JPH02503952A - 加速度計及び附属制御回路 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 加速度計及び附属制御回路 技術分野 本発明は、低周波数加速度計及びそれに附属する制御回路に関し、より詳しくは 、低周波圧電加速度計及びそれに附属する濾波増幅器回路に関する。

背景技術 多くの用途に於いて、圧電加速度計を設計する場合、製造コストを出来るだけ低 く維持すると同時に、使用する圧電素子に加えられる加速度に対してできるだけ 高い電気出力が得られるように努力することが重要である。

実際、低周波で使用するための圧電加速度計の構成に関して、ソースキャパシテ ィを最大にすることも必要である。何故ならば、高いソースキャパシタンスを与 えることにより、圧電加速度計が使用されるシステム、設備等の設計の単純化が 容易となることが判明したからである。

所謂ラジアルモードの歪が加えられる圧電材料を用いて構成する公知の実用的な 加速度計に於いては、圧電材圧縮力又は張力を受ける。

このような公知の構成にあっては、所要の機械的性質を有する支持要素上に圧電 材料の層を設けるのが普通である。

この支持要素は、必要に応じ、別の圧電材料で形成することができる。

デバイスの感度を最大にするために、結果として作られる加速度計の歪ゼロの線 が、圧電素子とその支持部材の接合部に沿って生じるように構成するのが従来の やり方である。

一般に、圧電材料に加えられる機械的歪は電気的出力を発生し、圧電材料に電気 的信号を入力すればそれに関連した機械的歪を生ずると言う点で、圧電材料は操 作上可逆である、どういうことに留意するのが望ましい。更に、圧電材料の温度 の如何なる変化も、それに対応した電気出力を生ずるので、圧電材料はパイロ電 気物質でもある。

これに関連して、周囲の温度の比較的値かな変化が、この温度変化に関連した電 気的出力を生じさせ、この電気的出力は、加速度計からスプリアス信号を発生さ せるのに充分な大きさであることが判明した。

本発明の目的は、周囲の温度変化が出力に影響を及ぼすことが少なく、低周波数 で使用するのに特に適した加速度計を提供することである。

本発明に係る加速度計の使用周波数範囲は、少なくとも０．１Ｈｚから５００　 Ｈｚ迄である。上記の範囲に於いて、下限値は少なくとも０．１Ｈｚから２０　 Ｈｚ迄の範囲内で選択的に可変であるべきである。又、上限値の選択、調節は少 なくともｌ０Ｈｚから５００　Ｈｚ迄の間で可能であるべきである。

又、ソースインピーダンスは、１０００オーム未満とすべきであり、そして関連 する回路は、例えば加速度計を自動車の懸架装置の性能のモニタリングに使用す る場合に於いて、加速度計を自動車のボディに取付けた場合は３ｇ以上、自動車 の車輪に取付けた場合には５０ｇ以上の過負荷から、急速に回復し得なければな らない。周囲の温度条件に就いて言えば、加速度計は一５５°Ｃ〜＋１２５°Ｃ の温度範囲内で作動しなければならない。

本発明のもう一つの目的は、圧電材料固有のパイロ電気特性の影響を受けないか 又は、少なくともその影響の少ない加速度計を提供することである。

本発明の更にもう一つの目的は、低い電圧例えば５Ｖで作動し、低周波数の圧電 加速度計と共に使用するのに適し、後の処理及び／又は使用のため高レベル低イ ンピーダンスの信号を発生し得るような、帯域濾波・増幅回路を提供することで ある。

濾波・増幅複合回路を加速度計と共に用いることは普通の方法であるが、圧電加 速度計と関連した２つの厳しい問題があり、この問題が濾波・増幅回路の設計に 重大な困難を漬らずことが判明した。

第一の問題は、温度変化に対応してスプリアス出力信号を生じさせる圧電材料固 有のパイロ電気応答の結果として起きる。この出力は、温度変化１°Ｃ当たりの 電荷の量である。実際、若し抵抗負荷が圧電素子に並列に接続されるならば、パ イロ電気効果のためこの抵抗負荷の両端子間に発生する最大電圧は温度変化の率 に正比例し、抵抗負荷の大きさに反比例する。抵抗負荷の最小値は、要求される 低周波数応答の下限により決定される。パイロ電気効果の出力信号は、加速度計 システムの熱時間定数を長くすることにより、そして低周波数パイロ電気のノイ ズ信号が、加速度計システムの出力側に現れるのを防ぐためにバイパスフィルタ ーを用いることにより軽減することができる。実際の構成に於いて、パイロ電気 信号は加速度の変動に基づく加速度計の所望の信号出力より大きいので、最初の バイパス濾波に先立って信号を増幅させると、どの増幅段も低周波数のパイロ電 気信号により過負荷となる。更に、この問題は低電圧電源の使用により悪化する 。

第２の問題は、システムの出力側に、所要の帯域濾波周波数範囲以上の周波数の 信号が現れるのを防止することに関する。圧電加速度計が、具体的な取付は方法 及び構成に用いられる種々の材料の形状、寸法や性質により決定される周波数で 共振の挙動を示すという事実から種々の困難が生ずる。この状況は、より高い周 波数で加速度計の感度を増大させるので、附属の増幅器とフィルター回路のゲイ ンを修正、減少させて補償する必要がある。

実際の加速度計では、２０Ｈｚに於ける感度と比較して２ｋ）ｌｘでは２０倍も 感度を増大させることが可能である。この状況のため、バンドパス回路を増幅段 の前段に置くことが必要となる。

発明の開示 本発明の第一のアスペクトによれば、導電性のシート、板、又はそれらの類似物 の表面と裏面にそれぞれに取付けられた第１と第２の圧電素子により特徴付けら れ、そしてこのシート、板又はそれらの類似物は中央で支持されているので、圧 電素子が加速力を受けるときは第１と第２の圧電素子が常に同一の力を受けるよ うになっている加速度計ユニットが提供される。

好ましくは、第一と第二の圧電素子は並列に接続される。これは、一つの圧電素 子のパイロ電気効果から生ずる電気的出力が、他の圧電素子のパイロ電気効果か ら生ずる電気的出力を打ち消すような結線である。

好ましい実施例に於いては、第１と第２の圧電素子は環状であり、シート、板又 はそれらの類似物及び支持装置は、それぞれボアを有し、導電線が上記のボアを 通って両方の素子と、シート、板又はそれらの類似物及び支持装置を貫通し、第 １と第２の圧電素子の少なくとも一方へ電気的に接続できるようになっている。

好ましくは、第１と第２の圧電素子は、シート、板又はそれらの類似物に固定さ れ、一体的な複合素子を形成する。

圧電素子は、シート、板又はそれらの類似物に接着剤で取り付けるのが簡便であ る。

本発明のもう一つの視点によれば、加速度計ユニットと結合して使用するため、 帯域フィルターと組み合わされた増幅ユニットが提供され、このユニットに於い ては、回路の最初の高周波数レベルパスフィルターの少なくとも一部として、加 速度計ユニットのソースキャバシテタンスが利用される。

本発明のもう１つの視点によれば、加速度計と共に用いるための帯域フィルター と組合された増幅回路が提供され、加速度計のソースキャパシティが、回路の最 初の高周波数レベルのパスフィルターのキャパシタンスの少なくとも一部として 利用される。

好ましくは、このソースキャパシタンスは、フィルターのための全キャパシタン スを与える。

本発明をより良く理解し、その実施の仕方を示すために、添付書類を参照して説 明する。

図面の簡単な説明 第１図は、本発明の原理を組入れた加速度計の断面で第３図は、公知のフィルタ ーと増幅器の回路を示す。

第４図は、本発明に係る濾波増幅回路の一実施例を示す回路図である。

第５図は、第４図に示した回路のより詳細な構成を示す回路図である。

発明を実施するための最良の形感 第１図には円形の表面２．３及び中心のポア４を有する円形の支持部材が示され ている。同じ外径例えば、いずれも２０〜４０ｍｍの外径を有する円盤状の圧電 素子５及び６が表２０面２及び３に取付けられている。素子５及び６はそれぞれ 中心ボア７及び８を有し、そして、ポア７及び８がそれぞれ支持部材１のポア４ と同軸になるように支持部材に取付けられる。

支持部材１と二つの圧電素子からなるサンドイッチは、主体部１２、第１の小径 部分１３及び第２の小径部分１４を有する導電性のボスト１１によってメイン支 持部材プレート１０上に支持されている。２つの小径部分１３及び１４は、主体 部１２の両端部に於いて、それぞれ肩部分１５及び１６を形成する。ボスト１１ は中心にポア１７を有する。

小径部分１３は支持部材プレート１０のポア１８に嵌め込まれる。ボスト１１が プレート１０に確り結合するのを保証するため、小径部分１３の自由端部分はポ ア１８の縁に隣接する部分でかしめられ、これによりプレート１０はかしめ部分 と隣接する表面１５との間でクランプされ、これによってボスト１１はプレー） １０に確りと取付けられる。

導電性のスリーブ１９が小径部分１２に嵌め込まれる。スリーブの外径は圧電素 子５及び６のポア７及び８の中に遊び嵌めされるサイズである。

更に加えて、圧電素子６の一番外側の表面の内周の領域は、ボスト１１の主体部 １２と電気的に接続していることに注意しなければならない。導電性のワッシャ ー２０を小径部分１４に嵌め込み、圧電素子５の一番外側の内周領域に接触させ 、これにより電気的な接続を行わせる。

ボスト１１の上にワッシャー２０とサンドイッチ５．１１６を固定するために、 ナツト２１が小径部分１４のねじ部にねじ込まれる。ワッシャー２０の厚みは、 その一番外側の表面がスリーブ】９の一番外側の表面より充分に高くなるように 選ばれ、これによりナツト２１が締め付けられたときには、圧電素子５、ワッシ ャー２０、ナツト２１及びボスト１１が電気的に接続され、そして圧電素子５及 び６のそれぞれ一番外側の面の間に完全な電気的な接続がなされるようにされな ければならない。

支持部材ｌはそれ自身導電体であるので圧電素子５及び６の内面（支持部材ｌの 表面２及び３に隣接する）の間の電気的接続が自動的に完成する。このためその 内側の表面はそれぞれ互σ）に並列に電気的に接続される。一端２５がメインサ ボーＮＯに結合され、他の一端２３が支持部材１の外周部に設けられた結合タグ ２４によって支持部材ｌに結合されているワイヤー２２によって、支持部材１が 、メインサポート１０の所望の部分に電気的に接続される。

ワイヤー２２は、ボスト１１の中心ポア１７と、メインサポート１０の下側を通 り、そして一端２５でメインサポート１０の所望の場所に結合される。ワイヤー の一端２５のメインサポートｌＯへの取付は位置は、ボストＩｌの小径部分１３ のかしめ付は部分から電気的に絶縁しておくことが望ましい。ワイヤー２２の中 間部分を隣接する素子５に固定し、ワイヤー２２の有害な振動を防止する。

実際には、メインサポート１０は印刷回路基板によって構成される。このような 実施例に於いては、ボスト１１は電気的コンポーネントとして扱われ、そしてボ スト１．１の取付けは基板上に設けられた印刷回路の適切な点に自動的に結合さ れるようにすることが望ましい。

二つの圧電素子５及び６は、インテグラルコンポジットユニットとして支持部材 １に取付けてもよい。二つのエレメント５及び６は、接着剤によって支持部材１ に取付けられ、更に圧電素子を結合するリード線がそれぞれ対応する素子の表面 に粘着剤によって接続される。

メインサポート１０を介してこの加速度計に必要な力が加えられる。ボスト１１ の長手方向に加速度が加えられると、支持部材ｌと圧電素子５及び６から成るサ ンドイッチの外周部のイナーシアは二つの圧電素子５及び６に加速度に比例した 大きさのストレインを生じさせ、これにより加えられた加速度に比例する電気的 出力信号が発生する。

上記の加速度計に於いて、二つの圧電素子５及び６のパイロ電気出力は互いにキ ャンセルされるので好都合である。

上記の構成によると、複合ソースキャパシティーが約５０ｎＦの場合（圧電素子 のキャパシタンス）、加速度計は３０ｎ＋Ｖ／　ｇの出力を示すことが見出され た。

更に加えて、本発明に係る加速度計の構成によれば、並列接続された圧電素子の ソースキャパシティーは、本発明に係る加速度計に於いて用いられるような物理 的諸元を有する公知のバイモルフ圧電素子のソースキャパシティーの４倍にも達 するという利点が得られる。

上記の加速度計の一応用例は、自動車の懸架装置に於ける広範囲な様々な状態に 関する情報を集めるための、自動車の車輪及びボディの加速度測定に於ける使用 例である。それらの情報は少なくとも乗り心地を高める目的で、懸架装置の制御 変数を調節するだめの制御装置への入力として用いられる。

第３図に示されているように、この回路はサレン・アンド・キー・フィルターと して知られているバイパスフィルターから成る。この回路は、正及び負の電圧入 力端子２６及び２７、及び出力端子２８を有する増幅器２５を含む増幅段である 。入力端子２６は、コモンライン３０に結合される抵抗２９と、この回路の信号 入力端子３３に直列に接続されるキャパシター３１及び３２に結合されている。

この増幅器の負の入力端子２７は、抵抗３４を介してコモンライン３０に接続さ れている。出力端子２８は、抵抗３５を介して入力端子２７と抵抗３４とに接続 されており、更に抵抗３６を介してキャパシター３１及び３２の結合点に接続さ れている。増幅器の出力端子２８は、このフィルター及び増幅回路の出力を発生 する。

キャパシター３１．３２及び抵抗２９．３６は、この回路の中でローパスフィル ターどして作動し、抵抗３５．３６は、この回路全体のバスバンドゲインを制御 する。

圧電変換器が高周波帯域でより高い感度を有する非線型周波数応答特性を有し、 かつ、圧電変換器がパイロ電気素子でもあるために、第３図に示した回路を、ロ ーパスフィルター及び増幅回路として使用するときには、独特の問題を生じる。

この入力段バイパスフィルターは、少なくともその一部として圧電変換器の容量 が加わることによりモディファイされる。それは第４図に示されており、そこで はキャパシター３２は、圧電変換器３８のソースキャパシタンス３７によって置 き換えられる。更に加えて、増幅器への高周波入力の大きさを、入力信号がクリ ップされるレベ２０ル以下に制御するために（増幅器の電圧ゲインに無関係に） 付加的なローパスフィルターが回路の中に導入される。この付加的なローパスフ ィルターは、抵抗３９と、シャントキャパシター４０とから成る。

基本回路に加えられた変更の特色は次のように要約される。

この回路の初段のバイパスフィルターの一部としての変換器ソースキャパシティ ーの導入は、この回路の低域遮断周波数のレベルと、発生する位相シフトの制御 を容易にする。

シャントキャパシター４０及び直列抵抗３９の導入によって、圧電変換器のキャ パシティのインピーダンスを抵抗３９のそれよりも充分に大きくしておくことが 必要となり、そのため後者の導入は、回路全体の高周波特性に影響を持たないこ とになる。然しなから、トランジスター３９とキャパシター４０の組み合わせか ら成るローパスフィルターは、高周波領域に於いて回路全体のゲインを低下させ る。

実際には、高周波カットオフレベルをローパスフィルターのカットオフ周波数の 少なくとも５０倍にセットすることによって、二つのフィルターの如何なる相互 作用もバイパスフィルターの機能に殆ど影響を及ぼさないようにすることができ る。

バイパスフィルターに関する限り、キャパシター４０は、圧電変換器のソースキ ャパシティー３７に実質的に並列に力電圧を低下させるという追加的な効果が生 じる。実際の使用条件下では、この現象はキャパシター４０の値を、変換器のソ ースキャパシタンスよりも充分に小さくすることによって可能な限り減少させる ことができる。

実際には、フィルター回路のＱは、抵抗３４及び３５の値の比によって決定され 、それは更にフィルター回路のバンドパスゲインを決定する。

若し必要ならば、回路のバンドパスゲインを増大させることができ、同時にフィ ルター回路に第２のローパスフィルターを設けることができる。これらは、増幅 器２５の出力側にキャパシター４１及び抵抗４２を設けることにより達成される 。

上に述べたように、第４図に示す回路は、圧電変換器３８の出力波やフィルタリ ングに於いて満足できる機能を有すること、及び供給される電圧レベルが高すぎ るために生じるオーバーロードコンディションにより生じるピーク電圧の影響を 制御するために、有効であることが見出されている。

然しなから、この加速度計の成る種の用途、例えば、自動車の懸架装置の制御の ための応用などに於いては、この回路が受は入れ得る周波数領域内の大きなピー ク電圧レベルの信号を発生させる大きなオーバーロードからの回復速度が遅過ぎ るという問題がある。

このオーバーロード応答特性を改善するためには、回路の全体のゲインを制限し 、これによって変換器の通常の使用条件下で発生するオーバーロード状態を防止 することが必要である。

この問題を解決するために、第４図に示した回路に増幅段を付加し、これによっ て付加的なバンドパスフィルタリングと出力のバファリングを可能とし、そして 、回路のために必要な付加的なゲインを与えることができるよう変更された回路 が提案された。第５図は、第４図に示した回路にこのような回路を付加した状態 を示す回路図である。

゛　第５図に示した回路は、入力端子４４．４５と、出力端子４６とを有する第 ２の増幅器４３を具備する。最初の増幅器の出力端子２８は、抵抗４８と結合し て更に一つのバイパスフィルターを形成するキャパシター４７を介して、第２の 増幅器の入力端子４５に結合している。

キャパシター４７のことをさて措けば、この第２の増幅器は第１の増幅器の出力 に直接接続され、回路全体に要求される速やかなオーバーロード回復能力を発現 させるということに留意すべきじある。

特定の増幅器（識別記号ＬＭ２０８として知られたユニット）を用いるため、入 力保護ダイオードが用いられ、このダイオードは入力電圧が約０．５Ｖを越えた とき、導通するようにアレンジされた。若しも出力がこの入力保護ダイオードを 導通させるのに充分な程高い場合には、キャパシター４７は充電又は放電され、 それ以降は、入力信号が消滅した後、その出力か平衡に達するまでの所要時間が 相対的に長い時間が必要となる。そのため第１の増幅器のゲインは、回路の如何 なる入力シグナルに対しても最初の増幅器の出力２８に於けるピークＡＣシグナ ルが０．５Ｖを越えないようにセットされなければならない。

第２の増幅器４３の出力４６は、この増幅器から得られたものより大きな出力電 圧振幅を得るために、ＮＰＮ　トランジスタ４９によって反転される。抵抗５０ 及び５１は、第２の増幅器４３の出力電圧が約２．５■となり、出力端子５２に 於ける出力電圧が２，５■となることを保証するために、トランジスタのベース 回路に結合される。トランジスタステージのゲインは、抵抗５３及び５４によっ て制御される。これらの抵抗は又得られる最低の出力電圧を決定する。その代表 的な比率はｌ：２０である。

内包された附属の制御回路が、一つの大きな信号と部分的に分離された変換器と の間との相違を識別できるようにするために、最大出力電圧を入力のそれよりも 僅かに低い値に限定するよう抵抗５５が導入されている。

ネガティブフィードバックを行うために、抵抗５Ｇか設けられ、この抵抗５６と 並列に接続されたキャパシター５７の結合によって、更にさらに一つのローパス フィルターが形成される。

増幅器４３の入力４４は、抵抗５８．５９及び可変抵抗６０を介して電圧ライン ３０に結合される。そして後者は抵抗６２及び第二の可変抵抗６３を介してコモ ングランドライン６１に結合される。実際には、抵抗５９と可変抵抗６０の合計 抵抗値と、抵抗５６の抵抗値の比率は第２の増幅器のゲインを決定する。上記の ように第２の増幅器は要求された速やかなオーバーロード回復性能を与えるため に、直流接続されている。この条件から、入力バイアス電流によって生じるエラ ーを減少させるために、二つの増幅器２５及び４３へのソース抵抗を平衡させる ことが必要となる。

抵抗４７とキャパシター４８とから成る付加フィルターに於いて、抵抗４７の値 はキャパシター４８のキャパシタンスを減少させるために大きな値とすることが 必要であり、この値としてはＩＯＭΩが一般的である。抵抗５９は、抵抗４８の よりも充分小さなものでなければならず、抵抗５８はＤＣバランス抵抗でなけれ ばならない。抵抗５８はキャパシター６４によってシャントされ、抵抗５８と共 に作用するその入力キャパシティによって、第２の増幅器４３の入力端子４４に 於いて生ずる望ましくない位相シフトの発生が防止される。

可変抵抗６３は、ボルテージライン３０に要求されたバイアス電圧を２．５ｖに 調整し、回路の出力５２に於けるＤＣオフセットの最終微調整を行うために設け られる。

５■サプライラインに現れる高周波ノイズを除去するために、正の電圧供給ライ ン６６に設けられる抵抗６５と、供給ライン６６とコモンライン６１を結合する キャパシター６７とから成る高周波フィルターが設けられる。

変換器の温度の上昇に伴って生じる変換器の出力の低下を補償するために、負の 温度特性を有するサーミスター６８と、ロード抵抗６αがボルテージライン３０ とフィルター回８４１及び４２の間に設けられる。

ｈａ、　／。

Ｆｔｃ、Ｊ。

国際調査報告 国際調査報告

Claims (10)

【特許請求の範囲】
1. １．第１と第２の圧電素子（５，６）が、導電性のシート、板又はそれらの類似 物（１）の両面にそれぞれ取り付けられ、圧電素子が加速力を受けるとき、第１ と第２の圧電素子が同じ力を受けるように、前記シート、板又はその類似物が、 その中央で支持部材（１２）により支持されるようになっていることを特徴とす る加速度計ユニット。
2. ２．第１と第２の圧電素子（５，６）が電気的に並列に接続され、その配列は、 一方の圧電素子のバイロ電気効果から生ずるいかなる電気的出力も、他方の圧電 素子のバイロ電気効果から生ずるバイロ電気による電気的出力を打ち消すような 配列であることを特徴とする請求の範囲第１項に記載の加速度計ユニット。
3. ３．前記第１と第２の圧電素子（５，６）が環状であり、シート、板又はその類 似物（１）と支持装置（１２）との各々がボア（４，７）を有し、それによって 第１と第２の圧電素子（５，６）のうちの最も外側の圧電素子（５）への電気接 続部（２２）が、両方の素子と、シート、板又はその類似物と、支持装置とを貫 通することができ、それによって最も外側の圧電素子（５）への電気的接続を可 能ならしめることを特徴とする請求の範囲第１項又は第２項に記載の加速度計ユ ニット。
4. ４．第１と第２の圧電素子（５，６）が、シート、板又はそれらの類似物に固定 され、一体的な複合構造体となっていることを特徴とする請求の範囲第１項、第 ２項又は第３項に記載の加速度計ユニット。
5. ５．第１と第２の圧電素子（５，６）が、接着剤によりシート、板またはそれら の類似物（１）に固定されていることを特徴とする請求の範囲第４項に記載の加 速度計ユニット。
6. ６．回路の最初の高周波パスフィルタのキャパシタンス（３２）の少なくとも一 部が、関連する圧電素子（３８）のキャパシタンス（３７）により与えられるよ うな、複合帯域フィルター・増幅回路を設けたことを特徴とする請求の範囲第１ 項乃至第５項の何れか一に記載の加速度計ユニット。
7. ７．圧電素子（３８）のキャパシタンス（３７）が、最初の高周波パスフィルタ ーに対し全キャパシタンスを与えることを特徴とする請求の範囲第６項に記載の 加速度計ユニット。
8. ８．前記回路内に追加のローパスフィルタ−（３９，４０）を設け、それによっ て圧電素子（３８）から増幅器とフィルター回路へ供給される高周波数出力の大 きさを、前記追加のローパスフィルターの存在しないとき、回路への入力信号が クリップされる値以下に制御することを特徴とする請求の範囲第６項又は第７項 に記載の加速度計ユニット。
9. ９．圧電素子に及ぼされる過負荷条件から生ずる圧電素子からの出力が、加速度 計ユニットの後の通常の作動条件下で、増幅器とフィルターの回路の作動に影響 を及ぼすことを防ぐための装置（４３，４７，４８）を設けたことを特徴とする 請求の範囲第６項、第７項又は第８項の何れか一に記載の加速度計ユニット。
10. １０．第１と第２の圧電素子の作動温度の変化の結果として生じる圧電素子（５ ，６；３８）からの出力の減少を補償するため、サーミスタ装置（６８）を設け たことを特徴とする請求の範囲第６項、第７項、第８項又は第９項の何れか一に 記載の加速度計ユニット。