JPH07218285A - センサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】荷重の微分値や加速度の微分値が直接検出でき
るセンサや、荷重の微分値と荷重あるいは加速度の微分
値と加速度が同時に直接検出できるセンサを提供する。 【構成】荷重を加えると電荷を発生する圧電現象を示す
圧電素子１と、コンデンサ２と、コンデンサ２の電極間
の電位差を圧電現象の電荷により圧電素子に生じる電位
差に等しく保つ電圧調整回路３と、電圧調整回路３がコ
ンデンサ２の電位差を圧電素子１に生じる電位差に等し
く保つ際にコンデンサ２に流れる電流の大きさを検出す
る電流検出回路４とから構成され、コンデンサに流れる
電流の大きさから圧電素子に作用する荷重の微分値ある
いは加速度の微分値を検出する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、荷重の微分値および荷
重あるいは加速度の微分値および加速度を検出するセン
サに関する。

【０００２】

【従来の技術】物体の運動を記述する物理量として、通
常，位置，速度，加速度の諸量を挙げることができる。
そして各々の物理量に対し、それを検出するセンサが考
案されて実用化されている。一方で、人間が体感として
感覚的に検出できるのは加速度および加速度を微分した
高次の物理量であり、位置と速度については視覚により
知的に検出するのみである。加速度や加速度を微分した
高次の物理量は、例えば、自動車や鉄道車両、あるいは
エレベータなどの移動体に搭乗している際に、加速ある
いは減速した場合などに体感することができる。

【０００３】自動車用加速度センサの開発（日産技報第
２３号，昭６２−１２）によると、人間は、加速度より
も加速度の微分値に対してより敏感に反応することが知
られている。

【０００４】これらのことは、人間が感じる快・不快の
感覚に加速度の微分値が深く関与していることを示唆す
るものである。したがって、自動車や鉄道車両、あるい
はエレベータといった乗り物の乗り心地をより快適にす
る方法として、人間の体感に直結した加速度の微分値を
検出し、その情報を用いて乗物の運動を制御する方法が
考えられる。つまり、従来の位置，速度，加速度を用い
た制御に加速度の微分値を用いた制御に加えることによ
り、現在よりも制御効果の向上を図ることが期待でき
る。

【０００５】さらに、加速度に質量を乗じた値は力と同
一の次元を持つので、加速度のかわりに荷重を用いた
り、また、加速度の微分値のかわりに荷重の微分値を用
いることも考えられる。

【０００６】荷重の微分値や加速度の微分値は、種々実
用化されている荷重センサや加速度センサの出力を微分
フィルタ回路を通過させることにより得ることができ
る。しかし、このような微分フィルタ回路を利用した構
成によって広い周波域の荷重の微分値や加速度の微分値
を得ようとすると、微分フィルタ回路を用いたことによ
るノイズ，位相の遅れが問題となってしまう場合があ
る。したがって、微分フィルタ回路を用いずに直接荷重
の微分値や加速度の微分値が検出できるセンサが望まし
い。また、使用上の便宜を考えると、荷重の微分値や加
速度の微分値のみではなく、荷重や加速度も同時に検出
できることが望ましい。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、荷重
の微分値や加速度の微分値が直接検出できるセンサや、
荷重の微分値と荷重あるいは加速度の微分値と加速度が
同時に直接検出できるセンサを提供することにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記の荷重の微分値や加
速度の微分値が直接検出できるようにするため、本発明
のセンサは、荷重を加えると電荷を発生する圧電現象を
示す圧電素子と、コンデンサと、前記コンデンサの電極
間の電位差を圧電現象の電荷により前記圧電素子に生じ
る電位差に等しく保つ電圧調整回路と、前記電圧調整回
路が前記コンデンサの電位差を前記圧電素子に生じる電
位差に等しく保つ際に前記コンデンサに流れる電流の大
きさを検出する電流検出回路とから構成され、前記コン
デンサに流れる電流の大きさから前記圧電素子に作用す
る荷重の微分値あるいは加速度の微分値を検出する。

【０００９】また、荷重の微分値と荷重あるいは加速度
の微分値と加速度が同時に直接検出できるという目的を
達成するため、本発明のセンサは、前記コンデンサに流
れる電流の大きさと前記コンデンサの電位差とから、前
記圧電素子に作用する荷重の微分値と荷重、あるいは加
速度の微分値と加速度を検出する。

【００１０】

【作用】圧電素子に荷重が加えられると、圧電素子に設
けられた電極には、加えられた荷重に比例する電荷が発
生する。圧電素子の電極面は一種のコンデンサを形成す
るとみなすことができるので、電極の間の解放電圧は発
生した電荷に比例する。つまり、荷重を加えられた圧電
素子に生じる電位差は、加えられた荷重に比例した値を
示す。荷重が変化すると圧電素子の電位差も変化する
が、電圧調整回路は、コンデンサの電極間の電位差が圧
電素子の電位差と等しくなるようにコンデンサに貯えら
れる電荷の量を調整する。このときにコンデンサに貯え
られる電荷の変化量は荷重の変化に比例しているので、
電荷の時間に関する微分値であるコンデンサに流れる電
流の大きさが荷重の微分値に比例することになる。した
がって、コンデンサに流れる電流の大きさを電流検出回
路によって検出することにより、圧電素子に作用する荷
重の微分値を検出することができる。また、同時に、コ
ンデンサの電位差から、圧電素子に作用する荷重を検出
することができる。

【００１１】また、圧電素子をばね作用を持つ弾性部材
で支持する構造にすると、圧電素子が加速度を受けた場
合に、加速度に比例する荷重が圧電素子に作用する。上
記と同じ作用によって、このときに圧電素子に作用する
荷重の微分値を検出することができる。したがって、コ
ンデンサに流れる電流の大きさから、荷重に比例してい
る加速度の微分値も検出することができる。また、同時
に、コンデンサの電位差から、圧電素子に作用する加速
度を検出することができる。

【００１２】

【実施例】本発明の実施例を図に従って説明する。

【００１３】図１は、本発明のセンサの構成を示した回
路図である。センサは、荷重を加えると電荷を発生する
圧電現象を示す圧電素子１と、コンデンサ２と、コンデ
ンサ２の電位差を圧電現象の電荷により圧電素子１に生
じる電位差に等しく保つ電圧調整回路３と、電圧調整回
路３がコンデンサ２の電位差を圧電素子１に生じる電位
差に等しく保つ際にコンデンサ２に流れる電流の大きさ
を検出する電流検出回路４とから構成される。圧電素子
１は、加えられた荷重に比例する電荷Ｑを発生する電荷
発生器１０１と、静電容量Ｃ１を持つコンデンサ１０２
とみなすことができる。

【００１４】図２に示すように、圧電素子１に荷重Ｆが
作用すると、荷重Ｆに比例する電荷Ｑ１＝Ｋ・Ｆ（Ｋは
比例定数）が電極１０３に貯えられる。容量Ｃ１のコン
デンサに電荷Ｑ１が貯えられるので、電極１０３の間の
電位差Ｅ１はＥ１＝Ｑ１／Ｃ１＝Ｋ・Ｆ／Ｃ１となり、
電位差Ｅ１は荷重Ｆに比例する。

【００１５】荷重Ｆが変化すると圧電素子１の電位差Ｅ
１も変化するが、電圧調整回路３は、コンデンサ２の電
位差Ｅ２が圧電素子１の電位差Ｅ１と等しくなるように
コンデンサ２に貯えられる電荷Ｑ２の量を調整する。こ
のときにコンデンサ２に貯えられる電荷Ｑ２の変化量は
荷重Ｆの変化に比例しているので、電荷Ｑ２の時間に関
する微分値であるコンデンサ２に流れる電流Ｉ２＝ｄＱ
２／ｄｔが荷重Ｆの微分値ｄＦ／ｄｔに比例することに
なる。したがって、コンデンサ２に流れる電流Ｉ２を電
流検出回路４によって検出することにより、圧電素子１
に作用する荷重Ｆの微分値ｄＦ／ｄｔを検出することが
できる。

【００１６】また、コンデンサ２の電位差Ｅ２を検出す
ることにより、同時に、圧電素子１に作用する荷重Ｆを
検出することもできる。

【００１７】図３に示すように、圧電素子１をばね作用
を持つ弾性部材６で支持する構造にすると、圧電素子１
が加速度ａを受けた場合に、加速度ａに比例する荷重Ｍ
・ａ（Ｍは比例定数）が圧電素子１に作用する。上記と
同じ作用によって、このときに圧電素子１に作用する荷
重Ｍ・ａの微分値ｄ（Ｍ・ａ）／ｄｔを検出することが
できる。したがって、コンデンサ２に流れる電流Ｉ２の
大きさから、荷重Ｍ・ａに比例している加速度ａの微分
値ｄａ／ｄｔも検出することができる。また、コンデン
サ２の電位差Ｅ２を検出することにより、同時に、圧電
素子１に作用する加速度を検出することができる。

【００１８】なお、図３は、圧電素子を用いて加速度を
荷重として検出するセンサの構造の一例を示したものに
過ぎない。本発明は、圧電素子を用いて加速度を荷重と
して検出するセンサであれば、その構造に係わらずに加
速度の微分値を検出できる。

【００１９】図４は、電圧調整回路３および電流検出回
路４の電気回路の第１の例を示した図である。

【００２０】電圧調整回路３は、抵抗３１と差動増幅器
３２で構成される。圧電素子１に作用する荷重の変化に
伴って圧電素子１に生じる電荷Ｑ１が変化すると、圧電
素子１の電位差Ｅ１とコンデンサ２の電位差Ｅ２が等し
くなくなり、抵抗３１に電流が流れようとする。このと
き、差動増幅器３２は、抵抗３１に電流が流れないよう
に、すなわち、コンデンサ２の電位差Ｅ２が圧電素子１
の電位差Ｅ１に等しくなるように、コンデンサ２に貯え
られる電荷量を調整する。電流検出回路４は抵抗４１に
よって構成され、荷重の微分値に対応する、コンデンサ
２に貯えられる電荷の変化量である電流Ｉ２を抵抗４１
における電位差Ｅ４＝Ｉ２・Ｒ４として検出する。

【００２１】図５は、電圧調整回路３および電流検出回
路４の電気回路の第２の例を示した図である。特に、図
５は、圧電素子１と電圧調整回路３などの測定回路との
間のケーブルなどに分布容量７が存在する場合にも良好
な検出ができる。

【００２２】図５に示す回路では、電圧調整回路として
の役割はコンデンサ２と演算増幅器３３とによって行わ
れ、一種の電荷増幅器を構成している。演算増幅器は、
電圧増幅率が非常に大きく、入力電圧と出力電圧とが逆
の符号をとる増幅器である。また、抵抗４１は電流検出
回路として働く。電荷増幅器としての動作は、演算増幅
器３３の入力電圧Ｅ３は常にほぼ０に保たれ、圧電素子
１に発生した電荷はすべてコンデンサ２に貯えられる。
また、そのときの出力電圧Ｅ２はほぼＱ２／Ｃ２に等し
くなり、分布容量Ｃ７や圧電素子１の内部容量Ｃ１とは
無関係になる。したがって、出力電圧Ｅ２は、圧電素子
１に作用する荷重に比例する値となる。また、コンデン
サ２に流れる電流を抵抗４１の電位差Ｅ４として検出す
ることによって、圧電素子１に作用する荷重の微分値を
検出することができる。

【００２３】

【発明の効果】本発明によれば、電圧調整回路は、圧電
素子に加えられる荷重の変化に伴って圧電素子の電位差
が変化しても、コンデンサの電極間の電位差が圧電素子
の電位差と等しくなるようにコンデンサに貯えられる電
荷の量を調整する。このときにコンデンサに貯えられる
電荷の変化量は荷重の変化に比例しているので、電荷の
時間に関する微分値であるコンデンサに流れる電流の大
きさが荷重の微分値に比例することになる。したがっ
て、コンデンサに流れる電流の大きさを電流検出回路に
よって検出することにより、圧電素子に作用する荷重の
微分値を検出することができる。また、同時に、コンデ
ンサの電位差から、圧電素子に作用する荷重を検出する
ことができる。

【００２４】また、圧電素子をばね作用を持つ弾性部材
で支持する構造にすると、圧電素子が加速度を受けた場
合に、加速度に比例する荷重が圧電素子に作用する。上
記と同じ作用によって、このときに圧電素子に作用する
荷重の微分値を検出することができる。したがって、コ
ンデンサに流れる電流の大きさから、荷重に比例してい
る加速度の微分値も検出することができる。また、同時
に、コンデンサの電位差から、圧電素子に作用する加速
度を検出することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のセンサの構成を示す回路図。

【図２】圧電素子の構造を示す説明図。

【図３】加速度の微分値および加速度を検出するセンサ
の断面図。

【図４】本発明の一実施例の電圧調整回路と電流調整回
路図。

【図５】本発明の他の実施例の電圧調整回路と電流調整
回路図。

【符号の説明】

１…圧電素子、２…コンデンサ、３…電圧調整回路、４
…電流検出回路。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】荷重を加えると電荷を発生する圧電現象を
   示す圧電素子と、コンデンサと、前記コンデンサの電極
   間の電位差を圧電現象の電荷により前記圧電素子に生じ
   る電位差に等しく保つ電圧調整回路と、前記電圧調整回
   路が前記コンデンサの電位差を前記圧電素子に生じる電
   位差に等しく保つ際に前記コンデンサに流れる電流の大
   きさを検出する電流検出回路とから構成され、前記コン
   デンサに流れる電流の大きさから前記圧電素子に作用す
   る荷重の微分値あるいは加速度の微分値を検出すること
   を特徴とするセンサ。