電容量をＤ、上限温度での静電容量をＣ０Ｈ、温度補正範囲下限温度での電荷感度ＳＱＬ、上限温度での電荷感度ＳＱＨ、直列に接続する温度補正用コンデンサの静電容量をＥとする。下限温度と上限温度での検出部８の静電容量と温度補正用コンデンサ９との合成静電容量をそれぞれＣＬ、ＣＨとすると式（２）、（３）となる。

ＣＬ＝Ｄ・Ｅ／（Ｄ＋Ｅ）・・・・（２）
ＣＨ＝Ｃ０Ｈ・Ｅ／（Ｃ０Ｈ＋Ｅ）・・・・（３）

検出部８の電荷感度ＳＱＬ、ＳＱＨと静電容量Ｄ、Ｃ０Ｈから求まる下限温度での電圧感度をＳＶＬ、上限温度での電圧感度をＳＶＨとすると

ＳＶＬ＝ＳＱＬ／Ｄ・・・・（４）
ＳＶＨ＝ＳＱＨ／Ｃ０Ｈ・・・・（５）

これに直列接続する温度補正用コンデンサ９の静電容量Ｅを接続したときの下限温度での電荷感度をＳＱＬＬ、上限温度での電荷感度をＳＱＨＨとすると、電荷感度は電圧感度と静電容量の積であり、及び式（４）、（５）から式（６）、（７）が得られる。

ＳＱＬＬ＝ＣＬ・ＳＶＬ＝ＣＬ・ＳＱＬ／Ｄ・・・（６）
ＳＱＨＨ＝ＣＨ・ＳＶＨ＝ＣＨ・ＳＱＨ／Ｃ０Ｈ・・・（７）

電荷感度の温度特性の変化がないように補正するということは、ＳＱＬＬとＳＱＨＨの両者を等しくすることであるから式（８）となる。
ＳＱＬＬ＝ＳＱＨＨ・・・（８）

式（８）は、式（２）、（３）及び式（６）、（７）より式（９）が得られる。

ＣＬ・（ＳＱＬ／Ｄ）＝ＣＨ・（ＳＱＨ／Ｃ０Ｈ）
（Ｄ・Ｅ／（Ｄ＋Ｅ））・（ＳＱＬ／Ｄ）＝（Ｃ０Ｈ・Ｅ／Ｃ０Ｈ＋Ｅ））・（ＳＱＨ／Ｃ０Ｈ）
（Ｅ／（Ｄ＋Ｅ））・ＳＱＬ＝（Ｅ／（Ｃ０Ｈ＋Ｅ））・ＳＱＨ
ＳＱＬ／（Ｄ＋Ｅ）＝ＳＱＨ／（Ｃ０Ｈ＋Ｅ）・・・（９）

ここで検出部８の電荷感度の温度係数Ａ，静電容量の温度係数Ｂであるから

ＳＱＨ＝Ａ・ＳＱＬ・・・（１０）
Ｃ０Ｈ＝Ｂ・Ｄ・・・（１１）

式（９）に式（１０）、（１１）を代入して

ＳＱＬ／（Ｄ＋Ｅ）＝Ａ・ＳＱＬ／（Ｂ・Ｄ＋Ｅ）
１／（Ｄ＋Ｅ）＝Ａ／（Ｂ・Ｄ＋Ｅ）
Ｂ・Ｄ＋Ｅ＝Ａ・（Ｄ＋Ｅ）
Ｂ・Ｄ＋Ｅ＝Ａ・Ｄ＋Ａ・Ｅ
Ｅ−Ａ・Ｅ＝Ａ・Ｄ−Ｂ・Ｄ＝Ｄ・（Ａ−Ｂ）
（１−Ａ）・Ｅ＝Ｄ・（Ａ−Ｂ）
Ｅ＝Ｄ・（Ａ−Ｂ）／（１−Ａ）・・・（１）

となって式（１）が得られる。
なお、Ｅ＞０である必要があるため、Ａ＞１でかつＢ＞Ａの条件を満たす必要がある。

１ 圧電素子
２ 負荷質量
３ 電極板
４ 締め付けネジ
５ コネクタ
６ ケース
７ 導線
８ 検出部
９ 温度補正用コンデンサ
１０ 検出部静電容量
１１ 電圧源

Ａ 検出部８の電荷感度の温度による変化係数
Ｂ 検出部８の静電容量Ｄの温度による変化係数
Ｃ 検出部８の電圧感度の変化係数
Ｄ 検出部８の静電容量（温度補正範囲下限温度）
Ｅ 温度補正用コンデンサ９の静電容量

Claims (3)

1. 圧電型電荷出力加速度センサに静電容量Ｅを有する温度補正用コンデンサを直列に接続してなる電荷感度を平坦化させた程度が０．９ないし１．０５の範囲内とさせた前記センサにおいて、前記静電容量Ｅが、それぞれ測定して得られた前記センサの温度補正範囲下限温度−４０℃での静電容量をＤ、上限温度＋１２０℃での静電容量をＣＯＨ、前記下限温度での電荷感度ＳＱＬ、前記上限温度での電荷感度ＳＱＨから式（１０）、（１１）により算出された前記センサの電荷感度の温度係数Ａ、静電容量の温度係数Ｂと、式（２）〜（９）より得られた式（１）から算出された静電容量Ｅである圧電型電荷出力加速度センサ。
   Ｅ＝Ｄ・（Ａ−Ｂ）／（１−Ａ） ・・・・・・・・・・ （１）
   ＣＬ＝Ｄ・Ｅ／（Ｄ＋Ｅ） ・・・・・・・・・・・・・ （２）
   ＣＨ＝ＣＯＨ・Ｅ／（ＣＯＨ＋Ｅ） ・・・・・・・・・ （３）
   ＳＶＬ＝ＳＱＬ／Ｄ ・・・・・・・・・・・・・・・ （４）
   ＳＶＨ＝ＳＱＨ／ＣＯＨ ・・・・・・・・・・・・・ （５）
   ＳＱＬＬ＝ＣＬ・ＳＶＬ＝ＣＬ・ＳＱＬ／Ｄ ・・・・ （６）
   ＳＱＨＨ＝ＣＨ・ＳＶＨ＝ＣＨ・ＳＱＨ／ＣＯＨ ・・ （７）
   ＳＱＬＬ＝ＳＱＨＨ ・・・・・・・・・・・・・・・ （８）
   ＳＱＬ／（Ｄ＋Ｅ）＝ＳＱＨ／（ＣＯＨ＋Ｅ） ・・・ （９）
   ＳＱＨ＝Ａ・ＳＱＬ ・・・・・・・・・・・・・・・ （１０）
   ＣＯＨ＝Ｂ・Ｄ ・・・・・・・・・・・・・・・・ （１１）
   ここで、下限温度での電圧感度をＳＶＬ、上限温度での電圧感度をＳＶＨ、下限温度での電荷感度をＳＱＬＬ、上限温度での電荷感度はＳＱＨＨである。
2. 前記平坦化させた程度を０．９５ないし１．０５の範囲内とさせた請求項１記載の圧電型電荷出力加速度センサ。
3. さらに、前記電荷感度の補償前後を比較した２０℃を基準とした変化係数が０．９５から１.０５の範囲で、−４０℃から＋１２０℃で使用可能な請求項１又は２記載の圧電型電荷出力加速度センサ。

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