JPH10170538A - 加速度センサ - Google Patents
加速度センサInfo
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- JPH10170538A JPH10170538A JP8353073A JP35307396A JPH10170538A JP H10170538 A JPH10170538 A JP H10170538A JP 8353073 A JP8353073 A JP 8353073A JP 35307396 A JP35307396 A JP 35307396A JP H10170538 A JPH10170538 A JP H10170538A
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- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01P—MEASURING LINEAR OR ANGULAR SPEED, ACCELERATION, DECELERATION, OR SHOCK; INDICATING PRESENCE, ABSENCE, OR DIRECTION, OF MOVEMENT
- G01P15/00—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration
- G01P15/02—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses
- G01P15/08—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses with conversion into electric or magnetic values
- G01P2015/0805—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses with conversion into electric or magnetic values being provided with a particular type of spring-mass-system for defining the displacement of a seismic mass due to an external acceleration
- G01P2015/0822—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses with conversion into electric or magnetic values being provided with a particular type of spring-mass-system for defining the displacement of a seismic mass due to an external acceleration for defining out-of-plane movement of the mass
- G01P2015/084—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses with conversion into electric or magnetic values being provided with a particular type of spring-mass-system for defining the displacement of a seismic mass due to an external acceleration for defining out-of-plane movement of the mass the mass being suspended at more than one of its sides, e.g. membrane-type suspension, so as to permit multi-axis movement of the mass
Landscapes
- Force Measurement Appropriate To Specific Purposes (AREA)
Abstract
(57)【要約】
【課題】 Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸方向の検出感度の等しい加
速度センサを得る。 【解決手段】 板状の可撓部材と、該可撓部材の表面に
貼付される電極を設けた圧電素子と、該可撓部材に直接
または間接的に貼付される重錘体と、該可撓部材の外周
を直接または間接的に支持する支持部材を有する加速度
センサにおいて、板状の可撓部材の内部に原点を定義
し、この原点を通り該可撓部材の平面に平行な方向にＸ
軸を、原点においてＸ軸と直交し、かつ、該可撓部材の
平面に平行な方向にＹ軸を、原点を通り、かつ、該可撓
部材の平面に垂直な方向にＺ軸をそれぞれ定義したと
き、前記重錘体がＸ軸方向に振れる共振周波数と、Ｙ軸
方向に振れる共振周波数と、Ｚ軸方向に振れる共振周波
数との差を共振周波数に対して１０％以下にする。
速度センサを得る。 【解決手段】 板状の可撓部材と、該可撓部材の表面に
貼付される電極を設けた圧電素子と、該可撓部材に直接
または間接的に貼付される重錘体と、該可撓部材の外周
を直接または間接的に支持する支持部材を有する加速度
センサにおいて、板状の可撓部材の内部に原点を定義
し、この原点を通り該可撓部材の平面に平行な方向にＸ
軸を、原点においてＸ軸と直交し、かつ、該可撓部材の
平面に平行な方向にＹ軸を、原点を通り、かつ、該可撓
部材の平面に垂直な方向にＺ軸をそれぞれ定義したと
き、前記重錘体がＸ軸方向に振れる共振周波数と、Ｙ軸
方向に振れる共振周波数と、Ｚ軸方向に振れる共振周波
数との差を共振周波数に対して１０％以下にする。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は圧電素子を用いた加
速度センサに関するものである。
速度センサに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】加速度センサは自動車業界でエアーバッ
グ制御のセンサ等として使用されている。検出方式はい
ろいろ開発されているが、本発明は表面に電極を形成し
た圧電素子を貼付した可撓部材の中央部に加速度により
慣性力を生じる重錘体を設け、加速度による重錘体の慣
性力で可撓部材が変形（この時、表面に貼付してある圧
電素子も変形しその歪量に比例した電荷を発生する）す
ることにより加速度を検出するものにかかわる。
グ制御のセンサ等として使用されている。検出方式はい
ろいろ開発されているが、本発明は表面に電極を形成し
た圧電素子を貼付した可撓部材の中央部に加速度により
慣性力を生じる重錘体を設け、加速度による重錘体の慣
性力で可撓部材が変形（この時、表面に貼付してある圧
電素子も変形しその歪量に比例した電荷を発生する）す
ることにより加速度を検出するものにかかわる。
【０００３】本発明に係わる先行技術として、特開平５
−２６７４４号がある。図１は従来技術による加速度セ
ンサの代表的な例で正面断面図である。図２は圧電素子
側から見た平面図である。可撓性を持った円盤状の基板
１の上面には、両面に検出電極３、４、５、６が形成さ
れた圧電素子２が貼付され、下面の中央部には加速度を
可撓性を持った円盤状の基板１の歪みに置換するための
重錘体７が貼付されている。
−２６７４４号がある。図１は従来技術による加速度セ
ンサの代表的な例で正面断面図である。図２は圧電素子
側から見た平面図である。可撓性を持った円盤状の基板
１の上面には、両面に検出電極３、４、５、６が形成さ
れた圧電素子２が貼付され、下面の中央部には加速度を
可撓性を持った円盤状の基板１の歪みに置換するための
重錘体７が貼付されている。
【０００４】加速度により重錘体と可撓部材の相対位置
がずれることで可撓部材に貼付してある圧電素子が歪
み、電荷が発生する。電荷は表面に形成してある電極で
集められ、ある電位（電圧）として計測される。本明細
書では電極に発生する電荷と表現する。圧電素子は歪み
量により発生する電荷の量が変わる。また圧電素子の面
積や体積によっても発生する電荷の量が変わる。
がずれることで可撓部材に貼付してある圧電素子が歪
み、電荷が発生する。電荷は表面に形成してある電極で
集められ、ある電位（電圧）として計測される。本明細
書では電極に発生する電荷と表現する。圧電素子は歪み
量により発生する電荷の量が変わる。また圧電素子の面
積や体積によっても発生する電荷の量が変わる。
【０００５】先出の特開平５ー２６７４４号は、圧電素
子を用いた力センサにおいて、板状の圧電素子と、この
圧電素子の上面に形成された上部電極と、この圧電素子
の下面に形成された下部電極と、によって構成される検
出子を４組用意し、可撓性をもった基板内の一点に原点
を定義し、この原点を通りかつ基板面に平行な方向にＸ
軸を定義し、用意した４組の検出子のうちの２組をＸ軸
の正の側に、他の２組を負の側に、それぞれＸ軸に沿っ
て並べて配置し、各検出子の一方の電極を基板に固定
し、基板外側の周囲部分をセンサ筐体に固定し、外部か
ら作用する物理量に基づいて発生した力を、原点に伝達
する機能を有する作用体を形成し、この作用体に発生し
た力を４組の検出子の各電極に発生する電荷に基づいて
検出するようにしたものであり、外部から与えられる加
速度に基づいて作用体に力を発生させることにより加速
度が検出できる。図２はＸ軸方向に４組、Ｙ軸方向に４
組の検出子を配置した例である。このように電極を配置
することでＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸の３軸方向の加速度を検出
することができる。
子を用いた力センサにおいて、板状の圧電素子と、この
圧電素子の上面に形成された上部電極と、この圧電素子
の下面に形成された下部電極と、によって構成される検
出子を４組用意し、可撓性をもった基板内の一点に原点
を定義し、この原点を通りかつ基板面に平行な方向にＸ
軸を定義し、用意した４組の検出子のうちの２組をＸ軸
の正の側に、他の２組を負の側に、それぞれＸ軸に沿っ
て並べて配置し、各検出子の一方の電極を基板に固定
し、基板外側の周囲部分をセンサ筐体に固定し、外部か
ら作用する物理量に基づいて発生した力を、原点に伝達
する機能を有する作用体を形成し、この作用体に発生し
た力を４組の検出子の各電極に発生する電荷に基づいて
検出するようにしたものであり、外部から与えられる加
速度に基づいて作用体に力を発生させることにより加速
度が検出できる。図２はＸ軸方向に４組、Ｙ軸方向に４
組の検出子を配置した例である。このように電極を配置
することでＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸の３軸方向の加速度を検出
することができる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】３軸方向の加速度を検
出するためには、たとえば従来例のように検出電極の形
状を複雑に形成しなければならない。従って加工精度、
組立精度の影響を受け各軸間の検出感度が異なる。一般
的には電極をトリミングしたり、検出回路に各軸の出力
ゲインを調整する回路を設けて調整することで各軸間の
検出感度の補正を行う。電極は通常は感度を上げるため
にできるだけ大きく形成される。従って、電極を大きく
するトリミングは困難で、たとえば、レーザ光線を照射
して、電極面積を小さくする方法で行われる。このた
め、電極をトリミングすると検出感度が低下する。ま
た、回路でゲインを上げて補正すると、ノイズがのりや
すく検出精度が低下しやすい。調整時間が長くなり、加
えて回路構成も複雑になるため部品点数も増え、安価に
製造できない。また小型化するためにもより大きな検出
出力を得たい。次にＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸の３軸方向の共振
周波数が異なる場合、加速度センサとして使用できる周
波数帯域幅が共振周波数の低い軸によって決まってしま
う。加速度センサとしては３軸の周波数帯域幅が同じで
あることが望ましい。本発明は、重錘体が各軸方向に振
れる共振周波数の差を共振周波数に対して１０％以下に
することで課題を解決しようとするものである。
出するためには、たとえば従来例のように検出電極の形
状を複雑に形成しなければならない。従って加工精度、
組立精度の影響を受け各軸間の検出感度が異なる。一般
的には電極をトリミングしたり、検出回路に各軸の出力
ゲインを調整する回路を設けて調整することで各軸間の
検出感度の補正を行う。電極は通常は感度を上げるため
にできるだけ大きく形成される。従って、電極を大きく
するトリミングは困難で、たとえば、レーザ光線を照射
して、電極面積を小さくする方法で行われる。このた
め、電極をトリミングすると検出感度が低下する。ま
た、回路でゲインを上げて補正すると、ノイズがのりや
すく検出精度が低下しやすい。調整時間が長くなり、加
えて回路構成も複雑になるため部品点数も増え、安価に
製造できない。また小型化するためにもより大きな検出
出力を得たい。次にＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸の３軸方向の共振
周波数が異なる場合、加速度センサとして使用できる周
波数帯域幅が共振周波数の低い軸によって決まってしま
う。加速度センサとしては３軸の周波数帯域幅が同じで
あることが望ましい。本発明は、重錘体が各軸方向に振
れる共振周波数の差を共振周波数に対して１０％以下に
することで課題を解決しようとするものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】本発明は従来の加速度セ
ンサの課題を解決するためのものであり、小型軽量で、
高感度、高精度な３軸方向の加速度が検出できる加速度
センサを提供する。
ンサの課題を解決するためのものであり、小型軽量で、
高感度、高精度な３軸方向の加速度が検出できる加速度
センサを提供する。
【０００８】板状の可撓部材と、該可撓部材の表面に貼
付される電極を設けた圧電素子と、該可撓部材に直接ま
たは間接的に貼付される重錘体と、該可撓部材の外周を
直接または間接的に支持する支持部材を有する加速度セ
ンサにおいて、板状の可撓部材の内部に原点を定義し、
この原点を通り該可撓部材の平面に平行な方向にＸ軸
を、原点においてＸ軸と直交し、かつ、該可撓部材の平
面に平行な方向にＹ軸を、原点を通り、かつ、該可撓部
材の平面に垂直な方向にＺ軸をそれぞれ定義したとき、
前記重錘体がＸ軸方向に振れる共振周波数と、Ｙ軸方向
に振れる共振周波数と、Ｚ軸方向に振れる共振周波数と
の差を共振周波数に対して１０％以下にする。各軸の共
振周波数を等しくしてなおかつ電荷の発生する量が同じ
になるように電極を配置すると良い。
付される電極を設けた圧電素子と、該可撓部材に直接ま
たは間接的に貼付される重錘体と、該可撓部材の外周を
直接または間接的に支持する支持部材を有する加速度セ
ンサにおいて、板状の可撓部材の内部に原点を定義し、
この原点を通り該可撓部材の平面に平行な方向にＸ軸
を、原点においてＸ軸と直交し、かつ、該可撓部材の平
面に平行な方向にＹ軸を、原点を通り、かつ、該可撓部
材の平面に垂直な方向にＺ軸をそれぞれ定義したとき、
前記重錘体がＸ軸方向に振れる共振周波数と、Ｙ軸方向
に振れる共振周波数と、Ｚ軸方向に振れる共振周波数と
の差を共振周波数に対して１０％以下にする。各軸の共
振周波数を等しくしてなおかつ電荷の発生する量が同じ
になるように電極を配置すると良い。
【０００９】
【発明の実施の形態】本発明を図面に基づき詳細に説明
する。図３は本発明の第一実施例で上面図である。図４
は本発明の第一実施例で正面断面図である。図の如く円
板状の可撓部材２１の内部に原点２２を定義し、原点２
２を通り可撓部材２１の平面に平行な方向にＸ軸を、原
点２２においてＸ軸と直交し、かつ、可撓部材２１の平
面に平行な方向にＹ軸を、原点２２を通り、かつ、可撓
部材２１の平面に垂直な方向にＺ軸をそれぞれ定義す
る。
する。図３は本発明の第一実施例で上面図である。図４
は本発明の第一実施例で正面断面図である。図の如く円
板状の可撓部材２１の内部に原点２２を定義し、原点２
２を通り可撓部材２１の平面に平行な方向にＸ軸を、原
点２２においてＸ軸と直交し、かつ、可撓部材２１の平
面に平行な方向にＹ軸を、原点２２を通り、かつ、可撓
部材２１の平面に垂直な方向にＺ軸をそれぞれ定義す
る。
【００１０】円板状の可撓部材２１の上面には圧電素子
２３が、その面上中心とＺ軸とが一致するように貼付さ
れている。可撓部材２１の下面には円柱形をした重錘体
２４が、その中心軸とＺ軸とが一致するように貼付され
ている。可撓部材２１と圧電素子２３と重錘体２４とで
センサ部２０が構成される。また、可撓部材２１は外周
部分を支持部材２５で支持されている。支持部材２５に
は円状の貫通穴２５ａと、貫通穴２５ａと同心で半径が
大きい沈み部２５ｂが設けられている。ここで、貫通穴
２５ａ、沈み部２５ｂの中心軸はＺ軸と一致している。
沈み部２５ｂで可撓部材２１は位置決めされ支持され
る。
２３が、その面上中心とＺ軸とが一致するように貼付さ
れている。可撓部材２１の下面には円柱形をした重錘体
２４が、その中心軸とＺ軸とが一致するように貼付され
ている。可撓部材２１と圧電素子２３と重錘体２４とで
センサ部２０が構成される。また、可撓部材２１は外周
部分を支持部材２５で支持されている。支持部材２５に
は円状の貫通穴２５ａと、貫通穴２５ａと同心で半径が
大きい沈み部２５ｂが設けられている。ここで、貫通穴
２５ａ、沈み部２５ｂの中心軸はＺ軸と一致している。
沈み部２５ｂで可撓部材２１は位置決めされ支持され
る。
【００１１】圧電素子２３の上面には扇形をした４個の
検出電極２６が、Ｘ軸、Ｙ軸上で、かつ、Ｘ軸、Ｙ軸に
対して軸対称に形成されている。検出電極２６の円周部
は、Ｚ軸方向に力を加えたときに応力がゼロとなるライ
ン２７の内側に設けられている。さらに圧電素子２３の
上面には円環状をした検出電極２８が、ライン２７より
外側に設けられている。このように形成することで、３
軸方向の検出感度をほぼ等しくすることができる。圧電
素子２３の下面にはほぼ全面に電極２９が形成されてい
る。電極２９から４個の引き出し電極２９ａが圧電素子
２３の上面に引き出されている。
検出電極２６が、Ｘ軸、Ｙ軸上で、かつ、Ｘ軸、Ｙ軸に
対して軸対称に形成されている。検出電極２６の円周部
は、Ｚ軸方向に力を加えたときに応力がゼロとなるライ
ン２７の内側に設けられている。さらに圧電素子２３の
上面には円環状をした検出電極２８が、ライン２７より
外側に設けられている。このように形成することで、３
軸方向の検出感度をほぼ等しくすることができる。圧電
素子２３の下面にはほぼ全面に電極２９が形成されてい
る。電極２９から４個の引き出し電極２９ａが圧電素子
２３の上面に引き出されている。
【００１２】可撓部材２１はスーパーインバー材を用い
た。重錘体２４はステンレス材（ＳＵＳ３０３）を用い
た。支持部材２５は金属材料を用いた。圧電素子２３は
圧電セラミックスであるＰＺＴを用い、電極は蒸着によ
りＡｇ−Ｃｒ合金で形成した。スパッタ、スクリーン印
刷等の方法で電極を形成してもかまわない。可撓部材２
１と圧電素子２３はエポキシ系の接着剤で接合した。可
撓部材２１と重錘体２４もエポキシ系の接着剤より固定
したが、溶接等の方法で固定してもかまわない。可撓部
材２１と支持部材２５は接着剤で固定した。部材の材質
は所定の機能を満たすものであればこれらに限定される
ものではない。好ましくは、熱膨張率の近い材質を選ぶ
と良い。
た。重錘体２４はステンレス材（ＳＵＳ３０３）を用い
た。支持部材２５は金属材料を用いた。圧電素子２３は
圧電セラミックスであるＰＺＴを用い、電極は蒸着によ
りＡｇ−Ｃｒ合金で形成した。スパッタ、スクリーン印
刷等の方法で電極を形成してもかまわない。可撓部材２
１と圧電素子２３はエポキシ系の接着剤で接合した。可
撓部材２１と重錘体２４もエポキシ系の接着剤より固定
したが、溶接等の方法で固定してもかまわない。可撓部
材２１と支持部材２５は接着剤で固定した。部材の材質
は所定の機能を満たすものであればこれらに限定される
ものではない。好ましくは、熱膨張率の近い材質を選ぶ
と良い。
【００１３】加速度センサに加速度が作用すると慣性力
により重錘体２４が移動することでセンサ部２０が変形
し検出電極２６、２８に電荷が発生する。図示していな
い検出回路と検出電極２６、２８および基準電位となる
電極２９（引き出し電極２９ａ）とがリード線により接
続されているため、４個の検出電極２６と検出電極２８
に発生する電荷の量により加速度の方向と大きさが検出
できる。
により重錘体２４が移動することでセンサ部２０が変形
し検出電極２６、２８に電荷が発生する。図示していな
い検出回路と検出電極２６、２８および基準電位となる
電極２９（引き出し電極２９ａ）とがリード線により接
続されているため、４個の検出電極２６と検出電極２８
に発生する電荷の量により加速度の方向と大きさが検出
できる。
【００１４】第一実施例では、圧電素子２３の上面に形
成されている電極の分極の向きをＺ軸方向で同じ向きに
してある。図５は加速度センサにＸ軸プラス方向の加速
度が加わった状態を示す断面図である。（電極は省略し
てある。）図６は加速度センサにＸ軸マイナス方向の加
速度が加わった状態を示す断面図である。（電極は省略
してある。）加速度センサにＸ軸マイナス方向の加速度
が加わった場合は、重錘体２４の振れる方向が図５と逆
方向となる。加速度センサにＸ軸プラス方向の加速度が
加わった場合では、検出電極２６ａに発生する電荷はプ
ラス、検出電極２６ｂに発生する電荷はプラスとマイナ
スが相殺されてゼロ（以下、各検出電極に発生する電荷
がゼロとなるものはこの理由による）、検出電極２６ｃ
に発生する電荷はマイナス、検出電極２６ｄに発生する
電荷はゼロ、検出電極２８に発生する電荷はゼロとな
る。ここで、検出電極２６はＸ軸、Ｙ軸上で、かつ、Ｘ
軸、Ｙ軸に対して対称であるので、２６ａと２６ｃに発
生するの電荷は、符号は逆で大きさが等しくなる。検出
電極２６ａと検出電極２６ｃに発生する電荷を差動増幅
することでＸ軸方向の加速度の大きさと向きを検出す
る。加速度センサにＸ軸マイナス方向の加速度が加わっ
た場合では、検出電極２６ａに発生する電荷はマイナ
ス、検出電極２６ｂに発生する電荷はゼロ、検出電極２
６ｃに発生する電荷はプラス、検出電極２６ｄに発生す
る電荷はゼロ、検出電極２８に発生する電荷はゼロとな
る。検出電極２６ａと検出電極２６ｃに発生した電荷を
差動増幅した結果は加速度センサにＸ軸プラス方向の加
速度が加わった場合と符号が逆になり、加わった加速度
の向きを特定できる。
成されている電極の分極の向きをＺ軸方向で同じ向きに
してある。図５は加速度センサにＸ軸プラス方向の加速
度が加わった状態を示す断面図である。（電極は省略し
てある。）図６は加速度センサにＸ軸マイナス方向の加
速度が加わった状態を示す断面図である。（電極は省略
してある。）加速度センサにＸ軸マイナス方向の加速度
が加わった場合は、重錘体２４の振れる方向が図５と逆
方向となる。加速度センサにＸ軸プラス方向の加速度が
加わった場合では、検出電極２６ａに発生する電荷はプ
ラス、検出電極２６ｂに発生する電荷はプラスとマイナ
スが相殺されてゼロ（以下、各検出電極に発生する電荷
がゼロとなるものはこの理由による）、検出電極２６ｃ
に発生する電荷はマイナス、検出電極２６ｄに発生する
電荷はゼロ、検出電極２８に発生する電荷はゼロとな
る。ここで、検出電極２６はＸ軸、Ｙ軸上で、かつ、Ｘ
軸、Ｙ軸に対して対称であるので、２６ａと２６ｃに発
生するの電荷は、符号は逆で大きさが等しくなる。検出
電極２６ａと検出電極２６ｃに発生する電荷を差動増幅
することでＸ軸方向の加速度の大きさと向きを検出す
る。加速度センサにＸ軸マイナス方向の加速度が加わっ
た場合では、検出電極２６ａに発生する電荷はマイナ
ス、検出電極２６ｂに発生する電荷はゼロ、検出電極２
６ｃに発生する電荷はプラス、検出電極２６ｄに発生す
る電荷はゼロ、検出電極２８に発生する電荷はゼロとな
る。検出電極２６ａと検出電極２６ｃに発生した電荷を
差動増幅した結果は加速度センサにＸ軸プラス方向の加
速度が加わった場合と符号が逆になり、加わった加速度
の向きを特定できる。
【００１５】加速度センサにＹ軸方向の加速度が加わっ
た場合について説明する。加速度センサにＹ軸プラス方
向に加速度が加わった場合、検出電極２６ａに発生する
電荷はゼロ、検出電極２６ｂに発生する電荷はプラス、
検出電極２６ｃに発生する電荷はゼロ、検出電極２６ｄ
に発生する電荷はマイナス、検出電極２８に発生する電
荷はゼロとなる。ここで、検出電極２６はＸ軸、Ｙ軸上
で、かつ、Ｘ軸、Ｙ軸に対して対称であるので、２６ｂ
と２６ｄに発生するの電荷は、符号は逆で大きさが等し
くなる。検出電極２６ｂと検出電極２６ｄに発生する電
荷を差動増幅することでＹ軸方向の加速度の大きさと向
きを検出する。加速度センサにＹ軸マイナス方向の加速
度が加わった場合では、検出電極２６ａに発生する電荷
はゼロ、検出電極２６ｂに発生する電荷はマイナス、検
出電極２６ｃに発生する電荷はゼロ、検出電極２６ｄに
発生する電荷はプラス、検出電極２８に発生する電荷は
ゼロとなる。検出電極２６ａと検出電極２６ｃに発生し
た電荷を差動増幅した結果は加速度センサにＹ軸プラス
方向の加速度が加わった場合と符号が逆になり、加わっ
た加速度の向きを特定できる。
た場合について説明する。加速度センサにＹ軸プラス方
向に加速度が加わった場合、検出電極２６ａに発生する
電荷はゼロ、検出電極２６ｂに発生する電荷はプラス、
検出電極２６ｃに発生する電荷はゼロ、検出電極２６ｄ
に発生する電荷はマイナス、検出電極２８に発生する電
荷はゼロとなる。ここで、検出電極２６はＸ軸、Ｙ軸上
で、かつ、Ｘ軸、Ｙ軸に対して対称であるので、２６ｂ
と２６ｄに発生するの電荷は、符号は逆で大きさが等し
くなる。検出電極２６ｂと検出電極２６ｄに発生する電
荷を差動増幅することでＹ軸方向の加速度の大きさと向
きを検出する。加速度センサにＹ軸マイナス方向の加速
度が加わった場合では、検出電極２６ａに発生する電荷
はゼロ、検出電極２６ｂに発生する電荷はマイナス、検
出電極２６ｃに発生する電荷はゼロ、検出電極２６ｄに
発生する電荷はプラス、検出電極２８に発生する電荷は
ゼロとなる。検出電極２６ａと検出電極２６ｃに発生し
た電荷を差動増幅した結果は加速度センサにＹ軸プラス
方向の加速度が加わった場合と符号が逆になり、加わっ
た加速度の向きを特定できる。
【００１６】図７は加速度センサにＺ軸プラス方向の加
速度が加わった状態を示す断面図である。（電極は省略
してある。）図８は加速度センサにＺ軸マイナス方向の
加速度が加わった状態を示す断面図である。（電極は省
略してある。）加速度センサにＺ軸マイナス方向の加速
度が加わった場合は、重錘体２４の振れる方向が図７と
逆方向となる。加速度センサにＺ軸プラス方向の加速度
が加わった場合、検出電極２６ａ〜２６ｄに発生する電
荷はプラス、検出電極２８に発生する電荷はマイナスと
なる。ここで、検出電極２６はＸ軸、Ｙ軸上で、かつ、
Ｘ軸、Ｙ軸に対して対称であるので、２６ａ〜２６ｄに
発生するの電荷は、符号が同じで大きさも等しくなる。
検出電極２６ａと検出電極２６ｃ、検出電極２６ｂと検
出電極２６ｄに発生する電荷を差動増幅するためＸ軸、
Ｙ軸方向に関する検出出力はゼロとなる。加速度センサ
にＺ軸マイナス方向の加速度が加わった場合では、検出
電極２６ａ〜２６ｄに発生する電荷はマイナス、検出電
極２８に発生する電荷はプラスとなる。検出電極２６ａ
と検出電極２６ｃ、検出電極２６ｂと検出電極２６ｄに
発生する電荷を差動増幅するためＸ軸、Ｙ軸方向に関す
る検出出力はゼロとなる。検出電極２８に発生する電荷
の符号と大きさでＺ軸方向の加速度の向きと大きさが検
出できる。
速度が加わった状態を示す断面図である。（電極は省略
してある。）図８は加速度センサにＺ軸マイナス方向の
加速度が加わった状態を示す断面図である。（電極は省
略してある。）加速度センサにＺ軸マイナス方向の加速
度が加わった場合は、重錘体２４の振れる方向が図７と
逆方向となる。加速度センサにＺ軸プラス方向の加速度
が加わった場合、検出電極２６ａ〜２６ｄに発生する電
荷はプラス、検出電極２８に発生する電荷はマイナスと
なる。ここで、検出電極２６はＸ軸、Ｙ軸上で、かつ、
Ｘ軸、Ｙ軸に対して対称であるので、２６ａ〜２６ｄに
発生するの電荷は、符号が同じで大きさも等しくなる。
検出電極２６ａと検出電極２６ｃ、検出電極２６ｂと検
出電極２６ｄに発生する電荷を差動増幅するためＸ軸、
Ｙ軸方向に関する検出出力はゼロとなる。加速度センサ
にＺ軸マイナス方向の加速度が加わった場合では、検出
電極２６ａ〜２６ｄに発生する電荷はマイナス、検出電
極２８に発生する電荷はプラスとなる。検出電極２６ａ
と検出電極２６ｃ、検出電極２６ｂと検出電極２６ｄに
発生する電荷を差動増幅するためＸ軸、Ｙ軸方向に関す
る検出出力はゼロとなる。検出電極２８に発生する電荷
の符号と大きさでＺ軸方向の加速度の向きと大きさが検
出できる。
【００１７】図９はＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸方向の共振周波数
が離れている場合の周波数と出力電圧の関係を示したグ
ラフである。図１０はＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸方向の共振周波
数の差が共振周波数に対して３％以下の場合の周波数と
出力電圧の関係を示したグラフである。図９のグラフ、
図１０のグラフは共に実験により求めたものである。共
振周波数の調整は重錘体２４の長さと圧電素子２３の厚
さを調整することで行った。共振周波数による影響をよ
り明らかにするために、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸方向の検出電
極に発生する電荷量がほぼ等しくなるように検出電極を
形成した。検出電極の形状は有限要素法解析により求め
た。加速度センサに同じ大きさの加速度を加えて、圧電
素子２３に生じる応力の分布を求める。同じ応力値を示
す部分の面積と、その応力値との積を計算する。検出電
極に分布する各応力値について同じ計算をし、それらの
和を求める。するとその検出電極に発生する電荷の量が
わかる。前述の計算を検出電極２６ａ〜２６ｄ、検出電
極２８について行う。Ｘ軸方向の加速度の検出に関係す
る検出電極２６ａ、２６ｃの電荷量の和と、Ｙ軸方向の
加速度の検出に関係する検出電極２６ｂ、２６ｄの電荷
量の和と、Ｚ軸方向の加速度の検出に関係する検出電極
２８の電荷量が等しくなるように形状を決めた。また、
実験は１Ｇ（Ｇは重力加速度）の加速度を各軸方向に加
えて行った。
が離れている場合の周波数と出力電圧の関係を示したグ
ラフである。図１０はＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸方向の共振周波
数の差が共振周波数に対して３％以下の場合の周波数と
出力電圧の関係を示したグラフである。図９のグラフ、
図１０のグラフは共に実験により求めたものである。共
振周波数の調整は重錘体２４の長さと圧電素子２３の厚
さを調整することで行った。共振周波数による影響をよ
り明らかにするために、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸方向の検出電
極に発生する電荷量がほぼ等しくなるように検出電極を
形成した。検出電極の形状は有限要素法解析により求め
た。加速度センサに同じ大きさの加速度を加えて、圧電
素子２３に生じる応力の分布を求める。同じ応力値を示
す部分の面積と、その応力値との積を計算する。検出電
極に分布する各応力値について同じ計算をし、それらの
和を求める。するとその検出電極に発生する電荷の量が
わかる。前述の計算を検出電極２６ａ〜２６ｄ、検出電
極２８について行う。Ｘ軸方向の加速度の検出に関係す
る検出電極２６ａ、２６ｃの電荷量の和と、Ｙ軸方向の
加速度の検出に関係する検出電極２６ｂ、２６ｄの電荷
量の和と、Ｚ軸方向の加速度の検出に関係する検出電極
２８の電荷量が等しくなるように形状を決めた。また、
実験は１Ｇ（Ｇは重力加速度）の加速度を各軸方向に加
えて行った。
【００１８】図９で用いた加速度センサのディメンジョ
ン等を次に示す。可撓部材２１は直径が２０ｍｍで厚さ
が０．１ｍｍのスーパーインバー材、圧電素子２３は直
径２０ｍｍで厚さが０．１６ｍｍのＰＺＴ、支持部材２
５は貫通穴２５ａの直径が１９ｍｍで厚さが６ｍｍのＳ
ＵＳ３０３、重錘体２４は直径が４ｍｍで長さが５ｍｍ
のＳＵＳ３０３を用いた。このときのＸ軸方向の共振周
波数は３７５９Ｈｚ、Ｙ軸方向の共振周波数は３７６６
Ｈｚ、Ｚ軸方向の共振周波数は２７７３Ｈｚである。
ン等を次に示す。可撓部材２１は直径が２０ｍｍで厚さ
が０．１ｍｍのスーパーインバー材、圧電素子２３は直
径２０ｍｍで厚さが０．１６ｍｍのＰＺＴ、支持部材２
５は貫通穴２５ａの直径が１９ｍｍで厚さが６ｍｍのＳ
ＵＳ３０３、重錘体２４は直径が４ｍｍで長さが５ｍｍ
のＳＵＳ３０３を用いた。このときのＸ軸方向の共振周
波数は３７５９Ｈｚ、Ｙ軸方向の共振周波数は３７６６
Ｈｚ、Ｚ軸方向の共振周波数は２７７３Ｈｚである。
【００１９】図１０で用いた加速度センサのディメンジ
ョン等を次に示す。可撓部材２１は直径が２０ｍｍで厚
さが０．１ｍｍのスーパーインバー材、圧電素子２３は
直径２０ｍｍで厚さが０．２ｍｍのＰＺＴ、支持部材２
５は貫通穴２５ａの直径が１９ｍｍで厚さが６ｍｍのＳ
ＵＳ３０３、重錘体２４は直径が４ｍｍで長さが７ｍｍ
のＳＵＳ３０３を用いた。このときのＸ軸方向の共振周
波数は２８９０Ｈｚ、Ｙ軸方向の共振周波数は２８９１
Ｈｚ、Ｚ軸方向の共振周波数は２８０７Ｈｚである。
ョン等を次に示す。可撓部材２１は直径が２０ｍｍで厚
さが０．１ｍｍのスーパーインバー材、圧電素子２３は
直径２０ｍｍで厚さが０．２ｍｍのＰＺＴ、支持部材２
５は貫通穴２５ａの直径が１９ｍｍで厚さが６ｍｍのＳ
ＵＳ３０３、重錘体２４は直径が４ｍｍで長さが７ｍｍ
のＳＵＳ３０３を用いた。このときのＸ軸方向の共振周
波数は２８９０Ｈｚ、Ｙ軸方向の共振周波数は２８９１
Ｈｚ、Ｚ軸方向の共振周波数は２８０７Ｈｚである。
【００２０】図９、図１０のグラフより、Ｘ軸、Ｙ軸、
Ｚ軸方向の共振周波数の差が小さいとＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸
方向の出力電圧がほぼ等しくなることがわかる。実験の
結果では、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸方向の共振周波数の差が共
振周波数に対して１０％以下であれば十分に出力電圧が
等しくなるが、好ましくは５％以下、最も好ましくは３
％以下であることが望ましい。これより、各軸の検出回
路が簡単になり、調整も短時間でできるようになる。共
振周波数の調整は重錘体２４の長さと圧電素子２３の厚
さを調整することで行ったが、他の部材のディメンジョ
ンを変えて行っても良い。加速度センサにおいては、同
じ大きさの加速度が加わったときに、広い周波数帯域で
出力電圧が一定であることが望ましい。そのためには、
ある程度、各軸方向の共振周波数を高く設定すると良
い。特に共振周波数の付近では、出力電圧の変動が大き
くなるため、一般的にはそれより低い周波数帯で使用す
ることになる。ところが、図９に示した例では、Ｘ軸、
Ｙ軸方向の共振周波数は高いが、Ｚ軸方向の共振周波数
は低いため、結果的にはＺ軸方向の共振周波数より低い
周波数帯での使用となる。従って、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸方
向の共振周波数はできるだけ同じに設定し、かつ、共振
周波数が高くなるようにディメンジョンを設定するのが
好ましい。
Ｚ軸方向の共振周波数の差が小さいとＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸
方向の出力電圧がほぼ等しくなることがわかる。実験の
結果では、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸方向の共振周波数の差が共
振周波数に対して１０％以下であれば十分に出力電圧が
等しくなるが、好ましくは５％以下、最も好ましくは３
％以下であることが望ましい。これより、各軸の検出回
路が簡単になり、調整も短時間でできるようになる。共
振周波数の調整は重錘体２４の長さと圧電素子２３の厚
さを調整することで行ったが、他の部材のディメンジョ
ンを変えて行っても良い。加速度センサにおいては、同
じ大きさの加速度が加わったときに、広い周波数帯域で
出力電圧が一定であることが望ましい。そのためには、
ある程度、各軸方向の共振周波数を高く設定すると良
い。特に共振周波数の付近では、出力電圧の変動が大き
くなるため、一般的にはそれより低い周波数帯で使用す
ることになる。ところが、図９に示した例では、Ｘ軸、
Ｙ軸方向の共振周波数は高いが、Ｚ軸方向の共振周波数
は低いため、結果的にはＺ軸方向の共振周波数より低い
周波数帯での使用となる。従って、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸方
向の共振周波数はできるだけ同じに設定し、かつ、共振
周波数が高くなるようにディメンジョンを設定するのが
好ましい。
【００２１】第一実施例では図４の如く重錘体２４が貼
付され固定されているが、圧電素子２３の上面側に貼付
してもかまわない。その際に重錘体２４により検出電極
２６が短絡しないように絶縁する必要がある。また電気
的に短絡しないように構成すれば圧電素子２３の外周部
分を支持部材で支持してもかまわない。
付され固定されているが、圧電素子２３の上面側に貼付
してもかまわない。その際に重錘体２４により検出電極
２６が短絡しないように絶縁する必要がある。また電気
的に短絡しないように構成すれば圧電素子２３の外周部
分を支持部材で支持してもかまわない。
【００２２】
【発明の効果】本発明は前記のような構成にすることで
次のような効果が生じる。 １ Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸方向の共振周波数の差を共振周波
数に対して１０％以下にすることで、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸
方向の検出感度がほぼ等しくなる。 ２ 各軸間の検出感度が等しくなるため、検出回路が簡
単になる。 ３ 回路調整の時間が短縮され安価に製造できる。 ４ 回路の構成が簡単になるため小型化できる。
次のような効果が生じる。 １ Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸方向の共振周波数の差を共振周波
数に対して１０％以下にすることで、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸
方向の検出感度がほぼ等しくなる。 ２ 各軸間の検出感度が等しくなるため、検出回路が簡
単になる。 ３ 回路調整の時間が短縮され安価に製造できる。 ４ 回路の構成が簡単になるため小型化できる。
【図１】図１は従来技術による加速度センサで正面断面
図。
図。
【図２】図２は従来技術による加速度センサで圧電素子
側から見た平面図。
側から見た平面図。
【図３】本発明に係る加速度センサの第一実施例で上面
図。
図。
【図４】本発明に係る加速度センサの第一実施例で正面
断面図。
断面図。
【図５】本発明に係る加速度センサの第一実施例で加速
度センサにＸ軸プラス方向の加速度が加わった状態を示
す一部断面をとった正面図。
度センサにＸ軸プラス方向の加速度が加わった状態を示
す一部断面をとった正面図。
【図６】本発明に係る加速度センサの第一実施例で加速
度センサにＸ軸マイナス方向の加速度が加わった状態を
示す一部断面をとった正面図。
度センサにＸ軸マイナス方向の加速度が加わった状態を
示す一部断面をとった正面図。
【図７】本発明に係る加速度センサの第一実施例で加速
度センサにＺ軸プラス方向の加速度が加わった状態を示
す一部断面をとった正面図。
度センサにＺ軸プラス方向の加速度が加わった状態を示
す一部断面をとった正面図。
【図８】本発明に係る加速度センサの第一実施例で加速
度センサにＺ軸マイナス方向の加速度が加わった状態を
示す一部断面をとった正面図。
度センサにＺ軸マイナス方向の加速度が加わった状態を
示す一部断面をとった正面図。
【図９】本発明に係る加速度センサの第一実施例で周波
数と出力電圧の関係を示すグラフ。
数と出力電圧の関係を示すグラフ。
【図１０】本発明に係る加速度センサの第一実施例で周
波数と出力電圧の関係を示すグラフ。
波数と出力電圧の関係を示すグラフ。
１ 基板 ２ 圧電素子 ３ 検出電極 ４ 検出電極 ５ 検出電極 ６ 検出電極 ７ 重錘体 ２０ センサ部 ２１ 可撓部材 ２２ 原点 ２３ 圧電素子 ２４ 重錘体 ２５ 支持部材 ２５ａ 貫通穴 ２５ｂ 沈み部 ２６ 検出電極 ２６ａ 検出電極 ２６ｂ 検出電極 ２６ｃ 検出電極 ２６ｄ 検出電極 ２７ ライン ２８ 検出電極 ２９ 電極 ２９ａ 引き出し電極
フロントページの続き (72)発明者 畠山 稔 長野県北佐久郡御代田町大字御代田4107番 地５ ミヨタ株式会社内 (72)発明者 半田 正人 長野県北佐久郡御代田町大字御代田4107番 地５ ミヨタ株式会社内 (72)発明者 岡田 恵也 長野県北佐久郡御代田町大字御代田4107番 地５ ミヨタ株式会社内
Claims (1)
- 【請求項１】 板状の可撓部材と、該可撓部材の表面に
貼付される電極を設けた圧電素子と、該可撓部材に直接
または間接的に貼付される重錘体と、該可撓部材の外周
を直接または間接的に支持する支持部材を有する加速度
センサにおいて、板状の可撓部材の内部に原点を定義
し、この原点を通り該可撓部材の平面に平行な方向にＸ
軸を、原点においてＸ軸と直交し、かつ、該可撓部材の
平面に平行な方向にＹ軸を、原点を通り、かつ、該可撓
部材の平面に垂直な方向にＺ軸をそれぞれ定義したと
き、前記重錘体がＸ軸方向に振れる共振周波数と、Ｙ軸
方向に振れる共振周波数と、Ｚ軸方向に振れる共振周波
数との差が共振周波数に対して１０％以下であることを
特徴とする加速度センサ。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP8353073A JPH10170538A (ja) | 1996-12-13 | 1996-12-13 | 加速度センサ |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP8353073A JPH10170538A (ja) | 1996-12-13 | 1996-12-13 | 加速度センサ |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH10170538A true JPH10170538A (ja) | 1998-06-26 |
Family
ID=18428381
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP8353073A Pending JPH10170538A (ja) | 1996-12-13 | 1996-12-13 | 加速度センサ |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH10170538A (ja) |
Cited By (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2003285612A (ja) * | 2001-07-10 | 2003-10-07 | Soc D Technologie Michelin | 測定装置を備えたタイヤ |
| CN103604949A (zh) * | 2013-11-20 | 2014-02-26 | 中国工程物理研究院电子工程研究所 | 一种环状压电式微加速度传感器 |
| CN103604950A (zh) * | 2013-11-20 | 2014-02-26 | 中国工程物理研究院电子工程研究所 | 一种压电式微加速度传感器 |
| US20210382085A1 (en) * | 2020-06-09 | 2021-12-09 | Infineon Technologies Ag | Combined corrugated piezoelectric microphone and corrugated piezoelectric vibration sensor |
| US20210385584A1 (en) * | 2020-06-09 | 2021-12-09 | Infineon Technologies Ag | Combined corrugated piezoelectric microphone and corrugated piezoelectric vibration sensor |
| US11691871B2 (en) | 2021-06-18 | 2023-07-04 | Infineon Technologies Ag | Microelectromechanical system (MEMS) vibration sensor having a segmented backplate |
-
1996
- 1996-12-13 JP JP8353073A patent/JPH10170538A/ja active Pending
Cited By (9)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2003285612A (ja) * | 2001-07-10 | 2003-10-07 | Soc D Technologie Michelin | 測定装置を備えたタイヤ |
| CN103604949A (zh) * | 2013-11-20 | 2014-02-26 | 中国工程物理研究院电子工程研究所 | 一种环状压电式微加速度传感器 |
| CN103604950A (zh) * | 2013-11-20 | 2014-02-26 | 中国工程物理研究院电子工程研究所 | 一种压电式微加速度传感器 |
| US20210382085A1 (en) * | 2020-06-09 | 2021-12-09 | Infineon Technologies Ag | Combined corrugated piezoelectric microphone and corrugated piezoelectric vibration sensor |
| US20210385584A1 (en) * | 2020-06-09 | 2021-12-09 | Infineon Technologies Ag | Combined corrugated piezoelectric microphone and corrugated piezoelectric vibration sensor |
| US11611835B2 (en) * | 2020-06-09 | 2023-03-21 | Infineon Technologies Ag | Combined corrugated piezoelectric microphone and corrugated piezoelectric vibration sensor |
| US11693021B2 (en) * | 2020-06-09 | 2023-07-04 | Infineon Technologies Ag | Combined corrugated piezoelectric microphone and corrugated piezoelectric vibration sensor |
| US11962973B2 (en) | 2020-06-09 | 2024-04-16 | Infineon Technologies Ag | Combined corrugated piezoelectric microphone and corrugated piezoelectric vibration sensor |
| US11691871B2 (en) | 2021-06-18 | 2023-07-04 | Infineon Technologies Ag | Microelectromechanical system (MEMS) vibration sensor having a segmented backplate |
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