JPH08304446A - 圧電型変位センサ - Google Patents

圧電型変位センサ

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JPH08304446A
JPH08304446A JP13582595A JP13582595A JPH08304446A JP H08304446 A JPH08304446 A JP H08304446A JP 13582595 A JP13582595 A JP 13582595A JP 13582595 A JP13582595 A JP 13582595A JP H08304446 A JPH08304446 A JP H08304446A
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JP
Japan
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piezoelectric
vibrating body
circuit
detection circuit
displacement sensor
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Application number
JP13582595A
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English (en)
Inventor
Takeshi Nakamura
村 武 中
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Murata Manufacturing Co Ltd
Original Assignee
Murata Manufacturing Co Ltd
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 検出回路をシンプルにすることができる圧電
型変位センサを提供する。 【構成】 圧電型変位センサ10は、差動増幅回路26
を含む。差動増幅回路26は、圧電素子14aおよび1
4bからの信号の差をとり、増幅するためのものであ
る。差動増幅回路26の非反転入力端子は、圧電素子1
4aの電極20aに電気的に接続される。差動増幅回路
26の反転入力端子は、圧電素子14bの電極20bに
電気的に接続される。そして、差動増幅回路26の出力
端子は、同期検波回路28の入力端子に接続される。同
期検波回路28は、差動増幅回路26からの出力信号を
同期検波するためのものである。この圧電変位センサ1
0では、同期検波回路28の同期信号と振動体12の駆
動信号との位相差を90°にする。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】この発明は圧電型変位センサに関
し、特にたとえば、慣性、応力および荷重などを検出す
るための圧電型変位センサに関する。
【0002】
【従来の技術】図4(A)は、この発明の背景となる従
来の圧電型変位センサ1の一例を示す図解図である。こ
の圧電型変位センサ1は、板体2を含む。板体2の長手
方向の一端は固定され、他端には、重り3が取り付けら
れる。また、板体2の両面には、圧電素子4が形成され
る。
【0003】この圧電型変位センサ1は、たとえば加速
度を検出するために用いられる。圧電型変位センサ1
は、板体2の面に直交する向きに加速度が加わると、図
4(B)に示すように、板体2が撓み変位する。この板
体2の変位により、圧電素子4の容量や共振周波数が変
化する。従来の圧電型変位センサ1としては、この圧電
素子の容量変化や共振周波数を測定することにより、慣
性、応力および荷重などによる振動体の変位を検出する
ものがあった。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このよ
うな従来の圧電型変位センサ1は、圧電素子4の容量変
化や共振周波数を測定するため、複雑な検出回路を必要
とし、回路規模が大きくなってしまうという問題があっ
た。
【0005】それゆえに、この発明の主たる目的は、検
出回路をシンプルにすることができる圧電型変位センサ
を提供することである。
【0006】
【課題を解決するための手段】この発明にかかる圧電型
変位センサは、板状の振動体と、振動体の両面に形成さ
れ、振動体を振動させるための駆動用および振動体の変
位に対応した出力を得るための検出用を兼ねる2つの圧
電素子と、圧電素子に接続され、振動体を励振するため
の駆動回路と、圧電素子に接続され、振動体の変位に対
応した信号を検出するための検出回路とを含む圧電型変
位センサであって、2つの圧電素子の共振周波数の変化
により生じる位相差から振動体の変位を検出する、圧電
型変位センサである。
【0007】また、検出回路は、2つの圧電素子から得
られる信号の差を求めるための差動回路と、差動回路の
出力信号を同期検波するための同期検波回路とを含んで
もよい。この場合には、同期検波回路の同期信号と振動
体の駆動信号との位相差を90°にすることが好まし
い。
【0008】また、検出回路は、2つの圧電素子から得
られる信号の和を求めるための和動回路と、和動回路の
出力信号を同期検波するための同期検波回路とを含んで
もよい。この場合には、同期検波回路の同期信号と振動
体の駆動信号との位相差を90°にすることが好まし
い。
【0009】
【作用】駆動回路によって、振動体の両面の2つの圧電
素子に駆動信号が印加され、振動体の振動が励振され
る。このとき、2つの圧電素子からは同一振幅の信号が
得られる。したがって、2つの圧電素子からの信号が同
相の場合には、それらの信号の差は0となる。また、2
つの圧電素子からの信号が逆相の場合には、それらの信
号の和は0となる。
【0010】慣性、応力および荷重などにより振動体が
変位した場合には、振動体の両面の圧電素子の共振周波
数が変化する。共振周波数が変化すると、2つの圧電素
子からの信号に位相差が生じる。検出回路によって、こ
の位相差から振動体の変位を検出する。
【0011】2つの圧電素子から得られる信号が同相の
場合には、差動回路によって、振動体の両面の2つの圧
電素子からの信号の差をとる。振動体が変位したとき
に、振動体の駆動信号の共振周波数は、振動体の一方面
の圧電素子の共振周波数と他方面の圧電素子の共振周波
数との和の1/2とほぼ等しい値となる。そして、この
駆動信号と、差動回路から得られる差動信号とには、9
0°の位相差が生じる。そのため、振動体の駆動信号と
の位相差が90°の同期信号によって、差動回路からの
差動信号を同期検波することにより、振動体の変位に応
じた直流信号が得られる。
【0012】2つの圧電素子から得られる信号が逆相の
場合には、和動回路によって、振動体の両面の2つの圧
電素子からの信号の和をとる。この場合にも、振動体の
駆動信号との位相差が90°の同期信号によって、和動
信号を同期検波することにより、振動体の変位に応じた
直流信号が得られる。
【0013】
【発明の効果】この発明によれば、振動体の変位に対応
した信号を検出するための検出回路をシンプルにでき
る。また、圧電素子は、周囲温度の変化などによっても
共振周波数が変化するが、この圧電型変位センサは、2
つの圧電素子の相対変化を求めるので、周囲温度の変化
などの影響をうけにくい。さらに、この圧電型変位セン
サは、2つの圧電素子の共振周波数の変化により生じる
位相差から、振動体の変位に応じた出力信号を得るので
感度が高い。
【0014】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。
【0015】
【実施例】図1はこの発明の一実施例としての圧電型変
位センサの一例を示す図解図である。この圧電型変位セ
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から形成され
る。振動体12の両面には、厚み方向に対向するように
して圧電素子14aおよび14bが形成される。
【0016】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板16aを含む。この圧電板1
6aの両面には、電極18aおよび20aが形成され
る。圧電板16aは、電極20aから電極18aへ向か
って分極される。そして、一方の電極18aは、振動体
12の一方面に接着される。同様に、圧電素子14b
は、たとえば圧電セラミックなどで形成される圧電板1
6bを含む。この圧電板16bの両面には、電極18b
および20bが形成される。圧電板16bは、電極20
bから電極18bへ向かって分極される。そして、一方
の電極18bは、振動体12の他方面に接着される。振
動体12と電極18aおよび18bとは、電気的に接続
される。
【0017】圧電型変位センサ10は、駆動回路として
の発振回路22を含む。この実施例の発振回路22は、
圧電素子14aおよび14bに同相の駆動信号を印加す
るためのものである。発振回路22の一方端子は、振動
体12に電気的に接続され、他方端子は、抵抗24aお
よび24bを介して、電極20aおよび20bに電気的
に接続される。
【0018】また、圧電型変位センサ10は、検出回路
としての差動増幅回路26を含む。差動増幅回路26
は、圧電素子14aおよび14bからの信号の差をと
り、増幅するためのものである。なお、この実施例の圧
電型変位センサ10では、圧電素子14aおよび14b
が厚み方向に対向するように分極され、発振回路22に
よって同相の駆動信号が印加されるため、圧電素子14
aおよび14bからは同相の信号が得られる。
【0019】差動増幅回路26の非反転入力端子は、電
極20aに電気的に接続される。差動増幅回路26の反
転入力端子は、電極20bに電気的に接続される。そし
て、差動増幅回路26の出力端子は、同期検波回路28
の入力端子に接続される。同期検波回路28は、差動増
幅回路26からの出力信号を同期検波するためのもので
ある。同期検波回路28の出力端子は、平滑回路30の
入力端子に接続される。平滑回路30は、同期検波回路
28の出力信号を平滑するためのものである。さらに、
平滑回路30の出力端子は、直流増幅回路32の入力端
子に接続される。直流増幅回路32は、平滑回路30に
よって平滑された出力信号を増幅するためのものであ
る。
【0020】次に、この圧電型変位センサ10の使用状
態を説明する。圧電型変位センサ10を使用する際に
は、振動体12の一端は、支持部材(図示せず)により
固定される。そして、発振回路22によって、同相の駆
動信号が圧電素子14aおよび14bに印加される。す
ると、圧電素子14aおよび14bは、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。
【0021】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。この状態において、圧電素
子14aの共振周波数をf1 とし、圧電素子14bの共
振周波数をf2 とすると、振動体12の駆動信号の共振
周波数は、(f1 +f2 )/2となる。振動体12が撓
み変位していないときには、圧電素子14aの共振周波
数f1 と圧電素子14bの共振周波数f2 とが等しくな
り、位相差は生じない。そのため、圧電素子14aおよ
び14bからの信号の差は0である。
【0022】振動体12に慣性が与えられた状態で、振
動体12の面に直交する方向にたとえば加速度が加わる
と、図2に示すように、振動体12が撓み変位する。こ
の変位により、圧電素子14aおよび14bの共振周波
数が変化する。そして、図3において、圧電素子14a
の共振周波数f1 の信号を破線で示し、圧電素子14a
の共振周波数f2 の信号を一点鎖線で示すと、振動体1
2の駆動信号は実線で示すようになる。
【0023】圧電素子14aおよび14bの共振周波数
が変化することにより、圧電素子14aの信号と、圧電
素子14bの信号との間には、図3に示すように、位相
差が生じる。そのため、差動増幅回路26によって、圧
電素子14aの信号と圧電素子14bの信号との差動信
号を得ることができる。図3に示すように、この差動信
号と振動体12の駆動信号とには、90°の位相差が生
じる。したがって、振動体12の駆動信号と同期検波回
路28の同期信号との位相差を90°にすることによ
り、差動増幅回路26からの出力信号を同期検波するこ
とができる。
【0024】そして、同期検波回路28の出力信号を平
滑回路30によって平滑し、直流増幅回路32によって
増幅することにより、振動体12の変位に応じた出力を
直流信号として得ることができる。
【0025】このように、この実施例の圧電型変位セン
サ10によれば、振動体12の変位に対応した信号を検
出するための検出回路をシンプルにできる。また、この
圧電型変位センサ10は、振動体12の両面の圧電素子
14aおよび14bからの2つの信号の差をとることに
より、圧電素子14aおよび14bの共振周波数の相対
変化を求めるので、周囲温度の変化などの影響をうけに
くい。さらに、この圧電型変位センサ10は、2つの圧
電素子14aおよび14bの共振周波数の変化により生
じる位相差から、振動体12の変位に応じた出力信号を
得るので感度が高い。
【0026】なお、圧電素子14aおよび14bから得
られる信号が逆相の場合には、差動増幅回路26のかわ
りに和動増幅回路を用いることにより、同様の効果を得
ることができる。
【0027】また、圧電変位センサ10は、長さ振動を
励振することに限らず、屈曲モード以外の振動(たとえ
ば拡がり振動、厚み振動、厚みすべり振動など)を励振
するようにしてもよい。この場合、圧電素子14aおよ
び14bは、励振する振動モードに応じた方向に分極す
ればよい。
【0028】さらに、振動体12は、長手方向の一端部
で支持されることに限らず、励振される振動モードによ
り最適な位置で支持すればよい。
【0029】また、振動体12の変位を大きくするため
に、重りを振動体12の適宜の箇所に固着してもよい。
【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型変位センサ
の一例を示す図解図である。
【図2】図1に示す圧電型変位センサの振動体が変位し
た状態を示す図解図である。
【図3】図1に示す圧電型変位センサの駆動信号と差動
信号との関係を示す波形図である。
【図4】(A)は、従来の圧電型変位センサの一例を示
す図解図であり、(B)はその圧電型変位センサの振動
体が変位した状態を示す図解図である。
【符号の説明】
10 圧電型変位センサ 12 振動体 14a,14b 圧電素子 16a,16b 圧電板 18a,18b 電極 20a,20b 電極 22 発振回路 24a,24b 抵抗 26 差動増幅回路 28 同期検波回路 30 平滑回路 32 直流増幅回路

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 板状の振動体、 前記振動体の両面に形成され、前記振動体を振動させる
    ための駆動用および前記振動体の変位に対応した出力を
    得るための検出用を兼ねる2つの圧電素子、 前記圧電素子に接続され、前記振動体を励振するための
    駆動回路、および前記圧電素子に接続され、前記振動体
    の変位に対応した信号を検出するための検出回路を含む
    圧電型変位センサであって、 2つの前記圧電素子の共振周波数の変化により生じる位
    相差から前記振動体の変位を検出する、圧電型変位セン
    サ。
  2. 【請求項2】 前記検出回路は、前記2つの圧電素子か
    ら得られる信号の差を求めるための差動回路、および前
    記差動回路の出力信号を同期検波するための同期検波回
    路を含み、 前記同期検波回路の同期信号と前記振動体の駆動信号と
    の位相差を90°にした、請求項1に記載の圧電型変位
    センサ。
  3. 【請求項3】 前記検出回路は、前記2つの圧電素子か
    ら得られる信号の和を求めるための和動回路、および前
    記和動回路の出力信号を同期検波するための同期検波回
    路を含み、 前記同期検波回路の同期信号と前記振動体の駆動信号と
    の位相差を90°にした、請求項1に記載の圧電型変位
    センサ。
JP13582595A 1995-05-08 1995-05-08 圧電型変位センサ Pending JPH08304446A (ja)

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Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2007171059A (ja) * 2005-12-22 2007-07-05 Univ Nagoya センサ装置
JP2008076166A (ja) * 2006-09-20 2008-04-03 Epson Toyocom Corp 速度センサおよびその調整方法
JP2009058268A (ja) * 2007-08-30 2009-03-19 Kyocera Corp センサ
JP2023500772A (ja) * 2019-11-28 2023-01-11 ティーディーケイ・エレクトロニクス・アクチェンゲゼルシャフト 2チャンネル検出器

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