JPH08297138A - 圧電加速度センサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 加速度によって振動体が撓む際に圧電素子に
生じる起電力を相殺できる、圧電加速度センサを提供す
る。 【構成】 圧電素子１４ａの電極２２ａと圧電素子１６
ａの電極２８ａとは、リード線３８ａによって短絡さ
れ、圧電素子１４ｂの電極２２ｂと圧電素子１６ｂの電
極２８ｂとは、リード線３８ｂによって短絡される。加
速度が加わって振動体１２が撓むと、圧電素子１４ａ，
１４ｂ，１６ａおよび１６ｂには、起電力が生じる。し
かし、圧電素子１４ａと圧電素子１６ａとは、リード線
３８ａで短絡されているため、生じた起電力が相殺され
る。同様にして、圧電素子１４ｂと圧電素子１６ｂと
は、リード線３８ｂで短絡されているため、生じた起電
力が相殺される。したがって、圧電素子１４ａ，１４
ｂ，１６ａおよび１６ｂに生じる起電力は出力されな
い。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は圧電加速度センサに関
し、特にたとえば、バイモルフ構造を有する、圧電加速
度センサに関する。

【０００２】

【従来の技術】図３はこの発明の背景となる従来の圧電
加速度センサの一例を示す概略図である。この圧電加速
度センサ１は、たとえばエリンバなどの恒弾性金属材料
からなる振動体２を含む。振動体２の長さ方向の一端側
の両面には、厚み方向に対向するようにして圧電素子
３，３′が形成される。また、振動体２の長さ方向の他
端側の両面には、厚み方向に対向するようにして圧電素
子４，４′が形成される。

【０００３】圧電素子３，３′，４，４′は、それぞれ
圧電体基板５を含む。圧電素子３，３′の圧電体基板
５，５は、図３に一点鎖線の矢印で示すように、対向す
る厚み方向に分極される。圧電素子４，４′の圧電体基
板５，５は、図３に二点鎖線の矢印で示すように、対向
しない厚み方向に分極される。

【０００４】圧電体基板５の一方主面には、電極６が形
成され、圧電体基板５の他方主面には、電極６′が形成
される。そして、圧電体基板５の一方主面の電極６は、
振動体２に固着されるとともに、電気的に接続される。

【０００５】また、圧電加速度センサ１は、圧電素子
３，３′，４，４′を駆動するための発振回路７を含
む。発振回路７の一方端は、圧電素子３，３′，４，
４′のそれぞれの圧電体基板５の他方主面の電極６′に
抵抗８を介して接続される。発振回路７の他方端は、振
動体２に接続される。

【０００６】さらに、圧電加速度センサ１は、加速度を
検出するための差動増幅回路９を含む。差動増幅回路９
の非反転入力端子は、圧電素子４の電極６′に接続され
る。差動増幅回路９の反転入力端子は、圧電素子４′の
電極６′に接続される。

【０００７】この圧電加速度センサ１を使用する際に
は、発振回路７によって、同位相の駆動信号が圧電素子
３，３′，４，４′に印加される。すると、振動体２
は、長さ方向に振動する。この場合、圧電素子３，３′
と圧電素子４，４′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逆方向に変位する。したがっ
て、振動体２は、その略中央部を境として、一端側が伸
びるときは、他端側が縮み、一端側が縮むときは他端側
が伸びるという振動をする。したがって、振動体２は、
その両端部分を変位せずに、長さ方向に振動する。

【０００８】振動体２が振動することによって、振動体
２に慣性が与えられる。この状態で、振動体２の面に直
交するように加速度が加わると、図４に示すように、振
動体２に撓みが生じる。この撓みにより、圧電素子４お
よび圧電素子４′のそれぞれの共振特性が変化する。そ
のため、差動増幅回路９によって、圧電素子４から得ら
れる信号と圧電素子４′から得られる信号との差をとる
ことにより、振動体２に加わった加速度を知ることがで
きる。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】ところが、加速度が加
わり振動体２に撓みが生じる過程では、圧電素子３，
３′，４，４′にそれぞれ起電力が発生する。たとえば
図３の従来例では、図４に示すように、圧電素子３には
−の電圧が発生し、圧電素子４には＋の電圧が発生す
る。また、圧電素子３′には、＋の電圧が発生し、圧電
素子４′には、−の電圧が発生する。

【００１０】これらの起電力は、圧電素子３，３′，
４，４′のそれぞれの共振特性の変化による信号ととも
に、差動増幅回路９に入力される。しかし、これらの起
電力は、振動体２の撓みが一定すると発生しなくなる。
このため、圧電素子３，３′，４，４′に発生する起電
力は、圧電加速度センサ１の出力を不安定にし、周波数
応答性を乱す要因であった。

【００１１】それゆえに、この発明の主たる目的は、加
速度によって振動体が撓む際に圧電素子に生じる起電力
を相殺できる、圧電加速度センサを提供することであ
る。

【００１２】

【課題を解決するための手段】この発明にかかる圧電加
速度センサは、板状の振動体と、振動体の長さ方向両側
の両面において、振動体の厚み方向に対向して形成され
る複数の圧電素子と、振動体の長さ方向の一端側の圧電
素子と他端側の圧電素子とを短絡することにより、加速
度によって振動体が撓む際に圧電素子に生じる起電力を
相殺し、かつ、不要な撓みを抑制するための接続手段と
を含む、圧電加速度センサである。

【００１３】また、この発明にかかる圧電加速度センサ
は、圧電素子に駆動信号を印加することによって、振動
体の長さ方向の一端側と他端側とで伸びと縮みとが逆と
なるような長さ振動を励振するように形成することが好
ましい。

【００１４】さらに、振動体の長さ方向の一端側の複数
の圧電素子は、対向する厚み方向に分極され、振動体の
長さ方向の他端側の複数の圧電素子は、逆の厚み方向に
分極されることが好ましい。

【００１５】

【作用】振動体の長さ方向の一端側の圧電素子に生じる
起電力と、他端側の圧電素子に生じる起電力とが接続手
段で短絡されて相殺される。また、振動体の長さ方向の
一端側の圧電素子と、他端側の圧電素子とを短絡するこ
とにより、振動体の撓みを抑制する方向の伸縮を生じさ
せる電圧が圧電素子にかかり、振動体の不要な撓みが抑
制される。

【００１６】また、振動体の長さ方向の一端側と他端側
とで伸びと縮みとが逆となるような長さ振動を励振する
ように形成した場合には、振動体の長さ方向寸法をほと
んど変化させずに伸縮振動をさせることができる。

【００１７】さらに、振動体の長さ方向の一端側の複数
の圧電素子が、対向する厚み方向に分極され、振動体の
長さ方向の他端側の複数の圧電素子が、逆の厚み方向に
分極された場合には、振動体の長さ方向の一端側および
他端側の複数の圧電素子にそれぞれ同位相の駆動信号を
印加することにより、振動体の長さ方向の一端側と他端
側とで伸びと縮みとが逆となるような長さ振動を励振す
ることができる。

【００１８】

【発明の効果】この発明の圧電加速度センサによれば、
加速度によって振動体が撓む際に圧電素子に生じる起電
力を相殺できる。したがって、複数の圧電素子の共振特
性の変化による位相差のみを検出することができる。ま
た、この圧電加速度センサは、電気的制動により不要な
撓みを抑制することができる。そのため、この発明によ
れば、安定な周波数応答性を有する圧電加速度センサを
得ることができる。

【００１９】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。

【００２０】

【実施例】図１はこの発明の一実施例としての圧電加速
度センサの一例を示す概略図である。圧電加速度センサ
１０は、板状の振動体１２を含む。振動体１２は、たと
えばエリンバなどの恒弾性金属材料で形成される。振動
体１２の長さ方向の一端側の両面には、厚み方向に対向
するようにして圧電素子１４ａ，１４ｂが形成される。
振動体１２の長さ方向の他端側の両面には、厚み方向に
対向するようにして圧電素子１６ａ，１６ｂが形成され
る。

【００２１】圧電素子１４ａは、たとえば圧電セラミッ
クなどで形成される圧電基板１８ａを含む。この圧電基
板１８ａの両面に電極２０ａ，２２ａが形成される。そ
して、一方の電極２０ａが、振動体１２に接着される。
同様に、圧電素子１４ｂは、圧電基板１８ｂを含み、そ
の両面に電極２０ｂ，２２ｂが形成される。そして、一
方の電極２０ｂが、振動体１２に接着される。これらの
圧電素子１４ａ，１４ｂでは、圧電基板１８ａは、電極
２２ａから２０ａへ向かって分極され、圧電基板１８ｂ
は、電極２２ｂから２０ｂへ向かって分極される。

【００２２】また、圧電素子１６ａは、たとえば圧電セ
ラミックなどで形成される圧電基板２４ａを含む。この
圧電基板２４ａの両面に電極２６ａ，２８ａが形成され
る。そして、一方の電極２６ａが、振動体１２に接着さ
れる。同様に、圧電素子１６ｂは、圧電基板２４ｂを含
み、その両面に電極２６ｂ，２８ｂが形成される。そし
て、一方の電極２６ｂが、振動体１２に接着される。こ
れらの圧電素子１６ａ，１６ｂでは、圧電基板２４ａ
は、電極２６ａから２８ａへ向かって分極され、圧電基
板２４ｂは、電極２６ｂから２８ｂへ向かって分極され
る。

【００２３】さらに、この圧電加速度センサ１０は、駆
動手段としての発振回路３０を含む。発振回路３０の一
方端は、抵抗３２を介して、圧電素子１４ａおよび１６
ａの電極２２ａおよび２８ａに電気的に接続される。ま
た、発振回路３０の一方端は、抵抗３４を介して、圧電
素子１４ｂおよび１６ｂの電極２２ｂおよび２８ｂに電
気的に接続される。発振回路３０の他方端は、振動体１
２に電気的に接続され、振動体１２は、圧電素子１４
ａ，１４ｂ，１６ａおよび１６ｂの電極２０ａ，２０
ｂ，２６ａおよび２６ｂに電気的に接続される。

【００２４】また、この圧電加速度センサ１０は、検出
手段としての差動増幅回路３６を含む。差動増幅回路３
６の非反転入力端子は、圧電素子１６ａの電極２８ａに
電気的に接続される。差動増幅回路３６の反転入力端子
は、圧電素子１６ｂの電極２８ｂに電気的に接続され
る。そして、圧電素子１４ａの電極２２ａと圧電素子１
６ａの電極２８ａとは、接続手段としてのリード線３８
ａによって短絡される。また、圧電素子１４ｂの電極２
２ｂと圧電素子１６ｂの電極２８ｂとは、接続手段とし
てのリード線３８ｂによって短絡される。

【００２５】この加速度センサ１０を使用するには、発
振回路３０によって、圧電素子１４ａ，１４ｂおよび圧
電素子１６ａ，１６ｂに、同位相の駆動信号が印加され
る。圧電素子１４ａ，１４ｂは、互いに対向するように
形成され、圧電素子１６ａ，１６ｂも互いに対向するよ
うに形成されているため、振動体１２は長さ方向に振動
する。また、圧電素子１４ａ，１４ｂと圧電素子１６
ａ，１６ｂ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、振動体１２の長さ方向の一端側が伸びるとき、他端
側は収縮する。また、振動体１２の長さ方向の一端側が
収縮するとき、他端側は伸びる。このようにして、振動
体１２は、その長さ方向に変位する。したがって、振動
体１２の両側部分の変位が吸収され、振動体１２の両端
は変位しないため、振動体１２が支持部材に支持された
際に、支持部材への振動もれが少なくなり、安定した振
動を得ることができる。

【００２６】振動体１２が振動することによって、振動
体１２に慣性が与えられる。この状態で、振動体１２の
面に直交する方向に加速度が加わると、図２に示すよう
に、振動体１２に撓みが生じる。この撓みにより、圧電
素子１４ａ，１４ｂ，１６ａおよび１６ｂの共振特性が
変化する。そのため、差動増幅回路３６の非反転入力端
子に入力される信号と反転入力端子に入力される信号と
の間に位相差が生じる。したがって、この位相差を差動
増幅回路３６で測定することにより、加速度を検出する
ことができる。

【００２７】この場合、加速度が加わって振動体１２が
撓むと、圧電素子１４ａ，１４ｂ，１６ａおよび１６ｂ
には、起電力が生じる。しかし、この実施例の圧電加速
度センサ１０では、圧電素子１４ａと圧電素子１６ａと
は、リード線３８ａによって短絡されているため、生じ
た起電力が相殺される。同様にして、圧電素子１４ｂと
圧電素子１６ｂとは、リード線３８ｂによって短絡され
ているため、生じた起電力が相殺される。したがって、
圧電素子１４ａ，１４ｂ，１６ａおよび１６ｂに生じる
起電力は出力されない。

【００２８】また、圧電素子１４ａと圧電素子１６ａと
は、リード線３８ａによって短絡されているので、加速
度が加わって振動体１２が撓んだ際には、互いに逆極性
の電圧がかかることになる。同様に、圧電素子１４ｂと
圧電素子１６ｂとは、リード線３８ｂによって短絡され
ているので、加速度が加わって振動体１２が撓んだ際に
は、互いに逆極性の電圧がかかることになる。すると、
圧電素子１４ａ，１６ａおよび圧電素子１４ｂ，１６ｂ
には、加速度が加わったことによる振動体１２の撓みを
抑制するような伸縮が生じる。このようにして、振動体
１２に電気的制動がかかるため、振動体１２の不要な撓
みが抑制され、周波数応答性の安定化を図ることができ
る。

【００２９】このように、この実施例の圧電加速度セン
サ１０によれば、加速度によって振動体１２が撓む際に
圧電素子１４ａ，１４ｂ，１６ａおよび１６ｂに生じる
起電力を相殺できる。そのため、複数の圧電素子１４
ａ，１４ｂ，１６ａおよび１６ｂの共振特性の変化によ
る位相差のみを検出することができる。また、この圧電
加速度センサ１０は、電気制動により不要な撓みを抑制
することができる。そのため、この圧電加速度センサ１
０は、出力が安定化し、周波数応答性も安定化する。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の一実施例としての圧電加速度センサ
の一例を示す概略図である。

【図２】図１に示す加速度センサに加速度が加わったと
きの状況を示す概略図である。

【図３】従来の圧電加速度センサを示す概略図である。

【図４】図３に示す従来の加速度センサに加速度が加わ
ったときの状況を示す概略図である。

【符号の説明】

１０ 圧電加速度センサ １２ 振動体 １４ａ，１４ｂ，１６ａ，１６ｂ 圧電素子 １８ａ，１８ｂ 圧電基板 ２０ａ，２０ｂ，２２ａ，２２ｂ 電極 ２４ａ，２４ｂ 圧電基板 ２６ａ，２６ｂ，２８ａ，２８ｂ 電極 ３０ 発振回路 ３２，３４ 抵抗 ３６ 差動増幅回路 ３８ａ，３８ｂ リード線

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 板状の振動体、 前記振動体の長さ方向両側の両面において、前記振動体
   の厚み方向に対向して形成される複数の圧電素子、およ
   び前記振動体の長さ方向の一端側の前記圧電素子と他端
   側の前記圧電素子とを短絡することにより、加速度によ
   って前記振動体が撓む際に前記圧電素子に生じる起電力
   を相殺し、かつ、不要な撓みを抑制するための接続手段
   を含む、圧電加速度センサ。
2. 【請求項２】 前記圧電素子に駆動信号を印加すること
   によって、前記振動体の長さ方向の一端側と他端側とで
   伸びと縮みとが逆となるような長さ振動を励振するよう
   に形成した、請求項１に記載の圧電加速度センサ。
3. 【請求項３】 前記振動体の長さ方向の一端側の複数の
   前記圧電素子は、対向する厚み方向に分極され、 前記振動体の長さ方向の他端側の複数の前記圧電素子
   は、逆の厚み方向に分極される、請求項２に記載の圧電
   加速度センサ。