JPH0627133A - Three dimensional acceleration sensor - Google Patents

Three dimensional acceleration sensor

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JPH0627133A
JPH0627133A JP4206240A JP20624092A JPH0627133A JP H0627133 A JPH0627133 A JP H0627133A JP 4206240 A JP4206240 A JP 4206240A JP 20624092 A JP20624092 A JP 20624092A JP H0627133 A JPH0627133 A JP H0627133A
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JP
Japan
Prior art keywords
piezoelectric
axis
acceleration sensor
piezoelectric element
dimensional acceleration
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Application number
JP4206240A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Tomio Kato
臣男 加藤
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Toray Industries Inc
Original Assignee
Toray Industries Inc
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Publication date
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Publication of JPH0627133A publication Critical patent/JPH0627133A/en
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Abstract

PURPOSE:To obtain a highly reliable three dimensional acceleration sensor, which can detect the three dimensional accelerations acting on the same mass point and can be manufactured easily. CONSTITUTION:A three dimensional acceleration sensor has three piezoelectric elements 3, which are arranged in the directions of an axis (x), an axis (y) and an axis (z), a spherical body 2, which is inscribed with three piezoelectric elements 3 and bonded to the corresponding piezoelectric element at a contact point, and a charge detection circuit 8, which is connected to each piezoelectric element 3.

Description

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

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】この発明は、圧電素子を用いた3
次元での加速度を検出するセンサに関し、さらに詳しく
は、物体に作用する力の大きさと方向を検出する3次元
加速度センサに関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION The present invention relates to a device using a piezoelectric element.
The present invention relates to a sensor that detects acceleration in three dimensions, and more specifically, to a three-dimensional acceleration sensor that detects the magnitude and direction of a force acting on an object.

【0002】[0002]

【従来の技術】3次元空間での物体に作用する重力や力
を正確に求めるためには、同一点における3次元での同
時刻の加速度、つまり、同一質点に作用する力の情報が
必要である。従来から知られている3次元加速度センサ
は、例えば特開昭63−118667号公報に開示され
ているように、3個の1次元加速度センサを用いて、3
次元の加速度センサを構成しているものが多い。
2. Description of the Related Art In order to accurately obtain gravity and force acting on an object in a three-dimensional space, it is necessary to obtain information on acceleration at the same point in three dimensions at the same point, that is, force acting on the same mass point. is there. A conventionally known three-dimensional acceleration sensor uses three one-dimensional acceleration sensors as disclosed in, for example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 63-118667.
In many cases, it constitutes a three-dimensional acceleration sensor.

【0003】この特開昭63−118667号公報に開
示されている加速度センサは、図10に示すように、ブ
ロック21上にシリコンを加工した1次元加速度センサ
22を3個、x軸、y軸およびz軸方向に配置したもの
である。この1次元加速度センサ22は、重り部23に
作用する力をたわみ部24に設けた基板26の抵抗部2
5で、その抵抗の変化として検出するものである。
As shown in FIG. 10, the acceleration sensor disclosed in Japanese Laid-Open Patent Publication No. 63-118667 has three one-dimensional acceleration sensors 22 in which silicon is processed on a block 21, x-axis and y-axis. And arranged in the z-axis direction. In this one-dimensional acceleration sensor 22, the force acting on the weight portion 23 is applied to the bending portion 24 and the resistance portion 2 of the substrate 26 is provided.
At 5, it is detected as a change in the resistance.

【0004】ところが、このような加速度センサにおい
ては、3個の1次元加速度センサ22の重り部23、た
わみ部24や抵抗部25を均一に作り難く、それぞれの
方向の質量が異なり、感度も不均一になり易いという欠
点がある。また、その補正のため、構造や、処理回路が
複雑になるという問題もある。
However, in such an acceleration sensor, it is difficult to make the weight portion 23, the bending portion 24, and the resistance portion 25 of the three one-dimensional acceleration sensors 22 uniformly, the masses in the respective directions are different, and the sensitivity is also poor. It has the drawback that it tends to be uniform. There is also a problem that the structure and the processing circuit are complicated due to the correction.

【0005】これらの問題を解消するために、同一質点
に作用する3次元の加速度を検出するセンサとして、特
開昭63−149568号公報、特開平1−20267
0号公報に提案されたものが知られている。
In order to solve these problems, a sensor for detecting a three-dimensional acceleration acting on the same mass point is disclosed in Japanese Patent Laid-Open Nos. 63-149568 and 1-220267.
The one proposed in Japanese Patent No. 0 is known.

【0006】ここで一例として、特開平1−20267
0号公報に開示された3次元加速度センサについて、図
11を用いて説明する。この加速度センサは、3点以上
の支点32で支持媒体33を介して、球状重り31を支
え、支持媒体33を介し、支点32に作用する力の大き
さと方向を検出するものである。
Here, as an example, Japanese Patent Laid-Open No. 1-20267
The three-dimensional acceleration sensor disclosed in Publication No. 0 will be described with reference to FIG. The acceleration sensor supports the spherical weight 31 via the support medium 33 at three or more fulcrums 32, and detects the magnitude and direction of the force acting on the fulcrum 32 via the support medium 33.

【0007】しかしながら、この方法によるセンサの構
成では、球状重り31を3個以上の支持媒体33で支え
るため、占有空間がある程度大きいことが必要で、これ
らの構成部品の器差あるいは取付角度などで感度の不均
一や球状重り31の回転が生じ易いという問題がある。
However, in the structure of the sensor according to this method, since the spherical weight 31 is supported by three or more supporting media 33, the occupied space needs to be large to some extent. There are problems that the sensitivity is not uniform and the spherical weight 31 is likely to rotate.

【0008】また、製作に際して、球状重り31に支点
32を正確に球状重り31の中心に向けて接触させなけ
ればならないという、高度な技術が必要であることや、
球状重り31の中心の位置と重心の位置とは厳密には異
なることから、この状態を長時間、安定して維持するの
はかなり困難であるという問題もある。特に支持媒体3
3が弾性体(実施例ではバネである)である場合には、
仮に、球状重り31の中心と重心との位置が正確に一致
したとしても、支持媒体33の応力緩和により、支持媒
体33の形状が変化し、好ましい状態を長時間、安定し
て維持しがたいなどの問題を解決する必要がある。
Further, in manufacturing, it is necessary to have an advanced technique in which the fulcrum 32 must be brought into contact with the spherical weight 31 accurately toward the center of the spherical weight 31, and
Since the position of the center of the spherical weight 31 and the position of the center of gravity are strictly different, there is a problem that it is quite difficult to maintain this state stably for a long time. Especially support medium 3
When 3 is an elastic body (a spring in the embodiment),
Even if the center of the spherical weight 31 and the position of the center of gravity are exactly aligned with each other, the shape of the support medium 33 changes due to stress relaxation of the support medium 33, and it is difficult to stably maintain the preferable state for a long time. It is necessary to solve such problems.

【0009】[0009]

【発明が解決しようとする課題】本発明は、上記の問題
点を解決せんとするものであり、同一質点に作用する3
次元の加速度の検出が可能で、かつ製作が簡単で、しか
も信頼性が高い3次元加速度センサを提供することを目
的とする。
DISCLOSURE OF THE INVENTION The present invention is intended to solve the above-mentioned problems, and works on the same mass point.
An object of the present invention is to provide a three-dimensional acceleration sensor that can detect three-dimensional acceleration, is easy to manufacture, and has high reliability.

【0010】[0010]

【課題を解決するための手段】この目的を達成するため
に、本発明の3次元加速度センサは、互いに直交するx
軸、y軸およびz軸方向を作動軸方向とする3個の圧電
素子と、該3個の圧電素子の各一面に内接し、接点にお
いて対応する圧電素子に接合されている球体と、各圧電
素子に接続されている電荷検出回路とを備えているもの
から成る。
In order to achieve this object, the three-dimensional acceleration sensor of the present invention has an x-axis which is orthogonal to each other.
Piezoelectric elements each having an axial direction, an y-axis direction, and a z-axis direction as operating axis directions; And a charge detection circuit connected to the element.

【0011】上記圧電素子は、該圧電素子を間に上記球
体と反対側に配置された剛体上に支持されることが好ま
しい。また、圧電素子は、センサ全体を小型に形成する
ため厚みの薄いものが好ましく、高分子圧電膜と、該高
分子圧電膜の両面に設けられた電極からなるものが好ま
しい。
It is preferable that the piezoelectric element is supported on a rigid body disposed on the opposite side of the sphere from the piezoelectric element. In addition, the piezoelectric element is preferably thin so that the entire sensor can be made small, and preferably comprises a polymeric piezoelectric film and electrodes provided on both sides of the polymeric piezoelectric film.

【0012】[0012]

【作用】このような3次元加速度センサにおいては、x
軸、y軸、z軸の3次元方向に配置された3個の圧電素
子が、1個の球体に直接接合されている。球体に加速度
が作用すると、該加速度により球体から各電圧素子に外
力が直接加わり、該外力によって圧電素子が伸縮され
る。この伸縮により、各圧電素子に電荷が発生し、該電
荷が、上記球体から圧電素子に伝達された外力、つまり
加速度を代表する情報として、電荷検出回路によって取
り出される。1個の球体に作用する加速度が、3次元方
向に配置された電圧素子により、同時にかつ直接検出さ
れることになるので、つまり、同一質点に作用する加速
度が3次元方向に同時に検出されることになるので、3
次元での加速度が精度よく測定される。
In such a three-dimensional acceleration sensor, x
Three piezoelectric elements arranged in the three-dimensional directions of the axis, the y axis, and the z axis are directly bonded to one sphere. When acceleration acts on the spherical body, an external force is directly applied from the spherical body to each voltage element by the acceleration, and the piezoelectric element is expanded and contracted by the external force. Due to this expansion and contraction, electric charge is generated in each piezoelectric element, and the electric charge is taken out by the electric charge detection circuit as information representing the external force transmitted from the spherical body to the piezoelectric element, that is, the acceleration. The accelerations acting on one sphere are simultaneously and directly detected by the voltage elements arranged in the three-dimensional direction, that is, the accelerations acting on the same mass point are simultaneously detected in the three-dimensional direction. So 3
Accurate measurement of dimensional acceleration.

【0013】また、各圧電素子は、球体に直接接合され
るので、センサ全体をコンパクトに構成でき、間に部材
が介在しないので、製作が容易で信頼性も高い。
Further, since each piezoelectric element is directly bonded to the sphere, the whole sensor can be made compact, and no members are interposed between them, so that the manufacturing is easy and the reliability is high.

【0014】[0014]

【実施例】以下に、本発明の実施例を図面を参照して説
明する。図1ないし図5は本発明の一実施例に係る3次
元加速度センサを示している。図1は本発明に係るセン
サの斜視図である。ここで、3個の圧電素子3はその作
動軸をx軸、y軸およびz軸方向とするように箱体を形
成する如く配置されており、塩化ビニル製の球体2がこ
れら3個の圧電素子3に内接している。また、これらは
塩化ビニル製の枠1の中に配置され、3個の圧電素子3
は、それぞれこの枠1に接合されている。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. 1 to 5 show a three-dimensional acceleration sensor according to an embodiment of the present invention. FIG. 1 is a perspective view of a sensor according to the present invention. Here, the three piezoelectric elements 3 are arranged so as to form a box so that their operating axes are the x-axis, the y-axis, and the z-axis direction, and the vinyl chloride sphere 2 is these three piezoelectric elements. It is inscribed in the element 3. In addition, these are arranged in the frame 1 made of vinyl chloride, and the three piezoelectric elements 3
Are respectively joined to the frame 1.

【0015】球体2は、各圧電素子3への内接接点で、
各圧電素子3と接合されている。球体2は任意の必要な
質量を得るため、素材を選ばないし、場合によっては、
金属で作り、圧電素子3に発生する電荷を取り出すため
の電極とすることも考えられる。
The sphere 2 is an inscribed contact with each piezoelectric element 3,
It is joined to each piezoelectric element 3. The sphere 2 does not have to be made of any material in order to obtain any required mass, and in some cases,
It is also conceivable that the electrodes are made of metal and used as electrodes for extracting charges generated in the piezoelectric element 3.

【0016】そして、3個の圧電素子3は高分子圧電膜
4、具体的にはP(VDF−TrFE)(フッ化ビニリ
デン−トリフロロエチレン共重合体)の両面に電極A5
と電極B6を形成したものである。これを図3の圧電素
子の断面図で説明する。
The three piezoelectric elements 3 are formed of a polymer piezoelectric film 4, specifically P (VDF-TrFE) (vinylidene fluoride-trifluoroethylene copolymer) on both sides of which electrodes A5 are provided.
And an electrode B6. This will be described with reference to the sectional view of the piezoelectric element shown in FIG.

【0017】一方の電極B6は高分子圧電膜4の他面に
アルミを蒸着して形成し、電極A5は、高分子圧電膜4
の一面を図4剛板7の一面に形成した銅薄膜にエポキシ
系接着材で接着することにより形成する。
One electrode B6 is formed by evaporating aluminum on the other surface of the polymeric piezoelectric film 4, and the electrode A5 is formed of the polymeric piezoelectric film 4.
4 is bonded to the copper thin film formed on one surface of the rigid plate 7 in FIG. 4 with an epoxy adhesive.

【0018】高分子圧電膜4は、電極B6の形成が容易
で、電極A5のような他の部材に形成された電極に接着
することによって、圧電素子3を構成できるものであれ
ば、他の材質の圧電膜でも良く、無機系のものと替える
こともできる。
If the polymer piezoelectric film 4 can easily form the electrode B6 and can form the piezoelectric element 3 by adhering it to an electrode formed on another member such as the electrode A5, the other piezoelectric piezoelectric film 4 can be formed. The material may be a piezoelectric film, or may be replaced with an inorganic material.

【0019】また、一般的に、高分子圧電膜4はたわみ
変形では、高分子圧電膜4の表裏の電極A5、電極B6
と固定抵抗(R1)12(図2)とを並列に接続する周
知の信号処理では変形に伴う出力は得られない。このた
め、高分子圧電膜4を剛板7で裏打ちして、球体2に作
用する加速度を受けたときに、高分子圧電膜4がたわま
ないで、厚み方向の伸縮が起きるようにして、その伸縮
に伴う出力を得る。したがって、剛板7はガラスエポキ
シ等の一般的な回路基板材のみでなく、シリコン、ガラ
スやセラミックなどの薄板のように、剛性があり、電極
が形成し易いものの使用が可能である。
Further, in general, when the piezoelectric polymer film 4 is flexurally deformed, electrodes A5 and B6 on the front and back of the piezoelectric polymer film 4 are used.
In the well-known signal processing in which the fixed resistor (R1) 12 and the fixed resistor (R1) 12 (FIG. 2) are connected in parallel, an output due to the deformation cannot be obtained. For this reason, when the polymeric piezoelectric film 4 is lined with the rigid plate 7 and subjected to acceleration acting on the sphere 2, the polymeric piezoelectric film 4 does not bend, and expansion and contraction in the thickness direction occurs. , Get the output of the expansion and contraction. Therefore, the rigid plate 7 can be not only a general circuit board material such as glass epoxy but also a thin plate such as silicon, glass or ceramic, which has rigidity and can be easily formed with electrodes.

【0020】なお、高分子圧電膜4は周知のように、上
記の如く表裏の電極A5、電極B6と固定抵抗(R1)
12とを並列接続した回路構成では、圧電体に伸縮の変
化が生じたときのみ電荷の発生に応じた出力が得られ
る。つまり、圧電素子3は、球体2に加速度が生じたと
きのみ、電荷が得られる。
As is well known, the polymer piezoelectric film 4 has electrodes A5 and B6 on the front and back and a fixed resistance (R1) as described above.
In the circuit configuration in which 12 and 12 are connected in parallel, an output corresponding to the generation of electric charge can be obtained only when the expansion and contraction of the piezoelectric body changes. That is, the piezoelectric element 3 can obtain electric charge only when the sphere 2 is accelerated.

【0021】なお、高分子圧電膜4は、発電器としての
機能を有するので、加速度検出のために外部からの電流
供給が少なくて済み、処理回路を簡単に構成できるもの
である。
Since the piezoelectric polymer film 4 has a function as a power generator, the current supply from the outside for detecting the acceleration is small and the processing circuit can be easily constructed.

【0022】また、電極B6は球体2と微小部分で接触
するが、この部分に長期にわたり力の増減があると、機
械的疲労による損傷の可能性があるので、この部分に保
護膜や保護板を付加するようにしてもよい。なお、上記
圧電素子3では、一方の電極A5を剛板7上に形成しそ
れに高分子圧電電膜4を接着するようにしたが、高分子
圧電膜4の両面に電極を形成したものを剛板7に貼り付
けても良い。
Further, the electrode B6 contacts the sphere 2 at a minute portion, but if the force is increased or decreased in this portion for a long period of time, there is a possibility of damage due to mechanical fatigue. May be added. In the piezoelectric element 3, one electrode A5 is formed on the rigid plate 7 and the polymer piezoelectric film 4 is adhered thereto. However, one in which electrodes are formed on both sides of the polymer piezoelectric film 4 is rigid. It may be attached to the plate 7.

【0023】これら3個の圧電素子3は、塩化ビニル製
の枠1の中にx軸、y軸およびz軸方向に配置されてい
る。この枠1は剛性がある素材で、圧電素子3の電極A
5の配置にもよるが、これらの電極A5が短絡しないよ
うに、絶縁体であることが好ましい。
These three piezoelectric elements 3 are arranged in the x-axis, y-axis and z-axis directions in the frame 1 made of vinyl chloride. This frame 1 is made of a rigid material and is used as the electrode A of the piezoelectric element 3.
Although it depends on the arrangement of the electrodes 5, it is preferable to use an insulator so that these electrodes A5 are not short-circuited.

【0024】次に電気回路について図2と図5により説
明する。図2は本発明における電荷検出回路図である。
電荷検出回路8は高分子圧電膜4で発生する電荷を電圧
に変える他に、高分子圧電膜4の高いインピーダンスを
低インピーダンスに変換して後の信号処理を容易にする
インピーダンス変換の役目がある。
Next, the electric circuit will be described with reference to FIGS. FIG. 2 is a charge detection circuit diagram in the present invention.
The charge detection circuit 8 has a role of converting the charge generated in the polymer piezoelectric film 4 into a voltage, and also a role of impedance conversion for converting a high impedance of the polymer piezoelectric film 4 into a low impedance to facilitate later signal processing. .

【0025】高分子圧電膜4の電極A5、電極B6に発
生した電荷は、電極A5と接続された固定抵抗(R1)
12に流れ、電荷量に応じた電圧となり、電界効果型ト
ランジスタ(Tr)13を経て、抵抗器(R2)14の
抵抗値にインピ−ダンス変換される。電極B6は、図示
していないがリ−ド線などで電荷検出回路8のマイナス
電源端子11に接続されている。なお、図2の中で高分
子圧電膜4内の矢印は分極方向を示している。
The charges generated on the electrodes A5 and B6 of the polymer piezoelectric film 4 are fixed resistance (R1) connected to the electrode A5.
The voltage flows to 12 and becomes a voltage according to the amount of charge, and is impedance converted into the resistance value of the resistor (R2) 14 through the field effect transistor (Tr) 13. Although not shown, the electrode B6 is connected to the minus power supply terminal 11 of the charge detection circuit 8 by a lead wire or the like. In FIG. 2, the arrow in the piezoelectric polymer film 4 indicates the polarization direction.

【0026】この回路を組み込んだ剛板の裏面を図5に
示す。これは前記の電界効果型トランジスタ(Tr)1
3、抵抗器(R1)12や抵抗器(R2)14の具体的
実装を描いたものである。なお、電荷検出回路8は必ず
しも、剛板7の裏面になければならないというのではな
く、商用電源からや、その他の電気設備からの電気的ノ
イズを遮蔽できるところに設ければ良い。
The back side of a rigid plate incorporating this circuit is shown in FIG. This is the above-mentioned field effect transistor (Tr) 1
3, the specific mounting of the resistor (R1) 12 and the resistor (R2) 14 is illustrated. Note that the charge detection circuit 8 does not necessarily have to be provided on the back surface of the rigid plate 7, and may be provided at a place where electrical noise from a commercial power source or other electrical equipment can be shielded.

【0027】ところで、温度や他の振動や圧力変化等の
環境によるノイズを除去し、精度を高める1つの方法と
して、図7に示すように、測定に用いる一方の圧電素子
3aに対し、同じ環境が得られるようなそれに近いとこ
ろに他方の圧電素子3bを設けて、測定に用いる一方の
圧電素子3aのノイズ成分を含んだ検出値から他方の圧
電素子3bのノイズ成分のみの検出値を差し引いてノイ
ズを除去する方法がある。
By the way, as one method of removing noise due to environment such as temperature and other vibrations and pressure changes to improve accuracy, as shown in FIG. 7, one piezoelectric element 3a used for measurement has the same environment. The other piezoelectric element 3b is provided in a position close to that so that the detection value of only the noise component of the other piezoelectric element 3b is subtracted from the detection value including the noise component of the one piezoelectric element 3a used for measurement. There is a method of removing noise.

【0028】例えば、図6に他の実施例に係る剛板の表
面を示すように、剛板7上に同じ面積の2個の電極C5
a、電極D5bを設け、電気的には図7に1組の電荷検
出回路図を示すように、2個の圧電素子の一方の圧電素
子3aと他方の圧電素子3bの分極方向を対向させ、そ
れらを直列に接続した構成にし、一方の圧電素子3aが
球体2からの加速度(力)を検出し、他方の圧電素子3
bはノイズ成分のみを検出するようにする。このように
構成すれば、圧電素子3a、3bの分極方向が互いに対
向しているので、ノイズ成分は2個の圧電素子3内で自
動的に消去される。
For example, as shown in the surface of a rigid plate according to another embodiment in FIG. 6, two electrodes C5 having the same area are formed on the rigid plate 7.
a, an electrode D5b is provided, and one of the two piezoelectric elements is electrically opposed to the other piezoelectric element 3b as shown in FIG. They are connected in series, one piezoelectric element 3a detects the acceleration (force) from the sphere 2, and the other piezoelectric element 3a.
For b, only the noise component is detected. According to this structure, since the polarization directions of the piezoelectric elements 3a and 3b are opposed to each other, the noise component is automatically erased in the two piezoelectric elements 3.

【0029】更に他の方法として、測定に用いる圧電素
子3に対して、符号が逆の出力が得られるように、もう
1つの圧電素子3を設けて、2個一対の圧電素子3に共
通なノイズ成分を差し引いて除去し、信号成分を差し引
くことで和として2倍の出力信号を得ることもできる。
As still another method, another piezoelectric element 3 is provided so that an output with a sign opposite to that of the piezoelectric element 3 used for measurement is obtained, and the piezoelectric element 3 common to the pair of two piezoelectric elements 3 is provided. It is also possible to obtain a doubled output signal as a sum by subtracting and removing the noise component and subtracting the signal component.

【0030】例えば、図8に更に他の実施例に係る3次
元加速度センサを示すように、図1に示した圧電素子組
立体を2つ作り、それらの方向を互いに変えて、箱体に
なるように構成する。球体2は1個として、この球体2
がx軸、y軸およびz軸方向に配置されている2個一対
3組の計6個の圧電素子3に内接するように、かつ、接
点において対応する圧電素子3に接合されるように構成
する。これにより、2個づつあるx軸、y軸およびz軸
方向の圧電素子3には、互いに極性が逆な信号出力が得
られ、ほぼ共通なノイズ成分が重畳する。
For example, as shown in FIG. 8 as a three-dimensional acceleration sensor according to another embodiment, two piezoelectric element assemblies shown in FIG. 1 are made and their directions are changed to each other to form a box. To configure. There is only one sphere 2 and this sphere 2
Are inscribed in two piezoelectric elements 3 arranged in the x-axis, y-axis and z-axis directions, that is, a total of six piezoelectric elements 3 of two pairs, and are bonded to the corresponding piezoelectric elements 3 at the contact points. To do. As a result, the two piezoelectric elements 3 in the x-axis, y-axis, and z-axis directions are provided with signal outputs having polarities opposite to each other, and a substantially common noise component is superimposed.

【0031】上記の説明のように、この2個1組の圧電
素子3の分極方向を対向させ、直列に接続するか、ある
いは図9に圧電素子3を並列接続する1組の電荷検出回
路図に示すように、分極方向を互いに逆にして並列に接
続する方法の、いずれの方法でも、ノイズ成分は、2個
の圧電素子3内で自動的に消去される。信号成分は2個
の圧電素子3内では、上記の直列接続では2倍になり、
並列接続では変わらない。これらの方法を採用すること
により、SN比が高い3次元加速度センサを得ることが
できる。
As described above, the pair of piezoelectric elements 3 are connected in series with the polarization directions of the piezoelectric elements 3 facing each other, or in FIG. 9, the piezoelectric element 3 is connected in parallel. As shown in FIG. 3, the noise component is automatically erased in the two piezoelectric elements 3 by any of the methods in which the polarization directions are opposite to each other and are connected in parallel. In the two piezoelectric elements 3, the signal component is doubled in the above series connection,
It does not change in parallel connection. By adopting these methods, a three-dimensional acceleration sensor with a high SN ratio can be obtained.

【0032】本発明を任意の装置に組み込み、例えば、
玩具(自動車)に固定し、玩具を作動させると、球体に
はその各軸方向(x軸、y軸およびz軸)に質量に加速
度を乗じた力が作用し、そのx軸、y軸およびz軸方向
の分力を3個の圧電素子がそれぞれ検出する。実際には
球体(質点)の慣性力に対して、球体の質量に作用する
力と同等で、その方向の符号が逆の反力がそれぞれの方
向に対する分力として3個の圧電素子に加わる。
Incorporating the present invention into any device, for example:
When the toy (car) is fixed and the toy is actuated, a force obtained by multiplying the mass by acceleration is applied to the sphere in each axial direction (x axis, y axis, and z axis) of the sphere, and the x axis, y axis, and Each of the three piezoelectric elements detects the component force in the z-axis direction. In fact, a reaction force, which is equivalent to the force acting on the mass of the sphere with respect to the inertial force of the sphere (mass point) and the sign of the direction is opposite, is applied to the three piezoelectric elements as a component force in each direction.

【0033】各圧電素子は具体的には、剛体上に支持さ
れ、球体に作用する力のx軸、y軸およびz軸方向の分
力は、それぞれ、高分子圧電膜の厚み方向へ加わり、高
分子圧電膜はたわむことなく、厚み方向の伸縮が発生す
る。(たわみの場合は電荷検出回路の出力はほとんど得
られない。)この伸縮は力に比例するので、各々の圧電
素子に接続されている電荷検出回路からx軸、y軸およ
びz軸、それぞれの分力に比例した出力を得ることがで
きる。その得られた出力から球体(つまり、同一の質
点)に作用する加速度のx軸、y軸およびz軸方向の分
力が計算でき、更に、ベクトル合成した加速度の方向を
知ることが出来る。
Specifically, each piezoelectric element is supported on a rigid body, and the component forces acting on the sphere in the x-axis, y-axis and z-axis directions are applied in the thickness direction of the polymer piezoelectric film, respectively. The polymeric piezoelectric film does not bend, and expands and contracts in the thickness direction. (In the case of deflection, almost no output of the charge detection circuit is obtained.) Since this expansion and contraction is proportional to the force, the x-axis, y-axis, and z-axis of each charge detection circuit connected to each piezoelectric element are An output proportional to the component force can be obtained. From the obtained output, the component forces of the acceleration acting on the sphere (that is, the same mass point) in the x-axis, y-axis, and z-axis directions can be calculated, and the direction of the vector-combined acceleration can be known.

【0034】[0034]

【発明の効果】以上説明したように、本発明の3次元加
速度センサは、剛板に支持された3個の圧電素子をx
軸、y軸およびz軸方向に配置し、これに球体をこれら
3個の圧電素子に内接し、かつ、接合して構成されてい
る。このため、次のように従来の3次元加速度センサの
問題点を解消している。
As described above, the three-dimensional acceleration sensor of the present invention has three piezoelectric elements supported by a rigid plate.
It is arranged in the axial, y-axis and z-axis directions, and a sphere is inscribed in and bonded to these three piezoelectric elements. Therefore, the problems of the conventional three-dimensional acceleration sensor are solved as follows.

【0035】1)箱体を形成する如くx軸、y軸および
z軸方向に配置されている3個の圧電素子と、これら3
個の圧電素子に内接し、かつ、接点において対応する圧
電素子に接合されている球体と、上記各圧電素子に接続
されている電荷検出回路とを備えているので、同一質点
に対応する3次元の加速度を1つの球体に作用する力と
その力の方向として、3個の圧電素子で検出できる。
1) Three piezoelectric elements arranged in the x-axis, y-axis and z-axis directions so as to form a box, and these three
Since a sphere that is inscribed in each piezoelectric element and is joined to the corresponding piezoelectric element at the contact point and a charge detection circuit connected to each of the piezoelectric elements are provided, three-dimensional corresponding to the same mass point Can be detected by three piezoelectric elements as the force acting on one sphere and the direction of the force.

【0036】2)圧電素子が剛板上に支持され、かつ、
球体がその圧電素子と接合しているので、構造が安定し
て、長期使用に耐えることができる。
2) A piezoelectric element is supported on a rigid plate, and
Since the sphere is bonded to the piezoelectric element, the structure is stable and can withstand long-term use.

【0037】3)圧電素子が、高分子圧電膜と、この高
分子圧電膜の一面および他面に接する電極とを備えて、
一面の電極が剛体上に形成され、その電極に高分子圧電
膜が接合されていて、このように、圧電素子が、高分子
圧電膜と、この高分子圧電膜の一面および他面に接する
電極とを備え、一面の電極が剛体上に形成されているた
めに、高分子圧電膜と剛板とが別々に製作できる。した
がって、構成も簡単になり、容易に製作できる。
3) The piezoelectric element comprises a polymer piezoelectric film and electrodes contacting one surface and the other surface of the polymer piezoelectric film,
An electrode on one surface is formed on a rigid body, and a piezoelectric polymer film is bonded to the electrode. As described above, the piezoelectric element is an electrode in contact with the piezoelectric polymer film and one surface and the other surface of the piezoelectric polymer film. Since the one surface electrode is formed on the rigid body, the polymer piezoelectric film and the rigid plate can be separately manufactured. Therefore, the structure is simple, and it can be easily manufactured.

【0038】この他にも、高い感度で、熱的にも安定し
た出力を得られるなどの効果もあることがわかった。こ
のように製作が容易で信頼性が高い同一質点に作用する
3次元の加速度が検出できる3次元加速度センサが提供
できたことにより、単なる加速度測定や振動測定器とし
て、十分な性能を有し、高い精度で3次元の加速度を検
出できるので、ナビゲーションシステム等の、距離、速
度はもちろん、方向についても高い精度が要求される加
速度測定にも用途が開かれる。
In addition to this, it has been found that there is an effect that a highly sensitive and thermally stable output can be obtained. As described above, since it is possible to provide a three-dimensional acceleration sensor that is easy to manufacture and highly reliable and that can detect three-dimensional acceleration acting on the same mass point, it has sufficient performance as a mere acceleration measurement or vibration measurement device. Since it is possible to detect three-dimensional acceleration with high accuracy, it can be used for acceleration measurement that requires high accuracy not only in distance and speed but also in direction, such as in a navigation system.

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

【図1】本発明の一実施例に係る3次元加速度センサの
斜視図である。
FIG. 1 is a perspective view of a three-dimensional acceleration sensor according to an embodiment of the present invention.

【図2】図1の3次元加速度センサにおける電荷検出回
路図である。
FIG. 2 is a charge detection circuit diagram in the three-dimensional acceleration sensor of FIG.

【図3】図1の3次元加速度センサにおける圧電素子の
断面図である。
3 is a sectional view of a piezoelectric element in the three-dimensional acceleration sensor of FIG.

【図4】図1の3次元加速度センサにおける剛板の表面
の平面図である。
FIG. 4 is a plan view of a surface of a rigid plate in the three-dimensional acceleration sensor of FIG.

【図5】図1の3次元加速度センサにおける剛板の裏面
の平面図である。
5 is a plan view of the back surface of the rigid plate in the three-dimensional acceleration sensor of FIG. 1. FIG.

【図6】本発明の他の実施例に係る3次元加速度センサ
における剛板の表面の平面図である。
FIG. 6 is a plan view of a surface of a rigid plate in a three-dimensional acceleration sensor according to another embodiment of the present invention.

【図7】図6の3次元加速度センサにおける1組の電荷
検出回路図である。
7 is a set of charge detection circuit diagrams in the three-dimensional acceleration sensor of FIG.

【図8】本発明のさらに他の実施例に係る3次元加速度
センサの斜視図である。
FIG. 8 is a perspective view of a three-dimensional acceleration sensor according to another embodiment of the present invention.

【図9】図8の3次元加速度センサにおける圧電素子を
並列接続する1組の電荷検出回路図である。
9 is a set of charge detection circuit diagrams in which piezoelectric elements in the three-dimensional acceleration sensor of FIG. 8 are connected in parallel.

【図10】従来の1次元加速度センサを用いた3次元加
速度センサの概略図である。
FIG. 10 is a schematic diagram of a three-dimensional acceleration sensor using a conventional one-dimensional acceleration sensor.

【図11】従来の同一質点に対する3次元の加速度を検
出するセンサの概略図である。
FIG. 11 is a schematic diagram of a conventional sensor that detects three-dimensional acceleration with respect to the same mass point.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 枠 2 球体 3 圧電素子 3a 一方の圧電素子 3b 他方の圧電素子 4 高分子圧電膜 5 電極A 5a 電極C 5b 電極D 6 電極B 7 剛板 8 電荷検出回路 9 電荷検出回路の出力端子 10 電荷検出回路のプラス電源端子 11 電荷検出回路のマイナス電源端子 12 固定抵抗器(R1) 13 電界効果型トランジスタ(Tr) 14 固定抵抗器(R2) 1 Frame 2 Sphere 3 Piezoelectric Element 3a One Piezoelectric Element 3b Other Piezoelectric Element 4 Polymer Piezoelectric Film 5 Electrode A 5a Electrode C 5b Electrode D 6 Electrode B 7 Rigid Plate 8 Charge Detection Circuit 9 Output Terminal of Charge Detection Circuit 10 Charge Positive power supply terminal of detection circuit 11 Negative power supply terminal of charge detection circuit 12 Fixed resistor (R1) 13 Field effect transistor (Tr) 14 Fixed resistor (R2)

Claims (4)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 互いに直交するx軸、y軸およびz軸方
向を作動軸方向とする3個の圧電素子と、該3個の圧電
素子の各一面に内接し、接点において対応する圧電素子
に接合されている球体と、各圧電素子に接続されている
電荷検出回路とを備えていることを特徴とする3次元加
速度センサ。
1. Piezoelectric elements that have x-axis, y-axis, and z-axis directions orthogonal to each other as their operating axis directions, and inscribed on one surface of each of the three piezoelectric elements and corresponding piezoelectric elements at the contact points. A three-dimensional acceleration sensor comprising a bonded sphere and a charge detection circuit connected to each piezoelectric element.
【請求項2】 前記圧電素子が、該圧電素子を間に前記
球体と反対側に配置された剛体上に支持されている請求
項1の3次元加速度センサ。
2. The three-dimensional acceleration sensor according to claim 1, wherein the piezoelectric element is supported on a rigid body disposed on the opposite side of the sphere from the piezoelectric element.
【請求項3】 前記圧電素子が、高分子圧電膜と、この
高分子圧電膜の一面および他面に接する電極とを備えて
いる請求項1又は2の3次元加速度センサ。
3. The three-dimensional acceleration sensor according to claim 1, wherein the piezoelectric element includes a polymer piezoelectric film and electrodes contacting one surface and the other surface of the polymer piezoelectric film.
【請求項4】 前記圧電素子の一面の電極が剛体上に形
成され、その電極に高分子圧電膜が接合されている請求
項3の3次元加速度センサ。
4. The three-dimensional acceleration sensor according to claim 3, wherein an electrode on one surface of the piezoelectric element is formed on a rigid body, and a polymer piezoelectric film is bonded to the electrode.
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