JPH06308149A

JPH06308149A - 加速度センサ

Info

Publication number: JPH06308149A
Application number: JP5123422A
Authority: JP
Inventors: Takeshi Nakamura; 村武中; Takayuki Kaneko; 子貴之金
Original assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Priority date: 1993-04-26
Filing date: 1993-04-26
Publication date: 1994-11-04
Anticipated expiration: 2016-02-26
Also published as: JP3139212B2

Abstract

(57)【要約】【目的】複数の向きの加速度を検出することができ、
しかも検出感度が大きい加速度センサを得る。【構成】矩形板状の２つの振動体１２，１４を、折れ
曲がった形状に連結する。振動体１２の両主面に圧電素
子１６ａ，１６ｂを形成し、振動体１４の両主面に圧電
素子２４ａ，２４ｂを形成する。振動体１２，１４をフ
レーム３２，３８で支持し、端部に重り３６，４２を形
成する。圧電素子１６ａ，１６ｂ，２４ａ，２４ｂに駆
動信号を印加することによって、各振動体１２，１４の
伸びと縮みとが逆となるように長さ振動させる。圧電素
子１６ａ，１６ｂの出力電圧の差を測定することによっ
て、振動体１２の主面に直交する加速度成分を検出す
る。また、圧電素子２４ａ，２４ｂの出力電圧の差を測
定することによって、振動体１４の主面に直交する加速
度成分を検出する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は加速度センサに関し、
特にたとえば、複数の向きの加速度を検出することがで
きる加速度センサに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、１つの素子で複数の向きの加速度
を検出することができる加速度センサを製造することは
困難であった。そこで、発明者は、図９および図１０に
示すような加速度センサ１を作製した。この加速度セン
サ１は、角柱状の振動体２を含む。振動体２の長さ方向
の中央部の一方側には、対向する側面に圧電素子３が形
成される。さらに、振動体２の長さ方向の中央部の他方
側には、別の対向する側面に圧電素子４が形成される。
これらの圧電素子３，４に駆動信号を印加することによ
って、振動体２を長さ方向に振動させることができる。
振動体２に長さ振動をさせることによって、振動体２に
慣性が与えられる。

【０００３】この状態で、たとえば圧電素子３に直交す
る向きに加速度が加わると、振動体２には圧電素子３形
成面に直交する向きに撓みが生じる。この撓みによっ
て、振動体２の両面の圧電素子３に電圧が生じる。これ
らの電圧は互いに逆位相となるため、差動回路などでそ
の差を測定すれば、加速度センサ１に加わった加速度を
検出することができる。このとき、振動体２には慣性が
与えられているため、微小な加速度も検出することがで
きる。なお、２つの圧電素子３を差動回路に接続すれ
ば、振動体２を振動させるための駆動信号は相殺され、
加速度に応じた出力信号のみを取り出すことができる。
同様にして、圧電素子４に直交する向きの加速度も検出
することができる。したがって、この加速度センサ１を
用いれば、直交する向きの加速度を検出することができ
る。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このよ
うな従来の加速度センサでは、振動体が角柱状であるた
め、加速度が加わる向きの厚みが大きく、加速度による
振動体の撓み量が少ない。そのため、振動体の撓みによ
って圧電素子に発生する電圧が小さく、加速度の検出感
度を大きくすることが困難であった。

【０００５】それゆえに、この発明の主たる目的は、複
数の向きの加速度を検出することができ、しかも検出感
度が大きい加速度センサを提供することである。

【０００６】

【課題を解決するための手段】この発明は、折れ曲がっ
た形状に連結される複数の板状の振動体と、複数の振動
体の主面上に形成される圧電素子とを含み、圧電素子に
駆動信号を印加することによって、連結された複数の振
動体を折れ曲がった部分の両側で伸びと縮みとが逆とな
るような長さ振動をするようにした、加速度センサであ
る。また、この発明は、折れ曲がった形状に連結される
圧電体で形成された複数の板状の振動体と、複数の振動
体の主面上に形成される電極とを含み、電極に駆動信号
を印加することによって、連結された複数の振動体を折
れ曲がった部分の両側で伸びと縮みとが逆となるような
長さ振動をするようにした、加速度センサである。

【０００７】

【作用】複数の振動体の主面に形成された圧電素子また
は電極に駆動信号を印加することにより、振動体を長さ
方向に振動させることができ、振動体に慣性が与えられ
る。この状態で、いずれかの振動体の主面に直交する向
きに加速度が加わると、その振動体に撓みが生じる。こ
のとき、振動体は板状であるため、角柱状の振動体に比
べて大きい撓み量を得ることができる。圧電素子または
電極は、板状の振動体の主面に形成されており、しかも
各振動体は折れ曲がった形状に連結されている。そのた
め、圧電素子の圧電体または圧電体で形成された振動体
には、各振動体の主面に直交する向きの加速度成分に対
応した電圧が発生する。

【０００８】

【発明の効果】この発明によれば、各振動体の主面に直
交する向きの加速度成分に対応して、圧電素子または電
極から出力電圧を得ることができるため、それぞれの振
動体の主面に直交する向きの加速度成分を検出すること
ができる。しかも、振動体が板状であるため、加速度に
よる撓み量が大きく、それに応じて出力電圧も大きくな
る。したがって、小さい加速度に対しても、大きい出力
電圧を得ることができ、検出感度の大きい加速度センサ
を得ることができる。

【０００９】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。

【００１０】

【実施例】図１はこの発明の一実施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
形板状の第１の振動体１２を含む。第１の振動体１２の
長手方向の端部には、矩形板状の第２の振動体１４が形
成される。第１の振動体１２および第２の振動体１４
は、直交するように折れ曲がった形状に配置される。こ
のとき、第１の振動体１２と第２の振動体１４とは、互
いの幅方向の両端および中央部で連結される。したがっ
て、第１の振動体１２と第２の振動体１４の間には、そ
の幅方向に２つの孔１５が形成される。第１の振動体１
２および第２の振動体１４は、たとえばエリンバ，鉄−
ニッケル合金，石英，ガラス，水晶，セラミックなど、
一般的に機械的な振動を生じる材料で形成される。第１
の振動体１２と第２の振動体１４との連結は、たとえば
溶接や接着などにより行うことができる。また、金属板
を打抜き加工し、その中央部で折り曲げることによっ
て、連結された第１の振動体１２および第２の振動体１
４を形成してもよい。

【００１１】第１の振動体１２の対向する主面には、そ
れぞれ圧電素子１６ａ，１６ｂが形成される。圧電素子
１６ａは、たとえば圧電セラミックで形成される圧電板
１８ａを含む。この圧電板１８ａの両面に、電極２０
ａ，２２ａが形成される。そして、一方の電極２２ａ
が、第１の振動体１２の主面に接着される。同様に、圧
電素子１６ｂは圧電板１８ｂを含み、圧電板１８ｂの両
面に電極２０ｂ，２２ｂが形成される。そして、一方の
電極２２ｂが、第１の振動体１２の主面に接着される。
これらの圧電素子１６ａ，１６ｂにおいては、それぞれ
圧電板１８ａ，１８ｂは、外側から第１の振動体１２側
に向かって分極させられる。

【００１２】また、第２の振動体１４の対向する主面に
は、それぞれ圧電素子２４ａ，２４ｂが形成される。圧
電素子２４ａ，２４ｂは圧電板２６ａ，２６ｂを含み、
これらの圧電板２６ａ，２６ｂの両面に、電極２８ａ，
３０ａおよび電極２８ｂ，３０ｂが形成される。そし
て、一方の電極３０ａ，３０ｂが、第２の振動体１４の
主面に接着される。これらの圧電素子２４ａ，２４ｂに
おいては、圧電板２６ａ，２６ｂは、第２の振動体１４
側から外側に向かって分極させられる。

【００１３】第１の振動体１２は、第１のフレーム３２
に支持される。第１のフレーム３２はコ字状に形成さ
れ、その中央部に第１の振動体１２が取り付けられる。
このとき、第１の振動体１２は、その幅方向の両端で第
１のフレーム３２に接続される。したがって、第１の振
動体１２と第１のフレーム３２との接続部分には、孔３
４が形成される。さらに、第１の振動体１２の端部側に
は、重り３６が形成される。

【００１４】同様に、第２の振動体１４は、第２のフレ
ーム３８に支持される。第２のフレーム３８はコ字状に
形成され、その中央部に第２の振動体１４が取り付けら
れる。このとき、第２の振動体１４は、その幅方向の両
端で第２のフレーム３８に接続される。したがって、第
２の振動体１４と第２のフレーム３８との接続部分に
は、孔４０が形成される。さらに、第２の振動体１４の
端部側には、重り４２が形成される。

【００１５】第１のフレーム３２および第２のフレーム
３８は、第１の振動体１２および第２の振動体１４と同
様に、直交するように折れ曲がった形状に連結される。
そして、加速度センサ１０を使用するときには、たとえ
ば第１のフレーム３２と第２のフレーム３８との連結部
分が支持される。

【００１６】この加速度センサ１０を使用する場合、図
３に示すように、抵抗５０ａ，５０ｂ，５０ｃ，５０ｄ
を介して、圧電素子１６ａ，１６ｂ，２４ａ，２４ｂ
に、発振回路５２が接続される。また、圧電素子１６
ａ，１６ｂは、第１の差動回路５４に接続され、圧電素
子２４ａ，２４ｂは第２の差動回路５６に接続される。

【００１７】この加速度センサ１０を使用するときに
は、発振回路５２から圧電素子１６ａ，１６ｂ，２４
ａ，２４ｂに、同位相の駆動信号が印加される。圧電素
子１６ａ，１６ｂは互いに対向するように形成され、別
の圧電素子２４ａ，２４ｂも互いに対向するように形成
されているため、各振動体１２，１４は長さ方向に振動
する。また、圧電素子１６ａ，１６ｂと圧電素子２４
ａ，２４ｂとは逆方向に分極しているため、同位相の駆
動信号によって互いに逆方向に変位する。したがって、
図４の矢印に示すように、第１の振動体１２が伸びると
き、第２の振動体は収縮する。また、図５の矢印に示す
ように、第１の振動体１２が収縮するとき、第２の振動
体１４は伸びる。このようにして、第１の振動体１２お
よび第２の振動体１４は、その長さ方向に振動する。こ
のとき、第１の振動体１２と第２の振動体１４との連結
部分近傍は、図４および図５の矢印に示すように、互い
の振動体の長さ方向に向かって折れ曲がるように変位す
るものと考えられる。したがって、各振動体１２，１４
の両端部の変位が吸収され、各振動体１２，１４のフレ
ーム側の端部は変位しないため、各フレーム３２，３８
への振動漏れが少ない。そのため、安定した振動を得る
ことができる。

【００１８】第１の振動体１２および第２の振動体１４
が振動することによって、これらの振動体１２，１４に
慣性が与えられる。この状態で、たとえば第１の振動体
１２の主面に直交する向きに加速度が加わると、図６に
示すように、第１の振動体１２はその主面に直交する向
きに撓む。このとき、加速度は第２の振動体１４の長さ
方向に加わるため、第２の振動体１４には撓みが発生し
ない。また、第２の振動体１４は、幅方向の両端部で第
２のフレーム３８に支持されているため、その中央部で
支持されている場合のように、幅方向に振れることが防
止される。また、第１の振動体１２と第２の振動体１４
とは、幅方向の両端部および中央部で連結されているた
め、中央部のみで連結されている場合に比べて、連結部
分におけるねじれなどを防止することができる。このよ
うに第２の振動体１４の幅方向の振れを防ぐためには、
第２の振動体１４の端部全体が第２のフレーム３８に支
持されてもよく、その場合孔４０は形成されない。ま
た、第１の振動体１２と第２の振動体１４との連結部分
についても、幅方向の全体で連結されてもよく、その場
合孔１５は形成されない。

【００１９】第１の振動体１２が撓むことにより、第１
の振動体１２の振動が妨げられ、共振特性が変化する。
この共振特性の変化を測定することにより、加速度を検
出することができる。このようにして加速度を検出する
ためには、圧電素子１６ａ，１６ｂに発生する電圧を測
定すればよい。圧電素子１６ａ，１６ｂの出力電圧は、
第１の差動回路５４で測定される。加速度センサ１０に
加速度が加わっていないときには、圧電素子１６ａ，１
６ｂに同位相で同じ大きさの電圧が発生する。したがっ
て、第１の差動回路５４の出力は０となる。また、加速
度センサ１０に加速度が加わって第１の振動体１２が撓
むと、対向する圧電素子１６ａ，１６ｂには逆位相の電
圧が発生する。そのため、対向する圧電素子１６ａ，１
６ｂの出力電圧の差を測定することにより、第１の差動
回路５４から大きい出力信号を得ることができる。した
がって、第１の振動体１２の主面に直交する向きの加速
度を高感度で検出することができる。なお、圧電素子１
６ａ，１６ｂに印加される駆動信号は、第１の差動回路
５４で相殺されるため、第１の差動回路５４からは出力
されない。

【００２０】また、第２の振動体１４の主面に直交する
向きに加速度が加わると、図７に示すように、第２の振
動体１４が撓む。そして、それによって発生する圧電素
子２４ａ，２４ｂの出力電圧の差を第２の差動回路５６
で測定することにより、加速度を検出することができ
る。この場合においても、第１の振動体１２の振れを防
ぐために、その幅方向の両端部で第１のフレーム３２に
支持されているが、第１の振動体１２の端部全体で第１
のフレーム３２に支持されてもよく、その場合孔３４は
形成されない。

【００２１】さらに、第１の振動体１２の主面および第
２の振動体１４の主面のどちらにも直交しない加速度が
加わったとき、それぞれの振動体１２，１４は、その主
面に直交する加速度成分に対応した撓み量で変形する。
したがって、第１の差動回路５４および第２の差動回路
５６からは、それぞれの振動体１２，１４の主面に直交
する加速度成分に対応した信号が出力される。そのた
め、これらの出力信号から、振動体１２，１４を連結し
た部分の線に直交する全ての向きの加速度を算出するこ
とができる。

【００２２】この加速度センサ１０では、各振動体１
２，１４の端部に重り３６，４２が形成されているた
め、第１の振動体１２や第２の振動体１４が撓んだとき
に、重り３６，４２の質量によって撓みが大きくなる。
そのため、小さい加速度が加わっても、大きい出力信号
を得ることができ、検出感度の良好な加速度センサを得
ることができる。

【００２３】また、この加速度センサ１０では、振動体
１２，１４が板状に形成されているため、従来の角柱状
の振動体を用いた加速度センサに比べて、同じ加速度に
対する振動体の撓み量を大きくすることができる。した
がって、従来の加速度センサに比べて、同じ加速度に対
する出力信号を大きくすることができ、検出感度を大き
くすることができる。

【００２４】なお、図８に示すように、第１の振動体１
２および第２の振動体１４に別の圧電素子６０ａ，６０
ｂおよび圧電素子６２ａ，６２ｂを形成してもよい。そ
して、圧電素子１６ａ，１６ｂおよび圧電素子２４ａ，
２４ｂは駆動用として用いられ、圧電素子６０ａ，６０
ｂおよび圧電素子６２ａ，６２ｂは検出用として用いら
れる。この場合、圧電素子６０ａ，６０ｂおよび圧電素
子６２ａ，６２ｂの出力電圧を測定することにより、加
速度センサ１０に加わった加速度を検出することができ
る。

【００２５】また、上述の実施例では、圧電素子１６
ａ，１６ｂと圧電素子２４ａ，２４ｂとを逆方向に分極
したが、全ての圧電素子を同じ方向に分極してもよい。
つまり、圧電素子１６ａ，１６ｂ，２４ａ，２４ｂを外
側から振動体側に向かって分極してもよいし、振動体側
から外側に向かって分極してもよい。このような場合、
圧電素子１６ａ，１６ｂに印加される駆動信号と圧電素
子２４ａ，２４ｂに印加される駆動信号とは、互いに逆
位相である。このようにしても、第１の振動体１２と第
２の振動体１４とを、伸びと縮みとが逆になるように振
動させることができる。

【００２６】さらに、振動体１２，１４の材料として
は、圧電セラミックで形成してもよい。この場合、上述
の各実施例と同様の位置に、電極が形成される。そし
て、これらの電極に駆動信号を印加することによって、
振動体１２，１４を振動させることができる。また、電
極からの出力電圧を測定することによって、加速度を検
出することができる。

【００２７】さらに、振動体１２と振動体１４とは、直
交していなくてもよい。これらの振動体１２，１４が折
れ曲がった形状に連結されていれば、その主面に直交す
る加速度成分を検出することができるため、その加速度
成分と振動体１２，１４の交差角度から全ての方向の加
速度を算出することができる。

【００２８】また、振動体１２，１４は、幅方向の両端
部でフレーム３２，３８に支持されているが、図１に示
すような振動体１２，１４の長さ方向に延びて支持する
方法に限らない。たとえば、振動体１２，１４の幅方向
の両端部から斜め方向に延びてフレーム３２，３８に支
持されてもよく、また振動体１２，１４の幅方向に延び
てフレーム３２，３８に支持されてもよい。また、フレ
ーム３２，３８は振動体１２，１４の両側に平行して形
成されているが、振動体１２，１４の片側だけに形成さ
れていてもよい。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の一実施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を使用するときの回路
を示す回路図である。

【図４】図１に示す加速度センサのある時点における振
動状態を示す図解図である。

【図５】図１に示す加速度センサの別の時点における振
動状態を示す図解図である。

【図６】図１に示す加速度センサの第１の振動体の主面
に直交する加速度が加わったときの状態を示す図解図で
ある。

【図７】図１に示す加速度センサの第２の振動体の主面
に直交する加速度が加わったときの状態を示す図解図で
ある。

【図８】この発明の他の実施例を示す図解図である。

【図９】この発明の背景となる従来の加速度センサの一
例を示す斜視図である。

【図１０】（Ａ）は図９に示す従来の加速度センサの正
面図であり、（Ｂ）はその側面図である。

【符号の説明】

１０加速度センサ１２第１の振動体１４第２の振動体１６ａ，１６ｂ圧電素子２４ａ，２４ｂ圧電素子３２第１のフレーム３６重り３８第２のフレーム４２重り４４支持部材５２発振回路５４第１の差動回路５６第２の差動回路６０ａ，６０ｂ圧電素子６２ａ，６２ｂ圧電素子

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】折れ曲がった形状に連結される複数の板
状の振動体、および前記複数の振動体の主面上に形成さ
れる圧電素子を含み、前記圧電素子に駆動信号を印加することによって、連結
された前記複数の振動体を折れ曲がった部分の両側で伸
びと縮みとが逆となるような長さ振動をするようにし
た、加速度センサ。
【請求項２】折れ曲がった形状に連結される圧電体で
形成された複数の板状の振動体、および前記複数の振動
体の主面上に形成される電極を含み、前記電極に駆動信号を印加することによって、連結され
た前記複数の振動体を折れ曲がった部分の両側で伸びと
縮みとが逆となるような長さ振動をするようにした、加
速度センサ。