JPH05333047A - Acceleration sensor - Google Patents

Acceleration sensor

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JPH05333047A
JPH05333047A JP4137025A JP13702592A JPH05333047A JP H05333047 A JPH05333047 A JP H05333047A JP 4137025 A JP4137025 A JP 4137025A JP 13702592 A JP13702592 A JP 13702592A JP H05333047 A JPH05333047 A JP H05333047A
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voltage
acceleration
electrode
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piezoelectric element
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Yasunori Otsuki
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Abstract

PURPOSE:To prevent a piezoelectric element from being broken when an excessive acceleration is applied to an acceleration sensor equipped with the piezoelectric element. CONSTITUTION:Piezoelectric elements 11, 12 and a metallic thin plate 13 constitue a bimorph piezoelectric device. An electrode 11a is used as an output electrode and an electrode 12b serves as an input electrode. When an acceleration is applied to the bimorph piezoelectric device, the detecting voltage at the output electrode is converted to an output voltage at an impedance conversion part 14 and fed to a comparator 16 and a differential output part 17. When a first reference voltage set corresponding to the upper limit of the permissible acceleration is smaller than the output voltage, the comparator sends out a driving signal. The differential output part differentially amplifies a second reference voltage and the output voltage, thereby to generate a differentially amplified voltage. An analog switch part feeds the differentially amplified voltage to the input electrode in response to the driving signal. As a result of this, the distorting force in the opposite direction to that caused by tone impressed acceleration is generated in the bimorph piezoelectric device, and the distorting force applied to the bimorph piezoelectric device is eventually not larger than the permissible limit.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は加速度センサに関し、特
に、自動車等に用いられる加速度センサに関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an acceleration sensor, and more particularly to an acceleration sensor used in automobiles and the like.

【0002】[0002]

【従来の技術】従来、加速度センサとして自動車等にお
いて衝突時における安全確保のための所謂エアバッグシ
ステムあるいは乗り心地改善等に関連して用いられる加
速度センサが知られている。この種の加速度センサには
種々のものが実用化されているが、構造が簡単である点
及び高温における使用に耐え得る点を考慮すると、圧電
セラミックスを用いた加速度センサが各種機械の振動検
出及びエンジンのノッキング検出等に広く用いられる傾
向にある。
2. Description of the Related Art Conventionally, as an acceleration sensor, a so-called airbag system for ensuring safety at the time of a collision in an automobile or the like, or an acceleration sensor used in connection with improving riding comfort has been known. Various types of acceleration sensors have been put into practical use, but in consideration of the simple structure and the ability to withstand use at high temperatures, an acceleration sensor using piezoelectric ceramics can detect vibration of various machines and It tends to be widely used for engine knock detection and the like.

【0003】ここで、図3を参照して、従来の加速度セ
ンサについて概説する。
Here, a conventional acceleration sensor will be outlined with reference to FIG.

【0004】図示の加速度センサは円環状の圧電素子2
0を備えており、この圧電素子の上面及び下面には電極
(図示せず)が形成されている。これら電極の一方はア
ース電極として用いられ、他方は出力電極として用いら
れる。そして、出力電極はインピーダンス変換部21を
介して出力端子(外部端子)22に接続されている。
The illustrated acceleration sensor is an annular piezoelectric element 2.
0, and electrodes (not shown) are formed on the upper and lower surfaces of this piezoelectric element. One of these electrodes is used as a ground electrode and the other is used as an output electrode. The output electrode is connected to the output terminal (external terminal) 22 via the impedance converter 21.

【0005】いま、圧電素子20にその厚さ方向に振動
が加わると、つまり、圧電素子20がその厚さ方向に振
動すると、圧電素子20にはF=k×αで示す力が作
用することになる(ここで、kは比例定数、αは加速
度である)。そして、この力Fによって圧電素子20の
電極間にはV(Q)=k×Fで示す電圧(電荷)が発
生する(ここで、Qは電荷、kは比例定数である)。
つまり、外部端子22には加速度αに比例する電圧が現
れることになり、この電圧の大きさによって加速度の大
きさを知ることができる。
When the piezoelectric element 20 is vibrated in its thickness direction, that is, when the piezoelectric element 20 vibrates in its thickness direction, a force F = k 1 × α acts on the piezoelectric element 20. (Where k 1 is a proportional constant and α is acceleration). Then, due to this force F, a voltage (charge) represented by V (Q) = k 2 × F is generated between the electrodes of the piezoelectric element 20 (where Q is a charge and k 2 is a proportional constant).
That is, a voltage proportional to the acceleration α appears at the external terminal 22, and the magnitude of the acceleration can be known from the magnitude of this voltage.

【0006】[0006]

【発明が解決しようとする課題】ところで、一般に圧電
素子には許容加速度に応じて検出可能加速度範囲が定め
られており(一般に検出可能加速度範囲は許容加速度以
下(例えば、許容加速度の95%以上100%以下)に
定められる)、許容加速度を越える過度の加速度が加速
度センサに加わると、圧電素子に過度の歪力が加わるこ
とになって圧電素子が破損する恐れがあり、さらに、検
出可能加速度範囲以上で許容値未満の加速度が継続して
印加されても、圧電素子が破損することがある。
By the way, generally, a piezoelectric element has a detectable acceleration range defined in accordance with the allowable acceleration (generally, the detectable acceleration range is less than or equal to the allowable acceleration (for example, 95% to 100% of the allowable acceleration). %)), If excessive acceleration exceeding the allowable acceleration is applied to the acceleration sensor, excessive strain force may be applied to the piezoelectric element, which may damage the piezoelectric element. Even if the acceleration below the allowable value is continuously applied, the piezoelectric element may be damaged.

【0007】本発明の目的は過度の加速度が加わった際
にも圧電素子が破損することのない加速度センサを提供
することにある。
An object of the present invention is to provide an acceleration sensor in which the piezoelectric element is not damaged even when an excessive acceleration is applied.

【0008】[0008]

【課題を解決するための手段】本発明によれば、互いに
対向する面を有し該面上にはそれぞれ電極が形成された
第1及び第2の圧電素子を備えるとともに第1及び第2
の主面を有する金属板を備え、前記第1の圧電素子は前
記電極の一方で前記第1の主面上に配置され、前記第2
の圧電素子は前記電極の一方で前記第2の主面上に配置
されており、前記第1の圧電素子において前記電極の他
方が出力電極とされ、前記第2の圧電素子において前記
電極の他方が入力電極とされ、前記金属板が接地されて
おり、前記第1及び前記第2の圧電素子に加わる加速度
に応じて前記出力電極に現れる検出電圧に基づいて決定
された出力電圧が予め定められた設定電圧を越えた際前
記入力電極に前記加速度に応じた入力電圧を印加する印
加手段を備えていることを特徴とする加速度センサが得
られる。
According to the present invention, there are provided first and second piezoelectric elements having surfaces facing each other and electrodes formed on the surfaces, respectively.
A metal plate having a main surface of the first piezoelectric element, the first piezoelectric element being disposed on the first main surface of one of the electrodes,
Of the piezoelectric element is disposed on the second main surface of one of the electrodes, the other of the electrodes of the first piezoelectric element is an output electrode, and the other of the electrodes of the second piezoelectric element is the other of the electrodes. Is an input electrode, the metal plate is grounded, and an output voltage determined on the basis of a detection voltage appearing at the output electrode according to an acceleration applied to the first and second piezoelectric elements is predetermined. An acceleration sensor is provided, which is provided with an applying unit that applies an input voltage corresponding to the acceleration to the input electrode when the set voltage is exceeded.

【0009】[0009]

【作用】本発明では、第1及び第2の圧電素子と金属板
とで構成されるバイモルフ形圧電素子に対して加速度
(加速度)が加わった際、この加速度に応じた出力電圧
を得て、この出力電圧が予め定められた設定電圧(許容
加速度の上限値に対応する電圧)を越えたとき、入力電
極に加速度に応じて入力電圧を印加している。従って、
過度の加速度によって過度の歪力が加わる際、上記の入
力電圧が与えられることになり、バイモルフ形圧電素子
に逆圧電効果が生じることになる。よって、印加加速度
方向と逆方向に許容加速度を越える分に対応する歪力が
与えられることになって、印加加速度による歪力は所定
の範囲(許容上限値)内に押さえられることになる。こ
のようにして、圧電素子の破損が防止される。
According to the present invention, when acceleration (acceleration) is applied to the bimorph type piezoelectric element composed of the first and second piezoelectric elements and the metal plate, an output voltage corresponding to the acceleration is obtained, When this output voltage exceeds a predetermined set voltage (a voltage corresponding to the upper limit value of the allowable acceleration), the input voltage is applied to the input electrode according to the acceleration. Therefore,
When the excessive strain force is applied by the excessive acceleration, the above-mentioned input voltage is applied, and the inverse piezoelectric effect is generated in the bimorph type piezoelectric element. Therefore, a strain force corresponding to the amount exceeding the allowable acceleration is applied in the direction opposite to the applied acceleration direction, and the strain force due to the applied acceleration is suppressed within a predetermined range (allowable upper limit value). In this way, damage to the piezoelectric element is prevented.

【0010】[0010]

【実施例】以下本発明について実施例によって説明す
る。
EXAMPLES The present invention will be described below with reference to examples.

【0011】図1を参照して、本実施例による加速度セ
ンサは2個の圧電素子11及び12を備えており、圧電
素子11及び12は所定の形状(例えば、リング状又は
板状)に成形されており、圧電素子11及び12の上面
及び下面にはそれぞれ電極11a,11b,及び12
a,12bが形成されている。
Referring to FIG. 1, the acceleration sensor according to the present embodiment includes two piezoelectric elements 11 and 12, and the piezoelectric elements 11 and 12 are molded into a predetermined shape (for example, a ring shape or a plate shape). The electrodes 11a, 11b, and 12 are provided on the upper and lower surfaces of the piezoelectric elements 11 and 12, respectively.
a and 12b are formed.

【0012】圧電素子11及び12は金属薄板13を挟
んで配設される。その結果、図示のように電極11b及
び12aは金属薄板13に当接して金属薄板13に電気
的に接続されることになる。これら圧電素子11及び1
2と金属薄板13は接着剤等で電気的接続を害しないよ
うに貼り合わされ、金属薄板13はアースされる。つま
り、アース端子として用いられることになる。そして、
圧電素子11の電極11aを出力端子とし、圧電素子1
2の電極12bを入力端子として所謂バイモルフ形圧電
素子が構成される。なお、圧電素子11及び12はその
厚み方向にしかも同一方向に分極されている。
The piezoelectric elements 11 and 12 are arranged with a thin metal plate 13 in between. As a result, as shown in the figure, the electrodes 11b and 12a come into contact with the metal thin plate 13 and are electrically connected to the metal thin plate 13. These piezoelectric elements 11 and 1
2 and the metal thin plate 13 are bonded together by an adhesive or the like so as not to damage the electrical connection, and the metal thin plate 13 is grounded. That is, it will be used as a ground terminal. And
Using the electrode 11a of the piezoelectric element 11 as an output terminal, the piezoelectric element 1
A so-called bimorph type piezoelectric element is configured by using the second electrode 12b as an input terminal. The piezoelectric elements 11 and 12 are polarized in the thickness direction and in the same direction.

【0013】さらに、図1を参照して、圧電素子11の
電極11aに現れる出力電圧はインピーダンス変換部1
4で増幅(電荷増幅)等されて、増幅電圧として外部端
子15に与えられる。また、この増幅電圧は比較器16
及び差動出力部17に与えられる。比較器16では予め
設定された第1の基準電圧V21と増幅電圧を比較して
比較結果信号を送出する。一方、差動出力部17では増
幅電圧と予め設定された第2の基準電圧V22とを差動
増幅して差動増幅信号を送出する。この差動増幅信号は
アナログスイッチ部18に与えられ、アナログスイッチ
部18は後述するように比較結果信号に応じて差動増幅
信号を圧電素子12の電極(入力電極)12bに与え
る。
Further, referring to FIG. 1, the output voltage appearing at the electrode 11a of the piezoelectric element 11 is the impedance conversion unit 1.
The signal is amplified (charge amplification) in 4 and applied to the external terminal 15 as an amplified voltage. Further, this amplified voltage is applied to the comparator 16
And the differential output section 17. The comparator 16 compares the preset first reference voltage V 21 with the amplified voltage and sends a comparison result signal. On the other hand, the differential output section 17 differentially amplifies the amplified voltage and the preset second reference voltage V 22 and sends out a differential amplified signal. This differential amplified signal is given to the analog switch section 18, and the analog switch section 18 gives a differential amplified signal to the electrode (input electrode) 12b of the piezoelectric element 12 according to the comparison result signal as described later.

【0014】ここで再び図1を参照して、上述した加速
度センサの動作について詳説する。なお、ここでは、加
速度測定範囲の上限値は許容加速度の95%乃至100
%の範囲に定められる。
The operation of the acceleration sensor described above will be described in detail with reference to FIG. 1 again. Here, the upper limit of the acceleration measurement range is 95% to 100% of the allowable acceleration.
It is set in the range of%.

【0015】いま、加速度測定可能範囲の加速度G
加速度センサに印加されたとすると、バイモルフ形圧電
素子に加速度Gに相当する(比例する)力が加わるこ
とになる。この結果、電極(出力電極)11aには加速
度Gに相当する電荷、つまり、電圧が発生する。この
発生電圧はインピーダンス変換部14で増幅されて出力
電圧Vとして外部端子15に出力される。前述のよう
にこの出力電圧Vは比較器16及び差動出力部17に
与えられる。ここで、第1の基準電圧V21は加速度測
定可能範囲の上限値に対応して設定されているので、比
較器16からはロウ(LOW)レベル信号が送出される
ことになって、この結果、アナログスイッチ部18はオ
フとなる。つまり、アナログスイッチ部18から差動増
幅信号は送出されない。
[0015] Now, when the acceleration G 1 of the acceleration measurable range is applied to the acceleration sensor will correspond to the acceleration G 1 in bimorph piezoelectric element (proportional) force is applied. As a result, a charge corresponding to the acceleration G 1 , that is, a voltage is generated at the electrode (output electrode) 11a. The generated voltage is amplified by the impedance converter 14 and output to the external terminal 15 as the output voltage V 1 . As described above, the output voltage V 1 is given to the comparator 16 and the differential output section 17. Here, since the first reference voltage V 21 is set corresponding to the upper limit value of the acceleration measurable range, a low level signal is sent from the comparator 16, which results in this. The analog switch section 18 is turned off. That is, the differential amplified signal is not transmitted from the analog switch unit 18.

【0016】ここで、加速度測定可能範囲を越える加速
度Gが加速度センサに印加されると、出力電極11a
には加速度Gに相当する電圧が発生する。この発生電
圧はインピーダンス変換部14で増幅されて出力電圧V
として出力される。上述のように、比較器16には、
加速度測定可能範囲の上限値に対応した第1の基準電圧
21が与えられているので、出力電圧Vが与えられ
た際(V>V21であるので)、比較器16はハイ
(HIGH)レベル信号を出力する。
When an acceleration G 2 exceeding the acceleration measurable range is applied to the acceleration sensor, the output electrode 11a
Generates a voltage corresponding to the acceleration G 2 . The generated voltage is amplified by the impedance conversion unit 14 and output voltage V
It is output as 2 . As mentioned above, the comparator 16 has
Since the first reference voltage V 21 corresponding to the upper limit value of the acceleration measurable range is given, when the output voltage V 2 is given (V 2 > V 21 ), the comparator 16 goes high ( HIGH) level signal is output.

【0017】一方、差動出力部17では第2の基準電圧
22(ここで0.95V21≦V22≦V21であ
る)に基づいて、つまり、第2の基準電圧V22を基準
として差動出力電圧Vを出力する。
Meanwhile, based on the second reference voltage V 22 in the differential output section 17 (where it is 0.95V 21 ≦ V 22 ≦ V 21 ), that is, the second reference voltage V 22 as a reference The differential output voltage V 3 is output.

【0018】比較器16から与えられる信号がハイレベ
ルであるとき,アナログスイッチ部18はオンとなり、
その結果、差動出力電圧Vがアナログスイッチ部18
を通って入力電極12bに加えられる。これによって、
圧電素子12は所謂逆圧電効果によって印加加速度方向
と逆方向に歪力が生じることになる。この歪力は検出可
能な加速度の上限値による歪力と加速度測定可能範囲を
越える加速度Gによる歪力との差に等しい。従って、
バイモルフ形圧電素子には所定値以上の歪力(つまり、
検出可能な加速度の上限値による歪力)を越える歪力が
印加されることがなくなり、バイモルフ形圧電素子の破
損を確実に防止することができる。
When the signal supplied from the comparator 16 is at high level, the analog switch section 18 is turned on,
As a result, the differential output voltage V 3 changes to the analog switch unit 18
Through the input electrode 12b. by this,
The piezoelectric element 12 produces a strain force in the direction opposite to the applied acceleration direction due to the so-called inverse piezoelectric effect. This strain force is equal to the difference between the strain force due to the upper limit of the detectable acceleration and the strain force due to the acceleration G 2 which exceeds the acceleration measurable range. Therefore,
The bimorph type piezoelectric element has a strain force (that is,
A strain force exceeding the detectable upper limit of acceleration) is not applied, and damage to the bimorph piezoelectric element can be reliably prevented.

【0019】ここで、図2及び図4を参照して、いま、
加速度測定可能範囲の上限値をGとすると、図3に示
す加速度センサの場合には、加速度の変化に応じてイン
ピーダンス変換部21からの出力電圧が変化するが、加
速度が測定可能範囲を越える加速度Gとなると、図4
に示すように、加速度Gに対応した出力電圧がインピ
ーダンス変換部21から出力されることになる。つま
り、過度の歪力が圧電素子に加わることになる。
Now referring to FIGS. 2 and 4,
Assuming that the upper limit of the acceleration measurable range is G 3 , in the case of the acceleration sensor shown in FIG. 3, the output voltage from the impedance conversion unit 21 changes according to the change in acceleration, but the acceleration exceeds the measurable range. When the acceleration G 2 is reached, FIG.
As shown in, the output voltage corresponding to the acceleration G 2 is output from the impedance converter 21. That is, excessive strain force is applied to the piezoelectric element.

【0020】一方、図1に示す加速度センサでは、加速
度が測定可能範囲を越える加速度Gが加わると、前述
のように、歪力が加速度測定可能範囲の上限値Gに押
さえられるため、図2に示すように、インピーダンス変
換部14からの出力電圧は上限値Gでカットされるこ
とになる。つまり、過度の歪力が圧電素子に加わること
はない。
On the other hand, in the acceleration sensor shown in FIG. 1, when the acceleration G 2 in which the acceleration exceeds the measurable range is applied, the strain force is suppressed to the upper limit G 3 of the acceleration measurable range as described above. As shown in 2, the output voltage from the impedance converter 14 is cut at the upper limit value G 3 . That is, excessive strain force is not applied to the piezoelectric element.

【0021】このように、図1に示す加速度センサでは
加速度測定可能範囲の上限値を越える部分について実質
的に帰還制御を行っており、この結果、バイモルフ形圧
電素子に過度の加速度が印加されることがなくなる。
As described above, in the acceleration sensor shown in FIG. 1, feedback control is substantially performed on the portion exceeding the upper limit of the acceleration measurable range, and as a result, excessive acceleration is applied to the bimorph type piezoelectric element. Will disappear.

【0022】[0022]

【発明の効果】以上説明したように本発明では所定の上
限値を越える過度の加速度が加わった際、過度の加速度
による歪力と逆方向に上記の上限値を越える部分に相当
する歪力を圧電素子に加えるようにしたから、圧電素子
に実質的に所定の上限値を越える過度の加速度が加わる
ことがなくなり,その結果、圧電素子の破損を確実に防
止できるという効果がある。
As described above, according to the present invention, when an excessive acceleration exceeding a predetermined upper limit value is applied, a strain force corresponding to a portion exceeding the above upper limit value in a direction opposite to the strain force due to the excessive acceleration is applied. Since the piezoelectric element is applied to the piezoelectric element, the piezoelectric element is prevented from being subjected to excessive acceleration substantially exceeding a predetermined upper limit value. As a result, the piezoelectric element can be reliably prevented from being damaged.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】本発明による加速度センサの一実施例を説明す
るための図である。
FIG. 1 is a diagram for explaining an embodiment of an acceleration sensor according to the present invention.

【図2】図1に示す加速度センサに加わる歪力の変化を
説明するための図である。
FIG. 2 is a diagram for explaining a change in strain force applied to the acceleration sensor shown in FIG.

【図3】従来の加速度センサを示す図である。FIG. 3 is a diagram showing a conventional acceleration sensor.

【図4】図3に示す加速度センサに加わる歪力の変化を
説明するための図である。
FIG. 4 is a diagram for explaining a change in strain force applied to the acceleration sensor shown in FIG.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

11,12 圧電素子 11a,11b,12a,12b 電極 13 金属薄板 14 インピーダンス変換部 15 外部端子 16 比較器 17 差動出力部 18 アナログスイッチ部 11, 12 Piezoelectric element 11a, 11b, 12a, 12b Electrode 13 Metal thin plate 14 Impedance conversion section 15 External terminal 16 Comparator 17 Differential output section 18 Analog switch section

Claims (3)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 互いに対向する面を有し該面上にはそれ
ぞれ電極が形成された第1及び第2の圧電素子を備える
とともに第1及び第2の主面を有する金属板を備え、前
記第1の圧電素子は前記電極の一方で前記第1の主面上
に配置され、前記第2の圧電素子は前記電極の一方で前
記第2の主面上に配置されており、前記第1の圧電素子
において前記電極の他方が出力電極とされ、前記第2の
圧電素子において前記電極の他方が入力電極とされ、前
記金属板が接地されており、前記第1及び前記第2の圧
電素子に加わる加速度に応じて前記出力電極に現れる検
出電圧に基づいて決定された出力電圧が予め定められた
設定電圧を越えた際前記入力電極に前記加速度に応じた
入力電圧を印加する印加手段を備えていることを特徴と
する加速度センサ。
1. A metal plate having first and second piezoelectric elements having surfaces facing each other and having electrodes formed on the surfaces, and a metal plate having first and second main surfaces. The first piezoelectric element is arranged on one side of the electrode on the first main surface, and the second piezoelectric element is arranged on one side of the electrode on the second main surface. In the piezoelectric element, the other one of the electrodes serves as an output electrode, the other one of the electrodes serves as an input electrode in the second piezoelectric element, the metal plate is grounded, and the first and second piezoelectric elements An applying voltage that applies an input voltage corresponding to the acceleration to the input electrode when the output voltage determined based on the detected voltage appearing at the output electrode according to the acceleration applied to the input electrode exceeds a predetermined set voltage. An acceleration sensor characterized in that
【請求項2】 請求項1に記載された加速度センサにお
いて、前記検出電圧を増幅して前記出力電圧として送出
するインピーダンス変換手段を備えていることを特徴と
する加速度センサ。
2. The acceleration sensor according to claim 1, further comprising impedance conversion means for amplifying the detected voltage and sending it as the output voltage.
【請求項3】 請求項1に記載された加速度センサにお
いて、前記印加手段は前記加速度の許容上限値に応じて
定められた第1の基準電圧と前記出力電圧とを比較して
前記出力電圧が前記第1の基準電圧を越えている際駆動
信号を送出する比較手段と、前記第1の基準電圧より低
い第2の基準電圧が与えられ前記出力電圧と前記第2の
基準電圧とを差動増幅して差動増幅電圧を求める差動増
幅手段と、前記駆動信号に応答して前記差動増幅電圧を
前記入力電圧として前記入力電圧に与える出力手段とを
有することを特徴とする加速度センサ。
3. The acceleration sensor according to claim 1, wherein the applying unit compares the output voltage with a first reference voltage determined according to an allowable upper limit value of the acceleration, and the output voltage is Comparing means for transmitting a drive signal when the voltage exceeds the first reference voltage, and a second reference voltage lower than the first reference voltage are applied to differentiate the output voltage from the second reference voltage. An acceleration sensor comprising: a differential amplifying unit that amplifies to obtain a differential amplified voltage; and an output unit that responds to the drive signal and applies the differential amplified voltage as the input voltage to the input voltage.
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Cited By (3)

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