JPH07128358A

JPH07128358A - 加速度センサ

Info

Publication number: JPH07128358A
Application number: JP5284085A
Authority: JP
Inventors: 裕宜 ▲高▼野; Hiroyoshi Takano
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1993-10-18
Filing date: 1993-10-18
Publication date: 1995-05-19

Abstract

(57)【要約】【目的】複数設置することなく複数方向の加速度を検
出することができて経済的負担が少なくてすみ、しかも
小型で軽量な加速度センサを提供する。【構成】Ｚ軸方向の加速度ａｚが生じた場合、撓み変
形部１３、１４はその慣性力によってＺ軸の負方向に撓
みを生じる。この撓み量は加速度検出手段１６、１７内
の撓み量検出回路により該撓み量に基づいて検出され、
加速度算出回路により加速度が検出される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、物体に作用する衝撃や
振動等を、圧電素子を用いて電気的に検出する加速度セ
ンサに関する。

【０００２】

【従来の技術】圧電素子を用いた従来の加速度センサの
構成を図６に示す。図６は、従来の加速度センサの分解
斜視図であり、同図に示すように加速度センサは、圧電
素子５１と、基板５２と、ケース５４とを有する。圧電
素子５１は、セラミックスあるいは高分子物質からなり
且つ両面が電極となる金属箔で被覆された長方形状をな
す一対の電極板５１ａ，５１ｂを、補強部材５１ｃを介
して接着剤等により張り合わせて構成されている。基板
５２は、圧電素子５１より大きな長方形状をなし、その
略中央部に矩形状の開口部５２ａが形成され、且つ上面
所定位置には２つの配線パターン５２ｂ，５２ｃが形成
されている。圧電素子５１は、その一方の電極板５１ｂ
長手方向一端側を一方の配線パターン５２Ｂに接触させ
且つ全体を開口部５２ａ上に臨ませることにより、基板
５２の上面に片持梁状にして固定されている。他方の電
極板５１ｂは、リード線５３を介して他方の配線パター
ン５２ｃに接続されている。両配線パターン５２ｂ，５
２ｃは、図示しない加速度検出手段に接続されている。
ケース５４は、基板５２の上面に被篏固定されることに
より圧電素子５１を保護する。このように保護された加
速度センサは、そのケース５４がねじ等により、加速度
を測定しようとする被測定体に取り付け固定される。

【０００３】次に、このように構成された加速度センサ
の動作を説明する。

【０００４】被測定体に加速度が生じると、その加速度
に応じた慣性力が外力として圧電素子５１に作用し、そ
の応力により圧電素子５１が基板５２との固定端を支店
に基板５２の面と直交する方向に撓むことによって、そ
の長手方向に歪みが発生し、その歪みの発生に伴って圧
電素子５１の予め分極処理を施した電極面に前記外力の
大きさに比例した量の電圧（電荷）が発生する。発生し
た電圧は、リード線５３及び配線パターン５２ｂ，５２
ｃを介して加速度検出手段に送られ、その電圧に基づい
て加速度が演算される。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来の加速度センサにあっては、一枚の単なる長方形板状
の圧電素子５１を基板５２の上面に片持梁状に固定した
構成であるため、圧電素子５１の長手方向に直交する方
向に発生した加速度しか検出することができない。その
ため、複数方向の加速度を検出するためには、複数の加
速度センサを設置しなければならず、経済的負担が多く
なるとともに、小型化及び軽量化の妨げになるという問
題点があった。

【０００６】本発明は上記問題点を解決するためになさ
れたもので、複数設置することなく複数方向の加速度を
検出することができて経済的負担が少なくてすみ、しか
も小型で軽量な加速度センサを提供することを目的とす
る。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明は、外力の作用で歪を生じるとが該外力の大
きさに比例した量の電荷を発生する圧電素子と、該圧電
素子が発生する電荷に基づいて加速度を検出する加速度
検出手段とを具備した加速度センサにおいて、前記圧電
素子は、圧電素子本体と、該圧電素子本体に片持梁状に
一体に連設され且つ外力が作用すると撓んで歪みを生じ
る複数個の撓み部分とからなることを特徴とするもので
ある。

【０００８】また、上記目的を達成する上で、前記加速
度検出手段を前記圧電素子本体に一体に組み込むことが
望ましい。

【０００９】

【作用】上記構成によれば、外力が複数方向から作用す
ると、これに対応して複数個の撓み変形部が撓むことに
より歪みが生じ、これにより複数方向の加速度が検出さ
れる。

【００１０】

【実施例】以下、本発明の実施例を図１乃至図５を参照
して説明する。（第１実施例）まず最初に、本発明の第１実施例につい
て図１及び図２を参照して説明する。図１は、本実施例
に係る加速度センサの概略構成を示す斜視図であり、同
図において、Ｓは加速度センサで、圧電素子１０を有し
ている。圧電素子１０は、シリコン等からなる方形状の
基板１１の上面に固定された圧電素子本体１２と、該圧
電素子本体１２に一体に連設された複数個（本実施例で
は２個）の撓み変形部１３、１４とからなる。

【００１１】圧電素子本体１２は、セラミック或いは高
分子よりなり、且つ両面が金属箔で被覆された長方形状
をなす一対の電極板１２ａ，１２ｂを、補強部材１２ｃ
を介して接着剤等により張り合わせて構成されている。
圧電素子本体１２は、その中央部に厚さ方向（積層方
向）に貫通する方形状の開口部１５を有している。

【００１２】撓み変形部１３、１４は互いに同一構成
で、梁部１３ａ，１４ａの一端に重り部１３ｂ，１４ｂ
を一体形成した平面略Ｔ字状をなしている。撓み変形部
１３、１４は、その梁部１３ａ，１４ａの他端が上側の
電極板１２ａの開口部１５の両側端部に片持梁状に一体
に連設されている。両撓み変形部１３、１４は、図にお
けるＸ軸線を中心とする線対称に配設されていて、その
重り部１３ｂ，１４ｂが互いに対向している。

【００１３】このような撓み変形部１３、１４は、結晶
軸異方性エッチングや不純物依存性エッチング等の手法
を組み合わせて上側の電極板１２ａの撓み変形部１３、
１４に対応する部分を残すようにして圧電素子本体１２
の開口部１５を加工することにより、形成することがで
きる。

【００１４】両撓み変形部１３、１４には、各々の歪み
量を検出し、該歪み量に基づいて加速度を検出する加速
度検出手段１６、１７がそれぞれ電気的に接続されてい
る。加速度検出手段１６、１７は、撓み変形部１３、１
４の撓み量を検出する撓み量検出回路と、該撓み量から
加速度を算出する加速度算出回路とからなる。

【００１５】上記構成において、例えば図１に示すＺ軸
方向、即ち撓み変形部１３、１４の形成されている面に
対し垂直方向の加速度ａｚが生じたとする。このとき、
撓み変形部１３、１４の梁部１３ａ，１４ａは、その慣
性力によって−Ｚ方向に微小に撓みを生じ、その長手方
向に歪みを生じる。

【００１６】一般に、上述したように形成された撓み変
形部１３，１４は、その特性の一つとして圧電効果を有
することが知られている。これは、圧電性結晶に張力、
圧力等の応力を加えてある方向に歪を生じさせると、そ
の結晶のある向かい合った面に正負の電荷が発生し（こ
れを誘電分極という）、その電荷量は加速によって生じ
た歪の量にほぼ比例するという特性である。従って、こ
の特性を利用して、撓み変形部１３、１４、梁部１３
ａ，１４ａの撓み量を加速度検出手段１６，１７の撓み
量検出回路により電気信号として取り出し、この電気信
号と静止時の信号とを加速度算出回路により比較して算
出することにより加速度を検出することが可能となる。

【００１７】従って、上述したように梁部１３ａ、１４
ａが−Ｚ軸方向に微小な撓みを生じたときは、一方の梁
部１３ａと他方の梁部１４ａには互いに略等しい電荷が
発生し、これらの出力は絶対値が等しく、同符号をもっ
て検出される。

【００１８】また、梁部１３ａ，１４ａに、Ｘ軸を回転
中心とする角加速度αｘが生じると、梁部１３ａの出力
と梁部１４の出力とが、異符号をもって検出される。

【００１９】即ち、梁部１３ａの出力と梁部１４の出力
とを比較して、両者の絶対値が等しく且つ両者の符号が
同じときはｚ方向（又は−Ｚ軸方向）に加速度が発生
し、また、両者の絶対値が等しく且つ両者の符号が異な
るときは、Ｘ軸を回転中心とした角加速度が生じたと判
別するものである。

【００２０】次に、加速度検出手段１６、１７の加速度
算出回路において行われる演算について説明する。

【００２１】Ｚ軸方向に加速度ａｚが生じた場合に梁部
１３ａ，１４ａがδだけ撓んだとすると、この梁部１３
ａ，１４ａに働く慣性力ＦはＦ＝Ａ・δと表わされる。
ただし、係数Ａは梁部１３ａ，１４ａの材料の縦弾性係
数Ｅやポアソン比ν、さらに幅ｂおよび厚みｈなどから
なる係数を、δは梁部１３ａ，１４ａの撓み量を示す。
また、梁部１３ａ，１４ａの先端（一端）部に設けた重
り部１３ｂ，１４ｂの質量をｍとすると、Ｆ＝ｍ・ａｚ
なる関係がある。

【００２２】一方、梁部１３ａ，１４ａの撓みδによっ
て梁部１３ａ，１４ａの表面に生じた電荷による電位を
ｅとすると、電位ｅは撓み量δに比例するので、その比
例係数をＢとしてｅ＝Ｂ・δとなる。

【００２３】以上により、加速度ａｚはａｚ＝（Ａ／Ｂ
・ｍ）・ｅとなり、梁部１３ａ，１４ａの撓みによって
生じた電位ｅに比例する。したがって、上述した演算式
を加速度検出手段１６，１７に組み込むことにより、加
速度の検出が可能になる。

【００２４】次に、上述した加速度検出手段１６、１７
における加速度検出方法について、図２を参照して説明
する。

【００２５】まず、ステップＳ２０１で、一方の梁部１
３ａの撓みによって生じた電位ｅ１１が検出され、次の
ステップＳ２０２で他方の梁部１４ａの撓みによって生
じた電位ｅ１２が検出される。

【００２６】次いで、ステップＳ２０３で、ステップＳ
２０１及びステップＳ２０２で検出された電位ｅ１１，
ｅ１２の符号が同一であるか否かが判別され、その答え
が否定（ＮＯ）であるときはＺ軸方向の加速度ａｚが算
出される。また、前記ステップＳ２０３の答えが肯定
（ＹＥＳ）であるときは、Ｘ軸を回転中心とした角加速
度が発生していると判別され、ステップＳ２０５で角加
速度αｘが算出される。前記ステップＳ２０４及びステ
ップＳ２０５を実行後は、本処理動作を終了する。

【００２７】以上説明したように、本実施例によれば、
１つの加速度センサＳに設けた、複数の撓み変形部１
３、１４により、２方向の加速度（Ｘ軸を回転中心とし
た角加速度と、Ｚ軸方向に発生した加速度）の検出が可
能となる。従って、複数の加速度センサを設置する必要
がなり、経済的負担が少なくてすむと共に、従来の加速
度センサと比較して小型で軽量となる。

【００２８】なお、本実施例では圧電素子本体１２をマ
スクとしてエッチングすることにより撓み変形部１３、
１４を形成したが、レジストや樹脂等のパターンを用い
て電気メッキ法等の手法により金属等を成長させること
により撓み変形部１３、１４を形成してもよい。

【００２９】（第２実施例）次に、本発明の第２実施例
を、図３を参照して説明する。本実施例において上述し
た第１実施例の図１と同一構成部分については、図面に
同一符号を付して説明する。図３は、本実施例に係る加
速度センサＳａの概略構成を示す外観斜視図である。本
実施例において、上述した第１実施例と異なる点は、圧
電素子本体１２に、加速度検出手段１６、１７を集積回
路にして一体形成したことである。その他の構成は、第
１実施例の図１と同様であるので、その詳細な説明は省
略する。

【００３０】このように、本実施例によれば、加速度検
出手段１６、１７を圧電素子本体１２に一体形成したの
で、加速度センサの組み立てが簡単となり、且つ小型化
・軽量化を図ることができる。

【００３１】（第３実施例）次に、本発明の第３実施例
を、図４を参照して説明する。本実施例において、上記
実施例と同一部分については、図面に同一符号を付して
説明する。図４は、本実施例にかかる加速度センサＳｂ
の概略構成を示す斜視図である。本実施例は、上述した
第２実施例の図３の構成に、撓み変形部１３、１４及び
加速度検出手段１６、１７と同様の撓み変形部１３´、
１４´及び加速度検出手段１６´、１７´を追加したも
のであり、撓み変形部１３，１４と１３´，１４´及び
加速度検出手段１６，１７及び１６´，１７´は、図４
中、Ｙ軸を中心に線対称に配設してある。なお、本実施
例におけるその他の構成は、第２実施例と同様であるの
で、その説明を省略する。

【００３２】次に、本実施例に係る加速度センサＳｂの
動作を説明する。

【００３３】例えば、この加速度センサＳｂのＹ軸まわ
りに角加速度ａｙが生じたとすると、Ｙ軸線を介して一
側方の梁部１３，１４はＺ軸の正方向にそれぞれ同じ量
だけ撓み、Ｙ軸線を介して他側方の梁部１３ａ，１４ａ
はＺ軸の負方向にそれぞれ同じ量だけ撓む。この時、そ
れぞれの梁部の表面には、その撓み方向と撓み量に応じ
た電荷が発生する。これを加速度検出手段１６，１７，
１６′，１７′へ導き、そこで撓み量を算出すると共
に、その撓み量に基づいて、加速度を算出する。それぞ
れの撓み量から角加速度を算出する手順については、上
述した第１実施例の図２に示した手順と同じなので、そ
の説明を省略する。

【００３４】次に、Ｘ軸まわりの角加速度αｘが生じた
場合は、梁部１３ａ，１４ａがＺ軸の正方向にそれぞれ
同量撓み、また梁部１４ａ，１４′ａはＺ軸の負方向に
それぞれ同量撓む。そして、この撓みにより発生した電
荷に基づいて加速度検出回路１６，１６′，１７，１
７′により撓み量を算出すると共に、該撓み量に基づい
て加速度を算出する。

【００３５】さらに、Ｚ軸方向に加速度が生じた場合に
も、梁部１３ａ，１４ａは全て互いに同一方向に撓みを
生じるので、上述したように電荷を検出することにより
加速度を算出することができる。

【００３６】以上説明したように、本実施例によれば、
４個の撓み変形部１３，１４，１３´，１４´を備えた
ことにより、Ｙ軸を回転中心とする角加速度と、Ｘ軸を
回転中心とする角加速度と、Ｚ軸方向の加速度とを算出
することができる。

【００３７】また、４個の撓み変形部１３，１４，１３
´，１４´と４個の加速度検出手段１６，１７，１６
´，１７´とを同一の基板上に一体に形成するようにし
たので、上述した第２実施例と同様の効果を奏する。

【００３８】（第４実施例）次に、本発明の第４実施例
を、図５を参照して説明する。図５は、本実施例に係る
加速度センサの概略構成を示す外観斜視図である。本実
施例は、上述した第３実施例の図４に示した４個の撓み
変形部を、周方向に９０度宛偏移させて配設した点で、
第３実施例と異なる。その他の構成は図４と同様である
ので、同一構成要素には同一符号を付し、その説明を省
略する。

【００３９】４個の撓み変形部１３、１３´、１４、１
４´を図５に示すように配置することによって、上述し
た第３実施例と同様に、Ｘ軸回りの角加速度と、Ｙ軸回
りの角加速度と、Ｚ軸方向の加速度とを検出することが
可能である。また、４個の撓み変形部１３、１３´、１
４、１４´と加速度検出手段１６、１６´、１７、１７
´とを、同一の圧電素子本体１２に一体形成したので、
第２、第３実施例と同様の効果を奏する。

【００４０】

【発明の効果】以上に説明したように、請求項１の加速
度センサによれば、圧電素子は複数の撓み変形部を有す
るので、複数の加速度センサを設けなくても複数方向の
加速度を検出することができるという効果が得られる。
また、複数の加速度センサを設ける必要がないので、経
済的負担が少なくてすむと共に、加速度センサを従来に
比べて小型且つ軽量にすることができるという効果が得
られる。

【００４１】また、請求項２の加速度センサによれば、
加速度検出手段を圧電素子本体と一体形成したので、上
述した請求項１の効果に加えて、更なる小型化・軽量化
を図ることができるという効果が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施例に係る加速度センサの概略
構成を示す外観斜視図である。

【図２】同加速度センサにおける加速度算出動作を示す
フローチャートである。

【図３】本発明の第２実施例に係る加速度センサの概略
構成を示す外観斜視図である。

【図４】本発明の第３実施例に係る加速度センサの概略
構成を示す外観斜視図である。

【図５】本発明の第４実施例に係る加速度センサの概略
構成を示す外観斜視図である。

【図６】従来の加速度センサの概略構成を示す外観斜視
図である。

【符号の説明】

１１圧電素子１２圧電素子本体１３、１３´、１４、１４´ 撓み変形部１６、１６´、１７、１７´ 加速度検出手段

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】外力の作用で歪を生じるとが該外力の大
きさに比例した量の電荷を発生する圧電素子と、該圧電
素子が発生する電荷に基づいて加速度を検出する加速度
検出手段とを具備した加速度センサにおいて、前記圧電
素子は、圧電素子本体と、該圧電素子本体に片持梁状に
一体に連設され且つ外力が作用すると撓んで歪みを生じ
る複数個の撓み部分とからなることを特徴とする加速度
センサ。
【請求項２】前記加速度検出手段を前記圧電素子本体
に一体に組み込んだことを特徴とする請求項１記載の加
速度センサ。